WO2006041176A1

WO2006041176A1 - 分極反転構造の製造方法および分極反転構造

Info

Publication number: WO2006041176A1
Application number: PCT/JP2005/018993
Authority: WO
Inventors: Shoichiro Yamaguchi; Yuichi Iwata; Kengo Suzuki
Original assignee: Ngk Insulators, Ltd.; Ngk Optoceramics Co., Ltd.
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2006-04-20
Also published as: JPWO2006041176A1; US7522791B2; US20070258131A1; JP4756706B2; EP1801644A4; EP1801644A1; EP1801644B1

Abstract

電圧印加法によって分極反転部を製造するのに際して、櫛型電極の先端付近におけるダメージを低減し、各分極反転部の幅のバラツキを小さくする。単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた、複数の電極部と給電部とを有する櫛型電極を用いて、電圧印加法により分極反転構造を製造する。各電極部５が分極反転構造の各分極反転部に対応している。電極部５が、電極部５の長手方向Ｅに対して交差する方向Ｆに向かって配列され、互いに離間された複数列の低抵抗片１２ａ～１２ｅ、１３ａ～１３ｅ、１４ａ～１４ｅ、１５ａ～１５ｅ、１６ａ～１６ｅを備えている。

Description

明細書

分極反転構造の製造方法および分極反転構造発明の属する技術分野

本発明は、電圧印加法により分極反転部を製造する方法に関するものである。

背景技術

ニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶などの強誘電体非線型光学結晶に、周期的な分極反転構造を形成することによって、その周期に対応した第 2高調波（S HG : S e c o nd -H a rmo n i c一 G e n e r a t i o n) を発生させることが可能である。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムな.どの結晶は、光導波路化も容易に行えるので、高効率、小型の第 2高調波発生デバイスを実現することが可能である。このデバイスは、基本光といわれる励起レーザさえあれば、紫外から可視さらには赤外域などの波長の光を発生させることができ、医学用、光化学用、及び各種光計測用などの幅広い応用が可能である。第 2高調波発生デバイスにおいて高い変換効率を得るためには、強誘電体単結晶内に深い分極反転構造を形成する必要がある。特開平 1 1一

7 2 8 0 9号公報に記載された方法では、基板表面を強誘電体結晶の分極軸に対して 3 ° 傾斜させ、かつ基板の表面に櫛形電極と棒状電極とを形成し、櫛形電極の各電極片の先端と棒状電極との間に幾つかの低電気抵抗部分を形成している。そして、櫛形電極と棒状電極との間に直流電圧を印加すると、櫛形電極の電極片に対応して分極反転部が形成されるのと共に、各低電気抵抗部分にもそれぞれ対応して分極反転部が形成されるとしている（図 2 8 )。発明の開示

しかし、従来の方法では、例えば周期 1 0 z m程度以上の周期状分極反転構造を得ようとすると、櫛型電極の先端部分で電圧印加によるダメージが生じる場合があった。また、ウェハ表面上において、反転部の幅が、櫛型電極の最先端部分と根本部分との間で異なっていた。即ち、櫛型電極の先端部分で反転部の幅が広がりやすく、根本の部分では電界が弱くなるので、反転部の幅が狭くなる傾向にあった。

そして、周期状分極反転の理想的な形態としては、分極反転部の幅が一定であることが望ましい。なぜなら、通常、周期分極反転構造は、 5 度オフカット基板のように、基板を構成する強誘電体結晶の分極軸が基板表面に対して傾斜する基板に形成する。従って、基板表面において各分極反転部の幅が変化していると、基板表面から潜った内部においては、分極反転部の幅が深さ方向に向かって変化しているはずである。このような分極反転部の幅のバラヅキは高周波変調特性を劣化させる。

本発明の課題は、いわゆる電圧印加法によって分極反転部を製造するのに際して、櫛型電極の先端付近における絶縁破壊によるウェハのクラック状のダメージを低減し、各分極反転部の幅のバラツキを小さくすることである。

本発明は、単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた、複数の電極部と給電部とを有する櫛型電極を用いて、電圧印加法により分極反転構造を製造する方法であって、

各電極部が分極反転構造の各分極反転部に対応しており、電極部が、電極部の長手方向に対して交差する方向に向かって配列され、互いに離間された複数列の低抵抗片を備えていることを特徴とする。

また、本発明は、この方法によって製造されたことを特徴とする、分極反転構造に係るものである。本発明によれば、各電極部が、電極部の長手方向に対して交差する方向に向かって配列され、互いに離間された複数列の低抵抗片を備えている。

即ち、櫛型電極の各電極部は、それそれ分極反転構造の各反転部に一対一対応しており、従って隣接する電極部間にはギャップがある。これに対して、本発明においては、各電極部の内部において、電極部の幅方向に向かって電極片を分離し、複数列の低抵抗片を設けた。これによつて、櫛型電極の先端部分への電荷の集中を緩和することができるので、基板にダメージを与えることなく、均一な分極反転形状が得られやすくなるという作用効果を確認し、本発明に到達した。図面の簡単な説明 ·

図 1は、本発明の一例で使用する櫛型電極 3および対向電極 1のパ夕 —ンを概略的に示す平面図である。

図 2は、図 1の櫛型電極を拡大して示す写真である。

図 3は、低抵抗片配列部 1 0のパターン例を示す平面図である。

図 4は、他の実施形態に係る低抵抗片配列部 1 7のパターン例を示す平面図である。

図 5は、電圧印加法を説明するための模式的斜視図である。

図 6は、本発明の方法によって得られた周期分極反転構造のパターンを示す平面図である。

• 図 7は、比較例の方法によって得られた周期分極反転構造のパターンを示す平面図であり、分極反転部の幅が著しく変化している。

図 8は、北較例の方法によって得られた周期分極反転構造のパターンを示す平面図であり、電極の先端エッジに沿って黒いクラックが発生している。図 9は、比較例の方法によって得られた周期分極反転構造のパターンを示す平面図であり、分極反転部の長さと幅とに大きなバラツキが見られ o 発明を実施するための最良の形態

図 1は、基板上に設けられた電極のパターンを示す平面図である。図 2は、図 1で示した櫛型電極の電極部の平面的パターンを示す写真であり、図 3は、各電極部の先端部分の拡大図であり、図 5は、電圧印加法の適用方法を示す斜視図である。

分極反転部を製造する際には、例えば強誘電体単結晶からなるオフ力ット基板を基板 8として使用する。強誘電体単結晶の分極方向 Aは、表面 8 aおよび裏面 8 bに対して所定角度、例えば 5 ° 傾斜しているので、この基板 8はオフ力ット基板と呼ばれている。

基板 8の表面 8 aに櫛型電極 3および対向電極 1を形成し、裏面 8 b に一様電極 9を形成する。櫛型電極 3は、周期的に配列された多数の細長い電極部 5と、多数の電極部 5の付け根を接続する細長い給電部 2とからなる。対向電極 1は細長い電極片からなつており、対向電極 1は、電極部 5の先端に対向するように設けられている。

最初に基板 8の全体を非分極反転方向 Aに分極させておく。そして、櫛型電極 3と対向電極 1との間に V 1の電圧を印加し、櫛型電極 3と一様電極 9との間に V 2の電圧を印加すると、分極反転部が各電極部 5から方向 Bと平行に徐々に進展する。分極反転方向 Bは、非分極反転方向 Aとは正反対になる。なお、電極部に対応しない位置、すなわち隣接する分極反転部の間には、分極反転していない非分極反転部が残留する。このようにして、分極反転部と非分極反転部とが交互に配列された周期分極反転構造が形成される。周期分極反転構造が形成された位置に光導波路を形成することができる。

特に図 1に示すように、基板 8の表面 8 aに櫛型電極 3および対向電極 1を形成し、裏面 8 bに一様電極 9を形成する。櫛型電極 3は、周期的に配列された多数の細長い電極部 5と、多数の電極部 5の付け根を接続する細長い給電部 2とからなる。対向電極 1は細長い対向電極片からなっており、対向電極は、電極部 5の先端に対向するように設けられている。

最初に基板 8の全体を非分極反転方向 Aに分極させておく。そして、櫛型電極 3と対向電極 1 との間に V 1の電圧を印加し、櫛型電極 3と一様電極 9との間に V 2の電圧を印加すると、分極反転部が各電極部 5 A から方向 Bと平行に徐々に進展する。分極反転方向 Bは、非分極反転方向 Aとは正反対になる。

本例においては、特に図 1、図 3に示すように、各電極部 5が、給電部 2から延びる基部 7と、基部 7から分離された先端側の低抵抗片配列部 1 0とを備えている。

各低抵抗片配列部 1 0は、図 3に示すように、縦横に分離された複数の低抵抗片からなつている。即ち、本例においては、隣接する低抵抗片配列部 1 0の間にはギャップ 1 1が設けられている。そして、各低抵抗片配列部 1 0は、電極部 5の長手方向 Eに対して直交する方向 Fに離間された複数列の低抵抗片を備えている。これとともに、配列部 1 0は、電 ¾部 5の長手方向 Eに離間された複数列の低抵抗片を備えている。具体的には、電極部 5の先端側から見て、 1列めには低抵抗片 1 2 a、 1 2 b、 1 2 c、 1 2 d、 1 2 eが設けられており、 2列めには低抵抗片 1 3 a、 1 3 b、 1 3 c、 1 3 d、 1 3 eが設けられており、 3列めには低抵抗片 1 4 a、 1 4 b、 1 4 c、 1 4 d、 1 4 eが設けられており、 4列めには低抵抗片 1 5 a、 1 5 b、 1 5 c、 1 5 d、 1 5 eが設けられており、 5列めには低抵抗片 1 6 a、 1 6 b、 1 6 c、 1 6 d、 1 6 eが設けられている。 Cは矢印 E方向のギャップであり、 Dは矢印 F方向のギヤップである。

例えば 1列めにおいて、低抵抗片 12 a、 12 b、 1 2 c, 1 2 d、 12 eは、電極部 5の長手方向 Eに対して略垂直な方向 Fに向かって離間され、配列されている。 2〜 5列めにおいても同様である。

このような構造とすると、特に電極部 5の先端側において、電荷の集中が抑制され、電極部 5の先端から発生するダメージが少なくなり、配列部 10に沿って比較的に長距離にわたって、反転部め幅を一定に近くすることができる。

本発明においては、電極部が、電極部の長手方向 Eに対して交差する方向 Fに向かって配列され、互いに離間された複数列の低抵抗片を備えている。ここで、好ましくは、図 3の例に示すように、複数列の低抵抗片が、電極部の長手方向 Eに対して直交する方向 Fに向かって配列され、離間されている。複数列の低抵抗片の配列方向 Fは、長手方向 Eに対して直交することは必須ではないが、本発明の観点から、 Eと Fとがなす角は 85〜95° であることが好ましく、 88〜92° であることが更に好ましい。

本発明において好ましくは、例えば図 3の例に示すように、各電極部が、電極部の長手方向 Eに向かって離間された複数の低抵抗片を備えている。しかし、この要件は必須ではない。例えば図 4に示す例では、電極部 17が、方向 Fに向かって離間され、配列された複数列の低抵抗片 1 7 a、 17 b、 17 c、 17 d、 17 eを備えている。しかし、各低抵抗片 1 7 a〜 1 7 eは、長手方向 Eに向かっては離間されていない。本発明において、給電部 2 (図 1参照）と対向電極 1との間隔 Lは特に限定されないが、たとえは、 0. 2〜lmmが好ましい。 Lは 1. 0 mmを超えても良いが、限られた基板面積内で、 Lを大きくし過ぎると、デバイスの取り数が少なくなるので、 1 mm以下が適当な大きさである。また、分極反転部の周期は特に限定されない。しかし、分極反転周期が 5 ^m、更には 1 0〃m以上となると、電極部先端エッジにおけるクラヅクゃ分極反転部の幅のバラツキが生じ易くなる。このことから、本発明は、分極反転周期 5 /m、更には 1 0〃m以上のときに特に有用であ好適な実施形態においては、各電極部 5が、例えば図 1に示すように、連続した基部 7と、矢印: Ε方向に離間された複数の低抵抗片からなる低抵抗片配列部 1 0とを備えている。このような基部 7を設けず、電極部の全長にわたって低抵抗片を離間するギヤップを設けることもできるが、この場合には電極の先端部分に電流を流し難いので、ある程度連続した基部 7を設けることが好ましい。この観点から、基部 7の長さ Ηの電極部全長 Gに対する割合 H//Gは、 0. 1以上とすることが好ましく、 0. 1 5以上とすることが更に好ましい。

一方、電極部 5の全長にわたってギャップを設けない場合には、電極部 5の先端への電流供給量が多くなり、絶縁破壊が生じ易くなるので、この観点からは、基部 7の長さ Ηの電極部全長 Gに対する割合 H/Gは、 0. 5以下とすることが好ましく、 0. 3以下とすることが更に好ましい。

矢印 Ε方向に隣接する各低抵抗片のギャップ C (図 3参照）は、本発明の作用効果の観点からは、 0. 3〜 3〃mであることが好ましく、 1 〜2 /mであることが更に好ましい。また、矢印 F方向に隣接する各低抵抗片のギャップ D (図 3参照）は、本発明の作用効果の観点からは、 0. 3〜 2〃mであることが好ましく、 0. 3〜； L / mであることが更に好ましい。低抵抗片、例えば 1列目の各低抵抗片 1 2 a、 1 2 b、 1 2 c、 1 2 d、 1 2 e , あるいは 2列目以降の各低抵抗片幅は、本発明の作用効果の観点からは 0. 3〜 2 /mであることが好ましく、 0. 4〜： L . 5〃 mであることが更に好ましい。また、低抵抗片、例えば 1列目の 1 2 a、 1 2 b、 1 2 c、 1 2 d、 1 2 e、あるいは 2列目以降の各低抵抗片の長さは 4〜 2 0 zmであることが好ましく、 6〜 1 0〃mであることが更に好ましい。

また、一列目の低抵抗片 1 2 a〜 1 2 eから基部 7に向けて、低抵抗片の長さを長くしていく方が更に好ましい。

矢印 F方向における低抵抗片の列数は 2列以上であればよく、特に限定されない。この列数が多いほど、電極部先端部における電荷の集中が低減されるので、この観点からは矢印 F方向における低抵抗片の列数は 4列以上であることが好ましい。ただし、低抵抗片の列数が多くなり過ぎると、低抵抗片のパターン形成が難しくなつたり、また、効果があまり見られなくなつたりするので、例えば周期 1 0 mの場合 8列以下であることが好ましい。周期が 1 0 zm以上の広い場合にはこの限りではない。

低抵抗片の形成実現方法としては、酸素欠損層を形成して基板の表面に導電性を持たせるような処理をする方法もあるが、 A 1、 C r一 Au、 Ag：、 C r、 Cu、 N i、 N i— C r、 P d、 T a、 Moなどの金属材でパターニングする方が精度良く形成できるので、好ましい。

基板を構成する強誘電体単結晶の種類は限定されない。しかし、ニォブ酸リチウム（L i Nb 0₃)、タンタル酸リチウム（L i T a 0₃)、ニオブ酸リチウム一夕ン夕ル酸リチウム固溶体、 K ₃ L i ₂ N b ₅0丄 ₅ の各単結晶が特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（M g )、亜鉛（Z n )、スカンジウム（ S c ) 及びインジウム（ I n ) からなる群より選ばれる 1種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザ発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特に N d、 E r、 T m、 H o、 D y、 P rが好ましい。

いわゆるオフカツト基板を用いることで、オフカットではない Xカヅトゃ y基板に比べて、深い反転構造を得ることができる。オフカット角度が 5度程度の僅かな傾きであれば、通常、 TE モードで出射する半導体レ一ザとの光軸調整も、オフカット分の角度補正をしなくても、偏波面の不整合による効率劣化が少なく、高効率な波長変換特性を得ることができる。但し、オフカット角が大きくなれば偏波不整合による効率劣化分が大きくなるので、そのような場合は、偏波面が合うように角度補正をする必要がある。

このオフカツト角度は特に限定されない。特に好ましくは、オフカヅト角度は 1 ° 以上であり、あるいは、 2 0 ° 以下である。

また、基板として、いわゆる Xカット基板、 Yカット基板、 Zカット基板を使用可能である。 Xカツト基板や Yカツト基板を使用する場合には、一様電極を基板裏面に設けず、一表面上に設け、櫛型電極と一様電極との間に電圧を印加することができる。この場合には、対向電極はなくともよいが、浮動電極として残しておいても良い。また、 Zカット基板を使用する場合には、一様電極を裏面上に設け、櫛型の電極と一様電極との間に電圧を印加することができる。この場合には、対向電極は必ずしも必要ないが、浮動電極として残しておいても良い。実施例

(実施例 1 )

図 1〜図 3、図 5を参照しつつ説明した方法に従い、電圧印加法によつて周期分極反転構造を形成した。ただし、給電部 2と対向電極 1 との間隔 Lを 4 0 0〃mとし、分極反転周期を 1 8〃mとし、電極部 5の全長 Gを 1 5 0 mとし、基部 7の長さ Hを 6 0 z mとし、方向 Eに見たときのギャップ Cの個数を 1 0個とし（ 1 1列）、方向 Fに見たときのギャヅプ Dの個数を 4個（ 5列）とし、ギヤップ Cの大きさを 1〃mとし、ギヤヅプ Dの大きさを 0 . 5〃mとした。図 2は、実際にパターニングした時の櫛型電極部分の拡大写真である。この実施例では、 T a金属を用いてパ夕一ニングしている。

この電極パターンを基板の表面に形成し、基板の裏面に一様電極をパ夕一ニングして、図 5に示すような形態で電圧印加を行った。なお、図 5においては、櫛型電極と対向電極間に電圧 VI を供給する系としているが、実際の電圧印加において、 VIは供給せず、また、配線しなくても分極反転が形成できたので、以下の説明においては V2のみの電圧印加条件を示す。

使用した基板は、分極反転の形状が見やすく、また、実素子にしたときに分極反転が基板の厚さ方向に深いものが形成された方が好ましいので、 MgOがドープされた LiNbO₃の 5度のオフ yカヅト基板を用いた。 MgOがド一プされた基板は、ノンド一プの LiNbO₃基板に比べて、光損傷耐性が強く、高出力の波長変換素子を得ることができる。オフカット角の 5度は、さらにオフカット角度がついた基板であれば、分極反転を深くすることができるが、実装において、あまりにも角度が大きくなると、励起光との角度調整をしなければ波長変換効率が低くなるので、角度調整を厳密にしなくても高効率に波長変換可能な角度として、 5 度のものを使用した。基板厚は 0.5mmのものを使用した。

電圧印加条件として、 V2 としてバイアス電圧 1.6kVを重畳しつつ、 1.6kVのパルス幅 100msecのパルス電圧を 20回、パルス間隔を 1秒で給電処理した結果、図 6に示すような反転形状が形成できた。ただし、図 6に示す形状は、ふつ硝酸で基板表面をエッチング処理して得られたものである。

(比較例 1 )

実施例 1と同様にして周期分極反転構造を形成した。

ただし、矢印 F方向へと複数列の低抵抗片を分離することはせず、各電極部 5ごとに一列とした。得られた基板表面をふつ硝酸でエッチング処理し、図 7に示す形態を得た。ただし、図 6と図 7で反転部の輪郭が異なっているのは、弗硝酸のエッチング条件が異なっているためである。図 6に示す実施例では、電極の先端部から根元部分に向けて、幅の揃つた形状ができており、均一性が高いことが分かる。図 7に示す比較例では、電極の先端部が最も電界強度が強まるため、反転されやすく、幅が広がりやすい傾向にある。これに対して、図 6の例では、隙間を設けることで、各電極部分の電界が均一化しやすいので、反転形状が整いやすいと思われる。 LiNbO₃ を用いた波長変換素子においては、分極反転の形状が均一であることが望ましく、高効率な素子が期待できる。

また、比較例 1の方法で形成されたパターンの他の例を図 8、図 9に示す。

図 8の比較例では、電極の先端エッジに黒いダメージ部分（クラック）が発生している。図 9の比較例では、反転部の長さのバラヅキが大きレ、。矢印 F方向にギヤップの設けられていない比較例の電極では、電圧印加時に電極先端部分に過度に電荷が集中しやすいことになるので、基板の絶縁破壊を引き起こして、図 8に黒っぽく観察されるようなクラックを生じさせることがある。このようなクラックは 1 を超える広い周期的分極反転を形成する時に生じやすく、 10 m程度未満の周期においては生じにくい。さらに周期 5 Π1未満であれば全く生じない。しかし、周期 1 0 / mの分極反転を形成するときに、図 8に観られるようなクラックが生じないまでも、櫛型電極のある一部分で電荷が集中しゃすいという状況においては、その部分で反転が進みやすくなるので、図 9 に示すような反転形状のバラヅキが生じることになる。

(実施例 2 )

実施例 1 と同様にして周期分極反転構造を形成した。ただし、櫛型電極のパターンは図 4に示すようにし、矢印 E方向のギャップをなくした。この結果、電極の先端部から根元部分に向けて、幅の揃った形状ができており、またクラックも生じなかった。

Claims

請求の範囲

1 . 単分域化している強誘電体単結晶基板の一表面上に設けられた、複数の電極部と給電部とを有する櫛型電極を用いて、電圧印加法により分極反転構造を製造する方法であって、

前記各電極部が前記分極反転構造の各分極反転部に対応しており、前記電極部が、前記電極部の長手方向に対して交差する方向に向かって配列され、互いに離間された複数列の低抵抗片を備えていることを特徴とする、分極反転構造の製造方法。

2 . 前記各電極部が、前記電極部の長手方向に向かって離間された複数の低抵抗片を備えていることを特徴とする、請求項 1記載の方法。

3 . 請求項 1または 2記載の方法によって製造されたことを特徴とする、分極反転構造。