JP2005258348A - 周期分極反転構造の製造方法および周期分極反転構造 - Google Patents

Abstract

【課題】分極反転部の長さを増大させること。
【解決手段】強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極４０Ａと、電極４０Ａと対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する。第一の電極４０Ａが、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体２、電極片に対して給電するための給電電極１、および給電電極１に対して接続されているプロービングパッド７を備えている。電極片配列体２と一表面上で対向するように設けられた浮動導電膜１３を備えており、浮動導電膜１３の幅が１００μｍ以上である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば擬似位相整合方式の第二高調波発生デバイスに適した光導波路素子の製造に利用できる、周期分極反転構造の形成に関するものである。

強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転構造を周期的に形成することで、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非線型分極の分極反転を利用した光波長変換素子などを実現することができる。特に、非線型光学材料の非線型分極を周期的に反転することが可能となれば、高効率な波長変換素子を作製することができ、これを用いて固体レーザーなどの光を変換すれば、印刷、光情報処理、光応用計測制御などの分野に応用できる小型軽量の短波長光源を構成することができる。

このような素子を製造するためには、所定の周期を有する周期分極反転構造を素子内に形成することが必要である。この方法としては、いわゆる電圧印加法が知られている。図７は、電圧印加法によって、強誘電体単結晶基板４内に周期分極反転構造を形成するプロセスを模式的に示す斜視図である。

この方法においては、強誘電体単結晶からなるオフカット基板４を使用する。基板４の表面４ａに第一の電極３０および第三の電極３１を形成し、底面４ｂに第二の電極（一様電極）８Ａを形成する。第一の電極３０は、複数の周期的に配列された細長い電極片２と、多数の電極片を接続する細長い給電電極１とからなる。第三の電極３１は細長い対向電極片５からなっており、対向電極片５は、電極片２の先端に対向するように設けられている。

この基板を構成する強誘電体単結晶の分極方向Ｂは、主面４ａ、４ｂに対して所定角度、例えば５°傾斜しているので、オフカット基板と呼ばれている。最初に基板４の全体を１５Ｂの方向に分極させておく。そして、例えば電極３０と３１との間にＶ１の電圧を印加し、電極３０と電極８Ａとの間にＶ２の電圧を印加すると、各電極片２の先端から分極反転部３３が矢印Ｂと平行に徐々に進展する。分極反転部３３における分極方向１５Ａは、１５Ｂとは正反対になる。このような分極反転方法は特許文献１に開示された。
特開２００１−６６６５２号公報

本発明者は、電圧印加法によって、例えばニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶基板に周期分極反転構造を形成しようと試みてきた。この場合に重要なことは、可能な限り深い分極反転部を生成させることである。このためには、分極反転部の長さを、可能な限り大きくすることが必須である。しかし、分極反転部の長さを大きくするという目的で大きな電圧を印加すると、強誘電体単結晶に絶縁破壊によるクラックが発生し易く、電圧には上限がある。この条件下では、分極反転部の長さを、ある程度以上大きくすることは困難であった。

本発明の課題は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成するのに際して、分極反転部の長さを大きくできるようにすることである。

本発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、電極片配列体と一表面上で対向するように設けられた浮動導電膜を備えており、浮動導電膜の幅が１００μｍ以上であることを特徴とする。

本発明者は、上述のような第一の電極および第二の電極を用いた電圧印加法による周期分極反転構造の形成時に、電極片と対向する位置に浮動導電膜を設け、かつ浮動導電膜の幅を１００μｍ以上とすることによって、分極反転部を長くできることを見いだした。

以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る基板の一表面上の第一の電極および浮動導電膜パターンを示す平面図であり、図３は、図１のパターンの部分拡大図である。図２は、比較例に係るパターンの部分拡大図である。

強誘電体単結晶基板の底面側の第二の電極は、底面全体に設けられた一様電極８Ａである（図７参照）。第一の電極４０Ａおよび浮動導電膜１３の平面的パターンを図１に示す。第一の電極４０Ａにおいては、複数列、例えば４列の細長い給電電極１の各終端部１ａが、共通のプロービングパッド７に対して接続されている。各給電電極１の他方の終端部１ｂは開放されている。各給電電極１には、それぞれ多数の細長い電極片２が形成されている。電極片２は、目的とする周期分極反転構造の周期に合わせて一定周期で形成されており、給電電極１の長手方向へと向かって多数配列されており、これによって電極片配列体２を構成している。

また、複数列の浮動導電膜１３が設けられており、各浮動導電膜１３は、それぞれ、各電極片配列体２と所定間隔をおいて対向している。そして、各浮動導電膜１３は接続パッド１２によって電気的に接続されている。電極４０Ａと電極８Ａとの間に電圧を印加すると、浮動導電膜１３と電極片２との間隙６に周期分極反転構造が生成する。

ここで、本発明においては、図３に示すように、各浮動導電膜１３の幅Ｔを１００μｍ以上と大きくする。これによって、図２のように各浮動導電膜９の幅Ｔが１００μｍ未満の場合と比べて、電極片配列体２の先端領域から形成される分極反転部の長さが大きくなる。そして、図７に示すように分極軸Ｂが基板表面に対して傾斜している場合には、分極反転部の深さを大きくすることができる。このような作用効果が得られた理由は明らかではない。

本発明の観点からは、浮動導電膜１３の幅Ｔは１００μｍ以上であるが、１５０μｍ以上であることが更に好ましい。この上限値は特にないが、浮動導電膜１３の幅Ｔが大きくなりすぎると無駄になるので、５００μｍ以下が好ましい。

また、電極片２の先端と浮動導電膜１３との間隔Ａは、本発明の観点からは、１００μｍ以上とすることが好ましく、あるいは、５００μｍ以下とすることが好ましい。

好適な実施形態においては、複数の浮動導電膜１３を電気的に接続する接続パッド１２を備えている。この場合には、分極反転部の長さを増大させるという本発明の作用効果が一層顕著となる。

図４は、本発明の他の実施形態に係る基板の一表面上の第一の電極および浮動導電膜パターンを示す平面図であり、図６は、図４のパターンの部分拡大図である。図５は、比較例に係るパターンの部分拡大図である。図４〜図６において、図１〜図３に示した構成部分については、同じ符号をつけ、説明を省略する。

第一の電極４０Ｂおよび浮動導電膜１３の平面的パターンを図４に示す。第一の電極４０Ｂにおいては、複数列、例えば４列の細長い給電電極１の各終端部１ａが、共通のプロービングパッド７Ａに対して接続されており、各給電電極１の他方の終端部１ｂが、共通のプロービングパッド７Ｂに接続されている。各給電電極１には、それぞれ多数の細長い電極片２が形成されている。電極片２は、目的とする周期分極反転構造の周期に合わせて一定周期で形成されており、給電電極１の長手方向へと向かって多数配列されており、これによって電極片配列体２を構成している。

複数列の浮動導電膜１３が設けられており、各浮動導電膜１３は、それぞれ、各電極片配列体２と所定間隔をおいて対向している。各浮動導電膜１３は、２列の給電電極１、共通プロービングパッド７Ａ、７Ｂによって包囲されており、互いに電気的に接続されていない。

本発明の周期分極反転構造の用途は限定されないが、擬似位相整合方式の波長変換素子として利用可能である。このような素子は、波長変換の際の変換効率が高いものである。以下、好適な波長変換素子の概略を述べる。

例えば図７に示すようにして、電圧印加法によって、強誘電体単結晶基板４内に分極反転部３３を形成する。この際、強誘電体単結晶の種類は限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸リチウムカリウム（Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５）の各単結晶が特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。

分極反転特性（条件）が明確であるとの観点からは、ニオブ酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶、又はこれらにマグネシウムを添加したものが特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

周期分極反転構造を形成するためのマスクパターンを形成する材質としては、レジスト、ＳｉＯ_２、Ｔａ等を例示できる。マスクパターンを形成する方法としては、フォトリソグラフィー法を例示できる。

電圧印加法において使用する電極、浮動導電膜の材質としては、Al、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr 、Pd、Taが好ましい。

上記の各例においては、強誘電体単結晶基板を、例えば５°オフカット基板としたが、このオフカット角度は特に限定されない。特に好ましくは、オフカット角度は1 °以上であり、あるいは、20°以下である。

また、いわゆるＸカット基板、Ｙカット基板、Ｚカット基板を使用可能である。Ｘカット基板やＹカット基板を使用する場合には、第二の電極を底面４ｂに設けず、一表面４ａ上に設け、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加することができる。

（実施例１）
５ｍｏｌ％ＭｇＯをドープした厚さ０．５ｍｍのニオブ酸リチウム単結晶からなる基板４の表面に、図１〜図３に示す平面的パターンの電極４０Ａ、浮動導電膜１３、接続パッド１２を形成し、底面４ｂに一様電極８Ａを形成した。各電極および浮動導電膜は、ＥＢ蒸着装置やスパッタ装置によって形成し、フォトリソグラフィー法によってパターン形成した。浮動導電膜１３と電極片２との間隔Ａを１５０μｍとし、電極片２の長さＢを１００μｍとした。浮動導電膜１３の幅Ｔを、表１に示すように変更した。

第一の電極４０Ａと一様電極８Ａとの間に電圧を印加した。電圧の大きさは、３ｋVから５ｋＶとした。次いで、フッ硝酸を用いて１０分間エッチングし、分極反転形状を測定した。分極反転部の長さの測定結果を表１に示す。

（実施例２）
５ｍｏｌ％ＭｇＯをドープした厚さ０．５ｍｍのニオブ酸リチウム単結晶からなる基板４の表面４ａに、図４〜図６に示す平面的パターンの電極４０Ｂおよび浮動導電膜１３を形成し、底面に一様電極８Ａを形成した。各電極４０Ｂおよび浮動導電膜１３は、ＥＢ蒸着装置やスパッタ装置によって形成し、フェトリソグラフィー法によってパターン形成した。浮動導電膜１３と電極片２との間隔Ａを１５０μｍとし、電極片２の長さＢを１００μｍとした。浮動導電膜１３の幅Ｔを、表２に示すように変更した。

第一の電極４０Ｂと一様電極８Ａとの間に電圧を印加した。電圧の大きさは、実施例１と同じとした。実施例１と同様フッ硝酸でエッチングし、分極反転部の長さの測定した結果を表２に示す。

上記の結果からわかるように浮動導電膜の幅Ｔを大きくすることによって、分極反転部の長さを著しく増大させることができる。また、特に実施例１に示すように，複数の浮動導電膜を共通の接続パッドを通して電気的に接続することによって、分極反転部の長さが一層増大することが判明した。これは、多数の浮動導電膜を互いに電気的に接続すると、浮動導電膜の全体の面積が増大し、これによって分極反転部の生成を促進するためである。

以上述べたように、本発明によれば、分極反転部の長さを増大させることができる。

本発明の一実施形態に係る基板の一表面上の第一の電極および浮動導電膜パターンを示す平面図である。 比較例に係るパターンの部分拡大図である。 図１のパターンの部分拡大図である。 本発明の他の実施形態に係る基板の一表面上の第一の電極および浮動導電膜パターンを示す平面図である。 比較例に係るパターンの部分拡大図である。 図４のパターンの部分拡大図である。 強誘電体単結晶基板４内に周期分極反転構造を形成するために、電圧印加法を実施している状態を模式的に示す。

符号の説明

１ 給電電極 １ａ、１ｂ 給電電極の終端部 ２ 電極片配列体 ４ 強誘電体単結晶基板 ４ａ 一表面 ４ｂ 底面 ７、７Ａ、７Ｂ プロービングパッド ８Ａ 第二の電極 ９ 比較例の浮動導電膜 １２ 接続パッド １３ 浮動導電膜 ３３ 周期分極反転構造 ４０Ａ、４０Ｂ 第一の電極

Claims (4)

1. 強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように前記強誘電体単結晶基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、前記強誘電体単結晶基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
   前記第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、前記電極片に対して給電するための給電電極、および前記給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、前記電極片配列体と前記一表面上で対向するように設けられた浮動導電膜を備えており、前記浮動導電膜の幅が１００μｍ以上であることを特徴とする、周期分極反転構造の製造方法。
2. 複数の前記浮動導電膜を備えており、複数の前記浮動導電膜を電気的に接続する接続パッドを備えていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記第二の電極が、前記強誘電体単結晶基板の前記一表面とは反対側の底面に設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法によって製造されたことを特徴とする、周期分極反転構造。

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