JP2005156634A - 円柱状強誘電体単結晶を有する波長変換素子およびそれを用いた光発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、熱分布が中心対称になる波長変換素子を提供すること。
【解決手段】 本発明の波長変換素子は、断面が実質的に真円である円柱状強誘電体単結晶からなる。分極方向に垂直な方向に所定の周期を有する分極反転構造を有する。円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱分布が中心対称になる波長変換素子に関する。本発明は、また、熱分布が中心対称であり、損傷伝播のないマルチグレーティングを有する波長変換素子およびそれを用いた光発生装置に関する。

近年、優れた非線形光学定数および電気光学定数を有する強誘電体単結晶を用いた波長変換素子の研究が盛んに行われている。なかでも、良質な強誘電体単結晶の製造技術および分極反転形成技術の向上により、擬似位相整合方式を採用した波長変換素子の発展は目覚しい。
定比組成のタンタル酸リチウム単結晶を利用した波長変換素子の開発がされている（例えば、特許文献１を参照。）。

図１１は、従来技術による波長変換システムを示す図である。
波長変換システム１１００は、波長可変レーザ１１０１と、レンズ１１０２と、波長変換素子１１０３とを含む。
波長変換素子１１０３は、厚さ０．３ｍｍ〜５ｍｍである定比組成に近いタンタル酸リチウム単結晶からなる。波長変換素子１１０３は、電圧印加法により作製された周期３μｍ〜５μｍの周期分極反転構造を有する。
このような波長変換システム１１００において、波長可変レーザ１１０１が発する光（基本波）は、レンズ１１０２を介して波長変換素子１１０３に入射する。波長変換素子１１０３に入射した基本波は、光の導波方向に周期的に繰り返された周期分極反転構造により、基本波の第二高調波と位相整合（擬似位相整合）する。このようにして、基本波は、波長変換素子１１０３を伝播する間に第二高調波に変換される。

一方、ニオブ酸リチウム単結晶を利用した波長の広い範囲にわたって調整可能な（以後では、単にチューナビリティと呼ぶ）波長変換素子が開発されている（例えば、非特許文献１を参照。）。

図１２は、従来技術によるマルチグレーティング型擬似位相整合（ＱＰＭ）パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を示す図である。
ＱＰＭ ＯＰＯ１２００は、波長変換素子１２０１と、第１のミラー１２０２と、第２のミラー１２０３と、移動手段１２０４とを備える。
波長変換素子１２０１は、コングルエントニオブ酸リチウム（ＣＬＮ）ウェハから作製されている。波長変換素子１２０１は、ＣＬＮウェハの分極方向に平行な方向の厚さが０．５ｍｍであり、素子長Ｌは２６ｍｍである。波長変換素子１２０１は、周期の異なる分極反転構造（グレーティング）を複数有する。各グレーティングの幅Ｗ_Gは５００μｍである。各グレーティング間の間隔は、５０μｍである。各グレーティングの周期は、２６〜３６μｍである。グレーティングの周期が０．２５μｍずつ増分するように配置されている。このようなグレーティングは、グレーティングごとに所定の周期を有するマスクを用いたリソグラフィ技術および電界印加法によって、繰り返し作製される。図において、マルチグレーティングのうち一部のみを示す。

第１のミラー１２０２および第２のミラー１２０３はそれぞれ、曲率半径１５０ｍｍを有する。第１のミラー１２０２と第２のミラー１２０３とは、波長変換素子１２０１を介して配置されており、その間隔は３０ｍｍである。
移動手段１２０４は、波長変換素子１２０１を平行に移動させる。

次に、このようなＱＰＭ ＯＰＯ１２００の動作を説明する。
ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ（図示せず）から発生したポンプレーザ光（第１の波長λ₁＝１.０６４μｍ）は、第１のミラー１２０２を介して所与のビーム径で波長変換素子１２０１の所定の周期を有するグレーティングに入射する。この際、所定のグレーティングにポンプレーザ光が入射するように、移動手段１２０４は、予め波長変換素子１２０１を移動させる。その後、第１の波長λ₁を有するポンプレーザ光は、波長変換素子１２０１の周期に応じて、第２の波長λ₂を有するシグナル光および第３の波長λ₃を有するアイドラ光に変換される。この際、波長１．５４μｍを中心とするシグナル光は、第１のミラー１２０２および第２のミラー１２０３で一部が反射する。第２のミラー１２０３で反射することなく透過したシグナル光およびアイドラ光がＱＰＭ ＯＰＯ１２００から出射する。

このようにして設計されたＱＰＭ ＯＰＯ１２００によれば、ポンプレーザ光の第１の波長λ₁が１．０６４μｍであり、マルチグレーティングの周期が２６μｍ〜３２μｍの場合、移動手段１２０４によって波長変換素子１２０１を移動させるだけで、シグナル光の第２の波長λ₂は、１．３６μｍ〜１．９８μｍの波長可変範囲、アイドラ光の第３の波長λ₃は、４．８３μｍ〜２．３０μｍの波長可変範囲を達成可能である。
特開２００２−９０７８５号公報 Ｌ． Ｅ． Ｍｅｙｒｓら、「Ｍｕｌｔｉｇｒａｔｉｎｇ ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｉｎ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ3」、ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ａｐｒｉｌ １５， １９９６、Ｖｏｌ． ２１，Ｎｏ． ８、ｐｐ． ５９１−５９３

例えば、図１１に示される波長変換素子１１０３に、波長可変レーザ１１０１が発する光が照射すると、波長変換素子１１０３に熱分布が生じ得る。熱分布が生じると、波長変換素子の材料である強誘電体単結晶の熱複屈折効果が生じる。熱複屈折効果が生じると、光の偏光が乱れる（すなわち、光のモードが変化し得る）という問題を生じる。このような偏光特性の劣化は、消光比を低下させることになる。このような熱複屈折効果を補償するために、偏光子および１／４波長板等の光学系を必要とするため、装置全体が複雑になるとともに、小型化を困難にしていた。

また、熱分布によって生じた熱複屈折効果により、波長変換素子１１０３における位相整合条件が一部満たされなくなり得る。その結果、変換効率が大きく低下し得る。さらには、波長変換素子１１０３から出射する光のビーム形状が、熱分布の形状に依存して歪み（円形でなくなる）得る。

一方、図１２に示される波長変換素子１２０１は単一ウェハから作製されているため、ポンプレーザ光の照射によって１つのグレーティングに生じたクラック等の損傷は、容易に他のグレーティングに伝播してしまい、損傷に弱い（損傷伝播）という難点を有する。また、波長変換素子１２０１は、１つのグレーティングが損傷すると素子全体を交換しなければならないため、コストがかかるという問題を有する。

波長変換素子１２０１は、マルチグレーティングを作製する際に、１つのグレーティングの作製に失敗する（分極反転部分が接合してしまう）と、ウェハ全体を破棄しなければならない。そのため歩留まりが悪い。
さらに、波長変換素子１２０１は、ＴＭ偏光を有する光のみを波長変換することができる。したがって、ポンプレーザ光の波長がＴＥ偏光である場合には、ＴＥ偏光をＴＭ偏光にする必要がある。このため、ポンプレーザ光の偏光に応じて、偏光子等の光学系が必要となるため、ＱＰＭ ＯＰＯ全体が大きくなるといった問題が生じる。

したがって、本発明の目的は、熱分布が中心対称になる波長変換素子を提供することである。
本発明の別の目的は、熱分布が中心対称であり、かつ、損傷伝播のないマルチグレーティングを有する波長変換素子およびそれを用いた光発生装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、歩留まりを向上させた波長変換素子およびそれを用いた光発生装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、入射光の偏光に対する自由度を向上させた波長変換素子およびそれを用いた光発生装置を提供することである。

本発明による波長変換素子は、断面が実質的に真円である円柱状強誘電体単結晶からなり、前記円柱状強誘電体単結晶が、前記分極方向に垂直な方向に所定の周期を有する分極反転構造を有し、これにより上記目的を達成する。
前記円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択されてもよい。

前記所定の周期は、前記円柱状強誘電体単結晶が、第１の波長λ₁を有する第１の光を、第２の波長λ₂を有する第２の光と第３の波長λ₃を有する第３の光とに変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂と前記第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃、関係λ₁＜λ₂およびλ₁＜λ₃を満たすように、擬似位相整合する周期であってもよい。

前記所定の周期は、前記円柱柱状強誘電体単結晶が、第１の波長λ₁を有する第１の光を第２の波長λ₂を有する第２の光に変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂とが、関係λ₁＝２×λ₂を満たすように、擬似位相整合する周期であってもよい。
前記所定の周期は、前記円柱状強誘電体単結晶が、第１の波長λ₁を有する第１の光と第２の波長λ₂を有する第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光に変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂と前記第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁±１／λ₂＝１／λ₃を満たすように、擬似位相整合する周期であってもよい。

本発明による波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の円柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの断面は実質的に真円であり、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、前記分極方向に垂直な方向に所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されており、これにより上記目的を達成する。

前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群からそれぞれ選択されてもよい。
前記所定の周期は、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ₁を有する第１の光を、第２の波長λ₂を有する第２の光と第３の波長λ₃を有する第３の光とに変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂と前記第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃、関係λ₁＜λ₂およびλ₁＜λ₃を満たすように、擬似位相整合する周期であってもよい。

前記所定の周期は、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ₁を有する第１の光を第２の波長λ₂を有する第２の光に変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂とが、関係λ₁＝２×λ₂を満たすように、擬似位相整合する周期であってもよい。
前記所定の周期は、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ₁を有する第１の光と第２の波長λ₂を有する第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光に変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂と前記第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁±１／λ₂＝１／λ₃を満たすように、擬似位相整合する周期であってもよい。

前記ホルダーは熱伝導性材料から形成されてもよい。
前記ホルダーに設置された温度制御素子と、前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームとをさらに含んでもよい。
前記温度制御素子を制御する制御部をさらに含んでもよい。
前記複数の円柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されていてもよい。

本発明による光発生装置は、第１の波長λ₁を有する第１の光を発する光源と、前記第１の光を、第２の波長λ₂を有する第２の光と第３の波長λ₃を有する第３の光とに変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の位置を制御する制御部とを含み、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の円柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの断面は実質的に真円であり、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃、関係λ₁＜λ₂およびλ₁＜λ₃を満たすように、前記分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されており、これにより上記目的を達成する。

前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群からそれぞれ選択されてもよい。
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成されてもよい。
前記波長変換素子は、前記ホルダーに設置された温度制御素子と、前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームとをさらに含んでもよい。
前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御してもよい。
前記複数の円柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されてもよい。

本発明による第１の波長λ₁を有する第１の光を発する光源と、前記第１の光を第２の波長λ₂を有する第２の光に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の位置を制御する制御部とを含み、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の円柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの断面は実質的に真円であり、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂とが関係λ₁＝２×λ₂を満たすように、前記分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されており、これにより上記目的を達成する。

前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群からそれぞれ選択されてもよい。
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成されてもよい。
前記波長変換素子は、前記ホルダーに設置された温度制御素子と、前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームとをさらに含んでもよい。
前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御してもよい。
前記複数の円柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されてもよい。

本発明による光発生装置は、第１の波長λ₁を有する第１の光を発する第１の光源と、前記第１の光と、外部から入射した第２の波長λ₂を有する第２の光とを結合させる光学系と、前記第１の光と第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の位置を制御する制御部とを含み、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の円柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの断面は実質的に真円であり、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁±１／λ₂＝１／λ₃を満たすように、前記分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されており、これにより上記目的を達成する。

前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群からそれぞれ選択されてもよい。
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成されてもよい。
前記波長変換素子は、前記ホルダーに設置された温度制御素子と、前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームとをさらに含んでもよい。
前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御してもよい。
前記複数の柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されてもよい。

本発明の波長変換素子は、断面が実質的に真円である円柱状強誘電体単結晶からなる。円柱状強誘電体単結晶は、分極方向に垂直な方向に所定の周期を有する分極反転構造を有する。円柱状強誘電体単結晶の断面が実質的に真円であるため、波長変換素子に照射された光によって熱分布が生じる場合でもあっても、熱分布は必ず中心対称となる。その結果、高い消光比（すなわち、高い直線偏光性）を保持することができるとともに、波長変換素子から出射する光の形状は円形を維持することができる。

また、円柱状強誘電体単結晶の断面が実質的に真円であるため、円柱状強誘電体単結晶の配置角度を変更するだけで、入射光の偏光に容易に対応させることができる。したがって、偏光子等の光学系が不要であるため、系全体を小型化させることができる。
また、円柱状強誘電体単結晶は角を有さないため、角部が欠けることによって生じる不要なクラックが結晶中に生じる恐れがない。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。実施の形態において、強誘電体単結晶としてＭｇをドープした実質的に定比組成のタンタル酸リチウム単結晶（ＭｇＳＬＴ）を用いる。本明細書中において、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学両論比に近い組成（Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率＝０．４９０〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。このようなＭｇＳＬＴは、例えば、特開２０００−３４４５９５に記載される二重るつぼを使用したチョクラルスキー法により作製され得る。ＭｇＳＬＴは、強誘電体単結晶の一例に過ぎず、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、不純物（例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ等）をドーピングしたＳＬＮまたはＳＬＴ等の任意の強誘電体単結晶が用いられ得ることに留意されたい。
図中、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、ＭｇＯ１ｍｏｌ％ドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）のアイドラ光およびシグナル光発振波長の分極反転周期依存性を示す図である。
図において、横軸は分極反転周期を表し、縦軸はそれぞれアイドラ光およびシグナル光の発振波長を表す。図１は、波長１.０６４μｍを有するポンプ光を、種々の周期を有するＭｇＳＬＴに入射させ、パラメトリック発振させた場合に生成するアイドラ光およびシグナル光の波長の分極反転周期依存性を示す。図１から、ＭｇＳＬＴをパラメトリック発振器に用いた場合、分極反転周期２９．５μｍ〜３２μｍの範囲において、アイドラ光の発振波長は、２．９μｍ〜３．７μｍのチューナビリティを有することが分かる。同様に、シグナル光の波長は、１．５μｍ〜１．７μｍのチューナビリティを有することが分かる。図には示さないが、分極反転周期を２６μｍ〜３３μｍの範囲において、上述のＭｇＳＬＴのアイドラ光発振波長は、２．５μｍ〜４．０μｍのチューナビリティを有し、シグナル光発振波長は、１．４５μｍ〜１．８５μｍのチューナビリティを有することが分かっている。

図２は、本発明の実施の形態１による円柱状強誘電体単結晶からなる波長変換素子の斜視図である。
円柱状強誘電体単結晶２００は、例えば、図１のＭｇＳＬＴである。円柱状強誘電体単結晶２００の断面の直径は、例えば、１．５ｍｍである。円柱状強誘電体単結晶２００は、分極方向に対して垂直な方向に所定の周期を有する周期分極反転構造２０１を有する。つまり、１つの円柱状強誘電体単結晶２００は、単一のグレーティングを有する。図では、断面は円柱状強誘電体単結晶２００の分極方向と平行な面を示すが、これに限定されない。

上述の所定の周期について説明する。円柱状強誘電体単結晶２００を用いてパラメトリック発振させる場合、円柱状強誘電体単結晶２００に入射する光の波長をλ₁とし、円柱状強誘電体単結晶２００から出射する光の波長をλ₂およびλ₃とすると、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃、関係λ₁＜λ₂およびλ₁＜λ₃を満たすように、擬似位相整合する分極反転周期の範囲が決定される。同様に、円柱状強誘電体単結晶２００を用いて第二高調波発生させる場合、円柱状強誘電体単結晶２００に入射する光の波長をλ₁とし、円柱状強誘電体単結晶２００から出射する光の波長をλ₂とすると、関係λ₁＝２×λ₂を満たすように、擬似位相整合する分極反転周期の範囲が決定される。同様に、円柱状強誘電体単結晶２００を用いて差周波発生または和周波発生させる場合、円柱状強誘電体単結晶２００に入射する光の波長をλ₁およびλ₂とし、円柱状強誘電体単結晶２００から出射する光の波長をλ₃とすると、関係１／λ₁±１／λ₂＝１／λ₃を満たすように、擬似位相整合する分極反転周期が決定される。円柱状強誘電体単結晶２００がＭｇＳＬＴの場合、パラメトリック発振の分極反転周期は、２６μｍ〜３３μｍの範囲から選択され、第二高調波の分極反転周期は１μｍ〜１０μｍの範囲から選択される。差周波発生の場合は、λ₂の波長の応じて任意の分極反転周期が採用される。このような分極反転周期は、強誘電体単結晶固有であることに留意されたい。

円柱状強誘電体単結晶２００の分極方向に対して垂直な方向の長さＬは、例えば３５ｍｍである。円柱状強誘電体単結晶２００の断面の任意の位置の直径Ｄ（例えば、Ｚ軸方向）は、１．５ｍｍである。これら、長さＬおよび直径Ｄは、一例に過ぎず、これらの値に限定されないことに留意されたい。
このような円柱状強誘電体単結晶２００の作製は、例えば、最初に角柱状強誘電体単結晶が切り出される。次いで、周期分極反転構造２０１が、電圧印加法、電子ビーム走査照射法およびプロトン交換熱処理法等の任意の方法を用いて切り出された角柱状強誘電体単結晶に作製され得る。その後、角柱状強誘電体単結晶は、所定の型（例えば、中空体）を用いて打ち抜かれる。ただし、円柱状強誘電体単結晶２００の作製方法はこれに限定されない。また、Ｚ軸方位が分かるように、所定の位置にオリフラを設けてもよい。円柱状強誘電体単結晶２００の端面に反射膜が設けられていてもよい。

本発明の円柱状強誘電体単結晶２００の断面は、実質的に真円である。実質的に真円とは、断面の異なる任意の位置の直径の比が必ずしも１ではないものの、このような円柱状強誘電体単結晶２００を用いた場合に生じるデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。
このように円柱状強誘電体単結晶２００の断面が実質的に真円であるため、入射光の偏光に応じて、円柱状強誘電体単結晶２００の配置を変更することができる。つまり、円柱状強誘電体単結晶２００は、配置角度を変更するだけで任意の偏光を有する光を波長変換することができる。

図２に示される波長変換素子２００を用いて第二高調波を発生させる場合の、波長変換素子２００の動作を説明する。
波長変換素子２００は、光源（図示せず）と集光光学系(図示せず)とともに用いられ得る。光源は、例えば、第１の波長λ₁が７８０ｎｍである第１の光（基本波）を発する半導体レーザであり得るが、これに限定されない。光源は、コヒーレントである限り、任意の光源を用いることができる。集光光学系は、第１の光を集光し、波長変換素子２００に入射させるように機能する任意の光学系であり得る。

光源が発する第１の光は、集光光学系を介して波長変換素子２００に入射する。周期分極反転構造２０１は、光源の第１の光（基本波）の伝播方向に周期的に繰り返されている。このような周期分極反転構造２０１により、基本波とその第二高調波とが位相整合（擬似位相整合）する。このようにして、基本波は、波長変換素子２００を伝播する間に第２の波長λ₂が３９０ｎｍである第２の光（第二高調波）に変換される。なお、波長変換素子２００の基本波の入射面と出射面とに反射膜を設けて、波長変換素子２００を共振器として機能させてもよい。

なお、上述したように、波長変換素子２００は円柱状強誘電体単結晶からなるので、第１の光の偏光に合わせて、円柱状強誘電体単結晶の配置角度を変更することができる。つまり、波長変換素子２００は、任意の偏光を有する光を波長変換することができる。これにより、光源の偏光に対する自由度が向上するので、任意の光源を用いることができる。円柱状強誘電体単結晶の配置角度の変更は、手動で行ってもよいし、または、機械制御で行ってもよい。

第１の光の照射によって波長変換素子２００に熱分布が生じたとしても、波長変換素子２００の断面が実質的に真円であるため、熱分布は中心対称となる。この際、第１の光は波長変換素子２００の中心に照射されていることに留意されたい。したがって、熱分布が中心対称であるため熱複屈折が低減されるので、波長変換素子２００を伝播する光の高い消光比（すなわち、高い直線偏光性）を保持することができるとともに、波長変換素子２００から出射する光の形状は、歪むことなく円形に維持される。

同様にして、波長変換素子２００を用いてパラメトリック発振および差周波発生させることができることを理解されたい。
図３は、ＭｇＯ１ｍｏｌ％ドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）のアイドラ光およびシグナル光発振波長の温度依存性を示す図である。
図において、横軸は分極反転周期を表し、縦軸はアイドラ光およびシグナル光の発振波長を表す。図３は、波長１.０６４μｍを有するポンプ光を、種々の温度において、種々の周期を有するＭｇＳＬＴに入射させ、パラメトリック発振させた場合に生成するアイドラ光およびシグナル光の発振波長の分極反転周期依存性を示す。図中、ＭｇＳＬＴの室温（３０℃）における結果とＭｇＳＬＴをそれぞれ７０℃、１１０℃、１５０℃および１９０℃に加熱した場合の結果とを示す。図３から、ＭｇＳＬＴをパラメトリック発振器に用いた場合、例えば、アイドラ光発振波長では、同一分極反転周期において約０．４μｍの温度によるチューナビリティを有することが分かった。分極反転構造の周期を制御することに加えて、円柱状強誘電体単結晶２００の温度を制御すれば、より高精度に制御されたチューナビリティを達成することができる。

図４は、本発明の実施の形態１による円柱状強誘電体単結晶からなる別の波長変換素子の斜視図である。
図４に示す波長変換素子４００は、温度制御素子４０１と温度制御素子４０１を覆うフレーム４０２とを有する以外は図２に示す波長変換素子２００と同様である。図３を参照して説明したように、例、ＭｇＳＬＴからなる円柱状強誘電体単結晶は、温度によりチューナビリティを有しているので、波長変換素子２００に温度制御素子４０１を設置することによってより高精度に制御されたチューナビリティが達成され得る。さらに、温度制御素子４０１を包囲するようにフレーム４０２は、断熱性材料から形成される。これにより、温度制御素子４０１の熱の散逸を妨げ、均一に円柱状強誘電体単結晶２００を加熱することができるとともに、ユーザが温度制御素子４０１の熱によって怪我することを防ぐ。図において、温度制御素子４０１は、円柱状強誘電体単結晶２００全体を覆っているが、円柱状強誘電体単結晶２００の温度を均一にすることができる限り任意の温度制御素子を用いることができる。温度制御素子４０１は、例えば、ペルチェ素子であり得る。

波長変換素子４００は、温度制御素子４０１を制御するために、制御部（図示せず）をさらに備えてもよい。このような制御部は、図３に示すような強誘電体単結晶固有の出射波長の温度依存性を有しており、この情報を利用して円柱状強誘電体単結晶２００が適切な温度となるように制御してもよい。また、制御部は、温度の制御に加えて、波長変換素子４００に入射する光の偏光に関する情報を入手し、入射光の偏光に応じて波長変換素子４００の角度配置を変更するように制御してもよい。

以上、図２および図４を参照して説明してきたように、本発明による円柱状強誘電体単結晶２００、４００からなる波長変換素子は、断面が実質的に真円であるあため、波長変換素子に照射された光によって熱分布が生じる場合でもあっても、熱分布は必ず中心対称となる。その結果、光の高い消光比（すなわち、高い直線偏光性）を保持することができるとともに、波長変換素子２００、４００から出射する光の形状が円形に維持される。

また、円柱状強誘電体単結晶の断面が実質的に真円であるため、円柱状強誘電体単結晶の配置角度を変更するだけで、入射光の偏光に容易に対応させることができる。したがって、偏光子等の光学系が不要であるため、系全体を小型化させることができる。また、任意の光源を用いることができる。
また、円柱状強誘電体単結晶は角を有さないため、角部が欠けることによって生じる不要なクラックが結晶中に生じる恐れがない。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２による波長変換素子の斜視図である。
波長変換素子５００は、ホルダー５０１と、複数の円柱状強誘電体単結晶５０２とを含む。
ホルダー５０１には、複数の円柱状強誘電体単結晶５０２が収容される。ホルダー５０１のサイズ（長さ、幅、厚さ）は、収容される円柱状強誘電体単結晶２００の数、複数の円柱状強誘電体単結晶５０２の配置に応じて変更され得る。図では、ホルダー５０１は、半円が模られた底部と蓋部とからなるが、ホルダー５０１の構成は、このような構成に限定されない。例えば、矩形の筒であってもよい。

ホルダー５０１は、好ましくは、銅などの熱伝導性材料から形成される。実施の形態１で説明したように、複数の円柱状強誘電体単結晶５０２は、入射光の照射による熱分布は必ず中心対称となる。このため、円柱状強誘電体単結晶２００に熱分布が生じたとしても、光の高い消光比（すなわち、高い直線偏光性）を保持することができる。しかしながら、ホルダー５０１が熱伝導性材料であれば、入射光の照射による熱を容易に散逸させることができるので、熱分布の発生を低減することができる。

複数の円柱状強誘電体単結晶５０２は、それぞれの分極方向に垂直な方向が同一となるように配置されている。これにより容易にマルチグレーティングが達成され得る。図では、簡単のため、５本の円柱状強誘電体単結晶５０２が、平面状に、かつ、それぞれの分極方向が同一となるように配置されている。ただし、円柱状強誘電体単結晶２００の数および配置様態は、円柱状強誘電体単結晶２００のそれぞれの分極方向に垂直な方向が同一となる限り、任意である。複数の円柱状強誘電体単結晶５０２それぞれの分極反転周期は、実施の形態１で説明した、パラメトリック発振、第二高調波発生または差周波発生を達成する所定の周期範囲からユーザのニーズに応じて選択される。複数の円柱状強誘電体単結晶５０２それぞれの分極反転周期は、異なる。

このように本発明による波長変換素子５００は、単一のグレーティングを有する単一の円柱状強誘電体単結晶２００を任意に組み合わせることによってマルチグレーティングを達成する。これにより、波長変換素子５００作製時に複数の円柱状強誘電体単結晶（マルチグレーティング）５０２のうちいずれかの円柱状強誘電体単結晶が損傷した場合には、損傷した円柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよいので歩留まりを向上させることができる。また、波長変換素子５００の使用時に１つの円柱状強誘電体単結晶にクラックが発生したとしても、隣接する円柱状強誘電体単結晶にはクラックが伝播することはない。したがって、クラックが発生した円柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよいので、ユーザ側のコストを削減することができる。

次に、波長変換素子５００の動作を説明する。
波長変換素子５００の外部（例えば、光源）からの光（入射光）は、所望の波長を有する光に変換されるよう複数の円柱状強誘電体単結晶５０２のうち特定の分極反転周期を有する円柱状強誘電体単結晶に入射する。波長変換素子５００の分極反転周期に応じて、入射光は、パラメトリック発振、第二高調波発生または差周波発生に基づいて、波長変換される。その後、出射光として波長変換素子５００から出射する。例えば、パラメトリック発振の場合、ポンプ光（入射光）の波長が１．０６４μｍであり、特定の分極反転周期が３１．８μｍである場合、アイドラ光およびシグナル光（出射光）の波長は、それぞれ、２．５μｍおよび１．８５μｍとなる。このように、入射光が、特定の分極反転周期を有する円柱状強誘電体単結晶に照射するように波長変換素子５００を手動で、または、機械制御を用いて移動することによって、チューナビリティが達成され得る。

また、波長変換素子５００は複数の円柱状強誘電体単結晶５０２からなるので、入射光の偏光に合わせて、複数の円柱状強誘電体単結晶それぞれの配置角度を変更することができる。つまり、波長変換素子２００は、任意の偏光を有する光を波長変換することができる。これにより、光源の偏光に対する自由度が向上するので、任意の光源を用いることができる。複数の円柱状強誘電体単結晶それぞれの配置角度の変更は、手動で行ってもよいし、または、機械制御で行ってもよい。

このように複数の円柱状強誘電体単結晶５０２のそれぞれの断面を実質的に真円とすることによって、入射光の偏光モードがＴＥモードであってもＴＭモードであっても、入射光の光源（図示せず）と波長変換素子５００との間に偏光子等の光学系を設けることなく、波長変換することができる。したがって、系全体を小型化することができる。

図６は、本発明の実施の形態２によるさらに別の波長変換素子の斜視図である。
図６（Ａ）に示す波長変換素子６００は、温度制御素子６０１を有する以外は図５を参照して説明した波長変換素子５００と同じである。図３を参照して説明したように、例えば、ＭｇＳＬＴからなる円柱状強誘電体単結晶は、温度によるチューナビリティを有しているので、波長変換素子５００に温度制御素子６０１を設置することによってより高精度に制御されたチューナビリティが達成され得る。図において、温度制御素子６０１はシート形状であるが、温度制御素子６０１は、複数の円柱状強誘電体単結晶５０２の温度を均一にすることができる限り、任意の温度制御素子を用いることができる。温度制御素子６０１は、例えば、ペルチェ素子であり得る。

図６（Ｂ）に示す波長変換素子６１０は、温度制御素子６０１を包囲するフレーム６０２を備える。フレーム６０２は、断熱性材料から形成されている。このように、ホルダー５０１および温度制御素子６０１を断熱性のフレーム６０２で包囲することによって、温度制御素子６０１の熱の散逸を妨げ、均一に複数の円柱状強誘電体単結晶５０２を加熱することができるとともに、ユーザが温度制御素子６０１の熱によって怪我することを防ぐ。

波長変換素子６００または６１０は、温度制御素子６０１を制御するために、制御部（図示せず）をさらに備えてもよい。このような制御部は、図１に示すような強誘電体単結晶材料固有の出射波長の分極反転周期依存性、および／または、図３に示すような強誘電体単結晶固有の出射波長の温度依存性を有しており、これらの関係を利用して、波長変換素子６００または６１０が適切な温度となるように温度制御素子６０１を制御してもよい。また、制御部は、温度の制御に加えて、波長変換素子６００または６１０に入射する光の偏光に関する情報を入手し、入射光の偏光に応じて波長変換素子６００または６１０の角度配置を変更するように制御してもよい。

図７は、本発明の実施の形態２によるさらに別の波長変換素子の斜視図である。
波長変換素子７００は、複数の円柱状強誘電体単結晶が所定の間隔で配置されており、所定の間隔に熱伝導性材料が充填されたホルダー７０１である以外は、図５を参照して説明した波長変換素子５００と同じである。このように、各円柱上強誘電体単結晶間に熱伝導性材料を充填することによって、入射光によって円柱状強誘電体単結晶に生じ得る熱を散逸させて、熱分布が生じるのを低減することができる。この結果、熱による複屈折効果が低減されるので、波長変換素子７００を伝播する光の偏光モードが維持され、変換効率を一定に保つことができる。所定の間隔は、例えば、５０μｍであるが、この間隔に限定されない。この場合、熱伝導性材料とホルダーとが一体型の例を示したが、別個であってもよい。

以上説明してきたように、それぞれが所定の周期を有する分極反転構造を有する円柱状強誘電体単結晶を組み合わせ、マルチグレーティングを有する波長変換素子を形成することによって、変換波長のチューナビリティを容易に達成する。円柱状強誘電体単結晶は、その断面が実質的に真円であるため、入射光の偏光方位に依存しない。したがって、入射光の光源の自由度が増すとともに、光学系全体を小型化できる。また、入射光の照射による熱分布が中心対称となるため、熱分布が生じたとしても光の高い消光比（すなわち、高い直線偏光性）をすることができる。

本発明による波長変換素子は、円柱状強誘電体単結晶を組み合わせて形成されるため、製造時に破損した円柱状強誘電体単結晶のみを破棄すればよく、歩留まりを向上させる。さらに、使用時には、破損した円柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよく、ユーザ側のコストの削減になる。本発明による波長変換素子は、円柱状強誘電体単結晶を任意に組み合わせて形成されるので、ユーザのニーズに合わせた調整が可能である。

実施の形態２では、図２を参照して説明した、ＭｇＳＬＴの円柱状強誘電体単結晶２００を用いた波長変換素子の例を示してきた。これらは単に例示にすぎないことを理解されたい。任意の強誘電体単結晶材料を用い、少なくとも断面の直径が２ｍｍであり、かつ、断面が実質的に真円である複数の円柱状強誘電体単結晶を用いれば、上記効果を奏することができる。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３によるパラメトリック発振を利用した光発生装置を示す図である。
光発生装置８００は、光源８０１と、波長変換素子８０２と、制御部８０３とを含む。
光源８０１は、第１の波長λ₁を有する第１の光（ポンプ光）を発する。本発明によれば、第１の光の偏光は、ＴＭモードであってもよいし、ＴＥモードであってもよい。光源８０１は、例えば、第１の波長λ₁＝１．０６４μｍのＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザである。光源８０１にチューナブル光源を用いてもよい。

波長変換素子８０２は、実施の形態２で説明した波長変換素子５００、６００、６１０、７００のいずれか、または、その変形例である。波長変換素子８０２は、光源８０１から受け取った第１の光を、第２の波長λ₂を有する第２の光（シグナル光）と、第３の波長λ₃を有する第３の光（アイドラ光）とに波長変換する。この際、波長変換素子８０２内の複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ₁と、第２の波長λ₂と、第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃、関係λ₁＜λ₂およびλ₁＜λ₃を満たすように、分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有する。円柱状強誘電体単結晶に図１および図３に示したＭｇＳＬＴを用いた場合、円柱状強誘電体単結晶の分極反転周期は、２６μｍ〜３３μｍの範囲から選択される。円柱状強誘電体単結晶は、ＭｇＳＬＴに限定されない。

制御部８０３は、波長変換素子８０２の位置を制御する。詳細には、制御部８０３は、光源８０１から第１の光の有する情報（例えば、波長、偏光）を入手し、入手した情報に基づいて波長変換素子８０２の位置を制御する。本明細書において、波長変換素子８０２の位置を制御するとは、制御部８０３が、光源８０１からの第１の光の有する情報のうち偏光モードに基づいて、波長変換素子８０２の複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの配置角度を第１の光の偏光モードに対応するように制御すること、および／または、制御部８０３が、光源８０１からの第１の光の有する情報のうち波長に基づいて、波長変換素子８０２のうち所定の円柱状強誘電体単結晶に光源８０１が発する第１の光が照射するように、波長変換素子８０２の位置を制御することを意味する。制御部８０３は、例えば、図１および図６に示す円柱状強誘電体単結晶のアイドラ光およびシグナル光の周期依存性のデータ、および、温度依存性のデータを格納し、これらデータに基づいて波長変換素子８０２の位置を制御してもよい。

光発生装置８００は、光源８０１と波長変換素子８０２との間、および、波長変換素子８０２の出射側にそれぞれ反射ミラー（図示せず）を設けて、共振器として機能させてもよい。

次に、光発生装置８００の動作を説明する。
光源８０１は、第１の波長λ₁＝１．０６４μｍを有する第１の光を波長変換素子８０２へ発する。制御部８０３は、ユーザが所望する波長の光が得られるように、第１の光の有する情報（波長および偏光）等に基づいて、波長変換素子８０２の位置を制御する。例えば、ユーザが、第３の波長λ₃＝３．６２μｍを有する第３の光（アイドラ光）を所望する場合、制御部８０３は、第１の光が３０μｍの分極反転周期を有する円柱状強誘電体単結晶に入射するように、波長変換素子８０２の位置を制御する。

波長変換素子８０２の所定の円柱状強誘電体単結晶に入射した第１の光は、上記の関係式を満たして、第２の波長λ₂＝１．５０７μｍを有する第２の光（シグナル光）および第３の波長λ₃＝３．６２μｍを有する第３の光（アイドラ光）に波長変換される。
このようにして波長変換された第２の光は、光通信の波長帯域であるため、光通信での利用が可能である。第３の光は、ガス分光に有効な波長帯域であるため、化学分析に利用可能である。

本発明による光発生装置８００は、所定の周期を有する円柱状強誘電体単結晶を組み合わせたマルチグレーティングを有する波長変換素子８０２を含む。これにより、変換波長のチューナビリティを容易に達成する。実施の形態１で説明したように、円柱状強誘電体単結晶は、分極方向と同じ方向の断面が実質的に真円であるため、波長変換素子８０２に照射された光によって円柱状強誘電体単結晶に熱分布が生じる場合でもあっても、熱分布は必ず中心対称となる。その結果、光の高い消光比（すなわち、高い直線偏光性）を保持することができるとともに、波長変換素子８０２が出射する光（第２の光および第３の光）の形状は、円形に維持される。さらに、入射光の偏光方位に対する依存性もない。したがって、入射光の光源の自由度が増すとともに、光学系全体を小型化できる。

本発明による光発生装置８００の波長変換素子８０２は、円柱状強誘電体単結晶を組み合わせて形成されるため、製造時に破損した円柱状強誘電体単結晶のみを破棄すればよく、歩留まりを向上させる。さらに、使用時には、破損した円柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよく、ユーザ側のコストの削減になる。本発明による光発生装置８００の波長変換素子８０２は、円柱状強誘電体単結晶を任意に組み合わせて形成されるので、ユーザのニーズに合わせた調整が可能である。

（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４による第二高調波発生を利用した光発生装置を示す図である。
光発生装置９００は、光源９０１と、波長変換素子９０２と、制御部９０３とを含む。
光源９０１は、第１の波長λ₁を有する第１の光（基本波）を発する。本発明によれば、第１の光の偏光は、ＴＭモードであってもよいし、ＴＥモードであってもよい。光源９０１は、コヒーレントな第１の光を発するチューナブル半導体レーザ（波長可変レーザ）であり得る。
波長変換素子９０２は、実施の形態２で説明した波長変換素子５００、６００、６１０、７００のいずれか、または、その変形例である。波長変換素子９０２は、光源９０１から受け取った第１の光を、第２の波長λ₂を有する第２の光（第二高調波）に波長変換する。この際、波長変換素子９０２内の複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂とが、関係λ₁＝２×λ₂を満たすように、分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有する。円柱状強誘電体単結晶にＭｇＳＬＴを用いた場合、円柱状強誘電体単結晶の分極反転周期は、１μｍ〜１０μｍの範囲から選択される。円柱状強誘電体単結晶は、ＭｇＳＬＴに限定されない。

制御部９０３は、波長変換素子９０２の位置を制御する。詳細には、制御部９０３は、光源９０１から第１の光の有する情報（例えば、波長、偏光）に入手し、入手した情報に基づいて波長変換素子９０２の位置を制御する。本明細書において、波長変換素子９０２の位置を制御するとは、制御部９０３が、光源９０１からの第１の光の有する情報のうち偏光モードに基づいて、波長変換素子９０２の複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの配置角度を第１の光の偏光モードに対応するように制御すること、および／または、制御部９０３が、光源９０１からの第１の光の有する情報のうち波長に基づいて、波長変換素子９０２のうち所定の円柱状強誘電体単結晶に光源９０１が発する第１の光が照射するように、波長変換素子９０２の位置を制御することを意味する。制御部９０３は、例えば、円柱状強誘電体単結晶の第二高調波の周期依存性のデータ、および、温度依存性のデータを格納し、これらデータに基づいて波長変換素子９０２の位置を制御してもよい。制御部９０３は、ユーザが所望する波長の光が得られるように、光源９０１が発する第１の波長λ₁を設定するように光源９０１を制御してもよい。
光発生装置９００は、光源９０１と波長変換素子９０２との間、および、波長変換素子９０２の出射側にそれぞれ反射ミラー（図示せず）を設けて、共振器として機能させてもよい。

次に、光発生装置９００の動作を説明する。
例えば、ユーザが、第２の波長λ₂＝０．３９μｍを有する第２の光を所望する場合、制御部９０３は、光源９０１が第１の波長λ₁＝０．７８μｍを有する第１の波長を発するように、光源９０１を制御する。次いで、制御部９０３は、第１の光の有する情報（波長および偏光）等に基づいて、波長変換素子９０２の位置を制御する。この場合、制御部９０３は、第１の光が３μｍの分極反転周期を有する円柱状強誘電体単結晶に入射するように、波長変換素子９０２の位置を制御する。波長変換素子９０２の所定の円柱状強誘電体単結晶に入射した第１の光は、上記の関係式を満たして、第２の波長λ₂＝０．３９μｍを有する第２の光（第二高調波）に波長変換される。

実施の形態４による光発生装置９００は、それぞれが所定の周期を有する分極反転構造を有する円柱状強誘電体単結晶を組み合わせたマルチグレーティングを有する波長変換素子９０２を含む。これにより、特に、基本波を発するチューナブルな光源９０１に対して常に位相整合した第二高調波を発生することができる（すなわち、光源９０１のチューナビリティを容易に達成する）。実施の形態１で説明したように、円柱状強誘電体単結晶は、分極方向と同じ方向の断面が実質的に真円であるため、波長変換素子９０２に照射された光によって円柱状強誘電体単結晶に熱分布が生じる場合でもあっても、熱分布は必ず中心対称となる。その結果、光の高い消光比（すなわち、高い直線偏光性）を保持することができるとともに、波長変換素子９０２が出射する光（第２の光）の形状は、円形に維持される。さらに、入射光の偏光方位に対する依存性もない。したがって、入射光の光源の自由度が増すとともに、光学系全体を小型化できる。

本発明による光発生装置９００の波長変換素子９０２は、円柱状強誘電体単結晶を組み合わせて形成されるため、製造時に破損した円柱状強誘電体単結晶のみを破棄すればよく、歩留まりを向上させる。さらに、使用時には、破損した円柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよく、ユーザ側のコストの削減になる。本発明による光発生装置９００の波長変換素子９０２は、円柱状強誘電体単結晶を任意に組み合わせて形成されるので、ユーザのニーズに合わせた調整が可能である。

（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５による差周波発生を利用した光発生装置を示す図である。
光発生装置１０００は、光源１００１と、結合光学系１００２と、波長変換素子１００３と、制御部１００４とを含む。
光源１００１は、第１の波長λ₁を有する第１の光（ポンプ光）を発する。本発明によれば、第１の光の偏光は、ＴＭモードであってもよいし、ＴＥモードであってもよい。光源１００１は、例えば、第１の波長λ₁＝０．７８μｍの半導体レーザであり得る。光源１００１にチューナブル光源を用いてもよい。
結合光学系１００２は、光源１００１からの第１の光と、第２の波長λ₂を有する第２の光（シグナル光）とを結合する任意の光学系である。第２の光は、例えば、波長領域多重（ＷＤＭ）において代表的な通信帯であるＣバンド帯（１．５３μｍ〜１．５７μｍ）の光である。第１の波長λ₁と第２の波長λ₂は、関係λ₁＜λ₂を満たす。

波長変換素子１００３は、実施の形態２で説明した波長変換素子５００、６００、６１０、７００のいずれか、または、その変形例である。波長変換素子１００３は、結合光学系１００２で結合された第１の光と第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光（出力光）に波長変換する。この際、波長変換素子１００３内の複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ₁と、第２の波長λ₂と、第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁−１／λ₂＝１／λ₃を満たすように、分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有する。円柱状強誘電体単結晶は、ＭｇＳＬＴに限定されない。

制御部１００４は、波長変換素子１００３の位置を制御する。詳細には、制御部１００４は、光源１００１から第１の光の有する情報（例えば、波長、偏光）および第２の光の有する情報（例えば、波長、偏光）を入手し、入手した情報に基づいて波長変換素子１００３の位置を制御する。本明細書において、波長変換素子１００３の位置を制御するとは、制御部１００３が、光源１００１からの第１の光の有する情報のうち偏光、および、第２の光の有する情報のうち偏光に基づいて、波長変換素子１００３の複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの配置角度を第１の光の偏光モードおよび第２の光の偏光に対応するように制御すること、および／または、制御部１００４が、光源１００１からの第１の光の有する情報のうち波長、および、第２の光の有する情報のうち波長に基づいて、波長変換素子１００３内の所定の円柱状強誘電体単結晶に結合光学系１００２で結合された第１の光および第２の光が照射するように、波長変換素子１００３の位置を制御することを意味する。制御部１００４は、例えば、円柱状強誘電体単結晶のシグナル光および出射光の周期依存性のデータ、および、温度依存性のデータを格納し、これらデータに基づいて波長変換素子１００３の位置を制御してもよい。
光発生装置１０００は、結合光学系１００２と波長変換素子１００３との間、および、波長変換素子１００３の出射側にそれぞれ反射ミラー（図示せず）を設けて、共振器として機能させてもよい。

次に、光発生装置１０００の動作を説明する。
例えば、ユーザが、第２の波長λ₂＝１．５５μｍを有する第２の光（Ｃバンド帯）をＬバンド帯の波長を有する第３の光に変換することを所望する場合、制御部１００４は、第１の光の有する情報（波長および偏光）および第２の光の有する情報（波長および偏光）等に基づいて、波長変換素子１００３の位置を制御する。この場合、制御部１００４は、結合光学系１００２で結合された第１の光および第２の光が、例えば、１７μｍの分極反転周期を有する柱状強誘電体単結晶に入射するように、波長変換素子１００３の位置を制御する。波長変換素子１００３の所定の柱状強誘電体単結晶に入射した第１の光および第２の光は、上記の関係式を満たして、第３の波長λ₃＝１．５７μｍを有する第３の光に波長変換される。このようにして変換された第３の波長λ₃は、波長領域多重（ＷＤＭ）において代表的な通信帯であるＬバンド帯（１．５７μｍ〜１．６２μｍ）である。

実施の形態５による光発生装置１０００は、所定の周期を有する円柱状強誘電体単結晶を組み合わせたマルチグレーティングを有する波長変換素子９０５を含む。これにより、光源１００１がチューナブル光源であれば、固定のＣバンド帯の波長（第２の光の第２の波長λ₂）ば、Ｌバンド帯の波長（第３の波長λ₃）へとチューナブルに調整することができる。また、光源１００１が単一波長を発する光源である場合、Ｃバンド帯の波長（第２の光の第２の波長λ₂）を可変にすれば、Ｌバンド帯の波長（第３の波長λ₃）をチューナブルに調整することができる。このように、Ｃ−Ｌバンド変換をチューナブルに行うことができる。実施の形態１で説明したように、円柱状強誘電体単結晶は、分極方向と同じ方向の断面が実質的に真円であるため、波長変換素子９０２に照射された光によって円柱状強誘電体単結晶に熱分布が生じる場合でもあっても、熱分布が必ず中心対称となるので、光の高い消光比（すなわち、高い直線偏光性）を保持することができるとともに、波長変換素子１００３が出射する光（第３の光）の形状は、円形に維持される。さらに、入射光の偏光方位に対する依存性もない。したがって、入射光の光源の自由度が増すとともに、光学系全体を小型化できる。

本発明による光発生装置１０００の波長変換素子１００３は、円柱状強誘電体単結晶を組み合わせて形成されるため、製造時に破損した円柱状強誘電体単結晶のみを破棄すればよく、歩留まりを向上させる。さらに、使用時には、破損した円柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよく、ユーザ側のコストの削減になる。本発明による光発生装置１０００の波長変換素子１００３は、円柱状強誘電体単結晶を任意に組み合わせて形成されるので、ユーザのニーズに合わせた調整が可能である。

図１０に示される光発生装置１０００を用いて、差周波発生させる場合を説明したが、光発生装置１０００を用いて和周波発生させることもできることに留意されたい。この場合、波長変換素子１００３内の複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ₁と、第２の波長λ₂と、第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁＋１／λ₂＝１／λ₃を満たすように、分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有していればよい。

以上説明してきたように、本発明の波長変換素子は、断面が実質的に真円である円柱状強誘電体単結晶からなる。円柱状強誘電体単結晶は、分極方向に垂直な方向に所定の周期を有する分極反転構造を有する。円柱状強誘電体単結晶の断面が実質的に真円であるため、波長変換素子に照射された光によって熱分布が生じる場合でもあっても、熱分布は必ず中心対称となる。その結果、光の高い消光比（すなわち、高い直線偏光性）を保持することができるとともに、波長変換素子から出射する光の形状は円形を維持することができる。
また、円柱状強誘電体単結晶の断面が実質的に真円であるため、円柱状強誘電体単結晶の配置角度を変更するだけで、入射光の偏光に容易に対応させることができる。したがって、偏光子等の光学系が不要であるため、系全体を小型化させることができる。

また、円柱状強誘電体単結晶は角を有さないため、角部が欠けることによって生じる不要なクラックが結晶中に生じる恐れがない。
それぞれが所定の周期を有する分極反転構造を有する円柱状強誘電体単結晶を組み合わせ、マルチグレーティングを有する波長変換素子を形成することによって、変換波長のチューナビリティを容易に達成する。このような波長変換素子を化学分析、通信等に利用することができる。

ＭｇＯ１ｍｏｌ％ドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）のアイドラ光およびシグナル光発振波長の分極反転周期依存性を示す図 本発明の実施の形態１による円柱状強誘電体単結晶からなる波長変換素子の斜視図 ＭｇＯ１ｍｏｌ％ドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）のアイドラ光およびシグナル光発振波長の温度依存性を示す図 本発明の実施の形態１による円柱状強誘電体単結晶からなる別の波長変換素子の斜視図 本発明の実施の形態２による波長変換素子の斜視図 本発明の実施の形態２によるさらに別の波長変換素子の斜視図 本発明の実施の形態２によるさらに別の波長変換素子の斜視図 本発明の実施の形態３によるパラメトリック発振を利用した光発生装置を示す図 本発明の実施の形態４による第二高調波発生を利用した光発生装置を示す図 本発明の実施の形態５による差周波発生を利用した光発生装置を示す図 従来技術による波長変換システムを示す図 従来技術によるマルチグレーティング型擬似位相整合（ＱＰＭ）パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を示す図

符号の説明

２００、４００、５００、６００、６１０、７００、８０２、９０２、１００３ 波長変換素子
２０１ 周期分極反転構造
５０１、７０１ ホルダー
５０２ 複数の円柱状強誘電体単結晶
４０１、６０１ 温度制御素子
４０２、６０２ フレーム
８０１、９０１、１００１ 光源
８０３、９０３、１００４ 制御部
１００２ 結合光学系

Claims (32)

1. 断面が実質的に真円である円柱状強誘電体単結晶からなり、前記円柱状強誘電体単結晶が、前記分極方向に垂直な方向に所定の周期を有する分極反転構造を有する波長変換素子。
2. 前記円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される、請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記所定の周期は、前記円柱状強誘電体単結晶が、第１の波長λ₁を有する第１の光を、第２の波長λ₂を有する第２の光と第３の波長λ₃を有する第３の光とに変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂と前記第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃、関係λ₁＜λ₂およびλ₁＜λ₃を満たすように、擬似位相整合する周期である、請求項１に記載の波長変換素子。
4. 前記所定の周期は、前記円柱柱状強誘電体単結晶が、第１の波長λ₁を有する第１の光を第２の波長λ₂を有する第２の光に変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂とが、関係λ₁＝２×λ₂を満たすように、擬似位相整合する周期である、請求項１に記載の波長変換素子。
5. 前記所定の周期は、前記円柱状強誘電体単結晶が、第１の波長λ₁を有する第１の光と第２の波長λ₂を有する第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光に変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂と前記第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁±１／λ₂＝１／λ₃を満たすように、擬似位相整合する周期である、請求項１に記載の波長変換素子。
6. ホルダーと、
   前記ホルダーに配置された複数の円柱状強誘電体単結晶と
   を含む波長変換素子であって、
   前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの断面は実質的に真円であり、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、前記分極方向に垂直な方向に所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている、波長変換素子。
7. 前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群からそれぞれ選択される、請求項６に記載の波長変換素子。
8. 前記所定の周期は、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ₁を有する第１の光を、第２の波長λ₂を有する第２の光と第３の波長λ₃を有する第３の光とに変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂と前記第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃、関係λ₁＜λ₂およびλ₁＜λ₃を満たすように、擬似位相整合する周期である、請求項６に記載の波長変換素子。
9. 前記所定の周期は、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ₁を有する第１の光を第２の波長λ₂を有する第２の光に変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂とが、関係λ₁＝２×λ₂を満たすように、擬似位相整合する周期である、請求項６に記載の波長変換素子。
10. 前記所定の周期は、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ₁を有する第１の光と第２の波長λ₂を有する第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光に変換する場合、前記第１の波長λ₁と前記第２の波長λ₂と前記第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁±１／λ₂＝１／λ₃を満たすように、擬似位相整合する周期である、請求項６に記載の波長変換素子。
11. 前記ホルダーは熱伝導性材料から形成される、請求項６に記載の波長変換素子。
12. 前記ホルダーに設置された温度制御素子と、
    前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームと
    をさらに含む、請求項６に記載の波長変換素子。
13. 前記温度制御素子を制御する制御部をさらに含む、請求項１２に記載の波長変換素子。
14. 前記複数の円柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されている、請求項６に記載の波長変換素子。
15. 第１の波長λ₁を有する第１の光を発する光源と、
    前記第１の光を、第２の波長λ₂を有する第２の光と第３の波長λ₃を有する第３の光とに変換する波長変換素子と、
    前記波長変換素子の位置を制御する制御部と
    を含む光発生装置であって、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の円柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの断面は実質的に真円であり、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁＝１／λ₂＋１／λ₃、関係λ₁＜λ₂およびλ₁＜λ₃を満たすように、前記分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている、光発生装置。
16. 前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群からそれぞれ選択される、請求項１５に記載の光発生装置。
17. 前記ホルダーは熱伝導性材料から形成される、請求項１５に記載の光発生装置。
18. 前記波長変換素子は、
    前記ホルダーに設置された温度制御素子と、
    前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームと
    をさらに含む、請求項１５に記載の光発生装置。
19. 前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御する、請求項１８に記載の光発生装置。
20. 前記複数の円柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されている、請求項１５に記載の光発生装置。
21. 第１の波長λ₁を有する第１の光を発する光源と、
    前記第１の光を第２の波長λ₂を有する第２の光に変換する波長変換素子と、
    前記波長変換素子の位置を制御する制御部と
    を含む光発生装置であって、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の円柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの断面は実質的に真円であり、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂とが関係λ₁＝２×λ₂を満たすように、前記分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている、光発生装置。
22. 前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群からそれぞれ選択される、請求項２１に記載の光発生装置。
23. 前記ホルダーは熱伝導性材料から形成される、請求項２１に記載の光発生装置。
24. 前記波長変換素子は、
    前記ホルダーに設置された温度制御素子と、
    前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームと
    をさらに含む、請求項２１に記載の光発生装置。
25. 前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御する、請求項２４に記載の光発生装置。
26. 前記複数の円柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されている、請求項２１に記載の光発生装置。
27. 第１の波長λ₁を有する第１の光を発する第１の光源と、
    前記第１の光と、外部から入射した第２の波長λ₂を有する第２の光とを結合させる光学系と、
    前記第１の光と第２の光とを、第３の波長λ₃を有する第３の光に変換する波長変換素子と、
    前記波長変換素子の位置を制御する制御部と
    を含む光発生装置であって、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の円柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれの断面は実質的に真円であり、前記複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂と第３の波長λ₃とが、関係１／λ₁±１／λ₂＝１／λ₃を満たすように、前記分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている、光発生装置。
28. 前記複数の円柱状強誘電体単結晶は、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドーピングした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群からそれぞれ選択される、請求項２７に記載の光発生装置。
29. 前記ホルダーは熱伝導性材料から形成される、請求項２７に記載の光発生装置。
30. 前記波長変換素子は、
    前記ホルダーに設置された温度制御素子と、
    前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームと
    をさらに含む、請求項２７に記載の光発生装置。
31. 前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御する、請求項３０に記載の光発生装置。
32. 前記複数の柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されている、請求項２７に記載の光発生装置。