JPH05323407A

JPH05323407A - 部分的分極反転領域の形成方法および光第二高調波発生素子

Info

Publication number: JPH05323407A
Application number: JP4228554A
Authority: JP
Inventors: Michio Miura; 道雄三浦; Ippei Sawaki; 一平佐脇; Sunao Kurimura; 直栗村
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1993-12-07

Abstract

(57)【要約】【目的】第２高調波発生素子用の光導波路を作成する
ための分極反転領域の形成方法に関し、横方向への広が
りを押さえながら基板内部まで分極を反転させることを
目的とする。【構成】強誘電体からなる基板１上に金属からなるマ
スク５を形成するマスク形成工程と、マスク５の開口部
５１を通して基板１の構成イオンをプロトンと交換する
プロトン交換工程と、基板１のマスク５を形成してなる
面の反対側の面に電極６を形成する電極形成工程と、マ
スク５と電極６の間に直流電圧を印加する分極反転工程
とを含み分極反転領域を基板１の内部に進行させるよう
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、第２高調波発生素子用
の光導波路を作製するための部分的分極反転領域の形成
方法に関する。

【０００２】近年、レーザプリンタやレーザスキャナ、
光ディスク等の光源として半導体レーザ（ＬＤ）が広く
利用されている。その一方で記憶容量の拡大や取扱いの
利便のために赤外光から可視光へ等、短波長化に対する
要求が強くなっている。

【０００３】ＬＤの短波長化も進められているが現在の
技術レベルではその発振波長を600nm以下にすることは
極めて困難であり、その他の技術、例えば第２高調波を
発生させて短波長のコヒーレント光を得る第２高調波発
生（ＳＨＧ）素子が注目されている。

【０００４】第２高調波発生素子としてバルク型の非線
形光学結晶にレーザ光を通すものがよく知られている。
しかし、非線形光学定数の大きい光学結晶が無く変換効
率が低いため大きい基本波パワーを必要としＬＤを光源
にすることができない。

【０００５】そこで最近になって大きい非線形光学定数
を利用することができ高変換効率が得られる有力な方法
として、強誘電体基板上に形成された光導波路と部分的
分極反転領域を組み合わせた光導波路型の第２高調波発
生素子が提案されている。

【０００６】

【従来の技術】図１６に、従来のＳＨＧ素子を説明する
ための図を示す。図１６（Ａ）のＳＨＧ素子111 _Aは、
放射モードとの位相整合をとる、いわゆるチェレンコフ
放射型のもので、ＬｉＮｂＯ₃（リチウムナイオベー
ト）、ＬｉＴａＯ₃（リチウムタンタレート）等の強誘
電体から成る基板112 の表面上に、光導波路113 を形成
したものである。

【０００７】光導波路113 は、基板112 の表面を安息香
酸やピロリン酸等でプロトン交換して形成したもので、
この内部に基本波を閉じ込めて、第二高調波の放射モー
ドと位相整合をとるものである。

【０００８】しかし、この方式ではビーム形状が細い三
ヶ月状に歪んでしまい、μm 程度まで集光することがで
きず、光ディスク等への応用が困難である。

【０００９】そこで、図１６（Ｂ）に示すような、擬似
位相整合（ＱＰＭ）型のＳＨＧ素子が考えられている。
図１６（Ｂ）において、ＳＨＧ素子111 _Bは、前述と同
様の基板112 上に光導波路113 が形成されており、同一
面上に基板112 の分極方向をそのまま維持してなる分極
非反転領域114 と、分極方向を部分的に反転させてなる
分極反転領域115 が一定の周期で光の進行方向に交互に
配列形成されている。

【００１０】分極非反転領域114 と分極反転領域115 の
幅及び配列周期は基本波と第２高調波の位相が擬似的に
整合するよう定められており、かかる第２高調波発生素
子の光導波路113 に例えば図の左側から基本波を入射さ
せると、光導波路113 を伝播する間に第２高調波に変換
され光導波路113 から図の右側に出射される。

【００１１】すなわち、周期的分極反転上に基本波を伝
播させることにより、擬似的に位相整合をとるもので、
ビーム形状に歪みが無く、集光が容易であることから光
ディスクへの応用が可能となる。

【００１２】分極方向を部分的に反転させる手段として
ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）基板にＴｉを拡散し拡散部の
分極方向を反転させる方法、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）
基板の表面からＬｉ₂Ｏを外部に放出し放出部分の分極
方向を反転させる方法、ＬｉＴａＯ₃（ＬＴ）基板の
Ｌｉ⁺をいわゆるプロトン交換法でプロトンＨ⁺に置き
換え熱処理によって分極方向を反転させる方法、電子
ビームを細く絞り、このビームを移動して直接分極反転
パターンを形成する方法等がある。

【００１３】ここで、図１７及び図１８に、従来の部分
的分極反転領域の形成方法を示す模式図を示す。図１７
は上記を示すもので、ＬＮ基板112 ａ上に開口パター
ンのチタン膜121 を蒸着等により形成する（図１７
（Ａ））。そして、キュリー点（1210℃）直下の熱処理
でチタンを拡散させて分極反転させ、分極非反転領域11
4及び分極反転領域115 を形成するものである（図１７
（Ｂ））。

【００１４】また、図１８は上記を示すもので、ＬＮ
基板112 ａ上に開口パターンのシリコン酸化膜122 をス
パッタ等により形成する（図１８（Ａ））。そして、キ
ュリー点直下の熱処理で表面からＬｉ₂Ｏを外部に放出
し、放出部分の分極方向を反転させて分極非反転領域11
4 及び分極反転領域115 を形成するものである（図１８
（Ｂ））。

【００１５】しかし、図１７及び図１８に示すやに
おいて用いられるＬｉＮｂＯ₃基板は光損傷しきい値が
低いため第２高調波発生素子としての実用化が困難であ
る。それに対しにおいて用いられるＬｉＴａＯ₃基板
は光損傷しきい値が高く、しかも配列周期の1/4 程度の
深さの分極反転領域115 が得られる点から第２高調波発
生素子として有望である。

【００１６】ＬｉＴａＯ₃基板を用いて形成される光導
波路113 の深さは２μm 以上あり、これより浅くするこ
とは困難である。かかる光導波路113 を伝播する間に高
効率で基本波を第２高調波に変換するには分極反転領域
115 の深さが、光導波路113の底に達しているか或いは
底に達していなくとも充分な深さまで達していなければ
ならない。

【００１７】ここで、上記に示す方法を用いた従来の
部分的分極反転領域の形成方法を図１９により詳細に説
明する。なお＋Ｃ面は分極が向かう方向にある面を意味
し、−Ｃ面はその反対側の面を意味している。

【００１８】マスク形成工程では、主面がＺ軸と直交す
るように切り出され単一分極化されたＺ板ＬｉＴａＯ₃
を基板112 ｃとして用い、図１９（Ａ）に示す如く基板
１の−Ｃ面を鏡面研磨してそこにＴａからなる金属膜を
被着せしめマスク123 を形成する。マスク123 は基板11
2 ｃの分極反転領域に相当する位置にＹ軸と平行な複数
の開口部１２３ａを具えている。

【００１９】プロトン交換工程では、上記処理基板112
ｃをピロリン酸中に浸漬し、250 ℃で３０分間プロトン
交換処理を行う。かかるプロトン交換処理によって図１
９（Ｂ）に示す如く基板112 ｃのＬｉ⁺は開口部123 ａ
を通してプロトンＨ⁺に置き換えられる。

【００２０】分極反転工程では上記処理基板112 ｃのマ
スク123 を除去したあとキュリー点温度直下（〜590
℃）まで急加熱することによって、プロトン濃度の高い
領域の分極方向が図１９（Ｃ）に示す如く反転し、分極
非反転領域114 と分極反転領域115 が形成される。

【００２１】一方、前記の方法は、非常に深い分極反
転パターンの形成が可能であるが、分極反転させたいす
べての領域上に電子ビームを走査する必要があり、作業
時間が長い欠点がある。

【００２２】なお、図１７〜図１９において図示省略さ
れているが、レーザ光を伝播する光導波路113 は分極非
反転領域114 と分極反転領域115 が形成された後、上記
処理基板112 上にマスクを形成しプロトン交換法によっ
て例えば基板112 のＸ軸と平行に設けられる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】図１６（Ｂ）や図１７
（Ｂ）、さらに図１８（Ｂ）あるいは図１９（Ｃ）に示
す如く、従来の部分的分極反転領域の形成方法によって
形成された分極反転領域の幅は基板の表面において分極
非反転領域の幅とほぼ等しく、その断面はほぼ半円形で
ある。即ち、基本波の波長が１μm 程度のレーザ光に適
用する第２高調波発生素子は配列周期が約６μm で、分
極反転領域の幅は配列周期の1/2 で約３μm に、深さは
配列周期の1/4 で約1.5 μm になる。しかし、半導体レ
ーザの波長（〜0.85μm ）に対して必要な配列周期（３
〜４μm ）を想定すると、分極反転領域の深さはその1/
4 で１μm 以下になり光導波路の深さ２μｍに比べると
不足するという問題がある。

【００２４】本発明の目的は横方向への広がりを押さえ
ながら基板内部まで分極を反転させる部分的分極反転領
域の形成方法を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記課題は、強誘電体か
らなる基板上に金属からなるマスクを形成するマスク形
成工程と、マスクの開口部を通して基板の構成イオンを
プロトンと交換するプロトン交換工程と、基板のマスク
を形成してなる面の反対側の面に電極を形成する電極形
成工程と、マスクと電極の間に直流電圧を印加する分極
反転工程とを少なくとも含み、分極反転領域を基板の内
部に進行させる本発明になる部分的分極反転領域の形成
方法によって達成される。

【００２６】

【作用】強誘電体からなる基板のプロトン濃度の高い部
分は電界を印加することによって部分的に分極を反転さ
せることができる。しかもこのとき同じ電界でプロトン
が基板の内部へ移動していくため分極反転領域も基板内
部に進行する。その結果、通常の熱処理のみで分極を反
転させる場合とは異なり基板内部まで分極を反転させる
ことが可能になる。即ち、横方向への広がりを押さえな
がら基板内部まで分極を反転させる部分的分極反転領域
の形成方法を実現することができる。

【００２７】

【実施例】図１に、本発明の第１の実施例の製造工程図
を示す。図１は、本発明になる部分的分極反転領域の形
成方法について説明したものである。なお、＋Ｃ面は分
極が向かう方向にある面を意味し−Ｃ面はその反対側の
面を意味している。

【００２８】マスク形成工程では、主面がＺ軸と直交す
るように切り出され単一分極化されたＺ板ＬｉＴａＯ₃
（リチウムタンタレートＬＴ）を基板１として用い、図
１（Ａ）に示す如く基板１の＋Ｃ面を鏡面研磨してそこ
にＴａからなる金属膜を被着せしめマスク５を形成す
る。マスク５は基板１の分極反転領域に相当する位置に
Ｙ軸と平行な複数の開口部５ａを具えている。

【００２９】プロトン交換工程では、上記処理基板１を
ピロリン酸中に浸漬し、250 ℃で３０分間プロトン交換
処理を行う。かかるプロトン交換処理によって図１
（Ｂ）に示す如く基板１のＬｉ⁺（リチウムイオン）は
開口部５ａを通してプロトンＨ⁺に置き換えられる。

【００３０】電極形成工程では、次いで上記処理基板１
のマスク形成面と反対側の面、即ち−Ｃ面に、図１
（Ｃ）に示す如くＴａからなる金属膜を被着せしめ電極
６を形成する。

【００３１】そして、分極反転工程では図１（Ｄ）に示
す如く直流電源７の正電極をマスク５に接続すると共に
負電極を電極６に接続し電界を印加することによって、
プロトン濃度の高い領域の分極方向が反転し分極非反転
領域３と分極反転領域４が形成される。

【００３２】そのとき印加されている電界は電極６側が
負になる電界でありプロトンは電極６に引かれて基板１
の内部へ移動して行く。その結果、電圧を印加している
時間が経過するに伴って図１（Ｅ）に示す如く分極反転
領域３も基板内部に進行する。

【００３３】なお、マスク５と電極６の間に直流電圧を
印加するだけでも分極が反転するが、その際上記処理基
板１を適宜加熱することによって、プロトン濃度の高い
領域の分極反転が促進されると共に、分極反転領域３の
基板内部への進行が容易になる。

【００３４】また、基板１の表面にあるときの分極反転
領域３はプロトンの濃度が高く比較的低い電圧の印加で
分極方向が反転するが、分極反転領域３が基板内部に進
行するに伴ってプロトンの濃度が低下し分極方向が反転
し難くなる。また、分極反転領域３は基板内部に進行す
るに伴って輪郭がぼやけ横にも広がる可能性がある。

【００３５】かかる場合は、プロトンを交換した領域の
分極反転の進行状況と断面形状の変化に合わせて、前記
マスク５と電極６の間に印加する直流電圧を適宜変化せ
しめることによって分極反転領域３の形状を制御するこ
とが可能である。

【００３６】このように、強誘電体からなる基板１のプ
ロトン濃度の高い部分は電界を印加することで分極方向
を反転させることができる。しかもこのとき同じ電界で
プロトンが基板１の内部へ移動していくため分極反転領
域３も基板内部に進行する。その結果、通常の熱処理の
みで分極を反転させる場合とは異なり基板内部まで分極
を反転させることが可能になる。即ち、横方向への広が
りを押さえながら基板内部まで分極を反転させる部分的
分極反転領域の形成方法を実現することができる。

【００３７】次に、図２及び図３に、本発明の第２の実
施例の製造工程図を示す。図２及び図３において、ま
ず、ＬｉＴａＯ₃の基板１の＋Ｃ面に、Ｔａ（タンタ
ル）からなる金属膜を被着したマスク１０（3.4 μm 周
期、1.0 μm 開口部１０ａ）を形成する（図２
（Ａ））。

【００３８】これを255 ℃のピロリン酸中で２０分間プ
ロトン交換を行う（図２（Ｂ））。このとき、マスク１
０の開口部１０ａ部分における基板１の表面上のプロト
ン交換領域１１でＬｉ⁺とプロトンＨ⁺とが交換され
る。このプロトン交換領域１１は後に電圧印加により分
極反転する場合に、反転しきい値を低下させる。

【００３９】続いて、マスク１０上にレジスト１２を塗
布し（図２（Ｃ））、＋Ｃ面側から露光して現像を行う
（図２（Ｄ））。その上に、Ｔｉ（チタン）膜１３ａ，
１３ｂを蒸着により形成し（図２（Ｅ））、アセトンで
洗浄してレジスト１２上のＴｉ膜１３ａを、該レジスト
１２と共に除去する（図３（Ｆ））。

【００４０】その後、ＣＦ₄（フッ化炭素）＋Ｏ₂ガス
によるＲＩＥ（反応性イオンエッチング）でＴａのマス
ク１０をエッチングすることにより、プロトン交換領域
上にチタン膜の電極１３ｂが形成される（図３
（Ｇ））。また、基板１の−Ｃ面の全体にＴｉ膜を蒸着
し、電極６を形成する（図３（Ｈ））。

【００４１】そして、±Ｃ面の電極１３ｂ，６間に直流
電源７により200 kV/cm の電界を約１分間印加する。こ
れにより、＋Ｃ面の電極１３ｂ下に深さ数十μm の分極
反転領域４が形成される（図３（Ｉ））。すなわち、基
板１の表面の分極を反転すべき領域と、分極を反転しな
い領域の反転しきい値に、プロトン交換領域１１により
差を持たせ、反転領域上の電極で電界印加することで、
基板深くまで周期的分極反転領域を形成するものであ
る。

【００４２】その後、電極１３ｂ，６を除去し、＋Ｃ面
に光導波路（図示せず）を作製することにより、第二高
調波発生（ＳＨＧ）素子が得られる。

【００４３】一方、電極をパターニングするだけでは、
電荷の結晶表面での移動により電極間の電位が上昇し、
電極下部のみならず電極間の分極も反転してしまい、周
期的反転パターンの形成が困難であった。本発明によれ
ば、反転領域を形成すべき部分の反転閾値を反転領域を
形成しない部分の反転閾値よりも低くし、反転領域を形
成すべき部分のみが反転するような強度の電界をかける
ことにより、反転部電極の下部のみの分極を反転させる
ことができる。

【００４４】従って、基板深くまで達する周期的分極反
転領域の形成が可能となり、光導波路を極端に浅く作ら
なくとも、導波光と分極反転との相互作用が大きくな
り、波長変換素子の変換効率を向上させることができ
る。すなわち、光導波路を埋め込み型にしたり、閉じ込
めをやや弱くしても導波光と分極反転の相互作用が保た
れ変換効率への影響が少ないため、結晶表面の散乱のな
い低損失の光導波路や、第二高調波のパワー密度の低下
に伴う光損傷に対して強い光導波路を作製することがで
きる。

【００４５】次に、図４に、本発明の第３の実施例の構
成図を示す。図４において、まず、ＬｉＴａＯ₃の基板
１の＋Ｃ面に、開口幅２μm パターンのＴａ金属膜のマ
スク（図４（Ｂ）の２２参照）を形成し、250 ℃のピロ
リン酸中で３０分間プロトン交換を行い、光導波路２を
形成する。その後、マスクを除去し、導波路損失の低減
と非線形光学定数の回復のため、空気中で360 ℃，２時
間のアニールを行う。

【００４６】続いて、光導波路２上にＳｉＯ₂膜等の透
明な絶縁膜４１ａを形成し、その上にＴｉ等の金属膜で
くし歯状のパターン電極４２ａ，４２ｂを形成する。こ
のパターン電極４２ａ，４２ｂは、幅0.7 μm ，ピッチ
3.4 μm のくし歯を互いにかみ合わせ状態で整合させた
ものである。また、基板１の対向する面に電極６を形成
する。また、パターン電極４２ａ，４２ｂ上に、上述と
同様の絶縁膜４１ｂが形成される。この絶縁膜４１ｂ
は、電界印加時にパターン電極４２ａ，４２ｂ間の放電
を防止する役割を果たす。

【００４７】そこで、パターン電極４２ａに直流電源７
ａを接続し、パターン電極４２ｂに直流電源７ｂを接続
する。

【００４８】そして、分極を反転すべき領域の直上のパ
ターン電極４２ａと、裏面の電極６との間に210 kV/cm
の電界を約１分印加する。この際、分極非反転領域３の
直上のパターン電極４２ｂには、裏面の電極６との電界
強度として、パターン電極４２ａと裏面の電極６との電
界強度よりも小さくなるような電位（望ましくは200kV/
cm 以下）を与えておく。

【００４９】なお、このパターン電極４２ａ，４２ｂ間
の電位差は、電極間放電や絶縁破壊による電極の損傷が
生じない限り大きいほうが望ましく、必要に応じてパル
ス状の電界印加などの手法を用いることも有効であり、
真空中で電界印加を行うことも有効である。

【００５０】この場合、反転領域直上のパターン電極４
２ａ幅よりやや広がった分極反転領域４が、基板１の表
面から数十μm の深さまで形成される。このようにして
作製した長さ１０mmの第二高調波発生素子に、波長840
nmの半導体レーザ光を入射したところ、青色光（波長42
0 nm）が得られた。

【００５１】このように、電界の印加により強誘電体の
分極が反転する現象は知られているが、通常のパターン
電極のみの方法ではパターン電極が形成されている結晶
表面における電極間への電荷の移動により、電極下部の
みならず電極間の分極も反転してしまい、周期的反転パ
ターンの形成が困難である。そこで、反転領域を形成す
べき部分と、それ以外の部分の双方に独立にパターン電
極４２ａ，４２ｂを形成し、パターン電極４２ｂと電極
６との電位差を、パターン電極４２ａと電極６との電位
差よりも低くすることにより、パターン電極４２ａの下
部のみの分極を深くまで反転させることが可能になる。

【００５２】ここで、図５に、第４の実施例の他の実施
例の構成図を示す。図５は、図４における光導波路を形
成するにあたり、埋め込み型の光導波路２ａとしたもの
である。この場合、基板１上に形成される絶縁膜４１ａ
の形成は省略される。これは、図４における絶縁膜４１
ａは、パターン電極４２ａ，４２ｂによる光の吸収を防
ぐためのものであり、埋め込み型の光導波路２ａにする
ことにより光の影響を防ぐことができるからである。

【００５３】このように、基板１深くまで達する周期的
分極反転領域４の形成が可能となり、光導波路２を極端
に浅く作らなくとも、光導波路と分極反転との相互作用
が大きくなり、波長変換素子の変換効率を向上させるこ
とができる。また、光導波路２ａを埋め込み型にした
り、閉じ込めをやや弱くしても変換効率への影響が少な
いため、低損失の光導波路が作製でき光損傷に対しても
強くすることができる。次に、図６に、本発明の第４の
実施例の製造工程図を示す。図６（Ａ）において、ま
ず、例えば厚さ500 μm のＬｉＴａＯ₃の基板１の＋Ｃ
面に通常のフォトリソグラフィの手法により、例えば厚
さ約1000Å，周期3.4 μm ，幅１μm のＴｉ金属のパタ
ーン電極２１を形成する。また、−Ｃ面には接地用のＴ
ｉ膜の電極６を形成する。次に、この基板を真空中に置
き、＋Ｃ面に形成されたＴｉ金属のパターン電極２１に
正の電位を与える。すなわち、直流電源７より２１０kV
/cmの電界を１分間印加することにより、パターン電極
２１の金属部の幅よりやや拡がった分極反転領域４が、
基板１の表面から少なくとも数十μm の深さまで形成さ
れる。このように真空中で電界を印加するのは、結晶表
面での電荷の移動を抑止し、電極パターンのない部分の
分極反転を防ぐためである。

【００５４】印加電圧や時間は分極反転領域４と分極非
反転領域３との大きさの比が１：１に近づくように調整
する。このようにして、周期的分極反転パターンを形成
した後、表面のパターン電極２１を除去する。この状態
で、反転層の深い周期的分極反転領域が作製される。な
お、パルス状の電界（例えば、ピーク電界４００ｋｖ／
ｃｍ、パルス幅１０ｍｓｅｃ、１Ｈｚで１０秒間）の印
加も、放電の防止には有効であることは当然である。

【００５５】続いて、光導波路を形成する場合は、図６
（Ｂ）において、基板１の＋Ｃ面に、Ｔａ金属膜を被着
し、導波路形成のための開口部２２ａ（幅２μm ）が形
成されたマスク２２を設ける。

【００５６】これを、例えばピロリン酸２３中に浸漬
し、250 ℃で３０分間のプロトン交換を行い、光導波路
２を形成する。

【００５７】その後、マスク２２を除去し、導波路損失
の低減と非線型光学定数の回復のためアニールを行う。
このようにして作製した長さ１０mmの第二高調波発生素
子に、波長840 nmの半導体レーザ光を入射したところ、
青色光（波長420 nm）が得られた。

【００５８】なお、図６において、図６（Ｂ）により光
導波路２を形成した後、図６（Ａ）による分極反転を行
ってもよい。

【００５９】ここで、図７及び図８に、第４の実施例に
おける他の実施例の構成図を示す。図７において、Ｌｉ
ＴａＯ₃の基板１の＋Ｃ面にＴａマスクパターンを形成
し、図６（Ｂ）と同様の手順で光導波路２を作製する。
次に、光導波路２上にＳｉＯ ₂膜等の絶縁膜２４ａを形
成した後、その上にＴｉ金属膜のパターン電極２１を形
成する。

【００６０】さらに、パターン電極２１上に例えば厚さ
数千ÅのＳｉＯ₂膜等の絶縁膜２４ｂをかぶせ、裏面の
電極６との間に図６（Ａ）と同様の電界を１分間印加す
るものである。

【００６１】このように、パターン電極２１間が絶縁膜
２４ａ，２４ｂで覆われているため、空気中での処理が
可能である。また、ＬｉＴａＯ₃の表面状態の影響を受
けないため再現性の良い分極反転パターン形成が可能で
ある。

【００６２】光導波路２とパターン電極２１との間の絶
縁膜２４ａは電極による光の吸収を防ぐためであるが、
この代わりに図８に示すように、光導波路２ａを埋め込
み型にしてもよい。

【００６３】なお、図６と同様に、光導波路２ａを後か
ら作製することも可能である。その場合には基板１とパ
ターン電極２１との間の絶縁膜２４ａの形成は不要であ
るが、分極反転パターン形成後にパターン電極２１と上
部の絶縁膜２４ｂの除去が必要となる。

【００６４】このように、図６〜図８に示すように、基
板深くまで達する周期的分極反転領域の形成が可能とな
り、光導波路を極端に浅く作らなくとも、導波光と分極
反転との相互作用が大きくなり、波長変換素子の変換効
率を向上させることができる。また、光導波路を埋め込
み型にしたり、閉じ込めをやや弱くしても変換効率への
影響が少ないため、低損失の光導波路が作製でき光損傷
に対しても強くすることができる。

【００６５】次に、図９に、本発明の第５の実施例の製
造工程図を示す。図９において、まず、ＬｉＴａＯ
₃（又はＬｉＮｂＯ₃）の基板１の±Ｃ面に、例えばＴ
ｉの金属膜の電極５１，６を蒸着等により形成する（図
９（Ａ））。そして、＋Ｃ面の電極５１（−Ｃ面の電極
６でもよい）を、例えば3.4 μm 周期でパターニングし
てパターン電極５１ａを形成する（図９（Ｂ））。

【００６６】続いて、このパターン電極５１ａ間又はパ
ターン電極５１ａ自体を切断して、緩衝部である溝５２
を基板１の＋Ｃ面に形成する（図９（Ｃ））。この溝５
２が電界印加時の放電を防止する役割を果たす。この場
合、加熱により水分を蒸発させればなおよい。

【００６７】そこで、主パターン電極５１ａと電極６と
の間に、直流電源７より、例えば210 kV/cm の電界を印
加して主パターン電極５１ａ下で周期的に分極反転さ
せ、分極非反転領域３と分極反転領域４を形成する（図
９（Ｄ））。例えば、基板１が厚さ0.5 ｍｍのＬｉＴａ
Ｏ₃の場合、210 kV/cm の電界を印加するためには10.5
ｋｖの電圧を電極間に印加する必要があるが、溝５２を
形成しない場合には空気中における素子表面の放電電界
を越えることから印加することができないが、溝５２に
より限界を上昇させることができるものである。

【００６８】そして、パターン電極５１ａ及び電極６を
除去し、形成された分極非反転領域３及び分極反転領域
４に垂直方向に、通常の方法（例えばプロトン交換）に
より光導波路２を形成する（図９（Ｅ））。

【００６９】このように溝５２を形成することにより、
空気中で高電界を印加することができ、２０μm 以上の
深さの分極反転領域４を形成することができる。従っ
て、光導波路２とのオーバーラップを十分にとることが
できる。もちろん、真空中の電界印加や、パルス状の電
界印加の併用も効果がある。

【００７０】ここで、図１０に、第５の実施例の他の実
施例の製造工程図を示す。図１０において、図１０
（Ａ），（Ｂ）は、図９（Ａ），（Ｂ）と同様である。
このパターン電極５１ａのうち、不要部分を除去して主
パターン電極５１ｂを残し、他の部分を緩衝部である空
間緩衝領域５３とする（図１０（Ｃ））。この空間緩衝
領域５３が、図９（Ｃ）と同様に、電界印加時の放電を
防止する役割を果たす。また、この場合も同様に、加熱
により水分を蒸発させればなおよい。

【００７１】そこで、主パターン電極５１ｂと電極６と
の間に、直流電源７より、例えば210 kV/cm の電界を印
加して主パターン電極５１ｂ下で周期的に分極反転さ
せ、分極非反転領域３及び分極反転領域４を形成する
（図１０（Ｄ））。そして、図９（Ｅ）と同様に、光導
波路２を形成するものである（図１０（Ｅ））。

【００７２】このように、この方法によっても２０μm
以上の深さの分極反転領域４を形成することができ、光
導波路２とのオーバーラップを十分にとることができ
る。

【００７３】次に、図１１に、本発明の第６の実施例の
製造工程図を示す。図１１において、図１１（Ａ），
（Ｂ）の工程は、図９（Ａ），（Ｂ）と同様であり、図
１１（Ｂ）は基板１を反転させた状態を示している。

【００７４】そこで、これを真空室５４内に位置させ、
パターン電極５１ａを接地して、電極６に電子ビーム５
５を照射する（図１１（Ｃ））。この場合、電子ビーム
５５により印加電界が210 kV/cm に達するまで照射させ
て分極を反転させ、分極非反転領域３及び分極反転領域
４を形成する。そして、図９（Ｅ）と同様に、光導波路
２を形成するものである（図１１（Ｄ））。

【００７５】なお、図１１（Ｃ）において、電子ビーム
５５を照射した場合を示したが、イオンビームを照射し
てもよい。また、図９及び図１０と同様に、パターン電
極５１ａが形成された基板１上に、緩衝部の溝又は空間
緩衝領域を形成してもよい。

【００７６】このように、3.4 μm 周期で２０μm 以上
の充分な深さをもつ分極反転を、光導波路２の伝播方向
に長く作製することができる。これにより、光導波路２
と分極反転の相互作用領域を、深さ方向、長さ方向共に
長くとることができ、波長変換素子の変換効率を向上さ
せることができる。しかも、周期的分極反転の作製時間
は従来の電子ビーム自身を細く絞りパターンを形成する
方法よりも短くすることができる。

【００７７】次に、本発明の第７の実施例による光第二
高調波発生素子の製造方法を図１２を参照しながら説明
する。

【００７８】図１２を参照するに、本発明の第７の実施
例では、ＬｉＴａＯ₃よりなる強誘電体基板１の上側主
面に対応する＋Ｃ面上にＴｉよりなる金属電極層６１を
形成し、さらに同じく基板１の下側主面に対応する−Ｃ
面上にも裏側電極層６を形成する。つぎに、電極層６１
をパターニングして各々Ｙ方向に伸長する多数の細長い
矩形開口部６１ａを、Ｘ方向に繰り返し形成する。

【００７９】本実施例では、電極６１と電極６との間に
直流電源が接続され、開口部６１ａが形成されている部
分を除いて基板中に分極が反転した領域を形成する。す
なわち電極６１と６との間に直流電圧を印加することに
より、基板中には開口部６１ａに対応した矩形形状の分
極反転領域が形成される。さらに、Ｘ方向に延在する光
導波路を前記矩形分極反転領域を横切るように形成する
ことにより、基本波と周期的な分極反転領域の繰返しと
の相互作用が増大し、光第２高調波の発生効率が向上し
たＳＨＧ素子を形成することが可能になる。

【００８０】ところで、かかるＳＨＧ素子では、開口部
６１ａに対応して形成された矩形分極反転領域は、直線
的で明瞭な前縁部および後縁部を有することが、効率的
な波長変換を行う上で重要である。ところが、このよう
な矩形分極反転領域では、特にその長手方向の大きさ、
したがって開口部６１ａの長さＬが大きいと分極反転領
域の前後縁部が直線からずれて波状になってしまう傾向
が見出された。

【００８１】図１５中縦軸はかかる分極反転領域の前後
縁部の直線からのずれの振幅を示し、一方横軸は矩形開
口部６１ａの長手方向サイズＬを示す。図１５よりわか
るように、波動振幅はマスク開口部６１ａのサイズＬが
５０μｍを超えると非常に増加する。すなわち図１５よ
り、サイズＬの大きさは５０μｍ以下であるのが好まし
いことがわかる。特に、サイズＬが２０μｍ以下の場合
により良い結果が得られるのがわかる。また、これと同
様の関係が、電極６１のパターンが反転して開口部６１
ａの代わりに電極片が形成されている場合にも成立す
る。

【００８２】図１２の例では、基板１の下主面に形成さ
れた電極６はその両側の部分６ａ，６ｂが除去されるよ
うにパターニングされているのがわかる。電極６をこの
ようにパターニングすることにより、上側電極と下側電
極との間で基板側壁を介して放電が生じる可能性を除去
することが可能になる。

【００８３】図１３は第７の実施例の一変形例を示す。
本変形例では、開口部６１ａの両側にｘ方向に延在する
一対の細長い開口部６１ｂが形成されている。本実施例
では、開口部６１ａをこのように形成することで電界を
開口部６１ａの両端部に集中させることが可能になり、
これにより分極反転領域をより明瞭に形成することが可
能になる。

【００８４】図１４は本発明の第７の実施例の別の変形
例を示す。本実施例は矩形分極反転領域の両端部に一層
の電界の集中をもたらすと同時に、図１３の構造では開
口部６１ｂにより露出されている基板表面で時折生じる
放電を防止することができる。すなわち、図１４の変形
例では単一の連続的な開口部となっている開口部６１ｂ
を、架橋導体部６１ｄを設けることにより、より小さな
複数の開口部６１ｃに分割する。また、架橋導体部６１
ｄを形成することで、開口部６１ａが形成されている部
分に電荷が供給される。

【００８５】勿論、第７の実施例に先の実施例で記載し
た様々な特徴を組み合わせることが可能である。例え
ば、図９に示した溝５２あるいは図１０に示した露出表
面５３等の分離領域を図１３の実施例に形成し、さらに
直流電圧の印加を図６の場合のように真空中で行うよう
にして本発明の効果を最大限に引き出すことが可能であ
る。

【００８６】さらに、本発明は以上の実施例に限定され
るものではなく、さまざまな変形、変更が可能である。

【００８７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、横方向へ
の広がりを押さえながら、基板内部まで深く分極を反転
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の製造工程図である。

【図２】本発明の第２の実施例の製造工程図である。

【図３】本発明の第２の実施例の製造工程図である。

【図４】本発明の第３の実施例の構成図である。

【図５】第３の実施例における他の実施例の構成図であ
る。

【図６】本発明の第４の実施例の製造工程図である。

【図７】第４の実施例における他の実施例の構成図であ
る。

【図８】第４の実施例の他の実施例の構成図である。

【図９】本発明の第５の実施例の製造工程図である。

【図１０】第５の実施例の他の実施例の製造工程図であ
る。

【図１１】本発明の第６の実施例の製造工程図である。

【図１２】本発明の第７の実施例の製造工程図である。

【図１３】本発明の第７の実施例の一変形例を示す図で
ある。

【図１４】本発明の第７の実施例の別の変形例を示す図
である。

【図１５】本発明の第７の実施例の効果を示す図であ
る。

【図１６】従来のＳＨＧ素子を説明するための図であ
る。

【図１７】従来の部分的分極反転領域の形成方法を示す
模式図である。

【図１８】従来の部分的分極反転領域の形成方法を示す
模式図である。

【図１９】従来の部分的分極反転領域の形成方法を示す
模式図である。

【符号の説明】

１基板２，２ａ光導波路３分極非反転領域４分極反転領域５，１０，２２マスク５ａ，１０ａ，２２ａ，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ開口
部６電極６ａ，６ｂ露出領域７，７ａ，７ｂ直流電源１１プロトン交換領域２１パターン電極２３ピロリン酸２４ａ，２４ｂ，４１ａ，４１ｂ絶縁膜４２ａ，４２ｂ，５１ａパターン電極５２溝５３空間緩衝領域５５電子ビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強誘電体からなる基板（１）の両面に電
極を形成する工程と、該電極間に、横方向への分極反転領域の成長を抑止しつ
つ所定の電界を印加して、分極非反転領域（３）及び分
極反転領域（４）を形成する工程とを含み、前記横方向
への分極反転領域成長の抑止は、前記分極反転領域
（４）を形成すべき部分にのみ、前記基板（１）の構成
イオンをプロトンと交換した後に、所定の電界を印加す
ることを特徴とする部分的分極反転領域の形成方法。
【請求項２】強誘電体からなる基板（１）上に金属か
らなるマスク（５）を形成するマスク形成工程と、該マスク（５）の開口部（５ａ）を通して該基板（１）
の構成イオンをプロトンと交換するプロトン交換工程
と、該基板（１）の該マスク（５）を形成してなる面の反対
側の面に電極（６）を形成する電極形成工程と、該マスク（５）と該電極（６）の間に直流電圧を印加す
る分極反転工程とを少なくとも含み、分極反転領域を該基板（１）の内部に進行させることを
特徴とする請求項１記載の部分的分極反転領域の形成方
法。
【請求項３】請求項２記載の分極反転工程において前
記基板（１）を加熱することを特徴とした部分的分極反
転領域の形成方法。
【請求項４】請求項２又は３記載の分極反転工程にお
いてプロトンを交換した領域の分極反転の進行に合わせ
て、前記マスク（５）と前記電極（６）の間に印加する
直流電圧を変化せしめることを特徴とする部分的分極反
転領域の形成方法。
【請求項５】強誘電体からなる基板（１）上に、金属
からなるマスク（１０）を形成し、該マスク（１０）の
開口部（１０ａ）を通して該基板（１）の構成イオンを
プロトン交換して、プロトン交換領域（１１）を形成す
る工程と、該マスク（１０）を除去して、該プロトン交換領域（１
１）上にパターン電極（１３ｂ）を形成する工程と、該基板（１）の該電極（１３ｂ）を形成される面の反対
側の面に、電極（６）を形成する工程と、該２つの電極（１３ｂ，６）間に所定の電圧を印加し
て、該基板（１）の該電極（１３ｂ）下を分極反転させ
る工程と、を含むことを特徴とする請求項１記載の部分的分極反転
領域の形成方法。
【請求項６】強誘電体からなる基板（１）の分極反転
パターンを形成する面上に、近接する２つのパターン電
極（４２ａ，４２ｂ）を形成するとともに、対向する面
に電極（６）を形成する工程と、該２つのパターン電極（４２ａ，４２ｂ）に独立に、電
位差を持たせて所定の電界を印加して、一方の該パター
ン電極（４２ａ）下に分極反転領域（４）を形成し、他
方の該パターン電極（４２ｂ）下に分極非反転領域
（３）を形成する工程と、を含むことを特徴とする部分的分極反転領域の形成方
法。
【請求項７】前記２つのパターン電極（４２ａ，４２
ｂ）は、くし歯状の電極を互いにかみ合い状態で整合さ
せて形成することを特徴とする請求項６記載の部分的分
極反転領域の形成方法。
【請求項８】強誘電体からなる基板（１）の一方面に
パターン電極（２１）を形成すると共に、他方面に電極
（６）を形成する工程と、該パターン電極（２１）と電極（６）間に、真空中で所
定の電界を印加して、分極非反転領域（３）及び分極反
転領域（４）を形成する工程と、を含むことを特徴とする部分的分極反転領域の形成方
法。
【請求項９】前記所定の電圧印加を真空中で行うこと
を特徴とする請求項５乃至７記載の部分的分極反転領域
の形成方法。
【請求項１０】強誘電体からなる基板（１）の一方面
にパターン電極（２１）を形成すると共に、他方面に電
極（６）を形成する工程と、前記パターン電極（２１）が形成された前記基板（１）
の、少なくとも表出している部分に絶縁膜（２４ｂ）を
形成する工程と、該パターン電極（２１）と電極（６）間に所定の電界を
印加して、分極非反転領域（３）及び分極反転領域
（４）を形成する工程と、を含むことを特徴とする部分的分極反転領域の形成方
法。
【請求項１１】前記パターン電極が形成された前記基
板（１）の、少なくとも表出している部分に絶縁膜（２
４ｂ）を形成する工程を含むことを特徴とする請求項５
乃至９記載の部分的分極反転領域の形成方法。
【請求項１２】強誘電体からなる基板（１）の両面に
電極（５１，６）を形成する工程と、該電極が形成された該基板（１）上に、電界印加時の放
電を防止する緩衝部（５２，５３）を形成する工程と、該電極間に所定の電界を印加して、分極非反転領域
（３）及び分極反転領域（４）を形成する工程と、を含むことを特徴とする部分的分極反転領域の形成方
法。
【請求項１３】前記電極が形成された前記基板（１）
上に、電界印加時の放電を防止する緩衝部（５２，５
３）を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１乃
至１１記載の部分的分極反転領域の形成方法。
【請求項１４】前記緩衝部は、溝（５２）又は空間緩
衝領域（５３）又は溝と空間緩衝領域の双方であること
を特徴とする請求項１２又は１３記載の部分的分極反転
領域の形成方法。
【請求項１５】強誘電体からなる基板（１）の一方面
にパターン電極（５１ａ）を形成すると共に、他方面に
電極（６）を形成する工程と、一方の電極（５１ａ又は６）を接地すると共に、反対側
の電極（６又は５１ａ）に、真空中で荷電ビーム（５
５）を照射して所定の電界を印加し、分極非反転領域
（３）及び分極反転領域（４）を形成する工程と、を含むことを特徴とする部分的分極反転領域の形成方
法。
【請求項１６】前記荷電ビームは、電子ビーム（５
５）又はイオンビームであることを特徴とする請求項１
５記載の部分的分極反転領域の形成方法。
【請求項１７】強誘電体からなる基板（１）の一方面
に第１の電極（６１）を形成すると共に、他方面に第２
の電極（６）を形成する工程と、前記第１の電極をパターニングして、前記基板の前記一
方面上に、複数の細長いパターン（６１ａ）を、相互に
平行に延在するように、また延在方向とは別の方向に繰
り返されるように形成する工程と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の直流電
圧を印加して、前記強誘電体基板中の前記複数の細長い
パターンに対応する部分に分極の反転を誘起する工程と
よりなる、部分的分極反転領域の形成方法において、前記第１の電極をパターニングする工程は、前記複数の
細長いパターン（６１ａ）の各々が、その長手方向に、
５０μｍ以下の長さで延在するように形成することを特
徴とする方法。
【請求項１８】前記第１の電極をパターニングする工
程は、前記複数の細長いパターンの各々が、その長手方
向に、２０μｍ以下の長さで延在するように形成するこ
とを特徴とする方法。
【請求項１９】前記第１の電極（６１）をパターニン
グする工程は、前記細長いパターンとして前記第１の電
極中に複数の細長い開口部（６１ａ）を、各々の細長い
開口部が前記細長いパターンの延在方向に一致して延在
するように、かつ前記細長い開口部が前記延在方向とは
異なった前記別の方向に繰り返されて列を形成するよう
に形成する工程と、前記細長い開口部の列の両側に、一
対の別の細長い開口部を前記列の延在方向に延在するよ
うに形成する工程とよりなることを特徴とする請求項１
８記載の方法。
【請求項２０】強誘電体からなる基板（１）の一方面
に第１の電極（６１）を形成すると共に、他方面に第２
の電極（６）を形成する工程と、前記第１の電極をパターニングして、前記基板の前記一
方面上に、複数の細長いパターン（６１ａ）を、相互に
平行に延在するように、また延在方向とは別の方向に繰
り返されるように形成する工程と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の直流電
圧を印加して、前記強誘電体基板中の前記複数の細長い
パターンに対応する部分に分極の反転を誘起する工程と
よりなる、部分的分極反転領域の形成方法において、前記第１の電極と第２の電極との間の放電を防止する構
造（６ａ，６ｂ）を形成する工程をさらに含み、前記第１の電極をパターニングする工程では：前記複数
の細長いパターン（６１ａ）の各々が、その長手方向
に、５０μｍ以下の長さで延在するように形成され；ま
た前記複数の細長いパターンとして、前記第１の電極中
に複数の細長い開口部（６１ａ）が、各々の細長い開口
部が前記細長いパターンの延在方向に一致して延在する
ように、かつ前記細長い開口部が前記延在方向とは異な
った前記別の方向に繰り返されて列を形成するように形
成され；さらに前記細長い開口部の列の両側に、一対の
別の細長い開口部が前記列の延在方向に延在するように
形成されてなり；前記直流電圧を印加する工程は真空中
で実行されることを特徴とする方法。
【請求項２１】前記放電を防止する構造は、前記第２
の電極（６）をパターニングして、前記細長い開口部
（６１ａ）の列の方向に略延在する電極パターンを、そ
の両側で基板（１）の他方面（６ａ，６ｂ）が露出する
ように形成することで形成されることを特徴とする請求
項２０記載の方法。
【請求項２２】部分的分極反転領域（４）が形成され
た基板（１）と、該基板（１）内の該分極反転領域（４）と垂直方向に埋
め込まれて形成され、入射する光より第二高調波を発生
させる光導波路（２ａ）と、を含むことを特徴とする光第二高調波素子。