(57)【要約】【課題】  広い範囲にわたって均一な周期的分極反転領域を容易に形成することの可能な分極反転構造作製用の電極を提供する。【解決手段】  非線形光学効果を持つ誘電体基板１に対し、対向する２つの面にそれぞれ配置される電極（２，３）であって、対向する２つの面にそれぞれ配置される各電極（２，３）のうちの少なくとも一方の電極（２）は、誘電体基板に電場を加えることで分極方向を反転させる分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有し、導電性の微粒子５を含む材料が用いられることを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学効果を持つ誘電体基板に対し、対向する２つの面にそれぞれ配置される電極であって、対向する２つの面にそれぞれ配置される各電極のうちの少なくとも一方の電極は、誘電体基板に電場を加えることで分極方向を反転させる分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有し、導電性の微粒子を含む材料が用いられることを特徴とする分極反転構造作製用の電極。
【請求項２】
請求項１記載の電極において、前記導電性の微粒子は、大きさが５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であることを特徴とする分極反転構造作製用の電極。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の分極反転構造作製用の電極において、前記導電性の微粒子は針状の構造を有していることを特徴とする分極反転構造作製用の電極。
【請求項４】
非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有する電極の作製方法であって、前記誘電体基板の表面に絶縁体材料で溝を作製し、該溝を導電性の微粒子を含む材料で埋め込んで、前記電極パターンを形成することを特徴とする電極の作製方法。
【請求項５】
非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有する電極の作製方法であって、導電性の微粒子を含む感光性の樹脂を誘電体基板上に成膜し、導電性の微粒子を含む感光性の樹脂をフォトリソグラフィーにより加工して電極パターンを形成することを特徴とする電極の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の分極反転構造作製用の電極を用いて、非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製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、前記誘電体基板に電場を印加中に前記誘電体基板を加熱する加熱手段をさらに有してい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、前記誘電体基板に電場を印加中に前記誘電体基板に紫外線を照射する紫外線照射手段をさらに有してい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１乃至請求項３のいずれかに記載の分極反転構造作製用の電極を用いて、非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製することを特徴とする分極反転構造の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分極反転構造作製用の電極および電極の作製方法および分極反転構造の作製装置および分極反転構造の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬｉＮｂＯ３やＬｉＴｉＯ３等の強誘電体結晶は、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などに利用されている。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分極反転構造をもつ光学素子（波長変換素子）は、広い波長範囲のレーザー光に対して第二高調波発生（ＳＨＧ）や光パラメトリック発振（ＯＰＯ）を行うことができる。
【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とが検討されている。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。一方、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。
【０００４】
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。
【０００５】
バルク型の波長変換素子の作製は、主に分極方向がそろった基板の両面（＋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。
【０００６】
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。
【０００７】
特許文献１には、＋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やすくする方法が示されている。また、特許文献２には、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構造を作製する方法が示されている。また、特許文献３には、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する方法が示されている。
【０００８】
しかしながら、上述した分極反転構造の作製方法を用いた場合でも、広範囲にわたって均一な分極反転領域を形成するのは容易ではない。分極反転領域は＋電極の下に均一に発生するのではなく、＋電極の下にまばらに形成された核となる反転領域が印加時間とともにＺ面内方向，−Ｚ面方向に成長していくことが実験により観測されている。いったん核が形成された部分は電荷が集中しやすくなるため、先に核が形成された部分が時間とともに広がってしまい、結果として最初に核が形成された部分の周辺だけが分極反転しているような状態になる。したがって、いかに核形成を均一に行うかが広い面積にわたって均一な分極反転領域を形成するために重要である。
【０００９】
この問題に対して、特許文献４には、電極パターン端部を微細な屈曲形状とすることで、核となる分極反転領域を形成しやすくすることが示されている。しかしながら、ＳＨＧによる可視，紫外光発生用の素子では、分極反転の周期が数μｍ程度になるため、パターン端部の構造作製に非常に微細な加工が必要になり電極パターンの作製が困難になるという問題があった。
【特許文献１】特開２０００−１４７５８４号公報
【特許文献２】特開２００３−３０７７５８号公報
【特許文献３】特開平７−７２５２１号公報
【特許文献４】特開２００３−５２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述したような課題を解決するためのものであって、広い範囲にわたって均一な周期的分極反転領域を容易に形成することの可能な分極反転構造作製用の電極および電極の作製方法および分極反転構造の作製装置および分極反転構造の作製方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、非線形光学効果を持つ誘電体基板に対し、対向する２つの面にそれぞれ配置される電極であって、対向する２つの面にそれぞれ配置される各電極のうちの少なくとも一方の電極は、誘電体基板に電場を加えることで分極方向を反転させる分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有し、導電性の微粒子を含む材料が用いられることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電極において、前記導電性の微粒子は、大きさが５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の分極反転構造作製用の電極において、前記導電性の微粒子は針状の構造を有していることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項４記載の発明は、非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有する電極の作製方法であって、前記誘電体基板の表面に絶縁体材料で溝を作製し、該溝を導電性の微粒子を含む材料で埋め込んで、前記電極パターンを形成することを特徴としている。
【００１５】
また、請求項５記載の発明は、非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有する電極の作製方法であって、導電性の微粒子を含む感光性の樹脂を誘電体基板上に成膜し、導電性の微粒子を含む感光性の樹脂をフォトリソグラフィーにより加工して電極パターンを形成することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の分極反転構造作製用の電極を用いて、非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製することを特徴とする分極反転構造の作製装置である。
【００１７】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の分極反転構造の作製装置において、前記誘電体基板に電場を印加中に前記誘電体基板を加熱する加熱手段をさらに有していることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項８記載の発明は、請求項６記載の分極反転構造の作製装置において、前記誘電体基板に電場を印加中に前記誘電体基板に紫外線を照射する紫外線照射手段をさらに有していることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の分極反転構造作製用の電極を用いて、非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製することを特徴とする分極反転構造の作製方法である。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、非線形光学効果を持つ誘電体基板に対し、対向する２つの面にそれぞれ配置される電極であって、対向する２つの面にそれぞれ配置される各電極のうちの少なくとも一方の電極は、誘電体基板に電場を加えることで分極方向を反転させる分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有し、導電性の微粒子を含む材料が用いられるので、分極反転の核形成を促進し、広い範囲にわたって均一な核形成を行うことができ、これにより、広い範囲にわたって均一な分極反転構造（周期的分極反転領域）を容易に形成することができる。
【００２１】
特に、請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の分極反転構造作製用の電極において、前記導電性の微粒子は針状の構造を有しているので、混合する微粒子の量を減らした場合でも材料内で均一に電荷を移動させることができて、核形成密度の調整が容易になる。すなわち、分極反転の核が形成される密度を低くした場合でも、均一な分極反転構造を形成することができる。
【００２２】
また、請求項４記載の発明によれば、非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有する電極の作製方法であって、前記誘電体基板の表面に絶縁体材料で溝を作製し、該溝を導電性の微粒子を含む材料で埋め込んで、前記電極パターンを形成するので、均一性の高い分極反転領域が形成できる分極反転構造作製用の電極の電極パターンの作製に従来のフォトリソグラフィー技術を利用でき、電極パターンの形成を容易（簡便）に行うことができる。
【００２３】
また、請求項５記載の発明によれば、非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有する電極の作製方法であって、導電性の微粒子を含む感光性の樹脂を誘電体基板上に成膜し、導電性の微粒子を含む感光性の樹脂をフォトリソグラフィーにより加工して電極パターンを形成するので、均一性の高い分極反転領域が形成できる分極反転構造作製用の電極の電極パターンの作製をフォトリソグラフィーのみで行うことができ、電極パターンの形成を容易（簡便）に行うことができる。
【００２４】
また、請求項６乃至請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の分極反転構造作製用の電極を用いて、非線形光学効果を持つ誘電体基板に分極反転構造を作製するので、広い範囲にわたって均一な核形成を行うことができ、これにより、広い範囲にわたってムラの少ない均一な分極反転構造を容易に作製することが可能になる。
【００２５】
特に、請求項７記載の発明では、請求項６記載の分極反転構造の作製装置において、前記誘電体基板に電場を印加中に前記誘電体基板を加熱する加熱手段をさらに有しており、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、厚い誘電体基板に対する分極反転構造の作製が容易になる。
【００２６】
また、請求項８記載の発明では、請求項６記載の分極反転構造の作製装置において、前記誘電体基板に電場を印加中に前記誘電体基板に紫外線を照射する紫外線照射手段をさらに有しており、紫外線照射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、厚い誘電体基板に対する分極反転構造の作製が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
本発明は、非線形光学効果を持つ誘電体基板に対し、対向する２つの面にそれぞれ配置される電極であって、対向する２つの面にそれぞれ配置される各電極のうちの少なくとも一方の電極は、誘電体基板に電場を加えることで分極方向を反転させる分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有し、導電性の微粒子を含む材料が用いられることを特徴としている。
【００２９】
ここで、導電性微粒子としては、銀（Ａｇ）などが用いられ、前記導電性の微粒子は、大きさが５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲である。また、導電性の微粒子を含む材料としては、導電性の樹脂，接着剤等がある。これらの材料では導電性の微粒子を介して電流が流れる。分極反転構造作製用の電極材料としてこのようなものを用いた場合、導電性微粒子が誘電体基板に接触している点に電荷が集中し分極反転の核が形成されやすくなる。導電性微粒子と誘電体基板表面の接触点は電極の形成された範囲に均等に分布しているため、電極の形成された範囲内では多くの場所で核形成が行われやすくなり、結果として、電極パターンに沿ったムラの少ない均一な分極反転領域が形成できるようになる。
【００３０】
すなわち、本発明によれば、非線形光学効果を持つ誘電体基板に対し、対向する２つの面にそれぞれ配置される各電極のうちの少なくとも一方の電極は、誘電体基板に電場を加えることで分極方向を反転させる分極反転構造を作製するための所定の電極パターンを有し、導電性の微粒子を含む材料が用いられるので、分極反転の核形成を促進し、広い範囲にわたって均一な核形成を行うことができ、これにより、広い範囲にわたって均一な分極反転構造（周期的分極反転領域）を容易に形成することができる。
【００３１】
次に、図１，図２を用いて、本発明の分極反転構造作製用の電極および分極反転構造の作製方法を説明する。
【００３２】
図１は電極パターンを形成した誘電体基板の一例を示す図である。図１の例では、誘電体基板１にはＭｇＯを５ｍｏｌ％ドープしたＬｉＮｂＯ３（以下、ＭｇＯ：ＬＮと称す）が用いられている。また、この基板１の＋Ｚ面には櫛状の電極パターンを有する電極２が形成され、−Ｚ面にはパターンの無い電極３が形成されている。そして、＋Ｚ面に形成された電極２には、導電性の微粒子５を混合して導電性を持たせた樹脂材料が用いられている。なお、図１の例では、導電性の微粒子５には球状のものが用いられている。
【００３３】
図２は、図１のＭｇＯ：ＬＮ基板１に電極２，３を介して電圧を加える様子を示す図である。また、図３（ａ）乃至（ｄ）は、図１のＭｇＯ：ＬＮ基板１に電極２，３を介して電圧を加えたときの分極反転領域の変化を示す図である。図３（ａ）乃至（ｄ）を参照すると、ＭｇＯ：ＬＮ基板１と電極２との界面では、導電性微粒子５が接触している部分に電荷が集中する。そのため、導電性微粒子とＭｇＯ：ＬＮの接触部分に分極反転の核６が生成されやすくなる。電極部分に発生した分極反転の核６は、電界の印加時間とともに図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の順に成長し、最終的に、図３（ｄ）に示すように、電極２の電極パターンに沿った分極反転領域７が形成される。このような部分は＋Ｚ面側の電極２全体にわたって均一に存在しているので、核形成位置のムラが発生しにくい。したがって、電極２の形成された面全体に渡って均一な分極反転構造が形成できる。また、電界を印加する際、基板１の加熱や紫外線の照射を行えば、分極反転に必要な電界強度が低下するので、より厚い基板１に対して分極反転構造を形成できる。
【００３４】
図４，図５は、本発明の電極の作製方法（電極パターンの作製方法）の例を示す図である。
【００３５】
図４の方法では、まず、誘電体基板１上に絶縁体材料１０で溝１１を作製し（図４（ａ），（ｂ））、導電性微粒子を含む材料１２で溝１１を埋め込んでいる（図４（ｃ））。ここで、絶縁体材料１０としては、フォトレジストを用いてもよいし、誘電体基板１の表面にＳｉＯ２膜等を成膜しておいて、フォトリソグラフィーとエッチングで溝１１を形成しても良い。フォトレジストを用いる場合は、導電性微粒子を含む材料の溶剤として、レジストが溶けないようなものを選択しておく必要がある。また、導電性微粒子の大きさは、溝１１に対して十分小さいものを用いる必要があるが、近年では様々な金属でナノスケールの微粒子が製造されており、電極パターンのピッチが数μｍ程度と狭い場合でもそれらを利用して対応することが出来る。具体的に、波長変換用で検討されている分極反転周期は１．８μｍ（ＳＨＧ、ＳＦＧで紫外光発生）〜４０μｍ（ＯＰＯで赤外光発生）位の範囲であり、溝の周期は、その半分〜１／４程度であって、微粒子の大きさは溝の１／１００程度であるのが良い。すなわち、導電性微粒子（例えば、銀の微粒子）の大きさとしては５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が良い。
【００３６】
また、図５の方法では、導電性の微粒子を直接感光性の樹脂に混合してフォトリソグラフィーによりパターニングを行っている（図５（ａ），（ｂ），（ｃ））。この方法は図４の方法に比べて簡便に電極パターンを作製できる。ただし、この場合は、フォトリソグラフィーを行った際に十分露光された光が透過できる程度に、混合する導電性微粒子の量を調整しておく必要がある。
【００３７】
上述の例では、導電性微粒子に球状のものを用いているが、導電性微粒子としては、球状のものに限らず、任意の形状のものを用いることができる。例えば、導電性微粒子を針状のものにすることもできる。図６には、針状の導電性微粒子５を混合した材料で形成された電極２が示されている。針状の導電性微粒子としては、カーボンナノチューブ等が利用できる。針状の導電性微粒子を用いる場合は、球状の導電性微粒子を使う場合に比べて少ない混合量でも電極に導電性を持たせることができるので、核形成の密度を必要に応じて低下させたい場合や、図５のように光の透過率を高めたい場合に有利である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、可視光レーザー光源，フォトプリンタ，ディスプレイ，テラヘルツレーザー光源などにおいて、分極反転構造をもつ素子に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】電極パターンを形成した誘電体基板の一例を示す図である。
【図２】図１のＭｇＯ：ＬＮ基板に電極を介して電圧を加える様子を示す図である。
【図３】図１のＭｇＯ：ＬＮ基板に電極を介して電圧を加えたときの分極反転領域の変化を示す図である。
【図４】本発明の電極の作製方法（電極パターンの作製方法）の例を示す図である。
【図５】本発明の電極の作製方法（電極パターンの作製方法）の例を示す図である。
【図６】針状の導電性微粒子を混合した材料で形成された電極を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１              誘電体基板
２，３          電極
５              導電性微粒子
１０            絶縁体材料
１１            溝
１２            導電性微粒子を含む材料
【図１】
2008158017.tif 000003
【図２】
2008158017.tif 000004
【図３】
2008158017.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008158017.tif 000007
【図６】
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