(57)【要約】【課題】大面積の強誘電体基板に分極反転部のデューティ比の面内均一性が高く、安定した波長変換効率を持つ光波長変換素子とその作製方法を提供することを目的とする。【解決手段】強誘電体結晶からなる基板表面上に所定の格子パターンを有し且つ前記基板の一端に電極パッドを持つ第１の金属電極を形成し前記表面と反対の面に第２の電極を形成する電極形成工程と、前記電極パッドと前記第２の電極との間に電界を印加して前記基板に分極反転部を形成する分極反転形成工程とからなる強誘電体基板の分極反転方法。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体結晶からなる基板表面上に所定の格子パターンを有し且つ前記基板の一端に電極パッドを持つ第１の金属電極を形成し前記表面と反対の面に第２の電極を形成する電極形成工程と、
前記電極パッドと前記第２の電極との間に電界を印加して前記基板に分極反転部を形成する分極反転形成工程とからなる強誘電体基板の分極反転方法。
【請求項２】
前記第１の電極は、前記電極パッドを前記基板の一端のみに持ち、前記格子パターンはその格子間隔が前記電極パッドから離れるに従い狭くなるように形成されている請求項１に記載の強誘電体基板の分極反転方法。
【請求項３】
前記第１の電極は、前記電極パッドを前記基板の両端に持ち、前記格子パターンはその格子間隔が前記電極パッドから離れるに従い狭くなるように形成されている請求項１に記載の強誘電体基板の分極反転方法。
【請求項４】
前記第１の電極の前記格子パターンはその格子の幅が前記電極パッドから離れるに従い広くなるように形成されている請求項２または３に記載の強誘電体基板の分極反転方法。
【請求項５】
前記第２の電極は、前記基板の表面をすべて覆うように形成された平板電極である請求項１に記載の強誘電体基板の分極反転方法。
【請求項６】
前記分極反転形成工程における前記電界は、パルス電界である請求項１に記載の強誘電体基板の分極反転方法。
【請求項７】
前記強誘電体結晶は、ＬｉＴａ(１‐ｘ)ＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）結晶、またはそれにＭｇＯがドープされた結晶である請求項１に記載の強誘電体基板の分極反転方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法で分極反転層が形成される分極反転構造を有する分極反転デバイス。
【請求項９】
強誘電体結晶からなる基板表面上に所定の格子パターンを有し且つ前記基板の一端に電極パッドを持つ第１の金属電極を形成され、
前記表面と反対の面に第２の電極を形成された強誘電体基板の分極反転デバイス。
【請求項１０】
前記第１の電極は、前記電極パッドを前記基板の一端のみに持ち、前記格子パターンはその格子間隔が前記電極パッドから離れるに従い狭くなるように形成されている請求項９に記載の強誘電体基板の分極反転デバイス。
【請求項１１】
前記第１の電極は、前記電極パッドを前記基板の両端に持ち、前記格子パターンはその格子間隔が前記電極パッドから離れるに従い狭くなるように形成されている請求項９に記載の強誘電体基板の分極反転デバイス。
【請求項１２】
前記第１の電極の前記格子パターンはその格子の幅が前記電極パッドから離れるに従い広くなるように形成されている請求項１０または１１に記載の強誘電体基板の分極反転デバイス。
【請求項１３】
前記第２の電極は、前記基板の表面をすべて覆うように形成された平板電極である請求項９に記載の強誘電体基板の分極反転デバイス。
【請求項１４】
前記強誘電体結晶は、ＬｉＴａ(１‐ｘ)ＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）結晶、またはそれにＭｇＯがドープされた結晶である請求項９に記載の強誘電体基板の分極反転デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コヒーレント光源を応用した、光情報処理、光応用計測の分野に使用される光波長変換素子に関するものであり、このような光波長変換素子に含まれる分極反転部の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単一分極の強誘電体結晶の分極を部分的に反転させる分極反転は、非線形光学効果、電気光学効果、音響光学効果等の光波制御を可能にするため、分極反転された強誘電体結晶は、通信、光情報処理、計測等広い分野で応用されている。中でも、周期的な分極反転構造を持つ強誘電体結晶は、半導体レーザの光波長変換による小型の短波長光源を実現できるため、盛んに研究が行われている。
【０００３】
周期的な分極反転構造を形成する方法としては、強誘電体基板の表面に所定パターンの周期電極を形成し、基板裏面に全面電極を形成する。この周期電極と全面電極により強誘電体基板に電圧を印加して、局所的な分極反転部を形成する方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）
これらの周期的な分極反転構造は、分極反転している部分の幅の比（デューティ比）が各々１：１であることが望ましい。しかし、周期の長い分極反転構造や大面積な強誘電体結晶に分極反転を形成する場合には、このデューティ比が不均一になってしまう。この不均一性の改善に対し、従来のように強誘電体結晶の分極反転させたい領域に、それに対応した形状の１つの電極を配置するのではなく、分極反転させたい領域にそれよりも細い複数の電極を配置しておいて、それら複数の電極を介して強誘電体結晶に電界を印加する手法が開示されている。（例えば、特許文献２参照。）
また、上述の電極の縁部に対応する少なくとも一部を微細な屈曲形状とする手法が開示されている。（例えば、特許文献３参照）
【特許文献１】特開平２−１８７７３５号公報
【特許文献２】特開２００２−２１４６５５号公報
【特許文献３】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】
【０００４】
しかしながら、上述特許文献２や３の技術を用いて、強誘電体基板に分極反転を形成する際に、強誘電体基板の面積が大きくなるほど、電極パッドからの距離に応じて分極反転部の成長が異なるため、成長初期に分極反転が始まる初期反転部と遅く始まる後期反転部とが生じる。このため、初期反転部と後期反転部との間の分極反転部のデューティ比が均一でなくなり、均一性の高い分極反転部を持つ光波長変換素子が得られないという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、大面積の強誘電体基板に分極反転部のデューティ比の面内均一性が高く、安定した波長変換効率を持つ光波長変換素子とその作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の強誘電体基板の分極反転方法および分極反転デバイスは、強誘電体結晶からなる基板表面上に所定の格子パターンを有し且つ前記基板の一端に電極パッドを持つ第１の金属電極を形成し前記表面と反対の面に第２の電極を形成する電極形成工程と、前記電極パッドと前記第２の電極との間に電界を印加して前記基板に分極反転部を形成する分極反転形成工程を特徴としたものである。
【０００７】
さらに本発明の強誘電体基板の分極反転方法および分極反転デバイスは、強誘電体結晶からなる基板表面上に所定の格子パターンを有し且つ前記基板の一端に電極パッドを持つ第１の金属電極を形成され、前記表面と反対の面に第２の電極を形成されたことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の強誘電体基板の分極反転方法および分極反転デバイスによれば、大面積の強誘電体基板にデューティ比の面内均一性の高い分極反転部を形成することが出来、変換効率の安定した光波長変換素子を作製し、あるいは提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の分極反転部形成方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【００１０】
図１は、強誘電体基板１の一方の面に所定のパターンを有する電極２を形成し、他方に裏面電極３を形成し、パルス電圧源４よりパルス電界を印加して分極反転部の形成方法を説明する断面図である。本実施例では強誘電体基板として非線形光学結晶基板を用いるとともに、パルス電界印加用の電極として周期パターンを有する周期電極を用い、非線形光学結晶基板に上記電極の周期パターンに対応した周期分極反転構造を形成して、光波長変換素子を作製する。
【００１１】
この図１に示す非線形光学効果を有する強誘電体基板１は、ＭｇＯが５ｍｏｌ％ドープされたＬｉＮｂＯ3（以下ＭｇＯ−ＬＮ基板）基板である。このＭｇＯ−ＬＮ基板１はＺ軸方向に単分極化処理がなされたものである。本実施例におけるＺ軸方向とは、強誘電体基板１の厚さ方向とする。
【００１２】
次に、本実施例における分極反転デバイスの作製方法を説明する。図２に、その作製方法を模式的に示す。図２（ａ）は、ＭｇＯ−ＬＮから成る強誘電体基板１の基板表面の一方の電極部を構成するための金属薄膜５を形成した状態を示す模式図である。図２（ｂ）は、金属薄膜５の上にレジスト６を塗布した状態を示す模式図である。図２（ｃ）は、レジスト６上にパターンマスクを介して紫外線を照射しレジストパターン７を形成した状態を示す模式図である。図２（ｄ）は、レジストパターン７以外の金属薄膜５をエッチング処理し周期電極２を形成した状態を示す模式図である。図２（ｅ）は、基板表面に周期電極２を形成後、基板裏面に金属薄膜を形成し、他方の電極３を形成した状態を示す模式図である。
【００１３】
本実施の形態では、光波長変換素子としては、厚さ１ｍｍ、長さ２８ｍｍのＭｇ−ＬＮ基板１(山寿セラミクス社製）を用いて、図２（ａ）のように、基板表面（＋Ｚ面）にＴａ（タンタル）をスパッタ装置（アルバック社製）で１００ｎｍの金属薄膜５を作製した。Ｔａ薄膜５作製後、図２（ｂ）のようにｉ線用のレジスト６（住友化学株式会社製）をコーター・デベロッパ装置（東京エレクトロン社製）を用いて塗布した。繰返しパターンの周期構造を有するマスクが装着された露光器（ズース・マイクロテック社製）にコンタクトさせ、ｉ線の光（波長３６５ｎｍ）を照射した後に、基板表面にＮＳＤ−ＴＤ２．３８％（東京応化社製）を塗布し現像を行うことで、図２（ｃ）に示すように繰返しパターンのレジストパターン７を有する基板を作製した。レジストパターン７の形成後、図２（ｄ）のようにエッチング装置（アルバック社製）によりエッチングを行い、＋Ｚ面に周期構造の電極２を有する基板１を作製する。
【００１４】
その後、図２（ｅ）のように基板裏面（−Ｚ面）にもスパッタ装置（アルバック社製）を用いて１００ｎｍのタンタル薄膜を成膜することで、裏面電極３を形成する。また本実施例では表面電極、裏面電極用の金属薄膜としてＴａを用いているが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）としてもよい。＋Ｚ面及び−Ｚ面に電極を形成後、図１に示すようにパルス電圧源４よりパルス電界を印加することで周期的な分極反転部を形成でき、光波長変換素子が作製出来る。
【００１５】
次に分極反転プロセスを説明する。図３は、パルス電界の印加による分極反転プロセスを示す図で、（ａ）から（ｃ）に示すように、分極反転プロセスは（ａ）核生成と核成長、（ｂ）分極壁移動（ｃ）分極反転終了という順序で進行する。一般的には、微小反転核８の生成は周期電極２のエッジ効果のため局所電界が最も大きくなる電極端より始まり、これが基板１の厚み方向に成長する。その後さらに分極壁移動により、電極直下も分極方向が次第に反転し、最終的には電極サイズより広い領域が分極反転され反転プロセスが終了する。
【００１６】
このように、分極反転は微小反転核９を起点に深さ方向へ成長が始まり、分極壁移動により横方向に成長することから、初期の微小反転核９の分布が不均一であると、初期に発生した微小反転核と、後期に発生した微小反転核で核成長、分極壁移動の時期が異なることになり、最終的に形成される分極反転構造の周期性が低下してしまう。そのため、波長変換を行う素子では、分極反転構造の周期性の低下が変換効率の低下につながるため、高効率の波長変換を実現するためには、均一な分極反転構造を備えた光波長変換素子が必要である。従来技術においては、微小反転核を均一に発生させるために周期電極の微細な屈曲形状にするなどの工夫が必要であった。
【００１７】
本実施例において周期電極２は、図４（ａ）の平面図に示すとおり、ＭｇＯ−ＬＮ基板１のＸ軸方向に周期的に多数繰り返すように形成されたものであり、電極パッドからの距離に応じて、電極幅を２．５μｍ、３．０μｍ、３．５μｍと３段階に変化させている。また、これらの周期電極２は全て共通の基部から延ばされており、互いに電気的に導通した状態となっている。
【００１８】
図４（ａ）に示したように、電極パッド８からの距離に応じて電極幅を変化させた理由について図５を用いて説明する。図５は、各々２．５μｍ、３．０μｍ、３．５μｍ電極幅を持つ３種類の周期電極を作成し、が、分極反転後のデューティ比と電極パッド８の中央と周期電極との距離とのの関係を測定した結果である。横軸は電極パッド８と周期電極との距離、縦軸は分極反転部の反転幅デューティ比を示したものである。本実施例では周期分極反転部１０のデューティ比を評価するために、周期分極反転構造が形成されたＭｇＯ−ＬＮ基板１を室温に保ったフッ酸５０％（ダイキン工業社製）と硝酸（関東化学社製）を１：１に混合した混合液を作成した。この混合液に２時間浸漬すると、分極方向の違いに起因するエッチングレートの差異により、分極反転された部分とされていない部分で段差が生じており、分極反転パターンを確認することができる。この分極反転パターンを画像としてＰＣに取り込み、反転幅デューティ比を測定した。また、今回は電極幅の違いによるデューティ比の変化を確認するために、パルス電界印加による周期上の分極反転部の形成に関して、同様のパルス電界印加条件で分極反転を行った。
【００１９】
図５の結果より、どの電極幅であっても電極パッド８からの距離によって、デューティ比が異なっていることがわかる。これは、パルス電界を印加するための電極パッド８にピンが接触するため電極パッド８からの距離が近いほど、発熱量が多くなり分極反転が促進されているためである。また、電極幅によって、デューティ比が異なっているのは、電極の幅により印加されている電界密度が異なるため分極反転の成長に差異が生じていると考えている。これらの結果から、デューティ比５０％が得られる電極パッド８からの距離は、２．５μｍの電極幅においては４ｍｍであり、３．０μｍでは１３ｍｍ、３．５μｍで２２ｍｍの値が得られた。
【００２０】
この結果を利用して、電極パッド８からの距離によって周期電極の幅を最適にすれば、デューティ比をほぼ一定にすることが出来るので、高効率の波長変換特性が得られると期待できる。本実施例では、図４に示されるとおり、電極パッド８が２つ右側に配設されている場合において、電極郡を構成するそれぞれの周期電極２の幅を電極パッド８からの距離によって３つの領域に分けて電極幅を最適化した。具体的に、分極反転デバイスのＸ方向の長さが２８ｍｍとし、分極反転デバイス内に配置されている周期電極２の数は３７００本（２５．９ｍｍ）とした。ここから、図５で得られた結果をもとに、周期電極２の電極幅を３パターンに分割し、電極パッド８から最も近い側から１２５０本分の電極幅を２．５μｍとし、中央部の１２００本分の電極幅を３．０μｍ、電極パッド８から最も離れている領域の１２５０本分の電極幅を３．５μｍとした。
【００２１】
このように電極パッド８からの距離により電極幅を制御することにより、パルス電界印加後の光軸上の分極反転部と分極非反転部のデューティ比を理想状態に近づけることが可能となり、面内での変換効率の均一化が図れ、さらには、変換効率の高いデバイスを作ることが出来る。本実施例においては、ＭｇＯ−ＬＮ基板１の厚さが１ｍｍ、周期電極幅と電極パッド８から近いところから、周期電極２の電極幅を２．５μｍで１２５０本、３．０μｍで１２００本、３．５μｍで１２５０本の３パターンで作製を行ったが、ＭｇＯ−ＬＮ基板１の厚さや、印加パルス電界条件などに応じて、図５に示した手法を用いて、電極パッド８からの距離に応じた最適な周期電極幅を導出し、その結果をフィードバックすることで、同様の効果を得ることが出来る。
【００２２】
本実施例では電極パッド８を右側に２つ配設しているが、例えば図８に示すように左右に各２つ電極パッド８を配設した場合においても、中央部の電極幅を太くし、左右両端の電極幅を細く設定することで同様の効果を得るも可能である。
【００２３】
次に、本実施例の効果を評価するために作製した波長変換素子のＹ方向の変換効率の安定性を評価する手法を説明する。図６は、本実施例で作製された光波長変換素子である分極反転デバイス１７の変換効率を評価するための波長変換レーザ光源１９の概略図である。波長変換レーザ光源１９は、ファイバーレーザ２０と、ポンプレーザダイオード１１とを備えている。ファイバーレーザ２０は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４内のＹｂイオンを励起させるようになる１０００ｎｍおよび１１００ｎｍの間の範囲の波長、本実施例では１０６４ｎｍで第２のポンプ放射を生成するように構成されている。ブラッグ回折格子１２、１３は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４の両端部にライディングされ、ファイバーレーザ２０のファブリペロー共振空洞部の境界を画する。
【００２４】
ポンプレーザダイオード１１は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４の一端部に光学的に結合され、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４をポンピングするための励起光を生成するようになっている。Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４の反対側の端部は、第２のポンプ光を出射するためのファイバー２１に接合されている。ファイバーレーザ２０から出射したレーザ光はコリメートレンズ１５によって平行にされ、フォーカシングレンズ１６によって光波長変換素子ある分極反転デバイス１７の端面を通り分極反転領域１８内に集光される。分極反転領域１８を伝播して、レーザ光の成分が高調波に変換され、この高調波および変換されなかった基本波が光波長変換素子１７の出射端面より出射される。
【００２５】
本実施例では光波長変換素子１７に入射されるレーザ光の波長が１０６４ｎｍであるので、この基本波としてのレーザ光は、光波長変換素子１７により５３２ｎｍの第２高調波に変換される。その後、ＩＲカットフィルタ２２を通過することにより１０６４ｎｍのレーザを取り除き、５３２ｎｍのレーザのみを光パワーメータ２３により測定する。なお光波長変換素子１７を設置するステージはＹ方向に稼動し、波長変換素子のＹ方向の変換効率の安定性を評価することが出来る。
【００２６】
このシステムを用いて波長変換効率を測定した結果を図７に示す。横軸は電極パッド８からの距離によって電極幅を変更した３種類の分極反転デバイスの比較を行う。具体的には、（１）電極幅を全て３．０μｍとした従来の構成、（２）本発明による電極パッド８からの距離が近いほど電極幅を細くした構成、（３）前記本発明による構造とは逆に電極パッド８からの距離が近いほど電極幅を太くした構成について評価している。本実施例においては電極パッド８からの距離に応じて電極幅を３パターン変化させている。
【００２７】
（１）は３．０μｍ一定であるが、（２）と（３）に関しては、強誘電体基板１の長手方向（Ｘ方向）に３つの領域に分割し、それぞれの領域において、電極パッド８からの距離により電極幅を２．５μｍ、３．０μｍ、３．５μｍに調整している。縦軸は理論値を１として規格化された波長変換効率を示したものであり、Ｙ軸方向にレーザを走査して測定したときの平均値と最大値、最小値をプロットしている。図７に示すように、本発明方法により作製された光波長変換素子１７は、（１）の構成による光波長変換素子１７では、波長変換効率の平均値は７４％、（３）の構成では５３％であるのに対して、（２）の構成である本発明の構成では８５％と向上している。また、Ｙ軸方向に走査した際のバラつきも、従来方法では１０％であったのが、本発明では５％へ低減しており、均一な分極反転構造部が形成されているといえる。この結果からも、本発明により従来の方法と比較して、より理想的なデューティ比で分極反転部が形成されているといえる。
【００２８】
これらの結果から、本発明方法によれば電極幅を調整することで光軸上の分極反転部と分極非反転部のデューティ比を均一にすることができ、面内での変換効率の均一化が図れ、優れた波長変換特性を有する光波長変換素子を提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明にかかる強誘電体基板の分極反転方法および分極反転デバイスは、均一な分極反転部を確保する構成を有したものであり、不均一な分極反転部に起因する波長変換効率の低下を防止することができる手法としてとして有用である。
【００３０】
本発明にかかる強誘電体基板の分極反転方法および分極反転デバイスは、安定した波長変換効率が必要な光波長変換素子の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例における強誘電体の分極反転方法の分極反転部の形成方法を説明する断面図
【図２】本発明の実施例における強誘電体の分極反転方法の光波長変換素子（分極反転デバイス）の作製方法を模式的に示す図
【図３】本発明の実施例における分極反転デバイスの分極反転プロセスを示す概略図
【図４】本発明の実施例における分極反転デバイスの周期電極の平面図および断面図
【図５】本発明の実施例における電極パッドからの距離とデューティ比の関係を示す図
【図６】波長変換レーザ光源の構成を示す模式図
【図７】本発明の実施例における分極反転デバイスのＹ軸方向位置と変換効率の関係を示す図
【図８】本発明における分極反転デバイスの周期電極の平面図および断面図
【符号の説明】
【００３２】
１  強誘電体基板（ＭｇＯ−ＬＮ基板）
２  周期性を有する表面電極
３  裏面電極
４  パルス電圧源
５  Ｔａ薄膜
６  レジスト溶液
７  周期性を有するレジストパターン
８  電極パッド
９  微小反転核
１０  分極反転部
１１  ポンプレーザダイオード
１２  第１のブラッグ回折格子
１３  第２のブラッグ回折格子
１４  Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー
１５  コリメートレンズ
１６  フォーカシングレンズ
１７  光波長変換素子（分極反転デバイス）
１８  分極反転領域
１９  波長変換レーザ光源
２０  ファイバーレーザ
２１  ファイバー
２２  ＩＲカットフィルタ
２３  光パワーメータ
【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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【図７】
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【図８】
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