JP4067039B2 - 周期分極反転構造の形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば擬似位相整合方式の第二高調波発生デバイスに適した光導波路素子の製造に利用できる、周期分極反転構造の形成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光情報処理技術全般において、高密度光記録を実現するためには、波長４００−４３０ｎｍ程度の青色光を，３０ｍＷ以上の出力で安定的に発振する青色光レーザーが要望されており、開発競争が行われている。青色光光源としては、赤色光を基本波として発振するレーザーと、疑似位相整合方式の第二高調波発生素子とを組み合わせた光導波路型の波長変換素子が期待されている。
【０００３】
このような素子を製造するためには、所定の周期を有する周期分極反転構造を素子内に形成することが必要である。この方法としては、いわゆる電圧印加法が知られている。図１７は、電圧印加法によって、強誘電体単結晶基板４内に周期分極反転構造を形成するプロセスを模式的に示す斜視図である。
【０００４】
この方法においては、強誘電体単結晶からなるオフカット基板４を使用する。基板４の表面４ａに第一の電極３０および第三の電極３１を形成し、裏面４ｂに第二の電極（一様電極）８Ａを形成する。第一の電極３０は、複数の周期的に配列された細長い電極片２と、多数の電極片を接続する細長い給電電極１とからなる。第三の電極３１は細長い対向電極片５からなっており、対向電極片５は、電極片２の先端に対向するように設けられている。
【０００５】
この基板を構成する強誘電体単結晶の分極方向Ｂは、主面４ａ、４ｂに対して所定角度、例えば５°傾斜しているので、オフカット基板と呼ばれている。最初に基板４の全体を１５Ｂの方向に分極させておく。そして、例えば電極３０と３１との間にＶ１の電圧を印加し、電極３０と電極８Ａとの間にＶ２の電圧を印加すると、各電極片２の先端から分極反転部３３が矢印Ｂと平行に徐々に進展する。分極反転部３３における分極方向１５Ａは、１５Ｂとは正反対になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、電圧印加法によって、例えばニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶基板に周期分極反転構造を形成しようと試みてきた。しかし、この過程で、電極片の先端から十分な深さの分極反転部を形成できるようなパルス電圧を印加すると、強誘電体単結晶基板（あるいはウエハー）にダメージが発生することがあった。このダメージは、例えば図１６に丸印中に示すようなダメージである。こうした強誘電体単結晶のダメージは、素子特性や他のプロセスに悪影響を及ぼす。具体的には、第二高調波発生素子（ＳＨＧ素子）を作製すると、第二高調波出力の低下および歩留りの低下が生ずる。また、光導波路を加工によって形成した後には、ＫＯＨなどによってエッチング洗浄を行う。この際、ダメージ個所からＫＯＨエッチャントがしみ込み、アンダークラッドであるＳｉＯ２層を侵食することがあった。
【０００７】
本発明の課題は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、強誘電体単結晶基板内に周期分極反転構造を形成するのに際して、電圧印加の際に強誘電体単結晶にダメージが発生するのを抑制することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下、各態様の発明について、図面を参照しつつ順次説明する。
【０００９】
第一の態様に係る発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、給電電極のプロービングパッドとは反対側の終端部に電極片の幅よりも大きい幅を有する拡幅片部を備えていることを特徴とする。
【００１０】
この態様において好ましくは、拡幅片部の末端のコーナー部の輪郭が湾曲している。
【００１１】
最初に、本発明者は、図１５に示すような設計の電極を用い、電圧印加法によって周期分極反転構造を形成した。ここで、強誘電体単結晶基板の裏面側の第二の電極は、裏面全体に設けられた一様電極８Ａである（図１７参照）。第一の電極３０および第三の電極３１の平面的パターンを図１５に示す。第一の電極３０においては、複数列、例えば３列の細長い給電電極１Ａ、１Ｂ、１Ｃの各終端部が、共通のプロービングパッド６に対して接続されている。各給電電極１Ａ、１Ｂ、１Ｃには、それぞれ多数の細長い電極片２が形成されている。これらの電極片２は、目的とする周期分極反転構造の周期に合わせて一定周期で形成されており、給電電極の長手方向へと向かって多数配列されており、これによって電極片配列体３２を構成している。３２ａは、電極片配列体３２の一方の終端部であり、３２ｂは、電極片配列体３２の他方の終端部である。
【００１２】
第三の電極３１は、複数列、例えば４列の対向電極片５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄと、これらの対向電極片に接続されている共通の給電電極１０とを備えている。各対向電極片５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、それぞれ、各電極片配列体３２と所定間隔をおいて対向している。対向電極片５Ｄは給電電極１Ｃと対向している。
【００１３】
本発明者は、第三の電極３１を浮動状態とし、第一の電極と第二の電極との間に数ｋＶのパルス状の電圧を印加し、周期分極反転構造の形成を試みた。ところが、強誘電体単結晶内にダメージが発生することがあった。例えば図１６に示すように、電極片配列体３２のプロービングパッド６と反対側の終端部３２ｂ付近、給電電極１Ａ、１Ｂ、１Ｃのプロービングパッド６側と反対側の終端部１ｂにおいて、ウエハーにダメージが生じることがあった。
【００１４】
なお、図１６においては、電極片配列体の終端部３２ｂ付近の写真を示す。この写真を撮影する際には、周期分極反転構造を形成した後に、フッ硝酸によってウエハーの表面をエッチングし、電極３０、３１を取り除いてある。また、強誘電体単結晶は、ＭｇＯが５％添加されたLiNbO3である。この写真において、丸印の黒く観察されているところがダメージである。
【００１５】
第一の態様においては、例えば図１に示すように、第一の電極において、周期的に配列された複数の電極片２からなる電極片配列体３２、電極片２に対して給電するための給電電極１、および給電電極１に対して接続されているプロービングパッドを設ける。この際、給電電極１のプロービングパッドとは反対側の終端部１ｂに、電極片２の幅ａよりも大きい幅ｂを有する拡幅片部７を設ける。好ましくは、拡幅片部のコーナー部７ａ、７ｂの輪郭を湾曲させ、角をとった。
【００１６】
このような形状とすることで、電圧印加の際に、電極片配列体３２の終端部３２ｂおよび給電電極１の終端部１ｂ付近における電荷の集中が緩和され、ダメージを回避することが可能となった。
【００１７】
図２には、図１６と同様の写真を示す。ここで、図１に示すような形態の第一の電極を使用しており、強誘電体単結晶は、ＭｇＯが５％添加されたLiNbO3である。図１６において観察された黒いダメージが生じていないことを確認できる。なお、この実施例においては、各電極片２の幅ａを０．３μｍとし、周期Λを２．８μｍとし、長さを１００μｍとした。また、拡幅片部７の幅ｂを５０μｍとした。コーナー部７ａ、７ｂの輪郭は、長径１００μｍ、短径５０μｍの楕円状とした。拡幅片部７の長さは１００μｍであり、電極片２の長さと同じである。
【００１８】
第一の態様の発明においては、拡幅片部７の幅ｂと電極片２の幅ａとの比率ｂ／ａは、ダメージ防止という観点からは30以上であることが好ましく、100以上であることが更に好ましい。ｂ／ａの上限は特にないが、拡幅片部７の幅をある程度以上大きくしても、ダメージ防止の効果への寄与は少なく、かえって材料の無駄が生ずるので、この観点からはｂ／ａは1000以下であることが好ましい。
【００１９】
コーナー部７ａ、７ｂの輪郭の形態は、湾曲していれば特に限定されない。しかし、真円形、楕円形、レーストラック形状、放物線、正弦曲線（余弦曲線）であることが好ましい。また、この輪郭の曲率半径は、2〜50μｍとすることが好ましい。
【００２０】
第二の態様に係る発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、給電電極のプロービングパッドとは反対側の終端部の外側に、給電電極と接続されていない浮動電極を備えていることを特徴とする。
【００２１】
好適な実施形態においては、複数の浮動電極が、電極片の配列方向に向かって配列されている。
【００２２】
図３は、この実施形態において、給電電極１のプロービングパッドとは反対側の終端部１ｂおよびその周辺の平面的パターンを示す。本例においては、電極片配列体３２の終端部３２ｂの外側に、給電電極１に対して接続されていない細長い浮動電極３Ａ〜３Ｆが形成され、配列されている。各浮動電極は細長いストライプ状である。そして、複数の浮動電極３Ａ、３Ｆが、電極片２の配列方向Ａに向かって配列されている。
【００２３】
このようなパターンであっても、給電電極の終端部１ｂおよび電極片配列体３２の終端部３２ｂの周辺の電気抵抗が大きくなり、電荷の集中が緩和され、ダメージを回避することが可能となった。
【００２４】
図４には、図１６と同様の写真を示す。ここで、図３に示すような形態の第一の電極を使用しており、強誘電体単結晶は、ＭｇＯが５％添加されたLiNbO3である。図１６において観察された黒いダメージが生じていないことを確認できる。なお、この実施例においては、各電極片２の幅ａを０．３μｍとし、周期Λを２．８μｍとし、長さを１００μｍとした。また、浮動電極３Ａ〜３Ｆの幅を０．３μｍとし、周期を２．８μｍとした。浮動電極３Ａの長さｄｍを150μｍとし、最も外側の浮動電極３Ｆの長さｄｅを50μｍとした。ただし、浮動電極３Ａから最も外側の浮動電極３Ｆまでの合計距離は100μｍであり、従って浮動電極の本数は６本ではないことを注意する。
【００２５】
第二の態様の発明においては、浮動電極の長さｄが、給電電極に最も近い浮動電極３Ａから末端の浮動電極３Ｆへと向かって小さくなっていることが好ましい。これによって、末端の浮動電極３Ｆに近づくのにつれて電気抵抗が増大し、電荷の局部的な集中を抑制するのに効果的である。
【００２６】
この場合には、給電電極１に最も近い浮動電極３Ａの長さｄｍと、末端の浮動電極３Ｆの長さｄｅとの比率ｄｍ／ｄｅは、電荷の局部的な集中を抑制するという観点からは1.2以上であることが好ましく、3.0以上であることが更に好ましい。
【００２７】
また、好適な実施形態においては、複数の浮動電極の各端部を結ぶ仮想線が、給電電極に最も近い浮動電極から最も遠い浮動電極へと向かって湾曲している。例えば、図５に示す例では、浮動電極３Ａ〜３Ｇの各端部を結ぶ仮想線３５が、給電電極１に最も近い浮動電極３Ａから末端の浮動電極３Ｇへと向かって湾曲している。この湾曲形状は特に限定されない。しかし、真円形、楕円形、レーストラック形状、放物線、正弦曲線（余弦曲線）であることが好ましい。この場合には、浮動電極における電気抵抗値が末端の浮動電極へと向かって段階的に増大するので、電荷の局部的な集中を抑制するという観点からは一層好ましい。
【００２８】
また、好適な実施形態においては、複数の浮動電極の幅が、給電電極に最も近い浮動電極から末端の浮動電極へと向かって小さくなっている。この場合にも、浮動電極における電気抵抗値が末端の浮動電極へと向かって増大するので、電荷の局部的な集中を抑制するという観点から好ましい。例えば、図６に示す例においては、浮動電極の幅ｅが、給電電極１に最も近い浮動電極から末端の浮動電極へと向かって小さくなっている。
【００２９】
本実施形態においては、給電電極１に最も近い浮動電極３Ａの幅ｅｍと、末端の浮動電極３Ｇの幅ｅｅとの比率ｅｍ／ｅｅは、電荷の局部的な集中を抑制するという観点からは1.5以上であることが好ましく、3.0以上であることが更に好ましい。
【００３０】
また、好適な実施形態においては、隣接する浮動電極の間隔が、給電電極に最も近い浮動電極から最も遠い浮動電極へと向かって大きくなっている。この場合にも、浮動電極における電気抵抗値が末端の浮動電極へと向かって増大するので、電荷の局部的な集中を抑制するという観点から好ましい。例えば、図７に示す例においては、隣接する浮動電極の間隔ｆが、給電電極に最も近い浮動電極から末端の浮動電極へと向かって大きくなっている。
【００３１】
本実施形態においては、給電電極１に最も近い浮動電極３Ａと隣接の浮動電極３Ｂとの間隔ｆｍと、末端の浮動電極３Ｅと隣接の浮動電極３Ｄとの間隔ｆｅとの比率ｆｍ／ｆｅは、電荷の局部的な集中を抑制するという観点からは1.2以上であることが好ましく、2以上であることが更に好ましい。
【００３２】
本発明外の参考態様では、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、基板の裏面上に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する。第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、一表面に第一の電極と第二の電極とを投影したときに、第二の電極の少なくとも一方の終端部が電極片配列体の終端の内側に配置されていることを特徴とする。
【００３３】
図８、図９を参照しつつ、本態様の発明について更に説明する。本例では、強誘電体単結晶からなるオフカット基板４を使用する。基板４の表面４ａに第一の電極３０および第三の電極３１を形成し、裏面４ｂに第二の電極（一様電極）８を形成する。第一の電極３０は、複数の周期的に配列された細長い電極片２と、多数の電極片を接続する細長い給電電極１と、給電電極１の終端部に接続されたプロービングパッド６とを備えている。第三の電極は細長い対向電極片５からなっており，対向電極片５は、電極片２の先端に対向するように設けられている。
【００３４】
ここで、裏面上の第二の電極８の形態を図９に点線で示す。そして、第一の電極および第二の電極を共通の平面４ａに投影すると、第二の電極８の終端部８ａ、８ｂが、電極片配列体３２の終端部３２ａ、３２ｂの内側に配置されている。なお、この要件は、第二の電極８の終端部８ａで満足されているか、あるいは、終端部８ｂで満足されていれば良い。
【００３５】
このように構成することで、表面電極３０と裏面電極８との間で電圧を印加したときに、電極片配列体３２の終端部３２ａ、３２ｂにおいて裏面の電極８との重複がないので、終端部３２ａ、３２ｂに電荷が集中しにくく、ダメージを回避することが可能である。
【００３６】
終端部３２ａと８ａとの間隔、あるいは、終端部３２ｂと８ｂとの間隔ｇは、終端部における電荷の集中を抑制し、ダメージを防止するという観点からは、０．６ｍｍ以上が好ましく、１．０ｍｍ以上が更に好ましい。
【００３７】
本発明外の他の参考態様では、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、基板の裏面上に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する。第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、一表面に第三の電極が設けられており、この第三の電極が、電極片配列体と対向する対向電極片を備えており、対向電極片の少なくとも一方の終端が電極片配列体の終端の内側に配置されている。
【００３８】
この態様において好ましくは、第三の電極が、対向電極片に接続されている導電性接続部を備えている。
【００３９】
このような構成することで、電極片配列体の終端部およびその周辺における電荷の集中を抑制でき、これによって強誘電体単結晶のダメージを防止できる。
【００４０】
図１０は、この態様の実施例の電極パターンを示す。第一の電極３０が、周期的に配列された複数の電極片２からなる電極片配列体３２、電極片２に対して給電するための給電電極１Ａ、１Ｂ、および給電電極１Ａ、１Ｂに対して接続されているプロービングパッド６を備えている。また、第三の電極３１が、電極片配列体３２と対向する対向電極片５Ａ、５Ｂと、対向電極片に接続されている導電性接続部１０を備えている。対向電極片５Ａ、５Ｂの少なくとも一方の終端部５ａが電極片配列体３２の終端部３２ａの内側に配置されている。これによって、電極片配列体３２の終端部３２ａにおいて電荷が集中しにくく、ダメージを回避することが可能である。
【００４１】
終端部３２ａと５ａとの間隔ｈは、終端部における電荷の集中を抑制し、ダメージを防止するという観点からは、０．６ｍｍ以上が好ましく、１．０ｍｍ以上が更に好ましい。
【００４２】
本態様の好適な実施形態においては、対向電極片の両方の終端部が、それぞれ、電極片配列体の両方の終端の内側に配置されている。
【００４３】
図１１はこの実施形態に係るものである。第一の電極３０が、周期的に配列された複数の電極片２からなる電極片配列体３２、電極片２に対して給電するための給電電極１Ａ、１Ｂ、給電電極１Ａ、１Ｂに対して接続されている一方のプロービングパッド６Ａ、および、給電電極１Ａ、１Ｂに対して接続されている他方のプロービングパッド６Ｂを備えている。また、対向電極片５Ａ、５Ｂが、それぞれ各電極片配列体３２に対向するように設けられている。対向電極片５Ａと５Ｂとに電力を供給する共通の導電性接続部は存在しない。こうした構成によれば、電極片配列体３２の終端部３２ａ、３２ｂにおいて電荷が集中しにくく、ダメージを回避することが可能である。
【００４４】
終端部３２ａ、３２ｂと５ａ、５ｂとの間隔ｈは、終端部における電荷の集中を抑制し、ダメージを防止するという観点からは、０．６ｍｍ以上が好ましく、１．０ｍｍ以上が更に好ましい。
【００４５】
本態様においては、対向電極片に対しても電圧を印加することができるが、対向電極片を浮動状態とすることが特に好ましい。
【００４６】
本発明外の参考態様に係る発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、基板の裏面上に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、給電電極の一方の終端に対して接続されている一方のプロービングパッド、および給電電極の他方の終端に対して接続されている他方のプロービングパッドを備えており、一表面に第三の電極が設けられており、この第三の電極が、電極片配列体と対向する対向電極片を備えており、この対向電極片が、一方のプロービングパッドと他方のプロービングパッドとの間に設置されている。本態様の発明の実例は図１１に示した。
【００４７】
本態様において好ましくは、対向電極片の少なくとも一方の終端が電極片配列体の終端の内側に配置されている。特に好ましくは、対向電極片の両方の終端が、それぞれ、電極片配列体の両方の終端の内側にそれぞれ配置されている。
【００４８】
本発明外の更に他の態様に係る発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、電極片配列体の少なくとも一方の終端部において、電極片の長さが、末端の電極片へと向かって小さくなっている。
【００４９】
この発明も、電極片配列体の少なくとも一方の終端部における電荷の集中を抑制し、強誘電体単結晶のダメージを防止する上で有効である。
【００５０】
図１２はこの態様の実例を示す。第一の電極３０は、周期的に配列された複数の電極片２からなる電極片配列体３２、電極片２に対して給電するための給電電極１、および給電電極１に対して接続されているプロービングパッド６を備えている。電極片配列体３２の少なくとも一方の終端部３２ａにおいて、電極片２Ｃの長さが、末端の電極片２Ｄへと向かって小さくなっている。
【００５１】
本態様においては、プロービングパッドから十分に離れた電極片の高さｊｍと、プロービングパッド６に最も近い電極片２Ｄの高さｊｅとの比率ｊｍ／ｊｅは、電荷の局部的な集中を抑制するという観点からは5以上であることが好ましく、10以上であることが更に好ましい。
【００５２】
好ましくは、終端部において、複数の電極片２Ｃの各端部を結ぶ仮想線１１が、末端の電極片２Ｄへと向かって湾曲している。この設計は、終端部における電荷の集中を抑制する上で一層効果的である。この湾曲形状は、特に限定されない。しかし、真円形、楕円形、レーストラック形状、放物線、正弦曲線（余弦曲線）であることが好ましい。また、この仮想線の湾曲の曲率半径は、10〜100μｍとすることが好ましい。
【００５３】
本発明外の更に他の態様に係る発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板上に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、プロービングパッドの末端のコーナー部の輪郭が湾曲していることを特徴とする。これによって、プロービングパッドの末端のコーナー部における電荷の集中を抑制し、強誘電体単結晶のダメージを防止するのに有効である。
【００５４】
図１３の例においては、プロービングパッド６Ｃの各コーナー部６ａ、６ｂの輪郭が湾曲している。この湾曲形状は、特に限定されない。しかし、真円形、楕円形、レーストラック形状、放物線、正弦曲線（余弦曲線）であることが好ましい。また、この湾曲の曲率半径は、20〜200μｍとすることが好ましい。
【００５５】
図１４には、図１６と同様の写真を示す。ここで、図１３に示すような形態の第一の電極を使用しており、強誘電体単結晶は、ＭｇＯ５％ドープしたニオブ酸リチウム単結晶である。図１６において観察された黒いダメージが生じていないことを確認できる。なお、この実施例においては、各電極片２の幅ａを０．３μｍとし、周期Λを２．８μｍとし、長さを１００μｍとした。また、プロービングパッド６Ｃのコーナー部６ａ、６ｂの曲率半径Ｒを100μｍとした。
【００５６】
上記した第一〜第二の各態様に係る発明は、互いに任意に組み合わせることが可能であり、これによって、第一の電極の全体にわたって、強誘電体単結晶のダメージを一層効果的に抑制できる。
【００５７】
更に、本発明は、前記のいずれかの方法によって形成されたことを特徴とする、周期分極反転構造に係るものであり、またこのような周期分極反転構造を有する光導波路素子に関するものである。このような周期分極反転構造は、ダメージが少なく、あるいはダメージが防止されているので、光損失が少ない良好なものである。
【００５８】
この光導波路素子の用途は限定されないが、疑似位相整合方式の波長変換素子として利用可能である。このような素子は、波長変換の際の変換効率が高いものである。以下、好適な波長変換素子の概略を述べる。
【００５９】
例えば図１７に示すようにして、電圧印加法によって、強誘電体単結晶基板４内に分極反転部３３を形成する。この際、強誘電体単結晶の種類は限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５の各単結晶が特に好ましい。
【００６０】
強誘電体単結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。
【００６１】
分極反転特性（条件）が明確であるとの観点からは、ニオブ酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶、又はこれらにマグネシウムを添加したものが特に好ましい。
【００６２】
強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
【００６３】
周期分極反転構造を形成するためのマスクパターンを形成する材質としては、レジスト、ＳｉＯ２、Ｔａ等を例示できる。マスクパターンを形成する方法としては、フォトリソグラフィー法を例示できる。
【００６４】
電圧印加法において使用する電極の材質としては、Al、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr、Pd、Taが好ましい。
【００６５】
次いで、図１８に示すように、周期分極反転構造２０に沿って、光導波路２１を基板内に形成できる。この形成方法は特に限定されないが、チタン内拡散法、プロトン交換法が好ましい。
【００６６】
他の方法においては、図１９に示すように、基板４の表面４ａに、固定用基板２３を接合層２２を介して接合する。好ましくは、この前に基板４から第一の電極、第二の電極、第三の電極を除去しておく。また、接合前に基板4の接合面側にSiO2を成膜しておいてもよい。SiO2を成膜することで、接合材の光吸収を低減することができ、光導波路の低損失化が行える。図１９の段階では、基板４の表面４ａの近傍に周期分極反転構造２０が形成されている。
【００６７】
次いで、図２０に示すように、基板４の裏面４ｂ側を研削加工し、基板４Ａを薄くする。この段階では、光を厚さ方向に閉じ込め得る寸法まで基板４Ａを薄くすることは困難である。このため、図２１に示すように、リッジ型の光導波路２４を残して基板４Ａを加工し、除去する。この段階では、非常に薄い平板部２６が残る。２６ａは加工面である。この加工の際に光導波路２４の厚さを調節する。こうした加工は、例えばダイシング加工装置やレーザー加工装置によって可能であるが、ダイシング加工のような機械的加工が好ましい。
【００６８】
上記の実施形態においては、基板４を接合層２２によって固定用基板２３に対して接着している。この場合には、接合層の屈折率は基板４の屈折率よりも低いことが好ましく、また接合層が非晶質であることが好ましい。接合層の屈折率と基板４の屈折率との屈折率差は、５％以上であることが好ましく、１０％以上であることが更に好ましい。
【００６９】
接合層２２の材質は、有機樹脂やガラス（特に好ましくは低融点ガラス）が好ましい。有機樹脂としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン樹脂等を例示できる。ガラスとしては、酸化珪素を主成分とする低融点ガラスが好ましい。
【００７０】
固定用基板２３の材質は特に限定されず、所定の構造強度を有していればよい。ただし、光導波路と熱膨張係数等の物性値が近い方が好ましく、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５の各単結晶が特に好ましい。
【００７１】
また、高調波発生装置は、少なくとも前記波長変換素子と、この波長変換素子に対して励起光を入力する入力手段とを備えていれば成立する。こうした入力手段としては、例えば半導体レーザーがあるが、限定はされない。
【００７２】
本発明の素子を第二高調波発生装置として使用した場合には、高調波の波長は３３０−１６００ｎｍが好ましく、４００−４３０ｎｍが特に好ましい。
【００７３】
上記の各例においては、強誘電体単結晶基板を、例えば５°オフカット基板としたが、このオフカット角度は特に限定されない。特に好ましくは、オフカット角度は1°以上であり、あるいは、20°以下である。
【００７４】
また、いわゆるＸカット基板、Ｙカット基板、Ｚカット基板を使用可能である。Ｘカット基板やＹカット基板を使用する場合には、図１７に示すように、第二の電極を裏面４ｂに設けず、一表面４ａ上に設け、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加することができる。この場合には、第三の電極３１はなくともよいが、浮動電極として残しておいても良い。また、Ｚカット基板を使用する場合には、第二の電極を裏面４ｂ上に設け、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加することができる。この場合には、第三の電極３１は必ずしも必要ないが、浮動電極として残しておいても良い。
【００７５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成するのに際して、電圧印加の際に強誘電体単結晶にダメージが発生するのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の電極のパターンの一例を示しており、電極片配列体３２の終端部３２ｂ側に、電極片２よりも幅の大きい拡幅片部７が設けられている。
【図２】図１の電極を使用して形成した周期分極反転構造について、エッチング後の外観を示す写真である。
【図３】第一の電極のパターンの一例を示しており、電極片配列体３２の終端部３２ｂから外側に、複数の浮動電極３Ａ〜３Ｆが配列されている。
【図４】図３の電極を使用して形成した周期分極反転構造について、エッチング後の外観を示す写真である。
【図５】第一の電極のパターンの一例を示しており、電極片配列体３２の周期分極反転構造３２ｂから外側に複数の浮動電極３Ａ〜３Ｇが配列されており、各浮動電極の端部を結ぶ仮想線３５が湾曲している。
【図６】第一の電極のパターンの一例を示しており、電極片配列体３２の周期分極反転構造３２ｂから外側に複数の浮動電極３Ａ〜３Ｇが配列されており、各浮動電極の幅が末端の浮動電極３Ｇへと向かって狭くなっている。
【図７】第一の電極のパターンの一例を示しており、電極片配列体３２の終端部３２ｂから外側に複数の浮動電極３Ａ〜３Ｅが配列されており、各浮動電極間の間隔ｆが末端の浮動電極３Ｅへと向かって狭くなっている。
【図８】第一の電極、第二の電極、第三の電極のパターン例を示す斜視図である。
【図９】図８に示した第一の電極３０および第二の電極３１の平面的パターンと、第三の電極８の平面的パターンとを対比して示す。
【図１０】第一の電極３０および第二の電極３１のパターンを示しており、対向電極片５Ａ、５Ｂの一方の終端部５ａが、電極片配列体３２の終端部３２ａに比べて内側に位置している。
【図１１】第一の電極３０および第二の電極３１のパターンを示しており、対向電極片５Ａ、５Ｂの両方の終端部５ａ、５ｂが、それぞれ、電極片配列体３２の終端部３２ａ、３２ｂに比べて内側に位置している。
【図１２】第一の電極３０のパターンを示しており、電極片配列体３２の終端部３２ａにおいて電極片２Ｃの幅が小さくなっている。
【図１３】第一の電極３０のパターンを示しており、プロービングパッド６Ｃのコーナー部６ａ、６ｂの輪郭が湾曲している。
【図１４】図１３の電極を使用して形成した周期分極反転構造について、エッチング後の外観を示す写真である。
【図１５】参考例の第一の電極３０および第三の電極３１のパターンを示す。
【図１６】図１５の電極を使用して形成した周期分極反転構造について、エッチング後の外観を示す写真である。
【図１７】強誘電体単結晶基板４内に周期分極反転構造を形成するために、電圧印加法を実施している状態を模式的に示す。
【図１８】基板４内に形成された光導波路２１のパターンを示す。
【図１９】周期分極反転構造２０の形成された基板４と固定用基板２３との接合体を示す。
【図２０】図１９の基板４を研削加工した後の状態を示す。
【図２１】図２０の基板４Ａを更に加工し、リッジ構造の光導波路２４を形成した状態を示す。
【符号の説明】
１ 給電電極 １ａ、１ｂ 給電電極の終端部 ２電極片 ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ 終端部の電極片 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ 浮動電極 ４、４Ａ 強誘電体単結晶基板 ４ａ 基板４の一表面 ４ｂ 基板４の裏面 ５、５Ａ、５Ｂ 対向電極片 ６ プロービングパッド ６Ａ 一方のプロービングパッド ６Ｂ 他方のプロービングパッド ６Ｃ コーナー部が湾曲しているプロービングパッド ６ａ、６ｂ 湾曲したコーナー部 ７ 拡幅片部 ７ａ、７ｂ 拡幅片部７のコーナー部
８、８Ａ 第二の電極 １０ 対向電極片の導電性接続部 １１ 電極片の端部を結ぶ仮想線 １５Ａ、１５Ｂ 分極方向 ３０第一の電極 ３１ 第三の電極 ３２ 電極片配列体 ３２ａ 電極片配列体３２のプロービングパッド側の終端部 ３２ｂ 電極片配列体３２のプロービングパッドとは反対側の終端部 ３３ 分極反転部 ３５ 浮動電極の端部を結ぶ仮想線
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば擬似位相整合方式の第二高調波発生デバイスに適した光導波路素子の製造に利用できる、周期分極反転構造の形成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光情報処理技術全般において、高密度光記録を実現するためには、波長４００−４３０ｎｍ程度の青色光を，３０ｍＷ以上の出力で安定的に発振する青色光レーザーが要望されており、開発競争が行われている。青色光光源としては、赤色光を基本波として発振するレーザーと、疑似位相整合方式の第二高調波発生素子とを組み合わせた光導波路型の波長変換素子が期待されている。
【０００３】
このような素子を製造するためには、所定の周期を有する周期分極反転構造を素子内に形成することが必要である。この方法としては、いわゆる電圧印加法が知られている。図１７は、電圧印加法によって、強誘電体単結晶基板４内に周期分極反転構造を形成するプロセスを模式的に示す斜視図である。
【０００４】
この方法においては、強誘電体単結晶からなるオフカット基板４を使用する。基板４の表面４ａに第一の電極３０および第三の電極３１を形成し、裏面４ｂに第二の電極（一様電極）８Ａを形成する。第一の電極３０は、複数の周期的に配列された細長い電極片２と、多数の電極片を接続する細長い給電電極１とからなる。第三の電極３１は細長い対向電極片５からなっており、対向電極片５は、電極片２の先端に対向するように設けられている。
【０００５】
この基板を構成する強誘電体単結晶の分極方向Ｂは、主面４ａ、４ｂに対して所定角度、例えば５°傾斜しているので、オフカット基板と呼ばれている。最初に基板４の全体を１５Ｂの方向に分極させておく。そして、例えば電極３０と３１との間にＶ１の電圧を印加し、電極３０と電極８Ａとの間にＶ２の電圧を印加すると、各電極片２の先端から分極反転部３３が矢印Ｂと平行に徐々に進展する。分極反転部３３における分極方向１５Ａは、１５Ｂとは正反対になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、電圧印加法によって、例えばニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶基板に周期分極反転構造を形成しようと試みてきた。しかし、この過程で、電極片の先端から十分な深さの分極反転部を形成できるようなパルス電圧を印加すると、強誘電体単結晶基板（あるいはウエハー）にダメージが発生することがあった。このダメージは、例えば図１６に丸印中に示すようなダメージである。こうした強誘電体単結晶のダメージは、素子特性や他のプロセスに悪影響を及ぼす。具体的には、第二高調波発生素子（ＳＨＧ素子）を作製すると、第二高調波出力の低下および歩留りの低下が生ずる。また、光導波路を加工によって形成した後には、ＫＯＨなどによってエッチング洗浄を行う。この際、ダメージ個所からＫＯＨエッチャントがしみ込み、アンダークラッドであるＳｉＯ２層を侵食することがあった。
【０００７】
本発明の課題は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、強誘電体単結晶基板内に周期分極反転構造を形成するのに際して、電圧印加の際に強誘電体単結晶にダメージが発生するのを抑制することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下、各態様の発明について、図面を参照しつつ順次説明する。
【０００９】
第一の態様に係る発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、給電電極のプロービングパッドとは反対側の終端部に電極片の幅よりも大きい幅を有する拡幅片部を備えていることを特徴とする。
【００１０】
この態様において好ましくは、拡幅片部の末端のコーナー部の輪郭が湾曲している。
【００１１】
最初に、本発明者は、図１５に示すような設計の電極を用い、電圧印加法によって周期分極反転構造を形成した。ここで、強誘電体単結晶基板の裏面側の第二の電極は、裏面全体に設けられた一様電極８Ａである（図１７参照）。第一の電極３０および第三の電極３１の平面的パターンを図１５に示す。第一の電極３０においては、複数列、例えば３列の細長い給電電極１Ａ、１Ｂ、１Ｃの各終端部が、共通のプロービングパッド６に対して接続されている。各給電電極１Ａ、１Ｂ、１Ｃには、それぞれ多数の細長い電極片２が形成されている。これらの電極片２は、目的とする周期分極反転構造の周期に合わせて一定周期で形成されており、給電電極の長手方向へと向かって多数配列されており、これによって電極片配列体３２を構成している。３２ａは、電極片配列体３２の一方の終端部であり、３２ｂは、電極片配列体３２の他方の終端部である。
【００１２】
第三の電極３１は、複数列、例えば４列の対向電極片５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄと、これらの対向電極片に接続されている共通の給電電極１０とを備えている。各対向電極片５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、それぞれ、各電極片配列体３２と所定間隔をおいて対向している。対向電極片５Ｄは給電電極１Ｃと対向している。
【００１３】
本発明者は、第三の電極３１を浮動状態とし、第一の電極と第二の電極との間に数ｋＶのパルス状の電圧を印加し、周期分極反転構造の形成を試みた。ところが、強誘電体単結晶内にダメージが発生することがあった。例えば図１６に示すように、電極片配列体３２のプロービングパッド６と反対側の終端部３２ｂ付近、給電電極１Ａ、１Ｂ、１Ｃのプロービングパッド６側と反対側の終端部１ｂにおいて、ウエハーにダメージが生じることがあった。
【００１４】
なお、図１６においては、電極片配列体の終端部３２ｂ付近の写真を示す。この写真を撮影する際には、周期分極反転構造を形成した後に、フッ硝酸によってウエハーの表面をエッチングし、電極３０、３１を取り除いてある。また、強誘電体単結晶は、ＭｇＯが５％添加されたLiNbO3である。この写真において、丸印の黒く観察されているところがダメージである。
【００１５】
第一の態様においては、例えば図１に示すように、第一の電極において、周期的に配列された複数の電極片２からなる電極片配列体３２、電極片２に対して給電するための給電電極１、および給電電極１に対して接続されているプロービングパッドを設ける。この際、給電電極１のプロービングパッドとは反対側の終端部１ｂに、電極片２の幅ａよりも大きい幅ｂを有する拡幅片部７を設ける。好ましくは、拡幅片部のコーナー部７ａ、７ｂの輪郭を湾曲させ、角をとった。
【００１６】
このような形状とすることで、電圧印加の際に、電極片配列体３２の終端部３２ｂおよび給電電極１の終端部１ｂ付近における電荷の集中が緩和され、ダメージを回避することが可能となった。
【００１７】
図２には、図１６と同様の写真を示す。ここで、図１に示すような形態の第一の電極を使用しており、強誘電体単結晶は、ＭｇＯが５％添加されたLiNbO3である。図１６において観察された黒いダメージが生じていないことを確認できる。なお、この実施例においては、各電極片２の幅ａを０．３μｍとし、周期Λを２．８μｍとし、長さを１００μｍとした。また、拡幅片部７の幅ｂを５０μｍとした。コーナー部７ａ、７ｂの輪郭は、長径１００μｍ、短径５０μｍの楕円状とした。拡幅片部７の長さは１００μｍであり、電極片２の長さと同じである。
【００１８】
第一の態様の発明においては、拡幅片部７の幅ｂと電極片２の幅ａとの比率ｂ／ａは、ダメージ防止という観点からは30以上であることが好ましく、100以上であることが更に好ましい。ｂ／ａの上限は特にないが、拡幅片部７の幅をある程度以上大きくしても、ダメージ防止の効果への寄与は少なく、かえって材料の無駄が生ずるので、この観点からはｂ／ａは1000以下であることが好ましい。
【００１９】
コーナー部７ａ、７ｂの輪郭の形態は、湾曲していれば特に限定されない。しかし、真円形、楕円形、レーストラック形状、放物線、正弦曲線（余弦曲線）であることが好ましい。また、この輪郭の曲率半径は、2〜50μｍとすることが好ましい。
【００２０】
第二の態様に係る発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、給電電極のプロービングパッドとは反対側の終端部の外側に、給電電極と接続されていない浮動電極を備えていることを特徴とする。
【００２１】
好適な実施形態においては、複数の浮動電極が、電極片の配列方向に向かって配列されている。
【００２２】
図３は、この実施形態において、給電電極１のプロービングパッドとは反対側の終端部１ｂおよびその周辺の平面的パターンを示す。本例においては、電極片配列体３２の終端部３２ｂの外側に、給電電極１に対して接続されていない細長い浮動電極３Ａ〜３Ｆが形成され、配列されている。各浮動電極は細長いストライプ状である。そして、複数の浮動電極３Ａ、３Ｆが、電極片２の配列方向Ａに向かって配列されている。
【００２３】
このようなパターンであっても、給電電極の終端部１ｂおよび電極片配列体３２の終端部３２ｂの周辺の電気抵抗が大きくなり、電荷の集中が緩和され、ダメージを回避することが可能となった。
【００２４】
図４には、図１６と同様の写真を示す。ここで、図３に示すような形態の第一の電極を使用しており、強誘電体単結晶は、ＭｇＯが５％添加されたLiNbO3である。図１６において観察された黒いダメージが生じていないことを確認できる。なお、この実施例においては、各電極片２の幅ａを０．３μｍとし、周期Λを２．８μｍとし、長さを１００μｍとした。また、浮動電極３Ａ〜３Ｆの幅を０．３μｍとし、周期を２．８μｍとした。浮動電極３Ａの長さｄｍを150μｍとし、最も外側の浮動電極３Ｆの長さｄｅを50μｍとした。ただし、浮動電極３Ａから最も外側の浮動電極３Ｆまでの合計距離は100μｍであり、従って浮動電極の本数は６本ではないことを注意する。
【００２５】
第二の態様の発明においては、浮動電極の長さｄが、給電電極に最も近い浮動電極３Ａから末端の浮動電極３Ｆへと向かって小さくなっていることが好ましい。これによって、末端の浮動電極３Ｆに近づくのにつれて電気抵抗が増大し、電荷の局部的な集中を抑制するのに効果的である。
【００２６】
この場合には、給電電極１に最も近い浮動電極３Ａの長さｄｍと、末端の浮動電極３Ｆの長さｄｅとの比率ｄｍ／ｄｅは、電荷の局部的な集中を抑制するという観点からは1.2以上であることが好ましく、3.0以上であることが更に好ましい。
【００２７】
また、好適な実施形態においては、複数の浮動電極の各端部を結ぶ仮想線が、給電電極に最も近い浮動電極から最も遠い浮動電極へと向かって湾曲している。例えば、図５に示す例では、浮動電極３Ａ〜３Ｇの各端部を結ぶ仮想線３５が、給電電極１に最も近い浮動電極３Ａから末端の浮動電極３Ｇへと向かって湾曲している。この湾曲形状は特に限定されない。しかし、真円形、楕円形、レーストラック形状、放物線、正弦曲線（余弦曲線）であることが好ましい。この場合には、浮動電極における電気抵抗値が末端の浮動電極へと向かって段階的に増大するので、電荷の局部的な集中を抑制するという観点からは一層好ましい。
【００２８】
また、好適な実施形態においては、複数の浮動電極の幅が、給電電極に最も近い浮動電極から末端の浮動電極へと向かって小さくなっている。この場合にも、浮動電極における電気抵抗値が末端の浮動電極へと向かって増大するので、電荷の局部的な集中を抑制するという観点から好ましい。例えば、図６に示す例においては、浮動電極の幅ｅが、給電電極１に最も近い浮動電極から末端の浮動電極へと向かって小さくなっている。
【００２９】
本実施形態においては、給電電極１に最も近い浮動電極３Ａの幅ｅｍと、末端の浮動電極３Ｇの幅ｅｅとの比率ｅｍ／ｅｅは、電荷の局部的な集中を抑制するという観点からは1.5以上であることが好ましく、3.0以上であることが更に好ましい。
【００３０】
また、好適な実施形態においては、隣接する浮動電極の間隔が、給電電極に最も近い浮動電極から最も遠い浮動電極へと向かって大きくなっている。この場合にも、浮動電極における電気抵抗値が末端の浮動電極へと向かって増大するので、電荷の局部的な集中を抑制するという観点から好ましい。例えば、図７に示す例においては、隣接する浮動電極の間隔ｆが、給電電極に最も近い浮動電極から末端の浮動電極へと向かって大きくなっている。
【００３１】
本実施形態においては、給電電極１に最も近い浮動電極３Ａと隣接の浮動電極３Ｂとの間隔ｆｍと、末端の浮動電極３Ｅと隣接の浮動電極３Ｄとの間隔ｆｅとの比率ｆｍ／ｆｅは、電荷の局部的な集中を抑制するという観点からは1.2以上であることが好ましく、2以上であることが更に好ましい。
【００３２】
本発明外の参考態様では、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、基板の裏面上に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する。第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、一表面に第一の電極と第二の電極とを投影したときに、第二の電極の少なくとも一方の終端部が電極片配列体の終端の内側に配置されていることを特徴とする。
【００３３】
図８、図９を参照しつつ、本態様の発明について更に説明する。本例では、強誘電体単結晶からなるオフカット基板４を使用する。基板４の表面４ａに第一の電極３０および第三の電極３１を形成し、裏面４ｂに第二の電極（一様電極）８を形成する。第一の電極３０は、複数の周期的に配列された細長い電極片２と、多数の電極片を接続する細長い給電電極１と、給電電極１の終端部に接続されたプロービングパッド６とを備えている。第三の電極は細長い対向電極片５からなっており，対向電極片５は、電極片２の先端に対向するように設けられている。
【００３４】
ここで、裏面上の第二の電極８の形態を図９に点線で示す。そして、第一の電極および第二の電極を共通の平面４ａに投影すると、第二の電極８の終端部８ａ、８ｂが、電極片配列体３２の終端部３２ａ、３２ｂの内側に配置されている。なお、この要件は、第二の電極８の終端部８ａで満足されているか、あるいは、終端部８ｂで満足されていれば良い。
【００３５】
このように構成することで、表面電極３０と裏面電極８との間で電圧を印加したときに、電極片配列体３２の終端部３２ａ、３２ｂにおいて裏面の電極８との重複がないので、終端部３２ａ、３２ｂに電荷が集中しにくく、ダメージを回避することが可能である。
【００３６】
終端部３２ａと８ａとの間隔、あるいは、終端部３２ｂと８ｂとの間隔ｇは、終端部における電荷の集中を抑制し、ダメージを防止するという観点からは、０．６ｍｍ以上が好ましく、１．０ｍｍ以上が更に好ましい。
【００３７】
本発明外の他の参考態様では、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、基板の裏面上に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する。第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、一表面に第三の電極が設けられており、この第三の電極が、電極片配列体と対向する対向電極片を備えており、対向電極片の少なくとも一方の終端が電極片配列体の終端の内側に配置されている。
【００３８】
この態様において好ましくは、第三の電極が、対向電極片に接続されている導電性接続部を備えている。
【００３９】
このような構成することで、電極片配列体の終端部およびその周辺における電荷の集中を抑制でき、これによって強誘電体単結晶のダメージを防止できる。
【００４０】
図１０は、この態様の実施例の電極パターンを示す。第一の電極３０が、周期的に配列された複数の電極片２からなる電極片配列体３２、電極片２に対して給電するための給電電極１Ａ、１Ｂ、および給電電極１Ａ、１Ｂに対して接続されているプロービングパッド６を備えている。また、第三の電極３１が、電極片配列体３２と対向する対向電極片５Ａ、５Ｂと、対向電極片に接続されている導電性接続部１０を備えている。対向電極片５Ａ、５Ｂの少なくとも一方の終端部５ａが電極片配列体３２の終端部３２ａの内側に配置されている。これによって、電極片配列体３２の終端部３２ａにおいて電荷が集中しにくく、ダメージを回避することが可能である。
【００４１】
終端部３２ａと５ａとの間隔ｈは、終端部における電荷の集中を抑制し、ダメージを防止するという観点からは、０．６ｍｍ以上が好ましく、１．０ｍｍ以上が更に好ましい。
【００４２】
本態様の好適な実施形態においては、対向電極片の両方の終端部が、それぞれ、電極片配列体の両方の終端の内側に配置されている。
【００４３】
図１１はこの実施形態に係るものである。第一の電極３０が、周期的に配列された複数の電極片２からなる電極片配列体３２、電極片２に対して給電するための給電電極１Ａ、１Ｂ、給電電極１Ａ、１Ｂに対して接続されている一方のプロービングパッド６Ａ、および、給電電極１Ａ、１Ｂに対して接続されている他方のプロービングパッド６Ｂを備えている。また、対向電極片５Ａ、５Ｂが、それぞれ各電極片配列体３２に対向するように設けられている。対向電極片５Ａと５Ｂとに電力を供給する共通の導電性接続部は存在しない。こうした構成によれば、電極片配列体３２の終端部３２ａ、３２ｂにおいて電荷が集中しにくく、ダメージを回避することが可能である。
【００４４】
終端部３２ａ、３２ｂと５ａ、５ｂとの間隔ｈは、終端部における電荷の集中を抑制し、ダメージを防止するという観点からは、０．６ｍｍ以上が好ましく、１．０ｍｍ以上が更に好ましい。
【００４５】
本態様においては、対向電極片に対しても電圧を印加することができるが、対向電極片を浮動状態とすることが特に好ましい。
【００４６】
本発明外の参考態様に係る発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、基板の裏面上に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、給電電極の一方の終端に対して接続されている一方のプロービングパッド、および給電電極の他方の終端に対して接続されている他方のプロービングパッドを備えており、一表面に第三の電極が設けられており、この第三の電極が、電極片配列体と対向する対向電極片を備えており、この対向電極片が、一方のプロービングパッドと他方のプロービングパッドとの間に設置されている。本態様の発明の実例は図１１に示した。
【００４７】
本態様において好ましくは、対向電極片の少なくとも一方の終端が電極片配列体の終端の内側に配置されている。特に好ましくは、対向電極片の両方の終端が、それぞれ、電極片配列体の両方の終端の内側にそれぞれ配置されている。
【００４８】
本発明外の更に他の態様に係る発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、電極片配列体の少なくとも一方の終端部において、電極片の長さが、末端の電極片へと向かって小さくなっている。
【００４９】
この発明も、電極片配列体の少なくとも一方の終端部における電荷の集中を抑制し、強誘電体単結晶のダメージを防止する上で有効である。
【００５０】
図１２はこの態様の実例を示す。第一の電極３０は、周期的に配列された複数の電極片２からなる電極片配列体３２、電極片２に対して給電するための給電電極１、および給電電極１に対して接続されているプロービングパッド６を備えている。電極片配列体３２の少なくとも一方の終端部３２ａにおいて、電極片２Ｃの長さが、末端の電極片２Ｄへと向かって小さくなっている。
【００５１】
本態様においては、プロービングパッドから十分に離れた電極片の高さｊｍと、プロービングパッド６に最も近い電極片２Ｄの高さｊｅとの比率ｊｍ／ｊｅは、電荷の局部的な集中を抑制するという観点からは5以上であることが好ましく、10以上であることが更に好ましい。
【００５２】
好ましくは、終端部において、複数の電極片２Ｃの各端部を結ぶ仮想線１１が、末端の電極片２Ｄへと向かって湾曲している。この設計は、終端部における電荷の集中を抑制する上で一層効果的である。この湾曲形状は、特に限定されない。しかし、真円形、楕円形、レーストラック形状、放物線、正弦曲線（余弦曲線）であることが好ましい。また、この仮想線の湾曲の曲率半径は、10〜100μｍとすることが好ましい。
【００５３】
本発明外の更に他の態様に係る発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板上に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、電極片に対して給電するための給電電極、および給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、プロービングパッドの末端のコーナー部の輪郭が湾曲していることを特徴とする。これによって、プロービングパッドの末端のコーナー部における電荷の集中を抑制し、強誘電体単結晶のダメージを防止するのに有効である。
【００５４】
図１３の例においては、プロービングパッド６Ｃの各コーナー部６ａ、６ｂの輪郭が湾曲している。この湾曲形状は、特に限定されない。しかし、真円形、楕円形、レーストラック形状、放物線、正弦曲線（余弦曲線）であることが好ましい。また、この湾曲の曲率半径は、20〜200μｍとすることが好ましい。
【００５５】
図１４には、図１６と同様の写真を示す。ここで、図１３に示すような形態の第一の電極を使用しており、強誘電体単結晶は、ＭｇＯ５％ドープしたニオブ酸リチウム単結晶である。図１６において観察された黒いダメージが生じていないことを確認できる。なお、この実施例においては、各電極片２の幅ａを０．３μｍとし、周期Λを２．８μｍとし、長さを１００μｍとした。また、プロービングパッド６Ｃのコーナー部６ａ、６ｂの曲率半径Ｒを100μｍとした。
【００５６】
上記した第一〜第二の各態様に係る発明は、互いに任意に組み合わせることが可能であり、これによって、第一の電極の全体にわたって、強誘電体単結晶のダメージを一層効果的に抑制できる。
【００５７】
更に、本発明は、前記のいずれかの方法によって形成されたことを特徴とする、周期分極反転構造に係るものであり、またこのような周期分極反転構造を有する光導波路素子に関するものである。このような周期分極反転構造は、ダメージが少なく、あるいはダメージが防止されているので、光損失が少ない良好なものである。
【００５８】
この光導波路素子の用途は限定されないが、疑似位相整合方式の波長変換素子として利用可能である。このような素子は、波長変換の際の変換効率が高いものである。以下、好適な波長変換素子の概略を述べる。
【００５９】
例えば図１７に示すようにして、電圧印加法によって、強誘電体単結晶基板４内に分極反転部３３を形成する。この際、強誘電体単結晶の種類は限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５の各単結晶が特に好ましい。
【００６０】
強誘電体単結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。
【００６１】
分極反転特性（条件）が明確であるとの観点からは、ニオブ酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶、又はこれらにマグネシウムを添加したものが特に好ましい。
【００６２】
強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
【００６３】
周期分極反転構造を形成するためのマスクパターンを形成する材質としては、レジスト、ＳｉＯ２、Ｔａ等を例示できる。マスクパターンを形成する方法としては、フォトリソグラフィー法を例示できる。
【００６４】
電圧印加法において使用する電極の材質としては、Al、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr、Pd、Taが好ましい。
【００６５】
次いで、図１８に示すように、周期分極反転構造２０に沿って、光導波路２１を基板内に形成できる。この形成方法は特に限定されないが、チタン内拡散法、プロトン交換法が好ましい。
【００６６】
他の方法においては、図１９に示すように、基板４の表面４ａに、固定用基板２３を接合層２２を介して接合する。好ましくは、この前に基板４から第一の電極、第二の電極、第三の電極を除去しておく。また、接合前に基板4の接合面側にSiO2を成膜しておいてもよい。SiO2を成膜することで、接合材の光吸収を低減することができ、光導波路の低損失化が行える。図１９の段階では、基板４の表面４ａの近傍に周期分極反転構造２０が形成されている。
【００６７】
次いで、図２０に示すように、基板４の裏面４ｂ側を研削加工し、基板４Ａを薄くする。この段階では、光を厚さ方向に閉じ込め得る寸法まで基板４Ａを薄くすることは困難である。このため、図２１に示すように、リッジ型の光導波路２４を残して基板４Ａを加工し、除去する。この段階では、非常に薄い平板部２６が残る。２６ａは加工面である。この加工の際に光導波路２４の厚さを調節する。こうした加工は、例えばダイシング加工装置やレーザー加工装置によって可能であるが、ダイシング加工のような機械的加工が好ましい。
【００６８】
上記の実施形態においては、基板４を接合層２２によって固定用基板２３に対して接着している。この場合には、接合層の屈折率は基板４の屈折率よりも低いことが好ましく、また接合層が非晶質であることが好ましい。接合層の屈折率と基板４の屈折率との屈折率差は、５％以上であることが好ましく、１０％以上であることが更に好ましい。
【００６９】
接合層２２の材質は、有機樹脂やガラス（特に好ましくは低融点ガラス）が好ましい。有機樹脂としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン樹脂等を例示できる。ガラスとしては、酸化珪素を主成分とする低融点ガラスが好ましい。
【００７０】
固定用基板２３の材質は特に限定されず、所定の構造強度を有していればよい。ただし、光導波路と熱膨張係数等の物性値が近い方が好ましく、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５の各単結晶が特に好ましい。
【００７１】
また、高調波発生装置は、少なくとも前記波長変換素子と、この波長変換素子に対して励起光を入力する入力手段とを備えていれば成立する。こうした入力手段としては、例えば半導体レーザーがあるが、限定はされない。
【００７２】
本発明の素子を第二高調波発生装置として使用した場合には、高調波の波長は３３０−１６００ｎｍが好ましく、４００−４３０ｎｍが特に好ましい。
【００７３】
上記の各例においては、強誘電体単結晶基板を、例えば５°オフカット基板としたが、このオフカット角度は特に限定されない。特に好ましくは、オフカット角度は1°以上であり、あるいは、20°以下である。
【００７４】
また、いわゆるＸカット基板、Ｙカット基板、Ｚカット基板を使用可能である。Ｘカット基板やＹカット基板を使用する場合には、図１７に示すように、第二の電極を裏面４ｂに設けず、一表面４ａ上に設け、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加することができる。この場合には、第三の電極３１はなくともよいが、浮動電極として残しておいても良い。また、Ｚカット基板を使用する場合には、第二の電極を裏面４ｂ上に設け、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加することができる。この場合には、第三の電極３１は必ずしも必要ないが、浮動電極として残しておいても良い。
【００７５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、基板内に周期分極反転構造を形成するのに際して、電圧印加の際に強誘電体単結晶にダメージが発生するのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の電極のパターンの一例を示しており、電極片配列体３２の終端部３２ｂ側に、電極片２よりも幅の大きい拡幅片部７が設けられている。
【図２】図１の電極を使用して形成した周期分極反転構造について、エッチング後の外観を示す写真である。
【図３】第一の電極のパターンの一例を示しており、電極片配列体３２の終端部３２ｂから外側に、複数の浮動電極３Ａ〜３Ｆが配列されている。
【図４】図３の電極を使用して形成した周期分極反転構造について、エッチング後の外観を示す写真である。
【図５】第一の電極のパターンの一例を示しており、電極片配列体３２の周期分極反転構造３２ｂから外側に複数の浮動電極３Ａ〜３Ｇが配列されており、各浮動電極の端部を結ぶ仮想線３５が湾曲している。
【図６】第一の電極のパターンの一例を示しており、電極片配列体３２の周期分極反転構造３２ｂから外側に複数の浮動電極３Ａ〜３Ｇが配列されており、各浮動電極の幅が末端の浮動電極３Ｇへと向かって狭くなっている。
【図７】第一の電極のパターンの一例を示しており、電極片配列体３２の終端部３２ｂから外側に複数の浮動電極３Ａ〜３Ｅが配列されており、各浮動電極間の間隔ｆが末端の浮動電極３Ｅへと向かって狭くなっている。
【図８】第一の電極、第二の電極、第三の電極のパターン例を示す斜視図である。
【図９】図８に示した第一の電極３０および第二の電極３１の平面的パターンと、第三の電極８の平面的パターンとを対比して示す。
【図１０】第一の電極３０および第二の電極３１のパターンを示しており、対向電極片５Ａ、５Ｂの一方の終端部５ａが、電極片配列体３２の終端部３２ａに比べて内側に位置している。
【図１１】第一の電極３０および第二の電極３１のパターンを示しており、対向電極片５Ａ、５Ｂの両方の終端部５ａ、５ｂが、それぞれ、電極片配列体３２の終端部３２ａ、３２ｂに比べて内側に位置している。
【図１２】第一の電極３０のパターンを示しており、電極片配列体３２の終端部３２ａにおいて電極片２Ｃの幅が小さくなっている。
【図１３】第一の電極３０のパターンを示しており、プロービングパッド６Ｃのコーナー部６ａ、６ｂの輪郭が湾曲している。
【図１４】図１３の電極を使用して形成した周期分極反転構造について、エッチング後の外観を示す写真である。
【図１５】参考例の第一の電極３０および第三の電極３１のパターンを示す。
【図１６】図１５の電極を使用して形成した周期分極反転構造について、エッチング後の外観を示す写真である。
【図１７】強誘電体単結晶基板４内に周期分極反転構造を形成するために、電圧印加法を実施している状態を模式的に示す。
【図１８】基板４内に形成された光導波路２１のパターンを示す。
【図１９】周期分極反転構造２０の形成された基板４と固定用基板２３との接合体を示す。
【図２０】図１９の基板４を研削加工した後の状態を示す。
【図２１】図２０の基板４Ａを更に加工し、リッジ構造の光導波路２４を形成した状態を示す。
【符号の説明】
１ 給電電極 １ａ、１ｂ 給電電極の終端部 ２電極片 ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ 終端部の電極片 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ 浮動電極 ４、４Ａ 強誘電体単結晶基板 ４ａ 基板４の一表面 ４ｂ 基板４の裏面 ５、５Ａ、５Ｂ 対向電極片 ６ プロービングパッド ６Ａ 一方のプロービングパッド ６Ｂ 他方のプロービングパッド ６Ｃ コーナー部が湾曲しているプロービングパッド ６ａ、６ｂ 湾曲したコーナー部 ７ 拡幅片部 ７ａ、７ｂ 拡幅片部７のコーナー部
８、８Ａ 第二の電極 １０ 対向電極片の導電性接続部 １１ 電極片の端部を結ぶ仮想線 １５Ａ、１５Ｂ 分極方向 ３０第一の電極 ３１ 第三の電極 ３２ 電極片配列体 ３２ａ 電極片配列体３２のプロービングパッド側の終端部 ３２ｂ 電極片配列体３２のプロービングパッドとは反対側の終端部 ３３ 分極反転部 ３５ 浮動電極の端部を結ぶ仮想線
Claims (9)
- 強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように前記強誘電体単結晶基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、前記強誘電体単結晶基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
前記第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、前記電極片に対して給電するための給電電極、および前記給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、前記給電電極の前記プロービングパッドとは反対側の終端部に前記電極片の幅よりも大きい幅を有する拡幅片部を備えていることを特徴とする、周期分極反転構造の形成方法。 - 前記拡幅片部の末端のコーナー部の輪郭が湾曲していることを特徴とする、請求項１記載の方法。
- 強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた第一の電極と、この第一の電極と対向するように前記強誘電体単結晶基板に設けられた第二の電極との間に電圧を印加することにより、前記強誘電体単結晶基板内に周期分極反転構造を形成する方法であって、
前記第一の電極が、周期的に配列された複数の電極片からなる電極片配列体、前記電極片に対して給電するための給電電極、および前記給電電極に対して接続されているプロービングパッドを備えており、前記給電電極の前記プロービングパッドとは反対側の終端部の外側に、前記給電電極と接続されていない浮動電極を備えていることを特徴とする、周期分極反転構造の形成方法。 - 複数の前記浮動電極が、前記電極片の配列方向に向かって配列されていることを特徴とする、請求項３記載の方法。
- 前記浮動電極がストライプ状をなしていることを特徴とする、請求項３または４記載の方法。
- 前記浮動電極の長さが、前記給電電極に最も近い前記浮動電極から最も外側の前記浮動電極へと向かって小さくなっていることを特徴とする、請求項５記載の方法。
- 複数の前記浮動電極の各端部を結ぶ仮想線が、前記給電電極に最も近い前記浮動電極から末端の前記浮動電極へと向かって湾曲していることを特徴とする、請求項５または６記載の方法。
- 複数の前記浮動電極の幅が、前記給電電極に最も近い前記浮動電極から最も外側の前記浮動電極へと向かって小さくなっていることを特徴とする、請求項５または６記載の方法。
- 隣接する前記浮動電極の間隔が、前記給電電極に最も近い前記浮動電極から最も外側の前記浮動電極へと向かって大きくなっていることを特徴とする、請求項５または６記載の方法。
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