JP6019618B2 - 周期的分極反転構造の形成方法及び波長変換素子の形成方法 - Google Patents

Description

この発明は、周期的分極反転構造の形成方法、及び該方法を利用した波長変換素子の形成方法に関する。

周期的分極反転構造によって擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を実現して波長変換を行う擬似位相整合型波長変換素子（以降、ＱＰＭ型波長変換素子とも称する。）が注目されている。ＱＰＭ型波長変換素子は、素子に入力された被変換光の波長に応じて周期的分極反転構造の周期を設定することで、波長変換された変換済光を出力する。この特徴を持つＱＰＭ型波長変換素子は、光通信の分野で利用されている。ＱＰＭ型波長変換素子では、周期的分極反転構造が、線幅が共に等しいストライプ状の分極反転領域と非分極反転領域を含むとき波長変換効率が最大になる。なお、分極反転領域とは強誘電体結晶基板（以下、単に基板とも称する。）の自発分極の向きが反転した領域であり、非分極反転領域とは基板の自発分極の向きが未反転の領域とする。上述の光通信以外の分野でも周期的分極反転構造は利用されている。例えば、電気光学偏光器（例えば、特許文献１参照）や、テラヘルツ波発生装置（例えば、特許文献２参照）や、光変調器（例えば、特許文献３参照）等の光計測の分野でも、周期的分極反転構造は積極的に活用され始めている。

ＱＰＭ型波長変換素子用の基板を構成する強誘電体結晶としては、ＬｉＮｂＯ_３結晶やＬｉＴａＯ_３結晶が好適である。これらの結晶に分極反転領域を形成する代表的な手法が、抗電界以上の分極反転用電圧（以下、反転電圧とも称する。）を印加する電圧印加法である。ここで、抗電界とは、基板において自発分極の向きを１８０°反転させるために必要な最低電圧である。

電圧印加法では、基板の上下面、すなわち第１及び第２主面に形成された電極に反転電圧を印加することにより、この電極で挟まれた領域の自発分極の向きを反転させる。例えば、ＱＰＭ型波長変換素子の場合は、電極を、ＱＰＭ条件を満たす周期で配置して反転電圧を印加する。

特開平１０−８３００１号公報 特開２００５−７７４７０号公報 特開平１１−１７４３９０号公報 特開２００３−２９５２４２号公報

しかしながら、電圧印加法では、分極反転領域が、電極直下の領域だけに止まらず、水平方向にも成長し、言わば電極からはみ出して形成されてしまう。これにより、得られる分極反転領域の幅が、設計値よりも太くなってしまい、波長変換効率が低下することがあった。以下、分極反転領域が水平方向へ不所望に成長するこの現象を、はみ出し成長とも称する。

はみ出し成長を抑制するために、パルス電圧と直流電圧とを重畳した反転電圧を印加する技術（以下、パルス法とも称する。）が提案されている（例えば、特許文献４参照）。また、同文献では、プロトン交換処理により非分極反転領域の強誘電性を抑えることで、はみ出し成長を抑制する技術（以下、交換法とも称する。）も提案されている。さらに、電圧印加用の複数の電極と、これらの電極間の非分極反転領域の両者を被覆する絶縁膜を形成することで、はみ出し成長を抑制する技術（以下、絶縁膜法とも称する。）が提案されている。

しかし、持続時間が１００μ秒以下で、電圧が数ｋＶ／ｍｍのパルス電圧の印加が要求されるパルス法では、パルスの品質を一定に保つことが難しかった。また、このような極短時間のパルスは、基板表面における電位分布の不均一を引き起こし、結果として、分極反転領域内の場所により分極反転の程度に不均一が発生していた。また、交換法及び絶縁膜法では、製造工程に、プロトン交換工程や絶縁膜形成工程を追加する必要があるため製造工程が複雑化し、量産には向かなかった。

この発明は、以上のような技術的背景の下でなされた。従って、この発明の目的は、工程数を増やさず、かつ、時間幅の長いパルス電圧を印加したとしても、はみ出し成長を容易に制御できる周期的分極反転構造及び波長変換素子の形成方法を提供することにある。

発明者は鋭意検討の結果、素子として利用される周期的分極反転領域に加えて、ダミーとして分極反転させる電荷量調整領域を基板に設けることにより、上述の目的が達せられることに想到した。すなわち、この発明の周期的分極反転構造の形成方法は、強誘電体結晶基板を準備し、領域区画工程と分極反転構造形成工程とを実施する。ここで、強誘電体結晶基板は、自発分極の向きに直交する平面でカットされた平行平板であり、かつ単一ドメインとする。また、領域区画工程では、強誘電体結晶基板の第１主面に、周期的な帯状領域、及び電荷移動量を調整するための電荷量調整領域を帯状領域とは離間した領域に設ける。また、分極反転構造形成工程では、強誘電体結晶基板の第１主面と、この第１主面に対向する第２主面との間に分極反転用電圧を印加する。分極反転構造形成工程では、第２主面と帯状領域との間の電荷移動量が設定すべき値となる面積で、電荷量調整領域を形成する。

この発明は上述のように構成されている。従って、この発明の周期的分極反転構造及び波長変換素子の形成方法では、分極反転領域における電荷移動量を小さくして、分極反転領域の形成速度を抑えている。これにより、工程数を増加させることなく、持続時間の長いパルスを反転電圧として印加した場合でも、はみ出し成長を容易に制御できる。

（Ａ）は、周期的分極反転領域（素子領域）のみを備える基板の模式的な平面図であり、（Ｂ）は、素子領域に加えて電荷量調整領域を備える基板の模式的な平面図であり、（Ｃ）は、電荷量調整領域の有無による電荷移動量の変化を模式的に示す特性図である。 図１（Ｂ）のＰ−Ｐ線に沿った断面図である。 （Ａ）は分極反転前における基板を装置とともに概略的に示す断面図であり、（Ｂ）は分極反転後における基板を装置とともに概略的に示す断面図である。 電極である金属薄膜が形成された基板の断面構造を模式的に示す断面図である。 波長変換素子の構造を模式的に示す斜視図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

（発明の概要）
まず、図１（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、この発明の周期的分極反転構造の形成方法の概要について説明する。図１（Ａ）は、周期的分極反転領域（以下、素子領域とも称する。）のみを備える基板の模式的な平面図であり、従来型に対応する。図１（Ｂ）は、素子領域に加えて電荷量調整領域（以下、調整領域とも称する。）を備える基板の模式的な平面図であり、本発明に対応する。なお、図１（Ｂ）中には、素子領域の一部を拡大した部分拡大図を記してある。図１（Ｃ）は、調整領域の有無による電荷移動量の変化を模式的に示す特性図である。なお、図１（Ｃ）において、縦軸は任意単位の電荷移動量とはみ出し成長の成長速度とし、横軸は任意単位の時間とする。また、図１（Ａ）及び（Ｂ）には、基板の結晶軸の方向を矢印Ｘ、Ｙ及びＺとして記してある。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示した基板１０及び３０のそれぞれに素子領域Ａが設けられる。素子領域Ａは、分極反転領域に対応する周期的な帯状領域１２ａと、隣り合った帯状領域１２ａの間の領域であり非分極反転領域に対応する帯間領域１２ｂとを備える。素子領域Ａは、第１主面に設けられ、各種素子に利用される周期的分極反転構造が形成される。図１（Ｂ）に示した基板３０において、調整領域Ｂは、共通基板上に素子領域Ａとは別に設けられる、言わばダミーで分極反転を生じさせる第１主面３０ａの領域とする。

従来型の基板１０で、はみ出し成長を充分に制御できなかったのは、素子領域Ａにおける分極反転領域の生成速度が速すぎることに一因がある。つまり、余りにも生成速度が速いため、分極反転領域の生成を設計幅以内で止めることができず、言わば分極反転領域生成が進み過ぎてしまっていた。

発明者は、分極反転領域の生成速度が、該領域を通過する電荷量である電荷移動量に依存するとの知見を得、適当な手段で電荷移動量を抑えれば、はみ出し成長の進行速度を低下できると考えた。そこで、図１（Ｂ）に示すように、基板３０で、素子領域Ａの他に、調整領域Ｂを形成し、この領域Ｂにも分極反転を生じさせた。これにより、分極反転領域の形成時に、電荷は、面積比に応じて帯状領域１２ａと調整領域Ｂとに分配されて、両領域１２ａ及びＢを流れる。よって、図１（Ｃ）に示すように、本発明による基板３０（ＩＩ）では、従来型の基板１０（Ｉ）に比べて、帯状領域１２ａでの電荷移動量がＨからＬへと低下する。これにより、基板３０では、分極反転領域の生成速度、従ってはみ出し成長速度が、はみ出し量を実用上充分に制御可能な程度に低下する。

ここで、電荷移動量とは、基板の第１及び第２主面間を、１ｃｍ^２の分極反転領域を介して１秒間に流れる電荷量（μＣ／（秒・ｃｍ^２））とする。電荷移動量は、形成された分極反転領域の面積及び基板の自発分極の大きさに比例して第１及び第２主面間を流れる反転電流から求められる。なお、一般に、分極反転領域を形成する工程では、常に、反転電流がモニタされ、分極反転領域形成工程の終点決定に用いられる。

発明者の評価によれば、分極反転領域を形成する際の帯状領域１２ａの電荷移動量は、７μＣ／（秒・ｃｍ^２）以下であることが好ましい。帯状領域１２ａの電荷移動量をこの範囲とすることにより、分極反転領域の成長速度を実用上許容できる程度に低下させることができ、はみ出し成長を容易に制御することができる。また、帯状領域１２ａの電荷移動量は、３μＣ／（秒・ｃｍ^２）以下であればより一層好ましく、１μＣ／（秒・ｃｍ^２）以下であれば最も好ましい。これにより、分極反転領域の成長速度がより一層低下し、はみ出し成長をより一層容易に制御できる。

図１（Ｂ）中の拡大図に示すように、帯状領域１２ａと調整領域Ｂとの間の最小間隔Ｄは、０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。ここで、最小間隔Ｄとは、帯状領域１２ａの外縁と、調整領域Ｂの外縁との間の最小距離とする。最小間隔Ｄをこの範囲とすれば、分極反転構造形成工程において、たとえはみ出し成長があったとしても、帯状領域１２ａ由来の分極反転領域と、調整領域Ｂ由来の分極反転領域とが繋がってしまうことがない。

上述から明らかなように、調整領域Ｂは、電荷移動量を調整するためにだけ設けられる、実用的には不要な領域、言わば捨て領域である。

（周期的分極反転構造の形成方法）
図２及び図３を参照して、周期的分極反転構造の形成方法について説明する。図２は領域区画工程の説明に供する、図１（Ｂ）のＰ−Ｐ線に沿った断面図である。図３は分極反転構造形成工程の説明に供する模式図であり、（Ａ）は分極反転前における基板を装置とともに模式的に示す断面図であり、（Ｂ）は分極反転後における基板を装置とともに模式的に示す断面図である。なお、図２には、基板の結晶軸の方向を矢印Ｘ、Ｙ及びＺとして記してある。

この実施形態の周期的分極反転構造の形成方法は領域区画工程と分極反転構造形成工程と備える。

＜領域区画工程＞
図２を参照すると、領域区画工程では、基板３０の第１主面３０ａに、周期的な帯状領域１２ａ、及び電荷移動量を調整するための調整領域Ｂを設ける。具体的には、第１主面３０ａを被覆する絶縁膜３２に設けた開口部として、両領域１２ａ及びＢを区画する。上述のように、絶縁膜３２の開口部である帯状領域１２ａと、絶縁膜３２で被覆された帯間領域１２ｂとで素子領域Ａが構成される。帯状領域１２ａのストライプ状の開口部は、周期的に並列されている。つまり、帯状領域１２ａのストライプ状の開口部は、結晶軸のＸ軸方向に関して等間隔に配置されている。帯状領域１２ａは、ストライプの長手方向が基板３０の結晶軸のＹ軸方向と平行に配置されている。次に行われる分極反転構造形成工程で、帯状領域１２ａと調整領域Ｂの基板３０には、分極反転領域が形成される。

ここで、調整領域Ｂの面積は、帯間領域１２ｂを含まない帯状領域１２ａの面積の総和の４．７５倍以上とすることが好ましい。調整領域Ｂの面積をこのように設定することにより、分極反転構造形成工程において、帯状領域１２ａの電荷移動量を実用上許容できる程度に低下させることができる。これにより、分極反転領域の成長速度が鈍化し、その結果、はみ出し成長を容易に制御することができる。また、調整領域Ｂの面積は、帯状領域１２ａの面積の総和の１２．５倍以上であればより一層好ましく、１６．２倍以上であれば最も好ましい。これにより、より一層容易にはみ出し成長を制御できる。

具体的には、領域区画工程では、まず、第１主面３０ａの全面に絶縁膜３２を形成する。この例では、絶縁膜３２を、スパッタリング法又は真空蒸着法等の周知の方法で形成した、厚みが約１μｍのＳｉＯ_２膜とする。次に、絶縁膜３２の全面に図示しないレジストを塗布し、フォトリソグラフィによって、分極反転領域となるべき帯状領域１２ａ及び調整領域Ｂのレジストを除去する。そして、これらの領域１２ａ及びＢに延在する絶縁膜３２を周知の方法により除去して、基板３０の第１主面３０ａを露出させ、帯状領域１２ａと、上述の面積を持つ調整領域Ｂとを得る。

基板３０は、自発分極の向きに直交する平面でカットされた平行平板でかつ単一ドメインの強誘電体結晶基板とする。自発分極の方向は、第２主面３０ｂに対応する−Ｚ面から、第１主面３０ａに対応する＋Ｚ面に向う方向（図中、白抜き矢印参照）である。この例では、基板３０として、ＭｇＯ添加のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）単結晶基板を用いている。

＜分極反転構造形成工程＞
続いて、図３（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、分極反転構造形成工程について説明する。まず、図３（Ａ）を参照して、分極反転構造形成工程で用いられる装置６０について、簡単に説明する。装置６０は、第１及び第２部分６２及び６４と、電圧印加部６６とを備える。

第１部分６２は、基板３０の第１主面３０ａ側に位置し、基板３０と、第１容器４６と、第１電解質水溶液５２とで構成される。より詳細には、第１部分６２は、下面を基板３０の第１主面３０ａとし、側面を第１容器４６とする水密容器と、この水密容器に満たされた、第１電解質水溶液５２とで構成される。第１電解質水溶液５２は、第１主面３０ａの全面に接触しており、帯状領域１２ａ及び調整領域Ｂに反転電圧を印加するための一方の電極として機能する。なお、第１主面３０ａと第１容器４６との間に設けられたＯ−リング４４により、第１部分６２の水密が保たれている。

第２部分６４は、第２主面３０ｂ側に位置し、基板３０と、第２容器４０と、第２電解質水溶液５０とで構成される。より詳細には、第２部分６４は、上面を基板３０の第２主面３０ｂとし、側面及び下面を第２容器４０とする水密容器と、この水密容器に満たされた、第２電解質水溶液５０とで構成される。第２電解質水溶液５０は、容器の上面である第２主面３０ｂの全面に接触しており、反転電圧を印加するための他方の電極として機能する。なお、第２主面３０ｂと第２容器４０との間に設けられたＯ−リング４２により、第２部分６４の水密が保たれている。

電圧印加部６６は、第１及び第２ロッド電極３６及び３８と、電源３４とを備えている。第１及び第２ロッド電極３６及び３８は、それぞれ、第１及び第２電解質水溶液５２及び５０中に浸漬される。そして、両ロッド電極３６及び３８の間には、電源３４から所定の反転電圧が供給される。この例では、第１主面３０ａ側に配置された第１ロッド電極３６を正極とし、第２主面３０ｂ側に配置された第２ロッド電極３８を負極とする。

この装置６０を用いて分極反転構造形成工程を実施する。詳細には、電源３４から、第１及び第２ロッド電極３６及び３８を介して、第１及び第２主面３０ａ及び３０ｂ間に、上述した範囲の電荷移動量で、抗電界以上の反転電圧を印加する。これにより、図３（Ｂ）に示すように、帯状領域１２ａ及び調整領域Ｂの基板３０の分極が反転して、分極反転領域が形成される。なお、電荷移動量を監視するためと、分極反転構造形成工程の終点を決定するために、第１及び第２部分６２及び６４の間を流れる反転電流の大きさは、図示しない電流計でモニタされている。

このようにして、分極反転構造形成工程が終了したら、第１及び第２電解質水溶液５２及び５０を水洗し、絶縁膜３２を周知の化学エッチングで取り除くことで、基板３０への周期的分極反転構造の形成が完了する。

（効果）
この実施形態の周期的分極反転構造の形成方法では、上述のように、調整領域Ｂを設けることで、帯状領域１２ａの電荷移動量を小さくしている。その結果、分極反転領域が新たに生成される速度が従来に比べて小さくなり、はみ出し成長幅を容易に制御することができる。

また、帯状領域１２ａの電荷移動量が小さくなることから、分極反転領域を形成するために印加する反転電圧の持続時間（パルス幅）を緩和できる。つまり、従来は、はみ出し成長が抑制される程度に電荷移動量を小さくするためには、持続時間が１００μ秒程度の極短パルス状の反転電圧を印加する必要があった。しかし、この実施形態によれば、直流の反転電圧を印加する際の持続時間を０．１秒以上としても、実用上十分な程度にはみ出し成長幅を制御できる。

さらに、この実施形態では、調整領域Ｂと帯状領域１２ａとを同時に形成できるので、従来技術とは異なり、はみ出し成長の抑制のための工程数が増加しない。

以下、実施形態の効果の理解に資するために、発明者が行った実験について説明する。発明者は、上述の基板１０と基板３０のそれぞれに装置６０を用いて分極反転構造形成工程を実施した。なお、基板１０を用いて行われた分極反転構造形成工程を従来例とも称し、基板３０を用いて行われた分極反転構造形成工程を実施例とも称する。

まず始めに、従来例及び実施例の共通点を列記する。

（１）帯状領域１２ａの面積の総和を約０．４ｃｍ^２とし、第１主面の中央付近に設けた。

（２）反転電圧の大きさを約６ｋＶ／ｍｍとした。つまり、第１及び第２主面間にこの大きさの直流電圧を印加した。

（３）幅が約２μｍの複数の帯状領域１２ａを、約５μｍ間隔で並列した。つまり、帯間領域１２ｂの幅を約５μｍとした。

次に、従来例及び実施例の相違点を列記する。

（４）実施例において、調整領域Ｂの面積を約５ｃｍ^２とし、図１（Ｂ）に示すように、帯状領域１２ａを言わばコ字状に囲んで配置した。

（５）従来例では、持続時間が１００ｍ秒のパルス状の反転電圧を、反転電流が所定値を超えるまで断続的に印加した。これは、約５０μＣ／（秒・ｃｍ^２）の電荷移動量に対応する。一方、実施例では、反転電流が上述の所定値を超えるまでの約１００秒間に渡り、反転電圧として、上述の直流電圧を連続的に印加した。これは、約３μＣ／（秒・ｃｍ^２）の電荷移動量に対応する。

その結果、実施例では、帯状領域１２ａの直下に、幅が約３μｍの分極反転領域が形成された。つまり、実施例では、はみ出し成長量を１μｍに制御できた。それに対し、従来例では、はみ出し成長速度が速すぎるために、隣接する２本の帯状領域１２ａの間で分極反転領域が繋がってしまい、正常な形成がなされなかった。

この結果から、調整領域Ｂを有する実施例では、はみ出し成長の制御が容易であることが分かる。一方、実施例と同じ反転電流値で分極反転構造形成工程を終了させたにも拘わらず、従来例では、はみ出し成長を制御しきれずに、帯状領域１２ａ間で分極反転領域が繋がってしまった。

なお、この例では、実施例のはみ出し成長幅を１μｍとしたが、はみ出し成長幅は、反転電圧の持続時間を調整することにより、任意の値に制御可能である。例えば、持続時間を短くすれば、はみ出し成長幅を０（ゼロ）に近づけることも可能である。

（変形例）
以下、この実施形態の変形例について説明する。この実施形態では反転電圧の持続時間が１００秒の場合を例示したが、持続時間に特に制限は無く、従来同様にμ秒オーダーの極短パルス状でもよい。ただし、この実施形態のように調整領域Ｂを適切に設ければ、今まで、隣接する分極反転領域が繋がってしまい正常な形成が難しかった０．１秒以上の持続時間の反転電圧でも、周期的分極反転領域を正常に形成できる。

また、この実施形態では調整領域Ｂが連続した１領域の場合を例示したが、調整領域Ｂは互いに離間した複数のサブ領域に分割されていても良い。

また、基板３０には、上述のＬｉＮｂＯ_３の他に、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４、及びＫＮｂＯ_３等を設計に応じて選択できる。また、基板３０を波長変換素子として用いる場合、光電場による屈折率変化、いわゆる光損傷を抑制するために、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、及びＩｎ等を基板にドーピングするのが良い。

また、この実施形態では、自発分極の向きに直交する平面でカットされた基板３０を用いたが、基板は、自発分極の向きに直交する平面から数度程度ずれた平面でカットされていてもよい。

また、領域区画工程で第１主面３０ａに形成する絶縁膜３２としては、上述のＳｉＯ_２の他に、フォトレジストや、窒化シリコン膜等を用いても良い。

また、第１及び第２電解質水溶液５２及び５０は、充分に高い導電性を持つ種々の電解質水溶液を選択できる。例えば、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、及びＫＣｌ等を電解質として選択できる。

また、この実施形態では、分極反転構造形成工程において、電解質水溶液を、反転電圧を印加する電極として用いたが、この電極には金属薄膜を用いてもよい。以下、図４を参照して、この点について説明する。図４は、電極である金属薄膜が形成された基板の断面構造を模式的に示す断面図である。図４を参照すると、基板３０の第１主面３０ａ側には、第１電極７２である金属薄膜が全面に形成されている。つまり、第１電極７２は、帯状領域１２ａ及び調整領域Ｂのみでなく、絶縁膜３２の表面にも形成されている。また、第２主面３０ｂの全面には、第２電極７０である金属薄膜が形成されている。なお、金属薄膜は、真空蒸着法等の周知の方法で形成すればよい。また、金属薄膜の材料には、種々の金属を設計に応じて選択すればよい。この例では、金属薄膜の材料として金を用いている。そして、第１及び第２電極７２及び７０を電源３４と電気的に接続し、上述したような条件の反転電圧を印加することで、分極反転構造形成工程を行う。

（波長変換素子の形成方法）
以下、図５を参照して、波長変換素子の形成方法について説明する。図５は、波長変換素子の構造を模式的に示す斜視図である。なお、図５においては、基板３０と波長変換素子８０との対応関係を示すために、概略的に基板３０をも記してある。

概略的には、図５の波長変換素子８０は、ダイシング等で切り出された基板３０の素子領域Ａの部分に光導波路８２を形成したものに相当する。波長変換素子８０は、入力された被変換光ＩＮを、波長変換した変換済光ＯＵＴとして出力する。

波長変換素子８０の形成方法は、基板形成工程と光導波路形成工程とを備えており、基板形成工程として、上述した周期的分極反転構造の形成方法を用いる。上述の分極反転構造形成工程により素子領域Ａが形成される。素子領域Ａは、帯状領域１２ａの下側に形成された分極反転領域と、帯間領域１２ｂの下側に形成された非分極反転領域とを交互に備えた周期的分極反転構造ＰＰが形成された領域である。

光導波路８２は、分極反転領域と非分極反転領域の境界面Ｓに対して直行する光伝搬方向Ｐ（図中矢印参照）に沿って延在するとともに、屈折率が周囲の素子領域Ａよりも高いコア８４を備えている。このコア８４と周囲の素子領域Ａとでいわゆるプレーナ型の光導波路８２が構成される。

コア８４は、光導波路形成工程により形成される。より詳細には、光導波路形成工程では、コア８４をプロトン交換法により形成する。プロトン交換法では、まず素子領域Ａの第１主面３０ａ側に、コア８４の形成予定領域のみを露出させた金属マスク（Ｔｉマスク等）を形成する。なお、金属マスクは周知のフォトリソグラフィで形成できる。次に、この金属マスクが形成された素子領域Ａを、温度が約２００℃の安息香酸中に約２時間浸すことで、プロトン交換反応を行わせる。最後に、金属マスク及び安息香酸を除去し、温度が約４５０℃の酸素雰囲気中で約６時間アニール処理することで、周囲よりも屈折率が高いコア８４を形成し、光導波路８２を得る。

波長変換素子８０において、周期的分極反転構造ＰＰの周期Λの値を、ＱＰＭ条件を満たす値に設定することで波長変換が生じる。例えば、第２高調波発生に基づく波長変換を行うには、周期的分極反転構造ＰＰの周期Λを、次式（１）を満たす値とすればよい。
Λ＝λω／｛２（Ｎ２ω−Ｎω）｝・・・ （１）
ここで、λωは被変換光ＩＮの波長、Ｎωは被変換光ＩＮに対する光導波路８２の等価屈折率、Ｎ２ωは変換済光ＯＵＴに対する光導波路８２の等価屈折率である。被変換光ＩＮ又は変換済光ＯＵＴに対する等価屈折率とは、光導波路８２を伝播する被変換光ＩＮ又は変換済光ＯＵＴの伝播定数と波数の関係を規格化して表した数値である。被変換光ＩＮ又は変換済光ＯＵＴが光導波路８２を伝播する際は、この等価屈折率の空間中を伝播するものとして両者の位相速度を扱うことができる。

この他、差周波発生、和周波発生等に基づく波長変換素子についても同様に、これらのＱＰＭ条件を満たすように、周期Λを設定することで、それぞれの様式の波長変換が実現される。

この実施形態の波長変換素子の形成方法では、上述の周期的分極反転構造の形成方法を利用している。その結果、周期的分極反転構造ＰＰにおける分極反転領域と非分極反転領域の幅を厳密に制御できる。これにより、上述した効果に加えて、得られる波長変換素子８０の変換効率を高めることができる。また、波長変換素子８０では、分極反転領域の形成速度が遅くできるので、従来よりも幅の狭い分極反転領域を形成することができ、より短波長領域での波長変換が可能となる。

なお、この実施形態では、コア８４を境界面Ｓに対して垂直に設けているが、コアの延在方向は、境界面Ｓに対して垂直以外の非平行、つまり斜めであってもよい。この構成によっても、周期的分極反転構造ＰＰの実効的な周期Λ’に応じた波長で波長変換を行うことができる。ここで、実効的な周期Λ’とは、境界面Ｓとコア８４の延在方向のなす角をΘとしたときに、Λ’＝Λ／ｓｉｎΘで与えられる。

また、波長変換素子８０は、プレーナ型の光導波路８４以外にも、例えば、光伝搬方向に直交する方向の断面形状が凸型のリッジ型光導波路等を用いても良い。なお、リッジ型光導波路のコアに相当する凸部は、ダイシングソー等により機械的に切断することで形成できる。特に、上述のプレーナ型光導波路８２のコア８４の部分を凸型に形成して、リッジ型光導波路とすれば、コアの屈折率をより一層高めることができる。その結果、このリッジ型光導波路を伝播する被変換光ＩＮ及び変換済光ＯＵＴの閉じ込め効率が高くなり、波長変換効率が向上する。

１０，３０ 基板
１２ａ 帯状領域
１２ｂ 帯間領域
３０ａ 第１主面
３０ｂ 第２主面
３２ 絶縁膜
３４ 電源
３６ 第１ロッド電極
３８ 第２ロッド電極
４０ 第２容器
４２，４４ Ｏ−リング
４６ 第１容器
５０ 第２電解質水溶液
５２ 第１電解質水溶液
６０ 装置
６２ 第１部分
６４ 第２部分
６６ 電圧印加部
７２ 第１電極
７０ 第２電極
８０ 波長変換素子
８２ 光導波路
８４ コア
Ａ 素子領域
Ｂ 調整領域

Claims (9)

1. 自発分極の向きに直交する平面でカットされた平行平板でかつ単一ドメインの強誘電体結晶基板を準備し、
   該強誘電体結晶基板の第１主面に、周期的な帯状領域、及び荷移動量を調整するための電荷量調整領域を前記帯状領域とは離間した領域に設ける領域区画工程と、
   前記強誘電体結晶基板の前記第１主面と、該第１主面に対向する第２主面との間に分極反転用電圧を印加する分極反転構造形成工程とを備え、
   前記分極反転構造形成工程において、前記第２主面と前記帯状領域との間の電荷移動量が設定すべき値となる面積で、前記電荷量調整領域を形成することを特徴とする周期的分極反転構造の形成方法。
2. 前記分極反転構造形成工程において、前記第２主面と前記帯状領域との間の電荷移動量が７μＣ／（秒・ｃｍ^２）以下となる面積に前記電荷量調整領域を形成することを特徴とする請求項１に記載の周期的分極反転構造の形成方法。
3. 前記電荷量調整領域の面積を、前記帯状領域の面積の総和の４．７５倍以上とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の周期的分極反転構造の形成方法。
4. 前記分極反転構造形成工程において、前記第２主面と前記帯状領域との間の電荷移動量が１μＣ／（秒・ｃｍ^２）以下となる面積に前記電荷量調整領域を形成することを特徴とする請求項１に記載の周期的分極反転構造の形成方法。
5. 前記電荷量調整領域の面積を、前記帯状領域の面積の総和の１６．２倍以上とすることを特徴とする請求項１又は４に記載の周期的分極反転構造の形成方法。
6. 前記分極反転用電圧として、０．１秒以上持続する直流電圧を印加することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の周期的分極反転構造の形成方法。
7. 基板形成工程と光導波路形成工程とを備えており、
   前記基板形成工程として、請求項１〜６の何れか一項に記載の周期的分極反転構造の形成方法を用い、
   前記基板形成工程において、前記分極反転構造形成工程により、前記周期的な帯状領域の下側に形成された分極反転領域と、隣接する２つの該分極反転領域の間の非分極反転領域とを備えた素子領域を形成し、
   前記光導波路形成工程において、前記素子領域に、前記分極反転領域及び前記非分極反転領域の境界面に対して非平行な光伝搬方向に沿って延在するコアを備える光導波路を形成することを特徴とする波長変換素子の形成方法。
8. 自発分極の向きに直交する平面でカットされた平行平板でかつ単一ドメインの強誘電体結晶基板を準備し、
   該強誘電体結晶基板の第１主面に、周期的な帯状領域、及び電荷移動量を調整するための電荷量調整領域を前記帯状領域とは離間した領域に設ける領域区画工程と、
   前記強誘電体結晶基板の前記第１主面と、該第１主面に対向する第２主面との間に分極反転用電圧を印加する分極反転構造形成工程と、
   前記強誘電体結晶基板から前記帯状領域を切り出すことによって、前記電荷量調整領域を除去する切り出し工程と
   を備える
   ことを特徴とする周期的分極反転構造の形成方法。
9. 基板形成工程と光導波路形成工程とを備えており、
   前記基板形成工程として、請求項８に記載の周期的分極反転構造の形成方法を用い、
   前記基板形成工程において、前記分極反転構造形成工程により、前記周期的な帯状領域の下側に形成された分極反転領域と、隣接する２つの該分極反転領域の間の非分極反転領域とを備えた素子領域を形成し、
   前記分極反転構造形成工程と前記切り出し工程との間、又は前記切り出し工程の後に、前記光導波路形成工程を行い、
   前記光導波路形成工程において、前記素子領域に、前記分極反転領域及び前記非分極反転領域の境界面に対して非平行な光伝搬方向に沿って延在するコアを備える光導波路を形成することを特徴とする波長変換素子の形成方法。

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