JP3428156B2 - 分極反転装置、及び非線形光学素子の製造方法 - Google Patents
分極反転装置、及び非線形光学素子の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学材料に分極
反転域を形成するための分極反転装置、及び非線形光学
素子の製造方法に関し、例えば光第２高調波発生素子
（以下、ＳＨＧ（Second−harmonic generation)素子と
いう）における周期分極反転構造の形成を自動化するの
に好適な局所分極反転域形成装置、及び光第２高調波発
生素子の如き非線形光学素子の製造方法に関するもので
ある。
反転域を形成するための分極反転装置、及び非線形光学
素子の製造方法に関し、例えば光第２高調波発生素子
（以下、ＳＨＧ（Second−harmonic generation)素子と
いう）における周期分極反転構造の形成を自動化するの
に好適な局所分極反転域形成装置、及び光第２高調波発
生素子の如き非線形光学素子の製造方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来、周波数ωの基本波を導入して２ω
の周波数の第２高調波の光を発生する非線形光学素子と
してＳＨＧ素子が知られている。こうしたＳＨＧ素子
は、例えば半導体レーザと組み合わされることによっ
て、半導体レーザで発振した近赤外光を導入すると青色
光を発生する。
の周波数の第２高調波の光を発生する非線形光学素子と
してＳＨＧ素子が知られている。こうしたＳＨＧ素子
は、例えば半導体レーザと組み合わされることによっ
て、半導体レーザで発振した近赤外光を導入すると青色
光を発生する。
【０００３】従って、ＳＨＧ素子は短波長光源として、
半導体レーザによって得られるコヒーレント光の実現可
能な波長範囲を拡大することができ、これに伴ってレー
ザの利用範囲の拡大と各技術分野でのレーザ利用の最適
化を図ることができる。例えば、レーザ光を短波長化し
て、レーザ光による光記録及び／又は再生装置や光磁気
記録及び／又は再生装置等に利用すると、その記録密度
の向上、解像度の向上を実現することができる。
半導体レーザによって得られるコヒーレント光の実現可
能な波長範囲を拡大することができ、これに伴ってレー
ザの利用範囲の拡大と各技術分野でのレーザ利用の最適
化を図ることができる。例えば、レーザ光を短波長化し
て、レーザ光による光記録及び／又は再生装置や光磁気
記録及び／又は再生装置等に利用すると、その記録密度
の向上、解像度の向上を実現することができる。
【０００４】このようなＳＨＧ素子としては、例えばＫ
ＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）を用いたいわゆるバルク型のＳ
ＨＧ素子や、より大きな非線形光学定数を利用する光導
波路型のＳＨＧ素子が知られている。後者の例として
は、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ3 （いわゆるＬＮ）等
の非線形光学材料からなる単結晶基板の上に光導波路を
形成し、これに近赤外光を導入して第２高調波の青色光
を放射モードとして取り出すチェレンコフ放射型のＳＨ
Ｇ素子等がある。
ＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）を用いたいわゆるバルク型のＳ
ＨＧ素子や、より大きな非線形光学定数を利用する光導
波路型のＳＨＧ素子が知られている。後者の例として
は、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ3 （いわゆるＬＮ）等
の非線形光学材料からなる単結晶基板の上に光導波路を
形成し、これに近赤外光を導入して第２高調波の青色光
を放射モードとして取り出すチェレンコフ放射型のＳＨ
Ｇ素子等がある。
【０００５】ＳＨＧ素子において、周波数ωの基本波を
周波数２ωの第２高調波に効率よく変換するためには、
素子中を導波する周波数ωの基本波及び周波数２ωの第
２高調波はその位相伝搬速度を互いに等しくする必要が
ある。このように位相伝搬速度を等しくする方法の一つ
として、素子中に周期的に分極反転域を設け、疑似的に
導波する光の位相伝搬速度を等しくする疑似位相整合方
法が知られている。
周波数２ωの第２高調波に効率よく変換するためには、
素子中を導波する周波数ωの基本波及び周波数２ωの第
２高調波はその位相伝搬速度を互いに等しくする必要が
ある。このように位相伝搬速度を等しくする方法の一つ
として、素子中に周期的に分極反転域を設け、疑似的に
導波する光の位相伝搬速度を等しくする疑似位相整合方
法が知られている。
【０００６】例えば、非線形光学材料であるリチウムナ
イオベート（ニオブ酸リチウム）を用いて、波長 860nm
の基本波を波長 430nmの第２高調波に変換する場合、光
の導波方向に周期 2.8μｍで分極反転構造を結晶内に形
成すると、疑似位相整合を起こし、効率よく波長 430nm
の第２高調波を発生させることができる。
イオベート（ニオブ酸リチウム）を用いて、波長 860nm
の基本波を波長 430nmの第２高調波に変換する場合、光
の導波方向に周期 2.8μｍで分極反転構造を結晶内に形
成すると、疑似位相整合を起こし、効率よく波長 430nm
の第２高調波を発生させることができる。
【０００７】従来、非線形光学材料に分極反転域を形成
する方法として、以下の例（Ａ）〜（Ｆ）が知られてい
る。
する方法として、以下の例（Ａ）〜（Ｆ）が知られてい
る。
【０００８】（Ａ）リチウムナイオベート基板又はリチ
ウムタンタレート基板に、設定された電界を印加する方
法（Applied Phisycs Letters 62, 435 (1993)、特開平
４−335620号公報参照）。
ウムタンタレート基板に、設定された電界を印加する方
法（Applied Phisycs Letters 62, 435 (1993)、特開平
４−335620号公報参照）。
【０００９】（Ｂ）リチウムナイオベート基板又はリチ
ウムタンタレート基板に、真空中で電子ビームや荷電粒
子を照射して分極反転域を形成する方法（特開平５−80
377号公報参照）。
ウムタンタレート基板に、真空中で電子ビームや荷電粒
子を照射して分極反転域を形成する方法（特開平５−80
377号公報参照）。
【００１０】（Ｃ）リチウムナイオベート基板の表面に
チタン薄膜を形成した後に、1100℃程度の温度で熱処理
を行ってチタンを基板内に拡散し、分極反転域を形成す
る方法。
チタン薄膜を形成した後に、1100℃程度の温度で熱処理
を行ってチタンを基板内に拡散し、分極反転域を形成す
る方法。
【００１１】（Ｄ）リチウムナイオベート基板の表面に
プロトン交換層を形成して熱処理を行い、分極反転域を
形成する方法。
プロトン交換層を形成して熱処理を行い、分極反転域を
形成する方法。
【００１２】（Ｅ）リチウムナイオベート基板の表面に
シリカ膜をパターニングして設けた後に1080℃で熱処理
を行うことにより、リチウムナイオベート内のリチウム
をシリカ内膜に拡散し、シリカ膜の直下に分極反転域を
形成する方法（特開平５−66440 号公報参照）。
シリカ膜をパターニングして設けた後に1080℃で熱処理
を行うことにより、リチウムナイオベート内のリチウム
をシリカ内膜に拡散し、シリカ膜の直下に分極反転域を
形成する方法（特開平５−66440 号公報参照）。
【００１３】（Ｆ）チタン酸リン酸カリウム基板の表面
を、バリウムイオンを含む溶融塩中でイオン交換し、分
極反転域を形成する方法。
を、バリウムイオンを含む溶融塩中でイオン交換し、分
極反転域を形成する方法。
【００１４】しかしながら、上記した従来の分極反転域
の形成方法の実施に使用される装置は、以下のような問
題点を有していた。
の形成方法の実施に使用される装置は、以下のような問
題点を有していた。
【００１５】上記の（Ａ）については、リチウムナイオ
ベート基板又はリチウムタンタレート基板に電界を印加
したとき、その抗電界近傍では、微小の電界の変化に対
し、基板を流れる電流は大きく変化するので、分極反転
量にバラツキが生じ易い。このため、電圧値の設定には
高い精度が要求され、また、安定して周期分極反転構造
が形成され難い。
ベート基板又はリチウムタンタレート基板に電界を印加
したとき、その抗電界近傍では、微小の電界の変化に対
し、基板を流れる電流は大きく変化するので、分極反転
量にバラツキが生じ易い。このため、電圧値の設定には
高い精度が要求され、また、安定して周期分極反転構造
が形成され難い。
【００１６】上記の（Ｂ）については、分極反転工程に
電子ビーム又は荷電粒子の照射が含まれるので、真空装
置が必要であり、装置の規模が大きくなってしまう。
電子ビーム又は荷電粒子の照射が含まれるので、真空装
置が必要であり、装置の規模が大きくなってしまう。
【００１７】また、上記の（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、
（Ｆ）については、分極反転工程に拡散工程が含まれる
ので、高温炉が必要となって装置の規模が大きくなる。
また、周期を数μｍとして分極反転域を形成するとき、
形成される分極反転域は深さ方向には数μｍの厚さにし
かならず、周期分極反転構造の利用が基板表面付近に限
られる。しかも、分極反転域は、組成変化によって、反
転されていない領域と屈折率が異なり、光を導波したと
き、散乱の原因となる。
（Ｆ）については、分極反転工程に拡散工程が含まれる
ので、高温炉が必要となって装置の規模が大きくなる。
また、周期を数μｍとして分極反転域を形成するとき、
形成される分極反転域は深さ方向には数μｍの厚さにし
かならず、周期分極反転構造の利用が基板表面付近に限
られる。しかも、分極反転域は、組成変化によって、反
転されていない領域と屈折率が異なり、光を導波したと
き、散乱の原因となる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来の問題点を解消し、分極反転域を制御性よく、
安定かつ容易に形成できる分極反転装置と、この装置を
用いてＳＨＧ素子等の非線形光学素子を製造する方法を
提供することにある。
した従来の問題点を解消し、分極反転域を制御性よく、
安定かつ容易に形成できる分極反転装置と、この装置を
用いてＳＨＧ素子等の非線形光学素子を製造する方法を
提供することにある。
【００１９】本発明者は、上記した従来技術のうち、特
に上記の（Ｂ）〜（Ｆ）のもつ欠点のない上記（Ａ）に
よる電界印加方式について検討を加えた結果、その欠点
を効果的に解消できる装置を見出し、本発明に到達した
ものである。
に上記の（Ｂ）〜（Ｆ）のもつ欠点のない上記（Ａ）に
よる電界印加方式について検討を加えた結果、その欠点
を効果的に解消できる装置を見出し、本発明に到達した
ものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、非線形
光学材料に分極反転域を形成するための分極反転装置に
おいて、（ａ）前記非線形光学材料に電界を印加して分
極反転させる電界印加手段と、（ｂ）この分極反転によ
って前記非線形光学材料に流れる反転電流を検出する電
流検出手段と、（ｃ）前記分極反転に対応する設定反転
電流の波形を記憶し、出力する波形発生手段と、（ｄ）
前記電流検出手段により検出された検出反転電流と前記
波形発生手段からの設定反転電流とを比較し、これらの
反転電流と設定反転電流とが等しくなるように前記電界
印加手段を制御する比較手段とを有することを特徴とす
る分極反転装置に係るものである。
光学材料に分極反転域を形成するための分極反転装置に
おいて、（ａ）前記非線形光学材料に電界を印加して分
極反転させる電界印加手段と、（ｂ）この分極反転によ
って前記非線形光学材料に流れる反転電流を検出する電
流検出手段と、（ｃ）前記分極反転に対応する設定反転
電流の波形を記憶し、出力する波形発生手段と、（ｄ）
前記電流検出手段により検出された検出反転電流と前記
波形発生手段からの設定反転電流とを比較し、これらの
反転電流と設定反転電流とが等しくなるように前記電界
印加手段を制御する比較手段とを有することを特徴とす
る分極反転装置に係るものである。
【００２１】本発明による分極反転装置では、非線形光
学材料に周期的な分極反転域を形成する電界印加手段と
しての高電圧アンプと電流計との間に非線形光学材料が
直列に接続され、前記電流計により検出された検出反転
電流が波形比較回路の一方の端子に入力されると共に、
設定反転電流を時系列に記憶した任意波形発生回路から
の前記設定反転電流が前記波形比較回路の他方の端子に
入力され、この波形比較回路において前記検出反転電流
が前記設定反転電流より大きいときには前記高電圧アン
プへの出力が小さくされかつ前記検出反転電流が前記設
定反転電流より小さいときには前記高電圧アンプへの出
力が大きくされることが望ましい。
学材料に周期的な分極反転域を形成する電界印加手段と
しての高電圧アンプと電流計との間に非線形光学材料が
直列に接続され、前記電流計により検出された検出反転
電流が波形比較回路の一方の端子に入力されると共に、
設定反転電流を時系列に記憶した任意波形発生回路から
の前記設定反転電流が前記波形比較回路の他方の端子に
入力され、この波形比較回路において前記検出反転電流
が前記設定反転電流より大きいときには前記高電圧アン
プへの出力が小さくされかつ前記検出反転電流が前記設
定反転電流より小さいときには前記高電圧アンプへの出
力が大きくされることが望ましい。
【００２２】また、上記の分極反転域の形成に際し、 1
50℃以下の温度において、非線形光学材料に設けた対向
電極間に、前記非線形光学材料の自発分極の負側が負電
位、その正側が正電位となるように１kV/mm 〜 100kV/m
m の電界を印加して、分極反転域が形成されるのがよ
い。
50℃以下の温度において、非線形光学材料に設けた対向
電極間に、前記非線形光学材料の自発分極の負側が負電
位、その正側が正電位となるように１kV/mm 〜 100kV/m
m の電界を印加して、分極反転域が形成されるのがよ
い。
【００２３】また、非線形光学材料に設けた対向電極間
に分極反転のための電界を印加する際に前記対向電極間
での放電を防止するために、前記非線形光学材料を浸漬
させる不活性液体が配されているのがよい。
に分極反転のための電界を印加する際に前記対向電極間
での放電を防止するために、前記非線形光学材料を浸漬
させる不活性液体が配されているのがよい。
【００２４】上記の非線形光学材料は、具体的には、Ｌ
ｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3(０≦ｘ≦１）で表されるリチウム
ナイオベート又はリチウムタンタレートからなり、光第
２高調波発生素子を構成するものであってよい。
ｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3(０≦ｘ≦１）で表されるリチウム
ナイオベート又はリチウムタンタレートからなり、光第
２高調波発生素子を構成するものであってよい。
【００２５】本発明はまた、上記した本発明に基づく分
極反転装置によって非線形光学材料に分極反転域を形成
した後、前記非線形光学材料に設けた対向電極を除去す
る、非線形光学素子の製造方法も提供するものである。
極反転装置によって非線形光学材料に分極反転域を形成
した後、前記非線形光学材料に設けた対向電極を除去す
る、非線形光学素子の製造方法も提供するものである。
【００２６】この製造方法においては、公知のプロトン
交換法等によって、非線形光学材料に、分極反転域を横
切るように光導波路を形成することによって、ＳＨＧ素
子を作製することができる。
交換法等によって、非線形光学材料に、分極反転域を横
切るように光導波路を形成することによって、ＳＨＧ素
子を作製することができる。
【００２７】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。
【００２８】まず、図２について、本実施例による分極
反転装置によって周期分極反転構造を形成する試料21の
構成を説明する。この試料21によれば、例えば、厚さ 1
00μｍに加工されたリチウムナイオベート（ＬＮ）基板
10に、そのＸ軸方向に幅 1.5μｍ、Ｙ軸方向に長さ５m
m、Ｚ軸方向に深さ 100μｍの分極反転域14が、Ｘ軸方
向に周期３μｍで６mmの領域に亘って層状に間欠的に形
成されている。
反転装置によって周期分極反転構造を形成する試料21の
構成を説明する。この試料21によれば、例えば、厚さ 1
00μｍに加工されたリチウムナイオベート（ＬＮ）基板
10に、そのＸ軸方向に幅 1.5μｍ、Ｙ軸方向に長さ５m
m、Ｚ軸方向に深さ 100μｍの分極反転域14が、Ｘ軸方
向に周期３μｍで６mmの領域に亘って層状に間欠的に形
成されている。
【００２９】分極反転域14を形成するＬＮ基板10には、
自発分極が正である＋ｃ面上及び負である−ｃ面上に厚
さ 0.2μｍのアルミニウム膜をスパッタリングで形成し
た後、リソグラフィーの手法を用いて＋ｃ面上に分極反
転域14に対応するアルミニウム電極パターン（第１の電
極）11が形成されている。
自発分極が正である＋ｃ面上及び負である−ｃ面上に厚
さ 0.2μｍのアルミニウム膜をスパッタリングで形成し
た後、リソグラフィーの手法を用いて＋ｃ面上に分極反
転域14に対応するアルミニウム電極パターン（第１の電
極）11が形成されている。
【００３０】例えば、＋ｃ面上のアルミニウム電極11
は、ＬＮ基板10のＸ軸方向に幅 0.5μｍ、Ｙ軸方向に長
さ５mmの帯状電極として、Ｘ軸方向に 3.0μｍ周期で６
mmの領域に亘って平行帯状にパターニングされている。
このとき、Ｘ軸方向に幅 1.5μｍの分極反転域14を形成
するための電極11の幅は分極反転域14の幅の１／２以下
であるのがよく、例えば 0.5μｍでよい。−ｃ面上には
アルミニウム電極（第２の電極）12が全面に形成されて
いる。
は、ＬＮ基板10のＸ軸方向に幅 0.5μｍ、Ｙ軸方向に長
さ５mmの帯状電極として、Ｘ軸方向に 3.0μｍ周期で６
mmの領域に亘って平行帯状にパターニングされている。
このとき、Ｘ軸方向に幅 1.5μｍの分極反転域14を形成
するための電極11の幅は分極反転域14の幅の１／２以下
であるのがよく、例えば 0.5μｍでよい。−ｃ面上には
アルミニウム電極（第２の電極）12が全面に形成されて
いる。
【００３１】このようなＬＮ試料21において、第１の電
極11と第２の電極12との間に、第１の電極11には正電
位、第２の電極12には負電位となる電界を印加すると、
基板10の自発分極はその自由エネルギーが小となるよう
に分極の向きを変える。
極11と第２の電極12との間に、第１の電極11には正電
位、第２の電極12には負電位となる電界を印加すると、
基板10の自発分極はその自由エネルギーが小となるよう
に分極の向きを変える。
【００３２】図２中には、分極の向きを矢印で示してい
る。即ち、電界印加前では、ＬＮ基板10の自発分極の正
の方向は一様に第１の電極11側であったのに対し（矢印
ｄ）、電界印加時では第１の電極11と第２の電極12に挟
まれた領域は第２の電極12側にその分極の向きを変え
（矢印ｈ）、分極反転域14を電極11のパターンに対応し
て形成する。更に、電界印加を終了しても、双安定性の
ために、分極反転域14では自発分極の正の方向は第２の
電極12側に保持される。この現象を分極反転と呼ぶ。
る。即ち、電界印加前では、ＬＮ基板10の自発分極の正
の方向は一様に第１の電極11側であったのに対し（矢印
ｄ）、電界印加時では第１の電極11と第２の電極12に挟
まれた領域は第２の電極12側にその分極の向きを変え
（矢印ｈ）、分極反転域14を電極11のパターンに対応し
て形成する。更に、電界印加を終了しても、双安定性の
ために、分極反転域14では自発分極の正の方向は第２の
電極12側に保持される。この現象を分極反転と呼ぶ。
【００３３】分極反転域14は、第１の電極11の直下でＺ
軸方向に発生及び成長するだけでなく、電極11の両側か
らＸ軸方向にもそれぞれ幅 0.5μｍ程度に成長する。従
って、第１の電極11の幅が 0.5μｍに形成されていて
も、分極反転域14の幅を 1.5μｍにすることができる。
軸方向に発生及び成長するだけでなく、電極11の両側か
らＸ軸方向にもそれぞれ幅 0.5μｍ程度に成長する。従
って、第１の電極11の幅が 0.5μｍに形成されていて
も、分極反転域14の幅を 1.5μｍにすることができる。
【００３４】この場合、上記の電極幅と分極反転域幅に
関しては、分極反転を行う第１の電極11の幅Ｗを、目的
とする局所分極反転域幅Ｗｉの１／２以下、特に１／10
〜１／２とするときには、非線形光学材料であるＬＮ基
板10に対する分極反転域の形成を制御性良く行えること
が確認されている（なお、Ｐは分極反転域14のピッチで
ある）。
関しては、分極反転を行う第１の電極11の幅Ｗを、目的
とする局所分極反転域幅Ｗｉの１／２以下、特に１／10
〜１／２とするときには、非線形光学材料であるＬＮ基
板10に対する分極反転域の形成を制御性良く行えること
が確認されている（なお、Ｐは分極反転域14のピッチで
ある）。
【００３５】即ち、一般的には、ＬＮ単結晶のような基
板に電圧を印加したとき、基板内部に発生する反転電界
が電極中央下部と電極側縁下部と電極が無い領域下部と
で異なる。図２の構成では、第１の電極11上の電荷は電
極側縁51に集まる性質があるため、この電極側縁51の下
部で電気力線の密度が大きくなり、電界強度は最も大と
なる。これに次いで、電極中央部52の下部が大きく、電
極のない領域53の下部が最も小である。
板に電圧を印加したとき、基板内部に発生する反転電界
が電極中央下部と電極側縁下部と電極が無い領域下部と
で異なる。図２の構成では、第１の電極11上の電荷は電
極側縁51に集まる性質があるため、この電極側縁51の下
部で電気力線の密度が大きくなり、電界強度は最も大と
なる。これに次いで、電極中央部52の下部が大きく、電
極のない領域53の下部が最も小である。
【００３６】分極反転域の発生及び成長速度は、電界強
度が大きいほど速い性質があるため、上記した３箇所の
中で最も電界強度が大きい電極側縁51の下部で局所分極
反転域が最も大きく発生及び成長し、面積が広がり易
い。次いで分極反転域の面積が広がり易いのは、電極内
部52の下部であり、最も広がりにくいのは電極のない領
域（即ち、電極11−11に挟まれた領域）53の下部であ
る。
度が大きいほど速い性質があるため、上記した３箇所の
中で最も電界強度が大きい電極側縁51の下部で局所分極
反転域が最も大きく発生及び成長し、面積が広がり易
い。次いで分極反転域の面積が広がり易いのは、電極内
部52の下部であり、最も広がりにくいのは電極のない領
域（即ち、電極11−11に挟まれた領域）53の下部であ
る。
【００３７】従って、目的とする分極反転域幅の２分の
１以下の幅で第１の電極11を形成すると（例えば図２の
場合）、第１の電極11の電極面積に対する電極側縁の長
さの比が大になり、第１の電極11下に形成される分極反
転域の発生及び成長は電極側縁での発生及び成長が支配
的となる。
１以下の幅で第１の電極11を形成すると（例えば図２の
場合）、第１の電極11の電極面積に対する電極側縁の長
さの比が大になり、第１の電極11下に形成される分極反
転域の発生及び成長は電極側縁での発生及び成長が支配
的となる。
【００３８】この結果、第１の電極11の下部と第１の電
極11−11に挟まれた領域53の下部の局所分極反転域の発
生及び成長の速度の差が大きくなるため、不均一な分極
反転域が形成されることを回避して、制御性よく周期分
極反転構造を得ることができる。
極11−11に挟まれた領域53の下部の局所分極反転域の発
生及び成長の速度の差が大きくなるため、不均一な分極
反転域が形成されることを回避して、制御性よく周期分
極反転構造を得ることができる。
【００３９】ところが、上記の電極幅Ｗを上記のように
規定しない場合、ある領域では局所分極反転域14の幅Ｗ
ｉが電極11の幅Ｗに対して大となって分極反転が起こっ
たり、他の領域では電極11の側縁の部分のみが反転して
分極反転域が電極11の中央部下には形成されず、電極11
の下部に一様に形成されないことがある。こうした分極
反転域で構成される周期分極反転構造は、理論上最も高
変換効率である周期分極反転構造（即ち、分極反転域の
幅ＷｉがそのピッチＰの１／２であるとき）と形状が異
なることになり、第２高調波出力の低下を招いてしま
う。
規定しない場合、ある領域では局所分極反転域14の幅Ｗ
ｉが電極11の幅Ｗに対して大となって分極反転が起こっ
たり、他の領域では電極11の側縁の部分のみが反転して
分極反転域が電極11の中央部下には形成されず、電極11
の下部に一様に形成されないことがある。こうした分極
反転域で構成される周期分極反転構造は、理論上最も高
変換効率である周期分極反転構造（即ち、分極反転域の
幅ＷｉがそのピッチＰの１／２であるとき）と形状が異
なることになり、第２高調波出力の低下を招いてしま
う。
【００４０】本実施例においては、ＬＮ基板10をまず単
分域化するには、そのキュリー温度直下の例えば1200℃
程度まで昇温して一定の方向に外部直流電圧を全面的に
印加することによって、全面的にｃ軸方向を揃えてよ
い。
分域化するには、そのキュリー温度直下の例えば1200℃
程度まで昇温して一定の方向に外部直流電圧を全面的に
印加することによって、全面的にｃ軸方向を揃えてよ
い。
【００４１】そして、分極反転域は、 150℃以下（又は
未満）の例えば室温において１kV/mm 〜100kV/mmの電界
印加を行った。この電界範囲によって、形状の制御性を
良くし、またＬＮ基板の表面の汚染や、熱によるイオン
電流の発生を回避して、これによる結晶性の劣化を生じ
ることなく分極反転域を形成することができる。
未満）の例えば室温において１kV/mm 〜100kV/mmの電界
印加を行った。この電界範囲によって、形状の制御性を
良くし、またＬＮ基板の表面の汚染や、熱によるイオン
電流の発生を回避して、これによる結晶性の劣化を生じ
ることなく分極反転域を形成することができる。
【００４２】例えば、ＬＮ基板10の自発分極を反転する
ために、第１の電極11と第２の電極12との間に電界を印
加して2600Ｖの電圧（基板厚が 0.1mmであるから、電界
にすると26kV/mm)を発生させることができる。
ために、第１の電極11と第２の電極12との間に電界を印
加して2600Ｖの電圧（基板厚が 0.1mmであるから、電界
にすると26kV/mm)を発生させることができる。
【００４３】このため、電極間に起きる放電を防止する
ために試料を不活性液体（例えばフロリナート：住友ス
リーエム社製）中に浸漬して電界印加を行う。
ために試料を不活性液体（例えばフロリナート：住友ス
リーエム社製）中に浸漬して電界印加を行う。
【００４４】次に、試料21に図２の周期分極反転構造を
形成するための分極反転装置の一例を図１で説明する。
形成するための分極反転装置の一例を図１で説明する。
【００４５】試料基板10に対する上記した電界印加によ
って分極反転が起きたとき、ＬＮ試料21に流れる反転電
流を検出する検出手段として電流計41を用いる。この電
流計41はＬＮ試料21の電極12と直列に接続される。そし
て、この電流計41は、検出された反転電流の大きさを波
形比較装置43の一方の端子に出力する。
って分極反転が起きたとき、ＬＮ試料21に流れる反転電
流を検出する検出手段として電流計41を用いる。この電
流計41はＬＮ試料21の電極12と直列に接続される。そし
て、この電流計41は、検出された反転電流の大きさを波
形比較装置43の一方の端子に出力する。
【００４６】また、ＬＮ試料21に印加電界を出力して分
極反転を起こすための電源として高電圧アンプ42を用
い、この出力はＬＮ試料21の電極11に接続される。この
高電圧アンプ42は、入力信号に対して出力信号が1000倍
の振幅を持ち（即ち、1000倍の増幅率を持ち）、ＬＮ試
料21に電界を印加し、分極反転を行うものである。
極反転を起こすための電源として高電圧アンプ42を用
い、この出力はＬＮ試料21の電極11に接続される。この
高電圧アンプ42は、入力信号に対して出力信号が1000倍
の振幅を持ち（即ち、1000倍の増幅率を持ち）、ＬＮ試
料21に電界を印加し、分極反転を行うものである。
【００４７】また、設定反転電流の波形を記憶及び出力
する手段として、公知のメモリ回路及び波形発生回路か
らなる任意波形発生回路36を用いる。この任意波形発生
回路36には予め、設定反転電流が図１に示すように例え
ば 100μsec の周期で時系列で記憶されている。このよ
うに設定反転電流を時系列（即ち、パルス状）にするこ
とによって、試料に対して周期的な電界衝撃を与え、効
果的に分極反転を生ぜしめることができる。
する手段として、公知のメモリ回路及び波形発生回路か
らなる任意波形発生回路36を用いる。この任意波形発生
回路36には予め、設定反転電流が図１に示すように例え
ば 100μsec の周期で時系列で記憶されている。このよ
うに設定反転電流を時系列（即ち、パルス状）にするこ
とによって、試料に対して周期的な電界衝撃を与え、効
果的に分極反転を生ぜしめることができる。
【００４８】そして、この設定反転電流を時間で積分し
た電荷は、まさに周期分極反転構造の形成に必要かつ十
分な電荷に等しく設定されている。この波形は、分極反
転装置の使用者の指示により波形比較回路43の端子に出
力される。
た電荷は、まさに周期分極反転構造の形成に必要かつ十
分な電荷に等しく設定されている。この波形は、分極反
転装置の使用者の指示により波形比較回路43の端子に出
力される。
【００４９】電流計41で検出された検出反転電流Ｉと、
任意波形発生回路36に記憶された設定反転電流Ｉｒｅｆ
とを波形比較回路43で比較し、検出反転電流が設定反転
電流と等しくなるように電源42を制御する。
任意波形発生回路36に記憶された設定反転電流Ｉｒｅｆ
とを波形比較回路43で比較し、検出反転電流が設定反転
電流と等しくなるように電源42を制御する。
【００５０】即ち、波形比較回路43は、電流計41の出力
である反転電流Ｉと任意波形発生回路36の出力である設
定値Ｉｒｅｆとを比較し、反転電流Ｉが設定値Ｉｒｅｆ
より大きい場合にはその出力を小さく、逆に反転電流Ｉ
が設定値Ｉｒｅｆより小さい場合には出力を大きくす
る。この出力は高電圧アンプ21に接続される。このよう
にして、最終的には、ＬＮ試料21に流れる反転電流は常
に設定電流と等しくなる（Ｉ＝Ｉｒｅｆ）。
である反転電流Ｉと任意波形発生回路36の出力である設
定値Ｉｒｅｆとを比較し、反転電流Ｉが設定値Ｉｒｅｆ
より大きい場合にはその出力を小さく、逆に反転電流Ｉ
が設定値Ｉｒｅｆより小さい場合には出力を大きくす
る。この出力は高電圧アンプ21に接続される。このよう
にして、最終的には、ＬＮ試料21に流れる反転電流は常
に設定電流と等しくなる（Ｉ＝Ｉｒｅｆ）。
【００５１】以上のように構成された分極反転装置を用
いてＬＮ基板10に分極反転構造を形成する手順Ｉ〜Ｖを
次に示す。
いてＬＮ基板10に分極反転構造を形成する手順Ｉ〜Ｖを
次に示す。
【００５２】Ｉ．ＬＮ基板10に上記した第１の電極11及
び第２の電極12を形成し、図２のようにＬＮ試料21を作
製する。さらに、このＬＮ試料21を図１の分極反転装置
にセットする。
び第２の電極12を形成し、図２のようにＬＮ試料21を作
製する。さらに、このＬＮ試料21を図１の分極反転装置
にセットする。
【００５３】II. ＬＮ試料21に周期分極反転構造を形成
するのに必要な電荷を求める。この電荷は、分極反転域
のＺ面での面積とＬＮの自発分極から容易に求められ
る。
するのに必要な電荷を求める。この電荷は、分極反転域
のＺ面での面積とＬＮの自発分極から容易に求められ
る。
【００５４】III.次に、使用者は任意波形発生回路36に
設定反転電流値を時系列に記録する。このとき、設定電
流を時間で積分した値はIIで求めた電荷と等しく設定す
る。
設定反転電流値を時系列に記録する。このとき、設定電
流を時間で積分した値はIIで求めた電荷と等しく設定す
る。
【００５５】IV. 次に、使用者は任意波形発生回路36に
指示し、記憶された設定反転電流値を出力させる。この
とき、任意波形発生回路36から出力された設定反転電流
値に従ってＬＮ試料21に反転電流が流れる。この反転電
流により分極反転域が発生及び成長し、周期分極反転構
造が形成される。
指示し、記憶された設定反転電流値を出力させる。この
とき、任意波形発生回路36から出力された設定反転電流
値に従ってＬＮ試料21に反転電流が流れる。この反転電
流により分極反転域が発生及び成長し、周期分極反転構
造が形成される。
【００５６】Ｖ．ＬＮ試料21を分極反転装置から取外
し、水酸化カリウム等で第１の電極11及び第２の電極12
を除去する。
し、水酸化カリウム等で第１の電極11及び第２の電極12
を除去する。
【００５７】以上の操作で、ＬＮ基板10に対し、Ｘ軸方
向に幅 1.5μｍ、Ｙ軸方向に長さ５mm、Ｚ軸方向に深さ
100μｍの分極反転域が、Ｘ軸方向に周期３μｍで６mm
に亘って層状に間欠的に形成される。
向に幅 1.5μｍ、Ｙ軸方向に長さ５mm、Ｚ軸方向に深さ
100μｍの分極反転域が、Ｘ軸方向に周期３μｍで６mm
に亘って層状に間欠的に形成される。
【００５８】このように、本発明に基いて反転電流を制
御しながら分極反転を行うことによって次の（１）〜
（３）に示す如き顕著な効果を得ることができる。
御しながら分極反転を行うことによって次の（１）〜
（３）に示す如き顕著な効果を得ることができる。
【００５９】（１）非線形光学材料であるＬＮ基板10に
電界を印加する際、基板を流れる反転電流を予め回路36
において設定し、常に設定値となるように比較制御する
ため、一定した電荷が電源42から流れ、分極反転量にバ
ラツキが生じることはない。このため、安定して周期分
極反転構造を容易に自動的に形成できる。
電界を印加する際、基板を流れる反転電流を予め回路36
において設定し、常に設定値となるように比較制御する
ため、一定した電荷が電源42から流れ、分極反転量にバ
ラツキが生じることはない。このため、安定して周期分
極反転構造を容易に自動的に形成できる。
【００６０】（２）分極反転を室温、大気圧中で行える
ため、真空装置、高温炉等が不要である。
ため、真空装置、高温炉等が不要である。
【００６１】（３）分極反転域を形成するのに拡散現象
を利用しないために、組成変化がおきず、散乱の原因と
なる屈折率変化のない素子を作製できる。しかも、電界
が基板の厚み方向に印加されるため、形成される分極反
転域の深さはほぼ基板厚に等しく、周期分極反転構造の
利用が基板表面付近に限られず、バルクでの使用が可能
である。
を利用しないために、組成変化がおきず、散乱の原因と
なる屈折率変化のない素子を作製できる。しかも、電界
が基板の厚み方向に印加されるため、形成される分極反
転域の深さはほぼ基板厚に等しく、周期分極反転構造の
利用が基板表面付近に限られず、バルクでの使用が可能
である。
【００６２】図３には、上記した装置によって分極反転
域14を周期的に形成した周期分極反転構造６を有し、こ
れを横切るようにその周期反転方向に光導波路４をピロ
リン酸による処理や拡散法等の周知の方法によって形成
したＳＨＧ素子31の一例を示している。なお、図中の一
点鎖線２は、光導波路４を選択的に形成するためのマス
ク材である。
域14を周期的に形成した周期分極反転構造６を有し、こ
れを横切るようにその周期反転方向に光導波路４をピロ
リン酸による処理や拡散法等の周知の方法によって形成
したＳＨＧ素子31の一例を示している。なお、図中の一
点鎖線２は、光導波路４を選択的に形成するためのマス
ク材である。
【００６３】このＳＨＧ素子31は、光導波路４への入射
光（例えば近赤外レーザ光）を周波数（又は波長）変換
し、第２高調波（例えば青色レーザ光）を取り出すため
の光第２高調波発生素子として、周期分極反転構造６の
周期と入射光の波長とを所定の関係にすることによって
高効率の波長変換を行えるものとなる。
光（例えば近赤外レーザ光）を周波数（又は波長）変換
し、第２高調波（例えば青色レーザ光）を取り出すため
の光第２高調波発生素子として、周期分極反転構造６の
周期と入射光の波長とを所定の関係にすることによって
高効率の波長変換を行えるものとなる。
【００６４】図４は、このＳＨＧ素子31を組み込んだレ
ーザ光源装置の一例を示すものである。即ち、電源５で
駆動される半導体レーザ７と保護膜19付きのＳＨＧ素子
31が導波損失が小となるように互いに直接的に接合（Bu
tt Coupling)されるように枠体８に取付けられ、半導体
レーザ７のレーザチップ７Ａから出射されたレーザ光Ｌ
1 は、その電界方向がＳＨＧ素子31の分極方向（Ｚ方
向）と一致した状態で入射し、光導波路４を経て第２高
調波Ｌ2 へと変換される。
ーザ光源装置の一例を示すものである。即ち、電源５で
駆動される半導体レーザ７と保護膜19付きのＳＨＧ素子
31が導波損失が小となるように互いに直接的に接合（Bu
tt Coupling)されるように枠体８に取付けられ、半導体
レーザ７のレーザチップ７Ａから出射されたレーザ光Ｌ
1 は、その電界方向がＳＨＧ素子31の分極方向（Ｚ方
向）と一致した状態で入射し、光導波路４を経て第２高
調波Ｌ2 へと変換される。
【００６５】図５は、レンズ接合の例であって、レーザ
光Ｌ1 はコリメータレンズ９で平行光とされ、更に、フ
ォーカスレンズ13でＳＨＧ素子31の光導波路４に導入さ
れ、第２高調波Ｌ2 へと変換されて射出される。
光Ｌ1 はコリメータレンズ９で平行光とされ、更に、フ
ォーカスレンズ13でＳＨＧ素子31の光導波路４に導入さ
れ、第２高調波Ｌ2 へと変換されて射出される。
【００６６】このＳＨＧ素子31は、本発明に基づく上記
した局所分極反転によって、安定に周期分極反転構造を
形成したものであるから、従来のＳＨＧ素子に比べて第
２高調波出力の向上と安定化を示す。
した局所分極反転によって、安定に周期分極反転構造を
形成したものであるから、従来のＳＨＧ素子に比べて第
２高調波出力の向上と安定化を示す。
【００６７】以上、本発明の実施例を説明したが、上述
した実施例は本発明の技術的思想に基いて更に変形が可
能である。
した実施例は本発明の技術的思想に基いて更に変形が可
能である。
【００６８】例えば、上述した分極反転装置を構成する
各回路の種類は変更してよく、検出反転電流と設定反転
電流の比較回路は上述のものに限られず、ＦＥＴ（電界
効果トランジスタ）タイプのゲート回路としてもよい。
各回路の種類は変更してよく、検出反転電流と設定反転
電流の比較回路は上述のものに限られず、ＦＥＴ（電界
効果トランジスタ）タイプのゲート回路としてもよい。
【００６９】また、使用する基板もＬＮ単結晶だけでな
く、ＬｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3(０≦ｘ≦１）で表されるリ
チウムタンタレート、更にはＫＴＰからなっていてもよ
い。ＳＨＧ素子は、上述した表面に導波路を設けるのが
変換効率の点でよいが、このタイプ以外にも、埋設する
タイプ（バルク型）であってもよい。
く、ＬｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ3(０≦ｘ≦１）で表されるリ
チウムタンタレート、更にはＫＴＰからなっていてもよ
い。ＳＨＧ素子は、上述した表面に導波路を設けるのが
変換効率の点でよいが、このタイプ以外にも、埋設する
タイプ（バルク型）であってもよい。
【００７０】上述した実施例においては、非線形光学材
料上に直接的に電極を被着して分極反転したが、この電
極と非線形光学材料との間に絶縁層を設けて電圧印加を
行ってもよい。
料上に直接的に電極を被着して分極反転したが、この電
極と非線形光学材料との間に絶縁層を設けて電圧印加を
行ってもよい。
【００７１】また、電界印加に先立って、非線形光学材
料に対してプロトン交換、電子線等の荷電粒子照射を行
う場合は、分極が反転し易くなり、分極反転に必要な電
圧値を低減することができる。更に、直流電圧と共に、
例えば徐々にその振幅が減衰する波形パターンの交流成
分を加え、これを試料に印加することによって、非線形
光学材料内の分極を乱し、分極を反転し易くすることも
できる。
料に対してプロトン交換、電子線等の荷電粒子照射を行
う場合は、分極が反転し易くなり、分極反転に必要な電
圧値を低減することができる。更に、直流電圧と共に、
例えば徐々にその振幅が減衰する波形パターンの交流成
分を加え、これを試料に印加することによって、非線形
光学材料内の分極を乱し、分極を反転し易くすることも
できる。
【００７２】
【発明の作用効果】本発明は上述した如く、非線形光学
材料に分極反転域を形成するための分極反転装置におい
て、（ａ）前記非線形光学材料に電界を印加して分極反
転させる電界印加手段と、（ｂ）この分極反転によって
前記非線形光学材料に流れる反転電流を検出する電流検
出手段と、（ｃ）前記分極反転に対応する設定反転電流
の波形を記憶し、出力する波形発生手段と、（ｄ）前記
電流検出手段により検出された検出反転電流と前記波形
発生手段からの設定反転電流とを比較し、これらの反転
電流と設定反転電流とが等しくなるように前記電界印加
手段を制御する比較手段とを有する構成としたので、次
の（１）〜（３）に示す如き顕著な効果を得ることがで
きる。
材料に分極反転域を形成するための分極反転装置におい
て、（ａ）前記非線形光学材料に電界を印加して分極反
転させる電界印加手段と、（ｂ）この分極反転によって
前記非線形光学材料に流れる反転電流を検出する電流検
出手段と、（ｃ）前記分極反転に対応する設定反転電流
の波形を記憶し、出力する波形発生手段と、（ｄ）前記
電流検出手段により検出された検出反転電流と前記波形
発生手段からの設定反転電流とを比較し、これらの反転
電流と設定反転電流とが等しくなるように前記電界印加
手段を制御する比較手段とを有する構成としたので、次
の（１）〜（３）に示す如き顕著な効果を得ることがで
きる。
【００７３】（１）非線形光学材料に電界を印加する
際、基板を流れる反転電流を設定し、常に設定値となる
ように比較制御するため、一定した電荷が流れ、分極反
転量にバラツキが生じることはない。このため、安定し
て周期分極反転構造を容易に自動的に形成できる。
際、基板を流れる反転電流を設定し、常に設定値となる
ように比較制御するため、一定した電荷が流れ、分極反
転量にバラツキが生じることはない。このため、安定し
て周期分極反転構造を容易に自動的に形成できる。
【００７４】（２）分極反転を室温、大気圧中で行える
ため、真空装置、高温炉等が不要である。
ため、真空装置、高温炉等が不要である。
【００７５】（３）分極反転域を形成するのに拡散現象
を利用しないために、組成変化がおきず、散乱の原因と
なる屈折率変化のない素子を作製できる。しかも、形成
される分極反転域の深さはほぼ基板厚に等しく、周期分
極反転構造の利用が基板表面付近に限られず、バルクで
の使用が可能である。
を利用しないために、組成変化がおきず、散乱の原因と
なる屈折率変化のない素子を作製できる。しかも、形成
される分極反転域の深さはほぼ基板厚に等しく、周期分
極反転構造の利用が基板表面付近に限られず、バルクで
の使用が可能である。
【図１】本発明の実施例による分極反転装置の構成を示
すブロック図及び設定反転電流の波形図である。
すブロック図及び設定反転電流の波形図である。
【図２】同実施例によるＬＮ試料とその分極反転状態を
示す概略斜視図である。
示す概略斜視図である。
【図３】同実施例によるＳＨＧ素子の概略斜視図であ
る。
る。
【図４】同ＳＨＧ素子を組み込んだレーザ光源装置の概
略断面図である。
略断面図である。
【図５】同ＳＨＧ素子を組み込んだ他のレーザ光源装置
の概略断面図である。
の概略断面図である。
４・・・光導波路
６・・・周期分極反転構造
10・・・ＬＮ基板
11、12・・・電極
14・・・局所分極反転域
21・・・ＬＮ試料
31・・・ＳＨＧ素子
36・・・任意波形発生回路
41・・・電流計
42・・・高電圧アンプ
43・・・波形比較回路
Ｐ・・・ピッチ
Ｗ・・・電極幅
Ｗｉ・・・分極反転域幅
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平６−3718（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02F 1/29 - 7/00
Claims (7)
- 【請求項１】 非線形光学材料に分極反転域を形成する
ための分極反転装置において、 （ａ）前記非線形光学材料に電界を印加して分極反転さ
せる電界印加手段と、 （ｂ）この分極反転によって前記非線形光学材料に流れ
る反転電流を検出する電流検出手段と、 （ｃ）前記分極反転に対応する設定反転電流の波形を記
憶し、出力する波形発生手段と、 （ｄ）前記電流検出手段により検出された検出反転電流
と前記波形発生手段からの設定反転電流とを比較し、こ
れらの反転電流と設定反転電流とが等しくなるように前
記電界印加手段を制御する比較手段とを有することを特
徴とする分極反転装置。 - 【請求項２】 非線形光学材料に周期的な分極反転域を
形成する電界印加手段としての高電圧アンプと電流計と
の間に非線形光学材料が直列に接続され、前記電流計に
より検出された検出反転電流が波形比較回路の一方の端
子に入力されると共に、設定反転電流を時系列に記憶し
た任意波形発生回路からの前記設定反転電流が前記波形
比較回路の他方の端子に入力され、この波形比較回路に
おいて前記検出反転電流が前記設定反転電流より大きい
ときには前記高電圧アンプへの出力が小さくされかつ前
記検出反転電流が前記設定反転電流より小さいときには
前記高電圧アンプへの出力が大きくされる、請求項１に
記載した分極反転装置。 - 【請求項３】 150℃以下の温度において、非線形光学
材料に設けた対向電極間に、前記非線形光学材料の自発
分極の負側が負電位、その正側が正電位となるように１
kV/mm 〜 100kV/mm の電界を印加して、分極反転域が形
成される、請求項１又は２に記載した分極反転装置。 - 【請求項４】 非線形光学材料に設けた対向電極間に分
極反転のための電界を印加する際に前記対向電極間での
放電を防止するために、前記非線形光学材料を浸漬させ
る不活性液体が配されている、請求項１〜３のいずれか
１項に記載した分極反転装置。 - 【請求項５】 非線形光学材料がＬｉＮｂx Ｔａ1-x Ｏ
3(０≦ｘ≦１）で表されるリチウムナイオベート又はリ
チウムタンタレートからなり、光第２高調波発生素子を
構成するものである、請求項１〜４のいずれか１項に記
載した分極反転装置。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項に記載した
分極反転装置によって非線形光学材料に分極反転域を形
成した後、前記非線形光学材料に設けた対向電極を除去
する、非線形光学素子の製造方法。 - 【請求項７】 非線形光学材料に、分極反転域を横切る
ように光導波路を形成する、請求項６に記載した製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16627394A JP3428156B2 (ja) | 1994-06-24 | 1994-06-24 | 分極反転装置、及び非線形光学素子の製造方法 |
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