JP4094898B2 - Method for producing domain-inverted crystal - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学結晶の技術分野に属し、特に、分極反転結晶の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
分極反転結晶は、LiNbO3、LiTaO3などの強誘電体結晶(非線形光学結晶)に、擬似位相整合が可能なように周期的分極反転構造を形成したものである。以下、周期的分極反転構造を「反転構造」とも呼び、その他の語句に含まれる「分極反転」を単に「反転」とも略す。
【0003】
通常の反転構造は、図6(a)に模式的に示すように、強誘電体結晶基板100の板面に、帯形の反転領域R10と非反転領域N10とが、所定の反転周期(以下、「周期」ともいう)Λ10にて平行縞状に交互に並んで現われるように反転させた構造である。反転領域R10の帯幅r10は、反転比率(後述)に関係して決定される。入力光が、反転領域R10と非反転領域N10とを交互に通過すると、結晶による非線形光学効果と、反転構造による擬似位相整合とによって、出力光(波長変換光)が生じる。
反転構造や、それを用いて行う擬似位相整合による種々の波長変換については、文献「光第二高調波発生と分極反転」(栗村、固体物理、29(1994)75-82)や、国際公開公報WO97/15863などに、詳細に説明されている。
【0004】
反転構造の態様のなかには、反転領域の配置パターンが平行縞状でないものがある。その一例として、図6(b)に示すような、ファンアウト(fan-out)形状の反転構造が挙げられる。同図は、Zカットされた強誘電体結晶基板(以下、Z板ともいう)に形成された例を示している。ファンアウト形状の反転構造は、同図に模式的に示すように、帯形の反転領域(黒で示した帯状部分)と、非反転領域(その間の白い帯状部分)とを、放射状(扇状)を呈する縞状となるよう交互に配置したものであって、各反転領域は、その長手方向とY軸とのなす角度が順次変化するように配置されており、光路をL10からL20へと平行移動させると、周期が連続的に変化することが特徴である。
【0005】
ファンアウト形状の反転構造における1つ1つの反転領域、非反転領域は、図7に理想的な寸法を示すように、光路をL10からL20へと平行移動させても反転比率が常に一定であるように形成されるべきである。即ち、〔光路L10における反転比率(r10/Λ10)〕=〔光路L20における反転比率(r20/Λ20)〕となるように、L10からL20に向かって帯幅が広がった反転領域とすべきである。
【0006】
ファンアウト形状の反転構造によって、例えば、第2次高調波発生(SHG)では、光路をL10からL20へと平行移動させることで入射光の波長に対して周期が適合するように微調整ができる。また、多数の光路を同時に選択することで、1つの素子で多種類の入力光を入射させ、それぞれSHGを行うことも可能となる。また、光パラメトリック発振(OPO)では、光路を平行移動させることで、発振波長を連続的に変化させることが可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等が、実際に製造されたファンアウト形状の反転構造について、各反転領域の状態を詳細に調べたところ、次に述べる問題が存在していることがわかった。
該問題とは、図10(a)に全体像を示すように、反転構造を通過する任意の光路L30をたどったときに、反転比率が均一になっておらず、設計上意図した本来の反転構造による波長変換効率が得られていないという問題である。
即ち、図10(b)に模式的に示すように、1つの光路L30の中央付近の部位における反転領域の帯幅r10と、光路の終端付近の部位における反転領域の帯幅rxとでは、後者の方が帯幅が20〜30%も大きくなっており、一定であるべき反転比率(帯幅/周期)が、(r10/Λ10)<(rx/Λ10)となっている。
【0008】
図11は、従来技術に従ってファンアウト形状の反転構造試料を形成し、1つの光路を選択した時の該光路上における〔反転領域の長手方向とY軸とのなす角度θ〕と〔反転比率〕との関係を測定した結果を示すグラフである。ただし、この試料では、製造誤差によって、θ=0における反転比率が50%よりも小さい値に許容範囲内でずれている。
当該試料の製作では、従来の製造方法に従い、結晶基板上の各分極反転すべき領域に合わせて反転電圧印加用の電極を配置し、結晶基板の裏面に対向配置した他極側の電極との間で分極反転電圧を印加し、それによって結晶の自発分極の方向を反転させた。その際、結晶基板上の各分極反転すべき領域にそれぞれ配置した各電極の幅(=光路方向の長さ)については、全ての角度の電極を、同じ光路上ではどの電極幅も互いに同じ幅となるように形成した。これは、電極下に形成される反転領域の形状が、角度θとは何らの相関関係も無いと認識されているからである。
そのような均一な電極幅によって実際に得られたファンアウト形状の反転構造では、図11のグラフから明らかなとおり、角度θの増大と共に反転幅(=反転比率)は増大している。
【0009】
上記のような、角度θの増大と共に反転比率が増大する問題は、ファンアウト形状の反転構造のみならず、反転領域が平行縞状に配置されない全ての反転構造において同様に生じている問題である。
【0010】
本発明の課題は、上記問題を解決し、帯形の反転領域が放射状に配置される反転構造において、該反転領域の長手方向とY軸方向とのなす角度が変化しても、該領域の帯幅の変化を抑制し得る、反転構造の製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者等が、上記角度の増大に伴う反転比率増大の問題を調べたところ、電極を結晶基板上に配置して行う分極反転加工の工程において、上記角度θが増大するに伴い、反転領域が電極のとおりに形成され難くなり、電極からより多くはみ出すという現象が存在し、この現象が、上記反転比率増大の原因になっていることがわかった。
本発明者等は、上記知見に基づき、上記角度θに応じて電極の帯幅を補正しておくことを想到し、これによって上記現象が相殺され、全ての反転領域の帯幅を意図した寸法に収め得ることを見出し、本発明を完成させた。即ち、本発明は以下の特徴を有するものである。
【0012】
(1)Zカットされた強誘電体結晶基板の少なくとも一方の板面に、下記(A)の周期的分極反転構造が形成されるように、該構造の分極反転領域に対応する帯形の電極を配置する工程を有し、
分極反転加工で形成される全ての分極反転領域が、波長変換のために設計上意図した帯幅となるよう、その分極反転領域に対応する電極の帯幅を、分極反転領域の長手方向とY軸とのなす角度に応じて、前記意図した帯幅に対して補正しておき、かつ、前記電極の帯幅に施しておく前記補正を、下記(B)の条件を満たす補正とすることを特徴とする、分極反転結晶の製造方法。
(A)Zカットされた強誘電体結晶基板の板面に、擬似位相整合による波長変換が可能となるように、長手方向を有する帯形の分極反転領域と非反転領域とが交互に現われるよう形成された周期的分極反転構造であって、かつ前記分極反転領域が、その長手方向とY軸とのなす角度が順次変化するように配置されている、周期的分極反転構造。
(B)上記(A)の周期的分極反転構造を通過する同じ光路上において、隣接する2つの電極の帯幅を比較したときに、上記角度が大きい方の電極の帯幅が、他方の電極の帯幅よりも狭いこと。
【0014】
記(A)の周期的分極反転構造が、ファンアウト形状の周期的分極反転構造であって、上記意図した帯幅が、さらに下記(C)の条件を満たすことが好ましい。
(C)該周期的分極反転構造をX軸方向に通過する任意の直線的な光路を設定したとき、同じ光路上においては、各分極反転領域の帯幅が互いに等しいこと。
【0015】
記(A)の周期的分極反転構造が、環状に屈曲する光導波路と重なるように放射状に広がる分極反転領域を有する周期的分極反転構造であって、上記意図した帯幅が、さらに下記(D)の条件を満たすことが好ましい。
(D)該周期的分極反転構造を環状に通過する任意の環状の光導波路を設定したとき、少なくとも、同じ環状の光導波路上においては、各分極反転領域の帯幅が互いに等しいこと。
【0016】
記環状に屈曲する光導波路が、円として閉じた円環状の光導波路であって、上記放射状に広がる分極反転領域が、360度全方向に等間隔で放射状に広がる分極反転領域であることが好ましい。
【0017】
記環状に屈曲する光導波路が、U字状に屈曲する光導波路の屈曲部分であることが好ましい。
【0018】
記(A)の周期的分極反転構造が、上記強誘電体結晶基板の板面に形成された2以上の周期的分極反転構造であり、個々の周期的分極反転構造は、帯形の分極反転領域と非反転領域とが交互に平行縞状に現われるように形成されたものであって、個々の周期的分極反転構造の分極反転領域の長手方向とY軸とのなす角度が、周期的分極反転構造同士の間で互いに異なっており、かつ、上記意図した帯幅が、さらに下記(E)の条件を満たすことが好ましい。
(E)個々の周期的分極反転構造の分極反転領域の帯幅が、周期的分極反転構造同士の間で互いに等しいこと。
【0019】
【発明の実施の形態】
上記(A)の反転構造の例としてファンアウト形状の反転構造を取り上げて、本発明による製造方法を説明し、他の反転構造の態様については随時言及する。図1は、本発明による製造方法の工程において、ファンアウト形状の反転構造を形成するために、結晶基板上に形成された電極の配置パターンを模式的に示す図である。同図に示すように、当該製造方法は、Z板の一方の板面に、上記(A)の反転構造が形成されるように、該構造の反転領域に対応する帯形の電極S1、S2、S3、....、Sxを配置する工程を有する。
同図では、中央付近の電極S1の右側に配置される電極だけを描いているが、左側にも、ファンアウト形状となるよう電極が配置されていてもよい。
【0020】
当該製造方法の重要な点は、分極反転のために縞状に形成する個々の電極の形状を、反転領域の長手方向とY軸とのなす角度θの変化に応じて(即ち、図1では、電極S1からSxへと進むに従って)、反転領域の帯幅とは異なる帯幅として、電極の帯幅を補正しておくことにある。その補正は、反転加工の結果得られる反転領域が、θに関係なく全て設計上意図した帯幅となるように、電極の帯幅を角度に応じて変化させておく補正である。
以下、単に「角度」というときは、「反転領域(またはその電極)の長手方向とY軸とのなす角度」を意味する。また、帯状の反転領域の帯幅を「反転領域幅」と呼び、反転領域を形成するための帯状の電極の帯幅を、「電極幅」と呼ぶ。
【0021】
上記のように、電極幅を、角度θの変化に応じて補正しておくことによって、反転電圧を印加して得られる各反転領域は、目的の波長変換が可能なように設計された本来あるべき寸法形状に形成される。これによって、反転比率も1つの光路L上のどの部分においても均一になり、波長変換効率も向上する。
【0022】
本発明において電極幅に施す補正のうち、好ましい補正の一例は、隣り合った電極同士の比較によって規定すると、さらに上記(B)の条件を満たす補正である。
即ち、ファンアウト形状の反転構造の場合、図1に示すように、反転構造をX軸方向に通過する任意の光路Lを設定したとき、同じ光路L上においては、全ての反転領域幅(W1、...、Wx)が互いに等しくなるように、電極幅を角度に応じて補正する。このとき、同じ光路L上において、隣接する2つの電極幅を比較すると、角度が大きい方の電極幅は、角度が小さい方の電極幅よりも狭く補正されている。上記(B)の条件を満たす補正によって、角度の増大に従って大きくなっていく反転領域のはみ出し量が相殺される。
【0023】
反転比率は、1周期に占める反転領域幅の割合であって、波長変換効率を変化させる。図8は、任意の正の整数である次数mのうち、m=1、2、3の、それぞれにおける反転比率Dと変換効率ηとの関係(理論値)を示すグラフ図である。規格化変換効率とは理論的に求められる変換効率の最大値を1として規格化した際の変換効率である。
同図のように、次数毎にDとηとの関係を示す曲線は異なっており、例えば、次数m=1の場合では、グラフは単一ピークを呈し、反転比率D=50%において最大変換効率η=1が得られる。次数mが増えるにつれて、グラフのピークの数が増え、その分だけ最大変換効率は低下して行く。よって、通常の設計では、最も高い変換効率が得られる好ましい反転比率として、次数m=1での反転比率50%を選択し、反転領域幅と、非反転領域幅との比を等しくする反転構造が好ましい態様となる。このような、次数に応じて選択する反転領域幅が、本発明でいう〔波長変換のために設計上意図される反転領域幅〕であるが、次数m=1、反転比率50%に限定されることなく、意図しない高次数での波長変換が生じないようにするなど、目的に応じて1以外の次数を選択し、また、意図的に最大変換効率からずれるような反転比率を採用してもよい。
【0024】
本発明では、設計上意図した反転領域帯幅、反転比率がどのような値であっても、同じ光路上では、どの部位でも均一になるように、角度に応じて電極の帯幅を補正し、特に上記(B)の条件を満たすことが好ましい態様である。
【0025】
本発明では、結果得られる反転領域が〔波長変換のために設計上意図した帯幅となるように〕電極の帯幅を補正するが、その場合の〔反転領域が意図した帯幅となる〕とは、反転領域が意図した帯幅に完全に一致することのみならず、図8に示すように、反転比率決定のために選択した各次数mにおいて、変換効率が、その最大変換効率の90%以上、より好ましくは95%以上となるような反転比率の反転領域の帯幅となっていればよい。
例えば、図8のグラフ図において、次数m=1を選択するならば、変換効率ηが少なくとも最大変換効率の90%以上(η≧0.9)となるような反転比率(50%±14.3%)が確保される帯幅となっていればよく、より好ましくは、最大変換効率の95%以上(η≧0.95)となるような反転比率(50±10.1%)が確保される帯幅となっていればよい。
また、次数m=2の場合では、最大変換効率は0.5であるが、その90%以上(η≧0.45)となるような反転比率の範囲は、ピークが2つあるので、25%±7.1%、および75%±7.1%であり、95%以上となるような反転比率の範囲は、25%±5%、および75%±5%である。
次数m=3以上を選択する場合についても、上記と同様に設定可能である。
以上は、反転領域幅を反転比率について規定したものであるが、実際の帯幅の数値は、波長変換の対象とする光の波長によって異なる。
【0026】
角度に応じて電極幅を補正することによって、得られる反転領域幅は、同じ光路L上においては、全てが互いに等しくなるが、ここでいう〔反転領域幅が互いに等しい〕とは、完全に等しいだけでなく、製造誤差によるばらつきを含んでいてもよい。
本発明者等の研究によれば、角度の増大に伴い反転領域幅のはみ出し量が増大する現象に加えて、角度の増大に伴い反転領域幅のランダムなばらつき量も増大する。本発明では、前者のはみ出し量が増大する現象が抑制されていればよく、図11に示したグラフの傾きが、図9に示すように、略水平となるように補正されていればよい。
【0027】
本発明では、上記(B)の条件を満たすように電極幅を補正するに際しては、目的な条件などによっては、角度が0度においても電極幅に補正を施してもよい。
【0028】
ファンアウト形状の反転構造では、個々の反転領域自体も、均一幅の帯形ではなく、扇状に広がっている。よって、反転領域の長手方向とは、図1に示す電極の場合と同様、中心線の方向とする。
【0029】
反転領域の長手方向とY軸とのなす角度は、補角の関係にある2つの角度のうち、常に90度以下の方を採用する。例えば、図2に示すように、反転領域の長手方向が反時計回りに、P1、P2、P3と変化し、長手方向とY軸とのなす角度がθ1、θ2、θ3と増大しても、90度を超えたP3については、Y軸とのなす角度は、θ3の補角であるθ3aの方を採用する。
また、反転領域の長手方向とY軸とのなす角度は、該長手方向がY軸から時計回りに変化しても反時計回りに変化しても、常に、正の値をとるものとし、該長手方向とY軸とのなす実体的な角度によって、互いの角度の大きさを比較する。
【0030】
電極幅を角度に応じて、また、上記(B)の条件を満たすように、どの程度狭く補正するかは、強誘電体結晶基板(種類、組成比、厚さ、不純物添加の有無及び添加量)、分極反転条件(印加電圧、印加時間、結晶温度、電極材料)などによって異なる。
図1において、1つの光路Lを特定することで決定された周期Λにおいて、同じ光路上において、角度θと、該θに応じて補正された電極幅W(θ)との関係は、F(θ)を補正項として、
W(θ)=W(0)+F(θ) (式1)
で表すことができる。
【0031】
上記(式1)は、W(0)を規準寸法とし、角度θの変化に従って、補正項F(θ)をW(0)に加えてW(θ)を決定する式である。補正項F(θ)は、θの増大に伴って変化するよう規定されたθの関数である。電極幅をW(0)よりも狭く補正する場合には、F(θ)は負の値をとる。
上記(式1)によって、上記(B)の条件を満たす補正を行う場合には、補正項F(θ)は負の値をとり、θの増大に伴ってF(θ)の絶対値は増大する。
ファンアウト形状の反転構造は、光路Lの平行移動によって周期Λが変化することが特徴であるから、可変範囲にあるΛ全体について、電極幅を上記式に基づいて補正すればよい。
【0032】
電極幅を角度に応じて補正するに際しては、予め、従来の製造方法に従って反転構造を試験的に形成し、角度の増加に伴う電極からのはみ出し量の増加の傾向を調べ、それをもとに個々の電極の補正量を決定してもよい。
【0033】
次に、ファンアウト形状の反転構造のように、反転領域が平行縞状に配置されない他の構造への応用を例示する。
図3、4、5の例は、いずれも、上記(A)の反転構造の他の態様例を示しており、特に図3、4の例は、環状に屈曲する光導波路と重なるように放射状に広がる反転領域を有するものである。また、いずれも、結晶基板のZ面を見た図である。
【0034】
図3の例は、環状に屈曲する光導波路が、閉じた円環状の光導波路L1であって、同図に示すように、反転領域が360度全方向に等角度間隔で放射状に広がるように配置された反転構造P1となっている。円環状の光導波路L1内を光が周回すると、該光は、放射状の反転構造P1を通過することになり、波長変換がなされる。
波長変換素子全体としては、この放射状の反転構造P1が、2つの直線状の光導波路L2、L3の間に配置された構造となっている。
反転構造P1の周期は、各種波長変換が可能なように選択すればよい。直線状の光導波路L2から入力される入射光のうち、円環状の光導波路L1に結合される波長は、両光導波路L2とL1とのギャップで制御される。同様に、円環状の光導波路L2内で変換された光のうち、出力用の直線状の光導波路L3に結合される波長も、両者のギャップで制御される。
また、円環状の光導波路、放射状の反転構造とすることで、基本波光が循環するので、OPOの際には共振器が不要となり、励起効率が高くなるなどの特徴がある。
【0035】
本発明の製造方法に従って、上記放射状の反転構造P1を製造する際には、上記ファンアウト形状の場合と同様、形成すべき反転領域の帯幅が上記(D)の条件を満たすように電極幅を補正する。即ち、角度が変化しても、同じ光導波路L1上においては、各反転領域の帯幅が互いに等しくなるように、角度に応じて、また、上記(B)の条件を満たすように、電極幅を補正しておく。
【0036】
図4の例では、環状に屈曲する光導波路が、U字状に屈曲する光導波路の半円状の屈曲部分L4である。同図に示すように、反転構造は、直線部分の平行縞状の構造P3のみならず、屈曲部分にも、反転領域が180度の扇状として等角度間隔で放射状に広がる反転構造P2を有している。このような構造によって、光導波路がL5からL6へと方向を変えながらも、波長変換を行うことが可能になっている。
【0037】
図5は、1つの結晶基板に反転構造を2以上(図ではP4〜P6の3箇所)別個に形成する場合の例を示している。同図における個々の反転構造P4〜P5は、いずれも同一仕様の単純な平行縞状であるが、反転領域の長手方向とY軸とのなす角度が、反転構造同士の間で互いに異なっている。同図の例では、結晶基板の外形が三角形(正三角形には限定されない)を呈しており、各辺を反射面として、入射光が結晶基板内部を循環し、反転構造P4〜P6を順に巡りながら波長変換される構成となっている。
【0038】
本発明の製造方法に従って、上記のような複数の反転構造を製造する際にも、上記ファンアウト形状の場合と同様、形成すべき反転領域の帯幅が上記(E)の条件を満たすように電極幅を補正する。即ち、反転領域の角度が互い異なる反転構造同士であっても、それぞれの反転領域の帯幅が、反転構造同士の間で互いに等しくなるように、電極幅を角度に応じて、また上記(B)の条件を満たすように、電極幅を補正しておく。
【0039】
本発明に用いられる強誘電体結晶基板の材料は、公知のものであってよく、例えば、LiNbO3、LiTaO3、XATiOXB4(XA=K、Rb、Tl、Cs、XB=P、As)などの代表的なものや、これらにMgなどの種々の元素をドープしたものが挙げられる。LiNbO3やLiTaO3は、コングルーエント組成であってもストイキオメトリック組成であってもよい。これらの材料のなかでも、LiNbO3やLiTaO3は好ましい材料であり、特にMgOドープLiNbO3は、耐光損傷性に優れた材料である。
【0040】
本発明では、結晶のZ軸の方向が基板面に垂直となるようカット(Zカット)された結晶基板(Z板)を加工対象としているが、実質的にZ板と同様に扱えるものは、一方の板面に+Zが現われ、他方の板面に−Zが現われるように形成されたオフカット基板であっても、Z板に含めるものとする。
【0041】
本発明の製造方法では、電極の帯幅を上記のように補正し、該電極と結晶基板裏面の電極との間で反転電圧を印加し、反転領域を形成するが、電極の形成方法(成膜法やパターニング法)自体や、裏面の電極の態様、反転電圧の印加方法などについては、従来公知の分極反転結晶の製造技術を適宜参照してもよい。
【0042】
波長変換としては、上記したSHG、OPOの他、差周波発生(DFG)、和周波発生(SFG)、光パラメトリック増幅(OPA)などが挙げられる。
【0043】
【実施例】
本発明による製造方法に従って、電極幅を補正し、ファンアウト形状の反転構造を実際に製作した。
強誘電体結晶基板として、厚さ0.5mm、光路方向(X軸方向)50mm、Y軸方向30mmとなるようZカットし、分極方向を単一化したMgO添加LiNbO3基板を用いた。
最終的に得るべきファンアウト形状の設計仕様は、周期が29μm〜31μmまで可変となるように広がるものとし、いずれの光路においても反転比率50%を目標とする。
【0044】
〔上記(式1)を確定するための予備実験〕
従来法に従って、電極幅に補正を施すこと無しに上記設計仕様のファンアウト形状の反転構造を製作し、次の手順1〜手順3に従って、上記(式1)の補正項F(θ)をθの関数として求めた。
【0045】
(手順1)
先ず、従来法によって得た反転構造のうち、反転周期30μm部分を光路として選択し、該光路上で、各角度θにおける反転比率を測定した。
図11は、その測定結果をプロットし、最小2乗法によって、角度θの増加に伴って、反転比率D〔%〕が増加する傾向をしめす直線を求めたグラフである。
該直線から、周期30μmの場合の近似式は、
D〔%〕=2.7053〔%/deg.〕×θ〔deg.〕+38.744〔%〕
となった。
【0046】
(手順2)
次に、上記近似式をもとに、反転比率50%にするための、上記の補正係数F(θ)を求めた。その結果、
F(θ)
=Λ〔μm〕×(11.256−2.7053×θ)/100
=30〔μm〕×(11.256−2.7053×θ)/100
となった。
【0047】
(手順3)
上記手順1、2を、ファンアウト上の他の周期Λについても同様に行うことで、各周期での補正項F(θ)を調べ、上記仕様のファンアウト形状の全角度、全周期について補正値を示す上記(式1)を確定した。
【0048】
上記予備実験で製作した反転構造と、各反転領域幅の増大傾向を示す図11のグラフは、そのまま、従来のファンアウト形状の反転構造とその評価を示す比較例でもある。
【0049】
上記で確定した補正式に基づいて、結晶基板の+Z面に、X軸方向50mm、Y軸方向10mmの方形領域全体に、ファンアウト形状の反転構造が形成されるように、非反転領域だけを覆うレジストパターンを形成した。
この場合、レジストパターン間の露出領域が、電極を配置する領域であって、該露出領域の帯幅(X軸方向寸法)が、上記で確定した補正式に従った値となっている。
【0050】
上記レジストパターンと露出領域とを全体的に覆って、Cr層、Al層を順に形成して一様金属電極とし、Al層上には液体電解質を介してプラス電位とし、裏面(−Z面)には直接的に液体電解質を接触させてマイナス電位となるように、分極反転電圧を印加し、電極が接触している領域の分極反転を行い、ファンアウト形状の反転構造を得た。
【0051】
得られた反転構造の表面を、フッ酸、硝酸混合液を用いて選択エッチングし、顕微鏡にて観察し、各光路上での角度θと反転比率との関係を調べた。
図9は、周期30μm部分を光路とし、図11のグラフと同様の計算手法にて、該光路上での角度θと反転比率との関係を示したグラフである。図9のグラフに示された略水平の直線から明らかなように、θが増大しても、反転比率が増加の傾向を示すことなく50%のラインを維持している。厳密には、製造誤差によって、50%ラインからランダムなばらつきが生じているが、それらは許容誤差の範囲内であって、反転比率が増加の傾向を示していないことが重要である。
また、得られた反転構造の有効領域全域に渡って、種々の周期の光路についても同様に調べたが、いずれの光路においても、同じ光路上では、反転比率が50%となっており、増加の傾向は示していなかった。
【0052】
【発明の効果】
本発明による製造方法に従い、角度に応じた電極幅の補正を施しておくことによって、ファンアウト形状の反転構造のように、反転領域が放射状に配置される反転構造において、角度が大きくなっても、該領域の帯幅の変化が抑制でき、1つの光路上における反転比率を均一とすることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による製造方法の工程において、ファンアウト形状の反転構造を形成すべく結晶基板上に形成された電極の配置パターンを模式的に示す図である。
【図2】本発明において、電極幅の補正に採用すべき角度を説明する図である。
【図3】本発明の製造方法によって製造すべき反転構造の他の態様を示す概略図である。反転構造中の個々の反転領域、各光導波路には、識別のためハッチングを施している。図4も同様である。
【図4】本発明の製造方法によって製造すべき反転構造の他の態様を示す概略図である。
【図5】本発明の製造方法によって製造すべき反転構造の他の態様を示す概略図である。反転構造中の個々の反転領域には、ハッチングを施している。
【図6】従来の一般的な平行ストライプ状の反転構造、およびファンアウト形状の反転構造を示す概略図である。図6(a)では、各反転領域にハッチングを施し、図6(b)では、各反転領域を太線で表している。
【図7】理想的なファンアウト形状の反転構造の反転領域の帯幅を説明する図である。
【図8】反転比率Dと変換効率ηとの関係を示すグラフ図であって、正の整数である次数mが1、2、3である場合のそれぞれのDとηとの関係を示している。
【図9】本発明に従い電極幅を補正して得たファンアウト形状の反転構造の、1つの光路上における、角度θと反転比率との関係を示すグラフである。
【図10】従来製造されているファンアウト形状の反転構造に存在する問題を説明するための図である。
【図11】従来製造されているファンアウト形状の反転構造において、1つの光路上における、角度θと反転比率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 強誘電体結晶基板
S1、S2、...、Sx 電極
W1、Wx 電極の帯幅
θ 角度
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention belongs to the technical field of optical crystals, and particularly relates to a method for producing a domain-inverted crystal.
[0002]
[Prior art]
The domain-inverted crystal is LiNbO.ThreeLiTaOThreeA periodic domain-inverted structure is formed on a ferroelectric crystal (nonlinear optical crystal) such as that so that quasi phase matching is possible. Hereinafter, the periodic polarization inversion structure is also referred to as “inversion structure”, and “polarization inversion” included in other words is also simply referred to as “inversion”.
[0003]
In the normal inversion structure, as schematically shown in FIG. 6A, a band-like inversion region R10 and a non-inversion region N10 are formed on a plate surface of the ferroelectric crystal substrate 100 with a predetermined inversion period (hereinafter referred to as “reversal period”). This structure is also inverted so that it appears alternately in parallel stripes at Λ10. The band width r10 of the inversion region R10 is determined in relation to the inversion ratio (described later). When the input light alternately passes through the inversion region R10 and the non-inversion region N10, output light (wavelength converted light) is generated by the nonlinear optical effect due to the crystal and the quasi phase matching due to the inversion structure.
For the inversion structure and various wavelength conversions using quasi-phase matching using it, the literature “Optical Second Harmonic Generation and Polarization Inversion” (Kurimura, Solid State Physics, 29 (1994) 75-82) and international publication This is described in detail in publications WO 97/15863 and the like.
[0004]
In some aspects of the inversion structure, the arrangement pattern of the inversion regions is not parallel stripes. As an example, there is a fan-out inverted structure as shown in FIG. This figure shows an example formed on a Z-cut ferroelectric crystal substrate (hereinafter also referred to as a Z plate). As shown schematically in the figure, the fan-out inverted structure has a band-shaped inversion region (a band-shaped portion shown in black) and a non-inversion region (a white band-shaped portion in between) radially (fan-shaped). The inversion regions are arranged so that the angle between the longitudinal direction and the Y axis changes sequentially, and the optical path is parallel from L10 to L20. It is characteristic that the period changes continuously when moved.
[0005]
Each inversion region and non-inversion region in the fan-out shape inversion structure has a constant inversion ratio even when the optical path is translated from L10 to L20 as shown in an ideal dimension in FIG. Should be formed as follows. In other words, the inversion region should have a band width that widens from L10 to L20 so that [inversion ratio in optical path L10 (r10 / Λ10)] = [inversion ratio in optical path L20 (r20 / Λ20)]. .
[0006]
For example, in the second harmonic generation (SHG), the fan-out inverted structure can be finely adjusted so that the period is adapted to the wavelength of the incident light by translating the optical path from L10 to L20. . Further, by selecting a large number of optical paths at the same time, it is possible to make various types of input light incident on one element and perform SHG respectively. In optical parametric oscillation (OPO), the oscillation wavelength can be continuously changed by translating the optical path.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the present inventors examined the state of each inversion region in detail regarding the actually manufactured fan-out shape inversion structure, it was found that the following problems existed.
As shown in FIG. 10A, the problem is that the reversal ratio is not uniform when following an arbitrary optical path L30 passing through the reversal structure, and the original reversal intended by the design. This is a problem that the wavelength conversion efficiency due to the structure is not obtained.
That is, as schematically shown in FIG. 10 (b), the band width r10 of the inversion region in the vicinity of the center of one optical path L30 and the band width rx of the inversion region in the vicinity of the end of the optical path are the latter. The band width is larger by 20 to 30%, and the inversion ratio (band width / period) that should be constant is (r10 / Λ10) <(rx / Λ10).
[0008]
FIG. 11 shows a case where a fan-out inverted sample is formed in accordance with the prior art, and [an angle θ formed between the longitudinal direction of the inversion region and the Y axis] and [inversion ratio] on the optical path when one optical path is selected. It is a graph which shows the result of having measured the relationship. However, in this sample, the inversion ratio at θ = 0 deviates within the allowable range to a value smaller than 50% due to a manufacturing error.
In the production of the sample, in accordance with a conventional manufacturing method, an electrode for applying an inversion voltage is arranged in accordance with each region to be inverted on the crystal substrate, and the other electrode side electrode arranged opposite to the back surface of the crystal substrate is used. A polarization reversal voltage was applied between them, thereby reversing the direction of spontaneous polarization of the crystal. At that time, with respect to the width of each electrode (= length in the optical path direction) arranged in each of the regions to be reversed on the crystal substrate, all electrodes at the same angle are the same width on the same optical path. It formed so that it might become. This is because it is recognized that the shape of the inversion region formed under the electrode has no correlation with the angle θ.
In the fan-out inverted structure actually obtained with such a uniform electrode width, the inversion width (= inversion ratio) increases as the angle θ increases, as is apparent from the graph of FIG.
[0009]
The problem that the inversion ratio increases as the angle θ increases as described above is not only the fan-out inversion structure, but also occurs in all inversion structures in which the inversion regions are not arranged in parallel stripes. .
[0010]
An object of the present invention is to solve the above problem, and in a reversal structure in which strip-shaped reversal regions are arranged radially, even if the angle between the longitudinal direction of the reversal region and the Y-axis direction changes, An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an inversion structure that can suppress a change in band width.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have investigated the problem of increase in the inversion ratio accompanying the increase in the angle. As a result, in the process of domain inversion performed by arranging the electrodes on the crystal substrate, the inversion region increases as the angle θ increases. It was found that there was a phenomenon that it was difficult to form as in the case of the electrode, and a larger amount protruded from the electrode, and this phenomenon was the cause of the increase in the inversion ratio.
Based on the above knowledge, the present inventors have conceived that the band width of the electrode is corrected in accordance with the angle θ, thereby canceling the above phenomenon and intending the band width of all inversion regions. The present invention has been completed. That is, the present invention has the following features.
[0012]
(1) A strip-shaped electrode corresponding to the domain-inverted region of the structure so that the periodic domain-inverted structure of the following (A) is formed on at least one plate surface of the Z-cut ferroelectric crystal substrate Having a step of arranging
  In order that all the domain-inverted regions formed by the domain-inverted processing have a band width designed for wavelength conversion, the band width of the electrode corresponding to the domain-inverted region is set to the longitudinal direction of the domain-inverted region and Y Correct the intended band width according to the angle with the axis.And the correction applied to the band width of the electrode is a correction that satisfies the following condition (B):A method for producing a domain-inverted crystal.
  (A) A band-shaped domain-inverted region and a non-inverted region having a longitudinal direction appear alternately on the plate surface of the Z-cut ferroelectric crystal substrate so as to enable wavelength conversion by quasi-phase matching. A periodic domain-inverted structure formed, wherein the domain-inverted regions are arranged such that the angle between the longitudinal direction and the Y-axis changes sequentially.
(B) When comparing the band widths of two adjacent electrodes on the same optical path that passes through the periodic polarization reversal structure of (A), the band width of the electrode with the larger angle is the other electrode. Narrower than the width of the band.
[0014]
  UpThe periodic polarization reversal structure of (A) is a fan-out shaped periodic polarization reversal structure, and the intended band width further satisfies the following condition (C)It is preferable.
  (C) When an arbitrary linear optical path that passes through the periodic domain-inverted structure in the X-axis direction is set, the bandwidths of the domain-inverted regions are equal to each other on the same optical path.
[0015]
  UpThe periodic domain-inverted structure of (A) is a periodic domain-inverted structure having domain-inverted regions that spread radially so as to overlap with an optical waveguide that is bent in an annular shape. )It is preferable.
  (D) When an arbitrary optical waveguide that passes through the periodic domain-inverted structure in an annular shape is set, at least on the same optical waveguide, the bandwidths of the domain-inverted regions are equal to each other.
[0016]
  UpThe circularly bent optical waveguide is an annular optical waveguide closed as a circle, and the radially inversion domain is a domain inversion region extending radially at equal intervals in all directions of 360 degrees.It is preferable.
[0017]
  UpThe optical waveguide bent in a ring shape is a bent portion of the optical waveguide bent in a U-shape.It is preferable.
[0018]
  UpThe periodic domain-inverted structure of (A) is two or more periodic domain-inverted structures formed on the plate surface of the ferroelectric crystal substrate. Each of the domain-inverted structures is a band-shaped domain-inverted structure. The regions and the non-inverted regions are formed so as to alternately appear in parallel stripes, and the angle between the longitudinal direction of the domain-inverted regions of each periodic domain-inverted structure and the Y-axis is the periodic polarization. The inverted structures are different from each other, and the intended band width further satisfies the following condition (E)It is preferable.
  (E) The bandwidths of the domain-inverted regions of the individual periodic domain-inverted structures are equal to each other between the domain-inverted structures.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Taking the fan-out inverted structure as an example of the inverted structure (A) above, the manufacturing method according to the present invention will be described, and other aspects of the inverted structure will be referred to as needed. FIG. 1 is a diagram schematically showing an arrangement pattern of electrodes formed on a crystal substrate in order to form a fan-out inverted structure in a manufacturing method according to the present invention. As shown in the figure, in the manufacturing method, the strip-shaped electrodes S1 and S2 corresponding to the inversion regions of the structure are formed so that the inversion structure of (A) is formed on one plate surface of the Z plate. , S3,. . . . , Sx is disposed.
In the drawing, only the electrode disposed on the right side of the electrode S1 near the center is illustrated, but the electrode may be disposed on the left side so as to have a fan-out shape.
[0020]
The important point of the manufacturing method is that the shape of each electrode formed in stripes for polarization inversion is changed according to the change in the angle θ between the longitudinal direction of the inversion region and the Y axis (that is, in FIG. 1). As the process proceeds from the electrode S1 to Sx), the band width of the electrode is corrected as a band width different from the band width of the inversion region. The correction is a correction in which the band width of the electrode is changed according to the angle so that all the inversion regions obtained as a result of the inversion processing have the band width intended by design regardless of θ.
Hereinafter, the term “angle” means “the angle formed by the longitudinal direction of the inversion region (or its electrode) and the Y axis”. The band width of the band-like inversion region is called “inversion region width”, and the band width of the band-like electrode for forming the inversion region is called “electrode width”.
[0021]
As described above, each inversion region obtained by applying an inversion voltage by correcting the electrode width in accordance with the change in the angle θ is originally designed so as to enable the target wavelength conversion. It is formed in a power dimension shape. As a result, the inversion ratio is uniform in any part on one optical path L, and the wavelength conversion efficiency is improved.
[0022]
Of the corrections to be performed on the electrode width in the present invention, a preferable correction is a correction that further satisfies the condition (B) when defined by comparison between adjacent electrodes.
That is, in the case of the fanout inverted structure, as shown in FIG. 1, when an arbitrary optical path L passing through the inverted structure in the X-axis direction is set, all the inverted region widths (W1) are set on the same optical path L. ,..., Wx) are corrected according to the angle so that they are equal to each other. At this time, when two adjacent electrode widths are compared on the same optical path L, the electrode width having the larger angle is corrected to be narrower than the electrode width having the smaller angle. By the correction satisfying the condition (B), the amount of protrusion of the inversion region that increases as the angle increases is canceled out.
[0023]
The inversion ratio is the ratio of the inversion region width in one cycle, and changes the wavelength conversion efficiency. FIG. 8 is a graph showing the relationship (theoretical value) between the inversion ratio D and the conversion efficiency η for m = 1, 2, and 3 among orders m that are arbitrary positive integers. The normalized conversion efficiency is the conversion efficiency when normalized with the maximum conversion efficiency theoretically determined as 1.
As shown in the figure, the curves indicating the relationship between D and η are different for each order. For example, in the case of the order m = 1, the graph exhibits a single peak, and the maximum conversion is achieved at the inversion ratio D = 50%. Efficiency η = 1 is obtained. As the order m increases, the number of peaks in the graph increases, and the maximum conversion efficiency decreases accordingly. Therefore, in a normal design, an inversion structure in which the inversion ratio 50% at the order m = 1 is selected as a preferable inversion ratio for obtaining the highest conversion efficiency, and the ratio between the inversion region width and the non-inversion region width is made equal. Is a preferred embodiment. The inversion region width selected in accordance with the order is the “inversion region width designed for wavelength conversion” in the present invention, but is limited to the order m = 1 and the inversion ratio 50%. In order to prevent unintentional high-order wavelength conversion from occurring, select an order other than 1 according to the purpose, and adopt an inversion ratio that deliberately deviates from the maximum conversion efficiency. Also good.
[0024]
In the present invention, the band width of the electrode is corrected according to the angle so as to be uniform in any part on the same optical path regardless of the values of the inversion area band width and the inversion ratio intended by the design. In particular, it is preferable that the condition (B) is satisfied.
[0025]
In the present invention, the resulting inversion region corrects the electrode bandwidth (so that the design-intended bandwidth for wavelength conversion is designed). In that case, the inversion region has the intended bandwidth. Is not only that the inversion region completely matches the intended bandwidth, but, as shown in FIG. 8, in each order m selected for determining the inversion ratio, the conversion efficiency is 90% of the maximum conversion efficiency. % Or more, and more preferably 95% or more, as long as the width of the inversion region has an inversion ratio.
For example, if the order m = 1 is selected in the graph of FIG. 8, the inversion ratio (50% ± 14.20) is such that the conversion efficiency η is at least 90% of the maximum conversion efficiency (η ≧ 0.9). 3%) is ensured, and more preferably, the inversion ratio (50 ± 10.1%) is 95% or more (η ≧ 0.95) of the maximum conversion efficiency. It is sufficient that the width is set.
In the case of the order m = 2, the maximum conversion efficiency is 0.5, but the range of the inversion ratio that is 90% or more (η ≧ 0.45) has two peaks. The range of inversion ratios such as% ± 7.1% and 75% ± 7.1% and 95% or more is 25% ± 5% and 75% ± 5%.
The case where the order m = 3 or more is selected can be set in the same manner as described above.
In the above, the inversion region width is defined with respect to the inversion ratio, but the actual value of the bandwidth varies depending on the wavelength of light to be subjected to wavelength conversion.
[0026]
By correcting the electrode width according to the angle, the inversion region widths obtained are all equal to each other on the same optical path L, but here, the inversion region widths are equal to each other. In addition, variations due to manufacturing errors may be included.
According to the study by the present inventors, in addition to the phenomenon that the amount of protrusion of the inversion region width increases as the angle increases, the amount of random variation in the inversion region width increases as the angle increases. In the present invention, it is only necessary to suppress the phenomenon that the amount of protrusion of the former increases, and it is only necessary that the inclination of the graph shown in FIG. 11 is corrected to be substantially horizontal as shown in FIG.
[0027]
In the present invention, when the electrode width is corrected so as to satisfy the condition (B), the electrode width may be corrected even when the angle is 0 degrees, depending on the target condition.
[0028]
In the fan-out inverted structure, the individual inverted regions themselves are not fan-shaped with a uniform width but are fan-shaped. Therefore, the longitudinal direction of the inversion region is the direction of the center line as in the case of the electrode shown in FIG.
[0029]
The angle formed between the longitudinal direction of the inversion region and the Y axis is always 90 ° or less of the two angles having a complementary angle. For example, as shown in FIG. 2, even if the longitudinal direction of the inversion region changes counterclockwise to P1, P2, and P3 and the angle between the longitudinal direction and the Y axis increases to θ1, θ2, and θ3, For P3 exceeding 90 degrees, the angle formed with the Y axis is θ3a, which is a complementary angle of θ3.
The angle formed between the longitudinal direction of the inversion region and the Y axis always takes a positive value regardless of whether the longitudinal direction changes clockwise or counterclockwise from the Y axis. The magnitude of each angle is compared with the substantial angle formed between the longitudinal direction and the Y axis.
[0030]
How narrow the electrode width is to be corrected according to the angle and so as to satisfy the above condition (B) depends on the ferroelectric crystal substrate (type, composition ratio, thickness, presence / absence of impurity addition and addition amount) ), Polarization inversion conditions (applied voltage, applied time, crystal temperature, electrode material) and the like.
In FIG. 1, in the period Λ determined by specifying one optical path L, the relationship between the angle θ and the electrode width W (θ) corrected according to θ on the same optical path is F ( θ) as a correction term
W (θ) = W (0) + F (θ) (Formula 1)
Can be expressed as
[0031]
The above (Equation 1) is an equation for determining W (θ) by adding W (0) to the correction term F (θ) according to the change in the angle θ, with W (0) as a reference dimension. The correction term F (θ) is a function of θ defined to change as θ increases. When correcting the electrode width to be narrower than W (0), F (θ) takes a negative value.
When the correction satisfying the condition of (B) is performed according to (Equation 1), the correction term F (θ) takes a negative value, and the absolute value of F (θ) increases as θ increases. To do.
The fan-out inverted structure is characterized in that the period Λ is changed by the parallel movement of the optical path L. Therefore, the electrode width of the entire Λ in the variable range may be corrected based on the above formula.
[0032]
When correcting the electrode width according to the angle, an inversion structure is experimentally formed in accordance with a conventional manufacturing method in advance, and the tendency of the amount of protrusion from the electrode as the angle increases is examined. You may determine the correction amount of each electrode.
[0033]
Next, application to other structures in which the inversion regions are not arranged in parallel stripes, such as a fan-out inversion structure, will be described.
The examples of FIGS. 3, 4, and 5 show other examples of the inversion structure of the above (A). In particular, the examples of FIGS. 3 and 4 are radial so as to overlap with the optical waveguide bent in an annular shape. It has an inversion region that spreads out. Moreover, all are the figures which looked at the Z surface of the crystal substrate.
[0034]
In the example of FIG. 3, the optical waveguide bent in an annular shape is a closed annular optical waveguide L1, and as shown in the figure, the inversion regions spread radially at equal angular intervals in 360 degrees. The inverted structure P1 is provided. When light circulates in the annular optical waveguide L1, the light passes through the radial inversion structure P1, and wavelength conversion is performed.
The entire wavelength conversion element has a structure in which this radial inversion structure P1 is disposed between two linear optical waveguides L2 and L3.
What is necessary is just to select the period of the inversion structure P1 so that various wavelength conversion is possible. Of the incident light input from the linear optical waveguide L2, the wavelength coupled to the annular optical waveguide L1 is controlled by the gap between the two optical waveguides L2 and L1. Similarly, of the light converted in the annular optical waveguide L2, the wavelength coupled to the output linear optical waveguide L3 is also controlled by the gap between the two.
In addition, since the fundamental wave light circulates by adopting an annular optical waveguide and a radial inversion structure, there is a feature that a resonator is not required at the time of OPO, and excitation efficiency is increased.
[0035]
When the radial inversion structure P1 is manufactured according to the manufacturing method of the present invention, the electrode width is set so that the band width of the inversion region to be formed satisfies the condition (D) as in the case of the fan-out shape. Correct. That is, even if the angle changes, on the same optical waveguide L1, the electrode width is set in accordance with the angle and so as to satisfy the condition (B) so that the band widths of the inversion regions are equal to each other. Is corrected.
[0036]
In the example of FIG. 4, the optical waveguide bent in a ring shape is a semicircular bent portion L4 of the optical waveguide bent in a U shape. As shown in the figure, the inversion structure has not only the parallel stripe-like structure P3 of the straight line portion but also the inversion structure P2 in which the inversion region spreads radially at equal angular intervals as a 180-degree fan shape in the bent portion. ing. With such a structure, it is possible to perform wavelength conversion while changing the direction of the optical waveguide from L5 to L6.
[0037]
FIG. 5 shows an example in which two or more inversion structures (three locations P4 to P6 in the figure) are separately formed on one crystal substrate. Each of the inversion structures P4 to P5 in the figure has a simple parallel stripe shape with the same specifications, but the angle formed between the longitudinal direction of the inversion region and the Y axis is different between the inversion structures. . In the example of the figure, the outer shape of the crystal substrate has a triangular shape (not limited to an equilateral triangle), each side is a reflection surface, incident light circulates inside the crystal substrate, and sequentially goes around the inverted structures P4 to P6. However, the wavelength is converted.
[0038]
When manufacturing a plurality of inversion structures as described above according to the manufacturing method of the present invention, as in the case of the fan-out shape, the width of the inversion region to be formed satisfies the condition (E). Correct the electrode width. That is, even if the inversion structures have different inversion region angles, the electrode widths are changed according to the angle and the above (B) so that the inversion regions have the same band width between the inversion structures. The electrode width is corrected so as to satisfy the condition (1).
[0039]
The material of the ferroelectric crystal substrate used in the present invention may be a known material, for example, LiNbO.ThreeLiTaOThree, XATiOXBOFour(XA= K, Rb, Tl, Cs, XB= P, As) and the like, and those doped with various elements such as Mg. LiNbOThreeAnd LiTaOThreeMay be a congruent composition or a stoichiometric composition. Among these materials, LiNbOThreeAnd LiTaOThreeIs a preferred material, especially MgO-doped LiNbOThreeIs a material excellent in light damage resistance.
[0040]
In the present invention, a crystal substrate (Z plate) that is cut (Z cut) so that the Z-axis direction of the crystal is perpendicular to the substrate surface is a processing target. Even an off-cut substrate formed so that + Z appears on one plate surface and -Z appears on the other plate surface is included in the Z plate.
[0041]
In the manufacturing method of the present invention, the band width of the electrode is corrected as described above, and an inversion voltage is applied between the electrode and the electrode on the back surface of the crystal substrate to form an inversion region. As for the film method and patterning method) itself, the mode of the electrode on the back surface, the method of applying the reversal voltage, etc., a conventionally known polarization inversion crystal manufacturing technique may be referred to as appropriate.
[0042]
Examples of wavelength conversion include difference frequency generation (DFG), sum frequency generation (SFG), and optical parametric amplification (OPA) in addition to the above-described SHG and OPO.
[0043]
【Example】
According to the manufacturing method according to the present invention, the electrode width was corrected, and the fan-out inverted structure was actually manufactured.
MgO-doped LiNbO with a thickness of 0.5 mm, an optical path direction (X-axis direction) of 50 mm, and a Y-axis direction of 30 mm as a ferroelectric crystal substrate, with a unified polarization directionThreeA substrate was used.
The design specification of the fan-out shape to be finally obtained is so wide that the period is variable from 29 μm to 31 μm, and the inversion ratio is 50% in any optical path.
[0044]
[Preliminary experiment to determine (Equation 1) above]
According to the conventional method, a fan-out inverted structure having the above design specifications is manufactured without correcting the electrode width, and the correction term F (θ) in the above (Equation 1) is θ according to the following procedure 1 to procedure 3. As a function of
[0045]
(Procedure 1)
First, among the inversion structures obtained by the conventional method, an inversion period of 30 μm was selected as the optical path, and the inversion ratio at each angle θ was measured on the optical path.
FIG. 11 is a graph obtained by plotting the measurement results and obtaining a straight line showing a tendency for the inversion ratio D [%] to increase as the angle θ increases by the least square method.
From the straight line, the approximate expression when the period is 30 μm is
D [%] = 2.7053 [% / deg.] × θ [deg.] + 38.744 [%]
It became.
[0046]
(Procedure 2)
Next, the correction coefficient F (θ) for obtaining an inversion ratio of 50% was obtained based on the approximate expression. as a result,
F (θ)
= Λ [μm] × (11.256-2.7053 × θ) / 100
= 30 [μm] × (11256-2.7053 × θ) / 100
It became.
[0047]
(Procedure 3)
By performing the above steps 1 and 2 in the same way for other periods Λ on the fan-out, the correction term F (θ) in each period is examined, and all angles and all periods of the fan-out shape of the above specifications are corrected The above (Equation 1) showing values was established.
[0048]
The inversion structure manufactured in the preliminary experiment and the graph of FIG. 11 showing the increasing tendency of each inversion region width are also a comparative example showing the conventional fan-out inversion structure and its evaluation.
[0049]
Based on the correction formula determined above, only the non-inverted region is formed on the + Z plane of the crystal substrate so that a fan-out inverted structure is formed in the entire square region of 50 mm in the X-axis direction and 10 mm in the Y-axis direction. A covering resist pattern was formed.
In this case, the exposed region between the resist patterns is a region where the electrodes are arranged, and the band width (dimension in the X-axis direction) of the exposed region is a value according to the correction formula determined above.
[0050]
The resist pattern and the exposed region are entirely covered, and a Cr layer and an Al layer are sequentially formed to form a uniform metal electrode. A positive potential is applied to the Al layer via a liquid electrolyte, and the back surface (-Z plane). In this case, a polarization reversal voltage was applied so that the liquid electrolyte was directly brought into contact with the liquid electrolyte, and the region where the electrodes were in contact was subjected to polarization reversal to obtain a fan-out reversal structure.
[0051]
The surface of the obtained inversion structure was selectively etched using a hydrofluoric acid and nitric acid mixed solution and observed with a microscope, and the relationship between the angle θ on each optical path and the inversion ratio was examined.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the angle θ on the optical path and the inversion ratio using the same calculation method as that of the graph of FIG. 11 with the period of 30 μm as the optical path. As is apparent from the substantially horizontal straight line shown in the graph of FIG. 9, even if θ increases, the inversion ratio maintains a 50% line without showing an increasing tendency. Strictly speaking, random fluctuations are generated from the 50% line due to manufacturing errors, but it is important that they are within the allowable error range and that the inversion ratio does not show an increasing tendency.
In addition, the optical path of various periods was similarly examined over the entire effective region of the obtained inverted structure, but in any optical path, the inversion ratio was 50% on the same optical path and increased. The trend was not shown.
[0052]
【The invention's effect】
According to the manufacturing method of the present invention, by correcting the electrode width in accordance with the angle, even if the angle increases in the reversal structure in which the reversal regions are arranged radially like the fan-out reversal structure, Thus, the change in the bandwidth of the region can be suppressed, and the inversion ratio on one optical path can be made uniform.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing an arrangement pattern of electrodes formed on a crystal substrate to form a fan-out inverted structure in a manufacturing method according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining an angle to be used for correcting an electrode width in the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing another embodiment of the inverted structure to be manufactured by the manufacturing method of the present invention. Each inversion region and each optical waveguide in the inversion structure are hatched for identification. The same applies to FIG.
FIG. 4 is a schematic view showing another embodiment of the inverted structure to be manufactured by the manufacturing method of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing another embodiment of the inverted structure to be manufactured by the manufacturing method of the present invention. Each inversion region in the inversion structure is hatched.
FIG. 6 is a schematic view showing a conventional general parallel stripe-shaped inverted structure and a fan-out inverted structure. In FIG. 6A, each inversion area is hatched, and in FIG. 6B, each inversion area is indicated by a bold line.
FIG. 7 is a diagram illustrating the band width of an inversion region of an ideal fan-out inversion structure.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the inversion ratio D and the conversion efficiency η, and shows the relationship between D and η when the order m, which is a positive integer, is 1, 2, and 3; Yes.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the angle θ and the inversion ratio on one optical path of the fan-out inversion structure obtained by correcting the electrode width according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a problem existing in a fan-out inverted structure manufactured conventionally.
FIG. 11 is a graph showing a relationship between an angle θ and a reversal ratio on one optical path in a fanout reversal structure manufactured conventionally.
[Explanation of symbols]
1 Ferroelectric crystal substrate
S1, S2,. . . , Sx electrode
W1, Wx electrode band width
θ angle

Claims (1)

Zカットされた強誘電体結晶基板の少なくとも一方の板面に、下記(A)の周期的分極反転構造が形成されるように、該構造の分極反転領域に対応する帯形の電極を配置する工程を有し、
分極反転加工で形成される全ての分極反転領域が、波長変換のために設計上意図した帯幅となるよう、その分極反転領域に対応する電極の帯幅を、分極反転領域の長手方向とY軸とのなす角度に応じて、前記意図した帯幅に対して補正しておき、かつ、前記電極の帯幅に施しておく前記補正を、下記(B)の条件を満たす補正とすることを特徴とする、分極反転結晶の製造方法。
(A)Zカットされた強誘電体結晶基板の板面に、擬似位相整合による波長変換が可能となるように、長手方向を有する帯形の分極反転領域と非反転領域とが交互に現われるよう形成された周期的分極反転構造であって、かつ前記分極反転領域が、その長手方向とY軸とのなす角度が順次変化するように配置されている、周期的分極反転構造。
(B)上記(A)の周期的分極反転構造を通過する同じ光路上において、隣接する2つの電極の帯幅を比較したときに、上記角度が大きい方の電極の帯幅が、他方の電極の帯幅よりも狭いこと。
A band-shaped electrode corresponding to the domain-inverted region of the structure is arranged so that the periodic domain-inverted structure (A) below is formed on at least one plate surface of the Z-cut ferroelectric crystal substrate. Having a process,
In order that all the domain-inverted regions formed by the domain-inverted processing have a band width designed for wavelength conversion, the band width of the electrode corresponding to the domain-inverted region is set to the longitudinal direction of the domain-inverted region and Y According to the angle formed with the axis, correction is made for the intended band width , and the correction applied to the band width of the electrode is a correction that satisfies the following condition (B): A method for producing a domain-inverted crystal.
(A) A band-shaped domain-inverted region and a non-inverted region having a longitudinal direction appear alternately on the plate surface of the Z-cut ferroelectric crystal substrate so as to enable wavelength conversion by quasi-phase matching. A periodic domain-inverted structure formed, wherein the domain-inverted regions are arranged such that the angle between the longitudinal direction and the Y-axis changes sequentially.
(B) When comparing the band widths of two adjacent electrodes on the same optical path that passes through the periodic polarization reversal structure of (A), the band width of the electrode with the larger angle is the other electrode. Narrower than the width of the band.
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