专利名称：极化反转结构的形成方法和具有极化反转结构的光学元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用施加电场形成极化反转结构的方法，以及具有极化反转结构并可以应用于光波长变化元件、偏光元件、光开关、相位调制器等的光学元件。
背景技术：
利用使强电介质的极化强制性反转的极化反转现象，就可以在强电介质的内部形成周期性地排列有极化反转区域的极化反转结构。这样形成的极化反转结构用于利用表面弹性波的光频率调制器和利用非线性极化的极化反转的光波长变换元件、利用棱镜形状和透镜形状的反转结构的偏光器等。特别是，如果使非线性光学物质的非线性极化周期性地反转，则可以制造变换效率非常高的光波长变换元件。如果使用这样的元件对半导体激光等的光进行波长变换，那么就能得到可以应用于印刷、光信息处理、光应用计测控制领域等的小型的短波长光源。
强电介质在晶体内具有由于自发极化引起的电荷偏移。自发极化的方向可以通过施加与自发极化相对抗的电场来改变。自发极化的方向由于结晶(材料)的种类不同而不同。LiTaO3、LiNbO3、或者是作为它们的混合结晶的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)基板的结晶，由于只在C轴方向具有自发极化，因此对于这种结晶，极化仅在沿着C轴的+方向或者其反方向的-方向的两个方向存在。通过施加电场，这种结晶的极化旋转180度，直到变为反方向。此种现象称为极化反转。为了产生极化反转所必需的电场称为反转电场，其对于LiNbO3、LiTaO3等的结晶，在室温时约为20kV/mm，对于MgO∶LiNbO3则约为5kV/mm的值。
在强电介质中，成为具有单个的极化方向的结晶的现象称为“极化的单畴化”。为了使极化单畴化，通常在结晶形成后进行在高温中施加电场的方法。
作为形成周期性的极化反转区域的现有的方法，例如在日本专利申请特开平4-19719号公报中记载了在LiNbO3(铌酸锂晶体)的基板上形成梳状电极，对该梳状电极施加脉冲状的电场的方法。由此，在LiNbO3基板的+C面上形成了梳状电极，在-C面上形成平面电极。使+C面接地，给-C面的平面电极施加脉冲宽度为100μs的脉冲电压，从而由于施加到基板上的脉冲电场引起极化反转。用于使极化反转所必需的电场约为20kV/mm以上。如果施加该值的电场，则在基板厚的情况下，由于电场的施加，基板的结晶可能被破坏。但是，通过使基板的厚度为200μm的程度，可以避免由于电场的施加引起的结晶破坏，可以在室温形成极化反转区域。由此，得到贯通基板的深的极化反转区域。
为了使光波长变换元件高效率化，需要3～4μm的范围的短周期的极化反转结构。如果通过施加电场而形成极化反转区域，那么电极正下方的极化反转后，在基板的横向方向上极化反转的区域变宽。为此，极化反转结构的短周期化变得困难。为了克服该问题，在现有的方法中，通过使脉冲宽度为100μs左右，给电极施加短时间的脉冲电压，可以形成短周期的极化反转结构。
作为在掺杂了Mg的LiNbO3基板(下面表示为MgLN)上形成短周期的极化反转结构的方法，例如在日本专利申请特开平6-242478号公报中公开了在Z板的MgLN上周期性地形成极化反转结构的方法。如此，通过在MgLN的+Z面上形成梳状电极，从背面照射电晕(corona)，得到周期为4μm、且贯通厚度为0.5mm的基板的极化反转结构。
还有，在切下的(オフカツト)MgLN上形成极化反转结构的方法记载在日本专利申请特开平9-218431号公报中。通过在极化方向从基板表面稍微倾斜的切下的MgLN基板上形成电极，并对该电极施加电压而形成针状的极化反转结构。极化反转区域在结晶的极化方向增长，形成周期为5μm的极化反转结构。
然而，在Z板的掺杂了Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)基板上形成微细的极化反转结构是困难的。通过现有的方法相对于切下的基板形成极化反转结构可以通过施加电场而进行。然而，作为相对于Z板基板形成均匀的且微细的反转结构的方法，公知的仅有电晕极化等复杂方法。电晕极化是在基板上堆积带电粒子从而产生电场，并由此使极化反转的方法。但是，由于由带电粒子产生的电场的大小有限，因此可以形成极化反转结构的基板的厚度被限制在0.5mm的程度，想要形成超过1mm的厚度的基板的极化反转结构都是困难的。另一方面，通过电极施加电压的方法虽然在切下的基板上形成极化反转结构方面是有效的，但是通过该方法在Z板上形成宽且均匀的极化反转结构是困难的。
还有，在日本专利申请特开平2001-66652号公报中公开了通过在Z板的MgLN上形成梳状电极，并对该电极施加电压而形成周期性的极化反转结构。该方法的特长是可以均匀地形成周期性的极化反转结构。然而，其存在着形成的极化反转被限制在电极尖端的一部分、电极下的广大的范围内深度地且均匀地形成极化反转结构困难的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种在强电介质基板中深度地且均匀地形成短周期且宽度大的极化反转结构的方法。
在本发明的极化反转结构的形成方法中，使用具有与结晶的Z轴大致垂直的主表面的强电介质基板，在上述强电介质基板的主表面上设置第一电极，该第一电极具有形成有周期性地排列的多个电极指的图案，在上述强电介质基板的另一表面上设置与上述第一电极相对的相对电极，通过上述第一电极和上述相对电极向上述强电介质基板施加电场，并在上述强电介质基板上形成与上述第一电极的图案相对应的极化反转区域。本发明的方法的特征在于设置上述第一电极的各个电极指，使得从上述第一电极的电极指的基部向着尖端的方向沿着上述强电介质基板的结晶的Y轴方向。
本发明的光学元件包括具有大致垂直于结晶的Z轴的平面的强电介质基板和周期性地形成在上述强电介质基板上的多个极化反转区域，上述极化反转区域分别具有轴对称平面形状，且设置成其对称轴相互平行。本发明的光学元件的特征在于形成上述极化反转区域使得上述对称轴的方向沿着上述强电介质基板的结晶的Y轴，上述极化反转区域具有从+Z面向-Z面延伸的形状，而且相对于上述极化反转区域的整个面积，从上述强电介质基板的表面贯通到背面的上述极化反转区域的面积的比例在50％以下，或者上述极化反转区域的平均深度在上述强电介质基板的厚度的40～95％的范围内。
图1A是表示在本发明的实施方式1中的极化反转结构的形成方法中使用的电极结构的平面图，图1B是剖视图。
图2A是表示通过该极化反转结构的形成方法形成的极化反转区域的情况的平面图，图2B是侧面图。
图3A是用于说明具有微小的尖端的电极的优点的斜视图，图3B是剖视图，图3C是表示伴随极化反转区域的扩大强电介质基板的特性变化的状况的曲线。
图4A和4B是分别表示用于扩大极化反转区域的方法的平面图和剖视图。
图5A和5B同样是分别表示用于扩大极化反转区域的方法的平面图和剖视图。
图6是表示通过该极化反转结构形成方法制造的极化反转区域的长度Lr和基板结晶方位的关系的特性要素图。
图7A是表示其它的电极结构的平面图，图7B是剖视图。
图8A是表示本发明的极化反转结构的形成方法的平面图，图8B是剖视图。
图9A是表示本发明的极化反转结构的形成方法的平面图，图9B是剖视图。
图10A是表示用于说明表示极化反转区域的稳定性的特性要素的退火处理的温度曲线的图，图10B是表示升温速度和极化反转区域的衰减率的关系的图。
图11A是表示实施方式3中极化反转结构的形成方法的平面图，图11B是剖视图。
图12是表示该实施方式中第一电极和第二电极中极化反转区域形成的状态的剖视图。
图13是表示该实施方式中第一电极和第二电极之间距离L和极化反转区域的长度Lr的关系的图。
图14是表示该实施方式中绝缘溶液的温度和极化反转区域的长度Lr的关系的图。
图15是表示该实施方式中基板厚度和极化反转周期的关系的图。
图16A是表示实施方式4中极化反转结构的形成方法的平面图，图16B是剖视图。
图17是表示实施方式3，4中施加电压的脉冲宽度和极化反转区域的长度Lr的关系的图。
图18是表示实施方式6中光学元件的斜视图。
图19A是表示作为该光学元件的一个例子的偏光器的平面图，图19B是剖视图。
具体实施例方式
根据本发明的极化反转结构的形成方法，通过将用于在强电介质基板上施加电场的第一电极的电极指配置成从其基部向尖端的方向沿着强电介质基板的结晶的Y轴方向，可以形成微细的极化反转区域。该效果是基于Y轴方向的极化反转的宽度比X轴大几倍而且是均匀的现象而产生的。还有，由于将电压集中在周期性排列的多个电极指的各个尖端，因此通过这样的电极在Z板的基板引起极化反转时，可以效率良好地形成极化反转区域。
本发明的极化反转结构的形成方法中优选是，在上述强电介质基板上施加电场，使得相对于上述极化反转区域的整个面积，从上述强电介质基板的表面贯通到背面的上述极化反转区域的面积的比例被抑制在50％以下。由此，可以均匀地形成微细的极化反转结构。在结晶Z轴大致与基板平面垂直的强电介质基板中，如果部分地形成有极化反转区域，且该部分使基板贯通并使电极之间短路，那么极化反转区域的宽度集中在贯通的反转区域，妨碍均匀的极化反转的形成。因此，抑制这种贯通的分极反转区域的面积对于确保极化反转结构的均匀性是有效的。
在此结构中，上述强电介质基板的厚度T优选在1mm以上。
还有，通过在上述强电介质基板上施加电场使得上述极化反转区域的深度D的平均值是上述强电介质的基板的厚度的40％～95％，可以取得与上述同样的效果。
上述的方法特别适合于上述强电介质基板是掺杂Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)的情况。
上述第一电极是梳状电极，上述电极指可以是条纹状结构。或者，上述第一电极的电极指可以是三角形，可以是电极指的尖端由三角形的顶点形成的结构。或者，上述电极指具有相对于从其基部向其尖端的方向的轴对称的形状，也可以将上述电极指配置成其对称轴沿着上述强电介质基板的结晶的Y轴方向。
优选的是，使上述电极指的尖端的宽度在5μm以下。
还有，优选的是，在上述强电介质基板施加电场的工序包含施加电场强度E1的脉冲电压的工序，和施加电场强度E2的直流电压的工序，使得满足E1＞E2来进行。由此，在设计的电极下，可以控制施加电压的脉冲波形，使得在沿着电极在宽范围内形成均匀的反转区域。如果在使用具有尖端的电极以在Z板的基板上产生极化反转，那么电压集中在电极的尖端，且效率良好地形成该部分的极化反转区域。为了使该极化反转区域在整个电极上容易变宽，合用脉冲电压和直流电压作为施加电场是有效的。即，可以通过脉冲电压形成极化反转核，通过直流电压以极化反转核为中心扩大极化反转区域。
优选的是使上述电场E1大于6kV/mm，上述电场E2小于5kV/mm。还有，优选上述脉冲电压由两个以上的多个脉冲串构成。
还有，本发明的极化反转结构的形成方法中优选的是，在形成上述极化反转区域后，在200℃以上对上述强电介质基板实施热处理，在上述热处理中抑制上述强电介质基板的热电电荷的产生。由此，使通过施加电场形成的极化反转区域的稳定性提高，而且降低由极化反转引起的散射(散乱)。
优选的是，上述热处理中使上述强电介质基板的表面和背面电短路。还有，优选上述热处理中升温速度在10℃/分以下。
本发明的极化反转结构的形成方法适合上述强电介质基板的极化反转电场在5kV/mm以下的情况。还有，可以是使上述强电介质基板的结晶大致是化学计量法的组成。
还有，本发明的极化反转结构的形成方法中优选在上述主表面设置第二电极使得与上述第一电极的多个电极指的尖端具有间隔地相对。第二电极实现辅助将电场集中在第一电极的尖端的目的。通过将电场集中在第一电极的尖端形成极化反转核，容易快速地开始极化反转的生长。
优选的是，上述电极指的尖端和上述第二电极之间的最短距离L与上述强电介质基板的厚度T的关系设定成满足L＜T/2。由此，可以充分得到第二电极的效果。电极间距离L和基板的厚度T的关系对电极指的尖端的电场分布产生影响，如果电极间距离L变为该值以上则对第二电极的影响过小。
优选的是通过在上述第一电极和上述相对电极之间施加电压，在上述第一和第二电极下形成极化反转区域。通过在同一平面内分别施加电极，在各个相邻的电极下形成极化反转区域。由此，对于形成宽范围的极化反转区域非常有效。
还有，优选的是，具有在上述第一电极和上述相对电极之间施加电压的第一电场施加工序，和在上述第二电极和上述相对电极之间施加电压的第二电场施加工序。还有，优选的是，通过上述第一电场施加工序和上述第二电场施加工序在第一和第二电极下形成极化反转区域。还有，优选的是，分别单独进行上述第一电场施加工序和上述第二电场施加工序。
上述第二电极具有尖端与上述第一电极的电极指的尖端相对的多个电极指，上述第二电极的电极指也可以配置成从其基部向着尖端的方向沿着上述强电介质基板的结晶的Y轴方向。
优选使上述第一电极和上述第二电极的距离L为50μm≤L≤200μm。
还有优选的是当上述强电介质基板的自发极化表示为Ps、期望的极化反转区域面积表示为A时，通过上述第一电场施加工序或者第二电场施加工序中的任何一个，施加2Ps A的100倍以上的电荷量。还有，优选对于上述第一电场施加工序，施加电场强度为E1、脉冲宽度τ≤10毫秒的脉冲电压，对于上述第二电场施加工序，施加电场强度为E2、脉冲宽度τ≥1秒的直流电压，E1＞E2。
还有，优选在上述强电介质基板上施加电场的工序在100℃以上的绝缘溶液中进行。还有，优选上述主表面和上述Z轴形成的角度θ在80°≤θ≤100°的范围内。还有，优选制造上述强电介质基板的厚度T在1mm以上，周期Λ在2μm以下的极化反转区域。还有优选上述极化反转区域的深度D制造成相对于基板厚度T满足D＜T的关系。
还有，优选使上述强电介质基板的厚度T为T≥1mm，在上述相对电极和上述强电介质基板之间形成绝缘薄膜，在上述第一电极和上述相对电极之间施加脉冲宽度为1毫秒～50毫秒的脉冲电压。上述绝缘薄膜可以是SiO2膜、TiO2膜、或者Ta2O5膜。或者也可以使上述强电介质基板的厚度T为T≥1mm，在上述相对电极和上述强电介质基板之间形成半导体膜，在上述第一电极和上述相对电极之间施加脉冲宽度为1毫秒～50毫秒的脉冲电压。上述半导体膜是Si膜、ZnSe膜、或者GaP膜。
根据本发明的光学元件，通过相对于极化反转区域的整个面积，从强电介质基板的表面贯通到背面的极化反转区域的面积的比例在50％以下，或者是极化反转区域的平均深度在强电介质基板的厚度的40％～95％的范围内，可以均匀地形成微细的极化反转结构。在结晶的Z轴与基板平面大致垂直的强电介质基板中，如果使极化反转区域贯通基板并使电极之间短路，那么极化反转区域的宽度集中在贯通的反转区域，妨碍形成均匀的极化反转。因此，抑制这种贯通的极化反转区域的面积对于确保极化反转结构的均匀性是有效的。
优选上述强电介质基板是掺杂Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)。还有，优选上述极化反转区域的周期在4μm以下。还有，优选上述强电介质基板的厚度在1mm以上。还有，优选上述强电介质基板的基板厚度T为1mm，上述极化反转区域的周期Λ在2μm以下。还有优选上述极化反转区域的深度D相对于基板厚度满足D＜T的关系。还有，优选上述主表面和上述Z轴形成的角度θ在80°≤θ≤100°的范围内。
下面，参照附图针对本发明的实施方式进行具体地说明。
(实施方式1)图1A是表示用于实施本发明实施方式1中极化反转结构的形成方法的电极结构的平面图，图1B是剖视图。
在MgLN基板1的主表面2形成具有梳状图案的第一电极3。构成第一电极3的多个电极指5具有细长的条纹状，且周期性地排列。由此，电极指5的微小尖端5a周期性地排列。在从第一电极3的尖端5a的设有预定间隔的主表面2上形成第二电极4。第一电极3和第二电极4电绝缘。在MgLN基板的背面设置相对电极6使得其与第一电极3和第二电极4相对。相对电极6具有例如矩形的平面形状，从而包含与第一电极3和第二电极4相对应的区域，不需要具有特别的图案。
形成第一电极3的多个电极指5分别配置成使条纹的对称轴沿着MgLN基板1的结晶的Y轴方向。换句话说，尖端5a从电极指5的基部向着Y轴方向的方向延伸。
在第一电极3和相对电极6之间通过脉冲发生器7将被控制的电压施加给MgLN基板1，由此在电极间的强电介质中形成极化反转区域。虽然在后面对被控制的电压进行具体描述，但是被控制的电压具有预定的电压电平或者持续时间，是脉冲电压或直流电压。
为了避免施加电压时发生放电，将基板1设置在绝缘溶液或者真空中(10-6托以下)，并施加直流电压。如果产生极化反转，那么在第一电极3和第二电极4之间流动着与强电介质的自发极化的大小和电极面积成比例的电流(称为“反转电流”)。
对于现有的电极结构，即使仅施加脉冲、仅施加直流电压、还有施加在直流电压中叠加脉冲的电压，在Z板的MgLN上形成再现性好的极化反转区域也都是困难的。与此相对的，根据本实施方式，通过采用下面描述的条件，可以形成短周期的均匀的极化反转结构。
这里，极化反转的周期结构的均匀性意味着周期或者占空比的稳定性。均匀性在将极化反转结构用于波长变换的情况下影响变换效率。例如，在将周期性的极化反转结构跨越10mm长度左右形成的情况下，部分地形成有周期结构混乱的部分。不均匀的主要原因是部分地扩大极化反转区域的横向方向，且局部地形成占空比变大的混乱的部分。这种不均匀的部分，对于现有的方法在反转结构的平均10mm的范围内形成有几十处，对于周期3μm以下的情况，在几乎整个前面上由不均匀的部分所占据。为此，变换效率只得到理论值的百分之几～百分之五十。与此相对的，本实施方式的均匀性好，意味着例如在10mm长度上，不均匀的部分在几个以下。还有，由此，意味着用于波长变换的情况下的变换效率在理论值的90％以上，得到接近于理论值的非常高的效率。
本实施方式的条件主要涉及(a)电极形状(b)电极方向和结晶轴的关系(c)施加脉冲波形在这种充分满足特定条件的情况下，均匀地形成微小的极化反转结构。
首先，针对(a)电极形状进行描述。参照图2A、2B，针对通过具有微小尖端的第一电极3施加电压时的、在强电介质中形成的极化反转区域的形状进行说明。如果施加电压，那么在第一电极3的尖端部分形成极化反转区域8。此时，为了使电场集中在电极的微小的尖端5a，首先在该部分形成极化反转核，扩大极化反转区域。
理想的极化反转结构是极化反转区域的宽度W较窄，反转区域的长度Lr较长的结构。宽度W越小，越容易将极化反转区域控制成微小。例如如果宽度W小，则可以形成短周期的极化反转结构。还有长度Lr越长，越可能形成大的极化反转区域。
对于尖端不是微小的宽度较大的图案的电极，不能均匀地形成极化反转区域。这是因为由于在电极下同样地产生电场，因此核在所到达的位置产生极化反转，且极化反转区域以该核为中心变大的缘故。根据本实施方式的电极结构，由于在电极的尖端特定地形成极化反转核的形成区域，所以可以提高极化反转区域形成的控制性，形成均匀的极化反转结构。该方法对于掺杂了Mg的LiNbO3、掺杂了Mg的LiTaO3或者作为它们的混合物的掺杂Mg的LiTa(1-X)NNbXO3(0≤x≤1)的基板特别有效。
特别是掺杂Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)的结晶，公知的是，形成的极化反转区域具有整流特性。由此，形成极化反转区域且在该部分流动有电流。因此，如果一次就形成极化反转区域，那么以反转部分为中心的极化反转区域大。另一方面，在没有形成极化反转的部分中，由于通过极化反转区域的整流作用而降低了施加电压，因此形成相反的反转变的很难。由此，增大了极化反转区域的不均匀性，形成均匀的极化反转结构变的困难。该倾向在微小的形状中特别显著。
与此相对的，针对具有微小尖端的电极的优越性进行说明。如图3所示，如果在MgLN基板10的+Z表面上形成梳状电极11，在-Z表面上形成平面电极12，在电极之间施加电压，那么由于电场13集中在梳状电极11的尖端，所以尖端的电场强度比其它部分大。由此产生极化反转核，以该极化反转核作为触发，以反转核为中心极化反转区域14变大。但是，对于尖端平坦的电极结构，由于结晶的不均匀性和微磁畴的存在，极化反转核在随机位置产生，所以难以控制。另一方面，如本实施方式，通过使用具有微小尖端的电极结构，可以将电场集中在电极尖端。由于该部分的电场强度局部地变强，所以可以控制极化反转核的产生位置。如图3B所示，如果使极化反转核在梳状电极11的尖端产生，那么以该核为中心极化反转区域沿着电极生长，极化反转区域的长度Lr增大。由此，通过使用具有微小尖端的电极，可以控制极化反转核的产生区域，形成均匀的极化反转结构。
在不具有微小尖端的电极形状、例如梯子状的电极和平面电极的情况下，由于不会引起向尖端的电场收敛，所以极化反转核在电极下的随机位置产生。因此，不能控制极化反转，形成必要的均匀的形状是困难的。因此，对于电极指的尖端是微小的情况意味着可以使通过电极施加的电场充分集中，从而在尖端的宽度变小的状态。使电场足够集中意味着为了均匀地形成极化反转结构所必要的程度。通常，尖端的宽度优选在5μm以下，如果是2μm以下，由于提高了形成的极化反转结构的均匀性，将更好。如果尖端变为1μm以下，由于可以形成微小的极化反转结构，将是更优选的。
在MgLN中，如前所述，大大地降低了极化反转区域的电阻抗。由此，在扩大极化反转区域的同时阻抗降低。因此，如果使施加脉冲的电流量一定，那么在扩大极化反转区域的同时，如图3C所示，施加电压降低。如果施加电压降低，变为极化反转电压Vc以下，那么将自动地降低极化反转区域的生长。
为了实现极化反转区域的更大的扩大需要考虑上述极化反转区域的电气特性的变化。参照图4A、4B、5A、5B，针对用于扩大极化反转区域的极化反转方法进行进一步的描述。如前所述，极化反转区域14随着其扩大而停止。如果为了避免此现象较大地设定电流值，那么在初期阻抗高的状态下，在极化反转区域中流动大电流，产生由于温度上升引起的绝缘破坏和极化反转区域的急剧横向扩大。为了避免此现象如下进行。首先，流动比较低的电流，例如0.1mA程度的最大电流量，如图4A、4B所示形成极化反转区域。其后，极化反转的生长停止的话，进一步提高电流的最大值，如图5A、5B所示，促进极化反转区域的生长。通过反复此过程，可以实现长度Lr的扩大。
作为加长极化反转区域的长度Lr的方法，设置第二电极4是有效的。第二电极4形成在从第一电极3的尖端仅离开距离L的位置。第二电极4实现辅助将电场集中在第一电极3的尖端5a的目的。如前所述在形成极化反转区域时，通过将电场集中在第一电极3的尖端而形成反转核，开始极化反转的生长。第一电极3的尖端中的电场分布受到相对电极6和第二电极4的影响。第一电极3和第二电极4的电极之间距离L和基板厚度T对电极指5的尖端5a的电场分布产生影响，因此对形成的极化反转区域的长度Lr产生较大的影响。
根据实验结果，在电极之间距离L比基板厚度T短的情况下，容易形成均匀的极化反转。如果距离在其以上则第二电极4的影响变的过小，不能得到第二电极4引起的长度Lr增大的效果。还有如果由于使电极之间的距离L过分缩短则在第一和第二电极103、104之间产生放电，因此优选电极之间的距离L的大小在5μm以上。优选二者在L＜T/2的情况下，使极化反转区域的长度Lr变长。
接下来，针对(b)电极和结晶轴之间的关系进行描述。研究电极指5的方向和极化反转区域的长度Lr的关系。MgLN是单轴性的结晶，考虑垂直于Z轴的平面上结晶是对称结构。特别是关于极化反转的特性，考虑与X、Y轴方向没有依赖关系。但是，公知的Z板的基板中极化反转特性与结晶的X、Y轴非常具有依赖关系。图6是表示形成的极化反转区域的长度Lr的结晶轴相互关系的图。使电极指5的方向在Y轴方向旋转，在各个方向的情况下形成的极化反转的长度Lr通过与原点的距离来表示。如果使电极指5的尖端向着Y轴方向，使电极指5的轴方向与Y轴方向一致，那么极化反转区域的长度Lr变的非常长。与此相对的，如果使电极指5沿着X轴方向，那么长度Lr降低到一半以下。
还有，电极指5在X轴方向形成的情况与在Y轴方向形成的情况相比，极化反转的大小的不均匀性变大。在Y轴方向形成的情况下，形成的极化反转区域的大小的偏差在百分之几以下，得到实用的均匀的极化反转结构。作为电极指5的方向，如果相对于Y轴倾斜±10°以下，那么长度Lr比较长，得到可以满足实用的均匀的极化反转结构。如果在±5°以下，则均匀性更好。可知如果相对于Y轴超过±10°，那么长度Lr将大幅度降低，同时不均匀性增大。
如上述的，使电极指的轴向方向与结晶的Y轴方向一致地形成具有微小尖端的电极指，是用于形成均匀的极化反转结构的重要条件。极化反转区域的形成过程是将电场集中在电极指的尖端，使该部分的表面电场比其它的部分高，从而首先形成极化反转核。其后，以核为中心在电极指下扩大极化反转区域从而形成极化反转。此时，通过使电极指的轴向方法向着Y轴方向，激活极化反转的宽度在结晶的Y轴方向容易扩大的特性，从而形成均匀的极化反转。在不具有微小尖端的情况下，由于不规则地形成极化反转核，所以极化反转区域不规则地变大，难以均匀地形成微小的极化反转形状，特别是10μm以下的反转结构。还有，在使尖端向着X轴方向的情况下，难以确保足够的长度Lr，并均匀地形成微小结构。
作为第一电极的周期性的图案，在梳状电极的条纹形状以外，也可以使用如图7A、7B所示的三角形状。可以通过该第一电极3a周期性地形成三角形的极化反转区域9。三角形的周期性极化反转区域可以应用于棱镜、偏转器等。即使在三角形的情况下，通过使对称轴沿着基板结晶的Y轴方向，也可以使极化反转区域变大。在该情况下，三角形的顶点成为尖端，以该顶点为中心产生并生长极化反转。
接下来，针对(c)电场施加波形对极化反转的影响进行描述。如果在电极之间施加直流电压，如此形成的极化反转区域在是几μm的微小的极化反转区域的情况下，形成的极化反转区域非常地不均匀。即，在各个电极处形成极化反转区域，而且由于各个极化反转核极化大幅度扩大，将与由接近的电极指形成的极化反转区域接触。由此，不能将极化反转区域控制成微小的。接下来，如果施加脉冲宽度为0.1ms～100ms，施加电压约为8kV/mm的脉冲状电压，则可以均匀地形成微小的极化反转结构。施加电场优选是脉冲宽度τ≤10毫秒的脉冲电场。而且，通过施加多个脉冲串，可以形成均匀的极化反转结构。如果施加电压在6kV/mm以下，则不能形成极化反转区域。
虽然通过施加脉冲串可以形成极化反转结构，但是形成的极化反转区域局限在电极指的尖端附近，不能达到形成沿着电极指延伸的长度为Lr的大的极化反转区域。即使变化脉冲波形、脉冲数，也只能得到相同的结果。最适宜的脉冲数可以通过观测在示波器中示出的电压波形来决定。首先，监测电压施加开始时的电压振幅，补充施加脉冲。伴随着脉冲数的增加，电压振幅减少，如果达到某一数量则电压振幅的降低停止。电压振幅的饱和与最低施加脉冲数具有依赖关系，通过监测电压振幅的降低量来决定施加脉冲数。即使施加这以上的脉冲数也不能扩大反转区域。最低施加脉冲数与设定电流具有依赖关系，电流值越大，其脉冲数减小。即，在形成同一周期的极化反转结构的情况下，电流值越高，通过越少的脉冲数停止极化反转的生长，即使施加其以上的脉冲也不能扩大极化反转区域。
因此，在施加的脉冲电压上补充施加直流电压。施加时间为1～100秒的程度。虽然仅施加直流难以形成均匀的极化反转结构，但是如果接着脉冲串的施加而施加直流电压，那么极化反转区域沿着电极扩大，与只施加脉冲的情况相比长度Lr增加数倍。即，在施加脉冲串之后，通过补充施加直流电压，可以形成均匀的跨越宽区域的微小的极化反转结构。如果施加电场脉冲是例如脉冲宽度0.5ms、脉冲数是200～5000左右，施加电压在基板厚度为2mm时是5～6kV，则可以得到良好的结果。使电流的最大值为0.2～1mA左右。直流电压的大小与脉冲电压相比相当小，在0.2～4kV/mm以下的情况下得到良好的结果。通过非常低的电压形成极化反转的过程是通过施加脉冲串形成极化反转核，直流电压的施加考虑具有以极化反转核为中心使极化反转区域扩大的作用。如果在施加脉冲后施加5kV以上的直流电压，那么极化反转区域过分扩大，难以形成微小的极化反转区域。
接下来，针对实用中限制施加电压时的电流、电压的最大值的必要性进行说明。在使MgLN等极化反转时，由于如前述地基板的电阻抗大幅度降低，在已极化反转的部分中流动大的电流。在通常的强电介质中，流动的电荷量是受到极化反转区域的面积限制的非常小的量，但是在MgLN中，由于流动着连续的电流，需要特别考虑施加电压电路。即，需要具有控制在施加电场的电路中流动的最大电流的性能。在MgLN的情况下，如果不控制电流值，那么由于流动着大电流将产生结晶破坏。为了防止这种现象，需要控制机构使得电流值不超过设定的最大值，且施加电压自动下降。在实际的MgLN的情况下虽然与电极的面积具有依赖关系，但是最大的电流量优选在10mA以下。周期为3μm以下的短周期结构的情况需要控制成5mA以下。
还有，在施加连续脉冲时，施加各个脉冲的最大电流量不同的脉冲电压是有效的。施加多个脉冲电场从而形成极化反转时，由于初期极化反转部的阻抗高，因此可以通过少量的电流量施加高电压。还有由于在初期如果电流量变大则极化反转部变的不均匀，因此在形成极化反转的初期需要将最大电流设定成1mA以下的低电流。然而，在极化反转区域扩大的同时，由于极化反转部的阻抗大幅度降低，因此如果限定电流量的最大值，则极化反转不能达到必要的电压。由此，在极化反转区域扩大的同时，使施加电流的最大值增大是有效的。
在本实施方式的极化反转结构的形成方法中，优选MgLN的基板厚度是1mm以上。基板厚度在1mm以上的情况下，对于极化反转结构的均匀性和极化反转区域的电极下的长度Lr，得到良好的效果。其理由是由于使用厚的基板，可以防止极化反转区域贯通基板。如后述的，如果极化反转区域贯通基板，那么极化反转区域的不均匀性增大难以形成微小的极化反转结构。通过增加基板的厚度，抑制极化反转区域的贯通，可以形成均匀的极化反转结构。现有的通过使基板的厚度薄到0.5mm以下容易形成极化反转区域，而且可以形成微小的极化反转结构。通过加厚基板可以使反转区域均匀化和微小化的现象对于掺杂了Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)的基板特别显著。还有，掺杂了Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)的基板中反转电压是通常的LN的1/4以下。虽然对于通常的LN等在使基板加厚的情况下由于反转电压产生绝缘破坏，但是不能引起绝缘破坏的反转电压低的部分，也可以施加极化反转电压。
以上本实施方式的说明是在使用Z板的MgLN的情况下极化反转结构的形成方法的例子。由于Z板基板结晶的C轴存在于垂直于基板的方向，因此可以效率良好地进行利用电光学效果的电场施加。还有，由于具有极化反转区域的深度变深等的优点，因此作为大型的光学元件是理想的基板。然而，即使在Z板附近的切下的基板也能观测到同样的效果。作为切下的角度，研究基板平面的垂线与结晶的C轴所成的角度为0°以上的情况，可以确认在切下角度在±10°以下的情况可以形成与Z板同样的均匀的极化反转结构。如果切下角度超过±10°，那么用同样的方法形成均匀的且微小的极化反转结构是困难的。
还有，本实施方式的极化反转结构的形成方法在共熔组成(コングルエント組成)的MgLN以外，即使对于掺杂了Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)的基板、化学计量组成的掺杂了Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)的基板也可以适用。
在共熔组成的MgLN中，评价Mg的掺杂量和极化反转特性。使基板的厚度为1mm。Mg的掺杂量大大地影响极化反转特性。伴随极化反转的电阻抗的变化依赖于Mg的掺杂量而增大，形成短周期的极化反转结构也与Mg的掺杂量具有依赖关系。周期为3μm以下的周期结构只在Mg的掺杂量在4～5.5μm的范围内形成。周期为10μm以上的大的周期结构即使是Mg的掺杂量为2～7mol％的材料也可以形成。还有，如果掺杂量超过7mol％，则由于结晶性变坏难以形成极化反转。还有对于未满2mol％，极化反转的横方向的扩大变大，难以形成周期结构。因此，在形成周期结构时优选mol浓度为2～7mol％。实现短周期结构更好的是4～5.5mol％。
还有，关于基板的组成，比较共熔组成和化学计量组成，对于Mg的掺杂量和极化反转特性的关系没有大的差别。即使在化学计量组成的MgLN、MgLT和作为它们的混合物的掺杂了Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)中，Mg的掺杂量与极化反转特性的关系也是同样的。
还有，判断形成的极化反转区域的深度对极化反转区域的均匀性产生大的影响。在现有的Z板的MgLN基板中极化反转结构的形成方法的情况下，极化反转区域从表面贯通到背面而形成。但是，通过同样的结构形成极化反转区域时，在形成具有短周期，特别是4μm以下的周期结构的极化反转结构的情况下，不均匀性大幅度增大。在MgLN中，形成的极化区域具有整流特性，由于极化反转产生的电压以下的施加电压而流动电流。因此，在电极之间施加电压并形成极化反转的情况下，如果一部分极化反转并贯通在基板间，那么通过极化反转区域从而电流将会在电极之间流动。其结果是，与该部分极化大幅度生长相对的是，在其它部分中，先行的极化反转贯通的部分使电流消失，极化反转的增长将停止。其结果是非常不均匀地形成极化反转区域。
通过施加直流在极化反转的情况下形成微小的极化反转区域难也是同样的理由。对于本实施方式的极化反转结构的形成方法由于施加脉冲引起极化反转，所以可以控制成不使极化反转深度D达到基板厚度T。即，控制施加脉冲数，可以控制成极化反转深度D不达到基板厚度T，由此可以限制极化反转区域贯通到背面的比例，并提高极化反转的均匀性。在实验中，通过将形成的极化反转区域的整个面积中，贯通到背面的极化反转区域的面积的比例抑制在1％以上50％以下，可以形成均匀的极化反转结构。如果将该比例抑制在20％以下，那么形成4μm以下的微小的结构也变得容易。通过使在施加脉冲后施加的直流电压为非常低的电压，以通过施加脉冲形成的极化反转核为中心沿着电极扩大，所以使极化反转深度不会增加，最终可以维持极化反转深度D小于基板厚度T。如上述的，通过保持T＞D的关系而形成极化反转区域，可以形成均匀且微小的极化反转结构。
作为通过抑制贯通的极化反转区域的生长来均匀地形成微小的极化反转区域的方法，将极化反转深度D的平均值控制成基板厚度T的40～95％是有效的。如果极化反转深度D的平均值超过95％，那么极化反转区域的贯通比例将超过50％，反转的不均匀性大幅度增加。另一方面如果低于40％，那么没有形成极化反转区域的部分变多，结果也变为不均匀的极化反转结构。如果将极化反转深度D的平均值抑制在基板厚度T的50～80％，那么将进一步提高均匀性。
还有，在MgLN基板的表面实施离子交换并使结晶性变化对于微小地控制极化反转是有效的。在MgLN上通过图案电极施加电场时，基板的表面状态对反转特性产生大的影响。通过电极施加电压的情况下，在电极下面使极化反转区域生长，但同时在横向也扩大。横向的极化反转区域的扩大难以微小地形成极化反转区域。例如，在形成周期性的极化反转结构的情况下，极化反转区域的横向扩大难以形成短周期的反转结构。为了防止此现象，抑制极化反转核的产生是有效的。极化反转核在结晶表面的电极下面及其周围形成，极化反转部以反转核为中心生长。该反转核的产生可以通过进行结晶表面的离子交换使结晶的强电介质性劣化而降低。例如，通过实施作为离子交换的一种的质子交换，可以抑制极化反转区域的横向扩大，并形成短周期的极化反转结构。但是，由于如果离子交换深度变得过深则形成极化反转区域变的困难，所以离子交换深度优选在0.5μm以下。
而且，如图8A、8B所示，如果在第二电极4上形成梳状电极指15，则提高极化反转区域形成的合格率。在第一电极3和相对电极6之间施加电压时，产生了在第一电极3和第二电极4之间产生放电、而不能引起极化反转的情况，这是使极化反转区域形成的合格率下降的原因。另一方面，通过在第二电极4上形成与第一电极3相同的梳状电极，可以防止电极间的放电，并提高合格率。
还有，可知通过在第二电极4和相对电极6之间施加电压在第一电极3的下部导致极化反转。通过减小第二电极4和第一电极3之间的间隔，并在第二电极4施加脉冲电压，在第一电极2的下部形成极化反转区域。由于这样形成的极化反转区域均匀，极化反转区域不会贯通基板而变的不均匀，所以均匀地形成微小的极化反转区域。还有通过反复在第一电极3和第二电极4上分别施加电压，可以形成更均匀且长的极化反转区域。
而且，如图9A、9B所示，通过将第一电极3和第二电极4的至少一个构造成金属16和电介质17的多层结构，可以增大极化反转区域的均匀性以及扩大在电极下形成的极化反转区域。这是因为在电极间施加脉冲电压时，通过电极的容量的增大使脉冲波形的过渡特性变化的原因。作为增大容量的方法，使电极成为金属和电介质的多层膜是有效的。作为电介质优选是介电常数大的SiO2、Ta2O5、Nb2O5、其它高介电常数的材料。
(实施方式2)实施方式2中的极化反转结构的形成方法涉及用于使极化反转稳定化的改善。首先，针对确认了MgLN的极化反转的不稳定性的实验结果进行说明。
实验使用掺杂了5mol Mg的Z板LiNbO3基板。在1mm厚的基板的±Z面上形成电极，施加10kV左右的脉冲电压，在电极下形成极化反转区域。通过由HF溶液蚀刻基板，由于±Z面的蚀刻图案不同，从而成为可以观测极化反转区域的状态。
接下来，在将形成有极化反转区域的基板在100℃左右热处理30分钟后，如果再次进行HF蚀刻处理并观测极化反转部分，那么将观测到首先形成的极化反转区域的面积减少到接近一半。其它的观察到的现象如下(1)即使进行80℃左右的低温热处理，反转区域也减少。
(2)反转区域依赖于热处理的温度、时间而减少。
(3)即使施加低电压的电场，极化反转区域也减少。
(4)反转区域的减少不均匀地产生。
(5)即使在相对于基板表面的法线，结晶的C轴稍微倾斜的切下的基板上也可观测到同样的现象。
如上述的，对于MgLN的Z板，判断出由于施加电场形成的极化反转结构非常不稳定。这产生下面的问题。
首先，由于在非常低温的情况下也会产生极化反转区域的减少，因此在形成了极化反转的基板上，不能进行伴随着加热的处理的加工。还有，由于极化反转随时效变化而变化，所以元件特性随时间变化。
本实施方式中的极化反转结构的形成方法解决了上述问题。该方法的特征是使用例如与实施方式1相同的基板和电极结构，在通过施加电压而形成极化反转区域后，实施退火处理。通过适当的设定极化反转区域形成后的退火处理的条件，可以抑制极化反转区域的减少。
对适宜的退火条件进行研究的结果是，判断出极化反转区域的减少非常依赖于退火处理的升温速度。图10A表示退火处理的温度曲线。以一定的升温速度达到退火温度后，在100℃进行退火1小时，而且以一定的降温速度冷却到室温。图10B表示对退火处理的升温速度和反转区域的减少率的关系进行测量的结果。从图10B可以知道升温速度越快，极化反转的减少越大，如果升温速度超过20℃/分，那么反转区域衰减50％以上。与此相对的，如果升温速度变为10℃/分以下则衰减率变为10％以下，如果升温速度在5℃/分以下则衰减率降低到百分之几。因此，为了抑制反转区域的衰减，优选将升温速度设定在10℃/分以下。而且更好的是在5℃/分以下。进行与降温速度相关的同样的实验，判断出降温速度的影响几乎没有。考虑这是由于升温时产生的热电电荷所引起的电场，对极化反转的稳定性产生影响。
由于证明了极化反转区域的不稳定性的原因是由于热电电荷导致极化反转的再反转现象，所以针对防止此现象的其它方法进行研究。Z板基板的情况下，热电电荷出现在基板的表面和背面，形成Z轴方向的电场。为了防止此现象，将基板的表面和背面电短路即可。因此，在形成了极化反转区域的基板的表面和背面涂覆金属糊，并且使表面和背面电短路。在此状态下进行退火处理。退火温度是400、600、800℃。MgLN的情况是，尽管在800℃时产生极化反转区域的减少，但在600℃以下，无论对于任何高速热处理都确保了极化反转的稳定性。这样，通过短路基板的表面和背面以消除由热电电荷产生的电场，可以进行高速的退火处理。
还有，判断出通过在200℃以上进行退火处理，极化反转结构的稳定性大幅度改善。在以200℃以上进行退火处理之后即使反复进行100℃以上的高速升温、降温实验，反转形状也完全不会变化。
还有，对于400℃以上的热处理，在基板内存在的散射损失大幅度降低，可以形成透明度高的极化反转结构。为此，例如适用于利用非线性光学效果的光波长变化元件的情况下，变化效率大幅度增大。还有，由于适用于偏光元件的情况下结晶内的传输损失降低至1/2以下，所以可以实现损失少的偏光器。
极化反转结构不稳定性的原因是MgLN的极化反转电场在5kV/mm以下，通常是LiNbO3、LiTaO3等的1/4以下的非常小的程度。由于极化反转电压低，因此极化反转后的反转部分不稳定，通过很小的热电效应就会引起再反转。由于化学计量结晶的情况下反转电压也低，所以需要进行同样的热处理。还有，热处理温度的上限在基板的居里温度左右。由于MgLN的情况的居里温度是1200℃左右，所以热处理温度需要限制在800℃以下。如果超过800℃，则极化反转区域变小。还有，由于LiTaO3的居里温度是600℃左右，所以热处理的上限是500℃。
本实施方式的热处理，虽然对于由实施方式1的方法形成的极化反转结构具有特别的效果，但是也可以适用于使通过其它方法形成的极化反转结构稳定化。
(实施方式3)本实施方式3中的极化反转结构的形成方法具有如图11A和11B所示的使用电极结构的情况下的电压施加方法的特征。在本实施方式中，使用在具有垂直于Z轴的主表面2的MgLN基板1的+Z面上形成的第一电极3和第二电极4并施加电压。即，通过对任意一个电极施加电压，利用在另一个电极下也形成极化反转区域，可以形成宽范围的极化反转区域。在下面的说明中，以在1mm厚的Z板MgLN基板上形成极化反转区域的情况作为例子进行说明。
在图11A和11B中，与实施方式1相同的要素使用相同的附图标记并省略对其重复的说明。在本实施方式中，形成梳状的第一电极3的多个电极指5其各自的细长形状的对称轴以预定的周期沿着MgLN基板的结晶的Y轴方向排列，然而，尖端5a从电极指5的基部向着Y轴方向延伸。第二电极4也具有梳状的电极指15，其尖端15a从基部向着Y轴方向延伸。
通过在第一电极3和形成在另一表面的相对电极6之间施加由脉冲发生器7控制的电压，在电极之间形成极化反转区域。可以在MgLN基板1上施加具有预定的电压电平的、根据需要的脉冲电压或直流电压。为了避免施加电压时产生放电，将MgLN基板1配置在绝缘液或真空中(10-6托以下)并施加电压。
针对本实施方式特有的电压施加方法进行说明。首先，在第二电极4和相对电极6之间施加脉冲电压之后施加直流电压。接下来，在第一电极3和相对电极6之间同样在施加脉冲电压之后施加直流电压。由此，在第一电极3和第二电极4的尖端5a、15a的下面产生极化反转核，形成极化反转。
这里，针对通过在第一电极3或第二电极4中的一个施加电压，从而在作为另一个电极的第二电极4或第一电极3的电极下形成极化反转进行说明。
为了研究在第二电极4施加电压时的第一电极3的下面的影响，不给第一电极3施加电压，研究在第二电极4和相对电极6之间施加脉冲电压后的、在强电介质基板中的极化反转的状况。使第一电极3的尖端5a和第二电极4的尖端15a的间隔为400μm。施加电压后进行热的氟硝酸(フツ硝酸)溶液的蚀刻，进行第一电极3的下面的极化反转的观测。其结果证实在没有施加电压的第一电极3的电极下形成了极化反转区域。同样地，在第一电极3施加电压并不给第二电极4施加电压的情况下证实在第二电极4的电极下也形成极化反转区域。
参照图12，更加详细地进行说明。图12是表示极化反转区域的形成状况的剖视图。首先，在给第二电极4施加电压的情况下，在第二电极4的电极下和第一电极3的电极下形成极化反转区域R2。接下来，如果给第一电极3施加电压，则在两个电极下形成的极化反转区域进一步生长，形成极化反转区域R1。由此，证明为了扩大极化反转区域通过在同一个平面上形成的另一个电极施加电压也是有效的。
接下来，针对以扩大在第一电极3下形成的极化反转区域为目的，变化下面的条件进行研究的结果进行说明。
(a)电压施加方法(b)电极间隔(c)电极方向和结晶轴(d)电压波形和电荷量(e)第二电极4的形状(f)绝缘溶液的温度首先，针对(a)电压施加方法进行说明。作为电压的施加方法针对同时对第一电极3和第二电极4施加和分别对各个电极单独施加的个别施加进行研究。对于同时施加，由于在+Z表面附近流动的电流变多，在第一电极3和第二电极4的同一平面内大电流流过变得容易，所以放电产生率变的非常高。因而，优选以个别施加作为电压的施加方法。对此在下面进行详细说明。
如果对第一和第二电极3、4同时施加电场，则由于集中在各个电极尖端的电场减少，阻碍极化反转区域的生长。由此对于在初期的电场施加，分别施加电场是有效的。进一步，通过由相邻的电极施加电场，在没有施加电压的电极下也产生极化反转的作用，通过交替使用相邻电极并施加电场，得到更大地扩大在相互的电极下形成的极化反转区域的效果。还有，通过交替地施加电场，与通过单个电极施加电场的情况相比，得到极化反转区域变长的效果。在实验中，例如在电极间隔为200μm的情况下，与同时对第一和第二电极3、4施加电压的情况相比，仅在一个电极施加电场的情况下，极化反转区域的长度增长约2倍，而且通过交替施加电场得到约1.5倍的、同时施加时的3倍的极化反转区域的长度Lr。
这样对第一和第二电极交互施加电场比施加脉冲电场更有效。还有，相对于最初施加了电场的电极，由后面施加了电场的电极形成的极化反转区域的长度Lr倾向于增大。因此，对主要的电极在后面施加电场是有效的。
另一方面在施加脉冲电场后施加直流电场的情况没有发现交替施加电场的效果。通过给相邻的电极同时施加电场，可以使过程缩短。还有，还具有全部形成的极化反转结构变的均匀的效果。对于在施加脉冲电场后施加直流电场，同时对多个电极施加的方法是有效的。
因此，作为优选的一个例子，通过在第一电极3和相对电极6之间施加电压的第一电场施加工序，和在第二电极4和相对电极6之间施加电压的第二电场施加工序来施加电场。因此，在第一电场施加工序中，施加电场强度E1、脉冲宽度τ≤10毫秒的脉冲电压，在第二电场施加工序中，施加电场强度E2、脉冲宽度τ≥1秒的直流电压，设定E1＞E2。
接下来，针对(b)电极间隔进行说明。图13是表示在相同的施加条件下，第一电极3的尖端5a和第二电极4的尖端15a的间隔L与第一电极3下形成的极化反转区域的长度Lr的关系的图。如从该图中可以判断的，伴随着电极间隔L变小，长度Lr增大。还有，从电极间隔L在200μm附近长度Lr开始饱和，所以优选在200μm以下。另一方面，如果电极间隔L过分接近(L≤50μm)，那么放电产生率变高。在本实施方式中，将第一电极3和第二电极4的电极间隔L设定为L＝200μm，可以得到良好的效果。
对于(c)电极方向和结晶轴已经在实施方式1中说明。
接下来，针对(d)电压波形和电荷量进行说明。对于电压波形与在实施方式1中说明的内容相同。针对给电极施加的电荷量的研究结果如下。为了扩大第一电极3下面的极化反转区域，供给第二电极4过剩的电荷量是有效的。在第二电极4中，如果使自发极化为Ps，极化反转面积为A，那么适宜的电荷量C为C＝2Ps×A。通过施加适当的电荷量C的100倍以上的电荷量，第一电极3下的极化反转区域扩大，长度Lr大大增大。此时，由于在第二电极4上施加了过剩电荷量，所以在第二电极4下全都形成极化反转，由于梳状的形状产生的周期性的极化反转消失。
接下来，针对(e)第二电极4的形状进行说明。作为第二电极4的形状，尖端15a从电极指15的基部在Y轴方向延伸的形状是有效的。但是，由于使用第二电极4作为用于扩大第一电极下的极化反转区域的扩大的虚设电极，所以只要通过施加电场来扩大第一电极3下的极化反转区域，其它的电极形状也可以。实际上，作为第二电极4，在使用长方形的电极的情况下，通过对第二电极4施加电场，第一电极3的极化反转区域也扩大。
接下来，针对(f)绝缘溶液的温度进行说明。为了防止施加电场时的绝缘破坏，优选在绝缘溶液中进行电场的施加。图14是表示绝缘溶液的温度和极化反转区域的长度Lr的关系的图。确认从80℃附近开始极化反转区域增大，并且可知在100℃以上的温度反转区域的长度Lr饱和。考虑这是由于MgLN基板的温度上升，反转电场减少，并且极化反转的生长变的容易的原因。还有，对于150℃以上，周期方向的极化反转的生长变的显著，形成短周期(5μm以下)的均匀的极化反转结构变的困难。因而，形成短周期极化反转区域优选使绝缘溶液的温度在150℃以下。该条件同样适用于实施方式1的方法。
通过考虑了以上说明的条件的极化反转结构的形成方法，在1mm厚的Z板MgLN基板中，得到周期10μm以下的短周期极化反转结构均匀而且宽的反转面积。在本实施方式的极化反转结构的形成方法中，MgLN的基板厚度在1mm以上的情况下得到良好的效果。即，极化反转区域的均匀性、极化反转部的电极下的宽度Lr在基板厚度为1mm以上的情况下是良好的。其理由是通过使用厚度基板可以防止极化反转区域贯通基板。
图15是表示基板厚度T和可以形成极化反转的极化反转周期Λ的关系的图。对于0.5mm厚的基板，7μm以下的周期状的极化反转是非常困难的。通过厚板化可以形成微小的极化反转。如后述的，这是由于若极化反转区域贯通基板，则极化反转区域的不均匀性增大而且形成微小的极化反转结构变的困难的原因。通过使基板的厚度加厚，可以抑制极化反转区域的贯通并形成均匀的极化反转区域。现有的通过使基板厚度薄到0.5mm以下，可以形成极化反转区域，而且可以形成微小的反转结构。通过加厚基板使反转区域容易均匀化微小化对于掺杂了Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)的情况特别有效。
(实施方式4)参照图16A和16B针对实施方式4中的极化反转结构的形成方法进行说明。本实施方式中的电极结构大概与实施方式3的情况相同。不同点是在MgLN基板1的-Z面和相对电极6之间夹入SiO2膜作为绝缘膜18。还有通过在电极之间施加低频率的脉冲电压，在+Z面上所形成的电极下形成宽范围的极化反转区域。
如在实施方式3中已经描述的，MgLN具有特有的整流特性，如果一部分极化反转且贯通在MgLN基板1之间，那么在该部分流动电流，该部分的极化与其它部分相比生长得更大。其结果是，不仅由于在整个MgLN基板1上没有施加期望的电压而阻止反转区域延伸，而且反转变的不均匀。特别是在形成具有4μm以下的周期的极化反转结构的情况下不均匀性大幅度增大。
为了防止MgLN基板1的上下面的极化的贯通并得到短周期的极化反转区域的均匀化或极化反转区域的扩大，在本实施方式中，在-Z面和相对电极6之间夹入SiO2膜作为绝缘膜18。通过在电极之间夹入绝缘体的结构，可以使电极的容量增大，极化反转的均匀性增大和在电极下形成的极化反转区域扩大。对于在电极间夹入绝缘体的结构，在日本专利申请特开平7-281224号公报中已有记载。在该文献中记载了为了在厚度0.3mm的基板使周期5μm的极化反转区域在基板表面和背面贯通，将施加时间设定为3秒。
另一方面，为了在1mm以上的厚度的基板上形成短周期的极化反转结构，防止基板之间的极化贯通是非常重要的。极化的贯通与施加的脉冲电压的脉冲宽度的依赖关系很大。因此，针对施加的脉冲波形进行研究。首先，施加脉冲宽度τ为10～100秒的脉冲波形，即使很低地设定电流值也不能得到周期状的极化反转，而且发现放电或整个表面产生极化反转的现象。考虑这是由于施加脉冲宽度长而产生的影响。另一方面，施加具有与现有的同样的1毫秒的脉冲宽度的脉冲波形，即使增大脉冲数和电流，反转区域也不扩大。
因此，进行脉冲宽度的最适宜化，如图17所示，可知在脉冲宽度τ为1毫秒～50毫秒的范围，反转区域扩大。特别是，发现对于10毫秒～50毫秒，反转区域的扩大显著。而且，极化反转宽度W在大概0.5Λ(Λ为极化反转周期)时占空比接近50％，效率最高。对于脉冲宽度在1秒以上，极化反转在宽度方向过分生长，直到W＝Λ，极化反转区域的宽度变得比周期大，不能得到周期结构。
还有，对使用2mm厚的MgLN基板的情况的极化反转区域的扩大进行研究，同样可以确认反转特性对于脉冲宽度的依赖性。即，在脉冲宽度为10毫秒～2秒的区域中，确认周期4μm的反转区域的扩大。
还有，对于本实施方式，作为绝缘膜，除了SiO2膜以外，也可以使用TiO2膜、Ta2O5膜、Nb2O5膜等。
(实施方式5)实施方式5中的极化反转结构的形成方法，代替实施方式4的电极结构中作为绝缘膜18使用的SiO2膜，使用Si膜作为半导体膜。通过在-Z面和相对电极6之间夹入作为半导体膜的Si膜的结构，可以使电极的容量增大，防止基板间的极化贯通，改善极化反转的均匀性和扩大在电极下形成的极化反转区域。
在根据本实施方式使用半导体膜的情况下，针对施加的脉冲波形进行研究。首先，施加脉冲宽度τ为10～100秒的脉冲波形，即使很低地设定电流值也不能得到周期状的极化反转，而且发现放电或整个表面极化反转的现象。这是由于施加脉冲宽度长的影响。另一方面，施加具有与现有的同样的1毫秒的脉冲宽度的脉冲波形，即使增大脉冲数和电流，反转区域也不扩大。因此，进行脉冲宽度的最适宜化，可知在脉冲宽度τ为10毫秒～1秒的范围内，反转区域扩大。特别是，发现对于20毫秒～50毫秒，反转区域的扩大显著。
还有，对使用2mm厚的MgLN基板的情况的极化反转区域的扩大进行研究，同样可以确认反转特性对于脉冲宽度的依赖性。即，在脉冲宽度为10毫秒～2秒的区域中，确认周期4μm的反转区域的扩大。
对于本实施方式，作为半导体膜，除了Si膜以外，也可以使用ZnSe膜、GaP膜等。
(实施方式6)实施方式6中的光学元件可以利用上述实施方式中的极化反转结构的形成方法来制造。参照图18针对作为本实施方式的光学元件的一个例子的波长变换元件进行说明。图18是波长变换元件的斜视图。Z板的MgLN基板20上，形成有周期的极化反转区域21。波长λ的基波通过周期性的极化反转结构进行波长变换，可以变换为λ/2的高次谐波。极化反转周期可以例如是4μm，可以将波长900nm的光波长变换为波长450nm的光。基板20的厚度例如为1mm，极化反转区域21的深度是0.8mm左右。极化反转区域21沿着基板结晶的Y轴延伸。极化反转区域21还从基板20的+Z面向-Z面侧形成。极化反转区域21的深度形成为多个极化法反转区域21的大部分比基板20的厚度浅。一部分极化反转区域21虽然贯通基板20形成，但是贯通的极化反转区域21的面积变为整个极化反转区域面积的50％以下。
使极化反转区域21在X轴方向跨越10mm的长度形成，通过透镜入射900nm的光，以变换效率5％/W进行波长变化，得到450nm的高次谐波。判断形成均匀的极化反转区域而且进行高效率的波长变换。还有，通过使基板20厚度在1mm以上，基波、高次谐波的光束腰变大。由此，可以降低光的功率密度，得到高输出。相比在0.5mm厚的基板形成极化反转区域的情况，利用1mm厚的基板的情况，可以使输出提高4倍。
还有，通过使极化反转区域21在Y轴方向形成，可以形成均匀且短周期的极化反转结构。可以形成周期2μm以下的极化反转结构，由此可以产生波长400nm以下的紫外光。通过在Y轴方向形成极化反转区域21，可以产生短波长光。与此相对，在X轴方向形成极化反转区域21的情况下，形成短周期的极化反转结构变的困难，只能得到波长500nm以上的光。
还有，通过使极化反转区域形成为深度比基板厚度浅、且贯通的极化反转区域的面积抑制在50％以下，可以形成均匀的极化反转结构。在贯通的极化反转区域的比例为1％～50％的范围的情况下，得到均匀的极化反转区域。如果极化反转区域不满1％，那么观测到引起极化反转结构的不稳定性增大，且制造出的极化反转区域随时间变化的现象。如果极化反转区域在50％以上，那么形成短周期的极化反转区域变的困难。由此，通过制造出的波长变换元件产生波长500nm以下的二次谐波困难。通过如上述的限制贯通的极化反转区域的比例，可以得到极化反转周期3μm以下而且均匀的极化反转区域，产生波长400nm以下的紫外光。
作为利用极化反转结构的光学元件，除了上述光波长变换元件以外，例如通过使极化反转结构形成棱柱形状和格栅形状，可以构成偏光器。另外，可以应用于移相器、光调制器、透镜等。还有通过在极化反转区域施加电压，由于可以通过电光效果控制折射率变化，作为利用此现象的光学元件可以构成开关、偏光器、调制器、移相器，光束整形等。本实施方式的方法由于可以形成微小的极化反转结构，可以使这些光学元件高性能化。
在图19A、19B中示出了利用棱柱形状的极化反转的偏光器。在强电介质基板22上形成周期性的棱柱形状的极化反转区域23。在极化反转区域23的上下形成电极24、25。通过对电极24，25施加电场，使折射率产生变化，可以控制光束26的方向(例如，角度θ)。由于通过施加电场使折射率变化的电光效果与极化方向具有依赖关系，因此如果如图所示施加电场，则可以通过极化反转区域23和非反转区域使折射率的符号逆转，控制棱柱部的光的折射方向。
在以上实施方式的说明中，虽然以使用掺杂了MgO的LiNbO3基板作为强电介质基板的情况作为例子，但是其它的掺杂了MgO的LiTaO3基板、掺杂Nd的LiNbO3基板、KTP基板、KNbO3基板、掺杂了Nd和MgO的LiNbO3基板、或者掺杂了Nd和MgO的LiTaO3基板、化学计量组成的同样的基板等的情况也同样适用于本实施方式。其中，由于由掺杂了Nd的结晶构成的基板可以实现激光振荡，所以可以同时进行由激光振荡产生基波以及由其波长变换产生二次谐波。因此，可以构成具有高效率且稳定的动作特性的短波长光源。
本发明在产业上的利用可能性在于，根据本发明，不仅可以在强电介质基板上深度地而且均匀地形成短周期而且宽度大的极化反转结构，还可以制造具有优良特性的光波长变换元件等光学元件。
权利要求
1.一种极化反转结构的形成方法，该方法使用具有与结晶的Z轴大致垂直的主表面的强电介质基板，在上述强电介质基板的主表面上设置第一电极，该第一电极具有形成有周期性设置的多个电极指的图案，在上述强电介质基板的另一表面上设置与上述第一电极相对的相对电极，通过上述第一电极和上述相对电极向上述强电介质基板施加电场，在上述强电介质基板上形成与上述第一电极的图案相对应的极化反转区域，其特征在于设置上述第一电极的各个电极指，使得从上述第一电极的电极指的基部向着尖端的方向沿着上述强电介质基板的结晶的Y轴方向。
2.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于对上述强电介质基板施加电场，使得相对于上述极化反转区域的整个面积，从上述强电介质基板的表面贯通到背面的上述极化反转区域的面积的比例被控制在50％以下。
3.根据权利要求2所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述强电介质基板的厚度T在1mm以上。
4.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于对上述强电介质基板施加电场，使得上述极化反转区域的深度D的平均值是上述强电介质基板的厚度的40％～95％。
5.根据权利要求1所述的极化反转区域的形成方法，其特征在于上述强电介质基板是掺杂了Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)。
6.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述第一电极是梳状电极，上述电极指为条纹状。
7.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述第一电极的电极指是三角形，电极指的尖端由三角形的顶点形成。
8.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述电极指具有相对于从其基部向着尖端的方向的轴的对称的形状，将上述电极指设置成使得其对称轴沿着上述强电介质基板的结晶的Y轴方向。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于使上述电极指的尖端的宽度在5μm以下。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于对上述强电介质基板施加电场的工序包括施加电场强度为E1的脉冲电压的工序，和施加电场强度为E2的直流电压的工序，并且满足E1＞E2。
11.根据权利要求10所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于使上述电场E1大于6kV/mm，上述电场E2小于5kV/mm。
12.根据权利要求10所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述脉冲电压由两个以上的多个脉冲串构成。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于在形成上述极化反转区域后，在200℃以上对上述强电介质基板实施热处理，在上述热处理中，抑制上述强电介质基板的热电电荷的产生。
14.根据权利要求13所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于在上述热处理中，使上述强电介质基板的表面和背面电短路。
15.根据权利要求13所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述热处理中的升温速度在10℃/分以下。
16.根据权利要求1或13所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述强电介质基板的极化反转电场在5kV/mm以下。
17.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述强电介质的基板的结晶大致是化学计量组成。
18.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于在上述主表面上，以与上述第一电极的多个电极指的尖端具有间隔且相对的方式设置第二电极。
19.根据权利要求18所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述电极指的尖端和上述第二电极之间的最短距离L与上述强电介质基板的厚度T的关系被设定成满足L＜T/2。
20.根据权利要求18或19所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于通过在上述第一电极和上述相对电极之间施加电压，在上述第一和第二电极下形成极化反转区域。
21.根据权利要求20所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于还具有在上述第一电极和上述相对电极之间施加电压的第一电场施加工序，以及在上述第二电极和上述相对电极之间施加电压的第二电场施加工序。
22.根据权利要求21所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于通过上述第一电场施加工序和上述第二电场施加工序，在上述第一和第二电极下形成极化反转区域。
23.根据权利要求22所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于分别进行上述第一电场施加工序和上述第二电场施加工序。
24.根据权利要求18所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述第二电极具有尖端与上述第一电极的电极指的尖端相对的多个电极指，上述第二电极的电极指被设置成从其基部向其尖端的方向沿着上述强电介质基板的结晶的Y轴方向。
25.根据权利要求18所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述第一电极和上述第二电极的距离L为50μm≤L≤200μm。
26.根据权利要求21所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于在用Ps表示上述强电介质基板的自发极化、用A表示期望的极化反转区域的面积时，通过上述第一电场施加工序或者第二电场施加工序中的任意一个施加2PsA的100倍以上的电荷量。
27.根据权利要求21所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于在上述第一电场施加工序中，施加电场强度E1、脉冲宽度τ≤10毫秒的脉冲电压，在上述第二电场施加工序中，施加电场强度E2、脉冲宽度τ≥1秒的直流电压，其中E1＞E2。
28.根据权利要求1或18所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于在上述强电介质基板上施加电场的工序在100℃以上的绝缘溶液中进行。
29.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述主表面和上述Z轴所形成的角度θ在80°≤θ≤100°的范围内。
30.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述强电介质的基板厚度T在1mm以上，并制造周期A为2μm以下的极化反转区域。
31.根据权利要求30所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于制造成上述极化反转区域的深度D相对于基板厚度T满足D＜T的关系。
32.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述强电介质基板的厚度T为T≥1mm，在上述相对电极和上述强电介质基板之间形成绝缘膜，在上述第一电极和上述相对电极之间施加脉冲宽度为1毫秒～50毫秒的脉冲电压。
33.根据权利要求32所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述绝缘膜是SiO2膜、TiO2膜，或Ta2O5膜。
34.根据权利要求1所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述强电介质基板的厚度T为T≥1mm，在上述相对电极和上述强电介质基板之间形成半导体膜，在上述第一电极和上述相对电极之间施加脉冲宽度为1毫秒～50毫秒的脉冲电压。
35.根据权利要求34所述的极化反转结构的形成方法，其特征在于上述半导体膜是Si膜、ZnSe膜、或GaP膜。
36.一种光学元件，包括具有大致垂直于结晶的Z轴的平面的强电介质基板和周期性地形成在上述强电介质基板上的多个极化反转区域，上述极化反转区域分别具有轴对称平面形状，且被设置成其对称轴相互平行，其特征在于形成上述极化反转区域，使得上述对称轴的方向沿着上述强电介质基板的结晶的Y轴；上述极化反转区域具有从+Z面向-Z面延伸的形状，而且相对于上述极化反转区域的整个面积，从上述强电介质基板的表面贯通到背面的上述极化反转区域的面积的比例在50％以下，或者上述极化反转区域的平均深度在上述强电介质基板的厚度的40～95％的范围内。
37.根据权利要求36所述的光学元件，其特征在于上述强电介质基板是掺杂了Mg的LiTa(1-X)NbXO3(0≤x≤1)。
38.根据权利要求36所述的光学元件，其特征在于上述极化反转区域的周期在4μm以下。
39.根据权利要求36所述的光学元件，其特征在于上述强电介质基板的厚度为1mm以上。
40.根据权利要求38所述的光学元件，其特征在于上述强电介质基板的厚度T是1mm，上述极化反转区域的周期Λ为2μm以下。
41.根据权利要求40所述的光学元件，其特征在于上述极化反转区域的深度D相对于基板厚度T满足D＜T的关系。
42.根据权利要求36所述的光学元件，其特征在于上述主表面和上述Z轴形成的角度θ在80°≤θ≤100°的范围内。
全文摘要
使用具有大致与结晶的Z轴垂直的主表面的强电介质基板(1)，在强电介质基板的主表面上设置具有形成了周期性排列的多个电极指(5)的图案的第一电极(3)，在强电介质基板的另一个表面上设置与第一电极相对的相对电极(6)，通过第一电极和相对电极将电场施加给强电介质基板，从而在强电介质基板中形成对应于第一电极的图案的极化反转区域。第一电极的各个电极指被配置成，使得从每一个电极指的基部向尖端(5a)的方向沿着强电介质基板的结晶的Y轴方向。由此可以形成均匀的且短周期的极化反转结构。
文档编号G02F1/37GK1717620SQ20038010411
公开日2006年1月4日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年11月25日
发明者水内公典, 森川显洋, 杉田知也 申请人:松下电器产业株式会社