JPH10161167A

JPH10161167A - 光デバイス

Info

Publication number: JPH10161167A
Application number: JP8320498A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Hisayoshi; 豊久芳
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 1998-06-19

Abstract

(57)【要約】【課題】光導波路内部及び表面での伝搬損失が最小限
に押さえられた高出力な光デバイスを提供すること。【解決手段】周期状の分極反転構造２を形成させた非
線形強誘電体の基板１に、分極反転構造２を横切る方向
に、表面の中心線平均粗さが０．１μｍ以下である光導
波路３を形成させたことを特徴とする。特に、分極反転
構造２がプロトン交換法により形成されていることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば光情報シス
テム等に使用される光第２高調波発生素子や光変調器等
の各種の非線形光学効果を利用した光デバイスに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、光記録媒体と半導体レーザー発生
装置等から成る光情報システムなどに要求される、小型
短波長コヒーレント光源として、光第２高調波発生（以
下ＳＨＧと略記する) 素子が注目されている。

【０００３】一般にＳＨＧ素子は、バルク型ＳＨＧ素子
と導波路型ＳＨＧ素子に大別される。例えば、ニオブ酸
リチウム（ＬｉＮｂＯ₃) 、タンタル酸リチウム（Ｌｉ
ＴａＯ₃) 、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）、ニオブ酸カリ
ウム（ＫＮｂＯ₃) 等の無機酸化物単結晶材料、及び各
種の有機非線形材料は、大きな非線形光学定数を有する
ことから、ＳＨＧ素子の材料として好適に使用される。
特に、ＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃では光導波路作製技
術が確立されており、しかも比較的大きな非線形光学定
数を有するので、導波路型ＳＨＧ素子の材料としてたい
へん有望視されている。

【０００４】これらの非線形材料を用いた導波路型ＳＨ
Ｇ素子の特徴は、以下に述べる疑似位相整合法により非
線形光学係数ｄ₃₃を用いることができる点にある。ｄ₃₃
は他の非線形光学係数より数倍程度大きい（例えば、Ｌ
ｉＮｂＯ₃におけるｄ₃₃はｄ₃₁に対して約６倍大きい）
ため、高い変換効率の達成が可能である。また、光導波
路による光の閉じ込めにより長い伝搬距離に渡って高い
光強度密度を実現できる。

【０００５】従来の導波路型ＳＨＧ素子では、素子本体
の表層にＴｉ等の金属を熱拡散するなどの方法により光
導波路が作製されている。この光導波路の一端に角周波
数ωの基本波（伝搬定数β（ω））を入射させると、他
端から基本波を含む角周波数２ω（伝搬定数β（２
ω））の高調波が出射される。

【０００６】しかし、一般に２β（ω）≠β（２ω）の
関係があるために位相整合条件が満足されないので、導
波路内の任意位置から生じたβ（２ω）の素波は互いに
干渉し打ち消され、その結果、有効にＳＨＧ変換されな
い。

【０００７】そこで、基本波と高調波との伝搬定数の差
を光学的な周期構造で補償して位相整合をとることが有
効なＳＨＧ変換のために必要となる。この方法は、一般
に疑似位相整合と呼ばれ、ＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃
等の強誘電体結晶の非線形光学係数の正負が誘電分極の
極性に対応することを利用し、周期的に分極方向を反転
させる光学的周期構造（周期状の分極反転構造）が注目
されている。

【０００８】この周期状の分極反転構造の作製方法とし
て、図６に示すような電界印加法が提案されている。図
６において、１１は導波路１２がその表層に形成され
た、ＺカットのＬｉＮｂＯ₃もしくはＬｉＴａＯ₃から
成る基板、１３は基板１１上にパターニング形成された
周期電極、１４は基板１１の裏面全体に装着された共通
電極、１５は高圧電源である。

【０００９】この方法は、単分極化された基板１１の導
波路を形成させた面１１ａ（ＬｉＮｂＯ₃では＋Ｚ面、
ＬｉＴａＯ₃では−Ｚ面）上に周期電極１３を、他主面
１１ｂ上に共通電極１４を設けて、周期電極１３と共通
電極１４との間に所定の電界を印加した場合に、周期電
極１３と同一パターンの反転分極が得られる現象を利用
し、疑似位相整合に必要な周期状の分極反転構造を得る
方法である（例えば、Ｍ．Ｙａｍａｄａ、Ｎ．Ｎｏｄ
ａ、ａｎｄＫ．Ｗａｔａｎａｂｅ：Ｉｎｔｅｇｒａｔ
ｅｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＴｕＣ
２−１（１９９２）を参照）。

【００１０】また、１５０℃以下の比較的低温下におい
て高電圧を与えることにより、非線形強誘電体から成る
基板へ周期状の分極反転構造を形成する方法も提案され
ている（特開平４−３３５６２０号公報等を参照）。こ
の方法によれば、屈折率や結晶性に熱による変化や表面
の汚染がなく且つ反転形状の制御性にも優れるので、容
易に低コストで周期状の分極反転構造が得られるものと
して注目されている。

【００１１】一般に、周期状の分極反転構造を適用した
ＳＨＧ素子を作製する場合、約１．５μｍごとに分極方
向が周期的に変化する構造を必要とするため、上記方法
では微細電極を梯子状または櫛状に配設しなければなら
ない。

【００１２】ところが、一本当たり約１．５μｍ幅程度
の細い電極では、線抵抗により印加される電界が不均一
になるため、導波路方向に５ｍｍ以上の長さを有する均
一な連続分極反転構造を作製することが困難となる。

【００１３】また、電極の幅約１．５μｍ、周期約３μ
ｍという細かいパターンに高電圧を印加するため、反転
させない領域へ電界が洩れて、その領域で反転が起きる
などにより、印加電界の制御が困難となるので、やはり
均一な連続分極反転構造を作製することが困難となる。

【００１４】そこで、特に強誘電性を有するＬｉＴａＯ
₃から成る基板上に、タンタル（Ｔａ）の周期電極を形
成し、この周期電極をマスクとして、ピロ燐酸を用いた
プロトン交換を行い、交換された部分の強誘電性を劣化
させる方法が提案されている（１９９５年春、応用物理
学会予稿集、２８ｐ−Ｚｆ−３等を参照）。

【００１５】この方法について、基板断面方向からみた
図７に基づいて説明する。まず、ＺカットのＬｉＮｂＯ
₃もしくはＬｉＴａＯ₃から成る基板２１の一主面２１
ａ上に、所望の周期構造を持つ金属マスク２２を形成
し、基板２１の他主面２１ｂ上の全面には、一様に広が
った金属マスク２３を作製する。その後、この基板２１
を一定温度に保たれたピロ燐酸もしくは安息香酸の溶液
に浸漬し、金属マスク２２が覆われていない領域にプロ
トン交換された領域２４を形成する。その後、両金属マ
スク２２、２３を電極としてその間に高電圧を印加する
ことで、電極２２直下の部分を選択的に分極反転させる
ことが出来る。

【００１６】この方法は、強誘電性の劣化した領域（以
後、反転阻止領域と記す）の分極反転が抑制され、広範
囲にわたり均一な周期状の分極反転構造を有するＳＨＧ
素子を提供できるものとして有効な手段と見られてい
る。

【００１７】上述した手段は薬品としてピロ燐酸の代わ
りに安息香酸等の比較的弱い酸を用いることも可能であ
り、安息香酸を用いることでアルミニウム（Ａｌ）をマ
スクに用いる方法も示されている（特願平８−１３６５
４８号）。

【００１８】このようにして、周期状の分極反転構造を
作製した後に電極マスクをエッチングにより除去し、再
度光導波路の形状にチタン（Ｔｉ）をパターニングし拡
散により光導波路を形成する。

【００１９】または、光導波路の形状にタンタル（Ｔ
ａ）または、Ａｌのマスクを形成し、ピロ燐酸または安
息香酸によるプロトン交換を施すことによって、光導波
路を形成する。

【００２０】その後、導波路伝搬中の光の吸収、散乱を
防ぐため導波路作製用として用いたＴａ、Ａｌをエッチ
ングにより除去し第２高調波発生素子としている。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】上述の方法は反転阻止
領域の形成にプロトン交換を用いている。さらに、作製
する素子の導波路にもプロトン交換を用いているため、
そのままでは光導波路中を伝搬する光は、反転阻止層部
分にて異なる屈折率を感じることになる。そのため、光
導波路の屈折率変化により伝搬光のモードが乱れ、その
結果伝搬損失が生じることが予想される。

【００２２】また、反転阻止領域の作製に用いた金属マ
スクを除去する際に、酸を用いた金属のエッチングを行
うが、これにより素子表面に荒れが生じ、その後のプロ
セスに悪影響を与えるという問題がある。

【００２３】さらに、光導波路の作製にＴｉ拡散または
プロトン交換法を用いているため、光導波路表面に荒れ
が生じ、このため、光導波路表面での散乱等により伝搬
損失が大きくなるという問題がある。

【００２４】本発明は上記問題点を改善し、光導波路内
部及び表面での伝搬損失が最小限に押さえられた高出力
な光デバイスを提供することを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する光デ
バイスは、周期状の分極反転構造を形成させた非線形強
誘電体の基板に、前記分極反転構造を横切る方向に、表
面の中心線平均粗さが０．１μｍ以下である光導波路を
形成させたことを特徴とする。特に、分極反転構造がプ
ロトン交換法により形成されていることを特徴とする。

【００２６】また、この光デバイスは、具体的には次の
ようにして作製する。まず、非線形強誘電体であるＬｉ
Ｎｂ_xＴｉ_1-xＯ₃（0 ≦x ≦1 ）基板の一主面にＡｌ
周期電極を形成し、基板の他の主面にＡｌ共通電極を配
置する。その後、Ａｌ周期電極をマスクとして、安息香
酸を用いたプロトン交換を行い、プロトン交換部の強誘
電性を劣化させ反転阻止領域を形成する。なお、プロト
ン交換には安息香酸を用いるとよいが、フタル酸、もし
くはインフタル酸などの解離定数ｐＫが３〜５程度の弱
酸を用いることも可能である。

【００２７】次いで、基板の２つの主面に配設された電
極間に高電圧をパルスまたは直流で印加し周期状の分極
反転を得た後、作製された反転阻止層の厚さ分を光学研
磨により取り去る。これにより、素子表面は鏡面で且つ
周期状の分極反転構造を有する基板が得られる。

【００２８】また、この光学研磨した後にＴｉ拡散また
はプロトン交換を用いた光導波路を形成する。光導波路
を作製した後、作製した素子表面に光学研磨を施すこと
で、光導波路上が鏡面である、低損失のＳＨＧ素子を作
製することが出来る。

【００２９】これによれば、プロトン交換によって形成
された反転阻止層を光学レベルの研磨によって取り去っ
た後に光導波路を形成するため、周期反転構造用にパタ
ーニングされた反転阻止層による高屈折率部分がない。
そして、形成された光導波路が一様な屈折率になり、光
学損失の少ない光導波路を得ることが可能となる。

【００３０】また、周期状の分極反転形成のために形成
された周期電極をエッチングによって剥離するため、従
来は表面に荒れが生じ、その後の光導波路作製プロセス
を精度良く行うに妨げとなっていたが、鏡面に研磨する
ことによってプロセスの精度を上げることが可能となっ
た。

【００３１】また、光導波路作製のためのプロトン交
換、もしくは、その後の金属マスク剥離のために光導波
路上に生じていた荒れが除去され鏡面となることによ
り、光導波路表面における散乱等による導波損失が小さ
くなり、高効率、高出力の第２高調波発生素子となる。

【００３２】

【発明の実施形態】本発明の実施形態について光デバイ
スとしてＳＨＧ素子を例にとり図面に基づき説明する。
図１に光デバイスＳの模式図を示す。非線形強誘電体で
あるＬｉＮｂ_xＴｉ_1-xＯ₃（0 ≦x ≦1 ）から成る基
板１には、プロトン交換法により作製した周期状の分極
反転構造２が形成されており、さらに、この周期状の分
極反転構造２を横切るように光導波路３が基板１の主面
１ａの表層に形成されている。ここで、周期状の分極反
転構造の屈折率のばらつきはほとんどなく（最大の屈折
率差は0.01未満）、基板１の主面１ａの表面は中心線平
均粗さ（Ｒａ）が０．１μm 以下の鏡面に研磨されてい
る。

【００３３】このような光デバイスＳにおいて、光導波
路３の一端３ａから赤外のチタン・サファイア等の半導
体レーザ光（波長：０．８６μm ）が入射されると、光
導波路３の他端３ｂからＳＨＧ変換された可視のコヒー
レント光（波長：０．４３μm ）が得られるのである。
そして、基板１の主面１ａのＲａを０．１μm 以下の鏡
面とすることにより、光が屈折率のばらつきのほとんど
ない光導波路を伝搬できるので、導波損失が非常に小さ
な（２ｄＢ／cm以下）特性の優れた光デバイスとするこ
とができる。ここで、中心線平均粗さが０．１μm より
大きくなると、導波損失が増大し（２ｄＢより大きくな
る）好ましくない。

【００３４】次に、この光デバイスＳの製造方法につい
て説明する。図２に示すように、まず基板１の一主面１
ａに、Ａｌから成る微細な周期電極４をリフトオフ法に
よりパターニング１成し、基板１の他の主面１ｂにはＡ
ｌから成る共通電極５を配置させる。その後、Ａｌの周
期電極４をマスクとして、安息香酸を用いたプロトン交
換を行い、周期電極４で覆われていないプロトン交換部
の強誘電性を劣化させ反転阻止層６を形成する。なお、
このプロトン交換にはフタル酸、インフタル酸などの解
離定数ｐＫが３〜５程度の弱酸を用いることも可能であ
る。

【００３５】その後、基板１の２つの主面１ａ，１ｂに
配設された電極間に、電源７により高電圧をパルスまた
は直流で印加し、周期状の分極反転構造２を得た後、図
３に示すように、作製された反転阻止層６の厚さ分を光
学研磨により取り去る。これにより、表面が鏡面（Ｒａ
が０．１μm 以下）で且つ屈折率のばらつきがほとんど
ない周期状の分極反転構造を有する基板１が得られる。

【００３６】次いで、図５に示すように、残留プロトン
交換層（図３における反転阻止層６）を除去して得られ
た鏡面にＡｌ等を用いるなどして光導波路部分を開口さ
せたマスク８を形成し、パターン８を上に向けて一定温
度の安息香酸中に所定時間浸漬する。この結果、マスク
されていない部分９においてプロトン交換されることに
なり、マスク８を除去した後、図１に示すような光デバ
イスＳが完成する。すなわち、プロトン交換された領域
の屈折率が高まり、光を閉じこめるに十分な光導波路３
が作製される。

【００３７】なお、光導波路３を作製する際、安息香酸
以外の薬品、たとえばピロ燐酸などを用いることも可能
である。この場合、ピロ燐酸は安息香酸に比べて強い酸
であるので酸に強い金属、たとえばＴａなどを電極また
は光導波路作製用のマスクの作製に用いると好適であ
る。

【００３８】なおまた、Ａｌのマスク８は相応のエッチ
ング液（例えば、Ｈ₂ＰＯ₄：ＨＮＯ₃：ＣＨ₃ＣＯＯ
Ｈ：Ｈ₂Ｏを１６：１：２：１の割合で混合したもの）
にて除去する。ピロ燐酸を用いる場合は、Ｔａ等のマス
クは水酸化ナトリウム水溶液などで除去するとよい。

【００３９】このようにして得られた光デバイスＳによ
れば、プロトン交換によって形成された反転阻止層を光
学レベルの研磨によって取り去った後に光導波路を形成
するため、周期反転構造用にパターニングされた反転阻
止層による高屈折率部分がない。これにより、形成され
た光導波路が一様な屈折率になり、光学損失の少ない光
導波路を得ることが可能となる。

【００４０】また、周期状の分極反転形成のために形成
された周期電極をエッチングによって剥離するため、従
来は表面に荒れが生じ、その後の光導波路作製プロセス
を精度良く行うに妨げとなっていたが、鏡面に研磨する
ことによってプロセスの精度を上げることが可能とな
る。

【００４１】また、光導波路作製のためのプロトン交
換、もしくは、その後の金属マスク剥離のために光導波
路上に生じていた荒れが除去され、鏡面となることによ
り、光導波路表面における散乱等による導波損失が小さ
くなり、高効率、高出力のＳＨＧ素子となる。

【００４２】

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について説明
する。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）から成る、約
１０mm角、厚み５００〜１０００μm 程度の基板を用意
し、その一主面を＋Ｚ面、他主面を−Ｚ面となるように
切り出したものを使用し、両主面間で容易に分極方向が
反転するようにした。次に、蒸着法やリフトオフの手法
を用い、一主面上にＡｌの周期電極を所望のパターンに
形成した（電極幅：１．５μｍ、周期：３μｍ、電極領
域：１０ｍｍ×８ｍｍ）。

【００４３】次に、周期電極の対向電極としてＡｌの共
通電極を基板の他主面の全面に形成した。ここで、周期
電極及び共通電極は共に３０００〜４０００Åの厚みに
形成した。これにより、抵抗を小さくすることができ好
適な電極として用いることができた。すなわち、周期電
極及び共通電極の厚さが３０００Åより小さい場合に
は、抵抗が大きくなり必要な電圧を均一に印加させるこ
とができなくなるので、少なくとも３０００Å以上が必
要である。また、４０００Åより厚くなると、周期パタ
ーンを形成する際に剥離が生じやすくなるため、均一な
周期反転構造を実現し難くなる。したがって、周期電極
及び共通電極の厚さは３０００Å以上４０００Å以下と
した。

【００４４】次に、周期電極を形成した基板を、一定温
度に保った安息香酸の溶液中に周期電極を形成した側を
上に向けて浸漬した（溶液温度：約２００℃、浸漬時
間：約２０分間）。

【００４５】このようにして形成された基板を、周期電
極を正、共通電極を負として高電圧電源により、約３０
ｋＶ／ｍｍの電界を直流またはパルスで印加した。ここ
で、電界の印加は高電圧による放電を避けるため、シリ
コーンオイル等の絶縁油中（真空中でも良い）で行っ
た。これにより、周期電極の直下部分の分極方向だけが
下向きに反転し、反転阻止層の下の分極方向は上向きの
ままとなった。

【００４６】次に、周期電極及び共通電極を相応のエッ
チング液（Ｈ₂ＰＯ₄：ＨＮＯ₃：ＣＨ₃ＣＯＯＨ：Ｈ
₂Ｏを１６：１：２：１の割合で混合したもの）で除去
した。これにより、図３に示すような構造の基板が得ら
れた。このようにして、微細でかつ均一な周期状の分極
反転構造を基板に広範囲にわたって形成させることがで
きた。

【００４７】次いで、周期電極を除去した基板にはプロ
トン交換層が残った状態になっているので、この残留プ
ロトン交換層の部分を全て取り去るべく、表面から数μ
ｍの深さを研磨により除去した。これにより、残留して
いたプロトン交換層が除去され、基板には分極反転構造
のみが存在する、図４に示すような基板を得ることがで
きた。

【００４８】次に、導波路を作製した。すなわち、残留
プロトン交換層を除去して得られた鏡面面にＡｌを用い
るなどして光導波路を形成するための所定のパターンマ
スクを形成し、一定温度に保った安息香酸中に浸漬する
（溶液温度：２００℃，浸漬時間：２０分間）この結
果、図１に示す光デバイスを得ることができた。

【００４９】作製された光デバイスの導波損失を測定し
たところ、２ｄＢ以下の非常に高効率に優れていた。

【００５０】

【発明の効果】本発明の光デバイスによれば、分極反転
のし過ぎ（過反転）を抑制するために、作製された反転
阻止層を除去することによって、後に作製されるプロト
ン交換導波路の伝搬方向への屈折率のばらつきを抑える
ことによって、光導波路での基本波（赤色光）及び発生
した高調波（青色光）の損失を抑えることができ、高効
率の光第２高調波反転素子の作製が可能となる。

【００５１】また、光導１路作成後の表面研磨により、
導波路表面での散乱が最小限に抑えられるため効率の良
い光第２高調波発生が可能な素子を作製することが可能
となる。

【００５２】特に、ＬｉＴａＯ₃単結晶では効率の良い
プロトン交換を行うために、ピロ燐酸を用いることが効
果的であるが、ピロ燐酸ではプロトン交換時の表面の荒
れが大きいため、長い時間処理を行うことが出来ないと
いう制約があった。しかし、本発明の構造をとることに
よってプロトン交換の処理時間に制限は無くなり導波路
の形成が容易になると言う大きな効果が現れる。

【００５３】本発明は、どの様な材料の素子に関しても
適用可能な構造であり、プロセスの制限を大幅に広げる
ことが出来る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光デバイスの実施形態を説明する
斜視図。

【図２】本発明に係る光デバイスの作製方法を説明する
斜視図。

【図３】本発明に係る光デバイスの作製方法を説明する
斜視図。

【図４】本発明に係る光デバイスの作製方法を説明する
斜視図。

【図５】本発明に係る光デバイスの作製方法を説明する
斜視図。

【図６】従来の光デバイスの作製方法を説明する斜視
図。

【図７】従来の光デバイスの作製方法を説明する断面
図。

【符号の説明】

１・・・基板２・・・分極反転構造３・・・光導波路４・・・周期電極５・・・共通電極７・・・高圧電源Ｓ・・・光デバイス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周期状の分極反転構造を形成させた非線
形強誘電体の基板に、前記分極反転構造を横切る方向
に、表面の中心線平均粗さが０．１μｍ以下である光導
波路を形成させたことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】前記周期状の分極反転構造がプロトン交
換法により形成されていることを特徴とする請求項１に
記載の光デバイス。