JP2022112261A - 光学素子、光学装置、および、光学素子の製造方法 - Google Patents

光学素子、光学装置、および、光学素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】閉じ込め効果の向上が図れるとともに簡易に製造可能な、導波路を有する光学素子、光学素子を備えた光学装置および光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】光学素子２Ａは、第１主面と、第１主面と反対側の第２主面４ｂとを有しており、単結晶、セラミックスまたはガラスで形成されている基板４と、第２主面に接合されており第１基板より小さい屈折率を有するヒートシンク６と、を備え、基板には、導波路８が形成されており、導波路の延在方向および基板の厚さ方向に交差する一対の側面８ａ、８ｂそれぞれは、基板が改質された改質面であり、改質面は第１主面から第２主面まで延びている。【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子、光学装置、および、光学素子の製造方法に関する。
本技術分野の従来技術として、非特許文献１～５がある。これらの文献では、フェムト秒の超短パルスレーザーを光学材料に照射する事で照射領域を非熱加工、改質を行うこと、および、照射領域の体積膨張に伴い屈折率が変わることを利用して導波路を形成することが開示されている。
F. Chen and J. R. Vazquez de Aldana, "Optical waveguides incrystalline dielectric materials produced by femtosecond-laser micromachining,"Laser Photon. Rev., 2014, 8(2), 251-275. W. F. Silva, C. Jacinto, A. Benayas, J. R.Vazquez de Aldana, G. A. Torchia, F. Chen, Y. Tan, andD. Jaque, "Femtosecond-laser-written, stress-induced Nd:YVO4waveguides preserving fluorescence and Raman gain," OPTICS LETTERS, 2010, Vol.35, No. 7, 916-918. V. Apostolopoulos, L. Laversenne, T. Colomb, C. Depeursinge, R. P.Salathe, M. Pollnau, R. Osellame, G.Cerullo, and P. Laporta, "Femtosecond-irradiation-inducedrefractive-index changes and channel waveguiding in bulk Ti3+:Sapphire," Appl. Phys. Lett, 2004, 85, 1122-1124. Ben McMillen, Kevin P. Chen, Honglin An, Simon Fleming, Vincent Hartwell,and David Snoke, "Waveguiding and nonlinear optical propertiesof three-dimensional waveguides in LiTaO3 written by high repetition rate ultrafast laser," Appl. Phys. Lett,2008, 93, 111106-1 to 111106-3. A. Rodenas, G.A. Torchia, G. Lifante, E. Cantelar, J. Lamela, F.Jaque, L. Roso, D. Jaque, "Refractive index changemechanisms in femtosecond laser written ceramic Nd:YAG waveguides:micro-spectroscopy experiments and beam propagation calculations," Appl. Phys.B, 2009, 95, 85-96.
たとえば、非特許文献１の導波路形成では導波路形成のために点描で筒状のレーザー加工が必要であった。そのため、導波路形成が複雑であるとともに、導波路に求められる閉じ込め効果が低く、これまでの導波路レーザー発振特性や非線形波長変換特性は低かった。また、加工にフェムト秒レーザーを用いていることから、導波路を備える光学素子を簡易に製造できなかった。
そこで、本発明は、閉じ込め効果の向上が図れるとともに簡易に製造可能な、導波路を有する光学素子、光学素子を備えた光学装置および光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る光学素子は、第１主面と、上記第１主面と反対側の第２主面とを有しており、単結晶、セラミックスまたはガラスで形成されている基板と、上記第２主面に設けられている光閉じ込め部材と、を備え、上記基板には、導波路が形成されており、上記導波路の延在方向および上記基板の厚さ方向に交差する一対の側面それぞれは、上記基板が改質された改質面であり、上記改質面は上記第１主面から上記第２主面まで延びている。
上記光学素子では、改質面である一対の側面と、光閉じ込め部材とによって導波路が形成されている。この場合、導波路において第２主面側の光の閉じ込めは光閉じ込め部材によってなされることから、光の閉じ込め効果が向上する。更に、導波路において第２主面側の光の閉じ込めは光閉じ込め部材によって成されているため、たとえば、第２主面側の閉じ込めを改質面で実施する場合より、光学素子を簡易に製造可能である。
上記光閉じ込め部材は、上記基板より小さい屈折率を有するヒートシンクであってもよい。この構成では、導波路に高出力のレーザー光を伝播させた場合に基板が熱を生じても、ヒートシンクによって基板の温度上昇を低減できる。
上記光閉じ込め部材は、反射コーティング層と、ヒートシンクとを有し、上記反射コーティング層は、上記第２主面と上記ヒートシンクとの間に配置されていてもよい。この場合、導波路において光が効率的に閉じこめられる。
上記基板は、固体レーザー母材によって形成されていてもよい。この場合、光学素子をレーザー素子として利用可能である。
上記基板は、非線形光学結晶によって形成されていてもよい。この場合、光学素子をたとえば波長変換素子として利用可能である。
上記基板は、擬似位相整合構造を有してもよい。
本発明に係る光学装置は、上記光学素子を備える。
本発明に係る光学素子の製造方法は、導波路を有する光学素子の製造方法であって、 第１主面と、上記第１主面と反対側の第２主面とを有しており、単結晶、セラミックスまたはガラスで形成されている基板の上記第２主面に光閉じ込め部材が配置されるように、上記基板と上記光閉じ込め部材を積層する積層工程と、上記導波路の延在方向および上記基板の厚さ方向に交差する一対の側面を、上記基板に、パルスレーザー光を用いて上記基板を改質することによって形成する改質工程と、を備える。
上記光学素子の製造方法では、パルスレーザー光の照射により基板が改質されることで形成された一対の側面と、光閉じ込め部材によって導波路が形成される。この場合、導波路において第２主面側の光の閉じ込めは光閉じ込め部材によってなされることから、光の閉じ込め効果が向上する。更に、導波路において第２主面側の光の閉じ込めは光閉じ込め部材によって実現されているため、たとえば、第２主面側の閉じ込めを改質面で実施する場合より、光学素子を簡易に製造可能である。
上記パルスレーザー光のパルス幅は、０．２ｐｓ～１０ｎｓであってもよい。上記パルスレーザー光のパルス幅は、１ｐｓ～１ｎｓであってもよい。この場合、たとえば、フェムト秒レーザー光を使用する場合に比べて、パルスレーザー光の出力装置を簡易化できる。
上記光閉じ込め部材は、上記基板より小さい屈折率を有するヒートシンクであり、上記積層工程では、上記ヒートシンクを、上記第２主面に常温接合してもよい。この場合、導波路に高出力のレーザー光を伝播させた場合に基板が熱を生じても、ヒートシンクによって基板の温度上昇を低減できる。
上記光閉じ込め部材はヒートシンクを有し、上記積層工程では、上記基板またはヒートシンクに反射コーティング層を形成したのち、上記ヒートシンクと上記基板で上記反射コーティング層を挟むように、上記基板と上記ヒートシンクとを積層してもよい。この場合、導波路において光が効率的に閉じこめられる。
上記基板は、固体レーザー母材によって形成されていてもよい。この場合、光学素子をレーザー素子として利用可能である。
上記基板は、非線形光学結晶によって形成されていてもよい。この場合、光学素子をたとえば波長変換素子として利用可能である。
上記基板は、擬似位相整合構造を有してもよい。
本発明によれば、閉じ込め効果の向上が図れるとともに簡易に製造可能な、導波路を有する光学素子、光学素子を備えた光学装置および光学素子の製造方法を提供できる。
図１は、第１実施形態に係る光学素子の概略構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示した光学素子の製造方法を説明するための図面である。 図３は、第２実施形態に係る光学素子の概略構成を示す側面図である。 図４は、第３実施形態に係る光学素子の概略構成を示す斜視図である。 図５は、第４実施形態に係る光学装置の概略構成を示す平面図である。 図６は、第５実施形態に係る光学素子の概略構成を示す斜視図である。 図７は、第６実施形態に係る光学素子の概略構成を示す側面図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
（第１実施形態）
図１に示したように、一実施形態に係る光学素子２Ａは、基板４と、ヒートシンク（光閉じ込め部材）６とを備えており、基板４には、導波路８が形成されている。図１では、説明の便宜のため、導波路８の一対の側面８ａ，８ｂを太実線で模式的に示している。導波路の側面の図示の方法は他の図でも同様である。
基板４は、第１主面４ａと、第２主面４ｂ（基板４の厚さ方向において、第１主面４ａと反対側の面）とを有する。基板４の厚さＨの例は、５μｍ～１ｍｍである。基板４の平面視形状（基板４の厚さ方向からみた形状）は限定されないが、たとえば、長方形または正方形である。基板４の平面視形状が長方形である場合、長辺方向の長さＬの例は、１ｍｍ～１００ｍｍである。
基板４は、導波路８を伝播する光を透過可能な光学部材である。基板４は、単結晶、セラミックスまたはガラスから形成されている。基板４は、固体レーザー母材（レーザー媒質）から形成されていてもよい。
上記単結晶の例は、ＹＡＧ，ＧＧＧ、ＬｕＡＧ、ＹＳＡＧ、ＹＧＡＧ、ＹＡＬＯ等のガーネット系、Ｙ２Ｏ３、Ｓｒ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３等の三二酸化物（Sesquioxides）系、ＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、ＬｕＶＯ４等のバナデート系、ＣａＦ２，ＹＬＦ等のフッ化物系、ＦＡＰ、ｓＦＡＰ等のアパタイト系、ＫＹＷ、ＫＧＷ等のタングステート系である。上記セラミックスの例は、ＹＡＧセラミックスのように上記単結晶と同様の材料の多結晶、ＬｕＡＧ、ＹＳＡＧ、ＹＧＡＧ、Ｙ２Ｏ３、Ｓｒ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３等の等方性材料、および、異方性のＦＡＰ等である。このような単結晶およびセラミックスは、固体レーザー母材として機能する。
基板４が固体レーザー母材から形成されている場合、基板４には、発光中心が添加されていてもよい。発光中心は、希土類元素（Ｎｄ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｃｅ，Ｐｒなど）、遷移金属元素（Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，など）などを含む。
基板４は、非線形光学結晶から形成されていてもよい。非線形光学結晶から形成された基板４の材料としては、たとえば、水晶（ＳｉＯ２）、強誘電体材料、半導体材料、ボレート系材料等が挙げられる。
上記強誘電体材料としては、たとえば、ＬｉＮｂＯ３（Ｍｇが添加されている場合、添加されていない場合の両方を含む）、ＬｉＴａＯ３（Ｍｇが添加されている場合、添加されていない場合の両方を含む）、ＫＴｉＰＯ４（Ｒｂが添加されている場合、添加されていない場合の両方を含む）、ＲｂＴｉＰＯ４（Ｒｂが添加されている場合、添加されていない場合の両方を含む）、ＫＴｉＯＡｓＯ４、ＲｂＴｉＯＡｓＯ４などが挙げられる。
上記半導体材料としては、たとえば、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、 ＺｎＴｅ、ＺｎＧｅＰ２、ＣｄＳｉＰ２などが挙げられる。
上記ボレート系材料としては、たとえば、ＬｉＢ３Ｏ５、ＢａＢ２Ｏ４，Ｃａ（ＢＯ３）３Ｆ，ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０，Ｃａ４ＬｎＯ（ＢＯ３）３（Ｌｎ＝Ｇｄ，Ｙ）などが挙げられる。
ヒートシンク６は、基板４より小さい屈折率を有し且つ基板４より高い熱伝導率を有する部材である。ヒートシンク６の材料としては、たとえば、サファイア、ダイアモンド等が挙げられる。ヒートシンク６は、基板４の第２主面４ｂに接合されている。ヒートシンク６は、基板４に常温接合によって接合されてもよい。
導波路８は、基板４に形成されている。図１に示した形態では、導波路８は、基板４の第１端面４ｃから第２端面４ｄまで延在している。導波路８の一対の側面８ａ、８ｂそれぞれは、導波路８の延在方向（光軸方向）および基板４の厚さ方向に交差している。図１に示した形態では、一対の側面８ａ、８ｂは、導波路８の延在方向（光軸方向）および基板４の厚さ方向に直交している。一対の側面８ａ，８ｂは対向している。一対の側面８ａ，８ｂは、基板４が改質された改質面である。一対の側面８ａ，８ｂはレーザー描画によって形成され得る。具体的には、一対の側面８ａ，８ｂは、レーザー光を基板４に集光することによって、基板４におけるレーザーの集光領域が周囲より屈折率が小さくなるように改質されることで形成された面である。改質面は、屈折率が変調された面（屈折率変調面）でもある。基板４の厚さ方向に沿った各側面８ａ、８ｂの長さは、図１に示したように、基板４の厚さＨと同じである。導波路８の幅Ｗ（導波路８の光軸方向および基板４の厚さ方向に直交する方向の長さ）の例は５μｍ～１ｍｍである。
上記光学素子２Ａは、次のように製造され得る。
まず、基板４の第２主面４ｂに、ヒートシンク６を接合することによって、基板４とヒートシンク６とを積層する（積層工程）。ヒートシンク６は、基板４に、たとえば、表面活性化常温接合でされていてもよい。表面活性化常温接合（以下、単に「常温接合」ともいう）は、真空中で接合する材料の接合面の酸化膜又は表面付着物をイオンビーム照射又はＦＡＢ（中性原子ビーム）照射によって除去し、平坦で構成原子の露出した接合面同士を接合するという手法である。常温接合は、分子間結合を利用した直接接合である。
次に、基板４に対して、図２に示したように、パルスレーザー光ＰＬを集光部１０で集光しながら照射し、パルスレーザー光ＰＬの照射位置（集光位置）の基板４を改質する。形成すべき導波路８の形状に応じて、パルスレーザー光ＰＬを３次元的に走査することによって、導波路８の一対の側面８ａ，８ｂとなるべき改質面を形成する（改質工程）。
パルスレーザー光ＰＬは、サブナノ秒パルス幅のパルスレーザー光でよい。パルスレーザー光ＰＬのパルス幅は、０．２ｐｓ～１０ｎｓでよく、１ｐｓ～１ｎｓが好ましい。パルスレーザー光ＰＬを出力するレーザー装置の例は、小型で低消費電力でありサブナノ秒パルス幅のレーザー光を出力可能なマイクロチップレーザー（MCL）（たとえば、特開２０１９－１２９２５２号公報参照）である。基板４がＮｄ：ＹＡＧであり且つパルスレーザー光ＰＬが基本波である場合の波長の例は、１０６４ｎｍ～１１０８ｎｍであり、基板４がＹｂ：ＹＡＧであり且つパルスレーザー光ＰＬが基本波である場合の波長の例は、１０２４ｎｍ～１１０８ｎｍである。パルスレーザー光ＰＬとしては、基本波のみならず、固体レーザーからの第２高調波、第３高調波、第４高調波、第５高調波、第６高調波、第７高調波などの高調波を用いてもよい。高調波を用いることで、パルス幅０．１ｐｓ以下の大形で不安定な超短パルスレーザーを用いなくとも光子エネルギーを高める事ができるため物質と効率的に強く相互作用し、より微細な加工が可能である。
パルスレーザー光ＰＬのパワーおよび照射時間等は、パルスレーザー光ＰＬの照射位置（集光位置）における屈折率が、照射位置の周囲（形成すべき側面の周囲）の屈折率より小さくなるように設定されていればよい。たとえば、パルスレーザー光ＰＬの尖頭出力の例は、０．１ＭＷ～５０ＭＷである。パルスレーザー光ＰＬの照射位置への照射時間は、１ｐｓ～１ｎｓである。
パルスレーザー光ＰＬの走査は、レーザー装置自体を走査してもよいし、レーザー装置から出力されたパルスレーザー光ＰＬを、ミラーなどを用いて走査してもよい。
光学素子２Ａの製造方法の上記例では、基板４とヒートシンク６とを積層した後に、基板４に導波路８を形成している。しかしながら、基板４に導波路８を形成した後に、基板４とヒートシンク６とを積層してもよい。
上記光学素子２Ａでは、パルスレーザー光ＰＬの照射により基板４が改質されることで形成された一対の側面８ａ，８ｂと、ヒートシンク６によって導波路８が形成されている。ヒートシンク６は、基板４より小さい屈折率を有することから、ヒートシンク６によって導波路８における第２主面４ｂ側の光の閉じ込めが可能である。すなわち、ヒートシンク６は光閉じ込め部材として機能する。このように、導波路８における第２主面４ｂ側の光の閉じ込めがヒートシンク６によって実現されるため、導波路８における光の閉じ込め効果が向上する。導波路８の一部をヒートシンク６で形成していることによって、パルスレーザー光ＰＬによって改質する領域は、一対の側面８ａ，８ｂに相当する領域でよい。したがって、たとえば、導波路８を閉じ込めるための全ての面を、パルスレーザー光ＰＬを用いて形成する場合より、簡易にかつ短い時間で光学素子２Ａを製造できる。
パルスレーザー光ＰＬとして、サブナノ秒パルス幅（たとえば、パルス幅が０．２ｐｓ～１０ｎｓ）を有するパルスレーザー光を用いる場合、たとえば、フェムト秒パルスレーザー光を用いる場合より、レーザー装置の小型化が図れる。たとえば、上述したマイクロチップレーザーを使用することも可能である。この場合、レーザー装置を扱い易いので、導波路８を形成し易い。
基板４の材料が、単結晶またはセラミックスである場合（特に、固体レーザー母材に使用される材料である場合）、高出力のレーザー光に対して高い耐性を有する。更に、ヒートシンク６を光閉じ込めの一部に使用していることから、高い光閉じ込め効果も得られる。その結果、高出力のレーザー光を導波路８内で伝播可能であり、光学素子２Ａをレーザー加工等に使用する高出力のレ－ザー光のための光部品（たとえば、レーザー素子）として使用可能である。
また、単結晶またはセラミックスはガラスよりも熱伝導率、誘導放出断面積が大きい。更に、光学素子２Ａでは、上記のように閉じ込め効果の向上も図れている。したがって、単結晶またはセラミックスから形成された上記光学素子２Ａを用いて小型、高効率および高出力のうちの少なくとも一つを満たすレーザー装置を実現可能である。
光学素子２Ａではヒートシンク６を備えていることから、上述したような高出力のレーザー光の伝播によって基板４が熱を生じても、ヒートシンク６が基板４に接合されているので基板４の温度上昇を低減できる。
基板４とヒートシンク６との接合が常温接合である場合、異種材料が常温接合されている。そのため、たとえば、接着剤等を用いて接合している場合に比べて、導波路８を伝播する光のパワーに対する高い耐性を有し高出力光を取り扱うことが可能となり且つ閉じ込め効果の高い導波路８を得ることができる。
基板４が、固体レーザー母材から形成されている場合、光学素子２Ａを、光発振器、光増幅器、レーザー装置などが有するレーザー素子として使用可能である。基板４が、固体レーザー母材から形成されている場合、高出力のレーザー光に対して高い耐性を有し、前述したように、導波路８では、閉じ込め効果の向上を図れる。その結果、小型、高効率および高出力のうちの少なくとも一つを満たす光発振器、光増幅器、レーザー装置を実現可能である。
光学素子２Ａが非線形光学結晶から形成されている場合、光学素子２Ａをたとえば波長変換素子として利用できる。非線形光学結晶に導波路８が形成されている形態では、光学素子２Ａによって、小型および高出力のうちの少なくとも一つを満たす非線形波長変換素子を実現可能である。
次に、光学素子２Ａの種々の変形例および応用例を各実施形態として説明する。
（第２実施形態）
図３に示した光学素子２Ｂのように、光学素子２Ｂは、基板４とヒートシンク６の間に中間層１２を有してもよい。中間層１２は、たとえば、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２などから形成され得る。中間層１２は、基板４およびヒートシンク６を接合する際に形成される層であってもよい。この場合、中間層１２は、基板４またはヒートシンク６に一体化されている。第２実施形態では、中間層１２は、光閉じ込め部材の一部である。
たとえば、基板４の材料が固体レーザー母材であり、基板４とヒートシンク６が常温接合されている場合、基板４とヒートシンク６は、中間層１２を介して接合される。この場合、中間層１２は緩衝層として機能する。中間層１２の材料は例示したとおりである。中間層１２は、基板４の構成元素と、ヒートシンク６の構成元素とを含んでもよい。基板４とヒートシンク６を常温接合した場合、中間層１２には、Ｆｅ，Ａｒ等が含まれていてもよい。上記常温接合は、一例として次のように実施され得る。
基板４およびヒートシンク６をチャンバー内に配置し、チャンバー内を略真空環境とする。基板４の第２主面４ｂと、ヒートシンク６の基板４側の面にそれぞれ中間層１２を形成する。基板４側の中間層１２およびヒートシンク６側の中間層１２の厚さは、たとえば、１０ｎｍ程度である。中間層１２は、スパッタまたは蒸着などにより形成すればよい。常温接合のための中間層１２は、基板４およびヒートシンク６の少なくとも一方の構成元素と置換可能な元素を含む。
略真空環境下において、基板４の中間層１２側の表面およびヒートシンク６の中間層１２側の表面に、アルゴン（Ａｒ）等のイオンビーム又はＦＡＢ（中性原子ビーム）を照射する。これにより、当該表面に吸着していた酸素等を除去し、ダングリングボンドを含む新生面を形成する。当該略真空環境は、例えばバックグラウンド圧力が１×１０－５Ｐａ以下の真空又は減圧雰囲気である。
イオンビーム又はＦＡＢ（中性原子ビーム）としては、アルゴンの他に、ネオン（Ｎｅ）、クリフトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅｎｏｎ）、ヘリウム（Ｈｅ）等の希ガス又は不活性ガスを採用することができる。希ガスは、化学反応を起こしにくいので、被照射面の化学的性質を大きく変化させることはない。粒子ビーム源又はプラズマ発生装置を用いてイオンビームの粒子を接合面に向けて加速することで、イオンビーム又はＦＡＢ（中性原子ビーム）に所定の運動エネルギーを与えることができる。
次に、基板４の中間層１２側とヒートシンク６の中間層１２側とを対向させる。室温下において、基板４およびヒートシンク６の結合手が露出している新生面同士を、略真空環境中で接触させる。これにより、原子間の相互作用による結合力が発生し、基板４とヒートシンク６とが中間層１２を介して強固に結合する。当該略真空環境は、例えばバックグラウンド圧力が１．５×１０－６Ｐａ以下の真空又は減圧雰囲気である。接触させた基板４およびヒートシンク６に所定の圧力（１．５～２．０ＭＰａ）を加えてもよい。
光学素子２Ｂは、中間層１２を有する点以外は、第１実施形態の光学素子２Ａと同様である。したがって、光学素子２Ｂは、光学素子２Ａと同様の作用効果を有する。
（第３実施形態）
図４に示した光学素子２Ｃのように、光学素子２Ｃが有する基板４には、複数の導波路８が形成されていてもよい。各導波路８の数および形状は、光学素子２Ｃの用途に応じて決定されていればよい。図４では、２つの導波路８が形成されている場合を示している。図４に示した２つの導波路８を導波路８Ａおよび導波路８Ｂと称す。図４に示した形態では、導波路８Ａおよび導波路８Ｂは、導波路８Ａおよび導波路８Ｂを伝播する光（たとえばレーザー光）が一部で光結合するように、互いに接近している。
複数の導波路８の形成方法は、第１実施形態の場合と同様である。すなわち、パルスレーザー光ＰＬによって、基板４において、各導波路８の側面となるべき部分を改質することで形成され得る。この場合、パルスレーザー光ＰＬの走査によって、各導波路８を形成可能であるので、基板４に複数の導波路８を形成し易い。基板４に複数の導波路８が形成されている点以外は、光学素子２Ｃの構成は、光学素子２Ａと同様である。したがって、光学素子２Ｃは、光学素子２Ａと同様の作用効果を有する。
図４に示したように、導波路８Ａおよび導波路８Ｂが、それらを伝播する光が一部で光結合するように互いに接近している形態では、光学素子２Ｃは、導波路８Ａおよび導波路８Ｂをそれぞれ伝播する異なる波長のレーザー光を光結合する光結合素子として機能する。図４に示した光学素子２Ｃは、一方の導波路８（たとえば、導波路８Ａ）を伝播しているレーザー光の一部を他方の導波路８（たとえば導波路８Ｂ）に分岐する光分岐素子としても機能し得る。
（第４実施形態）
基板４の材料が固体レーザー母材である場合、光学素子を光発振器、光増幅器、レーザー装置等に使用可能である。図５を利用して光学素子２Ａを用いた発振器およびレーザー装置の一例を説明する。レーザー装置は、光学素子を備えた光学装置の一例でもある。
図５に示したように、レーザー装置（光学装置）１４は、光学素子２Ａを有する光発振器１６を備える。レーザー装置１４は、光学素子２Ａに励起光Ｌ１を供給する励起光源部１８を備えてもよい。第４実施形態では、レーザー装置１４が、励起光源部１８を備えた場合を説明する。以下の説明では、レーザー装置１４が出力するレーザー光をレーザー光Ｌ２と称す。
光発振器１６は、光学素子２Ａと、共振器２０とを有する。光学素子２Ａは、第１実施形態で説明した光学素子２Ａである。第４実施形態では、基板４の材料は、固体レーザー母材（レーザー媒質）として機能する単結晶またはセラミックスであり、発光中心が添加されている。
共振器２０は、励起光源部１８側に配置される第１ミラー（第１反射部）２０Ａと、レーザー光Ｌ２の出力側に配置される第２ミラー（第２反射部）２０Ｂと、を有する。第１ミラー２０Ａおよび第２ミラー２０Ｂは、レーザー装置１４において、レーザー発振のための共振器として機能するような透過率および反射率を有していればよい。
第１ミラー２０Ａは、励起光Ｌ１を透過し、レーザー光Ｌ２を反射する。第２ミラー２０Ｂは、レーザー光Ｌ２を反射する。たとえば、第２ミラー２０Ｂのレーザー光Ｌ２に対する反射率は、ＣＷであれば８０％～９５％程度、Ｑスイッチであれば４０％～９０％程度である。第１ミラー２０Ａは、たとえば、基板４の第１端面４ｃに形成された誘電体多層膜である。第１ミラー２０Ａは、例えば励起光Ｌ１に対してＡＲコートとして機能し、レーザー光Ｌ２に対してＨＲコートとして機能する誘電体多層膜である。第２ミラー２０Ｂは、たとえばレーザー光Ｌ２に対してＰＲコート（部分反射コート）として機能する誘電体多層膜である。
第１ミラ－２０Ａおよび第２ミラー２０Ｂは、第１端面４ｃおよび第２端面４ｄから離して配置されていてもよい。第１ミラー２０Ａおよび第２ミラー２０Ｂが第１端面４ｃおよび第２端面４ｄ上に形成された誘電体多層膜であることによって、小型のレーザー装置１４を得られる。
励起光源部１８は、励起光Ｌ１を出力する光源部１８Ａと、励起光Ｌ１を導波路８に入射するように集光する集光光学系１８Ｂとを有する。図５では、集光光学系１８Ｂをレンズとして模式的に示している。光源部１８Ａの例は、半導体レーザー素子である。
上記構成のレーザー装置１４では、励起光源部１８から励起光Ｌ１を出力することで、レーザー光Ｌ２を生成できる。
固体レーザー母材として機能する単結晶またはセラミックスはガラスよりも熱伝導率、誘導放出断面積が大きい。更に、光学素子２Ａでは、上記のように閉じ込め効果の向上も図れている。したがって、単結晶またはセラミックスから形成された上記光学素子２Ａを用いて小型、高効率および高出力のうちの少なくとも一つを満たすレーザー装置を実現可能である。
レーザー装置１４は、Ｑスイッチ素子といった可飽和吸収体を更に有してもよい。可飽和吸収体の材料の例は、Ｃｒが添加されたＹＡＧである。可飽和吸収体は、たとえば、第２端面４ｄと第２ミラー２０Ｂとの間に配置される。可飽和吸収体は、基板４に接合（たとえば常温接合）されていてもよい。レーザー装置１４が上記可飽和吸収体を備えることで、レーザー装置１４は、パルスレーザー光を出力可能である。この場合、レーザー装置１４は、レーザー加工装置として使用可能である。
たとえば、光学素子２Ａとして、図４に示したように、一部で互いに接近している２つの導波路８を有する光学素子２Ｃを光学素子２Ａの代わりに用いる場合、たとえば、導波路８に励起光を入射し、導波路８側に漏れ出た励起光で導波路８内の固体レーザー母材を励起してもよい。
（第５実施形態）
図６を参照して、第５実施形態に係る光学素子２Ｄを説明する。光学素子２Ｄは、基板４Ａと、ヒートシンク６とを有し、基板４Ａには、導波路８が形成されている。以下、説明の便宜のため、第５実施形態では、図６に示したように、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を用いる場合もある。Ｚ方向は、基板４Ａの厚さ方向である。Ｘ方向およびＹ方向は、Ｚ方向に直交する方向であり、図６においてＹ方向は導波路８の延在方向であり、Ｘ方向は、Ｙ方向に直交する方向である。基板４Ａの平面視形状（厚さ方向からみた形状）が長方形である場合、Ｙ方向は基板４Ａの長手方向であり、Ｘ方向は短手方向である。
基板４Ａの材料は非線形光学結晶であり、基板４Ａは擬似位相整合（ＱＰＭ： Ｑｕａｓｉ－Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）構造２２を有する。基板４Ａの材料としては、水晶、強誘電体材料（たとえば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３））が挙げられる。
擬似位相整合構造２２は、複数の極性反転領域２２ａと、複数の極性非反転領域２２ｂとを有する。図６では、説明の便宜のため、極性反転領域２２ａと極性非反転領域２２ｂとの界面を実線で示している。複数の極性反転領域２２ａおよび複数の極性非反転領域２２ｂは、一方向（図６では、導波路８の延在方向、または、基板４Ａの長手方向）に沿って、極性反転領域２２ａおよび極性非反転領域２２ｂが交互になるように配置されている。極性反転領域２２ａの極性軸と、極性非反転領域２２ｂの極性軸とは、例えば互いに１８０°反転した状態になっている。各極性反転領域２２ａは、Ｘ方向において一方の側面から他方の側面にかけて設けられ、且つ、Ｚ方向において第１主面４ａから第２主面４ｂにかけて設けられる。極性反転領域２２ａと極性非反転領域２２ｂとは、Ｙ方向において交互に並ぶ。また、各極性反転領域２２ａにおけるＸ方向に沿った寸法は、Ｘ方向に沿った基板４Ａの寸法に相当し、各極性反転領域２２ａにおけるＺ方向に沿った深さは、基板４Ａの厚さに相当する。よって、導波路８内を伝播する光は、複数の極性反転領域２２ａの全てを透過する。
複数の極性反転領域２２ａは、極性非反転領域２２ｂを介して互いに離間する。すなわち、隣り合う極性反転領域２２ａ同士の間には極性非反転領域２２ｂが位置している。複数の極性反転領域２２ａは、基板４Ａ内において、水晶の屈折率分散から導出される所定位置に配列される。第５実施形態では、複数の極性反転領域２２ａは、Ｙ方向において周期的に配列される。複数の極性反転領域２２ａの位置（或いは周期）は、光の波長及び屈折率に応じて決定されればよい。
基板４の材料が水晶である場合、基板４に対して加熱および応力印加を実施することによって各極性反転領域２２ａを形成できる。この場合、極性非反転領域２２ｂは応力印加などが施されていない領域である。基板４Ａの材料が強誘電体材料である場合、たとえば、電界印加により、各極性反転領域２２ａを形成できる。この場合、極性非反転領域２２ｂは電界印加が施されていない領域である。たとえば、基板４とヒートシンク６との接合方法に常温接合を採用する場合には、予めＱＰＭ構造を有する水晶である基板４とヒートシンク６を接合し得る。
基板４Ａには、導波路８が形成されている。導波路８の形成方法は、光学素子２Ａの場合と同様である。
光学素子２Ｄは、基板４の代わりに、基板４Ａを備える点以外は、光学素子２Ａと同様である。よって、光学素子２Ｄは、光学素子２Ａと同様の作用効果を有する。
擬似位相整合構造２２を有する基板４Ａに形成された導波路８は、擬似位相整合導波路として機能し、光学素子２ＤはＱＰＭ素子として機能する。そのため、光学素子２Ｄは、光高調波発生、和周波発生、差周波発生、パラメトリック光増幅、パラメトリック光発振、超高速光―光スイッチング等に用いられる。特に導波路８の閉じ込め効果により、その波長変換効率が向上する。光学素子２Ｄは、小型高出力の非線形波長変換、特に量子光学（量子通信、量子演算など）に求められる高性能光パラメトリックプロセスに必要な非線形光学素子として利用可能である。たとえば、光学素子２Ｄは、コヒーレントイジングマシン、量子コンピュータ、量子センサ、波長変換装置、レーザー加工装置などに用いられるＱＰＭ素子の代わりに利用可能である。したがって、光学素子２Ｄを備えた光学装置の例は、コヒーレントイジングマシン、量子コンピュータ、量子センサ、波長変換装置、レーザー加工装置等を含む。
基板４Ａの材料が水晶である場合、ＱＰＭ素子としての光学素子２Ｄは、光耐性が高く短波長まで透過可能であることから、各種高出力の短波長発生装置、レーザー加工装置、高耐力が必要な量子演算装置、多光子プロセスを必要とする装置に用いられる。
（第６実施形態）
図７に示した光学素子２Ｅのように、光学素子２Ｅは、反射コーティング層２４とヒートシンク６とを有する光閉じ込め部材５と、基板４とが積層された構造を有してもよい。反射コーティング層２４は、たとえば、誘電体多層膜が最適だが基板４よりも屈折率が低い材料でその厚みは波長程度からその１０分の１程度もあれば充分である。反射コーティング層２４は、導波路８で伝播させるべき光を反射可能な層であればよい。光学素子２Ｅは、たとえばヒートシンク６または基板４に反射コーティング層２４を形成した後に、ヒートシンク６と基板４とで反射コーティング層２４を挟むように、基板４とヒートシンク６とを積層することで製造され得る。
光学素子２Ｅは、反射コーティング層２４によって、導波路８内を伝播する光が反射される。したがって、ヒートシンク６側からの光の漏れを一層抑制できるので、効率的に光を導波路８で伝播可能である。このように、反射コーティング層２４が、ヒートシンク６側の光閉じ込めに寄与する。そのため、基板４に対するヒートシンク６の屈折率差が小さい場合でも、導波路８を形成可能である。反射コーティング層２４がヒートシンク６側の光閉じ込めに寄与することから、光学素子２Ｅが有するヒートシンク６の屈折率は、基板４より大きくすることも可能である。そのため、基板４およびヒートシンク６それぞれの材料の選択の自由度が向上する。基板４が非線形材料の場合、基板４とヒートシンク６との屈折率差が小さくなりやすいため、たとえば、基板４が水晶、ＫＴｉＰＯ４、ＫＴｉＯＡｓＯ４、ＲｂＴｉＯＡｓＯ４やＬｉＢ３Ｏ５、ＢａＢ２Ｏ４，Ｃａ（ＢＯ３）３Ｆ，ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０などの場合に光学素子２Ｅの構成は一層有効である。
以上、本発明は例示した種々の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示される範囲が含まれるとともに、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本開示に係る光学素子は、従来の導波路（光ファイバを含む）の代わりに使用可能である。したがって、本開示に係る光学素子を備えた光学装置の例は、上記種々の実施形態で示した例の他、レーザー計測装置、レーザー検査装置、レーザー診断装置、レーザー医療装置、光通信装置、光情報処理装置、レーザー光を用いた装置であってバイオ分野に適用する装置等を含む。
光閉じ込め部材がヒートシンクを有する場合を例示したが、光閉じ込め部材は、光を導波路に閉じ込め可能な部材であれば、ヒートシンクを有しなくてもよい。したがって、たとえば、第６実施形態で説明した反射コーティング層自体が光閉じ込め部材でもよい。
以上説明した種々の実施形態、変形例などは、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜組み合わされてもよい。
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…光学素子，４，４Ａ…基板，４ａ…第１主面、４ｂ…第２主面、５…光閉じ込め部材、６…ヒートシンク（光閉じ込め部材）、８…導波路、８ａ，８ｂ…側面（一対の側面）、１４…レーザー装置（光学装置）、２２…擬似位相整合構造、２４…反射コーティング層（光閉じ込め部材）、ＰＬ…パルスレーザー光。

Claims (15)

  1. 第１主面と、前記第１主面と反対側の第２主面とを有しており、単結晶、セラミックスまたはガラスで形成されている基板と、
    前記第２主面に設けられている光閉じ込め部材と、
    を備え、
    前記基板には、導波路が形成されており、
    前記導波路の延在方向および前記基板の厚さ方向に交差する一対の側面それぞれは、前記基板が改質された改質面であり、
    前記改質面は前記第１主面から前記第２主面まで延びている、
    光学素子。
  2. 前記光閉じ込め部材は、前記基板より小さい屈折率を有するヒートシンクである、
    請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記光閉じ込め部材は、反射コーティング層と、ヒートシンクとを有し、
    前記反射コーティング層は、前記第２主面と前記ヒートシンクとの間に配置されている、
    請求項１または２に記載の光学素子。
  4. 前記基板は、固体レーザー母材によって形成されている、
    請求項１～３の何れか一項に記載の光学素子。
  5. 前記基板は、非線形光学結晶によって形成されている、
    請求項１～３の何れか一項に記載の光学素子。
  6. 前記基板は、擬似位相整合構造を有する、
    請求項５に記載の光学素子。
  7. 請求項１～６の何れか一項に記載の光学素子を備えた光学装置。
  8. 導波路を有する光学素子の製造方法であって、
    第１主面と、前記第１主面と反対側の第２主面とを有しており、単結晶、セラミックスまたはガラスで形成されている基板の前記第２主面に光閉じ込め部材が配置されるように、前記基板と前記光閉じ込め部材を積層する積層工程と、
    前記導波路の延在方向および前記基板の厚さ方向に交差する一対の側面を、前記基板に、パルスレーザー光を用いて前記基板を改質することによって形成する改質工程と、
    を備える、
    光学素子の製造方法。
  9. 前記パルスレーザー光のパルス幅は、０．２ｐｓ～１０ｎｓである、
    請求項８に記載の光学素子の製造方法。
  10. 前記パルスレーザー光のパルス幅は、１ｐｓ～１ｎｓである、
    請求項８に記載の光学素子の製造方法。
  11. 前記光閉じ込め部材は、前記基板より小さい屈折率を有するヒートシンクであり、
    前記積層工程では、前記ヒートシンクを、前記第２主面に常温接合する、
    請求項８～１０の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
  12. 前記光閉じ込め部材はヒートシンクを有し、
    前記積層工程では、前記基板またはヒートシンクに反射コーティング層を形成したのち、前記ヒートシンクと前記基板で前記反射コーティング層を挟むように、前記基板と前記ヒートシンクとを積層する、
    請求項８～１１の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
  13. 前記基板は、固体レーザー母材によって形成されている、
    請求項８～１２の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
  14. 前記基板は、非線形光学結晶によって形成されている、
    請求項８～１２の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
  15. 前記基板は、擬似位相整合構造を有する、
    請求項１４に記載の光学素子の製造方法。
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