JP2951583B2

JP2951583B2 - 光導波路部品、第二高調波発生デバイスおよび光導波路部品の製造方法

Info

Publication number: JP2951583B2
Application number: JP34094995A
Authority: JP
Inventors: 竜生川口; 美能留今枝
Original assignee: NIPPON GAISHI KK
Current assignee: NIPPON GAISHI KK
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1999-09-20
Anticipated expiration: 2015-12-27
Also published as: JPH09179156A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、擬似位相整合方式の第
二高調波発生デバイスに使用できる光導波路部品、その
製造方法および第二高調波発生デバイスに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】光ピックアップ等に用いられる青色レー
ザー用光源として、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチ
ウム単結晶に周期的な分極反転構造を形成した光導波路
を使用した擬似位相整合（Quasi-Phase-Matched ：ＱＰ
Ｍ）方式の第二高調波発生（Second-Harmonic-Generati
on:SHG）デバイスが期待されている。こうしたデバイス
は、光ディスクメモリー用、医学用、光化学用、各種光
計測用等の幅広い応用が可能である。

【０００３】ニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチ
ウム単結晶からなる基板の上に周期分極反転構造を形成
する方法としては、チタン内拡散法、Ｌｉ₂Ｏ外拡散
法、ＳｉＯ₂装荷熱処理法、プロトン交換熱処理法、電
子ビーム走査照射法、電圧印加法等が一般に行われてい
る。しかし、これらの方法は、いずれも単分域処理され
た基板の分極方向を周期的に反転させるために、単結晶
の材質それ自体を変質させる方法である。また、単結晶
基板の材質としては、分極方向に対して垂直な方向に延
びる主面を有する基板を使用している。例えば、図８に
示す模式図を参照しつつ説明すると、単結晶基板２０の
分極方向はＲであり、基板２０の主面２１は＋Ｚ面であ
る。最初の段階では、単結晶基板２０の全体がＲ方向
（Ｚ方向）へと向かって分極している。これに所定パタ
ーンのマスクを形成してチタン内拡散法やＬｉ₂Ｏ内拡
散法等によって一部分を分極させて、周期分極反転構造
を構成する。また、電子ビームによって必要な箇所を走
査することで、その走査した部分の分極方向を他の部分
に対して反転させる。この結果、前記の各処理を受けな
い部分２２Ａでは、基板と同じ方向Ｐに分極し、処理を
受けた部分２２Ｂにおいては、基板と反対方向Ｑに向か
って分極している。

【０００４】また、「Appl. Phys. Lett. 」６２（１９
９３年）１８６０頁〜１８６２頁には、タンタル酸リチ
ウム単結晶基板の表面に、プロトン交換法によって周期
分極反転構造を構成する例が記載されている。しかし、
これも上述したものと同様に、単分域処理された基板の
分極を反転させる処理を施したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、こうした第二
高調波発生デバイスにおいては、前記したように単結晶
基板自体を一方向に分極させる単分域処理の後に、主面
の所定箇所を化学的に処理したり、熱的に処理すること
によって分極反転部分を形成する。しかし、こうした工
程は必然的に強誘電体光学単結晶の劣化を伴う。こうし
た周期分極反転構造によると、第二高調波発生デバイス
等に用いた場合に、光損傷が大きくなり易く、このため
に第二高調波の出力の入力に対する比率が小さいため
に、実用的なデバイスを提供することが困難であった。

【０００６】従って、実用的な高出力の第二高調波発生
デバイスを提供する上で、強誘電体光学単結晶の劣化を
招くことなしに周期分極反転構造を構成することが要望
されていた。

【０００７】本発明の課題は、強誘電体光学単結晶基板
に周期分極反転構造を構成するのに際して、強誘電体光
学単結晶の劣化を招くことなく、高出力の出射光が得ら
れるようにし、光導波路部品の効率を向上させることで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光導波路部
品は、一方の主面および他方の主面を有する強誘電体光
学単結晶基板と、強誘電体光学単結晶基板の一方の主面
上にエピタキシャル成長した少なくとも一層の強誘電体
光学単結晶膜とを備えている光導波路部品であって、強
誘電体光学単結晶基板の一方の主面および他方の主面を
含めた全体と、強誘電体光学単結晶膜とが、強誘電体光
学単結晶膜と略水平な方向に向かって分極しており、前
記強誘電体光学単結晶膜中における分極の方向が周期的
に反転していることを特徴とする。

【０００９】また、本発明は、前記した光導波路部品
と、この光導波路部品の前記強誘電体光学単結晶膜に対
して基本波を照射するための光源とを備えている、第二
高調波発生デバイスに係るものである。

【００１０】また、本発明は、前記の光導波路部品を製
造するのに際して、強誘電体光学単結晶基板の一方の主
面に、交互に隣接する第一の傾斜面と第二の傾斜面との
繰り返し単位からなる周期的構造を形成し、この際第一
の傾斜面の法線の前記基板の分極軸に平行な方向の成分
が負となり、かつ第二の傾斜面の法線の基板の分極軸に
平行な方向の成分が正となるように周期的構造を形成
し、次いでこの一方の主面上に強誘電体光学単結晶膜を
エピタキシャル成長させることを特徴とする。

【００１１】本発明者は、各種の強誘電体光学単結晶基
板上に液相エピタキシャル成長法によって強誘電体光学
単結晶膜を形成する研究を続けていたが、この研究の過
程で、主面とほぼ水平な方向に分極するように単分域処
理された強誘電体光学単結晶基板に所定の周期的構造を
形成し、この上に液相エピタキシャル成長法によって膜
を形成したとときに、膜の分極方向が周期的に反転する
ことを発見し、本発明に到達した。

【００１２】具体的には、膜ないし主面に対して略平行
な方向に分極方向が延びるように強誘電体光学単結晶基
板を切断し、基板の主面に、交互に隣接する第一の傾斜
面と第二の傾斜面との繰り返し単位からなる周期的構造
を形成する。この際、第一の傾斜面の法線の分極軸に平
行な方向の成分が負となり、かつ第二の傾斜面の法線の
分極軸に平行な方向の成分が正となるように周期的構造
を形成する。これによって、後の液相エピタキシャル成
長工程において、第一の傾斜面上のエピタキシャル膜と
第二の傾斜面上のエピタキシャル膜との間で分極方向が
逆になり、このために周期分極反転構造が形成されるこ
とが判明した。

【００１３】しかも、このようなデバイスは、耐光損傷
性が優れており、このために光の出力、特に第二高調波
発生デバイスの場合には変換効率が著しく優れたもので
あった。

【００１４】なお、特開平４−１０４２３３号公報によ
れば、単分域処理された誘電体結晶基板上に膜を液相エ
ピタキシャル成長させ、この際膜のキュリー温度を成膜
温度（液相エピタキシャル温度）よりも高くすることに
よって、基板と逆方向に単分域化された誘電体結晶膜を
形成する方法が記載されている。ここで、膜の分極方向
は、基板の分極方向に対して逆になる。しかし、これは
基板の分極方向が基板の主面に対して垂直方向であり、
また膜の分極方向はすべて基板の分極方向に対して逆転
しているものであって、本発明とは直接関係ない。

【００１５】

【発明の実施形態】以下、本発明のプロセスおよびデバ
イスについて、図１〜図４を参照しつつ更に説明する。

【００１６】図１（ａ）においては、強誘電体光学単結
晶基板１が単分域処理されている。この分極方向を矢印
２で表す。基板１を構成する単結晶は、基板１の主面に
対して略平行な方向に分極している。この単分域処理の
方法は公知である。ただし、本実施形態においては、基
板１の側面１ａはＺ面に対して角度θ傾斜しており、底
面１ｃはｘ面に対して角度θ傾斜している。側面１ｂは
ｙ面である。

【００１７】この基板１を製造するためには、まず直方
体の基板を単結晶ブールから切り出すときに、その主面
１ｄ、１ｃ、側面１ｂ、１ａが前記の分極方向となるよ
うに基板を切り出す。次いで、この基板１の主面１ｄに
凹部３０を形成する。この際、凹部３０とその他の部分
とが交互に隣接するようにして繰り返し単位３１を作
り、この繰り返し単位３１が一対の側面１ｂの間に繰り
返して現れるようにして、周期的構造を作製する。

【００１８】この結果、基板１の主面１ｄには、分極軸
２に対して傾斜している傾斜面４Ａと４Ｂとが交互に現
れる周期的構造が形成される。この際、分極軸２に対し
て垂直な軸３を考えたときに、傾斜面４Ａの法線６Ａと
軸３とがなす角度がθとなり、かつ傾斜面４Ｂの法線６
Ｂと軸３とがなす角度がθとなるようにする。なお、こ
こで傾斜面４Ａの法線６Ａと軸３とがなす角度と、傾斜
面４Ｂの法線６Ｂと軸３とがなす角度とを、互いに異な
らせてもよい。

【００１９】このように基板１上に周期的構造を形成す
る方法は特に限定はされない。しかし、例えば、まず前
記したように基板の主面１ｄを分極軸２に対してθ傾斜
させた基板を切り出した後に、図１（ａ）に示す平面的
形状となるようにストライプ状にマスクパターンを形成
する。反応性イオンエッチングを行う際に、このマスク
パターンの厚さを厚くすると、凹部３０が相対的に浅く
なり、マスクパターンの厚さを小さくすると、凹部３０
が相対的に深くなる。これを利用し、マスクパターンの
厚さを０．１μｍ〜５０μｍの範囲内で調整することに
よって、凹部の深さを０．１μｍ〜５０μｍの範囲内で
調節することができる。そして、基板１の一対の側面１
ａの間でマスクパターンの厚さを傾斜させることによっ
て、徐々に深さが変化する凹部３０を形成することがで
きる。

【００２０】この角度θは、０．１°以上とすることが
好ましく、これによって膜の分極を確実に行うことがで
き、一部の膜が多分域化する事態を防止できる。このθ
は、本発明においては、３０°以下とすることが好まし
い。ただし、反応性イオンエッチング法を使用した場合
には、θの上限は１０°程度である。周期的構造のピッ
チは、用途によるが、通常は１〜２０μｍである。

【００２１】次いで、この基板１を所定組成の溶融体中
に浸漬することによって、図１（ｂ）および図２（ａ）
に示すように光導波路部品を製造する。この際には、傾
斜面４Ａ上では、傾斜面４Ａの法線６Ａの分極軸と平行
な方向の成分が負であり、即ち、傾斜面４Ａが分極軸２
の方向とは遠ざかる方向に傾斜している。そして、溶融
体の電気的性質によるが、特定の溶融体（例えば、溶媒
としてＬｉ ₂Ｏ−Ｖ₂Ｏ₅を用いた溶融体）を使用した
場合には、傾斜面４Ａ上の膜８Ａは矢印Ａ方向、即ち基
板１と同じ方向に分極する。一方、傾斜面４Ｂ上では、
傾斜面４Ｂの法線６Ｂの分極軸と平行な方向の成分が正
であるために、即ち、傾斜面４Ｂが分極軸２の方向と接
近する方向に向かって傾斜している。そして、前記の溶
融体を使用した場合には、傾斜面４Ｂ上の膜８Ｂは、矢
印Ｂ方向、即ち基板１とは反対の方向に向かって分極す
る。

【００２２】しかし、溶融体の電気的性質によっては
（例えば、溶媒としてＬｉ ₂Ｏ−Ｂ₂Ｏ₃を用いた溶融
体の場合）、上記とは逆の方向に分極することがある。
これは、後述する各実施形態においてもまったく同様で
ある。この場合には、傾斜面４Ａ上では、傾斜面４Ａの
法線６Ａの分極軸と平行な方向の成分が負であるが、傾
斜面４Ａ上の膜８Ａは、矢印Ｂ方向、即ち基板１と反対
の方向に分極する。一方、傾斜面４Ｂ上の膜８Ｂは、矢
印Ａ方向、即ち基板１と同じ方向に向かって分極する。

【００２３】また、図２（ｂ）に示すように、第一の強
誘電体光学単結晶膜９上に第二の強誘電体光学単結晶膜
１０を液相エピタキシャル成長法によって形成すること
ができる。これにって、第二の膜１０には、下側の第一
の膜９の周期分極反転構造がそのまま引き継がれ、転写
される。即ち、膜１１Ａは８Ａと同じ方向に分極し、膜
１１Ｂは８Ｂと同じ方向に分極する。

【００２４】図３（ａ）においては、強誘電体光学単結
晶基板１２が単分域処理されている。この分極方向を矢
印２で表す。基板１２を構成する単結晶は、基板１２の
主面１２ｄに対して略平行な方向に分極している。本実
施形態においては、基板１２の側面１２ａはＺ面に対し
て角度θ傾斜しており、底面１２ｃはｘ面に対して角度
θ傾斜している。側面１２ｂはｙ面である。

【００２５】この基板１２を製造するためには、まず直
方体の基板を単結晶ブールから切り出すときに、その主
面１２ｄ、１２ｃ、側面１２ｂ、１２ａが前記の分極方
向となるように基板を切り出す。次いで、この基板１２
の主面１２ｄに前記したようにして周期的構造を形成す
る。

【００２６】この結果、基板１２の主面１２ｄには、分
極軸２に対して傾斜している傾斜面１４Ａと１４Ｂとが
交互に現れる周期的構造が形成される。この際、分極軸
２に対して垂直な軸３を考えたときに、傾斜面１４Ａの
法線６Ａと軸３とがなす角度がθとなり、かつ傾斜面１
４Ｂの法線６Ｂと軸３とがなす角度がθとなるようにす
る。傾斜面１４Ａの法線６Ａと軸３とがなす角度と、傾
斜面１４Ｂの法線６Ｂと軸３とがなす角度とを、互いに
異ならせてもよい。

【００２７】次いで、この基板１２を所定組成の溶融体
中に浸漬することによって、図３（ｂ）に示すように膜
３２を形成し、光導波路部品を製造する。この際には、
傾斜面１４Ａ上では、傾斜面１４Ａの法線６Ａの分極軸
と平行な方向の成分が負であり、即ち、傾斜面１４Ａが
分極軸２の方向とは遠ざかる方向に傾斜している。そし
て、溶融体の電気的性質によるが、特定の溶融体を使用
した場合には、傾斜面１４Ａ上の膜８Ａは、矢印Ａ方
向、即ち基板１と同じ方向に分極する。一方、傾斜面１
４Ｂ上では、傾斜面１４Ｂの法線６Ｂの分極軸と平行な
方向の成分が正であり、即ち、傾斜面１４Ｂが分極軸２
の方向と接近する方向に向かって傾斜している。そし
て、前記の溶融体を使用した場合には、傾斜面１４Ｂ上
の膜８Ｂは、矢印Ｂ方向、即ち基板１とは反対の方向に
向かって分極する。

【００２８】図１〜３の実施形態においては、基板の分
極の方向が、作製されたデバイスにおける光の進行方向
に対してほぼ垂直になっており、かつ膜内における周期
分極反転構造の分極方向が、膜に対して略水平になって
いる。このために、例えば基本波光源として半導体レー
ザーを使用する擬似位相整合第二高調波発生デバイスに
利用する場合には、半導体レーザーの偏光方向と第二高
調波の偏光方向（ＴＥモード）とが一致するため、組み
立ての際に、半導体レーザーと光導波路部品との間の光
学的アライメントが極めて容易であり、かつ光の結合損
失を著しく小さくすることができる。

【００２９】図４（ａ）においては、強誘電体光学単結
晶基板１６が単分域処理されている。この分極方向を矢
印１７で表す。基板１６を構成する単結晶は、基板１６
の主面１６ｄに対して略平行な方向に分極している。な
お、１６ａ、１６ｂは側面であり、１６ｃは底面であ
る。

【００３０】そして、基板１６の主面１６ｄには、前記
したようにして、分極軸１７に対して傾斜している傾斜
面１８Ａと１８Ｂとが交互に現れる周期的構造が形成さ
れる。この際、分極軸１７に対して垂直な軸３を考えた
ときに、傾斜面１８Ａの法線６Ａと軸３とがなす角度が
θとなり、かつ傾斜面１８Ｂの法線６Ｂと軸３とがなす
角度がθとなるようにする。傾斜面１８Ａの法線６Ａと
軸３とがなす角度と、傾斜面１８Ｂの法線６Ｂと軸３と
がなす角度とを、互いに異ならせてもよい。

【００３１】次いで、この基板１６を所定組成の溶融体
中に浸漬することによって、図４（ｂ）に示すように膜
３３を形成し、光導波路部品を製造する。この際には、
傾斜面１８Ａ上では、傾斜面１８Ａの法線６Ａの分極軸
と平行な方向の成分が負であるために、溶融体の電気的
性質によるが、特定の溶融体を使用した場合には、傾斜
面１８Ａ上の膜１９Ａは、矢印Ａ方向、即ち基板１と同
じ方向に分極する。一方、傾斜面１８Ｂ上では、傾斜面
１８Ｂの法線６Ｂの分極軸と平行な方向の成分が正であ
るために、前記の溶融体を使用した場合には、傾斜面１
８Ｂ上の膜１９Ｂは、基板１とは反対の方向に向かって
分極する。

【００３２】前記のマスクパターンを形成する材質とし
ては、レジスト、ＳｉＯ ₂、Ｔａ等を例示でき、マスク
パターンを形成する方法としては、フォトリソグラフィ
ー法を例示できる。

【００３３】本発明において使用できる基板の材質とし
ては、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＫＬＮ、ＬｉＮｂ
Ｏ₃−ＬｉＴａＯ₃固溶体を例示できる。また、基板上
に形成できる膜の材質としては、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴ
ａＯ₃、ＫＬＮ、ＬｉＮｂＯ₃−ＬｉＴａＯ₃固溶体を
例示できる。

【００３４】本発明の光導波路部品を各種のデバイスに
使用する場合には、膜９、３２、３３のように基板上に
直接形成されている膜の屈折率を基板の屈折率よりも大
きくすることによって、膜中に光を伝搬させることがで
きる。また、図２（ｂ）に示すように、第一の膜上に第
二の強誘電体光学単結晶膜を形成する場合には、この第
二の膜の屈折率を第一の膜の屈折率よりも大きくするこ
とによって、この第二の膜を光導波路として使用でき
る。しかし、いわゆる放射型の第二高調波発生デバイス
の場合には、下側の基板ないし第一の膜よりも屈折率が
小さいな強誘電体光学単結晶膜に対して光を入射させる
ことも可能である。

【００３５】本発明の特に好適な態様においては、前記
基板として、ニオブ酸リチウム単結晶基板を使用し、前
記強誘電体光学単結晶膜として、ニオブ酸リチウム─タ
ンタル酸リチウム固溶体膜を作製する。これは、従来
は、溶解度の関係から困難であるとされてきた組み合わ
せである。実際には、ニオブ酸リチウム─タンタル酸リ
チウム固溶体膜の組成をＬｉＮｂ_1-xＴａ_xＯ₃と表示
したときに、０＜ｘ≦０．８の範囲内で固溶体膜を作成
できることが分かった。

【００３６】また、他の好適な態様においては、前記基
板としてニオブ酸リチウム─タンタル酸リチウム固溶体
からなる単結晶基板を使用し、ニオブ酸リチウム─タン
タル酸リチウム固溶体膜を作製する。ニオブ酸リチウム
─タンタル酸リチウム単結晶基板の組成は、ＬｉＮｂ
_1-zＴａ_zＯ₃（０＜ｚ≦０．８）と表示することがで
き、ここで、ｘおよびｚがｚ＜ｘの関係を満足している
ので、（０＜ｚ＜０．８）となる。即ち、固溶体膜の方
が基板よりもタンタルの置換割合が大きい。

【００３７】この態様において、基板を接触させるため
の溶融体は、主としてＬｉ₂Ｏ、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ
₅フラックスからなる。Ｌｉ₂Ｏの仕込み量は、Ｎｂ₂
Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅およびフラックスの仕込み量の合計
（モル数）にほぼ等しくなるように調合する。溶融体
は、溶質成分であるＬｉＮｂＯ₃およびＬｉＴａＯ
₃と、溶媒成分（フラックス）からなる、ＬｉＮｂＯ₃
─ＬｉＴａＯ₃─溶融媒体の擬三元系組成であると考え
ることができる。また、溶融体は、溶質成分であるＬｉ
Ｎｂ_1-xＴａ_xＯ₃と、溶媒成分（フラックス）からな
る、ＬｉＮｂ _1-xＴａ_xＯ₃─溶融媒体の擬二元系組成
であると考えることができる。こうしたフラックスとし
ては、Ｖ₂Ｏ₅、Ｂ₂Ｏ₃、ＭｏＯ₃、ＷＯ₃を好適な
ものとして例示できる。

【００３８】図５は、ＬｉＮｂ_1-xＴａ_xＯ₃─ＬｉＶ
Ｏ₃の擬二元系組成の相図である。横軸は、ＬｉＮｂ
_1-xＴａ_xＯ₃の割合をモル％で示す。縦軸は温度を示
す。図６は、図５に示す相図を、ＬｉＮｂＯ₃─ＬｉＴ
ａＯ₃─ＬｉＶＯ₃の擬三元系組成の三角図として表示
しなおしたものである。図６における「９００」から
「１３００」までの各数値は、それぞれ各組成点におけ
る飽和温度を示す数値である。

【００３９】まず、飽和状態における液相の組成は、こ
の三角図において、飽和温度１２００℃以下の部分であ
ることが必要である。なぜなら、ニオブ酸リチウム単結
晶基板のキュリー温度は約１２００℃であるため、１２
００℃を越える温度の液相部分に対して基板を接触させ
ると、基板が多分域化してしまい、基板の結晶性にダメ
ージを与えるのと共に、高品質膜の作成が困難になるか
らである。この組成範囲は、図６の三角図においては、
曲線Ｉで表示されている。

【００４０】この観点から、高品質の膜を作成するため
には、更に、過冷却状態の液相部分の温度を１１５０℃
以下とすることが好ましい。１１５０℃以下の膜形成温
度を採用することによって、膜の結晶性が一層向上し、
この膜内に光導波路を形成したときに、光導波路におけ
る光損傷が顕著に減少するからである。また、膜形成温
度は７５０℃以上とすることが好ましく、７５０℃未満
の成膜温度では、上記の固溶体膜を形成することが困難
であった。

【００４１】その溶融体の組成範囲は、図６の擬三元系
組成の三角図に示される組成範囲内である。ここで、カ
ッコの中の数値は、（ＬｉＶＯ₃のモル数、ＬｉＮｂＯ
₃のモル数、ＬｉＴａＯ₃のモル数）に該当する。

【００４２】ＬｉＮｂＯ₃のモル数：ＬｉＴａＯ₃のモ
ル数比率は、４０％以上：６０％以下である必要がある
ことが判明した。この理由は明確ではないが、次のよう
に推定した。図７（ａ）〜（ｃ）の模式的なグラフを参
照しつつ説明する。図７の各グラフにおいて、縦軸は溶
出または析出の速度を示しており、横軸はＬｉＴａＯ₃
のモル数のＬｉＮｂＯ₃のモル数に対する比率を示す。

【００４３】ニオブ酸リチウム単結晶基板上に前記固溶
体膜を析出させるためには、ニオブ酸リチウムが過冷却
状態の液相中に溶出する溶出速度よりも、液相から固体
が析出する析出速度の方が速くなくてはならない。ま
た、ＬｉＮｂＯ₃のモル数が少ないほど、即ち、グラフ
において右の方に行くほど、溶融体に対するニオブ酸リ
チウムの溶解度が高くなり、この結果、ニオブ酸リチウ
ムの溶出速度は大きくなる。この一方、ＬｉＮｂＯ₃の
モル数が少ないほど、析出速度の方は小さくなってく
る。この結果、ある点Ｆにおいてニオブ酸リチウムの溶
出速度が、固溶体膜の析出速度を上回り、成膜が不可能
になる。

【００４４】また、液相の過冷却度が重要であるらし
い。図７（ａ）は過冷却度が大きい場合のグラフであ
り、図７（ｂ）は図７（ａ）よりも過冷却度が小さい場
合のグラフであり、図７（ｃ）は図７（ｂ）よりも過冷
却度が小さい場合のグラフである。液相の過冷却度が小
さくなるほど、固溶体膜の析出速度が小さくなり、かつ
液相の温度が上昇するため、ニオブ酸リチウムの溶出速
度が上昇してくる。この結果、成膜可能なＬｉＴａＯ₃
のモル比率が減少してくる。

【００４５】このグラフだけを見ると、ＬｉＴａＯ₃の
モル比率を上昇させるためには、過冷却度を大きくすれ
ば良いことになる。しかし、過冷却度を大きくしすぎる
と、過冷却状態を安定に制御することができなくなり、
実際上には５０℃を越えると、過冷却状態を維持するこ
とができなかった。

【００４６】以上の理由から、成膜可能な、液相におけ
るＬｉＴａＯ₃の含有割合には限界がある。具体的に
は、ＬｉＮｂＯ₃のモル数が４０％未満になると、過冷
却度を５０℃近くにまで下げるように精密に制御したと
しても、成膜はできなかった。この組成範囲は、図６の
三角図においては、点Ｔ（９５、２、３）と点Ｅ（０、
４０、６０）とを結ぶ直線Ｊで表示されている。

【００４７】また、溶媒と溶質との比率についても成膜
可能な範囲があった。即ち、ＬｉＶＯ₃の比率が６０％
以下である場合には、高品質膜の作成ができなかった。
この理由も明確ではないが、おそらく、溶媒の割合が少
なくなり、溶質成分の割合が多くなることから、液相中
の溶質の濃度が濃くなり、液相部分の粘度が上昇するた
めに、膜の成長がスムーズに行われず、膜の結晶性が悪
化するものと考えられる。この組成範囲は、図６の三角
図においては、点Ｃ（６０、４０、０）と点Ｄ（６０、
０、４０）とを結ぶ直線Ｈによって表示されている。

【００４８】また、溶質の割合が５％以下である場合に
は、溶質の濃度が薄くなりすぎるために、膜成長に伴っ
て、溶融体内における溶質の濃度が大きく変化し易くな
り、成膜できないものと考えられる。この組成範囲は、
図６の三角図においては、点Ｓ（９５、５、０）と点Ｔ
（９５、２、３）とを結ぶ直線Ｋによって表示されてい
る。なお、この組成範囲は、当然、点Ｓ（９５、５、
０）と点Ｃ（６０、４０、０）とを結ぶ直線Ｇによって
囲まれている。

【００４９】以上は、ニオブ酸リチウム単結晶基板の場
合について説明したが、これらの関係は、ニオブ酸リチ
ウム─タンタル酸リチウム固溶体単結晶の場合にも、同
様にあてはまることが判明してきた。

【００５０】また、上記の例では、フラックスとしてＶ
₂Ｏ₅を使用した場合について説明してきた。しかし、
フラックスとしてＭ₂Ｏ₃、ＭｏＯ₃、ＷＯ₃を使用し
た場合には、基本的に同様な結果が得られた。

【００５１】図１〜図４の各光導波路部品においては、
前記のＬｉＮｂ_1-zＴａ _zＯ₃（０＜ｚ≦０．８）の組
成またはＬｉＮｂＯ₃の組成を有する基板上に液相エピ
タキシャル成長法によって、ＬｉＮｂ_1-xＴａ_xＯ₃の
組成を有する膜、６を形成する。ｘは、最大でも０．８
であり、０．０２以上が好ましい。

【００５２】図２（ｂ）の光導波路部品においては、前
記のＬｉＮｂ_1-zＴａ_zＯ₃（０＜ｚ≦０．８）の組成
またはＬｉＮｂＯ₃の組成を有する基板上に、液相エピ
タキシャル成長法によって、ＬｉＮｂ_1-xＴａ_xＯ₃の
組成を有する第一の強誘電体光学単結晶膜を形成し、第
一の膜１０上に、液相エピタキシャル成長法によって第
二の膜を形成する。ここで、この第二の膜の組成は、Ｌ
ｉＮｂ_1-yＴａ_yＯ₃（０≦ｙ≦０．８）であり、ｘと
ｙとがｙ＜ｘの関係を満足している。

【００５３】なお、前記した各組成式（ＬｉＮｂ_1-zＴ
ａ_zＯ₃、ＬｉＮｂ_1-xＴａ_xＯ₃、ＬｉＮｂ_1-yＴａ
_yＯ₃）は、それぞれ本技術分野において慣用されてい
る表現方法であり、通常通り、各組成式においては、Ａ
サイトを構成する原子（Ｌｉ）とＢサイトを構成する原
子（ＮｂとＴａ）との比率は表現していない。

【００５４】前記した固溶体膜や単結晶基板中には、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、Ｅ
ｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

【００５５】また、前記した固溶体膜や単結晶基板中
に、ドープ成分として、マグネシウム、亜鉛、チタン、
バナジウム、鉄、スカンジウムおよびインジウムからな
る群から選ばれた一種以上の金属原子を含有させること
ができる。これらの元素は、耐光損傷特性を向上させる
作用を有している。

【００５６】

【実施例】（実施例１）図１（ａ）、（ｂ）、図２（ａ）、（ｂ）を参照しつつ
説明した方法に従って光導波路部品を作製した。ただ
し、θを１°とした。また、光学グレードのニオブ酸リ
チウム単結晶基板を使用した。この基板のうち、光導波
層を形成する有効部分の寸法は、１０ｍｍ×１ｍｍであ
った。この基板上に、前記したフォトリソグラフィー技
術および反応性イオンエッチンク技術を使用して、図１
（ａ）に示す基板１を製造した。ただし、この周期的構
造のピッチを３．５μｍとした。

【００５７】この基板１の主面１ｄ上に、液相エピタキ
シャル法によってニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウ
ム単結晶膜を形成した。ＬｉＮｂＯ₃─ＬｉＴａＯ₃─
ＬｉＶＯ₃擬三元系の溶融体を準備した。この溶融体の
仕込み組成は、ＬｉＮｂＯ₃：ＬｉＴａＯ₃：ＬｉＶＯ
₃＝４：１６：８０とした。この溶融体を、十分に高い
温度（１３００℃）で３時間以上攪拌し、十分均一な液
相の状態とした。その後、溶融体を９３０℃まで冷却し
た後、１２時間以上保持した。この結果、溶融体の内部
で、過飽和分の固溶体が核発生し、固相がルツボの壁面
に析出した。このとき、溶融体の液相部分は、９３０℃
における飽和状態であり、溶融体内は、液相部分と固相
部分とが共存した状態である。

【００５８】その後、溶融体の温度を、９３０℃から成
膜温度９２０℃まで冷却した。ただちにニオブ酸リチウ
ム単結晶基板を液相部分に接触させ、成膜を行った。得
られた固溶体膜は、Ｔａ／（Ｎｂ＋Ｔａ）＝０．２５の
組成を有していた。また膜の厚さは１５μｍであった。

【００５９】作製した第一の膜の分極方向をエッチング
によって確認したところ、＋Ｚ面方向に傾斜した傾斜面
上では、基板と逆方向に分極した膜が生成しており、−
Ｚ面方向に傾斜した傾斜面上では、基板と同じ方向に寸
極した膜が生成していた。従って、周期分極反転構造が
生成していた。次いで、この第一の膜の表面を、Ｘ面に
対して略平行な方向に向かって研削し、研磨した。

【００６０】この固溶体膜の上に、液相エピタキシャル
法によって、ニオブ酸リチウム膜を形成した。ＬｉＮｂ
Ｏ₃─ＬｉＶＯ₃擬二元系の溶融体を準備した。この溶
融体の仕込み組成は、ＬｉＮｂＯ₃：ＬｉＶＯ₃＝２
０：８０とした。この溶融体を、十分に高い温度（１２
００℃）で３時間以上攪拌し、十分均一な液相の状態と
した。その後、溶融体を９０５℃まで冷却した後、１２
時間以上保持した。この結果、溶融体の内部で、過飽和
分の固溶体が核発生し、固相がルツボの壁面に析出し
た。

【００６１】その後、溶融体の温度を、９０５℃から成
膜温度９００℃まで冷却した。ただちにニオブ酸リチウ
ム単結晶基板を液相部分に接触させ、成膜を行った。得
られた第二の膜の厚さは約５μｍであった。

【００６２】作製した第二の膜の分極方向をエッチング
によって確認したとこ、ろ、下側の第一の膜の周期分極
反転構造が転写されていることが判明した。

【００６３】以上のようにして作製した周期分極反転構
造の第二の膜を第二高調波発生デバイス用途に使用し
た。この組み立ての際には、基本波である半導体レーザ
ー光の偏光方向（ＴＥモード）と第二高調波の偏光方向
とを一致させることができた。波長８３０ｎｍの半導体
レーザー光をこの第二の膜の周期分極反転構造に対して
入射させたところ、入射光パワー１００ｍＷにおいて、
波長４１５ｎｍの出力約２５ｍＷの第二高調波が得られ
た。また、光損傷等の特性の劣化は認められなかった。

【００６４】（比較例）Ｚカットの光学グレードのニオ
ブ酸リチウム単結晶基板上に、電圧印加法によって、基
板の主面に対して垂直な方向に分極を周期的に反転させ
た周期分極反転構造を作製した。次いで、プロトン交換
法によって、分極反転層に対して垂直な方向に延びる光
導波路を形成した。これを半導体レーザーと組み合わせ
て第二高調波発生デバイスを作製する際には、基本波と
第二高調波との偏光方向を合わせるために、半導体レー
ザーを回転させてアライメントを行う必要があった。そ
して、このアライメントの後で、波長８３０ｎｍの半導
体レーザー光をこの周期分極反転構造に対して入射させ
たところ、入射光パワー１００ｍＷにおいて、波長４１
５ｎｍの出力約１ｍＷの第二高調波が得られた。

【００６５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、強
誘電体光学単結晶基板上に周期分極反転構造等を構成す
るのに際して、その耐光損傷性を向上させることがで
き、また、この際に強誘電体光学単結晶基板へのダメー
ジを減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、強誘電体光学単結晶膜１を示す斜視
図であり、（ｂ）は、この基板１上に作製した周期分極
反転構造の膜を模式的に示す斜視図である。

【図２】（ａ）は、図１（ｂ）の光導波路部品の側面図
であり、（ｂ）は、図２（ａ）の光導波路部品の第一の
膜上に更に第二の強誘電体光学単結晶膜を形成して作製
した光導波路部品を模式的に示す側面図である。

【図３】（ａ）は、強誘電体光学単結晶膜１２を示す斜
視図であり、（ｂ）は、基板１２上に作製した周期分極
反転構造の膜を模式的に示す斜視図である。

【図４】（ａ）は、強誘電体光学単結晶膜１６を示す斜
視図であり、（ｂ）は、基板１６上に作製した周期分極
反転構造の膜を模式的に示す斜視図である。

【図５】ＬｉＮｂ_1-xＴａ_xＯ₃─ＬｉＶＯ₃の擬二元
系組成の相図である。

【図６】図５に示す相図を、ＬｉＮｂＯ₃─ＬｉＴａＯ
₃─ＬｉＶＯ₃の擬三元系組成について表示しなおし
た、三角図である。

【図７】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、上記の擬三元
系組成において、ＬｉＴａＯ₃の割合と、基板からのニ
オブ酸リチウムの溶出速度と、基板上への固溶体膜の析
出速度との関係を模式的に示すグラフである。

【図８】従来の第二高調波発生デバイスを示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１、１２、１６強誘電体光学単結晶基板，１ｄ、１２
ｄ、１６ｄ主面，３基板の分極方向に対して垂直な
軸，４Ａ、１４Ａ、１８Ａ第一の傾斜面，４Ｂ、１４
Ｂ、１８Ｂ第二の傾斜面，９、１０、３２、３３強
誘電体光学単結晶膜

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の主面および他方の主面を有する強誘
電体光学単結晶基板と、強誘電体光学単結晶基板の一方
の主面上にエピタキシャル成長した少なくとも一層の強
誘電体光学単結晶膜とを備えている光導波路部品であっ
て、前記強誘電体光学単結晶基板の前記一方の主面および前
記他方の主面を含めた全体と、前記強誘電体光学単結晶
膜とが、前記強誘電体光学単結晶膜と略水平な方向に向
かって分極しており、前記強誘電体光学単結晶膜中にお
ける分極の方向が周期的に反転していることを特徴とす
る、光導波路部品。
【請求項２】前記強誘電体光学単結晶膜が前記強誘電体
光学単結晶基板の一方の主面上にエピタキシャル成長し
た第一の強誘電体光学単結晶膜であり、この第一の強誘
電体光学単結晶膜上に第二の強誘電体光学単結晶膜がエ
ピタキシャル成長しており、前記第二の強誘電体光学単
結晶膜に対して前記第一の強誘電体光学単結晶膜の前記
分極が転写されていることを特徴とする、請求項１記載
の光導波路部品。
【請求項３】前記強誘電体光学単結晶基板の前記一方の
主面が、交互に隣接する第一の傾斜面と第二の傾斜面と
の繰り返し単位からなる周期的構造であり、前記第一の
傾斜面の法線の前記基板の分極軸に平行な方向の成分が
負であり、前記第二の傾斜面の法線の前記基板の分極軸
に平行な方向の成分が正であることを特徴とする、請求
項１または２記載の光導波路部品。
【請求項４】前記強誘電体光学単結晶基板が、ＬｉＮｂ
_1-zＴａ_zＯ₃（０≦ｚ≦０．８）の組成を有する単結
晶からなり、前記強誘電体光学単結晶膜が、ＬｉＮｂ
_1-xＴａ_xＯ₃（０≦ｘ≦０．８）の組成を有する単結
晶からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか
一つの請求項に記載の光導波路部品。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記
載の光導波路部品と、この光導波路部品の前記強誘電体
光学単結晶膜に対して基本波を照射するための光源とを
備えている、第二高調波発生デバイス。
【請求項６】請求項１記載の光導波路部品を製造するの
に際して、前記強誘電体光学単結晶基板の一方の主面に、交互に隣
接する第一の傾斜面と第二の傾斜面との繰り返し単位か
らなる周期的構造を形成し、この際前記第一の傾斜面の
法線の前記基板の分極軸に平行な方向の成分が負とな
り、かつ前記第二の傾斜面の法線の前記基板の分極軸に
平行な方向の成分が正となるように前記周期的構造を形
成し、次いでこの一方の主面上に前記強誘電体光学単結
晶膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする、光
導波路部品の製造方法。