(57)【要約】【課題】分極反転構造の形成領域に電流が流れ易くなるような強誘電体結晶を用いた場合であっても、高精度の分極反転構造を形成可能とした、光学素子基板、及び、該基板を用いた波長変換デバイスを提供する。【解決手段】２次の非線形効果を持つ強誘電体結晶の自発分極方向を周期的に反転させた構造（分極反転構造）を有する波長変換デバイスを作製するための、強誘電体材料からなる光学素子基板１において、分極反転構造が形成される光学素子基板１の強誘電体層２の自発分極と直交する面の一方に対して、分極反転構造形成時に自発分極方向に沿って移動する電荷の移動量を制限する電荷移動制限層３を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次の非線形効果を持つ強誘電体結晶の自発分極方向を周期的に反転させた構造（分極反転構造）を有する波長変換デバイスを作製するための、強誘電体材料からなる光学素子基板であって、
前記分極反転構造が形成される前記光学素子基板の強誘電体層の自発分極と直交する面の一方に対して、分極反転構造形成時に自発分極方向に沿って移動する電荷の移動量を制限する電荷移動制限層を備えたことを特徴とする光学素子基板。
【請求項２】
前記電荷移動制限層は、前記光学素子基板に対して、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｉｎのうち少なくともいずれか１つの不純物を添加又は除去することにより形成されることを特徴とする請求項１記載の光学素子基板。
【請求項３】
前記電荷移動制限層は、前記光学素子基板を形成する前記強誘電体材料と比較して、異なる不純物濃度を有する前記強誘電体材料からなることを特徴とする請求項１記載の光学素子基板。
【請求項４】
前記強誘電体層と前記電荷移動制限層とは熱拡散接合により接合されることを特徴とする請求項３記載の光学素子基板。
【請求項５】
前記強誘電体層の反転抗電界をＥ１、前記強誘電体層の厚さをｄ１、前記電荷移動制限層の反転抗電界をＥ２、電荷移動制限層の厚さをｄ２とすると、
Ｅ１・（ｄ１＋ｄ２）＜＝Ｅ２・ｄ２・・・式（１）を満たすことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子基板。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の光学素子基板を用いた波長変換デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトプリンター、ディスプレー、テラヘルツレーザー光源等に用いられる、光学素子基板、及び、該基板を用いた波長変換デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴｉＯ3等の強誘電体結晶は、強い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に利用されている。特に、分極方向を周期的に反転させ擬似的に位相整合条件（ＱＰＭ）を満たすようにした光学素子は大きい非線形定数を利用できるため波長変換効率が高く、分極反転構造の周期を変化させることで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）を行えるため様々な検討が行われている。
【０００３】
このような波長変換素子の作製は、例えば、特許文献１に開示されるように、主に分極方向が揃った誘電体結晶基板の両面（＋Ｚ面と−Ｚ面、又は、＋Ｃ面と−Ｃ面と呼ばれる。）に所定の電極パターンを形成し、電圧を印加して電極に挟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。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形成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様々な方法が検討されている。
【０００４】
例えば、特許文献２では、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形成している。特許文献３では、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形成している。特許文献４では、＋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を抑制し、短周期の分極反転構造を形成し易くしている。
【０００５】
これらの方法による分極反転構造の形成には、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3等の非線形効果を有する強誘電体結晶が用いられている。中でもＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3は非線形効果が高く、分極反転構造も安定性が高いため検討が進んでいるが、特にＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3に不純物としてＭｇＯ をドープした結晶（以下、ＭｇＯ：ＬＮ、ＭｇＯ：ＬＴ）は、波長変換により発生した可視光と基本波の相互作用による基本波の吸収（Green Induced IR Absorption: GRIIRA）の問題がなく、高出力の可視光発生用波長変換デバイスとして期待されている。
【特許文献１】特許第３２７７５１５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２０００−１４７５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特にＭｇＯ：ＬＮでは、分極反転した部分の抵抗率が低下し電流が流れ易くなるため、先に分極反転構造が生じた部分が加熱され分極反転構造のムラが発生したり、他の部分へ所定の電界が印加されなくなるため分極反転構造の形成が電界印加の途中で停止するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点に鑑み、分極反転構造の形成領域に電流が流れ易くなるような強誘電体結晶を用いた場合であっても、高精度の分極反転構造を形成可能とした、光学素子基板、及び、該基板を用いた波長変換デバイス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】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、２次の非線形効果を持つ強誘電体結晶の自発分極方向を周期的に反転させた構造（分極反転構造）を有する波長変換デバイスを作製するための、強誘電体材料からなる光学素子基板であって、前記分極反転構造が形成される前記光学素子基板の強誘電体層の自発分極と直交する面の一方に対して、分極反転構造形成時に自発分極方向に沿って移動する電荷の移動量を制限する電荷移動制限層を備えた光学素子基板としたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記電荷移動制限層は、前記光学素子基板に対して、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｉｎのうち少なくともいずれか１つの不純物を添加又は除去することにより形成される請求項１記載の光学素子基板としたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記電荷移動制限層は、前記光学素子基板を形成する前記強誘電体材料と比較して、異なる不純物濃度を有する前記強誘電体材料からなる請求項１記載の光学素子基板としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、前記強誘電体層と前記電荷移動制限層とは熱拡散接合により接合される請求項３記載の光学素子基板としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、前記強誘電体層の反転抗電界をＥ１、前記強誘電体層の厚さをｄ１、前記電荷移動制限層の反転抗電界をＥ２、電荷移動制限層の厚さをｄ２とすると、
Ｅ１・（ｄ１＋ｄ２）＜＝Ｅ２・ｄ２・・・式（１）を満たす請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子基板としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の光学素子基板を用いた波長変換デバイスとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光学素子基板、及び、該基板を用いた波長変換デバイスにおいて、分極反転構造の形成領域に、電流が流れ易くなるような強誘電体結晶を用いた場合であっても、高精度の分極反転構造を形成可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態は、２次の非線形効果を持つ強誘電体結晶の自発分極方向を周期的に反転させた構造（分極反転構造）を有する波長変換デバイスを作製するための、強誘電体材料からなる光学素子基板において、分極反転構造が形成される光学素子基板の強誘電体層の自発分極と直交する面の一方に対して、分極反転構造形成時に自発分極方向に沿って移動する電荷の移動量を制限する電荷移動制限層を設ける。
【００１６】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下に述べる実施形態は本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
【００１７】
（実施形態１）
本実施形態の光学素子基板は、所定の位置に分極反転構造が形成された後は電流が流れないように電荷の移動を制限する構造である電荷移動制限層を設けたことを特徴とする。この電荷移動制限層により、ＭｇＯ：ＬＮのような、分極反転領域の抵抗率が低下し電流による加熱で分極反転領域のムラが発生しやすい強誘電体結晶においても、高精度の分極反転構造が形成可能となる。以下に具体的に本実施形態の光学素子基板について説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態の光学素子基板１の構造を示した断面図である。図１の強誘電体層２は、分極反転構造が形成される部分で、背景技術の欄で述べたように、ＭｇＯ：ＬＮ、ＭｇＯ：ＬＴ等が用いられる。図１に示す強誘電体層２は、−Ｚ面側から＋Ｚ面側に向かって分極方向が揃っており、電荷移動制限層３は−Ｚ面側に形成される。
【００１９】
上記電荷移動制限層３に用いる材料としては、分極反転前の強誘電体層２より抵抗値が低く、分極反転後の強誘電体層２より抵抗値が高い材料や、所定の電荷が移動するまで電荷を流した後は電荷の移動を停止させる材料（実施形態２に記載）を用いることができる。
【００２０】
例えば、電荷移動制限層３は、不純物濃度が互いに異なる材料であって、強誘電体層２を形成する強誘電体材料と同じ強誘電体材料を用いることができる。また、電荷移動制限層３は、光学素子基板１に対して、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｉｎのうちの少なくともいずれか１つの不純物を添加又は除去することにより形成することができる。
【００２１】
次に、本実施形態の光学素子基板１との比較のため、図４（ａ）〜（ｄ）を用いて従来の光学素子基板を分極反転させる場合の動作（分極反転構造の形成過程）を説明する。図４（ａ）〜（ｄ）は、従来の光学素子基板５を分極反転させる場合の動作（分極反転構造の形成過程）を説明するための断面図である。
【００２２】
尚、図４（ａ）〜（ｄ）に示す光学素子基板６では、＋Ｚ面側に櫛状の電極（＋電極４）、−Ｚ面側にベタ電極（−電極５）を形成して光学素子基板６の分極方向と逆の電界を印加している。また、本説明における光学素子基板６は、ＭｇＯをドーピングしたＬｉＮｂＯ3（ＭｇＯ：ＬＮ）を用いて形成されているものとする。
【００２３】
まず、＋Ｚ面側の電極（＋電極４）及び−Ｚ面側の電極（−電極５）を介して、光学素子基板６に電界を印加すると、図４（ａ）に示すように、＋Ｚ面側の電極（＋電極４）のエッジ部分から分極反転領域７が発生する。電界印加時間が進むに従って、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、分極反転領域７は−Ｚ面に向かって成長していくが、成長速度は場所によって異なっている。
【００２４】
この間、電流はほとんど流れず、分極反転領域７の一部が−Ｚ面に達して、図４（ｃ）に示すような分極反転構造が形成される。なぜならば、分極反転領域７は横方向に少しずつ広がっていくが、その速度は縦方向の成長に比べて非常に遅いため、他の分極反転領域７が主に縦方向に成長するからである。
【００２５】
そして、図４（ｃ）に示すような分極反転領域７が形成されると、分極反転に伴って分極反転領域７の面積に比例した電流が流れる。しかしながら、ＭｇＯをドーピングしたＬｉＮｂＯ3では分極反転領域７と未反転領域の界面を通って電流が流れ続けるため、貫通した分極反転領域７の周囲が加熱され分極反転に必要な電界強度(反転抗電界)が低下して分極反転領域７が横方向へ成長しやすくなるため、図４（ｄ）に示すように貫通した分極反転領域７が横方向に大きく広がってしまい、分極反転領域７の一部が消滅するため問題である。
【００２６】
次に、図２（ａ）〜（ｄ）を用いて本実施形態の光学素子基板１を分極反転させる場合の動作（分極反転構造の形成過程）を説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の光学素子基板１を分極反転させる場合の動作（分極反転構造の形成過程）を説明するための断面図である。尚、図２（ａ）〜（ｄ）に示す光学素子基板１では、＋Ｚ面側に櫛状の電極（＋電極４）、−Ｚ面側にベタ電極（−電極５）を形成して光学素子基板１の分極方向と逆の電界を印加している。
【００２７】
まず、図２（ａ）〜（ｃ）では、図４（ａ）〜（ｃ）を用いて上述した従来の場合と同じように分極反転領域７が成長する。しかし、図２（ｃ）、図２（ｄ）に示すように、分極反転領域７が電界移動制限層３に達した後は分極反転領域７の成長が止まり、反転領域の界面を通る電流が抑制されるため分極反転領域７周辺の加熱が起こらない。従って、先に電荷移動制限層３に達した分極反転領域７が横方向に広がる前に他の分極反転領域７が−Ｚ面に達することが可能となり、従来に比べて均一な分極反転構造が形成できるようになる。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態によれば、分極反転構造が形成される光学素子基板の自発分極と直交する面の一方に対して、分極反転構造形成時に自発分極方向に沿って移動する電荷の移動量を制限するための電荷移動制限層が形成されているため、分極反転領域のムラの発生を抑えて分極反転構造の均一性を高めることができる。＜請求項１＞
また、本実施形態の光学素子基板を利用することにより、高い効率で波長変換が行える波長変換デバイスを供給することが可能となる。＜請求項６＞
【００２９】
（実施形態２）
本実施形態は、実施形態１の応用例である。従って、実施形態１と共通する部分（構成及び効果）は説明を省略し、特徴部分のみ、添付図面に基づいて以下に説明する。図３は、本実施形態における光学素子基板１の構造を示した断面図である。図３に示すように、本実施形態では、光学素子基板１の強誘電体層２として、５ｍｏｌ％のＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ3基板、電荷移動制限層３として、ノンドープＬｉＮｂＯ3基板（以下、ノンドープＬＮ）が用いられる。
【００３０】
ＭｇＯ：ＬＮ基板（５ｍｏｌ％のＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ3基板）は分極反転領域７の抵抗値が低下するが、上記ノンドープＬｉＮｂＯ3基板は分極反転した面積に応じた電荷が移動するだけでそれ以上の電流は流れないため、電荷移動制限層３として利用することができる。５ｍｏｌ％のＭｇＯ：ＬＮの反転抗電界は室温で約５ＫＶ／ｍｍ、一方、ノンドープＬＮの反転抗電界は約２１ＫＶ／ｍｍである。
【００３１】
ＭｇＯ：ＬＮ部分が分極反転した領域ではＭｇＯ：ＬＮの抵抗値が低下し、印加された電圧に応じた電界は一時的にノンドープＬＮ部分に集中する。従って、ノンドープＬＮ部分が過剰な電解印加によって破壊され、抵抗値が低下するのを避けるためには、ＭｇＯ：ＬＮの厚さをｄ１、反転抗電界をＥ１、ノンドープＬＮの厚さをｄ２、反転抗電界をＥ２として、以下に示す式（１）を満たすようにしておけばよい。
Ｅ１・（ｄ１＋ｄ２）＜＝Ｅ２・ｄ２・・・式（１）
【００３２】
ところで、本実施形態の光学素子基板１は、強誘電体層２と電荷移動制限層３はドーパントであるＭｇＯの有無以外の違いがないため、熱拡散接合を用いて作製することが好ましい。なぜならば、この熱拡散接合は接着剤を使う必要がないため、接合界面の均一性が高く、接合界面状態のムラによる分極反転構造形成への悪影響を避けることができるからである。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、電荷移動制限層３は強誘電体層２に対してＭｇ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｉｎ等の不純物が異なる濃度で添加、若しくは添加されている点において相違するのみであり、材料特性の違いが少ないため、熱拡散接合により光学素子基板を容易に作成することができる。また、本実施形態によれば、電荷移動制限層と強誘電体層は熱拡散接合により接合されているため、接合界面の均一性が高く、接合界面状態のムラによる分極反転構造形成への悪影響を避けることができる。＜請求項４＞
【００３４】
更に、本実施形態によれば、強誘電体層の反転抗電界をＥ１、強誘電体層の厚さをｄ１、電荷移動制限層の反転抗電界をＥ２、電荷移動制限層の厚さをｄ２とすると、
Ｅ１・（ｄ１＋ｄ２）＜＝Ｅ２・ｄ２・・・式（１）
上記式（１）を満たしているため、電荷移動制限層が過剰な電界印加によって破壊されて抵抗値が低下することを避けることができる。＜請求項５＞
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施形態における光学素子基板の構造を示した断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の光学素子基板を分極反転させる場合の動作（分極反転構造の形成過程）を説明するための断面図である。
【図３】第２の実施形態における光学素子基板の構造を示した断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、従来の光学素子基板を分極反転させる場合の動作（分極反転構造の形成過程）を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    光学素子基板
２    強誘電体層
３    電荷移動制限層
４    ＋電極
５    −電極
６    光学素子基板（従来）
７    分極反転領域
【図１】
2007121515.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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