JP2009180898A - Method for forming polarization reversal structure and apparatus for forming polarization reversal structure - Google Patents

Method for forming polarization reversal structure and apparatus for forming polarization reversal structure Download PDF

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信行 近藤
Hidetaka Sato
英崇 佐藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a polarization reversal structure having a uniform duty in a thickness direction of a wafer. <P>SOLUTION: A method and an apparatus for forming a polarization reversal structure are disclosed, for forming a periodical polarization reversal structure in a wafer of a nonlinear optical crystal. The method and the apparatus for forming a polarization reversal structure includes a sequence of: a periodical pattern fabrication step of fabricating a periodical pattern from an insulating material, the pattern identical to the period of the polarization reversal structure, on one surface of a wafer of a nonlinear optical crystal subjected to a single domain process and to a mirror surface process; a counter face pattern fabricating step of fabricating a counter pattern from an insulating material opposing to the above periodical pattern, on the other surface of the wafer; and a polarization reversal structure forming step of applying a required DC voltage between both surfaces of the wafer so as to form a polarization reversal structure corresponding to the periodical pattern. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、非線形光学結晶のウエハに周期的な分極反転構造を形成する分極反転構造形成方法及び分極反転構造形成装置に関する。   The present invention relates to a domain-inverted structure forming method and a domain-inverted structure forming apparatus for forming a periodically domain-inverted structure on a nonlinear optical crystal wafer.

非線形光学結晶で発生する二次非線形効果の一種である擬似位相整合を、第二高調波発生、和周波発生、差周波発生等に利用することが行われている。擬似位相整合を利用して非線形光学結晶で和周波数及び差周波数の光を発生させる構成を図1に示す。図1において、91は合波器、92は非線形光学結晶、93は分波器である。励起光A及び励起光Bが合波器91で合波され、非線形光学結晶92に入射する。非線形光学結晶92中では、励起光Aと励起光Bの和周波数又は差周波数の光Cへと変換され、励起光A及び励起光Bと共に非線形光学結晶92から出射される。和周波数又は差周波数の光Cは分波器93で励起光A及び励起光Bと分波される。励起光Aの周波数と励起光Bの周波数が同一であった場合、あるいは励起光Aのみが入射された場合には、第二高調波発生によって光Cの周波数は励起光Aの2倍の周波数となる。   A quasi-phase matching, which is a kind of second-order nonlinear effect generated in a nonlinear optical crystal, is used for second harmonic generation, sum frequency generation, difference frequency generation, and the like. FIG. 1 shows a configuration in which light having a sum frequency and a difference frequency is generated by a nonlinear optical crystal using quasi phase matching. In FIG. 1, 91 is a multiplexer, 92 is a nonlinear optical crystal, and 93 is a duplexer. The excitation light A and the excitation light B are combined by the multiplexer 91 and enter the nonlinear optical crystal 92. In the nonlinear optical crystal 92, the light is converted into light C having the sum frequency or the difference frequency of the excitation light A and the excitation light B, and is emitted from the nonlinear optical crystal 92 together with the excitation light A and the excitation light B. The light C having the sum frequency or the difference frequency is demultiplexed from the excitation light A and the excitation light B by the demultiplexer 93. When the frequency of the excitation light A and the frequency of the excitation light B are the same, or when only the excitation light A is incident, the frequency of the light C is twice that of the excitation light A due to the second harmonic generation. It becomes.

擬似位相整合を利用する非線形光学結晶では、分極方向が周期的に反転している分極反転構造を形成する必要がある。周期的な分極反転構造を形成する方法として、以下の方法が知られている(例えば、非特許文献1参照。)。シングルドメイン化された非線形光学結晶である厚さ500μmのMgO含有LiNbO(以下、LNと略記する。)結晶基板を用いる。この基板の表面である+Z面には、目的とするパターンを有する第一の電極を形成し、+Z面の裏面である−Z面には、一様な第二の電極を形成する。この後、第一の電極に正の電圧を、第二の電極に負の電圧を印加する。電圧の印加を停止した後には、目的のパターンに応じた分極反転構造が形成されている。 In a nonlinear optical crystal using quasi phase matching, it is necessary to form a polarization inversion structure in which the polarization direction is periodically inverted. The following methods are known as a method of forming a periodic domain-inverted structure (for example, refer nonpatent literature 1). A 500 μm thick MgO-containing LiNbO 3 (hereinafter abbreviated as LN) crystal substrate which is a single-domain nonlinear optical crystal is used. A first electrode having a target pattern is formed on the + Z plane which is the surface of the substrate, and a uniform second electrode is formed on the −Z plane which is the back surface of the + Z plane. Thereafter, a positive voltage is applied to the first electrode and a negative voltage is applied to the second electrode. After the application of voltage is stopped, a domain-inverted structure corresponding to the target pattern is formed.

周期的な分極反転構造を形成する方法として、以下の方法も知られている(例えば、非特許文献2参照。)。シングルドメイン化された非線形光学結晶である厚さ200μmのLN結晶基板を用いる。この基板の−Z面には、目的とするパターンを有する第一の電極を形成し、この基板の+Z面には、一様な第二の電極を形成する。この後、第一の電極に負の電圧を、第二の電極に正の電圧を印加する。電圧の印加を停止した後には、目的のパターンに応じた分極反転構造が形成されている。   The following method is also known as a method for forming a periodic domain-inverted structure (see, for example, Non-Patent Document 2). A 200 μm thick LN crystal substrate which is a single-domain nonlinear optical crystal is used. A first electrode having a target pattern is formed on the −Z plane of the substrate, and a uniform second electrode is formed on the + Z plane of the substrate. Thereafter, a negative voltage is applied to the first electrode and a positive voltage is applied to the second electrode. After the application of voltage is stopped, a domain-inverted structure corresponding to the target pattern is formed.

従来の分極反転構造を形成するには、非線形光学結晶のウエハの+Z面又は−Z面にのみ分極反転構造の周期に一致するパターンが作製されていた。図2は、従来の非線形光学結晶のウエハの一方のZ面に絶縁物で分極反転周期に一致するパターンを作製する工程を説明する図である。図2において、95は非線形光学結晶のウエハ、96は一様な第二の電極、97は分極反転構造の周期に一致するパターン、98は第一の電極としての液体電極である。
シングルドメイン化された非線形光学結晶のウエハ95は、パターン97の間に満たされた液体電極98と一様な第二の電極96との間で直流電圧が印加され、印加された箇所の分極が反転する。しかし、パターン97を構成する絶縁物の断面はエッジが立っているため、電界がエッジ部分に集中し、分極反転がパターン97のエッジ部分から開始されて、図2に示すように、分極反転構造は乱れてしまう。
M.Nakamura et.al., “Quasi−Phase−matched Optical Parametric Oscillator Using Periodically Poled MgO−Doped LiNbO3 Crystal”, Jpn.J.Appl.Phys.,vol.38,part2,no11App.L1234−1236,1999 J.Webjoen et.al., “Quasi−phase−matched blue light generation in bulk lithium niobate,electrically poled via periodic liquid electrodes”, Electronics Letters,vol.20,no.11,p894−895,1994
In order to form a conventional domain-inverted structure, a pattern corresponding to the period of the domain-inverted structure was produced only on the + Z plane or the −Z plane of the wafer of the nonlinear optical crystal. FIG. 2 is a diagram for explaining a process for producing a pattern that matches an inversion period with an insulator on one Z-plane of a conventional nonlinear optical crystal wafer. In FIG. 2, 95 is a wafer of nonlinear optical crystal, 96 is a uniform second electrode, 97 is a pattern matching the period of the domain-inverted structure, and 98 is a liquid electrode as the first electrode.
A single-domain nonlinear optical crystal wafer 95 is applied with a DC voltage between the liquid electrode 98 filled between the patterns 97 and the uniform second electrode 96, and the applied portion is polarized. Invert. However, since the cross section of the insulator constituting the pattern 97 has an edge, the electric field is concentrated on the edge portion, and the polarization inversion is started from the edge portion of the pattern 97. As shown in FIG. Will be disturbed.
M.M. Nakamura et. al. "Quasi-Phase-matched Optical Parametric Oscillator Using Periodically Poled MgO-Doped LiNbO3 Crystal", Jpn. J. et al. Appl. Phys. , Vol. 38, part 2, no11 App. L1234-1326, 1999 J. et al. Webjoen et. al. , “Quasi-phase-matched blue light generation in bulk lithium nanobate, electrically charged via periodic liquids”, Electronics Letters. 20, no. 11, p894-895, 1994

従来の分極反転構造の形成方法では、パターンを有する第一の電極の形成されたウエハの面に形成される分極反転構造は周期的であるものの、パターンを有しない第二の電極の形成されたウエハの面に形成される分極反転構造は乱れている。つまり、ウエハの厚さ方向で分極反転構造の反転/非反転率(以後、デューティと略記する。)が一様でないという課題があった。   In the conventional method of forming a domain-inverted structure, the domain-inverted structure formed on the surface of the wafer on which the first electrode having the pattern is formed is periodic, but the second electrode having no pattern is formed. The domain-inverted structure formed on the wafer surface is disordered. That is, there has been a problem that the inversion / non-inversion rate (hereinafter abbreviated as duty) of the domain-inverted structure is not uniform in the thickness direction of the wafer.

前記課題を解決するために、本発明は、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することを目的とする。   In order to solve the above problems, an object of the present invention is to form a domain-inverted structure having a uniform duty in the thickness direction of a wafer.

上記目的を達成するために、発明者らは、非線形光学結晶に周期分極反転構造を形成する方法について鋭意検討した結果、鏡面加工されている非線形光学結晶のウエハの+Z面と−Z面の両面に分極反転構造の周期に一致するパターンをそれぞれ絶縁物で作製し、パターンを作製した両面に直流電圧を印加することによって、分極反転構造を形成することとした。   In order to achieve the above object, the inventors have conducted intensive studies on a method of forming a periodically poled structure in a nonlinear optical crystal. As a result, both the + Z plane and the −Z plane of a mirror-processed nonlinear optical crystal wafer are obtained. In addition, a pattern that matches the period of the domain-inverted structure was made of an insulating material, and a domain-inverted structure was formed by applying a DC voltage to both sides of the pattern.

具体的には、非線形光学結晶のウエハに周期的な分極反転構造を形成する分極反転構造形成方法であって、シングルドメイン化され、かつ鏡面加工されている非線形光学結晶のウエハの一方の面に、前記分極反転構造の周期に一致する周期パターンを絶縁物で作製する周期パターン作製工程と、前記ウエハの他方の面に、前記周期パターンに対面する対面パターンを絶縁物で作製する対面パターン作製工程と、前記ウエハの両面間に所要の直流電圧を印加し、前記周期パターンに対応する分極反転構造を形成する分極反転構造形成工程と、を順に備える分極反転構造形成方法である。   Specifically, a method of forming a domain-inverted structure in which a periodically domain-inverted structure is formed on a non-linear optical crystal wafer, which is single-domained and mirror-processed on one surface of the non-linear optical crystal wafer. A periodic pattern manufacturing process for manufacturing a periodic pattern that matches the period of the domain-inverted structure with an insulator, and a facing pattern manufacturing process for manufacturing a facing pattern facing the periodic pattern with an insulator on the other surface of the wafer And a domain-inverted structure forming step of applying a required DC voltage between both surfaces of the wafer to form a domain-inverted structure corresponding to the periodic pattern.

ウエハの両面に分極反転構造の周期に一致するパターンを絶縁物で作製するため、本発明に係る分極反転構造形成方法は、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる。   In order to produce a pattern that matches the period of the domain-inverted structure on both surfaces of the wafer with an insulator, the domain-inverted structure forming method according to the present invention forms a domain-inverted structure with a uniform duty in the thickness direction of the wafer. Can do.

本発明の分極反転構造形成方法は、前記周期パターン又は前記対面パターンを作製する絶縁物の材料がフォトレジスト材料であり、前記分極反転構造形成工程の前に、前記フォトレジスト材料が溶け始める温度まで前記ウエハを加熱するポストベーク工程を有することが望ましい。   In the domain-inverted structure forming method of the present invention, the insulating material for producing the periodic pattern or the facing pattern is a photoresist material, and before the domain-inverted structure forming step, up to a temperature at which the photoresist material starts to melt. It is desirable to have a post-bake process for heating the wafer.

絶縁物の材料がフォトレジスト材料であるため、容易に周期パターン又は対面パターンを作製することができる。また、ポストベーク工程で溶け始めたフォトレジストの断面が略半円となるため、ウエハの一部への電界の集中を防止することができ、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる。   Since the insulating material is a photoresist material, a periodic pattern or a facing pattern can be easily produced. In addition, since the cross section of the photoresist that has started to melt in the post-bake process becomes a semicircle, it is possible to prevent electric field concentration on a part of the wafer, and polarization inversion with a uniform duty in the wafer thickness direction. A structure can be formed.

本発明の分極反転構造形成方法は、前記ウエハは、結晶軸がZカットされており、厚さが200μm以上1mm以下であることが望ましい。   In the method for forming a domain-inverted structure according to the present invention, it is preferable that the wafer has a Z-cut crystal axis and has a thickness of 200 μm to 1 mm.

非線形光学結晶のウエハが200μm以下であると、ウエハが薄くなりすぎて取り扱いが困難で、露光や現像などのフォト工程でウエハが破損する虞がある。逆に、1mm以上の厚いウエハとなると、分極反転に必要となる直流電圧が大きくなり、実用的でない。   If the wafer of nonlinear optical crystal is 200 μm or less, the wafer becomes too thin and difficult to handle, and the wafer may be damaged during a photo process such as exposure or development. On the other hand, if the wafer is thicker than 1 mm, the DC voltage required for polarization inversion becomes large, which is not practical.

本発明の分極反転構造形成方法は、前記非線形光学結晶がLiNbO若しくはLiTaOの結晶、又はこれらにMgO及びZnOの少なくとも1種を添加物として含有する結晶であることが望ましい。 In the method for forming a domain-inverted structure according to the present invention, the nonlinear optical crystal is preferably a LiNbO 3 or LiTaO 3 crystal, or a crystal containing at least one of MgO and ZnO as an additive.

本発明の分極反転構造形成方法は、二次非線形効果の大きな非線形光学結晶を使用するため、擬似位相整合が容易となる。   Since the polarization inversion structure forming method of the present invention uses a nonlinear optical crystal having a large second-order nonlinear effect, quasi phase matching becomes easy.

本発明の分極反転構造形成方法は、前記分極反転構造形成工程が加温された環境下で行われることが望ましい。   The method for forming a domain-inverted structure according to the present invention is preferably performed in a heated environment.

非線形光学結晶のウエハを加温すると、非線形光学結晶の分極反転に要する電界の大きさである抗電界が小さくなるので、ウエハが厚くなっても低い直流電圧を印加すれば足りる。また、非線形光学結晶の電気伝導度も大きくなるので、均一な分極反転構造を形成することができる。   When the wafer of the nonlinear optical crystal is heated, the coercive electric field, which is the magnitude of the electric field required for the polarization inversion of the nonlinear optical crystal, is reduced. Therefore, it is sufficient to apply a low DC voltage even when the wafer is thick. Further, since the electric conductivity of the nonlinear optical crystal is increased, a uniform domain-inverted structure can be formed.

本発明の分極反転構造形成方法は、前記分極反転構造形成工程において、当該ウエハの周期パターンの形成面を第1の液体電極に浸し、対面パターンの形成面を前記第1の液体電極と独立した第2の液体電極に浸し、前記第1及び第2の液体電極間に直流電圧を印加して行うことが望ましい。   In the domain-inverted structure forming method of the present invention, in the domain-inverted structure forming step, the periodic pattern forming surface of the wafer is immersed in the first liquid electrode, and the facing pattern forming surface is independent of the first liquid electrode. It is desirable to immerse in a second liquid electrode and apply a DC voltage between the first and second liquid electrodes.

液体電極は、ウエハの各周期パターン同士の間の領域と各対面パターン同士の間の領域とに満遍なく当接するので、第1及び第2の液体電極間に直流電圧が印加されると、互いに対向する領域間に、印加直流電界が貫通する通り道が制限され且つ電界が最短距離になるように直線的に形成されるので、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる。   Since the liquid electrode uniformly contacts the area between the periodic patterns of the wafer and the area between the facing patterns, the liquid electrodes face each other when a DC voltage is applied between the first and second liquid electrodes. Since the path through which the applied DC electric field penetrates is limited between the areas to be applied and the electric field is linearly formed so as to have the shortest distance, a polarization inversion structure with a uniform duty in the thickness direction of the wafer should be formed. Can do.

本発明の分極反転構造形成方法は、前記分極反転構造形成工程において、当該ウエハの周期パターン及び対面パターンの形成面の何れか一方の面に金属を蒸着して金属膜を形成し、他方の面を液体電極に浸し、これら金属膜と液体電極間に直流電圧を印加して行うことが望ましい。   In the domain-inverted structure forming method of the present invention, in the domain-inverted structure forming step, a metal film is formed by vapor-depositing a metal on one surface of the periodic pattern and the facing pattern of the wafer, and the other surface It is preferable to immerse the substrate in a liquid electrode and apply a DC voltage between the metal film and the liquid electrode.

金属膜は蒸着によって形成されているので、上記の液体電極と同様に、ウエハの各周期パターン同士の間の領域と各対面パターン同士の間の領域とに金属膜が満遍なく当接する。このため、金属膜と液体電極間に直流電圧が印加されると、上記同様、互いに対向する領域間に、印加直流電界が貫通する通り道が制限され且つ電界が最短距離になるように直線的に形成されるので、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる。   Since the metal film is formed by vapor deposition, similarly to the liquid electrode, the metal film uniformly contacts the area between the periodic patterns of the wafer and the area between the facing patterns. For this reason, when a DC voltage is applied between the metal film and the liquid electrode, the path through which the applied DC electric field penetrates is limited between regions facing each other as described above, and the electric field is linearly set to the shortest distance. Since it is formed, a domain-inverted structure having a uniform duty in the thickness direction of the wafer can be formed.

本発明の分極反転構造形成方法は、前記分極反転構造形成工程において、当該ウエハの周期パターン及び対面パターンの形成面の両面に金属を蒸着して金属膜を形成し、両面の金属膜間に直流電圧を印加して行うことが望ましい。   In the domain-inverted structure forming method of the present invention, in the domain-inverted structure forming step, a metal film is formed by vapor-depositing metal on both surfaces of the periodic pattern and facing pattern forming surface of the wafer, and a direct current is formed between the metal films on both surfaces. It is desirable to apply a voltage.

このウエハの両面に金属膜を形成した場合も、上記同様に両面のパターン間の領域に金属膜が満遍なく当接するので、両面の金属膜間に直流電圧が印加されると、上記同様、互いに対向する領域間に、印加直流電界が貫通する通り道が制限され且つ電界が最短距離になるように直線的に形成されるので、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる。   Even when the metal film is formed on both surfaces of the wafer, the metal film uniformly contacts the area between the patterns on both surfaces as described above, so that when a DC voltage is applied between the metal films on both surfaces, the metal films face each other as described above. Since the path through which the applied DC electric field penetrates is limited between the areas to be applied and the electric field is linearly formed so as to have the shortest distance, a polarization inversion structure with a uniform duty in the thickness direction of the wafer should be formed. Can do.

更に、具体的には、シングルドメイン化され、かつ鏡面加工されている非線形光学結晶のウエハをセットし、このウエハに周期的な分極反転構造を形成する分極反転構造形成装置であって、前記ウエハの一方の面に、前記分極反転構造の周期に一致して絶縁物で作製された周期パターンと、前記ウエハの他方の面に、前記周期パターンに対面して絶縁物で作製された対面パターンと、前記周期パターン及び前記対面パターンが作製されたウエハを保持し、この保持状態のウエハの周期パターン及び対面パターンの形成面間に直流電圧を印加する保持印加手段と、を備えた分極反転構造形成装置である。   More specifically, the present invention relates to a polarization inversion structure forming apparatus for setting a non-linear optical crystal wafer that is made into a single domain and mirror-finished and forms a periodic polarization inversion structure on the wafer. A periodic pattern made of an insulator on one surface of the wafer in accordance with the period of the domain-inverted structure, and a facing pattern made of an insulator on the other surface of the wafer facing the periodic pattern; And holding application means for holding a wafer on which the periodic pattern and the facing pattern are fabricated and applying a DC voltage between the periodic pattern and facing pattern forming surfaces of the wafer in the holding state. Device.

保持印加手段で保持されたウエハの周期パターン及び対面パターンの形成面間に直流電圧が印加されると、ウエハの各周期パターン同士の間の領域と各対面パターン同士の間の領域において互いに対向する領域間に、印加直流電界が貫通する通り道が制限され且つ電界が最短距離になるように直線的に形成されるので、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる。   When a DC voltage is applied between the periodic pattern of the wafer held by the holding application means and the formation surface of the facing pattern, the area between the periodic patterns of the wafer and the area between the facing patterns face each other. Since the path through which the applied DC electric field passes is limited between the regions and the electric field is linearly formed so as to have the shortest distance, a domain-inverted structure having a uniform duty in the thickness direction of the wafer can be formed. it can.

本発明の分極反転構造形成装置は、前記ウエハに前記周期パターン及び前記対面パターンを作製する絶縁物にフォトレジスト材料を用い、このフォトレジスト材料が溶け始める温度まで当該ウエハを加熱する加熱手段を更に備えたことが望ましい。   The domain-inverted structure forming apparatus of the present invention further includes a heating unit that uses a photoresist material as an insulator for forming the periodic pattern and the facing pattern on the wafer, and heats the wafer to a temperature at which the photoresist material starts to melt. It is desirable to have it.

絶縁物の材料がフォトレジスト材料であるため、容易に周期パターン又は対面パターンを作製することができる。また、ポストベーク工程で溶け始めたフォトレジストの断面が略半円となるため、ウエハの一部への電界の集中を防止することができ、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる。   Since the insulating material is a photoresist material, a periodic pattern or a facing pattern can be easily produced. In addition, since the cross section of the photoresist that has started to melt in the post-bake process becomes a semicircle, it is possible to prevent electric field concentration on a part of the wafer, and polarization inversion with a uniform duty in the wafer thickness direction. A structure can be formed.

本発明の分極反転構造形成装置は、前記保持印加手段は、前記ウエハを保持し、この保持状態のウエハの周期パターンの形成面が第1の液体電極に浸り、前記対面パターンの形成面が前記第1の液体電極と独立した第2の液体電極に浸る状態に、当該第1及び第2の液体電極を収容する冶具と、前記第1及び第2の液体電極に各々挿入された直流電圧印加用の第1及び第2の電極棒とを備えたことが望ましい。   In the domain-inverted structure forming apparatus according to the present invention, the holding application unit holds the wafer, the formation surface of the periodic pattern of the held wafer is immersed in the first liquid electrode, and the formation surface of the facing pattern is the surface A jig for housing the first and second liquid electrodes and a DC voltage applied to each of the first and second liquid electrodes in a state of being immersed in a second liquid electrode independent of the first liquid electrode. It is desirable that the first and second electrode rods are provided.

第1及び第2の電極棒を介して第1及び第2の液体電極間に直流電圧が印加されると、ウエハの各周期パターン同士の間の領域と各対面パターン同士の間の領域において互いに対向する領域間に、印加直流電界が貫通する通り道が制限され且つ電界が最短距離になるように直線的に形成されるので、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる。   When a DC voltage is applied between the first and second liquid electrodes via the first and second electrode rods, the region between the periodic patterns of the wafer and the region between the facing patterns are mutually connected. Since the path through which the applied DC electric field penetrates is limited between the opposed regions and the electric field is linearly formed so as to have the shortest distance, a polarization inversion structure with a uniform duty in the thickness direction of the wafer is formed. be able to.

本発明の分極反転構造形成装置は、前記ウエハは、前記周期パターン及び前記対面パターンの形成面の何れか一方の面に金属蒸着により形成された金属膜を備え、前記保持印加手段は、当該ウエハを保持し、この保持状態のウエハの金属膜の形成面と相対面が液体電極に浸る状態に、当該液体電極を収容する冶具と、前記金属膜に接続された直流電圧印加用の第1の電極棒と、前記液体電極に挿入された直流電圧印加用の第2の電極棒とを備えたことが望ましい。   In the domain-inverted structure forming apparatus of the present invention, the wafer includes a metal film formed by metal vapor deposition on one surface of the periodic pattern and the facing pattern forming surface, and the holding application unit includes the wafer And a jig for housing the liquid electrode in a state where the formation surface and the relative surface of the metal film of the held wafer are immersed in the liquid electrode, and a first DC voltage application connected to the metal film. It is desirable to include an electrode rod and a second electrode rod for applying a DC voltage inserted into the liquid electrode.

第1及び第2の電極棒を介して金属膜と液体電極間に直流電圧が印加されると、上記同様、ウエハの互いに対向するパターン未形成領域間に、印加直流電界が貫通する通り道が制限され且つ電界が最短距離になるように直線的に形成されるので、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる。   When a DC voltage is applied between the metal film and the liquid electrode via the first and second electrode rods, the path through which the applied DC electric field penetrates between the pattern non-formed regions facing each other is limited as described above. In addition, since the electric field is linearly formed so as to be the shortest distance, a domain-inverted structure having a uniform duty in the thickness direction of the wafer can be formed.

本発明の分極反転構造形成装置は、前記ウエハは、前記周期パターン及び前記対面パターンの形成面の両面に金属蒸着により形成された金属膜を備え、前記保持印加手段は、当該ウエハを保持する冶具と、この冶具で保持状態のウエハの両面の金属膜に接続された直流電圧印加用の第1及び第2の電極棒とを備えたことが望ましい。   In the domain-inverted structure forming apparatus according to the present invention, the wafer includes a metal film formed by metal deposition on both surfaces of the periodic pattern and the facing pattern, and the holding application unit is a jig for holding the wafer. And first and second electrode bars for applying a DC voltage connected to the metal films on both surfaces of the wafer held by the jig.

第1及び第2の電極棒を介して両面の金属膜間に直流電圧が印加されると、上記同様、ウエハの互いに対向するパターン未形成領域間に、印加直流電界が貫通する通り道が制限され且つ電界が最短距離になるように直線的に形成されるので、ウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる。   When a DC voltage is applied between the metal films on both sides via the first and second electrode rods, the path through which the applied DC electric field penetrates is limited between the pattern non-formed regions of the wafer facing each other as described above. In addition, since the electric field is linearly formed so as to be the shortest distance, a domain-inverted structure having a uniform duty in the thickness direction of the wafer can be formed.

本発明によれば、非線形光学結晶のウエハの厚さ方向でデューティが一様な分極反転構造を形成することができる分極反転構造形成方法及び分極反転構造形成装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the polarization inversion structure formation method and polarization inversion structure formation apparatus which can form the polarization inversion structure with a uniform duty in the thickness direction of the wafer of a nonlinear optical crystal can be provided.

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

図3は、非線形光学結晶のウエハの一方のZ面に、分極反転周期に一致するパターンを絶縁物で作製する工程を説明する図である。図3において、21は非線形光学結晶のウエハ、22は分極反転周期に一致する周期パターンである。周期パターンの周期は、例えば、2μm〜40μmである。まず、シングルドメイン化された非線形光学結晶のウエハ21の一方のZ面(+Z面)に、分極反転周期に一致する周期パターン22を絶縁物で作製する(周期パターン作製工程)。さらに、対向する他方のZ面(−Z面)に、絶縁物で周期パターン22に相対面する対面パターン(不図示)を作製する(対面パターン作製工程)。   FIG. 3 is a diagram illustrating a process of forming a pattern that matches the polarization inversion period on one Z-plane of a nonlinear optical crystal wafer with an insulator. In FIG. 3, 21 is a wafer of nonlinear optical crystals, and 22 is a periodic pattern that matches the polarization inversion period. The period of the periodic pattern is, for example, 2 μm to 40 μm. First, a periodic pattern 22 corresponding to the polarization inversion period is formed with an insulator on one Z plane (+ Z plane) of a single-domain nonlinear optical crystal wafer 21 (periodic pattern manufacturing step). Further, a facing pattern (not shown) facing the periodic pattern 22 with an insulator is formed on the other opposing Z surface (-Z surface) (facing pattern manufacturing step).

非線形光学結晶としては、LN若しくはLiTaO(以下、LTと略記する。)の結晶が望ましい。あるいは、これらにMgO及びZnOの少なくとも1種を添加物として含有する結晶でもよい。このような結晶は、非線形効果が大きく、擬似位相整合を利用して和周波数及び差周波数の光を発生させることが容易となる。非線形定数の大きさからはLTよりもLNを用いることが望ましい。光損傷耐性の点からはMgO又はZnOを含有するLNを用いることが望ましい。直流電圧を印加した際の分極反転の速度からはZnOを含有するLNを用いることが最も望ましい。 As the nonlinear optical crystal, a crystal of LN or LiTaO 3 (hereinafter abbreviated as LT) is desirable. Alternatively, it may be a crystal containing at least one of MgO and ZnO as an additive. Such a crystal has a large non-linear effect, and it becomes easy to generate light having a sum frequency and a difference frequency by using pseudo phase matching. In view of the magnitude of the nonlinear constant, it is desirable to use LN rather than LT. From the point of light damage resistance, it is desirable to use LN containing MgO or ZnO. From the viewpoint of polarization reversal when a DC voltage is applied, it is most desirable to use LN containing ZnO.

パターンの作製に使用する絶縁物の材料は、フォトレジスト材料が好ましい。フォトレジスト材料によるパターン形成面に金属膜を蒸着してもよい。フォトレジスト材料としては、例えばS1818(ローム・アンド・ハース・ジャパン株式会社製)が例示できる。金属膜に使用する材料としては、金、銀、白金、銅、ニッケル、アルミニウム、クロム、タンタルが例示できる。   The insulator material used for the pattern is preferably a photoresist material. A metal film may be vapor-deposited on the pattern formation surface made of a photoresist material. Examples of the photoresist material include S1818 (Rohm and Haas Japan Co., Ltd.). Examples of the material used for the metal film include gold, silver, platinum, copper, nickel, aluminum, chromium, and tantalum.

次に、非線形光学結晶のウエハの両面間に所要の直流電圧を印加する方法について図4で説明する。図4は、分極反転構造形成装置の構成を示す断面図であり、この図において、21は非線形光学結晶のウエハ、22は分極反転周期に一致する周期パターン、23はOリング、24は上方から見た形状がドーナツ状の冶具、25−1は第1の液体電極、25−2は第2の液体電極、26−1,26−2は図示せぬ直流電源に接続された第1の電極棒及び第2の電極棒、27はホットプレート、28は周期パターンに相対面する対面パターンである。分極反転構造形成装置は、分極反転構造形成対象のウエハ21を除く、他の構成要素22〜28の全てを含んで構成されている。なお、Oリング23、テフロン(登録商標)等の絶縁物による冶具24、各液体電極25−1,25−2及び各電極棒26−1,26−2で保持印加手段が構成されている。   Next, a method of applying a required DC voltage between both surfaces of a nonlinear optical crystal wafer will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the domain-inverted structure forming apparatus. In this figure, 21 is a wafer of nonlinear optical crystal, 22 is a periodic pattern matching the domain-inverted period, 23 is an O-ring, and 24 is from above. A jig having a donut-like shape, 25-1 is a first liquid electrode, 25-2 is a second liquid electrode, and 26-1, 26-2 are first electrodes connected to a DC power source (not shown). The rod and the second electrode rod, 27 is a hot plate, and 28 is a facing pattern facing the periodic pattern. The domain-inverted structure forming apparatus is configured to include all of the other components 22 to 28 excluding the wafer 21 to be domain-inverted structure formed. The O-ring 23, the jig 24 made of an insulator such as Teflon (registered trademark), the liquid electrodes 25-1 and 25-2, and the electrode rods 26-1 and 26-2 constitute a holding application unit.

非線形光学結晶のウエハ21としては鏡面加工されたZカットLN結晶の基板を使用する。ウエハ21の大きさは3インチであり、厚さは300μmである。ウエハ21の厚さは200μm以上1mm以下が望ましい。200μm以下であると、ウエハ21が薄くなりすぎて取り扱いが困難で、露光や現像などのフォト工程でウエハ21が破損する虞がある。逆に、1mm以上の厚いウエハ21となると、分極反転に必要となる直流電圧が大きくなり、実用的でない。   A mirror-processed Z-cut LN crystal substrate is used as the nonlinear optical crystal wafer 21. The wafer 21 has a size of 3 inches and a thickness of 300 μm. The thickness of the wafer 21 is desirably 200 μm or more and 1 mm or less. When the thickness is 200 μm or less, the wafer 21 becomes too thin and difficult to handle, and the wafer 21 may be damaged in a photo process such as exposure or development. On the contrary, when the thickness of the wafer 21 is 1 mm or more, the direct current voltage required for polarization inversion becomes large, which is not practical.

ウエハ21に表示された上向きの矢印は、所要の直流電圧を印加する前にシングルドメイン化された分極の方向を示している。ウエハ21の+Z面には、絶縁物としてのフォトレジストで分極反転構造の周期に一致する周期パターン22が作製されている。周期パターン22を構成するフォトレジストの断面形状は略半円が望ましい。   An upward arrow displayed on the wafer 21 indicates the direction of polarization that is made into a single domain before a required DC voltage is applied. On the + Z plane of the wafer 21, a periodic pattern 22 that matches the period of the domain-inverted structure is formed with a photoresist as an insulator. The cross-sectional shape of the photoresist constituting the periodic pattern 22 is preferably approximately a semicircle.

また、ウエハ21の−Z面には、絶縁物としてのフォトレジストで周期パターン22に相対面する対面パターン28が作製されている。対面パターン28を構成するフォトレジストの断面形状は略半円が望ましい。   A facing pattern 28 facing the periodic pattern 22 is formed on the −Z surface of the wafer 21 with a photoresist as an insulator. The cross-sectional shape of the photoresist constituting the facing pattern 28 is preferably approximately a semicircle.

ここで、フォトレジストの周期パターン22及び対面パターン28は、断面形状が略半円であることが望ましい。非線形光学結晶のウエハ21とフォトレジストの周期パターン22及び対面パターン28の断面形状を図5に示す。シングルドメイン化された非線形光学結晶のウエハ21には、各周期パターン22同士の間の領域(上側領域と称す)と各対面パターン28同士の間の領域(下側領域と称す)に、各液体電極25−1,25−2を介して各電極棒26−1,26−2から直流電圧が印加される。この印加時、周期パターン22及び対面パターン28の断面が略半円であるため、従来のように電界が周期パターン22及び対面パターン28のエッジに集中することがなく、上側領域と下側領域との対向部位の中心線部分から分極反転(下向き矢印で示す)が開始される。これによって、分極反転構造のデューティ制御が容易となる。   Here, the periodic pattern 22 and the facing pattern 28 of the photoresist desirably have a substantially semicircular cross-sectional shape. FIG. 5 shows cross-sectional shapes of the nonlinear optical crystal wafer 21, the photoresist periodic pattern 22, and the facing pattern 28. The single-domain nonlinear optical crystal wafer 21 includes liquids in regions (referred to as upper regions) between the periodic patterns 22 and regions (referred to as lower regions) between the facing patterns 28. A DC voltage is applied from the electrode rods 26-1 and 26-2 via the electrodes 25-1 and 25-2. At the time of application, since the cross section of the periodic pattern 22 and the facing pattern 28 is substantially semicircular, the electric field does not concentrate on the edges of the periodic pattern 22 and the facing pattern 28 as in the prior art, and the upper region and the lower region Polarization reversal (indicated by a downward arrow) is started from the center line portion of the opposite portion. This facilitates duty control of the polarization inversion structure.

次に、略半円の断面のパターンを作成する方法を説明する。非線形光学結晶のウエハ21の表面に通常のフォトレジスト材料を適量滴下した後、スピンコータによってフォトレジスト膜とする。毎分3000回転のスピードで約1.8μmの厚さに成膜できる。フォトレジスト膜を90℃でプリベークし、コンタクトアライナーを用いて露光、現像し、周期的な凸状のパターンを作製する。この段階では、フォトレジストのパターンはエッジが立っており、断面形状は四角である。現像した非線形光学結晶のウエハ21を加熱手段としてのオーブンに入れ、ポストベークを行う。ポストベークではフォトレジスト材料が溶け始める温度(150℃〜250℃)まで非線形光学結晶のウエハ21を加熱する(ポストベーク工程)。例えば、先のS1818の材料では、160℃から200℃の温度範囲である。この様な温度では、パターンのエッジ部が軟化し、図5に示すように周期パターン22及び対面パターン28の断面形状が略半円となる。   Next, a method for creating a substantially semicircular cross-sectional pattern will be described. After a suitable amount of a normal photoresist material is dropped on the surface of the nonlinear optical crystal wafer 21, a photoresist film is formed by a spin coater. A film having a thickness of about 1.8 μm can be formed at a speed of 3000 rpm. The photoresist film is pre-baked at 90 ° C., exposed and developed using a contact aligner, and a periodic convex pattern is produced. At this stage, the photoresist pattern is edged and the cross-sectional shape is square. The developed nonlinear optical crystal wafer 21 is placed in an oven as a heating means and post-baked. In the post-bake, the nonlinear optical crystal wafer 21 is heated to a temperature (150 ° C. to 250 ° C.) at which the photoresist material starts to melt (post-bake step). For example, in the material of the previous S1818, the temperature range is 160 ° C. to 200 ° C. At such a temperature, the edge portion of the pattern is softened, and the cross-sectional shapes of the periodic pattern 22 and the facing pattern 28 are substantially semicircular as shown in FIG.

図4において、ウエハ21は、Oリング23を介して、アクリル又はポリカーボネート製の上方から見た形状がドーナツ状の冶具24で上下から挟まれている。これによって、上方の冶具24のドーナツ状の中空部分にウエハ21の上面が底面として密着されて防水構造の凹部が形成され、下方の冶具24の円形凹部分がウエハ21の下面で蓋状に密閉されて空洞が形成される。これら凹部並びに空洞に各液体電極25−1,25−2が充填され、これによって、ウエハ21の上下面が各液体電極25−1,25−2に密着状態とされている。各液体電極25−1,25−2としては塩化リチウム水溶液が例示できる。また、各液体電極25−1,25−2として水銀でもよい。   In FIG. 4, the wafer 21 is sandwiched from above and below by a doughnut-shaped jig 24 that is made of acrylic or polycarbonate through an O-ring 23. As a result, the upper surface of the wafer 21 is brought into close contact with the doughnut-shaped hollow portion of the upper jig 24 to form a waterproof recess, and the circular recess of the lower jig 24 is sealed in a lid shape on the lower surface of the wafer 21. As a result, a cavity is formed. The liquid electrodes 25-1 and 25-2 are filled in these recesses and cavities, whereby the upper and lower surfaces of the wafer 21 are in close contact with the liquid electrodes 25-1 and 25-2. Examples of the liquid electrodes 25-1 and 25-2 include lithium chloride aqueous solutions. Further, mercury may be used as the liquid electrodes 25-1 and 25-2.

また、各液体電極25−1,25−2には、直流電源につながる各電極棒26−1,26−2が浸かっている。+Z面に接する液体電極25−1には陽極の電極棒26−1が、−Z面に接する液体電極25−2には陰極の電極棒26−2が配置されている。陽極の電極棒26−1又は陰極の電極棒26−2のいずれか一方をグランドに接地してもよい。下方の冶具24はホットプレート27の上に配置されており、ホットプレート27で冶具24ごとLN結晶の基板であるウエハ21を加温する。   Also, the electrode rods 26-1 and 26-2 connected to the DC power source are immersed in the liquid electrodes 25-1 and 25-2. An anode electrode rod 26-1 is disposed on the liquid electrode 25-1 in contact with the + Z plane, and a cathode electrode rod 26-2 is disposed on the liquid electrode 25-2 in contact with the -Z plane. Either the anode electrode rod 26-1 or the cathode electrode rod 26-2 may be grounded. The lower jig 24 is disposed on the hot plate 27, and the hot plate 27 heats the wafer 21 that is the substrate of the LN crystal together with the jig 24.

分極反転構造の周期に一致するように作成されたフォトレジストの周期パターン22及び対面パターン28は、絶縁膜として機能し、LN結晶のウエハ21には各液体電極25−1,25−2から直流電圧が印加される(分極反転構造形成工程)。   The periodic pattern 22 and the facing pattern 28 of the photoresist prepared so as to coincide with the period of the domain-inverted structure function as an insulating film, and direct current is applied to the LN crystal wafer 21 from the liquid electrodes 25-1 and 25-2. A voltage is applied (a process of forming a domain-inverted structure).

ウエハ21の+Z面と−Z面の両方に周期パターン22及び対面パターン28が形成されている。このため、図5の下向きの矢印で示すように、印加された直流電界が貫通する通り道が制限され、かつ、電界が最短距離になるように直線的に形成されることから、ウエハ21の厚さ方向で分極反転構造のデューティが一様となる。   A periodic pattern 22 and a facing pattern 28 are formed on both the + Z plane and the −Z plane of the wafer 21. Therefore, as shown by the downward arrow in FIG. 5, the path through which the applied DC electric field penetrates is restricted, and the electric field is formed linearly so as to have the shortest distance. The duty of the domain-inverted structure is uniform in the vertical direction.

また、直流電圧を印加する分極反転構造形成工程では、非線形光学結晶のウエハ21が加温された状態で実施されることが望ましい。加温すると、非線形光学結晶の分極反転に要する電界の大きさである抗電界が小さくなるので、ウエハ21が厚くなっても低い直流電圧を印加することで足りる。更に、非線形光学結晶の電気伝導度も大きくなるので、均一な分極反転構造を形成することができる。加温する温度としては、50℃以上150℃以下であることが望ましく、90℃以上100℃以下がさらに望ましい。150℃以上の温度になると、液体電極の水分が蒸発してしまう。   In addition, it is desirable that the polarization inversion structure forming step of applying a DC voltage is performed in a state where the nonlinear optical crystal wafer 21 is heated. When the heating is performed, the coercive electric field, which is the magnitude of the electric field required for reversing the polarization of the nonlinear optical crystal, is reduced. Therefore, it is sufficient to apply a low DC voltage even when the wafer 21 is thick. Furthermore, since the electric conductivity of the nonlinear optical crystal is increased, a uniform domain-inverted structure can be formed. The heating temperature is preferably 50 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, and more preferably 90 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. When the temperature is 150 ° C. or higher, the water in the liquid electrode evaporates.

(実施例1)
本実施例では、非線形光学結晶としてZnOを含有するLN結晶を用い、ウエハ21として厚さ300μmの3インチ基板を用いて、図4に示したように分極反転構造を形成した。
Example 1
In this example, an LN crystal containing ZnO was used as the nonlinear optical crystal, and a 300-μm thick 3-inch substrate was used as the wafer 21 to form a domain-inverted structure as shown in FIG.

前述したように、まず、+Z面と−Z面の両方にフォトレジスト材料で周期パターン22及び対面パターン28をそれぞれ作製した。この作製したLN結晶のウエハ21を冶具24にセットし、各液体電極25−1,25−2として塩化リチウム水溶液を注入し、ホットプレート27でウエハ21を80℃に加温した状態で、直流電源から各電極棒26−1,26−2を介して直流電圧を印加した。この際、直流電源から0.8kV(電界強度2.7kV/mm)の電圧を300msec印加したところ、2mCの反転電荷量が流れ、所望の周期的な分極反転構造を形成することができた。   As described above, first, the periodic pattern 22 and the facing pattern 28 were respectively made of a photoresist material on both the + Z plane and the −Z plane. The prepared LN crystal wafer 21 is set on a jig 24, a lithium chloride aqueous solution is injected as each of the liquid electrodes 25-1 and 25-2, and the wafer 21 is heated to 80 ° C. by a hot plate 27, and then a direct current is applied. A DC voltage was applied from the power source via the electrode rods 26-1 and 26-2. At this time, when a voltage of 0.8 kV (electric field strength of 2.7 kV / mm) was applied from a DC power source for 300 msec, an inversion charge amount of 2 mC flowed, and a desired periodic domain-inverted structure could be formed.

本実施例では、分極反転構造の周期は6.3μmのマスクを用いて形成したが、2μm以上の任意の周期で分極反転構造を形成することができることを確認した。作製したLN結晶のウエハ21から周期の方向に直交する向きで短冊状に波長変換素子を切り出し、切り出した波長変換素子の両端面を研磨し、波長1.06μmの励起光を入射したところ、波長532nmの緑色SHG光を発生させることができた。   In this example, the period of the domain-inverted structure was formed using a 6.3 μm mask, but it was confirmed that the domain-inverted structure could be formed with an arbitrary period of 2 μm or more. When the wavelength conversion element is cut out in a strip shape in a direction orthogonal to the direction of the period from the produced LN crystal wafer 21, both end faces of the cut out wavelength conversion element are polished, and excitation light having a wavelength of 1.06 μm is incident. It was possible to generate 532 nm green SHG light.

(実施例2)
本実施例においては、実施例1と同様の方法で、ZnOを含有するLN結晶を用い、ウエハ21として厚さ300μmの3インチ基板を用いて分極反転構造を形成した。
(Example 2)
In this example, a domain-inverted structure was formed by using a LN crystal containing ZnO and using a 300 μm-thick 3 inch substrate as the wafer 21 in the same manner as in Example 1.

周期パターン及び対面パターンの作製は実施例1と同様に行い、フォトレジスト材料で周期4.5μmの周期パターン22及び対面パターン28を作製した。本実施例においては、+Z面につながる電極棒26−1を接地し、−Z面につながる電極棒26−2を介してマイナス電圧を印加することによって、分極反転構造を形成した。LN結晶のウエハ21を冶具24にセットし、ホットプレート27でウエハ21を温度80℃に加温した状態で、直流電源から−1.35kVの電圧を300msecの間、印加することによって所望の周期分極反転構造を形成することができた。ウエハ21から短冊状に波長変換素子を切り出し、希釈フッ硝酸溶液中でエッチング処理を施し、内部の分極反転構造を観察したところ、−Z面から+Z面にわたるまでウエハの厚さ方向に均一な分極反転構造が形成されており、+Z面と−Z面での分極反転構造のデューティに差は見られなかった。   The periodic pattern and the facing pattern were produced in the same manner as in Example 1, and the periodic pattern 22 and the facing pattern 28 having a period of 4.5 μm were produced using a photoresist material. In this example, the polarization inversion structure was formed by grounding the electrode rod 26-1 connected to the + Z plane and applying a negative voltage via the electrode rod 26-2 connected to the -Z plane. An LN crystal wafer 21 is set on a jig 24, and a voltage of -1.35 kV is applied from a DC power source for 300 msec in a state where the wafer 21 is heated to a temperature of 80 ° C. by a hot plate 27, and a desired cycle is obtained. A domain-inverted structure could be formed. When the wavelength conversion element is cut out from the wafer 21 in a strip shape, etched in a dilute hydrofluoric acid solution, and the internal polarization inversion structure is observed, the polarization is uniform in the thickness direction of the wafer from the −Z plane to the + Z plane. An inversion structure was formed, and there was no difference in the duty of the polarization inversion structure between the + Z plane and the −Z plane.

(実施例3)
本実施例では、実施例1と同様の方法で、非線形光学結晶としてZnOを含有するLN結晶を用い、ウエハ21として厚さ300μmの3インチ基板を用いて分極反転構造を形成した。
(Example 3)
In this example, a domain-inverted structure was formed using an LN crystal containing ZnO as the nonlinear optical crystal and a 300-inch-thick 3-inch substrate as the nonlinear optical crystal in the same manner as in Example 1.

実施例1と同様の方法で、ウエハ21の+Z面と−Z面にフォトレジスト材料で所望の周期パターン22及び対面パターン28を作製したのち、本実施例においては、図6に示すように、パターン22側表面にのみ金を蒸着して金属膜29を形成した。このウエハ21をテフロン(登録商標)等の絶縁物による冶具32にセットし、−Z面側の空洞には上記同様に液体電極25を注入し、この液体電極25に陰極の電極棒26−2を挿入して配置し、また、金属膜29に陽極の電極棒26−1を接続した。また、下方の冶具24の下には図4の構成同様にホットプレート27が配置されている。なお、本装置構成では+Z面側のOリング23は省略可能である。   In the present example, as shown in FIG. 6, after the desired periodic pattern 22 and the facing pattern 28 are formed with a photoresist material on the + Z plane and the −Z plane of the wafer 21 by the same method as in the first embodiment. Gold was deposited only on the surface on the pattern 22 side to form a metal film 29. This wafer 21 is set on a jig 32 made of an insulator such as Teflon (registered trademark), and a liquid electrode 25 is injected into the cavity on the −Z plane side in the same manner as described above. The anode electrode rod 26-1 was connected to the metal film 29. Further, a hot plate 27 is disposed under the lower jig 24 as in the configuration of FIG. In the present apparatus configuration, the O-ring 23 on the + Z plane side can be omitted.

この構成において、ホットプレート27でウエハ21を80℃に加温した状態で、直流電源から各電極棒26−1,26−2を介して直流電圧を印加した。この際、直流電源から0.8kV(電界強度2.7kV/mm)の電圧を300msec印加したところ、2mCの反転電荷量が流れ、所望の周期的な分極反転構造を形成することができた。   In this configuration, a DC voltage was applied from the DC power source through the electrode rods 26-1 and 26-2 while the wafer 21 was heated to 80 ° C. by the hot plate 27. At this time, when a voltage of 0.8 kV (electric field strength of 2.7 kV / mm) was applied from a DC power source for 300 msec, an inversion charge amount of 2 mC flowed, and a desired periodic domain-inverted structure could be formed.

ウエハ21として上記のLN結晶のほか、MgOを含有したLN結晶や、LT結晶を用いた場合においても、各ウエハの抗電界に相当する直流電圧を印加することによって、均一な分極反転構造を作製することができた。各ウエハから波長変換素子を短冊状に切り出し、希釈フッ硝酸溶液中でエッチング処理を施し、内部の分極反転構造を観察したところ、−Z面から+Z面にわたるまでウエハの厚さ方向に均一な分極反転構造が形成されており、+Z面と−Z面でのデューティに差は見られなかった。   Even when an LN crystal containing MgO or an LT crystal is used as the wafer 21 in addition to the above LN crystal, a uniform domain-inverted structure is produced by applying a DC voltage corresponding to the coercive electric field of each wafer. We were able to. Wavelength conversion elements are cut into strips from each wafer, etched in dilute hydrofluoric acid solution, and the internal domain inversion structure is observed. Uniform polarization in the wafer thickness direction from -Z plane to + Z plane An inversion structure was formed, and no difference was seen in the duty between the + Z plane and the −Z plane.

(実施例4)
本実施例では、非線形光学結晶としてZnOを含有するLN結晶を用い、ウエハ21として厚さ300μmの3インチ基板を用いて分極反転構造を形成した。
Example 4
In this example, an LN crystal containing ZnO was used as the nonlinear optical crystal, and a domain-inverted structure was formed using a 3 inch substrate having a thickness of 300 μm as the wafer 21.

本実施例においては、周期が変化する、いわゆるチャープのある周期をもつパターンを作製した。ノンチャープに比べチャープを持つ場合には、整合温度範囲が広く取れる。+Z面にフォトレジスト材料で左右方向に所望のチャープを持つ周期パターン22を作製し、−Z面にも同じ周期の対面パターン28を作製した後、実施例1と同様の方法で直流電圧を印加した。   In this embodiment, a pattern having a period with a so-called chirp with a varying period was produced. When having a chirp compared to a non-chirp, a wide matching temperature range can be obtained. A periodic pattern 22 having a desired chirp in the left-right direction is made of a photoresist material on the + Z plane, and a facing pattern 28 having the same period is made on the −Z plane, and then a DC voltage is applied in the same manner as in the first embodiment. did.

作製したLN結晶のウエハ21をフッ硝酸溶液中でエッチングしたところ、分極反転構造が形成されている箇所と、形成されていない箇所が、縞模様となって現れた。これは、−Z面を露光、現像する際に+Z面を露光したフォトマスクと同じものを用いたために、チャープの向きが左右反転し、+Z面と−Z面に作製された周期パターン22及び対面パターン28がZ軸方向(厚み方向)で一致しないところが現れたためである。このように本発明においては、所望の周期構造に一致する周期パターン22及び対面パターン28を+Z面、−Z面で相対面するように作製することが重要である。   When the produced LN crystal wafer 21 was etched in a hydrofluoric acid solution, a portion where the domain-inverted structure was formed and a portion where it was not formed appeared in a striped pattern. This is because the same photomask that exposed the + Z plane was used when exposing and developing the −Z plane, so that the direction of the chirp was reversed left and right, and the periodic pattern 22 produced on the + Z plane and the −Z plane and This is because a place where the facing pattern 28 does not match in the Z-axis direction (thickness direction) appeared. As described above, in the present invention, it is important to produce the periodic pattern 22 and the facing pattern 28 that coincide with a desired periodic structure so as to face each other in the + Z plane and the −Z plane.

これとは別に、+Z面の露光で使用したフォトマスクと左右反転対称のフォトマスクを用意して、実施例1と同様の方法で、+Z面はチャープをもったフォトマスク、−Z面は左右反転チャープをもったフォトマスクを用いてパターンを作製し、実施例1と同様の方法で直流電圧を印加したLN結晶のウエハ21をエッチングしたところ、所望の分極反転構造が均一に作製できていることが確認できた。   Separately from this, a photomask used for + Z plane exposure and a photomask with left-right reversal symmetry are prepared, and in the same manner as in Example 1, the + Z plane is a photomask with chirp, and the -Z plane is left and right. When a pattern was produced using a photomask having inversion chirp and the LN crystal wafer 21 to which a DC voltage was applied was etched in the same manner as in Example 1, a desired domain-inverted structure was uniformly produced. I was able to confirm.

本実施例に見られるように、本発明においては+Z面と−Z面に作製される周期パターン22及び対面パターン28はZ軸方向から眺めたときに、一致していることが望ましく、チャープのある周期をもつフォトマスクを用いる場合は、左右反転対称となる裏面用フォトマスクを別に用意することが望ましい。   As seen in the present embodiment, in the present invention, it is desirable that the periodic pattern 22 and the facing pattern 28 formed on the + Z plane and the −Z plane match when viewed from the Z-axis direction. In the case of using a photomask having a certain period, it is desirable to separately prepare a backside photomask having left-right inversion symmetry.

(実施例5)
本実施例においては実施例3と同様の方法を用いて、ウエハ21の+Z面、−Z面にフォトレジスト材料で周期パターン22及び対面パターン28を作製したのち、図7に示すように、−Z面のパターン表面のみに金を蒸着して金属膜29を形成した。このウエハ21を冶具24,30でOリング23を介して上下から挟んでセットする。本実施例構成の場合、液体電極25は+Z面側のみ用いるのでOリング23は+Z面側のみで良く、下方の冶具30は、金属膜29に平面で当接するアクリル又はポリカーボネート製あるいはテフロン(登録商標)製の平板のものを用い、この冶具30と上方の冶具24とでウエハ21を上下から挟む構成とした。また、+Z面側の液体電極25に+電圧印加用の電極棒26−1を挿入して配置し、また、−Z面側の金属膜29に接地された電極棒26−2を接続した。下方の冶具30の下にはホットプレート27が配置されている。
(Example 5)
In the present embodiment, the periodic pattern 22 and the facing pattern 28 are formed of a photoresist material on the + Z plane and the −Z plane of the wafer 21 using the same method as in the third embodiment, and as shown in FIG. A metal film 29 was formed by depositing gold only on the pattern surface of the Z plane. The wafer 21 is sandwiched and set by jigs 24 and 30 through an O-ring 23 from above and below. In the case of the configuration of this embodiment, since the liquid electrode 25 is used only on the + Z plane side, the O-ring 23 only needs to be on the + Z plane side. The wafer 21 is sandwiched from above and below by the jig 30 and the upper jig 24. Further, a + voltage applying electrode rod 26-1 was inserted into the liquid electrode 25 on the + Z plane side, and the grounded electrode rod 26-2 was connected to the metal film 29 on the −Z plane side. A hot plate 27 is disposed under the lower jig 30.

この構成において、ホットプレート27でウエハ21を80℃に加温した状態で、+Z面につながる電極棒26−1に+電圧を印加した。この際、直流電源から0.8kV(電界強度2.7kV/mm)の電圧を300msec印加したところ、2mCの反転電荷量が流れ、所望の周期的な分極反転構造を形成することができた。   In this configuration, with the hot plate 27 heated to 80 ° C., a positive voltage was applied to the electrode rod 26-1 connected to the + Z plane. At this time, when a voltage of 0.8 kV (electric field strength of 2.7 kV / mm) was applied from a DC power source for 300 msec, an inversion charge amount of 2 mC flowed, and a desired periodic domain-inverted structure could be formed.

ウエハ21から波長変換素子を短冊状に切り出し、希釈フッ硝酸溶液中でエッチング処理を施し、内部の分極反転構造を観察したところ、−Z面近傍で分極反転ドメインがつながっているところが確認された。
(実施例6)
本実施例においては実施例6と同様の方法を用いて、ウエハ21の+Z面、−Z面にフォトレジスト材料で周期パターン22及び対面パターン28を作製したのち、図8に示すように、+Z面、−Z面両方のパターン表面に金を蒸着して金属膜29を形成した。このウエハ21を冶具30に載置してセットし、+Z面の金属膜29に+電圧印加用の電極棒26−1を接続し、−Z面の金属膜29に接地された電極棒26−2を接続した。下方の冶具30の下にはホットプレート27が配置されている。
When the wavelength conversion element was cut out from the wafer 21 in a strip shape, etched in a dilute hydrofluoric acid solution, and the internal domain inversion structure was observed, it was confirmed that domain inversion domains were connected in the vicinity of the -Z plane.
(Example 6)
In the present embodiment, the periodic pattern 22 and the facing pattern 28 are formed of a photoresist material on the + Z plane and the −Z plane of the wafer 21 by using the same method as in the embodiment 6, and then, as shown in FIG. Gold was vapor-deposited on the pattern surface of both the surface and the −Z surface to form a metal film 29. The wafer 21 is placed and set on a jig 30, a + voltage application electrode rod 26-1 is connected to the + Z plane metal film 29, and an electrode rod 26 − grounded to the −Z plane metal film 29 is connected. 2 connected. A hot plate 27 is disposed under the lower jig 30.

この構成において、ホットプレート27でウエハ21を80℃に加温した状態で、+Z面につながる電極棒26−1に+電圧を印加した。この際、直流電源から0.8kV(電界強度2.7kV/mm)の電圧を300msec印加したところ、2mCの反転電荷量が流れ、所望の周期的な分極反転構造を形成することができた。   In this configuration, with the hot plate 27 heated to 80 ° C., a positive voltage was applied to the electrode rod 26-1 connected to the + Z plane. At this time, when a voltage of 0.8 kV (electric field strength of 2.7 kV / mm) was applied from a DC power source for 300 msec, an inversion charge amount of 2 mC flowed, and a desired periodic domain-inverted structure could be formed.

ウエハ21から波長変換素子を短冊状に切り出し、希釈フッ硝酸溶液中でエッチング処理を施し、内部の分極反転構造を観察したところ、−Z面近傍で分極反転ドメインがつながっているところが確認された。   When the wavelength conversion element was cut out from the wafer 21 in a strip shape, etched in a dilute hydrofluoric acid solution, and the internal domain inversion structure was observed, it was confirmed that domain inversion domains were connected in the vicinity of the -Z plane.

本発明の分極反転構造形成方法及び分極反転構造形成装置は、波長変換素子等の製造に適用することができる。   The domain-inverted structure forming method and the domain-inverted structure forming apparatus of the present invention can be applied to the manufacture of wavelength conversion elements and the like.

擬似位相整合を利用して非線形光学結晶で和周波数及び差周波数の光を発生させる構成図である。It is a block diagram which generates the light of a sum frequency and a difference frequency with a nonlinear optical crystal using a quasi phase matching. 従来の非線形光学結晶のウエハの一方のZ面に絶縁物で分極反転周期に一致するパターンを作製する工程を説明する図である。It is a figure explaining the process of producing the pattern which corresponds to a polarization inversion period with the insulator on one Z surface of the wafer of the conventional nonlinear optical crystal. 非線形光学結晶のウエハの一方のZ面に、絶縁物で分極反転周期に一致するパターンを作製する工程を説明する図である。It is a figure explaining the process of producing the pattern which corresponds to a polarization inversion period with an insulator in one Z surface of the wafer of a nonlinear optical crystal. ウエハ上下面に液体電極を用いる場合の分極反転構造形成装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the polarization inversion structure forming apparatus in case a liquid electrode is used for a wafer upper and lower surface. 本実施形態の非線形光学結晶のウエハとフォトレジストの周期パターン及び対面パターンの断面形状図である。It is a cross-sectional shape figure of the periodic pattern and the facing pattern of the wafer and photoresist of the nonlinear optical crystal of this embodiment. ウエハ上面に金属膜、下面に液体電極を用いる場合の分極反転構造形成装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the polarization inversion structure formation apparatus in the case of using a metal film for a wafer upper surface, and a liquid electrode for a lower surface. ウエハ上面に液体電極、下面に金属膜を用いる場合の分極反転構造形成装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the polarization inversion structure formation apparatus in case a liquid electrode is used for a wafer upper surface, and a metal film is used for a lower surface. ウエハ上下面に金属膜を用いる場合の分極反転構造形成装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the polarization inversion structure formation apparatus in case a metal film is used for a wafer upper and lower surface.

符号の説明Explanation of symbols

21:ウエハ
22:周期パターン
23:Oリング
24,30,32:冶具
25,25−1,25−2,98:液体電極
26,26−1,26−2:電極棒
27:ホットプレート
28:対面パターン
29:金属膜
91:合波器
92:非線形光学結晶
93:分波器
95:非線形光学結晶のウエハ
96:第二の電極
97:パターン
21: Wafer 22: Periodic pattern 23: O-rings 24, 30, 32: Jigs 25, 25-1, 25-2, 98: Liquid electrodes 26, 26-1, 26-2: Electrode rod 27: Hot plate 28: Face-to-face pattern
29: metal film 91: multiplexer 92: nonlinear optical crystal 93: duplexer 95: wafer of nonlinear optical crystal 96: second electrode 97: pattern

Claims (13)

非線形光学結晶のウエハに周期的な分極反転構造を形成する分極反転構造形成方法であって、
シングルドメイン化され、かつ鏡面加工されている非線形光学結晶のウエハの一方の面に、前記分極反転構造の周期に一致する周期パターンを絶縁物で作製する周期パターン作製工程と、
前記ウエハの他方の面に、前記周期パターンに対面する対面パターンを絶縁物で作製する対面パターン作製工程と、
前記ウエハの両面間に所要の直流電圧を印加し、前記周期パターンに対応する分極反転構造を形成する分極反転構造形成工程と、
を順に備える分極反転構造形成方法。
A domain-inverted structure forming method for forming a periodic domain-inverted structure on a wafer of nonlinear optical crystals,
A periodic pattern manufacturing step of manufacturing a periodic pattern that matches the period of the domain-inverted structure with an insulator on one surface of a single-domain and mirror-processed nonlinear optical crystal wafer;
On the other surface of the wafer, a facing pattern manufacturing step of manufacturing a facing pattern facing the periodic pattern with an insulator; and
A domain inversion structure forming step of applying a required DC voltage between both surfaces of the wafer to form a domain inversion structure corresponding to the periodic pattern;
A method for forming a domain-inverted structure comprising:
前記周期パターン又は前記対面パターンを作製する絶縁物の材料がフォトレジスト材料であり、前記分極反転構造形成工程の前に、前記フォトレジスト材料が溶け始める温度まで前記ウエハを加熱するポストベーク工程を有することを特徴とする請求項1に記載の分極反転構造形成方法。   The insulator material for producing the periodic pattern or the facing pattern is a photoresist material, and the post-baking step of heating the wafer to a temperature at which the photoresist material starts to melt before the domain-inverted structure forming step is included. The method of forming a domain-inverted structure according to claim 1. 前記ウエハは、結晶軸がZカットされており、厚さが200μm以上1mm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の分極反転構造形成方法。   3. The method of forming a domain-inverted structure according to claim 1, wherein the wafer has a crystal axis that is Z-cut and has a thickness of 200 μm to 1 mm. 前記非線形光学結晶がLiNbO若しくはLiTaOの結晶、又はこれらにMgO及びZnOの少なくとも1種を添加物として含有する結晶であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の分極反転構造形成方法。 The nonlinear optical crystal is crystal of LiNbO 3 or LiTaO 3, or polarization inversion according to any one of claims 1 to 3, characterized in that these are crystals containing at least one MgO and ZnO as additives Structure formation method. 前記分極反転構造形成工程が加温された環境下で行われることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の分極反転構造形成方法。   The method for forming a domain-inverted structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the domain-inverted structure forming step is performed in a heated environment. 前記分極反転構造形成工程において、当該ウエハの周期パターンの形成面を第1の液体電極に浸し、対面パターンの形成面を前記第1の液体電極と独立した第2の液体電極に浸し、前記第1及び第2の液体電極間に直流電圧を印加して行うことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の分極反転構造形成方法。   In the domain-inverted structure forming step, the periodic pattern forming surface of the wafer is immersed in a first liquid electrode, the facing pattern forming surface is immersed in a second liquid electrode independent of the first liquid electrode, 6. The method of forming a domain-inverted structure according to claim 1, wherein a DC voltage is applied between the first and second liquid electrodes. 前記分極反転構造形成工程において、当該ウエハの周期パターン及び対面パターンの形成面の何れか一方の面に金属を蒸着して金属膜を形成し、他方の面を液体電極に浸し、これら金属膜と液体電極間に直流電圧を印加して行うことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の分極反転構造形成方法。   In the domain-inverted structure forming step, a metal film is formed by vapor-depositing a metal on one of the periodic pattern and facing pattern forming surfaces of the wafer, and the other surface is immersed in a liquid electrode. 6. The method of forming a domain-inverted structure according to claim 1, wherein a DC voltage is applied between the liquid electrodes. 前記分極反転構造形成工程において、当該ウエハの周期パターン及び対面パターンの形成面の両面に金属を蒸着して金属膜を形成し、両面の金属膜間に直流電圧を印加して行うことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の分極反転構造形成方法。   In the domain-inverted structure forming step, a metal film is formed by vapor-depositing metal on both surfaces of a periodic pattern and a facing pattern forming surface of the wafer, and a DC voltage is applied between the metal films on both surfaces. The method of forming a domain-inverted structure according to any one of claims 1 to 5. シングルドメイン化され、かつ鏡面加工されている非線形光学結晶のウエハをセットし、このウエハに周期的な分極反転構造を形成する分極反転構造形成装置であって、
前記ウエハの一方の面に、前記分極反転構造の周期に一致して絶縁物で作製された周期パターンと、
前記ウエハの他方の面に、前記周期パターンに対面して絶縁物で作製された対面パターンと、
前記周期パターン及び前記対面パターンが作製されたウエハを保持し、この保持状態のウエハの周期パターン及び対面パターンの形成面間に直流電圧を印加する保持印加手段と、
を備えたことを特徴とする分極反転構造形成装置。
A domain-inverted structure forming apparatus for setting a single-domain and mirror-processed nonlinear optical crystal wafer and forming a periodic domain-inverted structure on the wafer,
On one surface of the wafer, a periodic pattern made of an insulator in accordance with the period of the domain-inverted structure;
A facing pattern made of an insulator facing the periodic pattern on the other surface of the wafer;
Holding application means for holding the wafer on which the periodic pattern and the facing pattern are produced, and applying a DC voltage between the formation surfaces of the periodic pattern and the facing pattern of the held wafer;
A device for forming a domain-inverted structure comprising:
前記ウエハに前記周期パターン及び前記対面パターンを作製する絶縁物にフォトレジスト材料を用い、このフォトレジスト材料が溶け始める温度まで当該ウエハを加熱する加熱手段を更に備えたことを特徴とする請求項9に記載の分極反転構造形成装置。   10. A heating means for heating the wafer to a temperature at which the photoresist material begins to melt using a photoresist material as an insulator for forming the periodic pattern and the facing pattern on the wafer. The domain-inverted structure forming apparatus according to 1. 前記保持印加手段は、前記ウエハを保持し、この保持状態のウエハの周期パターンの形成面が第1の液体電極に浸り、前記対面パターンの形成面が前記第1の液体電極と独立した第2の液体電極に浸る状態に、当該第1及び第2の液体電極を収容する冶具と、前記第1及び第2の液体電極に各々挿入された直流電圧印加用の第1及び第2の電極棒とを備えたことを特徴とする請求項9又は10に記載の分極反転構造形成装置。   The holding application unit holds the wafer, the periodic pattern forming surface of the held wafer is immersed in the first liquid electrode, and the facing pattern forming surface is independent of the first liquid electrode. A jig for housing the first and second liquid electrodes in a state of being immersed in the liquid electrode, and first and second electrode bars for applying DC voltage inserted into the first and second liquid electrodes, respectively. The polarization inversion structure forming apparatus according to claim 9 or 10, characterized by comprising: 前記ウエハは、前記周期パターン及び前記対面パターンの形成面の何れか一方の面に金属蒸着により形成された金属膜を備え、前記保持印加手段は、当該ウエハを保持し、この保持状態のウエハの金属膜の形成面と相対面が液体電極に浸る状態に、当該液体電極を収容する冶具と、前記金属膜に接続された直流電圧印加用の第1の電極棒と、前記液体電極に挿入された直流電圧印加用の第2の電極棒とを備えたことを特徴とする請求項9又は10に記載の分極反転構造形成装置。   The wafer includes a metal film formed by metal vapor deposition on one surface of the periodic pattern and the facing pattern, and the holding application unit holds the wafer, and the wafer in the holding state With the metal film forming surface and the relative surface immersed in the liquid electrode, a jig for housing the liquid electrode, a first electrode rod for DC voltage application connected to the metal film, and the liquid electrode are inserted. The polarization inversion structure forming apparatus according to claim 9, further comprising: a second electrode rod for applying a DC voltage. 前記ウエハは、前記周期パターン及び前記対面パターンの形成面の両面に金属蒸着により形成された金属膜を備え、前記保持印加手段は、当該ウエハを保持する冶具と、この冶具で保持状態のウエハの両面の金属膜に接続された直流電圧印加用の第1及び第2の電極棒とを備えたことを特徴とする請求項9又は10に記載の分極反転構造形成装置。   The wafer includes a metal film formed by metal vapor deposition on both surfaces of the periodic pattern and the facing pattern, and the holding application unit includes a jig for holding the wafer, and a wafer held by the jig. The polarization inversion structure forming apparatus according to claim 9 or 10, further comprising first and second electrode bars for applying a DC voltage connected to the metal films on both sides.
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