JP2002214655A - 強誘電体の分極反転方法および光波長変換素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単分極化された強誘電体結晶の一表面に、所
定のパターンを有する電極を形成し、この電極を介して
強誘電体結晶の表裏に電場を印加することにより、該強
誘電体結晶に前記電極のパターンに対応した局部的な分
極反転部を形成する方法において、分極反転パターンを
正確に形成可能とする。 【解決手段】 単分極化された強誘電体結晶１の一表面
１ａに、所定のパターンを有する電極２を形成し、この
電極２を介して強誘電体結晶１の表裏に電場を印加する
ことにより、該強誘電体結晶１に局部的な分極反転部７
を形成する方法において、電極２の複数に各々対応する
強誘電体結晶１の部分と、それらの部分の間の部分とを
分極反転させて１つの分極反転部７を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は強誘電体結晶に電場
を印加して分極反転部を形成する方法に関し、さらに詳
しくは、電場印加時間を短くして、均一な分極反転パタ
ーンを形成できるようにした強誘電体の分極反転方法に
関するものである。

【０００２】また本発明は、上述のような強誘電体の分
極反転方法を応用した光波長変換素子の作製方法に関す
るものである。

【０００３】

【従来の技術】非線形光学効果を有する強誘電体の自発
分極（ドメイン）を周期的に反転させた領域を設けた光
波長変換素子を用いて、基本波を第２高調波に波長変換
する方法が既にBleombergenらによって提案されている
（Phys.Rev.,Vol.127,No.6,1918(1962)参照）。この方
法においては、分極反転部の周期Λを、 Λｃ＝２π／｛β（２ω）−２β（ω）｝ ……(1) ただしβ（２ω）は第２高調波の伝搬定数 β（ω）は基本波の伝搬定数 で与えられるコヒーレント長Λｃの整数倍になるように
設定することで、第２高調波の位相整合を取ることがで
きる。非線形光学材料のバルク結晶を用いて波長変換す
る場合は、位相整合する波長が結晶固有の特定波長に限
られるが、上記の方法によれば、任意の波長に対して
(1)式を満足する周期Λを選択することにより、効率良
く位相整合（いわゆる疑似位相整合）を取ることが可能
となる。

【０００４】上述のような周期分極反転構造を形成する
方法の１つとして、特開平７−７２５２１号公報に示さ
れるように、単分極化された非線形光学効果を有する強
誘電体結晶の一表面に所定のパターンの周期電極を形成
した後、この電極と、上記一表面と反対の表面側に配し
たコロナワイヤーとにより強誘電体結晶をコロナ帯電さ
せてそこに電場を印加し、該強誘電体結晶の上記電極に
対向する部分を局部的な分極反転部とする方法が知られ
ている。

【０００５】またこのコロナ帯電を利用する他、例えば
特許第３００５２２５号公報に示されるように、所定パ
ターンの周期電極を形成した表面の反対側の強誘電体表
面に全面電極を形成し、この全面電極と周期電極とによ
り強誘電体に直接的に電場を印加して、局部的な分極反
転部を形成する方法も知られている。

【０００６】なお、以上説明した従来方法で強誘電体結
晶の分極を反転させる場合、いずれの方法においても、
強誘電体結晶の、周期電極の１つに対応する部分に１つ
の分極反転部を形成するようにしていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な電極を用いて強誘電体結晶に周期的な分極反転部を形
成する際、特に周期の長いものや、大面積の周期分極反
転構造を形成する場合には、長い電場印加時間を要する
ことになる。そしてこのように電場印加時間が長いと、
分極反転が最初に始まった初期反転部では反転幅が広
く、遅れて分極反転が始まった後期反転部では反転幅が
狭くなって、分極反転部の幅が不均一になるという問題
が認められる。

【０００８】非線形光学効果を有する強誘電体結晶に周
期分極反転構造を形成してなる光波長変換素子におい
て、上述のような問題が生じると、分極反転部の周期や
反転幅デューティー比が不均一になって波長変換効率の
低下を招く。

【０００９】本発明は上記の事情に鑑み、短い電場印加
時間で、所望のパターンの分極反転部を正確に形成する
ことができる強誘電体の分極反転方法を提供することを
目的とする。

【００１０】また本発明は、強誘電体である非線形光学
結晶に周期性の優れた周期分極反転構造を形成すること
ができる、光波長変換素子の作製方法を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の強誘
電体の分極反転方法は、従来方法のように強誘電体結晶
の分極反転させたい領域にそれに対応した形状の１つの
電極を配置するのではなく、分極反転させたい領域にそ
れよりも小さい複数の電極を配置しておいて、それら複
数の電極を介して強誘電体結晶に電場を印加するように
したものであって、すなわち、前述したように、単分極
化された強誘電体結晶の一表面に所定のパターンを有す
る電極を形成し、この電極を介して前記強誘電体結晶の
表裏に電場を印加することにより、該強誘電体結晶に局
部的な分極反転部を形成する方法において、前記電極の
複数の各々に対応する強誘電体結晶の部分と、それらの
部分の間の部分とを分極反転させて所望パターンの１つ
の分極反転部を形成することを特徴とするものである。

【００１２】また本発明による第２の強誘電体の分極反
転方法は、上記第１の方法を、特に周期分極反転構造を
形成する場合に適用したものであり、前記電極として、
複数本で１群とされた電極が複数群周期的に繰り返す周
期電極を用い、前記１群の電極毎に１つの分極反転部を
形成して、該分極反転部が周期的に繰り返してなる周期
分極反転構造を形成することを特徴とするものである。

【００１３】なお本発明による強誘電体の分極反転方法
では、特に、強誘電体結晶の一表面と反対側の表面側に
コロナワイヤーを配し、このコロナワイヤーと電極とを
用いて、コロナ帯電法により電場の印加を行なうことが
望ましい。

【００１４】また、本発明による第１および第２の強誘
電体の分極反転方法は、強誘電体結晶が、ＬｉＮｂ_ｘＴ
ａ_１−ｘＯ_３ （０≦ｘ≦１）結晶、またはそれにＭｇ
Ｏ、ＺｎＯもしくはＳｃがドープされた結晶である場合
に適用されると特に効果的である。

【００１５】一方本発明による光波長変換素子の作製方
法は、上述した本発明による第２の強誘電体の分極反転
方法を適用したものであり、単分極化された強誘電体結
晶として非線形光学結晶を用い、該非線形光学結晶に前
記１群の電極の周期パターンに対応した周期分極反転構
造を形成することを特徴とする。

【００１６】

【発明の効果】一般に強誘電体結晶の分極を反転させる
際には、まず反転の核が発生し、その反転核を中心に反
転成長して行くことが実験により確認されている。そし
て、強誘電体結晶に電極を介して電場印加する場合は、
図６の(1)に示すように、まず電極51の端部において強
誘電体結晶52に反転核（斜線で示す部分）が発生し、そ
れらが同図(2)のように成長し、それらが互いに繋がり
広がって、最終的に同図(3)のように電極51に対応した
形状の分極反転部53が形成される。

【００１７】そして従来方法によって周期分極反転構造
を形成する場合は、図７の(1)に示すように強誘電体結
晶52に周期状の電極51を形成しておき、この電極51から
ある時間電場印加することにより、同図(2)に示すよう
に電極51よりも幅広い領域まで分極反転部53を太らせ
て、所望パターンの分極反転部を形成していた。特に周
期が長くなると、例えばアスペクト比１：１の所望パタ
ーンを形成する場合は、電場印加時間を長くする必要が
あった。

【００１８】この従来方法のように電場印加時間つまり
反転時間が長いと、初期反転部つまり最初に反転核が生
じた部分に電荷が集中しやすく、それが反転幅の不均一
を招いていることが判明した。この現象は特に、分極反
転の前後で強誘電体結晶の電気伝導度が大きく変化し
て、初期反転部に電荷が集中しやすい、ＭｇＯ、ＺｎＯ
もしくはＳｃがドープされたＬｉＮｂ_ｘＴａ_１−ｘＯ_３
（０≦ｘ≦１）結晶において顕著に認められる。

【００１９】本発明による強誘電体の分極反転方法にお
いては、強誘電体結晶の分極反転させたい領域にそれよ
りも小さい複数の電極を配置しておいて、それら複数の
電極を介して強誘電体結晶に電場を印加するようにした
から、分極反転させたい領域にそれに対応した形状の１
つの電極を配置する従来方法と比べると、１つの分極反
転させたい領域において電極端部がより多く存在するこ
とになる。

【００２０】この本発明の方法により、強誘電体結晶52
に所望パターンの分極反転部53が形成される様子を図８
の(1)、(2)に示す。なお図中の51が電極であり、ここで
は２本の電極51によって１つの分極反転部53を形成する
場合を例示してある。

【００２１】このように、反転核が発生する電極端部が
より多く存在すれば、反転核がより高密度に発生するの
で、短い電場印加時間で所望領域に分極反転部を形成す
ることができる。したがって、反転核の発生密度が低
く、反転核が不均一であることによって生じる不具合、
つまり初期反転部では分極反転領域が広くなり、遅れて
分極反転が始まった後期反転部では分極反転領域が狭く
なるという不具合を回避して、正確に所望パターンの分
極反転部を形成可能となる。

【００２２】また本発明による第２の強誘電体の分極反
転方法は、上記第１の方法において、電場印加用の電極
として、複数本で１群とされた電極が複数群周期的に繰
り返す周期電極を用い、前記１群の電極毎に１つの分極
反転部を形成して、該分極反転部が周期的に繰り返して
なる周期分極反転構造を形成するようにしたから、初期
反転部では反転幅が広くなり、後期反転部では反転幅が
狭くなるという不具合を回避して、周期および反転幅デ
ューティー比の均一な周期分極反転構造を形成可能とな
る。

【００２３】一方、本発明による光波長変換素子の作製
方法は、上述した本発明による第２の強誘電体の分極反
転方法を適用して、非線形光学結晶である強誘電体結晶
に前記１群の電極の周期パターンに対応した周期分極反
転構造を形成するようにしたから、周期が均一な周期分
極反転構造を備えて波長変換効率の高い光波長変換素子
を作製可能となる。

【００２４】なおこの本発明による光波長変換素子の作
製方法は、赤外域の光を波長変換する光波長変換素子を
作製する場合に適用するとより効果的である。すなわ
ち、その種の光波長変換素子は分極反転部の周期が比較
的長い、つまり分極反転部の幅が比較的広いため、必要
な電場印加時間が長くて反転幅が不均一になりやすい
が、本発明を適用すればその不具合発生を確実に防止で
きる。

【００２５】また、上述のように分極反転部の周期が比
較的長ければ、電極間隔が比較的広くなり、分割された
１群の電極を形成するのが容易になる。それに対して短
周期の分極反転部を形成する場合は、分割された１群の
電極の各電極幅を非常に細くする必要があり、電極の加
工が困難なものとなる。

【００２６】なお、１群の電極を構成する電極の数は、
多いほど反転核が発生する電極端部がより多く存在する
ことになって、前述した本発明の効果が顕著化する。し
かし、電極の数が多いほど各電極の幅が小さくなって加
工が困難になるので、この１群の電極を構成する電極の
数は、効果と加工性の双方を考慮して適切に設定するの
が望ましい。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態
による強誘電体の分極反転方法の工程を概略的に示すも
のである。本実施形態では、強誘電体結晶として非線形
光学結晶を用いるとともに、電場印加用の電極として周
期パターンを有する周期電極を用い、非線形光学結晶に
上記電極の周期パターンに対応した周期分極反転構造を
形成して、光波長変換素子を作製する。

【００２８】この図１中、１は非線形光学効果を有する
強誘電体である、ＭｇＯが５mol％ドープされたＬｉＮ
ｂＯ_３（ＭｇＯ−ＬＮ）結晶の基板である。このＭｇＯ
−ＬＮ基板１は単分極化処理がなされて厚さ0.4 ｍｍに
形成され、最も大きい非線形光学定数ｄ_３３が有効に利
用できるようにＺ面でカット、光学研磨されている。

【００２９】このＭｇＯ−ＬＮ基板１の＋Ｚ面１ａ上に
Ｃｒを蒸着あるいはスパッタして例えば厚さ50ｎｍのＣ
ｒ薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーにより、Ｃ
ｒ薄膜からなる周期電極２を形成する。この周期電極２
は図２に概略平面形状を示す通り、例えば基板１のＸ軸
方向に多数繰り返すように形成されたものである。な
お、これらの周期電極２は全て図示外の共通の基部から
延ばされて、互いに電気的に導通する状態となってい
る。

【００３０】図２に示される通り、本例においてＭｇＯ
−ＬＮ基板１の長さ（Ｘ軸方向寸法）は45ｍｍ、幅（Ｙ
軸方向寸法）は５ｍｍである。そして周期電極２の各々
は幅１〜２μｍとされ、互いに１〜３μｍの間隔で並べ
られた２本が１群を構成して、この電極群が一定の周期
Λ＝19μｍで繰り返すように形成されている。なお、１
つの電極群を構成する１本の周期電極２と、その隣の電
極群を構成する１本の周期電極２との間隔は、上記１群
における２本の周期電極２の間隔１〜３μｍよりも大き
くなっている。

【００３１】次に図１(2)に示すように、周期電極２を
接続線３を介して高圧電源４に接続するとともに、Ｍｇ
Ｏ−ＬＮ基板１の−Ｚ面１ｂに向かい合う位置に配した
コロナワイヤー５を、接続線６を介して高圧電源４に接
続する。それによりＭｇＯ−ＬＮ基板１に、コロナ帯電
により電場が印加される。なお本実施形態では、電場印
加時の温度は100℃である。また印加電圧は−３kＶ、印
加電流は−600μＡ、電場印加時間は７ｓ（秒）であ
る。

【００３２】この電場印加により、図１(3)に示すよう
に、１群の２本の周期電極２が形成されていた部分とそ
の間の部分とにおいて、ＭｇＯ−ＬＮ基板１の＋Ｚ面１
ａから−Ｚ面１ｂまで貫通する分極反転部７が形成され
る。これらの分極反転部７は、電極群の周期Λと同じ周
期で繰り返して、周期分極反転構造を構成するものとな
る。

【００３３】なお、本実施形態におけるものと同様の分
極反転部を、前述した図７のような周期電極を用いて従
来方法で形成する場合、電場印加時間は12ｓ（秒）を要
した。このように本実施形態の方法によれば、より短い
電場印加時間で分極反転部７を形成することができる。
そして、このように短い電場印加時間で分極反転部７を
形成できれば、先に詳しく説明した理由により分極反転
部７の幅が均一化されるので、周期性の優れた周期分極
反転構造を形成可能となる。

【００３４】以下、実際に周期分極反転構造の周期性を
評価した結果について説明する。周期分極反転構造が形
成されたＭｇＯ−ＬＮ基板１を室温に保ったＨＦ（フッ
酸）：ＨＮＯ_３（硝酸）＝１：２の混合液に30分浸漬す
ると、分極方向の違いに起因するエッチングレートの差
異により、分極反転に対応したエッチング段差が生じ、
分極反転パターンを確認することができる。この分極反
転パターンを光学顕微鏡によって観察したところ、上記
従来方法によって分極反転部を形成した場合と比べて、
ＭｇＯ−ＬＮ基板１の45ｍｍの全長に亘って、分極反転
部７の幅がより均一になっていることが確認された。

【００３５】以上説明した第１の実施形態により周期分
極反転構造を形成したＭｇＯ−ＬＮ基板１の＋Ｘ面およ
び−Ｘ面を研磨し、そこに適宜のコートを施して、光通
過長が３ｍｍの光波長変換素子を作製した。そして図３
に示すように、この光波長変換素子10に、Ａｒレーザー
励起チタンサファイアレーザー11から発せられた波長λ
_１＝1000ｎｍのレーザー光12を、集光レンズ13により集
光して入射させた。

【００３６】この基本波としてのレーザー光12は、光波
長変換素子10により波長λ_２＝500ｎｍの第２高調波14
に変換された。なおこの場合は、３次の疑似位相整合が
取られる。このときの波長変換効率を測定し、その測定
値から上記光波長変換素子10の非線形光学定数ｄを求め
たところ、ｄ＝4.0ｐｍ／Ｖであった。

【００３７】また、図７のような周期電極を用いて従来
方法で分極反転させたＭｇＯ−ＬＮ基板から、上記と同
様にして比較例としての光波長変換素子を作製した。こ
の光波長変換素子も図３のように使用して、第２高調波
を発生させた。このときの波長変換効率を測定し、その
測定値から上記比較例の光波長変換素子の非線形光学定
数ｄを求めたところ、ｄ＝2.7ｐｍ／Ｖであった。

【００３８】以上説明の通り、本発明方法により作製さ
れた光波長変換素子10は、従来方法による光波長変換素
子と比較して非線形光学定数が著しく向上しており、こ
の点からも、本発明方法によれば分極反転部を均一に成
長させて、周期性の優れた周期分極反転構造を形成可能
であることが裏付けられた。

【００３９】次に、図４を参照して本発明の第２実施形
態について説明する。なおこの図４において、図２中の
要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらにつ
いての説明は特に必要のない限り省略する。

【００４０】図４は、本発明の第２の実施形態により周
期分極反転構造が形成されるＭｇＯ−ＬＮ基板１と、そ
こに電場印加用に形成された周期電極２の形状を示すも
のである。ここに示される通り本実施形態では、１つの
分極反転部を形成する１群の電極が３本の周期電極２に
よって構成されており、その他の点はＭｇＯ−ＬＮ基板
１の形状等も含めて、基本的に全て第１の実施形態にお
けるのと同様とされている。

【００４１】周期電極２の各々は幅１〜２μｍとされ、
互いに１〜３μｍの間隔で並べられた３本が１群を構成
している。またこの電極群の周期Λ＝19μｍで、第１の
実施形態におけるのと同じである。なお、１つの電極群
を構成する１本の周期電極２と、その隣の電極群を構成
する１本の周期電極２との間隔は、上記１群における３
本の周期電極２の間隔１〜３μｍよりも大きくなってい
る。

【００４２】以上のように配置された周期電極２を用
い、図１に示したのと同様の構成を用いてコロナ帯電に
より電場印加を行なって、ＭｇＯ−ＬＮ基板１に周期分
極反転構造を形成した。この場合、電場印加時の温度、
印加電圧、印加電流を第１の実施形態におけるのと同様
にしたとき電場印加時間は５ｓ（秒）で済み、第１の実
施形態における７ｓ（秒）よりさらに短縮される。

【００４３】このように電場印加時間がさらに短縮され
れば、周期分極反転構造の周期性はより優れたものとな
る。この第２の実施形態により周期分極反転構造が形成
されたＭｇＯ−ＬＮ基板１から、実際に図３に示したも
のと同様の光波長変換素子10を作成して、Ａｒレーザー
励起チタンサファイアレーザー11から発せられた波長λ
_１＝1000ｎｍのレーザー光12を該光波長変換素子10によ
り波長λ_２＝500ｎｍの第２高調波14に変換させたとこ
ろ、非線形光学定数ｄ＝4.3ｐｍ／Ｖであった。これ
は、第１の実施形態による光波長変換素子10の非線形光
学定数ｄ＝4.0ｐｍ／Ｖよりも高く、この点から、周期
分極反転構造の周期性がより優れていることが裏付けら
れている。

【００４４】以上、周期状のライン分極反転パターンを
形成する実施形態について説明したが、本発明による強
誘電体の分極反転方法は、それ以外の分極反転パターン
を形成する場合にも同様に適用可能で、そして同様の効
果を奏するものである。例えば図５の(2)に示すよう
に、強誘電体結晶30にドット状の分極反転パターン31を
形成する場合には、同図(1)に示す同心円状のパターン
を有する電極32を強誘電体結晶30に形成し、これらの電
極32を介して電場印加を行なえばよい。

【００４５】要するに本発明においては、所望する分極
反転パターン内で分割された形状の複数の電極を強誘電
体結晶の表面に形成して、それらの電極を介して電場印
加を行なうことにより、所望する分極反転パターン内に
電極端部が多く存在するようになり、それにより反転核
が高密度化されて、所望の分極反転パターンを正確に形
成可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態による強誘電体の分極反
転方法の工程を示す概略図

【図２】上記第１実施形態の方法に用いられる周期電極
の平面図

【図３】上記第１実施形態の方法により作製された光波
長変換素子の使用状態を示す概略図

【図４】本発明の第２実施形態による強誘電体の分極反
転方法に用いられる周期電極の平面図

【図５】本発明の強誘電体の分極反転方法に用いられる
電極の別の例を示す平面図

【図６】分極反転部の成長の様子を示す概略図

【図７】従来方法における電場印加用電極の形状と分極
反転パターンとの関係を示す概略図

【図８】本発明の方法における電場印加用電極の形状と
分極反転パターンとの関係を示す概略図

【符号の説明】

１ ＭｇＯ−ＬＮ基板 １ａ ＭｇＯ−ＬＮ基板の＋Ｚ面 １ｂ ＭｇＯ−ＬＮ基板の−Ｚ面 ２ 周期電極 ４ 高圧電源 ５ コロナワイヤー ７ 分極反転部 10 光波長変換素子 11 Ａｒレーザー励起チタンサファイアレーザー 12 レーザー光（基本波） 13 集光レンズ 14 第２高調波 30 強誘電体結晶 31 分極反転パターン 32 同心円状電極 51 電極 52 強誘電体結晶 53 分極反転部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単分極化された強誘電体結晶の一表面
   に、所定のパターンを有する電極を形成し、 この電極を介して前記強誘電体結晶の表裏に電場を印加
   することにより、該強誘電体結晶に局部的な分極反転部
   を形成する方法において、 前記電極の複数に各々対応する強誘電体結晶の部分と、
   それらの部分の間の部分とを分極反転させて所望パター
   ンの１つの分極反転部を形成することを特徴とする強誘
   電体の分極反転方法。
2. 【請求項２】 前記電極として、複数本で１群とされた
   電極が複数群周期的に繰り返す周期電極を用い、 前記１群の電極毎に１つの分極反転部を形成して、該分
   極反転部が周期的に繰り返してなる周期分極反転構造を
   形成することを特徴とする請求項１記載の強誘電体の分
   極反転方法。
3. 【請求項３】 前記強誘電体結晶の一表面と反対側の表
   面側にコロナワイヤーを配し、このコロナワイヤーと前
   記電極とを用いて、コロナ帯電法により前記電場の印加
   を行なうことを特徴とする請求項１または２記載の強誘
   電体の分極反転方法。
4. 【請求項４】 前記強誘電体結晶が、ＬｉＮｂ_ｘＴａ
   _１−ｘＯ_３ （０≦ｘ≦１）結晶、またはそれにＭｇ
   Ｏ、ＺｎＯもしくはＳｃがドープされた結晶であること
   を特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の強誘電
   体の分極反転方法。
5. 【請求項５】 請求項２から４いずれか１項記載の強誘
   電体の分極反転方法を用いた光波長変換素子の作製方法
   であって、 前記単分極化された強誘電体結晶として非線形光学結晶
   を用い、 該非線形光学結晶に前記１群の電極の周期パターンに対
   応した周期分極反転構造を形成することを特徴とする光
   波長変換素子の作製方法。