JP2008309828A - 光波長変換素子の製造方法および光波長変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】大面積の強誘電体基板にデューティ比の面内均一性が高い分極反転部を形成できる光波長変換素子の製造方法と光波長変換素子とを提供することを目的とする。
【解決手段】強誘電体から成る基板の一方の表面を所定の粗さに加工した後その加工表面に第1の金属電極を形成する第1の金属電極形成工程と、前記基板の前記第1の金属電極が形成された面と反対の面の全体表面を覆うように第２の金属電極を形成する第２の金属電極形成工程と、前記第1の金属電極と前記第２の電極との間に電界を印加して前記基板に分極反転部を形成する分極反転形成工程とからなる光波長変換素子の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、コヒーレント光源を応用した、光情報処理、光応用計測の分野に使用される光波長変換素子の製造方法に関するものであり、特に光波長変換素子に含まれる分極反転部の製造方法に関するものである。また、それを用いて製造した光波長変換素子に関するものである。

単一分極の強誘電体結晶の分極を部分的に反転させる分極反転は、非線形光学効果、電気光学効果、音響光学効果等の光波制御を可能にするため、分極反転された強誘電体結晶は、通信、光情報処理、計測等広い分野で応用されている。中でも、周期的な分極反転構造を持つ強誘電体結晶は、半導体レーザの光波長変換による小型の短波長光源を実現できるため、盛んに研究が行われている。

周期的な分極反転構造を形成する方法としては、強誘電体基板の表面に所定パターンの周期電極を形成し、基板裏面に全面電極を形成する。この周期電極と全面電極により強誘電体基板に電圧を印加して、局所的な分極反転部を形成する方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）
これらの周期的な分極反転構造は、分極反転している部分の幅の比（デューティ比）が各々１：１であることが望ましい。しかし、周期の長い分極反転構造や大面積な強誘電体結晶に分極反転を形成する場合には、このデューティ比が不均一になってしまう。この不均一性の改善のため、分極反転させたい領域にそれよりも幅の狭い複数の電極を配置する方法や、電極パターンの形状を工夫して強誘電体結晶に電界を印加する方法が開示されている。（例えば、特許文献２及び３参照。）
特開平２−１８７７３５号公報 特開２００２−２１４６５５号公報 特開２００３−５２３６号公報

しかしながら、上記従来の技術を用いて大面積の強誘電体基板に分極反転部を形成するためには電極パターンを細長くする必要があるため、強誘電体基板に早く分極反転が始まる初期反転部と遅く分極反転が始まる後期反転部とが生じる。このため、初期反転部と後期反転部との間の分極反転部のデューティ比が均一でなくなり、均一性の高い分極反転部を持つ光波長変換素子が得られないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、大面積の強誘電体基板にデューティ比の面内均一性が高い分極反転部を形成できる光波長変換素子の製造方法と光波長変換素子とを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の光波長変換素子の製造方法および光波長変換素子は、強誘電体から成る基板の一方の表面を所定の粗さに加工した後その加工表面に第1の金属電極を形成する第1の金属電極形成工程と、前記基板の前記第1の金属電極が形成された面と反対の面の全体表面を覆うように第２の金属電極を形成する第２の金属電極形成工程と、前記第1の金属電極と前記第２の電極との間に電界を印加して前記基板に分極反転部を形成する分極反転形成工程とからなることを特徴としたものである。
さらに、本発明の光波長変換素子の製造方法および光波長変換素子は、強誘電体基板の一方の面の算術平均粗さＲａが１０ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下であり、その面の上に第1の金属電極が形成され、この第1の金属電極が形成された面と反対の面に第２の金属電極を形成したことを特徴とする。

本発明の光波長変換素子の分極反転方法によれば、大面積の強誘電体基板にデューティ比の面内均一性の高い分極反転部を形成することが出来るので、変換効率の安定した光波長変換素子を作製することが出来る。

以下に本発明の光波長変換素子の作製方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は本発明の実施例における光波長変換素子の作製工程を示したものである。本実施例では強誘電体結晶からなる基板上に、周期パターンを有する電極を形成し、パルス電界を印加することで、基板内に上記電極の周期パターンに対応した分極反転構造を形成して、光波長変換素子を作製する。

図１（ａ）は強誘電体基板１の表面（＋Ｚ面）２を粗くした後、第１の電極を形成するための金属薄膜５を形成した状態を示す模式図である。図１（ｂ）は、金属薄膜５の上にレジスト６を塗布した状態を示す模式図である。図１（ｃ）はレジスト６上にパターンマスク７を密着させた状態を示す模式図である。図１（ｄ）はその後、紫外線を照射し、レジストパターン８を形成した状態を示す模式図である。図１（ｅ）はレジストパターン８以外の金属薄膜５をエッチング処理し、第１の電極３を形成した状態を示す模式図である。図１（ｆ）は、基板表面２に第１の電極３を形成後、基板裏面に金属薄膜を形成し、第２の電極４を形成した状態を示した模式図である。

図１（ａ）に示す強誘電体基板１はＭｇＯが５ｍｏｌ％ドープされたＬｉＮｂＯ₃結晶の基板である。この基板１は電界を印加することによって、すべての結晶中の分極方向がＺ軸方向に揃えられており、Ｚ面でカット、光学研磨されている。ここでのＺ方向とは基板１の厚さ方向を言う。

図１（ａ）に示した強誘電体基板１の表面（＋Ｚ面）２を粗くする処理は、スパッタ装置（アルバック社製）にて、この基板１をアンテナ側とし、逆スパッタすることで行った。図２は逆スパッタの際のスパッタ装置の構成を示した図である。槽内にはアルゴンガスが充填されており、金属ターゲット１２と基板１は直流電圧源１５により接続されており、金属ターゲットをプラス、基板１をマイナスにそれぞれ帯電させている。次に槽内にプラズマを発生させることによって、槽を満たしているアルゴンガスがイオン化され、アルゴンプラスイオン１３となり、マイナスに帯電している基板１に向かって加速、衝突する。この衝突により基板１より強誘電体分子１４が叩き出され、基板１の表面が加工される。本実施例においては電極パワーを５０Ｗ、逆スパッタ時間を１２０秒とすることで強誘電体基板表面の算術表面粗さは２０ｎｍとなった。

次に、金属薄膜５を形成するために、粗くした基板表面２にスパッタ装置（アルバック社製）で１００ｎｍのＴａ（タンタル）薄膜５を作製した。Ｔａ薄膜５を作製後、ｉ線用のレジスト６（住友化学社製）をコーター・デベロッパ装置（東京エレクトロン社製）を用いて塗布し（図１（ｂ））、繰返しパターンの周期構造を有するパターンマスク７が装着された露光器（ズース・マイクロテック社製）にコンタクトさせ（図１（ｃ））、ｉ線の光（波長３６５ｎｍ）を照射した後に、基板表面にＮＳＤ−ＴＤ２.３８％（東京応化社製）を塗布し現像を行うことで、に繰返しのレジストパターン８を有する基板を作製した（図１（ｄ））。レジストパターン８の形成後、エッチング装置（アルバック社製）によりエッチングを行い、周期構造の第１電極３を有する基板１を作製する（図１（ｅ））。本実施例の基板１（山寿セラミックス社製）は、長さが２８ｍｍ、幅は１５ｍｍ、厚さ１.０ｍｍとなっており、第１の電極３は一定の周期で繰り返すように形成されているものであり、図３のように櫛型をした形状をしており、個々の電極を形成する歯部は互いに等間隔に配置され、連結部によって互いに電気的に導通している。

その後、基板裏面にもスパッタ装置（アルバック社製）を用いて１００ｎｍのＴａ薄膜を成膜することで、第２の電極４を形成する（図１（ｆ））。なお本実施例では第１の電極、第２の電極用の金属薄膜としてＴａを用いているが、他の金属、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）であってもよい。

第１の電極３および第２の電極４を形成後、図４に示すようなパルス電圧源９を用いてパルス電界を印加することで、周期的な分極反転部を形成し、光波長変換素子を作製する。

ここでパルス電界印加による分極反転プロセスついて説明する。図５（平面図）および図６（断面図）に示すように、分極反転プロセスは、（ａ）核生成および核成長、（ｂ）分極壁移動、（ｃ）分極反転終了という順序で進行する。一般的には、微小反転核１０の生成は周期電極３のエッジ効果のため局所電界が最も大きくなる電極端より始まり、これが基板１の厚み方向に成長する。その後さらに分極壁移動により、周期電極３の直下の分極方向が順次反転し、最終的には周期電極３のサイズより広い領域が分極反転部１１となり、反転プロセスが終了する。このとき、電界を印加した初期段階で発生する高密度の微小反転核１０が均一に分布していれば、均一性の高い分極反転構造が形成できる。しかしながら、核生成時に櫛型電極の辺の部分において、電源供給部からの距離や幅、断面形状など影響により、電界集中の起こる位置に偏りが起こると、初期の微小反転核１０の分布が不均一になる。その結果、分極反転部の成長にバラつきが生じ、最終的に形成される分極反転構造の周期性が低下してしまう。この周期性の低下は、光波長変換素子の変換効率の低下につながるため、高効率の波長変換を実現するためには、均一な分極反転構造を備えた光波長変換素子が必要である。

この問題を解決するために、図１（ａ）に示したように、予め強誘電体基板１の表面（＋Ｚ面）２を粗くする処理を考案した。加工により予め表面を粗くした基板１に第１の電極３を形成することにより、図７（ａ）に示すような表面の凹凸に対応した無数の電極端を形成することで、電極パターンの辺の部分だけでなく、面の部分にも反転核を初期に生成させ、核生成時における電界集中の起こる位置の偏りの発生を抑制することができ、初期の分極反転核１０の分布の均一性を向上させることが出来る。従って、最終的に形成される分極反転構造のデューティ比の面内均一性が高くなり、高効率な光波長変換素子を得ることが出来る。

次に、本実施例で作製した光波長変換素子と従来方法にて作製されたものとの波長変換効率の比較を行った。強誘電体基板の厚さは１．０ｍｍであり、Ｔａ周期電極の厚さは１００ｎｍとし、その電極（歯部）間のピッチ（周期幅）は７μｍで電極幅は３．０μｍとした。

図８はその結果を示したものである。縦軸は理論値を１として規格化された波長変換効率を示したものであり、光軸に垂直に且つ櫛型電極の櫛部に平行な方向に入力レーザを走査して測定したときの平均値と最大値、最小値をそれぞれプロットしている。本発明方法により作製された光波長変換素子２４は、従来方法による光波長変換素子と比較して横方向走査時の平均出力で７３％から８３％に向上しており、走査した際のバラつきも少なくなっている。

次に強誘電体基板表面の粗さを変化させて、加工条件を変えて光波長変換素子を作製した。表面が無加工の従来技術による試料と算術平均粗さを１０ｎｍから１００ｎｍまでに加工した本実施例での試料での波長変換効率を測定し、その結果を規格化して規格化変換効率を計算した。規格化波長変換効率は、表面が加工されていない強誘電体基板（算術平均粗さ約１．０ｎｍ）を基準１に強誘電体基板の表面粗さを変えて測定した波長変換効率を規格化したものである。図９に、各試料と規格化変換効率との関係を表す。

図９より、強誘電体基板表面の算術平均粗さが１０ｎｍより小さい場合には、従来技術である無加工品と大差がないことが分かる。これば、新たに形成した強誘電体表面の凹凸部の深さが浅いため、電極内部で分極を起こす作用が十分に得られないと考えら得る。一方、新たに形成した強誘電体表面の凹凸が５０ｎｍを超えると、電極と強誘電体表面の導通抵抗が増加するため、電極内部で分極を起こす作用が十分に得られないと考えられる。従って、光波長変換素子に用いる強誘電体表面の平均粗さを１０ｎｍから５０ｎｍ以下の範囲にして、その上に周期電極を設けると、光波長変換効率の良い素子を作成することができる。なお、本実施例では逆スパッタを利用して表面を粗くしたが、ＣＭＰ装置による研磨など他の加工方法で形成されたものでもよい。

以上より、本発明方法によれば従来の電極構造の光波長変換素子の分極反転方法より、分極反転部を均一に成長させて、周期性の優れた周期分極反転構造を形成することが出来、優れた波長変換特性を有する光波長変換素子を提供することが可能となる。

また本発明の手法によれば、電極端の増加を促すために電極形状を細くしたり、複雑にしたりする必要がなく、パターンの再設計や高機能な設備の導入など他の電極形成プロセスに負担を掛けることなく電極端を増加させることが可能となる。

また面内均一性を評価するために、周期分極反転構造が形成された基板１を室温に保ったＨＦ（フッ酸）：ＨＮＯ₃（硝酸）＝１：１の混合液に２時間浸漬し、分極方向の違いに起因するエッチングレートの差異により発生する段差を光学顕微鏡にて観察した。従来の周期電極形状で分極反転部を形成した場合と比べて、本発明によるものは周期電極パターンが配置されている領域全体に分極反転部が形成されており、分極反転部の面内分布がより均一になっていることが確認出来た。さらに従来の電極構造では周期パターン領域全体の反転が確認されるまでに６〜８万回のパルス電界の印加を必要としたが、本発明では２〜４万回の印加で面内分布が均一になることが確認出来た。

以上のように、本発明に係る光波長変換素子の製造方法および光波長変換素子は、分極反転の面内均一性の偏りにより、光波長変換素子の変換効率が低下したり、バラついたりすることを防止する方法として有用である。

本発明に係る光波長変換素子およびその作製方法は高効率且つ安定した波長変換効率をもつ光波長変換素子を作製する際に好適である。

光波長変換素子の作製工程を示す模式図 スパッタ装置内部の構成を示す図 本発明の実施例における分極反転部の成長の様子を示す図 櫛型電極の概略図 電界印加プロセスを示す概略図 分極反転プロセスを示す概略図（平面図） 分極反転プロセスを示す概略図（断面図） 光波長変換素子評価系の構成を示す模式図 従来電極と本発明との光波長変換効率の比較の図

符号の説明

１ 強誘電体基板（ＭｇＯ−ＬＮ基板）
２ 逆スパッタによって粗くされた強誘電体表面（＋Ｚ面）
３ 周期性を有する第１の電極
４ 第２の電極
５ Ｔａ（タンタル）薄膜
６ レジスト溶液
７ パターンマスク
８ 周期性を有するレジストパターン
９ パルス電圧源
１０ 微小反転核
１１ 分極反転部
１２ 金属ターゲット
１３ アルゴンプラスイオン
１４ 強誘電体分子
１５ 直流電圧源

Claims (8)

1. 強誘電体から成る基板の一方の表面を所定の粗さに加工した後その加工表面に第1の金属電極を形成する第1の金属電極形成工程と、
   前記基板の前記第1の金属電極が形成された面と反対の面の全体表面を覆うように第２の金属電極を形成する第２の金属電極形成工程と、
   前記第1の金属電極と前記第２の電極との間に電界を印加して前記基板に分極反転部を形成する分極反転形成工程とからなる光波長変換素子の製造方法。
2. 前記第１の電極の形状は櫛型状パターンであり、前記パターンを構成する各々の歯部を連結する連結部は、前記基板の長手方向に沿って配置されている請求項１に記載の光波長変換素子の製造方法。
3. 前記所定の粗さは、算術平均粗さＲａが１０ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下である請求項１に記載の強誘電体基板の分極反転方法。
4. 前記強誘電体基板は、ＬｉＴａＯ₃またはＬｉＮｂＯ₃結晶、またはそれにＭｇＯがドープされた結晶であることを特徴とする請求項１に記載の光波長変換素子の製造方法。
5. 強誘電体基板の一方の面の算術平均粗さＲａが１０ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下であり、その面の上に第1の金属電極が形成され、この第1の金属電極が形成された面と反対の面に第２の金属電極を形成した光波長変換素子。
6. 前記第１の電極の形状は櫛型状パターンであり、前記パターンを構成する各々の歯部を連結する連結部は、前記基板の長手方向に沿って配置されている請求項５に記載の光波長変換素子。
7. 前記第２の金属電極は、この電極を形成する面の全体を覆うように形成された請求項５に記載の光波長変換素子。
8. 前記強誘電体基板は、ＬｉＴａＯ₃またはＬｉＮｂＯ₃結晶、またはそれにＭｇＯがドープされた結晶であることを特徴とする請求項５に記載の光波長変換素子。

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