如果利用将强电介质的极化强制反转的极化反转现象，就能够在强电 介质的内部形成周期状的极化反转区域(极化反转构造)。这样所形成的 极化反转区域，能够用在使用声表面波的光频率调制器、使用非线性极化 的极化反转的光波长变换元件、使用棱镜形状或透镜形状的反转构造的光 偏振器等中。特别是，如果能够让非线性光学物质的非线性极化周期性反 转，就能够制作出变换效率非常高的光波长变换元件。如果用其对半导体 激光器等的光进行变换，就能够实现一种能够应用于印刷、光信息处理、 光应用测量领域等的小型短波长光源。
以往形成周期状极化反转区域的方法，公知的有通过Ti热扩散实现 的方法、装载SiO2之后进行热处理的方法、进行质子交换处理与热处理的 方法等。另外，还公知有利用强电介质的自发极化因电场而反转这一点来 形成周期状的极化反转区域的方法。该利用电场的方法，例如有对沿着C 轴切出的基板的-C面照射电子束的方法、以及对+C面照射正离子的方 法。不管是哪一种情况，通过所照射的带电粒子所形成的电场，形成数 100μm深的极化反转区域。
其他以往的极化反转区域的制造方法，公知有在LiNbO3基板上形成 梳状电极，对其施加脉冲状电场的方法(参照例如专利文献1、专利文献 2)。这些方法中，在LiNbO3基板的+C面中形成周期状的梳状电极，在 -C面中形成平面电极。接下来，让+C面接地，在-C面通过脉冲电源 施加脉冲宽度典型的为100μs的脉冲电压，对基板施加脉冲电场。为了进 行极化反转所需要的电场，约为20kV/mm以上。在施加这样的值的电场 时，如果基板较厚，就有可能因施加电场而破坏基板。但是，通过让基板 的厚度为200μm左右，可避免因施加电场所引起的晶体破坏，在室温中形 成极化反转区域。从而得到贯通基板的深的极化反转构造。
另外，还公布了一种方法，在Z板的掺杂Mg的LiNbO3基板(以下 称作MgLN)中形成梳状电极，通过对其施加电压，能够形成周期状极化 反转构造(参照例如专利文献3)。
另外，为了实现光波长变换元件的高效化，需要周期为3～4μm的短 周期的极化反转构造。如果通过施加电场形成极化反转区域，在电极正下 方的极化反转之后，极化反转区域在平行于基板的表面的方向上扩展。因 此很难实现极化反转构造的短周期化。为解决该问题，以往的方法中，通 过给电极施加脉冲宽度为100μs左右的短时间脉冲电压，来缩短电压施加 时间，形成短周期的极化反转构造。
其他的短周期的极化反转区域形成方法公知有，通过在Z板的LiTaO3 基板的表面中形成沟，并抑制极化反转在宽度方向的扩大，来形成周期 3.8μm的极化反转区域的方法(参照例如专利文献4)。
另外。短周期极化反转区域的形成方法公知有，为了在电介质材料中 形成极化反转微小构造，通过分割成多个区域来分别形成极化反转区域， 来形成例如周期4μm的短周期极化反转(参照例如专利文献5)。
另外，还提出了在MgLN中形成短周期的极化反转构造的方法(参照 例如专利文献6)。该方法中，在Z板的MgLN中形成周期状极化反转构 造。详细来说，该方法中，在MgLN的+Z面中形成梳状电极，通过从背 面照射电晕来形成周期状的极化反转构造。通过这样，形成周期为4μm且 贯通基板厚0.5mm的极化反转构造。
另外，还有一种通过在Z板的MgLN的-Z面与电极之间夹持SiO2 膜，来防止基板的破坏，形成周期为5μm且贯通基板厚0.3mm的极化反 转构造的方法(参照例如专利文献7)。
另外，还提出了在裁片(offcut)的MgLN中形成极化反转构造的方 法(参照专利文献8)。该方法中，在裁片的基板中形成电极，通过对其 施加电压，能够形成针状的极化反转构造。极化反转构造在晶体的极化方 向上成长。能够在裁片MgLN基板中形成周期5μm左右的极化反转构造。 使用极化方向稍稍偏离基板表面的裁片基板，并在基板内部形成针状的极 化反转形状。
专利文献1：特开平3-121428号公报
专利文献2：特开平4-19719号公报
专利文献3：特开平2001-66652号公报
专利文献4：特开平2000-147584号公报
专利文献5：特开平2003-307758号公报
专利文献6：特开平6-242478号公报
专利文献7：特开平7-281224号公报
专利文献8：特开平9-218431号公报
以往技术中存在的课题是，很难在Z板的掺杂Mg的LiTa(1-x)NbxO3 (0≤x≤1)基板中形成细微且稳定的极化反转区域。
例如，以往技术中，在裁片基板中通过施加电场能够进行极化反转的 形成。但是，Z板基板中，若不进行电晕轮询等复杂的电解施加方法，很 难形成均匀的细微反转构造。这里，电晕还原是指，在基板中堆积带电粒 子产生电场，通过这样来反转极化的方法。该方法中，由于带电例子所产 生的电场大小有限，因此能够形成极化反转的基板厚度被限制为0.5mm程 度，很难对超过1mm的厚基板实施极化反转的形成。
如上所述，通过电极施加电压的方法，虽然在对裁片基板进行反转形 成时有效，但存在的问题是，很难对Z板实施极化反转的形成。
对此公知有一种方法，通过在Z板的MgLN中形成梳状电极，并对此 施加电压来形成周期状的极化反转构造。该以往技术具有能够均匀形成周 期状的极化反转构造这一优点。但是，该以往技术所形成的极化反转，仅 限于电极前端的一部分。因此，在电极下的广大范围中形成极化反转构造 依然很困难。

因此，本发明的目的在于，提供一种具有短周期且大范围的极化反转 区域的光学元件，以及形成短周期且大范围的极化反转区域的方法。
本发明的光学元件的特征在于，具有：单一极化的强电介质基板；形 成在强电介质基板中的多个极化反转区域；以及，形成在极化反转区域之 间的强电介质基板的表面上的沟。至少1个极化反转区域的深度T’，相对 基板厚度T满足T’＜T的关系。通过这样，能够实现上述目的。
另外，本发明的极化反转区域的形成方法，在单一极化的强电介质晶 体基板的内部形成极化反转区域，其特征是，包括：在强电介质基板的表 面设置沟，并将强电介质基板的表面分割成多个区域的工序；以及，对多 个区域施加电场的工序。电场的方向，是与强电介质基板的自发极化方向 相对的方向。施加电场的工序中，多个区域中产生电位差。
(发明效果)
本发明的光学元件中，在极化反转区域之间形成有沟。另外，至少1 个极化反转区域不贯通基板。通过以上的构成，能够提供一种具有短周期 且大范围的极化反转区域的光学元件。也即，由于具有不贯通基板的极化 反转区域，同时还具有沟，因此例如在极化反转区域的形成工序中，能够 适当进行电场施加。因此，即使在形成细微(短周期)的极化反转区域的 情况下，也能够均匀且大范围形成极化反转区域。
另外，本发明的极化反转区域的形成方法，在由沟所分割的多个区域 中形成极化反转区域。另外，电场的方向是与强电介质基板的自发极化方 向相对的方向。施加电场的工序中，多个区域中产生电位差。通过以上的 构成，能够形成短周期且大范围的极化反转区域。也即，通过以上构成， 能够适当进行极化反转区域的形成工序中的电场施加。因此，即使在形成 细微(短周期)的极化反转区域的情况下，也能够均匀且大范围形成极化 反转区域。
另外，附带的效果是，通过使用该方法，能够制造用来产生紫外光的 光波长变换元件等光学元件。
附图说明
图1为本发明的光学元件的剖面图。
图2为本发明的光学元件的立体图。
图3为表示实施方式2的极化反转区域的形成方法的图，(a)为俯 视图，(b)为侧视图。
图4为表示实施方式2的极化反转区域的形成方法的剖面图。
图5为实施方式2的极化反转区域的形成方法中，(a)电位差不同 的情况下的电场分布图，(b)为L1较大时的电场分布图，(c)为L1较 小时的电场分布图。
图6为实施方式2的极化反转区域的形成方法中，(a)为无沟的情 况下的电场分布图，(b)为有沟的情况下的电场分布图。
图7为实施方式2的极化反转区域的形成方法中，利用电场变化在电 极间产生不同的电位差的结构图。
图8为实施方式2的极化反转区域的形成方法中，(a)为施加负电 压的结构图，(b)为施加正负电压的结构图。
图9为表示实施方式2中的绝缘溶液的温度与极化反转区域的长度 Lr之间的关系的图。
图10为表示实施方式3的极化反转区域的形成方法的图，(a)为俯 视图，(b)为侧视图。
图中：100、301、401、500、1001-MgO:LiNbO3基板，101、200、 405、504-极化反转部，102、402-沟，302、1002-主面，303、501、 601、700、800、1003-第1电极，304、502、602、701、1004-第2电 极，305、1005-第1电极的前端部，306、1006-第2电极的前端部，307、 503、603、702、802、1007-第3电极，308、404、703、1008-脉冲发 生器，400-Ta膜，403-SiO2膜，V1、V2、V3-电位，Ex-X方向的电 场成分，Ez-Z方向的电场成分，Ps-自发极化，A-电场，L1-第1电 极与第2电极之间的距离，Lr-极化反转区域的长度，T-基板温度。

在对本发明的实施方式进行说明之前，首先对强电介质的极化反转进 行说明。
强电介质，在晶体内具有自发极化所引起的电荷偏斜。通过施加与自 发极化相面对的电场，能够改变强电介质中的自发极化的方向。
自发极化的方向因晶体(材料)的种类而不同。LiTaO3、LiNbO3等或 其混晶即LiTa(1-x)NbxO3(0≤x≤1)基板的晶体，只在C轴方向上具有 自发极化。因此，这些晶体中，只存在沿着C轴的+方向或其反向的一方 向这两种极化。通过施加电场，这些晶体的极化旋转180度，从而指向与 之前相反的方向。该现象称作极化反转。将为了产生极化反转所需要的电 场称作反转电场，LiNbO3、LiTaO3等晶体中，在室温下需要约20kV/mm 程度的电场，MgO:LiNbO3中需要约5kV/mm程度的电场。
强电介质中，将形成具有单一极化方向的晶体这一过程称作“极化的 单区域化”。为了实现该极化的单区域化，一般采用的方法是在晶体成长 后在高温中施加电场。
(实施方式1)
本实施方式中，以强电介质晶体内部具有周期极化反转构造的光学元 件为例，对波长变换元件进行说明。
图1为本发明的光学元件的剖面图。Z板的MgLN基板100中，形成 有周期状的极化反转部101。基板的厚度为1mm，极化反转的深度约为 0.5mm程度。极化反转沿着基板晶体的Y轴(图1中为垂直于剖面的方向) 形成。极化反转部101，从基板的+Z面向着-Z面侧(图1中是在剖面 上垂直于极化反转的排列方向的方向)形成。极化反转部101形成得比基 板的厚度短。详细的说，极化反转部101的深度T’，形成得比基板厚度T 短。这里，极化反转部101的深度T’，表示极化反转部101的基板厚度方 向的长度，基板厚度T表示从极化反转部101的+Z面侧的端部到-Z面 为止的长度。也即，极化反转部101，以不贯通基板的方式形成。另外， 周期状极化反转部101的附近，在MgLN的+Z面表面中形成有深0.5μm 的沟102。这里的极化反转周期La(相邻两个极化反转区域的同位置的排 列方向间隔、例如各个极化反转区域在排列方向一侧的彼此间隔)、极化 反转区域长Lb(从所有极化反转区域的排列方向一侧到另一侧的长度) 分别为4μm、10mm。
图2为说明图1中所示的光学元件之构成的立体图。该光学元件，将 波长λ的基波通过周期状的极化反转构造进行波长变换，变换成λ/2的高 次谐波。这里，通过将极化反转周期La形成为4μm，来将波长900nm的 光，变换成波长450nm的光。另外，在极化反转区域长Lb的部分中，由 透镜入射900nm的光时，被以变换效率5％/W波长变换，并得到450nm 的高次谐波。
这样，本发明中，通过形成均匀的极化反转区域，可进行高效的波长 变换。另外，通过让基板厚度为1mm以上，基波、高次谐波的束腰(beam waist)得到扩大。因此，能够降低光的功率密度，实现高输出的输出特性。 与形成在0.5mm的基板上的情况相比，通过利用1mm厚的基板，能够将 输出提高到4倍。
另外，本发明中，通过在Y轴方向上形成极化反转，能够形成均匀且 短周期的极化反转构造。具体的说，能够形成周期2μm以下的极化反转构 造，可产生波长400nm以下的紫外光。以往技术中，在将极化反转形成在 X轴方向上的情况下，由于很难形成短周期的极化反转构造，因此只能得 到波长500nm以上的光。但是，本发明中，通过采取Y轴方向，能够产 生短波长光。
另外，虽然图1中示出了所有的极化反转部101均未贯通基板的结构， 但并不仅限于该构造。例如，只要能将极化反转的深度形成得比基板的厚 度浅，将从表面贯通到背面的极化反转区域的比率控制为全体极化反转区 域的一半(50％)以下，就有效形成了均匀的极化反转构造。进而，通过 将该比率抑制到10％以下，能够形成更加均匀的极化反转构造。特别是， 如果将贯通的极化反转区域的比率抑制为5％以下，则进一步提高了均一 性。本发明中，通过限制极化反转区域在深度方向的长度，能够使得极化 反转周期为2μm以下，产生波长400nm以下的紫外光。
但是，以往技术中，在形成周期状极化反转构造的情况下，极化反转 区域的边界中不同的自发极化相邻，形成了晶体畸变较大的极化壁。因此， 以往技术中，伴随着极化反转构造的细微化，晶体内的变形增大。一般来 说，极化壁中的变形是极化反转区域不稳定的原因。因此，虽然如前所述 使用未贯通的极化反转区域，能够形成均匀的极化反转构造，但另一方面， 未贯通的极化反转区域的稳定性，与贯通了的极化反转区域相比大幅恶 化。例如，在对所形成的极化反转区域照射400nm的紫外光的情况下、施 加急剧的温度变化的情况下、或施加外部电场的情况下，观测到了极化反 转区域的一部分消失的现象。因此，在热冲击或产生高输出的紫外光的情 况下，发现了特性恶化现象。这样的现象在细微的极化反转形状中尤其显 著，由于从极化反转区域特别是从基板表面产生，因此研究各种对其进行 防止的方法。结果得知，像本发明这样，在极化反转区域中形成沟，通过 在极化反转部分与非极化反转部分中设置级差，可大幅提高稳定性。沟的 深度，优选像本实施方式这样为0.5μm以上。另外，如果在0.2μm以下， 则几乎没有效果。虽然沟越深效果就越显著，但如果深度为0.5μm以上， 则即使进行100次的-40～80℃的热循环试验也观测不到特性变化。因此， 像本发明这样，在极化反转区域间的基板表面中设置0.5μm以上的沟，在 提高极化反转构造的可靠性上很有效。
以往技术中，在形成细微的极化反转区域的情况下，极化壁中残留有 变形。因该变形在极化壁中形成折射率分布。如果周期状形成极化反转区 域，则由于极化壁中产生折射率分布，因此会形成周期的折射率分布。例 如，在光学元件中使用极化反转构造的情况下，周期的折射率变化，会成 为打乱在极化反转构造中传输的光的波阵面、并且增大散射损失的原因。 对此发现，通过像本实施方式这样在极化反转区域间设置沟，能够降低极 化壁的折射率分布。通过让沟的深度为1μm以上，能够形成光学损耗较小 的光学元件。
另外，本发明的光学元件中，通过形成沟能够抑制极化反转的周期方 向的过剩的成长。以前，在极化反转的深度方向(Z轴方向)以及垂直于 周期的方向(Y轴方向)中形成长的极化反转的情况下，极化反转的周期 方向(X轴方向)的扩展过剩，很难形成大范围的极化反转区域。而通过 像本发明这样形成沟，能够抑制周期方向的极化反转的过剩成长，即使是 短周期(特别是周期2μm以下)也能够形成大范围且均匀的周期状的极化 反转区域。因此，本发明的光学元件，具有能够容易地均匀且大范围制作 极化反转区域，特别是周期2μm以下的极化反转区域的效果，从制作的观 点出发也非常实用。
另外，作为使用极化反转构造的光学元件，虽然以光波长变换元件为 例进行了说明，但通过将极化反转构造形成为棱柱形状或光栅形状，能够 构成偏振器。该偏振器例如能够用于移相、光调制器、透镜等。另外，通 过对极化反转区域施加电压，能够形成利用了电光效应的折射率变化。因 此，能够实现使用它的光学元件。例如，由于能够通过电场来控制折射率 变化，因此形成折射率变化的光学元件，能够用于开关、偏振器、调制器、 移相、光束整形等。本发明的极化反转区域的形成方法，能够形成细微的 极化反转形状，因此能够让这些光学元件高性能化。
另外，基板的厚度优选为0.5mm以上。如果基板为0.5mm以上，就 能够防止从极化反转部的表面贯通到背面。如果基板的厚度为1mm以上， 则进一步能够防止极化反转的贯通。因此，能够形成更加均匀的极化反转 区域。另外，在较厚的基板中，由于极化反转区域不贯通，因此极化反转 区域的不稳定性引起可靠性恶化。本发明中为了防止这一情况，在极化反 转区域间设置有沟，该沟对极化反转区域的稳定性非常有效。
另外，以上的本实施方式的说明中，强电介质基板使用Z板的掺MgO的LiNbO3基板。或者，此外还能够使用掺MgO的LiTaO3基板、掺Nd的LiNbO3基板、KTP基板、KNbO3基板、掺Nd与MgO的LiNbO3基板、 或掺Nd与MgO的LiTaO3基板、化学配比组成相同的基板等。另外，并 不仅限于Z板，X板、Y板也能够得到同样的效果。
其中，由于由掺杂Nd的晶体构成的基板能够进行激光振荡，因此能 够同时产生基于激光振荡的基波与基于其波长变换的第2高次谐波。因此， 能够构成高效且具有稳定的工作特性的短波长的光源。
(实施方式2)
本实施方式中，对使用1mm厚的Z板MgLN形成极化反转区域的方 法进行说明。本实施方式中所说明的极化反转区域的形成方法，是一种在 具有垂直于Z轴的主面的MgLn基板的+Z面中，交替设置独立的两个电 极的电极指，通过给各个电极施加电压，来形成大范围的极化反转区域的 方法。
对本实施方式的极化反转区域的形成方法进行说明。本实施方式中， 对形成周期4μm的极化反转区域的方法进行说明。
首先，如图3所示，在MgO:LiNbO3基板301的主面302中，形成具 有在Y方向上延伸的多个前端部(电极指)305的第1电极303(具有周 期8μm的齿(电极指)的梳状电极)，以及具有在Y方向上延伸的多个 前端部(电极指)306的第2电极304(具有周期8μm的齿(电极指)的 梳状电极)。另外，前端部305以及前端部306，在同一平面中，在X轴 方向(参照图2)上形成周期电极。具体的说，第1电极303的前端部305， 被与第2电极304的前端部306以在Y轴方向上位置重叠的方式交替设置。 也即，各个前端部交替设置，从X轴方向看被重叠地交替配置。通过这样， 前端部305以及前端部306，在同一平面中，在X轴方向形成周期4μm的 周期电极。另外，第1电极303的前端部305以及第2电极304的前端部 306，朝向晶体的Y轴方向。再有，第1电极303与第2电极304电绝缘。 另外，在主面302的相反侧的面中形成第3电极307。通过给第1电极303 或第2电极304与另一面中所形成的第3电极307之间，施加由脉冲发生 器308所控制的电压，来在电极间形成极化反转区域。
使用图4对该电极303以及304的形成方法进行说明。
这些电极303以及304，例如通过厚100nm的Ta膜400形成。第1 电极303与第2电极304的周期电极形成，通过在Ta膜上堆积抗蚀剂， 并对抗蚀剂进行图案形成，来用CF4气体环境中的反应性离子蚀刻来进行 (参照图4(a))。另外，通过同样的步骤，在主面302的相反侧的面的 至少与电极303以及304相对应的部分、或全面中，形成第3电极307(参 照图3(b))。第3电极307也和电极303以及304一样，通过Ta膜400 形成。
接下来，通过CFH3气体环境中的反应性离子蚀刻，对未被电极覆盖 的MgLN基板401的表面进行蚀刻(参照图4(b))。之后，通过去除 抗蚀剂，在MgLN基板401的表面形成沟402。这里的蚀刻所产生的沟深 度为0.1μm。
进而，在形成有沟402的表面中，形成SiO2膜403作为绝缘膜(参照 图4(c))。
通过对由Ta膜400所形成的电极间施加由脉冲发生器404所控制的 电压，在电极间形成极化反转部405(参照图4(d))。该脉冲发生器303 具有给定的电平，能够根据需要将脉冲电压或直流电压施加给MgLN基板 301。
这里，为了避免施加电压时产生放电，将MgLN基板301设置在绝缘 液体或真空(10-6Torr以下)中后，施加电压。
对电压的施加方法进行具体说明。
首先，在第2电极304与第3电极307之间施加脉冲电压。接下来， 在第1电极303与第3电极307之间，同样施加脉冲电压。通过这样，在 第1电极303以及第2电极304的前端部305和306之下产生极化反转核， 对应于配置前端部305与前端部306的周期，分别形成周期8μm的极化反 转区域。前端部305、306的极化反转核，通过持续施加脉冲电压而在Y 轴方向和Z轴方向上成长。Y轴方向中，通过在第1电极303和第2电极 304重叠的部分全体中形成极化反转区域，来形成大范围的周期4μm的极 化反转区域。
接下来，对本发明的极化反转构造的形成方法的原理进行说明。
本发明的极化反转区域形成方法，对具有金属添加物的强电介质晶体 特别有效。虽然使用的是掺杂Mg的LiNbO3(以下称作MgLN)，但在以 1mol％以上的高浓度添加金属的晶体中，通常能够产生同样的效果。MgLN 中，如果进行基于电场施加的极化反转，就能够观测到所形成的极化反转 区域的电阻大幅下降3位以上的现象。因此，通过在Z板的MgLN表面与 背面形成电极，并在电极之间施加电压，来从基板表面向背面方向成长极 化反转部的方法中，发现在一部分极化反转到达背面附近时，开始在电极 间流通大电流，产生电极间的电压下降，从而很难大面积形成极化反转。 也即，在相同电位的情况下，一旦极化反转部接近背面方向，由于电极间 的电阻就大幅下降，从而产生电极间的电压下降，极化反转的成长停止。
为防止该现象，本发明提出了将晶体表面的电极分成多个区域，并在 表面电极间设置电位差的方法。也即，本发明中，至少对某个区域产生不 同的电位差。
如图5(a)所示，如果在第1电极501(电位V1)与第2电极502(电 位V2)之间设置电位差V1-V2，则在第1电极501与第2电极502之间 产生电场A。通过电场A的Z方向的矢量成分Ez，在第2电极502之下 形成与自发极化相面对的电场。第1电极501与第2电极502之间，与极 化反转成长的极化方向垂直。因此避免了极化反转所引起的电极间的电阻 降低，从而能够高效施加电场。其结果是，能够在大范围内形成均匀的极 化反转构造。通过在基板表面形成具有不同电位的区域，来在区域间产生 电场，并通过让该电场的矢量成分Ez与自发极化相面对，能够形成极化 反转。
但是，虽然如图5(b)所示，在电极间隔L1较大的情况下，能够通 过上述方法形成均匀的极化反转构造，但如图5(c)所示，在电极间隔 L1较小的情况下，电极间的电场A如图所示，由于电场A在电极间几乎 水平分布，因此Z方向的矢量成分Ez不够大。另外，如果为了增大矢量 成分Ez，而增加电极间的电压，就会产生破坏相邻电极间的绝缘的问题。 因此，如果电极间隔为5μm以下，就会产生基于表面电极间的电位差所产 生的极化反转极其困难这一问题。
而本发明中，通过将电极构造采用如图6(b)所示的构造，解决了这 一问题。也即，通过在电极1电极601与第2电极602之间开出沟，来在 电极间形成绝缘性较高的区域。通过这样，从第2电极602指向第1电极 601的电场，如图6(b)所示，能够在从沟下面钻过的方向上发生。与没 有设置沟的图6(a)相比，设置了沟的图6(b)的构成中，能够大幅增 大电场成分Ez。另外，能够提高第1电极601与第2电极602之间的绝缘 性，并在电极间施加大电压。因此，能够形成更均匀的极化反转构造。另 外，通过在设置于电极间的沟中使用绝缘性高的绝缘液体、高真空环境等， 能够施加更高的电压。本构成中，在电极间隔5μm以下的细微区域中也能 够形成极化反转区域。如果让电极间的沟的深度较深，就能够增大电极间 的绝缘性，并增大电场矢量Ez，从而能够更加均匀地形成深的极化反转构 造。沟的深度优选最低为0.1μm以上，如果是0.5μm以上，则在均匀性与 形成范围的观点来看更有效果。
通过在电极之间形成沟，除了上述效果之外，还能够得到其他效果， 形成更加细微的极化反转构造。
也即，在通过施加电场来形成极化反转区域的情况下，极化反转区域 在极化方向上成长的同时，也在垂直于极化的方向上成长。将这个向着垂 直于极化的方向的极化反转区域的成长称作侧面成长。通过该侧面成长， 极化反转部在电极的宽度方向上成长。因此，即使通过细微的电极形状形 成极化反转，极化反转区域也会向侧面方向成长，成为在横向上扩展的形 状。这个向侧面的扩展会达到数μm，从而很难形成1μm程度的细微构造。
对此本发明中，在电极的侧面部中形成沟。通过这样，发现能够抑制 极化反转区域的侧面成长。极化反转区域从电极正下方产生的极化反转核 开始成长。一般来说，极化反转区域的侧面成长的原因在于，电极周边所 产生的电场成分引起极化反转核的产生。与此相对，本发明中，通过在电 极周边部中设置沟，能够抑制电极周边部中的极化反转核的产生，抑制侧 面成长。其结果是，能够均匀形成例如5μm以下的细微宽度的极化反转区 域。另外，还能够容易地形成1μm以下的亚微米量级宽度的极化反转区域。
另外，作为本发明的极化反转区域的形成方法，虽然以对表面电极施 加不同电压为例进行了说明，但也可以利用电场的变化，在电极间产生不 同的电位差。
例如，如图7所示，如果在第1电极701与第3电极702之间施加电 场，电极构造就成为夹在电极间的电容器。因此，在电极间积蓄电荷的过 渡状态中，第1电极700变为漂浮电极，第1电极700与第2电极701之 间产生电场。利用这样的电场变化，能够在第1电极700与第2电极701 之间产生电场分布。例如，过渡性产生的电场，依赖于电压的变化量。因 此，通过高速的电压变化，能够在第1电极700与第2电极701之间产生 大电场。还依赖于电极构造，具体的说，通过让电压的变化量为100V/秒 以上，能够形成极化反转。另外，通过让电压的变化量为1kV/秒以上，能 够形成更加均匀的极化反转。另外，通过对第1电极700与第2电极701 交替施加电场，能够在双方的电极下成长极化反转区域。
接下来，对所施加的电压波形进行说明。
施加给电极的电压波形，通常来说，希望是产生与自发极化对向的电 场的电压。例如图8(a)所示，第2电极801与第3电极802之间，以让 电场与+Z板的极化方向Ps相对的方式，对第3电极802施加负电压。这 里，通过施加+方向的电场，所形成的极化会再次反转。特别是LiNbO3 或LiTaO3中，极化反转之后，由于内部电场的存在，极化反转区域的稳 定性极端下降，因此必需避免施加反方向的电压。
对此发现，掺Mg的LiNbO3，具有与以往不同的特性。也即，如图8 (b)所示，即使所施加的电压是正负电压交替施加的电压波形，也能够 均匀形成极化反转。虽然其原因尚不明确，但通过施加反方向的电压提高 电阻，能够让极化反转区域低电阻化，防止极化反转区域的成长停止，同 时还能够起到成长极化反转区域的效果。另外，如果单方面施加与自发极 化方向相对的电场，基板表面充电后产生放电，形成不均匀的极化反转， 而通过施加正负的电场，能够防止表面充电所引起的放电，从而能够形成 均匀的反转。另外，施加条件优选为正负同电场、或逆电压小于与自发极 化方向相对的电压。另外，施加电场，特别优选脉冲宽度τ≤10msec的脉 冲施加。通过施加多个脉冲列，能够形成均匀的极化反转构造。
另外，虽然本发明的极化反转区域的形成方法，以由金属电极实现的 电场施加为例进行了说明，但施加电场的方法并不仅限于此。例如，使用 基于极化反转中所使用的液体电极、溶胶凝胶电极、电晕放电等实现的电 场施加法，也能够得到同样的效果。
另外，虽然本发明的实施方式中，使用的是Z板的基板，但并不仅限 于此。例如，除了自发极化方向与基板法线平行的Z板之外，还可以使用 自发极化的方向与法线呈角度θ的裁片基板。角度θ的值最好为±30°以 下。这种情况下，能够形成均匀且较深的极化反转构造。特别是，如果角 度θ为±5°以下，就能够得到均匀性进一步提高且高效的光学元件。
另外，本实施方式中，以极化反转区域的周期方向与基板的Y轴垂直 的方式形成极化反转区域。通过让极化反转区域的周期方向与Y轴垂直， 能够形成均匀且短周期的极化反转构造。特别是，能够均匀形成周期2μm 以下的极化反转构造。在以极化反转区域的周期方向与X轴垂直的方式形 成极化反转区域的情况下，很难形成短周期的极化反转构造。
另外，虽然本实施方式中，使用1mm厚的基板，但基板的厚度优选 为0.5mm以上。如果基板为0.5mm以上，就能够防止从极化反转部的表 面贯通到背面，能抑制极化反转部的电阻下降。如果为1mm以上，由于 能够进一步防止极化反转的贯通，因此能够形成更加均匀的极化反转区 域。
另外，本实施方式中还对施加给电极的电荷量进行了研究。为了扩大 第1电极601与第2电极602(参照图6)下方的极化反转区域，施加过 剩的电荷量是很有效的。如果设自发极化为Ps，极化反转面积为A，则恰 当的电荷量C为C＝2Ps×A。本发明中，通过施加适当的电荷量C的100 倍以上的电荷量，扩大了Z轴方向(基板厚度方向)、Y轴方向(垂直于 周期的方向)的极化反转区域。
另外，本实施方式中，为了防止电场施加时的绝缘破坏，最好在绝缘 溶液中施加电场。
图9为说明绝缘溶液的温度与极化反转区域的长度Lr之间的关系的 图。根据图9，确认从80℃附近起反转区域增大，并可知在100℃以上的 温度下反转区域的长度Lr饱和。这是由于，通过提高MgLN基板的温度， 反转电场减少，极化反转变得容易成长。另外，在150℃以上，周期方向 的极化反转成长变得显著，很难形成短周期(5μm以下)的均匀的周期极 化反转构造。因此，为了形成短周期的极化反转，绝缘溶液的温度最好为 150℃以下。
掺Mg的LiTa(1-x)NbxO3(0≤x≤1)基板中，极化反转电场为通常的 LN的1/4以下。通常的LN等中，在使基板增厚的情况下，发生因施加电 场引起的绝缘破坏。而本发明的构成中，极化反转电场较低，与此相应能 够在不引起绝缘破坏的前提下施加电压。
另外，对本发明的极化反转的形成方法，以使用Z板的MgLN为例进 行了说明。Z板基板中，由于晶体的C轴位于垂直于基板的方向上，因此 能够高效进行利用电光效应的电场施加。另外，由于具有极化反转深度较 深等的有利点，因此是作为大块光学元件的理想基板。另外，本发明的极 化反转形成方法，也能够适用于X板、Y板的基板的MgLN。
(实施方式3)
本实施方式中，对使用1mm厚的Z板MgLN来形成极化反转区域的 方法进行说明。再有，本实施方式中，还对通过该极化反转区域的形成方 法所形成的光学元件进行说明。
本实施方式中所说明的极化反转区域的形成方法，在具有垂直于Z轴 的主面的MgLN基板的+Z面上，形成独立的两个电极，通过给各个电极 施加电压，来形成大范围的极化反转区域。特别是，本实施方式相对上述 实施方式的特征在于电极的结构。
对本实施方式的极化反转区域的形成方法进行说明。本实施方式中， 对形成周期2μm的极化反转区域的方法进行说明。
首先，如图10所示，在MgLN基板1001的主面1002中，形成具有： 在Y轴方向上延伸的多个前端部(电极指)1005的第1电极1003(将由 间隔2μm配置的两根齿(电极指)构成的组以8μm为周期设置的梳状电 极)；以及，具有在Y轴方向上延伸的多个前端部(电极指)1006的第2 电极1004(将由间隔2μm配置的两根齿(电极指)构成的组以8μm为周 期设置的梳状电极)。另外，前端部1005以及前端部1006，在同一平面 中，在X轴方向(参照图2)上形成周期电极。具体的说，第1电极1003 的前端部1005的各个组，被与第2电极1004的前端部1006的各个组交 替设置为在Y轴方向上位置重叠。也即，各个前端部的组被交替设置为， 从X轴方向看发生重叠。通过这样，前端部1005以及前端部1006，在同 一平面中，在X轴方向上形成周期2μm的周期电极。
另外，由于电极图形以及沟的形成方法，与实施方式2相同，因此省 略说明。蚀刻所产生的沟深度，在本实施方式中为0.5μm。
第1电极1003的前端部1005以及第2电极1004的前端部1006，朝 向晶体的Y轴方向。另外，第1电极1003与第2电极1004电绝缘。
另外，在主面1002的相反侧的面中形成第3电极1007。通过在第1 电极1003或第2电极1004与另一面中所形成的第3电极1007之间，施 加由脉冲发生器1008所控制的电压，来在电极间形成极化反转区域。脉 冲发生器具有给定的电平，能够根据需要，将脉冲电压或直流电压施加给 MgLN基板1001。
这里，为了避免电压施加时产生放电，将MgLN基板1001设置在绝 缘液体或真空(10-6Torr以下)中，施加电压。
对电压的施加方法进行具体说明。
首先，在第2电极1004与第3电极1007之间施加脉冲电压。接下来， 在第1电极1003与第3电极1007之间同样施加脉冲电压。通过这样，在 第1电极1003以及第2电极1004的前端部1005和1006的下方产生极化 反转核，对应于前端部1005与前端部1006的设置周期，形成周期2μm的 极化反转区域。前端部1005、1006的极化反转核，通过持续施加脉冲电 压而在Y轴方向和Z轴方向上成长。Y轴方向中，通过在第1电极1003 和第2电极1004重叠的部分全体中形成极化反转区域，来形成大范围的 周期2μm的极化反转区域。
本实施方式中，通过采用将每两根齿的组交替设置的电极形状，与实 施方式2相比，能够让电极指前端的电场集中处于良好的状态，并能往电 极下方形成极化反转区域。一般来说，如果周期电极间的宽度变窄，各个 电极指前端的电场集中会被缓和。而本发明中，各个电极，以每多个电极 指为一组周期性设置，并且两个电极被形成为将电极指的组交替设置。通 过采用这样的交叉形状(这里形成每两根的交叉)，即使在2μm以下的短 周期极化反转形成中，也能够实现均匀且大范围的形成。
另外，电极指的组所具有的齿的根数，并不仅限于两根。例如还可以 是3、4根以及更多根。电极指的连续根数越多，与相面对的电极之间的 空间S就越大(具体的说，相同组的电极指的最前端部、和在Y轴方向上 与这些最前端部相面对的电极之间所夹持的空间就越大)，因此容易在电 极指前端集中电场，使得在深度方向以及电极指方向的极化反转区域的扩 大较为容易。
(其他)
通过本发明的光学元件，可提供一种能够保持极化反转区域的稳定形 成，并且具备耐高温升温等可靠性实验的高可靠性的极化反转区域的光学 元件。
另外，本发明的光学元件，例如在掺Mg的晶体中，能够用作具有短 周期极化反转构造，高效且稳定的光波长变换元件等。
另外，本发明的光学元件，例如可以用作具有极化反转区域，在光信 息处理或光应用测量控制领域中所使用的、使用相干光源的光波长变换元 件、偏振元件、光开关、相位调制器等中所使用的光学元件。
本发明的极化反转区域的形成方法，是在厚基板中，均匀、稳定且大 范围形成短周期的极化反转构造的有效手段，例如，可以用作具有短周期 极化反转构造的光学元件的制造方法。这样的光学元件中，形成有细微的 极化反转区域，能够用作用来产生紫外光的光波长变换元件等光学元件。
另外，本发明的极化反转区域的形成方法，为了在所设计的电极下方， 沿着电极在尽可能大的范围内形成均匀的极化反转区域，进行施加电压的 脉冲波形的控制。具体的说，施加上升、下降迅速的电压波形。通过这样， 本发明的方法中，能够利用其过渡性的效果，均匀形成细微且大范围的短 周期极化反转区域。
一般来说，如果使用具有前端部的电极在Z板的基板中形成极化反 转，由于电压集中在电极前端部中，因此能够高效形成该部分的极化反转。 但是，存在极化反转部分很难在电极全体中扩展的倾向。因此，本发明的 极化反转区域的形成方法中，在电压波形以及电极结构中想办法，提供了 一种能够让极化反转部在电极的尽可能大的区域中扩展的方法。也即，本 发明的形成方法，在形成含有均匀且大范围的短周期构造的细微极化反转 区域中非常有效。
本发明的相关光学元件，在要求提供具有短周期且大范围的极化反转 构造的光学元件的领域中非常有用。另外，本发明的相关极化反转区域的 形成方法，在要求提供形成短周期且大范围的极化反转区域的方法的领域 中非常有用。