JPH0561083A - 非線形強誘電体光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザー装置等の波長変換素子として用いら
れる光第二高調波発生素子（ＳＨＧ素子）における分極
反転層の形成に関して、複雑な装置および処理工程を必
要とせずに屈折率変化を生じることなく２μｍ以下の微
細な周期の分極反転層を得る。 【構成】 単結晶化した非線形強誘電体光学材料からな
る基板の主面に連続状の断面凹凸部を形成した後、該主
面に熱処理を施し、該主面近傍に前記凹凸部の周期に対
応して連続する分極反転層を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー装置等の波長
変換素子として用いられる光第二高調波発生素子（ＳＨ
Ｇ素子）における分極反転層の形成に適用して有効な技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー装置に用いられる光第二高調波
発生素子としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）
等の結晶をスライスして得られた基板材料の主面に分極
反転層を形成し、この分極反転層中にプロトン交換によ
る光導波路を形成した光学素子が用いられている。

【０００３】このような光第二高調波発生素子として要
求される特性は、高出力で許容度が大きいことが好まし
い。高出力を安定的に得るためには、前記分極反転層を
微細な周期を正確に形成する必要があった。

【０００４】この分極反転層を形成する技術としては、
第１に、結晶引き上げ時に電流制御を行う方法がある。
また、第２の方法としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮ
ｂＯ₃）からなる基板の＋ｃ面に、Ｔｉのパターニング
を施して、これを高温で熱拡散させることによって分極
反転層を形成する方法もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記した第
１の技術では、Ｆｅイオンのドープを必要とするため
に、基板の光損傷を増大させてしまい、さらにドメイン
反転の制御が難しいために短い周期の分極反転層を形成
することが難しかった。

【０００６】また、第２の技術では、分極反転層の屈折
率が変化して屈折率変調グレーディングとして作用して
しまうため、ＳＨ波のビームが乱れてしまうという難点
があった。さらにこの技術では、高温処理による熱拡散
を経るため、原理的に短い周期の分極反転層を形成する
ことが難しく、その周期は６μｍ程度が限界であった。

【０００７】なお、特定元素の外拡散を利用した方法と
して、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）からなる基板
の＋ｃ面にＳｉＯ₂等のマスク材をパターニングし、こ
れをキューリー温度以下の温度条件で熱処理することに
より、ＬｉＯの外拡散を生じさせて分極反転層を形成す
る技術も報告されている。（１９８９年発行、「 ＩＥ
ＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌ
ｅｔｔｅｒｓにおけるＪ．Ｗｅｂｊｏｒｎ ｅｔ ａ
ｌ．，の記事（Ｖｏｌ．１ Ｎｏ．１０，Ｐ３１６）こ
の技術は、金属元素等の拡散を生じないために光損傷に
は強いが、ＳｉＯ₂パターンの乱れを生じるため、周期
が２μｍ以下の微細な分極反転層を得ることは困難であ
った。

【０００８】さらに別の技術として、ＬｉＴａＯ₃の基
板１上でプロトン交換によりＬｉとＨのイオン交換を生
じさせ、キューリー温度以下で熱処理することにより分
極反転層を形成する技術が報告されている（通信学会技
報、ＵＳ８７−３７、Ｐ１７）。

【０００９】しかしながら、このような外拡散を利用し
た技術では、微細な周期の分極反転層の形成は困難であ
り、しかも前述の屈折率の変調を来すという問題も残存
したままである。

【００１０】これらの他にも、基板を挟むようにして対
向電極を配置し、高温下で直流電流を流す技術もあるが
（特開平２−１８７７３５号公報）、基板上を電流が流
れるために、非線形光学材料の構成材料元素と電極材の
元素が互いに拡散し、結晶に損傷を与え、安定した特性
を得ることができない。

【００１１】以上述べたように、基本的に元素の内拡散
や交換を用いる技術では、屈折率変化が大きく、また微
細な周期の分極反転層の形成は不可能である。また、外
拡散を用いる技術においても、屈折率の変化を生じ、加
えて高温下で熱処理を行うためにマスク材のパターンが
くずれ、微細パターンの分極反転層を得ることは難し
く、電圧を印加する技術では光損傷が増大するといった
欠点があった。

【００１２】本発明はこれらに鑑みてなされたものであ
り、複雑な装置および処理工程を必要とせずに屈折率変
化を生じることなく２μｍ以下の微細な周期の分極反転
層を得ることを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、単結晶化した
非線形強誘電体光学材料からなる基板の主面に連続状の
断面凹凸部を形成した後、該主面に熱処理を施し、該主
面近傍に前記凹凸部の周期に対応して連続する分極反転
層を設けた非線形強誘電体光学素子およびその製造方法
を要旨とする。

【００１４】

【作用】前記非線形強誘電光学材料（基板）としては、
ＫＮｂＯ₃、ＫＴｉＯＰＯ₄、ＬｉＢ₃Ｏ₅、ＬｉＴＯ₃、
β−ＢａＢ₂Ｏ₄等を例示でき、さらに好適にはＬｉＮｂ
Ｏ₃、またはＬｉＴａＯ₃を用いることができる。

【００１５】また、前記基板には、ＭｇＯを０重量mol
％〜５重量mol％程度ドーピングしたものを用いること
もできる。この場合、キューリー温度が１２４０℃程度
となるため、熱処理温度は１１００℃〜１２００℃程度
とすることができる。

【００１６】また、断面凹凸部の形成方法としては、フ
ォトリソグラフィ工程を経たエッチング処理で実現で
き、この場合の凹凸の高低差としては、１００〜１００
０オングストローム、さらに好ましくは２００〜４００
オングストロームの範囲が最適である。このとき、フォ
トリソグラフィ工程におけるマスク材としては、その種
類は問わないが、前記基板材料に対してエッチング速度
の遅い、すなわち耐エッチング性の高い材料が望まし
い。その意味で、ＳｉＯ₂、Ｔｉ、Ｔａ等の薄膜が好適
である。

【００１７】本発明によれば、分極反転層の形成（熱処
理時）に際して、Ｔｉ、電極材あるいはマスク材等の異
種元素が存在しないことから、異種元素の拡散が要因と
なる基板の屈折率変化および光損傷が抑止され、優れた
特性の波長変換素子を得ることができる。

【００１８】また、分極反転層の周期も、２μｍ以下の
微細ピッチで実現でき、プロトン交換導波路の熱処理時
間を短くした強閉じ込め型の導波路でも、波長が８４０
ｎｍ帯の半導体レーザーと位相整合をとることが可能と
なる。

【００１９】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である分極反転層
４の形成工程を順次示している。単結晶引き上げによっ
て得られたＬｉＮｂＯ₃からなる基板１を、その結晶方
向がｃ軸となるように配置し、この＋ｃ面を主面２とし
た。

【００２０】そして、この基板１の主面２の全面にＳｉ
Ｏ₂膜を形成した（図１（ｂ））。このＳｉＯ₂膜６をフ
ォトレジスト工程を通じてパターニングし、基板１の主
面２を所定パターンに沿って露出させた状態とした。

【００２１】このとき、パターニングの形状は主面２上
に並列にストライプ状となるように形成し、その周期
（ピッチ：λ）は２．５μｍとした。次に、前記パター
ニングされたＳｉＯ₂膜６をマスクとして、ドライエッ
チング処理によって基板１の主面２をエッチング加工し
て、凹凸部３を形成した（図１（ｃ））。

【００２２】このときのエッチング深さ（ｈ）は、３０
０オングストロームとなるまでエッチングを継続した。
なお、このときエッチング処理にはＥＣＲドライエッチ
ング装置を用い、加速電圧は４００Ｖとした。

【００２３】次に、前記基板１をフッ硝酸からなるエッ
チング液に浸漬させてマスク材であるＳｉＯ₂膜６を除
去した。この結果、ＬｉＮｂＯ₃からなる基板１の主面
２上にピッチが２．５μｍで高低差が３００オングスト
ームの凹凸部３が形成された（図１（ｄ））。

【００２４】次に、前記基板１をチューブ炉において、
酸素雰囲気中で１０９５℃で２０分熱処理した。このと
き、熱処理後の降温レートは５℃／分以上とすることが
望ましい。

【００２５】このようにして、前記凹凸部３に対応した
分極反転層４を基板１の主面２近傍の上層に形成した
（図１（ｆ））。次に、前記主面２の凹凸部３をポリッ
シング処理によって平滑面とした。このようなポリッシ
ング処理は素子の特性上からは必須の構成ではなく、高
低差の小さい凹凸部３を形成した場合または導波路深さ
が大きい場合には、主面２に凹凸部３を残存させたまま
製品としてもよい。

【００２６】次に、前記分極反転層４を形成した主面２
上に、図２に示すように、前記分極反転層４の周期方向
とは垂直方向に幅２μｍ〜１０μｍの光導波路５を形成
した。この光導波路５は、ピロリン酸を用いたプロトン
交換（２３０℃，１５分）を通じて形成しその後３６０
℃で、１８分アニールを行なった。

【００２７】このようにして、微細な周期の分極反転層
４が光導波路５内に入り込んだ構造の非線形強誘電体光
学素子７が得られた。この光学素子７で波長変換実験を
行ったところ、８４０ｎｍのＬＤ（出力１００ｍＷ）を
使用した場合、０．３ｍＷの高出力を得ることができ
た。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、微細な周期の分極反転
層４を実現できるとともに、異種元素の拡散が要因とな
る屈折率変化および光損傷を抑止できるため、高出力で
信頼性の高い非線型強誘電体光学素子７を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である分極反転層４の形成工
程を順次示す説明図

【図２】本発明の実施例を通じて得られた光学素子７の
構成を示す斜視図

【符号の説明】

１・・基板 ２・・主面 ３・・凹凸部 ４・・分極反転層 ５・・光導波路 ６・・ＳｉＯ₂膜 ７・・非線形強誘電体光学素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶化した非線形強誘電体光学材料か
   らなる基板の主面に連続状の断面凹凸部を形成した後、
   該主面に熱処理を施し、該主面の近傍に前記凹凸部の周
   期に対応して連続する分極反転層を設けたことを特徴と
   する非線形強誘電体光学素子。
2. 【請求項２】 単結晶化した非線形強誘電体光学材料か
   らなる基板の主面を連続状の断面凹凸形状に加工した
   後、該主面に熱処理を施して該主面に前記凹凸部の周期
   に対応して連続する分極反転層を設けた後、該主面の前
   記分極反転層の周期方向に対して垂直方向に光導波路を
   形成したことを特徴とする非線形強誘電体光学素子の製
   造方法。
3. 【請求項３】 前記熱処理における熱処理温度は、前記
   非線形強誘電体光学材料のキューリー温度以下の温度と
   することを特徴とする請求項２記載の非線形強誘電体光
   学素子。