(57)【要約】【課題】  マルチドメイン状態の二次非線形光学結晶に周期分極反転構造を低コストで形成する方法を提供する。【解決手段】  マルチドメイン状態の二次非線形光学結晶の基板３１のＺ面の一方に、所望の周期分極反転構造に対応したレジストパターン３２を形成する。この基板を、Ｏリング４２を介して、容器４１に備え付け、基板の両側に液体電極４３を充填する。レジストパターンを形成していないＺ面側の液体電極に第１の電極棒４４を挿入し、レジストパターンを形成したＺ面側の液体電極に第２の電極棒４５を挿入する。第１の電極棒に二次非線形光学結晶の抗電界を上回る電圧を所定の時間だけ印加することで、基板結晶がシングルドメイン化される。次に、第２の電極棒に抗電界を上回る電圧を所定の時間だけ印加することで、レジストパターンに対応した周期分極反転構造が基板結晶に形成される。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶に分極反転構造を形成する方法であって、
前記結晶はマルチドメイン状態であり、前記結晶のＺ面間に電圧を印加して、前記結晶をシングルドメイン化する工程と、
前記シングルドメイン化された結晶に、前記分極反転構造のパターンに対応して電圧を印加し、前記パターンに対応する分極反転構造を形成する工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
非線形光学結晶に分極反転構造を形成する方法であって、
前記結晶はマルチドメイン状態であり、
前記結晶のＺ面の一方に前記分極反転構造に一致するパターンが作製されており、
前記パターンが作製されているＺ面の裏面に対して、電圧を印加する工程と、
前記パターンが作製されているＺ面に対して、前記工程の電圧と同じ極性の電圧を前記パターンに対応して印加する工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、前記パターンはレジストパターンであることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記結晶のＺ面間の厚さは２００μｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、前記非線形光学結晶はＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３からなることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、前記非線形光学結晶はさらにＭｇまたはＺｎの群から選ばれた少なくとも１種類の添加物を含有していることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、前記工程は加温された環境下で行われることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、擬似位相整合型の波長変換素子の作製方法に関し、より具体的には、二次非線形光学結晶媒質中に周期分極反転構造を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次非線形効果の一種である擬似位相整合による波長変換素子の応用が期待されている。この波長変換素子は、擬似位相整合により励起光から第二高調波、和周波、差周波などの生成光を発生する。図１に、この種の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。図に示すように、励起光ＡおよびＢは、合波器１１によって合波され、分極反転構造を有する非線形結晶１２に入射される。非線形結晶１２中では、励起光ＡおよびＢの和周波成分や差周波成分、第二高調波成分の光（生成光Ｃ）が発生する。そして、励起光Ａ、Ｂおよび生成光Ｃは、非線形結晶１２から出射され、分波器１３によって分離される。
【０００３】
このような擬似位相整合型の波長変換素子を作製する場合、非線形結晶中の分極方向が周期的に反転しているような周期分極反転構造を形成する必要がある。周期分極反転構造を形成する方法には、例えば、非特許文献１に開示されているものがある。この方法は、シングルドメイン化された非線形強誘電体光学材料の基板に電圧を印加することによって周期分極反転構造を形成している。具体的には、強誘電体基板の主面の一方に、周期分極反転構造のドメイン反転パターンに対応する形状の電極を設け、室温で電圧を印加する。
【０００４】
【非特許文献１】M. Yamada et al., “First-order quasi-phase matched LiNbO3 waveguide periodically poled by applying an external field for efficient blue second-harmonic generation”, Appl. Phys. Lett. Vol. 62, No. 5, pp. 435-436, February 1993.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この作製方法では、シングルドメイン化されている二次非線形光学結晶を用意する必要がある。シングルドメイン化されている二次非線形光学結晶は、シングルドメイン化されていないマルチドメイン状態の二次非線形光学結晶よりも高価である。また、シングルドメイン化された二次非線形光学結晶は強い焦電効果を示し、強誘電体材料の表面に電極パターンを形成する際などに昇温または降温する過程で二次非線形結晶が破損する恐れがある。このように、従来の作成方法では、原材料のコストが高く、また焦電効果のために製造工程での取り扱いに注意を要し、歩留まりの低下を招くという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低コストで取り扱いの容易なマルチドメイン状態の非線形光学結晶を用いて結晶中に分極反転構造を形成する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、非線形光学結晶に分極反転構造を形成する方法であって、前記結晶はマルチドメイン状態であり、前記結晶のＺ面間に電圧を印加して、前記結晶をシングルドメイン化する工程と、前記シングルドメイン化された結晶に、前記分極反転構造のパターンに対応して電圧を印加し、前記パターンに対応する分極反転構造を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、非線形光学結晶に分極反転構造を形成する方法であって、前記結晶はマルチドメイン状態であり、前記結晶のＺ面の一方に前記分極反転構造に一致するパターンが作製されており、前記パターンが作製されているＺ面の裏面に対して、電圧を印加する工程と、前記パターンが作製されているＺ面に対して、前記工程の電圧と同じ極性の電圧を前記パターンに対応して印加する工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の方法において、前記パターンはレジストパターンであることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記結晶のＺ面間の厚さは２００μｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、前記非線形光学結晶はＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３からなることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の方法において、前記非線形光学結晶はさらにＭｇまたはＺｎの群から選ばれた少なくとも１種類の添加物を含有していることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、前記工程は加温された環境下で行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、マルチドメイン状態の非線形光学結晶を用いて分極反転構造を作成することができるので、加熱、冷却時に発生する焦電効果による結晶基板の破損を防止することができる。これにより、波長変換素子などの製造における歩留まりが向上する。また製造工程における昇温時間、徐冷時間を短縮できるので製造プロセスの短サイクル化が可能になる。さらに、マルチドメインの二次非線形光学結晶は、シングルドメイン化されているものよりも安価であるため、原材料費を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
代表的な二次非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶の製造は、一般にチョクラルスキー法などの結晶引き上げ法を用いて行われている。引き上げられた結晶（ブール）は自発分極の向きがランダムなマルチドメイン状態である。これをシングルドメイン化するためには、キュリー点近くまで結晶を加温した状態で結晶のＺ面間に所定の電界を印加することによって分極の向きを一方向にする、いわゆるポーリング作業を行う必要がある。しかし、ポーリングによってシングルドメイン化された強誘電体結晶は、強い焦電効果を持つため、ポーリングの後、ブールを冷却する時にＺ面の両表面に電荷がたまり、サージが発生してブール自体が破損してしまうことが珍しくない。
【００１６】
しかるに本発明では、マルチドメイン状態の二次非線形結晶をシングルドメイン化する工程と、シングルドメイン化した結晶に周期分極反転構造を形成する工程を一連のプロセスで行うことにより、焦電効果による上記の問題を回避することができる。
【００１７】
図２を参照しながら、本発明に従って二次非線形結晶光学結晶に周期分極反転構造を形成するステップの概要について説明する。先ず、マルチドメイン状態の二次非線形光学結晶のＺカット基板を用意する（ステップ２０１）。このマルチドメイン状態の結晶基板のＺ面の一方に、所望の周期分極構造に対応するフォトレジストパターンを形成する（ステップ２０２）。マルチドメイン結晶は焦電効果を生じないため、このフォトリソグラフィプロセスでの結晶基板の昇温または降温によって結晶基板を破損する恐れはない。
【００１８】
次に、必要に応じて（オプションとして）、基板を加温する（ステップ２０３）。基板はマルチドメイン結晶状態なので、この加温により、焦電効果は生じず、基板破損の恐れはない。また、本発明の一実施例では、後に説明するように、加温を行わず室温で処理することも可能である。次に、レジストパターンが形成されたマルチドメイン結晶基板をシングルドメイン化する。これは、レジストパターンが形成されていない方のＺ面に正の電圧がかかるようにして、Ｚ面間に所定の電圧を印加することによって行われる（ステップ２０４）。
【００１９】
次に、シングルドメイン化された結晶基板にレジストパターンに対応した周期分極反転構造を形成する。これは、Ｚ面に形成されたレジストパターンに対応して正の電圧がかかるようにして、Ｚ面間に所定の電圧を印加することによって行われる（ステップ２０５）。最後に、基板を常温に戻して、取り出す（ステップ２０６）。この基板には既に周期分極反転構造が形成されているので、この降温により、焦電効果は生じず、基板の破損の心配はない。
【００２０】
これらの工程では、シングルドメイン化された状態で基板を昇温したり、降温したりする必要がないので、焦電効果による結晶基板の破損を防止することができる。以下、図面を参照しながら本発明のいくつかの実施例について具体的に説明する。また、これによって本発明のさらなる利点および効果が理解されよう。
【実施例１】
【００２１】
本発明の第１の実施例では、二次非線形光学結晶として基板の厚さ３００μｍの３インチ、ノンドープのＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）基板を用いて周期分極反転構造を形成する。先ず、このマルチドメイン状態の結晶基板のＺ面に所望の周期分極構造に対応するレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、通常のフォトリソグラフィプロセスを用いて形成することができる。具体的には、ＬＮ基板の表面を有機洗浄した後、親油性処理を行い、例えばシプレイ社製のＳ１８１８レジストを基板上に滴下してスピンコートする。その後、スピンコートされたレジスト膜を恒温炉中でベーキングして、乾燥、固化させる。実際に、ベーキングによる加熱またはその後の冷却によって基板が破損することはなかった。これは、基板がマルチドメイン状態であり、焦電効果による表面電荷の発生がないためである。
【００２２】
次に、所望の周期分極反転構造に対応するフォトマスクをレジスト膜にコンタクトさせて、紫外線を照射して露光した後、現像することによって周期分極反転構造に対応したレジストパターンを形成する。図３に、マルチドメイン状態の結晶基板にレジストパターンを形成した模式図を示す。図に示すように、ＬＮ基板３１にレジストパターン３２が形成されている。また、ＬＮ基板３１に示した矢印は自発分極の向きを模式的に示しており、矢印の向きがランダムであり、基板がマルチドメイン状態であることを表している。
【００２３】
次に、図４に示す構成によって、基板３１をシングルドメイン化する。図４に示すように、基板３１は、アクリル製の容器４１の中でＯリング４２を介して保持されている。また、容器の内部には液体電極４３が充填されており、基板３１の両表面（Ｚ面）は液体電極４３に浸されている。基板３１のレジストパターンが形成されていないＺ面側の液体電極には第１の電極棒４４が、レジストパターンが形成されているＺ面側の液体電極には第２の電極棒４５が装填されている。また、それぞれの側の液体電極は、基板３１によって分離さており、さらに、Ｏリング４２によって容器４１から液漏れしない構造となっている。液体電極の代わりに、導電性ゲルを用いてもよい。
【００２４】
シングルドメイン化の工程では、正の電圧を発生する直流電源４６を第１の電極棒に接続し、第２の電極棒を接地する。この電源４６により、基板の両Ｚ面の間に抗電界以上の電界を印加する。抗電界とは、強誘電体結晶の自発分極の向きを一方向にそろえるために必要となる電圧である。ノンドープのＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）およびノンドープのＬｉＴａＯ３（ＬＴ）結晶の場合、室温で２２ｋＶ／ｍｍの高電圧を必要とする。この抗電界の値は、ＭｇまたはＺｎなどの元素を結晶中にドーピングすることによって低下させることができる。例えば、Ｍｇ５ｍｏｌ％添加またはＺｎ５ｍｏｌ％添加のＬＮまたはＬＴ結晶では、６ｋＶ／ｍｍ以下の抗電界が得られている。
【００２５】
本実施例では、基板厚３００μｍのノンドープＬＮ基板を使用し、抗電界は６．６ｋＶとなる。実際には、直流電源３６より７ｋＶの電圧を１秒間印加することによって、基板２１をシングルドメイン化することができた。図４に示した基板２１の矢印の向きは、自発分極の向きを示しており、電圧の印加によって、シングルドメイン化した状態を表している。
【００２６】
次に、シングルドメイン化した基板に周期分極反転構造を形成する工程について説明する。図５に、周期分極反転構造を形成する工程の構成を示す。図５に示すように、この工程では、電極に印加する電圧の向きを逆向きにする。すなわち、第１の電極棒４４を接地し、正の電圧を発生する直流電源４６を第２の電極棒４５に接続する。実際には、直流電源４６により６．６ｋＶの電圧を３００ミリ秒間印加した。このとき、レジストパターンに対応する目標分極反転面積の自発分極電荷の２倍に相当する電流が直流電流から流れ、レジストパターンに対応する周期分極反転構造を形成することができた。図５に示した基板３１の矢印の向きは、自発分極がレジストパターンに従って周期的に反転している状態を表している。
【００２７】
ここで、基板３１に形成されたレジストパターン３２は、絶縁膜として作用している。すなわち、液体電極４３が基板に接している部分には、抗電界以上の電圧が印加されているので、自発分極の向きが反転しているが、レジストパターンが形成された部分は電気的に絶縁されているので、自発分極の向きは反転していない。
【００２８】
本実施例において、二次非線形光学結晶として、ＺｎドープＬＮ基板を用いた場合でも同様の周期分極反転構造を形成することができることを確認した。また、ノンドープのＬｉＴａＯ３（ＬＴ）基板、ＺｎドープまたはＭｇドープのＬＴ基板を用いた場合でも同様に周期分極反転構造を形成することができた。
【００２９】
本実施例では、レジストパターンの反転周期が９．１μｍのマスクを用いて分極反転構造を形成したが、反転周期が２μｍ以上の任意の反転周期でも分極反転構造を形成することができた。
【００３０】
本実施例で作製したＬＮ基板から周期分極反転構造を短冊状の素子を切り出し、素子の両端面を研磨して、波長変換素子としての確認を行った。その結果、波長１．３μｍの励起光と、波長１．０６μｍの励起光を素子に入射したところ、波長５８９ｎｍの黄色の和周波生成光を発生させることができた。
【実施例２】
【００３１】
本発明の第２の実施例では、シングルドメイン化および周期分極反転構造の形成を加温した状態で行う。図６に本実施例の構成を示す。図６に示すように、本実施例では、Ｏリング４２を介して基板３１を保持した容器４１がマントルヒータ６１の中に収容されている。マントルヒータは、その内部を加熱するヒータ６２を備えている。また、容器４１には、温度計６３が備え付けられており、その温度を管理できるようになっている。
【００３２】
基板３１は、マルチドメイン状態であり、基板厚５ｍｍの３インチＭｇドープＬＮ基板とし、第１の実施例と同様に、基板上にレジストパターンが形成されている。本実施例では、レジストパターンの周期は４．５ミクロンとした。レジストパターンを形成した基板を容器４１に装填し、液体電極４３を充填した後、容器４１をマントルヒータ６１内にセットする。
【００３３】
次に、マントルヒータ６１内を、容器４１に装着した温度計６３が９０℃になるまでヒータ６２で加温する。ちなみに、容器４１は、耐熱性に優れたポリカーボネートを使用している。加温中に、基板が破損するようなことはなかった。これは、基板がマルチドメイン状態であり、温度変化による焦電効果が生じないためである。
【００３４】
レジストパターンが形成されていないＺ面側の第１の電極棒４４に直流電源４６を接続し、１０ｋＶの電圧を３０秒間印加することによって、基板３１をシングルドメイン化した。ここで、１０ｋＶの電圧を印加した理由は、９０℃におけるＭｇドープＬＮ基板の抗電界の大きさがおよそ２ｋＶ／ｍｍであり、基板の厚さは５ｍｍなので、１０ｋＶの電圧が必要となるためである。
【００３５】
次に、直流電源４６をレジストパターンが形成されているＺ面側の第２の電極棒４５に接続し、１０ｋＶの電圧を１０秒間印加することによって、レジストパターンに対応した周期分極反転構造をシングルドメイン化された基板３１に形成した。このとき、レジストパターンに対応する目標分極反転面積の自発分極電荷の２倍に相当する電流が直流電流４６から流れたことを確認した。本実施例において、電圧を印加する時間が、第１の実施例に比べて長いのは、ＭｇドープＬＮ基板は抗電界以上の電圧に対して自発分極が反転するのに要する時間が長いためである。
【００３６】
本実施例において、二次非線形光学結晶として、ノンドープＬＮ基板、ＺｎドープＬＮ基板を用いた場合でも同様の周期分極反転構造を形成することができることを確認した。また、ノンドープのＬＴ基板、ＺｎドープまたはＭｇドープのＬＴ基板を用いた場合でも同様に周期分極反転構造を形成することができた。
【００３７】
本実施例で作製したＬＮ基板から周期分極反転構造を短冊状の素子を切り出し、素子の両端面を研磨して、波長変換素子としての確認を行った。その結果、波長０．９７６μｍの励起光を素子に入射したところ、波長４８８ｎｍの第二高調波生成光を発生させることができた。
【００３８】
本発明において、用いる二次非線形光学結晶の厚さは、２００μｍ以上５ｍｍ以下であることが望ましい。２００μｍよりも薄い場合、基板自体の反りが顕著になり、レジストパターン形成のためのフォトリソグラフィプロセスが困難になる。また、５ｍｍ以上の場合、結晶基板の重量が重くなり、取り扱いが困難になるだけでなく、分極反転に要する反転電圧が大きくなる。これにより高電圧を発生させるための電源設備が大きくなり、実用的ではない。本発明の一実施例における好ましい基板の厚さは、３００μｍ以上１ｍｍ以下である。
【００３９】
本実施例では、加温した状態で処理を行うので、二次非線形光学結晶の抗電界が低下し、厚い結晶基板でも比較的低い電圧で処理できる利点がある。また、結晶の電気伝導度も高くなるので、分極反転の構造が結晶中の欠陥によってピン止めされて乱れることが少なくなり、より均一な分極反転構造を形成できる利点もある。加温する温度としては、５０℃以上１５０℃以下であることが好ましく、９０℃から１００℃の間で行うのがより好ましい。温度が１５０℃以上の場合、液体電極が蒸発し、使用できなくなるので好ましくない。
【００４０】
以上、本発明について、いくつかの実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。したがって、ここに例示した実施例は、本発明の趣旨から逸脱することなく構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および製造工程は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、および／またはその順序を変えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】波長変換素子の原理を説明するための模式図である。
【図２】本発明にしたがって、マルチドメイン状態の二次非線形光学結晶の基板に周期分極反転構造を形成する工程を説明するフローチャートである。
【図３】本発明において使用するマルチドメイン状態の二次非線形光学結晶の基板上にレジストパターンを形成した状態を説明するための図である。
【図４】本発明の第１の実施例に従って、マルチドメイン状態の二次非線形光学結晶の基板をシングルドメイン化する構成を説明するための図である。
【図５】本発明の第１の実施例に従って、シングルドメイン化された二次非線形光学結晶の基板に周期分極反転構造を形成する構成を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施例に従って、マルチドメイン状態の二次非線形光学結晶の基板を用いて周期分極反転構造を形成する構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１  合波器
１２  非線形結晶
１３  分波器
３１  基板
３２  レジストパターン
４１  容器
４２  Ｏリング
４３  液体電極
４４  第１の電極棒
４５  第２の電極棒
４６  電源
６１  マントルヒータ
６２  ヒータ
６３  温度計
【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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