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JP3443889B2 - 非線形光学材料に対する局所分極制御方法 - Google Patents

非線形光学材料に対する局所分極制御方法

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JP3443889B2
JP3443889B2 JP22608993A JP22608993A JP3443889B2 JP 3443889 B2 JP3443889 B2 JP 3443889B2 JP 22608993 A JP22608993 A JP 22608993A JP 22608993 A JP22608993 A JP 22608993A JP 3443889 B2 JP3443889 B2 JP 3443889B2
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nonlinear optical
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local
optical material
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Lasers (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、たとえば光第２高調波
発生素子（以下ＳＨＧ素子という）における周期分極反
転構造の形成に用いて好適な非線形光学材料に対する局
所分極制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】周波数ωの基本波を導入して２ωの周波
数の第２高調波の光を発生するＳＨＧ素子は、たとえば
半導体レーザと組み合わされることによって例えば近赤
外光を青色光とする短波長光源として用いることがで
き、半導体レーザによって得られるコヒーレント光の実
現可能の波長範囲を拡大化することができ、これにとも
なってレーザの利用範囲の拡大化と各技術分野でのレー
ザ利用の最適化をはかることができる。例えばこのレー
ザ光源の短波長化によってレーザ光を用いた光記録再
生、光磁気記録再生等においてその記録密度の向上、解
像度の向上をはかることができる。
【０００３】このようなＳＨＧ素子としては、例えばＫ
ＴＰを用いたいわゆるバルク型のＳＨＧ素子や、より大
なる非線形光学定数を利用する光導波路型のＳＨＧ素
子、例えばニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ3 （いわゆるＬ
Ｎ）等の非線形光学材料よりなる単結晶基板の上に光導
波路を形成して、これに近赤外光を導波して第２高調波
の青色光を放射モードとして基板側から取り出すチェレ
ンコフ放射型のＳＨＧ素子等がある。
【０００４】しかしながらバルク型のＳＨＧ素子はその
特性上ＳＨＧ変換効率が比較的低く、また廉価で高品質
が得られるＬＮを用いることができない。またチェレン
コフ放射型ＳＨＧ素子は、第２高調波ビームの放射方向
が基板内方向であり、またビームスポットも例えば三日
月状スポットという特異な形状をなし、実際の使用にお
いての問題点が存在する。
【０００５】変換効率の高いＳＨＧ素子実現のためには
基本波と発生する第２高調波を同一の導波路に光を閉じ
込めて導波させ、かつ位相伝搬速度を等しくしなくては
ならない。
【０００６】この位相伝搬速度を疑似的に等しくする方
法として、その光導波方向に周期的に分極が反転する周
期分極反転構造を設ける疑似位相整合方法が知られてい
る。
【０００７】これを実現する方法としては、たとえば単
一分極の結晶を薄く切断し、たとえばその結晶軸を交互
に反転して張り合わせることによって分極を周期的に反
転させる方法があり、また他の方法としては、結晶育成
時にたとえば印加する電流の極性を制御して周期的な分
域を形成し周期分極反転構造を形成する方法がある。し
かしながら前者方法による場合は、結晶薄板を張り合わ
せる際に光学的結合を得ることが難しく、後者の方法に
よる場合は大規模な装置が必要となるのみならず、分極
反転形成の制御が難しいという問題点がある。
【０００８】これに対して本出願人は、先に特開平４−
３３５６２０号公報に開示されているように、単分域化
された強誘電体材料に、その分極方向に第１及び第２の
電極を配置し、少なくとも第１の電極を最終的に得る分
極反転構造のパターンに対応するパターンとして、１５
０℃未満の温度下において、第１及び第２の電極間に、
上記強誘電体材料の自発分極の負側を負電位、正側を正
電位となるように１ｋＶ／ｍｍ〜１００ｋＶ／ｍｍの電
圧を印加して、分極反転構造を形成する方法を提案し
た。
【０００９】このような分極反転制御方法の一例を図５
の略線的拡大図を参照して説明する。尚，以下の図中に
おいて、非線形光学材料の自発分極の方向を矢印ｄで示
し、局所分極反転域の分極方向を矢印ｈで示す。
【００１０】この場合、非線形光学材料１０として厚さ
０．１ｍｍ程度のＬＮ単結晶を用い、そのｃ軸方向に同
様に単分域化されて成り、＋ｃ面上に第１の電極１１
を、目的とする局所分極反転域１３のパターン、例えば
ピッチＰが２．６μｍ、幅Ｗｉが１．３μｍと例えば同
一形状、すなわちピッチＰが２．６μｍ、幅Ｗが１．３
μｍの平行帯状に配置し、一方この裏の−ｃ面上には第
２の電極１２を全面的に形成する。５は電圧印加用電源
である。
【００１１】このような構成において、例えば室温にお
いて、第１及び第２の電極１１及び１２間に、非線形光
学材料１０の自発分極の正側の第１の電極１１が正電
位、負側の第２の電極１２が負電位となるように、例え
ば２６ｋＶ／ｍｍの電圧を印加して局所分極反転域１４
を形成する。このようにして、局所分極反転域１４をピ
ッチＰで平行帯状に配置形成することにより周期分極反
転構造を構成する。
【００１２】このとき、周期分極反転構造を構成する局
所分極反転域１４の幅ＷｉがピッチＰの２分の１の大き
さを持つとき理論上第２高調波出力は最も大きくなり高
変換効率のＳＨＧ素子を作製することができる。
【００１３】ところが、図６にその顕微鏡写真に基づく
得られた周期分極反転構造断面図を示すように、領域１
では局所分極反転域１４の幅Ｗｉが電極１１の幅Ｗに対
して大となって分極反転が起こり、それと同時に領域２
では電極１１の縁の部分のみが反転し局所分極反転域が
電極１１の下に一様に形成されない場合がある。この局
所分極反転域１４で構成される周期分極反転構造は、前
述した理論上最も高変換効率である周期分極反転構造と
形状が異なり、第２高調波出力の低下を招く。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、上述したような不均一な局所分極反転域の
形成を回避して、制御性よく局所分極反転域を得ること
ができるようにするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】第１の本発明は、単分域
化された単結晶より成る非線形光学材料基板の相対向す
る面の一方の面に、設計される局所分極反転域幅の２分
の１以下の幅を持つ電気伝導体で構成される第１の電極
を配置する。また他方の面に、第２の電極を第１の電極
に対向配置する。そして、第１の電極及び第２の電極間
に電圧を印加して局所分極反転域を形成する。
【００１６】第２の本発明においては、第１の電極の配
置面と同一平面上に、第１の電極と短絡し少なくともこ
の第１の電極の幅より大なる幅を持つ第３の電極を配置
する。
【００１７】
【００１８】
【作用】上述の本発明非線形光学材料に対する局所分極
制御方法によれば、局所分極反転域の形状を制御性よく
形成することができた。
【００１９】これは次に述べる理由に因るものと思われ
る。すなわち一般的にはＬＮ単結晶のような基板にに電
圧を印加したとき基板内部に発生する反転電界が電極中
央下部、電極縁下部、電極が無い領域下部で異なる。
【００２０】このような基板内部に発生する反転電界の
一例を図７の略線的拡大断面図を参照して説明する。こ
の場合非線形光学材料基板１０の上に第１の電極１１
を、裏面に第２の電極１２を配置する。この構成におい
て第１及び第２の電極１１及び１２の間に電圧を印加す
る。
【００２１】このときの非線形光学材料基板１０内に発
生する電界の強度を電気力線の密度で示し、電極縁４
１、電極中央部４２及び第１の電極１１に挟まれた電極
のない領域４３を取り上げて発生する電界強度の大きさ
を説明する。
【００２２】上述の構成では第１の電極１１上の電荷は
電極縁４１に集まる性質があるため、この電極縁４１下
部で電気力線の密度が大きくなり、電界強度は最も大で
ある。次いで電極中央部４２下部が大きく、電極のない
領域４３下部が最も小である。
【００２３】局所分極反転域の発生及び成長速度は電界
強度が大きいほど速い性質があるため、上記３点中最も
電界強度が大きい電極縁４１下部で局所分極反転域が最
も大きく発生及び成長し、面積が広がり易い。次いで局
所分極反転域の面積が広がり易いのは電極内部４２下部
で最もこれが広がりにくいのは電極のない領域すなわち
電極に挟まれた領域４３下部である。
【００２４】本発明方法では、前述したように、単分域
化された非線形光学材料基板１０の相対向する一方の面
１０ａに、設計されるすなわち目的とする局所分極反転
域幅の２分の１以下の幅を持つ電気伝導体で構成される
第１の電極１１、他方の面１０ｂに第２の電極１２を対
向配置し、第１及び第２の電極１１及び１２間に電圧を
印加して局所分極反転域を形成するものであるが、この
とき、第１の電極１１の電極の面積に対する電極縁の長
さの比が大になり、第１の電極１１下に形成される設計
される局所分極反転域の発生及び成長は電極縁の発生及
び成長が支配的となる。
【００２５】したがって第１の電極１１の下部と第１の
電極１１に挟まれた領域４３の下部の局所分極反転域の
発生及び成長の速度の差が大きくなってその結果不均一
な局所分極反転域を形成が形成されることを回避して、
制御性よく周期分極反転構造を得ることができる。
【００２６】さらに、第１の電極１１と同一面上に、こ
の第１の電極１１と短絡し少なくともこの第１の電極１
１の幅より大なる幅を持つ第３の電極１３を、少なくと
も電圧印加前に配置することにより、第１の電極１１下
部の周期分極反転構造を形成するのに必要な電圧印加条
件を越えて電圧印加を行った場合でも、第１の電極１１
に挟まれた領域を分極反転させることを効果的に回避で
きるものである。
【００２７】これは、第１の電極１１下部に周期分極反
転構造が形成された後、さらに電圧印加を行った場合、
第１の電極１１に挟まれた領域より第３の電極１３の下
部の方が分極反転分域が広がり易いため、先ず第３の電
極１３の下部が分極反転する。そして、さらに電圧印加
を行うと、第１の電極１１に挟まれた領域が分極反転す
る。しかしここで印加電圧条件を第３の電極１３下部の
局所分極反転域が広がり始め、広がり終わる範囲に設定
することにより、確実に周期分極反転構造が形成され、
また電圧印加条件の許容範囲が広がるので、より安定に
周期分極反転構造を得ることができる。
【００２８】
【実施例】図面を参照して本発明非線形光学材料に対す
る局所分極制御方法の各例を詳細に説明する。各例共
に、非線形光学材料基板１０としてＫＴＰ（ＫＴｉＯＰ
Ｏ4 ）、ＬＮ、ＬｉＴａＯ3 等の単結晶、例えばＬＮ単
結晶を用いた場合で、このＬＮ単結晶上に周期的な分極
反転構造を形成すると共に、この部分において光導波路
を形成して、高効率のＳＨＧ素子を得る場合を示す。ま
た各例共に、非線形光学材料基板１０すなわち強誘電体
材料基板１０の単分域化は、たとえばそのキュリー温度
直下のたとえば１２００℃程度まで昇温して一定の方向
に外部直流電圧を全面的に印加することによって、全面
的にｃ軸方向を揃えて行なった。各例共に１５０℃以下
のたとえば室温において電圧印加を行なった。
【００２９】本発明では、この単分域化された非線形光
学材料基板１０の相対向する面１０ａおよび１０ｂの一
方の面１０ａに、設計される局所分極反転域幅Ｗｉの２
分の１以下、実際には、１／１０〜１／２の幅Ｗを持つ
電気伝導体で構成される第１の電極を配置する。また、
他方の面１０ｂには、第２の電極１２を第１の電極１１
に対向配置する。そして、第１の電極１１及び第２の電
極１２間に電圧を印加して局所分極反転域を形成する。
【００３０】また、望ましくは、第１の電極１１の配置
面と同一平面上すなわち１０ａに、第１の電極１１と短
絡し少なくともこの第１の電極１１の幅より大なる幅を
持つ第３の電極１３を、少なくとも第１の電極１１およ
び第２の電極１２間への電圧印加前に配置する。
【００３１】以下本発明方法の実施例を説明する。 実施例１ 非線形光学材料基板１０として厚さ０．１ｍｍ程度のＬ
Ｎ単結晶を用いる。この基板１０は、矢印ｄで示す方
向、つまりｃ軸方向に単分域化されて成る。この基板１
０の＋ｃ面の面１０ａ上に複数の平行電極からなる第１
の電極１１を配置する。この第１の電極１１の幅Ｗすな
わち各平行電極の幅Ｗは、形成するすなわち目的とする
局所分極反転域の幅Ｗｉの３分の１に、すなわち第１の
電極１１の周期Ｐの６分の１に設計する。この例では、
Ｗｉ＝１．５μｍ、Ｐ＝３．０μｍ、Ｗ＝０．５μｍと
した。
【００３２】さらに非線形光学材料基板１０の−ｃ面の
面１０ｂ上に全面的に第２の電極１２を配置した。ま
た，前記第１の電極１１と同一平面上に、図３Ａにその
平面図を示すように、第１の電極１１すなわち平行電極
の対応する各一端と短絡して共通の第３の電極１３を配
置した。
【００３３】第１及び第３の電極１１及び１３は、基板
１０の面１０ａ上に、電極金属層をスパッタリングによ
って厚さ０．２μｍに被着形成し、その後フォトリソグ
ラフィによってパターン化することによって同時に一体
に被着形成した。
【００３４】また、第２の電極１２は、基板１０の面１
０ｂ上に、電極金属層を０．２μｍの厚さにスパッタリ
ングすることによって形成した。
【００３５】これら第１〜第３の電極１１〜１３の電極
金属層はＡｌ、あるいはグレーンサイズを細かくする目
的でＴｉもしくはＳｉを含有するＡｌによって、この実
施例ではＴｉを含有するＡｌによって構成した。
【００３６】そして、室温において、電圧印加用電源５
から、第１、第２及び第３の電極１１，１２及び１３
に、非線形光学材料１０の自発分極の正側の第１及び第
３の電極１１及び１３が正電位、負側の第２の電極１２
が負電位となるように、２６ｋＶ／ｍｍの電圧を印加し
た。この実施例１によってピッチＰが２倍の局所分極反
転域の幅Ｗｉにほぼ等しい周期分極反転構造１４を形成
することができた。図２に、この実施例１によって得た
周期分極反転構造パターンの顕微鏡写真に基づく断面図
を示すように、この場合、設計された局所分極反転域に
ほぼ等しい局所分極反転域１４が安定して形成され、目
的とする周期分極反転構造を得ることができた。
【００３７】実施例１では、図１に示した全ての第１の
電極１１に対して短絡する共通の第３の電極１３を設け
た場合であるが、上面図を示すような形状としたが、図
３Ｂにその上面図に示すように、第１の電極の各平行電
極にそれぞれこれより幅広の第３の電極１３を短絡させ
て配置することもできる。
【００３８】図４を参照して本発明方法の他の実施例を
説明する。
【００３９】実施例２ 図４において図１に対応する部分は同一符号を付して重
複説明を省略する。この例では、非線形光学材料基板１
０に凸部即ちリッジ６が形成されてなる。このリッジ６
の長手方向は非線形光学材料１０の矢印ｄで示す自発分
極方向に直交するように選定され、その長手方向の側壁
面が、分極の正側になる面１０ａと、負側よりなる面１
０ｂとにより構成される。
【００４０】この面１０ａ上と隣接する上面１０ｃとに
第１の電極１１が実施例１におけると同様のピッチＰ，
幅Ｗをもって形成した。また面１０ｂと隣接する上面１
０ｄ上に第２の電極１２を形成する。さらに面１０ａ上
と隣接する上面１０ｃ上に第３の電極１３を形成した。
【００４１】そして、室温において、第１，第２及び第
３の電極１１，１２及び１３に、非線形光学材料１０の
自発分極の正側の第１及び第３の電極１１及び１３が正
電位、負側の第２の電極１２が負電位となるように、例
えば２６ｋＶ／ｍｍの電圧を印加して局所分極反転域１
４を形成した。この実施例２においても、ピッチＰが２
倍の局所分極反転域の幅Ｗｉにほぼ等しい周期分極反転
構造を形成することができた。
【００４２】上述したように、本発明によれば、分極反
転を行う第１の電極１１の幅Ｗを、目的とする局所分極
反転域幅Ｗｉの１／１０〜１／２とするとき確実に非線
形光学材料に対する局所分極制御を行うことができるこ
とを認めた。
【００４３】尚、上述した各例では室温すなわち２５℃
下で分極反転制御を行った場合であり、この場合特別の
加熱手段等を必要としないことから工業的にその利益は
大であるが、−１００℃〜１５０℃程度の温度下での分
極反転制御を行っても同様の効果が得られる。
【００４４】そして、上述の本発明方法によって分極反
転構造が形成された非線形光学材料基板に、その周期反
転方向に光導波路を拡散法等の周知の方法によって形成
すればＳＨＧ素子を構成することができる。
【００４５】
【発明の効果】上述したように、本発明の非線形光学材
料に対する局所分極制御方法によれば，安定に周期分極
反転構造を得ることができる。
【００４６】このため、従来の方法で作製されたＳＨＧ
素子に比べて大幅に第２高調波出力の向上と安定化を図
ることができる。
【００４７】また、この方法では室温下で行うことがで
きるので、その実施のための装置、作業が簡略化され、
工業的な利益は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非線形光学材料に対する局所分極制御
方法の一例の分極反転工程における斜視図である。
【図２】本発明方法で得られた周期分極反転構造の一例
の断面図である。
【図３】図３Ａは、本発明の非線形光学材料に対する局
所分極制御方法の第３の電極の一例の平面図である。図
３Ｂは、本発明の非線形光学材料に対する局所分極制御
方法の第３の電極の一例の平面図である。
【図４】本発明方法の他の分極反転工程における斜視図
である。
【図５】従来の分極反転制御方法の分極反転工程におけ
る斜視図である。
【図６】従来方法で得た周期分極反転構造の一例の断面
図である。
【図７】略線的電界分布図である。
【符号の説明】
１０ 非線形光学材料基板 １１ 第１の電極 １２ 第２の電極 １３ 第３の電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−210132（ＪＰ，Ａ) Ｇ．ＫＨＡＮＡＲＩＡＮ ＥＴ Ａ Ｌ．，’Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅ ｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｐｅｒｉ ｏｄｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｗａｖｅｇ ｕｉｄｅ：Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐ，Ｐ ＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨＥ ＳＰＩＥ，米国，1989年，ｖｏｌ. 1147，ｐａｇｅｓ 129−133 Ｂ．Ｆ．ＬＥＶＩＮＥ ＥＴ Ａ Ｌ．，’Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅ ｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｌｉｑｕ ｉｄ−Ｆｉｌｌｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄ ｅ’，ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，米国，1975年 ４月 １日，ｖｏｌ．26，ｎｏ．７，ｐａｇ ｅｓ 375−377 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/37

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 単分域化された単結晶より成る非線形光
    学材料基板の相対向する面の一方の面に、設計される局
    所分極反転域幅の２分の１以下の幅を持つ電気伝導体で
    構成される第１の電極を配置し、 他方の面に、第２の電極を上記第１の電極に対向配置
    し、 前記第１の電極及び第２の電極間に電圧を印加して局所
    分極反転域を形成することを特徴とする非線形光学材料
    に対する局所分極反転制御方法。
  2. 【請求項２】 前記第１の電極の配置面と同一平面上
    に、前記第１の電極と短絡し少なくともこの第１の電極
    の幅より大なる幅を持つ第３の電極を配置することを特
    徴とする請求項１記載の非線形光学材料に対する局所分
    極制御方法。
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