JP3511204B2 - 光機能素子、該素子用単結晶基板、およびその使用方法 - Google Patents
光機能素子、該素子用単結晶基板、およびその使用方法Info
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- JP3511204B2 JP3511204B2 JP2000281878A JP2000281878A JP3511204B2 JP 3511204 B2 JP3511204 B2 JP 3511204B2 JP 2000281878 A JP2000281878 A JP 2000281878A JP 2000281878 A JP2000281878 A JP 2000281878A JP 3511204 B2 JP3511204 B2 JP 3511204B2
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
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- G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
- G02F1/3775—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure with a periodic structure, e.g. domain inversion, for quasi-phase-matching [QPM]
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を利用し
た光情報処理、光加工技術、光通信技術、光計測制御等
々の分野で利用する、LiTaO3単結晶基板の分極反転構造
を利用して光を制御する光機能素子、該光機能素子用単
結晶基板、該光機能素子用単結晶基板の使用方法に関す
る。
た光情報処理、光加工技術、光通信技術、光計測制御等
々の分野で利用する、LiTaO3単結晶基板の分極反転構造
を利用して光を制御する光機能素子、該光機能素子用単
結晶基板、該光機能素子用単結晶基板の使用方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】代表的な強誘電体単結晶として知られて
いる、タンタル酸リチウム（LiTaO3）単結晶（以下適宜
「LT」と略記する）は、主に表面弾性波素子の基板とし
て使用されている。この結晶は、大口径で組成均質性の
高い単結晶が比較的安価で供給可能である。さらに、
紫外から赤外の広い波長域で透明であり、数十kV/mm程
度の高電界を加えることで室温でも強誘電体分極を反転
することが可能なことから、近年、分極反転構造を利用
した非線形光学素子や電気光学素子など各種光機能素子
の基板としても注目されている。
いる、タンタル酸リチウム（LiTaO3）単結晶（以下適宜
「LT」と略記する）は、主に表面弾性波素子の基板とし
て使用されている。この結晶は、大口径で組成均質性の
高い単結晶が比較的安価で供給可能である。さらに、
紫外から赤外の広い波長域で透明であり、数十kV/mm程
度の高電界を加えることで室温でも強誘電体分極を反転
することが可能なことから、近年、分極反転構造を利用
した非線形光学素子や電気光学素子など各種光機能素子
の基板としても注目されている。
【０００３】特に、近年では、近赤外波長の半導体レー
ザを非線形光学効果により半波長の青色光に変換する導
波路型の光第二高調波発生（SHG）素子の開発が期待さ
れており、なかでも、光ディスクの高密度記録・再生用
光源として、LTやニオブ酸リチウム（LiNbO3）単結晶
（以下適宜「LN」と略記する）などの無機強誘電体単結
晶の分極を周期的に反転した構造の素子を用いた波長変
換素子は最も良く研究されている。この波長変換素子は
疑似位相整合（Quasi Phase Matching; QPM）方式によ
るもので、基本波と高調波の伝搬定数の差を周期構造で
補償して位相整合をとる方式である。
ザを非線形光学効果により半波長の青色光に変換する導
波路型の光第二高調波発生（SHG）素子の開発が期待さ
れており、なかでも、光ディスクの高密度記録・再生用
光源として、LTやニオブ酸リチウム（LiNbO3）単結晶
（以下適宜「LN」と略記する）などの無機強誘電体単結
晶の分極を周期的に反転した構造の素子を用いた波長変
換素子は最も良く研究されている。この波長変換素子は
疑似位相整合（Quasi Phase Matching; QPM）方式によ
るもので、基本波と高調波の伝搬定数の差を周期構造で
補償して位相整合をとる方式である。
【０００４】この方式では高い変換効率が得られるこ
と、出力光の平行ビーム化・回折限界集光が容易である
こと、適用できる材料や波長に制限がないことなど、多
くの優れた特徴を持っている。QPMのための周期構造と
しては、SHG係数（d33係数）の符号を周期的に反転した
構造が高い効率を得る上で最も有効であり、強誘電体結
晶ではd係数の正負は強誘電体分極の極性に対応するの
で、強誘電分極ドメインを周期的に反転させる形成技術
が重要である。
と、出力光の平行ビーム化・回折限界集光が容易である
こと、適用できる材料や波長に制限がないことなど、多
くの優れた特徴を持っている。QPMのための周期構造と
しては、SHG係数（d33係数）の符号を周期的に反転した
構造が高い効率を得る上で最も有効であり、強誘電体結
晶ではd係数の正負は強誘電体分極の極性に対応するの
で、強誘電分極ドメインを周期的に反転させる形成技術
が重要である。
【０００５】この方式を用いて、公知文献（Y. Kitaoka
et al., Optics Letters, 21, p1972,1996）にあるよ
うにLT単結晶に約21ｋV/mmの電界を加え、周期反転構造
を作成したQPM素子を用い、Nd:YVO4単結晶を基本波とす
る内部共振器による緑色光波長変換素子が報告されてい
る。特に、LT単結晶はLN単結晶と並ぶ大きな非線形光学
定数（d33が26pm/V）を持ち、LN単結晶に比べて光損傷
に強く、また、基礎吸収端が280nmまで伸びており短波
長の波長変換材料として有望である。
et al., Optics Letters, 21, p1972,1996）にあるよ
うにLT単結晶に約21ｋV/mmの電界を加え、周期反転構造
を作成したQPM素子を用い、Nd:YVO4単結晶を基本波とす
る内部共振器による緑色光波長変換素子が報告されてい
る。特に、LT単結晶はLN単結晶と並ぶ大きな非線形光学
定数（d33が26pm/V）を持ち、LN単結晶に比べて光損傷
に強く、また、基礎吸収端が280nmまで伸びており短波
長の波長変換材料として有望である。
【０００６】また、電気光学効果を利用した光学素子に
おいては、例えば、公知文献（M. Yamada et al., App
l.Phys.Lett., 69,p3659,1996）によると、強誘電体結
晶であるLN単結晶に高電界を印加することで、結晶中に
レンズやプリズム状の分極反転構造を形成し、これを通
過したレーザ光を電気光学効果を利用して偏向する光素
子やシリンドリカルレンズ、ビームスキャナー、スイッ
チなどが新しい光素子として注目され、LN単結晶より短
波長まで透明なLT単結晶は、紫外〜可視光を用いる光素
子の優れた基板材料として有望とされている。
おいては、例えば、公知文献（M. Yamada et al., App
l.Phys.Lett., 69,p3659,1996）によると、強誘電体結
晶であるLN単結晶に高電界を印加することで、結晶中に
レンズやプリズム状の分極反転構造を形成し、これを通
過したレーザ光を電気光学効果を利用して偏向する光素
子やシリンドリカルレンズ、ビームスキャナー、スイッ
チなどが新しい光素子として注目され、LN単結晶より短
波長まで透明なLT単結晶は、紫外〜可視光を用いる光素
子の優れた基板材料として有望とされている。
【０００７】これまでに報告された、強誘電体LT単結晶
の分極反転構造を利用した波長変換素子や電気光学素子
は、いずれの場合にも基板結晶としては、市販されてい
る無添加のコングルエント組成のLT単結晶が用いられて
きた。この理由は、これまで入手可能なLT単結晶は、工
業的な面から安価で大口径の育成が可能なチョクラルス
キー法で育成されたコングルエント組成の結晶に限られ
ているためである。LT結晶では、ストイキオメトリ組成
（化学量論組成または以下定比組成とよぶ）とコングル
エント組成（一致溶融組成）は一致しないことは温度-
組成比の相関図（相図）から良く知られている。
の分極反転構造を利用した波長変換素子や電気光学素子
は、いずれの場合にも基板結晶としては、市販されてい
る無添加のコングルエント組成のLT単結晶が用いられて
きた。この理由は、これまで入手可能なLT単結晶は、工
業的な面から安価で大口径の育成が可能なチョクラルス
キー法で育成されたコングルエント組成の結晶に限られ
ているためである。LT結晶では、ストイキオメトリ組成
（化学量論組成または以下定比組成とよぶ）とコングル
エント組成（一致溶融組成）は一致しないことは温度-
組成比の相関図（相図）から良く知られている。
【０００８】コングルエント組成のみが融液組成と結晶
組成とが一致し、結晶全体にわたって均一組成の結晶を
育成することが出来る組成であるため、現在、各種用途
に製造、使用されているLT単結晶の組成はLi2O/(Ta2O5
＋Li2O)のモル分率が約0.483（Li/Taのモル比は約0.9
3）のコングルエント組成である。このため、従来のコ
ングルエント組成LT単結晶はTa成分が過剰であるため、
数％に達するTaイオンがLiイオンを置き換えている（ア
ンチサイト欠陥）し、Liイオンサイトにやはり数％の空
位欠陥をもたらしている。この影響は表面弾性波素子応
用としては深刻でないとしても、光学素子応用には無視
することはできない。このため、光機能素子応用への基
板として、不定比の欠陥を減らした定比に近い組成を持
つ結晶の開発が望まれていた。
組成とが一致し、結晶全体にわたって均一組成の結晶を
育成することが出来る組成であるため、現在、各種用途
に製造、使用されているLT単結晶の組成はLi2O/(Ta2O5
＋Li2O)のモル分率が約0.483（Li/Taのモル比は約0.9
3）のコングルエント組成である。このため、従来のコ
ングルエント組成LT単結晶はTa成分が過剰であるため、
数％に達するTaイオンがLiイオンを置き換えている（ア
ンチサイト欠陥）し、Liイオンサイトにやはり数％の空
位欠陥をもたらしている。この影響は表面弾性波素子応
用としては深刻でないとしても、光学素子応用には無視
することはできない。このため、光機能素子応用への基
板として、不定比の欠陥を減らした定比に近い組成を持
つ結晶の開発が望まれていた。
【０００９】相図からわかるように、例えば、LT単結晶
の場合、Li濃度が定比よりも高い組成の融液から定比に
近い組成の結晶が析出できる。しかし、従来から大口径
のLT結晶を工業的に大量生産する手段として使用されて
いるチョクラルスキー法を用いて定比組成結晶を育成し
ようとした場合には、結晶の析出に伴ってLi成分の過剰
分が坩堝内に残されることになり、融液のLiとTaの組成
比が徐々に変化するため、育成開始後すぐに融液組成比
は共晶点に至ってしまう。このため、結晶の固化率はわ
ずか10％程度に制限され、析出した結晶の品質も光機能
素子応用に使用できるものではなかった。
の場合、Li濃度が定比よりも高い組成の融液から定比に
近い組成の結晶が析出できる。しかし、従来から大口径
のLT結晶を工業的に大量生産する手段として使用されて
いるチョクラルスキー法を用いて定比組成結晶を育成し
ようとした場合には、結晶の析出に伴ってLi成分の過剰
分が坩堝内に残されることになり、融液のLiとTaの組成
比が徐々に変化するため、育成開始後すぐに融液組成比
は共晶点に至ってしまう。このため、結晶の固化率はわ
ずか10％程度に制限され、析出した結晶の品質も光機能
素子応用に使用できるものではなかった。
【００１０】本発明者等は、従来の市販されているコン
グルエント組成のLT結晶と異なる新規物質として、コン
グルエント組成の不定比欠陥濃度を大幅に低減したLi2O
/(Ta2O5＋Li2O)のモル分率が0.495〜0.50（Li/Taのモ
ル比は約0.98〜1.00）の定比組成に近いタンタル酸リチ
ウム単結晶の発明をなし、特許出願した（特開平11-353
93号公報）。また、この新規結晶に関して下記のように
文献報告した。この不定比欠陥を低減して高品質結晶を
開発する手段として、本発明者等は、例えば、公知文献
（Y. Furukawa etal. J. Crystal Growth 197,p889,199
9）において、原料を連続的に供給しながら育成する方
法（以後連続供給法と略記する）が提案されている。
グルエント組成のLT結晶と異なる新規物質として、コン
グルエント組成の不定比欠陥濃度を大幅に低減したLi2O
/(Ta2O5＋Li2O)のモル分率が0.495〜0.50（Li/Taのモ
ル比は約0.98〜1.00）の定比組成に近いタンタル酸リチ
ウム単結晶の発明をなし、特許出願した（特開平11-353
93号公報）。また、この新規結晶に関して下記のように
文献報告した。この不定比欠陥を低減して高品質結晶を
開発する手段として、本発明者等は、例えば、公知文献
（Y. Furukawa etal. J. Crystal Growth 197,p889,199
9）において、原料を連続的に供給しながら育成する方
法（以後連続供給法と略記する）が提案されている。
【００１１】具体的には、育成融液のLi2O/（Ta2O5＋Li
2O）のモル分率をLi成分の過剰の58.0〜59.0(Li/Taのモ
ル比は約1.38〜1.44）とし、るつぼを二重構造にして内
側のるつぼから定比組成に近いLT結晶を引き上げ、引き
上げている結晶の重量を随時測定することで成長レート
を求め、そのレートで結晶と同じ定比組成の成分の原料
粉末を外るつぼと内るつぼの間に連続的に供給するとい
う方法である。この方法を用いることで、長尺の結晶育
成が可能となり、原料供給量に対して100％の結晶固化
率を実現されている。この方法で育成された結晶は、キ
ュリー温度が675〜685℃と、従来のコングルエント組成
結晶のキュリー温度の601℃よりはるかに高温度にあ
り、Ta過剰の定比組成に近いタンタル酸リチウム単結晶
が得られたことが報告されている。
2O）のモル分率をLi成分の過剰の58.0〜59.0(Li/Taのモ
ル比は約1.38〜1.44）とし、るつぼを二重構造にして内
側のるつぼから定比組成に近いLT結晶を引き上げ、引き
上げている結晶の重量を随時測定することで成長レート
を求め、そのレートで結晶と同じ定比組成の成分の原料
粉末を外るつぼと内るつぼの間に連続的に供給するとい
う方法である。この方法を用いることで、長尺の結晶育
成が可能となり、原料供給量に対して100％の結晶固化
率を実現されている。この方法で育成された結晶は、キ
ュリー温度が675〜685℃と、従来のコングルエント組成
結晶のキュリー温度の601℃よりはるかに高温度にあ
り、Ta過剰の定比組成に近いタンタル酸リチウム単結晶
が得られたことが報告されている。
【００１２】さらに、最近、本発明者等は、上記のTa過
剰の定比組成に近づいた結晶では、分極反転に要する印
加電圧が従来の10分の1程度で済むことを報告した（K.
Kitamura etal. Appl. Phys. Lett.,73, p3073,1998年
や古川保典他、第43回人工結晶討論会講演要旨集1A12、
第23項、1998年）。すなわち、従来のコングルエント組
成結晶における数％の不定比欠陥（アンチサイト欠陥や
空位欠陥）の存在が、LT結晶が本来有する光学特性や、
周期的な分極構造を作成するのに必要な印加電圧を高く
している可能性があることを報告している。
剰の定比組成に近づいた結晶では、分極反転に要する印
加電圧が従来の10分の1程度で済むことを報告した（K.
Kitamura etal. Appl. Phys. Lett.,73, p3073,1998年
や古川保典他、第43回人工結晶討論会講演要旨集1A12、
第23項、1998年）。すなわち、従来のコングルエント組
成結晶における数％の不定比欠陥（アンチサイト欠陥や
空位欠陥）の存在が、LT結晶が本来有する光学特性や、
周期的な分極構造を作成するのに必要な印加電圧を高く
している可能性があることを報告している。
【００１３】また、コングルエント組成LT単結晶では結
晶毎による耐光損傷閾値が数桁以上もばらつくことが知
られているが、Ta過剰の定比組成に近いタンタル酸リチ
ウム単結晶では従来のコングルエント組成に較べると、
波長532nmの緑色光レーザ照射に対して耐光損傷閾値が
向上し、結晶毎のばらつきも若干小さくなることが報告
されている（古川保典他、第60回応用物理学会学術講演
会講演予稿集2p-ZB-1,第3分冊1001項、1999年）。
晶毎による耐光損傷閾値が数桁以上もばらつくことが知
られているが、Ta過剰の定比組成に近いタンタル酸リチ
ウム単結晶では従来のコングルエント組成に較べると、
波長532nmの緑色光レーザ照射に対して耐光損傷閾値が
向上し、結晶毎のばらつきも若干小さくなることが報告
されている（古川保典他、第60回応用物理学会学術講演
会講演予稿集2p-ZB-1,第3分冊1001項、1999年）。
【００１４】さらに、波長532nmの緑色光レーザ照射に
対して、MgOを添加した定比組成に近いLT単結晶は、従
来のコングルエント組成よりも優れた耐光損傷閾値を示
すことが知られている（宮本晃男他、4回人工結晶討論
会講演要旨集27A、第75項、1999年）。また、いずれの
組成でもTa過剰なLT単結晶の光損傷は照射するレーザの
波長が短くなると発生しやすくなり、波長が400nm近傍
での耐光損傷閾値は波長532nmでの耐光損傷閾値よりも2
桁以上も低下することが知られている。この場合、Mgが
Liサイトも置換するのでMgの添加量が増えるに従いLi/T
aモル比は無添加の結晶に較べて小さくなり、得られた
結晶のLi/Taモル比は0.95〜1.0となっている。
対して、MgOを添加した定比組成に近いLT単結晶は、従
来のコングルエント組成よりも優れた耐光損傷閾値を示
すことが知られている（宮本晃男他、4回人工結晶討論
会講演要旨集27A、第75項、1999年）。また、いずれの
組成でもTa過剰なLT単結晶の光損傷は照射するレーザの
波長が短くなると発生しやすくなり、波長が400nm近傍
での耐光損傷閾値は波長532nmでの耐光損傷閾値よりも2
桁以上も低下することが知られている。この場合、Mgが
Liサイトも置換するのでMgの添加量が増えるに従いLi/T
aモル比は無添加の結晶に較べて小さくなり、得られた
結晶のLi/Taモル比は0.95〜1.0となっている。
【００１５】Ta過剰の定比組成に近いタンタル酸リチウ
ム単結晶定比組成に近いLT単結晶（キュリー温度が680
〜685℃）を用いた疑似位相整合（Quasi-Phase-Matchin
g；QPM）素子としての近赤外域バルクOPO素子の研究
が、例えば、公知文献（畑中孝明他、第60回応用物理学
会学術講演会講演予稿集2a-k-7,第3分冊932頁，1999
年）で報告されている。ｚカットの定比組成に近いLT単
結晶の片面に周期電極を反対面に一様電極を設けてこの
電極を通じて数kV/mm程度のパルス電圧を印加すること
で厚さ1〜2mmの近赤外域バルクOPO素子が比較的容易に
作成できている。しかし、分極反転の均一化が困難であ
るために、素子作成は微少な面積における分極反転構造
の形成に限られ、大面積に亘り分極反転を形成できるま
でには至っていない。
ム単結晶定比組成に近いLT単結晶（キュリー温度が680
〜685℃）を用いた疑似位相整合（Quasi-Phase-Matchin
g；QPM）素子としての近赤外域バルクOPO素子の研究
が、例えば、公知文献（畑中孝明他、第60回応用物理学
会学術講演会講演予稿集2a-k-7,第3分冊932頁，1999
年）で報告されている。ｚカットの定比組成に近いLT単
結晶の片面に周期電極を反対面に一様電極を設けてこの
電極を通じて数kV/mm程度のパルス電圧を印加すること
で厚さ1〜2mmの近赤外域バルクOPO素子が比較的容易に
作成できている。しかし、分極反転の均一化が困難であ
るために、素子作成は微少な面積における分極反転構造
の形成に限られ、大面積に亘り分極反転を形成できるま
でには至っていない。
【００１６】さらに、公知文献（中村孝一朗他、第47回
応用物理学会学術講演会講演予稿集30p-ZD-3,第3分冊11
05頁，2000年）によると、本発明者等が先に発明したTa
過剰の定比組成に近いLT単結晶を基板に用いて結晶基板
厚みが3mmのOPO素子の作成を検討したが、分極反転制御
はより困難になり、これを基板に用いたバルクOPO素子
は得られていない。
応用物理学会学術講演会講演予稿集30p-ZD-3,第3分冊11
05頁，2000年）によると、本発明者等が先に発明したTa
過剰の定比組成に近いLT単結晶を基板に用いて結晶基板
厚みが3mmのOPO素子の作成を検討したが、分極反転制御
はより困難になり、これを基板に用いたバルクOPO素子
は得られていない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】強誘電体単結晶の基板
上に分極反転構造を形成し、分極反転部を通過する光の
非線形光学効果や電気光学効果との相互作用を利用した
光機能素子を実現する上で最も重要な技術は、数個~数
百個にも及ぶ数ミクロンから数十ミクロンサイズの分極
反転構造を精度よくかつ均一に作成することである。
上に分極反転構造を形成し、分極反転部を通過する光の
非線形光学効果や電気光学効果との相互作用を利用した
光機能素子を実現する上で最も重要な技術は、数個~数
百個にも及ぶ数ミクロンから数十ミクロンサイズの分極
反転構造を精度よくかつ均一に作成することである。
【００１８】分極反転形成方法として、電子ビーム照射
法や電圧印加法がよく知られており一般的によく使用さ
れている。これら光機能素子では分極反転部を光を通過
させて使用するために、特に、それぞれの分極反転境界
部に光学的歪みやロスがあると素子全体としては非常に
大きな光学的な不均一性を引き起こしてしまうため、高
効率の素子が実現できなくなる。
法や電圧印加法がよく知られており一般的によく使用さ
れている。これら光機能素子では分極反転部を光を通過
させて使用するために、特に、それぞれの分極反転境界
部に光学的歪みやロスがあると素子全体としては非常に
大きな光学的な不均一性を引き起こしてしまうため、高
効率の素子が実現できなくなる。
【００１９】分極反転部の境界には光学的歪みが発生
し、10-3〜10-4以上の非常に大きな屈折率変化が生じ
る。これが通過レーザ光の散乱をもたらし、これによっ
て素子動作も理想条件からずれるため素子効率が低下す
るという大きな問題があることが、公知例（V. Gopalan
et al., J.Appl. Phys., 第80巻, 6104頁,1996年）に
おいて指摘されている。この大きな屈折率変化により誘
起される光学的歪みを除くためには、分極反転構造を作
成したLT単結晶を、結晶を350℃で約12時間加熱し、光
学的歪みを緩和させなければならないことが報告されて
いる。
し、10-3〜10-4以上の非常に大きな屈折率変化が生じ
る。これが通過レーザ光の散乱をもたらし、これによっ
て素子動作も理想条件からずれるため素子効率が低下す
るという大きな問題があることが、公知例（V. Gopalan
et al., J.Appl. Phys., 第80巻, 6104頁,1996年）に
おいて指摘されている。この大きな屈折率変化により誘
起される光学的歪みを除くためには、分極反転構造を作
成したLT単結晶を、結晶を350℃で約12時間加熱し、光
学的歪みを緩和させなければならないことが報告されて
いる。
【００２０】また、前記公知文献（Y. Kitaoka et al.,
Optics Letters, 21, p1972,1996年）によると、強誘
電体結晶であるLT単結晶に約21kV/mmの電界を加え、周
期反転構造を作成したQPM素子を用い、Nd:YVO4単結晶を
基本波とする内部共振器による緑色光波長変換素子にお
いても、電界印加による分極反転形成後に熱処理が必要
であることを報告している。この場合には、結晶を100
℃以上に加熱することで、結晶内部の伝搬ロスが2.5％
から0.1％にまで低減できることが報告されている。
Optics Letters, 21, p1972,1996年）によると、強誘
電体結晶であるLT単結晶に約21kV/mmの電界を加え、周
期反転構造を作成したQPM素子を用い、Nd:YVO4単結晶を
基本波とする内部共振器による緑色光波長変換素子にお
いても、電界印加による分極反転形成後に熱処理が必要
であることを報告している。この場合には、結晶を100
℃以上に加熱することで、結晶内部の伝搬ロスが2.5％
から0.1％にまで低減できることが報告されている。
【００２１】従来の電圧印加法では、通常、zカットの
コングルエント組成のLT単結晶を用い、結晶の片面に周
期電極を、反対面に一様電極を設けて、試料を室温また
は200℃程度までに加熱し、電極を通じてパルス電圧を
印加することで周期電極直下の部分をz軸方位に向けて
分極反転させている。従来のコングルエント組成のLT単
結晶の場合には、分極反転に必要な印加電圧は21kV/mm
以上と高電圧が必要とされている。
コングルエント組成のLT単結晶を用い、結晶の片面に周
期電極を、反対面に一様電極を設けて、試料を室温また
は200℃程度までに加熱し、電極を通じてパルス電圧を
印加することで周期電極直下の部分をz軸方位に向けて
分極反転させている。従来のコングルエント組成のLT単
結晶の場合には、分極反転に必要な印加電圧は21kV/mm
以上と高電圧が必要とされている。
【００２２】このような、LTおよびLN単結晶における分
極反転技術は、キュリー温度以下の温度で強制的に分極
の方向、すなわち結晶中のTa及びNbやLiイオンの位置を
変えるわけである。LTおよびLN単結晶において分極反転
に必要とされる高電圧が、光学的歪みを引き起こす直接
の原因であるとは必ずしも言えないことが示唆されてい
る。
極反転技術は、キュリー温度以下の温度で強制的に分極
の方向、すなわち結晶中のTa及びNbやLiイオンの位置を
変えるわけである。LTおよびLN単結晶において分極反転
に必要とされる高電圧が、光学的歪みを引き起こす直接
の原因であるとは必ずしも言えないことが示唆されてい
る。
【００２３】すなわち、前記公知文献（A. Harada et a
l., Optics Letters, 22,p805,1997年）において、MgO
を5モル%添加したコングルエント組成のLN単結晶では分
極反転に必要とされる電圧が通常のコングルエント組成
より約1/5程度に小さくなるが、この材料を用いた場合
でも、コロナ放電法を用いてMgOを添加したLN単結晶に
4.75ミクロン周期で分極反転構造を形成したSHGレーザ
を作成する場合には、光学的歪みを除去するために約50
0℃で3時間加熱することが必要とされることが報告され
ている。
l., Optics Letters, 22,p805,1997年）において、MgO
を5モル%添加したコングルエント組成のLN単結晶では分
極反転に必要とされる電圧が通常のコングルエント組成
より約1/5程度に小さくなるが、この材料を用いた場合
でも、コロナ放電法を用いてMgOを添加したLN単結晶に
4.75ミクロン周期で分極反転構造を形成したSHGレーザ
を作成する場合には、光学的歪みを除去するために約50
0℃で3時間加熱することが必要とされることが報告され
ている。
【００２４】このような、従来のコングルエント組成L
Ｔ結晶を基板に用い、基板上に分極反転構造を形成した
素子の分極反転境界を偏光顕微鏡で観察すると、図１の
(a)に様子を示したように、分極反転部の境界は滑らか
ではなく、かつ、大きな光学的歪みがすべての分極反転
境界部において観察された。さらに分極反転部を横切る
ように使用するレーザ光を通過させると数％から十数％
もの非常に大きな伝搬ロスが観察された。このような分
極反転境界における光学的歪みの発生は、大きな伝搬ロ
スの問題だけではなく、この光学的歪みを緩和するため
の光機能素子の製作における余分な熱処理工程を必要と
させることにもなる。
Ｔ結晶を基板に用い、基板上に分極反転構造を形成した
素子の分極反転境界を偏光顕微鏡で観察すると、図１の
(a)に様子を示したように、分極反転部の境界は滑らか
ではなく、かつ、大きな光学的歪みがすべての分極反転
境界部において観察された。さらに分極反転部を横切る
ように使用するレーザ光を通過させると数％から十数％
もの非常に大きな伝搬ロスが観察された。このような分
極反転境界における光学的歪みの発生は、大きな伝搬ロ
スの問題だけではなく、この光学的歪みを緩和するため
の光機能素子の製作における余分な熱処理工程を必要と
させることにもなる。
【００２５】さらに、大きな問題は、歪み除去のための
熱処理中に、単一分極基板の一部に電界印加法などで一
旦形成された数ミクロンサイズの分極反転部で、焦電効
果が発生し結晶が破壊したり、反転分極のサイズや位置
がほんのわずかであるが変化させることである。この変
化は高効率の素子を再現性良く作成する上で大きな問題
となった。
熱処理中に、単一分極基板の一部に電界印加法などで一
旦形成された数ミクロンサイズの分極反転部で、焦電効
果が発生し結晶が破壊したり、反転分極のサイズや位置
がほんのわずかであるが変化させることである。この変
化は高効率の素子を再現性良く作成する上で大きな問題
となった。
【００２６】
【課題を解決するための手段】本発明者は、前記従来の
問題を解決するため、強誘電体単結晶としてLT単結晶の
特性究明を鋭意継続していたところ、定比組成に近い組
成のLT単結晶は、分極反転を形成しても反転境界部での
光学的歪や光の伝搬ロスが非常に小さく、これを基板に
用いることで分極反転構造を持つ光機能素子として優れ
た特性を有することを見いだした。
問題を解決するため、強誘電体単結晶としてLT単結晶の
特性究明を鋭意継続していたところ、定比組成に近い組
成のLT単結晶は、分極反転を形成しても反転境界部での
光学的歪や光の伝搬ロスが非常に小さく、これを基板に
用いることで分極反転構造を持つ光機能素子として優れ
た特性を有することを見いだした。
【００２７】すなわち、本発明は、（１） 強誘電体単
結晶基板の一部に、電子ビーム走査照射法または電圧印
加法を用いてキュリー温度以下の温度で分極反転構造を
形成し、この分極反転部を通過した光を制御する光機能
素子であって、該単結晶はLiTaO3結晶であり、該LiTaO3
結晶は、Li/Taのモル比が0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 L
iTaO 3 結晶を単一分域化するための熱処理が施された後
に、該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを緩和するための、さら
なる熱処理が施されていないか、または、100℃以下の
温度で熱処理が施されており、該Li/Taのモル比は、該
分極反転構造を形成直後の分極反転部を通過させた光の
伝搬ロスが2％以下の所望の値となるように、該 0.95 〜
1.02 の範囲から選択されることを特徴とする光機能素
子、である。
結晶基板の一部に、電子ビーム走査照射法または電圧印
加法を用いてキュリー温度以下の温度で分極反転構造を
形成し、この分極反転部を通過した光を制御する光機能
素子であって、該単結晶はLiTaO3結晶であり、該LiTaO3
結晶は、Li/Taのモル比が0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 L
iTaO 3 結晶を単一分域化するための熱処理が施された後
に、該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを緩和するための、さら
なる熱処理が施されていないか、または、100℃以下の
温度で熱処理が施されており、該Li/Taのモル比は、該
分極反転構造を形成直後の分極反転部を通過させた光の
伝搬ロスが2％以下の所望の値となるように、該 0.95 〜
1.02 の範囲から選択されることを特徴とする光機能素
子、である。
【００２８】さらに、本発明は、（２）強誘電体単結晶
基板の一部に、電子ビーム走査照射法または電圧印加法
を用いてキュリー温度以下の温度で分極反転構造を形成
し、この分極反転部を通過した光を制御する光機能素子
であって、該単結晶はLiTaO3結晶であり、該LiTaO3結晶
は、Li/Taのモル比が0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO
3 結晶を単一分域化するための熱処理が施された後に、
該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを緩和するための、さらなる
熱処理が施されていないか、または、100℃以下の温度
で熱処理が施されており、該Li/Taのモル比は、分極反
転境界部の屈折率変化が1×10-4以下の所望の値となる
となるように、該 0.95 〜 1.02 の範囲から選択されること
を特徴とする光機能素子、である。
基板の一部に、電子ビーム走査照射法または電圧印加法
を用いてキュリー温度以下の温度で分極反転構造を形成
し、この分極反転部を通過した光を制御する光機能素子
であって、該単結晶はLiTaO3結晶であり、該LiTaO3結晶
は、Li/Taのモル比が0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO
3 結晶を単一分域化するための熱処理が施された後に、
該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを緩和するための、さらなる
熱処理が施されていないか、または、100℃以下の温度
で熱処理が施されており、該Li/Taのモル比は、分極反
転境界部の屈折率変化が1×10-4以下の所望の値となる
となるように、該 0.95 〜 1.02 の範囲から選択されること
を特徴とする光機能素子、である。
【００２９】また、本発明は、（３）前記光機能素子に
用いる強誘電体単結晶基板は、原料連続供給二重るつぼ
で育成されることを特徴とする上記（１）または（２）
の光機能素子、である。また、本発明は、（４）前記光
機能素子に用いる強誘電体単結晶基板は、原料連続供給
二重るつぼで育成したMg,Zn,Sc,Inから選ばれる少なく
とも一つの元素を0.1〜4.8モル％ドーピングして含有す
るLi/Taのモル比が0.95〜1.00の範囲のLiTaO3結晶であ
ることを特徴とする上記（３）に記載の光機能素子、で
ある。また、本発明は、（５）両面光学研磨された厚み
0.30mm〜5.0mmの強誘電体単結晶基板の一部に、1.5〜3k
V/mmの電界を印加する電圧印加法を用いてキュリー温度
以下の温度で分極反転構造を形成し、非線形光学効果を
利用して周期的反転分極構造を持つ単結晶内に入射した
レーザ光の波長変換を行う光波長変換素子であって、該
単結晶はLiTaO3結晶であり、該LiTaO3結晶は、Li/Taの
モル比が0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO 3 結晶を単一
分域化するための熱処理が施された後に、該 LiTaO 3 結晶
の光学的歪みを緩和するための、さらなる熱処理が施さ
れていないか、または、100℃以下の温度で熱処理が施
されており、該Li/Taのモル比は、該分極反転構造を形
成直後の分極反転部を通過させたレーザ光の伝搬ロスが
2％以下、かつ分極反転境界部の屈折率変化が1×10-4以
下の所望の値となるように、該 0.95 〜 1.02 の範囲から選
択されることを特徴とするレーザの波長変換素子、であ
る。また、本発明は、（６）前記強誘電体単結晶基板の
厚みが1.0mm〜5.0mmであることを特徴とする上記（５）
のレーザ光の波長変換素子、である。また、本発明は、
（７）レーザ光の偏向または集光を制御する光機能素子
であって、両面光学研磨された厚み 0.20mm 〜 3.0mm の、
1.5 〜 3kV/mm のパルス状の電圧を印加する電圧印加法を
用いてキュリー温度以下の温度で形成された分極反転部
と非分極反転部とを有し、該分極反転部の形状は、プリ
ズム状またはレンズ状である、強誘電体単結晶基板と、
該光学研磨された面それぞれの該分極反転部に形成され
た電極と、該電極を介して該分極反転部にパルス状の電
圧を印加する電源とを備え、該強誘電体単結晶基板は、
LiTaO 3 結晶であり、該 LiTaO 3 結晶は、 Li/Ta のモル比が
0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO 3 結晶を単一分域化す
るための熱処理が施された後に、該 LiTaO 3 結晶の光学的
歪みを緩和するための、さらなる熱処理が施されていな
いか、または、 100 ℃以下の温度で熱処理が施されてお
り、該 Li/Ta のモル比は、該分極反転部の形成直後に該
分極反転部を通過した該レーザ光の伝搬ロスが 2 ％以
下、かつ、該分極反転部と該非分極反転部との境界にお
ける該レーザ光の屈折率変化が 1 × 10 -4 以下となるよう
に、該 0.95 〜 1.02 の範囲から選択され、該パルス状の電
圧を印加する電源が該分極反転部に電圧を印加すること
によって、該強誘電体単結晶基板に生じる電気光学効果
に基づいて、該分極反転部において該強誘電体単結晶基
板に入射された該レーザ光が偏向するか、または、該レ
ーザ光が集光する、光機能素子 、である。
用いる強誘電体単結晶基板は、原料連続供給二重るつぼ
で育成されることを特徴とする上記（１）または（２）
の光機能素子、である。また、本発明は、（４）前記光
機能素子に用いる強誘電体単結晶基板は、原料連続供給
二重るつぼで育成したMg,Zn,Sc,Inから選ばれる少なく
とも一つの元素を0.1〜4.8モル％ドーピングして含有す
るLi/Taのモル比が0.95〜1.00の範囲のLiTaO3結晶であ
ることを特徴とする上記（３）に記載の光機能素子、で
ある。また、本発明は、（５）両面光学研磨された厚み
0.30mm〜5.0mmの強誘電体単結晶基板の一部に、1.5〜3k
V/mmの電界を印加する電圧印加法を用いてキュリー温度
以下の温度で分極反転構造を形成し、非線形光学効果を
利用して周期的反転分極構造を持つ単結晶内に入射した
レーザ光の波長変換を行う光波長変換素子であって、該
単結晶はLiTaO3結晶であり、該LiTaO3結晶は、Li/Taの
モル比が0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO 3 結晶を単一
分域化するための熱処理が施された後に、該 LiTaO 3 結晶
の光学的歪みを緩和するための、さらなる熱処理が施さ
れていないか、または、100℃以下の温度で熱処理が施
されており、該Li/Taのモル比は、該分極反転構造を形
成直後の分極反転部を通過させたレーザ光の伝搬ロスが
2％以下、かつ分極反転境界部の屈折率変化が1×10-4以
下の所望の値となるように、該 0.95 〜 1.02 の範囲から選
択されることを特徴とするレーザの波長変換素子、であ
る。また、本発明は、（６）前記強誘電体単結晶基板の
厚みが1.0mm〜5.0mmであることを特徴とする上記（５）
のレーザ光の波長変換素子、である。また、本発明は、
（７）レーザ光の偏向または集光を制御する光機能素子
であって、両面光学研磨された厚み 0.20mm 〜 3.0mm の、
1.5 〜 3kV/mm のパルス状の電圧を印加する電圧印加法を
用いてキュリー温度以下の温度で形成された分極反転部
と非分極反転部とを有し、該分極反転部の形状は、プリ
ズム状またはレンズ状である、強誘電体単結晶基板と、
該光学研磨された面それぞれの該分極反転部に形成され
た電極と、該電極を介して該分極反転部にパルス状の電
圧を印加する電源とを備え、該強誘電体単結晶基板は、
LiTaO 3 結晶であり、該 LiTaO 3 結晶は、 Li/Ta のモル比が
0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO 3 結晶を単一分域化す
るための熱処理が施された後に、該 LiTaO 3 結晶の光学的
歪みを緩和するための、さらなる熱処理が施されていな
いか、または、 100 ℃以下の温度で熱処理が施されてお
り、該 Li/Ta のモル比は、該分極反転部の形成直後に該
分極反転部を通過した該レーザ光の伝搬ロスが 2 ％以
下、かつ、該分極反転部と該非分極反転部との境界にお
ける該レーザ光の屈折率変化が 1 × 10 -4 以下となるよう
に、該 0.95 〜 1.02 の範囲から選択され、該パルス状の電
圧を印加する電源が該分極反転部に電圧を印加すること
によって、該強誘電体単結晶基板に生じる電気光学効果
に基づいて、該分極反転部において該強誘電体単結晶基
板に入射された該レーザ光が偏向するか、または、該レ
ーザ光が集光する、光機能素子 、である。
【００３０】また、本発明は、（８）電子ビーム走査照
射法または電圧印加法によりキュリー温度以下の温度で
の分極反転構造を形成する強誘電体単結晶基板であっ
て、該単結晶基板はLiTaO3結晶であり、該LiTaO3結晶
は、Li/Taのモル比が0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO
3 結晶を単一分域化するための熱処理が施された後に、
該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを緩和するための、さらなる
熱処理が施されていないか、または、100℃以下の温度
で熱処理が施されており、該Li/Taのモル比は、該分極
反転構造を形成直後の分極反転部を通過させた光の伝搬
ロスが2％以下、かつ分極反転境界部の屈折率変化が1×
10-4以下の所望の値となるように、該 0.95 〜 1.02 の範囲
から選択されることを特徴とする分極反転部を通過した
光を制御する光機能素子用単結晶基板、である。
射法または電圧印加法によりキュリー温度以下の温度で
の分極反転構造を形成する強誘電体単結晶基板であっ
て、該単結晶基板はLiTaO3結晶であり、該LiTaO3結晶
は、Li/Taのモル比が0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO
3 結晶を単一分域化するための熱処理が施された後に、
該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを緩和するための、さらなる
熱処理が施されていないか、または、100℃以下の温度
で熱処理が施されており、該Li/Taのモル比は、該分極
反転構造を形成直後の分極反転部を通過させた光の伝搬
ロスが2％以下、かつ分極反転境界部の屈折率変化が1×
10-4以下の所望の値となるように、該 0.95 〜 1.02 の範囲
から選択されることを特徴とする分極反転部を通過した
光を制御する光機能素子用単結晶基板、である。
【００３１】また、本発明は、（９）強誘電体単結晶基
板の一部に、電子ビーム走査照射法または電圧印加法を
用いてキュリー温度以下の温度で分極反転構造を形成
し、この分極反転部を通過した光を制御する光機能素子
の製造方法であって、該単結晶としてLiTaO3結晶を用
い、その際に、該LiTaO3結晶のLi/Taのモル比を0.95 〜
1.02 の範囲とすることによって、該 LiTaO 3 結晶を単一分
域化するための熱処理を施した後に、該 LiTaO 3 結晶の光
学的歪みを緩和するための、さらなる熱処理を施してい
ないか、または、100℃以下の温度で熱処理を施すこと
で、該分極反転構造を形成直後の該分極反転部を通過さ
せた該光の伝搬ロスを2％以下の所望の値まで低減させ
ることを特徴とする光機能素子の製造方法、である。
板の一部に、電子ビーム走査照射法または電圧印加法を
用いてキュリー温度以下の温度で分極反転構造を形成
し、この分極反転部を通過した光を制御する光機能素子
の製造方法であって、該単結晶としてLiTaO3結晶を用
い、その際に、該LiTaO3結晶のLi/Taのモル比を0.95 〜
1.02 の範囲とすることによって、該 LiTaO 3 結晶を単一分
域化するための熱処理を施した後に、該 LiTaO 3 結晶の光
学的歪みを緩和するための、さらなる熱処理を施してい
ないか、または、100℃以下の温度で熱処理を施すこと
で、該分極反転構造を形成直後の該分極反転部を通過さ
せた該光の伝搬ロスを2％以下の所望の値まで低減させ
ることを特徴とする光機能素子の製造方法、である。
【００３２】また、本発明は、（１０）両面光学研磨さ
れた厚み0.30mm〜5.0mmの強誘電体単結晶基板の一部
に、1.5〜3kV/mmの電界を印加する電圧印加法を用いて
キュリー温度以下の温度で分極反転構造を形成し、非線
形光学効果を利用して周期的反転分極構造を持つ単結晶
内に入射したレーザ光の波長変換を行う光波長変換素子
の製造方法であって、該単結晶としてLiTaO3結晶を用
い、該LiTaO3結晶のLi/Taのモル比を0.95 〜 1.02 の範囲
とすることによって、該 LiTaO 3 結晶を単一分域化するた
めの熱処理を施した後に、該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを
緩和するための、さらなる熱処理を施していないか、ま
たは、100℃以下の温度で熱処理を施すことで、該分極
反転構造を形成直後の分極反転部を通過させたレーザ光
の伝搬ロスを2％以下、かつ分極反転境界部の屈折率変
化を1×10-4以下の所望の値まで低減させることを特徴
とするレーザ光の波長変換素子の製造方法、である。ま
た、本発明は、（１１）両面光学研磨された厚み0.2mm
〜3.0mmの強誘電体単結晶基板の一部に、1.5〜3kV/mmの
パルス状の電圧を印加する電圧印加法を用いてキュリー
温度以下の温度で分極反転構造を形成し、電気光学効果
を利用してプリズムまたはレンズ形状に反転した分極構
造を持つ単結晶内に入射されたレーザ光の偏向または集
光を制御する光機能素子の製造方法であって、該単結晶
としてLiTaO3結晶を用い、該LiTaO3結晶のLi/Taのモル
比を0.95 〜 1.02 の範囲とすることによって、該 LiTaO 3 結
晶を単一分域化するための熱処理を施した後に、該 LiTa
O 3 結晶の光学的歪みを緩和するための、さらなる熱処理
を施していないか、または、100℃以下の温度で熱処理
を施すことで、該分極反転構造を形成直後の分極反転部
を通過させたレーザ光の伝搬ロスを2％以下、かつ分極
反転境界部の屈折率変化を1×10-4以下の所望の値まで
低減させることを特徴とするレーザ光の偏向または集光
を制御する光機能素子の製造方法、である。
れた厚み0.30mm〜5.0mmの強誘電体単結晶基板の一部
に、1.5〜3kV/mmの電界を印加する電圧印加法を用いて
キュリー温度以下の温度で分極反転構造を形成し、非線
形光学効果を利用して周期的反転分極構造を持つ単結晶
内に入射したレーザ光の波長変換を行う光波長変換素子
の製造方法であって、該単結晶としてLiTaO3結晶を用
い、該LiTaO3結晶のLi/Taのモル比を0.95 〜 1.02 の範囲
とすることによって、該 LiTaO 3 結晶を単一分域化するた
めの熱処理を施した後に、該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを
緩和するための、さらなる熱処理を施していないか、ま
たは、100℃以下の温度で熱処理を施すことで、該分極
反転構造を形成直後の分極反転部を通過させたレーザ光
の伝搬ロスを2％以下、かつ分極反転境界部の屈折率変
化を1×10-4以下の所望の値まで低減させることを特徴
とするレーザ光の波長変換素子の製造方法、である。ま
た、本発明は、（１１）両面光学研磨された厚み0.2mm
〜3.0mmの強誘電体単結晶基板の一部に、1.5〜3kV/mmの
パルス状の電圧を印加する電圧印加法を用いてキュリー
温度以下の温度で分極反転構造を形成し、電気光学効果
を利用してプリズムまたはレンズ形状に反転した分極構
造を持つ単結晶内に入射されたレーザ光の偏向または集
光を制御する光機能素子の製造方法であって、該単結晶
としてLiTaO3結晶を用い、該LiTaO3結晶のLi/Taのモル
比を0.95 〜 1.02 の範囲とすることによって、該 LiTaO 3 結
晶を単一分域化するための熱処理を施した後に、該 LiTa
O 3 結晶の光学的歪みを緩和するための、さらなる熱処理
を施していないか、または、100℃以下の温度で熱処理
を施すことで、該分極反転構造を形成直後の分極反転部
を通過させたレーザ光の伝搬ロスを2％以下、かつ分極
反転境界部の屈折率変化を1×10-4以下の所望の値まで
低減させることを特徴とするレーザ光の偏向または集光
を制御する光機能素子の製造方法、である。
【００３３】本発明者らは、強誘電体単結晶の分極反転
構造を利用した光機能素子における素子性能や分極反転
制御性の問題点は単結晶基板にあることを突き止めた。
本発明は、強誘電体単結晶の分極反転構造を利用した光
機能素子用途として、ある組成範囲にあるLT結晶単結晶
基板に着目した点にある。Li/Taのモル比が0.95〜1.0
2、特に0.98〜1.02の範囲であるニオブ酸リチウム単結
晶が従来の材料の特性と異なり、分極反転素子材料の品
質を大幅に向上させることが可能になった。
構造を利用した光機能素子における素子性能や分極反転
制御性の問題点は単結晶基板にあることを突き止めた。
本発明は、強誘電体単結晶の分極反転構造を利用した光
機能素子用途として、ある組成範囲にあるLT結晶単結晶
基板に着目した点にある。Li/Taのモル比が0.95〜1.0
2、特に0.98〜1.02の範囲であるニオブ酸リチウム単結
晶が従来の材料の特性と異なり、分極反転素子材料の品
質を大幅に向上させることが可能になった。
【００３４】これを利用することで、光機能素子の特性
も飛躍的に向上することが明らかになった。今回見いだ
された分極反転特性についても、このモル分率を有する
LT単結晶特有の効果である。定比組成に近いLT単結晶
は、原料連続供給二重坩堝法によって、最近ようやく光
学的に均質な基板作製が可能になった結晶であり、その
光学特性については、未だ総てが明らかにされていな
い。特に、これらの結晶の分極反転境界の光学特性につ
いては、本発明者らが初めて明らかにしたものである。
また、この特性を利用した光機能素子特性の大幅な向上
については、さらに未開拓な分野であった。
も飛躍的に向上することが明らかになった。今回見いだ
された分極反転特性についても、このモル分率を有する
LT単結晶特有の効果である。定比組成に近いLT単結晶
は、原料連続供給二重坩堝法によって、最近ようやく光
学的に均質な基板作製が可能になった結晶であり、その
光学特性については、未だ総てが明らかにされていな
い。特に、これらの結晶の分極反転境界の光学特性につ
いては、本発明者らが初めて明らかにしたものである。
また、この特性を利用した光機能素子特性の大幅な向上
については、さらに未開拓な分野であった。
【００３５】従来から市販されてきたコングルエント組
成のLT単結晶基板は単結晶育成技術の制約から多量のTa
成分が過剰のものである。Li/Taモル比が0.94であるた
め数％にもおよぶ多量の不定比欠陥を含んでいる。一
方、本発明者等は、原料連続供給二重坩堝法によってLi
成分過剰の融液から結晶を育成し、より定比組成に近い
Li/Taモル比が0.95〜1.02のLT単結晶が育成でき、Ta成
分過剰による不定比欠陥濃度を低減した単結晶が光機能
素子基板として優れた特性を示すことをはじめて明らか
にしたものである。
成のLT単結晶基板は単結晶育成技術の制約から多量のTa
成分が過剰のものである。Li/Taモル比が0.94であるた
め数％にもおよぶ多量の不定比欠陥を含んでいる。一
方、本発明者等は、原料連続供給二重坩堝法によってLi
成分過剰の融液から結晶を育成し、より定比組成に近い
Li/Taモル比が0.95〜1.02のLT単結晶が育成でき、Ta成
分過剰による不定比欠陥濃度を低減した単結晶が光機能
素子基板として優れた特性を示すことをはじめて明らか
にしたものである。
【００３６】すなわち、従来の結晶における過剰なTaに
より形成される多量の不定比欠陥が、分極反転構造を利
用する光機能素子応用にとって大きな問題を引きおこす
ことを見い出した。この欠陥の存在によって、分極反転
に必要な印加電圧と自発分極の関係を示すヒステリシス
曲線は非対称的になり、分極反転には数十kV/mmの高電
圧が必要とされ、しかも分極反転を行うとその反転境界
部には大きな光学的歪みと伝搬ロスが導入されることが
わかった。さらに、不定比欠陥が多く結晶内部で欠陥が
不均一に分布しており欠陥濃度が高いような箇所では分
極反転がピンニングされやすいために、より大きな歪み
が蓄積され結晶の破壊の原因になることを明らかになっ
た。
より形成される多量の不定比欠陥が、分極反転構造を利
用する光機能素子応用にとって大きな問題を引きおこす
ことを見い出した。この欠陥の存在によって、分極反転
に必要な印加電圧と自発分極の関係を示すヒステリシス
曲線は非対称的になり、分極反転には数十kV/mmの高電
圧が必要とされ、しかも分極反転を行うとその反転境界
部には大きな光学的歪みと伝搬ロスが導入されることが
わかった。さらに、不定比欠陥が多く結晶内部で欠陥が
不均一に分布しており欠陥濃度が高いような箇所では分
極反転がピンニングされやすいために、より大きな歪み
が蓄積され結晶の破壊の原因になることを明らかになっ
た。
【００３７】次に、本発明の光機能素子として用いられ
るLT単結晶の製造方法と物性を示す。市販の高純度Li2C
O3、Ta2O5の原料粉末を準備し、 Li成分過剰原料として
Li2CO3：Ta2O5の比が0.56：0.44〜0.66：0.34の割合で
混合し、化学量論比組成原料としてLi2CO3： Ta2O5＝0.
50：0.50の割合で混合した。次に１ton/cm2の静水圧で
ラバープレス成形し、約1050℃の大気中で焼結し原料棒
を作成した。また、連続供給用粉末原料として混合済み
の化学量論比組成原料を約1350℃の大気中で焼結して化
学量論比組成原料も作成した。
るLT単結晶の製造方法と物性を示す。市販の高純度Li2C
O3、Ta2O5の原料粉末を準備し、 Li成分過剰原料として
Li2CO3：Ta2O5の比が0.56：0.44〜0.66：0.34の割合で
混合し、化学量論比組成原料としてLi2CO3： Ta2O5＝0.
50：0.50の割合で混合した。次に１ton/cm2の静水圧で
ラバープレス成形し、約1050℃の大気中で焼結し原料棒
を作成した。また、連続供給用粉末原料として混合済み
の化学量論比組成原料を約1350℃の大気中で焼結して化
学量論比組成原料も作成した。
【００３８】次に、原料連続供給型二重坩堝法を用いて
定比組成に近いLi過剰のLT単結晶の育成を行った。二重
るつぼ内のLi成分過剰組成の融液に種結晶をつけ、引き
上げ速度0.5mm/h、結晶回転数20rpmで定比組成に近い、
すなわち不定比欠陥濃度を極力抑えた単結晶を得た。不
定比欠陥の密度や構造を精密に制御するために、結晶化
した成長量に見合った量のLi2O /(Ta2O5＋Li2O)のモル
分率が0.50の化学量論組成比の原料を外側坩堝に自動的
に供給しながら結晶を育成した。
定比組成に近いLi過剰のLT単結晶の育成を行った。二重
るつぼ内のLi成分過剰組成の融液に種結晶をつけ、引き
上げ速度0.5mm/h、結晶回転数20rpmで定比組成に近い、
すなわち不定比欠陥濃度を極力抑えた単結晶を得た。不
定比欠陥の密度や構造を精密に制御するために、結晶化
した成長量に見合った量のLi2O /(Ta2O5＋Li2O)のモル
分率が0.50の化学量論組成比の原料を外側坩堝に自動的
に供給しながら結晶を育成した。
【００３９】ここで、育成に用いた坩堝はイリジウムで
できており、外側るつぼは直径125mm高さ70mm、内側る
つぼは直径85mm高さ90mmとした。この場合にも融液組成
を均一化させるために育成に際して坩堝を4rpmの速度で
種結晶と反対方向に回転させた。育成条件は結晶回転速
度を20rpm、引き上げ速度は0.5mm/hで一定とし、育成雰
囲気を0.05％酸素を含む窒素中とした。
できており、外側るつぼは直径125mm高さ70mm、内側る
つぼは直径85mm高さ90mmとした。この場合にも融液組成
を均一化させるために育成に際して坩堝を4rpmの速度で
種結晶と反対方向に回転させた。育成条件は結晶回転速
度を20rpm、引き上げ速度は0.5mm/hで一定とし、育成雰
囲気を0.05％酸素を含む窒素中とした。
【００４０】育成のプロセスにおいては、通常の光学用
コングルエントLT単結晶の育成と同じように、光損傷を
誘起する一要因と考えられている鉄やクロム等の遷移金
属不純物はできるだけ入らないように注意を払った。約
1週間の育成により直径約55mm、長さ約70mmの大きさ
で、クラックのない無色透明のＬT結晶体を得た。得ら
れたアズグロウン結晶の内部の分域状態は多分域状態で
あった。
コングルエントLT単結晶の育成と同じように、光損傷を
誘起する一要因と考えられている鉄やクロム等の遷移金
属不純物はできるだけ入らないように注意を払った。約
1週間の育成により直径約55mm、長さ約70mmの大きさ
で、クラックのない無色透明のＬT結晶体を得た。得ら
れたアズグロウン結晶の内部の分域状態は多分域状態で
あった。
【００４１】そこで、ポーリングに先立ち、得られたLT
単結晶キュリー温度を示唆熱分析法により求めた。予
め、定比組成に調合し1500℃で焼結した定比組成の標準
焼結試料を準備し、そのキュリー温度は690℃であるこ
とを確認した。二重るつぼ内のLi成分過剰組成の融液
（例えばLi2O/(Ta2O5＋Li2O)のモル分率で0.59〜0.61）
組成から得られたそれぞれのLT単結晶のキュリー温度を
測定した。それぞれの結晶のキュリー温度は689〜691℃
の範囲にあり定比組成の標準焼結試料のキュリー温度に
近いにことが分かった。
単結晶キュリー温度を示唆熱分析法により求めた。予
め、定比組成に調合し1500℃で焼結した定比組成の標準
焼結試料を準備し、そのキュリー温度は690℃であるこ
とを確認した。二重るつぼ内のLi成分過剰組成の融液
（例えばLi2O/(Ta2O5＋Li2O)のモル分率で0.59〜0.61）
組成から得られたそれぞれのLT単結晶のキュリー温度を
測定した。それぞれの結晶のキュリー温度は689〜691℃
の範囲にあり定比組成の標準焼結試料のキュリー温度に
近いにことが分かった。
【００４２】さらに、得られた全ての結晶に関して、結
晶の上部、中心、下部の3ヶ所から試料を切り出しLi/Ta
モル比を化学分析より求めた。化学分析では組成比の絶
対値を精度良く求めるために、非常に慎重に組成を分析
した。分析は同一試料について数カ所の異なる分析装置
を用いて評価した結果の平均値として求めた。その結
果、前記融液組成から育成されたLＴ単結晶の組成範囲
はLi/Taモル比が0.95〜1.02であった。
晶の上部、中心、下部の3ヶ所から試料を切り出しLi/Ta
モル比を化学分析より求めた。化学分析では組成比の絶
対値を精度良く求めるために、非常に慎重に組成を分析
した。分析は同一試料について数カ所の異なる分析装置
を用いて評価した結果の平均値として求めた。その結
果、前記融液組成から育成されたLＴ単結晶の組成範囲
はLi/Taモル比が0.95〜1.02であった。
【００４３】一方、Mgを添加した結晶では、次のように
原料を調製した。市販の高純度Li2CO3、Ta2O5、MgO（ま
たはMg2CO3）の原料粉末を準備した。融液原料として
は、Li 2CO3： Ta2O5の比が0.56：0.44〜0.66：0.34の割
合で準備し、これに、[MgO]/([LiNbO3]+[MgO])で表記し
た[MgO]のモル％が0.1〜5.0となるようにMgO原料粉末を
追加して、混合した。化学量論比組成原料としてLi2C
O3： Ta2O5＝0.50：0.50の割合で混合した。次に無添加
の場合と同じように、プレス成形、焼結、単結晶育成を
行った。
原料を調製した。市販の高純度Li2CO3、Ta2O5、MgO（ま
たはMg2CO3）の原料粉末を準備した。融液原料として
は、Li 2CO3： Ta2O5の比が0.56：0.44〜0.66：0.34の割
合で準備し、これに、[MgO]/([LiNbO3]+[MgO])で表記し
た[MgO]のモル％が0.1〜5.0となるようにMgO原料粉末を
追加して、混合した。化学量論比組成原料としてLi2C
O3： Ta2O5＝0.50：0.50の割合で混合した。次に無添加
の場合と同じように、プレス成形、焼結、単結晶育成を
行った。
【００４４】Mgを添加した結晶では、MgがLiやTaサイト
を置換していくので、Mgの添加量が増えるに従いLi/Ta
モル比は変化し、得られた結晶のLi/Taモル比は0.95よ
り大きく1.0より小さい範囲にあった。Mg以外にZn、S
c、Inから選ばれる少なくとも一つの元素を添加した場
合には、元素の種類によって結晶内での偏析係数は異な
るため、添加量に対する結晶内含有量は異なるものの、
いずれの添加元素においても、添加元素がLiやTaサイト
を置換していくので、添加元素の添加量が増えるに従い
Li/Taモル比は変化し、得られた結晶のLi/Taモル比は0.
95より大きく1.0より小さい範囲にあった。
を置換していくので、Mgの添加量が増えるに従いLi/Ta
モル比は変化し、得られた結晶のLi/Taモル比は0.95よ
り大きく1.0より小さい範囲にあった。Mg以外にZn、S
c、Inから選ばれる少なくとも一つの元素を添加した場
合には、元素の種類によって結晶内での偏析係数は異な
るため、添加量に対する結晶内含有量は異なるものの、
いずれの添加元素においても、添加元素がLiやTaサイト
を置換していくので、添加元素の添加量が増えるに従い
Li/Taモル比は変化し、得られた結晶のLi/Taモル比は0.
95より大きく1.0より小さい範囲にあった。
【００４５】次に、得られたそれぞれの結晶をキュリー
温度以上の約750℃に加熱した後、結晶のZ軸方向から約
5〜10V/cmの電圧を印加し、室温まで冷却することで単
一分域化した。単一分域化されたLT単結晶から大きさが
35mm×35mm×50mmのブロック状試料を切り出し、メカノ
ケミカル研磨により表面研磨を行った。試料の光学的均
質性をマッハツェンダー干渉法により評価したところ、
マクロな欠陥や光学的に不均一な部分は見られず、試料
内の屈折率変化は1×10-5以下が得られ光学的均質性に
優れていることが確認された。
温度以上の約750℃に加熱した後、結晶のZ軸方向から約
5〜10V/cmの電圧を印加し、室温まで冷却することで単
一分域化した。単一分域化されたLT単結晶から大きさが
35mm×35mm×50mmのブロック状試料を切り出し、メカノ
ケミカル研磨により表面研磨を行った。試料の光学的均
質性をマッハツェンダー干渉法により評価したところ、
マクロな欠陥や光学的に不均一な部分は見られず、試料
内の屈折率変化は1×10-5以下が得られ光学的均質性に
優れていることが確認された。
【００４６】
【発明の実施の形態】図１は、LT単結晶を基板に用い
て、両面光学研磨された厚み0.5mmの基板上に電界印加
法により周期的分極反転構造を形成した後に、分極反転
部を偏光顕微鏡で詳細に観察した様子の一例を示してい
る。分極反転の周期は約3〜4μmで、波長850nm近傍の基
本光の波長に応じて擬似位相整合するように設計した。
て、両面光学研磨された厚み0.5mmの基板上に電界印加
法により周期的分極反転構造を形成した後に、分極反転
部を偏光顕微鏡で詳細に観察した様子の一例を示してい
る。分極反転の周期は約3〜4μmで、波長850nm近傍の基
本光の波長に応じて擬似位相整合するように設計した。
【００４７】図１(a)は、従来のコングルエント組成を
基板１に用いた場合の様子である。図１ (b)は、基板４
に上述した定比組成に近い組成のLＴ単結晶を用いた場
合の様子である。両者の違いは明らかで、図１(a)で
は、周期的分極反転部２に非常に大きな光学歪み３があ
るのが観察されたのに対し、図１ (b)では、偏光顕微鏡
下で光は均一に透過し周期的分極反転部５に歪みは観察
されなかった。
基板１に用いた場合の様子である。図１ (b)は、基板４
に上述した定比組成に近い組成のLＴ単結晶を用いた場
合の様子である。両者の違いは明らかで、図１(a)で
は、周期的分極反転部２に非常に大きな光学歪み３があ
るのが観察されたのに対し、図１ (b)では、偏光顕微鏡
下で光は均一に透過し周期的分極反転部５に歪みは観察
されなかった。
【００４８】さらに、結晶基板にさまざまな形状と大き
さの分極反転を形成し、基板の違いによる分極反転境界
部での歪みを観察し、レーザ干渉法により分極反転境界
での屈折率の大きさを評価すると従来結晶では8×10-3
〜3×10-4と非常に大きな屈折率変化が観察された。一
方、本発明での結晶基板を用いた光機能素子では、熱処
理を行わなくても光学的歪みは1×10-4以下が得られる
ことが確認された。
さの分極反転を形成し、基板の違いによる分極反転境界
部での歪みを観察し、レーザ干渉法により分極反転境界
での屈折率の大きさを評価すると従来結晶では8×10-3
〜3×10-4と非常に大きな屈折率変化が観察された。一
方、本発明での結晶基板を用いた光機能素子では、熱処
理を行わなくても光学的歪みは1×10-4以下が得られる
ことが確認された。
【００４９】さらに、図２は、室温付近の温度で電子ビ
ーム照射法および電界印加法で周期的分極反転構造を形
成した、長さ5mm、厚さ0.5mmの各種組成のLT単結晶の両
端面を鏡面研磨し、分極反転部を伝搬していく光が結晶
内部で散乱や歪みなどで引き起こされる伝搬ロスの大き
さを評価した結果を示したグラフである。
ーム照射法および電界印加法で周期的分極反転構造を形
成した、長さ5mm、厚さ0.5mmの各種組成のLT単結晶の両
端面を鏡面研磨し、分極反転部を伝搬していく光が結晶
内部で散乱や歪みなどで引き起こされる伝搬ロスの大き
さを評価した結果を示したグラフである。
【００５０】このように、ストイキオメトリック組成LT
はコングルエント組成LTに対し、わずかなモル分率の変
化であるが、化学量論比に近づくに従いその結晶特性は
大幅に異なる。特に、結晶のLi/Taのモル比が0.95〜1.0
2の範囲で従来のコングルエント組成の結晶とは大きく
異なる光学特性を有する。
はコングルエント組成LTに対し、わずかなモル分率の変
化であるが、化学量論比に近づくに従いその結晶特性は
大幅に異なる。特に、結晶のLi/Taのモル比が0.95〜1.0
2の範囲で従来のコングルエント組成の結晶とは大きく
異なる光学特性を有する。
【００５１】同一組成の試料であっても、分極反転作成
時の印加電圧、電極の形状、電極材質、温度などによっ
て伝搬ロスにはばらつきが見られた。Li/Taモル比が0.9
4のコングルエント組成結晶では、伝搬ロスは3.5〜6％
と非常に大きいことが分かった。これに対して、Li/Ta
モル比が0.95で1〜2％、0.98で0.5％以下のように定比
に近い無添加のLT単結晶や、3モル％程度のMgOを含むLi
/Taモル比0.95のLT単結晶など多くの結晶で伝搬ロスが2
％以下が得られ、中には0.1％以下の伝搬ロスの良質な
分極反転結晶も得られた。
時の印加電圧、電極の形状、電極材質、温度などによっ
て伝搬ロスにはばらつきが見られた。Li/Taモル比が0.9
4のコングルエント組成結晶では、伝搬ロスは3.5〜6％
と非常に大きいことが分かった。これに対して、Li/Ta
モル比が0.95で1〜2％、0.98で0.5％以下のように定比
に近い無添加のLT単結晶や、3モル％程度のMgOを含むLi
/Taモル比0.95のLT単結晶など多くの結晶で伝搬ロスが2
％以下が得られ、中には0.1％以下の伝搬ロスの良質な
分極反転結晶も得られた。
【００５２】さらに、図３は、室温付近の温度で電子ビ
ーム照射法および電界印加法で周期的分極反転構造を形
成した、長さ5mm、厚さ0.5mmの結晶の分極反転部を通過
していく光の伝搬ロスが熱処理によってどれだけ低減で
きるかを示したグラフである。従来のコングルエント組
成結晶を用いると分極反転処理後は、散乱や光学歪みな
どの影響によりロスは非常に大きく、コングルエントLT
結晶では、少なくとも100℃以上の高温度に基板を加熱
してやらないとロスが下がらない結果が得られた。これ
に対して、本発明の定比組成に近いLT単結晶を基板に用
いた光機能素子の場合には熱処理をしなくてもロスは小
さく光機能素子の性能向上が期待できることが明らかで
ある。
ーム照射法および電界印加法で周期的分極反転構造を形
成した、長さ5mm、厚さ0.5mmの結晶の分極反転部を通過
していく光の伝搬ロスが熱処理によってどれだけ低減で
きるかを示したグラフである。従来のコングルエント組
成結晶を用いると分極反転処理後は、散乱や光学歪みな
どの影響によりロスは非常に大きく、コングルエントLT
結晶では、少なくとも100℃以上の高温度に基板を加熱
してやらないとロスが下がらない結果が得られた。これ
に対して、本発明の定比組成に近いLT単結晶を基板に用
いた光機能素子の場合には熱処理をしなくてもロスは小
さく光機能素子の性能向上が期待できることが明らかで
ある。
【００５３】LT単結晶では、キュリー温度より高温の常
誘電相において、LiとTaイオンは電気的中性位置に配置
しているが、キュリー温度以下の強誘電相ではLiおよび
Taイオンが+zもしくは-z方向に少しずれる。このイオン
のずれの方向によってドメインの正負の分極方向が決定
されている。分極反転構造を持つ光機能素子では、高電
界を加えることでこのイオンを低温で強制的に移動させ
ることが必要になる。
誘電相において、LiとTaイオンは電気的中性位置に配置
しているが、キュリー温度以下の強誘電相ではLiおよび
Taイオンが+zもしくは-z方向に少しずれる。このイオン
のずれの方向によってドメインの正負の分極方向が決定
されている。分極反転構造を持つ光機能素子では、高電
界を加えることでこのイオンを低温で強制的に移動させ
ることが必要になる。
【００５４】一致溶融組成の不定比欠陥が多い場合には
Liサイトに入った過剰のTaを移動させることは容易では
ないため、分極反転には大きな印加電圧が必要となる。
さらに、高電界を印加して強制的に分極を反転させるわ
けであるから、その境界部には大きな光学的歪みが導入
されると考えられる。現状では、本発明の光機能素子で
見られた光学的歪みや伝搬ロスの低減の原因について、
結晶の反転電圧や内部電界の大きさだけでは十分な説明
ができているわけではない。
Liサイトに入った過剰のTaを移動させることは容易では
ないため、分極反転には大きな印加電圧が必要となる。
さらに、高電界を印加して強制的に分極を反転させるわ
けであるから、その境界部には大きな光学的歪みが導入
されると考えられる。現状では、本発明の光機能素子で
見られた光学的歪みや伝搬ロスの低減の原因について、
結晶の反転電圧や内部電界の大きさだけでは十分な説明
ができているわけではない。
【００５５】しかしながら、不定比欠陥を多量に含む従
来のコングルエント組成結晶よりも、不定比欠陥を１桁
以上低減した光学歪みやロスの小さな定比組成に近いLT
単結晶が分極反転素子の基板として優れることは明らか
である。このことから、強誘電体単結晶基板として定比
組成に近い組成のLT単結晶を用いることで、分極反転を
形成しても反転境界部での光学的歪みを示さず、分極反
転境界部での光学的歪みを除去するための加熱工程なし
に、分極反転境界部の屈折率変化が1×10-4以下が得ら
れるため、分極反転構造の制御性に優れ、レーザ光の散
乱がなく伝搬ロスが小さく光機能素子として優れた特性
を有する。
来のコングルエント組成結晶よりも、不定比欠陥を１桁
以上低減した光学歪みやロスの小さな定比組成に近いLT
単結晶が分極反転素子の基板として優れることは明らか
である。このことから、強誘電体単結晶基板として定比
組成に近い組成のLT単結晶を用いることで、分極反転を
形成しても反転境界部での光学的歪みを示さず、分極反
転境界部での光学的歪みを除去するための加熱工程なし
に、分極反転境界部の屈折率変化が1×10-4以下が得ら
れるため、分極反転構造の制御性に優れ、レーザ光の散
乱がなく伝搬ロスが小さく光機能素子として優れた特性
を有する。
【００５６】
【実施例】以下実施例を用いて、本発明をさらに具体的
に説明する。 実施例１ LT単結晶を光波長変換素子に適用した場合の特性につい
て説明する。図４は、定比組成に近い単結晶(Li/Taモル
比が0.98〜1.02の無添加LT単結晶)を基板６に用いて、
基板６上に分極反転領域７、周期的分極反転幅８の周期
的分極反転構造を形成したＱＰＭデバイスの概略構成図
である。両面光学研磨された厚み0.30mm〜5.0mmの基板6
の＋ｚ面に櫛形電極と平行電極をパターニングした。周
期は約3〜4μmで、波長約850nm近傍の基本波に対して擬
似位相整合するように設計された。上記組成の結晶基板
の−ｚ面は、電極を全面に蒸着した。櫛形電極と平行電
極の間、および櫛形電極と−ｚ面の裏面電極に、それぞ
れ1.5〜3kV/mm程度の従来のコングルエント結晶より1/7
以下程度の低い電界を印加して、絶縁破壊なしに周期的
分極反転領域７を形成した。
に説明する。 実施例１ LT単結晶を光波長変換素子に適用した場合の特性につい
て説明する。図４は、定比組成に近い単結晶(Li/Taモル
比が0.98〜1.02の無添加LT単結晶)を基板６に用いて、
基板６上に分極反転領域７、周期的分極反転幅８の周期
的分極反転構造を形成したＱＰＭデバイスの概略構成図
である。両面光学研磨された厚み0.30mm〜5.0mmの基板6
の＋ｚ面に櫛形電極と平行電極をパターニングした。周
期は約3〜4μmで、波長約850nm近傍の基本波に対して擬
似位相整合するように設計された。上記組成の結晶基板
の−ｚ面は、電極を全面に蒸着した。櫛形電極と平行電
極の間、および櫛形電極と−ｚ面の裏面電極に、それぞ
れ1.5〜3kV/mm程度の従来のコングルエント結晶より1/7
以下程度の低い電界を印加して、絶縁破壊なしに周期的
分極反転領域７を形成した。
【００５７】本実施例においては、周期状分極反転構造
の分極反転部を偏光顕微鏡で詳細に観察したが光学的歪
みは見られなかった。また、分極反転部に波長可変レー
ザ９からレーザ光をレンズ１０を通して通過させたが、
レーザ光の散乱は全く観察されず、このため、熱処理は
全く不要で、しかも高効率の波長変換が得られた。用い
たLT結晶は予め分極状態は非常に均一化されている。結
晶に周期状の分極反転を形成する際にも、定比組成に近
いLT単結晶においては、結晶の均一性に優れているた
め、均一な分極反転構造の形成が可能になる。
の分極反転部を偏光顕微鏡で詳細に観察したが光学的歪
みは見られなかった。また、分極反転部に波長可変レー
ザ９からレーザ光をレンズ１０を通して通過させたが、
レーザ光の散乱は全く観察されず、このため、熱処理は
全く不要で、しかも高効率の波長変換が得られた。用い
たLT結晶は予め分極状態は非常に均一化されている。結
晶に周期状の分極反転を形成する際にも、定比組成に近
いLT単結晶においては、結晶の均一性に優れているた
め、均一な分極反転構造の形成が可能になる。
【００５８】このように、従来のコングルエント組成の
LT結晶を基板として用いたときに見られた問題は解決さ
れていた。さらに、分極反転構造を形成した後、結晶を
取り外し、断面となる結晶のy面を研摩、フッ酸・硝酸
の混合液でエッチングして、分極の反転の様子を調べ
た。周期分極反転幅比その分極の形は印加電圧のパルス
幅や電流を最適化することで、試料全体にわたり周期分
極の分極反転幅比を理想的な比に精度よく作成すること
ができていることが確認された。
LT結晶を基板として用いたときに見られた問題は解決さ
れていた。さらに、分極反転構造を形成した後、結晶を
取り外し、断面となる結晶のy面を研摩、フッ酸・硝酸
の混合液でエッチングして、分極の反転の様子を調べ
た。周期分極反転幅比その分極の形は印加電圧のパルス
幅や電流を最適化することで、試料全体にわたり周期分
極の分極反転幅比を理想的な比に精度よく作成すること
ができていることが確認された。
【００５９】周期分極反転構造の形成は厚みが1mm以上
の試料についても同様に高精度に形成が可能であった。
しかも光学的歪みは見られず、伝搬損失も0.2％以下と
非常に少なかった。これらの厚い試料では、特に、分極
反転後の熱処理が不要なことは大きなメリットとなっ
た。これは、1mm以上の厚さを持つ試料では、部分的な
結晶のマクロな欠陥や、電極の不均一、熱的な不均一が
あると、光学的歪みを除去する熱処理中に分極反転境界
部が容易に移動したり、焦電効果で結晶が破壊してしま
う問題があったからである。
の試料についても同様に高精度に形成が可能であった。
しかも光学的歪みは見られず、伝搬損失も0.2％以下と
非常に少なかった。これらの厚い試料では、特に、分極
反転後の熱処理が不要なことは大きなメリットとなっ
た。これは、1mm以上の厚さを持つ試料では、部分的な
結晶のマクロな欠陥や、電極の不均一、熱的な不均一が
あると、光学的歪みを除去する熱処理中に分極反転境界
部が容易に移動したり、焦電効果で結晶が破壊してしま
う問題があったからである。
【００６０】このため、本実施例で作成された光学的均
一性と分極反転制御性に優れた光機能素子は、特に伝搬
ロスの小さなことが要求される内部共振器型の波長変換
素子として最適であると考えられる。
一性と分極反転制御性に優れた光機能素子は、特に伝搬
ロスの小さなことが要求される内部共振器型の波長変換
素子として最適であると考えられる。
【００６１】QPM-SHGデバイスの特性の評価は基本波と
して、波長可変高出力Tiサファイヤレーザ（波長850n
m）を用いて行い、高効率の光波長変換が確認できた。
その様子を図５に示す。従来のコングルエント組成LT結
晶を基板に用いた場合、熱処理前ではほとんど効率良い
波長変換は得られない。熱処理により変換効率が改善さ
れる様子が見られたが、本発明の光機能素子ではより高
い変換効率が得られている。
して、波長可変高出力Tiサファイヤレーザ（波長850n
m）を用いて行い、高効率の光波長変換が確認できた。
その様子を図５に示す。従来のコングルエント組成LT結
晶を基板に用いた場合、熱処理前ではほとんど効率良い
波長変換は得られない。熱処理により変換効率が改善さ
れる様子が見られたが、本発明の光機能素子ではより高
い変換効率が得られている。
【００６２】この理由は、伝搬ロスが小さいことが大き
な理由として考えられる。さらに、基板の非線形光学定
数が大きいことに加え、光学的歪みがなく、かつ熱処理
不要のため分極反転構造の完全性がより高いことも高性
能な光機能素子が得られるのに寄与していると考えられ
る。
な理由として考えられる。さらに、基板の非線形光学定
数が大きいことに加え、光学的歪みがなく、かつ熱処理
不要のため分極反転構造の完全性がより高いことも高性
能な光機能素子が得られるのに寄与していると考えられ
る。
【００６３】また、ここでは、850nm付近の近赤外光の
基本波に対して青色光を発生するQPM-SHG素子を作成し
た実施例に付いて詳しく述べたが、本発明によれば、基
本波がこの二つの波長に限ることはなく、LT単結晶が透
明でかつ位相整合が可能である波長域に関して適用する
ことが可能である。
基本波に対して青色光を発生するQPM-SHG素子を作成し
た実施例に付いて詳しく述べたが、本発明によれば、基
本波がこの二つの波長に限ることはなく、LT単結晶が透
明でかつ位相整合が可能である波長域に関して適用する
ことが可能である。
【００６４】さらに、LT単結晶の分極構造を周期的に反
転させ、可視から近赤外域の波長を持った入射レーザの
波長を短波長化あるいは長波長化させる本発明の光機能
素子は第二高調波発生素子に限らず、光パラメトリック
発振素子や差周波、和周波発生素子をはじめ、光スイッ
チや光変調器など分極反転構造を利用する高性能光素子
を実現することが可能である。その応用も、さらにはリ
モートセンシング、ガス検知をはじめとする応用分野
や、波長ミキサーやパルス成形素子などの光通信分野へ
の適用も可能である。
転させ、可視から近赤外域の波長を持った入射レーザの
波長を短波長化あるいは長波長化させる本発明の光機能
素子は第二高調波発生素子に限らず、光パラメトリック
発振素子や差周波、和周波発生素子をはじめ、光スイッ
チや光変調器など分極反転構造を利用する高性能光素子
を実現することが可能である。その応用も、さらにはリ
モートセンシング、ガス検知をはじめとする応用分野
や、波長ミキサーやパルス成形素子などの光通信分野へ
の適用も可能である。
【００６５】ここでは、強誘電体単結晶基板の一部にキ
ュリー温度以下の温度において分極反転構造を形成する
実施例として、電圧印加法を用いたLT単結晶の光機能素
子について説明したが、キュリー温度以下の温度におけ
る分極反転構造を形成する方法として、電子ビーム走査
照射法であっても同様の効果が得られる。
ュリー温度以下の温度において分極反転構造を形成する
実施例として、電圧印加法を用いたLT単結晶の光機能素
子について説明したが、キュリー温度以下の温度におけ
る分極反転構造を形成する方法として、電子ビーム走査
照射法であっても同様の効果が得られる。
【００６６】実施例２
定比組成に近い (Li/Taモル比が0.98〜1.02の無添加LT
単結晶)を基板に用いて、レンズやプリズム状の分極反
転構造を作製し電気光学効果を利用した偏向素子や、シ
リンドリカルレンズ、ビームスキャナー、スイッチなど
の光素子を製作した。図６および図７は、それぞれレン
ズ１４およびプリズム９状の分極反転領域１３、１８を
作成し、作成した電気光学効果を利用して単結晶内に入
射された半導体レーザ１２、１７からのレーザ光を制御
するフォーカシングおよびスキャンニングを行う光機能
素子の概略構成図である。直径1.5インチ、厚み0.2〜3.
0mm、両面研摩されたｚ-カットの上述したLT単結晶を準
備し、両ｚ面に厚さ約0.2ミクロンのAl電極をスパッタ
リングにより形成し、リソグラフを用いて、レンズやプ
リズム状パターンを形成した。その後、＋ｚ面にパルス
状の印加電圧１５、２０を約1.5〜3kV/mm印加し分極を
反転させた。
単結晶)を基板に用いて、レンズやプリズム状の分極反
転構造を作製し電気光学効果を利用した偏向素子や、シ
リンドリカルレンズ、ビームスキャナー、スイッチなど
の光素子を製作した。図６および図７は、それぞれレン
ズ１４およびプリズム９状の分極反転領域１３、１８を
作成し、作成した電気光学効果を利用して単結晶内に入
射された半導体レーザ１２、１７からのレーザ光を制御
するフォーカシングおよびスキャンニングを行う光機能
素子の概略構成図である。直径1.5インチ、厚み0.2〜3.
0mm、両面研摩されたｚ-カットの上述したLT単結晶を準
備し、両ｚ面に厚さ約0.2ミクロンのAl電極をスパッタ
リングにより形成し、リソグラフを用いて、レンズやプ
リズム状パターンを形成した。その後、＋ｚ面にパルス
状の印加電圧１５、２０を約1.5〜3kV/mm印加し分極を
反転させた。
【００６７】本実施例においては、分極反転部を偏光顕
微鏡で詳細に観察したが光学的歪みは見られなかった。
また、分極反転部にレーザ光を通過させたが、レーザ光
の散乱は全く観察されず、このため、熱処理は全く不要
で、しかも光機能素子が得られた。用いたLT結晶は予め
分極状態は非常に均一化されている。さらに結晶の端面
を鏡面研磨仕上げを行い、レーザ光の入出射面とした。
微鏡で詳細に観察したが光学的歪みは見られなかった。
また、分極反転部にレーザ光を通過させたが、レーザ光
の散乱は全く観察されず、このため、熱処理は全く不要
で、しかも光機能素子が得られた。用いたLT結晶は予め
分極状態は非常に均一化されている。さらに結晶の端面
を鏡面研磨仕上げを行い、レーザ光の入出射面とした。
【００６８】試作した分極反転構造による屈折率の反転
を形成したLT単結晶の電気光学効果を利用した光素子の
性能は、レンズやプリズム状の分極反転構造の設計や分
極反転構造の作製プロセスの精度、および材料の持つ電
気光学定数の大きさで決定された。本実施例のレンズや
プリズム状パターンの分極反転構造で、特筆すべきこと
は分極反転性境界での伝搬ロスと光学的歪みがなく、か
つ分極反転性の制御が非常に容易であることから良好な
素子特性が得られたことである。
を形成したLT単結晶の電気光学効果を利用した光素子の
性能は、レンズやプリズム状の分極反転構造の設計や分
極反転構造の作製プロセスの精度、および材料の持つ電
気光学定数の大きさで決定された。本実施例のレンズや
プリズム状パターンの分極反転構造で、特筆すべきこと
は分極反転性境界での伝搬ロスと光学的歪みがなく、か
つ分極反転性の制御が非常に容易であることから良好な
素子特性が得られたことである。
【００６９】従来の一致溶融組成のLT結晶では反転周期
が短くなり反転構造が複雑になると、精度の良いレンズ
やプリズム状の分極反転構造の作製は困難で、かつ熱処
理が必要であった。これに対し、定比組成に近いLT単結
晶を、分極反転構造を利用した光機能素子用途として用
いることにより、光機能素子の高精度な分極反転の形成
が可能であった。
が短くなり反転構造が複雑になると、精度の良いレンズ
やプリズム状の分極反転構造の作製は困難で、かつ熱処
理が必要であった。これに対し、定比組成に近いLT単結
晶を、分極反転構造を利用した光機能素子用途として用
いることにより、光機能素子の高精度な分極反転の形成
が可能であった。
【００７０】さらに、本結晶は一致溶融組成の結晶より
も大きな電気光学定数ｒ33を有しているので、より小さ
な動作電圧でより優れたデバイス性能が得られた。例え
ば偏向素子の場合には約600V/mmの電圧で約6°と大きな
偏向角が得られた。また、約100V/mm近傍で動作するレ
ンズや、約500V/mmでのスイッチング動作も得られた。
も大きな電気光学定数ｒ33を有しているので、より小さ
な動作電圧でより優れたデバイス性能が得られた。例え
ば偏向素子の場合には約600V/mmの電圧で約6°と大きな
偏向角が得られた。また、約100V/mm近傍で動作するレ
ンズや、約500V/mmでのスイッチング動作も得られた。
【００７１】ここでは、強誘電体単結晶基板の一部にキ
ュリー温度以下の温度において分極反転構造を形成する
実施例として、電圧印加法を用いたLT単結晶の光機能素
子について説明したが、キュリー温度以下の温度におけ
る分極反転構造を形成する方法として、電子ビーム走査
照射法であっても同様の効果が得られる。
ュリー温度以下の温度において分極反転構造を形成する
実施例として、電圧印加法を用いたLT単結晶の光機能素
子について説明したが、キュリー温度以下の温度におけ
る分極反転構造を形成する方法として、電子ビーム走査
照射法であっても同様の効果が得られる。
【００７２】
【発明の効果】以上詳しく述べたように、本発明によれ
ば、強誘電体単結晶基板の一部に、キュリー温度以下の
温度において、電子ビーム走査照射法、または電圧印加
法を用いて分極反転構造を形成し、この分極反転部を通
過した光を制御する光機能素子において、強誘電体単結
晶としてLi/Taのモル比が0.95〜1.02の範囲の定比組成
に近い組成のLT単結晶を用いることによって、２％以下
の伝搬ロスが得られ、自発分極の方向反転に伴う分極反
転境界部での光学的歪みを除去するための加熱工程なし
に、分極反転境界部の屈折率変化が1×10-4以下を得る
ことができるため、分域境界で歪みがなく、かつ光学的
均質性と分極反転制御性とに優れた素子が実現できるた
め、光機能素子特性の大幅な向上が期待できる。これに
より、本発明は、レーザ光を利用した光情報処理、光加
工技術、光通信技術、光計測制御等々の分野での光機能
素子の実用化を促進させる大きな効果をもたらす。
ば、強誘電体単結晶基板の一部に、キュリー温度以下の
温度において、電子ビーム走査照射法、または電圧印加
法を用いて分極反転構造を形成し、この分極反転部を通
過した光を制御する光機能素子において、強誘電体単結
晶としてLi/Taのモル比が0.95〜1.02の範囲の定比組成
に近い組成のLT単結晶を用いることによって、２％以下
の伝搬ロスが得られ、自発分極の方向反転に伴う分極反
転境界部での光学的歪みを除去するための加熱工程なし
に、分極反転境界部の屈折率変化が1×10-4以下を得る
ことができるため、分域境界で歪みがなく、かつ光学的
均質性と分極反転制御性とに優れた素子が実現できるた
め、光機能素子特性の大幅な向上が期待できる。これに
より、本発明は、レーザ光を利用した光情報処理、光加
工技術、光通信技術、光計測制御等々の分野での光機能
素子の実用化を促進させる大きな効果をもたらす。
【図１】LN単結晶基板に周期分極反転形成後、＋ｚ面を
透過偏光観察した外観図であり、(a)は、従来のコング
ルエント組成LN結晶基板、(b)は、定比組成に近いLN結
晶基板を示す。
透過偏光観察した外観図であり、(a)は、従来のコング
ルエント組成LN結晶基板、(b)は、定比組成に近いLN結
晶基板を示す。
【図２】結晶組成と分極反転部を伝搬した結晶内部のロ
スの関係を示したグラフ。
スの関係を示したグラフ。
【図３】熱処理温度と分極反転部を通過した結晶内部の
伝搬ロスの関係を示したグラフ。
伝搬ロスの関係を示したグラフ。
【図４】本発明の一実施例の光波長変換素子を示す概念
図。
図。
【図５】基本入力光とＳＨＧ光出力の関係を示したグラ
フ。
フ。
【図６】本発明の一実施例の集光素子を示す概念図。
【図７】本発明の一実施例の偏向素子を示す概念図。
１ コングルエント組成LT単結晶基板＋ｚ面
２ 周期的分極反転部
３ 光学歪み
４ 定比組成に近いLT単結晶基板＋ｚ面
５ 周期的分極反転部
６ 定比組成に近いLT単結晶基板
７ 分極反転領域
８ 周期的分極反転幅
９ 波長可変レーザ
１０ レンズ
１１ 定比組成に近いLT単結晶基板
１２ 半導体レーザ
１３ 分極反転領域
１４ レンズ
１５ 印加電圧
１６ 定比組成に近いLT単結晶基板
１７ 半導体レーザ
１８ 分極反転領域
１９ プリズム
２０ 印加電圧
フロントページの続き
(73)特許権者 500400755
中村 優
茨城県つくば市吾妻一丁目406号棟402号
(72)発明者 古川 保典
茨城県つくば市並木１丁目１番 科学技
術庁無機材質研究所内
(72)発明者 北村 健二
茨城県つくば市並木１丁目１番 科学技
術庁無機材質研究所内
(72)発明者 竹川 俊二
茨城県つくば市並木１丁目１番 科学技
術庁無機材質研究所内
(72)発明者 中村 優
茨城県つくば市並木１丁目１番 科学技
術庁無機材質研究所内
(56)参考文献 特開 平６−16500（ＪＰ，Ａ)
北村健二，強誘電体光学結晶のブレー
クスルー，応用物理，2000年 ５月10
日，第69巻、第５号，ｐ．511−516
Ｍ．Ｙａｍａｄａ， ｅｔ．ａ
ｌ．，，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，1996年12月 ９
日，Ｖｏｌ．69， Ｎｏ．24，ｐ．3659
−3661
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02F 1/35 - 1/37
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (11)
- 【請求項１】 強誘電体単結晶基板の一部に、電子ビー
ム走査照射法または電圧印加法を用いてキュリー温度以
下の温度で分極反転構造を形成し、この分極反転部を通
過した光を制御する光機能素子であって、該単結晶はLi
TaO3結晶であり、該LiTaO3結晶は、Li/Taのモル比が0.9
5 〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO 3 結晶を単一分域化する
ための熱処理が施された後に、該 LiTaO 3 結晶の光学的歪
みを緩和するための、さらなる熱処理が施されていない
か、または、100℃以下の温度で熱処理が施されてお
り、該Li/Taのモル比は、該分極反転構造を形成直後の
分極反転部を通過させた光の伝搬ロスが2％以下の所望
の値となるように、該 0.95 〜 1.02 の範囲から選択される
ことを特徴とする光機能素子。 - 【請求項２】 強誘電体単結晶基板の一部に、電子ビー
ム走査照射法または電圧印加法を用いてキュリー温度以
下の温度で分極反転構造を形成し、この分極反転部を通
過した光を制御する光機能素子であって、該単結晶はLi
TaO3結晶であり、該LiTaO3結晶は、Li/Taのモル比が0.9
5 〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO 3 結晶を単一分域化する
ための熱処理が施された後に、該 LiTaO 3 結晶の光学的歪
みを緩和するための、さらなる熱処理が施されていない
か、または、100℃以下の温度で熱処理が施されてお
り、該Li/Taのモル比は、分極反転境界部の屈折率変化
が1×10-4以下の所望の値となるとなるように、該 0.95
〜 1.02 の範囲から選択されることを特徴とする光機能素
子。 - 【請求項３】 前記光機能素子に用いる強誘電体単結晶
基板は、原料連続供給二重るつぼで育成されることを特
徴とする請求項１または２に記載の光機能素子。 - 【請求項４】 前記光機能素子に用いる強誘電体単結晶
基板は、原料連続供給二重るつぼで育成したMg,Zn,Sc,I
nから選ばれる少なくとも一つの元素を0.1〜4.8モル％
ドーピングして含有するLi/Taのモル比が0.95〜1.00の
範囲のLiTaO3結晶であることを特徴とする請求項３に記
載の光機能素子。 - 【請求項５】 両面光学研磨された厚み0.30mm〜5.0mmの
強誘電体単結晶基板の一部に、1.5〜3kV/mmの電界を印
加する電圧印加法を用いてキュリー温度以下の温度で分
極反転構造を形成し、非線形光学効果を利用して周期的
反転分極構造を持つ単結晶内に入射したレーザ光の波長
変換を行う光波長変換素子であって、該単結晶はLiTaO3
結晶であり、該LiTaO3結晶は、Li/Taのモル比が0.95 〜
1.02 の範囲であり、該 LiTaO 3 結晶を単一分域化するため
の熱処理が施された後に、該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを
緩和するための、さらなる熱処理が施されていないか、
または、100℃以下の温度で熱処理が施されており、該L
i/Taのモル比は、該分極反転構造を形成直後の分極反転
部を通過させたレーザ光の伝搬ロスが2％以下、かつ分
極反転境界部の屈折率変化が1×10-4以下の所望の値と
なるように、該 0.95 〜 1.02 の範囲から選択されることを
特徴とするレーザ光の波長変換素子。 - 【請求項６】 前記強誘電体単結晶基板の厚みが1.0mm〜
5.0mmであることを特徴とする請求項５に記載のレーザ
の波長変換素子。 - 【請求項７】 レーザ光の偏向または集光を制御する光
機能素子であって、両面光学研磨された厚み 0.20mm 〜 3.
0mm の、 1.5 〜 3kV/mm のパルス状の電圧を印加する電圧印
加法を用いてキュリー温度以下の温度で形成された分極
反転部と非分極反転部とを有し、該分極反転部の形状
は、プリズム状またはレンズ状である、強誘電体単結晶
基板と、 該光学研磨された面それぞれの該分極反転部に形成され
た電極と、 該電極を介して該分極反転部にパルス状の電圧を印加す
る電源とを備え、 該強誘電体単結晶基板は、 LiTaO 3 結晶であり、該 LiTaO 3
結晶は、 Li/Ta のモル比が 0.95 〜 1.02 の範囲であり、該 L
iTaO 3 結晶を単一分域化するための熱処理が施された後
に、該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを緩和するための、さら
なる熱処理が施されていないか、または、 100 ℃以下の
温度で熱処理が施されており、該 Li/Ta のモル比は、該
分極反転部の形成直後に該分極反転部を通過した該レー
ザ光の伝搬ロスが 2 ％以下、かつ、該分極反転部と該非
分極反転部との境界における該レーザ光の屈折率変化が
1 × 10 -4 以下となるように、該 0.95 〜 1.02 の範囲から選
択され、 該パルス状の電圧を印加する電源が該分極反転部に電圧
を印加することによって、該強 誘電体単結晶基板に生じ
る電気光学効果に基づいて、該分極反転部において該強
誘電体単結晶基板に入射された該レーザ光が偏向する
か、または、該レーザ光が集光する、光機能素子 。 - 【請求項８】 電子ビーム走査照射法または電圧印加法
によりキュリー温度以下の温度での分極反転構造を形成
する強誘電体単結晶基板であって、該単結晶基板はLiTa
O3結晶であり、該LiTaO3結晶は、Li/Taのモル比が0.95
〜 1.02 の範囲であり、該 LiTaO 3 結晶を単一分域化するた
めの熱処理が施された後に、該 LiTaO 3 結晶の光学的歪み
を緩和するための、さらなる熱処理が施されていない
か、または、100℃以下の温度で熱処理が施されてお
り、該Li/Taのモル比は、該分極反転構造を形成直後の
分極反転部を通過させた光の伝搬ロスが2％以下、かつ
分極反転境界部の屈折率変化が1×10-4以下の所望の値
となるように、該 0.95 〜 1.02 の範囲から選択されること
を特徴とする分極反転部を通過した光を制御する光機能
素子用単結晶基板。 - 【請求項９】 強誘電体単結晶基板の一部に、電子ビー
ム走査照射法または電圧印加法を用いてキュリー温度以
下の温度で分極反転構造を形成し、この分極反転部を通
過した光を制御する光機能素子の製造方法であって、該
単結晶としてLiTaO3結晶を用い、その際に、該LiTaO3結
晶のLi/Taのモル比を0.95 〜 1.02 の範囲とすることによ
って、該 LiTaO 3 結晶を単一分域化するための熱処理を施
した後に、該 LiTaO 3 結晶の光学的歪みを緩和するため
の、さらなる熱処理を施していないか、または、100℃
以下の温度で熱処理を施すことで、該分極反転構造を形
成直後の該分極反転部を通過させた該光の伝搬ロスを2
％以下の所望の値まで低減させることを特徴とする光機
能素子の製造方法。 - 【請求項１０】 両面光学研磨された厚み0.30mm〜5.0mm
の強誘電体単結晶基板の一部に、1.5〜3kV/mmの電界を
印加する電圧印加法を用いてキュリー温度以下の温度で
分極反転構造を形成し、非線形光学効果を利用して周期
的反転分極構造を持つ単結晶内に入射したレーザ光の波
長変換を行う光波長変換素子の製造方法であって、該単
結晶としてLiTaO3結晶を用い、該LiTaO3結晶のLi/Taの
モル比を0.95 〜 1.02 の範囲とすることによって、該 LiTa
O 3 結晶を単一分域化するための熱処理を施した後に、該
LiTaO 3 結晶の光学的歪みを緩和するための、さらなる熱
処理を施していないか、または、100℃以下の温度で熱
処理を施すことで、該分極反転構造を形成直後の分極反
転部を通過させたレーザ光の伝搬ロスを2％以下、かつ
分極反転境界部の屈折率変化を1×10-4以下の所望の値
まで低減させることを特徴とするレーザ光の波長変換素
子の製造方法。 - 【請求項１１】 両面光学研磨された厚み0.2mm〜3.0mm
の強誘電体単結晶基板の一部に、1.5〜3kV/mmのパルス
状の電圧を印加する電圧印加法を用いてキュリー温度以
下の温度で分極反転構造を形成し、電気光学効果を利用
してプリズムまたはレンズ形状に反転した分極構造を持
つ単結晶内に入射されたレーザ光の偏向または集光を制
御する光機能素子の製造方法であって、該単結晶として
LiTaO3結晶を用い、該LiTaO3結晶のLi/Taのモル比を0.9
5 〜 1.02 の範囲とすることによって、該 LiTaO 3 結晶を単
一分域化するための熱処理を施した後に、該 LiTaO 3 結晶
の光学的歪みを緩和するための、さらなる熱処理を施し
ていないか、または、100℃以下の温度で熱処理を施す
ことで、該分極反転構造を形成直後の分極反転部を通過
させたレーザ光の伝搬ロスを2％以下、かつ分極反転境
界部の屈折率変化を1×10-4以下の所望の値まで低減さ
せることを特徴とするレーザ光の偏向または集光を制御
する光機能素子の製造方法。
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| 北村健二，強誘電体光学結晶のブレークスルー，応用物理，２０００年 ５月１０日，第６９巻、第５号，ｐ．５１１−５１６ |
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