JP3487727B2 - Method of forming domain inversion structure of ferroelectric and optical wavelength conversion element - Google Patents

Method of forming domain inversion structure of ferroelectric and optical wavelength conversion element

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JP3487727B2 JP32979396A JP32979396A JP3487727B2 JP 3487727 B2 JP3487727 B2 JP 3487727B2 JP 32979396 A JP32979396 A JP 32979396A JP 32979396 A JP32979396 A JP 32979396A JP 3487727 B2 JP3487727 B2 JP 3487727B2
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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、基本波を第2高調
波等に変換する光波長変換素子、特に詳細には周期ドメ
イン反転構造を有する光波長変換素子に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical wavelength conversion element for converting a fundamental wave into a second harmonic wave or the like, and more particularly to an optical wavelength conversion element having a periodic domain inversion structure.

【0002】また本発明は、このような光波長変換素子
を作成するために、非線形光学効果を有する強誘電体に
所定パターンのドメイン反転構造を形成する方法に関す
るものである。
The present invention also relates to a method of forming a domain-inverted structure having a predetermined pattern in a ferroelectric substance having a nonlinear optical effect in order to manufacture such a light wavelength conversion element.

【0003】[0003]

【従来の技術】非線形光学効果を有する強誘電体の自発
分極(ドメイン)を周期的に反転させた領域を設けた光
波長変換素子を用いて、基本波を第2高調波に波長変換
する方法が既にBleombergenらによって提案されている
(Phys.Rev.,vol.127,No.6,1918(1962)参照)。
この方法においては、ドメイン反転部の周期Λを、 Λc=2π/{β(2ω)−2β(ω)} ……(1) ただしβ(2ω)は第2高調波の伝搬定数 β(ω)は基本波の伝搬定数 で与えられるコヒーレント長Λcの整数倍になるように
設定することで、基本波と第2高調波との位相整合を取
ることができる。非線形光学材料のバルク結晶を用いて
波長変換する場合は、位相整合する波長が結晶固有の特
定波長に限られるが、上記の方法によれば、任意の波長
に対して(1) を満足する周期Λを選択することにより、
効率良く位相整合を取ることが可能となる。
2. Description of the Related Art A method of converting a fundamental wave into a second harmonic using an optical wavelength conversion element provided with a region in which spontaneous polarization (domain) of a ferroelectric substance having a nonlinear optical effect is periodically inverted. Have already been proposed by Bleombergen et al. (See Phys. Rev., vol. 127, No. 6, 1918 (1962)).
In this method, the period Λ of the domain inversion part is represented by Λc = 2π / {β (2ω) -2β (ω)} (1) where β (2ω) is the propagation constant β (ω) of the second harmonic. Is set to be an integral multiple of the coherent length Λc given by the propagation constant of the fundamental wave, so that the fundamental wave and the second harmonic can be phase-matched. When wavelength conversion is performed using a bulk crystal of a nonlinear optical material, the phase-matching wavelength is limited to a specific wavelength peculiar to the crystal, but according to the above method, a period that satisfies (1) for any wavelength By choosing Λ,
It is possible to achieve phase matching efficiently.

【0004】上述のような周期ドメイン反転構造を形成
する方法の1つとして、特開平7−72521号に示さ
れるように、単分極化された非線形光学効果を有する強
誘電体の一表面に所定パターンの周期電極を形成した
後、これらの電極と、上記一表面と反対の表面側に配し
たコロナワイヤーとにより強誘電体をコロナ帯電させて
そこに電場を印加し、該強誘電体の上記電極に対向する
部分を局部的なドメイン反転部とする方法が知られてい
る。
As one of methods for forming the above-mentioned periodic domain inversion structure, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 7-72521, a predetermined polarization is formed on one surface of a ferroelectric substance having a nonlinear optical effect which is monopolarized. After forming the periodic electrodes of the pattern, the ferroelectric body is corona-charged by these electrodes and the corona wire arranged on the surface side opposite to the one surface, and an electric field is applied thereto, and the above-mentioned A method is known in which a portion facing the electrode is a local domain inversion portion.

【0005】またこのコロナ帯電を利用する他、例えば
特開平4−335620号に示されるように、所定パタ
ーンの周期電極を形成した表面の反対側の強誘電体表面
に全面電極を形成し、この全面電極と周期電極とにより
強誘電体に直接的に電場を印加して、局部的なドメイン
反転部を形成する方法も知られている。
In addition to utilizing this corona charging, as shown in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-335620, a full-scale electrode is formed on the surface of the ferroelectric material opposite to the surface on which the periodic electrode having a predetermined pattern is formed. A method is also known in which an electric field is directly applied to a ferroelectric substance by a full-face electrode and a periodic electrode to form a local domain inversion part.

【0006】さらに電子情報通信学会技術報告LQE95-94
(1995-11) pp.7〜12に示されるように、上述の周期電極
を介して強誘電体に電場を印加する際に、強誘電体の電
極間部分をプロトン交換しておいてから電場を印加する
ようにした方法も提案されている。
Furthermore, IEICE Technical Report LQE95-94
(1995-11) pp.7-12, when an electric field is applied to the ferroelectric substance via the above-mentioned periodic electrode, the inter-electrode portion of the ferroelectric substance is exchanged with a proton before the electric field is applied. A method of applying a voltage has also been proposed.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】以上説明した周期電極
を利用する強誘電体のドメイン反転構造形成方法は、強
誘電体に電子線ビームを照射する方法等に比べれば生産
性に優れているが、その半面、強誘電体の周期電極の直
下部分のみならず、周期電極の間の部分でもドメイン反
転が起こりやすくなっている。そうであると、形成され
た周期ドメイン反転構造は周期性が良くないものとなっ
てしまい、そのような周期ドメイン反転構造を有する光
波長変換素子は波長変換効率が低いものとなってしま
う。
The method of forming a domain inversion structure of a ferroelectric substance using the periodic electrode described above is superior in productivity as compared with the method of irradiating the ferroelectric substance with an electron beam. On the other hand, domain inversion is likely to occur not only in the portion directly below the ferroelectric periodic electrode but also in the portion between the periodic electrodes. If so, the formed periodic domain inversion structure has poor periodicity, and the optical wavelength conversion element having such a periodic domain inversion structure has low wavelength conversion efficiency.

【0008】このように、所定パターンの電極の間の部
分でもドメイン反転が起きてしまうのは、電極部からの
染み出し電界によるものと考えられる。電極線幅を細く
すれば、この染み出し電界の広がりを抑えることができ
るが、電極線幅を細くすることには技術上の限界があ
り、特に周期ドメイン反転構造の周期が小さい場合は電
極線幅を極めて細くしなければならず、対応困難であ
る。
As described above, it is considered that the domain inversion occurs even in the portion between the electrodes of the predetermined pattern due to the electric field leaking from the electrode portion. If the electrode line width is made narrower, the spread of this seeping-out electric field can be suppressed, but there is a technical limit to making the electrode line width narrower, especially if the period of the periodic domain inversion structure is small. The width must be extremely narrow, which is difficult to handle.

【0009】前述の電子情報通信学会技術報告LQE95-94
(1995-11) pp.7〜12に示された方法は、周期電極間の部
分のドメイン反転を抑えるために、強誘電体の電極間部
分をプロトン交換するようにしたものである。しかしこ
こでは、非線形光学効果を有する強誘電体としてLiT
aO3 を用いた例が報告されているだけであり、例えば
MgOがドープされたLiNbO3 を用いた場合は、周
期電極間の部分のドメイン反転を抑える効果は極めて低
いことが判明している。
IEICE Technical Report LQE95-94
The method shown in (1995-11) pp.7 to 12 is a method in which the interelectrode portion of the ferroelectric is proton-exchanged in order to suppress domain inversion in the portion between the periodic electrodes. However, here, LiT is used as a ferroelectric substance having a nonlinear optical effect.
Only an example using aO 3 has been reported, and it has been found that, when LiNbO 3 doped with MgO is used, for example, the effect of suppressing domain inversion in the portion between the periodic electrodes is extremely low.

【0010】つまり、MgOドープのLiNbO3 にあ
ってはプロトン交換によりその表面抵抗が大きく低下
し、そのために表面チャージが動きやすくなって、周期
電極の間の部分でもドメイン反転が起こりやすくなるの
である。
That is, in MgO-doped LiNbO 3 , the surface resistance of the MgO-doped LiNbO 3 is greatly reduced by the proton exchange, which facilitates the movement of the surface charge and facilitates the domain inversion even between the periodic electrodes. .

【0011】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、所定パターンの電極を用いて強誘電体に電場を
印加し、該強誘電体の上記電極に対向する部分を局部的
なドメイン反転部とする方法において、所定パターンの
電極の間の部分でもドメイン反転が起こることを防止
し、よって周期ドメイン反転構造を形成する場合はその
周期性を向上させることを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an electric field is applied to a ferroelectric substance by using an electrode having a predetermined pattern, and a portion of the ferroelectric substance facing the electrode is localized domain. In the method of forming the inversion portion, it is an object to prevent domain inversion even in a portion between electrodes having a predetermined pattern, and thus to improve the periodicity when forming a periodic domain inversion structure.

【0012】また本発明は、周期性に優れた周期ドメイ
ン反転構造を有する光波長変換素子を提供することを目
的とするものである。
Another object of the present invention is to provide an optical wavelength conversion device having a periodic domain inversion structure with excellent periodicity.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明による強誘電体の
ドメイン反転構造形成方法は、先に述べたように、単分
極化された非線形光学効果を有する強誘電体の+Z面若
しくは−Z面である一表面に所定パターンの電極を形成
した後、この電極を介して上記強誘電体に電場を印加
し、該強誘電体の上記電極に対向する部分を局部的なド
メイン反転部とする強誘電体のドメイン反転構造形成方
法において、強誘電体の一表面に上記所定パターンに対
応した形状のリッジ部を形成し、このリッジ部の表面に
上記電極を形成した後、上記一表面と反対の強誘電体表
面側に配したコロナワイヤーおよび上記電極を用いたコ
ロナ帯電により電場の印加を行なって、上記リッジ部の
高さよりも深くドメイン反転部を形成することを特徴と
するものである。
As described above, the method for forming the domain inversion structure of the ferroelectric substance according to the present invention is the + Z plane or the -Z plane of the ferroelectric substance having the monopolarized nonlinear optical effect. After forming an electrode with a predetermined pattern on one surface, an electric field is applied to the ferroelectric substance through this electrode, and the portion of the ferroelectric substance facing the electrode serves as a local domain inversion portion. In the method of forming a domain inversion structure of a dielectric material, a ridge portion having a shape corresponding to the predetermined pattern is formed on one surface of a ferroelectric material, the electrode is formed on the surface of the ridge portion, and then the surface opposite to the one surface is formed . Ferroelectric table
The corona wire placed on the surface side and the
An electric field is applied by Rona charging to form a domain inversion portion deeper than the height of the ridge portion.

【0014】なお本発明の方法において上述のリッジ部
は、強誘電体の一表面に所定パターンの電極を形成し、
この電極をマスクとして該一表面をエッチングすること
により形成される
In the method of the present invention, the above-mentioned ridge portion forms an electrode of a predetermined pattern on one surface of the ferroelectric substance,
It is formed by etching the one surface using this electrode as a mask.

【0015】また、所定パターンの電極が所定周期Λで
繰り返す周期電極である場合、上記リッジ部の高さは
0.1Λ以上に設定されるのが望ましい。
When the electrode having the predetermined pattern is a periodic electrode which repeats at a predetermined period Λ, the height of the ridge portion is preferably set to 0.1Λ or more.

【0016】一方本発明による光波長変換素子は、非線
形光学効果を有する強誘電体に、上述の方法により周期
ドメイン反転構造が形成されてなり、前記リッジ部とリ
ッジ部との間が空隙とされていることを特徴とするもの
である。
[0016] On the other hand the optical wavelength conversion element according to the present invention, a ferroelectric having a nonlinear optical effect, Ri Na periodically domain inverted structure is formed by the above method, the ridge portion and Li
Is to shall and characterized in that between the Tsu di portion is a void.

【0017】この本発明による光波長変換素子におい
て、非線形光学効果を有する強誘電体としては、LiN
x Ta1-x 3 (0≦x≦1)または、それにMgO
あるいはZnOがドープされたものが好適に用いられ
る。
In the optical wavelength conversion device according to the present invention, a ferroelectric substance having a nonlinear optical effect is LiN.
b x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1) or MgO
Alternatively, a material doped with ZnO is preferably used.

【0018】[0018]

【発明の効果】図4の(A)は、従来の方法によって形
成されるドメイン反転構造を概略的に示すものである。
この場合は強誘電体31の一表面31aに所定パターンの電
極(例えば周期電極)32が形成され、これらの電極32を
用いて前述のコロナ帯電法や直接電場印加法等により、
強誘電体31に電場が印加される。それにより形成される
ドメイン反転部33は、本来は実線表示のように形成され
るべきところ、前述した染み出し電界により、破線表示
のように広がって形成されてしまう。
FIG. 4A schematically shows the domain inversion structure formed by the conventional method.
In this case, an electrode (for example, a periodic electrode) 32 having a predetermined pattern is formed on one surface 31a of the ferroelectric substance 31, and by using these electrodes 32, the corona charging method or the direct electric field applying method described above is used.
An electric field is applied to the ferroelectric substance 31. The domain inversion portion 33 formed thereby should be originally formed as shown by a solid line, but is formed so as to be spread out as shown by a broken line by the above-mentioned seepage electric field.

【0019】それに対して本発明の方法においては、同
図の(B)に示すように、強誘電体31の一表面31aに所
定パターンの電極32に対応した形状のリッジ部31bが形
成され、電極32はこのリッジ部31bの表面に形成され
る。このようにすると、図中Cで示す強誘電体31の電極
間部分においては染み出し電界の強度が低くなり、その
ため、ドメイン反転部33は図示のようにほぼ電極32の直
下部分のみに形成されるようになる。
On the other hand, in the method of the present invention, a ridge portion 31b having a shape corresponding to the electrode 32 of a predetermined pattern is formed on one surface 31a of the ferroelectric substance 31, as shown in FIG. The electrode 32 is formed on the surface of the ridge portion 31b. By doing so, the strength of the seeping electric field becomes low in the portion between the electrodes of the ferroelectric substance 31 shown by C in the figure, so that the domain inversion portion 33 is formed almost only in the portion directly below the electrode 32 as shown in the figure. Become so.

【0020】なお本発明においては、上記電極32を形成
した後、この電極32をマスクとして強誘電体表面31aを
エッチングすることによりリッジ部31bを形成する。そ
うすれば、電極32をリッジ部形成のために有効利用で
き、それによりドメイン反転構造形成のプロセス簡略
することができる
[0020] In the present invention, after forming the electrodes 32, that form a ridge portion 31b by etching the ferroelectric surface 31a of the electrode 32 as a mask. So
By doing so, the electrode 32 can be effectively used for forming the ridge portion, and thereby the process of forming the domain inversion structure can be simplified.

【0021】本発明の光波長変換素子は、非線形光学効
果を有する強誘電体に、上述のような方法で周期ドメイ
ン反転構造が形成されたものであるから、その周期ドメ
イン反転構造は周期性の良いものとなり、それにより、
高い波長変換効率を実現可能となる。
In the optical wavelength conversion element of the present invention, the periodic domain inversion structure is formed in the ferroelectric substance having the nonlinear optical effect by the above-described method. It ’s good, and
High wavelength conversion efficiency can be realized.

【0022】また上記方法は、リッジ部を形成するとい
う、いわば物理的な手法によって染み出し電界の影響を
除くようにしたものであるから、前述のプロトン交換を
適用する場合のように強誘電体の表面抵抗が低下するこ
とがない。したがって、本発明の光波長変換素子におい
ては、強誘電体としてLiNbx Ta1-x 3 (0≦x
≦1)や、それにMgOあるいはZnOがドープされた
もの等の中のいずれを用いても(特にMgOがドープさ
れたLiNbO3 を用いても)、表面抵抗低下に起因す
る周期ドメイン反転構造の周期性低下を招くことがな
い。
Further, in the above method, the ridge portion is formed so as to remove the influence of the seeping electric field by a so-called physical method. Therefore, as in the case of applying the above-mentioned proton exchange, the ferroelectric substance is used. Surface resistance does not decrease. Therefore, in the optical wavelength conversion element of the present invention, LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x
≦ 1), or any of those doped with MgO or ZnO (especially with LiNbO 3 doped with MgO), the period of the periodic domain inversion structure caused by the surface resistance decrease It does not cause deterioration of sex.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態
により強誘電体のドメイン反転構造を形成する工程を示
している。この図1中、1は非線形光学効果を有する強
誘電体である、MgOがドープされたLiNbO3 (M
gO−LN)の基板である。このMgO−LN基板1は
単分極化処理がなされて厚さ0.5 mmに形成され、最も
大きい非線形光学定数d33が有効に利用できるようにZ
面で光学研磨されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a process of forming a domain inversion structure of a ferroelectric substance according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a ferroelectric having a nonlinear optical effect, MgO-doped LiNbO 3 (M
gO-LN) substrate. This MgO-LN substrate 1 is monopolarized to have a thickness of 0.5 mm, and is made to have the largest nonlinear optical constant d 33 so that it can be effectively used.
The surface is optically polished.

【0024】このMgO−LN基板1の−Z面1a上に
Crをスパッタして例えば厚さ50nmのCr薄膜を形成
した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングによ
り、同図(1)に示されるようなCr薄膜からなる周期
電極2を形成する。この周期電極2は、例えば基板1の
X軸方向に一定の周期Λで繰り返すものである。なお図
には表れていないが、周期電極2は全て共通の基部から
延ばされたもので、互いに電気的に導通する状態となっ
ている。
Cr is sputtered on the -Z surface 1a of the MgO-LN substrate 1 to form a Cr thin film having a thickness of 50 nm, for example, and then photolithography and dry etching are performed, as shown in FIG. The periodic electrode 2 made of a Cr thin film is formed. The periodic electrode 2 repeats, for example, in the X-axis direction of the substrate 1 at a constant period Λ. Although not shown in the figure, the periodic electrodes 2 are all extended from a common base, and are in electrical connection with each other.

【0025】次にこのMgO−LN基板1を、HF(フ
ッ酸)とHNO3 (硝酸)とが1:2の比率で混合され
てなるエッチング液中に浸漬する。すると、耐フッ硝酸
性があるCrからなる周期電極2はエッチングされない
ので、この周期電極2がマスクとして作用して、図1の
(2)に示すようにMgO−LN基板1の電極間部分が
エッチングされる。
Next, the MgO-LN substrate 1 is dipped in an etching solution in which HF (hydrofluoric acid) and HNO 3 (nitric acid) are mixed in a ratio of 1: 2. Then, since the periodic electrode 2 made of Cr having the resistance to hydrofluoric acid is not etched, the periodic electrode 2 acts as a mask, and the inter-electrode portion of the MgO-LN substrate 1 is removed as shown in (2) of FIG. Is etched.

【0026】こうしてMgO−LN基板1の表面部分に
は、周期電極2の形状に対応した形状のリッジ部1bが
形成され、周期電極2は各リッジ部1bの表面上に載っ
ている状態となる。
Thus, the ridge portion 1b having a shape corresponding to the shape of the periodic electrode 2 is formed on the surface portion of the MgO-LN substrate 1, and the periodic electrode 2 is placed on the surface of each ridge portion 1b. .

【0027】次に図1の(3)に示すように、周期電極
2をアース線3に接続してアースに落とし、基板1の+
Z面1cの上方に配したコロナワイヤー4およびそれに
接続された高圧電源5を用いて、基板1にコロナ帯電に
より電場を印加する。この際、基板1の温度は室温から
300 ℃の間の範囲に設定し、コロナワイヤー4と基板1
との距離は10mmに設定し、高圧電源5からこのコロナ
ワイヤー4を介して例えば7kVの電圧を2秒間印加す
る。
Next, as shown in (3) of FIG. 1, the periodic electrode 2 is connected to the ground wire 3 and dropped to the ground, and the +
An electric field is applied to the substrate 1 by corona charging using a corona wire 4 arranged above the Z plane 1c and a high-voltage power supply 5 connected thereto. At this time, the temperature of the substrate 1 is from room temperature
Set in the range between 300 ℃, corona wire 4 and substrate 1
The distance between and is set to 10 mm, and a voltage of, for example, 7 kV is applied from the high voltage power source 5 through the corona wire 4 for 2 seconds.

【0028】この電圧印加により、基板1の−Z面1a
の周期電極2が形成されていた箇所から+Z面1cまで
貫通するドメイン反転部6が形成される。これらのドメ
イン反転部6は、周期電極2の周期Λと同じ周期で繰り
返すものとなる。そしてこれらのドメイン反転部6は、
周期電極2の間の部分の方には広がらずに、ほぼ電極2
の直下部分のみに形成されて、周期性に優れたものとな
る。その理由は、先に詳しく説明した通りである。
By applying this voltage, the -Z surface 1a of the substrate 1 is
The domain inversion part 6 is formed so as to penetrate from the place where the periodic electrode 2 was formed to the + Z plane 1c. These domain inversion parts 6 are repeated in the same cycle as the cycle Λ of the periodic electrode 2. And these domain inversion parts 6
It does not spread to the part between the periodic electrodes 2 and is almost
It is formed only in the portion immediately below, and has excellent periodicity. The reason is as described in detail above.

【0029】次に図2を参照して、本発明の強誘電体の
ドメイン反転構造形成方法の第2実施形態について説明
する。なおこの図2において、図1中の要素と同等の要
素には同番号を付し、それらについての重複した説明は
省略する。
Next, with reference to FIG. 2, a second embodiment of the method of forming the domain inversion structure of the ferroelectric substance of the present invention will be described. In FIG. 2, elements that are the same as the elements in FIG. 1 are given the same numbers, and duplicated description thereof is omitted.

【0030】この第2実施形態においては、同図(1)
に示されるように、MgO−LN基板1の+Z面1c上
にCr周期電極2を形成する。その後このMgO−LN
基板1を、例えば150 ℃に保ったピロリン酸中に浸漬す
ると、周期電極2がマスクとして作用して、MgO−L
N基板1の電極間部分がプロトン交換される。なお同図
の(2)に、このプロトン交換がなされた部分を1dと
して示してある。このとき、ピロリン酸を過度に高温に
しておくと、Cr周期電極2が溶けてしまうので、温度
条件を適切に設定する必要がある。
In the second embodiment, (1) in FIG.
As shown in, the Cr periodic electrode 2 is formed on the + Z surface 1c of the MgO-LN substrate 1. Then this MgO-LN
When the substrate 1 is immersed in, for example, pyrophosphoric acid kept at 150 ° C., the periodic electrode 2 acts as a mask, and MgO-L
Proton exchange is performed between the electrodes of the N substrate 1. In addition, in (2) of the figure, the portion where the proton exchange is performed is shown as 1d. At this time, if the pyrophosphoric acid is set to an excessively high temperature, the Cr periodic electrode 2 will be melted, so it is necessary to set the temperature condition appropriately.

【0031】次にMgO−LN基板1を、HF(フッ
酸)とHNO3 (硝酸)とが1:2の比率で混合されて
なるエッチング液中に浸漬する。すると、耐フッ硝酸性
があるCrからなる周期電極2はエッチングされず、ま
たプロトン交換部1dはエッチングレートが高いことか
ら、このプロトン交換部1dのみ、つまり電極間部分の
みが良好にエッチングされる。
Next, the MgO-LN substrate 1 is immersed in an etching solution in which HF (hydrofluoric acid) and HNO 3 (nitric acid) are mixed in a ratio of 1: 2. Then, since the periodic electrode 2 made of Cr having a resistance to hydrofluoric acid is not etched and the proton exchange portion 1d has a high etching rate, only the proton exchange portion 1d, that is, only the interelectrode portion is etched well. .

【0032】そこでこの場合も、MgO−LN基板1の
表面部分には、周期電極2の形状に対応した形状のリッ
ジ部1bが形成され、周期電極2は各リッジ部1bの表
面上に載っている状態となる。次いで、第1実施形態と
同様にして基板1にコロナ帯電により電場を印加すれ
ば、この場合もほぼ電極2の直下部分のみにドメイン反
転部が形成されるようになる。
Therefore, also in this case, the ridge portion 1b having a shape corresponding to the shape of the periodic electrode 2 is formed on the surface portion of the MgO-LN substrate 1, and the periodic electrode 2 is placed on the surface of each ridge portion 1b. It will be in a state of being. Then, an electric field is applied to the substrate 1 by corona charging in the same manner as in the first embodiment, and in this case also, the domain inversion portion is formed almost only in the portion directly below the electrode 2.

【0033】なおリッジ部1bの高さは、周期電極2の
周期Λに対して0.1Λ以上確保するのが望ましい。そ
の理由は、以下の通りである。周期電極直下に誘起され
る電位φ(X,Z)は次の2次元ラプラス方程式を満た
す。
It is desirable that the height of the ridge portion 1b should be 0.1Λ or more with respect to the period Λ of the periodic electrode 2. The reason is as follows. The potential φ (X, Z) induced just below the periodic electrode satisfies the following two-dimensional Laplace equation.

【0034】[0034]

【数1】 [Equation 1]

【0035】このラプラス方程式を近似計算した後、電
界Z方向、すなわち結晶深さ方向の電界強度成分を計算
した。この結果、電界強度は結晶表面つまり電極界面で
最も大きく、結晶内部に行くに従って急激に低下するこ
とが分かった。そして、最適電極形状時に電極エッジ部
直下の結晶内部0.1Λの深さにおいて、電界強度は最
大値の約30%に低下していることが確認された。少なく
ともこの程度まで電界強度が低下すれば、電極間部分で
ドメイン反転が起き難くなるので、リッジ部の高さをこ
の0.1Λ以上の値に設定するのが望ましい。
After the Laplace equation was approximately calculated, the electric field strength component in the electric field Z direction, that is, the crystal depth direction was calculated. As a result, it was found that the electric field strength was the highest on the crystal surface, that is, the electrode interface, and decreased sharply toward the inside of the crystal. It was confirmed that the electric field strength was reduced to about 30% of the maximum value at the depth of 0.1Λ inside the crystal just below the electrode edge portion when the optimum electrode shape was adopted. If the electric field strength decreases to at least this extent, domain inversion does not occur easily between the electrodes, so it is desirable to set the height of the ridge portion to a value not less than 0.1Λ.

【0036】以上説明した2つの実施形態においては、
周期電極2をエッチングあるいはプロトン交換のマスク
として利用してリッジ部1bを形成しているので、この
リッジ部形成までのプロセスが簡略化されて好ましい。
In the two embodiments described above,
Since the ridge portion 1b is formed by using the periodic electrode 2 as a mask for etching or proton exchange, the process up to the formation of the ridge portion is simplified, which is preferable.

【0037】しかし、リッジ部の形成方法はこのような
方法に限定されるものではなく、その他例えば、ドライ
エッチングやイオンビームミリング等によって電極パタ
ーンの間の強誘電体表面を物理的にエッチングする方法
等も適用可能である。
However, the method of forming the ridge portion is not limited to such a method, and other methods such as a method of physically etching the ferroelectric surface between the electrode patterns by dry etching, ion beam milling or the like. Etc. are also applicable.

【0038】[0038]

【0039】次に、本発明による光波長変換素子につい
て説明する。例えば上記第1実施形態のようにして、M
gO−LN基板1のX軸方向に並ぶ周期ドメイン反転部
6を形成し、X面および−X面を研磨し、また無反射コ
ートを施してそれぞれ光通過面20a、20bとすることに
より、図3に示すようなバルク結晶型の光波長変換素子
20が得られる。
Next, the optical wavelength conversion device according to the present invention will be described. For example, as in the first embodiment, M
By forming the periodic domain reversals 6 arranged in the X-axis direction of the gO-LN substrate 1, polishing the X-plane and the -X-plane, and applying antireflection coating to the light-passing planes 20a and 20b, respectively, Bulk crystal type optical wavelength conversion device as shown in FIG.
You get 20.

【0040】この周期ドメイン反転構造を有するバルク
結晶型光波長変換素子20を、同図に示す半導体レーザー
励起YAGレーザーの共振器内に配置した。この場合、
基本波波長946 nmに対して位相整合を取るため、Mg
O−LNの屈折率の波長分散を考慮して、電極2の周期
Λは4.7 μmとした。
The bulk crystal type optical wavelength conversion device 20 having the periodic domain inversion structure is arranged in the resonator of the semiconductor laser pumped YAG laser shown in FIG. in this case,
In order to achieve phase matching with the fundamental wavelength of 946 nm, Mg
Considering the wavelength dispersion of the refractive index of O-LN, the period Λ of the electrode 2 is set to 4.7 μm.

【0041】この半導体レーザー励起YAGレーザー
は、波長809 nmのポンピング光としてのレーザービー
ム10を発する半導体レーザー11と、発散光状態のレーザ
ービーム10を収束させる集光レンズ12と、Nd(ネオジ
ウム)がドーピングされたレーザー媒質であって上記レ
ーザービーム10の収束位置に配されたYAG結晶13と、
このYAG結晶13の前方側(図中右方)に配された共振
器ミラー14とからなる。光波長変換素子20は、この共振
器ミラー14とYAG結晶13との間に配置されている。
This semiconductor laser-excited YAG laser includes a semiconductor laser 11 which emits a laser beam 10 as pumping light having a wavelength of 809 nm, a condenser lens 12 which converges the laser beam 10 in a divergent light state, and Nd (neodymium). A YAG crystal 13 which is a doped laser medium and is arranged at the converging position of the laser beam 10;
It is composed of a resonator mirror 14 arranged on the front side (right side in the figure) of this YAG crystal 13. The light wavelength conversion element 20 is arranged between the resonator mirror 14 and the YAG crystal 13.

【0042】YAG結晶13は波長809 nmのレーザービ
ーム10により励起されて、波長946nmの光を発する。
この光は、所定のコートが施されたYAG結晶端面13a
と共振器ミラー14のミラー面14aとの間で共振し、波長
946 nmの固体レーザービーム15が得られる。
The YAG crystal 13 is excited by the laser beam 10 having a wavelength of 809 nm and emits light having a wavelength of 946 nm.
This light is emitted from the YAG crystal end face 13a with a predetermined coating.
Between the mirror surface 14a of the resonator mirror 14 and the
A 946 nm solid-state laser beam 15 is obtained.

【0043】この固体レーザービーム15は光波長変換素
子20に入射して、波長が1/2すなわち473 nmの第2
高調波16に変換される。基本波としての固体レーザービ
ーム15と第2高調波16は、周期ドメイン反転領域におい
て位相整合(いわゆる疑似位相整合)し、ほぼこの第2
高調波16のみが共振器ミラー14から出射する。上述した
通り、ドメイン反転部6は周期性に優れたものとなって
いるので、良好に位相整合が取られ、高い波長変換効率
の下に高強度の第2高調波16が得られるようになる。
This solid-state laser beam 15 is incident on the light wavelength conversion element 20 and has a wavelength of 1/2, that is, a second wavelength of 473 nm.
Converted to harmonics 16. The solid-state laser beam 15 as the fundamental wave and the second harmonic 16 are phase-matched (so-called quasi-phase matching) in the periodic domain inversion region, and almost the second
Only harmonics 16 exit the resonator mirror 14. As described above, since the domain inversion unit 6 has excellent periodicity, good phase matching is achieved, and the second harmonic wave 16 of high intensity can be obtained with high wavelength conversion efficiency. .

【0044】以下、ドメイン反転部6の周期性が従来に
比べて改善されている点について、具体的なデータを挙
げて説明する。本例においては、半導体レーザー11の出
力が200 mWのとき、10mWの第2高調波16が得られる
結晶の得率は、約50%以上と大幅に改善された。また、
最大20mWの出力が得られた。これに対し、本発明の方
法を適用しない場合の最大出力は10mW、上記のような
結晶の得率は10%以下であった。
Hereinafter, the point that the periodicity of the domain inversion unit 6 is improved as compared with the conventional one will be described with reference to specific data. In this example, when the output of the semiconductor laser 11 is 200 mW, the yield of the crystal that can obtain the second harmonic wave 16 of 10 mW is significantly improved to about 50% or more. Also,
A maximum output of 20 mW was obtained. On the other hand, the maximum output when the method of the present invention was not applied was 10 mW, and the yield of the above crystals was 10% or less.

【0045】なお以上は、MgOがドープされたLiN
bO3 にドメイン反転構造を形成する実施形態について
説明したが、本発明はその他の強誘電体、例えばZnO
がドープされたLiNbO3 や、MgOあるいはZnO
がドープされたLiTaO3、さらには、ノンドープの
LiNbO3 やLiTaO3 等にドメイン反転構造を形
成する上でも適用可能であり、そして同様の効果を奏す
るものである。
The above is the LiN doped with MgO.
Although the embodiment in which the domain inversion structure is formed in bO 3 has been described, the present invention is not limited to other ferroelectric materials such as ZnO.
Doped LiNbO 3 , MgO or ZnO
There doped LiTaO 3, further is applicable also for the formation of domain inversion structure in LiNbO 3 or LiTaO 3 or the like of the non-doped, and in which the same effect.

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

【図1】本発明の第1実施形態の方法により周期ドメイ
ン反転構造を形成する様子を示す概略図
FIG. 1 is a schematic view showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of the first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2実施形態の方法により周期ドメイ
ン反転構造を形成する様子を示す概略図
FIG. 2 is a schematic view showing how a periodic domain inversion structure is formed by the method of the second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の方法により作成された周期ドメイン反
転構造を有するバルク結晶型光波長変換素子の使用状態
を示す概略側面図
FIG. 3 is a schematic side view showing a usage state of a bulk crystal type optical wavelength conversion device having a periodic domain inversion structure produced by the method of the present invention.

【図4】本発明方法の作用効果を説明する説明図FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the action and effect of the method of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 MgO−LiNbO3 基板(Z板) 1a MgO−LiNbO3 基板の−Z面 1b MgO−LiNbO3 基板のリッジ部 1c MgO−LiNbO3 基板の+Z面 1d MgO−LiNbO3 基板のプロトン交換部 2 周期電極 3 アース線 4 コロナワイヤー 5 高圧電源 6 ドメイン反転部 10 レーザービーム(ポンピング光) 11 半導体レーザー 12 集光レンズ 13 YAG結晶 14 共振器ミラー 15 固体レーザービーム(基本波) 16 第2高調波 20 バルク結晶型光波長変換素子1 MgO-LiNbO 3 substrate (Z plate) 1a MgO-LiNbO 3 -Z face 1b MgO-LiNbO 3 ridge portion 1c MgO-LiNbO 3 + Z face 1d proton exchange unit 2 period of MgO-LiNbO 3 substrate substrate substrate substrate Electrode 3 Ground wire 4 Corona wire 5 High-voltage power supply 6 Domain inversion section 10 Laser beam (pumping light) 11 Semiconductor laser 12 Condensing lens 13 YAG crystal 14 Resonator mirror 15 Solid-state laser beam (fundamental wave) 16 Second harmonic 20 Bulk Crystal type optical wavelength conversion element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−220578(JP,A) 特開 平6−194706(JP,A) 特開 平7−72521(JP,A) 特開 平6−242478(JP,A) 特開 平8−5854(JP,A) 特開 平7−159637(JP,A) 特開 平2−150807(JP,A) 特開 平5−313031(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/35 - 1/39 JICSTファイル(JOIS) WPI(DIALOG) INSPEC(DIALOG)─────────────────────────────────────────────────── ───Continuation of front page (56) Reference JP-A-8-220578 (JP, A) JP-A-6-194706 (JP, A) JP-A-7-72521 (JP, A) JP-A-6- 242478 (JP, A) JP 8-5854 (JP, A) JP 7-159637 (JP, A) JP 2-150807 (JP, A) JP 5-313031 (JP, A) (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G02F 1/35-1/39 JISST file (JOIS) WPI (DIALOG) INSPEC (DIALOG)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 単分極化された非線形光学効果を有する
強誘電体の+Z面若しくは−Z面である一表面に所定パ
ターンの電極を形成した後、 この電極を介して前記強誘電体に電場を印加し、該強誘
電体の前記電極に対向する部分を局部的なドメイン反転
部とする強誘電体のドメイン反転構造形成方法におい
て、 前記強誘電体の一表面に前記所定パターンの電極を形成
した後、 この電極をマスクとして該一表面をエッチングすること
により、前記所定パターンに対応した形状のリッジ部を
形成し、 次いで前記一表面と反対の強誘電体表面側に配したコロ
ナワイヤーおよび前記電極を用いたコロナ帯電により
記電場の印加を行なって、前記リッジ部の高さよりも深
くドメイン反転部を形成することを特徴とする強誘電体
のドメイン反転構造形成方法。
1. An electrode having a predetermined pattern is formed on one surface, which is the + Z plane or the −Z plane of a ferroelectric substance having a non-linear optical effect monopolarized, and an electric field is applied to the ferroelectric substance through the electrode. Is applied to form a domain inversion structure of a ferroelectric substance in which a portion of the ferroelectric substance facing the electrode is a local domain inversion part, and the electrode having the predetermined pattern is formed on one surface of the ferroelectric substance. After that, the one surface is etched by using this electrode as a mask to form a ridge portion having a shape corresponding to the predetermined pattern, and then a roller arranged on the side of the ferroelectric surface opposite to the one surface.
Forming a domain inversion structure of a ferroelectric characterized in that a domain inversion portion is formed deeper than the height of the ridge portion by applying an electric field described above by corona charging using a nawire and the electrode. Method.
【請求項2】 前記所定パターンの電極が所定周期Λで
繰り返す周期電極である場合、前記リッジ部の高さが
0.1Λ以上に設定されていることを特徴とする請求項
1記載の強誘電体のドメイン反転構造形成方法。
2. The ferroelectric according to claim 1, wherein when the electrode having the predetermined pattern is a periodic electrode which repeats at a predetermined period Λ, the height of the ridge portion is set to 0.1Λ or more. Method for forming domain inversion structure of body.
【請求項3】 非線形光学効果を有する強誘電体に、請
求項1または2記載の方法により周期ドメイン反転構造
が形成されてなり、前記リッジ部とリッジ部との間が空
隙とされていることを特徴とする光波長変換素子。
3. A ferroelectric having a non-linear optical effect, wherein a periodic domain inversion structure is formed by the method according to claim 1 or 2, wherein a gap is provided between the ridge portions. An optical wavelength conversion element characterized by.
【請求項4】 前記強誘電体が、LiNbTa
1−x (0≦x≦1)または、それにMgOあ
るいはZnOがドープされたものであることを特徴とす
る請求項3記載の光波長変換素子。
4. The ferroelectric material is LiNb x Ta.
The optical wavelength conversion element according to claim 3, wherein the optical wavelength conversion element is 1-xO 3 (0 ≦ x ≦ 1) or is doped with MgO or ZnO.
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