JP2008170931A - 波長変換素子の製造装置及び波長変換素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】強誘電体からなる基板で構成される波長変換素子の製造装置であって、基板13の一方の面に電圧を印加する第1電極11と、基板の一方の面と反対の他方の面に電圧を印加する第2電極12と、第1電極11及び第2電極12と基板13とを互いに近接あるいは離間させる方向に移動させる移動手段と、第1電極11及び第2電極12に電圧を印加する電源15とを備え、少なくとも第1電極11が複数の電極部11bを有し、該複数の電極部が一体に形成され、各々の電極部11bが基板13との対向面を有することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
そこで、非線形光学効果を利用した波長変換素子は、周期的なピッチを持つ分極反転構造により光の波長を変換することでレーザ光源の使用波長の拡大が図れるため多くの分野で利用されている。
このような波長変換素子の製造方法としては、分極反転させる際に分極反転領域のピッチを決めるために、基板個々に電極を形成し、その電極に高電圧を印加して分極反転構造を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献1,特許文献2及び特許文献3参照。)。
ところで、分極反転させる材料(結晶)には、分極反転処理が行われるまでに、マイクロドメインと呼ばれる原料段階で固有に持っている分極の核が発生する。そのために、このマイクロドメインが発生している状態で基板の分極反転を行うと、本来分極を行いたい縞状の微細ピッチの分極反転部とは異なる分極部ができてしまうことがある。そこで、特許文献3では、マイクロドメインを除去する方法が提案されている。
この特許文献3に記載の周期反転型フォトリフラクティブ導波路の製造方法では、結晶の一対の表裏面に両側から電極を接触させ、マイクロドメインの除去を促進し、分極方向が電場の印加方向に揃ったシングルドメイン結晶を得ている。
また、波長変換素子はもともと非常にコストが高い素子であるため、分極反転周期のピッチの個体差等により作り直しが生じた場合、さらにコストが高くなってしまう。
また、特許文献3に記載の技術では、反転させる領域に1つ1つ電極を接触させるため、基板ごとにバラツキが生じるので、分極反転ピッチの繰り返しの製造精度が悪い。
本発明の波長変換素子の製造装置は、強誘電体からなる基板で構成される波長変換素子の製造装置であって、前記基板の一方の面に電圧を印加する第1電極と、前記基板の一方の面と反対の他方の面に電圧を印加する第2電極と、前記第1電極及び前記第2電極と前記基板とを互いに近接あるいは離間させる方向に移動させる移動手段と、前記第1電極及び前記第2電極に電圧を印加する電源とを備え、少なくとも前記第1電極が複数の電極部を有し、該複数の電極部が一体に形成され、各々の前記電極部が前記基板との対向面を有することを特徴とする。
このように、本発明は、従来のようにフォトリソグラフィ法を用いて基板に電極を形成する高コストな工程が不要となり、基板に表面ポリッシュ程度の加工を施すだけで済むので、低コスト化を図ることが可能となる。また、従来の工程では、例えば、ウエハで複数の波長変換素子を一括して形成する場合、ウエハ上の場所によって品質にバラつきが生じたり、個々の基板に電極を形成、あるいは、反転させる領域1つ1つに電極を接触させた場合も同様に、1回ごとに基板上に形成される電極のバラつきにより波長変換素子の特性が異なってしまう。
しかしながら、本発明の波長変換素子の製造装置は、あらかじめ第1電極及び第2電極を備えるため、一度第1電極及び第2電極を作製すれば、製造される波長変換素子の品質の均一化を図ることが可能となる。さらには、少なくとも第1電極が複数の電極部を有し、この複数の電極部が一体に構成されているため、分極反転ピッチが基板ごとに乱れることがないため、より精度良く品質の均一化を図ることができる。
また、基板と第1単一分極化用電極及び第2単一分極化用電極との平行度の調整を行った後、第1電極及び第2電極により基板に電圧を印加する場合、第2単一分極化用電極が第2電極を兼ねているため、第2電極の平行度の調整は行わなくても基板と第2電極との平行が保たれている。したがって、工数を増やさなくても第2電極と基板とが平行であるため、簡易な構成により、基板と第2電極との密着性を高めることが可能となる。
次に、本発明の波長変換素子の製造装置の第1実施形態について、図1から図8を参照して説明する。
本実施形態に係る波長変換素子の製造装置1は、図1に示すように、真空チャンバ(筐体)10内に、第1電極11と、第2電極12とを備えている。この第1電極11と第2電極12との間には、LiNbO3基板13が配置されている。また、真空チャンバ10には、図示しない基板搬入口、基板搬出口があり、基板搬送装置が備えられている。さらに、真空チャンバ10には排気管を介して真空ポンプが接続されている。この真空ポンプの作用により減圧状態となる。
また、真空チャンバ10の上部には第1電極11が設置され、第1電極11と対向するように真空チャンバ10の下部には第2電極12が設置されている。また、製造装置1には、第1電極11及び第2電極12とLiNbO3基板13とを接近あるいは離間させる移動手段(図示略)が設けられている。
第2電極12のLiNbO3基板13の他方の面13bと接触する接触面12aは、図3に示すように、平坦になっている。すなわち、第2電極12は平板状の電極となっている。
LiNbO3基板13は、非線形光学効果を有する強誘電体結晶基板としてLiNbO3にMgOが5mol%ドープされた基板である。また、LiNbO3基板13は図示しない基板保持機構によって保持されている。
また、第1電極11と第2電極12との間に、図1に示すように、電圧を印加する電源15が設けられている。
まず、図1に示すように、真空チャンバ10内にLiNbO3基板13を基板搬送部材(図示略)上に準備し(ステップS1)、真空ポンプにより真空チャンバ10内の真空引きを行う(ステップS2)。真空チャンバ10内が真空引きされた後、LiNbO3基板13に対して第1電極11を移動し、第1電極11とLiNbO3基板13との位置を調整する(ステップS3)。そして、第1電極11がLiNbO3基板13に対して所定の位置にない場合(ステップS4,「NO」)、ステップS3に戻り、再び第1電極11とLiNbO3基板13との位置を調整する。
次に、LiNbO3基板13に対して第2電極12を移動し、第2電極12とLiNbO3基板13との位置を調整する(ステップS6)。そして、第2電極12がLiNbO3基板13に対して所定の位置にない場合(ステップS7,「NO」)、ステップS6に戻り、再び第2電極12とLiNbO3基板13との位置を調整する。その後、第2電極12とLiNbO3基板13との位置を確認し、第2電極12がLiNbO3基板13に対して所定の位置、すなわち、LiNbO3基板13の他方の面13bと約20μmの距離Lをあけて第2電極12が配置された場合(ステップS7,「YES」)、電源15により第1電極11と第2電極12との間にパルス状の電圧を印加する(ステップS8)。また、印加電圧としては例えば200kV/mmの電圧となっている。なお、具体的には、LiNbO3基板13と第2電極12との間にSiO2等の絶縁物質からなる基板(図示略)を配置し、距離Lを保っている。
これにより、図1に示す第1電極11のライン電極11bが接触する接触部13cと接触しない非接触部13dとにより、図5に示すように、LiNbO3基板13の一方の面13aには分極反転周期が複数形成される。このようにして、図5に示すように、分極反転部14aと非分極反転部14bとが交互に形成されたドメインの繰り返し構造を有する波長変換素子20を得ることができる。この分極反転部14aの幅Q1はライン電極11bの幅P2と同じ2μmであり、非分極反転部14bの幅Q2はライン電極11bの間隔P1と同じ2μmである。すなわち、波長変換素子20の各ドメインのレーザ光の進行する方向の周期Λが4μmの分極反転周期構造が形成される。
また、従来のように、1つ1つの波長変換素子に電極を形成すると個々にバラツキが生じるが、本実施形態の製造装置1では、複数の波長変換素子を製造する場合、複数の電極部が一体的に形成されるとともに、同じ第1電極11及び第2電極12を用いて分極反転周期構造を形成する。したがって、1つ1つの波長変換素子20の特性の個体差を抑えることが可能となる。
つまり、本実施形態の波長変換素子20の製造装置1及び波長変換素子20の製造方法は、品質の個体差を抑え、低コスト化を図ることが可能な可能である。
また、第2電極12の接触面12aが平坦であるため、第2電極12の構造が簡易になる。また、第2電極12のLiNbO3基板13に対する位置合わせが必要でない(第1電極11の複数のピッチ方向の位置合わせが必要でない)ため、歩留まりを向上させることが可能となる。
また、第1電極11をLiNbO3基板13に密着させたが、接触させず近接させても良い。
さらに、本実施形態では、真空の雰囲気内で波長変換素子20を製造したが、第1電極11の非分極反転部14bを形成するのに必要な絶縁部として、絶縁性のガスや液体を充填しても良い。
また、第1電極11として、図1に示すように1つの基体に凹凸が形成された構成にしたが、ライン電極11bが一体に形成されていれば良い。例えば、第1電極11が、ライン電極11bを個別に有し、それぞれのライン電極11bが連結部により連結されている構成であっても良い。
本変形例の製造装置25では、LiNbO3基板13の内部に発生するマイクロドメインを除去するための第1単一分極化用電極26と、第2単一分極化用電極27とを備える点において、第1実施形態の製造装置1と異なる。
第1単一分極化用電極26と第2単一分極化用電極27との間には、図7に示すように、LiNbO3基板13が配置されている。また、第1単一分極化用電極26の一方の面13aと接触する接触面26aは、平坦になっている。さらに、第2単一分極化用電極27の他方の面13bと接触する接触面27aも同様に、平坦になっている。また、上述した移動手段(図示略)が、第1単一分極化用電極26及び第2単一分極化用電極27とLiNbO3基板13とを互いに近接あるいは離間させる方向に移動させる。
まず、真空チャンバ10内にLiNbO3基板13を基板搬送部材(図示略)上に準備し(ステップS11)、真空チャンバ10内に絶縁ガスを充填する(ステップS12)。真空チャンバ10内に絶縁ガスが充填された後、LiNbO3基板13に対して第2単一分極化用電極27を移動し、第2単一分極化用電極27とLiNbO3基板13との位置を調整する(ステップS13)。そして、第2単一分極化用電極27がLiNbO3基板13に対して所定の位置にない場合(ステップS14,「NO」)、ステップS13に戻り、再び第2単一分極化用電極27とLiNbO3基板13との位置を調整する。
その後、LiNbO3基板13と第1単一分極化用電極26との位置を確認し、第1単一分極化用電極26がLiNbO3基板13に対して所定の位置にある場合(ステップS16,「YES」)、LiNbO3基板13の一方の面13aに第1単一分極化用電極26を密着(接触)させる(ステップS17)。そして、第1単一分極化用電極26及び第2単一分極化用電極27を必要十分な温度に加熱し、第1電極11と第2電極12との間に電圧を印加する(ステップS18)。これにより、LiNbO3基板13の内部に生じるマイクロドメインを解消することができる。
そして、第1電極11がLiNbO3基板13に対して所定の位置にない場合(ステップS20,「NO」)、ステップS19に戻り、再び第1電極11とLiNbO3基板13との位置を調整する。その後、LiNbO3基板13と第1電極11との位置を確認し、第1電極11がLiNbO3基板13に対して所定の位置にある場合(ステップS20,「YES」)、LiNbO3基板13の一方の面13aに第1電極11を密着(接触)させる(ステップS21)。その後、第1電極11と第2単一分極化用電極27との間に電圧を印加し(ステップS22)、第1電極11及び第2単一分極化用電極27をLiNbO3基板13から離脱させ(ステップS23)、真空チャンバ10内の絶縁ガスを排気し(ステップS24)、LiNbO3基板13を基板搬送部材から外す(ステップS25)。
また、単一分極化処理を行う第2単一分極化用電極27が、分極反転を行うための第2電極12であるため、1つの電極で2つの処理を行うことができる。したがって、製造装置25全体の低コスト化を図ることが可能となる。
また、真空チャンバ10内に絶縁ガスを充填させたが、第1実施形態と同様に、真空チャンバ10内を真空にしても良い。
次に、本発明に係る第2実施形態について、図9及び図10を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第1実施形態に係る波長変換素子20の製造装置1と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係る製造装置30では、第2電極22の形状において第1実施形態と異なる。
まず、真空チャンバ10内にLiNbO3基板13を用意し、LiNbO3基板13の一方の面13aに第1電極11を密着させ、他方の面13bに第2電極22を密着させる。そして、第1実施形態と同様に、第1電極11と第2電極22との間には、電源15によりパルス状の電圧が印加される。このようにして、図5に示すような波長変換素子20を得ることができる。
また、従来のように、LiNbO3基板13にフォトリソグラフィ法等により電極を形成する方法では、微細なライン状の電極パターンの形成を両面に行うため、製造コストが高くなる。さらには、LiNbO3基板13の両面に微細なライン状の電極パターンを形成した後は、取り扱い上も困難になる等の理由でLiNbO3基板の両面に電極パターンを形成するのは難しい。しかしながら、本実施形態のように、製造装置30に第1電極11及び第2電極22を設けることにより、LiNbO3基板13にライン電極が一体的に形成された第1電極11及び第2電極22を接触させることで分極反転周期が形成されるので、簡易な構成で、精度の良い波長変換素子20を得ることが可能となる。
なお、第1電極11及び第2電極22をLiNbO3基板13に密着させたが、接触させず近接させても良いが、密着させた方が分極反転周期構造をLiNbO3基板13に精度良く形成することが可能となる。
この場合も第1実施形態の変形例と同様に、LiNbO3基板13の内部に生じるマイクロドメインを解消し単一分極化処理を行った後分極反転させるため、より波長変換素子20の品質の均一化を図ることが可能となる。
次に、本発明に係る第3実施形態について、図11を参照して説明する。
本実施形態に係る製造装置では、真空チャンバ10を用いない点において第1実施形態と異なる。
第1電極11及び第2電極12の形成工程について説明する。
まず、図11(a)に示すように、平板状の電極41のLiNbO3基板13と接触する接触面41aに、例えば、研磨等により平坦化加工を施す。このようにして、第2電極12を作製する。
また、LiNbO3基板13に接触する接触面41aに平坦化加工が施されているため、LiNbO3基板13と第2電極12との密着性を高めることが可能となる。さらに、微細ピッチ構造の微細溝42に絶縁物43を充填した後、平坦化加工を施しているため、LiNbO3基板13と第1電極11との密着性を高めることが可能となる。
また、第2実施形態のように、第2電極22が微細ピッチ構造を有するときも同様であり、ライン電極22b間に絶縁物43を充填することにより同様の効果を得ることが可能となる。
次に、本発明に係る第4実施形態について、図12及び図13を参照して説明する。
本実施形態に係る製造装置50では、第1電極51の形状において第1実施形態と異なり、LiNbO3基板13と第1電極11との位置合わせを行う位置調整機構53を備える点において第1実施形態と異なる。
位置調整機構(移動手段)53は、図12に示すように、検出機構(検出手段)54と、平行度調整機構(平行度調整手段)55とを備えている。
検出機構54は、参照光を射出する光源(図示略)と、第1電極51あるいはLiNbO3基板13において反射した光を受光する受光部(検出部、図示略)とを備えている。そして、検出機構54は、受光した光により、LiNbO3基板13と第1電極51との平行度を検出する。
平行度調整機構55は、検出機構54により検出されたLiNbO3基板13と第1電極51との平行度に基づいてLiNbO3基板13の傾きを調整する。また、平行度調整機構55は、第1電極51がLiNbO3基板13に対して平行、かつ最適な距離関係となるようにLiNbO3基板13を移動し制御する。
なお、位置調整機構53を第1電極51側のみに設けたが、第2電極12側にも設けても良い。この構成により、第2電極12とLiNbO3基板13との平行度を高めることができるので、第2電極12の接触面12aの絶縁状態の面内分布を均一にすることが可能となる。
また、検出機構54としては、上述した往復する参照光により距離を計測する計測器に限らない。また、平行度調整機構55が検出機構54により検出した平行度に基づいて第1電極51を移動させても良い。
平行度調整機構55は、検出機構54により検出されたLiNbO3基板13と第1単一分極化用電極26との平行度、LiNbO3基板13と第2単一分極化用電極27との平行度に基づいてLiNbO3基板13の傾きを調整する。また、平行度調整機構55は、第1単一分極化用電極26及び第2単一分極化用電極27がLiNbO3基板13に対して平行、かつ最適な距離関係となるようにLiNbO3基板13を移動し制御する。
この構成では、LiNbO3基板13と第1単一分極化用電極26との平行度、LiNbO3基板13と第2単一分極化用電極27との平行度を高めることができるため、LiNbO3基板13と第1単一分極化用電極26との密着性、LiNbO3基板13と第2単一分極化用電極27との密着性を向上させることが可能となる。したがって、LiNbO3基板13に電圧がより均一に印加されるため、LiNbO3基板13内部に生じるマイクロドメインを確実に除去することができる。
なお、検出機構54としては、上述した往復する参照光により距離を計測する計測器に限らない。また、平行度調整機構55が検出機構54により検出した平行度に基づいて第1,第2単一分極化用電極26,27を移動させても良い。
また、検出機構、平行度調整機構は、第1,第2単一分極化用電極26,27及び第1,第2電極11,12ごとに設けても良いが、1つの検出機構、平行度調整機構により、2種類の電極の平行度を検出し、移動させることにより、装置全体の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
次に、本発明に係る第5実施形態について、図14を参照して説明する。
本実施形態に係る製造装置60では、第2電極62の形状が第2実施形態と同様に微細ピッチ構造である点及び第1電極51の側面51e、第2電極62の側面62d側に位置調整機構61を備えている点において第1実施形態と異なる。
位置調整機構(移動手段)61は、検出機構(検出手段)63と、調整機構(電極調整手段)66とを備えている。
検出機構63は、図14に示すように、第1電極51の側面51e側(第2電極62の側面62d側)に設けられており、参照光を射出する光源(図示略)と、第1電極51あるいは第2電極62において反射した光を受光する受光部(検出部、図示略)とを備えている。そして、検出機構63は、受光した光により、LiNbO3基板13と第1電極51との平行度及びLiNbO3基板13と第2電極62との平行度を検出する。また、検出機構63は、第1電極51のライン電極52及び第2電極62のライン電極62aの配列方向の位置や軸Pの傾きも検出する。
調整機構66は、検出された平行度、位置、傾きに基づいて第1電極51及び第2電極62の位置を移動し制御する。
また、1つの検出機構63により、第1電極51とLiNbO3基板13との平行度、第2電極62とLiNbO3基板13との平行度の調整を行ったが、それぞれに設けた構成であっても良い。
例えば、第1電極及び第2電極は導電性の材料であれば良く、特に第1電極及び第2電極が複数のライン電極からなる場合、微細形状加工、平坦化加工性に優れていれば良いが、加工性を考えると鉄系が好ましい。また、ライン電極を有する第1電極及び第2電極の他の材料として、例えば、シリコンにエッチングして微細ピッチを加工してニッケル電鋳で反転形状を転写してニッケルを電極として用いても良い。
Claims (17)
- 波長変換素子の製造装置であって、
基板の一方の面に電圧を印加する第1電極と、
前記基板の一方の面と反対の他方の面に電圧を印加する第2電極と、
前記第1電極及び前記第2電極と前記基板とを互いに近接あるいは離間させる方向に移動させる移動手段と、
前記第1電極及び前記第2電極に電圧を印加する電源とを備え、
少なくとも前記第1電極が複数の電極部を有し、該複数の電極部が一体に形成され、各々の前記電極部が前記基板との対向面を有することを特徴とする波長変換素子の製造装置。 - 前記基板と前記第2電極との間に絶縁物質が介在されている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装置。
- 前記第1電極の前記基板との対向面及び前記第2電極の前記基板との対向面に平坦化加工が施されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の波長変換素子の製造装置。
- 前記第1電極の隣接する電極部間に絶縁物質が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の波長変換素子の製造装置。
- 前記絶縁物質が設けられた前記第1電極の前記基板との対向面に平坦化加工が施されていることを特徴とする請求項4に記載の波長変換素子の製造装置。
- 前記移動手段が、
前記第1電極と前記基板との平行度を検出する検出手段と、
該検出手段からの検出結果に基づいて前記第1電極と前記基板とが平行になるように前記基板あるいは前記第1電極を移動する平行度調整手段とを備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の波長変換素子の製造装置。 - 前記第1電極の複数の電極部の配列方向の両端側に、前記基板との対向面から反対の面まで貫通した貫通孔が形成され、
前記検出手段が、前記貫通孔に向けて光を射出する光源と、前記光の前記基板上からの反射光を検出する検出部とを有し、
前記検出手段により検出された前記基板の平行度に基づいて、前記平行度調整手段が前記基板を移動することを特徴とする請求項6に記載の波長変換素子の製造装置。 - 前記基板の一方の面に電圧を印加し、前記一方の面に対向する面が平坦である第1単一分極化用電極と、前記基板の一方の面と反対の他方の面に電圧を印加し、前記他方の面に対向する面が平坦である第2単一分極化用電極とを備え、
前記第1単一分極化用電極及び前記第2単一分極化用電極により基板に電圧を印加した後、前記第1電極及び前記第2電極により前記基板に電圧を印加することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の波長変換素子の製造装置。 - 前記第1単一分極化用電極及び前記第2単一分極化用電極と前記基板との平行度を検出する検出手段と、
該検出手段からの検出結果に基づいて前記第1単一分極化用電極及び前記第2単一分極化用電極と前記基板とが平行になるように前記基板あるいは少なくとも前記第1単一分極化用電極及び前記第2単一分極化用電極を移動する平行度調整手段を備えることを特徴とする請求項8に記載の波長変換素子の製造装置。 - 前記検出手段が、前記第1電極及び前記第2電極と前記基板との平行度を検出し、
前記平行度調整手段が、前記基板と前記第1電極及び前記第2電極とが平行になるように、前記基板あるいは前記第1電極及び前記第2電極を移動することを特徴とする請求項9に記載の波長変換素子の製造装置。 - 前記第2単一分極化用電極が、前記第2電極を兼ねることを特徴とする請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の波長変換素子の製造装置。
- 前記第2電極が複数の電極部を有し、各々の前記電極部が前記基板との対向面を有することを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の波長変換素子の製造装置。
- 前記第2電極の隣接する電極部間に絶縁物質が設けられていることを特徴とする請求項12に記載の波長変換素子の製造装置。
- 前記絶縁物質が設けられた前記第2電極の前記基板との対向面に平坦化加工が施されていることを特徴とする請求項13に記載の波長変換素子の製造装置。
- 前記電極部の配列方向の前記第1電極と前記第2電極との相対的な位置を検出する検出手段と、
該検出手段により検出された前記位置に基づいて、前記第1電極及び前記第2電極を移動する電極調整手段とを備えることを特徴とする請求項12から請求項14のいずれか1項に記載の波長変換素子の製造装置。 - 前記第1電極及び前記第2電極を収容する筐体が備えられ、前記筐体の内部が減圧可能とされたことを特徴とする請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の波長変換素子の製造装置。
- 強誘電体からなる基板の一方の面に電圧を印加する第1電極と、前記基板の一方の面と反対の他方の面に電圧を印加する第2電極とを用い、
前記基板の一方の面に前記第1電極を接触あるいは近接する工程と、
前記基板の他方の面に前記第2電極を接触あるいは近接する工程と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する工程とを備えることを特徴とする波長変換素子の製造方法。
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