JPH08304862A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板強度を充分に保ち且つ良好な分極反転領
域が得られる光デバイスを提供することを目的とする。 【構成】 非線形光学効果を有する基板１７に導波路１
８が形成され、導波路１８を含む基板１７内に周期状の
反転分極構造が形成された光デバイスであって、導波路
１８が形成された領域の基板厚みが他の領域より薄いこ
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
光デバイス及びそ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】現在、マルチメディア化に伴い情報伝達手
段の大容量化が望まれているが、レーザー光を用いた光
記録、または光磁気記録再生装置等において光源として
赤から黄色付近の長波長の光が用いられているなどの理
由から、画像データ等の処理で情報記憶媒体としての記
憶密度は充分ではなく、より短波長領域の青色発光素子
の開発が期待されている。

【０００４】ところで、青色ＳＨＧ素子は、既に実用化
されている例えばＧａＡｓ系等の長波長レーザー光を非
線形光学効果を利用し、レーザー光の一部を波長変換し
て青色光を得る青色光源として特に注目されている。

【０００５】非線形光学効果を有する物質に光が入射し
たときに、入射光電界の２次もしくは高次に比例した結
晶内分極が生じる。特にＳＨＧは２次の非線形効果によ
るものであり、非線形媒質中に角振動数ω１＋ω２の光
が発生し、ω１＝ω２＝ω（＝２πｃ／λ）（基本波と
してωを入射）の場合、ＳＨＧとして２ωの光が得られ
る。

【０００６】しかしながら、一般に非線形光学結晶は光
の波長に対する屈折率依存性（以下、分散という）を有
するために、基本波とＳＨＧの運動量が異なり、効率的
に基本波をＳＨＧに変換することはできない。このた
め、何等かの方法で両者間の運動量相違成分を補償する
ことが必要となるが、従来よりバルク結晶でかつ複屈折
率を有するものにおいては、異常光が光伝播方向依存性
を有することに注目し、基本光を常光線として入射角度
を調整することにより、位相整合条件を満足したＳＨＧ
を異常光として得る方法や、またＬｉＮｂＯ3 等の結晶
は複屈折率が大きく温度による依存性を持つことから、
温度を調整することにより位相整合がとられてきた。

【０００７】一方で、導波路作製技術の向上と相まっ
て、結晶の異方性を用い周期的な分極反転構造をとるこ
とにより、位相整合条件を満足せしめ、基本波とＳＨＧ
間の運動量保存を保つ疑似位相整合の技術が特に注目さ
れている。疑似位相整合法は、前者の基本光の入射角調
整法や、温度調整法では用いることのできなかった非線
形光学係数ｄ₃₃を用いる点にあり、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。

【０００８】上記周期的分極反転構造の作製方法は多数
提案されており、例えばＴｉ拡散法、プロトン交換法、
Ｌｉ₂ Ｏ外拡散法、ＳｉＯ₂ 装荷法等多岐にわたる。Ｔ
ｉ拡散法、プロトン交換法、Ｌｉ₂ Ｏ外拡散法等は屈折
率分布の周期的変化を伴うために、ＳＨＧの回折や散乱
が生じ、導波光のエネルギーの散逸のため、充分な強度
のＳＨＧが得られない等の問題が存在する。

【０００９】一方、上記分極反転法は分極反転領域が浅
く、基板界面から数μm 程度の深さの反転領域しか得ら
れず、また反転領域形状が三角形状であるため、変換効
率が悪く実用に耐えなかった。

【００１０】近年、電圧印加法と呼ばれる常温で電界を
印加することによる分極反転技術が研究されている（例
えば、特公平２−１８７７３５号等を参照）。

【００１１】ここで、電界印加法は第２図に示されてい
るように、非線形光学効果を有する基板状の一方の面に
周期電極２１と、他面に共通電極２２を形成した後、両
面電極間に電圧をかけることにより、基板内部に周期電
界が誘起され、周期的分極反転構造が形成される。電圧
印加法により形成された分極反転領域は、基板両面間に
渡るため、Ｔｉ拡散法等に見られたような分極反転領域
に基板界面から深さが充分でない等の問題点を解消し、
良好な反転形状を得ることができる。

【００１２】また、分極反転領域は純粋に基板極性に対
してのみの反転であるため、反転領域の屈折率変化を伴
わないため、周期的屈折率変化に伴う伝搬光の散乱や回
折の影響が生じない。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような電圧印加法は分極反転領域は良好な形状を成す
ことや、分極反転による屈折率の変化が伴わない等の利
点を有するが、技術的には分極反転を室温付近（＜＜Ｔ
ｃ：キュリー点）で行うために、反転に要する印加電圧
が高くなることにより問題が生じる。

【００１４】一般に、分極反転は結晶内部の電気的異方
性を利用するため焦電性材料を用いるが、焦電性物質は
同時に圧電性物質であるため、反転のために基板内部に
大きな電界を印加すると圧電性により基板自体が破壊す
る現象が生じる。

【００１５】分極反転時及び基板破壊時の電界強度と基
板厚さの関係は図３に示すごとくとなる。すなわち、分
極反転時及び基板破壊電界強度は基板厚みに対し依存性
を有し、基板破壊電界強度は基板の厚さの増加に対し減
少するが、反転電界は増加の傾向を示す。

【００１６】したがって、基板破壊を起こすことなく、
且つ分極反転構造を形成するためには、反転電界強度＜
基板破壊強度（図３の領域Ａ）の条件を満足する厚みの
基板を用い分極反転する必要がある。

【００１７】図３は電圧印加法により分極反転を行う際
に、基板の厚みに制限があり良好な分極反転を行うため
には、充分に薄い基板を用いる必要性を示唆する。ま
た、裏面が一様な共通電極で形成されているため、基板
の厚みが増すにしたがい、両面電極間の距離が増大する
ため、印加電界の広がりが生じ、充分な精度で分極反転
構造を得ることが困難となる。

【００１８】良好な周期的分極反転構造を得るために
は、基板の薄片化は必要であるが、工程上は基板強度に
問題が生じ、各々の工程で取扱いが非常に不便となる。

【００１９】そこで、本発明では上記諸問題に鑑み案出
されたものであって、基板強度を充分に保ち且つ良好な
分極反転領域が得られる光デバイスを提供することを目
的とする。

【００２０】

【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は、非線形光学効果を有する
基板に導波路が形成され、該導波路を含む前記基板内に
周期状の反転分極構造が形成された光デバイスであっ
て、前記導波路が形成された領域の基板厚みが他の領域
より薄いことを特徴とする。

【００２１】また、非線形光学効果を有する基板の一主
面側に帯状の導波路を、他主面側で前記導波路に沿った
領域に溝を形成したことを特徴とする。

【００２２】

【作用】本発明によれば、基板の厚みが導波路を形成す
る領域で薄いので、基板の破壊電界強度を向上させるこ
とができ、分極反転電圧を降下させ、しかも分極反転を
容易に行うことを可能とし、精度よく分極反転領域を得
ることができる上、基板強度をも保つことができる。

【００２３】

【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。基本光をＳＨＧに有効に変換するために
は大きな非線形光学係数をもつ物質が必要となる。この
実施例では大きな非線形光学係数を有するニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯ3 ；以下ＬＮという）を用いる。

【００２４】ここで、図１に示すように基板１７は製造
過程で一方向に直流電圧を印加することにより、予め結
晶内電気双極子が一定方向（結晶軸：Ｚ軸方向）を向く
ように処理（シングルドメイン化）されたものとする。

【００２５】まず、周期的分極反転を電圧印加法により
行う場合に必要な周期構造を有する電極の作製方法につ
いて説明する。周期構造を有する周期電極１１の周期
は、ＬＮ内を伝搬する基本光と青色ＳＨＧ間の位相整合
には約３μm 程度が適当である。また、基板１７がＬＮ
の場合周期電極１１はＺカット基板の＋Ｚ面に形成され
る。そして、周期電極１１の基本パターンは一般に知ら
れたフォトリソグラフィによりレジストパターンとして
作製される。

【００２６】このレジストパターン上に、例えば電子ビ
ーム蒸着法により一面に金属薄膜（例えばＡｌ）を約５
０００Åの厚さで蒸着を行った後、リフトオフ法と呼ば
れるアセトン浸漬及び超音波洗浄により、レジスト上に
蒸着された金属薄膜を除去して所望の周期電極１１を得
る。

【００２７】上記電極作製法はリフトオフ法を前提とし
て説明をしたが、エッチング技術を用いても可能であ
る。エッチング技術を用いる場合、フォトリソグラフィ
工程と蒸着工程の順序が入れ替わり、金属薄膜を全面蒸
着した後にフォトリソグラフィ技術を用いレジスト基本
パターンを作製する。レジストで保護されない金属部位
が溶解し目的とする電極構造１１が得られ、エッチング
工程後レジストはアセトン等の溶剤により除去される。
このような工程により、基板１７の＋Ｚ面における周期
電極１１の作製は完了される。

【００２８】次に、基板１７の他の主面である−Ｚ面に
おける電極作製について説明する。基板１７の−Ｚ面に
は、電子ビーム蒸着法等により厚さ５０００Å程度の薄
膜を蒸着することにより、全面一様の共通電極１２が形
成される。ここで、基板１７の裏面（−Ｚ面）には予め
上記の＋Ｚ面に作製した周期電極１１に垂直な方向で相
対応した位置に溝１３が形成されている。この溝構造１
３は、例えばシングルドメイン化された基板１７上に共
通電極１２が作製される前に、ダイシング技術等により
基板表面から０．１〜０．３mmの深さまで切れ込みを作
製することで実現できる。

【００２９】この溝構造１３を設けることにより、周期
的分極反転領域における基板１７の厚さが局所的に減少
し、電圧印加による分極反転をきわめて容易に行うこと
が可能になる。

【００３０】ここで、電圧印加法は基板１７の両面の電
極１１，１２間に電圧をかけることにより周期的分極反
転を行う。１４は直流高圧電源であり、両端子１５及び
１６はそれぞれ電極１１及び１２に接続されている。両
電極間の電圧印加は基板１７の周囲の大気を介しての放
電を防ぐために、真空中もしくはシリコーンオイル等の
絶縁油中にて行う。以上の条件の下で両電極間の電圧を
上昇させていくと、ある電圧下で両電極間に微小電流が
流れる。

【００３１】この電流は反転電流と呼ばれ、焦電性の基
板であるＬＮ基板の表面電位を相殺するために、基板表
面に吸着した荷電粒子が分極方向の反転に伴い移動する
ために生ずる電流であり、したがって、上記電流の有無
により分極反転を確認できるのである。

【００３２】この周期的分極反転部の基板厚さは０．１
〜０．３mmとしたが、基本的には図３におけるＡ領域を
満足するように基板１７の裏面に溝構造１３を設ければ
よい。

【００３３】このようにして分極反転が行われた後、各
々の電極１１，１２はエッチング液により除去され例え
ばプロトン交換法により＋Ｚ面に導波路ガ作製され、Ｓ
ＨＧ素子は完成する。

【００３４】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。

【００３５】また、共通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。

【００３６】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。

【００３７】

【発明の効果】本発明の光デバイスによれば、電圧印加
法により周期的分極反転を行う際に、基板破壊を来すこ
とのない低電圧で分極反転を可能ならしめ、かつ充分な
強度を保たせることが可能であるので、素子の製造にお
ける基板のハンドリングがきわめて良好な信頼性の優れ
た光デバイスを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光デバイスの電圧印加による周期
的分極反転の一例を示す斜視図である。

【図２】従来の光デバイスの電圧印加による周期的分極
反転の一例を示す斜視図である。

【図３】基板破壊電界及び分極反転電界の基板厚み依存
性を示す関係図である。

【符号の説明】

１７ ・・・ 基板 １８ ・・・ 導波路 １１ ・・・ 周期電極 １２ ・・・ 共通電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非線形光学効果を有する基板に導波路が
   形成され、該導波路を含む前記基板内に周期状の反転分
   極構造が形成された光デバイスであって、前記導波路が
   形成された領域の基板厚みが他の領域より薄いことを特
   徴とする光デバイス。
2. 【請求項２】 非線形光学効果を有する基板の一主面側
   に帯状の導波路を、他主面側で前記導波路に沿った領域
   に溝を形成したことを特徴とする光デバイス。