JPH1172809A - Optical wavelength conversion element and its production, optical generator using this element and optical pickup, diffraction element as well as production of plural polarization inversion part - Google Patents

Optical wavelength conversion element and its production, optical generator using this element and optical pickup, diffraction element as well as production of plural polarization inversion part

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JPH1172809A
JPH1172809A JP10005188A JP518898A JPH1172809A JP H1172809 A JPH1172809 A JP H1172809A JP 10005188 A JP10005188 A JP 10005188A JP 518898 A JP518898 A JP 518898A JP H1172809 A JPH1172809 A JP H1172809A
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    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/355Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3558Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process for producing polarization inversion parts improved in characteristics, such as depth, uniformity and effective areas, which are of problem in application to optical wavelength conversion elements, etc., and to provide various kinds of the elements and optical devices using these polarization inversion parts. SOLUTION: The polarization inversion parts 4 are grown from the comb- shaped electrodes 2a of the +C face of a ferroelectric liquid crystal substrate 1 toward the -C face and are subjected to an annealing treatment to decrease the internal electric fields and thereafter the parts made nonuniform in the process of growth are removed by reinverting the polarization from the comb- shaped electrodes 2a of the -C face, by which the uniformity of the polarization inversion parts is improved. The uniform periodic structure of the polarization inversion parts is utilized for the optical wavelength conversion elements, etc.

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、コヒーレント光源
を応用した、光情報処理、光応用計測の分野に使用され
る光波長変換素子に関するものであり、このような光波
長変換素子に含まれる分極反転部の製造方法に関するも
のである。また本発明は、光波長変換素子を用いた光発
生装置および光ピックアップに関するものである。さら
に本発明は上記技術分野において使用され、分極反転部
を利用する回折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 conversion element to which a coherent light source is applied and which is used in the fields of optical information processing and optical measurement, and the polarization included in such an optical wavelength conversion element. The present invention relates to a method for manufacturing a reversing part. Further, the present invention relates to a light generation device and an optical pickup using the light wavelength conversion element. Further, the present invention relates to a diffraction element used in the above technical field and utilizing a domain-inverted portion.

【0002】[0002]

【従来の技術】単一分極の強誘電体結晶の分極を部分的
に反転させる分極反転は、非線形光学効果、電気光学効
果、音響光学効果等の光波制御を可能にし、通信、光情
報処理、計測等広い分野で応用されている。中でも非線
形光学効果を利用した光波長変換素子への分極反転の適
用は、半導体レーザの光波長変換による小型の短波長光
源を実現できるため、盛んに研究が行われている。
2. Description of the Related Art Polarization reversal, which partially reverses the polarization of a single-polarized ferroelectric crystal, enables control of light waves such as nonlinear optical effects, electro-optical effects, and acousto-optical effects. It is applied in a wide range of fields such as measurement. Above all, application of polarization reversal to an optical wavelength conversion element utilizing a nonlinear optical effect has been actively studied since a small short-wavelength light source can be realized by optical wavelength conversion of a semiconductor laser.

【0003】従来の分極反転部(分極反転領域)の製造
方法は、基板表面が分極方向と平行なX板またはY板の
強誘電体結晶の基板表面に櫛形電極と棒状電極(ストラ
イプ状電極)を形成し、電極間に電圧を印加することで
分極反転部を形成している(特開平4-335620号公報)。
従来の分極反転部の製造方法の例を図46を用いて説明
する。この方法によれば、強誘電体結晶(例えばLiNb
O3)であるX板の基板201の分極方向であるC方向
(Z方向)に第1の電極202と第2の電極203とを
形成し、電極間に電源205により電圧を印加すること
により、電極間の結晶の分極が反転し、周期状の分極反
転部204が形成される。
[0003] A conventional method of manufacturing a domain-inverted portion (domain-inverted region) is that a comb-shaped electrode and a bar-shaped electrode (striped electrode) are formed on a substrate surface of an X-plate or Y-plate ferroelectric crystal whose substrate surface is parallel to the direction of polarization. Are formed, and a domain-inverted portion is formed by applying a voltage between the electrodes (Japanese Patent Laid-Open No. 4-335620).
An example of a conventional method for manufacturing a domain-inverted portion will be described with reference to FIG. According to this method, a ferroelectric crystal (eg, LiNb
The first electrode 202 and the second electrode 203 are formed in the C direction (Z direction), which is the polarization direction of the X-plate substrate 201 as O 3 ), and a voltage is applied between the electrodes by a power supply 205. Then, the polarization of the crystal between the electrodes is inverted, and a periodic polarization inversion portion 204 is formed.

【0004】さらに、図47に示すように、一方の電極
203を基板の側面に形成し、基板表面に形成した他方
の電極202との間に電圧を印加することで分極反転部
204を形成する方法も開示されている。
Further, as shown in FIG. 47, one electrode 203 is formed on the side surface of the substrate, and a voltage is applied between the electrode 203 and the other electrode 202 formed on the substrate surface to form a domain-inverted portion 204. A method is also disclosed.

【0005】また、他の従来の分極反転部の製造方法と
して、結晶の分極方向を基板表面から傾けた基板(以下
「斜め基板」ということがある)を用いる方法が提案さ
れている。この方法が図46に示した構成と異なるの
は、基板の自発分極の方向が結晶表面に対して傾いてい
る点である。この場合、電極間に電圧を印加すると、分
極反転部は、結晶の自発分極と平行に、即ち傾いた結晶
軸に沿って基板内に潜るように形成されていく。このた
め、分極反転部は、基板内部により深く潜り込んで形成
される。
As another conventional method for manufacturing a domain-inverted portion, there has been proposed a method using a substrate in which the crystal polarization direction is inclined from the substrate surface (hereinafter sometimes referred to as an “oblique substrate”). This method differs from the structure shown in FIG. 46 in that the direction of spontaneous polarization of the substrate is inclined with respect to the crystal surface. In this case, when a voltage is applied between the electrodes, the domain-inverted portions are formed so as to dive into the substrate in parallel with the spontaneous polarization of the crystal, that is, along the inclined crystal axis. For this reason, the domain-inverted portions are formed to dig deeper into the substrate.

【0006】従来の分極反転部の製造方法のさらに別の
例を図48に示す。基板の対向する表面に形成した一対
の電極を用いる図48に示したような方法によれば、分
極反転部は、櫛形の電極202から他方の電極203へ
と基板の厚さ方向に形成される。
FIG. 48 shows another example of a conventional method for manufacturing a domain-inverted portion. According to the method as shown in FIG. 48 using a pair of electrodes formed on opposing surfaces of the substrate, the domain-inverted portions are formed in the thickness direction of the substrate from the comb-shaped electrode 202 to the other electrode 203. .

【0007】分極反転部の形成に必要な電荷量は、一般
に、(自発分極Ps)×(電極範囲面積)×2で与えら
れる。一方、分極反転部の広がりは、電極の周期Λと電
極幅Wの比W/Λの値で決まり、基板の厚みに依存しな
い値だけ広がると考えられている。例えば、図48に示
したような方法により、形成される分極反転部は周期3
μm程度、分極反転部が形成された領域の面積は1mm2
度であった。
The amount of charge required to form the domain-inverted portion is generally given by (spontaneous polarization Ps) × (electrode area) × 2. On the other hand, the extension of the domain-inverted portion is determined by the value of the ratio W / Λ between the electrode period Λ and the electrode width W, and is considered to extend by a value independent of the thickness of the substrate. For example, the domain-inverted portions formed by the method shown in FIG.
The area of the region where the domain-inverted portions were formed was about 1 μm 2 .

【0008】従来の光波長変換素子の構造の例を図49
および図50に示す。これらの光波長変換素子によれ
ば、LiTaO3等強誘電体結晶の基板206に周期的に形成
された分極反転部207により位相整合を図ることによ
り、素子内に集光された基本波208を第二高調波(以
下「SHG」ということがある)209に変換してい
る。また、図50に示した態様では、基本波208が基
板206の表面に形成された光導波路210内でSHG
209に変換される。
FIG. 49 shows an example of the structure of a conventional optical wavelength conversion element.
And FIG. 50. According to these optical wavelength conversion devices, the fundamental wave 208 condensed in the device is focused by achieving phase matching by the polarization inversion unit 207 periodically formed on the substrate 206 of a ferroelectric crystal such as LiTaO 3 . It is converted to a second harmonic (hereinafter sometimes referred to as “SHG”) 209. In the embodiment shown in FIG. 50, the fundamental wave 208 is SHG in the optical waveguide 210 formed on the surface of the substrate 206.
209.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
分極反転部の製造方法には、以下のような問題があっ
た。例えば、特に図48に示したような態様において顕
著に観察されるのであるが、分極反転核が生じる+C面
近傍では、電極形状にほぼ等しい均一な分極反転構造が
形成されるにしても、−C面に近づくに従って分極反転
部の形状に乱れが生じ、−C面近傍では分極反転部の均
一性が十分ではなくなっていた。このため、基板から深
い部分の分極反転部は利用し難く、例えば−C面に光導
波路を形成した光波長変換素子を作製することが困難で
あるという問題があった。
However, the conventional method of manufacturing the domain-inverted portion has the following problems. For example, although it is remarkably observed particularly in the mode as shown in FIG. 48, in the vicinity of the + C plane where the domain-inverted nuclei occur, even if a uniform domain-inverted structure almost equal to the electrode shape is formed,- The shape of the domain-inverted portion was disturbed as approaching the C-plane, and the uniformity of the domain-inverted portion became insufficient near the -C-plane. For this reason, there is a problem that it is difficult to use the domain-inverted portion deep from the substrate, and it is difficult to produce, for example, an optical wavelength conversion element having an optical waveguide formed on the −C plane.

【0010】また、従来のX板またはY板の基板を用い
た分極反転部の製造方法では、深い分極反転部の形成が
難しいという問題があった。このため、自発分極の方向
が基板表面と平行な基板における分極反転部の深さは1
μm程度以下に限られていた。さらに、形成される分極
反転部の均一性が良くないため、分極反転部を広い面積
に形成することが難しく、相互作用長が10mm程度に限
られるという問題もあった。
In addition, the conventional method of manufacturing a domain-inverted portion using an X-plate or Y-plate substrate has a problem that it is difficult to form a deep domain-inverted portion. For this reason, the depth of the domain-inverted portion on a substrate whose spontaneous polarization direction is parallel to the substrate surface is 1
It was limited to about μm or less. Furthermore, since the uniformity of the domain-inverted portions to be formed is not good, it is difficult to form the domain-inverted portions over a wide area, and there is a problem that the interaction length is limited to about 10 mm.

【0011】一方、基板表面と分極方向とが傾いた基板
を用いた従来の分極反転部の製造方法では、ある程度深
い分極反転部が形成されるが、 1)光波長変換素子に使用できる有効面積が小さい、 2)分極反転深さは2μm程度に限られ、より深い分極反
転部の形成が難しい、 という問題があった。
On the other hand, in a conventional method of manufacturing a domain-inverted portion using a substrate whose substrate surface and the polarization direction are inclined, a domain-inverted portion having a relatively large depth is formed, but 1) an effective area that can be used for an optical wavelength conversion element. 2) The depth of domain inversion is limited to about 2 μm, and it is difficult to form a deep domain inversion part.

【0012】このような斜め基板に形成される分極反転
部は、基板表面から基板内部に潜り込む形で形成され
る。このため、光導波路と重なる深い分極反転部が基板
表面近傍に存在するのは、形成された分極反転部の一部
に限られる。このため、光導波路型の光波長変換素子に
利用できる分極反転部が小さい面積に限られるという問
題もあった。例えば、図50に示したような従来の光波
長変換素子は、斜め基板を用いているため深い分極反転
部が形成されて光導波路とのオーバラップが向上してい
るが、分極反転部を利用できる有効面積は狭く、分極反
転部と重なる光導波路は基板内に1本程度に限られてい
る。
The domain-inverted portion formed on such an oblique substrate is formed so as to sneak into the substrate from the substrate surface. Therefore, the existence of the deep domain-inverted portion overlapping the optical waveguide near the substrate surface is limited to a part of the formed domain-inverted portion. For this reason, there is also a problem that the domain-inverted portion that can be used in the optical waveguide type optical wavelength conversion element is limited to a small area. For example, in the conventional optical wavelength conversion element as shown in FIG. 50, since an oblique substrate is used, a deep polarization inversion portion is formed and the overlap with the optical waveguide is improved, but the polarization inversion portion is used. The available effective area is small, and the number of optical waveguides overlapping the domain-inverted portions is limited to about one in the substrate.

【0013】このように、従来製造されてきた分極反転
部は、光波長変換素子への適用を考慮すると、その深
さ、均一性、有効面積等の点で必ずしも十分とは言い難
いものであった。
As described above, the conventionally manufactured domain-inverted portions are not necessarily sufficient in terms of depth, uniformity, effective area, and the like in consideration of application to an optical wavelength conversion element. Was.

【0014】本発明は、かかる事情を鑑み、上記従来の
問題を解決すべく完成されたものであって、その目的
は、分極反転部を改善した、特に短波長光の発生に適し
た光波長変換素子およびその製造方法を提供すること、
ならびにこのような光波長変換素子を提供するに必要と
なる、分極反転部の製造方法を提供することにある。併
せて、本発明は、上記光波長変換素子を含む光発生装置
および光ピックアップ、ならびに上記分極反転部を利用
した回折素子を提供することも目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has been completed to solve the above-mentioned conventional problems. An object of the present invention is to improve a domain-inverted portion, and particularly to an optical wavelength suitable for generating short-wavelength light. Providing a conversion element and a method for manufacturing the same,
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a domain-inverted portion, which is required to provide such an optical wavelength conversion element. In addition, another object of the present invention is to provide a light generation device and an optical pickup including the above-described light wavelength conversion element, and a diffraction element using the above-described polarization inversion portion.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するべ
く、本発明は、以下の分極反転部の製造方法を提供す
る。第1の分極反転部の製造方法は、強誘電体結晶の基
板の分極方向に電圧を印加して分極反転部を形成する工
程と、前記電圧の印加により生じた前記基板の内部電界
を低減する処理を行う工程と、前記分極方向に前記電圧
と逆方向の電圧を印加して前記分極反転部の少なくとも
一部の分極を再反転させる工程とを含むことを特徴とす
る。このような製造方法によれば、特に分極反転部の均
一性が向上し、深く形成され有効に利用できる分極反転
部を提供することができる。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following method for manufacturing a domain-inverted portion. The first method for manufacturing a domain-inverted portion includes a step of forming a domain-inverted portion by applying a voltage in a polarization direction of a substrate of a ferroelectric crystal, and reducing an internal electric field of the substrate caused by the application of the voltage. The method includes a step of performing a process, and a step of re-inverting at least a part of the polarization of the domain-inverted portion by applying a voltage in a direction opposite to the voltage in the polarization direction. According to such a manufacturing method, in particular, the uniformity of the domain-inverted portions can be improved, and a domain-inverted portion that is formed deep and can be used effectively can be provided.

【0016】第2の分極反転部の製造方法は、強誘電体
結晶の基板の分極方向に電圧を印加して分極反転部を形
成する工程と、前記分極反転部の前記基板の表面近傍に
分極反転安定化部を形成する工程とを含むことを特徴と
する。このような製造方法によれば、分極反転部が安定
化され、光波長変換素子等に好適な分極反転部を提供す
ることができる。
A second method for manufacturing a domain-inverted portion includes a step of forming a domain-inverted portion by applying a voltage in the direction of polarization of a substrate of a ferroelectric crystal, and a process of forming a domain-inverted portion near the surface of the substrate. Forming a reversal stabilizing portion. According to such a manufacturing method, the domain-inverted portion is stabilized, and a domain-inverted portion suitable for an optical wavelength conversion element or the like can be provided.

【0017】第3の分極反転部の製造方法は、互いに対
向する第1の面と第2の面とを有する強誘電体結晶基板
の前記第1の面に縞状パターン部を有する第1の電極を
形成する工程と、前記第1の電極を第1の絶縁膜で覆う
工程と、前記第2の面に第2の絶縁膜を形成する工程
と、前記第1の電極を分極方向に投影して定められる前
記第2の面上の領域を前記第2の絶縁膜を介して覆うよ
うに、前記第2の絶縁膜上に第2の電極を形成する工程
と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印
加して前記第1の電極の縞状パターン部から前記第2の
電極へと分極反転部を成長させる工程とを含むことを特
徴とする。このような製造方法によれば、均一性におい
て優れ、また短周期で大面積の分極反転部を提供するこ
とができる。
In a third method of manufacturing a domain-inverted portion, a ferroelectric crystal substrate having a first surface and a second surface opposed to each other has a first pattern having a stripe pattern portion on the first surface. Forming an electrode, covering the first electrode with a first insulating film, forming a second insulating film on the second surface, and projecting the first electrode in a polarization direction. Forming a second electrode on the second insulating film so as to cover a region on the second surface defined by the second insulating film via the second insulating film; Applying a voltage between the first electrode and the second electrode to grow a domain-inverted portion from the striped pattern portion of the first electrode to the second electrode. According to such a manufacturing method, it is possible to provide a domain-inverted portion excellent in uniformity and having a short period and a large area.

【0018】第4の分極反転部の製造方法は、分極方向
と基板表面とが実質的に平行である強誘電体結晶基板の
分極方向に、第1、第2および第3の電極をこの順に形
成する工程と、前記第1の電極と前記第2の電極との間
に電圧を印加して前記第1の電極と前記第2の電極との
間に前記分極方向に沿った縞状の分極反転部を形成する
工程と、前記第1の電極と前記第3の電極との間に電圧
を印加して前記縞状の分極反転部を前記第2の電極から
前記第3の電極の側に成長させる工程とを含むことを特
徴とする。このような製造方法によれば、有効面積が拡
大するばかりではなく、より深く形成された分極反転部
を提供することができる。
A fourth method for manufacturing a domain-inverted portion includes the steps of: first, second, and third electrodes being arranged in this order in a polarization direction of a ferroelectric crystal substrate whose polarization direction is substantially parallel to the substrate surface. Forming and applying a voltage between the first electrode and the second electrode to form a striped polarization along the polarization direction between the first electrode and the second electrode. Forming a reversal portion, and applying a voltage between the first electrode and the third electrode to move the stripe-shaped polarization reversal portion from the second electrode to the third electrode. And a step of growing. According to such a manufacturing method, not only the effective area is enlarged, but also a domain-inverted portion formed deeper can be provided.

【0019】第5の分極反転部の製造方法は、強誘電体
結晶の基板に、前記強誘電体結晶の分極方向に平行な第
1の電界成分と前記分極方向に垂直な第2の電界成分と
を有する電界を印加することにより、分極反転部を前記
分極方向に成長させる工程を含むことを特徴とする。こ
のような製造方法によれば、均一性に優れた深い分極反
転部を提供することができる。
A fifth method for manufacturing a domain-inverted portion is that a first electric field component parallel to the polarization direction of the ferroelectric crystal and a second electric field component perpendicular to the polarization direction are provided on the substrate of the ferroelectric crystal. A step of growing a domain-inverted portion in the polarization direction by applying an electric field having the following characteristics: According to such a manufacturing method, a deep domain-inverted portion having excellent uniformity can be provided.

【0020】第6の分極反転部の製造方法は、強誘電体
結晶の基板の表面に形成した第1の電極と第2の電極と
の間の前記表面に前記強誘電体結晶よりも抵抗値の低い
低抵抗部分を形成する工程と、前記第1の電極と前記第
2の電極との間に電圧を印加することにより、前記強誘
電体結晶の分極方向に分極反転部を成長させる工程とを
含むことを特徴とする。このような製造方法によれば、
均一性に優れ、深く、大面積の分極反転部を提供するこ
とができる。
The sixth method of manufacturing the domain-inverted portion is that the surface between the first electrode and the second electrode formed on the surface of the ferroelectric crystal substrate has a higher resistance value than the ferroelectric crystal. Forming a low-resistance portion having a low resistance, and applying a voltage between the first electrode and the second electrode to grow a domain-inverted portion in a polarization direction of the ferroelectric crystal. It is characterized by including. According to such a manufacturing method,
It is possible to provide a deep and large-area domain-inverted portion having excellent uniformity.

【0021】第7の分極反転部の製造方法によれば、強
誘電体結晶の基板の表面に凹部を形成する工程と、前記
凹部内に第1の電極を形成する工程と、前記第1の電極
と前記表面に形成された第2の電極との間に電圧を印加
することにより、前記第1の電極から前記強誘電体結晶
の分極方向に分極反転部を成長させる工程とを含むこと
を特徴とする。このような製造方法によれば、深い分極
反転部を提供することが可能となる。この凹部は、例え
ば形成した分極反転部を光波長変換素子として利用する
ために形成される光導波路と光源との位置合わせにも利
用することができる。
According to the seventh method of manufacturing the domain-inverted portion, a step of forming a concave portion on the surface of the ferroelectric crystal substrate, a step of forming a first electrode in the concave portion, Growing a domain-inverted portion from the first electrode in the polarization direction of the ferroelectric crystal by applying a voltage between the electrode and a second electrode formed on the surface. Features. According to such a manufacturing method, it is possible to provide a deep domain inversion portion. This concave portion can also be used, for example, for alignment between an optical waveguide formed to use the formed domain-inverted portion as an optical wavelength conversion element and a light source.

【0022】第8の分極反転部の製造方法によれば、強
誘電体結晶の基板の前記表面に絶縁膜を形成する工程
と、前記表面に前記絶縁膜を貫通する凹部を形成する工
程と、前記表面の少なくとも前記凹部を含む領域に導電
膜を形成する工程と、前記凹部内の前記導電膜を第1の
電極としてこの第1の電極と前記表面に形成した第2の
電極との間に電圧を印加することにより前記第1の電極
から前記強誘電体結晶の分極方向に分極反転部を成長さ
せる工程とを含むことを特徴とする。このような製造方
法によれば、均一性に優れた深い分極反転部を提供する
ことができる。
According to the eighth method for manufacturing a domain-inverted portion, a step of forming an insulating film on the surface of the ferroelectric crystal substrate, and a step of forming a recess penetrating the insulating film on the surface. Forming a conductive film in at least a region including the concave portion on the surface, and using the conductive film in the concave portion as a first electrode between the first electrode and a second electrode formed on the surface; Growing a domain-inverted portion in the direction of polarization of the ferroelectric crystal from the first electrode by applying a voltage. According to such a manufacturing method, a deep domain-inverted portion having excellent uniformity can be provided.

【0023】第9の分極反転部の製造方法は、強誘電体
結晶の基板の表面に第1の電極を形成する工程と、前記
第1の電極を含む前記表面に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の表面上であって前記第1の電極を形成した
位置とは異なる位置に第2の電極を形成する工程と、前
記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加する
ことにより前記第1の電極から前記強誘電体結晶の分極
方向に分極反転部を成長させる工程とを含むことを特徴
とする。このような製造方法によれば、均一性に優れた
深い分極反転部を提供することができる。
A ninth method for manufacturing a domain-inverted portion includes a step of forming a first electrode on a surface of a ferroelectric crystal substrate, and a step of forming an insulating film on the surface including the first electrode. ,
Forming a second electrode at a position on the surface of the insulating film different from the position at which the first electrode is formed; and applying a voltage between the first electrode and the second electrode. Growing a domain-inverted portion in the polarization direction of the ferroelectric crystal from the first electrode by applying the voltage. According to such a manufacturing method, a deep domain-inverted portion having excellent uniformity can be provided.

【0024】第10の分極反転部の製造方法は、強誘電
体結晶の基板の表面に、櫛形の第1の電極と前記櫛形が
伸長する方向に配置された第2の電極とからなる電極対
を前記櫛形が同一の方向を向くように2以上形成する工
程と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を
印加することにより、前記第1の電極の櫛形から前記第
2の電極側へと分極反転部を成長させる工程とを含むこ
とを特徴とする。このような製造方法によれば、均一性
に優れ、深く、大面積の分極反転部を提供することがで
きる。
According to a tenth method for manufacturing a domain-inverted portion, an electrode pair comprising a comb-shaped first electrode and a second electrode arranged in a direction in which the comb shape extends on a surface of a ferroelectric crystal substrate. Forming two or more such that the combs are oriented in the same direction, and applying a voltage between the first electrode and the second electrode, so that the first Growing a domain-inverted portion on the second electrode side. According to such a manufacturing method, it is possible to provide a deep, large-area domain-inverted portion having excellent uniformity.

【0025】上記いずれかの製造方法により、強誘電体
結晶の基板に2以上の分極反転部を互いに実質的に平行
な層となるように形成することにより、本発明の光波長
変換素子が提供される。加えて、本発明によれば、従来
の素子とは相違する、以下の特徴を有する光波長変換素
子が提供される。
The optical wavelength conversion device of the present invention is provided by forming two or more domain-inverted portions on the substrate of a ferroelectric crystal by any one of the above manufacturing methods so as to be layers substantially parallel to each other. Is done. In addition, according to the present invention, there is provided an optical wavelength conversion element having the following characteristics, which is different from a conventional element.

【0026】第1の光波長変換素子は、強誘電体結晶の
基板と、互いに実質的に平行な層をなすように前記基板
内に形成された分極反転部と、前記基板の表面近傍の前
記分極反転部内に形成された分極反転安定化部とを含む
ことを特徴とする。
The first optical wavelength conversion element includes a ferroelectric crystal substrate, a domain-inverted portion formed in the substrate so as to form layers substantially parallel to each other, and the polarization inverting portion near the surface of the substrate. A polarization inversion stabilizing portion formed in the domain inversion portion.

【0027】第2の光波長変換素子は、分極方向と基板
表面とが実質的に平行である強誘電体結晶の基板と、前
記表面に沿って前記基板内に形成された光導波路と、前
記光導波路を周期的に横断するように前記基板内に形成
された深さが2μm以上である2以上の分極反転部とを
含むことを特徴とする。
[0027] The second optical wavelength conversion element includes a ferroelectric crystal substrate whose polarization direction is substantially parallel to the substrate surface, an optical waveguide formed in the substrate along the surface, and And two or more domain-inverted portions having a depth of 2 μm or more formed in the substrate so as to periodically traverse the optical waveguide.

【0028】第3の光波長変換素子は、分極方向と基板
表面とが1°〜5°の傾きを有する強誘電体結晶の基板
と、前記基板表面に垂直であって前記分極方向に沿った
断面において層状構造を形成するように前記表面から前
記分極方向へと伸長する2以上の分極反転部とを含むこ
とを特徴とする。
The third optical wavelength conversion element comprises a substrate of a ferroelectric crystal in which the polarization direction and the substrate surface have an inclination of 1 ° to 5 °, and a substrate which is perpendicular to the substrate surface and extends along the polarization direction. Two or more domain-inverted portions extending from the surface in the polarization direction so as to form a layered structure in a cross section.

【0029】第4の光波長変換素子は、強誘電体結晶基
板の表面に形成された凹部と、前記凹部を一方の端部と
して前記強誘電体結晶の分極方向へと伸長する分極反転
部とを含むことを特徴とする。
The fourth optical wavelength conversion element includes a concave portion formed on the surface of the ferroelectric crystal substrate, and a polarization inversion portion extending in the polarization direction of the ferroelectric crystal with the concave portion as one end. It is characterized by including.

【0030】第5の光波長変換素子は、強誘電体結晶の
基板と、前記基板の表面に形成された第1の電極と、前
記第1の電極を含む前記表面に形成された絶縁膜と、前
記絶縁膜上であって前記第1の電極を形成した位置とは
異なる位置に形成された第2の電極と、前記第1の電極
を一方の端部として前記強誘電体結晶の分極方向に沿っ
て前記第2の電極側へと伸長する分極反転部とを含むこ
とを特徴とする。
The fifth light wavelength conversion element includes a ferroelectric crystal substrate, a first electrode formed on the surface of the substrate, and an insulating film formed on the surface including the first electrode. A second electrode formed on the insulating film at a position different from the position where the first electrode is formed, and a polarization direction of the ferroelectric crystal with the first electrode as one end. And a domain-inverted portion extending to the second electrode side along the line.

【0031】第6の光波長変換素子は、強誘電体結晶の
基板と、各々が櫛形の第1の電極と前記櫛形が伸長する
方向に配置された第2の電極とからなり前記櫛形が同一
の方向を向くように前記基板の表面に形成された2以上
の電極対と、前記第1の電極の前記櫛形部分を一方の端
部として前記強誘電体結晶の分極方向に沿って前記第2
の電極側へと伸長する分極反転部とを含むことを特徴と
する。
The sixth optical wavelength conversion element comprises a ferroelectric crystal substrate, a first electrode each having a comb shape, and a second electrode arranged in a direction in which the comb shape extends, and the comb shape is the same. And two or more pairs of electrodes formed on the surface of the substrate so as to face the second direction along the polarization direction of the ferroelectric crystal with the comb-shaped portion of the first electrode as one end.
And a domain-inverted portion extending toward the electrode side.

【0032】上記方法により製造されうる分極反転部を
含む光波長変換素子、または上記第1〜第6の光波長変
換素子は、特に光発生装置に好ましく適用され、このよ
うな短波長光の発生に適した光発生装置は光ピックアッ
プに好ましく用いられる。
The optical wavelength conversion element including the domain-inverted portion, which can be manufactured by the above method, or the first to sixth optical wavelength conversion elements is preferably applied particularly to a light generation device, and generates such short wavelength light. A light generation device suitable for the optical pickup is preferably used for an optical pickup.

【0033】さらに、本発明によれば、分極方向と基板
表面とが1°〜5°の傾きをなす強誘電体結晶の基板
と、前記基板表面に垂直であって前記分極方向に沿った
断面において層状構造を形成するように前記表面から前
記分極方向へと伸長する2以上の分極反転部とを含むこ
とを特徴とする回折素子が提供される。この回折素子
は、上記方法により製造されうる分極反転部を利用し
た、高速応答が可能な素子である。
Further, according to the present invention, there is provided a ferroelectric crystal substrate having a polarization direction and a substrate surface inclined at 1 ° to 5 °, and a cross section perpendicular to the substrate surface and extending along the polarization direction. And a two or more domain-inverted portions extending from the surface in the polarization direction so as to form a layered structure. This diffractive element is an element capable of high-speed response using a domain-inverted portion that can be manufactured by the above method.

【0034】[0034]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明によれば、分極反転核(Domain Cor
e)が生じない面において、所望の分極反転形状を形成
するための方法が提供される。具体的な分極反転部の形
成方法としては、単一分極の強誘電体結晶(例えばLiTa
O3板)の基板に電極を形成し、電極間に高圧の電圧を印
加することで電極下に分極反転部を形成するいわゆる電
界印加法が適用されうる。分極反転部は、例えば周期的
な層状構造をなすように形成され、光波長変換素子等に
用いられる。
Embodiments of the present invention will be described below. According to the present invention, domain-inverted nuclei (Domain Cor
A method is provided for forming a desired domain-inverted shape on a surface where e) does not occur. As a specific method of forming the domain-inverted portion, a monopolar ferroelectric crystal (eg, LiTa
A so-called electric field application method in which electrodes are formed on a substrate of an O 3 plate and a high voltage is applied between the electrodes to form a domain-inverted portion under the electrodes can be applied. The domain-inverted portion is formed, for example, so as to form a periodic layered structure, and is used for an optical wavelength conversion element or the like.

【0035】基板表面と分極方向とがほぼ垂直であるい
わゆるC板の強誘電体結晶基板に分極反転部を形成する
方法としては、分極反転核の発生する+C面に櫛形電極
を、−C面に平板電極を形成し、両電極間にパルス電圧
(電界として例えば21kV/mm程度)を印加し、櫛形電
極の櫛形部分から平板電極へと、周期状の分極反転部を
成長させる方法が挙げられる。
As a method of forming a domain-inverted portion on a so-called C-plate ferroelectric crystal substrate whose polarization direction is substantially perpendicular to the substrate surface, a comb-shaped electrode is provided on the + C plane where domain-inverted nuclei are generated, and a -C plane is provided. A method in which a plate electrode is formed on the substrate, a pulse voltage (for example, about 21 kV / mm as an electric field) is applied between the two electrodes, and a periodically domain-inverted portion is grown from the comb portion of the comb electrode to the plate electrode. .

【0036】一方、−C面に櫛形電極を、+C面に平面
電極を形成し、両電極間に電圧を印加すると、分極反転
部は平板状となって周期状とはならない。これは、分極
反転部が分極反転核から−C面方向に成長するためであ
る。そこで、−C面に縞状パターン形状の分極反転部を
形成するためには、+C面の櫛形電極から分極反転部を
成長させる必要がある。しかし、分極反転核から成長す
るに従って乱れてくる。このため、上記のように、−C
面に微細に制御された形状の分極反転部を形成すること
は困難とされている。
On the other hand, when a comb-shaped electrode is formed on the -C plane and a plane electrode is formed on the + C plane, and a voltage is applied between the two electrodes, the domain-inverted portions become flat and do not become periodic. This is because the domain-inverted portion grows from the domain-inverted nucleus in the −C plane direction. In order to form a domain-inverted portion having a striped pattern on the −C surface, it is necessary to grow the domain-inverted portion from the comb-shaped electrode on the + C surface. However, they are disturbed as they grow from the domain-inverted nuclei. Therefore, as described above, -C
It is difficult to form a domain-inverted portion having a finely controlled shape on a surface.

【0037】(実施の形態1)以下に、このような問題
を解決する分極反転部の製造方法の例を説明する。
(Embodiment 1) An example of a method for manufacturing a domain-inverted portion that solves such a problem will be described below.

【0038】この方法は、図1に示したように、まず、
強誘電体結晶(例えばLiTaO3)の基板1の−C面に櫛形
電極2を、+C面に平板電極3を形成し(図1(a))、
次に、+C面に平板電極3に+電圧を印加してこの電極
から分極反転部を成長させ(図1(b);この状態で結晶
としては分極方向が逆転し、櫛形電極を形成した面が+
C面に、平板電極を形成した面が−C面になる。)、さ
らに櫛形電極2に+電圧を印加してこの電極から分極を
反転させることにより、分極再反転部5を形成する(図
1(c))というものである。分極再反転部5は、櫛形電
極2に対応する周期的な縞模様を描くパターンを形成す
る。
In this method, as shown in FIG.
The comb-shaped electrode 2 -C surface of the substrate 1 of the ferroelectric crystal (eg LiTaO 3), to form a flat electrode 3 to the + C surface (FIG. 1 (a)),
Next, a positive voltage is applied to the + C plane to the plate electrode 3 to grow a domain-inverted portion from this electrode (FIG. 1 (b); in this state, the direction of polarization of the crystal is reversed, and the surface on which the comb-shaped electrode is formed) Is +
The plane on which the plate electrode is formed on the C plane becomes the -C plane. Then, a + voltage is applied to the comb-shaped electrode 2 to invert the polarization from this electrode, thereby forming the polarization re-inversion portion 5 (FIG. 1 (c)). The polarization re-inversion unit 5 forms a pattern that draws a periodic stripe pattern corresponding to the comb-shaped electrode 2.

【0039】形成された分極反転部を観測すると、−C
面に形成した櫛形電極2と同一形状の分極反転部が形成
されており、−C面においても均一な分極反転層が形成
されていることがわかった。このように、分極の再反転
を利用することにより、−C面に微細に制御され均一性
に優れた分極反転部を形成することができる。
Observation of the formed domain-inverted portion shows that -C
It was found that a domain-inverted portion having the same shape as the comb-shaped electrode 2 formed on the surface was formed, and a uniform domain-inverted layer was also formed on the −C plane. As described above, by utilizing the re-inversion of the polarization, a domain-inverted portion that is finely controlled and has excellent uniformity can be formed on the -C plane.

【0040】しかし、上記方法により分極反転部を形成
したところ、図1(c)の工程において、反転電圧が安定
しない場合や分極反転が全く生じないといった現象が観
測されることがあった。そこで、その原因について実験
検討を行ったところ、図1(b)の工程における電界印加
により、結晶内部に内部電界が形成され、これが分極の
再反転を妨害していることが判明した。
However, when a domain-inverted portion was formed by the above method, in the step of FIG. 1C, a phenomenon was observed in which the inversion voltage was unstable or no domain inversion occurred at all. An experimental study of the cause revealed that an internal electric field was formed inside the crystal due to the application of the electric field in the step of FIG. 1 (b), and it was found that this prevented the re-inversion of the polarization.

【0041】そこで、内部電界を低減し、好ましくは除
去する方法を検討したところ、図1(b)と(c)の工程の間
に、アニール処理を行うことにより内部電界が低減でき
ることが見出された。さらにアニール温度についても検
討した。結果を以下に示す。
Therefore, a method of reducing and preferably removing the internal electric field was studied. As a result, it was found that the internal electric field can be reduced by performing an annealing treatment between the steps shown in FIGS. 1 (b) and 1 (c). Was done. Further, the annealing temperature was also examined. The results are shown below.

【0042】・アニール温度<50℃ :アニールの効果
はほとんどない ・アニール温度=100℃:再反転は容易となるが再反転
部は不安定。 ・アニール温度≧150℃:再反転容易で、均一かつ安定
した分極反転が可能。 ・アニール温度>500℃:形成した分極が低減ないし消
滅する。
Annealing temperature <50 ° C .: There is almost no effect of annealing. Annealing temperature = 100 ° C .: Re-inversion is easy, but the re-inversion portion is unstable. -Annealing temperature ≥ 150 ° C: Easy re-inversion, uniform and stable polarization inversion possible. -Annealing temperature> 500 ° C: The formed polarization is reduced or eliminated.

【0043】以上より、アニール温度は150〜500
℃が好ましく、この範囲の温度でアニール処理すること
により、−C面に所望の分極反転形状が形成容易となる
ことがわかった。なお、上記アニール温度はすべて基板
温度に基づく。
As described above, the annealing temperature is 150 to 500.
C is preferable, and annealing at a temperature in this range facilitates formation of a desired domain-inverted shape on the -C plane. The above annealing temperatures are all based on the substrate temperature.

【0044】ここで、好ましいアニール温度の上限は、
用いる結晶のキュリー温度と関連していると考えられ
る。なお、アニール時間は数分間で十分であった。
Here, the preferable upper limit of the annealing temperature is as follows:
It is thought to be related to the Curie temperature of the crystal used. In addition, several minutes were sufficient for annealing time.

【0045】次に、以上に説明した方法を応用して、強
誘電体結晶の表面から裏面にかけて周期的な分極反転部
を均一に形成する方法について説明する。この方法は、
電界印加による分極反転を、内部電界を除去しながら必
要に応じて繰り返し行うものである。以下、図2を用い
て説明する。
Next, a method for uniformly forming a periodically poled portion from the front surface to the back surface of the ferroelectric crystal by applying the above-described method will be described. This method
The polarization inversion by the application of an electric field is repeatedly performed as necessary while removing the internal electric field. Hereinafter, description will be made with reference to FIG.

【0046】この方法は、まず、C軸にほぼ垂直な平面
を有するLiTaO3のような強誘電体基板1の+C面に櫛形
電極2aを形成し、−C面には、+C面の電極に対し反
転パターンの櫛形電極2b、即ち+C面の電極2aを分極
方向に沿って−C面に投影したときに電極がない部分に
電極を形成し(図2(a))、次に電極2a、2b間に電圧
を印加して+C面の電極下に分極反転部を形成し(図2
(b);このとき、形成される分極反転部は、+C面から
発生するため−C面近傍では分極反転形状の不均一性が
増加している。)、基板をアニール処理して内部電界を
除去し(図2(c))、さらに電極間に電圧((b)工程とは
正負が逆)を印加して分極を再反転させる(図1(d))
ものである。
In this method, first, a comb electrode 2a is formed on the + C plane of a ferroelectric substrate 1 such as LiTaO 3 having a plane substantially perpendicular to the C axis, and the + C plane is formed on the + C plane. On the other hand, when the comb-shaped electrode 2b of the inverted pattern, that is, the electrode 2a on the + C plane is projected on the −C plane along the polarization direction, an electrode is formed in a portion where no electrode is provided (FIG. 2A). A voltage is applied between the electrodes 2b to form a domain-inverted portion under the electrode on the + C plane (FIG. 2).
(b) At this time, since the domain-inverted portion formed is generated from the + C plane, the non-uniformity of the domain-inverted shape increases near the −C plane. ), The substrate is annealed to remove the internal electric field (FIG. 2 (c)), and a voltage is applied between the electrodes (positive / negative in the step (b)) to reverse the polarization (FIG. 1 (c)). d))
Things.

【0047】図1(d)の工程で、分極が再反転されるの
は、+C面の電極に対応しない分極反転部、即ち乱れに
対応する部分である。この工程により、分極反転部の不
均一部分が除去され、電極パターンに対応した周期的な
分極反転部を基板の表面から裏面にかけて精度よく形成
される。
In the step shown in FIG. 1D, the polarization is reversed again at a domain-inverted portion that does not correspond to the electrode on the + C plane, that is, a portion corresponding to disturbance. By this step, the non-uniform portion of the domain-inverted portion is removed, and a periodic domain-inverted portion corresponding to the electrode pattern is accurately formed from the front surface to the rear surface of the substrate.

【0048】また、以上の工程を、内部電界除去工程を
はさんで繰り返し行えば均一性はさらに好ましいものと
なる。
If the above steps are repeated with the internal electric field removing step interposed therebetween, the uniformity is further improved.

【0049】なお、上記の例では、C板のLiTaO3を用い
たが、他にLiNbO3およびその混合物LiNbxTa(1-x)O3でも
同様の効果が得られる。LiNbO3およびその混合物は非線
形光学定数が大きいため、高効率の光波長変換が可能で
ある。
In the above example, LiTaO 3 of C plate was used, but the same effect can be obtained by using LiNbO 3 and its mixture LiNb x Ta (1-x) O 3 . Since LiNbO 3 and its mixture have large nonlinear optical constants, highly efficient light wavelength conversion is possible.

【0050】さらに、MgOをドープしたLiTaO3、MgOをド
ープしたLiNbO3およびその混合物MgO:LiNbxTa(1-x)O3
も同様の効果が得られる。MgOをドープすると耐光損傷
性が向上し、高出力のSHG出力に対しても安定な特性
が得られる。
Further, the same effect can be obtained with MgO-doped LiTaO 3 , MgO-doped LiNbO 3 and a mixture thereof, MgO: LiNb x Ta (1-x) O 3 . When doped with MgO, the light damage resistance is improved, and stable characteristics can be obtained even with a high output SHG output.

【0051】なお、本実施形態では非線形光学結晶を有
する基板としてC板を用いたが、他にC軸に平行な表面
を有するX板またはY板でも同様の特性が得られる。こ
れらの基板を用いる場合には、分極反転用の電極を基板
表面にC軸方向に離間して形成し、基板表面で分極反転
を行う。この場合の電極は、例えば互いに嵌合する櫛形
を有する一対の櫛形電極が好ましい。また、このような
基板を用いると、TEモードの基本波励起によりSHG
光の発生が可能となるため、基板表面に形成した光導波
路と半導体レーザとの結合効率の向上が可能となり、小
型で高出力の短波長光発生装置とすることができる。
In this embodiment, the C plate is used as the substrate having the nonlinear optical crystal. However, similar characteristics can be obtained by using an X plate or a Y plate having a surface parallel to the C axis. When these substrates are used, electrodes for polarization inversion are formed on the substrate surface at a distance in the C-axis direction, and polarization inversion is performed on the substrate surface. In this case, the electrodes are preferably, for example, a pair of comb-shaped electrodes having a comb shape fitted to each other. In addition, when such a substrate is used, SHG is excited by fundamental mode excitation of TE mode.
Since light can be generated, the coupling efficiency between the optical waveguide formed on the substrate surface and the semiconductor laser can be improved, and a small-sized, high-output, short-wavelength light generator can be provided.

【0052】なお、内部電界の低減は、アニール処理に
限られることなく、例えば内部電界と反対方向に電界を
印加することによっても実施することができる。この場
合に印加される電圧は、10〜20kW/mmが好ましい。
分極反転を生じさせることなく短時間で内部電界を消滅
させることができるからである。
The internal electric field can be reduced by applying an electric field in a direction opposite to the internal electric field, for example, without being limited to the annealing process. The voltage applied in this case is preferably 10 to 20 kW / mm.
This is because the internal electric field can be extinguished in a short time without causing polarization inversion.

【0053】次に、分極反転部に安定性について検討す
る。以上に説明したような電界印加法によると、短周期
で深い分極反転部の形成が可能である。しかし、耐熱性
実験を行うと、熱処理における分極反転部の劣化、分極
反転部の消滅等が発生し、分極反転部自体の安定性に問
題があることが見出された。また、光波長変換素子を形
成する際の導波路形成プロセスにおいても分極反転層が
消滅する場合があることがわかった。
Next, the stability of the domain-inverted portion will be examined. According to the electric field application method as described above, a deep domain inversion portion can be formed in a short period. However, when a heat resistance experiment was performed, it was found that the domain-inverted portions deteriorated during the heat treatment, the domain-inverted portions disappeared, and the like, and there was a problem in the stability of the domain-inverted portions themselves. It was also found that the domain-inverted layer may disappear in the waveguide forming process when forming the optical wavelength conversion element.

【0054】その結果をまとめると、 1)+C面から形成した電界印加分極反転層について ・耐熱性:500℃以上の熱処理で消滅する。 ・導波路形成:(プロトン交換+アニール処理)によっ
て導波路内の分極反転部が消滅する。 2)−C面から形成した再反転(実施の形態1)を含む分
極反転層について ・耐熱性:350℃の熱処理で、−C表面近傍の分極反転
部が消滅する。 ・導波路形成:(プロトン交換+アニール処理)によっ
て導波路内の分極反転部が消滅する。 そこで、電界印加により形成した分極反転部の安定性の
向上について検討した。その結果を以下に説明する。
The results are summarized as follows: 1) Regarding the electric field application domain-inverted layer formed from the + C plane. Heat resistance: disappears by heat treatment at 500 ° C. or more. Waveguide formation: The domain-inverted portion in the waveguide disappears due to (proton exchange + annealing). 2) Regarding domain-inverted layer including re-inversion (Embodiment 1) formed from -C plane-Heat resistance: domain-inverted portion near -C surface disappears by heat treatment at 350 ° C. Waveguide formation: The domain-inverted portion in the waveguide disappears due to (proton exchange + annealing). Therefore, the improvement of the stability of the domain-inverted portion formed by applying an electric field was studied. The results are described below.

【0055】(実施の形態2)上記実施の形態の方法に
より形成した分極再反転部を含む分極反転層は、比較的
低い温度の熱処理(例えば350℃)においても、−C
表面から分極反転部が消滅し、5〜6μmの反転部の後
退が観測された。分極反転部の消滅が−C面より発生し
+C面に向かって広がることは、従来知られておらず、
ここで初めて明らかにされた現象である。
(Embodiment 2) The domain-inverted layer including the domain re-inverted portion formed by the method of the above-described embodiment can be subjected to -C even at a relatively low temperature heat treatment (for example, 350 ° C.).
The domain-inverted portions disappeared from the surface, and receding of the domain-inverted portions of 5 to 6 μm was observed. It is not conventionally known that the domain-inverted portion disappears from the −C plane and spreads toward the + C plane.
This is the phenomenon first revealed here.

【0056】そこで、反転の消滅を防止する方法を種々
検討した結果、表面にイオン交換、好ましくはプロトン
交換を施す方法が有効であることが見出された。プロト
ン交換を施すことにより分極反転安定化部を形成する
と、例えば500℃の熱処理を行っても分極反転形状に
変化がなく、耐熱性は大幅に向上した。
Thus, as a result of various studies on methods for preventing the disappearance of inversion, it has been found that a method of performing ion exchange, preferably proton exchange, on the surface is effective. When the domain-inverted stabilizing portion was formed by performing proton exchange, the domain-inverted shape did not change even when heat treatment was performed at, for example, 500 ° C., and heat resistance was significantly improved.

【0057】分極反転部の安定化に好ましいプロトン交
換深さは0.01〜0.2μm、例えば0.1μm程度で
あった。−C面での分極反転部の消滅は、この面での分
極反転核の発生を抑制することにより防止することがで
きる。プロトン交換を行うと、結晶の非対称性が小さく
なり強誘電性が劣化するため、分極が反転し難くなり、
分極反転核の発生が抑えられる。このようにして、分極
反転部の安定性、特に−C面に形成された分極反転構造
の安定性を飛躍的に向上させることができた。
The preferred proton exchange depth for stabilizing the domain-inverted portion was 0.01 to 0.2 μm, for example, about 0.1 μm. The disappearance of the domain-inverted portion on the -C plane can be prevented by suppressing the generation of domain-inverted nuclei on this plane. When proton exchange is performed, the asymmetry of the crystal is reduced and the ferroelectricity is deteriorated, so that the polarization is hardly inverted,
Generation of domain-inverted nuclei is suppressed. In this way, the stability of the domain-inverted portions, particularly the stability of the domain-inverted structure formed on the -C plane, could be significantly improved.

【0058】プロトン交換は、ピロ燐酸のような酸を用
いて行うことができる。プロトン交換層の深さは、処理
温度(酸の温度)と時間によって決定され、例えば0.
2μmの深さのプロトン交換層を形成するためには26
0℃で約160秒間、0.1μmのプロトン交換層を形
成するためには260℃で約40秒間処理すればよい。
さらに薄いプロトン交換層を形成する場合には処理温度
を下げて深さの制御性を向上させることが好ましい。例
えば温度200℃、3秒程度の処理により深さ0.01
μmのプロトン交換層が形成される。この深さの交換層
を260℃の温度で形成しようとすると1秒以下の処理
時間とする必要が生じる。処理温度はさらに低温とする
ことも可能であるが、プロトン交換層の形成には、一般
に温度は160〜280℃とすることが好ましい。ま
た、酸としては、安息香酸、オルト燐酸、硫酸、塩酸等
も使用することができる。
The proton exchange can be carried out using an acid such as pyrophosphoric acid. The depth of the proton exchange layer is determined by the processing temperature (the temperature of the acid) and the time.
In order to form a proton exchange layer having a depth of 2 μm, 26
The treatment may be performed at 0 ° C. for about 160 seconds and at 0.1 ° μm to form a 0.1 μm proton exchange layer at 260 ° C. for about 40 seconds.
In the case of forming a thinner proton exchange layer, it is preferable to lower the processing temperature to improve the controllability of the depth. For example, at a temperature of 200 ° C. for about 3 seconds, a depth of 0.01
A μm proton exchange layer is formed. If an exchange layer having this depth is to be formed at a temperature of 260 ° C., the processing time needs to be 1 second or less. Although the treatment temperature can be further lowered, the temperature is generally preferably 160 to 280 ° C. for forming the proton exchange layer. As the acid, benzoic acid, orthophosphoric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid and the like can be used.

【0059】なお、本実施の形態では、基板にLiTaO3
板を用いたが、上記で述べたような他の基板を用いるこ
とも可能である。このような、分極反転構造の安定性の
向上は、他の結晶にも有効である。例えば、KNbO3、TiP
bO3等分極が不安定で、外部の圧力や温度変化により容
易に分極反転が生じる材料において、結晶表面をイオン
交換処理し、表面の結晶構造を変化させることで、分極
反転の安定性を大幅に向上させることができる。また、
ここではC板を用いたが、その他X板やY板を用いる場
合にも分極反転安定化部を形成することにより、上記と
同様の効果が得られる。この場合には、基板表面の少な
くとも+C側に分極反転安定化部を形成することが好ま
しい。斜め基板を用いた場合にも分極反転安定化部の形
成は同様に有効である。
In this embodiment, a LiTaO 3 substrate is used as the substrate, but other substrates as described above can be used. Such an improvement in the stability of the domain-inverted structure is effective for other crystals. For example, KNbO 3 , TiP
bO 3 Isopolarization is unstable, and polarization inversion is easily performed by external pressure or temperature change, and the stability of polarization inversion is greatly improved by ion-exchanging the crystal surface and changing the crystal structure of the surface. Can be improved. Also,
Although the C plate is used here, the same effect as described above can be obtained by forming the polarization inversion stabilizing portion also when using an X plate or a Y plate. In this case, it is preferable to form a polarization inversion stabilizing portion on at least the + C side of the substrate surface. Even when an oblique substrate is used, the formation of the domain inversion stabilizing portion is similarly effective.

【0060】このように、用いうる基板の種類が、特に
言及されている場合を除き限定されない点は、本明細書
の各実施の形態に共通する。
As described above, the types of substrates that can be used are not limited unless otherwise specified, which is common to the embodiments in this specification.

【0061】(実施の形態3)ここでは、光導波路形成
時に光導波路内の分極反転部が消滅することを防止する
方法について説明する。
(Embodiment 3) Here, a method for preventing the domain-inverted portion in the optical waveguide from disappearing when the optical waveguide is formed will be described.

【0062】最初に、LiTaO3のような基板を用いた光波
長変換素子の製造方法について説明する。光波長変換素
子の製造方法は、図3に示すように、一般には、結晶基
板1に周期的な縞状分極反転部4を形成し(図3
(a))、光導波路形成用のマスクパターン6(例えばTa
による)を形成し(図3(b))、酸を含む溶液、例えばピ
ロ燐酸中で熱処理し、非マスク部分にプロトン交換部分
7(厚さは0.5〜2μm程度)を形成し(図3(c))、
マスクを除去した後、アニール処理(温度は例えば40
0℃程度)して光導波路8を形成する(図3(d))もの
である。
First, a method of manufacturing an optical wavelength conversion device using a substrate such as LiTaO 3 will be described. As shown in FIG. 3, a method of manufacturing an optical wavelength conversion element generally includes forming a periodically striped domain-inverted portion 4 on a crystal substrate 1 as shown in FIG.
(a)), a mask pattern 6 for forming an optical waveguide (for example, Ta
(FIG. 3B), and heat-treated in a solution containing an acid, for example, pyrophosphoric acid, to form a proton-exchanged portion 7 (having a thickness of about 0.5 to 2 μm) in the unmasked portion (FIG. 3B). 3 (c)),
After removing the mask, an annealing process (for example, at a temperature of 40
(About 0 ° C.) to form the optical waveguide 8 (FIG. 3D).

【0063】しかし、作製した光波長変換素子を光導波
路断面で切断し、分極反転部分を観測したところ、図4
に示すように光導波路8の内部で分極反転部4が消滅す
る現象が観察される。
However, when the fabricated optical wavelength conversion element was cut along the optical waveguide section and the polarization inversion portion was observed,
As shown in FIG. 5, a phenomenon in which the domain-inverted portions 4 disappear inside the optical waveguide 8 is observed.

【0064】この現象は、 1)±C面のどちらの面に形成した分極反転層にも発生す
る。 2)イオン交換処理により耐熱性を向上させた分極反転層
にも発生する。 3)光導波路のアニール処理温度を300℃程度に低下さ
せても発生する。 という特徴を有していた。
This phenomenon occurs in 1) the domain-inverted layers formed on either of the ± C planes. 2) It also occurs in the domain-inverted layer whose heat resistance has been improved by ion exchange treatment. 3) It occurs even when the annealing temperature of the optical waveguide is lowered to about 300 ° C. It had the characteristic of.

【0065】このような分極反転部の消滅は、実施の形
態2に記載したような方法をもっても十分には解決でき
ない問題であった。これはプロトンが結晶内へ熱拡散す
る際に分極反転構造が消滅するためと考えられる。
The disappearance of the domain-inverted portion is a problem that cannot be sufficiently solved by the method described in the second embodiment. This is considered to be because the domain-inverted structure disappears when protons thermally diffuse into the crystal.

【0066】これを防止するには、プロトンの熱拡散に
耐える分極反転部を形成する必要がある。そこで、分極
反転部の安定化について種々検討を行った。分極反転部
の製造方法として、LiTaO3の−C面に選択的にプロトン
交換を施し、これを基板のキュリー温度近傍(530℃
程度)で熱処理して周期状の分極反転部を形成する方法
(プロトン交換熱処理法)が知られている。しかしなが
ら、このようなプロトン交換熱処理による方法は、深い
分極反転部を形成するのが難しく、2μm程度の深さの
分極反転部しか形成できなかった。
To prevent this, it is necessary to form a domain-inverted portion that can withstand thermal diffusion of protons. Therefore, various studies were performed on stabilization of the domain-inverted portion. As a method of manufacturing the domain-inverted portion, proton exchange is selectively performed on the -C surface of LiTaO 3 , and the proton exchange is performed near the Curie temperature of the substrate (530 ° C.).
) To form a periodic domain-inverted portion (proton exchange heat treatment method). However, such a method using the proton exchange heat treatment makes it difficult to form a deep domain-inverted portion, and can form only a domain-inverted portion having a depth of about 2 μm.

【0067】そこで、電界印加により形成した分極反転
構造にプロトン交換熱処理を施すことによる、分極反転
構造の特性改善を試みたところ、以下に示す2つの新し
い現象が観測された。
Then, when an attempt was made to improve the properties of the domain-inverted structure by applying a proton exchange heat treatment to the domain-inverted structure formed by applying an electric field, the following two new phenomena were observed.

【0068】1)電界印加により形成された分極反転部に
プロトン交換熱処理法を施すと電界印加分極反転を核と
してプロトン交換熱処理法による分極反転部が形成され
る。このためプロトン交換熱処理法では不可能な深い分
極反転構造の形成が可能となる。 2)電界印加分極反転の表面近傍にプロトン交換熱処理に
よる分極反転構造を形成することにより、光導波路形成
プロセスにより消滅しない分極反転構造が形成できる。
1) When a proton exchange heat treatment is applied to the domain-inverted portion formed by applying an electric field, a domain-inverted portion is formed by the proton exchange heat treatment using the domain-inverted domain inversion as a nucleus. For this reason, it is possible to form a deep domain-inverted structure, which is impossible with the proton exchange heat treatment method. 2) By forming the domain-inverted structure by the proton exchange heat treatment near the surface of the domain-inverted domain-inverted domain, a domain-inverted structure that does not disappear by the optical waveguide forming process can be formed.

【0069】以下に、プロトン交換熱処理法を電界印加
法に施すことにより耐性に優れた安定な分極反転構造を
形成する方法の例について説明する。
Hereinafter, an example of a method of forming a stable domain-inverted structure having excellent resistance by applying a proton exchange heat treatment method to an electric field application method will be described.

【0070】この方法は、図5に示したように、実施の
形態1で説明したような分極再反転法により−C面に周
期状の分極反転部4を形成し(図5(a))、基板表面を
ピロ燐酸のような酸中で熱処理して表面にプロトン交換
部7を形成し(図5(b))、熱処理して電界印加により
形成した分極反転部の表面近傍にプロトン交換熱処理法
を適用する(図5(c))。
In this method, as shown in FIG. 5, a periodic domain-inverted portion 4 is formed on the −C plane by the domain re-inversion method as described in the first embodiment (FIG. 5A). Then, the substrate surface is heat-treated in an acid such as pyrophosphoric acid to form a proton exchange portion 7 on the surface (FIG. 5 (b)). Apply the method (Fig. 5 (c)).

【0071】以上の方法で分極反転部を形成したとこ
ろ、分極反転形状は、電界印加によって形成した形状と
ほぼ等しく、短周期で深い分極反転部が均一に形成でき
ることが確認された。
When the domain-inverted portions were formed by the above method, it was confirmed that the domain-inverted shape was almost equal to the shape formed by applying an electric field, and that a deep domain-inverted portion could be formed uniformly in a short period.

【0072】次に、上記の方法で作製した分極反転部に
光導波路を形成して、導波路内での分極反転部の消滅に
ついて観測した。その結果、図5(c)の工程における熱
処理温度が、分極反転部の消滅特性に大きな影響を与え
ることが判明した。そこで、分極反転が−C面から消滅
する距離と熱処理温度との関係を求めた。その結果を図
6に示す。
Next, an optical waveguide was formed in the domain-inverted portion manufactured by the above method, and the disappearance of the domain-inverted portion in the waveguide was observed. As a result, it was found that the heat treatment temperature in the step of FIG. 5C has a great effect on the annihilation characteristics of the domain-inverted portions. Therefore, the relationship between the distance at which the polarization inversion disappears from the -C plane and the heat treatment temperature was determined. FIG. 6 shows the result.

【0073】熱処理温度が400℃以下の場合は、プロ
トン交換熱処理による分極反転部が形成されず表面から
1μm以上の深さにわたり分極反転部が消滅した。50
0℃近傍に近づくに従い分極反転層が消滅する深さは減
少し、480℃以上では後退深さが0.35μm以下に
なった。分極反転部が実質的に消滅しない好ましい温度
範囲は、500〜520℃であった。光波長変換素子の
変換効率に影響を与えない程度の反転の消滅深さとして
は0.5μm以下の値が必要である。このような観点か
らは、480〜530℃の熱処理を行うことが適当であ
る。熱処理温度を540℃以上にすると周期状の分極反
転部が消滅し、スラブ状の分極反転部が形成され、光波
長変換素子は製造できなくなった。
When the heat treatment temperature was 400 ° C. or lower, the domain-inverted portions were not formed by the proton exchange heat treatment and disappeared over a depth of 1 μm or more from the surface. 50
As the temperature approaches 0 ° C., the depth at which the domain-inverted layer disappears decreases, and at 480 ° C. or more, the receding depth becomes 0.35 μm or less. A preferable temperature range in which the domain-inverted portions do not substantially disappear is 500 to 520 ° C. A value of 0.5 μm or less is required as the inversion extinction depth that does not affect the conversion efficiency of the light wavelength conversion element. From such a viewpoint, it is appropriate to perform the heat treatment at 480 to 530 ° C. When the heat treatment temperature was 540 ° C. or higher, the periodic domain-inverted portions disappeared, slab-shaped domain-inverted portions were formed, and the optical wavelength conversion element could not be manufactured.

【0074】以上の結果より、電界印加により形成した
分極反転部を含む構造は、結晶構造として不安定である
ことがわかる。これは、本来の結晶構造では低温の熱処
理や、イオン交換処理等で結晶の分極方向が変化するこ
とはないからである。一方、電界印加により分極反転部
を形成し、その表面をプロトン交換等によりイオン交換
した後基板のキュリー温度未満の温度で熱処理すること
により、分極反転安定化部が形成できる理由は、イオン
交換されて結晶構造が変化した層をキュリー温度近傍で
熱処理することによりイオンが基板内部に拡散し、イオ
ン交換部が元の結晶構造に近づく時に分極が安定した状
態で固定されるためと考えられる。即ち、電界印加で形
成された不安定な結晶構造が、イオン交換と熱処理を介
して安定した結晶構造に変化するのである。
From the above results, it is understood that the structure including the domain-inverted portions formed by applying an electric field is unstable as a crystal structure. This is because in the original crystal structure, the polarization direction of the crystal does not change due to a low-temperature heat treatment or an ion exchange treatment. On the other hand, the reason why a domain-inverted stabilization part can be formed by forming a domain-inverted part by applying an electric field, performing ion exchange on the surface thereof by proton exchange or the like, and then performing a heat treatment at a temperature lower than the Curie temperature of the substrate, is possible. It is considered that ions are diffused into the substrate by heat-treating the layer having the changed crystal structure in the vicinity of the Curie temperature, and the ions are fixed in a stable state when the ion-exchange portion approaches the original crystal structure. That is, an unstable crystal structure formed by applying an electric field changes to a stable crystal structure through ion exchange and heat treatment.

【0075】ただし、このときの熱処理温度は、基板の
キュリー温度未満かつキュリー温度近傍が好ましい。例
えば、キュリー温度が約600℃であるLiTaO3の場合の
熱処理温度は480〜530℃、さらには500℃近傍
が好ましい。その理由は、キュリー温度近傍で分極が変
化(反転)するポテンシャルが低下し、反転が容易にな
るからである。また、キュリー温度を越えると、分極が
バラバラになり、単一分極の結晶でなくなるからであ
る。このような観点から、一般には、熱処理温度は、
(キュリー温度−150℃)〜(キュリー温度)の間の
温度とすることが好ましい。
However, the heat treatment temperature at this time is preferably lower than the Curie temperature of the substrate and near the Curie temperature. For example, in the case of LiTaO 3 having a Curie temperature of about 600 ° C., the heat treatment temperature is preferably 480 to 530 ° C., and more preferably around 500 ° C. The reason is that the potential at which the polarization changes (inverts) near the Curie temperature decreases, and the inversion becomes easy. Also, when the temperature exceeds the Curie temperature, the polarization is dispersed, and the crystal is not a single-polarized crystal. From such a viewpoint, generally, the heat treatment temperature is
The temperature is preferably between (Curie temperature-150 ° C) and (Curie temperature).

【0076】次に、熱処理(温度510℃)した分極反
転構造上に光導波路を形成し、光波長変換素子を作製
し、その特性を評価した。作製したSHG素子の構成を
図7に示す。図7に示すように、LiTaO3基板1上に、周
期的に形成された層状の分極反転部4を周期的に横切る
ように光導波路8が形成されている。また、プロトン交
換層をアニール処理した層9は、LiTaO3に比べて分極反
転が生じ難くなっている。なお、イオン交換と熱処理を
施すことで電気抵抗が低下していることも確認された。
また例えば、分極反転周期は3.5μmで、光導波路8
は幅5μm、深さ2μm程度とされる。
Next, an optical waveguide was formed on the domain-inverted structure that had been heat-treated (temperature: 510 ° C.), an optical wavelength conversion element was fabricated, and its characteristics were evaluated. FIG. 7 shows the configuration of the manufactured SHG element. As shown in FIG. 7, an optical waveguide 8 is formed on a LiTaO 3 substrate 1 so as to periodically cross a periodically formed layered domain-inverted portion 4. In addition, the layer 9 in which the proton exchange layer has been annealed is less likely to cause polarization inversion than LiTaO 3 . In addition, it was also confirmed that the electrical resistance was reduced by performing the ion exchange and the heat treatment.
Further, for example, the polarization inversion period is 3.5 μm, and the optical waveguide 8
Has a width of about 5 μm and a depth of about 2 μm.

【0077】このような光導波路8に、基本波として、
半導体レーザからの光(波長850nm、70mW)を入力
すると、第2高調波の出力10mWが得られた。従来の分
極反転部の製造方法を利用した場合には、光導波路内の
分極反転部が消滅する傾向にあるため、変換効率は極端
に低下し、同様の実験においても1mW程度の出力しか得
られなかい。
In such an optical waveguide 8, as a fundamental wave,
When the light (wavelength 850 nm, 70 mW) from the semiconductor laser was input, the output of the second harmonic was 10 mW. When the conventional method of manufacturing the domain-inverted portion is used, the domain-inverted portion in the optical waveguide tends to disappear, so that the conversion efficiency is extremely reduced, and an output of only about 1 mW is obtained in a similar experiment. Inside.

【0078】さらに、上記方法で得られた光波長変換素
子は、光損傷への耐性が大幅に向上していた。従来の方
法では、表面近傍の分極反転部が消滅するため、この部
分で光損傷が発生し、SHGの出力変動を発生させ、安
定な出力が数mWしか得られなかった。しかし、上記方法
によれば、深い分極反転部を基板表面まで形成できるの
で光損傷の発生を抑制することが可能となる。その結
果、20mWのSHG出力に対して安定な出力特性が得ら
れ、光損傷による不安定性をほぼ完全に防止することが
できた。
Further, the optical wavelength conversion element obtained by the above method has greatly improved the resistance to optical damage. In the conventional method, since the domain-inverted portion near the surface disappears, optical damage occurs at this portion, causing an output fluctuation of SHG, and a stable output of only several mW was obtained. However, according to the above method, a deep domain-inverted portion can be formed up to the substrate surface, so that it is possible to suppress the occurrence of optical damage. As a result, a stable output characteristic was obtained for an SHG output of 20 mW, and instability due to optical damage was almost completely prevented.

【0079】上記方法で作製した分極反転部は、短周期
で深い理想的な構造を有している。しかも、熱処理また
は光導波路形成時の化学処理時の特性の変化が少ない優
れた耐性を実現できた。その結果、従来は困難であった
光導波路内に光導波路表面から基板の深い部分まで周期
状の分極反転構造を形成することが可能になり、高効率
で安定性(耐光損傷強度)に優れたSHG素子の作製が
できるようになった。
The domain-inverted portion manufactured by the above method has a short cycle and a deep ideal structure. In addition, excellent resistance with little change in characteristics during heat treatment or chemical treatment at the time of forming the optical waveguide could be realized. As a result, it becomes possible to form a periodically poled structure from the surface of the optical waveguide to a deep portion of the substrate in the optical waveguide, which has been difficult in the past, and has high efficiency and excellent stability (light damage resistance). SHG elements can now be manufactured.

【0080】なお、上記実施の形態では光導波路型のS
HG素子を示したが、他にバルク型のSHG素子におい
ても、分極反転安定化部を有する分極反転構造は有効で
ある。バルク型素子においては、分極反転層の安定性が
素子の安定性となるので、上記分極反転構造を用いるこ
とで、耐熱性、信頼性に優れた素子が構成できる。
In the above embodiment, the optical waveguide type S
Although the HG element has been described, a domain-inverted structure having a domain-inverted stabilizing portion is also effective for a bulk-type SHG element. In a bulk-type device, the stability of the domain-inverted layer becomes the stability of the device. Therefore, by using the domain-inverted structure, a device excellent in heat resistance and reliability can be configured.

【0081】また、上記実施の形態では、分極反転安定
化部を形成するイオン交換として、酸を使用したプロト
ン交換を用いたが、他にNd、K、Ag、Rb、Cu、Zn、Cd、T
l等によるイオン交換としても構わない。酸中にイオン
を混ぜて熱処理することでプロトン交換と同時にイオン
交換が行い、基板中にイオンを注入することも可能であ
る。この場合も、基板をキュリー温度未満かつ同温度近
傍で熱処理することにより結晶構造が変化し分極反転の
不安定性が生じ難い構造を実現することができる。
Further, in the above embodiment, proton exchange using an acid was used as ion exchange for forming the polarization inversion stabilizing portion, but Nd, K, Ag, Rb, Cu, Zn, Cd, T
Ion exchange by l or the like may be used. By mixing ions in an acid and performing heat treatment, ion exchange can be performed simultaneously with proton exchange, and ions can be implanted into the substrate. Also in this case, a heat treatment of the substrate at a temperature lower than the Curie temperature and in the vicinity thereof can change the crystal structure and realize a structure in which instability of polarization inversion hardly occurs.

【0082】(実施の形態4)本発明によれば、深く、
均一に、かつ好ましくは大面積にわたって分極反転部を
形成する別の方法が提供される。
(Embodiment 4) According to the present invention,
Another method is provided for forming a domain inversion uniformly and preferably over a large area.

【0083】ここでは、電界印加により分極反転部を形
成する別の方法について説明する。X板、Y板に分極反
転部を形成することにより、半導体レーザとの高効率の
結合が可能な導波路型SHG素子の作製が可能となる。
これは、導波モードの偏光方向が導波路を伝搬する光と
半導体レーザ間で一致するからである。従来から提案さ
れているX板、Y板に分極反転部を形成する方法は、基
板表面のC軸方向に櫛形電極と平板電極とを離して形成
し、電極間に電圧を印加することで、分極を反転させる
方法である。しかしながら、従来の方法には、具体的に
は次の問題があった。
Here, another method of forming a domain-inverted portion by applying an electric field will be described. By forming the domain-inverted portions on the X-plate and the Y-plate, it becomes possible to manufacture a waveguide-type SHG element capable of coupling with a semiconductor laser with high efficiency.
This is because the polarization direction of the waveguide mode is the same between the light propagating in the waveguide and the semiconductor laser. Conventionally, a method of forming a domain-inverted portion on an X plate or a Y plate is to form a comb-shaped electrode and a plate electrode separated in the C-axis direction of a substrate surface, and to apply a voltage between the electrodes. This is a method of inverting the polarization. However, the conventional method has the following problems.

【0084】1)電極間隔がせいぜい数100μmに制限
され、SHG素子を形成する面積が限定され、量産化の
効率が悪い。 2)形成された分極反転部が浅く、導波路とのオーバラッ
プが十分ではない。
1) The interval between the electrodes is limited to several hundred μm at most, the area for forming the SHG element is limited, and the efficiency of mass production is low. 2) The formed domain-inverted portion is shallow, and the overlap with the waveguide is not sufficient.

【0085】そこで、本実施の形態の分極反転部の製造
方法は、図8に示したように、強誘電体結晶基板1(例
えばY板のLiTaO3)のC軸方向に櫛形電極11と2以上
の平板電極12a、12b、12c・・・を形成し(図8
(a);櫛形電極11が+C側に配置される)、櫛形電極
11と第1の平板電極12a間にパルス状の電圧を印加
して分極反転部を両電極間に形成し(図8(b))、さら
に櫛形電極11と第2の平板電極12b間に電圧を印加
し、分極反転部をこの電極12bにまで伸長させる(図
8(c))ものである。印加電圧は例えば20〜30kV/m
m、印加時間は例えば20ms程度とする。印加電圧波形
としては、矩形状の印加電圧でも反転は可能であるが、
初期にパルス状の上記電圧のような高電圧を印加し、そ
の後例えば5kV/mm程度のCW電圧を印加し続ければ均
一な分極反転部を形成することが可能となる。
Therefore, as shown in FIG. 8, the method of manufacturing the domain-inverted portion according to the present embodiment uses the comb-shaped electrodes 11 and 2 in the C-axis direction of the ferroelectric crystal substrate 1 (eg, LiTaO 3 of a Y plate). The above-mentioned plate electrodes 12a, 12b, 12c... Are formed.
(a); the comb-shaped electrode 11 is arranged on the + C side), and a pulse-like voltage is applied between the comb-shaped electrode 11 and the first plate electrode 12a to form a domain-inverted portion between both electrodes (FIG. 8 ( b)) Further, a voltage is applied between the comb-shaped electrode 11 and the second plate electrode 12b to extend the domain-inverted portion to the electrode 12b (FIG. 8 (c)). The applied voltage is, for example, 20 to 30 kV / m
m and the application time are, for example, about 20 ms. The applied voltage waveform can be inverted even with a rectangular applied voltage,
If a pulsed high voltage such as the above-mentioned voltage is applied in the initial stage and then a CW voltage of, for example, about 5 kV / mm is continuously applied, a uniform domain-inverted portion can be formed.

【0086】この方法により、200μmにわたり周期
状の分極反転構造が形成可能となった。さらに櫛形電極
と電極12c・・・との間に電圧を印加することにより、さ
らに広い面積に周期状の分極反転部を形成することがで
きるようになる。この方法における隣接する電極間の距
離は、特に制限されなるものではないが、例えば50μ
m〜1mm、好ましくは200〜400μmとする。
According to this method, a periodic domain-inverted structure over 200 μm can be formed. Further, by applying a voltage between the comb-shaped electrode and the electrode 12c, a periodic domain-inverted portion can be formed in a wider area. The distance between adjacent electrodes in this method is not particularly limited, but may be, for example, 50 μm.
m to 1 mm, preferably 200 to 400 μm.

【0087】さらに、注目すべきことに、上記分極反転
部の製造方法により、分極反転部の深さも向上すること
が確認された。最初の分極反転(櫛形電極11と電極1
2a間の分極反転)においては、反転深さはせいぜい1
μm程度であったが、電極12b、電極12cと電圧を印
加して分極反転部を成長させていくと、約1.5μm以
上の分極反転部が形成され、分極反転部の深さが増加し
た。
Furthermore, it should be noted that it was confirmed that the method of manufacturing the domain-inverted portion also improved the depth of the domain-inverted portion. First polarization reversal (comb-shaped electrode 11 and electrode 1
2a), the inversion depth is at most 1
However, when a voltage was applied to the electrodes 12b and 12c to grow the domain-inverted portion, a domain-inverted portion of about 1.5 μm or more was formed, and the depth of the domain-inverted portion increased. .

【0088】なお、本実施の形態に用いた電極構造に加
え、分極反転構造の均一性を向上させる電極構造が見出
された。電極および電極間を絶縁体膜で覆う電極構造で
ある。例えば、レジストおよびSiO2を1μm程度の厚さ
に堆積して電界印加を行ったところ、電極間の電圧分布
の均一性が向上し、均一な分極反転部の形成が可能とな
った。絶縁体膜は0.1μm以上の厚さのときに特に有
効であった。
In addition, in addition to the electrode structure used in the present embodiment, an electrode structure that improves the uniformity of the domain-inverted structure has been found. This is an electrode structure in which an electrode and an area between the electrodes are covered with an insulator film. For example, when a resist and SiO 2 were deposited to a thickness of about 1 μm and an electric field was applied, the uniformity of the voltage distribution between the electrodes was improved, and a uniform domain-inverted portion could be formed. The insulator film was particularly effective when the thickness was 0.1 μm or more.

【0089】また、本実施の形態では多数の平板電極を
形成したが、他の方法でも同様に実現できる。例えば、
平板電極を徐々にエッチングして、櫛形電極と平面電極
の間隔を広げながら分極反転を行うことで同様の分極反
転部を形成することとしてもよい。
Although a large number of flat electrodes are formed in the present embodiment, other methods can be used in the same manner. For example,
A similar domain-inverted portion may be formed by gradually etching the plate electrode and performing domain-inversion while widening the interval between the comb-shaped electrode and the plane electrode.

【0090】(実施の形態5)さらに本発明によれば、
C軸に対してほぼ垂直な表面を有する強誘電体結晶の基
板に均一な分極反転部を形成する他の方法が提供され
る。
(Embodiment 5) Further, according to the present invention,
Another method is provided for forming a uniform domain inversion on a ferroelectric crystal substrate having a surface substantially perpendicular to the C-axis.

【0091】ここでは、絶縁膜を利用した分極反転部の
製造方法を説明する。図9に示したように、まずC板の
強誘電体結晶(例えばLiNbO3)の基板の+C面に櫛形電
極13を形成し、−C面に絶縁膜(例えばSiO2膜)14
を堆積した後、この絶縁膜上に平板電極15を形成し
(図9(b))、+C面の櫛形電極13上には絶縁膜(例
えばSiO2膜)16を堆積し(図9(c))、さらに電極間
に電圧を印加して分極を反転させる(図9(d))もので
ある。
Here, a method of manufacturing a domain-inverted portion using an insulating film will be described. As shown in FIG. 9, first, a comb-shaped electrode 13 is formed on a + C plane of a ferroelectric crystal (for example, LiNbO 3 ) of a C plate, and an insulating film (for example, an SiO 2 film) 14 is formed on a −C plane.
Then, a flat plate electrode 15 is formed on the insulating film (FIG. 9B), and an insulating film (for example, SiO 2 film) 16 is deposited on the comb electrode 13 on the + C plane (FIG. 9C). )), And a voltage is applied between the electrodes to invert the polarization (FIG. 9D).

【0092】このような方法によれば、−C面に絶縁膜
14を堆積することで印加電界の均一化が図れ、均一な
周期状分極反転の形成が可能となった。また+C面上に
絶縁膜膜16を堆積することで短周期の分極反転構造の
形成が可能となった。従って、短周期の分極反転部を従
来よりも大面積にわたって形成することが可能となっ
た。
According to such a method, the applied electric field can be made uniform by depositing the insulating film 14 on the -C plane, and uniform periodic domain inversion can be formed. Further, by depositing the insulating film 16 on the + C plane, a short-period domain-inverted structure can be formed. Therefore, it becomes possible to form a short-period domain-inverted portion over a larger area than before.

【0093】次に、SiO2膜厚の最適化を図った。SiO2
はスパッタリング法により堆積し、膜厚に対する分極反
転特性を調査した。まず最初に−C面のSiO2膜の厚さに
ついて検討した。膜厚が0.5μm未満では分極反転の
均一化への寄与は少なかったが、0.7μm以上にする
と反転の均一性が向上し、分極反転を10×10mm以上
の面積にわたり均一に形成することが可能となった。と
ころが、膜厚が2.3μmよりも大きくなると分極反転
が生じ難くなり、反転の再現性が低下した。従って、均
一な分極反転部の形成のために好ましいSiO2膜14の厚
さは0.7〜2.3μm程度であることが明らかになっ
た。
Next, the SiO 2 film thickness was optimized. The SiO 2 film was deposited by a sputtering method, and the polarization reversal characteristics with respect to the film thickness were investigated. First, the thickness of the SiO 2 film on the −C plane was examined. When the film thickness is less than 0.5 μm, the contribution to the uniformity of the polarization inversion is small, but when the thickness is 0.7 μm or more, the uniformity of the inversion is improved, and the polarization inversion is formed uniformly over an area of 10 × 10 mm or more. Became possible. However, when the film thickness is larger than 2.3 μm, the polarization inversion hardly occurs, and the reproducibility of the inversion is reduced. Therefore, it became clear that the preferable thickness of the SiO 2 film 14 for forming a uniform domain-inverted portion is about 0.7 to 2.3 μm.

【0094】さらに+C面の櫛形電極上に堆積するSiO2
膜の厚さについて検討した。膜厚が0.5μm未満では
分極反転周期3μm以上の反転周期しか形成されず、反
転構造の不均一性が増加してSHG素子として用いたと
きにはその特性が劣化した。SiO2膜厚を1μm以上にす
ると均一性は向上し、例えば周期2μm以下の分極反転
部の形成が可能となった。従ってSiO2膜の膜厚は1μm
以上が好ましい。このように、±C面にそれぞれSiO2
14,16を適切な厚さで堆積することで、周期2μm
以下の分極反転を10×10mm以上にまで形成すること
が可能となった。
Further, SiO 2 deposited on the comb electrode on the + C plane
The thickness of the film was studied. When the film thickness is less than 0.5 μm, only the reversal period of 3 μm or more is formed, and the non-uniformity of the reversal structure is increased, so that the characteristics are deteriorated when used as an SHG element. When the SiO 2 film thickness is 1 μm or more, the uniformity is improved, and for example, it is possible to form a domain-inverted portion with a period of 2 μm or less. Therefore, the thickness of the SiO 2 film is 1 μm
The above is preferred. Thus, by depositing the SiO 2 films 14 and 16 with an appropriate thickness on the ± C planes respectively, the period of 2 μm
The following polarization inversion can be formed up to 10 × 10 mm or more.

【0095】(実施の形態6)上記実施の形態により製
造された分極反転部は光波長変換素子として用いるに好
ましい特性を有し、このような光波長変換素子は、例え
ば短波長光を発生しうる光発生装置として用いられる。
ここでは、本発明の光発生装置の例について説明する。
(Embodiment 6) The domain-inverted portion manufactured according to the above-described embodiment has characteristics suitable for use as an optical wavelength conversion element. Such an optical wavelength conversion element generates, for example, short wavelength light. It is used as a light generator.
Here, an example of the light generation device of the present invention will be described.

【0096】この短波長光発生装置は、図10に示すよ
うに、光波長変換素子22と半導体レーザ21とを含
み、半導体レーザ21からでた基本波が光波長変換素子
22により波長変換され、SHG23として出射され
る。このような短波長光発生装置によれば、例えば波長
800nm帯の半導体レーザを用いると波長400nm帯の
青色のSHG光が得られる。この短波長光発生装置は、
上記で説明したような好ましい分極反転部を利用してい
るため、安定した青色光源として利用できる。このよう
な小型短波長光発生装置は、高密度光記録、カラーレー
ザプリンターや、例えば蛍光顕微鏡として、医学用、バ
イオテクノロジー用などの幅広い分野での応用が可能と
なる。
As shown in FIG. 10, the short-wavelength light generating device includes a light wavelength conversion element 22 and a semiconductor laser 21, and the fundamental wave emitted from the semiconductor laser 21 is wavelength-converted by the light wavelength conversion element 22, The light is emitted as SHG23. According to such a short wavelength light generator, for example, when a semiconductor laser having a wavelength of 800 nm is used, blue SHG light having a wavelength of 400 nm can be obtained. This short wavelength light generator,
Since the preferred domain-inverted portion as described above is used, it can be used as a stable blue light source. Such a small-sized short-wavelength light generation device can be applied to a wide range of fields such as medical and biotechnology applications such as high-density optical recording, a color laser printer, and a fluorescence microscope, for example.

【0097】さらに、波長680nm帯の赤色半導体レー
ザ基本波として用いることで、波長340nmの紫外光発
生が可能となり、小型の紫外光源が実現できる。このよ
うな小型の紫外光源は、特にバイオ、蛍光寿命測定、特
殊計測等への応用が可能である。また、レーザをパルス
駆動すると高いピークパワーの基本波が得られるため、
高効率の波長変換が可能になる。例えば、CW駆動では
最大出力40mW程度の半導体レーザでも、パルス駆動す
ることで数100mWの高いピークパワーの発生が可能と
なり、SHG出力としても数10mWのものが得られる。
高いピークパワーを持ったSHG光は、蛍光寿命測定等
に応用することで、不純物検出等のために用いることが
できる。また、半導体レーザを高周波のRF駆動するこ
とで、高いピークパワーをもったパルス列発振が可能と
なり、平均パワーでCW駆動の半導体レーザに比べ5倍
以上の変換効率向上が可能となった。
Further, by using as a fundamental wavelength of a red semiconductor laser having a wavelength of 680 nm, ultraviolet light having a wavelength of 340 nm can be generated, and a compact ultraviolet light source can be realized. Such a small ultraviolet light source can be applied particularly to biotechnology, fluorescence lifetime measurement, special measurement, and the like. Also, when the laser is pulsed, a fundamental wave with high peak power can be obtained.
Highly efficient wavelength conversion becomes possible. For example, in a CW drive, even a semiconductor laser having a maximum output of about 40 mW can generate a high peak power of several 100 mW by pulse driving, and a SHG output of several tens mW can be obtained.
SHG light having a high peak power can be used for detecting impurities by applying it to fluorescence lifetime measurement and the like. In addition, by driving the semiconductor laser at high frequency RF, pulse train oscillation with high peak power can be achieved, and the conversion efficiency can be improved by a factor of 5 or more compared to the CW driven semiconductor laser at the average power.

【0098】高出力のSHG光を発生した場合、光損傷
による出力の不安定性が問題となる。本実施の形態で示
した素子においては、深い分極反転構造が形成されてい
るため、耐光損傷強度に優れ、10mWを越えるSHG出
力を発生した場合でも安定な特性が得られた。
When high output SHG light is generated, output instability due to optical damage becomes a problem. In the device shown in this embodiment, since a deep domain-inverted structure is formed, the device has excellent light damage resistance and stable characteristics even when an SHG output exceeding 10 mW is generated.

【0099】(実施の形態7)ここでは、上記短波長光
発生装置を光ディスクのピックアップ用光源として用い
た光ピックアップについて説明する。
(Embodiment 7) Here, an optical pickup using the above short wavelength light generating device as a light source for pickup of an optical disk will be described.

【0100】光ディスクには高密度記録が望まれてお
り、そのためには小型の短波長光源の実現が必要不可欠
となっている。光ディスクを読み取るための光ピックア
ップは、光源と集光光学系と受光部分よりなる。光源に
上記のような光波長変換素子を用いると、波長400nm
帯の青色光を光ディスクの読み取り光源として利用でき
るため、記録密度を2倍に向上させることが可能となっ
た。さらに、高出力の青色光の発生が可能となるため、
読み取りだけでなく、光ディスクへ情報を書き込むこと
も可能となった。
[0100] High density recording is desired for optical discs, and for that purpose, the realization of a small, short wavelength light source is indispensable. An optical pickup for reading an optical disk includes a light source, a condensing optical system, and a light receiving portion. When the light wavelength conversion element as described above is used as a light source, a wavelength of 400 nm
Since the blue light in the band can be used as a reading light source for an optical disk, it has become possible to double the recording density. Furthermore, since high-output blue light can be generated,
In addition to reading, it has become possible to write information on an optical disc.

【0101】図11に本実施形態の光ピックアップを示
す。図11に示したように、短波長光発生装置25から
出射された、例えば出力10mW程度のビームは、ビーム
スプリッタ26を透過してレンズ27により情報記録媒
体である光ディスク28に照射される。光ディスク28
からの反射光は、逆にレンズ27によりコリメートした
後ビームスプリッタ26で反射され、ディテクタ29で
信号が読みとられる。さらに、短波長光発生装置の出力
を強度変調することで、光ディスク28に情報を書き込
むことができる。これによって、短波長光による集光特
性の向上が得られ、記録密度を従来の2倍に向上させる
ことができた。
FIG. 11 shows an optical pickup of this embodiment. As shown in FIG. 11, a beam having an output of, for example, about 10 mW, emitted from the short-wavelength light generator 25, passes through a beam splitter 26 and is irradiated on an optical disk 28 as an information recording medium by a lens 27. Optical disk 28
Is reflected by the beam splitter 26 after being collimated by the lens 27, and the signal is read by the detector 29. Further, information can be written on the optical disk 28 by intensity-modulating the output of the short-wavelength light generator. As a result, the light-collecting characteristics by short-wavelength light can be improved, and the recording density can be doubled as compared with the related art.

【0102】このように半導体レーザを基本波光源とし
て用いることで、光ピックアップを小型化できるため、
民生用の小型の光ディスク読み取り、記録装置にも利用
できる。さらに、光波長変換素子については、光導波路
幅を最適化することで、出力ビームのアスペクト比の最
適化を行うこともできる。このようにすれば、光ピック
アップの集光特性を向上させるためのビーム成形プリズ
ム等が不要になり、高い伝達効率、優れた集光特性、低
価格化が実現できる。さらに、ビーム成形時に発生する
散乱光のノイズが低減でき、ピックアップの簡素化が実
現できる。
By using the semiconductor laser as the fundamental wave light source, the optical pickup can be downsized.
It can also be used as a small consumer optical disk reading and recording device. Further, for the optical wavelength conversion element, the aspect ratio of the output beam can be optimized by optimizing the optical waveguide width. This eliminates the need for a beam shaping prism or the like for improving the light-collecting characteristics of the optical pickup, and can achieve high transmission efficiency, excellent light-collecting characteristics, and low cost. Further, noise of scattered light generated during beam shaping can be reduced, and simplification of the pickup can be realized.

【0103】(実施の形態8)さらに本発明によれば、
分極方向と基板表面とが実質的に平行な、または一定の
傾きを有する強誘電体基板に、深い分極反転部を形成す
る方法が提供される。
(Embodiment 8) Further, according to the present invention,
A method is provided for forming a deep domain-inverted portion on a ferroelectric substrate in which the polarization direction is substantially parallel to the substrate surface or has a constant inclination.

【0104】ここでは、電界の印加方向に特徴を有する
分極反転部の製造方法を説明する。最初に、従来の分極
反転方法と同様に、図12における、X板の強誘電体基
板(例えばMgO:LiNbO3基板)31の一方の表面に形成し
た櫛形電極32と棒状電極33との間のみに電圧源35
から電圧を印加して分極反転部の形成を試みた。櫛形電
極32は、棒状電極33よりも基板の+C方向に、その
櫛形が棒状電極33と向かい合うように配置されてい
る。電極間隔は100μmで電極長は10mmとした。ま
た、電圧印加の際には放電を防止するために、基板全体
を絶縁液中に浸すこととした。電圧を約0.4kV印加す
ると(即ち電界を約4kV/mmとすると)、分極反転部が
形成された。分極反転部を断面より観測すると、約1μ
mの深さとなっていた。また表面から形成された分極反
転部を観測すると、電極長10mmにわたって均一には形
成されておらず、所々分極反部転が形成されない部分が
見受けられた。このように、基板と平行な方向の電界を
印加して形成する分極反転部は、深さが1μm程度と浅
く、面内均一性も十分ではない。
Here, a method of manufacturing a domain-inverted portion having a characteristic in the direction of application of an electric field will be described. First, similarly to the conventional polarization inversion method, only the portion between the comb-shaped electrode 32 and the rod-shaped electrode 33 formed on one surface of the X-plate ferroelectric substrate (for example, MgO: LiNbO 3 substrate) 31 in FIG. Voltage source 35
The voltage was applied from the above to try to form a domain-inverted portion. The comb-shaped electrode 32 is arranged in the + C direction of the substrate rather than the rod-shaped electrode 33 so that the comb-shaped electrode 32 faces the rod-shaped electrode 33. The electrode spacing was 100 μm and the electrode length was 10 mm. When applying a voltage, the entire substrate was immersed in an insulating liquid to prevent discharge. When a voltage of about 0.4 kV was applied (that is, when the electric field was about 4 kV / mm), a domain-inverted portion was formed. Observing the domain-inverted part from the cross section,
m depth. Observation of the domain-inverted portion formed from the surface revealed that a portion was not formed uniformly over an electrode length of 10 mm, and that a portion where no domain inversion was formed was found in some places. As described above, the domain-inverted portion formed by applying an electric field in a direction parallel to the substrate has a shallow depth of about 1 μm and does not have sufficient in-plane uniformity.

【0105】そこで、深い分極反転を形成するため、形
成される分極反転部の特性について検討を行った結果、
以下のことが明らかになった。
Then, in order to form a deep polarization inversion, the characteristics of the polarization inversion portion formed were examined.
The following became clear.

【0106】1)分極反転部の深さは櫛形電極の櫛形部
(縞状パターン部)の先端部(電極指先端部)に発生す
る電界方向に大きく依存する。即ち、基板表面に形成し
た電極間に発生する電界は基板の表面近傍に局在してい
るため、基板の深さ方向に電界が分布せず、分極反転部
が深くならない。 2)分極反転部の深さは、+C側の電極指の先端に形成さ
れる分極反転部の深さに大きく依存する。一般に分極反
転核が発生する+C側の電極指先端部での分極反転深さ
が最も深く、+C側に進むに従って分極反転部の深さは
減少していく。
1) The depth of the domain-inverted portion largely depends on the direction of the electric field generated at the tip (the tip of the electrode finger) of the comb-shaped portion (striped pattern portion) of the comb-shaped electrode. That is, since the electric field generated between the electrodes formed on the substrate surface is localized near the surface of the substrate, the electric field is not distributed in the depth direction of the substrate, and the domain-inverted portion does not become deep. 2) The depth of the domain-inverted portion largely depends on the depth of the domain-inverted portion formed at the tip of the + C-side electrode finger. Generally, the polarization inversion depth at the tip of the electrode finger on the + C side where the domain inversion nuclei are generated is the deepest, and the depth of the domain inversion portion decreases toward the + C side.

【0107】以上の結果より、深い分極反転部を形成す
るためには、櫛形電極の電極指先端部において深い分極
反転部を形成する必要があることが明らかになった。こ
れを実現するためには、電極指先端における電界の方向
を基板の深さ方向に強く傾けることが必要となる。
From the above results, it has become clear that in order to form a deep domain-inverted portion, it is necessary to form a deep domain-inverted portion at the tip of the electrode finger of the comb-shaped electrode. To achieve this, it is necessary to strongly tilt the direction of the electric field at the tip of the electrode finger in the depth direction of the substrate.

【0108】そこで、分極反転部を形成する際に、基板
表面と平行方向の電界に加えて基板表面と垂直方向にも
電界を印加することで、電極指の先端における電界方向
を基板の深さ方向に向けるべく、基板31の他方の表面
に平板電極34を形成し、櫛形電32と平板電極34と
の間に電圧源36から電圧を印加しながら、櫛形電極3
2と棒状電極33との間に上記と同様にして電圧を印加
することとした。ただし、電極32、34間には直流電
圧を印加し、電極32、33間にはパルス幅100msの
パルス電圧を、電極32、33間の電界が4kV/mmとな
るように印加した。
Therefore, when forming the domain-inverted portion, an electric field is applied in the direction perpendicular to the substrate surface in addition to the electric field in the direction parallel to the substrate surface, so that the direction of the electric field at the tip of the electrode finger is reduced by the depth of the substrate. A flat electrode 34 is formed on the other surface of the substrate 31 so as to face the direction, and while a voltage is applied from a voltage source 36 between the comb electrode 32 and the flat electrode 34,
A voltage was applied between 2 and the rod-shaped electrode 33 in the same manner as described above. However, a DC voltage was applied between the electrodes 32 and 34, a pulse voltage having a pulse width of 100 ms was applied between the electrodes 32 and 33 so that the electric field between the electrodes 32 and 33 became 4 kV / mm.

【0109】このときの電極32、34間の電圧と分極
反転深さの関係を図13に示す。電極32、34間の電
界は、基板厚さ(0.5mm)から計算した。図13に示
したように、電極32、34間の電圧が2kV/mm(電極
32、33間の電圧の50%程度)以下のときには、分
極反転部の深さは、電極32、34間に電圧を印加しな
い場合とほぼ同じ1μm程度で、分極反転深さの増大は
観測されなかった。ところが、4kV/mm(電極2、3間
の電圧と同程度)以上となると分極反転深さは印加電圧
にほぼ比例して増大した。
FIG. 13 shows the relationship between the voltage between the electrodes 32 and 34 and the polarization inversion depth at this time. The electric field between the electrodes 32 and 34 was calculated from the substrate thickness (0.5 mm). As shown in FIG. 13, when the voltage between the electrodes 32 and 34 is 2 kV / mm or less (about 50% of the voltage between the electrodes 32 and 33), the depth of the domain-inverted portion is At about 1 μm, which is almost the same as when no voltage is applied, no increase in the polarization inversion depth was observed. However, when the voltage was higher than 4 kV / mm (about the same as the voltage between the electrodes 2 and 3), the polarization inversion depth increased almost in proportion to the applied voltage.

【0110】さらに、3kV(電界:6kV/mm、電極3
2、33間の電界の約1.2倍)以上になると分極反転
部の均一性が向上する効果が観測され、電極長10mmに
わたり均一性にも優れた分極反転部が形成されることが
確認された。即ち、印加電界としては、電極32、33
間の反転電圧に対し、電極32、34間の基板間電圧が
それ以上になることが好ましく、さらに1.2倍以上に
なると均一性の向上も実現される。
Further, 3 kV (electric field: 6 kV / mm, electrode 3
When the electric field exceeds about 1.2 times the electric field between 2 and 33), the effect of improving the uniformity of the domain-inverted portion is observed, and it is confirmed that the domain-inverted portion having excellent uniformity is formed over an electrode length of 10 mm. Was done. That is, as the applied electric field, the electrodes 32, 33
It is preferable that the inter-substrate voltage between the electrodes 32 and 34 be higher than the inversion voltage between them, and if the voltage is 1.2 times or more, the uniformity is improved.

【0111】以上の方法で、電極32、34間に4kVの
電圧を印加しながら分極反転部を形成した結果、深さ
1.5μmの分極反転(周期:3.2μm)を作用長40
mm以上にわたり、均一に形成することができた。
As a result of forming a domain-inverted portion by applying a voltage of 4 kV between the electrodes 32 and 34 by the above-described method, a domain-inverted (period: 3.2 μm) having a depth of 1.5 μm was obtained with a working length of 40 μm.
It could be formed uniformly over mm or more.

【0112】次に、電圧の印加方法について検討した。
基板の表裏面に電圧を印加する方法として、電極33、
34間に電圧を印加することも可能である。しかしこの
方法では分極反転深さの増大には限界があった。これ
は、分極反転深さの増大が分極反転核の発生深さに大き
く依存するためと考えられる。分極反転部は+C側の電
極における分極反転核の発生に始まり、この分極反転核
から−C側に向かって分極反転部が成長する。このた
め、分極反転部の深さは+C側電極近傍の深さによって
ほぼ決まってしまう。そこで、上記のように、分極反転
核が発生する電極である櫛形電極32と基板裏面の電極
34間に電圧を印加する方法が有効となる。
Next, a method of applying a voltage was examined.
As a method of applying a voltage to the front and back surfaces of the substrate, electrodes 33,
It is also possible to apply a voltage between. However, this method has a limitation in increasing the polarization inversion depth. This is considered because the increase in the polarization inversion depth greatly depends on the generation depth of the domain inversion nuclei. The domain-inverted portion starts with the generation of domain-inverted nuclei at the + C-side electrode, and the domain-inverted portion grows from the domain-inverted nucleus toward the −C side. Therefore, the depth of the domain-inverted portion is almost determined by the depth near the + C-side electrode. Therefore, as described above, a method of applying a voltage between the comb-shaped electrode 32, which is the electrode on which the domain-inverted nuclei are generated, and the electrode 34 on the back surface of the substrate is effective.

【0113】次に、印加電圧の波形について検討した。
上記のように、基板の表裏面の電極32、34間に印加
する電圧を直流電圧で印加しながら、電極32、33間
にパルス状の電圧を印加することで深い分極反転の形成
が可能になったが、さらに分極反転部の深さを増大させ
るために、電極32、34間の電圧を高くするために電
圧を6kV(電界:12kV/mm)程度以上とすると、電極
32、34間で絶縁破壊が生じる場合があり、高電圧の
印加が難しいことが判明した。
Next, the waveform of the applied voltage was examined.
As described above, by applying a pulse-like voltage between the electrodes 32 and 33 while applying a DC voltage between the electrodes 32 and 34 on the front and back surfaces of the substrate, deep polarization inversion can be formed. However, in order to further increase the depth of the domain-inverted portion, if the voltage is set to about 6 kV (electric field: 12 kV / mm) or more in order to increase the voltage between the electrodes 32 and 34, It has been found that dielectric breakdown may occur and it is difficult to apply a high voltage.

【0114】そこで電圧波形について検討した結果、電
圧印加時間を短くすることで絶縁破壊が防止できること
が見出された。印加時間については、1秒を超える印加
では5kV程度しか印加できないが、電圧印加波形を1秒
以下のパルス波形とすることにより、電極32、34間
の印加電圧を6kV程度に増大させることが可能となり、
1.8μmの深さの分極反転部の形成が可能となった。
さらにパルス幅を100ms以下にすると8kV程度の電圧
を印加することが可能となり、2μm以上の深さの分極
反転部の形成が可能となった。
Therefore, as a result of examining the voltage waveform, it was found that the dielectric breakdown can be prevented by shortening the voltage application time. Regarding the application time, if the applied time exceeds 1 second, only about 5 kV can be applied, but the voltage applied between the electrodes 32 and 34 can be increased to about 6 kV by setting the voltage applied waveform to a pulse waveform of 1 second or less. Becomes
It is possible to form a domain-inverted portion having a depth of 1.8 μm.
Further, when the pulse width is reduced to 100 ms or less, a voltage of about 8 kV can be applied, and a domain-inverted portion having a depth of 2 μm or more can be formed.

【0115】基板の厚さ方向のパルス電圧を上げていく
と、電圧が9kVを超えると絶縁破壊により基板にクラッ
クが入る場合があった。このように、基板の厚さ方向の
電界としては、4kV/mm以上であって基板の絶縁破壊に
至る電圧未満とすることが好ましい。また、この電界は
パルス電圧により印加することが好ましく、この場合の
電界は、8kV/mm以上、特に12kV/mm以上、例えば8〜
18kV/mmとすることが有効であった。
As the pulse voltage in the thickness direction of the substrate was increased, when the voltage exceeded 9 kV, cracks sometimes occurred in the substrate due to dielectric breakdown. As described above, it is preferable that the electric field in the thickness direction of the substrate be 4 kV / mm or more and less than the voltage that causes dielectric breakdown of the substrate. This electric field is preferably applied by a pulse voltage. In this case, the electric field is 8 kV / mm or more, particularly 12 kV / mm or more, for example, 8 to 10 kV / mm.
It was effective to set it to 18 kV / mm.

【0116】なお、基板の絶縁破壊に至る電圧は、LiNb
O3、LiTaO3等の基板の場合、CW電圧で5〜6kV/mmで
あったが、msオーダーのパルス電圧では10kV/mmの電
圧でも破壊しなかった。
The voltage at which the dielectric breakdown of the substrate is caused by LiNb
In the case of a substrate such as O 3 and LiTaO 3 , the CW voltage was 5 to 6 kV / mm, but the pulse voltage of the order of ms did not break even at a voltage of 10 kV / mm.

【0117】また、基板の分極方向への電圧印加をパル
ス電圧により行う場合には、基板の厚さ方向へのパルス
電圧のパルス幅を、基板の分極方向へのパルス電圧のパ
ルス幅よりも大きくすることが有効であることが確認さ
れた。これは、上記のように、分極反転部の深さが、電
極指の先端に発生する分極反転核の深さに依存すること
に起因するものと考えられる。
When the voltage is applied in the polarization direction of the substrate by a pulse voltage, the pulse width of the pulse voltage in the thickness direction of the substrate is set to be larger than the pulse width of the pulse voltage in the polarization direction of the substrate. It was confirmed that it was effective. This is considered to be due to the fact that the depth of the domain-inverted portion depends on the depth of domain-inverted nuclei generated at the tip of the electrode finger as described above.

【0118】また、基板の厚み方向のパルス電圧の印加
は、基板分極方向の電圧印加が始まる時点とほぼ同時、
またはそれより先に印加することが有効であった。一
方、基板の分極方向のパルス電圧の印加は、基板の厚み
方向に電圧を印加する直前でも効果があった。これは、
電極32、34に電圧を印加すると、櫛形電極32の電
極指の先端に分極反転核が基板厚み方向に形成され、こ
れを起点として分極反転部が電極32、33間に形成さ
れるためであると考えられる。このように、本実施の形
態においては、2方向の電界成分が同時に印加される必
要は必ずしもない。
The application of the pulse voltage in the thickness direction of the substrate is substantially simultaneous with the start of the voltage application in the substrate polarization direction.
Or it was effective to apply it earlier. On the other hand, the application of the pulse voltage in the polarization direction of the substrate was effective even immediately before the application of the voltage in the thickness direction of the substrate. this is,
When a voltage is applied to the electrodes 32 and 34, domain-inverted nuclei are formed at the tips of the electrode fingers of the comb-shaped electrode 32 in the thickness direction of the substrate, and a domain-inverted portion is formed between the electrodes 32 and 33 starting from the domain-inverted nuclei. it is conceivable that. As described above, in the present embodiment, it is not always necessary to apply the electric field components in two directions at the same time.

【0119】このように本実施の形態においては、分極
方向(例えば基板表面方向)の電界成分とこの方向に直
角方向(例えば基板厚み方向)の電界成分とを含む電界
により、分極方向に伸長していく分極反転部が分極方向
と直角方向にも拡大して形成される。
As described above, in the present embodiment, the electric field is extended in the polarization direction by the electric field including the electric field component in the polarization direction (for example, the substrate surface direction) and the electric field component in the direction perpendicular to this direction (for example, the substrate thickness direction). The domain-inverted portion is formed so as to expand also in the direction perpendicular to the polarization direction.

【0120】上記では、厚み0.5mmの基板を用い、電
極2、4間に高電圧を印加することにより、深い分極反
転部が形成できることを確認してきた。しかし、パルス
幅の減少による印加電圧の増大にも一定の限界がある。
そこで印加電界を増大させることを種々検討したとこ
ろ、基板厚みを薄くしても絶縁破壊が生じる電圧は基本
的には変わらないことが確認された。即ち、同じ電圧を
印加しても基板厚みを薄くすることで印加電界を大幅に
増大できることが判明した。
In the above, it has been confirmed that a deep domain-inverted portion can be formed by applying a high voltage between the electrodes 2 and 4 using a substrate having a thickness of 0.5 mm. However, there is a certain limit to the increase in applied voltage due to the decrease in pulse width.
Therefore, when various studies were made to increase the applied electric field, it was confirmed that the voltage at which dielectric breakdown occurred was basically unchanged even when the substrate thickness was reduced. That is, it has been found that the applied electric field can be greatly increased by reducing the thickness of the substrate even when the same voltage is applied.

【0121】例えば、基板を0.5mmの半分の0.25
mmにすると印加可能な電圧は実質的には同じであるが、
印加電界は2倍となる。そこで、基板厚みと形成される
分極反転深さとの関係を検討した。その結果を図14に
示す。図14に示したように、基板厚みが0.4mm近傍
で分極反転の深さが2.0μm、厚みが0.3mmで分極
反転深さは2.5μm以上になる。従って、通常の光導
波路の厚み程度以上の分極反転部の形成も可能であるこ
とが見出された。
For example, the substrate is set to a half of 0.5 mm of 0.25.
mm, the voltage that can be applied is substantially the same,
The applied electric field is doubled. Therefore, the relationship between the substrate thickness and the formed polarization inversion depth was examined. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 14, when the substrate thickness is around 0.4 mm, the polarization inversion depth is 2.0 μm, and when the substrate thickness is 0.3 mm, the polarization inversion depth is 2.5 μm or more. Therefore, it has been found that a domain-inverted portion having a thickness of about the thickness of a normal optical waveguide or more can be formed.

【0122】導波路型の光波長変換素子は、上記のよう
に、分極反転部を有する基板の表面に光導波路を形成す
ることにより構成される。この光導波路を導波する基本
波は、導波路内を伝搬する際、導波路内を周期的に横切
るように形成された分極反転部により波長変換される。
このときの変換効率は、光導波路を伝搬する光と分極反
転部とのオーバラップの程度により影響される。このオ
ーバーラップは、分極反転部の深さを2.0μm以上と
することにより最大にすることが可能となる。従って、
基板厚みを0.4mm以下にすることにより、光導波路を
有する光波長変換素子の変換効率を大幅に向上させるこ
とができる。
As described above, a waveguide type optical wavelength conversion element is formed by forming an optical waveguide on the surface of a substrate having a domain inversion portion. When the fundamental wave guided through the optical waveguide propagates through the waveguide, the wavelength is converted by the domain-inverted portion formed so as to periodically cross the waveguide.
The conversion efficiency at this time is affected by the degree of overlap between the light propagating through the optical waveguide and the polarization inversion portion. This overlap can be maximized by setting the depth of the domain-inverted portion to 2.0 μm or more. Therefore,
By setting the substrate thickness to 0.4 mm or less, the conversion efficiency of the optical wavelength conversion element having the optical waveguide can be greatly improved.

【0123】また、本実施の形態では、強誘電体結晶か
らなる基板を用いたが、その他、気相または液層成長に
より製造した強誘電体結晶膜を用いても同様の分極反転
部が形成できる。結晶成長により製造した膜は、低い不
純物濃度、高い結晶性を有するため、高効率の光波長変
換素子が形成できる。このような結晶膜は、他の実施形
態においても使用しうるものである。
In this embodiment, a substrate made of a ferroelectric crystal is used. However, a similar domain-inverted portion can be formed by using a ferroelectric crystal film manufactured by vapor or liquid layer growth. it can. Since a film manufactured by crystal growth has a low impurity concentration and high crystallinity, a highly efficient light wavelength conversion element can be formed. Such a crystal film can be used in other embodiments.

【0124】(実施の形態9)ここでは、実施の形態8
に関連する別の分極反転部の製造方法について説明す
る。上記のように、XまたはY板の強誘電体結晶、例え
ばMgO:LiNbO3の表面に分極反転部を形成する方法とし
て、表面に形成した電極間に電圧を印加することで、分
極方向の電界を発生させ、分極を反転する方法が従来か
ら知られている。
(Embodiment 9) Here, Embodiment 8 will be described.
A method for manufacturing another domain-inverted portion related to the above will be described. As described above, as a method of forming a domain-inverted portion on the surface of a ferroelectric crystal of an X or Y plate, for example, MgO: LiNbO 3 , an electric field in a polarization direction is applied by applying a voltage between electrodes formed on the surface. A method for inverting the polarization by inducing the polarization has been conventionally known.

【0125】しかし、新たに、基板の表面と裏面に形成
した一対の電極間に電圧を印加することにより、同様の
分極反転部が基板表面で発生することが見い出された。
この製造方法の例を図15を用いて説明する。図15に
示したように、X板のMgO:LiNbO3基板36の対向する基
板表面に、それぞれ櫛形電極37と平板電極38とを形
成した。そして、櫛形電極37と平板電極38との間に
電圧源39から電圧を印加したところ、櫛形電極37の
電極指の先端部に分極反転部が形成されることが確認さ
れた。基板は0.5mm、印加電圧は8kV程度とした。
However, it has been found that a similar domain-inverted portion is generated on the substrate surface by newly applying a voltage between the pair of electrodes formed on the front and rear surfaces of the substrate.
An example of this manufacturing method will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 15, a comb-shaped electrode 37 and a plate electrode 38 were formed on opposing substrate surfaces of an X-plate MgO: LiNbO 3 substrate 36, respectively. Then, when a voltage was applied from the voltage source 39 between the comb-shaped electrode 37 and the plate electrode 38, it was confirmed that a domain-inverted portion was formed at the tip of the electrode finger of the comb-shaped electrode 37. The substrate was 0.5 mm, and the applied voltage was about 8 kV.

【0126】このときに形成される分極反転部の長さ
は、電極形状に依存することが確認された。具体的に
は、表面の櫛形電極37の分極方向の幅に対する裏面の
平板電極38の分極方向の幅の比を大きくすることで、
分極反転の長さを増大できることが見出された。例え
ば、電極幅の比が2倍以下の時は分極反転部の長さは1
0μm以下であったが、比を4倍以上にすると100μm
程度にわたり分極反転部が形成されることが確認され
た。さらに、10倍以上にすることで、分極反転部の均
一性も増大した。
It has been confirmed that the length of the domain-inverted portion formed at this time depends on the electrode shape. Specifically, by increasing the ratio of the width of the back plate electrode 38 in the polarization direction to the width of the front comb electrode 37 in the polarization direction,
It has been found that the length of polarization reversal can be increased. For example, when the electrode width ratio is less than twice, the length of the domain-inverted portion is 1
0 μm or less, but when the ratio is 4 times or more, 100 μm
It was confirmed that a domain-inverted portion was formed to a certain extent. Further, by making it 10 times or more, the uniformity of the domain-inverted portion was also increased.

【0127】この理由は、明らかではないが、電極指の
先端における電界が基板裏面電極のエッジ部分との間で
かかることにより、分極方向の電界が発生するためと考
えられる。
Although the reason is not clear, it is considered that an electric field in the direction of polarization is generated when an electric field at the tip of the electrode finger is applied to the edge of the back electrode of the substrate.

【0128】そこで裏面電極の位置について検討した。
表面電極と裏面電極との間で発生する電界成分を基板の
分極方向に形成することで分極反転部が形成される。従
って、図16に示すように、表面の櫛形電極37に対
し、裏面の平板電極の位置を分極方向にずらすことによ
り、分極反転が生じるのではないかと考えられる。そこ
で、表面の櫛形電極に対し、裏面の棒状電極を−C面方
向にずらして形成した。ずらす距離は、5、10、2
0、100μmとした。各々の電極間に電圧を印加した
ところ、10μm以下では分極反転部は形成されなかっ
たが、20μm以上(電極間を結ぶ線分と基板表面との
なす角度が約88°)では、いずれも分極反転部が形成
された。形成された分極反転部は、2μm程度の深い形
状を有し、均一性に優れていた。また、この場合、電極
間を結ぶ線分と基板表面とが為す角度が2〜80°が好
ましいことも確認された。2°以上とすることにより、
実用上必要な基板強度を確保しうる基板厚さが確保され
るからであり、80°以下とすることにより、分極反転
部を安定して形成することができるからである。なお、
前記角度は、正確には、相対する表面にずらして形成さ
れた一対の電極の互いに近いほうの端部37a、37bを
結んだ線分と基板表面とがなす角度として定義される。
Then, the position of the back electrode was examined.
By forming an electric field component generated between the front electrode and the back electrode in the polarization direction of the substrate, a domain-inverted portion is formed. Therefore, as shown in FIG. 16, it is considered that the polarization inversion may be caused by shifting the position of the flat plate electrode on the back surface in the polarization direction with respect to the comb-shaped electrode 37 on the front surface. Therefore, the bar-shaped electrode on the back side is formed so as to be shifted in the −C plane direction with respect to the comb-shaped electrode on the front side. The shift distance is 5, 10, 2
0 and 100 μm. When a voltage was applied between the electrodes, no polarization reversal portion was formed at 10 μm or less, but at 20 μm or more (the angle between the line connecting the electrodes and the substrate surface was about 88 °), the polarization was not changed at all. An inversion was formed. The formed domain-inverted portion had a deep shape of about 2 μm and was excellent in uniformity. In this case, it was also confirmed that the angle formed between the line connecting the electrodes and the substrate surface was preferably 2 to 80 °. By making it 2 ° or more,
This is because a substrate thickness capable of securing a substrate strength necessary for practical use is ensured, and by setting the angle to 80 ° or less, a domain-inverted portion can be formed stably. In addition,
To be precise, the angle is defined as an angle formed by a line segment connecting the near ends 37a and 37b of a pair of electrodes formed to be shifted on the opposing surfaces and the substrate surface.

【0129】また、このような電界の印加方法は、図1
7に示すように、分極方向が基板表面と所定の角度θだ
けずれている場合にも有効であった。この場合の角度θ
は、1〜5°が好ましい。1°以上とすることにより、
分極反転部の深さを増大させることができるからであ
り、5°以下とすることより、分極反転部の均一性を確
保することができるからである。
The method of applying such an electric field is shown in FIG.
As shown in FIG. 7, it was also effective when the polarization direction was shifted from the substrate surface by a predetermined angle θ. Angle θ in this case
Is preferably 1 to 5 °. By making it 1 ° or more,
This is because the depth of the domain-inverted portion can be increased, and by setting it to 5 ° or less, uniformity of the domain-inverted portion can be ensured.

【0130】(実施の形態10)ここでは、上記実施の
形態により形成した分極反転部を用いた光波長変換素子
の例について説明する。図18に示したように、光波長
変換素子は、X板の強誘電体結晶(例えばMgO:LiNbO3
の基板41の表面に、周期3.2μmの分極反転部43
が形成され、分極反転部と直交するように、プロトン交
換により形成された光導波路42が形成されている。光
導波路42は、分極反転部43の形成の後に、基板表面
にストライプ状のマスクパターンを形成し、これを酸中
で熱処理し、非マスク部分で基板中のLiと酸中のプロト
ンが交換されることより形成される。
(Embodiment 10) Here, an example of an optical wavelength conversion element using a domain-inverted portion formed according to the above embodiment will be described. As shown in FIG. 18, the optical wavelength conversion element is a ferroelectric crystal of X plate (for example, MgO: LiNbO 3 ).
On the surface of the substrate 41 having a period of 3.2 μm.
Is formed, and an optical waveguide 42 formed by proton exchange is formed so as to be orthogonal to the domain-inverted portion. The optical waveguide 42 forms a stripe-shaped mask pattern on the surface of the substrate after the formation of the domain-inverted portions 43, and heat-treats this in an acid, so that Li in the substrate and protons in the acid are exchanged in the unmasked portion. Formed by

【0131】次に、作製した光波長変換素子にTi:Al2O3
レーザの光を入射し、変換効率を測定した。基板厚みと
変換効率との関係を調べた結果を図19に示す。基板厚
みが0.3mm以下で変換効率は最大になり、約400%
/Wの値を示した。
Next, Ti: Al 2 O 3 was added to the manufactured optical wavelength conversion element.
Laser light was incident and the conversion efficiency was measured. FIG. 19 shows the result of examining the relationship between the substrate thickness and the conversion efficiency. When the substrate thickness is 0.3mm or less, the conversion efficiency is maximized, about 400%
/ W value.

【0132】また、基板厚み44を0.3mm以下にする
ことで、光波長変換素子の温度制御が容易になった。周
期状の分極反転構造を利用した光波長変換素子は、高効
率変換が可能であるが、位相整合条件が厳しく、変換可
能な基本波の波長許容度が0.1nm程度と狭い範囲に限
定されるという問題がある。このため、基本波の波長が
変動すると基板の温度制御により、位相整合の波長を基
本波の波長に合わせる必要がある。ところが、基板が厚
いと基板の熱容量が高いために温度制御に多くの電力が
必要となる。また高速な制御をかけるため急激な温度変
化を行おうとすると、基板の表面と裏面の間で温度差が
生じ、基板に歪みが発生し、特性が劣化する原因となっ
ていた。温度差による基板歪みは、基板の厚みに依存し
て増大するため、例えば0.5mm厚の基板では、特性の
劣化を防止しながら温度による出力の安定化を図るの
に、0.1秒程度の時間を必要とした。しかし、基板厚
みを0.3mm以下にすると、温度変化による特性の劣化
はほぼ解消され、0.01秒以下の速度で温度安定化を
図っても特性の劣化は観測されなくなり、温度制御によ
る出力安定化を十分に速く行うことができた。
Further, by controlling the substrate thickness 44 to 0.3 mm or less, the temperature control of the light wavelength conversion element was facilitated. An optical wavelength conversion device using a periodically poled structure can perform high-efficiency conversion, but the phase matching conditions are severe and the wavelength tolerance of the convertible fundamental wave is limited to a narrow range of about 0.1 nm. Problem. Therefore, when the wavelength of the fundamental wave fluctuates, it is necessary to adjust the wavelength of the phase matching to the wavelength of the fundamental wave by controlling the temperature of the substrate. However, when the substrate is thick, a large amount of electric power is required for temperature control because the heat capacity of the substrate is high. Also, if a rapid temperature change is attempted to perform high-speed control, a temperature difference occurs between the front and back surfaces of the substrate, causing distortion in the substrate and causing deterioration in characteristics. Since the substrate distortion due to the temperature difference increases depending on the thickness of the substrate, for example, for a 0.5 mm-thick substrate, about 0.1 second is required to stabilize the output with temperature while preventing deterioration of characteristics. Needed time. However, when the thickness of the substrate is reduced to 0.3 mm or less, the deterioration of the characteristics due to the temperature change is almost eliminated, and even if the temperature is stabilized at a speed of 0.01 seconds or less, the deterioration of the characteristics is not observed. Stabilization could be performed fast enough.

【0133】(実施の形態11)ここでは、上記実施の
形態10の光波長変換素子を用いた光発生装置について
説明する。この光発生装置も実施の形態6で説明したも
のと同様、短波長光の発生に適したものであり、実施の
形態7で説明したような光ピックアップに用いることが
できる。
(Embodiment 11) Here, a light generator using the optical wavelength conversion element of Embodiment 10 will be described. This light generation device is suitable for generating short-wavelength light as in the case of the sixth embodiment, and can be used for the optical pickup as described in the seventh embodiment.

【0134】図20に本実施の形態の短波長光発生装置
を示す。半導体レーザ46からでた基本波は、光波長変
換素子47により波長変換され、SHG45となって出
射される。例えば波長800nm帯の半導体レーザを用い
ると波長400nm帯の青色のSHG光が得られ、小型の
青色光源が実現できる。本実施例の光波長変換素子はMg
O:LiNbO3のような非線形光学効果を有する結晶のX板が
用いられているため、光導波路がTE偏光となる。従っ
て、半導体レーザを構成する光導波路と同じ偏光方向と
なっており、導波路間の電界分布および偏光方向をほぼ
等しい形状に保って、高効率の結合が可能となった。こ
のため、直接結合により半導体レーザからの出射光を7
0%以上の結合効率で光波長変換素子内に結合できるた
め、高出力の小型短波長光源が実現できた。
FIG. 20 shows a short-wavelength light generator according to the present embodiment. The fundamental wave emitted from the semiconductor laser 46 is wavelength-converted by the optical wavelength conversion element 47, and is emitted as SHG 45. For example, if a semiconductor laser having a wavelength of 800 nm is used, blue SHG light having a wavelength of 400 nm can be obtained, and a compact blue light source can be realized. The light wavelength conversion element of this embodiment is Mg.
Since an X plate of a crystal having a nonlinear optical effect such as O: LiNbO 3 is used, the optical waveguide is TE-polarized. Therefore, the polarization direction is the same as that of the optical waveguides constituting the semiconductor laser, and the electric field distribution and the polarization direction between the waveguides are maintained in substantially the same shape, so that highly efficient coupling is possible. Therefore, the output light from the semiconductor laser is reduced to 7
Since the light can be coupled into the optical wavelength conversion element with a coupling efficiency of 0% or more, a high-output small-wavelength light source can be realized.

【0135】このような光発生装置は、実施の形態6で
説明した装置と同様、幅広い分野での応用が可能とな
り、レーザをパルス駆動すると高いピークパワーの基本
波が得られ、耐光損傷強度の観点からも優れたものであ
った。
Such a light generating device can be applied in a wide range of fields as in the device described in the sixth embodiment. When the laser is pulse-driven, a fundamental wave having a high peak power can be obtained, and the light damage resistance can be reduced. It was excellent also from a viewpoint.

【0136】(実施の形態12)以上に説明してきた方
法に加えて、本発明によれば、分極方向と基板表面とが
実質的に平行な、または一定の傾きを有する強誘電体基
板に均一で深い分極反転部を形成するための方法とし
て、強誘電体結晶の基板表面に配置した電極の間に形成
した低抵抗部分を利用して分極反転部を形成する方法が
提供される。
(Embodiment 12) In addition to the method described above, according to the present invention, the polarization direction and the substrate surface are substantially parallel to each other, or the ferroelectric substrate having a constant inclination is uniformly formed on the ferroelectric substrate. As a method for forming a deep domain-inverted portion, a method for forming a domain-inverted portion using a low-resistance portion formed between electrodes arranged on a substrate surface of a ferroelectric crystal is provided.

【0137】最初に従来の分極反転方法による分極反転
特性を調べた。図21のように、X板の強誘電体結晶
(MgO:LiNbO3)基板111の表面に、櫛形電極112
と棒状電極113とを形成し、電源115から両電極間
に高電圧を印加し、電極間の分極を反転させる。なお、
櫛形電極112は基板の+C方向に、棒状電極113は
−C方向に形成されている。電圧を印加する際には、基
板全体を絶縁液中に浸して、放電を防止した。
First, the polarization inversion characteristics by the conventional polarization inversion method were examined. As shown in FIG. 21, a comb-shaped electrode 112 is formed on the surface of an X-plate ferroelectric crystal (MgO: LiNbO 3 ) substrate 111.
And a bar-shaped electrode 113, and a high voltage is applied between the two electrodes from a power supply 115 to reverse the polarization between the electrodes. In addition,
The comb-shaped electrode 112 is formed in the + C direction of the substrate, and the bar-shaped electrode 113 is formed in the -C direction. When applying a voltage, the entire substrate was immersed in an insulating liquid to prevent discharge.

【0138】電極112、113間の距離と分極反転深
さの関係調べたところ、図22に示すような結果が得ら
れた。電極間隔が狭くなるに従って分極反転深さは深く
なり、電極間隔が約100μmで分極反転深さは1μm程
度になった。これは図23に示すように、電極間隔が広
い場合の電界分布(図23(a))に比べ、電極間隔が狭
い場合の電界分布(図23(b))では、電極の先端部で
の深さ方向の電界成分が増加するため、深い分極反転が
形成されるからである。しかしより深い分極反転を形成
するため、電極間隔を100μm以下とすると、電極間
で絶縁破壊が生じ分極反転部が形成されない場合があ
る。そこで、電極間隔を狭めることなく結晶に印加され
る電界方向を制御するべく、本実施形態では電極間に低
抵抗部分を配置することとした。
When the relationship between the distance between the electrodes 112 and 113 and the polarization reversal depth was examined, the results shown in FIG. 22 were obtained. As the electrode interval became smaller, the polarization inversion depth became deeper, and the electrode interval became about 100 μm and the polarization inversion depth became about 1 μm. This is because, as shown in FIG. 23, the electric field distribution when the electrode interval is narrow (FIG. 23 (b)) is smaller than the electric field distribution when the electrode interval is wide (FIG. 23 (b)). This is because the electric field component in the depth direction increases, so that a deep polarization inversion is formed. However, in order to form a deeper polarization inversion, if the electrode interval is set to 100 μm or less, dielectric breakdown may occur between the electrodes, and a polarization inversion portion may not be formed. Therefore, in order to control the direction of the electric field applied to the crystal without reducing the distance between the electrodes, a low resistance portion is arranged between the electrodes in the present embodiment.

【0139】即ち、図24に示したように、X板の強誘
電体結晶基板(MgO:LiNbO3)116の表面に櫛形電極
117と棒状電極118とを形成し、さらに、電極11
7、118間に低抵抗部分120を形成した。低抵抗部
分120は、図示したように、櫛形電極117の櫛形部
分に対応するように形成し、電極117、118と低抵
抗部分120との距離をそれぞれ30μmにした。ま
た、低抵抗部分120は、ここでは金属膜とした。この
方法により、電圧源119から電極間に電圧を印加する
と、深さ方向に1.5μm以上の分極反転部が形成さ
れ、従来の1.5倍の深さの分極反転部が形成可能とな
ることが確認された。
That is, as shown in FIG. 24, a comb-shaped electrode 117 and a rod-shaped electrode 118 are formed on the surface of an X-plate ferroelectric crystal substrate (MgO: LiNbO 3 ) 116,
7, a low resistance portion 120 was formed. As shown, the low-resistance portion 120 was formed so as to correspond to the comb-shaped portion of the comb-shaped electrode 117, and the distance between the electrodes 117 and 118 and the low-resistance portion 120 was 30 μm. Further, the low resistance portion 120 is a metal film here. According to this method, when a voltage is applied between the electrodes from the voltage source 119, a domain-inverted portion having a depth of 1.5 μm or more is formed in the depth direction, and a domain-inverted portion having a depth 1.5 times that in the related art can be formed. It was confirmed that.

【0140】このように深い分極反転部が形成可能とな
ったのは、低抵抗部分120を配置することにより、電
極117、118間に電圧を印加したときの電界分布
が、図25に示したように、従来(図23)よりも深さ
方向に大きな成分を有するようになったためである。
The reason why such a deep polarization inversion portion can be formed is that the electric field distribution when a voltage is applied between the electrodes 117 and 118 by arranging the low resistance portion 120 is shown in FIG. As described above, it has a larger component in the depth direction than the conventional one (FIG. 23).

【0141】次に、低抵抗部分120の形状について検
討した。電極の先端部の電界成分は低抵抗部分120の
形状に依存する。例えば低抵抗部分の分極方向の長さを
5μm未満にすると低抵抗部分がない場合とほとんど同
じ深さの分極反転しか形成されなかった。低抵抗部分を
10μm以上とすると低抵抗部分による分極反転深さの
増大効果が現れた。しかし、低抵抗部分の長さが30μ
m程度で分極変転深さは最大となり、それ以上長くして
も深さは変わらなかった。従って、低抵抗部分は10〜
30μm程度とすることが好ましい。
Next, the shape of the low resistance portion 120 was examined. The electric field component at the tip of the electrode depends on the shape of the low resistance portion 120. For example, when the length of the low resistance portion in the polarization direction is less than 5 μm, only the domain inversion having almost the same depth as that without the low resistance portion was formed. When the low resistance portion is set to 10 μm or more, the effect of increasing the polarization inversion depth by the low resistance portion appears. However, the length of the low resistance part is 30 μm.
The polarization inversion depth became maximum at about m, and the depth did not change even if it was longer. Therefore, the low resistance portion is 10 to
Preferably, the thickness is about 30 μm.

【0142】また、低抵抗部分が1つのときには、分極
反転部は、電極間に2カ所(櫛形電極の先端端と低抵抗
部分の一端)しか形成されないため、大面積に分極反転
部を形成することができない。そこで、結晶を有効に利
用する方法として電極間に複数の低抵抗部分を形成する
方法を検討した。
When only one low-resistance portion is provided, only two polarization inversion portions are formed between the electrodes (the tip end of the comb-shaped electrode and one end of the low-resistance portion). Can not do. Therefore, a method of forming a plurality of low resistance portions between the electrodes as a method of effectively using a crystal was studied.

【0143】具体的には、図26に示したように、低抵
抗部分121a、121bを電極117、118間にほぼ
均等に配置した。電極117、118間に電圧を印加す
ると各低抵抗部分121a、121b間に均等に電圧が印
加される。印加電界の形状は各低抵抗部分の間で同じに
なり、深い分極反転部が均一に形成された。さらに、こ
の方法を用いると電極間隔を大幅に増大できるため、広
い面積に分極反転部を形成できることが確認された。
More specifically, as shown in FIG. 26, the low-resistance portions 121a and 121b were arranged almost evenly between the electrodes 117 and 118. When a voltage is applied between the electrodes 117 and 118, a voltage is evenly applied between the low resistance portions 121a and 121b. The shape of the applied electric field was the same between the low-resistance portions, and a deep domain-inverted portion was formed uniformly. Further, it has been confirmed that the use of this method can greatly increase the interval between the electrodes, so that a domain-inverted portion can be formed in a wide area.

【0144】即ち、従来の方法では、電極間隔は100
μm程度が最適で、より広い面積に分極反転部を形成し
ようとすると、図23(a)に示したように分極反転部
が浅くなってしまうという問題があった。ところが、電
極間に低抵抗部分を複数設けるとこのような問題を回避
しながら電極間隔を拡大することができる。例えば、電
極117、118の間隔を500μmとし、低抵抗部分
を電極間に均等に配置することにより、従来の100μ
m程度に比べ5倍の面積に、均一な分極反転部を形成す
ることができた。
That is, in the conventional method, the electrode interval is 100
When the domain-inverted portion is optimally formed on the order of μm and the domain-inverted portion is to be formed in a wider area, there is a problem that the domain-inverted portion becomes shallow as shown in FIG. However, if a plurality of low resistance portions are provided between the electrodes, the distance between the electrodes can be increased while avoiding such a problem. For example, by setting the distance between the electrodes 117 and 118 to 500 μm and arranging the low-resistance portions evenly between the electrodes, the conventional 100 μm
A uniform domain-inverted portion could be formed in an area five times as large as about m.

【0145】また、低抵抗部分として他の低抵抗体につ
いて検討した結果、低抵抗部分としては基板より低い電
気抵抗を有する材料であれば効果があることが確認され
た。さらに、分極反転部の均一化に有効なのは、基板の
電気抵抗より一桁以上抵抗値が低い材料が好ましいこと
も確認された。
Further, as a result of studying another low-resistance body as the low-resistance portion, it was confirmed that a material having an electric resistance lower than that of the substrate was effective as the low-resistance portion. Further, it was confirmed that a material having a resistance value that is at least one digit lower than the electric resistance of the substrate is effective for uniformizing the domain-inverted portions.

【0146】次に、低抵抗部分としてイオン交換部分を
利用することを試みた。ここでは、イオン交換としてプ
ロトン交換を利用した。プロトン交換によれば、基板の
電気抵抗を1桁以上低減することが可能となる。図26
に示した方法とほぼ同様の方法により低抵抗部分121
a、121bをプロトン交換により形成し、電極間に電圧
を印加したところ、金属膜を低抵抗部分に用いたときに
比べ、1.2倍の深さの分極反転が形成された。これ
は、金属膜が基板表面に形成されるのに対して、プロト
ン交換部分は基板内部に形成されるため、印加電界の分
布がより深くなったためと考えられる。
Next, an attempt was made to use an ion exchange portion as the low resistance portion. Here, proton exchange was used as ion exchange. According to the proton exchange, it is possible to reduce the electric resistance of the substrate by one digit or more. FIG.
The low-resistance portion 121 is formed by a method substantially similar to the method shown in FIG.
When a and 121b were formed by proton exchange and a voltage was applied between the electrodes, the polarization inversion was 1.2 times deeper than when the metal film was used for the low resistance portion. This is presumably because the distribution of the applied electric field became deeper because the proton exchange portion was formed inside the substrate while the metal film was formed on the substrate surface.

【0147】なお、低抵抗部分としてプロトン交換を用
いたが、上記のように他のイオンによるイオン交換、ま
たは金属拡散による方法も基板の抵抗を低下させる方法
として有効である。
Although the proton exchange is used as the low resistance part, the method of ion exchange with other ions or metal diffusion as described above is also effective as a method of reducing the resistance of the substrate.

【0148】(実施の形態13)次に、分極方向が基板
表面に対して0°以上の角度を有している単一分極の強
誘電体結晶基板(MgO:LiNbO3斜め基板)に、この方法
の適用を試みた。
(Thirteenth Embodiment) Next, a monopolar ferroelectric crystal substrate (MgO: LiNbO 3 oblique substrate) having a polarization direction at an angle of 0 ° or more with respect to the substrate surface is formed. Tried to apply the method.

【0149】まず、最初に従来から報告されている方法
により、図27に示したように、結晶のX軸が基板法線
に対して3°傾いた斜め基板126上に櫛形電極127
と棒状電極128を、電極間隔を400μmとして形成
し、絶縁液中で電圧源129から電圧を印加した。
First, as shown in FIG. 27, a comb-shaped electrode 127 is formed on an oblique substrate 126 in which the X-axis of the crystal is inclined by 3 ° with respect to the substrate normal, according to a method conventionally reported.
And the rod-shaped electrode 128 were formed at an electrode interval of 400 μm, and a voltage was applied from a voltage source 129 in an insulating liquid.

【0150】その結果、図27(b)および(c)に示すよう
に、分極方向に沿って基板内部に潜り込んだ棒状の分極
反転部が形成された。分極反転周期3.2μmのとき、
分極反転部の深さ方向の大きさは約2μm程度であっ
た。
As a result, as shown in FIGS. 27 (b) and 27 (c), a rod-shaped domain-inverted portion sunk into the substrate along the direction of polarization was formed. When the polarization inversion period is 3.2 μm,
The size of the domain-inverted portion in the depth direction was about 2 μm.

【0151】このように、従来の方法によると、斜め基
板を用いることにより深い分極反転部を形成することが
可能ではあるものの、分極反転部が基板表面に対し角度
をもって成長するため、電極指先端から離れるに従い、
分極反転部が基板中に潜り込んでしまい、基板表面に形
成する光導波路との重なりが減少するという問題が発生
していた。例えば、結晶軸が基板表面に対し3°傾いて
いる場合、電極指先端近傍では深さ2μmの分極反転部
が表面から形成されるが、20μm離れたところでは分
極反転部は1μm内部に潜っているため、光導波路とは
半分程度しか重なり合わない。20μm離れると2μm潜
り込み、光導波路とはほとんど重ならなくなってしま
う。このため、光導波路を形成する部分は実質的に基板
表面の一部に限られ、基板には1本または2本程度しか
光導波路が形成できなかった。
As described above, according to the conventional method, it is possible to form a deep domain-inverted portion by using an oblique substrate, but the domain-inverted portion grows at an angle with respect to the substrate surface. As you move away from
The domain-inverted portion has sunk into the substrate, and a problem has arisen that the overlap with the optical waveguide formed on the substrate surface is reduced. For example, when the crystal axis is tilted by 3 ° with respect to the substrate surface, a domain-inverted portion with a depth of 2 μm is formed from the surface near the tip of the electrode finger, but at a distance of 20 μm, the domain-inverted portion extends below 1 μm. Therefore, it overlaps only about half with the optical waveguide. If it is 20 μm away, it will sink into 2 μm and will not almost overlap the optical waveguide. Therefore, the portion where the optical waveguide is formed is substantially limited to a part of the substrate surface, and only one or two optical waveguides can be formed on the substrate.

【0152】図28に示したように、実施の形態12と
同様、低抵抗部分を利用することとした。分極方向が基
板表面と3°傾いたMgO:LiNbO3斜め基板126(結晶
のX軸が同図に示すように基板法線に対し3°傾きY軸
は基板表面に平行)上に、櫛形電極127と棒状電極1
28とを形成し、両電極127,128間に低抵抗部分
(金属膜)122a、122bを形成した。櫛形電極12
7と棒状電極128との間隔は400μmとし、低抵抗
部分122a、122bは櫛形電極127の櫛形部分に対
応するように形成し、電極間方向の長さは20μmと
し、電極127,128間に均等に配置した。
As shown in FIG. 28, as in the twelfth embodiment, a low resistance portion is used. A comb-shaped electrode is formed on an MgO: LiNbO 3 oblique substrate 126 whose polarization direction is inclined by 3 ° with respect to the substrate surface (the X axis of the crystal is inclined by 3 ° with respect to the substrate normal as shown in the figure, and the Y axis is parallel to the substrate surface). 127 and rod-shaped electrode 1
28, and low resistance portions (metal films) 122a and 122b were formed between the electrodes 127 and 128. Comb electrode 12
The distance between the electrode 7 and the rod-shaped electrode 128 is 400 μm, the low-resistance parts 122 a and 122 b are formed so as to correspond to the comb-shaped part of the comb-shaped electrode 127, the length between the electrodes is 20 μm, and the distance between the electrodes 127 and 128 is equal. Was placed.

【0153】このようにして電極127、128間に電
圧を印加して分極を反転させたところ、断面図である図
28(b)に示すように、分極反転部131は、櫛形電極
127のみならず低抵抗部分122からも成長してい
た。櫛形電極127から成長した分極反転深さは約2.
2μm、低抵抗部分122a、122bから成長した分極
反転深さは約1.8μmで、ともに深い分極反転部とな
っていた。このように、本実施の形態によれば、低抵抗
部分が印加される電界によりいわば中間電極として作用
することにより、電極間隔400μmにわたり光導波路
と十分重なる分極反転部分が複数形成され、基板の有効
面積が数倍に向上した。
When a voltage is applied between the electrodes 127 and 128 to invert the polarization in this manner, as shown in a cross-sectional view of FIG. But also grown from the low resistance portion 122. The polarization inversion depth grown from the comb-shaped electrode 127 is about 2.
The polarization reversal depth grown from the low-resistance portions 122a and 122b was 2 μm, and the depth was about 1.8 μm. As described above, according to the present embodiment, a plurality of domain-inverted portions that sufficiently overlap with the optical waveguide over the electrode interval of 400 μm are formed by acting as a so-called intermediate electrode due to the electric field applied to the low-resistance portion. The area has improved several times.

【0154】この方法で形成した分極反転部131は、
従来の方法では形成できない深い周期的な構造であっ
て、図28(c)に示すように、基板深さ方向にも周期的
に形成されていた。
The domain-inverted portions 131 formed by this method are:
This is a deep periodic structure that cannot be formed by the conventional method, and is also formed periodically in the substrate depth direction as shown in FIG.

【0155】さらに中間電極122a、122bの間隔を
狭めることにより、深さ方向に分極反転部を接触させる
ことが可能となった。このような方法を用いれば、表面
から深さ10μm以上にわたり周期状の分極反転部を形
成できることが確認された。従来はせいぜい2μm程度
であった分極反転深さを10μm以上に拡大することが
可能となり、光波長変換素子の効率を飛躍的に向上させ
ることが可能となった。
Further, by narrowing the interval between the intermediate electrodes 122a and 122b, it becomes possible to bring the domain-inverted portions into contact in the depth direction. It was confirmed that such a method can form a periodically domain-inverted portion over a depth of 10 μm or more from the surface. The polarization inversion depth, which was conventionally at most about 2 μm, can be increased to 10 μm or more, and the efficiency of the optical wavelength conversion element can be dramatically improved.

【0156】次に基板結晶の結晶軸と基板平面との傾き
について検討した。結晶軸の傾きは、分極反転深さに影
響する。分極反転部を製造する場合、図29に示すよう
に、角度0°で0.8μm、角度3°で2μmとなった
が、角度が10°以上になると分極反転部の形成が難し
くなった。結晶角度を小さくすると形成される分極反転
部が浅くなる傾向にあるため、斜め基板に櫛形電極と棒
状電極のみで分極反転部を形成する場合には、光導波路
と同程度の分極反転深さを得るには、1〜5°、特に2
〜5°が好ましい。
Next, the inclination between the crystal axis of the substrate crystal and the plane of the substrate was examined. The tilt of the crystal axis affects the polarization inversion depth. When manufacturing a domain-inverted portion, as shown in FIG. 29, the angle was 0.8 μm at an angle of 0 ° and 2 μm at an angle of 3 °. However, when the angle was 10 ° or more, it was difficult to form a domain-inverted portion. When the crystal angle is reduced, the domain-inverted portion formed tends to be shallower.Therefore, when a domain-inverted portion is formed only on a diagonal substrate with a comb-shaped electrode and a rod-shaped electrode, a domain-inverted depth similar to that of an optical waveguide is required. 1-5 °, especially 2
~ 5 ° is preferred.

【0157】しかし、上記のように深さ方向に分極反転
部を接触させて分極反転部を形成する場合には、結晶軸
の傾き角度の小さい基板でも深い分極反転の形成が可能
である。例えば、傾きが2°以下の基板においても10
μm以上の深い分極反転部が形成できる。結晶軸の傾き
が2°以下になると、分極反転部の傾きが小さくなり、
面内の分極反転部の均一性が向上するという利点があ
る。
However, in the case where the domain-inverted portions are formed by contacting the domain-inverted portions in the depth direction as described above, deep domain-inversion can be formed even with a substrate having a small crystal axis tilt angle. For example, even for a substrate having an inclination of 2 ° or less, 10
A deep domain inversion of at least μm can be formed. When the inclination of the crystal axis becomes 2 ° or less, the inclination of the domain-inverted portion becomes small,
There is an advantage that the uniformity of the domain-inverted portions in the plane is improved.

【0158】また、中間電極122の長さは、この部分
から成長する分極反転部の深さに影響し、さらに櫛形電
極や他の中間電極から成長する分極反転部にも影響を与
えることが判明した。
Further, it has been found that the length of the intermediate electrode 122 affects the depth of the domain-inverted portion growing from this portion, and further affects the domain-inverted portion growing from the comb electrode or another intermediate electrode. did.

【0159】図28(b)に示したように、中間電極12
2下に形成される分極反転部は、ほぼ低抵抗部分長にわ
たり分極反転し、電極指の先端より基板内に潜り込むた
め、電極の長さは分極反転深さに影響を与える。図30
に中間電極122の電極長とその下に形成される分極反
転部の深さとの関係を示す。電極長が5μm以下のとき
は深さ方向の分極反転は実質的に形成され難い。一方、
10μm程度から分極反転部は深さ方向に形成され、電
極長に比例して増大するが、30μm程度で飽和し、そ
れ以上電極長を長くしても分極反転深さは増大しない。
従って、電極長は10〜30μmに設定することが好ま
しい。
As shown in FIG. 28B, the intermediate electrode 12
The domain-inverted portions formed below the domain-inverted domain invert over substantially the length of the low-resistance portion and sunk into the substrate from the tip of the electrode finger, so that the electrode length affects the domain-inverted depth. FIG.
9 shows the relationship between the electrode length of the intermediate electrode 122 and the depth of the domain-inverted portion formed thereunder. When the electrode length is 5 μm or less, polarization inversion in the depth direction is hardly substantially formed. on the other hand,
From about 10 μm, the domain-inverted portion is formed in the depth direction and increases in proportion to the electrode length, but saturates at about 30 μm, and the domain-inverted depth does not increase even if the electrode length is further increased.
Therefore, the electrode length is preferably set to 10 to 30 μm.

【0160】一方、中間電極が長くなると、他の電極に
より形成された分極反転に影響を与える。櫛形電極12
7から棒状電極128に向かい分極反転部が成長してい
くが、電極間に存在する中間電極122が長くなると、
成長する分極反転部の長さが制限されることが見出され
た。即ち、電極長が30μm以下のとき、分極反転は櫛
形電極127の電極指先端から棒状電極128の端部ま
で形成されるが、電極長が30μmを超えると分極反転
部は中間電極の途中までしか形成されず、分極反転部の
成長が半分以下になってしまう。これは、電極間の電界
分布が電極構造により異なるためである。従って、この
点からも中間電極の長さは10〜30μmが好ましいこ
とが明らかになった。さらに深い分極反転を形成するに
は20〜30μmが好ましい。
On the other hand, if the length of the intermediate electrode is long, it affects the polarization reversal formed by the other electrodes. Comb electrode 12
The polarization inversion portion grows from 7 toward the rod-shaped electrode 128, but when the intermediate electrode 122 existing between the electrodes becomes longer,
It has been found that the length of the growing domain inversion is limited. That is, when the electrode length is 30 μm or less, the polarization reversal is formed from the tip of the electrode finger of the comb-shaped electrode 127 to the end of the rod-shaped electrode 128. However, when the electrode length exceeds 30 μm, the polarization reversal part is formed only in the middle of the intermediate electrode. It is not formed, and the growth of the domain-inverted portion becomes less than half. This is because the electric field distribution between the electrodes differs depending on the electrode structure. Accordingly, it is clear from this point that the length of the intermediate electrode is preferably 10 to 30 μm. To form a deeper polarization inversion, the thickness is preferably 20 to 30 μm.

【0161】電極形状は分極反転の均一性に影響を与え
る。電極下に形成される分極反転部131を上面から観
測すると、図31に示すように、最初は細く電極指の先
端に進むに従って太くなりつつ基板内に潜っていく。分
極反転部の均一性を向上させるには、電極構造を分極反
転形状に類似させることが有効であった。例えば中間電
極122の形状を略三角形にした場合について分極反転
形状の均一性の検討を行ったところ、矩形の電極を用い
た場合よりも均一性は約1.5倍に向上していることが
確認された。これは、分極反転形状に電極構造を近づけ
たためと考えられる。
The shape of the electrode affects the uniformity of the polarization reversal. When observing the domain-inverted portion 131 formed below the electrode from the upper surface, as shown in FIG. 31, the domain-inverted portion 131 becomes thinner at first and becomes deeper as it goes to the tip of the electrode finger. In order to improve the uniformity of the domain-inverted portion, it was effective to make the electrode structure similar to the domain-inverted shape. For example, when the uniformity of the domain-inverted shape was examined when the shape of the intermediate electrode 122 was substantially triangular, the uniformity was improved about 1.5 times as compared with the case where the rectangular electrode was used. confirmed. This is probably because the electrode structure was brought closer to the domain-inverted shape.

【0162】さらに、上記のように、結晶成長により形
成した結晶薄膜を用いることもできる。結晶成長した薄
膜層は、結晶性に優れ、高い非線形性を有するため高効
率の光波長変換素子が形成できる。さらに、結晶層を光
導波路として使用できるため、導波路形成による非線形
性の劣化が防止できる。
Further, as described above, a crystal thin film formed by crystal growth can be used. Since the crystal-grown thin film layer has excellent crystallinity and high nonlinearity, a highly efficient light wavelength conversion element can be formed. Further, since the crystal layer can be used as an optical waveguide, deterioration of nonlinearity due to the formation of the waveguide can be prevented.

【0163】(実施の形態14)上記実施の形態に加え
て、本発明によれば、分極方向と基板表面とがほぼ平行
な、または一定の傾きを有する強誘電体基板に均一で深
い分極反転部を形成するための別の方法として、強誘電
体結晶の基板表面に凹部を形成し、この凹部内に形成し
た電極を利用して分極反転部を形成する方法が提供され
る。
(Embodiment 14) In addition to the above embodiments, according to the present invention, a uniform and deep polarization inversion is performed on a ferroelectric substrate whose polarization direction is substantially parallel to the substrate surface or whose inclination is constant. As another method for forming the portion, there is provided a method in which a concave portion is formed on a substrate surface of a ferroelectric crystal, and a domain-inverted portion is formed using an electrode formed in the concave portion.

【0164】深い分極反転構造を形成する他の方法につ
いて説明する。図32に示すように、X板基板の一方
(+C側)に周期状に凹部140を形成し、この凹部を
含む領域に第1の電極142を形成する。さらに基板表
面の−C側に棒状電極143を形成し、両電極間に電圧
を印加して周期状の分極反転部を形成する。なお、図3
2に示すように、凹部140間の結晶表面を絶縁膜(例
えばSiO2)141で被覆した。
Next, another method for forming a deep domain inversion structure will be described. As shown in FIG. 32, a concave portion 140 is periodically formed on one side (+ C side) of the X-plate substrate, and a first electrode 142 is formed in a region including the concave portion. Further, a rod-shaped electrode 143 is formed on the −C side of the substrate surface, and a voltage is applied between both electrodes to form a periodically poled portion. Note that FIG.
As shown in FIG. 2, the crystal surface between the concave portions 140 was covered with an insulating film (for example, SiO 2 ) 141.

【0165】基板に彫り込んだ凹部140内に電極を形
成することで、分極反転核を基板の深い部分で発生さ
せ、この分極反転核から深い分極反転部145を成長さ
せることが可能となる。例えば、凹部の深さを1μm程
度とすると分極反転部の深さは2μmとなり、従来の2
倍の深さの分極反転が形成できた。
By forming an electrode in the recess 140 engraved in the substrate, a domain-inverted nucleus can be generated in a deep portion of the substrate, and a deep domain-inverted portion 145 can be grown from the domain-inverted nucleus. For example, when the depth of the concave portion is about 1 μm, the depth of the domain-inverted portion is 2 μm,
A polarization inversion of twice the depth was formed.

【0166】凹部140間の絶縁膜141の効果は、均
一な周期構造の形成にある。絶縁膜141で被覆しない
場合、凹部140の間で発生した隣接する分極反転部が
互いに接触し短周期の分極反転の形成が困難になる場合
があった。特に、分極反転周期が5μm以下の反転構造
は、その形成が難しかった。ところが絶縁膜で覆うこと
により電極間の絶縁性が増し、短周期の分極反転部が形
成できることが見出された。これにより周期3μm以下
の分極反転構造の形成が可能になった。
The effect of the insulating film 141 between the recesses 140 lies in the formation of a uniform periodic structure. When not covered with the insulating film 141, adjacent domain-inverted portions generated between the concave portions 140 may come into contact with each other, making it difficult to form a short-period domain-inverted configuration. In particular, it was difficult to form an inversion structure having a polarization inversion cycle of 5 μm or less. However, it has been found that by covering with an insulating film, insulation between the electrodes is increased, and a short-period domain-inverted portion can be formed. As a result, a domain-inverted structure having a period of 3 μm or less can be formed.

【0167】分極反転部の深さは、電極142の深さに
依存する。分極反転部は凹部の底面から1μm程度上下
に広がりながら成長するため、深さとしては0.5μm
以上の深さの凹部を形成し、分極反転深さを1.5μm
以上にすることで高効率の光波長変換素子が形成でき
た。ところが、凹部の深さを3μm以上にすると分極反
転部が基板内部に形成されるため、深さは3μm以下に
設定することが好ましい。
The depth of the domain-inverted portion depends on the depth of the electrode 142. Since the domain-inverted portion grows up and down about 1 μm from the bottom of the concave portion, the depth is 0.5 μm.
A recess having the above depth is formed, and the polarization inversion depth is set to 1.5 μm.
Thus, a highly efficient optical wavelength conversion element was formed. However, when the depth of the concave portion is set to 3 μm or more, a domain-inverted portion is formed inside the substrate. Therefore, the depth is preferably set to 3 μm or less.

【0168】このような彫り込み電極を容易に形成する
方法も新たに見出された。図32に示したような電極構
造を形成するには、彫り込んだ部分に選択的に金属膜を
形成する必要があり、マスクの位置合わせ等煩雑な作製
プロセスを必要とする。そこでセルフアライメントが可
能な方法を図33により説明する。
A method for easily forming such an engraved electrode has been newly found. In order to form the electrode structure as shown in FIG. 32, it is necessary to selectively form a metal film on the engraved portion, which requires a complicated manufacturing process such as mask alignment. Therefore, a method capable of self-alignment will be described with reference to FIG.

【0169】図33に示したように、この方法は、X板
基板(例えばMgO:LiNbO3)146の表面に、絶縁膜
(例えばSiO2膜)147を例えば0.2μmの厚さに堆
積し(図33(a))、フォトリソグラフィーとエッチン
グにより絶縁膜147と基板146とを同時にエッチン
グし、深さが例えば2μm程度の凹部148を周期的に
形成し(図33(b))、凹部148上に金属を蒸着して
第1の電極149を形成し(図33(c))、さらに基板
表面に棒状電極150を形成し(図33(d))、電極1
48、150間に電圧を印加することにより、凹部14
8側面より分極反転核を発生させ、棒状電極150側に
成長させるものである。この方法を用いると、彫り込ん
だ部分に電極を選択的に形成する必要がなく、凹部にセ
ルフアライメントにより選択的に電極構造を形成でき
た。
As shown in FIG. 33, according to this method, an insulating film (for example, SiO 2 film) 147 is deposited to a thickness of, for example, 0.2 μm on the surface of an X-plate substrate (for example, MgO: LiNbO 3 ) 146. (FIG. 33 (a)), the insulating film 147 and the substrate 146 are simultaneously etched by photolithography and etching, and a concave portion 148 having a depth of, for example, about 2 μm is formed periodically (FIG. 33 (b)). A first electrode 149 is formed by evaporating a metal thereon (FIG. 33 (c)), and a rod-shaped electrode 150 is formed on the substrate surface (FIG. 33 (d)).
By applying a voltage between 48 and 150,
A domain-inverted nucleus is generated from eight side surfaces and grown on the rod-shaped electrode 150 side. By using this method, it was not necessary to selectively form an electrode in the carved portion, and the electrode structure could be selectively formed in the recess by self-alignment.

【0170】この場合、約2μmの深さの分極反転部が
形成できた。凹部の断面は、図44(b)に示したと同
様、凹部底面は基板が露出しているが凸部はSiO2
で絶縁されている。このため凹部の底面の基板表面に金
属が直接接触している。分極反転の発生は金属接触部分
で顕著となるため、凹部の底面でのみ分極反転が発生
し、棒状電極に向かって成長する。一方凸部分は絶縁膜
141で覆われているため、分極の発生が抑えられる。
In this case, a domain-inverted portion having a depth of about 2 μm was formed. As shown in FIG. 44 (b), the cross section of the concave portion has the substrate exposed at the bottom surface of the concave portion, but the convex portion is insulated by the SiO 2 film. Therefore, the metal is in direct contact with the substrate surface on the bottom surface of the concave portion. Since the occurrence of the polarization inversion is remarkable at the metal contact portion, the polarization inversion occurs only at the bottom surface of the concave portion and grows toward the rod-shaped electrode. On the other hand, since the convex portion is covered with the insulating film 141, the occurrence of polarization is suppressed.

【0171】凹部の底面は基板表面から2μm程度深い
部分にあるため、深さ3μmの分極反転構造も形成でき
る。これは従来の約3倍の深さであり、高効率の光波長
変換素子の作製が可能になった。
Since the bottom surface of the concave portion is located at a depth of about 2 μm from the substrate surface, a domain-inverted structure having a depth of 3 μm can be formed. This is about three times the depth of the conventional one, and a highly efficient optical wavelength conversion element can be manufactured.

【0172】上記実施の形態による分極反転部の製造方
法により形成した周期状の分極反転部を用いた光波長変
換素子を作製した。この光波長変換素子は、図26に示
すように、MgO:LiNbO3等強誘電体結晶基板151の表
面に、光導波路154と光導波路を周期的に横断するよ
うに形成された分極反転部153とが形成されている
が、最も顕著な特徴は分極反転部153の一方の端部に
凹部152が存在していることである。
An optical wavelength conversion element using a periodically poled portion formed by the method of manufacturing a poled portion according to the above embodiment was manufactured. As shown in FIG. 26, this optical wavelength conversion element has a polarization inversion section 153 formed on the surface of a ferroelectric crystal substrate 151 such as MgO: LiNbO 3 so as to periodically cross the optical waveguide 154 and the optical waveguide. The most remarkable feature is that a concave portion 152 exists at one end of the domain-inverted portion 153.

【0173】基板に凹部を形成し分極反転部を形成する
と、斜め基板を用いた従来の方法よりも深い分極反転部
が形成できた。例えば、MgOをドープ゜したLiNbO3基板の
分極反転部は、電極周辺部に拡大するが、幅方向の拡大
に比べ深さ方向の拡大が大きい。このため、斜め基板に
形成した分極反転部はほぼ半円状の分極反転部となる。
一方、上記電極構造を用いると分極反転部はほぼ円形の
反転となり、斜め基板を用いた場合の1.5倍の3μm
以上の厚みの分極反転が形成できることが明らかになっ
た。このため、光波長変換素子は、斜め基板を用いた場
合の2倍の効率が得られた。
When a concave portion was formed in the substrate to form a domain-inverted portion, a domain-inverted portion deeper than in the conventional method using an oblique substrate could be formed. For example, the domain-inverted portion of the LiNbO 3 substrate doped with MgO expands in the periphery of the electrode, but expands in the depth direction more than in the width direction. For this reason, the domain-inverted portions formed on the oblique substrate are substantially semicircular domain-inverted portions.
On the other hand, when the above-mentioned electrode structure is used, the domain-inverted portion becomes a substantially circular inversion, and is 3 μm, which is 1.5 times as large as that when the oblique substrate is used.
It has been clarified that polarization inversion having the above thickness can be formed. For this reason, the optical wavelength conversion element was twice as efficient as when the oblique substrate was used.

【0174】また、分極反転部が基板表面に略平行に形
成されるため、形成された全ての分極反転部が光導波路
と十分な重なりを有する利点を持つ。斜め基板を用いた
従来の方法では使用可能な分極反転部の有効面積が小さ
かったが、彫り込み電極を用いると分極反転部の有効面
積を大幅に増大できるという利点もある。
Further, since the domain-inverted portions are formed substantially parallel to the substrate surface, there is an advantage that all the domain-inverted portions formed have a sufficient overlap with the optical waveguide. In the conventional method using an oblique substrate, the effective area of the domain-inverted portion that can be used is small. However, the use of the engraved electrode has the advantage that the effective area of the domain-inverted portion can be greatly increased.

【0175】さらに、分極反転の一端に形成した凹部
は、光波長変換素子および光波長変換素子を用いた短波
長光発生装置の形成に有効に利用できる。光波長変換素
子を形成するには、作製した分極反転構造に位置合わせ
して光導波路を形成する必要があるがら、分極反転構造
は目視では観測できないため位置合わせ用のマーカ等の
形成が必要であり作製プロセスが複雑となる。ところ
が、分極反転部の一端に凹部が形成されていると、光導
波路との位置合わせをこの凹部に合わせることで容易に
実施しうる。同様に、短波長光発生装置は、光波長変換
素子と半導体レーザを直接結合させて固定する。このた
め、光波長変換素子の光導波路と半導体レーザの光導波
路とをサブミクロンの精度で位置合わせする必要があ
る。そのためには、それぞれの光導波路に位置合わせの
ためのマークを形成し、それぞれのマークを画像検出し
位置合わせが為される。分極反転部の一端に凹部が形成
されていると、これを画像検出することは非常に容易で
ある。さらにこの凹部に合わせて光導波路が形成されて
いるため、凹部の位置から光導波路の位置をサブミクロ
ン精度で検出できという利点を有する。しかも、基板に
彫り込んだ凹部は容易に削除できないため、他の作製プ
ロセス等で損なわれることが無く、確実に検出できる。
Further, the concave portion formed at one end of the domain inversion can be effectively used for forming a light wavelength conversion element and a short wavelength light generation device using the light wavelength conversion element. In order to form an optical wavelength conversion element, it is necessary to form an optical waveguide in alignment with the fabricated domain-inverted structure. However, since the domain-inverted structure cannot be visually observed, it is necessary to form a positioning marker or the like. The fabrication process is complicated. However, if a concave portion is formed at one end of the domain-inverted portion, alignment with the optical waveguide can be easily performed by adjusting the position to the concave portion. Similarly, the short-wavelength light generator fixes the optical wavelength conversion element and the semiconductor laser by directly coupling them. For this reason, it is necessary to align the optical waveguide of the optical wavelength conversion element with the optical waveguide of the semiconductor laser with submicron accuracy. For this purpose, marks for alignment are formed in each optical waveguide, and each mark is image-detected to perform alignment. If a concave portion is formed at one end of the domain-inverted portion, it is very easy to detect an image of the concave portion. Further, since the optical waveguide is formed in accordance with the concave portion, there is an advantage that the position of the optical waveguide can be detected with submicron accuracy from the position of the concave portion. In addition, since the concave portion engraved on the substrate cannot be easily removed, it can be reliably detected without being damaged by other manufacturing processes or the like.

【0176】なお、本実施の形態では、絶縁膜としてSi
O2を用いたが他にレジストも利用できる。レジストを用
いるとエッチングに用いたレジストをそのまま利用し
て、レジスト上に電極を形成することで同様の分極反転
構造が形成できるため作製プロセスの単純化が図れる。
絶縁膜としてレジストを用いうる点は他の実施形態にお
いても同様である。また、本実施の形態ではX板を用い
たが言うまでもなくY板等も使用できる。さらに上記の
ように斜め基板等を用いても本実施形態による効果は得
ることができる。
In this embodiment, the insulating film is made of Si.
Although O 2 was used, other resists can be used. When a resist is used, a similar domain-inverted structure can be formed by forming an electrode on the resist using the resist used for etching as it is, so that the manufacturing process can be simplified.
The point that a resist can be used as the insulating film is the same in other embodiments. In the present embodiment, the X plate is used, but it goes without saying that a Y plate or the like can be used. Further, the effects of the present embodiment can be obtained even when an oblique substrate or the like is used as described above.

【0177】(実施の形態15)本発明の光波長変換素
子のさらに別の実施形態について説明する。この光波長
変換素子は、上記実施の形態13により製造しうる分極
反転構造を利用したものであり、図35(a)に示すよう
に、結晶軸が基板表面より傾けて切り出してある強誘電
体結晶(MgO:LiNbO3)基板板161の表面には、分極
反転部162と光導波路163とが形成されている。こ
の分極反転部162は、図35(b)に示すように、基板
表面に垂直であって基板の分極方向に沿った断面におい
て層状構造を形成しており、また、光導波路が伸長して
いる方向にも周期的に形成されている。このように分極
反転部162は、光導波路の伸長(進行)方向および基
板深さ方向に周期構造を有している。分極反転部の厚み
は例えば2μm、分極反転部間の間隔は例えば0.3μm
とされる。光導波路の厚みは例えば4μmである。
(Embodiment 15) Still another embodiment of the optical wavelength conversion element of the present invention will be described. This optical wavelength conversion element uses a domain-inverted structure that can be manufactured according to the thirteenth embodiment. As shown in FIG. 35 (a), a ferroelectric material whose crystal axis is cut out from the substrate surface is inclined. On the surface of a crystal (MgO: LiNbO 3 ) substrate plate 161, a domain-inverted portion 162 and an optical waveguide 163 are formed. As shown in FIG. 35 (b), the domain-inverted portions 162 form a layered structure in a cross section perpendicular to the substrate surface and along the polarization direction of the substrate, and the optical waveguide extends. It is also formed periodically in the direction. As described above, the domain-inverted portion 162 has a periodic structure in the extending (progressing) direction of the optical waveguide and the substrate depth direction. The thickness of the domain-inverted portions is, for example, 2 μm, and the interval between domain-inverted portions is, for example, 0.3 μm
It is said. The thickness of the optical waveguide is, for example, 4 μm.

【0178】このような光波長変換素子において、光導
波路のパワー密度を低減し、高出力の高調波の発生が可
能となるように導波路形状を大きくした。このようにし
ても、分極反転部162を深さ方向に周期的に形成する
ことで、従来難しかった深い分極反転構造の形成が可能
となり、深い導波路とも十分なオーバラップが確保され
た。
In such an optical wavelength conversion device, the power density of the optical waveguide was reduced, and the shape of the waveguide was increased so that high-output harmonics could be generated. Even in this case, by forming the domain-inverted portions 162 periodically in the depth direction, it was possible to form a deep domain-inverted structure, which was difficult in the related art, and a sufficient overlap with a deep waveguide was secured.

【0179】この光波長変換素子の特性を評価したとこ
ろ、200mWの入射光164で100mWの青色の出力光
165が得られ、従来の5倍以上の高出力が実現した。
出力は安定しており、光損傷による出力変動等も実質的
に観測されなかった。深い導波路構造により高効率化が
図れ、導波路断面積を大きくすることでパワー密度の増
大による光損傷の発生を低減することが可能となったた
め、高出力の光波長変換素子作製が可能となった。
When the characteristics of this light wavelength conversion element were evaluated, 100 mW of blue output light 165 was obtained with 200 mW of incident light 164, and a high output more than 5 times that of the conventional device was realized.
The output was stable, and output fluctuation due to optical damage was not substantially observed. The deep waveguide structure improves the efficiency, and by increasing the cross-sectional area of the waveguide, it is possible to reduce the occurrence of optical damage due to the increase in power density. became.

【0180】従来、短周期で深い分極反転部の形成が難
しかったのは、分極反転部が深さ方向と同時に幅方向に
拡大するのが一因であった。青色〜紫外にかけての短波
長光に波長変換するには、分極反転周期として3.5μ
m以下の短周期構造が必要となる。このため、分極反転
部の幅は2μm以下に低減しなければならない。一方、
分極反転部の深さが光導波路と十分重なるためには2μ
m以上の深い構造が必要となる。従来は、分極反転部の
幅方向の広がり速度だけを制限して、深い分極反転構造
を形成するのは困難であった。しかし、上記のように、
分極反転構造を深さ方向に周期的に重ねることにより、
実質的に深い分極反転構造が形成可能となった。
Conventionally, it was difficult to form a deep domain-inverted portion in a short period, partly because the domain-inverted portion expanded in the width direction simultaneously with the depth direction. In order to convert the wavelength into light having a short wavelength from blue to ultraviolet, a polarization inversion period of 3.5 μm is required.
A short period structure of m or less is required. For this reason, the width of the domain-inverted portion must be reduced to 2 μm or less. on the other hand,
In order for the depth of the domain-inverted portion to sufficiently overlap with the optical waveguide, 2 μm is required.
A deep structure of m or more is required. Conventionally, it has been difficult to form a deep domain-inverted structure by limiting only the spreading speed of the domain-inverted portion in the width direction. However, as mentioned above,
By periodically overlapping the domain-inverted structures in the depth direction,
A substantially deep domain inversion structure can be formed.

【0181】さらに、このような分極反転構造が存在す
ることで、耐光損傷強度を大幅に向上させることができ
た。光損傷が生じると、光により不純物が励起され分極
方向に分布を持つことで電界が発生し、電気光学効果を
介して屈折率変動が生じる。分極が反転していると励起
される不純物の移動が分極反転部で逆転するため、発生
する電界が相殺され光損傷の発生が抑えられる。分極反
転部を深さ方向に周期状に形成することで電界相殺の効
果がより一層強くなった。これによって、従来の2倍程
度の耐光損傷強度が得られた。
In addition, the presence of such a domain-inverted structure significantly improved the light damage resistance. When optical damage occurs, the impurity is excited by the light and has a distribution in the polarization direction, so that an electric field is generated, and the refractive index fluctuates through the electro-optic effect. When the polarization is reversed, the movement of the excited impurity is reversed in the polarization reversal part, so that the generated electric field is canceled out and the occurrence of optical damage is suppressed. By forming the domain-inverted portions periodically in the depth direction, the electric field canceling effect was further enhanced. As a result, a light damage resistance of about twice that of the related art was obtained.

【0182】分極反転構造を深い反転として利用するに
は、反転部の厚みを深さ方向の周期に対して小さくする
必要がある。これは、分極反転部同士が離れていると、
光導波路と重なる部分が減少するからである。光導波路
と適当な重なりを得るには、分極反転部の厚みDを深さ
方向の分極反転周期Λの1/2以下にすることが好まし
い。さらに、高効率化するためには、Λ/4程度にする
ことが望ましい。
In order to use the domain-inverted structure as a deep inversion, it is necessary to reduce the thickness of the inversion portion with respect to the period in the depth direction. This is because if the domain-inverted parts are separated,
This is because the portion overlapping the optical waveguide is reduced. In order to obtain an appropriate overlap with the optical waveguide, it is preferable that the thickness D of the domain-inverted portion be equal to or less than 1/2 of the domain-inverted period Λ in the depth direction. Further, in order to increase the efficiency, it is desirable to set it to about Λ / 4.

【0183】(実施の形態16)上記実施の形態で示し
たように、分極反転部が自発分極の方向に沿って形成さ
れる性質を利用すれば、斜め基板を用いてバルク状の分
極反転構造を形成することができる。この分極反転構造
は、バルク型の素子として利用できる。本実施の形態
は、このような分極反転構造の製造方法と素子の例を提
供するものである。図36に示したように、X軸が基板
166の法線より3°傾いた強誘電体結晶(MgO:LiNb
O3)基板166上に、電極167,168が形成されて
おり、両電極167、168間には棒状の中間電極16
9が形成されている。中間電極は複数の電極を等間隔で
配置してもよい。電極167、168間に電圧を印加す
ると、電極167と中間電極169の下に分極反転部が
形成され、基板166の結晶の分極方向に分極反転部が
成長する。このような方法を利用すれば、図36(b)に
示したような、複数の分極反転部170が互いに平行な
層状となった構造を形成することができる。
(Embodiment 16) As described in the above embodiment, by utilizing the property that the domain-inverted portions are formed along the direction of spontaneous polarization, a bulk-type domain-inverted structure can be formed by using an oblique substrate. Can be formed. This domain-inverted structure can be used as a bulk type device. The present embodiment provides an example of a method of manufacturing such a domain-inverted structure and an element. As shown in FIG. 36, a ferroelectric crystal (MgO: LiNb) whose X axis is inclined by 3 ° from the normal line of the substrate 166
O 3 ) Electrodes 167 and 168 are formed on a substrate 166, and a rod-like intermediate electrode 16 is provided between the electrodes 167 and 168.
9 are formed. As the intermediate electrode, a plurality of electrodes may be arranged at equal intervals. When a voltage is applied between the electrodes 167 and 168, a domain-inverted portion is formed below the electrode 167 and the intermediate electrode 169, and the domain-inverted portion grows in the polarization direction of the crystal of the substrate 166. By using such a method, it is possible to form a structure in which a plurality of domain-inverted portions 170 are in a layer shape parallel to each other, as shown in FIG.

【0184】図36(b)に示したような分極反転構造
は、ほぼ垂直に光を入射すさせるバルク型の光波長変換
素子として利用される。この光波長変換素子の特徴は、
短周期の分極反転部170の形成が容易な点である。図
36(b)から明らかなように、電極の周期よりも基板表
面に垂直な方向(深さ方向)の分極反転部の周期を短く
することができる。例えば3°結晶軸が傾いている基板
を用いた場合、電極の周期に対して分極反転部の深さ方
向の周期は1/20程度になる。即ち、棒状電極を周期2
0μmごとに形成すると、分極反転部の周期は約1/20の
1μmとなる。このように、非常に短周期の分極反転部
を容易に形成することができる。短周期の分極反転構造
が形成できれば、変換する波長の短周期化が可能にな
る。
The domain-inverted structure as shown in FIG. 36 (b) is used as a bulk-type optical wavelength conversion element that allows light to enter almost vertically. The features of this optical wavelength conversion element are:
The point is that the short-period domain-inverted portions 170 can be easily formed. As is clear from FIG. 36 (b), the period of the domain-inverted portions in the direction perpendicular to the substrate surface (depth direction) can be shorter than the period of the electrodes. For example, when a substrate having a crystal axis inclined by 3 ° is used, the period in the depth direction of the domain-inverted portion is about 1/20 of the period of the electrode. That is, when the rod-shaped electrode is
When formed at intervals of 0 μm, the period of the domain-inverted portion is about 1/20, that is, 1 μm. Thus, a very short-period domain-inverted portion can be easily formed. If a short-period domain-inverted structure can be formed, the wavelength to be converted can be shortened.

【0185】なお、本実施の形態では電極167として
棒状電極を用いたが、これに代えて櫛形電極を用いるこ
とがさらに好ましい。櫛形電極を用いると、電界印加時
に圧電効果により結晶が歪むことにより電極周辺部で発
生するクラックを抑制することができる。ただし、櫛形
電極を用いると、分極反転部が面内で周期状になる。こ
れを避けるため、櫛形電極の櫛の幅をその周期の1/2
以上とすることにより、分極反転部を隣同士接続させて
棒状電極を用いた場合と同様の分極反転部を形成するこ
とができる。
Although a rod-shaped electrode is used as the electrode 167 in this embodiment, a comb-shaped electrode is more preferably used instead. When a comb-shaped electrode is used, cracks generated around the electrode due to distortion of the crystal due to a piezoelectric effect when an electric field is applied can be suppressed. However, when a comb-shaped electrode is used, the domain-inverted portions become periodic in the plane. In order to avoid this, the width of the comb of the comb-shaped electrode is set to 周期 of the period.
With the above, the same domain-inverted portions can be formed by connecting the domain-inverted portions to each other and using a rod-shaped electrode.

【0186】(実施の形態17)本発明は、上記実施の
形態16により製造しうるバルク状の分極反転構造を用
いた光回折素子を提供するものでもある。この回折素子
は、図37に示したように、MgO:LiNbO3等の斜め基板1
71に周期的に分極反転部172が形成されており、さ
らに、電極173、174が基板の表面と裏面に形成さ
れている。基板に光175が入射した時に電極間に電圧
を印加すると、電気光学効果により分極反転部と非反転
部がそれぞれ屈折率変化を生じ、分極反転構造のグレー
ティングが形成される。これによって基板を透過する光
を変更することが可能となる。本実施の形態の光回折素
子は、分極反転部が面内方向および深さ方向の両方向に
ついての2次元的周期構造を有しうるため、2次元の回
折素子を形成できる。さらに電圧を印加することで、回
折強度を変調することも可能である。
(Embodiment 17) The present invention also provides an optical diffraction element using a bulk domain-inverted structure that can be manufactured according to the above-described embodiment 16. This diffraction element is, as shown in FIG. 37, an oblique substrate 1 made of MgO: LiNbO 3 or the like.
A domain-inverted portion 172 is periodically formed on the substrate 71, and electrodes 173 and 174 are formed on the front and back surfaces of the substrate. When a voltage is applied between the electrodes when light 175 is incident on the substrate, the domain-inverted portion and the non-inverted portion each undergo a change in refractive index due to an electro-optic effect, and a grating having a domain-inverted structure is formed. This makes it possible to change the light transmitted through the substrate. In the optical diffraction element of the present embodiment, the polarization inversion portion can have a two-dimensional periodic structure in both the in-plane direction and the depth direction, so that a two-dimensional diffraction element can be formed. Further, by applying a voltage, the diffraction intensity can be modulated.

【0187】なお、本実施の形態では、分極反転部によ
る回折を利用したが、さらに、基板表面にエッチングに
よる回折素子を集積化することができる。基板表面に回
折素子を形成すると、複合する機能を1つの素子に集積
化できるため、より複雑な回折機能が実現できる。
In this embodiment, the diffraction by the domain-inverted portion is used, but a diffraction element by etching can be further integrated on the substrate surface. When a diffraction element is formed on the substrate surface, a complex function can be integrated into one element, so that a more complicated diffraction function can be realized.

【0188】なお、本実施の形態では屈折率変調用の電
極として一対の電極を表面と裏面とに形成したが、表面
または裏面に複数の電極を設けてもよい。複数の電極で
印加電界を制御すると回折素子の効率を面内に2次元的
に分布させることが可能となるため好ましい。この際に
は、透明電極を用いると電極による回折光への影響が避
けられるため電極を形成する場所の規制がなくなりさら
に好ましい。
In this embodiment, a pair of electrodes are formed on the front surface and the back surface as electrodes for refractive index modulation. However, a plurality of electrodes may be provided on the front surface or the back surface. It is preferable to control the applied electric field with a plurality of electrodes because the efficiency of the diffraction element can be two-dimensionally distributed in a plane. In this case, when a transparent electrode is used, the influence of the electrode on the diffracted light can be avoided, so that there is no restriction on the place where the electrode is formed.

【0189】さらに、本実施形態の回折素子を用いた光
情報処理装置の例について図38により説明する。図3
8において、半導体レーザ180から出射されたビーム
はビームスプリッタ181を透過し、回折素子185お
よびレンズ182により情報記録媒体である光ディスク
183に照射される。反射光は逆にレンズ182により
コリメートされビームスプリッタ181で反射され、デ
ィテクタ184で信号が読みとられる。回折素子185
は、光ディスク183上に集光する集光スポットを制御
している。光ディスク183の信号を安定に読むとるに
は、焦点スポットを決められた位置に集光する必要があ
る。そこで、集光スポットを回折素子185を用いて制
御することとした。上記回折素子185は高速応答が可
能なため、500MHz以上の速度での回折制御が可能と
なった。これによって、高速で安定な光情報処理装置が
構成できる。
Further, an example of an optical information processing apparatus using the diffraction element of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG.
At 8, the beam emitted from the semiconductor laser 180 passes through the beam splitter 181, and is irradiated on the optical disc 183 as an information recording medium by the diffraction element 185 and the lens 182. Conversely, the reflected light is collimated by a lens 182 and reflected by a beam splitter 181, and a signal is read by a detector 184. Diffraction element 185
Controls the focused spot focused on the optical disk 183. In order to read the signal of the optical disk 183 stably, it is necessary to focus the focal spot at a predetermined position. Therefore, the condensing spot is controlled by using the diffraction element 185. Since the diffraction element 185 can respond at high speed, it is possible to control the diffraction at a speed of 500 MHz or more. Thus, a high-speed and stable optical information processing device can be configured.

【0190】(実施の形態18)さらに本発明によれ
ば、結晶の分極方向が表面に対して傾いている基板を用
いて、この結晶の表面に離間して配置した2つの電極間
に絶縁膜を配置して電圧を印加することにより、分極反
転部を製造する方法が提供される。
(Embodiment 18) Further, according to the present invention, using a substrate in which the polarization direction of a crystal is inclined with respect to the surface, an insulating film is provided between two electrodes spaced apart from the surface of the crystal. And applying a voltage to provide a method of manufacturing the domain-inverted portion.

【0191】基板は、強誘電体結晶(MgOをドープしたL
iNbO3)であって分極方向が基板表面に対して3°傾い
ているものを用いた。まず最初に図39に示すように、
基板表面に直接電極を形成して電極間に電圧を印加し
た。第1の電極192は櫛形電極であり、第2の電極1
93は棒状電極とした。電圧印加は、放電を避けるため
に絶縁液中で行った。ところが分極反転形成時に電極間
で絶縁破壊が生じて高い電圧が印加できない場合が多
く、均一な分極反転部が形成される割合が低いことが判
明した。
The substrate was made of a ferroelectric crystal (L doped with MgO).
iNbO 3 ) whose polarization direction was inclined by 3 ° with respect to the substrate surface was used. First, as shown in FIG.
Electrodes were formed directly on the substrate surface, and a voltage was applied between the electrodes. The first electrode 192 is a comb-shaped electrode, and the second electrode 1
93 is a rod-shaped electrode. The voltage was applied in an insulating liquid to avoid discharge. However, in many cases, high voltage cannot be applied due to dielectric breakdown between the electrodes at the time of domain inversion formation, and it has been found that the rate of forming a uniform domain inversion portion is low.

【0192】また、分極反転部の厚さも1.2μm程度
と薄いものしか形成されなかった。この原因は、分極反
転部の発生により電極間に電圧降下が生じ、印加電圧が
一時的に低下したためであると考えられる。また電極間
隔は400μmで印加電圧は3kVであった。さらに高い
電圧を印加すると絶縁破壊が生じるため、電圧を印加で
きなかった。
The thickness of the domain-inverted portion was as thin as about 1.2 μm. It is considered that this is because a voltage drop occurred between the electrodes due to the occurrence of the domain-inverted portions, and the applied voltage temporarily decreased. The electrode spacing was 400 μm and the applied voltage was 3 kV. When a higher voltage was applied, dielectric breakdown occurred, so that no voltage could be applied.

【0193】さらに分極反転を10mmにわたって形成し
たところ、図45に示すような不均一な分極反転部が多
く存在するようになった。これは、分極反転のため、高
圧を印加した場合、結晶の不均一により櫛形電極の一部
で通電が生じたり、分極反転部が部分的に大きく成長し
たためである。
Further, when the domain inversion was formed over 10 mm, many non-uniform domain-inverted portions as shown in FIG. 45 came to exist. This is because, when a high voltage is applied due to polarization inversion, current is generated in a part of the comb-shaped electrode due to non-uniformity of the crystal, or the domain-inverted portion grows partially large.

【0194】次に、図40に示したような電極全体を絶
縁膜195で覆って電圧を印加したところ、電極間の絶
縁性が増し、分極反転部の均一性は向上した。しかし、
不均一な部分は依然として存在し、10mm全体にわたり
分極反転部を形成することは困難であった。これは両電
極が結晶表面に接触しているため、結晶の不均一な部分
で抵抗値の値が変わり、印加電圧に不均一性が生じたた
めであると考えられる。絶縁膜としてはSiO2を用いた
が、SiO2の膜厚は50nm以上ではいくら堆積しても反転
特性に変化はなかった。
Next, when a voltage was applied while covering the entire electrode as shown in FIG. 40 with the insulating film 195, the insulation between the electrodes was increased, and the uniformity of the domain-inverted portions was improved. But,
Non-uniform portions still existed, and it was difficult to form a domain-inverted portion over the entire 10 mm. This is presumably because both electrodes were in contact with the crystal surface, and the resistance value changed at non-uniform portions of the crystal, causing non-uniformity in the applied voltage. Although SiO 2 was used as the insulating film, the inversion characteristics did not change even if the SiO 2 film was deposited at a thickness of 50 nm or more.

【0195】以上にように分極反転部が不均一に形成さ
れてしまうという問題について検討を行った。その結
果、この不均一性の原因としては、結晶の不均一性も問
題にはなるが、電圧降下として確認される電極間の漏れ
電流が大きな問題となることが確認された。さらにこの
漏れ電流について詳細に検討した結果、具体的には以下
の2カ所における漏れ電流が問題となることが確認され
た。
As described above, the problem that the domain-inverted portions are formed non-uniformly was examined. As a result, it was confirmed that as a cause of the non-uniformity, the non-uniformity of the crystal also became a problem, but the leakage current between the electrodes, which was confirmed as a voltage drop, became a serious problem. Further, as a result of a detailed study of the leakage current, it was confirmed that the leakage current at the following two locations was a problem.

【0196】1)電極間隔が部分的に狭くなっている部
分、または電極間にゴミ、汚れ等が付着している部分。 2)一方の電極から斜め下方に潜り込むように成長する分
極反転部の先端部近傍と、その上に存在する他方の電極
との間。
1) A portion where the electrode interval is partially narrow, or a portion where dust, dirt, etc. are attached between the electrodes. 2) Between the vicinity of the tip of the domain-inverted portion growing obliquely downward from one electrode and the other electrode above it.

【0197】上記1)に関しては、電極間隔の確保、およ
びプロセス中のダスト低減を図ることにより解決が可能
である。しかし、2)の問題は電極設計により回避するこ
とができなかった。分極反転部は一方の電極から成長
し、他方の電極の直下近傍にまで伸長する。その後、分
極反転部は厚み方向に成長を続ける。しかし、上記2)の
漏れ電流が存在すれば厚い分極反転部の形成が困難とな
る。
The above-mentioned 1) can be solved by securing the electrode interval and reducing dust during the process. However, the problem 2) could not be avoided by the electrode design. The domain-inverted portion grows from one electrode and extends to a position immediately below the other electrode. Thereafter, the domain-inverted portions continue to grow in the thickness direction. However, if the leakage current of the above 2) exists, it becomes difficult to form a thick domain-inverted portion.

【0198】このような分極反転部と電極との間の漏れ
電流は、分極反転部が基板と比較しても低い電気抵抗を
有し、分極反転部の先端部と電極との間隔がかなり狭い
ためと考えられる。例えば、3°カットのX板を用いて
電極間隔を200μmとすると、この間隔は約10μm程
度となってしまう。電極間隔を400μmとしても上記
間隔は約10μmである。このため、電極間隔を200
μmとして、図39および図40に示したような方法に
より分極反転部を形成しようとすると、漏れ電流が発生
し易くなって印加できる電圧は2kV以下となり、形成さ
れる分極反転部の深さにも改善は見られなかった。
The leakage current between the domain-inverted portion and the electrode is such that the domain-inverted portion has a lower electric resistance than the substrate, and the distance between the tip of the domain-inverted portion and the electrode is considerably narrow. It is thought to be. For example, if the electrode interval is set to 200 μm using a 3 ° -cut X plate, this interval is about 10 μm. Even if the electrode interval is 400 μm, the above interval is about 10 μm. Therefore, the electrode interval is set to 200
When a domain-inverted portion is formed by the method shown in FIGS. 39 and 40, the leakage current is likely to occur, and the voltage that can be applied is 2 kV or less. No improvement was seen.

【0199】そこで、このような電極間の漏れ電流を完
全に防止する方法として、図41に示したような方法を
検討した。この方法によれば、電極193と基板191
とが絶縁膜195により絶縁され、図42に示したよう
な均一で深い分極反転部を形成することが可能となっ
た。この場合、絶縁破壊することなく印加可能な電圧
は、図39および図40に示したような形態の場合が3
kVであったのに対し、4kV以上にまで増大した。このよ
うな印加可能電圧の上昇により、形成しうる分極反転部
の厚みも2μm以上にまで増加した。
Therefore, as a method for completely preventing such a leakage current between the electrodes, a method as shown in FIG. 41 was studied. According to this method, the electrode 193 and the substrate 191
Are insulated by the insulating film 195, and a uniform and deep domain-inverted portion as shown in FIG. 42 can be formed. In this case, the voltage that can be applied without dielectric breakdown is 3 in the case of the form shown in FIGS.
Although it was kV, it increased to 4 kV or more. Due to such an increase in the applicable voltage, the thickness of the domain-inverted portion that can be formed also increased to 2 μm or more.

【0200】図41に示したような方法を用いることに
より、分極反転部の均一性が大幅に向上することも見い
出された。絶縁膜を介して電極を形成することにより、
結晶の不均一性による印加電圧の不均一性を効果的に抑
制することができたためである。このため、30mm以上
にわたり均一な分極反転部を形成することが可能となっ
た。
It was also found that the use of the method as shown in FIG. 41 greatly improved the uniformity of the domain-inverted portions. By forming an electrode via an insulating film,
This is because the non-uniformity of the applied voltage due to the non-uniformity of the crystal could be effectively suppressed. For this reason, it was possible to form a uniform domain-inverted portion over 30 mm or more.

【0201】なお、上記におけるSiO2絶縁膜は、スパッ
タリング法により形成した。また、この膜厚は100nm
未満では効果がほとんどなく、200nm以上とすると均
一で深い分極反転部の形成が可能となった。1μm以上
堆積しても反転特性に変化はなかったが堆積に時間がか
かるため、これほどまでに厚くするのは生産効率上好ま
しくはない。
The above SiO 2 insulating film was formed by a sputtering method. This film thickness is 100 nm.
If less than 200 nm, there is almost no effect, and if 200 nm or more, a uniform and deep domain-inverted portion can be formed. Even if the deposition is 1 μm or more, there is no change in the reversal characteristics, but the deposition takes a long time.

【0202】図41に示したような方法により、分極反
転部を形成する場合には、電極間に流れる電荷量を正確
に制御することが好ましい。漏れ電流が実質的に存在し
ないため、電極間に流れる電流が分極反転電流となるか
らである。従って、電荷量制御が不十分となり、例えば
電荷量が大きくなりすぎると隣接する分極反転部同士が
接触して周期状の分極反転構造が形成困難となるおそれ
がある。好ましい電荷量は、電極192、193間の電
気容量(C)と分極反転電荷(Ps×S)の和である。こ
こで、Psは基板結晶の自発分極であり、Sは分極反転部
の断面積の総和である。なお、C板の場合の電荷量(2
Ps×S)と相違するのは、電極間の電気容量Cと分極反
転電荷の値が等しくならないことに基づく。
When forming a domain-inverted portion by the method shown in FIG. 41, it is preferable to accurately control the amount of charge flowing between the electrodes. This is because there is substantially no leakage current, and the current flowing between the electrodes becomes the polarization reversal current. Therefore, the control of the charge amount becomes insufficient. For example, if the charge amount becomes too large, the adjacent domain-inverted portions may come into contact with each other, making it difficult to form a periodic domain-inverted structure. The preferred charge amount is the sum of the electric capacity (C) between the electrodes 192 and 193 and the domain-inverted charge (Ps × S). Here, Ps is the spontaneous polarization of the substrate crystal, and S is the sum of the cross-sectional areas of the domain-inverted portions. Note that the charge amount (2
Ps × S) is based on the fact that the value of the capacitance C between the electrodes and the value of the domain-inverted charge are not equal.

【0203】次に、図43に示したような絶縁膜を電極
下に堆積する方法を検討した。この方法によれば、結晶
表面から電極を隔離することが可能となり、結晶の不均
一性による印加電圧の不均一性を回避することが可能と
なり、形成される分極反転部も均一性に優れたものとな
った。しかし、絶縁膜の厚みを増していくと、櫛形電極
194の電極指間の電界成分が重なってくるため、分極
反転部が周期状にはならず、隣接する分極反転部が互い
に接続する現象が観察された。周期状の分極反転部が均
一に形成される絶縁膜の厚みは、絶縁膜としてSiO2を用
いた場合で、20〜100nmであった。20nm未満では
分極反転が不均一になり、100nmを越えると周期状の
分極反転部が形成されなかった。放電を防止するために
は、10nm以上のSiO2膜厚が必要であるが、この膜厚が
100nmを越えると周期状の分極反転部が得られなくな
る。放電を防止しながら、周期状の分極反転部を得るた
めには、この膜厚を10〜100nmとすることが必要で
あった。また、膜厚を20〜60nmとすると、良好な特
性を得ることができた。
Next, a method of depositing an insulating film as shown in FIG. 43 under the electrode was examined. According to this method, it is possible to isolate the electrode from the crystal surface, to avoid the non-uniformity of the applied voltage due to the non-uniformity of the crystal, and to form the domain-inverted portion with excellent uniformity. It became something. However, when the thickness of the insulating film is increased, the electric field components between the electrode fingers of the comb-shaped electrode 194 overlap, so that the domain-inverted portions do not become periodic, and the adjacent domain-inverted portions are connected to each other. Was observed. The thickness of the insulating film in which the periodic domain-inverted portions are uniformly formed was 20 to 100 nm when SiO 2 was used as the insulating film. If it is less than 20 nm, the domain inversion becomes non-uniform, and if it exceeds 100 nm, no periodic domain inversion is formed. In order to prevent discharge, a SiO 2 film thickness of 10 nm or more is required. However, if this film thickness exceeds 100 nm, a periodic domain-inverted portion cannot be obtained. In order to obtain a periodically domain-inverted portion while preventing discharge, the film thickness needs to be 10 to 100 nm. Further, when the film thickness was 20 to 60 nm, good characteristics could be obtained.

【0204】(実施の形態19)さらに、分極反転部を
基板表面の大きな面積に形成する方法を検討した。図4
4は、本実施の形態の構成を示す平面図である。図44
に示すように、強誘電体結晶の基板196上に2以上の
電極対により分極反転部を形成することにより、製造効
率が大幅に向上した。図示したように、個々の電極対1
99は、櫛形電極197と、この櫛形電極の櫛形部分を
伸長させた方向に形成された棒状電極198とによって
構成される。また、個々の電極対は、櫛形電極の櫛形が
同一方向となるように配置される。
(Embodiment 19) Further, a method of forming a domain-inverted portion in a large area of the substrate surface was studied. FIG.
FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the present embodiment. FIG.
As shown in (1), by forming a domain-inverted portion with two or more electrode pairs on a ferroelectric crystal substrate 196, the production efficiency was greatly improved. As shown, each electrode pair 1
Reference numeral 99 denotes a comb-shaped electrode 197 and a bar-shaped electrode 198 formed in a direction in which the comb-shaped portion of the comb-shaped electrode is extended. The individual electrode pairs are arranged such that the combs of the comb electrodes are in the same direction.

【0205】また、櫛形電極197の前方と後方に棒状
電極198が存在することにより、分極反転部の均一性
と深さが向上することが確認された。一対の電極199
間の電圧印加のみにより分極反転部を形成する場合に
は、櫛形電極197の先端部に印加される電界は、その
電極と対をなす棒状電極198からのみ影響を受ける。
しかし、電極対199を複数個配置することにより、櫛
形電極の先端部に印加される電界は、その背後の棒状電
極200からも影響を受けるようになる。この背後の棒
状電極により、櫛形電極の先端部における基板の厚み方
向の電界成分は強くなる。従って、本実施形態によれ
ば、より深い分極反転部を形成することができる。
Further, it was confirmed that the presence of the rod-shaped electrodes 198 in front of and behind the comb-shaped electrode 197 improved the uniformity and the depth of the domain-inverted portions. A pair of electrodes 199
When the domain-inverted portion is formed only by applying a voltage between the electrodes, the electric field applied to the tip of the comb-shaped electrode 197 is affected only by the bar-shaped electrode 198 paired with the electrode.
However, by arranging a plurality of electrode pairs 199, the electric field applied to the tip of the comb-shaped electrode is also affected by the bar-shaped electrode 200 behind it. The electric field component in the thickness direction of the substrate at the tip of the comb-shaped electrode is increased by the bar-shaped electrode behind the electrode. Therefore, according to the present embodiment, a deeper domain-inverted portion can be formed.

【0206】さらに、上記電極対における電極間距離L
1と、隣接する電極対における電極間距離L2との影響に
ついて調査した。このときの基板196としては、分極
方向が基板表面と3°傾いているMgO:LiNbO3を用いた。
Further, the distance L between the electrodes in the electrode pair is
1 was investigated the effect of inter-electrode distance L 2 in the adjacent electrode pair. As the substrate 196 at this time, MgO: LiNbO 3 whose polarization direction was inclined by 3 ° with respect to the substrate surface was used.

【0207】L1は、100〜1000μmが適当であっ
た。100μm未満では電極間で放電が生じて分極反転
部の形成に至らない場合があり、1000μmを越える
と印加電圧が高くなりすぎて(例えば10kV)絶縁破壊
が生じる場合があった。また、200〜800μmとす
ると分極反転の均一性が向上し、さらに好ましい結果が
得られた。L2は、100〜200μmが適当であった。
100μm未満では上記と同様放電が生じる場合があ
り、また形成される分極反転部の厚さも1μm程度に止
まった。一方、200μmを越えると周期的な分極反転
部の形成が困難となった。
[0207] L 1 is, 100~1000μm was appropriate. If the thickness is less than 100 μm, a discharge may occur between the electrodes and the formation of the domain-inverted portion may not be achieved. If the thickness exceeds 1000 μm, the applied voltage may become too high (for example, 10 kV) and dielectric breakdown may occur. When the thickness is 200 to 800 μm, the uniformity of the polarization inversion is improved, and more preferable results are obtained. L 2 is, 100~200μm was appropriate.
If the thickness is less than 100 μm, discharge may occur in the same manner as described above, and the thickness of the domain-inverted portion formed is limited to about 1 μm. On the other hand, if it exceeds 200 μm, it becomes difficult to form a periodically domain-inverted portion.

【0208】しかし、櫛形電極197を絶縁膜で覆い、
この絶縁膜上に棒状電極198を形成して電圧を印加し
たところ、L2が200μmを越えても周期的な分極反転
部に支障は見受けられなかった。これは、櫛形電極19
7を絶縁膜で覆うことにより、櫛形電極における電極指
間の電気的な分離が確保されるようになったためである
と考えられる。また、背後の棒状電極200と櫛形電極
197との間の漏れ電流が抑制されたためであると考え
られる。また、この構成においては、L2を100〜1
000μmとすると、分極反転部の均一性が向上するこ
とが見出された。さらに、形成される分極反転部の深さ
も2μm程度となり従来の2倍程度とすることができ
た。
However, the comb-shaped electrode 197 is covered with an insulating film,
When a rod-shaped electrode 198 was formed on this insulating film and a voltage was applied, no problem was observed in the periodically poled portion even when L 2 exceeded 200 μm. This is the comb-shaped electrode 19
It is considered that this is because the electrical isolation between the electrode fingers of the comb-shaped electrode was secured by covering the insulating film 7 with the insulating film. It is also considered that the leakage current between the bar-shaped electrode 200 and the comb-shaped electrode 197 at the back was suppressed. In this configuration, L 2 is set to 100 to 1
It has been found that when the thickness is 000 μm, the uniformity of the domain-inverted portion is improved. Further, the depth of the domain-inverted portion to be formed was about 2 μm, which was about twice the conventional value.

【0209】また、形成される分極反転部の均一性は、
櫛形電極の総長さ(図26におけるL3の合計)に依存
することも確認された。この総長さが増加するにつれて
分極反転部の均一性が劣化する傾向にある。これは、総
長にほぼ比例して電流値が増大するためであると考えら
れる。実験の結果、総長さを10〜200mm、特に10
〜100mmとすることが好ましいことが、分極反転部の
均一性を向上させる観点から好ましいことが確認され
た。
Further, the uniformity of the domain-inverted portions to be formed is as follows:
It was also confirmed that it depends on the total length of the comb-shaped electrode (the sum of L 3 in FIG. 26). As the total length increases, the uniformity of the domain-inverted portions tends to deteriorate. This is considered to be because the current value increases almost in proportion to the total length. As a result of the experiment, the total length was 10 to 200 mm, especially 10
It was confirmed that it is preferable to set the thickness to 100 mm from the viewpoint of improving the uniformity of the domain-inverted portions.

【0210】なお、上記各実施形態で用いた基板には、
液相成長を利用したものを用いることが好ましい。均一
な光学結晶を安価に製造することができるからである。
特に光導波路を形成する場合には、光導波路が結晶表面
から数μmの範囲のみを利用するものであるため、液相
からエピタキシャル成長させた部分を利用すれば十分で
ある。また、液相成長を利用することにより、例えばLi
NbO3 にMgOをドープすることが容易となる。MgOをドー
プすれば基板の耐光損傷度を改善することができる。ま
た(基板に)Ndをドープすれば、レーザ媒質として使用
できる。
The substrate used in each of the above embodiments includes:
It is preferable to use one utilizing liquid phase growth. This is because a uniform optical crystal can be manufactured at low cost.
In particular, when forming an optical waveguide, since the optical waveguide uses only a range of several μm from the crystal surface, it is sufficient to use a portion epitaxially grown from a liquid phase. Also, by utilizing liquid phase growth, for example, Li
It becomes easy to dope NbO 3 with MgO. Doping with MgO can improve the light damage resistance of the substrate. If Nd is doped into the substrate, it can be used as a laser medium.

【0211】[0211]

【発明の効果】以上、詳細に説明してきたように、本発
明によれば、従来よりも、深さ、均一性、有効面積等の
点において改善され、光波長変換素子等に好適な分極反
転部が提供される。また、本発明によれば、例えば従来
よりも安定して短波長を発生しうる、特性が改善された
光波長変換素子が提供され、このような素子を用いた光
発生装置および光ピックアップが提供される。さらに、
本発明によれば、高速応答可能な回折素子が提供され
る。
As has been described in detail, according to the present invention, the polarization inversion is improved in terms of depth, uniformity, effective area, etc., and is suitable for an optical wavelength conversion element and the like. Department is provided. Further, according to the present invention, for example, an optical wavelength conversion element with improved characteristics, which can generate a short wavelength more stably than before, is provided, and a light generation device and an optical pickup using such an element are provided. Is done. further,
According to the present invention, a diffraction element capable of high-speed response is provided.

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

【図1】 本発明の分極反転部の製造方法の例を基板の
断面方向から示す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a method for manufacturing a domain-inverted portion according to the present invention from a cross-sectional direction of a substrate.

【図2】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を基
板の断面方向から示す図である。
FIG. 2 is a view showing another example of the method of manufacturing the domain-inverted portion according to the present invention from a cross-sectional direction of a substrate.

【図3】 光波長変換素子の製造方法の例を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a method for manufacturing an optical wavelength conversion element.

【図4】 図3の方法で製造した光波長変換素子の断面
図である。
FIG. 4 is a sectional view of an optical wavelength conversion element manufactured by the method of FIG.

【図5】 本発明の分極反転部を安定化させる方法を基
板の断面方向から示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a method of stabilizing a domain-inverted portion according to the present invention from a cross-sectional direction of a substrate.

【図6】 プロトン交換後の熱処理と、分極反転が消滅
する深さとの関係を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a heat treatment after proton exchange and a depth at which the polarization inversion disappears.

【図7】 本発明の光波長変換素子の例を示す斜視図で
ある。
FIG. 7 is a perspective view showing an example of a light wavelength conversion element of the present invention.

【図8】 本発明の分極反転部の製造方法の例を基板の
平面方向から示す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a method for manufacturing a domain-inverted portion according to the present invention from a plane direction of a substrate.

【図9】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を基
板の断面方向から示す図である。
FIG. 9 is a view showing another example of the method of manufacturing the domain-inverted portion according to the present invention from a cross-sectional direction of the substrate.

【図10】 本発明の短波長光発生装置の例の斜視図で
ある。
FIG. 10 is a perspective view of an example of a short-wavelength light generation device according to the present invention.

【図11】 本発明の光ピックアップの構成の例を示す
図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a configuration of an optical pickup of the present invention.

【図12】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing another example of the method for manufacturing the domain-inverted portion of the present invention.

【図13】 図12に示した方法における基板厚さ方向
の電界と分極反転深さとの関係を示す図である。
13 is a diagram showing the relationship between the electric field in the thickness direction of the substrate and the polarization inversion depth in the method shown in FIG.

【図14】 図12に示した方法における基板厚さと分
極反転深さとの関係を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between a substrate thickness and a polarization inversion depth in the method shown in FIG.

【図15】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing another example of the method for manufacturing the domain-inverted portion of the present invention.

【図16】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
基板の断面方向から示す図である。
FIG. 16 is a view showing another example of the method of manufacturing the domain-inverted portion according to the present invention, as viewed from the cross-sectional direction of the substrate.

【図17】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
基板の断面方向から示す図である。
FIG. 17 is a view showing another example of the method of manufacturing the domain-inverted portion according to the present invention from a cross-sectional direction of the substrate.

【図18】 本発明の光波長変換素子の別の例を示す斜
視図である。
FIG. 18 is a perspective view showing another example of the optical wavelength conversion element of the present invention.

【図19】 図18に示した光波長変換素子における基
板厚さと光波長変換効率との関係を示す図である。
FIG. 19 is a diagram showing a relationship between substrate thickness and light wavelength conversion efficiency in the light wavelength conversion device shown in FIG.

【図20】 本発明の短波長光発生装置の別の例の斜視
図である。
FIG. 20 is a perspective view of another example of the short wavelength light generation device of the present invention.

【図21】 従来の分極反転部の製造方法を示す斜視図
である。
FIG. 21 is a perspective view illustrating a conventional method for manufacturing a domain-inverted portion.

【図22】 図21に示した方法における電極間隔と分
極反転の深さとの関係を示す図である。
FIG. 22 is a diagram showing a relationship between an electrode interval and a depth of polarization inversion in the method shown in FIG. 21;

【図23】 図21に示した方法における電極間の電界
分布を示す断面図である。
FIG. 23 is a sectional view showing an electric field distribution between electrodes in the method shown in FIG. 21;

【図24】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
示す斜視図である。
FIG. 24 is a perspective view showing another example of the method for manufacturing the domain-inverted portion of the present invention.

【図25】 図24に示した方法における電極間の電界
分布を示す断面図である。
25 is a sectional view showing an electric field distribution between electrodes in the method shown in FIG.

【図26】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
示す斜視図である。
FIG. 26 is a perspective view showing another example of the method of manufacturing the domain-inverted portion of the present invention.

【図27】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
示す斜視図(a)と断面図(b),(c)である。
FIG. 27 is a perspective view (a) and cross-sectional views (b) and (c) showing another example of the method for manufacturing the domain-inverted portion of the present invention.

【図28】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
示す斜視図(a)と断面図(b),(c)である。
FIG. 28 is a perspective view (a) and cross-sectional views (b) and (c) showing another example of the method for manufacturing the domain-inverted portion of the present invention.

【図29】 基板の結晶軸の基板表面に対する傾きと分
極反転部の深さとの関係を示す図である。
FIG. 29 is a diagram showing the relationship between the inclination of the crystal axis of the substrate with respect to the substrate surface and the depth of the domain-inverted portion.

【図30】 中間電極の電極間方向の長さと分極反転部
の深さとの関係を示す図である。
FIG. 30 is a diagram showing the relationship between the length of the intermediate electrode in the inter-electrode direction and the depth of the domain-inverted portion.

【図31】 中間電極を利用して形成される分極反転部
の形状を示す平面図である。
FIG. 31 is a plan view showing a shape of a domain-inverted portion formed by using an intermediate electrode.

【図32】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
示す斜視図(a)と断面図(b)である。
FIG. 32 is a perspective view (a) and a cross-sectional view (b) showing another example of the method for manufacturing the domain-inverted portion of the present invention.

【図33】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
示す図である。
FIG. 33 is a diagram showing another example of the method for manufacturing the domain-inverted portion of the present invention.

【図34】 本発明の光波長変換素子の別の例を示す斜
視図である。
FIG. 34 is a perspective view showing another example of the optical wavelength conversion element of the present invention.

【図35】 本発明の光波長変換素子の別の例を示す斜
視図(a)と断面図(b)である。
FIG. 35 is a perspective view (a) and a sectional view (b) showing another example of the optical wavelength conversion element of the present invention.

【図36】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
示す斜視図(a)と、この方法を利用して製造された光波
長変換素子の例の断面図(b)である。
FIG. 36 is a perspective view (a) showing another example of a method for manufacturing a domain-inverted portion of the present invention, and a cross-sectional view (b) of an example of an optical wavelength conversion element manufactured by using this method.

【図37】 本発明の回折素子の例を示す断面図であ
る。
FIG. 37 is a sectional view showing an example of the diffraction element of the present invention.

【図38】 本発明の回折素子を用いた光情報処理装置
の構成の例を示す図である。
FIG. 38 is a diagram showing an example of the configuration of an optical information processing device using the diffraction element of the present invention.

【図39】 分極反転部を形成するための一対の電極と
絶縁膜との位置関係を示す断面図である。
FIG. 39 is a cross-sectional view showing a positional relationship between a pair of electrodes and an insulating film for forming a domain-inverted portion.

【図40】 分極反転部を形成するための一対の電極と
絶縁膜との位置関係を示す断面図である。
FIG. 40 is a cross-sectional view showing a positional relationship between a pair of electrodes and an insulating film for forming a domain-inverted portion.

【図41】 本発明による分極反転部を製造方法の別の
例における一対の電極と絶縁膜との位置関係を示す断面
図である。
FIG. 41 is a cross-sectional view showing a positional relationship between a pair of electrodes and an insulating film in another example of a method for manufacturing a domain-inverted portion according to the present invention.

【図42】 図41に示した方法により製造した分極反
転部を示す断面図である。
FIG. 42 is a sectional view showing a domain-inverted portion manufactured by the method shown in FIG. 41;

【図43】 分極反転部を形成するための一対の電極と
絶縁膜との位置関係を示す断面図である。
FIG. 43 is a cross-sectional view showing a positional relationship between a pair of electrodes and an insulating film for forming a domain-inverted portion.

【図44】 本発明の分極反転部の製造方法の別の例を
示す平面図である。
FIG. 44 is a plan view showing another example of the method for manufacturing the domain-inverted portion of the present invention.

【図45】 図39に示した方法により形成した分極反
転部を示す平面図である。
FIG. 45 is a plan view showing a domain-inverted portion formed by the method shown in FIG. 39.

【図46】 従来の分極反転部の製造方法を示す斜視図
である。
FIG. 46 is a perspective view illustrating a conventional method for manufacturing a domain-inverted portion.

【図47】 従来の分極反転部の製造方法を示す斜視図
である。
FIG. 47 is a perspective view showing a conventional method for manufacturing a domain-inverted portion.

【図48】 従来の分極反転部の製造方法を示す斜視図
である。
FIG. 48 is a perspective view showing a conventional method for manufacturing a domain-inverted portion.

【図49】 従来の光波長変換素子を示す斜視図であ
る。
FIG. 49 is a perspective view showing a conventional light wavelength conversion element.

【図50】 従来の光波長変換素子を示す斜視図であ
る。
FIG. 50 is a perspective view showing a conventional light wavelength conversion element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 強誘電体結晶基板 2 櫛形電極 3 平板電極 4 分極反転部 5 分極再反転部 7 プロトン交換部分 8 光導波路 11 櫛形電極 12a、12b、12c 平板電極 14、16 絶縁膜 21 半導体レーザ 23 光導波路 25 短波長光発生装置 26 ビームスプリッタ 28 光ディスク 29 ディテクタ 31 強誘電体結晶基板 32 櫛形電極 33 棒状電極 34 平板電極 41 強誘電体結晶基板 42 光導波路 43 分極反転部 116 強誘電体結晶基板 117 櫛形電極 118 棒状電極 120 低抵抗部分 121a、121b 中間電極 131 分極反転部 140 凹部 141 絶縁膜 145 分極反転部 153 分極反転部 154 光導波路 155 基本波 156 第2高調波 162 分極反転部 163 光導波路 167、168 電極 169 中間電極 170 分極反転部 172 分極反転部 173、174 電極 180 半導体レーザ 181 ビームスプリッタ 183 光ディスク 184 ディテクタ 185 回折素子 191 強誘電体結晶基板 192 櫛形電極 193 棒状電極 195 絶縁膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ferroelectric crystal substrate 2 Comb-shaped electrode 3 Plate electrode 4 Polarization inversion part 5 Polarization re-inversion part 7 Proton exchange part 8 Optical waveguide 11 Comb-shaped electrode 12a, 12b, 12c Plate electrode 14, 16 Insulating film 21 Semiconductor laser 23 Optical waveguide 25 Short wavelength light generator 26 Beam splitter 28 Optical disk 29 Detector 31 Ferroelectric crystal substrate 32 Comb electrode 33 Bar electrode 34 Plate electrode 41 Ferroelectric crystal substrate 42 Optical waveguide 43 Polarization inversion section 116 Ferroelectric crystal substrate 117 Comb electrode 118 Rod electrode 120 Low resistance part 121a, 121b Intermediate electrode 131 Polarization inversion part 140 Concave part 141 Insulating film 145 Polarization inversion part 153 Polarization inversion part 154 Optical waveguide 155 Fundamental wave 156 Second harmonic 162 Polarization inversion part 163 Optical waveguide 167, 168 Electrode 169 Intermediate electrode 170 Polarization inversion section 172 Polarization inversion section 173, 174 electrode 180 Semiconductor laser 181 Beam splitter 183 Optical disk 184 Detector 185 Diffraction element 191 Ferroelectric crystal substrate 192 Comb electrode 193 Rod electrode 195 Insulating film

Claims (57)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 強誘電体結晶の基板の分極方向に電圧を
印加して分極反転部を形成する工程と、前記電圧の印加
により生じた前記基板の内部電界を低減する処理を行う
工程と、前記分極方向に前記電圧と逆方向の電圧を印加
して前記分極反転部の少なくとも一部の分極を再反転さ
せる工程とを含むことを特徴とする分極反転部の製造方
法。
A step of forming a domain-inverted portion by applying a voltage in a polarization direction of a substrate of a ferroelectric crystal; and a step of performing a process of reducing an internal electric field of the substrate caused by the application of the voltage. Applying a voltage in a direction opposite to the voltage in the polarization direction to re-invert the polarization of at least a part of the domain-inverted portion.
【請求項2】 前記内部電界を低減する処理が、150
℃以上前記基板のキュリー温度未満での前記基板の熱処
理、および前記内部電界と逆方向の電界による前記基板
の電界印加処理から選ばれる少なくとも1つの処理であ
る請求項1に記載の分極反転部の製造方法。
2. A process for reducing an internal electric field, comprising the steps of:
2. The domain-inverted portion according to claim 1, which is at least one process selected from heat treatment of the substrate at a temperature equal to or higher than the Curie temperature of the substrate and application of an electric field to the substrate by an electric field in a direction opposite to the internal electric field. Production method.
【請求項3】 前記分極を再反転させる工程の後に、前
記基板の表面近傍の少なくとも一回分極を反転させた領
域に、分極反転安定化部を形成する工程をさらに含む請
求項1に記載の分極反転部の製造方法。
3. The method according to claim 1, further comprising, after the step of re-inverting the polarization, a step of forming a polarization inversion stabilizing portion in a region near the surface of the substrate where the polarization has been inverted at least once. A method for manufacturing a domain-inverted portion.
【請求項4】 前記分極反転安定化部が、前記領域にお
けるイオン交換を含む工程により形成される請求項3に
記載の分極反転部の製造方法。
4. The method according to claim 3, wherein the polarization inversion stabilizing section is formed by a step including ion exchange in the region.
【請求項5】 前記分極反転安定化部が、前記イオン交
換と、前記イオン交換の後に実施される、前記基板のキ
ュリー温度未満であって前記キュリー温度から150℃
低い温度以上の温度での熱処理とを含む工程により形成
される請求項4に記載の分極反転部の製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the polarization inversion stabilizing section is performed after the ion exchange and the ion exchange, and is performed at a temperature lower than the Curie temperature of the substrate and 150 ° C. from the Curie temperature.
The method for manufacturing a domain-inverted portion according to claim 4, wherein the method is formed by a process including a heat treatment at a temperature equal to or higher than a low temperature.
【請求項6】 前記基板の表面に、縞状パターン部を有
する第1の電極および第2の電極を、一方の電極の前記
縞状パターン部の前記基板の分極方向への投影が他方の
電極の前記縞状パターン部と嵌まり合うように形成し、
前記第1の電極の側から前記分極反転部を成長させ、前
記第2の電極の側から前記分極反転部を再反転させる請
求項1に記載の分極反転部の製造方法。
6. A first electrode and a second electrode each having a striped pattern portion on the surface of the substrate, wherein one electrode is projected on the other electrode by projecting the striped pattern portion in the direction of polarization of the substrate. Formed so as to fit with the striped pattern portion,
The method of claim 1, wherein the domain-inverted portion is grown from the first electrode side, and the domain-inverted portion is re-inverted from the second electrode side.
【請求項7】 前記基板の表面に、第1の電極および縞
状パターン部を有する第2の電極を、前記第2の電極の
縞状パターン部の前記基板の分極方向への投影が前記第
1の電極に含まれるように形成し、前記第1の電極の側
から前記分極反転部を成長させ、前記第2の電極の側か
ら前記分極反転部を再反転させる請求項1に記載の分極
反転部の製造方法。
7. A projection of a second electrode having a first electrode and a striped pattern portion on a surface of the substrate in a direction of polarization of the striped pattern portion of the second electrode in the polarization direction of the substrate. 2. The polarization according to claim 1, wherein the polarization is formed so as to be included in one electrode, the domain-inverted portion is grown from the side of the first electrode, and the domain-inverted portion is re-inverted from the side of the second electrode. 3. Manufacturing method of the reversing part.
【請求項8】 強誘電体結晶の基板の分極方向に電圧を
印加して分極反転部を形成する工程と、前記分極反転部
の前記基板の表面近傍に分極反転安定化部を形成する工
程とを含むことを特徴とする分極反転部の製造方法。
8. A step of applying a voltage in the direction of polarization of the ferroelectric crystal substrate to form a domain-inverted portion, and a step of forming a domain-inverted stabilizing portion near the surface of the substrate in the domain-inverted portion. A method for manufacturing a domain-inverted portion, comprising:
【請求項9】 前記分極反転安定化部が、前記分極反転
部のイオン交換を含む工程により形成される請求項8に
記載の分極反転部の製造方法。
9. The method according to claim 8, wherein the polarization inversion stabilizing section is formed by a step including ion exchange of the polarization inversion section.
【請求項10】 前記分極反転安定化部が、前記イオン
交換と、前記イオン交換の後に実施される、前記基板の
キュリー温度未満であって前記キュリー温度よりも15
0℃低い温度以上の温度での熱処理とを含む工程により
形成される請求項9に記載の分極反転部の製造方法。
10. The polarization inversion stabilizing section, which is performed after the ion exchange and the ion exchange, is performed at a temperature lower than the Curie temperature of the substrate and higher than the Curie temperature by 15%.
The method for manufacturing a domain-inverted portion according to claim 9, wherein the method is formed by a process including a heat treatment at a temperature of 0 ° C. or lower.
【請求項11】 互いに対向する第1の面と第2の面と
を有する強誘電体結晶基板の前記第1の面に縞状パター
ン部を有する第1の電極を形成する工程と、 前記第1の電極を第1の絶縁膜で覆う工程と、 前記第2の面に第2の絶縁膜を形成する工程と、 前記第1の電極を分極方向に投影して定められる前記第
2の面上の領域を前記第2の絶縁膜を介して覆うよう
に、前記第2の絶縁膜上に第2の電極を形成する工程
と、 前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加し
て前記第1の電極の縞状パターン部から前記第2の電極
へと分極反転部を成長させる工程とを含むことを特徴と
する分極反転部の製造方法。
11. A step of forming a first electrode having a striped pattern portion on the first surface of a ferroelectric crystal substrate having a first surface and a second surface facing each other; A step of covering one electrode with a first insulating film; a step of forming a second insulating film on the second surface; and the second surface defined by projecting the first electrode in a polarization direction. Forming a second electrode on the second insulating film so as to cover an upper region with the second insulating film interposed therebetween; and between the first electrode and the second electrode. Applying a voltage to grow a domain-inverted portion from the striped pattern portion of the first electrode to the second electrode.
【請求項12】 分極方向と基板表面とが実質的に平行
である強誘電体結晶基板の分極方向に、第1、第2およ
び第3の電極をこの順に形成する工程と、前記第1の電
極と前記第2の電極との間に電圧を印加して前記第1の
電極と前記第2の電極との間に前記分極方向に沿った縞
状の分極反転部を形成する工程と、前記第1の電極と前
記第3の電極との間に電圧を印加して前記縞状の分極反
転部を前記第2の電極から前記第3の電極の側に成長さ
せる工程とを含むことを特徴とする分極反転部の製造方
法。
12. A step of forming first, second and third electrodes in this order in a polarization direction of a ferroelectric crystal substrate whose polarization direction is substantially parallel to the substrate surface; Applying a voltage between an electrode and the second electrode to form a striped domain-inverted portion along the polarization direction between the first electrode and the second electrode; Applying a voltage between the first electrode and the third electrode to grow the stripe-shaped domain-inverted portion from the second electrode to the third electrode. Manufacturing method of the domain-inverted portion.
【請求項13】 強誘電体結晶の基板に、前記強誘電体
結晶の分極方向に平行な第1の電界成分と前記分極方向
に垂直な第2の電界成分とを有する電界を印加すること
により、分極反転部を前記分極方向に成長させる工程を
含むことを特徴とする分極反転部の製造方法。
13. An electric field having a first electric field component parallel to the polarization direction of the ferroelectric crystal and a second electric field component perpendicular to the polarization direction is applied to the ferroelectric crystal substrate. And a step of growing a domain-inverted portion in the polarization direction.
【請求項14】 前記第2の電界成分が前記第1の電界
成分よりも大きい請求項13に記載の分極反転部の製造
方法。
14. The method according to claim 13, wherein the second electric field component is larger than the first electric field component.
【請求項15】 前記第2の電界成分が4kV/mm以上で
あって前記基板の絶縁破壊が生じる電界未満である請求
項13に記載の分極反転部の製造方法。
15. The method for manufacturing a domain-inverted part according to claim 13, wherein the second electric field component is 4 kV / mm or more and less than an electric field at which dielectric breakdown of the substrate occurs.
【請求項16】 前記第2の電界成分がパルス電圧によ
り生じる電界である請求項13に記載の分極反転部の製
造方法。
16. The method according to claim 13, wherein the second electric field component is an electric field generated by a pulse voltage.
【請求項17】 前記第1の電界成分が、前記第2の電
界成分を生じさせるパルス電圧よりもパルス幅が狭いパ
ルス電圧により生じるものである請求項16に記載の分
極反転部の製造方法。
17. The method according to claim 16, wherein the first electric field component is generated by a pulse voltage having a pulse width narrower than a pulse voltage that generates the second electric field component.
【請求項18】 前記分極方向と前記基板の表面とが実
質的に平行である請求項13に記載の分極反転部の製造
方法。
18. The method according to claim 13, wherein the polarization direction is substantially parallel to a surface of the substrate.
【請求項19】 前記基板の厚さが0.1mm〜0.4mm
である請求項18に記載の分極反転部の製造方法。
19. The thickness of the substrate is 0.1 mm to 0.4 mm
The method for manufacturing a domain-inverted portion according to claim 18, wherein
【請求項20】 前記電界が、前記基板の表面と2°〜
80°の角度をなす方向に配置された一対の電極により
生じるものである請求項18に記載の分極反転部の製造
方法。
20. The method according to claim 19, wherein the electric field is 2 °
The method for manufacturing a domain-inverted portion according to claim 18, wherein the method is generated by a pair of electrodes arranged in a direction forming an angle of 80 °.
【請求項21】 前記分極方向と前記基板の表面とが1
°〜5°の角度を有する請求項13に記載の分極反転部
の製造方法。
21. The polarization direction and the surface of the substrate are 1
The method for manufacturing a domain-inverted portion according to claim 13, wherein the angle has an angle of 5 to 5 degrees.
【請求項22】 強誘電体結晶の基板の表面に形成した
第1の電極と第2の電極との間の前記表面に前記強誘電
体結晶よりも抵抗値の低い低抵抗部分を形成する工程
と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印
加することにより、前記強誘電体結晶の分極方向に分極
反転部を成長させる工程とを含むことを特徴とする分極
反転部の製造方法。
22. A step of forming a low resistance portion having a lower resistance value than the ferroelectric crystal on the surface between the first electrode and the second electrode formed on the surface of the ferroelectric crystal substrate. And applying a voltage between the first electrode and the second electrode to grow a domain-inverted portion in the direction of polarization of the ferroelectric crystal. How to manufacture the part.
【請求項23】 前記低抵抗部分をイオン交換を含む工
程により形成する請求項22に記載の分極反転部の製造
方法。
23. The method according to claim 22, wherein the low resistance portion is formed by a process including ion exchange.
【請求項24】 2以上の前記低抵抗部分を前記第1の
電極と前記第2の電極との間にほぼ等間隔に配置する請
求項22に記載の分極反転部の製造方法。
24. The method according to claim 22, wherein the two or more low-resistance portions are arranged at substantially equal intervals between the first electrode and the second electrode.
【請求項25】 前記分極方向と前記表面とが実質的に
平行である請求項22に記載の分極反転部の製造方法。
25. The method according to claim 22, wherein the polarization direction and the surface are substantially parallel.
【請求項26】 前記強誘電体結晶の分極方向と前記表
面とが1°〜5°の角度を有する請求項22に記載の分
極反転部の製造方法。
26. The method according to claim 22, wherein the polarization direction of the ferroelectric crystal and the surface have an angle of 1 ° to 5 °.
【請求項27】 前記低抵抗部分を金属により形成する
請求項26に記載の分極反転部の製造方法。
27. The method according to claim 26, wherein the low resistance portion is formed of a metal.
【請求項28】 前記低抵抗部分が、前記表面において
前記分極方向に沿った方向に10μm〜30μmの長さを
有する請求項27に記載の分極反転部の製造方法。
28. The method according to claim 27, wherein the low resistance portion has a length of 10 μm to 30 μm in a direction along the polarization direction on the surface.
【請求項29】 強誘電体結晶の基板の表面に凹部を形
成する工程と、前記凹部内に第1の電極を形成する工程
と、前記第1の電極と前記表面に形成された第2の電極
との間に電圧を印加することにより、前記第1の電極か
ら前記強誘電体結晶の分極方向に分極反転部を成長させ
る工程とを含むことを特徴とする分極反転部の製造方
法。
29. A step of forming a concave portion on the surface of the ferroelectric crystal substrate, a step of forming a first electrode in the concave portion, and a step of forming the first electrode and the second electrode formed on the surface. Growing a domain-inverted part from the first electrode in the polarization direction of the ferroelectric crystal by applying a voltage between the electrode and the electrode.
【請求項30】 前記凹部の深さが0.1μm以上であ
る請求項29に記載の分極反転部の製造方法。
30. The method according to claim 29, wherein the depth of the concave portion is 0.1 μm or more.
【請求項31】 強誘電体結晶の基板の前記表面に絶縁
膜を形成する工程と、前記表面に前記絶縁膜を貫通する
凹部を形成する工程と、前記表面の少なくとも前記凹部
を含む領域に導電膜を形成する工程と、前記凹部内の前
記導電膜を第1の電極としてこの第1の電極と前記表面
に形成した第2の電極との間に電圧を印加することによ
り前記第1の電極から前記強誘電体結晶の分極方向に分
極反転部を成長させる工程とを含むことを特徴とする分
極反転部の製造方法。
31. A step of forming an insulating film on the surface of the ferroelectric crystal substrate, a step of forming a concave portion penetrating the insulating film on the surface, and forming a conductive film on at least a region of the surface including the concave portion. Forming a film, and applying a voltage between the first electrode and the second electrode formed on the surface using the conductive film in the recess as a first electrode to form the first electrode Growing a domain-inverted portion in the direction of polarization of the ferroelectric crystal.
【請求項32】 前記分極方向と前記表面とが実質的に
平行である請求項29〜31のいずれかに記載の分極反
転部の製造方法。
32. The method according to claim 29, wherein the polarization direction and the surface are substantially parallel to each other.
【請求項33】 前記分極方向と前記表面とが1°〜5
°の角度を有する請求項29〜31のいずれかに記載の
分極反転部の製造方法。
33. The angle between the polarization direction and the surface is 1 ° to 5 °.
The method for producing a domain-inverted portion according to any one of claims 29 to 31, which has an angle of °.
【請求項34】 強誘電体結晶の基板の表面に第1の電
極を形成する工程と、前記第1の電極を含む前記表面に
絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の表面上であって
前記第1の電極を形成した位置とは異なる位置に第2の
電極を形成する工程と、前記第1の電極と前記第2の電
極との間に電圧を印加することにより前記第1の電極か
ら前記強誘電体結晶の分極方向に分極反転部を成長させ
る工程とを含むことを特徴とする分極反転部の製造方
法。
34. A step of forming a first electrode on a surface of a ferroelectric crystal substrate, a step of forming an insulating film on the surface including the first electrode, and a step of forming a first electrode on the surface of the insulating film. Forming a second electrode at a position different from the position at which the first electrode is formed, and applying a voltage between the first electrode and the second electrode to form the first electrode. Growing a domain-inverted portion from an electrode in the direction of polarization of the ferroelectric crystal.
【請求項35】 前記絶縁膜の膜厚を0.2μm〜1μm
とする請求項34に記載の分極反転部の製造方法。
35. The insulating film has a thickness of 0.2 μm to 1 μm.
The method for manufacturing a domain-inverted portion according to claim 34.
【請求項36】 前記分極方向と前記表面とが、1°〜
5°の角度を有する請求項34に記載の分極反転部の製
造方法。
36. The polarization direction and the surface may have an angle of 1 ° or more.
35. The method according to claim 34, wherein the polarization inversion portion has an angle of 5 [deg.].
【請求項37】 強誘電体結晶の基板の表面に、櫛形の
第1の電極と前記櫛形が伸長する方向に配置された第2
の電極とからなる電極対を前記櫛形が同一の方向を向く
ように2以上形成する工程と、前記第1の電極と前記第
2の電極との間に電圧を印加することにより、前記第1
の電極の櫛形から前記第2の電極側へと分極反転部を成
長させる工程とを含むことを特徴とする分極反転部の製
造方法。
37. A first electrode in the form of a comb and a second electrode arranged in a direction in which the comb extends in a surface of the substrate of the ferroelectric crystal.
Forming two or more electrode pairs each including the first electrode and the second electrode such that the comb shape faces in the same direction; and applying a voltage between the first electrode and the second electrode to form the first electrode.
Growing a domain-inverted portion from the comb shape of the electrode to the second electrode side.
【請求項38】 前記電極対における前記第1の電極と
前記第2の電極との間隔を100μm〜1000μmとす
る請求項37に記載の分極反転部の製造方法。
38. The method according to claim 37, wherein an interval between the first electrode and the second electrode in the electrode pair is 100 μm to 1000 μm.
【請求項39】 隣接する前記電極対の間隔を100μ
m〜200μmとする請求項37に記載の分極反転部の製
造方法。
39. An interval between adjacent electrode pairs is 100 μm.
The method for producing a domain-inverted portion according to claim 37, wherein the thickness is from m to 200 m.
【請求項40】 前記第1の電極の上であって前記第2
の電極の下に絶縁膜を形成する工程をさらに含む請求項
37に記載の分極反転部の製造方法。
40. The method according to claim 40, further comprising:
38. The method according to claim 37, further comprising forming an insulating film below the electrode.
【請求項41】 請求項1〜40のいずれかに記載の方
法により、強誘電体結晶の基板に、実質的に平行な層を
なすように2以上の分極反転部を形成することを特徴と
する光波長変換素子の製造方法。
41. The method according to claim 1, wherein two or more domain-inverted portions are formed on the substrate of the ferroelectric crystal so as to form substantially parallel layers. Of manufacturing an optical wavelength conversion element.
【請求項42】 請求項1〜40のいずれかに記載の方
法により形成される実質的に平行な層をなす2以上の分
極反転部を、強誘電体結晶の基板に含むことを特徴とす
る光波長変換素子。
42. A ferroelectric crystal substrate comprising at least two domain-inverted portions forming substantially parallel layers formed by the method according to claim 1. Description: Light wavelength conversion element.
【請求項43】 強誘電体結晶の基板と、互いに実質的
に平行な層をなすように前記基板内に形成された分極反
転部と、前記基板の表面近傍の前記分極反転部内に形成
された分極反転安定化部とを含むことを特徴とする光波
長変換素子。
43. A ferroelectric crystal substrate, a domain-inverted portion formed in the substrate so as to form layers substantially parallel to each other, and a domain-inverted portion formed in the domain-inverted portion near the surface of the substrate. An optical wavelength conversion element comprising a polarization inversion stabilizing section.
【請求項44】 前記分極反転安定化部が、前記分極反
転部のイオン交換を含む工程により形成される請求項4
3に記載の光波長変換素子。
44. The polarization inversion stabilizing section is formed by a step including ion exchange of the polarization inversion section.
4. The optical wavelength conversion element according to 3.
【請求項45】 分極方向と基板表面とが実質的に平行
である強誘電体結晶の基板と、前記表面に沿って前記基
板内に形成された光導波路と、前記光導波路を周期的に
横断するように前記基板内に形成された深さが2μm以
上である2以上の分極反転部とを含むことを特徴とする
光波長変換素子。
45. A substrate of a ferroelectric crystal having a polarization direction substantially parallel to the substrate surface, an optical waveguide formed in the substrate along the surface, and periodically traversing the optical waveguide. An optical wavelength conversion element, comprising: two or more domain-inverted portions having a depth of 2 μm or more formed in the substrate.
【請求項46】 前記基板の厚さが0.4mm以下である
請求項45に記載の光波長変換素子。
46. The optical wavelength conversion device according to claim 45, wherein the thickness of the substrate is 0.4 mm or less.
【請求項47】 分極方向と基板表面とが1°〜5°の
傾きを有する強誘電体結晶の基板と、前記基板表面に垂
直であって前記分極方向に沿った断面において層状構造
を形成するように前記表面から前記分極方向へと伸長す
る2以上の分極反転部とを含むことを特徴とする光波長
変換素子。
47. A ferroelectric crystal substrate having a polarization direction and an inclination of 1 ° to 5 ° between the substrate surface and a layered structure formed in a cross section perpendicular to the substrate surface and along the polarization direction. An optical wavelength conversion element comprising two or more polarization inversion portions extending from the surface in the polarization direction.
【請求項48】 光導波路が前記断面を周期的に横切る
ように前記基板表面に形成されている請求項47に記載
の光波長変換素子。
48. The optical wavelength conversion device according to claim 47, wherein an optical waveguide is formed on the surface of the substrate so as to periodically cross the cross section.
【請求項49】 強誘電体結晶基板の表面に形成された
凹部と、前記凹部を一方の端部として前記強誘電体結晶
の分極方向へと伸長する分極反転部とを含むことを特徴
とする光波長変換素子。
49. A semiconductor device comprising: a concave portion formed on a surface of a ferroelectric crystal substrate; and a domain-inverted portion having the concave portion as one end and extending in a polarization direction of the ferroelectric crystal. Light wavelength conversion element.
【請求項50】 前記分極方向と前記表面とが実質的に
平行である請求項49に記載の光波長変換素子。
50. The optical wavelength conversion device according to claim 49, wherein the polarization direction and the surface are substantially parallel.
【請求項51】 前記分極方向と前記表面とが1°〜5
°の角度を有する請求項50に記載の光波長変換素子。
51. The polarization direction and the surface are 1 ° to 5 °.
The light wavelength conversion element according to claim 50, wherein the light wavelength conversion element has an angle of °.
【請求項52】 強誘電体結晶の基板と、前記基板の表
面に形成された第1の電極と、前記第1の電極を含む前
記表面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上であって前
記第1の電極を形成した位置とは異なる位置に形成され
た第2の電極と、前記第1の電極を一方の端部として前
記強誘電体結晶の分極方向に沿って前記第2の電極側へ
と伸長する分極反転部とを含むことを特徴とする光波長
変換素子。
52. A ferroelectric crystal substrate, a first electrode formed on a surface of the substrate, an insulating film formed on the surface including the first electrode, and A second electrode formed at a position different from the position where the first electrode is formed, and the second electrode along the polarization direction of the ferroelectric crystal with the first electrode as one end. An optical wavelength conversion element comprising: a polarization reversal part extending to an electrode side.
【請求項53】 前記絶縁膜の膜厚が0.1μm〜1μm
である請求項52に記載の光波長変換素子。
53. The insulating film has a thickness of 0.1 μm to 1 μm.
The optical wavelength conversion device according to claim 52, wherein:
【請求項54】 強誘電体結晶の基板と、各々が櫛形の
第1の電極と前記櫛形が伸長する方向に配置された第2
の電極とからなり前記櫛形が同一の方向を向くように前
記基板の表面に形成された2以上の電極対と、前記第1
の電極の前記櫛形部分を一方の端部として前記強誘電体
結晶の分極方向に沿って前記第2の電極側へと伸長する
分極反転部とを含むことを特徴とする光波長変換素子。
54. A ferroelectric crystal substrate, a first electrode each having a comb shape, and a second electrode arranged in a direction in which the comb shape extends.
And two or more electrode pairs formed on the surface of the substrate so that the comb shape faces in the same direction.
A polarization inversion portion extending to the second electrode side along the polarization direction of the ferroelectric crystal with the comb-shaped portion of the electrode as one end.
【請求項55】 請求項42〜54のいずれかに記載の
光波長変換素子と半導体レーザとを含み、前記半導体レ
ーザから出射された光を前記光波長変換素子により波長
変換することを特徴とする光発生装置。
55. A light wavelength conversion device comprising: the light wavelength conversion device according to claim 42; and a semiconductor laser, wherein light emitted from the semiconductor laser is wavelength-converted by the light wavelength conversion device. Light generator.
【請求項56】 請求項55に記載の光発生装置と集光
光学系と記録メディアとを含む光ピックアップであっ
て、前記光発生装置から出射された光を前記集光光学系
により前記記録メディア上に集光することを特徴とする
光ピックアップ。
56. An optical pickup comprising the light generating device according to claim 55, a light collecting optical system, and a recording medium, wherein the light emitted from the light generating device is recorded on the recording medium by the light collecting optical system. An optical pickup characterized by focusing light on the top.
【請求項57】 分極方向と基板表面とが1°〜5°の
傾きをなす強誘電体結晶の基板と、前記基板表面に垂直
であって前記分極方向に沿った断面において層状構造を
形成するように前記表面から前記分極方向へと伸長する
2以上の分極反転部とを含むことを特徴とする回折素
子。
57. A ferroelectric crystal substrate having a polarization direction and a substrate surface inclined at 1 ° to 5 °, and a layered structure is formed in a cross section perpendicular to the substrate surface and along the polarization direction. And at least two domain-inverted portions extending from the surface in the polarization direction.
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