JPH04361239A - Single crystalline thin film and produciton thereof - Google Patents

Single crystalline thin film and produciton thereof

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JPH04361239A
JPH04361239A JP16402191A JP16402191A JPH04361239A JP H04361239 A JPH04361239 A JP H04361239A JP 16402191 A JP16402191 A JP 16402191A JP 16402191 A JP16402191 A JP 16402191A JP H04361239 A JPH04361239 A JP H04361239A
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crystalline thin
single crystalline
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氏家 孝二
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喜彦 飯島
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Abstract

PURPOSE:To provide the single crystalline thin-film suitable for obtaining a high-performance SHG element. CONSTITUTION:Metal oxides Li2O, Nb2O5, Ta2O5, and MOz (z is arbitraty) are respectively previously prepd. as targets TG1, TG2, TG3, TG4 for laser abrasion. The laser beam BM from an excimer laser 1 is thereafter made incident successively in prescribed sequence on the respective targets TG1, TG2, TG3, TG4 to successively epitaxially grow the abraded metal oxides from the surfaces of the respective targets on LiTaxNb1-xO3 (0gammax<=1) as a single crystalline substrate 2 to form LiTayNb1-yO3:M as the single crystalline thin-film 3.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、光ディスクに利用され
る第2高調波発生素子(SHG素子)等の波長変換素子
などを実現するため、所定基板上に形成される非線形光
学効果を有する単結晶性薄膜及びその製造方法に関する
[Industrial Application Field] The present invention relates to a unit having a nonlinear optical effect formed on a predetermined substrate in order to realize a wavelength conversion element such as a second harmonic generation element (SHG element) used in an optical disc. This invention relates to a crystalline thin film and its manufacturing method.

【0002】0002

【従来の技術】従来、非線形光学効果を有するLiNb
O3,LiTaO3などの酸化物を所定基板上に単結晶
性薄膜として形成するのに、例えば、RFスパッタリン
グによる方法、CVD法による方法、あるいは1975
年に発行の文献「Journal of Crysta
l Growth 29, 289〜295頁」に開示
されているようなLPE法(液相エピタキシャル法)に
よる方法などが知られており、これらの方法により作成
された基板上の単結晶性薄膜を光導波路として機能させ
ることができる。
[Prior Art] Conventionally, LiNb having a nonlinear optical effect
To form oxides such as O3 and LiTaO3 as a single crystal thin film on a given substrate, for example, RF sputtering method, CVD method, or 1975
The document “Journal of Crysta” published in
Methods such as the LPE method (liquid phase epitaxial method) disclosed in "L Growth 29, pp. 289-295" are known, and a single crystal thin film on a substrate created by these methods is used to form an optical waveguide. It can function as

【0003】このうち、LPE法による方法では、Li
TaO3基板上にLPE法により膜厚1〜10μmの範
囲でLiNbO3の薄膜を結晶性良くエピタキシャル成
長させることができ、光の伝搬損失を1〜5dB/cm
程度に抑え、また、電気光学定数r33を(28.5/
1012)m/Vとバルクの場合とほぼ同じレベルのも
のにすることができた。
Among these methods, in the LPE method, Li
A thin film of LiNbO3 with a film thickness of 1 to 10 μm can be epitaxially grown on a TaO3 substrate using the LPE method with good crystallinity, and the optical propagation loss can be reduced to 1 to 5 dB/cm.
In addition, the electro-optical constant r33 is set to (28.5/
1012) It was possible to make m/V almost the same level as in the bulk case.

【0004】0004

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、基
板上に形成された例えばLiNbO3の単結晶性薄膜を
導波路型のSHG素子の光導波路として機能させる場合
、これにSHG素子の駆動用光源としての半導体レーザ
から波長830nmの基本波光を入射させると、LiN
bO3単結晶性薄膜における基本波光の常光屈折率n0
(ω),第2高調波光の異常光屈折率ne(2ω)は各
々、“2.253”,“2.282”と異なっており、
第2高調波を効率良く発生させるのに必要な条件n0(
ω)=ne(2ω)は満たされていない。
[Problems to be Solved by the Invention] Generally, when a single-crystalline thin film of, for example, LiNbO3 formed on a substrate is used as an optical waveguide for a waveguide-type SHG element, it is generally necessary to use a single-crystalline thin film formed on a substrate as a light source for driving the SHG element. When fundamental wave light with a wavelength of 830 nm is incident from a semiconductor laser, LiN
Ordinary refractive index n0 of fundamental wave light in bO3 single crystal thin film
(ω), the extraordinary refractive index ne(2ω) of the second harmonic light is different from “2.253” and “2.282”, respectively.
Conditions n0(
ω)=ne(2ω) is not satisfied.

【0005】基本波光と第2高調波光との位相整合を可
能とし第2高調波光を効率良く発生させるためには、L
iTaO3の基板上に例えばMgOがドープされた単結
晶性薄膜LiNbO3:Mgドープをエピタキシャル成
長させて、上記双方の屈折率n0(ω),ne(2ω)
をほぼ同程度のものにさせれば良い。
In order to enable phase matching between the fundamental wave light and the second harmonic light and to generate the second harmonic light efficiently, it is necessary to
For example, by epitaxially growing a single crystalline thin film LiNbO3 doped with MgO on an iTaO3 substrate, the refractive indexes of both of the above are n0(ω) and ne(2ω).
It would be better if they were approximately the same.

【0006】しかしながら、上述したLPE法による単
結晶性薄膜の製造方法では、MgOドープの単結晶性薄
膜LiNbO3:Mgドープを液相エピタキシャル成長
により形成する際に、MgOのドーパント量が5%まで
に限られていた。また、LPE法では、Mg以外に使用
可能なドーパント,すなわち金属元素は、Fe,Zn,
V等の数種類に限られていた。このため、SHG素子へ
の適用において、ある種の半導体レーザが光源として用
いられ、このレーザからの所定波長の基本波光に対して
は、n0(ω)及びne(2ω)の屈折率を同程度のも
のにするように単結晶性薄膜を作成することができたと
しても、他の半導体レーザが光源として用いられ、その
基本波光の波長が上記と異なっており、例えばMgOの
ドーパント量を10%以上にしなければn0(ω)及び
ne(2ω)の屈折率を同程度にできないような場合に
は、ドーパント組成,ドーパント種類の制限によって双
方の屈折率を同程度にするような単結晶性薄膜を作成す
ることができないという問題があった。
However, in the above-mentioned LPE method for manufacturing a single crystalline thin film, when forming an MgO-doped single-crystalline thin film LiNbO3:Mg-doped by liquid phase epitaxial growth, the amount of MgO dopant is limited to 5%. It was getting worse. In addition, in the LPE method, dopants that can be used other than Mg, that is, metal elements, include Fe, Zn,
It was limited to a few types such as V. For this reason, in application to SHG elements, a certain type of semiconductor laser is used as a light source, and for the fundamental wave light of a predetermined wavelength from this laser, the refractive index of n0 (ω) and ne (2ω) is set to the same level. Even if it were possible to create a single-crystalline thin film that would make it possible to obtain a single-crystal thin film, another semiconductor laser would be used as a light source, and the wavelength of its fundamental wave light would be different from the above, for example, if the amount of MgO dopant was reduced by 10%. If the refractive indexes of n0 (ω) and ne (2ω) cannot be made to the same level unless the above conditions are met, a single-crystalline thin film that makes both refractive indexes similar by limiting the dopant composition and type of dopant may be used. There was a problem that it was not possible to create .

【0007】このように、LPE法による製造方法では
、ドーパント組成,ドーパント種類が限定され、さらに
は、精密な膜厚制御を行なうことができないので、LP
E法により作成された単結晶性薄膜あるいは上述した他
の方法により作成された単結晶性薄膜を用いて高性能S
HG素子を実現するのは極めて困難であった。
[0007] As described above, in the production method using the LPE method, the dopant composition and dopant type are limited, and furthermore, precise film thickness control cannot be performed.
High-performance S
It has been extremely difficult to realize an HG element.

【0008】本発明は、高性能SHG素子の実現に適し
た単結晶性薄膜及びその製造方法を提供することを目的
としている。
An object of the present invention is to provide a single-crystalline thin film suitable for realizing a high-performance SHG element and a method for manufacturing the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、単結晶性薄膜
を任意の金属元素Mが所望量ドープされた混晶LiTa
yNb1−yO3:Mドープ(0≦y≦1)の単結晶性
薄膜とし、これをレーザアブレーション法により形成す
ることを特徴としている。
[Means for Solving the Problems] The present invention provides a single crystalline thin film made of mixed crystal LiTa doped with a desired amount of an arbitrary metal element M.
yNb1-yO3:M-doped (0≦y≦1) single-crystalline thin film, which is characterized by being formed by laser ablation.

【0010】より具体的には、図1に示すようにレーザ
のアブレーション用ターゲットTG1,TG2,TG3
,TG4として、金属酸化物Li2O,Nb2O5,T
a2O5およびMOz(zは任意)の各々を予め用意し
ておく。しかる後、例えばエキシマレーザ1からのレー
ザビームBMを各ターゲットTG1,TG2,TG3,
TG4に所定の順序に順次に入射させてアブレーション
を起こさせ、各ターゲットの表面からアブレートされた
金属酸化物を単結晶性基板2としてのLiTaxNb1
−xO3(0≦x≦1)上に順次にエピタキシャル成長
させて、例えば図2に示すような構造をもつ単結晶性薄
膜3,すなわちLiTayNb1−yO3:Mを形成す
るようにしている。但し、図2は説明の都合上、簡略化
したものとなっている。
More specifically, as shown in FIG. 1, laser ablation targets TG1, TG2, TG3
, TG4, metal oxides Li2O, Nb2O5, T
Each of a2O5 and MOz (z is arbitrary) is prepared in advance. After that, for example, the laser beam BM from the excimer laser 1 is directed to each target TG1, TG2, TG3,
The metal oxide is ablated from the surface of each target by sequentially injecting it into the TG4 in a predetermined order, and the metal oxide ablated from the surface of each target is transferred to LiTaxNb1 as the single crystal substrate 2.
-xO3 (0≦x≦1) is sequentially epitaxially grown to form a single crystal thin film 3 having a structure as shown in FIG. 2, for example, ie, LiTayNb1-yO3:M. However, FIG. 2 is simplified for convenience of explanation.

【0011】なお、上記構造がイルミナイト構造の場合
、イルミナイト構造の特徴は、第1層L1が元素Aを含
む層,第2層L2が元素Bを含む層,第3層L3が第1
層L1と同様の元素Aを含む層からなっている。従って
、LiTayNb1−yO3の混晶を作成しようとする
場合には、元素AをLiにし、また元素BをTaまたは
Nbにして、第1層L1にLi2Oの層を形成し、次い
で第2層L2にTa2O5の層,またはNb2O5の層
を形成し、次いで第3層L3にLi2Oの層を形成する
When the above structure is an illuminite structure, the characteristics of the illuminite structure are that the first layer L1 is a layer containing element A, the second layer L2 is a layer containing element B, and the third layer L3 is a layer containing element B.
It consists of a layer containing the same element A as the layer L1. Therefore, when trying to create a mixed crystal of LiTayNb1-yO3, element A is changed to Li, element B is changed to Ta or Nb, a layer of Li2O is formed in the first layer L1, and then a layer of Li2O is formed in the second layer L2. A layer of Ta2O5 or a layer of Nb2O5 is formed as the third layer L3, and then a layer of Li2O is formed as the third layer L3.

【0012】このような混晶を所定の膜厚に形成しよう
とする場合には、上記各層を厚さ方向に規則正しく繰り
返し積層するが、このとき第3層L3は第1層L1とし
て機能し、実質的に第1層L1と第2層L2との2つの
層を組み合せた層状構造を厚さ方向に繰り返し形成する
ものとみることができる。また、上記混晶を作成する際
、yを例えば“0.5”にし、TaとNbとの組成比率
を1:1にしようとするときには、第1層L1と第2層
L2との層状構造の厚さ方向への繰り返しにおいて、第
2層L2にTa2O5の層とNb2O5の層とを交互に
形成すれば良い。
[0012] In order to form such a mixed crystal to a predetermined thickness, the above-mentioned layers are regularly and repeatedly laminated in the thickness direction. At this time, the third layer L3 functions as the first layer L1, It can be considered that a layered structure that is essentially a combination of two layers, the first layer L1 and the second layer L2, is repeatedly formed in the thickness direction. In addition, when creating the above-mentioned mixed crystal, when y is set to, for example, "0.5" and the composition ratio of Ta and Nb is to be set to 1:1, a layered structure of the first layer L1 and the second layer L2 is required. By repeating this in the thickness direction, layers of Ta2O5 and layers of Nb2O5 may be alternately formed in the second layer L2.

【0013】また、上記混晶中への金属元素Mのドープ
は、第1層L1,あるいは第2層L2にLi2Oの層,
あるいはTa2O5またはNb2O5の層を形成するか
わりに、MOzの層を形成することによってなされる。 このとき金属元素Mのドーピング量は、厚さ方向にMO
zの層を何層含ませるかによって自ずと決められる。
[0013] Further, the doping of the metal element M into the above-mentioned mixed crystal can be carried out by forming a layer of Li2O in the first layer L1 or the second layer L2.
Alternatively, instead of forming a layer of Ta2O5 or Nb2O5, a layer of MOz may be formed. At this time, the doping amount of the metal element M is MO in the thickness direction.
It is naturally determined by how many layers of z are included.

【0014】従って、レーザアブレーション法によって
、任意の金属元素Mがドープされたイルミナイト構造の
単結晶性薄膜LiTayNb1−yO3:M(例えばy
を“0.5”にする)を実際に形成しようとする場合、
基本的には、エキシマレーザ1からのレーザビームBM
をターゲットTG1に入射させターゲットTG1からの
Li2Oを基板2上に積層させて第1層L1を形成し、
次いでレーザビームBMをターゲットTG2(またはT
G3)に入射させターゲットTG2(またはTG3)か
らのTa2O5(またはNb2O5)を第1層L1の上
に積層させて第2層L2を形成し、次いでレーザビーム
BMをターゲットTG1に入射させLi2Oを第2層L
2の上に積層させて第3層L3(実質的に第1層L1)
を形成し、次いでレーザビームBMをターゲットTG3
(またはTG2)に入射させターゲットTG3(または
TG2)からのNb2O5(またはTa2O5)を第3
層L3の上に積層させる。
Therefore, by the laser ablation method, a single crystalline thin film LiTayNb1-yO3:M (for example, y
to "0.5"),
Basically, the laser beam BM from excimer laser 1
is incident on the target TG1, and Li2O from the target TG1 is laminated on the substrate 2 to form the first layer L1,
Next, the laser beam BM is directed to the target TG2 (or T
G3) to deposit Ta2O5 (or Nb2O5) from the target TG2 (or TG3) on the first layer L1 to form the second layer L2, and then make the laser beam BM enter the target TG1 to deposit Li2O on the first layer L1. 2 layer L
A third layer L3 (substantially the first layer L1) is laminated on top of 2.
and then direct the laser beam BM to target TG3
(or TG2) to inject Nb2O5 (or Ta2O5) from target TG3 (or TG2) into the third
It is laminated on top of layer L3.

【0015】このようなレーザアブレーション法による
層形成工程を繰り返し行なうことにより、基板2上に混
晶LiTayNb1−yO3(y=“0.5”)を作成
することができるが、この繰り返し工程において、第1
層L1(第3層L3)あるいは第2層L2を形成する際
、基本的にはターゲットTG1あるいはターゲットTG
2,TG3に入射するレーザビームBMを選択的にター
ゲットTG4に入射させターゲットTG4からMOzを
放出させるようにすることにより、厚さ方向に積層され
る第1層L1(第3層L3),第2層L2のうちの何層
かをMOzの層にすることができて、金属元素Mがドー
プされた混晶を単結晶性薄膜として作成することが可能
となる。
[0015] By repeating the layer forming process using such a laser ablation method, a mixed crystal LiTayNb1-yO3 (y = "0.5") can be created on the substrate 2, but in this repeating process, 1st
When forming layer L1 (third layer L3) or second layer L2, basically target TG1 or target TG
2. By selectively making the laser beam BM incident on TG3 incident on the target TG4 and emitting MOz from the target TG4, the first layer L1 (third layer L3) and the third layer laminated in the thickness direction are Some of the two layers L2 can be MOz layers, making it possible to create a mixed crystal doped with the metal element M as a single crystalline thin film.

【0016】不純物としての金属元素Mがドープされて
いない状態での混晶LiTayNb1−yO3で単結晶
性薄膜を構成し、これにより導波路型SHG素子を実現
し、単結晶性薄膜をSHG素子の導波路として機能させ
るときには、前述したように、一般に、この単結晶性薄
膜における基本波光の常光屈折率n0(ω)と第2高調
波光の異常光屈折率ne(2ω)とが異なって基本波光
と第2高調波光との位相整合がとれず、第2高調波光を
効率良く発生させることができない。
[0016] A single crystalline thin film is constructed of the mixed crystal LiTayNb1-yO3 in a state in which the metal element M as an impurity is not doped, thereby realizing a waveguide type SHG element, and the single crystalline thin film is used as an SHG element. When functioning as a waveguide, as mentioned above, the ordinary refractive index n0 (ω) of the fundamental wave light and the extraordinary refractive index ne (2ω) of the second harmonic light in this single crystal thin film are generally different, and the fundamental wave light Phase matching cannot be achieved between the second harmonic light and the second harmonic light, and the second harmonic light cannot be efficiently generated.

【0017】これに対し、金属元素Mが所定量ドープさ
れた混晶LiTayNb1−yO3:Mで単結晶性薄膜
を構成するときには、基本波光の常光屈折率n0(ω)
,第2高調波光の異常光屈折率ne(2ω)をほぼ同程
度のものにすることができる。この場合には、基本波光
と第2高調波光との位相整合がとれて、第2高調波光を
効率良く発生させることができる。
On the other hand, when a single-crystalline thin film is composed of the mixed crystal LiTayNb1-yO3:M doped with a predetermined amount of the metal element M, the ordinary refractive index n0(ω) of the fundamental wave light is
, the extraordinary refractive index ne(2ω) of the second harmonic light can be made to be approximately the same. In this case, the fundamental wave light and the second harmonic light can be phase matched, and the second harmonic light can be efficiently generated.

【0018】ところで、本発明では、レーザビームBM
を各ターゲットTG1乃至TG4のうちのいずれか1つ
に入射させるよう選択制御することにより、例えばイル
ミナイト構造をもつ単結晶性薄膜を1層ごとに順次に形
成するようになっているので、各ターゲットTG1乃至
TG4へのレーザビームBMのパワー,ショット数,あ
るいは照射時間制御により、各層Li2O,Ta2O5
,Nb2O5,MOzの数と成膜スピードを制御して、
各層の組成を任意にかつ精密に制御することが可能とな
る。 すなわち、ターゲットTG3に対するターゲットTG2
へのレーザビームBMのパワー,ショット数,あるいは
照射時間を変えることにより、yの比率を任意にかつ精
密に変化させることができる。また、ターゲットTG1
乃至TG3に対するターゲットTG4へのレーザビーム
BMのパワー,ショット数,あるいは照射時間を変化さ
せることにより、任意所望量の金属元素Mを精密にドー
プすることができ、これにより、基本波光の常光屈折率
n0(ω)と第2高調波光の異常光屈折率ne(2ω)
とをほぼ同程度にさせるに必要な量の金属元素Mがドー
プされた単結晶性薄膜を容易に作成することが可能とな
る。
By the way, in the present invention, the laser beam BM
For example, a single crystalline thin film having an illuminite structure is sequentially formed layer by layer by selectively controlling such that it is incident on any one of the targets TG1 to TG4. By controlling the power, number of shots, or irradiation time of the laser beam BM to the targets TG1 to TG4,
, Nb2O5, by controlling the number and deposition speed of MOz,
It becomes possible to arbitrarily and precisely control the composition of each layer. That is, target TG2 with respect to target TG3
By changing the power of the laser beam BM, the number of shots, or the irradiation time, the ratio of y can be changed arbitrarily and precisely. Also, target TG1
By changing the power, number of shots, or irradiation time of the laser beam BM to the target TG4 for TG3, it is possible to precisely dope any desired amount of the metal element M, thereby changing the ordinary refractive index of the fundamental wave light. n0(ω) and the extraordinary refractive index ne(2ω) of the second harmonic light
It becomes possible to easily create a single-crystal thin film doped with the metal element M in an amount necessary to make the values almost the same.

【0019】さらに、単結晶性薄膜を1層ごとに順次に
形成するようにすることによって、従来LPE法等では
達成することのできなかった精密な膜厚制御が可能とな
り、また、ドーパントの種類,すなわち金属元素Mの種
類の制限をもなくすことができる。
Furthermore, by sequentially forming single-crystalline thin films layer by layer, precise film thickness control, which could not be achieved with conventional LPE methods, becomes possible. In other words, restrictions on the type of metal element M can be eliminated.

【0020】なお、上述の説明では、イルミナイト構造
の単結晶性薄膜を作成する場合を例にとったが、ペロブ
スカイト構造をもつ単結晶性薄膜を作成するときにも、
同様のレーザアブレーション法による製造工程でこれを
作成することができる。
[0020] In the above explanation, the case of creating a single crystalline thin film with an illuminite structure was taken as an example, but when creating a single crystalline thin film with a perovskite structure,
This can be created using a similar laser ablation manufacturing process.

【0021】また、上述の説明では、4つのターゲット
TG1,TG2,TG3,TG4を用意し、4種の金属
酸化物Li2O,Ta2O5,Nb2O5,MOzの各
層を所定順序に形成するとしたが、ターゲットとして、
2種の金属酸化物LiTayNb1−yO3,MOzか
らなる2つのターゲットだけを用意し、同様のレーザア
ブレーション法によって、基板上に金属酸化物LiTa
yNb1−yO3の層と金属酸化物MOzの層とを所定
比率で形成し、これにより金属元素Mのドープされた単
結晶性薄膜LiTayNb1−yO3:Mドープを作成
するようにしても良い。
Furthermore, in the above explanation, it was assumed that four targets TG1, TG2, TG3, and TG4 were prepared and each layer of four types of metal oxides Li2O, Ta2O5, Nb2O5, and MOz was formed in a predetermined order. ,
Only two targets consisting of two types of metal oxides LiTayNb1-yO3 and MOz were prepared, and the metal oxide LiTa was deposited on the substrate using the same laser ablation method.
A layer of yNb1-yO3 and a layer of metal oxide MOz may be formed in a predetermined ratio, thereby creating a single crystalline thin film LiTayNb1-yO3:M doped with the metal element M.

【0022】[0022]

【実施例】以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説
明する。
EXAMPLES The present invention will be explained in more detail below using examples.

【0023】実施例1   この実施例1では、基板2にLiTaO3を用い、
この基板2上にyの比率が“0”で、金属元素Mとして
マグネシウムMgがドープされた単結晶性薄膜LiNb
O3:Mgを作成した。すなわち、先づ、LiTaO3
の基板2を基板ホルダにセットし、基板温度を300℃
にしておく。次いで、いまの場合3種類のターゲットT
G1,TG3,TG4(各々Li2O,Nb2O5,M
gO)をコンピュータコントロールして、ArFエキシ
マレーザからの波長193nmのレーザビームBMをタ
ーゲットTG1,TG3にそれぞれ100パルスづつ順
次に入射させ、ターゲットTG1,TG3からのアブレ
ーションによってLi2O,Nb2O5の層を10Åづ
つ形成した。しかる後、このレーザビームBMをターゲ
ットTG4に入射させ、ターゲットTG4からのアブレ
ーションによって20ÅのMgOの層を形成した。ター
ゲットTG1,TG3,TG4へのこのような照射を繰
り返すことによって、MgOがLiNbO3中に10%
ドープされた単結晶性薄膜を3μmの膜厚に形成するこ
とができた。なお、各ターゲットTG1,TG3,TG
4へArFエキシマレーザからのレーザビームBMを入
射させる際、このレーザビームBMを56μmに絞り、
0.2J/cm2のエネルギーで入射させた。このとき
アブレーションのレートは、ターゲットTG1,TG3
ともに10パルスで1Åであった。
Example 1 In Example 1, LiTaO3 is used for the substrate 2,
On this substrate 2 is formed a single crystal thin film LiNb doped with magnesium Mg as the metal element M with a y ratio of “0”.
O3:Mg was created. That is, first, LiTaO3
Set the board 2 in the board holder and set the board temperature to 300℃.
Keep it. Next, in this case, three types of targets T
G1, TG3, TG4 (Li2O, Nb2O5, M
gO) is controlled by a computer, a laser beam BM with a wavelength of 193 nm from an ArF excimer laser is sequentially incident on targets TG1 and TG3 at 100 pulses each, and layers of Li2O and Nb2O5 are formed by ablation of 10 Å each from targets TG1 and TG3. Formed. Thereafter, this laser beam BM was made incident on the target TG4, and a 20 Å layer of MgO was formed by ablation from the target TG4. By repeating such irradiation to targets TG1, TG3, and TG4, MgO becomes 10% in LiNbO3.
A doped single crystalline thin film with a thickness of 3 μm could be formed. In addition, each target TG1, TG3, TG
When the laser beam BM from the ArF excimer laser is incident on 4, this laser beam BM is focused to 56 μm,
The energy was 0.2 J/cm2. At this time, the ablation rate is the target TG1, TG3.
Both were 1 Å with 10 pulses.

【0024】このようにして、3μmの膜厚の単結晶性
薄膜LiNbO3:MgO10%ドープを作成後、これ
を酸素ガスO2雰囲気中において温度600℃で1時間
のアニールを施して、結晶性の改善を行なった。
[0024] After creating a 3 μm thick monocrystalline thin film LiNbO3:MgO doped with 10% in this manner, this was annealed at a temperature of 600°C for 1 hour in an oxygen gas O2 atmosphere to improve crystallinity. I did this.

【0025】この単結晶性薄膜を導波路型SHG素子の
導波路として用い、これに駆動用光源としての半導体レ
ーザから830nm程度の波長の基本波光を入射させる
とき、基本波光の常光屈折率n0(ω)は“2.266
”、第2高調波光の異常光屈折率ne(2ω)は“2.
263”となり、n0(ω)とne(2ω)とをほぼ同
程度にすることができ、位相整合が可能となって、41
5nmの波長の第2高調波光を効率良く発生させること
ができた。
When this single-crystalline thin film is used as a waveguide of a waveguide-type SHG element and a fundamental wave light having a wavelength of about 830 nm is incident on it from a semiconductor laser as a driving light source, the ordinary refractive index of the fundamental wave light n0 ( ω) is “2.266
”, and the extraordinary refractive index ne (2ω) of the second harmonic light is “2.
263'', n0(ω) and ne(2ω) can be made almost the same, phase matching is possible, and 41
Second harmonic light with a wavelength of 5 nm could be efficiently generated.

【0026】この実施例1からわかるように、本発明で
は単結晶性薄膜の作成時に、その各層の膜厚,換言すれ
ば薄膜の膜厚をÅのオーダで精密に制御でき、また金属
元素Mのドープ量を任意所望量(上記例では10%)に
精度良く制御することができて、これにより、高性能の
SHG素子を実現することが可能となった。また、半導
体レーザとして830nmの波長以外の波長の基本波光
を出射するものを用いる場合にも、その波長に応じ、基
本波光と第2高調波光との屈折率を同程度のものとさせ
るよう金属元素Mのドープ量およびその種類を何らの制
限もなく自由に設定できるので、高性能のSHG素子を
容易に実現することが可能となる。
As can be seen from Example 1, in the present invention, when forming a single crystalline thin film, the thickness of each layer, in other words, the thickness of the thin film, can be precisely controlled on the order of Å, and the metal element M The amount of doping can be precisely controlled to any desired amount (10% in the above example), thereby making it possible to realize a high-performance SHG element. Also, when using a semiconductor laser that emits fundamental wave light of a wavelength other than 830 nm, metal elements are used to make the refractive index of the fundamental wave light and the second harmonic light similar depending on the wavelength. Since the amount and type of M doping can be freely set without any restrictions, it becomes possible to easily realize a high-performance SHG element.

【0027】なお、この実施例1では、金属元素Mをマ
グネシウムMgとしたが、他の任意の金属を用いること
もできる。また、成膜時に基板2の温度を300℃にし
たが、基板の温度を0℃〜1100℃の範囲で適宜制御
すれば、結晶性の良い単結晶性薄膜を作成することがで
きる。さらに、この実施例1では、レーザアブレーショ
ンによって単結晶性薄膜を形成後、これを酸素ガスO2
雰囲気中でアニールしたが、酸素ガスO2雰囲気に限ら
ず、O3,NO,NO2,N2O等の酸化性ガス雰囲気
中であれば良い。
In Example 1, magnesium Mg was used as the metal element M, but any other metal may be used. Furthermore, although the temperature of the substrate 2 was set at 300° C. during film formation, a single crystalline thin film with good crystallinity can be created by appropriately controlling the temperature of the substrate within the range of 0° C. to 1100° C. Furthermore, in this Example 1, after forming a single crystalline thin film by laser ablation, this was treated with oxygen gas O2.
Although annealing was performed in an atmosphere, the annealing is not limited to an oxygen gas O2 atmosphere, but any oxidizing gas atmosphere such as O3, NO, NO2, N2O, etc. may be used.

【0028】この場合、O2をも含めて酸化性ガス雰囲
気に各層をさらすことにより、各層の形成時に発生した
O(酸素)−空き格子点を減少させることができ、より
結晶性に優れた単結晶性薄膜LiTayNb1−yO3
:Mドープを作成することができる。
In this case, by exposing each layer to an oxidizing gas atmosphere including O2, it is possible to reduce the O (oxygen)-vacant lattice points generated during the formation of each layer, resulting in a monomer with better crystallinity. Crystalline thin film LiTayNb1-yO3
:M dope can be created.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上に説明したように本発明の単結晶性
薄膜は、任意の金属元素Mが任意所望量ドープされた単
結晶性薄膜LiTayNb1−yO3:Mドープ(0≦
y≦1)であるので、各種の半導体レーザからの基本波
光の各種の波長に応じて金属元素Mのドープ量あるいは
金属元素の種類を自由に設定することにより、高性能S
HG素子を容易に実現することができる。
Effects of the Invention As explained above, the single crystal thin film of the present invention is a single crystal thin film doped with any metal element M in any desired amount.
Since y≦1), high-performance S
An HG element can be easily realized.

【0030】また、本発明では、このような単結晶性薄
膜を、レーザアブレーション法により作成するようにし
ているので、これにより任意のドーパントMを任意の量
添加することができ、さらには精密な膜厚制御が可能と
なって、高性能のSHG素子を実現可能な単結晶性薄膜
を得ることができた。
[0030] Furthermore, in the present invention, such a single-crystalline thin film is created by a laser ablation method, so that it is possible to add any dopant M in any amount, and furthermore, it is possible to add any dopant M in any amount. It became possible to control the film thickness and obtain a single-crystalline thin film capable of realizing a high-performance SHG element.

【0031】また、基板にLiTaxNb1−xO3(
0≦x≦1)を用い、この基板の温度を0℃〜1100
℃の範囲で適宜制御することにより、結晶性の良い単結
晶性薄膜を作成することができる。
[0031] Furthermore, LiTaxNb1-xO3 (
0≦x≦1), and the temperature of this substrate is from 0℃ to 1100℃.
By appropriately controlling the temperature within the range of 0.degree. C., a single crystalline thin film with good crystallinity can be created.

【0032】また、ターゲットとして、4種の金属酸化
物Li2O,Ta2O5,Nb2O5,MOzをそれぞ
れ基本母材とする4つのターゲットを用い、基板上に、
金属酸化物Li2O,Ta2O5,Nb2O5,MOz
の各層をレーザアブレーションで形成して単結晶性薄膜
を作成することによって、各層をそれぞれ所望通りの膜
厚等に精密に形成でき、また、ドーパントMを任意所望
の量だけ精密にドープすることができるとともに、yの
比率,すなわちTaとNbとの組成比率を任意所望の値
に精密に設定することができた。
[0032] Furthermore, four targets each having four types of metal oxides Li2O, Ta2O5, Nb2O5, and MOz as basic base materials were used, and on the substrate,
Metal oxides Li2O, Ta2O5, Nb2O5, MOz
By forming each layer by laser ablation to create a single-crystalline thin film, each layer can be formed precisely to the desired thickness, and it is also possible to precisely dope the dopant M in any desired amount. At the same time, the ratio of y, that is, the composition ratio of Ta and Nb, could be precisely set to any desired value.

【0033】また、ターゲットとして、2種の金属酸化
物LiTayNb1−yO3,MOzをそれぞれ基本母
材とする2つのターゲットを用い、基板上に金属酸化物
LiTayNb1−yO3,MOzの各層を形成して単
結晶性薄膜を形成することによって、簡単な製造工程で
ドーパントMを任意所望の量だけ精密にドープすること
ができた。
[0033] Also, two targets each having two types of metal oxides LiTayNb1-yO3 and MOz as basic base materials were used, and each layer of metal oxides LiTayNb1-yO3 and MOz was formed on the substrate to form a single layer. By forming a crystalline thin film, it was possible to precisely dope any desired amount of dopant M through a simple manufacturing process.

【0034】また、レーザアブレーション法によって作
成されたLiTayNb1−yO3:Mドープの単結晶
性薄膜をさらに酸化性ガス雰囲気においてアニールする
ことにより、上記単結晶性薄膜の結晶性をより一層良好
なものにすることができた。
[0034] Furthermore, by further annealing the LiTayNb1-yO3:M-doped single crystal thin film produced by the laser ablation method in an oxidizing gas atmosphere, the crystallinity of the single crystal thin film can be further improved. We were able to.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の単結晶性薄膜の製造方法の一例を説明
するための図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing a single crystalline thin film of the present invention.

【図2】イルミナイト構造あるいはペロブスカイト構造
を説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining an illuminite structure or a perovskite structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1                  エキシマレー
ザ2                  基板3  
                単結晶性薄膜TG1
乃至TG4    ターゲット
1 Excimer laser 2 Substrate 3
Single crystal thin film TG1
~TG4 target

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  任意の金属元素Mが所定量ドープされ
たLiTayNb1−yO3:Mドープ(0≦y≦1)
の単結晶性薄膜であって、前記金属元素Mのドープ量は
、該単結晶性薄膜を第2高調波素子の光導波路として使
用する場合に、基本波光と第2高調波光との光導波路に
おける屈折率を同程度にさせる量となっていることを特
徴とする単結晶性薄膜。
[Claim 1] LiTayNb1-yO3 doped with a predetermined amount of an arbitrary metal element M: M doped (0≦y≦1)
When using the single crystalline thin film as an optical waveguide of a second harmonic element, the amount of doping of the metal element M is determined to A single-crystalline thin film characterized by having an amount that makes the refractive index the same.
【請求項2】  レーザからのレーザビームを所定ター
ゲットに選択照射し、前記ターゲットからのアブレーシ
ョンにより、所定基板上に任意の金属元素をMとしてL
iTayNb1−yO3:Mドープ(0≦y≦1)の単
結晶性薄膜を作成するようになっていることを特徴とす
る単結晶性薄膜の製造方法。
2. A predetermined target is selectively irradiated with a laser beam from a laser, and by ablation from the target, an arbitrary metal element is deposited with M on a predetermined substrate.
iTayNb1-yO3: A method for producing a single crystalline thin film, characterized in that a M-doped (0≦y≦1) single crystalline thin film is produced.
【請求項3】  前記基板には、LiTaxNb1−x
O3(0≦x≦1)からなる単結晶性基板が用いられ、
該基板上への前記単結晶性薄膜の作成時には、前記基板
の温度は、0℃〜1100℃の範囲で適宜、制御される
ようになっていることを特徴とする請求項2記載の単結
晶性薄膜の製造方法。
3. The substrate includes LiTaxNb1-x
A single crystal substrate made of O3 (0≦x≦1) is used,
3. The single crystal according to claim 2, wherein the temperature of the substrate is appropriately controlled within a range of 0° C. to 1100° C. when forming the single crystalline thin film on the substrate. method for producing a synthetic thin film.
【請求項4】  前記ターゲットには、4種の金属酸化
物Li2O,Ta2O5,Nb2O5,MOz(Mは金
属元素,zの値は任意)をそれぞれ基本母材とした4つ
のターゲットが用いられ、該4つのターゲットにレーザ
ビームを選択照射し、アブレーションを生じさせること
によって、基板上に金属酸化物Li2O,Ta2O5,
Nb2O5,MOzの各層を形成し、LiTayNb1
−yO3:Mドープ(0≦y≦1)の単結晶性薄膜を作
成するようになっていることを特徴とする請求項2記載
の単結晶性薄膜の製造方法。
4. The targets used include four types of metal oxides Li2O, Ta2O5, Nb2O5, and MOz (M is a metal element, and the value of z is arbitrary) as basic base materials, respectively. By selectively irradiating four targets with a laser beam and causing ablation, metal oxides Li2O, Ta2O5,
Each layer of Nb2O5 and MOz is formed, and LiTayNb1
3. The method of manufacturing a single crystalline thin film according to claim 2, wherein a single crystalline thin film doped with -yO3:M (0≦y≦1) is produced.
【請求項5】  前記ターゲットには、2種の金属酸化
物LiTayNb1−yO3(0≦y≦1),MOz(
Mは金属元素,zの値は任意)をそれぞれ基本母材とし
た2つのターゲットが用いられ、該2つのターゲットに
レーザビームを選択照射し、アブレーションを生じさせ
ることによって、基板上に、金属酸化物LiTayNb
1−yO3の層と金属酸化物MOzの層とを所定比率で
形成し、LiTayNb1−yO3:Mドープ(0≦y
≦1)の単結晶性薄膜を作成するようになっていること
を特徴とする請求項2記載の単結晶性薄膜の製造方法。
5. The target contains two types of metal oxides LiTayNb1-yO3 (0≦y≦1), MOz(
Two targets are used, each of which has a base material of (M is a metal element and the value of z is arbitrary), and by selectively irradiating the two targets with a laser beam and causing ablation, metal oxide is formed on the substrate. ThingsLiTayNb
A layer of 1-yO3 and a layer of metal oxide MOz are formed at a predetermined ratio, and LiTayNb1-yO3:M doped (0≦y
3. The method for producing a single crystalline thin film according to claim 2, wherein a single crystalline thin film having a condition of ≦1) is produced.
【請求項6】  請求項2記載の製造方法によって作成
されたLiTayNb1−yO3:Mドープ(0≦y≦
1)の単結晶性薄膜を、さらに、酸化性ガス雰囲気にお
いてアニールするようになっていることを特徴とする単
結晶性薄膜の製造方法。
6. LiTayNb1-yO3:M doped (0≦y≦
A method for producing a single crystalline thin film, characterized in that the single crystalline thin film of 1) is further annealed in an oxidizing gas atmosphere.
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