(57)【要約】【課題】簡単な分極反転格子の作製方法を提供する。【解決手段】（１）作製するデバイスの仕様に適合するよう周期を選んだ周期的なクロム膜（Ｃｒ膜）のパターン１１２を有するフォトマスク（例えば石英ガラス基板）１１０を用意する。（２）例えば、ＺカットＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶板をフォトマスク１１０と導電性の板１３０の間に挟む。結晶の上下表面とフォトマスクおよび導電性板の間にはの導電性液体１４０を染込ませて結晶表面との電気的接触を確保する。（３）フォトマスク１１０上部から結晶板１２０に垂直な方向に、超高圧水銀灯からの紫外光１７０を照射する。（４）フォトマスクのＣｒ膜１１２と下部導電性板１３０に、電圧源１５０から導線を通じて適当な電圧とパルス幅の電圧パルスを印加する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極反転格子の作製装置であって、
紫外光を所定の周期パターンの強度分布で照射する紫外光照射部と、
電圧を発生する電圧発生部と、
強誘電体結晶板に前記電圧発生部からの電圧を印加する電圧印加部とを備え、紫外光の強度分布を所定の周期パターンで照射しながら、垂直で一様な電界を印加することで、強誘電体結晶板に所定の周期の分極反転を生じさせて、分極反転格子を作製することを特徴とする分極反転格子作製装置。
【請求項２】
請求項１に記載の分極反転格子作製装置において、
前記電圧印加部に、液体電極を用いていることを特徴とする分極反転格子作製装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の分極反転格子作製装置において、
前記紫外光照射部に、所定の周期パターンを有するフォトマスクを用いていることを特徴とする分極反転格子作製装置。
【請求項４】
請求項１に記載の分極反転格子作製装置において、
前記紫外光照射部に、所定の周期パターンを有するフォトマスクを用いているとともに、前記電圧印加部に液体電極を用いており、
前記フォトマスクは導電性の膜を有しており、該膜により、紫外光の強度分布の周期的パターンを得るとともに、前記液体電極に対して、前記電圧発生部からの電圧を伝えることを特徴とする分極反転格子作製装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の分極反転格子作製装置において、
前記紫外光照射部は、紫外レーザ光の２光束を干渉させることで所定の周期パターンの強度分布を発生させることを特徴とする分極反転格子作製装置。
【請求項６】
強誘電体結晶板に、ほぼ垂直な方向から強度分布が所定の周期パターンを有する紫外光を照射するとともに、該強誘電体結晶板に垂直な方向に一様な電界印加を行うことにより、分極反転を生じさせる分極反転格子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体結晶を用いて周期的な分極反転構造を有する格子を作製することに関する。
【０００２】
【技術的背景】
光通信における光信号波長変換や光変調、光計測・光加工・医療・生物工学などの応用のための紫外域−可視域−赤外域−テラヘルツ域にわたるコヒーレント光の発生と変調のために、多くの非線型光学デバイスおよび電気光学デバイスの開発が進められている。これらのデバイスはバルク型と導波路型があるが、両者において最も重要な材料は強誘電体結晶の一種であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶であり、光損傷耐性改善のため酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をドーピングした結晶ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３が実用上最も有望な材料として多用されている。この種の強誘電体結晶を用いて非線型光学デバイスや電気光学デバイスを実現するには、光波長変換や光変調の効率を高めるため、位相整合や速度整合をとるための構造を設ける必要があるが、その最も有効な方法は、擬似位相整合（または擬似速度整合）と呼ばれる結晶の自発分極の極性を周期的に反転した格子（グレーティング）状の構造を利用する方法である。したがって、これらデバイス製造上の最も重要な要素技術は、分極反転格子の作製技術である。
【０００３】
ＬｉＮｂＯ３結晶における分極反転格子の作製技術については多くの研究がなされ、いくつかの方法が開発されている（非特許文献１，２等参照）。そのうち良好な結果が再現性よく得られ、かつ、特殊な設備を必要としない最も実用的な方法は、結晶表面上にリソグラフィにより周期的レジスト・パターンを形成し、これを利用して周期的な電極（金属薄膜電極または液体電極）を形成して電圧パルスを印加する方法であり、現在では殆ど全ての研究・開発・製造機関でこの方法が利用されている。一方、ドーピングした結晶ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３は、ドーピングしない結晶とは異なる特異な分極反転特性を示すことから、反転特性はまだ殆ど解明されておらず、分極反転格子の作製も困難であることが知られている。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３における分極反転格子の作製については少数の報告があるが、これらはリソグラフィにより周期的電極を形成したうえ、結晶を１００℃程度以上に加熱してコロナ放電や電圧パルス印加を行う方法である。
これら従来技術の問題点は、結晶一枚一枚についてレジスト塗布・マスク転写・現像・ベーキングなどの過程からなるリソグラフィを行って周期パターンを焼き付けて周期電極を形成する必要があるので生産性が低いことである。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３においては、加熱を必要とすることから液体電極を使用し難いため、レジストパターン形式に加えて金属薄膜電極堆積過程を必要とし、加熱下での電圧印加の作業性の悪さも加わり、生産性は非常に低いことが大きな問題である。実用的デバイスの製造には強誘電体結晶（例えば、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３）において簡便で生産性の高い分極反転格子の形成技術を開発する必要がある。
【非特許文献１】
金高健二  他「電圧印加によるＬｉＮｂＯ３ＳＨＧデバイス用分極反転グレーティングの作製」電子情報通信学会論文誌  Ｃ−Ｉ  Ｖｏｌ．  Ｊ７８−Ｃ−Ｉ  Ｎｏ．５  ｐｐ．  ２３８−２４５  （１９９５．５）
【非特許文献２】
Ｋ．ｋｉｎｔａｋａ  ｅｔ  ａｌ．  ”Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ＬｉＮｂＯ３  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ
Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｄｏｍａｉｎ−Ｉｎｖｅｒｔｅｄ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｂｙ  Ａｐｐｌｙｉｎｇ  Ｖｏｌｔａｇｅ”  Ｊ．  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｖｏｌ．  １４Ｎｏ．  ３  （Ｍａｒｃｈ  １９９６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、強誘電体結晶から分極反転格子を作製するための簡単，簡便な装置・方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、分極反転格子の作製装置であって、  紫外光を所定の周期パターンの強度分布で照射する紫外光照射部と、電圧を発生する電圧発生部と、強誘電体結晶板に前記電圧発生部からの電圧を印加する電圧印加部とを備え、紫外光の強度分布を所定の周期パターンで照射しながら、垂直で一様な電界を印加することで、強誘電体結晶板に所定の周期の分極反転を生じさせて、分極反転格子を作製することを特徴とする。
前記紫外光照射部に、所定の周期パターンを有するフォトマスクを有しており、これにより、所定の周期パターンの強度分布で照射することができる。
前記電圧印加部に、液体電極を用いることもできる。
また、前記紫外光照射部に、所定の周期パターンを有するフォトマスクを用いているとともに、前記電圧印加部に液体電極を用いており、前記フォトマスクは導電性の膜を有しており、該膜により、紫外光の強度分布の周期的パターンを得るとともに、前記液体電極に対して、前記電圧発生部からの電圧を伝えることもできる。
前記紫外光照射部は、紫外レーザ光の２光束を干渉させることで所定の周期パターンの強度分布を発生させてもよい。
強誘電体結晶板に、ほぼ垂直な方向から強度分布が所定の周期パターンを有する紫外光を照射するとともに、該強誘電体結晶板に垂直な方向に一様な電界印加を行うことにより、分極反転を生じさせる分極反転格子の作製方法も本発明である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
本発明者らは、強誘電体結晶であるＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の分極反転特性を実験的に調べ、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶においては、結晶への電界印加を行う際に同時に紫外線を照射すれば、常温においても比較的弱い電界で分極反転を生じさせることができることを見出した。本発明は、この知見を分極反転格子の作製に応用したものである。
【０００６】
図１は、強誘電体結晶から、分極反転格子を作製するための基本的装置構成を示す。図１において、超高圧水銀灯（図示せず）からの紫外光（ＵＶ光）を照射でき、数ｋＶの直流電圧を印加できる電圧源１５０からの直流電圧を、Ｃｒ格子パターン１１２と金属板等の電極（Ａｌブロック）１３０とから強誘電体結晶に対して印加できる構成である。
（１）作製するデバイスの仕様に適合するよう周期を選んだ周期的なクロム膜（Ｃｒ膜）のパターン１１２を有するフォトマスク（基板は例えば石英ガラス）１１０を用意する。なお、これは標準的な作製法によるフォトマスクであり、商業的に容易に入手できる。
（２）例えば、ＺカットＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶板を図１のように上記のフォトマスク１１０と導電性の板（金属板・ブロックまたは透明電極付ガラス板）１３０の間に挟む。図１の実施形態では、フォトマスク１１０のパターン１１２として導電性のクロム膜を使用しており、これを利用している。
結晶の上下表面とフォトマスクおよび導電性板の間には、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）飽和水溶液などの導電性液体１４０を染込ませて結晶表面との電気的接触を確保する。導電性液体を滴下してから挟むことにより容易に数ミクロン厚さの液体電極層となる。
（３）フォトマスク１１０上部から結晶板１２０に垂直な方向に、超高圧水銀灯からの紫外光１７０を照射する。こうすることで結晶内部は周期的な強度分布の紫外光照射がなされる。
（４）フォトマスクのＣｒ膜１１２と下部導電性板１３０に、電圧源１５０から導線を通じて適当な電圧とパルス幅の電圧パルスを印加する。電圧パルスは自発分極を反転させる極性とする。最適な電圧とパルス幅は結晶厚さや結晶方位、照射紫外光強度に依存するが、例えば、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶で−Ｚ面をフォトマスクに対向させる場合は１〜２ｋＶ、数秒〜数１０秒である。
以上の手順により周期的分極反転がなされ、分極反転格子が作製できる。なお、図１において、電荷モニタ１６０は、強誘電体結晶１２０における分極反転の様子をモニタするために設けられている。
【０００７】
条件を適当に選ぶことにより、広い範囲の周期の格子を作製できる。この方法で分極反転格子が作製されるメカニズムはまだ十分に解明できていないが、紫外光照射なしでは電界は一様に印加されるだけで分極反転は生じないことから、先述のように紫外光照射の励起により周期的に分極反転が容易な領域ができるためと推測される。また周期的紫外光照射下では光導電現象により結晶の導電率が周期的に変調され、このため結晶内部の電界が周期的に変調されることが関連する場合もあると推測される。この両者の効果のいずれかまたは総合効果により周期的な領域のみ分極反転して格子が形成できると考えられる。
上記手順は代表的な方法について述べたが、多くの変形を行うことも可能である。紫外光源として水銀灯以外に各種紫外レーザを含む全てのコヒーレントおよびインコヒーレント紫外光源を用いることができる。Ｃｒフォトマスク使用に代わって位相マスクを用いたり、レーザの２光束を干渉させたりして、周期的な紫外光強度分布を実現して照射してもよい。パルス電圧を用いる代わりに、一定電圧を印加しておき、紫外光をパルス状に一定時間に限って照射してもよい。作製は常温で行うことができることが大きな利点であるが、品質改善のため適宜比較的弱い加熱または冷却と併用しても良い。また、上述では、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を例として説明したが、結晶材料はＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３に限らず多くの強誘電体結晶に適用できる。
【０００８】
【実施例】
図１の装置において、Ｚ板ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（０．５ｍｍ厚）１２０に液体電極（面積〜４ｍｍ２）を介して、−Ｚ面上に格子状Ｃｒパターン（周期１５．４μｍ）１１２をつけたフォトマスク（石英基板：厚さ２ｍｍ）１１０を重ね、−Ｚ側より超高圧水銀灯（パワー密度〜０．２Ｗ／ｃｍ２）からのＵＶ光をフォトマスク１１０上約２０ｃｍから照射しつつ、結晶に一様な電圧を印加することで、分極反転グレーティングを作製した。使用した結晶は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶に酸化マグネシウムＭｇＯ（５ｍｏｌ％）を添加したものである。
−１ｋＶの電圧を２０秒印加すると、分極反転グレーティング（面積約３ｍｍ２）を有する分極反転格子が形成できた。
図２，図３に、作製した格子に対して、それぞれ表面及び断面の分極反転構造を方位選択異方性エッチングで凹凸に変換して観察した写真を示す。図２（一部を拡大したもの）から分かるように、フォトマスクを透過したＵＶ光に照らされた部分が分極反転している。また、図３に示すように、結晶表面から裏面に達する結晶板厚さ全体にわたる分極反転格子の作製ができる。
なお、ＵＶ光を＋Ｚ面側から照射した場合でも−Ｚ面近傍で分極反転グレーティングが得られる。
【０００９】
【発明の効果】
（１）強誘電体結晶の格子作製の発明であり、多くの実用的な非線型光学デバイスや電気光学デバイスの実現に適用できる。本発明の技術により、これまで実現や実用化が不可能または非常に困難であった多くのデバイスの作製や実用化が可能となる。
特に、実用上最も重要な光損傷耐性の高いＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶における分極反転格子の作製に対して、有効性が認められる。
（２）各結晶板ごとにリソグラフィを実施する必要がないので作製プロセスが単純である。一枚のフォトマスクから多くの分極反転格子を作製できる。したがって生産性・量産性・経済性に非常に優れている。
（３）常温での電圧印加でＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶の分極反転格子が作製できるので、作製手順が容易であり多くの変形も可能で適用範囲が広い。
（４）超高圧水銀灯と電圧源など一般的な器具のみからなる作製装置で実施可能であり、特殊な装置や設備を必要としない。したがって生産性・量産性・経済性に非常に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の分極反転格子作製のための構成を示す図である。
【図２】実施例として作製された分極反転格子の表面の構造を示す写真である。
【図３】実施例として作製された分極反転格子断面の構造を示す写真である。
【符号の説明】
１１０    フォトマスク
１１２    パターン
１２０    結晶板
１３０    導電性板（例えばＡｌ板）
１４０    液体電極
１５０    電圧源
１６０    電荷モニタ
１７０    紫外光
【図１】
2004279601.tif 000003
【図２】
2004279601.tif 000004
【図３】
2004279601.tif 000005