JPH06130436A

JPH06130436A - 第２高調波発生素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06130436A
Application number: JP5036138A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Makio; 諭牧尾; Fumio Nitanda; 文雄二反田; Kohei Ito; 康平伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1993-02-01
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1994-05-13

Abstract

(57)【要約】【目的】分極の芽領域から延在させた分極反転領域を
周期的に配置することで理想的な矩形状の分極反転格子
を実現し高効率にＳＨＧ光を発生させる。【構成】ＬｉＴａＯ₃ 或いはＬｉＮｂＯ₃ 基板を用い
て、まず基板表面に格子パターンのプロトン交換層すな
わち分極の芽領域を形成し、パターン形成後、温度２０
０℃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℃／分以上で行うことでプロトン
交換領域から下方に分極反転領域を形成し、その先端を
鋭角にすると共に形成される分極反転格子の深さ／幅比
が１を超えるようにする。これにより、高効率のＳＨＧ
素子を実現できる。

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 （以下ＬＴと称す）やＬｉＮｂＯ₃
（以下ＬＮと称す）基板を用いた第２高調波発生素子
（以下ＳＨＧ素子）及びこの製造方法に関わり、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号公報に記載
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れている。こ
れを図２に示す。図２において、ＬｉＮｂＯ₃ よりなる
基板２１の表面にチャンネル型光導波路１３を形成し、
この一端より基本波入射光１４を入射させると、反対側
より断面三日月状のチェレンコフＳＨＧ光２２が出力さ
れる。更に、最近では例えばＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ、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ＬｉＮｂＯ₃ 基板２１上にＴｉ拡散によって周期
格子を作製し、約１１００℃に加熱して周期格子層だけ
の分極を反転させることによって三角状分極反転領域３
１を形成し、その後プロトン交換法によって光導波路１
３を作製し、基本波１４を入射しＳＨＧ光１５を取り出
すものである。ＬｉＴａＯ₃ 基板を用いる場合には例え
ばＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５８（２４）（１９
９１年）第２７３２〜２７３４頁で論じられている様
に、図４に示すようにＬｉＴａＯ₃ よりなる基板１１上
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
転させることによって半円状の分極反転領域４１を形成
し、更にプロトン交換法によって光導波路１３を作製す
る方法も試みられている。そして、この光導波路１３に
基本波１４を入射してＳＨＧ光１５が取り出される。

【０００３】また、他の従来の第２高調波発生素子とし
ては、１９９１年、９月発行のＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙ
ｓｉｃａｌＬｅｔｔｅｒｓの１５３８頁に記載された
ＬＴ導波路を用いたＳＨＧ素子や、国際公開番号Ｗ０９
０／０４８０７号公報に開示された導波路構造や、特開
平４−２２９８４１号公報に開示されたＳＨＧ素子や、
１９９１年５月９日発行のＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＬ
ＥＴＴＥＲに記載されたＳＨＧ素子などが知られてい
る。

【０００４】

【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及び図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。ところで、ＳＨＧ光の発生効率は、分
極反転格子と光導波路との交差面積或いは交差断面積に
依存しており、これらが大きい程、効率も良くなる。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
矩形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。

【０００５】また、Ｔｉ拡散領域は強い光によって屈折
率が変化する光損傷が起きやすくなることやプロトン交
換領域では非線形光学係数が低下して本来のＳＨＧ発生
効率が得られないことなど問題があった。また、従来か
ら用いられてきたプロトン交換処理の方法は、図１３に
示すように恒温槽３５４内に設置したガラス容器３５１
内にプロトン源である酸３５３を収容し、この酸の中に
基板３５２をつけることが行われている。この場合、プ
ロトン源である酸によってはガラス容器３５１が侵され
ることや基板の全方位がプロトン交換されることによ
り、酸による化学損傷性の結晶方位による違いにより基
板の表面が荒れたり、割れてしまう問題点があった。更
に、従来の方法では分極反転格子の作製と光導波路の作
製が別々の工程で２回以上のフォトリソグラフィを行わ
なければならないなど問題があった。

【０００６】また、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃａｌ
ＬｅｔｔｅｒｓのＳＨＧ素子にあっては、分極反転格
子の幅が２．１μｍであるに対してその深さが１．６μ
ｍとなって非常に浅く、大出力素子に適さないのみなら
ず、熱処理温度も５５０℃程度とかなり高いという問題
点があった。Ｗ０９０／０４８０７号公報の導波路構造
にあっては、熱処理時に全体を加熱することから熱拡散
が全方向に拡がる恐れがあるという問題点があった。ま
た、特開平４−２２９８４１号公報に示すＳＨＧ構造に
あっては、ＬＴを用いて断面矩形の分極反転層を形成す
るものであるが、表面の組成変化を生じている恐れのあ
る部分を用いて導波路を形成していることから変換効率
が劣化する恐れがあった。

【０００７】更に、ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＬＥＴＴ
ＥＲに記載されたＳＨＧ素子にあっては、電子ビームを
用いてＬＮ基板に分極反転層を形成するものであるが、
このように電子ビームを用いる場合には、電子ビームに
より反転層を形成することから反転層の奥行き方向の結
晶の均一性が確保できない恐れがあった。本発明は、以
上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創
案されたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】
本発明の目的は分極反転格子の形状を理想
的な矩型状に作製することにある。本発明の目的は図
１に示すように周期的に先端が鋭角になされた、例えば
スパイク状の分極反転領域を作製することで理想的な矩
形状の分極反転格子を実現し、高効率のＳＨＧ光を発生
させることができる第２高調波発生素子を提供すること
にある。尚、本願において使用されるスパイク状なる用
語は、単に先端が鋭角になされている状態を示すだけに
用いられる。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．Ｐ
ｈｙｓ．ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．３（１９７５年）の１０
６３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
の先端が鋭角になされた分極反転領域の生成を人為的に
制御することで、基板のｃ軸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。

【０００９】そこで我々は先端が鋭角になされた分極反
転領域が実現する条件について検討したところ、ＬｉＴ
ａＯ₃ またはＬｉＮｂＯ₃ 基板が比較的急速な熱履歴を
受けた時に上記した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。もし分極の芽領域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或い
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。

【００１０】以上の考えに基づき、ＬｉＴａＯ₃ または
ＬｉＮｂＯ₃ 基板上表面に周期的に先端が鋭角になされ
た分極反転格子を形成するために、基板表面に周期的な
分極の芽領域を形成後、適当な昇降温速度で熱処理を行
い周期的な先端が鋭角になされた分極反転領域を形成
し、その後表面に上記領域と直交する方向に光導波路を
作製することで光導波路内では実質的に矩型の分極反転
格子が形成できその結果として高効率のＳＨＧ素子を実
現できると考えた。また、表面に残った分域の芽を研磨
等で除去した後に光導波路を形成しても良い。前記先端
が鋭角の分極反転領域の深さは光導波路の深さより大き
いことが望ましくそのため分極反転格子の深さは周期方
向の幅より大きいこと、すなわち分極反転格子の深さ／
幅比が１を超えていることが望ましい。また分極反転格
子の周期方向の幅は使用する光の波長によって選ばれる
が略１μｍ以上１０μｍ以下の範囲で表面に形成した分
極の芽領域の幅と略等しくすることにより望ましい矩形
状の分極反転格子が実現できる。

【００１１】分極反転領域形成のための熱処理において
は、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
度を行うことが望ましい。また、前記基板表面に分極反
転の芽となる芽領域すなわち格子パターンを形成し、こ
の芽領域から分極反転領域を延在させることによりその
格子パターンと周期が一致した周期を持つスパイク状分
極反転領域を形成できる。更に、前記格子パターンの周
期方向の幅が１μｍ以上１０μｍ以下であり、スパイク
状分極反転領域の幅が格子パターン幅と略等しいものが
ある。また、前記基板表面に格子パターン状のプロトン
交換層を形成し熱処理を行うこともできる。更に、前記
格子パターン状のプロトン交換層の形成後の熱処理は、
熱処理温度が２００℃以上であり且つ熱処理時間が１０
分以内でよい。

【００１２】また、本発明の目的は理想的な矩形状の分
極反転格子を材料本来の特性を発揮できる一様な組成領
域に形成し、高効率のＳＨＧ素子を作製することにあ
る。すなわち、本発明の目的は図９に示すようにプロト
ン交換領域である分極の芽領域から延在する分極反転領
域を作製することで理想的な矩形状の分極反転格子を実
現し、高効率のＳＨＧ光を発生させることにある。

【００１３】ＬｉＴａＯ₃ またはＬｉＮｂＯ₃ 基板上表
面にプロトン交換領域である分極の芽領域から周期的分
極反転領域を形成するために、まず、基板表面に光導波
路を作製し、プロトン交換による周期的な格子パターン
を形成後、適当な昇降温速度で熱処理を行って芽領域か
ら分極反転領域を延在させることで光導波路内に実質的
に矩型の分極反転格子が形成できる。その結果として高
効率のＳＨＧ素子を実現できる。

【００１４】また、本発明によれば、ＬｉＴａＯ₃ また
はＬｉＮｂＯ₃ 基板の一様な組成領域内に周期的分極反
転領域を形成するために、プロトン交換による周期的な
格子パターンを形成時に適当な昇降温速度の熱履歴を与
えることで周期的な先端が鋭角の分極反転領域を形成
し、その後、そのままもしくは再熱処理を加えた後、光
導波路を作製することで、光導波路内に実質的に矩型の
分極反転格子が形成できる。更に、図１５に示すように
プロトン交換処理の方法としては、プロトン交換源であ
る酸の表面張力を用いて基板表面に酸を保持し、方向性
加熱手段、例えばプレート型ヒーターにより急激な熱履
歴を与えながら結晶基板の一面のみにプロトン交換を行
うことで周期的な先端が鋭角の分極反転領域を形成でき
る。また、基板ホルダーとして熱伝導性が良く、プロト
ン源である酸に侵されにくい白金を用い、その形状を板
状またはもし酸がこぼれた時のヒーターの保護用のため
に皿状とする。その結果として容易に高効率のＳＨＧ素
子を実現できると考えた。

【００１５】また、本発明の目的は理想的な矩形状の分
極反転格子と光導波路を１回のフォトリソグラフィで容
易に作製した高効率のＳＨＧ素子を作製することにあ
る。すなわち、本発明の目的は図１８に示すようにプロ
トン交換領域（芽領域）から伸びる分極反転格子を作製
することで理想的な矩形状の分極反転格子を実現し、更
にプロトン交換領域を光導波路とすることで、高効率の
ＳＨＧ光を発生させる素子を簡単な工程で作製すること
にある。

【００１６】また、本発明の目的は、分極反転格子の幅
と導波路の幅とを同一に形成した第２高調波発生素子及
びその製造方法を提供する。本発明は、また、前記周期
的分極反転格子形成後、熱処理により基板表面のプロト
ン交換領域の屈折率を高くすることで光導波路とするこ
とを特徴とする。本発明は更に、前記熱処理温度が２０
０℃以上であり且つ熱処理時間が２０分以内であること
を特徴とする。

【００１７】本発明は更に、前記熱処理において処理温
度までの昇温時もしくは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。本発明は更に、前記酸はピロ燐酸、燐酸、
安息香酸、ステアリン酸を用いることを特徴とする。ま
た、本発明の目的は、ＭｇＯを１モル％以上添加したＬ
Ｔ基板を用いることにより光透過性に優れた第２高調波
発生素子を提供する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳しく説明す
る。

【００１９】（実施例１）図１は本発明によるＳＨＧ素
子の実施例を示す構成及び動作説明図、図５（ａ）〜
（ｈ）は上記ＳＨＧ素子の製造工程を示す図である。図
６、７はスパイク状分極反転格子、図８は従来の半円状
の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は分極が例えばスパイク
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．ＤｉｄｏｍｅｎｉｃｏＪｒ．らの文献
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃ
ｓＶｏｌ．４０、Ｎｏ．２７２０〜７３４頁による
と非線形光学係数の符号はＬｉＮｂＯ₃ またはＬｉＴａ
Ｏ₃ 等の空間群Ｒ３ｃ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、本実施例の基板並びに光導波
層の非線形光学係数も周期的に反転されているといえ
る。１３はチャンネル型光導波路であり、基本波、ＳＨ
Ｇ光もこの部分に閉じ込められて伝搬する。１４は入射
基本波で結晶表面に垂直方向に偏光している。１５は光
導波層部分で発生したＳＨＧ光であり、やはり結晶表面
に垂直な方向に偏光している。

【００２０】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ＬｉＴ
ａＯ₃ 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。図５
（ｂ）に示すように基板１１の−Ｚ面上にＴａ膜５１を
３０ｎｍスパッタリングで成膜する。図５（ｃ）に示す
ようにＴａ膜５１上にホトレジスト５２をスピンコート
し、分極反転１２を行う部分が窓あげされたホトマスク
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５２のパターニングを行った。ホトマスクのパターン
周期は１〜１０μｍで発生させるＳＨＧ光の周期に合わ
せてある。図５（ｄ）に示すようにパターニングしたホ
トレジスト５２をマスクとして、ＣＦ₃ Ｃｌガスを用い
たＲＩＥによるドライエッチング或いはウェットエッチ
ングにより、Ｔａ膜５１をパターニングする。図５
（ｅ）に示すようにホトレジスト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℃、３
０〜６０分で行うことで、分極の芽領域（以下プロトン
交換領域乃至交換層と称す）５３が形成される。図５
（ｆ）に示すようにＴａ膜５１をＮａＯＨの水溶液でエ
ッチングする。図５（ｇ）に示すように上記プロトン交
換層５３が形成された基板を電気炉に挿入し、熱処理を
行うことで分極反転層はプロトン交換層５３を核乃至芽
として下方に延び、結果的に先端が鋭角になされたスパ
イク状分極反転領域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
転領域すなわち分極反転格子１２が作製できた。その深
さは基板表面に形成される光導波路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ー
ンの幅と略等しく、光導波路の深さの範囲では略矩形状
の分極反転格子を実現できた。また、分極反転格子１２
の深さ／幅比は１を超える大きさとし、これにより導波
路面積を大きくして大出力化に対応することができる。
この場合、特にバルク型のＳＨＧ素子として用いること
により、効率良くＳＨＧ光を発生させることができる。
この格子１２の深さ／幅比が１を超えることによる作用
効果は、後述する他の全ての実施例においても同様に発
揮される。尚、上記熱処理時間を例えば５分間より長く
行うと形成されたスパイク状の分極反転格子１２が消滅
するので、保持時間は分極反転格子１２が消滅しない時
間、例えば５分以内とする。図５（ｈ）に示すようにス
パイク状反転格子１２を形成後、基板表面のプロトン交
換層５４を研磨により除去し、その後、通常のプロトン
交換法により基板表面に分極反転格子に直交するように
光導波路を作製した。光導波路の導波方向は分極反転格
子の周期方向に対して垂直方向に図５（ａ）〜（ｆ）ま
でを行い、最後に導波路端面を光学研磨することにより
ＳＨＧ素子が作製される。また、プロトン交換層が残っ
たまま光導波路を作製しても良い。図６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。上部のプロト
ン交換層及びスパイク状分極反転格子の反転部分と基板
部分の間隔が１対１になるまで研磨し、その後基板表面
に光導波路を作製することで高効率のＳＨＧ素子が実現
できる。

【００２１】前述した作製方法でスパイク状分極反転格
子を作製し、基板表面を研磨せずに光導波路を作製し、
素子長１ｃｍのＳＨＧ素子を作製した。基本波の光源と
してチタン−サファイヤレーザを用いて、作製したＳＨ
Ｇ素子に波長８３０ｎｍの基本波を入射したところ、４
１５ｎｍの青色ＳＨＧ光が得られた。この時のＳＨＧ光
出力は２．７ｍＷであり、規格化ＳＨＧ効率は１０％／
Ｗ・ｃｍ² であった。この時の作製された分極反転格子
は図７で示すような理想的な矩形状に近い分極反転格子
が形成されており、先端がスパイク状であった。

【００２２】次に、比較のために熱処理時間を１０分と
長くし他の条件は全く実施例と同様にして別のＳＨＧ素
子を作製した。この時作製された分極反転格子の断面を
観察すると図８で示すような半円状であった。次にＳＨ
Ｇ光出力を実施例と同様に測定したところこの時のＳＨ
Ｇ光出力は０．１ｍＷであり、規格化ＳＨＧ効率は４％
／Ｗ・ｃｍ² であった。このことにより、スパイク状分
極反転格子を用いることが高効率のＳＨＧ素子に有用で
あることが分かった。尚、上記実施例において分極反転
格子の形状は、スパイク状のものについて説明したが、
これに限定されないのは勿論であり、後述する実施例に
おいても同様である。

【００２３】以上の説明から明らかなように、本実施例
によれば、分極反転格子を作製することで理想的な矩形
状の分極反転格子を実現することができ、高効率のＳＨ
Ｇ光を発生できるＳＨＧ素子が実現できる。また、上記
実施例ではＬＴ基板について主に説明したが、ＬＮ基板
についても同様な作用効果を生ずる。また、以下に説明
する全ての実施例においても、その作用効果はＬＮ基板
においても同様に発揮される。

【００２４】（実施例２）上記実施例では分極反転領域
形成後に光導波路を形成したが、これらの形成手順を以
下のように逆にし、また、プロトン交換領域を残すよう
にしてもよい。以下、本発明の第２実施例について詳し
く説明する。図９は本発明によるＳＨＧ素子の実施例を
示す構成及び動作説明図、図１０（ａ）〜（ｇ）は上記
ＳＨＧ素子の製造工程を示す図である。図１１はプロト
ン交換領域外に形成された分極反転格子、図１２は半円
状の分極反転格子を示す写真である。

【００２５】図９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は分極が組成変調領域であるプロトン交換領域
（分極の芽領域）１６とそれ以外に形成された部分で、
これらの部分では分極の向きは上向きである。１３はチ
ャンネル型光導波路であり、基本波、ＳＨＧ光もこの部
分に閉じこめられて伝搬する。１４は入射基本波で結晶
表面に垂直方向に偏光している。１５は光導波層部分で
発生したＳＨＧ光であり、やはり結晶表面に垂直な方向
に偏光している。

【００２６】次に、本発明の分極反転格子の形成方法を
図１０を用いて説明する。図１０（ａ）に示すようにＬ
ｉＴａＯ₃ 基板の−Ｚ（ｃ）面上にプロトン交換法によ
り光導波路１３を形成した基板１１を用意する。このよ
うに最初に導波路１３を形成した点を除き、図１０
（ｂ）から図１０（ｇ）に示す各工程は先の実施例１に
おける図５（ｂ）から図５（ｇ）に示す各工程と同様に
操作される。以上のようにして作製された分極反転格子
乃至領域１２の深さは基板表面に形成された光導波路及
びプロトン交換層の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ーンの幅と略等し
く、光導波路の深さの範囲では略矩型状の分極反転格子
を実現できた。最後に導波路端面を光学研磨することに
よりＳＨＧ素子が作製される。また、この場合にも、実
施例１と同様に熱処理時の保持時間を例えば５分間より
長く行うと形成されたスパイク状の分極反転格子１２が
消滅するので、保持時間は分極反転格子１２が消滅しな
い時間、例えば５分以内とする。

【００２７】以上示した作製方法で分極反転格子を作製
し、素子長１ｃｍのＳＨＧ素子を作製した。この素子に
実施例１で用いたと同様なチタン−サファイヤレーザを
用いて基本波を入射したところ、実施例１と同様なＳＨ
Ｇ光出力、規格化効率を得ることができた。この時の作
製された分極反転格子は図１１で示すような理想的な矩
型状に近い分極反転格子が形成されており、先端がスパ
イク状であった。

【００２８】次に、比較のためにプロトン交換領域のみ
が分極反転された別のＳＨＧ素子を作製した。この時作
製された分極反転格子の断面を観察すると図１２で示す
ような半円状であった。次にＳＨＧ光出力を実施例と同
様に測定したところこの時のＳＨＧ光出力は２．７ｍＷ
であり、規格化ＳＨＧ効率は４％／Ｗ・ｃｍ² であっ
た。このことにより、スパイク状分極反転格子を用い、
プロトン交換領域以外に分極反転格子を作製することが
高効率のＳＨＧ素子に有用であることが分かった。以
上の説明から明らかなように、本実施例によれば、プロ
トン交換領域以外に分極反転格子を作製することで理想
的な矩型状の分極反転格子を実現することができ、高効
率のＳＨＧ光を発生できるＳＨＧ素子が実現できる。

【００２９】（実施例３）先の実施例にあっては、プロ
トン交換操作とスパイク状の分極反転格子の形成操作を
別工程で行っているが、以下に示すようにこれを同時に
行うようにしてもよい。以下、本発明の第３実施例につ
いて詳しく説明する。図１４はプロトン交換熱処理の方
法を示す図、図１５（ａ）〜（ｆ）は上記ＳＨＧ素子の
製造工程を示す図である。図１６はプロトン交換領域外
に形成された分極反転格子、図１７は半円状の分極反転
格子を示す写真である。本実施例においては最終的には
先の第２実施例の図９にて示す構造と同様なＳＨＧ素子
が形成される。従って、先に説明したように図９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は分極が組成変調
領域であるプロトン交換領域１６とそれ以外に形成され
た部分で、これらの部分では分極の向きは上向きであ
る。１３はチャンネル型光導波路であり、基本波、ＳＨ
Ｇ光もこの部分に閉じこめられて伝搬する。１４は入射
基本波で結晶表面に垂直方向に偏光している。１５は光
導波層部分で発生したＳＨＧ光であり、やはり結晶表面
に垂直な方向に偏光している。

【００３０】次にプロトン交換処理について説明する。
酸性の溶液に基板等を浸漬するプロトン交換により、基
板表面からＨ⁺ イオンが基板内に侵入して基板のＬｉと
交換され、組成変化層が形成される。特に燐酸類は解離
定数が安息香酸（Ｃ₆ Ｈ₅ ＣＯＯＨ、融点１２１℃、沸
点２５０℃）に比べ２〜３桁高く、Ｈの濃度が高いため
組成変化の度合いが大きくなる。また、３００℃程度ま
で液体での高温処理が可能であり、蒸発量が極めて少な
く制御性や作業性が良い。更に、水に可溶なためサンプ
ル及び容器や治具の洗浄が可能である。燐酸としてピロ
燐酸（Ｈ₄ Ｐ₂Ｏ₇ 、融点６１℃、沸点３００℃）を用
いた。図１４において、表面が−Ｚ面であるＬｉＴａＯ
₃ 単結晶基板１１を基板ホルダーである白金板６２上に
置き、ピロ燐酸６３を基板１１上に表面張力を利用して
数滴たらして保持する。プロトン交換温度に加熱された
方向性加熱手段、例えばプレート型ヒーター６４上に６
２の基板ホルダーを置き、これを一方向すなわち裏面か
ら加熱して数分〜数時間プロトン交換を行う。ここで方
向性加熱手段とは基板をその片面より加熱し得る加熱手
段を意味するものとする。プロトン交換後、基板を取り
出し水洗することで６３のピロ燐酸を除去する。これに
より基板１１の一面のみにプロトン交換層６５が形成さ
れる。プロトン交換はすべて大気中で行った。また、選
択的にプロトン交換するには、ピロ燐酸に融けないＴａ
膜を基板表面につけフォトリソグラフィにより、格子マ
スクを作製することで可能である。ここで基板ホルダー
６２は熱伝導性が良く、プロトン源である酸に侵されに
くい白金を用い、その形状を板状またはもし酸がこぼれ
た時のヒーターの保護用のために皿状とした。

【００３１】次に、本発明の分極反転格子の形成方法を
図１５を用いて説明する。図１５（ａ）に示すようにＬ
ｉＴａＯ₃ 基板１１を用意する。以下の図１５（ｂ）か
ら図１５（ｄ）に示す各工程は先の実施例１における図
５（ｂ）から図５（ｄ）に示す各工程と全く同様に操作
される。そして、図１５（ｅ）に示すようにホトレジス
トをアセトンにより除去し、ピロ燐酸を用いて図１４で
示したプロトン交換熱処理を２６０℃、３０〜６０分で
行うことで、プロトン交換領域１６が形成されると同時
にスパイク状分極反転領域１２を形成させる。図１４の
ヒーター６４へ基板ホルダー６２を置く時と取り外す時
に基板１１は急激な熱変化を受ける。この時のプロトン
交換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
によりプロトン交換領域１６外にスパイク状分極反転領
域すなわち分極反転格子１２が作製できた。図１５
（ｆ）に示すようにＴａ膜５１をＮａＯＨの水溶液でエ
ッチングする。そのままもしくは再熱処理を温度４００
℃で保持時間０．５分、熱処理温度までの昇温速度を５
０℃／分以上で行い、熱処理温度からの降温速度を５０
℃／分以上で行うことでプロトン交換による非線形光学
定数の低下を抑制できる。その後、光導波路を作製す
る。作製された分極反転格子の深さは基板表面に形成さ
れた光導波路及びプロトン交換層の深さより大きく基板
厚さより小さく、その幅はプロトン交換パターンの幅と
略等しく、光導波路の深さの範囲では略矩型状の分極反
転格子を実現できた。最後に導波路端面を光学研磨する
ことによりＳＨＧ素子が作製される。また、プロトン交
換層領域を導波路形成前に研磨により除去することでプ
ロトン交換による非線形光学定数の影響を防いでも良
い。

【００３２】このように、この実施例によれば、プロト
ン交換と同時に分極反転格子１２を形成することができ
るので、その後の熱処理が不要となり工程数を減らすこ
とができる。また、プロトン交換時、一方向すなわち基
板の裏面から加熱するようにしているので、加熱炉等に
て全体加熱を行う場合と比較して熱拡散方向を制御で
き、良好な分極反転格子を形成できる。以上示した作製
方法で分極反転格子を作製し、素子長１ｃｍのＳＨＧ素
子を作製した。この素子に実施例１で用いたと同様なチ
タン−サファイヤレーザを用いて基本波を入射したとこ
ろ、実施例１と同様なＳＨＧ光出力、規格化ＳＨＧ効率
を得ることができた。この時の作製された分極反転格子
は図１６（ａ）で示すような理想的な矩型状に近い分極
反転格子が形成されており、先端がスパイク状であっ
た。

【００３３】また、図１６（ｂ）は、上記操作において
基板としてＬｉＴａＯ₃ を使用し、ピロ燐酸を用いたプ
ロトン交換を２６０℃で３０分間行い、その後、プロト
ン交換熱処理を４４０℃で０．５分行った時の結晶構造
を示す。また、図１６（ｃ）は、上記操作において基板
としてＬｉＮｂＯ₃ を使用し、ピロ燐酸を用いたプロト
ン交換を２３０℃で１６分間行い、その後、熱処理を７
００℃で０．５分間行った時の結晶構造を示す。これら
によれば、プロトン交換層の厚さは１μｍ以下でもある
にもかかわらず、分極反転領域は上記プロトン交換層か
ら基板内に深く伸び進んでその長さが４０μｍ以上にも
達しており、その先端は薄く鋭くなったスパイク状とな
って良好であることが判明する。

【００３４】次に、比較のためにプロトン交換領域のみ
が分極反転された別のＳＨＧ素子を作製した。この時作
製された分極反転格子の断面を観察すると図１７で示す
ような半円状であった。次にＳＨＧ光出力を実施例と同
様に測定したところこの時のＳＨＧ光出力は１００ｎＷ
であり、規格化ＳＨＧ効率は４％／Ｗ・ｃｍ² であっ
た。このことにより、プロトン交換熱処理時にプロトン
交換領域以外にスパイク状分極反転格子を作製すること
で容易に高効率のＳＨＧ素子が実現できることが分かっ
た。以上の説明から明らかなように、本実施例によれ
ば、プロトン交換熱処理時にプロトン交換領域以外に分
極反転格子を作製することで理想的な矩型状の分極反転
格子を実現することができ、高効率のＳＨＧ光を発生で
きるＳＨＧ素子が容易に実現できる。

【００３５】（実施例４）先の実施例３にあっては分極
反転格子の形成と光導波路の形成を別工程で行うように
したが、以下に示すようにこれを１回のフォトリソグラ
フィーだけで形成するようにしてもよい。以下、本発明
の第４実施例について詳しく説明する。図１８は本発明
によるＳＨＧ素子の実施例を示す構成及び動作説明図、
図１９（ａ）〜（ｆ）は上記ＳＨＧ素子の製造工程を示
す図である。図２０はプロトン交換領域から延在させて
形成された分極反転格子、図２１は半円状の分極反転格
子を示す写真である。

【００３６】図１８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は組成変調領域であるプロトン交換領域１６
と同時に形成された反転分極であり、これらの部分では
分極の向きは上向きである。１３はチャンネル型光導波
路となり、基本波、ＳＨＧ光もこの部分に閉じこめられ
て伝搬する。１４は入射基本波で結晶表面に垂直方向に
偏光している。１５は光導波層部分で発生したＳＨＧ光
であり、やはり結晶表面に垂直な方向に偏光している。

【００３７】次のプロトン交換処理については、前述し
た第３実施例の場合と全く同様に行われ、ピロ燐酸等を
用いて行われる。また、プロトン交換時の酸は、燐酸、
安息香酸、ステアリン酸を用いることでも可能であるこ
とは容易に類推する事ができる。

【００３８】次に、本発明の分極反転格子と光導波路の
形成方法を図１９を用いて説明する。図は光導波路と分
極反転格子部分の断面図である。図１９（ａ）に示すよ
うにＬｉＴａＯ₃ 基板１１を用意する。以下、図１９
（ｂ）から図１９（ｄ）に示す各工程は、図１９（ｃ）
において導波路幅２〜６μｍで窓あけされたホトマスク
を用いた点を除き、先の実施例１における図５（ｂ）か
ら図５（ｄ）に示す各工程と全く同様に操作される。そ
して、図１９（ｅ）に示すようにホトレジストをアセト
ンにより除去し、ピロ燐酸を用いて第３実施例の図１４
で示したプロトン交換熱処理を２６０℃、３０〜６０分
で行うことで、プロトン交換領域乃至交換層１６が形成
されると同時にスパイク状分極反転層１２を形成させ
る。図１４のヒーター６４へ基板ホルダー６２を置く時
と取り外す時に基板１１は急激な熱変化を受ける。この
時のプロトン交換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プロトン交換領域１６とスパイク状
分極反転領域すなわち分極反転格子１２が作製できた。
図１９（ｆ）に示すようにＴａ膜５１をＮａＯＨの水溶
液でエッチングする。熱処理を温度３８０℃で保持時間
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
ことでプロトン交換部分の屈折率を高くし光導波路を形
成する。また、プロトンによる非線形光学定数の低下を
抑制できる。熱処理時間が２０分以上行うとプロトンの
拡散が大きくなり過ぎるために光導波路の損失が大きく
なってしまう。作製された分極反転格子の深さは基板表
面に形成された光導波路及びプロトン交換層の深さより
大きく基板厚さより小さく、その幅はプロトン交換パタ
ーンの幅と略等しく、光導波路の深さの範囲では略矩型
状の分極反転格子を実現できた。最後に導波路端面を光
学研磨することによりＳＨＧ素子が作製される。

【００３９】以上示した作製方法で分極反転格子を作製
し、素子長１ｃｍのＳＨＧ素子を作製した。この素子に
実施例１で用いたと同様なチタン−サファイヤレーザを
用いて基本波を入射したところ、実施例１と同様なＳＨ
Ｇ光出力、規格化ＳＨＧ効率を得ることができた。この
時の作製された分極反転格子は図２０で示すような理想
的な矩型状に近い分極反転格子が形成されており、先端
がスパイク状であった。特に、図２０においては第１実
施例の図６と異なり、各分極反転格子がその上端部にお
いて接触することなく明確に離間しており、良好な構造
となっているのが判明する。

【００４０】次に、比較のためにプロトン交換領域のみ
が分極反転された別のＳＨＧ素子を作製した。この時作
製された分極反転格子の断面を観察すると図２１で示す
ような半円状であった。次にＳＨＧ光出力を実施例と同
様に測定したところこの時のＳＨＧ光出力は１００ｎＷ
であり、規格化ＳＨＧ効率は４％／Ｗ・ｃｍ² であっ
た。このことにより、プロトン交換熱処理時にプロトン
交換領域外に伸びるスパイク状分極反転格子と導波路と
を１回のフォトリソグラフィーの工程で容易に作製する
ことができ、高効率のＳＨＧ素子が実現できることが分
かった。また、スパイク状分域の芽となるプロトン交換
領域は図２２に示すような熱処理を行うことにより屈折
率が高くなり、光導波路として構成することができる。
すなわち、ＬｉＴａＯ₃ またはＬｉＮｂＯ₃ 基板の一様
な組成領域内に周期的分極反転領域を形成するために、
プロトン交換による周期的な格子パターンを形成する時
に適当な昇降温速度の熱履歴を与えることで周期的なス
パイク状の分極反転領域を形成し、その後、再熱処理を
加えることでプロトン交換領域を光導波路とすれば、光
導波路内に実質的に矩型の分極反転格子が形成できる。
この方法を用いれば分極反転格子と光導波路を１回のフ
ォトリソグラフィーだけで作製できる。この場合、プロ
トン交換処理の方法として、図１９に示すように例えば
プレート型ヒーターを用いて行う。

【００４１】以上の説明から明らかなように、本実施例
によれば、プロトン交換熱処理時にプロトン交換領域以
外に伸びるスパイク状分域反転格子を作製することで理
想的な矩型状の分極反転格子を実現することができ、１
回のフォトリソグラフィーの工程で高効率のＳＨＧ光を
発生できるＳＨＧ素子が容易に実現できる。

【００４２】（実施例５）以上の各実施例に示すように
スパイク形状の分極反転格子を形成することによりＳＨ
Ｇ光の発生効率を高めることができるが、以下に示すよ
うに基板材料にＭｇを添加することにより更にＳＨＧ光
の発生効率を高めることができる。

【００４３】以下、本発明の第５実施例をより詳細に説
明する。試料を次の作製方法により作成した。まずチョ
クラルスキ法により、直径１００ｍｍ深さ１２０ｍｍの
イリジウムで作られた坩堝内に約５ＫｇのＬｉＴａＯ₃
原料粉（育成に用いた原料は純度４ＮのＬｉ₂ Ｏ、Ｔａ
₂ Ｏ₅ 、ＭｇＯの粉末を混合したものである。）をいれ
高周波加熱によりこれを溶かし、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
単結晶を育成した。この時の育成速度は１〜２ｍｍ／
ｈ、回転速度は１０〜２０ｒｐｍである。次に、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、及び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。或いはそれぞれの結
晶から２インチのウエハを作成した。このようにしてタ
ンタル酸リチウム単結晶を準備し、光透過特性について
調べた。

【００４４】この結果の例を図２３に示す。鉄等の遷移
金属不純物を数〜十数ｐｐｍと多く含むＳＡＷグレード
のタンタル酸リチウム単結晶は、３００〜５００ｎｍの
広い波長範囲に大きな光吸収がある。鉄、マンガン、ク
ロムなどの遷移金属不純物を１ｐｐｍ以下に低減したタ
ンタル酸リチウム単結晶（光学グレードと称す）は、鉄
の多い結晶に比べて３００〜５００ｎｍでの光吸収は小
さくなったが、４００ｎｍ以下での吸収はあるため４０
０ｎｍ以下の青色ＳＨＧ光の発生用基板としては光透過
性は不十分である。更にＭｇＯを１ｍｏｌ％添加した結
晶では基礎吸収端が約２ｎｍ短波長側へ移動し、ＭｇＯ
添加量を増やすと更に基礎吸収端は短波長側になった。
特に、ＭｇＯ添加による顕著な効果は波長２８０〜４０
０ｎｍでの光透過率の向上であり、この基板を用いれ
ば、基本光として波長が８００ｎｍ以下の、例えば７８
０ｎｍの半導体レーザを用いた３９０ｎｍ発光のＳＨＧ
素子が実現可能になる。また、ＭｇＯを５ｍｏｌ％程度
添加すれば基本光として７００ｎｍの光を用いて３５０
ｎｍ近傍の発光も可能となり、その応用範囲を広げる。

【００４５】そこで、ＭｇＯ添加により光透過性が向上
したタンタル酸リチウム単結晶及び無添加のタンタル酸
リチウム単結晶を基板として用い分極反転格子を形成し
た。このＭｇＯを添加したＬＴ基板を用いてＳＨＧ基板
を製造する方法は、実施例２において図１０（ａ）から
図１０（ｇ）にて用いられた方法と全く同様な工程が用
いられる。このようにして形成された分極反転格子の深
さは基板表面に形成される光導波路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ー
ンの幅と略等しかった。分極反転格子１２を形成後、基
板表面のプロトン交換層を研磨により除去し、通常のプ
ロトン交換法により基板表面に光導波路を作製した。最
後に導波路端面を光学研磨することによりＳＨＧ素子が
作製される。

【００４６】以上示した分極反転格子に光導波路を作製
し、素子長１ｃｍのＳＨＧ素子を作製した。基本波の光
源としてチタン−サファイヤレーザを用いて、作製した
ＳＨＧ素子に波長８２０ｎｍの基本波を入射したとこ
ろ、４１０ｎｍの青色ＳＨＧが得られた。この時、分極
反転格子の断面が矩型状で分極反転領域はその深さが周
期方向の幅よりも大きい場合には、ＳＨＧ光出力は１５
ｍＷでの高出力のＳＨＧ光が得られ、パワー密度１６５
ＫＷ／ｃｍ² で安定した出力が得られた。更に分極反転
格子の周期を変え、波長７８０ｎｍの半導体レーザーを
基本波として用いＳＨＧ光の出力を評価したところ、波
長２８０〜４００ｎｍでの光透過性の向上したＭｇＯを
添加したタンタル酸リチウム単結晶を基板に用いた素子
では約１．５ｍＷのＳＨＧ光の出力が得られた。一方、
無添加のタンタル酸リチウム単結晶を基板に用いた素子
では基板での光吸収が大きいため０．７ｍＷのＳＨＧ光
出力しか得られなかった。

【００４７】熱処理時間によっては、作製された分極反
転格子の断面を観察すると矩型状になることもある。こ
のような矩型状などの分極反転領域はその深さが周期方
向の幅よりも大きい場合には、光の入射方向に対する分
極反転部と非反転部の形状比が１対１になることにな
る。一方、熱処理時間等の分極反転の作製方法を変える
と、作製された分極反転格子の断面を観察すると半円状
になることもある。このような半円状などの分極反転領
域はその深さが周期方向の幅よりも小さい場合には、光
の入射方向に対する分極反転部と非反転部の形状比が完
全な１対１からずれていることになり、十分なＳＨＧ光
を発することができない。

【００４８】以上示したＭｇＯを添加したタンタル酸リ
チウム単結晶の分極反転格子に光導波路を作製し、素子
長１ｃｍのＳＨＧ素子を作製した。基本波の光源として
チタン−サファイヤレーザを用いて、作製したＳＨＧ素
子に波長８２０ｎｍの基本波を入射したところ、４１０
ｎｍの青色ＳＨＧ光が得られた。この時、分極反転格子
の断面が矩型状で分極反転領域はその深さが周期方向の
幅よりも大きい場合には、ＳＨＧ光出力は１５ｍＷでの
高出力のＳＨＧ光が得られ、パワー密度１６５ＫＷ／ｃ
ｍ² で安定した出力が得られた。

【００４９】一方、分極反転格子の断面が半円状で分極
反転領域の深さが周期方向の幅よりも小さい場合には、
９ｍＷのＳＨＧ光が得られた。このことにより、タンタ
ル酸リチウム単結晶に分極反転格子を形成し、好ましく
は、その断面が矩型状になり、分極反転領域の深さが周
期方向の幅よりも大きい場合には、光の入射方向に対す
る分極反転部と非反転部の形状比が１対１になり高効率
のＳＨＧ素子に有用であることが分かった。特に、基板
材料にＭｇＯを添加することにより、基礎吸収端を端波
長側にシフトさせることができ、高効率のＳＨＧ素子が
実現できると共にその応用範囲を拡大することができ
た。

【００５０】本発明のＭｇＯ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、その動作は安定であることが確認さ
れた。本発明によりはじめて波長４００ｎｍ以下の短波
長帯での光透過性に優れたタンタル酸リチウム単結晶を
得ることができた。これにより４００ｎｍ以下の短波長
光を用いる光素子用基板にタンタル酸リチウム単結晶を
用いることができ、タンタル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。

【００５１】また、好ましくは１モル％以上のＭｇＯを
添加したＬＴ単結晶は無添加結晶に比べ基礎吸収端が短
波長側へシフトし、結晶の着色は消え、結晶の色は無色
透明に変化した。また、得られた光透過性に優れたタン
タル酸リチウム単結晶をウエハ状に加工し光素子の基板
として用い、タンタル酸リチウム単結晶の分極方向を周
期的に反転させ、この分極反転領域はその深さが周期方
向の幅よりも大きい構造を作成することにより理想的な
矩型断面の分極反転格子を持つＳＨＧ素子本来の効率で
ＳＨＧ光を発生できた。

【００５２】上記の構成により、結晶の光透過特性を大
幅に改善することができ、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できた。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
マン法や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。

【００５３】また原料としてのＬｉ₂ ＣＯ₃ とＴａ₂ Ｏ
₅ 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Ｌｉ
₂ ＣＯ₃ とＴａ₂ Ｏ₅ 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。尚、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、原料融体中に添
加してもよい。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のように優れた作用効果を発揮することができる。本発
明によれば、先端が鋭角になされてた分極反転領域を作
製して深さ／幅比が１を超えた分極反転格子を形成する
ことで理想的な矩型状の分極反転格子を実現することが
でき、高効率のＳＨＧ光を発生できるＳＨＧ素子が実現
できる。また、本発明によれば、プロトン交換領域（分
極の芽領域）から延在させた分極反転格子を作製するこ
とで理想的な矩型状の分極反転格子を実現することがで
き、高効率のＳＨＧ光を発生できるＳＨＧ素子が実現で
きる。更に、本発明によれば、プロトン交換熱処理時に
プロトン交換領域以外に分極反転格子を作製することで
理想的な矩型状の分極反転格子を実現することができ、
高効率のＳＨＧ光を発生できるＳＨＧ素子が容易に実現
できる。また更に、本発明によれば、プロトン交換熱処
理時にプロトン交換領域以外に伸びる先端が鋭角の分極
反転格子を作製することで理想的な矩型状の分極反転格
子を実現することができ、１回のフォトリソグラフィー
の工程で高効率のＳＨＧ光を発生できるＳＨＧ素子が容
易に実現できる。また、プロトン交換熱処理時にプロト
ン交換領域外に伸びる分極反転格子と導波路を１回のフ
ォトリソグラフィーの工程で製造できる。また、本発明
によれば、波長４００ｎｍ以下の短波長帯での光透過性
に優れたタンタル酸リチウム単結晶を得ることができ
た。これにより４００ｎｍ以下の短波長光を用いる光素
子用基板にタンタル酸リチウム単結晶を用いることがで
き、タンタル酸リチウム単結晶の持つ大きな非線形光学
係数を生かしたＳＨＧ素子の安定性と高出力化の特性向
上ができる。

【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）〜（ｈ）はそれぞれ本発明に係るスパイ
ク状分極反転格子の作製方法を示す図である。

【図６】スパイク状分極反転格子の結晶構造を示す写真
である。

【図７】スパイク状分極反転格子の結晶構造を示す写真
である。

【図８】半円状分極反転格子の結晶構造を示す写真であ
る。

【図９】本発明の実施例を説明するための構造図であ
る。

【図１０】（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ本発明に係るスパ
イク状分極反転格子の作製方法を示す図である。

【図１１】プロトン交換領域外のスパイク状分極反転格
子の結晶構造を示す写真である。

【図１２】半円状分極反転格子の結晶構造を示す写真で
ある。

【図１３】従来のプロトン交換の方法を示す図である。

【図１４】本発明によるプロトン交換熱処理を示す図で
ある。

【図１５】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ本発明に係るスパ
イク状分極反転格子の作製方法を示す図である。

【図１６】プロトン交換領域外のスパイク状分極反転格
子が基板上に形成された微細なパターンを表している写
真である。

【図１７】半円状分極反転格子が基板上に形成された微
細なパターンを表している写真である。

【図１８】本発明の実施例を説明するための構造図であ
る。

【図１９】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ本発明に係るスパ
イク状分極反転格子と光導波路の作製方法を示す図であ
る。

【図２０】プロトン交換領域とスパイク状分極反転格子
を示す基板上に形成された微細なパターンを表している
写真である。

【図２１】半円状分極反転格子を示す基板上に形成され
た微細なパターンを表している写真である。

【図２２】プロトン交換導波路の熱処理時間に対する屈
折率を示す図である。

【図２３】各種タンタル酸リチウム単結晶及びニオブ酸
リチウム単結晶の光透過特性を測定した図である。

【符号の説明】

１１基板（ＬｉＴａＯ₃ ）１２スパイク状分極反転領域１３チャンネル型光導波路１４基本波入射光１５ＳＨＧ出力光２１基板（ＬｉＮｂＯ₃ ）２２チェレンコフＳＨＧ光５１Ｔａ膜５２ホトレジスト５３プロトン交換領域５４研磨除去領域６２白金製基板ホルダー６３ピロ燐酸６４プレート型ヒーター６５プロトン交換層３５１ガラス容器３５２基板３５３酸３５４恒温槽

───────────────────────────────────────────────────── 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

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に周期的に分極反転領域を形成して
導波路を設けてなる第２高調波発生素子において、前記
分極反転領域よりなる分極反転格子の幅は前記導波路の
幅と同一になされ、かつ前記分極反転格子の深さ／幅比
が１を超えていることを特徴とする第２高調波発生素
子。
【請求項２】第２高調波発生素子を製造する方法にお
いて、基板上に周期的に分極の芽領域を形成し、次いで
前記分極の芽領域から分極反転領域を延在させてその先
端を鋭角状にし、前記分極の芽領域と前記分極反転領域
により形成される分極反転格子の深さ／幅比が１を超え
るようにしたことを特徴とする第２高調波発生素子の製
造方法。