JP4866981B2 - Method for manufacturing quasi phase matching crystal and quasi phase matching crystal - Google Patents

Method for manufacturing quasi phase matching crystal and quasi phase matching crystal Download PDF

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Description

本発明は、擬似位相整合水晶の製造方法及び擬似位相整合水晶に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a quasi phase matching crystal and a quasi phase matching crystal.

常誘電体である水晶(SiO)に、そのα−β相転移温度付近で応力を印加することにより、周期的な双晶構造を作り込み周期的な分極反転構造を実現させた擬似位相整合波長変換光学素子が提案されている(S.Kurimura, R.Batchko, J.Mansell, R.Route, M.Fejer, and R.Byer:1998年春応用物理学会予稿28a−SG−18:非特許文献1)。これは、水晶のドフィーネ双晶を利用し、非線形光学定数d11の符号を周期的に反転させることにより水晶による擬似位相整合結晶を作製する方法である。 Quasi-phase matching is realized by applying periodic stress to the paraelectric quartz (SiO 2 ) near its α-β phase transition temperature to create a periodic twin structure and realize a periodically domain-inverted structure. Wavelength conversion optical elements have been proposed (S. Kurimura, R. Batchko, J. Mansell, R. Route, M. Fejer, and R. Byer: 1998 Spring Applied Physics Society Proceedings 28a-SG-18: Non-patent literature. 1). This utilizes Dauphine twin crystal, a method of fabricating a quasi-phase matched crystals by crystal by inverting the sign of the nonlinear optical constant d 11 periodically.

水晶の場合、吸収端が波長150nm程度であり、波長200nm以下での紫外光吸収は、従来の複屈折位相整合を用いた非線形光学素子(β―BaBやCsLiB10等)や強誘電体の擬似位相整合を用いた非線形光学素子(LiNbOやLiTaO等)による場合に比べてほとんどない。このため、第二光高調波発生によりArFエキシマレーザと同等の波長約193nmの光を高効率に発生させることができ、これを用いた半導体露光装置も提案されている(特開2002−1222898号公報:特許文献1)。このときの結晶軸反転周期は、約0.95μmである。 In the case of quartz, the absorption edge has a wavelength of about 150 nm, and ultraviolet light absorption at a wavelength of 200 nm or less is achieved by conventional nonlinear optical elements (β-BaB 2 O 4 , CsLiB 6 O 10, etc.) using birefringence phase matching, Compared to the case of using a nonlinear optical element (LiNbO 3 , LiTaO 3, etc.) using a quasi-phase matching of a ferroelectric material, there is almost no difference. For this reason, light having a wavelength of about 193 nm equivalent to that of an ArF excimer laser can be generated with high efficiency by generating second optical harmonics, and a semiconductor exposure apparatus using the same has also been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-122898). Publication: Patent Document 1). The crystal axis reversal period at this time is about 0.95 μm.

従来の擬似位相整合結晶としては、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムが周知であり、波長多重光通信における光直接変換などを目的とした研究が盛んである。しかし、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムにおいては、フォトリフラクティブ効果による光損傷が大きな問題となり、高出力での利用に制限があった。これに対し、水晶においては、フォトリフラクティブ効果による光損傷は無く、十分に安定な状態で使用できる。光通信に良く利用されている波長約1.55μmにおける結晶軸反転周期は、約70μmである。   As conventional quasi-phase-matched crystals, lithium niobate and lithium tantalate are well known, and research aimed at direct optical conversion in wavelength division multiplexing optical communication is active. However, in lithium niobate and lithium tantalate, photodamage due to the photorefractive effect has become a serious problem, and the use at high output is limited. On the other hand, the quartz crystal is not damaged by the photorefractive effect and can be used in a sufficiently stable state. The crystal axis inversion period at a wavelength of about 1.55 μm, which is often used for optical communication, is about 70 μm.

さらに、水晶自体は、生産技術が確立されている物質であり、入手も容易でコストも低く押さえることができる。そして、その機械的特性、化学的性質も光学結晶のなかで最も優れている部類に属する。また、従来の複屈折位相整合を用いた非線形光学結晶(例えば前記β―BaBやCsLiB10等)などに顕著に見られる潮解性もなく、取り扱いの点で非常に有利である。さらに、d11係数は、およそ0.3pm/Vであり、一般的な非線形光学結晶にくらべて少し小さい程度であり、十分な変換効率が期待できる。 Furthermore, the crystal itself is a substance for which production technology has been established, and is easily available and can be kept at a low cost. The mechanical properties and chemical properties belong to the most excellent class of optical crystals. Further, there is no deliquescence that is noticeable in conventional nonlinear optical crystals using birefringence phase matching (for example, β-BaB 2 O 4 and CsLiB 6 O 10 ), which is very advantageous in terms of handling. . Furthermore, the d 11 coefficient is about 0.3 pm / V, which is a little smaller than a general nonlinear optical crystal, and a sufficient conversion efficiency can be expected.

水晶に人工的な双晶構造を作製する方法としては種々の方法が知られているが、現在有力なものとしてホットプレス法が提案されている。(S.Kurimura, I.Shoji, T.Taira, M.Fejer, Y.Uesu, and H.Nakajima:2000年秋応用物理学会予稿3a−Q−1;非特許文献2)。この方法は、水晶基板の片面の表面上に周期的な段差構造を作製し、その水晶基板を上下方向からヒーターブロックで挟み込み、水晶基板の温度を昇温して所望の温度に到達した時点で、圧力を印加するものである。このとき、段差構造のうち凸部にあたる部分にのみ応力が作用するので、この部分でのみ結晶軸成分が反転する。この結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播し、深さ方向に大きく入った周期的な双晶の格子を作製することができる。すなわち、凸部のみに応力が集中してそこから双晶が発生し、次第に内部へと成長し、アスペクト比の大きい双晶構造が作製される。   Various methods are known as methods for producing an artificial twin structure in quartz, and a hot press method is currently proposed as a promising method. (S. Kurimura, I. Shoji, T. Taira, M. Fejer, Y. Usu, and H. Nakajima: 2000 Autumn Applied Physics Society Proceedings 3a-Q-1; Non-Patent Document 2). This method creates a periodic step structure on one surface of a quartz substrate, sandwiches the quartz substrate with a heater block from above and below, raises the temperature of the quartz substrate, and reaches a desired temperature. The pressure is applied. At this time, since the stress acts only on the portion corresponding to the convex portion of the step structure, the crystal axis component is inverted only in this portion. This crystal axis inversion portion grows to the inside of the crystal and propagates to the inside of the crystal, so that a periodic twin lattice having a large depth can be produced. That is, stress concentrates only on the convex portion, twins are generated therefrom, and gradually grows inward to produce a twin structure having a large aspect ratio.

このような、片面の表面上に段差構造が形成された水晶基板の例を、図4を用いて説明する。水晶基板1の片側の表面には段差構造が形成され、その結果、直方体の形状を有する凸部2が、所定の間隔で形成されている。この凸部2は、図の左右方向に所定の幅を有し、その幅と同じ間隔で複数の凸部2が、図の左右方向に形成されている。凸部2は図の奥行き方向に長い直方体形状を有している。この長手方向に平行な方向をa軸方向とする。当然、a軸は水晶基板1の法線に対して垂直となっている。   An example of such a quartz crystal substrate having a step structure formed on one surface will be described with reference to FIG. A step structure is formed on the surface of one side of the quartz substrate 1, and as a result, convex portions 2 having a rectangular parallelepiped shape are formed at predetermined intervals. This convex part 2 has a predetermined width in the left-right direction in the figure, and a plurality of convex parts 2 are formed in the left-right direction in the figure at the same interval as the width. The convex part 2 has a rectangular parallelepiped shape that is long in the depth direction of the figure. A direction parallel to the longitudinal direction is defined as an a-axis direction. Naturally, the a-axis is perpendicular to the normal line of the quartz substrate 1.

水晶の結晶のc軸方向は、a軸に対して垂直であるが、非特許文献3(栗村直、応用物理学会誌2000年5月号)にあるように、水晶基板1の法線方向に対してわずかながら傾けてある。すなわち、水晶基板1はその法線とc軸がわずかな角度を持つようにカットされている。その角度が大きくなる程双晶の生成がし易くなるが、実際は10〜20度程度に押さえてある。光は、図示したように、水晶基板1の端面より入射し、偏光方向はa軸方向と同じ方向である。水晶基板1の内部で波長変換された光は、入射面とは反対の端面から出射する。   The c-axis direction of the crystal of the crystal is perpendicular to the a-axis, but in the normal direction of the quartz substrate 1 as described in Non-Patent Document 3 (Naoshi Kurimura, May 2000 issue of the Japan Society of Applied Physics). It is slightly tilted. That is, the quartz substrate 1 is cut so that the normal line and the c-axis have a slight angle. The larger the angle, the easier it is for twins to be formed, but in practice it is kept at around 10-20 degrees. As shown in the drawing, the light enters from the end face of the quartz substrate 1 and the polarization direction is the same as the a-axis direction. The light whose wavelength has been converted inside the quartz substrate 1 is emitted from the end surface opposite to the incident surface.

以下、図4に示すような凸部2の作製方法の例を説明する。最初に水晶基板1上にCr膜をスパッター法により厚さが100nm程度となるように成膜する。この膜上にポジ型のレジストを塗布し、i線ステッパーなどの半導体露光装置を用いて、凸部2となる部分以外の部分を露光し現像する。次に、残ったレジストをマスクとしてCr膜を除去する。そして、残ったレジスト膜とCr膜をマスクとして、弗化水素酸にてウエットエッチングを行い数μm程度の深さの段差構造を作製する。これにより、図4に示すような凸部2を有する段差構造が表面に形成された水晶基板1が完成する。なお、Cr膜は、押圧の前にはがしてもはがさなくともどちらでもよい。   Hereinafter, an example of a method for producing the convex portion 2 as shown in FIG. 4 will be described. First, a Cr film is formed on the quartz substrate 1 by a sputtering method so as to have a thickness of about 100 nm. A positive resist is applied onto the film, and a portion other than the portion that becomes the convex portion 2 is exposed and developed using a semiconductor exposure apparatus such as an i-line stepper. Next, the Cr film is removed using the remaining resist as a mask. Then, using the remaining resist film and Cr film as a mask, wet etching is performed with hydrofluoric acid to produce a step structure having a depth of about several μm. Thereby, the quartz substrate 1 having the step structure having the convex portions 2 as shown in FIG. 4 formed on the surface is completed. Note that the Cr film may or may not be peeled off before pressing.

c軸と水晶基板法線との角度が小さくなるほど波長変換デバイスとしては都合が良いが、双晶形成に要する応力が大きくなる。従って、c軸と水晶基板法線との角度は、ほぼ数度から20度程度となるように水晶はカットされている。   The smaller the angle between the c-axis and the quartz substrate normal, the better the wavelength conversion device, but the greater the stress required for twin formation. Therefore, the crystal is cut so that the angle between the c-axis and the crystal substrate normal is about several degrees to about 20 degrees.

また、公知の技術ではないが、上述のウエットエッチングの代わりにドライエッチングを用いることも考えられる。この場合は、例えば、最初に水晶基板1上にCr膜をスパッター法により厚さが100nm程度となるように成膜する。この膜上にポジ型のレジストを塗布し、i線ステッパーなどの半導体露光装置を用いて、凸部2となる部分以外の部分を露光し現像する。そして、残ったレジストをマスクとしてCr膜を除去する。その後、残ったレジスト膜とCr膜をマスクとして、RIEあるいはICPなどのドライエッチングを行い、数μm程度の深さの段差構造を作製する。最後に、レジスト膜とCr膜を除去することにより、図4に示すような凸部2を有する段差構造が表面に形成された水晶基板1が完成する。   Although not a known technique, it is also conceivable to use dry etching instead of the above-described wet etching. In this case, for example, a Cr film is first formed on the quartz substrate 1 by a sputtering method so as to have a thickness of about 100 nm. A positive resist is applied onto the film, and a portion other than the portion that becomes the convex portion 2 is exposed and developed using a semiconductor exposure apparatus such as an i-line stepper. Then, the Cr film is removed using the remaining resist as a mask. Thereafter, using the remaining resist film and Cr film as a mask, dry etching such as RIE or ICP is performed to produce a step structure having a depth of about several μm. Finally, by removing the resist film and the Cr film, the crystal substrate 1 having the step structure having the convex portions 2 as shown in FIG. 4 formed on the surface is completed.

双晶構造を有する水晶基板を得るためには、カートリッジヒーターを備えたプレス装置を用いて、水晶基板1を上下より挟み込んで相転移温度付近まで昇温し、所望の温度に達した時に押圧する。すると、凸部2の部分にのみ応力が作用し、この部分でのみ結晶軸成分が反転する。そして、結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播し、深さ方向に大きく入った周期的な双晶の格子を作製することができる。押圧時間や圧力の時間的な変化を制御することにより深さ方向の高アスペクト比を作成することができる。   In order to obtain a quartz substrate having a twin crystal structure, a quartz substrate 1 is sandwiched from above and below using a press device equipped with a cartridge heater, the temperature is raised to near the phase transition temperature, and the pressure is pressed when the desired temperature is reached. . Then, stress acts only on the convex portion 2 and the crystal axis component is inverted only in this portion. The crystal axis reversal portion grows to the inside of the crystal and propagates to the inside of the crystal, and a periodic twin lattice having a large depth can be produced. A high aspect ratio in the depth direction can be created by controlling the time change of pressing time and pressure.

以上の説明では、水晶基板1の表面に段差構造を形成したが、水晶表面を平面研磨し、プレス側の押圧する面に段差加工を形成することも考えられる(公知の技術ではない)。プレス側の押圧面にセラミックスSiなどを使用すると、前記リソグラフィー技術とドライエッチング加工を用いて周期的な段差構造を作製することができる。 In the above description, the step structure is formed on the surface of the quartz substrate 1, but it is also conceivable that the surface of the quartz is polished and a step process is formed on the pressing surface on the press side (not a known technique). When ceramic Si 3 N 4 or the like is used for the pressing surface on the press side, a periodic step structure can be produced using the lithography technique and dry etching processing.

特開2002−1222898号公報JP 2002-122898 A 1998年春応用物理学会予稿28a−SG−181998 Spring Applied Physics Society Proceedings 28a-SG-18 2000年秋応用物理学会予稿3a−Q−12000 Autumn Autumn Meeting of Applied Physics 3a-Q-1 応用物理学会誌2000年5月号The Journal of Applied Physics, May 2000

前記押圧した後の水晶基板をフッ酸で数分間に浸し、エッチングレートの違いを利用することにより、結晶軸が反転した境界を観察することができる。図5は水晶基板1を基板法線方向から見たものである。水晶基板1表面に設けられた長方形の凸部2の周りがドライエッチング等により切り取られている。従ってプレスの平面で押圧した場合。凸部2に対応する長方形部分が結晶軸反転することになるはずであるが、実際には水晶のc軸周りの3回対称性を反映して、結晶軸反転領域3は、ハッチングで図示したように六角形のパターンで生成することが多い。   By immersing the pressed quartz substrate with hydrofluoric acid for several minutes and using the difference in etching rate, the boundary where the crystal axes are reversed can be observed. FIG. 5 shows the quartz substrate 1 as viewed from the normal direction of the substrate. A rectangular convex portion 2 provided on the surface of the quartz substrate 1 is cut off by dry etching or the like. Therefore, when pressing on the plane of the press. Although the rectangular portion corresponding to the convex portion 2 should be inverted in crystal axis, the crystal axis inversion region 3 is actually shown by hatching, reflecting the three-fold symmetry around the c-axis of the crystal. It is often generated with a hexagonal pattern.

そのため、段差周期が短い場合、例えば数μm程度では、結晶軸反転領域3が段差の凸部2全体に広がらずに、図示したように途中で六角形形状のままで止まってしまい、段差パターン(凸部2)の端まで結晶軸反転が起きないことになる。このような場合には、一般的に半径数十μm以上の広がりを持つレーザー光を入射する場合、そのごく一部しか波長変換されないことになる。   Therefore, when the step period is short, for example, about several μm, the crystal axis reversal region 3 does not spread over the entire convex portion 2 of the step, but stops in a hexagonal shape as shown in the figure, and the step pattern ( Crystal axis reversal does not occur up to the end of the convex part 2). In such a case, in general, when a laser beam having a radius of several tens μm or more is incident, only a part of the laser beam is converted.

一方、水晶の結晶軸反転領域は、応力が集中する段差パターン(凸部2)の端の方から生成し易い。よって、段差パターンが長い周期、例えば数十μmの場合、結晶軸反転領域が段差パターンの端の方だけに生成し、中心部には生成せず、所望の双晶周期構造が得られないという問題点があった。   On the other hand, the crystal axis reversal region of quartz is easily generated from the end of the step pattern (convex portion 2) where stress is concentrated. Therefore, when the step pattern has a long period, for example, several tens of μm, the crystal axis inversion region is generated only at the end of the step pattern, not at the center, and a desired twin periodic structure cannot be obtained. There was a problem.

さらに、長方形パターンの凸部2の四隅に極端に大きい応力が集中することに起因して、凸部2から外れた部分に結晶軸反転領域が生成される現象が起こることがある。このようなことが発生すると、特に段差パターンが短い周期構造の場合、隣り合うパターン同士でこの領域がくっついてしまい、周期構造が壊れてしまうことがあった。   Furthermore, due to the concentration of extremely large stresses at the four corners of the convex portion 2 of the rectangular pattern, there may occur a phenomenon in which a crystal axis inversion region is generated in a portion deviated from the convex portion 2. When this occurs, particularly in the case of a periodic structure with a short step pattern, this region may stick to adjacent patterns, and the periodic structure may be broken.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、目的とする形状の結晶軸反転領域を形成することが容易な擬似位相整合水晶の製造方法、及びこの方法の一例によって形成された擬似位相整合水晶を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a method of manufacturing a quasi-phase-matched quartz crystal that can easily form a crystal axis inversion region of a target shape, and a quasi-phase formed by an example of this method. It is an object to provide a matched crystal.

前記課題を解決するための手段は、ホットプレス法により結晶軸が反転した結晶軸反転領域を水晶基板に周期的に生成する擬似位相整合水晶基板の製造方法であって、前記結晶軸反転領域のそれぞれに相当する加圧面は、前記加圧面の面方向に複数に分割されていることを特徴とする。   The means for solving the problem is a method of manufacturing a quasi-phase-matched crystal substrate that periodically generates a crystal axis inversion region in which the crystal axis is inverted by a hot press method. The pressure surface corresponding to each is divided into a plurality in the surface direction of the pressure surface.

本手段は、結晶軸反転領域のそれぞれに相当する加圧面が、面方向に複数に分割されている。すなわち、細かなパターンの凸部(複数の分割)が複数集まって、巨視的に見ると一つのパターンからなる凸部を形成するようになっている。細かなパターン同士の境界には凸部の面より低い面(凹部)が形成されている。よって、このようなパターンの凸部が水晶基板に形成され、これをプレスの平面で押圧した場合、細かなパターンの凸部の一つ一つがプレスの平面で押圧されるので、結晶軸反転領域が全体に広がらなかったり、逆に、結晶軸反転領域の隅部にのみ集中的な応力が発生することに起因して所望の双晶周期構造が得られなかったりすることを防ぐことができる。   In this means, the pressing surface corresponding to each of the crystal axis reversal regions is divided into a plurality in the plane direction. That is, a plurality of fine pattern convex portions (plural divisions) are gathered to form a convex portion consisting of one pattern when viewed macroscopically. A surface (concave portion) lower than the surface of the convex portion is formed at the boundary between fine patterns. Therefore, when the convex part of such a pattern is formed on the quartz substrate and pressed by the plane of the press, each convex part of the fine pattern is pressed by the plane of the press. Therefore, it is possible to prevent the desired twin-periodic structure from being obtained due to the fact that the stress does not spread as a whole or, conversely, concentrated stress is generated only at the corners of the crystal axis inversion region.

細かなパターンの凸部の間にある凹部(凸部の面より低い面)には、応力がかからないが、この凹部の幅を十分狭くすることにより、凸部で発生した結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播するときに、この凹部に対応する結晶内部にも結晶軸反転部分が形成されてつながり、所望の形状を有する結晶軸反転部分を形成することができる。   No stress is applied to the recesses (surfaces lower than the surface of the projections) between the projections of the fine pattern, but by sufficiently narrowing the width of the recesses, the crystal axis inversion part generated in the projections is crystallized. When growing to the inside and propagating to the inside of the crystal, a crystal axis inversion portion is formed and connected to the inside of the crystal corresponding to the recess, and a crystal axis inversion portion having a desired shape can be formed.

水晶基板の表面を研磨した表面とし、水晶基板を押圧する面(加圧面)に凸部(複数の分割)を設けることにより、凸部が接する水晶基板の部分に結晶軸反転部分を形成してもよい。この場合、水晶基板を押圧する面は、細かなパターンの凸部の集合(複数の分割)から形成されるようにすることにより、結晶軸反転領域が全体に広がらなかったり、逆に、結晶軸反転領域の隅部にのみ集中的な応力が発生することにより、所望の双晶周期構造が得られなかったりすることを防ぐことができる。   The surface of the quartz substrate is a polished surface, and a convex part (plural divisions) is provided on the surface (pressure surface) that presses the quartz substrate, thereby forming a crystal axis inversion part in the part of the quartz substrate that the convex part is in contact with. Also good. In this case, the surface that presses the crystal substrate is formed from a set (a plurality of divisions) of convex portions with fine patterns, so that the crystal axis inversion region does not spread over the whole, or conversely, the crystal axis By generating concentrated stress only at the corners of the inversion region, it is possible to prevent a desired twin periodic structure from being obtained.

前記課題を解決するための別の手段は、前記分割された一片は、長方形、正方形または六角形の形状であることを特徴とする。   Another means for solving the above-mentioned problems is characterized in that the divided pieces are rectangular, square or hexagonal.

一般に、結晶軸反転領域は、平面的に見ると長方形であることが多いので、前記さらに細かなパターンの凸部(複数の分割)の形状を、正方形または長方形とすることにより、結晶軸反転領域を、さらに細かなパターンの集合として形成することが容易となる。また、さらに細かなパターンを正方形または長方形とすれば、加工がし易いという特徴を出すことができる。   In general, since the crystal axis inversion region is often rectangular when viewed in a plan view, the crystal axis inversion region can be obtained by making the shape of the convex portion (a plurality of divisions) of the finer pattern square or rectangular. Can be easily formed as a set of finer patterns. Further, if a finer pattern is a square or a rectangle, it is possible to obtain a feature that it is easy to process.

前述のように、水晶基板を押圧した場合、水晶のc軸周りの3回対称性を反映して、結晶軸反転領域は、六角形のパターンで生成することが多い。よって、さらに細かなパターンの凸部(複数の分割)の形状を六角形としておくことにより、結晶軸反転領域の生成に合わせたパターンの部分に応力を加えることができ、効率的に結晶軸反転領域を形成することができる。   As described above, when the quartz substrate is pressed, the crystal axis inversion region is often generated as a hexagonal pattern, reflecting the three-fold symmetry around the c-axis of the quartz crystal. Therefore, by setting the shape of the convex part (multiple divisions) of a finer pattern to a hexagonal shape, stress can be applied to the portion of the pattern that matches the generation of the crystal axis inversion region, and the crystal axis inversion is efficiently performed. Regions can be formed.

前記課題を解決するための別の手段は、前記結晶軸反転領域は略長方形であり、前記略長方形の長手方向の端部は、前記水晶基板の双晶境界と整合することを特徴とする。   Another means for solving the above-mentioned problem is characterized in that the crystal axis reversal region is substantially rectangular and the longitudinal end of the substantially rectangular shape is aligned with the twin boundary of the quartz substrate.

本手段においては、略長方形の結晶軸反転領域の端部が水晶の双晶境界にならうような形とされているので、結晶軸反転領域の生成に合わせたパターンの部分に応力を加えることができ、結晶軸反転領域が押圧パターンの外側に広がることを抑制することができる。また、このようにすると、パターンの形状は六角形に近いものとなるが、パターンの形状が長方形であるものに比べて、隅部を多数形成することができるので、応力の集中を緩和することができる。   In this means, since the end of the substantially rectangular crystal axis reversal region is shaped to follow the twin boundary of the crystal, stress is applied to the pattern portion in accordance with the generation of the crystal axis reversal region. And the crystal axis reversal region can be prevented from spreading outside the pressing pattern. In this way, the pattern shape is close to a hexagonal shape, but many corners can be formed compared to the pattern shape that is rectangular, so stress concentration can be reduced. Can do.

前記課題を解決するための別の手段は、上述の製造方法により得られた擬似位相整合水晶基板であって、多数に分割された加圧面による加圧によって生成された結晶軸反転領域を有することを特徴とする。   Another means for solving the above problem is a quasi-phase-matched quartz crystal substrate obtained by the above-described manufacturing method, which has a crystal axis inversion region generated by pressurization by a plurality of pressurization surfaces. It is characterized by.

本手段においては、上記方法を用いて結晶軸反転領域を形成することができるので、結晶軸反転領域が全体に広がらなかったり、逆に、結晶軸反転領域の隅部にのみ集中的な応力が発生することに起因して所望の双晶周期構造が得られなかったりすることを防ぐことができる。   In this means, since the crystal axis inversion region can be formed by using the above method, the crystal axis inversion region does not spread over the entire area, or conversely, concentrated stress is applied only to the corner of the crystal axis inversion region. It can be prevented that a desired twin periodic structure is not obtained due to the occurrence.

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態の第1の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図であり、従来例の図5に対応するものである。この擬似位相整合水晶の基板の全体構成は、図4に示した従来のものと変わるところはない。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram of a quasi-phase matched quartz crystal substrate, which is a first example of an embodiment of the present invention, viewed from the normal direction of the substrate, and corresponds to FIG. 5 of the conventional example. The overall structure of the quasi-phase matched quartz crystal substrate is not different from the conventional one shown in FIG.

図1において、水晶基板1の片側の表面には、長方形の凸部2が形成されているが、この凸部2は、さらに細かな長方形の凸部4の集合体として形成されている点が、図5に示した従来のものと異なっている。すなわち、微視的に見た場合には、凸部4相互の間には、凸部4の表面より低い凹部5が形成されているが、この凹部5の幅は狭く、巨視的に見た場合には、凸部4が多数集まって一つの凸部2を形成している。   In FIG. 1, a rectangular convex portion 2 is formed on one surface of the quartz substrate 1, and this convex portion 2 is formed as an aggregate of finer rectangular convex portions 4. This is different from the conventional one shown in FIG. That is, when viewed microscopically, a concave portion 5 lower than the surface of the convex portion 4 is formed between the convex portions 4, but the width of the concave portion 5 is narrow and viewed macroscopically. In some cases, a large number of convex portions 4 are gathered to form one convex portion 2.

凸部2は、水晶の結晶軸を反転させたい部分に亘って形成されている。このような水晶基板1を、上下方向からヒーターブロックで挟み込み、水晶基板の温度を昇温して所望の温度に到達した時点で、プレスにより押圧する。すると、凸部4に相当する部分のみに応力が作用し、この部分でのみ結晶軸成分が反転する。この結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播し、深さ方向に大きく入った周期的な双晶の格子を作製することができる。   The convex part 2 is formed over the part which wants to reverse the crystal axis of quartz. Such a quartz substrate 1 is sandwiched by a heater block from above and below, and when the temperature of the quartz substrate is increased to reach a desired temperature, it is pressed by a press. Then, stress acts only on the portion corresponding to the convex portion 4, and the crystal axis component is inverted only in this portion. This crystal axis inversion portion grows to the inside of the crystal and propagates to the inside of the crystal, so that a periodic twin lattice having a large depth can be produced.

結晶軸反転部分が結晶内部(水晶基板1の凸部2の下方の部分)に伝搬する際に、凹部5の部分にも伝搬が行われ、結晶内部では、各凸部4間の凹部5が埋まってつながった形で結晶軸反転部分が形成される。最終的に所望の領域全部に反転部分が形成され、それがc軸方向に沿って水晶基板1の反対面に向かって成長する。すなわち、図1に破線で示したような略長方形の部分6が結晶軸反転領域となる。逆に言えば、凹部5の幅は、プレスを行った際に、結晶軸反転部分の伝搬により、結晶内部で結晶軸反転領域が繋がるような幅とする必要がある。実際には少なくとも数μm以下であることが好ましい。   When the crystal axis reversal portion propagates inside the crystal (the portion below the convex portion 2 of the quartz substrate 1), the propagation is also made to the concave portion 5, and the concave portion 5 between the convex portions 4 is formed inside the crystal. A crystal axis reversal part is formed in a buried and connected form. Finally, an inversion portion is formed in the entire desired region, and it grows toward the opposite surface of the quartz crystal substrate 1 along the c-axis direction. That is, a substantially rectangular portion 6 as shown by a broken line in FIG. 1 is a crystal axis inversion region. In other words, the width of the concave portion 5 needs to be such that when the pressing is performed, the crystal axis inversion region is connected inside the crystal due to the propagation of the crystal axis inversion portion. Actually, it is preferably at least several μm or less.

また、プレスの際の温度、印加荷重の時間パターンをコントロールすることにより、凸部4よりはみ出る結晶軸反転部分の幅を変えることもできる。このようにして、凹部5の幅を変えたり、プレスの際の温度、印加荷重の時間パターンをコントロールすることにより、凹部5の部分が埋って結晶軸反転部分がつながるようにする。さらに、凸部4の縦横比を変えることにより、結晶軸反転部分がつながりやすいようにしてもよい。   Further, the width of the crystal axis reversal portion protruding from the convex portion 4 can be changed by controlling the temperature at the time of pressing and the time pattern of the applied load. In this way, by changing the width of the concave portion 5 or controlling the temperature at the time of pressing and the time pattern of the applied load, the portion of the concave portion 5 is filled and the crystal axis inversion portion is connected. Further, by changing the aspect ratio of the convex portion 4, the crystal axis inversion portion may be easily connected.

本手段においては、プレスにより圧力を受ける部分が、細かな凸部4に分割されているので、各凸部4が均等にプレスからの圧力を受ける。よって、結晶軸反転領域が周期的又は任意のパターンからなる凸部の全体に広がらなかったり、逆に、凸部の隅部にのみ集中的な応力が発生することにより、所望の双晶周期構造が得られなかったりすることを防ぐことができる。   In this means, the portion that receives pressure by the press is divided into fine convex portions 4, so that each convex portion 4 receives the pressure from the press evenly. Therefore, the crystal axis inversion region does not spread over the entire convex part consisting of periodic or arbitrary patterns, or conversely, concentrated stress is generated only at the corners of the convex part, so that a desired twin periodic structure is obtained. Can be prevented from being obtained.

なお、この例においては、細かな凸部4を長方形で構成している。このように、細かな凸部4を長方形又は正方形で構成することにより、全体として長方形の凸部2を容易に構成することができる。   In this example, the fine convex portion 4 is formed in a rectangular shape. Thus, by forming the fine convex portion 4 in a rectangular or square shape, the rectangular convex portion 2 as a whole can be easily configured.

図2は、本発明の実施の形態の第2の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図であり、図1に対応するものである。この例においては、結晶軸反転部分を形成させたい部分に相当する凸部2が、六角形の微小な凸部4から形成され、微小な凸部4の間に狭い凹部5が形成されている。すなわち、この例は、第1の例における凸部4が長方形で構成されていたのに対し、六角形で構成されている他は、第1の例と変わるところがない。   FIG. 2 is a diagram of a quasi-phase matched quartz crystal substrate, which is a second example of the embodiment of the present invention, viewed from the normal direction of the substrate, and corresponds to FIG. In this example, the convex portion 2 corresponding to the portion where the crystal axis reversal portion is to be formed is formed from a hexagonal minute convex portion 4, and a narrow concave portion 5 is formed between the minute convex portions 4. . That is, in this example, the convex part 4 in the first example is configured in a rectangular shape, but there is no difference from the first example except that it is configured in a hexagonal shape.

このように形成された水晶基板1に対してホットプレス法を適用すると、結晶内部では、図2に破線で示した部分6が結晶軸反転領域となる。このように、図2に示した例は、基本的には図1に示した例と同じ作用効果を有するが、微細な凸部4が六角形をしているので、水晶のc軸周りの3回対称性にマッチングする形で水晶基板1をプレスすることができる。   When the hot press method is applied to the quartz substrate 1 formed in this way, a portion 6 indicated by a broken line in FIG. 2 becomes a crystal axis inversion region inside the crystal. As described above, the example shown in FIG. 2 basically has the same function and effect as the example shown in FIG. 1, but the fine protrusion 4 has a hexagonal shape. The quartz crystal substrate 1 can be pressed in a form that matches the three-fold symmetry.

図3は、本発明の実施の形態の第3の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図であり、図1に対応するものである。この実施の形態においては、凸部2は細かなパターンに分割されていないが、凸部2の四隅を六角形状にすることにより、凸部2の端が水晶の双晶境界にならうような形とされている。これにより、水晶のc軸周りの3回対称性にマッチングする形で水晶基板1をプレスすることができる。よって、結晶軸反転領域が凸部2からはみだした形で形成されにくくなる。また、凸部2を長方形にした場合に比して、角の部分が多くなる結果、応力集中が緩和される。図3における凸部2を、図1、図2における場合と同じように、微細な凸部の集合として形成してもよい。   FIG. 3 is a diagram of a quasi-phase matched quartz crystal substrate as a third example of the embodiment of the present invention, viewed from the normal direction of the substrate, and corresponds to FIG. In this embodiment, the convex part 2 is not divided into fine patterns, but by making the four corners of the convex part 2 hexagonal, the ends of the convex part 2 follow the twin boundaries of the crystal. It is shaped. Thereby, the quartz substrate 1 can be pressed in a form that matches the three-fold symmetry around the c-axis of the quartz. Therefore, it becomes difficult to form the crystal axis reversal region in a form protruding from the convex portion 2. In addition, as compared with the case where the convex portion 2 is rectangular, the number of corner portions increases, resulting in relaxation of stress concentration. The convex portions 2 in FIG. 3 may be formed as a set of fine convex portions in the same manner as in FIGS.

なお、上記いずれの実施の形態においても、水晶基板1の片側表面に段差構造である凸部を設けるようにしている。このようにせず、水晶基板1の表面を研磨面とし、プレスでの押圧面に図1〜図3に示すような段差構造を設けてプレスを行っても、同様の効果が得られることは説明の必要が無いであろう。   In any of the above embodiments, a convex portion having a step structure is provided on one surface of the quartz crystal substrate 1. If the surface of the quartz substrate 1 is a polished surface and the stepped structure as shown in FIGS. 1 to 3 is provided on the pressing surface of the press without performing this process, the same effect can be obtained. There will be no need for.

以上説明したように、本発明によれば、目的とする形状の結晶軸反転領域を形成することが容易な擬似位相整合水晶の製造方法、及びこの方法の一例によって形成された擬似位相整合水晶を提供することができる。   As described above, according to the present invention, a method of manufacturing a quasi phase matching crystal that can easily form a crystal axis reversal region having a target shape, and a quasi phase matching crystal formed by an example of this method Can be provided.

本発明の実施の形態の第1の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図である。It is the figure which looked at the board | substrate of the quasi phase matching quartz crystal which is the 1st example of embodiment of this invention from the board | substrate normal line direction. 発明の実施の形態の第2の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図である。It is the figure which looked at the board | substrate of the quasi phase matching quartz crystal which is the 2nd example of embodiment of invention from the board | substrate normal line direction. 本発明の実施の形態の第3の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図である。It is the figure which looked at the board | substrate of the quasi phase matching quartz crystal which is the 3rd example of embodiment of this invention from the board | substrate normal line direction. 従来のホットプレス法に用いられる片面の表面上に段差構造が形成された水晶基板の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the quartz substrate in which the level | step difference structure was formed on the surface of the single side | surface used for the conventional hot press method. 図4に示す水晶基板を基板法線方向から見た図であり、形成された結晶軸反転領域の形状を示す図である。It is the figure which looked at the quartz crystal substrate shown in FIG. 4 from the substrate normal line direction, and is a figure which shows the shape of the formed crystal axis inversion area | region.

符号の説明Explanation of symbols

1:水晶基板
2:凸部
3:結晶軸反転領域
4:凸部(微細な凸部)
5:凹部
6:結晶軸反転部分(領域)
1: Quartz substrate 2: Convex part 3: Crystal axis reversal region 4: Convex part (fine convex part)
5: Recess 6: Crystal axis reversal part (region)

Claims (3)

ホットプレス法により結晶軸が反転した結晶軸反転領域を水晶基板に周期的に生成する擬似位相整合水晶基板の製造方法であって、
前記結晶軸反転領域のそれぞれに相当する加圧面は、前記加圧面の面方向に複数に分割されており、
前記加圧面の面方向に複数に分割されたそれぞれは、長方形、正方形および六角形からなる群から選択される形状を有する凸部であることを特徴とする、方法。
A method of manufacturing a quasi-phase-matched quartz substrate that periodically generates a crystal axis reversal region in which a crystal axis is reversed by a hot press method,
The pressing surface corresponding to each of the crystal axis reversal regions is divided into a plurality of directions in the surface direction of the pressing surface ,
Each of the plurality of divisions in the surface direction of the pressure surface is a convex portion having a shape selected from the group consisting of a rectangle, a square, and a hexagon .
請求項1に記載の方法であって、前記結晶軸反転領域は略長方形であり、前記略長方形の長手方向の端部は、前記水晶基板の双晶境界と整合することを特徴とする、方法。   2. The method according to claim 1, wherein the crystal axis reversal region is substantially rectangular, and a longitudinal end of the substantially rectangular shape is aligned with a twin boundary of the quartz crystal substrate. . 請求項1または2のいずれかに記載の製造方法により得られた擬似位相整合水晶基板であって、多数に分割された加圧面による加圧によって生成された結晶軸反転領域を有することを特徴とする、擬似位相整合水晶基板。 A quasi-phase matched quartz crystal substrate obtained by the production method according to any one of claims 1 or 2, and characterized in that it has a crystal axis inversion region generated by pressurization by pressure surface divided into a number A quasi-phase matched crystal substrate.
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