JP3059080B2 - 分極反転領域の製造方法ならびにそれを利用した光波長変換素子及び短波長光源 - Google Patents
分極反転領域の製造方法ならびにそれを利用した光波長変換素子及び短波長光源Info
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Description
る分極反転領域の製造方法、ならびにそれによって製造
された分極反転領域を有していて、光情報処理や光応用
計測制御分野に使用されるコヒーレント光源を応用した
光波長変換素子、及び短波長光源に関する。
極反転現象を利用すると、強誘電体の内部に周期的な分
極反転領域(分極反転構造)を形成することができる。
このようにして形成された分極反転領域は、表面弾性波
を利用した光周波数変調器や、非線形分極の分極反転を
利用した光波長変換素子などに利用される。特に、非線
形光学物質の非線形分極を周期的に反転することが可能
になれば、非常に変換効率の高い光波長変換素子を作製
することができる。これを用いて半導体レーザなどの光
を変換すれば、印刷、光情報処理、光応用計測制御分野
などに応用できる小型の短波長光源を実現することがで
きる。
法としては、Ti熱拡散による方法、SiO2を装荷し
た後に熱処理する方法、プロトン交換処理と熱処理とを
行う方法等が報告されている。一方、強誘電体の自発分
極が電界により反転することを利用して周期状の分極反
転領域を形成する方法も、報告されている。この電界を
利用する方法としては、例えば、C軸に沿って切り出さ
れた基板の−C面に電子ビームを照射する方法や、+C
面に正イオンを照射する方法がある。いずれの場合で
も、照射された荷電粒子により形成される電界により、
数100μmの深い分極反転領域が形成される。
としては、LiNbO3基板やLiTaO3基板に櫛形電極を形成し
て、これにパルス状の電界を印加する方法が報告されて
いる(特開平3−121428号公報、特開平4−19
719号公報)。
の製造方法を説明する。
した従来の光波長変換素子50を製造するには、まず、
LiNbO3基板55の+c面55aに周期状の櫛形電極51
を形成し、−C面55bに平面電極52を形成する。次
に、+C面55aを接地し、−C面55bにパルス電源
56によってパルス幅が典型的には100μsのパルス
電圧を印加して、基板55にパルス電界を印加する。分
極を反転させるために必要な電界は、約20kV/mm
以上である。そのような値の電界を印加する際に、基板
55が厚いと電界印加によって基板55の結晶が破壊さ
れる可能性がある。しかし、基板55の厚みを200μ
m程度にすることで、電界印加による結晶破壊を回避す
ることが可能になり、室温での分極反転領域の形成が可
能になる。
実現するには、周期が3〜4μmである短周期の分極反
転構造が必要になる。電界印加によって分極反転領域を
形成すると、電極の直下の部分の分極が反転した後に、
基板55の表面に平行な方向に分極反転領域が広がる。
このため、分極反転構造の短周期化が困難になる。この
問題を解決するために、従来の方法では、パルス幅が1
00μs程度である短時間パルス電圧を電極に印加する
ことによって電圧印加時間を短縮して、短周期の分極反
転構造を形成している。
薄くすることにより室温での電界印加による分極反転領
域の形成を可能にし、電界印加時間を短縮することによ
り分極反転構造の短周期化を実現している。
利用した光波長変換素子の製造方法は、例えばM.Yamad
a, N.Nada, M.Saitoh, an d K.Watanabe :"Fir st-orde
r quasi-phase matched LiNbO3 waveguide periodicall
y poled by applying an external field for efficien
t blue second-harmonic generation", Appl. Phys. Le
tt., 62, pp435-436 (Feb. 1993)に開示されている。こ
の開示された方法では、周期状の分極反転領域を形成し
た後に、これに直交するように光導波路を形成し、光波
長変換素子を製造する。製造された光波長変換素子で
は、相互作用長3mmで入射する基本光のパワーが19
6mWである場合に、出力として20.7mWの第2高
調波が得られる。
組み合わせた分極反転領域の製造方法は、例えば特開平
4−264534号公報に開示されている。この方法に
よれば、基板の表面全体にプロトン交換処理を施してプ
ロトン交換層を形成した後に、プロトン交換層の表面に
櫛形電極を形成し、基板の裏面には平面電極を形成す
る。これらの電極間に電圧を印加することにより、分極
反転領域を形成する。プロトン交換処理を施すことによ
って分極反転領域の形成が容易になり、均一性の高い周
期的な分極反転構造を形成することができる。
極反転領域の製造方法では、高電圧(数kV)かつパル
ス幅の短い(100μs以下)パルス電圧を印加する必
要がある。この様な高電圧の短パルス電圧は形成が難し
く、印加時の再現性、信頼性及び均一性を十分確保する
のが難しい。
加すると、基板平面内で電界分布の不均一性が生じる。
これによって、形成される分極反転構造の面内での均一
性が劣化するという問題があった。また、均一な分極反
転構造を広い範囲にわたって形成することが困難である
ことから、大型基板を利用して分極反転構造を量産化す
ることができないという問題がある。
基板割れが生じることがあり、素子作製の歩留まりが低
下する。また、先に述べたように、高電圧パルスを印加
しても基板の結晶破壊を生じさせないようにするために
は、薄膜基板しか利用できない。このため、基板の取扱
いが難しく作業性が高くない。
ためには短周期の分極反転領域が必要であるが、従来の
電界印加を利用した分極反転領域の製造方法では、櫛形
電極を構成するストライプ状の電極枝を中心に分極反転
領域が広がり、隣り合う分極反転領域同志がつながるこ
とで、短周期の分極反転領域の形成が困難になる。
れたものであり、その目的は、電界印加によって分極反
転領域を形成するにあたって小さいパルス電界強度で分
極反転領域の形成を可能にする分極反転領域の製造方
法、ならびにそれを利用した光波長変換素子及びその製
造方法を提供することにある。
の本発明は、強誘電体結晶基板の分極方向にお互いに離
れた第1及び第2の電極を形成する工程と、該第1及び
第2の電極間に直流電圧を印加する工程と、該直流電圧
にパルス電圧を重畳して、該直流電圧と該パルス電圧と
の合計電圧を該第1及び第2の電極に印加して、該強誘
電体結晶基板の内部の所定の領域の分極を反転させる工
程と、を包含し、前記合計電圧を零レベルに向けて減少
させる際に、前記パルス電圧の零レベルへの変化率を再
反転電流が流れない値に設定する、分極反転領域の製造
方法である。
せる電圧レベルよりも小さく、前記合計電圧のレベルは
分極反転を生じさせる該電圧レベルに実質的に等しいか
ある いはそれよりも大きい。
は、強誘電体結晶基板と、該強誘電体結晶基板の内部に
周期状に形成した分極反転領域と、該強誘電体結晶基板
の端面に形成された入射面及び出射面とを備え、該分極
反転領域は上記の方法で製造されていることを特徴とす
る、光波長変換素子である。
ある角度を有している。
られた反射防止膜をさらに備えている。
って、該出射面に反射膜が設けられている。
は、上記光波長変換素子と、半導体レーザと、集光光学
系と、を備え、前記光波長変換素子により前記半導体レ
ーザからの光を波長変換している短波長光源である。
に、基板に予め直流電圧を印加する。直流電圧により印
加される電界が基板結晶の自発分極を反転させる反転電
界を越えないように印加電圧値を設定すれば、電界によ
る分極反転は生じない。この状態で、直流電圧に短パル
ス電圧を重畳すると、短パルス電圧にともなう短パルス
電界と直流電圧にともなう直流電界との合計の電界によ
って、分極が反転する。重畳するパルス電圧は小さな値
でよいため、再現性の高いパルス印加が可能となる。さ
らに、パルス電圧が小さいため、基板に印加される電界
の均一性が増大する。
期状の分極反転領域を大面積に渡り均一に形成すること
を可能にする。以下に、その理由を述べる。
つの電極を形成し、両電極間に電圧を印加して分極反転
を形成する際に、形成される分極反転領域の均一性は、
印加される電界分布の均一性に依存する。そこで、本発
明によれば、電極間に基板の分極を反転させる反転電界
以下の直流電圧をあらかじめ印加しておき、この状態の
もとで、印加電圧に短パルス状の電圧を重畳することに
より、分極反転領域を製造する。電極間に印加する電圧
が直流電圧であるため、電極間の電界の均一性が高く、
大面積に渡り均一な電圧を印加できる。さらに重畳する
パルス電圧強度が小さくとれるため、パルス電圧により
電極間に印加される電界分布が均一であり、電圧制御も
容易である。従って、再現性の高い、面内均一性の優れ
た分極反転領域を大面積に渡って形成することが可能に
なる。
分極反転層を用いることにより、高効率の光波長変換素
子を製造することが可能になる。
に、まず、強誘電体の分極反転について説明する。
結晶内に有している。自発分極に対向する電界を印加す
ることにより、強誘電体における自発分極の方向を変え
ることができる。
より異なる。LiTaO3、LiNbO3等の結晶はC軸方向のみに
自発分極を有するため、これらの結晶では、分極はC軸
に沿った+方向あるいはその逆向きの−方向の2通りし
か存在しない。電界を印加することで、これらの結晶の
分極は180度回転して、それまでとは逆の方向を向く
ようになる。この現象を、分極反転という。分極の反転
を生じさせるために必要な電界を反転電界と称し、LiNb
O3、LiTaO3等の結晶では、室温で約20〜30kV/m
m程度の値をとる。
た結晶にすることを「分極の単分域化」と称する。この
分極の単分域化を達成するために、結晶成長後に高温中
で電界を印加する方法が一般に行われている。
極反転領域の形成方法を説明するための模式的な斜視図
である。
用した光波長変換素子100を製造するには、まず、Li
TaO3基板1の+C面1aに周期状の櫛形電極2を形成
し、−c面1bに平面電極3を形成する。次に、+C面
1aの上の櫛形電極2に直流電源4を、−C面1bの上
の平面電極3にパルス電源5を接続する。このような構
成によって、所定の電圧レベルを有し必要に応じてパル
ス電圧が重畳された直流電圧を、LiTaO3基板1に印加す
ることができる。
基板1を絶縁液または真空中(10-6Torr以下)に配置し
て、直流電圧を印加する。分極反転が生じると、櫛形電
極2と平面電極3との間に、強誘電体の自発電極の大き
さと電極面積とに比例した電流(「反転電流」と称す
る)が流れる。
界Eppと分極反転現象との関係を以下に説明する。
ルス電圧のみを印加して分極反転領域の形成を試みた例
を説明する。この場合には、図1(a)の構成で、パル
ス電源5によって平面電極3を介してLiTaO3基板1にパ
ルス電圧を印加する。直流電源4は使用せずに、櫛形電
極2は接地する。
0μs程度のパルス電圧を印加すると、基板1にはパル
ス電界が印加される。このとき、約20kV/mm(1
mmあたり20kVの電圧が印加されていることを意味
する)以上の電界印加により、分極が反転した。さら
に、厚さが0.3mmの基板1について同様の操作を行
ったところ、分極反転は同様に20kV/mm以上の電
界印加で発生したが、基板1の割れが生じやすく歩留ま
りが低かった。
平面電極3の面積を10mm×10mmにして、周期3
μmの周期状分極反転領域の形成を試みた。しかし、こ
のように平面電極3の面積を増大させると、厚さが0.
2mmの基板1でも割れが多発した。また、分極反転領
域が部分的にしか形成されない、或いは形成される分極
反転領域の形状が不均一であるなどの問題点が生じた。
これらは、パルス電圧が印加される平面電極3の厚さや
形状が実際には不均一性であるために、基板1への印加
電界が部分的に集中するためと考えられる。また、形成
された分極反転領域の周期構造の均一性も悪くなった。
電界のみを印加して分極反転領域を形成する場合には、
形成される周期状分極反転領域の形状を均一なものにす
るためには、分極反転構造が形成される全体の領域のサ
イズが3mm×3mm程度以下でなくてはならない。ま
た、厚さが0.3mm以上の基板では、十分な大きさの
分極反転領域の形成が難しい、或いは形成された分極反
転領域の面内均一性が悪い等の問題が生じた。
圧のみを印加して分極反転領域の形成を試みた例を説明
する。この場合には、図1(a)の構成で、直流電源4
によって櫛形電極2を介してLiTaO3基板1に直流電圧を
印加する。パルス電源5は使用せずに、平面電極3は接
地する。
加すると、基板1には直流電界が印加される。約20k
V/mm以上の電界強度に相当する電圧が印加された時
点で、反転電流が流れて分極が反転した。さらに、基板
1の厚さに対する分極反転特性を測定したところ、基板
1の厚さが0.5mm以下では分極反転領域の形成が可
能であったが、厚さが0.5mm以上になると基板1に
割れが生じて、分極反転領域の形成が困難になった。こ
れは、基板1の厚さが増加するとともに分極反転領域の
形成に必要な電界強度を得るために印加すべき電圧レベ
ルが増加するために、厚い基板に分極反転領域を形成し
ようとすると基板1の結晶の破壊電圧を越えた電圧が印
加されることにより、基板1に割れが生じたと考えられ
る。
印加される電界の面内均一性が高いため、大きな強度を
有する電界の印加が可能である。
反転領域の形成に関して、さらに以下のような様々な条
件で、約20kV/mmの直流電界を印加して周期状分
極反転領域の形成を試みた。すなわち、櫛形電極2の周
期を2μm〜10μm、基板1の厚さを0.2mm〜
0.5mm、電圧印加時間を0.5秒〜10秒としたと
ころ、何れの場合でも、周期が5μm以下である周期状
分極反転構造は形成されなかった。これは、櫛形電極2
の直下に形成される分極反転領域が横方向に速い速度で
広がるために、直流電圧のみの印加では短周期の周期構
造形成が困難であることを示している。
はパルス電圧(電界)のみを印加する場合には、短周期
の分極反転構造を大面積に渡り均一に形成するのが難し
い。それに対して本発明によれば、直流電圧(電界)に
パルス電圧(電界)を重畳して基板に印加することによ
って、上記のような目的を達成することができる。
加によって基板1に印加される電界強度の経時変化を示
す。以下の説明では、直流電源4からの直流電圧により
印加される直流電界をEcw、パルス電源5からのパルス
電圧(ここでは単パルス)により印加されるパルス電界
をEppとする。本発明では、図1(b)に示すように、
直流電界Ecwにパルス電界Eppを重畳して基板1に印加
する。
100μs以下であり、以下の説明では0.5msとす
る。また、実際に基板に印加されるパルス電圧では、そ
の立ち上がり及び立ち下がり時における所定の振幅の電
圧変化は瞬時に行われるのではなく、ある程度の時間を
必要とする。図1(b)では、記載を簡潔にするため
に、これらの点を省略して、パルス電界Eppをインパル
ス波形として描いている。
極反転特性を測定した。また、反転電流の測定を通じ
て、分極反転が生じる電圧値(反転電圧値)の測定も行
った。その結果、EppあるいはEcwの個別の値には関係
なく、Ecw+Eppの合計値が約20kV/mm以上にな
ると分極が反転することが明らかになった。
形成にあたっては、分極の再反転現象に留意する必要が
ある。これに対して、本実施形態における分極反転領域
の製造方法によれば、分極の再反転現象に起因する従来
の問題点も解決することができる。この点を、図2
(a)〜(e)及び図3を参照して以下に説明する。
の形成にあたっては、印加するパルス電圧のパルス幅、
立ち上がり速度や立ち下がり速度を調整しても、最終的
に分極反転領域が基板内部に形成されないことがある。
この現象の原因を検討するために、本発明者らは、パル
ス電圧の印加とともに、分極反転の発生にともなって流
れる反転電流の測定を行った。図2(a)〜(d)に
は、その結果を示している。
ける基板への印加電圧波形とそれにともなって流れる反
転電流波形である。図2(a)に示すようにパルス電圧
(ここでは負のパルス電圧として描かれている)を基板
に印加し、反転電圧を越える電圧が基板に印加される
と、図2(b)に示すように反転電流が流れて、分極反
転が発生する。しかし、パルス電圧の印加が終了し、印
加電圧を零に向かって減少させていく過程で、反転電流
とは逆向きの電流が流れる。これは、一旦反転した分極
が再反転して最初の状態に戻るときに流れる再反転電流
である。このように、従来のパルス電圧(電界)のみを
印加する方法では、分極の再反転現象の影響で、分極反
転領域が結果的に形成できないことがある。この再反転
現象は、形成直後の分極反転領域が不安定であることを
示している。
値は、印加したパルス電圧を零レベルに戻す際の電圧の
変化率に依存する。この関係を図3に示す。このグラフ
は、基板として厚さが0.2mmのLiTaO3基板を用い
て、−5kVのパルス電圧を基板に印加した場合のグラ
フである。なお、実際にはこの関係は電源の負荷抵抗の
値に依存して変化するが、図3のグラフは、負荷抵抗値
が1MΩである場合の関係である。図3によれば、パル
ス電圧の変化率が大きくなるにつれて、分極の再反転が
発生して再反転電流が流れ始める電圧値が増加して、反
転電圧値に次第に近づく。
図2(c)に示すように、直流電圧にパルス電圧を重畳
した電圧を基板に印加する。このとき、直流電圧の大き
さは、分極反転は生じず、かつ再反転電流が流れない電
圧値に設定する。この結果、印加電圧をパルス電圧値か
ら零レベルに向けて減少させる場合に、図2(d)に示
すように再反転電流が流れることなく、形成された分極
反転層を維持することができる。なお、この分極反転後
に印加される直流電圧は、上記のような所定の電圧レベ
ルで、少なくとも所定の時間、例えば数秒間にわたって
印加すればよい。
LiTaO3基板を用いる場合には、直流電圧を−2kV、パ
ルス電圧を−3kVとして、最大で−5kVの電圧を基
板に印加すればよい。また、分極反転領域形成後の印加
電圧の零レベルへの変化率は、100V/msにすれば
よい。さらに、反転電流の波形から基板に流れ出た総電
荷量を計算することによって、パルス電圧のパルス幅を
最適化することができる。これらの設定に基づいて本実
施形態のプロセスを実施することによって、基板全体に
渡って分極反転領域を均一に形成することができる。
ているが、LiNbO3基板に対しても同様な結果を得ること
ができる。
に印加された場合にのみ流れる。形成される分極反転領
域の形状(面積)を正確に制御するためには、反転電流
の総量を制御する必要がある。その様な制御は、反転電
流の大きさと、印加電圧が反転電圧値を越えている時間
とを正確に制御することによって行うことができる。そ
のためには、例えば図2(e)に示すように、印加電圧
をパルス電圧値から零レベルに変化させる際に、まずス
テップ的に反転電圧レベル以下に変化させて、その後に
漸次変化させればよい。
転領域の製造方法において、Ecw+Eppの合計値を21
kV/mm一定にして、Ecwの値と分極反転領域の形成
が可能である基板1の厚さとの関係を求めると、図4
(a)に示す結果が得られる。すなわち、Ecwの値を増
大させることにより、厚い基板に対しても、基板の割れ
を生じることなく分極反転領域の形成が可能になる。例
えば、Ecwが5kV/mm以上の場合には厚さ0.3m
mの基板において、Ecwが10kV/mm以上である場
合には厚さ0.4mm以上の基板において、分極反転領
域の形成が可能になる。
転領域における面内均一性が向上する。最も均一性が良
好な分極反転領域が形成されるのは、Ecwを、分極反転
が実際に発生する電界(すなわち反転電界)より僅かに
小さな値にした場合である。具体的な数値は基板によっ
て僅かに異なるが、反転電界が約20kV/mmである
場合には、Ecwの値を例えば19.9kV/mmにすれ
ばよい。上記のような値にEcwを設定することによっ
て、20mm×20mm以上の大きな面積に分極反転領
域を形成することができる。
流電圧(電界)の印加によって分極反転領域を形成する
場合において、形成される分極反転領域の短周期化につ
いて検討する。
は、電極の直下に発生した後に横方向に拡大する。この
ため、短周期の分極反転領域を形成しようとしても、隣
接して形成された分極反転領域がお互いに接触して、周
期構造が形成されなくなる。そこで、分極反転領域の横
方向への拡大に対する印加電圧形状の影響を以下で検討
する。
にそれぞれのストライプ状電極枝の幅が10μmである
櫛形電極2を、−C面1bに平面電極3を、それぞれ形
成し、各電極2及び3の間にパルス電圧を重畳した直流
電圧を印加する。パルス幅を5μs、電圧印加によって
印加される電界強度Ecw+Eppの合計値を21kV/m
mでそれぞれ一定として、Ecwの値をパラメータとして
変化させると、分極反転領域の幅とEcwとの間には図4
(b)に示す関係が得られる。具体的には、印加される
直流電界Ecwが大きい程、分極反転領域の横方向の拡大
が小さくなる。また、Ecwが5kV/mm以下である場
合に形成される分極反転領域の幅は、パルス電圧を単独
で印加した場合に形成される分極反転領域の幅と、実質
的に等しくなる。
畳して基板1に印加することにより、従来は20kV/
mm程度と大きなパルス電界の印加を必要としていた分
極反転領域の形成が、数kV/mmのパルス電界の印加
で形成可能になる。これにともなって、形成される分極
反転領域の均一化及び短周期化が容易になる。特に、5
kV/mm以上の直流電界を印加すること、また、パル
ス電界の印加終了後に印加している直流電界を低減する
ことが、均一で短周期の分極反転領域の形成に有効であ
る。
を印加しているが、電界の代わりに磁界を印加しても、
同様な分極反転領域を形成することができる。例えば、
+Z方向に10kH以上の強磁界を印加することで、電
界印加時と同様の分極反転領域の形成が可能となる。ま
た、磁界の印加時間を短縮してパルス形状とすること
で、短周期の分極反転領域の形成も可能である。
単パルスを重畳しているが、その代わりに複数のパルス
を重畳しても同様の効果が得られる。単パルスを重畳す
る場合には、形成される分極反転領域の形状は、印加さ
れるパルス電圧の振幅とパルス幅とで制御できる。一
方、複数のパルスを重畳する場合は、印加されるパルス
電界の個数によって形成される分極反転領域の形状を制
御することも可能であり、分極反転領域の面内均一性の
向上に有効である。
上に形成するのは、分極反転核の形成が+C面1aで生
じるためである。−C面1bの上に櫛形電極2を形成し
て周期状の分極反転構造を形成しようとしても、分極反
転領域が横方向(基板1の表面に平行な方向)へ急速に
拡大するために、短周期の分極反転構造の形成は困難で
ある。
る分極反転領域を利用してストライプ状の光導波路を有
する光波長変換素子を作製する方法について述べる。図
5(a)〜(c)は、本実施形態における光波長変換素
子200の製造方法を示す斜視図である。
0.3mmのLiTaO3基板1の+C面に櫛形電極を、−C
面に平面電極を形成して、パルス電圧Eppを重畳した直
流電圧Ecwの印加によって周期状の分極反転領域9を形
成する。印加電圧は、例えば直流電界の大きさEcw=1
9.5kV/mm、パルス電界の大きさEpp=1.5k
V/mmが得られる値として、パルス電圧のパルス幅を
0.5msとする。また、直流電源に電流検知機能を付
加して反転電流を検知し、パルス電圧の重畳により分極
反転が形成されると同時に、直流電界を1.5kV/m
m以下に低下させる。以上の結果として、図5(a)に
示すように、周期が3.5μmである分極反転領域9が
10mm×10mmの大きさの領域の全体にわたって形
成される。
ようにストライプ状の光導波路を形成すれば、光導波路
型の光波長変換素子が製造される。ところが、一般に分
極が反転している領域の屈折率は、基板1の屈折率より
増加している。そのため、上記のような電界印加により
作製した周期状分極反転領域9では、屈折率が周期的に
変化していて、形成される光導波路の伝搬損失が著しい
増加をもたらす。
形成する前に、基板1を酸素雰囲気中でアニール処理し
て、分極反転領域9の屈折率変化を減少させて、屈折率
分布を均一化させる。
で変化させたところ、400℃以上の温度でアニール処
理することによって、屈折率変化がかなり減少すること
が明らかになった。しかし、アニール温度をさらに上げ
て580℃以上で処理すると、一旦形成された分極反転
領域が縮小する。特に、このような高温におけるアニー
ル処理を60秒以上継続して行うと、分極反転領域がほ
ぼ完全に消滅する。
以下とすることが好ましい。また、アニール処理後に温
度を下げる際に、温度低下速度を5℃/秒以下に設定す
ることにより、屈折率の変化をさらに低減して均一な屈
折率分布を得ることができる。
反転領域を形成した後に、上記の条件でアニールを行
う。さらにその後に、図5(a)〜(c)に示す工程
で、ストライプ状の光導波路を有する光波長変換素子2
00を製造する。
する場合には、すでに形成されている周期状の分極反転
構造に影響を与えないようにするために、低温プロセス
で行われることが望ましい。例えば、LiTaO3のキュリー
温度は約600℃であるのでそれ以下の温度でプロセス
を実行することが望ましい。そこで本発明では、低温で
光導波路を作成することができるプロトン交換処理を行
う。
板を熱処理することによって、基板中の金属イオンと酸
中のプロトンとが交換されて、高い屈折率を有する層が
形成される。例えば、LiTa O3基板の場合には、Liと
プロトンとが交換される。なお、プロトン交換処理が施
された領域は、非線形性が基板本来の値の約半分に低下
するために、プロトン交換処理後にアニール処理を行っ
て、非線形性を回復する必要がある。
に、周期的な分極反転領域9がその内部に形成された基
板1の表面に、Taマスク層10をスパッタリング法で
堆積する。Taマスク層10の厚さは、典型的には10
nm〜500nm、好ましくは20nm〜100nm、
例えば40nmとする。続いて、図5(b)に示すよう
に、Taマスク層10に対して、フォトリソグラフィ法
によるパターンニング及び引き続くドライエッチングを
行って、ストライプ状光導波路に対応するストライプ状
の開口部10aを形成する。その後、260℃のピロ燐
酸中で16分間熱処理することによってTaマスク層1
0の開口部10aを介してプロトン交換処理を行い、図
5(c)に示すようなプロトン交換導波路11を形成す
る。その後にTaマスク層10を除去し、さらに導波路
の低損失化及び導波路の非線形性の回復という目的から
420℃にて60秒間の熱処理を行うことによって、ス
トライプ状の光導波路11が完成する。
を、図6に示す。図6の光波長変換素子200におい
て、素子長及び作用長はともに10mmであり、分極反
転領域9の周期は3.5μmである。また、光導波路1
1は、幅4μm、深さ3μmである。また、図6に矢印
9a及び9bで示しているように、分極反転領域9とそ
れ以外の部分では、分極の方向がお互いに正反対を向い
ている。
積にわたって均一に形成できて、製造される光波長変換
素子200の動作特性が向上する。特に、光導波路11
を伝搬する光を、深い位置に至るまで形成された分極反
転領域9に十分に重ねることができ、高効率の光波長変
換素子を製造することができる。
はLiTaO3基板を用いている。あるいは、KTP(KTiOP
O4)基板、KNbO3基板、LiNbO3基板、またはMgO、Nb、Nd
などをドープしたLiTaO3基板やLiNbO3基板を使用するこ
とができる。あるいは、LiTaO3とLiNbO3との混晶である
LiNb(1 ー x )TaXO3基板(0≦X≦1)でも、同様な光波
長変換素子が作製できる。特に、上記のうちでLiNbO3基
板は、高い非線形光学定数を持つために、高効率の光波
長変換素子を製造するには有効である。
は、光導波路11を基板1の+C面1aに形成してい
る。しかし、分極反転領域9は基板1の裏面に達するま
で形成されているので、光導波路11を基板1の−C面
1bに形成しても、同様の性能を有する光波長変換素子
を製造することができる。そのように−C面に光導波路
を形成する場合、−C面には平面電極が形成されている
のみであって櫛形電極のパターンは形成されていないの
で、面の荒れが少ない。そのため、導波損失の少ない導
波路が作製でき、効率の高い光波長変換素子の作製が可
能である。
理によって形成した導波路に代わって、Ti拡散導波
路、Nb拡散導波路、イオン注入導波路など他の光導波
路を用いることができる。
いる処理の他に、オルト燐酸、安息香酸、硫酸などを用
いることができる。
Taマスクに限られるものではなく、Ta2O5、Pt、
Auなど耐酸性を有する材料からなるマスクであればよ
い。
幅を所望の周期以下に抑える必要がある。基板の+C面
に形成された櫛形電極を介して電界を印加することによ
り形成される分極反転は、櫛形電極を構成するストライ
プ状の電極枝の直下の+C面より発生し、−C軸方向に
成長する。しかし、それと同時に、ストライプ状電極枝
の幅方向(すなわち、基板の表面に平行な方向)にも広
がる。その結果、分極反転領域の幅が広がって、短周期
の分極反転構造の形成を困難にする。
の幅方向への拡大を抑圧する方法について考察した。そ
の結果、基板の+C面において、ストライプ状の電極枝
の間隙における分極の発生を抑圧することにより、幅方
向の分極反転領域の広がりを抑圧することができると考
えた。そこで、分極反転の発生を抑圧する方法を検討し
た結果、LiTaO3結晶またはLiNbO3結晶の+C面近傍の強
誘電性を劣化させることで、その部分の分極反転の発生
を抑圧できることを見いだした。例えば、LiTaO3の+C
面の表面にプロトン交換処理を施すことで、分極を反転
させる反転電界の値が数kV/mm増加し、分極反転の
発生が抑圧されることが明らかになった。
て、分極反転領域の短周期化を試みた。図7(a)〜
(c)を参照して、これを説明する。
した測定系におけるLiTaO3基板1の断面図であって、図
2(a)と同じ構成要素には同じ参照番号を付してい
る。
1aに設けられた櫛形電極2では、幅10μmのストラ
イプ状の電極枝が10μmのギャップをあけて形成され
ている。一方、基板1の−C面1bには平面電極3が形
成されている。この時点では、基板1の内部の分極は、
図7(a)に矢印9bで示しているように図面中で上方
向を向いている。
加して基板1に電界を印加すると、基板1の内部におけ
る電界強度が約20kV/mm以上になった時点で、櫛
形電極2の電極枝の直下に分極反転領域9が形成され
る。この分極反転領域9における分極の向きは、図7
(b)に矢印9aで示すように図面中で下向きであっ
て、電界印加前から逆転している。
転領域6は、さらに電極枝の幅方向(すなわち基板1の
表面に平行な方向)にも広がる。このような幅方向の成
長が進展すると、最終的に、隣接する分極反転領域9が
お互いに接触してしまう可能性がある。
電極枝の間の+C面1aの表面近傍にプロトン交換処理
を施して、プロトン交換領域7を形成する。このような
プロトン交換領域7ではその強誘電性が劣化されてい
て、分極反転領域6の横方向への拡大が抑圧される。こ
の結果、図7(c)に示すように、それぞれの電極枝の
直下のみに、電極枝と同じ幅を有する分極反転領域9が
形成される。
転領域9の横方向への拡大に与える影響を、図8(a)
及び8(b)を参照して説明する。
転領域9の幅Wを示す。この分極反転領域9は、図8
(a)に示すように、幅が10μmである櫛形電極2を
用いて形成されたものである。言い換えると、図8
(b)の縦軸に示す分極反転領域の幅Wは、分極反転領
域9の拡大の程度を表している。
平面電極3との間に印加される電圧を示す。具体的に
は、直流電圧Ecwにパルス電圧Eppを重畳した電圧を印
加し、印加電圧の直流成分Ecwは3kVで一定としてい
る。図8(b)の縦軸には、直流電圧Ecwとパルス電圧
Eppとの合計値E=Ecw+Eppの値をとっている。な
お、パルス電圧のパルス幅は3msである。
状電極枝の間隙における+C面にプロトン交換処理(26
0℃、20分間)を施したサンプル、及びそのようなプロ
トン交換処理を施さないサンプルにおける、分極反転領
域9の幅Wと印加電圧の大きさEとの関係を、それぞれ
示している。
に係わらず、分極反転領域9の幅W、すなわち横方向へ
の広がりは、印加電圧Eの増加とともに増大する。しか
し、プロトン交換処理を行わない場合には、印加電圧が
5.5kV以下では均一な分極反転が形成されない。し
たがって、この時の分極反転領域の幅Wである2.7μ
mが、得られるWの最小値である。すなわち、プロトン
交換処理を施さないサンプルでは、分極反転領域9の形
成に使用する櫛形電極2のストライプ状電極枝の幅が2
μmであるにもかかわらず、実際に形成される分極反転
領域9の幅Wは最小でも2.7μmである。
には、分極反転領域9の横方向の拡大が抑圧される。そ
の結果、幅Wが櫛形電極2のストライプ状電極枝の幅と
ほぼ等しい分極反転領域9を形成することができる。こ
のように、プロトン交換処理を施すことで、分極反転領
域9の横方向の拡大が抑圧されることが明らかになっ
た。
の形成に適用した例を、図9(a)〜(c)を参照して
説明する。図9(a)〜(c)で、これまでに示した参
照して説明した図面に置いてと同じ構成要素には、同じ
参照番号を付けている。
TaO3基板1の+C面1aに櫛形電極2を、−C面1bに
平面電極3を、それぞれ形成する。このうち平面電極3
は、例えば厚さ約500nmのTa膜とすることができ
る。次に、櫛形電極2をマスクとして、そのストライプ
状の電極枝の間隙の+C面1aにプロトン交換処理を施
す。このプロトン交換処理は、典型的には、260℃の
ピロ燐酸中で30分間行う。これによって、図9(b)
に示すように、深さ約0.4μmのプロトン交換領域7
が形成される。次に、図9(c)に示すように、上記処
理が施された基板1を絶縁液中または真空中に設置し、
直流電源4及びパルス電源5を用いて櫛形電極2と平面
電極3との間に電圧を印加して、基板1に電界を印加す
る。具体的な印加電界としては、例えば、直流電界Ecw
=18kV/mmに、パルス電界Epp=3kV/mmを
重畳する。
〜10μmである分極反転領域9を形成することができ
る。櫛形電極2のストライプ状電極枝の間隙にプロトン
交換処理を施さない場合には、周期が3μm以下である
分極反転領域を均一に形成することは困難である。これ
に対して、本実施形態にしたがってストライプ電極枝間
にプロトン交換を施すと、周期が2.5μm以下である
短周期の分極反転領域9を均一に形成することができ
る。
トン交換処理の時間の影響を説明する。
処理を行う場合、プロトン交換時間を5分以上にするこ
とで、分極反転領域9の広がりを抑圧する効果が表れ
る。さらに、10分間以上のプロトン交換処理を行うこ
とによって、面内均一性の良好な分極反転領域9が得ら
れる。しかし、プロトン交換処理を非常に長時間にわた
って行うと、隣接するプロトン交換領域7がお互いに接
触してしまって、周期状の分極反転構造9が形成できな
い。これより、プロトン交換処理は、10分間以上であ
って、隣接するプロトン交換領域7がお互いに接触しな
い限度内の時間だけ行うことが有効である。
板1の強誘電性の劣化とは、自発分極の反転が可能な結
晶状態の劣化を意味する。具体的には、自発分極が小さ
くなった状態、自発分極の反転電界が増大した状態、ま
たは、結晶が強誘電性を示さなくなった状態を示す。例
えば、プロトン交換処理を施すと結晶構造の歪が小さく
なるため、自発分極が非常に小さくなる。
の処理によって得ることもできる。例えば、基板1の表
面にイオン注入を施すと、結晶構造が崩れてランダムな
構造に近くなり、自発分極を示さなくなる。
に結晶構造の変化をおこすことで、分極反転領域9の拡
大を抑圧することができる。上記で説明したLiTaO3基板
やLiNbO3基板の場合には、分極反転領域9は+C面1a
から発生する。あるいは、結晶の種類によっては、分極
反転が+C面ではなく、−C面、またはそれ以外の面か
ら発生する場合もある。しかし、その場合には、分極反
転が発生する面の強誘電性を同様に劣化させることで、
分極反転領域の拡大を同様に抑圧することができる。
誘電性を劣化させる手段としてプロトン交換処理を用い
ている。あるいは、Zn、Cd等のイオン交換、プロト
ンイオン、Heイオン、Siイオン、Auイオン等の注
入、Ti拡散などの金属拡散、あるいはMgO拡散など
によっても、同様な効果を得ることができる。
処理をピロ燐酸を用いて行っている。あるいは、オルト
燐酸、安息香酸、硫酸などを用いてプロトン交換処理を
行っても、上記説明と同様の効果を得ることができる。
また、上記説明では電極を構成する金属膜としてTa膜
を用いているが、適切な耐熱性を有する膜であれば、他
の膜でもよい。具体的には、Ti、Pt、Auなどの材
料の膜を用いることができる。
はLiTaO3基板を用いている。あるいは、LiNbO3基板、ま
たはMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO3基板やLiNbO3
基板を使用することができる。あるいは、LiTaO3とLiNb
O3との混晶であるLiNb(1 ー x)TaXO3基板(0≦X≦1)で
も、同様な光波長変換素子が作製できる。これらの結晶
は、上記の説明で示したと同様に、プロトン交換処理に
より強誘電性劣化層を容易に形成することができる。そ
のため、周期状分極反転領域を電界印加により容易に製
造することができる。特に、LiNbO3は、高い非線形光学
定数を持つために、高効率の光波長変換素子を製造する
ために有効である。
基板やKNbO3基板を使用することもできる。これらの基
板は高い非線形光学定数を持つために、高効率の光波長
変換素子を製造するには有効である。このうち、KTP
基板では、櫛形電極の電極枝の間隙の結晶表面をイオン
交換によって劣化させる場合に、Rbイオンを用いた処
理によっても表面の結晶性を変えることができる。この
後に電界を印加することで、深い分極反転領域が形成さ
れる。
交換処理を施した上で作製される周期的な分極反転領域
を利用して、光波長変換素子を作製する方法について述
べる。
成した分極反転領域の上に光導波路を形成すれば、図5
(c)に示した形状を有する光波長変換素子を製造する
ことができる。しかし、第3の実施形態にしたがって周
期状分極反転領域9を形成したLiTaO3基板1の+C面1
aに対しては、周期的にプロトン交換処理が行われてい
る。そのため、周期的な屈折率分布(基板1と分極反転
領域9との間の屈折率の差)が存在する。このため、低
損失の光導波路を形成するには、アニール処理により屈
折率分布を均一化する必要がある。
れるアニール処理の温度が、形成された分極反転領域9
の形状に与える影響を模式的に示す断面図である。図1
0(a)はアニール処理を行っていない状態であり、図
10(b)〜(d)はそれぞれ450℃、500℃、及
び550℃でアニール処理を行った後の状態を示す。
示すように、基板1の+C面1aの表面近傍に針状のマ
イクロドメイン8が残留している。このようなマイクロ
ドメイン8は、分極反転領域9からなる周期状分極反転
構造の周期性を劣化させる。これに対して、図10
(b)〜(d)に示すように、アニール処理を行うこと
によってこのようなマイクロドメイン8は消滅する。
と、図10(c)及び(d)に示すように、形成された
周期状分極反転領域9が基板1の+C面1aの近傍から
消滅する。アニール温度またはアニール時間を増すと、
それだけ深い箇所に至るまでの分極反転領域9が消滅す
る。
が消滅してしまうと、所期の光波長反転機能が得られな
くなる。したがって、形成した周期的分極反転構造の均
一性を向上して低損失の光導波路を形成するためには、
アニール処理温度を500℃以下に設定することが望ま
しい。
を2μmまで短くすることが可能であるために、位相整
合波長を740nmまで短波長化できる。したがって、
波長370nmの紫外光の発生が可能になる。
分極反転領域が得られるので光波長変換素子の特性向上
を図ることができる。また、分極反転領域を基板の深い
箇所にまで形成することによって、高効率の光波長変換
素子が製造できる。さらに、分極反転領域を短周期化す
ることによって、短波長の第2高調波の発生が可能にな
る。
換処理により形成された屈折率変化を、アニール処理に
よって除去しているが、他の方法によって取り除くこと
もできる。
面のプロトン交換層の厚さは、約1μm程度にすぎな
い。そこで、基板表面を光学研磨することで、プロトン
交換層を容易に取り除くことができる。具体的には、Li
NbO3基板やLiTaO3基板などの光学研磨に一般に用いられ
ているポリッシングダイヤ液を使用して、研磨布の上で
基板表面を研磨することで、基板表面のプロトン交換層
を取り除く。その後に、上述した方法でプロトン交換光
導波路を形成すれば、同様に高効率の光波長変換素子を
形成することができる。
ングによって、基板表面のプロトン交換層を除去するこ
ともできる。
合、エッチング液として例えばHFとHNO3とを2:
1で混合した液体を用いて、エッチング液の温度を60
℃程度にしてエッチングを行う。湿式エッチングに対す
るエッチングレートは、通常は+C面と−C面とでは異
なっているが、プロトン処理後はほぼ等しい値になって
いるるために、分極反転した表面に凹凸が現れること無
くエッチングが行われる。これによって、低損失の光導
波路の形成が可能になる。
あるいはCHF3等のガスを用いてエッチングできる。
例えば、反応性イオンエッチング装置を用いてRFパワ
ーを100W程度にすれば、数10nm/分程度のエッ
チングレートが得られる。プロトン交換処理後の基板表
面のエッチングレートは、処理前の基板における値より
高くなっており、より効率の高いプロセスが行える。
の方法について述べる。
する光のパワー密度に依存する、そのため、閉じ込めの
強い光導波路を形成すれば、より高効率の光波長変換素
子が製造可能となる。本実施形態では、閉じ込めの強い
光導波路を備えた光波長変換素子を製造するために、光
導波路としてリッジ型の光導波路を用いる。
たがってリッジ型光導波路17aを分極反転領域9の上
に形成する方法を説明する。なお、分極反転領域9の形
成は、先に説明した第1の実施形態または第3の実施形
態のいずれの方法にしたがったものであってもよい。
LiTaO3基板1にプロトン交換処理を施して、図11
(a)に示すように基板1の表面にプロトン交換層17
を形成する。プロトン交換処理は、例えば、温度260
℃のピロ燐酸中に基板1を20分間浸すことで実施でき
る。次に、図11(b)に示すように、プロトン交換層
17の上にフォトリソグラフィ法によって、光導波路を
形成するためのレジストパターン12を形成する。続い
て、レジストパターン12をマスクとして、CHF3ガ
ス雰囲気中でドライエッチングを行う。これによって、
プロトン交換層17を300nm程度エッチングする。
さらに、レジストパターン12を除去することによっ
て、図11(c)に示すように、一部にリッジ17aを
有するプロトン交換層17が形成される。さらに、アニ
ール処理を、例えば温度420℃で60秒間行って、図
11(d)に示すような、リッジ型光導波路17aを備
えた光波長変換素子500が得られる。
子500では、光導波路17aの厚さを従来の2μm程
度から1.5μmに、幅を従来の4μmから3μmに、
それぞれ低減することが可能になる。このような光導波
路の小型化にともなって、光導波路を伝搬する光のパワ
ー密度を従来の1.5倍に高めることができる。この結
果、光波長変換素子の変換効率が、従来の約2倍に高め
られる。
を、図12を参照して説明する。
の内部に周期的な分極反転領域9が形成されている。基
板1の表面近傍における分極反転領域9の間隙には、プ
ロトン交換領域7が設けられている。さらに、周期状分
極反転領域9を形成した基板1の両端部には、研磨後に
反射膜14をそれぞれ堆積する。反射膜14は、典型的
には、波長800nmの基本波を90%以上反射する。
体レーザ21の光(基本波)23を集光光学系22を介
して入射すると、入射した基本波23は基板1の両端面
の反射膜14で多重反射して、基板1の内部で共振す
る。すなわち、光波長変換素子600は共振器として機
能して、その内部パワーの増大により、入射された基本
波23が高効率で第2高調波24に変換されて出射され
る。
に形成された周期状分極反転領域9をそのままバルク状
で利用して、入射した光の波長変換を行う。基本波23
と分極反転領域9との十分なオーバラップが得られるの
で、高効率の光波長変換が行える。
領域9の間に形成したプロトン交換領域7は、分極反転
領域9の劣化を防止する機能を発揮する。電界印加によ
って分極反転を生じさせる場合、深い分極反転領域9を
形成できる一方で、基板1の結晶に大きな歪が与えられ
る。そのような歪は、形成された分極反転領域9の経時
変化を起こす。例えば、数週間から数カ月で、分極反転
領域9の形状が徐々に変化して、光波長変換素子600
の動作特性が変化することがある。これに対して、分極
反転領域9の間にプロトン交換領域7を形成すると、分
極反転領域9のそのような形状変化の発生が防止され
て、動作特性の経時変化の無い安定な光波長変換素子6
00を構成できる。
するため、基板1の温度が変化すると、基板1の中の結
晶表面に焦電電荷が蓄積されて電界が発生する。電界が
発生すると、電気光学効果によって屈折率変化を生じ
る。このため、光波長変換素子600の位相整合特性に
影響を与え、出力が不安定になる。これに対して、プロ
トン交換領域7はLiTaO3基板1より一桁程度低い電気抵
抗を有するため、基板1の表面にプロトン交換領域7を
形成することによって、焦電効果により発生する電荷の
移動速度を高め、電界の発生を防止することができる。
これによって、外部温度が変動しても安定した出力特性
を維持できる光波長変換素子600が構成できる。
器として機能させるが、そのためには、多重反射する基
本波23のビーム径より深い位置に至るまで、典型的に
は数10μm以上の深さまで、分極反転領域9が均一に
形成されていなければならない。電界印加によれば、数
100μm程度の深さまで均一な周期状分極反転領域9
が形成されるので、高効率の共振器型光波長変換素子6
00を作製することができる。
の内部に形成された分極反転領域9を利用して波長変換
を行うバルク型光波長変換素子600を説明している。
これに対して、第2、第4あるいは第5の実施形態とし
て説明したように、基板1の表面に光導波路を形成し
て、光導波路型の光波長変換素子を構成することもでき
る。その場合、第2の実施形態に関連して説明したよう
に、基板1と分極反転領域9との間に存在する周期的な
屈折率変化を低減するためのアニール処理が必要にな
る。これに対して、本実施形態では、基板1の表面近傍
における分極反転領域9の間隙に、基板1より高い屈折
率を有するプロトン交換領域7が形成されるので、上記
のような分極反転領域9と基板1との間の屈折率差が低
減される。このため、低損失の光導波路の作製が可能に
なり、高効率の光波長変換素子を構成できる。
法を、図13(a)〜(c)を参照して説明する。
例えば200μmのC板のLiTaO3基板1(結晶のC軸に
垂直な面で切り出した基板)の+C面1aに、それぞれ
のストライプ状の電極枝の幅が1.2μmである櫛形電
極2を形成する。一方、基板1の−C面1bには、平面
電極3を形成する。これらの電極2及び3は、例えば厚
さ約60nmのTa膜とすることができる。次に、図1
3(b)に示すように、+C面1aの表面の櫛形電極2
を覆うように、厚さ200nmのSiO2からなる絶縁
膜34をスパッタリング法により堆積する。その後に、
櫛形電極2を接地した上で、平面電極3に負のパルス電
圧(典型的にはパルス幅3ms)を印加する。放電の発
生をさけるため、電圧印加時には、基板1の全体を絶縁
液または10-6Torr以下の真空中に設置する。
9の横方向への拡大を、図14(a)〜(c)を参照し
て説明する。
転領域9の幅Wを示し、横軸は櫛形電極2と平面電極3
との間に印加される電圧(絶対値)を示す。一方、図1
4(b)及び(c)は、形成される分極反転領域9の形
状を示す断面図である。
絶縁膜34を櫛形電極2の上に堆積しない場合のデータ
も示している。それによると、SiO2絶縁膜34を形
成しない場合には、形成される分極反転領域9の幅Wは
1.7μm以下には小さくならない。また、図14
(b)に模式的に示すように、SiO2絶縁膜34を形
成しない場合に得られる分極反転領域9は不均一な形状
を有しており、その幅Wは±30%以上の範囲で大きく
ばらつく。さらに、印加電圧が5.5kV未満である
と、基板1の内部で分極が反転しない部分が生じたり、
小さな領域のみが分極反転したりする現象が観測され
る。したがって、SiO2絶縁膜34を櫛形電極2の上
に堆積しない場合には、基板の広い範囲にわたって分極
反転領域9を安定して形成するためには、5.5kV以
上の電圧を印加する必要がある。
さ200nmのSiO2絶縁膜34を櫛形電極2の上に
堆積すると、形成される分極反転領域9の幅Wを、櫛形
電極のストライプ状電極枝の幅に近い1.5μmまで低
減することができる。また、図15(c)に示すよう
に、均一な形状の分極反転領域9が形成されて、その幅
のばらつきも±5%以下に抑えられる。さらに、4.9
kV以上の電圧を印加すれば、電極全体に対応した広い
範囲に渡って、分極反転領域9を形成することができ
る。
うことにより、印加電圧の広い範囲に渡って、分極反転
領域9の幅方向の広がりが抑制されて、均一な形状の分
極反転領域9を形成することができる。
4に要求される特性を説明する。
して上で形成した分極反転領域の幅をそれぞれ測定した
結果に基づいて、絶縁膜34の抵抗率の影響を検討す
る。その結果、抵抗率が1015Ω・cm以上の絶縁膜を
形成すると、形成される分極反転領域9の広がりが1μ
m程度に抑制されて、また幅のばらつきも±10%程度
に低減する。絶縁膜の抵抗率をさらに増加させると、1
016Ω・cm以上の絶縁膜に対しては、形成される分極
反転領域9の幅の広がりがさらに抑圧され、ばらつきも
±5%以内に抑制され、より均一な分極反転領域9が形
成される。
度の分極反転領域9は、抵抗率が1015Ω・cm程度の
絶縁膜を用いて形成することができるが、周期が4μm
以下であるような短周期の分極反転領域9を形成する場
合には、抵抗率が1016Ω・cm以上の絶縁膜を用いる
ことが望ましい。
率が1017Ω・cm程度である)を異なる厚さで堆積す
る場合を例にとって、絶縁膜34の厚さと形成される分
極反転領域9の幅との関係を説明する。
合に、分極反転領域9の幅方向への拡大を抑制する効果
が得られる。また、SiO2膜の厚さを100nm以上
にすると、分極反転領域9の幅のばらつきは±10%程
度に低減される。さらに、SiO2膜の厚さが200n
m以上である場合には、分極反転領域9の幅のばらつき
は±5%以下に低減され、加えて、その広がりが0.2
μm以下に抑えられる。しかし、SiO2膜の厚さを2
00nm以上にしても、それ以上の改善は認められな
い。
周囲雰囲気である絶縁液(抵抗率:101 5Ω・cm)
の影響を受けて、分極反転領域9の幅方向の拡大の抑制
に対して十分な効果が得られない。
2膜を用いているが、他の材料からなる絶縁膜を用いる
ことができる。例えば、Ta2O5膜をスパッタリング法
で200nm堆積した基板において上記と同様に分極反
転領域を形成すると、SiO2膜を用いる場合と同様の
特性が得られる。しかし、有機ポリマの膜を絶縁膜とし
て用いると、SiO2膜やTa2O5膜の半分程度の抑圧
効果しか得られない。
ッタリングによって堆積している。スパッタリング法で
は、堆積されるべき膜の材料がターゲットからスパッタ
されて基板に付着するときに、大きな運動エネルギーを
有している。このため、基板1の表面の自由電荷に与え
る影響が大きく、分極反転の抑圧効果に優れている。し
かし、他の成膜方法、例えば、EB蒸着法、CVD法、
イオンビームスパッタリング法、ゾルゲル法等によっ
て、絶縁膜34を堆積してもよい。
形電極2を形成している。LiNbO3基板やLiTaO3における
分極反転領域の形成は、+C面1aにおける分極反転核
の形成で始まる。このため、上記のように+C面1aに
櫛形電極2を設けることによって、櫛形電極2のパター
ンを分極反転領域のパターンに正確に転写することがで
きる。これに対して基板1の−C面1bに櫛形電極を形
成しても、均一性の高い周期状の分極反転構造は形成さ
れない。
はLiTaO3基板を用いている。あるいは、KTP(KTiOP
O4)基板、KNbO3基板、LiNbO3基板、またはMgO、Nb、Nd
などをドープしたLiTaO3基板やLiNbO3基板を使用するこ
とができる。あるいは、LiTaO3とLiNbO3との混晶である
LiNb(1 ー x)TaXO3基板(0≦X≦1)でも、同様な光波長
変換素子が作製できる。特に、上記のうちでLiNbO3基板
は、高い非線形光学定数を持つために、高効率の光波長
変換素子を製造するには有効である。
法を、図15(a)〜(d)を参照して説明する。
例えば200μmのC板のLiTaO3基板1(結晶のC軸に
垂直な面で切り出した基板)の+C面1aに櫛形電極2
を、−C面1bに平面電極3を、それぞれ形成する。こ
れらの電極2及び3は、例えば厚さ約60nmのTa膜
とすることができる。また、櫛形電極2は、例えば、ス
トライプ状の電極枝の周期が3.8μmで、各電極枝の
幅を1.9μmとする。
ストを堆積して、CHF3ガス雰囲気中の反応性イオン
エッチングにより、櫛形電極2で覆われていない基板1
の表面をエッチングする。その後にレジストを除去する
ことによって、図15(b)に示すように、櫛形電極2
のストライプ状の電極枝の間における基板1の+C面1
aに、溝18が形成される。エッチングによる除去深さ
は、例えば0.1μmにする。
基板1の+C面1aを覆うように、厚さ200nmのS
iO2からなる絶縁膜34をスパッタリング法により堆
積する。その後に、櫛形電極2を接地した上で、平面電
極3に負のパルス電圧(典型的には、パルス幅3ms
で、振幅5.2kVとする)を印加する。放電の発生を
さけるため、電圧印加時には、基板1の全体を絶縁液ま
たは10-6Torr以下の真空中に設置する。
の直下のみに分極反転領域9が形成され、電極2のパタ
ーンが分極反転構造に完全に転写される。特に、櫛形電
極2のストライプ状電極枝の周辺部における基板1の表
面をエッチングで除去して溝18を形成することによ
り、基板1の表面における電荷の移動が低減される。こ
の結果、分極反転領域9の幅方向の拡大が抑制されて、
均一な周期状分極反転領域9が形成される。
を用いて強誘電体結晶の分極方向に電圧を印加すること
で、周期状の分極反転領域の形成が可能になる。しか
し、結晶によっては、容易に分極反転が形成できない場
合や、分極は反転しても短周期の分極反転領域の形成が
難しい場合がある。以下に説明する本実施形態では、そ
のような従来技術では分極反転領域の形成が困難な結晶
について、分極反転領域を容易に形成する方法を説明す
る。
るには、薄い基板を用いて、小さな反転電圧で大きな電
界を印加することが考えられる。しかし、薄い基板は十
分な強度を有していないので、電極作成プロセスなどの
実施が非常に難しくなる。そこで本実施形態では、薄い
基板を容易に取り扱うことができるようにするために、
図16(a)〜(e)に示す工程によって分極反転領域
を基板の中に形成する。
0.5mmであるMgOドープLiNbO3基板31の+C面3
1aに、櫛形電極2を形成する。次に、図16(b)に
示すように、表面に引出し電極20を形成したLiNbO3基
板32の上に、MgOドープLiNbO3基板31を接着する。
このとき、LiNbO3基板32の引出し電極20とMgOドー
プLiNbO3基板31の櫛形電極2とが、電気的に接触する
ようにする。続いて、そのように接着されている状態の
MgOドープLiNbO3基板31を光学研磨して、図16
(c)に示すようにその厚さを50μmまで減じる。そ
の後、図16(d)に示すように、MgOドープLiNbO3基
板31の研磨面上に、平面電極3を形成する。そして、
図16(e)に示すように、LiNbO3基板32の引出し電
極20とMgOドープLiNbO3基板31の平面電極3との間
にパルス電源5を接続して、パルス電圧を印加する。こ
れによって、MgOドープLiNbO3基板31の内部に短周期
で分極反転領域9が形成される。
定数を有し且つ耐光損傷性に優れるため、波長変換素子
の材料として有望なものである。しかし、従来技術では
周期状の分極反転構造の形成が困難であった。これに対
して、以上に説明した本実施形態の方法によれば、MgO
ドープLiNbO3基板31に周期3μmで分極反転領域9を
形成することができる。このようにして周期状の分極反
転領域9が形成されたMgOドープLiNbO3基板31を用い
ることにより、高効率の光波長変換素子の作製が可能に
なり、高出力のSHG光の発生が可能になる。
に、本実施形態のプロセスにおいても、櫛形電極2をS
iO2膜などの絶縁膜で覆うことによって、形成される
分極反転領域の周期構造の均一性を増すことができる。
長変換素子を焦電センサへ応用する場合には、光学基板
として熱伝導性の高い材料を用いれば、焦電センサの応
答速度を高めることができる。
転構造を利用して、光導波路型の光波長変換素子を製造
することができる。その場合には、図16(a)〜
(e)に示した一連の工程を実施する前に、まずMgOド
ープLiNbO3基板31の+C面31aに光導波路を形成す
る。
る。基板31の+C面31aにスパッタリングによって
Ta膜を堆積し、フォトリソグラフィ及びドライエッチ
ングによってストライプ状の光導波路のパターンを形成
する。その後、230℃のピロ燐酸中で8分間熱処理す
ることによってプロトン交換を行い、プロトン交換導波
路を形成する。その後さらに、300℃で10分間の熱
処理を行うことによって、光導波路が形成される。その
後に、図16(a)〜(e)に示す工程を実施すると、
光導波路内に周期状の分極反転領域が形成される。これ
によって、図17に示すようなストライプ状光導波路3
3を有する光波長変換素子900が形成できる。
の入射部15から素子900の内部に入射した基本波2
3は、光導波路33の中に限定されて伝搬する。その過
程で、基本波23は第2高調波24に変換されて、出射
部16から外部に取り出される。このとき、基本波23
は光導波路33の中に限定されて伝搬するので、素子9
00の内部における基本波23のパワー密度が増加す
る。また、伝搬する基本波23と分極反転構造9との相
互作用長も増加する。この結果、高効率の波長変換素子
900が実現される。
することで、光導波路33の上に塵等が堆積して導波損
失が生じることが防止される。また、光導波路33の上
に、基板の屈折率に近い値の屈折率を有する材料を堆積
することにより、光導波路33の屈折率分布を対称構造
にすることができる。これによって、光導波路33を伝
搬する光の電界分布が対称構造となり、基本波23の結
合効率が高くなる。なお、図17の光波長変換素子90
0の櫛形電極は、光導波路33の損失を低減するために
透明電極で形成しなければならない。
板31としてMgOドープLiNbO3基板を用いている。ある
いは、その他に、MgOドープLiTaO3基板、NdドープLiNbO
3基板、NdドープLiTaO3基板、KTP基板、KNbO3基板、Nd
とMgOとをドープしたLiNbO3基板、あるいはNdとMgOとを
ドープしたLiTaO3基板などであってもよい。
板はレーザ発振が可能であるので、レーザ発振による基
本波の発生とその波長変換による第2高調波の発生とが
同時に行える。そのため、高効率で安定した動作特性を
有する短波長光源が作製できる。
を有するとともに耐光損傷性にも優れているので、高出
力の光波長変換素子が形成できる。
体基板31に張り付ける基板32としてLiNbO3基板を用
いているが、光学的に平板な基板であれば、他の材料か
らなる基板も使用できる。特に、強誘電体基板31と等
しい熱膨張係数を有する材料からなる基板32を用いる
ことが、強誘電体基板31に対する熱的な歪みの印加を
低減できるという点で好ましい。
の手法を用いれば、強誘電体材料の薄膜結晶を形成でき
る。このような強誘電体薄膜結晶を用いれば、周期状の
分極反転領域の形成が困難な材料に対しても、分極反転
領域を形成することができる。さらに、薄膜を光導波路
として用いることで、高効率な光導波路型の光波長変換
素子が構成できる。
て、結晶成長により形成した強誘電体薄膜30に分極反
転領域9を形成する方法を説明する。
性に優れた高非線形材料であるが、従来技術によれば、
周期状の分極反転領域をその内部に形成することが困難
である。そこで、本実施形態では、まずLiTaO3基板31
の上にMgOドープLiNbO3層30を結晶成長させた上で、
その成長したMgOドープLiNbO3層30の内部に周期状の
分極反転領域9を形成する。
方法を、図18(a)〜(c)を参照して説明する。
LiTaO3基板32(結晶のC軸に垂直な面で切り出した基
板)の+C面32aに、MgOを5mol%ドープした厚さ2μ
mのLiNbO3層30を液相成長により堆積する。次に、図
18(b)に示すように、成長させたLiNbO3層30の上
に櫛形電極2を、LiTaO3基板32の−C面32bの上に
平面電極3を、それぞれ形成する。これらの電極2及び
3は、例えば厚さ約60nmのTa膜とすることができ
る。また、櫛形電極2は、例えばストライプ状の電極枝
の周期が3.8μmで、各電極枝の幅を1.9μmとす
る。続いて、櫛形電極2と平面電極3との間に、パルス
電源5によってパルス電圧を印加する。これによって、
周期状の分極反転領域9が、MgOト゛ーフ゜LiNbO3層30の内
部に形成される。
は、不純物濃度が低く、かつ結晶構造を変えることがで
きるため、高効率の光波長変換素子が形成できる。さら
に、薄い膜が容易に形成できるため、均一性の高い周期
状の分極反転構造が容易に形成できる。
に、本実施形態のプロセスにおいても、櫛形電極2をS
iO2などの絶縁膜で覆うことによって、形成される分
極反転領域9の周期構造の均一性を増すことができる。
周期状の分極反転領域9を用いて、リッジ型光導波路3
0aを有する光波長変換素子1000を形成する方法
を、図19(a)及び(b)を参照して説明する。
て周期状の分極反転領域9がその内部に形成されたMgOト
゛ーフ゜LiNbO3層30上に、図19(a)に示すようなスト
ライプ状のTi膜29を形成する。次に、Ti膜29を
マスクとして利用して、ECRエッチング装置でMgOド
ープLiNbO3層30をエッチングする。その後にTi膜2
9を除去することによって、図19(b)に示すよう
に、MgOドープLiNbO3層30にストライプ部分30aが
形成される。このTi膜29に覆われていてエッチング
されずに残ったMgOドープLiNbO3層30のストライプ部
分30aは、例えば、幅6μmで高さ0.3μmのサイ
ズを有する。また、ストライプ部分30a以外のMgOド
ープLiNbO3層30の厚さは、エッチングによって典型的
には10μmまで薄くなる。
は、LiTaO3基板32の屈折率より小さいために、上記の
ようにして形成されたMgOドープLiNbO3層30のストラ
イプ部分30aは、光導波路30aとして機能する。し
たがって、図19(a)及び(b)に示す工程によっ
て、図7(a)〜(c)の工程で、周期状の分極反転領
域9を有する光導波路30aが形成される。
面を光学研磨することで、光波長変換素子1000が形
成される。MgOドープLiNbO3は高い非線形光学定数を有
する材料であるために、このようにして形成された光波
長変換素子1000は、高効率の波長変換が可能にな
る。さらに、MgOドープLiNbO3は耐光損傷性に優れる材
料であるので、高出力の波長変換が可能になる。
よって形成した強誘電体薄膜30を用いている。あるい
は、強誘電体薄膜30の成長は、気相成長またはレーザ
アブレージョン等の他の成長方法で行うこともできる。
ブレージョンを利用すると、基板32の上に強誘電体結
晶の歪超格子の薄膜を形成することができる。超格子薄
膜は、薄膜を形成している結晶以上に大きな歪を有する
ため、非線形定数の大きな膜となる。本実施形態のプロ
セスにおいても、レーザアブレーションによって強誘電
体薄膜30を堆積した上で周期状の分極反転領域9を形
成することで、高効率の光波長変換素子の形成が可能に
なる。
の方法によって形成してもよい。例えば、強誘電体の結
晶を光学結晶の基板の上に接合し、その後に強誘電体結
晶を研磨およびエッチングすることによって、薄膜結晶
を形成することができる。このような結晶の張り合わせ
によって形成した薄膜に対して、図18(a)〜(c)
の工程で周期状の分極反転領域を形成し、さらに図19
(a)及び(b)の工程で光導波路を形成する。このよ
うな結晶の張り合わせを利用すれば、結晶成長が難しい
材料、例えば、KNbO3、KTP、BBO等の非線形材料
においても周期状の分極反転構造を形成することができ
る。
て形成した分極反転領域を用いた光波長変換素子の製造
方法を説明する。形成される光波長変換素子の構成を図
20に示す。
は、長い距離に渡り均一な構造を有する短周期の周期状
分極反転領域を形成する必要がある。例えば、LiNbO3、
LiTaO3、KTP等の結晶に形成した分極反転構造を利用
して、波長変換により波長400nm帯の青色光を発生
するためには、周期が3〜4μmである分極反転領域
を、長さ10mm程度に渡り均一に形成する必要があ
る。すでに述べたように、短周期の分極反転領域を形成
するには、分極反転領域の電極幅方向への広がりを極力
抑える必要があり、均一な周期構造を形成するために
は、分極反転形状の均一性が要求される。上記の点を考
慮すれば、第8の実施形態で示した製造方法によって得
られる分極反転領域は、高効率の光波長変換素子の製造
に非常に有効である。
(a)〜(d)を参照して説明した方法と実質的に同様
である。
基板1の+C1a面に櫛形電極2を、−C面1bに平面
電極3を形成する。櫛形電極2の周期は3.8μmとし
て、櫛形電極2を構成するストライプ電極枝の幅はそれ
ぞれ1.9μmとする。一方、平面電極3のサイズは3
mm×10mmとする。櫛形電極2の形成後に、各スト
ライプ電極枝の周辺の基板1の表面(+C面1a)を1
00nmエッチングして、溝18を形成する。その後
に、+C面1aの櫛形電極2の上に、スパッタリング法
で厚さ200nmのSiO2層34を堆積する。その後
に、電極2及び3の間にパルス電圧を印加する。印加す
るパルス電圧は、例えば、パルス幅が約3msで、ピー
ク値が5.1kVである。
に、幅1.9μmでデューティ比が50%である周期状
の分極反転領域9が、長さ10mmに渡り均一に形成さ
れる。特に、形成される分極反転領域9は、基板1の
底、すなわち−C面1bまで達する。
入射面25及び出射面26を光学研磨して、波長850
nmの基本波23に対する反射防止膜19として機能す
る厚さ145nmのSiO2膜19を堆積する。これに
よって、図20に示す光波長変換素子1100が構成さ
れる。
波23としてTi:Al2O3レーザの光を入射して、そ
のSHG特性を測定した。具体的には、レーザ21から
出た光(基本波)23を、集光光学系22により光波長
変換素子1100の入射面25に集光して入射する。入
射した基本波23は、素子1100の内部を伝搬する際
に波長変換されて、基本波23の半分の波長を有する第
2高調波(SHG光)24として出射面26から出射す
る。基本波23から第2高調波24への変換効率は、集
光スポット径がφ37μmの場合に最大になる。
(位相整合波長)と出力される第2高調波24のパワー
(SHG出力)との関係を示す。基本波23の集光スポ
ット径は、上記のφ37μm一定としている。図21に
示されるように、位相整合波長が850nmであるとき
にSHG出力は最大になり、このときの波長許容度の半
値全幅は0.12nmである。この値は、理論値0.1
nmに非常に近い値であり、周期的な分極反転構造が、
素子長10mmに渡り均一に形成されていることを意味
している。
HG出力との関係を、図22に示す。基本波入力パワー
が300mWのとき、4.2mWのSHG出力が得られ
ている。また、このときの変換効率は1.4%である。
この値は理論値と等しく、形成された分極反転構造が理
想的な形状を有していることを示している。
領域9の間に形成した溝18は、分極反転領域9の劣化
を防止する機能を発揮する。電界印加によって分極反転
を生じさせる場合、深い分極反転領域9を形成できる一
方で、基板1の結晶に大きな歪が与えられる。そのよう
な歪は、形成された分極反転領域9の経時変化を起こ
す。例えば、数週間から数カ月で、分極反転領域9の形
状が徐々に変化して、光波長変換素子900の動作特性
が変化することがある。これに対して、分極反転領域9
の間に溝18を形成すると、分極反転領域9のそのよう
な形状変化の発生が防止されて、動作特性の経時変化の
無い安定な光波長変換素子を構成できる。光波長変換素
子を形成する際に、櫛形電極2に含まれるストライプ状
電極枝の幅Wは、櫛形電極2の周期ΛとW≦Λ/2の関
係にあるのが好ましい。その理由を以下に説明する。
る印加電圧条件下では、ストライプ状電極枝の下に形成
される分極反転領域の幅Wdは、電極枝の幅Wより僅か
にひろがる。一方、光波長変換素子の効率は、周期Λと
分極反転領域の幅Wdとの関係がΛ/2=Wdのときに最
大になる。このため、Wdの値をΛ/2にするには、分
極反転領域の幅方向の広がりを考慮して、電極の幅Wを
Λ/2の値に等しくするか、またはそれより小さく設定
することが好ましい。
光波長変換素子を形成することもできる。その場合に
は、図20の構成において、周期状分極反転領域9を形
成したLiTaO3基板1の両端面を研磨した後に、反射防止
膜19の代わりに、波長が800nmの基本波23を9
9%以上反射する反射膜14を堆積する。このような光
波長変換素子に、基本波23が入射すると、基板1の両
端面に形成した反射膜14で多重反射して、基板1の内
部で共振する。すなわち、光波長変換素子は共振器とし
て機能して、その内部パワーの増大により、入射された
基本波23が高効率で第2高調波24に変換される。
機能させるためには、多重反射する基本波23のビーム
径より深い位置に至るまで、典型的には数10μm以上
の深さまで、分極反転領域9が均一に形成されていなけ
ればならない。電界印加によれば、数100μm程度の
深さまで均一な周期状分極反転領域9が形成されるの
で、高効率の共振器型光波長変換素子を作製することが
できる。
有する高効率の光波長変換素子の製造方法を説明する。
具体的には、形成された均一で短周期の分極反転領域の
内部に、光導波路を形成する。具体的には、まず、これ
までに示した実施形態で説明した方法によって、Li TaO
3基板に周期状の分極反転領域を形成する。その後に、
プロトン交換処理によって光導波路を形成する。
下のプロセスが考えられる。周期状の分極反転領域が形
成されている基板の+C面の上に、形成すべき光導波路
のパターンに対応したTaマスク層を形成し、260℃
のピロ燐酸中での16分間の熱処理、及び空気中での4
20℃における5分間の熱処理によって、プロトン交換
導波路を形成する。
光導波路の両端面を光学研磨して、光導波路に基本波を
入力して出力されるSHG光の出力特性を測定すると、
理論値の約半分の変換効率しか得られない。この低い変
換効率がもたらされる原因に関して、発明者らによる検
討によって、光導波路の内部で周期状分極反転領域の一
部が消滅していることが発見された。即ち、光導波路の
作製プロセスにより、形成されていた分極反転領域が表
面から深さ約0.6μm迄の範囲で消滅するために、変
換効率が低下していることが明らかになった。また、Li
NbO3基板、或いはLiNbO3とLiTaO3との混晶の基板でも、
同様に、分極反転領域の表面部分からの後退が観測され
る。
極反転領域への影響を防止するために、本実施形態で
は、図23(a)〜(c)に示す工程で光導波路11を
作製する。
反転領域(不図示)が形成されている基板1の+C面1
aの上に、形成すべき光導波路11のパターンに対応し
たTaマスク層10を形成する。次に、260℃のピロ
燐酸中での20分間の熱処理、及び空気中での420℃
における5分間の熱処理によって、図23(b)に示す
ように、Taマスク層10の開口部に相当する基板1の
部分にプロトン交換導波路11を形成する。その後に、
CHF3ガス中での反応性イオンエッチングにより、T
aマスク層10を除去するとともに、基板1の表面をさ
らに0.5μmエッチングして除去する。この際に、プ
ロトン交換光導波路11の表面部分も同様にエッチング
で除去することによって、光導波路11の表面近傍に存
在する周期状分極反転領域の劣化部分を除去する。
11の両端面を光学研磨して、光導波路に基本波を入力
して出力されるSHG光の出力特性を測定すると、例え
ば、100mWの基本波入力に対して20mWの第2高
調波出力が得られた。このときの変換効率は理論値に等
しい値であり、本実施形態に基づくプロセスによって、
高効率の光波長変換素子が得られている。
は、光導波路11を基板1の+C面1aに形成してい
る。しかし、分極反転領域は基板1の裏面、すなわち−
C面1bに達するまで形成されているので、光導波路1
1を基板1の−C面1bに形成しても、同様の性能を有
する光波長変換素子を製造することができる。そのよう
に−C面1bに光導波路11を形成する場合、−C面1
bには平面電極が形成されているのみであって櫛形電極
のパターンは形成されていないので、面の荒れが少な
い。そのため、導波損失の少ない導波路が作製でき、効
率の高い光波長変換素子の作製が可能である。
理によって形成した導波路に代わって、Ti拡散導波
路、Nb拡散導波路、イオン注入導波路など他の光導波
路を用いることができる。
作製するためには、拡散温度を1000℃以上に設定す
る必要がある。しかし、LiTaO3のキュリー温度は600
℃、LiNbO3のキュリー温度は1000℃であって、いず
れも拡散温度と同等かそれ以下である。このため、分極
反転領域の形成後に従来技術に従って拡散処理によって
光導波路を形成すると、形成されていた分極反転領域が
すべて消滅してしまう。それに対して、光導波路の形成
後に分極反転領域を形成することで、拡散で形成した光
導波路の内部に周期状の分極反転領域を形成することが
でき、高効率の光波長変換素子の製造が可能になる。
いる処理の他に、オルト燐酸、安息香酸、硫酸などを用
いることができる。
Taマスクに限られるものではなく、Ta2O5、Pt、
Auなど耐酸性を有する材料からなるマスクであればよ
い。
(b)を参照して、改変された周期型分極反転構造を有
するバルク型光波長変換素子1300を説明する。
形成された基板をバルクとして利用するバルク型の光波
長変換素子では、入射する基本波の光軸に対して素子を
ある角度で傾けることによって、素子の内部を進行する
光に対する分極反転周期を変えることができる。この点
を利用すれば、入射する基本波の発振波長の変動や環境
温度の変化による位相整合波長の変動を、調整すること
ができる。
変できる分極反転構造の周期範囲は、基板の屈折率に依
存するスネルの法則によって規定される。したがって、
周期を大きく変化させることはできない。
平行に分極反転領域が形成されている光波長変換素子の
場合、基板を入射する基本波の光軸に対して12度傾け
る場合、基本波が素子の入射面に垂直に入射する場合に
比べて、分極反転構造の周期は1.02倍になるにすぎ
ない。
00では、図24(a)に示すように、基板1の内部
に、その入射面15及び出射面16、あるいは少なくと
も入射面15に対してある角度θで傾いた分極反転領域
9を形成する。そのためには、これまでに説明してきた
実施形態における分極反転領域9の製造工程において、
基板1の+C面1aの上に櫛形電極2を形成する際に、
基板1の端面に対して角度θだけ傾けて形成すればよ
い。形成工程の他の特徴は実質的に同じであるので、こ
こでは説明は省略する。
射面15及び出射面16、あるいは少なくとも入射面1
5に対してある角度θで傾けて設けられている光波長変
換素子1300では、入射する基本波23の光軸に対し
て素子1300を傾けることによって素子1300の内
部を進行する光に対する分極反転周期を変えて位相整合
範囲を調整する際に、より広い範囲に渡る調整が可能に
なる。
面15に対して45度傾いた方向に分極反転領域9が形
成されている光波長変換素子1300の場合、レーザ2
1から発せられて集光光学系22を介して入射する基本
波23の光軸に対して基板1を12度傾けると、基本波
23が素子1300の入射面15に垂直に入射する場合
に比べて、分極反転構造の周期は1.12倍になる。こ
のように、従来技術による素子の場合に比べて、角度調
節の範囲が5倍以上に増大する。この結果、位相整合波
長の許容度が拡大されて、光波長変換素子1300をよ
り簡便に使用できるようになる。
9を傾けて作製することにより、位相整合温度の許容度
を拡大することが可能になる。これは、周期状の分極反
転構造を集光ビーム(基本波)が斜めに横切ることによ
って、集光ビームの光軸に対して角度を有する成分に対
する位相整合が、広い範囲で生じるために起こるからで
ある。
は、基板1の入射面15及び出射面16の両方に対して
傾いて形成されているが、出射面16と分極反転領域9
とは平行になるように形成してもよい。
aにおいて、出射面16から出てくる基本波23aと高
調波24とを分離する方法を、図24(b)を参照して
説明する。
光学系22を経て素子1300aの入射面15から入射
された基本波23は、素子1300aの内部を伝搬しな
がら高調波24に変換される。その後に出射面16から
変換された高調波24が出射されるが、このとき、変換
されなかった基本波成分23aも、同時に出射面16か
ら外部に出てくる。したがって、この変換されなかった
基本波成分23aを、変換された高調波24から分離す
る必要が生じる。
部に周期状の分極反転領域9が形成されているバルク型
光波長変換素子1300aの出射面16を、入射する基
本波23の光軸に対して傾けると、基本波と高調波との
波長分散によってそれぞれが感じる屈折率が異なって、
基本波23aと高調波24とを異なった出射角度(すな
わちθ1とθ2)で出射させて両者を分離することがで
きる。具体的には、素子1300aの内部では基本波が
感じる屈折率nfと高調波が感じる屈折率nsとが異なる
ので、スネルの法則に基づいて、それぞれに対する出射
角度が異なることになる。
反転領域に及ぼす影響に関する本願発明者らの検討結果
をさらに説明するとともに、その検討結果に基づいたよ
り好ましい光導波路の形成プロセスを含む光波長変換素
子の製造方法を説明する。
いるLiTaO3基板の+C面にプロトン交換処理を施して、
光導波路を形成するプロセスを考える。例えば、そのよ
うなプロトン交換処理としては、基板を温度260℃の
ピロ燐酸に浸して16分間の熱処理を行い、その後にア
ニール処理として、空気中で温度420℃で5分間の熱
処理を行う。このプロセスは、LiTaO3基板のキュリー温
度(約600℃)よりも低い温度で行われる低温プロセ
スである。
形成すると、形成されていた周期状の分極反転領域が、
基板の+C面から深さ方向に向かって消滅することがあ
る。分極反転領域が消滅する深さは、アニール時間とと
もにある程度まで増加した後に一定の値を保つようにな
るが、アニール条件が一定であれば、主として図25に
示すようにプロトン交換処理の時間に依存する。したが
って、プロトン交換時のプロトンの熱拡散によって、形
成された分極反転領域が消滅すると考えられる。アニー
ル温度を300℃まで下げても、依然として分極反転領
域の消滅が発生することがあり、高効率の波長変換を実
現する光波長変換素子を安定して製造できないという問
題が生じる。
の+C面のみで発生する。−C面では、光導波路の形成
にともなう分極反転領域の消滅は認められない。
の実施にともなう分極反転領域の消滅現象の影響を防ぐ
ために、分極反転領域の形成に先立ってプロトン交換処
理による光導波路の形成を行って、光波長変換素子を製
造する。
したがって、ストライプ状の埋込型光導波路11を有す
る光波長変換素子1410を製造する工程を模式的に示
す斜視図である。
部を有するTaマスク層(不図示)を基板1の表面に堆
積し、ピロ燐酸中での熱処理によってプロトン交換処理
を行う。これによって、図26(a)に示すようなスト
ライプ状の埋込型プロトン交換光導波路11を形成す
る。その後にアニール処理を行って、プロトン交換を施
した箇所(光導波路11)とそれ以外の箇所との間にお
ける分極反転特性の差を低減する。その後に、図26
(b)に示すように、基板1の+C面及び−C面に櫛形
電極2及び平面電極3をそれぞれ形成する。そして、こ
れらの電極2及び3を介して基板1に所定の電界を印加
して、図26(c)に示すような周期状の分極反転領域
9を基板1の内部に形成する。さらに、櫛形電極2及び
平面電極3を除去すれば、図26(d)に示す、ストラ
イプ状の埋込型光導波路11を有する光波長変換素子1
410が得られる。
したがって、リッジ形の光導波路17aを有する光波長
変換素子1420を製造する工程を模式的に示す斜視図
である。
換処理とアニール処理とを施して、図27(a)に示す
プロトン交換層(スラブ型光導波路)17を形成する。
その後に、図27(b)に示すように、プロトン交換層
17及び基板1の裏面(−C面)に櫛形電極2及び平面
電極3をそれぞれ形成する。そして、これらの電極2及
び3を介して基板1に所定の電界を印加して、図27
(c)に示すような周期状の分極反転領域9を基板1の
内部に形成する。その後に、櫛形電極2及び平面電極3
を除去するとともに、プロトン交換層17をストライプ
状に加工してリッジ型の光導波路17aを形成する。こ
れによって、図27(d)に示す、ストライプ状のリッ
ジ型光導波路17aを有する光波長変換素子1420が
得られる。
施した箇所(光導波路11)とそれ以外の箇所との間に
プロトン分布の僅かな差が存在する。これに対してリッ
ジ型光導波路17aを形成する上記プロセスでは、基板
1の表面全体にわたってプロトン交換層17が形成され
るために、分極反転領域の形成のための電界印加時に電
極面内におけるプロトン分布の不均一さが存在しない。
これより、面内分布が均一な分極反転領域を形成するこ
とができる。さらに、光導波路17aの側面にもプロト
ン交換層17が存在するので、機械的破壊に対する強度
が向上するとともに、耐光損傷性にも優れている。この
結果、埋込型光導波路11の場合に比べて、リッジ型光
導波路17aは2倍以上の耐光損傷強度を有する。
層(スラブ型光導波路)17の表面にさらにストライプ
状の高屈折率層44が装荷型の光導波路44として設け
られている光波長変換素子1430を、本実施形態にし
たがって製造する工程を模式的に示す斜視図である。
換処理とアニール処理とを施して、図28(a)に示す
プロトン交換層(スラブ型光導波路)17を形成する。
その後に、図28(b)に示すように、プロトン交換層
17及び基板1の裏面(−C面)に櫛形電極2及び平面
電極3をそれぞれ形成する。そして、これらの電極2及
び3を介して基板1に所定の電界を印加して、図28
(c)に示すような周期状の分極反転領域9を基板1の
内部に形成する。その後に、櫛形電極2及び平面電極3
を除去するとともに、プロトン交換層17の上にストラ
イプ状の高屈折率層44を形成する。これによって、図
28(d)に示す、ストライプ状光導波路44を有する
光波長変換素子1430が得られる。
44は、リッジ型光導波路17aよりもさらに強い閉じ
込め特性を示すので、高効率の光波長変換素子が得られ
る。
って光導波路を形成することによって、周期状分極反転
構造の消滅を防ぐことができる。これによって、耐光損
傷性に優れ、高効率の波長変換を実現する光波長変換素
子が得られる。
一部領域での再反転を利用した本実施形態における分極
反転領域の形成方法を説明する。
の+C面1a及び−C面1bに、それぞれ平面電極43
及び3を形成する。このとき、基板1の内部の分極は、
図29(a)に矢印41aで示すように、図面中で上方
向を向いている。
して電界を印加して、基板1の内部のほぼ全域の分極を
反転させる。これによって、図29(b)に示すよう
に、矢印41bで示す図面中で下向きの分極方向を有す
る分極反転領域41が形成される。
極43を除去して、その代わりに、図29(c)に示す
ように櫛形電極2を形成する。そして、櫛形電極2と平
面電極3に電圧を印加して基板1に所定の電界を印加す
ることによって、櫛形電極2の各ストライプ状電極枝の
直下の領域49の分極を再反転させる。これによって、
図29(d)に示すように、矢印41aで示す方向の分
極方向を有する領域49と、矢印41bで示す逆向きの
分極方向を有する領域41とが、周期的に交互に配置さ
れた構造を形成する。
全域で分極を一旦反転させることによって、−C面1b
の近傍においても均一な周期状の分極反転構造が形成さ
れる。特に、−C面1bでは、プロトン交換処理とアニ
ール処理とを用いて光導波路を形成する際の分極反転領
域の消滅が発生しない。したがって、本実施形態にした
がって周期状の分極反転構造を形成した後に、−C面の
上に光導波路を形成することによって、高効率の光波長
変換素子を実現することができる。
極反転領域の製造方法によれば、強誘電体結晶基板の分
極方向にお互いに離れた第1及び第2の電極を形成する
工程と、該第1及び第2の電極間に直流電圧を印加する
工程と、該直流電圧にパルス電圧を重畳して、該直流電
圧と該パルス電圧との合計電圧を該第1及び第2の電極
に印加して、該強誘電体結晶基板の内部の所定の領域の
分極を反転させる工程とを包含し、前記合計電圧を零レ
ベルに向けて減少させる際に、前記パルス電圧の零レベ
ルへの変化率を再反転電流が流れない値に設定する。こ
れによって、均一な強度分布を有する電界を基板に印加
することが可能になり、均一な周期構造を有する分極反
転領域を形成することができる。また、形成された周期
状分極反転領域の上にさらに光導波路を形成する、ある
いは形成された周期状分極反転領域をそのままバルクと
して用いることにより、高効率の光波長変換素子、なら
びにこの光波長変換素子を用いた短波長光源が製造され
る。
反転領域の形成方法を示す斜視図であり、(b)は、分
極反転領域の形成のために基板に印加される電界強度の
経時変化を示す模式的なグラフである。
波形で、(b)はそれにともなって流れる反転電流波形
であり、(c)は本発明における基板への印加電圧波形
で、(d)はそれにともなって流れる反転電流波形であ
る。(e)は、本発明における他の印加電圧波形の例で
ある。
電圧値との関係を示すグラフである。
極反転領域の形成が可能な基板の厚さとの関係を示すグ
ラフであり、(b)は、基板に印加する直流電界の強度
と分極反転領域の幅との関係を示すグラフである。
ける光波長変換素子の形成工程を示す斜視図である。
変換素子の斜視図である。
ける分極反転領域の形成方法を示す断面図である。
関係を示す断面図であり、(b)は、印加電圧と分極反
転領域の幅との関係を示すグラフである。
ける分極反転領域の形成方法を示す断面図である。
反転領域の形状との関係を示す断面図である。
おける光波長変換素子の形成工程を示す斜視図である。
子を示す斜視図である。
おける分極反転領域の形成方法を示す断面図である。
関係を示すグラフであり、(b)及び(c)は、形成さ
れる分極反転領域の形状を模式的に示す断面図である。
おける分極反転領域の形成方法を示す断面図である。
おける分極反転領域の形成方法を示す断面図である。
た分極反転領域を利用して製造される光波長反転素子の
斜視図である。
おける分極反転領域の形成方法を示す断面図である。
における光波長変換素子の形成工程を示す斜視図であ
る。
子を示す斜視図である。
基本波と出力される第2高調波のパワーとの関係を示す
グラフである。
基本波のパワーと出力される第2高調波のパワーとの関
係を示すグラフである。
おける光導波路の形成方法を示す断面図である。
波長変換素子を示す斜視図であり、(b)は、変換され
た高調波と変換されなかった基本波との分離方法を説明
する断面図である。
換の処理時間と分極反転が消滅する深さとの関係を示す
グラフである。
おける光波長変換素子の形成工程を示す斜視図である。
おける光波長変換素子の形成工程を示す斜視図である。
おける光波長変換素子の形成工程を示す斜視図である。
おける分極反転領域の形成方法を示す模式的な断面図で
ある。
を示す模式的な斜視図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 強誘電体結晶基板の分極方向にお互いに
離れた第1及び第2の電極を形成する工程と、 該第1及び第2の電極間に直流電圧を印加する工程と、 該直流電圧にパルス電圧を重畳して、該直流電圧と該パ
ルス電圧との合計電圧を該第1及び第2の電極に印加し
て、該強誘電体結晶基板の内部の所定の領域の分極を反
転させる工程と、 を包含し、 前記合計電圧を零レベルに向けて減少させる際に、前記
パルス電圧の零レベルへの変化率を再反転電流が流れな
い値に設定する 、分極反転領域の製造方法。 - 【請求項2】 前記直流電圧のレベルは分極反転を生じ
させる電圧レベルよりも小さく、前記合計電圧のレベル
は分極反転を生じさせる該電圧レベルに実質的に等しい
かあるいはそれよりも大きい請求項1に記載の分極反転
領域の製造方法。 - 【請求項3】 強誘電体結晶基板と、 該強誘電体結晶基板の内部に周期状に形成した分極反転
領域と、 該強誘電体結晶基板の端面に形成された入射面及び出射
面とを備え、 該分極反転領域は請求項1または2のいずれかに記載の
方法で製造されていることを特徴とする、光波長変換素
子。 - 【請求項4】 該分極反転領域は該入射面に平行ではな
くある角度を有している請求項3に記載の光波長変換素
子。 - 【請求項5】 前記入射面及び前記出射面にそれぞれ設
けられた反射防止膜をさらに備えている請求項3または
4に記載の光波長変換素子。 - 【請求項6】 前記出射面は前記分極反転領域に平行で
あって、該出射面に反射膜が設けられている請求項5に
記載の光波長変換素子。 - 【請求項7】 請求項3〜6のいずれかに記載の光波長
変換素子と、 半導体レーザと、 集光光学系と、を備え、 前記光波長変換素子により前記半導体レーザからの光を
波長変換している短波長光源。
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