JP2002277915A - Polarization inversion forming method and light wavelength converting element - Google Patents

Polarization inversion forming method and light wavelength converting element

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JP2002277915A
JP2002277915A JP2001082151A JP2001082151A JP2002277915A JP 2002277915 A JP2002277915 A JP 2002277915A JP 2001082151 A JP2001082151 A JP 2001082151A JP 2001082151 A JP2001082151 A JP 2001082151A JP 2002277915 A JP2002277915 A JP 2002277915A
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Tomoya Sugita
知也 杉田
Kiminori Mizuuchi
公典 水内
Kazuhisa Yamamoto
和久 山本
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form thick polarization inversion of a high aspect ratio by a method of forming a polarization inversion structure in a dielectric by electric field application. SOLUTION: This polarization inversion forming method has unipolarized ferroelectric crystal 1, and a process of forming a polarization inversion part 3 in a 1st area of ferroelectric crystal and a process of forming a polarization inversion part 5 in a 2nd area of the ferroelectric crystal and is characterized by that the polarization inversion parts formed in the 1st and 2nd areas overlap with each other at least partially. Consequently, the formed polarization inversion can be increased in thickness while having its cycle directional expansion suppressed and the thick polarization inversion structure of the high aspect ratio can be formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体結晶基板
中に分極反転を形成する際に、任意の領域に均一で厚い
分極反転領域を形成する方法に関する。また、特に強誘
電体結晶のXカット基板、Yカット基板、及びオフカッ
ト基板において、高アスペクト比の分極反転構造を形成
するための方法に関する。また、上記の方法を用いて形
成した周期状分極反転を有する光波長変換素子に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a uniform and thick domain-inverted region in an arbitrary region when domain inversion is formed in a ferroelectric crystal substrate. In addition, the present invention relates to a method for forming a domain-inverted structure having a high aspect ratio, particularly on an X-cut substrate, a Y-cut substrate, and an off-cut substrate made of a ferroelectric crystal. Further, the present invention relates to an optical wavelength conversion element having periodic polarization inversion formed by the above method.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体材料は絶縁性と高誘電率を持つ
他に、自発分極の反転という現象を生じる。単一分極化
された強誘電体結晶の分極反転は非線形光学効果、電気
光学効果、音響光学効果等の光波制御を可能にし、光ス
イッチ、光偏光器、表面弾性波デバイス、焦点素子、非
線形光学デバイス等、多くの分野への応用が可能であ
る。この分極反転現象を利用したデバイスの1つとし
て、波長λのレーザー光を入射させて波長λ/2の出力
光を得る波長変換素子(以下SHG素子と呼ぶ)があ
る。SHG素子の開発に関してはこれまで様々なアプロ
ーチがなされてきた。例えば、強誘電体結晶であるLi
NbO3やLiTaO3に周期状分極反転構造を形成して
擬似的に位相整合状態(基本波と第2高調波の位相速度
が等しい状態)を作り、高効率の波長変換が達成できる
ということが提案された。このSHG素子においては、
形成する周期状分極反転の周期により出力波長制御が可
能であるという利点を有しており、出力波長として例え
ば波長420〜450nmの青色光を得る場合には分極
反転周期として約3μm程度が求められる。
2. Description of the Related Art A ferroelectric material has a phenomenon of inversion of spontaneous polarization in addition to having an insulating property and a high dielectric constant. Polarization reversal of a single-polarized ferroelectric crystal enables control of light waves such as non-linear optical effects, electro-optical effects, and acousto-optical effects. Optical switches, optical polarizers, surface acoustic wave devices, focusing elements, nonlinear optics It can be applied to many fields such as devices. As one of devices using the polarization inversion phenomenon, there is a wavelength conversion element (hereinafter, referred to as an SHG element) that obtains output light having a wavelength of λ / 2 by injecting laser light having a wavelength of λ. Various approaches have been taken for the development of SHG elements. For example, a ferroelectric crystal Li
The fact that a periodically poled structure is formed in NbO 3 or LiTaO 3 to form a pseudo phase matching state (a state in which the fundamental wave and the second harmonic have the same phase velocity) and high-efficiency wavelength conversion can be achieved. was suggested. In this SHG element,
It has the advantage that the output wavelength can be controlled by the period of the periodic domain inversion to be formed. For example, when obtaining blue light with a wavelength of 420 to 450 nm as the output wavelength, about 3 μm is required as the domain inversion cycle. .

【0003】また、分極反転構造を用いた光波長変換デ
バイスとしては、高効率の波長変換を可能にする光導波
路型SHG素子も提案されてきた。これは、光の伝搬方
向に周期状分極反転構造を形成するものであり、導波路
内に光を閉じ込めることにより、バルク型のSHG素子
よりも遥かに高効率の波長変換が達成される。光導波路
型SHG素子では、光閉じ込めによる高効率化のため
に、導波光と分極反転部との十分なオーバーラップを図
ることが重要であり、導波路断面方向の分極反転の大き
さ(分極反転厚み)が導波路の断面厚みよりも大きくな
ることが望ましかった。また、完全な位相整合状態をと
るためには均一な周期の分極反転を形成するということ
が重要であった。
Further, as an optical wavelength conversion device using a domain-inverted structure, an optical waveguide type SHG element capable of highly efficient wavelength conversion has been proposed. This forms a periodic domain-inverted structure in the light propagation direction. By confining the light in the waveguide, wavelength conversion with much higher efficiency than the bulk type SHG element is achieved. In the optical waveguide type SHG element, it is important to sufficiently overlap the guided light and the domain-inverted portion in order to increase the efficiency by confining the light. (Thickness) was desired to be larger than the cross-sectional thickness of the waveguide. In addition, in order to obtain a perfect phase matching state, it is important to form a domain inversion with a uniform period.

【0004】強誘電体材料、特に強誘電体結晶基板中に
分極反転領域を形成する有効な方法の1つとして、基板
表面に周期状分極反転構造に対応するパターンを持つ接
触電極を形成し、高真空中あるいは不活性絶縁液中で電
界を印加する方法が提案されてきた。具体的には、特開
平5−210132号公報においては、面内方向に単一
分極化されたLiNbO3結晶基板に分極反転を形成す
る分極反転形成方法が提案されており、ここでは、基板
の同一主面上の分極方向に7〜200μmの間隔で対向
電極を配置し、15kV以上/mmの電圧で電界を印加
する方法、およびこれらの条件下において2つ以上のパ
ルス電界を印加する方法が提案されている。
As one of effective methods for forming a domain-inverted region in a ferroelectric material, particularly a ferroelectric crystal substrate, a contact electrode having a pattern corresponding to a periodic domain-inverted structure is formed on a substrate surface. Methods for applying an electric field in a high vacuum or in an inert insulating liquid have been proposed. Specifically, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-210132 proposes a polarization inversion forming method for forming a polarization inversion on a LiNbO 3 crystal substrate which is monopolarized in an in-plane direction. A method in which counter electrodes are arranged at intervals of 7 to 200 μm in the polarization direction on the same main surface and an electric field is applied at a voltage of 15 kV or more / mm, and a method of applying two or more pulsed electric fields under these conditions. Proposed.

【0005】また、特開平9−218431号公報にお
いては、強誘電体結晶基板において厚い分極反転を形成
し高効率の波長変換を行う手段として、オフカット基板
(強誘電体結晶の自発分極の向きに対して角度θ(0°
<θ<90°)をなす面でカットした基板)を用いた光
導波路型波長変換素子が提案されている。この中で、オ
フカット基板の同一主面または分極方向と平行な方向に
所定パターンを有する電極を配置し、外部から電場を印
加して、周期的分極反転部を形成するという方法が開示
された。オフカット基板では、自発分極の方向が結晶表
面に対して傾いており、電界を印加すると分極反転は自
発分極の方向と平行に、即ち結晶軸に沿って基板内に潜
るように形成される。これにより、オフカット基板表面
近傍の分極反転発生領域においては、Xカット基板やY
カット基板に比べて厚い分極反転部を得ることができ
る。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-218431, an off-cut substrate (the direction of spontaneous polarization of To the angle θ (0 °
An optical waveguide type wavelength conversion element using a substrate cut at a plane satisfying <θ <90 °) has been proposed. Among them, a method has been disclosed in which electrodes having a predetermined pattern are arranged on the same main surface of the off-cut substrate or in a direction parallel to the polarization direction, and an electric field is applied from the outside to form a periodically poled portion. . In an off-cut substrate, the direction of spontaneous polarization is inclined with respect to the crystal surface, and when an electric field is applied, the polarization inversion is formed so as to be parallel to the direction of spontaneous polarization, that is, to dive into the substrate along the crystal axis. As a result, in the domain where polarization inversion occurs near the surface of the offcut substrate, the Xcut substrate or the Y
A domain-inverted portion thicker than the cut substrate can be obtained.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の分極反転形成方法により強誘電体結晶のXカッ
ト基板やYカット基板あるいはオフカット基板に分極反
転を形成する場合においては、分極反転部のアスペクト
比(分極反転部分の周期方向広がり(分極反転幅)Wと
分極反転の厚みdの比d/W)が小さく、例えばXカッ
ト基板において分極反転幅1.5μmに対して分極反転
厚みが0.5μm程度にしかならず、例えば光導波路型
波長変換素子において、光導波路の厚さを2μm程度と
する場合、光導波路の断面に対して周期状分極反転構造
が充分に形成されていないため、変換効率の低下の原因
となっていた。特に、Xカット基板やYカット基板にお
いては、同一主面内に電極対を形成するため、厚い分極
反転を形成することが困難であり、厚い周期状分極反転
を形成することが課題であった。
However, when a domain inversion is formed on a ferroelectric crystal X-cut substrate, Y-cut substrate, or off-cut substrate by the above-described conventional domain-inverted formation method, a domain-inverted portion is not formed. The aspect ratio (the ratio d / W of the width (polarization reversal width) W of the domain reversal portion to the domain reversal width W) and the thickness d of the domain reversal is small. For example, when the thickness of the optical waveguide is about 2 μm in the optical waveguide type wavelength conversion element, the periodic polarization inversion structure is not sufficiently formed with respect to the cross section of the optical waveguide. Was causing the decline. In particular, in the case of an X-cut substrate or a Y-cut substrate, it is difficult to form a thick domain inversion because an electrode pair is formed in the same main surface, and it has been a problem to form a thick periodic domain inversion. .

【0007】また、所望の分極反転周期が3〜4μm程
度の短い場合には、分極反転形状が不均一になるという
課題があった。上記特開平5−210132号に提案さ
れた方法においては、LiNbO3結晶基板において電
極間隔が200μm以下に限定されているため高電圧の
電界印加の際に上記の結晶破壊が生じやすいという問題
から印加電圧が制限される。従って厚い分極反転を形成
することが難しかった。また、上記特開平9−2184
31号においては、その実施例中でオフカット基板内に
2〜3μm厚の分極反転の形成が記載されているが、こ
のときの分極反転周期は4.75μmと大きく、また、
分極反転の周期方向の幅は2.5μmであった。この方
法においては、特に短周期の分極反転形成において高ア
スペクト比の分極反転形成が困難であり、波長420〜
450nm程度の短波長光の発生に必要な、周期3μm
程度の分極反転構造の形成が難しいという課題があっ
た。また特に、光導波路型光波長変換素子において、さ
らに短波長である400〜420nmの紫〜青紫色光の
発生に必要な分極反転周期は3μm以下となり、高変換
効率達成に必要な均一で厚い分極反転の形成はさらに困
難であるという課題があった。
Further, when the desired polarization inversion period is as short as about 3 to 4 μm, there is a problem that the polarization inversion shape becomes non-uniform. In the method proposed in JP-A-5-210132, the electrode spacing is limited to 200 μm or less in a LiNbO 3 crystal substrate, so that the above crystal breakage is likely to occur when a high voltage electric field is applied. Voltage is limited. Therefore, it was difficult to form a thick polarization inversion. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-2184
No. 31 describes the formation of a domain inversion having a thickness of 2 to 3 μm in the off-cut substrate in the example, but the domain inversion cycle at this time is as large as 4.75 μm, and
The width of the domain inversion in the periodic direction was 2.5 μm. In this method, it is difficult to form a polarization inversion having a high aspect ratio, especially in a short-period domain inversion,
Period 3μm required for generation of short wavelength light of about 450nm
There is a problem that it is difficult to form a domain-inverted structure to a certain extent. In particular, in an optical waveguide type optical wavelength conversion element, the polarization inversion period required to generate a shorter wavelength of violet to blue-violet light having a wavelength of 400 to 420 nm is 3 μm or less, and the uniform and thick polarization required to achieve high conversion efficiency is obtained. There was a problem that formation of inversion was more difficult.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、単一分極化された強誘電体結晶と、強誘
電体結晶の第1の領域に分極反転部を形成する工程と、
強誘電体結晶の第2の領域に分極反転部を形成する工程
とを有し、第1の領域と第2の領域に形成された分極反
転部の少なくとも一部が重なっていることを特徴とする
分極反転形成方法である。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a single-polarized ferroelectric crystal and a step of forming a domain-inverted portion in a first region of the ferroelectric crystal. ,
Forming a domain-inverted portion in the second region of the ferroelectric crystal, wherein at least a part of the domain-inverted portion formed in the first region and the second region overlaps with each other. This is a polarization inversion forming method.

【0009】また、単一分極化された強誘電体結晶と、
強誘電体結晶の異なる領域に分極反転部を形成する工程
とを有し、異なる領域の領域間に形成された分極反転部
の形状を、領域間の距離により制御することを特徴とす
る分極反転形成方法である。
Further, a single-polarized ferroelectric crystal,
Forming a domain-inverted portion in a different region of the ferroelectric crystal, wherein the shape of the domain-inverted portion formed between the regions in the different regions is controlled by a distance between the regions. It is a forming method.

【0010】また、単一分極化された強誘電体結晶と、
強誘電体結晶内に所望の長さΛの整数倍の周期を有する
周期状分極反転部を形成する工程を複数回有し、周期状
分極反転部を形成する位置が互いに異なることを特徴と
する分極反転形成方法である。
A single-polarized ferroelectric crystal;
A step of forming a periodic domain-inverted portion having a period of an integral multiple of a desired length Λ in the ferroelectric crystal a plurality of times, wherein positions at which the periodic domain-inverted portions are formed are different from each other; This is a polarization inversion forming method.

【0011】また、上記の何れかの分極反転形成方法に
より形成された分極反転部または周期状分極反転部を有
し、分極方向と垂直な方向の分極反転断面において、厚
み方向の任意の点Aでの分極反転幅w1と、点Aよりも
結晶内部にある点Bでの分極反転幅w2と、点Bよりも
結晶内部にある点Cでの分極反転幅w3とが、w1≧w
3≧w2またはw3≧w1≧w2の関係となる分極反転
形状であることを特徴とする光波長変換素子である。
In addition, the device has a domain-inverted portion or a periodic domain-inverted portion formed by any of the above-described domain-inverted forming methods, and has an arbitrary point A in the thickness direction in a domain-inverted cross section perpendicular to the polarization direction. The polarization inversion width w1 at the point B, the polarization inversion width w2 at the point B inside the crystal from the point A, and the polarization inversion width w3 at the point C inside the crystal from the point B are w1 ≧ w
An optical wavelength conversion element having a domain-inverted shape satisfying a relationship of 3 ≧ w2 or w3 ≧ w1 ≧ w2.

【0012】また、オフカット角θが、0.5°≦θ≦
7°である強誘電体結晶内に、上記の何れかの分極反転
形成方法により形成された周期3μm以下の周期状分極
反転構造を有し、分極方向と垂直な方向の分極反転断面
において、分極反転厚みdと分極反転幅wとの比が、d
/w≧1.0の関係にあることを特徴とする光波長変換
素子である。
When the off-cut angle θ is 0.5 ° ≦ θ ≦
In the ferroelectric crystal of 7 °, there is provided a periodic domain-inverted structure with a period of 3 μm or less formed by any one of the above-mentioned domain-inverted formation methods. The ratio between the inversion thickness d and the polarization inversion width w is d
/W≧1.0 is a light wavelength conversion element.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図を用いて説明する。ここでは、強誘電体結晶とし
てMgOドープLiNbO3結晶(以下MgO:LN結
晶と略す)を例に説明するが、本発明はMgO:LN結
晶に限定されるものではない。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, the MgO-doped LiNbO 3 crystal (hereinafter abbreviated as MgO: LN crystal) will be described as an example of the ferroelectric crystal, but the present invention is not limited to the MgO: LN crystal.

【0014】(実施の形態1)単一分極化された強誘電
体材料、特に強誘電体結晶基板の自発分極と対向する電
界を印加し、この自発分極を部分的に反転させる分極反
転形成方法は、従来より広く行われていた。その方法と
しては、自発分極(以下、分極と略す)に対向する電界
を形成するために分極方向の+C側および−C側にほぼ
平行に配置された正負の電極を形成し、これを介して強
誘電体結晶基板に電界を印加するものであった。また、
分極方向の電界に、分極方向と垂直な電界成分を加える
ことで、形成される分極反転の均一化を図った例もある
が、いずれの方法においても、分極を反転させるために
は分極方向に配置された対をなす電極が必要である。
(Embodiment 1) A polarization inversion forming method of applying an electric field opposite to a spontaneous polarization of a single-polarized ferroelectric material, particularly a ferroelectric crystal substrate, and partially inverting the spontaneous polarization. Has been performed more widely than before. In order to form an electric field opposing spontaneous polarization (hereinafter abbreviated as polarization), positive and negative electrodes arranged substantially parallel to the + C side and the -C side of the polarization direction are formed. An electric field was applied to the ferroelectric crystal substrate. Also,
In some cases, an electric field component perpendicular to the polarization direction is added to the electric field in the polarization direction to achieve uniform polarization reversal.However, in either method, in order to reverse the polarization, A paired electrode arrangement is required.

【0015】例えば、分極方向が基板主面に対して垂直
なZカット基板の場合には、電極を基板の対向する2つ
の主面に形成し、また分極方向が基板主面に平行なXカ
ット、Yカット、あるいはオフカット(Z軸と、Xまた
はY軸のいずれかの結晶軸とに平行でない面で切り出し
た基板であり、強誘電体結晶の自発分極の向きに対して
角度θ(0°<θ<90°)をなす面でカットした基
板)基板の場合には、基板の同一主面に正負の電極を形
成していた。このとき、+C側に配置された電極を周期
状パターンにすることにより、周期状分極反転構造を形
成することができ、例えば光波長変換素子等に利用され
ている。
For example, in the case of a Z-cut substrate whose polarization direction is perpendicular to the main surface of the substrate, electrodes are formed on the two main surfaces of the substrate facing each other, and an X-cut substrate whose polarization direction is parallel to the main surface of the substrate is formed. , Y-cut, or off-cut (a substrate cut out on a plane that is not parallel to the Z-axis and either the X-axis or the Y-axis, and has an angle θ (0) with respect to the direction of spontaneous polarization of the ferroelectric crystal. ° <θ <90 °) In the case of a substrate, the positive and negative electrodes are formed on the same main surface of the substrate. At this time, by forming the electrode arranged on the + C side into a periodic pattern, a periodic domain-inverted structure can be formed, and is used for, for example, an optical wavelength conversion element.

【0016】一般に、周期状分極反転構造ではその周期
および分極反転部・非反転部のデューティー比のコント
ロールが重要であり、また、特に光導波路型デバイスと
して用いられる際には光導波路を伝搬する光と分極反転
構造とのオーバーラップがデバイスの特性を決定するの
で、基板表面からの分極反転厚みが大きいことが求めら
れていた。Zカット基板においては、例えば0.5mm
厚の基板の厚み方向に分極反転が形成されるため、分極
反転周期およびデューティー比を制御することによって
上述の要求を満たすことが可能であった。しかしなが
ら、Xカット、Yカット、オフカット基板では、特に分
極反転厚みの制御が難しく、例えば電極間隔や分極反転
周期により形成される分極反転の厚みが制限されてい
た。このため、短周期の周期状分極反転構造を形成し、
例えば高効率の光波長変換素子を作製するためには分極
反転部の厚みを増大する手段が求められていた。
In general, in the periodically poled structure, it is important to control the period thereof and the duty ratio of the poled and non-inverted portions. Since the overlap between the structure and the domain-inverted structure determines the characteristics of the device, it is required that the domain-inverted thickness from the substrate surface be large. For a Z-cut substrate, for example, 0.5 mm
Since the domain inversion is formed in the thickness direction of the thick substrate, the above-mentioned requirement can be satisfied by controlling the domain inversion cycle and the duty ratio. However, in the case of the X-cut, Y-cut, and off-cut substrates, it is particularly difficult to control the thickness of the domain inversion, and the thickness of the domain inversion formed by, for example, the electrode interval and the domain inversion cycle has been limited. Therefore, a short-period periodic domain-inverted structure is formed,
For example, in order to produce a highly efficient light wavelength conversion element, means for increasing the thickness of the domain-inverted portion has been required.

【0017】我々は、分極反転厚み増大の検討として、
従来の分極反転形成方法におけるオフカット基板角度
(オフカット角θ)とアスペクト比との関係を調べた。
図4(a)はオフカット角θと分極反転厚みdの関係
を、図4(b)はオフカット角θと分極反転部のアスペ
クト比(分極反転厚みdと分極反転幅wの比=d/w)
の関係を示す。これにより、周期状分極反転構造のデュ
ーティ比(分極反転部と非反転部の割合)がほぼ1:1
となるように分極反転を形成する場合において、分極反
転厚みdは基板角度θの増大と共に増大することが分か
った。一方、アスペクト比d/wは基板角度の増大と共
に増大するが、分極反転周期Λには依存しない。これ
は、分極反転厚みdが分極反転周期Λにより制限されて
しまうことを表している。
We have considered the increase in the thickness of the domain inversion as follows.
The relationship between the off-cut substrate angle (off-cut angle θ) and the aspect ratio in the conventional polarization inversion forming method was examined.
4A shows the relationship between the off-cut angle θ and the polarization inversion thickness d, and FIG. 4B shows the off-cut angle θ and the aspect ratio of the domain-inverted portion (the ratio of the domain-inverted thickness d to the domain-inverted width w = d). / W)
Shows the relationship. As a result, the duty ratio (the ratio between the domain-inverted portions and the non-inverted portions) of the periodic domain-inverted structure is substantially 1: 1.
It has been found that, when the domain inversion is formed so as to be as follows, the domain inversion thickness d increases as the substrate angle θ increases. On the other hand, the aspect ratio d / w increases as the substrate angle increases, but does not depend on the domain inversion period Λ. This means that the domain inversion thickness d is limited by the domain inversion period Λ.

【0018】従って、分極反転厚みの大きい短周期分極
反転構造を形成するには、 (1)オフカット角度θの大きい基板を用いて分極反転
を形成する。
Therefore, in order to form a short-period domain-inverted structure having a large domain-inverted thickness, (1) domain-inverted is formed using a substrate having a large off-cut angle θ.

【0019】(2)新たな分極反転形成方法により分極
反転厚みの増大をはかる。という方法が考えられた。
(1)のオフカット角度θの大きい基板を用いる方法は
既に一般に開示されており、従来の電界印加による分極
反転形成方法も提案されている。しかしながら、例えば
TEモードで発振する半導体レーザーとの光結合を行う
光導波路型デバイスにおいては結合ロスが基板角度に依
存して大きくなるという問題があり、上記(2)により
高アスペクト比の分極反転形成を実現することが求めら
れた。
(2) The thickness of the domain inversion is increased by a new domain inversion forming method. A method was conceived.
The method (1) using a substrate having a large off-cut angle θ has already been generally disclosed, and a conventional polarization inversion method by applying an electric field has also been proposed. However, for example, in an optical waveguide device that performs optical coupling with a semiconductor laser that oscillates in a TE mode, there is a problem that the coupling loss increases depending on the substrate angle. It was required to realize.

【0020】これに対し本発明の特徴は、強誘電体結晶
の異なる領域に分極反転部を形成する方法において、各
領域の少なくとも一部が重なるように分極反転部を形成
するというものである。これにより分極反転部のアスペ
クト比をコントロールしながら分極反転厚みを大幅に増
大することが可能となる。本実施の形態においては、強
誘電体結晶基板としてMgO:LN結晶基板を用いた場
合について説明する。
On the other hand, a feature of the present invention is that in a method of forming domain-inverted portions in different regions of a ferroelectric crystal, domain-inverted portions are formed so that at least a part of each region overlaps. This makes it possible to greatly increase the thickness of the domain-inverted portion while controlling the aspect ratio of the domain-inverted portion. In the present embodiment, a case where an MgO: LN crystal substrate is used as a ferroelectric crystal substrate will be described.

【0021】まず、本発明の分極反転形成方法について
図を用いて説明する。図1に本発明の実施の形態1であ
るオフカットのMgO:LN結晶基板に分極反転を形成
する方法の構成図の一例を示す。なお、図1(b)は図
1(a)を−Y面から見た場合の断面図である。また、
図1(d)は図1(c)を−Y面から見た場合の断面図
である。図1(a)および図1(b)は第1の領域に分
極反転部を形成する工程における構成を、また図1
(c)および図1(d)は第2の領域に分極反転部を形
成する工程における構成を表す図である。
First, the polarization inversion method of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a configuration diagram of a method for forming domain inversion on an off-cut MgO: LN crystal substrate according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a cross-sectional view when FIG. 1A is viewed from the −Y plane. Also,
FIG. 1D is a cross-sectional view when FIG. 1C is viewed from the −Y plane. FIGS. 1A and 1B show a configuration in a step of forming a domain-inverted portion in a first region, and FIGS.
(C) and FIG. 1 (d) are views showing a configuration in a step of forming a domain-inverted portion in the second region.

【0022】図1(a)から図1(d)において1は単
一分極化されたオフカットのMgO:LN結晶基板、6
は電源である。また、図1(a)および図1(b)にお
いて2aはMgO:LN結晶基板1の第1の主面(+X
面)に形成された周期状パターンを有する櫛形電極、2
bは櫛形電極2aと対をなすストライプ状電極、3は第
1の領域に形成された周期状の分極反転部である。ま
た、図1(c)および図1(d)において、点線部分は
図1(a)および図1(b)における櫛形電極2aおよ
びストライプ状電極2bの形成位置を示す。
1 (a) to 1 (d), reference numeral 1 denotes a single-polarized off-cut MgO: LN crystal substrate;
Is the power supply. 1A and 1B, reference numeral 2a denotes a first main surface (+ X) of the MgO: LN crystal substrate 1.
Surface), a comb-shaped electrode having a periodic pattern formed on
b is a striped electrode paired with the comb-shaped electrode 2a, and 3 is a periodic domain-inverted portion formed in the first region. 1 (c) and 1 (d), the dotted lines indicate the formation positions of the comb-shaped electrode 2a and the striped electrode 2b in FIGS. 1 (a) and 1 (b).

【0023】また、4aは図1(a)にある櫛形電極2
aと異なる位置に形成された周期状パターンを有する櫛
形電極、4bは櫛形電極4aと対をなすストライプ状電
極、5は第2の領域に形成された周期状の分極反転部で
ある。このとき、櫛形電極2aおよび4aは形成される
分極反転部3および5の周期に対応する周期状パターン
を持ち、本実施の形態では同一の周期を持つものとす
る。なお、電源6は印加電圧、印加時間および立ち上が
り速度を制御することが可能なパルス電界発生源であ
る。
4a is a comb-shaped electrode 2 shown in FIG.
A comb-shaped electrode 4b having a periodic pattern formed at a position different from a is a striped electrode paired with the comb-shaped electrode 4a, and 5 is a periodic domain-inverted portion formed in the second region. At this time, the comb electrodes 2a and 4a have a periodic pattern corresponding to the period of the domain-inverted portions 3 and 5 to be formed, and have the same period in the present embodiment. The power supply 6 is a pulse electric field generation source capable of controlling an applied voltage, an application time, and a rising speed.

【0024】本実施の形態においては、MgO:LN結
晶基板として厚み約500μmの1.5°カットX基板
(結晶基板表面に対してX軸方向が1.5°傾くように
切り出されたオフカット基板)を用い、櫛形電極2aお
よび4aの電極指は長さ40〜100μm、幅1μm、
周期2〜3μmで形成した。櫛形電極2aおよび4a、
ストライプ状電極2bおよび4bを形成する材料として
は、Ta(タンタル)、Al(アルミニウム)、Cu
(銅)、Au(金)、Ag(銀)等をはじめとする導電
性材料の利用が可能であるが、特に抵抗率が1.0×1
-7Ωm以下の材料を用いることにより、電界印加時の
電極直下の電界強度分布を均一にすることができるた
め、形成される分極反転部3および5の均一性を高める
ことができた。
In this embodiment, a 1.5 ° cut X substrate having a thickness of about 500 μm (an off cut cut so that the X-axis direction is inclined by 1.5 ° with respect to the crystal substrate surface) is used as a MgO: LN crystal substrate. Substrate), the electrode fingers of the comb-shaped electrodes 2a and 4a are 40 to 100 μm in length, 1 μm in width,
It was formed with a period of 2-3 μm. Comb electrodes 2a and 4a,
Materials for forming the striped electrodes 2b and 4b include Ta (tantalum), Al (aluminum), Cu
Although conductive materials such as (copper), Au (gold), and Ag (silver) can be used, the resistivity is particularly 1.0 × 1.
By using a material of 0 -7 Ωm or less, the electric field intensity distribution immediately below the electrode when an electric field is applied can be made uniform, so that the uniformity of the domain-inverted portions 3 and 5 formed can be improved.

【0025】以下、本実施の形態においてはTa電極を
用いた場合について説明する。上記の第1の領域に分極
反転部を形成する工程で用いる櫛形電極2aおよびスト
ライプ状電極2bの厚みを数100Å〜2000Åで形
成した。また、上記の第2の領域に分極反転部を形成す
る工程で用いる櫛形電極4aおよびストライプ状電極4
bの厚みも同様に数100Å〜2000Åで形成した。
櫛形電極2aおよび4a、ストライプ状電極2bおよび
4bの形成は、蒸着やスパッタリング等によりMgO:
LN結晶基板1表面にTa薄膜を成膜し、フォトリソグ
ラフィープロセス及びエッチングプロセス、あるいはリ
フトオフ等を用いることにより容易に行うことができ
た。このようにして形成された櫛形電極2aとストライ
プ状電極2bを介して電源6を用いてMgO:LN結晶
基板1に対して電界印加を行うことにより分極反転部3
を形成することが可能であった。
Hereinafter, a case where a Ta electrode is used in the present embodiment will be described. The thickness of the comb-shaped electrode 2a and the stripe-shaped electrode 2b used in the step of forming the domain-inverted portion in the first region was set to several hundreds to 2,000 degrees. Further, the comb-shaped electrode 4a and the striped electrode 4 used in the step of forming the domain-inverted portion in the second region are used.
Similarly, b was formed at a thickness of several hundreds to 2,000.
The comb electrodes 2a and 4a and the stripe electrodes 2b and 4b are formed by vapor deposition, sputtering, or the like.
This was easily performed by forming a Ta thin film on the surface of the LN crystal substrate 1 and using a photolithography process and an etching process, or a lift-off process. By applying an electric field to the MgO: LN crystal substrate 1 using the power source 6 via the comb-shaped electrode 2a and the stripe-shaped electrode 2b thus formed, the domain-inverted portion 3
Could be formed.

【0026】また第1の領域に分極反転部を形成する工
程の後、フッ硝酸(HF:HNO3=2:1混合液)を
用いたウェットエッチングにより櫛形電極2aおよびス
トライプ状電極2bを除去してから再びTa薄膜を成膜
し、上記と同様のプロセスによって櫛形電極4aとスト
ライプ状電極4bを形成した。これらの電極を介して電
源6を用いてMgO:LN結晶基板1に対して第2の電
界印加を行うことにより分極反転部5を形成することが
可能であった。なお、第1の領域に分極反転部を形成す
る工程で用いた櫛形電極2aおよびストライプ状電極2
bを除去せずにTa膜を成膜し、フォトリソグラフィー
およびドライエッチングを行った場合においても同様の
分極反転部5を形成することができた。この場合には、
フォトリソグラフィープロセスにおいて櫛形電極2aと
櫛形電極4aとの位置あわせが容易に行うことができる
という利点があった。
After the step of forming domain-inverted portions in the first region, the comb-shaped electrode 2a and the striped electrode 2b are removed by wet etching using hydrofluoric nitric acid (HF: HNO 3 = 2: 1 mixture). Thereafter, a Ta thin film was formed again, and a comb-shaped electrode 4a and a striped electrode 4b were formed by the same process as described above. By applying a second electric field to the MgO: LN crystal substrate 1 using the power supply 6 via these electrodes, the domain-inverted portions 5 could be formed. The comb-shaped electrode 2a and the striped electrode 2 used in the step of forming the domain-inverted portions in the first region
Even when a Ta film was formed without removing b and photolithography and dry etching were performed, a similar domain-inverted portion 5 could be formed. In this case,
There is an advantage that the alignment between the comb-shaped electrode 2a and the comb-shaped electrode 4a can be easily performed in the photolithography process.

【0027】また、本発明の分極反転形成方法において
は特に櫛形電極2aと櫛形電極4aとの位置あわせ精度
が重要となるが、フォトリソグラフィープロセスにおい
て、電極指の周期方向精度は電極指幅1μmに対して±
0.05μm以下に抑えることが可能であった。これに
より分極反転幅およびデューティー比、あるいは周期状
分極反転の均一性を損なうことなく分極反転部3および
5を形成することが可能であった。また特に、Yカット
基板およびオフカットY板においては、フッ硝酸(H
F:HNO3=2:1混合液)を用いたウェットエッチ
ングにより電極を除去する際に、MgO:LN結晶のY
方向のエッチングレートの違いから分極反転・非反転領
域が微少な段差となって観察できる。これを利用してフ
ォトリソグラフィープロセスを行うことにより、精度の
高い位置あわせが可能になるという利点があった。
Further, in the polarization inversion forming method of the present invention, particularly, the positioning accuracy of the comb-shaped electrode 2a and the comb-shaped electrode 4a is important. ±
It was possible to suppress it to 0.05 μm or less. As a result, the domain-inverted portions 3 and 5 could be formed without impairing the domain-inverted width and duty ratio or the uniformity of the periodic domain-inverted structure. In particular, in the case of the Y-cut substrate and the off-cut Y plate, hydrofluoric acid (H
F: HNO 3 = 2: 1 mixed solution) when removing the electrode by wet etching using YO of MgO: LN crystal.
The domain inversion / non-inversion region can be observed as a minute step due to the difference in the etching rate in the direction. By performing a photolithography process using this, there is an advantage that highly accurate positioning can be performed.

【0028】電界印加を用いた分極反転形成方法により
形成される分極反転核発生領域(基板表面の分極反転発
生領域)の形状は、使用する電極の形状と印加電界条件
によって制御される。このとき、 ・分極反転部の断面形状は分極反転核発生領域の形状を
投影した形状となる。
The shape of the domain-inverted nucleus generation region (domain inversion-generated region on the substrate surface) formed by the domain inversion forming method using electric field application is controlled by the shape of the electrode used and the applied electric field conditions. At this time, the cross-sectional shape of the domain-inverted portion is a shape obtained by projecting the shape of the domain-inverted nucleus generation region.

【0029】・分極反転核発生領域は電界強度の大きな
領域に発生する(−Z軸側に向かって電極指を配置して
いる櫛形電極を用いた場合には、電極指先端部直下の領
域から発生する)。
The domain-inverted nucleus generation region is generated in a region where the electric field intensity is large (when a comb-shaped electrode in which the electrode finger is arranged toward the -Z axis side is used, the region immediately below the tip of the electrode finger is used). appear).

【0030】・分極反転核発生領域の長さ(Xカット、
Yカット、オフカット基板におけるZ方向:すなわち櫛
形電極の電極指の長手方向)、および分極反転部の厚み
は、与える電界の大きさ(印加電圧)、電荷量(電流お
よび印加時間)で制御される。
The length of the domain-inverted nucleus generation region (X cut,
The Z direction in the Y-cut or off-cut substrate: the longitudinal direction of the electrode fingers of the comb-shaped electrode) and the thickness of the domain-inverted portion are controlled by the magnitude of the applied electric field (applied voltage) and the amount of electric charge (current and applied time). You.

【0031】・分極反転核発生領域の幅(櫛形電極の電
極指の周期方向)は印加電圧、電荷量、および印加時間
(印加電流により発生する熱の影響)に依存する。とい
うことが分かっていた。我々のこれまでの検討により、
さらに ・多重パルス印加(短パルスを間隔をあけて複数回印加
する)等の手法により電界印加時の熱の発生を抑えるこ
とができ、分極反転幅の広がりをある程度抑えることが
できる。 という知見を得ていた。しかしながら、上記の分極反転
幅の広がりを抑える方法(例えば多重パルス印加)は限
界があり、単一パルス電界の印加に比べて広がりは抑え
られるものの、徐々に広がりが増大するため、3μm以
下という短周期の周期状分極反転形成において十分厚い
分極反転部を形成するには不十分であった。
The width of the domain-inverted nucleus generation region (periodic direction of the electrode fingers of the comb-shaped electrode) depends on the applied voltage, the amount of charge, and the application time (the effect of heat generated by the applied current). I knew that. Based on our previous studies,
Furthermore, the generation of heat at the time of applying an electric field can be suppressed by a technique such as multi-pulse application (a short pulse is applied a plurality of times at intervals), and the spread of the domain inversion width can be suppressed to some extent. That knowledge was obtained. However, there is a limit to the method of suppressing the spread of the domain inversion width (for example, application of multiple pulses). Although the spread is suppressed as compared with the application of a single-pulse electric field, the spread gradually increases. It is insufficient to form a sufficiently thick domain-inverted portion in the periodic domain-inverted formation.

【0032】我々はこの「分極反転幅のわずかな広が
り」の原因が電極の有無にあると考えた。分極反転が形
成された領域の周辺領域は抗電界(分極反転が形成され
る閾値電界強度)が低下し、分極が反転しやすくなる。
従って、同一の電極を用いて同一の電界パルスを印加す
ると、分極反転長さおよび分極反転幅が拡大される。我
々はこの点に注目し、電極位置をずらして既に分極反転
部が形成された領域には高電界が印加されない方法を採
ることにより分極反転幅の広がりを無くして分極反転厚
みを増大することができると考えた。
We have considered that the cause of this "slight spread of the domain inversion width" is the presence or absence of an electrode. The coercive electric field (the threshold electric field strength at which the polarization inversion is formed) decreases in the peripheral region of the region where the polarization inversion is formed, and the polarization is easily inverted.
Therefore, when the same electric field pulse is applied using the same electrode, the polarization inversion length and the polarization inversion width are enlarged. We pay attention to this point, and it is possible to increase the domain inversion thickness by eliminating the spread of domain inversion width by adopting a method in which the electrode position is shifted and a high electric field is not applied to the region where the domain inversion is already formed. I thought I could.

【0033】この考えに基づき、図1(c)に示すよう
に、第2の領域に分極反転部を形成する工程に用いる電
極対を、第1の領域に分極反転部を形成する工程により
形成される分極反転核発生領域のZ方向長さとほぼ等し
い距離(例えば1.5°カットX板において15〜40
μm)だけ第1の領域に分極反転部を形成する工程で用
いる電極対に対してZ方向にずらして形成し、第2の領
域に分極反転部を形成することを試みた。これにより、
第1の領域に形成された分極反転部の分極反転核発生領
域のうち、電極が除去された部分においては第2の領域
に分極反転部を形成する際に電界の影響を受けないの
で、分極反転部の周期方向拡がりを抑えたままZ方向へ
分極反転部を拡大することができた。
Based on this idea, as shown in FIG. 1C, an electrode pair used in a step of forming a domain-inverted portion in the second region is formed by a step of forming a domain-inverted portion in the first region. (For example, 15 to 40 in a 1.5 ° cut X plate)
(μm) with respect to the electrode pair used in the step of forming the domain-inverted portion in the first region, and shifted in the Z direction to form a domain-inverted portion in the second region. This allows
In the domain-inverted nucleus generation region of the domain-inverted portion formed in the first region, the portion from which the electrode has been removed is not affected by the electric field when the domain-inverted portion is formed in the second region. The domain-inverted portion could be enlarged in the Z direction while suppressing the extension of the domain-inverted portion in the periodic direction.

【0034】このとき第1の領域に形成される分極反転
部3と第2の領域に形成される分極反転部5が基板内部
において融合し、高アスペクト比の分極反転領域となっ
た。また、分極反転部3と分極反転部5が、少なくとも
一部が重なるように形成された場合には、特に分極反転
断面形状においてほぼ均一な分極反転幅を有する構造を
形成することができるという効果が得られた。これは本
実施の形態で示しているオフカット基板の分極反転核発
生領域の形状が、電極指先端直下から+Z方向に向かっ
て幅が小さくなるという特徴を有していることに起因す
る。
At this time, the domain-inverted portions 3 formed in the first region and the domain-inverted portions 5 formed in the second region were fused inside the substrate to form a domain-inverted region having a high aspect ratio. Further, when the domain-inverted portions 3 and the domain-inverted portions 5 are formed so as to at least partially overlap each other, it is possible to form a structure having a substantially uniform domain-inverted width especially in the domain-inverted cross-sectional shape. was gotten. This is due to the fact that the shape of the domain-inverted nucleus generation region of the off-cut substrate shown in the present embodiment has a feature that the width decreases from directly below the tip of the electrode finger toward the + Z direction.

【0035】従って、例えば、 ・第1の工程で形成される分極反転核発生領域の長さで
はなく、分極反転核発生領域先端(−Z側の端)から分
極反転幅が電極指幅よりも小さくなる部分までの距離を
電極位置のずれ量として第2の工程で用いる電極対を+
Z方向にずらす。
Therefore, for example, not the length of the domain-inverted nucleus generation region formed in the first step but the domain-inverted width from the tip (the end on the −Z side) of the domain-inverted nucleus generation region is larger than the electrode finger width. An electrode pair used in the second step is defined as +
Shift in the Z direction.

【0036】・第2の工程で形成される分極反転核発生
領域先端(−Z側の端)から分極反転幅が電極指幅より
も小さくなる部分までの距離を見積もり(印加電界条件
により推測可能)、電極位置のずれ量として第2の工程
で用いる電極対を−Z方向にずらす。 といった方法を採ることにより、分極反転断面形状にお
いてほぼ均一な分極反転幅を有する構造を形成すること
ができた。また、上記工程を繰り返し行うことにより、
高アスペクト比の周期状分極反転構造をZ方向へ大面積
に渡って形成することが可能であるということが分かっ
た。
Estimate the distance from the tip of the domain-inverted nucleus generation region (the end on the -Z side) formed in the second step to the portion where the domain-inverted width is smaller than the electrode finger width (can be estimated by the applied electric field conditions) ), The electrode pair used in the second step is shifted in the −Z direction as a shift amount of the electrode position. By adopting such a method, it was possible to form a structure having a substantially uniform polarization inversion width in the polarization inversion cross-sectional shape. Also, by repeating the above steps,
It has been found that a periodically poled structure with a high aspect ratio can be formed over a large area in the Z direction.

【0037】図1に示す構成を用いて、MgO:LN結
晶基板の第1の領域、および第2の領域に形成される分
極反転の様子を図2に詳しく示す。図2はMgO:LN
結晶のオフカット基板に分極方向とほぼ平行な方向に配
置された電極を用いて電界印加を行い、さらに既に分極
反転が形成された領域と少なくとも一部が重なるように
新たに分極反転を形成したときの基板内の分極反転領域
を示す模式図である。ここでは、第2の領域に分極反転
部を形成する工程に用いる電極対を、第1の領域に分極
反転部を形成する工程で用いる電極対に対して−Z方向
にずらして形成した場合を示す。なお、図2(b)は図
2(a)を線分A−A’で切断し、−Z面から見た場合
の断面図である。また、図2(d)は図2(c)を線分
B−B’で切断し、−Z面から見た場合の断面図であ
る。図2(a)および図2(b)は第1の電界印加工程
において形成された分極反転部を、また図2(c)およ
び図2(d)はさらに第2の電界印加を施した際に形成
された分極反転部を表す図である。
FIG. 2 shows details of the polarization inversion formed in the first region and the second region of the MgO: LN crystal substrate using the configuration shown in FIG. Figure 2 shows MgO: LN
An electric field was applied to the crystal off-cut substrate using electrodes arranged in a direction substantially parallel to the polarization direction, and a new polarization inversion was formed so as to at least partially overlap the region where the polarization inversion was already formed. FIG. 4 is a schematic diagram showing a domain-inverted region in a substrate at the time. Here, it is assumed that the electrode pair used in the step of forming the domain-inverted portion in the second region is shifted in the −Z direction with respect to the electrode pair used in the step of forming the domain-inverted portion in the first region. Show. FIG. 2B is a cross-sectional view of FIG. 2A taken along line AA ′ and viewed from the −Z plane. FIG. 2D is a cross-sectional view of FIG. 2C taken along line BB ′ and viewed from the −Z plane. 2 (a) and 2 (b) show the domain-inverted portions formed in the first electric field application step, and FIGS. 2 (c) and 2 (d) show the case where the second electric field is further applied. FIG. 4 is a diagram illustrating a domain-inverted portion formed in FIG.

【0038】図2(a)から図2(d)において7は単
一分極化されたオフカットのMgO:LN結晶基板、8
は第1の領域に形成される周期状の分極反転部である。
また、図2(c)および図2(d)において9は第2の
領域に形成される周期状の分極反転部である。まず、前
述した工程により、オフカットのMgO:LN結晶基板
7の第1の領域に分極反転部8を形成した。具体的に
は、例えば1.5°カットX板において周期3μmで反
転厚み約1.3μmの周期状分極反転の形成が可能であ
った。このときの分極反転幅は約1.7μmであり、分
極反転部8のアスペクト比(分極反転幅wに対する分極
反転厚みdの比d/w)は約0.75であった。なお、
オフカット基板において形成される分極反転部8は上述
したように基板内部に潜るように形成され、分極反転部
8の厚みdは基板内部に行くほど小さくなる。従って、
電極指先端近傍(分極反転部8が基板表面から離れる部
分:図2(a)のA−A’断面)の分極反転厚みが最も
大きい。
2A to 2D, reference numeral 7 denotes a single-polarized off-cut MgO: LN crystal substrate;
Is a periodically poled portion formed in the first region.
2 (c) and 2 (d), reference numeral 9 denotes a periodic domain-inverted portion formed in the second region. First, the domain-inverted portions 8 were formed in the first region of the off-cut MgO: LN crystal substrate 7 by the above-described steps. Specifically, for example, it was possible to form a periodic polarization inversion having a period of 3 μm and a reversal thickness of about 1.3 μm on a 1.5 ° cut X plate. At this time, the domain inversion width was about 1.7 μm, and the aspect ratio of the domain inversion portion 8 (ratio d / w of domain inversion thickness d to domain inversion width w) was about 0.75. In addition,
As described above, the domain-inverted portions 8 formed in the off-cut substrate are formed so as to dive inside the substrate, and the thickness d of the domain-inverted portions 8 becomes smaller toward the inside of the substrate. Therefore,
The polarization inversion thickness near the tip of the electrode finger (the part where the polarization inversion portion 8 is separated from the substrate surface: AA ′ cross section in FIG. 2A) is the largest.

【0039】さらに上記の工程により、電極対の再形成
と電界印加を行うことにより、第2の領域に分極反転部
9が形成された。このとき分極反転部8および9を形成
するために用いる電極のZ方向へのずれ量は、第1の領
域に分極反転部を形成する工程における電極に対して第
2の領域に分極反転部を形成する工程で用いる電極が−
Z方向に約25μmとなるようにした。B−B’断面に
おいて、分極反転8(図2(d)に示す第1の領域に形
成された分極反転部8)は基板内部にあり、分極反転部
8のみの反転厚みは約0.8μmとなるが、分極反転部
9と重なることにより全体としての分極反転厚み(図2
(c)中のB−B’断面での分極反転厚み)は約1.8
μmであった。このとき、分極反転幅は約1.7μmで
あり、分極反転断面のアスペクト比は約1.05と大幅
に増大することができた。
Further, the domain-inverted portions 9 were formed in the second region by re-forming the electrode pairs and applying an electric field in the above-described steps. At this time, the amount of displacement of the electrodes used for forming the domain-inverted portions 8 and 9 in the Z direction is such that the domain-inverted portions are formed in the second region with respect to the electrodes in the step of forming the domain-inverted portions in the first region. The electrode used in the forming process is-
The thickness was about 25 μm in the Z direction. In the BB 'cross section, the domain inversion 8 (the domain inversion section 8 formed in the first region shown in FIG. 2D) is inside the substrate, and the domain inversion thickness of only the domain inversion section 8 is about 0.8 μm. However, by overlapping with the domain-inverted portion 9, the domain-inverted thickness as a whole (FIG. 2)
(Polarization inversion thickness at BB ′ section in (c)) is about 1.8
μm. At this time, the domain inversion width was about 1.7 μm, and the aspect ratio of the domain inversion cross section was able to be greatly increased to about 1.05.

【0040】なお、図2(c)および図2(d)におい
て、理解を容易にするために分極反転部8と分極反転部
9を区別して記載しているが、実際に形成・観察される
分極反転部はその特性(エッチングレートなど)におい
て区別不可能である。第1の領域に分極反転部を形成す
る工程のみによって形成・観察した分極反転部と、第1
の領域および第2の領域に分極反転部を形成する工程を
行ったときの分極反転部との比較において、形状の相
違、および分極反転部の厚みの相違によってその存在が
確認できるものである。
In FIG. 2C and FIG. 2D, the domain-inverted portion 8 and the domain-inverted portion 9 are separately illustrated for easy understanding, but actually formed and observed. The domain-inverted portions are indistinguishable in their characteristics (such as etching rate). A domain-inverted portion formed and observed only by a process of forming a domain-inverted portion in the first region;
In the comparison with the domain-inverted portions when the step of forming domain-inverted portions in the region and the second region is performed, the existence thereof can be confirmed by the difference in shape and the difference in the thickness of domain-inverted portions.

【0041】我々はさらに、第1の領域に分極反転部を
形成する工程に用いる電極対に対する第2の領域に分極
反転部を形成する工程用いる電極対のずれ量について検
討・考察した。以下に、従来の電界印加を用いた分極反
転形成方法により形成された分極反転の特性を示す。印
加電界条件および電極構造は、印加電圧5kV、印加時
間2ms、電極間隔400μm、分極反転周期3.0μ
mである。この電界条件および電極構造はこれまでに我
々が得ている中で最も厚く均一な分極反転構造が得られ
る条件である。以下の(表1)に、オフカットX板にお
ける、オフカット角度と分極反転特性との関係について
示す。
We further examined and considered the amount of shift between the electrode pair used in the step of forming the domain-inverted portion in the second region and the electrode pair used in the step of forming the domain-inverted portion in the first region. Hereinafter, characteristics of domain inversion formed by a conventional domain inversion forming method using electric field application will be described. The applied electric field condition and the electrode structure were as follows: applied voltage 5 kV, applied time 2 ms, electrode interval 400 μm, domain inversion period 3.0 μm.
m. The electric field condition and the electrode structure are conditions under which the thickest and uniform domain-inverted structure can be obtained. The following (Table 1) shows the relationship between the off-cut angle and the polarization reversal characteristics in the off-cut X-plate.

【0042】[0042]

【表1】 [Table 1]

【0043】また、図5にはオフカットX板において、
第1の領域に分極反転部を形成する工程に用いる電極
と、第2の領域に分極反転部を形成する工程に用いる電
極との位置のずれ量(−Z方向)と分極反転特性との関
係を示す。図5から ・形成される分極反転部の厚みが最大になる最適なずれ
量がある。
FIG. 5 shows an off-cut X plate.
Relationship between the amount of positional deviation (-Z direction) between the electrode used for forming the domain-inverted portion in the first region and the electrode used for forming the domain-inverted portion in the second region, and the domain-inversion characteristic Is shown. From FIG. 5: There is an optimum amount of deviation that maximizes the thickness of the domain-inverted portion to be formed.

【0044】・分極反転厚みが最大となる最適ずれ量は
基板角度に依存して変化する。ということが分かった。
本検討の結果から、第1の電界印加により形成される分
極反転部と第2の電界印加により形成される分極反転部
の融合は、オフカット角度θが0°<θ≦7°の範囲に
おいて電極対の形成位置のずれ量Lが、L×tanθ≦
1.5の関係となる場合に生じた。
The optimum shift amount at which the polarization reversal thickness becomes maximum changes depending on the substrate angle. I understood that.
According to the results of this study, the fusion of the domain-inverted portion formed by applying the first electric field and the domain-inverted portion formed by applying the second electric field is performed when the off-cut angle θ is in the range of 0 ° <θ ≦ 7 °. When the displacement amount L of the formation position of the electrode pair is L × tan θ ≦
It occurred when the relationship of 1.5 was satisfied.

【0045】なお、本実施の形態においては分極反転形
成方法の一例として第1および第2の領域に分極反転部
を形成する工程についてのみ説明したが、同様の電極再
形成および電界印加工程を繰り返すことにより、Mg
O:LN結晶基板のほぼ全面に渡って、基板表面近傍に
厚い周期状分極反転の形成された領域を作製することが
可能であった。これにより、例えば光導波路型デバイス
の作製において光導波路位置の制御を容易にし、また作
製可能な光導波路の間隔を狭くすることが可能になった
ため、光導波路型デバイスの集積化ができるという効果
もあった。また、本実施の形態では1.5°カットのM
gO:LN結晶基板を例に取り説明したが、0°<オフ
カット角度θ≦7°の基板に対しても同様の方法を採る
ことにより分極反転厚みの増大と、厚い分極反転形成領
域の大面積化をはかることができた。
In the present embodiment, only the step of forming the domain-inverted portions in the first and second regions has been described as an example of the domain-inverted formation method, but the same electrode re-formation and electric field application steps are repeated. By doing so, Mg
O: Over almost the entire surface of the LN crystal substrate, it was possible to produce a region where thick periodic domain inversion was formed near the substrate surface. As a result, for example, in the manufacture of an optical waveguide device, the position of the optical waveguide can be easily controlled, and the interval between the optical waveguides that can be manufactured can be reduced, so that the optical waveguide device can be integrated. there were. Further, in the present embodiment, 1.5 ° cut M
The gO: LN crystal substrate has been described as an example, but the same method can be applied to a substrate having 0 ° <off-cut angle θ ≦ 7 ° to increase the domain-inverted thickness and increase the size of the thick domain-inverted formation region. The area could be increased.

【0046】なお、本実施の形態においては第2の電界
印加に用いる電極対の位置(ずらす方向)を第1の電界
印加に用いる電極対に対して−Z方向としたが、+Z方
向にずらした場合においても同様の分極反転部3および
分極反転部5が形成可能であり、高アスペクト比の周期
状分極反転構造を形成することができた。形成した周期
状分極反転構造を、例えば光導波路型デバイスとして用
いる場合には分極反転部と光導波路との位置あわせが必
要になるが、このとき、例えば第2の領域に分極反転部
を形成する工程に用いる電極対を−Z方向にずらすこと
により、特に電界印加に用いた櫛形電極部分を基準にし
て位置あわせを行い、電極指先端から数μmの位置に精
度良く光導波路形成が可能であるという利点があった。
In the present embodiment, the position (shifting direction) of the electrode pair used for applying the second electric field is set in the −Z direction with respect to the electrode pair used for applying the first electric field, but the position is shifted in the + Z direction. Also in this case, the same domain-inverted portions 3 and 5 can be formed, and a periodic domain-inverted structure having a high aspect ratio can be formed. When the formed periodic domain-inverted structure is used, for example, as an optical waveguide device, it is necessary to align the domain-inverted portion with the optical waveguide. At this time, for example, the domain-inverted portion is formed in the second region. By shifting the electrode pair used in the process in the −Z direction, alignment is performed particularly with reference to the comb-shaped electrode portion used for applying the electric field, and an optical waveguide can be formed accurately at a position several μm from the tip of the electrode finger. There was an advantage that.

【0047】なお、本実施の形態では、電界印加による
分極反転形成方法として、オフカットのMgO:LN結
晶基板の同一主面状に形成した電極対を介した電界印加
について説明したが、上記電極対を形成した面と対向す
るもう一つの主面(裏面)に例えばTa薄膜を被着形成
して裏面電極とし、櫛形電極−ストライプ状電極間、お
よび櫛形電極−裏面電極間に同時に電界を印加する方法
(2次元電界印加法)においても適用できる。この場合
には、少なくとも電極対を再形成することにより、本発
明の効果である高アスペクト比の分極反転部の形成が可
能になった。
In the present embodiment, as the polarization inversion method by applying an electric field, the application of an electric field via an electrode pair formed on the same main surface of an off-cut MgO: LN crystal substrate has been described. For example, a Ta thin film is formed on the other main surface (back surface) opposite to the paired surface to form a back electrode, and an electric field is applied simultaneously between the comb electrode and the stripe electrode and between the comb electrode and the back electrode. (Two-dimensional electric field application method). In this case, by forming at least the electrode pair, it is possible to form a domain-inverted portion having a high aspect ratio, which is an effect of the present invention.

【0048】また、本実施の形態で示したように分極反
転形成領域の一部が重なるように分極反転部を形成する
工程を含む方法としては、例えば第1の分極反転領域を
形成した後、櫛形電極の電極指先端から数〜数10μm
をエッチングし、電界印加を施す方法も考えられる。こ
の方法における利点は、第1の分極反転形成工程と第2
の分極反転形成工程において使用する櫛形電極の周期方
向位置合わせが不要である点にある。しかしながら、本
発明の方法と異なり、第1の分極反転形成工程および第
2の分極反転形成工程において電極対間隔が異なるた
め、エッチング量によって印加電界条件を変える必要が
ある。このとき、第2の分極反転形成工程の電極間隔が
第1の分極反転形成工程の電極間隔に比べ必ず大きくな
るため、第2の分極反転形成工程においては印加電圧が
大きくなる傾向にある。従って、高電圧電界印加による
結晶破壊の可能性が出てくるといったデメリットを有し
ている。また、 ・分極反転形成領域を+Z方向にしか拡大することがで
きない(大面積化が困難)。
As described in the present embodiment, a method including a step of forming a domain-inverted portion so that a part of the domain-inverted formation region overlaps, for example, after forming a first domain-inverted region, Several to several tens of μm from the tip of the electrode finger of the comb-shaped electrode
May be etched and an electric field is applied. The advantage of this method is that the first polarization inversion forming step and the second
In this case, there is no need to align the comb electrodes used in the domain inversion forming step in the periodic direction. However, unlike the method of the present invention, since the electrode pair spacing is different in the first polarization inversion forming step and the second polarization inversion forming step, it is necessary to change the applied electric field condition depending on the etching amount. At this time, since the electrode spacing in the second polarization inversion forming step is always larger than the electrode spacing in the first polarization inversion forming step, the applied voltage tends to increase in the second polarization inversion forming step. Therefore, there is a demerit that the possibility of crystal destruction due to application of a high-voltage electric field appears. Also, the domain inversion forming region can be expanded only in the + Z direction (it is difficult to increase the area).

【0049】・電極指先端をエッチングにより除去する
ので、光導波路デバイスとして用いる際に分極反転領域
先端部(−Z側の端)と光導波路と位置合わせを行うこ
とが困難である。 といった欠点がある。本発明における分極反転形成方法
はこれらの欠点を持たない有効な手段であるといえる。
Since the tip of the electrode finger is removed by etching, it is difficult to align the tip of the domain-inverted region (the end on the -Z side) with the optical waveguide when used as an optical waveguide device. There are drawbacks. It can be said that the polarization inversion forming method in the present invention is an effective means which does not have these disadvantages.

【0050】次に、本実施の形態における別の例とし
て、XカットのMgO:LN結晶基板に対して、上記オ
フカット基板の場合と同様の構成により、第1の領域に
分極反転部を形成する工程および第2の領域に分極反転
部を形成する工程により形成される分極反転部の様子を
詳しく示す。なお、ここではXカット基板について説明
するが、Yカット基板についても同様の効果が得られて
いる。図3は強誘電体結晶であるMgO:LN結晶のX
カット基板に分極方向とほぼ平行な方向に配置された電
極を用いて電界印加を行い、さらに既に分極反転が形成
された領域と少なくとも一部が重なるように新たに分極
反転を形成したときの基板内の分極反転領域を示す模式
図である。ここでは、第2の領域に分極反転部を形成す
る工程に用いる電極対を、第1の領域に分極反転部を形
成する工程で用いる電極対に対して−Z方向にずらして
形成した場合を示す。
Next, as another example of the present embodiment, a domain-inverted portion is formed in a first region of an X-cut MgO: LN crystal substrate by the same configuration as that of the above-mentioned off-cut substrate. The details of the domain-inverted portion formed in the step of forming the domain-inverted portion in the second region and the step of forming the domain-inverted portion in the second region will be described in detail. Although the X-cut substrate will be described here, the same effect can be obtained with a Y-cut substrate. FIG. 3 shows X of the MgO: LN crystal which is a ferroelectric crystal.
An electric field is applied to the cut substrate by using an electrode arranged in a direction substantially parallel to the polarization direction, and a substrate in which a new polarization inversion is formed so as to at least partially overlap a region where the polarization inversion has already been formed. FIG. 3 is a schematic diagram showing a domain-inverted region in FIG. Here, it is assumed that the electrode pair used in the step of forming the domain-inverted portion in the second region is shifted in the −Z direction with respect to the electrode pair used in the step of forming the domain-inverted portion in the first region. Show.

【0051】なお、図3(b)および図3(c)は図3
(a)の線分L−L’およびM−M’でそれぞれ切断
し、−Z面から見た場合の断面図である。また、図3
(e)および図3(f)は図3(d)を線分N−N’O
−O’で切断し、−Z面から見た場合の断面図である。
図3(a)、図3(b)および図3(c)は第1の領域
に形成された分極反転部を、また図3(d)、図3
(e)および図3(f)はさらに第2の領域に形成され
た分極反転部を表す図であり、線分N−N’およびO−
O’の位置はそれぞれ線分L−L’ およびM−M’の
位置と対応している。図3(a)から図3(f)におい
て10は単一分極化されたXカットのMgO:LN結晶
基板、11は第1の領域に形成される周期状の分極反転
部である。また、図3(d)、図3(e)および図3
(f)において12は第2の領域に形成される周期状の
分極反転部である。
FIG. 3B and FIG. 3C show FIG.
It is sectional drawing at the time of seeing from the -Z plane cut | disconnected by the line segment LL 'and MM' of (a), respectively. FIG.
3 (e) and FIG. 3 (f) show the state of FIG.
It is sectional drawing when it cut | disconnects at -O 'and sees from -Z plane.
FIGS. 3A, 3B, and 3C show the domain-inverted portions formed in the first region, and FIGS.
(E) and FIG. 3 (f) are diagrams showing the domain-inverted portions further formed in the second region, wherein the line segments NN ′ and O−
The positions of O 'correspond to the positions of line segments LL' and MM ', respectively. 3A to 3F, reference numeral 10 denotes a single-polarized X-cut MgO: LN crystal substrate, and reference numeral 11 denotes a periodic domain-inverted portion formed in the first region. 3 (d), 3 (e) and 3
In (f), reference numeral 12 denotes a periodically poled portion formed in the second region.

【0052】一般に、Xカット、あるいはYカット基板
において上記の方法で分極反転部を形成すると分極反転
厚みはZ軸方向に沿って小さくなる(図3(b)の分極
反転厚みに比べて、図3(c)の分極反転厚みが小さ
い)。これは基板表面に形成された電極対による電界強
度が、櫛形電極先端部近傍に比べて電極から遠い部分で
は小さくなるためである。従って、例えば電極間隔を数
100μmとしたときに分極反転厚みはZ方向に対して
均一にならないという問題があった。しかしながら、本
発明の分極反転形成方法を用いることにより均一な厚み
の分極反転部を大面積に形成することが可能となった。
In general, when a domain-inverted portion is formed on an X-cut or Y-cut substrate by the above-described method, the domain-inverted thickness decreases along the Z-axis direction (as compared with the domain-inverted thickness in FIG. 3B). 3 (c) is small in polarization inversion thickness). This is because the electric field strength due to the electrode pair formed on the substrate surface is smaller in the portion far from the electrode than in the vicinity of the tip of the comb-shaped electrode. Therefore, for example, there is a problem that the thickness of the domain-inverted structure is not uniform in the Z direction when the electrode interval is set to several 100 μm. However, by using the polarization inversion forming method of the present invention, it becomes possible to form a polarization inversion portion having a uniform thickness over a large area.

【0053】まず前述した工程により、MgO:LN結
晶基板10の第1の領域に分極反転部11を形成した。
具体的には、例えば周期3.2μmで分極反転厚みの最
大値が約1.0μmの周期状分極反転部11の形成が可
能であった。この分極反転厚みが最大となる位置(図3
(a)の線分L−L’断面)での分極反転幅は約1.5
μmであり、アスペクト比は約0.7であった。ところ
がZ軸方向に沿って分極反転部の厚みは徐々に減少し、
−Z方向に200μmの位置(図3(a)の線分M−
M’断面)での分極反転厚みは約0.75μmであっ
た。このときの分極反転幅は約1.5μmであり、分極
反転部11のアスペクト比は約0.5であった。
First, the domain-inverted portions 11 were formed in the first region of the MgO: LN crystal substrate 10 by the above-described steps.
Specifically, for example, it was possible to form the periodic domain-inverted portions 11 having a period of 3.2 μm and a maximum value of domain-inverted thickness of about 1.0 μm. The position where the polarization reversal thickness is maximum (FIG. 3
The polarization inversion width in the line segment LL ′ section (a) is about 1.5.
μm, and the aspect ratio was about 0.7. However, the thickness of the domain-inverted portion gradually decreases along the Z-axis direction,
−A position at 200 μm in the Z direction (the line segment M− in FIG.
The domain-inverted thickness at M ′ cross section was about 0.75 μm. At this time, the domain inversion width was about 1.5 μm, and the aspect ratio of the domain inversion section 11 was about 0.5.

【0054】このように、Xカット基板では分極反転部
のアスペクト比がZ方向に沿って変化している。そこ
で、本発明における分極反転形成方法である電極対の再
形成と電界印加を行い、第2の領域に分極反転部12を
形成したところ、分極反転部12が分極反転部11と重
なることにより図3(d)中のO−O’断面の分極反転
厚みを約1.0μmとすることができた。このとき、分
極反転幅は約1.5μmであり、分極反転部断面のアス
ペクト比は分極反転形成領域全体に渡って約0.7と均
一な周期状分極反転構造を形成することが可能となっ
た。
As described above, in the X-cut substrate, the aspect ratio of the domain-inverted portion changes along the Z direction. Then, when the domain-inverted portion 12 is formed in the second region by re-forming the electrode pair and applying an electric field, which are the domain-inverted formation methods of the present invention, the domain-inverted portion 12 overlaps the domain-inverted portion 11. The polarization inversion thickness of the OO ′ cross section in 3 (d) could be reduced to about 1.0 μm. At this time, the domain-inverted width is about 1.5 μm, and the aspect ratio of the domain-inverted portion cross section is about 0.7 over the entire domain-inverted formation region, so that a uniform periodic domain-inverted structure can be formed. Was.

【0055】次に、従来の電界印加による分極反転形成
方法に対して、本発明の分極反転形成方法を用いた場合
の効果および利点について述べる。本発明が解決した従
来の分極反転形成方法における問題点としては、 (1)オフカット基板における分極反転アスペクト比の
増大 (2)Xカット基板、Yカット基板における分極反転厚
みの均一化 がある。さらに本発明の構成上の利点としては、(1)
分極反転構造の集積度向上がある。以下では、それぞれ
について詳しく説明する。
Next, the effects and advantages of the case where the domain inversion forming method of the present invention is used in comparison with the conventional domain inversion forming method by applying an electric field will be described. The problems in the conventional domain inversion forming method solved by the present invention include (1) an increase in the domain inversion aspect ratio in the off-cut substrate and (2) a uniform domain inversion thickness in the X-cut substrate and the Y-cut substrate. Further, as an advantage of the configuration of the present invention, (1)
There is an improvement in the degree of integration of the domain-inverted structure. Hereinafter, each will be described in detail.

【0056】まず、電界印加によりMgO:LN結晶の
オフカット基板に分極反転を形成する際の分極反転部の
アスペクト比の増大について説明する。MgO:LN結
晶基板において分極反転厚みの増大をはかる一つの手段
としてオフカット基板を用いる方法が提案されており、
図4に示したようにオフカット角度の増大により同一周
期(例えば周期3μm)の場合において分極反転厚みを
増大することが可能であった。具体的には周期3μmで
は、0°カット基板(Xカット板またはYカット基板)
での分極反転厚みが1.0μmに対して、1.5°カッ
ト基板で約1.3μm、3°カット基板で1.8μm、
5°カット基板では2.2μmのものが形成可能であっ
た。
First, an increase in the aspect ratio of a domain-inverted portion when domain inversion is formed on an MgO: LN crystal off-cut substrate by application of an electric field will be described. A method using an off-cut substrate has been proposed as one means for increasing the thickness of polarization inversion in a MgO: LN crystal substrate.
As shown in FIG. 4, it was possible to increase the polarization inversion thickness in the case of the same period (for example, period of 3 μm) by increasing the off-cut angle. Specifically, at a period of 3 μm, a 0 ° cut substrate (X cut plate or Y cut substrate)
Is about 1.3 μm for a 1.5 ° cut substrate, 1.8 μm for a 3 ° cut substrate,
With a 5 ° cut substrate, a substrate of 2.2 μm could be formed.

【0057】しかしながら、オフカット角度の増大は特
にTEモードで発振する半導体レーザーとの光結合を前
提とした光導波路型デバイスにおいては結合ロス増大の
原因となるという問題があった。そこで、本発明におい
て図1に示すようにオフカットMgO:LN結晶基板の
第1の領域に分極反転部を形成し、さらに電極対の再形
成を行い、この電極対を介して既に分極反転が形成され
ている部分と一部が重なるように第2の領域に分極反転
部を形成し、分極反転厚みを増大することを試みた。
However, an increase in the off-cut angle causes a problem of an increase in coupling loss particularly in an optical waveguide device on the premise of optical coupling with a semiconductor laser oscillating in the TE mode. Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 1, a domain-inverted portion is formed in the first region of the off-cut MgO: LN crystal substrate, and the electrode pair is formed again. An attempt was made to increase the domain-inverted thickness by forming a domain-inverted portion in the second region so as to partially overlap the formed portion.

【0058】前述したように、オフカット基板において
形成された分極反転部の分極反転厚みdは基板角度θの
増大と共に増大する。このとき、アスペクト比は基板角
度の増大と共に増大するが、分極反転周期には依存しな
い。これは、分極反転部の発生および成長のメカニズム
に起因する。一般に分極反転領域は結晶の持つ自発分極
に対向する向きの電界が印加された部分に発生し、印加
された電荷量に依存し分極軸(Z軸)方向に沿って成長
する。しかしながら、基板内の電界強度分布は基板表面
の電極近傍から基板内部に向かって急速に小さくなって
いくため、分極反転厚みが制限される。また、分極反転
部の広がり(厚み方向および幅方向)は電界印加の際に
電子の移動(反転電流)によって発生する熱にも影響さ
れる。従って、分極反転厚みの増大をはかるために、例
えば高電界を長時間印加した場合には、反転厚みおよび
反転幅が増大する結果となる。
As described above, the domain-inverted thickness d of the domain-inverted portion formed in the off-cut substrate increases as the substrate angle θ increases. At this time, the aspect ratio increases as the substrate angle increases, but does not depend on the polarization inversion period. This is due to the mechanism of generation and growth of the domain-inverted portions. In general, a domain-inverted region is generated in a portion where an electric field in a direction opposite to spontaneous polarization of a crystal is applied, and grows along a polarization axis (Z-axis) direction depending on an applied charge amount. However, the electric field intensity distribution in the substrate rapidly decreases from the vicinity of the electrode on the substrate surface toward the inside of the substrate, so that the domain-inverted thickness is limited. Further, the spread (in the thickness direction and the width direction) of the domain-inverted portion is also affected by heat generated by electron movement (inversion current) when an electric field is applied. Therefore, when, for example, a high electric field is applied for a long time to increase the polarization inversion thickness, the inversion thickness and the inversion width increase.

【0059】しかしながら、特に波長変換デバイス等に
用いる周期状分極反転構造の形成においては、分極反転
部および非反転部のデューティー比制御が要求されるた
め、分極反転厚みdは形成する所望の分極反転周期によ
り制限されてしまう。我々は、短周期分極反転構造の形
成における分極反転部アスペクト比の増大には、分極反
転厚みのさらなる増大をはかる必要があると考え、本発
明において図1に示すように、電極対の再形成と、再形
成された電極対を用いた電界印加を行うことで、既に分
極反転が形成された領域と少なくとも一部が重なるよう
な分極反転領域を形成することを提案し、これによりオ
フカット基板における分極反転厚みの大幅な増大をはか
ることを可能にした。
However, in particular, in forming a periodically poled structure used for a wavelength conversion device or the like, it is necessary to control the duty ratio of the poled portion and the non-inverted portion. It is limited by the period. We believe that in order to increase the aspect ratio of the domain-inverted portion in the formation of the short-period domain-inverted structure, it is necessary to further increase the domain-inverted thickness. In the present invention, as shown in FIG. And applying an electric field using the re-formed electrode pair to form a domain-inverted region that at least partially overlaps the domain in which the domain inversion has already been formed. , It is possible to significantly increase the thickness of the domain-inverted layer.

【0060】特に分極反転幅の広がりを一定に保ったま
まで分極反転厚みを増大するという効果が大きく、高ア
スペクト比の周期状分極反転構造の形成が可能になっ
た。これにより具体的には0°<θ≦7°のオフカット
基板において周期2.0〜3.0μmの分極反転を形成
し、従来に比べ1.3倍以上の分極反転厚みを得ること
ができた。特にTEモード半導体レーザーとの低ロス光
結合が期待できる3°以下のオフカット基板においては
効果が著しく、例えば、光導波路型光波長変換素子に用
いる場合に、最も効率の良い擬似位相整合状態を形成
し、かつ光導波路断面に対して分極反転構造部分との重
なりを大きくすることができ、導波光と分極反転部との
オーバーラップを高め、より高変換効率の光波長変換素
子を作製することができた。
In particular, the effect of increasing the thickness of the domain-inverted domain while maintaining the width of the domain-inverted domain constant is great, and a periodic domain-inverted structure having a high aspect ratio can be formed. As a result, a domain inversion with a period of 2.0 to 3.0 μm can be formed on an off-cut substrate of 0 ° <θ ≦ 7 °, and a domain inversion thickness of 1.3 times or more as compared with the related art can be obtained. Was. In particular, the effect is remarkable in an off-cut substrate of 3 ° or less where low-loss optical coupling with a TE mode semiconductor laser can be expected. For example, when used in an optical waveguide type optical wavelength conversion element, the most efficient quasi-phase matching state is obtained. It is possible to increase the overlap between the domain-inverted structure portion and the cross-section of the optical waveguide and to increase the overlap between the guided light and the domain-inverted portion, thereby producing an optical wavelength conversion element with higher conversion efficiency. Was completed.

【0061】次に、電界印加によりMgO:LN結晶の
XカットおよびYカット基板に分極反転を形成する際の
分極反転厚みの均一化について説明する。前述したよう
に、Xカット、あるいはYカット基板において電界印加
により分極反転部を形成すると分極反転厚みはZ軸方向
に沿って小さくなる。これは基板表面に形成された電極
対による電界強度が、例えば櫛形電極先端部近傍に比べ
て電極から遠い部分では小さくなるためである。従っ
て、分極反転厚みはZ方向に対して均一にならないとい
う問題があった。
Next, a description will be given of the homogenization of the domain inversion thickness when domain inversion is formed on the X-cut and Y-cut substrates of the MgO: LN crystal by applying an electric field. As described above, when a domain-inverted portion is formed by applying an electric field to an X-cut or Y-cut substrate, the domain-inverted thickness decreases along the Z-axis direction. This is because the electric field strength due to the electrode pair formed on the substrate surface is smaller in a portion far from the electrode, for example, in the vicinity of the tip of the comb-shaped electrode. Therefore, there is a problem that the domain-inverted thickness is not uniform in the Z direction.

【0062】しかしながら、本発明の分極反転形成方法
を用いることにより、電極指近傍の厚い分極反転部をZ
方向にずらして徐々に形成することができ、均一な厚み
の分極反転部を大面積に形成することが可能となった。
これにより、例えば、従来、分極反転形成領域(Z方向
に数100μm)に30〜50μmおきに光導波路を形
成して光導波路型デバイスを作製した場合、導波路間の
特性が大きくばらつくという問題があったが、このばら
つきを回避し、均一な特性のデバイスを作製できるとい
う効果があった。
However, by using the polarization inversion forming method of the present invention, the thick polarization inversion portion near the electrode finger can
It can be formed gradually by shifting in the direction, and a domain-inverted portion having a uniform thickness can be formed in a large area.
Accordingly, for example, conventionally, when an optical waveguide device is manufactured by forming an optical waveguide every 30 to 50 μm in a domain-inverted formation region (several 100 μm in the Z direction), there is a problem that characteristics between the waveguides greatly vary. However, there is an effect that this variation can be avoided and a device having uniform characteristics can be manufactured.

【0063】また、本実施の形態に示したように、電界
印加により分極反転を形成し、さらに電極対の再形成
と、再形成された電極対への電界印加を行うことより、
既に分極反転が形成されている部分と一部が重なるよう
に分極反転部を形成することによる別の効果として、形
成することのできる周期状分極反転領域集積度を向上す
ることができるという利点があった。これは、MgO:
LN結晶基板の同一主面に正負の電極を繰り返し再形成
するということにより可能になった。従来の分極反転形
成方法と本発明の分極反転形成方法における分極反転形
成領域集積度の違いを図6に示す。
As shown in the present embodiment, the domain inversion is formed by applying an electric field, and the electrode pair is re-formed and the electric field is applied to the re-formed electrode pair.
As another effect of forming the domain-inverted portion so that a part thereof partially overlaps with a domain in which domain-inversion has already been formed, there is an advantage that the integration density of the periodic domain-inverted region that can be formed can be improved. there were. This is MgO:
This is made possible by repeatedly forming positive and negative electrodes on the same main surface of the LN crystal substrate. FIG. 6 shows the difference in the degree of integration of the domain inversion formation region between the conventional domain inversion formation method and the domain inversion formation method of the present invention.

【0064】図6(a)は電界印加による分極反転形成
を行う場合の電極構造の例を、図6(b)は従来の分極
反転形成方法において形成される分極反転の様子を、図
6(c)は本発明の分極反転形成方法の場合における形
成される分極反転部の様子を示す。図6(a)、図6
(b)および図6(c)において13はオフカットのM
gO:LN結晶基板である。また、図6(a)において
14aは周期状パターンを有する櫛形電極、14bはス
トライプ状電極、15は電源である。櫛形電極14a、
ストライプ状電極14bはMgO:LN結晶基板13の
同一主面上に形成配置されている。このとき、櫛形電極
14aは電極14bに対して+Z軸側に配置されてい
る。
FIG. 6A shows an example of an electrode structure in the case of performing domain inversion by applying an electric field, and FIG. 6B shows a state of domain inversion formed by a conventional domain inversion method. c) shows the state of the domain-inverted portion formed in the case of the domain-inverted formation method of the present invention. 6 (a), 6
13 (b) and FIG. 6 (c), 13 is the M of the off cut.
gO: LN crystal substrate. 6A, reference numeral 14a denotes a comb-shaped electrode having a periodic pattern, 14b denotes a striped electrode, and 15 denotes a power supply. Comb-shaped electrode 14a,
The striped electrodes 14b are formed and arranged on the same main surface of the MgO: LN crystal substrate 13. At this time, the comb-shaped electrode 14a is arranged on the + Z-axis side with respect to the electrode 14b.

【0065】また、L1、L2はそれぞれ、隣接する電
極間の間隔を示す。また、ストライプ状電極14bは櫛
形電極14aと1対1の対応関係を持つように配置され
ている。また、図6(b)および図6(c)において1
6は形成された分極反転部である。このような構成にお
いて電源15を用いて電界印加を行う場合には、形成さ
れる分極反転は櫛形電極14の電極指先端部直下に発生
し、−Z軸方向に向かって成長する。
L1 and L2 indicate the distance between adjacent electrodes, respectively. The stripe electrodes 14b are arranged so as to have a one-to-one correspondence with the comb electrodes 14a. 6 (b) and 6 (c).
Reference numeral 6 denotes the formed domain-inverted portion. When an electric field is applied using the power supply 15 in such a configuration, the formed domain inversion occurs immediately below the tip of the electrode finger of the comb-shaped electrode 14 and grows in the −Z-axis direction.

【0066】図6(a)の電極構造においては、電界印
加における絶縁破壊を防止するために電極の間隔L1お
よびL2を200μm以上とする必要があった。さらに
望ましくは絶縁破壊を大幅に低減するために間隔L1お
よびL2を400μm以上とする必要があった。従っ
て、上記の間隔に依存して、図6(b)における周期状
分極反転形成領域の密度(単位面積辺りの周期状分極反
転構造の数)が制限されていた。一方、本発明の分極反
転形成方法においては、電極対の再形成と電界印加を行
うので、図6(c)のような分極反転構造が形成可能で
ある。即ち、電極間隔に関わらず、MgO:LN結晶基
板のほぼ全面に渡って同一周期の高アスペクト比を有す
る周期状分極反転構造を形成することが可能である。
In the electrode structure shown in FIG. 6A, the distances L1 and L2 between the electrodes need to be 200 μm or more in order to prevent dielectric breakdown when an electric field is applied. More desirably, the intervals L1 and L2 need to be 400 μm or more in order to greatly reduce dielectric breakdown. Therefore, the density of the periodically poled regions (the number of periodically poled structures per unit area) in FIG. 6B is limited depending on the distance. On the other hand, in the domain-inverted formation method of the present invention, since the electrode pair is reformed and the electric field is applied, a domain-inverted structure as shown in FIG. 6C can be formed. That is, it is possible to form a periodic domain-inverted structure having the same period and a high aspect ratio over almost the entire surface of the MgO: LN crystal substrate regardless of the electrode interval.

【0067】我々は、L1およびL2を400μmと
し、電極の再形成および電界印加を繰り返すことによ
り、均一な周期状分極反転構造をZ方向に10mmの長
さを有するMgO:LN基板のZ方向全ての領域に渡っ
て周期状分極反転を均一に形成することに成功した。こ
のときの電極対のずらし量は約25μmであった。これ
により周期状分極反転構造の集積度を向上することがで
きた。従って、例えばウエハー状のMgO:LN結晶基
板から光導波路型波長変換素子を作製する場合におい
て、同一結晶基板から作製可能な素子の数を従来の10
〜15倍以上にすることができるという利点があった。
特に、周期状分極反転を利用する光導波路型デバイスに
おいて、従来、相互作用の効率の面から光導波路が形成
不可能であった部分(分極反転厚みが小さい部分)への
光導波路形成が可能になり、例えばMgO:LN結晶基
板の有効面積(光導波路型デバイスとして利用可能な面
積)を10倍以上にすることができるという効果があっ
た。
By setting L1 and L2 to 400 μm and repeating electrode re-formation and electric field application, a uniform periodic domain-inverted structure is formed in the Z direction of the MgO: LN substrate having a length of 10 mm in the Z direction. The periodic polarization reversal was successfully formed uniformly over the region. The amount of displacement of the electrode pair at this time was about 25 μm. As a result, the degree of integration of the periodically poled structure was improved. Therefore, for example, when manufacturing an optical waveguide type wavelength conversion element from a wafer-like MgO: LN crystal substrate, the number of elements that can be manufactured from
There is an advantage that it can be increased up to 15 times or more.
In particular, in an optical waveguide type device using periodic polarization inversion, it is possible to form an optical waveguide in a portion where an optical waveguide could not be formed conventionally (a portion having a small polarization inversion thickness) from the viewpoint of interaction efficiency. Thus, for example, there is an effect that the effective area of the MgO: LN crystal substrate (the area that can be used as an optical waveguide device) can be increased by 10 times or more.

【0068】なお、本実施の形態においてはMgO:L
N結晶基板のオフカット基板およびXカット、Yカット
基板における分極反転形成方法を例に取り説明してきた
が、強誘電体結晶として、LiNbO3(以下LNと略
す)、LiTaO3(以下LTと略す)、あるいはZn
やIn、Sc等をドープしたLN、LT等を用いた場合
においても本発明の分極反転形成方法により分極反転形
成が可能であり、また上記の各結晶のXカット基板、Y
カット基板およびオフカット基板を用いた場合において
も、電界印加により分極反転部を形成し、さらに電極対
の再形成を行い、この電極対を介して電界印加を行うこ
とにより、既に分極反転が形成されている部分と一部が
重なるようにさらに分極反転部を形成し、分極反転厚み
を増大することができるという効果が得られた。これに
より形成される分極反転厚みをそれぞれ約1.3倍に増
大することができた。
In the present embodiment, MgO: L
Offcut substrate and X-cut of N crystal substrate has been described taking as an example the polarization inversion forming method of Y-cut substrate, a ferroelectric crystal, (hereinafter referred to as LN) LiNbO 3, abbreviated as LiTaO 3 (hereinafter LT ) Or Zn
Even when LN, LT, or the like doped with In, Sc, or the like is used, domain-inverted formation can be performed by the domain-inverted formation method of the present invention.
Even when a cut substrate and an off-cut substrate are used, a domain-inverted portion is formed by applying an electric field, a pair of electrodes is re-formed, and an electric field is applied through this pair of electrodes. Further, a domain-inverted portion is further formed so that a part of the domain-inverted portion is overlapped, and the effect that the domain-inverted thickness can be increased can be obtained. As a result, the thickness of the domain-inverted layers formed could be increased about 1.3 times.

【0069】(実施の形態2)本実施の形態において
は、強誘電体結晶の異なる領域に分極反転部を形成する
工程において、分極反転形成領域の距離によって形成さ
れる分極反転部の形状制御を行う方法について詳しく説
明する。接触電極による電界印加法により強誘電体結晶
中に周期状分極反転構造を形成するには、一般に強誘電
体結晶表面の分極方向とほぼ平行な方向に電極対を形成
する。オフカット基板においては、同一主面内に電極対
が形成されることになる。周期状分極反転構造を形成す
る場合には、少なくとも結晶の+Z軸側に配置されてい
る電極を、所望の周期状分極反転構造に対応するパター
ンにする必要がある。これは、形成される分極反転が、
+Z軸側から発生し成長するためである。
(Embodiment 2) In the present embodiment, in the step of forming domain-inverted portions in different regions of a ferroelectric crystal, the shape of domain-inverted portions formed by the distance between domain-inverted formation regions is controlled. The method for performing the above will be described in detail. In order to form a periodically poled structure in a ferroelectric crystal by an electric field application method using a contact electrode, an electrode pair is generally formed in a direction substantially parallel to the polarization direction of the ferroelectric crystal surface. In the off-cut substrate, an electrode pair is formed in the same main surface. When a periodic domain-inverted structure is formed, it is necessary that at least the electrode arranged on the + Z-axis side of the crystal has a pattern corresponding to a desired periodic domain-inverted structure. This is because the polarization reversal that is formed
This is because they are generated and grown from the + Z axis side.

【0070】このように形成された電極対間に、強誘電
体結晶の自発分極の負側(−Z軸側)にある電極の電位
が低くなるように数kV/mm〜数10kV/mmの電
圧を印加することによって、自発分極の反転を生じさせ
ることができる。しかしながら、従来の電界印加法にお
いては、 (1)形成される周期状分極反転の各分極反転部の幅が
周期状パターン電極の各電極指(周期状部分)の幅より
も太く形成される(1μmの電極指幅に対して、形成さ
れる分極反転幅が2μm以上になる) (2)同時の電界印加によって形成される各分極反転部
の幅および形状にばらつきが生じる (3)短周期の分極反転構造形成において基板の厚み方
向の分極反転厚み増大が困難である といった課題があった。
A voltage of several kV / mm to several tens of kV / mm is applied between the electrode pair formed in this manner so that the potential of the electrode on the negative side (−Z-axis side) of the spontaneous polarization of the ferroelectric crystal becomes low. By applying a voltage, inversion of spontaneous polarization can be caused. However, in the conventional electric field application method, (1) the width of each domain-inverted portion of the formed periodic domain-inversion is formed larger than the width of each electrode finger (periodic portion) of the periodic pattern electrode ( (For an electrode finger width of 1 μm, the formed polarization inversion width becomes 2 μm or more.) (2) Variation occurs in the width and shape of each polarization inversion portion formed by simultaneous electric field application. (3) Short period In the formation of the domain-inverted structure, there is a problem that it is difficult to increase the domain-inverted thickness in the thickness direction of the substrate.

【0071】特に3〜4μm程度という短周期の周期状
分極反転構造を形成する場合には、上記の課題を解決す
ることが重要であった。光導波路型波長変換素子などの
光導波路型デバイスにおいては、光導波路を伝搬する伝
搬光と分極反転部のオーバーラップが変換効率に大きく
寄与するため、分極反転の周期方向への広がりを抑えな
がら、より厚い分極反転を形成する手段が望まれてい
た。オフカット基板において、分極反転部の形状は分極
反転核発生領域(電極直下の分極反転領域)の形状と相
関があるため、上記の課題を解決するには、強誘電体結
晶表面に発生する分極反転核発生領域の形状を制御する
必要があった。
In particular, when forming a periodically poled structure having a short period of about 3 to 4 μm, it is important to solve the above problems. In an optical waveguide device such as an optical waveguide wavelength conversion element, the overlap between the propagation light propagating through the optical waveguide and the domain inversion portion greatly contributes to the conversion efficiency. Means for forming a thicker polarization inversion have been desired. In the off-cut substrate, the shape of the domain-inverted portion has a correlation with the shape of the domain-inverted nucleus generation region (domain-inverted region immediately below the electrode). It was necessary to control the shape of the inversion nucleation region.

【0072】これまで分極反転核発生領域の形状制御
は、強誘電体表面に形成する電極の形状や印加電界条件
等により行われてきた。しかしながら所望の分極反転形
状(厚み、周期、均一性)を得るためには不十分であっ
たため、実施の形態1で示した方法により検討を行って
きた。我々は検討の中で、分極反転部を形成しようとす
る領域(即ち電極の−Z側の先端部)に対して−Z方向
に、既に分極反転された領域がわずかに離れた距離で存
在している場合には、領域間(既に分極反転部がある領
域と、新たに形成される分極反転部の間の非反転領域)
を埋めるように分極反転核発生領域が拡大され、形成さ
れる分極反転部が融合するということを発見した。
Heretofore, the shape of the domain-inverted nucleus generation region has been controlled by the shape of the electrode formed on the surface of the ferroelectric material, the conditions of the applied electric field, and the like. However, it was insufficient to obtain a desired domain-inverted shape (thickness, period, uniformity). Therefore, the method described in the first embodiment has been studied. We have considered in the study that a domain that has already been domain-inverted exists in the -Z direction at a slight distance from the area where the domain-inverted portion is to be formed (i.e., the tip on the -Z side of the electrode). If not, between the regions (the region where the domain-inverted portion is already present and the non-inverted region between the domain-inverted portion newly formed)
It has been discovered that the domain-inverted nucleus generation region is expanded so as to fill the gap, and the domain-inverted portion formed is fused.

【0073】本発明の特徴は、実施の形態1で示した方
法とは異なり、間隔を有した異なる領域において分極反
転部を形成する方法であり、間隔を制御することによっ
て領域間に分極反転領域を拡大形成し、分極反転部の形
状を制御する点にある。これにより最終的に形成される
分極反転形状の制御を行い、オフカット角度の小さい基
板における分極反転形成、あるいは短周期の周期状分極
反転形成において、高アスペクト比の分極反転部の形成
が可能になった。本実施の形態においては、強誘電体結
晶基板としてオフカットのMgO:LN結晶基板を用い
た場合について説明する。
A feature of the present invention is that, unlike the method shown in the first embodiment, a method of forming a domain-inverted portion in a different region having an interval, and controlling the interval to form a domain-inverted region between regions. In that the shape of the domain-inverted portion is controlled. By controlling the finally formed domain-inverted shape, it is possible to form domain-inverted portions with a high aspect ratio in domain-inverted formation on a substrate with a small off-cut angle or in short-period periodic domain-inverted formation. became. In the present embodiment, a case will be described in which an off-cut MgO: LN crystal substrate is used as a ferroelectric crystal substrate.

【0074】まず、本発明の分極反転形成方法について
図を用いて説明する。図7に本発明の実施の形態2であ
るオフカットのMgO:LN結晶基板に分極反転を形成
する方法の構成図の一例を示す。なお、図7(c)は図
7(b)を線分D−D’で切断し、−Z面から見た場合
の断面図である。また図7(a)は、既に第1の分極反
転部が形成されているMgO:LN結晶において第2の
領域に分極反転部を形成する工程における構成を表す図
である。図7(a)から図7(c)において17は単一
分極化されたオフカットのMgO:LN結晶基板、18
は第1の領域に形成された周期状の分極反転部である。
First, the polarization inversion method of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 shows an example of a configuration diagram of a method for forming domain inversion on an off-cut MgO: LN crystal substrate according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7C is a cross-sectional view when FIG. 7B is cut along line DD ′ and viewed from the −Z plane. FIG. 7A is a diagram illustrating a configuration in a step of forming a domain-inverted portion in a second region in an MgO: LN crystal in which a first domain-inverted portion has already been formed. In FIGS. 7A to 7C, reference numeral 17 denotes a single-polarized off-cut MgO: LN crystal substrate;
Is a periodically poled portion formed in the first region.

【0075】また、図7(a)において21は電源、2
2aはMgO:LN結晶基板17の第1の主面(+X
面)に形成された周期状パターンを有する櫛形電極、2
2bは櫛形電極22aと対をなすストライプ状電極、L
3は第1の分極反転形成領域と第2の分極反転形成領域
との間隔である。また、図7(b)および図7(c)に
おいて、19は第2の領域に形成される周期状の分極反
転部、20は第1の領域と第2の領域との間の領域に形
成された分極反転部である。このとき、櫛形電極22a
は形成される分極反転部19の周期に対応する周期状パ
ターンを持ち、本実施の形態では分極反転部18と同一
の周期を持つものとする。なお、電源21は印加電圧、
印加時間および立ち上がり速度を制御することが可能な
パルス電界発生源である。
In FIG. 7A, reference numeral 21 denotes a power source, 2
2a is the first main surface of the MgO: LN crystal substrate 17 (+ X
Surface), a comb-shaped electrode having a periodic pattern formed on
2b is a striped electrode paired with the comb electrode 22a, L
Reference numeral 3 denotes a distance between the first domain inversion forming region and the second domain inversion forming region. 7B and FIG. 7C, reference numeral 19 denotes a periodic domain-inverted portion formed in the second region, and reference numeral 20 denotes a region formed between the first region and the second region. This is the polarization reversal part. At this time, the comb-shaped electrode 22a
Has a periodic pattern corresponding to the period of the domain-inverted portions 19 to be formed, and has the same period as the domain-inverted portions 18 in the present embodiment. The power supply 21 is an applied voltage,
It is a pulsed electric field generation source capable of controlling the application time and the rising speed.

【0076】本実施の形態においては、MgO:LN結
晶基板として厚み約500μmの1.5°カットX基板
を用い、櫛形電極22aの電極指は長さ40〜100μ
m、幅1μm、周期2〜3μmで形成した。櫛形電極2
2a、ストライプ状電極22bを形成する材料として
は、Ta(タンタル)、Al(アルミニウム)、Cu
(銅)、Au(金)、Ag(銀)等をはじめとする導電
性材料の利用が可能であるが、特に抵抗率が1.0×1
-7Ωm以下の材料を用いることにより、電界印加時の
電極直下の電界強度分布を均一にすることができるた
め、形成される分極反転部19および20の均一性を高
めることができた。
In the present embodiment, a 1.5 ° cut X substrate having a thickness of about 500 μm is used as the MgO: LN crystal substrate, and the electrode fingers of the comb-shaped electrode 22 a have a length of 40 to 100 μm.
m, width 1 μm, period 2-3 μm. Comb electrode 2
2a and the material forming the striped electrode 22b are Ta (tantalum), Al (aluminum), Cu
Although conductive materials such as (copper), Au (gold), and Ag (silver) can be used, the resistivity is particularly 1.0 × 1.
By using a material of 0 -7 Ωm or less, the electric field intensity distribution immediately below the electrode when an electric field is applied can be made uniform, so that the uniformity of the domain-inverted portions 19 and 20 formed can be improved.

【0077】以上のように構成された分極反転形成方法
について、以下でその動作を述べる。本実施の形態にお
いてはTa電極を用いた場合について説明する。上記の
第2の領域に分極反転部を形成する工程で用いる櫛形電
極22aおよびストライプ状電極22bの厚みを数10
0Å〜2000Åで形成した。櫛形電極22a、ストラ
イプ状電極22bの形成は、蒸着やスパッタリング等に
よりMgO:LN結晶基板17表面にTa薄膜を成膜
し、フォトリソグラフィープロセス及びエッチングプロ
セス、あるいはリフトオフ等を用いることにより容易に
行うことができた。
The operation of the polarization inversion method configured as described above will be described below. In this embodiment, a case where a Ta electrode is used will be described. The thickness of the comb-shaped electrode 22a and the stripe-shaped electrode 22b used in the step of forming the domain-inverted portion in the second region is set to several tens.
It was formed between 0 ° and 2000 °. The comb-shaped electrode 22a and the striped electrode 22b can be easily formed by forming a Ta thin film on the surface of the MgO: LN crystal substrate 17 by vapor deposition, sputtering, or the like, and using a photolithography process, an etching process, or a lift-off process. Was completed.

【0078】このようにして形成された櫛形電極22a
とストライプ状電極22bを介して電源21を用いてM
gO:LN結晶基板17に対して電界印加を行うことに
より分極反転部19を形成することが可能であった。電
界印加は、不活性絶縁液中において行い、櫛形電極22
aおよびストライプ状電極22bに外部電極を接触さ
せ、これらの電極を介して電源21からのパルス電界を
MgO:LN結晶基板17に印加した。このとき、Mg
O:LN結晶基板17の+Z軸側に配置された櫛形電極
22aの電位が、−Z軸側に配置されたストライプ状電
極22bの電位よりも高くなるようにして、印加電圧が
〜数10kV/mm、印加時間が20ms以下のパルス
電界を印加することにより電界印加を行った。
The comb-shaped electrode 22a thus formed
And M using the power source 21 via the stripe-shaped electrode 22b.
By applying an electric field to the gO: LN crystal substrate 17, the domain-inverted portions 19 could be formed. The electric field is applied in an inert insulating liquid, and the
An external electrode was brought into contact with a and the stripe-shaped electrode 22b, and a pulse electric field from the power supply 21 was applied to the MgO: LN crystal substrate 17 through these electrodes. At this time, Mg
O: The potential of the comb-shaped electrode 22a arranged on the + Z-axis side of the LN crystal substrate 17 is higher than the potential of the stripe-shaped electrode 22b arranged on the -Z-axis side. An electric field was applied by applying a pulsed electric field having an application time of 20 ms or less in mm.

【0079】強誘電体結晶に電界印加を行い分極反転部
を形成する際には反転電流と呼ばれる微少電流が流れ
る。これは電界印加の際に電子の移動が生じるために発
生するものであり、単一分極化された強誘電体結晶に対
して電界を印加する際には分極反転の成長方向(即ち分
極方向)に沿って流れる。このとき、分極反転形成領域
の近傍、特に−Z側に既に分極反転部が形成された領域
が存在する場合には反転電流がその領域に向かって流れ
ようとする。これは、分極反転部の分極方向が強誘電体
結晶にかかる電界の方向に対して順方向にあるためであ
り、これにより実質的に非反転領域に比べ電流の流れや
すい領域になっているからである。このようにして既に
分極反転が形成されている領域に向かって流れる反転電
流に起因して分極反転形成領域間の非反転部においても
分極反転部が形成されることになる。
When an electric field is applied to the ferroelectric crystal to form a domain inversion portion, a minute current called an inversion current flows. This is because electrons move when an electric field is applied. When an electric field is applied to a single-polarized ferroelectric crystal, the growth direction of polarization reversal (that is, the polarization direction) Flows along. At this time, if there is a region where a domain-inverted portion has already been formed in the vicinity of the domain-inverted formation region, particularly on the −Z side, the reversal current tends to flow toward that region. This is because the polarization direction of the domain-inverted portion is in the forward direction with respect to the direction of the electric field applied to the ferroelectric crystal, and this makes it a region where current flows more easily than the non-inverted region. It is. In this way, a domain-inverted portion is also formed in a non-inverted portion between domain-inverted regions due to an inversion current flowing toward a region in which domain inversion has already been formed.

【0080】我々はこの現象についてさらに調査し、こ
のような現象が生じるのは既に形成されている分極反転
領域と、新たに分極反転部が形成される領域との距離
(間隔L3)が10μm以下の場合に限られるという知
見を得た。また、このとき形成される分極反転部の形状
は、図7(c)に示すように、第1の領域に形成された
分極反転部18および第2の領域に形成された分極反転
部19の幅(周期方向広がり)に比べ、第1の領域と第
2の領域との間の領域に形成された分極反転部20の幅
が小さくなる。これは分極反転形成領域間において反転
電流の流れる領域が限定されていることに起因する。分
極反転部20の幅は分極反転形成領域の間隔L3によっ
て決定され、間隔L3が大きいほど分極反転部20の幅
は小さくなった。本発明における分極反転形成方法を用
いることにより、分極反転部の周期方向広がりを抑えた
ままで分極反転厚みを増大することが可能であるという
効果が得られた。
We have further investigated this phenomenon and found that such a phenomenon occurs when the distance (interval L3) between the already formed domain-inverted region and the region where the domain-inverted portion is newly formed is 10 μm or less. It was found that it was limited to the case. The shape of the domain-inverted portion formed at this time is, as shown in FIG. 7C, the domain-inverted portion 18 formed in the first region and the domain-inverted portion 19 formed in the second region. The width of the domain-inverted portion 20 formed in the region between the first region and the second region is smaller than the width (spread in the periodic direction). This is because the region where the reversal current flows is limited between the domain inversion forming regions. The width of the domain-inverted portions 20 is determined by the interval L3 between the domain-inverted formation regions. The larger the interval L3, the smaller the width of the domain-inverted portions 20. By using the domain-inverted formation method of the present invention, the effect that the domain-inverted thickness can be increased while suppressing the domain-inverted portion from spreading in the periodic direction is obtained.

【0081】具体的には、1.5°カットのMgO:L
N結晶基板において、上記の間隔L3を約5μmとした
場合において、周期2〜3μmの周期状分極反転部を形
成し、従来に比べ1.5倍以上の分極反転厚みを得るこ
とができた。このとき分極反転部/非反転部のデューテ
ィー比はほぼ1:1とすることが可能であった。特にオ
フカット角θが0.5°≦θ≦7°である強誘電体結晶
内に、本実施の形態で示した分極反転形成方法により周
期3μm以下の周期状分極反転構造を形成した場合にお
いては、分極方向と垂直な方向の分極反転断面におい
て、分極反転厚みdと分極反転幅wとの比d/wを1.
0とすることができた。
Specifically, 1.5 ° cut MgO: L
In the N-crystal substrate, when the interval L3 was set to about 5 μm, a periodic domain-inverted portion having a period of 2 to 3 μm was formed, and a domain-inverted thickness 1.5 times or more as compared with the conventional example could be obtained. At this time, the duty ratio of the domain-inverted portion / non-inverted portion could be made approximately 1: 1. In particular, when a periodically poled structure having a period of 3 μm or less is formed in a ferroelectric crystal having an off-cut angle θ of 0.5 ° ≦ θ ≦ 7 ° by the domain inversion forming method described in the present embodiment. Sets the ratio d / w of the polarization inversion thickness d to the polarization inversion width w in the domain inversion section perpendicular to the polarization direction to 1.
It could be set to 0.

【0082】また、1.5°カット基板において、上記
間隔L3が5μmより大きい場合には、分極反転断面に
おいて第2の領域に形成された分極反転厚みが小さくな
るため、第1の領域、第2の領域、および第1の領域と
第2の領域の間に形成される分極反転のトータルの厚み
が小さくなってしまったり、あるいは第1の領域と第2
の領域の間に分極反転部の形成が不十分なため、基板厚
み方向に対して分極反転部が離れて形成されてしまった
りすることが分かった。これはいずれのオフカット角度
の基板においても最適な間隔L3が存在することを示し
ている。
In the 1.5 ° cut substrate, when the distance L3 is larger than 5 μm, the domain-inverted thickness formed in the second region in the domain-inverted cross section becomes small, so that the first region and the region Region 2 and the total thickness of domain inversion formed between the first region and the second region is reduced, or the first region and the second region
It has been found that the domain-inverted portions are formed in a distance from the substrate thickness direction due to insufficient formation of domain-inverted portions between the regions. This indicates that the optimum interval L3 exists in the substrates having any of the off-cut angles.

【0083】なお、本実施の形態においては、間隔を有
した異なる領域において分極反転部を形成する方法の一
例として、第1の領域にあらかじめ分極反転部を形成し
た場合について説明したが、第1の領域および第2の領
域に同時に分極反転部を形成する方法においても、分極
反転形成領域の間の領域に分極反転領域を誘起し最終的
に得られる分極反転形状を制御することができた。これ
について図8および図9を用いて説明する。
In this embodiment, as an example of a method of forming a domain-inverted portion in a different region having an interval, a case where a domain-inverted portion is formed in advance in a first region has been described. In the method of simultaneously forming the domain-inverted portions in the region and the second region, a domain-inverted region was induced in the region between the domain-inverted formation regions, and the domain-inverted shape finally obtained could be controlled. This will be described with reference to FIGS.

【0084】図8に本発明の実施の形態2であるオフカ
ットのMgO:LN結晶基板に分極反転を形成する方法
の別の例を示す。なお、図8(b)は図8(a)を−Y
面から見た場合の断面図である。図8(a)および図8
(b)において23は単一分極化されたオフカットのM
gO:LN結晶基板、24aはMgO:LN結晶基板2
3の第1の主面(+X面)に形成された周期状パターン
を有する島状電極(櫛形電極の電極指先に電気的に独立
して形成された島状の電極を有するパターン電極)、2
4bは島状電極24aと対をなすストライプ状電極、L
4は島状電極24aのパターン間隔、25は電源であ
る。また、図8(b)において26は島状電極24a直
下の領域から形成される分極反転部、27は分極反転部
26の間の領域に誘起される分極反転部である。
FIG. 8 shows another example of a method for forming domain inversion on an off-cut MgO: LN crystal substrate according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8B shows FIG. 8A as -Y.
It is sectional drawing when it sees from a surface. FIG. 8A and FIG.
In (b), 23 is a single-polarized off-cut M
gO: LN crystal substrate, 24a is MgO: LN crystal substrate 2
3, an island electrode having a periodic pattern formed on the first main surface (+ X plane) (a pattern electrode having an island electrode electrically independently formed on an electrode fingertip of a comb-shaped electrode);
4b is a striped electrode paired with the island electrode 24a, L
4 is a pattern interval of the island-shaped electrodes 24a, and 25 is a power supply. In FIG. 8B, reference numeral 26 denotes a domain-inverted portion formed from a region immediately below the island-shaped electrode 24a, and reference numeral 27 denotes a domain-inverted portion induced in a region between the domain-inverted portions 26.

【0085】以上のように構成された分極反転形成方法
について、以下でその動作を述べる。本実施の形態にお
いてはTa電極を用いた場合について説明する。上記の
島状電極24aおよびストライプ状電極24bの厚みを
数100Å〜2000Åで形成した。島状電極24aと
ストライプ状電極24bの形成は、蒸着やスパッタリン
グ等によりMgO:LN結晶基板23表面にTa薄膜を
成膜し、フォトリソグラフィープロセス及びエッチング
プロセス、あるいはリフトオフ等を用いることにより容
易に行うことができた。このようにして形成された島状
電極24aとストライプ状電極24bを介して電源25
を用いてMgO:LN結晶基板23に対して電界印加を
行うことにより分極反転部26および27を形成するこ
とが可能であった。
The operation of the polarization inversion forming method configured as described above will be described below. In this embodiment, a case where a Ta electrode is used will be described. The thickness of the above-mentioned island-like electrode 24a and stripe-like electrode 24b was formed in a range of several hundreds to 2000 degrees. The formation of the island-like electrodes 24a and the stripe-like electrodes 24b is easily performed by forming a Ta thin film on the surface of the MgO: LN crystal substrate 23 by vapor deposition, sputtering, or the like, and using a photolithography process, an etching process, a lift-off, or the like. I was able to. The power supply 25 is connected via the island-like electrode 24a and the stripe-like electrode 24b thus formed.
By applying an electric field to the MgO: LN crystal substrate 23 using the method described above, the domain-inverted portions 26 and 27 could be formed.

【0086】電界印加は、不活性絶縁液中において行
い、島状電極24aおよびストライプ状電極24bに外
部電極を接触させ、これらの電極を介して電源25から
のパルス電界をMgO:LN結晶基板23に印加した。
このとき、MgO:LN結晶基板17の+Z軸側に配置
された島状電極24aの電位が、−Z軸側に配置された
ストライプ状電極24bの電位よりも高くなるようにし
て、印加電圧が〜数10kV/mm、印加時間が20m
s以下のパルス電界を印加することにより電界印加を行
った。
The electric field is applied in an inert insulating solution, and an external electrode is brought into contact with the island-like electrode 24a and the stripe-like electrode 24b. Was applied.
At this time, the potential of the island electrode 24a arranged on the + Z axis side of the MgO: LN crystal substrate 17 is higher than the potential of the stripe electrode 24b arranged on the -Z axis side, and the applied voltage is increased. ~ Several tens of kV / mm, application time 20 m
An electric field was applied by applying a pulse electric field of s or less.

【0087】前述したように、島状電極24aは電気的
に独立している導体が櫛形電極の電極指先に存在する構
造となっている。しかしながら櫛形電極との距離が数1
00μmと非常に小さい場合には電界印加の際に電界が
島状部分に作用し、島状部分が櫛形電極の電極指先端で
あるかの如く振る舞う。従って島状電極部分の電界が大
きくなり、島状部分の電極直下に分極反転核が発生す
る。またこのとき、分極反転核発生領域は、例えば島状
部分の間隔が大きいときには不連続な領域になるが、分
極反転核発生領域全体のZ方向長さは、島状電極部分全
体の長さと同じ長さの電極指を有する櫛形電極を用いた
場合の、分極反転核発生領域のZ方向長さとほぼ等しく
なる。
As described above, the island-shaped electrode 24a has a structure in which an electrically independent conductor exists at the electrode fingertip of the comb-shaped electrode. However, the distance from the comb electrode is
When it is as small as 00 μm, when an electric field is applied, the electric field acts on the island portion, and the island portion behaves as if it were the tip of the electrode finger of the comb-shaped electrode. Accordingly, the electric field at the island-shaped electrode portion increases, and domain-inverted nuclei are generated immediately below the electrode at the island-shaped portion. At this time, the domain-inverted nucleus generation region becomes a discontinuous region when the interval between the island-shaped portions is large, for example. When a comb-shaped electrode having electrode fingers of a length is used, the length is substantially equal to the length in the Z direction of the domain-inverted nucleus generation region.

【0088】このような電極構造を用いた分極反転形成
において、島状電極24aの島状部分の間隔L4を10
μm以下とした場合には本実施の形態で示したように電
極直下から発生する分極反転部26の間の領域を埋める
ように分極反転部27が誘起された。このとき形成され
た分極反転部の形状は櫛形電極によって形成された分極
反転部の形状とは異なり、分極反転部27の分極反転幅
(Y軸方向への分極反転広がり)が分極反転部26の分
極反転幅よりも小さくなった。分極反転部27の分極反
転幅は、間隔L4を制御することにより制御でき、これ
により形成される分極反転形状(特に分極反転幅)を制
御することが可能であった。
In the domain-inverted formation using such an electrode structure, the interval L4 between the island-shaped portions of the island-shaped electrode 24a is set to 10
When the thickness was less than μm, the domain-inverted portions 27 were induced so as to fill the region between the domain-inverted portions 26 generated immediately below the electrodes as described in the present embodiment. The shape of the domain-inverted portion formed at this time is different from the shape of the domain-inverted portion formed by the comb-shaped electrodes, and the domain-inverted width of the domain-inverted portion 27 (the domain-inverted spread in the Y-axis direction) is different from that of the domain-inverted portion 26. It became smaller than the domain inversion width. The domain inversion width of the domain inversion part 27 can be controlled by controlling the interval L4, and it is possible to control the domain inversion shape (particularly domain inversion width) formed by this.

【0089】図9に本発明の実施の形態2であるオフカ
ットのMgO:LN結晶基板に分極反転を形成する方法
の別の例を示す。なお、図9(b)は図9(a)を−Y
面から見た場合の断面図である。図9(a)および図9
(b)において28は単一分極化されたオフカットのM
gO:LN結晶基板、29aはMgO:LN結晶基板2
8の第1の主面(+X面)に形成された周期状パターン
を有する櫛形電極、29bは島状電極29aと対をなす
ストライプ状電極、30は電源である。また、図9
(b)において31は櫛形電極29a直下の領域から形
成される分極反転部、32は分極反転部31の間の領域
に誘起される分極反転部である。また、図9(b)にお
いて、33は櫛形電極29aを部分的にMgO:LN結
晶基板28の表面に接触しないようにするために配置し
た絶縁材料である。
FIG. 9 shows another example of a method of forming domain inversion on an off-cut MgO: LN crystal substrate according to the second embodiment of the present invention. Note that FIG. 9B is obtained by changing FIG.
It is sectional drawing when it sees from a surface. 9 (a) and 9
In (b), 28 is a single-polarized off-cut M
gO: LN crystal substrate, 29a is MgO: LN crystal substrate 2
8, a comb-shaped electrode having a periodic pattern formed on the first main surface (+ X plane), 29b is a stripe-shaped electrode paired with the island-shaped electrode 29a, and 30 is a power supply. FIG.
In FIG. 3B, reference numeral 31 denotes a domain-inverted portion formed from a region immediately below the comb-shaped electrode 29a, and reference numeral 32 denotes a domain-inverted portion induced in a region between the domain-inverted portions 31. In FIG. 9B, reference numeral 33 denotes an insulating material arranged so as to partially prevent the comb-shaped electrode 29a from contacting the surface of the MgO: LN crystal substrate 28.

【0090】以上のように構成された分極反転形成方法
について、以下でその動作を述べる。本実施の形態にお
いてはTa電極を用いた場合について説明する。まず、
上記のように櫛形電極29aを部分的にMgO:LN結
晶基板28の表面に接触しないようにするために絶縁材
料(例えばSiO2膜)をスパッタによりMgO:LN
結晶基板28表面に被着形成し、フォトリソグラフィー
プロセス及びエッチングプロセスによりパターニングし
た。このとき、櫛形電極29aのMgO:LN結晶基板
28表面と接触しない部分が十分にMgO:LN結晶基
板28表面から離れるように、絶縁材料の厚みを200
0Å以上とした。また、上記絶縁材料33のZ方向長さ
(すなわち櫛形電極29aのMgO:LN結晶基板28
表面と接触しない部分のZ方向長さ)を2〜15μmで
形成した。
The operation of the polarization inversion forming method configured as described above will be described below. In this embodiment, a case where a Ta electrode is used will be described. First,
As described above, in order to prevent the comb-shaped electrode 29a from partially contacting the surface of the MgO: LN crystal substrate 28, an insulating material (for example, SiO 2 film) is sputtered with MgO: LN.
It was formed on the surface of the crystal substrate 28 and patterned by a photolithography process and an etching process. At this time, the thickness of the insulating material is set to 200 so that the portion of the comb-shaped electrode 29a that does not contact the surface of the MgO: LN crystal substrate 28 is sufficiently separated from the surface of the MgO: LN crystal substrate 28.
0 ° or more. Further, the length of the insulating material 33 in the Z direction (that is, the MgO: LN crystal substrate 28 of the comb-shaped electrode 29a)
The length of the portion not in contact with the surface in the Z direction) was 2 to 15 μm.

【0091】次に櫛形電極29aおよびストライプ電極
29bの厚みを数100Å〜2000Åで形成した。櫛
形電極29aとストライプ状電極29bの形成は、蒸着
やスパッタリング等によりMgO:LN結晶基板28表
面にTa薄膜を成膜し、フォトリソグラフィープロセス
及びエッチングプロセスを用いることにより容易に行う
ことができた。このとき絶縁材料33のパターンと櫛形
電極29aの位置合わせはZ方向に対して0.1μmの
精度で行うことができた。このようにして形成された櫛
形電極29aとストライプ状電極29bを介して電源3
0を用いてMgO:LN結晶基板28に対して電界印加
を行うことにより分極反転部31および32を形成する
ことが可能であった。
Next, the thickness of the comb-shaped electrode 29a and the stripe electrode 29b was formed in a range of several hundreds to two thousand degrees. The formation of the comb-shaped electrode 29a and the striped electrode 29b could be easily performed by forming a Ta thin film on the surface of the MgO: LN crystal substrate 28 by vapor deposition or sputtering, and using a photolithography process and an etching process. At this time, the positioning of the pattern of the insulating material 33 and the comb-shaped electrode 29a could be performed with an accuracy of 0.1 μm in the Z direction. The power supply 3 is connected via the comb-shaped electrode 29a and the striped electrode 29b thus formed.
By using 0 to apply an electric field to the MgO: LN crystal substrate 28, the domain-inverted portions 31 and 32 could be formed.

【0092】本実施の形態で示すように、絶縁材料33
を用いることにより櫛形電極29aの直下において発生
する分極反転部31は、図9(b)に示すようにZ方向
に離散的な領域に形成される。このとき上述した島状電
極を用いた場合と同様に、絶縁材料33のZ方向長さが
10μm以下となる場合においては電極直下から発生す
る分極反転部31の間の領域を埋めるように分極反転部
32が誘起された。このとき形成された分極反転部の形
状は絶縁材料33を配置せずに形成した櫛形電極によっ
て形成された分極反転部の形状とは異なり、分極反転部
32の分極反転幅(Y軸方向への分極反転広がり)が分
極反転部31の分極反転幅よりも小さくなった。
As shown in this embodiment, the insulating material 33
As shown in FIG. 9B, the domain-inverted portions 31 generated immediately below the comb-shaped electrodes 29a are formed in discrete regions in the Z direction. At this time, as in the case of using the above-mentioned island-shaped electrode, when the length of the insulating material 33 in the Z direction is 10 μm or less, the domain inversion is performed so as to fill the region between the domain inversion portions 31 generated immediately below the electrode. Section 32 was induced. The shape of the domain-inverted portion formed at this time is different from the shape of the domain-inverted portion formed by the comb-shaped electrode formed without disposing the insulating material 33, and the domain-inverted width of the domain-inverted portion 32 (in the Y-axis direction). (Polarization reversal spread) is smaller than the polarization reversal width of the domain reversal part 31.

【0093】分極反転部32の分極反転幅は、絶縁材料
33のZ方向長さを制御することにより制御でき、これ
により形成される分極反転形状(特に分極反転幅)を制
御することが可能であった。また、特にオフカット角θ
が0.5°≦θ≦7°である強誘電体結晶内に、本実施
の形態で示した分極反転形成方法により周期3μm以下
の周期状分極反転構造を形成した場合においては、分極
方向と垂直な方向の分極反転断面において、分極反転厚
みdと分極反転幅wとの比d/wを1.0とすることが
できた。
The width of the domain inversion of the domain inversion section 32 can be controlled by controlling the length of the insulating material 33 in the Z direction, so that the domain inversion shape (particularly the domain inversion width) formed thereby can be controlled. there were. Also, particularly, the off-cut angle θ
When a periodically poled structure having a period of 3 μm or less is formed in a ferroelectric crystal in which 0.5 ° ≦ θ ≦ 7 ° by the domain inversion forming method described in this embodiment, the polarization direction and In the domain-inverted cross section in the vertical direction, the ratio d / w of the domain-inverted thickness d to the domain-inverted width w could be set to 1.0.

【0094】(実施の形態3)本実施の形態において
は、強誘電体結晶基板内に周期状分極反転を形成する方
法において、所望の周期の整数倍の周期を有する電極構
造を用いて分極反転を形成する工程を複数回有し、各工
程毎に異なる位置に分極反転を形成することにより分極
反転形状の制御を行う方法について説明する。強誘電体
結晶基板内に周期状分極反転形成を行う場合において、
例えば3μm以下の非常に微細な周期構造を形成する場
合には、例えば櫛形電極の電極指間が非常に小さくなる
ため隣り合う電極指の電界が作用しあうため、特に分極
反転の周期方向広がり(分極反転幅)が大きくなってし
まうという課題があった。
(Embodiment 3) In this embodiment, in a method of forming periodic domain inversion in a ferroelectric crystal substrate, domain inversion is performed by using an electrode structure having a period that is an integral multiple of a desired period. A method of controlling the domain-inverted shape by forming a domain inversion at a different position for each process will be described. When performing periodic domain inversion in a ferroelectric crystal substrate,
For example, when a very fine periodic structure of 3 μm or less is formed, for example, the space between the electrode fingers of the comb-shaped electrode becomes very small, and the electric fields of adjacent electrode fingers act on each other. There is a problem that the polarization reversal width increases.

【0095】また、例えばLiNbO3やLiTaO3
晶において、大きい非線形性と高い耐光損傷性を有する
ため光デバイス材料として注目されているストイキオメ
トリ結晶と呼ばれる結晶基板がある。これらの基板は分
極反転形成の閾値電圧(分極反転形成が可能な印加電
圧)が低減できるというメリットを有しているが、広く
用いられているコングルエント組成の結晶基板に比べ、
電界印加の際に隣り合う電極指の電界の影響を受けやす
いため分極反転の周期方向広がりが大きいという特性を
有しており、4μm以下の周期の分極反転形成が困難で
あるという課題があった。
For example, there is a crystal substrate called a stoichiometric crystal, which has attracted attention as an optical device material because of its large nonlinearity and high light damage resistance in LiNbO 3 and LiTaO 3 crystals, for example. These substrates have the merit that the threshold voltage of domain inversion formation (applied voltage at which domain inversion can be formed) can be reduced, but compared with a crystal substrate having a congruent composition widely used,
When applied with an electric field, it is susceptible to the electric field of adjacent electrode fingers, so that it has a characteristic that the domain inversion in the periodic direction is large, and it is difficult to form a domain inversion with a period of 4 μm or less. .

【0096】これに対し本発明の特徴は、強誘電体結晶
に周期状分極反転周期を形成する方法において、所望の
周期Λの整数倍の周期を有する電極を用いて分極反転形
成を行う点にあり、分極反転形成工程を複数回繰り返
し、各工程毎に電極形成位置をずらすことにより所望の
周期状分極反転を得る方法である。本発明により、短周
期の周期状分極反転形成や、上述した周期方向広がり速
度の速い強誘電体結晶基板における分極反転形成におい
て、形状を制御しながら分極反転形成を行うことが可能
となる。本実施の形態においては強誘電体結晶基板とし
てMgO:LN結晶基板を用いた場合について説明す
る。
On the other hand, a feature of the present invention is that in the method of forming a periodic domain inversion cycle in a ferroelectric crystal, domain inversion is performed using an electrode having a cycle that is an integral multiple of a desired cycle Λ. In this method, a polarization inversion forming step is repeated a plurality of times, and a desired periodic polarization inversion is obtained by shifting an electrode formation position in each step. According to the present invention, it becomes possible to perform the domain-inverted formation while controlling the shape in the short-period periodic domain-inverted formation or the domain-inverted formation in the above-described ferroelectric crystal substrate having a fast spreading speed in the periodic direction. In this embodiment, a case where an MgO: LN crystal substrate is used as a ferroelectric crystal substrate will be described.

【0097】まず、本発明の分極反転形成方法について
図を用いて説明する。図10に本発明の実施の形態3で
あるXカットのMgO:LN結晶基板に分極反転を形成
する方法の構成図の一例を示す。なお、本実施の形態に
おいては、周期状分極反転構造の形成において所望の周
期をΛとし、分極反転形成に用いる電極の周期状パター
ンの周期を2Λとした場合について述べる。図10
(b)は1回目の分極反転形成工程を施したあとの強誘
電体結晶基板をZ面から見た図であり、図10(c)は
2回目の分極反転形成工程を施したあとの強誘電体結晶
をZ面から見た図を示す。
First, the polarization inversion forming method of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 10 shows an example of a configuration diagram of a method for forming domain inversion on an X-cut MgO: LN crystal substrate according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, a case will be described where a desired period in the formation of the periodic domain-inverted structure is Λ, and a period of the periodic pattern of electrodes used for domain-inverted formation is 2 Λ. FIG.
FIG. 10B is a view of the ferroelectric crystal substrate after the first polarization inversion forming step is viewed from the Z plane, and FIG. 10C is the ferroelectric crystal substrate after the second polarization inversion forming step. The figure which looked at the dielectric crystal from the Z plane is shown.

【0098】図10(a),(b)および(c)におい
て34はXカットのMgO:LN結晶基板である。また
図10(a)において35は1回目の分極反転形成工程
で用いられる周期状パターンを有する櫛形電極、36は
2回目の分極反転形成工程で用いられる周期状パターン
を有する櫛形電極、37は櫛形電極35および櫛形電極
36と対をなすストライプ状電極、38は電源である。
また、図10(b)および図10(c)において39は
1回目の分極反転形成工程で形成された分極反転部であ
る。また、図10(c)において40は2回目の分極反
転形成工程で形成された分極反転部である。なお、上述
したように本実施の形態では櫛形電極35および36の
周期状パターンの周期は最終的に得られる周期状分極反
転構造の周期Λの2倍(=2Λ)である。また、電源3
8は印加電圧、印加時間および立ち上がり速度を制御す
ることが可能なパルス電界発生源である。
In FIGS. 10 (a), 10 (b) and 10 (c), reference numeral 34 denotes an X-cut MgO: LN crystal substrate. 10A, reference numeral 35 denotes a comb-shaped electrode having a periodic pattern used in the first polarization inversion forming step, 36 denotes a comb-shaped electrode having a periodic pattern used in the second polarization inversion forming step, and 37 denotes a comb-shaped electrode. A stripe-shaped electrode 38 paired with the electrode 35 and the comb-shaped electrode 36 is a power source.
In FIGS. 10B and 10C, reference numeral 39 denotes a domain-inverted portion formed in the first domain-inverted formation step. In FIG. 10C, reference numeral 40 denotes a domain-inverted portion formed in the second domain-inverted formation step. As described above, in the present embodiment, the period of the periodic pattern of the comb electrodes 35 and 36 is twice (= 2) the period の of the finally obtained periodically poled structure. Power supply 3
Reference numeral 8 denotes a pulse electric field generation source capable of controlling an applied voltage, an application time, and a rising speed.

【0099】本実施の形態においては、MgO:LN結
晶基板として厚み約500μmのXカット基板を用い、
櫛形電極35および36の電極指は長さ40〜100μ
m、幅1μm、周期2〜3μmで形成した。櫛形電極3
5、36およびストライプ状電極37を形成する材料と
しては、Ta(タンタル)、Al(アルミニウム)、C
u(銅)、Au(金)、Ag(銀)等をはじめとする導
電性材料の利用が可能であるが、特に抵抗率が1.0×
10-7Ωm以下の材料を用いることにより、電界印加時
の電極直下の電界強度分布を均一にすることができるた
め、形成される分極反転部39および40の均一性を高
めることができた。
In this embodiment, an X-cut substrate having a thickness of about 500 μm is used as a MgO: LN crystal substrate.
The electrode fingers of the comb-shaped electrodes 35 and 36 are 40 to 100 μm in length.
m, width 1 μm, period 2-3 μm. Comb electrode 3
5, 36 and the material forming the striped electrode 37 are Ta (tantalum), Al (aluminum), C
Although conductive materials such as u (copper), Au (gold), and Ag (silver) can be used, in particular, the resistivity is 1.0 ×
By using a material having a resistivity of 10 −7 Ωm or less, the electric field intensity distribution immediately below the electrode when an electric field is applied can be made uniform, so that the uniformity of the domain-inverted portions 39 and 40 formed can be improved.

【0100】以上のように構成された分極反転形成方法
について、以下でその動作を述べる。本実施の形態にお
いてはTa電極を用いた場合について説明する。上記の
櫛形電極35、36およびストライプ状電極37は厚み
数100Å〜2000Åで形成した。まず蒸着やスパッ
タリング等によりMgO:LN結晶基板34表面にTa
薄膜を成膜し、フォトリソグラフィープロセス及びエッ
チングプロセスを用いることにより櫛形電極35および
ストライプ状電極37を形成した。このようにして形成
された櫛形電極35とストライプ状電極37を介して電
源38を用いてMgO:LN結晶基板34に対して電界
印加を行うことにより分極反転部39を形成することが
可能であった。
The operation of the polarization inversion forming method configured as described above will be described below. In this embodiment, a case where a Ta electrode is used will be described. The above-mentioned comb-shaped electrodes 35 and 36 and the stripe-shaped electrode 37 were formed with a thickness of several hundreds to two thousand. First, Ta is deposited on the surface of the MgO: LN crystal substrate 34 by vapor deposition or sputtering.
A thin film was formed, and a comb-shaped electrode 35 and a striped electrode 37 were formed by using a photolithography process and an etching process. By applying an electric field to the MgO: LN crystal substrate 34 using the power supply 38 via the comb-shaped electrode 35 and the striped electrode 37 thus formed, the domain-inverted portion 39 can be formed. Was.

【0101】電界印加は、不活性絶縁液中において行
い、櫛形電極35およびストライプ状電極37に外部電
極を接触させ、これらの電極を介して電源38からのパ
ルス電界をMgO:LN結晶基板34に印加した。この
とき、MgO:LN結晶基板34の+Z軸側に配置され
た櫛形電極35の電位が、−Z軸側に配置されたストラ
イプ状電極37の電位よりも高くなるようにして、印加
電圧が〜数10kV/mm、印加時間が20ms以下の
パルス電界を印加することにより電界印加を行った。次
に、櫛形電極35をウェットエッチング等で除去したの
ち再びMgO:LN結晶基板34表面にTa薄膜を成膜
し、フォトリソグラフィープロセス及びエッチングプロ
セスを用いることにより櫛形電極36およびストライプ
状電極37を形成した。
The application of an electric field is performed in an inert insulating solution, and an external electrode is brought into contact with the comb-shaped electrode 35 and the striped electrode 37. Applied. At this time, the potential of the comb electrode 35 arranged on the + Z-axis side of the MgO: LN crystal substrate 34 is higher than the potential of the stripe-shaped electrode 37 arranged on the -Z-axis side, and the applied voltage is An electric field was applied by applying a pulse electric field of several tens of kV / mm and an application time of 20 ms or less. Next, after removing the comb-shaped electrode 35 by wet etching or the like, a Ta thin film is again formed on the surface of the MgO: LN crystal substrate 34, and the comb-shaped electrode 36 and the striped electrode 37 are formed by using a photolithography process and an etching process. did.

【0102】このときフォトマスクの位置合わせにより
櫛形電極35の形成位置に対してY方向にΛだけ移動し
た位置に櫛形電極36を形成した。フォトリソグラフィ
ーにより位置合わせは±0.05μm以下の精度で行う
ことができた。このようにして形成された櫛形電極36
とストライプ状電極37を介して電源38を用いてMg
O:LN結晶基板34に対して電界印加を行うことによ
り分極反転部40を形成することが可能であった。これ
により最終的に形成される周期状分極反転構造として周
期Λの均一な構造を得ることができた。
At this time, the comb-shaped electrode 36 was formed at a position shifted by Λ in the Y direction with respect to the formation position of the comb-shaped electrode 35 by positioning the photomask. Positioning could be performed by photolithography with an accuracy of ± 0.05 μm or less. The comb-shaped electrode 36 thus formed
And Mg using a power source 38 through a stripe electrode 37.
By applying an electric field to the O: LN crystal substrate 34, the domain-inverted portions 40 could be formed. As a result, a structure having a uniform period Λ could be obtained as a periodically formed domain-inverted structure.

【0103】本実施の形態においては所望の分極反転周
期を2.5〜3.8μmとした。従って櫛形電極35お
よび36の電極指(周期状パターン部分)の周期は5.
0〜7.6μmである。従来、電極指周期と分極反転部
の周期方向広がりはほとんど関係のないものであると考
えられてきた。しかしながら形成する分極反転部の周期
が3.0μm以下(すなわち電極指間隔が1.5μm以
下)の場合においては、隣り合う電極指からの電界の影
響を大きく受けて分極反転部の周期方向広がりが増大す
るという現象が見られた。そこで我々は、隣り合う電極
指の影響を十分低減できる周期であり、かつ所望の周期
の整数倍周期を持つ櫛形電極を形成し、電極形成位置を
周期方向にずらすことにより所望の周期状分極反転構造
を形成する方法を検討した。
In the present embodiment, the desired domain inversion period is set to 2.5 to 3.8 μm. Therefore, the period of the electrode fingers (periodic pattern portions) of the comb-shaped electrodes 35 and 36 is 5.
0 to 7.6 μm. Conventionally, it has been considered that the electrode finger period and the extension of the domain-inverted portion in the period direction are hardly related. However, when the period of the domain-inverted portions to be formed is 3.0 μm or less (that is, the electrode finger interval is 1.5 μm or less), the direction in which the domain-inverted portions spread in the periodic direction is greatly affected by the electric field from the adjacent electrode fingers. The phenomenon of increase was seen. Therefore, we formed a comb-shaped electrode with a period that can sufficiently reduce the influence of adjacent electrode fingers and an integer multiple of the desired period, and shifted the electrode formation position in the period direction to obtain the desired periodic polarization inversion. The method of forming the structure was studied.

【0104】まず、電極指周期2.0〜8.0μmの櫛
形電極35を形成し、1回の分極反転形成工程において
形成される分極反転部の周期方向広がりを測定した。こ
れにより電極指周期が3μm以下の場合に分極反転部の
周期方向広がりが著しく大きくなることが分かった。ま
た、分極反転厚みとして2μm以上の分極反転を得るこ
とを目標とする場合、隣り合う電極指からの電界の影響
を完全に除去するためには、電極指間隔が2μm以上
(電極指幅を1μmとすると電極指周期は3μm以上)
であることが望ましいという知見を得た。このとき、分
極反転部の周期方向広がりを約1.5μmとすることが
でき、分極反転部のアスペクト比(分極反転厚みdと分
極反転の周期方向広がりwの比d/w)を1以上にする
ことができた。
First, a comb-shaped electrode 35 having an electrode finger period of 2.0 to 8.0 μm was formed, and the extension of the domain-inverted portion formed in one domain-inversion forming step in the periodic direction was measured. As a result, it was found that when the electrode finger period was 3 μm or less, the domain-inverted portions significantly expanded in the period direction. In addition, when it is desired to obtain a polarization inversion of 2 μm or more as a polarization inversion thickness, in order to completely remove the influence of an electric field from an adjacent electrode finger, the electrode finger spacing is 2 μm or more (the electrode finger width is 1 μm or less). The electrode finger cycle is 3 μm or more)
It was found that it is desirable to be. At this time, the spread in the periodic direction of the domain-inverted portions can be set to about 1.5 μm, and the aspect ratio of the domain-inverted portions (the ratio d / w of the domain-inverted thickness d to the domain-wide spread w of domain inversion) is 1 or more. We were able to.

【0105】そこで上記に示したように、2.5〜3.
8μmの周期状分極反転周期を得るために櫛形電極35
および36の電極指(周期状パターン部分)の周期を
5.0〜7.6μmで形成し、2回の分極反転形成工程
を用いて所望の周期状分極反転構造を得ることを試み
た。図10(b)および(c)に示すように、1回目の
分極反転形成工程において周期2Λの分極反転部39を
形成し、2回目の分極反転形成工程において周期2Λの
分極反転部40を形成した。この方法により、従来の方
法により形成される周期状分極反転構造が、周期方向広
がりの大きな(約1.8μm以上の)ものであったのに
対し、周期2.5〜3.8μmの周期において周期方向
広がりが約1.5μmの均一な周期状分極反転構造の形
成が可能になった。
Then, as described above, 2.5 to 3.
In order to obtain a periodic polarization inversion period of 8 μm,
And 36 electrode fingers (periodic pattern portions) were formed with a period of 5.0 to 7.6 μm, and an attempt was made to obtain a desired periodic domain-inverted structure using two domain-inversion forming steps. As shown in FIGS. 10B and 10C, a domain-inverted portion 39 having a period of 2 ° is formed in the first domain-inverted formation process, and a domain-inverted portion 40 having a period of 2 ° is formed in the second domain-inverted formation process. did. According to this method, the periodic domain-inverted structure formed by the conventional method has a large width in the periodic direction (about 1.8 μm or more), whereas the periodic domain-inverted structure has a period of 2.5 to 3.8 μm. It is possible to form a uniform periodic domain-inverted structure having a spread in the periodic direction of about 1.5 μm.

【0106】なお、本実施の形態においてはXカットの
MgO:LN結晶基板を用いて説明したが、Yカット、
オフカット、ZカットのMgO:LN結晶基板において
も同様の効果を得ることができた。また、強誘電体結晶
として、LN、LT、あるいはZnやIn、Sc等をド
ープしたLN、LT等を用いた場合においても本発明の
分極反転形成方法により分極反転形成が可能であり、ま
た上記の各結晶のXカット基板、Yカット基板およびオ
フカット基板を用いた場合においても、周期状分極反転
周期を形成する方法において、所望の周期Λの整数倍の
周期を有する電極を用いて分極反転形成を行い、分極反
転形成工程を複数回繰り返し、各工程毎に電極形成位置
をずらすことにより分極反転部の周期方向広がりを抑え
たまま所望の周期状分極反転を得ることができた。ま
た、特にオフカット角θが0.5°≦θ≦7°である強
誘電体結晶内に、本実施の形態で示した分極反転形成方
法により周期3μm以下の周期状分極反転構造を形成し
た場合においては、分極方向と垂直な方向の分極反転断
面において、分極反転厚みdと分極反転幅wとの比d/
wを1.0とすることができた。
Although the present embodiment has been described using an X-cut MgO: LN crystal substrate, a Y-cut
The same effect can be obtained in the off-cut and Z-cut MgO: LN crystal substrates. In addition, even when LN, LT, or LN, LT, or the like doped with Zn, In, Sc, or the like is used as the ferroelectric crystal, the domain inversion can be formed by the domain inversion method of the present invention. Even when an X-cut substrate, a Y-cut substrate, and an off-cut substrate of each crystal are used, in the method of forming a periodic domain-inverted period, domain-inverted After the formation, the domain-inverted formation process was repeated a plurality of times, and by shifting the electrode formation position in each process, a desired periodic domain-inverted structure could be obtained while suppressing the spread of the domain-inverted portion in the periodic direction. Further, a periodic domain-inverted structure with a period of 3 μm or less was formed in a ferroelectric crystal having an off-cut angle θ of 0.5 ° ≦ θ ≦ 7 ° by the domain-inverting forming method described in this embodiment. In such a case, in the domain-inverted cross section perpendicular to the domain direction, the ratio d /
w could be set to 1.0.

【0107】(実施の形態4)本実施の形態において
は、上記実施の形態1に示した方法を用いて形成した周
期状分極反転構造と光導波路とを含むことにより、高変
換効率の波長変換素子を作製することが可能になった点
について詳しく説明する。周期状分極反転構造を利用し
て波長変換を行う波長変換素子には、大きく分けて光導
波路型波長変換素子とバルク型波長変換素子とがある。
光導波路型波長変換素子の場合には、MgO:LN結晶
中に光導波路を形成し、この光導波路に基本波となるレ
ーザー光を入射して波長変換を行う。このとき、高効率
の波長変換を行うためには導波路中を伝搬する導波光と
周期状分極反転とが十分なオーバーラップをとる必要が
あった。
(Embodiment 4) In this embodiment, by including a periodically poled structure and an optical waveguide formed by using the method described in the first embodiment, wavelength conversion with high conversion efficiency is achieved. The point at which the element can be manufactured will be described in detail. Wavelength conversion elements that perform wavelength conversion using a periodically poled structure are roughly classified into an optical waveguide type wavelength conversion element and a bulk type wavelength conversion element.
In the case of an optical waveguide type wavelength conversion element, an optical waveguide is formed in an MgO: LN crystal, and laser light serving as a fundamental wave is incident on the optical waveguide to perform wavelength conversion. At this time, in order to perform wavelength conversion with high efficiency, it is necessary that the guided light propagating in the waveguide and the periodic polarization inversion have a sufficient overlap.

【0108】また、光導波路型波長変換素子において、
分極反転部と非分極反転部との割合(デューティー比)
が1:1に近いほど擬似位相整合状態が良好に形成され
ており、これも高変換効率の要因となった。さらに、例
えば、この高調波を光ディスク用光源として用いる場合
においては、波長広がりが小さいことが望まれ、また大
きな波長広がりは変換効率の低下の原因にもなることか
ら、波長変換により得られる高調波の波長広がりを小さ
くするために、形成される分極反転周期が均一であるこ
とが重要であった。
Further, in the optical waveguide type wavelength conversion element,
Ratio of the domain-inverted part and the non-polarized part (duty ratio)
Is closer to 1: 1, the better the quasi-phase matching state is formed, which also became a factor of high conversion efficiency. Further, for example, when this harmonic is used as a light source for an optical disk, it is desired that the wavelength spread is small, and since a large wavelength spread may cause a decrease in conversion efficiency, the harmonic obtained by wavelength conversion may be used. In order to reduce the wavelength spread, it is important that the formed domain inversion period is uniform.

【0109】そこで、本発明の分極反転形成方法を用い
て形成した周期状分極反転構造を用いて波長変換素子を
作製しその特性を評価した。図11に本発明の実施の形
態4である光導波路型波長変換素子の構成図の一例を示
す。図11において41はオフカットのMgO:LN結
晶基板において作製された光導波路型波長変換素子であ
り、42は周期状分極反転、43は光導波路である。こ
のとき、周期状分極反転42の周期方向と光導波路43
の導波方向とがほぼ平行になるように配置され、導波路
内を伝搬する導波光とMgO:LN結晶との非線形相互
作用により波長変換が行われることになる。また、光導
波路43の端面は周期状分極反転42の周期方向とほぼ
垂直になるように研磨されている。なお、本実施の形態
においては光導波路型波長変換素子の作用長は10mm
とした。
Therefore, a wavelength conversion element was manufactured using the periodically poled structure formed by using the polarization inversion forming method of the present invention, and its characteristics were evaluated. FIG. 11 shows an example of a configuration diagram of an optical waveguide type wavelength conversion element according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 11, reference numeral 41 denotes an optical waveguide type wavelength conversion element manufactured on an off-cut MgO: LN crystal substrate, reference numeral 42 denotes a periodic polarization inversion, and reference numeral 43 denotes an optical waveguide. At this time, the periodic direction of the periodic domain inversion 42 and the optical waveguide 43
Are arranged so as to be substantially parallel to each other, and wavelength conversion is performed by nonlinear interaction between the guided light propagating in the waveguide and the MgO: LN crystal. The end face of the optical waveguide 43 is polished so as to be substantially perpendicular to the periodic direction of the periodic domain inversion 42. In this embodiment, the working length of the optical waveguide type wavelength conversion element is 10 mm.
And

【0110】以上のように構成された波長変換素子につ
いて、以下でその動作を述べる。光導波路43は蒸着や
スパッタリング等によりMgO:LN結晶基板表面にT
a薄膜を成膜し、フォトリソグラフィープロセス及びエ
ッチングプロセスにより光導波路パターンを施したMg
O:LN結晶基板を高温の安息香酸やピロ燐酸等に浸
し、アニール処理を施すことにより形成することができ
た。このときの光導波路幅は5μm、基板厚み方向深さ
は2.5μmであった。このとき、形成される周期状分
極反転42の厚みが電極指先端部の分極反転発生領域に
おいて最も大きく、反転の成長方向に向かって徐々に小
さくなるので、光導波路43と周期状分極反転42とが
十分重なるようにするためには、周期状分極反転42の
形成に用いたパターン電極の電極指先端と光導波路パタ
ーンとの距離が小さい方が良い。
The operation of the wavelength conversion element configured as described above will be described below. The optical waveguide 43 is formed on the surface of the MgO: LN crystal substrate by evaporation or sputtering.
aA thin film is formed, and an optical waveguide pattern is formed by a photolithography process and an etching process.
O: LN crystal substrate could be formed by immersing the substrate in high-temperature benzoic acid, pyrophosphoric acid, or the like, followed by annealing. At this time, the optical waveguide width was 5 μm, and the depth in the substrate thickness direction was 2.5 μm. At this time, the thickness of the formed periodic domain inversion 42 is largest in the domain in which the domain inversion occurs at the tip of the electrode finger, and gradually decreases in the growth direction of the domain inversion. In order to sufficiently overlap, it is preferable that the distance between the tip of the electrode finger of the pattern electrode used to form the periodic polarization inversion 42 and the optical waveguide pattern is small.

【0111】また、電極形成部分はエッチングプロセス
等により基板表面が不均一になっているため導波ロスが
大きくなる。従って、具体的には電極指先端と光導波路
43との距離は0〜10μmであることが望ましい。ま
た、周期状分極反転42が実施の形態1で述べた分極反
転形成方法(電極対の形成および電界印加の後、電極対
の再形成および電界印加を繰り返す方法)により形成さ
れた場合には、1.5°カットX板において分極反転周
期2.2〜3μm、分極反転幅約1.5〜1.7μm、
分極反転厚み約1.8μmの均一な周期状分極反転であ
った。
Further, since the substrate surface becomes non-uniform due to an etching process or the like in the electrode formation portion, the waveguide loss increases. Therefore, specifically, the distance between the tip of the electrode finger and the optical waveguide 43 is desirably 0 to 10 μm. Further, when the periodic domain inversion 42 is formed by the domain inversion forming method described in the first embodiment (a method in which after the formation of the electrode pair and the application of the electric field, the re-formation of the electrode pair and the application of the electric field are repeated), In a 1.5 ° cut X plate, a domain inversion period of 2.2 to 3 μm, a domain inversion width of about 1.5 to 1.7 μm,
It was a uniform periodic domain inversion with a domain inversion thickness of about 1.8 μm.

【0112】周期状分極反転42および光導波路43を
形成した後、導波方向とほぼ垂直になるようにMgO:
LN結晶基板の端面を研磨し、スパッタにより端面にA
Rコートを施して光導波路型波長変換素子41を作製し
た。本実施の形態においてはAR膜としてSiO2膜を
用いた。この光導波路型波長変換素子41において、厚
み方向約2.5μmの光導波路を導波する導波光と周期
状分極反転とのオーバーラップを向上することができ、
波長変換素子の変換効率を大幅に向上することができ
た。
After the periodic polarization inversion 42 and the optical waveguide 43 are formed, the MgO:
The end face of the LN crystal substrate is polished, and A
The optical waveguide type wavelength conversion element 41 was produced by applying an R coat. In the present embodiment, a SiO 2 film was used as the AR film. In the optical waveguide type wavelength conversion element 41, it is possible to improve the overlap between the guided light guided through the optical waveguide having a thickness of about 2.5 μm and the periodic polarization inversion,
The conversion efficiency of the wavelength conversion element was significantly improved.

【0113】この光導波路型波長変換素子を用いて図1
2に示すような高調波発生光源を構成した。図12にお
いて44は図11に示す光導波路型波長変換素子であ
り、45は周期状分極反転、46は光導波路である。ま
た、47はレーザー光源、48はレーザー光源47から
のレーザー光、49は光導波路型波長変換素子44によ
り得られるレーサー光48の高調波である。また、50
はレーザー光48を光導波路46に入射するためのカッ
プリングレンズである。
Using this optical waveguide type wavelength conversion element, FIG.
A harmonic generation light source as shown in FIG. 12, reference numeral 44 denotes the optical waveguide type wavelength conversion element shown in FIG. 11, reference numeral 45 denotes periodic polarization inversion, and reference numeral 46 denotes an optical waveguide. Further, 47 is a laser light source, 48 is a laser beam from the laser light source 47, and 49 is a harmonic of the racer light 48 obtained by the optical waveguide type wavelength conversion element 44. Also, 50
Is a coupling lens for causing the laser light 48 to enter the optical waveguide 46.

【0114】この系において光導波路型波長変換素子4
4の特性を評価したところ、従来の光導波路型波長変換
素子において500%/W程度であった規格化変換効率
を1000%/W以上に向上することができた。特に短
周期の分極反転形成において高アスペクト比を実現した
ことにより変換効率の著しい向上が確認できた。これに
より波長380nm〜420nm帯の第2高調波発生に
おいて従来に比べ2〜5倍の出力パワー向上が達成でき
た。また、均一な周期状分極反転により出射高調波49
の波長広がりを半値全幅で1.0nm以下に抑えること
ができた。
In this system, the optical waveguide type wavelength conversion element 4
When the characteristics of No. 4 were evaluated, the normalized conversion efficiency, which was about 500% / W in the conventional optical waveguide type wavelength conversion element, could be improved to 1000% / W or more. In particular, it was confirmed that the conversion efficiency was significantly improved by realizing a high aspect ratio in the short-period domain inversion formation. As a result, in the generation of the second harmonic in the wavelength band of 380 nm to 420 nm, an output power improvement of 2 to 5 times as compared with the related art was achieved. In addition, the output harmonics 49
Was suppressed to 1.0 nm or less in full width at half maximum.

【0115】また、MgO:LN結晶基板を用いた場合
には、耐光損傷性が高い光導波路型波長変換素子を作製
することができ、高出力・高変換効率の波長変換素子を
作製することが可能であるという利点を有していた。
When an MgO: LN crystal substrate is used, an optical waveguide type wavelength conversion element having high light damage resistance can be manufactured, and a wavelength conversion element having high output and high conversion efficiency can be manufactured. It had the advantage of being possible.

【0116】なお、本実施の形態では実施の形態1に示
した方法により形成された周期状分極反転構造を用いた
場合を例に取り説明したが、上記実施の形態2および実
施の形態3に示した方法により形成された周期状分極反
転構造を用いた場合にも、同様の短周期で厚い均一な周
期状分極反転が形成可能であり上記規格化変換効率を従
来の1.8〜2倍に向上することができた。
In the present embodiment, the case where the periodic domain-inverted structure formed by the method shown in the first embodiment is used has been described as an example. Even when the periodic domain-inverted structure formed by the method shown is used, the same uniform domain-inverted pattern can be formed with a similar short period and the above-mentioned normalized conversion efficiency is 1.8 to 2 times the conventional conversion efficiency. Could be improved.

【0117】また特に上記実施の形態2に示した方法に
より形成された周期状分極反転構造は特徴的な形状を示
す。この形状と特性について図13を用いて説明する。
図13(a)は従来の分極反転形成方法により形成され
た周期状分極反転部であり、図13(b)は本発明の実
施の形態2に示した分極反転形成方法により形成された
周期状分極反転部を示す。なお、図13(a)および図
13(b)はオフカット基板をZ面から見た図である。
図13(a)および図13(b)において51はオフカ
ットのMgO:LN結晶、52は分極反転部である。ま
た、図13(b)においてW1はMgO:LN結晶51
の表面近傍の任意の点Aにおける分極反転幅、W2は上
記点AよりもMgO:LN結晶51の内部にある点Bに
おける分極反転幅、W3は上記点BよりもMgO:LN
結晶51の内部にある点Cにおける分極反転幅である。
Further, the periodic domain-inverted structure formed by the method described in the second embodiment has a characteristic shape. The shape and characteristics will be described with reference to FIG.
FIG. 13A shows a periodic domain-inverted portion formed by the conventional domain-inverted forming method, and FIG. 13B shows a periodic domain-inverted portion formed by the domain-inverted forming method according to the second embodiment of the present invention. 3 shows a polarization inversion section. 13A and 13B are views of the off-cut substrate viewed from the Z plane.
13A and 13B, reference numeral 51 denotes an off-cut MgO: LN crystal, and reference numeral 52 denotes a domain-inverted portion. In FIG. 13B, W1 is the MgO: LN crystal 51.
, W2 is the polarization inversion width at point B inside the MgO: LN crystal 51 above point A, and W3 is MgO: LN than point B above the point B.
This is the width of polarization reversal at point C inside the crystal 51.

【0118】図13(a)に示すように、従来の分極反
転形成方法において形成された分極反転部51の形状は
MgO:LN結晶51の表面近傍から内部に向かって分
極反転幅が減少する形状となる。このため、例えば光導
波路型デバイスとして用いた場合には、光導波路と分極
反転構造とのオーバーラップが光導波路断面に対して不
均一となる。すなわち、周期状分極反転構造のデューテ
ィー比(分極反転部と非反転部の割合)が基板表面から
の導波路深さ方向に対して変化し、例えば波長変換素子
として用いる際の変換効率の低下の原因となる。一方、
本発明の実施の形態2に示した分極反転形成方法により
形成された分極反転部52の形状は図13(b)に示す
ようにW1≧W3≧W2とすることが可能である。従っ
て基板の厚み方向に対してほぼ同じデューティー比を維
持した周期状分極反転構造の形成が可能であるという効
果を有していた。
As shown in FIG. 13A, the shape of the domain-inverted portion 51 formed by the conventional domain-inverted formation method is such that the domain-inverted width decreases from near the surface of the MgO: LN crystal 51 toward the inside. Becomes Therefore, for example, when used as an optical waveguide device, the overlap between the optical waveguide and the domain-inverted structure becomes non-uniform with respect to the cross section of the optical waveguide. That is, the duty ratio of the periodic domain-inverted structure (the ratio between the domain-inverted portion and the non-inverted portion) changes in the depth direction of the waveguide from the substrate surface. Cause. on the other hand,
The shape of the domain-inverted portion 52 formed by the domain-inverted formation method shown in the second embodiment of the present invention can satisfy W1 ≧ W3 ≧ W2 as shown in FIG. Therefore, there is an effect that it is possible to form a periodically poled structure while maintaining substantially the same duty ratio in the thickness direction of the substrate.

【0119】[0119]

【発明の効果】以上のように、本発明において、電界印
加による分極反転形成方法において、オフカットの強誘
電体結晶基板の主面に電極対を形成し、この電極を介し
て電界印加を行い分極反転領域を形成した後、電極対を
再形成し再形成された電極を介して電界印加を行うこと
により、従来の約1.3倍の高アスペクト比を有する周
期状分極反転を形成することができた。これにより、特
に短周期の分極反転形成において、分極反転幅の広がり
を防止しながら厚い分極反転を形成することが可能にな
った。また、特に、光導波路型デバイスとして半導体レ
ーザーとの光結合を前提として用いる場合において、低
ロス結合が可能なオフカット角度θの小さい強誘電体結
晶基板(0°<θ≦3°のオフカット基板)において高
アスペクト比の周期状分極反転構造を形成することが可
能になった。これにより、高効率の非線形相互作用を行
うことができる光導波路型デバイスが実現可能となっ
た。
As described above, according to the present invention, in the method for forming domain inversion by applying an electric field, an electrode pair is formed on the main surface of an off-cut ferroelectric crystal substrate, and an electric field is applied through this electrode. After the domain-inverted region is formed, the electrode pair is reformed, and an electric field is applied through the re-formed electrode, thereby forming a periodic domain-inverted material having a high aspect ratio about 1.3 times that of the related art. Was completed. This makes it possible to form a thick domain inversion while preventing the width of the domain inversion from being widened, especially in short-period domain inversion. In particular, when an optical waveguide device is used on the premise of optical coupling with a semiconductor laser, a ferroelectric crystal substrate with a small off-cut angle θ capable of low-loss coupling (off-cut with 0 ° <θ ≦ 3 °) It is possible to form a periodically poled structure having a high aspect ratio on the substrate). This has made it possible to realize an optical waveguide device capable of performing highly efficient nonlinear interaction.

【0120】また、上記分極反転形成方法を用いること
により高アスペクト比の分極反転領域をZ方向に対して
広い領域に形成することが可能になり、例えばウエハー
状の結晶基板から光導波路型波長変換素子を作製する場
合において、同一結晶基板から作製可能な素子の数を従
来の10倍以上にすることができるという利点があっ
た。
Further, it is possible to form a domain-inverted region having a high aspect ratio in a wide area in the Z direction by using the above-mentioned domain-inverted formation method. In the case of manufacturing an element, there is an advantage that the number of elements that can be manufactured from the same crystal substrate can be ten or more times that in the related art.

【0121】また、上記分極反転形成方法をXカット、
Yカット基板に適用することにより、従来Z方向に生じ
ていた分極反転部厚み、分極反転部アスペクト比の不均
一性を抑えることができ、均一な分極反転形成領域のほ
ぼ全体に渡って均一な特性の光導波路型デバイスを作製
することが可能になった。また、分極反転形成領域内に
おいては30〜50μm間隔で均一な特性を有する光導
波路型デバイスが作製可能となり、高集積化を図ること
ができるという効果があった。
In addition, the above-mentioned polarization inversion forming method is X-cut,
By applying the invention to a Y-cut substrate, it is possible to suppress the non-uniformity of the domain-inverted portion thickness and the domain-inverted portion aspect ratio, which have conventionally occurred in the Z direction, and to provide a uniform domain-inverted formation region over substantially the entirety. It has become possible to manufacture an optical waveguide device having characteristics. Further, in the domain-inverted formation region, an optical waveguide device having uniform characteristics at intervals of 30 to 50 μm can be manufactured, and there is an effect that high integration can be achieved.

【0122】また、本発明に示した分極反転形成方法を
用いて光導波路型波長変換素子を作製することにより、
高アスペクト比の厚い周期状分極反転形成が可能であ
り、結果として、従来に比べ非常に高い規格化変換効率
を得ることができるという効果があった。これにより、
例えば小型の波長変換型短波長光源として、出力100
mWの赤外半導体レーザー基本波とする約20mWの高
調波出力光を得ることが可能になった。特に短周期分極
反転構造の形成において高アスペクト比が達成されたこ
とにより、従来、低変換効率・低出力のため実用化が遅
れていた波長400nm帯の短波長光源の高効率化・高
出力化がはかられた。また、強誘電体結晶基板としてM
gOドープLiNbO3結晶基板を用いた場合にも本発
明の分極反転形成方法が適用でき、これにより、耐光損
傷性が高い光導波路型波長変換素子作製が可能であると
いう効果があった。
Further, by manufacturing an optical waveguide type wavelength conversion element by using the polarization inversion forming method shown in the present invention,
Thick periodic polarization inversion with a high aspect ratio can be formed, and as a result, an extremely high normalized conversion efficiency can be obtained as compared with the related art. This allows
For example, as a small wavelength conversion type short wavelength light source, an output of 100
It has become possible to obtain a harmonic output light of about 20 mW, which is a fundamental wave of an infrared semiconductor laser of mW. In particular, the achievement of a high aspect ratio in the formation of a short-period domain-inverted structure has led to a 400 nm wavelength short-wavelength light source that has been delayed in practical use because of its low conversion efficiency and low output. Was peeled off. Further, as a ferroelectric crystal substrate, M
Even when a gO-doped LiNbO 3 crystal substrate is used, the polarization inversion forming method of the present invention can be applied, which has an effect that an optical waveguide type wavelength conversion element having high light damage resistance can be manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)本発明の実施の形態1における分極反転
形成方法のうち、第1の分極反転形成を行う際の構成の
一例を示す図 (b)図1(a)を−Y面から見た場合の断面図 (c)本発明の実施の形態1における分極反転形成方法
のうち、第2の分極反転形成を行う際の構成の一例を示
す図 (d)図1(c)を−Y面から見た場合の断面図
FIG. 1 (a) is a diagram showing an example of a configuration for performing a first domain-inversion formation in the domain-inversion forming method according to the first embodiment of the present invention. (B) FIG. (C) A diagram showing an example of the configuration when performing the second polarization inversion forming in the polarization inversion forming method according to the first embodiment of the present invention. (D) FIG. 1 (c) Sectional view when viewed from the -Y plane

【図2】(a)本発明の実施の形態1における、第1の
分極反転形成工程によりオフカット基板内に形成された
分極反転部の一例を示す図 (b)図2(a)をA−A’断面で切断し、−Z面から
見た場合の断面図 (c)本発明の実施の形態1における、第2の分極反転
形成工程によりオフカット基板内に形成された分極反転
部の一例を示す図 (d)図2(c)をB−B’断面で切断し、−Z面から
見た場合の断面図
FIG. 2A is a diagram illustrating an example of a domain-inverted portion formed in an off-cut substrate by a first domain-inverted formation step according to the first embodiment of the present invention; FIG. Sectional view when cut along the -A 'section and viewed from the -Z plane. (C) The polarization inversion portion formed in the off-cut substrate by the second polarization inversion forming step in the first embodiment of the present invention. FIG. 2D is a cross-sectional view of FIG. 2C cut along a line BB ′ and viewed from a −Z plane.

【図3】(a)本発明の実施の形態1における、第1の
分極反転形成工程によりXカット基板内に形成された分
極反転部の一例を示す図 (b)図3(a)をL−L’断面で切断し、−Z面から
見た場合の断面図 (c)図3(a)をM−M’断面で切断し、−Z面から
見た場合の断面図 (d)本発明の実施の形態1における、第2の分極反転
形成工程によりXカット基板内に形成された分極反転部
の一例を示す図 (e)図3(d)をN−N’断面で切断し、−Z面から
見た場合の断面図 (f)図3(d)をO−O’断面で切断し、−Z面から
見た場合の断面図
FIG. 3A is a diagram showing an example of a domain-inverted portion formed in an X-cut substrate by a first domain-inverted formation step according to the first embodiment of the present invention; (C) A cross-sectional view when cut along the -L 'section and viewed from the -Z plane. (C) A cross-sectional view when cut along the MM' cross section of FIG. 3A and viewed from the -Z plane. FIG. 3E is a view showing an example of a domain-inverted portion formed in the X-cut substrate by the second domain-inverted formation step in the first embodiment of the present invention. (E) FIG. Sectional view when viewed from the -Z plane. (F) Sectional view when cut along the OO 'section of FIG. 3D and viewed from the -Z plane.

【図4】(a)本発明の実施の形態1における、オフカ
ット基板のオフカット角度θと電界印加により形成され
る分極反転厚みの関係を示す図 (b)本発明の実施の形態1における、オフカット基板
のオフカット角度θと電界印加により形成される分極反
転部のアスペクト比の関係を示す図
FIG. 4A is a diagram showing a relationship between an off-cut angle θ of an off-cut substrate and a domain-inverted thickness formed by applying an electric field according to the first embodiment of the present invention; Showing the relationship between the off-cut angle θ of the off-cut substrate and the aspect ratio of the domain-inverted portion formed by applying an electric field

【図5】本発明の実施の形態1における、第1の分極反
転形成工程および第2の分極反転形成工程に用いられる
電極のずれ量と、形成された分極反転部の厚みとの関係
を示す図
FIG. 5 shows the relationship between the amount of displacement of the electrodes used in the first domain inversion forming step and the second domain inversion forming step and the thickness of the formed domain inversion portion in the first embodiment of the present invention. Figure

【図6】(a)本発明の実施の形態1における、周期状
分極反転を形成する構成の一例を示す図 (b)図6(a)の構成を用いて、従来の分極反転形成
方法により形成された分極反転部の一例を示す図 (c)図6(a)の構成を用いて、本発明の分極反転形
成方法により形成された分極反転部の一例を示す図
6A is a diagram showing an example of a configuration for forming a periodic domain inversion according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6B is a diagram showing a conventional domain inversion forming method using the configuration shown in FIG. FIG. 6C is a diagram illustrating an example of a domain-inverted portion formed. FIG. 6C is a diagram illustrating an example of a domain-inverted portion formed by the domain-inverted forming method of the present invention using the configuration of FIG.

【図7】(a)本発明の実施の形態2における、異なる
領域に分極反転部を形成する際の構成の一例を示す図 (b)異なる領域に分極反転部を形成することにより領
域間に分極反転領域が誘起された時の分極反転形状の一
例を示す図 (c)図7(b)をD−D’断面で切断し、−Z面から
見た場合の断面図
FIG. 7A is a diagram showing an example of a configuration when forming domain-inverted portions in different regions according to the second embodiment of the present invention; FIG. 7B is a diagram showing a configuration in which domain-inverted portions are formed in different regions; FIG. 7C shows an example of a domain-inverted shape when a domain-inverted region is induced. FIG. 7C is a cross-sectional view taken along the line DD ′ of FIG. 7B and viewed from the −Z plane.

【図8】(a)本発明の実施の形態2における、島状電
極を用いて分極反転形成を行う際の構成の一例を示す図 (b)図8(a)を−Y面から見た場合の断面図
8A is a diagram showing an example of a configuration when domain-inverted formation is performed using island-shaped electrodes according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8B is a view of FIG. Cross section of case

【図9】(a)本発明の実施の形態2における、一部が
絶縁材料により基板から絶縁された櫛形電極を用いて分
極反転形成を行う際の構成の一例を示す図 (b)図8(a)を−Y面から見た場合の断面図
9A is a diagram illustrating an example of a configuration when performing polarization inversion using a comb-shaped electrode partly insulated from a substrate by an insulating material according to the second embodiment of the present invention; FIG. Sectional view when (a) is viewed from the −Y plane.

【図10】(a)本発明の実施の形態3における、所望
の周期の整数倍の周期を有する電極を用いて第1の分極
反転形成工程および第2の分極反転形成工程を行うこと
により分極反転部を形成する際の構成の一例を示す図 (b)本発明の実施の形態3において、第1の分極反転
形成工程により基板内に形成された分極反転部の一例を
示す図 (c)本発明の実施の形態3において、第1の分極反転
形成工程および第2の分極反転形成工程により基板内に
形成された分極反転部の一例を示す図
FIG. 10 (a) is a diagram illustrating a polarization by performing a first polarization inversion forming step and a second polarization inversion forming step using an electrode having a period that is an integral multiple of a desired period in the third embodiment of the present invention. FIG. 4B is a diagram illustrating an example of a configuration when an inversion portion is formed. FIG. 6C is a diagram illustrating an example of a polarization inversion portion formed in a substrate by a first polarization inversion forming step in the third embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing an example of a domain-inverted portion formed in a substrate by a first domain-inverted formation step and a second domain-inverted formation step in Embodiment 3 of the present invention.

【図11】本発明の実施の形態4における光導波路型波
長変換素子の構成の一例を示す図
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a configuration of an optical waveguide type wavelength conversion element according to a fourth embodiment of the present invention.

【図12】本発明の実施の形態4における光導波路型波
長変換素子を用いた高調波発生光源の構成の一例を示す
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a configuration of a harmonic generation light source using an optical waveguide type wavelength conversion element according to a fourth embodiment of the present invention.

【図13】(a)従来の分極反転形成方法により形成さ
れた周期状分極反転の形状の一例を示す図 (b)本発明の実施の形態2または実施の形態3に示す
方法により形成された周期状分極反転の形状の一例を示
す図
13A is a diagram showing an example of a periodic domain inversion formed by a conventional domain inversion forming method. FIG. 13B is a diagram showing an example of a periodic domain inversion formed by the method according to the second or third embodiment of the present invention. Diagram showing an example of the shape of periodic polarization inversion

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,7,10,13,17,23,28,34,51
MgO:LN結晶基板 2a,4a,14a,22a,29a,35,36 櫛
形電極 2b,4b,14b,22b,24b,29b,37
ストライプ状電極 6,15,21,25,30,38 電源 3,5,8,9,11,12,16,18,19,2
0,26,27,31,32,39,40,52 分極
反転部 24a 島状電極 33 絶縁材料 41,44 光導波路型波長変換素子 42,45 周期状分極反転 43,46 光導波路 47 レーザー光源 48 レーザー光 49 高調波 50 カップリングレンズ L1,L2,L3,L4 間隔 W1,W2,W3 分極反転幅
1,7,10,13,17,23,28,34,51
MgO: LN crystal substrate 2a, 4a, 14a, 22a, 29a, 35, 36 Comb electrodes 2b, 4b, 14b, 22b, 24b, 29b, 37
Stripe electrodes 6,15,21,25,30,38 Power supply 3,5,8,9,11,12,16,18,19,2
0, 26, 27, 31, 32, 39, 40, 52 Polarization inversion portion 24a Island electrode 33 Insulating material 41, 44 Optical waveguide type wavelength conversion element 42, 45 Periodic polarization inversion 43, 46 Optical waveguide 47 Laser light source 48 Laser beam 49 Harmonics 50 Coupling lens L1, L2, L3, L4 Interval W1, W2, W3 Polarization inversion width

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 和久 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2K002 AB12 BA01 CA03 FA24 FA27 GA07 HA20  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kazuhisa Yamamoto 1006 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F term (reference) 2K002 AB12 BA01 CA03 FA24 FA27 GA07 HA20

Claims (24)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】単一分極化された強誘電体結晶と、前記強
誘電体結晶の第1の領域に分極反転部を形成する工程
と、前記強誘電体結晶の第2の領域に分極反転部を形成
する工程とを有し、前記第1の領域と前記第2の領域の
少なくとも一部が重なっていることを特徴とする分極反
転形成方法。
1. A step of forming a single-polarized ferroelectric crystal and a domain-inverted portion in a first region of the ferroelectric crystal, and a domain-inverted portion in a second region of the ferroelectric crystal. Forming a portion, wherein at least a part of the first region and the second region overlap each other.
【請求項2】単一分極化された強誘電体結晶と、前記強
誘電体結晶の異なる領域に分極反転部を形成する工程と
を有し、前記工程により前記異なる領域の領域間に分極
反転部が形成され、前記領域間の距離により前記領域間
に形成される分極反転の形状を制御することを特徴とす
る分極反転形成方法。
A step of forming a domain-inverted portion in a single-polarized ferroelectric crystal and a different region of the ferroelectric crystal, wherein the step causes a domain-inverted region between the different regions. A method of forming a domain-inverted structure, wherein a portion is formed and a shape of domain-inverted formed between the regions is controlled by a distance between the regions.
【請求項3】前記異なる領域に分極反転を形成する工程
が同時に行われることを特徴とする請求項2に記載の分
極反転形成方法。
3. The method according to claim 2, wherein the step of forming domain inversion in the different regions is performed simultaneously.
【請求項4】前記異なる領域に分極反転を形成する工程
が、第1の領域の分極反転を形成する工程と、第2の領
域の分極反転を形成する工程とに分かれていることを特
徴とする請求項2に記載の分極反転形成方法。
4. The method according to claim 1, wherein the step of forming a domain inversion in the different region is divided into a step of forming a domain inversion of a first region and a step of forming a domain inversion of a second region. The method of forming a domain inversion according to claim 2.
【請求項5】単一分極化された強誘電体結晶と、前記強
誘電体結晶内に所望の長さΛの整数倍の周期を有する周
期状分極反転部を形成する工程を複数回有し、前記周期
状分極反転部を形成する位置が互いに異なることを特徴
とする分極反転形成方法。
5. A semiconductor device comprising a plurality of steps of forming a single-polarized ferroelectric crystal and forming a periodically poled portion having a period of an integral multiple of a desired length 内 in the ferroelectric crystal a plurality of times. Wherein the positions at which the periodic domain-inverted portions are formed are different from each other.
【請求項6】形成された分極反転部が前記Λの周期を有
することを特徴とする請求項5に記載の分極反転形成方
法。
6. The method according to claim 5, wherein the formed domain-inverted portions have the period of Λ.
【請求項7】前記周期状分極反転部を形成する位置が、
前記工程毎に前記周期状分極反転の周期方向に垂直な方
向に互いに異なることを特徴とする請求項5または請求
項6に記載の分極反転形成方法。
7. A position for forming said periodic domain-inverted portion,
7. The method according to claim 5, wherein each of the steps is different from each other in a direction perpendicular to a periodic direction of the periodic polarization inversion.
【請求項8】前記強誘電体結晶の分極方向が、前記強誘
電体結晶の表面とほぼ平行であることを特徴とする請求
項1から請求項7の何れかに記載の分極反転形成方法。
8. The polarization inversion forming method according to claim 1, wherein a polarization direction of said ferroelectric crystal is substantially parallel to a surface of said ferroelectric crystal.
【請求項9】前記強誘電体結晶が、強誘電体結晶の自発
分極の向きに対して角度θ(0°<θ<90°)をなす
面でカットしたオフカット基板であり、前記オフカット
基板の分極方向と前記強誘電体結晶の表面とのなす角
(オフカット角)θが、0.5°≦θ≦7°であること
を特徴とする請求項1から請求項7の何れかに記載の分
極反転形成方法。
9. An off-cut substrate, wherein said ferroelectric crystal is cut on a plane forming an angle θ (0 ° <θ <90 °) with respect to the direction of spontaneous polarization of said ferroelectric crystal. The angle (off-cut angle) θ between the polarization direction of the substrate and the surface of the ferroelectric crystal is in a range of 0.5 ° ≦ θ ≦ 7 °. 3. The polarization inversion forming method according to 1. above.
【請求項10】前記分極反転部または前記周期状分極反
転部を形成する各工程において、前記強誘電体結晶の第
1の面に電極対を形成し、前記電極対を介して前記強誘
電体結晶に電界を印加することを特徴とする請求項1か
ら請求項9の何れかに記載の分極反転形成方法。
10. In each step of forming said domain-inverted portion or said periodic domain-inverted portion, an electrode pair is formed on a first surface of said ferroelectric crystal, and said ferroelectric substance is interposed via said electrode pair. The polarization inversion forming method according to any one of claims 1 to 9, wherein an electric field is applied to the crystal.
【請求項11】前記電極対に加え、前記強誘電体結晶の
前記第1の面と対向する第2の面に裏面電極を形成し、
前記電極対および前記裏面電極を介して電界を印加する
ことを特徴とする請求項1から請求項10の何れかに記
載の分極反転形成方法。
11. A back electrode is formed on a second surface of the ferroelectric crystal opposite to the first surface in addition to the electrode pair,
The method of claim 1, wherein an electric field is applied through the pair of electrodes and the back electrode.
【請求項12】前記電極対が、少なくとも一部に尖塔部
を有する電極aと、ストライプ状の電極bとからなり、
前記尖塔部より前記分極反転部または前記周期状反転部
が形成されることを特徴とする請求項10または請求項
11に記載の分極反転形成方法。
12. The electrode pair comprises an electrode a having at least a part of a spire portion, and a stripe-shaped electrode b,
The polarization inversion forming method according to claim 10 or 11, wherein the polarization inversion portion or the periodic inversion portion is formed from the spire portion.
【請求項13】前記分極反転部または前記周期状分極反
転部を形成する各工程において、前記電極対の形成位置
が前記強誘電体結晶の分極方向に平行な方向に互いに異
なることを特徴とする請求項10から請求項12の何れ
かに記載の分極反転形成方法。
13. The method according to claim 1, wherein in each of the steps of forming the domain-inverted portions or the periodic domain-inverted portions, positions of the electrode pairs are different from each other in a direction parallel to a polarization direction of the ferroelectric crystal. The polarization inversion forming method according to claim 10.
【請求項14】前記オフカット角度θと、前記電極対の
形成位置のずれ量Lが、L×tanθ≦1.5の関係と
なることを特徴とする請求項13に記載の分極反転形成
方法。
14. The polarization inversion forming method according to claim 13, wherein the off-cut angle θ and the shift amount L between the positions where the electrode pairs are formed have a relationship of L × tan θ ≦ 1.5. .
【請求項15】前記分極反転部または前記周期状分極反
転部を形成する工程において用いる前記電極対の電極間
隔が、各工程において等しいか、または前工程よりも小
さいことを特徴とする請求項13に記載の分極反転形成
方法。
15. An electrode interval of the electrode pair used in the step of forming the domain-inverted portions or the periodic domain-inverted portions is equal in each step or smaller than in the previous step. 3. The polarization inversion forming method according to 1. above.
【請求項16】前記異なる領域に分極反転を形成する工
程が、前記強誘電体結晶の第1の面に形成された櫛形電
極を介して前記強誘電体結晶に電界を印加する工程を含
み、前記櫛形電極の櫛状部分の少なくとも一部が絶縁膜
を介して前記第1の面に接触していることを特徴とする
請求項3に記載の分極反転形成方法。
16. The step of forming a domain inversion in the different region includes a step of applying an electric field to the ferroelectric crystal via a comb-shaped electrode formed on a first surface of the ferroelectric crystal, 4. The polarization inversion forming method according to claim 3, wherein at least a part of a comb-shaped portion of the comb-shaped electrode is in contact with the first surface via an insulating film.
【請求項17】前記櫛状部分の先端を含まない部分が、
前記絶縁膜を介して前記第1の面に接触していることを
特徴とする請求項16に記載の分極反転形成方法。
17. A part that does not include a tip of said comb-like part,
17. The polarization inversion forming method according to claim 16, wherein the first surface is in contact with the first surface via the insulating film.
【請求項18】前記櫛状部分において、前記絶縁膜を介
して前記第1の面に接触している部分の長さが5μm以
下であることを特徴とする請求項17に記載の分極反転
形成方法。
18. The domain-inverted formation according to claim 17, wherein a length of said comb-shaped portion in contact with said first surface via said insulating film is 5 μm or less. Method.
【請求項19】前記強誘電体結晶が、MgO、Zn、S
cの何れかをドープしたLiNbO3結晶またはストイ
キオメトリLiNbO3結晶の何れかであり、ドープ量
xが、0.5mol%≦x≦6.0mol%であること
を特徴とする請求項1から請求項18の何れかに記載の
分極反転形成方法。
19. The method according to claim 19, wherein the ferroelectric crystal is made of MgO, Zn, S
c is either one of doped LiNbO 3 crystal or stoichiometric LiNbO 3 crystals of doping amount x is from claim 1, characterized in that a 0.5mol% ≦ x ≦ 6.0mol% 19. The polarization inversion forming method according to claim 18.
【請求項20】請求項1から請求項19の何れかに記載
の分極反転形成方法によって形成された分極反転部また
は周期状分極反転部を有し、分極方向と垂直な方向の分
極反転断面において、厚み方向の任意の点Aでの分極反
転幅w1と、前記点Aよりも結晶内部にある点Bでの分
極反転幅w2と、前記点Bよりも結晶内部にある点Cで
の分極反転幅w3とが、w1≧w3≧w2またはw3≧
w1≧w2の関係となる分極反転形状であることを特徴
とする光波長変換素子。
20. A domain-inverted section or a periodic domain-inverted section formed by the domain-inverted formation method according to any one of claims 1 to 19, wherein the domain-inverted section is perpendicular to the polarization direction. A domain inversion width w1 at an arbitrary point A in the thickness direction, a domain inversion width w2 at a point B inside the crystal from the point A, and a domain inversion at a point C inside the crystal from the point B. When the width w3 is w1 ≧ w3 ≧ w2 or w3 ≧
An optical wavelength conversion element having a domain-inverted shape satisfying a relationship of w1 ≧ w2.
【請求項21】オフカット角θが、0.5°≦θ≦7°
である強誘電体結晶内に、請求項1から請求項19の何
れかに記載の分極反転形成方法により形成された周期3
μm以下の周期状分極反転構造を有し、分極方向と垂直
な方向の分極反転断面において、分極反転厚みdと分極
反転幅wとの比が、d/w≧1.0の関係にあることを
特徴とする光波長変換素子。
21. An off-cut angle θ of 0.5 ° ≦ θ ≦ 7 °
20. A period 3 formed by the polarization inversion forming method according to claim 1 in a ferroelectric crystal having the following structure.
It has a periodic domain-inverted structure of μm or less, and the ratio between the domain-inverted thickness d and the domain-inverted width w is d / w ≧ 1.0 in a domain-inverted cross section perpendicular to the polarization direction. An optical wavelength conversion element characterized by the above-mentioned.
【請求項22】前記光波長変換素子が、前記周期状分極
反転部と、前記強誘電体結晶内に前記周期状分極反転部
をほぼ垂直に横切るように形成された光導波路とからな
る光導波路型光波長変換素子であることを特徴とする請
求項20または請求項21に記載の光波長変換素子。
22. An optical waveguide, wherein the optical wavelength conversion element comprises the periodic domain-inverted portion and an optical waveguide formed in the ferroelectric crystal so as to cross the domain-inverted portion substantially vertically. 22. The optical wavelength conversion device according to claim 20, wherein the optical wavelength conversion device is a type optical wavelength conversion device.
【請求項23】前記光導波路が、前記周期状分極反転部
を形成する際に用いた前記電極対の形成された領域以外
の部分に形成されていることを特徴とする請求項22に
記載の光波長変換素子。
23. The device according to claim 22, wherein the optical waveguide is formed in a portion other than a region where the electrode pair used in forming the periodic polarization inversion portion is formed. Light wavelength conversion element.
【請求項24】前記光導波路と、前記周期状分極反転部
を形成する際に用いた前記電極対の先端との距離が10
μm以下であることを特徴とする請求項23または請求
項24に記載の光波長変換素子。
24. The distance between the optical waveguide and the tip of the electrode pair used for forming the periodic polarization inversion portion is 10 or more.
25. The optical wavelength conversion device according to claim 23, wherein the wavelength is not more than μm.
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