JPH0756202A - 分極反転格子と光導波路の形成方法 - Google Patents
分極反転格子と光導波路の形成方法Info
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- JPH0756202A JPH0756202A JP5218149A JP21814993A JPH0756202A JP H0756202 A JPH0756202 A JP H0756202A JP 5218149 A JP5218149 A JP 5218149A JP 21814993 A JP21814993 A JP 21814993A JP H0756202 A JPH0756202 A JP H0756202A
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- optical waveguide
- polarization inversion
- proton exchange
- grating
- substrate
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL 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
- G02F1/00—Devices 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
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
- G02F1/3558—Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]
Abstract
(57)【要約】
【目的】 理想的な矩型状の分極反転格子を実現し高効
率にＳＨＧ光を発生すること。 【構成】 ＬｉＴａＯ3基板上にプロトン交換処理によ
りプロトン交換領域とその領域外に伸びる分極反転格子
と光導波路を同時に形成する。まず基板表面に格子パタ
−ンマスクを形成し、プロトン交換処理時の温度勾配を
５０℃／分以上、処理温度からの降温速度を５０℃／分
以上で行うと同時に紫外線を照射することでプロトン交
換領域とその領域外に伸びる分極反転格子を作製する。
その後、熱処理によりプロトン交換領域の屈折率を高く
することで光導波路を１回のフォトリソグラフィにより
容易に実現でき高効率のＳＨＧ素子が実現できる。
率にＳＨＧ光を発生すること。 【構成】 ＬｉＴａＯ3基板上にプロトン交換処理によ
りプロトン交換領域とその領域外に伸びる分極反転格子
と光導波路を同時に形成する。まず基板表面に格子パタ
−ンマスクを形成し、プロトン交換処理時の温度勾配を
５０℃／分以上、処理温度からの降温速度を５０℃／分
以上で行うと同時に紫外線を照射することでプロトン交
換領域とその領域外に伸びる分極反転格子を作製する。
その後、熱処理によりプロトン交換領域の屈折率を高く
することで光導波路を１回のフォトリソグラフィにより
容易に実現でき高効率のＳＨＧ素子が実現できる。
Description
【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）における分極反転格子の
形成方法に関わり、ＳＨＧ素子の高効率化に関するもの
である。
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）における分極反転格子の
形成方法に関わり、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
Ｏ3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
る用に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。
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
Ｏ3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
る用に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。
【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および図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。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。
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５に示すガラス容器
を用いる方法で行われる。この場合、プロトン源である
酸によってはガラス容器５１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。さらに、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。本発明の目的は理想的な矩型状
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。
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および図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。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。
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５に示すガラス容器
を用いる方法で行われる。この場合、プロトン源である
酸によってはガラス容器５１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。さらに、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。本発明の目的は理想的な矩型状
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。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、ＬｉＴａ
Ｏ3、ＬｉＮｂＯ3またはＭｇドープされたＬｉＴａＯ3
およびＬｉＮｂＯ3基板上にプロトン交換熱処理により
周期的組成変調領域を形成し、かつ該組成変調領域外の
一様な組成領域に伸びる該組成変調領域とほぼ同期した
周期的分極反転格子を形成し、プロトン交換による該周
期的組成変調領域を光導波路とすることを特徴とする分
極反転格子と光導波路の形成方法である。本発明は、前
記周期的分極反転格子の形成中に前記基板において光透
過率が９０％以下となる光を前記基板表面の前記周期的
組成変調領域に照射することにより、光電子励起により
分域形成を制御して正確で深い分極反転格子と光導波路
を形成するものである。より具体的には、本発明は周期
的分極反転格子形成中、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3また
はＭｇドープされたＬｉＴａＯ3およびＬｉＮｂＯ3結晶
の光透過率の９０％以下の光透過率を有する紫外線を基
板表面のプロトン交換領域に照射することで周期的分極
反転格子と光導波路を形成することを特徴とする。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２００℃以上でありかつ熱処理時間が２０分以
内であることを特徴とする。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、前記周期的
分極反転格子は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。本発明は更に、前記
プロトン交換処理は酸を基板上に表面張力を利用して塗
布し、熱処理を行うことで基板の一表面のみをプロトン
交換することを特徴とする。本発明は更に、前記プロト
ン交換処理はプレート型ヒーターを用いることを特徴と
する。本発明は更に、前記プロトン交換処理において処
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。本発明は更に、前記プロトン交換処理における基板
ホルダーとして耐酸性の強い白金を用いることを特徴と
する。そして本発明は、上述の分極反転格子と光導波路
の形成方法によって製造した第２高調波発生素子であ
る。本発明の目的は図１に示すようにプロトン交換領域
の外の一様な組成領域に伸びる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し、さらに
プロトン交換領域を光導波路とすることで、高効率のＳ
ＨＧ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。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.46,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、分域が基板の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。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またはＬ
ｉＮｂＯ3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。また、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。この
ため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。さらにプロトン交換の金属マ
スク部分に紫外線を照射することで照射部と非照射部で
結晶中の電気伝導度に差が生じ、スパイク状分域の形成
を制御できる可能性がある。また、スパイク状分域の芽
となるプロトン交換領域は図１０で示すように熱処理を
行うことで、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。以上の考えに基づき、ＬｉＴａＯ3ま
たはＬｉＮｂＯ3基板の一様な組成領域内に周期的分極
反転格子を形成するために、プロトン交換による周期的
な格子パタ−ンを形成する時に適当な昇降温速度の熱履
歴を与え、同時に紫外線を照射することで周期的なスパ
イク状の分極反転格子を形成し、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−だけで作製できるという考えにいたっ
た。さらに、図７に示すようにプロトン交換処理の方法
として、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、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スパイク状の分極反転格子を形成
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た。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。
Ｏ3、ＬｉＮｂＯ3またはＭｇドープされたＬｉＴａＯ3
およびＬｉＮｂＯ3基板上にプロトン交換熱処理により
周期的組成変調領域を形成し、かつ該組成変調領域外の
一様な組成領域に伸びる該組成変調領域とほぼ同期した
周期的分極反転格子を形成し、プロトン交換による該周
期的組成変調領域を光導波路とすることを特徴とする分
極反転格子と光導波路の形成方法である。本発明は、前
記周期的分極反転格子の形成中に前記基板において光透
過率が９０％以下となる光を前記基板表面の前記周期的
組成変調領域に照射することにより、光電子励起により
分域形成を制御して正確で深い分極反転格子と光導波路
を形成するものである。より具体的には、本発明は周期
的分極反転格子形成中、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3また
はＭｇドープされたＬｉＴａＯ3およびＬｉＮｂＯ3結晶
の光透過率の９０％以下の光透過率を有する紫外線を基
板表面のプロトン交換領域に照射することで周期的分極
反転格子と光導波路を形成することを特徴とする。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２００℃以上でありかつ熱処理時間が２０分以
内であることを特徴とする。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、前記周期的
分極反転格子は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。本発明は更に、前記
プロトン交換処理は酸を基板上に表面張力を利用して塗
布し、熱処理を行うことで基板の一表面のみをプロトン
交換することを特徴とする。本発明は更に、前記プロト
ン交換処理はプレート型ヒーターを用いることを特徴と
する。本発明は更に、前記プロトン交換処理において処
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。本発明は更に、前記プロトン交換処理における基板
ホルダーとして耐酸性の強い白金を用いることを特徴と
する。そして本発明は、上述の分極反転格子と光導波路
の形成方法によって製造した第２高調波発生素子であ
る。本発明の目的は図１に示すようにプロトン交換領域
の外の一様な組成領域に伸びる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し、さらに
プロトン交換領域を光導波路とすることで、高効率のＳ
ＨＧ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。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.46,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、分域が基板の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。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またはＬ
ｉＮｂＯ3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。また、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。この
ため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。さらにプロトン交換の金属マ
スク部分に紫外線を照射することで照射部と非照射部で
結晶中の電気伝導度に差が生じ、スパイク状分域の形成
を制御できる可能性がある。また、スパイク状分域の芽
となるプロトン交換領域は図１０で示すように熱処理を
行うことで、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。以上の考えに基づき、ＬｉＴａＯ3ま
たはＬｉＮｂＯ3基板の一様な組成領域内に周期的分極
反転格子を形成するために、プロトン交換による周期的
な格子パタ−ンを形成する時に適当な昇降温速度の熱履
歴を与え、同時に紫外線を照射することで周期的なスパ
イク状の分極反転格子を形成し、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−だけで作製できるという考えにいたっ
た。さらに、図７に示すようにプロトン交換処理の方法
として、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、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スパイク状の分極反転格子を形成
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た。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。
【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６はプロトン交換熱処理の方法を
示す図、図７（ａ）〜（f）は上記ＳＨＧ素子の製造工
程を示す図である。図８はプロトン交換領域外に形成さ
れた分極反転格子、図９は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。M.Didomenico Jr.らの文献 Journal of Applied
Physics Vol.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。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(C6H5COOH、融点121℃、沸点25
0℃)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。さらに、水に可溶なためサンプルおよび
容器や治具の洗浄が可能である。燐酸としてピロ燐酸(H
4P2O7、融点61℃、沸点300℃)を用いた。図６におい
て、表面が−ｚ面であるＬｉＴａＯ3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プレート型ヒーター
６４上に６２の基板ホルダーを置き、数分〜数時間プロ
トン交換を行う。プロトン交換後、基板を取り出し水洗
することで１３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、ピロ燐酸に溶けない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
を用いた。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。次に、本発明の分極反転格子
と光導波路の形成方法を図７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７（ａ）
に示すようにＬｉＴａＯ3基板１１を用意する。（ｂ）
１１の−Ｚ面上にＴａ膜７１を３０ｎｍスパッタリング
で成膜する。（ｃ）Ｔａ膜７１上にホトレジスト７２を
スピンコートし、分極反転１２を行う部分が光導波路幅
で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７２のパターニングを行っ
た。ホトマスクのパタ−ン周期は１〜１０μｍで発生さ
せるＳＨＧ光の周期に合わせてあり、導波路幅は２〜６
μｍの幅である。（ｄ）パターニングしたホトレジスト
７２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７１をパターニン
グする。（ｅ）ホトレジスト７２をアセトンにより除去
し、ピロ燐酸を用いて図６で示したプロトン交換熱処理
を２６０℃、３０〜６０分で行い、また同時に紫外線７
３を照射することで、プロトン交換層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６
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
格子１２が作製できた。（ｆ）Ｔａ膜７１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およ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−ンの幅とほぼ等しく、光導波路の深さの範囲で
はほぼ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。 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。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８３０ｎｍの基本波を入射したところ、４１
５ｎｍの青色ＳＨＧ光が得られた。この時のＳＨＧ光出
力は１０ｍＷであり、規格化ＳＨＧ効率は１５０％／Ｗ
・ｃｍ2であった。この時の作製された分極反転格子は
図８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。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９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伸びるスパ
イク状分極反転格子を１回のフォトリソグラフィ−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。
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６はプロトン交換熱処理の方法を
示す図、図７（ａ）〜（f）は上記ＳＨＧ素子の製造工
程を示す図である。図８はプロトン交換領域外に形成さ
れた分極反転格子、図９は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。M.Didomenico Jr.らの文献 Journal of Applied
Physics Vol.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。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(C6H5COOH、融点121℃、沸点25
0℃)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。さらに、水に可溶なためサンプルおよび
容器や治具の洗浄が可能である。燐酸としてピロ燐酸(H
4P2O7、融点61℃、沸点300℃)を用いた。図６におい
て、表面が−ｚ面であるＬｉＴａＯ3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プレート型ヒーター
６４上に６２の基板ホルダーを置き、数分〜数時間プロ
トン交換を行う。プロトン交換後、基板を取り出し水洗
することで１３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、ピロ燐酸に溶けない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
を用いた。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。次に、本発明の分極反転格子
と光導波路の形成方法を図７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７（ａ）
に示すようにＬｉＴａＯ3基板１１を用意する。（ｂ）
１１の−Ｚ面上にＴａ膜７１を３０ｎｍスパッタリング
で成膜する。（ｃ）Ｔａ膜７１上にホトレジスト７２を
スピンコートし、分極反転１２を行う部分が光導波路幅
で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７２のパターニングを行っ
た。ホトマスクのパタ−ン周期は１〜１０μｍで発生さ
せるＳＨＧ光の周期に合わせてあり、導波路幅は２〜６
μｍの幅である。（ｄ）パターニングしたホトレジスト
７２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７１をパターニン
グする。（ｅ）ホトレジスト７２をアセトンにより除去
し、ピロ燐酸を用いて図６で示したプロトン交換熱処理
を２６０℃、３０〜６０分で行い、また同時に紫外線７
３を照射することで、プロトン交換層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６
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
格子１２が作製できた。（ｆ）Ｔａ膜７１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およ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−ンの幅とほぼ等しく、光導波路の深さの範囲で
はほぼ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。 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。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８３０ｎｍの基本波を入射したところ、４１
５ｎｍの青色ＳＨＧ光が得られた。この時のＳＨＧ光出
力は１０ｍＷであり、規格化ＳＨＧ効率は１５０％／Ｗ
・ｃｍ2であった。この時の作製された分極反転格子は
図８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。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９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伸びるスパ
イク状分極反転格子を１回のフォトリソグラフィ−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。
【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、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−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。
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−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。
【図１】本発明の実施例を説明するための構造図であ
る。
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。
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。
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。
子を示す図である。
【図５】従来のプロトン交換の方法を示す図である。
【図６】本発明によるプロトン交換熱処理方法を示す図
である。
である。
【図７】（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。
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８】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−ンを表している写
真である。
示す基板上に形成された微細なパタ−ンを表している写
真である。
【図９】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−ンを表している写真である。
微細なパタ−ンを表している写真である。
【図１０】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。
折率を示す図である。
１１ 基板（ＬｉＴａＯ3） １２ 分極反転領域 １３ チャンネル型光導波路 １４ 基本波入射光 １５ ＳＨＧ出力光 １６ プロトン交換領域 ２１ 基板（ＬｉＮｂＯ3） ２２ チェレンコフＳＨＧ光 ３１ 三角状分極反転領域 ４１ 半円状分極反転領域 ５１ ガラス容器 ５２ 基板 ５３ 酸 ５４ 恒温槽 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 ７１ Ｔａ膜 ７２ ホトレジスト ７３ 紫外線
Claims (11)
- 【請求項１】 ＬｉＴａＯ3，ＬｉＮｂＯ3，またはＭｇ
ドープＬｉＴａＯ3またはＬｉＮｂＯ3基板上にプロトン
交換熱処理により周期的組成変調領域を形成し、かつ該
組成変調領域外の一様な組成領域に伸びる該組成変調領
域とほぼ同期した周期的分極反転格子を形成し、プロト
ン交換による該周期的組成変調領域を光導波路とする分
極反転格子と光導波路の形成方法において、前記周期的
分極反転格子形成中に紫外線を基板表面のプロトン交換
領域に照射することで周期的分極反転格子と光導波路を
形成することを特徴とする分極反転格子と光導波路の形
成方法。 - 【請求項２】 前記周期的分極反転格子の形成後、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請求項１の分
極反転格子と光導波路の形成方法。 - 【請求項３】 前記熱処理温度が２００℃以上でありか
つ熱処理時間が２０分以内であることを特徴とする請求
項２の分極反転格子と光導波路の形成方法。 - 【請求項４】 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５
０℃／分以上の温度変化速度を含むことを特徴とする請
求項２または３のいずれかの項に記載の分極反転格子基
板の形成方法。 - 【請求項５】 前記周期的分極反転格子は先端が単一な
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４のいずれかの項に記載の分極反転
格子と光導波路の形成方法。 - 【請求項６】 前記プロトン交換処理は酸を基板上に表
面張力を利用して塗布し、熱処理を行うことで基板の一
表面のみをプロトン交換することを特徴とする請求項１
ないし５のいずれかの項に記載の分極反転格子と光導波
路の形成方法。 - 【請求項７】 前記プロトン交換処理はプレート型ヒー
ターを用いることを特徴とする請求項６の分極反転格子
と光導波路の形成方法。 - 【請求項８】 前記プロトン交換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
徴とする請求項１ないし７のいずれかの項に記載の分極
反転格子と光導波路の形成方法。 - 【請求項９】 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請求項１ないし８
のいずれかの項に記載の分極反転格子と光導波路の形成
方法。 - 【請求項１０】 前記プロトン交換処理における基板ホ
ルダーとして白金を用いることを特徴とする請求項１な
いし９のいずれかの項に記載の分極反転格子と光導波路
の形成方法。 - 【請求項１１】 光学結晶の基板上に実質的に周期的組
成変調領域を形成し、かつ前記組成変調領域の外の実質
的に一様な組成領域に伸びる前記組成変調領域とほぼ同
期した周期的分極反転格子を形成し、前記周期的組成変
調領域を光導波路とする分極反転格子と光導波路の形成
方法において、前記周期的分極反転格子の形成中に前記
基板において光透過率が９０％以下となる光を前記基板
表面の前記周期的変調領域に照射することで周期的分極
反転格子と光導波路を形成することを特徴とする分極反
転格子と光導波路の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5218149A JPH0756202A (ja) | 1993-08-10 | 1993-08-10 | 分極反転格子と光導波路の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5218149A JPH0756202A (ja) | 1993-08-10 | 1993-08-10 | 分極反転格子と光導波路の形成方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0756202A true JPH0756202A (ja) | 1995-03-03 |
Family
ID=16715416
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5218149A Pending JPH0756202A (ja) | 1993-08-10 | 1993-08-10 | 分極反転格子と光導波路の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0756202A (ja) |
-
1993
- 1993-08-10 JP JP5218149A patent/JPH0756202A/ja active Pending
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