JP2008009066A - 周期分極反転構造の作製方法および作製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単、簡便かつ均一性、再現性の高い周期分極反転構造の作製方法および作製装置を提供する。
【解決手段】２次非線形光学結晶３１に、分極反転の周期に一致するレジストパターン３３を形成する。レジストパターン３３が形成された面と、この面と対向する面との間で、２次非線形光学結晶３１に電界が加わるように、２次非線形光学結晶３１と電圧源３８との間で、液体電極３２，３４により電気的接続を確保する。電界の方向と平行に紫外光を照射しながら、電圧源３８から２次非線形光学結晶３１に対して電圧を印加する。
【選択図】図３

Description

本発明は、周期分極反転構造の作製方法および作製装置に関し、より詳細には、可視光レーザまたは中赤外光レーザとして実用化が期待されている擬似位相整合型波長変換素子に用いられる２次非線形光学結晶に周期分極反転構造を作製する方法およびその作製装置に関する。

紫外域−可視域−赤外域−テラヘルツ域にわたるコヒーレント光の発生と変調を行う非線形光学デバイス及び電気光学デバイスの開発が進められている。これら光学デバイスは、光通信における光波長変換または光変調、光計測、光加工、医療、生物工学などの分野に広く応用されている。非線形光学媒質および電気光学媒質としては、種々の材料が研究されている。その中で、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：以下、ＬＮという）などの２次非線形光学材料を用い、非線形定数が周期的に変化するように変調された、いわゆる「擬似位相整合型構造」の光学デバイスが有望視されている（例えば、非特許文献１参照）。擬似位相整合（または擬似郡速度整合）型構造を実現するためには、２次非線形光学結晶の自発分極の極性が周期的に反転している周期分極反転構造を作製する。この構造により、非線形光学デバイスまたは電気光学デバイスにおける光波長変換、光変調の効率を飛躍的に高めることができる。

ＬＮ結晶等における周期分極反転構造の作製技術については多くの研究がなされ、いくつかの方法が開発されている。その中で、良好な結果が再現性よく得られ、かつ、特殊な設備を必要としない最も実用的な方法は、電圧パルスを印加する方法である。電圧印加法は、ＬＮ結晶の表面上にリソグラフィにより周期的なレジストパターンを形成し、これを利用して、金属薄膜電極、液体電極等の周期的な電極パターンを形成する。この電極に電圧パルスを印加して、ＬＮ結晶の自発分極の極性を周期的に反転させる。

一方、Ｍｇ、Ｚｎ等の物質をドーピングした２次非線形光学結晶は、ドーピングしない結晶に比べ光損傷耐性が高く、実用上最も有力な材料として多用されている。しかし、ドーピングした結晶は、ドーピングしない結晶とは異なる分極反転特性を示し、周期分極反転構造の作製が困難であることが知られている。ドーピングした結晶に周期分極反転構造を作製する方法については、少数の報告がなされている。例えば、リソグラフィにより分極反転の周期に対応する電極パターンを形成し上で、結晶を１００℃程度に加熱した状態において電圧パルスを印加する方法である。また、非特許文献２には、紫外光を周期的なパターンで照射した状態において、一様に電界を印加することが開示されている。

M. H. Chou, et al., "1.5um-band wavelength conversion based on difference-frequency generation in LiNbO3 waveguides with integrated coupling structures", Optics Lett., Vol.23, No.13, pp.1004-1007, July 1, 1998 M. Fujimura, et al., "Fabrication of domain-inverted gratings in MgO: LiNbO3 by applying voltage under ultraviolet irradiation through photomask at room temperature", Electronics Lett., Vol.39, No.9, pp.719-721, May 1, 2003

ドーピングした結晶に周期分極反転構造を作製する際に、結晶の加熱を必要とする場合においては、液体電極の使用が難しく、加熱を行いながら電界を印加する方法は、作業性が悪いという問題があった。場合によっては、レジストパターンの形成に加えて金属薄膜電極を堆積する過程が必要となったり、加熱に多大な時間を要することから、生産性が非常に低いという問題があった。

図１に、従来の周期分極反転構造を作製する方法を示す。ＭｇをドーピングしたＬＮ結晶１１に、周期分極反転構造を作製する。最初に、Ｃｒからなる金属薄膜電極１３を、分極反転の周期に対応するパターンで、石英基板１２に形成する。石英基板１２の電極が形成された表面を、液体電極１５を介して、ＬＮ結晶１１の一方の面に押し当てる。ＬＮ結晶１１の他方の面には、液体電極１６を介して、Ａｌ基板１４を押し当てる。

石英基板１２の裏面から紫外光を垂直方向に照射すると、金属薄膜電極１３がマスクパターンとなって、分極反転の周期に対応するパターンでＬＮ結晶１１に照射される。この状態において、電圧源１８から液体電極１５，１６を介して、ＬＮ結晶１１に一様に電界Ｚを印加する。ＬＮ結晶１１の紫外光が照射された部分は、分極反転に必要な電圧が下がるので、この部分の分極のみが反転し、金属薄膜電極１３のパターンに応じた周期分極反転構造を作製することができる。

図２に、印加電圧とＬＮ結晶１１内での分極反転の割合との関係を示す。理想的な結晶基板においては、一点鎖線２１で示したように、ある反転電圧Ｖ_Ｒ０を境に、ステップ関数型の振る舞いをする。しかしながら、結晶の不均一性、基板の厚さにより各点で反転電圧が異なるため、点線２２で示したように、理想的な状態から低電圧側にいくらか滑らかな形状となる。これは、反転電圧Ｖ_Ｒ０よりも小さい電圧を印加した場合でも、分極反転が起こる領域があることを示している。

ＬＮ結晶１１に紫外光を照射すると、照射されている部分の反転電圧が下がり、破線２３で示した振る舞いをする。このとき、反転電圧Ｖ_Ｒ１を印加した場合、理想的には紫外光が照射された部分のみが反転する（Ａ）が、紫外光が照射されていない部分にも一様に電界が印加されているため、実際には反転する領域が出現する（Ｂ）。具体的には、紫外光による反転電圧の低下は２０〜４０％程度であり、例えば、３インチ径ＬＮ基板の面内の反転電圧のばらつきは１０〜３０％程度である。従って、従来の方法では、ＬＮ結晶の広い面積にわたって均一に分極反転構造を作製することができない、すなわち再現性が悪いという問題もあった。具体的には、ＬＮ結晶を用いて長尺の光学デバイスを作製する場合に、実用に供することのできる素子の長さは数ミリ程度であった。

さらに、ＬＮ結晶１１と石英基板１２との密着が不十分な場合には、紫外光の回折による影響を受けたり、紫外光のパワーの不均一性に伴う影響を受けることにより、広い面積に均一に分極反転構造を作製することが難しい。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡単、簡便かつ均一性、再現性の高い周期分極反転構造の作製方法および作製装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、２次非線形光学結晶に周期分極反転構造を作製する作製方法において、前記２次非線形光学結晶に、分極反転の周期に一致するレジストパターンを形成する第１工程と、前記レジストパターンが形成された面と、この面と対向する面との間で、前記２次非線形光学結晶に電界が加わるように、前記２次非線形光学結晶と電圧源との間で電気的接続を確保する第２工程と、前記電界の方向と平行に紫外光を照射する第３工程と、前記紫外光を照射しながら、前記電圧源から前記２次非線形光学結晶に対して電圧を印加する第４工程とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記第３工程は、前記レジストパターンが形成された面から、前記電界の方向と平行に紫外光を照射することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記２次非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂ_ｘＴａ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）の少なくとも１つからなることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の前記２次非線形光学結晶は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎの少なくとも１種を添加物として含有することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、２次非線形光学結晶に周期分極反転構造を作製する作製装置において、分極反転の周期に一致するレジストパターンが形成された前記２次非線形光学結晶の前記レジストパターンが形成された面と対向する面を固定する第１容器と、前記レジストパターンが形成された面を固定する第２容器と、前記レジストパターンが形成された面と前記対向する面との間で、前記２次非線形光学結晶に電界が加わるように、前記２次非線形光学結晶と電圧源との間で電気的接続を確保する手段とを備え、前記第２容器は、前記電界の方向と平行に、前記２次非線形光学結晶に紫外光を照射するための貫通口を有し、該貫通口から前記紫外光を照射しながら、前記電圧源から前記２次非線形光学結晶に対して電圧を印加することができることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、印加する電界の方向と平行に、２次非線形光学結晶に紫外光を照射しながら、電圧源から２次非線形光学結晶に対して電圧を印加するので、分極を反転しない領域には電界が印加されないため、均一性、再現性の高い周期分極反転構造を作製することが可能となる。

また、本発明によれば、常温にて電圧を印加することができるため、簡単、簡便に周期分極反転構造を作製することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態においては、ＭｇまたはＺｎをドーピングした２次非線形光学結晶の一方の面（ここでは、−Ｚ面という）に、分極反転の周期に対応する電極パターンを形成する。そして、−Ｚ面またはこれに対向する面（ここでは、＋Ｚ面という）から、結晶に紫外光を照射した状態において、結晶の−Ｚ面と＋Ｚ面との間に電界を印加することにより、周期分極反転構造を作製する。

（第１の実施形態）
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる周期分極反転構造を作製する方法を示す。第１の実施形態では、２次非線形光学結晶として、ＺカットＺｎドープＬＮ結晶基板３１を用いる。（１）最初に、作製する光学デバイスの仕様に適合するように、分極反転の周期を選択する。（２）標準的なリソグラフィの技術を用いて、基板３１の−Ｚ面上に、分極反転の周期に対応するレジストパターン３３を形成する。ここで、基板３１との電気的接触を確保するために、基板３１とレジストパターン３３とを覆うように、さらに、金属薄膜電極を堆積してもよい。（３）基板３１の−Ｚ面および＋Ｚ面または少なくとも一方に、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）飽和水溶液などの導電性の液体電極３２，３４を用いて、基板３１と電圧源３８との電気的接続を確保する。

（４）次に、基板３１の＋Ｚ面（第１の実施形態ではレジストパターン３３を形成していない面）から基板３１に垂直な方向、すなわち印加する電界と平行に、超高圧水銀灯からの紫外光を照射する。典型的な紫外光の強度としては、１０〜５００ｍＷ／ｃｍ^２程度であり、より好ましくは５０〜２００ｍＷ／ｃｍ^２程度である。

（５）この状態において、電圧源３８から液体電極３２，３４を介して、基板３１に一様に電界Ｚを印加する。電圧源３８からは、数ｋＶの直流電圧で、パルス幅数百ｍｓの電圧パルスを印加する。最適な電圧とパルス幅とは、結晶の厚さ、結晶方位、ドープの濃度、照射する紫外光強度に依存する。典型的な値としては、厚さ０．３ｍｍの基板３１に対して、電圧０．５〜１ｋＶ、パルス幅０．１〜１秒程度である。

図４に、印加電圧と分極反転の割合との関係を示す。図２と同様に、結晶の不均一性、基板の厚さにより各点で反転電圧が異なるため、点線４２で示したように、理想的な状態から低電圧側にいくらか滑らかな形状となっている。紫外光を照射すると、分極反転に必要な電圧は、１０〜３０％程度低下する。反転電圧Ｖ_Ｒ２を印加すると、電界が印加された部分には紫外光が照射されているので、分極が反転する（Ａ）。一方、その他の領域は、紫外光が照射されているものの、レジストパターン３３により電界が印加されていないので、分極の反転は起こらない。すなわち、図２示した（Ｂ）の領域が出現することはない。

第１の実施形態によれば、分極を反転しない領域においても電界が印加されていた従来の方法とは異なり、分極を反転しない領域には電界が印加されないため、非常に広範囲わたって均一な分極反転構造を作製することができる。具体的には、従来の方法では、素子の長さ１ｃｍ未満の光学デバイスしか作製できなかったが、第１の実施形態によれば、３インチ基板全面にわたって均一に作製することができる。従って、光波長変換の効率に換算すれば、およそ２５倍の効率を得ることができる。

（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態にかかる周期分極反転構造を作製する方法を示す。第２の実施形態でも、２次非線形光学結晶として、ＺカットＺｎドープＬＮ結晶基板５１を用いる。標準的なリソグラフィの技術を用いて、基板５１の−Ｚ面上に、分極反転の周期に対応するレジストパターン５３を形成する。さらに、レジストパターン５３上に、紫外光をカットするための金属パターン５７を蒸着する。液体電極５２，５４を介して、電圧源５８から電圧を印加する構成は、第１の実施形態と同じである。

第２の実施形態では、レジストパターン５３を形成した面、すなわち−Ｚ面から、基板５１に垂直な方向に、超高圧水銀灯からの紫外光を照射する。この状態において、電圧源５８から液体電極５２，５４を介して、基板５１に一様に電界Ｚを印加する。電界が印加された部分には紫外光が照射されているので反転電圧が下がり、分極が反転する。一方、その他の領域は、紫外光が照射されないので反転電圧は下がらず、レジストパターン５３により電界が印加されないので、分極の反転は起こらない。

第２の実施形態によれば、分極反転の周期が短い微細な周期分極反転構造を作製するのに適している。分極反転の周期１０μｍ以上では、第１および第２の実施形態の間で、周期分極反転構造の均一性は変わらない。しかし、分極反転の周期２〜５μｍ程度になると、上述のＺカットＺｎドープＬＮ結晶基板において、第２の実施形態では、２０％程度の均一性の向上が見られる。このことは、光学デバイスとしての実効的な素子の長さが２０％向上することを意味している。

上述したとおり、ＭｇまたはＺｎをドーピングした２次非線形光学結晶に周期分極反転構造を作製する際に、結晶を１００℃程度に加熱した状態において電圧パルスを印加する必要があった。本実施形態よれば、常温にて電圧パルスを印加することができるため、作業性がよく、生産性に優れている。また、光損傷耐性のさらなる向上といった面などから、ＭｇまたはＺｎの添加量の増加、または、その他の物質の添加が行われると考えられる。このとき、結晶のさらなる加熱は、結晶の焦電効果の増大、生産性の低下といった問題点から有効な手段とはいえない。一方、本実施形態よれば、照射する紫外光の強度を高くすることにより、このような問題点を解決することができる。

さらに、結晶の加熱による方法では、温度むらによる均一性の低下、液体電極が加熱されることにより気泡が発生し、その部分の分極反転構造が作製できないといった問題が生じた。本実施形態よれば、結晶の加熱を必要としないことから、再現性がよく、広い面積にわたって均一に分極反転構造を作製することができる。

本実施形態においては、超高圧水銀灯と電圧源といった一般的な器具のみからなる作製装置で実施可能であり、特殊な装置を必要としない。従って、簡単、簡便かつ均一性、再現性の高い周期分極反転構造の作製装置を提供することができる。以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限られるものではない。

なお、２次非線形光学結晶として、ＬＮ結晶を用いたが、ＬｉＴａＯ_３（以下、ＬＴという）、ＬｉＮｂ_ｘＴａ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）を用いることもできる。また、結晶には、ＭｇまたはＺｎのみならず、ＳｃまたはＩｎを添加することもできる。

図６に、本発明の実施例にかかる周期分極反転構造の作成装置を示す。実施例１では、２次非線形光学結晶として、基板厚さ３００μｍ、３インチ、ノンドープＬｉＮｂＯ_３結晶基板６１を用いる。基板６１の表面を有機洗浄ののち親油性処理を行い、シプレイ社製Ｓ１８１８レジストを基板上にて滴下してスピンコートする。スピンコートされたレジスト膜を、恒温炉中でベーキングすることにより乾燥、固化させる。分極反転の周期に対応するフォトマスクを、レジスト膜にコンタクトさせて、紫外線を照射、露光し、現像することによってレジストパターン６３を形成する。実施例１では、分極反転の周期を５μｍとする。

ステンレス製の容器８１に、Ｏリング８２を介して基板６１の＋Ｚ面を固定する。基板６１のレジストパターン６３が形成された面（−Ｚ面）に、Ｏリング８４を介してアクリル製の容器８３を固定し、容器８１と容器８３とにより、基板６１を挟持する。Ｏリング８２，８４の内部には、塩化リチウム飽和水溶液からなる液体電極６２，６４を注入する。基板６１のレジストパターン６３が形成された面（−Ｚ面）は、液体電極６２、電極棒８６を介して電圧源８８に接続され、基板６１のレジストパターン６３が形成されていない面（＋Ｚ面）は、液体電極６４、容器８１、電極棒８７を介して電圧源８８に接続されている。

容器８３は、基板６１のレジストパターン６３が形成された面に対応して、貫通口が設けられており、基板６１に垂直な方向に、超高圧水銀灯８５から、１００ｍＷ／ｃｍ^２程度の紫外光を照射する。この状態において、電極棒８７を接地して、電圧源３８から電極棒８６に負の電圧０．７ｋＶを、０．２秒間印加する。このようにして、周期５μｍで均一性の高い周期分極反転構造を有するＬＮ基板を作製することができる。

作製されたＬＮ基板から周期分極反転構造に直交する向きに、短冊状の素子を切り出す。切り出した素子の両端面を研磨した後、波長９７６ｎｍの励起光を入射すると、第二高調波発生により波長４８８ｎｍの青色光を得ることができる。

このほか、ＭｇドープＬＮ基板、Ｚｎ及びＭｇドープＬＴ基板を用いた場合においても、同様の周期分極反転構造を作製することができる。また、分極反転の周期を２μｍ以上の任意の周期で、分極反転構造を作製することもできる。

従来の周期分極反転構造を作製する方法を示す図である。 印加電圧と分極反転の割合との関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる周期分極反転構造を作製する方法を示す図である。 印加電圧と分極反転の割合との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる周期分極反転構造を作製する方法を示す図である。 本発明の実施例にかかる周期分極反転構造の作成装置を示す図である。

符号の説明

１１ ＬＮ結晶
１２ 石英基板
１３ 金属薄膜電極
１４ Ａｌ基板
１５，１６，３２，３４，５２，５４，６２，６４ 液体電極
１８，３８，５８，８８ 電圧源
１９ 電荷モニタ
３１，５１，６１ 基板
３３，５３，６３ レジストパターン
５７ 金属パターン
８１，８３ 容器
８２，８４ Ｏリング
８５ 超高圧水銀灯
８６，８７ 電極棒

Claims (5)

1. ２次非線形光学結晶に周期分極反転構造を作製する作製方法において、
   前記２次非線形光学結晶に、分極反転の周期に一致するレジストパターンを形成する第１工程と、
   前記レジストパターンが形成された面と、この面と対向する面との間で、前記２次非線形光学結晶に電界が加わるように、前記２次非線形光学結晶と電圧源との間で電気的接続を確保する第２工程と、
   前記電界の方向と平行に紫外光を照射する第３工程と、
   前記紫外光を照射しながら、前記電圧源から前記２次非線形光学結晶に対して電圧を印加する第４工程と
   を備えたことを特徴とする周期分極反転構造の作製方法。
2. 前記第３工程は、前記レジストパターンが形成された面から、前記電界の方向と平行に紫外光を照射することを特徴とする請求項１に記載の周期分極反転構造の作製方法。
3. 前記２次非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂ_ｘＴａ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）の少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１または２に記載の周期分極反転構造の作製方法。
4. 前記２次非線形光学結晶は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎの少なくとも１種を添加物として含有することを特徴とする請求項３に記載の周期分極反転構造の作製方法。
5. ２次非線形光学結晶に周期分極反転構造を作製する作製装置において、
   分極反転の周期に一致するレジストパターンが形成された前記２次非線形光学結晶の前記レジストパターンが形成された面と対向する面を固定する第１容器と、
   前記レジストパターンが形成された面を固定する第２容器と、
   前記レジストパターンが形成された面と前記対向する面との間で、前記２次非線形光学結晶に電界が加わるように、前記２次非線形光学結晶と電圧源との間で電気的接続を確保する手段とを備え、
   前記第２容器は、前記電界の方向と平行に、前記２次非線形光学結晶に紫外光を照射するための貫通口を有し、該貫通口から前記紫外光を照射しながら、前記電圧源から前記２次非線形光学結晶に対して電圧を印加することができることを特徴とする周期分極反転構造の作製装置。
   

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