JP2016024423A - 波長変換素子の製造方法および波長変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】強誘電体結晶基板に設けられた周期分極反転構造を有する波長変換素子を製造するとき、分極反転部の局所的な反転欠損を抑制し、これによる波長変換効率の低下を防止する。【解決手段】強誘電性結晶基板の第一の主面１ａに設けられた複数の電極片部１６と、第二の主面１ｂに設けられた一様電極１４との間に電圧を印加し、周期分極反転構造を形成する。電極片部１６の長手方向Ｌに対して交差する方向に向かって伸びる非電極部２０を電極片部１６を横断するように形成する。【選択図】 図５

Description

本発明は、周期分極反転構造を有する波長変換素子の製造方法およびこれによって得られた波長変換素子に関するものである。

本出願人は、周期分極反転構造をリッジ型光導波路内に形成することで、高効率の高調波発生素子を提供することを研究してきた（特許文献１：特開２００９−２２２８７２：特許文献２：特許５１６４１９２号）。

周期分極反転構造を強誘電性単結晶基板に形成する際には不良が生じやすく、このためさまざまな製法が提案されている。特許文献３（特開２００５−７０１９２）記載の方法では、強誘電性単結晶基板を別体の基板と積層し、絶縁性液体、例えばオイル中に浸漬し、バルス電圧を印加することで周期分極反転構造を形成している。

また、特許文献４（特開２００９−１４５５６０）記載の方法では、ニオブ酸リチウムのＺ基板の表面に絶縁膜を設け、絶縁膜にストライプ状の細長い隙間を設けた上で、絶縁膜および隙間を被覆するように導電膜を設けている。そして、この導電膜にパルス電圧を印加することによって、基板に周期分極反転構造を形成している。

また、特許文献５（特開２０１０−１３４４２５）記載の方法では、ニオブ酸リチウムのＺ基板の表面に絶縁膜を設け、絶縁膜にストライプ状の細長い隙間を設けた上で、絶縁膜および隙間を被覆するように導電膜を設けている。そして、この導電膜にパルス電圧を印加することによって、基板に周期分極反転構造を形成している。

特開２００９−２２２８７２ 特許５１６４１９２ 特開２００５−７０１９２ 特開２００９−１４５５６０ 特開２０１０−１３４４２５ 特許第４８５４１８７号

本発明者は、特許文献４、５記載のように電圧印加法によって強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成し、更に特許文献２記載のように強誘電性結晶基板を薄層化加工し、リッジ型光導波路を形成し、波長変換素子を量産することを検討してきた。

具体的には、特許文献４、５記載のように、強誘電性結晶基板の第一の主面側に多数列の絶縁膜を形成し、隣接する絶縁膜の隙間に導電材料からなる電極片部を形成した。また、強誘電性結晶基板の第二の主面には一様電極を形成し、電極片部と一様電極との間に電圧を印加することで，電極片部の周期に対応する周期を有する周期分極反転構造を形成した。

しかし、周期状分極反転構造を形成する場合、分極反転部の方に、局所的に欠陥が生じる場合があった。こうした欠陥を図１３の写真に示す。図１３の写真においては、横方向が基本波の伝搬方向であり、分極反転部と非分極反転部とがそれぞれ細長く縦方向に伸びている。分極反転部と非分極反転部とは隣接しており、交互に設けられている。

図１３の写真では、黒っぽい場所が非分極反転部であり、白っぽい場所が分極反転部の中心である。円で包囲した部分に分極反転部の反転欠陥が観察される。この欠陥部分では分極反転が生じておらず、波長変換効率を低下させる。

本発明の課題は、強誘電性結晶基板に設けられた周期分極反転構造を備える波長変換素子を製造するのに際して、分極反転部の局所的な反転欠陥を抑制し、これによる波長変換効率の低下を防止することである。

本発明は、強誘電性結晶からなり、第一の主面および第二の主面を備える強誘電性結晶基板と、この強誘電体結晶基板に設けられた周期分極反転構造を有する波長変換素子を製造する方法であって、
強誘電性結晶基板の第一の主面に設けられた複数の電極片部と、強誘電性結晶基板の第二の主面に設けられた一様電極との間に電圧を印加することによって周期分極反転構造を形成し、電極片部の長手方向に対して斜めに交差する方向に向かって伸びる非電極部を電極片部を横断するように形成することを特徴とする。

また、本発明は、強誘電性結晶からなり、第一の主面および第二の主面を備える強誘電性結晶基板と、この強誘電体結晶基板に設けられた周期分極反転構造を有する波長変換素子であって、
周期分極反転構造が、交互に配列された分極反転部と非分極反転部を備えており、更に分極反転部を横断するように分極反転部の長手方向に対して斜めに交差する方向に向かって伸びる非分極反転領域を備えることを特徴とする。

本発明者は、電圧印加法によって周期分極反転構造を強誘電体単結晶基板に形成するのに際して、各電極片部を横断する非電極部を、電極片部の長手方向に対して交差する方向に向かって伸びるように形成することを想到した。こうした非電極部の直下では当然分極反転が起こりにくく、したがって波長変換効率を低下させると考えるのが通常である。

しかし、実際に周期分極反転構造を形成してみると、このように電極片部を横断する非電極部を設けることで、分極反転部が連結して局所的な反転欠陥を形成する頻度が減り、かえって波長変換効率が改善することが判明した。

なお、非電極部下には、分極反転していない非分極反転領域が分極反転部を横断するように残留することがあるが、この場合にも非分極反転領域の方向は基本光の伝搬方向に対して平行とはならないため、分極反転面で発生する反射による散乱の影響は生じない。

（ａ）は、強誘電性結晶基板１上にパターニングされた絶縁膜２を形成した状態を模式的に示し、（ｂ）は、更に導電膜３（電極片部４）および一様電極１４を形成した状態を示し、（ｃ）は、図１（ｂ）のアセンブリに電圧印加している状態を示す模式図である。 （ａ）は、図１（ｃ）の基板から導電膜および一様電極を除去した状態を示し、（ｂ）は、更に絶縁膜を除去した状態を示し、（ｃ）は、周期分極反転構造７の形成された基板１の第二の主面（一様電極側の主面）１ｂを支持基板９に接着した状態を示し、（ｄ）は、次いで基板１の一方の主面（電極片部側の主面）１ａを研磨加工して薄層化して得られた素子１２を示す。 （ａ）は、比較例における電極パターンを模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の電極パターンを模式的に示すＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線断面図である。 （ａ）は、本発明例における絶縁膜パターンを模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のパターンを模式的に示すＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のパターンを模式的に示すＩＶｃ−ＩＶｃ線断面図である。 （ａ）は、本発明例における電極パターンを模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のパターンを模式的に示すＶｂ−Ｖｂ線断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のパターンを模式的に示すＶｃ−Ｖｃ線断面図である。 本発明例に係る周期分極反転構造の平面的パターンを示す模式図である。 比較例に係る周期分極反転構造の平面的パターンを示す模式図である。 本発明例に係る周期分極反転構造の平面的パターンを示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、分極反転部、非分極反転領域と光の伝搬方向との位置関係を示す模式図である。 非分極反転領域７ｇが曲がっている例を示す模式図である。 本発明例に係る素子１２Ａを模式的に示す横断面図である。 本発明例に係る素子１２Ａを模式的に示す斜視図である。 周期分極反転構造の局所的な欠陥を示す写真である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
まず、図１に示すように、強誘電性結晶基板１の第一の主面１ａに、パターニングされた絶縁膜２を形成する。絶縁膜２にはパターニングを施し、隣り合う絶縁膜２間にそれぞれ隙間を形成する。

ここで、強誘電性結晶基板１は、Ｚカット基板、オフカットＺ基板、Ｙカット基板、オフカットＹ基板、Ｘカット基板、またはオフカットＸ基板からなる。Ｚカット基板は、結晶のＺ軸（分極軸）が基板１の主面に対して垂直な基板である。オフカットＺ基板においては、結晶のＺ軸（分極軸）が基板１の主面に対して垂直な方向からオフカット角だけ傾斜している。Ｙカット基板およびＸカット基板は、結晶のＺ軸（分極軸）が基板１の主面に対して平行な基板である。オフカットＹ基板、オフカットＸ基板においては、結晶のＺ軸（分極軸）が基板１の主面に対して平行な方向からオフカット角だけ傾斜している。

前記のオフカット角度は、１０°以下が好ましく、５°以下が更に好ましい。オフカット角が１０ °以下であれば、半導体レーザーとの光軸調整も、傾き補正しなくても波長変換効率の劣化は無視でき、高効率な波長変換素子を実現することができる。

周期分極反転構造を形成するべき基板を構成する強誘電性結晶の種類は、限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４を例示できる。単結晶が特に好ましい。

強誘電性結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。

強誘電性結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

電圧印加法の電極で採用する絶縁膜の材質は限定されないが、ＳｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_５のような酸化物、窒化珪素のような窒化物であってよい。絶縁膜の成膜方法としては、蒸着法でもスパッタリング法、スピンコート法でもよい。

パターニングされた絶縁膜の厚さは、特に限定されないが、５００オングストローム以上、４０００オングストローム以下が好ましい。絶縁膜の厚さが小さい場合は、絶縁性が低くなり、分極反転が形成されにくい。絶縁膜が厚すぎる場合は、パターニング精度が悪くなる。

絶縁膜をパターニングして隙間を形成する方法は特に限定されない。例えば、絶縁膜上にフォトレジストをスピンコーティングし、マスク露光、現像を経て、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、エッチング処理を行うことで、隙間を形成できる。エッチング処理はウェットエッチングでも、ドライエッチングでもよいが、理想的には基板表面にダメージを与えにくいウェットエッチングの方が好適である。

次いで、図１（ｂ）に示すように、複数列の絶縁膜２の上に導電膜３を形成する。この導電膜３は、絶縁膜２を被覆する絶縁膜被覆部５と、主面１ａを直接被覆する電極片部４を含む。したがって、複数列の細長い電極片部４が多数配列されると共に、隣接する電極部４間には絶縁膜２が介在することになる。
基板１の第二の主面１ｂには一様電極１４を形成する。

導電膜、一様電極の材質は限定されないが、Al、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr 、Pd、Ta 、Mo、W、Ta、AuCrの積層膜などが好ましい。

導電膜、一様電極の形成方法は特に限定されず、蒸着法でもよく、スパッタリング法でもよい。電極の膜厚は、例えば５００〜３０００オングストロームとすることができる。

次いで、電圧印加法によって電極片部と一様電極との間に電圧を印加し、基板に周期分極反転構造を形成する。強誘電性結晶基板１がＺカットあるいはオフセットＺカット基板の場合は、図１（ｃ）に示すように、導電膜ないし電極片部を電源６に接続すると共に、一様電極１４と電源との間にコンデンサを介在させて電圧を印加するのが好ましい。

このコンデンサは、回路部品であって良い。あるいは、コンデンサは、両方の主面に電極１０Ａ、１０Ｂの形成された誘電体基板５であってもよい。

この場合には、一様電極１４と誘電体基板５上の第一の電極とを電気的に導通させ、好ましくは強誘電性結晶基板１の温度が誘電体基板５の温度よりも高い状態で誘電体基板上の第二の電極と電極片部４の間に電圧を印加することによって、周期分極反転部を形成する。

誘電体基板は、絶縁性液体中に浸漬することもできる。また、強誘電体結晶基板と誘電体基板とを別の容器内の絶縁性液体中に浸漬することもできる。

本実施形態においては、電圧印加時における強誘電性結晶基板の温度は、分極反転構造の形成促進という観点からは、８０°Ｃ以上が好ましく、１４０°Ｃ以上がさらに好ましい。また、電圧印加時における強誘電性結晶基板の温度は、強誘電性結晶基板の割れや焦電防止という観点からは、２５０°Ｃ以下が好ましく、２００°Ｃ以下がさらに好ましい。

また、電圧印加時における誘電体基板の温度は、基板の割れや焦電防止という観点から、１３０°Ｃ以下が好ましく、８０°Ｃ以下がさらに好ましい。この下限は特になく、室温であってもよい。

強誘電性結晶基板、誘電体基板は、電圧印加時の絶縁破壊を防止するために、絶縁性液体中に浸漬することが好ましい。この場合には、各絶縁性液体の温度に温度差を設ける。この絶縁性液体としては、絶縁オイル（例えばシリコンオイル）、フッ素系不活性液体を例示できる。また、電圧印加時の絶縁破壊を防止するために、強誘電体結晶基板や誘電体基板を真空雰囲気に中に設置することも可能であるが、真空装置等の設備が必要となる。

電圧印加方法は特に限定されないが、絶縁体液体中に基板を設置してプローブピンにて電極パターンと接触させ高電圧を給電する方法が比較的容易である。なお、この際、プローブピンの位置は、電極のパターンの中央である方が望ましい。

電圧はパルス電圧であることが好ましく、直流バイアス電圧を更に印加してもよい。パルス電圧の好ましい条件は以下のとおりである。
パルス電圧：2.0kV〜8.0kV(/mm)
パルス幅：0.1ms〜10ms
直流バイアス電圧：1.0kV〜5.0kV(/mm)
なお、Ｙカット、Ｘカット、オフカットＹ、オフカットＸ基板への電圧印加は、特許公報第４８５４１８７号に記載の方法が適用できる。

次いで、図２（ａ）に示すように、導電膜および一様電極を除去し、次いで図２（ｂ）に示すように絶縁膜を除去することで、周期分極反転構造７の形成された基板１を得る。周期分極反転構造７は、光の進行方向に向かって交互に多数配列された分極反転部７ａと非分極反転部７ｂとからなる。

好適な実施形態においては、図２（ｃ）に示すように、基板１の第一の主面１ａを支持基板９の主面９ａに接着する。１１は接着層である。この接着剤としては、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０^−６／Ｋ）を例示できる。

次いで、基板１の第二の主面（一様電極側の主面）１ｂを研磨することによって薄層化し、波長変換基板１Ａが設けられた素子１２を得る（図２（ｄ））。なお７Ａは周期分極反転構造であり、１ｃは研磨面である。

この研磨方法としては、ラッピング加工とＣＭＰ加工を併用した方法が例示できる。薄層化後の基板１Ａの厚さは、波長変換効率の観点からは、6μｍ以下が好ましく、4μｍ以下が更に好ましい。また、同様に、波長変換効率および機械的強度の観点からは、1.5μｍ以上が好ましい。

ここで、本発明の製法では、上述した電極の平面的パターンを変更する。
すなわち、図３に示す比較例においては、基板１の主面１ａ上に絶縁膜１５が形成され、絶縁膜１５および主面１ａを被覆するように導電膜３が形成されている。各絶縁膜１５は、基本波の伝搬方向Ａに対して略垂直方向に向かって伸びている。そして、隣接する絶縁膜１５の間には、導電膜によって細長い電極片部１６が形成されており、電極片部１６が主面１ａに接している。そして、各電極片部１６は、基本波の伝搬方向Ａに対して略垂直方向に向かって伸びている。なお、Ｌは各電極片部１６の長手方向であり、基本波の伝搬方向ＡとＬとの角度φは本例では略垂直である。

本明細書において、略垂直な方向とは、厳密に幾何学的な意味で直角である必要はなく、製造上の誤差を許容する趣旨である。

図３に示すような電極パターンを用いて電圧印加法で周期分極反転構造を基板１に形成すると、図１３に示すような局所的な反転欠陥が分極反転部内に生ずることがあった。これは、隣接する電極片部間の相互作用によって分極反転部の周期が局所的に破れたものと考えられる。

一方、本発明においては、たとえば図４に示すように、絶縁膜２を形成する際に、隙間１８を横断するように絶縁膜２０を更に形成する。絶縁膜２０は細長い形状とし、また絶縁膜２０の方向を、矢印Ａ方向（基本波の伝搬方向）に対して傾斜する方向とする。この傾斜角度をθとする。

次いで、図５に示すように導電膜３を形成する。この結果、隣接する絶縁膜２の間に細長い電極片部１６が形成される。各電極片部１６は主面１ａに対して直接接する。これと共に、各電極片部１６を絶縁膜２０が横断するように形成される。この状態で電圧を印加すると、絶縁膜２０の直下では電圧が印加されず、分極反転部が形成されないか、形成されにくくなる。これと同時に、隣接する分極反転部間での相互作用による反転欠陥が生じにくくなる。
ここで、各列の電極片部１６の長手方向をＬとし、基本波の伝搬方向ＡとＬとがなす角度をφとし、絶縁膜（非電極部）２０とＡとの交差角度をθとし、絶縁膜２０と分極反転部の長手方向Ｌとの交差角度をαとする。

図６〜図８は、周期分極反転構造パターンを示す図である。
図６の素子２１は本発明の実施形態に係る。この周期分極反転構造７Ａにおいては、分極反転部７ａと非分極反転部７ｂとが交互に配列されている。各分極反転部７ａを横断するように細長い非分極反転領域７ｃが形成されている。

ここで、各列の分極反転部７ａの長手方向をＬとし、基本波の伝搬方向ＡとＬとがなす角度をφとし、非分極反転領域７ｃとＡとの交差角度をθとし、非分極反転領域７ｃと分極反転部７ａの長手方向Ｌとの交差角度をαとする。

非分極反転領域７ｃと基本波の伝搬方向Ａとは角度θで交差している。本例では、伝搬方向Ａに対して非分極反転領域７ｃの方向は、時計回り方向に回転した方向である。非分極反転領域７ｃは、電極片部を横断する非電極部下に形成される。

図７の素子２２は比較例である。この周期分極反転構造２７においては、分極反転部２７ａと非分極反転部２７ｂとが交互に配列されている。各分極反転部２７ａを横断するように細長い非分極反転領域２７ｃが形成されている。非分極反転領域２７ｃと基本波の伝搬方向Ａとは略平行であり、非分極反転領域２７ｃと各列の分極反転部２７ａの長手方向Ｌとは直交する。こうしたパターンであると、基板内を伝搬してきた基本波が、非分極反転領域２７ｃの近辺で散乱しやすくなり、散乱光が増加する。

図８の素子２３は本発明の実施形態に係る。この周期分極反転構造７Ｂにおいては、分極反転部７ａと非分極反転部７ｂとが交互に配列されている。各分極反転部７ａを横断するように細長い非分極反転領域７ｃ、７ｄが形成されている。本例では、伝搬方向Ａに対して非分極反転領域７ｃの方向は時計回りの方向に回転した方向であり、傾斜角度はθ１である。伝搬方向Ａに対して非分極反転領域７ｄの方向は反時計回りの方向に回転した方向であり、傾斜角度はθ２である。更に、本例では、一部の非分極反転領域７ｃと７ｄとが交差している。

前述のように、隣接する電極片部の間に非電極部を形成すると、周期分極反転構造において、各分極反転部内に非分極反転領域が生成することが多い。しかし、電圧印加条件によっては、こうした非分極反転領域が生成するとは限らず、非分極反転領域が観測できなかったり、あるいは痕跡程度しか形成されないこともある。しかし、このような場合にも、電圧印加時には非電極部が作用するので、得られた素子の波長変換効率は改善している。

本発明においては、非電極部または非分極反転領域が、電極片部または分極反転部の長手方向に対して交差する方向に向かって伸びている。この交差角度α、α１、α２は、散乱光の抑制という観点からは、８０°以下が好ましく、７０°以下が更に好ましい。また、この交差角度α、α１、α２が０°であると、非電極部が電極片部を横断するように形成することができない。このため、本発明の観点からは、この交差角度は０°を超えるが、１０°以上が好ましく、２０°以上が更に好ましい。

好適な実施形態においては、電極片部を横断する非電極部または非分極反転領域が基本波の伝搬方向に対して交差する方向に向かって伸びるように形成されている。この交差角度θ、θ１、θ２は、散乱光の抑制という観点からは、１０°以上が好ましく、２０°以上が更に好ましい。非電極部が電極片部を横断するように形成するという設計の観点からは、この交差角度は９０°未満が好ましく、８０°以下が好ましく、７０°以下が更に好ましい。
基本波の伝搬方向Ａと電極片部または分極反転部の長手方向とがなす角度φは、波長変換効率の観点からは、８０〜１００°が好ましく、略垂直であることが特に好ましい。

反転欠陥を抑制するという観点からは、各非電極部の幅を０．６μｍ以上とすることが好ましく、１μｍ以上とすることが更に好ましい。また、各幅が大きくなりすぎると、波長変換に寄与する領域が狭くなるので、この観点からは、各非電極部の幅を３μｍ以下とすることが好ましく、２μｍ以下とすることが更に好ましい。

また、同様の観点から、各非分極反転領域の幅を０．２μｍ以上とすることが好ましく、０．４μｍ以上とすることが更に好ましい。また、各非分極反転領域の幅を２μｍ以下とすることが好ましく、１μｍ以下とすることが更に好ましい。

各非電極部および各非分極反転領域は、細長い形状とすることが好ましく、これによって反転欠陥を抑制しつつ、波長変換に寄与しない領域の面積も減らすことができる。この観点からは、各非電極部の長さ／幅は、１．２以上とすることが好ましく、１．５以上とすることが更に好ましい。また、各非電極部の幅が小さくなりすぎると反転欠陥抑制の効果が少なくなるので、各非電極部の長さ／幅は、５以下とすることが好ましく、３以下とすることが更に好ましい。

また、各非分極反転部の長さ／幅は、２以上とすることが好ましく、４以上とすることが更に好ましい。また、各非分極反転部の長さ／幅は、１２以下とすることが好ましく、１０以下とすることが更に好ましい。

上述した実施形態においては、基本波の伝搬方向に見て隣接する電極片部の間および非電極部に絶縁膜が設けられており、これによって導電膜が基板に接しないように絶縁を確保する。しかし、こうした絶縁部分（絶縁膜）は必須ではない。たとえば、基板上に絶縁膜なしに導電性の電極片部のみを設けることができる。この場合には、電極片部を横断するように主面を露出させ、露出部分を設ける。この露出部分が非電極部として作用する。

好適な実施形態においては、非電極部または非分極反転領域の伝搬方向Ａに対する交差角度θ、θ１、θ２が複数設けられている。これによって設計の自由度が増す。

好適な実施形態においては、基本波が各列の分極反転部を通過するように非分極反転領域が設計されている。
すなわち、図９（ａ）の例では、基本波Ａが非分極反転領域７ｃをＮで横断するが、このとき同時に分極反転部７ａをＹ領域で通過する。これに対して、図９（ｂ）の例では、基本波Ａが非分極反転領域７ｃを横断する際に、分極反転部７ａを通過しないように横断することが可能になっている。この場合、当該列では分極反転作用が得られないので、全体としての波長変換効率が低下することになる。このため、基本波が非分極反転領域を通過する際に、その該当列の分極反転部を同時に通過するように非分極反転領域を設計することが好ましい。

また、各分極反転部を横断する非分極反転領域が曲がるように設計することができ、これによって設計の自由度が更に改善する。こうした設計によって、基本波が非分極反転領域を通過する際に、その該当列の分極反転部を同時に通過するように非分極反転領域を設計することが、一層容易になる。

例えば図１０に示す例では、分極反転部７ａが図面において上下に向かって伸びている。ここで、非分極反転領域７ｇが設けられているが、本例では、非分極反転領域７ｇが、異なる方向に向かって伸びる領域７ｈと７ｊとからなっている。本例では、各領域７ｈと７ｊとはそれぞれ直線的に伸びており、両領域が一カ所で交差している。θ１、θ２、α１、α２、φは、前述した図８の例と同様である。ただし、本例のように、各領域が一カ所で曲がっている必要はなく、なめらかに湾曲していてもよい。また、非分極反転領域が曲がっている曲折箇所の数は本例では一カ所であるが、２箇所以上で曲折していてもよい。

また、好適な実施形態においては、交差角度が異なる複数の非電極部または非分極反転領域を互いに連続させることができる。

また、非電極部の密度は、電極片部の長さ１００μｍ当たり５〜１５個とすることが好ましく、８〜１２個とすることが更に好ましい。
また、非分極反転部の密度は、非分極反転部の長さ１００μｍ当たり１〜１５個とすることが好ましく、２〜１０個とすることが更に好ましい。
尚、非分極反転領域は集中せずに分散していることが望ましい。
なお、Ｘカット基板、Ｙカット基板およびオフカットＸ基板、オフカットＹ基板のオフカット角が１０度未満の場合は、非分極反転部の密度が低くなり、非電極部の幅が２μｍ以上とした広い設計でも、密度がゼロになる場合がある。

本発明の素子は、第二高調波発生素子等の高調波発生素子に適用できる。第二高調波発生素子として使用した場合には、高調波の波長は３３０−１６００ｎｍが好ましい。

素子に形成する光導波路は、スラブ導波路であって良いが、チャネル型光導波路であってもよい。スラブ型導波路は高出力特性が求められる光源に使用され、チャネル型導波路は光出力が小さくなるが、高効率特性が求められる場合に使用される。
基板に形成されるチャネル型光導波路は限定されず、リッジ形光導波路や、拡散形光導波路であってよい。拡散形光導波路は、金属拡散（例えばチタン拡散）やプロトン交換によって形成できる。リッジ構造を形成するための加工方法は限定されず、機械加工、イオンミリング、ドライエッチング、レーザーアブレーションなどの方法を用いることができる。

図１１、図１２は、波長変換素子のより詳細な構成の一例を示すものである。
強誘電性結晶基板１Ａには、一対の細長い溝３５を設ける。溝３５は互いに平行であり、これらの溝によってリッジ部３３、段差部３４が形成されている。リッジ部３３および段差部３４によってチャネル型光導波路３２が形成されている。各溝３５の各外側には延在部３６が形成されており、溝３５下に薄層部３７が形成されている。また、基板１Ａの例えば全体に、前述のように周期分極反転構造が形成されている。

チャネル型光導波路内では、例えば光の伝搬方向に対して垂直なＺ方向に向かって分極しており、分極方向が周期的に反転している。この結果、光導波路の入射面から入射した基本波は、光導波路内で波長変換を受け、高調波が出射面から出射する。

強誘電性結晶基板１Ａの第一の主面１ａ側にはアンダークラッド３０が形成されており、第二の主面１ｂにはオーバークラッド３１が形成されている。基板１Ａの第二の主面は、アンダークラッド３０、接着層１１を介して支持基板９に対して接着されている。基板１Ａの第一の主面のオーバークラッド３１は、図示しない上側基板に対して接着されていてもよい。

（比較例１）
図１、図２、図３を参照しつつ説明した方法に従い、波長変換素子を作製した。
具体的には、基板１としては、ＭｇＯ添加のＬｉＮｂＯ₃（MgOLN）のＺ基板を使用した。基板１の第一の主面１ａに、絶縁膜としてＳｉＯ_２膜を成膜した。絶縁膜の膜厚は約２０００オングストロームとした。

次いで、絶縁膜にフォトレジストをスピンコーティングし、マスク露光、現像を経て、レジストパターンを形成した。このレジストパターンをマスクにして、ウェットエッチング処理を行うことで、図１（ａ）に示すようなパターニングされた絶縁膜２を形成した。続いて、スパッタリング法によって、導電膜３および１４を成膜した。これらの膜厚は2000オングストロームとし、材質はモリブデンとした。

このように作製した基板１を絶縁オイル内に浸漬し、170℃でパルス電圧を印加した。電圧印加条件としては、約6ｋＶ／ｍｍに設定し、約１ｍｓｅｃ幅の矩形パルスを印加した。
また、誘電体基板５としては、ノンドープＬｉＮｂＯ₃のＺカット基板を使用した。誘電体基板５の＋z面および−ｚ面に、それぞれ、電極１０Ａ、１０Ｂとして、スパッタリング法によってモリブデン膜を形成した。各導電膜の膜厚は１０００オングストロームとした。

電圧印加後、分極反転が形成されているのかどうかを確認するため、弗硝酸混合液（弗酸：硝酸＝1:2）でウェットエッチングした。この結果、周期約６．６μｍに対応した周期状分極反転構造が得られた。

得られた周期分極反転構造を微分干渉顕微鏡によって観測したところ（倍率１０００倍）、図１３に示すように局所的な反転欠陥が観測された。

次いで、周期分極反転構造を形成した後、特許文献２に記載されたようにして、図２、図１１、図１２に示すような素子を作製した。
すなわち、厚さ０．６μｍのＳｉＯ_２アンダークラッド３０をスパッタ法によって成膜した。厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板からなる支持基板９に接着剤１１を塗布した後、基板１の第一の主面１ａを支持基板９に貼り合せ、基板１の第二の主面（一様電極が形成された主面）１ｂを厚さ３．７５μｍとなるまで研削、研磨した（図２（ｃ））。

次いで、レーザーアブレーション加工法により、光導波路３２を形成した。この後、厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２オーバークラッド３１をスパッタ法によって成膜した。そのオーバークラッド３１上に接着剤を塗布した後、厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム単結晶からなる上側基板を接着した。これをダイサーで長さ９ｍｍ、幅１．０ｍｍに素子を切断し、チップを得た。

得られたチップの各部分の寸法を以下に示す（図１２参照）。
チップ長さ Ｌ ： 8mm
チップ幅 Cw ： 0.7mm
チップ高さ ： 1 mm
リッジ幅 Rw ： 5.8um
リッジ深さ Rd ： 2.4um
スラブ高さ Sh ： 3.75um
分極反転周期 Λ：6. 6um

このように形成した素子に、基本光1064nmで発振する半導体レーザー光を入射させると、純緑の532nmの二次高調波を発生させることができる。緑色光の出力としては、素子に３００ｍＷの光を入力した状態で、７５ｍＷの緑色光を得ることができる。なお、緑色出力は素子の温度によって変化するため、ペルチェ素子により温度調整した。緑色出力は、使用する半導体レーザーのスペクトル幅によっても依存し、線幅が０．２ｎｍ以上のレーザーとなると、入力する光が大きくても、高い出力が得られない場合がある。

（実施例１）
比較例１と同様にして波長変換素子を作製した。
ただし、比較例１と異なり、図４、図５に示すようなパターンの電極を形成した。ここで、角度φは９０°であり、各非電極部の交差角度θ、αは３０〜６０°であり、各非電極部の幅は１μｍであり、長さ／幅は１．５であった。また、非電極部の密度は、電極片部の長さ１００μｍ当たり８個とした。

この結果、図６に示すような形態の周期分極反転構造が得られた。ここで、角度φは９０°であり、各非分極反転部の交差角度θ、αは３０〜６０°であり、各非分極反転部の幅は平均して０．６μｍとなり、長さ／幅は平均５となった。また、非分極反転部の密度は、電極片部の長さ１００μｍ当たり８個であった。
図１３に示したような反転欠陥は観測されなかった。

また、比較例１と同様にして光学特性を測定した。二次高調波の出力は７８ｍＷであった。

（比較例２）
比較例１と同様にして波長変換素子を作製した。
ただし、比較例１と異なり、強誘電体単結晶基板として５度オフカットＹ基板を用いた。得られた周期分極反転構造を微分干渉顕微鏡によって観測したところ（倍率１０００倍）、比較例１と同様の局所的な反転欠陥が観測された。

また、比較例１と同様にして光学特性を測定した。素子に３００ｍＷの基本波を入射させたところ、二次高調波の出力は８０ｍＷであった。

（実施例２）
比較例２と同様にして波長変換素子を作製した。
ただし、比較例２と異なり、図４、図５に示すようなパターンの電極を形成した。ここで、角度φは９０°であり、各非電極部の交差角度θ、αは３０〜６０°であり、各非電極部の幅は２μｍであり、長さ／幅は１．５であった。また、非電極部の密度は、電極片部の長さ１００μｍ当たり８個とした。

この結果、図６に示すような形態の周期分極反転構造が得られた。角度φは９０°であり、各非分極反転部の交差角度θ、αは３０〜６０°であり、各の非分極反転部幅は平均して０．４μｍとなり、長さ／幅は平均８となった。また、非分極反転部の密度は、電極片部の長さ１００μｍ当たり４個であった。５度オフカットＹ基板の場合は、Ｚ基板と比べ、非電極部の幅が広くても、電圧印加処理した結果、非分極反転部が連結しやすく、非分極反転部の密度が減る傾向が見られた。
図１３に示したような反転欠陥は観測されなかった。

また、比較例１と同様にして光学特性を測定した。素子に３００ｍＷの基本波を入射させたところ、二次高調波の出力は８５ｍＷであった。
同様な導波路構造でもオフカットＹ基板の方がＳＨＧ出力が高くなった理由として、Ｚカット基板の場合は分極反転部を研磨すると、分極反転構造の周期にならう凹凸の段差が数ｎｍ生じるためで、この段差により基本光や第二高調波の損失が大きくなったためと推察する。

Claims (8)

1. 強誘電性結晶からなり、第一の主面および第二の主面を有する強誘電性結晶基板、およびこの強誘電性結晶基板に設けられた周期分極反転構造を備える波長変換素子を製造する方法であって、
   前記強誘電性結晶基板の前記第一の主面に設けられた複数の電極片部と、前記強誘電性結晶基板の前記第二の主面に設けられた一様電極との間に電圧を印加することによって前記周期分極反転構造を形成し、前記電極片部の長手方向に対して斜めに交差する方向に向かって伸びる非電極部を前記電極片部を横断するように形成することを特徴とする、波長変換素子の製造方法。
2. 複数の前記非電極部の前記電極片部の長手方向に対する交差角度が互いに異なることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記交差角度が異なる複数の前記非電極部が互いに連続することを特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 強誘電性結晶からなり、第一の主面および第二の主面を有する強誘電性結晶基板、およびこの強誘電性結晶基板に設けられた周期分極反転構造を備える波長変換素子であって、
   前記周期分極反転構造が、交互に配列された分極反転部と非分極反転部を備えており、更に前記分極反転部を横断するように前記分極反転部の長手方向に対して斜めに交差する方向に向かって伸びる非分極反転領域を備えることを特徴とする、波長変換素子。
5. 前記非分極反転領域の長手方向が前記基本波の前記伝搬方向に対して傾斜していることを特徴とする、請求項４記載の素子。
6. 前記基本波が各列の前記分極反転部を通過するように前記非分極反転領域が設計されていることを特徴とする、請求項４または５記載の素子。
7. 前記非分極反転領域が曲がっていることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一つの請求項に記載の素子。
8. 前記強誘電性結晶基板にチャネル型光導波路が設けられており、このチャネル型光導波路内に前記周期分極反転構造が形成されていることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一つの請求項に記載の素子。

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