專利名稱：光學(xué)元件以及極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件，特別是具有極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的光學(xué)元件。另外，本發(fā)明還涉及極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法。
背景技術(shù)：
如果利用將強(qiáng)電介質(zhì)的極化強(qiáng)制反轉(zhuǎn)的極化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，就能夠在強(qiáng)電介質(zhì)的內(nèi)部形成周期狀的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域(極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造)。這樣所形成的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，能夠用在使用聲表面波的光頻率調(diào)制器、使用非線性極化的極化反轉(zhuǎn)的光波長(zhǎng)變換元件、使用棱鏡形狀或透鏡形狀的反轉(zhuǎn)構(gòu)造的光偏振器等中。特別是，如果能夠讓非線性光學(xué)物質(zhì)的非線性極化周期性反轉(zhuǎn)，就能夠制作出變換效率非常高的光波長(zhǎng)變換元件。如果用其對(duì)半導(dǎo)體激光器等的光進(jìn)行變換，就能夠?qū)崿F(xiàn)一種能夠應(yīng)用于印刷、光信息處理、光應(yīng)用測(cè)量領(lǐng)域等的小型短波長(zhǎng)光源。
以往形成周期狀極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法，公知的有通過(guò)Ti熱擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的方法、裝載SiO2之后進(jìn)行熱處理的方法、進(jìn)行質(zhì)子交換處理與熱處理的方法等。另外，還公知有利用強(qiáng)電介質(zhì)的自發(fā)極化因電場(chǎng)而反轉(zhuǎn)這一點(diǎn)來(lái)形成周期狀的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法。該利用電場(chǎng)的方法，例如有對(duì)沿著C軸切出的基板的-C面照射電子束的方法、以及對(duì)+C面照射正離子的方法。不管是哪一種情況，通過(guò)所照射的帶電粒子所形成的電場(chǎng)，形成數(shù)100μm深的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
其他以往的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的制造方法，公知有在LiNbO3基板上形成梳狀電極，對(duì)其施加脈沖狀電場(chǎng)的方法(參照例如專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)2)。這些方法中，在LiNbO3基板的+C面中形成周期狀的梳狀電極，在-C面中形成平面電極。接下來(lái)，讓+C面接地，在-C面通過(guò)脈沖電源施加脈沖寬度典型的為100μs的脈沖電壓，對(duì)基板施加脈沖電場(chǎng)。為了進(jìn)行極化反轉(zhuǎn)所需要的電場(chǎng)，約為20kV/mm以上。在施加這樣的值的電場(chǎng)時(shí)，如果基板較厚，就有可能因施加電場(chǎng)而破壞基板。但是，通過(guò)讓基板的厚度為200μm左右，可避免因施加電場(chǎng)所引起的晶體破壞，在室溫中形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。從而得到貫通基板的深的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。
另外，還公布了一種方法，在Z板的摻雜Mg的LiNbO3基板(以下稱作MgLN)中形成梳狀電極，通過(guò)對(duì)其施加電壓，能夠形成周期狀極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造(參照例如專利文獻(xiàn)3)。
另外，為了實(shí)現(xiàn)光波長(zhǎng)變換元件的高效化，需要周期為3～4μm的短周期的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。如果通過(guò)施加電場(chǎng)形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，在電極正下方的極化反轉(zhuǎn)之后，極化反轉(zhuǎn)區(qū)域在平行于基板的表面的方向上擴(kuò)展。因此很難實(shí)現(xiàn)極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的短周期化。為解決該問(wèn)題，以往的方法中，通過(guò)給電極施加脈沖寬度為100μs左右的短時(shí)間脈沖電壓，來(lái)縮短電壓施加時(shí)間，形成短周期的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。
其他的短周期的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域形成方法公知有，通過(guò)在Z板的LiTaO3基板的表面中形成溝，并抑制極化反轉(zhuǎn)在寬度方向的擴(kuò)大，來(lái)形成周期3.8μm的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法(參照例如專利文獻(xiàn)4)。
另外。短周期極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法公知有，為了在電介質(zhì)材料中形成極化反轉(zhuǎn)微小構(gòu)造，通過(guò)分割成多個(gè)區(qū)域來(lái)分別形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，來(lái)形成例如周期4μm的短周期極化反轉(zhuǎn)(參照例如專利文獻(xiàn)5)。
另外，還提出了在MgLN中形成短周期的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的方法(參照例如專利文獻(xiàn)6)。該方法中，在Z板的MgLN中形成周期狀極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，該方法中，在MgLN的+Z面中形成梳狀電極，通過(guò)從背面照射電暈來(lái)形成周期狀的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。通過(guò)這樣，形成周期為4μm且貫通基板厚0.5mm的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。
另外，還有一種通過(guò)在Z板的MgLN的-Z面與電極之間夾持SiO2膜，來(lái)防止基板的破壞，形成周期為5μm且貫通基板厚0.3mm的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的方法(參照例如專利文獻(xiàn)7)。
另外，還提出了在裁片(offcut)的MgLN中形成極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的方法(參照專利文獻(xiàn)8)。該方法中，在裁片的基板中形成電極，通過(guò)對(duì)其施加電壓，能夠形成針狀的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造在晶體的極化方向上成長(zhǎng)。能夠在裁片MgLN基板中形成周期5μm左右的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。使用極化方向稍稍偏離基板表面的裁片基板，并在基板內(nèi)部形成針狀的極化反轉(zhuǎn)形狀。
專利文獻(xiàn)1特開平3-121428號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開平4-19719號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3特開平2001-66652號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4特開平2000-147584號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)5特開平2003-307758號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)6特開平6-242478號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)7特開平7-281224號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)8特開平9-218431號(hào)公報(bào)以往技術(shù)中存在的課題是，很難在Z板的摻雜Mg的LiTa(1-x)NbxO3(0≤x≤1)基板中形成細(xì)微且穩(wěn)定的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
例如，以往技術(shù)中，在裁片基板中通過(guò)施加電場(chǎng)能夠進(jìn)行極化反轉(zhuǎn)的形成。但是，Z板基板中，若不進(jìn)行電暈輪詢等復(fù)雜的電解施加方法，很難形成均勻的細(xì)微反轉(zhuǎn)構(gòu)造。這里，電暈還原是指，在基板中堆積帶電粒子產(chǎn)生電場(chǎng)，通過(guò)這樣來(lái)反轉(zhuǎn)極化的方法。該方法中，由于帶電例子所產(chǎn)生的電場(chǎng)大小有限，因此能夠形成極化反轉(zhuǎn)的基板厚度被限制為0.5mm程度，很難對(duì)超過(guò)1mm的厚基板實(shí)施極化反轉(zhuǎn)的形成。
如上所述，通過(guò)電極施加電壓的方法，雖然在對(duì)裁片基板進(jìn)行反轉(zhuǎn)形成時(shí)有效，但存在的問(wèn)題是，很難對(duì)Z板實(shí)施極化反轉(zhuǎn)的形成。
對(duì)此公知有一種方法，通過(guò)在Z板的MgLN中形成梳狀電極，并對(duì)此施加電壓來(lái)形成周期狀的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。該以往技術(shù)具有能夠均勻形成周期狀的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造這一優(yōu)點(diǎn)。但是，該以往技術(shù)所形成的極化反轉(zhuǎn)，僅限于電極前端的一部分。因此，在電極下的廣大范圍中形成極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造依然很困難。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種具有短周期且大范圍的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的光學(xué)元件，以及形成短周期且大范圍的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法。
本發(fā)明的光學(xué)元件的特征在于，具有單一極化的強(qiáng)電介質(zhì)基板；形成在強(qiáng)電介質(zhì)基板中的多個(gè)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域；以及，形成在極化反轉(zhuǎn)區(qū)域之間的強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面上的溝。至少1個(gè)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的深度T’，相對(duì)基板厚度T滿足T’＜T的關(guān)系。通過(guò)這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的。
另外，本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，在單一極化的強(qiáng)電介質(zhì)晶體基板的內(nèi)部形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，其特征是，包括在強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面設(shè)置溝，并將強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面分割成多個(gè)區(qū)域的工序；以及，對(duì)多個(gè)區(qū)域施加電場(chǎng)的工序。電場(chǎng)的方向，是與強(qiáng)電介質(zhì)基板的自發(fā)極化方向相對(duì)的方向。施加電場(chǎng)的工序中，多個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生電位差。
(發(fā)明效果)本發(fā)明的光學(xué)元件中，在極化反轉(zhuǎn)區(qū)域之間形成有溝。另外，至少1個(gè)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域不貫通基板。通過(guò)以上的構(gòu)成，能夠提供一種具有短周期且大范圍的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的光學(xué)元件。也即，由于具有不貫通基板的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，同時(shí)還具有溝，因此例如在極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成工序中，能夠適當(dāng)進(jìn)行電場(chǎng)施加。因此，即使在形成細(xì)微(短周期)的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的情況下，也能夠均勻且大范圍形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
另外，本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，在由溝所分割的多個(gè)區(qū)域中形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。另外，電場(chǎng)的方向是與強(qiáng)電介質(zhì)基板的自發(fā)極化方向相對(duì)的方向。施加電場(chǎng)的工序中，多個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生電位差。通過(guò)以上的構(gòu)成，能夠形成短周期且大范圍的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。也即，通過(guò)以上構(gòu)成，能夠適當(dāng)進(jìn)行極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成工序中的電場(chǎng)施加。因此，即使在形成細(xì)微(短周期)的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的情況下，也能夠均勻且大范圍形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
另外，附帶的效果是，通過(guò)使用該方法，能夠制造用來(lái)產(chǎn)生紫外光的光波長(zhǎng)變換元件等光學(xué)元件。


圖1為本發(fā)明的光學(xué)元件的剖面圖。
圖2為本發(fā)明的光學(xué)元件的立體圖。
圖3為表示實(shí)施方式2的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法的圖，(a)為俯視圖，(b)為側(cè)視圖。
圖4為表示實(shí)施方式2的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法的剖面圖。
圖5為實(shí)施方式2的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法中，(a)電位差不同的情況下的電場(chǎng)分布圖，(b)為L(zhǎng)1較大時(shí)的電場(chǎng)分布圖，(c)為L(zhǎng)1較小時(shí)的電場(chǎng)分布圖。
圖6為實(shí)施方式2的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法中，(a)為無(wú)溝的情況下的電場(chǎng)分布圖，(b)為有溝的情況下的電場(chǎng)分布圖。
圖7為實(shí)施方式2的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法中，利用電場(chǎng)變化在電極間產(chǎn)生不同的電位差的結(jié)構(gòu)圖。
圖8為實(shí)施方式2的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法中，(a)為施加負(fù)電壓的結(jié)構(gòu)圖，(b)為施加正負(fù)電壓的結(jié)構(gòu)圖。
圖9為表示實(shí)施方式2中的絕緣溶液的溫度與極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的長(zhǎng)度Lr之間的關(guān)系的圖。
圖10為表示實(shí)施方式3的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法的圖，(a)為俯視圖，(b)為側(cè)視圖。
圖中100、301、401、500、1001-MgO:LiNbO3基板，101、200、405、504-極化反轉(zhuǎn)部，102、402-溝，302、1002-主面，303、501、601、700、800、1003-第1電極，304、502、602、701、1004-第2電極，305、1005-第1電極的前端部，306、1006-第2電極的前端部，307、503、603、702、802、1007-第3電極，308、404、703、1008-脈沖發(fā)生器，400-Ta膜，403-SiO2膜，V1、V2、V3-電位，Ex-X方向的電場(chǎng)成分，Ez-Z方向的電場(chǎng)成分，Ps-自發(fā)極化，A-電場(chǎng)，L1-第1電極與第2電極之間的距離，Lr-極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的長(zhǎng)度，T-基板溫度。
具體實(shí)施例方式
在對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明之前，首先對(duì)強(qiáng)電介質(zhì)的極化反轉(zhuǎn)進(jìn)行說(shuō)明。
強(qiáng)電介質(zhì)，在晶體內(nèi)具有自發(fā)極化所引起的電荷偏斜。通過(guò)施加與自發(fā)極化相面對(duì)的電場(chǎng)，能夠改變強(qiáng)電介質(zhì)中的自發(fā)極化的方向。
自發(fā)極化的方向因晶體(材料)的種類而不同。LiTaO3、LiNbO3等或其混晶即LiTa(1-x)NbxO3(0≤x≤1)基板的晶體，只在C軸方向上具有自發(fā)極化。因此，這些晶體中，只存在沿著C軸的+方向或其反向的一方向這兩種極化。通過(guò)施加電場(chǎng)，這些晶體的極化旋轉(zhuǎn)180度，從而指向與之前相反的方向。該現(xiàn)象稱作極化反轉(zhuǎn)。將為了產(chǎn)生極化反轉(zhuǎn)所需要的電場(chǎng)稱作反轉(zhuǎn)電場(chǎng)，LiNbO3、LiTaO3等晶體中，在室溫下需要約20kV/mm程度的電場(chǎng)，MgO:LiNbO3中需要約5kV/mm程度的電場(chǎng)。
強(qiáng)電介質(zhì)中，將形成具有單一極化方向的晶體這一過(guò)程稱作“極化的單區(qū)域化”。為了實(shí)現(xiàn)該極化的單區(qū)域化，一般采用的方法是在晶體成長(zhǎng)后在高溫中施加電場(chǎng)。
(實(shí)施方式1)本實(shí)施方式中，以強(qiáng)電介質(zhì)晶體內(nèi)部具有周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的光學(xué)元件為例，對(duì)波長(zhǎng)變換元件進(jìn)行說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明的光學(xué)元件的剖面圖。Z板的MgLN基板100中，形成有周期狀的極化反轉(zhuǎn)部101?；宓暮穸葹?mm，極化反轉(zhuǎn)的深度約為0.5mm程度。極化反轉(zhuǎn)沿著基板晶體的Y軸(圖1中為垂直于剖面的方向)形成。極化反轉(zhuǎn)部101，從基板的+Z面向著-Z面?zhèn)?圖1中是在剖面上垂直于極化反轉(zhuǎn)的排列方向的方向)形成。極化反轉(zhuǎn)部101形成得比基板的厚度短。詳細(xì)的說(shuō)，極化反轉(zhuǎn)部101的深度T’，形成得比基板厚度T短。這里，極化反轉(zhuǎn)部101的深度T’，表示極化反轉(zhuǎn)部101的基板厚度方向的長(zhǎng)度，基板厚度T表示從極化反轉(zhuǎn)部101的+Z面?zhèn)鹊亩瞬康?Z面為止的長(zhǎng)度。也即，極化反轉(zhuǎn)部101，以不貫通基板的方式形成。另外，周期狀極化反轉(zhuǎn)部101的附近，在MgLN的+Z面表面中形成有深0.5μm的溝102。這里的極化反轉(zhuǎn)周期La(相鄰兩個(gè)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的同位置的排列方向間隔、例如各個(gè)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域在排列方向一側(cè)的彼此間隔)、極化反轉(zhuǎn)區(qū)域長(zhǎng)Lb(從所有極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的排列方向一側(cè)到另一側(cè)的長(zhǎng)度)分別為4μm、10mm。
圖2為說(shuō)明圖1中所示的光學(xué)元件之構(gòu)成的立體圖。該光學(xué)元件，將波長(zhǎng)λ的基波通過(guò)周期狀的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造進(jìn)行波長(zhǎng)變換，變換成λ/2的高次諧波。這里，通過(guò)將極化反轉(zhuǎn)周期La形成為4μm，來(lái)將波長(zhǎng)900nm的光，變換成波長(zhǎng)450nm的光。另外，在極化反轉(zhuǎn)區(qū)域長(zhǎng)Lb的部分中，由透鏡入射900nm的光時(shí)，被以變換效率5％/W波長(zhǎng)變換，并得到450nm的高次諧波。
這樣，本發(fā)明中，通過(guò)形成均勻的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，可進(jìn)行高效的波長(zhǎng)變換。另外，通過(guò)讓基板厚度為1mm以上，基波、高次諧波的束腰(beamwaist)得到擴(kuò)大。因此，能夠降低光的功率密度，實(shí)現(xiàn)高輸出的輸出特性。與形成在0.5mm的基板上的情況相比，通過(guò)利用1mm厚的基板，能夠?qū)⑤敵鎏岣叩?倍。
另外，本發(fā)明中，通過(guò)在Y軸方向上形成極化反轉(zhuǎn)，能夠形成均勻且短周期的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。具體的說(shuō)，能夠形成周期2μm以下的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造，可產(chǎn)生波長(zhǎng)400nm以下的紫外光。以往技術(shù)中，在將極化反轉(zhuǎn)形成在X軸方向上的情況下，由于很難形成短周期的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造，因此只能得到波長(zhǎng)500nm以上的光。但是，本發(fā)明中，通過(guò)采取Y軸方向，能夠產(chǎn)生短波長(zhǎng)光。
另外，雖然圖1中示出了所有的極化反轉(zhuǎn)部101均未貫通基板的結(jié)構(gòu)，但并不僅限于該構(gòu)造。例如，只要能將極化反轉(zhuǎn)的深度形成得比基板的厚度淺，將從表面貫通到背面的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的比率控制為全體極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的一半(50％)以下，就有效形成了均勻的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。進(jìn)而，通過(guò)將該比率抑制到10％以下，能夠形成更加均勻的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。特別是，如果將貫通的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的比率抑制為5％以下，則進(jìn)一步提高了均一性。本發(fā)明中，通過(guò)限制極化反轉(zhuǎn)區(qū)域在深度方向的長(zhǎng)度，能夠使得極化反轉(zhuǎn)周期為2μm以下，產(chǎn)生波長(zhǎng)400nm以下的紫外光。
但是，以往技術(shù)中，在形成周期狀極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的情況下，極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的邊界中不同的自發(fā)極化相鄰，形成了晶體畸變較大的極化壁。因此，以往技術(shù)中，伴隨著極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的細(xì)微化，晶體內(nèi)的變形增大。一般來(lái)說(shuō)，極化壁中的變形是極化反轉(zhuǎn)區(qū)域不穩(wěn)定的原因。因此，雖然如前所述使用未貫通的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，能夠形成均勻的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造，但另一方面，未貫通的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的穩(wěn)定性，與貫通了的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域相比大幅惡化。例如，在對(duì)所形成的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域照射400nm的紫外光的情況下、施加急劇的溫度變化的情況下、或施加外部電場(chǎng)的情況下，觀測(cè)到了極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的一部分消失的現(xiàn)象。因此，在熱沖擊或產(chǎn)生高輸出的紫外光的情況下，發(fā)現(xiàn)了特性惡化現(xiàn)象。這樣的現(xiàn)象在細(xì)微的極化反轉(zhuǎn)形狀中尤其顯著，由于從極化反轉(zhuǎn)區(qū)域特別是從基板表面產(chǎn)生，因此研究各種對(duì)其進(jìn)行防止的方法。結(jié)果得知，像本發(fā)明這樣，在極化反轉(zhuǎn)區(qū)域中形成溝，通過(guò)在極化反轉(zhuǎn)部分與非極化反轉(zhuǎn)部分中設(shè)置級(jí)差，可大幅提高穩(wěn)定性。溝的深度，優(yōu)選像本實(shí)施方式這樣為0.5μm以上。另外，如果在0.2μm以下，則幾乎沒有效果。雖然溝越深效果就越顯著，但如果深度為0.5μm以上，則即使進(jìn)行100次的-40～80℃的熱循環(huán)試驗(yàn)也觀測(cè)不到特性變化。因此，像本發(fā)明這樣，在極化反轉(zhuǎn)區(qū)域間的基板表面中設(shè)置0.5μm以上的溝，在提高極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的可靠性上很有效。
以往技術(shù)中，在形成細(xì)微的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的情況下，極化壁中殘留有變形。因該變形在極化壁中形成折射率分布。如果周期狀形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，則由于極化壁中產(chǎn)生折射率分布，因此會(huì)形成周期的折射率分布。例如，在光學(xué)元件中使用極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的情況下，周期的折射率變化，會(huì)成為打亂在極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造中傳輸?shù)墓獾牟嚸妗⒉⑶以龃笊⑸鋼p失的原因。對(duì)此發(fā)現(xiàn)，通過(guò)像本實(shí)施方式這樣在極化反轉(zhuǎn)區(qū)域間設(shè)置溝，能夠降低極化壁的折射率分布。通過(guò)讓溝的深度為1μm以上，能夠形成光學(xué)損耗較小的光學(xué)元件。
另外，本發(fā)明的光學(xué)元件中，通過(guò)形成溝能夠抑制極化反轉(zhuǎn)的周期方向的過(guò)剩的成長(zhǎng)。以前，在極化反轉(zhuǎn)的深度方向(Z軸方向)以及垂直于周期的方向(Y軸方向)中形成長(zhǎng)的極化反轉(zhuǎn)的情況下，極化反轉(zhuǎn)的周期方向(X軸方向)的擴(kuò)展過(guò)剩，很難形成大范圍的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。而通過(guò)像本發(fā)明這樣形成溝，能夠抑制周期方向的極化反轉(zhuǎn)的過(guò)剩成長(zhǎng)，即使是短周期(特別是周期2μm以下)也能夠形成大范圍且均勻的周期狀的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。因此，本發(fā)明的光學(xué)元件，具有能夠容易地均勻且大范圍制作極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，特別是周期2μm以下的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的效果，從制作的觀點(diǎn)出發(fā)也非常實(shí)用。
另外，作為使用極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的光學(xué)元件，雖然以光波長(zhǎng)變換元件為例進(jìn)行了說(shuō)明，但通過(guò)將極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造形成為棱柱形狀或光柵形狀，能夠構(gòu)成偏振器。該偏振器例如能夠用于移相、光調(diào)制器、透鏡等。另外，通過(guò)對(duì)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域施加電壓，能夠形成利用了電光效應(yīng)的折射率變化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)使用它的光學(xué)元件。例如，由于能夠通過(guò)電場(chǎng)來(lái)控制折射率變化，因此形成折射率變化的光學(xué)元件，能夠用于開關(guān)、偏振器、調(diào)制器、移相、光束整形等。本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，能夠形成細(xì)微的極化反轉(zhuǎn)形狀，因此能夠讓這些光學(xué)元件高性能化。
另外，基板的厚度優(yōu)選為0.5mm以上。如果基板為0.5mm以上，就能夠防止從極化反轉(zhuǎn)部的表面貫通到背面。如果基板的厚度為1mm以上，則進(jìn)一步能夠防止極化反轉(zhuǎn)的貫通。因此，能夠形成更加均勻的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。另外，在較厚的基板中，由于極化反轉(zhuǎn)區(qū)域不貫通，因此極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的不穩(wěn)定性引起可靠性惡化。本發(fā)明中為了防止這一情況，在極化反轉(zhuǎn)區(qū)域間設(shè)置有溝，該溝對(duì)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的穩(wěn)定性非常有效。
另外，以上的本實(shí)施方式的說(shuō)明中，強(qiáng)電介質(zhì)基板使用Z板的摻MgO的LiNbO3基板。或者，此外還能夠使用摻MgO的LiTaO3基板、摻Nd的LiNbO3基板、KTP基板、KNbO3基板、摻Nd與MgO的LiNbO3基板、或摻Nd與MgO的LiTaO3基板、化學(xué)配比組成相同的基板等。另外，并不僅限于Z板，X板、Y板也能夠得到同樣的效果。
其中，由于由摻雜Nd的晶體構(gòu)成的基板能夠進(jìn)行激光振蕩，因此能夠同時(shí)產(chǎn)生基于激光振蕩的基波與基于其波長(zhǎng)變換的第2高次諧波。因此，能夠構(gòu)成高效且具有穩(wěn)定的工作特性的短波長(zhǎng)的光源。
(實(shí)施方式2)本實(shí)施方式中，對(duì)使用1mm厚的Z板MgLN形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式中所說(shuō)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，是一種在具有垂直于Z軸的主面的MgLn基板的+Z面中，交替設(shè)置獨(dú)立的兩個(gè)電極的電極指，通過(guò)給各個(gè)電極施加電壓，來(lái)形成大范圍的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法。
對(duì)本實(shí)施方式的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式中，對(duì)形成周期4μm的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法進(jìn)行說(shuō)明。
首先，如圖3所示，在MgO:LiNbO3基板301的主面302中，形成具有在Y方向上延伸的多個(gè)前端部(電極指)305的第1電極303(具有周期8μm的齒(電極指)的梳狀電極)，以及具有在Y方向上延伸的多個(gè)前端部(電極指)306的第2電極304(具有周期8μm的齒(電極指)的梳狀電極)。另外，前端部305以及前端部306，在同一平面中，在X軸方向(參照?qǐng)D2)上形成周期電極。具體的說(shuō)，第1電極303的前端部305，被與第2電極304的前端部306以在Y軸方向上位置重疊的方式交替設(shè)置。也即，各個(gè)前端部交替設(shè)置，從X軸方向看被重疊地交替配置。通過(guò)這樣，前端部305以及前端部306，在同一平面中，在X軸方向形成周期4μm的周期電極。另外，第1電極303的前端部305以及第2電極304的前端部306，朝向晶體的Y軸方向。再有，第1電極303與第2電極304電絕緣。另外，在主面302的相反側(cè)的面中形成第3電極307。通過(guò)給第1電極303或第2電極304與另一面中所形成的第3電極307之間，施加由脈沖發(fā)生器308所控制的電壓，來(lái)在電極間形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
使用圖4對(duì)該電極303以及304的形成方法進(jìn)行說(shuō)明。
這些電極303以及304，例如通過(guò)厚100nm的Ta膜400形成。第1電極303與第2電極304的周期電極形成，通過(guò)在Ta膜上堆積抗蝕劑，并對(duì)抗蝕劑進(jìn)行圖案形成，來(lái)用CF4氣體環(huán)境中的反應(yīng)性離子蝕刻來(lái)進(jìn)行(參照?qǐng)D4(a))。另外，通過(guò)同樣的步驟，在主面302的相反側(cè)的面的至少與電極303以及304相對(duì)應(yīng)的部分、或全面中，形成第3電極307(參照?qǐng)D3(b))。第3電極307也和電極303以及304一樣，通過(guò)Ta膜400形成。
接下來(lái)，通過(guò)CFH3氣體環(huán)境中的反應(yīng)性離子蝕刻，對(duì)未被電極覆蓋的MgLN基板401的表面進(jìn)行蝕刻(參照?qǐng)D4(b))。之后，通過(guò)去除抗蝕劑，在MgLN基板401的表面形成溝402。這里的蝕刻所產(chǎn)生的溝深度為0.1μm。
進(jìn)而，在形成有溝402的表面中，形成SiO2膜403作為絕緣膜(參照?qǐng)D4(c))。
通過(guò)對(duì)由Ta膜400所形成的電極間施加由脈沖發(fā)生器404所控制的電壓，在電極間形成極化反轉(zhuǎn)部405(參照?qǐng)D4(d))。該脈沖發(fā)生器303具有給定的電平，能夠根據(jù)需要將脈沖電壓或直流電壓施加給MgLN基板301。
這里，為了避免施加電壓時(shí)產(chǎn)生放電，將MgLN基板301設(shè)置在絕緣液體或真空(10-6Torr以下)中后，施加電壓。
對(duì)電壓的施加方法進(jìn)行具體說(shuō)明。
首先，在第2電極304與第3電極307之間施加脈沖電壓。接下來(lái)，在第1電極303與第3電極307之間，同樣施加脈沖電壓。通過(guò)這樣，在第1電極303以及第2電極304的前端部305和306之下產(chǎn)生極化反轉(zhuǎn)核，對(duì)應(yīng)于配置前端部305與前端部306的周期，分別形成周期8μm的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。前端部305、306的極化反轉(zhuǎn)核，通過(guò)持續(xù)施加脈沖電壓而在Y軸方向和Z軸方向上成長(zhǎng)。Y軸方向中，通過(guò)在第1電極303和第2電極304重疊的部分全體中形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，來(lái)形成大范圍的周期4μm的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
接下來(lái)，對(duì)本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的形成方法的原理進(jìn)行說(shuō)明。
本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域形成方法，對(duì)具有金屬添加物的強(qiáng)電介質(zhì)晶體特別有效。雖然使用的是摻雜Mg的LiNbO3(以下稱作MgLN)，但在以1mol％以上的高濃度添加金屬的晶體中，通常能夠產(chǎn)生同樣的效果。MgLN中，如果進(jìn)行基于電場(chǎng)施加的極化反轉(zhuǎn)，就能夠觀測(cè)到所形成的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的電阻大幅下降3位以上的現(xiàn)象。因此，通過(guò)在Z板的MgLN表面與背面形成電極，并在電極之間施加電壓，來(lái)從基板表面向背面方向成長(zhǎng)極化反轉(zhuǎn)部的方法中，發(fā)現(xiàn)在一部分極化反轉(zhuǎn)到達(dá)背面附近時(shí)，開始在電極間流通大電流，產(chǎn)生電極間的電壓下降，從而很難大面積形成極化反轉(zhuǎn)。也即，在相同電位的情況下，一旦極化反轉(zhuǎn)部接近背面方向，由于電極間的電阻就大幅下降，從而產(chǎn)生電極間的電壓下降，極化反轉(zhuǎn)的成長(zhǎng)停止。
為防止該現(xiàn)象，本發(fā)明提出了將晶體表面的電極分成多個(gè)區(qū)域，并在表面電極間設(shè)置電位差的方法。也即，本發(fā)明中，至少對(duì)某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生不同的電位差。
如圖5(a)所示，如果在第1電極501(電位V1)與第2電極502(電位V2)之間設(shè)置電位差V1-V2，則在第1電極501與第2電極502之間產(chǎn)生電場(chǎng)A。通過(guò)電場(chǎng)A的Z方向的矢量成分Ez，在第2電極502之下形成與自發(fā)極化相面對(duì)的電場(chǎng)。第1電極501與第2電極502之間，與極化反轉(zhuǎn)成長(zhǎng)的極化方向垂直。因此避免了極化反轉(zhuǎn)所引起的電極間的電阻降低，從而能夠高效施加電場(chǎng)。其結(jié)果是，能夠在大范圍內(nèi)形成均勻的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。通過(guò)在基板表面形成具有不同電位的區(qū)域，來(lái)在區(qū)域間產(chǎn)生電場(chǎng)，并通過(guò)讓該電場(chǎng)的矢量成分Ez與自發(fā)極化相面對(duì)，能夠形成極化反轉(zhuǎn)。
但是，雖然如圖5(b)所示，在電極間隔L1較大的情況下，能夠通過(guò)上述方法形成均勻的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造，但如圖5(c)所示，在電極間隔L1較小的情況下，電極間的電場(chǎng)A如圖所示，由于電場(chǎng)A在電極間幾乎水平分布，因此Z方向的矢量成分Ez不夠大。另外，如果為了增大矢量成分Ez，而增加電極間的電壓，就會(huì)產(chǎn)生破壞相鄰電極間的絕緣的問(wèn)題。因此，如果電極間隔為5μm以下，就會(huì)產(chǎn)生基于表面電極間的電位差所產(chǎn)生的極化反轉(zhuǎn)極其困難這一問(wèn)題。
而本發(fā)明中，通過(guò)將電極構(gòu)造采用如圖6(b)所示的構(gòu)造，解決了這一問(wèn)題。也即，通過(guò)在電極1電極601與第2電極602之間開出溝，來(lái)在電極間形成絕緣性較高的區(qū)域。通過(guò)這樣，從第2電極602指向第1電極601的電場(chǎng)，如圖6(b)所示，能夠在從溝下面鉆過(guò)的方向上發(fā)生。與沒有設(shè)置溝的圖6(a)相比，設(shè)置了溝的圖6(b)的構(gòu)成中，能夠大幅增大電場(chǎng)成分Ez。另外，能夠提高第1電極601與第2電極602之間的絕緣性，并在電極間施加大電壓。因此，能夠形成更均勻的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。另外，通過(guò)在設(shè)置于電極間的溝中使用絕緣性高的絕緣液體、高真空環(huán)境等，能夠施加更高的電壓。本構(gòu)成中，在電極間隔5μm以下的細(xì)微區(qū)域中也能夠形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。如果讓電極間的溝的深度較深，就能夠增大電極間的絕緣性，并增大電場(chǎng)矢量Ez，從而能夠更加均勻地形成深的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。溝的深度優(yōu)選最低為0.1μm以上，如果是0.5μm以上，則在均勻性與形成范圍的觀點(diǎn)來(lái)看更有效果。
通過(guò)在電極之間形成溝，除了上述效果之外，還能夠得到其他效果，形成更加細(xì)微的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。
也即，在通過(guò)施加電場(chǎng)來(lái)形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的情況下，極化反轉(zhuǎn)區(qū)域在極化方向上成長(zhǎng)的同時(shí)，也在垂直于極化的方向上成長(zhǎng)。將這個(gè)向著垂直于極化的方向的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的成長(zhǎng)稱作側(cè)面成長(zhǎng)。通過(guò)該側(cè)面成長(zhǎng)，極化反轉(zhuǎn)部在電極的寬度方向上成長(zhǎng)。因此，即使通過(guò)細(xì)微的電極形狀形成極化反轉(zhuǎn)，極化反轉(zhuǎn)區(qū)域也會(huì)向側(cè)面方向成長(zhǎng)，成為在橫向上擴(kuò)展的形狀。這個(gè)向側(cè)面的擴(kuò)展會(huì)達(dá)到數(shù)μm，從而很難形成1μm程度的細(xì)微構(gòu)造。
對(duì)此本發(fā)明中，在電極的側(cè)面部中形成溝。通過(guò)這樣，發(fā)現(xiàn)能夠抑制極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的側(cè)面成長(zhǎng)。極化反轉(zhuǎn)區(qū)域從電極正下方產(chǎn)生的極化反轉(zhuǎn)核開始成長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的側(cè)面成長(zhǎng)的原因在于，電極周邊所產(chǎn)生的電場(chǎng)成分引起極化反轉(zhuǎn)核的產(chǎn)生。與此相對(duì)，本發(fā)明中，通過(guò)在電極周邊部中設(shè)置溝，能夠抑制電極周邊部中的極化反轉(zhuǎn)核的產(chǎn)生，抑制側(cè)面成長(zhǎng)。其結(jié)果是，能夠均勻形成例如5μm以下的細(xì)微寬度的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。另外，還能夠容易地形成1μm以下的亞微米量級(jí)寬度的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
另外，作為本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，雖然以對(duì)表面電極施加不同電壓為例進(jìn)行了說(shuō)明，但也可以利用電場(chǎng)的變化，在電極間產(chǎn)生不同的電位差。
例如，如圖7所示，如果在第1電極701與第3電極702之間施加電場(chǎng)，電極構(gòu)造就成為夾在電極間的電容器。因此，在電極間積蓄電荷的過(guò)渡狀態(tài)中，第1電極700變?yōu)槠‰姌O，第1電極700與第2電極701之間產(chǎn)生電場(chǎng)。利用這樣的電場(chǎng)變化，能夠在第1電極700與第2電極701之間產(chǎn)生電場(chǎng)分布。例如，過(guò)渡性產(chǎn)生的電場(chǎng)，依賴于電壓的變化量。因此，通過(guò)高速的電壓變化，能夠在第1電極700與第2電極701之間產(chǎn)生大電場(chǎng)。還依賴于電極構(gòu)造，具體的說(shuō)，通過(guò)讓電壓的變化量為100V/秒以上，能夠形成極化反轉(zhuǎn)。另外，通過(guò)讓電壓的變化量為1kV/秒以上，能夠形成更加均勻的極化反轉(zhuǎn)。另外，通過(guò)對(duì)第1電極700與第2電極701交替施加電場(chǎng)，能夠在雙方的電極下成長(zhǎng)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
接下來(lái)，對(duì)所施加的電壓波形進(jìn)行說(shuō)明。
施加給電極的電壓波形，通常來(lái)說(shuō)，希望是產(chǎn)生與自發(fā)極化對(duì)向的電場(chǎng)的電壓。例如圖8(a)所示，第2電極801與第3電極802之間，以讓電場(chǎng)與+Z板的極化方向Ps相對(duì)的方式，對(duì)第3電極802施加負(fù)電壓。這里，通過(guò)施加+方向的電場(chǎng)，所形成的極化會(huì)再次反轉(zhuǎn)。特別是LiNbO3或LiTaO3中，極化反轉(zhuǎn)之后，由于內(nèi)部電場(chǎng)的存在，極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的穩(wěn)定性極端下降，因此必需避免施加反方向的電壓。
對(duì)此發(fā)現(xiàn)，摻Mg的LiNbO3，具有與以往不同的特性。也即，如圖8(b)所示，即使所施加的電壓是正負(fù)電壓交替施加的電壓波形，也能夠均勻形成極化反轉(zhuǎn)。雖然其原因尚不明確，但通過(guò)施加反方向的電壓提高電阻，能夠讓極化反轉(zhuǎn)區(qū)域低電阻化，防止極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的成長(zhǎng)停止，同時(shí)還能夠起到成長(zhǎng)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的效果。另外，如果單方面施加與自發(fā)極化方向相對(duì)的電場(chǎng)，基板表面充電后產(chǎn)生放電，形成不均勻的極化反轉(zhuǎn)，而通過(guò)施加正負(fù)的電場(chǎng)，能夠防止表面充電所引起的放電，從而能夠形成均勻的反轉(zhuǎn)。另外，施加條件優(yōu)選為正負(fù)同電場(chǎng)、或逆電壓小于與自發(fā)極化方向相對(duì)的電壓。另外，施加電場(chǎng)，特別優(yōu)選脈沖寬度τ≤10msec的脈沖施加。通過(guò)施加多個(gè)脈沖列，能夠形成均勻的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。
另外，雖然本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，以由金屬電極實(shí)現(xiàn)的電場(chǎng)施加為例進(jìn)行了說(shuō)明，但施加電場(chǎng)的方法并不僅限于此。例如，使用基于極化反轉(zhuǎn)中所使用的液體電極、溶膠凝膠電極、電暈放電等實(shí)現(xiàn)的電場(chǎng)施加法，也能夠得到同樣的效果。
另外，雖然本發(fā)明的實(shí)施方式中，使用的是Z板的基板，但并不僅限于此。例如，除了自發(fā)極化方向與基板法線平行的Z板之外，還可以使用自發(fā)極化的方向與法線呈角度θ的裁片基板。角度θ的值最好為±30°以下。這種情況下，能夠形成均勻且較深的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。特別是，如果角度θ為±5°以下，就能夠得到均勻性進(jìn)一步提高且高效的光學(xué)元件。
另外，本實(shí)施方式中，以極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的周期方向與基板的Y軸垂直的方式形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。通過(guò)讓極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的周期方向與Y軸垂直，能夠形成均勻且短周期的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。特別是，能夠均勻形成周期2μm以下的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。在以極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的周期方向與X軸垂直的方式形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的情況下，很難形成短周期的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。
另外，雖然本實(shí)施方式中，使用1mm厚的基板，但基板的厚度優(yōu)選為0.5mm以上。如果基板為0.5mm以上，就能夠防止從極化反轉(zhuǎn)部的表面貫通到背面，能抑制極化反轉(zhuǎn)部的電阻下降。如果為1mm以上，由于能夠進(jìn)一步防止極化反轉(zhuǎn)的貫通，因此能夠形成更加均勻的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
另外，本實(shí)施方式中還對(duì)施加給電極的電荷量進(jìn)行了研究。為了擴(kuò)大第1電極601與第2電極602(參照?qǐng)D6)下方的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，施加過(guò)剩的電荷量是很有效的。如果設(shè)自發(fā)極化為Ps，極化反轉(zhuǎn)面積為A，則恰當(dāng)?shù)碾姾闪緾為C＝2Ps×A。本發(fā)明中，通過(guò)施加適當(dāng)?shù)碾姾闪緾的100倍以上的電荷量，擴(kuò)大了Z軸方向(基板厚度方向)、Y軸方向(垂直于周期的方向)的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
另外，本實(shí)施方式中，為了防止電場(chǎng)施加時(shí)的絕緣破壞，最好在絕緣溶液中施加電場(chǎng)。
圖9為說(shuō)明絕緣溶液的溫度與極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的長(zhǎng)度Lr之間的關(guān)系的圖。根據(jù)圖9，確認(rèn)從80℃附近起反轉(zhuǎn)區(qū)域增大，并可知在100℃以上的溫度下反轉(zhuǎn)區(qū)域的長(zhǎng)度Lr飽和。這是由于，通過(guò)提高M(jìn)gLN基板的溫度，反轉(zhuǎn)電場(chǎng)減少，極化反轉(zhuǎn)變得容易成長(zhǎng)。另外，在150℃以上，周期方向的極化反轉(zhuǎn)成長(zhǎng)變得顯著，很難形成短周期(5μm以下)的均勻的周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。因此，為了形成短周期的極化反轉(zhuǎn)，絕緣溶液的溫度最好為150℃以下。
摻Mg的LiTa(1-x)NbxO3(0≤x≤1)基板中，極化反轉(zhuǎn)電場(chǎng)為通常的LN的1/4以下。通常的LN等中，在使基板增厚的情況下，發(fā)生因施加電場(chǎng)引起的絕緣破壞。而本發(fā)明的構(gòu)成中，極化反轉(zhuǎn)電場(chǎng)較低，與此相應(yīng)能夠在不引起絕緣破壞的前提下施加電壓。
另外，對(duì)本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)的形成方法，以使用Z板的MgLN為例進(jìn)行了說(shuō)明。Z板基板中，由于晶體的C軸位于垂直于基板的方向上，因此能夠高效進(jìn)行利用電光效應(yīng)的電場(chǎng)施加。另外，由于具有極化反轉(zhuǎn)深度較深等的有利點(diǎn)，因此是作為大塊光學(xué)元件的理想基板。另外，本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)形成方法，也能夠適用于X板、Y板的基板的MgLN。
(實(shí)施方式3)本實(shí)施方式中，對(duì)使用1mm厚的Z板MgLN來(lái)形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法進(jìn)行說(shuō)明。再有，本實(shí)施方式中，還對(duì)通過(guò)該極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法所形成的光學(xué)元件進(jìn)行說(shuō)明。
本實(shí)施方式中所說(shuō)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，在具有垂直于Z軸的主面的MgLN基板的+Z面上，形成獨(dú)立的兩個(gè)電極，通過(guò)給各個(gè)電極施加電壓，來(lái)形成大范圍的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。特別是，本實(shí)施方式相對(duì)上述實(shí)施方式的特征在于電極的結(jié)構(gòu)。
對(duì)本實(shí)施方式的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式中，對(duì)形成周期2μm的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法進(jìn)行說(shuō)明。
首先，如圖10所示，在MgLN基板1001的主面1002中，形成具有在Y軸方向上延伸的多個(gè)前端部(電極指)1005的第1電極1003(將由間隔2μm配置的兩根齒(電極指)構(gòu)成的組以8μm為周期設(shè)置的梳狀電極)；以及，具有在Y軸方向上延伸的多個(gè)前端部(電極指)1006的第2電極1004(將由間隔2μm配置的兩根齒(電極指)構(gòu)成的組以8μm為周期設(shè)置的梳狀電極)。另外，前端部1005以及前端部1006，在同一平面中，在X軸方向(參照?qǐng)D2)上形成周期電極。具體的說(shuō)，第1電極1003的前端部1005的各個(gè)組，被與第2電極1004的前端部1006的各個(gè)組交替設(shè)置為在Y軸方向上位置重疊。也即，各個(gè)前端部的組被交替設(shè)置為，從X軸方向看發(fā)生重疊。通過(guò)這樣，前端部1005以及前端部1006，在同一平面中，在X軸方向上形成周期2μm的周期電極。
另外，由于電極圖形以及溝的形成方法，與實(shí)施方式2相同，因此省略說(shuō)明。蝕刻所產(chǎn)生的溝深度，在本實(shí)施方式中為0.5μm。
第1電極1003的前端部1005以及第2電極1004的前端部1006，朝向晶體的Y軸方向。另外，第1電極1003與第2電極1004電絕緣。
另外，在主面1002的相反側(cè)的面中形成第3電極1007。通過(guò)在第1電極1003或第2電極1004與另一面中所形成的第3電極1007之間，施加由脈沖發(fā)生器1008所控制的電壓，來(lái)在電極間形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。脈沖發(fā)生器具有給定的電平，能夠根據(jù)需要，將脈沖電壓或直流電壓施加給MgLN基板1001。
這里，為了避免電壓施加時(shí)產(chǎn)生放電，將MgLN基板1001設(shè)置在絕緣液體或真空(10-6Torr以下)中，施加電壓。
對(duì)電壓的施加方法進(jìn)行具體說(shuō)明。
首先，在第2電極1004與第3電極1007之間施加脈沖電壓。接下來(lái)，在第1電極1003與第3電極1007之間同樣施加脈沖電壓。通過(guò)這樣，在第1電極1003以及第2電極1004的前端部1005和1006的下方產(chǎn)生極化反轉(zhuǎn)核，對(duì)應(yīng)于前端部1005與前端部1006的設(shè)置周期，形成周期2μm的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。前端部1005、1006的極化反轉(zhuǎn)核，通過(guò)持續(xù)施加脈沖電壓而在Y軸方向和Z軸方向上成長(zhǎng)。Y軸方向中，通過(guò)在第1電極1003和第2電極1004重疊的部分全體中形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，來(lái)形成大范圍的周期2μm的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
本實(shí)施方式中，通過(guò)采用將每?jī)筛X的組交替設(shè)置的電極形狀，與實(shí)施方式2相比，能夠讓電極指前端的電場(chǎng)集中處于良好的狀態(tài)，并能往電極下方形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)，如果周期電極間的寬度變窄，各個(gè)電極指前端的電場(chǎng)集中會(huì)被緩和。而本發(fā)明中，各個(gè)電極，以每多個(gè)電極指為一組周期性設(shè)置，并且兩個(gè)電極被形成為將電極指的組交替設(shè)置。通過(guò)采用這樣的交叉形狀(這里形成每?jī)筛慕徊?，即使在2μm以下的短周期極化反轉(zhuǎn)形成中，也能夠?qū)崿F(xiàn)均勻且大范圍的形成。
另外，電極指的組所具有的齒的根數(shù)，并不僅限于兩根。例如還可以是3、4根以及更多根。電極指的連續(xù)根數(shù)越多，與相面對(duì)的電極之間的空間S就越大(具體的說(shuō)，相同組的電極指的最前端部、和在Y軸方向上與這些最前端部相面對(duì)的電極之間所夾持的空間就越大)，因此容易在電極指前端集中電場(chǎng)，使得在深度方向以及電極指方向的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的擴(kuò)大較為容易。
(其他)通過(guò)本發(fā)明的光學(xué)元件，可提供一種能夠保持極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的穩(wěn)定形成，并且具備耐高溫升溫等可靠性實(shí)驗(yàn)的高可靠性的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的光學(xué)元件。
另外，本發(fā)明的光學(xué)元件，例如在摻Mg的晶體中，能夠用作具有短周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造，高效且穩(wěn)定的光波長(zhǎng)變換元件等。
另外，本發(fā)明的光學(xué)元件，例如可以用作具有極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，在光信息處理或光應(yīng)用測(cè)量控制領(lǐng)域中所使用的、使用相干光源的光波長(zhǎng)變換元件、偏振元件、光開關(guān)、相位調(diào)制器等中所使用的光學(xué)元件。
本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，是在厚基板中，均勻、穩(wěn)定且大范圍形成短周期的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的有效手段，例如，可以用作具有短周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的光學(xué)元件的制造方法。這樣的光學(xué)元件中，形成有細(xì)微的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，能夠用作用來(lái)產(chǎn)生紫外光的光波長(zhǎng)變換元件等光學(xué)元件。
另外，本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，為了在所設(shè)計(jì)的電極下方，沿著電極在盡可能大的范圍內(nèi)形成均勻的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，進(jìn)行施加電壓的脈沖波形的控制。具體的說(shuō)，施加上升、下降迅速的電壓波形。通過(guò)這樣，本發(fā)明的方法中，能夠利用其過(guò)渡性的效果，均勻形成細(xì)微且大范圍的短周期極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。
一般來(lái)說(shuō)，如果使用具有前端部的電極在Z板的基板中形成極化反轉(zhuǎn)，由于電壓集中在電極前端部中，因此能夠高效形成該部分的極化反轉(zhuǎn)。但是，存在極化反轉(zhuǎn)部分很難在電極全體中擴(kuò)展的傾向。因此，本發(fā)明的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法中，在電壓波形以及電極結(jié)構(gòu)中想辦法，提供了一種能夠讓極化反轉(zhuǎn)部在電極的盡可能大的區(qū)域中擴(kuò)展的方法。也即，本發(fā)明的形成方法，在形成含有均勻且大范圍的短周期構(gòu)造的細(xì)微極化反轉(zhuǎn)區(qū)域中非常有效。
本發(fā)明的相關(guān)光學(xué)元件，在要求提供具有短周期且大范圍的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的光學(xué)元件的領(lǐng)域中非常有用。另外，本發(fā)明的相關(guān)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，在要求提供形成短周期且大范圍的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法的領(lǐng)域中非常有用。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件，其中，具有單一極化的強(qiáng)電介質(zhì)基板；形成在上述強(qiáng)電介質(zhì)基板中的多個(gè)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域；以及，形成在上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域之間的上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面上的溝，至少1個(gè)上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的深度T’，相對(duì)基板厚度T滿足T’＜T的關(guān)系。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于滿足上述T’＜T的關(guān)系的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，為上述多個(gè)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域全體的50％以上。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于滿足上述T’＜T的關(guān)系的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，為上述多個(gè)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域全體的90％以上。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的間隔，為5μm以下。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的寬度，為5μm以下。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的厚度，為0.5mm以上。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于上述強(qiáng)電介質(zhì)基板是單一極化的晶體，上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，在上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面內(nèi)部具有前端部，上述前端部的方向，是上述晶體的Y軸方向。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于上述溝，從上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面起以0.5μm以上的深度形成。
9.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)元件，其特征在于上述溝，從上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面起以10μm以下的深度形成。
10.如權(quán)利要求1～9的任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在于上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域是周期狀的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)元件，其特征在于上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的法線與上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的自發(fā)極化所成的角度為30°以下，上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的周期方向與上述晶體的Y軸垂直。
12.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)元件，其特征在于上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的法線與上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的自發(fā)極化所成的角度為30°以下，上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的厚度T為T≥0.5mm，上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的周期Λ為Λ≤2μm。
13.如權(quán)利要求1～12的任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在于上述強(qiáng)電介質(zhì)基板，是摻Mg的LiTa(1-x)NbxO3基板，其中0≤x≤1。
14.一種極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，在單一極化的強(qiáng)電介質(zhì)晶體基板的內(nèi)部形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，其中包括在上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面設(shè)置溝，并將上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面分割成多個(gè)區(qū)域的工序；以及，對(duì)上述多個(gè)區(qū)域施加電場(chǎng)，形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的工序，上述電場(chǎng)的方向，是與上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的自發(fā)極化方向相對(duì)的方向，上述施加電場(chǎng)的工序中，上述多個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生電位差。
15.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于至少1個(gè)上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的深度T’，相對(duì)基板厚度T滿足T’＜T的關(guān)系。
16.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述施加電場(chǎng)的工序中，在以一定的周期相鄰的區(qū)域中產(chǎn)生互不相同的電位。
17.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述施加電場(chǎng)的工序中，對(duì)上述多個(gè)區(qū)域分別施加不同的電場(chǎng)。
18.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述施加電場(chǎng)的工序中，對(duì)上述多個(gè)區(qū)域的任意一個(gè)施加隨時(shí)間變化的電場(chǎng)。
19.如權(quán)利要求18所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述施加電場(chǎng)的工序中，上述電場(chǎng)的變化為1kV/秒以上。
20.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述溝的寬度為5μm以下。
21.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述多個(gè)區(qū)域各自的寬度，為5μm以下。
22.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的厚度，為0.5mm以上。
23.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述施加電場(chǎng)的工序中，交替施加正電場(chǎng)與負(fù)電場(chǎng)。
24.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述施加電場(chǎng)的工序中，上述電場(chǎng)由具有10msec以下的脈沖寬度的脈沖電壓來(lái)施加。
25.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述溝，從上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面起以0.5μm以上的深度形成。
26.如權(quán)利要求25所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述溝，從上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的表面起以10μm以下的深度形成。
27.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述多個(gè)區(qū)域形成為以一定的周期交替設(shè)置，上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域以上述一定的周期形成。
28.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述多個(gè)區(qū)域分別具有由多個(gè)小區(qū)域構(gòu)成的小區(qū)域群，上述多個(gè)小區(qū)域以給定間隔設(shè)置，上述多個(gè)區(qū)域，以將各個(gè)上述小區(qū)域群交替設(shè)置的方式形成，上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，以上述給定的間隔形成。
29.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述強(qiáng)電介質(zhì)基板，是摻Mg的LiTa(1-x)NbxO3，其中0≤x≤1。
30.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述強(qiáng)電介質(zhì)基板，是由X-切、Y-切或Z-切所構(gòu)成的基板。
31.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的法線與上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的自發(fā)極化所成的角度為30°以下，上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域周期狀形成，上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的周期方向與上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的Y軸垂直。
32.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述強(qiáng)電介質(zhì)基板的厚度T為T≥0.5mm；上述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的周期Λ為Λ≤2μm。
33.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述施加電場(chǎng)的工序，在設(shè)自發(fā)極化為Ps，極化反轉(zhuǎn)面積為A的情況下，施加2PsA的100倍以上的電荷量。
34.如權(quán)利要求14所述的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的形成方法，其特征在于上述施加電場(chǎng)的工序，在80℃以上的絕緣溶液中進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在強(qiáng)電介質(zhì)晶體中，具有均勻且大范圍的細(xì)微極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的穩(wěn)定的光學(xué)元件。具有形成在MgO:LiNbO
文檔編號(hào)G02F1/37GK1910512SQ20058000304
公開日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2005年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月24日
發(fā)明者森川顯洋, 杉田知也, 水內(nèi)公典 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社