JPH05105592A - ニオブ酸リチウム単結晶および光素子 - Google Patents

ニオブ酸リチウム単結晶および光素子

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JPH05105592A
JPH05105592A JP27364191A JP27364191A JPH05105592A JP H05105592 A JPH05105592 A JP H05105592A JP 27364191 A JP27364191 A JP 27364191A JP 27364191 A JP27364191 A JP 27364191A JP H05105592 A JPH05105592 A JP H05105592A
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single crystal
crystal
lithium niobate
optical
optical element
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JP27364191A
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Yasunori Furukawa
保典 古川
Masazumi Sato
正純 佐藤
Fumio Nitanda
文雄 二反田
Kohei Ito
康平 伊藤
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Proterial Ltd
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Hitachi Metals Ltd
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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2A,2B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、2a,2b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、2a,2b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2a,2b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+
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。2a,2b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2a,2b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Li2CO3とNb25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N
25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,Nb25)と2a(純度3N〜
4NのBe,Ca,Sr,Baの粉末),2b(純度3
N〜4NのZn,Cd,Hg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2a,2b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2a,2b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2a,2b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2a,2b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2a,2b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。
JP27364191A 1991-10-22 1991-10-22 ニオブ酸リチウム単結晶および光素子 Pending JPH05105592A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101144258B1 (ko) * 2003-11-25 2012-05-10 스미토모 긴조쿠 고잔 가부시키가이샤 니오브산 리튬 기판 및 그 제조방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101144258B1 (ko) * 2003-11-25 2012-05-10 스미토모 긴조쿠 고잔 가부시키가이샤 니오브산 리튬 기판 및 그 제조방법

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