(57)【要約】【課題】  分極反転構造の均一性を改善し、さらに分極反転構造作製に必要な時間を短縮することが可能な分極反転構造の作製方法を提供する。【解決手段】  単分極化された非線形効果を持つ誘電体基板２に対し、互いに対向する２つの面に電極パターン３，４を配置し、基板に電界を印加することで所定のパターンに従った分極反転構造を作製する分極反転構造の作製方法において、少なくとも一方の電極は、誘電体基板２とは別の基板１上に形成されており、この電極付基板１と誘電体基板２を重ね合わせた状態で電界を印加する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単分極化された非線形効果を持つ誘電体基板に対し、互いに対向する２つの面に電極パターンを配置し、基板に電界を印加することで所定のパターンに従った分極反転構造を作製する分極反転構造の作製方法において、
少なくとも一方の電極は、前記誘電体基板とは別の基板上に形成されており、この電極付基板と前記誘電体基板を重ね合わせた状態で電界を印加することを特徴とする分極反転構造の作製方法。
【請求項２】
請求項１記載の分極反転構造の作製方法において、
前記誘電体基板としてＬｉＮｂ３、ＬｉＴａＯ３及びそれらにＭｇＯが添加された単結晶を用いることを特徴とする分極反転構造の作製方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の分極反転構造の作製方法において、
前記電極付基板と電極に透明な材料を用いることを特徴とする分極反転構造の作製方法。
【請求項４】
請求項１、２または３記載の分極反転構造の作製方法において、
前記電極付基板と前記電極に紫外線を透過する材料を用い、前記誘電体基板への電界印加と同時に紫外線を照射することを特徴とする分極反転構造の作製方法。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れかに記載の分極反転構造の作製方法において、
前記電界印加時に前記誘電体基板を加熱しておくことを特徴とする分極反転構造の作製方法。
【請求項６】
単分極化された非線形効果を持つ誘電体基板に対し、互いに対向する２つの面に電極パターンを配置し、基板材料に電界を印加することで所定のパターンに従った分極反転構造を作製する分極反転構造の作製装置において、
少なくとも１つの電極付基板と前記誘電体基板を重ね合わせて保持する基板保持機能と、電極パターンを介して前記誘電体基板に電界を印加するための機能を有することを特徴とする分極反転構造の作製装置。
【請求項７】
請求項６記載の分極反転構造の作製装置において、
前記基板保持機能は、前記誘電体基板の互いに対向する面に配置された２つの電極の何れかの電極の機能を有することを特徴とする分極反転構造の作製装置。
【請求項８】
請求項６または７記載の分極反転構造の作製装置において、
前記電極付基板および前記電極に透明な材料を用い、前記誘電体基板に対して偏光を照射するための偏光照射機能と、
前記誘電体基板を透過した光を、偏光子を通して観察するための観察機能とを有することを特徴とする分極反転構造の作製装置。
【請求項９】
請求項６，７または８記載の分極反転構造の作製装置において、
前記電極付基板および前記電極に紫外線に対して透明な材料を用い、前記誘電体基板に対して紫外線を照射するための紫外線照射機能を有することを特徴とする分極反転構造の作製装置。
【請求項１０】
請求項６ないし９の何れかに記載の分極反転構造の作製装置において、
前記誘電体基板を加熱するための加熱機能を有することを特徴とする分極反転構造の作製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電分極反転構造を持った光デバイス製造、およびその方法で製造された素子を用いた可視光レーザー光源、フォトプリンター、ディスプレイ、テラヘルツレーザー光源に適用可能な分極反転構造の作製方法及び分極反転構造の作製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３等の強誘電体結晶は、強い非線形光学効果を持つことから、レーザー光の波長変換素子に利用されている。特に、分極方向を周期的に反転させることで擬似位相整合（ＱＰＭ）条件を満たすようにした波長変換光学素子は、さまざまな波長のレーザー光に対して高い効率で第二高調波発生（ＳＨＧ）や光パラメトリック発振（ＯＰＯ）を行えるため、センサー用の特殊な波長を持つ光源やディスプレイ用途を狙った高出力の可視光光源用として期待されている。
【０００３】
この波長変換素子の形態としては、基板表面付近で幅数μｍ程度の領域を分極反転させて用いる導波路型と、基板の厚さ方向全体にわたって分極反転させて基板の断面全体を利用するバルク型が検討されている。
【０００４】
導波路型は数μｍ程度の狭い導波路領域に光を集中させているため、比較的低いエネルギーの入射レーザー光を高効率で波長変換することが可能である。バルク型は導波路型に比べて大きいビーム径に対して波長変換を行えるので、高いエネルギーのレーザー光を入射させて高い出力光を得ることが可能である。また、バルク型はアライメントも容易である。
【０００５】
これらの波長変換素子の作製において、導波路型は誘電体基板の表面付近だけを分極反転させればよいため比較的簡単であるが、バルク型はビームが通過する範囲が数１０μｍと広く、基板の厚さ方向も均一に分極反転させる必要があるため容易ではない。
【０００６】
バルク型の波長変換素子の作製は，例えばＬｉＮｂＯ３の場合、分極方向が揃った基板の両面（＋Ｚ面と−Ｚ面、または＋Ｃ面と−Ｃ面と呼ばれる）に所定の電極パターンを形成し、電圧を印加することで電極にはさまれた部分の分極方向を反転させることで行われている。
【０００７】
しかし，波長変換効率の高い素子を作製するためには設計値に対して高い精度で反転領域を作製しなければならない。特にバルク型では導波路型より大きい入射ビーム径を想定しているため、厚い基板を広い範囲にわたって均一に分極反転させる必要がある。これらの課題に対してさまざまな作製方法が検討されている。
【０００８】
例えば、特許文献１では、分極反転のための電場を印加するための＋Ｚ面側の電極を、目的とする周期より広い周期の複数のセグメントに分けて、個別に電場を印加することで微細な周期の分極反転を作製する発明が記載されている。  
特許文献２では、＋Ｚ面表面の結晶性を劣化させることにより不要な部分の分極反転発生を抑制し、短周期の分極反転を形成し易くしている。  
特許文献３では、所定のパターンを持つ電極が形成された＋Ｚ面側を真空にしておくことで電極間の放電を防ぎ、−Ｚ面側は大気圧にしてコロナ帯電させて電場を印加することで微細周期の分極反転構造を作製している。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３０７７５８
【特許文献２】特開２０００−１４７５８４
【特許文献３】特開平７−７２５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１〜３に記載の方法において、強誘電体結晶の表面に電極パターン作製する際は、フォトリソグラフィ、エッチングまたはリフトオフ法などの方法が用いられている。一般的にフォトリソグラフィを行う際は、基板表面に液体のフォトレジストをスピンコートしたのち、ホットプレイトなどを利用して１００℃前後でベークを行い、フォトレジストを乾燥させている、しかしながら、ＬｉＮｂＯ３などの基板を加熱した場合、焦電効果により発生した電荷によって、局所的に分極方向が反転してしまう場合がある。また、金属膜形成のためには誘電体結晶にスパッタリングやエッチング等の加工を行う必要があり、それらの加工中に加わる圧力より圧電効果による電界が発生して局所的な分極反転が発生する場合もある。このような局所的な分極反転領域がある場合、高電圧を印加してもその分極反転部分を核として分極反転領域が広がるため、分極反転領域にムラが発生してしまう。特に光損傷を避けるため、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ３では、基板を貫通した分極反転領域を介して電流が流れやすくなるため、電圧印加前に反転していた領域に電荷が集中し、他の部分の分極反転が抑制されてしまう。これらのことから、均一性の高い分極反転パターンを歩留まりよく作製するのは困難であった。
【００１１】
近年では高出力のレーザー光に対応できる波長変換素子を作製するため数ｍｍ厚の誘電体基板に対する分極反転構造作製が検討されているが、基板が厚いほど焦電効果や圧電効果の影響が大きくなるため基板の扱いが困難になる。  
本発明では、この課題に対して、分極反転構造の均一性を改善し、さらに分極反転構造作製に必要な時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の分極反転構造の作製方法においては、分極反転構造の均一性を改善し、さらに分極反転構造作製に必要な時間を短縮することを目的とする。
【００１３】
請求項２に記載の分極反転構造の作製方法においては、分極反転構造の均一性を改善し、さらに分極反転構造作製に必要な時間を短縮することを目的とする。
【００１４】
請求項３に記載の分極反転構造の作製方法においては、変換効率の高い分極反転構造を形成できるようにすることを目的とする。
【００１５】
請求項４、５に記載の分極反転構造の作製方法においては、厚い誘電体基板に対しても均一性の高い分極反転構造の作製が容易になる方法を提供することを目的とする。
【００１６】
請求項６に記載の分極反転構造の作製装置においては、分極反転構造の均一性を改善し、さらに分極反転構造作製に必要な時間を短縮できる分極反転構造作製装置を提供することを目的とする。
【００１７】
請求項７に記載の分極反転構造の作製装置においては、装置の構造を簡素化し、使いやすくすることを目的とする。  
請求項８に記載の分極反転構造の作製装置においては、より均一性の高い分極反転構造を作製できる分極反転構造作製装置を提供することを目的とする。
【００１８】
請求項９、１０に記載の分極反転構造の作製装置においては、厚い誘電体基板に対しても均一性の高い分極反転構造が作製できる分極反転構造作製装置を提供することを目的とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、少なくとも一方の電極は、誘電体基板とは別の基板上に形成されており、この電極付基板と誘電体基板を重ね合わせた状態で電界を印加するので、予め作製した電極パターン付き基板を利用して誘電体結晶に電界が印加されることになり、電極パターン作製にともなう電界印加前の誘電体基板へのダメージが少なくなり分極反転構造の均一性が改善できる。また、一つ一つの誘電体基板に電極パターンを形成する必要がなくなるので、分極反転構造作製に必要な時間を短縮することができる。
【００２０】
本発明によれば、誘電体基板としてＬｉＮｂ３、ＬｉＴａＯ３及びそれらにＭｇＯを添加した結晶材料を利用するので、高い変換効率を持つ分極反転デバイスの作製が可能になる。
【００２１】
本発明によれば、電極付基板と電極に透明な材料を用いるので、分極反転領域の状態を観察しながら電界印加を行うことができるため、より均一性の高い分極反転構造の作製が可能になる。
【００２２】
本発明によれば、電極付基板と電極に紫外線を透過する材料を用い、誘電体基板への電界印加と同時に紫外線を照射するので、分極反転に必要な電界強度を低下させることができ、厚い基板に対する分極反転構造の作製が容易になる。
【００２３】
本発明によれば、電界印加時に誘電体基板を加熱しておくことで、加熱により分極反転に必要な電界強度を低下させることができるので、厚い基板に対する分極反転構造の作製が容易になる。
【００２４】
本発明によれば、基板保持機能が誘電体基板の互いに対向する面に配置された２つの電極の何れかの機能を有するので、装置の構造が単純化され使い易くなる。
【００２５】
本発明によれば、電極付基板および電極に透明な材料を用い、誘電体基板に対して偏光を照射するための偏光照射機能と、誘電体基板を透過した光を、偏光子を通して観察するための観察機能とを有するため、分極反転の進行状況を観察しながら電界を印加することが可能となり、より均一性の高い分極反転構造が作製できる。
【００２６】
本発明によれば、電極付基板および電極に紫外線に対して透明な材料を用い、誘電体基板に対して紫外線を照射したり、誘電体基板を加熱するための加熱機能を有するので、誘電体基板の反転電界を低下させてより厚い基板に対する分極反転構造作製を容易にすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本形態は、電極パターン形成時に外部からの衝撃によって局所的な分極反転領域が発生してしまうのを避けるため、誘電体結晶基板を挟んで配置される２つの電極のうち、少なくとも一方は誘電体基板表面に直接電極パターンを形成せず、代わりに表面に電極パターンを作製した他の基板（電極付基板）を誘電体基板表面に対向させて配置することを特徴とする。
【００２８】
このような構成にすることで、誘電体基板に対して電極パターン作製プロセス中の熱的または機械的な衝撃による局所的な分極反転領域の発生を避けることができる。電極パターンが形成される基板には加工しやすい物を用いることができるので、均一性、精度の高い電極パターンを作製することができる。さらには、作製した電極パターンは複数の誘電体基板に対して繰り返し利用できるため、プロセスに必要な時間を短縮して効率よく分極反転構造を作製することができる。これらの効果によって、分極反転パターンの作成時の歩留まりや均一性が向上し、さらに効率的な分極反転構造の作製が可能になる。
【００２９】
以下、本発明にかかる実施の形態について図面を用いて説明する。  
【実施例１】
【００３０】
本発明の分極反転構造作製法を用いた誘電体基板としてＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板（以下、「ＭｇＯ:ＬＮ基板」）へのＳＨＧ用分極反転構造作製について説明する。
【００３１】
図１は、電極付基板１とＭｇＯ:ＬＮ基板２の配置例を示すものである。電極付基板１には、その一表面１Ａが光学研磨された石英基板上にリフトオフ法で６．９μｍ周期の櫛状電極パターンを作製したものを用い、この櫛状電極パターンを+電極４とした。この周期は１０６４ｎｍの基本波を５３２ｎｍの２倍波に変換する場合に対応している。この実施例では、絶縁体である石英基板上に金属膜でパターンを形成して電極付基板１としたが、不純物をドーピングしたシリコンなどの導電性基板を異方性ドライエッチングなどの方法で電界を印加したい部分が凸部となるように段差を形成した基板を電極付基板１としても利用することができる。
【００３２】
本実施例では誘電体基板としてＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板を用いたが、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３およびそれらにＭｇＯを添加した誘電体基板は、非線形定数が大きく分極反転後も安定しており、本発明の分極反転構造作成方法で利用する誘電体基板に適している。
【００３３】
ＭｇＯ:ＬＮ基板２は、符号２Ａで示すその一面となる＋Ｚ面が電極付基板１の電極４が形成された一表面１Ａに対向するように配置されており、符号２Ｂで示す他の面となる−Ｚ面にはスパッタリング法により金属電極３が形成されている。この金属電極３は＋Ｚ面２Ａ側のような微細な構造ではないため、フォトリソグラフィによるレジストパターン形成は行わず、長方形の開口を持つ金属板をＭｇＯ:ＬＮ基板１に重ねた状態でスパッタリングを行うことにより図１に示すようなパターンを作製した。金属電極３は−電極とされている。−Ｚ面２Ｂ側の電極も＋Ｚ面２Ａ側の電極と同様に他の基板に形成したものを利用してもよい。
【実施例２】
【００３４】
図２は、本発明の第２実施例としての、分極反転構造の作製装置１０の概略を示す。同図において、電極付基板１とＭｇＯ:ＬＮ基板２は、予め重ね合わされた状態で、断面コ字状の基板保持機能を有する部材１１の空間内に挿入されて保持されている。そして、＋電極４と−電極３には、ファンクションジェネレータ１５と接続された高圧電源１２が接続されている。図２の例では、基板保持機能を有する部材１１は、電極付基板１とＭｇＯ:ＬＮ基板２を重ね合わされた状態に保持だけ機能を有しているが、＋電極あるいは−電極の何れか一方の電極を兼ねるようにすることで、より構成が簡便になる。
【００３５】
図３は、基板保持機能を有する部材（以下「基板保持機能部材」と記す）１１０が一方の電極となる−電極３を兼ねた構成とされている。基板保持機能部材１１０は、Ｌ字型の突起部分１１０Ａと、Ｌ字型の突起部分１１０Ａに対してネジ１１１によって進退可能に装着された可動部材１１０Ｂとから構成されている。Ｍｇ:ＬＮ基板２と＋電極４を有する電極付基板１は、Ｌ字型の突起部分１１０Ａに突き当てられて配置されることで、電極３とＭｇ:ＬＮ基板１が位置あわせされる構成になっている。このため、ＭｇＯ:ＬＮ基板２表面２Ｂに図１の例のように電極３を作製する必要が無く、電極３と誘電体基板１の位置あわせも用意に行える。図２、図３に示すように、電極付基板１とＭｇＯ:ＬＮ基板２の周囲には、放電を防ぐため絶縁性の液体１４で充填されている。すなわち、本例では、電極付基板１とＭｇＯ:ＬＮ基板２と基板保持機能を有する部材１１、１１０が液体１４を入れられた貯留槽としてのビーカー１６内に配置されている。このような状態で、電極を介してＭｇＯ:ＬＮ基板２の反転電界である約５ＫＶ／ｍｍの電界を印加することで、分極反転構造が形成される。
【００３６】
このような分極反転構造作製方法においては、電極パターン作製に伴う誘電体基板への加熱などによるダメージが抑えられるため、誘電体基板に局所的な分極反転が生じにくく、分極反転構造の均一性を向上させることができる。また、電極パターンは予め他の基板（例えば電極付基板１）に作製しておけばよく、複数の誘電体基板に対してひとつの電極付基板１を繰り返し利用することができるので、分極反転構造作製に必要な時間が短縮できる。
【実施例３】
【００３７】
図４は、本発明の第３実施例としての、分極反転構造の作製装置２０の概略を示す。同図において、上記各例で説明した部材と同一機能を有する部材には、それら部材と同一符号を付し、詳細な説明を省略する。分極反転構造の均一性を高めるためには、分極反転の状況を観察しながら誘電体結晶基板に電界を印加するのが理想的だが、観察を行うために必要なＩＴＯなどの透明な電極は２００度程度に加熱しながら蒸着する必要があるため、ＬＮ結晶表面に直接電極を作製しようとするとＬＮ結晶へダメージを与える懸念があった。
【００３８】
本発明の方法ではそのような材料でも電極として容易に利用することができる。すなわち、本例の分極反転構造作製装置２０では、誘電体結晶基板２を透明電極付電極２１，２２の間に配置して基板保持機能部材１１で挟み込んで保持する。透明電極付電極２１，２２には、高圧電源１２の＋電極と−電極を接続して、液体１４が入れられたビーカー１６内に配置する。そしてビーカー１６内の一方側には、電極を通して偏光を照射するための偏光照射機能部材２３を配置すると共に、偏光照射機能部材２３と対向するビーカー１６内の他方側に、偏光子を通して誘電体結晶基板２を透過した後の光を観察するための観察機能部材２４を配置している。このような分極反転状況の観察機能を利用することにより、より均一性の高い分極反転構造を作製することができる。
【実施例４】
【００３９】
図５は、本発明の第４実施例としての、分極反転構造の作製装置３０の概略を示す。同図において、上記各例で説明した部材と同一機能を有する部材には、それら部材と同一符号を付し、詳細な説明を省略する。この実施例にかかる分極反転構造作製装置３０では、電極付基板として紫外線に対して透明な基板（以下「透明電極付基板」と記す）３１，３２を利用している。すなわち、誘電体結晶基板２を透明電極付電極３１，３２の間に配置して基板保持機能部材１１で挟み込んで保持する。透明電極付電極３１，３２には、高圧電源１２の＋電極と−電極を接続して、液体１４が入れられたビーカー１６内に配置する。ビーカー１６内の一方側には、紫外線を照射する紫外線照射機能部材３３が配置されていて、誘電体基板２の表面に照射可能としている。紫外線照射機能部材３３から紫外線を照射する時期は、高圧電源１２から誘電体基板２への電界印加と同時としている。誘電体基板２としてのＬｉＮｂＯ３では、紫外線の照射により反転電界が低下することが知られており、このような構成にすることで、誘電体基板２が厚い基板で構成されている場合でも分極反転構造が作製し易くなる。また、紫外線照射機能部材３３にフォトマスクパターンを誘電体結晶基板２に投影する機能を持たせておけば、紫外線が照射された部分のみ反転電界が下がるので、マスクパターンに応じた分極反転構造が作製できるようになる。
【実施例５】
【００４０】
図６は、本発明の第５実施例としての、分極反転構造の作製装置４０の概略を示す。同図において、上記各例で説明した部材と同一機能を有する部材には、それら部材と同一符号を付し、詳細な説明を省略する。この実施例にかかる分極反転構造作製装置４０では、絶縁性の液体１４で満たされたビーカー１６ごと誘電体基板２を加熱するための加熱機能部材としてのヒーター４１を有している。このヒーター４１は、ビーカー１６の底面が取り付けられている。誘電体基板２となるＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３は、加熱によっても反転電界が低下することが知られており、このような構成にすることで誘電体基板２が厚い基板であっても分極反転構造が作製し易くなる。ただし、焦電効果の影響を避けるためには、時間をかけて昇降温度する必要があるので、ビーカー１６内（液体１４）の温度を検知する温度検知手段４３をビーカー１６に取付け、この温度検知手段４３とヒーター４１とを温度制御手段４２に接続して自動で温度コントロールを行える制御システム５０を構成し、分極反転構造作製装置４０に組み合わせることで、より簡便に分極反転構造作成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施例を示す分極反転構造の作製方法を説明するための基本的概念を説明する拡大図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す分極反転構造の作製装置の概略構成図である。
【図３】第２の実施例の変形例を示す分極反転構造の作製装置の概略構成図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示す分極反転構造の作製装置の概略構成図である。
【図５】本発明の第４の実施例を示す分極反転構造の作製装置の概略構成図である。
【図６】本発明の第５の実施例を示す分極反転構造の作製装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    電極付基板
２    誘電体基板
２Ａ，２Ｂ    誘電体基板の互いに対向する面
３，４    電極パターン
１０，２０，３０，４０    分極反転構造の作製装置
１１    基板保持機能
１２    電界印加機能
２１，２２    透明な電極付基板
２３    偏光照射機能
２４    観察機能
３１，３２        紫外線を透過する電極付基板
３３    紫外線照射機能
４１    加熱機能
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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