JPH03260635A - 部分的分極反転領域の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 部分的分極反転領域の形成方法に関し、レーザ光の第２
高調波を発生させるために、強誘電体上に光損傷が小さ
く低損失の分極反転型先導波路を作成する際に用いる部
分的分極反転領域の形成方法を改善することを目的とし
、強誘電体からなる基板上の少なくとも部分的分極反転
領域を形成する範囲に熱吸収膜または熱吸収膜パターン
部を設ける工程と、前記基板をキューリ点直下まで加熱
する工程と、前記加熱された基板上の熱吸収膜の所望の
領域、または、熱吸収膜パターン部を少なくとも含む領
域をレーザ光照射して、部分的分極反転領域の形成範囲
をキューリ点以上に加熱する工程と、前記基板の温度を
下げたのち、前記熱吸収膜または熱吸収膜パターン部を
除去する工程とを少なくとも含むように部分的分極反転
領域の形成方法を構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、光損傷に強く変換効率が高い光導波路型第２
高調波発生素子用の分極反転型光導波路を作成するため
の部分的分極反転領域の形成方法に関する。

近年、レーザ、とくに、半導体レーザ（ＬＤ）がレーザ
プリンタやレーザスキャナ、あるいは、光ディスクなど
の光源として広く用いられるようになってきた。しかし
、その一方で記憶容量の拡大や取り扱いの利便のために
短波長化（たとえば、赤外光から可視光へ）に対する要
求が強くなっている。半導体レーザの短波長発振化の開
発も進められてはいるが、現在の技術レベルではその発
振波長を６００ｎｍ以下にすることはかなり困難であり
、その他の技術、たとえば、第２高調波発生（ＳＨＧ）
による短波長のコヒーレント光が得られるデバイス、と
くに、それに用いる分極反転型光導波路の作成技術の開
発が強く求められている。

〔従来の技術〕

従来、レーザ光の第２高調波発生素子としてはバルクの
非線形光学結晶にレーザ光を通すものがよく知られてい
る。

たとえば、強誘電体結晶であるＬｉＮｂＯ３をブロンク
にカットし両面を光学研磨してレーザ光の人出射面とし
、一方の側から角周波数ωのレーザ光を入射させると、
反対側から２倍の角周波数２ωの第２高調波が発生ずる
。この時の変換効率（η、Ｈ６−Ｐ２ω／Ｐω）は、真
空の誘電率と透磁率をそれぞれε。、μ。、結晶の非線
形光学定数をｄ、結晶長をｌ、基本波と高調波に対する
屈折率をｎωｎ２ω、基本波と高調波の伝播定数差をΔ
ｋ、ビーム断面積を八とすると下記（１）式で表される
。

ηＳ　１１　Ｇ　−２（ε０／μｏ）　３／Ｚ　（ω２
ｄ２１２／ｎｚω°ｎω）（Ｐω／八）［５ｉｎ２（Δ
　ｋ１２）／（Δ　ｋｊ２／２）２１（１） 第２高調波出力Ｐ２ωは（１）弐かられかるように５ｉ
ｎ２曲線の出力特性を示す。このように、第２高調波出
力Ｐ２ωが５ｉｎ２曲線特性で周期的に変動するのはｎ
ωとｎ２ωが異なるためである。すなわち、屈折率差の
ため各点で発生した第２高調波の位相が揃わず、位相ず
れが２πになる距離を周期として第２高調波出力が変動
することになる。通常の結晶では屈折率の波長分散のた
めｎωとｎ２ωの差が大きく、シたがって、！ｃ（コヒ
ーレント長）が非常に小さい。すなわち、第２高調波出
力Ｐ２ωも非常に小さくなってしまう。これを解決する
ために位相整合を取る方法が提案されている。

たとえば、第２高調波光λ２の異常光の屈折率屈折率ｎ
、と基本波光λ１の常光の屈折率ｎ０とを一致させるよ
うにレーザ光を入射させる。いわゆる、位相整合条件を
満足させて大きな第２高調波出力を得る方法である〔多
用、神谷：光エレクトロニクスの基礎、ｐｐ１９９〜２
００．１９７４　（丸善刊）参照〕。

第３図は第２高調波出力特性を示す図（位相整合が取れ
ている場合）で、縦軸は第２高調波出力Ｐ２ωを、横軸
は結晶長！である。図中、■の破線は上記に説明した第
２高調波光λ２の屈折率と基本波光λ１の屈折率を一致
させて、第２高調波出力Ｐ２ωが結晶長ｌが大きくなる
に従って増大するようにしている場合である。しかし、
以上に述べたバルク結晶型の場合、位相整合条件を満足
し。

かつ、非線形光学定数も大きい結晶が得られていないた
め基本波の光強度を大きくしなければならず、半導体レ
ーザでは光源強度として充分でなく実用化されるに至っ
ていない。

一方、最近になって光導波路型の素子を用いたとえば、
異常光の屈折率ｎ８曲線上で位相整合を行わせる（した
がって、基本波と第２高調波の光の屈折率とは異なる）
ことによって、大きな非線形光学定数を利用することが
でき、その結果、大きな変換効率（η、Ｈ０）が得られ
る極めて有力な方法が提案されている。

第４図は光導波路型第２高調波発生素子の例を示す図で
、同図（イ）は斜視図、同図（ロ）はＸＸ゛断面図であ
る。

図中、１は基板で、たとえば、ＬｉＮｂＯ３の最も大き
な非線形光学定数が得られる入射方向と偏波方向を取れ
るように＋７面を光学研磨した基板で、１００は基板ｌ
上に形成された分極反転型光導波路である。同図（ロ）
に示したごとく、たとえば、基板ｌを下向きの方向に強
誘電体分極を揃え、光導波路の部分に等間隔にまたとえ
ば１周期Δで分極が上向きのある深さを持った領域を形
成すると、下向きの分極領域へと上向きの分極領域Ｂと
が等間隔に並んだ分極反転型光導波路１００が構成され
る。

いま、たとえば、左側から角周波数ωのレーザ光を分極
反転型光導波路１００に入射させ、右側から出射させる
と次式を満足するときに位相整合条件が満たされ、大き
い第２高調波出力が得られることが知られている（Ｊ、
Ａ、Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ、ｅｔ、ａｌ、、Ｐｈｙｓ。

Ｒｅｖ、ｖｏｌ、１２７．ｐ１９１８．１９６２）。

Δ−２πｍ１ＩＢ　、、、（２ω）−２β１ｏ　ｏ　（
ω）　］　−−＜１）こ＼で、β、、、（２ω）は分極
反転型光導波路１００に対する第２高調波の伝播定数、
β、。。（ω）は同しく基本波の伝播定数１ｍは正の奇
数である。

なお、上式を屈折率を用いて表すと、 Δ−λ。ｍ／２Ｉ　　ｎ　、、、（２ω）　　−ｎ　１
０゜（ω）］　−（２）となる。

こ＼で、λ。は基本波の真空中の波長＋ｎｌ。。

（２ω）は分極反転型光導波路１００に対する第２高調
波の屈折率＋ｎｌ。。（ω）は同じく基本波の屈折率１
ｍは正の奇数である。

第３図の■の実線はこの場合の理想的な第２高調波出力
特性の例を示したもので、結晶長ｌと共に第２高調波出
力ｐｇωが増加し、しかも、大きな非線形定数を用いて
いるのでバルク結晶型に比較して大巾に変換効率が向上
している。

上記のごとき分極反転型先導波路１００を作製するには
、部分的分極反転領域、たとえば、前記第４図の上向き
の分極領域Ｂを形成しなければならない。そのような方
法として２つの方法がよく知られている。

第１の方法は基板１００上に適当なマスクをつけて高温
に加熱すると露出面のＬｉが外部に拡散しその部分の分
極が反転する現象を用いる。しかし、この場合分極反転
領域の深さは高々１μｍ程度に過ぎず、また、その部分
の屈折率も変化し光導波路として実用化しがたい欠点が
ある。

第２の方法は分極反転領域となる部分にＴｉを被着した
のち熱処理すると、その部分の分極が反転する現象を用
いており、その深さは数μｍにまで達することが可能で
実用的な光導波路が作製されると期待されている。

第５図は従来の部分的分極反転領域の形成方法の例を示
す回で、その主な工程順を図示したものである。

工程（１）：単一分域化された強誘電体結晶、たとえば
、ＬｉＮｂＯ３の＋７面を光学り１磨した基板１を作成
する。

工程（２）：前記処理基板上に厚さ３００ｎｍのＴｉ層
重０を真空蒸着する。

工程（３）：前記処理基板を分極反転領域Ｂになる部分
のＴｉが残るようにホトエ・ンチング処理してＴｉ薄膜
パターン２０゛　を形成する。

工程（４）：前記処理基板を約１０００６Ｃで加熱処理
してＴｉを拡散し、Ｔｉ拡散領域２０”を形成すると、
その部分の基板１の表面部分が分極反転する。

工程（５）：前記処理基板を適当な処理液で処理し残留
しているかもしれないＴｉを必要に応して除去洗浄すれ
ば、分極反転型先導波路の分極反転領域Ｂとなる部分的
分極反転領域（Ｂ）４０が形成される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記従来の方法で形成された部分的分極反転領
域（１’１）４０は、Ｔｉを含有しているために、すで
によく知られているようにレーザ光を通したとき、いわ
ゆる、光損傷の闇値が下がり、さらに屈折率も変化して
しまうために、それを構成部分とする分極反転型光導波
路は、たとえば、第３図の■の点線で示したごとく、第
２高調波光の出力強度が上がらず、また、屈折率変動に
基づく光散乱などによる損失増加も加わるなど、実用上
天きな問題があり、その解決が必要であった。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、強誘電体からなる基板１上の少なくとも
部分的分極反転領域４を形成する範囲に熱吸収膜２また
は熱吸収膜パターン部２“を設ける工程と、前記基板１
をキューリ点直下まで加熱する工程と、前記加熱された
基板１上の熱吸収膜２の所望の領域１または、熱吸収膜
パターン部２°を少なくとも含む領域をレーザ光照射し
て、部分的分極反転領域４の形成範囲をキューリ点以上
に加熱する工程と、前記基板１の温度を下げたのち、前
記熱吸収１１ｇ２または熱吸収膜パターン部２°を除去
する工程とを少なくとも含む部分的分権反転領域の形成
方法により解決することができる。

〔作用〕

本発明によれば、部分的分極反転領域４を形成する際に
、Ｔｉの拡散やＬｉの結晶外への拡散といった手段を用
いないで、光導波路に悪い影響を与えない熱吸収膜２ま
たは熱吸収膜パターン部２゛を部分的にキューリ点以上
に加熱してから室温に温度を下げ、焦電効果による焦電
電界で分極反転を生じさせるので、その部分的分極反転
領域４を構成部分として分極反転型光導波路１００を作
製すれば、光損傷は勿論のこと光導波路中での屈折率変
動も生ぜず、したがって、大きな第２高調波光出力が得
られる。さらに、ＬｉＴａ０．などのようなキューリ点
の低い結晶に対しても本方法が適用できるという大きな
利点がある。

［実施例］ 第１図は本発明の実施例を示す図で、主な工程を順に図
示したものである。以下、図に従って説明する。

工程（１）：たとえば、厚さ０．５　ｍｍ、　１１１１
０ｍｍ。

長さ１５ｍｍの単一分域処理したＬｉＴａＯ３の最も大
きな非線形光学定数が得られるように、＋２面を光学研
磨して基板１を作製する。

工程（２）二上記処理基板上に熱吸収膜２．たとえば、
厚さ１１００ｎのＡｕを真空蒸着する。

工程（３）二上記処理基板をキューり点を越えない温度
、たとえば、６００８Ｃに加熱し、さらに、部分的分極
反転領域４となる範囲の熱吸収膜２の領域。

すなわち、部分的加熱領域３を、たとえば、ＹＡＧレー
ザ光をスキャンすることにより部分的にキューリ点以上
に加熱したのち室温に下げる。

ＬｉＴａ０．のような強誘電体は同時に焦電効果を持っ
ているので、この温度降下の時にＹＡＧレーザ光により
部分加熱された領域は、その他の非照射領域の焦電性電
荷に基づく焦電電界によって分極反転される。

工程（４）二上記処理基板上に残された熱吸収膜２を、
たとえば、適当な処理液で除去・洗浄すれば先導波路と
して悪影響を及ぼすことのない部分的分極反転領域４が
形成される。

部分的分極反転領域４の深さは照射レーザ光のパワーや
照射時間を調整することにより制御することができる。

この部分的分極反転領域４を含んで公知の方法たとえば
、光導波路となる部分を残してＳｉＯ□のスパッタ劇か
らなるマスクを形成し、２００〜３００°Ｃに加熱した
安息香酸（Ｃ６）１．Ｃ００）ｌ）の融液に数１０分〜
数時間浸漬する。いわゆる、プロトン交換法により周囲
の基板部分よりも屈折率を約１％上昇させれば、分極反
転型先導波路１００を形成することができる。このよう
にして作製された光導波路型第２高調波発生素子は、従
来のＴｉ拡散による分極反転法を用いるものに比較して
光損傷の闇値が向」ニし屈折率変動も小さく、大巾に変
換効率が改善される。

第２図は本発明の他の実施例を示す図である。

図中、２”は熱吸収膜パターン部である。なお、前記の
諸国面で説明したものと同等の部分については同一符号
を付し、かつ、同等部分についての説明は省略する。

以下、主な工程を順を追って説明する。

工程（１）：たとえば、厚さ０．５　ｍｍ、中１０ｍｍ
、長さ１５ｍｍの単一分域処理した］、１ＴａＯ，の最
も大きな非線形光学定数が得られるように、＋２面を光
学研磨して基板１を作製する。

工程（２）二上記処理基板上に熱吸収膜２．たとえば、
厚さ１１００ｎのＡｕを真空蒸着する。

工程（３）二上記処理基板を分極反転領域Ｂになる部分
のＡｕが残るようにホトエツチング処理して熱吸収膜パ
ターン部２”を形成する。

工程（４）二上記処理基板をキューり点を越えない温度
、たとえば、６００°Ｃに加熱し、さらに、熱吸収膜パ
ターン部２゛を少なくとも含む領域を、たとえば、ＹＡ
Ｇ　レーザ光をスキャンすることにより部分的にキュー
リ点以上に加熱したのち室温に下げる。この場合、Ｌｉ
ＴａＯ３からなる基板１は透明でＹＡＣレーザ光の吸収
が小さいので、キューリ点以上に温度が上がるのは熱吸
収膜パターン部２゛がある領域に限られる。

そして、前記の実施例の場合と同様に、温度降下の時に
キューリ点以上に温度上昇させた熱吸収膜パターン部２
゛の下部の結晶部分が所定の深さで焦電性電荷に基づく
焦電電界によって分極反転される。

工程（５）二上記処理基板上に残された熱吸収膜パター
ン部２°の、たとえば、Ａｕを適当な処理液で除去・洗
浄すれば光導波路として悪影響を及ぼすことのない部分
的分極反転領域４が形成される。

この例の場合には、ＹＡＧ　レーザ光の照射領域を厳密
に位置制御する必要がないので、実用上大きな利点があ
る。

この部分的分極反転領域４を含んで公知の方法。

たとえば、前記と同様にプロトン交換法により周囲の基
板部分よりも屈折率を約１％上昇させれば分極反転型光
導波路１００を形成することができ、同様に優れた光導
波路型第２高調波発生素子を作製することができる。

以上の実施例では熱吸収膜２あるいは熱吸収パターン部
２゛として八〇の薄膜を用いたが、その他光損傷に影響
を与えないような材料、たとえば、ｐｔやＰｄおよびそ
れらの合金などを用いてもよい。

また、部分的加熱にはＹＡＧ　レーザの照射に限定され
るものではなく、その他のレーザ光や加熱手段を用いて
もよいことは勿論である。

以上述べた実施例は例を示したもので、本発明の趣旨に
添うものである限り、その他使用する素材や構成など適
宜好ましいもの、あるいはその組み合わせを用いてよい
ことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明方法によれば部分的分極反転
領域４を形成する際に、Ｔｉの拡散やＬｉの結晶外への
拡散といった手段を用いないで、光導波路に悪い影響を
与えない熱吸収膜２または熱吸収膜パターン部２′を部
分的にキューリ点以上に加熱してから室温に温度を下げ
、焦電効果による焦電電界で分極反転を生じさせるので
、その部分的分極反転領域４を構成部分として分極反転
型光導波路１００を作製すれば、光損傷は勿論のこと光
導波路中での屈折率変動も生じない。さらに、ＬｉＴａ
０１などのようなキューり点の低い結晶に対しても本方
法が適用できるという大きな利点があり、光導波路型第
２高調波発生素子の性能・品質の向上に寄与するところ
が極めて大きい。

第４図は光導波路型第２高調波発生素子の例を示す図、 第５図は従来の部分的分極反転領域の形成方法の例を示
す図である。

図において、 １は基板、 ２は熱吸収膜、 ２”は熱吸収膜パターン部、 ３は部分的加熱領域、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す図、 第２図は本発明の他の実施例を示す図、第３図は第２高
調波出力特性を示す図、！ 本肴≦日月の奥が已存・］乞予示図 仇　１　図 嵩２高論遠出力持住祉日図 舅　３　図 （イ） 余」 視 図 （ロ）Ｘ−メ゛啓斥面国 光浦じ虞ｊ在！最３２＊ｍ彫支全ＩシＤ使］誌す図ｚ　
４　図 ・イζイ区日月のイ已の、す字方恒」夕１］乞ｊ卜す図
旬ち　　２　　図 ィ芝棄の部外的分掻夏払領土式の子−誠方丞の夕・コど
示寸図舅　５Ｉｌ￥１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 強誘電体からなる基板（１）上の少なくとも部分的分極
   反転領域（４）を形成する範囲に熱吸収膜（２）または
   熱吸収膜パターン部（２′）を設ける工程と、前記基板
   （１）をキューリ点直下まで加熱する工程と、 前記加熱された基板（１）上の熱吸収膜（２）の所望の
   領域、または、熱吸収膜パターン部（２′）を少なくと
   も含む領域をレーザ光照射して、部分的分極反転領域（
   ４）の形成範囲をキューリ点以上に加熱する工程と、 前記基板（１）の温度を下げたのち、前記熱吸収膜（２
   ）または熱吸収膜パターン部（２′）を除去する工程と
   を少なくとも含むことを特徴とした部分的分極反転領域
   の形成方法。