專利名稱：光學(xué)元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有由施加電場(chǎng)所形成的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件的制造方法。 詳細(xì)而言，涉及構(gòu)成加工、光信息處理、光應(yīng)用測(cè)量控制等領(lǐng)域所使用的相干光源的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件、致偏元件、光開關(guān)、及相位調(diào)制器等所使用的、具有極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的光學(xué)元件的形成方法。
背景技術(shù)：
若利用強(qiáng)制使鐵電體的極化反轉(zhuǎn)的極化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，則能在鐵電體的內(nèi)部形成周期性的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域(極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu))?？蓪⑦@樣所形成的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域用于利用了表面彈性波的光頻調(diào)制器、利用了非線性極化的極化反轉(zhuǎn)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件、以及利用了棱柱形或透鏡形的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光致偏器等。特別是若使用該技術(shù)，則能制作在將輸入的基波轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光時(shí)的轉(zhuǎn)換效率非常高的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件。而且，若使用該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件來(lái)對(duì)半導(dǎo)體激光、光纖激光、及固體激光等光進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，則能實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用于加工、印刷、光信息處理、光應(yīng)用測(cè)量控制等領(lǐng)域的高輸出激光光源。作為形成周期性的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法的一種，存在利用鐵電體的自然極化因電場(chǎng)而發(fā)生反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象來(lái)形成周期狀的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的方法。具體而言，存在沿Z軸對(duì)所截取出的基板的-Z面照射電子光束的方法、以及對(duì)+Z面照射正離子的方法。無(wú)論在哪種情況下，都利用由所照射的帶電粒子所形成的電場(chǎng)，來(lái)形成深度為幾百μ m的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。 另外，作為其他方法，已知有以下方法即，在+Z面上形成周期電極，并在-Z面上形成平面電極，通過(guò)施加直流或脈沖電場(chǎng)，來(lái)形成具有高縱橫比的、較深的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。此外，為了提高波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的特性，提出了各種各樣的附加方法。例如，對(duì)于以短周期深入而均勻地形成寬度較寬的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，已知有以下方法即，在形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域之后，在200°C以上的溫度下對(duì)鐵電體基板實(shí)施熱處理，使基板的表面和背面在電氣上發(fā)生短路(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。由此，能防止極化反轉(zhuǎn)區(qū)域消失，并能提高基板內(nèi)的透明度而降低光損耗。另外，為了去除形成極化反轉(zhuǎn)后所殘留的不期望的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，已知有以下方法即，用導(dǎo)電物質(zhì)覆蓋基板的整個(gè)表面，并進(jìn)行熱處理(例如，參照專利文獻(xiàn)2)。 或者，為了在形成極化反轉(zhuǎn)后使折射率分布均勻化，已知有以下方法即，進(jìn)行高溫退火，以制作低損耗的光波導(dǎo)(例如，參照專利文獻(xiàn)3)。如上所述，對(duì)于制造實(shí)用性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件等所使用的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行高溫的熱處理。專利文獻(xiàn)1 日本專利特開2004-246332號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本專利特開2004-020876號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本專利特開平8-220578號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
然而，例如用如上所述的現(xiàn)有的伴有熱處理的方法所制作的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件中，會(huì)因熱處理而在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部產(chǎn)生些許變形。由于該變形，隨著基波的輸入功率的增加，吸收入波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部的基波及其波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光的量增加，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光的輸出功率下降。因此，存在以下問(wèn)題S卩，即使為了獲得超過(guò)IW的高輸出的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光而增加了基波功率，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)下降，從而難以獲得高輸出的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光。本發(fā)明用于解決上述現(xiàn)有的問(wèn)題，其目的在于，提供即使對(duì)使用實(shí)施了熱處理的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件輸入高輸出的基波、轉(zhuǎn)換效率也不會(huì)下降的、光學(xué)元件的制造方法。 為了解決上述現(xiàn)有的問(wèn)題，本發(fā)明的光學(xué)元件的制造方法的特征在于，包括電極形成工序，該電極形成工序在鐵電體基板的+Z面和-ζ面上形成金屬膜，以制作電極；周期電極形成工序，該周期電極形成工序?qū)⑿纬捎谒?Z面的所述金屬膜形成為周期電極；極化反轉(zhuǎn)形成工序，該極化反轉(zhuǎn)形成工序在所述周期電極與所述-Z面的電極之間施加電壓， 以在所述鐵電體基板的內(nèi)部形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域；表面處理工序，該表面處理工序去除所述電極、所述周期電極、及所述鐵電體基板的+Z面和-ζ面的表面層；以及退火工序，該退火工序?qū)θコ怂霰砻鎸拥蔫F電體基板施加規(guī)定的熱。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件的制造方法，能抑制由于光學(xué)元件具備實(shí)施熱退火處理制造而成的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的內(nèi)部變形而導(dǎo)致自然極化的增加。因此，能抑制光學(xué)元件內(nèi)部的變形，即使增加基波的輸入功率，也能抑制吸收入光學(xué)元件內(nèi)部的基波及其波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光，從而能獲得轉(zhuǎn)換效率不下降的光學(xué)元件。


圖1是對(duì)本發(fā)明的光學(xué)元件的制造方法進(jìn)行說(shuō)明的圖。圖2是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和實(shí)施方式1的光學(xué)元件的光輸出特性進(jìn)行比較的圖。圖3是表示由電極的有無(wú)所引起的自然極化的變化的圖。圖4是表示光輸出特性隨研磨深度的不同而產(chǎn)生的變化的圖。圖5是本發(fā)明的光學(xué)元件的表面處理工序前后的剖視圖。圖6是表示光輸出特性的表面電阻率相依性的圖。圖7是表示光輸出特性的高溫退火溫度相依性的圖。圖8是表示實(shí)施方式2中的光學(xué)元件的光輸出特性的圖。圖9是沿Z軸方向具有各向異性的表面處理工序前后的光學(xué)元件的剖視圖。圖10是表示本發(fā)明的具有階差的光學(xué)元件產(chǎn)生熱電荷的圖。
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)鐵電體的極化反轉(zhuǎn)進(jìn)行說(shuō)明。鐵電體的結(jié)晶內(nèi)具有由自然極化所引起的電荷的偏離。施加與這樣的自然極化相對(duì)的電場(chǎng)，從而能改變鐵電體中的自然極化的方向。自然極化的方向隨結(jié)晶(材料)種類的不同而不同。LiTa03、LiNb03等、或它們的結(jié)晶、即LiTa(l-X)NbX03(0彡χ彡1)基板的結(jié)晶只沿Z軸方向具有自然極化。因此，在這些結(jié)晶中，只在沿Z軸的+方向或其相反方向的-方向這兩個(gè)方向上存在極化。通過(guò)施加電場(chǎng)，這些結(jié)晶的極化旋轉(zhuǎn)180度而朝向與此前相反的方向。將該現(xiàn)象稱為極化反轉(zhuǎn)。將產(chǎn)生極化反轉(zhuǎn)所需要的電場(chǎng)稱為極化反轉(zhuǎn)閾值電場(chǎng)，對(duì)于LiNb03、LiTaO3等的結(jié)晶，在室溫下需要約20kV/mm左右的電場(chǎng)，對(duì)于MgO: LiNbO3需要約5kV/mm左右的電場(chǎng)。下面，結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的光學(xué)元件的制造方法的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。(實(shí)施方式1)在本實(shí)施方式中，作為以鐵電體基板的內(nèi)部具有周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件， 對(duì)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的制造方法進(jìn)行描述。圖1中以波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的制作為例，示出對(duì)本發(fā)明的光學(xué)元件的制造方法進(jìn)行說(shuō)明的圖。本發(fā)明的光學(xué)元件的制造方法包括電極形成工序、周期電極形成工序、極化反轉(zhuǎn)形成工序、表面處理工序、以及退火工序。圖1 (a)中示出電極形成工序。圖中的標(biāo)號(hào)1是鐵電體基板，在本實(shí)施方式中，使用 Imm厚的Z板的MgO: LiNbO3基板。在由MgO: LiNbO3基板所形成的鐵電體基板1的+Z面、-Z 面上，形成具有用于形成極化反轉(zhuǎn)的金屬膜的電極2。在本實(shí)施方式中，利用濺射法，將Ta 膜成膜為IOOnm厚的電極2。圖1(b)中示出周期電極形成工序。圖1(b)的右圖是從上方觀察+Z面的圖，左圖是右圖的X-X’剖視圖。將+Z面的電極2加工成梳形，使得在+Z面上呈周期性地形成極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以制作周期電極3。在本實(shí)施方式中，利用光刻和干法蝕刻來(lái)制作周期電極3。另夕卜，為了將近紅外光(波長(zhǎng)1064nm)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成綠光(波長(zhǎng)532nm)，將周期電極3的電極周期設(shè)為7 μ m。用MgO = LiNbO3基板的近紅外光和綠光的折射率和相位匹配波長(zhǎng)來(lái)決定電極的周期(實(shí)際上是所制作的極化反轉(zhuǎn)的周期)。正確控制極化反轉(zhuǎn)周期以形成極化反轉(zhuǎn)，從而能補(bǔ)償近紅外光和綠光在結(jié)晶內(nèi)的相位不匹配，以進(jìn)行高效的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。圖1(c)是極化反轉(zhuǎn)形成工序。利用脈沖電壓施加系統(tǒng)4在+Z面與-Z面的電極間施加大于等于極化反轉(zhuǎn)閾值電場(chǎng)的脈沖電場(chǎng)，從而形成極化反轉(zhuǎn)5。此時(shí)，在電場(chǎng)施加過(guò)程中，若升高基板溫度，則能將極化反轉(zhuǎn)閾值電場(chǎng)降低至5kV/mm以下。因此，在本實(shí)施方式中，將鐵電體基板1放入絕緣液，并將絕緣液溫度設(shè)為100°C，從而在絕緣液中進(jìn)行電場(chǎng)施力口。將基板進(jìn)行加溫，從而極化反轉(zhuǎn)閾值電場(chǎng)變?yōu)?kV/mm以下，但這里，考慮余量，將脈沖電場(chǎng)設(shè)為6kV/mm，將脈沖寬度設(shè)為1msec。施加該脈沖電場(chǎng)，從而從基板的+Z面向-Z面形成極化反轉(zhuǎn)5。圖1 (d)是表面處理工序。圖1 (d)的左圖是表面處理工序前的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件6的剖視圖，右圖是表面處理工序后的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件6的剖視圖。在表面處理工序中，去除電極 2、周期電極3、以及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件6的表面。在本實(shí)施方式中，通過(guò)利用金剛石植砂所進(jìn)行的機(jī)械性研磨，來(lái)對(duì)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件6的+Z面和-Z面進(jìn)行研磨，從而去除距離基板表面約 IOOnm為止的層，包括電極2和周期電極3。以往不進(jìn)行該表面處理工序。在高溫退火工序之前進(jìn)行該表面處理工序，從而能改善波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的轉(zhuǎn)換效率，詳細(xì)情況將在后面進(jìn)行描述。此外，在本實(shí)施方式中，通過(guò)研磨來(lái)去除電極和基板表面，但并不局限于研磨，利用干法蝕刻、濕法蝕刻來(lái)去除電極、基板表面也能獲得相同的效果。對(duì)于干法蝕刻，只要是對(duì)電極和基板都能進(jìn)行蝕刻，任何方法都可以使用。在濕法蝕刻中，無(wú)論是酸還是堿，只要是對(duì)電極和基板都能進(jìn)行蝕刻，任何溶液都可以使用。圖1 (e)是退火工序。使用能進(jìn)行高溫加熱的烘箱7 (楠本化成株式會(huì)社制)，在 400°C的環(huán)境下，對(duì)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件6進(jìn)行1小時(shí)本實(shí)施方式中的退火處理。
圖2是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和實(shí)施方式1的光學(xué)元件的光輸出特性進(jìn)行比較的圖，表示將紅外光作為基波輸入波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件時(shí)的紅外光的輸入功率與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光的輸出功率之間的關(guān)系?？v軸是波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光輸出功率，橫軸是基波輸入功率。虛線表示用現(xiàn)有的制造方法所制作的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的特性，實(shí)線表示用本發(fā)明的制造方法所制作的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的特性。如圖所示，在現(xiàn)有的制造方法中，若基波輸入超過(guò)5W，則波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光的增加率會(huì)下降，而在本發(fā)明的制造方法中，在基波輸入達(dá)到IOW之前，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光的輸出都在增加，與基波輸入的輸入功率的平方成正比。即，若用本發(fā)明的制造方法來(lái)制作波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，則能抑制轉(zhuǎn)換效率的下降。這是因在退火處理工序之前進(jìn)行了表面處理工序、從而去除了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的+Z面和-Z面的表層而獲得的效果。下面對(duì)該去除表層的效果進(jìn)行說(shuō)明。圖3是表示由電極的有無(wú)所引起的自然極化的變化的圖，圖3 (a)是表示用現(xiàn)有的方法所制作的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件中的退火工序前后的自然極化的變化的圖。圖3(a)的上圖表示退火工序前的自然極化，下圖表示退火工序中的自然極化。圖中的箭頭所指的方向是自然極化的朝向，箭頭的長(zhǎng)度是自然極化的大小。電極2和周期電極3是形成極化反轉(zhuǎn)所使用的電極。若鐵電體基板1的溫度因高溫退火工序而上升，則自然極化8會(huì)增大，從而成為退火中自然極化9。此時(shí)，若鐵電體基板1無(wú)塵，則其表面會(huì)產(chǎn)生并積聚熱電荷，使得與退火中自然極化9相對(duì)。這種現(xiàn)象一般被稱為熱釋電效應(yīng)，是為了使鐵電體結(jié)晶保持電中性而發(fā)生的現(xiàn)象。然而，如圖3 (a)所示，若鐵電體基板1的表面14上存在電極2和周期電極3，則因熱釋電效應(yīng)而產(chǎn)生的熱電荷沿電極2和周期電極3在基板表面上自由移動(dòng)。其結(jié)果是，由于熱電荷無(wú)法在鐵電體基板1的表面14上積聚，因此，不會(huì)產(chǎn)生用于與退火中自然極化9 相對(duì)的電場(chǎng)。其結(jié)果是，在退火過(guò)程中，退火中自然極化9持續(xù)增加，相反的自然極化會(huì)因所增加的退火中自然極化9而相鄰，從而在不同極性的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域界面上的結(jié)晶結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生變形(結(jié)晶變形)。在像波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件那樣具有多個(gè)周期性的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的元件中，由于該界面多處相鄰，因此，結(jié)晶變形會(huì)增加。將激光輸入這樣的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，若增大輸入功率，則該結(jié)晶變形會(huì)引起波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的光吸收增加，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的轉(zhuǎn)換效率會(huì)下降。圖3(b)是表示用本發(fā)明的制造方法所制作的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件在高溫退火工序時(shí)的自然極化的變化的圖。圖3(b)的上圖表示高溫退火工序前的自然極化，下圖表示高溫退火工序中的自然極化。這里，本發(fā)明的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件在退火工序前已去除了電極2、周期電極 3和基板表面。由于在由MgO = LiNbO3基板所形成的鐵電體基板1的表面14上不存在電極 2和周期電極3，因此，因熱釋電效應(yīng)而產(chǎn)生的熱電荷10積聚于鐵電體基板1的表面14(圖 3(b)的下圖)。由于由熱電荷10所產(chǎn)生的電場(chǎng)11與自然極化8相對(duì)，因此，能抑制自然極化8的增加，因而，能抑制結(jié)晶內(nèi)產(chǎn)生變形。其結(jié)果是，即使增大輸入功率，也能抑制用現(xiàn)有的制造方法所制作的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件那樣的光吸收的增加，能抑制波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的轉(zhuǎn)換效率的下降。另外，距離基板表面(除電極以外的結(jié)晶基板表面)的研磨深度也很重要。雖然即使去除表面電極也能獲得相當(dāng)?shù)男Чㄟ^(guò)使得研磨深度大于lOnm，能獲得更顯著的效果。圖4是表示光輸出特性隨研磨深度的不同而產(chǎn)生的變化的圖，表示改變研磨深度時(shí)的基波輸入功率與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光的輸出功率之間的關(guān)系。圖中所示的曲線圖的研磨深度如下實(shí)線為lOOnm，虛線為8nm，點(diǎn)線為5nm。若使研磨深度變淺，則轉(zhuǎn)換效率會(huì)下降。若研磨深度為IOnm以下，則這種現(xiàn)象會(huì)變得顯著。對(duì)由該研磨深度所引起的光吸收降低效果的機(jī)理進(jìn)行說(shuō)明。圖5是本發(fā)明的光學(xué)元件的表面處理工序前后的剖視圖，是通過(guò)研磨所進(jìn)行的表面處理工序前后的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的剖視圖。如圖5(a)所示，因鐵電體基板1的晶片制作時(shí)的鏡面研磨和電極的成膜而在表面處理工序前的鐵電體基板1的表層上產(chǎn)生表面變質(zhì)層12。由于該表面變質(zhì)層12含有較多的導(dǎo)電性雜質(zhì)，因此，因上述的熱釋電效應(yīng)而產(chǎn)生的熱電荷通過(guò)該層而移動(dòng)較短的距離。對(duì)于熱電荷的移動(dòng)，不僅是圖3所說(shuō)明的單純通過(guò)減小表面電阻而產(chǎn)生的較大的電荷移動(dòng)，在不抑制退火時(shí)自然極化的伸縮的情況下，由該表面變質(zhì)層12所產(chǎn)生的熱電荷的移動(dòng)也會(huì)使基板在自然極化方向相反的界面上產(chǎn)生變形。由該表面變質(zhì)層12所引起的電荷移動(dòng)一般被稱為DC漂移，但在極化反轉(zhuǎn)周期為幾微米這樣的較短的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件中，會(huì)對(duì)極化反轉(zhuǎn)部的光吸收的增加造成影響。因而，如圖5(b)所示，若將電極2、周期電極3、以及基板表面所形成的表面變質(zhì)層12全部去除，則能抑制在高溫退火處理中所產(chǎn)生的熱電荷的移動(dòng)。根據(jù)發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)可知，若從基板表面起以大于IOnm的深度進(jìn)行研磨，則能完全去除表面變質(zhì)層12，能防止轉(zhuǎn)換效率下降。而且，結(jié)束表面處理工序時(shí)的表面電阻率的調(diào)整也很重要。這是由于若表面電阻率降低，則會(huì)促進(jìn)高溫退火處理中所產(chǎn)生的熱電荷的移動(dòng)。這里，所謂表面電阻率，是指鐵電體基板的+Z面、-Z面的每單位面積的電阻值，單位用Ω/□來(lái)表示。為了抑制熱電荷的移動(dòng)并抑制基板變形，需要將該表面電阻率設(shè)為105Ω / □以上，進(jìn)行退火工序。為了調(diào)整表面電阻率，將SiO2膜在鐵電體基板的表面上進(jìn)行成膜，改變成膜條件以調(diào)整Si和O2的含有率，從而能調(diào)整表面電阻率。接著，在進(jìn)行說(shuō)明的圖6中，通過(guò)這樣，來(lái)制作表面電阻率為 IO3 Ω / DUO4Q/ □、以及105Ω/ □以上的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，并對(duì)它們的輸出特性進(jìn)行比較。圖6是表示光輸出特性的表面電阻率相依性的圖，示出了改變表面電阻率而制作的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的基波輸入功率與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光的輸出功率之間的關(guān)系。所使用的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件使用利用金剛石植砂對(duì)+Z面和-Z面進(jìn)行機(jī)械性研磨、從而以距離基板表面IOOnm的深度進(jìn)行研磨而得的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件。由圖可知，若表面電阻率下降，則轉(zhuǎn)換效率會(huì)呈現(xiàn)出下降的傾向。即，當(dāng)表面電阻率為ΙΟ3Ω/Ο、ΙΟ4Ω/□時(shí)，光吸收增加，轉(zhuǎn)換效率下降。但是， 當(dāng)表面電阻率為105Ω/ □以上時(shí)，觀察不到轉(zhuǎn)換效率的下降。而且，希望除了注意基板表面的導(dǎo)電性，還避免與電阻較低的材料相接觸。這是由于在高溫退火處理中所產(chǎn)生的熱電荷會(huì)經(jīng)由電阻較低的材料而發(fā)生移動(dòng)。因而，在退火工序中，希望在將基板設(shè)置于絕緣體之上的狀態(tài)下進(jìn)行退火工序。由此，能抑制自然極化隨著熱電荷經(jīng)由與基板相接觸的材料發(fā)生移動(dòng)而增加，能抑制波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的轉(zhuǎn)換效率的下降。而且，退火工序中的熱處理溫度也很重要。為了防止光吸收降低導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降，需要在300°C以上的溫度下進(jìn)行退火處理，在本實(shí)施方式的摻入Mg的LiNbO3基板中，在 400°C下進(jìn)行退火處理。圖7是表示光輸出特性的高溫退火溫度相依性的圖，表示改變退火工序中的熱處理溫度而制作的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的基波輸入功率與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光的輸出功率之間的關(guān)系。所使用的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件使用以MgO = LiNbO3基板來(lái)制作的、利用金剛石植砂對(duì)+Z面和-Z面進(jìn)行機(jī)械性研磨、從而以距離基板表面IOOnm的深度進(jìn)行研磨而得的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件。由圖可知，若熱處理溫度下降，則轉(zhuǎn)換效率會(huì)呈現(xiàn)出下降的傾向。即，伴隨著退火溫度成為250°C、 200°C、15(TC的低溫，可以觀察到轉(zhuǎn)換效率的下降。另一方面，在300°C以上的退火溫度下， 觀察不到轉(zhuǎn)換效率的下降。成為該轉(zhuǎn)換效率下降的閾值的退火溫度隨著結(jié)晶基板的材料的不同而不同。對(duì)于摻入Mg的LiTaO3基板或LiTaO3類，該閾值溫度為100°C以上，對(duì)于LiNbO3 類，該閾值溫度為300°C以上?？梢哉J(rèn)為這取決于結(jié)晶的居里溫度的差異。這樣，在退火工序中，優(yōu)選為在根據(jù)基板材料來(lái)決定的規(guī)定的退火溫度下進(jìn)行熱處理。本實(shí)施方式中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件使用具有在7μπι的周期下周期方向的極化反轉(zhuǎn)寬度為3. 5μπι的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件。即使實(shí)施400°C的退火處理，所制作的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域也不會(huì)消失，這一點(diǎn)得到了確認(rèn)。而且，即使在其后增加了 _20°C 100°C的熱循環(huán)工序，極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)也未消失，沒(méi)有確認(rèn)轉(zhuǎn)換效率的下降。然而，若將周期方向的極化反轉(zhuǎn)寬度設(shè)為1 μ m，則即使進(jìn)行100°C的退火處理，也能觀察到一部分的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域消失。 根據(jù)逐漸增大極化反轉(zhuǎn)寬度來(lái)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以確認(rèn)，當(dāng)周期方向的極化反轉(zhuǎn)寬度為 2 μ m以上時(shí)，即使在400°C下實(shí)施退火處理，極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)也不會(huì)消失。而且，即使在其后增加了 -20°C 100°C的熱循環(huán)工序，極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)也未消失，沒(méi)有確認(rèn)轉(zhuǎn)換效率的下降。 因而，本發(fā)明作為具有以下兩個(gè)效果的光學(xué)元件的制造方法是非常有效的即，具有2μπι 以上的極化反轉(zhuǎn)寬度的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化；以及去除極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的界面上的結(jié)晶變形。(實(shí)施方式2)在實(shí)施方式1中，利用機(jī)械性研磨來(lái)進(jìn)行表面處理工序，但在本實(shí)施方式中，作為表面處理工序，沿基板的Z軸方向進(jìn)行各向異性濕法蝕刻，這一點(diǎn)與實(shí)施方式1不同。利用該方法，能進(jìn)一步防止高輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換效率下降。圖8是表示實(shí)施方式2中的光學(xué)元件的光輸出特性的圖，示出了在使用氟硝酸溶液從基板表面去除了約IOOnm的厚度的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件中、輸入功率與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光的輸出功率之間的關(guān)系。由圖可知，即使基波輸入超過(guò)10W，也能獲得與其輸入功率的平方成正比的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光的輸出。即，在比實(shí)施方式1要高的輸入功率下，也無(wú)法觀察到轉(zhuǎn)換效率的下降。圖9是沿Z軸方向具有各向異性的表面處理工序前后的光學(xué)元件的剖視圖，表示使用沿Z軸方向具有各向異性的濕法蝕刻溶液進(jìn)行了表面處理的情況下的光學(xué)元件的剖視圖。這里，所謂“沿Z軸方向具有各向異性”是指在沿自然極化方向正交的面的方位(+Z 面、-ζ面)上蝕刻速度不同的情況。即，由于自然極化的方向交替反轉(zhuǎn)，因此，在鐵電體基板1的+Z面、-Z面上，分別交替存在蝕刻速度不同的層。在這種情況下，在具有周期極化反轉(zhuǎn)的光學(xué)元件中，由于+Z面和-ζ面呈周期性地進(jìn)行反復(fù)，各個(gè)面上的蝕刻速度不同，因此，會(huì)在基板表面上呈周期性地形成階差13。由于氟硝酸溶液在MgO = LiNbO3基板的-Z面上的蝕刻速度比+Z面上的蝕刻速度要快(具有各向異性)，因此，若進(jìn)行濕法蝕刻，則會(huì)在極化反轉(zhuǎn)光學(xué)元件中形成周期狀的階差13。階差13的大小與蝕刻時(shí)間成正比。在本實(shí)施方式中，使用氟硝酸溶液進(jìn)行20分鐘蝕刻，從而獲得了幾十nm的階差。圖10是表示本發(fā)明的具有階差的光學(xué)元件產(chǎn)生熱電荷的圖，示出了實(shí)施了本實(shí)施方式的表面處理的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件在高溫退火工序時(shí)的自然極化的形態(tài)。圖10的上圖表示高溫退火工序前的自然極化，下圖表示高溫退火工序中的自然極化。由于利用各向異性濕法蝕刻所形成的階差13會(huì)妨礙高溫退火中所產(chǎn)生的熱電荷10的移動(dòng)，因此，熱電荷10 會(huì)可靠地停留于產(chǎn)生熱電荷的位置上。因此，與沒(méi)有階差的光學(xué)元件相比，能更穩(wěn)定且高效地降低光吸收。此外，在本實(shí)施方式中，通過(guò)利用氟硝酸溶液所進(jìn)行的濕法蝕刻在基板上設(shè)置階差，但也可以通過(guò)使用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP Chemical Mechanical Polishing)來(lái)制作同樣的階差。特別是由于Z軸方向的蝕刻速度差較大的、酸性或堿性的化學(xué)機(jī)械研磨溶液能容易地形成階差，因此是有效的。在本實(shí)施方式1和2中，對(duì)使用Z板的摻入MgO的LiNbO3基板作為鐵電體基板的情況進(jìn)行了說(shuō)明。但是，并不局限于此。除此以外，鐵電體基板也可以是摻入MgO的LiTaO3 基板、摻入Nd的LiNbO3基板、KTP基板、KNbO3基板、摻入有Nd和MgO的LiNbO3基板、或摻入有Nd和MgO的LiTaO3基板、摻入Mg的LiTa (l_x) NbxO3 (0彡χ彡1)等化學(xué)計(jì)量成分相同的基板等。由于本發(fā)明能在退火處理時(shí)穩(wěn)定地產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)，因此，適用于具有沒(méi)有結(jié)晶變形的透明性較高的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件的制作。而且，由于完全去除了基板表面的變質(zhì)層、雜質(zhì)、或電極，因此，能確?；宓慕^緣性，在高輸出下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光學(xué)元件。另外，本發(fā)明的光學(xué)元件的制造方法例如在摻入有Mg的結(jié)晶中具有周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，從而能作為高效且穩(wěn)定的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件等的制造方法來(lái)使用。而且，利用本發(fā)明的光學(xué)元件的制造方法，能穩(wěn)定地保持形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，提供沒(méi)有結(jié)晶變形的、透明性較高的光學(xué)元件。另外，能提供在高輸出時(shí)光輸出穩(wěn)定、且具備了具有高可靠性的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的光學(xué)元件。另外，在本實(shí)施方式1和2中，作為利用了極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，以波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件為例進(jìn)行了說(shuō)明。但具有極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件不僅能運(yùn)用于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，只要形成為棱柱形或光柵形，也能用于制作致偏器。對(duì)于該致偏器，例如可運(yùn)用于致偏器的相移、光調(diào)制器、透鏡等。另外，若對(duì)極化反轉(zhuǎn)區(qū)域施加電壓，則能利用電光效果來(lái)引起折射率變化。因此，能實(shí)現(xiàn)利用該折射率變化的光學(xué)元件。例如，由于能利用電場(chǎng)來(lái)控制折射率變化，因此，形成了折射率變化的光學(xué)元件可運(yùn)用于開關(guān)、致偏器、調(diào)制器、相移、及光束整形等。由于本發(fā)明的光學(xué)元件的制造方法能形成穩(wěn)定且透明性較高的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，因此，能使這些光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)高性能化。工業(yè)上的實(shí)用性本發(fā)明所涉及的光學(xué)元件的制造方法在要求提供具有極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件的領(lǐng)域是有用的。特別是由于本發(fā)明所涉及的光學(xué)元件的制造方法能穩(wěn)定地保持形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的，并能實(shí)現(xiàn)高輸出時(shí)的光輸出穩(wěn)定、且具備了具有高可靠性的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的光學(xué)元件，因此，作為運(yùn)用了加工、光信息處理、或光應(yīng)用測(cè)量控制領(lǐng)域所使用的相干光源的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件、致偏元件、光開關(guān)、及相位調(diào)制器等所使用的、具有極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的光學(xué)元件是有用的。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件的制造方法，其特征在于，包括電極形成工序，該電極形成工序在鐵電體基板的+Z面和-ζ面上形成金屬膜，以制作電極；周期電極形成工序，該周期電極形成工序?qū)⑿纬捎谒?Z面的所述金屬膜形成為周期電極；極化反轉(zhuǎn)形成工序，該極化反轉(zhuǎn)形成工序在所述周期電極與所述-Z面的電極之間施加電壓，以在所述鐵電體基板的內(nèi)部形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域；表面處理工序，該表面處理工序去除所述電極、所述周期電極、及所述鐵電體基板的+Z 面和-Z面的表面層；以及退火工序，該退火工序?qū)θコ怂霰砻鎸拥蔫F電體基板施加規(guī)定的熱。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于， 所述鐵電體基板是摻入Mg的LiTa(1-x)NbxO3(C)彡χ彡1)。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于， 所述鐵電體基板的結(jié)晶是化學(xué)計(jì)量成分。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于， 所述極化反轉(zhuǎn)區(qū)域的極化反轉(zhuǎn)寬度為2 μ m以上。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于，所述表面處理工序中的表面層的去除深度距離所述鐵電體表面大于lOnm。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于，利用干法蝕刻或濕法蝕刻或研磨，來(lái)進(jìn)行所述表面處理工序中的表面層的去除。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于，在所述鐵電體基板的+Z面和-ζ面上，在相鄰的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域之間形成階差。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于，利用蝕刻速度沿所述鐵電體基板的Z軸方向具有各向異性的蝕刻溶液來(lái)進(jìn)行濕法蝕亥Ij，從而形成所述階差。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于， 所述蝕刻溶液是氟硝酸溶液。
10.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于，利用研磨來(lái)形成所述階差，所述研磨使用了研磨速度沿所述鐵電體基板的Z軸方向具有各向異性的研磨劑。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于，在所述退火工序前的所述鐵電體基板的+Z面和-Z面上，設(shè)置有具有規(guī)定電阻率的氧化硅膜。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于， 所述規(guī)定的電阻率為105Ω/ □以上。
13.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件的制造方法，其特征在于，在將所述鐵電體基板保持于絕緣體之上的狀態(tài)下，進(jìn)行所述退火工序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光學(xué)元件的制造方法，包括電極形成工序，該電極形成工序在鐵電體基板的+Z面和-Z面上形成金屬膜，以制作電極；周期電極形成工序，該周期電極形成工序?qū)⑿纬捎谒?Z面的所述金屬膜形成為周期電極；極化反轉(zhuǎn)形成工序，該極化反轉(zhuǎn)形成工序在所述周期電極與所述-Z面的電極之間施加電壓，以在所述鐵電體基板的內(nèi)部形成極化反轉(zhuǎn)區(qū)域；表面處理工序，該表面處理工序去除所述電極、所述周期電極、及所述鐵電體基板的+Z面和-Z面的表面層；以及退火工序，該退火工序?qū)θコ怂霰砻鎸拥蔫F電體基板施加規(guī)定的熱。
文檔編號(hào)G02F1/37GK102483555SQ20108003843
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日
發(fā)明者森川顯洋, 水內(nèi)公典 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社