专利名称：非线性光学元件的制造方法
技术领域：
本发明涉及非线性光学元件，具体地说，涉及具有周期的分极反转构造的非线性光学元件的制造方法。
背景技术：
入射光学元件的入射光的光振幅如果小，则出射光的光振幅相对于入射光的光振幅成近似线性。此时，若入射光的光振幅增减，则出射光的光振幅相对于入射光的光振幅的大小成比例增减。
另一方面，入射光学元件的入射光的光振幅若变大，则从线性偏离而呈现为所谓的非线性。非线性光学效果是由这样的非线性产生的光学现象的总称，利用非线性光学效果的光学元件称为非线性光学元件。若采用该非线性光学元件，则可实现由利用光频率变换、光参量放大、光控制光开关等入射光的光振幅对应的出射光的光振幅的线性的线性光学元件无法实现的光控制功能。
为了提高非线性光学效果，作为非线性光学元件，开发了通过形成有周期的分极反转构造的光导波路来实现准相位匹配(QPM:Quasi-Phase Matching)并进行波长变换的准相位匹配型非线性光学元件(以下，也称为QPM型元件)。
在QPM型元件上形成分极反转构造的方法，有在基板的第1主表面周期地设置金属等的电极，通过在该电极和第2主表面设置的电极之间施加电压来周期地分极反转的方法。另外，有在基板的第1主表面周期地设置绝缘膜，在电解液中通过电解液对基板施加电压，周期地分极反转的方法。(例如，参照专利文献1及非专利文献1)。
这里，在基板设置金属等的电极并分极反转的方法中，电压的施加必须在真空中或绝缘油中进行，在真空中进行的场合，制造装置形成大的规模。另外，由于电阻值根据基板上设置的电极的膜厚而变化，因而对于基板的电荷供给变得不均一。由于该电荷供给的不均一性，分极反转区域不均一，即在期望领域出现了不分极反转的领域。因此，有膜厚控制的条件苛刻等须解决的问题。
相对地，通过电解液施加电压的方法中，在非线性光学材料的表面周期地设置具有开口部的绝缘膜，通过电解液施加电压。
参照图7，说明传统的非线性光学材料的表面设置的绝缘膜。图7是传统的非线性光学元件的制造方法的说明图，图7(A)是从顶面看的平面图，图7(B)是沿图7(A)的C-C线的截面图。
首先，在由非线性光学材料构成的基板10的第1主表面12上形成绝缘膜(省略图示)。接着，在该绝缘膜，设定应该在基板上周期地排列形成的分极反转领域对应的分极反转区域54。接着，除去分极反转区域54的绝缘膜的部分并设置开口部27，形成绝缘膜图案24。
然后，在电解液中，通过电解液在开口部27内露出的第1主表面和第2主表面14之间施加电压，使基板10的分极反转区域54的部分分极反转。
特开2002-31827号公报[非专利文献1]M.Reich et al.、″Electrode geometries forperiodic poling of ferroelectric materials″、Optics LettersVol23.No.23、1998年[发明内容但是，如上述，通过电解液施加电压的场合，分极反转的部分未扩展到设定的分极反转领域全体，部分残存有未分极反转的领域。这里，未分极反转的领域包括周期地形成的多个分极反转领域中，一个分极反转领域全体未分极反转的情况和一个分极反转领域的一部分分极反转而其他部分未分极反转的情况这两者。
这考虑是因为使分极反转发生的源难以在开口部的面积狭小处产生。另外也考虑是因为，开口部的角部分易于产生使分极反转发生的源，但是由于开口部是矩形形状，因此难以扩展到整个开口部。
本发明针对上述的问题点而提出，本发明的目的是提供在整个基板均一形成分极反转领域的非线性光学元件的制造方法。
为了达到上述目的，本发明的具有周期的分极反转构造的非线性光学元件的制造方法具备以下工序。
首先，准备由非线性光学材料组成的基板。接着，在该基板的第1主表面上形成绝缘膜。接着，在该绝缘膜分别设定在基板应该形成的周期构造形成领域对应的周期构造形成区域；与该周期构造形成领域邻接的周边区域；在周期构造形成领域应该周期地排列形成的多个分极反转领域对应的分极反转区域；周边区域内的连接区域，即在基板应该形成的与多个分极反转领域连接的连接领域对应的该连接区域，然后除去绝缘膜的分极反转区域及连接区域的部分，使基板的第1主表面的部分露出，形成绝缘膜图案。接着，在基板的从绝缘膜图案露出的第1主表面的部分及第2主表面间，在电解液中施加高电压，使分极反转领域的基板部分的分极方向反转。
在上述非线性光学元件的制造方法实施时，在形成绝缘膜图案的工序中，分极反转区域及连接区域最好设定如下。将分极反转区域设定成长度方向是第1方向且宽度是第1宽度的矩形形状。另外，将连接区域设定成长度方向是与第1方向正交的第2方向且宽度是比第1宽度大的第2宽度的矩形形状。
根据上述非线性光学元件的制造方法的其他优选实施例，在形成绝缘膜图案的工序中，分极反转区域及连接区域最好设定如下。将分极反转区域设定成长度方向是第1方向且宽度是第1宽度的矩形形状。另外，沿周期构造形成区域的分极反转区域的排列方向的两侧个别设定周边区域，在设定的各个周边区域，将连接区域设定成长度方向是与第1方向正交的第2方向且宽度是比第1宽度大的第2宽度的矩形形状。
根据本发明的非线性光学元件的制造方法，由于周期地排列的多个分极反转领域通过连接领域连接，因此一个分极反转领域或连接领域中产生的使分极反转发生的源易于扩展到其他分极反转领域，从而可以使从基板绝缘膜图案露出的分极反转领域整体均一地进行分极反转。
另外，若将分极反转区域设定成长度方向是第1方向且宽度是第1宽度的矩形形状，而且，将连接区域设定成长度方向是与第1方向正交的第2方向且宽度是比第1宽度大的第2宽度的矩形形状，则由于与连接领域对应的连接区域的宽度比分极反转领域对应的分极反转区域的宽度宽，在连接领域中易于产生使分极反转发生的源。
另外，若在分极反转区域的排列方向的两侧个别设置连接区域，则由于连接领域中产生的使分极反转发生的源从分极反转领域的两侧扩展，因而在各个分极反转领域的全体易于引起分极反转。
图1是第1实施形态中的非线性光学元件说明图。
图2是第1实施形态中的非线性光学元件的制造方法的说明图(之一)。
图3是第1实施形态中的非线性光学元件的制造方法的说明图(之二)。
图4是第1实施形态中的使分极反转发生的源的扩展的说明图。
图5是第2实施形态中的非线性光学元件的制造方法的说明图。
图6是第2实施形态中的使分极反转发生的源的扩展的说明图。
图7是传统的非线性光学元件的制造方法的说明图。
10 基板12 第1主表面14 第2主表面15 构造体17 非线性光学元件20 绝缘膜22，23，24 绝缘膜图案25，26，27 开口部30 周期构造形成领域32，33，34 分极反转领域32a～c，33a～c，34a～c分极反转领域40 周边领域42，43 连接领域50，51 周期构造形成区域52，53，54 分极反转区域60，61 周边区域62，63 连接区域70 容器70a 上部容器70b 下部容器72a，72b O形环76 电解液80 高电压电源82 导线84a 上部电极84b 下部电极
具体实施例方式
以下，参照图说明本发明的实施例，但是各构成要素及配置关系仅仅以可理解本发明的程度概略地进行说明。另外，以下虽然说明了本发明的优选构成例，但是各构成要素的组成(材质)及数值条件等仅仅是优选例。从而，本发明不限于以下的实施形态。
(第1实施形态)参照图1说明后述的第1实施形态的制造方法形成的非线性光学元件。图1是说明非线性光学元件的构造的概略图，图1(A)是从顶面看的平面图，图1(B)是沿图1(A)的A-A线的截面图。
该非线性光学元件17在基板的第1主表面侧的表面领域具备周期构造形成领域30和与周期构造形成领域30的两侧邻接的周边领域(即，周期构造形成领域30以外的领域)40。周期构造形成领域30具备长条状即带状并以一定宽度周期排列形成的多个分极反转领域32。分极反转领域32中，分极方向反转。在分极反转领域32之间形成分极非反转领域37，分极非反转领域37中，分极方向非反转。
另外，周边领域40具备与这些多个分极反转领域32连接的连接领域42。周期构造形成领域30内，若沿该分极反转领域32的排列方向形成导波路，则在该导波路内，实现准相位匹配(QPMQuasi-PhaseMatching)，产生光频率变换等的非线性光学效果。另外，周边领域40中形成的连接领域42的分极方向虽然反转，但是在非线性光学元件17的动作上没有任何影响。
以下，说明这样的构造的非线性光学元件的制造方法。
参照图2及图3，说明第1实施形态的非线性光学元件的制造方法。
图2(A)及图2(C)是从顶面看的平面图。图2(B)是沿图2(A)的B-B线的截面图，另外，图2(D)是沿图2(C)的C-C的截面图。
首先，准备非线性光学材料组成的平行平面状的基板10。作为本发明可采用的非线性光学材料，采用强电介质结晶、含有作为不纯物的镁(Mg)、铁(Fe)、锌(Zn)及它们的氧化物的强电介质结晶或有机非线性光学材料。这里，强电介质结晶可采用LiNbO3(LN)、LiTaO3(LT)、KTiOPO4(KTP)、LiNbP4O12(LNP)、KNbO3(KN)、Ba2NaNb5O15(BNP)、KTiOAsO4(KTA)、BaB2O4(BBO)、LiB3O7(LBO)、KH2PO4(KDP)等。另外，作为有机非线性光学材料，可采用メトロニトロアニリン(metro-nitroaniline)、2-甲基-4-硝基苯胺，4-溴-4-甲氧基查耳酮，二氰基乙烯基苯甲醚等。
接着，在基板10的第1主表面12上，形成绝缘膜20。绝缘膜20例如通过涂敷苯酚酚醛树脂等的感光性有机高分子膜(以下称为光刻胶)而形成(图2(A)及图2(B))。
接着，在该绝缘膜20上形成图案，形成绝缘膜图案22。因此，在绝缘膜20上设定与应该在基板10形成的或设定的周期构造形成领域30、周边领域40、分极反转领域32及连接领域42对应的区域。该区域的设定例如通过光刻法的曝光中采用的掩模进行。这里，将周期构造形成领域30对应的绝缘膜20的区域作为周期构造形成区域50。周边领域40对应的绝缘膜20的区域作为周边区域60。而且，将分极反转领域32对应的绝缘膜20的区域作为分极反转区域52。另外，将连接领域42对应的绝缘膜20的区域作为连接区域62。
然后，除去绝缘膜20的分极反转区域52及连接区域62的部分，形成露出基板10的分极反转领域32及连接领域42的部分的第1主表面12的开口部25。这里，由于采用光刻胶作为绝缘膜20，因此通过任意适当的公知的光刻法，可除去规定的领域的绝缘膜20的部分。以下的说明中，形成开口部25的绝缘膜称为绝缘膜图案22(图2(C)及图2(D))。
另外，作为绝缘膜20，也可以通过例如任意适当的公知的化学气相成长(CVDChemical Vapor Deposition)法形成氧化硅膜(SiO2膜)、氧化铝膜(Al2O3膜)、氮化硅膜(SiN膜)、聚酰亚胺等的有机高分子膜。该场合，通过任意适当的公知的光刻法及干刻蚀法以及吊下法等除去绝缘膜20的一部分。
接着，在基板10的露出的第1主表面12及第2主表面14间，在电解液中施加高电压，使从绝缘膜图案22的开口部25露出第1主表面12的基板10的分极反转领域32的分极方向反转。该高电压的施加参照图3说明。
在基板10的第1主表面12上形成绝缘膜图案22的构造体15固定在容器70上。容器70由上部容器70a和下部容器70b构成，上部容器70a在构造体15的第1主表面12侧的面上经由橡胶等的O形环72a固定，基板10和上部容器70a包围的空间充满电解液76。另外，下部容器70b在构造体15的第2主表面14侧的面上经由橡胶等的O形环72b固定，基板10和下部容器70b包围的空间充满电解液76。电解液76采用例如LiCl、NaCl、KCl等碱金属盐的水溶液，或，MgCl2、BaCl2等的碱土族金属盐的水溶液。
上部容器70a及下部容器70b分别具备上部电极84a和下部电极84b。上部电极84a和下部电极84b经由向上部容器70a及下部容器70b外引出的导线82与高电压电源80连接。上部电极84a和下部电极84b之间若施加电压，则通过电解液76在基板10的露出的第1主表面12和第2主表面14之间施加电压。结果，被施加基板10的电压的部分的分极反转。另外，上部电极84a和下部电极84b之间施加的电压可以是直流电压或脉冲电压，电压的大小在引起基板10的分极反转的电压以上即可。分极反转领域中，分极反转产生的结果，获得参照图1说明的非线性光学元件17。
参照图4，说明使分极反转发生的源的扩展。图4(A)是传统的方法中采用的绝缘膜图案24使用时的示意图。图4(B)是第1实施形态的方法中采用的绝缘膜图案22使用时的示意图。另外，图4中，一部分阴影部分用于帮助理解，而不是表示断面。
使用传统的方法的绝缘膜图案24时，多个分极反转领域34的一个(图3(A)中，用34a的符号表示的部分)中，施加高电压时不能引起分极反转。此时，分极反转领域34的其他部分(图3(A)中，34b或34c表示的部分)中，即使引起分极反转，由于各分极反转领域相互孤立，因此未引起分极反转的部分保持未分极反转，结果形成不均一分布。
相对地，使用第1实施形态的绝缘膜图案22时，在多个分极反转领域32的一个(图4(B)中，32a的符号表示的部分)中，即使未引起分极反转，其他分极反转领域(图4(B)中，32b或32c表示的部分)中若引起分极反转，则经由连接领域42扩展使分极反转发生的源(图4(B)中用箭头表示)，当初未引起分极反转的部分也引起分极反转。结果，整个分极反转领域分极反转，作为整个基板，形成均一的分极反转周期构造。
根据第1实施形态的非线性光学元件的制造方法，由于周期地排列的多个分极反转领域通过连接领域连接，因此一个分极反转领域或连接领域中产生的使分极反转发生的源易于扩展到其他分极反转领域，从而可在基板全域均一地形成分极反转领域。
另外，若将多个分极反转领域设定成长度方向是第1方向且宽度是第1宽度的矩形形状，而且，将连接领域设定成长度方向是与第1方向正交的第2方向且宽度是比第1宽度大的第2宽度的矩形形状，则由于连接领域比分极反转领域宽，在连接领域中易于产生使分极反转发生的源。从而，可更容易获得均一分布。
另外，各个分极反转领域的宽度及设置分极反转领域的周期可根据采用的光的波长确定，以便可实现准相位匹配。
(第2实施形态)参照图5，说明第2实施形态的非线性光学元件的制造方法。
图5(A)是从顶面看的平面图，图5(B)是沿图5(A)的D-D线的截面图。
第2实施形态中，绝缘膜图案与第1实施形态不同而其他部分与第1实施形态相同，因而说明省略。
第2实施形态中，在周期构造形成区域51中，将多个分极反转区域53设定成长度方向是第1方向且宽度是第1宽度的矩形形状。另外，在相对于周期构造形成区域51的第1方向的两侧设定周边区域61，在周期构造形成区域51的两侧设定的各个周边区域61中，将连接区域63设定成长度方向是与第1方向正交的第2方向且宽度是比第1宽度大的第2宽度的矩形形状。绝缘膜图案23中，在分极反转区域53及连接区域63的部分中形成使第1主表面12露出的开口部26。
参照图6，说明使分极反转发生的源的扩展。图6是第2实施形态的方法中采用的绝缘膜图案23使用时的示意图。
使用第1实施形态的绝缘膜图案22时，分极反转领域32的一部分(图4(B)中，32a的符号表示的部分)中，未引起分极反转时，分极反转领域32的其他部分(图4(B)中，32b或32c表示的部分)中，若引起分极反转，则经由连接领域42来扩展使分极反转发生的源(图4(B)中用箭头表示)。
相对地，使用第2实施形态的绝缘膜图案23时，分极反转领域33的一部分(图6中，33a的符号表示的部分)中，未引起分极反转时，分极反转领域33的其他部分(图6中，33b或33c表示的部分)中，若引起分极反转，则由于在分极反转领域33的长度方向的两侧设定了连接领域43，因此经由连接领域43，从分极反转领域33a的两侧来扩展使分极反转发生的源。
若在分极反转领域的长度方向的两侧设置连接领域，则由于从分极反转领域的两侧扩展使分极反转发生的源，因而在各个分极反转领域的全体易于引起分极反转。
(实施例)比较参照图7说明的传统的绝缘膜图案和参照图5说明的第2实施形态的绝缘膜图案的情况。
这里，基板采用厚400μm的NiNbO3基板，用光刻胶形成绝缘膜图案23及24。电解液采用LiCl水溶液，在上部电极及下部电极间施加2.5kV的电压，引起分极反转。
这里，绝缘膜图案23及24的分极反转区域53及54都设定分极反转领域33(参照图6)及34(参照图4(A)。)的周期Λ为18μm、宽度D1为9μm。另外，在第2实施形态的绝缘膜图案23中，设定连接区域63，使连接领域43(参照图6。)的宽度D2成为20μm。另外，图5及图7中，令绝缘膜图案23及24上设定的分极反转区域53及54和基板上形成的分极反转领域33及34为同一形状及大小，另外，令绝缘膜图案23上设定的连接区域63和基板上形成的连接领域43为同一形状及大小。
引起分极反转后；用氢氟酸和硝酸的混合液选择刻蚀基板的第1主表面，用显微镜观察。结果，采用传统的绝缘膜图案24时，分极反转领域34的80-85％左右的领域分极反转，而采用第2实施形态的绝缘膜图案23时，可确认大约100％，即按照绝缘膜图案进行了分极反转。
另外，作为其他实施例，基板采用含有MgO的LiNbO3基板进行同样的测定。结果，采用传统的绝缘膜图案24时，分极反转领域34的40-60％左右的领域分极反转，而采用第2实施形态的绝缘膜图案23时，可确认大约100％，即按照绝缘膜图案23进行了分极反转。
权利要求
1.一种非线性光学元件的制造方法，其特征在于，在制造具有周期的分极反转构造的非线性光学元件时，具备准备由非线性光学材料组成的基板的工序；在该基板的第1主表面上形成绝缘膜的工序；在该绝缘膜分别设定在上述基板应该形成的周期构造形成领域对应的周期构造形成区域；与该周期构造形成区域邻接的周边区域；在上述周期构造形成区域应该周期地排列形成的多个分极反转领域对应的分极反转区域；上述周边区域内的连接区域，即在上述基板应该形成的与上述多个分极反转领域连接的连接领域对应的该连接区域，然后除去上述绝缘膜的上述分极反转区域及上述连接区域的部分，使上述基板的第1主表面的部分露出，形成绝缘膜图案的工序；在上述基板的从上述绝缘膜图案露出的第1主表面的部分及第2主表面间，在电解液中施加高电压，使分极反转领域的基板部分的分极方向反转的工序。
2.权利要求1所述的非线性光学元件的制造方法，其中，在形成上述绝缘膜图案的工序中，将上述分极反转区域设定成长度方向是第1方向且宽度是第1宽度的矩形形状，将上述连接区域设定成长度方向是与上述第1方向正交的第2方向且宽度是比上述第1宽度大的第2宽度的矩形形状。
3.权利要求1所述的非线性光学元件的制造方法，其中，在形成上述绝缘膜图案的工序中，将上述分极反转区域设定成长度方向是第1方向且宽度是第1宽度的矩形形状，沿上述周期构造形成区域的上述分极反转区域的排列方向的两侧个别设定上述周边区域，在设定的各个上述周边区域，将上述连接区域设定成长度方向是与上述第1方向正交的第2方向且宽度是比上述第1宽度大的第2宽度的矩形形状。
全文摘要
本发明在非线性光学材料组成的基板的第1主表面上形成绝缘膜。接着，在该绝缘膜设定在基板应该形成的周期构造形成领域对应的周期构造形成区域；与该周期构造形成区域邻接的周边区域；在周期构造形成区域应该周期地排列形成的多个分极反转领域对应的分极反转区域；周边区域内的连接区域，即在基板应该形成的与多个分极反转领域连接的连接领域对应的该连接区域，然后除去绝缘膜的分极反转区域及连接区域的部分，使基板的第1主表面的部分露出，形成绝缘膜图案。接着，在基板的从绝缘膜图案露出的第1主表面的部分及第2主表面间，在电解液中施加高电压，使分极反转领域的分极方向反转。
文档编号G02F1/35GK1831621SQ20061000437
公开日2006年9月13日 申请日期2006年1月27日 优先权日2005年3月9日
发明者冈部丰 申请人:冲电气工业株式会社