JP4201244B2

JP4201244B2 - 分極反転部の製造方法

Info

Publication number: JP4201244B2
Application number: JP2002113834A
Authority: JP
Inventors: 隆智根萩; 真岩井; 省一郎山口
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2022-04-16
Also published as: JP2003307757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた、複数の電極片を有する櫛型電極を用いて電圧印加法により分極反転部を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ピックアップなどに使用することのできる青色レーザ用光源として、ニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶などの強誘電体単結晶に、周期的な分極反転構造を形成した光導波路を利用した擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ）方式の第２高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）デバイスが期待されている。このデバイスは、光ディスクメモリ用、医学用、光化学用、及び各種光計測用などの幅広い応用が可能である。
【０００３】
第２高調波発生デバイスにおいて高い変換効率を得るためには、強誘電体単結晶内に深い分極反転構造を形成する必要がある。周期分極反転構造を基板表面から深く形成する方法が、特開平９−２１８４３１号公報において提案されている。この方法はいわゆる電圧印加法を改良したものであるが、基板表面を強誘電体結晶の分極軸に対して例えば３°傾斜させることによって、基板表面から深い位置に向かって分極反転部を成長させることを試みている。
【０００４】
また、特開平１１−７２８０９号公報に記載された方法では、基板表面を強誘電体結晶の分極軸に対して３°傾斜させ、かつ基板の表面に櫛形電極と棒状電極とを形成し、櫛形電極の各電極片の先端と棒状電極との間に幾つかの低電気抵抗部分を形成している。そして、櫛形電極と棒状電極との間に直流電圧を印加すると、櫛形電極の電極片に対応して分極反転部が形成されるのと共に、各低電気抵抗部分にもそれぞれ対応して分極反転部が形成されるとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１１−７２８０９号公報に記載された方法では、確かに櫛形電極の電極片に対応して分極反転部が形成され、これと共に各低電気抵抗部分に対応してそれぞれ分極反転部を形成することは不可能ではない。しかし、櫛形電極の電極片の先端と各低電気抵抗部分との間には所定の隙間があり、また隣接する低電気抵抗部分の間にも隙間があることから、それぞれに対応する各分極反転部の間にも隙間が発生する。つまり、各分極反転部は互いに離れた位置に形成される。このため、こうした構造を持つ周期分極反転構造を疑似位相整合方式の第二高調波発生素子に適用すると、基本波と重なる分極反転部は、導波路位置に対応する任意の一カ所のみとなる（つまり、ある分極反転部を導波路中心に設定しようとすると、隣り合う分極反転部は導波路外に位置してしまう）場合が多い。このため、第二高調波発生効率は特に向上しないものと考えられる。
【０００６】
本発明の課題は、単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた、複数の電極片を有する櫛型電極と、この櫛型電極に対向する位置に設けられた対向電極との間に電圧を印加することによって分極反転部を製造するのに際して、基板の表面から深い位置にまで伸びるような分極反転部を形成する新規な方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた櫛型電極および対向電極を用いて、電圧印加法により分極反転部を製造する方法であって、
櫛型電極が、給電部と、この給電部から対向電極へと向かって延びる複数の電極片とを備えており、電極片が、第一電極部と、第一電極部よりも幅の広い第二電極部とを有し、第二電極部の幅／第一電極部の幅の比が 2 以上、 5 以下であり、少なくとも一つの第一電極部が、少なくとも一つの第二電極部よりも電極片における先端側に設けられており、前記強誘電体単結晶基板の分極軸が前記基板表面に対して１〜２０°傾斜しており、この分極軸の方向に向かって分極反転部を形成することを特徴とする。
【０００８】
発明者は、櫛型電極に、第一電極部と、この第一電極部よりも幅の広い第二電極部とを設け、かつ第一電極部を第二電極部の、電極片における先端側に配置することを想到した。このような形状の櫛型電極を用いた場合、第一電極部に対応する第一分極反転部が形成され、第二電極部に対応する第二分極反転部が形成される。また、第二分極反転部は、第一分極反転部に比べて深い位置に形成される。このように、基板表面から深い位置にまで伸びるような分極反転部を形成することができる。また、第二電極部および第一電極部の位置を制御することにより、基本波と重なる位置に、各分極反転部を容易に形成することができる。
【０００９】
第二電極部は、第一電極部よりも幅の広い部分である。ここで、第二電極部の幅は、第一電極部の幅よりも大きければよく、幅の絶対値は限定されない。また第一電極部は、第二電極部よりも幅の狭い部分である。第一電極部の幅は、第二電極部の幅よりも小さければよく、幅の絶対値は規定されない。
【００１０】
電極片の幅は、目的とする波長に対応して設定される。従って、各電極部の幅も、目的とする波長に適合した大きさでなければならない。その上で、本発明の効果を達成するという観点から、第二電極部の幅／第一電極部の幅の比が2以上である。また、第二電極部の幅と第一電極部の幅の差が0.3μｍ以上であることが好ましい。ただし、第二電極部の幅が大きくなりすぎると、分極反転の周期に影響する可能性があるので、第二電極部の幅／第一電極部の幅の比が5以下である。また、第二電極部の幅と第一電極部の幅の差が1.2μｍ以下であることが好ましく、1.0μｍ以下であることが更に好ましい。
【００１１】
本発明の他の形態としては、単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた櫛型電極および対向電極を用いて、電圧印加法により分極反転部を製造する方法であって、
櫛型電極が、給電部と、この給電部から対向電極へと向かって延びる複数の電極片とを備えており、電極片が、肉薄電極部と、肉薄電極部よりも厚みの大きい肉厚電極部とを有し、肉厚電極部の厚さ／肉薄電極部の厚さの比が２以上、６以下であり、少なくとも一つの肉薄電極部が、少なくとも一つの肉厚電極部よりも電極片における先端側に設けられており、前記強誘電体単結晶基板の分極軸が前記基板表面に対して１〜２０°傾斜しており、この分極軸の方向に向かって分極反転部を形成することを特徴とする。
【００１２】
上記形状の櫛型電極を用いた場合、肉薄電極部に対応する第一分極反転部が形成され、肉厚電極部に対応する第二分極反転部が形成される。また、肉厚電極部および肉薄電極部の位置を制御することにより、基本波と重なる位置に、各分極反転部を容易に形成することができる。
【００１３】
好適な実施形態としては、分極反転部の幅を一定にしてもよい。分極反転部の幅は、電極片の幅によって決定される。従って、電極片の幅を変更せずに、電極片の厚みのみを変化させることによって、均一な幅を有する分極反転部を形成することができる。
【００１４】
肉厚電極部とは、肉薄電極部よりも厚みの大きい部分をいう。ここで厚みとは、肉厚電極部の相対的な厚みの大きさを規定しており、絶対的な厚みの大きさを規定するものではない。すなわち、肉厚電極部の厚みは肉薄電極部の厚みよりも大きければよく、厚みの絶対値は規定されない。また、肉薄電極部とは、肉厚電極部よりも厚みの小さい部分をいう。肉薄電極部の厚みは、肉厚電極部の厚みよりも小さければよく、厚みの絶対値は規定されない。
【００１５】
電極片の厚さは、全体として0.05μｍ〜0.3μｍであることが好ましい。その上で、本発明の効果を達成するという観点から、肉厚電極部の厚さ／肉薄電極部の厚さの比が、2以上である。また、肉厚電極部の厚さと肉薄電極部の厚さの差が、0.05μｍ以上であることが好ましい。
【００１６】
また、電極部作製上の観点からは、肉厚電極部の厚さ／肉薄電極部の厚さの比が、6以下である。また、肉厚電極部の厚さと肉薄電極部の厚さの差が、0.2μｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
好適な実施形態としては、電極片が、複数の第一電極部を有し、少なくとも一つの第二電極部が第一電極部に挟まれていてもよい。これにより、電極片の先端に対応する分極反転部が生成し、第二電極部に対応する分極反転部が生成する。このように、複数の分極反転部を生成させることができる。
【００１８】
図１から図３を参照しつつ、分極反転部２２の製造工程について説明する。図１は、基板と、基板上に設けられた電極とを示す斜視図である。図２は、図１で示した櫛型電極３０を示す平面図である。また、図３（Ａ）は、図１で示した櫛型電極３０を拡大して示す斜視図であって、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す櫛型電極３０および櫛型電極３０を搭載した基板１を示す断面図である。
【００１９】
分極反転部２２の製造において、強誘電体単結晶からなるオフカット基板を基板１として使用する。強誘電体単結晶の方向Ｂは、表面１ａおよび裏面１ｂに対して所定角度、例えば５°傾斜しているので、この基板１はオフカット基板と呼ばれている。
【００２０】
基板１の表面１ａに櫛型電極３０および対向電極６を形成し、裏面１ｂに一様電極５を形成する。櫛型電極３０は、周期的に配列された複数の細長い電極片３Ａと、複数の電極片３Ａを接続する細長い給電電極３２とからなる。対向電極６は細長い対向電極片６ａからなっており、対向電極片６ａは、電極片３Ａの先端３７に対向するように設けられている。
【００２１】
最初に基板１の全体を方向Ｂ、すなわち非分極反転方向４Ｂに分極させておく。そして、例えば櫛型電極３０と対向電極６との間にＶ１の電圧を印加し、櫛型電極３０と一様電極５との間にＶ２の電圧を印加すると、分極反転部２２が各電極片３Ａの先端から方向Ｂと平行に徐々に進展する。分極反転部２２の分極の方向である分極反転方向４Ａは、非分極反転方向４Ｂとは正反対になる。なお、電極片３Ａに対応しない位置、すなわち隣接する分極反転部２２の間には、分極反転していない非分極反転部２４が形成されている。このようにして、分極反転部２２と非分極反転部２４とが交互に配列された周期分極反転構造２０が形成される。周期分極反転構造２０が形成された位置に光導波路１５ａを形成する。
【００２２】
本実施の形態における電極片３Ａは、相対的に幅の狭い第一電極部４０、４４、および相対的に幅の広い第二電極部４２を有している。第一電極部４０、第二電極部４２、および第一電極部４４が、給電電極３２側から先端３７側に向けてこの順に配列されている。
【００２３】
第一電極部４４は、先端３７側に端面４４ａを有している。また、第二電極部４２は、先端３７側に端面４２ａ、４２ｂを有している。端面４４ａおよび端面４２ａ、４２ｂは、表面１ａに対して垂直に設けられている。各電極５、６、３０に電圧を印加すると、端面４４ａに対応する基板１上の位置１０ａ付近から第一分極反転部２２ａが生成され、さらに端面４２ａ、４２ｂに対応する位置１０ｂ付近から第二分極反転部２２ｂが生成される。
【００２４】
分極反転方向４Ａは、表面１ａに対して傾斜しているので、第一分極反転部２２ａおよび第二分極反転部２２ｂは、裏面１ｂ側に向けて生成される。従って、光導波路１５ａが形成されるべき位置において、深さ方向に異なる位置に、第一分極反転部２２ａおよび第二分極反転部２２ｂが形成される。第一分極反転部２２ａおよび第二分極反転部２２ｂは、分極反転部２２を形成している。
【００２５】
好適な実施形態としては、電極片が、複数の第二電極部を有し、少なくとも一つの前記第一電極部が第二電極部に挟まれていてもよい。これにより、電極片の先端に対応する分極反転部が生成し、電極片の根元側に配置された第二電極部に対応する分極反転部が生成する。
【００２６】
図４および図５を参照しつつ、第二の実施形態にかかる櫛型電極３０について説明する。図４は、櫛型電極３０を示す平面図である。図５（Ａ）は、櫛型電極３０の斜視図であって、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す櫛型電極３０および櫛型電極３０を搭載した基板１を示す断面図である。
【００２７】
本実施の形態における電極片３Ｂは、第二電極部４５、４９および第一電極部４７を有している。本実施の形態における電極片３Ｂは、第二電極部と第一電極部の配列が、第一の実施形態における電極片３Ａと異なっている。すなわち、第二電極部４５、第一電極部４７、および第二電極部４９は、給電電極３２側から先端３７側に向けてこの順に配列されている。
【００２８】
第二電極部４９は、先端３７側に端面４９ａを有している。また、第二電極部４５は、先端３７側に端面４５ａ、４５ｂを有している。電圧を印加すると、１０ａ付近の位置から第一分極反転部２２ａが生成され、１０ｂ付近の位置から第二分極反転部２２ｂが生成される。第一分極反転部２２ａおよび第二分極反転部２２ｂは、光導波路１５ａが形成されるべき位置において、深さ方向に異なる位置に形成される。
【００２９】
好適な実施形態としては、電極片が、複数の第二電極部および複数の第一電極部を有し、第二電極部および第一電極部が、交互に配列されていてもよい。これにより、電極片の先端および各第二電極部のそれぞれに対応する複数の分極反転部が生成する。このように、複数の分極反転部を厚さ方向に異なる位置に生成させることができる。
【００３０】
図６を参照しつつ、第三の実施形態にかかる櫛型電極３０について説明する。図６（Ａ）は、櫛型電極３０を示す平面図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す櫛型電極３０およびこの櫛型電極３０を搭載した基板１を示す断面図である。
【００３１】
本実施の形態における電極片３Ｃは、複数の第二電極部５０、５４、５８、および複数の第一電極部５２、５６、６０を有している。電極片３Ｃにおいて、第二電極部と第一電極部とが交互に配置されている。電極片３Ｃは、各第二電極部の端面５０ａ、５０ｂ、５４ａ、５４ｂ、５８ａ、５８ｂ、および電極片３Ｃの先端に設けられている端面６０ａを有している。
【００３２】
電圧を印加すると、基板１における各端面に対応する位置１０ａ、１０ｂ、１０ｄ、１０ｅからそれぞれ第一分極反転部２２ａ、第二分極反転部２２ｂ、第三分極反転部２２ｄ、および第四分極反転部２２ｅが生成される。第一分極反転部２２ａ、第二分極反転部２２ｂ、第三分極反転部２２ｄ、および第四分極反転部２２ｅは、分極反転部２２を形成している。
【００３３】
図７を参照しつつ、第四の実施形態にかかる櫛型電極３０について説明する。図７（Ａ）は、櫛型電極３０を示す平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す櫛型電極３０およびこの櫛型電極３０を搭載した基板１を示す断面図である。
【００３４】
本実施の形態における電極片３Ｄは、複数の第二電極部７２、７６、８０、および複数の第一電極部７０、７４、７８を有している。これらの配列は、第三の実施形態にかかる電極片３Ｃにおける第二電極部および第一電極部の配列と逆である。
【００３５】
電圧を印加すると、基板１における各端面に対応する位置１０ａ、１０ｂ、１０ｄ、１０ｅからそれぞれ第一分極反転部２２ａ、第二分極反転部２２ｂ、第三分極反転部２２ｄ、および第四分極反転部２２ｅが生成される。第一分極反転部２２ａ、第二分極反転部２２ｂ、第三分極反転部２２ｄ、および第四分極反転部２２ｅは、分極反転部２２を形成している。
【００３６】
好適な実施形態としては、電極片が、複数の肉薄電極部を有し、少なくとも一つの肉厚電極部が肉薄電極部に挟まれていてもよい。これにより、電極片の先端に対応する分極反転部が生成し、肉厚電極部に対応する分極反転部が生成する。このように、複数の分極反転部を生成させることができる。
【００３７】
また、好適な実施形態としては、電極片が、複数の肉厚電極部を有し、少なくとも一つの肉薄電極部が肉厚電極部に挟まれていてもよい。これにより、電極片の先端に対応する分極反転部が生成し、肉厚電極片に対応する分極反転部が生成する。
【００３８】
また、好適な実施形態としては、前記電極片が、複数の肉厚電極部および複数の肉薄電極部を有し、前記肉厚電極部および肉薄電極部が、交互に配列されていてもよい。これにより、電極片の先端および各肉厚電極分極反転部のそれぞれに対応する複数の分極反転部が生成する。このように、複数の分極反転部を厚さ方向に互いに異なる位置に生成させることができる。
【００３９】
図８を参照しつつ、第五の実施形態にかかる櫛型電極３０について説明する。図８（Ａ）は、櫛型電極３０の要部を拡大して示す斜視図であって、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す櫛型電極３０およびこの櫛型電極３０を搭載した基板１を示す断面図である。
【００４０】
本実施の形態における電極片３Ｅは、相対的に厚みの小さい肉薄電極部９０、９４、および相対的に厚みの大きい肉厚電極部９２を有している。
第一肉薄電極部９０、肉厚電極部９２、および第二肉薄電極部９４が、給電電極３２側から先端３７側に向けてこの順に配列されている。
【００４１】
肉厚電極部９２は、先端３７側に端面９２ａを有している。また、第二肉薄電極部９４は、先端３７側に端面９４ａを有している。電圧を印加すると、端面９４ａに対応する基板1上の位置１０ａから第一分極反転部２２ａが生成され、端面９２ａに対応する位置１０ｂから第二分極反転部２２ｂが生成される。
【００４２】
なお、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（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５の各単結晶が特に好ましい。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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１°以上であり、かつ２０°以下である。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた、複数の電極片を有する櫛型電極を用い、電圧印加法によって分極反転部を製造するのに際して、基板の表面から深い位置にまで伸びるような分極反転部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る分極反転部２２の製造工程を説明するための図である。櫛型電極３０を説明するための図である。
【図２】櫛型電極３０の平面図である。
【図３】櫛型電極３０の拡大図である。
【図４】第二の実施形態に係る櫛型電極３０の平面図である。
【図５】第二の実施形態に係る櫛型電極３０の拡大図である。
【図６】第三の実施形態に係る櫛型電極３０を示す図である。
【図７】第四の実施形態に係る櫛型電極３０を示す図である。
【図８】第五の実施形態に係る櫛型電極３０を示す図である。
【符号の説明】
１基板１ａ表面１ｂ裏面４Ａ分極反転方向４Ｂ非分極反転方向５裏面電極６対向電極１５ａ光導波路２０周期分極反転構造２２分極反転部２４非分極反転部３０櫛型電極３２給電電極３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ電極片４０、４４第一電極部４２第二電極部

Claims

単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた櫛型電極および対向電極を用いて、電圧印加法により分極反転部を製造する方法であって、
前記櫛型電極が、給電部と、この給電部から前記対向電極へと向かって延びる複数の電極片とを備えており、前記各電極片が、第一電極部と、この第一電極部よりも幅の広い第二電極部とを有し、第二電極部の幅／第一電極部の幅の比が 2 以上、 5 以下であり、少なくとも一つの前記第一電極部が、少なくとも一つの前記第二電極部よりも前記電極片における先端側に設けられており、前記強誘電体単結晶基板の分極軸が前記基板表面に対して１〜２０°傾斜しており、この分極軸の方向に向かって分極反転部を形成することを特徴とする、分極反転部の製造方法。
前記電極片が、複数の前記第一電極部を有し、
少なくとも一つの前記第二電極部が前記第一電極部に挟まれていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記電極片が、複数の前記第二電極部を有し、
少なくとも一つの前記第一電極部が前記第二電極部に挟まれていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記電極片が、複数の前記第二電極部および複数の前記第一電極部を有し、
前記第二電極部および前記第一電極部が、交互に配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた櫛型電極および対向電極を用いて、電圧印加法により分極反転部を製造する方法であって、
前記櫛型電極が、給電部と、この給電部から前記対向電極へと向かって延びる複数の電極片とを備えており、前記電極片が、肉薄電極部と、この肉薄電極部よりも厚みの大きい肉厚電極部とを有し、肉厚電極部の厚さ／肉薄電極部の厚さの比が２以上、６以下であり、少なくとも一つの前記肉薄電極部が、少なくとも一つの前記肉厚電極部よりも前記電極片における先端側に設けられており、前記強誘電体単結晶基板の分極軸が前記基板表面に対して１〜２０°傾斜しており、この分極軸の方向に向かって分極反転部を形成することを特徴とする、分極反転部の製造方法。
前記電極片が、複数の前記肉薄電極部を有し、
少なくとも一つの前記肉厚電極部が前記肉薄電極部に挟まれていることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
前記電極片が、複数の前記肉厚電極部を有し、
少なくとも一つの前記肉薄電極部が前記肉厚電極部に挟まれていることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
前記電極片が、複数の前記肉厚電極部および複数の前記肉薄電極部を有し、
前記肉厚電極部および前記肉薄電極部が、交互に配列されていることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
前記電極片の幅が略一定であることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一つの請求項に記載の方法。