JP2008107487A

JP2008107487A - 波長変換素子の製造方法、及び波長変換素子

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Publication number: JP2008107487A
Application number: JP2006289062A
Authority: JP
Inventors: Makoto Zakouji; 誠座光寺
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】均一な周期構造の分極反転結晶を形成でき、高い波長変換効率の波長変換素子を製造するための波長変換素子の製造方法等を提供すること。
【解決手段】第１面Ｓ１、及び第１面Ｓ１とは反対側の第２面Ｓ２を有する光学結晶であるＬＮ基板２１の第１面Ｓ１に絶縁層であるレジスト層２２を形成する絶縁層形成工程と、レジスト層２２をパターニングする絶縁層パターニング工程と、ＬＮ基板２１の第１面Ｓ１側に第１電極層２３、ＬＮ基板２１の第２面Ｓ２側に第２電極層２４をそれぞれ設置する電極設置工程と、レジスト層２２が形成された第１面Ｓ１及び第１電極層２３の間と、第２面Ｓ２及び第２電極層２４の間とにそれぞれ粒状体である導電性粒子２７を充填させる粒状体充填工程と、第１電極層２３及び第２電極層２４の間に電圧を印加する電圧印加工程と、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、波長変換素子の製造方法、及び波長変換素子、特に、周期的な分極反転構造を持つ波長変換素子の製造方法の技術に関する。

従来、レーザ光を供給するレーザ光源において、第二高調波発生（Second−Harmonic Generation：ＳＨＧ）素子等の波長変換素子が用いられている。波長変換素子を用いることで、例えば、容易に入手可能な汎用のレーザを用いて、所望の波長のレーザ光を供給することが可能となる。高い効率での波長変換を可能とするために、従来、擬似位相整合（Quasi Phase Matching：ＱＰＭ）を用いる波長変換デバイスが開発されている。ＱＰＭ波長変換デバイスには、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）の分極反転結晶（Periodically Poled Lithium Niobate：ＰＰＬＮ）を用いることができる。従来、ＱＰＭ波長変換デバイスの製造方法として、例えば、イオン交換を用いる手法、電子ビームを走査させる手法、電圧の印加を用いる手法が提案されている。イオン交換の場合、表層近くの浅い部分のみの分極反転となることから、厚みを持った光学結晶全体を分極反転させることは困難である。電子ビームを用いる場合、分極反転パターンに沿って電子ビームを走査させることが極めて困難であるため、量産には不向きである。そのため、近年では光学結晶へ電圧を印加する手法が多く用いられている。例えば、自発分極構造の光学結晶上に絶縁層の微細なパターンを形成し、金属膜或いは電解液を介して電圧を印加することにより分極反転構造を得る手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２９０８６号公報

高い波長変換効率を実現するには、分極反転結晶の周期構造は均一であることが望ましい。金属膜を介して電圧を印加する場合、金属膜の厚みに応じて抵抗値が変化するため、均一な電圧印加が困難である。特許文献１の技術では、電解液、例えば塩化リチウム水溶液を用いることで均一な電圧印加を可能としている。この場合、電解液は、直接絶縁層に接することとなる。絶縁層に電解液を接触させると、絶縁層への電解液の浸入や、電解液による絶縁層の膨潤が引き起こされることにより絶縁層の絶縁性が低下してしまう。絶縁層の絶縁性が低下すると、自発分極状態を保持させるべき部分にまで電界が及ぶこととなるため、均一な周期構造の分極反転結晶を得ることが極めて困難となる。均一な周期構造の分極反転結晶を形成できない場合、高い波長変換効率を実現することは困難であるという問題を生じる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、均一な周期構造の分極反転結晶を形成でき、高い波長変換効率の波長変換素子を製造するための波長変換素子の製造方法、及びその製造方法により製造される波長変換素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、第１面、及び第１面とは反対側の第２面を有する光学結晶の第１面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、絶縁層をパターニングする絶縁層パターニング工程と、光学結晶の第１面側に第１電極層、光学結晶の第２面側に第２電極層をそれぞれ設置する電極設置工程と、絶縁層が形成された第１面及び第１電極層の間と、第２面及び第２電極層の間とにそれぞれ粒状体を充填させる粒状体充填工程と、第１電極層及び第２電極層の間に電圧を印加する電圧印加工程と、を含むことを特徴とする波長変換素子の製造方法を提供することができる。

電圧印加工程において、光学結晶には、粒状体を介して電圧が印加される。粒状体は、導電性部材を用いて形成できる。粒状体を用いることにより、絶縁層内へ導電性物質が浸入する事態を確実に回避し、絶縁層の絶縁性を十分に保持できる。絶縁層の絶縁性を十分に保持可能とすることで、均一な周期構造の分極反転結晶を得ることができる。これにより、均一な周期構造の分極反転結晶を形成でき、高い波長変換効率の波長変換素子を製造することができる。

また、本発明の好ましい態様としては、粒状体は、絶縁層パターニング工程においてパターニングされた絶縁層の間隔より小さい粒径をなすことが望ましい。これにより、絶縁層同士の間において隙間無く確実に粒状体を充填させることを可能とし、均一な電圧印加を可能にできる。

また、本発明の好ましい態様としては、粒状体は、金属部材を備えることが望ましい。導電性部材である金属部材を用いることにより、光学結晶へ電圧を印加することができる。また、抵抗値を低くできるため、印加する電圧を低減できる。

また、本発明の好ましい態様としては、粒状体は、基材を備え、金属部材は、基材の周囲に形成されることが望ましい。粒状体に加えられた応力に応じて基材を変形可能とすることで、光学結晶へ加わる圧力を緩和可能とし、かつ光学結晶表面における傷を抑制できる。

また、本発明の好ましい態様としては、粒状体は、樹脂部材を備えることが望ましい。粒状体は、樹脂部材を基材とする構成、樹脂部材に導電性部材を分散させる構成等とすることができる。樹脂部材を用いることにより、粒状体に加えられた応力に応じて粒状体を変形可能にできる。これにより、光学結晶へ加わる圧力を緩和可能とし、かつ光学結晶表面における傷を抑制できる。

また、本発明の好ましい態様としては、電圧印加工程において、光学結晶を加圧するとともに電圧を印加することが望ましい。光学結晶は、圧力が加えられることで電荷を生じさせる圧電体としても作用し得る。電圧印加工程における加圧により、光学結晶への加圧によって発生する電圧を分極反転に利用することが可能となる。これにより、印加する電圧を低減できる。また、さらに確実に粒状体を充填させることで、より均一な電圧印加を可能にできる。固体である粒状体を用いることにより、液体である電解液を用いる場合と比較して光学結晶に対する加圧を容易に行うことができる。

また、本発明の好ましい態様としては、電圧印加工程において、光学結晶を加温するとともに電圧を印加することが望ましい。加温により、光学結晶が分極反転を起こす電圧の閾値を低下させることが可能となる。これにより、印加する電圧を低減できる。電解液を用いる場合には電解液の蒸発に対する対策を講じる必要があるのに対して、粒状体を用いることにより、蒸発に対する考慮が不要となる。さらに、粒状体を充填させることで良好な熱伝導性が得られ、光学結晶を均一に加温することができる。

さらに、本発明によれば、上記の波長変換素子の製造方法を用いて製造されることを特徴とする波長変換素子を提供することができる。上記の波長変換素子の製造方法を用いることにより、均一な周期構造の分極反転結晶を持ち、高い波長変換効率の波長変換素子を得られる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係る波長変換素子の製造方法により製造されたＳＨＧ素子１０の構成を示す。ＳＨＧ素子１０は、例えばＰＰＬＮである。ＳＨＧ素子１０は、周期的に並列された分極反転構造１１を備える。分極反転構造１１は、コヒーレント長ｌ_Cごとに非線形光学定数ｄの符号を反転させて構成されている。ＳＨＧ素子１０は、ＳＨＧ素子１０へ入射するレーザ光Ｌ１を、２分の１の波長のレーザ光Ｌ２に変換して出射させる。

図２及び図３は、本実施例に係る波長変換素子の製造方法によりＳＨＧ素子１０を製造する手順を説明するものである。ＳＨＧ素子１０の製造には、光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板２１を用いる。ＬＮ基板２１は、第１面Ｓ１、及び第１面Ｓ１とは反対側の第２面Ｓ２を有する平行平板である。図２に示す工程ａでは、ＬＮ基板２１の第１面Ｓ１にレジスト層２２を形成する。レジスト層２２は、導体間の絶縁を目的とする絶縁層であって、絶縁体により構成される。工程ａは、光学結晶に絶縁層を形成する絶縁層形成工程である。レジスト層２２は、例えば、絶縁体である有機フォトレジスト等の樹脂を１０μｍ程度成膜することで形成できる。樹脂の成膜は、スピンコートにより行うことができる。

次に、工程ｂに示す絶縁層パターニング工程において、レジスト層２２をパターニングする。レジスト層２２のパターニングには、例えば、フォトリソグラフィ技術を用いることができる。フォトリソグラフィ技術を用いることにより、周期的な縞状のパターンを有するレジスト層２２を得られる。

工程ｃに示す電極設置工程では、第１電極層２３及び第２電極層２４が設置される。第１電極層２３は、ＬＮ基板２１の第１面Ｓ１側に設置される。第１電極層２３は、ＬＮ基板２１の外縁に沿って配置されたＯリング２５によって、第１面Ｓ１に固定されている。これにより、第１電極層２３、第１面Ｓ１、レジスト層２２、Ｏリング２５によって囲まれた空間が形成される。第２電極層２４は、ＬＮ基板２１の第２面Ｓ２側に設置される。第２電極層２４は、ＬＮ基板２１の外縁に沿って配置されたＯリング２６によって、第２面Ｓ２に固定されている。これにより、第２電極層２４、第２面Ｓ２、Ｏリング２６によって囲まれた空間が形成される。

図３に示す工程ｄでは、第１電極層２３、第１面Ｓ１、レジスト層２２、Ｏリング２５によって囲まれた空間内、及び第２電極層２４、第２面Ｓ２、Ｏリング２６によって囲まれた空間内に導電性粒子２７が充填される。導電性粒子２７は、導電性部材を用いて形成された粒状体である。工程ｄは、レジスト層２２が形成された第１面Ｓ１及び第１電極層２３の間と、第２面Ｓ２及び第２電極層２４の間とにそれぞれ導電性粒子２７を充填させる粒状体充填工程である。

図４は、導電性粒子２７が充填された状態を説明するものである。図５は、導電性粒子２７の構成を示す。導電性粒子２７は、導電性部材である金属部材３１により構成された金属粒子である。絶縁層パターニング工程においてパターニングされたレジスト層２２の間隔ｗが例えば１μｍである場合、導電性粒子２７の粒径ｄは、数十ｎｍとすることができる。これにより、レジスト層２２同士の間において隙間無く確実に導電性粒子２７を充填させることができる。

図３に戻って、工程ｅに示す電圧印加工程では、電源２８により第１電極層２３及び第２電極層２４の間に電圧を印加する。電圧の印加は、高電圧パルスを印加することにより行う。第１面Ｓ１及び第１電極層２３の間、第２面Ｓ２及び第２電極層２４の間にそれぞれ導電性粒子２７を充填させることで、ＬＮ基板２１へは、導電性粒子２７を介して電圧が印加される。導電性粒子２７を隙間無く確実に充填させることで、均一な電圧印加を可能にできる。さらに、導電性部材である金属部材３１を備える導電性粒子２７を確実に充填させることで、抵抗値を低くし、印加する電圧を低減できる。

工程ｅにおける電圧の印加により、第１面Ｓ１のうちレジスト層２２が取り除かれた位置から分極反転領域が徐々に成長していく。分極反転領域とは、ＬＮ基板２１の自発分極から分極状態が反転した領域である。そして、ＬＮ基板２１の自発分極のままの非反転領域と分極反転領域とが略同じ幅となったとき、電圧の印加を停止させる。このようにして、工程ｆに示すように、周期的な分極反転構造１１を持つＰＰＬＮ基板３０を得る。さらに、ＰＰＬＮ基板３０の所望の大きさへのダイシング、研磨、光学膜の形成等を経てＳＨＧ素子１０が完成する。

粒状体である導電性粒子２７を用いることにより、レジスト層２２内へ導電性物質が浸入する事態を確実に回避し、レジスト層２２の絶縁性を十分に保持できる。レジスト層２２の絶縁性を十分に保持可能とすることで、均一な周期構造の分極反転結晶を得ることができる。これにより、均一な周期構造の分極反転結晶を形成でき、高い波長変換効率の波長変換素子を製造できるという効果を奏する。光学結晶であるＬＮ基板２１は、非線形光学定数が大きいためＱＰＭ波長変換デバイスに適している。光学結晶としては、ＬＮ基板２１以外の他の光学結晶、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃：ＬＴ）基板等を用いても良い。

なお、レジスト層２２の間隔ｗ及び導電性粒子２７の粒径ｄは適宜設定することができる。レジスト層２２の間隔ｗは、所望の分極反転領域の幅に応じて適宜決定できる。ここで、分極反転領域は、ＬＮ基板２１の厚み方向へ進行した後、厚み方向に垂直な横方向へ広がる。よって、レジスト層２２の間隔ｗは、所望の分極反転領域の幅より小さくすることが望ましい。導電性粒子２７の粒径ｄは、レジスト層２２の間隔ｗに応じて決定可能であって、少なくとも、レジスト層２２の間隔ｗより小さければ良い。導電性粒子２７の粒径ｄを小さくするほど、第１面Ｓ１において電界が集中する位置を分散でき、均一な周期構造の分極反転結晶を形成できる。

図６及び図７は、導電性粒子の変形例を示す。図６に示す導電性粒子３２は、基材３３を備える。基材３３は、樹脂部材により構成されている。基材３３の周囲には、金属部材３４がコーティングされている。かかる構成の導電性粒子３２を用いても、ＬＮ基板２１へ電圧を印加することができる。樹脂部材からなる基材３３を用いることで、導電性粒子３２に加えられた応力に応じて基材３３を変形させることができる。これにより、ＬＮ基板２１へ加わる圧力を緩和可能とし、かつＬＮ基板２１表面における傷を抑制できる。

図７に示す導電性粒子３５は、導電性樹脂部材３６により構成されている。導電性樹脂部材３６としては、樹脂部材に導電性を持つ金属分子等を分散させたものを用いることができる。かかる構成の導電性粒子３５を用いても、ＬＮ基板２１へ電圧を印加することができる。導電性樹脂部材３６を用いる構成とすることで、導電性粒子３５に加えられた応力に応じて導電性粒子３５を変形可能にできる。これにより、ＬＮ基板２１へ加わる圧力を緩和可能とし、かつＬＮ基板２１表面における傷を抑制できる。なお、導電性粒子は導電性を持つ構成であれば良く、本実施例で説明するものに限られない。印加する電圧を低減可能とするために、導電性粒子の抵抗値は低いことが望ましい。

図３の工程ｅに示す電圧印加工程において、ＬＮ基板２１を加圧するとともに電圧を印加することとしても良い。例えば、シリンダー等により第１電極層２３及び第２電極層２４を加圧することで、ＬＮ基板２１を加圧することができる。本発明では固体である導電性粒子を充填させることにより、液体である電解液を用いる場合と比較してＬＮ基板２１に対する加圧を容易に行うことができる。

ＬＮ基板２１等の光学結晶は、圧力が加えられることで電荷を生じさせる圧電体としても作用し得る。電圧印加工程における加圧により、ＬＮ基板２１への加圧によって発生する電圧を分極反転に利用することが可能となる。第１面Ｓ１のうちレジスト層２２が形成された部分ではレジスト層２２へ圧力が吸収されるのに対して、第１面Ｓ１のうちレジスト層２２が無い部分へは、十分な圧力がかけられる。このようにして、レジスト層２２でマスキングされた部分以外の部分において電圧を発生させることができる。これにより、印加する電圧を低減できる。また、さらに確実に導電性粒子を充填させることで、より均一な電圧印加を可能にできる。

また、電圧印加工程において、ＬＮ基板２１を加温するとともに電圧を印加することとしても良い。加熱のための装置、例えば乾燥器等を用いて工程ｅに示す構成を加熱することにより、ＬＮ基板２１を加温することができる。加温により、ＬＮ基板２１が分極反転を起こす電圧の閾値を低下させることが可能となる。これにより、印加する電圧を低減できる。電解液を用いる場合には電解液の蒸発に対する対策を講じる必要があるのに対して、粒状体である導電性粒子を用いることにより、蒸発に対する考慮が不要となる。さらに、導電性粒子を充填させることで良好な熱伝導性が得られ、ＬＮ基板２１を均一に加温することができる。

なお、電圧印加工程において、加圧及び加温のいずれも行うこととしても良い。本実施例により製造されたＳＨＧ素子１０は、例えば、レーザ光を用いて画像を表示するプロジェクタのレーザ光源、レーザ加工、レーザ光を用いる光通信技術等に適用することができる。

以上のように、本発明に係る波長変換素子の製造方法は、周期的な分極反転構造を持つ波長変換素子を製造する場合に適している。

実施例に係る波長変換素子の製造方法により製造されたＳＨＧ素子の図。ＳＨＧ素子を製造する手順を説明する図。ＳＨＧ素子を製造する手順を説明する図。導電性粒子が充填された状態を説明する図。導電性粒子の構成を示す図。導電性粒子の変形例を示す図。導電性粒子の変形例を示す図。

符号の説明

１０ＳＨＧ素子、１１分極反転構造、２１ＬＮ基板、Ｓ１第１面、Ｓ２第２面、２２レジスト層、２３第１電極層、２４第２電極層、２５、２６Ｏリング、２７導電性粒子、２８電源、３０ＰＰＬＮ基板、３１金属部材、３２導電性粒子、３３基材、３４金属部材、３５導電性粒子、３６導電性樹脂部材

Claims

第１面、及び前記第１面とは反対側の第２面を有する光学結晶の前記第１面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層をパターニングする絶縁層パターニング工程と、
前記光学結晶の前記第１面側に第１電極層、前記光学結晶の前記第２面側に第２電極層をそれぞれ設置する電極設置工程と、
前記絶縁層が形成された前記第１面及び前記第１電極層の間と、前記第２面及び前記第２電極層の間とにそれぞれ粒状体を充填させる粒状体充填工程と、
前記第１電極層及び前記第２電極層の間に電圧を印加する電圧印加工程と、を含むことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
前記粒状体は、前記絶縁層パターニング工程においてパターニングされた前記絶縁層の間隔より小さい粒径をなすことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子の製造方法。
前記粒状体は、金属部材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換素子の製造方法。
前記粒状体は、基材を備え、
前記金属部材は、前記基材の周囲に形成されることを特徴とする請求項３に記載の波長変換素子の製造方法。
前記粒状体は、樹脂部材を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換素子の製造方法。
前記電圧印加工程において、前記光学結晶を加圧するとともに電圧を印加することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換素子の製造方法。
前記電圧印加工程において、前記光学結晶を加温するとともに電圧を印加することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長変換素子の製造方法。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長変換素子の製造方法を用いて製造されることを特徴とする波長変換素子。