JPH06281983A

JPH06281983A - 第２高調波発生デバイス及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06281983A
Application number: JP5091962A
Authority: JP
Inventors: Masanori Nakamura; 正則中村; Masahiro Tsuji; 昌宏辻
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-10-07

Abstract

(57)【要約】【目的】可視光領域での光損失や光損傷が少なく、入
射可視光から長時間安定して半波長の第２高調波を発生
できる第２高調波発生デバイスを提供すること。【構成】タンタル酸リチウム単結晶基板上に格子整合
状態で形成されたニオブ酸リチウム単結晶薄膜光導波路
にホウ素が含有されてなる第２高調波発生デバイスであ
って、かかるニオブ酸リチウム単結晶薄膜光導波路の常
光屈折率Ｎof₁ 、異常屈折率Ｎef₂、タンタル酸リチウ
ム単結晶基板の異常屈折率Ｎes₂の関係が、またニオブ酸リチウム単結晶薄膜の光導波路がその結晶
軸方向に互いに干渉しない間隔で周期的に分極反転され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入射レーザ光に対し半
波長のレーザ光を発生する第２高調波発生デバイス及び
その製造方法に関し、特にニオブ酸リチウム単結晶薄膜
光導波路型の第２高調波発生デバイス及びその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信システム、光情報処理シス
テム等の各種光応用技術分野において光記録や光情報処
理に用いられるレーザ光の短波長化が求められており、
この光短波長化により光記録密度や光感度特性を向上さ
せ、光ディスク、レーザプリンタ等を始めとする光機器
分野への利用範囲の一層の拡大を図らんとするものであ
る。

【０００３】そしてかかる要請に応えるため、入射する
レーザ光の波長を１／２波長に変換できる第２高調波発
生（ＳＨＧ）デバイスが開発されてきた。ところでかか
る第２高調波発生（ＳＨＧ）デバイスとして、従来非線
形光学結晶のバルク単結晶が用いられてきたが、半導体
レーザのような数ｍＷ〜数十ｍＷの低い光源出力では高
い変換効率を得ることができないという問題が生じ、薄
膜光導波路型のＳＨＧデバイスが開発されるに至った。
この薄膜光導波路型ＳＨＧデバイス用の非線形光学材料
としては、例えばニオブ酸リチウム単結晶バルクにＴｉ
等の異種元素を拡散させて屈折率を変化させた光導波路
層としたものや、タンタル酸リチウム基板上にニオブ酸
リチウム単結晶薄膜の光導波路層を形成したものなどが
知られている。

【０００４】そしてこのような光導波路を製造するの
に、Ｔｉ拡散法、プロトン交換法、あるいは液相エピタ
キシャル法（ＬＰＥ法）等によるものが提案されてき
た。そしてその中でＴｉ拡散法で製造したＬｉＮｂＯ₃ 光導波路は、可
視光域において特に光損傷が激しく、導波ができない。
また、電気光学デバイスとして用いた場合には、ＤＣド
リフトが発生し信頼性に問題がある。プロトン交換法で製造したＬｉＮｂＯ₃ 光導波路
は、光損傷には強いが、非線形光学定数、電気光学定数
が低下するという問題がある。Ｔｉ拡散法、プロトン交換法のいずれで製造したも
のでも、 800℃以上でアニーリングを行うと、Ｔｉ或は
プロトンの基板中への拡散により、光導波モードの変化
や消失、あるいはプロファイルの変化が起こる。等の点
で問題がある。

【０００５】そのようなことから、ＬＰＥ法によるＬｉ
ＮｂＯ₃ 単結晶光導波路が非線形光学効果、電気光学効
果、音響光学効果等に優れ、特にＴｉ拡散法やプロトン
交換法等によるものよりも結晶性が良く、光損失も少な
い等の点で注目を集めるようになった。そしてこのＬＰ
Ｅ法によりＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜を得るための一例と
して、例えば、本出願人による特開平４−１２０９５号
公報に示されるように、液相エピタキシャル成長用とし
てＬｉ₂Ｏ−Ｖ₂Ｏ₅−Ｎｂ₂Ｏ₅フラックス系溶融体を用
い、これにタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃ ）単結晶
基板を浸漬し、このタンタル酸リチウム単結晶基板上に
液相エピタキシャル成長により光導波路用のニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜を形成する製造方法が知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＬｉＯ
₂ −Ｖ₂Ｏ₅−Ｎｂ₂Ｏ₅フラックス系（以下、「ＬＶフラ
ックス系」という）溶融体を用いて製造したものは、溶
融体からＬｉＮｂＯ₃ 単結晶中にＶ₂Ｏ₅（Ｖ³⁺イオン）
が混入し、このＶ³⁺イオンによって光吸収、特に可視光
領域での光吸収による伝搬損失が増加し、このために光
学特性を損なうという問題があった。特に、第２高調波
発生デバイスとして必要とされる第２高調波変換効率が
得られなかったのである。

【０００７】そこでこのような問題に着目し、これは特
に第２高調波発生デバイスを対象としたのもではない
が、一般的な光導波路特性の改善を図ったものとして、
例えば、日立金属（株）が1992年（平成４年）秋季第５
３回応用物理学会学術講演会（17a−ZK−9）において発
表したものや、ソニー（株）の山田氏等により Appl. P
hys. Lett., Vol.61, No.24, pp.2848(1992)に掲載され
たものに示されるように、Ｌｉ₂Ｏ−Ｂ₂Ｏ₃−Ｎｂ₂Ｏ₅
フラックス系（以下、「ＬＢフラックス系」という）溶
融体によるＬＰＥ法によりＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜光導
波路を形成することが提示されている。これらの例はい
ずれもＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜中にＶイオンが含まれな
いようにし、これにより光吸収を抑え、光導波損失の低
減を図ったものである。

【０００８】しかしながら、これらはいずれもＬｉＮｂ
Ｏ₃ 単結晶基板上にＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜を形成する
もので、ここに用いられる基板は、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶
薄膜の結晶成長面がこのＬｉＮｂＯ₃ 単結晶と同材質
の、いわゆるホモ基板（ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶に異種元素
を添加したものも含む）であって、このホモ基板上にＬ
ｉＮｂＯ₃ 薄膜を形成するものである。

【０００９】そのために、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶基板中に
ＭｇＯを含有させて屈折率を下げることにより薄膜の屈
折率（ｎ₁ ）＞基板の屈折率（ｎ₂ ）を保つようにして
おり、そのために基板にドープしたＭｇＯは、基板の
常光屈折率を下げるのでＴＥモードは伝搬するものの、
異常光屈折率を変化させないのでＴＭモードは伝搬しな
い、薄膜中にＭｇＯをドープできない為耐光損傷性の
向上が図れない等の問題があった。これらのことから明
かなように可視光領域での伝搬損失が低く、耐光損傷性
にも優れ、かつＴＥ及びＴＭモードのいずれの導波光も
損失なく伝搬させることはできず、これらを第２高調波
発生デバイスとして用いた場合に充分な第２高調波変換
効率を得ることができなかった。

【００１０】本発明は、上記したような問題点を解決す
るためになされたものであり、非線系光学効果、電気光
学効果、熱光学効果、音響光学効果に優れることはもと
より、特に可視光領域の入射光を用いて半波長の第２高
調波が光損失や光吸収もなく高効率で得られる第２高調
波発生デバイス及びその製造方法を提供することを目的
とするものである。そしてこれにより光通信システムや
光情報システム等の各種光応用技術分野の技術進展に対
応せんとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明に係る第２高調波発生デバイスは、ニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯ₃）とは基本組成を異にするヘテロ材
料からなるヘテロ基板上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜
光導波路を格子整合状態で形成してなるものであって、
前記ニオブ酸リチウム単結晶光導波路にはホウ素が含有
されていることをその要旨とする。

【００１２】ヘテロ基板は、六方晶構造を有する単結晶
基板、例えば、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃ ）、石英（Ｓｉ
Ｏ₂ ）、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｇｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂なども使用で
きるが、特にタンタル酸リチウム基板の結晶系が、ニオ
ブ酸リチウムの結晶系に類似しておりエピタキシャル成
長させやすいこと等の点で有利である。図１は、タンタ
ル酸リチウム単結晶基板上にニオブ酸リチウム単結晶薄
膜をＬＰＥ法により形成したものの１例の電子顕微鏡写
真を示している。そしてニオブ酸リチウム単結晶薄膜
は、前記ヘテロ基板の(0001)結晶面に形成されている。
この基板の(0001)面は、図２に示すように六方晶構造の
ｃ軸に垂直な面を指すが、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜
の結晶成長面として、六方晶基板の(0001)面はａ軸のみ
で構成されるため、ａ軸の格子定数を変えるだけでニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜と格子整合させることが容易に
できる。

【００１３】ここで、前記ホウ素（Ｂ）の含有量は、5
〜1000ppmであることが望ましい。このホウ素（Ｂ）の
含有量が 1000ppmを越える場合は、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶
の電気光学的特性が低下し、また5ppmより低い場合に
は、可視光域において光損傷が発生する。そしてホウ素
（Ｂ）は、３価の陽イオン（Ｂ³⁺）の状態でＬｉＮｂＯ
₃単結晶中に含有されていることがその後の結合状態が
最も安定していて好ましい。基板上に形成されるＬｉＮ
ｂＯ₃ 単結晶光導波路中に従来添加元素として使用され
るバナジウム（Ｖ）に代えてホウ素（Ｂ）が含有される
ことにより、このホウ素（Ｂ）自身が耐光損傷性を増す
働きを有するばかりでなく、このホウ素（Ｂ）は結晶格
子中に固溶あるいは置換されるため光損傷や可視光吸収
の原因となる不純物元素のＬｉＮｂＯ₃ 単結晶中への混
入を回避でき、したがって光損傷や可視光吸収等が生じ
ないものと思われる。

【００１４】そして、前記ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶光導波路
層における結晶構造のａ軸の格子定数は、ヘテロ基板の
ａ軸の格子定数の 99.81〜100.07％の範囲内、特に 99.
92〜100.03％の範囲が好適である。例えば、ヘテロ基板
の格子定数が、 5.153Ａである場合、ＬｉＮｂＯ₃ 単結
晶の格子定数は、5.150〜5.155Ａの範囲内ということに
なる。尚、「Ａ」は「オングストローム」を意味し、以
下単に「Ａ」と表記する。ヘテロ基板に対してＬｉＮｂ
Ｏ₃ 単結晶を格子整合させる手段は特に限定されるもの
ではないが、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜に異種元素を含有
させて格子定数を大きくすることにより有利に格子整合
させ、欠陥が少なくかつ厚い膜厚を有するＬｉＮｂＯ₃
単結晶薄膜を得ることができる。尚、前記ヘテロ基板の
ａ軸の格子定数は、5.128〜5.173Ａであることがより好
適である。

【００１５】そしてこのような考えから、前記ＬｉＮｂ
Ｏ₃ 単結晶光導波路層中には、格子整合のための異種元
素として0.02〜10.0モル％の範囲のナトリウム（Ｎａ）
及び／又は 0.8〜10.8モル％の範囲のマグネシウム（Ｍ
ｇ）をそれぞれ含有しているとよい。Ｎａの含有量が0.
02モル％より少ない場合は、ヘテロ基板と格子整合でき
るほど格子定数が大きくならず、また10.0モル％を越え
る場合は、逆に格子定数が大きくなりすぎ、いずれの場
合もヘテロ基板とＬｉＮｂＯ₃ 単結晶との格子整合が得
られない。Ｍｇの含有量が 0.8モル％より少ない場合
は、光損傷を防止する効果が不充分であり、10.8モル％
を越える場合は、ニオブ酸マグネシウム系の結晶が析出
してしまう。

【００１６】ここで、前記薄膜光導波路の特性はその常
光屈折率をＮof₁ 、異常光屈折率をＮef₂ とし、前記ヘ
テロ基板の異常光屈折率をＮes₂ としたとき、の関係を満たすものであることが望ましい。この式は、
本発明者らの研究により得られた、薄膜光導波路におけ
る第２高調波の発振効率は、Ｎef₂ とＮof₁ との値の較
差がＮef₂ とＮes₂ との値の較差に較べて大きいもので
ある場合には低いという経験則に基づくものである。

【００１７】また、光導波路の幅は 1〜10μｍの範囲内
であるのがよい。導波路幅が 1μｍ未満であると導波チ
ャンネル内に入射光を導入することが困難となり、入射
効率が低いことにより第２高調波の変換効率も下がって
しまうからである。その一方、導波路幅が大きければ入
射効率は高くできるのであるが、10μｍを超えていると
導波路内での光波のエネルギー密度が充分上昇せず、こ
れまた第２高調波の変換効率の低下につながってしまう
のである。かかる光導波路にレーザ光を入射させると、
ＬｉＮｂＯ₃ が有する非線系光学効果に基づく波長分散
現象により、導波路内には入射したレーザ光の振動数の
整数倍の振動数を持つ波動が誘起される。このうち、入
射したレーザ光の２倍の振動数の波動、すなわち入射レ
ーザ光の半波長のレーザ光が第２高調波である。尚、第
３高調波及びそれ以上の高調波は、強度が極めて弱いた
め通常は考慮する必要はない。

【００１８】ここで、前記薄膜光導波路はその結晶軸方
向に周期毎に分極反転されてなることがより好ましい。
導波路内で発生した第２高調波は、１次波たる入射レー
ザ光との干渉により導波路内でいわゆる干渉距離毎に極
大極少を繰り返すので、干渉距離毎に導波路の分極の符
号を交互に反転させれば、波の打ち消しがなくなり逆に
重ね合わせが生じ、その結果大きな第２高調波出力を得
られるからである。ここで干渉距離ｌc は、で表される。ここにおいて、ｎf は入射波の屈折率を、
ｎSHは第２高調波の屈折率を、λf は入射波の波長を、
k は干渉次数（整数）を示す。

【００１９】上記の薄膜光導波路が周期毎に分極反転さ
れた第２高調波発生デバイスは、ニオブ酸リチウムとは
基本組成を異にするヘテロ材料からなるヘテロ基板上に
ホウ素を含有するニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成
し、このニオブ酸リチウム単結晶薄膜にフォトリソグラ
フィによるストライプパターンを形成し、このストライ
プパターンが形成されたニオブ酸リチウム単結晶薄膜上
の全体に反転用被膜を形成し、前記ストライプパターン
部分を除去してその部分の反転用被膜を除去し、加熱及
び急冷によりこのニオブ酸リチウム単結晶薄膜を前記ス
トライプパターンに沿ってドメイン反転させるようにす
ることにより製造できる。

【００２０】あるいは、ニオブ酸リチウムとは基本組成
を異にするヘテロ材料からなるヘテロ基板上にホウ素を
含有するニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成し、このニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜に部分的に電子ビームを照射
することによりその部分のニオブ酸リチウム単結晶薄膜
をドメイン反転させるようにすることによっても製造で
きる。

【００２１】

【実施例】以下に本発明を具体化した実施例について説
明する。最初に、本発明に係る薄膜光導波路が周期毎に
分極反転された第２高調波発生デバイスの製造方法につ
いて説明し、その後で周期毎の分極反転構造を有しない
第２高調波発生デバイスの実施例と周期毎の分極反転構
造を有する第２高調波発生デバイスの実施例とについて
説明する。図４に本発明の一実施例に係る第２高調波発
生（ＳＨＧ）デバイスの外観図を、図５に本発明の他の
実施例に係るＳＨＧデバイスの外観図を、図６、図７、
図８、図９に本発明の他の実施例に係るＳＨＧデバイス
の製造工程の一例を、それぞれ示す。

【００２２】本発明に係る第２高調波発生デバイスは基
本的に、ニオブ酸リチウム単結晶とは基本組成を異にす
るヘテロ材料からなるヘテロ基板上にニオブ酸リチウム
単結晶薄膜をＬＰＥ法により形成する成膜工程とにより
製造される。更に、この単結晶薄膜を部分的にドメイン
反転させるドメイン反転工程を経ることにより、本発明
に係る周期毎の分極反転構造を有する第２高調波発生デ
バイスが製造される。単結晶薄膜にドメイン反転を起こ
させる手段としては、例えばＴｉのような異種元素を単
結晶薄膜中に拡散させた状態で加熱及び急冷を行う方法
が考えられる。

【００２３】以下、本発明に係る製造方法について、Ｔ
ｉを単結晶薄膜中に拡散させてドメイン反転を行う場合
を例にとり、図６に従って詳細に説明する。まずヘテロ
単結晶基板１にＬＰＥ法によりニオブ酸リチウム単結晶
薄膜を以下の手順で形成する。まず、２mm厚程度のヘテ
ロ単結晶基板（例えばタンタル酸リチウム単結晶基板）
１の(0001)面を光学研磨して平坦な面を得、しかる後に
これを化学研磨する。化学研磨を行う理由は、光学研磨
する際に基板表層に研磨による歪が加わるので、かかる
歪が残留している部分を除去するためである。基板表層
の結晶格子が歪んでいると、良質な単結晶薄膜が得られ
ないからである。この状態でのヘテロ基板１の断面図を
図６（ａ）に示す。そしてＬＰＥ法による成膜工程は、
Ｎａ₂Ｏ、Ｌｉ₂Ｏ、Ｂ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＭｇＯなどから
なる溶融体中にヘテロ単結晶基板を浸漬し、その基板表
面にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を結晶成長させるもの
である。

【００２４】前記Ｌｉ₂Ｏ、Ｂ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅の組成範
囲は、図３に示したＬｉ₂Ｏ−Ｂ₂Ｏ₃−Ｎｂ₂Ｏ₅ の３成
分系の三角図において、Ａ（88.90，2.22，8.88）、Ｂ
（55.00，43.00，2.00）、Ｃ（46.50，51.50，2.00）、
Ｄ（11.11，80.00，8.89）、Ｅ（37.50，5.00，57.5
0）の５組成点で囲まれる組成領域内にあり、Ｆ（47.6
4，46.12，6.24）、Ｇ（27.01，64.69，8.30）、Ｈ（3
6.71，37.97，25.32）、Ｉ（44.05，32.97，22.98）の
４組成点で囲まれる範囲が特に好適である。また溶融体
組成中には、Ｎａ₂Ｏがモル比でＮａ₂Ｏ／Ｌｉ₂Ｏが0.1
/99.9〜50.00／50.0、好ましくはモル比で 1.0／99.0〜
10.0／90.0を満たす範囲で混合され、またＭｇＯがニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜中におけるＭｇＯ／ニオブ酸リ
チウム比がモル比で 0.1／99.9〜25.0／75.0、好ましく
は5.0／95.0〜9.0／91.0を満たす範囲で混合される。

【００２５】そして前述の溶融体組成物は、空気雰囲気
下あるいは酸化雰囲気下で 800〜1300℃で加熱溶融され
る。単結晶薄膜育成のための温度は、 800〜1250℃であ
ることが望ましい。溶融体は、６〜９６時間攪拌してお
く。攪拌時間が短い場合溶融体中に結晶核が残存し、こ
の結晶核を中心に結晶成長するため、ニオブ酸リチウム
単結晶薄膜が単結晶でなくなり、その表面に凹凸が発生
することがある。次にこの加熱溶融体を0.5〜300℃／時
の速度で冷却して過冷却状態とし、しかる後この溶融体
中に基板を回転させながら浸漬し、この回転状態で基板
上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を結晶成長により育成
させるものである。

【００２６】この場合ヘテロ基板のニオブ酸リチウム単
結晶薄膜形成面は化学研磨あるいは化学エッチングし、
その面粗度を、JIS B0601、Ｒ_MAX＝10〜1000Ａとしてお
くことが望ましい。Ｒ_MAXの値が1000Ａより大きくなる
と、形成されるニオブ酸リチウム単結晶薄膜の結晶性が
低下する。さらにエッジを面取りしておくとよい。エッ
ジが面取りされていない場合、エッジ部分に微細な疵が
でき、熱衝撃でクラックが発生することがある。面取り
は、Ｒ面、Ｃ面いずれでもよい。尚、基板は厚さ0.5〜
2.0mmのものを用いる。 0.5mmより薄いとクラックが発
生しやすく、 2.0mmより厚い基板は、焦電効果（加熱に
よる放電効果）が問題となり、加熱や研磨により帯電す
るため、研磨屑などが付着してスクラッチが発生し易
い。育成の際には、ヘテロ基板を回転させることにより
均一な膜厚の結晶ができ、また安定した光学特性のもの
が得られる。回転は水平状態にて行われ、その回転速度
は、 5〜150rpmが一般的に選択される。

【００２７】基板と溶融体との接触時間及び溶融体の温
度を適当に選択することにより、ヘテロ基板上に析出す
るニオブ酸リチウム単結晶薄膜の厚みを制御することが
できる。通常ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成長速度
は、0.01〜1.0 μｍ／分が望ましい。これ以上成長速度
が速い場合、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜にうねりが発
生することがあり、また、これより成長速度が遅い場
合、薄膜の育成に時間がかかる。

【００２８】そして所定時間経過後、溶融体中よりその
基板を取り出し、余分の溶融体を取り除いてから冷却す
る。溶融体の除去は、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜が形
成されたヘテロ基板を 100〜10000rpmの速度で回転させ
ることにより行うとよい。溶融体除去後の冷却は、0.5
〜300℃／時の速度で行ない、400℃ からは指数関数的
に冷却させるのがよい。タンタル酸リチウム基板のキュ
リー点の温度（一般には 650℃）では一定時間温度を保
つか、 0.1〜5℃ ／分の速度で冷却させることが望まし
い。これによりキュリー点における結晶の相転移に伴う
クラックの発生を防止できる。こうして、ヘテロ基板１
上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜２が成膜される。この
状態での断面図を図６（ｂ）に示す。

【００２９】ついで基板１上にフォトレジストを塗布
し、フォトリソグラフィーによりストライプパターン３
を形成する（図６（ｃ））。そして、この状態で基板１
上全面に蒸着によりＴｉ被膜４を形成する（図６
（ｄ））。Ｔｉ被膜４の形成は、蒸着以外のスパッタリ
ングやＣＶＤにより行ってもよい。また、形成されるＴ
ｉ被膜４は、金属Ｔｉに限らずＴｉＮ_x 、ＴｉＣ_x、Ｔ
ｉＯ₂等の化合物被膜であってもよい。そして、ストラ
イプパターン３状のフォトレジストを除去すると、スト
ライプパターン部分以外のＴｉ被膜４のみが基板１上に
残る（図６（ｅ））。この状態で、基板１を約1000℃ま
で加熱すると、ストライプパターン部分以外の部分に存
在するＴｉ被膜４から、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜中
へＴｉが熱拡散により進入する。Ｔｉの熱拡散が終了し
たら、基板１を急冷するとニオブ酸リチウム単結晶薄膜
のうちＴｉが拡散している部分４ａのみが分極反転する
（図６（ｆ））。これにより、周期的ドメイン反転パタ
ーンが形成される。この後、残っているＴｉ被膜を除去
すればよい（図６（ｇ））。

【００３０】ここでストライプパターンの周期は、導波
しようとする光の波長λf 等により定まる干渉距離ｌc
、であるのがよい。

【００３１】かくして周期毎の分極反転を有するニオブ
酸リチウム単結晶薄膜をヘテロ基板上に形成することが
できる。そして、かかる周期毎の分極反転を有するニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜に、必要に応じてフォトリソグ
ラフィ法によりパターニング加工を施しリッジ型光導波
路として形成することができる。こうして作製したリッ
ジ型導波路形状の第２高調波発生デバイスが図５に示す
ように得られる。或は、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜形
成前に、予めヘテロ基板にフォトリソグラフィ法により
パターニング溝加工を施しておくことにより、埋め込み
型光導波路として形成することもできる。こうして、薄
膜光導波路が結晶軸方向に周期毎に分極反転されている
第２高調波発生デバイスを製造することができる。

【００３２】ここで、ドメイン反転は単結晶薄膜中にＴ
ｉを拡散させる代わりに単結晶薄膜中のＬｉを被膜側に
外方拡散させることによっても可能であるので、その場
合の製造工程について図７を参照して説明する。この場
合も、前記と同様の手段によりヘテロ基板１上にニオブ
酸リチウム単結晶薄膜２を成膜し、フォトリソグラフィ
によるストライプパターンを形成する（図７（ａ）〜
（ｃ））。その後、Ｔｉ被膜を形成するかわりにＳｉＯ
₂ 被膜５を形成する（図７（ｄ））。ＳｉＯ₂ 被膜５の
形成方法としては、スパッタリングあるいはＣＶＤが考
えられる。被膜形成後のストライプパターン３の除去、
熱拡散、急冷による外方拡散部分５ａの分極反転、残留
ＳｉＯ₂ 被膜５の除去についてはＴｉの場合と同様であ
る（図７（ｅ）〜（ｇ））。

【００３３】更に、ドメイン反転を行う別の手段とし
て、タンタル（Ｔａ）被膜を使用する方法がある。この
方法でも、前記図６若しくは図７の場合と同様のフォト
リソグラフィによりＴａ被膜のストライプパターンを形
成する。Ｔａ被膜自体の成膜方法としては、Ｔｉの場合
と同様に蒸着等の手段が可能である。かかるＴａ被膜の
ストライプパターンを形成した状態を図８に示す。この
状態（図８（ａ））で、キュリー点以上の温度に加熱す
ることにより、ストライプパターン間のニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜２を分極反転させることができる。この原
因は、加熱によりＴａ被膜のストライプパターン６のエ
ッジ近傍部分６ａに電荷集中が起こり（図８（ｂ））、
かかる集中電荷が起こす電界効果により分極の反転が起
こるものと推定される。こうして分極反転を起こした状
態で急冷すれば、薄膜光導波路が結晶軸方向に周期毎に
分極反転されている第２高調波発生デバイスを得ること
ができる。

【００３４】更に、ドメイン反転を行うもう一つの手段
として、図９に示すようにニオブ酸リチウム単結晶薄膜
２に電子ビーム７を照射する方法がある。ニオブ酸リチ
ウム自体は導電性が低いので、ニオブ酸リチウム単結晶
薄膜２に電子ビーム７を照射すると照射された部分７ａ
に電荷が蓄積され、その電界効果により分極の反転が起
こるものと推定される。ニオブ酸リチウム単結晶薄膜２
のうち分極反転させる部分のみに電子ビーム７を照射す
る方法としては、前記と同様のフォトリソグラフィによ
りストライプパターンを形成してその部分への電子ビー
ム７を遮蔽する方法と、電子ビーム７自体を走査レンズ
で走査して分極反転させる部分のみに照射する方法とが
考えられる。

【００３５】次に、本発明に係る第２高調波発生デバイ
スについて説明する。本発明品については、周期毎の分
極反転構造を有しない第２高調波発生デバイスとして本
試料１１〜１６まで、周期毎の分極反転構造を有する第
２高調波発生デバイスとして２１〜２６まで、および３
１〜３６までを用意し、比較品にあっては比較試料１〜
３を用意した。これらの溶融体組成、薄膜形成用に供試
される基板の種類、この基板上に形成される薄膜の膜
厚、並びにこれらの供試試料の各種分析結果と各種実験
データ等を表１にまとめて示した。本試料１１〜１６、
２１〜２６、３１〜３６まではいずれも溶融体組成とし
てＮａ₂ＣＯ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃、Ｂ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅及びＭｇ
Ｏからなるものを用いて作製した。それぞれの組成物の
配合量は表１に示す通りである。ＭｇＯはその溶融物組
成から析出可能なＬｉＮｂＯ₃ の理論量に対する添加量
として示している。この溶融体組成物としてＶ₂Ｏ₅が含
まれていないことは勿論である。

【００３６】基板は、本試料１１〜１６、２１〜２６、
３１〜３６のいずれの場合も１mm厚のタンタル酸リチウ
ムの六方晶型単結晶のものを用いている。そしてこのタ
ンタル酸リチウムの単結晶基板の(0001)面を光学研磨し
たものを供試した。かかる基板を、上述の溶融体組成物
からなる溶融体中に接触させ、ＬＰＥ法によりこの基板
の(0001)面上にニオブ酸リチウムの単結晶薄膜を結晶成
長により形成した。本試料１１〜１６、２１〜２６、３
１〜３６のいずれの場合も前記溶融体組成物は予め白金
ルツボに入れ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰
囲気下で1100℃に加熱溶融されている。

【００３７】次にこの溶融体を60℃／時の速度で930〜9
50℃まで冷却して過冷却状態とした後、この溶融体に上
述のタンタル酸リチウム単結晶基板を 20rpmの回転速度
で回転させながら所定時間浸漬し、タンタル酸リチウム
単結晶基板の(0001)面にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を
結晶成長させている。本試料１１〜１６の場合はその浸
漬時間を１２分間とし、本試料２１〜２６の場合はその
浸漬時間を２０分間とし、本試料３１〜３６の場合はそ
の浸漬時間を５分間とした。ＬＰＥ法によりタンタル酸
リチウム単結晶基板上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を
形成した後、これを溶融体から引き上げ、回転数 1000r
pmで３０秒間回転させてニオブ酸リチウム単結晶薄膜の
表面から溶融体を振り切って取り除き、しかる後低温ま
で徐冷する。かくして本試料１１〜１６の場合１２μｍ
の厚さの、本試料２１〜２６の場合２３μｍの厚さの、
本試料３１〜３６の場合８μｍの厚さの、ニオブ酸リチ
ウム単結晶薄膜が得られた。

【００３８】ここで、本試料１１〜１６、２１〜２６、
３１〜３６におけるニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成
分、光導波路としての諸特性等を調査した。ニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜中のＮａ、Ｍｇ、及びＢのＩＣＰ発光
分析による成分分析結果を表１に合わせて示す。本試料
１１と２１と３１と、１２と２２と３２と、１３と２３
と３３と、１４と２４と３４と、１５と２５と３５と、
１６と２６と３６とはそれぞれ同一組成の溶融体により
ＬＰＥ成長を行ったものであり、形成されたニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜の成分もそれぞれ一致する。これらの
いずれにおいてもＮａ、Ｍｇ、及びＢがそれぞれ適量づ
つ含有されていることがわかる。

【００３９】またニオブ酸リチウム単結晶薄膜の結晶構
造のａ軸方向の格子定数を通常の粉末Ｘ線回折により行
ったのでその結果も表１に示してある。測定においては
Ｓｉを内部標準として使用し、格子定数は、Ｃｕ管球に
より２θ＝４５〜９０゜の範囲で検出されるニオブ酸リ
チウムの１５本の回折ピークの角度とその面指数から最
小二乗法により算出している。尚、測定には白金ルツボ
内に堆積したニオブ酸リチウム単結晶粒いわゆるrestme
ltを粉砕して試料として用いた。この測定結果によれ
ば、本試料１１〜１６、２１〜２６、３１〜３６は 5.1
51Ａ〜 5.156Ａの値を示している。これはタンタル酸リ
チウム単結晶基板結晶構造のａ軸方向の格子定数 5.154
Ａに略近似した値であることがわかる。これは格子整合
がよくなされていることを意味する。

【００４０】一方比較品として示した比較試料１及び２
は、ニオブ酸リチウム単結晶基板、すなわちホモ基板を
用いている。そしてこの基板を浸漬させる溶融体とし
て、比較試料１はＬｉ₂ＣＯ₃−Ｂ₂Ｏ₃−Ｎｂ₂Ｏ₅系を用
い、一方比較試料２はＬｉ₂ＣＯ₃−Ｖ₂Ｏ₅−Ｎｂ₂Ｏ₅
系を用いている。いずれの試料もニオブ酸リチウム単結
晶基板にＭｇＯがドープされている関係上、薄膜中にＮ
ａやＭｇが混在しないように配慮している。したがって
溶融体にはＮａ₂ＣＯ₃及びＭｇＯは配合されない。

【００４１】ニオブ酸リチウム単結晶基板上にニオブ酸
リチウム単結晶薄膜をＬＰＥ法により結晶成長させて形
成する方法は、前述の本発明品（本試料１１〜１６、２
１〜２６、３１〜３６）と略同じであるのでここでは詳
細な説明を割愛する。ただ最終的にニオブ酸リチウム単
結晶薄膜の厚さは、５μｍとしている。また成分分析結
果（表１）からわかるように薄膜中にはＮａ及びＭｇが
混在されない。さらにＸ線回折による単結晶薄膜のａ軸
方向の格子定数も、5.150Ａ程度であった。

【００４２】比較試料３は、本発明品（本試料１１〜１
６、２１〜２６、３１〜３６）と同じくタンタル酸リチ
ウム基板（ヘテロ基板）の上にニオブ酸リチウム単結晶
薄膜を形成したものであるが、その溶融体組成を異にす
るＬｉ₂ＣＯ₃−Ｖ₂Ｏ₅−Ｎｂ₂Ｏ₅系のものを用いてい
る。そしてこれに格子整合用としてＮａ₂ＣＯ₃を配合し
てなるものである。ＬＰＥ法による単結晶薄膜の形成方
法は本発明品の場合とほとんど同じであり、その薄膜の
厚さも同じく５μｍとした。ＩＣＰ発光分析の結果で
は、ＮａとＶが混在し、Ｎａが混在していることにより
Ｘ線回折結果でも判るように薄膜のａ軸方向の格子定数
が 5.154Ａと単結晶基板の格子定数に近い値を示した。
これは格子整合がよくなされていることを意味する。

【００４３】次にニオブ酸リチウム単結晶薄膜のＴＥモ
ード及びＴＭモードの光導波特性について測定した。そ
の結果は表１に示した通りである。すなわち本発明品
（本試料１１〜１６、２１〜２６、３１〜３６）は、Ｔ
Ｅモード及びＴＭモードとともにその光導波特性は良好
な結果が得られたのに対し、従来品（比較品）である比
較試料１及び２はいずれもＴＥモードは導波するがＴＭ
モードは導波不能ということで、ＴＭモードにおける光
導波特性が劣る結果となった。これは本発明品の場合ニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜がこの薄膜材料と異なるヘテ
ロ基板上に形成されたものであり、一方比較試料１及び
２の場合ニオブ酸リチウム単結晶薄膜がこの薄膜材料と
同じくするホモ基板上に形成されたものであることに起
因すると思われる。このことは、比較試料３がヘテロ基
板上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成したものであ
ってこの試料のものがＴＭモードの光導波が可能であっ
たことからも首肯できる。

【００４４】図１０は溶融体中のＮａ置換量とニオブ酸
リチウム単結晶薄膜のａ軸方向の格子定数との関係を示
している。横軸に溶融体中のＮａ置換量を、また縦軸に
単結晶薄膜のａ軸方向の格子定数を採る。タンタル酸リ
チウム単結晶基板のａ軸方向の格子定数はおよそ 5.154
Ａ弱の値を示している。この図１０から判るように、Ｌ
Ｖフラックス系溶融体を用いたものもＬＢフラックス系
溶融体を用いたものも薄膜中のＮａ含有量が多くなるに
つれて薄膜の格子定数が上がる。また薄膜中にＭｇＯを
ドープした方がドープしないよりも格子定数が大きいこ
とが判る。

【００４５】そしてこの図の測定データから明らかなよ
うに、ＬＢフラックス系溶融体を用いた方がＬＶ系のも
のよりもＮａ含有量に対する格子定数の増大傾向が高
く、Ｎａに対する感受性が強いと言える。しかもＮａ含
有量が少ないレベルで早くタンタル酸リチウム単結晶基
板の格子定数に近い（又は略同じの）格子定数が得られ
る。このことからＬＢフラックス系溶融体を用いること
により薄膜中のＮａなどの不純物が少なくて済み、それ
だけ薄膜の結晶構造が乱れのない緻密なものが得られて
光学定数等の向上が期待されるものである。

【００４６】次にＴＭモード導波光についての光伝搬損
失を測定した結果も同じく表１に示しているが、使用波
長 0.633μｍの可視光領域において本試料１１〜１６、
２１〜２６、３１〜３６はいずれも１dＢ／cm 以下であ
り光伝搬損失の少ない良好な結果が得られた。これに対
してＬＶフラックス系溶融体を用いた従来品の比較試料
３のものは、この 0.633μｍの使用波長では著しく光損
傷を受け、光伝搬損失を測定できなかった。本試料１１
〜１６、２１〜２６、３１〜３６においては、ＬｉＮｂ
Ｏ₃ 単結晶導波路層に適量含有されているＢが光伝搬損
失の低さに貢献していると考えられる。尚、ＴＭモード
光の導波ができなかった比較試料１、２については光伝
搬損失の測定はしなかった。

【００４７】次に本試料１１〜１６、２１〜２６、３１
〜３６及び比較試料３について耐光損傷性の評価テスト
を行ったのでそのテスト結果も表１に示す。この耐光損
傷性の評価テストは、入射光波長 0.633μｍのＴＭモー
ドの導波光をプリズムカップリング法により導波し、出
射パワーの経時変化を測定することにより行った。光損
傷が起きれば、屈折率変化により散乱が生じて出力パワ
ーが小さくなり、光損傷が起きなければ出力パワーの変
化は生じない。

【００４８】このテストの結果を図１１に示す。横軸に
時間（測定定数）、縦軸に出力パワーの変化を示してい
る。ＬＶフラックス系を用いた比較試料３のものは光出
射後１分も過ぎれば急激に出力パワーの減少を生じてい
る。これは薄膜の光損傷により屈折率が変化し、これに
より光の散乱が生じて出力パワーの減少を招いたものと
考察される。これに対しＬＢフラックス系を用いた本試
料１１〜１６、２１〜２６、３１〜３６は、いずれも出
力パワーの減少をほとんど生じることはなく、耐光損傷
性に優れているとの結果が得られた。

【００４９】以上のことから、比較試料１、２がＴＭモ
ードの導波ができないのに対し、本試料１１〜１６、２
１〜２６、３１〜３６及び比較試料３はＴＥモード、Ｔ
Ｍモードともに導波できることが理解できる。更に、比
較試料３が格子整合性やＴＭモード光導波性自体には問
題がないにも拘らず光伝搬損失や光損傷が激しいのに対
し、本試料１１〜１６、２１〜２６、３１〜３６にはそ
のような問題はなく、優れた光導波路特性を有すること
がわかる。更に、本試料１１〜１６、２１〜２６、３１
〜３６については、第２高調波発生デバイスとして重要
な非線形光学定数を測定したところ、バルクＬｉＮｂＯ
₃単結晶とほぼ同等の非線形光学効果を有することがわ
かった。

【００５０】

【表１】

【００５１】次に、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜に波長0.98
μｍのレーザ光を入射させて、常光屈折率Ｎof₁ を測定
したところ、いずれも 2.235であった。また、この入射
条件で第２高調波を発生したときの異常光屈折率Ｎef₂
はいずれも 2.243であった。一方、ＬｉＴａＯ₃ 単結晶
ヘテロ基板における波長0.98μｍの光の屈折率を別途測
定したところ、常光屈折率は 2.141、その条件で第２高
調波を発生したときの異常光屈折率Ｎes₂ は 2.225であ
った。従って、本試料１１〜１６、２１〜２６、３１〜
３６はの関係を満たしており、第２高調波発生デバイスとして
使用したときに高い第２高調波発生効率を発揮すること
が期待される。

【００５２】次に、本試料１１〜１６について、ＬｉＮ
ｂＯ₃ 単結晶薄膜を研磨して膜厚を2.6μｍとした後フ
ォトリソグラフィにより５μｍ幅、段差 0.5μｍのリッ
ジ型導波路形状に加工して、図４に示した第２高調波発
生デバイスを作製した。尚、この導波路の表面粗さは 2
00Ａ（Ｒ_MAX ）であった。かかる本試料１１〜１６の第
２高調波発生デバイスにおいて、波長0.98μｍ、50ｍＷ
の半導体レーザを導波路に入射させたところ、10〜15％
の優れた第２高調波発生効率が観測された。

【００５３】更に、これら本試料１１〜１６の第２高調
波発生デバイスの長時間の耐使用性を試験するため、レ
ーザ光を長時間導波した後における光変調特性を測定し
た。その結果、本試料１１〜１６のいずれの第２高調波
発生デバイスでも、レーザ光を少なくとも24時間導波し
ても、第２高調波発生効率その他の諸特性に変化がない
ことがわかった。このことから、本試料１１〜１６の第
２高調波発生デバイスはいずれも長時間の耐使用性に優
れていることがわかる。本試料１１〜１６におけるかか
る優れた長時間安定性は、導波路層であるニオブ酸リチ
ウム単結晶中に、従来のバナジウム（Ｖ）に代えてホウ
素（Ｂ）を含有させたこと等により光損傷が低下したこ
との効果であると考えられる。本試料１１〜１６におけ
る屈折率等の諸特性及び観測された第２高調波発生効率
を表２に示す。

【００５４】

【表２】

【００５５】次に、本試料２１〜２６、３１〜３６につ
いて、ドメイン反転構造を有する第２高調波発生デバイ
スとしたときの特性を調べるため、周期毎の分極反転処
理を施し、しかる後にリッジ型導波路形状に加工した。

【００５６】まず、本試料２１〜２６では、ＬｉＮｂＯ
₃ 単結晶薄膜を研磨して厚さを２μｍ、表面粗さを80Ａ
（Ｒ_MAX ）とした後、フォトリソグラフィにより1.60μ
ｍ間隔のストライプパターンを形成した。その上にＴｉ
薄膜を真空蒸着により形成し、そしてストライプパター
ンを除去して、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜上にＴｉパター
ンを形成した。そしてこれを管状炉で1036℃で熱処理し
てＴｉをＬｉＮｂＯ₃単結晶薄膜中に熱拡散させ、つい
でこれを急冷することにより、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜
にドメイン反転処理を施した。かかるＬｉＮｂＯ₃ 単結
晶薄膜の一部を切り出し、フッ酸エッチングをしてから
顕微鏡観察したところ、Ｔｉ拡散部分だけ分極反転して
いることが確認された。そして、更にフォトリソグラフ
ィ等により加工して、５μｍ幅のリッジ型導波路形状と
した。

【００５７】次に、本試料３１〜３６では、ＬｉＮｂＯ
₃ 単結晶薄膜を研磨して厚さを 1.9μｍ、表面粗さを80
Ａ（Ｒ_MAX ）とした後、フォトリソグラフィにより4.72
μｍ間隔のストライプパターンを形成した。その上にＳ
ｉＯ₂ 薄膜をスパッタリングにより形成し、そしてスト
ライプパターンを除去して、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜上
にＳｉＯ₂ パターンを形成した。そしてこれを管状炉で
1000℃で熱処理してＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜中のＬｉを
ＳｉＯ₂ 薄膜に熱拡散させ、ついでこれを急冷すること
により、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜にドメイン反転処理を
施した。かかるＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜の一部を切り出
し、フッ酸エッチングをしてから顕微鏡観察したとこ
ろ、ＳｉＯ₂ パターン形成部分だけ分極反転しているこ
とが確認された。そして、更にフォトリソグラフィ等に
より加工して、５μｍ幅のリッジ型導波路形状とした。

【００５８】そして、これら本試料２１〜２６、３１〜
３６のドメイン反転構造を有する第２高調波発生デバイ
スに、波長 0.830μｍの半導体レーザを50ｍＷ入射さ
せ、第２高調波を発生させた。

【００５９】このときの各試料における、入射波（波長
λf ＝ 0.830μｍ）の屈折率ｎf 、第２高調波（波長
0.415μｍ）の屈折率ｎSH、第２高調波発生効率の測定
結果を表３に示す。表３によれば、本試料２１〜２６は
14.0％、本試料３１〜３６は9.6％の第２高調波発生効
率をそれぞれ示しており、いずれも優れた第２高調波発
生デバイスであることが理解できる。また、これら各試
料において、λfとｎfとｎSHとから干渉距離ｌc を計算
すると、ストライプパターンの間隔と一致していること
がわかる。このことにより、導波路内で発生した第２高調波の打ち
消しあいが防がれ、逆に重ね合わせにより、高い第２高
調波発生効率が実現されているのである。

【００６０】又、電子ビームによるドメイン反転方法で
も、同様の結果が得られた。即ち、ストライプの間隔等
は前述と同様であるが、ドメイン反転処理の条件とし
て、タンタル酸リチウム基板の底面（ニオブ酸リチウム
薄膜形成面とは反対側）に電子ビーム照射により基板に
蓄積される電荷を逃すため約 0.2μｍ厚のクロム薄膜を
蒸着装置により形成したものにおいて、そのドメイン分
極反転をさせる領域に加速電圧25kV、電子密度3×10⁹el
ectron／sec.の電子ビームを照射したところ、前述同様
の良好なドメイン反転を有する第２高調波発生デバイス
が得られた。

【００６１】

【表３】

【００６２】更に、本試料２１〜２６、３１〜３６の第
２高調波発生デバイスの長時間の耐使用性を試験するた
め、レーザ光を長時間導波した後における光変調特性を
測定した。その結果、本試料２１〜２６、３１〜３６の
いずれの第２高調波発生デバイスでも、レーザ光を少な
くとも24時間導波しても、第２高調波発生効率その他の
諸特性に変化がないことがわかった。このことから、本
試料２１〜２６、３１〜３６の第２高調波発生デバイス
はいずれも長時間の耐使用性に優れていることがわか
る。本試料２１〜２６、３１〜３６におけるかかる優れ
た長時間安定性は、導波路層であるニオブ酸リチウム単
結晶中に、従来のバナジウム（Ｖ）に代えてホウ素
（Ｂ）を含有させたこと等により光損傷が低下したこと
の効果であると考えられる。

【００６３】以上説明したとおり、本発明に係る第２高
調波発生デバイスは、優れたシングルモード性、低伝搬
損失性、耐光損傷性を有し、かつ、バルクＬｉＮｂＯ₃
単結晶と遜色ない非線形光学定数を有する光導波路によ
り構成されている。そして可視光領域の入射光を用いて
半波長の第２高調波を光損傷や光吸収もなく高い効率で
得られ、しかも長時間安定して使用することができる。
尚、前記各実施例は本発明を限定するものではなく、本
発明の要旨を変更しない範囲において種々の変形・改良
が可能であることはいうまでもない。

【００６４】

【発明の効果】かくして、本発明に係る第２高調波発生
デバイスは、ニオブ酸リチウムとは基本組成を異にする
ヘテロ基板上に格子整合されたニオブ酸リチウム単結晶
光導波路を形成してなるものであって、その光導波路に
はホウ素（Ｂ）が含有されたものである。従って本発明
の第２高調波発生デバイスは、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄
膜とヘテロ基板との常光屈折率及び異常光屈折率の差が
十分に大きいためＴＥ及びＴＭモードの導波光のいずれ
をも伝搬することができシングルモード性に優れ、光
伝搬損失が低く、可視光域において耐光損傷性に優
れ、従って長時間の使用に耐え、かつ、バルクＬｉＮ
ｂＯ₃ 単結晶と遜色ない非線形光学効果を発揮する。そ
のため可視光領域の入射光から半波長の第２高調波を発
生する機能に優れ、各種電気光学分野における産業上の
効果は極めて大きい。

【００６５】また、本発明に係る第２高調波発生デバイ
スの製造方法によれば、Ｌｉ₂Ｏ−Ｂ₂Ｏ₃−Ｎｂ₂Ｏ₃系
溶融体を用いたＬＰＥ結晶成長法により、ホウ素（Ｂ）
を含有するニオブ酸リチウム単結晶光導波路をヘテロ基
板上に格子整合させた状態で形成し、かかる単結晶光導
波路に周期毎のドメイン反転処理を施すことにより第２
高調波発生デバイスを製造するものであるから、従来の
製造方法では得られない上述した光学的諸特性を有する
第２高調波発生デバイスを得られるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第２高調波発生デバイスにおける
タンタル酸リチウム単結晶基板上に形成されたニオブ酸
リチウム単結晶薄膜（ドメイン反転処理前）の断面を示
した電子顕微鏡写真である。また写真上の波形はホウ素
のＥＰＭＡ分析の結果である。

【図２】ニオブ酸リチウム単結晶の成長面であるタンタ
ル酸リチウム基板の(0001)面を示す模式図である。

【図３】本発明に係る第２高調波発生デバイスの製造方
法に使用されるＬＢ系溶融体中の、Ｌｉ₂Ｏ−Ｂ₂Ｏ₃−
Ｎｂ₂Ｏ₅の三成分系の三角図である。各組成点は（Ｌｉ
₂Ｏのモル％，Ｂ₂Ｏ₃のモル％，Ｎｂ₂Ｏ₅のモル％）で
表される。

【図４】本発明に係る第２高調波発生デバイスの構成を
示す図である。

【図５】本発明に係るドメイン反転構造を有する第２高
調波発生デバイスの構成を示す図である。

【図６】本発明に係るドメイン反転構造を有する第２高
調波発生デバイスの製造工程を説明する図である。

【図７】本発明に係るドメイン反転構造を有する第２高
調波発生デバイスの製造工程を説明する図である。

【図８】本発明に係るドメイン反転構造を有する第２高
調波発生デバイスにおけるドメイン分極反転の方法を説
明する図である。

【図９】本発明に係るドメイン反転構造を有する第２高
調波発生デバイスにおけるドメイン分極反転の方法を説
明する図である。

【図１０】ＬＢフラックス系溶融体とＬＶフラックス系
溶融体との比較において溶融体中へのＮａ₂ＣＯ₃の置換
量とニオブ酸リチウム単結晶薄膜のａ軸の格子定数との
関係を示した図である。

【図１１】ＬＢフラックス系溶融体とＬＶフラックス系
溶融体との比較においてニオブ酸リチウム単結晶薄膜の
耐光損傷性のテスト結果を示す図である。

【符号の説明】

１ＬｉＴａＯ₃ 単結晶基板２ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶薄膜光導波路３ストライプパターン４Ｔｉ被膜５ＳｉＯ₂ 被膜６Ｔａ被膜７電子ビーム

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年２月１８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】本発明に係る第２高調波発生デバイスにおける
タンタル酸リチウム単結晶基板上に形成されたニオブ酸
リチウム単結晶薄膜（ドメイン反転処理前）の断面のセ
ラミック材料の組織を示した電子顕微鏡写真である。ま
た写真上の波形はホウ素のＥＰＭＡ分析の結果である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ニオブ酸リチウムとは基本組成を異にす
るヘテロ材料からなるヘテロ基板上にニオブ酸リチウム
単結晶薄膜光導波路を格子整合状態で形成し、該ニオブ
酸リチウム単結晶の薄膜光導波路にはホウ素が含有され
てなることを特徴とする第２高調波発生デバイス。
【請求項２】前記ホウ素の含有量は、5〜1000ppmであ
ることを特徴とする請求項１に記載の第２高調波発生デ
バイス。
【請求項３】前記ニオブ酸リチウム単結晶光導波路に
おける結晶構造のａ軸の格子定数は、前記ヘテロ基板の
結晶格子のａ軸の格子定数の 99.81〜100.07％の範囲内
であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の
第２高調波発生デバイス。
【請求項４】前記ヘテロ基板の結晶格子のａ軸の格子
定数は、5.128〜5.173Ａであることを特徴とする請求項
３に記載の第２高調波発生デバイス。
【請求項５】前記ニオブ酸リチウム単結晶光導波路中
には、0.02〜10.0モル％の範囲のナトリウム及び／又は
0.8〜10.8モル％の範囲のマグネシウムを含有してなる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の第２
高調波発生デバイス。
【請求項６】前記ニオブ酸リチウム単結晶光導波路の
常光屈折率をＮof₁、異常光屈折率をＮef₂ とし、前記
ヘテロ基板の異常光屈折率をＮes₂ としたとき、の関係を満たすようにニオブ酸リチウム単結晶光導波路
の特性を選択してなることを特徴とする請求項１ないし
請求項５に記載の第２高調波発生デバイス。
【請求項７】前記ニオブ酸リチウム単結晶光導波路が
その結晶軸方向に周期毎に分極反転されてなることを特
徴とする請求項１ないし請求項６に記載の第２高調波発
生デバイス。
【請求項８】入射光の波長をλf 、前記ニオブ酸リチ
ウム単結晶光導波路における入射光の屈折率をｎf 、第
２高調波の屈折率をｎSHとしたとき、前記ニオブ酸リチ
ウム単結晶光導波路における分極反転の間隔ｌc が、の関係を満たすように分極反転の間隔を選択してなるこ
とを特徴とする請求項７に記載した第２高調波発生デバ
イス。
【請求項９】ニオブ酸リチウムとは基本組成を異にす
るヘテロ材料からなるヘテロ基板上にホウ素を含有する
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成する工程と、このニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜にフォトリソグラフィによる
ストライプパターンを形成する工程と、このストライプ
パターンが形成されたニオブ酸リチウム単結晶薄膜上の
全体にドメイン反転処理のための被膜を形成する工程
と、前記ストライプパターン部分を除去してその部分の
前記被膜を除去する工程と、加熱及び急冷によりこのニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜を前記ストライプパターンに
沿ってドメイン反転させる工程とからなることを特徴と
する第２高調波発生デバイスの製造方法。
【請求項１０】ニオブ酸リチウムとは基本組成を異に
するヘテロ材料からなるヘテロ基板上にホウ素を含有す
るニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形成する工程と、この
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜に部分的に電子ビームを照
射することによりその部分のニオブ酸リチウム単結晶薄
膜をドメイン反転させる工程とからなることを特徴とす
る第２高調波発生デバイスの製造方法。