JPH05105590A - ニオブ酸リチウム単結晶および光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐光損傷特性に優れたニオブ酸リチウム単結
晶を得ること、これにより短波長光を用いる光素子用基
板に前記単結晶を用いてその持つ大きな非線形光学定数
を生かしたＳＨＧ素子の安定性と高出力化の特性向上を
図ること。 【構成】 周期表３Ａ，３Ｂ族元素を含むことにより耐
光損傷強度を向上させたことを特徴とするニオブ酸リチ
ウム単結晶及びそれを用いた強力な光素子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を使用する情
報処理分野あるいは光応用計測制御および通信分野に利
用する単結晶に関するものであり、特には耐光損傷特性
に優れたニオブ酸リチウム単結晶およびこれを用いた光
素子に係る。

【０００２】

【従来の技術】ニオブ酸リチウム単結晶は融点約１２５
０℃、キュリー温度約１１５０℃の強誘電体結晶で、通
常大気中で白金坩堝を用い、融液からチョクラルスキー
法により育成されている。育成された単結晶は多分域状
態であるので、結晶温度をキュリー温度以上に保ち大気
中もしくは酸素雰囲気中で、電界印加徐冷法により単一
分域化処理が行われる。この後、結晶はウエハ状に加工
され表面弾性波素子用の基板として大量に用いられてい
る。ニオブ酸リチウム結晶は、比較的安価で大口径の結
晶が育成可能で、無機酸化物単結晶のなかでは比較的大
きな非線形光学定数を持つ。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術により製
造されたニオブ酸リチウム単結晶の耐光損傷強度は余り
強くはなく、波長変換素子の光学用途の実用に際しては
光損傷が発生し、これが実用化を妨げる大きな問題とな
っている。ここで言う光損傷とは、レーザ光入射により
結晶の屈折率が局所的に変化する現象で光誘起屈折率変
化と呼ばれるものである。この光損傷の発生原因は結晶
内に含まれる遷移金属の不純物によるものとされてお
り、特に結晶内のＦｅイオンの原子価の変化によりその
現象が説明されている。 すなわち結晶のＺ軸（光学
軸）に並行でない方向に光を入射した際に、光の照射部
内の光強度の強い部分に存在するＦｅ²⁺イオンが励起さ
れて電子を放出しＦｅ³⁺に変わる。このようにして発生
した電子は、結晶内の非照射部もしくは照射の弱い領域
内にある他のＦｅ³⁺によって一般に捕獲され、このよう
なイオンはＦｅ²⁺に変えられてしまう。このような現象
による全体的効果は、Ｆｅ²⁺イオンの分布の変化として
現れ、その結果、結晶自身のもつ電気光学効果を介して
の局所的屈折率分布の不均一性として現れる。結晶を光
変調器や波長変換素子等の光学用途の基板として用いる
ときには、このような光照射部の屈折率変化により素子
が安定に動作しないことや、本来結晶が有している特性
を十分生かしきれないという非常に大きな問題が生じ
る。この光損傷は使用する光波長が短波長であるほど顕
著になるので、短波長の光を用いる素子用途ほど光損傷
の問題が大きくなる。この光損傷はニオブ酸リチウム単
結晶で特に顕著に発生する。さらに、鉄などの遷移金属
不純物量を低減したり、育成結晶の熱処理による酸化処
理によっても耐光損傷性は改善されるものの光学素子応
用には不十分であるという問題点もある。上述のごとく
光損傷の発生の主原因は結晶中に含まれる選移金属不純
物、特にＦｅ不純物濃度であると言われているので、こ
れを例えば１ｐｐｍ以下に低減すると確かに耐光損傷特
性が向上する効果はあるものの、完全には除去する事は
困難である。その理由は、酸化物単結晶育成において
は、購入可能な原料の純度は４Ｎ〜５Ｎ程度であり、ま
たルツボ材や炉内の耐火保温材等から育成結晶への不純
物取り込みもあるので半導体並みに高純度化する事は不
可能である為、不純物の低減にも限界があるからであ
る。また、従来、耐光損傷強度の向上に有効であると言
われていた電界焼鈍法によっても、使用する素子のパワ
ー密度が大きくなると光損傷が発生し、十分ではなかっ
た。このため短波長光を用いる素子用途においてはこれ
まで耐光損傷強度を十分に満足する結晶は得られないと
いう問題点があった。本発明は、上述した如き従来のニ
オブ酸リチウム単結晶の光損傷の問題を解決すべくなさ
れたものであって、３ａ，３ｂ族元素を添加することに
より耐光損傷特性に優れたニオブ酸リチウム単結晶を提
供し、さらにレーザー光源からの出射光を基本波として
非線形光学結晶への通過により第二高調波を発生するＳ
ＨＧ素子、または、レーザー光源からの出射光を電気光
学結晶へ入射し電気光学効果により光の強度・位相を制
御する光変調素子にこの単結晶を基板として用い、光素
子を安定に作製、動作させんとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的の達成のため
に、本発明者は、ニオブ酸リチウム単結晶の耐光損傷特
性を向上させるために、３ａ族のうちＹ，ランタノイ
ド、３ｂ族元素を含ませてニオブ酸リチウム単結晶を育
成するという手段を採用した。本発明によるニオブ酸リ
チウム単結晶の耐光損傷強度が大幅に向上する理由はま
だ明かではないが、下記のような理由が考えられる。す
なわち、ニオブ酸リチウム単結晶に３ａ，３ｂ族元素を
添加すると、これらの元素は結晶中に浅い不純物レベル
を形成する。結晶中へ光が入射されるとこれら不純物準
位から電子が励起され、結晶の光伝導度が大きくなるこ
とが耐光損傷強度向上の原因であり、結晶中への光照射
により励起されたＦｅ²⁺の正孔とＦｅ³⁺の電子により作
られる内部電界が、大きな光伝導度によりシールドまた
は弱められることがその主要因であると考えられる。ま
た、本発明者は、これまで光損傷により動作不安定であ
った素子の諸特性を改善するため、得られたニオブ酸リ
チウム単結晶をウエハまたはブロック状に加工し、各種
光素子の基板として用い、光素子を作成した。上記の構
成により、結晶の耐光損傷強度を大幅に改善することが
でき、さらに得られた結晶は、耐光損傷強度および均質
性が向上しているので特に短波長光を用いる波長変換素
子、光変調器、光偏向器などの種々の光学素子を安定に
動作させることが可能である。３ａ，３ｂ族元素の添加
量は原子百分比で１０％以下が好ましい。本発明におい
て、それらの添加は耐光損傷の向上という点では効果が
あるものの、１０ａｔ％以上添加した場合は、結晶の品
質が悪くなるためか、耐光損傷がかえって低下してしま
う。また、本発明において前記３ａ，３ｂ族元素の２種
以上の複合添加は、各々の分配係数の違いに注意を払い
つつ配合比を工夫することに依って相乗効果が期待でき
る。本発明を実施するに当たって単結晶育成の手段に限
定はなく、通常はチョクラルスキー法によるのが一般的
で、場合によってはブリッジマン法，フローティングゾ
ーン法やファイバーペディスタル法により育成すること
も可能である。本発明において、融液を収容する二重ル
ツボと、前記二重ルツボの外周に設けられた加熱手段
と、前記二重ルツボ内の融液に種結晶を接触させ前記種
結晶を引き上げて単結晶を得る手段からなるニオブ酸リ
チウム単結晶の製造装置を用いると、均質で大型の単結
晶を育成することが容易となる。。また原料としてのＬ
ｉ₂ＣＯ₃とＮｂ₂０₅の配合比は通常のコングルエント組
成が、高品質単結晶が得られ易いために単結晶育成の面
からみると望ましいが、素子用途によっては単結晶基板
の屈折率を変えたものが必要とされることもある。この
ような場合にはＬｉ₂ＣＯ₃とＮｂ₂Ｏ₅の配合比を変える
ことにより所望の単結晶基板が得られる。なお、該元素
の添加は混合時に行うのが原料均一化の上で望ましい
が、また原料融体中に添加してもよい。

【０００５】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に
説明する。 （実施例１）試料を次の作製法により作成した。まず、
直径１００ｍｍ深さ１２０ｍｍの白金で作られたルツボ
内に３ｋｇのＬｉＮｂＯ₃の原料粉（育成に用いた原料
は純度４ＮのＬｉ₂Ｏ，Ｎｂ₂Ｏ₅）と３ａ（純度３Ｎ〜
４ＮのＹ，Ｌａ，Ｃｅの粉末），３ｂ（純度３Ｎ〜４Ｎ
のＢ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌの粉末）元素を添加して
溶解して融液を作り、その後シード付けを行い、所定の
方位に約３日間で、２インチの単結晶をチョクラルスキ
法により育成した。この時の育成速度は２〜４ｍｍ／
ｈ、回転速度は１０〜３０ｒｐｍである。つぎに、上記
方法により育成した結晶体を単一分域化処理を行った。
結晶を結晶と非反応性の導電性粉末を介して、結晶のＺ
軸方向に対向するように例えばＰｔ電極板を設け、電気
炉内に挿入して単一分域化処理を行う。その後、それぞ
れの結晶から各稜がｘ軸方位，ｙ軸方位，およびｚ軸方
位に平行な１０×１０×１０mm³,の正方形ブロックを切
り出し、その各面を鏡面研磨した。あるいはそれぞれの
結晶から２インチのウエハを作成した。これらウエハ中
の各添加元素の含有量は５ａｔ％であった。このように
してニオブ酸リチウム単結晶を準備し、耐光損傷強度の
強度向上について調べた。耐光損傷強度は２種類の測定
法により行った。一つの測定法は結晶中もしくは光導波
路中に波長０．４８８μｍのアルゴンレーザーを入力
し、その入出力特性を評価した。光損傷が発生しなけれ
ば入出力特性は直線上に乗るが、光損傷が発生すると結
晶を通過した後の出力ビームがスポット状から変形する
ので光損傷を検出することができる。この種々の結晶を
用い出射光ビームが変形しはじめるレーザーパワーをそ
の結晶の光損傷閾値として求めその結果を表１に示し
た。

【表１】 @アルゴンレーザーの照射により、従来の無添加ニオブ
酸リチウム単結晶はパワー密度０．１ＫＷ／ｃｍ²のア
ルゴンレーザ入射に対して照射後数秒で光損傷が生じ屈
折率が大きく変化し、出射ビームが変形する。一方、本
発明に係る３ａ，３ｂ族元素を添加したニオブ酸リチウ
ム単結晶の場合には、パワー密度１０ＫＷ／ｃｍ²のア
ルゴンレーザ入射に対して全く光損傷は観測されなかっ
た。 （実施例２）本発明者らは３ａ，３ｂ族元素添加により
耐光損傷強度が向上した結晶を、レーザー光源からの出
射光を基本波として非線形光学結晶への通過により第二
高調波を発生するＳＨＧ素子の基板に用いたところ、約
２ｍＷのＳＨＧ出力が得られ、しかも光損傷は発生せず
にその動作は安定であることが確認された。今後、素子
構造を最適化することによりより高出力のＳＨＧ光が得
られると思われる。 （実施例３）本発明の３ａ，３ｂ族元素添加により耐光
損傷強度が向上した結晶を基板に用い、レーザー光源か
らの出射光を電気光学結晶へ入射し光の位相を変化させ
る光変調器を試作したところ、しかも光損傷は発生せず
にその動作は安定であることが確認された。

【０００６】

【発明の効果】本発明によりはじめて耐光損傷特性に優
れたニオブ酸リチウム単結晶を得ることができた。これ
により短波長光を用いる光素子用基板にニオブ酸リチウ
ム単結晶を用いることができ、ニオブ酸リチウム単結晶
の持つ大きな非線形光学定数を生かしたＳＨＧ素子の安
定性と高出力化の特性向上ができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 康平 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地日立金属株式 会社磁性材料研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期表３ａのうちＹ，ランタノイド、及
   び３Ｂ族元素の１種または２種以上を含むことにより耐
   光損傷強度を向上させたことを特徴とするニオブ酸リチ
   ウム単結晶。
2. 【請求項２】 前記周期表３ａ，３ｂ族元素の１種また
   は２種以上を原子百分比で１０％以下含有することを特
   徴とする請求項１に記載のニオブ酸リチウム単結晶。
3. 【請求項３】 レーザー光源からの出射光を基本波とし
   て非線形光学結晶への通過により高調波を発生する非線
   形光学素子であって、前記非線形光学結晶として請求項
   １または２に記載のニオブ酸リチウム単結晶を用いたこ
   とを特徴とする非線形光学素子。
4. 【請求項４】 レーザー光源からの出射光を光学結晶へ
   入射し電気光学効果あるいは音響光学効果により光の強
   度、位相を制御する光素子であって、前記光学結晶とし
   て請求項１または２に記載のニオブ酸リチウム単結晶を
   用いたことを特徴とする光素子。