JPH05241216A - 第2高調波発生素子 - Google Patents

第2高調波発生素子

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JPH05241216A
JPH05241216A JP7848292A JP7848292A JPH05241216A JP H05241216 A JPH05241216 A JP H05241216A JP 7848292 A JP7848292 A JP 7848292A JP 7848292 A JP7848292 A JP 7848292A JP H05241216 A JPH05241216 A JP H05241216A
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JP
Japan
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domain
substrate
inverted
harmonic
polarization inversion
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Pending
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JP7848292A
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English (en)
Inventor
Satoshi Makio
諭 牧尾
Fumio Nitanda
文雄 二反田
Kohei Ito
康平 伊藤
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Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Ltd
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/355Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3558Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周期的な面状スパイク分極反転格子を用いた
基板を内部共振器に用いることで青色SHGを高効率の
SHG素子を実現する。 【構成】 LiTaO3基板上表面に面状スパイク分極
反転格子を形成するために、基板表面に格子パタ−ンの
プロトン交換層を形成し、パタ−ン形成後、温度200
℃以上で保持時間10分以内で熱処理を行う。前記熱処
理温度までの温度勾配を50℃/分以上、熱処理温度か
らの降温速度を50℃/分以上で行い面状スパイク分極
反転格子が作製できた。作製した基板を共振器内に挿入
する事で高効率の青色SHG素子が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は非線形強誘電体光学材料
であるLiTaO3やLiNbO3基板を用いた第2高調
波発生素子(以下SHG素子)におけるSHG素子の高
効率化に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、小型軽量の青色光源として、波長
830nmの半導体レーザを導波路型のSHG素子で半
分の波長415nmの青色の光に変換することが注目さ
れている。例えば特開昭61−18934公報に記載さ
れているようにLiNbO3基板上にプロトン交換法
(LiNbO3のLiイオンとプロトンを一部置換して
光導波路を形成する方法)により光導波路を形成し、上
記光導波路の一端に基本波を入射し、チェレンコフ放射
によりSHG光を発生させることが提案させている。こ
れを図2に示す。さらに最近では例えばElectronics Le
tters,25,11(1989年)の第731〜732頁で論
じられているように、分極反転を用いて位相整合を行う
方法が提案された。すなわち図3に示すようにLiNb
3基板上にTi拡散によって周期格子を作製し、約1
100℃に加熱して周期格子層だけの分極を反転させ、
その後プロトン交換法によって光導波路を作製し、基本
波を入射しSHG光を取り出すものである。LiTaO
3基板を用いる場合には例えばAppl.Phys.Lett.58(24)
(1991年)第2732〜2734頁で論じられてい
る様にTi拡散の替わりにプロトン交換法によって周期
格子を作製し、約600℃に加熱し周期格子層だけ分極
を反転させ、さらにプロトン交換法によって光導波路を
作製する方法も試みられている。これを図4に示す。ま
た図6に示すように共振器内にLiNbO3基板などの
非線形結晶を挿入し、角度および温度整合によりSHG
光を得る方法も試みられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には、次に示すような問題点があった。図2に示
すチェレンコフ放射を用いる方法では22に示すように
発生するSHG光のビーム形状が三日月型となり、極め
て波面収差が大きく、これを回折限界まで絞り込むこと
はほとんど不可能である。上記例に対して新しく提案さ
れた図3、4に示す分極反転を用いて位相整合を行う方
法はSHG光がコリメートされた光であるため、チェレ
ンコフ放射光と比較して集光が極めて容易であるという
利点を持つ。しかし、分極反転格子の断面形状が、Ti
拡散法で形成されたものは31に示すように三角形であ
り、プロトン交換法では41に示すように半円形である
ため、理想的な矩型断面の分極反転格子を持つSHG素
子本来の効率でSHG光を発生できていない。図6で示
す共振器でLiNbO3基板を用いた場合、青色SHG
光ではなく緑色SHGしか得られない。この構成は半導
体レーザ13を14のレンズでNd:YAG結晶61に
入射することで1064nmの励起光63が得られ、6
2a、62bの共振器ミラー内のLiNbO3結晶21
でSHG光17を得るものである。この構造では結晶の
常光と異常光の屈折率分散の差を利用するもので非線形
光学係数のd31を用い、最も大きなd33を用いることが
できない。また、温度許容幅が0.7℃・cmと非常に
小さいことが問題である。本発明の目的は周期的な面状
の分極反転格子を用いた基板を内部共振器に用いること
で青色SHGを高効率で得られるSHG素子を実現する
ことにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は図1に示
すように周期的に面状の分極反転格子を作製し、内部共
振器に用いることで高効率の青色SHG光を発生させる
ことにある。LiTaO3またはLiNbO3基板におけ
るスパイク状分域の存在は、例えばJ.Appl.Phys.vol.4
6,No.3(1975年)の1063頁に見られるように良
く知られていたが、これまでスパイク状分域を制御する
手段はなかった。本発明はこのスパイク状分域の生成を
人為的に制御することで、基板のc軸(Z)方向に垂直
に延びる性質を利用して、高効率SHG素子を達成する
というものである。そこで我々はスパイク状分域領域が
出現する条件について検討したところ、LiTaO3
たはLiNbO3基板が比較的急速な熱履歴を受けたと
きにスパイク状分域領域が多く出現することを見いだし
た。このことは急速な熱変化に対応して分極の大きさが
急激に変化し、そのため分域壁周辺に実効的な電界が発
生するためであり、このためスパイク状分域が分極の方
向であるc軸に沿って成長するものと考えられる。この
ため同様の現象は熱変化だけでなく例えば応力によって
もスパイク状分域を生成できる可能性があると考えられ
る。もし分域の芽を周期的に形成すれば、このスパイク
状分域を周期的に配置することができると考えるに至っ
た。分域の芽としては、局所的に分極の大きさあるいは
その向きが周辺部分と異なった領域が分域の芽となりう
る可能性があると考えられる。以上の考えに基づき、L
iTaO3またはLiNbO3基板上表面に面状の周期的
スパイク状分極反転格子を形成するために、基板表面に
周期的な格子パタ−ンを形成後、適当な昇降温速度で熱
処理を行い周期的なスパイク状の分極反転格子基板を形
成し、内部共振器に用いることで高効率のSHG素子を
実現できると考えた。また分極反転格子の幅は使用する
光の波長によって選ばれるがほぼ1μm以上10μm以
下の範囲で表面に形成した分域の芽領域の幅とほぼ等し
くすることにより望ましい矩型状の分極反転格子が実現
できる。前記スパイク状分極反転格子は基板表面より内
部方向に形成され、その先端が単一ないし複数のスパイ
クの集まりで、また深さが基板の厚さより小さいことを
特徴としている。
【0005】
【実施例】以下、本発明の実施例について詳しく説明す
る。図1は本発明によるSHG素子の実施例を示す構成
および動作説明図、図5(a)〜(g)は上記SHG素
子の製造工程を示す図である。図7はスパイク状分極反
転格子を示す写真である。図1において、11は表面が
−c面であるLiTaO3単結晶基板で自発分極の向き
は下向きである。12は分極がスパイク状に反転された
部分で、この部分では分極の向きは上向きである。M.Di
domenico Jr.らの文献 Journal of Applied Physics Vo
l.40, No.2 720〜734頁によると非線形光学係数
の符号はLiNbO3またはLiTaO3等の空間群R3
cの強誘電体結晶の場合自発分極の向きと一致する。従
って、本実施例の基板の非線形光学係数d33も周期的に
反転されているといえる。14はレンズ、15は基本波
を反射させる共振器ミラーで基本波は半導体レーザ13
のへき界面の共振器内に閉じこめられる。16は入射基
本波で結晶表面に垂直方向に偏光している。17は結晶
内部で発生したSHG光であり、15のミラーを透過
し、結晶表面に垂直な方向に偏光している。また、15
の共振器ミラーを可変する事で半導体レーザの外部共振
器を構成するために基本波の波長を調整できる。次に、
本発明の分極反転格子の形成方法を図5を用いて説明す
る。図5(a)に示すようにLiTaO3基板の−Z
(c)面を使用するレーザ光波長λの1/10程度まで
研磨した基板11を用意する。(b)11の−Z面上に
Ta膜51を30nmスパッタリングで成膜する。
(c)51膜上にホトレジスト52をスピンコートし、
分極反転12を行う部分が窓あけされたホトマスクを用
い、通常のホトリソグラフィ技術によりホトレジスト5
2のパターニングを行った。ホトマスクのパタ−ン周期
は1〜20μmで発生させるSHG光の周期に合わせて
ある。(d)パターニングしたホトレジスト52をマス
クとして、CF3Clガスを用いたRIEによるドライ
エッチングにより、Ta膜51をパターニングする。
(e)ホトレジスト52をアセトンにより除去し、ピロ
燐酸を用いてプロトン交換を260℃、30〜60分で
行うことで、53のプロトン交換層が形成される。
(f)Ta膜51をNaOHの水溶液でエッチングす
る。(g)上記53のプロトン交換層が形成された基板
を電気炉に挿入し、熱処理を行うことでスパイク状分極
反転層12を形成させる。熱処理条件は温度540℃で
保持時間0.5分、熱処理温度までの昇温速度を50℃
/分以上で行い、熱処理温度からの降温速度を50℃/
分以上で行うことによりスパイク状分極反転格子12が
作製できた。その深さは基板表面に形成されるプロトン
交換格子パタ−ン深さより大きく基板厚さより小さかっ
た。またその幅はプロトン交換パタ−ンの幅とほぼ等し
い。図7は作製されたスパイク状分極反転格子の断面写
真である。以上示した作製方法で面状スパイク分極反転
格子を作製し、光の入射端面を研磨し、素子長2mmの
SHG素子を作製した。作製したSHG素子に波長83
0nmの基本波を入射したところ、415nmの青色S
HG光が得られた。この時のSHG光出力は0.5mW
であり、SHG効率は5%であった。このことにより、
面状スパイク分極反転格子を用いることが高効率のSH
G素子に有用であることが分かった。
【0006】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、周期的な面状スパイク分極反転格子を用いた
基板を内部共振器に用いることで青色SHGを高効率で
得られるSHG素子が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を説明するための構造図であ
る。
【図2】チェレンコフ輻射を用いた従来のSHG素子を
示す図である。
【図3】三角形状の分極反転格子を用いた従来のSHG
素子を示す図である。
【図4】半円状の分極反転格子を用いた従来のSHG素
子を示す図である。
【図5】(a)〜(g)はそれぞれ本発明に係る面状ス
パイク分極反転格子の作製方法を示す図である。
【図6】LiNbO3を用いた従来の内部共振器SHG
素子を示す図である。
【図7】スパイク状分極反転格子を示す金属組織写真で
ある。
【符号の説明】
11 基板(LiTaO3) 12 面状スパイク分極反転領域 13 半導体レーザ 14 レンズ 15 共振器ミラー 16 基本波 17 SHG出力光 21 基板(LiNbO3) 22 チェレンコフSHG光 23 光導波路 31 三角状分極反転領域 41 半円状分極反転領域 51 Ta膜 52 ホトレジスト 53 プロトン交換領域 61 Nd:YAG結晶 62a、62b 共振器ミラー 63 励起光

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 LiTaO3またはLiNbO3基板のY
    方向に長くZ方向に深くX方向に周期的な面状の分極反
    転領域を形成した分極反転格子基板を用いることを特徴
    とする第2高調波発生素子。
  2. 【請求項2】 前記分極反転格子基板のX方向に光を透
    過させる内部共振器に用いたこと特徴とする請求項1の
    第2高調波発生素子。
  3. 【請求項3】 前記分極反転領域のY方向の長さは基板
    の幅と同じないし小さいことを特徴とする請求項1ない
    し2の分極反転格子基板を用いた第2高調波発生素子。
  4. 【請求項4】 前記分極反転領域はZ方向に先端が単一
    ないし複数のスパイク状の尖った形状を持つことを特徴
    とする請求項1ないし3の分極反転格子基板を用いた第
    2高調波発生素子。
  5. 【請求項5】 前記分極反転領域のX方向の周期が1μ
    m以上20μm以下であることを特徴とする請求項1な
    いし4の分極反転格子基板を用いた第2高調波発生素
    子。
  6. 【請求項6】 前記分極反転領域はその深さが周期方向
    の幅より大きいことを特徴とする請求項1ないし5の分
    極反転格子基板を用いた第2高調波発生素子。
  7. 【請求項7】 前記分極反転領域は熱処理により形成さ
    れることを特徴とする請求項1ないし6の分極反転格子
    基板を用いた第2高調波発生素子。
  8. 【請求項8】 前記熱処理温度までの昇温時もしくは熱
    処理温度からの降温時の一方または両方に50℃/分以
    上の温度変化速度を含むことを特徴とする請求項7の分
    極反転格子基板を用いた第2高調波発生素子。
  9. 【請求項9】 前記基板表面に分域反転の核となる格子
    パタ−ンを形成し、その格子パターンと周期が一致した
    周期を持つ分極反転領域を形成することを特徴とする請
    求項1ないし8の分極反転格子基板を用いた第2高調波
    発生素子。
  10. 【請求項10】 前記格子パタ−ンの周期方向の幅が1
    μm以上10μm以下であり、分域反転領域の幅が格子
    パタ−ン幅とほぼ等しいことを特徴とする請求項9の分
    極反転格子基板を用いた第2高調波発生素子。
  11. 【請求項11】 前記基板表面に格子パタ−ン状のプロ
    トン交換層を形成し熱処理を行うことを特徴とする請求
    項9ないし10の分極反転格子基板を用いた第2高調波
    発生素子。
  12. 【請求項12】 前記格子パタ−ン状のプロトン交換層
    の形成後、熱処理温度が200℃以上でありかつ熱処理
    時間が10分以内の熱処理を行うことを特徴とする請求
    項9の分極反転格子基板を用いた第2高調波発生素子。
  13. 【請求項13】 前記分極反転格子は基板表面より内部
    に形成し、深さが基板の厚さより小さいことを特徴とす
    る請求項1ないし12の分極反転格子基板を用いた第2
    高調波発生素子。
JP7848292A 1992-01-24 1992-02-28 第2高調波発生素子 Pending JPH05241216A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7550764B2 (en) 2003-08-20 2009-06-23 Lg Display Co., Ltd. Liquid crystal display device and method of fabricating the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7550764B2 (en) 2003-08-20 2009-06-23 Lg Display Co., Ltd. Liquid crystal display device and method of fabricating the same
US7704768B2 (en) 2003-08-20 2010-04-27 Lg Display Co., Ltd. Method of fabricating liquid crystal display

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