JP3946092B2

JP3946092B2 - 周期分極反転構造の形成方法

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Publication number: JP3946092B2
Application number: JP2002184969A
Authority: JP
Inventors: 省一郎山口; 真岩井; 隆智根萩
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP2004029348A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周期分極反転構造の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光情報処理技術全般において、高密度光記録を実現するためには、波長４００−４３０ｎｍ程度の青色光を、３０ｍＷ以上の出力で安定的に発振する青色光レーザーが要望されており、開発競争が行われている。青色光光源としては、基本波として使用される赤外域レーザーと、ＱＰＭグレーディングを形成した波長変換素子とを組み合わせたSHG青色レーザが期待されている。
【０００３】
波長変換デバイスにおいては、所定の周期を有する周期分極反転構造によって、ＱＰＭグレーディングが実現されており、周期分極反転構造の形成方法としては、いわゆる電圧印加法が知られている。電圧印加法においては、金属で形成された電極パターンに沿って、周期分極反転構造が形成される。
【０００４】
例えば特許第３００５２２５号公報においては、単分域処理された強誘電体光学材料の一方の主面に第一の電極（櫛形電極）を配置し、他方の電極に第二の電極（一様電極）を配置し、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加して周期分極反転構造を形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では、タンタル等からなる金属膜を強誘電体光学材料の表面に形成することによって電極を設ける必要がある。この電極膜は、電圧印加法によって周期分極反転構造を形成した後は不要となる。このため金属材料が無駄になる。また、周期分極反転構造を加工して例えば第二高調波発生素子を形成すると、金属膜が最終的な第二高調波発生素子中に残留し、素子の特性に悪影響を及ぼすおそれがある。更に、設計によっては、周期分極反転構造を形成した後に、電圧印加に使用した金属電極膜を除去する工程が必要であるが、この工程は煩雑であるし、金属電極膜除去後の表面には電極跡が残留する。
【０００６】
本発明の課題は、光部品用基材に、金属材料を直接適用する必要なしに低抵抗部を形成することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、マグネシウムのドープされたニオブ酸リチウム単結晶からなる光部品用基材に、プラズマエッチング方式でアルゴンイオンを照射することによって櫛形電極または一様電極を形成する工程、および
櫛形電極と一様電極との間に電圧を印加することによって、光部品用基材に周期分極反転構造を形成する工程
を有することを特徴とする、周期分極反転構造の形成方法に係るものである。
【０００８】
本発明者は、マグネシウムのドープされたニオブ酸リチウム単結晶からなる光部品用基材に、プラズマエッチング方式でアルゴンイオン照射することによって電極を生成させることに成功した。この電極は、例えば２０ｋΩ／□程度の通常の光部品基材に比べ4桁以上も低いシート抵抗値を有しており、櫛形電極、一様電極として使用することで周期分極反転構造を形成可能であった。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
例えば図１（ａ）に示すように、平板状の光部品用基材１の主面１ａにマスク２を形成する。本例ではマスク２にストライプ状の開口３が形成されている。この状態で基材１の主面１ａに向かって矢印Ａのようにイオンを照射する。すると、図１（ｂ）に示すように、マスク２の開口３内に所定パターンの低抵抗部４が形成される。次いで図１（ｃ）に示すようにマスク２を除去する。これによって、低抵抗部４が形成された光部品用基材１が得られる。
【００１０】
本発明において、光部品用基材とは、光部品に使用可能な基材を意味しており、その形態は問わない。光部品は波長変換素子、高調波発生素子であってよい。
【００１１】
ニオブ酸リチウム単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
【００１２】
マグネシウムのドープされたニオブ酸リチウム単結晶に対してプラズマエッチング方式でアルゴンイオンを照射することによって、電極を生成できる。
【００１３】
ここで、イオン照射の好適条件は以下のとおりである。
照射するイオンの種類アルゴン
イオンの照射エネルギー 100〜1000ワット
照射方式プラズマエッチング
【００１４】
電極のシート抵抗は、アルゴンイオン照射前の複合酸化物のシート抵抗に比べて低い。好ましくは、低抵抗部のシート抵抗は１０００ｋΩ／□以下であり、更に好ましくは１００ｋΩ／□以下である。また、比率（低抵抗部のシート抵抗／酸素欠損処理前の複合酸化物のシート抵抗）は、１／１０００以下であることが好ましく、１／１００００以下であることが更に好ましい。
【００１５】
前記複合酸化物の酸素欠損組成とは、例えば以下のものである。
LiNbO3-x （０＜ｘ≦０．５）
【００１６】
本発明では、周期分極反転構造を形成した後に、電極を除去する工程が不要である。また、本発明者の試験結果によれば、タンタル膜からなる電極を使用した場合と同等の形態を有する周期分極反転構造が形成可能であった。
【００１７】
図２は、波長変換デバイス製造工程の一例を説明するための図である。波長変換デバイス製造工程においては、まず、電圧印加法により平板状の光部品用基材１に周期分極反転構造を形成する。本例では、基材１としてMgOドープニオブ酸リチウムのオフカット基板を使用する。複合酸化物単結晶の分極方向Ｂは、表面１ａおよび裏面１ｂに対して所定角度、例えば５°傾斜しているので、この基材１は、オフカット基板と呼ばれている。
【００１８】
基材１の表面１ａに櫛形電極９および対向電極５を形成し、裏面１ｂに一様電極４Ａを形成する。櫛形電極９は、周期的に配列された複数の細長い電極片９ｃと、多数の電極片９ｃを接続する細長い給電電極９ａとからなる。対向電極５は、電極片９ｃの先端９ｂに対向するように設けられている。
【００１９】
本例においては、図２および図３（ａ）に示すように、櫛形電極９および対向電極５は金属膜からなる。一方、一様電極４Ａは、本発明に従い、基材１の裏面１ｂにおいて酸素欠損構造を有する部分を生成させることによって得られる。本例では、一様電極４Ａは裏面１ｂの略全面にわたって設けられている。従って、裏面１ｂ上にイオンを照射する際に、裏面１ｂにマスクを形成する必要はない。
【００２０】
最初に基板１の全体を方向Ｂ、すなわち非分極反転方向Ｄに向かって分極させておく。そして、例えば櫛型電極９と対向電極５との間にＶ１の電圧を印加し、櫛型電極９と一様電極４Ａとの間にＶ２の電圧を印加すると、分極反転部６が、各電極片９ｃの先端９ｂから、方向Ｂと平行に徐々に進展する。分極反転部６の分極の方向である分極反転方向Ｃは、非分極反転方向Ｄとは正反対になる。電極片９ｃに対応しない位置、すなわち隣接する分極反転部６の間には非分極反転部７が形成される。このようして、分極反転部６と非分極反転部７とが交互に配列された周期分極反転構造１３が形成される。
【００２１】
また、図３（ｂ）に示すように、基材１の表面１ａ側の表面領域に、本発明に従った低抵抗部４Ｂを形成できる。低抵抗部４Ｂは、全体として櫛形電極９を構成するようにパターニングする必要がある。この場合には、裏面１ｂ上に、金属膜からなる一様電極２６を形成できる。そして、櫛形電極４Ｂと一様電極２６との間に電圧を印加して周期分極反転構造を形成する。本例においては、周期分極反転構造を形成した後、金属膜からなる櫛形電極９を除去する工程が不要になる。
【００２２】
以下、図４および図５を参照しつつ、周期分極反転構造１３が形成された後の、波長変換デバイス製造工程について説明する。
【００２３】
図４は、波長変換デバイス製造工程において、基材１に固定用基板１６が接合された状態を示す。基材１の表面１ａに、固定用基板１６を接合層１５を介して接合する。図４では、図２とは異なり、表面１ａが下側を向いている。１４は、形成すべき三次元光導波路の平面的パターンを示す。固定用基板への接合後に基材１を裏面１ｂ側から加工し、薄くする。しかし、この段階では、光を厚さ方向に閉じ込め得る寸法まで基材１を薄くすることは困難である。このため、光導波路パターン１４の縁１４ｂから縁１４ｃまでを残して、その両端の除去部２５Ａおよび２５Ｂを一部または全部除去する。
【００２４】
この加工の際に光導波路１４ａの厚さを調節する。こうした加工は、例えばダイシング加工装置やレーザー加工装置によって可能である。
【００２５】
図５は、リッジ型の光導波路２０が形成された波長変換デバイス１７を示す図である。基材１から除去部２５Ａ、２５Ｂが除去された結果、三次元光導波路２０が形成されている。本例では、光導波路２０の両側には、それぞれ、相対的に薄い平板部２２が残留している。
【００２６】
むろん、基材１の表面１ａ側から加工を行い、光導波路を形成することもできる。また、光導波路は、プロトン交換光導波路のようなイオン交換法によって形成された光導波路であってよい。また、チタン拡散光導波路のような、内拡散法によって形成された光導波路であってよい。
【００２７】
上記の実施形態においては、基材１を接合層１５によって固定用基板１６に対して接着している。この場合には、接合層１５の屈折率は基材１の屈折率よりも低いことが好ましく、また接合層１５は非晶質であることが好ましい。接合層１５の屈折率と基材１の屈折率との屈折率差は、５％以上であることが好ましく、１０％以上であることが更に好ましい。
【００２８】
接合層１５の材質は、有機樹脂やガラス（特に好ましくは低融点ガラス）が好ましい。有機樹脂としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン樹脂等を例示できる。ガラスとしては、酸化珪素を主成分とする低融点ガラスが好ましい。
【００２９】
電極や周期分極反転構造１３を形成するためのマスクパターンを形成する材質としては、レジスト、ＳｉＯ_２、Ｔａ等を例示できる。マスクパターンを形成する方法としては、フォトリソグラフィー法を例示できる。
【００３０】
固定用基板１６の材質は特に限定されず、所定の構造強度を有していればよい。ただし、光導波路と熱膨張係数等の物性値が近い方が好ましく、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、タンタル酸カリウムリチウム、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体の各単結晶が特に好ましい。
【００３１】
本発明の素子を第二高調波発生装置として使用した場合には、高調波の波長は３３０−１６００ｎｍが好ましく、４００−４３０ｎｍが特に好ましい。
【００３２】
上記の各例においては、基材１を、例えば５°オフカット基板としたが、このオフカット角度は特に限定されない。特に好ましくは、オフカット角度は１°以上であり、あるいは、２０°以下である。
【００３３】
また、基材１として、いわゆるＸカット基板、Ｙカット基板、Ｚカット基板を使用可能である。Ｘカット基板やＹカット基板を使用する場合には、電極４Ａ、２６を裏面１ｂに設けず、表面１ａ上に設け、櫛形電極９、４Ｂと電極４Ａ、２６との間に電圧を印加することができる。この場合には、対向電極５はなくともよいが、浮動電極として残しておいても良い。また、Ｚカット基板を使用する場合には、一様電極４Ａ、２６を裏面１ｂ上に設け、櫛形電極９、４Ｂと一様電極４Ａ、２６との間に電圧を印加することができる。この場合には、対向電極５は必ずしも必要ないが、浮動電極として残しておいても良い。
【００３４】
【実施例】
以下、具体的な実験結果について述べる。
図１、図２および図３（ａ）を参照しつつ説明した方法に従い、周期分極反転構造を形成した。具体的には、直径φ３インチ×厚さ１．０ｍｍの、マグネシウムを５％ドープしたニオブ酸リチウム単結晶からなる基材１を準備した。この基材１を真空チャンバ内に設置し、アルゴンガスをチャンバに流量５０ｓｃｃｍで導入し、高周波プラズマを発生させた。この際、基材にバイアス電圧５０Ｗを印加することによって、アルゴンイオンを基材１の裏面１ｂ側に照射した。この処理を１０分間行うことによって、基材の裏面に低抵抗部４Ａを形成した。
【００３５】
なお、マグネシウムを５％ドープしたニオブ酸リチウム単結晶のシート抵抗は数百MΩ／□以上であり、低抵抗部４Ａのシート抵抗は２０ｋΩ／□であった。なお、タンタルのシート抵抗は２０Ω／□である。
【００３６】
フォトリソグラフィー法によって金属タンタルからなる櫛形電極９、対向電極５を形成した。電極片９ｃのピッチは、波長４００ｎｍ近辺のSHG光を得るために、３μｍとした。電源から４．０ｋＶのパルス状の電圧（パルス幅２０ｍｓｅｃ、２５ヘルツ、パルス回数６回、印加電流の上限値は２ｍＡ）を発生させ、周期分極反転構造１３を形成した。
【００３７】
この結果、一様電極４Ａをタンタル膜によって形成した場合と同等の輪郭を有する周期分極反転構造が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、マスク２の形成された光部品用基材１に対してイオンを照射している状態を示し、（ｂ）は、低抵抗部４が形成された基材１を示し、（ｃ）は，マスク２を除去した後の基材１を示す。
【図２】電圧印加法による周期分極反転構造の形成プロセスを説明するための、光部品用基材１の斜視図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、基材１、櫛形電極９、４Ｂおよび一様電極４Ａ、２６の形態を例示する断面図である。
【図４】周期分極反転構造が形成された後の基材１と、基材１に接合された固定用基板１６とを示す斜視図である。
【図５】リッジ型の三次元光導波路２０が形成された光導波路素子１７を示す斜視図である。
【符号の説明】
１光部品用基材１ａ光部品用基材１の表面１ｂ光部品用基材１の裏面２マスク３マスク２の開口４低抵抗部４Ａ一様電極として機能する低抵抗部４Ｂ櫛形電極として機能する低抵抗部５対向電極６分極反転部７非分極反転部９櫛形電極１３周期分極反転構造１４三次元光導波路の設計パターン１５接合層１６固定用基板１７光導波路素子２０三次元光導波路Ａイオン照射

Claims

マグネシウムのドープされたニオブ酸リチウム単結晶からなる光部品用基材に、プラズマエッチング方式でアルゴンイオンを照射することによって櫛形電極または一様電極を形成する工程、および
前記櫛形電極と前記一様電極との間に電圧を印加することによって、前記光部品用基材に周期分極反転構造を形成する工程
を有することを特徴とする、周期分極反転構造の形成方法。