JPH0437697A - Thin film of lithium niobate single crystal - Google Patents

Thin film of lithium niobate single crystal

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JPH0437697A
JPH0437697A JP2141797A JP14179790A JPH0437697A JP H0437697 A JPH0437697 A JP H0437697A JP 2141797 A JP2141797 A JP 2141797A JP 14179790 A JP14179790 A JP 14179790A JP H0437697 A JPH0437697 A JP H0437697A
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JP
Japan
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thin film
single crystal
lithium niobate
substrate
lithium
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JP2141797A
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Japanese (ja)
Inventor
Akira Enomoto
亮 榎本
Masaya Yamada
雅哉 山田
Tetsushi Ono
哲史 大野
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Ibiden Co Ltd
Original Assignee
Ibiden Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0437697A publication Critical patent/JPH0437697A/en
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Abstract

PURPOSE:To produce the title thin film having a small optical transmission loss and superior optical characteristics by forming a thin film of a lithium niobate single crystal on a lithium tantalate substrate added with an element other than Li and Ta to a part of the surface so that the lattice of the thin film is matched to that of the substrate. CONSTITUTION:An element other than Li and Ta, e.g. Mg or Ti is added to at least a part of the surface of a lithium tantalate substrate to form a pattern having a relatively low refractive index at a waveguide forming part. A thin film of a lithium niobate single crystal is then formed on the substrate so that the lattice of the thin film is matched to that of the substrate and a thin film of a lithium niobate single crystal having <=1.4dB/cm optical transmission loss is produced. Since the thin film formed on the above-mentioned pattern becomes a waveguide, a waveguide forming process can be eliminated.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、薄膜導波路型S HC素子を始めとして、各
種光学材料に好適な膜厚のニオブ酸リチウム単結晶薄膜
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a lithium niobate single crystal thin film having a thickness suitable for various optical materials including thin film waveguide type SHC elements.

(従来の技術) 近年の光応用技術の進展に伴って、レーザ光源の短波長
化が要求されている。
(Prior Art) With the recent progress in optical application technology, there is a demand for shorter wavelength laser light sources.

これは、短波長化により、記録密度、感光感度を向上さ
せることができるためであり、光ディスク、レーザープ
リンター等の光機器分野への応用が考えられる。
This is because recording density and photosensitivity can be improved by shortening the wavelength, and application to optical equipment fields such as optical discs and laser printers is possible.

このため、入射するレーザ光の波長を1/2に変換でき
る第2高調波発生(SHG)素子の研究が行われてきた
For this reason, research has been conducted on second harmonic generation (SHG) elements that can convert the wavelength of incident laser light to 1/2.

かかる、第2高調波発生(SHO)素子としては、従来
高出力のガスレーザを光源として、非線型光学結晶のバ
ルク単結晶が用いられてきた。しかし、光デイスク装置
、レーザプリンタ等の装置を小型化する要求が強いこと
、ガスレーザは、光変調のため、外部に変調器が必要で
あるのに対して、半導体レーザは、直接変調が可能であ
ること、安価であることなどのために、ガスレーザに代
えて半導体レーザが主としで用いられるようになってき
た。このため、数mW〜数十mWの低い光源出力で高い
変換効率を得る必要から、薄膜導波路型のSHG素子が
必要となってきた。
As such a second harmonic generation (SHO) element, a bulk single crystal of a nonlinear optical crystal has conventionally been used using a high-output gas laser as a light source. However, there is a strong demand for miniaturization of devices such as optical disk devices and laser printers, and while gas lasers require an external modulator for optical modulation, semiconductor lasers cannot be directly modulated. Semiconductor lasers have come to be mainly used in place of gas lasers due to their availability and low cost. Therefore, since it is necessary to obtain high conversion efficiency with a low light source output of several mW to several tens of mW, a thin film waveguide type SHG element has become necessary.

このような薄膜導波路型SHG素子用の非線型光学材料
としては、従来ニオブ酸リチウム単結晶バルクにTi等
を拡散させることにより、屈折率を変化させた層を導波
路としたものや、タンタル酸リチウム基板上に高周波ス
パッタ法により形成させたニオブ酸リチウム薄膜を導波
路としたものなどが知られているが、何れも結晶性に優
れたニオブ酸リチウム薄膜を得ることが困難で、高い変
換効率を得ることができなかった。
Conventional nonlinear optical materials for thin-film waveguide-type SHG devices include waveguides made of layers whose refractive index is changed by diffusing Ti or the like into a lithium niobate single crystal bulk, and tantalum. Waveguides are known that use a lithium niobate thin film formed on a lithium oxide substrate by high-frequency sputtering, but in either case, it is difficult to obtain a lithium niobate thin film with excellent crystallinity, and a high conversion rate is required. Couldn't get efficiency.

結晶性に優れた単結晶薄膜を製造する方法としては、液
相エピタキシャル法が好適であると考えられており、こ
のため、種々の液相エピタキシャル法が研究されてきた
A liquid phase epitaxial method is considered to be suitable as a method for producing a single crystal thin film with excellent crystallinity, and therefore various liquid phase epitaxial methods have been studied.

ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得るための液相エピタキ
シャル法としては、例えば、 1)Applied  PhysicsLetters
、Vol、26、No、IJanuary  1975
には、タンタル酸リチウムを基板として、Li工○、■
20.をフラックスとして、液相エビタキンヤル成長法
により光導波路用ニオブ酸リチウム薄膜を形成して、光
を導波させた例が記載されている。
Examples of the liquid phase epitaxial method for obtaining a lithium niobate single crystal thin film include: 1) Applied Physics Letters
, Vol. 26, No. IJanuary 1975
, using lithium tantalate as a substrate, Li technology ○, ■
20. An example is described in which a lithium niobate thin film for an optical waveguide is formed by a liquid phase Evita kinial growth method using as a flux to guide light.

また、2)特公昭51−9720号公報には、タンタル
酸リチウムを基板とし、L1□0、■20、をフラック
スとして、液相エピタキシャル成長法により、先導波路
用ニオブ酸リチウム薄膜を形成する方法が記載されてい
る。
2) Japanese Patent Publication No. 51-9720 describes a method of forming a lithium niobate thin film for a leading waveguide by a liquid phase epitaxial growth method using lithium tantalate as a substrate and L1□0, ■20 as a flux. Are listed.

更に、3)特公昭56−47160号公報には、L1□
0、VzOsをフラックスとして、エピタキノヤル成長
法により基板上に、Mgを含有した二オフ酸リチウム・
タンタル酸リチウム固溶体薄膜単結晶を形成する方法が
記載されている。
Furthermore, 3) Japanese Patent Publication No. 56-47160 states that L1□
0, Mg-containing lithium diophate was grown on the substrate by epitaxial growth using VzOs as a flux.
A method for forming lithium tantalate solid solution thin film single crystals is described.

Lカ・しながら、従来知られた液相エビタキノヤル法て
二よ、結晶性に優れたニオブ酸リチウム単結晶が、タン
タル酸リチウム基板上に得られないばかりでなく、特に
SHG素子を製造するのに必要な膜厚のニオブ酸リチウ
ム単結晶を得ることが、困難であった。
However, with the conventional liquid-phase Evita-Kinoyal method, not only is it impossible to obtain a lithium niobate single crystal with excellent crystallinity on a lithium tantalate substrate, but it is also difficult to manufacture SHG devices. It was difficult to obtain a lithium niobate single crystal with the required film thickness.

前記薄膜導波路型のSHO素子を製造するのに必要な膜
厚とは、即ち入射させるレーザ光と第2高調波との位相
整合を行うため、波長λの基本波長光と波長λ/2の第
2高調波との実効屈折率を一致させる事のできる膜厚の
ことであり、特に、タンタル酸リチウム基板上に形成さ
せたニオブ酸リチウム薄膜を用いて、半導体レーザ用S
HG素子を作成する場合、実効屈折率を一致させるため
には、5μm以上の厚さのニオブ酸リチウム薄膜が必要
である。
The film thickness required to manufacture the thin film waveguide type SHO element is the thickness of the fundamental wavelength light of wavelength λ and the wavelength of λ/2 in order to phase match the incident laser light and the second harmonic. This refers to the film thickness that allows the effective refractive index to match that of the second harmonic, and in particular, using a lithium niobate thin film formed on a lithium tantalate substrate, S
When creating an HG element, a lithium niobate thin film with a thickness of 5 μm or more is required in order to match the effective refractive index.

また、高出力の薄膜導波路型SHG素子を得るためには
、基板と薄膜導波層との屈折率差を大きくしなければな
らないが、薄膜導波層の屈折率を高くするため種々の元
素を添加すると、導波層の光学特性が低下する可能性が
あることから、基板の屈折率を低下させる研究が行われ
ており、例えば、 特公昭563−27681号公報には、タンタル酸リチ
ウム基板に五酸化バナジウムを拡散させて、3〜6μm
の低屈折率の拡散層を形成し、その上にタンタルリチウ
ム単結晶層をエビタキンヤル成長させる技術が開示され
ている。
In addition, in order to obtain a high-output thin-film waveguide type SHG device, it is necessary to increase the difference in refractive index between the substrate and the thin-film waveguide layer, and various elements must be added to increase the refractive index of the thin-film waveguide layer. Since the optical properties of the waveguide layer may deteriorate when added, research is being conducted to reduce the refractive index of the substrate. By diffusing vanadium pentoxide into the
A technique has been disclosed in which a diffusion layer with a low refractive index is formed and a tantalum lithium single crystal layer is grown on the diffusion layer in an evita-crystalline manner.

また、特公昭560−34722号公報には、酸化マグ
ネシウム、五酸化バナジウムを同時にりンタル酸リチウ
ム基板に添加し、タンタル酸リチウム単結晶層をエピタ
キシャル成長させる技術が開示されている。
Further, Japanese Patent Publication No. 560-34722 discloses a technique for epitaxially growing a lithium tantalate single crystal layer by simultaneously adding magnesium oxide and vanadium pentoxide to a lithium phosphate substrate.

しかしながら、これらの技術では、薄膜導波層としてタ
ンタル酸リチウムを用いており、ニオブ酸リチウムに比
べて、井線形光学効果が劣る。
However, these techniques use lithium tantalate as a thin film waveguide layer, and the linear optical effect is inferior to that of lithium niobate.

また薄膜導波層であるタンタル酸リチウムの格子定数を
変えることができないため、基板の格子定数が変化しな
い範囲で、酸化マグネシウムや五酸化バナジウムを添加
する必要があり、添加量に限界があった。
Furthermore, since the lattice constant of lithium tantalate, which is the thin film waveguide layer, cannot be changed, it is necessary to add magnesium oxide or vanadium pentoxide within a range that does not change the lattice constant of the substrate, and there is a limit to the amount that can be added. .

さらに上記技術では、基板側の屈折率を必ず低下させね
ばならず、屈折率の可変範囲が限られていた。
Furthermore, in the above technique, the refractive index on the substrate side must be lowered, and the range in which the refractive index can be varied is limited.

以上のように、これまでは、タンタル酸リチウム基板上
にSHO素子などの光学デバイスを作成するために必要
な膜厚で、基板との屈折率差が大きく、光学特性の優れ
たニオブ酸リチウム単結晶を実用的に製造する方法はな
かった。
As described above, until now, lithium niobate monoliths, which have a large refractive index difference with the substrate and have excellent optical properties, have been used with the film thickness necessary to create optical devices such as SHO elements on lithium tantalate substrates. There was no practical way to produce crystals.

そこで本発明者等はこのような問題点を解決するだめに
種々研究した結果、タンタル酸゛ノチウム基板に種々の
異種元素を含有させ、屈折率を変えて、このタンタル酸
リチウム基板とニオブ酸リチウム単結晶薄膜とを格子整
合させることにより、SHGデバイスなどの光学デバイ
スを作成するために必要充分な膜厚を有し、かつ光損傷
(強い光を照射すると結晶の屈折率が変化すること)及
び光伝搬損失が極めて小さいなど、光学特性が極めて優
れ、基板と薄膜導波層との屈折率差の大きなニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜を実用的に得ることができることを新
規に知見し本発明を完成するに到った。
In order to solve these problems, the inventors of the present invention conducted various researches, and found that by incorporating various different elements into a notium tantalate substrate and changing the refractive index, the lithium tantalate substrate and lithium niobate substrate were combined. By lattice matching with a single crystal thin film, it has a film thickness necessary and sufficient to create optical devices such as SHG devices, and is free from optical damage (change in the refractive index of the crystal when irradiated with strong light) and The present invention was completed based on the new finding that it is possible to practically obtain a lithium niobate single crystal thin film with extremely excellent optical properties such as extremely low optical propagation loss and a large refractive index difference between the substrate and the thin film waveguide layer. I came to the conclusion.

(課題を解決するための手段) 本発明は、クンタル酸リチウム基板上に形成されたニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜であって、前記タンタル酸リチ
ウム基板は、少なくとも表面の一部に異種元素が添加さ
れており、且つ該薄膜は前記タンタル酸リチウム基板と
格子整合されてなり、光伝搬損失が1.4dB/cm以
下であることを特徴とするニオブ酸リチウム単結晶薄膜
である。
(Means for Solving the Problems) The present invention provides a lithium niobate single crystal thin film formed on a lithium quantalate substrate, wherein the lithium tantalate substrate has a different element added to at least a part of its surface. The thin film is a lithium niobate single crystal thin film which is lattice matched with the lithium tantalate substrate and has a light propagation loss of 1.4 dB/cm or less.

(作用) 本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜は、タンタル酸リ
チウム基板上に形成され、前記タンタル酸リチウム基板
は、少なくとも表面の一部の異種元素が含有されてなる
ことが必要である。
(Function) The lithium niobate single crystal thin film of the present invention is formed on a lithium tantalate substrate, and the lithium tantalate substrate needs to contain a different element at least in a part of its surface.

この理由は、異種元素を含有させることにより、基板の
屈折率を変化させることができ、基板と薄膜導波層との
屈折率差を大きくすることができるからである。
The reason for this is that by including a different element, the refractive index of the substrate can be changed, and the difference in refractive index between the substrate and the thin film waveguide layer can be increased.

前記異種元素とは、基板を構成する元素とは異なる元素
を指す。
The above-mentioned different element refers to an element different from the element constituting the substrate.

前記異種元素は、金属元素が望ましい。The different element is preferably a metal element.

前記異種元素は、マグ不ノウム、チタン、バナジウム、
クロム、鉄、ニッケル、ネオジムなどから選ばれる少な
くとも1種が望ましい。
The different elements include magnonium, titanium, vanadium,
At least one selected from chromium, iron, nickel, neodymium, etc. is desirable.

本発明において、前記タンタル酸リチウム基板の特定箇
所に異種元素を添加して、導波路形成部分に、屈折率が
、非形成部分に比べて相対的に低いパターンを形成する
ことにより、該基板にニオブ酸リチウム単結晶薄膜をス
ラブ状に形成するだけで、前記パターン部分に形成され
たニオブ酸リチウム単結晶薄膜が導波路となり、導波路
形成のための加工工程を省くことができる。
In the present invention, a different element is added to a specific location of the lithium tantalate substrate to form a pattern in which the waveguide formation portion has a relatively lower refractive index than the non-formation portion. By simply forming a lithium niobate single crystal thin film in the form of a slab, the lithium niobate single crystal thin film formed in the pattern portion becomes a waveguide, and a processing step for forming the waveguide can be omitted.

前記導波路形成部分の基板屈折率を、非形成部分に比べ
て相対的に低(する方法としては、導波路形成部分の基
板屈折率を下げるか、非形成部分の基板屈折率を上げる
ことが望ましい。
The refractive index of the substrate in the waveguide forming portion is relatively lower than that in the non-forming portion. desirable.

前記タンタル酸リチウム基板の屈折率を上げる作用を有
する異種元素としては、Ti、Cr、Nd、Fe、Ni
などが、また屈折率を下げる作用を有する異種元素とし
ては、Mg、Vなどが有利である。
The different elements having the effect of increasing the refractive index of the lithium tantalate substrate include Ti, Cr, Nd, Fe, and Ni.
Mg, V, etc. are advantageous as foreign elements having the effect of lowering the refractive index.

これらの元素は、基板の薄膜形成に影響する特性、例え
ば表面粗度などを殆ど変化させずに、その表面屈折率の
みを変えられるため、通常の基板と同等の特性を有する
3膜を同様の条件にて製造することができる。
These elements can change only the surface refractive index without changing the properties that affect thin film formation on the substrate, such as surface roughness, so three films with the same characteristics as a normal substrate can be It can be manufactured under certain conditions.

また、前記異種元素の表面部分での含有量は、以下に示
す組成範囲が望ましい。
Further, the content of the different element in the surface portion is preferably within the composition range shown below.

Ti;0.2〜30モル% Cr;0.02〜20モル% Fe;0.02〜20モル% Ni;0.02〜20モル% Nd;0.02〜10モル% Mg;0.1〜20モル% ■ ;0.05〜30モル% 上記の含有量は、 異種元素/ (L i Ta 03+異種元素)×10
0、 で計算されたものである。
Ti; 0.2 to 30 mol% Cr; 0.02 to 20 mol% Fe; 0.02 to 20 mol% Ni; 0.02 to 20 mol% Nd; 0.02 to 10 mol% Mg; 0.1 ~20 mol% ■ ; 0.05 ~ 30 mol% The above content is: Different element/(L i Ta 03 + different element) x 10
0. It was calculated as follows.

前記組成範囲が好ましい理由は、上記範囲より組成割合
が多いと、基板の結晶性が低下してしまい、また、上記
範囲より組成割合が少ないと屈折率が変化しないためで
ある。
The reason why the above composition range is preferable is that if the composition ratio is higher than the above range, the crystallinity of the substrate will decrease, and if the composition ratio is lower than the above range, the refractive index will not change.

さらに、前記異種元素の含有量は、以下に示す範囲が好
適である。
Furthermore, the content of the different element is preferably within the range shown below.

Ti;1.0〜15モル% Cr;0.2〜10モル% Fe;0.2〜10モル% Ni;0.2〜10モル% Nd;0.5〜5モル% Mg;2.0〜10モル% V;1.0〜15モル% 上記の含有量は、 異種元素/ (L i Ta Os 十異種元素)×1
00、 で計算されたものである。
Ti; 1.0 to 15 mol% Cr; 0.2 to 10 mol% Fe; 0.2 to 10 mol% Ni; 0.2 to 10 mol% Nd; 0.5 to 5 mol% Mg; 2.0 ~10 mol% V; 1.0 to 15 mol% The above content is: different elements/(Li TaOs 10 different elements) x 1
00, is calculated as follows.

また、前記異種元素は、タンタル酸リチウム基板に、原
子、イオン、酸化物など種々の形態で含有させることが
できる。
Further, the different element can be contained in the lithium tantalate substrate in various forms such as atoms, ions, and oxides.

本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜は、異種元素含有
タンタル酸リチウム基板上に形成され、前記異種元素含
有タンタル酸リチウム基板と格子整合されてなることが
必要である。この理由は、前記異種元素含有タンタル酸
リチウム基板とニオブ酸リチウム単結晶薄膜を格子整合
させることにより極めて優れた光学的特性を有するニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜が従来技術では得られない厚い
膜厚にて形成されるからである。
The lithium niobate single crystal thin film of the present invention needs to be formed on a lithium tantalate substrate containing a different element, and lattice-matched with the lithium tantalate substrate containing the different element. The reason for this is that by lattice-matching the lithium tantalate substrate containing a different element and the lithium niobate single crystal thin film, a lithium niobate single crystal thin film with extremely excellent optical properties can be produced with a thick film thickness that cannot be obtained with conventional techniques. This is because it is formed by

また、形成されたニオブ酸リチウム単結晶薄膜が極めて
優れた光学特性を有する理由は、ニオブ酸リチウム単結
晶薄膜と異種元素含有タンタル酸リチウム基板とが格子
整合されることにより基板と一体化し、格子の歪や結晶
の欠陥などが極めて少なく結晶性に優れ、かつマイクロ
クランクなどのない高品質の膜となるからである。
In addition, the reason why the formed lithium niobate single crystal thin film has extremely excellent optical properties is that the lithium niobate single crystal thin film and the lithium tantalate substrate containing different elements are lattice-matched and are integrated with the substrate. This is because the film has extremely low distortion and crystal defects, has excellent crystallinity, and has no micro-crank or the like, resulting in a high-quality film.

従来技術においては、基板との格子整合がとれた薄膜を
作製することができなかったため、薄膜の結晶性が悪く
また薄膜中にはマイクロクラックの発生が見られた。そ
のため、基板材料表面および薄膜表面を研磨あるいは化
学ユノチング等により平滑にするか、あるいは不純物混
入割合の少ない高純度原料を使用することで基板界面お
よび薄膜表面における散乱損失、および不純物混入によ
る吸収を員失をある程度低減させても、結晶粒界での吸
収・散乱損失あるいはマイクロクラックによる散乱損失
が極めて大きくなるため、光伝搬損失は3〜5dB/c
m程度と大きく、光学的用途に使用できるものではなか
った。
In the prior art, it was not possible to produce a thin film that had lattice matching with the substrate, so the crystallinity of the thin film was poor and microcracks were observed in the thin film. Therefore, by smoothing the substrate material surface and the thin film surface by polishing or chemical unoching, or by using high-purity raw materials with a low proportion of impurities, scattering loss at the substrate interface and thin film surface and absorption due to impurity contamination can be reduced. Even if the loss is reduced to some extent, the absorption/scattering loss at grain boundaries or the scattering loss due to microcracks becomes extremely large, resulting in an optical propagation loss of 3 to 5 dB/c.
It was large, about m, and could not be used for optical purposes.

本発明において、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜と異種元
素含有タンタル酸リチウム基板を格子整合される手段は
特に限定されるものではないが、ナトリウムとマグネシ
ウムをニオブ酸リチウム単結晶薄膜中に含有させること
が有利である。この理由はナトリウムとマグネシウムの
イオン又は原子は、ニオブ酸リチウムの結晶格子に対す
る置換あるいはドープにより、ニオブ酸リチウムの格子
定数(a軸)を大きくする効果を有するため、ナトリウ
ムとマグネシウムの組成を調整することにより、容易に
@記異種元素含有タンタル酸リチウム基板とニオブ酸リ
チウム単結晶との格子整合を得ることができ、さらにナ
トリウムやマグネシウムは光学特性を何らそこなうこと
がないだけでなく、マグネシウムについては光学損傷を
防止するという重要な効果をも有するからである。また
、前記ナトリウム、マグネシウムを含有させる場合、そ
の含佇量は、それぞれニオブ酸リチウム単結晶に対して
、0.1〜4.8モル%、0.8〜10.8モル%であ
ることが望ましい、その理由は、ナトリウムの含有量が
、0.1モル%より少ない場合は、マグ不シウムの添加
量の如何に関わらず、前記異種元素含有タンタル酸リチ
ウム基板と格子整合できるほど格子定数が大きくならず
、また4、8モル%を越える場合は、逆に格子定数が大
きくなりすぎ、いずれの場合も異種元素含有タンタル酸
リチウム基板とニオブ酸リチウム単結晶との格子整合が
得られないからである。
In the present invention, the means for lattice matching the lithium niobate single crystal thin film and the lithium tantalate substrate containing different elements is not particularly limited, but it is possible to incorporate sodium and magnesium into the lithium niobate single crystal thin film. It's advantageous. The reason for this is that sodium and magnesium ions or atoms have the effect of increasing the lattice constant (a-axis) of lithium niobate by substitution or doping in the crystal lattice of lithium niobate, so the composition of sodium and magnesium can be adjusted. By doing so, it is possible to easily obtain lattice matching between the lithium tantalate substrate containing dissimilar elements and the lithium niobate single crystal.Furthermore, sodium and magnesium not only do not impair optical properties in any way, but magnesium also This is because it also has the important effect of preventing optical damage. In addition, when sodium and magnesium are contained, their content is preferably 0.1 to 4.8 mol% and 0.8 to 10.8 mol%, respectively, relative to the lithium niobate single crystal. The reason for this is that when the sodium content is less than 0.1 mol%, the lattice constant is high enough to lattice match with the lithium tantalate substrate containing a different element, regardless of the amount of magnonium added. If it does not increase, and if it exceeds 4 or 8 mol%, the lattice constant becomes too large, and in either case, lattice matching between the lithium tantalate substrate containing a different element and the lithium niobate single crystal cannot be obtained. It is.

また、マグネシウムの含有量が、0.8モル%より少な
い場合は、光損傷を防止する効果が不充分であり、10
.8モル%越える場合は、ニオブ酸マグ矛シウム系の結
晶が析出してしまうため、含有させることができない。
Furthermore, if the magnesium content is less than 0.8 mol%, the effect of preventing photodamage is insufficient, and 10
.. If it exceeds 8 mol %, it cannot be contained because niobate-based crystals will precipitate.

前記ナトリウムの含有に関しては、Journal  
or  Crystal  Growth  54 (
1981)572−576に、ニオブ酸リチウムにナト
リウムを添加し、液相エピタキシャル成長法によりY−
カットのニオブ酸リチウム基板上に膜I¥20μmのナ
トリウム含有ニオブ酸リチウム薄膜単結晶を形成した例
がまたJournalof  Crystal  Gr
owth  84(1987)409−412にはニオ
ブ酸リチウムにナトリウムを添加し、液相エピタキシャ
ル成長法によりY力、トのタンタル酸リチウム基板上に
ナトリウム含有ニオブ酸リチウム薄膜単結晶を形成した
例が記載されている。
Regarding the sodium content, Journal
or Crystal Growth 54 (
1981) 572-576, added sodium to lithium niobate and produced Y-
Journal of Crystal Gr is an example of forming a thin film single crystal of sodium-containing lithium niobate with a film thickness of 20 μm on a cut lithium niobate substrate.
owth 84 (1987) 409-412 describes an example of adding sodium to lithium niobate and forming a sodium-containing lithium niobate thin film single crystal on a lithium tantalate substrate using liquid phase epitaxial growth. ing.

しかし、これらの文献にはナトリウム含有によりニオブ
酸リチウム単結晶の格子定数が変化することは記載され
ているものの、SAW (Su r race  Ac
oustic  Wave)デバイスに関する技術であ
り、光学特性やタンタル酸リチウム基板と格子整合させ
ると光学特性に優れた膜が得られることについては何ら
記載されていない。
However, although these documents describe that the lattice constant of lithium niobate single crystal changes due to sodium content, SAW (Su r race Ac
This is a technology related to (Austic Wave) devices, and there is no mention of optical properties or the fact that a film with excellent optical properties can be obtained by lattice matching with a lithium tantalate substrate.

またこれらの文献に示されたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜はSAWデバイス用であり、前者の文献に記載された
薄膜は基板にニオブ酸リチウムを用いていること、また
、後者の文献に記載の薄膜は、タンタル酸リチウム基板
に形成されているものの薄膜と基板との格子整合がなさ
れていないなどにより、いずれも本願の目的とする光学
材料としては使用することができない。
Furthermore, the lithium niobate single crystal thin films shown in these documents are for SAW devices, and the thin films described in the former document use lithium niobate for the substrate. Although these are formed on a lithium tantalate substrate, none of them can be used as the optical material intended for the purpose of the present application due to the lack of lattice matching between the thin film and the substrate.

また、米国特許4093781号には、リチウムフェラ
イト膜を基板上に液相エピタキシャル成長法で形成する
際、リチウムをナトリウムで置換し、格子定数を基板の
それに整合させ、歪みのないリチウムフェライト膜を形
成する方法が記載されている。
Additionally, US Pat. No. 4,093,781 discloses that when forming a lithium ferrite film on a substrate by liquid phase epitaxial growth, lithium is replaced with sodium to match the lattice constant to that of the substrate, thereby forming a strain-free lithium ferrite film. The method is described.

しかし、これはリチウムフェライトに関する技術であり
、本願の目的とする光学材料としては使用することがで
きず、いずれの技術も本発明の新規性、進歩性を阻害す
るものではない。
However, this technique is related to lithium ferrite and cannot be used as an optical material aimed at in the present application, and neither technique impedes the novelty or inventive step of the present invention.

本発明においてタンタル酸リチウムを基板として用いる
理由は、前記タンタル酸リチウム基板の結晶系は、ニオ
ブ酸リチウム単結晶に[ILでおりエピタキシャル成長
させやすく、さらに前記タンタル酸リチウム基板は市販
されているため、品質のよいものが安定して入手できる
からである。
The reason why lithium tantalate is used as a substrate in the present invention is that the crystal system of the lithium tantalate substrate is a lithium niobate single crystal [IL] and is easy to epitaxially grow, and the lithium tantalate substrate is commercially available. This is because products of good quality can be stably obtained.

また、本発明に用いるタンタル酸リチウム基板としては
、種々の元素を含有させ格子定数、屈折率などを変化さ
せたもの、あるいは表面を化学エツチングなどにより処
理したものなどを用いることができる。
Furthermore, as the lithium tantalate substrate used in the present invention, those containing various elements to change the lattice constant, refractive index, etc., or those whose surfaces have been treated by chemical etching, etc. can be used.

また、特に本発明においては、ニオブ酸リチウム単結晶
薄膜の成長面として、タンタル酸リチウム基板の(00
01)面を使用することが望ましい。
In particular, in the present invention, the (00
01) It is desirable to use a plane.

前記タンタル酸リチウム基板の(0001)面は、タン
タル酸リチウムのC軸に垂直な面を指す。
The (0001) plane of the lithium tantalate substrate refers to a plane perpendicular to the C axis of lithium tantalate.

ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成長面として、タンタル
酸リチウム基板の(0001)面を使用することが望ま
しい理由は、前記タンタル酸リチウムは、結晶構造が大
方晶(第1図参照)であり、前記(0001)面はa軸
のみで構成されるため、a軸の格子定数を変えるだけで
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜と、格子整合させることが
できるからである。
The reason why it is desirable to use the (0001) plane of the lithium tantalate substrate as the growth plane of the lithium niobate single crystal thin film is that the crystal structure of the lithium tantalate is macrogonal (see Figure 1). This is because the (0001) plane is composed of only the a-axis, so it can be lattice-matched with the lithium niobate single crystal thin film simply by changing the lattice constant of the a-axis.

本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜は、光伝搬損失が
1.4dB/ci以下であることが必要である。
The lithium niobate single crystal thin film of the present invention needs to have a light propagation loss of 1.4 dB/ci or less.

光伝搬損失とは、光が薄膜中を導波する際の、光の進行
方向単位長さ当りの光度低下割合を示すものであり、こ
れには散乱損失と吸収損失が含まれる。散乱を員失は、
基板と薄膜との界面の状態、薄膜の表面状態および薄膜
中のマイクロクラック等に依存する。
Optical propagation loss indicates the rate of decrease in luminous intensity per unit length in the traveling direction of light when light is guided through a thin film, and includes scattering loss and absorption loss. The scattering is lost,
It depends on the state of the interface between the substrate and the thin film, the surface state of the thin film, microcracks in the thin film, etc.

一方、吸収損失は薄膜の特性にのみ関与するものであり
、薄膜の結晶性や不純物混入割合等に依存する。
On the other hand, absorption loss is related only to the characteristics of the thin film, and depends on the crystallinity of the thin film, the proportion of impurities mixed therein, and the like.

更に、前記ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の格子定数(a
軸)は、前記異種元素含有タンタル酸リチウム基板の9
9.81〜100.07%であることが望ましく、99
.92〜100.03%が好適である。
Furthermore, the lattice constant (a
axis) is 9 of the lithium tantalate substrate containing a different element.
It is desirable that it is 9.81 to 100.07%, and 99
.. 92-100.03% is suitable.

例えば、タンタル酸リチウム基板の格子定数が、5.1
53人である場合、5.150〜5.155人であるこ
とが望ましい。
For example, the lattice constant of the lithium tantalate substrate is 5.1
If there are 53 people, it is desirable that the number is 5.150 to 5.155.

この理由は、前記格子定数の範囲を外れると、異種元素
含有タンタル酸リチウム基板とニオブ酸リチウム単結晶
薄膜の格子定数を整合させ難く、光学材料として使用可
能な光学特性の優れたニオブ酸リチウム単結晶薄膜を充
分に厚(形成することができないからである。
The reason for this is that when the lattice constant is outside the above range, it is difficult to match the lattice constants of the lithium tantalate substrate containing different elements and the lithium niobate single crystal thin film, which makes it difficult to match the lattice constants of the lithium tantalate substrate containing different elements and the lithium niobate single crystal thin film, which can be used as an optical material. This is because it is not possible to form a sufficiently thick crystal thin film.

また、前記ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の厚さは、5μ
m以上が望ましく10μm以上が特に望ましい。
Further, the thickness of the lithium niobate single crystal thin film is 5 μm.
The thickness is preferably 10 μm or more, and particularly preferably 10 μm or more.

また、特に本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜を、S
HG素子として使用する場合には、前記ニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜の常光屈折率n0、異常光屈折率n3は、
波長が0.83μmのレーザー光源(基本波長)に対し
て、それぞれ2.25≦00≦2.40の範囲、2.0
 < n * < n o  o、 (11なる範囲、
又、発生する第2高波長(0,415μm)に対して異
常光屈折率n、が前記第2調波に対する常光屈折率n0
より小さい範囲であることが望ましい。
In particular, the lithium niobate single crystal thin film of the present invention is
When used as an HG element, the ordinary refractive index n0 and extraordinary refractive index n3 of the lithium niobate single crystal thin film are as follows:
For a laser light source (fundamental wavelength) with a wavelength of 0.83 μm, the range of 2.25≦00≦2.40, 2.0
< n * < no o, (range of 11,
Also, the extraordinary refractive index n for the generated second high wavelength (0.415 μm) is the ordinary refractive index n0 for the second harmonic.
A smaller range is desirable.

また、本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜には、屈折
率などの光学特性を必要に応じて変化させるためにNd
、Rh、Zn、Ni、Co、Ti などから選ばれる元
素を含有させることもできる。
The lithium niobate single crystal thin film of the present invention also contains Nd in order to change optical properties such as refractive index as necessary.
, Rh, Zn, Ni, Co, Ti, and the like.

本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜にてSHG素子を
作成する場合、第二高調波光の透過率が100%近いか
、もしくは100%で、基本波レーザ光を殆ど透過させ
ないか、もしくは全く透過させない波長選択性の薄膜(
フィルター)を、光の出射端面の後方、もしくは出射端
面に直接形成することが望ましい。
When creating an SHG element using the lithium niobate single crystal thin film of the present invention, the transmittance of the second harmonic light is close to 100% or 100%, and the fundamental laser light is hardly transmitted or not transmitted at all. Wavelength selective thin film (
It is desirable to form a filter) behind the light output end face or directly on the light output end face.

この理由は、不要な基本波レーザ光を出射光から取り除
き、必要な第二高調波光のみを効率良く取り出すことが
できるからである。
The reason for this is that unnecessary fundamental laser light can be removed from the emitted light and only the necessary second harmonic light can be extracted efficiently.

また、前記波長選択性の薄膜を、直接出射端面に形成し
て第二高調波光に対する反射防止条件を満たずよう調整
することにより、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜層と空気
との屈折率に大きな差があるために出射端面で生してい
た第二高調波光の反射による損失を低減でき、SHC,
出力を向上させることができる。
In addition, by forming the wavelength-selective thin film directly on the emission end face and adjusting it so as to satisfy the anti-reflection condition for second harmonic light, there is a large difference in the refractive index between the lithium niobate single crystal thin film layer and air. Because of this, it is possible to reduce loss due to reflection of second harmonic light generated at the output end face, and SHC,
Output can be improved.

前記波長選択性の薄膜は、出射端面の後方の出射端面か
ら離れた位置に形成されてもよく、また適当な接着剤を
用いて出射端面上に固定されていてもよい。
The wavelength-selective thin film may be formed at a position remote from the output end face behind the output end face, or may be fixed on the output end face using a suitable adhesive.

前記接着剤を用いて出射端面上に固定する場合は、接着
層の屈折率、厚さを前記第二高調波光に対する反射防止
条件に適合するよう調節して、51(G出力を向上させ
ることが望ましい。
When fixing on the output end face using the adhesive, the refractive index and thickness of the adhesive layer may be adjusted to meet the anti-reflection conditions for the second harmonic light to improve the G output. desirable.

また、本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜にてSHG
素子を作成する場合、SHG素子と半導体レーザのヘア
チップを一体化しておくことが望ましい。
Furthermore, in the lithium niobate single crystal thin film of the present invention, SHG
When producing the device, it is desirable to integrate the SHG device and the hair chip of the semiconductor laser.

この理由は、S HG素子と半導体レーザのヘアチップ
を一体化した方が小型化、量産性、コスト、入射効率、
安定性の面から有利だからである。
The reason for this is that it is better to integrate the SHG element and the semiconductor laser hair chip because it is more compact, mass-producible, cost efficient,
This is because it is advantageous in terms of stability.

また、前記SHO素子と半導体レーザー光源を一体化し
た半導体レーザ素子は、半導体レーザのヘアチップの保
護、長寿命化のために、気富封止パッケージ内に封入す
ることが望ましい。
Further, the semiconductor laser device in which the SHO device and the semiconductor laser light source are integrated is desirably sealed in a sealed package in order to protect the hair chip of the semiconductor laser and extend its life.

前記パンケージ内には、イ活性ガスが封入されているこ
とが望ましい。
It is desirable that an active gas is sealed in the pan cage.

前記不活性ガスは、窒素であることが有利である。Advantageously, said inert gas is nitrogen.

また、前記気密封止パッケージには、第二高調波光を出
射するだめの窓が設けられていることが必要である。
Further, it is necessary that the hermetically sealed package is provided with a window through which the second harmonic light is emitted.

前記第二高調波光を出射するための窓とは、第二高調波
光を出射するに十分な大きさの穴に、気密性を保つため
に透光性の板がはめこまれたものを指す。
The window for emitting the second harmonic light refers to a hole that is large enough to emit the second harmonic light, and a translucent plate is fitted into the hole to maintain airtightness.

前記透光性の板は、波長選択性を有することが望ましい
It is desirable that the light-transmitting plate has wavelength selectivity.

この理由は、波長選択性の透光性の板にて第一高調波光
出射用の窓を形成することにより、チップの気密封止、
基本波長光の除去、第二高調波光の透過率の向上、半導
体レーザヘアチップ、SHG素子の保護などの目的を全
て兼ねることができ、第二高調波光出射用の窓を通常の
ガラスにて形成し、その窓ガラスの内側、もしくは外側
に波長選択性の膜を設けた場合より、製造プロセスの簡
略化、コストの低下、第二高調波光の透過率を向上させ
ることができるからである。
The reason for this is that by forming a window for first harmonic light emission using a wavelength-selective light-transmitting plate, the chip can be hermetically sealed.
It can serve all purposes such as removing the fundamental wavelength light, improving the transmittance of the second harmonic light, and protecting the semiconductor laser hair chip and SHG element, and the window for the second harmonic light emission is made of ordinary glass. However, this is because the manufacturing process can be simplified, costs can be reduced, and the transmittance of second harmonic light can be improved compared to when a wavelength-selective film is provided on the inside or outside of the window glass.

前記波長選択性の薄膜あるいは、透光性の板としては、
色ガラスフィルター、ガラス基板上に波長選択性の干渉
膜をコーティングしたもの、等を使用できる。
As the wavelength selective thin film or transparent plate,
A colored glass filter, a glass substrate coated with a wavelength-selective interference film, etc. can be used.

前記波長選択性の薄膜あるいは、透光性の板の材料とし
ては、5iOz、MgO1ZnO1An20、等の酸化
物、L i N b O、l、 L i T a Oz
、’l 3 C; a 50 +z、Gdi Gas 
012等の複合酸化物、あるいはPMMA、MNA等の
有機物等を用いることができ、これらを重ねた多層薄膜
も用いることができる。
As the material of the wavelength selective thin film or the light-transmitting plate, oxides such as 5iOz, MgO1ZnO1An20, L i N b O, l, L i T a Oz
, 'l 3 C; a 50 +z, Gdi Gas
Composite oxides such as 012, organic substances such as PMMA and MNA, etc. can be used, and multilayer thin films made by stacking these can also be used.

前記波長選択性の薄膜の作成方法としては、スパッタリ
ング法、液相エピタキシャル法、蒸着法、MBE(分子
ビームエビタキンヤル:Mo1ecular  Bea
m  Epitaxial)法、MOCVD(Meta
l  Organic  Chemical  Vap
or  Depositi。
Methods for producing the wavelength-selective thin film include sputtering method, liquid phase epitaxial method, vapor deposition method, and MBE (Molecular Beam Epitaxial method).
M Epitaxial) method, MOCVD (Meta
l Organic Chemical Vap
or Deposit.

n)法、イオンブレーティング法、LB法、スピンコー
ド法、デイツプ法などを用いることが好ましい。
It is preferable to use a method such as n) method, ion blating method, LB method, spin code method, dip method, etc.

次に本発明の製造方法について説明する。Next, the manufacturing method of the present invention will be explained.

本発明においては、タンタル酸リチウム基板の少なくと
も表面の一部に異種元素を添加した後、タンタル酸リチ
ウム基板と格子整合されたニオブ酸リチウム単結晶薄膜
を形成することが必要である。
In the present invention, it is necessary to add a different element to at least a portion of the surface of the lithium tantalate substrate, and then form a lithium niobate single crystal thin film that is lattice-matched to the lithium tantalate substrate.

前記異種元素の添加方法としては、熱拡散、イオン交換
、イオン注入法などの他に、液相エピタキシャル成長法
、タンタル酸リチウムバルク単結晶の原料中に予め異種
元素を混合しておく方法、などを用いることができる。
Methods for adding the different elements include thermal diffusion, ion exchange, ion implantation, etc., as well as liquid phase epitaxial growth, a method of mixing different elements in advance into the raw material of the lithium tantalate bulk single crystal, etc. Can be used.

また、前記熱拡散、イオン交換、イオン注入法を使用し
た場合は、異種元素の拡散層が形成されるが、前記拡散
層は、1μm以上が望ましい。
Further, when the thermal diffusion, ion exchange, or ion implantation method is used, a diffusion layer of a different element is formed, and the diffusion layer preferably has a thickness of 1 μm or more.

この理由は、拡散層の厚さが1μm未満であると、異種
元素が拡散されていない基板部分にまで拡がる導波光の
割合が多くなるため、基板として要求される屈折率を満
足することができず、先導波路として十分な特性が得ら
れないからである。
The reason for this is that if the thickness of the diffusion layer is less than 1 μm, a large proportion of the guided light will spread to the parts of the substrate where different elements are not diffused, making it impossible to satisfy the refractive index required for the substrate. First, sufficient characteristics as a leading wavepath cannot be obtained.

本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜の製造方法として
は、液相エピタキシャル成長法、スパッタ、蒸着法など
が望ましいが、特に液相エピタキシャル成長法が好適で
ある。
Desirable methods for producing the lithium niobate single crystal thin film of the present invention include liquid phase epitaxial growth, sputtering, and vapor deposition, with liquid phase epitaxial growth being particularly preferred.

この理由は、結晶性に優れた均質な膜が得やすく、その
結果、光伝播損失が少なく光導波路として好適な、しか
もニオブ酸リチウム単結晶のもつ非線形光学効果、電気
光学効果、音響光学効果などを十分生かせる優れた特性
を持ったニオブ酸リチウム単結晶薄膜が得られ、さらに
生産性にも優れているからである。
The reason for this is that it is easy to obtain a homogeneous film with excellent crystallinity, and as a result, it has low optical propagation loss and is suitable as an optical waveguide.In addition, the lithium niobate single crystal has nonlinear optical effects, electro-optic effects, and acousto-optic effects. This is because a lithium niobate single-crystal thin film with excellent properties that can take full advantage of the properties can be obtained, and it also has excellent productivity.

前記液相エピタキシャル成長法としては、Liz O,
V203、Nb2O5、Na、O,MgOなどからなる
溶融液に異種元素含有タンタル酸リチウム基板を接触さ
せ、エピタキシャル成長によりニオブ酸リチウム単結晶
薄膜のa軸の格子定数を異種元素含有タンタル酸リチウ
ム基板のa軸の格子定数に整合させる方法を用いるのが
、高品質の結晶が得られるので望ましい。
The liquid phase epitaxial growth method includes Liz O,
A lithium tantalate substrate containing a different element is brought into contact with a melt consisting of V203, Nb2O5, Na, O, MgO, etc., and the lattice constant of the a-axis of the lithium niobate single crystal thin film is changed to that of the lithium tantalate substrate containing a different element by epitaxial growth. It is preferable to use a method of matching the lattice constant of the axis, as this method yields high quality crystals.

前記エピタキシャル成長法におけるLl、○、Vz O
s 、N b t Osの3組成分について望ましい範
囲を、以下に示す。
Ll, ○, Vz O in the epitaxial growth method
Desirable ranges for the three components of s and N b t Os are shown below.

(Litu、 NtgOs、 v、o、 )組成範囲(
1))前記Li、05Vz Os 、N b z Os
 (7)組成範囲は、L it 0−Vz 0s−Nb
、Os (D3成分系の状態図において、A(49,4
9,45,46,5,05)、B (42,81,22
,94゜34、 25)、C(11,11,80,00
,8゜89)の3組成点で囲まれ、前記組成点A、Bを
結ぶ組成線を含まない組成領域内にある組成割合で、な
おかつ前記Naz 01Mg0の組成範囲は、それぞれ
、モル比でNa2O/L iz 0  が、20/98
.0〜93.5/6.5、モル比でMgO/Nbt O
5が、0.2/99.8〜40.0/60.0を満たす
組成範囲内にあることが望ましい。
(Litu, NtgOs, v, o, ) Composition range (
1)) Li, 05VzOs, NbzOs
(7) The composition range is L it 0-Vz 0s-Nb
, Os (In the phase diagram of the D3 component system, A(49,4
9,45,46,5,05), B (42,81,22
,94°34, 25), C(11,11,80,00
. /Liz 0 is 20/98
.. 0-93.5/6.5, molar ratio MgO/NbtO
5 is preferably within a composition range satisfying 0.2/99.8 to 40.0/60.0.

前記溶融液が、主としてLi、0、V 20 s、Nb
z Os 、Naz 01Mg○からなることが必要な
理由は、以下に説明される。
The melt mainly contains Li, 0, V 20 s, Nb
The reason why it is necessary to consist of z Os , Naz 01Mg○ will be explained below.

前記Li、Oと■20.は、フラックスとして作用して
、ニオブ酸リチウム単結晶の液相エピタキシャル成長を
実現できる。
Li, O and ■20. can act as a flux to realize liquid phase epitaxial growth of lithium niobate single crystals.

また、Na、Mgをニオブ酸リチウム単結晶薄膜に含有
させることにより、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜のa軸
の格子定数を大きくすることができるため、前記ニオブ
酸リチウム単結晶薄膜のa軸の格子定数を、異種元素含
有タンタル酸リチウム基板のa軸の格子定数に合わせる
ことができるため、厚い膜厚を有するニオブ酸リチウム
単結晶薄膜を得ることができる。
Furthermore, by incorporating Na and Mg into the lithium niobate single crystal thin film, the a-axis lattice constant of the lithium niobate single crystal thin film can be increased. Since the constant can be adjusted to the a-axis lattice constant of the lithium tantalate substrate containing a different element, a lithium niobate single crystal thin film having a large thickness can be obtained.

また、本発明における、LizOlVzOs、Nbzo
sの組成範囲としてLizO−V20sNb、○、の3
成分系の三角図において、A(49,49,45,46
,5,05)、B (42,81,22,94,34,
25)、C(1111,80,00,8,89)の3組
成点で囲まれ、前記組成点A、Bを結ぶ組成線を含まな
い組成領域内にある組成割合が必要な理由は、この範囲
で得られるニオブ酸リチウム薄膜の光学的特性が優れて
おり、なかでも特に光伝播損失が低く、良質なニオブ酸
リチウム単結晶薄膜を得ることができるからである。
Further, in the present invention, LizOlVzOs, Nbzo
The composition range of s is LizO-V20sNb, ○, 3
In the triangular diagram of the component system, A(49, 49, 45, 46
, 5, 05), B (42, 81, 22, 94, 34,
25) The reason why the composition ratio is required is within the composition region surrounded by the three composition points C(1111, 80, 00, 8, 89) and does not include the composition line connecting the composition points A and B. This is because the optical properties of the lithium niobate thin film obtained within this range are excellent, especially the light propagation loss is low, and a high quality lithium niobate single crystal thin film can be obtained.

前記L iz OVz Os  N bz Osの組成
範囲は、3成分系の三角図において、D(47,64,
46,12,6,24)、E(27,0164,69,
8,30)、F (36,71,3797,25,32
)、C(44,05,32,97,22,98)の4組
成点で囲まれる範囲が好ましく、H(45,36,46
,458,19)、! (32,89,57,0510
06)、J (36,71,44,30,18,99)
、K(44,95,40,54,14,51)の4組成
点で囲まれる範囲が好適である。
The composition range of L iz OVz Os N bz Os is D(47, 64,
46,12,6,24), E(27,0164,69,
8,30), F (36,71,3797,25,32
), C(44,05,32,97,22,98), and H(45,36,46
,458,19),! (32,89,57,0510
06), J (36,71,44,30,18,99)
, K (44, 95, 40, 54, 14, 51).

また、前記Nag Oの組成割合として、モル比でN 
a 20/ L + z Oが、2.0/98.0−9
3.5/6.5を満たす範囲であることが望ましい理由
は、前記モル比の範囲よりNazOの割合が低い場合、
MgOを限界量含有させても、異種元素含有タンタル酸
リチウム単結晶基板と格子整合できる程、ニオブ酸リチ
ウム単結晶薄膜のa軸の格子定数を大きくすることがで
きず、また、前記モル比の範囲よりNa、0の割合が高
い場合は、a軸の格子定数が大きくなりすぎ、異種元素
含有タンタル酸リチウム単結晶基板と格子整合させるこ
とが困難なためである。
In addition, as the composition ratio of Nag O, the molar ratio is N
a 20/L + z O is 2.0/98.0-9
The reason why it is desirable that the range satisfies 3.5/6.5 is that when the proportion of NazO is lower than the above molar ratio range,
Even if MgO is contained in a limited amount, the a-axis lattice constant of the lithium niobate single crystal thin film cannot be made large enough to achieve lattice matching with a lithium tantalate single crystal substrate containing a different element, and the molar ratio This is because if the ratio of Na, 0 is higher than the range, the a-axis lattice constant becomes too large, making it difficult to lattice match the lithium tantalate single crystal substrate containing a different element.

前記前記Nat Oの組成割合として、モル比でN a
 20 / L 1z Oが、7.4/92.6〜80
.0/20.0を満たす範囲であることが好ましく、特
にモル比でN a t O/ L i t Oが、16
.7/83.3〜48.4151.6を満たず範囲が好
適である。
As the composition ratio of the Nat O, the molar ratio is Na
20/L 1z O is 7.4/92.6~80
.. It is preferable that the range satisfies 0/20.0, and in particular, the molar ratio of Na t O/L i t O is 16
.. A range of less than 7/83.3 to 48.4151.6 is preferred.

また、MgOの組成割合として、モル比でMgO/へb
20.が、0.2/99.8〜40.0/60.0を満
たす組成範囲であることが望ましい理由は、前記範囲よ
りMgOの割合が低い場合は、Mgの光損傷防止効果が
不充分で、上記範囲よりMgOの割合が高い場合は、ニ
オブ酸マグネンウム系の結晶が析出して、ニオブ酸すチ
うl、単結晶薄膜が得られないからである。
In addition, as the composition ratio of MgO, the molar ratio is MgO/b
20. The reason why it is desirable that the composition range is from 0.2/99.8 to 40.0/60.0 is that if the proportion of MgO is lower than the above range, the optical damage prevention effect of Mg is insufficient. If the MgO content is higher than the above range, magnenium niobate crystals will precipitate, making it impossible to obtain a monocrystalline thin film of sulfur niobate.

前記M g Oの組成割合として、モル比でMgO/N
bzOsが、0. 7150. 0〜9. 0150.
0を満たす組成範囲が好ましく、モル比でMgo/Nb
、0.が、3.5150.0〜6.0150.0を満た
す組成範囲が好適である。
As the composition ratio of MgO, the molar ratio is MgO/N.
bzOs is 0. 7150. 0-9. 0150.
A composition range that satisfies 0 is preferable, and the molar ratio is Mgo/Nb
,0. However, a composition range satisfying 3.5150.0 to 6.0150.0 is suitable.

(Li2O,NbJs、 v、o、(7)組成範囲(2
))前記液相エピタキシャル成長法に用いる熔融液とし
て、主として、Liア0、■アOs、Nb205、Na
2O、MgOからなり、前記LizO1■20s 、N
 bz Osの組成範囲が、LixOVz Os  N
bz Osの3成分系の三角図において、A’  (8
B、90,2.22.8.88)、B’  (55,0
0,43,00,2,00)、C’  (46,50,
5]、50,2.00)、D“ (37,505,00
,57,50)の4組成点で囲まれる領域で示される組
成割合にあるものを用いることが望ましい。
(Li2O, NbJs, v, o, (7) Composition range (2
)) The melt used in the liquid phase epitaxial growth method mainly includes LiA0, ■AOs, Nb205, Na
2O, MgO, and the above LizO120s, N
The composition range of bz Os is LixOVz Os N
In the triangular diagram of the three-component system of bz Os, A' (8
B,90,2.22.8.88),B'(55,0
0,43,00,2,00), C' (46,50,
5], 50,2.00), D" (37,505,00
.

前記Li2O、V2 O5、Nb2O5、Na2O、M
gOの作用は、いずれも組成範囲(1)で説明されたも
のと同様である。
Said Li2O, V2O5, Nb2O5, Na2O, M
The action of gO is similar to that explained in composition range (1).

さらに前記Li、O1V! O5、Nby Os (D
組成範囲は、L iz OVz 05  Nbz Os
の3成分系の状態図において、E“ (69,85,2
1,33,8,82)、F” (49,95,45゜0
2.5.03)、G′ (44,13,16,76,3
9,11)、H′ (54,72,11,12,34,
16)の4組成点で囲まれる領域で示される組成割合で
あることが好ましく、L1□0Vz Os  Nb10
5の3成分系の三角図において、I’  (57,43
,35,05,7,52)、J’  (49,9542
,53,7,52)、K’  (47,36,26,3
2,26゜32)、L’  (56,38,17,91
,25,71)の4組成点で囲まれる領域で示される組
成割合であることが好適である。
Furthermore, the Li, O1V! O5, Nby Os (D
The composition range is Liz OVz 05 Nbz Os
In the phase diagram of the three-component system, E" (69, 85, 2
1,33,8,82), F” (49,95,45゜0
2.5.03), G' (44, 13, 16, 76, 3
9, 11), H' (54, 72, 11, 12, 34,
16) The composition ratio is preferably shown in the region surrounded by the four composition points, L1□0Vz Os Nb10
In the triangular diagram of the three-component system of 5, I' (57, 43
, 35, 05, 7, 52), J' (49,9542
, 53, 7, 52), K' (47, 36, 26, 3
2,26°32), L' (56,38,17,91
, 25, 71) is preferably the composition ratio indicated by the region surrounded by the four composition points.

またNa、Oの組成割合として、モル比でNaz O/
 L l z○ が、2.0/98.0〜93゜5/6
.5を満たす範囲であることが望ましい。
In addition, as for the composition ratio of Na and O, the molar ratio is Naz O/
L z○ is 2.0/98.0~93°5/6
.. It is desirable that the range satisfies 5.

この理由は、前記モル比の範囲からNatOの割合が外
れる場合、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜と異種元素含有
タンタル酸リチウム基板を格子整合させることができな
いからである。
The reason for this is that if the proportion of NatO deviates from the above molar ratio range, it is impossible to lattice match the lithium niobate single crystal thin film and the lithium tantalate substrate containing a different element.

前記Na、Oの組成割合としては、モル比でNa z 
o/ L i t○ が、7.4/92.6〜80゜0
/20.0を満たすことが好ましく、16.7/83.
3〜48.4151.6を満たす範囲であることが好適
である。
The composition ratio of Na and O is Na z
o/Lit○ is 7.4/92.6~80°0
It is preferable to satisfy /20.0, and 16.7/83.
It is preferable that the range satisfies 3 to 48.4151.6.

また、前記MgOの組成割合として、モル比でMgO/
ニオブ酸リチウムが、0.1/99.9〜25.0/7
5.0を満たす範囲であることが望ましい。
In addition, as the composition ratio of MgO, the molar ratio is MgO/
Lithium niobate is 0.1/99.9 to 25.0/7
It is desirable that the range satisfies 5.0.

この理由は、前記範囲よりMgOの割合が低い場合は、
Mgの光損傷防止効果が不充分で、前記範囲よりMgO
の割合が高い場合は、ニオブ酸マグ不ノウム系の結晶が
析出して、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜が得られないか
らである。
The reason for this is that when the proportion of MgO is lower than the above range,
The effect of preventing Mg from optical damage is insufficient, and MgO
This is because if the ratio is high, magnonium niobate crystals will precipitate, making it impossible to obtain a lithium niobate single crystal thin film.

前記ニオブ酸リチウムとは溶融液組成から析出可能なニ
オブ酸リチウムの理論量を意味する。
The above-mentioned lithium niobate refers to the theoretical amount of lithium niobate that can be precipitated from the melt composition.

さらにMgOの組成割合として、モル比でMgO/ニオ
ブ酸リチウムが、0.7/100〜9゜0/100を満
たず範囲であることが好ましく、3.5/100〜6.
0/100を満たずことが好適である。
Further, as for the composition ratio of MgO, it is preferable that the molar ratio of MgO/lithium niobate is in the range of 0.7/100 to less than 9°0/100, and 3.5/100 to 6.
It is preferable that it is less than 0/100.

この場合においては、原料成分としては酸化物、もしく
は、加熱により酸化物に変化する化合物が望ましく、例
えばNatCOs、 NbzOs、 LizCOx、 
VzOsMgOの組成物等が挙げられる。
In this case, the raw material component is preferably an oxide or a compound that changes into an oxide upon heating, such as NatCOs, NbzOs, LizCOx,
Examples include compositions of VzOsMgO.

前記原料成分は、600〜1300’Cで空気雰囲気下
或いは酸化雰囲気下で加熱溶融されることが望ましい。
The raw material components are preferably heated and melted at 600 to 1300'C in an air atmosphere or an oxidizing atmosphere.

前記溶融液を過冷却状態とした後、異種元素含有タンタ
ル酸リチウム基板を接触させ、育成させることが好まし
い。
After the melt is supercooled, it is preferable to bring it into contact with a lithium tantalate substrate containing a different element and grow it.

前記溶融液を過冷却状態とするための冷却速度は、0.
5〜300°C/時であることが望ましい。
The cooling rate for bringing the melt into a supercooled state is 0.
The rate is preferably 5 to 300°C/hour.

又、前記育成のための温度は600〜1250°Cであ
ることが望ましい、この理由はニオブ酸リチウムの融点
が1250°Cであり、これ以上の温度では結晶が晶出
ゼず、又、600 ’Cは、熔融剤の融点であるため、
これより低い温度では原料を熔融液とすることができな
いためである。
Further, the temperature for the growth is preferably 600 to 1250°C, because the melting point of lithium niobate is 1250°C, and crystals do not crystallize at temperatures higher than 600°C. 'C is the melting point of the melting agent, so
This is because the raw material cannot be made into a molten liquid at a temperature lower than this.

前記育成の際には、基板を回転させることが望ましい、
これは、基板を回転させることにより、特性及び膜厚が
均一な結晶ができるからである。
During the growth, it is desirable to rotate the substrate.
This is because crystals with uniform properties and film thickness can be formed by rotating the substrate.

また、前記タンタル酸リチウム基板の、少なくとも異種
元素を含有する面は、光学研磨されその後、化学エツチ
ング処理されていることが望ましい、異種元素含有タン
タル酸リチウム基板上に晶出する本発明のニオブ酸リチ
ウム単結晶薄膜の厚みは、基板と溶融液との接触時間、
溶融体の温度時間を適当に選択することにより、制御す
ることができる0本発明においては、溶融液組成として
、Nb2O2,V2O3,LizO,NazO,MgO
に加えて、NdR11+ Zn、 N+、 Co、 T
+などから選ばれる元素の酸化物を使用することができ
る。
Further, it is preferable that at least the surface of the lithium tantalate substrate containing a different element is optically polished and then chemically etched. The thickness of the lithium single crystal thin film is determined by the contact time between the substrate and the melt,
The temperature of the melt can be controlled by appropriately selecting the time. In the present invention, the melt composition includes Nb2O2, V2O3, LizO, NazO, MgO.
In addition to NdR11+ Zn, N+, Co, T
Oxides of elements selected from +, etc. can be used.

次に本発明の実施例について説明する。Next, examples of the present invention will be described.

実施例1 (1) NazCOs 20モルχ、 Li、C0,3
0モルχ、 v、o、 40モルχ、 NbzOs 1
0モルχ、門gOをし1NbOzに対して2モルχ添加
した混合物を白金ルツボに入れ、エピタキシャル成長育
成装置中で空気雰囲気下で、1100°Cまで加熱して
ルツボの内容物を溶解した。
Example 1 (1) NazCOs 20 mol χ, Li, C0,3
0 mol χ, v, o, 40 mol χ, NbzOs 1
A mixture containing 0 mol χ and 2 mol χ added to 1 NbOz was placed in a platinum crucible and heated to 1100°C in an air atmosphere in an epitaxial growth growth apparatus to dissolve the contents of the crucible.

(2)溶融体を1時間当りに60℃の冷却速度で914
°Cまで徐冷した。タンタル酸リチウム単結晶の(00
01)面を光学研磨した後、RFスパッタ法により、膜
厚500人のV膜を形成した後、1000°Cにて熱拡
散させた後、化学エンチングしたものを基板材料とした
。この基板材料は、■を拡散させない基板材料に比べて
常光屈折率がI Xl0−j減少しでいた。この基板材
料を溶融体中に100rp+sで回転させながら13分
間浸漬した。
(2) The melt was cooled at a cooling rate of 60°C per hour.
It was slowly cooled down to °C. Lithium tantalate single crystal (00
01) After optically polishing the surface, a V film with a thickness of 500 mm was formed by RF sputtering, thermally diffused at 1000°C, and chemically etched to obtain a substrate material. The ordinary light refractive index of this substrate material was reduced by I Xl0-j compared to a substrate material that does not diffuse (1). This substrate material was immersed in the melt for 13 minutes while rotating at 100 rpm+s.

(3)溶液体から基板材料を引き上げ、回転数1000
「p−で30秒間溶融体上で溶融体を振り切った後、室
温まで徐冷し、基板材料上に約11μmの厚さのナトリ
ウム、マグ享シウム含をニオブ酸リチウム単結晶1膜を
得た。
(3) Pull up the substrate material from the solution and rotate at 1000 rotations.
"After shaking off the melt on the melt for 30 seconds at p-, it was slowly cooled to room temperature to obtain a single crystalline lithium niobate film containing sodium and magnosium with a thickness of about 11 μm on the substrate material. .

(4)得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜のナトリウ
ム、マグ7シウムの量は、それぞれ3モルχ、2モルχ
であった。又、薄膜の格子定数(a軸)は5゜156人
、入射光波長1.15μmで測定した屈折率は2.23
5土0.001であった。
(4) The amounts of sodium and mag7sium in the obtained lithium niobate single crystal thin film were 3 mol χ and 2 mol χ, respectively.
Met. The lattice constant (a-axis) of the thin film is 5°156, and the refractive index measured at an incident light wavelength of 1.15 μm is 2.23.
It was 0.001 on May 5th.

実施例2 (II LizCOs 50モルχ、シ!O540モル
χ、 Nb2O210モルχ、 NazCOsをLiN
b0.に対して、45モルχ添加、MgOをLiNbO
xに対して、7モルχ添加した混合物を白金ルツボにい
れ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気下で1
100°Cまで加熱してルツボの内容物を溶解した。
Example 2 (II LizCOs 50 mol χ, Shi!O 540 mol χ, Nb2O2 10 mol χ, NazCOs to LiN
b0. 45 mol χ addition, MgO to LiNbO
A mixture in which 7 mol χ was added to x was put in a platinum crucible, and 1
The contents of the crucible were dissolved by heating to 100°C.

(2)溶融体を1時間当り60°Cの冷却速度で918
°Cまで徐冷した。タンタル酸リチウム単結晶の(00
01)面を光学研磨した後、フォトリソグラフィーおよ
びRFスバ7タ法により、膜厚1000人幅5μmのM
gO膜を形成した後、1000°Cにて熱拡散させ、幅
5μmのMgO拡散チャンネルをもつものを基板材料と
した。このチャンネル部分は、MgOを拡散させない部
分に比べて常光屈折率が15xlO−’[少していた。
(2) Cool the melt at a cooling rate of 60°C per hour to 918°C.
It was slowly cooled down to °C. Lithium tantalate single crystal (00
01) After optically polishing the surface, a film with a thickness of 1,000 mm and a width of 5 μm was formed by photolithography and RF sputtering.
After forming the gO film, it was thermally diffused at 1000°C, and a material having an MgO diffusion channel with a width of 5 μm was used as a substrate material. The ordinary refractive index of this channel part was 15xlO-' [slightly lower than that of the part where MgO was not diffused.

この基板材料を熔融体中に1100rpで回転させなが
ら9分間浸漬した。
This substrate material was immersed in the melt for 9 minutes while rotating at 1100 rpm.

(3)溶融体から基板材料を引き上げ、回転数100゜
rpmで30秒間溶融体上で、溶融体を振り切った後、
室温まで徐冷し、基板材料上に約37μmの厚さのナト
リウム、マグネシウム含有ニオブ酸リチウム単結晶薄膜
を得た。
(3) Pull up the substrate material from the melt, shake it off on the melt for 30 seconds at a rotation speed of 100° rpm,
The mixture was slowly cooled to room temperature, and a lithium niobate single crystal thin film containing sodium and magnesium with a thickness of about 37 μm was obtained on the substrate material.

(4)得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜のナトリウ
ム、マグネシウムの量は、それぞれ2モルχ、6モルχ
であった。又格子定数(a軸)は5.155人、入射光
波長1.15μmで測定した屈折率は、2.231±0
.001であった。
(4) The amounts of sodium and magnesium in the obtained lithium niobate single crystal thin film were 2 mol χ and 6 mol χ, respectively.
Met. The lattice constant (a-axis) is 5.155, and the refractive index measured at an incident light wavelength of 1.15 μm is 2.231 ± 0.
.. It was 001.

(5)得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜を、幅5μ
mの−go拡散チャンネルに対して垂直に端面研磨を施
して、レーザ光を端面入射させ、出射光のニアフィール
ドパターンを観察したところ、レーザ光が幅5μmのM
gOの拡散チャンネル上で良好に閉し込められているこ
とが確認できた。
(5) The obtained lithium niobate single crystal thin film was
When the end face was polished perpendicularly to the -go diffusion channel of m, the laser beam was incident on the end face, and the near field pattern of the emitted light was observed.
It was confirmed that the gO was well confined on the diffusion channel.

実施例3 (]) NaZCO312モルχ、 VzOs 4O−
ID、 NbzOs  10モルχ、 LizCChを
38モルχ、 ?IgOをLiNb0.に対して、5モ
ルχ添加した混合物を白金ルツボに入れ、エピタキシャ
ル成長育成装置中で空気雰囲気下で1100°Cまで加
熱してルツボの内容物を溶解した。
Example 3 (]) NaZCO312 mol χ, VzOs 4O-
ID, NbzOs 10 mol χ, LizCCh 38 mol χ, ? IgO to LiNb0. A mixture to which 5 mol χ was added was placed in a platinum crucible and heated to 1100° C. in an air atmosphere in an epitaxial growth and growth apparatus to melt the contents of the crucible.

(2) ?g融体を1時間当り60゛cの冷却速度で9
38’Cまで徐冷した。タンタル酸リチウム単結晶の(
0001)面を光学研磨した後、フォトリソグラフィー
およびRFスバンタ法により、輻5μmの窓部をもっF
iJ膜400人の丁j#を形成した後、1000’Cニ
て熱拡散させ、輻5μmのTi未拡散チャンネルをもつ
ものを基板材料とした。Ti拡散部分は、チャンネル部
分に比べて常光屈折率が2×10−’増大していた。
(2)? g melt at a cooling rate of 60 °C per hour
It was slowly cooled to 38'C. Lithium tantalate single crystal (
0001) After optically polishing the surface, a window with a radius of 5 μm was formed using photolithography and the RF Svanta method.
After forming an iJ film of 400 layers, it was thermally diffused at 1000'C, and a material having Ti undiffused channels with a radius of 5 μm was used as a substrate material. The Ti diffused portion had an ordinary refractive index increased by 2×10−′ compared to the channel portion.

この基板材料を溶融体中に100rp+mで回転させな
がら15分間浸漬した。
This substrate material was immersed in the melt for 15 minutes while rotating at 100 rpm+m.

(3)溶融体から基本材料を引き上げ、回転数1000
rp+wで30秒間溶融体上で、溶融体を振り切った後
、室温まで徐冷し、基板材料上に約17μmの厚さのナ
トリウム、マグネシウム含有ニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を得た。
(3) Pull up the basic material from the melt and rotate at 1000 rotations.
After shaking off the melt at rp+w for 30 seconds, the melt was slowly cooled to room temperature to obtain a single crystal thin film of lithium niobate containing sodium and magnesium with a thickness of about 17 μm on the substrate material.

(4)得られたニオブ酸リチウムの単結晶薄膜のナトリ
ウム、マグネシウムの量は、それぞれ1モルχ6モルχ
であった。又格子定数(a軸)は5.153人、入射光
波長1.15μmで測定した屈折率は、2.231±0
.001であった。
(4) The amounts of sodium and magnesium in the obtained single crystal thin film of lithium niobate were 1 mol χ 6 mol χ
Met. The lattice constant (a-axis) is 5.153, and the refractive index measured at an incident light wavelength of 1.15 μm is 2.231 ± 0.
.. It was 001.

(5)得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜を、幅5μ
mのTi未拡散チャンネルに対して垂直に端面研磨を施
して、レーザ光を端面入射させ、出射光のニアフィール
ドパターンを観察したところ、レーザ光が幅5μmのT
i未拡散チャンネル上で良好に閉じ込められていること
が確認できた。
(5) The obtained lithium niobate single crystal thin film was
When the end face was polished perpendicularly to the Ti undiffused channel with a width of 5 μm, the laser beam was incident on the end face, and the near field pattern of the emitted light was observed.
It was confirmed that it was well confined on the i-undiffused channel.

実施例4 (1) NazCOi 12.8モルχ、 LitC(
h 37.2モルχ、 V、O。
Example 4 (1) NazCOi 12.8 mol χ, LitC (
h 37.2 mol χ, V, O.

40.0モルχ、NbzOs  10.0モルχ、 N
d、co、をLiNb0゜に対して、0.8モルχ添加
した混合物を白金ルツボに入れ、エピタキシャル成長育
成装置中で空気雰囲気下で1100°Cまで加熱してル
ツボの内容物を溶解した。
40.0 mol χ, NbzOs 10.0 mol χ, N
A mixture in which 0.8 mol χ of d, co, and LiNb were added to 0° was placed in a platinum crucible and heated to 1100° C. in an air atmosphere in an epitaxial growth growth apparatus to melt the contents of the crucible.

(2)溶融体を1時間当り60°Cの冷却速度で927
°Cまで徐冷した後、タンタル酸リチウム単結晶の(0
001)面を光学研磨した後、RFスパ、り法により、
膜厚400人のNi1lを形成した後、1000’Cに
て熱拡散させた後、化学エツチングしたものを、基板材
料とした。この基板材料は、Niを拡散させない基板材
料に比べて常光屈折率がlXl0−’増大していた。こ
の基板材料を溶融体中に100rp−で回転させながら
7分間浸漬した。
(2) Cool the melt at a cooling rate of 60°C per hour to 927°C.
After slow cooling to °C, lithium tantalate single crystal (0
001) After optically polishing the surface, by RF spa treatment,
After forming a Ni1l film with a thickness of 400 nm, it was thermally diffused at 1000'C, and then chemically etched to form a substrate material. This substrate material had an increased ordinary refractive index lXl0-' compared to a substrate material that does not diffuse Ni. The substrate material was immersed in the melt for 7 minutes while rotating at 100 rpm.

(3) 78融体から基本材料を引き上げ、回転数10
00rp−で30秒間溶融体上で、熔融体を振り切った
後、室温まで徐冷し、基板材料上に約11μmの厚さの
ナトリウム、ネオジム含有ニオブ酸リチウム単結晶薄膜
を得た。
(3) 78 Pull up the basic material from the melt and rotate at 10
After shaking off the melt at 00 rpm for 30 seconds, the melt was slowly cooled to room temperature to obtain a single crystal thin film of lithium niobate containing sodium and neodymium with a thickness of about 11 μm on the substrate material.

(4)得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜のナトリウ
ム、茅オジムの量は、それぞれ1.2モルχ、0.4モ
ルχであった。又格子定数(a軸)は5.153人、入
射光波長1.15μmで測定した屈折率は、2.232
±0.001であった。
(4) The amounts of sodium and odium oxide in the obtained lithium niobate single crystal thin film were 1.2 mol χ and 0.4 mol χ, respectively. The lattice constant (a-axis) is 5.153, and the refractive index measured at an incident light wavelength of 1.15 μm is 2.232.
It was ±0.001.

実施例5 (+) NazCO:+ 27.2モルχ、 LizC
Oz 22.8モルχ、  VzO140,0モルχ、
 NbzOs  10.0モルχ+  T、o、をLi
NbJに対して、12.0モルχ添加した混合物を白金
ルツボに入れ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰
囲気下で1100’Cまで加熱してルツボの内容物を熔
解した。
Example 5 (+) NazCO: + 27.2 mol χ, LizC
Oz 22.8 mol χ, VzO 140.0 mol χ,
NbzOs 10.0 mol χ+ T, o, Li
A mixture in which 12.0 mol χ was added to NbJ was placed in a platinum crucible, and the contents of the crucible were melted by heating to 1100'C in an air atmosphere in an epitaxial growth growth apparatus.

(2)熔融体を1時間当り60°Cの冷却速度で896
°Cまで徐冷した。タンタル酸リチウム単結晶の(00
01)面を光学研磨した後、フォトリソグラフィーおよ
びRFスパッタ法により、膜厚800人、輻5μmのM
gO膜と、この幅5μmのMgO膜以外の部分に膜厚4
00人のCu1Ilを形成した後、1000°Cにて熱
拡散させ、幅5μmのMgO拡散チャンヱルをもつもの
を化学エツチングし、基板材料とした。MgOを拡散さ
せたチャンネル部分およびチャンネル部分以外のCuを
拡散させた部分は、何も拡散させない基板材料に比べて
、常光屈折率はそれぞれ10 X 103減少およびI
 Xl0−’増大していた。この基板材月を溶融体中に
1100rpで回転させながら11分間浸漬した。
(2) The melt was cooled to 896°C at a cooling rate of 60°C per hour.
It was slowly cooled down to °C. Lithium tantalate single crystal (00
01) After optically polishing the surface, the M
A film thickness of 4 is applied to the parts other than the gO film and this 5 μm wide MgO film.
After forming 00 Cu1Il, it was thermally diffused at 1000°C and chemically etched to have an MgO diffusion channel with a width of 5 μm, thereby obtaining a substrate material. The ordinary refractive index of the MgO-diffused channel part and the Cu-diffused part other than the channel part is reduced by 10 x 103 and I, respectively, compared to the substrate material without any diffusion.
Xl0-' was increasing. This substrate material was immersed in the melt for 11 minutes while rotating at 1100 rpm.

(3)熔融体から基板材料を引き上げ、回転数1000
rp謝で30秒間溶融体上で、熔融体を振り切った後、
室温まで徐冷し、基板材料上に約7μmの厚さのナトリ
ウム、チタン含有ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得た。
(3) Pull up the substrate material from the melt and rotate at 1000 rotations.
After shaking off the melt on the melt for 30 seconds with RP
The mixture was slowly cooled to room temperature, and a lithium niobate single crystal thin film containing sodium and titanium with a thickness of about 7 μm was obtained on the substrate material.

(4)得られたニオブ酸リチウムの単結晶薄膜のナトリ
ウム、チタンの量は、それぞれ4.6モルχ、5.0モ
ルχであった。又、格子定数(a軸)は5.153人、
入射光波長1.15μmで測定した屈折率は、2.24
1±0.001であった。
(4) The amounts of sodium and titanium in the obtained single crystal thin film of lithium niobate were 4.6 mol χ and 5.0 mol χ, respectively. Also, the lattice constant (a-axis) is 5.153 people,
The refractive index measured at an incident light wavelength of 1.15 μm is 2.24
It was 1±0.001.

(5)得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜を、幅5μ
mのMgO拡散チャンネルに対して垂直に端面研磨を施
して、レーザ光を端面入射させ、出射光のニアフィール
ドパターンを観察したところ、レーザ光が幅5μmのM
gO拡散チャンネル上で良好に閉し込められていること
が確認できた。
(5) The obtained lithium niobate single crystal thin film was
When the end face was polished perpendicularly to the MgO diffusion channel with a width of 5 μm, the laser beam was incident on the end face, and the near field pattern of the emitted light was observed.
It was confirmed that the gO was well confined on the diffusion channel.

実施例6 (1)実施例1で得られたLiNb○3単結晶薄膜の表
面を鏡面研磨し、このLiNbO3薄膜を導波層とする
スラブ型導波路を作成した。
Example 6 (1) The surface of the LiNb○3 single crystal thin film obtained in Example 1 was mirror-polished to create a slab-type waveguide using this LiNbO3 thin film as a waveguide layer.

(2)前記スラブ型導波路の膜厚をイオンビームエツチ
ングにより、位相整合膜厚2.50μm±0.05μm
に調整した。
(2) The film thickness of the slab type waveguide was changed to a phase matching film thickness of 2.50 μm ± 0.05 μm by ion beam etching.
Adjusted to.

(3)前記(1)及び(2)で得られたスラブ型導波路
をフォトリソグラフィーにより、輻10μm、膜JI2
.50μm±0.05μm、段差1μmのりソジ型チャ
ンネル型導波路を作成した。
(3) The slab waveguide obtained in (1) and (2) above was photolithographically coated with a thickness of 10 μm and a film JI2.
.. A glue channel type waveguide with a thickness of 50 μm±0.05 μm and a step difference of 1 μm was fabricated.

(4)(3)で得られたチャンネル型導波路の両端面を
パフ研磨により、鏡面研磨して端面からの光入出射を可
能とし、第二高謂波発生(SHG)素子とした。
(4) Both end faces of the channel-type waveguide obtained in (3) were mirror-polished by puff polishing to enable light to enter and exit from the end faces, thereby forming a second high-frequency wave generating (SHG) element.

(5)上記(4)で作成した、チャンネル型導波路から
なるSHG素子を、半導体レーザの発光領域とチャンネ
ル型導波路の一方の端面とを向合わせて精密に位置合わ
せした後、シリコンブロック上に、半導体レーザチ、ブ
とSHG素子を紫外線硬化樹脂を用いて固定した。
(5) After precisely aligning the SHG element made of the channel-type waveguide created in (4) above with the light emitting region of the semiconductor laser facing one end face of the channel-type waveguide, place it on the silicon block. Next, the semiconductor laser chip and SHG element were fixed using ultraviolet curing resin.

さらに半導体レーザの上下面の電極にワイアをポンディ
ングして、駆動電力を供給できるようにした。
Furthermore, wires were bonded to the electrodes on the upper and lower surfaces of the semiconductor laser, making it possible to supply driving power.

(6)このようにして半導体レーザとSHG素子を一体
化した後、図1のように金属製の気密封止パンケージの
中に入れ、外部ビンとワイヤを電気的に接続して外部ピ
ンにより動作電力を供給できるようにすると共に、波長
選択性のガラス窓を設けたキャップを被せて、内部を高
純度窒素ガス雰囲気で気密封止した。
(6) After integrating the semiconductor laser and the SHG element in this way, place it in a metal hermetically sealed pancage as shown in Figure 1, electrically connect the external bottle and wire, and operate it using an external pin. In addition to making it possible to supply electricity, the cap was covered with a wavelength-selective glass window, and the inside was hermetically sealed with a high-purity nitrogen gas atmosphere.

このようにして本発明のLiNb03ffl膜からなる
SHG素子を用いて作成した気密封止パッケージ型素子
に半導体レーザからの出力が480mWとなる動作電圧
を加えた時、ガラス窓から出射する第二高調波の出力は
、2.0mW、また半導体レーザの出力は、0.1mW
となり、第高調波を効率良く取り出すことができた。
When an operating voltage such that the output from the semiconductor laser is 480 mW is applied to the hermetically sealed packaged device fabricated using the SHG device made of the LiNb03ffl film of the present invention in this way, the second harmonic is emitted from the glass window. The output of the laser is 2.0mW, and the output of the semiconductor laser is 0.1mW.
Therefore, the harmonics could be extracted efficiently.

実施例1〜5で得られた本発明のニオブ酸リチウム単結
品薄についてプリズム結合により波長0.83μm半導
体レーザ光に対する光伝搬損失を測定し、その結果を第
1表に示した。
The optical propagation loss of the lithium niobate single-crystalline thin products of the present invention obtained in Examples 1 to 5 was measured by prism coupling with respect to a semiconductor laser beam having a wavelength of 0.83 μm, and the results are shown in Table 1.

第  1  表 光伝播を員失(d B / c m )1.1 1.0 1.2 これらの値は従来技術では全く得られなかった極めて優
れた特性を示すものである。
Table 1: Loss of light propagation (dB/cm) 1.1 1.0 1.2 These values indicate extremely excellent characteristics that could not be obtained with the prior art.

(発明の効果) 本発明によれば異種元素含有タンタル酸リチウム基板上
に、従来得られなかった極めて優れた光学的特性を持つ
と同時に、光学デバイスに用いるのに必要な充分厚いニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜が実用的に形成できるため、
薄膜導波路型SHG素子の構成材料として最適であるだ
けでなく、光変調器、マルチモードの光学デバイスの構
成材料として有用である。
(Effects of the Invention) According to the present invention, a lithium tantalate substrate containing different elements has extremely excellent optical properties that could not be obtained conventionally, and at the same time has a sufficiently thick lithium niobate monolayer that is necessary for use in optical devices. Because crystalline thin films can be practically formed,
It is not only optimal as a constituent material for thin-film waveguide type SHG elements, but also useful as a constituent material for optical modulators and multimode optical devices.

である。It is.

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

第1図および第2図は、Liz○−■20.〜Nbz 
Osの3成分系の三角図である。 各組成点は、(Li20のモル%、■20.のモル%、
NbzOsのモル%)で表される。 A (49,49,45,46,5,05)B (42
,8122,9434,25)C(11,11,80,
00,8,89)D(47,64,46,12,6,2
4)E (27,01,64,69,8,30)F (
36,71,37,9725,32)G (44,05
,32,97,22,98)H(45,36,46,4
58,19)+ (32,89,57,05,10,0
6)J (36,71,44,3018,99)K(4
4,95,40,5414,51)V2O5 A’  (88,90,2,22□ 8.88)B’ 
 (55,00,43,00,2,00)C′ (46
,505]、、  50. 2. 00)D’  (3
7,50,5,00,57,50)E’  (69,8
5,21,33,8,82)F“ (49,95,45
,02,5,03)C’  (44,13,16,76
、39,11)H’  (54,72,11,12,3
4,16)ビ(57,43,35,057,52)J 
  (49,95,42,53,7,52)K’  (
47,36,26,32,26,32)L   (56
,38,17,91,25,71)第3図は、タンタル
酸リチウム単結晶基板の(0001)面を示す模式図で
ある。 第4図は、実施例6で得られた半導体レーザとSHG素
子のパンケージの模式図である。 1−−−−−一 波長選択フィルター 2〜−−m−−S HGデバイス 3 −−−−−一半導体し−ザチソブ 4−−−−−気密封止パンケージ 第1図 i2O b20s 外部ビン 窒素ガス 以上
Figures 1 and 2 show Liz○-■20. ~Nbz
It is a triangular diagram of a three-component system of Os. Each composition point is (mol% of Li20, ■mol% of 20.,
(mol% of NbzOs). A (49,49,45,46,5,05)B (42
,8122,9434,25)C(11,11,80,
00,8,89)D(47,64,46,12,6,2
4)E (27,01,64,69,8,30)F (
36,71,37,9725,32)G (44,05
,32,97,22,98)H(45,36,46,4
58,19)+ (32,89,57,05,10,0
6) J (36,71,44,3018,99)K(4
4,95,40,5414,51)V2O5 A' (88,90,2,22□ 8.88)B'
(55,00,43,00,2,00)C' (46
,505],,50. 2. 00)D' (3
7,50,5,00,57,50)E' (69,8
5,21,33,8,82)F" (49,95,45
,02,5,03)C' (44,13,16,76
, 39, 11) H' (54, 72, 11, 12, 3
4,16) Bi(57,43,35,057,52)J
(49,95,42,53,7,52)K' (
47,36,26,32,26,32)L (56
, 38, 17, 91, 25, 71) FIG. 3 is a schematic diagram showing the (0001) plane of a lithium tantalate single crystal substrate. FIG. 4 is a schematic diagram of a pancage of the semiconductor laser and SHG element obtained in Example 6. 1-----1 Wavelength selection filter 2~--m--S HG device 3-----1 Semiconductor filter 4-----Hermetically sealed pan cage Figure 1 i2O b20s External bottle nitrogen gas that's all

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、タンタル酸リチウム基板上に形成されたニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜であって、前記タンタル酸リチウム基
板は、少なくとも表面の一部に異種元素が添加されてお
り、且つ該薄膜は前記タンタル酸リチウム基板と格子整
合されてなり、光伝搬損失が1.4dB/cm以下であ
ることを特徴とするニオブ酸リチウム単結晶薄膜。 2、前記異種元素は、マグネシウム、チタン、バナジウ
ム、クロム、鉄、ニッケル、ネオジムから選ばれる少な
くとも1種である請求項1に記載のニオブ酸リチウム単
結晶薄膜。 3、前記ニオブ酸リチウム単結晶薄膜は、ナトリウムと
マグネシウムを含有してなる請求項1または2に記載の
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜。 4、前記ナトリウムおよびマグネシウムの含有量は、そ
れぞれ0.1〜4.8モル%、0.8〜10.8モル%
なる範囲である請求項1〜3に記載のニオブ酸リチウム
単結晶薄膜。 5、前記ニオブ酸リチウム単結晶薄膜は、前記タンタル
酸リチウム基板(0001)面に形成されてなる請求項
1〜4のいずれかに記載のニオブ酸リチウム単結晶薄膜
。 6、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜のa軸の格子定数がタ
ンタル酸リチウム基板のa軸の格子定数の99.81〜
100.07%の範囲内となることより格子整合がなさ
れている請求項1〜5のいずれかに記載のニオブ酸リチ
ウム単結晶薄膜。
[Scope of Claims] 1. A lithium niobate single crystal thin film formed on a lithium tantalate substrate, wherein the lithium tantalate substrate has a different element added to at least a part of its surface; A lithium niobate single crystal thin film, characterized in that the thin film is lattice matched with the lithium tantalate substrate, and has a light propagation loss of 1.4 dB/cm or less. 2. The lithium niobate single crystal thin film according to claim 1, wherein the different element is at least one selected from magnesium, titanium, vanadium, chromium, iron, nickel, and neodymium. 3. The lithium niobate single crystal thin film according to claim 1 or 2, wherein the lithium niobate single crystal thin film contains sodium and magnesium. 4. The content of sodium and magnesium is 0.1 to 4.8 mol% and 0.8 to 10.8 mol%, respectively.
The lithium niobate single crystal thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the lithium niobate single crystal thin film is within the range. 5. The lithium niobate single crystal thin film according to any one of claims 1 to 4, wherein the lithium niobate single crystal thin film is formed on the (0001) surface of the lithium tantalate substrate. 6. The a-axis lattice constant of the lithium niobate single crystal thin film is 99.81 to the a-axis lattice constant of the lithium tantalate substrate.
The lithium niobate single crystal thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein the lithium niobate single crystal thin film is lattice matched by being within the range of 100.07%.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5291576A (en) * 1992-06-18 1994-03-01 Ibiden Co., Ltd. Single mode optical waveguide
US5313368A (en) * 1993-02-02 1994-05-17 The Whitaker Corporation Electrical connections between printed circuit boards and integrated circuits surface mounted thereon
JPH06199598A (en) * 1992-10-15 1994-07-19 Natl Inst For Res In Inorg Mater Production of lithium niobate single crystal

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