JP5625480B2 - 分極反転構造を有する光学素子の製造方法とその光学素子およびレーザー装置 - Google Patents

Description

本発明は、強誘電体単結晶の電気分極を周期的に分極反転させる分極反転領域の形成方法に関する。特にレーザー光の波長を変換する擬似位相整合（ＱＰＭ）波長変換デバイスなどの光学素子に関する。

ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３などの強誘電体非線形光学結晶の誘電分極方向を周期的に１８０度分極反転させて複数の分極反転領域を形成し、この分極反転領域を通過した光を擬似的に位相整合させることは、擬似位相整合（ＱＰＭ:Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｉｎｇ）と呼ばれている。この技術により、可視光〜中赤外において入射レーザー光を任意の波長へ変換することが可能になりつつある。分極反転方法としては、Ｔｉ拡散法、電子ビーム照射法、電圧印加法などの手法が研究開発されてきた。なかでも電圧印加法の進歩は目覚しく、分極反転メカニズムが解明され、高電圧パルス印加により分極反転領域のアスペクト比が１００以上の素子の製造方法が報告されている。例えば、次の特許文献１から６および非特許文献１，２に記載の電圧印加法が知られている。
特許文献１は、強誘電体結晶基板を還元処理して該結晶基板の抵抗率を所定の値に低下させる還元処理ステップと、該強誘電体結晶基板の分極方向にお互いに離れた第１ 及び第２ の電極を形成する電極形成ステップと、該第１ 及び第２ の電極間に電圧を印加する電圧印加ステップとを有することを特徴とする周期分極反転構造の形成方法を開示している。

特許文献２は、単一分域化された強誘電体から成る基板の一主面に、帯状の絶縁膜を所定の間隔を空けて複数配列するとともに、該絶縁膜を含む基板の一主面に導電膜を被着させ、次に前記基板の他主面側の表層を除去し、しかる後、前記基板の他主面に共通電極を配置するとともに、該共通電極と前記導電膜との間に電界を印加し、前記基板に分極反転を生ぜしめることを特徴とする光デバイスの製造方法を開示している。
特許文献３は、強誘電体結晶からなる基板に分極反転層を形成する方法であって、前記基板における分極反転が生じ易い軸方向に平行な主面上において、対向かつ離間して配置された一対の接地用陽極及び印加用陰極の複数を、所定周期間隔で形成する工程と、前記接地用陽極を接地し、電子ビームを前記印加用陰極に照射し前記接地用陽極及び前記印加用陰極を除去して、複数の分極反転層を形成する工程とからなることを特徴とする分極反転層形成方法を開示している。

特許文献４は、波長変換導波路素子の製造方法において、強誘電体単結晶基板の一方面をベース基板に接着する貼付工程と、前記強誘電体単結晶基板の他方面を研磨して薄板化する研磨工程と、薄板化された前記強誘電体単結晶基板に電圧を印加して周期状分極反転構造を基板内部に形成する分極反転構造形成工程とを備える波長変換導波路素子の製造方法を開示している。さらに、前記周期状分極反転構造のストライプ方向に垂直な方向に沿った２本の溝を前記強誘電体単結晶基板に形成することで前記溝の間にコアを形成するコア形成工程を更に備える前記波長変換導波路素子の製造方法を開示している。
特許文献５は、光学結晶に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、パターンが設けられた転写型の前記パターンを前記絶縁層へ転写させるパターン転写工程と、前記光学結晶に対して前記絶縁層が形成された側に配置された第１電極と、前記絶縁層が形成された側とは反対側に配置された第２電極との間に電圧を印加する電圧印加工程とを含むことを特徴とする波長変換素子の製造方法を開示している。

特許文献６は、分極反転構造による波長変換素子の製造方法であって、光学結晶基板に分極反転構造を形成する第１の工程と、前記光学結晶基板の前記分極反転構造をエッチングにより露出させ確認する第２の工程と、を含み、前記第１の工程は、前記分極反転構造のうち少なくとも一部はダイシングマークとして同時に形成され、前記第２の工程は、前記ダイシングマークを露出させることを含むことを特徴とする波長変換素子の製造方法を開示している。
非特許文献１では、強誘電体非線形光学結晶基板（材質：ＬｉＮｂＯ_３）のＺ軸プラス方向を上方に配置し、該結晶基板の上面にはストライプ状のフォトレジスト１１を形成後、上面電極１２を形成し、該結晶基板の下面全体に下面電極９を形成している。そして上面電極１２を正、下面電極９を負であって電界が１９ｋＶ／ｍｍとなる高電圧パルスを結晶基板に印加している。図９は、高電圧印加初期から終了時点までの間に分極反転領域が広がる様子を模式的に表した結晶断面図である。分極反転は、（ａ）核生成、（ｂ）Ｚ軸方向伸張、（ｃ）面内成長、（ｄ）安定化の順に行われる。従来は、高電圧を印加中に結晶を流れる電流などをモニターして終点を判断していた。このため、核成長が不均一に起こる場合には、分極反転の過不足が生じていた。この影響は、特に短周期の分極反転で顕著であると記載されている。
非特許文献２には、電極端の電界集中域で核生成が始まり、その核の分域壁が移動することで分極反転が進行していくので、形成したい分極反転周期が短くなるほど、より高い核生成密度とより小さい核領域の生成が行われるように核生成過程を精密に制御しなければならないことが開示されている。この核密度を高めるためにパルス幅０．１秒、印加電界１８．７ｋＶ／ｍｍの台形パルスを２万パルス印加している。

栗村直 他９名、「ＬｉＮｂＯ３の分極反転における選択的核成長法I〜動機とその背景〜」、第４９回応用物理学関係連合講演会 講演会予稿集、社団法人応用物理学会、２００２年３月、２７ａ−ＺＳ−９ 丸山真幸 他７名、「ＬｉＮｂＯ３の分極反転における選択的核成長法Ｖ〜短周期分極反転における核成長条件〜」、第６３回応用物理学会学術講演会 講演予稿集、社団法人応用物理学会、２００２年９月、２７ｐ−Ｂ−３

特開２００６−１３３５９４号公報 特開平８−３０４８６３号公報 特開平６−１８６６０３号公報 特開２００７−１８３３１６号公報 特開２００８−５８７６３号公報 特開２００８−１９１２０３号公報

一般に、核はランダムに生成するため、分極反転領域の均一性を向上させるための制御が困難であった。さらに、図９（ａ）に示す様に、電極端部で電界集中した箇所から分極反転の核が形成されやすく、そのため、電極の幅よりも分極反転領域が広がり易く、分極反転領域の幅の精度を向上することが困難であった。
本発明の目的は、上記の課題を鑑み、電界集中を利用して分極反転の核の形成を促進して作製した光学素子およびその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明に係る光学素子の製造方法は、強誘電体基板の一方の面に複数の凹部を形成する第１ステップと、前記第１ステップに続いて前記凹部を覆うように前記凹部より大きい第１電極を前記凹部ごとに分離して複数形成する第２ステップと、前記強誘電体基板の他方の面に第２電極を形成する第３ステップと、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して前記強誘電体基板に分極反転構造を形成する第４ステップとを有することを特徴とする。この製造方法によれば、核が電極端だけでなく凹部にも形成されるため、分極反転領域が速やかに広がる。そして、電極幅内の任意の位置に均一に凹部を配置すれば、核生成を均一化できる。従って、電極幅に対する分極反転領域の幅の精度が向上できる。凹部の底表面の形状は、１８０度未満の角度がある方が好ましく、鋭角になるほどより好ましい。このようにすれば、凹部の底表面上に形成された第１電極部分も鋭角になるため、鋭角の先端に電界が集中し、核が形成され易くなる。また、本発明に係る光学素子の製造方法として、強誘電体基板の一方の面に凹部と、該凹部が中央となるように配置した開口部を有する絶縁層とを形成する第１ステップと、前記第１ステップに続いて前記凹部および前記絶縁層を覆うように第１電極を形成する第２ステップと、前記強誘電体基板の他方の面に第２電極を形成する第３ステップと、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して前記強誘電体基板に分極反転構造を形成する第４ステップとを有することを特徴とする。また、上記製造方法において、前記凹部を溝状としても良い。また、上記製造方法において、前記第４ステップは、高電圧短パルスの電圧を印加し、続いて低電圧で長パルスの電圧を印加することが望ましい。電圧、パルス長は設計者が適宜選択して変更可能であり、1種類の電圧パルス長を印加する方法であっても良い。また、上記のいずれか一つに記載の製造方法で製造された光学素子は、強誘電体基板の高電圧を印加された領域の表面に凹部が形成されている。

本発明によれば、分極反転領域の核を形成する為の従来の高電圧のパルス電圧を印加することなく核生成の起点を均一に配置できる。そして、強誘電体基板の凹部の表面上に形成した第１電極と、強誘電体基板の裏面に形成した第２電極との間に電圧を印加することで、前記電極間に精度良く分極反転領域を形成できる。

本発明の第１の実施形態に係る製造方法の各製作段階の強誘電体基板の状態を表した模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学素子の上面図である。 図２の強誘電体基板のＡ−Ａ断面図における各製作段階の状態を表した模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る光学素子の上面図である。 本発明の第３の実施形態に係る光学素子の上面図である。 図５の基板のＢ−Ｂ断面図における各製作段階の状態を表した模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る光学素子の電圧印加前後の状態を表した模式図である。 本発明の光学素子を備えた計測装置の１つの実施例の構成図である。 従来の光学素子の製造方法の各製作段階の強誘電体基板の状態を表した模式図である。

以下、本発明に係る分極反転構造を有する光学素子の実施形態を説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
本発明に係る第１の実施形態について、図１から図３を用いて説明する。本発明の製造方法に係る光学素子の製造方法の各製作段階の強誘電体基板の状態を表した模式図を図１に示す。本実施例では強誘電体基板として直径４インチ、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯをドープしたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いた。

第１ステップは、強誘電体基板の一方の面に凹部を形成する（図１（ａ）から（ｃ）参照）。より具体的には、強誘電体基板１の＋Ｚ面側に、ライン幅約２０μｍ、周期約２７μｍのストライプパターンのレジスト膜２をマスクとして形成した。このレジスト膜２のストライプ幅と周期は、作成したい分極反転周期に対応して任意に設定する。次いで、強誘電体基板１をエッチングし、マスクで被覆されなかった部分に凹部４を形成した。レジスト膜２の作成方法は、特に限定されない。例えば、クラリアントジャパン製ポジ型フォトレジストＡＺＰ４３３０（商品名）をスピンコート法（２５００ｒｐｍ）で塗布し、厚さ４μｍ程度の膜を作成した後にフォトマスクによるパターニングを行う方法でもよい。エッチング方法は、イオンビームエッチングが望ましい。イオンビームエッチングの条件は、イオン種をAr^＋、加速電圧を２５０Ｖ、ビーム電流を２００ｍＡ、基板回転数を２ｒｐｍ、基板温度を２５℃とした。次に、強誘電体基板１からレジスト膜２を除去した。凹部４は、幅７μｍ、深さ約０．５μｍを形成した（深さは０．１〜１μｍ程度で良い）。後述する第４ステップで電圧を印加すると、凹部４底の電極の角に電界が集中するので、凹部４の底の形状は鋭角になるほど望ましい。

第２ステップは、第１ステップに続いて凹部４を覆うように凹部４より大きい第１電極５を形成する（図１（ｄ）から（ｆ）参照）。より具体的には、強誘電体基板１上に真空蒸着でＣｒ膜５０ｎｍ、Ａｕ膜２００ｎｍを順に成膜して第１電極５を形成した。次に、凹部４の上の第１電極５部分が残るようにライン幅約８μｍ、周期約２７μｍのストライプパターンのレジスト膜６をマスクとして形成した。このレジスト膜には東京応化工業株式会社製ポジ型フォトレジストＯＦＰＲ−８００（商品名）を使用した。次にＣｒやＡｕのエッチング液を用いて第１電極５のマスクされなかった部分をエッチングした。次に、レジスト膜６を除去した。この時の強誘電体基板１の上面図を図２に示す。凹部４−１は、溝状に形成された凹部４である。
第３ステップは、強誘電体基板１の他方の面に第２電極９を形成する。より具体的には、第１電極５と同様に、強誘電体基板１上に真空蒸着でＣｒ膜５０ｎｍ、Ａｕ膜２００ｎｍを順に成膜して第２電極９を形成した。

第４ステップは、電源１０の＋極と第１電極、−極と第２電極をそれぞれ電気的に接続し、第１電極５と第２電極９との間に電圧を印加して強誘電体基板１に分極反転構造を形成する。より具体的には、強誘電体基板１にまず高電圧で短パルスの電圧を印加し、続いて低電圧で長パルスの電圧を印加することが望ましい。例えば、電圧印加条件は、３ｋＶ（すなわち、電界として６ｋＶ／ｍｍ）、１０ｍｓのパルスを１回印加した後、連続して１．５ｋＶ（すなわち、電界として３ｋＶ／ｍｍ）、５０ｍｓのパルスを１回印加した。図３に図２の強誘電体基板のＡ−Ａ断面図における各製作段階の状態を表した模式図を示した。電圧印加初期には、第１電極５の端および同電極の凹部４の底の部位に接する強誘電体基板１の付近に電界が集中し、核生成領域８が形成される（図３（ａ）参照）。その後、引き続き電圧を印加すると分極反転領域が拡大し、第２電極９に達し、分極反転領域の幅も広がって行く。第４ステップ終了時には、図３（ｂ）のように分極反転構造が形成されている。

なお、本発明における分極反転構造を有する光学素子の製造方法は、図１の手順に限定されるものではなく、例えば、第２電極を形成する第３ステップは、第１ステップまたは第２ステップの前の段階で行ってもよい。
本発明の第２の実施例としては、第１の実施例の凹部４を、図４に示したように互い違いに凹部４−２を形成してもよい。
本発明の第３の実施例としては、第１の実施例の凹部４を、図５に示したように複数の線状の溝４−３のように形成してもよい。図６は、図５の基板のＢ−Ｂ断面図における各製作段階の状態を表した模式図である。第１の実施例と第３の実施例とは、凹部が１本から複数に増加している点を除いて同じである。

本発明の第４の実施例としては、第１電極の加工を簡略化した方法を説明する。図７は、本発明の第４の実施形態に係る光学素子の電圧印加前後の状態を表した模式図である。
第１ステップは、強誘電体基板の一方の面に凹部を形成する（図１（ａ）から（ｃ）と同じ）。この工程は実施例１と同様である。
第４の実施例では、さらに、絶縁層１３を作成する。絶縁層１３の材質は、東京応化工業株式会社製ポジ型フォトレジストＯＦＰＲ−８００（商品名）を使用した。絶縁層１３の厚さは、１．６μｍとした。絶縁層の材質及び厚さは、適宜、他の絶縁材料を選択して厚さも最適な値に変更することができる。絶縁層はライン幅約２０μｍ、周期約２７μｍのストライプパターンに形成した。絶縁層の無い開口部の中央が凹部４にかかるように配置した。
第２ステップは、第１ステップに続いて凹部４および絶縁層１３を覆うように第１電極５を形成する。より具体的には、強誘電体基板１上に真空蒸着でＣｒ膜５０ｎｍ、Ａｕ膜２００ｎｍを順に成膜して第１電極５を形成した。
第３ステップは、強誘電体基板１の他方の面に第２電極９を形成する。より具体的には、第１電極５と同様に、強誘電体基板１上に真空蒸着でＣｒ膜５０ｎｍ、Ａｕ膜２００ｎｍを順に成膜して第２電極９を形成した。

第４ステップは、電源１０の＋極と第１電極、−極と第２電極をそれぞれ電気的に接続し、第１電極５と第２電極９との間に電圧を印加して強誘電体基板１に分極反転構造を形成する。より具体的には、強誘電体基板１にまず高電圧で短パルスの電圧を印加し、続いて低電圧で長パルスの電圧を印加することが望ましい。例えば、電圧印加条件は、３ｋＶ（すなわち、電界として６ｋＶ／ｍｍ）、１０ｍｓのパルスを１回印加した後、１．５ｋＶ（すなわち、電界として３ｋＶ／ｍｍ）、５０ｍｓのパルスを１回印加した。図７（ｂ）に分極反転領域を作成した後の強誘電体基板の断面の模式図を示した。第１の実施例と同様に、電圧印加初期には、第１電極５の端および同電極の凹部４の底の部位に接する強誘電体基板１の付近に電界が集中し、核生成領域が形成される。その後、引き続き電圧を印加すると分極反転領域が拡大し、第２電極９に達し、分極反転領域の幅も広がって行く。第４ステップ終了時には、図７（ｂ）のように分極反転構造が形成されている。
なお、本発明における分極反転構造を有する光学素子の製造方法は、上記の手順に限定されるものではなく、例えば、第２電極を形成する第３ステップは、第１ステップまたは第２ステップの前の段階で行ってもよい。

上記の実施例１から４のように、第１電極の内側の強誘電体基板表面に凹部を設けることで、生成する核の均一性を向上でき、分極反転領域を精度良く形成できるようになった。
第６の実施例として、上記光学素子を備えたレーザー装置の一例を以下に説明する。図８は、本発明の光学素子を備えた計測装置の実施例の構成図である。光源２０としては、例えば、レーザーダイオードを使用できる。光源２０から照射された光を、ビームスプリッター２１に通過させて平行光に変換し、本発明の分極反転構造を有する光学素子２２に導入する。光学素子２２を出た光は、光学フィルター２３を通過させて波長選択され、この選択光は、ビームスプリッター２４で２方向に分割され、一方はサンプル容器２５に照射され、他方は、コントロールが封入されたコントロール容器２８に照射される。サンプル容器２５を通過した光は、第１受光素子に照射され、光強度が電気信号に変換される。コントロール容器２８を通過した光は、第２受光素子に照射され、光強度が電気信号に変換される。第１受光素子および第２受光素子から出力された電気信号は、Ａ／Ｄ変換器３０に導入される。該電気信号が微弱である場合は、必要に応じてアンプで増幅した後にＡ／Ｄ変換器に導入する。デジタル信号に変換された各信号は演算装置３１に入力されて演算され、演算結果が出力装置３２に出力される。

１ 強誘電体基板
２ レジスト膜（エッチング用マスク）
３ イオンビーム
４ 凹部
４−１ 線状の溝
４−２ 四角形状の穴
４−３ 複数の線状の溝
５ 第１電極
６ レジスト膜（エッチング用マスク）
７ 分極方向を示す矢印
８ 核生成領域
９ 第２電極（裏面電極）
１０ 電源
１１ フォトレジスト
１２ 上面電極
１３ 絶縁層
２０ 光源
２１ ビームスプリッター
２２ 本発明の分極反転構造を有する光学素子
２３ 光学フィルター
２４ ビームスプリッター
２５ サンプル容器
２６ 第１受光素子
２７ ミラー
２８ コントロール容器
２９ 第２受光素子
３０ Ａ／Ｄ変換器
３１ 演算装置
３２ 出力装置

Claims (5)

1. 強誘電体基板の一方の面に複数の凹部を形成する第１ステップと、
   前記第１ステップに続いて前記凹部を覆うように前記凹部より大きい第１電極を前記凹部ごとに分離して複数形成する第２ステップと、
   前記強誘電体基板の他方の面に第２電極を形成する第３ステップと、
   前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して前記強誘電体基板に分極反転構造を形成する第４ステップとを有することを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 強誘電体基板の一方の面に凹部と、該凹部が中央となるように配置した開口部を有する絶縁層とを形成する第１ステップと、
   前記第１ステップに続いて前記凹部および前記絶縁層を覆うように第１電極を形成する第２ステップと、
   前記強誘電体基板の他方の面に第２電極を形成する第３ステップと、
   前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して前記強誘電体基板に分極反転構造を形成する第４ステップとを有することを特徴とする光学素子の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の製造方法において、前記凹部が溝状であることを特徴とする光学素子の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の製造方法で製造された光学素子。
5. 請求項４に記載の光学素子を備えるレーザー装置。