(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに反転パターンが一致した周期的な分極反転構造を具備する２つの非線形光学結晶を準備し、これら結晶を貼り合せて厚肉分極反転結晶を得る方法において、前記２つの非線形光学結晶において、結晶の貼り合せ面と反対の面にエッチングを行って分極反転構造を浮き出たせる可視化処理を施し、かつ、結晶の貼り合せ面のみエッチング前に保護膜を作製しエッチング後にその保護膜を取り除くことによって貼り合せ面を平滑として、前記２つの非線形光学結晶の前記可視化処理を施した分極反転構造を観察しつつ貼り合せ固定することを特徴とする厚肉分極反転結晶の作製方法。
【請求項２】
請求項１で得られた厚肉分極反転結晶の片面に請求項１で得られた厚肉分極反転結晶と反転パターンが一致した周期的な分極反転構造を具備する別の非線形光学結晶を貼り合せて厚肉分極反転結晶を得る方法において、請求項１で得られた厚肉分極反転結晶における前記別の非線形光学結晶と貼り合せる面を平滑化処理し、一方、前記別の非線形光学結晶において、結晶の貼り合せ面と反対の面にエッチングを行って分極反転構造を浮き出たせる可視化処理を施し、かつ、結晶の貼り合せ面のみエッチング前に保護膜を作製しエッチング後にその保護膜を取り除くことによって貼り合せ面を平滑として、請求項１で得られた厚肉分極反転結晶と前記別の非線形光学結晶とを前記可視化処理を施した分極反転構造を観察しつつ貼り合せ固定することを特徴とする厚肉分極反転結晶の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光通信、光情報、光応用計測分野、特に、高出力応用分野に応用される波長変換素子として利用される、周期的な分極反転構造を有した厚肉の非線形光学結晶の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周期的な分極反転構造を有した非線形光学結晶、特に、Periodically Poled LiNbO3 ［（PPLN）：周期的分極反転ニオブ酸リチウム］は大きな非線型光学定数d33を利用できるため、高変換効率な波長変換が可能であり、PPLNの分極反転周期を変化させることによって、様々な波長が得られるため、これを用いた光源の応用が期待されている。実際、０．５mm厚PPLNは、相互作用長が５０mm以上のものが報告され、実用化されつつある。
【０００３】
しかし、PPLNは一般にレーザー破壊閾値が低く、大きなレーザーパワー密度で入射することが困難なため、ハイパワー応用には不向きであった。レーザー破壊を解決するもっとも単純な方法は、レーザービーム径を広げて、レーザーパワー密度を下げることであり、ハイパワー応用のためには、結晶断面積の大きなPPLNが求められる。
これまで、大断面積化を図るために、１mm厚PPLNの作製が試みられてきたが、０．５ｍｍ厚では市販レベルにあるものの、１mm厚PPLNについては作製が困難である。この要因は、分極反転電圧が〜２０kVと高いこと、及び、分極反転を行なうための電圧印加において、結晶が割れ易いことなどが挙げられる。
【０００４】
LiNbO3（LN）以外の結晶においても、周期的な分極反転構造の作製が試みられている。その例としては、MgO-doped LiNbO3（MgO:LN）、LiTaO3（LT）、KTiOPoO4（KTP）、RbTiOAsO4、RbTiOPO4などがあるが、周期的な分極反転構造が可能な基板厚としては最大でも1ｍｍ程度である。（まれに3ｍｍというものがある）
【０００５】
ハイパワー用にさらに厚い基板厚の周期的な分極反転構造を有した非線形光学結晶を得るための方法としては、結晶貼り合わせ方法がある。通常の分極反転結晶の貼り合わせ方法は、２つの非線形光学結晶を準備し、それぞれ分極反転処理を行なった後、結晶表面の電極のみを取り除き、これら結晶同士を貼り合わせる方法である。
【０００６】
ところで、分極反転構造を観察する方法として、分極反転処理を行った結晶に対してエッチングを施す方法がある。エッチングにより分極反転構造が観察できるのは、＋Z面と−Z面（反転させるべき分極方向をＺ軸方向とするとき、該Ｚ軸方向に対して垂直な２面）におけるエッチングレートが分極反転部と非反転部とで異なり、結果として周期的な分極反転構造が浮き出すためであり、これにより分極反転構造が可視化されて観察できるようになる。
【０００７】
通常、上述の分極反転結晶の貼り合わせを行うに際しては、分極反転構造を観察するためのエッチングは行なわない。エッチング後の結晶の±Z面には凹凸が生じており、結晶を貼り合わせる場合に重要な貼り合わせ面の平坦度（平滑度）が損なわれてしまうからである。したがって、分極反転結晶を張り合わせる場合、構造観察のためのエッチングは行なわず、貼り合わせる方法がとられてきた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような通常の結晶貼り合わせ方法では、貼り合わせた後でないと、周期的な分極反転構造の位置関係を確認することができないことになる。而して、周期的な分極反転構造を有した非線形光学結晶を貼り合わせる場合、最も重要なことは、それぞれの分極反転結晶の分極反転周期を互いに合わせることなのであるが、従来方法では貼り合せ後に事後的に分極反転周期の位置関係を確認できるに過ぎなかった。貼り合わせ後の周期的分極反転結晶を波長変換素子として考えた場合、貼り合わせた分極反転結晶同士の分極反転周期（Λ）のずれの許容範囲は、Λ／８以内が必要であるという報告もあり、このような厳密な周期の位置あわせは極めて困難であるという問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
貼り合せによって厚肉の分極反転結晶を得る場合において、分極反転周期のズレが生じないようにするためには、周期的な分極反転構造が観察でき、それぞれの結晶の位置合わせが可能であることが望ましい。他方、結晶貼り合わせ面は、平滑であることが必要である。
かかる事情に鑑みて本発明はなされたものであって、その要旨は、互いに反転パターンが一致した周期的な分極反転構造を具備する複数の非線形光学結晶を準備し、これら結晶を貼り合わせて厚肉分極反転結晶を得る方法において、結晶の貼り合せ面と反対の面にエッチングを行って分極反転構造を浮き出たせる可視化処理を施し、当該結晶の分極反転構造を観察しつつ貼り合せ固定することを特徴とする厚肉分極反転結晶の作製方法にある。
【００１０】
また、上記で得られた厚肉分極反転結晶の片面にエッチングを行って可視化処理を施し、当該結晶の他面に、さらに別の非線形光学結晶を貼り合せ固定することにより、より厚肉の分極反転結晶を作製することもできる。
【００１１】
【作用】
本発明によれば、貼り合わせ時に、周期的な分極反転構造が観察可能であるため、貼り合わせるべき結晶同士の分極反転周期のずれ量を低減することができ、かつ、貼り合わせ面が平滑であるため、結晶貼り合わせが容易になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の厚肉分極反転結晶の作製方法は、
▲１▼ 互いに反転パターンが一致した周期的な分極反転構造を具備する複数の非線形光学結晶を準備すること、
▲２▼ 結晶の貼り合せ面と反対の面にエッチングを行って分極反転構造を浮き出たせる可視化処理を施すこと、及び
▲３▼ 当該結晶の分極反転構造を観察しつつ貼り合せ固定する
ことを要点としている。以下、これら工程について説明する。
【００１３】
本発明で用いる非線形光学結晶としては、LiNbO3（LN）が好ましく用いられるが、この他にＭｇＯ-doped LiNbO3（ＭｇＯ：LN）、LiTaO3（LT）、KTiOPoO4（KTP）、RbTiOAsO4、RbTiOPO4なども用いることができる。またこのような非線形光学結晶に周期的な分極反転構造をを形成する手段としては、例えば電圧印加法に依ることができる。この方法は、非線形光学結晶の基板に対して、該基板の片面（＋ｚ面）中の分極反転すべき領域に、プラス側（高電位側）の液体電極を対向させ、かつ＋ｚ面の特定領域だけに液体電極からの電界を作用させるために、部分的に絶縁膜を形成してマスクし、また裏面（−ｚ面）にマイナス側（グランド側）の液体電極を対向させ、この状態から、両方の液体電極を介して該基板に分極反転電圧を印加することによって、分極反転構造を形成する方法である。
【００１４】
次に、本発明で行う可視化処理としては、貼り合せを意図する面とは反対の面にエッチングを施与する方法が採用される。エッチングを行うことにより、エッチングレートが分極反転部と非反転部とで異なる結果、周期的な分極反転構造がそのエッチング面において凹凸状に浮き出し、これにより分極反転構造が可視化されて観察できるようになる。このエッチングの具体的方法としては、例えば、６０℃程度のＨＦ＋ＨＮＯ3混合液(ＨＦ：ＨＮＯ3＝１：２)に５〜１０分程度、浸漬する等の方法を採用することができる。この場合、結晶張り合わせ面には、エッチングに対する保護層を設けることが望ましい。この保護層としては、例えばエッチング液に対して耐性のあるワックス層を被着する方法、または、エッチングを行ないたい面のみ、エッチング液に接する方法などが挙げられる。
【００１５】
貼り合せのための位置合わせに際しては、各々の分極反転結晶に上記の工程で浮き出させた凹凸を互いに一致させるよう位置調整する。通常この種結晶基板は透明であるため、目視による位置調整が可能で、例えば顕微鏡とマニピュレータを用いて位置合わせを行うことができる。この他に、例えばシリコン等の張り合わせに用いられている陽極接合装置に見られるような、精密アライメント機構を備えた装置で位置合わせを行なうような方法でも位置合わせを行うことができる。
【００１６】
２つの結晶を貼り合せる方法としては、例えば加熱加圧による方法を採用することができる。即ち、貼り合せるべき２つの結晶を最適位置で固定した後、適当な圧力をかけた状態で、高温環境で一定時間保持する方法である。
一般的な金属接合接合の場合、接合温度Tは、T／Tm＝０．５３〜０．８８（Tm：結晶融点）の範囲とし、塑性変形を生じない範囲で、接合時間は長ければ長いほど、接合圧力は大きければ大きいほど接合性は向上するので、本発明にあってもこれに準じて貼り合せを行うことができる。
【００１７】
さらに厚肉の結晶を得ようとするときは、上記の工程で作製した貼り合せ結晶に対して、同様な可視化処理を施した新たな非線形光学結晶を、上記と同様な手法で貼り合せれば良い。なお、この場合、貼り合せ結晶は両面とも可視化処理が行われた関係上凹凸面となっているので、新たな結晶と貼り合せる面を研磨する等して平坦化処理する必要がある。
【００１８】
【実施例】
+Ｚ板（+ｃ板）０．５ｍｍ基板厚のLiNbO3結晶を用い、以下の工程により、貼り合わせ用の周期的な分極反転結晶を作製した。
（１）LiNbO3結晶を所定のサイズに切り出す。
（２）LiNbO3結晶の+Ｚ面上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法により２９．８μｍの周期ごとにレジスト抜き部分（分極が反転する部分）を作製する。この周期は、ＳＨＧ、ＯＰＯ、ＳＦＧ、ＤＦＧで異なり、また、入力波長、結晶温度、出力波長によって、一義的に決定されるものである。なお、この場合の分極反転構造部分の長さは３０ｍｍとした。
（３）スパッタによりレジストがある部分、およびレジストが抜けた部分上に金属膜（膜厚数１０００オングストローム程度）を形成する。
（４）＋側は、金属膜に液体電解質を接触させ、−側は、液体電解質が直接、基板の−Ｚ面に直接、接している。
（５）電圧を印加することにより、分極を反転する。
（６）金属膜、及び、フォトレジストを取り除く。
（７）結晶張り合わせ面のみ、エッチング液(HF:HNO3=１：２、６０℃、５〜１０分)に対して強いワックス（保護膜）を作製する。
（８）LiNbO3結晶のエッチングを行なう。エッチング条件は、６０℃のＨＦ：ＨＮＯ3混合液（ＨＦ：ＨＮＯ3＝１：２）中に５分浸漬とした。これにより、エッチング面には、約１μｍ程度の凹凸が形成された。
（９）エッチング後、ワックスを取り除く。
以上の工程によって、張り合わせ用の周期的な分極反転結晶を作製した。
【００１９】
以下に貼り合わせ工程を示す。
（１）張り合わせを行なう周期的分極反転結晶同士の分極反転周期を合わせる、位置合わせを行なう。透明な基板であるため、上の分極反転結晶と下の分極反転結晶の位置合わせが可能である。本実施例では、陽極接合装置の精密アライメント機構を用いて両基板のアライメントを行なうという方法により位置合わせを行った。
（２）最適位置で固定する。本実施例では、陽極接合装置にてアライメントを行なった後、両基板を密着させ、その状態のまま約１００℃に加熱することで固定した。
（３）固定後、荷重１０ｋｇをかけたまま、９００℃で５ｈｒ加熱して貼り合わせた。
【００２０】
貼り合わせ後、すべり試験方法で、機械強度には問題がないことを確認した。また、張り合わせ部分を観察するために、断面を切り出し、エッチング(HF:HNO3=1:2、60℃、5〜10分)により断面観察を行なった結果、上下の分極反転ドメイン同士が良好に接合されていることが観察された。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明した通りの本発明の厚肉分極反転結晶の作製方法によれば、貼り合わせ時に、周期的な分極反転構造が観察可能であるため、貼り合わせるべき結晶同士の分極反転周期のずれ量を低減することができ、かつ、貼り合わせ面が平滑であるため、結晶貼り合わせが容易になる。従って、ハイパワーレーザーへの適用に耐性がある厚肉の分極反転結晶が容易に作製できるという利点がある。