(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶カットがＸカット、Ｙカット、あるいはオフカットである強誘電体単結晶基板の一表面上において、周期状に配列された複数の電極片を有する第１の電極と、この第１の電極と離隔し、対向して位置するように、前記強誘電体単結晶基板の任意の表面上に第２の電極とを配置し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧を印加することにより、前記強誘電体単結晶基板内に周期状の分極反転構造を形成する方法であって、
前記第１の電極の各電極片を、その幅が先端側から根元側に向けて増大するように、電極根元を開始端とするテーパー状に形成したことを特徴とする、周期状分極反転構造の形成方法。
【請求項２】
前記各電極片の、前記先端側における最小幅Ｗｆと、前記根元側における最大幅Ｗｂとの比（Ｗｆ／Ｗｂ）が４／５以下であることを特徴とする、請求項１に記載の周期状分極反転構造の製造方法。
【請求項３】
前記各電極片の前記最小幅Ｗｆが、前記電極片の配列周期Ｐの１／２未満であることを特徴とする、請求項２に記載の周期状分極反転構造の形成方法。
【請求項４】
前記各電極片の前記最大幅Ｗｂが、前記電極片の配列周期Ｐの１／２以上であることを特徴とする、請求項３に記載の周期状分極反転構造の形成方法。
【請求項５】
前記第１の電極と前記第２の電極とは、前記強誘電単結晶基板の同一表面上に配置することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の周期状分極反転構造の形成方法。
【請求項６】
前記第１の電極と前記第２の電極とは、それぞれ前記強誘電体単結晶基板の相対向する異なる表面上に配置することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の周期状分極反転構造の形成方法。
【請求項７】
前記第２の電極は、前記第１の電極と同一平面上、及びこの平面と相対向する異なる表面上に配置することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の周期状分極反転構造の形成方法。
【請求項８】
前記周期状分極反転構造の、前記第１の電極が形成された前記強誘電体単結晶基板表面からの深さが、１．０μｍ以上であることを特徴とする、請求項５に記載の周期状分極反転構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周期状分極反転構造の形成方法に関し、詳しくは、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの強誘電体単結晶基板を用いるＳＨＧ(Second Harmonic Generation)デバイス製造時において好適に用いることのできる、周期状分極反転構造の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
印刷、光情報処理、及び光応用計測制御分野などにおいては、小型の短波長光源の実現が強く望まれており、この短波長光源を実現足らしめるものとしてＳＨＧデバイスが注目を浴びている。このＳＨＧデバイスは、半導体レーザから出射された光を通過させることによって、非線型光学効果を利用して２次高調波を生成する。この２次高調波は前記半導体レーザから出射された光に対して周波数が２倍であり、したがって波長は１／２となっている。すなわち、前記ＳＨＧデバイスを利用することによって、前記半導体レーザからの出射光に対して１／２の波長を有する短波長の光を得ることができる。
【０００３】
前記ＳＨＧデバイスは、ニオブ酸リチウム（以下、「ＬＮ」と略す場合がある）やタンタル酸リチウム（以下、「ＬＴ」と略す場合がある）などの強誘電体単結晶基板を具え、この基板内において光の進行方向と略垂直に、分極状態が周期状に反転してなる分極構造を有している。このような周期状分極反転構造は、一般に以下のようにして形成する。
【０００４】
図１は、周期状分極反転構造の形成方法を説明するための図であり、図２は、分極反転時に用いる従来の櫛形形状の第１の電極を模式的に示す図である。なお、特徴を明確にすべく、各部分の大きさや形状などについては、実際のものと異なるようにして描いている。
【０００５】
最初に、ＬＮやＬＴなどの、例えばオフカット基板からなる強誘電体単結晶基板１の主面１Ａ上に、電極片２−１〜２−７を有する櫛形状の第１の電極２と、この第１の電極２と対向するようにして主面１Ａ及び裏面１Ｂ上に、一様な平板状の第２の電極３Ａ及び３Ｂとを配置する。図２に示すように、櫛形状の第１の電極２において、各電極片２−１〜２−７は、それぞれ幅ｄを有し、配列周期Ｐで周期状に配列されている。
【０００６】
そして、第１の電極２と第２の電極３Ａ及び３Ｂとの間に所定の電圧Ｖ１及びＶ２を印加すると、強誘電体単結晶基板１の分極方向Ｂと逆の分極方向Ａを有する分極反転域が、第１の電極２の各電極片から基板の結晶方位に徐々に伸長し、分極方向が反転した、分極方向Ａを有する分極反転領域４Ａと、元の分極方向Ｂを有する分極領域４Ｂとからなる周期状分極反転構造４が形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の方法で形成される各電極片２−１〜２−７の先端部における分極反転領域４Ａの幅は、各電極片２−１〜２−７の幅よりも増大する。これは、各電極片２−１〜２−７の縁端には電荷が集中し易いという、いわゆる縁端効果によるもので、各電極片２−１〜２−７の幅よりも見かけ上広い範囲で電流が基板１に印加されるためである。
【０００８】
したがって、通常は、図２に示すように各電極片の幅ｄを配列周期Ｐよりも小さくし、分極反転領域４Ａの幅と分極領域４Ｂとの幅がほぼ等しくなるようにする。たとえば、特開平７−７７７１２号公報には、電極片の幅ｄを配列周期Ｐの１／２以下に設定することが記載されている。そして、実施例においては、電極幅ｄを０．５μｍとし、配列周期Ｐを３．０μｍに設定して分極反転を行なうことが記載されている。
【０００９】
しかしながら、このように電極幅の小さい電極片を有する櫛形状電極を用いて分極反転を行なった場合、分極反転領域の形状が乱れたり、電極片間に分極反転領域が形成されたりしまっていた。さらには、電極基部において強誘電体単結晶基板に損傷を与える場合も生じていた。その結果、良好な形状の分極反転領域、しいては周期状分極反転構造を形成することができないでいた。
【００１０】
本発明は、分極反転領域の形状の乱れなどを防止し、良好な形状の周期状分極反転構造を安定的に得ることのできる、新規な周期状分極反転構造の形成方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、結晶カットがＸカット、Ｙカット、あるいはオフカットである強誘電体単結晶基板の一表面上において、周期状に配列された複数の電極片を有する第１の電極と、この第１の電極と離隔し、対向して位置するように、前記強誘電体単結晶基板の任意の表面上に第２の電極とを配置し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧を印加することにより、前記強誘電体単結晶基板内に周期状の分極反転構造を形成する方法であって、
前記第１の電極の各電極片を、その幅が先端側から根元側に向けて増大するように、電極根元を開始端とするテーパー状に形成したことを特徴とする、周期状分極反転構造の形成方法に関する。
【００１２】
本発明者らは、図１に示すような電極幅の小さい電極片を有する電極を用いて分極反転を行なった場合に、良好な形状の分極反転領域、さらには周期状分極反転構造が得られない理由について鋭意検討を実施した。その結果、電極幅が小さい場合はその電気抵抗が大きくなるために、櫛形電極自体に所定の電圧を印加しても、電極片の先端までに十分電流が流れなくなる。そして、電極片の先端には十分な大きさの電圧が印加されなくなり、その結果、分極反転形状が乱れてしまう場合が生じることを見出した。
【００１３】
さらに、電極片に均一に電圧が印加されないことに起因して、櫛形電極内の電圧分布が不均一になるとともに、所定の箇所に過度の電圧が印加されるようになる。この結果、電極片間に分極反転領域が形成されたり、強誘電体単結晶基板に損傷を与えたりすることを見出した。
【００１４】
そこで、本発明者らは、電極片の電気抵抗を低減し、その先端にまで安定的に電流を流し、良好な形状の周期状分極反転構造を形成すべく鋭意検討を実施した。その結果、電極片の、根元側の幅を先端側の幅に比して大きくし、前記電極片の幅が、前記先端側から前記根元側に向けて増大するように、テーパー状に形成することを想到した。
【００１５】
この場合においては、分極反転領域の幅を制御すべく電極片の先端側の幅を小さくしても、その根元側の幅はある程度の大きさを有し、かかる部分の電気抵抗は低減される。したがって、前記電極片を有する櫛形電極に対して所定の電圧を印加した場合、この電圧印加に起因した電流は、電気抵抗に低減された前記電極片の前記根元側を通過して前記電極片の先端まで安定的に流れるようになる。その結果、前記電極片の前記先端から安定的に分極反転領域が形成され、周期状分極反転領域が形成されるようになる。
【００１６】
また、前記櫛形電極内における電圧分布も均一になるとともに、所定の箇所に過度の電圧が印加されることもなくなる。したがって、前記電極片間に分極反転領域が形成されたり、強誘電体単結晶基板が損傷したりすることがなくなる。
【００１７】
なお、本発明の好ましい態様においては、櫛形状の第１の電極における各電極片の、先端側における最小幅Ｗｆと、根元側における最大幅Ｗｂとの比（Ｗｆ／Ｗｂ）が４／５以下であることが好ましい。これによって、上記本発明の効果をより実効あらしめることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図３は、本発明の周期状分極反転構造の形成方法おいて使用する、櫛形状の第１の電極の一例を示す概観図である。図３に示す櫛形状の第１の電極は、電極片１２−１〜１２−７を有しており、各電極片は先端部Ｆと根元部Ｂとから構成されている。各電極片において、先端部Ｆの幅はほぼ一様であり、根元部Ｂの幅は先端部Ｆから基部に向けて増大している。そして、根元部Ｂの幅は、総じて先端部Ｆの幅よりも大きくなっており、電極片全体としてテーパー状の形態を呈している。
【００２０】
各電極片の根元部Ｂは比較的大きな電極幅を有し、電気抵抗が低減されている。したがって、櫛形状の第１の電極に所定の電圧が印加された場合においても、各電極片の、電気抵抗が減じられている根元部Ｂを介して先端部Ｆまで十分に安定的に電流が流れるようになる。したがって、各電極片の先端部Ｆより安定的に分極反転領域、さらには周期状分極反転構造を形成することができる。
【００２１】
また、各電極片の、先端部Ｆにおける最小幅Ｗｆ（この場合においては、先端部Ｆの幅）と、根元部Ｂにおける最大幅Ｗｂとの比（Ｗｆ／Ｗｂ）は、上述したように４／５以下であることが好ましく、さらには２／５以下であることが好ましい。これによって、比較的大きな電極幅を有する根元部Ｂの電気抵抗を、先端部Ｆの電気抵抗に比較して十分に小さくすることができ、本発明をより実効あらしめることができる。
【００２２】
なお、各電極片の先端部Ｆの最小幅Ｗｆは、電極片の配列周期Ｐの１／２未満、さらには１／５以下であることが好ましい。これによって、前述したように、形成すべき分極反転領域の幅と、反転することなく残存した分極領域の幅とがほぼ同じになるように制御することができる。したがって、均一な分極領域幅を有する周期状分極反転構造を簡易に形成することができる。
【００２３】
また、この場合において、各電極片の根元部Ｂの低電気抵抗化を実現足らしめるためには、各電極片の根元部Ｂの最大幅Ｗｂは、配列周期Ｐの１／２以上、さらには３／５以上にする。
【００２４】
図４は、図３に示す櫛形状の第１の電極の変形例を示す概観図である。図４に示す櫛形状の第１の電極２２は三角形状の電極片２２−１〜２２−７を有し、各電極片の幅は先端側から根元側に向けて増大し、テーパー状を呈している。すなわち、図４に示す第１の電極２２は、図３に示す第１の電極１２と異なり、先端部及び根元部などのように各部位毎に分割された構成の電極片ではなく、電極幅が先端側から根元側に向けて連続して変化する、連続的な構成の電極片を有する。
【００２５】
この場合においては、比較的大きな電圧を印加した場合においても、この印加電圧に起因した電流を各電極片の先端まで効率良く流すことができるようになり、良好な形状かつ十分な深さを有する周期状分極反転構造を形成することができる。
【００２６】
また、図４に示す櫛形状電極の各電極片の先端は三角形の頂点に相当し、図３に示すような一定の大きさを有しない。すなわち、この場合、各電極片の先端側の最小幅Ｗｆは限りなく零に近づき、（Ｗｆ／Ｗｂ）も限りなく零に近づくようになる。しかしながら、各電極片の先端には電圧が集中するようになるため、より小さい印加電圧でより深い周期状分極反転構造を形成することができるようになる。
【００２７】
さらに、周期状分極反転構造を構成する分極反転領域は、櫛形状電極の電極片の幅よりも拡大して形成されるため、印加電圧の大きさなどを適宜に調節することにより、任意の分極領域幅を有する周期状分極反転構造を形成することができ、さらには均一な分極領域幅を有する周期状分極反転構造を簡易に形成することができる。
【００２８】
なお、図３及び図４に示す櫛形状の第１の電極は、公知の電極材料から構成することができる。
【００２９】
本発明の周期状分極反転構造の形成方法においては、例えば、図１に示すように、ＬＮやＬＴのオフカット基板からなる強誘電体単結晶基板１の主面１Ａ上に、前述した電極片２−１〜２−７を有する櫛形状の第１の電極２に代えて、図３又は図４に示す第１の電極１２又は２２を形成する。そして、この第１の電極１２又は２２と対向するようにして平板状の第２の電極３Ａ及び３Ｂを形成する。その後、第１の電極１２又は２２と第２の電極３Ａ及び３Ｂとの間に所定の電圧を印加して分極反転を生ぜしめ、周期状分極反転構造４を形成する。
【００３０】
図３及び図４に示す本発明の方法に用いる櫛形状の第１の電極１２及び２２においては、電極片の、拡大された電極幅を有し電気抵抗が低減された根元側を通じて、先端側に十分に電流を流すことができる。さらに、各電極片の先端側の電極幅が狭小化されているために、各電極片の先端には電荷を集中させることができる。したがって、第１の電極１２及び２２の先端に対しては実質的に大きな電流を印加することができ、より深い周期状分極反転構造を簡易に形成することができるようになる。
【００３１】
実際に、図３及び図４に示すような櫛形状の第１の電極を用いた場合、５度のオフカット基板において２．５μｍ以上の深さの周期状分極反転構造を得ることができる。
【００３２】
図１に示すような強誘電体単結晶基板１内に周期状分極反転構造４を作製した後は、櫛形形状の第１の電極１２又は２２、並びに平板状の第２の電極３Ａ及び３Ｂは、弗硝酸でそれぞれ取り除かれる。
【００３３】
図５は、周期状分極反転構造が形成された強誘電体単結晶基板に、光導波路を形成した状態を示す図である。なお、簡略化のため、図５においては、強誘電体単結晶基板の、周期状分極反転構造が形成された部分のみを示している。
【００３４】
図３又は図４に示す櫛形状の第１の電極を用い、図１に示すようにして周期状分極反転構造が形成された強誘電体単結晶基板を得た後、これを実際のＳＨＧデバイスなどとして用いるためには、図５に示すように、プロトン交換法などによって周期状分極反転構造４内に光導波路５を形成して、所定の光導波路素子１０を作製する。その後、光導波路素子１０を実装し、光ファイバなどを接続することによって、目的とするＳＨＧデバイスなどを得る。
【００３５】
図６〜図８は、周期状分極反転構造が形成された強誘電体単結晶基板を用いて、リッジ構造型の光導波路素子を形成するための工程を説明するための図である。
【００３６】
最初に、図６に示すように、周期状分極反転構造４の形成された強誘電体単結晶基板１を、主面１Ａが下側になるようにして、支持基板１１と接着層１２を介して貼り合わせる。次いで、強誘電体単結晶基板１に裏面１Ｂから研削加工及び研摩加工を施すことにより、図７に示すように、周期状分極反転構造４が露出するまで薄板化する。その後、ダイシング加工、あるいは所定のマスクを介してレーザ加工を行ない、強誘電体単結晶基板１の両側部分を所定の厚さを残して除去し、図８に示すようなリッジ型の光導波路１５を有する、リッジ構造型の光導波路素子２０を得る。
【００３７】
その後、光導波路素子２０を実装し、光ファイバなどを接続することによって、目的とするＳＨＧデバイスなどを得る。
【００３８】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。
（実施例）
最初に、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯドープＬＮ単結晶の５度オフＹカット板を強誘電体単結晶基板１として用い、この基板の主面１Ａ上に、図３に示すような構成の、Ｔａからなる櫛形状の第１の電極１２を形成した。ここで、各電極片の、先端部Ｆの長さを５０μｍ、根元部Ｂの長さを５０μｍとし、先端部Ｆにおける最小幅Ｗｆを０．４μｍ、根元部Ｂにおける最大幅Ｗｂを１．６μｍとした。また、配列周期Ｐは２．８μｍとした。
【００３９】
次いで、第１の電極１２と対向するようにして、主面１Ａ上に、同じくＴａからなる平板状の第２の電極３Ａを形成するととともに、裏面１Ｂ上に同じく平板状の電極３Ｂを形成した。その後、第１の電極１２と第２の電極３Ａ及び３Ｂとの間に、所定の電圧を印加して周期状分極反転構造４を形成した。なお、第１の電極１２と主面１Ａ上の電極３Ａ間には電圧を印加せず、第１の電極１２と裏面１Ｂ上の電極３Ｂ間にのみ電圧を印加しても、周期状分極反転構造４を得ることができた。
【００４０】
（比較例）
実施例と同様に、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯドープＬＮ単結晶の５度オフＹカット基板を強誘電体単結晶基板１として用い、この基板１の主面１Ａ上に図２に示すような、Ｔａからなる従来の櫛形状の第１の電極２を形成した。ここで、各電極片の、電極幅ｄを０．４μｍ、長さＬを１００μｍとし、配列周期Ｐは２．８μｍとした。
【００４１】
次いで、第１の電極２と対向するようにして、主面１Ａ上に同じくＴａからなる平板状の第２の電極３を形成した。その後、第１の電極１２と第２の電極３Ａ及び３Ｂとの間に、所定の電圧を印加して周期状分極反転構造４を形成した。
【００４２】
図９は、実施例において形成した周期状分極反転構造４の光学顕微鏡写真であり、図１０及び１１は、比較例において形成した周期状分極反転構造４の光学顕微鏡写真である。なお、各図においては、第１の電極２又は１２、並びに第２の電極３Ａ及び３Ｂを、弗硝酸溶液を用いて除去した後の状態を示す。
【００４３】
図９から明らかなように、本発明に従った実施例においては、ほぼ均一な分極領域幅を有する周期状分極反転構造４が形成されていることが分かる。一方、従来の方法に従った比較例においては、図１０に示すように、櫛形状の第１の電極の電極片間において、分極反転領域が形成されていることが分かる。さらに、別の場合には、図１１から明らかなように、櫛形状の第１の電極の基部が位置する部分において基板損傷が生じていた。
【００４４】
すなわち、本発明に従った実施例においては、櫛形状の第１の電極１２における各電極片の根元部Ｂを介して、各電極片の先端まで十分に電流が流れ、強誘電体単結晶基板１に対して均一な電圧が印加され、良好な形状の周期状分極反転構造が形成されたことが分かる。一方、従来の方法に従った比較例においては、櫛形状の第１の電極２における各電極片の先端まで十分に電流が流れることなく、第１の電極２内において不均一な電圧分布、並びに電極基部において電圧が過度に集中していることが分かる。
【００４５】
また、実施例において、強誘電体単結晶基板１内に形成された周期状分極反転構造の、主面１Ａからの深さを実測したところ２．５μｍであることが判明し、従来に比し十分大きな深さを有する周期状分極反転構造４を形成できることも判明した。
【００４６】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲において、あらゆる変更や変形が可能である。例えば、上記においては、強誘電体単結晶基板１を、例えばＭｇＯドープのＬＮ単結晶の５度オフカット板から構成する場合について示しているが、本発明は、例えばＬＮ単結晶の任意のオフカット基板、、並びにＸカット基板、Ｙカット基板、Ｚカット基板から構成する場合についても用いることができる。
【００４７】
また、図１においては、主面１Ａ及び裏面１Ｂ上において、櫛形状の第１の電極１２と対向するように第２の電極３Ａ及び３Ｂを形成しているが、ＬＮ単結晶のＸカット基板又はＹカット基板を用いる場合は、裏面１Ｂ上に第２の電極３Ｂを形成することなく、主面１Ａ上において第２の電極３Ａのみを形成することによって、目的とする周期状分極反転構造を作製することができる。
【００４８】
さらに、ＬＮ単結晶のＺカット基板又は上述したオフカット基板を用いる場合は、主面１Ａ上に第２の電極３Ａを形成することなく、裏面１Ｂ上に第２の電極３Ｂのみを形成することによって、目的とする周期状分極反転構造を作製することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、分極反転領域の形状の乱れなどを防止し、良好な形状の周期状分極反転構造を安定的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】周期状分極反転構造の形成方法を説明するための図である。
【図２】分極反転時に用いる従来の櫛形形状の第１の電極を模式的に示す図である。
【図３】図３は、本発明の周期状分極反転構造の形成方法おいて使用する、櫛形状の第１の電極の一例を示す概観図である。
【図４】図３に示す櫛形状の第１の電極の変形例を示す概観図である。
【図５】周期状分極反転構造が形成された強誘電体単結晶基板に、光導波路を形成した状態を示す図である。
【図６】周期状分極反転構造が形成された強誘電体基板を用いて、リッジ構造型の光導波路素子を形成する方法を説明するための一工程図である。
【図７】図７に示す工程の次の工程を示す図である。
【図８】図８に示す工程の次の工程を示す図である。
【図９】本発明の方法に従って形成した周期状分極反転構造の光学顕微鏡写真である。
【図１０】従来の方法に従って形成した周期状分極反転構造の光学顕微鏡写真である。
【図１１】従来の方法に従って形成した周期状分極反転構造の光学顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１  強誘電体単結晶基板、２，１２，２２  第１の電極、３Ａ、３Ｂ  第２の電極、４  周期状分極反転構造、５，１５  光導波路、１０，２０  光導波路素子、１１  支持基板、１２  接着層
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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