The method of forming the optical element as well as the polarization inversion region

本発明は、光学素子、特に、分極反転領域を備える光学素子に関する。 また、別の本発明は、分極反転領域の形成方法に関する。

強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転現象を利用すると、強誘電体の内部に周期的な分極反転領域（分極反転構造）を形成することができる。 このようにして形成された分極反転領域は、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非線形分極の分極反転を利用した光波長変換素子、プリズム形状やレンズ形状の反転構造を利用した光偏光器などに利用される。 特に、非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転することが可能になれば、非常に変換効率の高い光波長変換素子を作製することができる。 これを用いて半導体レーザなどの光を変換すれば、印刷、光情報処理、光応用計測制御分野などに応用できる小型の短波長光源を実現することができる。
周期状の分極反転領域を形成する従来の方法としては、Ｔｉ熱拡散による方法、ＳｉＯ ₂を装荷した後に熱処理する方法、プロトン交換処理と熱処理とを行う方法等が報告されている。 一方、強誘電体の自発分極が電界により反転することを利用して周期状の分極反転領域を形成する方法も報告されている。 この電界を利用する方法としては、例えば、Ｃ軸に沿って切り出された基板の−Ｃ面に電子ビームを照射する方法や、＋Ｃ面に正イオンを照射する方法がある。 いずれの場合でも、照射された荷電粒子により形成される電界により、数１００μｍの深い分極反転領域が形成される。

他の従来の分極反転領域の製造方法としては、ＬｉＮｂＯ ₃基板に櫛形電極を形成して、これにパルス状の電界を印加する方法が報告されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。 これらの方法では、ＬｉＮｂＯ ₃基板の＋Ｃ面に周期状の櫛形電極を形成し、−Ｃ面に平面電極を形成する。 次に、＋Ｃ面を接地し、−Ｃ面にパルス電源によってパルス幅が典型的には１００μｓのパルス電圧を印加して、基板にパルス電界を印加する。 分極を反転させるために必要な電界は、約２０ｋＶ／ｍｍ以上である。 そのような値の電界を印加する際に、基板が厚いと電界印加によって基板が破壊される可能性がある。 しかし、基板の厚みを２００μｍ程度にすることで、電界印加による結晶破壊を回避することが可能になり、室温での分極反転領域の形成が可能になる。 基板を貫通する深い分極反転構造が得られている。
また、Ｚ板のＭｇドープＬｉＮｂＯ ₃基板（以下ＭｇＬＮとする）に櫛形電極を形成し、これに電圧を印加することで周期状の分極反転構造の形成が可能なことが開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
さらに、光波長変換素子の高効率化を実現するには、周期が３〜４μｍである短周期の分極反転構造が必要になる。 電界印加によって分極反転領域を形成すると、電極直下の分極が反転した後に、基板の表面に平行な方向に分極反転領域が広がる。 このため、分極反転構造の短周期化が困難になる。 この問題を解決するために、従来の方法では、パルス幅が１００μｓ程度である短時間パルス電圧を電極に印加することによって電圧印加時間を短縮して、短周期の分極反転構造を形成している。

他の短周期の分極反転領域の形成方法としては、Ｚ板のＬｉＴａＯ ₃基板の表面に溝を形成し、分極反転の幅方向の拡大を抑制することで周期３．８μｍの分極反転領域を形成する方法が知られている（例えば、特許文献４参照）。
さらに、短周期分極反転領域の形成方法として、誘電体材料内に分極反転微小構造を形成するために、複数の領域に分割して別々に分極反転領域を形成することで、例えば、周期４μｍの短周期分極反転形成する方法が知られている（例えば、特許文献５参照。）。
また、ＭｇＬＮに短周期の分極反転構造を形成する方法も提案されている（例えば、特許文献６参照。）。 この方法では、Ｚ板のＭｇＬＮに周期状分極反転構造を形成する。 詳しくは、この方法では、ＭｇＬＮの＋Ｚ面に櫛形電極を形成し、裏面からコロナを照射することで周期状の分極反転構造を形成している。 これにより、周期が４μｍで基板厚み０．５ｍｍに貫通する分極反転構造が形成されている。
また、Ｚ板のＭｇＬＮの−Ｚ面と電極の間にＳｉＯ ₂膜を挟み込むことにより、基板の破壊を防ぎ、周期５μｍで基板厚み０．３ｍｍを貫通する分極反転構造を形成する方法について知られている（例えば、特許文献７参照。）。
また、オフカットのＭｇＬＮに分極反転構造を形成する方法も提案されている（特許文献８参照）。 この方法では、オフカットの基板に電極を形成し、これに電圧を印加することで針状の分極反転構造を形成できる。 分極反転構造は結晶の分極方向に成長する。 オフカットＭｇＬＮ基板には周期５μｍ程度の分極反転構造が形成できる。 分極方向を基板表面からわずかに傾けたオフカット基板を用い、基板の内部に針状の分極反転形状を形成している。

特開平３−１２１４２８号公報

特開平４−１９７１９号公報

特開２００１−６６６５２号公報

特開２０００−１４７５８４号公報

特開２００３−３０７７５８号公報

特開平６−２４２４７８号公報

特開平７−２８１２２４号公報

特開平９−２１８４３１号公報

従来技術では、Ｚ板のＭｇドープＬｉＴａ _(1-x) Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０≦ｘ≦１）基板における微細かつ安定な分極反転領域の形成が難しいという課題がある。
例えば、従来技術では、オフカット基板においては、電界印加により分極反転の形成を行うことが可能である。 しかしながら、Ｚ板基板においては、コロナポーリング等の複雑な電解印加方法を行わない限り、均一な微細反転構造の形成を行うことが難しい。 ここで、コロナポーリングとは、荷電粒子を基板に堆積させて電界を発生し、これによって分極を反転させる方法である。 この方法では、荷電粒子による電界の大きさに限界があるため、分極反転が形成できる基板の厚みが０．５ｍｍ程度に限られており、１ｍｍを越えるような厚い基板への分極反転形成が困難である。
以上のように、電極によって電圧を印加する方法は、オフカット基板への反転形成には有効であるが、Ｚ板への分極反転の形成が難しいという課題がある。
これに対し、櫛形電極をＺ板のＭｇＬＮに形成し、これに電圧を印加することで周期状の分極反転構造を形成する方法が知られている。 この従来技術は、周期状の分極反転構造が均一に形成できるという特長をもっている。 しかしながら、この従来技術により形成される分極反転は、電極先端の一部に限られている。 このため、電極下の広い範囲で分極反転構造を形成することは、依然困難である。

そこで、本発明の目的は、短周期かつ広範囲の分極反転領域を備える光学素子を提供すること、および短周期かつ広範囲の分極反転領域を形成する方法を提供することを課題とする。

本発明に関わる光学素子は、単一分極化された強誘電体基板と、強誘電体基板に形成された複数の分極反転領域と、分極反転領域の間の強誘電体基板の表面に形成された溝とを備えている。 溝の深さ方向に分極反転した少なくとも１つの分極反転領域の深さＴ'は、基板厚みＴに対し、Ｔ'＜Ｔの関係を満たし、溝は、強誘電体基板の表面から０．５μｍ以上の深さで形成されていることを特徴とし、これによって上記目的が達成される。
さらに、本発明に関わる分極反転領域の形成方法は、単一分極化された強誘電体結晶基板の内部に分極反転領域を形成する方法において、強誘電体基板の表面に溝を設け、強誘電体基板の表面を複数の領域に分割する工程と、複数の領域に電界を印加する工程を備えている。 電界の方向は、強誘電体基板の自発分極に対向する方向である。 電界を印加する工程において、複数の領域に電位差が生じることを特徴とする。 さらに、溝の深さ方向に分極反転した少なくとも１つの分極反転領域の深さＴ'は、基板厚みＴに対し、Ｔ'＜Ｔの関係を満たし、溝は、強誘電体基板の表面から０．５μｍ以上の深さで形成されている。

本発明の光学素子では、分極反転領域の間に溝が形成されている。 さらに、 溝の深さ方向に分極反転した少なくとも１つの分極反転領域は、基板を貫通していない。 以上の構成により、短周期かつ広範囲の分極反転領域を備える光学素子を提供することが可能となる。 すなわち、基板を貫通しない分極反転領域を有しつつ、さらに溝を有するため、例えば、分極反転領域の形成工程における電界印加を適切に行うことが可能となる。 このため、微細な（短周期の）分極反転領域を形成する場合であっても、均一かつ広範囲に分極反転領域の形成を行うことが可能となる。
また、本発明の分極反転領域の形成方法は、溝により分割された複数の領域に分極反転領域を形成する。 さらに、電界の方向は、強誘電体基板の自発分極に対向する方向であり、電界を印加する工程において、複数の領域には電位差が生じる。 さらに、溝の深さ方向に分極反転した少なくとも１つの分極反転領域の深さＴ'は、基板厚みＴに対し、Ｔ'＜Ｔの関係を満たしている。 以上の構成により、短周期かつ広範囲の分極反転領域を形成することが可能となる。 すなわち、以上の構成により、分極反転領域の形成工程における電界印加を適切に行うことが可能となる。 このため、微細な（短周期の）分極反転領域を形成する場合であっても、均一かつ広範囲に分極反転領域の形成を行うことが可能となる。
また付随的な効果として、この方法を用いることで、紫外光発生用の光波長変換素子等の光学素子の製造が可能となる。

本発明の実施の形態を説明する前に、まず、強誘電体の分極反転について説明する。
強誘電体は、自発分極による電荷の偏りを結晶内に有している。 自発分極に対向する電界を印加することにより、強誘電体における自発分極の方向を変えることができる。
自発分極の方向は、結晶（材料）の種類により異なる。 ＬｉＴａＯ ₃ 、ＬｉＮｂＯ ₃等、またはその混晶であるＬｉＴａ _(1-x) Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０≦ｘ≦１）基板の結晶は、Ｃ軸方向のみに自発分極を有する。 このため、これらの結晶では、分極は、Ｃ軸に沿った＋方向あるいはその逆向きの−方向の２通りしか存在しない。 電界を印加することで、これらの結晶の分極は、１８０度回転して、それまでとは逆の方向を向くようになる。 この現象を、分極反転という。 分極反転を生じさせるために必要な電界を反転電界と称し、ＬｉＮｂＯ ₃ 、ＬｉＴａＯ ₃等の結晶では、室温で約２０ｋＶ／ｍｍ程度、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ ₃で約５ｋＶ／ｍｍ程度の電界が必要である。
強誘電体において、単一の分極方向を持った結晶にすることを「分極の単分域化」と称する。 この分極の単分域化を達成するために、結晶成長後に高温中で電界を印加する方法が一般に行われている。
（実施の形態１）
本実施の形態では、周期分極反転構造を強誘電体結晶内部に有した光学素子として、波長変換素子について述べる。

図１は、本発明の光学素子の断面図である。 Ｚ板のＭｇＬＮ基板１００に、周期状の分極反転部１０１が形成されている。 基板の厚みは、１ｍｍ、分極反転の深さは、約０．５ｍｍ程度である。 分極反転は、基板結晶のＹ軸（図１では、断面に対して垂直方向）に沿って形成されている。 分極反転部１０１は、基板の＋Ｚ面から−Ｚ面側（図１では、断面上で、分極反転の配列方向に直交する方向）に向かって形成されている。 分極反転部１０１は、基板の厚みより短くなるように形成されている。 より詳しくは、分極反転部１０１の深さＴ'は、基板厚みＴよりも短くなるように形成されている。 ここで、分極反転部１０１の深さＴ'とは、分極反転部１０１の基板厚さ方向の長さを意味し、基板厚みＴとは、分極反転部１０１の＋Ｚ面側の端部から−Ｚ面までの長さを意味する。 すなわち、分極反転部１０１は、基板を貫通しないように形成されている。 また、周期状の分極反転部１０１の付近には、ＭｇＬＮの＋Ｚ面表面に深さ０．５μｍの溝１０２が形成されている。 ここでの分極反転周期Ｌａ（隣接する２つの分極反転領域の同位置の配列方向間隔、例えば、それぞれの分極反転領域の配列方向一側同士の間隔）、分極反転領域長Ｌｂ（全ての分極反転領域の配列方向一側から他側への長さ）は、それぞれ４μｍ、１０ｍｍである。
図２は、図１に示した光学素子の構成斜視図である。 この光学素子は、波長λの基本波を周期状の分極反転構造で波長変換して波長λ／２の高調波に変換する。 ここでは、分極反転周期Ｌａを４μｍとして形成することで、波長９００ｎｍの光を波長４５０ｎｍの光に波長変換している。 また、分極反転領域長Ｌｂの部分に、レンズで９００ｎｍの光を入射したところ、変換効率５％／Ｗで波長変換され、４５０ｎｍの高調波が得られた。

このように、本発明では、均一な分極反転領域を形成することで高効率の波長変換が可能となった。 さらに、基板厚みが１ｍｍ以上あることで、基本波、高調波のビームウエストを大きくとれる。 このため、光のパワー密度を低減でき、高出力な出力特性が実現できた。 ０．５ｍｍの基板に形成した場合に比べ１ｍｍ厚の基板を利用することで出力を４倍に高めることが可能となった。
また、本発明では、分極反転をＹ軸方向に形成することで、均一で短周期の分極反転構造を形成することが可能となった。 具体的には、周期２μｍ以下の分極反転構造の形成が可能となり、波長４００ｎｍ以下の紫外光発生が可能となった。 従来技術では、分極反転をＸ軸方向に形成した場合、短周期の分極反転構造の形成が困難になるため、波長５００ｎｍ以上の光しか得られなかった。 しかし、本発明では、Ｙ軸方向にすることで、短波長光の発生が可能となった。
なお、図１では全ての分極反転部１０１が基板を貫通しない構成について示したが、必ずしもこのような構造に限定されない。 例えば、、分極反転の深さを基板の厚みより浅く形成し、表面から裏面に貫通する分極反転領域の割合を全体の分極反転領域の半分（５０％）以下に抑えることができれば、均一な分極反転構造の形成に有効である。 さらには、この割合を１０％以下に抑えることで、より均一な分極反転構造の形成が可能となった。 特に、貫通する分極反転領域の割合が５％以下になるとさらに均一性が向上した。 本発明では、分極反転領域の深さ方向の長さを制限することにより、分極反転周期２μｍ以下、波長４００ｎｍ以下の紫外光発生が可能となった。

ところで、従来技術では、周期状の分極反転構造を形成した場合、分極反転領域の境界では異なる自発分極が隣接し、結晶的に歪みの大きな分極壁を形成する。 このため、従来技術では、分極反転構造が微細化するに伴い、結晶内の歪みが大きくなる。 一般に、分極壁における歪みは分極反転領域の不安定性の原因となる。 そこで、前述したように貫通しない分極反転領域を利用すると、均一な分極反転構造の形成が可能であるが、その一方で貫通しない分極反転領域の安定性は、貫通した分極反転領域に比べて大幅に特性が劣ることが明らかになった。 例えば、形成された分極反転領域に４００ｎｍ以下の紫外光を照射した場合や、急激な温度変化を与えた場合や、また外部電界を与えた場合に、分極反転領域が一部消滅する現象が観測された。 このため、ヒートショックや高出力の紫外光発生において、特性が劣化する現象がみられた。 このような現象は、特に微細な分極反転形状において顕著であり、分極反転領域または特に基板表面から発生するため、これを防止する方法を種々検討した。 この結果、本発明のように、分極反転領域間に溝を形成し、分極反転部分と非分極反転部分とに段差を設けることで安定性が大幅に向上することが明らかになった。 溝の深さとしては、本実施の形態のように０．５μｍ以上が好ましかった。 一方、０．２μｍ以下では、ほとんど効果がなかった。 溝は、深いほど効果が高いが、０．５μｍ以上の深さであれば、−４０〜８０℃のヒートサイクル試験を１００回行っても特性の変化は観測されなかった。 このため、本発明のように、０．５μｍ以上の溝を分極反転領域間の基板表面に設けることは分極反転構造の信頼性向上に有効である。

従来技術では、微細な分極反転領域を形成した場合に分極壁に歪みが残る。 この歪みにより分極壁に屈折率分布が形成される。 周期状に分極反転領域を形成すると、分極壁に屈折率分布が生じるため、周期的な屈折率分布が形成される。 例えば、分極反転構造を光学素子に利用する場合、周期的な屈折率変化は、分極反転構造を伝搬する光の波面を乱し、かつ散乱損失を増大させる原因となる。 これに対して、本実施の形態のように分極反転領域間に溝を設けることで分極壁の屈折率分布が低減されることが見出された。 溝の深さとしては、１μｍ以上にすることで光学損失の小さな光学素子の形成が可能となった。
また、本発明の光学素子では、溝を形成することにより分極反転の周期方向の過剰な成長を抑制することが可能となった。 従来、分極反転の深さ方向（Ｚ軸方向）、および周期と直交する方向（Ｙ軸方向）に長い分極反転を形成する場合、分極反転の周期方向（Ｘ軸方向）の広がりが過剰になり、広範囲での分極反転領域の形成が困難であった。 一方、本発明のように溝を形成することで、周期方向の分極反転の過剰成長を抑制し、短周期（特に周期２μｍ以下）でも広範囲でかつ均一な周期状の分極反転領域を形成することができた。 このため、本発明の光学素子は、分極反転領域、特に周期２μｍ以下の分極反転領域を均一かつ広範囲に作製しやすいという効果を有しており、作製の観点においても実用的である。

なお、分極反転構造を利用した光学素子として光波長変換素子を例にあげて説明したが、分極反転構造をプリズム形状やグレーティング形状に形成することで、偏光器が構成できる。 この偏光器は、例えば、位相シフト、光変調器、レンズ、等に応用できる。 また、分極反転領域に電圧を印加することで電気光学効果を利用した屈折率変化を形成できる。 このため、これを利用した光学素子が実現できる。 例えば、電界により屈折率変化を制御できるため、屈折率変化を形成した光学素子は、スイッチ、偏光器、変調器、位相シフタ、ビーム整形等に応用できる。 本発明の分極反転領域の形成方法は、微細な分極反転形状の形成を可能とするため、これらの光学素子の高性能化を可能にする。
なお、基板の厚みは、０．５ｍｍ以上が好ましい。 基板が０．５ｍｍ以上であれば、分極反転部の表面から裏面への貫通が防止できる。 基板の厚みが１ｍｍ以上になると、さらに、分極反転の貫通が防止できる。 このためより均一な分極反転領域の形成が可能である。 一方、厚い基板においては、分極反転領域が貫通しないため、分極反転領域の不安定性により信頼性が劣化する。 本発明では、これを防止するために分極反転領域間に溝を設けており、この溝は、分極反転領域の安定性に対して有効となる。
なお、以上の本実施の形態の説明では、強誘電体基板としてＺ板のＭｇＯドープＬｉＮｂＯ ₃基板を用いている。 あるいは、その他に、ＭｇＯドープＬｉＴａＯ ₃基板、ＮｄドープＬｉＮｂＯ ₃基板、ＫＴＰ基板、ＫＮｂＯ ₃基板、ＮｄとＭｇＯとをドープしたＬｉＮｂＯ ₃基板、あるいはＮｄとＭｇＯとをドープしたＬｉＴａＯ ₃基板、ストイキオ組成の同様の基板などであってもよい。 また、Ｚ板に限らず、Ｘ板、Ｙ板であっても同様の効果が得られる。

このうち、Ｎｄをドープした結晶からなる基板はレーザ発振が可能であるので、レーザ発振による基本波の発生とその波長変換による第２高調波の発生とが同時に行える。 そのため、高効率で安定した動作特性を有する短波長光源が構成できた。
（実施の形態２）
本実施の形態では、１ｍｍ厚のＺ板ＭｇＬＮを用いて分極反転領域を形成する方法について説明する。 本実施の形態で説明する分極反転領域の形成方法は、Ｚ軸に垂直な主面を有するＭｇＬＮ基板の＋Ｚ面に、独立した二つの電極の電極指を交互に配置し、それぞれの電極に電圧を印加することで、広範囲の分極反転領域を形成する方法である。
本実施の形態の分極反転領域の形成方法について説明する。 本実施の形態では、周期４μｍの分極反転領域を形成する方法について述べる。
まず、図３に示すように、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ ₃基板３０１の主面３０２には、Ｙ軸方向に延びる複数の先端部（電極指）３０５を有する第一の電極３０３（周期８μｍの歯（電極指）を有する櫛形電極）と、Ｙ軸方向に延びる複数の先端部（電極指）３０６を有する第二の電極３０４（周期８μｍの歯（電極指）を有する櫛形電極）とが形成されている。 また、先端部３０５および先端部３０６は、同一平面内において、Ｘ軸方向（図２参照）に周期電極を形成している。 具体的には、第一の電極３０３の先端部３０５は、第二の電極３０４の先端部３０６と、Ｙ軸方向位置が重複するように、交互に配置されている。 すなわち、それぞれの先端部は、Ｘ軸方向から見て重複するように交互に配置されている。 これにより、先端部３０５および先端部３０６は、同一平面内において、Ｘ軸方向に周期４μｍの周期電極を形成している。 また、第一の電極３０３の先端部３０５、および第二の電極３０４の先端部３０６は、結晶のＹ軸方向を向いている。 さらに、第一の電極３０３と第二の電極３０４とは電気的に絶縁されている。 また、主面３０２の反対側の面に第三の電極３０７が形成される。 第一の電極３０３または第二の電極３０４と他の面に形成された第三の電極３０７との間にパルスジェネレータ３０８で制御した電圧を印加することで、電極間に分極反転領域が形成される。

これらの電極３０３および３０４の形成方法について、図４を用いて説明する。
これらの電極３０３および３０４は、例えば、厚さ１００ｎｍのＴａ膜４００で形成される。 第一の電極３０３と第二の電極３０４との周期電極形成は、Ｔａ膜上にレジストを堆積し、レジストをパターニングすることでＣＦ ₄ガス雰囲気中の反応性イオンエッチングにより行われる（図４（ａ）参照）。 また、同様の手順により、主面３０２の反対側の面の少なくとも電極３０３および３０４に対応する部分、あるいは全面において、第三の電極３０７（図３（ｂ）参照）が形成される。 第三の電極３０７も、電極３０３および３０４と同様に、Ｔａ膜４００で形成される。
次に、ＣＨＦ ₃ガス雰囲気中の反応性イオンエッチングにより、電極で覆われていないＭｇＬＮ基板４０１の表面をエッチングする（図４（ｂ）参照）。 その後、レジストを除去することで、ＭｇＬＮ基板４０１の表面に溝４０２が形成される。 ここでのエッチングによる溝深さは、０．１μｍである。
さらに、溝４０２が形成された表面にＳｉＯ ₂膜４０３を絶縁膜として形成する（図４（ｃ）参照）。
Ｔａ膜４００で形成された電極間にパルスジェネレータ４０４で制御した電圧を印加することで、電極間に分極反転部４０５が形成される（図４（ｄ）参照）。 このパルスジェネレータ３０３は、所定の電圧レベルを有し、必要に応じてパルス電圧または直流電圧を、ＭｇＬＮ基板３０１に印加することができる。

ここで、電圧印加時の放電発生を避けるために、ＭｇＬＮ基板３０１を絶縁液または真空中（１０ ^-6 Ｔｏｒｒ以下）に配置して、電圧を印加する。
電圧の印加方法について具体的に説明する。
まず、第二の電極３０４と第三の電極３０７との間にパルス電圧を印加する。 次に、第一の電極３０３と第三の電極３０７との間に、同様にパルス電圧を印加する。 これらにより、第一の電極３０３および第二の電極３０４の先端部３０５および先端部３０６の下に分極反転核が生じ、先端部３０５と先端部３０６とが配置される周期に対応して、それぞれ周期８μｍの分極反転領域が形成される。 先端部３０５、３０６の分極反転核は、パルス電圧の印加を継続することによりＹ軸方向およびＺ軸方向に成長する。 Ｙ軸方向において、第一の電極３０３と第二の電極３０４とが重複する部分全体に分極反転領域が形成されることで、広範囲の周期４μｍの分極反転領域が形成される。
次に、本発明の分極反転構造の形成方法の原理について説明する。
本発明の分極反転領域の形成方法は、特に金属添加物を有する強誘電体結晶に対して有効である。 使用したのはＭｇをドーピングしたＬｉＮｂＯ ₃ （以下ＭｇＬＮとする）であるが、金属を１ｍｏｌ％以上の高濃度に添加した結晶では、同様の効果が発生する場合が多い。 ＭｇＬＮにおいて、電界印加による分極反転を行うと、形成された分極反転領域の抵抗が３桁以上大幅に低下する現象が観測された。 このため、Ｚ板のＭｇＬＮの表面と裏面に電極を形成し、電極間に電圧を印加することで、基板表面から裏面方向に分極反転部を成長させる方法では、一部の分極反転が裏面近傍に到達した時点で、電極間に大きな電流が流れはじめ、電極間の電圧降下が生じ、分極反転を大面積に形成するのが難しくなる現象が見いだされた。 つまり、同じ電位の場合、分極反転部が裏面方向に近づくと、電極間の抵抗が大幅に低下することで、電極間の電圧降下が発生し、分極反転の成長が停止する。

これを防止するため、本発明では、結晶表面の電極を複数の領域に分割し、表面電極間に電位差を設ける方法を提案する。 すなわち、本発明では、少なくとも何れかの領域に異なる電位差が生じる。
図５（ａ）に示すように第一の電極５０１（電位Ｖ ₁ ）と第二の電極５０２（電位Ｖ ₂ ）との間に電位差Ｖ ₁ −Ｖ ₂を設けると、第一の電極５０１と第二の電極５０２との間に電界Ａが発生する。 電界ＡのＺ方向のベクトル成分Ｅｚにより、第二の電極５０２の下に自発分極に対向する電界が形成される。 第一の電極５０１と第二の電極５０２との間は、分極反転が成長する分極方向に直交している。 このため、分極反転による電極間の抵抗低下が避けられ、効率的に電界印加が可能となる。 この結果、広い領域に渡り、均一な分極反転構造の形成が可能となる。 基板表面に異なる電位を有する領域を形成することで、領域間に電界が生じ、この電界のベクトル成分Ｅｚを自発分極に対向させることで分極反転形成が可能となる。
ところが、図５（ｂ）のように、電極間隔Ｌ１が大きな場合には、上記方法により均一な分極反転構造の形成が可能となるが、図５（ｃ）のように、電極間隔Ｌ１が小さい場合には、電極間の電界Ａは、図に示すようになり、電界Ａが電極間にほぼ水平に分布するため、Ｚ方向のベクトル成分Ｅｚが十分大きくならない。 一方、ベクトル成分Ｅｚを大きくするために、電極間の電圧を増大させると、近接した電極間の絶縁が破壊するという問題が発生する。 このため、電極間隔が５μｍ以下になると表面電極間の電位差による分極反転が極端に難しくなるという問題が発生する。

一方、本発明では、電極構造を図６（ｂ）に示す構造とし、この問題を解決する。 すなわち、第一の電極６０１と第二の電極６０２との間に溝を掘ることで、電極間に絶縁性の高い領域を形成する。 これによって、第二の電極６０２から第一の電極６０１に向かう電界を、図６（ｂ）に示すように、溝の下をくぐるような向きに発生させることが可能となる。 溝を設けない図６（ａ）に比べて、溝を設けた図６（ｂ）の構成では、電界成分Ｅｚを大幅に増大できる。 また、第一の電極６０１と第二の電極６０２との間の絶縁性を高めることが可能となり、電極間に大きな電圧を印加できる。 このため、より均一な分極反転構造の形成も可能となった。 また、電極間に設けた溝に絶縁性の高い絶縁液、高真空雰囲気などを使用することで、より高電圧の印加が可能となる。 本構成では、電極間隔５μｍ以下の微細な領域でも分極反転領域の形成が可能となった。 電極間の溝の深さを深くすると、電極間の絶縁性と、電界ベクトルＥｚの増大とが図れ、より均一で深い分極反転構造の形成が可能となる。 溝の深さは、最低でも０．１μｍ以上が好ましく、０．５μｍ以上であれば、均一性、形成範囲の観点でより効果的であった。
電極の間に溝を形成することにより、上述した効果に加え、さらに別の効果を得ることが可能となり、より微細な分極反転構造の形成が可能となる。

すなわち、電界印加により分極反転領域を形成する場合、分極反転領域は、分極方向に成長すると同時に、分極に垂直な方向にも成長する。 この分極に垂直な方向への分極反転領域の成長を側面成長という。 この側面成長によって、電極の幅方向に分極反転部が成長する。 このため、微細な電極形状により分極反転を形成しても、分極反転領域が側面方向に成長してしまい、横に広がった形状となる。 この側面への広がりは、数μｍにも達し、１μｍ程度の微細な構造の形成を困難にしている。
これに対し、本発明では、電極の側面部に溝を形成する。 これにより、分極反転領域の側面成長が抑圧出来ることが見出された。 分極反転領域は、電極直下に発生する分極反転核から成長する。 一般に、分極反転領域の側面成長は、電極周辺に発生する電界成分による分極反転核の発生が原因と考えられる。 これに対して、本発明では、電極の周辺部に溝を設けることで、電極周辺部での分極反転核発生を抑圧し、側面成長を抑えることが可能となった。 この結果、例えば、５μｍ以下の微細な幅の分極反転領域の形成が均一に行えるようになった。 さらに、１μｍ以下のサブミクロンオーダの幅の分極反転領域も容易に形成できるようになった。
なお、本発明の分極反転領域の形成方法として、表面電極に、異なる電圧を印加すると説明したが、電界の変化を利用して電極間に異なる電位差を発生することも可能である。

例えば、図７に示すように、第一の電極７０１と第三の電極７０２との間に電界を印加すると、電極構造は、電極間に挟まれたコンデンサーとなる。 このため、電極間に電荷が蓄積される過渡的な状態において、第一の電極７００は、浮遊電極となり第一の電極７００と第二の電極７０１との間に電界が発生する。 この様な電界の変化を利用して第一の電極７００と第二の電極７０１との間に電界分布を発生させることができる。 例えば、過渡的に発生する電界は、電圧の変化量に依存する。 このため、高速な電圧の変化により第一の電極７００と第二の電極７０１との間に大きな電界を発生させることが可能となる。 電極構造にも依存するが、具体的には、電圧の変化量を１００Ｖ／秒以上にすることで、分極反転の形成が可能となる。 さらに、電圧の変化量を１ｋＶ／秒以上にすることで、より均一な分極反転形成が可能となる。 また、第一の電極７００と第二の電極７０１とに交互に電界を印加することで、両方の電極下に分極反転領域を成長させることも可能となる。
次に、印加する電圧波形について述べる。
電極に印加する電圧波形としては、通常、自発分極に対向する電界を発生する電圧が望まれる。 例えば、図８（ａ）に示すように、第二の電極８０１と第三の電極８０２との間には、電界が＋Ｚ板の分極方向Ｐｓに対向するように、第三の電極８０２に負電圧を印加する。 ここで、＋方向の電界を印加すると、形成した分極反転が再反転する。 特にＬｉＮｂＯ ₃やＬｉＴａＯ ₃では、分極反転直後は内部電界の存在により分極反転領域の安定性が極端に低下するため、逆方向電圧の印加は避けなければならない。

これに対して、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ ₃は、従来の特性と異なることを見いだした。 すなわち、図８（ｂ）に示すように、印加する電圧として正、負電圧を交互に印加する電圧波形であっても、分極反転が均一に形成出来ることを見いだした。 この原因は明らかでないが、逆方向の電圧を印加することで電気抵抗が高まることにより、分極反転領域が低抵抗化して分極反転領域の成長が止まることが防止されるとともに、さらに分極反転領域を成長させる役割を果たす。 また、自発分極に対向する電界を一方的に印加すると、基板表面がチャージアップして放電が生じ、不均一な分極反転が形成されるが、正負の電界を印加することで、表面チャージアップによる放電を防止し、均一な反転形成を可能にする。 なお、印加条件としては、正負同電界または、自発分極に対向する電圧に対して、逆電圧は小さい方が好ましい。 また、印加電界は、特にパルス幅τ≦１０ｍｓｅｃのパルス印加が好ましかった。 複数のパルス列を印加することで、均一な分極反転構造の形成が可能となる。
なお、本発明の分極反転領域の形成方法として、金属電極による電界印加について説明したが、電界印加の方法はこれに限られるものではない。 例えば、分極反転に利用されている液体電極、ゾルゲル電極、コロナ放電等による電界印加法を用いても同様の効果が得られる。

なお、本発明の実施の形態においては、Ｚ板の基板を用いたが、これに限られるものではない。 例えば、自発分極の方向と基板の法線とが平行なＺ板以外に、自発分極の方向と法線とが角度θを有するオフカット基板を利用すること可能である。 角度θの値は、±３０°以下が望ましい。 この場合には、均一で深い分極反転構造の形成が可能となった。 特に、角度θが±５°以下であれば、均一性がさらに向上し、効率の高い光学素子が得られた。
なお、本実施の形態では、分極反転領域の周期方向と基板のＹ軸とが直交するように分極反転領域を形成した。 分極反転領域の周期方向とＹ軸とが直交することで、均一で短周期の分極反転構造を形成することが可能となった。 特に、周期２μｍ以下の分極反転構造の均一な形成が可能となった。 分極反転領域の周期方向とＸ軸とが直交するように分極反転領域を形成する場合、短周期の分極反転構造の形成が困難であった。
なお、本実施の形態では、１ｍｍ厚の基板を用いたが、基板の厚みは０．５ｍｍ以上が好ましい。 基板が０．５ｍｍ以上になると分極反転部の表面から裏面への貫通が防止でき、分極反転部の抵抗低下を抑制することができる。 １ｍｍ以上になると、さらに、分極反転の貫通が防止できるためより均一な分極反転領域の形成が可能である。

なお、本実施の形態では電極に印加する電荷量についても検討をおこなった。 第一の電極６０１および第二の電極６０２（図６参照）の下における分極反転領域を拡大するためには、過剰な電荷量を与えることが有効であった。 自発分極をＰｓ、分極反転面積をＡとすると、適正電荷量Ｃは、Ｃ＝２Ｐｓ×Ａである。 本発明では、適正電荷量Ｃの１００倍以上の電荷量を印加することで、Ｚ軸方向（基板厚み方向）、Ｙ軸方向（周期と直行する方向）の分極反転領域が拡大した。
なお、本実施の形態では、電界印加時の絶縁破壊防止のため、絶縁溶液中での電界印加を行っても良いと説明した。
図９は、絶縁溶液の温度と分極反転領域の長さＬｒとの関係を示した図である。 図９により、８０℃付近から反転領域の増大が確認され、１００℃以上の温度で反転領域の長さＬｒが飽和していることがわかる。 これは、ＭｇＬＮ基板の温度が上昇することで、反転電界が減少し、分極反転が成長しやすくなるためと考えられる。 また、１５０℃以上では周期方向の分極反転成長が著しくなり、短周期（５μｍ以下）の均一な周期分極反転構造形成が困難となった。 このため、短周期分極反転の形成には、絶縁溶液の温度は、１５０℃以下であることが好ましい。

ＭｇドープＬｉＴａ _(1-x) Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０≦ｘ≦１）基板では、分極反転電界は、通常のＬＮの１／４以下である。 通常のＬＮ等では、基板を厚くした場合に、印加電圧による絶縁破壊が生じる。 一方、本発明の構成では、分極反転電界が低い分、絶縁破壊を起こすことなく電圧の印加が可能となった。
なお、本発明の分極反転の形成方法について、Ｚ板のＭｇＬＮを用いて説明を行った。 Ｚ板基板は、結晶のＣ軸が基板に垂直な方向にあるため、電気光学効果を利用する電界印加が効率良く行える。 また、分極反転深さが深くなる等の有利な点を持っているため、バルク型の光学素子としては理想的な基板である。 また、本発明の分極反転の形成方法は、Ｘ板、Ｙ板の基板のＭｇＬＮにおいても適用できる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、１ｍｍ厚のＺ板ＭｇＬＮを用いて分極反転領域を形成する方法について説明する。 さらに、本実施の形態では、この分極反転領域の形成方法により形成された光学素子について説明する。
本実施の形態で説明する分極反転領域の形成方法は、Ｚ軸に垂直な主面を有するＭｇＬＮ基板の＋Ｚ面に、独立した二つの電極を形成し、それぞれの電極に電圧を印加することで、広範囲の分極反転領域を形成する方法である。 特に、本実施の形態は、上記実施の形態に対して、電極の構成において特徴を有している。

本実施の形態の分極反転領域の形成方法について説明する。 本実施の形態では、周期２μｍの分極反転領域を形成する方法について述べる。
まず、図１０に示すように、ＭｇＬＮ基板１００１の主面１００２には、Ｙ軸方向に延びる複数の先端部（電極指）１００５を有する第一の電極１００３（２μｍの間隔に配置された２本の歯（電極指）からなる組を周期８μｍで有する櫛形電極）と、Ｙ軸方向に延びる複数の先端部（電極指）１００６を有する第二の電極１００４（２μｍの間隔に配置された２本の歯（電極指）からなる組を周期８μｍで有する櫛形電極）とが形成されている。 また、先端部１００５および先端部１００６は、同一平面内において、Ｘ軸方向（図２参照）に周期電極を形成している。 具体的には、第一の電極１００３の先端部１００５のそれぞれの組は、第二の電極１００４の先端部１００６のそれぞれの組と、Ｙ軸方向位置が重複するように、交互に配置されている。 すなわち、それぞれの先端部の組は、Ｘ軸方向から見て重複するように交互に配置されている。 これにより、先端部１００５および先端部１００６は、同一平面内において、Ｘ軸方法に周期２μｍの周期電極を形成している。
なお、電極パターンおよび溝の形成方法は、実施の形態２と同様のであるため、説明を省略する。 エッチングによる溝深さは、本実施の形態では、０．５μｍとした。

第一の電極１００３の先端部１００５、および第二の電極１００４の先端部１００６は、結晶のＹ軸方向を向いている。 さらに、第一の電極１００３と第二の電極１００４とは電気的に絶縁されている。
また、主面１００２の反対側の面に第三の電極１００７を形成する。 第一の電極１００３または第二の電極１００４と他の面に形成された第三の電極１００７との間にパルスジェネレータ１００８で制御した電圧を印加することで、電極間に分極反転領域が形成される。 パルスジェネレータは、所定の電圧レベルを有し、必要に応じてパルス電圧または直流電圧を、ＭｇＬＮ基板１００１に印加することができる。
ここで、電圧印加時の放電発生を避けるために、ＭｇＬＮ基板１００１を絶縁液または真空中（１０ ^-6 Ｔｏｒｒ以下）に配置して、電圧を印加する。
電圧の印加方法について具体的に説明する。
まず、第二の電極１００４と第三の電極１００７との間にパルス電圧を印加する。 次に、第一の電極１００３と第三の電極１００７との間に、同様にパルス電圧を印加する。 これらにより、第一の電極１００３および第二の電極１００４の先端部１００５および先端部１００６の下に分極反転核が生じ、先端部１００５と先端部１００６とが配置される周期に対応して、周期２μｍの分極反転領域が形成される。 先端部１００５、１００６の分極反転核は、パルス電圧の印加を継続することによりＹ軸方向およびＺ軸方向に成長する。 Ｙ軸方向において、第一の電極１００３と第二の電極１００４とが重複する部分全体に分極反転領域が形成されることで、広範囲の周期２μｍの分極反転領域が形成される。

本実施の形態では、二本ずつの歯の組を交互に配置する電極形状にすることで、実施の形態２に比して、電極指先端の電界集中を良好な状態にすることができ、電極下への分極反転領域を形成することができた。 一般に、周期電極間の幅が狭くなると、各電極指先端の電界の集中が緩和されてしまうことになる。 一方、本発明では、それぞれの電極は、電極指を複数本毎の組として周期的に有し、２つの電極は、電極指の組を交互に配置するように形成されている。 このような交差形状（ここでは２本毎の交差を形成）にすることで２μｍ以下の短周期分極反転形成においても均一かつ広範囲の形成を実現することができた。
なお、電極指の組が有する歯の本数は、２本に限らない。 例えば、３、４本、およびそれ以上の本数であっても構わない。 電極指の連続する本数が多いほど、対面する電極との空間Ｓが大きくなるため（具体的には、同じ組の電極指の最先端部と、それらの最先端部にＹ軸方向に対向する電極とで挟まれる空間が大きくなるため）、電極指先端に電界が集中しやすく、深さ方向、および電極指方向の分極反転領域の拡大が容易となる。
（その他）
本発明の光学素子により、分極反転領域の安定な形成保持を実現し、高温昇温等の信頼性試験に耐える高い信頼性を有する分極反転領域を備えた光学素子が提供される。

また、本発明の光学素子は、例えば、Ｍｇをドープした結晶において、短周期分極反転構造を有し、高効率かつ安定な光波長変換素子等として利用可能である。
また、本発明の光学素子は、例えば、分極反転領域を有していて、光情報処理や光応用計測制御分野に使用されるコヒーレント光源を応用した光波長変換素子、偏光素子、光スイッチ、位相変調器、等に応用される光学素子として利用可能である。
本発明の分極反転領域の形成方法は、厚い基板において、短周期の分極反転構造を均一、安定かつ広範囲に渡り形成する有効な手段であり、例えば、短周期分極反転構造を備えた光学素子の製造方法として利用可能である。 このような光学素子には、微細な分極反転領域が形成されており、紫外光発生用の光波長変換素子等の光学素子として利用可能である。
また、本発明の分極反転領域の形成方法は、設計した電極の下に、電極に沿ってできるだけ広い範囲で均一な分極反転領域を形成するために、印加電圧のパルス波形の制御を行う。 具体的には、立ち上がり、立下りの速い電圧波形を印加する。 これにより、本発明の方法では、その過渡的な効果を利用し、微細かつ広範囲にわたる短周期分極反転領域を均一に形成することが可能となる。

一般に、先端部を有する電極を用いてＺ板の基板に分極反転を形成すると、電極先端部に電圧が集中するため、この部分の分極反転は効率良く形成される。 しかし、分極反転部分が電極全体に広がりにくい傾向にある。 そこで、本発明の分極反転領域の形成方法では、電圧波形、および電極構成を工夫し、電極のできるだけ広い領域に分極反転部が広がる方法を提供した。 すなわち、均一かつ広範囲な短周期構造を含む微細な分極反転領域の形成には本発明の形成方法が非常に有効である。

本発明にかかる光学素子は、短周期かつ広範囲の分極反転構造を備える光学素子を提供することが求められる分野で有用である。 また、本発明にかかる分極反転領域の形成方法は、短周期かつ広範囲の分極反転領域を形成する方法を提供することが求められる分野で有用である。

本発明の光学素子の断面図

本発明の光学素子の斜視図

実施の形態２の分極反転領域の形成方法を示す図で、（ａ）上面図（ｂ）側面図

実施の形態２の分極反転領域の形成方法を示す断面図

実施の形態２の分極反転領域の形成方法において、（ａ）電位差が異なる場合の電界分布図（ｂ）Ｌ

₁が大きい時の電界分布図（ｃ）Ｌ

₁が小さい時の電界分布図

実施の形態２の分極反転領域の形成方法において、（ａ）溝が無い場合の電界分布図（ｂ）溝がある場合の電界分布図

実施の形態２の分極反転領域の形成方法において、電界の変化を利用して電極間に異なる電位差を発生させる構成図

実施の形態２の分極反転領域の形成方法において、（ａ）負電圧印加の構成図（ｂ）正負電圧印加の構成図

実施の形態２における絶縁溶液の温度と、分極反転領域の長さＬｒとの関係を示す図

実施の形態３の分極反転領域の形成方法を示す図で、（ａ）上面図（ｂ）側面図

符号の説明

１００，３０１，４０１，５００，１００１ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ ₃基板 １０１，２００，４０５，５０４ 分極反転部 １０２，４０２ 溝 ３０２，１００２ 主面 ３０３，５０１，６０１，７００，８００，１００３ 第一の電極 ３０４，５０２，６０２，７０１，８０１，１００４ 第二の電極 ３０５，１００５ 第一の電極の先端部 ３０６，１００６ 第二の電極の先端部 ３０７，５０３，６０３，７０２，８０２，１００７ 第三の電極 ３０８，４０４，７０３，１００８ パルスジェネレータ ４００ Ｔａ膜 ４０３ ＳｉＯ ₂膜 Ｖ ₁ ，Ｖ ₂ ，Ｖ ₃電位 Ｅｘ Ｘ方向の電界成分 Ｅｚ Ｚ方向の電界成分 Ｐｓ 自発分極 Ａ 電界 Ｌ１ 第一の電極と第二の電極との間の距離 Ｌｒ 分極反転領域の長さ Ｔ 基板温度