JPH06186603A - 分極反転層形成方法 - Google Patents
分極反転層形成方法Info
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Abstract
き、微細な周期的ドメイン反転構造を容易に形成できる
分極反転層形成方法を提供する。 【構成】 強誘電体結晶からなる基板における分極反転
が生じ易い軸方向に平行な主面上において、3次元導波
路を形成する工程の前又は後に、3次元導波路の伸長方
向に沿ってこれを挾んで対向かつ離間して配置された一
対の接地用陽極及び印加用陰極の複数を、所定周期間隔
で主面上に形成し、接地用陽極を接地し、電子ビームを
印加用陰極に照射して、3次元導波路の伸長方向に沿っ
て複数の分極反転層を形成する。
Description
基板に分極反転層を形成する方法に関する。
の伸長したコア(3次元導波路)とその周囲を囲む低屈
折率のクラッドとからなり、該導波路に基本波を注入し
擬似位相整合(quasi-phase matching:QPM)により第2
高調波を生ぜしめる波長変換素子の製造方法に用いられ
る。第2高調波発生(Second Harmonic Generation:SHG)
及び擬似位相整合を利用した波長変換素子(以下、QPM-
SHG素子ともいう)としては、図1に示すように、強誘
電体結晶からなる基板1において基本波が伝わる3次元
導波路2の分極が該導波路の伸長方向に沿って周期的に
反転する複数の分極反転部3(周期的ドメイン反転構
造)を有するものが知られている。擬似位相整合は、基
本波を注入された導波路からの第2高調波出力がその伝
播に伴ってコヒーレンス長毎に極大極小を周期的に繰返
すことを利用して、コヒーレンス長毎に発生する分極波
の符号を交互に反転させて、第2高調波の出力の加算に
より出力を増大させる整合方法である。QPM-SHG素子の
強誘電体結晶基板には、領域不純物、歪応力、熱、電界
等の外部要因によって結晶のZ軸方位に分極の180度
反転、すなわち分極ドメインの反転が生じやすい(特に
+Z面)反転特性を有し、さらに非線形光学係数が高い
ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やタンタル酸リチウム(LiTaO
3)の結晶などが用いられる。よって、図1に示すように
波長変換素子としては、LiNbO3結晶などのZカッ
ト基板1(結晶のZ軸を法線としX−Y軸を含むZカッ
ト面1Zを主面とする基板)が主に用いられる(破線矢
印は分極の方向を示す)。
構造を形成する方法には、キュリー点近傍熱処理法、電
子ビーム照射法、電界印加法等が提案されている。例え
ば、図2に示すように特開平3−121428号に開示
されている電子ビーム照射法は、微細パターンの電極に
より電圧をかけて分極反転部を形成する。この方法にお
いては、シングルドメイン化されたLiNbO3結晶の
Zカット板を基板1として、その±Zカット面双方主面
を極性の反対な対向する一対の電極6ではさみ込み、1
000℃を越える高温中で図3に示すように、この基板
1に電極6より数十KV/cmの電圧を印加し、複数の
分極反転部3を基板に形成している。基板のZカット面
にて電圧印加を行うのは、Z面にて分極ドメインの反転
が生じやすいからである。
ブ酸リチウムやタンタル酸リチウム結晶のZカット基板
の主面にてピロリン酸によるプロトン交換を行いキュリ
ー点近傍まで加熱する熱処理を行う。基板のZカット面
にてプロトン交換を行うのは、図1に示す結晶のX軸を
法線としZ−Y軸を含むXカット面1X及びY軸を法線
としZ−X軸を含むYカット面1Yがプロトン交換によ
り腐食されるためプロトン交換層の作成に適さないとさ
れてきたためである(Kazuhisa YAMAMOTO, Kiminori MI
ZUUCHI and Tetsuo TANIUCHI“Low-Loss Channel Waveg
uides in MgO:LiNbO3 ans LiTaO3 by Pyrophosphoric A
cid Proton Exchange” Jpn.J. Appl.Phys. Vol.31(19
92)pp. 1059-1064 Part 1, No.4, April 1992)。
ル酸リチウムの結晶基板では、分極反転が生じ易いZ軸
方向に垂直なZカット面上に3次元導波路及び周期的ド
メイン反転構造を形成していた。
反転構造形成方法、すなわち分極反転層形成方法電子ビ
ーム照射法における基板のZカット面を一対の電極で挾
む方法は、分極反転部に屈折率の変化を生じないメリッ
トがあるものの、基板の厚さに応じて高電圧の印加が必
要で、基板を薄くするのに限界があるので、微細な周期
的ドメイン反転構造を形成するにも限界がある。
メイン反転構造を形成する方法において、プロトン交換
を行う場合もあり基板の腐食防止を考慮しなければなら
ない。よって、本発明の目的は、微細な周期的ドメイン
反転構造を容易に形成できる分極反転層形成方法を提供
することにある。
方法は、強誘電体結晶からなる基板に分極反転層を形成
する方法であって、前記基板における分極反転が生じ易
い軸方向に平行な主面上において、対向かつ離間して配
置された一対の接地用陽極及び印加用陰極の複数を、所
定周期間隔で形成する工程と、前記接地用陽極を接地
し、電子ビームを前記印加用陰極に照射し前記接地用陽
極及び前記印加用陰極を除去して、複数の分極反転層を
形成する工程とからなることを特徴とする。
期的ドメイン反転構造を有する波長変換素子が容易に作
製可能となる。
つつ説明する。図4(a)に示すように、まず、タンタ
ル酸リチウム結晶からなるYカット板を基板1として、
基板の結晶における分極反転が生じ易いZ軸方向に平行
な主面のYカット面1Y上において、対向かつ離間して
配置された一対の接地用陽極11及び印加用陰極12の
複数を、所定周期間隔で形成する。これら電極は例えば
クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、金(Au)、
銀(Ag)等によってフォトリソグラフィ法及びリアク
ティブイオンエッチング法等の手段により形成される。
地されるために共通の1つの金属膜として形成される。
印加用陰極12は所定間隔(X及びZ方向)にて分離し
た複数の島状金属膜として形成される。一対の接地用陽
極11及び印加用陰極12の間隔は、後に作成するX方
向に伸長する導波路の幅よりも広い間隔が望ましい。印
加用陰極12は同士の間隔は、波長λ=860nmの基本波
を用いX方向に伸長する導波路を有する一次のQPM-SHG
素子を製造する場合、X方向に沿って1.8μmのライ
ンアンドスペース(3.6μmピッチ)の複数の印加用
陰極12が形成される。尚、三次のQPM-SHG素子の場
合、ラインアンドスペースは5.4μmとなる。
ム描画装置を用いて、印加用陰極12上に沿って陰極に
一回づつ順次、間歇的に照射する。このとき、図6に示
すように印加用陰極12の直下で均一に電荷が蓄積さ
れ、これと接地用陽極11との間の基板1に電界が生じ
Z方向に分極反転層ができる。図4(b)に示す破線矢
印は分極の方向を示す。電子ビームは、印加用陰極12
の1毎に、プローブ(ビーム)電流Ip:5×10-8A
でドーズ時間360μ秒間(1.8×10-11[C])
照射される。なお、接地用陽極11及び印加用陰極12
の対向側縁端部は、後に作成するX方向に伸長する導波
路と平行に形成される。
うに、X方向に並設された複数の島状印加用陰極12
と、各々Z方向に平行に伸長して島状印加用陰極12に
向かい合う複数の歯部11aをその縁端部に有した接地
用陽極11とからなるパターンとしてもよく、さらに図
7(b)に示すように、両電極11及び12を櫛状金属
膜として両者の複数の歯部11a及び12aの自由端部
が互いに対向するように平行に配置してもよい。一対の
接地用陽極及び印加用陰極11及び12は、周期的な分
極反転部が所望のピッチと分極反転幅にそれぞれ対応す
るピッチと幅の平行配列パターンとなるように形成さ
れ、電子ビームが照射された際、電束密度が大きくな
り、効率よく分極反転が形成される。
示すパターンの場合、複数の印加用陰極12上に渡って
電子ビームをライン状に走査して連続照射しても良い。
この場合、電子ビームは、プローブ(ビーム)電流I
p:5×10-8A、ライン走査速度v:0.01[μm
/μ秒]にて照射する。ここで、印加用陰極12間の基
板1へ電子ビーム照射が行われるが、印加用電極金属が
近傍に存在するので基板1への影響は少ない。図7
(b)に示すパターンの場合、印加用陰極12に向けて
一回だけ電子ビームを照射するだけなので、工程数の減
少が達成できる。また、図7(b)に示す一括して電界
印加する方法では基板結晶表面の汚れ、結晶の欠陥や転
移による導電率の違い等で部分的に電界が均一に印加さ
れなくなる状態が生じることがあるが、図7(a)に示
す間歇的又は連続走査的に電子ビームを独立して島状印
加用陰極12に照射すると、各々対向する接地用及び印
加用電極間だけで分極が反転するので、かかる状態を避
けることが出来る。
独立に分極反転させることにより基板結晶の不均一によ
る影響を受けずに高精度のピッチ、デューティー比の分
極反転層が形成できる。印加用陰極12と接地用陽極1
1との間の距離をある程度(50〜100μm)離して
も隣接する分極反転部分が融合することはなくなる。ま
た、印加用陰極と接地用陽極との間の距離を離す場合、
分極反転層の深さが深くなり、QPM-SHG素子の特性が向
上する。
極12及び接地用陽極11をウェットエッチングで除去
し、直線上に配列された複数の分極反転層3を形成す
る。LiTaO3結晶のYカット面に成膜された電極に
電子ビームを照射することにより、低温で分極反転層が
形成できるので、結晶の損傷が減少する。次に、図4
(d)に示すように、3次元導波路を作成する。所定周
期の分極反転層3に直交した幅4μmのスリット状開孔
パターンのタンタル(Ta)膜13を基板のYカット面
にフォトリソグラフィ法及びリアクティブイオンエッチ
ング法等の手段により形成する。ここで、スリットの長
手方向はX方向である。
0℃,30分の条件でプロトン交換を行って3次元導波
路2を形成する。この後、O2雰囲気中340℃,30
分の条件でアニールし、プロトン交換層の3次元導波路
を安定化させる。なお、プロトン交換はピロリン酸で行
ったが安息香酸等のプロトン交換源でもよい。マスクは
タンタル(Ta)の他の金(Au),白金(Pt)など
ピロリン酸のプロトン交換に耐えるものであれば使用で
きる。安息香酸のプロトン交換であればアルミニウム
(Al),クロム(Cr),チタン(Ti)も使用でき
る。また、プロトン交換後に例えば340℃,30分程
度のアニール工程を加えれば、より低損失化も可能であ
る。
除去して、図5に示す波長変換素子が得られる。この波
長変換素子は、導波路2の両端面に光学研磨を施されて
いる。TEモードの基本波を上記導波路に入射させるこ
とにより、第2高調波(SHG)光を反対側端面から取
り出せる。このように基板1上に形成された3次元導波
路2及び分極反転部3を有するQPM-SHG素子は、導波路
に注入される基本波(波長=λ,周波数=ω)を第2高
調波(波長=λ/2,周波数=2ω)に変換する。
ム結晶のYカット基板でYカット面上に3次元導波路及
び周期的ドメイン反転構造を形成したのは、発明者は、
LiTaO3結晶のXY及びZカット面における腐食に
ついて実験を行い、そのYカット面におけるスリット幅
に対するプロトン交換導波路の腐食割合を平均したとこ
ろ、スリット幅が0μmを越え腐食部クラックの幅以上
で10μm以下の場合、腐食が発生せず望ましいことを
知見したためである。また同様な条件で、タンタル酸リ
チウム結晶のXカット基板を用いた場合も、幅10μm
以下のスリット状マスクを用いた方法は同様の腐食減少
効果を奏し、さらに、ニオブ酸リチウム結晶のXまたは
Yカット板に対しても同様の効果を示ことが明らかとな
ったためである。よって、上記基板としてはタンタル酸
リチウム結晶のXカット板でもよく、またニオブ酸リチ
ウム結晶からなるXまたはYカット基板でもよい。
施例では周期的ドメイン反転構造の形成の後に3次元導
波路を形成しているが、電極形成及び電界印加による分
極反転部の形成工程の前に、プロトン交換による3次元
導波路を作製してもよい。すなわち、プロトン交換源に
よる腐食が生じないスリット幅のスリットを有するパタ
ーンマスクを、基板の結晶における分極反転が生じ易い
軸方向に平行な主面上に形成し、次に、プロトン交換源
をスリットを介して主面に接触させプロトン交換を行い
3次元導波路を形成し、次に、3次元導波路を挾んで対
向し離間して配置された一対の電極(または3次元導波
路の伸長方向に直交する方向において伸長しかつ離間す
る複数の歯部を有する櫛型電極)を形成し、次に、電極
の一方を接地し、電子ビームを櫛型電極の他方に照射し
て電極間に電界を印加し、3次元導波路の伸長方向に沿
って複数の分極反転層を形成し、QPM-SHG素子を作成で
きることは明らかである。
用陰極12と接地用陽極11との間の距離を離して、電
気力線を基板内部にまで発生させ分極反転層3の深さを
深くするようになしたが、他の実施例としては、分極反
転層3の深さをさらに深くしてQPM-SHG素子の特性を向
上させるために、印加用陰極12と接地用陽極11との
一部が導波路となるべき基板表面部分を挾むように、両
電極を形成する方法がある。
ず、タンタル酸リチウム結晶からなるYカット板基板1
を用意して、そのYカット面1Y上において、導波路と
なるべき基板表面部分15を挾むように、各々深さ数μ
mの2本の平行溝20をプラズマエッチング、反応性エ
ッチング等のドライエッチング方法で形成する。ここ
で、基板表面部分15を挾む平行溝20の対向側壁が平
行となるように異方性エッチングを行う。また、他に機
械的な切削で数ミクロンの研削を行ったり、逆に導波路
となるべき基板表面部分15をエピタキシャル成長させ
形成してもよい。
0の一方の中にX方向に並設された複数の島状印加用陰
極12を形成し、平行溝20の他方の中に各々Z方向に
平行に伸長し陰極12に向かい合う複数の歯部を有する
接地用陽極11を形成する。両電極のパターンは、さら
に図7(b)、図4(a)に示すようになしてもよい。
フォトリソグラフィー方法等によって、陰極12の歯部
及び陽極11は、これらが基板表面部分15を挾むよう
に、平行溝20の対向側壁上に渡って所定周期間隔で形
成される(図9に示す立上り部分11a,12a)。
電子ビーム描画装置を用いて、印加用陰極12上に沿っ
て陰極に一回ずつ順次、間歇的に照射する。図9に示す
ように、平行溝20の対向側壁上に陽極11及び陰極1
2の立上り部分11a及び12aが形成されているの
で、印加用陰極12の立上り部分12a垂直面に均一に
電荷が蓄積され、これと接地用陽極11の立上り部分1
1aとの間の基板表面部分15内部に電界が生じZ方向
に分極反転層ができる。よって、平行溝20の深さを所
望の値に設定し、溝側壁上に対向する周期電極群を形成
すれば3次元導波路のQPM-SHG素子を作成できる。な
お、電子ビームの照射は、図8(b)に示すパターンの
場合、複数の印加用陰極12上に渡って電子ビームをラ
イン状に走査して連続照射しても良い。
同様に作業をすすめ、導波路2の両端面に光学研磨を施
せば、図10に示す波長変換素子が得られる。
方法によれば、強誘電体結晶からなる基板における分極
反転が生じ易い軸方向に平行な主面上において、プロト
ン交換法等による3次元導波路を形成する工程の前又は
後に、3次元導波路の伸長方向に沿ってこれを挾んで対
向かつ離間して配置された一対の接地用陽極及び印加用
陰極の複数を、所定周期間隔で主面上に形成し、接地用
陽極を接地し、電子ビームを印加用陰極に照射して、3
次元導波路の伸長方向に沿って複数の分極反転層を形成
する工程を行うので、電極間距離が1次の擬似位相整合
によるQPM-SHG素子の場合、数μm程度と微小なため、
低電圧で所望の電界を得られ分極反転も実現できる。さ
らに、基板の一主面に金属周期パターンを形成でき、QP
M-SHG素子の製造工程を簡素化でき、微細な周期的ドメ
イン反転構造を容易に形成できる。また、幅10μm以
下のスリットを有するTa製マスクを、タンタル酸リチ
ウム結晶またはニオブ酸リチウム結晶からなるXまたは
Yカット基板のXまたはYカット面すなわち分極反転が
生じ易い軸方向に平行な主面上に形成し、これをプロト
ン交換を行うことにより、チャネル型のプロトン交換層
等の導波路の作製が可能となり、スリット長手方向をZ
軸に対して直交方向としたものはTEモードの光を閉じ
込めるのに適した3次元導波路として利用できるように
なる。
おける電極を担持した基板の概略斜視図である。
る。
G素子の製造工程における基板の概略斜視図である。
たQPM-SHG素子の概略斜視図である。
図である。
平面図である。
M-SHG素子の製造工程における基板の概略斜視図であ
る。
図である。
得られたQPM-SHG素子の概略斜視図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 強誘電体結晶からなる基板に分極反転層
を形成する方法であって、前記基板における分極反転が
生じ易い軸方向に平行な主面上において、対向かつ離間
して配置された一対の接地用陽極及び印加用陰極の複数
を、所定周期間隔で形成する工程と、前記接地用陽極を
接地し、電子ビームを前記印加用陰極に照射し前記接地
用陽極及び前記印加用陰極を除去して、複数の分極反転
層を形成する工程とからなることを特徴とする分極反転
層形成方法。 - 【請求項2】 前記印加用陰極は所定方向に並設された
複数の島状金属膜であり、前記接地用陽極は前記島状金
属膜に向かい合う複数の歯部を有する櫛状金属膜であ
り、電子ビームが前記島状金属膜上に走査又は間歇的に
照射されることを特徴とする請求項1記載の分極反転層
形成方法。
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