JPH06342111A

JPH06342111A - 分極反転層の製造方法および波長変換素子

Info

Publication number: JPH06342111A
Application number: JP5131786A
Authority: JP
Inventors: Kiminori Mizuuchi; 公典水内; Kazuhisa Yamamoto; 和久山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-06-02
Filing date: 1993-06-02
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】イオンビームによる照射により、周期的分極
反転層を製造する方法を提供する。【構成】 LiTaO₃基板１を接地し、基板１の＋Ｃ面を集
束した＋イオン２により走査することで基板１に周期的
な分極反転層３を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コヒ−レント光を利用
する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野に使
用する分極反転層の製造方法および光波長変換素子に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】強誘電体の分極を強制的に反転させる分
極反転は、強誘電体に周期的な分極反転層を形成するこ
とにより、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非
線形分極の分極反転を利用した光波長変換素子などに利
用される。特に非線形光学物質の非線形分極を周期的に
反転することが可能になれば、非常に変換効率の高い第
二高調波発生素子（以下ＳＨＧ素子とする）を作製する
ことができる。これによって半導体レーザなどの光を変
換すると、小型の短波長光源が実現でき、印刷、光情報
処理、光応用計測制御分野などに応用できるため盛んに
研究が行われている。分極反転型のＳＨＧ素子は高効率
の波長変換が可能であり、かつ周期構造を変えることに
より、任意の波長変換が行える。しかしながら、高効率
のSHG素子を実現するには深くてかつ周期３〜４μmとい
った短周期の分極反転層を形成する必要がある。このよ
うな周期的分極反転層を形成する方法として例えば、電
子ビーム照射による方法がある（特願平３−４３５０
５）。図１３に従来の分極反転層の形成方法を示す。こ
れは単分極化された強誘電体基板に１０Ｖ／ｍｍ〜１０
０ｋＶ／ｍｍの電界を印可しながら、加速電圧１０〜１
００ｋｅＶで加速した荷電粒子（電子）を基板表面での
電流密度が１μＡ／ｍｍ²〜１０００μＡ／ｍｍ²になる
よう照射することにより深い分極反転層を形成する方法
である。

【０００３】また電子ビームにより分極反転層を形成す
る他の方法もある。例えば（Wei-Yung Hsu他アフ゜ライト゛フィシ
゛ックス・レタース゛Appled Physics Letters Vol.60,1 (1992)）
あるいは（Alan C.Nutt他アフ゜ライト゛フィシ゛ックス・レタース゛Appled
Physics Letters Vol.60,2828(1992)）である。図１４
に従来の分極反転層形成方法を示す。これは強誘電体材
料であるLiNbO₃、LiTaO₃基板の＋Ｃ面に金属膜を蒸着
し、これを接地する。−Ｃ面側から、加速電圧２５ｋｅ
Ｖで加速した電子ビームを収束して照射すると、照射さ
れた部分の分極が反転する。その反転層は基板（0.5ｍ
ｍ厚）の底面まで達し、深い分極反転層される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の分極反転層形成
方法では短周期で深い分極反転層の形成が可能である
が、光損傷の改善は行われない、そのためLiNbO₃、LiTa
O₃においては光損傷発生のしきい値が低く、低い導波光
パワーで光損傷が発生し、高出力化が難しい等の問題が
あった。

【０００５】また基板裏面または両面に金属膜の形成が
必要となる。そのため基板に不純物の混入等が生じ易く
ＳＨＧ素子を形成した場合素子の劣化、例えば光損傷の
発生等の問題が発生する可能性が高い。また作製プロセ
スが複雑になるという問題があった。

【０００６】また電子ビームによる方法は荷電粒子が電
子に限られる。電子は質量が小さいため、電界、磁界等
の外乱の影響を受け易く、また照射時に基板からの散乱
が発生する。そのため形成される分極反転層のパターン
は均一性が乏しく、また周期構造を形成した場合、分極
反転幅の制御が困難である。従来の報告（Wei-Yung Hsu
他アフ゜ライト゛フィシ゛ックス・レタース゛Appled Physics Letters Vol.6
0,1 (1992)）によると、LiNbO₃に作製した場合分極反転
層の幅は非常に狭く、注入電流量を増加させて分極反転
層の幅の拡大を図ろうとすると基板表面に亀裂が入り、
幅の制御が難しいという問題があった。一方LiTaO₃にお
ける報告（Alan C.Nutt他アフ゜ライト゛フィシ゛ックス・レタース゛Appled
Physics Letters Vol.60,2828(1992)）では、分極反転
層は反転層の幅が広すぎて短周期の分極反転層の形成が
困難であという問題があった。

【０００７】また実施例に示しように、基板の側に電極
を形成し電界を印可することにより分極反転層幅の制御
がある程度可能になるが、電界を印可する装置および電
極の形成等プロセスが複雑になるという問題があった。

【０００８】そこで本発明は上記の点に鑑み、短周期で
深い分極反転形状を有し、かつ反転層の幅の制御が可能
で、さらに光損傷に強い周期的分極反転層の形成が可能
な分極反転層の製造方法および波長変換素子の構造を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明では、（１）非線形光学効果を有する強誘電体基板を接地する
工程と、前記基板の自発分極の正側の表面に加速電圧１
００ｋｅＶ〜２００ｋｅＶに加速された正電荷を有する
イオンを集束する工程と、前記集束した前記イオンによ
り前記基板表面を周期状に走査する工程とを有し、前記
基板の前記イオン集束面における電流密度が１０μＡ〜
１０ｍＡ／ｍｍ²になるように前記イオンを照射する分
極反転層の製造方法である。

【００１０】（２）非線形光学効果を有する強誘電体基
板の自発分極が正側の表面に選択的な金属マスクを形成
する工程と、前記マスクを接地する工程とを施した後、
前記基板表面に１００ｋｅＶ〜２００ｋｅＶで加速した
正電荷のイオンを照射する工程とを有し、前記基板の照
射面における電流密度が１０μＡ〜１０ｍＡ／ｍｍ²に
なるように前記イオンを照射する分極反転層の製造方法
である。

【００１１】（３）非線形光学効果を有する強誘電体基
板の自発分極が正側の表面に、選択的な誘電体マスクを
形成した後、前記基板を接地する工程と、前記基板表面
に１００ｋｅＶ〜２００ｋｅＶで加速した正電荷のイオ
ンを照射する工程とを有し、前記基板の照射面における
電流密度が１０μＡ〜１０ｍＡ／ｍｍ²になるように前
記＋イオンを照射する分極反転層の製造方法である。

【００１２】（４）非線形光学効果を有する強誘電体基
板と、前記基板の自発分極が正側の表面近傍に形成した
金属イオンが注入または堆積された部分と、前記基板表
面近傍に形成した光導波路とを有し、かつ前記金属イオ
ンが注入された部分が周期的に形成され、なおかつ前記
金属イオンが注入された部分の分極の方向が前記基板の
有する自発分極に対して反転していることを特長とする
波長変換素子である。

【００１３】

【作用】本発明は前述した製造方法により、非線形光学
効果を有する強誘電体基板の正電側に集束した正電荷を
持つイオンを集束することにより、強誘電体基板の分極
を選択的に反転させることができる。本方法はイオンを
直接基板に集束することで分極を反転させるため、マス
クを必要としない。またイオンは電子に比べ質量が大き
いため、基板のチャージアップ等により発生する電界、
磁界等の影響を受けにくく、基板に接地用の金属膜を形
成することなく均一な分極反転層が製造できる。またイ
オンは電子に比べ半径が大きいため、基板に注入されに
くく、電子ビーム照射で発生していた基板の亀裂の発生
が無い。またイオンはイオンの種類を変えることにより
分極反転層幅の制御が可能となる。さらに、基板にイオ
ンを注入することにより、基板の電気伝導度が大きくな
り、光損傷の低減が図れる。その結果、短周期で深い分
極形状の形成が可能で、分極反転層幅の制御が行え、か
つ基板に与えるダメージが少なく、光損傷に強い周期的
分極反転層が製造できる、より簡単な工程の分極反転層
の製造方法を提案できる。

【００１４】また、集束イオンビームを用いる方法は集
束したイオンでパターンを描画していくため作製時間が
かかるまた作製面積が制限される。そこで、平行イオン
ビームを金属または誘電体マスクを形成した基板上に照
射し、否マスク部分の分極を選択的に反転させることが
できる。この方法を用いると集束イオンビームによる作
製方法の特質に加え、大面積の処理が短時間に行われる
ため量産化が可能な分極反転層形成方法である。

【００１５】また、イオン照射で形成した周期的分極反
転層は短周期で深い反転形状を有し、分極反転幅も理想
的なものが形成できる。また基板のダメージが少ないた
め光の散乱損失がない。さらに分極反転層表面イオンが
堆積または注入されているため、強誘電体基板の電気伝
導度が増加し、光損傷に対し強くなる。この周期的分極
反転層に光導波路を形成することにより光損傷に強く、
高効率、高出力特性を有する波長変換素子が構成でき
る。

【００１６】

【実施例】周期的分極反転層を用いた分極反転型波長変
換素子は高効率の波長変換が可能であり、かつ周期構造
を変えることにより、任意の波長変換が行える。しかし
ながら、高効率のSHG素子を実現するには次に条件を満
足する必要がある。（１）１次周期構造を形成するため周期３〜４μｍの短
周期の分極反転層を形成する。（２）光導波路とのオーバラップを充分とるため、光導
波路より深い分極反転層を形成する。（３）分極反転層幅と周期の比（以下ON/OFF比とする）
が１対２である。（４）高出力化を実現するため光損傷の低減を可能にす
る。

【００１７】光損傷とは光の強度が増すことによって基
板の屈折率変化を誘発する現象で、分極反転型SHG素子
において光損傷が発生すると、屈折率変化により周期性
が維持できなくなり出力が極端に低下する。

【００１８】分極反転の発生は例えばLiTaO₃、LiNbO₃で
は結晶中のLiの位置のＣ軸方向の偏りにより発生する。
またKTP（KTiOPO4）においてはKの位置のＣ軸方向の偏
りにより発生する。加速した＋イオンを接地された強誘
電体基板の正電側に照射すると、基板の表面近傍に電荷
を持ったイオンが注入または堆積することにより電界が
発生する。さらにイオンの衝突エネルギーにより結晶内
の原子が励起され活性状態になるため、結晶内の原子の
移動が起こりやすくなり、イオンによる発生した電界に
より原子の移動が起こる。発生した分極反転は玉突状態
により次々と下位の原子の移動を引き起こし、分極反転
層は基板の底面に達する。このような現象は電子を加速
粒子とする電子ビームにより確認さていたが、電子に対
し、半径、質量ともに桁違いに大きなイオンの照射によ
り、同様の分極の反転が発生することは知られていなか
った。我々は、イオンビームにより強誘電体の分極の反
転が発生することを発見した。そこで、これを利用した
周期的分極反転層の製造方法を提案する。

【００１９】（実施例１）集束した荷電粒子による方法集束した荷電粒子としてはを形成する装置として、例え
ば、日本電子製ＪＩＢＬ−１００（集束イオンビーム装
置）（以下ＦＩＢ装置とする）を用いて実験を行った。
ＦＩＢ装置は帯電した金属イオン源を電子ビーム装置と
同様に電圧で加速し、電磁界により集束し試料に照射す
る装置で、Ａｕ⁺、Ｓｉ⁺、Ｂｅ⁺、Ｇａ⁺、Ａｕ²⁺、Ｓｉ
²⁺、Ｂｅ²⁺、Ｇａ²⁺など、イオン源を交換することで２
０種類以上のイオンを選択的に照射できる。特にＳｉ、
Ｂｅイオンは質量が小さいため、集束特性がよく、0.1
μｍ以下の微細なパターンが描画できるため、高いイオ
ン電荷密度が得られる。ＦＩＢ装置は以下の利点を有す
る。・１０ｋＶ〜２００ｋＶという高電圧でイオンを加速
できため、基板表面に強い電界が発生可能となる。また
チャージアップの影響を受けにくく均一なパターンが形
成できる。・基板内に金属イオンを注入することにより基板表面
の電気伝導度を上げることができ、LiTaO₃やLiTaO₃とい
った、光損傷（光により基板の屈折率が変化する現象で
デバイスの特性を劣化させる）に弱い材料の電気伝導度
の増加により光損傷しきい値を上げることができる。・基板のダメージや分極反転形状を照射イオンを変え
ることにより制御できる。・イオンは質量が大きいため電子と比較して、散乱が
起こりにくく均一性の高いパターンが形成できる。

【００２０】ＦＩＢ装置を用いて、周期的分極反転層の
製造を行った。図１に製造方法の概念図を示す。図１に
おいて１はＣ板のLiTaO₃基板、２はSi²⁺イオンビーム、
３は分極反転層である。イオン源にはＡｕＳｉの液体金
属源を用い、Ｓｉ²⁺イオンを電磁界フィルターで分離、
選択した後、集束して基板に照射した集束面積は約１μ
ｍφであった。基板には、Ｃ板のLiTaO₃１を用いて、サ
ンプルホルダーに金属ペーストで接地し、＋または−Ｃ
面にＳｉ²⁺イオン２を集束し、コンピュータで制御しな
がら集束イオン２を周期状に走査した。

【００２１】分極反転層の形成の有無を調べるため、イ
オンを照射した基板のＹ面を端面研磨し、これをHF:HNO
₃=2:1の混合溶液中６０℃６分間熱処理した。LiTaO₃は
−Ｙ面のエッチング速度が＋Ｙ面に比べて速いため、エ
ッチングにより分極反転層の有無が判断できる。

【００２２】最初に、厚さ０．５ｍｍのLiTaO₃基板の＋
Ｃ面と−Ｃ面に、それぞれ照射して分極反転層形成の有
無を観測したところ、＋Ｃ面にイオンを照射した場合は
分極反転層が観測されたが、−Ｃ面に照射した場合は分
極反転層の形成が観測されなかった。

【００２３】次に＋Ｃ面における分極反転層の形成条件
を調べた。電流密度を１２０ｐＡ、走査速度８４μm／s
ecに固定して、加速エネルギーを１０〜２００ｋｅＶま
で変化させた。加速電圧が１００ｋｅＶ以下のとき分極
反転層は形成されなかったが、加速エネルギーを１００
ｋｅＶ以上にすると、いずれの加速エネルギーでも分極
反転層が得られた。

【００２４】次に加速エネルギーをを２００ｋｅＶ、電
流量を１２０ｐＡに固定し、集束イオンの走査速度を８
４〜７００μｍ／secで変化させて、分極反転層を観測
した。走査速度と反転層幅の関係を測定したのが図２で
ある。７００μｍ以上になると反転層はほとんど形成さ
れなかった。反転層幅は走査速度が遅くなるに従い広く
なり、また反転層深さも増加した。走査速度が８４μｍ
/secのとき反転層幅は１．８μｍ、反転層深さはほぼ基
板の底面まで達した。反転層幅は分極反転層の深さ方向
に均一であった。またこの条件で周期４μｍの周期的分
極反転層を形成したところ、周期４μm、反転層幅１．
８μm、反転層深さ０．５ｍｍの均一な周期構造が形成
できた。

【００２５】次に、走査速度と注入電流量の関係を測定
したが、注入電流量を増加すると速度一定の場合は分極
反転層幅が増加し、電流量Ｉと走査速度Ｖの積Ｉ／Ｖの
値が等しいとき、同じ分極反転層が形成できた。加速電
圧２００ｋｅＶ、Ｉ＝１２０ｐＡ、Ｖ＝８４μm／sec、
イオンの集束面積約１μｍφのとき分極反転層幅１．８
μmのものが得られた。このときのイオンの集束面での
電流密度は約１２０μＡ／ｍｍ²になる。そこで電流密
度が１０μＡ／ｍｍ²以下で同様の分極反転層を得よう
とすると、になると走査速度は４μｍ／ｓｅｃ以下にす
る必要があり、非常に遅くなる。そのため大面積の分極
反転層の作製には膨大な時間が必要となり現実的な作製
方法とは言えなくなる。また注入電流量を増加させると
描画速度が上がり、作製速度も増加する。しかし、電流
密度が１０ｍＡ／ｍｍ²以上になると、走査速度を速く
しても基板へのダメージによる亀裂の発生が観測され
た。従って、Ｉは１０μＡ／ｍｍ²〜１０ｍＡ／ｍｍ²が
よい。

【００２６】イオンビームによる分極反転層の形成をLi
NbO₃においても行ったLiNbO₃においても分極反転層の形
成は＋Ｃ面にSi²⁺イオンを照射したときには分極反転が
発生したが、−Ｃ面側に照射したときには分極反転は発
生しなかった。加速電圧、電流密度はLiTaO₃に対して行
ったのと同じ条件で走査速度を変えて実験を行ったとこ
ろ同様の分極反転層の形成が観測された、但し、LiNbO₃
において、LiTaO₃と同じ分極反転層の幅を得るには走査
速度を１／２程度に遅くする必要があった。

【００２７】またＫＴＰ(KTiOPO₄)に対しても同様の実
験を行った。KTPに対しては、電流密度を１ｍＡ／ｍｍ²
以上にしないと分極反転層は形成されなかったが、同様
な分極の反転が可能であった。

【００２８】なお、本実施例ではイオンとしてSi²⁺イオ
ンを用いたが、そのほかＭｇ，Ｇａ、Ａｕ、Ｂｅ、など
の金属のイオン、まはたＡｒ、酸素などの気体のイオン
などイオンビーム装置で使用可能な装置ならば使用でき
る。とくに金属イオンは基板の電気伝導度を上げる効果
が大きいので、光損傷に対する耐性をより大きくできて
有効である。

【００２９】（実施例２）イオンビームとマスクによる方法集束イオンビームによる方法で周期状の分極反転層が形
成できることが確認できた。しかしながら、この方法で
は集束したビームの走査速度が限られている上、各周期
状パターンを１本づつ走査する必要があり、周期的分極
反転層の製造に長い時間を必要とする。また、走査面積
にも限りがあるため、大面積に周期的分極反転層を形成
することが難しく、量産性に問題がある。そこで、集束
イオンの代わりに、平行イオンビームを用い、量産化可
能な方法を提案する。

【００３０】装置としては、例えば、日電アネルバ
（株）製のリアクティブイオンシャワーエッチング（Ｅ
ＣＲ）装置を改造して用いた。ＥＣＲ装置は、Ａｒ、Ｏ
₂などの気体イオンを加速し、基板に照射してエッチン
グを行う装置である。この装置を改造して、加速電圧を
１００ｋＶまで高めた。同様の装置でイオン注入装置も
あり、同じ様に使用できる。ＥＣＲ装置の加速電圧を１
００ｋＶにし、Ａｒ⁺イオンを試料表面に照射する。こ
のときLiTaO₃基板表面の電流密度は０．０５μＡ／ｍｍ
²であった。電流密度が小さいので照射時間を長くする
ことにより分極反転層の形成が可能になった。照射時間
を１０分以上行うと深い分極反転層が形成できた。LiTa
O₃基板の＋Ｃ面に周期的な分極反転層を形成するために
は、マスクを利用して部分的にイオンを当てる必要があ
る。マスクとしてＴａを蒸着して、フォトリソグラフィ
法とドライエッチングにより周期的なパターンを形成し
た。図３に分極反転層の製造方法を示す。図３において
１はLiTaO₃基板、４はＴａマスク、５はＡｒ⁺イオンで
ある。基板１を図３に示す様に、金属膜を接地し、＋Ｃ
面のマスク上から平行イオンビーム５照射した。金属マ
スク部分４に照射されたイオン５は電界を発生しない。
ところが非マスク部分に照射されたイオン５は図４に示
すような電界６を発生する。イオンの衝突で活性化状態
にある原子と、この電界６によって基板内に分極反転層
を形成する。

【００３１】次に、マスク材料として誘電体マスクにつ
いても検討を行った。例えばSiO₂をLiTaO₃基板の＋Ｃ面
にスパッタリング法により３００ｎｍ堆積する。これを
フォトリソグラフィ法により周期パターンに加工する。
図５分極反転層の製造方法をしめす。基板１を接地し、
ＳｉＯ₂マスクパターン７側からイオン５を照射する
と、マスク部分７に照射されたイオンは直接基板に衝突
しないため、基板結晶に衝突効果によるエネルギーの伝
達が起こらず、基板結晶内の原子は励起状態に成らな
い。そのためマスク部分の分極は反転しない。一方非マ
スク部分では基板に直接イオン５が衝突するため、基板
原子が活性状態になり、さらにイオン５により発生した
電界６（図６）により分極が反転する。その結果、周期
的な分極反転層が形成できる。

【００３２】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃基板、
またはLiNbO₃、KTPでも同様な分極反転層が作製でき
る。

【００３３】（実施例３）実施例１または２の方法によ
り製造された周期的分極反転層を用いて導波路型の波長
変換素子を構成する。図７に本実施例の波長変換素子の
構成図を示す。図７において１はLiTaO₃基板、３は周期
的分極反転層、９はプロトン交換光導波路、１０は入射
部、１１は出射部、８はSiである。３の周期的な分極反
転層表面には分極反転層形成時に堆積したSi８が堆積お
よび注入されている。

【００３４】次に本実施例の波長変換素子の作製方法に
ついて述べる。実施例１で説明したＦＩＢ装置によりSi
²⁺イオンを集束して、LiTaO₃基板の＋Ｃ面に周期４μｍ
の周期的分極反転層３を長さ５ｍｍに渡って形成した。
作製された分極反転層３においては基板内にチャージが
残留し、その影響で屈折率変化を伴っていた。これは光
導波路を形成した際、導波ロスの原因になるのでアニー
ル処理を行った。基板を４００℃に加熱した後、降温速
度−１℃／秒でゆっくり冷却すると屈折率変化が除去さ
れた。

【００３５】次にLiTaO₃基板２１の−Ｃ面にTaを３０ｎ
ｍ蒸着し、フォトリソグラフィ法とドライエッチングに
より幅４μｍのスリットを形成する。これを２６０度の
ピロ燐酸中で１４分間熱処理するとスリット部分の基板
中のLi⁺が酸中のＨ⁺と交換されて、プロトン交換層が形
成される。これを４２０℃で６０秒間アニールすると光
導波路９が形成される。

【００３６】作製した波長変換素子の特性を測定するた
め、図８に示す光学系で実験を行った。集光光学系１４
を用いてTi:Al₂O₃レーザ１３からの光（１００ｍＷ）を
波長変換素子１２の光導波路に入射し、光導波路からの
第２高調波出力を検出器１５でモニターしながら、入射
光の波長を変えていった。そのときのＰSHGと入射光の
波長の関係を図９に示す。波長８７０ｎｍのとき、波長
変換効率が最大になり、変換効率１０％で波長４３５ｎ
ｍの青色光が得られた。短周期で深い分極反転層が形成
できたため、変換効率が高い素子が形成できた。

【００３７】次に光損傷に対する強度を測定した。光損
傷とは、基板を透過する光の強度が増加するに従い、基
板の有する不純物イオンが移動し基板内に局所的な電界
を形成する。この電界が基板の電気光学効果により屈折
率変化を誘発する現象である。波長変換素子において光
損傷が発生すると、導波路の屈折率が変化し、変換効率
が低下してしまう。実用的には光損傷の発生しない波長
変換素子が必要となる。通常LiTaO₃はLiNbO₃に比べ光損
傷に強いと言われている。しかしながら１０ｍＷ以上の
青色光の発生に対しては光損傷の発生が確認されてい
る。そこで作製した波長変換素子の光損傷に対する強度
を測定するため、基本波の波長を８７０ｎｍに固定し入
射パワーを上げていった。ＳＨＧ出力は基本波のパワー
の２乗に比例して増加し。入射パワーが２００ｍＷのと
き４０ｍＷの青色光が得られた。しかしながら光損傷に
よるＳＨＧ出力の低下は観測されなかった。これは分極
反転層の表面に注入または堆積されたＳｉ²⁺イオンによ
り、基板の電気伝導度が増大し、不純物イオンの移動で
発生していた局所電界の緩和速度が増加したため、光損
傷の発生が抑えられたと考えられる。その結果、光損傷
に強い、高効率な波長変換素子が形成できた。

【００３８】なお、本実施例では光導波路としてプロト
ン交換導波路を用いたが、他にＴｉ拡散導波路、Ｎｂ拡
散導波路、イオン注入導波路など他の光導波路も用いる
ことができる。

【００３９】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMg、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃基板、ま
たはLiNbO₃,KTPでも同様の素子が形成できる。LiNbO₃は
LiTaO₃に比べて非線形光学定数が大きく、より高効率の
波長変換素子が形成できて有効である。またKTPはより
強い耐光損傷強度を有するため、高出力化を図るには有
効である。

【００４０】なお、本実施例では分極反転層形成前い分
極反転層の形成を行ったが、光導波路形成後に、光導波
路上に電子ビームを集束し、分極反転層を形成し、波長
変換素子を形成するのも可能である。

【００４１】次に、実施例１の方法により製造された周
期的分極反転層を用いた外部共振器型の波長変換素子を
構成する。イオンビームで形成された分極反転層は深さ
方向は基板の低面まで達する深い反転層が形成できるの
でバルク型の波長変換素子が構成できる。図１０に本実
施例のバルク型波長変換素子の構成図を示す。図１０に
おいて１は周期的分極反転層を有する基板、３は周期的
分極反転層、１６は入射部、１７は出射部、１８は半導
体レーザ、１９は集光光学系、２０は基本波、２１は第
２高調波レーザである。実施例１で説明したＦＩＢによ
りLiTaO₃基板に周期４μｍの分極反転層３を形成した
後、基板の両端面を光学研磨して基板の厚みを１ｍｍに
し、入射部１６と出射部１７を形成する。入射部１６に
は基本光（波長８７０ｎｍ）、高調波（波長４３５ｎ
ｍ）を９９％で反射するで反射する反射多層膜、出射部
１７は基本波に対し反射率９９％、高調波に対しては透
過率９０％の多層膜を形成する。波長８７０ｎｍの半導
体レーザ１８より出射されたレーザ光は集光光学系１９
により集光され基板１に入射する。基板の角度をわずか
に変えることにより位相整合条件を成立させた。基本波
のパワーが７０ｍＷに対し変換効率４０％で、２８ｍＷ
の青色光が得られた。分極反転型の素子により共振器型
ＳＨＧ素子を構成したため高効率の特性が得られた。

【００４２】次に、実施例１の方法により製造された周
期的分極反転層を用いた内部共振器型の波長変換素子を
構成する。イオンビームで形成された分極反転層は深さ
方向は基板の低面まで達する深い反転層が形成できるの
でバルク型の波長変換素子が構成できる。図１１に本実
施例の外部共振器型の波長変換素子の構成図を示す。図
１１において１は周期的分極反転層を有するLiTaO₃基
板、３は周期的分極反転層、１６は入射部、１７は出射
部、１８は半導体レーザ、１９は集光光学系、２０は基
本波、２１は第２高調波、２２はＹＡＧ結晶、２３はYA
G結晶の入射部、２４はＹＡＧ結晶の出射部、である。
実施例１で説明したＦＩＢにより波長１．０６μmの波
長に対する分極反転周期７．６μｍの分極反転層３を形
成する。基板は光学研磨により１ｍｍ厚に研磨し入射面
１６に、基本波1.06μmと0.809μmの光に対し、透過効
率９９．９％の反射防止膜を、出射面１７には波長1.06
μmと0.809μmの光に対して反射率９９％、波長0.53μm
の高調波に対して透過率９０％の多層膜を形成する。レ
ーザ媒質のYAG結晶２２にも、入射面２３は基本波1.06
μmと0.809μmの光に対し反射率９９％の多層膜を、出
射面２４には波長1.06μmと0.809μmと0.53μmの光に対
し９９．９％透過する多層膜をコーティングする。波長
８０９ｎｍの半導体レーザ１８からの光を集光光学系１
９を用いて、レーザ共振器に集光すると共振器内でYAG
の発振により１．０６μｍの波長の光が発生する共振器
内で基板１により波長が変換され、波長５３０ｎｍの第
２高調波２１が発生する。半導体レーザの出力１００ｍ
Ｗのとき高調波出力は３０ｍＷであり、変換効率３０％
で波長変換が可能になった。現在内部共振器型の波長変
換素子はＫＴＰ結晶を用いたものが使われている。しか
しＫＴＰは大型結晶の育成が難しく、価格が低くならな
い。それに比べLiNbO₃、LiTaO₃はチョクラルスキー法に
よる大型結晶の引き上げが可能であり大型で安価な結晶
が入手できる。そのためLiNbO₃、LiTaO₃の分極反転によ
り波長変換素子を形成すると安価な素子が構成でき有効
である。

【００４３】（実施例４）ここでは、導波路型のSHG素
子を用いた短波長レーザ光源について述べる。

【００４４】波長０．８μｍ帯の半導体レーザと本発明
の第２の実施例で作製した波長変換素子を組み合わせた
短波長レーザ光源を図１２に示す。半導体レーザ３１の
光を集光光学系３４，３５により集光し、波長変換素子
３３の導波路端面から入射した。これを一体化してモジ
ュールを作製すると、非常に小型の波長光源が形成でき
た。この光源は出力２ｍＷと非常に高出力で、かつ小型
の為光ディスクなどの光源に応用できる。この短波長光
源により、光ディスクの記憶容量を大幅に増大でき、か
つ非常に小型の機器が製造できた。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、イオンビームを照
射することにより周期的分極反転層の形成が可能になっ
た。集束イオンビームを用いるとマスク無しに周期的分
極反転層の形成が可能になる。そのためマスク作製時に
発生していた不純物の混入を防ぐことができた、またマ
スク形成のプロセスを省くことができた。またイオンビ
ームで形成された分極反転層は基板に短周期で深い分極
反転層が形成できるため、高効率の波長変換素子が製造
でき高効率化が図れた。さらに、基板にイオンを堆積ま
たは注入できるため、基板の伝導度が増加して、光損傷
しきい値が増加する。このため波長変換素子の高出力化
が可能になった。また照射イオンの条件により基板にダ
メージを与えることなく分極反転層の幅の制御が可能に
なり理想的な周期構造を形成することができ、高効率化
が可能になった。以上の結果、光損傷に強く、高効率、
高出力、特性を有する波長変換素子が製造でき、また作
製プロセスの簡単化が図れ、その実用効果は大きい。

【００４６】また、金属または誘電体マスクと平行イオ
ンビーム照射により上記の波長変換素子を短時間に大量
に製造できる量産化が可能になるため、その実用効果は
大きい。

【００４７】また、作製したイオンビームで作製した周
期適分極反転層と光導波路を用いて導波路型の波長変換
素子が構成できる。周期的な分極反転層反転層とその表
面近傍に堆積または注入したイオンにより、光損傷を大
幅に低減でき、高出力の波長変換素子が構成できるた
め、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における分極反転層の製造方法を表す図

【図２】イオンビーム走査速度と分極反転層幅の関係を
示す図

【図３】本発明の分極反転層の製造方法を表す図

【図４】イオンによる電界分布を表す図

【図５】本発明の分極反転層の製造方法を表す図

【図６】イオンによる電界の分布を表す図

【図７】本発明の波長変換素子の構成斜視図

【図８】波長変換素子の特性を測定する光学系を表す図

【図９】波長変換素子の第２高調波出力特性を表す図

【図１０】波長変換素子による短波長光源の構成断面図

【図１１】波長変換素子による短波長光源の構成断面図

【図１２】波長変換素子による短波長光源の構成断面図

【図１３】従来の分極反転層の形成方法を表す図

【図１４】従来の分極反転層の形成方法を表す図

【符号の説明】

１Ｚ板のLiTaO₃基板２シリコンイオンビームＴａ膜３分極反転層４Ｔａマスク５Ａｒイオン回折格子６電界７ SiO2マスク８シリコン９光導波路１０入射部１１出射部１２波長変換素子１３ Ti:Al2O3レーザ１４集光光学系１５検出器１６入射部１７出射部１８半導体レーザ１９集光光学系２０基本波２１第２高調波２２ＹＡＧ結晶２３入射部２４出射部３１半導体レーザ３３波長変換素子３４集光光学系３５集光光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非線形光学効果を有する強誘電体基板を接
地する工程と、前記基板の自発分極の正側の表面に所定
の加速電圧に加速された正電荷を有するイオンを集束す
る工程と、前記集束した前記イオンにより前記基板表面
を周期状に走査する工程とを有することを特徴とする分
極反転層の製造方法。
【請求項２】非線形光学効果を有する強誘電体基板の自
発分極が正側の表面に選択的な金属マスクを形成する工
程と、前記マスクを接地する工程と、前記基板表面に所
定の加速電圧で加速した正電荷のイオンを照射する工程
とを有することを特徴とする分極反転層の製造方法。
【請求項３】非線形光学効果を有する強誘電体基板の自
発分極が正側の表面に、選択的に誘電体マスクを形成す
る工程と、前記基板を接地する工程と、前記基板表面に
所定の加速電圧で加速した正電荷のイオンを照射する工
程とを有することを特徴とする分極反転層の製造方法。
【請求項４】非線形光学効果を有する強誘電体基板と、
前記基板の自発分極が正側の表面近傍に形成した正電荷
のイオンが注入または堆積された部分と、前記基板表面
近傍に形成した光導波路とを有し、前記イオンが注入ま
たは堆積された部分が周期的に形成され、かつ前記イオ
ンが注入または堆積された部分の分極の方向が前記基板
の有する自発分極に対して反転していることを特徴とす
る波長変換素子。