CN100454126C - 极化反转部的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通过电压施加法制造极化反转部时，形成从基板表面延伸到深的位置的极化反转部的新方法。使用具有多个电极部(5)和供电部(1)的梳型电极，通过电压施加法制造极化反转部。各电极部(5)具备从供电部延伸的基部(6)和从基部(6)分离的多个导电部(5a、5b、5c)，导电部的平均长度d为4μm以上、9μm以下。或者，各电极部(5)具备从供电部延伸的基部(6)和从基部(6)分离的多个导电部(5a、5b、5c)，位于电极部最前端的导电部(5b)的长度(db)比距离基部最近的导电部(5a)的长度(da)小。
Description
技术领域
本发明涉及利用电压施加法制造极化反转部的方法。
背景技术
在铌酸锂单晶体或钽酸锂单晶体等铁电体单晶体上形成周期性的极化反转构造的模拟位相匹配(Quasi-Phase-matching)方式的二次谐波发生(Second-Harmonic-Generation)器件，从紫外线到红外线能够产生任意波长的光。该器件可以广泛应用于光盘存储用、医学用、光化学用以及各种光测量用等。
为了在二次谐波发生器件中得到高的转换效率，需要在铁电体单晶体内形成深的极化反转构造。在日本特开平11-72809号公报记载的方法中，使基板表面相对铁电体单晶体的极化轴倾斜3°，而且在基板表面上形成梳形电极和棒状电极，在梳形电极的各电极片的前端和棒状电极之间形成了若干低电阻部分。然后，在梳形电极和棒状电极之间施加直流电压，则对应梳形电极的电极片形成有极化反转部的同时，各低电阻部分也各自对应形成极化反转部(图28)。
具体地说，低电阻部分的长度最好为10-30μm，例如有为20μm的记载。
在特开平11-72809号公报记载的方法中，确实对应梳形电极部的电极片形成有极化反转部，与此同时，并非不可能对应各低电阻部分分别形成极化反转部。但是，在梳形电极的各电极片的前端和各低电阻部分之间有规定的间隙，而且，由于在邻接的低电阻部分之间也有间隙，所以在分别对应的各极化反转部之间也产生间隙。也就是说，各极化反转部形成于相互离开的位置上。因此，将具有这种构造的周期极化反转构造应用于模拟位相匹配方式的第二高次谐波发生元件上，则与基本波重叠的极化反转部成为仅对应波导位置的任意一处(也就是，将某极化反转部设定为波导中心的话，相邻的极化反转部位于波导外)的情况较多。因此，认为第二高次谐波发生效率没有特别提高。
还有，在周期比4μm还大的场合，虽然易于得到深的反转构造，但在周期为4μm以下的区域，若得到深的分机反转构造，相邻的反转部分易连接，周期性易紊乱。其结果，有可能使波长转换效率变换劣化。
发明内容
本发明的课题是提供一种通过所谓电压施加法制造极化反转部时，形成从基板表面延伸到深的位置的极化反转部的新方法。
本发明的第一方案的制造极化反转部的方法，是使用在单畴化的铁电体单晶基板的一个表面上设置的、具有多个电极部和供电部的梳型电极，通过电压施加法制造极化反转部的方法，各电极部具备从供电部延伸的基部和从基部分离的多个导电部，导电部的平均长度为4μm以上、9μm以下。
本发明的第二方案的制造极化反转部的方法，是使用在单畴化的铁电体单晶基板的一个表面上设置的、具有梳型电极及相对电极，其中该梳型电极具有供电部和多个电极部，该铁电体单晶基板的背面上形成均匀电极，通过电压施加法制造极化反转部的方法，各电极部具备从供电部延伸的基部和从基部分离的多个导电部，位于电极部最前端的导电部的长度比距离基部最近的导电部的长度小。
本发明的第三方案的制造极化反转部的方法，是使用在单畴化的铁电体单晶基板的一个表面上设置的、具有多个电极部和供电部的梳型电极，通过电压施加法制造极化反转部的方法，各电极部具备从供电部延伸的基部和从基部分离的多个导电部，导电部间的间隙为0.5μm以上、5μm以下。
本发明的发明者发现，在构成梳型电极的电极部上设置多个相互分开的导电膜的场合，该导电膜的构成对所形成的极化反转部的状态带来极大影响，基于该发现实现了本发明。
具体地说，通过使导电部的平均出长度为9μm以下，从各导电部延伸的极化反转部易于相连，而且易于形成短周期的周期极化反转部。例如，以在周期1.8μm或1.3μm的原来方法中得不到的短周期，能够得到深的周期状极化反转构造。从该观点来看，使导电部的平均长度为5μm以下特别好。
但是，导电部的平均长度未满4μm时，存在难以产生极化反转部的部分，由于产生不均，所以使导电部的平均长度为4μm以上。
另外，本发明的发明者还发现，在构成梳型电极的电极部上设置多个相互分开的导电膜的场合，通过使位于电极部最前端的导电部的长度db比距离基部最近的导电部的长度da更小，从各导电部延伸的极化反转部易于相连，而且易于形成短周期的周期极化反转部。
根据本发明的观点，da和db之差较好是10μm以上，更好是5μm以上。另外，da较好是5μm以下，db较好是20μm以下。另外，da、db较好是4μm以上。
还有，本发明者还发现，在构成梳型电极的电极部上设置多个相互分开的导电膜的场合，通过使导电部间的间隙的大小为0.5μm以上、5μm以下，从各导电部延伸的极化反转部易于相连，而且易于形成短周期的周期极化反转部。
根据该观点，较好是使导电部间的间隙的大小为4μm以下，更好是2μm以下。但是，导电部间的间隙较小的话，反而不易形成深的极化反转部，所以，导电部间的间隙为0.5μm以上，更好是1μm以上。
附图说明
图1是概略地表示第一及第三方式的发明的梳形电极3及相对电极1的俯视图。
图2是表示电极部5的形状的俯视图。
图3模式地表示在基板上形成梳形电极3、相对电极1及均匀电极9，并通过电压施加法形成周期极化反转构造的状态的立体图。
图4是概略地表示第二及第三方式的发明的梳形电极3及相对电极1的俯视图。
图5是表示电极部5A的形状的俯视图。
图6是表示试验A的试验结果的图表。
图7是表示在试验A中使导电部的长度d为3μm时所得到的极化反转形状的照片。
图8表示在试验A的试验A1中所得到的极化反转形状(深度方向)的照片。
图9是表示试验B的试验结果的图表。
图10表示在试验B的试验B1中所得到的极化反转形状(平面方向)的照片。
具体实施方式
构成基板的铁电体单晶的种类没有限定。但最好是铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锂-钽酸锂固溶体、K3Li2Nb5O15的各单晶。
为了提高三维光波导的耐光损伤性，在铁电体单晶中，可含有从由镁(Mg)、锌(Zn)、钪(Sc)及铟(In)构成的群选择的一种以上的金属，镁特别好。
在铁电体单晶中，作为添加剂成分，可含有稀土类元素。该稀土类元素用作激光起振用的添加元素。作为该稀土类元素，Nd、Er、Tm、Ho、Dy、Pr特别好。
通过使用所谓斜切基板，与不是斜切的X切割或Y切割基板相比，能够得到深的反转构造。如果斜切角度稍微倾斜5度左右，通常，对以TE模式出射的半导体激光的光轴调整即使不补正斜切部分的角度，偏振面的不匹配的效率也不变差，能够得到高效率的波长变换特性。但是，如果斜切角度变大，则由于偏振不匹配的效率变差部分增大，所以，这种场合需要补正角度以便与偏振面一致。
该斜切角度没有特别限定。斜切角度为1°以上或者20°以下特别好。
另外，作为基板，可以使用所谓X切割基板、Y切割基板、Z切割基板。在使用X切割基板或Y切割基板的场合，能够在基板背面不设置均匀电极，而在一个表面上设置，并在梳型电极和均匀电极之间施加电压。在该场合，虽然没有相对电极也可以，但是残留下来作为浮动电极也可以。另外，在使用Z切割基板的场合，能够在背面上设置均匀电极，并在梳型电极和均匀电极之间施加电压。在该场合，虽然相对电极不是必需的，但是残留下来作为浮动电极也可以。
参照图1至图3叙述第一及第三方式的本发明的实施方式。
图1是表示设置在基板上的电极图形的俯视图。图2是表示图1所示的梳型电极的电极部的平面图形的放大图。图3是模式地表示形成电极的基板8的立体图。
在制造极化反转部时，将由铁电体单晶构成的斜切基板作为基板8使用。铁电体单晶的极化方向A，相对于表面8a及背面8b倾斜规定角度，例如5°，所以该基板8称为斜切基板。
在基板8的表面8a上形成梳型电极3及相对电极1，在背面8b上形成均匀电极9。梳型电极3由周期性排列的多个细长电极部5和连接附带多个电极部5的根基的细长供电部2构成。相对电极1由细长电极片构成，相对电极1设置成与电极部5的前端相对。
首先，使基板8整体向非极化反转方向A极化。然后，在梳型电极3和相对电极1之间施加V1的电压，在梳型电极3和均匀电极9之间施加V2的电压，则极化反转部从各电极部5逐渐进展到与方向B平行。极化反转方向B与非极化反转方向A成为正反对。另外，在不对应电极部的位置即相邻的极化反转部之间，残留有不进行极化反转的非极化反转部。这样，形成极化反转部和非极化反转部交互排列的周期极化反转构造。在形成周期极化反转构造的位置上能够形成光波导。
在本例中，尤其是如图2所示，各电极部5具备：从供电部2延伸的基部6；以及从基部6分离的多个导电部5a、5b、5c，导电部5a、5b、5c的平均长度为4μm以上、9μm以下。即5a是距离基部6最近的导电部，5b是最前端的导电部，5c是5a和5b之间的导电部。通过合计这些导电部的长度，再除以导电部的个数，可算出导电部的长度d的平均值。
另外，在本例中，使相邻的导电部之间的间隙10的尺寸e为0.5μm以上、5μm以下。
参照图2、图4以及图5叙述第二及第三方式的本发明的实施方式。
图4是表示设置在基板上的电极图形的俯视图。图5是表示图4所示的梳形电极的电极部的平面图形的放大图。
在基板8的表面8a上形成梳型电极3A及相对电极1，在背面8b上形成均匀电极9。梳型电极3A由周期性排列的多个细长电极部5A和连接附带多个电极部5A的根基的细长供电部2构成。相对电极1由细长相对电极片构成，相对电极设置成与电极部5A的前端相对。
首先，使基板8整体向非极化反转方向A极化。然后，在梳型电极3A和相对电极1之间施加V1的电压，在梳型电极3A和均匀电极9之间施加V2的电压，则极化反转部从各电极部5A逐渐进展到与方向B平行。极化反转方向B与非极化反转方向A成为正反对。
在本例中，尤其是如图5所示，各电极部5A具备：从供电部2延伸的基部6；以及从基部6分离的多个导电部5a、5b、5c、5d。并且，根据第二方式，使距离基部6最近的导电部5a的长度da比最前端的导电部5b的长度db还大。与此同时，根据第三方式，相邻的导电部间的间隙10的尺寸e为0.5μm以上、5.0μm以下。
在第二方式的发明中，最好是使距离基部6最近的导电部5a的长度da与最前端的导电部5b的长度db之差为10μm以上，更好是5μm以上。另外，位于距离基部6最近的导电部和最前端的导电部之间的导电部的长度dc、dd虽然没有限定，但最好是da为5μm以上、db为20μm以下。该场合，dc、dd可以与da相等，可以与db相等，也可以是da和db之间的值。特别好是，导电部的长度从基部6朝向最前端阶段性地减小。
在本发明中，周期极化反转构造的周期并没有特别限定，举一例的话，例如特别适于4μm以下的周期。
导电部之间的间隙的个数没有特别限定，例如可以是3-15个。
下面说明实施例。
(实验A：第一及第三方式的发明)
根据参照图1-图3说明的方法，通过电压施加法形成周期极化反转构造。但是，使导电部的间隙10的大小e为1μm，各导电部5a、5b、5c的长度分别为8μm。电极部5的根基部分为了更好地向电极片供电，设置比导电部更长的基部6。使相对电极1和供电电极2的中心之间的距离a为400μm。基部6的长度b为33μm。
在实验A1中，使周期极化反转的周期为1.8μm。排列13个长度d＝8μm的导电部5a、5b、5c。如上所述那样，进行了周期状极化反转的试制实验。电极部6的全长c为150μm。
另外，进行实验A2，使导电部的长度d＝12μm、间隙e＝1μm、导电部的数量为9个。这里，调整了导电部的长度和数量，以使基部6的长度b与上述的导电部的长度为8μm的基部同样为33μm。电极部的全长c为150μm。
图6中表示的是，以导电部的长度d＝8μm且间隙＝1μm(实验A1)及12μm且间隙＝1μm(实验A2)设计的电极以及没有设置间隙10的电极(实验A3)形成的极化反转的深度。
这里，对极化反转的深度进行叙述。要测定实际深度，必需切断晶片而成为破坏性检查。为了避免该破坏性检查，使用5度的Y斜切基板，表示从氟硝酸蚀刻后观察到的晶片表面的极化反转部的长度换算得到的。电压施加条件全部相同。具体地说，对图2中的V1不施加电压、也不进行配线，仅V2施加约4kv的脉冲状电压。对于基板，使用添加了MgO的LiNO3基板(厚度0.5mm)，施加了矫顽电场以上的电场。对于电极材料，基板的上下面均使用Ta，为了防止在施加电压时放电，在绝缘油中进行。
从图6的结果可知，与没有间隙的电极(实验A3)相比，通过设置间隙可得到约2倍的反转深度(实验A2)，并且，电极片的长度为8μm(实验A1)一方形成了深的反转。
再有，可知通过使导电部的长度d为7μm以下、进而为5μm以下，可得到更深的反转。但是，制作导电部的长度为3μm的部件来观察，如图7所示，存在不能极化反转的部分，没有稳定的形成。对于导电部的长度d为4μm以上，由于不产生这种不均，所以电极片的长度最好是在4μm以上。
另外，在上述的实验中，在电极长度为8μm的场合，虽然表示分割为13个即间隙有13个的结果，但进行若干个实验时，作为间隙部分的数量为10个时形成了更深的反转。但是，最佳的间隙个数被认为依存于电极片的长度或周期。
另外，对于间隙部分的大小，在上述的实验中为1μm，相对于未满4μm的周期最好是在1μm左右。在此以上的周期的场合，即使为2μm左右，也确认极化反转很深。
另外，如图1所示，虽然担心在电极部设置间隙部分，在极化反转部分也产生间隙，但是，实际上剖切截面、研磨处理观察的地方，如图8所示，没有与电极的间隙对应的间隙，而是形成与深度方向连接的极化反转。
(实验B：第二及第三方式的发明)
根据参照图2、4、5说明的方法，制造了周期反转构造。但是，使导电部的间隙10的大小e为1μm，使导电部5a、5b、5c、5d的长度从前端向基部侧为8、10、12、14μm。相对电极1和供电电极2的中心之间的距离a为400μm。基部6的长度b为93μm。
在实验B1中，使周期极化反转的周期为1.3μm。如上述那样进行了周期状极化反转的试制实验。在实验B2中，没有设置间隙。
在图9中表示了利用图2、4、5的电极制造制作了极化反转的深度，和为了进行比较没有间隙设计的电极的结果。电压施加条件由于是比实验A更短的周期，所以使V2的电压降低，施加了约2kv的脉冲状电压。
从图9的结果可知，该场合也设置间隙的一方深度扩大2倍，可得到深的极化反转构造。图10中表示由实验B1得到的极化反转的界面观察例。该场合也可确认没有电极的间隙部分，形成了与截面方向连接的极化反转。
另外，作为实验B3，将电极部的长度从前端向基部设计为14、12、10、8μm并进行试制。其结果，在与上述同一的施加条件下，与相邻的极化反转部分相连，周期性紊乱。
特别是，在想得到短周期的极化反转构造的场合，如图5所示，最好是使导电部的长度从前端向根基逐渐变长的构造。
虽然说明了本发明的特定实施方式，但是本发明并不限定于特定的实施方式，在不脱离技术范围的范围可进行各种变更或改变并可实施。
Claims (2)
1.一种极化反转部的制造方法，其是在单畴化的铁电体单晶基板的一个表面上设置梳型电极及相对电极，其中该梳型电极具有供电部和多个电极部，在该铁电体单晶基板的背面上形成均匀电极，通过电压施加法制造极化反转部，其特征在于，
上述各电极部具备从上述供电部延伸的基部和从上述基部分离的多个导电部，位于上述电极部最前端的导电部的长度比距离上述基部最近的导电部的长度小。
2.根据权利要求1所述的极化反转部的制造方法，其特征在于，
上述导电部间的间隙为0.5μm以上、5.0μm以下。
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