TWI297802B

TWI297802B - Method of fabricating two-dimensional ferroelectric nonlinear crystals with periodically inverted domains

Info

Publication number: TWI297802B
Application number: TW092107008A
Authority: TW
Inventors: Way Seen Wang; Shu Mei Tsan; Yi Chun Shih; Yung Chang Zhang; Chao Ching Hsu
Original assignee: Univ Nat Taiwan
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2008-06-11
Also published as: JP2004295064A; US6926770B2; US20040192040A1; TW200419283A

Description

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五、發明說明（1) 一、【發明所屬之技術領域】 ^雷射同時產生與空間濾波功能之二雄非線;生光子晶Μ , 藉此，以空間電荷屏蔽電極圖形下方之邊緣電場，並以氧化層電極控制區域反轉之成核點密度，達到製造具有任意與2發明是有關於一種二維週期性區域反轉之鐵電相光線性微晶格製造方法，尤指一種可達成以電場驅動鐵電相晶體進行區域反轉（domain inversi〇n)時，控制反轉區域之成核點之發生與控制其縱向移動，並具有時域上多體

幾何形狀之二維鐵電相晶格結構之目的。二、【先前技術】鐵電相晶體之物理特徵，乃是在晶體特徵方向上具有自發性極化場量（spontaneous polarization，Ps)，具有極化場量的區域，稱之為domain。此極化場量之方向性，可藉由施以南於晶體之橋頑電場（c〇6rcive field, Ec)之作用，造成1 8 0 °轉向，此一物理過程，又稱之為區域反轉 (domain inversion)。鐵電相晶體具備極化場量反轉之特性，已廣泛應用於高密度之非揮發性記憶體元件之製作，如 S· Essaian 丨丨 Nonvolatile memory based on metal -ferroelectric-metal -insulator semi conductor structure*’ US patent 5899977 ( 1 997)，或0· Auciello _ et a 1. "The physics of ferroelectric memories" (Physics Today, pp· 22-27，July, 1 998 )所述。而鐵電相非線性光學晶體在極化場量作1 80 °轉向時也造成光學非線性係數等奇數階物理張量之變號。據此

：}. y 7 1297802 五、發明說明（2) N· Bloembergen 於美國專利 338443 3 ( 1 968)以及

Interactions between light waves in a nonlinear dielectric, " Phys· Rev· vol. 127, pp· 1918-1939 (1962) ’ k出以週期性區域反轉結構（peri〇dicaHy poled structure)所提供之波前向量κ = 2 ；C / Λ，彌補因折射係數之色散效應，所造成在非線性晶體中頻率轉換時之相位差（kk -2k〇)問題，並以此建構準週期相位匹配 (Quasi-Phase-Matching, QPM)之機制。其相對之物理結構圖形，如第一圖所示，並滿足）^ 一 2kf κ= 〇而每段區域反轉之長度A = 21c，由公式ic= λ/4 (^一^)決定。依此觀念’遂有日本Sony公司之M. Yamada et al. 於1993年提出以短脈衝電壓之方式，於銳酸裡晶體中製作週期性區域反轉之QPM結構，並產生藍光二倍頻（second harmonic generation，SHG)雷射，’Method of control ling the domain of a nonlinear ferroelectric optics substrate，丨丨 US patent 5 1 93023 (1993)，或丨,The first - order qua si-phase-matched LiNb03 waveguideperiodicallypoled by applying an external field for efficient blue second-harmonic generation，” Appl· Phys· Lett· Vol. 62， pp· 435-436 (1993)。利用此項技術，Matsushita公司也於2000年發表微小化（5x 12x 1.5mm3)之QPM-SHG之藍光雷射技術， Y.Kitaoka et a 1. "Miniaturized blue laser using second harmonic generation, " Jpn· J. Appl. Phys.

第8頁 1297802 五、發明說明（3)

Vol· 39，ρρ· 341 6-341 8 (2000 )，當以 2〇mw 之紅外光半導體雷謝激發時，藍光雷射轉換功率為&界。關於QPM-區域反轉結構之製作與應用所面臨之技術癥結，可歸類如下： (Odomain merge區域合併現象，造成小週期區域反轉結構之製作困難（Λ<10 //m)。 (2 )基頻與頻率轉換光束在傳播途徑上彼此平行且其光場具有相同極化方向，必須使用濾波器才能將之分離。而問題（1)產生之原因，可歸諸於以高電場進行週期性區域反轉時’因介電係數不連續而於電極圖形下方所產生邊緣電場（f r i ng i ng f i e 1 d )效應。以習知技術為例，如第二圖（a)所示，於z方向施加極化反轉電壓時，鋪加一絕緣光阻層之作用’是希冀能將電場侷限於光阻以外之電極圖形定義區間，並藉此控制區域反轉之發生範圍。注意當區域反轉發生時，外部電路必須提供2AdPs/dt的極化反轉電流 ’以使得面積A的鐵電晶體有足夠之電荷注入以滿足極化場量之空間轉向。但依照靜電分析的結果如第二圖（b)所示，依照習知技術施加z方向之反轉電壓時，會在光阻所遮蔽的晶體區間，產生向内之非等向性水平電場分布。這個水平電場值，可以高達4Ec，進而造成水平方向之電流流入光阻所遮蔽的晶體區間’而於該區間中造成不必要之區域反轉之發生。因此，水平方向之邊緣電場效應，無法將反轉區域定義於所需之電極圖形中，造成區域反轉圖形之失真；進而導致形成之晶格結構偏離準相位匹配（QPM)條

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件，因此造成非線性光學轉換效率另問題C2)產生之原因，可餘4 ° 杜 e ^ ^ ^ J知堵於準相位匹配（QPM)條 ’疋疋，頻率轉換之作用波於同向人射（colli_r =Γ二t第一圖所示’因此週期性區域反轉結構所提别向罝’亦是平行於此作用波，因而導致基頻波、轉換波、與區域反轉結構之波前向量，三者相互平行而無法在空間區隔。所以，傳統之QPM元件，必須外加濾波器才能有效分離基頻波與轉換波，造成使用上之不便' 另以習用之方式亦有下列之問題：

(1)'以絕緣層覆蓋，降低區域反轉侧逸散之技術關於抑制鐵電相非線性晶體在區域反轉時之邊緣電場效應，如第二圖所示’是在已覆蓋有週期性金屬電極之樣品表面，施加一絕緣層。所應用之絕緣層有S i 〇2如κ. M i z u u c h i e t al· Generation of ultraviolet light by frequency doubling of a red laser diode in a first-order

periodically poled bulk LiTa03,f, Appl. Phys. Lett. Vol. 70，pp· 1 20 1 -1 203 ( 1 997)所示，以及 Ta2 05，W03， Hf03，如 M· C· Gupta et al, ’’Method of inverting ferroelectric domains by appli cat i on of controlled electric field, " US patent 5756263 (1998)所示，或 spin-on-glass 如G· D· Miller et al·，"42%-efficient single-pass cw second-harmonic generation in periodically poled LiNb03, Opt. Lett. Vol. 22， pp. 1834-1836 (1997)所示。

第10頁 1297802 五、發明說明（5) 問題所在： 1·由上述 Appl· Phys· Lett;· Vol· 70，ρρ· 1201-1203 ( 1 997)研究發現，即便是在週期性金屬電極上鋪以 S i 02 ’金屬電極與絕緣層之間的邊緣電場效應仍然存在，而導致的區域反轉側擴散之溢出幅度（spreading，Wmin)與基板厚度（T)之關係，可由Wrain = 0· 0027T-0· 21( /zm)之經驗式表示之。由該公式wmin = 0· 0027T-0· 21( Am)顯示，該基板的厚度決定可製作最小週期之精確度。例如，在常見之500 //m厚度之钽酸鋰基板上，以上述技術所獲得反轉區域逸出電極所定義圖形之最小誤差量為1 · 1 4 // m。以組酸鋰在8 5 0nm作 QPM-SHG倍頻轉換而言，區域反轉長度lc = 1.9/zm。因此必須將基板磨薄，才能將製作QPM週期之誤差量，縮小至容許範圍。而見諸文獻之以絕緣層覆蓋，並將鐵電相非線性晶體之基板磨薄的例子有： (a) Matsushita Electric Industrial Co·在 Αρρί.

Phys. Lett· Vol· 70，ρρ· 1201-1203 (1997)所述，將 UTa03基板磨薄至150 /zm以製作區域反轉週期為1·7 之QP 結構。 (b) Sony Corp·在Τ· Yamaguchi e t al ·，丨丨 Method of local domain control on nonlinear optical materials，·· US patent 5526 1 73 ( 1 996 )所述，將LiNb03 之基板磨薄至100 。

第11頁 1297802 五、發明說明（6) ' 由於銳酸链、鈕酸鋰硬度係數達等級5以上，其基板之磨薄（lapping & p〇iishing)不僅，耗時費工，並且在研磨過程中所施加之應力，會藉由壓電效應而對研磨中之鐵電相ΒΘ體造成不規則之表面區域反轉，而增加以電壓進行區域反轉時週期與良率之控制問題。 2·以擴散（di f fusion)技術，控制區域反轉與問題：以化學或南溫處理方式，引發晶體内部經離子擴散，改變鐵電相光學非線性晶體之結構特性，進而造成局部區域反轉。習知技術有：（a)鈦擴散、（b)質子交換、（c)高溫引發链外擴散、與（d)氧化物覆蓋引發外擴散。利用（a)、 (d)技術，可在電極圖形下端引發淺層區域反轉，而（b)技術則在金屬遮罩以外之處引發淺層區域反轉。擴散技術，可提供大面積之區域反轉製程。但是由於擴散條件呈現與溫度、時間之指數飽和關係，此法僅能用以製作淺層區域，但同時也衍生出區域反轉之邊界不垂直，與擴散引發晶體結構與物理特性改變之問題，詳見以下討論。 (a) ·鈦擴散技術（Ti-diffusion) S· Miyazawa， "Ferroelectric domain inversion in Ti - diffused LiNb03 optical waveguide，’’ J· Appl· Phys. Vol. 50, 4599-4603 (1979) (b) ·質子交換技術（proton exchange) M· L· Bortz et a 1. "Noncritical quasi-phase- matched second harmonic generation in an annealed proton-exchange Li Nb03 waveguide, M IEEE Quantum

第12頁 1297802 五、發明說明（Ό

Electron. V〇1.30, pp. 2953-2960 (1994) Κ· Nakamura et al·，n Antipolarity domain v nuc 1 eat ion and growth during heat treatment of proton-exchanged LiTa03，f丨 J. App 1. Phys. Vo 1. 73， p. 1 390 ( 1 993 ) (c).高溫引發Li外擴散技術 K. Nakamura et a 1. , "Ferroelectric domain inversion caused in L i N b 03 plates by heat treatment," Appl. Phys. Lett. Vol. 50, pp. 1413-1414 (1987)· φ (d ) ·氧化物覆蓋加熱技術以Si02 覆蓋如M.Fujimura et al·，"Ferroelectric domain inversion induced by Si02 cladding for

LiNb03 waveguide，’丨 Elec· Lett· Vol. 27，pp· 1 207-1209 (1991).

以MgO 覆蓋如c· -S· Lau et al·，"Fabrication of MgO induced lithium out -diffusion waveguides，’’ IEEE

Photon. Technol. Lett. Vol. 4, pp. 872-875 (1992). 其問題所在如下： 1.以擴散法僅能達成淺層區域反轉，所反轉之週期性區域邊界形狀於鈮酸链是三角形，而於鈕酸鋰是形成半圓形邊界’無法達成理想之垂直邊界如第一圖所示，因而影響波束之非線性轉換效率。關於週期性區域反轉結構之邊界形狀”對於轉換效率影響之分析，如K. Yamamoto et al

1297802 五、發明說明（8) 丨丨 Characteristics of periodically domain - inverted LiNb03 and LiTa03 waveguides for second harmonic generation," J. Appl· Phys. Vo 1. 70, pp· 1 947-1 95 1 (1991)中所討論。 . 2 ·以質子交換法，會造成晶體成分與結構之變化，而形成 LixHhNbOs，同時也降低其非線性光學轉換係數。因此必須佐以退火過程才能降低上述之破壞程度，但非線性係數恢復之程度有限’詳如Υ· N. Korkishko et al.，’’The SHG-response of different phase in proton-exchanged lithium niobate waveguide, ,f IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron· Vol. 6, pp· 132-142 (2000)·中所討論。。 3.矯頑電場降低法：為求得邊緣電場之抑制效果，另一可行之方法是降低塊狀晶體之矯頑電場。此方法基本上在於降低晶體内之缺 P各密度，因此不會改變晶體既有之光學非線性特性與轉換效率。目前習知技術有二：（a)等計量比長晶法 stoi chi ome trie-grown crystals 與（b)摻雜共融組成比晶體doped congruent-grown crystals· (a).Stoichiometric nonlinear crystals 此法成長Li20/(Nb2 05 + Li20 )或Li20/(Ta2 05 + Li20)之成分接近0· 49〜0· 5之計量比晶體，可大幅矯頑電場值降低至 2kV/_ ’僅為共融組成比晶體（congruent_gr〇wn)晶體中之1/10。目刖此技術之專利權屬於V· Gopalan et al

第14頁 1297802 五、發明說明（9) 丨丨 Lithium niobate single crystal and photo-functional device，n US Patent 6195196 (2001)及 V·

Gopalan et al·， "Lithium tantalate single crystal and photo-functional device," US Patent 6211999 (2 0 0 1 )，因此基板之來源有限。 (b)· MgO or ZnO doping in congruent-grown crystals 此法利用原子鍵結與鈮酸鋰或钽酸鋰鍵結相當之雜質，如摻雜氧化鎖（MgO)(以A· Harada, ’’Fabrication of ferroelectric domain reversal，" US patent 5568308

( 1 996 )為例）、摻雜氧化鋅（Zn0)(以L，-H. Peng et al·， Method for bulk periodic poling of congruent grown ferroelectric nonlinear optical crystals by low electric field，1’ US patent 6295 1 59 ( 200 1 )為例 )’其摻雜於共融組成比（congruent_gr〇wn)之晶體如銳酸鐘’ e· g· Li2〇/(Nb2 05 + Li20) = 〇· 485，其中雜質濃度必須控制在3〜9 mol%濃度範圍，以降低晶格缺陷密度。此法除了可以有效降低矯頑電場至原先值的1/1〇外，並可提昇晶體之抗光折變與抗光破壞性。

當利用摻雜法以降低共融組成比晶體之矯頑電場時必須審慎控制摻雜濃度，若摻雜濃度高於上述範圍，則 ΐ Ξ ί晶品f之降低；但若摻雜濃度過低，則無法抵銷格缺陷。 4·脈衝波形控制法：而另種控制區域反轉側逸散之方法，是利用調整驅

第15頁 1297802 五、發明說明（ίο) 動電壓波型之正負極性與時間差，來控制反轉區域之移動，如K. Mizuuchi et al., "Method for manufacturing domain-inverted region, optical wavelength conversion device utilizing such domain-inverted region and method for fabricating such device,M US patent 5652674 ( 1 997)以及R· G· Batchko et al· "Back-switching poling in lithium niobate for high-fidelity domain patterning and efficient blue light generation,n Applied Physics Letters, Vol.

75，pp· 1673-1775 (1999)所述。此法必須配合適當的液體電極，以避免材料之介電崩潰，如R. L· Byer et ai.， ’’Electrical field domain patterning，" US patent 5’800’767 (1998); 6, 156, 255 (2000)所述。三、【發明内容】本發明之主要目的，在於可達成以電場驅動鐵電相』體進行區域反轉（domain “…。。。時，控制反轉區域：成核點之發生與控制其縱向移動，並具有時域上多波雷^ 同時產生與空間滤波功能之二維非線性光子晶體。

护下目的’係在於可以空間電荷屏蔽電極£ 形下方之邊緣電場。本發明之再一目的，係在於反轉之成核點密度，達到製造且有曰電極控制區^ 電相晶格結構之目的。具有任意幾何形狀之二維』為達上述之目的’本耗—種二維週期性區域反轉：

第16頁 1297802 五、發明說明（π) 鐵電相光學非線性微晶格製造方法，其步驟包括有：於非線性晶體上施加一第一金屬電極圖形；將上述樣品在低於居禮溫度之環境下作熱處理；在上述熱處理環境作用下，形成第一次淺層區域反轉於非線性晶體上施加一第二金屬電極圖形；將上述晶體施以高於其矯頑電場之電壓作用；在上述電場作用下，完成第二次深層區域反轉。四【實施方式】

請參閱『第三及第四（a)、（b)圖』，係本發明之理論基礎示意圖、本發明第一實施例經過1〇5〇。C 5hr於空氣中高溫處理後，於5〇〇厚度之Z切鈮酸鋰正表面造成週期性之三角形淺層區域反轉之y剖面蝕刻圖、本發明第四圖（a) 製程後，施加極化反轉電壓所獲致PPLN之7剖面蝕刻圖。如圖所示：本發明係一種二維週期性區域反轉之鐵電相光學非線性微晶格製造方法，其步驟包括有：於非線性晶體上施加一第一金屬電極圖形，該晶體包括：共融組成比之鈮酸鋰（LiNb〇3 HI^NbOO、共融組成比之鉅酸鋰（LiTa〇3，LixHixTa〇3)、具有氧化鋅摻雜之共，，成比之鈮酸鋰（Zn0:LiNb〇3)、具有氧化鎂摻雜之共融、、且之鈮酸鋰（Mg〇:LiNb〇3)、等計量比鈮酸鋰（UNb〇3) 有氧化鎂摻雜之等計量比鈮酸鋰（LiNb〇3)，等計量比 n α.τ i 3)、有氧化鎂摻雜之等計量比之鈕 iTa〇3)，而該第一金屬電極圖形可為鋁（A1)、鋅

1297802 發明說明（12) (Zn)、鎳（Ni)、鈦（Ti)、组（Ta)、金（Au)、鉻（Cr)、銀 (Ag)、矽（Si )、鍺（Ge)，或上述金屬之成比例之合金，且該第一金屬電極圖形可為一維或二維圖形；將上述樣品在低於居禮溫度之環境下作熱處理，該熱處理環境可為含氧之氣氛環境；在上述熱處理環境作用下，形成第一次淺層區域反轉，而該熱處理環境之溫度必須要低於晶體之居禮溫度，但要能將電極所覆蓋區域外之部分，形成淺層區域反轉，且該第一 ^淺層區域反轉技術，可為高溫引發鋰原子外擴散技術、咼溫引發鈦離子内擴散技術或質子交換技術，另該 φ 第一次淺層區域反轉之深度必須深於5 〇 nm ; 於非線性晶體上施加一第二金屬電極圖形，該第二金屬電極圖形其組成可為鋁（A1)、鋅（Zn)、鎳（Ni)、鈦（Ti) 、鈕（Ta)、金（Au)、鉻（Cr)、銀（Ag)、矽（Si)、鍺（Ge)，或上述金屬之成比例之合金，且該第二次深層區域反轉技術可為外加電壓之區域反轉技術，而該外加電壓所引發之電場必須高於晶體之矯頑電場；將上述晶體施以高於其矯項電場之電壓作用；在上述電場作用下，完成第二次深層區域反轉。本發明之第一實施例--維鐵電相週期性區域反轉結 _ 構之製作，其製作方法如下：首先將5Onm厚度之週期性鋁金屬電極鍍於之共融組成比之鈮酸鋰+ z面，然後於空氣中施以高溫處理（1〇5〇。c， 5hr anneal in ambient air)，以引發第一次表面淺層區

第18頁 1297802 五、發明說明（13) % t第一金屬電極圖形可以熱蒸鍍或電子槍濺鍍等之鈮鐘c第四圖(a所示為在具有Μ _週期QPM結構之规0曼鐘表面，於祐Λ μ 、口僻 a ΑιΙ - ,ζ. 、述熱處理過後，經由HF溶液蝕刻即代表南溫敎虛ήί* H1政 . 可、圭ς "、、处里所引發之表層區域反轉現象，其深产可達5 。而在被金屬電 I、二度極化場量則保持原來之方向^之£域’在乳化過程中其 mv對m處理的試片施以電壓反轉之後，再施以反轉之作用。第四圖⑴縣一電極之上以進仃區域反棘紝μ + 圖（b)頌不以此製程所得之週期性區域反轉❿構之y剖面光學照相圖域期性區域反棘，禮恭a认" 。人庄思到新的180週呈現之微小空隙ί 電極以下’顯示氧化過程所並發現以電壓驅：二轉之成核點。此外，我們向之蔣叙^斤產生之第一週期性反轉區域在水平方表面垂直之方式貫穿；邊二之邊二象=第四圖⑻以正電荷位障抑制水平方： :豕並達成控制反轉區域移動範圍之目的。施例l :『第五(a)、⑻、(c)圖』，本發明之第二實及為2二：48 T厚度為50“m之⑽之7與-z面照相圖 =為2於1 064nm Nd:YAG作SHG頻率轉換圖。如圖所示：係本萨明之篦一眚谂" 厌π炱曲綠维期性區域反轉結構之製作，其製作方法如下：于於在共融組成比鈮酸鋰上面，製作小週期之QpM_

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五、發明說明（14) SHG區域反轉結構，其步驟包含一第一高溫熱處理製程 (1050 C，5hr anneal in ambient air)，將第一金屬電極形成氧化狀態，隨後並施加一脈衝電壓d2kV，10ms)於第一電極，以進行區域反轉。第五圖(^)、（b)顯示依此法所製作之週期為6·8 之鈮酸鋰QPM-SHG結構之y與-z面經hf 溶液餘刻後之光學照相圖形，其中的基板厚度為5 〇〇 # m。所顯現之黑白相間的條紋，表示相互成1 8 〇。的反轉區域對於HF蝕刻液所呈現之不同之蝕刻速率。而第五圖（c)顯示以1 064nm之YAG雷射，對於此QPM-SHG微晶格進行倍頻轉換時，所獲得之綠光倍頻轉度與操作溫度之關係圖。頻率轉換出現峰值之溫度（1〇〇。C)，證實有qpm-SHG之物理機制 ’而轉換頻譜的半高寬可用以估算有效之微晶格結構長度為2· 3mm。實驗架構之簡圖如第一圖所示，基頻光由QpM — SHG結構之X軸傳播，而二倍頻綠光之輸出，也是沿晶體之 X軸傳播，但必須要額外施加一濾波片，方能有效過遽出倍頻光。

一請參閱『第六（a)、（b)、（c)及（d)圖』，係本發明第三實施例之二維QPM-PPLN長方形微晶袼結構圖、以1〇64nm Nd: YAG對第六圖（a)之二維QPM結構作SHG輸出之空間昭相與強度分布圖形及顯示二維QPM結構提供之多重晶格向'量，使知SHG輸出在空間中可以與基頻光不同角度、微調基頻光入射角度± 1.5。，由2D-QPM所貢獻之晶格分量k二造成SHG輸出與基頻光不同方向圖。如圖所示：係本發明= 第三實施例—二維鐵電相週期性區域反轉結構之製作，

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其製作方法如下：維鐵電相週期性區域反轉結構之製作對於例以厚度為5 0 0 # m之共融組成比之鈮酸鋰基板為例。其程序包含一第一高溫熱處理製程（1〇5〇。c，5hr anneal & ambient air)，將金屬電極形成氧化狀態。此金屬電極可為具有一維週期性排列之結構圖形，或是具有二維週期性排，之結構圖形。施加上述高溫處理，可將金屬電極以外的區域，造成一淺層區域反轉，並形成正電荷位障包圍此電極圖形所覆蓋之區域。其次，施以一脈衝電壓（1 2 )於

第二電極之上以進行區域反轉。若第一電極為一維週期性 …構，則第二金屬電極必須覆蓋於第一氧化態電極之上，以形成二維圖形，並與氧化電極内部之空隙形成鈮酸鋰區域反轉之成核點。若第一電極已為二維圖形，則可以利用電解液形成與氧化電極内部之空隙形成鈮酸鋰區域反轉之成核點。第六圖（a )顯示依此技術，所獲致之具有長方形陣列之二維銳酸鐘區域反轉之QPM微晶格結構，其週期為 6· 8 X 13· 2 /zm2。 ’ .、、、

我們也注意到第六圖（a)之6. 8 X 1 3· 2 // m2週期之圓柱形陣列，二維QPM —shg結構可以對1 〇6 4nm之YAG雷射進行倍頻轉換。此二維結構與第二實施之差異在於，本例另有一y 方向上週期為13· 2 //m QPM結構，可提供額外的波前向量， $偏折於X方向上由週期為之QPM結構，所產生yag之倍頻光，因此可以有空間濾波基頻光之功能。而第二實施例所採用之一維QPM結構，僅有單一X方向之週期來作為

1297802 五、發明說明（16) QPM-SHG之產生’以致倍頻光輸出平行於，因而必須要使用濾波片以分光。

第六圖（b)分別顯示以此週期為6· 8 X 13· 2 之2D —QPM 微晶格陣列’所獲得之陣列綠光倍頻雷射輸出之近場光學成像圖形、與綠光強度分布。而第六圖（c )為此陣列綠光雷射在不同晶格向量Kmn作用下，空間折射效應之理論分析。此圖顯示我們可以藉由y方向之非線性光柵，以偏折^ 晶格向量所匹配之倍頻綠光雷射之角度與強度。由於此

維結構對於y方向具有水平對稱性，因此以L晶格向量匹配之倍頻光與y軸成特殊對應夾角並且是成雙出現。而第 ί 維週期為u"m之QPM結構，其^綠光倍頻輸出1軸夾角為0 ，而與YAG雷射之基頻光重疊平行。而第六圖（d)顯示此陣列綠光雷射之操作溫度曲線由於y方向之先柵提供尚階倍頻綠光之相位匹配六圖有相同長度之二維0ΡΜ ά士諶品_ 打々…、弟 ώ盾本夕…：= 構言，其操作溫度範圍可由原先之8 C提昇至80。C。由以上詳細說明，可作孰左士湓I、查成A 1 θ — 使“、、▲本項技藝者明瞭本發明的確可達成刖述目的，實已符合專至但山击申嘖。 ^刃忐之規定，羑提出專利惟以上所述者，僅為本發明能以此限定本發明實施之範圍；广貝施例而已，當不範圍及倉Η乍說明書内I所作之簡的：依本發明申請專利應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。、4效變化與修飾，皆

1297802 圖式簡單說明五、【圖式簡單說明】第一圖，係QMP週期性區域反轉結構與非線尺頻率轉換示意圖。第二圖（a)、（b)，係習知電壓驅動極化反轤 ^ t ^ _ 入得日寻，於絕緣光阻層與金屬電極交界處所產生之垂直及水平古t 4 丁万向之邊緣電場效應圖。第三圖’係本發明之理論基礎不意圖，利用空間八布之正電荷，以降低水平方向之邊緣電場之幅度，以及^以阻絕極化電流之流入非電極圖形區域。第四圖（a)，係本發明第一實施例經過1〇5〇。〇51^於空氣中高溫處理後，於5 0 0 /z m厚度之Z切鈮酸鋰正表面造成週期性之三角形淺層區域反轉之y剖面餘刻圖。第四圖（b)，係本發明第四圖（a)製程後，施加極化反轉電壓所獲致PPLN之y剖面蚀刻圖。第五圖（a)、（ b)，本發明之第二實施例週期為6 · 8 " m而厚度為500 //m之PPLN之y與-z面照相圖。第五圖（c)，為對於l〇64nm Nd:YAG作SHG頻率轉換時之溫度調變曲線圖。第六圖（a)，本發明第三實施例之二維qpm-ppln長方形微晶格結構圖。第六圖（b)，以l〇64nm Nd:YAG對第六圖（a)之二維qpm結構作SHG輪出之空間照相與強度分布圖形。第六圖（c)，係顯示二維QPM結構提供之多重晶格向量，使得SHG輪出在空間中可以與基頻光不同角度。

第23頁；> 1297802 圖式簡單說明第六圖（d)，係微調基頻光入射角度±1.5° ，由2D-QPM所貢獻之晶格分量Kp ±1造成SHG輸出與基頻光不同方向圖。

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Claims

1297802 六、申請專利範圍 1 · 一種二維週期性區域反轉之鐵電相光學非線性微晶格製造方法，其步驟包括有：於非線性晶體上施加一第一金屬電極圖形；將上述樣品在低於居禮溫度之環境下作熱處理；在上述熱處理環境作用下，形成第一次淺層區域反轉；於非線性晶體上施加一第二金屬電極圖形；將上述晶體施以高於其矯頑電場之電壓作用；在上述電場作用下，完成第二次深層區域反轉。 2 ·依申請專利範圍第i項所述之二維週期性區域反轉之鐵電相光學非線性微晶格製造方法，其中，該晶體包括：_ 共融組成比之鈮酸鋰（LiNb03，LixHl_xNb〇3)、共融組成比之鈕酸鋰（LiTa03 iixUaO3)、具有氧化鋅摻雜之共融組成比之鈮酸鋰（ZnO:LiNb〇3)、具有氧化鎂摻雜之共融組成比之鈮酸鋰（MgO:LiNb〇3)、等計量比鈮酸鋰（LiNb〇3 )、具有氧化鎂摻雜之等計量比鈮酸鋰（LiNb〇3)，等計量比之鈕酸鋰（LiTa〇3)、以及具有氧化鎂摻雜^等計量比之鈕酸鋰（LiTa03) 〇 3·依申請專利範圍第1項所述之二維週期性區域反轉之鐵電相光學非線性微晶格製造方法，其中，該第一金屬電極圖形可為紹（A1)、辞（Zn)、鎳（Ni)、欽（τί)、组（Ta) ⑩ 、金（Au)、鉻（Cr)、銀（Ag)、矽（Si)、鍺（Ge)，或上述金屬之成比例之合金。 4 ·依申请專利範圍第1項所述之二維週期性區域反轉之鐵電相光學非線性微晶格製造方法，其中，該第一金屬電

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之二維週期性區域反轉之鐵方法，其中，該熱處理環境之二維週期性區域反轉之鐵方法，其中，該熱處理環境禮溫度，但要能將電極所覆區域反轉。之二維週期性區域反轉之鐵方法，其中，該第一次淺層發鐘原子外擴散技術、高溫子交換技術。之二維週期性區域反轉之鐵方法，其中，該第一次淺層 nm 。極圖形可為一維或二維圖形 5 ·依申請專利範圍第1項所述電相光學非線性微晶格製^ 可為含氧之氣氛環境。

6·依申請專利範圍第1項所述電相光學非線性微晶格製造之溫度必須要低於晶體之居蓋區域外之部分，形成淺層 7·依申請專利範圍第1項所& 電相光學非線性微晶格製造區域反轉技術，可為高溫弓丨引發鈦·離子内擴散技術或質 8·依申請專利範圍第1項所述電相光學非線性微晶格製造區域反轉之深度必須深於5 〇

9 ·依申请專利範圍第1項所述之二維週期性區域反轉之鐵電相光學非線性微晶格製造方法，其中，該第二金屬電極圖形其組成可為鋁（A1)、鋅（zn)、鎳（Ni)、鈦（Ti)、鈕（Ta)、金（Au)、鉻（Cr)、銀（Ag)、矽（si)、鍺（Ge)，或上述金屬之成比例之合金。 1 0 ·依申請專利範圍第1項所述之二維週期性區域反轉之鐵電相光學非線性微晶格製造方法，其中，該第二次深層區域反轉技術可為外加電壓之區域反轉技術，而該外加電壓所引發之電場必須高於晶體之橋頌電場。