JP2011511950A - 強誘電体のドメイン反転法およびその応用 - Google Patents

Abstract

本発明は、核形成を制御しかつ単一ドメイン強誘電体基板（例えばＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ_３基板）において計画的なドメイン反転を達成する方法に関する。この方法には、電極パターン下に浅いドメイン反転（すなわち核形成）を形成する、コロナ放電法に基づいた、定められた電極パターンを備える基板の第１のポーリング、およびそれに続く、深い均一なドメイン反転を実現するための、静電法に基づいた第２の結晶のポーリングが含まれる。本発明の別の目的は、周期的ドメイン反転構造を備える非線形結晶を使用する広帯域光源を達成するための方法を提供することにある。

Description

本発明は、強誘電体基板においてドメイン反転構造を形成すること、および疑似位相整合（ＱＰＭ）技術に基づいた広帯域光の発生におけるその応用に関する。

ＱＰＭに基づいた光非線形装置、例えば波長変換器の発展において、強誘電性材料のドメイン反転を正確に制御することが必要である。波長変換器の１つの例が（非特許文献１）に開示されている。この文献では、波長変換装置は波長変換素子を用い、その波長変換素子において、ＱＰＭ条件を満たすようにドメイン反転周期グレーティングがグレーティング方向に沿って形成されている。角振動数ωの基本波光を波長変換素子に入射させることによって波長変換を達成し、角振動数２ωの変換光、すなわち、第二高調波発生（ＳＨＧ）を得るようにする。ドメイン反転グレーティングの周期Λは、ＱＰＭ条件（すなわち２ω（ｎ_２ω−ｎ_ω）＝２πｃ／Λ（式中、ｎ_２ωおよびｎ_ωはそれぞれ２ωおよびωにおける屈折率であり、ｃは真空での光速度である））によって決定される。その代わりに、角振動数２ωのポンプ光を同じ装置に入射させると、それぞれ角振動数ω_ｓおよびω_ｉ（ここで２ω＝ω_ｓ＋ω_ｉ）の信号およびアイドラ光が自発的パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ）プロセスによって発生する。ＳＰＤＣプロセスでは、同様のＱＰＭ条件、すなわち２ωｎ_２ω−ω_ｓｎ_ｓ−ω_ｉｎ_ｉ＝２πｃ／Λ（式中、ｎ_２ω、ｎ_ｓおよびｎ_ｉはそれぞれ２ω、ω_ｓおよびω_ｉにおける屈折率であり、ｃは真空での光速度である）が満たされる。ω_ｓおよびω_ｉの多数の対が一定範囲内でＱＰＭ条件を満たすため、発生したＳＰＤＣ光は通常角振動数ωの広帯域幅を有する。

波長変換を効率的に達成するために、結晶の厚みにわたって非常に均一に周期的ドメイン反転構造が必要である。しかしながら、高効率でしかも出力パワーが高い波長変換器を達成するために、不完全なドーピングという高い光学的性質を有する基板の場合には、ドープト基板のポーリングを行うこと（反転分極させること）に際して特に注意を払う必要がある。

ドープト強誘電性材料（例えばＭｇＯがドープされたニオブ酸リチウム）に周期的ドメイン反転構造を形成するための一方法は、図１に示すようなコロナ放電技術に基づいており、それは、ＣＱ．Ｘｕらの（特許文献１）；Ａｋｉｎｏｒｉ Ｈａｒａｄａの（特許文献２）；Ａｋｉｎｏｒｉ Ｈａｒａｄａの（特許文献３）；および（非特許文献２）に記載されている。これらの文献では、基板の＋ｃ面上に周期的な電極パターン２のある、ＭｇＯがドープされたニオブ酸リチウムの単一結晶基板１の−ｃ面の上方に、コロナワイヤまたはコロナトーチ３がセットされる。電極は金属製であり、接地している。コロナワイヤに高電圧源５から高電圧を供給する場合、コロナ放電が生じ、基板の−ｃ面に負電荷が帯電する。−ｃ面には電荷が存在するため、電位差が生じ、基板を横切る強電界が発生する。発生された電界が結晶の内部電界（すなわち抗電界）よりも大きい場合、発生された電界の方向が結晶の内部電界と反対であるため、電極下のドメインが反転する。抗電界は、温度が上昇するにつれて減少するので、温度コントローラ６を用いて、ドメイン反転に必要な電界を低減させることができる。

コロナ放電法が不均一なドーピングの問題を克服できることはよく知られている。なぜなら、コロナ放電によって堆積された表面電荷の移動が非常にゆっくりであるためである。その結果、局所的な抗電界を達成するとすぐに結晶のポーリングが起こる。均一なドメイン反転は、コロナ放電技術を用いることによって達成できる一方、反転ドメインの形状は良好ではない。換言すれば、反転ドメインは通常、基板の厚み方向に沿って結晶を垂直にならず、そのために、作り出されたドメイン反転結晶がバルクの形態で使用される場合には、問題を生じる。

ＭｇＯがドープされたニオブ酸リチウムに周期的ドメイン反転構造を形成する別の方法は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すような方法であって、Ｍ．Ｙａｍａｄａらの（特許文献４）；および（非特許文献３）；Ｊ．Ｗｅｂｊｏｒｎらの（特許文献５）；Ｂｙｅｒらの（特許文献６）、（特許文献７）、および（特許文献８）に記載されている静電技術に基づく。これらの文献では、電極パターン２は、ＭｇＯがドープされたニオブ酸リチウムの単一結晶基板１の＋ｃ面に形成されている。電極パターン２は、金属（図１（ｂ））かまたはフォトレジストなどのアイソレータ（図１（ｃ））かのいずれかとし得る。強電界が高電圧源５によって基板に加えられる。印加された電界が結晶の内部電界（すなわち抗電界）よりも大きい場合、電極下のドメイン（図１（ｂ））またはアイソレータパターンの開口部（図１（ｃ））は反転される。なぜなら、印加された電界の方向が結晶の内部電界と反対であるためである。図１（ｂ）では電極２と４との間に、または図１（ｃ）では電極３と４との間に高電圧が印加される。温度が上昇すると抗電界は減少するため、温度コントローラ６を用いて、ドメイン反転に必要な電界を低減させることができる。

静電技術は、垂直なドメイン形状を備えるノンドープト結晶のポーリングは上手くいくけれども、不均一なドーピングのために、均一なポーリングを達成することは困難である。ドメイン反転の核形成が基板の表面にランダムに生じる。その結果、基板を横断して加えられた電界の分布が、結晶のポーリングが開始時に変化し、それゆえ不均一なポーリングを生じる。

この問題を解決する一方法は、結晶のポーリングに必要な電界を低減させることであり、このことは、（非特許文献４）；（非特許文献５）；および（非特許文献６）に記載されている。ポーリング温度を１７０℃まで上昇させることによっておよび／または基板の厚みを３００ｕｍまで小さくすることによって、必要な電界を低減させることができる。これらの方法は、長周期（＞２０μｍ）の均一なポーリングを達成する際にある程度の効果を有するが、短周期（＜１０μｍ）の均一なポーリングを達成することは困難である。加えて、温度の上昇は製造工程を困難にし、かつ基板厚みを小さくすることは、成長した結晶の応用を制限する。

この問題を解決する別の方法は、ポーリングにおいて厚い基板および短パルス電界を使用することであり、それについては、Ｋ．Ｍｉｚｕｕｃｈｉらの（特許文献９）；および（非特許文献７）に記載されている。この方法では、厚い基板（例えば１ｍｍの厚さ）および短パルスのポーリング電圧を使用するために、反転ドメインは基板全体に行きわたらない。その結果、不均一なドーピングのためにポーリングがランダムに開始しても、特定の位置においてポーリングが開始しても電界分布は変更されない。これは、反転ドメインが基板中を行きわたらず、それゆえポーリング電流が著しく抑制されるためである。しかしながら、この方法では、ドメイン反転構造が次第に劣化して最終的には基板の＋ｃ面から−ｃ面へ消失するため、結晶の約半数が浪費される。

この問題を解決する他の方法は、熱的処理プロセスを行い、その後、静電ポーリングを行うものであり、それについては、Ｐｅｎｇらの（特許文献１０）に記載されている。この方法では、第１の金属電極によって決定された均一な核形成層は、高温（例えば１０５０℃）での熱処理プロセスによって達成される。第１の金属電極と非線形結晶とをキュリー温度よりも低温で酸素雰囲気中熱処理を行うことによって、浅い表面ドメイン反転を生じさせるが、このドメイン反転は熱処理におけるＬｉの外方拡散、または熱処理におけるＴｉ−イオン内方拡散によって実現できる。熱的処理後、第２の電極パターンが形成され、かつ、深いドメイン反転を達成するために、パルス電圧（結晶の抗電圧よりも高い）が結晶全体に印加される。しかしながら、高温処理と第２の電極の形成が必要であるために、プロセス全体が複雑となり、製品のスループットが低く、それゆえこの方法による製造コストは高くなる。核形成の代わりに、金属電極の領域外でのプロトン交換を使用して、金属電極パターンなどのマスクで被覆することなく領域内に核が形成されるのを回避する。この方法については、（非特許文献８）に開示されている。しかしながら、この方法は、金属電極の下での均一な核形成を保証できず、それゆえこの方法によって、広い面積にわたる深い均一なドメイン反転は達成されていない。

作製した周期的分極結晶を、自発的パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ）プロセスに必要な非線形媒質として使用することができる。ＳＰＤＣは周知の光学的非線形プロセスであり、それについては、多くの文献、例えば（非特許文献９）；および（非特許文献１０）に開示されている。ＳＰＤＣプロセスでは、角振動数ω_ｐのポンプ光が非線形結晶に発射され、それぞれ角振動数ω_ｓおよびω_ｉにおいて信号およびアイドラ光が生成される。一般に、ポンプビームは非線形結晶を１回だけ通過し、生成されたＳＰＤＣ光のパワーは低い。ＰＤＣの効率を高めるために、結晶を、ω_ｓおよびω_ｉの双方で高反射（二重共振）またはω_ｓもしくはω_ｉ（単一共振）で高反射の光共振器に入れる。ＰＤＣ光の出力パワーを、二重または単一共振構造を使用することによって高めることができるが、ＰＤＣ光の帯域幅は著しく低減される。光学的感知への応用および光コヒーレンス断層撮影法（ＯＣＴ）への応用のために、広帯域幅スペクトルおよび高出力パワーの光源が必要とされている。

米国仮特許出願第６０／８４７１２２号明細書 米国特許第５，５９４，７４６号明細書 米国特許第５，５６８，３０８号明細書 米国特許第５，１９３，０２３号明細書 米国特許第５，８７５，０５３号明細書 米国特許第５，７１４，１９８号明細書 米国特許第５，８００，７６７号明細書 米国特許第５，８３８，７０２号明細書 米国特許第６，３５３，４９５号明細書 米国特許第６，９２６，７７０号明細書

Ｊ．Ａ．Ａｒｍｓｔｒｏｎｇら、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ、ｖｏｌ．１２７、Ｎｏ．６、Ｓｅｐ．１５、１９６２、ｐｐ．１９１８−１９３９ Ａ．Ｈａｒａｄａら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．６９、ｎｏ．１８、１９９６、ｐｐ．２６２９−２６３１ Ｍ．Ｙａｍａｄａら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．６２、ｎｏ．５、１９９３、ｐｐ．４３５−４３６ Ｍ．Ｎａｋａｍｕｒａら、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、ｖｏｌ．３８、１９９９、ｐｐ．Ｌ１２３４−１２３６ Ｈ．Ｉｓｈｉｚｕｋｉら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．８２、Ｎｏ．２３、２００３、ｐｐ．４０６２−４０６５ Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａら、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、ｖｏｌ．９１、Ｎｏ．７、２００２、ｐｐ．４５２８−４５３４ Ｋ．Ｍｉｚｕｕｃｈｉら、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、ｖｏｌ．９６、Ｎｏ．１１、２００４、ｐｐ．６５８５−６５９０ Ｓ．Ｇｒｉｌｌｉら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．８９、Ｎｏ．３、２００６、ｐｐ．２９０２−２９０５ Ｍ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｏら、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１５、Ｉｓｓｕｅ１２、ｐｐ．７４７９−７４８８ Ｌ．Ｅ．Ｍｙｅｒｓら、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ、ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．１１、１９９５、ｐｐ．２１０２−２１１６

本発明の目的は、ドープト結晶のポーリングにおいて特に効果的であるドメイン反転法を提供することにある。この方法では、最初に、定められた電極パターンを備える基板の第１のポーリング処理を、コロナ放電法を使用して行って、金属電極パターン下に均一な浅いドメイン反転を形成し（すなわち核形成）、次いで、静電法に基づいて第２の深いポーリング処理を行って深いドメイン反転を実現する。本発明の別の目的は、ドメイン反転構造を備える非線形結晶を使用して広帯域光源を作り上げる方法を提供することにある。

本発明の要旨によれば、図２に示すように、ドメイン反転構造を備えた非線形結晶１を光共振器に配置する。非線形結晶の結晶端面（Facet:フェーセット又はファセット）を、波長λ_ｆの周辺波長（広帯域幅）において高透過率を有しかつ波長λ_ｆの半波長において高反射率を有するフィルム（薄膜）２および３で、被覆する。共振器は後方ミラー４および前方ミラー５によって形成される。後方ミラー４は、λ_ｆの周辺波長（広帯域）において高反射率を有する一方、前方ミラー５は、波長λ_ｆ（狭帯域）において高反射率を有している。レーザ結晶６は共振器に含まれていてレーザ発振波長λ_ｆを生成する。レーザ結晶の結晶端面を、λ_ｆにおいて高透過率を有するフィルム７および８で被覆する。λ_ｐにおいて高出力の光を放射するポンプレーザダイオード９を使用してレーザ結晶６をポンピングする。

本発明は、以下の詳細な説明から、添付の図面を参照してより完全に理解される。

（ａ）コロナ放電法；（ｂ）金属電極を用いる静電法；（ｃ）液体電極を用いる静電法に基づいた、従来技術の結晶のポーリング装置の概略図である。 本発明によるバルク非線形結晶に基づいた、広帯域光を発生するための一構成の概念を説明するための概略図である。 本発明による結晶のポーリングプロセスのフローの第１の好ましい実施形態を説明する概略図である。 本発明によるドメイン反転構造を備えるバルク非線形結晶に基づいた、広帯域光を発生するための種々の共振器内の構成の第２の好ましい実施形態を説明する概略図である。 本発明による光導波路およびドメイン反転構造を備える種々のタイプの非線形結晶に基づいた、第３の好ましい実施形態を説明する概略図である。 本発明によるドメイン反転構造を備える、非線形結晶に基づいた、広帯域光を発生するための種々の共振器内の構成の第４の好ましい実施形態を説明する概略図である。

本発明は、以下で説明する手段によって上述の問題を解決する。

第１の好ましい実施形態では、図３に示すように、好ましい結晶のポーリングプロセスのフローには、強誘電体の単一結晶基板の＋ｃ面に電極を形成することを含む。コロナ放電法を用いて第１のポーリングを行い、均一な浅いドメイン反転を形成する（すなわち核形成）。第１のポーリングの後、静電法を用いて第２のポーリングを行い、深い均一なドメイン反転を形成する。第１のポーリングに先立って、強誘電体基板の＋ｃ面に電極パターンを形成する。その電極パターンは、第２のポーリングの際に電極として使用される。第２のポーリングにおいて液体電極を使用しない場合、第１のポーリングと第２のポーリングとの間に、基板の−ｃ面に金属膜の層を形成することが必要となることがある。第２のポーリング後、酸中での標準的なエッチングプロセスによって金属電極を除去する。

第１のポーリングにコロナ放電法を使用すると、不均一なドーピングの問題を克服することができる。その理由は、コロナ放電によって堆積された表面電荷の移動が非常にゆっくりであるためである。その結果、結晶のポーリングは、局所的な抗電界を達成するとすぐに行われる。従って、コロナ放電技術を用いて均一な浅いドメイン反転（すなわち核形成）を達成できる。浅いドメイン反転の深さは、数マイクロメートル〜数百マイクロメートルの範囲に及び、その際は、コロナトーチまたはワイヤに印加する電圧、高電圧の印加時間、および基板の−ｃ面とコロナトーチまたはワイヤとの間の距離によって制御できる。コロナトーチまたはワイヤに印加する典型的な電圧を、１ｋＶ〜１００ｋＶ（例えば１０ｋＶ）の値に設定することができ、および電圧の印加時間を、１０秒〜１０分（例えば３０秒）の値に設定できる。

第２のポーリングでは、結晶のポーリングは、均一なドメイン反転（すなわち核形成）を有する領域から開始するため、本発明の方法ではランダムな核形成プロセスはもはや発生しない。従って、残りの結晶を厚み方向に沿ってポーリングするためにより小さい電界が必要とされ、電界分布は、電極パターンによってのみ決定され、核形成プロセスによる影響は受けない。その結果、第２のポーリングにおいて垂直な境界を有する均一なポーリングを達成することができる。印加電圧の値を、電界が結晶の抗電界を到達するように設定する。ドープト結晶内におけるランダムな核形成は、従来の静電ポーリングにおいて通常起こることであるが、ランダムな核形成のために、均一なポーリングを達成することが非常に困難であるということを考慮する必要がある。その結果、静電技術は、ノンドープト結晶（これにはランダムな核形成の問題がない）をポーリングすることは首尾良くいくが、ドーピングが不均一であるために、均一なポーリングを達成するのは困難である。ドメイン反転の核形成は、局所的なドーピング濃度に依存して基板の＋ｃ面にランダムになされる。従って、結晶のポーリングが開始した時、基板の両面間に印加された電界の分布が変化するので、これが不均一なポーリングの原因となる。

本発明の第２の好ましい実施形態では、図４（ａ）に示すように、広帯域光源は、ドメイン反転構造（例えばＭｇＯがドープされたＰＰＬＮ：周期的にポーリングされたニオブ酸リチウム）を有する非線形結晶１を備え、これは光共振器に配置されている。ＰＰＬＮ結晶の結晶端面を、１０６４ｎｍの周辺波長（広帯域幅を有する）において高透過率を有しかつ５３２ｎｍの波長において高反射率を有するフィルム２および３で被覆する。ＰＰＬＮ結晶の周期を、１０６４ｎｍ〜５３２ｎｍのＳＨＧに対するＱＰＭ条件、すなわち２ω（ｎ_２ω−ｎ_ω）＝２πｃ／Λ（式中、ｎ_２ωおよびｎ_ωはそれぞれ２ωおよびωにおける屈折率であり、ｃは真空での光速度であり、およびΛはＰＰＬＮの周期である）を満たすように注意深く設計する。共振器は、後方ミラー４および前方ミラー５によって形成される。後方ミラーは、１０６４ｎｍの周辺波長（広帯域幅を有する）において高反射率を有し、一方、前方ミラーは、１０６４ｎｍの波長（狭帯域幅を有する）において高反射率を有する。共振器にはレーザ結晶（例えばＮｄ：ＹＡＧ）６も入れられる。レーザ結晶の結晶端面を、１０６４ｎｍの波長において高透過率を有するフィルム７および８で被覆する。８０８ｎｍにおいてパワーの強い光を放射するポンプレーザダイオード９を使用してレーザ結晶６をポンピングする。それぞれ非線形結晶１およびレーザ結晶６の下側で、温度コントローラ１０および１１を使用することができる。レーザ結晶６および非線形結晶１の断面は、共振器に閉じ込められた光のビームサイズよりも大きい。この光のビームサイズは通常直径１ｍｍ未満である。レーザ結晶および非線形結晶の長さを１ｍｍ〜１００ｍｍの値（例えばそれぞれ１０ｍｍおよび５ｍｍ）に設定する。レーザダイオードのポンプピングパワーを１０ｍＷ超（例えば５Ｗ）の値に設定する。

レーザ結晶６はポンプレーザダイオード９によってポンピングされる。共振器のミラー４および５は１０６４ｎｍにおいて高反射率を示すので、レーザダイオード９のポンプ出力が設計上のレーザの閾値出力よりも高いと、レーザ発振が生じる。レーザの閾値出力はレーザの損失によって決定される。このレーザの損失には、共振器のミラー４および５における伝送損失、レーザ結晶６および非線形結晶１における吸収および散乱損失、ならびにレーザ結晶６および非線形結晶１の結晶端面での反射損失がある。レーザ結晶６および非線形結晶１は双方とも１０６４ｎｍでの反射防止（すなわち高透過）被膜を有するので、結晶結晶端面における１０６４ｎｍでの反射損失は無視できるほど小さい。加えて、高品質な結晶が使用されているため、散乱損失も無視できるほど小さい。さらに、カットオフ波長（すなわち吸収が無視できなくなり始める波長）は、ここで説明している波長よりも遙かに短いため（例えばカットオフ波長は、ＭｇＯがドープされたＰＰＬＮの場合３４０ｎｍである）、非線形結晶１における吸収損失は無視してよい。その結果、１０６４ｎｍのレーザは、レーザ光の効率が高くかつ閉じ込め率が高い（すなわち１０６４ｎｍでのレーザ光のほとんどは共振器それゆえ非線形結晶１内に閉じ込められている）などの特徴を有する。以下説明するように、これらの特徴は、効率的なＳＰＤＣを達成するために非常に役立つ。

上述したように、波長１０６４ｎｍでの強力な光を共振器に閉じ込めるので、ＰＰＬＮ非線形結晶１における１０６４ｎｍでの光強度は非常に高い。ＰＰＬＮ結晶１内ではＱＰＭ条件が満たされるため、ＳＨＧプロセスに起因して５３２ｎｍの光を効率的に生成する。加えて、高反射率を有する被膜がＰＰＬＮ結晶１の２つの結晶端面２、３において用いられるので、生成された５３２ｎｍのＳＨＧ光はＰＰＬＮ結晶１内に強力に閉じ込められる。５３２ｎｍの光の光強度を、ＰＰＬＮ結晶１の長さを適切に選択することによっておよび／またはＰＰＬＮ結晶１の下にある温度コントローラ１０によりＰＰＬＮ結晶の温度を調整することによって最大にでき、そのため、ＰＰＬＮ結晶における５３２ｎｍでのラウンドトリップ（往復）フェーズ（ｒｏｕｎｄｔｒｉｐ ｐｈａｓｅ）は、２πの整数倍である。

ＰＰＬＮ結晶１に強力な５３２ｎｍの光が存在するために、それぞれ角振動数ω_ｓおよびω_ｉにおける信号およびアイドラ光は、自発的パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ）プロセスによって１０６４ｎｍの周辺波長で生成される（ここで、ω_{５３２−ｎｍ}＝ω_ｓ＋ω_ｉ）。ＳＰＤＣプロセスでは、ＱＰＭ条件、すなわちω_{５３２−ｎｍ} ｎ_{５３２−ｎｍ}−ω_ｓｎ_ｓ−ω_ｉｎ_ｉ＝２πｃ／Λ（式中、ｎ_ｓおよびｎ_ｉはそれぞれω_ｓおよびω_ｉにおける屈折率であり、ｃは真空での光速度であり、およびΛはＰＰＬＮ結晶の周期である）を満たす必要がある。多くのω_ｓおよびω_ｉの対は、一定範囲、ＱＰＭ条件を満たすため、生成されたＳＰＤＣ光は広帯域幅を有する。各文献で報告されている従来のＳＰＤＣとは異なり、ＳＰＤＣのポンプ光、すなわち５３２ｎｍの光は、ＰＰＬＮ結晶内に強力に閉じ込められ、それゆえ、広帯域幅のＳＰＤＣ光は、ＳＰＤＣ効率がポンプ光のパワーに比例するため、高効率で生成される。加えて、共振器の後方ミラー４の方へ伝播する生成されたＳＰＤＣ光は、ミラーが１０６４ｎｍの周辺波長で広帯域幅にわたって高反射率を有するため、反射して戻され、それによりＳＰＤＣ光の出力パワーをさらに高める。共振器の前方ミラー５は１０６４ｎｍにおいてのみ狭帯域の反射を示すため、生成されたＳＰＤＣ光は共振器の前方ミラー５においてほとんど反射損失を生じることがない。さらに、５３２ｎｍの光が十分に強力である場合、生成されたＳＰＤＣ光は、ＳＰＤＣ光がＰＰＬＮ結晶１を通過するときのパラメトリック増幅プロセスのためにさらに強められることがある。

本発明の第３の好ましい実施形態では、図４（ｂ）に示すような広帯域光源の代替的な構成を説明する。図４（ａ）において説明した共振器の後方ミラー４を、広帯域幅のファイバブラッググレーティング４ａおよびレンズ４ｂで置き換える一方、図３（ａ）において説明した共振器の前方ミラー５を、狭帯域幅のファイバブラッググレーティング５ａおよびレンズ５ｂで置き換えている。ファイバブラッググレーティング４ａの帯域幅を、１００ｎｍ程度の大きい値に設定できる一方、ファイバブラッググレーティング５ａの帯域幅を、０．１ｎｍ程度の小さい値に設定できる。本発明の特徴は、生成された広帯域光がファイバー出力を有し得ることである。狭帯域幅のファイバブラッググレーティングを共振器の後方ミラーに使用する場合、両出力ポートから広帯域光をアクセスすることができる。

本発明の第４の好ましい実施形態では、図４（ｃ）に示すように、レーザ結晶６と非線形結晶１との間に追加的なレンズ１２を使用する。図４（ｂ）において説明した構成と比較して、より長い非線形結晶を使用できる一方、共振器において小さなビーム直径が維持される。ＳＰＤＣの効率は非線形結晶の長さの二乗に比例するため、より長い非線形結晶を使用することにより、ＳＰＤＣの効率がより高くなる。

本発明の第５の好ましい実施形態では、図５（ａ）に示すように、導波路型の非線形結晶をＳＰＤＣプロセスに使用する。導波路１を使用することにより、光強度を著しく強くし、長い装置の使用が可能となる。その結果、ＳＰＤＣの効率を高めることができる。図４（ａ）での説明と同様に、ＰＰＬＮ導波路の結晶端面を、１０６４ｎｍの周辺波長（広帯域幅を有する）において高透過率を有しかつ５３２ｎｍにおいて高反射率を有するフィルム２および３で被覆する。ＰＰＬＮ結晶の周期を、１０６４ｎｍ〜５３２ｎｍのＳＨＧに対するＱＰＭ条件、すなわち２ω（ｎ_２ω−ｎ_ω）＝２πｃ／Λ（式中、ｎ_２ωおよびｎ_ωはそれぞれ２ωおよびωにおいて効果的な屈折率であり、ｃは真空での光速度であり、およびΛはＰＰＬＮの周期である）を満たすように注意深く設計する。

本発明の第６の好ましい実施形態では、図５（ｂ）に示すように、組み込みブラッググレーティング２ａおよび３ａは導波路１の各端部にそれぞれ形成されている。波長１０６４ｎｍでの高透過率（すなわち反射防止）を有する被膜すなわちコーティング膜２ｂ、３ｂを導波路の２つの結晶端面に被覆する。図５（ａ）に示す構成と比較して、導波路の２つの結晶端面でのコーティングは遙かに簡単であり、それにより非線形結晶の製造コストが削減される。ＰＰＬＮ導波路の周期を、１０６４ｎｍ〜５３２ｎｍのＳＨＧに対するＱＰＭ条件、すなわち２ω（ｎ_２ω−ｎ_ω）＝２πｃ／Λ（式中、ｎ_２ωおよびｎ_ωはそれぞれ２ωおよびωにおいて効果的な屈折率であり、ｃは真空での光速度であり、およびΛはＰＰＬＮの周期である）を満たすように注意深く設計する。

本発明の第７の好ましい実施形態では、図６（ａ）に示すように、１０６４ｎｍのレーザ１３が非線形結晶１から分離されている。１０６４ｎｍの光は非線形結晶１を１回だけ通過する一方、５３２ｎｍで生成されたＳＨＧ光は結晶内に閉じ込められる。５３２ｎｍの光は、その後のＳＰＤＣプロセスにおいてポンプ光として作用する。ＰＰＬＮ結晶の結晶端面を、１０６４ｎｍの周辺波長（広帯域幅を有する）において高透過率を有しかつ５３２ｎｍで高反射率を有するフィルム２および３で被覆する。１０６４ｎｍの光をレンズ１４によって結晶に結合する。ＰＰＬＮ結晶の周期を、１０６４ｎｍ〜５３２ｎｍのＳＨＧに対するＱＰＭ条件、すなわち２ω（ｎ_２ω−ｎ_ω）＝２πｃ／Λ（式中、ｎ_２ωおよびｎ_ωはそれぞれ２ωおよびωにおける屈折率であり、ｃは真空での光速度であり、およびΛはＰＰＬＮの周期である）を満たすように注意深く設計する。図３（ａ）と同様に、温度コントローラ１０を非線形結晶１の下に使用してもよい。非線形結晶１の断面は、共振器に閉じ込められた光のビームサイズよりも大きく、それは通常直径が１ｍｍ未満である。非線形結晶の長さを１ｍｍ〜１００ｍｍ（例えば５ｍｍ）の値に設定する。

本発明の第８の好ましい実施形態では、図６（ｂ）に示すように、１０６４ｎｍのレーザ１３は非線形結晶１から分離されている。１０６４ｎｍの光は非線形結晶を１回だけ通過する一方、５３２ｎｍで生成されたＳＨＧ光は、一対の共振器のミラー４、５によって結晶内に閉じ込められる。５３２ｎｍの光はその後のＳＰＤＣプロセスにおいてポンプ光として作用する。ＰＰＬＮ結晶の結晶端面を、１０６４ｎｍの周辺波長（広帯域幅を有する）において高透過率を有するフィルム２および３で被覆する。１０６４ｎｍの光をレンズ１４によって共振器に結合する。ＰＰＬＮ結晶の周期を、１０６４ｎｍ〜５３２ｎｍのＳＨＧに対するＱＰＭ条件、すなわち２ω（ｎ_２ω−ｎ_ω）＝２πｃ／Λ（式中、ｎ_２ωおよびｎ_ωはそれぞれ２ωおよびωでの屈折率であり、ｃは真空での光速度であり、およびΛはＰＰＬＮの周期である）を満たすように注意深く設計する。図３（ａ）と同様に、温度コントローラ１０を非線形結晶１の下に使用してもよい。

本発明の第９の好ましい実施形態では、図６（ｃ）に示すように、１０６４ｎｍのレーザ１３は導波路型の非線形結晶１から分離されている。１０６４ｎｍの光は、非線形導波路を１回だけ通過する一方、５３２ｎｍで生成されたＳＨＧ光は、一対の組み込みブラッググレーティング２ａ、３ａによって結晶内に閉じ込められる。５３２ｎｍの光はその後のＳＰＤＣプロセスにおいてポンプ光として作用する。ＰＰＬＮ導波路の結晶端面を、１０６４ｎｍの周辺波長（広帯域幅を有する）において高透過率を有するフィルム２ｂおよび３ｂで被覆する。１０６４ｎｍの光をレンズ１４によって導波路に結合する。ＰＰＬＮ導波路の周期を、１０６４ｎｍ〜５３２ｎｍのＳＨＧに対するＱＰＭ条件、すなわち２ω（ｎ_２ω−ｎ_ω）＝２πｃ／Λ（式中、ｎ_２ωおよびｎ_ωはそれぞれ２ωおよびωにおいて効果的な屈折率であり、ｃは真空での光速度であり、およびΛはＰＰＬＮの周期である）を満たすように注意深く設計する。図３（ａ）と同様に、温度コントローラ１０を非線形結晶１の下に使用してもよい。

本発明の第１０の好ましい実施形態では、図６（ｄ）に示すように、１０６４ｎｍのレーザ１３は導波路型の非線形結晶１から分離されている。１０６４ｎｍの光は、非線形導波路を１回だけ通過する一方、５３２ｎｍで生成されたＳＨＧ光は、対のファイバブラッググレーティング２ａ、３ａによって結晶内に閉じ込められる。５３２ｎｍの光は、その後のＳＰＤＣプロセスにおいてポンプ光として作用する。ＰＰＬＮ導波路の結晶端面を、１０６４ｎｍの周辺波長（広帯域幅を有する）において高透過率を有するフィルム２ｂおよび３ｂで被覆する。１０６４ｎｍの光を、シングルモードファイバ１５、１６と導波路との間を直接結合することにより、導波路に結合する。ＰＰＬＮ導波路の周期を、１０６４ｎｍ〜５３２ｎｍのＳＨＧに対するＱＰＭ条件、すなわち２ω（ｎ_２ω−ｎ_ω）＝２πｃ／Λ（式中、ｎ_２ωおよびｎ_ωはそれぞれ２ωおよびωにおける効果的な屈折率であり、ｃは真空での光速度であり、およびΛはＰＰＬＮの周期である）を満たすように注意深く設計する。図３（ａ）と同様に、温度コントローラ１０を非線形結晶１の下に使用してもよい。

上述の実施形態では、ＭｇＯがドープされたニオブ酸リチウムの結晶のポーリングについて説明した。当然のことながら、本発明において説明した方法を、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰなどの他の強誘電性材料に適用することも可能である。

上述の実施形態では、結晶のポーリングにおける金属電極を含んだ。当然ながら、液体電極および／または金属電極と液体電極との異なる組み合わせも均一な結晶のポーリングを達成できる。これらの構造を、本発明において明白に説明したものとは異なる方法で組み合わせることができる。

上述の実施形態では、１０６４ｎｍの周辺波長で広帯域光の発生を説明した。当然ながら、１３１０ｎｍなどの他の波長を中心とする広帯域光源を、類似の構成によって生成することもできる。

上述の実施形態では、結晶に取り付けられている加熱装置を説明した。当然ながら、赤外光ヒータなどの他の加熱装置を設けて、結晶の温度を上昇させる同様の効果をもたらすことができる。

Claims (19)

1. 第１のポーリングステップおよび単一電極パターンを用いることによる第２のポーリングステップを含み、前記第１のステップが、電極パターンの下にドメイン反転の均一な核形成を行う一方、前記第２のステップは、最初に核形成されている領域に基板の厚み全体に深い均一なドメイン反転を形成する、強誘電体ドメイン反転法。
2. コロナ放電結晶ポーリング方法を使用して、前記電極の下の領域にドメイン反転の核形成を行う、請求項１に記載の第１のポーリング。
3. 静電ポーリング方法を使用して、最初に核形成されている領域に強誘電体基板の厚み全体にわたって深い均一なドメイン反転を形成する、請求項１に記載の第２のポーリング。
4. さらに、
   ・強誘電体基板の＋ｃ面上に金属によって形成され、かつ
   ・接地されている
   ことを特徴とする、請求項２に記載の電極パターン。
5. ＋ｃ面上の前記電極パターンの寸法と同様の領域を有する金属電極を、前記強誘電体基板の−ｃ面上に形成しかつ前記静電ポーリングにおいて第２の電極として使用する、請求項３に記載の静電ポーリング方法。
6. ＋ｃ面上の前記電極パターンの寸法と同様の領域を有する液体電極を、前記強誘電体基板の−ｃ面上に形成しかつ前記静電ポーリングにおいて前記第２の電極として使用する、請求項３に記載の静電ポーリング方法。
7. ・後に続く第二高調波発生プロセスにおいて必要な、波長λ_ｆの基本波光を発生するレーザ結晶と；
   ・波長λ_ｆ／２の第二高調波光を発生する非線形光学結晶と；
   ・波長λ_ｐのポンプダイオードレーザと；
   ・波長λ_ｆの光を、前記レーザ結晶および非線形結晶を含む共振器内に閉じ込める第１の光共振器と；
   ・波長λ_ｆ／２の光を前記非線形結晶内に閉じ込める第２の光共振器と；
   ・前記レーザ結晶の下にあり、前記レーザ結晶の温度を調整するための第１の温度コントローラと；
   ・前記非線形結晶の下にあり、前記非線形結晶の温度を調整しかつ前記非線形結晶内の波長λ_ｆ／２における光強度を最大にするための第２の温度コントローラと
   を備える広帯域光源装置。
8. さらに、
   ・波長λ_ｆの周辺波長（広帯域）において高反射率を有する、前記共振器の後方ミラーとして曲面ミラー；および
   ・波長λ_ｆ（狭帯域）において鋭い高反射率を有する、前記共振器の前方ミラーとしての曲面ミラー
   を備える、請求項７に記載の第１の光共振器。
9. さらに、
   ・波長λ_ｆの周辺波長（広帯域）において高透過率を有する被膜（すなわち反射防止被膜）を備える２つの結晶端面；および
   ・前記共振器に閉じ込められた前記光のビーム直径よりも大きな断面
   を有する、請求項７に記載のレーザ結晶。
10. さらに、
    ・波長λ_ｆの基本波光からλ_ｆの半波長の第二高調波光を発生するための疑似位相整合条件を満たす周期を有する周期的ドメイン反転構造；
    ・波長λ_ｆの周辺波長（広帯域）において高透過率を有しかつλ_ｆの半波長において高反射率を有する被膜（すなわち反射防止被膜）を備えていて、前記第２の共振器を形成するための２つの結晶端面；および
    ・前記第１の共振器に閉じ込められた前記光のビーム直径よりも大きな断面
    を有する、請求項７に記載の非線形結晶。
11. さらに、
    ・波長λ_ｆの周辺波長（広帯域）において高反射率を有する、前記共振器の後方ミラーとして第１のファイバブラッググレーティング；および
    ・波長λ_ｆ（狭帯域）において鋭い高反射率を有する、前記共振器の前方ミラーとして第２のファイバブラッググレーティング；
    を備える、請求項７に記載の第１の光共振器。
12. さらに、
    ・前記第１のファイバブラッググレーティングからの光を前記レーザ結晶に結合する第１のレンズ；
    ・光を前記非線形結晶に結合する第２のレンズ；および
    ・前記非線形結晶からの光を前記第２のファイバブラッググレーティングに結合する第３のレンズ
    を含む、請求項１１に記載の光ビームを結合するための手段。
13. さらに、
    ・波長λ_ｆの基本波光からλ_ｆの半波長のＳＨ光を発生するための疑似位相整合条件を満たす周期を有する周期的ドメイン反転導波路；および
    ・波長λ_ｆの周辺波長（広帯域）において高透過率を有しかつλ_ｆの半波長において高反射率を有する被膜（すなわち反射防止被膜）を備えていて、前記第２の共振器を形成するための２つの結晶端面
    を含む、請求項７に記載の非線形結晶。
14. さらに、
    ・波長λ_ｆの基本波光からλ_ｆの半波長のＳＨ光を発生するための疑似位相整合条件を満たす周期を有する周期的ドメイン反転導波路；
    ・前記第２の共振器を形成するために、λ_ｆの半波長において高反射率を有する組み込みブラッググレーティング；および
    ・波長λ_ｆの周辺波長（広帯域）において高透過率を有する被膜（すなわち反射防止被膜）を備える２つの結晶端面
    を含む、請求項７に記載の非線形結晶。
15. さらに、
    ・その後に続く第二高調波発生プロセスにおいて必要な波長λ_ｆにおいて放射するポンプレーザ；
    ・波長λ_ｆ／２の第二高調波光を発生する非線形光学結晶；
    ・共振器内部にλ_ｆの半波長の前記光を閉じ込める光共振器；
    ・波長λ_ｆの周辺波長と波長λ_ｆ／２の光の反射が高いが、波長λ_ｆの光の透過率が高い前記光共振器の後方ミラー；
    ・波長λ_ｆ／２の光の反射が高いが、波長λ_ｆの周辺波長の光の透過率が高い前記光共振器の前方ミラー；
    ・波長λ_ｆの光を前記共振器に結合するレンズ；および
    ・前記非線形結晶の下にある温度コントローラ
    を備える、広帯域光源装置。
16. さらに、
    ・前記光共振器が一対の曲面ミラーによって形成され、該光共振器の後方曲面ミラーは、波長λ_ｆの周辺波長と波長λ_ｆ／２との光の反射率が高いが、波長λ_ｆの光の透過率が高く、一方；前記光共振器の前方曲面ミラーは、波長λ_ｆ／２の光の反射率が高いが、波長λ_ｆの周辺波長の光の透過率が高いこと；
    ・前記非線形結晶が、波長λ_ｆの基本波光からλ_ｆの半波長のＳＨ光を発生するための疑似位相整合条件を満たす周期を有する周期的ドメイン反転構造を有すること；
    ・前記非線形結晶の２つの結晶端面が、波長λ_ｆの周辺波長（広帯域）の波長において高透過率を有する被膜（すなわち反射防止被膜）を有すること；および
    ・前記非線形結晶の断面が、前記共振器に閉じ込められた前記光のビーム直径よりも大きいこと
    を含む、請求項１５に記載の光共振器および非線形結晶。
17. さらに、
    ・前記共振器を形成する２つの結晶端面を備える周期的にドメイン反転された非線形結晶であって、後方結晶端面の被膜は、波長λ_ｆの周辺波長と波長λ_ｆ／２との光の反射率が高いが、波長λ_ｆの光の透過率が高く、一方；前方結晶端面の被膜は、波長λ_ｆ／２の光の反射率が高いが、波長λ_ｆの周辺波長の光の透過率が高い、当該非線形結晶；
    ・当該非線形結晶の周期的ドメイン反転構造が、波長λ_ｆの基本波光からλ_ｆの半波長のＳＨ光を発生するための疑似位相整合条件を満たすこと；および
    ・前記非線形結晶の断面が、前記結晶に閉じ込められた前記光のビーム直径よりも大きいこと
    を含む、請求項１５に記載の光共振器および非線形結晶。
18. さらに、
    ・光導波路；
    ・波長λ_ｆの基本波光からλ_ｆの半波長のＳＨ光を発生するための疑似位相整合条件を満たす周期を有する周期的ドメイン反転構造；
    ・前記共振器を形成するための、λ_ｆの半波長の光を反射する前記導波路の各端部における２つの組み込みブラッググレーティング；および
    ・高透過率を有する被膜を備えた２つの結晶端面であって、後方結晶端面の被膜は波長λ_ｆの周辺波長の光の反射率が高いが、波長λ_ｆの光の透過率が高く、一方；前方結晶端面の被膜は、波長λ_ｆの周辺波長の光の反射率が高い、２つの当該結晶端面
    を含む、請求項１５に記載の非線形結晶。
19. さらに、
    ・λ_ｆの半波長において高反射率を有する共振器のミラーとしての２つのファイバブラッググレーティング；および
    ・周期的ドメイン反転構造を備える非線形導波路であって、前記非線形導波路の周期が、λ_ｆの波長の基本波光からλ_ｆの半波長のＳＨ光を発生する疑似位相整合条件を満たす非線形導波路；および
    ・高透過率を有する被膜を備える２つの結晶端面であって、後方結晶端面の被膜は波長λ_ｆの周辺波長の光の反射率が高いが、波長λ_ｆの光の透過率が高く、一方；前方結晶端面の被膜は、波長λ_ｆの周辺波長の光の透過率が高い、２つの当該結晶端面
    を含む、請求項１５に記載の光共振器。

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