JP5168867B2 - 波長変換素子 - Google Patents

Description

この発明は、非線形光学効果を利用して、ある光の波長を他の波長に変換する、波長変換素子に関する。より詳細には、この発明は、波長変換素子の、ＱＰＭ(Quasi Phase Matching)構造の改良に関する。

従来より、非線形光学効果を利用して光波長を変換する波長変換素子が知られている。このような波長変換素子としては、例えば、下記特許文献１（特に段落００１４および図１）や、下記特許文献２（特に段落０００７〜００２３および図９〜図１１）に開示されたものが知られている。

図１５は、従来の波長変換素子の構造例を示す概念図である。

図１５において、波長変換素子１５００の基板１５０１は、非線形光学効果を有する基板材料で作成される。基板１５０１としては、例えば、ＬｉＮｂＯ_３のｚ板を使用することができる。ＬｉＮｂＯ_３基板１５０１は、強誘電体であり、自発分極を有している。したがって、ＬｉＮｂＯ_３基板１５０１には、自発分極が互いに反転している領域（以下、「第１、第２分極領域」と記す）１５０２，１５０３を交互に作成することができる。分極領域１５０２，１５０３を交互に設けた素子構造は、ＱＰＭ(Quasi Phase Matching)構造と称されている。ＱＰＭ構造の基板１５０１を作成するためには、例えば、分極領域１５０２を形成すべき領域または分極領域１５０３を形成すべき領域のみに、基板１５０１の分極方向と逆の電圧を印加して、分極を反転させればよい。基板１５０１には、さらに、光導波路１５０４が形成される。光導波路１５０４を作成するためには、例えば、２００℃の安息香酸中で、基板１５０１中のリチウムイオンをプロトンにイオン交換すればよい。

波長変換素子１５００は、例えば、ポンプ光Ｐ２を用いて信号光Ｐ１の波長変換を行うことができる。信号光Ｐ１とポンプ光Ｐ２とは、光カプラ１５０５を用いて合波され、導波路１５０４に導入される。導波路１５０４内では、信号光Ｐ１の第二高調波発生(SHG:Second Harmonic Generation)により、中間光Ｐ３が発生する。さらに、この中間光Ｐ３とポンプ光Ｐ２との差周波発生(DFG:Difference Frequency Generation)により、変換光Ｐ４が発生する。例えば、信号光Ｐ１の波長が１５５０ｎｍでポンプ光Ｐ２の波長が１５４０〜１５６０ｎｍの場合、中間光Ｐ３は７７５ｎｍとなる。その結果、変換光Ｐ４の波長は、ポンプ光Ｐ２の波長に応じて、１５６０〜１５４０ｎｍとなる。

波長変換素子１５００では、例えば導波路１５０４の長さ等の条件により、波長変換される周波数帯域を制御することができる。しかし、波長変換の周波数帯域が狭い場合、第二高調波発生で中間光Ｐ３が生成されるときに、高速のパルス信号を発生させることができないという欠点、或いは、広い波長範囲で使用できないという欠点が生じる。かかる欠点を解消するために、分極領域１５０２，１５０３の周期を長さ方向で徐々に変化させたＱＰＭ構造が、既に知られている。このような構造は、一般に、チャープ構造と称されている。

図１６に、従来のチャープ構造を概念的に示す。図１６において、縦軸は、非線形光学係数ｄ（ｚ）、すなわち波長変換効率を示している。また、図１６の横軸は、光の伝搬距離であり、光導波路１５０４の光伝搬方向の座標に相当する。図１６の例では、非線形光学係数ｄ（ｚ）が負の領域は第１分極領域１５０２に相当し、非線形光学係数ｄ（ｚ）が正の領域は第２分極領域１５０３に相当する。図１６から解るように、従来のチャープ構造では、分極領域１５０２，１５０３の長さは徐々に長くなり、且つ、非線形光学係数ｄ（ｚ）は一定である。

しかしながら、図１６に示したような従来のチャープ構造では、波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎが大きいという欠点があり、パルス波形のリップルを十分に抑えることができなかった。波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎ及びパルス波形の歪みを抑制するためには、分極領域１５０２，１５０３の周期のチャープとともに、非線形光学係数を素子の両端で徐々に端へ向かって低減する構造が必要である。この構造を、従来は、分極領域１５０２，１５０３の幅制御で行っていた(非特許文献１)。
特開平５−２７３６２３号公報 特開２００４−２０８７０号公報 2006年秋季応用物理学会学術講演会予稿集30p-ZX-12

上述の非特許文献１の技術では、非常に複雑な構造の寸法を高精度で実現しないと、波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎ及びパルス波形のリップルを十分に抑えるという目的は達成できない。このためには、例えば上述の形成方法を採用する場合には、分極領域１５０２または分極領域１５０３を形成するための電極の位置・寸法、電圧印加条件等を高精度に制御すればよい。しかし、電子ビーム描画装置の解像度に限界があること、分極領域作製条件などの理由により、分極領域１５０２，１５０３の長さ制御には限界がある。

この発明の課題は、分極領域の位置・寸法等を高精度に制御することなしに、波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎパルス波形のリップルを抑制する技術を提供することにある。

この発明は、自発分極が互いに反転している第１、第２分極領域が複数個ずつ交互に形成された非線形光学基板と、これら第１、第２分極領域を通過するように形成された光導波路とを有する波長変換素子に関する。

そして、第１、第２分極領域の周期を全体的には一定にしつつ、非線形光学係数の絶対値が光導入面付近で段階的に増加し且つ光導出面付近で段階的に減少するように、第１、第２分極領域の位置を第１、第２分極領域の周期的な位置からシフトさせることにより変化させることを特徴とする。

この発明によれば、第１、第２分極領域の周期を全体的には一定にしつつ、非線形光学係数の絶対値が被波長変調光導入側から段階的に変化するように第１、第２分極領域の位置を調整したので、分極領域の位置・寸法等を高精度に制御することなしに、波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎ及びパルス波形歪みを抑制することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、図中、各構成成分の大きさ、形状および配置関係は、この発明が理解できる程度に概略的に示してあるにすぎず、また、以下に説明する数値的条件は単なる例示にすぎない。

図１は、この実施形態に係る波長変換素子の構造を示す概念図である。

図１に示したように、この実施形態の波長変換素子１００は、基板１０１と、複数ずつの第１、第２分極領域１０２，１０３と、光導波路１０４とを備える。

基板１０１は、従来の波長変換素子１５００（図１５参照）と同様、非線形光学効果を有する基板（例えばＬｉＮｂＯ_３のｚ板等の強誘電体基板）である。

第１、第２分極領域１０２，１０３は、基板１０１に形成された、自発分極が互いに反転している領域である。図１に示したように、第１、第２分極領域１０２，１０３は、交互に作成される。すなわち、波長変換素子１００は、ＱＰＭ構造を有している。さらに、図１には示していないが、第１、第２分極領域１０２，１０３は、光進行方向に対する長さが、周期的に変化するように形成されている。すなわち、波長変換素子１００は、チャープ構造を有している。加えて、第１、第２分極領域１０２，１０３は、波長変換効率が光導入面付近で段階的に増加し且つ光導出面付近で段階的に減少するように、構成されている（後述の図２参照）。

光導波路１０４は、第１、第２分極領域１０２，１０３を通過する方向（例えば第１、第２分極領域１０２，１０３と直交する方向）に形成される。

図２は、第１、第２分極領域１０２，１０３における非線形光学係数と伝搬距離との関係を示す概念図である。なお、図２は、この実施形態に係る波長変換素子１００の理解を容易にするための比較例である。後述するように、この実施形態では、図２の比較例とは異なる構造によって、図２と同等の特性を得ることができる。

図２において、縦軸は、非線形光学係数ｄ（ｚ）を示す数値である。なお、ここでは、非線形光学係数ｄ（ｚ）によって波長変換効率を調整する場合を例に採って説明する。図２の横軸は、光の伝搬距離であり、光導波路１０４の光伝搬方向の座標に相当する。図２の例では、非線形光学係数ｄ（ｚ）が負の領域は第１分極領域１０２に相当し、非線形光学係数ｄ（ｚ）が正の領域は第２分極領域１０３に相当する。図２から解るように、第１、第２分極領域１０２，１０３は、非線形光学係数の絶対値｜ｄ（ｚ）｜が段階的に変化するように、構成されている。すなわち、基板１０１は、非線形光学係数の絶対値｜ｄ（ｚ）｜が光の導入側から極大値ｄｍａｘまで段階的に増加する領域Ｒ１と、非線形光学係数の絶対値｜ｄ（ｚ）｜が極大値ｄｍａｘの第１、第２分極領域１０２，１０３が交互に形成された領域Ｒ２と、非線形光学係数の絶対値｜ｄ（ｚ）｜が領域Ｒ２から段階的に減少する領域Ｒ３とを含んでいる。

従来知られているように、非線形光学係数の絶対値｜ｄ（ｚ）｜がすべて同じになるように第１、第２分極領域を形成したＱＰＭチャープ構造（図１５、図１６参照）では、光の導入面付近と導出面付近とで、波長変換効率が急激に変化することになる。このため、これらの面で、非線形光学係数変化の周波数成分がノイズとして作用して、波長変換素子１００の周波数特性にリップルが生じ、その結果、変調光Ｐ４のパルス波形にリップルが発生する。従来の波長変換素子１５００では、周波数特性に対するノイズ成分の比は、５０％弱であった。

従来から、非線形光学係数の絶対値｜ｄ（ｚ）｜が光導入面付近で段階的に増加し且つ光導出面付近で段階的に減少するように第１、第２分極領域１０２，１０３の幅を変化させるものがある（非特許文献１、図２参照）。この方法では光の導入面付近および導出面付近で、非線形光学係数ｄ（ｚ）の変化が緩やかになる。したがって、この方法によれば、波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎ及び変調光Ｐ４のパルス波形に発生するリップルを抑制できる。

図３は、図２に示した波長変換素子の周波数特性を説明するためのグラフである。図３において、縦軸は、非線形光学係数の大きさを表す相対値であり、従来の均一な非線形光学係数とチャープの構造の波長変換素子（図１５参照）のピーク値を‘１’として規格化した値である。また、図３の横軸は、位相の大きさを示しており、π×Δｋ／Ｋで与えられる。ここで、Δｋ＝ｋｓｈｇ−２×ｋ０（ｋｓｈｇは第二高調波ＳＨＧの波数、ｋ０は信号波の波数）である。また、Ｋは、この実施形態に係るＱＰＭチャープ構造の中心（平均）周期に相当する波数であり、Ｋ＝２π／Λ（Λは、ＱＰＭチャープ構造の平均周期）の関係がある。

ここでは、ＱＰＭチャープ構造の平均周期を１９μｍとし、チャープ量が周期で０．１５３の場合（曲線Ｃ１）、０．２３８の場合（曲線Ｃ２）、０．０７６５の場合（曲線Ｃ３）の場合についてそれぞれグラフを作成した。また、ＱＰＭチャープ構造の周期数は２０００とし、非線形光学係数変化のエッジを滑らかにした部分の長さを全長の４０％に設定し、さらに、この部分の形状をガウス形状とした。このような条件下で、均一な非線形光学係数によるＱＰＭチャープ構造（図１６参照）と同様の波長変換特性を得るには、チャープ量を１．７倍にする必要がある。したがって、上述のチャープ量は、図１６のＱＰＭチャープ構造においてチャープ量が０．０９（＝０．１５３／１．７）、０．１４（＝０．２３８／１．７）、０．０４５（＝０．０７６５／１．７）の場合に相当する。さらに、ここでは、基板１０１の材料はＬｉＮｂＯ_３であり、信号光Ｐ１の波長は１５５０ｎｍ、中間光Ｐ３の波長は７７５ｎｍであった。

次に、この実施形態に係るＱＰＭチャープ構造の一具体例を説明する。この実施形態に係るＱＰＭ構造は、波長変換効率を、d（z）の絶対値｜ｄ（ｚ）｜を変化させること無しに、光の導入面付近で段階的に増加し且つ光の導出面付近で段階的に減少するように調整することで得られる。この実施形態では、以下に説明したように、第１、第２分極領域１０２，１０３の光進行方向に対する位置座標をシフトさせることによって、実質的に同じ構造を得る。このため、この実施形態では、分極反転条件設定が困難な、反転部の幅制御を行う必要がない。

非線形光学係数ｄ（ｚ）が段階的に変化する場合（図２参照）、この非線形光学係数ｄ（ｚ）は、下式（１）で与えられる。ここで、Ｆ（ｚ）は、変換係数強度の、光の進行方向ｚに対する変化を示す関数である。また、Δφ（ｚ）は、ＱＰＭ周期のチャープを表す位相項である。均一なチャープでは、Δφ（ｚ）＝ΔＫｚ２である。さらに、Ｋは、この実施形態に係るＱＰＭチャープ構造の全長に相当する波数である。

これに対して、非線形光学係数ｄ（ｚ）の絶対値が一定の場合（図１６に加えて位置シフトが入った場合）、非線形光学係数ｄ（ｚ）は、下式（２）で与えられる。

式（１）、（２）を比較すると、式（２）は、式（１）に、±ｃｏｓ^−１［Ｆ（ｚ）］で表される位相項を加えた形になっていることが解る。したがって、この位相項を含む項であるｊ・ｓｉｎ｛±ｃｏｓ^−１［Ｆ（ｚ）］｝を排除することができれば、式（２）は式（１）と同じになり、したがって、非線形光学係数ｄ（ｚ）の絶対値が一定であっても、エッジがなだらかな波長変換効率変化を得ることができる。

ここで、ｊ・ｓｉｎ｛±ｃｏｓ^−１［Ｆ（ｚ）］｝は、虚数部である。したがって、この項は、式（２）の実数部に影響を与えること無しに排除することができる。すなわち、下式（３）が成立するように第１、第２分極領域１０２，１０３の位置（ｚ座標）をずらせば、Ｆ（ｚ）の値によらず、この項ｊ・ｓｉｎ｛±ｃｏｓ^−１［Ｆ（ｚ）］｝を排除することができる。

ここで、±ｃｏｓ^−１［Ｆ（ｚ）］の符号の違いは、第１、第２分極領域１０２，１０３をずらす方向を示している。したがって、対応する第１、第２分極領域１０２，１０３のペアを選択し、これらの分極領域１０２，１０３を逆方向にずらせば、余分な項ｊ・ｓｉｎ｛±ｃｏｓ^−１［Ｆ（ｚ）］｝を排除することができる。

下式（４）は、Ｆ（ｚ）の値が＋１または−１に固定された場合の、分極領域１０２，１０３のシフト量を求めた演算結果を示している。また、下式（５）は、Ｆ（ｚ）の値が０に固定された場合の、分極領域１０２，１０３のシフト量を求めた演算結果を示している。なお、式（４）、（５）においては、Δｚ＝ｃｏｓ^−１（Ｆ（ｚ））／Ｋである。

式（４）、（５）から解るように、Ｆ（ｚ）が±１の場合は分極領域１０２，１０３を±Λ／２または０だけシフトさせればよく、また、Ｆ（ｚ）が０の場合は分極領域１０２，１０３を±Λ／４だけシフトさせればよい。

図４は、この実施形態に係る波長変換素子１００の原理を説明するための、概念的なグラフである。図４（Ａ）、（Ｂ）において、縦軸は位相φ（ｚ）であり、横軸は伝搬距離ｚである。

図４（Ａ）において、曲線Ｐ１は、均一波長変換効率のＱＰＭチャープ構造（図１６参照）に対応し、位相φ（ｚ）がＫｚ＋Δφ（ｚ）で与えられる。また、曲線Ｐ２は、エッジがなだらかな波長変換効率変化を変換係数強度Ｆ（ｚ）の位相変化で実現した場合（式（２）参照）に対応し、位相φ（ｚ）がＫｚ＋Δφ（ｚ）＋ｃｏｓ^−１［Ｆ（ｚ）］で与えられる。

図４（Ｂ）において、直線Ｐ３は、非チャープのＱＰＭ構造（分極領域の長さが均一なＱＰＭ構造）に対応している。直線Ｐ３で示したような特性のＱＰＭ構造において、分極領域の位置を適当にずらすことにより、符号Ｐ４で示したような位相関数を得ることができる。このように、分極領域位置を適当にずらすことで、曲線Ｐ２と近似的に一致するような特性のＱＰＭ構造を得ることができる。以下、符号Ｐ４で示した曲線を、近似位相曲線と記す。近似位相曲線Ｐ４は、多数の微小区間から構成され、各微小区間の直線線分は直線Ｐ３と同じ傾きを有する。各微小区間の段差は、Ｋ×Δｚで表される。ここで、Δｚは、電子描画装置の解像限界εと一致する。すなわち、微小区間の段差部では、解像限界εに対応する値の位相差が、ＱＰＭ構造に与えられる。

図５の概念図において、点線Ｌは、図４の曲線Ｐ２に対応するＱＰＭ構造を示している。また、斜線で示した領域は、この実施形態に係るＱＰＭ構造の第２分極領域１０３を示している。

図５から解るように、この実施形態に係るＱＰＭ構造は、周期Λｍの非チャープＱＰＭ構造において、曲線Ｐ２に対応するＱＰＭ構造とのずれΔεが解像限界εに達するたびに、分極領域１０２，１０３の位置をΔεずつずらしている（図４の近似位相曲線Ｐ４参照）。

図６は、実施形態に係るＱＰＭ構造の他の具体例を説明するための概念図である。図６において、曲線Ｐ５は位相φ（ｚ）がＫｚ＋Δφ（ｚ）＋ｃｏｓ^−１（Ｆ（ｚ））で表される場合を示しており、曲線Ｐ６は位相φ（ｚ）がＫｚ＋Δφ（ｚ）−ｃｏｓ^−１（Ｆ（ｚ））で表される場合を示しており、且つ、曲線Ｐ７は位相φ（ｚ）がＫｚ＋Δφ（ｚ）で表される場合を示している。上述のように、ｊ・ｓｉｎ｛±ｃｏｓ^−１［Ｆ（ｚ）］｝を排除しないとエッジがなだらかな波長変換効率変化を実現できない。このために、図６の例では、基板１０１の全区間を光進行方向について複数区間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・に区切り、曲線Ｐ５に対応する区間と曲線Ｐ６に対応する区間とを、交互に作製する。すなわち、図６の例では、分極領域１０２，１０３の位相が、奇数番目の区間Ｓ１，Ｓ３，・・・では曲線Ｐ６にしたがって決定され、偶数番目の区間Ｓ２，・・・では曲線Ｐ５にしたがって決定されている（逆でもよい）。これにより、基板１０１の全域について考えた場合には、＋jsin[ｃｏｓ^−１（Ｆ（ｚ））]の項とjsin[−ｃｏｓ^−１（Ｆ（ｚ））]の項とが打ち消し合う状態になって、エッジがなだらかな波長変換効率変化を実現できる。

図７は、図６に示した波長変換素子の周波数特性を説明するためのグラフである。図７において、縦軸および横軸は、上述の図３と同様である。また、測定条件も、図３の場合と同様である。また、図７でも、チャープ量が周期で０．１５３の場合（曲線Ｃ４）、０．２３８の場合（曲線Ｃ５）、０．０７６５の場合（曲線Ｃ６）の場合を示した。

図７（Ａ）は、電子描画装置の解像限界εを０．３μｍとした場合の例である。

図７（Ａ）と図３との比較から解るように、図５に示した波長変換素子（すなわち、第１、第２分極領域１０２，１０３のｚ座標位相をシフトさせることによって光導入面および光導出面付近の波長変換効率を段階的に変化させた波長変換素子）でも、図２に示した波長変換素子（すなわち、非線形光学係数ｄ（ｚ）を調整することによって光導入面および光導出面付近の波長変換効率を段階的に変化させた波長変換素子）と、ほぼ同様の周波数特性を得ることができた。わずかな差異があるのは、近似による誤差のためであると考えられる。

図７（Ｂ）、（Ｃ）は、図５に示す構造を有する波長変換素子の波長変換特性を演算で求めた結果を示すグラフである。図７（Ｂ）、（Ｃ）において、縦軸はパルスの光強度（規格値）、横軸は時間（ピコ秒）である。また、Ｍ０は信号波のパルス波形、Ｍ１は非チャープＱＰＭ構造のＳＨＧパルス波形、Ｍ２は従来のチャープＱＰＭ構造（図１６参照）のＳＨＧパルス波形、Ｍ３は非線形光学係数ｄ（ｚ）を調整した波長変換素子（図２参照）のＳＨＧパルス波形、Ｍ４は第１、第２分極領域１０２，１０３のｚ座標位相をシフトさせることによってこの実施形態を適用した波長変換素子（図５参照）のＳＨＧパルス波形である。

図７（Ｂ）から解るように、非チャープＱＰＭ構造のＳＨＧパルスＭ１は、信号波のパルスＭ０と比較して、形状が台形状に崩れてしまっている。また、従来のチャープＱＰＭ構造のＳＨＧパルスＭ２は、先端付近での形状の崩れは小さいものの、すそ野部分の形状が大きく変形している。これに対して、この実施形態に係る波長変換素子のパルスＭ３，Ｍ４は、パルス波形の全域にわたって、形状の変形が非常に少ない（図７（Ｂ）、（Ｃ）参照）。

以下、図５、図７に示した波長変換素子の製造方法例について、図８〜図１４を用いて説明する。

まず、ＱＰＭ構造を作製する方法を説明する。ＱＰＭ構造の波長変換素子を作製する方法としては、液体電極法と固体電極法とがある。

最初に、液体電極法を用いる場合について、図８および図９の断面工程図を用いて説明する。

ここでは、ＱＰＭ構造を作製するための基板として、ＬｉＮｂＯ_３製の強誘電体基板１０１を使用する場合を例に採って、説明する（図８（Ａ）参照）。図８（Ａ）に矢印で示したように、この基板１０１は、表面に向かう方向の自発分極が形成されている。基板１０１の厚さは、例えば０．３〜１ｍｍである。

まず、通常のフォトリソグラフィ法等を用いて、基板１０１の表面のうち、分極領域１０３を形成すべき領域上に、レジストパターン８０１を形成する（図８（Ｂ）参照）。レジストパターン８０１の幅および間隔は、例えば１〜４μｍである。レジストパターン８０１を形成する位置に応じて、分極領域１０３の形成位置が決定され、その結果、分極領域１０２の形成位置も決定される。したがって、レジストパターン８０１の位置は、第１、第２分極領域１０２，１０３のｚ座標位相が適当にシフトするように決定される（図５、図７参照）。

続いて、基板１０１の表面および裏面に、液体電極層８０２ａ，８０２ｂを形成する。そして、パルス電圧発生源８０３を用いて、パルス電圧を印加することにより、電場を発生させる（図８（Ｃ）参照）。生成される電場の方向は、基板１０１の分極を反転させることができる方向（ここでは基板１０１の表面から裏面に向かう方向）に設定される。電場の大きさは、ＬｉＮｂＯ_３基板１０１の種類に応じて決定される。例えば、コングルエント組成の場合には２０ｋＶ／ｍｍ程度が望ましく、ストイキオメトリック組成の場合には６ｋＶ／ｍｍ程度が望ましい。パルス幅は、数十ｍｓｅｃである。

これにより、基板１０１のうち、レジストパターン８０１で覆われていない部分の分極方向が反転して、分極領域１０２が形成される（図９（Ａ）参照）。基板１０１のうち、分極方向が反転しなかった領域は、分極領域１０３になる。

その後、液体電極８０２ａ，８０２ｂを除去し（図９（Ｂ）参照）、さらにレジストパターン８０１を除去することにより、基板１０１のＱＰＭ構造が完成する（図９（Ｃ）参照）。

続いて、固体電極法を用いる場合について、図１０および図１１の断面工程図を用いて説明する。

ここでも、液体電極法の場合と同じＬｉＮｂＯ_３基板１０１を使用する場合を例に採って、説明する（図１０（Ａ）参照）。この例でも、基板１０１の表面に向かう方向に自発分極が形成されており、基板１０１の厚さは例えば０．３〜１ｍｍである。

まず、通常のフォトリソグラフィ法等を用いて、基板１０１の表面のうち、分極領域１０３を形成すべき領域上に、レジストパターン１００１を形成する（図１０（Ｂ）参照）。レジストパターンの幅および間隔は、例えば１〜４μｍである。

続いて、基板１０１の表面および裏面に、例えばＮｉＣｒ層等の導電層１００２ａ，１００２ｂを形成する（図１０（Ｃ）参照）。そして、表面側の導電層１００２ａをエッチバックした後でレジストパターン１００１を除去することにより、固体電極１００３を形成する（図１１（Ａ）参照）。

さらに、パルス電圧発生源１００４を用いてパルス電圧を印加することにより、電場を発生させる（図１１（Ａ）参照）。生成される電場の方向、大きさおよびパルス幅は、上述の液体電極法と同様である。

これにより、基板１０１のうち、レジストパターン１００１で覆われていない部分の分極方向が反転して、分極領域１０２が形成される。基板１０１のうち、分極方向が反転しなかった領域は、分極領域１０３になる。

その後、固体電極１００３を除去することにより、基板１０１のＱＰＭ構造が完成する（図１１（Ｂ）参照）。

次に、光導波路１０４を作製する方法を説明する。光導波路１０４を作製する方法としては、プロトン交換法と張り合わせ法とがある。

最初に、プロトン交換法を用いる場合について、図１２および図１３の概念図を用いて説明する。

まず、上述の液体電極法または固体電極法を用いてＱＰＭ構造の基板１０１を作製する（図１２（Ａ）参照）。

そして、通常のフォトリソグラフィ法等を用いて、基板１０１の表面のうち光導波路１０４を形成しない部分に、金属マスク１２０１を形成する（図１２（Ｂ）参照）。

次に、安息香酸中で、光導波路１０４のリチウムイオンをプロトンにイオン交換する（図１２（Ｃ）参照）。このときの安息香酸の温度は例えば２００℃、処理時間は例えば２時間である。

続いて、金属マスク１２０１を取り除く（図１３（Ａ）参照）。

その後、基板１０１を例えば３００℃で２時間加熱することにより、表面のプロトンを拡散させて、導波路１０４を完成する（図１３（Ｂ）参照）。

次に、張り合わせ法を用いる場合について、図１４の概念図を用いて説明する。

まず、上述の液体電極法または固体電極法を用いてＱＰＭ構造の基板１０１を作製する（図１４（Ａ）参照）。

次に、この基板１０１に、基台１４０１を張り付ける（図１４（Ｂ）参照）。基台１４０１としては、例えば、ＬｉＴａＯ_３基板や、Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ_３等を用いることができる。

続いて、基板１０１を、表面を研磨することによって、薄膜化する（図１４（Ｃ）参照）。

最後に、例えばダイシングまたはドライエッチング等の技術を用いて基板１０１に溝を形成することにより、光導波路１０４となるべき領域を、他の領域から物理的に分離する。これにより、光導波路１０４が完成する（図１４（Ｄ）参照）。

以上説明したように、この実施形態によれば、非線形光学係数の絶対値｜ｄ（ｚ）｜が光導入面付近で段階的に増加し且つ光導出面付近で段階的に減少するように第１、第２分極領域１０２，１０３を構成したので（図２参照）、分極領域１０２，１０３の位置・寸法等を高精度に制御することなしにパルス波形のリップルを抑制することができる。

さらに、分極領域１０２，１０３の非線形光学常数ｄ（ｚ）を調整するのではなく、これらの分極領域１０２，１０３の光進行方向に対する位相をシフトさせることによって上述のような段階的変化を形成することにより、簡単な製造工程で、この実施形態に係る波長変換素子を得ることができる。

実施の形態に係る波長変換素子の構造を示す概念図である。 第１、第２分極領域における非線形光学係数と伝搬距離との関係の一例を示す概念図である。 実施の形態に係る波長変換素子の周波数特性を説明するためのグラフである。 実施の形態に係る波長変換素子の原理を説明するための、概念的なグラフである。 実施の形態に係るＱＰＭ構造の一具体例を示す概念図である。 実施の形態に係るＱＰＭ構造と波長変換効率変化の対応関係を示す概念図である。 図６に示した波長変換素子の特性を説明するためのグラフである。 実施の形態に係る波長変換素子の製造方法を説明するための断面工程図である。 実施の形態に係る波長変換素子の製造方法を説明するための断面工程図である。 実施の形態に係る波長変換素子の製造方法を説明するための断面工程図である。 実施の形態に係る波長変換素子の製造方法を説明するための断面工程図である。 実施の形態に係る波長変換素子の製造方法を説明するための概念的工程図である。 実施の形態に係る波長変換素子の製造方法を説明するための概念的工程図である。 実施の形態に係る波長変換素子の製造方法を説明するための概念的工程図である。 従来の波長変換素子の一構造例を示す概念図である。 従来のチャープ構造の一例を示す概念図である。

符号の説明

１００ 波長変換素子
１０１ ＬｉＮｂＯ_３基板
１０２ 第１分極領域
１０３ 第２分極領域
１０４ 光導波路
８０１，１００１ レジストパターン
８０２ 液体電極
８０３，１００４ パルス電圧発生源
１００２ａ、１００２ｂ 導電層
１００３ 固体電極
１２０１ 金属マスク

Claims (4)

1. 自発分極が互いに反転している第１、第２分極領域が交互に形成された非線形光学基板と、これら第１、第２分極領域を交互に通過するように形成された光導波路とを有する波長変換素子であって、
   形成される前記第１、第２分極領域の光進行方向に対する位置を、ＱＰＭ周期のチャープ構造の位相値Ｋｚ＋Δφ（ｚ）＋ｃｏｓ ^−１ （Ｆ（ｚ））が、光導入面付近で光導入面から光導出面に向けて、あるいは光導出面付近で光導出面から光導入面に向けて座標値ｚがΔzだけ変化したときの変化量Δεがεを超える位置に達するたびに、当該位置に存在する当該ＱＰＭチャープ構造の微小区間をΔεだけ、当該ＱＰＭチャープ構造の平均周期Λの位置から、ｚ軸方向の正または負の方向に、当該位相値Ｋｚ＋Δφ（ｚ）＋ｃｏｓ ^−１ （Ｆ（ｚ））からのずれ量が小さくなるようにシフトさせることによって形成し、
   実効的な非線形光学係数の絶対値を光導入面付近で段階的に増加し且つ光導出面付近で段階的に減少するように変化させることを特徴とする波長変換素子。
   ここで、ｚは光の進行方向をｚ軸方向とする座標値であり、Ｆ（ｚ）は変換係数強度の光進行方向に対する変化を示す関数であり、Δφ（ｚ）は前記ＱＰＭ周期のチャープを表す位相項である。また、Ｋは前記ＱＰＭチャープ構造の平均周期をΛとしてＫ＝２π／Λで与えられる。
2. 自発分極が互いに反転している第１、第２分極領域が交互に形成された非線形光学基板と、これら第１、第２分極領域を交互に通過するように形成された光導波路とを有する波長変換素子であって、
   前記光導波路の全区間を光の進行方向について前記第１、第２分極領域の複数組を一群として含む区間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・に区切り、奇数番目の区間Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５，・・・のそれぞれはＱＰＭ周期のチャープ構造の位相値Ｋｚ＋Δφ（ｚ）＋ｃｏｓ ^−１ （Ｆ（ｚ））で与えられる区間とし、偶数番目の区間Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，・・・のそれぞれはＱＰＭ周期のチャープ構造の位相値がＫｚ＋Δφ（ｚ）−ｃｏｓ ^−１ （Ｆ（ｚ））で与えられる区間として、
   当該位相値Ｋｚ＋Δφ（ｚ）＋ｃｏｓ ^−１ （Ｆ（ｚ））が、光導入面付近での光導入面から奇数番目の区間Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５，・・・のそれぞれでは光導出面に向けて、あるいは光導出面付近で光導出面から奇数番目の区間Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５，・・・のそれぞれでは光導入面に向けて、座標値ｚがΔzだけ変化したときの変化量Δεがεを超える位置に達するたびに、当該位置に存在する微小区間をΔεだけ、平均周期Λの位置からシフトさせることによって形成し、
   当該位相値Ｋｚ＋Δφ（ｚ）−ｃｏｓ ^−１ （Ｆ（ｚ））が、光導入面付近での光導入面から偶数番目の区間Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，・・・のそれぞれでは光導出面に向けて、あるいは光導出面付近で光導出面から偶数番目の区間Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，・・・のそれぞれでは光導入面に向けて、座標値ｚがΔzだけ変化したときの変化量Δεがεを超える位置に達するたびに、当該位置に存在する微小区間をεだけ、平均周期Λの位置からシフトさせることによって形成し、
   実効的な非線形光学係数の絶対値を光導入面付近で段階的に増加し且つ光導出面付近で段階的に減少するように変化させることを特徴とする波長変換素子。
   ここで、ｚは光の進行方向をｚ軸方向とする座標値であり、Ｆ（ｚ）は変換係数強度の光進行方向に対する変化を示す関数であり、Δφ（ｚ）はＱＰＭ周期のチャープを表す位相項である。また、ＫはＱＰＭチャープ構造の平均周期をΛとしてＫ＝２π／Λで与えられる。
3. 自発分極が互いに反転している第１、第２分極領域が交互に形成された非線形光学基板と、これら第１、第２分極領域を交互に通過するように形成された光導波路とを有する波長変換素子であって、
   前記光導波路の全区間を光の進行方向について前記第１、第２分極領域の複数組を一群として含む区間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・に区切り、奇数番目の区間Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５，・・・のそれぞれはＱＰＭ周期のチャープ構造の位相値Ｋｚ＋Δφ（ｚ）−ｃｏｓ ^−１ （Ｆ（ｚ））で与えられる区間とし、偶数番目の区間Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，・・・のそれぞれはＱＰＭ周期のチャープ構造の位相値がＫｚ＋Δφ（ｚ）＋ｃｏｓ ^−１ （Ｆ（ｚ））で与えられる区間として、
   当該位相値Ｋｚ＋Δφ（ｚ）−ｃｏｓ ^−１ （Ｆ（ｚ））が、光導入面付近での光導入面から奇数番目の区間Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５，・・・のそれぞれでは光導出面に向けて、あるいは光導出面付近で光導出面から奇数番目の区間Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５，・・・のそれぞれでは光導入面に向けて、座標値ｚがΔzだけ変化したときの変化量Δεがεを超える位置に達するたびに、当該位置に存在する微小区間をΔεだけ、平均周期Λの位置からシフトさせることによって形成し、
   当該位相値Ｋｚ＋Δφ（ｚ）＋ｃｏｓ ^−１ （Ｆ（ｚ））が、光導入面付近での光導入面から偶数番目の区間Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，・・・のそれぞれは光導出面に向けて、あるいは光導出面付近で光導出面から偶数番目の区間Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，・・・のそれぞれでは光導入面に向けて、座標値ｚがΔzだけ変化したときの変化量Δεがεを超える位置に達するたびに、当該位置に存在する微小区間をεだけ、平均周期Λの位置からシフトさせることによって形成し、
   実効的な非線形光学係数の絶対値を光導入面付近で段階的に増加し且つ光導出面付近で段階的に減少するように変化させることを特徴とする波長変換素子。
   ここで、ｚは光の進行方向をｚ軸方向とする座標値であり、Ｆ（ｚ）は変換係数強度の光進行方向に対する変化を示す関数であり、Δφ（ｚ）はＱＰＭ周期のチャープを表す位相項である。また、ＫはＱＰＭチャープ構造の平均周期をΛとしてＫ＝２π／Λで与えられる。
4. 前記変化量εはＱＰＭ構造の製造時に使われる電子描画装置の解像限界値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換素子。

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