JPH10170966A - Formation of domain inversion structure of ferroelectric substance, and optical wavelength conversion element - Google Patents

Formation of domain inversion structure of ferroelectric substance, and optical wavelength conversion element

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JPH10170966A
JPH10170966A JP32979396A JP32979396A JPH10170966A JP H10170966 A JPH10170966 A JP H10170966A JP 32979396 A JP32979396 A JP 32979396A JP 32979396 A JP32979396 A JP 32979396A JP H10170966 A JPH10170966 A JP H10170966A
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domain inversion
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periodic
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the occurrence of domain inversion even in a part between electrodes of a prescribed pattern in a method for impressing electric field on a ferroelectric substance by using the electrodes of prescribed pattern and forming the part of the ferroelectric substance facing the electrodes described above as local domain inversion part. SOLUTION: The electrodes 2 of the prescribed pattern are formed on one surface 1a of an MgO-LiNbO3 substrate, which is the ferroelectric substance having a monopolarized nonlinear optical effect. The substrate 1 is subjected to corona electrification by these electrodes 2 and a corona wire 4 disposed on the surface 1c side opposite to the one surface 1a and the electric fields are impressed thereon, by which the parts of the substrate 1 facing the electrodes 2 are formed as the local domain inversion parts 6. At this time, ridge parts 1b of the shape corresponding to the electrode patterns are formed on the substrate 1 and the electrodes 2 and formed on the surfaces of these ridge parts 1b.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、基本波を第2高調
波等に変換する光波長変換素子、特に詳細には周期ドメ
イン反転構造を有する光波長変換素子に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical wavelength converter for converting a fundamental wave into a second harmonic or the like, and more particularly to an optical wavelength converter having a periodic domain inversion structure.

【0002】また本発明は、このような光波長変換素子
を作成するために、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] The present invention also relates to a method of forming a domain inversion structure of a predetermined pattern on a ferroelectric material having a non-linear optical effect in order to produce such an optical wavelength conversion element.

【0003】[0003]

【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 β(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。
2. Description of the Related Art A method of wavelength-converting a fundamental wave into a second harmonic using an optical wavelength conversion element provided with a region in which spontaneous polarization (domain) of a ferroelectric material having a nonlinear optical effect is periodically inverted. Has already been proposed by Bleombergen et al. (See Phys. Rev., vol. 127, No. 6, 1918 (1962)).
In this method, the period ド メ イ ン of the domain inversion unit is represented by: c = 2π / {β (2ω) -2β (ω)} (1) where β (2ω) is a propagation constant of the second harmonic β (ω) Is set to be an integral multiple of the coherent length Δc given by the propagation constant of the fundamental wave, so that the fundamental wave and the second harmonic can be phase-matched. When wavelength conversion is performed using a bulk crystal of a nonlinear optical material, the wavelength to be phase-matched is limited to a specific wavelength unique to the crystal. However, according to the above method, the period satisfying (1) for any wavelength By selecting Λ
Phase matching can be efficiently performed.

【0004】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、特開平7−72521号に示さ
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周期電極を形成した
後、これらの電極と、上記一表面と反対の表面側に配し
たコロナワイヤーとにより強誘電体をコロナ帯電させて
そこに電場を印加し、該強誘電体の上記電極に対向する
部分を局部的なドメイン反転部とする方法が知られてい
る。
As one method of forming the above-described periodic domain inversion structure, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-72521, a predetermined surface of a ferroelectric material having a monopolarized nonlinear optical effect is provided. After forming the periodic electrodes of the pattern, these electrodes, and a corona wire disposed on the surface opposite to the one surface, corona-charges the ferroelectric material and applies an electric field thereto, and applies the electric field thereto. There is known a method in which a portion facing an electrode is used as a local domain inversion portion.

【0005】またこのコロナ帯電を利用する他、例えば
特開平4−335620号に示されるように、所定パタ
ーンの周期電極を形成した表面の反対側の強誘電体表面
に全面電極を形成し、この全面電極と周期電極とにより
強誘電体に直接的に電場を印加して、局部的なドメイン
反転部を形成する方法も知られている。
In addition to utilizing this corona charging, as shown in, for example, JP-A-4-335620, a full-surface electrode is formed on a ferroelectric surface opposite to a surface on which a periodic electrode having a predetermined pattern is formed. There is also known a method in which an electric field is directly applied to a ferroelectric substance using a full-surface electrode and a periodic electrode to form a local domain inversion portion.

【0006】さらに電子情報通信学会技術報告LQE95-94
(1995-11) pp.7〜12に示されるように、上述の周期電極
を介して強誘電体に電場を印加する際に、強誘電体の電
極間部分をプロトン交換しておいてから電場を印加する
ようにした方法も提案されている。
Further, IEICE Technical Report LQE95-94
(1995-11) As shown in pp. 7-12, when applying an electric field to the ferroelectric through the periodic electrode described above, the proton Has been proposed.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】以上説明した周期電極
を利用する強誘電体のドメイン反転構造形成方法は、強
誘電体に電子線ビームを照射する方法等に比べれば生産
性に優れているが、その半面、強誘電体の周期電極の直
下部分のみならず、周期電極の間の部分でもドメイン反
転が起こりやすくなっている。そうであると、形成され
た周期ドメイン反転構造は周期性が良くないものとなっ
てしまい、そのような周期ドメイン反転構造を有する光
波長変換素子は波長変換効率が低いものとなってしま
う。
The above-described method of forming a domain-inverted structure of a ferroelectric using a periodic electrode is superior in productivity as compared with a method of irradiating a ferroelectric with an electron beam. On the other hand, domain inversion is likely to occur not only in the portion immediately below the ferroelectric periodic electrode but also in the portion between the periodic electrodes. If so, the formed periodic domain inversion structure has poor periodicity, and the optical wavelength conversion element having such a periodic domain inversion structure has low wavelength conversion efficiency.

【0008】このように、所定パターンの電極の間の部
分でもドメイン反転が起きてしまうのは、電極部からの
染み出し電界によるものと考えられる。電極線幅を細く
すれば、この染み出し電界の広がりを抑えることができ
るが、電極線幅を細くすることには技術上の限界があ
り、特に周期ドメイン反転構造の周期が小さい場合は電
極線幅を極めて細くしなければならず、対応困難であ
る。
The reason why domain inversion occurs even in a portion between electrodes having a predetermined pattern is considered to be due to an electric field oozing from the electrode portion. If the electrode line width is reduced, the spread of the seeping electric field can be suppressed.However, reducing the electrode line width has technical limitations, especially when the period of the periodic domain inversion structure is small. The width must be extremely narrow, which is difficult to cope with.

【0009】前述の電子情報通信学会技術報告LQE95-94
(1995-11) pp.7〜12に示された方法は、周期電極間の部
分のドメイン反転を抑えるために、強誘電体の電極間部
分をプロトン交換するようにしたものである。しかしこ
こでは、非線形光学効果を有する強誘電体としてLiT
aO3 を用いた例が報告されているだけであり、例えば
MgOがドープされたLiNbO3 を用いた場合は、周
期電極間の部分のドメイン反転を抑える効果は極めて低
いことが判明している。
The aforementioned IEICE technical report LQE95-94
(1995-11) In the method described in pp. 7 to 12, proton exchange is performed in the interelectrode portion of the ferroelectric to suppress domain inversion in the portion between periodic electrodes. However, here, LiT is used as a ferroelectric material having a nonlinear optical effect.
Only an example using aO 3 has been reported. For example, when LiNbO 3 doped with MgO is used, it has been found that the effect of suppressing domain inversion in a portion between periodic electrodes is extremely low.

【0010】つまり、MgOドープのLiNbO3 にあ
ってはプロトン交換によりその表面抵抗が大きく低下
し、そのために表面チャージが動きやすくなって、周期
電極の間の部分でもドメイン反転が起こりやすくなるの
である。
That is, in the case of MgO-doped LiNbO 3 , the surface resistance is greatly reduced by proton exchange, so that the surface charge is easily moved, and the domain inversion is likely to occur even in the portion between the periodic electrodes. .

【0011】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、所定パターンの電極を用いて強誘電体に電場を
印加し、該強誘電体の上記電極に対向する部分を局部的
なドメイン反転部とする方法において、所定パターンの
電極の間の部分でもドメイン反転が起こることを防止
し、よって周期ドメイン反転構造を形成する場合はその
周期性を向上させることを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an electric field is applied to a ferroelectric using electrodes of a predetermined pattern, and a portion of the ferroelectric facing the electrode is formed in a local domain. It is an object of the method of forming an inversion portion to prevent domain inversion even in a portion between electrodes of a predetermined pattern, and to improve the periodicity when a periodic domain inversion structure is formed.

【0012】また本発明は、周期性に優れた周期ドメイ
ン反転構造を有する光波長変換素子を提供することを目
的とするものである。
Another object of the present invention is to provide an optical wavelength conversion element having a periodic domain inversion structure having excellent periodicity.

【0013】[0013]

【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、先に述べたように、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した後、この電極を介して上
記強誘電体に電場を印加し、該強誘電体の上記電極に対
向する部分を局部的なドメイン反転部とする強誘電体の
ドメイン反転構造形成方法において、強誘電体の一表面
に上記所定パターンに対応した形状のリッジ部を形成
し、このリッジ部の表面に上記電極を形成することを特
徴とするものである。
As described above, the method for forming a domain-inverted structure of a ferroelectric according to the present invention has a predetermined pattern on one surface of a ferroelectric having a monopolarized nonlinear optical effect. After forming an electrode, an electric field is applied to the ferroelectric through the electrode, and a method of forming a domain-inverted structure of a ferroelectric, in which a portion of the ferroelectric facing the electrode is a local domain-inverted portion. Wherein a ridge portion having a shape corresponding to the predetermined pattern is formed on one surface of the ferroelectric material, and the electrode is formed on the surface of the ridge portion.

【0014】なお上述のリッジ部は、強誘電体の一表面
に所定パターンの電極を形成し、この電極をマスクとし
て該一表面をエッチングすることにより、容易に形成す
ることができる。
The above-mentioned ridge portion can be easily formed by forming an electrode of a predetermined pattern on one surface of the ferroelectric and etching the one surface using the electrode as a mask.

【0015】また、所定パターンの電極が所定周期Λで
繰り返す周期電極である場合、上記リッジ部の高さは
0.1Λ以上に設定されるのが望ましい。
When the electrode of the predetermined pattern is a periodic electrode which repeats at a predetermined period Λ, the height of the ridge portion is desirably set to 0.1 Λ or more.

【0016】一方本発明による光波長変換素子は、非線
形光学効果を有する強誘電体に、上述の方法により周期
ドメイン反転構造が形成されてなるものである。
On the other hand, an optical wavelength conversion element according to the present invention is one in which a periodic domain inversion structure is formed on a ferroelectric having a nonlinear optical effect by the above-described method.

【0017】この本発明による光波長変換素子におい
て、非線形光学効果を有する強誘電体としては、LiN
x Ta1-x 3 (0≦x≦1)または、それにMgO
あるいはZnOがドープされたものが好適に用いられ
る。
In the optical wavelength conversion device according to the present invention, the ferroelectric material having a nonlinear optical effect is LiN
b x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1) or MgO
Alternatively, a material doped with ZnO is preferably used.

【0018】[0018]

【発明の効果】図4の(A)は、従来の方法によって形
成されるドメイン反転構造を概略的に示すものである。
この場合は強誘電体31の一表面31aに所定パターンの電
極(例えば周期電極)32が形成され、これらの電極32を
用いて前述のコロナ帯電法や直接電場印加法等により、
強誘電体31に電場が印加される。それにより形成される
ドメイン反転部33は、本来は実線表示のように形成され
るべきところ、前述した染み出し電界により、破線表示
のように広がって形成されてしまう。
FIG. 4A schematically shows a domain inversion structure formed by a conventional method.
In this case, an electrode (for example, a periodic electrode) 32 having a predetermined pattern is formed on one surface 31a of the ferroelectric material 31. Using these electrodes 32, the above-described corona charging method or direct electric field application method is used.
An electric field is applied to the ferroelectric 31. The domain inversion portion 33 formed by this should be originally formed as shown by a solid line, but is spread and formed as shown by a broken line due to the seeping electric field described above.

【0019】それに対して本発明の方法においては、同
図の(B)に示すように、強誘電体31の一表面31aに所
定パターンの電極32に対応した形状のリッジ部31bが形
成され、電極32はこのリッジ部31bの表面に形成され
る。このようにすると、図中Cで示す強誘電体31の電極
間部分においては染み出し電界の強度が低くなり、その
ため、ドメイン反転部33は図示のようにほぼ電極32の直
下部分のみに形成されるようになる。
On the other hand, in the method of the present invention, as shown in FIG. 1B, a ridge portion 31b having a shape corresponding to the electrode 32 having a predetermined pattern is formed on one surface 31a of the ferroelectric material 31. The electrode 32 is formed on the surface of the ridge 31b. In this manner, the intensity of the seeping electric field is reduced in the interelectrode portion of the ferroelectric material 31 shown in FIG. 2C, and therefore, the domain inversion portion 33 is formed almost only immediately below the electrode 32 as shown in the figure. Become so.

【0020】なお、上記電極32を形成した後、この電極
32をマスクとして強誘電体表面31aをエッチングするこ
とによりリッジ部31bを形成すれば、電極32をリッジ部
形成のために有効利用でき、それによりドメイン反転構
造形成のプロセスが簡略化されるので好ましい。
After the electrode 32 is formed, this electrode 32
If the ridge portion 31b is formed by etching the ferroelectric surface 31a using the mask 32 as a mask, the electrode 32 can be effectively used for forming the ridge portion, thereby simplifying the process of forming the domain inversion structure. .

【0021】本発明の光波長変換素子は、非線形光学効
果を有する強誘電体に、上述のような方法で周期ドメイ
ン反転構造が形成されたものであるから、その周期ドメ
イン反転構造は周期性の良いものとなり、それにより、
高い波長変換効率を実現可能となる。
In the optical wavelength conversion element of the present invention, a periodic domain inversion structure is formed on a ferroelectric material having a nonlinear optical effect by the above-described method. And it ’s good,
High wavelength conversion efficiency can be realized.

【0022】また上記方法は、リッジ部を形成するとい
う、いわば物理的な手法によって染み出し電界の影響を
除くようにしたものであるから、前述のプロトン交換を
適用する場合のように強誘電体の表面抵抗が低下するこ
とがない。したがって、本発明の光波長変換素子におい
ては、強誘電体としてLiNbx Ta1-x 3 (0≦x
≦1)や、それにMgOあるいはZnOがドープされた
もの等の中のいずれを用いても(特にMgOがドープさ
れたLiNbO3 を用いても)、表面抵抗低下に起因す
る周期ドメイン反転構造の周期性低下を招くことがな
い。
Further, in the above method, the influence of the seeping electric field is removed by a so-called physical method of forming a ridge portion. Does not lower the surface resistance. Therefore, in the optical wavelength conversion element of the present invention, LiNb x Ta 1 -x O 3 (0 ≦ x
Period of ≦ 1) and, we are used LiNbO 3 which is also (especially MgO doped with either within, such as those MgO or ZnO doped), periodic domain reversals due to the surface resistance drop structure It does not cause a decrease in sex.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態
により強誘電体のドメイン反転構造を形成する工程を示
している。この図1中、1は非線形光学効果を有する強
誘電体である、MgOがドープされたLiNbO3 (M
gO−LN)の基板である。このMgO−LN基板1は
単分極化処理がなされて厚さ0.5 mmに形成され、最も
大きい非線形光学定数d33が有効に利用できるようにZ
面で光学研磨されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a step of forming a ferroelectric domain inversion structure according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes MgO-doped LiNbO 3 (M
gO-LN). The MgO-LN substrate 1 is a single polarization processing is formed to made be a thickness of 0.5 mm, as the largest nonlinear optical constant d 33 can be effectively utilized Z
The surface is optically polished.

【0024】このMgO−LN基板1の−Z面1a上に
Crをスパッタして例えば厚さ50nmのCr薄膜を形成
した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングによ
り、同図(1)に示されるようなCr薄膜からなる周期
電極2を形成する。この周期電極2は、例えば基板1の
X軸方向に一定の周期Λで繰り返すものである。なお図
には表れていないが、周期電極2は全て共通の基部から
延ばされたもので、互いに電気的に導通する状態となっ
ている。
Cr is sputtered on the -Z surface 1a of the MgO-LN substrate 1 to form a Cr thin film having a thickness of, for example, 50 nm, and then, as shown in FIG. A periodic electrode 2 made of a Cr thin film is formed. The periodic electrode 2 repeats at a constant period Λ in the X-axis direction of the substrate 1, for example. Although not shown in the drawing, the periodic electrodes 2 are all extended from a common base, and are in a state of being electrically connected to each other.

【0025】次にこのMgO−LN基板1を、HF(フ
ッ酸)とHNO3 (硝酸)とが1:2の比率で混合され
てなるエッチング液中に浸漬する。すると、耐フッ硝酸
性があるCrからなる周期電極2はエッチングされない
ので、この周期電極2がマスクとして作用して、図1の
(2)に示すようにMgO−LN基板1の電極間部分が
エッチングされる。
Next, the MgO-LN substrate 1 is immersed in an etching solution in which HF (hydrofluoric acid) and HNO 3 (nitric acid) are mixed at a ratio of 1: 2. Then, since the periodic electrode 2 made of Cr having resistance to hydrofluoric nitric acid is not etched, the periodic electrode 2 acts as a mask, and the interelectrode portion of the MgO-LN substrate 1 is formed as shown in FIG. Etched.

【0026】こうしてMgO−LN基板1の表面部分に
は、周期電極2の形状に対応した形状のリッジ部1bが
形成され、周期電極2は各リッジ部1bの表面上に載っ
ている状態となる。
In this manner, the ridge portion 1b having a shape corresponding to the shape of the periodic electrode 2 is formed on the surface of the MgO-LN substrate 1, and the periodic electrode 2 is placed on the surface of each ridge portion 1b. .

【0027】次に図1の(3)に示すように、周期電極
2をアース線3に接続してアースに落とし、基板1の+
Z面1cの上方に配したコロナワイヤー4およびそれに
接続された高圧電源5を用いて、基板1にコロナ帯電に
より電場を印加する。この際、基板1の温度は室温から
300 ℃の間の範囲に設定し、コロナワイヤー4と基板1
との距離は10mmに設定し、高圧電源5からこのコロナ
ワイヤー4を介して例えば7kVの電圧を2秒間印加す
る。
Next, as shown in (3) of FIG. 1, the periodic electrode 2 is connected to a ground wire 3 and dropped to ground,
An electric field is applied to the substrate 1 by corona charging using the corona wire 4 disposed above the Z plane 1c and the high voltage power supply 5 connected thereto. At this time, the temperature of the substrate 1 is from room temperature.
Set the temperature between 300 ° C, corona wire 4 and substrate 1
Is set to 10 mm, and a voltage of, for example, 7 kV is applied from the high-voltage power supply 5 through the corona wire 4 for 2 seconds.

【0028】この電圧印加により、基板1の−Z面1a
の周期電極2が形成されていた箇所から+Z面1cまで
貫通するドメイン反転部6が形成される。これらのドメ
イン反転部6は、周期電極2の周期Λと同じ周期で繰り
返すものとなる。そしてこれらのドメイン反転部6は、
周期電極2の間の部分の方には広がらずに、ほぼ電極2
の直下部分のみに形成されて、周期性に優れたものとな
る。その理由は、先に詳しく説明した通りである。
By this voltage application, the -Z surface 1a of the substrate 1
Domain inversion portion 6 penetrating from the position where periodic electrode 2 was formed to + Z surface 1c. These domain inversion units 6 repeat at the same cycle as the cycle Λ of the periodic electrode 2. And these domain inversion units 6
The electrode 2 does not spread toward the portion between the periodic electrodes 2 and
Is formed only in the portion immediately below the surface of the substrate to have excellent periodicity. The reason is as described in detail above.

【0029】次に図2を参照して、本発明の強誘電体の
ドメイン反転構造形成方法の第2実施形態について説明
する。なおこの図2において、図1中の要素と同等の要
素には同番号を付し、それらについての重複した説明は
省略する。
Next, a second embodiment of the method for forming a domain inversion structure of a ferroelectric according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 2, elements that are the same as the elements in FIG. 1 are given the same reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted.

【0030】この第2実施形態においては、同図(1)
に示されるように、MgO−LN基板1の+Z面1c上
にCr周期電極2を形成する。その後このMgO−LN
基板1を、例えば150 ℃に保ったピロリン酸中に浸漬す
ると、周期電極2がマスクとして作用して、MgO−L
N基板1の電極間部分がプロトン交換される。なお同図
の(2)に、このプロトン交換がなされた部分を1dと
して示してある。このとき、ピロリン酸を過度に高温に
しておくと、Cr周期電極2が溶けてしまうので、温度
条件を適切に設定する必要がある。
In the second embodiment, FIG.
As shown in FIG. 1, a Cr periodic electrode 2 is formed on the + Z plane 1c of the MgO-LN substrate 1. Then this MgO-LN
When the substrate 1 is immersed in, for example, pyrophosphoric acid kept at 150 ° C., the periodic electrode 2 acts as a mask, and the MgO-L
Proton exchange is performed between the electrodes of the N substrate 1. In FIG. 2B, the portion where the proton exchange has been performed is shown as 1d. At this time, if the pyrophosphoric acid is excessively heated, the Cr periodic electrode 2 is melted, so that the temperature condition needs to be set appropriately.

【0031】次にMgO−LN基板1を、HF(フッ
酸)とHNO3 (硝酸)とが1:2の比率で混合されて
なるエッチング液中に浸漬する。すると、耐フッ硝酸性
があるCrからなる周期電極2はエッチングされず、ま
たプロトン交換部1dはエッチングレートが高いことか
ら、このプロトン交換部1dのみ、つまり電極間部分の
みが良好にエッチングされる。
Next, the MgO-LN substrate 1 is immersed in an etching solution in which HF (hydrofluoric acid) and HNO 3 (nitric acid) are mixed at a ratio of 1: 2. Then, the periodic electrode 2 made of Cr having resistance to hydrofluoric-nitric acid is not etched, and the proton exchange portion 1d has a high etching rate. Therefore, only the proton exchange portion 1d, that is, only the portion between the electrodes is favorably etched. .

【0032】そこでこの場合も、MgO−LN基板1の
表面部分には、周期電極2の形状に対応した形状のリッ
ジ部1bが形成され、周期電極2は各リッジ部1bの表
面上に載っている状態となる。次いで、第1実施形態と
同様にして基板1にコロナ帯電により電場を印加すれ
ば、この場合もほぼ電極2の直下部分のみにドメイン反
転部が形成されるようになる。
Therefore, also in this case, a ridge portion 1b having a shape corresponding to the shape of the periodic electrode 2 is formed on the surface of the MgO-LN substrate 1, and the periodic electrode 2 is placed on the surface of each ridge portion 1b. State. Next, when an electric field is applied to the substrate 1 by corona charging in the same manner as in the first embodiment, a domain inversion portion is formed almost only in a portion directly below the electrode 2 in this case.

【0033】なおリッジ部1bの高さは、周期電極2の
周期Λに対して0.1Λ以上確保するのが望ましい。そ
の理由は、以下の通りである。周期電極直下に誘起され
る電位φ(X,Z)は次の2次元ラプラス方程式を満た
す。
It is desirable that the height of the ridge portion 1b be at least 0.1 ° with respect to the period の of the periodic electrode 2. The reason is as follows. The potential φ (X, Z) induced immediately below the periodic electrode satisfies the following two-dimensional Laplace equation.

【0034】[0034]

【数1】 (Equation 1)

【0035】このラプラス方程式を近似計算した後、電
界Z方向、すなわち結晶深さ方向の電界強度成分を計算
した。この結果、電界強度は結晶表面つまり電極界面で
最も大きく、結晶内部に行くに従って急激に低下するこ
とが分かった。そして、最適電極形状時に電極エッジ部
直下の結晶内部0.1Λの深さにおいて、電界強度は最
大値の約30%に低下していることが確認された。少なく
ともこの程度まで電界強度が低下すれば、電極間部分で
ドメイン反転が起き難くなるので、リッジ部の高さをこ
の0.1Λ以上の値に設定するのが望ましい。
After approximating the Laplace equation, the electric field intensity component in the electric field Z direction, that is, the crystal depth direction was calculated. As a result, it was found that the electric field intensity was highest at the crystal surface, that is, at the electrode interface, and rapidly decreased toward the inside of the crystal. Then, it was confirmed that the electric field intensity was reduced to about 30% of the maximum value at a depth of 0.1 ° inside the crystal just below the electrode edge portion at the time of the optimum electrode shape. If the electric field strength is reduced to at least this extent, domain inversion is less likely to occur in the portion between the electrodes. Therefore, it is desirable to set the height of the ridge to a value of 0.1 ° or more.

【0036】以上説明した2つの実施形態においては、
周期電極2をエッチングあるいはプロトン交換のマスク
として利用してリッジ部1bを形成しているので、この
リッジ部形成までのプロセスが簡略化されて好ましい。
In the two embodiments described above,
Since the ridge portion 1b is formed using the periodic electrode 2 as a mask for etching or proton exchange, the process up to the formation of the ridge portion is simplified, which is preferable.

【0037】しかし、リッジ部の形成方法はこのような
方法に限定されるものではなく、その他例えば、ドライ
エッチングやイオンビームミリング等によって電極パタ
ーンの間の強誘電体表面を物理的にエッチングする方法
等も適用可能である。
However, the method of forming the ridge portion is not limited to such a method, and for example, a method of physically etching the ferroelectric surface between the electrode patterns by dry etching, ion beam milling, or the like. Etc. can also be applied.

【0038】一方、強誘電体に電場を印加する方法も、
上記実施形態で適用されたコロナ帯電法に限られるもの
ではなく、その他例えば、前述した直接電場印加法等を
用いることもできる。
On the other hand, a method of applying an electric field to the ferroelectric
The method is not limited to the corona charging method applied in the above-described embodiment, and for example, the above-described direct electric field application method or the like can also be used.

【0039】次に、本発明による光波長変換素子につい
て説明する。例えば上記第1実施形態のようにして、M
gO−LN基板1のX軸方向に並ぶ周期ドメイン反転部
6を形成し、X面および−X面を研磨し、また無反射コ
ートを施してそれぞれ光通過面20a、20bとすることに
より、図3に示すようなバルク結晶型の光波長変換素子
20が得られる。
Next, an optical wavelength conversion device according to the present invention will be described. For example, as in the first embodiment, M
By forming a periodic domain inversion portion 6 arranged in the X-axis direction of the gO-LN substrate 1, polishing the X surface and the -X surface, and applying an anti-reflection coating to form light passing surfaces 20a and 20b, respectively. Bulk crystal type optical wavelength conversion device as shown in 3
20 is obtained.

【0040】この周期ドメイン反転構造を有するバルク
結晶型光波長変換素子20を、同図に示す半導体レーザー
励起YAGレーザーの共振器内に配置した。この場合、
基本波波長946 nmに対して位相整合を取るため、Mg
O−LNの屈折率の波長分散を考慮して、電極2の周期
Λは4.7 μmとした。
The bulk crystal type optical wavelength conversion device 20 having the periodic domain inversion structure was arranged in a resonator of a semiconductor laser pumped YAG laser shown in FIG. in this case,
To achieve phase matching for the fundamental wave wavelength of 946 nm, Mg
Considering the wavelength dispersion of the refractive index of O-LN, the period Λ of the electrode 2 was set to 4.7 μm.

【0041】この半導体レーザー励起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10を発する半導体レーザー11と、発散光状態のレーザ
ービーム10を収束させる集光レンズ12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10の収束位置に配されたYAG結晶13と、
このYAG結晶13の前方側(図中右方)に配された共振
器ミラー14とからなる。光波長変換素子20は、この共振
器ミラー14とYAG結晶13との間に配置されている。
The semiconductor laser pumped YAG laser includes a semiconductor laser 11 for emitting a laser beam 10 as pumping light having a wavelength of 809 nm, a condensing lens 12 for converging the laser beam 10 in a divergent light state, and Nd (neodymium). A YAG crystal 13 which is a doped laser medium and is arranged at a convergence position of the laser beam 10;
A resonator mirror 14 is provided on the front side (right side in the figure) of the YAG crystal 13. The optical wavelength conversion element 20 is arranged between the resonator mirror 14 and the YAG crystal 13.

【0042】YAG結晶13は波長809 nmのレーザービ
ーム10により励起されて、波長946nmの光を発する。
この光は、所定のコートが施されたYAG結晶端面13a
と共振器ミラー14のミラー面14aとの間で共振し、波長
946 nmの固体レーザービーム15が得られる。
The YAG crystal 13 is excited by the laser beam 10 having a wavelength of 809 nm, and emits light having a wavelength of 946 nm.
This light is applied to the end face 13a of the YAG crystal on which a predetermined coating is applied.
And the mirror surface 14a of the resonator mirror 14
A 946 nm solid state laser beam 15 is obtained.

【0043】この固体レーザービーム15は光波長変換素
子20に入射して、波長が1/2すなわち473 nmの第2
高調波16に変換される。基本波としての固体レーザービ
ーム15と第2高調波16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)し、ほぼこの第2
高調波16のみが共振器ミラー14から出射する。上述した
通り、ドメイン反転部6は周期性に優れたものとなって
いるので、良好に位相整合が取られ、高い波長変換効率
の下に高強度の第2高調波16が得られるようになる。
The solid-state laser beam 15 is incident on the optical wavelength conversion element 20, and the wavelength is 1 /, ie, the second laser beam having a wavelength of 473 nm.
Converted to harmonic 16. The solid-state laser beam 15 and the second harmonic 16 as fundamental waves are phase-matched (so-called quasi-phase-matching) in the period domain inversion region.
Only the harmonic 16 exits from the resonator mirror 14. As described above, since the domain inversion unit 6 has excellent periodicity, good phase matching is achieved, and a high-intensity second harmonic 16 can be obtained with high wavelength conversion efficiency. .

【0044】以下、ドメイン反転部6の周期性が従来に
比べて改善されている点について、具体的なデータを挙
げて説明する。本例においては、半導体レーザー11の出
力が200 mWのとき、10mWの第2高調波16が得られる
結晶の得率は、約50%以上と大幅に改善された。また、
最大20mWの出力が得られた。これに対し、本発明の方
法を適用しない場合の最大出力は10mW、上記のような
結晶の得率は10%以下であった。
Hereinafter, the point that the periodicity of the domain inversion unit 6 is improved as compared with the conventional case will be described with reference to specific data. In the present example, when the output of the semiconductor laser 11 was 200 mW, the yield of the crystal from which the second harmonic 16 of 10 mW was obtained was greatly improved to about 50% or more. Also,
A maximum output of 20 mW was obtained. On the other hand, when the method of the present invention was not applied, the maximum output was 10 mW, and the yield of the above crystal was 10% or less.

【0045】なお以上は、MgOがドープされたLiN
bO3 にドメイン反転構造を形成する実施形態について
説明したが、本発明はその他の強誘電体、例えばZnO
がドープされたLiNbO3 や、MgOあるいはZnO
がドープされたLiTaO3、さらには、ノンドープの
LiNbO3 やLiTaO3 等にドメイン反転構造を形
成する上でも適用可能であり、そして同様の効果を奏す
るものである。
In the above description, MgO-doped LiN
Although the embodiment in which the domain inversion structure is formed in bO 3 has been described, the present invention relates to another ferroelectric material such as ZnO.
Doped with LiNbO 3 , MgO or ZnO
There doped LiTaO 3, further is applicable also for the formation of domain inversion structure in LiNbO 3 or LiTaO 3 or the like of the non-doped, and in which the same effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態の方法により周期ドメイ
ン反転構造を形成する様子を示す概略図
FIG. 1 is a schematic diagram showing a state of forming a periodic domain inversion structure by a method according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2実施形態の方法により周期ドメイ
ン反転構造を形成する様子を示す概略図
FIG. 2 is a schematic view showing a state in which a periodic domain inversion structure is formed by a method according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の方法により作成された周期ドメイン反
転構造を有するバルク結晶型光波長変換素子の使用状態
を示す概略側面図
FIG. 3 is a schematic side view showing a use state of a bulk crystal type optical wavelength conversion device having a periodic domain inversion structure manufactured by the method of the present invention.

【図4】本発明方法の作用効果を説明する説明図FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating the operation and effect of the method of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 MgO−LiNbO3 基板(Z板) 1a MgO−LiNbO3 基板の−Z面 1b MgO−LiNbO3 基板のリッジ部 1c MgO−LiNbO3 基板の+Z面 1d MgO−LiNbO3 基板のプロトン交換部 2 周期電極 3 アース線 4 コロナワイヤー 5 高圧電源 6 ドメイン反転部 10 レーザービーム(ポンピング光) 11 半導体レーザー 12 集光レンズ 13 YAG結晶 14 共振器ミラー 15 固体レーザービーム(基本波) 16 第2高調波 20 バルク結晶型光波長変換素子1 MgO-LiNbO 3 substrate (Z plate) 1a MgO-LiNbO 3 -Z face 1b MgO-LiNbO 3 ridge portion 1c MgO-LiNbO 3 + Z face 1d proton exchange unit 2 period of MgO-LiNbO 3 substrate substrate substrate substrate Electrode 3 Ground wire 4 Corona wire 5 High voltage power supply 6 Domain inversion unit 10 Laser beam (pumping light) 11 Semiconductor laser 12 Condensing lens 13 YAG crystal 14 Resonator mirror 15 Solid-state laser beam (fundamental wave) 16 Second harmonic 20 Bulk Crystal type light wavelength conversion element

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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した後、 この電極を介して前記強誘電体に電場を印加し、該強誘
電体の前記電極に対向する部分を局部的なドメイン反転
部とする強誘電体のドメイン反転構造形成方法におい
て、 前記強誘電体の一表面に前記所定パターンに対応した形
状のリッジ部を形成し、このリッジ部の表面に前記電極
を形成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。
An electrode having a predetermined pattern is formed on one surface of a monopolarized ferroelectric material having a non-linear optical effect, and an electric field is applied to the ferroelectric material via the electrode to thereby form the ferroelectric material. In the method of forming a domain inversion structure of a ferroelectric material, wherein a portion facing the electrode is a local domain inversion portion, a ridge portion having a shape corresponding to the predetermined pattern is formed on one surface of the ferroelectric material. A method for forming a domain-inverted structure of a ferroelectric, comprising forming the electrode on a surface of a ridge portion.
【請求項2】 前記強誘電体の一表面に前記所定パター
ンの電極を形成し、この電極をマスクとして該一表面を
エッチングすることにより前記リッジ部を形成すること
を特徴とする請求項1記載の強誘電体のドメイン反転構
造形成方法。
2. The ridge portion according to claim 1, wherein an electrode of the predetermined pattern is formed on one surface of the ferroelectric, and the one surface is etched using the electrode as a mask. A method for forming a domain inversion structure of a ferroelectric.
【請求項3】 前記所定パターンの電極が所定周期Λで
繰り返す周期電極である場合、前記リッジ部の高さが
0.1Λ以上に設定されていることを特徴とする請求項
1または2記載の強誘電体のドメイン反転構造形成方
法。
3. The method according to claim 1, wherein the height of the ridge portion is set to 0.1 ° or more when the electrode of the predetermined pattern is a periodic electrode that repeats at a predetermined period Λ. A method of forming a domain inversion structure of a ferroelectric.
【請求項4】 非線形光学効果を有する強誘電体に、請
求項1から3いずれか1項記載の方法により周期ドメイ
ン反転構造が形成されてなる光波長変換素子。
4. An optical wavelength conversion element in which a periodic domain inversion structure is formed on a ferroelectric having a nonlinear optical effect by the method according to claim 1.
【請求項5】 前記強誘電体が、LiNbx Ta1-x
3 (0≦x≦1)または、それにMgOあるいはZnO
がドープされたものであることを特徴とする請求項4記
載の光波長変換素子。
5. The method according to claim 1, wherein the ferroelectric is LiNb x Ta 1 -xO.
3 (0 ≦ x ≦ 1) or MgO or ZnO
5. The optical wavelength conversion device according to claim 4, wherein is doped.
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