JP4854187B2 - 分極反転部の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、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。

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。

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。特許文献１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（図２８）。

具体的には、低抵抗部分の長さは１０〜３０μmが好ましく、例えば２０μｍとすることが記載されている。
特開平１１−７２８０９号公報

特許文献１記載の方法では、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。

更に、周期が4mmよりも広い場合においては、深い反転構造が得られ易いが、周期が4mm以下になる領域では、深い反転構造を得ようとすると、隣接する反転部分が連続しやすくなり、周期性が乱れやすい。その結果、波長変換効率がかえって劣化するという可能性がある。

本発明の課題は、いわゆる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新規な方法を提供することである。

本発明は、電圧印加法により分極反転部を製造する方法であって、単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に複数の電極部と給電部とを有する櫛型電極および電極部に対向する対向電極を設け、強誘電体単結晶基板の裏面に一様電極を設け、各電極部が、給電部から対向電極に向かって延びる基部と、基部から分離された複数の導電部とを備えており、基部に最も近い導電部の長さよりも、電極部の最先端にありかつ対向電極に対向する導電部の長さが小さいことを特徴とする。

好ましくは、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、複数の電極部と給電部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であって、各電極部が、給電部から延びる基部と、基部から分離された複数の導電部とを備えており、導電部の平均長さが４μｍ以上、９μｍ以下とすることができる。

好ましくは、導電部間の隙間が０．５μｍ以上、５．０μｍ以下である。

本発明者は、櫛形電極を構成する電極部に複数の互いに切り離された導電膜を設ける場合に、この導電膜の構成が、形成される分極反転部の状態にたいして多大な影響をもたらすことを見いだし、この発見に基づいて本発明に到達した。

具体的には、導電部の平均長さを９μｍ以下とすることによって、各導電部から延びる分極反転部が互いにつながり易くなり、また短周期の周期分極反転部を形成しやすくなる。例えば、周期1.8mmや1.3mmといった従来方法では得られない短い周期で、深い周期状分極反転構造を得ることができた。この観点からは、導電部の平均長さを５μｍ以下とすることが特に好ましい。

ただし、導電部の平均長さが４μｍ未満になると、分極反転部が生じにくい部分があり、バラツキが生ずるので、導電部の平均長さを４μｍ以上とする。

また、本発明者は、櫛形電極を構成する電極部に複数の互いに切り離された導電膜を設ける場合に、基部に最も近い導電部の長さｄａよりも電極部の最先端にある導電部の長さｄｂを小さくすることによって、各導電部から延びる分極反転部が互いにつながり易くなり、また短周期の周期分極反転部を形成しやすくなることを見いだした。

本発明の観点からは、ｄａとｄｂとの差は、５μｍ以上とすることが好ましい。また、ｄｂは２０μｍ以下とすることが好ましい。

また、本発明者は、櫛形電極を構成する電極部に複数の互いに切り離された導電膜を設ける場合に、導電部間の隙間の大きさを０．５μｍ以上、５μｍ以下とすることによって、各導電部から延びる分極反転部が互いにつながり易くなり、また短周期の周期分極反転部を形成しやすくなることを見いだした。

この観点からは、導電部間の隙間の大きさを４μｍ以下とすることが好ましく、２μｍ以下とすることが更に好ましい。しかし、導電部間の隙間が小さくなると、かえって深い分極反転部を形成しにくくなるので、導電部間の隙間は０．５μｍ以上とし、１μｍ以上とすることが更に好ましい。

基板を構成する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。

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。

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。

いわゆるオフカット基板を用いることで、オフカットではないxカットやy基板に比べて、深い反転構造を得ることができる。オフカット角度が５度程度の僅かな傾きであれば、通常、TEモードで出射する半導体レーザとの光軸調整も、オフカット分の角度補正をしなくても、偏波面の不整合による効率劣化が少なく、高効率な波長変換特性を得ることができる。但し、オフカット角が大きくなれば偏波不整合による効率劣化分が大きくなるので、そのような場合は、偏波面が合うように角度補正をする必要がある。

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。

また、基板として、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、対向電極は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、対向電極は浮動電極として残しておいても良い。

図１から図３を参照しつつ、参考形態を述べる。

図１は、基板上に設けられた電極のパターンを示す平面図である。図２は、図１で示した櫛型電極の電極部の平面的パターンを示す拡大図である。図３は、電極を形成した基板８を模式的に示す斜視図である。

分極反転部を製造する際には、強誘電体単結晶からなるオフカット基板を基板８として使用する。強誘電体単結晶の分極方向Ａは、表面８ａおよび裏面８ｂに対して所定角度、例えば５°傾斜しているので、この基板８はオフカット基板と呼ばれている。

基板８の表面８ａに櫛型電極３および対向電極１を形成し、裏面８ｂに一様電極９を形成する。櫛型電極３は、周期的に配列された多数の細長い電極部５と、多数の電極部５の付け根を接続する細長い給電部２とからなる。対向電極１は細長い電極片からなっており、対向電極１は、電極部５の先端に対向するように設けられている。

最初に基板８の全体を非分極反転方向Ａに分極させておく。そして、櫛型電極３と対向電極１との間にＶ１の電圧を印加し、櫛型電極３と一様電極９との間にＶ２の電圧を印加すると、分極反転部が各電極部５から方向Ｂと平行に徐々に進展する。分極反転方向Ｂは、非分極反転方向Ａとは正反対になる。なお、電極部に対応しない位置、すなわち隣接する分極反転部の間には、分極反転していない非分極反転部が残留する。このようにして、分極反転部と非分極反転部とが交互に配列された周期分極反転構造が形成される。周期分極反転構造が形成された位置に光導波路を形成することができる。

本例においては、特に図２に示すように、各電極部５が、給電部2から延びる基部６と、基部6から分離された複数の導電部5ａ、5ｂ、5ｃを備えており、導電部５ａ、５ｂ、５ｃの平均長さが４μｍ以上、９μｍ以下である。即ち、５ａは基部６に最も近い導電部であり、５ｂは最先端の導電部であり、５ｃは、５ａと５ｂとの間の導電部である。これらの導電部の長さを合計し、導電部の個数で割ることによって、導電部の長さｄの平均値が算出される。

また、本例においては、隣接する導電部間の隙間１０の寸法ｅを０．５μｍ以上、５．０μｍ以下とする。

図２、図４および図５を参照しつつ、本発明の実施形態を述べる。
図４は、基板上に設けられた電極のパターンを示す平面図である。図５は、図４で示した櫛型電極の電極部の平面的パターンを示す拡大図である。

基板８の表面８ａに櫛型電極３Ａおよび対向電極１を形成し、裏面８ｂに一様電極９を形成する。櫛型電極３Ａは、周期的に配列された多数の細長い電極部５Ａと、多数の電極部５Ａの付け根を接続する細長い給電部２とからなる。対向電極１は細長い対向電極片からなっており、対向電極は、電極部５Ａの先端に対向するように設けられている。

最初に基板８の全体を非分極反転方向Ａに分極させておく。そして、櫛型電極３Ａと対向電極１との間にＶ１の電圧を印加し、櫛型電極３Ａと一様電極９との間にＶ２の電圧を印加すると、分極反転部が各電極部５Ａから方向Ｂと平行に徐々に進展する。分極反転方向Ｂは、非分極反転方向Ａとは正反対になる。

本例においては、特に図５に示すように、各電極部５Ａが、給電部2から延びる基部６と、基部6から分離された複数の導電部5ａ、5ｂ、5ｃ、５ｄとを備えている。そして、第二の態様に従い、基部６に最も近い導電部５ａの長さｄａを、最先端の導電部５ｂの長さｄｂよりも大きくする。これと共に、第三の態様に従い、隣接する導電部間の隙間１０の寸法ｅを０．５μｍ以上、５．０μｍ以下とする。

基部６に最も近い導電部５ａの長さｄａと最先端の導電部５ｂの長さｄｂとの差を５μｍ以上とすることが更に好ましい。また、基部６に最も近い導電部と最先端の導電部との間にある導電部の長さｄｃ、ｄｄは限定されないが、ｄａは５μｍ以上、ｄｂは２０μｍ以下であることが好ましい。この場合には、ｄｃ、ｄｄは、ｄａと等しくてよく、ｄｂと等しくてよく、ｄａとｄｂとの間の値であってよい。特に好ましくは、基部６から最先端へと向かって、導電部の長さが段階的に減少する。

本発明において、周期分極反転構造の周期は特に限定されないが、一例を挙げると、例えば４μｍ以下の周期のものに特に適している。
導電部の間の隙間の個数は特に限定されないが、例えば３〜１５個とすることができる。

（実験Ａ：参考形態に係る）
図１〜図３を参照しつつ説明した方法に従い、電圧印加法によって周期分極反転構造を形成した。ただし、導電部の隙間１０の大きさｅを１μｍとし、各導電部５ａ、５ｂ、５ｃの長さをそれぞれ８μｍとした。電極部５の根元の部分は電極片への給電をよくすることを目的に、導電部よりも長めの基部６を設けた。対向電極１と給電電極２の中心間距離ａを４００μｍとした。基部６の長さｂは３３μｍである。

実験Ａ１では、周期分極反転の周期を１．８μｍとした。長さｄ＝８μｍの導電部５ａ、５ｂ、５ｃを１３個配列した。前述のようにして周期状分極反転の試作実験を行った。電極部の全長ｃは１５０μｍである。

また、実験Ａ２として、導電部の長さｄ＝１２μｍ、隙間ｅ＝1μｍ、導電部の数を9個とした。ここで、基部６の長さｂは前述の導電部の長さが８μｍのものと同様３３μｍになるように、導電部の長さと数を調整した。電極部の全長ｃは１５０μｍである。

図６に、導電部の長さｄ＝８μｍかつ隙間＝１μｍ（実験Ａ１）および１２μｍかつ隙間＝１μｍ（実験Ａ２）で設計した電極、および隙間１０を設けない電極（実験Ａ３）による分極反転の深さを示す。

ここで、分極反転の深さについて述べる。実際に深さを測定するには、ウェハを切断しなければならず破壊検査となる。この破壊検査を避けるために、５度のオフyカット基板を用いて、弗硝酸のエッチング後に観察されるウェハ表面の分極反転部の長さから換算したものを示している。電圧印加条件は、全て同一とした。具体的には、図２中のＶ１には電圧をかけず、配線も行わず、Ｖ２のみ約４ｋＶのパルス状の電圧を印加した。基板には、MgOが添加されたLiNbO3基板（厚さ0.5mm）のものを使用しており、抗電界以上の電界を印加している。電極材には基板の上下面ともTaを使用し、電圧を印加する際には放電を防止するため、絶縁オイル中で行った。

図６の結果から、隙間なしの電極（実験Ａ３）に比べ、隙間を設けることで約２倍の反転深さが得られ（実験Ａ２）、さらに電極片の長さ８μｍのもの（実験Ａ１）の方が深い反転が形成されていることが分かる。

更に、導電部の長さｄを７μｍ以下、更には５μｍ以下とすることで、更に深い反転が得られることが分かった。ただし、導電部の長さが３μｍのものを試作してみたが、図７に示すように反転部分ができない部分があり、安定的に形成されなかった。導電部の長さｄが４μｍ以上では、このようなバラツキが生じなかったので、電極片の長さとして４μｍ以上が好ましい長さとなる。

また、上記の実験では、電極長さ８μｍの場合で13個に分割したもの、すなわち、隙間が13個あるものの結果を示したが、幾つか実験を行ったところ、隙間部分の数としては10個の方がより深い反転が形成された。但し、好適な隙間の個数は、電極片の長さや、周期に依存するものと思われる。

また、隙間部分の大きさについても、上記の実験では１μｍとしたが、４μｍ未満の周期に対しては１μｍぐらいが好ましく、それ以上の周期の場合は２μｍぐらいであっても、分極反転が深くなることを確認した。

なお、図1に示すように電極に隙間部分を設けると、分極反転部分にも隙間が生じると懸念したが、実際に断面を切断し、研磨処理して観察したところ、図８に示すように電極の隙間に対応するような隙間がなく、深さ方向に連続する分極反転が形成されていた。

（実験Ｂ：本発明に係る）
図２、４、５を参照しつつ説明した方法に従って、周期的分極反転構造を製造した。ただし、導電部の隙間１０の大きさｅを１μｍとし、導電部５ａ、５ｃ、５ｄ、５ｂの長さを、先端から基部へと向かって８、１０、１２、１４μｍとした。対向電極１と給電電極２の中心間距離ａを４００μｍとした。基部６の長さｂは９３μｍである。

実験Ｂ１では、周期分極反転の周期を１．３μｍとした。前述のようにして周期状分極反転の試作実験を行った。実験Ｂ２では、隙間を設けなかった。

図９に、図２、４、５の電極構造により作製した分極反転の深さと、比較のため隙間無しで設計した電極による結果とを示す。電圧印加条件は、実験Ａよりも短周期であるため、Ｖ２の電圧を低くして約２ｋＶのパルス状電圧を印加した。

図９の結果より、この場合も隙間を設けたものの方が、深さが２倍拡大しており、深い分極反転構造が得られていることが分かる。図１０に、実験Ｂ１によって得られた分極反転の断面観察例を示す。この場合も電極の隙間部分がなく、断面方向に連続する分極反転が形成されていることが確認できる。

また、実験Ｂ３として、導電部の長さを先端から基部へと向かって１４、１２、１０、８μｍとしたものを設計し、試作した。この結果、前記と同一の印加条件では、隣り合う分極反転部分とつながってしまい、周期性が乱れてしまったものしか得られなかった。

特に、短周期の分極反転構造を得ようとする場合には、図５のように、導電部の長さを先端から根元に向けて、徐々に長くしていく構造が好ましいといえる。

参考形態に係る櫛形電極３および対向電極１を概略的に示す平面図である。 電極部５の形状を示す平面図である。 基板に櫛型電極３、対向電極１および一様電極９を形成し、電圧印加法によって周期分極反転構造を形成している状態を模式的に示す斜視図である。 本発明に係る櫛形電極３および対向電極１を概略的に示す平面図である。 電極部５Ａの形状を示す平面図である。 実験Ａにおける実験結果を示すグラフである。 実験Ａにおいて、導電部の長さｄを３μｍとしたときに得られた分極反転形状を示す写真である。 実験Ａの実験Ａ１において、得られた分極反転形状（深さ方向）を示す写真である。 実験Ｂにおける実験結果を示すグラフである。 実験Ｂの実験Ｂ１において得られた分極反転形状（平面方向）を示す写真である。

符号の説明

１ 対向電極 ２ 給電部 ３、３Ａ 櫛型電極 ５、５Ａ 電極部 ５ａ 基部６に最も近い導電部 ５ｂ 最先端の導電部 ５ｃ、５ｄ 導電部５ａと５ｂとの間にある導電部 ６ 電極部の基部 ８ 基板 ８ａ 基板８の１表面 ８ｂ 基板８の裏面 ９ 一様電極 ｂ 基部６の長さ ｃ 電極部５、５Ａの長さ ｄ 導電部の長さ ｄａ 基部６に最も近い導電部５ａの長さ ｄｂ 最先端の導電部５ｂの長さ ５ｃ、５ｄ 基部５ａと５ｂとの間にある導電部５ｃ、５ｄの長さ ｅ 導電部間の隙間の大きさ

Claims (6)

1. 電圧印加法により分極反転部を製造する方法であって、単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に複数の電極部と給電部とを有する櫛型電極および前記電極部に対向する対向電極を設け、前記強誘電体単結晶基板の裏面に一様電極を設け、前記各電極部が、前記給電部から前記対向電極に向かって延びる基部と、前記基部から分離された複数の導電部とを備えており、前記基部に最も近い導電部の長さよりも、前記電極部の最先端にありかつ前記対向電極に対向する導電部の長さが小さいことを特徴とする、分極反転部の製造方法。
2. 前記導電部間の隙間が０．５μｍ以上、５．０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記基部に最も近い前記導電部の長さと、前記電極部の最先端にある前記導電部の長さとの差が５μｍ以上であり、前記基部に最も近い前記導電部の長さが５μｍ以上であり、前記電極部の最先端にある前記導電部の長さが２０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 前記基部に最も近い前記導電部と前記電極部の最先端にある前記導電部との間に他の導電部が設けられており、前記基部に最も近い前記導電部から前記電極部の最先端にある前記導電部へと向かって前記導電部の長さが段階的に減少することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法。
5. 前記強誘電体単結晶基板がオフカット角度１°以上、２０°以下のオフカット基板であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の方法。
6. 前記強誘電体単結晶基板がニオブ酸リチウムからなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の方法。
   

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