JPH08271941A

JPH08271941A - 光デバイスの製造方法

Info

Publication number: JPH08271941A
Application number: JP7408295A
Authority: JP
Inventors: Shigemasa Ogasawara; 茂昌小笠原; Koji Takemura; 浩二竹村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 1996-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】広い範囲にわたって均一な周期微細分極反転
構造を容易に実現させることができる優れた光デバイス
の製造方法を提供すること。【構成】単一分域化された非線形強誘電体から成る基
板１の一主面に、帯状の周期電極３と帯状の絶縁膜２と
を交互に配置させるとともに、基板１の他の主面に共通
電極４を配置させ、周期電極３と共通電極４との間に電
界を印加することによって基板１に分極反転を生ぜしめ
るようにしたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光情報システム
等に使用される光第２高調波発生素子や光変調器などの
光デバイスの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光記録媒体に使用される半導体レ
ーザー発生手段などの光情報システム等に要求される小
型短波調コヒーレント光源として、光第２高調波発生
（以下、ＳＨＧと略記する）素子が注目されている。

【０００３】一般にＳＨＧ素子は、バルク型ＳＨＧ素子
と導波路型ＳＨＧ素子に大別され、ＳＨＧ素子の材料と
しては、最近ではニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）、
タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3 ）、ＫＴｉＯＰ
Ｏ₄、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3 ）等の無機酸化
物、種々の有機非線形材料が大きな非線形光学定数を有
するために好適に使用される。これら材料の中で、特に
ＬｉＮｂＯ3 やＬｉＴａＯ3は導波路作製技術が確立さ
れており、且つ比較的大きな非線形光学定数を有するの
で、導波路型ＳＨＧ素子として大変有望視されている。

【０００４】特に、導波路型ＳＨＧ素子の特徴は、以下
に述べる疑似位相整合法により非線形光学係数ｄ₃₃を用
いることができる点にある。ｄ₃₃は他の非線形光学係数
より数倍程度大きく（例えばＬｉＮｂＯ3 におけるｄ₃₃
は、ｄ₃₁に比して約６倍大きい）、このため高い変換効
率の達成が可能である。また、光の閉じ込めにより長い
伝搬距離に渡って高い光強度密度を実現できる。

【０００５】従来からの導波路型ＳＨＧ素子は、素子本
体の表層に導波路がＴｉ等の金属の熱拡散法等により作
製されている。導波路の一端に、角周波数ωの基本波
（伝搬定数β（ω））を入射させると、他端から基本波
を含む角周波数２ω（伝搬定数β（２ω））のＳＨＧが
出射される。

【０００６】しかし、一般に２β（ω）≠β（２ω）の
関係があるために位相整合条件が満足されず、導波路内
の任意位置から生じたβ（２ω）の素波は互いに干渉し
打ち消され、有効にＳＨＧ変換されない。

【０００７】そこで、有効にＳＨＧ変換させるために、
基本波と高調波との伝搬定数の差を光学的な周期構造で
補償して位相整合をとる必要がある。この方法は疑似位
相整合と呼ばれ、ＬｉＮｂＯ3 あるいはＬｉＴａＯ3 等
の強誘電体結晶では、非線形光学係数の正負が誘電分極
の極性に対応する性質を利用し、周期的に分極を反転さ
せることによる光学的周期構造が注目されている。

【０００８】この分極反転の一方法として図３に示す電
界印加法が提案されている。ここで、２１は導波路２２
を含むＬｉＮｂＯ3 もしくはＬｉＴａＯ3 の基板、２３
は基板上にパターニングされた周期電極、２４は基板の
裏面全体に装着された共通電極、２５は高圧電源であ
る。

【０００９】この方法は、例えばｚカットのＬｉＮｂＯ
3 もしくはＬｉＴａＯ3 の基板２１の導波路を形成させ
た面２１ａ（ＬｉＮｂＯ3 では＋Ｚ面、ＬｉＴａＯ3 で
は−Ｚ面）に周期電極２３を、他主面に共通電極２４を
設け、電界を印加した場合に周期電極２３と同一パター
ンの反転分極が得られる現象を利用し、疑似位相整合に
必要な分極の周期的反転構造を得る方法である（例え
ば、M.Yamada, N.Noda,and K.Watanabe : Integrated P
hotonics Research TuC2-1 (1992)を参照）。

【００１０】また、非線形強誘電体から成る基板に対し
て、１５０℃以下の比較的低温で高電圧を与え、分極反
転を行うようにした方法が提案されている（例えば、特
開平４−３３５６２０号公報を参照）。この方法によれ
ば、反転形状の制御性に優れ、かつ表面の汚染や熱によ
る屈折率や結晶性の変化がなく、容易にしかも低コスト
で周期的微細分極反転構造が得られるものとして注目さ
れている。

【００１１】一般に、ＳＨＧ素子に周期分極反転構造を
適用させる場合、約１．５μm ずつで反転方向が周期的
に変化する構造を必要とするため、上記方法では微細電
極を梯子状または櫛状に配設しなければならない。

【００１２】ところが、一本当たり約１．５μm 幅程度
の細い電極では線抵抗により印加される電界の不均一を
招くために、５mm以上の長さを有する均一な連続反転構
造を作製することが困難となる。このため、高出力のＳ
ＨＧ素子を得るために周期反転構造の長尺化やその大面
積化は必要不可欠であり、このような問題の解決が望ま
れている。

【００１３】そこで、例えば１μm 以上の厚みを有する
レジストを絶縁物として挟み込んだ波板電極構造が提案
されている（金高等，信学技報ＬＱＥ９４−４８，１９
９４−１０）。これにより、均一な連続反転構造を有す
るＳＨＧ素子を提供できるものとして有効な手段とみら
れる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような導波路基板上に周期電極をパターニングする方
法では、導波路基板上に周期電極をパターニングする工
程を要し、しかもこの周期電極のパターンニングにはサ
ブミクロンオーダの精度が要求され、そのための製造工
程に大規模な設備と熟練した技術が不可欠となり問題で
ある。

【００１５】また、電界印加による周期的反転分極構造
の作製の後、導波光の散乱もしくは回折の影響を避ける
ため、この周期電極はエッチングにより取り除く必要が
あり、このためのエッチング工程が必要である上、製造
工程全体が煩雑となるといった問題や、剥離工程におけ
る剥離剤等の使用により素子表面を傷つけ、素子の特性
が劣化するといった問題を誘起する。

【００１６】またレジストを絶縁膜として挟み込んだ方
法では設計上、絶縁膜の厚みが１μm 以上必要であり、
電界のゆらぎ等が生じるため、１mm²程度の局部的な均
一性を得ることはできても、これを大きく上回る面積の
反転構造実現は報告されていない。また、絶縁物質がレ
ジストの場合、硬度が低く、またアセトン等の溶剤によ
って容易に溶解してしまうので不安定であり、耐磨耗性
や耐腐食性を要求される製造装置の構成要素とするには
問題がある。

【００１７】本発明は上記問題点を克服し、簡便で例え
ば５mm以上の長さもしくは５mm²以上の広さにわたり均
一な周期微細分極反転構造を容易に実現させることがで
きる優れた光デバイスの製造方法を提供することを目的
とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
めに、本発明の光デバイスの製造方法は、単一分域化さ
れた非線形強誘電体から成る基板の一主面に、帯状の周
期電極と帯状の絶縁膜とを交互に配置させるとともに、
前記基板の他の主面に共通電極を配置させ、前記周期電
極と前記共通電極との間に電界を印加することによって
前記基板に分極反転を生ぜしめるようにしたことを特徴
とする。

【００１９】また、帯状の周期電極と帯状の絶縁膜とを
交互に配置させた板状導電体の一主面を、単一分域化さ
れた非線形強誘電体から成る基板の一主面上に載置する
とともに、前記基板の他の主面に共通電極を配置させ、
前記板状導電体と前記共通電極との間に電界を印加する
ことによって前記基板に分極反転を生ぜしめるようにし
たことを特徴とする。

【００２０】また、単一分域化された非線形強誘電体か
ら成る基板の一主面に帯状の絶縁膜を所定間隔を空けて
複数配列させるとともに、該絶縁膜を含む基板の一主面
を導電体膜で被覆し、前記基板の他の主面に共通電極を
配置させ、前記導電体膜と前記共通電極との間に電界を
印加することにより前記基板の分極反転を生ぜしめるよ
うにしたことを特徴とする。

【００２１】さらに、前記帯状の絶縁膜はＳｉＯ₂また
はＳｉ₃Ｎ₄から成り、かつ厚さが５０００Å以下であ
ることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光デバイス
の製造方法。

【００２２】

【作用】本発明によれば、導電体膜を帯状の絶縁膜を被
覆することにより周期電極を一様電極として形成するこ
とが可能なので、従来のような複雑な周期電極の微細パ
ターニングを不要とすることができる。

【００２３】また、周期電極，絶縁膜，共通電極を基板
とは別体に形成して、電極間に基板を挟むようにすれ
ば、電極や絶縁膜等の剥離工程により素子を損傷させる
ことがなくなる。

【００２４】さらに、従来のようにレジストによる電界
のゆらぎ等の問題を解消することができる。

【００２５】そして、特に電極の線抵抗の影響を大きく
改善することができ、電極の面積に応じて広い領域に微
細の分極反転構造を均一かつ容易に形成させることが可
能となる。

【００２６】

【実施例】以下、図面に基づき本発明に係る実施例につ
いて説明する。〔実施例１〕図１に示す非線形強誘電体の基板１は分極
反転を行った後に光導波路を形成するＳＨＧ素子に用い
るものであるが、光変調器等の各種光デバイスの構成要
素であってもよい。

【００２７】まず、非線形強誘電体から成る基板１とし
て、ＳＨＧ素子として高出力が期待できるニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯ₃）の単結晶で、かつ主面１ａ，１ｂ
がＺ面となるように切り出したものを使用する。そし
て、主面１ａを＋Ｚ面とし主面１ｂを−Ｚ面として、主
面１ａから容易に反転が生じるようにする。

【００２８】また、主面１ａ上に熱的・時間的に安定な
性質の絶縁膜（ＳｉＯ₂またはＳｉ₃Ｎ₄）２を、例え
ばスパッタリング法やＣＶＤ法により約５０００Å以下
の所望の厚さに所定形状に被着形成する。すなわち、図
１に示すように例えば複数の帯状に交互に所定形状が繰
り返されるように周期的に成膜する。ここで、この絶縁
膜２の膜厚は制御する分極反転比（反転領域の幅をａ，
非反転領域の幅をｂとした場合に、ａ：ｂをいう）に応
じて変化させることができるが、５０００Åより厚い
と、後記する電界のかかり具合が大きく変化するため、
所望の反転が容易に得られなくなる。

【００２９】また、この絶縁膜２のパターニングはフォ
トリソグラフと弗酸系バッファエッチャントを利用し、
微細な周期電極が材料に接する部分のパターン膜を除去
する。このときの除去パターンは例えば約１．５μm 程
度の幅の梯子状や櫛形形状にするが、特に連続体にする
必要はなく、また、リッジ状等の周知の形状に形成して
もよい。

【００３０】次に、パターニングされた安定な絶縁膜２
上に低抵抗の金属、例えばアルミニウムや銀等を蒸着法
やスパッタリング法により一様に成膜した第１の電極体
３を形成する。これにより、所望の周期電極が形成され
る。さらに、基板１の主面１ｂ側に共通電極である第２
の電極体４を第１の電極体３と同様な方法で成膜する。
なお、この第２の電極体４は板状導電体であってもよ
く、必ずしも成膜させる必要はない。

【００３１】ここで、第１の電極体３及び第２の電極体
４の厚みが厚いほど抵抗が下がる。このため、面積が広
くなっても抵抗分の水平方向への電圧降下が少なく、一
様な電界がかかる状態となり好適である。第１の電極体
３が基板１を覆う面積はそのまま微細分極反転構造がで
きる面積となるが、その寸法が例えば８mm×１０mm程度
でも一様な分極反転が可能であり、大面積にわたって均
一な電界が印加されるので広い範囲で均一な反転構造が
得られるのである。

【００３２】このような構成において、例えば室温で第
１の電極体３が正、第２の電極体４が負になるように、
約２０ｋＶ／mm程度の電界を、電源５でもって直流ある
いはパルスで印加する。ここで、電界の印加は望ましく
は真空中あるいはシリコーンオイル等の絶縁油中等で行
う。すなわち、電極間に高電圧が印加されても放電が生
じないように真空中などの絶縁媒体中で行うのである。

【００３３】次に、第１の電極体３及び第２金属電極４
を相応のエッチング液（例えばアルミニウムであれば、
Ｈ₂ＰＯ₄：ＨＮＯ₃：ＣＨ₃ＣＯＯＨ：Ｈ₂Ｏを１
６：１：２：１の割合で混合したもの）で除去する。こ
のようにして、微細でかつ均一な周期分極反転構造を長
さ約１０mmに渡って形成することができる。

【００３４】〔実施例２〕次に他の実施例について説明
する。実施例１では基板１に金属電極や絶縁膜を一体的
に被着形成して、この一体物に対して電界を印加するよ
うにして分極反転構造を形成したが、第１の電極体や第
２の電極体を基板１とは別体に用意し、第１の電極体に
絶縁膜を形成して基板を２つの金属電極で挟んで電界を
印加するようにしてもよい。以下にこのようにして分極
反転構造を形成した例について説明する。

【００３５】まず、図２の断面図に基づき、図１におけ
る基板１を挟み込むための金属電極の作製について説明
する。

【００３６】図２（ａ）に示すように、導電体すなわち
低抵抗で望ましくは堅固な板状導電体である電極板１３
を用意する。本実施例では板の厚さが約０．５mmのもの
を使用し、その片面を鏡面に仕上げた金属チップを使用
したが、金属メッキを施した樹脂等であってもよい。

【００３７】次に、図２（ｂ）に示すように、この電極
板１３の一主面上に実施例１と同様に熱的・時間的に安
定な絶縁膜１２を周期状に厚さ５０００Å以下に被着形
成した。さらに、レジスト１４をフォトリソグラフィに
より絶縁膜１２上にのみ残留させる。

【００３８】次に、図２（ｃ）に示すように、電極板１
３上及びレジスト１４上にアルミニウムの導電膜１５を
蒸着法で作製する。なお、この導電膜１５はスパッタリ
ング法や電解メッキ法などで作製してもよい。ただし、
電解メッキ法の場合はレジスト１４上には積層されない
ので、リフトオフ工程が容易となる。導電膜１５を構成
するものは電極板１３と密着性が良好なものがよいの
で、このようにアルミニウムを電極板１３として用いた
場合は、同じアルミニウムや銀等が最適であるが、必ず
しも金属単体である必要はなく、導電性が良く堅固なも
のであればよい。また、導電膜１５の厚さは安定な絶縁
膜１２とほぼ等しくなるようにしなければ、分極反転材
料への密着が出来なくなるので電流が流せなくなる。

【００３９】次に、図２（ｄ）に示すように、最後にレ
ジスト１４を除去し第１の電極体Ａを完成させる。

【００４０】また、第２の電極体は電極板１３と同様な
ものを用意する。そして基板１を第１の電極体Ａと第２
の電極体とで挟み、実施例１と同様に電界を印加して基
板１の分極反転を行う。

【００４１】なお、上記実施例では分極反転後に電気モ
ーメントをバラバラにする可能性の無い導波路形成（イ
オン交換法やキュリー点以下の温度での金属熱拡散）を
行うようにしたものであり、電界印加により周期分極反
転を行わせた後に導波路作製する場合について説明した
が、必ずしもそのように行う必要はなく、電界の印加前
にＳＨＧ素子本体に導波路を作製されたものを用いても
よい。

【００４２】また、第２の電極はアースとして使用で
き、直接素子本体に成膜した場合にはエッチング等で除
去してもしなくともよい。

【００４３】さらに、上記実施例ではＬｉＮｂＯ3 の単
結晶基板を用いた例について説明したが、タンタル酸リ
チウム（ＬｉＴａＯ₃）の単結晶基板を用いてもよく、
この場合には−Ｚ面に分極反転構造を作製するようにす
ると好適に分極反転構造が得られる。

【００４４】

【発明の効果】本発明の光デバイス素子の製造方法によ
れば、周期電極として一様電極を形成することができる
ので、従来のような複雑な電極の微細パターニングを不
要とすることができる。

【００４５】また、周期電極，絶縁膜，共通電極を基板
とは別体に形成して、電極間に基板を挟むようにすれ
ば、電極や絶縁膜等の剥離工程により素子を損傷させる
ことがなくなる上、連続的大量に光デバイスを製造する
ことが可能となる。

【００４６】さらに、従来のようにレジストによる電界
のゆらぎ等の問題を解消することができ、優れた光デバ
イスを提供することができる。

【００４７】そして特に、電極の線抵抗の影響を大きく
改善することができ、電極の面積に応じて広い領域に微
細の分極反転構造を均一かつ容易に形成させることが可
能となり、微細分極反転構造を長いもしくは広い領域に
渡って均一に形成せしめることができ、これにより形成
されるＳＨＧ素子等の特性を改善しうる。

【００４８】また、光変調器に本発明を適用すればＤＣ
ドリフトを抑え動作を安定化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による分極反転制御方法の一例を示す斜
視図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ作製工程を示す断面
図である。

【図３】従来の電界印加法による周期反転分極作製を示
す概略斜視図である。

【符号の説明】

１・・・基板２・・・絶縁膜３・・・第１の電極体４・・・第２の
電極体（共通電極）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単一分域化された非線形強誘電体から成
る基板の一主面に、帯状の周期電極と帯状の絶縁膜とを
交互に配置させるとともに、前記基板の他の主面に共通
電極を配置させ、前記周期電極と前記共通電極との間に
電界を印加することによって前記基板に分極反転を生ぜ
しめるようにしたことを特徴とする光デバイスの製造方
法。
【請求項２】帯状の周期電極と帯状の絶縁膜とを交互
に配置させた板状導電体の一主面を、単一分域化された
非線形強誘電体から成る基板の一主面上に載置するとと
もに、前記基板の他の主面に共通電極を配置させ、前記
板状導電体と前記共通電極との間に電界を印加すること
によって前記基板に分極反転を生ぜしめるようにしたこ
とを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項３】単一分域化された非線形強誘電体から成
る基板の一主面に帯状の絶縁膜を所定間隔を空けて複数
配列させるとともに、該絶縁膜を含む基板の一主面を導
電体膜で被覆し、前記基板の他の主面に共通電極を配置
させ、前記導電体膜と前記共通電極との間に電界を印加
することにより前記基板の分極反転を生ぜしめるように
したことを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項４】前記絶縁膜はＳｉＯ₂またはＳｉ₃Ｎ₄
から成り、かつ厚さが５０００Å以下であることを特徴
とする請求項１乃至３に記載の光デバイスの製造方法。