JPH04273224A - 分極反転制御方法 - Google Patents

分極反転制御方法

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JPH04273224A
JPH04273224A JP3034793A JP3479391A JPH04273224A JP H04273224 A JPH04273224 A JP H04273224A JP 3034793 A JP3034793 A JP 3034793A JP 3479391 A JP3479391 A JP 3479391A JP H04273224 A JPH04273224 A JP H04273224A
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JP
Japan
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polarization inversion
ferroelectric material
charged particles
polarization
irradiated
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JP3034793A
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Kouichirou Kijima
公一朗 木島
Masahiro Yamada
正裕 山田
Ayumi Taguchi
歩 田口
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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    • G02F1/37Non-linear optics for second-harmonic generation
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/35Non-linear optics
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    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/353Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3544Particular phase matching techniques
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば光第2高調波発
生素子(以下SHG素子という)等の光デバイス装置の
形成に適用して好適な分極反転制御方法に係わる。
【0002】
【従来の技術】近年特にSHG素子等の光デバイス装置
において、その表面に周期ドメイン反転構造を形成して
光出力等の特性の向上をはかることが提案されている。
【0003】例えばSHG素子は、周波数ωの光を導入
すると、2ωの周波数の第2高調波の光を発生するもの
で、このSHG素子によって単一波長光の波長範囲の拡
大化がはかられ、これに伴いレーザの利用範囲の拡大化
と各技術分野でのレーザ光利用の最適化をはかることが
できる。例えばレーザ光の短波長化によってレーザ光を
用いた光記録再生、光磁気記録再生等において、その記
録密度の向上をはかることができる。
【0004】このようなSHG素子としては、例えばK
TPを用いたいわゆるバルク型のSHG素子や、より大
なる非線形光学定数を利用して位相整合を行う導波路型
のSHG素子、例えばLiNbO3 (LN)等の強誘
電体結晶の非線形光学材料より成る単結晶基板の上に線
形導波路を形成して、これに近赤外光の基本波を入力し
て第2高調波の例えば緑、青色光を放射モードとして基
板側からとりだすチェレンコフ放射型のSHG素子等が
ある。
【0005】しかしながらバルク型SHG素子はその特
性上SHG変換効率が比較的低く、また廉価で高品質が
得られるLNを用いることができない。またチェレンコ
フ放射型SHG素子は、SHGビームの放射方向が基板
内方向であり、ビームスポット形状も例えば三日月状ス
ポットという特異な形状をなし、実際の使用においての
問題点が存在する。
【0006】変換効率の高いデバイス実現のためには、
基本波と第2高調波の位相伝搬速度を等しくしなくては
ならない。これを擬似的に行う方法として非線形光学定
数の+−を周期的に配列する方法が提案されている(J
.A.Armstrong,N.Bloemberge
n,他,Phys.Rev.,127,1918(19
62))。これを実現する方法として結晶(例えば結晶
軸)の方向を周期的に反転させる方法がある。具体的な
方法としては、例えば結晶を薄く切断して貼り合わせる
方法(岡田、滝沢、家入、NHK技術研究、29(1)
、24(1977)) や、また結晶引き上げ時に例え
ば印加する電流の極性を制御して周期的な分域(ドメイ
ン)を形成して周期ドメイン反転構造を形成する方法(
D.Feng,N.B.Ming,J.F.Hong,
他、Appl.Phys.Lett.37,607(1
980),K.Nassau,H.J.Levinst
ein,G.H.Loiacano Appl.Phy
s.Lett.6,228(1965),A.Feis
st,P.Koidl Appl.Phys.Lett
.47,1125(1985))がある。これらの方法
は結晶材料の全体に渡って周期構造を形成することを目
的としている。しかしながら上述した方法による場合は
大規模な装置が必要となるのみならず、ドメイン形成の
制御が難しいという問題点がある。
【0007】これに対して結晶材料の表面近傍に上述の
周期ドメイン反転構造を形成する方法として、例えばT
iを結晶表面から拡散させる方法 (伊藤弘昌、張英海
、稲場文男、第49回応用物理学会講演会予稿集919
(1988))や、LiO2 を外拡散する方法(Jo
nas Webjoern,et al,IEEE P
HOTONICS TECHNOL. LETT.1,
1989,PP316−318)が提案されている。し
かしながらこれらの方法による場合、分極反転部分の屈
折率が変化したり、また分極反転形状の制御性が劣化す
る(F.Laurell et al,Integra
ted Photonics Research,Tu
12,1989)等の恐れがある。また、これらの方法
によってSHG素子を形成した場合、入力光の漏波や第
2高調波光の漏波、更に入力光と第2高調波光との結合
効率の低下を招来する等して、いわゆる光変換効率の低
下を招く恐れがある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】さらに本出願人は、先
に特願平1−8271号特許出願及び特願平1−184
362号特許出願において、強誘電体材料の非線形光学
材料に対するドメイン制御方法を提案した。この方法は
、シングルドメイン化された強誘電体材料を挟んでその
相対向する両主面に対向電極を配置または絶縁体を介し
て対向配置し、両電極間に直流電圧を印加することによ
って局部的に分極反転部を形成して周期ドメイン反転構
造を得るものである。
【0009】しかしながらこのような方法により形成し
た周期ドメイン反転構造は、図7A及びBに示すように
、分極反転3Aの幅wと厚さtとの比t/wが1以下で
あった。このため周期ドメイン反転構造13を微細にす
るとtの絶対値が小となってしまい、光導波路2の厚さ
より小となってしまう。即ち例えば分極反転3Aの小ピ
ッチ化に伴ってその幅wを約1.5μmとする場合、そ
の厚さtは約0.5μmとなってしまい、光導波路2の
厚さを約1.0μmとする場合、充分その光導波路部分
とそのエバネッセント領域に周期ドメイン反転構造13
が形成されないため、上述したような、非線形光学定数
の+−を周期的に配列することにより、基本波と第2高
調波の位相伝搬速度を等しくすることの効果が充分得ら
れず、SHG効率の向上を阻む一因となっている。
【0010】このような方法に対して、電子線を非線形
光学材料に照射して、所要のパターンの周期ドメイン反
転構造を得る方法が提案されている(R.W.Keys
,A.Loni,B.J.Luff,P.D.Town
send, 他、Electronics Lette
rs 1st Feburuary 1990 Vol
.26 No.3) 。この方法による場合、図8に略
線的断面図を示すように、非線形光学材料にLN基板6
1の−c面61C上に、50nmの厚さにNiCr層6
2を被着し、更に、400nmの厚さにAu層を被着し
た後所要のパターンにパターニングし、このパターニン
グされたAu層63上から電子ビームを照射するもので
ある。この方法では、基板を約580℃に加熱し、基板
自体にそのc軸方向に10V/cmの電界をかけ、10
keVのエネルギーで、9mm2 に対して全ドーズ量
1017、即ち約1016mm−2の電子ビーム照射を
行うものである。
【0011】しかしながらこのような方法による場合、
非線形光学材料の表面に、絶縁体或いは電極材料等の物
質を被着してパターニングした状態で、高温の熱処理及
び高温中での電圧印加を行うことにより、非線形光学材
料の表面が汚れる恐れがある。またこの場合、LN基板
から酸素分子の外拡散によって分極反転を形成するため
、Li外拡散法と同様に組成の変化により屈折率の変動
をもたらす恐れがあり、特性の変動を生ずる恐れがある
【0012】このような問題を解決するために、本出願
人は先に特願平3−26358号特許出願において、非
線形光学材料等の強誘電体結晶上に、荷電粒子を加速電
圧15kV以上、或いは電流密度1μA/mm2 とし
て照射し、この照射部において分極反転を形成する周期
ドメイン反転構造を有する光デバイス装置の製法を提案
した。この製法によれば、図9にその一例の略線的拡大
斜視図を示すように、LN単結晶等より成る強誘電体材
料1の一主面1C上から、荷電粒子例えば電子線bを所
要のパターン例えば平行帯状パターンとして照射し、強
誘電体材料1の主面1C上に平行帯状パターンの分極反
転3Aを形成してこれにより周期ドメイン反転構造13
を得ている。
【0013】このような方法による場合は、電圧印加を
伴わず、また高温の加熱を必要としないため、強誘電体
材料1の表面汚染等による特性の低下や変動を回避する
ことができ、上述のLi外拡散法等と異なり、強誘電体
材料1の組成を変化させないため、屈折率の変化を伴う
ことなく分極反転3Aを形成することができるという利
点を有する。
【0014】しかしながら、このような方法によって、
微細パターンの周期ドメイン反転構造を形成する場合、
隣り合う分極反転3Aが重なってしまう。例えば幅10
μmの分極反転3Aを形成する場合、各分極反転3Aの
間隔は7〜8μm程度となり、分極反転3Aの間隔従っ
てそのピッチを充分小さくすることができないという問
題があった。
【0015】本発明が解決しようとする課題は、このよ
うな微細パターンの分極反転3Aを、確実に制御性よく
形成する分極反転制御方法を得ることである。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明による分極反転制
御方法の一例の一工程図を図1の略線的拡大斜視図に示
す。本発明は、単分域化された強誘電体材料1に、荷電
粒子をこの強誘電体材料1上の複数の領域に局部的に照
射して、分極反転構造3を形成するようにした分極反転
制御方法において、荷電粒子の照射を、互いに影響しな
い間隔LB を保持しながら複数の領域に照射する。
【0017】他の本発明による分極反転制御方法の一例
の製造工程図を図3A〜Cに示す。本発明は、単分域化
された強誘電体材料1に、荷電粒子をこの強誘電体材料
1上の複数の領域に局部的に照射して、分極反転構造3
を形成するようにした分極反転制御方法において、図3
Aに示すように、荷電粒子を互いに影響しない間隔LB
 を保持しながら複数の領域に照射する工程と、図3B
に示すように、この強誘電体材料1上の電荷を除去する
工程と、図3Cに示すように、複数の照射領域に近接す
る他の複数の領域に、互いに影響しない間隔LB を保
持しながら荷電粒子を照射する工程とを有する。
【0018】他の本発明による分極反転制御方法の一例
の製造工程図を図4A〜Cに示す。本発明は、単分域化
された強誘電体材料1に、荷電粒子を強誘電体材料1上
の複数の領域に局部的に照射して、分極反転構造3を形
成するようにした分極反転制御方法において、図4Aに
示すように荷電粒子を一旦照射した後、図4Bに示すよ
うにこの強誘電体材料1上の電荷を除去して、その後図
4Cに示すように順次隣り合う近接する領域上に荷電粒
子を照射して、分極反転構造3を得る。
【0019】
【作用】上述したように、本発明分極反転制御方法によ
れば、荷電粒子を強誘電体材料1上の複数の領域に局部
的に照射して、分極反転構造3を形成する際に、荷電粒
子の照射を、互いに影響しない間隔LB を保持しなが
ら複数の領域に照射するものであるが、このようにする
ことによって、隣り合う分極反転3Aを互いに分離して
形成することができた。このことは、次の理由によるも
のと思われる。
【0020】先ず、荷電粒子を強誘電体材料1に照射し
たときの分極反転態様について考察する。強誘電体材料
1の模式的な分極態様を示す断面図を図5A及びBに示
す。図5Aにおいて、9は強誘電体材料1内の各分極を
示し、これらの分極方向を矢印dで示す。強誘電体材料
1がLN単結晶の場合、各分極方向はc軸(Z軸)方向
に揃えられて成り、この主面1Cから、強誘電体材料1
内に向かう厚さ方向に分極が揃えられて成る場合を示す
。5は裏面1D上に全面的に被着されたAu等より成る
導電体である。
【0021】このような強誘電体材料1に対して主面1
C上から荷電粒子例えば電子線bを照射すると、この照
射部分において電子の一部が残留して強誘電体材料1の
表面上にこの蓄積電荷による−の電界Eが発生し、また
電子の一部が強誘電体材料1内に入り込んで矢印iで示
す電子流が生じる。従って、この部分において分極9の
+側が、電界Eまたは電子流iの通過する方向を向くよ
うに反転して、結果的に図5Bに示すように、分極反転
3Aが生じるものと思われる。
【0022】そしてこのとき、図6に強誘電体材料の分
極態様の断面図を示すように、荷電粒子を照射する領域
が近接している場合は、第1回目の照射による電界E1
 が消去されない状態で、第2回目の照射により電界E
2 が発生し、これら電界E1 及びE2 とが干渉し
て、これにより分極反転の生じる領域が実質的に重なっ
てしまい、目的とするパターンより大なる形状の分極反
転3Aが形成されることとなる。
【0023】従って本発明分極反転制御方法によれば、
荷電粒子の照射を、互いに影響しない間隔LB を保持
しながら複数の領域に照射するため、上述したような隣
り合う照射領域の電界が干渉することを回避することが
できて、確実に分極反転3Aを互いに独立して形成する
ことができる。
【0024】他の本発明による分極反転制御方法では、
図3Aに示すように、荷電粒子を互いに影響しない間隔
LB を保持しながら複数の領域に照射した後、図3B
に示すように、この強誘電体材料1上の蓄積電荷を除去
して即ちこの荷電粒子による電界を除去した後、この電
界を除去した複数の照射領域に近接する他の複数の領域
に、互いに影響しない間隔LB を保持しながら荷電粒
子を照射するため、隣り合う照射領域の蓄積電荷による
電界が干渉することを回避することができて、各分極反
転3Aを互いに独立して形成することができる。
【0025】また他の本発明による分極反転制御方法に
よる場合は、図4Aに示すように強誘電体材料1に対し
て荷電粒子を一旦照射した後、図4Bに示すように強誘
電体材料1上の蓄積電荷を除去して、図4Cに示すよう
に順次隣り合う近接する領域上に荷電粒子を照射するた
め、その照射領域の間隔LS が比較的小であっても、
隣り合う照射領域の電界が干渉することを回避すること
ができて、各分極反転3Aを互いに独立して形成するこ
とができ、微細な間隔をもって配列した分極反転構造3
を得ることができる。
【0026】
【実施例】以下図1〜図4を参照して本発明分極反転制
御方法の各例を詳細に説明する。各例ともに、強誘電体
材料1として非線形光学材料のLN単結晶を用いて、そ
の厚さ方向にc軸(Z軸)を有し、主面1C側を−c面
とする。この強誘電体材料1は例えばそのキュリー温度
直下の例えば1200℃程度まで昇温してその厚さ方向
に外部直流電圧を全面的に印加することによって、全面
的にc軸の厚さ方向に揃えてシングルドメイン化されて
成り、この−c面1C上から荷電粒子を照射する例であ
る。またこの強誘電体材料1の裏面1D上には、全面的
にAu等より成る導電体5が蒸着、スパッタリング等に
より被着形成されて成る。
【0027】実施例1 図1に示すように、強誘電体材料1の主面1C上に、例
えば平行帯状の直線パターンに軌跡を描くように、荷電
粒子例えば電子線bを走査照射する。この電子ビームb
は例えば15kVの加速電圧従って15keVのエネル
ギーで、電流密度を例えば1μA/mm2 として主面
1Cの上方から照射した。このとき、照射パターンの幅
wを10μm、この照射領域の間隔を8μm程度とした
。 このように照射領域の間隔LB を比較的大とすること
により、図2の略線的拡大断面図に示すように、電子線
bの照射による電界Eと、図示しないがこの照射領域直
下に導電体5に向かって流れる電流によって、矢印dで
示す分極方向とは逆向きの、矢印hで示す方向に分極を
有する分極反転3Aを互いに独立に形成することができ
る。従って、これら分極反転3Aがピッチ(L+w)を
もって周期的に配列された分極反転構造3を得ることが
できる。
【0028】実施例2 この例においては、他の本発明分極反転制御方法によっ
て分極反転構造3を得る場合で、先ず図3Aに示すよう
に、例えば平行帯状パターンの軌跡を描くように、荷電
粒子例えば電子線bを複数の領域に照射する。このとき
の照射条件は、上述した実施例1と同様に選定する。そ
してこの各領域の間隔LB を、互いに影響しない即ち
各照射領域における電界が干渉しないように選定して第
1の分極反転3Bを形成する。
【0029】次に、強誘電体材料1を例えば真空中で1
時間の放置、又は大気中で短時間放置による自然放電、
或いは図3Bにおいて矢印aで示すように、例えばイオ
ン風を全面的に照射する等してこの強誘電体材料1上の
蓄積電荷を除去し、これによる電界を除去する。
【0030】そして図3Cに示すように、複数の照射領
域に近接する他の複数の領域に、互いに影響しない、即
ち各照射領域における電界が干渉しない間隔LB をも
って電子線bを、上述のパターンと同じ及び間隔LB 
をもって、図3Aに示す工程即ち第1回目の照射によっ
て形成された帯状パターンの各分極反転3B間に、これ
らと平行に照射して第2の分極反転3Cを形成する。こ
のとき第1及び第2の分極反転3B及び3Cが、等間隔
に配列されようになす。またこの照射条件は上述の実施
例1と同様に選定する。このようにして、それぞれ隣り
合う分極反転3Aの間隔LS が8μm程度以下とされ
た、微細ピッチの周期的な分極反転構造3を得ることが
できる。
【0031】実施例3 この例は、他の本発明分極反転制御方法による場合で、
先ず図4Aに示すように強誘電体材料1に対して例えば
平行帯状パターンをもって荷電粒子例えば電子線bを一
旦走査照射する。このときの照射条件は上述の実施例1
と同様に選定する。
【0032】次に、強誘電体材料1を例えば真空中で1
時間程度の放置、又は例えば大気中での短時間放置によ
る自然放電、或いは図4Bに示すように、例えばイオン
風aを照射する等の強制除去によって強誘電体材料1上
の蓄積電荷を除去する。
【0033】その後図4Cに示すように順次隣り合う近
接する領域上に荷電粒子を、例えばその照射領域の間隔
LS を最終的に得る所望の小なる間隔として、前回照
射したパターンと平行に帯状直線パターンとして走査照
射する。このように照射領域の間隔を充分小としても、
前回照射した領域の主面1C上の電荷を除去しているた
め、その後照射する領域の電界と、これと隣り合う前回
の照射領域上の電界が干渉することを回避することがで
きて、各分極反転3Aを互いに独立して形成することが
できる。これによって、微細な間隔LS をもって周期
的に配列した分極反転構造3を得ることができる。
【0034】上述した実施例2及び3においては、その
分極反転3Aの幅wを10μm程度としても、その各分
極反転間の間隔LS を8μm以下の任意所望の小なる
間隔をもって形成することができる。また例えば分極反
転の幅を4μm、間隔LS を4μm程度として、より
微細な幅及びピッチをもって分極反転構造3を形成する
こともできる。
【0035】尚、上述した各例ともに、各分極反転をよ
り形状の制御性よく形成するためには、導電体5を接地
することが望ましい。
【0036】また、上述の各例においては、LN単結晶
より成る強誘電体材料1の厚さ方向に分極方向を有し、
この分極方向に沿う方向に荷電粒子を照射した場合につ
いて説明したが、その他例えば強誘電体材料の主面に沿
う面内方向に分極が揃えられた材料に対して、この分極
方向と直交する方向に荷電粒子を照射する場合において
も、本発明を適用することができる。
【0037】また更に、上述の各例においては、強誘電
体材料1の材料としてLN単結晶を用いた場合について
述べたが、その他上述のKTP等、種々の材料を用いる
ことができる。
【0038】また上述の各例では荷電粒子として電子線
bを照射したが、その他例えば強誘電体材料1としてL
N単結晶を用いる場合は、分極反転の+方向すなわち+
c面側からLi+ を照射する等、種々の荷電粒子を用
いることができる。
【0039】
【発明の効果】上述したように、本発明分極反転制御方
法によれば、強誘電体材料1に対して荷電粒子を照射し
て複数の分極反転3Aを形成する際に、それぞれ隣り合
う分極反転3Aを確実に、かつ微細な間隔をもって形成
することができ、これにより微細なピッチの周期的な分
極反転構造3を得ることができる。
【0040】従って、例えば強誘電体材料1として非線
形光学材料を用いて、微細パターンの分極反転3Aを微
細なピッチで形成して周期的な分極反転構造3を形成し
、更に周知のプロトン交換法等により光導波路を形成す
ることによって、高光変換効率のSHG素子を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明分極反転制御方法の一例の一工程図であ
る。
【図2】強誘電体材料の分極反転態様を示す模式的断面
図である。
【図3】他の本発明分極反転制御方法の一例の製造工程
図である。
【図4】他の本発明分極反転制御方法の一例の製造工程
図である。
【図5】荷電粒子照射による強誘電体材料の分極反転態
様を示す模式的断面図である。
【図6】荷電粒子照射による強誘電体材料の分極反転態
様を示す模式的断面図である。
【図7】従来の周期ドメイン反転構造を示す略線的拡大
断面図である。
【図8】従来の周期ドメイン反転構造を有する光デバイ
ス装置の製法を示す略線的拡大断面図である。
【図9】周期ドメイン反転構造を有する光デバイス装置
の製法を示す略線的拡大斜視図である。
【符号の説明】
1  強誘電体材料 1C  主面 1D  裏面 3  分極反転構造 3A  分極反転 3B  第1の分極反転 3C  第2の分極反転 5  導電体 9  分極

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  単分域化された強誘電体材料に、荷電
    粒子を上記強誘電体材料上の複数の領域に局部的に照射
    して、分極反転構造を形成するようにした分極反転制御
    方法において、上記強誘電体材料に対して上記荷電粒子
    の照射を、互いに影響しない間隔を保持しながら複数の
    領域に照射するようにしたことを特徴とする分極反転制
    御方法。
  2. 【請求項2】  単分域化された強誘電体材料に、荷電
    粒子を上記強誘電体材料上の複数の領域に局部的に照射
    して、分極反転構造を形成するようにした分極反転制御
    方法において、上記強誘電体材料に対して荷電粒子を互
    いに影響しない間隔を保持しながら複数の領域に照射す
    る工程と、上記強誘電体材料上の電荷を除去する工程と
    、上記複数の照射領域に近接する他の複数の領域に、互
    いに影響しない間隔を保持しながら荷電粒子を照射する
    工程とを有することを特徴とする分極反転制御方法。
  3. 【請求項3】  単分域化された強誘電体材料に、荷電
    粒子を上記強誘電体材料上の複数の領域に局部的に照射
    して、分極反転構造を形成するようにした分極反転制御
    方法において、荷電粒子を一旦照射した後上記強誘電体
    材料上の電荷を除去して、その後順次隣り合う近接する
    領域上に荷電粒子を照射して、分極反転構造を得るよう
    にしたことを特徴とする分極反転制御方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107134524A (zh) * 2017-05-27 2017-09-05 西安交通大学 一种采用原子层沉积法制备鳍式三维多铁异质结的方法

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