JP3165756B2 - 第２高調波発生素子及びその製造方法 - Google Patents

第２高調波発生素子及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は非線形強誘電体光学材料
であるＬｉＴａＯ3 （以下ＬＴと称す）やＬｉＮｂＯ3
（以下ＬＮと称す）基板を用いた擬似位相整合型の第２
高調波発生（以下ＳＨＧと称す）素子及びこの製造方法
に関わり、ＳＨＧ素子の高出力光、高効率化に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】近年、小型軽量の青色光源として、例え
ば波長８３０ｎｍの半導体レーザをＳＨＧ素子で半分の
波長４１５ｎｍの青色の光に変換することが注目されて
いる。なかでも、発生させるＳＨＧ光の波長に合わせて
１〜１０μｍ程度の周期で形成した分極反転格子を用い
た擬似位相整合型のＳＨＧ素子は、位相整合のとり易
さ、ＳＨＧ効率の高さ等の特徴を有するために有望視さ
れている。
【０００３】例えばＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ、２５、１１（１９８９年）の第７３１〜７３２
頁には図２に示すように、ＬＮ基板２１上にＴｉ拡散に
よって周期格子を作製し、約１１００℃に加熱して周期
格子層だけの分極を反転させることによって三角形状分
極反転領域３１を形成し、その後プロトン交換法によっ
て光導波路１３を作製し、基本波１４を入射しＳＨＧ光
１５を取り出すものがある。ＬＴ基板を用いる場合には
例えばＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５８（２４）
（１９９１年）第２７３２〜２７３４頁で論じられてい
る様に、図３に示すＬＴよりなる基板１１上にＴｉ拡散
の替わりにプロトン交換法によって周期格子を作製し、
約６００℃に加熱し周期格子層だけ分極を反転させるこ
とによって半円状の分極反転領域４１を形成し、更にプ
ロトン交換法によって光導波路１３を作製する方法も試
みられている。そして、この光導波路１３に基本波１４
を入射してＳＨＧ光１５が取り出される。
【０００４】更に、電子ビーム法で分極反転領域を形成
する方法も知られている（ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ Ｌ
ＥＴＴＥＲＳ ９ｔｈ Ｍａｙ １９９１ Ｖｏｌ．２
７Ｎｏ．１０ 第８２８頁〜８２９頁）。この方法によ
って１ｍｍ厚の結晶を略貫通する深い分極反転領域を形
成できたことが報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】擬似位相整合型のＳＨ
Ｇ素子において、ＳＨＧ光の発生効率は分極反転領域の
断面形状に依存し矩形にすれば第２高調波への変換効率
が三角形のものに比べ変換効率が４倍以上に高まり、更
に分極反転層の位置精度を緩和できることが理論的に明
らかにされている（Intern.Conf.on Materials for Non
-linear andElectro-optics, Jul.4-7, 1989 第1〜6
頁）。
【０００６】しかし、分極反転格子の断面形状が、ＬＮ
基板を用いてＴｉ拡散法で形成されたものは図２の３１
に示すように三角形であり、ＬＴ基板を用いてプロトン
交換法で形成されたものは図３の４１に示すように半円
形であるため、理想的な矩形断面の分極反転格子を持つ
ＳＨＧ素子本来の効率ではＳＨＧ光を発生するには至っ
てない。また、Ｔｉ拡散領域は強い光によって屈折率が
変化する光損傷が起きやすくなることやプロトン交換領
域では非線形光学係数が低下して本来のＳＨＧ発生効率
が得られないことなどの問題点があった。
【０００７】更に、従来から用いられてきたプロトン交
換処理の方法は、図９に示すように恒温槽３５４内に設
置したガラス容器３５１内にプロトン源である酸３５３
を収容し、この酸の中に基板３５２をつけることが行わ
れている。この場合、プロトン源である酸によってガラ
ス容器３５１が侵されることや基板の全方位がプロトン
交換されることにより、酸による化学損傷性の結晶方位
による違いにより基板の表面が荒れたり、割れてしまう
問題点があった。その上、従来の方法では分極反転格子
の作製と光導波路の作製が別々の工程で２回以上のフォ
トリソグラフィを行わなければならないなどの問題点も
あった。
【０００８】また、前記半円状分極反転領域を有するＳ
ＨＧ素子にあっては、分極反転格子の幅が２．１μｍで
あるに対してその深さが１．６μｍとなって非常に浅
く、大出力素子に適さないのみならず、熱処理温度も５
５０℃程度とかなり高いという問題点があった。このＳ
ＨＧ素子において深さを制限される理由は、拡散が等方
的に進行するため、周期的な分極反転格子を形成するた
めには、ある程度のところで拡散を停止しないと隣接す
る領域とくっついてしまって分極反転格子が形成できな
くなるためである。
【０００９】更に、電子ビームを用いて分極反転領域を
形成する方法は、電子ビームによって順次、格子を描い
ていくため、本質的に光軸と交差する方向の分極反転格
子の深さ、幅等が不均一となり均一性を確保できずＳＨ
Ｇ光の発生が困難であるという問題点があった。また、
生産性も低く、高価な装置を必要とするという問題点も
あった。更にこの方法では電子によりチャージアップさ
れるため大きな面積の分極反転領域を形成しにくいとい
う問題点もあった。
【００１０】従って、本発明は理想的な矩形断面の分極
反転格子を深く且つ均一に形成するＳＨＧ素子の新規な
製造方法と、それによって得られた高出力、高効率なＳ
ＨＧ素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者は分極反転格子
の形成過程を詳細に研究した結果、基板が比較的急速な
熱履歴を受けた時に深い分極反転領域が出現することを
見いだした。このことは、急速な熱変化に対応して分極
の大きさが急激に変化し、そのため分域壁周辺に実効的
な電界が発生するためであり、このための、例えばスパ
イク状分域が分極の芽領域を起点として分極の方向であ
るｃ軸に沿って成長するものと考えられる。ここで分域
の芽領域は、局所的に分極の大きさ或いはその向きが周
辺部分と異なった領域であって、基板に対する組成変調
領域が分域の芽領域となる。また、分極の芽の熱履歴に
よる分極反転した成長領域が分極反転領域であり、分極
の芽とそこから延在する分極反転領域との両部位により
分極反転格子が構成される。尚、本発明において同様の
成長現象は熱変化だけでなく、応力によっても生起し得
ると考えられる。本発明において、組成変調領域とはプ
ロトン拡散による水素や、Ｔｉ拡散法によるＴｉが結晶
中に拡散している部分であり、基の基板部分とは屈折率
が異なる領域である。
【００１２】以上の考えに基づき、ＬＴまたはＬＮ基板
表面に周期的になされた分極反転格子を形成するため
に、基板表面に周期的な分極の芽領域を形成後或いは同
時に、適当な昇降温速度で熱変化を加え周期的な分極反
転領域を形成し、その後或いはそれと同時に表面に上記
領域と交差する方向に光導波路を作製することで光導波
路内では実質的に矩形の分極反転格子が形成でき、その
結果として高出力、高効率のＳＨＧ素子を実現できた。
【００１３】すなわち、本発明は第一に理想的な矩形断
面を供給し得る深く且つ均一な分極反転格子を形成する
ＳＨＧ素子の新規な製造方法を提供するものであって、
下記のような工程でなるものである。つまり基板上に周
期的に分極の芽領域を形成し、同時にまたはその後、前
記分極の芽領域から分極反転領域を延在させて、前記分
極の芽領域と前記分極反転領域により形成される分極反
転格子の深さ／幅比が１を超えるようにしたことを特徴
とするＳＨＧ素子の製造方法である。
【００１４】本発明によれば、ＬＴまたはＬＮ基板の一
様な組成領域内に周期的な分極反転格子を形成するため
に、プロトン交換による周期的な格子パターンを形成し
てこれを芽として適当な昇降温速度の熱履歴を与えるこ
とで、周期的な分極反転領域を形成し、その後、そのま
まもしくは熱処理を加えた後、光導波路を作製すること
で、光導波路内に実質的に矩形の分極反転格子が形成で
きる。
【００１５】本発明においてプロトン交換処理の方法と
しては、図１０に示すようにプロトン交換源である酸
（ピロ燐酸、燐酸、安息香酸、ステアリン酸の１種また
は２種以上）の表面張力を用いて基板表面に酸を保持
し、方向性加熱手段、例えばプレート型ヒーター６４に
より急激な熱履歴を与えながら結晶基板の一面のみにプ
ロトン交換を行うことで分極の芽領域を形成し、周期的
な分極反転領域を形成できる。プロトン交換時の過熱手
段は試料挿入口が比較的小さな電気炉でも良いが、好ま
しくは一方の面から加熱する方向性加熱手段、例えば前
記のフ゜レート型ヒータを用いる。電気炉は試料挿入口が大
きいと試料挿入のために開口すると炉内の温度が低下し
てしまう。また、基板ホルダー６２として熱伝導性が良
く、プロトン源である酸に侵されにくい白金を用い、そ
の形状を板状またはもし酸がこぼれた時のヒーターの保
護用のために皿状とするのが望ましい。尚、本発明にお
いてプロトン交換のみならずイオン交換によっても同様
の目的を達成できる。
【００１６】本発明において、前記プロトン交換用処理
液またはイオン交換用処理液はこの液体の表面張力を利
用して基板上に塗布すればよい。これにより従来必要で
あった高温槽、ガラス容器等をもちいる必要が無くな
り、基板の一面のみにその表面張力を利用して処理液を
塗布すればよい。また、基板の光導波路を設ける面以外
を荒らさず、割れを防止することが可能である。
【００１７】更に、本発明は、基板表面にプロトン交換
用処理液またはイオン交換用処理液を施すことにより形
成された分極の芽領域と、この分極の芽領域から延在さ
れた分極反転領域を有するＳＨＧ素子を製造する方法で
あって、前記基板上に前記プロトン交換用処理液または
イオン交換用処理液を塗布した状態で前記基板をこの一
方の面から加熱することにより、前記分極の芽領域と前
記分極反転領域を形成するようにしたことを特徴とする
ＳＨＧ素子の製造方法である。
【００１８】すなわち、プロトン交換時に分極の芽領域
を形成すると共にそれを成長させることもできる。或い
は、プロトン交換後に、熱処理を施すことも適宜選択で
きる。本発明において、プロトン交換後に熱処理を施す
場合には熱処理温度は２００℃以上とし、好ましくは６
００℃以下、更に好ましくは３００℃以下とする。熱処
理時間は２０分以内、好ましくは１０分以内とする。上
限を越えると分極反転領域が変質したり消滅するからで
ある。また、熱処理温度までの昇温時もしくは熱処理温
度からの降温時の一方または両方に５０℃／分以上の温
度変化速度が望ましい。ここで示す５０℃／分以上の温
度変化速度とは被処理物の単結晶をのせるための白金等
の金属板に備えられた熱電対が検知する温度である。
【００１９】以上述べたように、本発明は、比較的低温
で急速な熱変化を付与することによって均一で深い分極
反転領域を分極の芽領域に延在させることのできるＳＨ
Ｇ素子の製造方法である。
【００２０】また、本発明においては、分極の芽領域を
取り除いても良い。
【００２１】また、本発明を用いることで組成変調領域
である分極の芽領域を有する基板を一方の面から加熱し
て製造される、分極反転格子の深さ／幅比が１を超えて
いることを特徴とする第２高調波発生素子を得ることが
できる。これにより均一で深く、理想的な矩形断面とす
ることが可能である。
【００２２】ここで分極反転格子の深さ／幅比は、従来
のプロトン交換、イオン交換による分極反転技術では１
未満の不十分なものであり、１を超え、かつ矩形断面と
することで初めて高効率ＳＨＧ素子の要求に対応でき
る。更に、導波路を形成せずに基板全体に基本波を入射
する、いわゆるバルク型ＳＨＧ素子には本発明に係るＳ
ＨＧ素子のように、均一に深い分極反転格子が好適であ
る。
【００２３】そして、本発明に係るＳＨＧ素子は前記分
極の芽領域を取り除いた、基板上に周期的に形成された
分極反転格子と、導波路とを有し、前記分極反転格子の
深さ／幅比が１を超えた第２高調波発生素子としてもよ
い。
【００２４】更に、基板にＭｇＯを１モル％以上含有さ
せた本発明に係るＳＨＧ素子を用いることにより、フォ
トリフラクティブ効果による光損傷を低減し、その結果
ＳＨＧ出力を向上できる。ＭｇＯの添加効果である２８
０〜４００ｎｍ帯における光透過率を向上することがＳ
ＨＧ光出力の向上に寄与すると考えられる。ＭｇＯの添
加効果は添加量と共に向上するが、単結晶の製造が困難
となるため１５モル％以下が好ましい。この場合、基板
としてはＬＴが効果的であるが、ＭｇＯをＬＮ基板に添
加しても類似の効果が期待できる。
【００２５】
【実施例】以下、本発明の実施例について詳しく説明す
る。
【００２６】（実施例１）図１は本発明によるＳＨＧ素
子の実施例を示す構成及び動作説明図であり、１１は上
表面が−Ｚ面であるＬＴ単結晶基板で自発分極の向きは
下向きである。１２は分極が先端鋭角に反転された部分
で、この部分では分極の向きは上向きである。１３はチ
ャンネル型光導波路であり、基本波、ＳＨＧ光もこの部
分に閉じ込められて伝搬する。１４は入射基本波で結晶
表面に垂直方向に偏光している。１５は光導波路部分で
発生したＳＨＧ光であり、やはり結晶表面に垂直な方向
に偏光している。１４、１５の矢印は光軸を示す。
【００２７】次に、本発明の分極反転格子の形成方法の
一例を図４を用いて説明する。図４（ａ）に示すように
ＬＴ基板の−Ｚ（ｃ）面を使用するレーザ光波長λの１
／１０程度まで研磨した基板１１を用意する。図４
（ｂ）に示すように基板１１の−Ｚ面上にＴａ膜５１を
３０ｎｍスパッタリングで成膜する。図４（ｃ）に示す
ようにＴａ膜５１上にホトレジスト５２をスピンコート
し、分極反転１２を行う部分が窓明けされたホトマスク
を用い、ホトリソグラフィ技術によりホトレジスト５２
のパターニングを行った。ホトマスクのパターン周期は
１〜１０μｍで発生させるＳＨＧ光の波長に合わせてあ
る。図４（ｄ）に示すようにパターニングしたホトレジ
スト５２をマスクとして、ＣＦ3 Ｃｌガスを用いたＲＩ
Ｅによるドライエッチング或いはウェットエッチングに
より、Ｔａ膜５１をパターニングする。図４（ｅ）に示
すようにホトレジスト５２をアセトンにより除去し、ピ
ロ燐酸を用いてプロトン交換を２６０℃、３０分間で行
うことで、分極の芽領域５３が形成される。図４（ｆ）
に示すようにＴａ膜５１をＮａＯＨの水溶液でエッチン
グする。図４（ｇ）に示すように上記分極の芽領域５３
が形成された基板を電気炉に挿入した。使用した電気炉
の形態は、円筒状で長軸である石英管内の中心部近傍が
昇温されるものである。石英管の曲面部周囲にはヒータ
が備えられている。また、試料挿入口は石英管の軸端に
供えられており、そこから白金板が先端に具備された２
００ｍｍ程の棒状の試料台を入れる形状である。試料は
白金板の上に置いた。まず、電気炉内を４４０℃にして
おき、その雰囲気中へ試料を試料台に置いて挿入した。
そして４４０℃の雰囲気中で３０秒間保持する熱処理を
行うことで分極反転領域１２が分極の芽領域５３から延
在して下方に延びた分極反転領域１２を形成させた。そ
の際の白金板に備えられた熱電対から測定した昇温速度
は５０℃／分以上であった。基板に対しては白金板から
の熱が伝わりやすく、加熱炉内に出し入れすることで、
基板の分極の芽に対して一方向の面から加熱・冷却する
のと同様の影響が与えられる。
【００２８】このようにして得られた分極反転格子の顕
微鏡写真を図５に示す。分極反転格子の周期は３μｍ、
深さは分極の芽領域が１μｍ以下であるのに対して、４
０μｍを越え、基板厚さよりは小さかった。
【００２９】次に、光導波路を作製し、素子長１ｃｍの
ＳＨＧ素子を作製した。基本波の光源としてチタン−サ
ファイヤレーザを用いて、作製したＳＨＧ素子に波長８
３０ｎｍの基本波を入射したところ、４１５ｎｍの青色
ＳＨＧ光が得られた。この時のＳＨＧ光の出力は２．８
ｍＷであり、規格化ＳＨＧ効率は８５％／Ｗ・ｃｍ2で
あった。本実施例では図４（ｈ）に示すように先端鋭角
の分極反転領域１２を形成後、基板表面の分極の芽領域
５４を研磨により除去し、その後、通常のプロトン交換
法により基板表面に分極反転格子に直交するように光導
波路を作製することも試みた。光導波路は分極反転格子
に対して垂直方向に図４（ａ）〜（ｆ）までを行い、最
後に導波路端面を光学研磨することによりＳＨＧ素子を
作製した。同様にＳＨＧ素子を評価したら前記と同等の
出力が得られた。
【００３０】次に比較例として前述の公知技術（Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１９９１年第２７３２〜２７
３４頁参照）を用いて同様なＳＨＧ素子を作製した。こ
の時作製された分極反転格子の断面を観察すると半円状
であった。次にＳＨＧ光出力を同様に測定したところＳ
ＨＧ光出力は０．１ｍＷであり、規格化ＳＨＧ効率は４
％／Ｗ・ｃｍ2 であった。従って、本発明に係るＳＨＧ
素子によるとＳＨＧ光出力の増大が可能であることが分
かる。
【００３１】（実施例２） 基板としてＬＮ単結晶を用い、実施例１と同じ手順で、
ピロ燐酸を用いたプロトン交換を２３０℃で１６分間行
い、その後の６００℃の雰囲気中で３０秒間保持する以
外は実施例と同様に熱処理を行って本発明の第２高調波
発生素子を得た。得られた分極反転格子の顕微鏡写真を
図６に示す。本発明によるとＬＮ単結晶を用いても深い
分極反転格子が得られることがわかる。
【００３２】（実施例３）上記実施例では分極反転領域
形成後に光導波路を形成したが、これらの形成手順を以
下のように逆にし、また図７に示すように、分極の芽領
域５３を残すようにしてもよい。
【００３３】次に、本発明の分極反転格子の別の形成方
法を図８を用いて説明する。図８（ａ）に示すようにＬ
Ｔ基板の−Ｚ（ｃ）面上にプロトン交換法により光導波
路１３を形成した基板１１を用意する。このように最初
に導波路１３を形成した点を除き、図８（ｂ）から図８
（ｇ）に示す各工程は先の実施例１における図４（ｂ）
から図４（ｇ）に示す各工程と同様に操作される。以上
のようにして作製された分極反転領域１２の深さは基板
表面に形成された光導波路及び分極の芽領域の深さより
大きかった。またその幅はプロトン交換パターンの幅と
略等しく、光導波路の深さの範囲では矩形状の分極反転
格子を実現できた。最後に導波路端面を光学研磨するこ
とにより図５に示すＳＨＧ素子が作製され、２．７ｍＷ
のＳＨＧ光出力が得られた。
【００３４】（実施例４）先の２つの実施例にあって
は、プロトン交換と分極反転領域の形成を別工程で行っ
ているが、以下に示すようにこれを同時に行うこともで
きる。
【００３５】以下、本発明の第４実施例について詳しく
説明する。まず、プロトン交換処理について説明する。
ピロ燐酸、燐酸、安息香酸、ステアリン酸などの酸性の
溶液に基板等を浸漬するプロトン交換により、基板表面
からＨ+ イオンが基板内に侵入して基板のＬｉと交換さ
れ、組成変化層が形成される。特に燐酸類は解離定数が
安息香酸（Ｃ6 Ｈ5 ＣＯＯＨ、融点１２１℃、沸点２５
０℃）に比べ２〜３桁高く、Ｈの濃度が高いため組成変
化の度合いが大きくなる。また、３００℃程度まで液体
での高温処理が可能であり、蒸発量が極めて少なく制御
性や作業性が良い。更に、水に可溶なためサンプル及び
容器や治具の洗浄が可能である。燐酸としてピロ燐酸
（Ｈ4 Ｐ2 Ｏ7 、融点６１℃、沸点３００℃）を用い
た。図１０において、表面が−Ｚ面であるＬＴ単結晶基
板１１を基板ホルダーである白金板６２上に置き、ピロ
燐酸６３を基板１１上に表面張力を利用して数滴たらし
て保持する。プロトン交換温度に加熱された方向性加熱
手段、例えばプレート型ヒーター６４上に基板ホルダー
６２を置き、これを一方向すなわち裏面から加熱して数
分〜数時間プロトン交換を行う。ここで方向性加熱手段
とは基板をその片面より加熱し得る加熱手段を意味する
ものとする。プロトン交換後、基板を取り出し水洗する
ことでピロ燐酸６３を除去する。これにより基板１１の
一面のみにプロトン交換層６５が形成される。プロトン
交換はすべて大気中で行った。また、選択的にプロトン
交換するには、ピロ燐酸に融けないＴａ膜を基板表面に
つけフォトリソグラフィにより、格子マスクを作製する
ことで可能である。ここで基板ホルダー６２は熱伝導性
が良く、プロトン源である酸に侵されにくい白金を用
い、その形状を板状またはもし酸がこぼれた時のヒータ
ーの保護用のために皿状とした。
【００３６】次に、本発明の分極反転格子の形成方法を
図１１を用いて説明する。図１１（ａ）に示すようにＬ
Ｔ基板１１を用意する。以下の図１１（ｂ）から図１１
（ｄ）に示す各工程は先の実施例１における図４（ｂ）
から図４（ｄ）に示す各工程と全く同様に操作される。
そして、図１１（ｅ）に示すようにホトレジスト７２を
アセトンにより除去し、ピロ燐酸を用いて図１０で示し
たプロトン交換熱処理を２６０℃、３０分間で行うこと
で、分極の芽領域１６が形成されると同時にの分極反転
領域１２を形成させる。図１０のヒーター６４へ基板ホ
ルダー６２を置く時と取り外す時に基板１１は急激な熱
変化を受ける。この時のプロトン交換処理温度までの昇
温速度を５０℃／分以上で行い、熱処理温度からの降温
速度を５０℃／分以上で行う。
【００３７】次に、図１１（ｆ）に示すようにＴａ膜５
１をＮａＯＨの水溶液でエッチングする。その後、光導
波路を作製する。作製された分極反転格子の深さは基板
表面に形成された光導波路の深さより大きく基板厚さよ
り小さく、その幅はプロトン交換パターンの幅と略等し
く、光導波路の深さの範囲では矩形状の分極反転格子を
実現できた。最後に導波路端面を光学研磨することによ
りＳＨＧ素子が作製される。
【００３８】このように、この実施例によれば、プロト
ン交換と同時に分極反転格子１２を形成することができ
るので、その後の熱処理が不要となり工程数を減らすこ
とができる。また、プロトン交換時、一方向すなわち基
板の裏面から加熱するようにしているので、加熱炉等に
て全体加熱を行う場合と比較して熱拡散方向を制御で
き、良好な分極反転格子を形成できる。
【００３９】以上示した作製方法で分極反転格子を作製
し、素子長１ｃｍのＳＨＧ素子を作製した。この素子に
実施例１で用いたと同様なチタン−サファイヤレーザを
用いて基本波を入射したところ、実施例１と同様なＳＨ
Ｇ光出力、規格化ＳＨＧ効率を得ることができた。
【００４０】（実施例５）先の実施例３にあっては分極
反転格子の形成と光導波路の形成を別工程で行うように
したが、以下に示すようにこれを１回のフォトリソグラ
フィーだけで形成するようにしてもよい。
【００４１】次に、本発明の分極反転格子と光導波路の
形成方法を図１２を用いて説明する。図は光導波路と分
極反転格子部分の断面図である。図１２（ａ）に示すよ
うにＬＴ基板１１を用意する。以下、図１２（ｂ）から
図１２（ｄ）に示す各工程は、図１２（ｃ）において導
波路幅２〜６μｍで窓あけされたホトマスクを用いた点
を除き、先の実施例１における図４（ｂ）から図４
（ｄ）に示す各工程と全く同様に操作される。そして、
図１２（ｅ）に示すようにホトレジスト７２をアセトン
により除去し、ピロ燐酸を用いて図１０で示したプロト
ン交換熱処理を２６０℃、３０分間行うことで、分極の
芽領域１６が形成されると同時に分極反転領域１２を形
成させる。図１０のヒーター６４へ基板ホルダー６２を
置く時と取り外す時に基板１１は急激な熱変化を受け
る。この時のプロトン交換処理温度までの昇温速度を５
０℃／分以上で行い、熱処理温度からの降温速度を５０
℃／分以上で行うことにより分極の芽領域１６から延在
する分極反転領域１２が作製できた。図１２（ｆ）に示
すようにＴａ膜５１をＮａＯＨの水溶液でエッチングす
る。熱処理を温度３８０℃で保持時間５分、熱処理温度
までの昇温速度を５０℃／分以上で行い、熱処理温度か
らの降温速度を５０℃／分以上で行うことでプロトン交
換部分の屈折率を高くし光導波路を形成する。また、プ
ロトンによる非線形光学定数の低下を抑制できる。熱処
理時間が２０分を越えて行うとプロトンの拡散が大きく
なり過ぎるために光導波路の損失が大きくなってしま
う。作製された分極反転格子の深さは基板表面に形成さ
れた光導波路及びプロトン交換層の深さより大きく基板
厚さより小さく、その幅はプロトン交換パターンの幅と
略等しく、光導波路の深さの範囲では略矩形状の分極反
転格子を実現できた。最後に導波路端面を光学研磨する
ことによりＳＨＧ素子が作製され、実施例１と同等の光
出力が得られた。
【００４２】（実施例６）本発明者はＬＴ基板にＭｇＯ
を１モル％以上含有させることによってもＳＨＧ光出力
が向上できることを見出した。すなわちＭｇＯを１モル
％添加したＬＴ基板を従来の手段で作製し、実施例１と
同様にしてＳＨＧ素子を製造した。作製したＳＨＧ素子
に波長８２０ｎｍの基本波を入射したところ、４１０ｎ
ｍの青色ＳＨＧが得られた。この時、分極反転格子の断
面が矩形状で分極反転領域はその深さが周期方向の幅よ
りも大きい場合には、１５ｍＷの高出力ＳＨＧ光が得ら
れ、パワー密度１６５ＫＷ／ｃｍ2 で安定した出力が得
られた。更に分極反転格子の周期を変え、波長７８０ｎ
ｍの半導体レーザーを基本波として用いＳＨＧ光の出力
を評価したところ、波長２８０〜４００ｎｍでの光透過
性の向上したＭｇＯを添加したタンタル酸リチウム単結
晶を基板に用いた素子では約１．５ｍＷのＳＨＧ光の出
力が得られた。
【００４３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のように優れた作用効果を発揮することができる。本発
明によれば、分極反転領域を作製して深さ／幅比が１を
超えた分極反転格子を形成することで理想的な矩形状の
分極反転格子を実現することができ、高効率のＳＨＧ光
を発生できるＳＨＧ素子が実現できる。また、本発明に
よれば、プロトン交換領域（分極の芽領域）から延在さ
せた分極反転格子を作製することで理想的な矩形状の幅
が均一に制御された分極反転格子を実現することがで
き、高効率のＳＨＧ光を発生できるＳＨＧ素子が実現で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明するための構造図であ
る。
【図２】従来の三角形状の分極反転格子を用いた従来の
ＳＨＧ素子を示す図である。
【図３】従来の半円状の分極反転格子を用いた従来のＳ
ＨＧ素子を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｈ）はそれぞれ本発明に係る分極反
転格子の一作製方法を示す図である。
【図５】本発明に係る一分極反転格子の結晶構造を示す
写真である。
【図６】本発明に係る別の分極反転格子の結晶構造を示
す写真である。
【図７】本発明の別の実施例を説明するための構造図で
ある。
【図８】（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ本発明に係る分極反
転格子の別の作製方法を示す図である。
【図９】従来のプロトン交換の方法を示す図である。
【図１０】本発明によるプロトン交換を示す図である。
【図１１】（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ本発明に係る分極
反転格子の別の作製方法を示す図である。
【図１２】（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ本発明に係る分極
反転格子と光導波路の別の作製方法を示す図である。
【符号の説明】
１１，５１１ 基板（ＬＴ） １２ 分極反転領域 １３ チャンネル型光導波路 １４ 基本波入射光 １５ ＳＨＧ出力光 ２１ 基板（ＬＮ） ２２ チェレンコフＳＨＧ光 ３１ 三角状分極反転領域 ４１ 半円状分極反転領域 ５１ Ｔａ膜 ５２ ホトレジスト ５３ 分極の芽領域 ５４ 研磨除去領域 ６２ 白金製基板ホルダー ６３ ピロ燐酸 ６４ プレート型ヒーター ６５ プロトン交換層 ７１ Ｔａ膜 ７２ ホトレジスト ３５１ ガラス容器 ３５２ 基板 ３５３ 酸 ３５４ 恒温槽
フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平4−167021 (32)優先日 平成４年６月２日(1992．6．2) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平4−184473 (32)優先日 平成４年６月18日(1992．6．18) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 伊藤 康平 埼玉県熊谷市三ヶ尻5200番地 日立金属 株式会社 磁性材料研究所内 (72)発明者 佐藤 正純 埼玉県熊谷市三ヶ尻5200番地 日立金属 株式会社 磁性材料研究所内 (72)発明者 川本 和民 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所 生産技術研究所内 (72)発明者 伊藤 顕知 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所 生産技術研究所内 審査官 三橋 健二 (56)参考文献 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈ ｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏ ｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍａｔｅｒｉ ａｌｓ ｆｏｒ Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｓ，ｐｐ．47−52（1989年）Ｇ．Ａｒｖ ｉｄｓｓｏｎ ａｎｄ Ｂ．Ｊａｓｋｏ ｒｚｙｎｓｋａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏ ｌ．27，Ｎｏ．14，ｐｐ．1221−1222 （1991年）Ｈ．Ｉｔｏ，Ｃ．Ｔａｋｙｕ ａｎｄ Ｈ．Ｉｎａｂａ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ ｏｌ．37，Ｎｏ．７，ｐｐ．607−609 （1980年）Ｄ．Ｆｅｎｇ ｅｔ ａｌ. Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ ｏｌ．59，Ｎｏ．13，ｐｐ．1538−1540 （1991年）Ｋ．Ｍｉｚｕｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ. Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ. 70，Ｎｏ．４，ｐｐ．1947−1951（1991 年）Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ ｅｔ ａ ｌ. Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ ｏｌ．58，Ｎｏ．24，ｐｐ．2732−2734 （1991年）Ｋ．Ｍｉｚｕｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ. Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｑｕａｎｔ ｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏ ｌ．12，Ｎｏ．６，ｐｐ．495−498 （1980年）Ｅ．Ｋｒａｔｚｉｇ ａｎｄ Ｒ．Ｏｒｌｏｗｓｋｉ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａ ｌ Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．99，Ｎｏ. １−４，Ｐａｒｔ ２，ｐｐ．832−836 （1990年）Ｙ．Ｆｕｒｕｋａｗａ ｅｔ ａｌ. Ｐｒｏｃ．Ｏｐｔ．Ｆｉｂｅｒ Ｃｏ ｍｍｕｎ．Ｃｏｎｆ．／Ｉｎｔ．Ｃｏｎ ｆ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔ．ａ ｎｄ Ｏｐｔ．Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕ ｎ．，Ｒｅｎｏ，1987，ｐａｐｅｒ Ｔ ＵＨ２，ｐｐ．65（1987年）Ｋ．Ｙａｍ ａｍｏｔｏ ａｎｄ Ｔ．Ｔａｎｉｕｃ ｈｉ 「誘電体現象論」電気学会通信教育学 会著 電気学会発行 第160頁（1981年) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/35 - 1/39 ＩＮＳＰＥＣ（ＤＩＡＬＯＧ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上にプロトン交換用処理液またはイ
    オン交換用処理液を塗布して分極の芽領域を形成し前記
    分極の芽領域から分極反転領域を延在させた第２高調波
    発生素子の製造方法であって、前記基板上に前記プロト
    ン交換用処理液またはイオン交換用処理液を塗布した状
    態で前記基板をこの一方の面から加熱することにより前
    記分極の芽領域と前記分極反転領域を形成することを特
    徴とする第２高調波発生素子の製造方法。
  2. 【請求項２】 組成変調領域である分極の芽領域を有す
    る基板を一方の面から加熱して製造される、分極反転格
    子の深さ／幅比が１を超えていることを特徴とする第２
    高調波発生素子。
  3. 【請求項３】 前記組成変調領域はプロトン交換処理液
    またはイオン交換用処理液により形成されたものである
    請求項２に記載の第２高調波発生素子。
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Non-Patent Citations (10)

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Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．６，ｐｐ．４９５−４９８（１９８０年）Ｅ．Ｋｒａｔｚｉｇ ａｎｄ Ｒ．Ｏｒｌｏｗｓｋｉ
Ｐｒｏｃ．Ｏｐｔ．Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎ．Ｃｏｎｆ．／Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔ．ａｎｄ Ｏｐｔ．Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎ．，Ｒｅｎｏ，１９８７，ｐａｐｅｒ ＴＵＨ２，ｐｐ．６５（１９８７年）Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ ａｎｄ Ｔ．Ｔａｎｉｕｃｈｉ
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ，ｐｐ．４７−５２（１９８９年）Ｇ．Ａｒｖｉｄｓｓｏｎ ａｎｄ Ｂ．Ｊａｓｋｏｒｚｙｎｓｋａ

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