JPH0667233A - 導波路型第二高調波発生素子とその製造方法 - Google Patents
導波路型第二高調波発生素子とその製造方法Info
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- JPH0667233A JPH0667233A JP22056492A JP22056492A JPH0667233A JP H0667233 A JPH0667233 A JP H0667233A JP 22056492 A JP22056492 A JP 22056492A JP 22056492 A JP22056492 A JP 22056492A JP H0667233 A JPH0667233 A JP H0667233A
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- Japan
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- optical waveguide
- waveguide layer
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- harmonic
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 第二高調波変換効率を高め、波面収差を低め
た導波路型の第二高調波発生素子とその製造方法を提供
する。 【構成】 基板上に屈折率が基板より高く、また屈折率
が一様な光導波路を形成して光導波路内の光の散乱を低
め、上記光導波路内に矩形の自発分極反転域を周期的に
形成して第二高調波の位相整合性を向上することにより
第二高調波の変換効率を高め、また波面収差を低減す
る。このため、分極反転部を設けた基板上に単分域薄膜
の光導波層をＬＰＥ法により成長させた後、熱処理によ
り上記基板の分極反転部を光導波層内に転写して矩形断
面の分極反転格域を形成する。
た導波路型の第二高調波発生素子とその製造方法を提供
する。 【構成】 基板上に屈折率が基板より高く、また屈折率
が一様な光導波路を形成して光導波路内の光の散乱を低
め、上記光導波路内に矩形の自発分極反転域を周期的に
形成して第二高調波の位相整合性を向上することにより
第二高調波の変換効率を高め、また波面収差を低減す
る。このため、分極反転部を設けた基板上に単分域薄膜
の光導波層をＬＰＥ法により成長させた後、熱処理によ
り上記基板の分極反転部を光導波層内に転写して矩形断
面の分極反転格域を形成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光ディスク装置、レ−ザ
プリンタ、その他の光応用装置の光源の短波長化に係
り、とくに波長が約８００ｎｍの半導体レ−ザ光を波長
が約４００ｎｍの青色光に変換するような導波路型の第
２高調波発生素子（ＳＨＧ，Seconnd Harmonic Generet
ion）とその製造方法に関する。
プリンタ、その他の光応用装置の光源の短波長化に係
り、とくに波長が約８００ｎｍの半導体レ−ザ光を波長
が約４００ｎｍの青色光に変換するような導波路型の第
２高調波発生素子（ＳＨＧ，Seconnd Harmonic Generet
ion）とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】早い時期には、図２に示すようにニオブ
酸リチウム（以下ＬｉＮｂＯ3と記す）の単結晶２１の
表面にチタン（Ｔｉ）を熱拡散することにより形成した
光導波路２２の一端に、ｚ方向に偏光した常光線の基本
波２３（パワーＰ1）を入射し、第二高調波２４として
ｙ方向に偏光した異常光線を用い位相整合を行う方式が
報告されている。
酸リチウム（以下ＬｉＮｂＯ3と記す）の単結晶２１の
表面にチタン（Ｔｉ）を熱拡散することにより形成した
光導波路２２の一端に、ｚ方向に偏光した常光線の基本
波２３（パワーＰ1）を入射し、第二高調波２４として
ｙ方向に偏光した異常光線を用い位相整合を行う方式が
報告されている。
【０００３】また、特開昭６１−１８９６４公報には図
３に示すように、ＬｉＮｂＯ3単結晶基板２１上にプロ
トン交換法（ＬｉＮｂＯ3のＬｉイオンとプロトンを一
部置換する方法）により光導波路３１を形成し、その一
端より基板表面に対して垂直に偏光した基本波２３を入
射し、光導波路内でチェレンコフ放射により発生した垂
直偏光の第二高調波３２を取り出す方法が開示されてい
る。
３に示すように、ＬｉＮｂＯ3単結晶基板２１上にプロ
トン交換法（ＬｉＮｂＯ3のＬｉイオンとプロトンを一
部置換する方法）により光導波路３１を形成し、その一
端より基板表面に対して垂直に偏光した基本波２３を入
射し、光導波路内でチェレンコフ放射により発生した垂
直偏光の第二高調波３２を取り出す方法が開示されてい
る。
【０００４】また、エレクトロニクス、レターズ（Elec
tronics,Letters）第２５巻，第７３１〜７３２頁には
図４に示すように、ＬｉＮｂＯ3結晶基板２１上に周期
的にＴｉを製膜し、約１１００℃に加熱してＴｉ製膜部
４１の分極を転させ、その後プロトン交換法によって光
導波路４２を作製し、基本波２３を入射し第二高調波２
４を取り出す等の自発分極を持つ強誘電体上に自発分極
方向を等ピッチで反転させた分極反転部５５と、プロト
ン交換法により形成した光導波路４２を設け、光導波路
４２の一端よりｚ方向に偏光した基本波２３を入射し、
他端よりｚ方向に偏光した第２高調波２４を取り出す方
法が提案されている。
tronics,Letters）第２５巻，第７３１〜７３２頁には
図４に示すように、ＬｉＮｂＯ3結晶基板２１上に周期
的にＴｉを製膜し、約１１００℃に加熱してＴｉ製膜部
４１の分極を転させ、その後プロトン交換法によって光
導波路４２を作製し、基本波２３を入射し第二高調波２
４を取り出す等の自発分極を持つ強誘電体上に自発分極
方向を等ピッチで反転させた分極反転部５５と、プロト
ン交換法により形成した光導波路４２を設け、光導波路
４２の一端よりｚ方向に偏光した基本波２３を入射し、
他端よりｚ方向に偏光した第２高調波２４を取り出す方
法が提案されている。
【０００５】また結晶基板２１にタンタル酸リチウム
（ＬｉＴａＯ3）を用いる場合には、Ｔｉ拡散の替わり
にプロトン交換法によって周期的プロトン交換部４１を
作製し、約６００℃に加熱して回折格子層だけの分極を
反転させ、さらにプロトン交換法によって光導波路４２
を作製する方法も試みられている。
（ＬｉＴａＯ3）を用いる場合には、Ｔｉ拡散の替わり
にプロトン交換法によって周期的プロトン交換部４１を
作製し、約６００℃に加熱して回折格子層だけの分極を
反転させ、さらにプロトン交換法によって光導波路４２
を作製する方法も試みられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記図２の方法には、
常光２３に対する屈折率温度係数と、異常光の屈折率の
温度係数が大きく異なるため、０．１℃以下の温度制御
が必要になるという問題があった。また、図３に示すチ
ェレンコフ放射を用いる方法は、第二高調波のビーム形
状が３２のように三日月型となり、極めて波面収差が大
きく、これを回折限界まで絞り込むことはほとんど不可
能であった。
常光２３に対する屈折率温度係数と、異常光の屈折率の
温度係数が大きく異なるため、０．１℃以下の温度制御
が必要になるという問題があった。また、図３に示すチ
ェレンコフ放射を用いる方法は、第二高調波のビーム形
状が３２のように三日月型となり、極めて波面収差が大
きく、これを回折限界まで絞り込むことはほとんど不可
能であった。
【０００７】一方、図４の方法は第二高調波２４がコリ
メート光であるためチェレンコフ放射光に比較して集光
が極めて容易になるものの、分極反転格子を形成するＴ
ｉ拡散部分とＴｉ拡散されていない部分、あるいはプロ
トン交換した部分とプロトン交換されていない部分の屈
折率が異なるため、その境界部のフレネル反射損等によ
り基本波が損失を受け、効率が低下するという問題があ
った。
メート光であるためチェレンコフ放射光に比較して集光
が極めて容易になるものの、分極反転格子を形成するＴ
ｉ拡散部分とＴｉ拡散されていない部分、あるいはプロ
トン交換した部分とプロトン交換されていない部分の屈
折率が異なるため、その境界部のフレネル反射損等によ
り基本波が損失を受け、効率が低下するという問題があ
った。
【０００８】また、分極反転格子をＴｉを拡散したり、
プロトン交換したりして作製するため、分極反転格子の
断面形状がＴｉ拡散層やプロトン交換層の形状に依存
し、矩形断面の分極反転格子を作製することが本質的に
困難である。Ｔｉ拡散法で作製した分極反転格子の断面
形状は略三角形であり、プロトン交換法で作製した分極
反転格子の断面形状は略半円形であるため、理想的な矩
形断面の分極反転格子を持つＳＨＧ素子本来の効率で第
二高調波が発生できていないことが問題であった。
プロトン交換したりして作製するため、分極反転格子の
断面形状がＴｉ拡散層やプロトン交換層の形状に依存
し、矩形断面の分極反転格子を作製することが本質的に
困難である。Ｔｉ拡散法で作製した分極反転格子の断面
形状は略三角形であり、プロトン交換法で作製した分極
反転格子の断面形状は略半円形であるため、理想的な矩
形断面の分極反転格子を持つＳＨＧ素子本来の効率で第
二高調波が発生できていないことが問題であった。
【０００９】本発明の目的は上記図４に示した第二高調
波発生素子の改良に係り、とくに光導波路の屈折率を一
様にして基本波や第二高調波に対するフレネル損失を低
め、さらに、分極反転格子の断面を矩形化して効率を高
めた、波面収差が小さく集光が容易な導波路型第二高調
波発生素子とその製造方法を提供することにある。
波発生素子の改良に係り、とくに光導波路の屈折率を一
様にして基本波や第二高調波に対するフレネル損失を低
め、さらに、分極反転格子の断面を矩形化して効率を高
めた、波面収差が小さく集光が容易な導波路型第二高調
波発生素子とその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、強誘電体光学基板と、該基板より屈折率が高く分極
反転域を周期的に配置した強誘電体光導波層から成る第
二高調波発生素子において、上記光導波層のキュリ−点
を上記基板のキュリ−点より低くし、上記基板の光導波
層側の面に分極方向が反転する矩形の分極反転部を周期
的に設け、上記分極反転部上に上記光導波層の分極反転
域を設けるようにする。
に、強誘電体光学基板と、該基板より屈折率が高く分極
反転域を周期的に配置した強誘電体光導波層から成る第
二高調波発生素子において、上記光導波層のキュリ−点
を上記基板のキュリ−点より低くし、上記基板の光導波
層側の面に分極方向が反転する矩形の分極反転部を周期
的に設け、上記分極反転部上に上記光導波層の分極反転
域を設けるようにする。
【００１１】このため、上記基板および上記光導波層を
をニオブ酸リチウムとし、上記光導波層を基板に比べて
リチウムのニオブに対する比率を低めた組成比とするよ
うにする。また、上記基板をマグネシウムをドープした
ニオブ酸リチウムとし、上記光導波層をニオブ酸リチウ
ムとするようにする。または、上記基板および上記光導
波層をマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムと
し、上記光導波層を基板に比べてマグネシウムのドープ
比率を低めた組成比とするようにする。
をニオブ酸リチウムとし、上記光導波層を基板に比べて
リチウムのニオブに対する比率を低めた組成比とするよ
うにする。また、上記基板をマグネシウムをドープした
ニオブ酸リチウムとし、上記光導波層をニオブ酸リチウ
ムとするようにする。または、上記基板および上記光導
波層をマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムと
し、上記光導波層を基板に比べてマグネシウムのドープ
比率を低めた組成比とするようにする。
【００１２】また、分極反転部を周期的に設けた基板上
の光導波層を、強誘電体金属酸化物の原料粉末をフラッ
クス存在下で加熱溶融した溶融体を準備する工程と、前
記溶融体の温度を結晶析出温度に降下し、前記基板の分
極反転された表面に接触して金属酸化膜を液相エピタキ
シャル成長させる工程と、次いで上記金属酸化膜のキュ
リ−点近傍の温度で熱処理する工程とにより形成するよ
うにする。また、分極反転部を周期的に設けた基板上の
光導波層を、強誘電体金属酸化物の原料粉末をフラック
ス存在下で加熱溶融した溶融体を準備する工程と、前記
溶融体をキュリ−点以上の結晶析出温度にて前記基板の
分極反転された表面に接触して金属酸化膜を液相エピタ
キシャル成長させるようにする。
の光導波層を、強誘電体金属酸化物の原料粉末をフラッ
クス存在下で加熱溶融した溶融体を準備する工程と、前
記溶融体の温度を結晶析出温度に降下し、前記基板の分
極反転された表面に接触して金属酸化膜を液相エピタキ
シャル成長させる工程と、次いで上記金属酸化膜のキュ
リ−点近傍の温度で熱処理する工程とにより形成するよ
うにする。また、分極反転部を周期的に設けた基板上の
光導波層を、強誘電体金属酸化物の原料粉末をフラック
ス存在下で加熱溶融した溶融体を準備する工程と、前記
溶融体をキュリ−点以上の結晶析出温度にて前記基板の
分極反転された表面に接触して金属酸化膜を液相エピタ
キシャル成長させるようにする。
【００１３】さらに上記フラックスを、五酸化バナジウ
ム（Ｖ2Ｏ5）、または三酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）、または
フッ化リチウム（ＬｉＦ）、またはフッ化カリウム（Ｋ
Ｆ）、または三酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）と、三酸化モリブ
デン（ＭｏＯ3）、または三酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）と三
酸化タングステン（ＷＯ3）の混合物とするようにす
る。
ム（Ｖ2Ｏ5）、または三酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）、または
フッ化リチウム（ＬｉＦ）、またはフッ化カリウム（Ｋ
Ｆ）、または三酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）と、三酸化モリブ
デン（ＭｏＯ3）、または三酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）と三
酸化タングステン（ＷＯ3）の混合物とするようにす
る。
【００１４】
【作用】上記エピタキシャル膜を均一に成長させること
により、屈折率が均一な光導波層を基板上に形成するこ
とができ、これにより、光導波層内の分極反転域におけ
る基本波と第２高調波のフレネル反射損失が低減され
る。また、上記光導波層の屈折率を基板より高めること
により光を光導波層内に閉じ込めることができる。ま
た、上記光導波層のキュリ−点を上記基板のキュリ−点
より低めることにより、基板上に周期的に設けた分極反
転部の分極方向が光導波層内に転写されて矩形の分極反
転域が形成される。この結果、光導波層内で発生する第
２高調波の位相バラツキが低減され第２高調波変換効率
が向上する。
により、屈折率が均一な光導波層を基板上に形成するこ
とができ、これにより、光導波層内の分極反転域におけ
る基本波と第２高調波のフレネル反射損失が低減され
る。また、上記光導波層の屈折率を基板より高めること
により光を光導波層内に閉じ込めることができる。ま
た、上記光導波層のキュリ−点を上記基板のキュリ−点
より低めることにより、基板上に周期的に設けた分極反
転部の分極方向が光導波層内に転写されて矩形の分極反
転域が形成される。この結果、光導波層内で発生する第
２高調波の位相バラツキが低減され第２高調波変換効率
が向上する。
【００１５】また、上記基板および上記光導波層ををニ
オブ酸リチウムとし、上記光導波層を基板に比べてリチ
ウムのニオブに対する比率を低めた組成比、または、上
記基板をマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム、
上記光導波層をニオブ酸リチウムとし、または、上記基
板および上記光導波層をマグネシウムをドープしたニオ
ブ酸リチウムとし、上記光導波層を基板に比べてマグネ
シウムのドープ比率を低めた組成比とすることにより、
光導波層のキュリ−点が基板のキュリ−点より低められ
る。
オブ酸リチウムとし、上記光導波層を基板に比べてリチ
ウムのニオブに対する比率を低めた組成比、または、上
記基板をマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム、
上記光導波層をニオブ酸リチウムとし、または、上記基
板および上記光導波層をマグネシウムをドープしたニオ
ブ酸リチウムとし、上記光導波層を基板に比べてマグネ
シウムのドープ比率を低めた組成比とすることにより、
光導波層のキュリ−点が基板のキュリ−点より低められ
る。
【００１６】また、上記基板上の光導波層は、強誘電体
金属酸化物の原料粉末をフラックス存在下で加熱溶融し
た溶融体を結晶析出温度にて分極反転部を周期的に設け
た基板面に接触して金属酸化膜を液相エピタキシャル成
長させ、次いで上記金属酸化膜のキュリ−点近傍におけ
る熱処理により形成される。また、上記基板上の光導波
層は、強誘電体金属酸化物の原料粉末をフラックス存在
下で加熱溶融した溶融体をキュリ−点以上の結晶析出温
度にて分極反転部を周期的に設けた基板面に接触して金
属酸化膜を液相エピタキシャル成長さることにより形成
される。
金属酸化物の原料粉末をフラックス存在下で加熱溶融し
た溶融体を結晶析出温度にて分極反転部を周期的に設け
た基板面に接触して金属酸化膜を液相エピタキシャル成
長させ、次いで上記金属酸化膜のキュリ−点近傍におけ
る熱処理により形成される。また、上記基板上の光導波
層は、強誘電体金属酸化物の原料粉末をフラックス存在
下で加熱溶融した溶融体をキュリ−点以上の結晶析出温
度にて分極反転部を周期的に設けた基板面に接触して金
属酸化膜を液相エピタキシャル成長さることにより形成
される。
【００１７】
〔実施例 １〕以下本発明の実施例１を図１、５、６に
より説明する。図１は第二高調波発生素子の断面図、図
５はその動作説明図、図６はその製造工程図である。本
発明では第二高調波発生素子の周期的分極反転格子断面
形状を矩形化して、効率を高めることを目的としてい
る。また、本実施例では基板５１の＋ｃ面上に光導波層
５２を形成する。
より説明する。図１は第二高調波発生素子の断面図、図
５はその動作説明図、図６はその製造工程図である。本
発明では第二高調波発生素子の周期的分極反転格子断面
形状を矩形化して、効率を高めることを目的としてい
る。また、本実施例では基板５１の＋ｃ面上に光導波層
５２を形成する。
【００１８】このため図１（ａ）に示すような構造を考
える。基板５１の＋ｃ面上に光導波層５２を設け、光導
波層５２内には自発分極が上向きの部分５４と下向きの
部分（分極反転域）５５を周期的に配置する。なお、５
３はクラッド層で通常は空気層である。５６は上記分極
反転域５５を形成するために基板内に設けた分極反転部
であり、基板５１に対する分極方向は反転している。Λ
は上記５５の周期である。
える。基板５１の＋ｃ面上に光導波層５２を設け、光導
波層５２内には自発分極が上向きの部分５４と下向きの
部分（分極反転域）５５を周期的に配置する。なお、５
３はクラッド層で通常は空気層である。５６は上記分極
反転域５５を形成するために基板内に設けた分極反転部
であり、基板５１に対する分極方向は反転している。Λ
は上記５５の周期である。
【００１９】基板５１と光導波層５２が例えばＬｉＮｂ
Ｏ3のような空間群Ｒ３Ｃの強誘電体であると、光導波
層５２内の屈折率ｎは自発分極の向きによらず一定にな
るので（M.Didomenco Jr.著、Journal of Applied Phys
ics誌、Vol.40,No.2,pp720〜734参照）、光導波層５２
に入射される基本波（波長λ）は自発分極部５４と５５
の界面でフレネル反射しなくなる。すなわち、基本波の
反射損失を防止することができる。
Ｏ3のような空間群Ｒ３Ｃの強誘電体であると、光導波
層５２内の屈折率ｎは自発分極の向きによらず一定にな
るので（M.Didomenco Jr.著、Journal of Applied Phys
ics誌、Vol.40,No.2,pp720〜734参照）、光導波層５２
に入射される基本波（波長λ）は自発分極部５４と５５
の界面でフレネル反射しなくなる。すなわち、基本波の
反射損失を防止することができる。
【００２０】図１（ｂ）はこのような屈折率の一様性を
示す図である。上記光導波層５２は液相エピタキシャル
成長法やスパッタリング法などの気相成長法、またはエ
ピタキシャル・グロ−ス・バイ・メルティングなどの固
相成長法を用いて形成することができる。この結果、キ
ュリ-点が基板５１より低い光導波層５２を形成するこ
とができ、これにより自発分極部５５の形状を矩形に形
成することができるのである。
示す図である。上記光導波層５２は液相エピタキシャル
成長法やスパッタリング法などの気相成長法、またはエ
ピタキシャル・グロ−ス・バイ・メルティングなどの固
相成長法を用いて形成することができる。この結果、キ
ュリ-点が基板５１より低い光導波層５２を形成するこ
とができ、これにより自発分極部５５の形状を矩形に形
成することができるのである。
【００２１】次ぎに、上記自発分極部５５の形状を矩形
に形成する方法について説明する。本発明では基板５１
上に分極反転部５６を設けてから光導波層５２を形成す
る。光導波層５２をそのキュリ-点よりわずかに低い温
度で熱処理すると光導波層５２の自発分極は基板５１に
比べ小さくなる。したがって、光導波層５２は基板５１
の分極反転部５６面から垂直方向の電界を受けることに
なる。一方、単分域結晶にその自発分極と逆向きの電界
を加えると、まず表面に逆向きの分域の芽が発生し、電
界から分域壁を維持するエネルギ−に打ち勝つだけのエ
ネルギ−が供給されてその芽は電界の方向に沿って伸び
てゆき、結晶の端に達することがしられている（川辺和
夫の著書「強誘電体」の第８章参照）。
に形成する方法について説明する。本発明では基板５１
上に分極反転部５６を設けてから光導波層５２を形成す
る。光導波層５２をそのキュリ-点よりわずかに低い温
度で熱処理すると光導波層５２の自発分極は基板５１に
比べ小さくなる。したがって、光導波層５２は基板５１
の分極反転部５６面から垂直方向の電界を受けることに
なる。一方、単分域結晶にその自発分極と逆向きの電界
を加えると、まず表面に逆向きの分域の芽が発生し、電
界から分域壁を維持するエネルギ−に打ち勝つだけのエ
ネルギ−が供給されてその芽は電界の方向に沿って伸び
てゆき、結晶の端に達することがしられている（川辺和
夫の著書「強誘電体」の第８章参照）。
【００２２】したがって、本発明では基板５１上の分極
反転部５６が上記分域の芽に相当すし、そこから光導波
層５２内に反転電界がかかるので、分極反転部５６上の
分極方向は基板５１に対して分極方向が反転し、他の部
分では基板５１と同じ分極方向を有するようになる。以
上により、図１（ａ）に示すような矩形断面の周期的分
極反転格子を有する光導波層５２を形成することができ
る。
反転部５６が上記分域の芽に相当すし、そこから光導波
層５２内に反転電界がかかるので、分極反転部５６上の
分極方向は基板５１に対して分極方向が反転し、他の部
分では基板５１と同じ分極方向を有するようになる。以
上により、図１（ａ）に示すような矩形断面の周期的分
極反転格子を有する光導波層５２を形成することができ
る。
【００２３】上記熱処理温度は光導波層５２のキュリ−
点より高く、基板５１のキュリ−点より十分低い温度で
も良い。この場合は基板の分域は維持され、光導波層は
常誘電層になり自発分極は消滅しているので熱処理後の
冷却時に矩形断面の周期的分極反転格子が形成される。
点より高く、基板５１のキュリ−点より十分低い温度で
も良い。この場合は基板の分域は維持され、光導波層は
常誘電層になり自発分極は消滅しているので熱処理後の
冷却時に矩形断面の周期的分極反転格子が形成される。
【００２４】上記本発明の光導波層５２は材料の組合せ
により作製することができる（B.C.Grabmaier著、Journ
al of Crystal Growth誌、Vol．１１０（１９９１），
ｐｐ３３９〜３４７参照）。例えば、基板５１にはマグ
ネシウムが５モル％ド−プされたＬｉＮｂＯ3を用い、
光導波層５２にはコングルエント組成のＬｉＮｂＯ3を
用いるようにする。上記基板５１用のＬｉＮｂＯ3のキ
ュリ−点は約１２２５℃である。
により作製することができる（B.C.Grabmaier著、Journ
al of Crystal Growth誌、Vol．１１０（１９９１），
ｐｐ３３９〜３４７参照）。例えば、基板５１にはマグ
ネシウムが５モル％ド−プされたＬｉＮｂＯ3を用い、
光導波層５２にはコングルエント組成のＬｉＮｂＯ3を
用いるようにする。上記基板５１用のＬｉＮｂＯ3のキ
ュリ−点は約１２２５℃である。
【００２５】また、リチウムのニオブに対する比率を変
化するとキュリ−点を例えばノンド−プ（無添加）のＬ
ｉＮｂＯ3では１１５０℃から１０７５℃もしくはそれ
以上の範囲に低めることができ、また、市販の上記コン
グルエント組成材料のキュリ−点は約１１５０℃なの
で、これらを光導波層５２用に用いるようにする。な
お、上記基板５１用ＬｉＮｂＯ3の屈折率は光導波層５
２用のコングルエント組成のＬｉＮｂＯ3より低く、例
えば波長６３２８Åに対する異常光屈折率はそれぞれ、
２．１９２、２．２００である。
化するとキュリ−点を例えばノンド−プ（無添加）のＬ
ｉＮｂＯ3では１１５０℃から１０７５℃もしくはそれ
以上の範囲に低めることができ、また、市販の上記コン
グルエント組成材料のキュリ−点は約１１５０℃なの
で、これらを光導波層５２用に用いるようにする。な
お、上記基板５１用ＬｉＮｂＯ3の屈折率は光導波層５
２用のコングルエント組成のＬｉＮｂＯ3より低く、例
えば波長６３２８Åに対する異常光屈折率はそれぞれ、
２．１９２、２．２００である。
【００２６】図１（ｃ）は同図（ａ）に第二高調波の発
生性能を表す係数ｄを記入した図である。また、光導波
層に閉じ込められた導波光は基板５１の非線形性の影響
をほとんど受けないので、図１（ｃ）を図１（ｄ）のよ
うに近似することができる。
生性能を表す係数ｄを記入した図である。また、光導波
層に閉じ込められた導波光は基板５１の非線形性の影響
をほとんど受けないので、図１（ｃ）を図１（ｄ）のよ
うに近似することができる。
【００２７】図５は上記本発明による第二高調波発生素
子の上面図と断面図である。基板５１は表面が＋ｃ面で
ある５ｍｏｌ％ＭｇＯドープのＺｃｕｔＬｉＮｂＯ3単
結晶、光導波層５２は通常自発分極は上向きのＬｉＮｂ
Ｏ3単結晶薄膜である。また分極反転部５６と分極部分
５５の非線形光学系数はともに下向きである。上記光導
波層５２上にリッジ型の光導波路１８を形成する。レ−
ザ１１の出射光（基本波）を光学系１２により基板表面
に対して垂直方向に偏光して集光し入射する。
子の上面図と断面図である。基板５１は表面が＋ｃ面で
ある５ｍｏｌ％ＭｇＯドープのＺｃｕｔＬｉＮｂＯ3単
結晶、光導波層５２は通常自発分極は上向きのＬｉＮｂ
Ｏ3単結晶薄膜である。また分極反転部５６と分極部分
５５の非線形光学系数はともに下向きである。上記光導
波層５２上にリッジ型の光導波路１８を形成する。レ−
ザ１１の出射光（基本波）を光学系１２により基板表面
に対して垂直方向に偏光して集光し入射する。
【００２８】第二高調波は光導波路１８内で発生し、同
様に基板表面に垂直方向に偏光している。基本波と第二
高調波はともに光導波路１８内に閉じ込められて伝搬す
る。なお参考のため、上記第二高調波の的発生効率の理
論について本実施例欄の末尾に記載した。
様に基板表面に垂直方向に偏光している。基本波と第二
高調波はともに光導波路１８内に閉じ込められて伝搬す
る。なお参考のため、上記第二高調波の的発生効率の理
論について本実施例欄の末尾に記載した。
【００２９】図６は液相エピタキシャル成長法と熱処理
による上記第二高調波発生素子の製造方法の工程図であ
る。まず、図６（ａ）に示す５ｍｏｌ％ＭｇＯドープＬ
ｉＮｂＯ3の基板５１の表面の＋ｃ面を基本波長λの１
／１０程度にまで研磨してから、アセトン、イソプロピ
ールアルコール、純水中で超音波洗浄し乾燥する。次い
で同図（ｂ）のように、上記＋ｃ面上に３０ÅのＴｉ膜
８１をスパッタリング成膜する。
による上記第二高調波発生素子の製造方法の工程図であ
る。まず、図６（ａ）に示す５ｍｏｌ％ＭｇＯドープＬ
ｉＮｂＯ3の基板５１の表面の＋ｃ面を基本波長λの１
／１０程度にまで研磨してから、アセトン、イソプロピ
ールアルコール、純水中で超音波洗浄し乾燥する。次い
で同図（ｂ）のように、上記＋ｃ面上に３０ÅのＴｉ膜
８１をスパッタリング成膜する。
【００３０】次いで同図（ｃ）のように、Ｔｉ膜８１上
にホトレジスト８２をスピンナーで塗布し、これに分極
反転部５６が窓あけされたホトマスクを用いてホトレジ
スト８２のパターニングを行う（図６（ｃ））。次い
で、上記ホトレジスト８２をマスクにしてＣＦ3Ｃｌガ
スを用いたＲＩＥによりＴｉ８１をパターニングし、ホ
トレジスト８２を除去する（図６（ｅ））。なお、上記
ホトマスクのパターン周期を２．５から３．５μｍまで
０．１μｍずつ変えて１１種類を作製した。
にホトレジスト８２をスピンナーで塗布し、これに分極
反転部５６が窓あけされたホトマスクを用いてホトレジ
スト８２のパターニングを行う（図６（ｃ））。次い
で、上記ホトレジスト８２をマスクにしてＣＦ3Ｃｌガ
スを用いたＲＩＥによりＴｉ８１をパターニングし、ホ
トレジスト８２を除去する（図６（ｅ））。なお、上記
ホトマスクのパターン周期を２．５から３．５μｍまで
０．１μｍずつ変えて１１種類を作製した。
【００３１】次いで、上記基板を電気炉に入れ、約８０
℃の温水のバブラー中を通して水蒸気を含ませたＡｒの
雰囲気下において、約１１００℃で約１０分熱処理す
る。また、冷却時には雰囲気を水蒸気を含ませたＯ2に
変えた。これにより図６（ｆ）に示すように基板５１の
＋ｃ表面に分域反転部５６が形成される。
℃の温水のバブラー中を通して水蒸気を含ませたＡｒの
雰囲気下において、約１１００℃で約１０分熱処理す
る。また、冷却時には雰囲気を水蒸気を含ませたＯ2に
変えた。これにより図６（ｆ）に示すように基板５１の
＋ｃ表面に分域反転部５６が形成される。
【００３２】次いで、上記基板５１の＋ｃ面に、液相エ
ピタキシャル結晶成長法により単分域のＬｉＮｂＯ3単
結晶薄膜の光導波層５２を成長させる。上記エピタキシ
ャル成長時の溶融体は、原料として５０モル％の炭酸リ
チウムＬｉ2ＣＯ3、１０モル％の五酸化ニオブＮｂ
2Ｏ5、４０モル％の五酸化バナジウムＶ2Ｏ5の各粉末を
秤量、混合した後、白金るつぼに入れて９００℃で溶解
し、電気炉内で空気雰囲気下において１２００℃の温度
で１０時間維持し、均一に作製する。
ピタキシャル結晶成長法により単分域のＬｉＮｂＯ3単
結晶薄膜の光導波層５２を成長させる。上記エピタキシ
ャル成長時の溶融体は、原料として５０モル％の炭酸リ
チウムＬｉ2ＣＯ3、１０モル％の五酸化ニオブＮｂ
2Ｏ5、４０モル％の五酸化バナジウムＶ2Ｏ5の各粉末を
秤量、混合した後、白金るつぼに入れて９００℃で溶解
し、電気炉内で空気雰囲気下において１２００℃の温度
で１０時間維持し、均一に作製する。
【００３３】次いでこの溶融体を３０℃／ｈの冷却速度
で９３０℃まで冷却し、その中に同図（ｆ）の基板を２
分３０秒接触させると、同図（ｇ）の２．５μｍのＬｉ
ＮｂＯ3薄膜の光導波層５２が成長する。このサンプル
を１０枚製作した。次いで基板５１を電気炉中で３０℃
／ｈの冷却速度で室温に徐冷する。
で９３０℃まで冷却し、その中に同図（ｆ）の基板を２
分３０秒接触させると、同図（ｇ）の２．５μｍのＬｉ
ＮｂＯ3薄膜の光導波層５２が成長する。このサンプル
を１０枚製作した。次いで基板５１を電気炉中で３０℃
／ｈの冷却速度で室温に徐冷する。
【００３４】光導波層５２の表面を硝酸：ふっ酸＝１：
２のエッチング液によりエッチングしてエッチング状態
の違いから光導波層５２の分域を観察したところ、分極
ピッチΛにかかわらず分極反転部５５形成前の基板５１
に対して分極方向が反転している単分域膜が形成されて
いることが判明した。なお、上記光導波層５２のエピタ
キシャル成長におけるフラックス材料には上記五酸化バ
ナジウム（Ｖ2Ｏ5）のほか、３酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）、
フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、
３酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）および３酸化モリブデン（Ｍｏ
Ｏ3）、３酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）および３酸化タングス
テン（ＷＯ3）等を用いても良い。
２のエッチング液によりエッチングしてエッチング状態
の違いから光導波層５２の分域を観察したところ、分極
ピッチΛにかかわらず分極反転部５５形成前の基板５１
に対して分極方向が反転している単分域膜が形成されて
いることが判明した。なお、上記光導波層５２のエピタ
キシャル成長におけるフラックス材料には上記五酸化バ
ナジウム（Ｖ2Ｏ5）のほか、３酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）、
フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、
３酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）および３酸化モリブデン（Ｍｏ
Ｏ3）、３酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）および３酸化タングス
テン（ＷＯ3）等を用いても良い。
【００３５】次いで同図（ｇ）の基板５１を電気炉に入
れ、約８０℃の温水のバブラー中を通して水蒸気を含ま
せたＡｒの雰囲気下におき、約１１５０℃で約１０分熱
処理した。また、冷却時には雰囲気を水蒸気を含ませた
Ｏ2に変えた。この光導波層５２（単結晶薄膜）と基板
５１の分域を上記のエッチング液でエッチングして観察
したところ、周期Λにかかわず分極部５４と同５５の方
向は対応する基板５１の分極方向と同一であり、その界
面は基板５１面に対してほぼ垂直であった。
れ、約８０℃の温水のバブラー中を通して水蒸気を含ま
せたＡｒの雰囲気下におき、約１１５０℃で約１０分熱
処理した。また、冷却時には雰囲気を水蒸気を含ませた
Ｏ2に変えた。この光導波層５２（単結晶薄膜）と基板
５１の分域を上記のエッチング液でエッチングして観察
したところ、周期Λにかかわず分極部５４と同５５の方
向は対応する基板５１の分極方向と同一であり、その界
面は基板５１面に対してほぼ垂直であった。
【００３６】ところで、５０モル％の炭酸リチウムＬｉ
2ＣＯ3，２５モル％の５酸化ニオブＮｂ2Ｏ5，２５モル
％の５酸化バナジウムＶ2Ｏ5よりなる溶融体から１１０
０℃の温度でＬｉＮｂＯ3薄膜を成長させ、熱処理を行
なわずに光導波層５２（単結晶薄膜）と基板５１の分域
を上記のエッチング液で観察したところ、周期Λにかか
わらず分極部５４と同５５の方向は対応する基板５１の
分極方向と同一であり、その界面は基板５１面に対して
ほぼ垂直であった。このように熱処理を行なわずに基板
の分域を薄膜に転写できたのはＬｉＮｂＯ3薄膜が常誘
電相で成長したためであり、成長後の室温まで除冷する
間のキュリ−点を通過するときに分極の転写が行なわれ
ているからである。また、上記基板５１をオゾン雰囲気
内でアニ−ルして光導波層５２の酸素の欠損を補った
後、ＥＰＭＡを用いて光導波層５２（ＬｉＮｂＯ3薄
膜）内のニオブ量を調べたところ市販のコングルエント
ＬｉＮｂＯ3基板と同量であった。
2ＣＯ3，２５モル％の５酸化ニオブＮｂ2Ｏ5，２５モル
％の５酸化バナジウムＶ2Ｏ5よりなる溶融体から１１０
０℃の温度でＬｉＮｂＯ3薄膜を成長させ、熱処理を行
なわずに光導波層５２（単結晶薄膜）と基板５１の分域
を上記のエッチング液で観察したところ、周期Λにかか
わらず分極部５４と同５５の方向は対応する基板５１の
分極方向と同一であり、その界面は基板５１面に対して
ほぼ垂直であった。このように熱処理を行なわずに基板
の分域を薄膜に転写できたのはＬｉＮｂＯ3薄膜が常誘
電相で成長したためであり、成長後の室温まで除冷する
間のキュリ−点を通過するときに分極の転写が行なわれ
ているからである。また、上記基板５１をオゾン雰囲気
内でアニ−ルして光導波層５２の酸素の欠損を補った
後、ＥＰＭＡを用いて光導波層５２（ＬｉＮｂＯ3薄
膜）内のニオブ量を調べたところ市販のコングルエント
ＬｉＮｂＯ3基板と同量であった。
【００３７】最後にエッチング、ＥＰＭＡ評価していな
いサンプルについてチャンネル部を作製する。まず、チ
ャンネル部が光遮蔽部となっているホトマスクによりホ
トレジスト８２を図６（ｉ）のようにパターニングし
て、次にこのホトレジストをマスクとしてイオンミリン
グにより、光導波層５２を２μｍエッチングする。チャ
ンネル幅は３μｍである。次いでホトレジスト８２を除
去すると図６（ｊ）が得られる。
いサンプルについてチャンネル部を作製する。まず、チ
ャンネル部が光遮蔽部となっているホトマスクによりホ
トレジスト８２を図６（ｉ）のようにパターニングし
て、次にこのホトレジストをマスクとしてイオンミリン
グにより、光導波層５２を２μｍエッチングする。チャ
ンネル幅は３μｍである。次いでホトレジスト８２を除
去すると図６（ｊ）が得られる。
【００３８】なお、上記イオンミリング装置はプラズマ
室が円錐状の空洞真空容器の外周に複数の永久磁石を配
した構造であり、またプラズマ生成室で生成したイオン
が、加速電極、減速電極、接地電極の三枚組の電極によ
って引きだされる構造であるため、イオンの空間密度分
布が一様であり、かつ指向性も極めて高く、極めて高精
度にエッチングすることができる。
室が円錐状の空洞真空容器の外周に複数の永久磁石を配
した構造であり、またプラズマ生成室で生成したイオン
が、加速電極、減速電極、接地電極の三枚組の電極によ
って引きだされる構造であるため、イオンの空間密度分
布が一様であり、かつ指向性も極めて高く、極めて高精
度にエッチングすることができる。
【００３９】上記の工程により作製した光導波路に、波
長λ＝８３０ｎｍのＴｉ−Ｓレーザ光をプリズムカップ
ラを介して基板表面に対して垂直に偏光入射したとこ
ろ、基板表面に対して垂直方向に電場の主成分を持つ一
本のＴＭモードが励振され、その実効屈折率Ｎ（ω）＝
２．１６８６であった。また、λ＝４１５ｎｍの色素レ
ーザ光で同様の測定を行ったところ二本のモードが励振
され、低次モードの実効屈折率はＮ（２ω）＝２．３０
１６であった。
長λ＝８３０ｎｍのＴｉ−Ｓレーザ光をプリズムカップ
ラを介して基板表面に対して垂直に偏光入射したとこ
ろ、基板表面に対して垂直方向に電場の主成分を持つ一
本のＴＭモードが励振され、その実効屈折率Ｎ（ω）＝
２．１６８６であった。また、λ＝４１５ｎｍの色素レ
ーザ光で同様の測定を行ったところ二本のモードが励振
され、低次モードの実効屈折率はＮ（２ω）＝２．３０
１６であった。
【００４０】また、カットバック法により８３０ｎｍの
光に対する光伝搬損失を測定したところ、１ｄＢ／ｃｍ
という良好な値を得た。この理由の第一は液相エピタキ
シャル成長により高品質の薄膜が成長できたためであ
り、第二には指向性の高いイオンミリング装置を用いた
エッチングによりチャンネル部の側壁が極めて高精度に
加工できたことに基づいている。
光に対する光伝搬損失を測定したところ、１ｄＢ／ｃｍ
という良好な値を得た。この理由の第一は液相エピタキ
シャル成長により高品質の薄膜が成長できたためであ
り、第二には指向性の高いイオンミリング装置を用いた
エッチングによりチャンネル部の側壁が極めて高精度に
加工できたことに基づいている。
【００４１】数１１により、Ｍ＝１の場合の分極反転周
期Λを求めると約３．１μｍであるから、Λ＝３．１μ
ｍの試料を光導波路長＝１０ｍｍ、垂直長＝５ｍｍで切
断し、垂直辺を研磨して第二高調波発生実験を行った。
上記実験においては、対物レンズ１２によりＴｉ−Ｓレ
ーザ光１１をチャンネル部端面に集光し、試料をペルチ
ェ素子を接続した銅ブロック上に乗せ、熱電対でその温
度をモニタし、まず温度２５℃にて第二高調波の発生効
率が最大になるようにレーザ光源の波長を設定した。
期Λを求めると約３．１μｍであるから、Λ＝３．１μ
ｍの試料を光導波路長＝１０ｍｍ、垂直長＝５ｍｍで切
断し、垂直辺を研磨して第二高調波発生実験を行った。
上記実験においては、対物レンズ１２によりＴｉ−Ｓレ
ーザ光１１をチャンネル部端面に集光し、試料をペルチ
ェ素子を接続した銅ブロック上に乗せ、熱電対でその温
度をモニタし、まず温度２５℃にて第二高調波の発生効
率が最大になるようにレーザ光源の波長を設定した。
【００４２】その結果、基本波入力４０ｍＷにて４ｍＷ
の第二高調波出力が得られ、フレネル反射損失を考慮し
た効率は１１．８％であった。この値は式（１８）から
計算される理論値４０％の約１／３であるが、従来例に
比べると充分に高い値である。また上記の結果より推定
すると、出力２００ｍＷの大出力半導体レーザを結合効
率５０％で光導波路へ結合すると第二高調波の発生効率
は約３０％となり、３０ｍＷの第二高調波出力が得ら
れ、光磁気型光ディスクや相変化型光ディスクの書き込
み、再生用の光源として十分使用できることになる。
の第二高調波出力が得られ、フレネル反射損失を考慮し
た効率は１１．８％であった。この値は式（１８）から
計算される理論値４０％の約１／３であるが、従来例に
比べると充分に高い値である。また上記の結果より推定
すると、出力２００ｍＷの大出力半導体レーザを結合効
率５０％で光導波路へ結合すると第二高調波の発生効率
は約３０％となり、３０ｍＷの第二高調波出力が得ら
れ、光磁気型光ディスクや相変化型光ディスクの書き込
み、再生用の光源として十分使用できることになる。
【００４３】〔実施例 ２〕実施例１においては基板５
１の＋ｃ面上に光導波層５２を形成した。しかし、−ｃ
面上に形成することもできる。また、基板５１上の分極
反転部を電子線照射により形成することもでき、同様に
良好な性能を得ることができる。本実施例では化学量論
比組成のｚｃｕｔＬｉＮｂＯ3単結晶の基板５１の−ｃ
面上に、通常自発分極が下向きのコングルエント組成に
比べてリチウムの少ないＬｉＮｂＯ3単結晶薄膜の光導
波層５２を形成する。したがって、基板５１の下面が＋
ｃ面になる。
１の＋ｃ面上に光導波層５２を形成した。しかし、−ｃ
面上に形成することもできる。また、基板５１上の分極
反転部を電子線照射により形成することもでき、同様に
良好な性能を得ることができる。本実施例では化学量論
比組成のｚｃｕｔＬｉＮｂＯ3単結晶の基板５１の−ｃ
面上に、通常自発分極が下向きのコングルエント組成に
比べてリチウムの少ないＬｉＮｂＯ3単結晶薄膜の光導
波層５２を形成する。したがって、基板５１の下面が＋
ｃ面になる。
【００４４】図７は上記第二高調波発生素子の製造工程
図である。まず、基板５１の表面に分極反転部６５を形
成する。基板５１の両面をレーザ光に対して波長λの１
／１０程度まで研磨してアセトン、イソプロピールアル
コール、純水中で超音波洗浄後乾燥し、図７（ｂ）に示
すように、＋ｃ面（下面）にＣｒ膜９１を２０００Åの
厚みにスパッタリング成膜する。
図である。まず、基板５１の表面に分極反転部６５を形
成する。基板５１の両面をレーザ光に対して波長λの１
／１０程度まで研磨してアセトン、イソプロピールアル
コール、純水中で超音波洗浄後乾燥し、図７（ｂ）に示
すように、＋ｃ面（下面）にＣｒ膜９１を２０００Åの
厚みにスパッタリング成膜する。
【００４５】次いで室温下にてＣｒ膜９１を接地し、半
導体製造プロセス用の電子ビ−ム描画装置を用い、加速
電圧２５ｋＶ、電子流速度２×１０9電子／秒にて−ｃ
面に電子ビ−ムを格子パタ−ン状に照射し、同図（ｃ）
のように−ｃ表面にパタ−ン周期Λを０．１μｍづつ変
えた２．５から３．５μｍまでの１１種類の分域反転域
６５形成した（第３８回応用物理学関係連合会講演予稿
集（１９９１年秋季）１１ｐ−Ｍ−８（ｐ９５３）参
照）。
導体製造プロセス用の電子ビ−ム描画装置を用い、加速
電圧２５ｋＶ、電子流速度２×１０9電子／秒にて−ｃ
面に電子ビ−ムを格子パタ−ン状に照射し、同図（ｃ）
のように−ｃ表面にパタ−ン周期Λを０．１μｍづつ変
えた２．５から３．５μｍまでの１１種類の分域反転域
６５形成した（第３８回応用物理学関係連合会講演予稿
集（１９９１年秋季）１１ｐ−Ｍ−８（ｐ９５３）参
照）。
【００４６】次に硝酸第二セリウムアンモニウム液によ
りＣｒ膜９１を同図（ｄ）のようにエッチング除去し、
基板の−ｃ面に、液相エピタキシャル結晶成長法で単分
域のＬｉＮｂＯ3単結晶薄膜を以下のようにして成長さ
せた。上記エピタキシャル成長時の溶融体は、４８モル
％の炭酸リチウムＬｉ2ＣＯ3、１２モル％の五酸化ニオ
ブＮｂ2Ｏ5、４０モル％の五酸化バナジウムＶ2Ｏ5の各
粉末を秤量、混合した後、白金るつぼに入れて９００℃
で溶解し、電気炉内で空気雰囲気下において１２００℃
の温度で１０時間維持して均一に作製する。
りＣｒ膜９１を同図（ｄ）のようにエッチング除去し、
基板の−ｃ面に、液相エピタキシャル結晶成長法で単分
域のＬｉＮｂＯ3単結晶薄膜を以下のようにして成長さ
せた。上記エピタキシャル成長時の溶融体は、４８モル
％の炭酸リチウムＬｉ2ＣＯ3、１２モル％の五酸化ニオ
ブＮｂ2Ｏ5、４０モル％の五酸化バナジウムＶ2Ｏ5の各
粉末を秤量、混合した後、白金るつぼに入れて９００℃
で溶解し、電気炉内で空気雰囲気下において１２００℃
の温度で１０時間維持して均一に作製する。
【００４７】次いでこの溶融体を３０℃／ｈの冷却速度
で９４０℃に冷却してこれに基板５１を３分間接触さ
せ、２．２μｍのＬｉＮｂＯ3薄膜を成長させ、溶融体
を分離し、電気炉中で３０℃／ｈの冷却速度室温まで徐
冷して光導波層６６を形成した。なお、作成したサンプ
ルは１０枚である。上記また、光導波層６６における分
域を硝酸：ふっ酸＝１：２のエッチング液でエッチング
してエッチング状態の違いからから観察したところ、パ
タ−ン周期Λに係りなく分極方向が分極反転域６５形成
前の基板５１と同一な単分極膜が形成されることがわか
った。
で９４０℃に冷却してこれに基板５１を３分間接触さ
せ、２．２μｍのＬｉＮｂＯ3薄膜を成長させ、溶融体
を分離し、電気炉中で３０℃／ｈの冷却速度室温まで徐
冷して光導波層６６を形成した。なお、作成したサンプ
ルは１０枚である。上記また、光導波層６６における分
域を硝酸：ふっ酸＝１：２のエッチング液でエッチング
してエッチング状態の違いからから観察したところ、パ
タ−ン周期Λに係りなく分極方向が分極反転域６５形成
前の基板５１と同一な単分極膜が形成されることがわか
った。
【００４８】なお、上記溶融体のフラックス材料として
は上記五酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）のほか、３酸化ボロ
ン（Ｂ2Ｏ3）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化カリ
ウム（ＫＦ）、３酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）および３酸化モ
リブデン（ＭｏＯ3）、３酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）及び３
酸化タングステン（ＷＯ3）等を用いても良い。次い
で、上記基板５１を電気炉に入れ、約８０℃の温水のバ
ブラー中を通して水蒸気を含ませたＡｒの雰囲気下で約
１０７０℃で約１０分熱処理し、Ｏ2を含む水蒸気雰囲
気中で冷却した。
は上記五酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）のほか、３酸化ボロ
ン（Ｂ2Ｏ3）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化カリ
ウム（ＫＦ）、３酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）および３酸化モ
リブデン（ＭｏＯ3）、３酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）及び３
酸化タングステン（ＷＯ3）等を用いても良い。次い
で、上記基板５１を電気炉に入れ、約８０℃の温水のバ
ブラー中を通して水蒸気を含ませたＡｒの雰囲気下で約
１０７０℃で約１０分熱処理し、Ｏ2を含む水蒸気雰囲
気中で冷却した。
【００４９】この基板の分域を上記のエッチング液でエ
ッチングして観察したところ、パタ−ン周期Λに係りな
く分極方向が基板５１と同一な分極反転域６７が形成さ
れ、各分極反転域６７の界面は基板界面にほぼ垂直であ
ることがわかった。ところで、４６モル％の炭酸リチウ
ムＬｉ2ＣＯ3，２４モル％の５酸化ニオブＮｂ2Ｏ5，３
０モル％の５酸化バナジウムＶ2Ｏ5よりなる溶融体から
１１００℃の温度でＬｉＮｂＯ3薄膜を成長させ、熱処
理を行なわずに光導波層５２（単結晶薄膜）と基板５１
の分域を上記のエッチング液で観察したところ、周期Λ
にかかわらず分極部５４と同５５の方向は対応する基板
５１の分極方向と同一であり、その界面は基板５１面に
対してほぼ垂直であった。このように熱処理を行なわず
に基板の分域を薄膜に転写できたのはＬｉＮｂＯ3薄膜
が常誘電相で成長したためであり、成長後の室温まで除
冷する間のキュリ−点を通過するときに分極の転写が行
なわれているからである。次いで、この基板をオゾン雰
囲気内でアニ−ルして光導波層６６の酸素欠損を補い、
ＥＰＭＡを用いて光導波層（ＬｉＮｂＯ3薄膜）６６中
のニオブ量を調べたところ市販のコングルエントＬｉＮ
ｂＯ3基板の約１．０５倍であった。最後に光導波層６
６中に光導波路をエッチング、ＥＰＭＡ評価していない
サンプルについて作製する。
ッチングして観察したところ、パタ−ン周期Λに係りな
く分極方向が基板５１と同一な分極反転域６７が形成さ
れ、各分極反転域６７の界面は基板界面にほぼ垂直であ
ることがわかった。ところで、４６モル％の炭酸リチウ
ムＬｉ2ＣＯ3，２４モル％の５酸化ニオブＮｂ2Ｏ5，３
０モル％の５酸化バナジウムＶ2Ｏ5よりなる溶融体から
１１００℃の温度でＬｉＮｂＯ3薄膜を成長させ、熱処
理を行なわずに光導波層５２（単結晶薄膜）と基板５１
の分域を上記のエッチング液で観察したところ、周期Λ
にかかわらず分極部５４と同５５の方向は対応する基板
５１の分極方向と同一であり、その界面は基板５１面に
対してほぼ垂直であった。このように熱処理を行なわず
に基板の分域を薄膜に転写できたのはＬｉＮｂＯ3薄膜
が常誘電相で成長したためであり、成長後の室温まで除
冷する間のキュリ−点を通過するときに分極の転写が行
なわれているからである。次いで、この基板をオゾン雰
囲気内でアニ−ルして光導波層６６の酸素欠損を補い、
ＥＰＭＡを用いて光導波層（ＬｉＮｂＯ3薄膜）６６中
のニオブ量を調べたところ市販のコングルエントＬｉＮ
ｂＯ3基板の約１．０５倍であった。最後に光導波層６
６中に光導波路をエッチング、ＥＰＭＡ評価していない
サンプルについて作製する。
【００５０】まず同図（ｆ）に示すように、光導波路を
遮光するホトマスクを用いてホトレジストをパターニン
グし、このホトレジストをマスクとしてイオンミリング
により幅３μｍの光導波層６６を１．８μｍエッチング
してホトレジストを除去し、同図（ｇ）のような光導波
路を作製した。
遮光するホトマスクを用いてホトレジストをパターニン
グし、このホトレジストをマスクとしてイオンミリング
により幅３μｍの光導波層６６を１．８μｍエッチング
してホトレジストを除去し、同図（ｇ）のような光導波
路を作製した。
【００５１】上記のようにして作製した光導波路にλ＝
８３０ｎｍのＴｉ−Ｓレーザ光を基板表面と垂直方向に
偏光させてプリズムカップラを介して入射したところ、
基板の表面と垂直な方向に電場の主成分を持つ一本のＴ
Ｍモードが励振され、その実効屈折率Ｎ（ω）＝２．１
６８８であった。また、カットバック法により８３０ｎ
ｍの光に対する光伝搬損失を測定したところ、１ｄＢ／
ｃｍという良好な値を得た。また、λ＝４１５ｎｍの色
素レーザ光を入射して同様の測定を行ったところ、二本
のモードが励振され、低次モードの実効屈折率は、Ｎ
（２ω）＝２．３０１８であった。
８３０ｎｍのＴｉ−Ｓレーザ光を基板表面と垂直方向に
偏光させてプリズムカップラを介して入射したところ、
基板の表面と垂直な方向に電場の主成分を持つ一本のＴ
Ｍモードが励振され、その実効屈折率Ｎ（ω）＝２．１
６８８であった。また、カットバック法により８３０ｎ
ｍの光に対する光伝搬損失を測定したところ、１ｄＢ／
ｃｍという良好な値を得た。また、λ＝４１５ｎｍの色
素レーザ光を入射して同様の測定を行ったところ、二本
のモードが励振され、低次モードの実効屈折率は、Ｎ
（２ω）＝２．３０１８であった。
【００５２】式（１１）より求めた分極反転周期ΛはＭ
＝１の場合、約３．１μｍであるから、このΛの試料を
光導波路長＝１０ｍｍ、垂直な方向の長さを５ｍｍに切
りだし、５ｍｍの辺を研磨して第二高調波発生実験を行
った。上記試料をペルチェ素子に接続した銅ブロック上
に乗せて熱電対で温度をモニタし、温度を２５℃にして
対物レンズによりＴｉ−Ｓレーザ光を光導波路端面に集
光し、第二高調波の発生効率が最大になるようにした。
その結果、基本波入力４０ｍＷにて３．８ｍＷの第二高
調波出力がえられた。
＝１の場合、約３．１μｍであるから、このΛの試料を
光導波路長＝１０ｍｍ、垂直な方向の長さを５ｍｍに切
りだし、５ｍｍの辺を研磨して第二高調波発生実験を行
った。上記試料をペルチェ素子に接続した銅ブロック上
に乗せて熱電対で温度をモニタし、温度を２５℃にして
対物レンズによりＴｉ−Ｓレーザ光を光導波路端面に集
光し、第二高調波の発生効率が最大になるようにした。
その結果、基本波入力４０ｍＷにて３．８ｍＷの第二高
調波出力がえられた。
【００５３】〔参考式〕図１（ｄ）において、基板面に
垂直な方向（ｚ方向）に偏光したＴＭ波を入射光とし、
その伝搬方向をｘ方向とすると、入射光電場のｚ成分
は、式（１）で表される。
垂直な方向（ｚ方向）に偏光したＴＭ波を入射光とし、
その伝搬方向をｘ方向とすると、入射光電場のｚ成分
は、式（１）で表される。
【数１】 同様に光導波路内の第二高調波も基板と垂直方向に偏光
したＴＭ波であるとすると、その電場のｚ成分は式
（２）で表される。
したＴＭ波であるとすると、その電場のｚ成分は式
（２）で表される。
【数２】
【００５４】第二高調波を発生させる非線形分極は式
（３）で表される。
（３）で表される。
【数３】 一方、非線形分極を考慮したＭａｘｗｅｌｌの方程式
は、式（４）で表される。
は、式（４）で表される。
【数４】
【００５５】式（３）を式（４）に代入し、式（５）の
波動方程式、並びに式（６）の近似を用いると式（７）
が得られる。
波動方程式、並びに式（６）の近似を用いると式（７）
が得られる。
【数５】
【数６】
【数７】 式（７）に式（８）を乗じ、Ｚ＝−∞からＺ＝∞まで積
分すると、基本波から第二高調波へのパワー移行を支配
する式（９）が得られる。
分すると、基本波から第二高調波へのパワー移行を支配
する式（９）が得られる。
【数８】
【数９】
【００５６】図１では光導波路内の各分極域の非線形光
学係数ｄ333は周期的に向きを変えているので、式（１
０）のようにフーリエ級数に展開できる。
学係数ｄ333は周期的に向きを変えているので、式（１
０）のようにフーリエ級数に展開できる。
【数１０】 上記周期Λは位相整合条件を満足させるように式（１
１）のように決定する。
１）のように決定する。
【数１１】 これにより基本波と第二高調波の位相整合が良好に行な
われ、式（９）は式（１２）のようなる。
われ、式（９）は式（１２）のようなる。
【数１２】
【００５７】式（１２）をｘ＝０からｘ＝ｌまで積分し
（ただし、基本波のパワーは殆ど変化せず一定とみな
す）、ｘ＝０で第二高調波の振幅がゼロであるという境
界条件を用いると、基本波から第二高調波への変換効率
ηは式（１３）のようになる。
（ただし、基本波のパワーは殆ど変化せず一定とみな
す）、ｘ＝０で第二高調波の振幅がゼロであるという境
界条件を用いると、基本波から第二高調波への変換効率
ηは式（１３）のようになる。
【数１３】
【００５８】
【発明の効果】本発明により、基板上に屈折率が基板よ
り高く、また屈折率が一様な光導波路を形成して光導波
路内の光の散乱を低めることができ、さらに上記光導波
路内に矩形の自発分極反転域を周期的に形成して第二高
調波の位相整合性を向することができるので、第二高調
波の変換効率が高く、波面収差の低い優れた第二高調波
発生素子とその製造方法を提供することができる。
り高く、また屈折率が一様な光導波路を形成して光導波
路内の光の散乱を低めることができ、さらに上記光導波
路内に矩形の自発分極反転域を周期的に形成して第二高
調波の位相整合性を向することができるので、第二高調
波の変換効率が高く、波面収差の低い優れた第二高調波
発生素子とその製造方法を提供することができる。
【図１】本発明による第二高調波発生素子の各種断面図
である。
である。
【図２】従来の温度位相整合法を用いた第二高調波発生
素子の斜視図である。
素子の斜視図である。
【図３】従来のチェレンコフ輻射を用いた第二高調波発
生素子の斜視図である。
生素子の斜視図である。
【図４】従来の分極反転を用いた第二高調波発生素子の
斜視図である。
斜視図である。
【図５】本発明の第二高調波発生素子を用いた光源の構
成図である。
成図である。
【図６】本発明の第二高調波発生素子の製造工程図であ
る。
る。
【図７】本発明の第二高調波発生素子の他の製造工程図
である。
である。
１１…レ−ザ、２１、５１…基板、５２，６６…光導波
層、５５、６７…分極反転域、５６、６５…分極反転
部、８１…Ｔｉ膜、８２…ホトレジスト、９１…Ｃｒ
層。
層、５５、６７…分極反転域、５６、６５…分極反転
部、８１…Ｔｉ膜、８２…ホトレジスト、９１…Ｃｒ
層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川本 和民 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 伊藤 康平 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地 日立金属株 式会社磁性材料研究所内 (72)発明者 黒沢 久夫 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地 日立金属株 式会社磁性材料研究所内 (72)発明者 佐藤 正純 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地 日立金属株 式会社磁性材料研究所内
Claims (8)
- 【請求項１】 強誘電体光学基板と、該基板より屈折率
が高く分極反転域を周期的に配置した強誘電体光導波層
から成る第二高調波発生素子において、上記光導波層の
キュリ−点を上記基板のキュリ−点より低くしたことを
特徴とする導波路型第二高調波発生素子。 - 【請求項２】 請求項１において、上記基板の光導波層
側の面に、分極方向が反転する分極反転部を周期的に設
け、上記分極反転部上に上記光導波層の分極反転域を設
けたことを特徴とする導波路型第二高調波発生素子。 - 【請求項３】 請求項１または２において、上記基板お
よび上記光導波層ををニオブ酸リチウムとし、上記光導
波層を基板に比べてリチウムのニオブに対する比率を低
めた組成比としたことを特徴とする導波路型第二高調波
発生素子。 - 【請求項４】 請求項１または２において、上記基板を
マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムとし、上記
光導波層をニオブ酸リチウムとしたことを特徴とする導
波路型第二高調波発生素子。 - 【請求項５】 請求項１または２において、上記基板お
よび上記光導波層をマグネシウムをドープしたニオブ酸
リチウムとし、上記光導波層を基板に比べてマグネシウ
ムのドープ比率を低めた組成比としことを特徴とする導
波路型第二高調波発生素子。 - 【請求項６】 強誘電体光学基板と、該基板より屈折率
が高く分極反転域を周期的に配置した強誘電体光導波層
からなる第二高調波発生素子の製造方法において、上記
基板に分極反転部を周期的に設け、この上の光導波層
を、強誘電体金属酸化物の原料粉末をフラックス存在下
で加熱溶融した溶融体を準備する工程と、前記溶融体の
温度を結晶析出温度に降下し、前記基板の分極反転され
た表面に接触して金属酸化膜を液相エピタキシャル成長
させる工程と、次いで上記金属酸化膜のキュリ−点近傍
の温度で熱処理する工程とにより形成するようにしたこ
とを特徴とする導波路型第二高調波発生素子の製造方
法。 - 【請求項７】 強誘電体光学基板と、該基板より屈折率
が高く分極反転域を周期的に配置した強誘電体光導波層
からなる第二高調波発生素子の製造方法において、上記
基板に分極反転部を周期的に設け、この上の光導波層
を、強誘電体金属酸化物の原料粉末をフラックス存在下
で加熱溶融した溶融体を準備する工程と、前記溶融体の
温度をキュリ−点以上の結晶析出温度に降下して前記基
板の分極反転された表面に接触して金属酸化膜を液相エ
ピタキシャル成長させる工程により形成するようにした
ことを特徴とする導波路型第二高調波発生素子の製造方
法。 - 【請求項８】 請求項６または７において、上記フラッ
クスを五酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、または三酸化ボロ
ン（Ｂ2Ｏ3）、またはフッ化リチウム（ＬｉＦ）、また
はフッ化カリウム（ＫＦ）、または三酸化ボロン（Ｂ2
Ｏ3）と、三酸化モリブデン（ＭｏＯ3）、または三酸化
ボロン（Ｂ2Ｏ3）と三酸化タングステン（ＷＯ3）の混
合物としたことを特徴とする導波路型第二高調波発生素
子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22056492A JPH0667233A (ja) | 1992-08-20 | 1992-08-20 | 導波路型第二高調波発生素子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22056492A JPH0667233A (ja) | 1992-08-20 | 1992-08-20 | 導波路型第二高調波発生素子とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0667233A true JPH0667233A (ja) | 1994-03-11 |
Family
ID=16752970
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22056492A Pending JPH0667233A (ja) | 1992-08-20 | 1992-08-20 | 導波路型第二高調波発生素子とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0667233A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0981068A3 (en) * | 1998-08-19 | 2001-04-18 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for producing an optical waveguide and optical waveguide produced according to the method |
-
1992
- 1992-08-20 JP JP22056492A patent/JPH0667233A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0981068A3 (en) * | 1998-08-19 | 2001-04-18 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for producing an optical waveguide and optical waveguide produced according to the method |
| US6654529B1 (en) | 1998-08-19 | 2003-11-25 | Ngk Insulators, Ltd. | Ferroelectric domain inverted waveguide structure and a method for producing a ferroelectric domain inverted waveguide structure |
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