JP3436076B2 - Method for growing oxide single crystal and method for manufacturing nonlinear optical element using the same - Google Patents

Method for growing oxide single crystal and method for manufacturing nonlinear optical element using the same

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JP3436076B2 JP16030197A JP16030197A JP3436076B2 JP 3436076 B2 JP3436076 B2 JP 3436076B2 JP 16030197 A JP16030197 A JP 16030197A JP 16030197 A JP16030197 A JP 16030197A JP 3436076 B2 JP3436076 B2 JP 3436076B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、所定の不純物が添
加された酸化物融液から酸化物単結晶を成長する酸化物
単結晶の成長方法およびSHG(Second Harmonic Gene
ration:第2高調波発生)効果を有するQPM(Quasi-P
hase Matching:疑似位相整合)構造を備えた非線形光学
素子の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxide single crystal growth method and an SHG (Second Harmonic Gene) method for growing an oxide single crystal from an oxide melt to which a predetermined impurity is added.
ration: QPM (Quasi-P) with second harmonic generation effect
The present invention relates to a method of manufacturing a nonlinear optical element having a hase Matching (quasi phase matching) structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】[Prior art]

Nd:YAG(Nd(ネオジウム):Y3Al512(イ
ットリウムアルミニウムガーネット))等の固体レーザ
から発生した長波長域レーザ光(1064nm)を短波
長域レーザ光(532nm)に変換するために用いられ
るSHG素子として、LiNbO3(ニオブ酸リチウ
ム)単結晶等の酸化物単結晶にQPM構造を設けた非線
形光学素子が知られている。前記QPM構造は、不純物
濃度を周期的に変化させて互いに誘電分極反転した複数
の互層からなり、入射光との位相整合を可能とするため
波長に対応したミクロンオーダー以下の周期構造を必要
とするものである。
In order to convert a long-wavelength laser beam (1064 nm) generated from a solid-state laser such as Nd: YAG (Nd (neodymium): Y 3 Al 5 O 12 (yttrium aluminum garnet)) into a short-wavelength laser beam (532 nm). As the SHG element used, a non-linear optical element in which an oxide single crystal such as LiNbO 3 (lithium niobate) single crystal is provided with a QPM structure is known. The QPM structure is composed of a plurality of alternating layers in which the impurity concentration is periodically changed and dielectric polarization is inverted, and a phase structure of micron order or less corresponding to the wavelength is required to enable phase matching with incident light. It is a thing.

【0003】従来、QPM構造を備えた非線形光学素子
を作製するには、例えば、以下の作製方法が知られてい
る。 (1)酸化物単結晶の結晶板表面にマスクを形成した
後、Ti(チタン)等の不純物を熱拡散することによ
り、前記マスクのマスクパターンに応じて結晶板におけ
る不純物濃度を周期的に変化させ、互いに誘電分極反転
した領域を結晶板に形成する作製方法。 (2)酸化物単結晶の結晶育成中に成長速度や熱環境を
周期的に変化させ、結晶に分配される不純物濃度を周期
的に変化させることにより、これに対応したパターンの
誘電分極反転した互層を結晶成長方向に周期的に形成す
る作製方法。 (3)酸化物単結晶の結晶育成中にパルス電流を周期的
に印加することにより、分極反転した互層を結晶成長方
向に周期的に形成する作製方法。
Conventionally, for manufacturing a nonlinear optical element having a QPM structure, for example, the following manufacturing method is known. (1) After a mask is formed on the surface of a crystal plate of an oxide single crystal, impurities such as Ti (titanium) are thermally diffused to periodically change the impurity concentration in the crystal plate according to the mask pattern of the mask. And forming regions on the crystal plate in which the dielectric polarizations are inverted from each other. (2) By periodically changing the growth rate and the thermal environment during the crystal growth of the oxide single crystal, and periodically changing the concentration of impurities distributed to the crystal, the dielectric polarization inversion of the pattern corresponding to this was performed. A manufacturing method in which alternating layers are periodically formed in the crystal growth direction. (3) A manufacturing method in which a pulse current is periodically applied during the crystal growth of an oxide single crystal to periodically form alternating layers with polarization inversion in the crystal growth direction.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の作製方法には、以下のような課題が残されている。
すなわち、作製方法(1)では、結晶育成後に分極反転
させるためのプロセスを、結晶成長プロセスとは別に必
要とするため、工程数が増大してしまうとともに、分極
反転する領域がマスク・パターンに支配されてしまうた
め、高精度が得難くサブミクロンが限界であった。ま
た、作製方法(2)では、不純物濃度の変化を表す指針
として実効分配係数kがとれる範囲をあげることができ
るが、その範囲は従来の成長条件下において単純に成長
速度や熱環境を変化させる場合には、平衡分配係数をk
0とすると、 k0<k<1(k0<1) または 1<k<k0(k0
1) に限定され、しかも不純物が全く含まれない領域を作製
するような結晶成長を行うことが不可能であった。さら
に、作製方法(3)では、結晶長が増大するにつれて電
流印加が困難となる不都合があった。
However, the above-mentioned conventional manufacturing method has the following problems.
That is, in the manufacturing method (1), a process for reversing polarization after crystal growth is required separately from the crystal growth process, so that the number of steps is increased and the region where polarization is reversed is controlled by the mask pattern. Therefore, it is difficult to obtain high precision, and the limit is submicron. Further, in the manufacturing method (2), the range in which the effective distribution coefficient k can be taken as a guideline for indicating the change in the impurity concentration can be set, but the range simply changes the growth rate and the thermal environment under the conventional growth conditions. If the equilibrium partition coefficient is k
If 0 , then k 0 <k <1 (k 0 <1) or 1 <k <k 0 (k 0 >)
It was impossible to carry out crystal growth so as to produce a region which is limited to 1) and contains no impurities at all. Further, in the manufacturing method (3), there is a disadvantage that the current application becomes difficult as the crystal length increases.

【0005】ところで、本発明者らは、引き上げ法(C
Z法)で代表される融液からの酸化物単結晶育成におい
て、固液界面の安定性、特に融液の温度変動あるいは組
成変動と育成の安定性や結晶の品質の関係についての研
究を行ってきた。すなわち、結晶の成長面でキンク(k
ink)、レッジ(ledge)、テラス(terra
ce)が生成し成長するといった微視的なダイナミック
スの駆動力としてシステムに消費されるべきエネルギー
が要求されるが、過飽和度で表されるこうした不安定さ
は新たに生成する表面エネルギー、応力−歪み場エネル
ギー、各種欠陥の生成エネルギーならびに成長カイネテ
ィックスのエネルギーの総和となりそれぞれのエネルギ
ーは適切な値を持つ。これらエネルギーのバランスを崩
すような大きな温度変動は一般に避けるべきものである
とされている。
By the way, the present inventors have found that the pulling method (C
In the growth of oxide single crystals from the melt represented by the Z method), the stability of the solid-liquid interface, in particular, the relationship between the temperature fluctuation or composition fluctuation of the melt and the growth stability and the crystal quality is studied. Came. That is, the kink (k
ink, ledge, terrace
The energy required to be consumed by the system is required as a driving force for microscopic dynamics such as the generation and growth of ce), but this instability represented by the degree of supersaturation is due to the newly generated surface energy and stress. − It is the sum of strain field energy, various defect generation energies, and growth kinetics energy, and each energy has an appropriate value. It is generally said that large temperature fluctuations that upset the energy balance should be avoided.

【0006】本発明者らは、こうした温度変動はみられ
ないにもかかわらず、育成結晶に組成変動や点欠陥をも
たらす固液界面の不安定性の要因についての研究を進め
ることにより、本発明に到達した。
Although the present inventors have not observed such temperature fluctuations, the present inventors have studied the factors of the instability of the solid-liquid interface, which causes compositional fluctuations and point defects in the grown crystal, and thus the present invention Arrived

【0007】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
ので、高精度かつ急峻な不純物濃度分布を得ることがで
きる酸化物単結晶の成長方法およびこれを用いた非線形
光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a method for growing an oxide single crystal capable of obtaining a highly accurate and steep impurity concentration distribution and a method for manufacturing a nonlinear optical element using the same. The purpose is to provide.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、今までに
発表した固液界面に発生する電界(界面電界)の溶質分
配および一致溶融組成に与える影響についての研究(宇
田 聡,日本結晶成長学会誌 Vol.21 No.2(1994)159,
W.A.Tiller and S.Uda,J.Crystal Growth 129(1993)341
-361等)を進めた結果、以下の知見を得ることができ
た。レーザ加熱ペデスタル法(LHPG:Laser Heated Pede
stral Growth)やマイクロプリングダウン法(micro-PD
法:Micro-Pulling down method、以下、μ−PD法とい
う)等により酸化物単結晶を育成すると、固液界面に非
常に大きな温度勾配が発生し、一般に酸化物融液はイオ
ン性を示すので、こうした非常に大きな温度勾配により
Seebeck効果が働き、界面には大きな界面電界が
発生する。
[Means for Solving the Problems] The present inventors have studied the effect of the electric field generated at the solid-liquid interface (interfacial electric field) on solute partitioning and congruent melting composition (Satoshi Uda, Nippon Crystal) Journal of Growth Society Vol.21 No.2 (1994) 159,
WATiller and S. Uda, J. Crystal Growth 129 (1993) 341
-361 etc.), the following findings were obtained. Laser heated pedestal method (LHPG: Laser Heated Pede
stral Growth) and micro pull-down method (micro-PD
Method: Micro-Pulling down method (hereinafter referred to as μ-PD method) etc., an extremely large temperature gradient is generated at the solid-liquid interface, and the oxide melt generally exhibits ionicity. The Seebeck effect works due to such an extremely large temperature gradient, and a large interfacial electric field is generated at the interface.

【0009】この界面電界により、イオン性不純物の融
液から結晶への偏析は大きく影響され、ある臨界速度V
*の前後でその偏析係数は、負の値(不純物が結晶に全
く入らない状態)から、非常に大きな正の値(多量の不
純物が結晶に融液から分配される状態)に移行すること
を見出した。この臨界速度V*は、結晶成長界面におけ
る融液内温度勾配GLおよび不純物拡散層厚δCを所定値
に設定した場合の以下の関係式(1)から得られる。
This interfacial electric field has a great influence on the segregation of ionic impurities from the melt to the crystal, and a certain critical velocity V
Before and after *, the segregation coefficient shifts from a negative value (a state in which no impurities enter the crystal) to a very large positive value (a state in which a large amount of impurities are distributed from the melt to the crystal). I found it. This critical velocity V * is obtained from the following relational expression (1) when the temperature gradient G L in the melt and the impurity diffusion layer thickness δ C at the crystal growth interface are set to predetermined values.

【0010】すなわち、関係式(1)は、酸化物融液と
酸化物単結晶との結晶成長界面における温度勾配GL
よび不純物拡散層厚δCを所定値に設定するとともに、
前記不純物の酸化物融液中の拡散係数をDL、前記不純
物の不純物電荷荷数をZL、素電荷をe、融液内熱起電
力係数をαL、結晶化起電力による起電力係数をαi、ボ
ルツマン定数をkB、および融液温度をTとしたとき、 V*=(2DLδCLeαLL)/(DLLeαi−2δCBT) …(1) となる。
That is, the relational expression (1) sets the temperature gradient G L and the impurity diffusion layer thickness δ C at the crystal growth interface between the oxide melt and the oxide single crystal to predetermined values, and
The diffusion coefficient of the impurities in the oxide melt is D L , the impurity charge number of the impurities is Z L , the elementary charge is e, the thermoelectromotive force coefficient in the melt is α L , and the electromotive force coefficient due to crystallization electromotive force is the alpha i, the Boltzmann constant k B, and when the melt temperature was T, V * = (2D L δ C Z L eα L G L) / (D L Z L eα i -2δ C k B T) … (1)

【0011】上記関係式(1)について概略的に説明す
ると、結晶中に入る不純物の不純物濃度CSは、次の関
係式(2)で表される。 CS=CL(0)E0 …(2) ここで、CL(0)は、成長界面での融液の不純物濃度、k
E0は、界面電界の影響を受けた平衡分配係数である。
The above relational expression (1) will be roughly described. The impurity concentration C S of impurities entering the crystal is expressed by the following relational expression (2). C S = C L (0) k E0 (2) Here, C L (0) is the impurity concentration of the melt at the growth interface, k
E0 is the equilibrium distribution coefficient affected by the interface electric field.

【0012】また、上記平衡分配係数kE0は、次の関係
式(3)によって表される。 kE0=k0(V/VE) …(3) ここで、k0は、電界の影響のない場合の平衡分配係
数、VEは、界面電界の影響を受けた実効速度である。
なお、k0は、以下の関係式(4)によって表される。 k0=CS(0)/CL(0) …(4) ここで、CS(0)は、成長界面での結晶の不純物濃度であ
る。
The equilibrium distribution coefficient k E0 is expressed by the following relational expression (3). k E0 = k 0 (V / V E ) (3) Here, k 0 is the equilibrium distribution coefficient when there is no influence of the electric field, and V E is the effective velocity affected by the interface electric field.
Note that k 0 is represented by the following relational expression (4). k 0 = C S (0) / C L (0) (4) Here, C S (0) is the impurity concentration of the crystal at the growth interface.

【0013】さらに、上記実効速度VEは、以下の関係
式(5)によって表される。 VE=V−((DLLe(EcL+EtL))/kBT) =V−((DLLe(αiV/2δC−αLL)/kBT) …(5) ここで、EcLは、結晶化EMF(起電力)による電界、
tLは、熱起電力による電界である。 また、EcLおよびEtLは、以下の関係式(6)(7)で表される。 EcL=αiV/2δC …(6) EtL=−αLL …(7)
Further, the effective speed V E is expressed by the following relational expression (5). V E = V - ((D L Z L e (E cL + E tL)) / k B T) = V - ((D L Z L e (α i V / 2δ C -α L G L) / k B T) (5) Here, E cL is an electric field due to crystallization EMF (electromotive force),
EtL is an electric field due to thermoelectromotive force. Further, E cL and E tL are represented by the following relational expressions (6) and (7). E cL = α i V / 2δ C (6) E tL = −α L G L (7)

【0014】このような関係にある上記関係式(5)に
おいて、VE=0とすると、 V*=(2DLδCLeαLL)/(DLLeαi−2δCBT) …(1) となり、関係式(1)が求められる。
[0014] In the above equation (5) having such a relationship, when V E = 0, V * = (2D L δ C Z L eα L G L) / (D L Z L eα i -2δ C k B T) (1) and the relational expression (1) is obtained.

【0015】なお、実際の結晶と融液間での不純物のや
り取りは、実効分配係数(界面電界の影響を受けてい
る)kEを用いるのが便利である。すなわち、不純物濃
度CSおよび実効分配係数kEは、以下の関係式(8)
(9)によって表される。 CS=CL(0)E0 =C0E …(8) kE=kE0/(kE0+(1−kE0)exp(−VδC/DL) …(9) ここで、C0は、不純物のバルク融液濃度である。
For the exchange of impurities between the actual crystal and the melt, it is convenient to use the effective distribution coefficient (influenced by the interface electric field) k E. That is, the impurity concentration C S and the effective distribution coefficient k E are expressed by the following relational expression (8).
It is represented by (9). C S = C L (0) k E0 = C 0 k E (8) k E = k E0 / (k E0 + (1-k E0 ) exp (-Vδ C / D L ) (9) where , C 0 are bulk melt concentrations of impurities.

【0016】したがって、本発明は、上記臨界速度V*
を利用した技術であり、前記課題を解決するために以下
の構成を採用した。請求項1記載の酸化物単結晶の成長
方法では、所定の不純物が添加された酸化物融液から酸
化物単結晶を成長する酸化物単結晶の成長方法におい
て、前記酸化物融液と前記酸化物単結晶との結晶成長界
面における融液内温度勾配GLおよび不純物拡散層厚δC
を所定値に設定するとともに、前記不純物の酸化物融液
中の拡散係数をDL、前記不純物の不純物電荷荷数を
L、素電荷をe、融液内熱起電力係数をαL、結晶化起
電力による起電力係数をαi、ボルツマン定数をkB、お
よび融液温度をTとしたときの臨界速度V*を、以下の
関係式; V*=(2DLδCLeαLL)/(DLLeαi−2δC
BT) により算出し、前記酸化物単結晶の成長速度Vを、前記
臨界速度V*を基準にしてその前後に変化させることに
より、前記酸化物単結晶の不純物濃度を制御する技術が
採用される。
Therefore, according to the present invention, the above-mentioned critical velocity V *
In order to solve the above problems, the following configuration is adopted. The method for growing an oxide single crystal according to claim 1, wherein the oxide single crystal is grown from an oxide melt to which a predetermined impurity is added. Temperature gradient G L in the melt and the impurity diffusion layer thickness δ C at the crystal growth interface with the single crystal
Is set to a predetermined value, the diffusion coefficient of the impurity in the oxide melt is D L , the impurity charge number of the impurity is Z L , the elementary charge is e, the thermoelectromotive force coefficient in the melt is α L , When the electromotive force coefficient due to crystallization electromotive force is α i , the Boltzmann constant is k B , and the melt temperature is T, the critical velocity V * is expressed by the following relational expression: V * = (2D L δ C Z LL G L ) / (D L Z Li -2δ C
k B T), and a technique for controlling the impurity concentration of the oxide single crystal by changing the growth rate V of the oxide single crystal before and after it based on the critical rate V *. To be done.

【0017】この酸化物単結晶の成長方法では、予め融
液内温度勾配GLおよび不純物拡散層厚δCを設定すると
ともに上記関係式によって算出した臨界速度V*を基準
にして成長速度Vをその前後に変化させるので、偏析係
数が負から大きな正に変化するため、不純物濃度がほぼ
ゼロの単結晶から不純物濃度が非常に大きい単結晶を連
続して成長でき、急峻かつ高精度な不純物濃度分布を有
する酸化物単結晶が育成される。
In this method for growing an oxide single crystal, the temperature gradient G L in the melt and the impurity diffusion layer thickness δ C are set in advance, and the growth rate V is determined based on the critical rate V * calculated by the above relational expression. Since it is changed before and after that, the segregation coefficient changes from negative to large positive, so that it is possible to continuously grow a single crystal with an extremely high impurity concentration from a single crystal with an almost zero impurity concentration. An oxide single crystal having a distribution is grown.

【0018】請求項2記載の非線形光学素子の製造方法
では、互いに誘電分極反転した酸化物単結晶の互層から
なる疑似位相整合構造を備えた非線形光学素子の製造方
法において、請求項1記載の酸化物単結晶の成長方法に
基づいて、前記成長速度Vを、前記臨界速度V*を基準
にしてその前後に周期的に変化させて、前記不純物濃度
の差が大きな前記互層を形成する技術が採用される。
The method for manufacturing a nonlinear optical element according to claim 2 is the method for manufacturing a nonlinear optical element having a quasi phase matching structure composed of alternating layers of oxide single crystals in which dielectric polarizations are inverted from each other. Based on the growth method of a single crystal of a single crystal, the growth rate V is cyclically changed before and after the critical speed V * as a reference to form the alternating layers having a large difference in the impurity concentration. To be done.

【0019】この非線形光学素子の製造方法では、成長
速度Vを、臨界速度V*を基準にしてその前後に周期的
に変化させて、不純物濃度の差が大きな互層を形成する
ので、不純物濃度がほぼゼロの領域と不純物濃度が非常
に大きい領域とからなる周期構造が作製され、しかも分
極反転構造を容易に得ることができる。
In this method of manufacturing a non-linear optical element, the growth rate V is periodically changed before and after the critical rate V * as a reference to form an alternate layer having a large difference in impurity concentration, so that the impurity concentration is increased. A periodic structure composed of a region of almost zero and a region of extremely high impurity concentration is produced, and a domain-inverted structure can be easily obtained.

【0020】請求項3記載の非線形光学素子の製造方法
では、請求項2記載の非線形光学素子の製造方法におい
て、前記酸化物融液は、ニオブ酸リチウムの融液であ
り、前記酸化物単結晶は、ファイバー状に形成されるニ
オブ酸リチウムの単結晶である技術が採用される。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing the non-linear optical element according to the second aspect, wherein the oxide melt is a lithium niobate melt. Is a single crystal of lithium niobate formed into a fiber.

【0021】この非線形光学素子の製造方法では、酸化
物単結晶がニオブ酸リチウム単結晶であるとともに、フ
ァイバー状に形成されるため、高い変換効率のSHG効
果が得られるとともに、急峻かつ高精度な分極反転構造
を光導波路内に容易に作り込むことができる。
In this method of manufacturing a non-linear optical element, since the oxide single crystal is a lithium niobate single crystal and is formed into a fiber shape, the SHG effect with high conversion efficiency is obtained, and the sharpness and accuracy are high. The domain-inverted structure can be easily built in the optical waveguide.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る酸化物単結晶
の成長方法およびこれを用いた非線形光学素子の製造方
法の一実施形態について、図1および図2を参照しなが
ら説明する。図1において、符号1は、μ−PD法によ
りファイバー状の酸化物単結晶を育成する結晶成長装置
である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of a method for growing an oxide single crystal and a method for manufacturing a nonlinear optical element using the same according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2. In FIG. 1, reference numeral 1 is a crystal growth apparatus for growing a fiber-shaped oxide single crystal by the μ-PD method.

【0023】該結晶成長装置1は、図1に示すように、
密封容器内に配された白金ルツボ2と、該白金ルツボ2
の上下周囲に配設され白金ルツボ2に貯留させた酸化物
融液3を所定温度に加熱する補助ヒータ4と、白金ルツ
ボ2の下方に配され白金ルツボ2から育成された酸化物
単結晶5を所定温度に加熱するアフターヒータ6とを備
えている。なお、白金ルツボ2は、直接通電加熱され、
主ヒータとして機能する。
The crystal growth apparatus 1 is, as shown in FIG.
Platinum crucible 2 arranged in a sealed container, and the platinum crucible 2
Auxiliary heaters 4 arranged above and below the platinum crucible 2 for heating the oxide melt 3 stored in the platinum crucible 2 to a predetermined temperature, and an oxide single crystal 5 grown below the platinum crucible 2 and grown from the platinum crucible 2. And an after-heater 6 for heating to a predetermined temperature. In addition, the platinum crucible 2 is directly heated by electricity.
Functions as the main heater.

【0024】前記白金ルツボ2の下部には、酸化物単結
晶5を育成するために開けられた孔を有するルツボノズ
ル2aが形成され、該ルツボノズル2aからファイバー
状に酸化物単結晶5が育成される。また、補助ヒータ4
およびアフターヒータ6は、固液界面での融液内温度勾
配GLが所定値となるように調整・制御するものであ
る。
A crucible nozzle 2a having a hole opened to grow an oxide single crystal 5 is formed below the platinum crucible 2, and the oxide single crystal 5 is grown in a fiber shape from the crucible nozzle 2a. . In addition, the auxiliary heater 4
The after-heater 6 adjusts and controls the temperature gradient G L in the melt at the solid-liquid interface to be a predetermined value.

【0025】次に、上記結晶成長装置1による酸化物単
結晶の成長方法および非線形光学素子の製造方法につい
て説明する。
Next, a method for growing an oxide single crystal and a method for manufacturing a non-linear optical element by the crystal growth apparatus 1 will be described.

【0026】まず、一致溶融(congruent melt)組成
(Li/(Li+Nb)=0.4838)のニオブ酸リ
チウム粉末原料に、不純物として3wt%のMn(マン
ガン)を添加し、良く攪拌したものを白金ルツボ2に入
れ、融点より、やや高めの温度、1260℃にまで昇温
し、融解保持する。すなわち、ニオブ酸リチウムの酸化
物融液3を白金ルツボ2内に所定温度状態で貯留する。
First, 3 wt% of Mn (manganese) as an impurity was added to a lithium niobate powder raw material having a congruent melt composition (Li / (Li + Nb) = 0.4838), and the mixture was stirred well to obtain platinum. It is put in the crucible 2 and the temperature is raised to 1260 ° C., which is slightly higher than the melting point, and melted and held. That is, the lithium niobate oxide melt 3 is stored in the platinum crucible 2 at a predetermined temperature.

【0027】一方、X軸方向に切り出した角柱状のニオ
ブ酸リチウム結晶を種結晶Xとして、ルツボノズル2a
の先端に接触させ、引き下げを開始する。引き上げ中
は、結晶の直径を調整し、界面での融液内温度勾配GL
を4000℃/cmに設定する。また、不純物拡散層厚
δCは、ほぼ溶融帯の厚さに等しく50ミクロンであ
る。
On the other hand, a prismatic lithium niobate crystal cut out in the X-axis direction is used as a seed crystal X, and the crucible nozzle 2a is used.
Contact the tip of the and start pulling down. During the pulling, the diameter of the crystal is adjusted and the temperature gradient GL in the melt at the interface is adjusted.
Is set to 4000 ° C./cm. Further, the impurity diffusion layer thickness δ C is 50 μm, which is almost equal to the thickness of the melting zone.

【0028】この条件で、臨界速度V*を関係式(1)
によって求めると、 V*=3.6×10-4cm/s となる。 なお、このとき算出に用いた各定数は、以下の通りであ
る。 k0=0.5 ZL=4 DL=5.8×10-6cm2/s αi=1.25mVsμm-1 αL=−0.4mVK-1 T=1530K
Under this condition, the critical velocity V * is calculated by the relational expression (1).
V * = 3.6 × 10 −4 cm / s. The constants used for the calculation at this time are as follows. k 0 = 0.5 Z L = 4 D L = 5.8 × 10 -6 cm 2 / s α i = 1.25mVsμm -1 α L = -0.4mVK -1 T = 1530K

【0029】なお、成長速度Vを変数とした場合に、異
なる温度勾配GLにおける平衡分配係数kE0のグラフを
図2に示す。成長速度Vが臨界速度V*のときには、実
効速度VEはゼロとなり、図2からわかるように、臨界
速度V*を境にして成長速度Vが臨界速度V*より小さく
なると平衡分配係数kE0が負の値となる。また、温度勾
配GLが大きくなるとともに臨界速度V*も大きな値とな
ることが分かる。なお、通常のCZ法による成長では、
比較的小さい温度勾配GLの状態で行われるのに対し
て、本実施形態では、μ−PD法によって大きな温度勾
配GLの状態で成長が行われる。
A graph of the equilibrium distribution coefficient k E0 at different temperature gradients G L when the growth rate V is used as a variable is shown in FIG. When the growth rate V is the critical rate V * , the effective rate V E becomes zero, and as can be seen from FIG. 2, when the growth rate V becomes smaller than the critical rate V * at the boundary of the critical rate V * , the equilibrium distribution coefficient k E0. Is a negative value. Further, it can be seen that as the temperature gradient G L increases, the critical velocity V * also increases. In addition, in the growth by the normal CZ method,
In contrast to the comparatively small temperature gradient G L , the growth is carried out by the μ-PD method in the large temperature gradient G L in the present embodiment.

【0030】このようにして求めた臨界速度V*を基準
にして、速度の変化量ΔVを、 ΔV=±5.0×10-5cm/s に設定するとともに、成長速度Vを一定時間ごとに周期
的にV*−ΔVおよびV*+ΔVの値に変化させる。本実
施形態では、速度変化のインターバルを2秒に設定し
た。すなわち、成長速度VがV*−ΔVの場合には、 VE=−3.9×10-5cm/s kE0=−4.0 となり、VE<0、kE0<0となることから、育成され
た結晶中にMnが入らないこととなる。
Based on the critical velocity V * thus obtained, the rate of change ΔV is set to ΔV = ± 5.0 × 10 −5 cm / s, and the growth rate V is set at regular intervals. The values are periodically changed to V * -ΔV and V * + ΔV. In this embodiment, the speed change interval is set to 2 seconds. That is, when the growth rate V is V * -ΔV, V E = −3.9 × 10 −5 cm / s k E0 = −4.0, and V E <0 and k E0 <0. Therefore, Mn does not enter the grown crystal.

【0031】一方、成長速度VがV*+ΔVの場合に
は、 VE=3.9×10-5cm/s kE0=5.3 kE=4.6 となり、VE>0、kE0>0、kE>0となるとともに、
育成された結晶中に以下の不純物濃度CSのMnが入る
こととなる。 CS=C0E =13.8wt%
On the other hand, when the growth rate V is V * + ΔV, V E = 3.9 × 10 −5 cm / s k E0 = 5.3 k E = 4.6 and V E > 0, k E0> 0, and with becomes k E> 0,
Mn having the following impurity concentration C S will enter the grown crystal. C S = C 0 k E = 13.8 wt%

【0032】上記成長の結果、Mnの含有量がほぼ0w
t%の層と13.8wt%の層が7ミクロン周期で連続
して形成されることにより、不純物濃度CSの濃度差が
非常に大きく互いに誘電分極反転した互層が酸化物単結
晶3の長さ方向に作製される。 なお、速度変化のイン
ターバルを0.1秒に設定した場合には、0.3ミクロ
ンの分極反転の周期構造を作製することができた。この
ように育成された酸化物単結晶3を所定長さに切断・加
工することにより、前記互層からなるQPM構造を備え
た非線形光学素子を得ることができる。
As a result of the above growth, the Mn content is almost 0 w.
Since the t% layer and the 13.8 wt% layer are continuously formed in a 7-micron cycle, the mutual difference in the impurity concentration C S is very large, and the alternating layers in which the dielectric polarization inversions occur are longer than the oxide single crystal 3. It is produced in the direction. When the velocity change interval was set to 0.1 seconds, a domain-inverted periodic structure of 0.3 micron could be produced. By cutting and processing the thus-grown oxide single crystal 3 into a predetermined length, it is possible to obtain a nonlinear optical element having a QPM structure composed of the alternating layers.

【0033】この周期構造は、従来の方法で得られる濃
度差の5倍以上の濃度差を持つことが可能であり、その
周期は、速度変化のインターバルを調整することで、サ
ブミクロンからナノスケールまでの寸法精度をカバーす
ることができる。また、酸化物単結晶3がニオブ酸リチ
ウム単結晶であるとともに、ファイバー状に形成される
ため、高い変換効率のSHG効果が得られるとともに、
急峻かつ高精度な分極反転構造を光導波路内に容易に作
り込むことができる。
This periodic structure can have a concentration difference of 5 times or more than the concentration difference obtained by the conventional method, and the period is adjusted from the submicron to the nanoscale by adjusting the interval of velocity change. It is possible to cover up to dimensional accuracy. Further, since the oxide single crystal 3 is a lithium niobate single crystal and is formed into a fiber shape, the SHG effect of high conversion efficiency is obtained, and
A steep and highly accurate domain-inverted structure can be easily formed in the optical waveguide.

【0034】なお、本発明は、次のような実施形態をも
含むものである。 (1)酸化物単結晶としてLiNbO3単結晶を育成
し、その不純物としてMnをドーピングしたが、他の酸
化物単結晶および不純物でも構わない。例えば、酸化物
単結晶としてLiTaO3(タンタル酸リチウム)、B
2NaNb515(ニオブ酸バリウムナトリウム)、
(Sr,Ba)Nb24(ニオブ酸ストロンチウムバリ
ウム)等の単結晶を採用し、不純物としてCr(クロ
ム)、Mg(マグネシウム)、Zn(亜鉛)およびNi
(ニッケル)等を用いても良い。
The present invention also includes the following embodiments. (1) Although a LiNbO 3 single crystal was grown as an oxide single crystal and Mn was doped as an impurity thereof, other oxide single crystals and impurities may be used. For example, as an oxide single crystal, LiTaO 3 (lithium tantalate), B
a 2 NaNb 5 O 15 (barium sodium niobate),
A single crystal such as (Sr, Ba) Nb 2 O 4 (strontium barium niobate) is adopted, and Cr (chromium), Mg (magnesium), Zn (zinc) and Ni are used as impurities.
(Nickel) or the like may be used.

【0035】(2)結晶成長方法としてμ−PD法を用
いたが、LHPG等の他の結晶成長方法を採用しても構
わない。 (3)本実施形態では、SHG素子として用いられる疑
似位相整合構造を備えた非線形光学素子を製造したが、
サブミクロンからナノスケールまでの寸法精度をもって
不純物濃度を制御可能であることから、急峻かつ高精度
な濃度分布を有する結晶を利用するものであれば他のも
のに用いてもよい。例えば、量子井戸構造半導体レーザ
に用いる半導体結晶を成長する技術に採用しても構わな
い。
(2) Although the μ-PD method is used as the crystal growth method, other crystal growth methods such as LHPG may be adopted. (3) In this embodiment, the nonlinear optical element having the quasi phase matching structure used as the SHG element is manufactured.
Since the impurity concentration can be controlled with dimensional accuracy from submicron to nanoscale, it may be used for other materials as long as it uses a crystal having a sharp and highly accurate concentration distribution. For example, it may be applied to a technique for growing a semiconductor crystal used for a quantum well structure semiconductor laser.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果を奏する。 (1)請求項1記載の酸化物単結晶の成長方法によれ
ば、予め融液内温度勾配G Lおよび不純物拡散層厚δC
設定するとともに上記関係式によって算出した臨界速度
*を基準にして成長速度Vをその前後に変化させるの
で、不純物濃度がほぼゼロの単結晶から不純物濃度が非
常に大きい単結晶を連続して成長でき、急峻かつ高精度
な不純物濃度分布を有する酸化物単結晶を容易に成長す
ることができる。
The present invention has the following effects. (1) According to the method for growing an oxide single crystal according to claim 1.
For example, the temperature gradient G in the melt in advance LAnd impurity diffusion layer thickness δCTo
Critical velocity calculated by the above relational equation while setting
V*Change the growth rate V before and after
, The impurity concentration is almost zero from the single crystal with almost zero impurity concentration.
Large single crystal can be grown continuously, sharp and high precision
Easy growth of oxide single crystals with various impurity concentration distributions
You can

【0037】(2)請求項2記載の非線形光学素子の製
造方法によれば、成長速度Vを、臨界速度V*を基準に
してその前後に周期的に変化させて、不純物濃度の差が
大きな互層を形成するので、不純物濃度がほぼゼロの領
域と不純物濃度が非常に大きい領域とからなる周期構造
を結晶の成長方向に作製することができ、しかも該周期
構造に対応した分極反転構造を容易に得ることができ
る。したがって、速度変化のインターバルを調整するこ
とによって、サブミクロンからナノスケールまでの寸法
精度をもって、従来方法では得られなかった大きな濃度
差の周期構造を形成することができ、波長変換効率が高
いとともに導波損失の少ない優れた非線形光学素子を得
ることができる。
(2) According to the method of manufacturing a non-linear optical element described in claim 2, the growth rate V is periodically changed before and after the critical rate V * as a reference, and the difference in impurity concentration is large. Since alternating layers are formed, a periodic structure composed of a region having almost zero impurity concentration and a region having extremely high impurity concentration can be formed in the crystal growth direction, and a domain-inverted structure corresponding to the periodic structure can be easily formed. Can be obtained. Therefore, by adjusting the interval of velocity change, it is possible to form a periodic structure with a large concentration difference, which was not obtained by the conventional method, with dimensional accuracy from submicron to nanoscale. An excellent nonlinear optical element with less wave loss can be obtained.

【0038】(3)請求項3記載の非線形光学素子の製
造方法によれば、酸化物単結晶がニオブ酸リチウム単結
晶であるとともに、ファイバー状に形成されるため、高
い変換効率のSHG効果が得られるとともに、急峻かつ
高精度な分極反転構造を光導波路内に容易に作り込むこ
とができる。
(3) According to the method for manufacturing a non-linear optical element of claim 3, since the oxide single crystal is a lithium niobate single crystal and is formed into a fiber shape, the SHG effect of high conversion efficiency is obtained. In addition to being obtained, a sharp and highly accurate domain-inverted structure can be easily formed in the optical waveguide.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明に係る一実施形態の結晶成長装置を示
す概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a crystal growth apparatus of one embodiment according to the present invention.

【図2】 成長速度Vを変数とした場合の、異なる温度
勾配GLにおける平衡分配係数kE0を示すグラフ図であ
る。
FIG. 2 is a graph showing an equilibrium distribution coefficient k E0 at different temperature gradients G L when the growth rate V is used as a variable.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 結晶成長装置 3 酸化物融液 5 酸化物単結晶 1 Crystal growth equipment 3 Oxide melt 5 oxide single crystal

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−270992(JP,A) 特開 平9−67189(JP,A) 特開 平10−279379(JP,A) 宇田 聡,固液界面に発生する電界の 溶質分配および一致溶融組成に与える影 響について,日本結晶成長学会誌,1994 年 6月25日,Vol.21,No.2, pp.159−165 William A.TILLER et al.,Intrinsic L iNbO3 melt species partitioning at t he congruent melt composition II.Dyn amic・・・case,Journa l of Crystal Growt h,1993年 3月 2日,Vol.129, Nos.1/2,pp.341−361 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 G02F 1/35 JSTPlus(JOIS)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-5-270992 (JP, A) JP-A-9-67189 (JP, A) JP-A-10-279379 (JP, A) Satoshi Uda, solid-liquid The effect of the electric field generated at the interface on solute distribution and congruent melting composition, Journal of the Japan Society for Crystal Growth, June 25, 1994, Vol. 21, No. 2, pp. 159-165 William A. TILLER et al. , Intrinsic L iNbO3 melt types partitioning at the congruent melt composition II. Dynamic ... case, Journal of Crystal Growth, March 2, 1993, Vol. 129, Nos. 1/2, pp. 341-361 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) C30B 1/00-35/00 G02F 1/35 JSTPlus (JOIS)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 所定の不純物が添加された酸化物融液か
ら酸化物単結晶を成長する酸化物単結晶の成長方法にお
いて、 前記酸化物融液と前記酸化物単結晶との結晶成長界面に
おける融液内温度勾配GLおよび不純物拡散層厚δCを所
定値に設定するとともに、 前記不純物の酸化物融液中の拡散係数をDL、 前記不純物の不純物電荷荷数をZL、 素電荷をe、 融液内熱起電力係数をαL、 結晶化起電力による起電力係数をαi、 ボルツマン定数をkB、 および融液温度をTとしたときの臨界速度V*を、以下
の関係式; V*=(2DLδCLeαLL)/(DLLeαi−2δC
BT) により算出し、 前記酸化物単結晶の成長速度Vを、前記臨界速度V*
基準にしてその前後に変化させることにより、前記酸化
物単結晶の不純物濃度を制御することを特徴とする酸化
物単結晶の成長方法。
1. A method for growing an oxide single crystal, which comprises growing an oxide single crystal from an oxide melt to which a predetermined impurity has been added, the method comprising the steps of forming a crystal growth interface between the oxide melt and the oxide single crystal. The temperature gradient G L in the melt and the impurity diffusion layer thickness δ C are set to predetermined values, the diffusion coefficient of the impurities in the oxide melt is D L , the impurity charge load of the impurities is Z L , and the elemental charge is the e, the melt UchinetsuOkoshi power factor alpha L, the electromotive force coefficient by crystallization electromotive force alpha i, the Boltzmann constant k B, and the critical speed V * when the melt temperature is T, the following relation; V * = (2D L δ C Z L eα L G L) / (D L Z L eα i -2δ C
k B T), and the impurity concentration of the oxide single crystal is controlled by changing the growth rate V of the oxide single crystal before and after it based on the critical rate V *. Method for growing oxide single crystal.
【請求項2】 互いに誘電分極反転した酸化物単結晶の
互層からなる疑似位相整合構造を備えた非線形光学素子
の製造方法において、 請求項1記載の酸化物単結晶の成長方法に基づいて、前
記成長速度Vを、前記臨界速度V*を基準にしてその前
後に周期的に変化させて、前記不純物濃度の差が大きな
前記互層を形成することを特徴とする非線形光学素子の
製造方法。
2. A method for manufacturing a non-linear optical element having a quasi phase matching structure composed of alternating layers of oxide single crystals in which dielectric polarizations are inverted from each other, wherein the method for growing an oxide single crystal according to claim 1 comprises: A method for manufacturing a non-linear optical element, characterized in that the growth rate V is periodically changed before and after the critical rate V * as a reference to form the alternating layers having a large difference in impurity concentration.
【請求項3】 請求項2記載の非線形光学素子の製造方
法において、 前記酸化物融液は、ニオブ酸リチウムの融液であり、 前記酸化物単結晶は、ファイバー状に形成されるニオブ
酸リチウムの単結晶であることを特徴とする非線形光学
素子の製造方法。
3. The method for manufacturing a nonlinear optical element according to claim 2, wherein the oxide melt is a melt of lithium niobate, and the oxide single crystal is formed in a fiber shape. A method for manufacturing a non-linear optical element, which is a single crystal of the above.
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宇田 聡,固液界面に発生する電界の溶質分配および一致溶融組成に与える影響について,日本結晶成長学会誌,1994年 6月25日,Vol.21,No.2,pp.159−165

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