(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単分極化された強誘電体結晶の一表面に、所定のパターンを有するパターン電極と、このパターン電極に接続する接続電極とを形成し、
前記強誘電体結晶の他表面と向き合う位置にコロナワイヤーを配し、このコロナワイヤーと前記パターン電極とを用いて、コロナ帯電法により前記強誘電体結晶の表裏に電場を印加することにより、該強誘電体結晶に前記所定のパターンに対応した形状の分極反転部を形成する方法において、
前記強誘電体の他表面上において、前記接続電極の少なくとも一部に対向する位置に絶縁体を配した状態で前記電場を印加することを特徴とする強誘電体の分極反転方法。
【請求項２】
単分極化された強誘電体結晶の一表面に、所定のパターンを有するパターン電極と、このパターン電極に接続する接続電極とを形成し、
前記強誘電体結晶の他表面側から電子線を照射して、この強誘電体結晶の表裏に電場を印加することにより、該強誘電体結晶に前記所定のパターンに対応した形状の分極反転部を形成する方法において、
前記強誘電体の他表面上において、前記接続電極の少なくとも一部に対向する位置に絶縁体を配した状態で前記電場を印加することを特徴とする強誘電体の分極反転方法。
【請求項３】
前記絶縁体を、少なくとも前記接続電極の屈曲部分に対向する位置に配しておくことを特徴とする請求項１または２記載の強誘電体の分極反転方法。
【請求項４】
前記パターン電極が、所定周期で繰り返す複数本の周期電極であり、
前記接続電極が前記周期電極の各々に繋がって、それらの周期電極を互いに連絡させているものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の強誘電体の分極反転方法。
【請求項５】
前記接続電極の、前記周期電極と繋がっている屈曲部分に対向する位置に、前記絶縁体を配しておくことを特徴とする請求項４記載の強誘電体の分極反転方法。
【請求項６】
前記強誘電体結晶が、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３ （０≦ｘ≦１）結晶、またはそれにＭｇＯ、ＺｎＯもしくはＳｃがドープされた結晶であることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の強誘電体の分極反転方法。
【請求項７】
請求項４から６いずれか１項記載の強誘電体の分極反転方法を用いた光波長変換素子の作製方法であって、
前記単分極化された強誘電体結晶として非線形光学結晶を用い、
該非線形光学結晶に前記周期電極のパターンに対応した周期分極反転構造を形成することを特徴とする光波長変換素子の作製方法。
【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に電場を印加して分極反転部を形成する方法に関し、さらに詳しくは、強誘電体結晶の一表面に所定のパターンを有する電極を形成した状態で電場を印加して、電極形状に対応したに分極反転させる強誘電体の分極反転方法に関するものである。
【０００２】
また本発明は、上述のような強誘電体の分極反転方法を応用した光波長変換素子の作製方法に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
非線形光学効果を有する強誘電体の自発分極（ドメイン）を周期的に反転させた領域を設けた光波長変換素子を用いて、基本波を第２高調波に波長変換する方法が既にBleombergenらによって提案されている（Phys.Rev.,Vol.127,No.6,1918(1962)参照）。この方法においては、分極反転部の周期Λを、
Λｃ＝２π／｛β（２ω）−２β（ω）｝  ……(1)
ただしβ（２ω）は第２高調波の伝搬定数
β（ω）は基本波の伝搬定数
で与えられるコヒーレント長Λｃの整数倍になるように設定することで、第２高調波の位相整合を取ることができる。非線形光学材料のバルク結晶を用いて波長変換する場合は、位相整合する波長が結晶固有の特定波長に限られるが、上記の方法によれば、任意の波長に対して(1)式を満足する周期Λを選択することにより、効率良く位相整合（いわゆる疑似位相整合）を取ることが可能となる。
【０００４】
上述のような周期分極反転構造を形成する方法の１つとして、特開平７−７２５２１号公報に示されるように、単分極化された非線形光学効果を有する強誘電体結晶の一表面に所定のパターンの周期電極を形成し、この電極と、上記一表面と反対の表面側に配したコロナワイヤーとにより強誘電体結晶をコロナ帯電させてそこに電場を印加し、該強誘電体結晶の上記電極に対向する部分を局部的に分極反転させる方法が知られている。
【０００５】
またこのコロナ帯電を利用する他、例えば特開平４−２１２１３２号や、文献“FABRICATION OF DOMAIN REVERSED GRATINGS FOR SHG IN LiNbO３ BY ELECTRON BEAM BOMBARDMENT”ELECTRONICS LETTERS Vol.26 No.3 pp.188-189(February 1990)に示されるように、単分極化された非線形光学効果を有する強誘電体結晶の一表面に電子線を照射して電場印加することにより、該強誘電体結晶に局部的な分極反転部を形成する方法も知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の周期電極を用いて強誘電体結晶に電場を印加する際には、周期電極側を接地する必要がある。この周期電極は、複数本が所定周期で繰り返しているものであるから、それらを接地する上では一般に、各周期電極に繋がる１つの接続電極を強誘電体結晶の表面に形成し、この接続電極をワイヤを介してアースに接続する、という方法が採用されている。
【０００７】
そのような方法で強誘電体結晶に電界を印加する場合、例えばコロナ帯電させる領域や電子線を照射する領域内に上記接続電極が存在していると、当然ながらその接続電極に対面している強誘電体結晶の部分でも分極反転が生じる。その際、強誘電体結晶の厚さや反転面積、周期の関係で反転電荷量が多い場合には、接続電極に対面している強誘電体結晶の部分が破壊（ひび割れ等）することが度々ある。この結晶破壊は、特に接続電極の、前記周期電極と繋がっている屈曲部分において多く発生する。
【０００８】
また上記の問題は特に、分極反転の前後で強誘電体結晶の電気伝導度が大きく変化して、初期反転部に電荷が集中しやすい、ＭｇＯ、ＺｎＯもしくはＳｃがドープされたＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）結晶において顕著に認められる。
【０００９】
この結晶破壊の問題は、上述した周期電極を用いて周期的な分極反転部を形成する場合に限らず、所定パターンとされた電極とそれに繋がる接続電極とを用いて、コロナ帯電や電子線照射により強誘電体結晶に電場を印加する際に共通して見受けられるものである。
【００１０】
このような結晶破壊が生じると、その強誘電体結晶は当然不良品となるので、分極反転の歩留まりが低下する。また、この方法で強誘電体結晶に周期分極反転構造を形成して前述の光波長変換素子を作製する場合は、分極反転の歩留まりが低いと、光波長変換素子のコストアップを招くことになる。
【００１１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、所定パターンとされた電極とそれに繋がる接続電極とを用いて、コロナ帯電や電子線照射により強誘電体結晶に電場を印加する際に、接続電極に対面している強誘電体結晶の部分が破壊することを防止できる強誘電体の分極反転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また本発明は、強誘電体である非線形光学結晶に高歩留まりで周期分極反転構造を形成することができる、光波長変換素子の作製方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の強誘電体の分極反転方法は、
前述したように、単分極化された強誘電体結晶の一表面に、所定のパターンを有するパターン電極と、このパターン電極に接続する接続電極とを形成し、
前記強誘電体結晶の他表面と向き合う位置にコロナワイヤーを配し、このコロナワイヤーと前記パターン電極とを用いて、コロナ帯電法により前記強誘電体結晶の表裏に電場を印加することにより、該強誘電体結晶に前記所定のパターンに対応した形状の分極反転部を形成する方法において、
前記強誘電体の他表面上において、前記接続電極の少なくとも一部に対向する位置に絶縁体を配した状態で電場を印加することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明による第２の強誘電体の分極反転方法は、
前述したように、単分極化された強誘電体結晶の一表面に、所定のパターンを有するパターン電極と、このパターン電極に接続する接続電極とを形成し、
前記強誘電体結晶の他表面側から電子線を照射して、この強誘電体結晶の表裏に電場を印加することにより、該強誘電体結晶に前記所定のパターンに対応した形状の分極反転部を形成する方法において、
前記強誘電体の他表面上において、前記接続電極の少なくとも一部に対向する位置に絶縁体を配した状態で電場を印加することを特徴とするものである。
【００１５】
なお、本発明による強誘電体の分極反転方法においては、絶縁体を、少なくとも接続電極の屈曲部分に対向する位置に配しておくことが望ましい。
【００１６】
また本発明による強誘電体の分極反転方法は、パターン電極が所定周期で繰り返す複数本の周期電極であり、接続電極が上記周期電極の各々に繋がって、それらの周期電極を互いに連絡させているものである場合に好適に適用され得るものである。その際には、接続電極の、周期電極と繋がっている屈曲部分に対向する位置に、前記絶縁体を配しておくことが望ましい。
【００１７】
また、本発明による強誘電体の分極反転方法は、強誘電体結晶が、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３ （０≦ｘ≦１）結晶、またはそれにＭｇＯ、ＺｎＯもしくはＳｃがドープされた結晶である場合に適用されると特に効果的である。
【００１８】
他方、本発明による光波長変換素子の作製方法は、上述の周期電極とそれに繋がる接続電極とを用いる本発明による強誘電体の分極反転方法を応用したものであり、単分極化された強誘電体結晶として非線形光学結晶を用い、該非線形光学結晶に前記周期電極のパターンに対応した周期分極反転構造を形成することを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の効果】
本発明者の研究によると、従来方法において生じていた前述の結晶破壊の問題は、接続電極の一部、特に周期電極に繋がっている屈曲部分に電荷が集中することに起因していることが判明した。この知見に鑑みて、本発明による強誘電体の分極反転方法においては、コロナ帯電法により、あるいは電子線照射により強誘電体結晶に電場を印加する際に、電極が形成される表面とは反対側の結晶表面上において、接続電極の少なくとも一部に対向する位置に絶縁体を配した状態で電場を印加するようにしたものである。そこで、この絶縁体が対面する強誘電体結晶の部分では、接続電極が対面しているにも拘わらず電場印加が抑えられ、それにより、電荷集中による強誘電体結晶の破壊が防止される。
【００２０】
なお上述の電荷集中は、強誘電体結晶の、特に接続電極の屈曲部分に対向する部分において起こりやすいので、この屈曲部分に対向する位置に絶縁体を配置しておけば、強誘電体結晶の破壊がより効果的に防止される。
【００２１】
また以上の観点から、パターン電極が具体的に、複数本が所定周期で繰り返している前述の周期電極であって、また接続電極が周期電極の各々に繋がってそれらを互いに連絡させているものである場合には、接続電極の、周期電極と繋がっている屈曲部分に対向する位置に絶縁体を配しておけば、強誘電体結晶の破壊が効果的に防止される。
【００２２】
また上述の電荷集中は、前述したようにＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３ （０≦ｘ≦１）結晶、またはそれにＭｇＯ、ＺｎＯもしくはＳｃがドープされた結晶において特に顕著に認められる。そこで、この種の強誘電体結晶を局部的に分極反転させる際に本発明を適用すれば、強誘電体結晶の破壊を防止する効果が特に顕著なものとなる。
【００２３】
他方、本発明による光波長変換素子の作製方法は、上述した本発明による強誘電体の分極反転方法を適用して、非線形光学結晶である強誘電体結晶に周期電極のパターンに対応した周期分極反転構造を形成するものであるから、強誘電体結晶の破壊を防止して高歩留まりで周期分極反転構造を形成可能となり、それにより光波長変換素子の作製コストを低減できるようになる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態による強誘電体の分極反転方法における各工程を概略的に示すものである。本実施の形態では、強誘電体結晶として非線形光学結晶を用いるとともに、電場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、非線形光学結晶に上記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。
【００２５】
この図１中、１は非線形光学効果を有する強誘電体である、ＭｇＯが５mol％ドープされたＬｉＮｂＯ３（ＭｇＯ−ＬＮ）結晶の基板である。このＭｇＯ−ＬＮ基板１は単分極化処理がなされて厚さ0.4 ｍｍに形成され、最も大きい非線形光学定数ｄ３３が有効に利用できるようにＺ面でカット、光学研磨されている。
【００２６】
このＭｇＯ−ＬＮ基板１の＋Ｚ面１ａ上にＣｒを蒸着あるいはスパッタして例えば厚さ50ｎｍのＣｒ薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーにより、このＣｒ薄膜からなるパターン電極としての周期電極２と、それに繋がる概略長方形の接続電極８とを形成する。周期電極２は図２に概略平面形状を示す通り、基板１のＸ軸方向に多数本が所定周期で並べられており、それらの各々は接続電極８に繋がっている。したがって、全ての周期電極２はこの接続電極８を介して連絡して、電気的に導通する状態となっている。
【００２７】
なお、本例においてＭｇＯ−ＬＮ基板１の長さ（Ｘ軸方向寸法）は45ｍｍ、幅（Ｙ軸方向寸法）は５ｍｍである。そして周期電極２は、一定の周期Λ＝19μｍで繰り返すように形成されている。
【００２８】
またＭｇＯ−ＬＮ基板１の−Ｚ面１ｂ上には、接続電極８に全面的に対面する状態にして、絶縁膜９が形成されている。この絶縁膜９は例えばフォトリソグラフィー用のレジストや、有機樹脂、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮ等の絶縁性材料から形成され、接続電極８と周期電極２とが繋がっている部分（図２中にＴで示す部分）に対面する十分な大きさとされている。
【００２９】
次に図１(2)に示すように、周期電極２と繋がっている接続電極８を接続線３を介して高圧電源４に接続するとともに、ＭｇＯ−ＬＮ基板１の−Ｚ面１ｂに向かい合う位置に配したコロナワイヤー５を、接続線６を介して高圧電源４に接続する。それによりＭｇＯ−ＬＮ基板１に、コロナ帯電により電場が印加される。なお本実施の形態では、電場印加時の温度は100℃である。また印加電圧は−３kＶ、印加電流は−600μＡ、電場印加時間は12ｓ（秒）である。
【００３０】
この電場印加により、図１(3)に示すように、周期電極２が形成されていた部分において、ＭｇＯ−ＬＮ基板１の−Ｚ面１ｂから＋Ｚ面１ａまで貫通する分極反転部７が形成される。これらの分極反転部７は、周期電極２の周期Λと同じ周期で繰り返して、周期分極反転構造を構成するものとなる。
【００３１】
本実施の形態では、接続電極８に対面する位置においてＭｇＯ−ＬＮ基板１の−Ｚ面１ｂに絶縁膜９を形成しているので、上記電場が印加される際に、接続電極８に対面する部分のＭｇＯ−ＬＮ基板１に電荷が集中することがなくなる。特に、前述したように電荷集中が起きやすい、接続電極８と周期電極２との繋がり部分Ｔ（図２参照）にも絶縁膜９が対面しているので、この電荷集中が効果的に抑制される。そこで、この電荷集中のためにＭｇＯ−ＬＮ基板１が破壊することが確実に防止される。
【００３２】
上記絶縁膜９を形成せず、その他は全て本実施の形態と同様にして分極反転部７を形成した場合、ＭｇＯ−ＬＮ基板１にひび割れ等の破壊が生じる頻度は、約50％であった。それに対して、本実施の形態において基板破壊が生じる頻度は０％であった。
【００３３】
以上の通りにして周期分極反転構造を形成したＭｇＯ−ＬＮ基板１の中央部を切り出し、＋Ｘ面および−Ｘ面を研磨し、そこに適宜のコートを施して、光通過長が３ｍｍの光波長変換素子を作製した。そして図３に示すように、この光波長変換素子10に、Ａｒレーザー励起チタンサファイアレーザー11から発せられた波長λ１＝1000ｎｍのレーザー光12を、集光レンズ13により集光して入射させた。この基本波としてのレーザー光12は、光波長変換素子10により波長λ２＝500ｎｍの第２高調波14に変換された。
【００３４】
本実施の形態では、ＭｇＯ−ＬＮ基板１の破壊を防止して高歩留まりで周期分極反転構造を形成できるから、光波長変換素子10の作製コストを低減する効果が得られる。
【００３５】
以上、パターン電極として周期電極２を用いて周期分極反転構造を形成する実施の形態について説明したが、本発明による強誘電体の分極反転方法は、それ以外の形状のパターン電極を用いる場合にも同様に適用可能である。そして、どのような形状のパターン電極を用いる場合でも、それに接続する接続電極の屈曲部分に対向する位置に絶縁体を配しておけば、その屈曲部分で発生しやすい電荷集中を抑制して、強誘電体結晶の破壊を効果的に防止することができる。
【００３６】
また本発明は、強誘電体結晶としてＭｇＯがドープされたＬｉＮｂｘＯ３ 結晶に限らず、その他例えばＺｎＯもしくはＳｃがドープされたＬｉＮｂｘＯ３ 結晶や非ドープのＬｉＮｂｘＯ３ 結晶、さらにはＬｉＴａＯ３結晶や、それにＭｇＯ、ＺｎＯもしくはＳｃがドープされた結晶等に分極反転部を形成する際にも同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による強誘電体の分極反転方法の工程を示す概略図
【図２】上記分極反転方法に用いられる電極および絶縁膜の平面図
【図３】上記分極反転方法を適用して作製された光波長変換素子の使用状態を示す概略図
【符号の説明】
１    ＭｇＯ−ＬＮ基板
１ａ  ＭｇＯ−ＬＮ基板の＋Ｚ面
１ｂ  ＭｇＯ−ＬＮ基板の−Ｚ面
２    周期電極
４    高圧電源
５    コロナワイヤー
７    分極反転部
８    接続電極
９    絶縁膜
10    光波長変換素子
11    Ａｒレーザー励起チタンサファイアレーザー
12    レーザー光（基本波）
13    集光レンズ
14    第２高調波
【図１】
0003838910.tif 000002
【図２】
0003838910.tif 000003
【図３】
0003838910.tif 000004