(57)【要約】【課題】光導波路内部に周期的分極反転構造をもった光波長変換素子を精度良く、安定に作製する場合、分極反転構造を制御する必要があり、これまで、光波長変換効率が大きく、光伝搬損失が小さい光波長変換素子の製造方法は確立できていなかった。【解決手段】互いに対向する第１の面２２と第２の面２７とを有する単分域化された強誘電体基板２１の第１の面２２に周期的ストリップ電極２３と共通電極２４とからなる櫛型電極２５を形成する工程において、櫛型電極２５のパターンを形成した後、さらにオーバーエッチングを行うことにより、強誘電体基板２１表面に段差を設け、第１の面２２に絶縁体薄膜２６を形成した後、櫛型電極２５と対向電極２８との間に電界を印加することにより周期分極反転領域２９を形成するものであり、このようにすることにより高変換効率のＳＨＧ素子が実現できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１の面と第２の面とを有する単分域化された強誘電体基板の前記第１の面に周期的ストリップ電極と共通電極とからなる櫛型電極を形成する工程と、前記第２の面に対向電極を形成する工程と、前記第１の面に絶縁体薄膜を形成する工程と、前記櫛型電極と前記対向電極との間に電界を印加することにより周期分極反転領域を形成する工程と、前記絶縁体薄膜と前記櫛型電極を除去する工程とを備えた光波長変換素子の製造方法であって、前記櫛型電極のパターンを形成する工程においてドライエッチングを用い、前記櫛型電極のパターンを形成した後、さらにオーバーエッチングを行うことにより、強誘電体基板表面に段差を設ける光波長変換素子の製造方法。
【請求項２】
強誘電体基板表面の段差が５ｎｍ〜１００ｎｍの間で形成された請求項２記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項３】
絶縁体薄膜が形成されている部分の強誘電体基板表面は圧縮応力状態となっている状態で、櫛型電極と対向電極との間に電界を印加することにより周期分極反転領域を形成する請求項１記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項４】
圧縮応力の大きさが１００〜２００ＭＰａの状態である請求項３記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項５】
櫛型電極を形成する工程において、同時にストリップ電極の延伸方向の第１の面上に浮き電極を形成する請求項１記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項６】
第１の面に絶縁体薄膜を形成する工程において、第１の面全面に絶縁体薄膜を形成した後、少なくともストリップ電極上の前記絶縁体薄膜の一部を除去する請求項１記載の光波長変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形電気光学効果を有する強誘電体を用いた光導波路を一体に形成した光第２高調波発生導波路素子などの光波長変換素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＶＤなどの光記録媒体用のレーザー光発生手段としては、レーザーダイオードなどの発光デバイスが用いられるが、さらなる高密度化の要求のために小型短波長のコヒーレント光源として、光第２高調波発生素子（以下、光第２高調波発生素子をＳＨＧ素子と略記する）を用いたレーザー光が注目されている。
【０００３】
このＳＨＧ素子は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの無機酸化物からなり、いずれも大きな非線形光学定数を有している。このＳＨＧ素子に入射させる光の入力波と出力波との波数を擬似的に整合させることにより、出てくる光の出力を増幅させる手法として、周期分極反転構造を利用する方法が提案されている。
【０００４】
この周期分極反転構造を作製する方法として、光導波路の一部分にある周期ごとに（１）チタン（Ｔｉ）を成膜形成し、高温熱処理により拡散させる方法、（２）プロトン交換処理をして、急熱急冷する方法、（３）コロナ放電を利用する方法、（４）櫛型電極に高電圧印加する方法、などが知られている。
【０００５】
この中で（４）の高電圧印加方法はプロセス上工程が少なく、バルク材料に応用可能であるので、最も、有望視されている。
【０００６】
しかし、この方法で高電圧を櫛型電極などの微細パターンに印加する場合、電極先端より分極反転領域が成長するため、先端部ほど反転領域幅が広くなってしまい、短周期の分極反転構造で領域境界が反転領域長のほぼ全領域にわたり平行な直線状で十分長い分極反転領域をもった分極反転構造を形成することができていなかった。そのため、特に波長の短い紫外や青色光の発生について、その発生するＳＨＧ波の効率が大きいＳＨＧ素子が得られていなかった。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平４−３３５６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
導波路内に周期的分極反転領域を設けてＳＨＧ素子を形成する場合、理想的には、導波路内のどの位置においてもデューティー比が０．５になっていることが望ましい。しかしながら、櫛型電極を用いて高電圧を印加することにより、光導波路部に周期的分極反転構造を作製する場合、通常分極反転領域の形成のために一様な電界を、その所望する領域に印加しなければならないが、そのとき、所望の領域以外の電極が無い領域にまで、漏れ電界の影響により分極反転領域が形成されてしまう。これは櫛型電極からはみ出した領域にも分極反転領域が成長していってしまうためで、これまでその成長を抑制できていなかったため形成される分極反転構造を制御することが困難であり、非直線的な成長パターンを示した分極反転境界をもつ素子しか得られていなかった。
【０００９】
このことにより、導波路を第１の面に対して垂直かつ導波方向に平行な断面において、導波路厚さ方向の分極反転境界が、中央が膨らんだような曲線になる。このような反転境界を持つ素子は、中央付近と端に近い部分とでは、導波方向に対して分極反転されている長さが異なる（即ちデューティー比が異なる）ため、ＳＨＧ増幅効果のバラツキが大きく、その値も小さいもので、ＳＨＧ変換効率の大きいＳＨＧ素子が作製しにくいという課題を有していた。
【００１０】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、変換効率が大きな光波長変換素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による光波長変換素子の製造方法は、互いに対向する第１の面と第２の面とを有する単分域化された強誘電体基板の第１の面に周期的ストリップ電極と共通電極とからなる櫛型電極を形成する工程と、第２の面に対向電極を形成する工程と、第１の面に絶縁体薄膜を形成する工程と、櫛型電極と対向電極との間に電界を印加することにより周期分極反転領域を形成する工程と、絶縁体薄膜と櫛型電極を除去する工程とを備えた光波長変換素子の製造方法であって、櫛型電極のパターンを形成する工程においてドライエッチングを用い、櫛型電極のパターンを形成した後、さらにオーバーエッチングを行うことにより、強誘電体基板表面に段差を設けるものであり、強誘電体基板に形成される分極反転領域の境界をほぼ領域全長にわたって平行な直線状にし、分極反転領域の幅とその周期の比であるデューティー比の反転形成領域内での位置依存性を少なくしたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による分極反転構造を光導波路内部にもつ光波長変換素子は、短波長のＳＨＧ素子としての利用に関して、その充分な大きさの分極反転領域境界をほぼ反転領域全長にわたって平行な直線状にもつことにより、反転領域に対する導波路形成位置のバラツキによらず、デューティー比の反転形成領域内での位置依存性の少ない優れたＳＨＧ素子を作製することができ、ＳＨＧ素子の変換効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態における光波長変換素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は本発明によるＳＨＧ素子の構成図であり、分極反転領域２９を形成した強誘電体基板２１と支持基板１３とを直接接合領域１４および非直接接合領域１５を有した主面により貼り合わせた接合基板において形成された光導波路１６をもつ構成である。以上の様に構成する光波長変換素子の製造方法について詳細に説明する。図２は、本発明の実施形態の製造方法の主要部を説明するための図である。
【００１５】
まず、Ｚ方向に分極された５°ＹカットのＭｇＯをドープしたニオブ酸リチウムの基板を強誘電体基板２１として用い、この強誘電体基板２１の第１の面２２に、厚さ約１５０ｎｍのアルミニウム膜を形成し、さらにその上にフォトリソグラフィー技術により、レジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより、ストリップ電極２３および共通電極２４からなる櫛型電極２５を形成する。ドライエッチングには、Ｃｌ2およびＢＣｌ3の混合ガスを用いて、櫛型電極パターンが形成された後もさらにオーバーエッチングを行い、電極以外の部分を約１０ｎｍ削る。オーバーエッチングは、アルミニウムのエッチングと同じ条件で時間を延ばすだけで行っても良いが、イオン性エッチングの割合を上げるようにＢＣｌ3の割合を増やす、あるいはＡｒ等のガスを用いても良い。
【００１６】
次にレジストを除去した後、第１の面２２に酸化シリコンからなる絶縁体薄膜２６を厚さ約１００ｎｍで形成する。このようにすることにより、第１の面２２表面の絶縁体薄膜２６が付着している部分の応力状態を、約１５０ＭＰａの圧縮応力状態にすることができる。
【００１７】
第１の面２２に絶縁体薄膜２６を付着させた状態で、共通電極２４と第２の面２７に設けた対向電極２８との間に、約５ｋＶのパルス電圧をＭｇＯ：ＬＮ基板の自発分極の正側を正電位になるように、負側を負電位になるように絶縁オイル中で印加し、ストリップ電極２３の先端付近から、Ｚ軸方向に分極反転領域２９を成長させる。なお、第２の面に対向電極２８を設ける工程は、パルス電圧を印加する以前のどの段階でも構わない。
【００１８】
このあと、絶縁体薄膜２６および櫛型電極２５を除去した後、第１の面２２側と支持基板１６とを接合し、第２の面２７側を所定の厚さに研磨した後、さらにリッジ加工することにより、図１のような光導波路内に周期分極反転を有する光波長変換素子を得ることができる。
【００１９】
本発明の効果を確認するために、図２のようにしてパルス電圧を印加し、分極反転領域２９を形成した後、後の工程で光導波路１６を形成する位置で、導波方向に平行で、第１の面２２に対して垂直な面（図２のＣ−Ｃ）で切断研磨し、エッチング処理を施すことにより、分極反転領域２９の形状を確認した。図３（ａ）は、本発明の実施の形態によって形成された分極反転領域２９の断面図であり、分極反転領域２９の境界の形状が、第１の面２２の直下で水平にほぼ直線状に伸び、第１の面２２に対して垂直な方向の分極反転領域境界も直線に近くなっている。これは、第１の面２２の段差および絶縁体薄膜２６により分極反転領域２９の成長が規制されて、直線状に成長したことによるものと考えられる。一方図３（ｂ）は、従来の方法によって形成されたもので、分極反転領域２９境界が丸くなった形状となっている。なお、これらの図の水平方向が導波方向となる。図３（ａ）及び図３（ｂ）で、分極周期をＰ、中央付近の分極反転領域２９の幅をＷとすると、Ｗ／Ｐがデューティー比となるが、それぞれの第１の面２２に近い部分での分極判定領域２９の幅をＷ１、Ｗ２とすると、従来の方法による図３（ｂ）では、Ｗ２／ＰとＷ／Ｐとでは異なっているのに対し、本発明の実施形態による図３（ａ）では、Ｗ１／ＰとＷ／Ｐとはほとんど変わらないため、どの位置を通る光に対してもデューティー比が一定となっているため、ＳＨＧ素子としての変換効率を向上させることができる。
【００２０】
以上のようにして得られたＳＨＧ素子の約５０ｍＷの光を入力することで、約３．５ｍＷのＳＨＧ出力が得られ、従来の方法で作成したものでの約２．８ｍＷの出力に対し、約２０％の変換効率の向上がみられた。
【００２１】
ここで本発明のような効果が得られる理由について説明する。発明者らは、強誘電体表面を圧縮応力状態にしておくと、分極反転が成長しにくくなることを確認した。ストリップ電極２３の周囲に絶縁体薄膜２６を形成することにより、ストリップ電極２３以外の部分の強誘電体表面を圧縮応力状態にし、さらに櫛型電極２５以外の部分をオーバーエッチングにより削り、ストリップ電極２３のある部分とない部分で、強誘電体基板２１の表面に段差を設けているので、ストリップ電極２３直下から成長した分極反転領域２９は、この段差により周囲に広がるのを妨げられるので、直線状に成長しやすくなる。これにより、分極反転領域境界の基板厚さ方向の直線性を向上させ、変換効率を向上させることができる。
【００２２】
本発明の効果と強誘電体基板２１の表面の段差との関係を調べると、段差が５ｎｍより小さくなると、その効果が小さくなり、分極反転領域境界の基板厚さ方向の直線性が悪くなった。また、１００ｎｍより大きくなると、直線性の劣化はないが、分極反転領域２９の成長が妨げられるので好ましくない。また、分極反転領域２９を成長させた後、第１の面２２を研磨して支持基板１３と直接接合するが、強誘電体基板２１の表面の段差が１００ｎｍより大きくなると、研磨に時間がかかったり、基板が反りやすくなったりするため好ましくない。以上により、強誘電体基板２１の表面の段差は、５ｎｍ〜１００ｎｍの間で形成するのが好ましい。
【００２３】
また、圧縮応力の強さについても調べると、１００ＭＰａより小さくなると、その効果が小さくなり、分極反転領域境界の基板厚さ方向の直線性が悪くなった。また、２００ＭＰａより大きくなると、分極反転領域２９の形状自体が他の反転領域とは異なり、エッジ付近のみが反転領域となるように変形してしまい、所望の反転形状が得られなかった。以上により、圧縮応力の強さは、１００ＭＰａ〜２００ＭＰａの間で形成するのが好ましい。
【００２４】
なお、圧縮応力は分極反転を成長させにくくするためのものであり、分極反転を成長させるストリップ電極２３の直下は、圧縮応力状態になっていないことが望ましい。図４は本発明の別の実施形態を説明するための図である。第１の面２２の全体に酸化シリコン薄膜からなる絶縁体薄膜２６を形成した後、レジストパターンを形成し、ＣＦ4とＯ2の混合ガスを用いてストリップ電極２３上の一部の酸化シリコンを除去したものであり、このようにすることにより、ストリップ電極２３直下の強誘電体基板２１の表面の応力を緩和することができ、より好ましい。通常青色の光を出すＳＨＧ素子では、分極反転周期は約４．６μｍとなる。ストリップ電極２３の幅はおよそその半分くらいとなるため、レジストパターンの重ね合わせ精度を考慮しても、通常のフォトリソグラフィー技術で十分対応可能となる。
【００２５】
また、図２では、第１の面２２に櫛型電極２５を、第２の面２７のストリップ電極２３の延伸方向に対向電極２８を設け、この間にパルス電圧を印加し、分極反転を形成したが、これに限定されるものではなく、図５のように、第１の面２２に櫛型電極２５及びその延伸方向に浮き電極５３を設け、第２の面２７の櫛型電極２５及び浮き電極５３両方にわたって対向するように対向電極２８を設け、櫛型電極２５と対向電極２８との間にパルス電圧を印加するようにしても構わない。対向電極２８に印加された電圧によって浮き電極５３に電荷が誘起され、これによって櫛型電極２５と浮き電極５３との間に電界が生じ、対向電極２８と櫛型電極２５との間に生じる電界と合成されて斜め方向の電界となり、これにより分極反転領域２９を成長させることができる。このようにすることにより、図２の方法では櫛型電極２５と対向電極２８の距離をとる必要があったのに対し、この距離を短くでき、分極反転領域２９を形成するための面積を小さくすることができる。この場合でも、浮き電極５３はフォトリソグラフィーにより、櫛型電極２５と同時に形成することができるので、特に工程を追加する必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明にかかる光波長変換素子の製造方法は、強誘電体基板に形成される分極反転領域の境界をほぼ領域全長にわたって平行な直線状にし、分極反転領域の幅とその周期の比であるデューティー比の反転形成領域内での位置依存性を少なくしたものであり、光波長変換素子の高効率化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明によるＳＨＧ素子の構成図
【図２】本発明の一実施形態の製造方法の主要部を説明するための図
【図３】本発明と従来例との分極反転領域形状を比較するための図
【図４】本発明の別の実施形態を説明するための図
【図５】本発明の別の実施形態の製造方法の主要部を説明するための図
【符号の説明】
【００２８】
１３  支持基板
１４  直接接合領域
１５  非直接接合領域
１６  光導波路
２１  強誘電体基板
２２  第１の面
２３  ストリップ電極
２４  共通電極
２５  櫛型電極
２６  絶縁体薄膜
２７  第２の面
２８  対向電極
２９  分極反転領域
５３  浮き電極
【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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