JP2015084007A - 波長変換素子の検査方法及び検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換素子において、分極反転構造の検査に必要な光学上の情報を十分に得ることができるようにする。
【解決手段】検査装置１０は、ＳＣ（スーパーコンティニューム）光源１１０、光学系（導光部）１５４、及び分光部１３０を有している。ＳＣ光源１１０は、第１検査用光として、スーパーコンティニューム光（ＳＣ光）を発生する。光学系１５４は、第１検査用光を波長変換素子２０に入射させる。波長変換素子２０は、分極反転構造を有する強誘電体結晶である。分光部１３０は、波長変換素子２０から出射された出射光を分光分析して、一つまたは複数の第１ピーク波長を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、分極反転構造を有する波長変換素子の検査方法及び検査装置に関する。

近年、擬似位相整合を用いて波長変換を行う技術が開発されている。擬似位相整合は、強誘電体結晶に分極反転構造を周期的に形成した素子を用いて行われる。分極反転構造を有する波長変換素子は、分極反転の構造によってその特性が変わってしまう。

特許文献１には、互いに異なる波長を有する複数のレーザ光を波長変換素子に入力し、その出力光を解析することにより、その波長変換素子の分極反転構造が整合する波長を検出することが記載されている。

特許文献２には、波長変換素子をエッチングして、分極反転部とその他の部分に段差を設けることにより、分極反転構造を検査することが記載されている。

特開２００５−６９９８４号公報 特開２００７−２３２８２６号公報

本発明者は、上記した方法では以下の問題があると考えた。特許文献１に記載の構造では、入射光の波長は離散的である。このため、分極反転構造の検査に必要な光学上の情報を十分に得ることはできない。また特許文献２に記載の構造では、実際の光学的特性は検査できない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、分極反転構造の検査に必要な光学上の情報を十分に得ることができる波長変換素子の検査方法及び検査装置を提供することにある。

本発明に係る波長変換素子の検査方法は、以下の通りである。まず、スーパーコンティニューム光源が発生した第１検査用光を、分極反転構造を有する強誘電体結晶である波長変換素子に入射する。そして、波長変換素子から出射された出射光を分光分析して、一つまたは複数の第１ピーク波長を検出する。さらに、検出した第１ピーク波長に基づいて、波長変換素子の検査結果を判断する。

本発明に係る検査装置は、スーパーコンティニューム光源、導光部、及び分光部を有している。スーパーコンティニューム光源は、第１検査用光を発生させる。導光部は、第１検査用光を波長変換素子に入射させる。波長変換素子は、分極反転構造を有する強誘電体結晶である。分光部は、波長変換素子から出射された出射光を分光分析して、一つまたは複数の第１ピーク波長を検出する。

本発明によれば、分極反転構造の検査に必要な光学上の情報を十分に得ることができる。

第１の実施形態に係る検査装置の構成を示す図である。 検査装置の使用方法を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る検査装置の構成を示す図である。 図３に示した検査装置の使用方法を示すフローチャートである。 波長変換素子が出力した光の強度の周波数依存を示す図である。 波長変換素子が出力した光の強度の周波数依存が、温度によってどのように変化するかを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る検査装置１０の構成を示す図である。検査装置１０は、波長変換素子２０を検査するための素子である。検査装置１０は、ＳＣ（スーパーコンティニューム）光源１１０、光学系（導光部）１５４、及び分光部１３０を有している。ＳＣ光源１１０は、第１検査用光として、スーパーコンティニューム光（ＳＣ光）を発生する。光学系１５４は、第１検査用光を波長変換素子２０に入射させる。波長変換素子２０は、分極反転構造を有する強誘電体結晶である。分光部１３０は、波長変換素子２０から出射された出射光を分光分析して、一つまたは複数の第１ピーク波長を検出する。第１ピーク波長は、波長変換素子２０によって波長変換された光である。ＳＣ光は、連続で広帯域な光である。このため、互いに異なる波長を有する複数のレーザ光を検査用の光として用いる場合と比較して、分極反転構造の検査に必要な光学上の情報を十分に得ることができる。以下、詳細に説明する。

本実施形態において、検査装置１０は、ＳＣ光源１１０、スペクトル調整フィルタ１５２、ステージ１２０、光学系１６２、ポンプカットフィルタ１６４、分光部１３０、及び制御部１４０を有している。

ＳＣ光源１１０は、超短パルス光を非線形光学材料に入射することによってＳＣ光を生成する。ＳＣ光は、超短パルス光が非線形光学材料において、自己位相変調、相互位相変調、四光波混合、ラマン散乱等の非線形光学効果を受けることによって生成される。すなわちＳＣ光は、連続で広帯域なパルス光である。

スペクトル調整フィルタ１５２は、ＳＣ光源１１０が出射したＳＣ光から、波長変換素子２０の検査に不要な周波数成分を除去する。光学系１５４は、レンズ等によって構成されており、スペクトル調整フィルタ１５２を透過したＳＣ光を、波長変換素子２０の入射側端面に案内する。

ステージ１２０は、波長変換素子２０を載置する。ステージ１２０はヒータを内蔵しており、波長変換素子２０の温度を調整する。ステージ１２０のヒータは、制御部１４０によって制御されている。

光学系１６２は、波長変換素子２０が出射した光をポンプカットフィルタ１６４に導光する。ポンプカットフィルタ１６４は、波長変換素子２０が出射した光のうち、ＳＣ光に含まれる周波数成分を除去する。分光部１３０は、ポンプカットフィルタ１６４を透過した光を分光し、ピークを有する波長（第１ピーク波長）を検出する。第１ピーク波長は、通常は複数存在する。そして分光部１３０は、検出した複数の第１ピーク波長を、分光結果であるチャートとともに、表示部などに出力する。分光部１３０の動作は、制御部１４０によって制御されている。

波長変換素子２０は、上記したように、分極反転構造を有する強誘電体結晶である。強誘電体結晶としては、例えばＭｇを添加したＬｉＮｂＯ_３であるが、これに限定されない。波長変換素子２０は、入射した光が特定の波長成分を有していた場合、この波長成分を波長変換して出力する。波長変換素子２０は、和周波（ＳＦＧ）、例えば第２次高調波（ＳＨＧ）を出力するが、パラメトリック変換により生成した光、差周波変換により生成した光、または和周波混合変換により生成した光を出力しても良い。

次に、検査装置１０の第１の使用方法について説明する。まず、ステージ１２０を所定の温度に設定する。次いで、ＳＣ光源１１０は、ＳＣ光を発生させる。発生したＳＣ光は、スペクトル調整フィルタ１５２及び光学系１５４を透過した後、波長変換素子２０に入射する。波長変換素子２０に入射したＳＣ光は、位相整合条件を満たす波長成分が波長変換される。ポンプカットフィルタ１６４は、波長変換素子２０から出射した光のうち、ＳＣ光に含まれる波長成分を除去する。このため、分光部１３０に入射する光は、波長変換素子２０が波長変換した光を主に含む。分光部１３０は、分光分析を行い、第１ピーク波長を検出する。

図２は、検査装置１０の第２の使用方法を示すフローチャートである。ステージ１２０上には、波長変換素子２０が載置されている。まず制御部１４０は、ステージ１２０を所定の温度に設定する（ステップＳ１２）。

次いでＳＣ光源１１０は、ＳＣ光を発生させる。発生したＳＣ光は、波長変換素子２０に入射する。波長変換素子２０に入射したＳＣ光は、位相整合条件を満たす波長成分が波長変換される。分光部１３０は、分光分析を行い、第１ピーク波長を検出する。この工程の詳細は、第１の使用方法と同様である（ステップＳ１４）。

そして、検査すべき全ての温度で検査が終了するまで、ステージ１２０の温度を変えつつ、ステップＳ１２及びステップＳ１４の処理を繰り返す（ステップＳ１６）。そして、波長変換素子２０の検査を行っている者は、第１ピーク波長を用いて、波長変換素子２０の構造を判断する（ステップＳ１８）。この判断の詳細については、本実施形態の効果と共に説明する。

次に、本実施形態の効果について説明する。上記した処理により、複数の温度において、第１ピーク波長が効率的に測定される。例えば波長変換素子２０がＳＨＧによる変換光（すなわち第２次高調波）を出力する場合、波長変換素子２０における位相整合条件は、下記（１）式で示される。

・・・（１）
ここで、Λ：分極反転周期、λ_ω：基本波の波長、λ_2ω：第２次高調波の波長、ｎ_ω：基本波波長での結晶屈折率、n_2ω：第２次高調波の波長での結晶屈折率である。

入射光のうち、（１）式に示した位相整合条件を満たす条件において、第２次高調波が発生する。このため、分極反転の微細構造にばらつきがあった場合、又は強誘電体結晶の屈折率にばらつきがあった場合、第２次高調波の波長は変わる。この波長の変化を調べることにより、波長変換素子２０の分極反転構造の詳細、及び、強誘電体結晶の屈折率のばらつきを認識することができる。例えば、分極反転周期が分かっている場合、第１ピーク波長の温度依存性を調べることにより、波長変換素子２０を構成する強誘電体結晶の内部の屈折率の分散の分布を認識することができる。

また、これら第１ピーク波長を用いることにより、その波長変換素子２０をいずれの温度に設定すれば所望の波長が得られるかを、効率的に判断することができる。

これに対して、ＳＣ光源１１０の代わりに、互いに波長が異なる複数のレーザ光源を用いた場合を考える。波長変換素子２０の分極反転構造や、強誘電体結晶の屈折率は、ばらつきを有している。このため、設計上では波長変換されるはずのレーザを波長変換素子２０に入射した場合であっても、分光部１３０が第１ピーク波長を検出しないこともある。この場合、レーザの波長を短波長側及び長波長側のいずれの方向にずらせばよいかはわからない。このため、検査装置１０を用いた場合と同様の検査を行うことは難しい。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る検査装置１０の構成を示す図である。本実施形態に係る検査装置１０は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係る検査装置１０と同様の構成である。

まず、検査装置１０は、スペクトル調整フィルタ１５２の代わりに可変波長フィルタ１５３を有している。そして制御部１４０は、可変波長フィルタ１５３が透過する波長を制御する。

図４は、図３に示した検査装置１０の使用方法を示すフローチャートである。ステージ１２０を所定の温度に設定する。そして制御部１４０は、可変波長フィルタ１５３が透過する波長を所定の波長に設定する（ステップＳ３２）。次いで、ＳＣ光源１１０は、ＳＣ光を発生させる。発生したＳＣ光は、設定された波長成分のみが切り出され、第２検査用光として波長変換素子２０に入射する。

波長変換素子２０に入射した第２検査用光の波長が波長変換素子２０の位相整合条件を満たす場合、ポンプカットフィルタ１６４は、波長変換素子２０から出射した光を透過する。この場合、分光部１３０は、ピーク波長（第２ピーク波長）を検出する（ステップＳ３４）。

一方、第２検査用光の波長が波長変換素子２０の位相整合条件を満たさない場合、ポンプカットフィルタ１６４は、波長変換素子２０から出射した光をカットする。この場合、分光部１３０は、ピーク波長を検出しない（ステップＳ３４）。

制御部１４０は、ステップＳ３２及びステップＳ３４に示した処理を、可変波長フィルタ１５３を透過する光の波長を掃引しながら繰り返し行う（ステップＳ３６）。

また、制御部１４０は、可変波長フィルタ１５３をスペクトル調整フィルタ１５２と同様に機能させた上で、ＳＣ光を波長変換素子２０に入射する。そして分光部１３０は、波長変換素子２０から出射した光から、第１ピーク波長を検出する（ステップＳ３８）。そして、波長変換素子２０の検査を行っている者は、第１ピーク波長及び第２ピーク波長を比較して判断を行う（ステップＳ４０）。これにより、波長変換素子２０の分極反転周期のノイズ成分、すなわち所望していないが寄生的に形成された分極反転周期の有無を判断することができる。

具体的には、寄生的に形成された分極反転周期Λ_aには、以下の（２）式に示す位相整合条件を満たすものがある。
2πn_out/λ_out=2π(n₁/λ₁+n₂/λ₂+1/Λ_a）・・・（２）
ここで、λ_out：波長変換素子２０が変換した光の波長、n_out：λ_outにおける波長変換素子２０の屈折率、λ₁, λ₂ ：波長変換素子２０に入射する光の波長、n₁：λ₁における波長変換素子２０の屈折率、n₂：λ₂における波長変換素子２０の屈折率である。

この位相整合条件は、互いに波長が異なる２つの光（λ₁, λ₂）が入射して、初めて満たされる。一方、第１ピーク波長が検出されるときには、波長変換素子２０にはＳＣ光が入射しているのに対し、第２ピーク波長が検出されるときには、波長変換素子２０には単一波長の光しか入射していない。従って、（２）式の位相整合条件に基づいた変換光は、第１ピーク波長に含まれているが、第２ピーク波長には含まれていない。

一方、所望している位相整合条件は、第１ピーク波長が検出されるとき、及び第２ピーク波長が検出されるときのいずれの場合でも満たされる。従って、第１ピーク波長に含まれているが第２ピーク波長に含まれていない周波数成分を調べることにより、寄生的に形成された分極反転周期の有無を判断することができる。なお、第１ピーク波長に含まれているが第２ピーク波長に含まれていない周波数成分を調べる処理は、制御部１４０が行っても良い。

（実施例１）
第１の実施形態の第１の検査方法を用いて、同一の方法で作成された複数の試料（波長変換素子２０）を検査した。図５は、各試料が出力した光の強度の周波数依存を示している。本図から、試料ごとに、ピーク波長が異なっていることが分かる。これは、試料によって、分極反転周期にばらつきがあることを示している。そしてこの波長のずれを調べることにより、分極反転周期の微細構造を検出することができる。

（実施例２）
第１の実施形態の第２の検査方法を用いて、ステージ１２０の温度を変化させながら、一つの試料を検査した。図６は、試料が出力した光の強度の周波数依存が、温度によってどのように変化するかを示している。本図から、ステージ１２０の温度、すなわち試料の温度によってピーク波長が異なっていること、すなわち位相整合条件を満たす波長が異なることが分かる。そして、各温度において位相整合条件を満たす波長を、容易に判断することができた。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０ 検査装置
２０ 波長変換素子
１１０ ＳＣ光源
１２０ ステージ
１３０ 分光部
１４０ 制御部
１５２ スペクトル調整フィルタ
１５３ 可変波長フィルタ
１５４ 光学系
１６２ 光学系
１６４ ポンプカットフィルタ

Claims (6)

1. スーパーコンティニューム光源が発生した第１検査用光を、分極反転構造を有する強誘電体結晶である波長変換素子に入射し、前記波長変換素子から出射された出射光を分光分析して、一つまたは複数の第１ピーク波長を検出する第１検出工程と、
   前記第１ピーク波長を用いて、前記波長変換素子の構造を判断する判断工程と、
   を備える波長変換素子の検査方法。
2. 請求項１に記載の波長変換素子の検査方法において、
   前記第１検出工程を複数回行い、かつ各前記検出工程において前記波長変換素子を互いに異なる温度に設定する波長変換素子の検査方法。
3. 請求項１に記載の波長変換素子の検査方法において、
   前記第１検査用光から特定波長の光を切り出して第２検査用光を生成し、前記第２検査用光を波長掃引しながら前記波長変換素子に入射し、前記波長変換素子から出射された出射光を分光分析して、一つまたは複数の第２ピーク波長を検出する第２検出工程と、
   前記第１ピーク波長と前記第２ピーク波長とを比較することにより、前記波長変換素子における分極反転周期のノイズ成分を判断する波長変換素子の検査方法。
4. 第１検査用光を発生するスーパーコンティニューム光源と、
   前記第１検査用光を、分極反転構造を有する強誘電体結晶である波長変換素子に入射させる導光部と、
   前記波長変換素子から出射された出射光を分光分析して、一つまたは複数の第１ピーク波長を検出する分光部と、
   を備える検査装置。
5. 請求項４に記載の検査装置において、
   前記波長変換素子の温度を制御する温度制御部をさらに備える検査装置。
6. 請求項４に記載の検査装置において、
   前記第１検査用光から特定波長の光を切り出して第２検査用光を生成し、かつ前記第２検査用光の波長を掃引できる波長フィルタをさらに備え、
   前記第２検査用光は、前記波長変換素子に導光され、
   前記分光部は、さらに前記第２検査用光が前記波長変換素子に入射したときの前記出射光を分光分析して、一つまたは複数の第２ピーク波長を検出する検査装置。

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