JP2858479B2

JP2858479B2 - 波長変換のための光学物品とそれらの製造及び使用

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Publication number: JP2858479B2
Application number: JP3501758A
Authority: JP
Inventors: ビアレイン，ジョン・デイビツド; ローバカー，ダニエル・ビー
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1989-12-12
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1999-02-17
Anticipated expiration: 2014-02-17
Also published as: EP0505453B1; WO1991009339A2; SG48150A1; DE69030103T2; US5028107A; JPH05505034A; MY104564A; DE69030103D1; WO1991009339A3; EP0505453A1; CN1024379C; CN1053844A

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は、光学物品に関し、そしてさらに詳細には、
波長変換のための光学物品に関する。

発明の背景最近、光波を使用する通信システムの如く、光学シス
テムの発展に相当の努力が払われている。そのようなシ
ステムの設計においてしばしば見られる挑戦は、そのよ
うなシステムにおいて使用されるために特に適する波長
を有する光波の効率的な発生である。例えば、赤外波の
効率的なレーザー発生が一般に利用可能であるが、より
短波長のより望ましい波の直接発生は、しばしばさらに
困難になっている。

より望ましい波長の波を設ける一つのアプローチは、
波長変換であり、これにより、光学媒体を含む物品は、
媒体に入射する光波を異なる波長の光波に少なくとも部
分的に変換するために使用される。例えば、しばしば使
用される波長変換プロセスは、第二高調波発生に係わ
り、この場合入射光波は、媒体（例えば、非線形結晶）
を通され、入射光波の波長の第二高調波に対応する波長
の光波が、媒体と光波の間の相互作用によって発生され
る。

一般に、波長変換のための光学物品において、適切な
波長の波が、媒体の長さで発生される。媒体長に沿った
いろいろな点において発生された波の間の破壊的干渉を
防止するための手段が設けられないならば、第二高調波
発生の如く波長変換機構の効率は厳しく制限されること
が、そのような物品を設計する際に公知である。従っ
て、一般に、そのような破壊的干渉の効果を制御する技
術を使用する必要性がある。

より理論的には、波長変換システムは、一般に、変換
媒体において相互作用する光波の各々に対する伝搬定数
ｋにおいて述べられる。この説明の目的のために、各光
波に対するｋは、２πn/λに等しいとして規定され、こ
こでｎは、媒体の屈折率であり、そしてλは、波の波長
である。伝搬定数と波長の間の逆関数と、屈折率が種々
の周波数の光波に対して異なるという事実のために、変
換媒体において相互作用する光波の各々の伝搬定数は、
明らかに異なる。

一般に、波長変換に対して、相互作用する入射波の周
波数の合計は、相互作用により発生された波の周波数の
合計に等しい。媒体において発生された波の間の破壊的
干渉を最小にするために、一般に、相互作用する入射波
の伝搬定数の合計が、相互作用によって発生された波の
伝搬定数の合計を密接に近似することが、望ましいと考
えられている。言い換えれば、波長変換に係わる光波に
対して、媒体における入射波の全伝搬定数と媒体におい
て発生された波に対する全伝搬定数の間の差（すなわ
ち、媒体に対するΔｋ）が、約ゼロであるということ
が、効果的な波長変換のために望ましいと考えられた。
Δｋが約ゼロである状態に波長変換システムを調整する
ことが、位相整合として公知である。

特定媒体に対する波長変換システムにおける対象光学
パラメーターは、コヒーレンス長cohであり、一般に２
π／Δｋとして規定される。Δｋが約ゼロである状態に
対して、対応するcohが比較的大きいことが明らかであ
る。

さらに例示の目的のために、周波数ω_１、ω_２、波長
λ_１、λ_２をそれぞれ有する入射光波の２つのビーム
が、光波周波数の関数として変化する屈折率ｎ（ω）の
媒体（例えば、結晶又は複合材料）を通される結晶シス
テムにおける３つのビームの非線形相互作用に係わる標
準位相整合プロセスにおいて、周波数ω_３と波長λ_３を
有する光波を発生させるために、ビーム伝搬定数ｋは、
２πｎ（ω）／λに等しいとして各波ビームに対して規
定され、そして結晶システムに対するΔｋは、関係 Δｋ＝２πｎ（ω_３）／λ_３−２πｎ（ω_２）／λ_２−２πｎ（ω_１）／λ_１によって表現される。

最大出力強度は、位相システムが整合した（すなわ
ち、Δｋがゼロである）状態にある時、そのようなシス
テムにおいて発生する。位相整合システムに対する出力
強度は、一般に、結晶長ｈの平方h²に比例して増大す
る。

第二高調波発生システムに対して、周波数ω_１とω_２
は、等しく、周波数ω_３の半分として取られる。従っ
て、波長λ_１とλ_２は、波長λ_３の２倍であり、そして
第二高調波発生システムに対するΔｋは、上記の例にお
いて、関係 Δｋ＝２π／λ_３（ｎ（ω_３）−ｎ（ω_１））により表現される。

そのような第二高調波発生システムに対するコヒーレ
ンス長は、こうして、関係 coh＝λ₃/n（ω_３）−ｎ（ω_１）＝0.5λ₁/n（ω_３）−ｎ（ω_１）によって表現される。

波変換機構の代替例は、波長λ_４の単一入力波からの
波長λ_５とλ_６の２つの波の発生に係わる。

効果的な位相整合を達成するために、幾つかの技術が
示され、提案された。（例えば、F.A.Hopf他の「応用古
典電気力学（Applied Classical Electrodynamic
s）、第II巻、非線形光学（Nonlinear Optics）、John
Wiley ＆ Sons、1986、pp.29−56を参照せよ。）こ
れらの中で最も一般なものは、第二高調波発生及び合計
と差周波数発生の如く、ほとんどすべての現応用におい
て使用された角度及び温度調整技術である。単結晶の如
くバルク材料の角度調整において、入射光に関する結晶
の配向は、位相整合を達成するように調整される。技術
は、一般に、設計の性質により、入射波に関して特定方
向に指向されなければならない導波管の如く物品におけ
る使用のために不適切であると考えられる。温度調整
は、材料の複屈折の温度依存性により、バルク材料とと
もに、導波管のために使用される。しかし、多数の材料
に対して、複屈折の温度依存性は大きく、そして温度調
整はこれらの材料における導波管に対して可能である
が、高度の温度制御が、設けられなければならない（例
えば、＋／−１℃）。複屈折の温度依存性が小さい（例
えば、KTiOPO₄）光学材料において、高度の温度制御が
必要であるが、導波管に対して温度調整が可能である波
長範囲は小さい。

Δｋがゼロに等しくない事実を補正するために、屈折
率の周期変動を使用する第二高調波発生のための位相整
合は、基本及び第二高調波ビームを反射させ、反射ビー
ムが位相整合されるようにして達成される（例えば、S.
Somekh、「周期薄膜における位相相互変換可能な非線形
光学相互作用（“Phase−Interchangeable Nonlinear
Optical Interactions in Thin Films"」、Appl.
Phys.Lett.、21、140（1972）を参照せよ）。上記の方
法の如く、第二高調波出力の強度は、使用材料の長さの
平方により増大する。しかし、小部分のビームしか反射
されないために、この方法の全体効率は、上記の方法よ
りも小さい。

他の「準」位相整合技術も示され、周期ドメイン反射
又は内部反射に係わる（J.A.Armstrong他「非線形誘電
体における光波の間の相互作用（“Interactions betw
een Light Waves in ａ Nonlinear Dielectri
c"）」、Phys.Rev.、127、1918（1962）を参照せよ）。
例えば、Hopf他は、52ページにおいて、非線形光学材料
のセグメントを開示し、この場合非線形光学係数は、材
料における波のコヒーレンス長に等しい周期において変
調される。

他の変調導波管機構が技術において記載され、コヒー
レンス長に等しい隣接材料の長さを使用することにより
位相整合を与える。しかし、これらの周期的変調機構
は、導波管深さと変調周期の如く、導波管パラメータに
非常に感応し、そして変換に関してあまり効率的ではな
い。

基本光波を有益な代替波長に効率的に変換するための
波長変換機構の必要性がある。

発明の要約本発明は、波長変換が一連の光学材料の区分を使用す
ることにより達成される発見に基づき、この場合屈折率
における差と区分長は、光波が個々の区分において位相
整合されないとしても、一連の端部において位相整合さ
れる如く、一連による破壊的干渉の効果を制御するため
に平衡化される。区分長と屈折率の平衡化は、各区分の
長さ（すなわち、h_i）が、波長変換システムに対するコ
ヒーレンス長（すなわち、２π／Δk_i）よりも小さいこ
とを必要とする。そして区分の屈折率は、各区分に対す
る長さとΔｋの積の一連の合計（すなわち、Δk_i）が約
ゼロに等しい（すなわち、ΣΔk_ih_i＝０）如くであるこ
とを必要とする。

波長変換のプロセスが、発明により設けられ、波長変
換のための光学材料の一連の整列区分に波長変換のため
の入射光波を通過させる段階を含み、該区分は、整列方
向における各区分の長さ（すなわち、h_i）とその区分に
対するΔｋの積の一連の区分に対する合計（すなわち、
Δk_i）が、約ゼロ（すなわち、ΣΔk_ih_i≒０）であり、
そして各区分の長さが、そのコヒーレンス長（すなわ
ち、２π／Δk_i）よりも小さい如く選択される。各区分
に対するΔｋは、その区分における波長変換システムに
対する入射波の伝搬定数の合計とその区分における波長
変換システムに対する発生波の伝搬定数の合計の間の差
である。そして各区分に対するコヒーレンス長は、その
区分に対して２π／Δｋである。プロセスは、２つの入
射ビームからある波長のビームを発生させるために使用
される。代替的に、プロセスは、１つの入射ビームから
２つのビームを発生させるために使用される。しかし、
波長変換プロセスの好ましい使用は、第二高調波発生に
対してであり、この場合発生波は、入射ビームの波長の
半分である波長を有する。一般に、区分材料の少なくと
も一つは光学的に非線形であるか、又は非線形光学材料
の層が、波長変換中、一連の区分に隣接して設けられる
か、あるいはこれら両方である。

光学物品が、波長変換システムにおける使用のために
発明により設けられる。物品は、波長変換のための光学
材料の一連の整列区分から成る少なくとも一つの変換セ
グメントを具備し、この場合該区分は、各区分の長さ
（すなわち、h_i）とその区分に対するΔｋ（すなわち、
Δk_i）の積の合計が約ゼロである（すなわち、ΣΔk_ih_i
≒０）である如く選択され、そして各区分の長さは、そ
のコヒーレンス長（すなわち、２π／Δk_i）よりも小さ
い。随意的に、光学物品は、さらに、該光学変換セグメ
ントに隣接する非線形光学材料の層を具備する。この発
明による実施態様が設けられ、この場合区分材料の少な
くとも一つは、非線形であり、各区分は非線形光学材料
から構成され、そして区分は光学的線形材料及び／又は
光学的非線形材料から構成され、非線形光学材料の層が
光学変換セグメントに隣接して設けられる。好ましい光
学材料は、化学式K_1-xRb_xTiMO₄の単結晶材料であり、こ
こでｘは０〜１であり、ＭはＰ又はAsであり、そして該
化学式のカチオンがRb⁺、Tl⁺とCs⁺の少なくとも一つに
よって部分的に置換される。

k_i＝２πn_i（ω）／λであり、n_i（ω）とλがそれぞ
れ区分における屈折率と波長である波長変換システムに
おいて、光波の各々に対する一連の伝搬定数k₁、k₂、・
・・・k_i、・・・・k_pを有することを特徴とするそれぞ
れ長さh₁、h₂、・・・・h_i、・・・・h_pのｐ区分を有す
るセグメントに対して、Δｋが各区分に対して設けら
れ、区分における波長変換システムに対する入射波の全
伝搬定数と区分における波長変換システムの発生波の全
伝搬定数の間の差に対応している。この発明により、各
セグメントに対する区分は、セグメントに対する合計Δ
k₁h₁＋Δk₂h₂＋・・・・Δk_ph_p（すなわち、一連に対す
る合計h_iΔk_i又はΣk_ih_i）が約ゼロに等しい如く選択さ
れ、そして各区分長h_iは２π／Δk_iよりも小さい。

好ましい実施態様は、第二高調波発生に係わり、この
場合一連における材料の少なくとも一つは、非ゼロであ
る非線形光学係数を有する。

幾つかの実施態様が設けられ、この場合ｐ区分は、ｑ
隣接区分対（すなわち、ｐ＝2q）を有し、各対の合計Δ
k_i-1h_i-1＋Δk_ih_iが約ゼロである一つのセグメントであ
るか、又は各セグメントにおいて合計Δk₁h₁＋Δk₂h₂が
約ゼロである各々２区分のｑ隣接セグメントのいずれか
として特徴付けられる。

この発明により構成されたチャネル導波管は、少なく
とも一つのチャネル導波管と、該チャネル導波管に入る
光波を結合する手段と、該チャネル導波管から出る波を
結合する手段とを具備する光学導波管装置を改良するた
めに使用される。

この発明は、さらに、光学物品を準備するためのプロ
セスを設ける。この発明による波長変換システムのため
のチャネル導波管を準備するための一つのプロセスは、
（１）化学式K_1-xRb_xTiOMO₄を有する単結晶材料のｚカ
ット基板を設け、ここでｘは０〜１であり、ＭはＰ又は
Asであり、該基板は、チャネル導波管を形成するために
適する選択部分において光学的平滑表面を含む段階と、
（２）該基板の屈折率に関して屈折率を変化させるため
に、選択温度と選択時間に対して該導波管部分への露出
により十分なカチオン置換を設けるために効果的な量に
おいて、Rb⁺、Cs⁺とTl⁺から成るグループから選択され
たカチオンを含むよう融塩を設ける段階と、（３）該よ
う融塩に耐性がある材料により交互にマスク及び非マス
クされた該光学的平滑表面の該導波管部分に沿った整列
領域のパターンを設けるために、該基板においてマスキ
ング材料を塗布する段階と（該マスク及び非マスク領域
の長さは、この発明による位相整合を設けるために適切
に選択される）、（４）該選択温度において該選択時間
該よう融塩に該マスク基板を浸し、これにより、該非マ
スク領域においてカチオン置換を設ける段階と、（５）
該基板からマスキング材料を除去する段階と、（６）清
浄な導波管に研磨導波管入力及び出力面を設けるために
該基板を仕上げる段階とを含む。

図面の簡単な説明第１図は、この発明による波長変換のための装置の概
略図である。

第２図は、この発明による波長変換のための導波管の
斜視図である。

第３図は、第２図の導波管によって設けられた非線形
光学材料の整列区分の斜視図である。

第４図は、この発明による波長変換のための別の導波
管の斜視図である。

第５図は、第４図の断面５−５に沿った断面図であ
る。

第６図は、この発明による波長変換のための別の導波
管の斜視図である。

第７図は、種々の導波管幅に対する深さと屈折率不整
合の間の計算関係のプロット図である。

発明の詳細な説明この発明により、一波長の光波を異なる波長の光波に
少なくとも部分的に変換するために適する手段が設けら
れる。一般に、波長変換中、入射波の周波数の合計と発
生波の周波数の合計は等しい。従って、周波数ω_１と波
長λ_１の波が周波数ω_２と波長λ_２の波とともに使用さ
れ、周波数ω_３と波長λ_３の波を発生させる波長変換シ
ステムに対して、周波数ω_３は、ω_１とω_２の合計に等
しい。そして周波数ω_４と波長λ_４の波が周波数ω_６と
波長λ_６の波とともに、周波数ω_５と波長λ_５の波を発
生させるために使用される波長変換システムに対して、
周波数ω_４は、ω_５とω_６の合計に等しい。

波長変換のためのプロセスが、この発明により設けら
れ、波長変換のための光学材料の一連の整列区分に波長
変換のための入射光波を通過させる段階を含み、該区分
は、整列方向における各区分の長さとその区分に対する
Δｋの積の一連の区分に対する合計が、約ゼロであり、
そして各区分の長さが、そのコヒーレンス長よりも小さ
い如く選択される。以下にさらに議論される如く、各区
分に対するΔｋは、その区分における波長変換システム
に対する入射波の伝搬定数の合計とその区分における波
長変換システムに対する発生波の伝搬定数の合計の間の
差である。そして各区分に対するコヒーレンス長は、そ
の区分に対して２π／Δｋである。プロセスは、２つの
入射ビームからある波長のビームを発生させるために使
用される。代替的に、プロセスは、１つの入射ビームか
ら２つのビームを発生させるために使用される。しか
し、発生変換プロセスの好ましい使用は、第二高調波発
生に対してであり、この場合発生波は、入射ビームの波
長の半分の波長を有する。

波長変換システムにおいて使用されるこの発明の光学
物品は、波長変換のための光学材料の一連の整列区分か
ら成る少なくとも一つの光学変換セグメントを具備す
る。一連は、複数ｐ個の光学材料の整列隣接区分m₁、
m₂、・・・・m_i、・・・・m_pとして表現される。各区分
は、整列方向において長さh_iと、通過する光波の周波数
ωの関数として変化する屈折率n_i（ω）を有する。各整
列区分に対する入射波の全伝搬定数と整列区分の各々に
対して発生された波の全伝搬定数の間の差は、区分に対
するΔk_iを規定する。この発明により、該セグメントの
各々の区分は、区分に対するΔｋと該区分の長さｈのセ
グメントでの積の合計（すなわち、Δk₁h₁＋Δk₂h₂＋・
・・・Δk_ih_i＋・・・・＋Δk_ph_p）が約ゼロである如く
選択され、そして各h_iは、２π／Δk_iよりも小さい。

ΣΔk_ih_iはできるだけゼロに近いことが望ましい。し
かし、光学特性と区分長の完全な平衡は達成が困難であ
り、そしてこの発明の利点は、ΣΔk_ih_iが約ゼロの範囲
に維持される限り達成されることを理解するべきであ
る。すなわち、全波長変換パスでの全コヒーレンス長
は、波長変換パス自身の長さよりも大きい。この平衡を
達成する波長平衡パスを設計するアプローチは、実際
に、各区分に対するΔｋと区分長を計算することであ
る。このアプローチにおいて、好都合な平衡は、各区分
のΔｋのその区分の長さとの積の全波長変換パスでの合
計が、２πよりも小さな絶対値を有する時生ずると考え
られる。好ましくは、波長変換パスでの該積の結果的総
計は、３π/2よりも小さく、そして最も好ましくは、そ
れはπよりも小さい。

従って、多数（Ｎ個）の光学変換セグメントを順次に
有し、セグメント１、２、・・・・Ｎは、それぞれp₁、
p₂、・・・・p_N区分を有するこの発明の光学物品に対し
て、各セグメントは、波長変換システムセグメントに対
するΣΔk_ih_iが、２π/Nよりも小さい絶対値を有し、そ
の結果、波長変換パスにおいて、全数の区分に対する区
分長とΔｋの積の合計p₁＋p₂＋・・・・＋p_Nは、上記の
意味において約ゼロにとどまる（すなわち、２πよりも
小さな絶対値を有する）如く設計することが望ましい。
好ましくは、各セグメントに対するΣΔk_ih_iは、1.5π/
Nよりも小さな絶対値を有し、そして最も好ましくは、
ΣΔk_ih_iは、π/Nよりも小さな絶対値を有する。

このアプローチの使用は、第６図に示された如く、導
波管の形式におけるこの発明による光学物品を参照して
例示される。第６図において、KTiOPO₄（22）の単結晶
は、カチオンがRb⁺によって部分的に置換されたKTiOPO₄
の複数の整列区分（57）、（59）、（61）、（63）、
（65）と（67）と、カチオンがTl⁺又はRb⁺とTl⁺の混合
物によって部分的に置換されたKTiOPO₄の複数の整列区
分（58）、（60）、（62）、（64）、（66）と（68）と
を交互に含む一連の区分を有する。この実施態様におい
て、示された方法によるKTiOPO₄におけるルビジウム及
び／又はタリウムカチオン置換は、導波管による光路に
おいて波のほぼ完全な案内を保証する。

第６図の区分は、光学物品が、整列区分（57）と（5
8）によって表された第１光学変換セグメントと、整列
区分（59）と（60）によって表された第２光学変換セグ
メントと、整列区分（61）と（62）によって表された第
３光学変換セグメントと、整列区分（63）と（64）によ
って表された第４光学変換セグメントと、整列区分（6
5）と（66）によって表された第５光学変換セグメント
と、整列区分（67）と（68）によって表された第６光学
変換セグメントとを有するような大きさである。こうし
て、この簡単な例示の場合に、光学変換要素の数Ｎは、
６であり、そして各セグメントに対する区分の数ｐは、
２である。６つの光学変換セグメントのすべてでのΔｋ
と各区分の長さの積の合計は、２πよりも小さい絶対値
を有さなければならず、そしてこれを保証するために、
６つの光学変換セグメントの各々に対するΔｋと各区分
の長さの積の合計は、好ましくは、２π/Nよりも小さい
（すなわち、この単純な場合に、π/3よりも小さい）絶
対値を有する。光路における光学変換セグメントの数が
増大する時、光学変換セグメントの各々に対するΔｋと
各区分の長さの積の合計は、０に接近する絶対値を有さ
なければならない。実際の場合として、光路に沿った光
学変換セグメントの数は、数百の次元であり、積合計に
ゼロに接近する。

実際の問題として、この発明において使用される一連
の区分の準備（光学材料自身の準備を含む）に関連した
精度における制限のために、多くの場合、所望の平衡又
はΔｋと区分長は、全波長変換パスでの全コピーレンス
長が該パスの長さよりも大きいことを観察することによ
って達せられたことの確認が望まれる。幾つかの場合
に、波長変換パスの長さに沿った波の弱散乱の検査から
直接に、全コヒーレンス長を観察することができる。

明らかに、ΣΔk_ih_iが約ゼロであるためには、一連の
部分に対するΔｋは、他の区分に対するΔｋと異なる符
号でなければならない（すなわち、少なくとも一つのΔ
ｋは正であり、そして少なくとも一つのΔｋは負でなけ
ればならない）。事実、波長変換のプロセスが、この発
明により設けられ、波長変換のための光学材料の一連の
整列区分を有する波長変換パスに波長変換のための入射
光波を通過させる段階を含み、該光学材料の少なくとも
一つは、該波長変換のための正のΔｋを有し、該光学材
料の少なくとも一つは、該波長変換のための負のΔｋを
有し、そして一連の区分は、正のΔｋを有する材料の各
区分の長さとそのΔｋとの積の合計が、負のΔｋを有す
る材料の各区分の長さとそのΔｋとの積の合計と平衡さ
れ、その結果、波長変換パスでの全コピーレンス長が、
波長変換パスの長さよりも大きい如く選択される。好ま
しくは、効果的な波長変換のために、一方の符号のΔｋ
を有する区分が、反対符号のΔｋを有する少なくとも一
つの区分に隣接する。

例えば、周波数ω_１、ω_２、波長λ_１、λ_２をそれぞ
れ有する入射光波の２つのビームが、長さh_iと光波周波
数の関数として変化する屈折率ｎ（ω）の媒体（例え
ば、結晶又は複合材料）を通過される区分において、周
波数ω_３と波長λ_３を有する光波を発生させるために、
ビーム伝搬定数ｋは、２πｎ（ω）／λに等しく各波ビ
ームに対して規定され、そして区分に対するΔk_iは、関
係 Δk_i＝２πn_i（ω_３）／λ_３−２πn_i（ω_１）／λ_１−２πn_i（ω_２）／λ_２によって表現される。

この発明のプロセスにより、（周波数ω_１とω_２を有
する）そのような波長変換システムの入射光波は、一連
のh_iΔk_iの合計が約ゼロに等しい如く選択された一連の
区分を通過される。一連の区分から成る波長変換システ
ムを使用する光学物品のための光学変換セグメントは、
一連のh_iΔk_iの合計が約ゼロである如く選択される。

第二高調波発生の場合に、周波数ω_１とω_２は、等し
く、各々周波数ω_３の半分である。従って、第二高調波
発生に対して、各区分のΔk_iは、関係 Δk_i＝２π／λ_３（ｎ（ω_３）−ｎ（ω_１））によって表現される。

代替的に、周波数ω_４、波長λ_４を有する入射光波の
ビームが、長さh_iと光波周波数の関数として変化する屈
折率n_i（ω）の媒体を通過される区分において、周波数
ω_５、ω_６と波長λ_５、λ_６を有する２つのビームの光
波を発生させるために、ビーム伝搬定数k_iは、２πn
_i（ω）／λに等しく各波ビームに対して規定され、そ
して区分に対するΔk_iは、関係 Δk_i＝２πn_i（ω_６）／λ_６−２πn_i（ω_５）／λ_５−２πn_i（ω_４）／λ_４によって表現される。

この発明のプロセスにより、（周波数ω_４を有する）
そのような波長変換システムの入射光波は、一連のh_iΔ
k_iの合計が約ゼロに等しい如く一連の区分を通過され
る。一連の区分から成る波長変換システムを使用する光
学物品のための光学変換セグメントは、一連のh_iΔk_iの
合計が約ゼロである如く選択される。

いずれにせよ、コヒーレンス長coh_iは、各区分に対し
て、方程式 coh_i＝２π／Δk_i によって規定される。

この発明のプロセスにより、波長変換システムの入射
光波が通過される一連の区分の各々は、そのコヒーレン
ス長coh_iよりも小さな長さh_iを有する。そのような波長
変換システムを使用する光学物品のための光学変換セグ
メントは、それぞれのコヒーレンス長coh_iよりも小さい
長さh_iを有する区分から成る。

この発明の実施態様に対して、光学材料のｐ区分は、
光学材料のｑ対の隣接区分、m₁とm₂、m₃とm₄、・・・・
・m_i-1とm_i、・・・・・m_2q-1とm_2q（すなわち、ｐ＝2
q）として特徴付けられ、各区分は、対応する長さh₁、h
₂、・・・・・h_i、・・・・・h_2qと、対応する屈折率
n₁、n₂、・・・・・n_i・・・・・n_2qと、波長変換シス
テムの各波長に関連した対応する伝搬定数k₁、k₂、・・
・・k_i・・・・k_pとを特徴とし、そして材料は、材料の
区分の各対m_i-1とm_iに対して、Δk_i-1h_i-1とΔk_ih_iの合
計が約ゼロである如く選択される。この場合、位相整合
が、第１対の端面、第２対の端面、等において発生す
る。セグメントは、一連において使用される。従って、
区分が上記の如く対にされたセグメントを具備する光学
物品（例えば、導波管）はまた、各々２区分のｑ個の隣
接セグメントを使用すると考えられる（すなわち、Ｎ＝
ｑ）。

一般に、長さh₁、h₂、・・・・h_i・・・・h_pは、コヒ
ーレンス長よりもずっと小さく、そして一般に、各々、
0.25〜50μｍの範囲にあり、しばしば、１μｍ以上であ
る。実際に、隣接区分長の比率（すなわち、h_i-1:h_i）
は、通常、1:20〜20:1の範囲である。典型的な区分幅
は、0.2μｍ〜50μｍであり、そして典型的な区分深さ
は、0.1μｍ〜50μｍである。

線形及び非線形材料の両方が、この発明により使用さ
れる。ある実施態様において、各セグメントの少なくと
も一つの区分が、非ゼロの非線形光学係数を有する。一
般に、各区分は、非線形光学材料から構成される。

波長変換システムにおいて使用されるこの発明の光学
物品のための好ましい光学材料は、ｘが０〜１で、Ｍが
ＰとAsから成るグループから選択された化学式K_1-xRb_xT
iOMO₄を有する単結晶材料と、該化学式のカチオンがR
b⁺、Tl⁺とCs⁺の少なくとも一つによって部分的に置換さ
れた該化学式の単結晶材料とから選択された結晶材料を
含む。実際の理由のために、カチオンが部分的に置換さ
れ、ｘが約0.8以上である該化学式の材料を使用する
時、置換カチオンは、好ましくは、Cs⁺、Tl⁺あるいはCs
⁺とTl⁺の両方を含む。米国特許第４、766、954号によっ
て示された如く、Rb⁺、Cs⁺及び／又はTl⁺イオンを有す
る二価イオン（例えば、Ca⁺⁺、Sr⁺⁺とBa⁺⁺）の使用は、
屈折率の広い制御度を設ける。Rb⁺、Cs⁺及び／又はTl⁺
イオンとともに、二価イオンは、基板材料の一価カチオ
ン（例えば、KTiOPO₄基板のK⁺イオン）と交換できる。
この発明の材料を使用する物品の例は、KTiOPO₄の区分
とｘがゼロでないK_1-xRb_xTiOMO₄の区分を順次含む導波
管を設けるために（例えば、カチオン交換によって）KT
iOPO₄の単結晶を修正した物品と、KTiOPO₄の区分とカチ
オンがRb⁺とTl⁺の混合物又はRb⁺、Tl⁺とBa⁺⁺イオンの混
合物によって部分的に置換されたKTiOPO₄の区分を順次
含む導波管を設けるためにKTiOPO₄の単結晶を修正した
物品とを含む。

随意的に、非線形光学材料の薄膜（例えば、配向Lang
mir−Blodgett薄膜）の層がまた、セグメントに隣接し
て設けられ、光波のエバネセント成分を使用した相互作
用を許容する。この発明の付加的な実施態様は、導波管
又は他の光学物品であり、この場合ΣΔk_ih_iは約ゼロで
あり、そして構造の光学材料はどれも、それ自体非線形
ではなく、すなわち、ゼロに等しくない非線形光学係数
を有する。この場合、位相整合波長変換が、入射波のエ
バネセント成分を非線形光学材料の隣接層に結合し、か
つ該非線形光学材料において発生された波のエバネセン
ト成分を結合することにより、発明により獲得される。

区分幅と深さの如く、構造及び設計パラメータの光学
材料の選択は、温度、時間と導波管の深さの如く処理パ
ラメータへの過度の感度なしに、所望の非線形光学特性
と実質的な変換効率を有する光学物品の生産を可能にす
る。例えば、特定の材料の導波管に対する区分深さは、
区分のΔｋが温度の如く処理条件に比較的不感応である
如く選択される。

各区分の長さがそのコヒーレンス長よりも小さく、か
つ各セグメントに対して、ΣΔk_ih_iが約ゼロである限
り、光学物品を構成する光学材料の区分の数に関する理
論的制限は実際にないと考えられる。導波管に対して、
設けられた区分の数は、使用された光学材料と導波管長
の如く因子による。約400〜1000区分の範囲が、典型値
5.0mm長の導波管において設けられる。長導波管は、最
大10、000区分、又はそれ以上を有する。しかし、２つ
の区分のみの光学変換セグメントを具備する物品がま
た、この発明の範囲内にあると考えられる。イットリウ
ムアルミニウムガーネット（すなわち、YAG又はY₅Al₅O
₁₂）又はAl₂O₃の如く線形材料を使用する光学要素の別
の例は、が約ゼロの条件を満たす如く変化する種々の配向で成長
された単結晶ファイバーを使用するものである。それか
ら、波長変換が、基本ビームをファイバーに伝搬させ、
Langmuir−Blodgett薄膜における如く、フリンジフィー
ルドをファイバーと光学接触した配向非線形薄膜又は層
と相互作用させることにより、達成される。発明による
光学要素の別の例は、LiNbO₃又は３−メチル−４−メト
キシニトロスチルベンの如く、非線形複屈折材料を互い
に積み重ねた一連の板片として形成されたものであり、
この場合板は、Δk_ah_a＋Δk_bh_bが約ゼロである如く交互
に（例えば、配向ａ又は配向ｂにおいて）配向される。
この光学要素の別の形式は、同一方向に配向され、Δk_a
h_a＋Δk_bh_bが約ゼロである如く線形透明薄膜又は接着材
料（すなわち、m_b）によって分離された非線形材料（す
なわち、m_a）の板片を具現するものであり、この場合ａ
は板片を言及し、そしてｂは透明薄膜又は接着剤を言及
する。

発明は、導波管構造とバルク応用、そしてある状況下
で、混合案内及び非案内波システムのために使用され
る。混合システムにおいて、波伝搬方向における各非案
内長は、案内区分の間の放射損失を最小にするために、
材料における波の焦点距離よりも小さくなければならな
い。

本発明は、少なくとも一つのチャネル導波管と、入り
光波を該チャネル導波管に結合する手段と、該チャネル
導波管から出る光波を結合する手段とを具備する光学導
波管装置を改良するために使用される。装置は、導波管
としてこの発明による物品を使用することにより改良さ
れる。

本発明の使用は、第１図に示された装置（10）を参照
して示され、この場合レーザー（12）によって発せられ
た一波長の光波は、別の波長の波を発生させるために使
用される。レーザー（12）によって発せられた光波をこ
の発明により構成された導波管（14）に集束させるため
に、レンズ（13）が使用される。波長変換は、導波管
（14）内で行われ、そして第２レンズ（17）が、導波管
から出現する光波を視準するために設けてある。フィル
ター（18）は、導波管（14）内で発生された所望の波長
の光波を通過させながら、発せられた波の波長の残余の
光波をろ波するために、図示された配置において設けて
ある。こうして、例えば、レーザー（12）が、波長1.06
μｍにおいて偏光を発生させるために使用されたNd YA
Gレーザーであり、そして波長（14）が、そのような入
射光を使用する第二高調波発生のためにこの発明により
構成されるならば、フィルター（18）は、波長0.53μｍ
の光波を通過させるように適応され、一方、波長1.06μ
ｍの光波は導波管から出現する視準ビームからろ波され
る。第１図の装置（すなわち、レーザー（12）、導波管
（14）、フィルター（18）、及びレンズ（13）と（1
7））を組み込む装置は、この発明の範囲内の物品であ
ると考えられる。事実、導波管（14）の如く導波管は、
それら自身、発明の範囲内の物品であると考えられる。

本発明の導波管の一実施態様が、第２図において（2
0）で示された第二高調波発生のための導波管によって
示される。図示の導波管（20）は、すべて別の結晶材料
である区分（24）、（25）、（26）、（27）と（28）が
埋め込まれた結晶材料のブロック（22）を具備する。通
常少なくとも一つ、そして好ましくは、両方の材料は、
非線形光学特性を有する。区分（24）、（25）、（2
6）、（27）と（28）は、該埋め込み区分が、整列した
ブロック（22）の部分とともに導波管を具備する如く、
物品（30）の頂部と物品（32）の底部の間に整列され
る。導波管は、動作中、光波の入射ビームが、物品（2
0）の頂部（30）における区分（24）の上面（34）にお
いて導波管に進入する如く設計される。入射ビームは、
光波が、埋め込み区分（24）、（25）、（26）、（27）
と（28）の各々とともに、該埋め込み区分と整列したブ
ロック（22）の部分によって表わされた区分を通過し、
それからブロック（22）の底部（32）から出る如く整合
される。

従って、第３図によってさらに示された如く、第２図
によって具現された導波管は、通過ビームが、ブロック
（24）、（25）、（26）、（27）と（28）によって表さ
れた一材料から成る多数の区分と、整列したブロック
（22）の部分によって表された別の材料から成る同数の
区分とを通過する如く設計される。

この発明による第２図と第３図に示された形式のチャ
ネル導波管を準備する手段は、化学式K_1-xRb_xTiOMO₄の
単結晶基板を修正するものであり、ここでｘは、０〜１
であり、そしてＭは、Ｐ又はAs、あるいは該化学式のカ
チオンがRb⁺、Tl⁺とCs⁺の少なくとも一つによって部分
的に置換された該化学式の単結晶基板である。好ましく
は、カチオン交換は、カチオン交換区分の表面屈折率と
基板の表面屈折率の間に少なくとも約0.00025差を設け
る。好ましい基板は、該化学式のものである。チャネル
導波管を生産するためのこれらの基板の使用は、技術に
おい非常に公知であり、そして米国特許第４、740、265
号と米国特許第４、766、954号が参照され、両方共完全
にここに組み込まれる。導波管を生産する際に使用され
る典型的な基板は、KTiOPO₄の結晶であり、ここでｘ
は、０であり、そしてＭはＰ（すなわち、“KTP"であ
る）。

米国特許第４、740、265号と米国特許第４、766、954
号において記載された如く、基板マスキングの使用は、
Rb⁺、Cs⁺とTl⁺の少なくとも一つから選択されたイオン
による一つの光学的平滑表面のカチオンの置換と、開始
基板の屈折率に関する表面屈折率の結果的変化とを許容
する。本発明により、所望のチャネルを形成するために
使用された結晶基板表面の部分に沿った領域は、カチオ
ン置換中交互にマスク及び非マスクにされ、その結果生
ずるチャネルは、最初の基板（例えば、KTiOPO₄）とカ
チオンが置換された基板材料（例えば、K_1-xRb_xTiOP
O₄、ここでｘはゼロでない）が交互になった一連の整列
区分から成る。標準フォトリソグラフィー技術が、所望
のマスキングを設けるために使用される。例えば、保護
材料（例えば、Ti）のマスクが、よう融塩への適切な露
呈により、カチオン交換による第２光学材料の区分の形
成を許容するように発生されたパターンにより、結晶基
板の表面上に塗布される。カチオン置換の後、残余の保
護材料が除去される。

この発明により波長変換システムのためのチャネル導
波管を準備するための一つのプロセスは、（１）化学式
K_1-xRb_xTiOMO₄を有する単結晶材料のｚカット基板を設
け、ここでｘは０〜１であり、ＭはＰ又はAsであり、該
基板は、チャネル導波管を形成するために適する選択部
分において光学的平滑表面を含む段階と、（２）該基板
の屈折率に関して屈折率を変化させるために、選択温度
と選択時間に対して該導波管部分への露呈により十分な
カチオン置換を設けるために効果的な量において、R
b⁺、Cs⁺とTl⁺から成るグループから選択されたカチオン
を含むよう融塩を設ける段階と、（３）該よう融塩に耐
性がある材料によるマスクと非マスクを交互にされた該
光学的平滑表面の該導波管部分に沿った整列領域のパタ
ーンを設けるために、該基板においてマスキング材料を
適用する段階と、（４）該選択時間に対して該選択温度
において該よう融塩において該マスク基板を浸し、これ
により、該非マスク領域においてカチオン置換を設ける
段階と、（５）該基板からマスキング材料を除去する段
階と、（６）清浄な導波管に研磨導波管入力及び出力面
を設けるために該基板を仕上げる段階とを含む。このプ
ロセスにおいて、該マスク及び非マスク領域の長さは、
非マスク領域における該カチオン置換の後、チャネル導
波管が、光学材料の一連の整列区分から成る少なくとも
一つの光学変換セグメントを具備する該部分において設
けられ、かつ各区分の長さとその区分のΔｋの積の一連
の区分に対する合計が、約ゼロに等しい如く選択され、
そして各区分の長さがそのコヒーレンス長よりも小さ
く、この場合各区分のΔｋは、その区分における波長変
換システムに対する入射波の伝搬定数の合計とその区分
における該波長変換システムに対する発生波の伝搬定数
の合計の間の差であり、そして各区分に対するコヒーレ
ンス長は２π／Δｋである。タリウム含有基板（すなわ
ち、該化学式のカチオンがTl⁺によって部分的に置換さ
れた化学式K_1-xRb_xTiOMO₄の基板）がまた、適切と考え
られる。KTiOMO₄（すなわち、ｘはゼロであり、そして
ＭはＰである）が、好ましい基板である。

KTP基板は、1mm厚のｚカット基板を切削及び研磨する
（すなわち、光学的平滑表面の単結晶を設ける）ことに
より段階（１）により設けられる。Tiのマスキングは、
標準フォトリソグラフィック技術に従って段階（３）に
より設けられ、Tiを基板上に塗布し、フォトレジスト材
料をTi上に塗布し、かつフォトレジストを硬化させ、所
望パターンを有するフォトマスクを設け、かつフォトマ
スクを通してフォトレジストを接触露出させ、フォトレ
ジストの露出部分を除去し、除去されたフォトレジスト
の下のTiをエッチングし、そして非露出フォトレジスト
を除去することにより、パターン化Tiマスキングが残さ
れる。典型的に、基板は、よう融塩に浸される前に端面
研磨され、そして塩の除去の後に洗浄される。典型的
に、基板は研磨することにより、段階（６）により仕上
げられる。Tiマスクが除去された後、導波管は、レーザ
ービームを向けるように適切に取り付けられる。

導波管準備のためのプロセスによりカチオンが交換さ
れた各区分のためのΔｋは、区分幅及び／又は深さを変
化させることにより、幾分変化され、そしてまた、置換
イオン形式と濃度の関数として幾分変化することが認識
される。従って、いろいろな幅の多数の導波管を準備
し、特定材料を使用して特定の波長変換システムのため
の最適設計を決定することが望まれる。

この発明によって与えられる処理範囲と、導波管深さ
と屈折率不整合Δｎの間の関係をさらに示すために、技
術における当業者は、M.J.Adams、「光学導波管入門
（“An Introduction to Optical Waveguides"）」
（John Wiley ＆ Sons、NY 1981）に記載された方
法を使用して、いろいろな導波管幅に対する案内深さの
関数として、ｙ伝搬によるKTiOPO₄（KTP）における第二
高調波発生に対する屈折率不整合、すなわち、Δｎ（す
なわち、Δｎ＝0.5（n_x（ω）＋n_z（ω））−n_x（２
ω）、ここでn_x（ω）とn_z（ω）は、それぞれｘ偏光と
ｚ偏光に対する周波数ωの入射光波の有効屈折率であ
り、そしてn_x（２ω）は、ｘ偏光に対する周波数２ωの
発生光波の有効屈折率である）を計算することができ
る。このアプローチを使用して、λ＝0.532及び1.064μ
ｍにおける最低次空間モードのための有効モード屈折率
が計算された。計算において、深さ方向における指数イ
ンデックスプロフィルが仮定された。KTPに対して使用
された屈折率は、J.D.BierleinとH.Vanherzeele、J.Op
t.Soc.Am.、Ｂ、６、622−633（1989）において開示さ
れた如く、λ＝1.064μｍにおいてn_x＝1.7399、n_z＝1.8
296であり、そしてλ＝0.532μｍにおいてn_x＝1.779で
ある。平面Rb交換導波管に対して、表面屈折率は、λ＝
1.064μｍにおいてn_x＝1.7644、n_z＝1.8511であり、そ
してλ＝0.532μｍにおいてn_x＝1.8042であると測定さ
れた。計算結果は、第７図において示される。ゼロ導波
管深さにおいて、Δｎは、ｙ伝搬に対してバルクKTP基
板値に等しい。対応するコヒーレンス長は、92μｍであ
る。Rb交換案内に対して、1.064μｍ波長のカットオフ
は、2.0μｍの深さである。無限深さにおいて、Δｎ
は、バルクRbTiOPO₄（RTP）のそれに対応する。最小値
は、この発明により準備された導波管の範囲に近い２〜
３μｍ深さ範囲において発生する（後述の実施例１を参
照せよ）。４μｍの深さと５μｍの幅（Ｗ）に対して、
第７図から、Δn₁（すなわち、カチオン交換区分に対す
るΔｎ）＝−0.0022であり、そしてΔn₂（すなわち、KT
P区分に対するΔｎ）＝0.0058である。KTP区分の長さに
より、h₂＝1.3μｍ位相整合が、以下の実施例１におい
て見られる実経験値（すなわち、４μｍ）に実質的に一
致するカチオン交換区分の長さh₁＝3.4μｍである時、
この発明により発生すると期待される。

第７図は、第二高調波発生に対する位相整合を達する
ための一様な導波管に関する。この発明によるセグメン
ト化された導波管を使用する実際の利点を示す。最小値
がΔｎ対深さ曲線において発生するために、この最小値
の近傍で、交換時間又は温度の如く案内深さを変化させ
る処理条件の変化によりΔｎの変化はほとんど期待され
ない。この最小値を選択すると、位相整合は、h₁Δn₁＋
h₂Δn₂がゼロにほぼ等しい如く、光学変換セグメントの
各区分の長さを調整することにより達成される。対照的
に、一様な導波管に対して、すなわち、この発明におい
て記載されたセグメント化構造のない導波管に対して、
位相整合は、Δｎが全導波管でゼロにほぼ等しいことを
必要とし、案内深さは自由選択されず、そして結果とし
て、導波管深さに影響を与える小処理変化が、Δｎのず
っと大きな変化を与え、このため、処理範囲は、ずっと
狭くなる。この発明によりセグメント化された導波管を
使用する別の利点は、バルクKTPにおいて1.064μｍにお
ける位相整合が臨界であるとしても、これらの導波管
が、非臨界位相整合を許容することである。

波長変換のための装置の別の実施態様は、第４図と第
５図において示される。

図示の導波管装置（40）は、すべて別の線形結晶材料
である区分（44）、（45）、（46）、（47）と（48）が
埋め込まれた線形結晶材料のブロック（42）を具備す
る。区分（44）、（45）、（46）、（47）と（48）は、
整列したブロック（42）の部分とともに該埋め込み区分
が導波管を具備する如く、物品（52）の頂部と物品（5
2）の底部の間に整列される。非線形光学材料（56）の
薄膜が、線形光学材料の導波管に隣接して装置（40）に
おいて設けてある。導波管装置は、動作中、光波の入射
ビームが、装置（40）の頂部（50）における区分（44）
の上面（54）において導波管に進入する如く設計され
る。入射ビームは、光波が、埋め込み区分（44）、（4
5）、（46）、（47）と（48）の各々とともに、該埋め
込み区分と整列したブロック（42）の部分によって表現
された区分を通過し、それからブロック（42）の底部
（52）から出る如く整合される。光波は埋め込み区分と
そこと整列したブロック（42）の該部分を通過するため
に、入射ビームのエバネセント成分は薄膜（56）に結合
し、この場合異なる波長の波が発生される。そして薄膜
（56）において発生された波のエバネセント成分は、線
形光学材料の整列区分に結合される。

第４図と第５図に示された如く非線形光学材料の薄膜
を有する導波管装置が、光学的平滑表面を設けるために
単結晶基板を修正し、最初の基板材料と別の光学材料を
交互にした一連の整列区分から成るチャネルを設け、そ
してチャネルが設けられた後、Langmuir−Blodgett法に
より表面に沿って有機薄膜を設けることにより準備され
る。有機薄膜を設ける一つの方法は、Langmuirトラフに
おける水面に大きな過分極性を所有する両親媒性成分の
単層を広げ、そして単層を適切な表面密度（又は表面圧
力）まで圧縮することを含む。表面密度（圧力）を一定
に保ちながら、セグメント化導波管基板を単層被覆水に
繰り返し浸せきしかつ回収することにより、分子が、単
層毎に、セグメント化導波管表面に移される。LB膜の厚
さは、浸せき回収サイクルの数によって制御される。２
成分の交互の単層から成るLB膜がまた、各々１成分の単
層で覆われた、２つのLangmuirトラフを使用することに
より獲得される。（M.Sugi、Langmuir−Blodgett膜−−
分子電子工学課程（“Course Toward Molecular Ele
ctronics"）：論評、分子電子工学の雑誌、Vol.1、２−
17（1985）と米国特許第４、792、208号を参照せよ）。

発明の実施は、次の非限定的な実施例からさらに明ら
かになるであろう。

実施例１熱水成長されたKTP結晶（Litton SystemsのAirtron
部門から獲得）が、最初に、約1mm厚のｚ板に切断さ
れ、研磨され、そして熱蒸着により約1000ÅのTiで被覆
された。フォトレジスト（Shipley＃140J）が、Ti上に
スピン被覆され、そして110℃において約１時間熱硬化
された。それから、硬化フォトレジストが、所望の導波
管パターンを含むフォトマスクを通して接触露出され
た。露出フォトレジストが除去され、そして除去された
フォトレジストの下に現れたTi被覆が、EDTA、H₂O₂とNH
₄OHの溶液を使用して化学的にエッチングされ、その結
果KTP基板が選択的に顕示された。それから残りのフォ
トレジストが、除去され、そしてTiマスク基板が端面研
磨された。

一連の周期性導波管パターンが、バルクKTPの区分と
交互のRb交換導波管区分の準備をする目的のために、Ti
マスクにおいて生成された。マスク基板は、約400〜100
0個の区分を順番に有する36個の異なる導波管パターン
を設けた。これらのパターンは、４〜９μｍに１μｍス
テップで変化する幅と、ビーム伝搬方向において、1.3
μmTi分離、すなわち、３〜６μｍのセグメント化導波
管周期の1.7〜4.7μｍの範囲の１μｍステップの長さの
開領域から成った。導波管は、KTPにおいてｙ伝搬のた
めに指向される。マスク基板は、約5mmの全案内長を与
えるために端面研磨され、そして330℃の温度において
３モル％Ba（NO₃）₂:97モル％RbNO₃から成るよう融塩浴
においてイオン交換された。幾つかのチャネル深さが、
45〜90分で交換時間を系統的に変化させることにより研
究された。このイオン交換プロセスは、約３〜４μｍの
範囲の特性深さを有するRbチャネル導波管を生産する。
交換の後、Tiマスクは除去された。

第二高調波発生変換効率が、cwダイオードポンピング
されランダムに分極された48mw、1.064μｍのNd:イット
リウム−アルミニウム−ガーネット（YAG）レーザーの1
0X、0.25NA対物レンズによるエンドファイヤー結合を使
用して測定された。この波長変換システムに対するKTP
区分のコヒーレンス長は、約91μｍと見なされ、そして
この波長変換のRb交換区分のコヒーレンス長は、約190
μｍであると見なされた。

４μｍの案内周期と90分のイオン交換時間に対して案
内幅の関数として出力された測定第二高調波発生は、1.
5μｍよりも小さいピーク幅（FWHM）を有し、６μｍ案
内幅の近傍で出力された第二高調波発生においてピーク
を有する形式II位相整合を示した。

案内表面からの弱散乱の検査は、伝搬距離により連続
的に増大する第二高調波発生を示し、この案内に対し
て、全コヒーレンス長は、案内長よりも大きいことを示
し、こうして、位相整合が示された。この観察に基づい
て、全導波管での区分に対するΔkhの合計が、πよりも
小さく決定された。異なる幅と周期、及び第二高調波発
生変換効率よりも低い等級次元を有する他の導波管パタ
ーンに対して、幾つかのコヒーレンス長が観察され、そ
して位相整合はこの導波管に対して達成されなかった。

観測測定された最大変換効率は、15±４％/W/cm²であ
った。

位相整合を示す導波管の温度は、変化され、そして位
相整合が室温に対して示された（すなわち、約25℃〜約
125℃）（すなわち、約100℃の範囲）。

実施例２光束成長されたKTP結晶が、中国（結晶成長のための
研究機関、北京）から獲得され、そして切断され、研磨
され、一般に実施例１の手順によるプロセス、伝搬方向
とマスクを使用して、マスクされた。このサンプルは、
370℃で45分間RbNO₃よう融塩浴において処理された。
（光束成長KTPのイオン伝導率は、熱水成長KTPよりもか
なり（100X−1000X）大きく、このため、処理条件は異
なる。）多様なパターンの中で、1.064μｍにおける位
相整合された第二高調波発生が、６μｍの案内幅と５μ
ｍの案内周期に対して観察された。この変換効率は約８
％/W/cm²であった。

実施例３熱水成長KTP結晶（Litton SystemsのAirtron部門か
ら獲得）が、マスクがｙ伝搬ではなくｘ伝搬に対して方
向付けされたことを除いて、実施例１と同一の切断、研
磨及びマスキングプロセスを使用して準備された。この
サンプルは、１時間360℃においてモル比95:4:1のRbN
O₃:TlNO₃:Ba（NO₃）_２浴において処理された。1.319（N
d:YAG）における位相整合SHGが、４μｍピッチの７μｍ
案内幅に対して観察された（すなわち、Tlを含む浴の使
用により、1.064μｍではなく、1.319μｍにおいて位相
整合された導波管表面屈折率が調整された）。

発明の特定の実施態様は、実施例に含まれる。他の実
施態様は、開示された発明の明細書又は実施の考察から
技術における当業者には明らかになるであろう。修正と
変形は、この発明の新規な概念の範囲に反することな
く、実施されるものである。さらに、発明は、示された
特定の定式化と例に制限されるものではなく、次の請求
の範囲内の修正された形式を包含するものである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】波長変換のプロセスにおいて、波長変換の
ための光学材料の一連の整列区分に波長変換のための入
射光波を通過させる段階を含み、該区分は、整列方向に
おける各区分の長さとその区分に対するΔｋの積の一連
の区分に対する合計が、約ゼロであり、そして各区分の
長さが、そのコヒーレント長よりも小さいように選択さ
れ、この場合各区分に対するΔｋは、その区分における
波長変換システムに対する入射波の伝搬定数の合計とそ
の区分における波長変換システムに対する発生波の伝搬
定数の合計の間の差であり、各区分に対するコヒーレン
ト長は、その区分に対する２π／Δｋであり、この場合
該材料の少なくとも一つが、光学的非線形であるか、又
は非線形光学材料の層が、波長変換中該一連に隣接して
設けられるか、あるいは両方であるプロセス。
【請求項２】Langmuir−Blodgett膜が、波長変換中該一
連に隣接して設けられる請求の範囲１に記載の波長変換
のためのプロセス。
【請求項３】各区分が、非線形光学材料から構成される
請求の範囲１に記載の波長変換のためのプロセス。
【請求項４】周波数ω_１とω_２の入射波が、周波数ω_３
の波を発生させるために使用され、この場合ω_３は、ω
_１とω_２の合計に等しい請求の範囲３に記載の波長変換
のためのプロセス。
【請求項５】周波数ω_４の入射波が、周波数ω_５とω_６
の波を発生させるために使用され、この場合ω_４は、ω
_５とω_６の合計に等しい請求の範囲３に記載の波長変換
のためのプロセス。
【請求項６】入射光波の第二高調波波が発生される請求
の範囲３に記載の波長変換のためのプロセス。
【請求項７】整列区分が、光学材料の隣接区分の対にさ
れ、各対に対して、一方の区分の長さとそのΔｋの積と
他方の区分の長さとそのΔｋの積の合計が約ゼロである
如く選択される請求の範囲３に記載の波長変換のための
プロセス。
【請求項８】1.064μｍの波長を有する入射波が、第二
高調波波を発生させるために使用され、この場合光波
が、KTPとルビジウム交換KTPの交互区分を有する導波管
を通過させる請求の範囲７に記載の波長変換のためのプ
ロセス。
【請求項９】導波管幅が、約６μｍであり、各KTP区分
の長さが約1.3μｍであり、そして各ルビジウム交換区
分の長さが、約2.7μｍであり、この場合KTPが、熱水成
長される請求の範囲８に記載の第二高調波発生のための
プロセス。
【請求項１０】各区分の長さが、0.25μｍ〜50μｍの範
囲である請求の範囲３に記載の波長変換のためのプロセ
ス。
【請求項１１】波長変換のプロセスにおいて、波長変換
のための光学材料の一連の整列区分を有する波長変換パ
スに波長変換のための入射光波を通過させる段階を含
み、該光学材料の少なくとも一つは、該波長変換のため
の正のΔｋを有し、該光学材料の少なくとも一つは、該
波長変換のための負のΔｋを有し、そして一連の区分
は、正のΔｋを有する材料の各区分の長さとそのΔｋと
の積の合計が、負のΔｋを有する材料の各区分の長さと
そのΔｋとの積の合計と平衡され、その結果、波長変換
パスでの全コヒーレンス長が、波長変換パスの長さより
も大きい如く選択されるプロセス。
【請求項１２】波長変換システムにおいて使用される光
学物品において、該光学物品は、波長変換のための光学
材料の一連の整列区分から成る少なくとも一つの光学変
換セグメントを具備し、この場合該区分が、各区分の長
さとその区分に対するΔｋの積の合計が、約ゼロであ
り、そして各区分の長さが、そのコヒーレント長よりも
小さい如く選択され、この場合各区分に対するΔｋが、
この区分における波長変換システムに対する入射波の伝
搬定数の合計とその区分における波長変換システムに対
する発生波の伝搬定数の合計の間の差であり、そして各
区分に対するコヒーレント長は、その区分に対する２π
／Δｋであり、そしてこの場合該材料の少なくとも一方
が、光学的非線形であるか、又は該物品が、該セグメン
トに隣接して非線形光学材料の層を具備するか、若しく
は両方である光学物品。
【請求項１３】Langmuir−Blodgett膜が、該セグメント
に隣接して設けられる請求の範囲12に記載の光学物品。
【請求項１４】各区分が、非線形光学材料から構成され
る請求の範囲12に記載の光学物品。
【請求項１５】整列区分が、光学材料の隣接区分の対に
され、各対に対して、一方の区分の長さとそのΔｋの積
と他方の区分の長さとそのΔｋの積の合計が約ゼロであ
る如く選択される請求の範囲14に記載の光学物品。
【請求項１６】KTPとルビジウム交換KTPの交互区分を有
する請求の範囲15に記載の光学物品。
【請求項１７】該区分が、約６μｍの幅を有する導波管
を形成し、この場合各KTP区分の長さが約1.3μｍであ
り、そして各ルビジウム交換区分の長さが、約2.7μｍ
であり、そしてこの場合KTPが、熱水成長される請求の
範囲16に記載の光学物品。
【請求項１８】各区分の長さが、0.25μｍ〜50μｍの範
囲である請求の範囲14に記載の光学物品。
【請求項１９】ｘが０〜１であり、ＭがＰ又はAsである
化学式K_1-xRb_xTiOMO₄を有する結晶基板の区分と、該基
板のカチオンが該基板の屈折率に関して表面屈折率を変
化させるために、Rb⁺、Cs⁺とTl⁺から成るグループから
選択された十分なカチオンによって置換された基板材料
の区分とを交互に具備する導波管である請求の範囲12に
記載の光学物品。
【請求項２０】単結晶KTiOPO₄基板の区分と該基板のカ
チオンがRbによって部分的に置換された基板材料の区分
を交互に具備する請求の範囲14に記載の光学物品。
【請求項２１】単結晶KTiOPO₄基板の区分とカチオンがT
l⁺とRb⁺によって部分的に置換された該基板材料の区分
を交互に具備する請求の範囲14に記載の光学物品。
【請求項２２】光学材料が、ｘが０〜１であり、ＭがＰ
又はAsから選択される化学式K_1-xRb_xTiOMO₄を有する単
結晶材料と、カチオンがRb⁺、Tl⁺とCs⁺の少なくとも一
つによって置換された該化学式の単結晶材料である請求
の範囲12に記載の光学物品。
【請求項２３】KTiOPO₄のカチオンがRb⁺とTl⁺の少なく
とも一つによって部分的に置換された区分を含むKTiOPO
₄の修正された単結晶である請求の範囲22に記載の光学
物品。
【請求項２４】少なくとも一つのチャネル導波管と、入
り光波を該チャネル導波管に結合する手段と、該チャネ
ル導波管から出る波を結合する手段とを具備する光学物
品において、チャネル導波管が請求の範囲12において設
けられた光学物品である改良された光学物品。
【請求項２５】波長変換システムのためのチャネル導波
管を準備するためのプロセスにおいて、（１）化学式K_1-xRb_xTiOMO₄を有し、ここでｘは０〜
１であり、ＭはＰ又はAsである結晶材料と、カチオンが
Tl⁺によって部分的に置換された該化学式を有する結晶
材料とのｚカット基板を設け、該基板は、チャネル導波
管を形成するために適する選択部分において光学的平滑
表面を含む段階と、（２）該基板の屈折率に関して屈折率を変化させるた
めに、選択温度と選択時間に対して該導波管部分への露
呈により十分なカチオン置換を設けるために効果的な量
において、Rb⁺、Cs⁺とTl⁺から成るグループから選択さ
れたカチオンを含むよう融塩を設ける段階と、（３）該よう融塩に耐性がある材料のマスクと非マス
クを交互に為された該光学的平滑表面の該導波管部分に
沿った整列領域のパターンを設けるために該基板におい
てマスキング材料を適用する段階と、（４）該選択時間に対して該選択温度において該よう
融塩において該マスク基板を浸せきし、これにより、該
非マスク領域においてカチオン置換を設ける段階と、（５）該基板からマスキング材料を除去する段階と、（６）清浄な導波管に研磨導波管入力及び出力面を設
けるために該基板を仕上げる段階とを含み、該マスク及
び非マスク領域の長さが、非マスク領域における該カチ
オン置換の後、チャネル導波管が、光学材料の一連の整
列区分から成る少なくとも一つの光学変換セグメントを
具備する該部分において設けられ、そして各区分の長さ
とその区分に対するΔｋの積の一連の区分に対する合計
が、約ゼロに等しく、そして各区分に対する長さがその
コヒーレンス長よりも小さい如く選択され、この場合各
区分に対するΔｋが、その区分における波長変換システ
ムの入射波の伝搬定数の合計とその区分における該波長
変換システムの発生波の伝搬定数の合計の間の差であ
り、そして各区分に対するコヒーレンス長が、その区分
に対して２π／Δｋであるプロセス。
【請求項２６】段階（１）の基板が、化学式K_1-xRb_xTiO
MO₄を有する請求の範囲25に記載のプロセス。