JPH07281224A - 強誘電体のドメイン反転構造形成方法 - Google Patents

強誘電体のドメイン反転構造形成方法

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JPH07281224A
JPH07281224A JP7073394A JP7073394A JPH07281224A JP H07281224 A JPH07281224 A JP H07281224A JP 7073394 A JP7073394 A JP 7073394A JP 7073394 A JP7073394 A JP 7073394A JP H07281224 A JPH07281224 A JP H07281224A
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JP
Japan
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domain inversion
ferroelectric substance
ferroelectric
mgo
electrodes
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JP7073394A
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English (en)
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Yasukazu Nihei
靖和 二瓶
Hiroshi Sunakawa
寛 砂川
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Fuji Photo Film Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 非線形光学効果を有する強誘電体の一表面に
所定パターンの電極を形成するとともに、この一表面に
対面する他表面に対向電極を形成し、これら2つの電極
を介して強誘電体に電場を印加して、該強誘電体に上記
所定パターンに対応したドメイン反転部を形成する強誘
電体のドメイン反転構造形成方法において、強誘電体を
破壊することなく、ドメイン反転部を十分に深く形成す
る。 【構成】 MgO−LiNbO3 基板等の強誘電体1の
表面に形成される周期電極2および対向電極5の少なく
とも一方と強誘電体表面との間に、該強誘電体1よりも
比抵抗が高い高抵抗層4を配した状態で電場を印加す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、周期ドメイン反転構造
を有する光波長変換素子等を作成する等のために、非線
形光学効果を有する強誘電体に所定パターンのドメイン
反転構造を形成する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】非線形光学効果を有する強誘電体の自発
分極(ドメイン)を周期的に反転させた領域を設けた光
波長変換素子を用いて、基本波を第2高調波に波長変換
する方法が既にBleombergenらによって提案されている
(Phys.Rev.,Vol.127,No.6,1918(1962)参照)。
この方法においては、ドメイン反転部の周期Λを、 Λc=2π/{β(2ω)−2β(ω)} ……(1) ただしβ(2ω)は第2高調波の伝搬定数 2β(ω)は基本波の伝搬定数 で与えられるコヒーレント長Λcの整数倍になるように
設定することで、基本波と第2高調波との位相整合を取
ることができる。非線形光学材料のバルク結晶を用いて
波長変換する場合は、位相整合する波長が結晶固有の特
定波長に限られるが、上記の方法によれば、任意の波長
に対して(1) を満足する周期Λを選択することにより、
効率良く位相整合を取ることが可能となる。
【0003】上述のような周期ドメイン反転構造を形成
する方法の1つとして従来より、例えば特開平4−33
5620号公報や同5−210132号公報に示される
ように、単分極化された非線形光学効果を有する強誘電
体の一表面に所定パターンの電極を形成するとともに、
この一表面に対面する他表面に対向電極を形成し、これ
ら2つの電極を介して該強誘電体に電場を印加して、そ
こに上記所定パターンに対応したドメイン反転部を形成
する、という方法が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような2
つの電極を用いて強誘電体に電場を与える従来方法にお
いては、ドメイン反転部を深く形成するために電場印加
時間を長く設定したり、あるいは電場を強く設定する
と、強誘電体が破壊しやすいという問題が認められてい
た。したがってこの従来方法による場合は、強誘電体に
ドメイン反転部を十分に深く形成することは困難で、ド
メイン反転部はどうしても浅いものとなってしまう。
【0005】周期ドメイン反転構造を有する光波長変換
素子をレーザー共振器内に配置した場合、ドメイン反転
部が深く形成されていないと、光波長変換素子と基本波
光源等との相対位置関係が少し狂っただけで、基本波が
周期ドメイン反転構造から外れた部分を通過するように
なってしまい、波長変換効率が著しく低下したり、ある
いは全く波長変換がなされ得ないという事態を招く。
【0006】そこで本発明は、強誘電体を破壊すること
なく、ドメイン反転部を十分に深く形成することができ
る、強誘電体のドメイン反転構造形成方法を提供するこ
とを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明による強誘電体の
ドメイン反転構造形成方法は、前述したように、単分極
化された非線形光学効果を有する強誘電体の一表面に所
定パターンの電極を形成するとともに、この一表面に対
面する他表面に対向電極を形成し、これら2つの電極を
介して強誘電体に電場を印加して、該強誘電体に上記所
定パターンに対応したドメイン反転部を形成する強誘電
体のドメイン反転構造形成方法において、上記2つの電
極の少なくとも一方と強誘電体表面との間に、該強誘電
体よりも比抵抗が高い高抵抗層を配した状態で電場を印
加することを特徴とするものである。
【0008】
【作用および発明の効果】本発明者等の研究によると、
従来方法における強誘電体の破壊は、部分的に形成され
たドメイン反転部が強誘電体の一表面から他表面に達す
ると、その部分に電荷が集中して大電流が流れることに
起因していると考えられる。
【0009】そこで本発明の方法におけるように、2つ
の電極の少なくとも一方と強誘電体表面との間に高抵抗
層を配した状態で電場を印加すると、ドメイン反転部が
強誘電体の一表面から他表面に達しても、その部分に電
荷が集中して大電流として流れることがなくなり(キャ
リアが流れない)、よって強誘電体を破壊することなく
ドメイン反転部を均一に十分深く形成可能となる。
【0010】
【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の
方法を詳細に説明する。図1は、本発明の一実施例によ
りドメイン反転構造を形成する様子を示している。この
図1において、1は非線形光学効果を有する強誘電体で
ある、MgOが一例として0.5 mol %ドープされたLi
NbO3 の基板である。このMgO−LiNbO3基板
1としては、その最も大きい非線形光学材料定数d33
有効に利用できるように、z面で光学研磨されたz板が
使用されている。またこのMgO−LiNbO3 基板1
は、公知の方法により予め単分極化処理がなされた上
で、一例として厚さ0.3 mmに形成されている。
【0011】そしてこのMgO−LiNbO3 基板1の
+z面1aには、所定周期Λで並ぶ櫛歯状部分を有する
厚さ30nmのTa周期電極2が取り付けられる。このT
a周期電極2は、例えば上記+z面1a上にフォトリソ
グラフィーにより周期マスクパターンを形成した後、T
aをスパッタしてTa薄膜を形成し、その後マスクを除
去する等の方法によって形成される。このTa周期電極
2は、所定周期で並ぶ櫛歯に相当する部分が1本の基部
によって互いに連結された櫛形状となっており、アース
線3を介して接地される。
【0012】一方このMgO−LiNbO3 基板1の−
z面1bには、スパッタ法により膜厚1μmのSiO2
膜4が全面的に形成され、さらにその上に蒸着法によ
り、厚さ30nmの平板状のCr対向電極5が全面的に形
成される。なおSiO2 スパッタ膜の比抵抗は1015Ωcm
以上であり、MgO−LiNbO3 の比抵抗1012〜1013
Ωcmと比べて十分に高くなっている。
【0013】Ta周期電極2は図示のように接地してそ
の電位をゼロに保ち、一方Cr対向電極5を電源6に接
続して、MgO−LiNbO3 基板1に−800 μAの電
流を印加した。この電場印加により、基板1の両電極
2、5に挟まれる部分の分極が反転し、Ta周期電極2
の櫛歯状部分の形状に対応して所定周期Λで繰り返すパ
ターンを有するドメイン反転部7が形成される。ここで
上記の周期Λは、MgO−LiNbO3 の屈折率の波長
分散を考慮して、基板1のx方向に沿って946 nm近辺
で1次の周期となるように4.6 μmとした。
【0014】本実施例では、ドメイン反転部7がMgO
−LiNbO3 基板1の+z面1aから−z面1bに到
達するまで電場印加を3秒間続けた。このようにして、
MgO−LiNbO3 基板1にはそれを貫通する、つま
り深さが0.3 mmのドメイン反転部7が形成されるが、
そこまで電場印加を続けてもMgO−LiNbO3 基板
1が破壊することはなかった。
【0015】<比較例>なお、上記実施例に対する比較
例として、従来法によりMgO−LiNbO3基板1に
ドメイン反転部7を形成した。この比較例の方法は、図
2に示すように、MgO−LiNbO3 基板1の−z面
1bにSiO2 膜4を形成せずに、この−z面1bに直
接Cr対向電極5を全面的に形成し、このCr対向電極
5およびTa周期電極2を介して基板1に−600 μAの
電流を印加するものである。
【0016】この比較例の場合は、ドメイン反転部7が
+z面1aから基板厚さの1/3つまり0.1 mm程度ま
で到達した後、さらに電場印加を続けると、MgO−L
iNbO3 基板1が破壊するか、あるいはドメイン反転
の周期性が失われるか、いずれかの問題が生じた。
【0017】上述した本発明の実施例においてこのよう
な問題が生じないのは、−z面1bに形成された高抵抗
のSiO2 膜4を介してMgO−LiNbO3 基板1に
電場を印加しているので、ドメイン反転部7に電荷が集
中して大電流として流れることがなくなるためと考えら
れる。
【0018】次に、上記実施例で周期ドメイン反転構造
が形成されたMgO−LiNbO3基板1から作成した
光波長変換素子について説明する。基板1のx面および
−x面を研磨してそれぞれ光通過面10a、10bとするこ
とにより、図3に示すように周期ドメイン反転部7を有
するバルク結晶型の光波長変換素子10が得られる。この
バルク結晶型光波長変換素子10を、同図に示すレーザー
ダイオード励起YAGレーザーの共振器内に配置した。
【0019】このレーザーダイオード励起YAGレーザ
ーは、波長809 nmのポンピング光としてのレーザービ
ーム11を発するレーザーダイオード12と、発散光状態の
レーザービーム11を収束させる集光レンズ13と、Nd
(ネオジウム)がドーピングされたレーザー媒質であっ
て上記レーザービーム11の収束位置に配されたYAG結
晶14と、このYAG結晶14の前方側(図中右方)に配さ
れた共振器ミラー15とからなる。光波長変換素子10は結
晶長が1mmとされ、共振器ミラー15とYAG結晶14と
の間に配置されている。
【0020】YAG結晶14は波長809 nmのレーザービ
ーム11により励起されて、波長946nmのレーザービー
ム16を発する。この固体レーザービーム16は、所定のコ
ーティングが施されたYAG結晶端面14aと共振器ミラ
ー15のミラー面15aとの間で共振し、光波長変換素子10
に入射して波長が1/2すなわち473 nmの第2高調波
17に変換され、ほぼこの第2高調波17のみが共振器ミラ
ー15から出射する。なお基本波としての固体レーザービ
ーム16と第2高調波17は、周期ドメイン反転領域におい
て位相整合(いわゆる疑似位相整合)する。
【0021】本例においては、レーザーダイオード12の
出力が200 mWのとき、10mWと高出力の第2高調波17
が得られた。この効率は、光波長変換素子10をそのドメ
イン反転部7の深さ方向(図3中の上下方向)に移動さ
せても、該素子10にレーザービーム11が入射している限
り、何ら変わるところがなかった。
【0022】また、前述の比較例の方法で周期ドメイン
反転構造が形成されたMgO−LiNbO3 基板1から
も同様に光波長変換素子を作成し、その光波長変換素子
を図3のレーザーダイオード励起YAGレーザーに適用
した。その場合は、基板1の+z面1a近傍に当たる位
置にレーザービーム11を入射させると、上記と同様の効
率が得られたが、レーザービーム11の入射位置がそこか
ら少しドメイン反転部7の深さ方向にずれると、この効
率は著しく低下した。
【0023】以上の通り、本発明の方法を適用して形成
された光波長変換素子においては、レーザービーム11の
入射位置がドメイン反転部7の深さ方向全範囲に亘って
変化しても、常に高い波長変換効率が実現されたことに
より、本発明方法によればドメイン反転部7が基板1を
貫通するように深く形成され得ることが実証された。
【0024】なお上記実施例の方法は、バルク結晶型の
光波長変換素子を作成するために適用されているが、本
発明の方法はその他、光導波路型の光波長変換素子を作
成する等のために適用することも可能である。
【0025】さらに本発明方法は、上記実施例における
MgO−LiNbO3 の他、LiNbO3 、MgO−L
iTaO3 、LiTaO3 、KNbO3 、KTP等の強
誘電体にドメイン反転構造を形成する際にも、同様に適
用可能である。
【0026】また上記の実施例においては、MgO−L
iNbO3 基板1の−z面1bとCr対向電極5との間
に高抵抗層としてのSiO2 膜4を配設しているが、M
gO−LiNbO3 基板1の+z面1aとTa周期電極
2との間に高抵抗層を配設しても、さらには−z面1b
側と+z面1a側の双方に高抵抗層を配設しても、上記
と同様の効果が得られる。
【0027】またこのような高抵抗層は、前述したスパ
ッタ法によるSiO2 膜4に限らず、その他例えばCV
DによるSiO2 膜、SiN膜、有機ポリマー膜等から
形成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例によるドメイン反転構造の形
成方法を説明する説明図
【図2】従来のドメイン反転構造の形成方法を説明する
説明図
【図3】本発明によりドメイン反転構造が形成された光
波長変換素子を備えた固体レーザーの側面図
【符号の説明】
1 MgO−LiNbO3 基板 1a MgO−LiNbO3 基板の+z面 1b MgO−LiNbO3 基板の−z面 2 Ta周期電極 3 アース線 4 SiO2 膜(高抵抗層) 5 Cr対向電極 6 電源 7 ドメイン反転部 10 光波長変換素子 11 レーザービーム(ポンピング光) 12 レーザーダイオード 13 集光レンズ 14 YAG結晶 15 共振器ミラー 16 固体レーザービーム(基本波) 17 第2高調波

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単分極化された非線形光学効果を有する
    強誘電体の一表面に所定パターンの電極を形成するとと
    もに、この一表面に対面する他表面に対向電極を形成
    し、 これら2つの電極を介して前記強誘電体に電場を印加し
    て、該強誘電体に前記所定パターンに対応したドメイン
    反転部を形成する強誘電体のドメイン反転構造形成方法
    において、 前記2つの電極の少なくとも一方と強誘電体表面との間
    に、該強誘電体よりも比抵抗が高い高抵抗層を配した状
    態で電場を印加することを特徴とする強誘電体のドメイ
    ン反転構造形成方法。
JP7073394A 1994-04-08 1994-04-08 強誘電体のドメイン反転構造形成方法 Withdrawn JPH07281224A (ja)

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