WO2005091066A1 - 光学素子ならびに分極反転領域の形成方法 - Google Patents

光学素子ならびに分極反転領域の形成方法 Download PDF

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WO2005091066A1
WO2005091066A1 PCT/JP2005/004520 JP2005004520W WO2005091066A1 WO 2005091066 A1 WO2005091066 A1 WO 2005091066A1 JP 2005004520 W JP2005004520 W JP 2005004520W WO 2005091066 A1 WO2005091066 A1 WO 2005091066A1
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inverted
forming
electric field
inverted region
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PCT/JP2005/004520
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English (en)
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Inventor
Akihiro Morikawa
Tomoya Sugita
Kiminori Mizuuchi
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL 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
    • G02F1/00—Devices 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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3558—Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL 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
    • G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/15—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 periodic

Definitions

  • the present invention relates to an optical element, particularly to an optical element having a domain-inverted region. Another embodiment of the present invention relates to a method for forming a domain-inverted region.
  • a periodic domain-inverted region can be formed inside a ferroelectric by using the domain-inverted phenomenon of forcibly inverting the polarization of a ferroelectric.
  • the domain-inverted region formed in this manner is an optical frequency modulator using surface acoustic waves, an optical wavelength conversion element using non-linear polarization inversion, and light using a prism or lens-shaped inversion structure. Used for polarizers.
  • an optical wavelength conversion element with extremely high conversion efficiency can be manufactured. If this is used to convert light from a semiconductor laser or the like, a compact short-wavelength light source that can be applied to fields such as printing, optical information processing, and optical measurement and control can be realized.
  • Conventional methods for forming a periodically poled region include Ti thermal diffusion, heat treatment after loading SiO, and proton exchange and heat treatment.
  • a planar electrode is formed on the -c plane.
  • the + C plane is grounded, and a pulse voltage with a pulse width of typically 100 s is applied to the -c plane by a pulse power supply, and the pulse voltage is applied to the substrate.
  • the electric field required to reverse the polarization is about 20 kVZmm or more.
  • the substrate may be broken by the application of the electric field.
  • the thickness of the substrate to about 200 m, it becomes possible to avoid crystal destruction due to the application of an electric field, and to form a domain-inverted region at room temperature. A deep domain inversion structure penetrating the substrate is obtained.
  • a comb-shaped electrode was formed on a Mg-doped LiNbO substrate
  • That voltage can be formed periodic polarization inversion structure by applying a that have been disclosed (for example, see Patent Document 3.) 0
  • a short-period domain-inverted structure with a period of 3 to 4 m is required.
  • the domain-inverted region is formed by applying an electric field, the domain-inverted region spreads in a direction parallel to the surface of the substrate after the polarization immediately below the electrode is reversed. For this reason, it is difficult to shorten the period of the domain-inverted structure.
  • the voltage application time is shortened by applying a short pulse voltage having a pulse width of about 100 s to the electrode to form a short-period domain-inverted structure.
  • Another short-period domain-inverted region formation method is to use a groove on the surface of the Z-plate LiTaO substrate.
  • the domain-inverted region in order to form a domain-inverted microstructure in a dielectric material, the domain-inverted region is divided into a plurality of regions and separately formed, and for example, a period 4
  • a method of forming a short-period polarization inversion of m is known (for example, see Patent Document 5).
  • a method of forming a short-period domain-inverted structure in MgLN has also been proposed (for example, see Patent Document 6).
  • a periodic domain-inverted structure is formed in MgLN of a Z plate.
  • a comb-shaped electrode is formed on the + Z plane of MgLN, and the backside force is also irradiated with a corona to form a periodically poled structure.
  • a domain-inverted structure having a period of 0.5 mm and penetrating the substrate with a thickness of 0.5 mm is formed.
  • the substrate can be broken.
  • a method of forming a domain-inverted structure in off-cut MgLN has also been proposed (see Patent Document 8).
  • a needle-like domain-inverted structure can be formed by forming an electrode on an off-cut substrate and applying a voltage to the electrode.
  • the domain-inverted structure grows in the direction of polarization of the crystal.
  • a domain-inverted structure with a period of about 5 m can be formed on the off-cut MgLN substrate.
  • a needle-like polarization reversal shape is formed inside the substrate!
  • Patent Document 1 JP-A-3-121428
  • Patent document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 19719/1992
  • Patent Document 3 JP 2001-66652 A
  • Patent Document 4 JP 2000-147584 A
  • Patent Document 5 JP-A-2003-307758
  • Patent Document 6 JP-A-6-242478
  • Patent Document 7 JP-A-7-281224
  • Patent Document 8 JP-A-9-218431
  • corona poling is a method in which charged particles are deposited on a substrate to generate an electric field, thereby inverting the polarization.
  • the thickness of the substrate on which polarization inversion can be formed is limited to about 0.5 mm because of the limit of the magnitude of the electric field due to charged particles, and the polarization inversion can be formed on a thick substrate exceeding 1 mm. Have difficulty.
  • the method of applying a voltage using an electrode is effective for inversion formation on an off-cut substrate, but has a problem in that it is difficult to form polarization inversion on a Z-plate.
  • a method in which a comb-shaped electrode is formed on MgLN of a Z plate and a voltage is applied to the electrode to form a periodically poled structure has a feature that a periodic domain-inverted structure can be formed uniformly.
  • the polarization inversion formed by this conventional technique is limited to a part of the electrode tip. For this reason, it is still difficult to form a domain-inverted structure over a wide area below the electrode.
  • the optical element according to the present invention is formed on a single-polarized ferroelectric substrate, a plurality of domain-inverted regions formed on the ferroelectric substrate, and a surface of the ferroelectric substrate between the domain-inverted regions. And provided grooves.
  • the depth T 'of at least one domain-inverted region satisfies the relationship of T' to T with respect to the substrate thickness T, whereby the object is achieved.
  • the method of forming a domain-inverted region according to the present invention is a method of forming a domain-inverted region inside a single-polarized ferroelectric crystal substrate, wherein a groove is provided on the surface of the ferroelectric substrate.
  • the direction of the electric field is opposite to the spontaneous polarization of the ferroelectric substrate.
  • a potential difference is generated in a plurality of regions.
  • a groove is formed between the domain-inverted regions. Further, at least one domain-inverted region does not penetrate the substrate. With the above configuration, it is possible to provide an optical element having a short period and a wide range of domain-inverted regions. In other words, since the groove is further provided while having the domain-inverted region that does not penetrate the substrate, for example, it is possible to appropriately apply an electric field in the process of forming the domain-inverted region. Therefore, even when minute (short-period) domain-inverted regions are formed, domain-inverted regions can be formed uniformly and over a wide area.
  • the method of forming the domain-inverted regions of the present invention divides the domain into a plurality of regions divided by grooves. A pole inversion region is formed. Further, the direction of the electric field is a direction opposite to the spontaneous polarization of the ferroelectric substrate, and a potential difference occurs in a plurality of regions in the step of applying the electric field.
  • the above configuration it is possible to form a domain-inverted region having a short period and a wide range. That is, with the above configuration, it is possible to appropriately apply an electric field in the step of forming the domain-inverted regions. Therefore, even when a fine (short-period) domain-inverted region is formed, the domain-inverted region can be formed uniformly and over a wide area.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the optical element of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of an optical element of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method of forming a domain-inverted region according to a second embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a method of forming a domain-inverted region according to a second embodiment.
  • FIG. 5 In the method of forming a domain-inverted region according to the second embodiment, (a) electric field distribution diagram when the potential difference is different (b) electric field distribution diagram when L is large (c) electric field distribution diagram when L is small Electric field distribution map
  • FIG. 6 In the method of forming a domain-inverted region according to the second embodiment, (a) an electric field distribution diagram when there is no groove, and (b) an electric field distribution diagram when there is a groove.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of generating a different potential difference between electrodes by using a change in an electric field in the method of forming a domain-inverted region according to the second embodiment.
  • FIG. 8 shows a method of forming a domain-inverted region according to a second embodiment, in which (a) a configuration diagram of applying a negative voltage, and (b) a configuration diagram of applying a positive / negative voltage.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the temperature of the insulating solution and the length Lr of the domain-inverted region in Embodiment 2.
  • FIG. 10 is a view showing a method of forming a domain-inverted region according to a third embodiment, where (a) a top view and (b) a side view
  • the ferroelectric has a charge bias in the crystal due to spontaneous polarization. By applying an electric field opposite to the spontaneous polarization, the direction of the spontaneous polarization in the ferroelectric can be changed.
  • the direction of spontaneous polarization differs depending on the type of crystal (material). LiTaO, LiNbO, etc., or
  • Single domain polarization Making a ferroelectric crystal having a single polarization direction is referred to as "single domain polarization".
  • single domain polarization a method of applying an electric field at a high temperature after crystal growth is generally performed.
  • a wavelength conversion element will be described as an optical element having a periodically poled structure inside a ferroelectric crystal.
  • FIG. 1 is a sectional view of the optical element of the present invention.
  • a periodic domain-inverted portion 101 is formed on a ZL-plate MgLN substrate 100.
  • the thickness of the substrate is lmm, and the depth of the polarization reversal is about 0.5 mm.
  • the domain inversion is formed along the Y axis of the substrate crystal (in FIG. 1, the direction perpendicular to the cross section).
  • the domain-inverted portions 101 are formed from the + Z plane to the ⁇ Z-plane side (in FIG. 1, on the cross section, the direction perpendicular to the direction of the domain-inverted arrangement) of the substrate.
  • the domain-inverted portion 101 is formed to be shorter than the thickness of the substrate.
  • the depth T ′ of the polarization reversal portion 101 is formed to be shorter than the substrate thickness T.
  • the depth T ′ of the domain-inverted portion 101 means the length of the domain-inverted portion 101 in the thickness direction of the substrate, and the substrate thickness T is the end of the domain-inverted portion 101 on the + Z plane side.
  • the force also means the length to the -Z plane. That is, the domain-inverted portion 101 is formed so as not to penetrate the substrate.
  • a groove 102 having a depth of 0 is formed on the + Z plane surface of MgLN.
  • the polarization inversion period La (the interval between two adjacent domain-inverted regions in the arrangement direction at the same position, for example, the interval between one side in the arrangement direction of each domain-inverted region), the domain-inverted region length Lb (all domain inversion The length of the region from one side to the other side in the arrangement direction) is 4 ⁇ m and 10 mm, respectively.
  • FIG. 2 is a configuration perspective view of the optical element shown in FIG.
  • This optical element converts the wavelength of a fundamental wave with a periodic polarization inversion structure into a harmonic having a wavelength ⁇ 2.
  • the wavelength of 900 nm is converted to 450 nm by converting the polarization inversion period La to 4 m.
  • a 900 nm lens is used for the polarization inversion region length Lb.
  • the wavelength was converted at a conversion efficiency of 5% ZW, and a harmonic of 450 nm was obtained.
  • a highly efficient wavelength conversion can be achieved by forming a uniform domain-inverted region.
  • the substrate thickness is lmm or more, the beam waist of the fundamental wave and the harmonic wave can be increased.
  • the power density of light could be reduced, and high output characteristics could be realized.
  • Using a lmm thick substrate has made it possible to increase the output by a factor of four compared to the case of forming on a 0.5mm substrate.
  • the present invention it is possible to form a uniform and short-period polarization inversion structure by forming the polarization inversion in the Y-axis direction. Specifically, it was possible to form a domain-inverted structure with a period of 2 m or less, and to generate ultraviolet light with a wavelength of 400 nm or less. In the prior art, when the domain inversion was formed in the X-axis direction, it was difficult to form a short-period domain-inverted structure. However, in the present invention, generation of short-wavelength light was enabled by setting the Y-axis direction.
  • FIG. 1 shows a configuration in which all the domain-inverted portions 101 do not penetrate the substrate
  • the configuration is not necessarily limited to such a configuration.
  • the depth of the domain inversion is formed shallower than the thickness of the substrate and the ratio of the domain inversion region penetrating from the front surface to the rear surface can be suppressed to less than half (50%) of the entire domain inversion region, uniformity can be obtained. This is effective for forming a domain-inverted structure. Furthermore, by controlling this ratio to 10% or less, it was possible to form a more uniform domain-inverted structure. In particular, the uniformity was further improved when the ratio of the domain-inverted regions penetrating was 5% or less.
  • the present invention by limiting the length of the domain-inverted region in the depth direction, it is possible to generate ultraviolet light having a domain-inverted period of 2 m or less and a wavelength of 400 nm or less.
  • the depth of the groove was preferably 0.5 / zm or more as in this embodiment. On the other hand, there was almost no effect below 0.2 m. The deeper the groove, the higher the effect. However, if the depth is 0.5 m or more, no change in characteristics was observed even after 100 heat cycle tests at 40-80 ° C. Therefore, providing a groove of 0.5 m or more on the substrate surface between the domain-inverted regions as in the present invention is effective for improving the reliability of the domain-inverted structure.
  • the groove by forming the groove, it has become possible to suppress excessive growth in the period direction of the domain inversion.
  • the spread in the domain inversion period (X-axis direction) increases. It was excessive and it was difficult to form domain-inverted regions over a wide area.
  • a groove as in the present invention excessive growth of domain-inverted domains in the periodic direction is suppressed, and even in a short cycle (especially, a cycle of 2 m or less), a wide and uniform periodic domain-inverted region is formed. We were able to.
  • the optical element of the present invention has an effect that a domain-inverted region, in particular, a domain-inverted region having a period of 2 m or less can be easily formed uniformly and in a wide range. Which is practical also from the viewpoint of fabrication.
  • a polarizer can be formed by forming the domain-inverted structure into a prism shape or a grating shape. This polarizer can be applied to, for example, a phase shift, an optical modulator, a lens, and the like. Further, by applying a voltage to the domain-inverted region, a change in the refractive index utilizing the electro-optic effect can be formed. For this reason, an optical element utilizing this can be realized. For example, since the change in the refractive index can be controlled by the electric field, the optical element having the change in the refractive index can be applied to switches, polarizers, modulators, phase shifters, beam shaping, and the like.
  • the method for forming a domain-inverted region according to the present invention enables the formation of a fine domain-inverted shape, thereby enabling the performance of these optical elements to be improved.
  • the thickness of the substrate is preferably 0.5 mm or more.
  • the thickness of the substrate is preferably 0.5 mm or more.
  • penetration from the front surface to the back surface of the polarization reversal part can be prevented.
  • the thickness of the substrate is 1 mm or more, penetration of polarization inversion can be further prevented. Therefore, a more uniform domain-inverted region can be formed.
  • a groove is provided between the polarization inversion regions, and this groove is effective for the stability of the polarization inversion region.
  • a Z-plate MgO-doped LiNbO substrate is used as the ferroelectric substrate.
  • a substrate made of a Nd-doped crystal can perform laser oscillation, so that generation of a fundamental wave by laser oscillation and generation of a second harmonic by wavelength conversion thereof can be performed simultaneously. Therefore, a short-wavelength light source having high efficiency and stable operation characteristics can be configured.
  • a method of forming a domain-inverted region using a 1 mm thick Z-plate MgLN will be described.
  • the method of forming the domain-inverted regions described in this embodiment is based on the Z-axis.
  • two independent electrode fingers are alternately arranged on the + Z plane of the MgLN substrate with a vertical main surface, and a voltage is applied to each electrode to form a wide domain inversion region. .
  • a method for forming a domain-inverted region according to the present embodiment will be described.
  • a method for forming a domain-inverted region having a period of 4 m will be described.
  • the main surface 302 of the MgO: LiNbO substrate 301 extends in the Y-axis direction.
  • a first electrode 303 (comb-shaped electrode having teeth (electrode fingers) having a period of 8 ⁇ m) having a plurality of tips (electrode fingers) 305 and a plurality of tips (electrode fingers) 306 extending in the Y-axis direction
  • a second electrode 304 (comb-shaped electrode having teeth (electrode fingers) with a period of 8 ⁇ m).
  • the tip 305 and the tip 306 form a periodic electrode in the X-axis direction (see FIG. 2) in the same plane.
  • the tips 305 of the first electrodes 303 are alternately arranged with the tips 306 of the second electrodes 304 such that the positions in the Y-axis direction overlap.
  • the respective tips are alternately arranged so as to overlap when viewed from the X-axis direction.
  • the tip 305 and the tip 306 form a periodic electrode having a period of 4 m in the X-axis direction in the same plane.
  • the tip 305 of the first electrode 303 and the tip 306 of the second electrode 304 face the Y-axis direction of the crystal.
  • the first electrode 303 and the second electrode 304 are electrically insulated.
  • a third electrode 307 is formed on a surface opposite to the main surface 302. By applying a voltage controlled by the pulse generator 308 between the first electrode 303 or the second electrode 304 and the third electrode 307 formed on the other surface, a domain-inverted region is formed between the electrodes. Is done.
  • These electrodes 303 and 304 are formed of, for example, a Ta film 400 having a thickness of 100 nm.
  • the periodic electrode formation between the first electrode 303 and the second electrode 304 is performed by depositing a resist on a Ta film and patterning the resist by reactive ion etching in a CF gas atmosphere.
  • a third electrode 307 (see FIG. 3B) is formed on at least a portion corresponding to the electrodes 303 and 304 on the surface opposite to the main surface 302 or on the entire surface.
  • the third electrode 307 is also formed of the Ta film 400, like the electrodes 303 and 304.
  • the electrode is not covered by reactive ion etching in CHF gas atmosphere.
  • the surface of the MgLN substrate 401 is etched (see FIG. 4 (b)). After that, the groove 402 is formed on the surface of the MgLN substrate 401 by removing the resist.
  • the groove depth by the etching here is 0.1 m.
  • an SiO film 403 is formed as an insulating film on the surface where the groove 402 is formed (see FIG. 4C).
  • the pulse generator 303 has a predetermined voltage level, and can apply a pulse voltage or a DC voltage to the MgLN substrate 301 as necessary.
  • the MgLN substrate 301 in order to avoid the occurrence of discharge when a voltage is applied, by arranging the MgLN substrate 301 in an insulating liquid or in a vacuum (10- 6 Torr or less), for applying a voltage.
  • a Norse voltage is applied between the second electrode 304 and the third electrode 307.
  • a pulse voltage is similarly applied between the first electrode 303 and the third electrode 307.
  • domain-inverted nuclei are generated below the distal end portions 305 and 306 of the first electrode 303 and the second electrode 304, and correspond to the period in which the distal end portions 305 and 306 are arranged.
  • a domain-inverted region with a period of 8 m is formed.
  • the domain-inverted nuclei at the tips 305 and 306 grow in the Y-axis direction and the Z-axis direction by continuing application of the pulse voltage. In the Y-axis direction, the domain-inverted region is formed over the entire portion where the first electrode 303 and the second electrode 304 overlap, whereby a domain-inverted region having a wide period of 4 m is formed.
  • the method for forming a domain-inverted region of the present invention is particularly effective for a ferroelectric crystal having a metal additive.
  • the present invention proposes a method of dividing an electrode on the crystal surface into a plurality of regions and providing a potential difference between the surface electrodes. That is, in the present invention, a different potential difference occurs in at least one of the regions.
  • An electric field opposing spontaneous polarization is formed below the second electrode 502 by the vector component Ez in the Z direction of the electric field A.
  • the space between the first electrode 501 and the second electrode 502 is orthogonal to the polarization direction in which the polarization inversion grows. Therefore, a decrease in resistance between the electrodes due to polarization reversal can be avoided, and an electric field can be applied efficiently. As a result, a uniform domain-inverted structure can be formed over a wide area. By forming regions having different potentials on the substrate surface, an electric field is generated between the regions, and by causing the vector component Ez of the electric field to oppose spontaneous polarization, polarization inversion can be formed.
  • the electrode spacing L1 is large as shown in Fig. 5 (b), a uniform domain-inverted structure can be formed by the above method, but the electrode spacing L1 is small as shown in Fig. 5 (c).
  • the electric field A between the electrodes is as shown in the figure, and the electric field A is distributed almost horizontally between the electrodes, so that the vector component Ez in the Z direction does not become sufficiently large.
  • the voltage between the electrodes is increased in order to increase the vector component Ez, there is a problem that insulation between adjacent electrodes is broken. For this reason, when the electrode spacing is 5 m or less, there is a problem that polarization inversion due to the potential difference between the surface electrodes becomes extremely difficult.
  • the present invention solves this problem by using an electrode structure as shown in FIG. 6 (b). That is, by digging a groove between the first electrode 601 and the second electrode 602, a highly insulating region is formed between the electrodes. This makes it possible to generate an electric field from the second electrode 602 to the first electrode 601 in a direction passing under the groove, as shown in FIG. 6 (b).
  • the electric field component Ez can be greatly increased in the configuration of FIG. 6 (b) having the groove compared to FIG. 6 (a) without the groove.
  • the insulating property between the first electrode 601 and the second electrode 602 can be increased, and a large voltage can be applied between the electrodes. For this reason, a more uniform polarization inversion structure can be formed.
  • the groove provided between the electrodes by using a highly insulating insulating liquid, a high vacuum atmosphere, or the like for the groove provided between the electrodes, a higher voltage can be applied. With this configuration, it was possible to form domain-inverted regions even in fine regions with electrode spacing of 5 m or less.
  • the depth of the groove is preferably at least 0.1 ⁇ m or more, and if it is 0.5 m or more, it is more effective in terms of uniformity and formation range.
  • the domain-inverted region when the domain-inverted region is formed by applying an electric field, the domain-inverted region grows in the direction of polarization and also in the direction perpendicular to the polarization.
  • the growth of the domain-inverted region in the direction perpendicular to the polarization is called lateral growth.
  • a domain-inverted portion grows in the width direction of the electrode.
  • the domain-inverted region grows in the lateral direction and becomes a shape that spreads laterally.
  • This extension to the side reaches several meters, making it difficult to form a fine structure of about 1 ⁇ m.
  • a groove is formed on the side surface of the electrode.
  • the domain-inverted region grows from domain-inverted nuclei generated immediately below the electrode.
  • the side growth of the domain-inverted region is caused by the generation of domain-inverted nuclei due to an electric field component generated around the electrode.
  • the present invention by providing a groove around the electrode, generation of domain-inverted nuclei at the periphery of the electrode can be suppressed, and side growth can be suppressed.
  • a domain-inverted region having a fine width of 5 m or less can be uniformly formed.
  • a domain-inverted region having a width of submicron order of less than m can be easily formed.
  • a different voltage is applied to the surface electrode as a method of forming the domain-inverted region according to the present invention, it is possible to generate a different potential difference between the electrodes by using a change in the electric field.
  • the electrode structure becomes a capacitor sandwiched between the electrodes. Therefore, in a transient state in which a charge is accumulated between the electrodes, the first electrode 700 becomes a floating electrode, and an electric field is generated between the first electrode 700 and the second electrode 701.
  • An electric field distribution can be generated between the first electrode 700 and the second electrode 701 by utilizing such a change in the electric field.
  • a transiently generated electric field depends on the amount of voltage change. For this reason, a large electric field can be generated between the first electrode 700 and the second electrode 701 by a high-speed voltage change. Although it depends on the electrode structure, specifically, by setting the amount of change in the voltage to 100 VZ seconds or more, it is possible to form domain inversion. Further, by setting the amount of voltage change to lkVZ seconds or more, more uniform polarization inversion can be formed. Further, by alternately applying an electric field to the first electrode 700 and the second electrode 701, it becomes possible to grow a domain-inverted region under both electrodes.
  • a voltage that generates an electric field opposing spontaneous polarization is generally desired.
  • the third electrode 802 is applied so that the electric field faces the polarization direction Ps of the + Z plate. Apply a negative voltage.
  • the formed polarization inversion is again inverted.
  • the polarization inversion region in LiNbO and LiTaO, the polarization inversion region
  • the polarization inversion can be formed uniformly even with a voltage waveform in which positive and negative voltages are applied alternately.
  • the application of a voltage in the opposite direction increases the electrical resistance, thereby preventing the domain-inverted region from having a low resistance and stopping the growth of the domain-inverted region. It plays a role in growing the pole inversion region.
  • an electric field opposite to spontaneous polarization is applied unilaterally, the substrate surface is charged up and a discharge is generated, and a non-uniform polarization reversal force is applied. And uniform inversion can be formed.
  • the application conditions are the same positive and negative electric fields or spontaneous
  • the reverse voltage is preferably smaller than the voltage facing the pole.
  • As the applied electric field it was particularly preferable to apply a pulse having a pulse width of ⁇ 10 msec. By applying a plurality of pulse trains, a uniform domain-inverted structure can be formed.
  • an electric field application using a metal electrode has been described, but the electric field application method is not limited to this.
  • the same effect can be obtained by using an electric field application method such as a liquid electrode, a sol-gel electrode, or a corona discharge used for polarization inversion.
  • a Z-plate substrate is used, but the present invention is not limited to this.
  • an off-cut substrate in which the direction of the spontaneous polarization direction and the normal line have an angle ⁇ can be used.
  • the value of the angle ⁇ is preferably ⁇ 30 ° or less.
  • a uniform and deep domain-inverted structure can be formed.
  • the angle 0 was ⁇ 5 ° or less, the uniformity was further improved, the efficiency was high, and an optical element was obtained.
  • the domain-inverted regions are formed such that the periodic direction of the domain-inverted regions is orthogonal to the Y axis of the substrate.
  • the periodic direction of the domain-inverted regions orthogonal to the Y-axis, it was possible to form a uniform, short-period domain-inverted structure.
  • a uniform domain-inverted structure with a period of 2 m or less has become possible.
  • the domain-inverted region is formed such that the periodic direction of the domain-inverted region is orthogonal to the X axis, it is difficult to form a short-period domain-inverted structure.
  • a substrate having a thickness of 1 mm is used, but the thickness of the substrate is preferably 0.5 mm or more.
  • the substrate is 0.5 mm or more, penetration from the front surface to the back surface of the domain-inverted portion can be prevented, and a decrease in resistance of the domain-inverted portion can be suppressed.
  • the thickness is 1 mm or more, furthermore, the penetration of the domain inversion can be prevented, so that a more uniform domain-inverted region can be formed.
  • the charge amount applied to the electrode was also examined. In order to enlarge the domain-inverted region under the first electrode 601 and the second electrode 602 (see FIG. 6), it was effective to provide an excessive charge.
  • the appropriate charge C 2Ps XA.
  • the proper charge By applying a charge amount more than 100 times the amount C, the domain-inverted region in the Z-axis direction (substrate thickness direction) and the Y-axis direction (direction perpendicular to the period) expanded.
  • an electric field may be applied in an insulating solution in order to prevent dielectric breakdown when the electric field is applied.
  • FIG. 9 is a diagram showing a relationship between the temperature of the insulating solution and the length Lr of the domain-inverted region. From Fig. 9, it is confirmed that the inversion region increases from around 80 ° C, and that the length Lr of the inversion region is saturated at a temperature of 100 ° C or higher. This is presumably because the rise in the temperature of the MgLN substrate reduces the inversion electric field and facilitates the growth of polarization inversion. Above 150 ° C, periodic domain-inverted growth became significant in the periodic direction, making it difficult to form a short-period (5 ⁇ m or less) uniform periodic domain-inverted structure. For this reason, the temperature of the insulating solution is preferably 150 ° C. or less for forming short-period domain inversion.
  • the voltage can be applied without causing dielectric breakdown because the polarization inversion electric field is low.
  • the method of forming the domain inversion according to the present invention was described using MgLN of a Z plate.
  • the C-axis of the crystal is in the direction perpendicular to the substrate, so that an electric field can be applied efficiently using the electro-optic effect.
  • it has an advantage that the polarization inversion depth is increased, and is an ideal substrate for a Balta-type optical element.
  • the method of forming polarization reversal according to the present invention can be applied to MgLN of X-plate and Y-plate substrates.
  • a method of forming a domain-inverted region using a 1 mm thick Z-plate MgLN will be described. Further, in the present embodiment, an optical element formed by this method of forming a domain-inverted region will be described.
  • two independent electrodes are formed on the + Z plane of an MgLN substrate having a main surface perpendicular to the Z axis, and a voltage is applied to each electrode.
  • This is a method of forming a domain-inverted region over a wide range.
  • this embodiment has a feature in the configuration of the electrodes with respect to the above embodiment. A method for forming a domain-inverted region according to the present embodiment will be described. In this embodiment,
  • first electrodes 1003 having a plurality of tips (electrode fingers) 1005 extending in the Y-axis direction were arranged at intervals of 2 ⁇ m.
  • a comb-shaped electrode having a set of two teeth (electrode finger) forces arranged at intervals at a period of 8 ⁇ m is formed.
  • the tip portion 1005 and the tip portion 1006 form a periodic electrode in the X-axis direction (see FIG. 2) in the same plane.
  • each set of the tip 1005 of the first electrode 1003 is alternately arranged with each set of the tip 1006 of the second electrode 1004 so that the position in the Y-axis direction overlaps.
  • the sets of the tip portions are alternately arranged so as to overlap when viewed from the X-axis direction.
  • the tip portion 1005 and the tip portion 1006 form a periodic electrode having a period of 2 m in the X-axis method in the same plane.
  • the method of forming the electrode pattern and the groove is the same as that of the second embodiment, and a description thereof will not be repeated.
  • the groove depth by etching is set to 0.
  • the tip 1005 of the first electrode 1003 and the tip 1006 of the second electrode 1004 face the Y-axis direction of the crystal. Further, the first electrode 1003 and the second electrode 1004 are electrically insulated.
  • a third electrode 1007 is formed on the surface opposite to the main surface 1002.
  • the pulse generator has a predetermined voltage level, and can apply a pulse voltage or a DC voltage to the MgLN substrate 1001 as necessary.
  • the MgLN substrate 1001 in order to avoid the occurrence of discharge when a voltage is applied, by arranging the MgLN substrate 1001 in an insulating liquid or in a vacuum (10- 6 Torr or less), for applying a voltage.
  • NOR voltage is applied between the second electrode 1004 and the third electrode 1007.
  • a pulse voltage is similarly applied between the first electrode 1003 and the third electrode 1007.
  • domain-inverted nuclei are generated below the tip 1005 and the tip 1006 of the first electrode 1003 and the second electrode 1004, and correspond to the period in which the tip 1005 and the tip 1006 are arranged.
  • a domain-inverted region having a period of 2 m is formed.
  • the polarization reversal nuclei at the tips 1005 and 1006 grow in the Y-axis direction and the Z-axis direction by continuing application of the pulse voltage. In the Y-axis direction, the domain-inverted region is formed over the entire portion where the first electrode 1003 and the second electrode 1004 overlap, whereby a domain-inverted region having a wide period of 2 m is formed.
  • each electrode has a plurality of pairs of electrode fingers periodically, and the two electrodes are formed so as to alternately arrange pairs of electrode fingers.
  • the number of teeth included in the set of electrode fingers is not limited to two. For example, three, four, or more may be used.
  • the larger the number of continuous electrode fingers the larger the space S between the facing electrodes. (Specifically, the leading edge of the same set of electrode fingers and the leading edge of those fingers are opposed in the Y-axis direction.) Since the space between the electrodes becomes large, the electric field is concentrated on the tip of the electrode finger, and it becomes easy to expand the domain-inverted region in the depth direction and the electrode finger direction.
  • an optical element having a domain-inverted region having high reliability which realizes stable formation and holding of the domain-inverted region and withstands a reliability test such as high temperature rise, is provided.
  • the optical element of the present invention has a short-period polarization inversion structure in, for example, a crystal doped with Mg, and can be used as a highly efficient and stable optical wavelength conversion element or the like.
  • the optical element of the present invention has, for example, a domain-inverted region, and an optical wavelength conversion element, a polarization element, an optical switch, which uses a coherent light source used in the field of optical information processing and optical measurement and control. It can be used as an optical element applied to a phase modulator and the like.
  • the method of forming a domain-inverted region according to the present invention is an effective means for forming a short-period domain-inverted structure uniformly, stably, and over a wide range on a thick substrate. It can be used as a method for manufacturing.
  • Such an optical element has a fine domain-inverted region and can be used as an optical element such as an optical wavelength conversion element for generating ultraviolet light.
  • a pulse waveform of an applied voltage is controlled in order to form a domain-inverted region as uniform as possible over a wide range under the designed electrode. Specifically, a voltage waveform that rises and falls quickly is applied. As a result, in the method of the present invention, it is possible to form a fine and wide-ranging short-period domain-inverted region uniformly using the transient effect.
  • the formation method of the present invention is very effective for forming a fine domain-inverted region including a uniform and wide-ranging short-period structure.
  • the optical element according to the present invention is useful in a field where it is required to provide an optical element having a short period and a wide range of domain-inverted structures. Further, the method for forming a domain-inverted region according to the present invention is useful in a field where it is required to provide a method for forming a domain with a short period and a wide range.

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Abstract

　強誘電体結晶において、均一かつ広範囲な微細分極反転構造を有する安定な光学素子を提供する。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3基板（１００）に形成された複数の分極反転領部（１０１）と、分極反転部１０１の間の基板表面に形成された溝（１０２）とを備え、分極反転部（１０１）のほぼ全体の深さＴ’が基板厚みＴに対し、Ｔ’＜Ｔの関係を満たす。

Description

光学素子ならびに分極反転領域の形成方法
技術分野
[0001] 本発明は、光学素子、特に、分極反転領域を備える光学素子に関する。また、別の 本発明は、分極反転領域の形成方法に関する。
背景技術
[0002] 強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転現象を利用すると、強誘電体の内 部に周期的な分極反転領域 (分極反転構造)を形成することができる。このようにして 形成された分極反転領域は、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非線形分 極の分極反転を利用した光波長変換素子、プリズム形状やレンズ形状の反転構造を 利用した光偏光器などに利用される。特に、非線形光学物質の非線形分極を周期 的に反転することが可能になれば、非常に変換効率の高い光波長変換素子を作製 することができる。これを用いて半導体レーザなどの光を変換すれば、印刷、光情報 処理、光応用計測制御分野などに応用できる小型の短波長光源を実現することがで きる。
周期状の分極反転領域を形成する従来の方法としては、 Ti熱拡散による方法、 Si oを装荷した後に熱処理する方法、プロトン交換処理と熱処理とを行う方法等が報
2
告されている。一方、強誘電体の自発分極が電界により反転することを利用して周期 状の分極反転領域を形成する方法も報告されて 、る。この電界を利用する方法とし ては、例えば、 C軸に沿って切り出された基板の C面に電子ビームを照射する方法 や、 +C面に正イオンを照射する方法がある。いずれの場合でも、照射された荷電粒 子により形成される電界により、数 100 mの深い分極反転領域が形成される。 他の従来の分極反転領域の製造方法としては、 LiNbO基板に櫛形電極を形成し
3
て、これにパルス状の電界を印加する方法が報告されている（例えば、特許文献 1、 特許文献 2参照。 )0これらの方法では、 LiNbO基板の + C面に周期状の櫛形電極
3
を形成し、 -c面に平面電極を形成する。次に、 +C面を接地し、 -c面にパルス電源 によってパルス幅が典型的には 100 sのパルス電圧を印加して、基板にパルス電 界を印加する。分極を反転させるために必要な電界は、約 20kVZmm以上である。 そのような値の電界を印加する際に、基板が厚いと電界印加によって基板が破壊さ れる可能性がある。しかし、基板の厚みを 200 m程度にすることで、電界印加によ る結晶破壊を回避することが可能になり、室温での分極反転領域の形成が可能にな る。基板を貫通する深い分極反転構造が得られている。
また、 Z板の Mgドープ LiNbO基板（以下 MgLNとする）に櫛形電極を形成し、これ
3
に電圧を印加することで周期状の分極反転構造の形成が可能なことが開示されてい る (例えば、特許文献 3参照。 )0
さらに、光波長変換素子の高効率化を実現するには、周期が 3— 4 mである短周 期の分極反転構造が必要になる。電界印加によって分極反転領域を形成すると、電 極直下の分極が反転した後に、基板の表面に平行な方向に分極反転領域が広がる 。このため、分極反転構造の短周期化が困難になる。この問題を解決するために、従 来の方法では、パルス幅が 100 s程度である短時間パルス電圧を電極に印加する ことによって電圧印加時間を短縮して、短周期の分極反転構造を形成している。 他の短周期の分極反転領域の形成方法としては、 Z板の LiTaO基板の表面に溝
3
を形成し、分極反転の幅方向の拡大を抑制することで周期 3. 8 /z mの分極反転領 域を形成する方法が知られて ヽる (例えば、特許文献 4参照)。
さらに、短周期分極反転領域の形成方法として、誘電体材料内に分極反転微小構 造を形成するために、複数の領域に分割して別々に分極反転領域を形成することで 、例えば、周期 4 mの短周期分極反転形成する方法が知られている（例えば、特許 文献 5参照。）。
また、 MgLNに短周期の分極反転構造を形成する方法も提案されている（例えば、 特許文献 6参照。 ) 0この方法では、 Z板の MgLNに周期状分極反転構造を形成す る。詳しくは、この方法では、 MgLNの + Z面に櫛形電極を形成し、裏面力もコロナを 照射することで周期状の分極反転構造を形成している。これにより、周期が で 基板厚み 0. 5mmに貫通する分極反転構造が形成されて ヽる。
また、 Z板の MgLNの Z面と電極の間に SiO膜を挟み込むことにより、基板の破
2
壊を防ぎ、周期 5 mで基板厚み 0. 3mmを貫通する分極反転構造を形成する方法 について知られている（例えば、特許文献 7参照。 )0
また、オフカットの MgLNに分極反転構造を形成する方法も提案されている（特許 文献 8参照)。この方法では、オフカットの基板に電極を形成し、これに電圧を印加す ることで針状の分極反転構造を形成できる。分極反転構造は結晶の分極方向に成 長する。オフカット MgLN基板には周期 5 m程度の分極反転構造が形成できる。 分極方向を基板表面力もわずかに傾けたオフカット基板を用い、基板の内部に針状 の分極反転形状を形成して!/ヽる。
特許文献 1：特開平 3—121428号公報
特許文献 2 :特開平 4 19719号公報
特許文献 3：特開 2001-66652号公報
特許文献 4:特開 2000— 147584号公報
特許文献 5：特開 2003— 307758号公報
特許文献 6：特開平 6— 242478号公報
特許文献 7：特開平 7-281224号公報
特許文献 8：特開平 9 - 218431号公報
発明の開示
(発明が解決しょうとする課題）
従来技術では、 Z板の Mgドープ LiTa Nb O (0≤x≤ 1)基板における微細かつ
(l-x) X 3
安定な分極反転領域の形成が難 ヽと ヽぅ課題がある。
例えば、従来技術では、オフカット基板においては、電界印加により分極反転の形 成を行うことが可能である。しかしながら、 Z板基板においては、コロナポーリング等の 複雑な電解印加方法を行わない限り、均一な微細反転構造の形成を行うことが難し い。ここで、コロナポーリングとは、荷電粒子を基板に堆積させて電界を発生し、これ によって分極を反転させる方法である。この方法では、荷電粒子による電界の大きさ に限界があるため、分極反転が形成できる基板の厚みが 0. 5mm程度に限られてお り、 1mmを越えるような厚い基板への分極反転形成が困難である。
以上のように、電極によって電圧を印加する方法は、オフカット基板への反転形成 には有効であるが、 Z板への分極反転の形成が難 ヽと ヽぅ課題がある。 これに対し、櫛形電極を Z板の MgLNに形成し、これに電圧を印加することで周期 状の分極反転構造を形成する方法が知られている。この従来技術は、周期状の分極 反転構造が均一に形成できるという特長をもっている。しかしながら、この従来技術に より形成される分極反転は、電極先端の一部に限られている。このため、電極下の広 い範囲で分極反転構造を形成することは、依然困難である。
そこで、本発明の目的は、短周期かつ広範囲の分極反転領域を備える光学素子を 提供すること、および短周期かつ広範囲の分極反転領域を形成する方法を提供する ことを課題とする。
(課題を解決するための手段）
本発明に関わる光学素子は、単一分極化された強誘電体基板と、強誘電体基板に 形成された複数の分極反転領域と、分極反転領域の間の強誘電体基板の表面に形 成された溝とを備えている。少なくとも 1つの分極反転領域の深さ T'は、基板厚み T に対し、 T'く Tの関係を満たすことを特徴とし、これによつて上記目的が達成される。 さらに、本発明に関わる分極反転領域の形成方法は、単一分極化された強誘電体 結晶基板の内部に分極反転領域を形成する方法において、強誘電体基板の表面に 溝を設け、強誘電体基板の表面を複数の領域に分割する工程と、複数の領域に電 界を印加する工程を備えている。電界の方向は、強誘電体基板の自発分極に対向 する方向である。電界を印加する工程において、複数の領域に電位差が生じることを 特徴とする。
(発明の効果）
本発明の光学素子では、分極反転領域の間に溝が形成されている。さらに、少なく とも 1つの分極反転領域は、基板を貫通していない。以上の構成により、短周期かつ 広範囲の分極反転領域を備える光学素子を提供することが可能となる。すなわち、 基板を貫通しない分極反転領域を有しつつ、さらに溝を有するため、例えば、分極 反転領域の形成工程における電界印加を適切に行うことが可能となる。このため、微 細な (短周期の)分極反転領域を形成する場合であっても、均一かつ広範囲に分極 反転領域の形成を行うことが可能となる。
また、本発明の分極反転領域の形成方法は、溝により分割された複数の領域に分 極反転領域を形成する。さらに、電界の方向は、強誘電体基板の自発分極に対向す る方向であり、電界を印加する工程において、複数の領域には電位差が生じる。以 上の構成により、短周期かつ広範囲の分極反転領域を形成することが可能となる。 すなわち、以上の構成により、分極反転領域の形成工程における電界印加を適切に 行うことが可能となる。このため、微細な (短周期の)分極反転領域を形成する場合で あっても、均一かつ広範囲に分極反転領域の形成を行うことが可能となる。
また付随的な効果として、この方法を用いることで、紫外光発生用の光波長変換素 子等の光学素子の製造が可能となる。 図面の簡単な説明
[0004] [図 1]本発明の光学素子の断面図
[図 2]本発明の光学素子の斜視図
[図 3]実施の形態 2の分極反転領域の形成方法を示す図で、 (a)上面図 (b)側面図 [図 4]実施の形態 2の分極反転領域の形成方法を示す断面図
[図 5]実施の形態 2の分極反転領域の形成方法にお ヽて、 (a)電位差が異なる場合 の電界分布図（b) Lが大きい時の電界分布図（c) Lが小さい時の電界分布図
1 1
[図 6]実施の形態 2の分極反転領域の形成方法にお 、て、 (a)溝が無 、場合の電界 分布図 (b)溝がある場合の電界分布図
[図 7]実施の形態 2の分極反転領域の形成方法にお ヽて、電界の変化を利用して電 極間に異なる電位差を発生させる構成図
[図 8]実施の形態 2の分極反転領域の形成方法にお 、て、 (a)負電圧印加の構成図 (b)正負電圧印加の構成図
[図 9]実施の形態 2における絶縁溶液の温度と、分極反転領域の長さ Lrとの関係を 示す図
[図 10]実施の形態 3の分極反転領域の形成方法を示す図で、（a)上面図 (b)側面図 符号の説明
[0005] 100, 301, 401, 500, 1001 MgO :LiNbO基板
3
101, 200, 405, 504 分極反転部
102, 402 溝 302, 1002 主面
303, 501, 601, 700, 800, 1003 -の電極
304, 502, 602, 701, 801, 1004 ~ · ：の電極
305, 1005 第一の電極の先端部
306, 1006 第二の電極の先端部
307, 503, 603, 702, 802, 1007 ：の電極
308, 404, 703, 1008 ノ レスジュ ：ネレー -タ
400 Ta膜
403 SiO膜
2
V , V , V
1 2 3 電位
Ex X方向の電界成分
Ez Z方向の電界成分
Ps 自発分極
A 電界
LI 第一の電極と第二の電極との間の距離
Lr 分極反転領域の長さ
T 基板温度
発明を実施するための最良の形態
本発明の実施の形態を説明する前に、まず、強誘電体の分極反転について説明 する。
強誘電体は、自発分極による電荷の偏りを結晶内に有している。自発分極に対向 する電界を印加することにより、強誘電体における自発分極の方向を変えることがで きる。
自発分極の方向は、結晶（材料)の種類により異なる。 LiTaO、 LiNbO等、または
3 3 その混晶である LiTa Nb O (0≤χ≤1)基板の結晶は、 C軸方向のみに自発分極
(1- κ 3
を有する。このため、これらの結晶では、分極は、 C軸に沿った +方向あるいはその 逆向きの一方向の 2通りしか存在しない。電界を印加することで、これらの結晶の分極 は、 180度回転して、それまでとは逆の方向を向くようになる。この現象を、分極反転 という。分極反転を生じさせるために必要な電界を反転電界と称し、 LiNbO、 LiTa
3
O等の結晶では、室温で約 20kVZmm程度、 MgO : LiNbOで約 5kVZmm程度
3 3
の電界が必要である。
強誘電体において、単一の分極方向を持った結晶にすることを「分極の単分域化」 と称する。この分極の単分域ィ匕を達成するために、結晶成長後に高温中で電界を印 加する方法が一般に行われて 、る。
(実施の形態 1)
本実施の形態では、周期分極反転構造を強誘電体結晶内部に有した光学素子と して、波長変換素子について述べる。
図 1は、本発明の光学素子の断面図である。 Z板の MgLN基板 100に、周期状の 分極反転部 101が形成されている。基板の厚みは、 lmm,分極反転の深さは、約 0 . 5mm程度である。分極反転は、基板結晶の Y軸（図 1では、断面に対して垂直方 向）に沿って形成されている。分極反転部 101は、基板の +Z面から- Z面側（図 1で は、断面上で、分極反転の配列方向に直交する方向）に向かって形成されている。 分極反転部 101は、基板の厚みより短くなるように形成されている。より詳しくは、分 極反転部 101の深さ T'は、基板厚み Tよりも短くなるように形成されている。ここで、 分極反転部 101の深さ T'とは、分極反転部 101の基板厚さ方向の長さを意味し、基 板厚み Tとは、分極反転部 101の +Z面側の端部力も- Z面までの長さを意味する。 すなわち、分極反転部 101は、基板を貫通しないように形成されている。また、周期 状の分極反転部 101の付近には、 MgLNの +Z面表面に深さ 0. の溝 102力 S 形成されている。ここでの分極反転周期 La (隣接する 2つの分極反転領域の同位置 の配列方向間隔、例えば、それぞれの分極反転領域の配列方向一側同士の間隔） 、分極反転領域長 Lb (全ての分極反転領域の配列方向一側から他側への長さ）は、 それぞれ 4 μ m、 10mmである。
図 2は、図 1に示した光学素子の構成斜視図である。この光学素子は、波長えの基 本波を周期状の分極反転構造で波長変換して波長 λ Ζ2の高調波に変換する。ここ では、分極反転周期 Laを 4 mとして形成することで、波長 900nmの光を波長 450 nmの光に波長変換している。また、分極反転領域長 Lbの部分に、レンズで 900nm の光を入射したところ、変換効率 5%ZWで波長変換され、 450nmの高調波が得ら れた。
このように、本発明では、均一な分極反転領域を形成することで高効率の波長変換 が可能となった。さらに、基板厚みが lmm以上あることで、基本波、高調波のビーム ウェストを大きくとれる。このため、光のパワー密度を低減でき、高出力な出力特性が 実現できた。 0. 5mmの基板に形成した場合に比べ lmm厚の基板を利用することで 出力を 4倍に高めることが可能となった。
また、本発明では、分極反転を Y軸方向に形成することで、均一で短周期の分極反 転構造を形成することが可能となった。具体的には、周期 2 m以下の分極反転構 造の形成が可能となり、波長 400nm以下の紫外光発生が可能となった。従来技術 では、分極反転を X軸方向に形成した場合、短周期の分極反転構造の形成が困難 になるため、波長 500nm以上の光し力得られな力つた。しかし、本発明では、 Y軸方 向にすることで、短波長光の発生が可能となった。
なお、図 1では全ての分極反転部 101が基板を貫通しない構成について示したが 、必ずしもこのような構造に限定されない。例えば、、分極反転の深さを基板の厚みよ り浅く形成し、表面から裏面に貫通する分極反転領域の割合を全体の分極反転領域 の半分（50%)以下に抑えることができれば、均一な分極反転構造の形成に有効で ある。さらには、この割合を 10%以下に抑えることで、より均一な分極反転構造の形 成が可能となった。特に、貫通する分極反転領域の割合が 5%以下になるとさらに均 一性が向上した。本発明では、分極反転領域の深さ方向の長さを制限することにより 、分極反転周期 2 m以下、波長 400nm以下の紫外光発生が可能となった。
ところで、従来技術では、周期状の分極反転構造を形成した場合、分極反転領域 の境界では異なる自発分極が隣接し、結晶的に歪みの大きな分極壁を形成する。こ のため、従来技術では、分極反転構造が微細化するに伴い、結晶内の歪みが大きく なる。一般に、分極壁における歪みは分極反転領域の不安定性の原因となる。そこ で、前述したように貫通しない分極反転領域を利用すると、均一な分極反転構造の 形成が可能であるが、その一方で貫通しない分極反転領域の安定性は、貫通した分 極反転領域に比べて大幅に特性が劣ることが明らかになった。例えば、形成された 分極反転領域に 400nm以下の紫外光を照射した場合や、急激な温度変化を与え た場合や、また外部電界を与えた場合に、分極反転領域が一部消滅する現象が観 測された。このため、ヒートショックや高出力の紫外光発生において、特性が劣化する 現象がみられた。このような現象は、特に微細な分極反転形状において顕著であり、 分極反転領域または特に基板表面から発生するため、これを防止する方法を種々検 討した。この結果、本発明のように、分極反転領域間に溝を形成し、分極反転部分と 非分極反転部分とに段差を設けることで安定性が大幅に向上することが明らかにな つた。溝の深さとしては、本実施の形態のように 0. 5 /z m以上が好まし力つた。一方、 0. 2 m以下では、ほとんど効果がなかった。溝は、深いほど効果が高いが、 0. 5 m以上の深さであれば、 40— 80°Cのヒートサイクル試験を 100回行っても特性の 変化は観測されな力つた。このため、本発明のように、 0. 5 m以上の溝を分極反転 領域間の基板表面に設けることは分極反転構造の信頼性向上に有効である。
従来技術では、微細な分極反転領域を形成した場合に分極壁に歪みが残る。この 歪みにより分極壁に屈折率分布が形成される。周期状に分極反転領域を形成すると 、分極壁に屈折率分布が生じるため、周期的な屈折率分布が形成される。例えば、 分極反転構造を光学素子に利用する場合、周期的な屈折率変化は、分極反転構造 を伝搬する光の波面を乱し、かつ散乱損失を増大させる原因となる。これに対して、 本実施の形態のように分極反転領域間に溝を設けることで分極壁の屈折率分布が 低減されることが見出された。溝の深さとしては、： L m以上にすることで光学損失の 小さな光学素子の形成が可能となった。
また、本発明の光学素子では、溝を形成することにより分極反転の周期方向の過剰 な成長を抑制することが可能となった。従来、分極反転の深さ方向（Z軸方向）、およ び周期と直交する方向 (Y軸方向）に長い分極反転を形成する場合、分極反転の周 期方向 (X軸方向）の広がりが過剰になり、広範囲での分極反転領域の形成が困難 であった。一方、本発明のように溝を形成することで、周期方向の分極反転の過剰成 長を抑制し、短周期（特に周期 2 m以下)でも広範囲でかつ均一な周期状の分極 反転領域を形成することができた。このため、本発明の光学素子は、分極反転領域、 特に周期 2 m以下の分極反転領域を均一かつ広範囲に作製しやすいという効果 を有しており、作製の観点においても実用的である。
なお、分極反転構造を利用した光学素子として光波長変換素子を例にあげて説明 したが、分極反転構造をプリズム形状やグレーティング形状に形成することで、偏光 器が構成できる。この偏光器は、例えば、位相シフト、光変調器、レンズ、等に応用で きる。また、分極反転領域に電圧を印加することで電気光学効果を利用した屈折率 変化を形成できる。このため、これを利用した光学素子が実現できる。例えば、電界 により屈折率変化を制御できるため、屈折率変化を形成した光学素子は、スィッチ、 偏光器、変調器、位相シフタ、ビーム整形等に応用できる。本発明の分極反転領域 の形成方法は、微細な分極反転形状の形成を可能とするため、これらの光学素子の 高性能化を可能にする。
なお、基板の厚みは、 0. 5mm以上が好ましい。基板が 0. 5mm以上であれば、分 極反転部の表面から裏面への貫通が防止できる。基板の厚みが lmm以上になると 、さらに、分極反転の貫通が防止できる。このためより均一な分極反転領域の形成が 可能である。一方、厚い基板においては、分極反転領域が貫通しないため、分極反 転領域の不安定性により信頼性が劣化する。本発明では、これを防止するために分 極反転領域間に溝を設けており、この溝は、分極反転領域の安定性に対して有効と なる。
なお、以上の本実施の形態の説明では、強誘電体基板として Z板の MgOドープ Li NbO基板を用いている。あるいは、その他に、 MgOドープ LiTaO基板、 Ndドープ
3 3
LiNbO基板、 KTP基板、 KNbO基板、 Ndと MgOとをドープした LiNbO基板、あ
3 3 3 るいは Ndと MgOとをドープした LiTaO基板、ストィキォ組成の同様の基板などであ
3
つてもよい。また、 Z板に限らず、 X板、 Y板であっても同様の効果が得られる。
このうち、 Ndをドープした結晶からなる基板はレーザ発振が可能であるので、レー ザ発振による基本波の発生とその波長変換による第 2高調波の発生とが同時に行え る。そのため、高効率で安定した動作特性を有する短波長光源が構成できた。
(実施の形態 2)
本実施の形態では、 lmm厚の Z板 MgLNを用いて分極反転領域を形成する方法 について説明する。本実施の形態で説明する分極反転領域の形成方法は、 Z軸に 垂直な主面を有する MgLN基板の + Z面に、独立した二つの電極の電極指を交互 に配置し、それぞれの電極に電圧を印加することで、広範囲の分極反転領域を形成 する方法である。
本実施の形態の分極反転領域の形成方法につ!、て説明する。本実施の形態では 、周期 4 mの分極反転領域を形成する方法について述べる。
まず、図 3に示すように、 MgO :LiNbO基板 301の主面 302には、 Y軸方向に延
3
びる複数の先端部 (電極指） 305を有する第一の電極 303 (周期 8 μ mの歯 (電極指 )を有する櫛形電極)と、 Y軸方向に延びる複数の先端部 (電極指） 306を有する第 二の電極 304 (周期 8 μ mの歯 (電極指）を有する櫛形電極）とが形成されて ヽる。ま た、先端部 305および先端部 306は、同一平面内において、 X軸方向（図 2参照）に 周期電極を形成している。具体的には、第一の電極 303の先端部 305は、第二の電 極 304の先端部 306と、 Y軸方向位置が重複するように、交互に配置されている。す なわち、それぞれの先端部は、 X軸方向から見て重複するように交互に配置されてい る。これにより、先端部 305および先端部 306は、同一平面内において、 X軸方向に 周期 4 mの周期電極を形成している。また、第一の電極 303の先端部 305、および 第二の電極 304の先端部 306は、結晶の Y軸方向を向いている。さらに、第一の電 極 303と第二の電極 304とは電気的に絶縁されている。また、主面 302の反対側の 面に第三の電極 307が形成される。第一の電極 303または第二の電極 304と他の面 に形成された第三の電極 307との間にパルスジェネレータ 308で制御した電圧を印 加することで、電極間に分極反転領域が形成される。
これらの電極 303および 304の形成方法について、図 4を用いて説明する。
これらの電極 303および 304は、例えば、厚さ lOOnmの Ta膜 400で形成される。 第一の電極 303と第二の電極 304との周期電極形成は、 Ta膜上にレジストを堆積し 、レジストをパターユングすることで CFガス雰囲気中の反応性イオンエッチングによ
4
り行われる（図 4 (a)参照)。また、同様の手順により、主面 302の反対側の面の少なく とも電極 303および 304に対応する部分、あるいは全面において、第三の電極 307 ( 図 3 (b)参照）が形成される。第三の電極 307も、電極 303および 304と同様に、 Ta 膜 400で形成される。 次に、 CHFガス雰囲気中の反応性イオンエッチングにより、電極で覆われていな
3
い MgLN基板 401の表面をエッチングする（図 4 (b)参照）。その後、レジストを除去 することで、 MgLN基板 401の表面に溝 402が形成される。ここでのエッチングによ る溝深さは、 0. 1 mである。
さらに、溝 402が形成された表面に SiO膜 403を絶縁膜として形成する（図 4 (c)参
2
照)。
Ta膜 400で形成された電極間にパルスジェネレータ 404で制御した電圧を印加す ることで、電極間に分極反転部 405が形成される（図 4 (d)参照）。このパルスジエネレ ータ 303は、所定の電圧レベルを有し、必要に応じてパルス電圧または直流電圧を、 MgLN基板 301に印加することができる。
ここで、電圧印加時の放電発生を避けるために、 MgLN基板 301を絶縁液または 真空中（10— 6Torr以下）に配置して、電圧を印加する。
電圧の印加方法について具体的に説明する。
まず、第二の電極 304と第三の電極 307との間にノルス電圧を印加する。次に、第 一の電極 303と第三の電極 307との間に、同様にパルス電圧を印加する。これらによ り、第一の電極 303および第二の電極 304の先端部 305および先端部 306の下に 分極反転核が生じ、先端部 305と先端部 306とが配置される周期に対応して、それ ぞれ周期 8 mの分極反転領域が形成される。先端部 305、 306の分極反転核は、 パルス電圧の印加を継続することにより Y軸方向および Z軸方向に成長する。 Y軸方 、て、第一の電極 303と第二の電極 304とが重複する部分全体に分極反転 領域が形成されることで、広範囲の周期 4 mの分極反転領域が形成される。
次に、本発明の分極反転構造の形成方法の原理について説明する。
本発明の分極反転領域の形成方法は、特に金属添加物を有する強誘電体結晶に 対して有効である。使用したのは Mgをドーピングした LiNbO (以下 MgLNとする）で
3
あるが、金属を lmol%以上の高濃度に添加した結晶では、同様の効果が発生する 場合が多い。 MgLNにおいて、電界印加による分極反転を行うと、形成された分極 反転領域の抵抗が 3桁以上大幅に低下する現象が観測された。このため、 Z板の Mg LNの表面と裏面に電極を形成し、電極間に電圧を印加することで、基板表面から裏 面方向に分極反転部を成長させる方法では、一部の分極反転が裏面近傍に到達し た時点で、電極間に大きな電流が流れはじめ、電極間の電圧降下が生じ、分極反転 を大面積に形成するのが難しくなる現象が見いだされた。つまり、同じ電位の場合、 分極反転部が裏面方向に近づくと、電極間の抵抗が大幅に低下することで、電極間 の電圧降下が発生し、分極反転の成長が停止する。
これを防止するため、本発明では、結晶表面の電極を複数の領域に分割し、表面 電極間に電位差を設ける方法を提案する。すなわち、本発明では、少なくとも何れか の領域に異なる電位差が生じる。
図 5 (a)に示すように第一の電極 501 (電位 V )と第二の電極 502 (電位 V )との間
1 2 に電位差 V -Vを設けると、第一の電極 501と第二の電極 502との間に電界 Aが発
1 2
生する。電界 Aの Z方向のベクトル成分 Ezにより、第二の電極 502の下に自発分極 に対向する電界が形成される。第一の電極 501と第二の電極 502との間は、分極反 転が成長する分極方向に直交している。このため、分極反転による電極間の抵抗低 下が避けられ、効率的に電界印加が可能となる。この結果、広い領域に渡り、均一な 分極反転構造の形成が可能となる。基板表面に異なる電位を有する領域を形成する ことで、領域間に電界が生じ、この電界のベクトル成分 Ezを自発分極に対向させるこ とで分極反転形成が可能となる。
ところ力 図 5 (b)のように、電極間隔 L1が大きな場合には、上記方法により均一な 分極反転構造の形成が可能となるが、図 5 (c)のように、電極間隔 L1が小さい場合に は、電極間の電界 Aは、図に示すようになり、電界 Aが電極間にほぼ水平に分布する ため、 Z方向のベクトル成分 Ezが十分大きくならない。一方、ベクトル成分 Ezを大きく するために、電極間の電圧を増大させると、近接した電極間の絶縁が破壊するという 問題が発生する。このため、電極間隔が 5 m以下になると表面電極間の電位差に よる分極反転が極端に難しくなるという問題が発生する。
一方、本発明では、電極構造を図 6 (b)に示す構造とし、この問題を解決する。すな わち、第一の電極 601と第二の電極 602との間に溝を掘ることで、電極間に絶縁性 の高い領域を形成する。これによつて、第二の電極 602から第一の電極 601に向力う 電界を、図 6 (b)に示すように、溝の下をくぐるような向きに発生させることが可能とな る。溝を設けない図 6 (a)に比べて、溝を設けた図 6 (b)の構成では、電界成分 Ezを 大幅に増大できる。また、第一の電極 601と第二の電極 602との間の絶縁性を高め ることが可能となり、電極間に大きな電圧を印加できる。このため、より均一な分極反 転構造の形成も可能となった。また、電極間に設けた溝に絶縁性の高い絶縁液、高 真空雰囲気などを使用することで、より高電圧の印加が可能となる。本構成では、電 極間隔 5 m以下の微細な領域でも分極反転領域の形成が可能となった。電極間の 溝の深さを深くすると、電極間の絶縁性と、電界ベクトル Ezの増大とが図れ、より均一 で深い分極反転構造の形成が可能となる。溝の深さは、最低でも 0. 1 μ m以上が好 ましぐ 0. 5 m以上であれば、均一性、形成範囲の観点でより効果的であった。 電極の間に溝を形成することにより、上述した効果に加え、さらに別の効果を得るこ とが可能となり、より微細な分極反転構造の形成が可能となる。
すなわち、電界印加により分極反転領域を形成する場合、分極反転領域は、分極 方向に成長すると同時に、分極に垂直な方向にも成長する。この分極に垂直な方向 への分極反転領域の成長を側面成長という。この側面成長によって、電極の幅方向 に分極反転部が成長する。このため、微細な電極形状により分極反転を形成しても、 分極反転領域が側面方向に成長してしまい、横に広がった形状となる。この側面へ の広がりは、数 mにも達し、 1 μ m程度の微細な構造の形成を困難にしている。 これに対し、本発明では、電極の側面部に溝を形成する。これにより、分極反転領 域の側面成長が抑圧出来ることが見出された。分極反転領域は、電極直下に発生 する分極反転核から成長する。一般に、分極反転領域の側面成長は、電極周辺に 発生する電界成分による分極反転核の発生が原因と考えられる。これに対して、本 発明では、電極の周辺部に溝を設けることで、電極周辺部での分極反転核発生を抑 圧し、側面成長を抑えることが可能となった。この結果、例えば、 5 m以下の微細な 幅の分極反転領域の形成が均一に行えるようになった。さらに、： m以下のサブミ クロンオーダの幅の分極反転領域も容易に形成できるようになった。
なお、本発明の分極反転領域の形成方法として、表面電極に、異なる電圧を印加 すると説明したが、電界の変化を利用して電極間に異なる電位差を発生することも可 能である。 例えば、図 7に示すように、第一の電極 701と第三の電極 702との間に電界を印加 すると、電極構造は、電極間に挟まれたコンデンサ一となる。このため、電極間に電 荷が蓄積される過渡的な状態において、第一の電極 700は、浮遊電極となり第一の 電極 700と第二の電極 701との間に電界が発生する。この様な電界の変化を利用し て第一の電極 700と第二の電極 701との間に電界分布を発生させることができる。例 えば、過渡的に発生する電界は、電圧の変化量に依存する。このため、高速な電圧 の変化により第一の電極 700と第二の電極 701との間に大きな電界を発生させること が可能となる。電極構造にも依存するが、具体的には、電圧の変化量を 100VZ秒 以上にすることで、分極反転の形成が可能となる。さらに、電圧の変化量を lkVZ秒 以上にすることで、より均一な分極反転形成が可能となる。また、第一の電極 700と 第二の電極 701とに交互に電界を印加することで、両方の電極下に分極反転領域を 成長させることも可能となる。
次に、印加する電圧波形について述べる。
電極に印加する電圧波形としては、通常、自発分極に対向する電界を発生する電 圧が望まれる。例えば、図 8 (a)に示すように、第二の電極 801と第三の電極 802との 間には、電界が +Z板の分極方向 Psに対向するように、第三の電極 802に負電圧を 印加する。ここで、 +方向の電界を印加すると、形成した分極反転が再反転する。特 に LiNbOや LiTaOでは、分極反転直後は内部電界の存在により分極反転領域の
3 3
安定性が極端に低下するため、逆方向電圧の印加は避けなければならない。
これに対して、 Mgドープの LiNbOは、従来の特性と異なることを見いだした。すな
3
わち、図 8 (b)に示すように、印加する電圧として正、負電圧を交互に印加する電圧 波形であっても、分極反転が均一に形成出来ることを見いだした。この原因は明らか でないが、逆方向の電圧を印加することで電気抵抗が高まることにより、分極反転領 域が低抵抗ィ匕して分極反転領域の成長が止まることが防止されるとともに、さらに分 極反転領域を成長させる役割を果たす。また、自発分極に対向する電界を一方的に 印加すると、基板表面がチャージアップして放電が生じ、不均一な分極反転が形成 される力 正負の電界を印加することで、表面チャージアップによる放電を防止し、均 一な反転形成を可能にする。なお、印加条件としては、正負同電界または、自発分 極に対向する電圧に対して、逆電圧は小さい方が好ましい。また、印加電界は、特に パルス幅て ≤ 10msecのパルス印加が好ましかった。複数のパルス列を印加すること で、均一な分極反転構造の形成が可能となる。
なお、本発明の分極反転領域の形成方法として、金属電極による電界印加につい て説明したが、電界印加の方法はこれに限られるものではない。例えば、分極反転 に利用されている液体電極、ゾルゲル電極、コロナ放電等による電界印加法を用い ても同様の効果が得られる。
なお、本発明の実施の形態においては、 Z板の基板を用いたが、これに限られるも のではない。例えば、自発分極の方向と基板の法線とが平行な Z板以外に、自発分 極の方向と法線とが角度 Θを有するオフカット基板を利用すること可能である。角度 Θの値は、 ± 30° 以下が望ましい。この場合には、均一で深い分極反転構造の形 成が可能となった。特に、角度 0が ± 5° 以下であれば、均一性がさらに向上し、効 率の高!、光学素子が得られた。
なお、本実施の形態では、分極反転領域の周期方向と基板の Y軸とが直交するよ うに分極反転領域を形成した。分極反転領域の周期方向と Y軸とが直交することで、 均一で短周期の分極反転構造を形成することが可能となった。特に、周期 2 m以 下の分極反転構造の均一な形成が可能となった。分極反転領域の周期方向と X軸と が直交するように分極反転領域を形成する場合、短周期の分極反転構造の形成が 困難であった。
なお、本実施の形態では、 1mm厚の基板を用いたが、基板の厚みは 0. 5mm以 上が好ましい。基板が 0. 5mm以上になると分極反転部の表面から裏面への貫通が 防止でき、分極反転部の抵抗低下を抑制することができる。 1mm以上になると、さら に、分極反転の貫通が防止できるためより均一な分極反転領域の形成が可能である なお、本実施の形態では電極に印加する電荷量についても検討をおこなった。第 一の電極 601および第二の電極 602 (図 6参照）の下における分極反転領域を拡大 するためには、過剰な電荷量を与えることが有効であった。自発分極を Ps、分極反 転面積を Aとすると、適正電荷量 Cは、 C = 2Ps XAである。本発明では、適正電荷 量 Cの 100倍以上の電荷量を印加することで、 Z軸方向（基板厚み方向）、 Y軸方向（ 周期と直行する方向）の分極反転領域が拡大した。
なお、本実施の形態では、電界印加時の絶縁破壊防止のため、絶縁溶液中での 電界印加を行っても良いと説明した。
図 9は、絶縁溶液の温度と分極反転領域の長さ Lrとの関係を示した図である。図 9 により、 80°C付近から反転領域の増大が確認され、 100°C以上の温度で反転領域 の長さ Lrが飽和していることがわかる。これは、 MgLN基板の温度が上昇することで 、反転電界が減少し、分極反転が成長しやすくなるためと考えられる。また、 150°C 以上では周期方向の分極反転成長が著しくなり、短周期（5 μ m以下)の均一な周期 分極反転構造形成が困難となった。このため、短周期分極反転の形成には、絶縁溶 液の温度は、 150°C以下であることが好ましい。
Mgドープ LiTa Nb O (0≤x≤ 1)基板では、分極反転電界は、通常の LNの 1
(l-x) X 3
Z4以下である。通常の LN等では、基板を厚くした場合に、印加電圧による絶縁破 壊が生じる。一方、本発明の構成では、分極反転電界が低い分、絶縁破壊を起こす ことなく電圧の印加が可能となった。
なお、本発明の分極反転の形成方法について、 Z板の MgLNを用いて説明を行つ た。 Z板基板は、結晶の C軸が基板に垂直な方向にあるため、電気光学効果を利用 する電界印加が効率良く行える。また、分極反転深さが深くなる等の有利な点を持つ ているため、バルタ型の光学素子としては理想的な基板である。また、本発明の分極 反転の形成方法は、 X板、 Y板の基板の MgLNにおいても適用できる。
(実施の形態 3)
本実施の形態では、 1mm厚の Z板 MgLNを用いて分極反転領域を形成する方法 について説明する。さらに、本実施の形態では、この分極反転領域の形成方法により 形成された光学素子について説明する。
本実施の形態で説明する分極反転領域の形成方法は、 Z軸に垂直な主面を有す る MgLN基板の + Z面に、独立した二つの電極を形成し、それぞれの電極に電圧を 印加することで、広範囲の分極反転領域を形成する方法である。特に、本実施の形 態は、上記実施の形態に対して、電極の構成において特徴を有している。 本実施の形態の分極反転領域の形成方法につ!、て説明する。本実施の形態では
、周期 2 mの分極反転領域を形成する方法について述べる。
まず、図 10に示すように、 MgLN基板 1001の主面 1002には、 Y軸方向に延びる 複数の先端部（電極指） 1005を有する第一の電極 1003 (2 μ mの間隔に配置され た 2本の歯 (電極指)からなる組を周期 8 μ mで有する櫛形電極）と、 Y軸方向に延び る複数の先端部（電極指） 1006を有する第二の電極 1004 (2 μ mの間隔に配置され た 2本の歯 (電極指)力 なる組を周期 8 μ mで有する櫛形電極)とが形成されて!、る 。また、先端部 1005および先端部 1006は、同一平面内において、 X軸方向（図 2参 照）に周期電極を形成している。具体的には、第一の電極 1003の先端部 1005のそ れぞれの組は、第二の電極 1004の先端部 1006のそれぞれの組と、 Y軸方向位置 が重複するように、交互に配置されている。すなわち、それぞれの先端部の組は、 X 軸方向から見て重複するように交互に配置されている。これにより、先端部 1005およ び先端部 1006は、同一平面内において、 X軸方法に周期 2 mの周期電極を形成 している。
なお、電極パターンおよび溝の形成方法は、実施の形態 2と同様のであるため、説 明を省略する。エッチングによる溝深さは、本実施の形態では、 0. とした。 第一の電極 1003の先端部 1005、および第二の電極 1004の先端部 1006は、結 晶の Y軸方向を向いている。さらに、第一の電極 1003と第二の電極 1004とは電気 的に絶縁されている。
また、主面 1002の反対側の面に第三の電極 1007を形成する。第一の電極 1003 または第二の電極 1004と他の面に形成された第三の電極 1007との間にパルスジェ ネレータ 1008で制御した電圧を印加することで、電極間に分極反転領域が形成さ れる。パルスジェネレータは、所定の電圧レベルを有し、必要に応じてパルス電圧ま たは直流電圧を、 MgLN基板 1001に印加することができる。
ここで、電圧印加時の放電発生を避けるために、 MgLN基板 1001を絶縁液または 真空中（10— 6Torr以下）に配置して、電圧を印加する。
電圧の印加方法について具体的に説明する。
まず、第二の電極 1004と第三の電極 1007との間にノ ルス電圧を印加する。次に 、第一の電極 1003と第三の電極 1007との間に、同様にパルス電圧を印加する。こ れらにより、第一の電極 1003および第二の電極 1004の先端部 1005および先端部 1006の下に分極反転核が生じ、先端部 1005と先端部 1006とが配置される周期に 対応して、周期 2 mの分極反転領域が形成される。先端部 1005、 1006の分極反 転核は、パルス電圧の印加を継続することにより Y軸方向および Z軸方向に成長する 。 Y軸方向において、第一の電極 1003と第二の電極 1004とが重複する部分全体に 分極反転領域が形成されることで、広範囲の周期 2 mの分極反転領域が形成され る。
本実施の形態では、二本ずつの歯の組を交互に配置する電極形状にすることで、 実施の形態 2に比して、電極指先端の電界集中を良好な状態にすることができ、電 極下への分極反転領域を形成することができた。一般に、周期電極間の幅が狭くな ると、各電極指先端の電界の集中が緩和されてしまうことになる。一方、本発明では、 それぞれの電極は、電極指を複数本毎の組として周期的に有し、 2つの電極は、電 極指の組を交互に配置するように形成されて 、る。このような交差形状 (ここでは 2本 毎の交差を形成）にすることで 2 m以下の短周期分極反転形成においても均一か つ広範囲の形成を実現することができた。
なお、電極指の組が有する歯の本数は、 2本に限らない。例えば、 3、 4本、および それ以上の本数であっても構わない。電極指の連続する本数が多いほど、対面する 電極との空間 Sが大きくなるため（具体的には、同じ組の電極指の最先端部と、それ らの最先端部に Y軸方向に対向する電極とで挟まれる空間が大きくなるため）、電極 指先端に電界が集中しやすぐ深さ方向、および電極指方向の分極反転領域の拡 大が容易となる。
(その他）
本発明の光学素子により、分極反転領域の安定な形成保持を実現し、高温昇温等 の信頼性試験に耐える高い信頼性を有する分極反転領域を備えた光学素子が提供 される。
また、本発明の光学素子は、例えば、 Mgをドープした結晶において、短周期分極 反転構造を有し、高効率かつ安定な光波長変換素子等として利用可能である。 また、本発明の光学素子は、例えば、分極反転領域を有していて、光情報処理や 光応用計測制御分野に使用されるコヒーレント光源を応用した光波長変換素子、偏 光素子、光スィッチ、位相変調器、等に応用される光学素子として利用可能である。 本発明の分極反転領域の形成方法は、厚い基板において、短周期の分極反転構 造を均一、安定かつ広範囲に渡り形成する有効な手段であり、例えば、短周期分極 反転構造を備えた光学素子の製造方法として利用可能である。このような光学素子 には、微細な分極反転領域が形成されており、紫外光発生用の光波長変換素子等 の光学素子として利用可能である。
また、本発明の分極反転領域の形成方法は、設計した電極の下に、電極に沿って できるだけ広 ヽ範囲で均一な分極反転領域を形成するために、印加電圧のパルス 波形の制御を行う。具体的には、立ち上がり、立下りの速い電圧波形を印加する。こ れにより、本発明の方法では、その過渡的な効果を利用し、微細かつ広範囲にわた る短周期分極反転領域を均一に形成することが可能となる。
一般に、先端部を有する電極を用いて z板の基板に分極反転を形成すると、電極 先端部に電圧が集中するため、この部分の分極反転は効率良く形成される。しかし、 分極反転部分が電極全体に広がりにくい傾向にある。そこで、本発明の分極反転領 域の形成方法では、電圧波形、および電極構成を工夫し、電極のできるだけ広い領 域に分極反転部が広がる方法を提供した。すなわち、均一かつ広範囲な短周期構 造を含む微細な分極反転領域の形成には本発明の形成方法が非常に有効である。 産業上の利用可能性
本発明にカゝかる光学素子は、短周期かつ広範囲の分極反転構造を備える光学素 子を提供することが求められる分野で有用である。また、本発明にかかる分極反転領 域の形成方法は、短周期かつ広範囲の分極反転領域を形成する方法を提供するこ とが求められる分野で有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 単一分極化された強誘電体基板と、
前記強誘電体基板に形成された複数の分極反転領域と、
前記分極反転領域の間の前記強誘電体基板の表面に形成された溝と、 を備え、
少なくとも 1つの前記分極反転領域の深さ T'は、基板厚み Tに対し、 T'く Tの関係 を満たすことを特徴とする、
光学素子。
[2] 前記 T' <Tの関係を満足する分極反転領域は、前記複数の分極反転領域全体の
50%以上であることを特徴とする、
請求項 1記載の光学素子。
[3] 前記 Τ' <Τの関係を満足する分極反転領域は、前記複数の分極反転領域全体の
90%以上であることを特徴とする、
請求項 1記載の光学素子。
[4] 前記分極反転領域の間隔は、 5 μ m以下であることを特徴とする、
請求項 1記載の光学素子。
[5] 前記分極反転領域の幅は、 5 μ m以下であることを特徴とする、
請求項 1記載の光学素子。
[6] 前記強誘電体基板の厚みは、 0. 5mm以上であることを特徴とする、
請求項 1記載の光学素子。
[7] 前記強誘電体基板は、単一分極の結晶であり、
前記分極反転領域は、前記強誘電体基板の表面内部に先端部を有し、 前記先端部の方向は、前記結晶の Y軸方向であることを特徴とする、
請求項 1記載の光学素子。
[8] 前記溝は、前記強誘電体基板の表面から 0. 5 μ m以上の深さで形成されて 、るこ とを特徴とする、
請求項 1記載の光学素子。
[9] 前記溝は、前記強誘電体基板の表面から 10 μ m以下の深さで形成されて 、ること を特徴とする、
請求項 7記載の光学素子。
[10] 前記分極反転領域は、周期状の分極反転構造であることを特徴とする、
請求項 1一 9のいずれか一項に記載の光学素子。
[11] 前記強誘電体基板の法線と前記強誘電体基板の自発分極とのなす角度は、 30° 以下であり、
前記分極反転領域の周期方向と前記結晶の Y軸とは、直交することを特徴とする、 請求項 10記載の光学素子。
[12] 前記強誘電体基板の法線と前記強誘電体基板の自発分極とのなす角度は、 30° 以下であり、
前記強誘電体基板の厚み Tは、 T≥0. 5mmであり、
前記分極反転領域の周期 Λは、 Λ≤ 2 mであることを特徴とする、
請求項 10記載の光学素子。
[13] 前記強誘電体基板は、 Mgドープの LiTa Nb O (0≤χ≤1)であることを特徴と
(l-x) X 3
する、
請求項 1一 12の 、ずれか一項に記載の光学素子。
[14] 単一分極化された強誘電体結晶基板の内部に分極反転領域を形成する方法にお いて、
前記強誘電体基板の表面に溝を設け、前記強誘電体基板の表面を複数の領域に 分割する工程と、
前記複数の領域に電界を印加し分極反転領域を形成する工程と、
を備え、
前記電界の方向は、前記強誘電体基板の自発分極に対向する方向であり、 前記電界を印加する工程において、前記複数の領域に電位差が生じることを特徴 とする、
分極反転領域の形成方法。
[15] 少なくとも 1つの前記分極反転領域の深さ T'は、基板厚み Tに対し、 T'く Tの関係 を満たすことを特徴とする、 請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[16] 前記複数の領域は、周期状に隣接するよう形成され、
前記電界を印加する工程では、一定の周期を持って隣接する領域に互いに異なる 電位が生じることを特徴とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[17] 前記電界を印加する工程では、前記複数の領域のそれぞれに、異なる電界を印加 することを特徴とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[18] 前記電界を印加する工程では、前記複数の領域の何れかに、時間的に変化する 電界を印加することを特徴とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[19] 前記電界を印加する工程では、前記電界の変化が lkVZ秒以上であることを特徴 とする、
請求項 18記載の分極反転領域の形成方法。
[20] 前記溝の幅は、 5 μ m以下であることを特徴とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[21] 前記複数の領域のそれぞれの幅は、 5 μ m以下であることを特徴とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[22] 前記強誘電体基板の厚みは、 0. 5mm以上であることを特徴とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[23] 前記電界を印加する工程において、正電界と負電界を交互に印加することを特徴 とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[24] 前記電界を印加する工程において、前記電界は、 10msec以下のパルス幅を有す るパルス電圧により印加されることを特徴とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[25] 前記溝は、前記強誘電体基板の表面から 0. 5 μ m以上の深さで形成されて 、るこ とを特徴とする、 請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[26] 前記溝は、前記強誘電体基板の表面から 10 μ m以下の深さで形成されて 、ること を特徴とする、
請求項 25記載の分極反転領域の形成方法。
[27] 前記複数の領域は、一定の周期で交互に配置されるように形成されており、
前記分極反転領域は、前記一定の周期で形成されることを特徴とする、 請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[28] 前記複数の領域のそれぞれは、所定の間隔に配置される複数の小領域力 なる小 領域群を有しており、
前記複数の領域は、それぞれの前記小領域群を交互に配置するように形成されて おり、
前記分極反転領域は、前記所定の間隔で形成されることを特徴とする、 請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[29] 前記強誘電体基板は、 Mgドープの LiTa Nb O (0≤x≤ 1)であることを特徴と
(l-x) X 3
する、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[30] 前記強誘電体基板は、 X—カット、 Y—カット、または Z—カットからなる基板であること を特徴とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[31] 前記強誘電体基板の法線と前記強誘電体基板の自発分極とのなす角度は、 30° 以下であり、
前記分極反転領域は、周期状に形成され、
前記分極反転領域の周期方向と前記強誘電体基板の Y軸とが直交することを特徴 とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
[32] 前記強誘電体基板の厚み Tは、 T≥0. 5mmであり、
前記分極反転領域の周期 Λは、 Λ≤ 2 mであることを特徴とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。 前記電界を印加する工程は、自発分極を Ps、分極反転面積を Aとした場合、 2PsA の 100倍以上の電荷量を印加することを特徴とする、
請求項 14記載の分極反転領域の形成方法。
前記電界を印加する工程は、 80°C以上の絶縁溶液中で行われることを特徴とする 請求項 14記載の分極反転領域の形成方法,
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