WO2016021272A1 - 分極反転方法及び分極反転処理装置 - Google Patents

分極反転方法及び分極反転処理装置 Download PDF

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松下　浩二
大登　正敬
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Fuji Electric Co Ltd
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices 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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation

Definitions

  • Patent Document 1 describes a method of periodically forming a domain-inverted region in a ferroelectric crystal.
  • this method first, an insulating film is formed on the first main surface of the ferroelectric crystal. Then, after a plurality of openings are periodically formed in the insulating film, a first electrode is formed on the ferroelectric crystal located on and within the insulating film. Further, the second electrode is formed on the surface opposite to the first main surface of the ferroelectric crystal. Next, a voltage inversion is periodically formed in the ferroelectric crystal by applying a voltage between the first electrode and the second electrode.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the accuracy of the domain-inverted region when the domain-inverted region is periodically formed in the ferroelectric crystal.
  • a plurality of first electrodes are arranged apart from each other in the first direction on the first surface of the ferroelectric crystal.
  • the second electrode is disposed on the second surface facing the first surface of the ferroelectric crystal so as to face the plurality of first electrodes.
  • a voltage is applied between the first electrode and the second electrode in order to form a domain-inverted structure in the ferroelectric crystal.
  • incident light having light of the first wavelength is incident from the first end surface in the first direction of the ferroelectric crystal while applying a voltage.
  • the light of the first wavelength is wavelength-converted by the above-described polarization inversion structure.
  • emitted from the 2nd end surface facing the 1st end surface of a ferroelectric crystal is measured. Then, based on this intensity, the end timing of voltage application is determined.
  • the accuracy of the domain-inverted region when the domain-inverted region is periodically formed in the ferroelectric crystal, the accuracy of the domain-inverted region can be increased.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a polarization inversion processing device 100 according to the first embodiment, together with a ferroelectric crystal 10.
  • the polarization inversion processing apparatus 100 includes a power source 110, a light source 120, a measurement unit 130, and a control unit 140, and is formed in a ferroelectric domain 10 in a periodically domain-inverted structure.
  • a first electrode 20 is formed on the first surface of the ferroelectric crystal 10
  • a second electrode 30 is formed on the second surface of the ferroelectric crystal 10 that faces the first surface.
  • the power source 110 applies a voltage between the first electrode 20 and the second electrode 30.
  • the light source 120 makes light incident on one of the two end faces (first end face: the left end face in FIG.
  • This incident light includes a wavelength (first wavelength) whose wavelength is converted by the polarization inversion structure of the ferroelectric crystal 10.
  • the measuring unit 130 reverses the polarization of the ferroelectric crystal 10 out of the light (radiated light) emitted from the other end surface in the first direction of the ferroelectric crystal 10 (second end surface: the right end surface in FIG. 1).
  • the intensity of the wavelength component after wavelength conversion by the structure is measured.
  • the control unit 140 determines the end timing of voltage application by the power source 110 based on the intensity measured by the measurement unit 130. Details will be described below.
  • a portion of the conductive film 24 located in the opening of the insulating film 22 is the first electrode 20.
  • the plurality of first electrodes 20 are connected to each other through a portion of the conductive film 24 located on the insulating film 22.
  • the conductive film 24 is a metal film such as an Al film, and is formed using, for example, a sputtering method.
  • the second electrode 30 is formed on the second surface (eg, -Z surface) of the ferroelectric crystal 10.
  • the second electrode 30 is formed so as to face any of the plurality of first electrodes 20.
  • the second electrode 30 is a metal film such as an Al film, and is formed using, for example, a sputtering method.
  • a power source 110 is connected to the first electrode 20 and the second electrode 30.
  • the power source 110 applies a voltage between the first electrode 20 and the second electrode 30.
  • the power supply 110 is controlled by the control unit 140.
  • the controller 140 controls the power supply 110 to apply a pulse waveform voltage to the first electrode 20 and the second electrode 30.
  • the pulse waveform is rectangular, for example.
  • the light source 120 is a laser light source, for example, and makes light incident on the first end face of the ferroelectric crystal 10. As described above, this light includes the first wavelength component.
  • the first wavelength is a wavelength that is wavelength-converted by the polarization inversion structure of the ferroelectric crystal 10.
  • the light emission of the light source 120 is controlled by the control unit 140.
  • the control unit 140 causes the light source 120 to emit light while the power supply 110 applies a voltage to the first electrode 20 and the second electrode 30.
  • the control unit 140 may cause the light source 120 to emit light in pulses.
  • a wavelength filter 150 may be provided between the second end face of the ferroelectric crystal 10 and the measurement unit 130.
  • the wavelength filter 150 passes light of the second wavelength and cuts light of other wavelengths (including the first wavelength).
  • the wavelength filter 150 may be a filter that cuts light of the first wavelength.
  • the control unit 140 controls the power supply 110 and the light source 120 using the measurement result of the measurement unit 130. Specifically, the control unit 140 ends the application of voltage to the first electrode 20 and the second electrode 30 by the power source 110 when the intensity of the second wavelength light detected by the measurement unit 130 reaches the reference value. To do. At this time, the control unit 140 also ends the operation of the light source 120.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of a detection result by the measurement unit 130.
  • the horizontal axis represents the time t after the power supply 110 applies a voltage between the first electrode 20 and the second electrode 30.
  • the detection value of the measurement unit 130 gradually increases during the initial period. This is because a domain-inverted region is formed in a region between the first electrode 20 and the second electrode 30 in the ferroelectric crystal 10, and this domain-inverted region expands with time t.
  • the detection result of the measurement unit 130 is lowered. This is because the domain-inverted region of the ferroelectric crystal 10 is excessively widened and protrudes from the region sandwiched between the first electrode 20 and the second electrode 30, and the period of domain-inverted collapses.
  • the control unit 140 terminates the operation of the power supply 110 when the measurement result of the measurement unit 130 reaches the reference value.
  • the domain-inverted region of the ferroelectric crystal 10 can be within an appropriate range. That is, the domain-inverted regions can be periodically formed in the ferroelectric crystal 10 with high accuracy.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the polarization inversion processing device 100 according to the second embodiment.
  • the polarization inversion processing device 100 according to the present embodiment has the same configuration as the polarization inversion processing device 100 according to the first embodiment except for the following points.
  • an optical path control unit 122 is provided between the light source 120 and the ferroelectric crystal 10.
  • the optical path controller 122 moves the incident position of the incident light on the first end face of the ferroelectric crystal 10 between the first surface and the second surface (y direction in FIG. 3).
  • the optical path control unit 122 is a galvanometer mirror and a drive unit that rotates the galvanometer mirror.
  • the light source 120 irradiates the galvanometer mirror with incident light. This incident light is reflected by the galvanometer mirror and enters the first end face of the ferroelectric crystal 10.
  • the angle of the reflection surface of the galvanometer mirror with respect to the first end face of the ferroelectric crystal 10 gradually changes. Thereby, the incident position of the incident light on the first end face of the ferroelectric crystal 10 moves between the first surface and the second surface.
  • the configuration of the optical path control unit 122 is not limited to the above example.
  • the optical path control unit 122 changes the direction of the light source 120 to change the incident position of incident light on the first end face of the ferroelectric crystal 10 between the first surface and the second surface (y direction in FIG. 3). It may be moved.
  • a lens 124 is provided between the optical path controller 122 and the first end face of the ferroelectric crystal 10, and a lens 126 is provided between the second end face of the ferroelectric crystal 10 and the wavelength filter 150. Is provided.
  • the lens 124 aligns the light incident on the ferroelectric crystal 10 from the optical path control unit 122 in the first direction (x direction in FIG. 3).
  • the lens 126 causes the radiated light emitted from the second end face of the ferroelectric crystal 10 to enter the wavelength filter 150 and the measurement unit 130.
  • the polarization inversion of the ferroelectric crystal 10 is performed based on the measurement result by the measurement unit 130. An image showing the progress can be generated.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • the incident position of the incident light on the first end face of the ferroelectric crystal 10 moves between the first surface and the second surface.
  • the voltage application by the power source 110 can be terminated when almost the entire thickness direction is inverted. . Accordingly, the domain-inverted regions can be periodically formed in the ferroelectric crystal 10 with higher accuracy.

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Abstract

　電源（１１０）は、第１電極（２０）と第２電極（３０）の間に電圧を印加する。光源（１２０）は、強誘電体結晶（１０）の第１方向（図１におけるｘ方向）における２つの端面の一方（第１端面：図１における左側の端面）に、光を入射する。この入射光には、強誘電体結晶（１０）の分極反転構造によって波長変換される波長（第１波長）が含まれる。測定部（１３０）は、強誘電体結晶（１０）の第１方向の他方の端面（第２端面：図１における右側の端面）から放射された光（放射光）のうち、強誘電体結晶（１０）の分極反転構造によって波長変換された後の波長成分の強度を測定する。そして制御部（１４０）は、測定部（１３０）によって測定された強度に基づいて、電源（１１０）による電圧印加の終了タイミングを判断する。

Description

分極反転方法及び分極反転処理装置
　本発明は、強誘電体結晶に分極反転領域を形成する分極反転方法及び分極反転処理装置に関する。
　強誘電体結晶に分極反転領域を周期的に形成することにより、疑似位相整合素子を形成することが行われている。疑似位相整合素子を用いると、光の波長を例えば短波長側に変換することができる。疑似位相整合素子において、分極反転領域の周期は、変換前の光の波長及び変換後の光の波長によって定まる。言い換えると、分極反転領域の周期は高い精度で管理される必要がある。
　例えば特許文献１には、強誘電体結晶に分極反転領域を周期的に形成する方法が記載されている。この方法では、まず、強誘電体結晶の第１主表面に絶縁膜を形成する。そして、この絶縁膜に複数の開口を周期的に形成した後、この絶縁膜上及び開口内に位置する強誘電体結晶に第１電極を形成する。また、強誘電体結晶の第１主表面とは逆側の面に、第２電極を形成する。次いで、第１電極と第２電極の間に電圧を印加することにより、強誘電体結晶に分極反転領域を周期的に形成する。
特開２０１１－４３６０４号公報
　強誘電体結晶に電圧を印加しておくと、強誘電体結晶のうち電圧が印加されている領域の分極は徐々に反転していく。そして電圧の印加時間が長くなると、分極反転領域は電圧が印加されている領域の周囲まで広がる。このため、強誘電体結晶に高い精度で分極反転領域を形成するためには、電圧の印加時間を適切な範囲に収める必要がある。一方、強誘電体結晶にはある程度のばらつきがあるため、上記した電圧の印加時間の適切な範囲は、個々の強誘電体結晶によって異なる。このため、強誘電体結晶に分極反転領域を周期的に形成する場合において、分極反転領域の精度を高めることは難しかった。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、強誘電体結晶に分極反転領域を周期的に形成する場合において、分極反転領域の精度を高めることにある。
　本発明において、強誘電体結晶の第１面には、複数の第１電極が第１方向に互いに離して配置される。また、強誘電体結晶の第１面に対向する第２面には、第２電極が複数の第１電極に対向するように配置される。そして、強誘電体結晶に分極反転構造を形成するために、第１電極と第２電極の間に電圧を印加する。ここで、電圧を印加しながら、強誘電体結晶の第１方向の第１端面から、第１波長の光を有する入射光を入射する。第１波長の光は、上記した分極反転構造によって波長変換される。また、強誘電体結晶の第１端面に対向する第２端面から放射された放射光のうち、上記した分極反転構造によって波長変換された後の波長の強度を測定する。そして、この強度に基づいて、電圧印加の終了タイミングを判断する。
　本発明によれば、強誘電体結晶に分極反転領域を周期的に形成する場合において、分極反転領域の精度を高めることができる。
　上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
第１の実施形態に係る分極反転処理装置の構成を、強誘電体結晶とともに示す図である。 測定部による検出結果の一例を示すグラフである。 第２の実施形態に係る分極反転処理装置の構成を示す図である。 測定部による検出結果の一例を示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る分極反転処理装置１００の構成を、強誘電体結晶１０とともに示す図である。本実施形態に係る分極反転処理装置１００は、電源１１０、光源１２０、測定部１３０、及び制御部１４０を備え、強誘電体結晶１０に周期的な分極反転構造に形成する。強誘電体結晶１０の第１面には第１電極２０が形成されており、強誘電体結晶１０のうち第１面に対向する第２面には第２電極３０が形成されている。電源１１０は、第１電極２０と第２電極３０の間に電圧を印加する。光源１２０は、強誘電体結晶１０の第１方向（図１におけるｘ方向）における２つの端面の一方（第１端面：図１における左側の端面）に、光を入射する。この入射光には、強誘電体結晶１０の分極反転構造によって波長変換される波長（第１波長）が含まれる。測定部１３０は、強誘電体結晶１０の第１方向の他方の端面（第２端面：図１における右側の端面）から放射された光（放射光）のうち、強誘電体結晶１０の分極反転構造によって波長変換された後の波長成分の強度を測定する。そして制御部１４０は、測定部１３０によって測定された強度に基づいて、電源１１０による電圧印加の終了タイミングを判断する。以下、詳細に説明する。
　強誘電体結晶１０は、例えばＭｇを添加したＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）単結晶基板であるが、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）などの他の強誘電体からなる結晶であってもよい。強誘電体結晶１０の第１面（例えば＋Ｚ面）には、複数の第１電極２０が第１方向（図１におけるｘ方向）に互いに離間して配置されている。これら複数の第１電極２０は、電気的に接続されている。
　本図に示す例では、強誘電体結晶１０の第１面には絶縁膜２２が形成されている。絶縁膜２２は、例えば酸化アルミニウムや酸化ジルコニウムなどの金属酸化物、酸化シリコンなどの無機酸化物、又は窒化シリコンなどの窒素化合物である。絶縁膜２２は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、またはＣＶＤ法などを用いて形成される。絶縁膜２２には複数の開口が第１方向に互いに離間して配置されている。そして絶縁膜２２上及び絶縁膜２２の開口内には、導電膜２４が形成されている。導電膜２４のうち絶縁膜２２の開口内に位置する部分が第１電極２０となっている。そして複数の第１電極２０は、導電膜２４のうち絶縁膜２２の上に位置する部分を介して、互いに接続している。導電膜２４は、例えばＡｌ膜などの金属膜であり、例えばスパッタリング法を用いて形成されている。
　また、強誘電体結晶１０の第２面（例えば－Ｚ面）には、第２電極３０が形成されている。第２電極３０は、複数の第１電極２０のいずれにも対向するように形成されている。第２電極３０は、例えばＡｌ膜などの金属膜であり、例えばスパッタリング法を用いて形成されている。
　第１電極２０及び第２電極３０には、電源１１０が接続している。電源１１０は、第１電極２０及び第２電極３０の間に電圧を印加する。電源１１０は、制御部１４０によって制御されている。制御部１４０は、電源１１０を制御することにより、第１電極２０及び第２電極３０に、パルス波形の電圧を印加する。パルス波形は、例えば矩形である。
　光源１２０は、例えばレーザ光源であり、強誘電体結晶１０の第１端面に光を入射する。この光には、上記したように、第１波長の成分が含まれる、第１波長は、強誘電体結晶１０の分極反転構造によって波長変換される波長である。光源１２０の発光は、制御部１４０によって制御されている。例えば制御部１４０は、電源１１０が第１電極２０及び第２電極３０に電圧を印加している間、光源１２０を発光させる。ここで制御部１４０は、光源１２０をパルス的に発光させてもよい。
　測定部１３０は、フォトダイオードなどの光電変換素子を有しており、強誘電体結晶１０の第２端面から放射された放射光を光電変換する。測定部１３０が有する光電変換素子は、放射光のうち、第１波長が強誘電体結晶１０の分極反転構造によって波長変換された後の波長（第２波長）を光電変換する。このようにするためには、光電変換素子は、第２波長における光電変換効率が特に高いのが好ましい。
　また、強誘電体結晶１０の第２端面と測定部１３０の間に、波長フィルタ１５０を設けてもよい。波長フィルタ１５０は、第２波長の光を通し、その他の波長（第１波長を含む）の光をカットする。なお、波長フィルタ１５０は、第１波長の光をカットするフィルタであってもよい。波長フィルタ１５０を設けることにより、測定部１３０は、高い精度で第２波長の光の強度を測定することができる。
　制御部１４０は、測定部１３０の測定結果を用いて、電源１１０及び光源１２０を制御する。具体的には、制御部１４０は、測定部１３０が検出した第２波長の光の強度が基準値になった時に、電源１１０による第１電極２０及び第２電極３０への電圧の印加を終了する。このとき、制御部１４０は、光源１２０の動作も終了させる。
　図２は、測定部１３０による検出結果の一例を示すグラフである。本図に示す例において、横軸は、電源１１０が第１電極２０及び第２電極３０の間に電圧を印加してからの時間ｔである。本図に示すように、第１電極２０及び第２電極３０の間に電圧していると、初期の間は徐々に測定部１３０の検出値が増加していく。これは、強誘電体結晶１０のうち第１電極２０と第２電極３０に挟まれている領域に分極反転領域が形成され、かつこの分極反転領域が時間ｔとともに広がっていくためである。ただし、時間ｔが長くなりすぎると、測定部１３０の検出結果は低下してしまう。これは、強誘電体結晶１０の分極反転領域が広がりすぎ、第１電極２０と第２電極３０に挟まれた領域からはみ出てしまい、分極反転の周期が崩れるためである。
　これに対して本実施形態では、制御部１４０は、測定部１３０の測定結果が基準値に達したときに、電源１１０の動作を終了させる。このため、強誘電体結晶１０の分極反転領域を適切な範囲に収めることができる。すなわち、強誘電体結晶１０に、高い精度で分極反転領域を周期的に形成することができる。
（第２の実施形態）
　図３は、第２の実施形態に係る分極反転処理装置１００の構成を示す図である。本実施形態に係る分極反転処理装置１００は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係る分極反転処理装置１００と同様の構成である。
　まず、光源１２０と強誘電体結晶１０の間には、光路制御部１２２が設けられている。光路制御部１２２は、強誘電体結晶１０の第１端面における入射光の入射位置を、第１面と第２面の間（図３におけるｙ方向）で移動させる。本図に示す例では、光路制御部１２２はガルバノミラー及びこれを回転させる駆動部である。光源１２０は、ガルバノミラーに入射光を照射する。この入射光は、ガルバノミラーによって反射され、強誘電体結晶１０の第１端面に入射する。この際、強誘電体結晶１０の第１端面に対するガルバノミラーの反射面の角度は徐々に変化する。これにより、強誘電体結晶１０の第１端面における入射光の入射位置は、第１面と第２面の間で移動する。
　なお、光路制御部１２２の構成は上記した例に限定されない。例えば光路制御部１２２は、光源１２０の向きを変えることにより、強誘電体結晶１０の第１端面における入射光の入射位置を、第１面と第２面の間（図３におけるｙ方向）で移動させてもよい。
　また、光路制御部１２２と強誘電体結晶１０の第１端面の間には、レンズ１２４が設けられており、強誘電体結晶１０の第２端面と波長フィルタ１５０の間には、レンズ１２６が設けられている。レンズ１２４は、光路制御部１２２から強誘電体結晶１０に入射する光を、第１方向（図３におけるｘ方向）に揃える。一方、レンズ１２６は、強誘電体結晶１０の第２端面から放射される放射光を、波長フィルタ１５０及び測定部１３０に入射させる。
　図４は、測定部１３０による検出結果の一例を示すグラフである。本図に示す例において、横軸は、強誘電体結晶１０の第１面からの深さｄ（図３参照）である。このグラフは、強誘電体結晶１０の厚さ方向に分極反転がどの程度進んでいるかを示している。そして図４において点線で示すように、このグラフは、一定間隔で生成される。制御部１４０は、ｄ方向においてほぼ全域で測定部１３０による検出結果が基準値以上になった時に、電源１１０による電圧印加を終了させる。
　なお、入射光をさらに強誘電体結晶１０の幅方向（図３の紙面に対して垂直な方向）に移動させると、測定部１３０による測定結果に基づいて、強誘電体結晶１０の分極反転の進行状況を示す画像を生成することができる。
　本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、光路制御部１２２を設けることにより、強誘電体結晶１０の第１端面における入射光の入射位置は、第１面と第２面の間で移動する。これにより、強誘電体結晶１０の厚さ方向（図３におけるｄ方向）において、どの領域の分極反転が進んでいるかを確認することができる。そして、強誘電体結晶１０のうち第１電極２０及び第２電極３０で挟まれている領域において、厚さ方向のほぼ全体が分極反転したときに、電源１１０による電圧印加を終了させることができる。従って、さらに高い精度で、強誘電体結晶１０に分極反転領域を周期的に形成することができる。
　以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
　この出願は、２０１４年８月５日に出願された日本出願特願２０１４－１５９３７１号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (4)

  1. 　強誘電体結晶の第１面に、複数の第１電極を第１方向に互いに離して配置し、かつ、前記強誘電体結晶のうち前記第１面に対向する第２面に、第２電極を前記複数の第１電極に対向するように配置し、
    　前記強誘電体結晶に分極反転構造を形成するために、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加し、
    　前記電圧を印加しながら、前記強誘電体結晶の第１方向の第１端面から、前記分極反転構造によって波長変換される第１波長の光を有する入射光を入射し、かつ前記強誘電体結晶の前記第１端面に対向する第２端面から放射された放射光のうち、前記分極反転構造によって波長変換された後の波長の強度を測定し、当該強度に基づいて、前記電圧の印加の終了タイミングを判断する、分極反転方法。
  2. 　請求項１に記載の分極反転方法において
    　前記第１端面における前記入射光の入射位置を、前記第１面と前記第２面の間で移動させる分極反転方法。
  3. 　請求項１又は２に記載の分極反転方法において、
    　前記第２端面と、前記放射光を測定する測定部の間に、前記第１波長の光をカットする波長フィルタを配置する分極反転方法。
  4. 　強誘電体結晶の第１面に形成された第１電極と、前記強誘電体結晶のうち前記第１面に対向する第２面に形成された第２電極の間に、前記強誘電体結晶に分極反転構造を形成するために電圧を印加する電源と、
    　前記強誘電体結晶の第１方向の第１端面から、前記分極反転構造によって波長変換される第１波長の光を有する入射光を入射する光源と、
    　前記強誘電体結晶の前記第１端面に対向する第２端面から放射された放射光のうち、前記分極反転構造によって波長変換された後の波長成分の強度を測定する測定部と、
    　前記強度に基づいて、前記電圧印加の終了タイミングを判断する制御部と、
    を備える分極反転処理装置。
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