JPH04280234A - 分極反転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光第２高調波発
生素子（以下ＳＨＧ素子という）等の光デバイス装置の
形成に適用して好適な分極反転制御方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】近年特にＳＨＧ素子等の光デバイス装置
において、その表面に周期ドメイン反転構造を形成して
光出力等の特性の向上をはかることが提案されている。

【０００３】例えばＳＨＧ素子は、周波数ωの光を導入
すると、２ωの周波数の第２高調波の光を発生するもの
で、このＳＨＧ素子によって単一波長光の波長範囲の拡
大化がはかられ、これに伴いレーザの利用範囲の拡大化
と各技術分野でのレーザ光利用の最適化をはかることが
できる。例えばレーザ光の短波長化によってレーザ光を
用いた光記録再生、光磁気記録再生等において、その記
録密度の向上をはかることができる。

【０００４】このようなＳＨＧ素子としては、例えばＫ
ＴＰを用いたいわゆるバルク型のＳＨＧ素子や、より大
なる非線形光学定数を利用して位相整合を行う導波路型
のＳＨＧ素子、例えばＬｉＮｂＯ３　（ＬＮ）等の強誘
電体結晶の非線形光学材料より成る単結晶基板の上に線
形導波路を形成して、これに近赤外光の基本波を入力し
て第２高調波の例えば緑、青色光を放射モードとして基
板側からとりだすチェレンコフ放射型のＳＨＧ素子等が
ある。

【０００５】しかしながらバルク型ＳＨＧ素子はその特
性上ＳＨＧ変換効率が比較的低く、また廉価で高品質が
得られるＬＮを用いることができない。またチェレンコ
フ放射型ＳＨＧ素子は、ＳＨＧビームの放射方向が基板
内方向であり、ビームスポット形状も例えば三日月状ス
ポットという特異な形状をなし、実際の使用においての
問題点が存在する。

【０００６】変換効率の高いデバイス実現のためには、
基本波と第２高調波の位相伝搬速度を等しくしなくては
ならない。これを擬似的に行う方法として非線形光学定
数の＋−を周期的に配列する方法が提案されている（Ｊ
．Ａ．Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ，Ｎ．Ｂｌｏｅｍｂｅｒｇｅ
ｎ，他，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．，１２７，１９１８（１９
６２））。これを実現する方法として結晶（例えば結晶
軸）の方向を周期的に反転させる方法がある。具体的な
方法としては、例えば結晶を薄く切断して貼り合わせる
方法（岡田、滝沢、家入、ＮＨＫ技術研究、２９（１）
、２４（１９７７））　や、また結晶引き上げ時に例え
ば印加する電流の極性を制御して周期的な分域（ドメイ
ン）を形成して周期ドメイン反転構造を形成する方法（
Ｄ．Ｆｅｎｇ，Ｎ．Ｂ．Ｍｉｎｇ，Ｊ．Ｆ．Ｈｏｎｇ，
他、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３７，６０７（１
９８０），Ｋ．Ｎａｓｓａｕ，Ｈ．Ｊ．Ｌｅｖｉｎｓｔ
ｅｉｎ，Ｇ．Ｈ．Ｌｏｉａｃａｎｏ　Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．６，２２８（１９６５），Ａ．Ｆｅｉｓ
ｓｔ，Ｐ．Ｋｏｉｄｌ　Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ
．４７，１１２５（１９８５））がある。これらの方法
は結晶材料の全体に渡って周期構造を形成することを目
的としている。しかしながら上述した方法による場合は
大規模な装置が必要となるのみならず、ドメイン形成の
制御が難しいという問題点がある。

【０００７】これに対して結晶材料の表面近傍に上述の
周期ドメイン反転構造を形成する方法として、例えばＴ
ｉを結晶表面から拡散させる方法　（伊藤弘昌、張英海
、稲場文男、第４９回応用物理学会講演会予稿集９１９
（１９８８））や、ＬｉＯ２　を外拡散する方法（Ｊｏ
ｎａｓ　Ｗｅｂｊｏｅｒｎ，ｅｔ　ａｌ，ＩＥＥＥ　Ｐ
ＨＯＴＯＮＩＣＳ　ＴＥＣＨＮＯＬ．　ＬＥＴＴ．１，
１９８９，ＰＰ３１６−３１８）が提案されている。し
かしながらこれらの方法による場合、ドメイン反転部分
の屈折率が変化したり、また分極反転形状の制御性が劣
る（Ｆ．Ｌａｕｒｅｌｌ　ｅｔ　ａｌ，Ｉｎｔｅｇｒａ
ｔｅｄ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｔｕ
１２，１９８９）等の恐れがある。また、これらの方法
によってＳＨＧ素子を形成した場合、入力光の漏波や第
２高調波光の漏波、更に入力光と第２高調波光との結合
効率の低下を招来する等して、いわゆる光変換効率の低
下を招く恐れがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】さらに本出願人は、先
に特願平１−８２７１号特許出願及び特願平１−１８４
３６２号特許出願において、強誘電体材料の非線形光学
材料に対するドメイン制御方法を提案した。この方法は
、シングルドメイン化された強誘電体材料を挟んでその
相対向する両主面に対向電極を配置または絶縁体を介し
て対向配置し、両電極間に直流電圧を印加することによ
って局部的にドメイン反転部を形成して周期ドメイン反
転構造を得るものである。

【０００９】しかしながらこのような方法により形成し
た周期ドメイン反転構造は、図２７Ａ及びＢに示すよう
に、分極反転の幅ｗと厚さｔとの比ｔ／ｗが１以下であ
った。このため周期ドメイン反転構造を微細にするとｔ
の絶対値が小となってしまい、光導波路の厚さより小と
なってしまう。即ち例えば分極反転の小ピッチ化に伴っ
てその幅ｗを約１．５μｍとする場合、その厚さｔは約
０．５μｍとなってしまい、光導波路の厚さを約１．０
μｍとする場合、充分その光導波路部分とそのエバネッ
セント領域に周期ドメイン反転構造が形成されないため
、上述したような、非線形光学定数の＋−を周期的に配
列することにより、基本波と第２高調波の位相伝搬速度
を等しくすることの効果が充分得られず、ＳＨＧ効率の
向上を阻む一因となっている。

【００１０】このような方法に対して、電子線を非線形
光学材料に照射して、所要のパターンの周期ドメイン反
転構造を得る方法が提案されている（Ｒ．Ｗ．Ｋｅｙｓ
，Ａ．Ｌｏｎｉ，Ｂ．Ｊ．Ｌｕｆｆ，Ｐ．Ｄ．Ｔｏｗｎ
ｓｅｎｄ，　他、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ　ｌｓｔ　Ｆｅｂｕｒｕａｒｙ　１９９０　Ｖｏｌ
．２６　Ｎｏ．３）　。この方法による場合、図２８に
略線的断面図を示すように、非線形光学材料のＬＮ基板
６１の−ｃ面６１Ｃ上に、５０ｎｍの厚さにＮｉＣｒ層
６２を被着し、更に、４００ｎｍの厚さにＡｕ層を被着
した後所要のパターンにパターニングし、このパターニ
ングされたＡｕ層６３上から電子ビームを照射するもの
である。この方法では、基板を約５８０℃に加熱し、基
板自体にそのｃ軸方向に１０Ｖ／ｃｍの電界をかけ、１
０ｋｅＶのエネルギーで、９ｍｍ２　に対して全ドーズ
量１０１７、即ち約１０１６ｍｍ−２の電子ビーム照射
を行うものである。

【００１１】しかしながらこのような方法による場合、
非線形光学材料のＬＮ基板６２の表面に絶縁体或いは電
極材料等の物質を被着してパターニングし、この状態で
高温の熱処理及び高温中での電圧印加を行うため、この
ＬＮ基板６２の表面が汚れる恐れがある。またこの場合
、ＬＮ基板からの酸素分子の外拡散によって分極反転を
形成するため、Ｌｉ外拡散法と同様に組成の変化により
屈折率の変動をもたらす恐れがあり、特性の変動を生ず
る恐れがある。

【００１２】本発明が解決しようとする課題は、上述し
たような非線形光学材料等の強誘電体材料の表面汚染、
屈折率変化等を回避して、光変換効率の高い分極反転構
造を有する光デバイス装置を得るとともに、分極反転の
制御性の良い製法を提供するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による分極反転制
御方法の一例の一製造工程の略線的拡大断面図を図１に
示す。また他の本発明制御方法の一例の製造工程を図２
Ａ及びＢの略線的拡大断面図に示す。

【００１４】本発明制御方法は、図１に示すように、単
分域化された強誘電体材料１の自発分極の負側に負電位
、正側に正電位となるように１０Ｖ／ｍｍ〜１００ｋＶ
／ｍｍの電圧を印加し、かつ加速電圧１ｋＶ〜１００ｋ
Ｖの荷電粒子を、この強誘電体材料１の照射面における
電流密度が１μＡ／ｍｍ２　〜１０００μＡ／ｍｍ２　
となるように照射し、電圧印加及び荷電粒子照射の少な
くとも一方を、最終的に得る分極反転構造のパターンに
対応するパターンとして、分極反転構造を形成する。

【００１５】他の本発明制御方法は、図２Ａに示すよう
に、単分域化された強誘電体材料１に対して荷電粒子を
照射する工程と、その後図２Ｂに示すように、この強誘
電体材料１に対して電圧を印加する工程とを有する。

【００１６】

【作用】上述したように、本発明分極反転制御方法によ
れば、単分域化された強誘電体材料１の自発分極の負側
に負電位、正側に正電位となるように１０Ｖ／ｍｍ〜１
００ｋＶ／ｍｍの電圧を印加し、かつ加速電圧１ｋＶ〜
１００ｋＶの荷電粒子を、この強誘電体材料１の照射面
における電流密度が１μＡ／ｍｍ２〜１０００μＡ／ｍ
ｍ２　となるように照射し、電圧印加及び荷電粒子照射
の少なくとも一方を最終的に得る分極反転構造のパター
ンに対応するパターンとして分極反転構造を形成するも
のであるが、このような方法によって分極反転構造を制
御性良く形成することができた。

【００１７】このような現象は、電圧印加と荷電粒子照
射とを同時に行うことによって、強誘電体材料１に対し
て電界を与え、かつ電流源となる即ち電界を発生する荷
電粒子を照射することによって強誘電体材料１内に入っ
た荷電粒子例えば電子が雪崩現象的に流れるため、これ
に沿った形で充分深く例えば強誘電体材料１を突き抜け
て分極反転が起こるものと思われる。

【００１８】また他の本発明制御方法は、図２Ａに示す
ように、単分域化された強誘電体材料１に対して荷電粒
子を照射する工程と、その後図２Ｂに示すように、この
強誘電体材料１に対して電圧を印加する工程とを有する
ものであるが、このような制御方法による場合において
も、分極反転構造を制御性良く形成することができた。

【００１９】この場合においては、図２Ａにおける荷電
粒子の照射によって強誘電体材料１の表面に電荷が蓄積
したり、或いはその一部が強誘電体材料１内に入り込み
、図２Ｂにおける電圧印加によって、この蓄積電荷及び
強誘電体材料１内に入り込んだ荷電粒子例えば電子が雪
崩現象的に流れるため、これに沿った形で充分深く例え
ば強誘電体材料１を突き抜けて分極反転が起こるものと
思われる。

【００２０】更に、本発明制御方法によれば、高温の加
熱を必要としないため、強誘電体材料１の表面汚染等に
よる特性の劣化や変動を回避することができる。

【００２１】また上述の方法による場合、従来のように
Ｌｉや酸素分子の外拡散による場合と異なり、強誘電体
材料１の組成を変化させないため屈折率の変化を伴うこ
となく分極反転構造を得ることができる。

【００２２】更にまた、従来に比し分極反転を生じさせ
得る深さ、即ち分極反転領域の厚みを大とすることがで
きるため、例えば上述の光導波路型のＳＨＧ素子におい
て光変換効率を大とすることができ、かつバルク型のＳ
ＨＧ素子において光学材料の選択性を大とすることがで
きるとともに、従来結晶の貼り合わせ等により行ってい
た製造方法を格段に簡易化することができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明制御方法の各例を図１〜図２６
の略線的拡大断面図、略線的拡大斜視図及び製造工程図
を参照して詳細に説明する。各例共に、単分域化された
強誘電体材料１としてＫＴＰ、ＬＮ、ＬｉＴａＯ３　等
の非線形光学材料、例えばＬＮ結晶を用いた場合で、こ
の強誘電体材料１の単分域化は、例えばそのキュリー温
度直下の例えば１２００℃程度まで昇温して一定の方向
に外部直流電圧を全面的に印加することによって、全面
的にｃ軸の厚さ方向に揃えてシングルドメイン化されて
成る。

【００２４】尚、以下の各実施例において、単分域化さ
れた強誘電体材料１に対し、その自発分極の方向に対し
直交する面について、自発分極の＋側を＋ｃ面、−側を
−ｃ面として、図１〜図２６において自発分極の方向を
矢印ｄで示す。また、各例ともに＋ｃ面側が正電位、−
ｃ面側が負電位となるように電圧を印加した。

【００２５】以下の実施例１〜１８においては、一の本
発明制御方法による分極反転制御方法の各例を示す。

【００２６】実施例１ この例では図１に示すように、−ｃ面を主面１Ｃとし、
全面的にその厚さ方向に単分域化された場合で、この主
面１Ｃ上には、荷電粒子例えば電子線を透過し得る電極
膜４を蒸着、スパッタリング等により被着形成する。こ
の電極膜４が電子線を透過し得るためには、例えばその
膜厚を数十〜１００Å程度として、その材料をＡｌ，Ｓ
ｉ，Ｔｉ等の比較的軽い元素により構成することが望ま
しい。

【００２７】一方＋ｃ面の裏面１Ｄ上には、蒸着または
スパッタリング等によってＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ等よ
り成る電極５を、膜厚を例えば数百〜数千Åとして被着
形成する。

【００２８】そして、主面１Ｃ側を負電位、裏面１Ｄ側
を正電位として、印加電圧１０Ｖ／ｍｍ〜１００ｋＶ／
ｍｍとして印加する。そしてこの強誘電体材料１に対し
、所要の分極反転構造のパターンに対応するパターン、
例えば図１の紙面に対して直交する方向に延長する平行
帯状パターンの軌跡を描くように荷電粒子例えば電子線
ｂを走査照射する。このときの照射条件は、加速電圧を
１ｋＶ〜１００ｋＶの例えば１５ｋＶとし、即ちエネル
ギーを１ｋｅＶ〜１００ｋｅＶの例えば１５ｋｅＶとし
、また主面１Ｃ上における電流密度を１μＡ／ｍｍ２〜
１０００μＡ／ｍｍ２　の例えば１μＡ／ｍｍ２　とし
た。

【００２９】実施例２ 次に±ｃ面以外の面上に分極反転を生じさせる例につい
て、図３を参照して説明する。図３において強誘電体材
料１の主面１Ｃは自発分極方向に沿う面で、平滑に研磨
されて成る。そして分極方向に直交する＋ｃ面を側面１
Ａ、−ｃ面を側面１Ｂとして、この両側面１Ａ及び１Ｂ
と主面１Ｃとが丸みを帯びることなく直交するように縁
部１ｄ及び１ｅを形成する。そしてこの両側面１Ａ及び
１Ｂ上に、Ａｕ等より成る電極５を被着し、この電極５
が縁部１ｄ及び１ｅに達するようになす。

【００３０】この状態で、実施例１と同様の分極方向ｄ
に対する極性、印加電圧をもって電圧を印加し、主面１
Ｃ上から荷電粒子のパターン照射例えば平行帯状パター
ンの走査照射を行い、主面１Ｃ上に分極反転を形成した
。この照射条件は実施例１と同様に選定した。

【００３１】実施例３ 図４を参照して説明する。図４において図３に対応する
部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この場
合、＋ｃ面側となる側面１Ａ上にＡｕ等より成る電極５
を被着し、−ｃ面となる側面１Ｂ上には、荷電粒子例え
ば電子線ｂが透過するように、例えばその膜厚を数十〜
１００Å程度とし、Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ等の比較的軽い元
素より成る電極膜４を蒸着、スパッタリング等により被
着形成する。

【００３２】そしてこの側面１Ｂ上の電極膜４上から電
子線ｂを走査照射するものであるが、この場合縁部１ｅ
近傍の電極膜４上において、例えば平行帯状パターンと
なるように電子線ｂの照射を行って、主面１Ｃ上の縁部
１ｅ側近傍に分極反転を形成した。

【００３３】実施例４ 図５を参照して説明する。図５において図３に対応する
部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この場
合においても、ＬＮ単結晶等より成る強誘電体材料１の
±ｃ面以外の主面１Ｃ上に分極反転を形成しようとする
もので、この主面１Ｃ上に、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌな
どの材料を用いて蒸着、スパッタリング等により数十〜
数千Åの膜厚として全面的に形成した膜を、フォトリソ
グラフィ等の適用によってパターニングして、２つの平
行帯状電極５を並列に配置する。この電極５間の距離は
１μｍ〜数百μｍが適している。

【００３４】そしてこの電極５間に、実施例１と同様の
分極方向ｄに対する極性、印加電圧をもって電圧を印加
し、主面１Ｃ上から各電極５の間の領域に、例えば平行
帯状パターンとなるように電子線ｂの照射を実施例１の
照射条件と同様の条件をもって行い、主面１Ｃ上の電極
５間の領域に分極反転を形成した。

【００３５】以上の分極反転制御方法に付け加えて、Ｌ
Ｎ単結晶にプロトン交換導波路を形成してＳＨＧ素子を
形成することができる。図６Ａ〜ＤにＳＨＧ素子の製造
工程の一例を示す。図６Ａに上述した分極反転制御方法
を示す。このとき、電極５の材料はＴａ，Ａｕ／Ｔｉ等
のリン酸、ピロリン酸に冒されない材料を用いる。この
場合例えばＴａにより形成する。

【００３６】図６Ｂはプロトン交換導波路製造工程で、
例えば容器８内のピロリン酸またはリン酸等の反応液９
内に強誘電体材料１を浸漬させ、図において矢印ｅで示
すように、プロトン交換を行う。この場合、電極５をプ
ロトン交換用のマスクとして用いることができ、つまり
電極５の作成とプロトン交換用マスクの作成を兼ねられ
るために、工程を簡略化することができる。導波路２の
作成のためのマスク合せ構成も不要でいわゆるセルフ・
アライメント（自動整合）とすることができて、周期ド
メイン構造の上に精度よく導波路２を作成できる。

【００３７】そして図６Ｃに示すように、不要となった
電極５をエッチング等により除去する。例えば、Ｔａの
場合はＮａＯＨ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ　＝３：１：７を７
０℃に温めたエッチング液によりエッチング除去する。 またＡｕ／Ｔｉにより電極５を形成する場合は王水でエ
ッチング除去することができる。

【００３８】そしてこの後図６Ｄに示すように、例えば
４００℃で数十分のアニールを行って、上述の図６Ｂに
おいて説明したプロトン交換により低下した非線形光学
定数を回復する。このようにして、疑似位相整合がなさ
れたＳＨＧ素子等の光デバイス装置を得ることができる
。

【００３９】実施例５ 図７を参照して説明する。この例では、図７に示すよう
に、強誘電体材料１の±ｃ面以外の、分極反転を形成す
べき主面１Ｃに臨んで凸部７が形成されて成る。凸部７
の長手方向は矢印ｄで示す自発分極方向に直交するよう
に選定することが望ましい。このように選定した場合は
、凸部７の長手方向の側壁面は強誘電体材料１の＋ｃ面
より成る側面１Ａと、−ｃ面より成る側面１Ｂとにより
構成される。この側面１Ａ及び１Ｂ上に、後述する製造
工程によってＡｕ等より成る電極５を、例えばこれら側
面１Ａ及び１Ｂにそれぞれ隣接する上側面１Ｅ上にわた
って形成する。そしてこの電極５間に−ｃ面即ち側面１
Ｂが負電位，＋ｃ面即ち側面１Ａが正電位になる様に電
圧を印加する。そして電極５間の分極反転を形成すべき
領域上に、例えば平行帯状パターンとして電子線ｂを照
射する。このときの印加電圧、電子線の加速電圧及び電
流密度は実施例１と同様に選定した。

【００４０】上述したように強誘電体材料１上に凸部７
を形成し、更にその長手方向の側面１Ａ及び１Ｂ上に電
極を作成する方法の一例を図８に示す。図８Ａに示すよ
うに、強誘電体材料１の分極反転を形成すべき主面１Ｃ
上に、ＡＺ４２１０（ヘキスト社製、商品名）等より成
るレジスト１１を全面的に塗布して、８０℃程度の温風
中で３０分間ベークした後、Ｎｉ、Ｃｕ等より成るマス
ク層１２を蒸着、スパッタリング等によりその厚さを数
千Å程度として被着する。その後、ＴＳＭＲ８９００（
東京応化社製、商品名）等より成るレジスト１３を前述
のレジスト１１と同様に塗布、ベークした後、凸部７を
形成すべき所要の部分にレジスト１３が残る様に、即ち
この場合矢印ｄで示す分極方向に所要の幅を有し、図８
の紙面に対して直交する方向を長手方向とするパターン
にフォトリソグラフィ等の適用によって露光現像してパ
ターニングし、更に１２０℃、３０分温風中でのポスト
ベークを行った。

【００４１】次に図８Ｂに示すように、ＥＣＲ−ＲＩＥ
（電子サイクロトロン共鳴反応性イオンエッチング）装
置等によりレジスト１３をマスクとして例えば矢印ｃで
示すＡｒイオンによって、マスク層１２とレジスト１１
をパターニングする。

【００４２】続いて図８Ｃに示すように、ＥＣＲ−ＲＩ
Ｅ装置等を利用して、パターニングしたマスク層１２を
マスクとして強誘電体材料１例えばＬＮ単結晶を、図に
おいて矢印ｃで示すように、Ｃ２Ｆ６，　Ｃ３Ｆ８等の
イオンガスによりエッチングし、＋ｃ面より成る側面１
Ａと、−ｃ面より成る側面１Ｂと、これらに隣接する上
側面１Ｅとを露出させ、凸部７を構成する。

【００４３】そして図８Ｄに示すように、蒸着、スパッ
タリング等によりＡｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等より成る金
属層１４を凸部７上を覆って全面的に被着形成する。

【００４４】次に図８Ｅに示すように、この金属層１４
を被着した強誘電体材料１をアセトンなどの溶剤に浸し
てレジスト１１を除去することにより、凸部７上の金属
層１４のみをリフトオフして、側面１Ａ及び１Ｂからそ
れぞれ上側面１Ｅに隣接して電極５を形成する。

【００４５】以上が凸部７を有する強誘電体材料１上に
分極反転を形成する方法であるが、このような方法を、
ＬＮ単結晶上にプロトン交換導波路又はＴｉ拡散導波路
を形成するＳＨＧに応用することができる。図９Ａ〜Ｄ
は上述した実施例５によるドメイン制御方法を、プロト
ン交換導波路を形成したＳＨＧ素子等の光デバイス装置
等の光デバイス装置の製造方法に適用した場合を示す。

【００４６】先ず図９Ａに示すように、ＬＮ単結晶等よ
り成る強誘電体材料１を２００℃程度のリン酸やピロリ
ン酸等より成る反応液９に浸すことにより、矢印ｅで示
すようにプロトン交換を行って導波路２を作成する。

【００４７】次にこの強誘電体材料１を４００℃程度の
炉１０においてアニールする。アニールすることにより
プロトン交換処理で低下した非線形光学定数を回復する
ことができる。この後、図８Ａ〜Ｄで説明した強誘電体
材料１の凸部７を形成する工程と電極５の形成とを行う
。

【００４８】そして図９Ｃに示すように、図７において
説明した実施例５と同様の条件をもって電圧印加と電子
線照射を行い周期ドメイン反転構造を形成する。

【００４９】そしてこの後図９Ｄに示すように、電極５
をＮａＯＨ水溶液、塩酸、王水等によりエッチング除去
する。このようにしてＳＨＧ素子等の光デバイス装置を
製造することができる。この場合は特に周期分極反転構
造を作成するための凸部７の作成によって、同時にリッ
ジ型の導波路２を形成することができるため、製造工程
を簡略化することができる。更に周期分極反転構造と導
波路とを自己整合的に即ちマスク合せ等をすることなく
、精度良く作成することができる。

【００５０】図１０はＴｉ拡散法により導波路２を形成
したＳＨＧ素子等の光デバイス装置の製造方法であり、
先ず図１０Ａに示すように、ＬＮ単結晶等の強誘電体材
料１の主面１Ｃ上に、Ｔｉ層１５を蒸着、スパッタリン
グ等により膜厚数百Å程度として被着する。

【００５１】次に１０００℃程度の炉１０中で数時間Ｔ
ｉを強誘電体材料１内に拡散させて導波路２を形成する
。このとき強誘電体材料１中の酸素欠乏とＬｉＯ２　の
外拡散を防止するために酸素と水蒸気を導入することが
望ましい。

【００５２】この後、図１０Ｃ及びＤに示すように、図
９Ｃ及びＤにおいて説明したと同様の製造工程を経て、
Ｔｉ拡散導波路２を有するＳＨＧ素子等の光デバイス装
置を得ることができる。

【００５３】以上述べた実施例１〜５においては、強誘
電体材料１に対して全面的に電圧印加を行い、荷電粒子
を所要のパターンをもってパターン照射を行った例につ
いて説明したが、以下の実施例６〜１２においては、所
要のパターンの電極を形成してこれに対して局部的に電
圧を印加する場合について説明する。

【００５４】実施例６ この例においても、強誘電体材料１としてＬＮ単結晶を
用いた場合で、図１１に示すように、−ｃ面を主面１Ｃ
とし、この主面１Ｃ上に電極膜４を蒸着、スパッタリン
グ等により被着形成する。この電極膜４は、荷電粒子例
えば電子線をあまりロスすることなく強誘電体材料１を
透過し得るように、例えばその膜厚を数十〜１００Å程
度とし、Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ等の比較的軽い元素により形
成する。一方、＋ｃ面より成る裏面１Ｄ上に同様に蒸着
、スパッタリング等によってＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ等
より成る金属層を全面的に被着した後所要の分極反転を
形成すべき領域上に、例えば図１１の紙面に直交する方
向に延長する平行帯状パターンにフォトリソグラフィ等
の適用によってリフトオフ法等によってパターニングし
て、電極５を被着形成する。この電極５は必ずしも電子
線を透過する必要はなく、その膜厚は数百〜数千Åが望
ましい。

【００５５】そして−ｃ面より成る主面１Ｃ側が負電位
、＋ｃ面より成る裏面１Ｄ側が正電位となる様に電圧を
印加し、主面１Ｃ上から荷電粒子例えば電子線ｂを照射
する。このときの印加電圧、電子線の加速電圧及び照射
電流密度の条件は実施例１と同様の条件に選定する。 このときの電子線ｂの照射は、裏面１Ｄに被着したパタ
ーンに対応するパターンをもって行う。

【００５６】実施例７ 図１２を参照して説明する。図１２において図１１と対
応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。 この例は荷電粒子を照射する主面１Ｃ側において分極反
転を得るべき領域に対応するパターンの電極膜４を形成
する場合で、実施例６における電極膜４と同様の膜厚、
材料をもって金属層を被着した後、所要のパターンの例
えば図１２の紙面に直交する方向に延長する平行帯状パ
ターンに例えばフォトリソグラフィの適用によって、露
光現像した後エッチング法、リフトオフ法等によって所
望の形状の電極膜４を形成する。一方、＋ｃ面側の裏面
１Ｄ上には実施例６における電極５と同様に蒸着、スパ
ッタリング等によってＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ等を全面
的に膜厚を数百〜数千Åとして被着して電極５を得る。 この電極５は必ずしも荷電粒子を透過する必要はない。

【００５７】そして実施例６と同様の条件をもって強誘
電体材料１に対して電圧を印加し、荷電粒子を照射して
分極反転構造を形成した。このとき荷電粒子例えば電子
線ｂを強誘電体材料１に対し主面１Ｃ上から全面的に一
様に照射し、または所要のパターンをもって走査照射し
て、所要のパターンの分極反転を形成する。

【００５８】実施例８ この例は、図３において説明した実施例２と対応する場
合で、図１３を参照して説明する。図１３において図３
と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略す
る。この場合は、電極５を形成する一方の＋ｃ面より成
る側面１Ａ上には、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ等より成る
電極５を全面的に蒸着、スパッタリング等により被着し
て、他方の側面即ち−ｃ面より成る側面１Ｂ上の電極５
は、主面１Ｃ上に形成しようとする例えば平行帯状パタ
ーンの分極反転に対応するパターンに、櫛状にフォトリ
ソグラフィ等の適用によってエッチング法、リフトオフ
法等を用いてパターニングする。このとき強誘電体材料
１の主面１Ｃと側面１Ｂとが、丸みを帯びることなく直
交するように縁部１ｄ及び１ｅを形成して、この縁部１
ｄ及び１ｅにおいて、各電極５の先端部が被着されるよ
うになす。膜厚は数百〜数千Åが望ましい。

【００５９】そしてこの電極５間に実施例１と同様の条
件をもって電圧を印加し、主面１Ｃ上から実施例１と同
様の照射条件をもって荷電粒子例えば電子線ｂを照射し
て分極反転を形成する。このとき、電子線ｂの照射は全
面的に照射してもよく、所要の分極反転を形成すべき領
域上を走査照射してもよい。また図示の例では強誘電体
材料１の−ｃ面よりなる側面１Ｂ側に櫛状電極５を設け
た場合であるが、この櫛状電極５は＋ｃ面側に設けても
よく、その場合は櫛状電極５側を正電位として電圧を印
加するようになす。

【００６０】実施例９ この例は、図４において説明した実施例３と対応する場
合で、図１４を参照して説明する。図１４において図４
と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略す
る。この場合は、荷電粒子例えば電子線ｂを、−ｃ面よ
り成る側面１Ａ上から照射する場合で、この側面１Ａ上
の電極膜４は、荷電粒子をあまりロスすることなく透過
できるように実施例１における電極膜４と同様の材料、
膜厚をもって被着形成する。そして＋ｃ面より成る側面
１Ｂ上には、全面的に蒸着、スパッタリング等によりＡ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ等より成る金属層を数百〜数千Å
程度被着した後所要の即ち実施例８における電極５と同
様に所要の櫛状パターンにフォトリソグラフィ等の適用
によって形成する。

【００６１】そして実施例１と同様の条件をもって電圧
を印加し、側面１Ａ上から分極反転を形成すべき面即ち
主面１Ｃの近傍に実施例１と同様の照射条件をもって荷
電粒子例えば電子線ｂを照射して電極パターンに対応さ
せて分極反転を形成する。このとき、電子線ｂの照射は
全面的に照射してもよく、また所要の分極反転を形成す
べき領域上を走査照射してもよい。

【００６２】実施例１０ この例は図１４において説明した上述の実施例９と対応
する場合で、図１５を参照して説明する。図１５におい
て図１４と対応する部分には同一符号を付して重複説明
を省略する。この場合においては、−ｃ面側の側面１Ｂ
上に、荷電粒子例えば電子線ｂを透過し得る電極膜４を
、分極反転を形成すべき所要のパターン例えば櫛状パタ
ーンに被着形成し、この電極膜４上から電子線ｂを照射
する。このときの印加電圧、照射条件は上述の実施例１
と同様の条件に選定して、主面１Ｃ上に分極反転を形成
する。

【００６３】実施例１１ この例は、図５において説明した実施例４に対応する場
合で、図１６を参照して説明する。図１６において図５
に対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略す
る。この場合、各電極５を櫛状パターンとし、それぞれ
櫛歯先端部が対向近接して配置されるように、フォトリ
ソグラフィ等の適用により形成する。このようなパター
ンとすることによって電極５間に電圧を印加して生じる
強誘電体材料１内の電場に分布を生じさせ、または例え
ば局部的に電場が存在する様になす。そして、電子線ｂ
を分極反転構造を形成すべき主面１Ｃ上から全面的に、
或いは電極５の櫛歯先端部間にわたるように平行帯状パ
ターンとして走査照射し、電極パターン形状に応じた分
極反転構造を形成する。

【００６４】この場合においても、印加電圧の分極方向
ｄに対する極性及び大きさ、更に照射電子線ｂの加速電
圧及び照射電流密度は実施例１と同様に選定する。

【００６５】またこの場合、電極５の形状は図１７に示
す様に一方を平板状とし、他方のみを櫛状として形成し
てもよく、またその櫛歯先端部の形状は図１８Ａ及びＢ
に示すように鋭角形状としたり、図１８Ｃに示すように
円弧形状とする等、種々の形状を採ることができる。

【００６６】実施例１２ この例は、図７において説明した実施例５に対応する場
合で、図１９を参照して説明する。図１９において図７
に対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略す
る。この場合各電極５を櫛状パターンとし、強誘電体材
料１の上側面１Ｅから、凸部７の側面１Ａ及び１Ｂにわ
たってその櫛歯先端部が形成されるようになす。そして
この各側面１Ａ及び１Ｂ上の櫛歯先端部が主面１Ｃの両
端に対向して配置されるように、フォトリソグラフィ等
の適用により形成する。このようなパターンとすること
によって電極５間に電圧を印加して生じる強誘電体材料
１内の電場に分布を生じさせ、または例えば局部的に電
場が存在する様になす。そして、電子線ｂを分極反転構
造を形成すべき主面１Ｃ上から全面的に、或いは電極５
の櫛歯先端部間にわたるように平行帯状パターンとして
走査照射し、電極パターン形状に応じた分極反転構造を
形成する。

【００６７】この場合においても、印加電圧の極性及び
大きさ、更に照射電子線ｂの加速電圧及び照射電流密度
は実施例１と同様に選定する。

【００６８】この場合、実施例５と同様に、プロトン交
換導波路またはＴｉ拡散導波路を形成する場合にはリッ
ジ型導波路の作成と、凸部７の形成とを兼ねることがで
きるという利点を有する。この場合の製造工程は、図８
において説明した工程とほぼ同様であるが、図８Ｄと図
８Ｅとの間に、電極５の櫛状パターニングの工程が入る
。

【００６９】次に、実施例１３〜１８において、所要の
パターンの絶縁体を強誘電体材料上に被着形成して分極
反転を得る場合について説明する。各例共に、選択的に
精度良く荷電粒子例えば電子線を照射するという手間を
省くために、所要のパターンの絶縁体を形成して、これ
により電子線を選択的にマスクするものである。絶縁体
としてはＳｉＯ２，　Ｓｉ３Ｎ４，レジスト等が適して
おり、またそのパターニングはフォトレジスト技術とエ
ッチング法やリフトオフ法で形成できる。絶縁体の厚さ
は数千Å〜数十μｍが望ましい。

【００７０】実施例１３ この例は図５において説明した実施例４に対応する例で
、図２０を参照して説明する。図２０において、図５に
対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する
。この場合、主面１Ｃ上の平行平板状電極５の間の分極
反転を生じさせない領域上に、例えばこの場合平行帯状
パターンに絶縁体６を被着して、全面的に荷電粒子を実
施例１と同様の条件をもって照射して分極反転を形成し
た。

【００７１】実施例１４ この例は図６において説明した実施例５に対応する例で
、図２１を参照して説明する。図２１において、図６に
対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する
。この場合も主面１Ｃ上の、電極５間にわたる分極反転
を生じさせない領域上に、例えば平行帯状パターンに絶
縁体６を被着して、全面的に荷電粒子を実施例１と同様
の条件をもって照射して分極反転を形成した。

【００７２】実施例１５ この例は図３において説明した実施例２に対応する例で
、図２２を参照して説明する。図２２において、図３に
対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する
。この場合も主面１Ｃ上の、電極５間にわたる分極反転
を生じさせない領域上に、例えばこの場合平行帯状パタ
ーンに絶縁体６を被着して、全面的に荷電粒子を実施例
１と同様の条件をもって照射して分極反転を形成した。

【００７３】更に、以下の実施例１６〜１８においては
、電極５の形状による電場分布に従って所望のドメイン
を形成し、更に荷電粒子例えば電子線ｂを選択的にマス
クする絶縁体６を形成して、電場の分布と電子線照射の
分布により、より分極反転が生じる領域の選択度を高め
ようというものである。絶縁体の材料、膜厚等は上述の
実施例１３〜１５と同様に選定することが望ましく、そ
のパターニングは同様の方法により形成し得る。

【００７４】実施例１６ この例は図１３において説明した実施例８に対応する例
で、図２３を参照して説明する。図２３において、図１
３に対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略
する。この場合、主面１Ｃ上の分極反転を生じさせない
領域、即ち櫛状電極５の櫛歯先端部の形成されていない
部分にわたる領域上に、例えばこの場合平行帯状パター
ンに絶縁体６を被着して、全面的に荷電粒子を実施例１
と同様の条件をもって照射して分極反転を形成した。な
お、図示の例では強誘電体材料１の−ｃ面よりなる側面
１Ｂ側に櫛状電極５を設けた場合であるが、この櫛状電
極５は＋ｃ面側に設けてもよく、その場合は櫛状電極５
側を正電位として電圧を印加するようになす。

【００７５】実施例１７ この例は図１６において説明した実施例１１に対応する
例で、図２４を参照して説明する。図２４において、図
１６に対応する部分には同一符号を付して重複説明を省
略する。この場合、主面１Ｃ上の分極反転を生じさせな
い領域、即ち櫛状電極５の櫛歯部以外の領域上に、例え
ば平行帯状パターンに絶縁体６を被着して、全面的に荷
電粒子を実施例１と同様の条件をもって照射して分極反
転を形成した。この場合においても、強誘電体材料１の
主面１Ｃ上に形成する電極５の形状は、図１７及び図１
８Ａ〜Ｃに示すように種々のパターンを採ることができ
る。

【００７６】実施例１８ この例は図１９において説明した実施例１２に対応する
例で、図２５を参照して説明する。図２５において、図
１９に対応する部分には同一符号を付して重複説明を省
略する。この場合も主面１Ｃ上の電極５の分極反転を生
じさせない領域、即ち櫛歯の形成されていない部分間に
わたる領域上に、例えば平行帯状パターンに絶縁体６を
被着して、全面的に荷電粒子を実施例１と同様の条件を
もって照射して分極反転を形成した。

【００７７】次に、図２Ａ及びＢ、図２６Ａ及びＢを参
照して、他の本発明による分極反転制御方法について詳
細に説明する。各例ともに、強誘電体材料１としてＬＮ
単結晶を用いた場合で、その分極方向が全面的に厚さ方
向に実施例１〜１８と同様の方法をもってシングルドメ
イン化されて成る場合で、その−ｃ面より成る主面１Ｃ
上から荷電粒子例えば電子線ｂを照射して分極反転を形
成するものである。

【００７８】実施例１９ 図２Ａに示すように、強誘電体材料１の主面１Ｃ上から
電子線ｂの照射を、所要のパターン即ち例えば図２Ａの
紙面に直交する方向に延長する平行帯状パターンに軌跡
を描くように走査照射する。このときの電子線ｂの加速
電圧及び照射電流密度等の照射条件は実施例１と同様に
選定する。

【００７９】次に図２Ｂに示すように、この強誘電体材
料１の主面１Ｃ上と、＋ｃ面より成る裏面１Ｄ上に、全
面的に電極５を被着形成する。この電極５はＡｕ，Ａｇ
，Ｃｕ，Ａｌ等より成り、膜厚数百〜数千Åとして蒸着
、スパッタリング等により被着形成する。そしてこの電
極５間に、主面１Ｃ側が負電位、裏面１Ｄ側が正電位と
なるように電圧を印加して分極反転を形成する。このと
きの印加電圧は実施例１と同様に選定する。

【００８０】実施例２０ 図２６Ａ及びＢにおいて、図２Ａ及びＢに対応する部分
には同一符号を付して重複説明を省略する。この場合は
、図２６Ａに示すように、図２Ａと同様の条件をもって
電子線ｂを照射した後電圧印加を行うものであるが、図
２６Ｂに示すように、この強誘電体材料１全体を容器８
中のフロリナート等より成る絶縁液２１に浸漬した状態
で電圧印加を行うものである。このような絶縁液２１中
において電圧を印加することによって、電極間の放電を
確実に回避することができるため、強誘電体材料１に対
して充分大なる電圧を印加することができる。従って、
絶縁液２１中において高圧印加を行うことによって分極
反転をより鮮明なパターンとして形成することができる
。

【００８１】尚、このように絶縁液２１中において電圧
印加を行う場合、その電圧を充分大なる適切な電圧に選
定することによって、荷電粒子の照射を行うことなく分
極反転を生じさせることができる。従って、例えば強誘
電体材料１上の電極５を、所要の分極反転パターンに対
応するパターンに被着形成して、この分極反転を形成す
べき領域内のみに所要の電圧を絶縁液２１中において印
加することによって、荷電粒子の照射を行うことなく所
要のパターンの分極反転を形成することができる。

【００８２】また特に、実施例２〜５及び実施例８〜１
８のように、分極反転を形成する面が強誘電体材料１の
±ｃ面以外の場合、即ちいわゆるＸ板またはＹ板上に分
極反転を形成して、この部分に導波路２を形成する場合
は、ＴＥ導波モードのＳＨＧ素子を得ることができる。 通常のレーザダイオードにおいてはＴＥ波発振がなされ
るので、このレーザダイオードとの結合効率の向上をは
かることができ、レーザダイオードとのカップリングを
容易にすることができる。

【００８３】なお、上述の各実施例においては、荷電粒
子として電子線を用いて照射を行ったが、例えば強誘電
体材料としてＬＮ単結晶を用いる場合はＬｉ＋　イオン
を照射する等、その他種々の荷電粒子を用いることがで
きる。

【００８４】

【発明の効果】上述したように、本発明分極反転制御方
法によれば、高温の加熱を行うことなく分極反転を形成
するため、強誘電体材料１の表面汚染等による特性の低
下や変動回避することができ、また従来のＬｉ外拡散法
等と異なり、強誘電体材料１の組成を変化させないため
、屈折率の変化を伴うことなく分極反転構造を得ること
ができる。

【００８５】また荷電粒子照射のみによる場合に比して
、適切な電圧を印加することによって、分極反転の生じ
る領域と生じない領域との対比がより鮮明となることか
ら、分極反転構造の微細化をはかることができる。

【００８６】更にまた、従来に比し分極反転の深さを大
とすることができることから、上述の光導波路型のＳＨ
Ｇ素子等の光デバイス装置において光変換効率を大とす
ることができ、かつバルク型のＳＨＧ素子等の光デバイ
ス装置において光学材料の選択性を大とすることができ
るとともに、従来結晶の貼り合わせ等により行っていた
製造方法を格段に簡易化することができる。

【００８７】また、上述したように強誘電体材料１の±
ｃ面以外の面、即ちいわゆるＸ板またはＹ板上に分極反
転を形成して、この部分に導波路２を形成する場合は、
ＴＥ導波モードのＳＨＧ素子を得ることができ、レーザ
ダイオードとの結合効率の向上をはかることができて、
レーザダイオードとのカップリングを容易にすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による分極反転制御方法の一例の一製造
工程を示す略線的拡大断面図である。

【図２】他の本発明による分極反転制御方法の一例の製
造工程を示す製造工程図である。

【図３】本発明による分極反転制御方法の他の例の一製
造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図４】本発明による分極反転制御方法の他の例の一製
造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図５】本発明による分極反転制御方法の他の例の一製
造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図６】光デバイス装置の製造方法の一例を示す製造工
程図である。

【図７】本発明による分極反転制御方法の他の例の一製
造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図８】本発明による分極反転制御方法の他の例を示す
製造工程図である。

【図９】光デバイス装置の製造方法の他の例を示す製造
工程図である。

【図１０】光デバイス装置の製造方法の他の例を示す製
造工程図である。

【図１１】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大断面図である。

【図１２】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大断面図である。

【図１３】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図１４】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図１５】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図１６】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図１７】電極形状の一例を示す略線的拡大上面図であ
る。

【図１８】電極形状の他の例を示す略線的拡大上面図で
ある。

【図１９】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図２０】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図２１】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図２２】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図２３】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図２４】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図２５】本発明による分極反転制御方法の他の例の一
製造工程を示す略線的拡大斜視図である。

【図２６】他の本発明による分極反転制御方法の他の例
を示す製造工程図である。

【図２７】従来の周期ドメイン反転構造を示す略線的拡
大断面図である。

【図２８】従来の周期ドメイン反転構造の製法の一例を
示す略線的拡大断面図である。

【符号の説明】

１　　強誘電体材料 １Ｃ　　主面 １Ｄ　　裏面 １ｄ　　縁部 １ｅ　　縁部 １Ａ　　側面 １Ｂ　　側面 １Ｅ　　上側面 ２　　導波路 ３　　分極反転構造 ３Ａ　　分極反転 ４　　電極膜 ５　　電極 ６　　絶縁体 ７　　凸部 ８　　容器 ９　　反応液 １０　　炉 ２１　　絶縁液

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　単分域化された強誘電体材料の自発分
   極の負側に負電位、正側に正電位となるように１０Ｖ／
   ｍｍ〜１００ｋＶ／ｍｍの電圧を印加し、かつ加速電圧
   １ｋＶ〜１００ｋＶの荷電粒子を、上記強誘電体材料の
   照射面における電流密度が１μＡ／ｍｍ２　〜１０００
   μＡ／ｍｍ２　となるように照射し、上記電圧印加及び
   上記荷電粒子照射の少なくとも一方が、最終的に得る分
   極反転構造のパターンに対応するパターンとされて、分
   極反転構造を形成するようにしたことを特徴とする分極
   反転制御方法。
2. 【請求項２】　　単分域化された強誘電体材料に対して
   荷電粒子を照射する工程と、その後上記強誘電体材料に
   対して電圧を印加する工程とを有することを特徴とする
   分極反転制御方法。