JP2008185892A - 強誘電体基板の分極反転方法および分極反転デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】強誘電体基板に均一な分極反転構造の形成方法を提供する。
【解決手段】Ｚ軸に単分極化された強誘電体結晶の強誘電体基板１上に所定の周期パターンを有する第１の金属電極２を、強誘電体基板１の他面に第２の平板電極３を形成し、強誘電体基板１に第１の電極２と第２の平板電極３を介しパルス電界を印加して分極反転部を周期的に形成する強誘電体基板の分極反転方法において、第１の周期電極２は、強誘電体基板１の長手方向（Ｘ方向）に垂直に分極幅に相当する間隔で周期的に配置され、それぞれの周期電極は、該長手方向と垂直方向（Ｙ方向）に所定の形状の周期パターンを第１の金属電極２を周期的に欠如して配設される。
【選択図】図３

Description

本発明は、コヒーレント光源を応用した、光情報処理、光応用計測の分野に使用される光波長変換素子に関するものであり、このような光波長変換素子に含まれる分極反転部の製造方法に関するものである。

また本発明は、パルス電界印加を利用する分極反転構造の形成方法、および分極反転構造を有し、光波長変換素子、偏光素子、光スイッチ、位相変調器等に応用可能な光学素子に関する。

単一分極の強誘電体結晶の分極を部分的に反転させる分極反転は、非線形光学効果、電気光学効果、音響光学効果等の光波制御を可能にし、通信、光情報処理、計測等広い分野で応用されている。中でも非線形光学効果を利用した光波長変換素子への分極反転の適用は、半導体レーザの光波長変換による小型の短波長光源を実現できるため、盛んに研究が行われている。

周期的な分極反転構造を形成する方法としては、強誘電体基板の表面に所定パターンの周期電極を形成し、基板裏面に全面電極を形成する。この周期電極と全面電極により強誘電体基板に電圧を印加して、局所的な分極反転部を形成する方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）
また、周期の長い分極反転構造や大面積なものを形成する場合に顕在化するデューティ比の面内不均一性の改善に対しては、従来のように強誘電体結晶の分極反転させたい領域に、それに対応した形状の１つの電極を配置するのではなく、分極反転させたい領域にそれよりも細い複数の電極を配置しておいて、それら複数の電極を介して強誘電体結晶に電界を印加する手法が開示されている。（例えば、特許文献２参照。）
また、上述の電極の縁部に対応する少なくとも一部を微細な屈曲形状とする手法が開示されている。（例えば、特許文献３参照）
特開平１１−７２８０９号公報 特開２００２−２１４６５５号公報 特開２００３−５２３６号公報

しかしながら、上述特許文献２のような構造の電極を用いて反転部を形成する場合には、一群の電極を構成する電極の数が多いほど反転核が発生する電極端部がより多く存在することになり効果が認められるが、意図的に反転核を発生させることが困難であり、なおも分極反転が初期に始まる初期反転部と分極反転が遅く始まる後期反転部が存在することになり均一性の高い分極反転部を形成することが困難になってしまうという課題を有していた。また反転部の周期が短い構成の場合には、１つの電極の幅が狭くなってしまい、電極の数が増えると形成が困難になってしまうという課題も有していた。このように、非線形光学効果を有する強誘電体結晶に周期分極反転構造を形成してなる光波長変換素子において、上述のような問題が生じると、分極反転部の周期や反転幅デューティ比が不均一になって波長変換効率の低下を招く。

また、上述特許文献３のような構造の電極を用いて反転部を形成する場合においては、電極の縁部を屈曲形状としていることで、特許文献２と同様に電極端部がより多く存在することになり効果が認められるが、電極の幅が屈曲していることにより、電極の長手方向の変換効率が不均一になってしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、周期の短い分極反転構造や大面積なものを形成する場合において、均一性の高い分極反転部を形成することができる強誘電体の分極反転方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の強誘電体基板の分極反転方法は、Ｚ軸に単分極化された強誘電体結晶の強誘電体基板面上に所定の周期パターンを有する第１の金属電極を、前記強誘電体基板の他面に第２の平板電極を形成し、前記強誘電体基板に前記第１の電極と第２の平板電極を介しパルス電界を印加して分極反転部を周期的に形成する強誘電体基板の分極反転方法において、前記第１の周期電極は、前記強誘電体基板の長手方向（Ｘ方向）に垂直に一定の間隔で周期的に配置され、それぞれの周期電極は、該長手方向と垂直方向（Ｙ方向）に所定の形状の周期パターンを前記第１の金属電極を周期的に欠如して配設されることを特徴としたものである。

また、本発明の分極反転デバイスは、強誘電体基板に分極反転構造が形成される分極反転デバイスであって、請求項１に記載の方法で分極反転層が形成される分極反転構造を有することを特徴としたものである。

本発明の光波長変換素子の作製方法およびこの素子の分極反転方法によれば、均一な分極反転部を形成することにより、安定した波長変換効率を確保することが可能となる。

以下に、本発明の分極反転部形成方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、強誘電体結晶の基板１の一方の面に所定のパターンを有する電極２を形成し、他面に平板電極３を形成し、パルス電圧源４よりパルス電界を印加して分極反転部の形成方法を説明する断面図である。本実施例では強誘電体基板として非線形光学結晶基板を用いるとともに、パルス電界印加用の電極として周期パターンを有する周期電極を用い、非線形光学結晶基板に上記電極の周期パターンに対応した周期分極反転構造を形成して、光波長変換素子を作製する。

この図１に示す非線形光学効果を有する強誘電体基板１は、ＭｇＯが５ｍｏｌ％ドープされたＬｉＮｂＯ３（以下ＭｇＯ−ＬＮ基板）基板である。このＭｇＯ−ＬＮ基板１はＺ軸方向に単分極化処理がなされたものである。ここでの、Ｚ軸方向とは強誘電体基板１の厚さ方向である。

図２は、本実施例における光波長変換素子である分極反転デバイスの作製方法を模式的に示したものである。
図２（ａ）は、ＭｇＯ−ＬＮ基板１の基板表面に一方の電極部を構成するための金属薄膜５を形成した状態を示す模式図である。図２（ｂ）は、金属薄膜５の上にレジスト６を塗布した状態を示す模式図である。図２（ｃ）は、レジスト６上にパターンマスクを介して紫外線を照射しレジストパターン７を形成した状態を示す模式図である。図２（ｄ）は、レジストパターン７以外の金属薄膜５をエッチング処理し周期電極２を形成した状態を示す模式図である。図２（ｅ）は、基板表面に周期電極２を形成後、基板裏面に金属薄膜を形成し、他方の電極３を形成した状態を示す模式図である。

本実施の形態では、光波長変換素子としては、厚さ１ｍｍ、長さ２８ｍｍのＭｇ−ＬＮ基板１(山寿セラミクス社製）を用いて、図２（ａ）のように、基板表面（＋Ｚ面）にＴａ（タンタル）をスパッタ装置（アルバック社製）で１００ｎｍの薄膜５を作製した。Ｔａ薄膜５作製後、図２（ｂ）のようにｉ線用のレジスト６（住友化学社製）をコーター・デベロッパ装置（東京エレクトロン社製）を用いて塗布した。繰返しパターンの周期構造を有するマスクが装着された露光器（ズース・マイクロテック社製）にコンタクトさせ、ｉ線の光（波長３６５ｎｍ）を照射した後に、基板表面にＮＳＤ−ＴＤ２．３８％（東京応化社製）を塗布し現像を行うことで、図２（ｃ）に示すように繰返しパターンのレジストパターン７を有する基板を作製した。レジストパターン７の形成後、図２（ｄ）のようにエッチング装置（アルバック社製）によりエッチングを行い、＋Ｚ面に周期構造の電極２を有する基板１を作製する。

図３に、周期電極２の構成を模式的に示す。この周期電極２は、図３（ａ）に模式的な平面図に示すとおり、ＭｇＯ−ＬＮ基板１のＸ軸方向に周期的に多数繰り返すように形成されたものであり、これらの周期電極２は全て図示外の共通の基部から延ばされており、互いに電気的に導通した状態となっている。図３の構成において、一例として、電極郡を形成するそれぞれの周期電極２の幅を３．５ｕｍとしており、Ｔａ膜からなる金属電極の欠如している形状を縦１．５ｕｍ（Ｙ軸方向）、横２ｕｍ（Ｘ軸方向）の矩形、空間の周期をＹ軸方向に３ｕｍとした複数の空間を梯子状に設けている。

本実施例では、各周期電極２の中に多数の金属電極の欠如する四角形を、Ｙ方向に均等に該四角形の角が位置するように等間隔に形成し、縁端電界による強電界に起因する分極反転の初期の微小反転核を均一に配置している。

このような角の有する電極を形成することにより、電極エッジの部分、更に、電極境界部分においてより強く発生する縁端電界による強電界部分より分極反転部が形成され始める。本実施例では四角形にしているが、空間を構成できる三角形以上の角を有する多角形形状であれば問題なく適用できる。例えば図９に示すような形状としてもよい。また、角を有しない形状でも電極境界効果が得られるが、角を有する方がより電極エッジ効果が得られる。本実施例においては、複数の矩形のＴａ膜を有しない部分を有する帯状の周期電極を設けたが、ＭｇＯ−ＬＮ基板１の厚さや、印加パルス電界、周期電極の幅などに応じて個数や大きさを形成することが必要である。

その後、図２（ｅ）のように基板裏面（−Ｚ面）にもスパッタ装置（アルバック社製）を用いて１００ｎｍのタンタル薄膜を成膜することで、裏面電極３を形成する。また本実施例では表面電極、裏面電極用の金属薄膜としてＴａを用いているが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）としてもよい。＋Ｚ面及び−Ｚ面に電極を形成後、図１に示すようにパルス電圧源４よりパルス電界を印加することで、周期的な分極反転部を形成し、光波長変換素子を作製する。

このパルス電界の印加による分極反転プロセスは、図４に示すように（ａ）核生成、（ｂ）核成長、（ｃ）分極壁移動（ｄ）分極反転終了という順序で進行する。

一般的には、微小反転核８の生成は周期電極２のエッジ効果のため局所電界が最も大きくなる電極端より始まり、これが基板１の厚み方向に成長する。その後さらに分極壁移動により、電極直下も分極方向が次第に反転し、最終的には電極サイズより広い領域が分極反転され反転プロセスが終了する。このとき、初期段階で高密度の微小反転核８を均一に分布できれば、均一性の高い分極反転構造が形成できる。しかしながら、核密度が低いか、初期の微小反転核８の分布が不均一であると、最終的に形成される分極反転構造の周期性が低下してしまう。これは波長変換を行う素子では、変換効率の低下につながるため、高効率の波長変換を実現するためには、均一な分極反転構造を備えた光波長変換素子が必要である。

図５は、特許文献１から３に示される従来の方法と、図３に示す本実施例での周期電極２を用いた場合におけるパルス電界の印加回数と分極反転部の形成率の関係を示す。横軸はパルス電界の印加回数、縦軸は分極反転部の形成率を示すものである。上記のパルス電界印加による周期上の分極反転部の形成に関して、本実施例ではパルス電圧源４によって周期が５ｍｓｅｃの矩形波のパルス電界を印加する。

本実施例では周期分極反転部９の幅を評価するために、周期分極反転構造が形成されたＭｇＯ−ＬＮ基板１を室温に保ったフッ酸５０％（ダイキン工業社製）と硝酸（関東化学社製）を１：１に混合した混合液を作成した。この混合液に２時間浸漬すると、分極方向の違いに起因するエッチングレートの差異により、分極反転された部分とされていない部分で段差が生じており、分極反転パターンを確認することができる。この分極反転パターンを画像としてＰＣに取り込み、画像処理ソフトにより、分極反転部の形成率を数値化した。

図５に示されるように、特許文献１、２に示される電極形状においては、分極反転部の形成率の立ち上がりが遅く、強誘電体基板１上の分極反転部がほぼ全面に形成されるために８万回〜１０万回のパルス電界印加が必要であったのに対して、特許文献３に示される電極形状、および本発明の電極形状では、パルス電界印加開始初期に急激に分極反転部の形成率が向上しており、４万回〜６万回のパルス電界印加によって、ほぼ全面に分極反転部が形成されていることが分かる。

これらの効果が得られる理由は、従来の直線状の端部を持つ周期電極を用いる場合と比較して、図８（ａ）に示すように、電極端を意図的に増やすことにより、分極反転部がパルス電界印加開始直後に急速に形成されることになり初期の微小反転核８を多く発生させることができ、図８（ｂ）のように微小反転核８が多く成長し、最終的に図８（ｃ）のように均一な分極反転部の幅を持った分極反転領域９が形成されたと考えられる。

即ち、従来の周期電極の中に所定の形状のパターンを形成するので、形状の境界、形状の先鋭部に発生する縁端電界による強電界部分より分極反転部が形成され始め、初期の微小反転核を数多く発生させることができる。

図６は、本実施例で作製された光波長変換素子である分極反転デバイス１７の変換効率を評価するための波長変換レーザ光源１９の概略図である。波長変換レーザ光源１９は、ファイバーレーザ２０と、ポンプレーザダイオード１１とを備えている。ファイバーレーザ２０は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４内のＹｂイオンを励起させるようになる１０００ｎｍおよび１１００ｎｍの間の範囲の波長、本実施例では１０６４ｎｍで第２のポンプ放射を生成するように構成されている。ブラッグ回折格子１２、１３は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４の両端部にライディングされ、ファイバーレーザ２０のファブリペロー共振空洞部の境界を画する。ポンプレーザダイオード１１は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４の一端部に光学的に結合され、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４をポンピングするための励起光を生成するようになっている。Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４の反対側の端部は、第２のポンプ光を出射するためのファイバー２１に接合されている。ファイバーレーザ２０から出射したレーザ光はコリメートレンズ１５によって平行にされ、フォーカシングレンズ１６によって光波長変換素子ある分極反転デバイス１７の端面を通り分極反転領域１８内に集光される。分極反転領域１８を伝播して、レーザ光の成分が高調波に変換され、この高調波および変換されなかった基本波が光波長変換素子１７の出射端面より出射される。

本実施例では光波長変換素子１７に入射されるレーザ光の波長が１０６４ｎｍであるので、この基本波としてのレーザ光は、光波長変換素子１７により５３２ｎｍの第２高調波に変換される。その後、ＩＲカットフィルタ２１を通過することにより１０６４ｎｍのレーザを取り除き、５３２ｎｍのレーザのみを光パワーメータ２３により測定する。なお光波長変換素子１７を設置するステージはＹ方向に稼動し、波長変換素子のＹ方向の変換効率の安定性を評価することが出来る。

このシステムを用いて波長変換効率を測定した結果を図７に示す。横軸は特許文献３による方法と本発明による方法の比較を行う。縦軸は理論値を１として規格化された波長変換効率を示されたものであり、Ｙ軸方向にレーザを走査して測定したときの平均値と最大値、最小値をプロットしている。図７に示すように、本発明方法により作製された光波長変換素子１７は、特許文献３の方法による光波長変換素子では、波長変換効率の平均値は７８％であるのに対して、本実施例では８６％と向上している。また、Ｙ軸方向に走査した際のバラつきも、従来方法では１０％であったのが、本発明では５％へ低減しており、均一な分極反転構造部が形成されているといえる。

これらの結果から、本発明方法によれば少ないパルス電界印加回数で分極反転部を均一に成長させて、周期性の優れた周期分極反転構造を形成することにより、優れた波長変換特性を有する光波長変換素子を提供することが可能となる。

本発明にかかる光波長変換素子の作製方法およびこの素子の分極反転方法は、均一な分極反転部を確保する構成を有したものであり、不均一な分極反転部に起因する波長変換効率の低下を防止することができる手法としてとして有用である。

本発明にかかる光波長変換素子の作製方法およびこの素子の分極反転方法は、安定した波長変換効率が必要な光波長変換素子の用途にも適用できる。

本発明の実施例１における強誘電体の分極反転方法の分極反転部の形成方法を説明する断面図 本発明の実施例１における強誘電体の分極反転方法の光波長変換素子（分極反転デバイス）の作製方法を模式的に示す図 本発明の実施例１における分極反転デバイスの周期電極の平面図および断面図 本発明の実施例１における分極反転デバイスの分極反転プロセスを示す概略図 本発明の実施例１における分極反転デバイスのパルス印加回数と分極反転部の形成率の関係を示す図 波長変換レーザ光源の構成を示す模式図 本発明の実施例における分極反転デバイスのＹ軸方向位置と変換効率の関係を示す図 本発明の実施例における分極反転デバイスの分極反転部の成長を説明するための図 本発明における分極反転デバイスの他の周期電極の平面図および断面図

符号の説明

１ 強誘電体基板（ＭｇＯ−ＬＮ基板）
２ 周期性を有する表面電極
３ 裏面電極
４ パルス電圧源
５ Ｔａ薄膜
６ レジスト溶液
７ 周期性を有するレジストパターン
８ 微小反転核
９ 分極反転部
１１ ポンプレーザダイオード
１２ 第１のブラッグ回折格子
１３ 第２のブラッグ回折格子
１４ Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー
１５ コリメートレンズ
１６ フォーカシングレンズ
１７ 光波長変換素子（分極反転デバイス）
１８ 分極反転領域
１９ 波長変換レーザ光源
２０ ファイバーレーザ
２１ ファイバー
２２ ＩＲカットフィルタ
２３ 光パワーメータ

Claims (5)

1. Ｚ軸に単分極化された強誘電体結晶の強誘電体基板面上に所定の周期パターンを有する第１の金属電極を、前記強誘電体基板の他面に第２の平板電極を形成し、前記強誘電体基板に前記第１の電極と第２の平板電極を介しパルス電界を印加して分極反転部を周期的に形成する強誘電体基板の分極反転方法において、
   前記第１の周期電極は、前記強誘電体基板の長手方向（Ｘ方向）に垂直に一定の間隔で周期的に配置され、それぞれの周期電極は、該長手方向と垂直方向（Ｙ方向）に所定の形状の周期パターンを前記第１の金属電極を周期的に欠如して配設されることを特徴とする強誘電体の分極反転方法。
2. 前記第１の電極に形成される所定の形状は、四角形若しくは三角形であることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体基板の分極反転方法。
3. 前記強誘電体基板は、ＬｉＴａ(１‐ｘ)ＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）結晶、またはそれにＭｇＯがドープされた結晶であることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体基板の分極反転方法。
4. 前記第１の周期電極の中に複数の金属電極の欠如する多角形を、Ｙ方向に均等に該多角形の角が位置するように等間隔に形成し、縁端電界による強電界に起因する分極反転の初期の微小反転核を均一に配置して分極反転部を形成することを特徴とする請求項１に記載の強誘電体基板の分極反転方法。
5. 強誘電体基板に分極反転構造が形成される分極反転デバイスであって、請求項１に記載の方法で分極反転層が形成される分極反転構造を有することを特徴とする分極反転デバイス。
   
   
   

Images