JPH0713008A

JPH0713008A - 回折格子およびその製造方法ならびに波長変換素子

Info

Publication number: JPH0713008A
Application number: JP14890193A
Authority: JP
Inventors: Kiminori Mizuuchi; 公典水内; Kazuhisa Yamamoto; 和久山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1993-06-21
Publication date: 1995-01-17
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JP3329000B2

Abstract

(57)【要約】【目的】低ロスで高効率の導波路型回折格子を製造す
る。【構成】電気光学効果を有する基板１に高電界を印加
することにより、基板１内部に局所電界を形成し、これ
によって回折格子を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光源を応
用した、光情報処理、光応用計測制御分野に使用される
回折格子および波長変換素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光導波路上に周期的な回折格子を形成す
ることにより、導波路内を伝搬する光を制御できる。例
えば、ＤＢＲ（Distributed bragg refrector）は特定
の波長の導波光を導波路内で反射して、導波路を逆方向
に伝搬する光に変換することができる。また導波路上の
グレーティングにより導波路を伝搬する導波光を導波路
から放射する放射モードの光に結合することもできる。
このような従来の回折格子を図２０に示す。図２０にお
いて、４１はLiNbO₃基板、４２はTi拡散光導波路、４３
はグレーティング、４４は入射部である。入射部４４よ
り導波路４２に入射した光はグレーティング４３によっ
て反射されて、入射部４４より出射する。

【０００３】従来の回折格子の製造方法は、２重マスク
を用いた方法がある。（スコッティ他、エレクトロン・
レターズ："Ti:LiNbO₃ Stripe Waveguide Bragg Reflec
torGratings" Electron. lett., 24, 14, pp.844-845
(1988)）この従来の回折格子の作製方法を図２１を用い
て説明する。ａ）Ti拡散により光導波路を形成したLiNb
O₃基板上にTiを堆積し、Ti上にレジストを塗布する、
ｂ）レジストに干渉露光により周期３６０ｎｍの周期的
パターンを転写する。ｃ）CCl₂F₂ガスを用いた反応性イ
オンエッチングによりTiの周期的パターンを形成する。
ｄ）TiをマスクとしてCF₄,Ar,N₂雰囲気中で反応性イオ
ンエッチングによりLiNbO₃をエッチングしグレーティン
グを形成する。導波路の両端面を研磨し、導波路に波長
１．５μｍ帯のＬＥＤの光を結合させた。結果を図２１
に示す。ブラッグ条件を満たす波長で反射が起こり、光
が反射されているのが分かる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の回折格子の構成
では、基板を直接エッチングするため、LiNbO₃等の硬度
の高い基板においては複雑なプロセスが必要となるとい
う問題があった。また、深いグレーティングの形成が困
難なため、効率の高いグレーティングを作製するのが難
しいという問題があった。さらに、複数の転写を繰り返
す複雑な作製工程のため、周期パターンの不均一性が増
大し、図２１に示したように、理論的には単一の波長で
反射が起こるにも関わらず。広い波長範囲で反射が発生
し、ＤＢＲ条件の劣化が発生しているなどの問題があっ
た。また、グレーティングの不均一性および、エッチン
グにより発生する基板表面の荒れが原因で発生する導波
光の散乱により導波ロスが増大し、利用する導波光量の
低下および、回折格子の効率の低下が発生するという問
題があった。また導波路の表面近傍にしかグレーティン
グが形成できないため、高効率化が難しく、高い反射効
率を得るには長いグレーティング長を必要とするという
問題があった。

【０００５】そこで本発明は上記の点に鑑み、ロスが少
なく、かつ効率の高い回折格子が簡単なプロセスで製造
できる回折格子の製造方法および回折格子ならびに波長
変換素子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明では、（１）電気光学効果を有する強誘電体基板の表面に櫛型
電極を形成する工程と、前記基板の裏面に平面電極を形
成する工程とを有し、前記櫛形電極と前記平面電極の間
に１ｋＶ〜１００ｋＶ／ｍｍの電界を１μsec〜１秒の
間印可する回折格子の製造方法である。（２）電気光学効果を有する強誘電体基板を接地する工
程と、前記基板表面に１０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶで加速
した荷電粒子を集束する工程と、前記集束した荷電粒子
により前記基板表面を周期状に走査する工程を有し、前
記基板の照射面における電流密度が１００μＡ〜１０ｍ
Ａ／ｍｍ²になるように荷電粒子を照射する回折格子の
製造方法である。（３）電気光学効果を有する強誘電体基板表面に、選択
的な金属マスクを形成する工程と、前記マスクを接地す
る工程とを施した後、前記基板表面に１０ｋｅＶ〜２０
０ｋｅＶで加速した荷電粒子を照射する工程を有し、前
記基板の照射面における電流密度が１００μＡ〜１０ｍ
Ａ／ｍｍ²になるように荷電粒子を照射する回折格子の
製造方法である。（４）電気光学効果を有する強誘電体基板表面に、選択
的な誘電体マスクを形成した後、前記基板表面に１０ｋ
ｅＶ〜２００ｋｅＶで加速した荷電粒子を照射する工程
を有し、前記基板の照射面における電流密度が１００μ
Ａ〜１０ｍＡ／ｍｍ²になるように荷電粒子を照射する
回折格子の製造方法である。

【０００７】また、（５）電気光学効果を有する強誘電体基板と、前記基板
表面または内部に形成した局所電界を有する部分と、前
記基板表面近傍に形成した光導波路とを有し、かつ前記
局所電界を有する部分が周期的に形成されていることを
特長とする回折格子である。（６）電気光学効果を有する強誘電体基板と、前記基板
表面近傍に形成した金属イオンが注入または堆積された
部分と、前記金属イオンが注入または堆積された部分に
形成した局所電界を有する部分と、前記基板表面近傍に
形成した光導波路とを有し、かつ前記金属イオンが注入
または堆積された部分が周期的に形成されている回折格
子である。

【０００８】

【作用】本発明は前述した製造方法により、電気光学効
果を有する強誘電体基板の表面に櫛形電極を、裏面に平
面電極を形成し、両電極間に高電圧のパルス電圧を印可
することにより、誘電破壊を起こすことなく、結晶内の
不純物イオンを移動させることができる。移動した不純
物イオンは結晶内に局所電界を形成する。形成された局
所電界は電気光学効果によって基板に屈折率変化をもた
らす。櫛形電極を用いて電界を印可すると局所電界によ
り形成される屈折率変化を周期状に形成できる。電界に
よって形成された電界分布は深い形状を有し効率の高い
回折格子が形成できる。また、屈折率変化部と非変化部
の境界が連続的に存在するため散乱ロスが発生しない、
さらにエッチング等のプロセスを必要としないため、表
面荒れがなく表面の散乱ロスもない、従って、ロスの少
ない高効率の回折格子が製造できる。

【０００９】また、電気光学効果を有する強誘電体基板
の表面に、加速されたイオンまたは電子等の荷電粒子を
集束することにより、基板表面に高電界を発生すること
が可能である。このような荷電粒子の照射によっても、
電界印加と同じ原理で屈折率変化が生じる。集束した荷
電粒子を用いると選択的に、荷電粒子を照射できるた
め、集束した荷電粒子により、基板を周期状に走査する
ことにより、回折格子を形成することができる。形成さ
れた回折格子は基板内部に屈折率変化を有するため高い
回折効率が得られる。またエッチング等のプロセスを必
要としないため、ロスの発生が少ない。さらに、荷電粒
子の集束面積が小さいため、短周期の回折格子が形成可
能となり、高効率な回折格子を製造できる。

【００１０】また、加速した荷電粒子を集束せずに基板
全体に照射することによって、基板に表面および局所電
界を発生し、屈折率変化を誘発できる。さらに接地した
金属マスクにより荷電粒子の照射を選択できる。周期状
に金属マスクを形成することにより局所電圧を選択的に
発生させ、回折格子を形成できる。形成面積が大きいた
め量産化が可能である。

【００１１】また、誘電体をマスクにしても荷電粒子を
選択的に基板に照射することができる。誘電体マスクに
より周期状パターンを形成し、これに荷電粒子を照射す
ることにより回折格子を製造できる。

【００１２】また、電気光学効果を有する基板に上記の
方法により選択的に局所電界を発生させ、電気光学効果
による屈折率変化をもたらすことができる。屈折率変化
は基板表面および内部に周期的な屈折率変化をもたら
す。この周期的屈折率部分を有する層に光導波路を形成
すると導波路を伝搬する光を周期的屈折率変化により回
折させる回折格子を構成することができる。この回折格
子は非常に深い屈折率分布を有するため高い回折効率が
得られる。しかも、エッチングプロセスを必要としない
ため、基板の荒れ等による導波光の伝搬損失が少ない回
折格子が構成できる。

【００１３】さらに、導波路型の波長変換素子上にグレ
ーティングを形成すると、波長変換素子を励起する半導
体レーザの波長をグレーティングの回折波長に固定でき
る。このため、半導体レーザの光を波長変換素子により
波長変換する際、半導体レーザの波長変動による波長変
換素子の出力変動を抑えることができ、安定動作の波長
変換素子を構成することができる。

【００１４】

【実施例】まず最初に、回折格子の特性について述べ
る。ここでは導波路上に形成する導波路型回折格子につ
いて述べる。導波路上または、導波路内に周期的な屈折
率分布を形成すると導波路を伝搬する光を制御できる
（例えば導波路を伝搬する光を導波路から放射させた
り、導波路内で反対方向に伝搬する波に変換したり）。
しかし、効率よく導波光を制御するには、回折格子に以
下の条件が要求される。（１）周期が導波光の波長オーダである（ミクロン〜サ
ブミクロン）。（２）屈折率変化が大きい。（３）屈折率変化を有する部分が導波路に比べて深い。（４）従来のエッチングプロセスによる方法では基板表
面の荒れが発生し導波ロスの低い回折格子を得るのが難
しかった。

【００１５】一方、電気光学効果を有する基板に電圧を
印加することにより屈折率が変化することは、広く知ら
れていた。ところが、電気光学効果を有する誘電体の基
板に誘電破壊電圧に近い電界を印加すると、基板に局所
電界が形成され、印加電圧を切った後も、この局所電界
が残留し屈折率変化が維持できることが分かった。これ
は、誘電体基板に高電圧を印加すると結晶内の不純物イ
オンや欠陥が電圧によって移動し、局所電界を形成す
る、この局所電界が印加電圧を遮断した後も維持され電
気光学効果によって、屈折率変化をもたらすと考えられ
る。本発明ではこの屈折率変化を利用して、回折格子を
作製することを提案する。

【００１６】（実施例１）以下、本発明の実施例につい
て説明する。

【００１７】（電極による電界印可による方法）図１
は、本発明の回折格子の製造方法の作製工程図である。
図１において１はＣ板のLiTaO₃基板、２はＴａ膜、３
はパルス電源である。図１に従い本発明の回折格子の製
造方法を説明する。（ａ）LiTaO3基板の±Ｃ面にスパッ
タリング法によりＴａを３０ｎｍ堆積する。（ｂ）フォ
トリソグラフィ法およびドライエッチングにより−Ｃ面
のＴａ膜を周期状にパターニングする。（ｃ）基板両面
の電極間にパルス電圧を印可する。電極方向は＋Ｃ面側
の電圧が高くなるように電圧を印可した。印加電圧をパ
ルス状で短時間印加することにより、放電や部分的な誘
電破壊を起こすことなく高電圧の印加が可能になる。

【００１８】次に、作製条件について検討した。作製条
件は、印加電圧、パルス幅、電圧印加方向で決まる。そ
こで、これら条件をそれぞれ検討した。

【００１９】Ｔａマスクパターンの周期を２μｍとし、
印可電圧と、パルス幅をパラメータにして、グレーティ
ングの屈折率変化を測定した、グレーティングの屈折率
変化は、基板に電界を印可した後、基板の電極をＨＦに
より除去する。この基板にＨｅ−Ｎｅレーザを照射し、
レーザ光が回折される強度より求めた。

【００２０】最初に、製造過程の雰囲気について検討し
た。印可電圧が３００Ｖ／ｍｍ以上になると櫛形電極の
間で放電が発生した。そこで基板を真空中（１×１０^-5
torr以上）で電圧を印可すると放電は発生しなくなっ
た。また絶縁オイル中で処理しても放電の発生は防止で
きた。またＳＦ6などの雰囲気中で行っても放電の発生
は防止できた。

【００２１】次に、印加電界のパルス幅について検討し
た。３×１０^-6torrの真空中で印可電界印可電圧を１ｋ
Ｖ〜１００ｋＶ／ｍｍの内、例えば１０ｋＶに固定し、
パルス幅を変えて屈折率変化を測定したところ、パルス
幅が１μｓ以下のときは屈折率変化は１０^ー5以下になり
測定できなかった。またパルス幅が１秒以上になると、
−Ｃ面に形成した周期状電極の間で放電が発生し、周期
形状の屈折率変化が均一に形成できなくなった。以上の
結果、印可電圧のパルス幅１μｓ〜１秒の間で屈折率変
化得られ回折格子の製造か可能になることが確認でき
た。

【００２２】次に、パルス幅を１００μｓに固定し、印
加電圧について検討した。印可電圧と屈折率変化のを測
定し、図２に示す。印可電圧が１ｋＶ／ｍｍ以下のと
き、屈折率変化はほとんど観測されなかった。印可電圧
を１ｋＶ／ｍｍ以上になると、印可電圧の増加ととも
に、屈折率変化が増加していったが、１００ｋＶ／ｍｍ
以上になると基板の表裏の電極間で放電が起こり、基板
が真っ黒に変色した。これは誘電破壊により電流が流れ
たもので、これ以上の電界を印可すると結晶構造が破壊
されてしまうことが分かった。以上の結果、印可電圧は
１ｋＶ〜１００ｋＶ／ｍｍの間で屈折率変化得られ、回
折格子が形成可能であることが確認できた。

【００２３】作製した回折格子の特性を測定した。屈折
率変化部分の深さを測定するために端面研磨を行い、断
面を顕微鏡で観測した。電界印可の極性と屈折率変化を
測定した結果を以下示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】電界印可の極性と結晶の極性を一致させた
とき、大きな屈折率変化と深い屈折率変化部分が得られ
ることがわかった。

【００２６】なお、LiTaO₃と同様な結晶構造を有するLi
NbO₃においても、同じ実験を行ったところ、同様の回折
格子が形成できた。LiNbO₃に形成した回折格子は、LiTa
O₃に比べ２倍程度高い屈折率変化が得られ、より効率の
高い回折格子が形成できた。

【００２７】なお、KTP（KTiOPO₄）,KNbO₃を用いても、
同じ製造方法で回折格子が形成できた。

【００２８】（集束した荷電粒子による方法Ｉ）集束し
た荷電粒子は例えば、電子顕微鏡等の電子ビーム装置に
より簡単に得られる。電子顕微鏡は電子（−に帯電）を
加速電圧１０〜１００ｋＶ程度に加速して、試料面状で
０．１μｍ以下に集束できるため、基板表面に高電界を
発生させることができる。電子顕微鏡を改造した電子ビ
ーム描画装置により実験を行った。電子ビーム描画装置
は、コンピュータ制御により集束した電子ビームを試料
面上で任意のパターンに操作できる。図３に電子ビーム
描画装置による回折格子の製造方法を示す。図３におい
て、１はＣ板のLiTaO₃基板、２はＴａ膜、４は電子ビー
ム、５は局所電界により形成される回折格子である。図
３においてＣ板のLiTaO₃基板１の＋Ｃ面に金属膜、例え
ばＴａ２を１００ｎｍ堆積し、これを金属ペーストでサ
ンプルホルダーに接地する。電子ビーム４で周期状のパ
ターンを基板の−Ｃ面に描画した。

【００２９】電子が電気光学効果を有する基板に当たる
と、基板表面に局所的に−電荷がたまる、基板低面は金
属面で接地されているため、基板表面の電子７が照射さ
れた部分と基板低面の間で図４に示す電界６が発生す
る。発生した電界６は、基板の有する電気光学効果によ
り屈折率変化をもたらす。この屈折率変化によって回折
格子が形成される。

【００３０】加速電圧は１０〜１００ｋＶまで可変で
き、どの加速電圧でも集束面上での電荷密度が１００μ
Ａ／ｍｍ²以上のとき屈折率変化が得られた。しかし、
加速電圧を５０ｋＶ以上にすると基板に亀裂が生じる場
合があった。また加速電圧を２０ｋＶに固定し、電流密
度を変化させると屈折率変化量が電流密度の増加ととも
に増大した。しかし、電流密度が１ｍＡ／ｍｍ²以上に
なると、隣合う屈折率変化部分が接触して周期４μｍ以
下の周期構造が得られなくなった。また電流密度が１０
ｍＡ／ｍｍ²以上になると基板に亀裂が入った。そこ
で、集束電子ビームで回折格子を形成するには電流密度
を１００μＡ／ｍｍ²以上、１０ｍＡ／ｍｍ²以下にする
必要がある。

【００３１】また電子ビームの走査速度によっても、基
板表面に溜まる電子の量は変わってくる。つまり走査速
度に反比例して基板上の電荷量が増加する。上記の実験
は１０μｍ／秒で行ったが、例えば走査速度を２倍にす
れば、電流密度を半分にすることで同じ条件が得られ
る。

【００３２】LiTaO₃の＋Ｃ面と−Ｃ面に照射して、回折
格子を形成したが、電子ビームの場合−電荷を照射する
ため、−Ｃ面に照射した方が深くて、屈折率変化の大き
な回折格子が形成できた。

【００３３】以上のように、集束した電子ビームによっ
て回折格子が形成できた。基板にはLiTaO₃を用いたが、
その他、LiNbO₃、KTP、KNbO₃等の結晶でも、電気光学定
数は大きく、回折格子が形成できた。

【００３４】（集束した荷電粒子による方法II）集束し
た荷電粒子としては、電子以外にイオンも使える。例え
ば、日本電子製ＪＩＢＬ−１００（集束イオンビーム装
置）（以下ＦＩＢ装置とする）を用いて実験を行った。
ＦＩＢ装置は帯電した金属イオン源を電子ビーム装置と
同様に電圧で加速し、電磁界により集束し試料に照射す
る装置で、Ａｕ⁺、Ｓｉ⁺、Ｂｅ⁺、Ｇａ⁺、Ａｕ²⁺、Ｓｉ
²⁺、Ｂｅ²⁺、Ｇａ²⁺など、イオン源を交換することで、
各種イオンを照射できる。特にＳｉ、Ｂｅイオンは質量
が小さいため、集束特性がよく、0.1μｍ以下の微細な
パターンが描画できるため、高いイオン電荷密度が得ら
れる。ＦＩＢ装置を用いると、電界印可による方法や、
電子ビームによる方法による特質に、加えて以下の利点
を有する。（１）１０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶという高い加速エネル
ギーでイオンを加速できため、基板表面に強い電界が発
生可能となり、より安定で大きな屈折率変化が得られ
る。また基板に溜った電荷による電界等の影響を受けに
くいため、均一なパターンが形成できる。（２）イオンは電子に比べ質量が大きいため、ビーム照
射の散乱、後方散乱が少なく、0.1μm以下の微細なパタ
ーンの描画が可能である。（３）金属イオンを基板に注入できるため、局所電界以
外に結晶的な歪をもたらし、その結果、局所電界を安定
に維持することができる。（４）基板内に金属イオンを注入することにより基板表
面の電気伝導度を上げることができ、LiNbO₃やLiTaO₃と
いった、光損傷（光により基板の屈折率が変化する現象
でデバイスの特性を劣化させる）に弱い材料の電気伝導
度の増加により光損傷しきい値を上げることができる。

【００３５】電界印可による方法や、電子ビーム装置に
よる方法では、発生した屈折率変化が、基板の温度の上
昇によって消滅する。また、光損傷しきい値は変化しな
いなどの問題があるが、ＦＩＢ装置を用いることで、こ
れらの問題が解決できる。さらに電子ビームで発生した
い基板に亀裂が入る現象などもＦＩＢ装置により回避で
きる。

【００３６】帯電した＋イオンが電気光学効果を有する
基板に当たると、基板表面に局所的に＋電荷が照射され
るため、接地されている基板低面との間で図５に示す電
界が発生する。発生した電界は、局所電界をもたらし、
この局所電界によって電気光学効果により屈折率変化を
もたらす。この屈折率変化によって回折格子が形成され
る。さらに、高電圧で、イオンを加速できるため、イオ
ンのエネルギーが高くより大きな電界が発生できる。イ
オンは電子と異なり移動度が低いため温度や時間的変化
で移動して、形成された電界を緩和する現象が発生しに
くい。そのため、形成された屈折率変化は安定に維持さ
れる。また、散乱が少なく、電磁界による影響も受けに
くいため均一なパターンが形成できる。

【００３７】ＦＩＢ装置を用いて、回折格子の製造を行
った。イオン源にはＡｕＳｉの液体金属源を用い、Ｓｉ
²⁺イオンを電磁界フィルターで分離、選択した後、集束
して基板に照射した。集束面積は約１μmφであった。
基板には、Ｃ板のLiTaO₃を用いて、一方の基板に金属膜
を蒸着した後、サンプルホルダーに接地し、もう一方の
金属膜を蒸着していない面をＳｉ²⁺の集束イオンで走査
し、周期状のパターンを形成した。

【００３８】最初に、LiTaO₃基板の＋面と−面に、それ
ぞれ照射して屈折率変化を観測した結果、＋Ｃ面にイオ
ンを照射した場合の方が−Ｃ面に照射した場合に比べ、
１桁以上高い屈折率変化が得られ、かつ深い屈折率変化
部分の形成が可能であり、効率の高い回折格子が形成で
きた。そこで以下の実験は＋Ｃ面で行った。

【００３９】基板での電流密度を１５０ｐＡ、走査速度
を１６０μm/secに固定して、加速エネルギーを１０ｋ
ｅＶ〜２００ｋｅＶまで変化させた。いずれの加速電圧
でも屈折率変化が得られ、加速エネルギーが１０ｋｅＶ
〜２００ｋｅＶの間で回折格子が製造できることが確認
できた。また電子ビームの場合５０ｋｅＶ以上の加速電
圧で発生した基板の亀裂は、観測されなかった。ＦＩＢ
装置による加速イオンの照射が、電子ビームによる加速
電子の照射に比べ、基板に与えるダメージが少ないこと
が分かった。以上の結果、加速エネルギーが１０ｋｅＶ
〜２００ｋｅＶの間で、回折格子が製造できることが確
認できた。

【００４０】次に、加速エネルギーを２００ｋｅＶ、走
査速度を１６０μm/secに固定し、電流密度と屈折率変
化の関係を測定し図６に示す。電流密度は集束面積１μ
mφで電流量を割れば計算される。電流密度１０μＡ／
ｍｍ²以上で屈折率変化電流密度と共に屈折率変化は上
昇するが、１０ｍＡ／ｍｍ²程度で屈折率変化は飽和す
ることが分かった。また、電流密度が増加すると、屈折
率変化する部分の幅が増加する。電流密度が１０ｍＡ／
ｍｍ²以上になると、屈折率変化部分の幅が２μｍ以上
になり、効率の良い回折格子を製造するための、周期の
短い回折格子の作成が困難になった。以上の結果１０μ
Ａ／ｍｍ²〜１０ｍＡ／ｍｍ²で回折格子が製造できるこ
とが確認できた。

【００４１】またイオンビームの走査速度によっても、
基板表面に溜まるイオンの量は変わってくる。上記の実
験は１６０μｍ／秒で行ったが、例えば走査速度を２倍
にすれば、電流密度を２倍にすることで同じ条件が得ら
れる。

【００４２】（荷電粒子とマスクによる方法III）集束
イオンビームまたは電子ビームによる方法で周期状の屈
折率変化が得られ回折格子が形成できることが確認でき
た。しかしながら、これらの方法では集束したビームの
走査速度が限られている上、各周期状パターンを１本づ
つ走査する必要があり、回折格子の製造に長い時間を必
要とする。また、走査面積にも限りがあるため、大面積
に回折格子を形成することが難しく、量産性に問題があ
る。そこで、集束イオンの代わりに、平行イオンビーム
を用い、量産化可能な方法を提案する。

【００４３】装置としては、例えば、日電アネルバ
（株）製のリアクティブイオンシャワーエッチング（Ｅ
ＣＲ）装置を改造して用いた。ＥＣＲ装置は、Ａｒ、Ｏ
2などの気体イオンを加速し、基板に照射してエッチン
グを行う装置である。この装置を改造して、加速電圧を
５０ｋＶまで高めた。同様の装置でイオン注入装置もあ
り、同じ様に使用できる。ＥＣＲ装置の加速電圧を５０
ｋＶにし、Ａｒイオンを試料表面に照射する。このとき
基板表面の電流密度は０．０５μＡ／ｍｍ²で１０分間
イオンを照射すると屈折率変化が１０^ー4程度得られた。

【００４４】基板に周期的な屈折率変化を形成するため
には、イオンをマスキングして部分的にイオンを当てる
必要がある。Ｃ板のLiTaO₃基板にマスクとしてＴａを３
０ｎｍ蒸着して、フォトリソグラフィ法とドライエッチ
ングにより周期的なパターンを形成した。この基板を用
いて図７に示す方法で回折格子を製造した。図７におい
て１はLiTaO3基板、４はＴａ膜、５はＡｒ⁺イオンであ
る。Ｔａ膜４を接地しておくとＴａ膜４に照射されたイ
オンは電界を発生しない。ところが非マスク部分に照射
されたイオンは図８に示すような電界６を発生する。こ
の電界によって基板内に屈折率変化を約２×１０^-4程度
誘発し、回折格子を形成できる。

【００４５】次に、マスク材料として誘電体マスクにつ
いても検討を行った。図９に回折格子の製造方法の概略
図を示す。図９において、１はLiTaO₃基板、４はＴａ
膜、５はＡｒ⁺イオン、７はSiO₂マスクである。SiO₂を
７スパッタリング法により３００ｎｍ堆積する。これを
フォトリソグラフィ法により周期パターンに加工する。
基板の裏面に金属膜、例えばＴａ４を蒸着しこれを接地
する。SiO₂マスクパターン側からイオン５を照射すると
電界分布６は図１０に示した様になる。非マスク部分で
は基板に直接イオンが付着するため電界強度が高い、一
方マスク部分では、電界はSiO₂マスク上を中心に発生す
るため基板に与える電界は非マスク部分に比べて小さく
なる。このため非マスク部分の基板に与える電界強度が
強くなり、非マスク部分により大きな屈折率変化を１×
１０^-4程度もたらすことができる。その結果、局所電界
を形成し回折格子を作製できる。

【００４６】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃基板、
またはLiNbO₃でも同様な分極反転層が作製できる。また
KTP（KTiOPO₄）は高非線形の材料であり、電気光学定数
も大きいため、高効率の回折格子が作製できる。

【００４７】（実施例２）実施例１の方法により製造さ
れた回折格子を用いて導波路型の回折格子を構成する。
図１１に本実施例の回折格子の構成図を示す。図１１に
おいて１はLiTaO₃基板、１２は光導波路、１３は局所電
界、１４は入射部、１５は出射部である。１３の局所電
界により周期的な屈折率変化が形成されている。

【００４８】次に本実施例の回折格子の作製方法につい
て述べる。LiTaO₃基板１の−Ｃ面にTaを３０ｎｍ蒸着
し、フォトリソグラフィ法とドライエッチングにより幅
４μｍのスリットを形成する。これを２６０度のピロ燐
酸中で１４分間熱処理するとスリット部分の基板中のLi
⁺が酸中のＨ⁺と交換されて、プロトン交換層１２が形成
される。これをＴａ膜を除去した後、４２０℃で６０秒
間アニールすると光導波路が形成される。光導波路上に
電子ビームを集束し、実施例１で説明したように、Si²⁺
イオンを加速電圧１００ｋＶ，電流密度の0.1ｍＡ／ｍ
ｍ²、走査速度１６０μｍ／秒で走査し、周期０．８μ
ｍのグレーティング部を形成する。グレーティングを形
成した面積は２×２ｍｍであった。光導波路両端面を光
学研磨した後、両端面にSiO₂を１４６０ｎｍ蒸着し、反
射防止膜を形成した。比較のため作製した回折格子を電
子型の回折格子とする。

【００４９】作製した光導波路型の回折格子の回折効率
を測定するため、図１２に示す光学系で実験を行った。
集光光学系９を用いてTi:Al₂O₃１６からの光を回折格子
１８の光導波路に入射し、光導波路からの出射光Ｐ1と
反射光Ｐ2を検出器１７，１８でモニターしながら、入
射光の波長を変えていった。そのときのＰ1とＰ2および
入射光の波長の関係を図１３に示す。波長８６１ｎｍの
とき、回折効率が最大になり、反射効率７０％が得られ
た。

【００５０】また、波長を８９０ｎｍにし、グレーティ
ングにより発生するロスを測定したところ、−１dB/cm
のロスが測定された。

【００５１】屈折率変化が基板内に存在し、かつエッチ
ング等のプロセスで形成しないため、表面荒れがないた
め、導波ロスが少なく、回折効率の高い素子が構成でき
た。

【００５２】次に本実施例の他の構成について述べる。
図１４は本実施例の他の構成であり、図１４において、
１は＋Ｃ板のLiTaO₃基板、２０はＳｉイオン、１２は光
導波路、１４は入射部、１５は出射部である。２０のＳ
ｉはＳｉイオンビームの照射により基板に注入または堆
積されており、局所的な電界を発生して屈折率変化を引
き起こしている。

【００５３】回折格子の作製方法において、光導波路の
作製方法は上述した方法と同じであり、＋Ｃ面に光導波
路を形成した後、ＦＩＢ装置によるSi²⁺イオンの照射に
より、周期的グレーティングを形成した。比較のため作
製した回折格子をイオン型とする。

【００５４】回折格子の回折効率および導波ロスは電子
ビームで作製した回折格子とほぼ等しい特性が得られ、
高効率でロスの少ない回折格子が構成できる。

【００５５】さらに、回折格子の安定性をみるため、電
子型とイオン型の回折格子の温度安定性を測定した。作
製した回折格子を８０度で１０分間熱処理したのち室温
に戻す温度サイクル試験を行った。電子型は５回のサイ
クル試験で回折効率が半分の４０％に減少したが、イオ
ン型は２０回サイクル試験を行ったが回折効率の変化は
なかった。イオン型はイオンが移動しにくいため、安定
な回折格子が構成できることが確認できた。

【００５６】次に光損傷に対する強度を測定した。光損
傷とは、基板を透過する光の強度が増加するに従い、基
板の屈折率変化を誘発する減少で、回折格子において光
損傷が発生すると、導波路の屈折率が変化し、回折格子
の回折波長の条件変動し、回折効率が低下してしまう。
実用的には光損傷の発生しない回折格子が必要となる。
イオン型と電子型に波長８６１ｎｍの光を入射し、光の
強度と回折効率の関係を測定した結果を図１５に示す。
電子型では入力が１００ｍＷを越えると回折効率が低下
し始め２００ｍＷで回折効率が半分になった。イオン型
では２００ｍＷで回折効率が低下し始めた。イオン型の
方が光損傷に強く安定な回折格子が構成できる。

【００５７】なお、本実施例では光導波路としてプロト
ン交換導波路を用いたが、他にＴｉ拡散導波路、Ｎｂ拡
散導波路、イオン注入導波路など他の光導波路も用いる
ことができる。

【００５８】（実施例３）ここでは回折格子の導波路型
波長変換素子への応用について述べる。

【００５９】非線形材料に光導波路と、導波路の長さ方
向に形成した周期的分極反転層によって波長変換素子が
形成できる。このＳＨＧ素子の光導波路の入射部に基本
光を入射すると出射部より基本光の半分の波長の光が出
射する。しかし、変換される基本光の波長は周期的分極
変転層の周期に強く依存するため、例えば、分極周期４
μm、長さ１０mmの素子を作製すると波長許容度は０．
１nmと非常に狭く、温度または注入電流等の値により数
nmの波長変動を起こす半導体レーザの波長を安定に変換
するのは難しい。そこで半導体レーザの波長を安定化さ
せる方法として、波長依存性を有する回折格子により特
定波長の光を半導体レーザに帰還してやり、半導体レー
ザの波長を回折格子の回折波長に固定する方法がある。
回折格子により固定された半導体レーザの波長は、温
度、注入電流等の外乱によって波長変動を起こさないた
め、安定な波長変換が行える。しかし、このような構成
をとるためには、高効率な回折格子を導波路上に形成す
る必要がある。

【００６０】図１６は実施例２の回折格子を波長変換素
子上に集積した構成である。図１６において１は非線形
材料であるＣ板のLiTaO₃結晶の基板、１２は光導波路、
１４は入射部、１５は出射部、２１は分極反転層、２０
はSiイオンである。

【００６１】この素子を用いて、半導体レーザの波長変
換を行った。図１７に示す光学系により実験を行った。
図１７において２２は半導体レーザ、２３は集光光学
系、２４は基本波、２５は第二高調波、２６は波長変換
素子（ＳＨＧ素子）、２７はプロトン交換導波路であ
る。半導体レーザ２２から出射された光は集光光学系２
３で集光され、波長変換素子２６のプロトン交換導波路
２７に入射する。半導体レーザからの出力２２は７０ｍ
で導波路に結合したのは４２ｍＷ（結合効率は６０％で
あった。このときのＳＨＧ出力は３ｍＷで、換算効率は
１８０％／Ｗであった。

【００６２】半導体レーザの波長安定性を調べるため、
半導体レーザの温度を変化させてＳＨＧ出力の変動を測
定した結果を図１８に示す。温度１０〜３０℃の間で出
力変動は±２％以内で安定した出力が得られた。

【００６３】以上のように、本実施例の波長変換素子に
より、安定な出力の得られる波長変換素子が実現した。

【００６４】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃基板、
またはLiNbO3でも同様な分極反転層が作製できる。また
KTP（KTiOPO4）は高非線形の材料であり、高効率の波長
変換素子が作製できる、KTPは基板の屈折率が1.7程度と
低いため、グレーティングとカバー層により形成した回
折格子はより高効率になり有用である。

【００６５】なお、本実施例では光導波路としてプロト
ン交換導波路を用いたが、他にＴｉ拡散導波路、Ｎｂ拡
散導波路、イオン注入導波路など他の光導波路も用いる
ことができる。

【００６６】以上のように、本実施例の波長変換素子に
より半導体レーザ光を安定に波長変換できるため、小型
で高出力の短波長光発生装置が構成できる。その結果、
光ディスク、レーザプリンタなどの光源に応用できる。
この短波長光発生装置により、光ディスクの記憶容量を
大幅に増大でき、かつ非常に小型の機器が製造できた。

【００６７】（実施例４）電子ビームによる強誘電体基
板の屈折率変化を利用した回折格子を利用して、３次元
ディスプレイ等への応用が可能になる。図１９はこのよ
うな３次元ディスプレイの構成図を示したもので、強誘
電体結晶、電子ビーム発生装置、レーザからなる。電子
ビームはコンピュータ制御によりビーム走査が制御され
強誘電体に任意のパターンを描画できる。電子ビームに
よって強誘電体結晶上にホログラムパターンが形成され
る。これをレーザ光で照射するとホログラムパターンに
より回折され３次元の像が表示される。これによって３
次元ディスプレイが構成される強誘電体上のパターンは
熱または電界または強い光の照射によって消去され、新
たなパターンが電子ビームにより形成される。これを連
続的に行うと、３次元の動画が表示される。

【００６８】また電子ビームにより形成される書換え可
能な回折格子は光コンピュータの接続部分としても有効
に使える。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、電気光学効果を有
する基板にパルス電圧を印可することで基板内部に局所
電界を形成できる。局所電界によって発生した電界は電
気光学効果により屈折率変化を誘発し、回折格子を作製
できる。作製した回折格子は基板内に深い屈折率変化部
を形成できるため、高効率化が可能になる。さらに、基
板の表面荒れなどの散乱ロスがほとんど発生しないため
ロスの少ない回折格子が製造できるため、その実用効果
は大きい。

【００７０】また、電気光学効果を有する基板に、電子
を照射することによっても同様の効果で、回折格子が製
造できる。作製した回折格子は基板内に深い屈折率変化
部を形成できるため、高効率化が可能になる。さらに、
基板の表面荒れなどの散乱ロスがほとんど発生しないた
めロスの少ない回折格子が製造できるため、その実用効
果は大きい。

【００７１】また、イオンビームを集束し、電気光学効
果を有する基板上に照射することにより、イオンによる
局所電界を形成することができ、局所電界によって、電
気光学効果の屈折率変化が発生し回折格子が作製でき
る。イオンビームにより作製した回折格子は、深い屈折
率変化部分が形成できるため高効率で、かつ散乱ロスが
少ない。さらに、イオンを基板表面近傍に堆積および注
入できるため、局所電界が安定に存在し、安定な回折格
子が作製できる。また基板表面の電気伝導度が増加する
ため光損傷にも強い回折格子が製造できるため、その実
用効果は大きい。

【００７２】また分極反転型波長変換素子上に上記の回
折格子を形成することにより、波長変換素子を励起する
半導体レーザの発振波長を特定波長に固定できる。この
結果、半導体レーザの温度、電流注入等による半導体レ
ーザの波長変動が防止でき、半導体レーザの安定な波長
変換が可能となり、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における回折格子の作製工程図

【図２】加速電圧と屈折率変化の関係を表す特性要因図

【図３】本発明の回折格子の製造方法の概略図

【図４】基板における電界分布を表す図

【図５】基板における電界の分布を表す図

【図６】電流密度と屈折率変化の関係を表す特性要因図

【図７】本発明の回折格子の製造方法の概略図

【図８】基板における電界分布を表す図

【図９】本発明の回折格子の製造方法の概略図

【図１０】基板における電界分布を表す図

【図１１】本発明の回折格子の構成斜視図

【図１２】回折格子の特性評価を行う光学系を表す図

【図１３】導波光の波長と回折効率の関係を表す特性要
因図

【図１４】本発明の回折格子の構成斜視図

【図１５】導波パワーと回折効率の関係を表す特性要因
図

【図１６】本発明の波長変換素子の構成斜視図

【図１７】短波長レーザ光源の構成斜視図

【図１８】波長変換素子の温度特性を表す特性要因図

【図１９】３次元ディズプレイの構成図

【図２０】従来の回折格子の構成斜視図

【図２１】従来の回折格子の作製工程図

【図２２】波長と光強度との関係を示す図

【符号の説明】

１Ｃ板のLiTaO₃基板２Ｔａ膜３パルス電源４電子ビーム５局所電界により形成された回折格子６電界７電子８イオンビーム９＋イオン１０Ａｒ⁺イオン１１ＳｉＯ₂マスク１２光導波路１３局所電界１４入射部１５出射部１６ Ti:Al₂O₃レーザ１７検出器１８検出器１９集光光学系２０Ｓｉイオン２１分極反転層２２半導体レーザ２３集光光学系２４基本波２５第二高調波２６ＳＨＧ素子２７プロトン交換導波路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する強誘電体基板の表面
に櫛型電極を形成する工程と、前記基板の裏面に平面電
極を形成する工程とを有し、前記櫛形電極と前記平面電
極の間に１ｋＶ〜１００ｋＶ／ｍｍの電界を１μsec〜
１秒の間印可することを特徴とする回折格子の製造方
法。
【請求項２】電気光学効果を有する強誘電体基板を接地
する工程と、前記基板表面に１０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶ
で加速した荷電粒子を集束する工程と、前記集束した荷
電粒子により前記基板表面を周期状に走査する工程を有
し、前記基板の照射面における電流密度が１００μＡ〜
１０ｍＡ／ｍｍ²になるように荷電粒子を照射すること
を特徴とする回折格子の製造方法。
【請求項３】電気光学効果を有する強誘電体基板表面
に、選択的な金属マスクを形成する工程と、前記マスク
を接地する工程とを施した後、前記基板表面に１０ｋｅ
Ｖ〜２００ｋｅＶで加速した荷電粒子を照射する工程を
有し、前記基板の照射面における電流密度が１００μＡ
〜１０ｍＡ／ｍｍ²になるように荷電粒子を照射するこ
とを特徴とする回折格子の製造方法。
【請求項４】電気光学効果を有する強誘電体基板表面
に、選択的な誘電体マスクを形成した後、前記基板表面
に１０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶで加速した荷電粒子を照射
する工程を有し、前記基板の照射面における電流密度が
１００μＡ〜１０ｍＡ／ｍｍ²になるように荷電粒子を
照射することを特徴とする回折格子の製造方法。
【請求項５】電気光学効果を有する強誘電体基板と、前
記基板表面または内部に形成した局所電界を有する部分
と、前記基板表面近傍に形成した光導波路とを有し、か
つ前記局所電界を有する部分が周期的に形成されている
ことを特徴とする回折格子。
【請求項６】電気光学効果を有する強誘電体基板と、前
記基板表面近傍に形成した金属イオンが注入または堆積
された部分と、前記金属イオンが注入または堆積された
部分に形成した局所電界を有する部分と、前記基板表面
近傍に形成した光導波路とを有し、かつ前記金属イオン
が注入または堆積された部分が周期的に形成されている
ことを特徴とする回折格子。
【請求項７】非線形物質からなる強誘電体基板と、前記
基板表面に形成した周期的分極反転層と光導波路と、前
記光導波路上の一部に形成した請求項５または６に記載
の回折格子とを備えたことを特徴とする波長変換素子。