JP2004295064A - 二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子の製造方法を提供する。
【解決手段】その目的を達成するため、本発明は、非線形結晶に第１金属電極パターンを形成し、前記サンプルに対してキュリー温度より低い温度で熱処理をし、熱処理雰囲気下で１回目の浅い層領域反転を形成して、非線形結晶に第２金属電極パターンを形成し、当該結晶にその保磁力場より高い電圧を印加して、上記電界において２回目の深い層領域反転を完成して、これにより、電界で強誘電体結晶に対して領域反転（ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）を駆動する時、反転領域においての核生成種の発生と、縦方向への移動を制御することができるとともに、時間領域においての一括生成する多周波レーザーと空間フィルタリング機能のある二次元非線形光子結晶を有し、これにより、空間電荷シールド電極パターンの下に位置するエッジ電界より、また、酸化層電極で領域反転の核生成種の密度を制御することにより、任意な幾何学の形状を有する二次元強誘電体格子構造、を製造する。
【選択図】 図３
【解決手段】その目的を達成するため、本発明は、非線形結晶に第１金属電極パターンを形成し、前記サンプルに対してキュリー温度より低い温度で熱処理をし、熱処理雰囲気下で１回目の浅い層領域反転を形成して、非線形結晶に第２金属電極パターンを形成し、当該結晶にその保磁力場より高い電圧を印加して、上記電界において２回目の深い層領域反転を完成して、これにより、電界で強誘電体結晶に対して領域反転（ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）を駆動する時、反転領域においての核生成種の発生と、縦方向への移動を制御することができるとともに、時間領域においての一括生成する多周波レーザーと空間フィルタリング機能のある二次元非線形光子結晶を有し、これにより、空間電荷シールド電極パターンの下に位置するエッジ電界より、また、酸化層電極で領域反転の核生成種の密度を制御することにより、任意な幾何学の形状を有する二次元強誘電体格子構造、を製造する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子の製造方法に関し、とくに、電界により強誘電体結晶に領域反転（ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）を駆動させる時、反転領域においての核生成種の発生と、縦方向への移動を制御することができるとともに、時間領域においての一括生成する多周波レーザーと空間フィルタリング機能のある二次元非線形光子結晶を有し、これにより、空間電荷シールド電極パターンの下に位置するエッジ電界より、また、酸化層電極で領域反転の核生成種の密度を制御することにより、任意な幾何学の形状を有する二次元強誘電体格子構造、を製造するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電体結晶の物理的特性は、結晶特性方向に自発分極（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，Ｐｓ）であり、分極を有する領域がｄｏｍａｉｎと称する。この分極の方向性は、結晶より高い保磁力場（ｃｏｅｒｃｉｖｅｆｉｅｌｄ，Ｅｃ）を印加する作用で、１８０°を回転し、この物理的なプロセスは、領域反転（ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）とも称される。強誘電体結晶は、分極反転の特性を有し、大幅に高密度の不揮発性メモリ素子を製造することに適用され、例えばＳ．Ｅｓｓａｉａｎ”Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ ｍｅｍｏｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｅｔａｌ−ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ” ＵＳｐａｔｅｎｔ ５８９９９７７（１９９７）、やＯ．Ａｕｃｉｅｌｌｏ ｅｔ ａｌ．“Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｍｏｒｉｅｓ”（Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ，ｐｐ．２２−２７，Ｊｕｌｙ，１９９８）に記載される提案である。
【０００３】
また、強誘電体非線形光学結晶が、分極によって１８０°を回転される時、光学非線形係数等の奇数段物理テンソルの正負変換が発生する。これにより、Ｎ．Ｂｌｏｅｍｂｅｒｇｅｎは、アメリカ特許３３８４４３３（１９６８）及び“Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅｓ ｉｎ ａｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．ｖｏｌ．１２７，ｐｐ．１９１８−１９３９（１９６２）に、周期性領域反転構造（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）によって提供される波前ベクトルＫ＝２π／Λで、屈折係数の分散効果により、非線形結晶において、周波数変換する時に起こる位相差（ｋ２ω−２ｋω≠０）を補正し、そして、それで、仮周期位相マッチング（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｉｎｇ，ＱＰＭ）を構築する。それと対応する物理的構造パターンは、図１のようで、ｋ２ω−２ｋω−Ｋ＝０を満足し、また、それぞれの領域反転の長さは、Λ＝２ｌｃで、式ｌｃ＝λ／４（ｎ２ω−ｎω）によって決められる。
【０００４】
上記の概念により、日本のＳｏｎｙ会社のＭ．Ｙａｍａｄａ ｅｔ ａｌ．は、１９９３年において、短いパルス電圧で、ニオブ酸リチウム結晶中で周期性領域反転のＱＰＭ構造を作製して、第二高調波（ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＳＨＧ）レーザーを生成することを “Ｍｅｔｈｏｄｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｄｏｍａｉｎ ｏｆ ａ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃｓ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５１９３０２３（１９９３）や、”Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ＬｉＮｂＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ａｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂｌｕｅ ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６２，ｐｐ．４３５．４３６（１９９３）に提案した。この技術により、Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ会社も、２０００年において、微小化（５×１２×１．５ｍｍ３）したＱＰＭ−ＳＨＧの第二高調波レーザー技術を、Ｙ．Ｋｉｔａｏｋａ ｅｔ ａｌ．により、”Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｂｌｕｅ ｌａｓｅｒ ｕｓｉｎｇ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，”Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９，ｐｐ．３４１６−３４１８（２０００）に提案し、２０ｍＷの赤外光半導体レーザーでトリガーする時、第二高調波レーザー変換パワーが２ｍＷである。
【０００５】
ＱＰＭ−領域反転構造の作製及び適用上に、面する技術問題は、次のように整理できる：
【０００６】
（１）ｄｏｍａｉｎ ｍｅｒｇｅ領域合併現象により、小周期領域反転構造の作製が困難である（Λ＜１０μｍ）。
【０００７】
（２）ベースバンドと周波数変換ビームとは、伝播ルートにおいて、互いに平行かつ分極方向が同じである明視野であり、フィルターにより分離しなければならない。
【０００８】
問題（１）の原因としては、高い電界で周期性領域反転をする時、誘電率が連続しないため、電極パターンの下に発生するエッジ電界（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）効果である。従来の技術を例として、図２（ａ）のように、ｚ方向に分極反転電圧を印加する時、絶縁フォトレジスト層を増設することは、電界をフォトレジスト以外の電極パターン区間に制限するためで、また、これにより、領域反転の発生範囲を制御する。要するに、領域反転が発生する時、外部回路から２ＡｄＰｓ／ｄｔの分極反転電流を提供することにより、面積Ａである強誘電結晶に十分に電荷注入して、分極の空間回転を満足させる。しかし、静電気解析の結果によれば、図２（ｂ）のように、従来の技術により、ｚ方向に反転電圧を印加する時、フォトレジストによって覆われる結晶区間には、内側へ向かう異方性水平電界分布が発生する。この水平電界値は、４Ｅｃまでにもなり、水平方向の電流が、フォトレジストによって覆われる結晶区間に流されて、当該区間には、必要としない領域反転が発生する。それで、水平方向においてのエッジ電界効果は、反転領域を、必要とする電極パターンの中に制限することができず、領域反転パターンのひずみを来たし、また、形成した格子構造を仮位相マッチング（ＱＰＭ）条件からはずれ、非線形光学変換效率を降下する。
【０００９】
また、問題（２）の原因としては、仮位相マッチング（ＱＰＭ）条件が、周波数変換の作用波を同方向入射（ｃｏｌｌｉｎｅａｒ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）に対して定義するため、図１のように、周期性領域反転構造が提供した波前ベクトルは、この作用波と平行になり、ベースバンド波や変換波及び領域反転構造の波前ベクトルは、三者ともに相互に平行であり、空間区隔ができない。従って、傳統のＱＰＭ素子には、フィルターを後付けしなければ、ベースバンド波と変換波とを有効に分離できず、使用上に、非常に不便である。
【００１０】
また、従来の方式は、次の問題が残されている：
【００１１】
（１）、絶縁層で覆って、領域反転側の紛失を低下させる技術領域反転する時、強誘電体非線形結晶によるエッジ電界効果の抑制に関しては、従来の技術は、図３のように、周期性金属電極に覆われるサンプルの表面に、絶縁層を形成する。適用する絶縁層は、ＳｉＯ２であり、例え、Ｋ．Ｍｉｚｕｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．“Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｇｈｔ ｂｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｏｆ ａ ｒｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｉｎ ａ ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ｂｕｌｋ ＬｉＴａＯ３，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７０，ｐｐ．１２０１−１２０３（１９９７）］，Ｔａ２Ｏ５，ＷＯ３，ＨｆＯ３，やＭ．Ｃ．Ｇｕｐｔａ ｅｔ ａｌ，“Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍａｉｎｓ ｂｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５７５６２６３（１９９８），やｓｐｉｎ−ｏｎ−ｇｌａｓｓ Ｇ．Ｄ．Ｍｉｌｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，“４２％−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｉｎｇｌｅ−ｐａｓｓ ｃｗ ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ３，”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．２２，ＰＰ．１８３４−１８３６（１９９７）］などのようである。
【００１２】
問題は次ぎの様である：
１．上記の［Ｒｅｆ．８Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７０，ｐｐ．１２０１−１２０３（１９９７）］の研究から、周期性金属電極上にＳｉＯ２があっても、金属電極と絶縁層との間には、依然として、エッジ電界効果が存在することが分かり、それによって起こられる領域反転側の拡散の広がり（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ，Ｗｍｉｎ）と基板厚さ（Ｔ）との関係が、Ｗｍｉｎ＝０．００２７Ｔ−０．２１（μｍ）とする経験式により表せる。
【００１３】
式Ｗｍｉｎ＝０．００２７Ｔ−０．２１（μｍ）から分かるように、作製可能の最小周期の精確度は、基板の厚さによって決定される。例えば、一般に、５００μｍ厚さのタンタル酸リチウム基板上に、上記技術で得られた反転領域の拡張電極で定義したパターンの最小誤差量は、１．１４μｍである。タンタル酸リチウムが８５０ｎｍでのＱＰＭ−ＳＨＧオクターブ変換を例として、領域反転長さｌｃ＝１．９μｍである。それで、基板を薄く磨かなければ、ＱＰＭ周期の誤差量を許容範囲に縮小できない。
【００１４】
絶縁層で覆って、強誘電体非線形結晶の基板を薄く磨くものを提案した文献は、次のようである：
【００１５】
（ａ）Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏ．は［Ｒｅｆ．８ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７０，ｐｐ．１２０１−１２０３（１９９７）］に、ＬｉＴａＯ３基板を１５０μｍまで薄く磨いて、領域反転周期が１．７μｍであるＱＰＭ構造を作製するのを提案した。
【００１６】
（ｂ）Ｓｏｎｙ Ｃｏｒｐ．は、Ｔ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．により、“Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｄｏｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５５２６１７３（１９９６）に、ＬｉＮｂＯ３の基板を１００μｍまで薄く磨くのを提案した。
【００１７】
ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムの硬度係数がグレード５以上であるため、基板を薄く磨く（ｌａｐｐｉｎｇ ＆ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）ことは、時間や工程がかかるだけでなく、研磨過程において印加した応力による圧電効果により、研磨中の強誘電体結晶に不規則の表面領域反転が発生して、電圧で領域反転する時の周期が大きくなることと歩留りを制御する問題は、解決しなければならない。
【００１８】
（２）、拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）技術で、領域反転を制御することと問題：
【００１９】
化学的或いは高温処理で、結晶内部のリチウムイオン拡散をトリガーし、強誘電体光学非線形結晶の構造特性を変化して、局部領域反転を起こさせる。従来の技術には、（ａ）チタン拡散、（ｂ）プロトン交換、（ｃ）高温でトリガーするリチウムの外拡散、及び（ｄ）酸化物コーティングでトリガーする外拡散がある。（ａ）、（ｄ）技術により、電極パターンの下で浅い層領域反転をトリガーするが、（ｂ）技術により、金属マスク以外の領域で、浅い層領域反転をトリガーする。拡散技術は、大きい面積の領域反転を適用する。しかし、拡散条件が、温度や時間の指数との関係は、飽和にあるため、この方法は、浅い層領域の作製にしか適用できないし、領域反転の境界が垂直でないことと、拡散が結晶構造及び物理的特性を変化することをトリガーすることとの問題があり、詳しくはつぎのようである。
【００２０】
（ａ）．チタン拡散技術（Ｔｉ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）
［Ｒｅｆ．１２］Ｓ．Ｍｉｙａｚａｗａ，“Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ Ｔｉ−ｄｉｆｆｕｓｅｄ ＬｉＮｂＯ３ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．５０，４５９９−４６０３（１９７９）
【００２１】
（ｂ）．プロトン交換技術（ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ）
［Ｒｅｆ．１３］Ｍ．Ｌ．Ｂｏｒｔｚ ｅｔ ａｌ．“Ｎｏｎｃｒｉｔｉｃａｌ ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａｎ ａｎｎｅａｌｅｄ ｐｒｏｔｏｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅ ＬｉＮｂＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，”ＩＥＥＥ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｖｏｌ．３０，ｐｐ．２９５３−２９６０（１９９４）
［Ｒｅｆ．１４］Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“Ａｎｔｉｐｏｌａｒｉｔｙ ｄｏｍａｉｎ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒｏｗｔｈ ｄｕｒｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ＬｉＴａＯ３，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．７３，ｐ．１３９０（１９９３）
【００２２】
（ｃ）．高温でトリガーするＬｉ外拡散技術
［Ｒｅｆ．１４］Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎｃａｕｓｅｄ ｉｎ ＬｉＮｂＯ３ ｐｌａｔｅｓ ｂｙ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．５０，ｐｐ．１４１３−１４１４（１９８７）．
【００２３】
（ｄ）．酸化物コーティングで加熱技術
ＳｉＯ２コーティングで、例えば、Ｍ．Ｆｕｊｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ＳｉＯ２ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｆｏｒ ＬｉＮｂＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，”Ｅｌｅｃ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．２７，ｐｐ．１２０７−１２０９（１９９１）．
【００２４】
ＭｇＯコーティングで、例えば、Ｃ．−Ｓ．Ｌａｕ ｅｔ ａｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＭｇＯ ｉｎｄｕｃｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｏｕｔ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，“ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．４，ｐｐ．８７２−８７５（１９９２）．
【００２５】
次の問題がある：
１．拡散法では、浅い層領域反転しかできず、反転される周期性領域境界の形状としては、ニオブ酸リチウムが三角形であり、タンタル酸リチウムが半円形であり、図１のような理想的な垂直境界が形成できないから、ビームの非線形変換敦率に悪影響を与える。周期性領域反転構造の境界形状と変換效率に対する影響の解析に関しては、例えば、Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．より“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｄｏｍａｉｎ−ｉｎｖｅｒｔｅｄ ＬｉＮｂＯ３ ａｎｄ ＬｉＴａＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓｆｏｒ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．７０，ｐｐ．１９４７−１９５１（１９９１）に提案したものがある。
【００２６】
２．プロトン交換法では、結晶の成分と構造との変化が起こり、ＬｉｘＨ１−ｘＮｂＯ３を生成するだけでなく、同時に、非線形光学変換係数を低下させる。また、アニールを行わなければ上記の破壊程度を低減できないが、非線形係数の回復が限られていて、詳しくは、Ｙ．Ｎ．Ｋｏｒｋｉｓｈｋｏ ｅｔ ａｌ．により、“Ｔｈｅ ＳＨＧ−ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｈａｓｅ ｉｎ ｐｒｏｔｏｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，”ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ ＴｏｐｉｃｓｉｎＱｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｖｏｌ．６，ｐｐ．１３２−１４２（２０００）．に記載するもののようである。
【００２７】
（３）．保磁力場低下法：
エッジ電界の抑制效果を求めるために、もう一つの方法は、ブローク状結晶の保磁力場を低下するのである。この方法は、基本的に、結晶内の欠陥密度を低減するので、結晶の既存の光学非線形特性と変換效率を変化しない。現在において、従来の技術には、（ａ）等化学量成長結晶法ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ−ｇｒｏｗｎ ｃｒｙｓｔａｌｓと（ｂ）ドーピド一致成長結晶法ｄｏｐｅｄ ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ−ｇｒｏｗｎ ｃｒｙｓｔａｌｓの２種類がある。
【００２８】
（ａ）．Ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｒｙｓｔａｌｓ
この方法で成長したＬｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）或いはＬｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）は、成分が約０．４９〜０．５の計量比結晶であり、大幅に保磁力場値を２ｋＶ／ｍｍまでに低減でき、それが、一致成長（ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ−ｇｒｏｗｎ）結晶の１／１０である。現在、この技術の特許権がＶ．Ｇｏｐａｌａｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｐｈｏｔｏ−ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｉｃｅ，”ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ６１９５１９６（２００１）、Ｖ．Ｇｏｐａｌａｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｌｉｔｈｉｕｍ ｔａｎｔａｌａｔｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｐｈｏｔｏ−ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｉｃｅ，”ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ６２１１９９９（２００１）に属するため、基板の提供元が限られている。
【００２９】
（ｂ）．ＭｇＯ ｏｒ ＺｎＯ ｄｏｐｉｎｇ ｉｎ ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ−ｇｒｏｗｎ ｃｒｙｓｔａｌｓ
この方法では、原子結合とニオブ酸リチウム或いはタンタル酸リチウムとを利用して相当な不純物を結合し、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（Ａ．Ｈａｒａｄａ，“（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｖｅｒｓａｌ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ５５６８３０８（１９９６）を例として）、や酸化亜鉛（ＺｎＯ）（Ｌ，−Ｈ．Ｐｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｂｕｌｋ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｏｌｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ ｇｒｏｗｎ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｂｙ ｌｏｗ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ６２９５１５９（２００１）を例として）をドープするものには、ドープした一致成長（ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ−ｇｒｏｗｎ）の結晶がニオブ酸リチウム、ｅ．ｇ．Ｌｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）＝０．４８５で、その中の不純物濃度を３〜９ｍｏｌ％濃度範囲に制御して、格子欠陥密度を低減する。この方法では、有効に保磁力場を元値の１／１０間で低減する事だけでなく、結晶の抗光屈変と抗光破壊性も向上する。
【００３０】
ドーピング法により一致成長結晶の保磁力場を向上する時、ドーピング濃度を慎重に制御しなければならないので、ドーピング濃度が上記範囲より高い場合、成長結晶の品質低下をトリガーするが、ドーピング濃度が低すぎると、格子欠陥を解消できない。
【００３１】
（４）．パルス波形制御法：
もう一つの、領域反転側紛失を制御する方法は、駆動電圧波形の正負極性と時間差を調整することにより、反転領域の移動を制御し、例えば、Ｋ．Ｍｉｚｕｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｄｏｍａｉｎ−ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｒｅｇｉｏｎ，ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｓｕｃｈ ｄｏｍａｉｎ−ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｓｕｃｈ ｄｅｖｉｃｅ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５６５２６７４（１９９７）及びＲ．Ｇ．Ｂａｔｃｈｋｏ ｅｔ ａｌ．“Ｂａｃｋ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｌｉｎｇ ｉｎ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ．ｆｉｄｅｌｉｔｙ ｄｏｍａｉｎ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂｌｕｅ ｌｉｇｈｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７５，ｐｐ．１６７３−１７７５（１９９９）の記載するもののようである。この方法では、適当に液体電極を利用して、材料の絶縁破壊を防止し、例えば、Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ ｄｏｍａｉｎ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５，８００，７６７（１９９８）；６，１５６，２５５（２０００）の記載するもののようである。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主な目的は、電界により強誘電体結晶を駆動して領域反転（ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）を達成する時、反転領域の核生成種の発生を制御し、縦方向の移動を制御して、また、時間領域において多周波レーザーを同時生成して、空間フィルタリング機能を有する二次元非線形光子結晶である。
【００３３】
本発明の他の目的は、空間電荷を利用して電極パターンの下にあるエッジ電界をシールドする。
【００３４】
本発明の更に他の目的は、酸化層電極で領域反転の核生成種密度を制御して、任意の幾何学の形状を有する二次元強誘電体格子構造を製造する。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子を製造方法であって、
非線形結晶に第１金属電極パターンを形成し、
上記サンプルに対して、キュリー温度の雰囲気下で熱処理し、
上記熱処理の雰囲気下で、１回目の浅い層領域反転を形成し、
非線形結晶に第２金属電極パターンを形成し、
上記結晶にその保磁力場より高い電圧を印加し、
上記電界作用下で２回目の深い層領域反転を完成する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図３、図４（ａ）、図４（ｂ）は、本発明の理論基礎の概念図で、本発明の第１実施例において、１０５０℃５ｈｒの大気中での高温処理後、５００μｍ厚さのＺ切りのニオブ酸リチウムの表面に周期性のある三角形浅い層領域反転を形成する時のｙ断面エッチング図であり、本発明の図４（ａ）工程後、分極反転電圧を印加して得たＰＰＬＮのｙ断面エッチング図である。図のように、本発明は、二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子の製造方法であって、
非線形結晶に第１金属電極パターンを形成し、当該結晶には、一致成長のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３，ＬｉｘＨ１−ｘＮｂＯ３）、一致成長のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３，ＬｉｘＨ１−ｘＴａＯ３）、酸化亜鉛をドーピングした一致成長のニオブ酸リチウム（ＺｎＯ：ＬｉＮｂＯ３）、酸化マグネシウムをドーピングした一致成長のニオブ酸リチウム（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３）、等化学量のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、酸化マグネシウムをドーピングした等化学量のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、等化学量のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、及び酸化マグネシウムをドーピングした等化学量のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）を有し、また、当該第１金属電極パターンがアルミウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、クロミウム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、或いは一定比例を有する上記金属からなる合金であり、また、当該第１金属電極パターンが、一次元でも、二次元パターンでも構わない、
上記サンプルを、キュリー温度より低い温度の雰囲気で熱処理し、当該熱処理雰囲気は、酸素が含まれる雰囲気でもよい、
上記熱処理の雰囲気下で、１回目の浅い層領域反転を形成するが、当該熱処理雰囲気の温度は、結晶のキュリー温度より低くて、また、電極によりコーティングされる領域以外の部分に、浅い層領域反転を形成でき、当該１回目の浅い層領域反転技術は、高温トリガーリチウム原子外拡散技術、高温トリガーチタンイオン内拡散技術、或いはプロトン交換技術であり、また、当該１回目の浅い層領域反転の深さは、５０ｎｍより深く、
非線形結晶に第２金属電極パターンを形成し、当該第２金属電極パターンの構成は、アルミウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、クロミウム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、或いは一定比例を有する上記金属からなる合金であり、また、当該２回目の深い層領域反転技術は、他に電圧を印加する領域反転技術で、当該他に印加する電圧がトリガーする電界は、結晶の保磁力場より高いものであり、上記結晶に対して、その保磁力場より高い電圧を印加して、上記電界の作用下で、２回目の深い層領域反転を完成する。
【００３７】
本発明の第１実施例−一次元強誘電体周期性領域反転構造を作製する作製方法は、次のようである：
【００３８】
まず、５０ｎｍ厚さの周期性アルミウム金属電極を一致成長のニオブ酸リチウム＋ｚ面にメッキした後、大気で高温処理（１０５０℃，５ ｈｒ ａｎｎｅａｌ ｉｎ ａｍｂｉｅｎｔ ａｉｒ）して、１回目の表面浅い層領域反転をトリガーする。第１金属電極パターンは、熱蒸着或いは電子銃スパッタリング等の従来技術によるものである。図４（ａ）のように、２０μｍ周期のＱＰＭ構造を有するニオブ酸リチウムの表面に上記熱処理をした後、ＨＦ溶液で結晶ｙ断面をエッチングした後の光学撮影パターンである。パターンに現れる三角形の部分は、高温熱処理がトリガーした表層領域反転現象であり、その深さは５μｍまである。金属電極によりコーティングされる領域は、酸化過程において、分極が元の方向性を維持する。
【００３９】
熱処理された試料に電圧反転をした後、第１酸化電極に１２ｋＶ、２０ｍｓのパルス電圧を印加して、領域反転の作用を来たす。図４（ｂ）は、この工程により得られる周期性領域反転構造のｙ断面光学照相パターンである。新しい１８０°周期性領域反転が、酸化電極以下しか発生しないことと発見し、酸化過程においての微小隙間には、領域反転の核生成種が形成される。また、電圧駆動で生成された第２周期性反転領域において、水平方向の移動は、１回目の熱処理がトリガーした三角形境界に制限されて、また、ニオブ酸リチウムの表面に垂直するように、厚さが５００μｍの基板を貫通する。この現象から分かるように、図４（ｂ）においては、正電荷バリアを利用して水平方向のエッジ電界を抑制して、反転領域の移動範囲を制御する目的を達成する。
【００４０】
図 ５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）を参照して、本発明の第２実施例において、周期が６．８μｍ、厚さが５００μｍのＰＰＬＮのｙと−ｚ面の撮影図で、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧに対してＳＨＧ周波数変換する時の温度調変曲線図である。図のように、本発明の第２実施例−小周期（＜８μｍ）一次元強誘電体周期性領域反転構造を作製する作製方法は、次のようである：
【００４１】
一致成長のニオブ酸リチウムの上面に、小周期のＱＰＭ−ＳＨＧ領域反転構造を作製する作成方法は、次のようである。第１高温熱処理工程（１０５０℃，５ｈｒ ａｎｎｅａｌ ｉｎ ａｍｂｉｅｎｔａｉｒ）で、第１金属電極を酸化状態にし、その後、パルス電圧（１２ｋＶ，１０ｍｓ）を第１電極に印加して、領域反転をする。図５（ａ）は、この方法で作製した周期が６．８μｍのニオブ酸リチウムでＱＰＭ−ＳＨＧ構造を有するｙ與−ｚ面にＨＦ溶液でエッチングした後の光学撮影パターンであり、その基板の厚さが５００μｍである。黒白相間のストライプは、互いに１８０°反転の反転領域において、ＨＦエッチング液のエッチング速率が異なることを示す。図５（ｂ）は、１０６４ｎｍのＹＡＧレーザーで、ＱＰＭ−ＳＨＧマイクロ格子に対してオクターブ変換する時得たグリーン光りオクターブ転度と操作温度の関係図である。周波数変換する時出現したピーク温度（１００℃）で、ＱＰＭ−ＳＨＧの物理機構を有することが認められて、変換スペクトルの半値全幅により算出した有効なマイクロ格子構造長さは、２．３ｍｍである。図１の簡略図の実験構成において、ベースバンド光がＱＰＭ−ＳＨＧ構造のｘ軸伝播で、オクターブグリーン光の出力も、結晶のｘ軸に沿って伝播するものであるが、他にフィルタリング片を追加しなければ、有効にオクターブ光をフィルターすることができない。
【００４２】
図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）及び図６（ｄ）は、本発明第３実施例の二次元ＱＰＭ−ＰＰＬＮ長方形マイクロ格子構造図で、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧで図６（ａ）の二次元ＱＰＭ構造に対してＳＨＧ出力の空間撮影及び強度分布パターンで、二次元ＱＰＭ構造が提供するマルチ格子ベクトルにより、ＳＨＧ出力に、空間において、ベースバンド光と異なる角度で、微調ベースバンド光入射角度±１．５°で、２Ｄ−ＱＰＭによる格子分量Ｋ１，±１により、ＳＨＧ出力とベースバンド光の異なる方向図である。図のように、本発明の第３実施例−二次元強誘電体周期性領域反転構造を作製する作製方法は、次のようである：
【００４３】
二次元強誘電体周期性領域反転構造の作製上、本実施例においては、厚さが５００μｍである一致成長のニオブ酸リチウム基板を例とする。それには、金属電極を酸化状態にする第１高温熱処理工程（１０５０℃，５ｈｒ ａｎｎｅａｌ ｉｎ ａｍｂｉｅｎｔ ａｉｒ）がある。この金属電極には、一次元周期性配列の構造パターンがあってもよいし、二次元周期性配列の構造パターンがあってもよい。上記の高温処理をして、金属電極以外の領域に対して、浅い層領域反転をし、電極パターンによりコーティングされる領域を囲む正電荷バリアを形成する。次、第２電極上にパルス電圧（１２ｋＶ）を印加して、領域反転をする。第１電極が一次元周期性構造であれば、第２金属電極が、第１酸化電極上をコーティングする必要があり、二次元パターンを形成し、また、酸化電極内部の隙間でニオブ酸リチウム領域反転の核生成種を形成する。第１電極が二次元パターンであれば、電解液と酸化電極内部の隙間とにより、ニオブ酸リチウム領域反転の核生成種を形成することができる。図６（ａ）は、この技術により得た長方形アレイを有する二次元ニオブ酸リチウム領域反転のＱＰＭマイクロ格子構造であり、周期が６．８×１３．２μｍ２である。
【００４４】
図６（ａ）の６．８×１３．２μｍ周期の円柱形アレイ、二次元ＱＰＭ−ＳＨＧ構造は、１０６４ｎｍのＹＡＧレーザーに対してオクターブ変換をすることができる。この二次元構造は、第２実施との差異点は、本例において、更にｙ方向に周期が１３．２μｍであるＱＰＭ構造を有し、更に他の波前ベクトルを提供して、ｘ方向に、周期が６．８μｍのＱＰＭ構造から生成されるＹＡＧのオクターブ光を分離し、これにより、空間フィルタリングベースバンド光の機能を有する。第２実施例においての一次元ＱＰＭ構造では、單一のｘ方向の周期でＱＰＭ−ＳＨＧを生成して、オクターブ光の出力が平行になり、フィルタリング片を使用して分光することが必要である。
【００４５】
図６（ｂ）は、周期が６．８×１３．２μｍ２の２Ｄ−ＱＰＭマイクロ格子アレイから得たアレイグリーン光オクターブレーザー出力の近接光学結像パターンと、グリーン光強度分布である。図６（ｃ）は、アレイグリーン光レーザーが、異なる格子ベクトルＫｍｎ作用下での空間屈折効果の理論解析である。図によれば、ｙ方向の非線形格子により、Ｋｍｎ格子ベクトルにマッチするオクターブグリーン光レーザーの角度や強度を分離できる。この二次元構造にはｙ方向に水平対称性があり、Ｋｍｎ格子ベクトルでマッチングするオクターブ光は、ｙ軸に対して、特定な対応夾角を持ち、かつ、一対として現す。図６（ｂ）は、一次元周期が６．８μｍであるＱＰＭ構造で、Ｋ１，０グリーン光オクターブ出力とｙ軸との夾角が０°で、ＹＡＧレーザーのベースバンド光と重ねて平行する。図６（ｄ）は、このアレイグリーン光レーザーの操作温度曲線であり、ｙ方向の格子が高調オクターブグリーン光の位相マッチング機構を提供するので、図６のと同じな長さを有する二次元ＱＰＭ構造にとっては、操作温度範囲が元の〜８℃から８０℃まで向上する。
【００４６】
以上の詳しい説明から、本技術を良く分かる熟練者は、本発明が明確に前記目的を達成できることが分かり、特許に関する法に従って、本願を申し込む。
【００４７】
以上の説明は、ただ、本発明のよりよい実施例であり、本発明の実施範囲を制限するものではなく、また、本発明の特許請求の範囲や明細書内容に従って等価修正や変更も、本発明の請求範囲に含まれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＱＭＰ周期性領域反転構造と非線形周波数変換概念図
【図２（ａ）】、
【図２（ｂ）】従来の電圧で分極反転を駆動する時、絶縁フォトレジスト層と金属電極との境界に生成する垂直及び水平方向のエッジ電界効果図
【図３】本発明の理論基礎概念図
【図４（ａ）】本発明の第１実施例において、１０５０℃５ｈｒの大気での高温処理後、５００μｍ厚さのＺ切りのニオブ酸リチウムの表面に周期性のある三角形浅い層領域反転を形成する時のｙ断面エッチング図
【図４（ｂ）】本発明図４（ａ）工程後、分極反転電圧を印加して得たＰＰＬＮのｙ断面エッチング図
【図５（ａ）】、
【図５（ｂ）】本発明の第２実施例において、周期が６．８μｍ、厚さが５００μｍのＰＰＬＮのｙ與−ｚ面照相図
【図５（ｃ）】１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧに対してＳＨＧ周波数変換する時の温度調変曲線図
【図６（ａ）】本発明第３実施例の二次元ＱＰＭ−ＰＰＬＮ長方形マイクロ格子構造図
【図６（ｂ）】１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧで図６（ａ）の二次元ＱＰＭ構造に対してＳＨＧ出力の空間撮影及び強度分布パターン
【図６（ｃ）】二次元ＱＰＭ構造が提供するマルチ格子ベクトルにより、ＳＨＧ出力に、空間において、ベースバンド光と異なる角度
【図６（ｄ）】微調ベースバンド光入射角度±１．５°で、２Ｄ−ＱＰＭによる格子分量Ｋ１，±１により、ＳＨＧ出力とベースバンド光の異なる方向図
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子の製造方法に関し、とくに、電界により強誘電体結晶に領域反転（ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）を駆動させる時、反転領域においての核生成種の発生と、縦方向への移動を制御することができるとともに、時間領域においての一括生成する多周波レーザーと空間フィルタリング機能のある二次元非線形光子結晶を有し、これにより、空間電荷シールド電極パターンの下に位置するエッジ電界より、また、酸化層電極で領域反転の核生成種の密度を制御することにより、任意な幾何学の形状を有する二次元強誘電体格子構造、を製造するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電体結晶の物理的特性は、結晶特性方向に自発分極（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，Ｐｓ）であり、分極を有する領域がｄｏｍａｉｎと称する。この分極の方向性は、結晶より高い保磁力場（ｃｏｅｒｃｉｖｅｆｉｅｌｄ，Ｅｃ）を印加する作用で、１８０°を回転し、この物理的なプロセスは、領域反転（ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）とも称される。強誘電体結晶は、分極反転の特性を有し、大幅に高密度の不揮発性メモリ素子を製造することに適用され、例えばＳ．Ｅｓｓａｉａｎ”Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ ｍｅｍｏｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｅｔａｌ−ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ” ＵＳｐａｔｅｎｔ ５８９９９７７（１９９７）、やＯ．Ａｕｃｉｅｌｌｏ ｅｔ ａｌ．“Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｍｏｒｉｅｓ”（Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ，ｐｐ．２２−２７，Ｊｕｌｙ，１９９８）に記載される提案である。
【０００３】
また、強誘電体非線形光学結晶が、分極によって１８０°を回転される時、光学非線形係数等の奇数段物理テンソルの正負変換が発生する。これにより、Ｎ．Ｂｌｏｅｍｂｅｒｇｅｎは、アメリカ特許３３８４４３３（１９６８）及び“Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅｓ ｉｎ ａｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．ｖｏｌ．１２７，ｐｐ．１９１８−１９３９（１９６２）に、周期性領域反転構造（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）によって提供される波前ベクトルＫ＝２π／Λで、屈折係数の分散効果により、非線形結晶において、周波数変換する時に起こる位相差（ｋ２ω−２ｋω≠０）を補正し、そして、それで、仮周期位相マッチング（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｉｎｇ，ＱＰＭ）を構築する。それと対応する物理的構造パターンは、図１のようで、ｋ２ω−２ｋω−Ｋ＝０を満足し、また、それぞれの領域反転の長さは、Λ＝２ｌｃで、式ｌｃ＝λ／４（ｎ２ω−ｎω）によって決められる。
【０００４】
上記の概念により、日本のＳｏｎｙ会社のＭ．Ｙａｍａｄａ ｅｔ ａｌ．は、１９９３年において、短いパルス電圧で、ニオブ酸リチウム結晶中で周期性領域反転のＱＰＭ構造を作製して、第二高調波（ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＳＨＧ）レーザーを生成することを “Ｍｅｔｈｏｄｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｄｏｍａｉｎ ｏｆ ａ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃｓ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５１９３０２３（１９９３）や、”Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ＬｉＮｂＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ａｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂｌｕｅ ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６２，ｐｐ．４３５．４３６（１９９３）に提案した。この技術により、Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ会社も、２０００年において、微小化（５×１２×１．５ｍｍ３）したＱＰＭ−ＳＨＧの第二高調波レーザー技術を、Ｙ．Ｋｉｔａｏｋａ ｅｔ ａｌ．により、”Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｂｌｕｅ ｌａｓｅｒ ｕｓｉｎｇ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，”Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９，ｐｐ．３４１６−３４１８（２０００）に提案し、２０ｍＷの赤外光半導体レーザーでトリガーする時、第二高調波レーザー変換パワーが２ｍＷである。
【０００５】
ＱＰＭ−領域反転構造の作製及び適用上に、面する技術問題は、次のように整理できる：
【０００６】
（１）ｄｏｍａｉｎ ｍｅｒｇｅ領域合併現象により、小周期領域反転構造の作製が困難である（Λ＜１０μｍ）。
【０００７】
（２）ベースバンドと周波数変換ビームとは、伝播ルートにおいて、互いに平行かつ分極方向が同じである明視野であり、フィルターにより分離しなければならない。
【０００８】
問題（１）の原因としては、高い電界で周期性領域反転をする時、誘電率が連続しないため、電極パターンの下に発生するエッジ電界（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）効果である。従来の技術を例として、図２（ａ）のように、ｚ方向に分極反転電圧を印加する時、絶縁フォトレジスト層を増設することは、電界をフォトレジスト以外の電極パターン区間に制限するためで、また、これにより、領域反転の発生範囲を制御する。要するに、領域反転が発生する時、外部回路から２ＡｄＰｓ／ｄｔの分極反転電流を提供することにより、面積Ａである強誘電結晶に十分に電荷注入して、分極の空間回転を満足させる。しかし、静電気解析の結果によれば、図２（ｂ）のように、従来の技術により、ｚ方向に反転電圧を印加する時、フォトレジストによって覆われる結晶区間には、内側へ向かう異方性水平電界分布が発生する。この水平電界値は、４Ｅｃまでにもなり、水平方向の電流が、フォトレジストによって覆われる結晶区間に流されて、当該区間には、必要としない領域反転が発生する。それで、水平方向においてのエッジ電界効果は、反転領域を、必要とする電極パターンの中に制限することができず、領域反転パターンのひずみを来たし、また、形成した格子構造を仮位相マッチング（ＱＰＭ）条件からはずれ、非線形光学変換效率を降下する。
【０００９】
また、問題（２）の原因としては、仮位相マッチング（ＱＰＭ）条件が、周波数変換の作用波を同方向入射（ｃｏｌｌｉｎｅａｒ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）に対して定義するため、図１のように、周期性領域反転構造が提供した波前ベクトルは、この作用波と平行になり、ベースバンド波や変換波及び領域反転構造の波前ベクトルは、三者ともに相互に平行であり、空間区隔ができない。従って、傳統のＱＰＭ素子には、フィルターを後付けしなければ、ベースバンド波と変換波とを有効に分離できず、使用上に、非常に不便である。
【００１０】
また、従来の方式は、次の問題が残されている：
【００１１】
（１）、絶縁層で覆って、領域反転側の紛失を低下させる技術領域反転する時、強誘電体非線形結晶によるエッジ電界効果の抑制に関しては、従来の技術は、図３のように、周期性金属電極に覆われるサンプルの表面に、絶縁層を形成する。適用する絶縁層は、ＳｉＯ２であり、例え、Ｋ．Ｍｉｚｕｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．“Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｇｈｔ ｂｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｏｆ ａ ｒｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｉｎ ａ ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ｂｕｌｋ ＬｉＴａＯ３，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７０，ｐｐ．１２０１−１２０３（１９９７）］，Ｔａ２Ｏ５，ＷＯ３，ＨｆＯ３，やＭ．Ｃ．Ｇｕｐｔａ ｅｔ ａｌ，“Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍａｉｎｓ ｂｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５７５６２６３（１９９８），やｓｐｉｎ−ｏｎ−ｇｌａｓｓ Ｇ．Ｄ．Ｍｉｌｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，“４２％−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｉｎｇｌｅ−ｐａｓｓ ｃｗ ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ３，”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．２２，ＰＰ．１８３４−１８３６（１９９７）］などのようである。
【００１２】
問題は次ぎの様である：
１．上記の［Ｒｅｆ．８Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７０，ｐｐ．１２０１−１２０３（１９９７）］の研究から、周期性金属電極上にＳｉＯ２があっても、金属電極と絶縁層との間には、依然として、エッジ電界効果が存在することが分かり、それによって起こられる領域反転側の拡散の広がり（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ，Ｗｍｉｎ）と基板厚さ（Ｔ）との関係が、Ｗｍｉｎ＝０．００２７Ｔ−０．２１（μｍ）とする経験式により表せる。
【００１３】
式Ｗｍｉｎ＝０．００２７Ｔ−０．２１（μｍ）から分かるように、作製可能の最小周期の精確度は、基板の厚さによって決定される。例えば、一般に、５００μｍ厚さのタンタル酸リチウム基板上に、上記技術で得られた反転領域の拡張電極で定義したパターンの最小誤差量は、１．１４μｍである。タンタル酸リチウムが８５０ｎｍでのＱＰＭ−ＳＨＧオクターブ変換を例として、領域反転長さｌｃ＝１．９μｍである。それで、基板を薄く磨かなければ、ＱＰＭ周期の誤差量を許容範囲に縮小できない。
【００１４】
絶縁層で覆って、強誘電体非線形結晶の基板を薄く磨くものを提案した文献は、次のようである：
【００１５】
（ａ）Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏ．は［Ｒｅｆ．８ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７０，ｐｐ．１２０１−１２０３（１９９７）］に、ＬｉＴａＯ３基板を１５０μｍまで薄く磨いて、領域反転周期が１．７μｍであるＱＰＭ構造を作製するのを提案した。
【００１６】
（ｂ）Ｓｏｎｙ Ｃｏｒｐ．は、Ｔ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．により、“Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｄｏｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５５２６１７３（１９９６）に、ＬｉＮｂＯ３の基板を１００μｍまで薄く磨くのを提案した。
【００１７】
ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムの硬度係数がグレード５以上であるため、基板を薄く磨く（ｌａｐｐｉｎｇ ＆ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）ことは、時間や工程がかかるだけでなく、研磨過程において印加した応力による圧電効果により、研磨中の強誘電体結晶に不規則の表面領域反転が発生して、電圧で領域反転する時の周期が大きくなることと歩留りを制御する問題は、解決しなければならない。
【００１８】
（２）、拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）技術で、領域反転を制御することと問題：
【００１９】
化学的或いは高温処理で、結晶内部のリチウムイオン拡散をトリガーし、強誘電体光学非線形結晶の構造特性を変化して、局部領域反転を起こさせる。従来の技術には、（ａ）チタン拡散、（ｂ）プロトン交換、（ｃ）高温でトリガーするリチウムの外拡散、及び（ｄ）酸化物コーティングでトリガーする外拡散がある。（ａ）、（ｄ）技術により、電極パターンの下で浅い層領域反転をトリガーするが、（ｂ）技術により、金属マスク以外の領域で、浅い層領域反転をトリガーする。拡散技術は、大きい面積の領域反転を適用する。しかし、拡散条件が、温度や時間の指数との関係は、飽和にあるため、この方法は、浅い層領域の作製にしか適用できないし、領域反転の境界が垂直でないことと、拡散が結晶構造及び物理的特性を変化することをトリガーすることとの問題があり、詳しくはつぎのようである。
【００２０】
（ａ）．チタン拡散技術（Ｔｉ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）
［Ｒｅｆ．１２］Ｓ．Ｍｉｙａｚａｗａ，“Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ Ｔｉ−ｄｉｆｆｕｓｅｄ ＬｉＮｂＯ３ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．５０，４５９９−４６０３（１９７９）
【００２１】
（ｂ）．プロトン交換技術（ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ）
［Ｒｅｆ．１３］Ｍ．Ｌ．Ｂｏｒｔｚ ｅｔ ａｌ．“Ｎｏｎｃｒｉｔｉｃａｌ ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａｎ ａｎｎｅａｌｅｄ ｐｒｏｔｏｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅ ＬｉＮｂＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，”ＩＥＥＥ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｖｏｌ．３０，ｐｐ．２９５３−２９６０（１９９４）
［Ｒｅｆ．１４］Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“Ａｎｔｉｐｏｌａｒｉｔｙ ｄｏｍａｉｎ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒｏｗｔｈ ｄｕｒｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ＬｉＴａＯ３，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．７３，ｐ．１３９０（１９９３）
【００２２】
（ｃ）．高温でトリガーするＬｉ外拡散技術
［Ｒｅｆ．１４］Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎｃａｕｓｅｄ ｉｎ ＬｉＮｂＯ３ ｐｌａｔｅｓ ｂｙ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．５０，ｐｐ．１４１３−１４１４（１９８７）．
【００２３】
（ｄ）．酸化物コーティングで加熱技術
ＳｉＯ２コーティングで、例えば、Ｍ．Ｆｕｊｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ＳｉＯ２ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｆｏｒ ＬｉＮｂＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，”Ｅｌｅｃ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．２７，ｐｐ．１２０７−１２０９（１９９１）．
【００２４】
ＭｇＯコーティングで、例えば、Ｃ．−Ｓ．Ｌａｕ ｅｔ ａｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＭｇＯ ｉｎｄｕｃｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｏｕｔ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，“ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．４，ｐｐ．８７２−８７５（１９９２）．
【００２５】
次の問題がある：
１．拡散法では、浅い層領域反転しかできず、反転される周期性領域境界の形状としては、ニオブ酸リチウムが三角形であり、タンタル酸リチウムが半円形であり、図１のような理想的な垂直境界が形成できないから、ビームの非線形変換敦率に悪影響を与える。周期性領域反転構造の境界形状と変換效率に対する影響の解析に関しては、例えば、Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．より“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｄｏｍａｉｎ−ｉｎｖｅｒｔｅｄ ＬｉＮｂＯ３ ａｎｄ ＬｉＴａＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓｆｏｒ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．７０，ｐｐ．１９４７−１９５１（１９９１）に提案したものがある。
【００２６】
２．プロトン交換法では、結晶の成分と構造との変化が起こり、ＬｉｘＨ１−ｘＮｂＯ３を生成するだけでなく、同時に、非線形光学変換係数を低下させる。また、アニールを行わなければ上記の破壊程度を低減できないが、非線形係数の回復が限られていて、詳しくは、Ｙ．Ｎ．Ｋｏｒｋｉｓｈｋｏ ｅｔ ａｌ．により、“Ｔｈｅ ＳＨＧ−ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｈａｓｅ ｉｎ ｐｒｏｔｏｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，”ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ ＴｏｐｉｃｓｉｎＱｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｖｏｌ．６，ｐｐ．１３２−１４２（２０００）．に記載するもののようである。
【００２７】
（３）．保磁力場低下法：
エッジ電界の抑制效果を求めるために、もう一つの方法は、ブローク状結晶の保磁力場を低下するのである。この方法は、基本的に、結晶内の欠陥密度を低減するので、結晶の既存の光学非線形特性と変換效率を変化しない。現在において、従来の技術には、（ａ）等化学量成長結晶法ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ−ｇｒｏｗｎ ｃｒｙｓｔａｌｓと（ｂ）ドーピド一致成長結晶法ｄｏｐｅｄ ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ−ｇｒｏｗｎ ｃｒｙｓｔａｌｓの２種類がある。
【００２８】
（ａ）．Ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｒｙｓｔａｌｓ
この方法で成長したＬｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）或いはＬｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）は、成分が約０．４９〜０．５の計量比結晶であり、大幅に保磁力場値を２ｋＶ／ｍｍまでに低減でき、それが、一致成長（ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ−ｇｒｏｗｎ）結晶の１／１０である。現在、この技術の特許権がＶ．Ｇｏｐａｌａｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｐｈｏｔｏ−ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｉｃｅ，”ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ６１９５１９６（２００１）、Ｖ．Ｇｏｐａｌａｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｌｉｔｈｉｕｍ ｔａｎｔａｌａｔｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｐｈｏｔｏ−ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｉｃｅ，”ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ６２１１９９９（２００１）に属するため、基板の提供元が限られている。
【００２９】
（ｂ）．ＭｇＯ ｏｒ ＺｎＯ ｄｏｐｉｎｇ ｉｎ ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ−ｇｒｏｗｎ ｃｒｙｓｔａｌｓ
この方法では、原子結合とニオブ酸リチウム或いはタンタル酸リチウムとを利用して相当な不純物を結合し、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（Ａ．Ｈａｒａｄａ，“（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｖｅｒｓａｌ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ５５６８３０８（１９９６）を例として）、や酸化亜鉛（ＺｎＯ）（Ｌ，−Ｈ．Ｐｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｂｕｌｋ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｏｌｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ ｇｒｏｗｎ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｂｙ ｌｏｗ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ６２９５１５９（２００１）を例として）をドープするものには、ドープした一致成長（ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ−ｇｒｏｗｎ）の結晶がニオブ酸リチウム、ｅ．ｇ．Ｌｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）＝０．４８５で、その中の不純物濃度を３〜９ｍｏｌ％濃度範囲に制御して、格子欠陥密度を低減する。この方法では、有効に保磁力場を元値の１／１０間で低減する事だけでなく、結晶の抗光屈変と抗光破壊性も向上する。
【００３０】
ドーピング法により一致成長結晶の保磁力場を向上する時、ドーピング濃度を慎重に制御しなければならないので、ドーピング濃度が上記範囲より高い場合、成長結晶の品質低下をトリガーするが、ドーピング濃度が低すぎると、格子欠陥を解消できない。
【００３１】
（４）．パルス波形制御法：
もう一つの、領域反転側紛失を制御する方法は、駆動電圧波形の正負極性と時間差を調整することにより、反転領域の移動を制御し、例えば、Ｋ．Ｍｉｚｕｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｄｏｍａｉｎ−ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｒｅｇｉｏｎ，ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｓｕｃｈ ｄｏｍａｉｎ−ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｓｕｃｈ ｄｅｖｉｃｅ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５６５２６７４（１９９７）及びＲ．Ｇ．Ｂａｔｃｈｋｏ ｅｔ ａｌ．“Ｂａｃｋ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｌｉｎｇ ｉｎ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ．ｆｉｄｅｌｉｔｙ ｄｏｍａｉｎ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂｌｕｅ ｌｉｇｈｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７５，ｐｐ．１６７３−１７７５（１９９９）の記載するもののようである。この方法では、適当に液体電極を利用して、材料の絶縁破壊を防止し、例えば、Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ ｄｏｍａｉｎ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ，”ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５，８００，７６７（１９９８）；６，１５６，２５５（２０００）の記載するもののようである。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主な目的は、電界により強誘電体結晶を駆動して領域反転（ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）を達成する時、反転領域の核生成種の発生を制御し、縦方向の移動を制御して、また、時間領域において多周波レーザーを同時生成して、空間フィルタリング機能を有する二次元非線形光子結晶である。
【００３３】
本発明の他の目的は、空間電荷を利用して電極パターンの下にあるエッジ電界をシールドする。
【００３４】
本発明の更に他の目的は、酸化層電極で領域反転の核生成種密度を制御して、任意の幾何学の形状を有する二次元強誘電体格子構造を製造する。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子を製造方法であって、
非線形結晶に第１金属電極パターンを形成し、
上記サンプルに対して、キュリー温度の雰囲気下で熱処理し、
上記熱処理の雰囲気下で、１回目の浅い層領域反転を形成し、
非線形結晶に第２金属電極パターンを形成し、
上記結晶にその保磁力場より高い電圧を印加し、
上記電界作用下で２回目の深い層領域反転を完成する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図３、図４（ａ）、図４（ｂ）は、本発明の理論基礎の概念図で、本発明の第１実施例において、１０５０℃５ｈｒの大気中での高温処理後、５００μｍ厚さのＺ切りのニオブ酸リチウムの表面に周期性のある三角形浅い層領域反転を形成する時のｙ断面エッチング図であり、本発明の図４（ａ）工程後、分極反転電圧を印加して得たＰＰＬＮのｙ断面エッチング図である。図のように、本発明は、二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子の製造方法であって、
非線形結晶に第１金属電極パターンを形成し、当該結晶には、一致成長のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３，ＬｉｘＨ１−ｘＮｂＯ３）、一致成長のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３，ＬｉｘＨ１−ｘＴａＯ３）、酸化亜鉛をドーピングした一致成長のニオブ酸リチウム（ＺｎＯ：ＬｉＮｂＯ３）、酸化マグネシウムをドーピングした一致成長のニオブ酸リチウム（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３）、等化学量のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、酸化マグネシウムをドーピングした等化学量のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、等化学量のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、及び酸化マグネシウムをドーピングした等化学量のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）を有し、また、当該第１金属電極パターンがアルミウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、クロミウム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、或いは一定比例を有する上記金属からなる合金であり、また、当該第１金属電極パターンが、一次元でも、二次元パターンでも構わない、
上記サンプルを、キュリー温度より低い温度の雰囲気で熱処理し、当該熱処理雰囲気は、酸素が含まれる雰囲気でもよい、
上記熱処理の雰囲気下で、１回目の浅い層領域反転を形成するが、当該熱処理雰囲気の温度は、結晶のキュリー温度より低くて、また、電極によりコーティングされる領域以外の部分に、浅い層領域反転を形成でき、当該１回目の浅い層領域反転技術は、高温トリガーリチウム原子外拡散技術、高温トリガーチタンイオン内拡散技術、或いはプロトン交換技術であり、また、当該１回目の浅い層領域反転の深さは、５０ｎｍより深く、
非線形結晶に第２金属電極パターンを形成し、当該第２金属電極パターンの構成は、アルミウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、クロミウム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、或いは一定比例を有する上記金属からなる合金であり、また、当該２回目の深い層領域反転技術は、他に電圧を印加する領域反転技術で、当該他に印加する電圧がトリガーする電界は、結晶の保磁力場より高いものであり、上記結晶に対して、その保磁力場より高い電圧を印加して、上記電界の作用下で、２回目の深い層領域反転を完成する。
【００３７】
本発明の第１実施例−一次元強誘電体周期性領域反転構造を作製する作製方法は、次のようである：
【００３８】
まず、５０ｎｍ厚さの周期性アルミウム金属電極を一致成長のニオブ酸リチウム＋ｚ面にメッキした後、大気で高温処理（１０５０℃，５ ｈｒ ａｎｎｅａｌ ｉｎ ａｍｂｉｅｎｔ ａｉｒ）して、１回目の表面浅い層領域反転をトリガーする。第１金属電極パターンは、熱蒸着或いは電子銃スパッタリング等の従来技術によるものである。図４（ａ）のように、２０μｍ周期のＱＰＭ構造を有するニオブ酸リチウムの表面に上記熱処理をした後、ＨＦ溶液で結晶ｙ断面をエッチングした後の光学撮影パターンである。パターンに現れる三角形の部分は、高温熱処理がトリガーした表層領域反転現象であり、その深さは５μｍまである。金属電極によりコーティングされる領域は、酸化過程において、分極が元の方向性を維持する。
【００３９】
熱処理された試料に電圧反転をした後、第１酸化電極に１２ｋＶ、２０ｍｓのパルス電圧を印加して、領域反転の作用を来たす。図４（ｂ）は、この工程により得られる周期性領域反転構造のｙ断面光学照相パターンである。新しい１８０°周期性領域反転が、酸化電極以下しか発生しないことと発見し、酸化過程においての微小隙間には、領域反転の核生成種が形成される。また、電圧駆動で生成された第２周期性反転領域において、水平方向の移動は、１回目の熱処理がトリガーした三角形境界に制限されて、また、ニオブ酸リチウムの表面に垂直するように、厚さが５００μｍの基板を貫通する。この現象から分かるように、図４（ｂ）においては、正電荷バリアを利用して水平方向のエッジ電界を抑制して、反転領域の移動範囲を制御する目的を達成する。
【００４０】
図 ５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）を参照して、本発明の第２実施例において、周期が６．８μｍ、厚さが５００μｍのＰＰＬＮのｙと−ｚ面の撮影図で、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧに対してＳＨＧ周波数変換する時の温度調変曲線図である。図のように、本発明の第２実施例−小周期（＜８μｍ）一次元強誘電体周期性領域反転構造を作製する作製方法は、次のようである：
【００４１】
一致成長のニオブ酸リチウムの上面に、小周期のＱＰＭ−ＳＨＧ領域反転構造を作製する作成方法は、次のようである。第１高温熱処理工程（１０５０℃，５ｈｒ ａｎｎｅａｌ ｉｎ ａｍｂｉｅｎｔａｉｒ）で、第１金属電極を酸化状態にし、その後、パルス電圧（１２ｋＶ，１０ｍｓ）を第１電極に印加して、領域反転をする。図５（ａ）は、この方法で作製した周期が６．８μｍのニオブ酸リチウムでＱＰＭ−ＳＨＧ構造を有するｙ與−ｚ面にＨＦ溶液でエッチングした後の光学撮影パターンであり、その基板の厚さが５００μｍである。黒白相間のストライプは、互いに１８０°反転の反転領域において、ＨＦエッチング液のエッチング速率が異なることを示す。図５（ｂ）は、１０６４ｎｍのＹＡＧレーザーで、ＱＰＭ−ＳＨＧマイクロ格子に対してオクターブ変換する時得たグリーン光りオクターブ転度と操作温度の関係図である。周波数変換する時出現したピーク温度（１００℃）で、ＱＰＭ−ＳＨＧの物理機構を有することが認められて、変換スペクトルの半値全幅により算出した有効なマイクロ格子構造長さは、２．３ｍｍである。図１の簡略図の実験構成において、ベースバンド光がＱＰＭ−ＳＨＧ構造のｘ軸伝播で、オクターブグリーン光の出力も、結晶のｘ軸に沿って伝播するものであるが、他にフィルタリング片を追加しなければ、有効にオクターブ光をフィルターすることができない。
【００４２】
図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）及び図６（ｄ）は、本発明第３実施例の二次元ＱＰＭ−ＰＰＬＮ長方形マイクロ格子構造図で、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧで図６（ａ）の二次元ＱＰＭ構造に対してＳＨＧ出力の空間撮影及び強度分布パターンで、二次元ＱＰＭ構造が提供するマルチ格子ベクトルにより、ＳＨＧ出力に、空間において、ベースバンド光と異なる角度で、微調ベースバンド光入射角度±１．５°で、２Ｄ−ＱＰＭによる格子分量Ｋ１，±１により、ＳＨＧ出力とベースバンド光の異なる方向図である。図のように、本発明の第３実施例−二次元強誘電体周期性領域反転構造を作製する作製方法は、次のようである：
【００４３】
二次元強誘電体周期性領域反転構造の作製上、本実施例においては、厚さが５００μｍである一致成長のニオブ酸リチウム基板を例とする。それには、金属電極を酸化状態にする第１高温熱処理工程（１０５０℃，５ｈｒ ａｎｎｅａｌ ｉｎ ａｍｂｉｅｎｔ ａｉｒ）がある。この金属電極には、一次元周期性配列の構造パターンがあってもよいし、二次元周期性配列の構造パターンがあってもよい。上記の高温処理をして、金属電極以外の領域に対して、浅い層領域反転をし、電極パターンによりコーティングされる領域を囲む正電荷バリアを形成する。次、第２電極上にパルス電圧（１２ｋＶ）を印加して、領域反転をする。第１電極が一次元周期性構造であれば、第２金属電極が、第１酸化電極上をコーティングする必要があり、二次元パターンを形成し、また、酸化電極内部の隙間でニオブ酸リチウム領域反転の核生成種を形成する。第１電極が二次元パターンであれば、電解液と酸化電極内部の隙間とにより、ニオブ酸リチウム領域反転の核生成種を形成することができる。図６（ａ）は、この技術により得た長方形アレイを有する二次元ニオブ酸リチウム領域反転のＱＰＭマイクロ格子構造であり、周期が６．８×１３．２μｍ２である。
【００４４】
図６（ａ）の６．８×１３．２μｍ周期の円柱形アレイ、二次元ＱＰＭ−ＳＨＧ構造は、１０６４ｎｍのＹＡＧレーザーに対してオクターブ変換をすることができる。この二次元構造は、第２実施との差異点は、本例において、更にｙ方向に周期が１３．２μｍであるＱＰＭ構造を有し、更に他の波前ベクトルを提供して、ｘ方向に、周期が６．８μｍのＱＰＭ構造から生成されるＹＡＧのオクターブ光を分離し、これにより、空間フィルタリングベースバンド光の機能を有する。第２実施例においての一次元ＱＰＭ構造では、單一のｘ方向の周期でＱＰＭ−ＳＨＧを生成して、オクターブ光の出力が平行になり、フィルタリング片を使用して分光することが必要である。
【００４５】
図６（ｂ）は、周期が６．８×１３．２μｍ２の２Ｄ−ＱＰＭマイクロ格子アレイから得たアレイグリーン光オクターブレーザー出力の近接光学結像パターンと、グリーン光強度分布である。図６（ｃ）は、アレイグリーン光レーザーが、異なる格子ベクトルＫｍｎ作用下での空間屈折効果の理論解析である。図によれば、ｙ方向の非線形格子により、Ｋｍｎ格子ベクトルにマッチするオクターブグリーン光レーザーの角度や強度を分離できる。この二次元構造にはｙ方向に水平対称性があり、Ｋｍｎ格子ベクトルでマッチングするオクターブ光は、ｙ軸に対して、特定な対応夾角を持ち、かつ、一対として現す。図６（ｂ）は、一次元周期が６．８μｍであるＱＰＭ構造で、Ｋ１，０グリーン光オクターブ出力とｙ軸との夾角が０°で、ＹＡＧレーザーのベースバンド光と重ねて平行する。図６（ｄ）は、このアレイグリーン光レーザーの操作温度曲線であり、ｙ方向の格子が高調オクターブグリーン光の位相マッチング機構を提供するので、図６のと同じな長さを有する二次元ＱＰＭ構造にとっては、操作温度範囲が元の〜８℃から８０℃まで向上する。
【００４６】
以上の詳しい説明から、本技術を良く分かる熟練者は、本発明が明確に前記目的を達成できることが分かり、特許に関する法に従って、本願を申し込む。
【００４７】
以上の説明は、ただ、本発明のよりよい実施例であり、本発明の実施範囲を制限するものではなく、また、本発明の特許請求の範囲や明細書内容に従って等価修正や変更も、本発明の請求範囲に含まれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＱＭＰ周期性領域反転構造と非線形周波数変換概念図
【図２（ａ）】、
【図２（ｂ）】従来の電圧で分極反転を駆動する時、絶縁フォトレジスト層と金属電極との境界に生成する垂直及び水平方向のエッジ電界効果図
【図３】本発明の理論基礎概念図
【図４（ａ）】本発明の第１実施例において、１０５０℃５ｈｒの大気での高温処理後、５００μｍ厚さのＺ切りのニオブ酸リチウムの表面に周期性のある三角形浅い層領域反転を形成する時のｙ断面エッチング図
【図４（ｂ）】本発明図４（ａ）工程後、分極反転電圧を印加して得たＰＰＬＮのｙ断面エッチング図
【図５（ａ）】、
【図５（ｂ）】本発明の第２実施例において、周期が６．８μｍ、厚さが５００μｍのＰＰＬＮのｙ與−ｚ面照相図
【図５（ｃ）】１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧに対してＳＨＧ周波数変換する時の温度調変曲線図
【図６（ａ）】本発明第３実施例の二次元ＱＰＭ−ＰＰＬＮ長方形マイクロ格子構造図
【図６（ｂ）】１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧで図６（ａ）の二次元ＱＰＭ構造に対してＳＨＧ出力の空間撮影及び強度分布パターン
【図６（ｃ）】二次元ＱＰＭ構造が提供するマルチ格子ベクトルにより、ＳＨＧ出力に、空間において、ベースバンド光と異なる角度
【図６（ｄ）】微調ベースバンド光入射角度±１．５°で、２Ｄ−ＱＰＭによる格子分量Ｋ１，±１により、ＳＨＧ出力とベースバンド光の異なる方向図
Claims (10)
- 非線形結晶に第１金属電極パターンを形成し、
上記サンプルに対して、キュリー温度の雰囲気下で熱処理し、
上記熱処理の雰囲気下で、１回目の浅い層領域反転を形成し、
非線形結晶に第２金属電極パターンを形成し、
上記結晶にその保磁力場より高い電圧を印加し、
上記電界作用下で２回目の深い層領域反転を完成する、ことを特徴とする二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法。 - 請求項１記載の二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法であって、
当該結晶には、一致成長のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３，ＬｉｘＨ１−ｘＮｂＯ３）、一致成長のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３，ＬｉｘＨ１−ｘＴａＯ３）、酸化亜鉛をドーピングした一致成長のニオブ酸リチウム（ＺｎＯ：ＬｉＮｂＯ３）、酸化マグネシウムをドーピングした一致成長のニオブ酸リチウム（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３）、等
量ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３），等化学量のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、及び酸化マグネシウムをドーピングした等化学量のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）が含まれる。
- 請求項１記載の二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法であって、
当該第１金属電極パターンは、アルミウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、クロミウム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ），或いは一定比例を有する上記金属からなる合金からなる。 - 請求項１記載の二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法であって、
当該第１金属電極パターンが一次元パターンでも、二次元パターンでもよい。 - 請求項１記載の二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法であって、
当該熱処理雰囲気は、酸素が含まれる雰囲気である。 - 請求項１記載の二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法であって、
当該熱処理雰囲気の温度は、結晶のキュリー温度より低くて、また、電極によりコーティングされる領域以外の部分に、浅い層領域反転を形成できる。 - 請求項１記載の二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法であって、
当該１回目の浅い層領域反転技術は、高温トリガーリチウム原子外拡散技術、高温トリガーチタンイオン内拡散技術、或いはプロトン交換技術である。 - 請求項１記載の二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法であって、
当該１回目の浅い層領域反転の深さは、５０ｎｍより深い。 - 請求項１記載の二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法であって、
当該第２金属電極パターンの構成は、アルミウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、クロミウム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、或いは一定比例を有する上記金属からなる合金である。 - 請求項１記載の二次元周期性領域反転の強誘電体光学非線形マイクロ格子製造方法であって、
当該２回目の深い層領域反転技術は、他に電圧を印加する領域反転技術で、当該他に印加する電圧がトリガーする電界は、結晶の保磁力場より高いものである。
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