JP7392792B2 - 波長変換光デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、波長変換光デバイスに関するものである。
二次非線形デバイスに用いられている材料は、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）結晶、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）結晶やＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）結晶、β－ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）結晶といった強誘電体光学結晶が主流であり、波長変換を基軸とした広範な応用分野に展開されている。これらの結晶は、例えば、レーザ加工分野では、光ファイバレーザの第二高調波発生(SHG: Second Harmonic Generation)による短波長化に用いられており、ビームスポット径が小さくなるために微細なレーザ加工に用いられている。光通信分野では、ＷＤＭ信号の波長資源の有効活用として、ＣバンドのＷＤＭ信号をＬバンドへ一括多重波長変換する光デバイスなどに用いられている。計測分野では、水素結合などに起因する分子間振動が観測できるテラヘルツ分光に着目されており、そのテラヘルツ光を発生させる光源に使用されている。最近では、化合物半導体結晶であるＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ等は、大きな２次の非線形光学定数を有すること、そして、２次の非線形デバイスに不可欠な周期的空間反転構造の作製技術の著しい進歩により、二次非線形デバイスの材料として着目されている。
波長変換は、角度位相整合（angle phase matching）、周期分極反転（periodically-poling）による擬似位相整合（ＱＰＭ: quasi-phase matching）の２つの手法に分類できる。特に、擬似位相整合は、周期分極反転幅（polingpitch）を調節することで、複数の位相整合波長の生成を可能にするとともに、材料の透明領域全ての波長変換も可能にする。加えて、擬似位相整合は、角度位相整合によるウォークオフ角が無いため、ビーム品質が良好な上に、相互作用長の長尺化を可能にする。このように、擬似位相整合は、波長資源利用の高効率化、光通信における結合損の抑制を可能にするため、レーザ加工や計測分野に適した有効な方法である。
上述のような優れた擬似位相整合法による波長変換手法を用いても、二次非線形デバイスに用いられている材料が単結晶材料の場合、成形加工に制約があり、煩雑な光学系が必要となる。そこで、ガラスの自在成形加工と波長変換を組み合わせる技術が提案されている（特許文献１）。この特許文献１に記載の技術の優れている点は、基板材料がガラスであるために、ファイバ形や薄膜形など種々の形状に加工することができることである。すなわち、このような種々の基板形状に波長変換機能の付与が可能になることから、ユーザーフレンドリーな波長変換が実現できる。また、配向制御として、特許文献１には、電界を印加した状態でレーザ光が照射された領域を配向する技術が開示されている。
また、簡便かつ選択的な結晶化方法として、レーザアニール法による選択的な結晶化が提案されている（特許文献２）。すなわち、特許文献２によれば、前駆体ガラスの吸収波長帯域に含まれる波長を有するレーザ光が前駆体ガラスに照射される。このレーザ照射は、レーザ照射領域のみにおける光吸収に起因した局所的熱印加を引き起こすか、または、材料表面への吸収材塗布膜を介した局所熱印加を引き起こすにより、局所的に自発分極（spontaneous polarization）を有する結晶領域の形成を可能にする。
R. Gatass and E. Mazur, Nature Photonics 2, P.219(2008)
U. Ito, et al.,"Ultrafast and precision drilling of glass by selective absorption offiber-laser pulse into femtosecond-laser-induced filament", Applied PhysicsLetters, Vol.113, 2018, pp.061101-1
IEEE J. Quantum Electron.,Vol.28, Issue.11(1992) p.2631
IEEE J. Quantum Electron.,Vol.30,Issue.7 (1994) p.1596
Science Vol.278 (1997) p.843
Masatoshi Fujimura, etc., Electronicsand Communications in Japan, part 2, Vol. 78, No. 4, 1995
Appl. Phys, Lett., Vol. 82, No. 5, 3 February 2003
発明者は、波長変換を可能にする従来技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上記特許文献１に記載された技術では、電界を印加する工程が必要になるため、電極を用意しなければならない。また、電圧を印加する間隔が小さく、高い電圧を印加した場合、絶縁破壊にも注意を払う必要がある。したがって、上記特許文献１に記載された技術では、製造工程が増え、製造難易度は高くなるという課題があった。また、上記特許文献２に記載された技術では、材料内部の結晶化が、材料の光吸収量の大小に大きく依存することになる。照射されるレーザ光の波長を短波長に設定しても光吸収量が不十分な材料の場合、レーザ照射条件や集光光学系の適切化だけでは、自在な材料内部への結晶領域の形成は困難であった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、製造工程の増加の他、製造条件や製造設備の最適化作業等の複雑化を避けつつ、波長変換光デバイスとなるべき非晶質材料の表面または内部への結晶領域形成の自由度を増大させるための構造を備えた製造方法、および該製造方法により得られる波長変換光デバイスを提供することを目的としている。
上述の課題を解決するため、本開示の実施形態に係る波長変換光デバイスの製造方法は、前工程と、第１照射工程と、第２照射工程と、走査工程と、を少なくとも備える。前工程は、当該波長変換光デバイスとなるべき非晶質材料からなる本体を用意する。第１照射工程は、本体内に励起電子高密度領域を発生させるための第１レーザ光を、該第１レーザ光を集光した状態で本体に照射する。また、第２照射工程は、第１照射工程と同期して実施される工程であって、励起電子高密度領域を加熱するための第２レーザ光を、該第２レーザ光を集光した状態で本体に照射する。なお、第１レーザ光は、その集光領域が本体の表面または内部に位置するよう本体に照射される。具体的に、第１レーザ光は、該本体の吸収波長帯域から外れた波長または該本体への光吸収量が低く抑えられる波長を有するｆｓ（femtosecond）レーザ光を含む。一方、第２レーザ光は、該第２レーザ光の集光領域が第１レーザ光の集光領域とオーバーラップするよう本体に照射される。具体的に、第２レーザ光は、第１レーザ光の集光領域以外における本体の吸収波長帯域から外れた波長または本体への光吸収量が低く抑えられる波長を有するとともにパルス幅１ｐｓ以上のパルスレーザ光、または、該本体の吸収波長帯域から外れた波長または本体への光吸収量が低く抑えられるＣＷ（Continuous Wave）レーザ光を含む。走査工程は、第１および第２照射工程が互いに同期した状態で間欠的に実施される期間中、連続的に実施される行程であって、本体と第１および第２レーザ光のオーバーラップされた集光領域との相対的位置を変えることにより、該本体に対してオーバーラップされた集光領域の位置を移動させる。
本実施形態によれば、結晶領域の効率的な形成が可能になり、該本体の表面または内部において、これら２種類のレーザ光のオーバーラップされた集光領域を三次元的に走査することで、バルク形状やファイバ形状等、様々な形態の高効率な波長変換光デバイスが実現され得る。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
（１）本実施形態に係る波長変換光デバイスの製造方法は、その一態様として、前工程と、第１照射工程と、第２照射工程と、走査工程と、を少なくとも備える。前工程は、当該波長変換光デバイスとなるべき非晶質材料からなる本体を用意する。第１照射工程は、本体内に励起電子高密度領域を発生させるための第１レーザ光を、該第１レーザ光を集光した状態で本体に照射する。また、第２照射工程は、第１照射工程と同期して実施される工程であって、励起電子高密度領域を加熱するための第２レーザ光を、該第２レーザ光を集光した状態で本体に照射する。なお、第１レーザ光は、その集光領域が本体の表面または内部に位置するよう本体に照射される。具体的に、第１レーザ光は、該本体の吸収波長帯域から外れた波長または該本体への光吸収量が低く抑えられる波長を有するｆｓレーザ光を含む。一方、第２レーザ光は、該第２レーザ光の集光領域が第１レーザ光の集光領域とオーバーラップするよう本体に照射される。具体的に、第２レーザ光は、第１レーザ光の集光領域以外における本体の吸収波長帯域から外れた波長または本体への光吸収量が低く抑えられる波長を有するとともにパルス幅１ｐｓ以上のパルスレーザ光、または、第１レーザ光の集光領域以外における該本体の吸収波長帯域から外れた波長または本体への光吸収量が低く抑えられる波長を有するＣＷレーザ光を含む。走査工程は、第１および第２照射工程が互いに同期した状態で間欠的に実施される期間中、連続的に実施される行程であって、本体と第１および第２レーザ光のオーバーラップされた集光領域との相対的位置を変えることにより、該本体に対してオーバーラップされた集光領域の位置を移動させる。なお、本明細書において「吸収波長帯域から外れた波長」、「光吸収量が低く抑えられる波長」とは、吸収係数が０．０１／ｃｍ以下である波長領域を意味する。
（２）なお、第１レーザ光の集光領域は、該第１レーザ光の集光点を中心とした励起された電子が高密度に発生する領域（励起電子高密度領域）を意味し、励起された電子の数密度が１０１９／ｃｍ３以上の領域として規定される。また、第１レーザ光の集光領域と第２レーザ光の集光領域とがオーバーラップした状態（以下、オーバーラップ状態という）は、第１レーザ光の集光点と第２レーザ光の集光点とが一致している状態の他、集光点が一致していない状態も含む。具体的には、第２レーザ光の集光点が励起電子高密度領域（第１レーザ光の集光領域）内に存在していない場合であっても、このオーバーラップ状態には、励起電子高密度領域全体または少なくともその一部が第２レーザ光の照射領域内に存在するよう、該第２レーザ光のスポット径が絞り込まれた状態が含まれる。第１レーザ光（ｆｓレーザ光）が非晶質の本体、例えば前駆体ガラスの内部に集光されると、該ｆｓレーザ光が集光された領域には、一時的に励起電子高密度領域が発生する。この励起電子高密度領域（第１レーザ光の集光領域）が発生している間に該励起電子高密度領域にその集光領域がオーバーラップするように第２レーザ光（パルスレーザ光またはＣＷレーザ光）が照射されると、該励起電子高密度領域の局所領域のみにおいて優先的かつ選択的に光吸収を誘発させられることが可能になる。このとき、光吸収領域（第１および第２レーザ光のオーバーラップされた集光領域）では熱が発生し、結晶領域が形成される。本体の表面または内部において、第１および第２レーザ光のオーバーラップされた集光領域を三次元的に走査することで、バルク形状やファイバ形状等、様々な形態の高効率な波長変換光デバイスが実現され得る。
（３）本実施形態の一態様として、本体は、ＢａＯ－ＴｉＯ２－ＧｅＯ２－ＳｉＯ２系ガラス、および、ＳｒＯ－ＴｉＯ２－ＳｉＯ２系ガラスを主成分とする材料からなるのが好ましい。この場合、フレスノイト型結晶（Ｓｒ２ＴｉＳｉ２Ｏ８、Ｂａ２ＴｉＧｅ２Ｏ８）からなる結晶領域内に放射状の分極秩序構造（polarization-orderedstructure）がレーザ照射によって容易に得られる。また、本実施形態の一態様として、本体は、ランタノイド系、アクチノイド系、４族～１２族のうち何れかの族の金属を添加物として含むのが好ましい。この場合、本体におけるレーザ光エネルギーの吸収量を増加させることが可能となり、分極秩序構造が更に効率よく形成される。
（４）本実施形態の一態様として、第１レーザ光は、Ｔｉ：Ｓレーザ（チタンサファイアレーザ）から出力されるレーザ光、該Ｔｉ：Ｓレーザから出力されるレーザ光の波長変換光、Ｙｂドープドファイバレーザ（Yb-dopedfiber laser）から出力されるレーザ光、および、該Ｙｂドープドファイバレーザから出力されるレーザ光の波長変換光の何れかを含むのが好ましい。なお、第１レーザ光の波長は、本体の吸収波長帯域に含まれない、若しくは低い吸収量の波長であればよい。一方、第２レーザ光は、ＣＯ２レーザ、Ｙｂドープドファイバレーザ、および、半導体レーザの何れかから出力されるレーザ光を含むのが好ましい。
（５）本実施形態の一態様として、本実施形態に係る波長変換光デバイスの製造方法は、第１および第２照射工程の前または走査工程の後に実施される工程であって、該第１および第２レーザ光のオーバーラップされた集光領域の移動方向に沿って伸びる光軸を有するチャネル導波路構造を、本体に形成する加工工程を更に備えてもよい。
（６）本実施形態に係る波長変換光デバイスは、一例として、上述のように構成された製造方法により得られる。具体的に、本実施形態に係る波長変換光デバイスは、その一態様として、内部に光を伝搬させる本体と、該光の伝搬方向に沿って本体内に配置された複数の結晶領域と、を備える。特に、複数の結晶領域それぞれは、伝搬方向に沿って配向した自発分極（伝搬方向に一致した分極方向（polarization orientation）を有する自発分極）を有する。上述の製造方法では、それぞれの集光領域がオーバーラップされた第１レーザ光と第２レーザ光が本体（例えば非晶質材料）に集光光学系を介して照射される。このとき、第１レーザ光は、本体内に励起電子高密度領域の発生に寄与する。一方、第２レーザ光の光エネルギーは、第１レーザ光の照射により一時的に発生した励起電子高密度領域において効率よく吸収され、該励起電子高密度領域が発熱源となる。この励起電子高密度領域における発熱により、該励起電子高密度領域を中心とした周辺領域が結晶化する。したがって、上述の製造方法により得られた波長変換光デバイスの構造は、光の伝搬方向に沿って配置された複数の結晶領域それぞれにおいて該伝搬方向に沿って配向した自発分極が存在する構造となる。
（７）本実施形態の一態様として、複数の結晶領域のうち隣接する結晶領域は、伝搬方向に沿って配向した自発分極を有する部分同士が接触した状態で配置されてもよい。また、本実施形態の一態様として、複数の結晶領域のうち隣接する結晶領域は、非晶質領域を介して離間した状態で配置されてもよい。本実施形態の一態様として、本体は、伝搬方向に沿って伸びる光軸を有するチャネル導波路構造を有する基板を含んでもよい。本実施形態の一態様として、本体は、伝搬方向に沿って伸びる中心軸を有する光ファイバを含んでもよい。なお、本体としての光ファイバは、中心軸を含んだ状態で該中心軸に沿って伸びるコアと、該コアを取り囲むとともにコアの屈折率よりも低い屈折率を有する光学クラッドと、該光学クラッドを取り囲むとともにコアの屈折率よりも低い屈折率を有する物理クラッド（ジャケット）と、を備える。また、このような構造を有する光ファイバにおいて、複数の結晶領域それぞれは、コアおよび光学クラッドにより構成される光導波領域の少なくとも一部を構成するのが好ましい。具体的に、複数の結晶領域は、コア内（コア全体またはコアの一部）、光学クラッド内（光学クラッド全体または光学クラッドの一部）、コアの一部および光学クラッドの一部で構成される領域、および、コア全体および光学クラッド全体で構成される領域の何れかの領域に形成される。
（８）本実施形態の一態様として、本体は、ＢａＯ－ＴｉＯ２－ＧｅＯ２－ＳｉＯ２系ガラス、および、ＳｒＯ－ＴｉＯ２－ＳｉＯ２系ガラスを主成分とする材料からなるのが好ましい。この場合、複数の結晶領域それぞれは、フレスノイト型結晶である。また、本実施形態の一態様として、本体は、ランタノイド系、アクチノイド系、４族～１２族のうち何れかの族の金属を添加物として含むのが好ましい。
（９）本実施形態の一態様として、複数の結晶領域それぞれは、伝搬方向に対して垂直な方向に放射状に配向した自発分極を有する第１部分結晶領域と、伝搬方向に沿って第１部分結晶領域の両端に位置する第２部分結晶領域であってそれぞれが該伝搬方向に沿って配向した自発分極を有するとともに第１部分結晶領域の分極方向とは異なる方向に配向した自発分極を有する第２部分結晶領域と、を備える。また、第２部分結晶領域の一方から該第２部分結晶領域の他方に向かって光が伝搬するように複数の結晶領域が配置された状態で、第１部分結晶領域と一方の第２部分結晶領域との第１界面と、第１部分結晶領域と他方の第２部分結晶領域との第２界面は、伝搬方向に沿って交互に配置される。このような構成において、伝搬方向に沿って隣接する２つの結晶領域間における第１界面の間隔または該２つの結晶領域間における第２界面の間隔を一周期として規定される繰り返し構造は、単一周期、チャープ型周期、互いに異なる複数の単一周期が組み合わされた周期、あるいは、フィボナッチ数列やBarker sequence法に基づいた周期を有するのが好ましい。
以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。
[本願発明の実施形態の詳細]
本願発明に係る波長変換光デバイスおよびその製造方法の具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示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、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
本願発明に係る波長変換光デバイスおよびその製造方法の具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示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、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
図１は、本実施形態に係る波長変換光デバイスの主要構造と結晶領域形成の原理を説明するための図である。また、図２は、結晶領域およびその周辺領域における温度変化を説明するための図である。
本実施形態に係る波長変換光デバイスの製造方法では、波長変換光デバイスとなるべき本体に、非晶質材料として、ＳｉＯ２を含むガラスが適用され得る。この非晶質の本体に対し、該本体の吸収波長帯域から外れた波長または該本体への光吸収量が低い波長を有するｆｓレーザ（第１レーザ光）と、該本体の吸収波長帯域に含まれない、若しくは低い吸収量の波長を有するレーザ光（第２レーザ光）であってパルス幅１ｐｓ以上のパルスレーザ光またはＣＷレーザ光が、同一集光領域にオーバーラップするように照射される。このとき、ｆｓレーザ光の集光領域に一時的に発生した励起電子高密度領域で、パルス幅１ｐｓ以上のパルスレーザ光またはＣＷレーザ光が優先的に吸収されることで、該励起電子高密度領域から熱が発生する。本実施形態に係る製造方法は、このように発熱した励起電子高密度領域（発熱領域）を中心にしてその周辺領域を結晶化させることで、本体の表面または内部に１またはそれ以上の結晶領域を自在に形成することを可能にする。
図１において、本体１０は、非晶質材料からなり、矢印ＡＸは本体内を伝搬する光の光軸を示し、該光の伝搬方向に沿って伸びた軸である。例えば、本体１０がチャネル導波路構造を有する基板である場合、該基板は、チャネル導波路の光軸が光軸ＡＸに一致する。また、本体１０が光ファイバである場合、該光ファイバの中心軸が光軸ＡＸに一致している（伝搬方向に沿って伸びている）。本体１０の材料としては、ＢａＯ－ＴｉＯ２－ＧｅＯ２－ＳｉＯ２系ガラス、および、ＳｒＯ－ＴｉＯ２－ＳｉＯ２系ガラスのうち少なくとも何れか一方が適用可能である。これらの材料からなる本体１０において、フレスノイト型結晶（Ｓｒ２ＴｉＳｉ２Ｏ８、Ｂａ２ＴｉＧｅ２Ｏ８）からなる放射状の分極秩序構造（polarization-orderedstructure）が、レーザ光の照射によって容易に得られる。また、上記何れかの材料からなる本体には、ランタノイド系、アクチノイド系、４族～１２族のうち何れかの族に含まれる金属が添加されてもよい。この場合本体１０におけるレーザ光の吸収量が高められ、上記分極秩序構造が更に効率的に形成される。
本実施形態では、本体１０に対して、該本体１０に対する作用が異なる２種類のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が照射される。レーザ光Ｌ１（第１レーザ光）は、その集光領域が本体１０の表面または内部に位置するよう該本体１０に照射される。具体的に、レーザ光Ｌ１は、本体１０内に励起電子高密度領域１１０を発生させるためのレーザ光であって、本体１０の吸収波長帯域から外れた波長または該本体１０への光吸収量が低く抑えられる波長を有するｆｓレーザ光を含む。レーザ光Ｌ１を出力するためのｆｓレーザ光源としては、例えば、Ｔｉ：Ｓレーザ（チタンサファイヤレーザ）、ファイバレーザ（例えば、Ｙｂドープドファイバレーザ）、これらレーザ光源を用いた波長変換レーザ（波長：４００～５５０ｎｍ）などが挙げられる。これら列挙された光源から出力されるレーザ光または該出力されるレーザ光の波長変換光がレーザ光Ｌ１に適用され、何れのレーザ光も９００ｆｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザ光である。
一方、レーザ光Ｌ２（第２レーザ光）は、その集光領域がレーザ光Ｌ１の集光領域とオーバーラップするように本体１０に照射される。また、レーザ光Ｌ２は、本体１０のうち励起電子高密度領域１１０を加熱する役割を持ったレーザ光であって、具体的に、レーザ光Ｌ２は、レーザ光Ｌ１の集光領域以外における本体１０の吸収波長帯域から外れた波長または本体１０への光吸収量が低く抑えられる波長を有するとともにパルス幅１ｐｓ以上のパルスレーザ光、または、該本体１０の吸収波長帯域から外れた波長または本体１０への光吸収量が低く抑えられる波長を有するＣＷレーザ光を含む。レーザ光Ｌ２を出力するための光源としては、ガスレーザ（例えば、ＣＯ２レーザ）、ファイバレーザ例えば、Ｙｂドープドファイバレーザ）、半導体レーザ等が挙げられる。これら列挙された光源から出力されるレーザ光Ｌ２は、何れもパルス幅１ｐｓ以上、好ましくはパルス幅１ｎｓ以上のパルスレーザ光、または、ＣＷレーザ光を含む。
なお、図１中に示された励起電子高密度領域１１０は、厳密には、レーザ光Ｌ１の照射により一時的に励起電子高密度領域が発生した領域を示す。一時的に発生した励起電子高密度領域に向けてレーザ光Ｌ２が集光されると、該励起電子高密度領域においてレーザ光Ｌ２の光エネルギーが優先的かつ選択的に吸収される。このような光エネルギーの吸収領域は、発熱するため、結晶領域１００を形成するための発熱領域（熱源）として機能する。本実施形態では、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、および、本体１０の少なくとも一方を図１中に示された矢印Ｓ１で示された方向に移動させることにより、本体１０における励起電子高密度領域の発生位置が、光軸ＡＸに沿って移動する。そのため、図１中において参照番号「１１０」で指示された部分は、レーザ光Ｌ１の照射により過去に励起電子高密度領域が発生した部分であって、レーザ光Ｌ２の光エネルギーを吸収することで結晶領域１００の形成過程において発熱領域として機能した部分である。なお、本明細書では、レーザ光の走査領域を明示すること、および、本発明の技術的意義を明示することを目的として、図１および図５～図７に示された領域１１０を「励起電子高密度領域」と記す。すなわち、本体１０内で形成された結晶領域１００は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２が矢印Ｓ１で示された方向に沿って相対的に移動しながら照射される期間中、図１中に示された励起電子高密度領域１１０の各部が発熱することにより結晶化した、該励起電子高密度領域１１０の周辺領域である。
上述のように形成された結晶領域１００は、光軸ＡＸに対して垂直な方向に放射状に配向した自発分極Ａを有する第１部分結晶領域１００Ａと、光軸ＡＸに沿って第１部分結晶領域１００Ａの両端に位置する第２部分結晶領域１００Ｂ１，１００Ｂ２で構成される。第２部分結晶領域１００Ｂ１、１００Ｂ２それぞれは、光軸ＡＸに沿って配向した自発分極Ｂ１、Ｂ２（レーザ光Ｌ１の走査方向に沿って配向した自発分極）を有するとともに、該前記第１部分結晶領域１００Ａの分極方向とは異なる方向に配向した自発分極を有する。
第１部分結晶領域１００Ａと第２部分結晶領域１００Ｂ１との界面１２０Ａの位置は、第１部分結晶領域１００Ａの一方の端部、すなわち、レーザ光Ｌ１の照射開始位置により特定可能である。同様に、第１部分結晶領域１００Ａと第２部分結晶領域１００Ｂ２との界面１２０Ｂの位置は、第１部分結晶領域１００Ａの他方の端部、すなわち、レーザ光Ｌ１の照射終了位置により特定可能である。
特に、本実施形態に係る波長変換光デバイスでは、本体１０内に、一例として図１に示された構造をそれぞれ有する複数の結晶領域１００が光軸ＡＸに沿って配置される。このとき、光軸ＡＸに沿って本体１０内に設けられた複数の結晶領域それぞれにおいて、第１部分結晶領域１００Ａの両端の位置を規定する界面１２０Ａ、１２０Ｂも、光軸ＡＸに沿って交互に配置される。なお、本体１０内に複数の結晶領域１００が設けられる場合、光軸ＡＸに沿って隣接する２つの結晶領域１００間における界面１２０Ａの間隔または該２つの結晶領域１００間における界面１２０Ｂの間隔を一周期として規定される繰り返し構造は、単一周期、チャープ型周期、互いに異なる複数の単一周期が組み合わされた周期、あるいは、フィボナッチ数列やBarker sequence法に基づいた周期を有するのが好ましい。
なお、レーザ光Ｌ１に適用可能なｆｓレーザ光の集光領域には、照射条件によって、瞬間的に励起電子高密度領域が発生することが知られている（非特許文献１）。また、レーザ光Ｌ２に適用可能なパルス幅１ｎｓ以上のレーザ光（例えば、波長１０７０ｎｍ）を励起電子高密度領域（レーザ光Ｌ１の集光領域）にオーバーラップするように照射することで、照射されたレーザ光の光エネルギーがこの領域のみで優先的かつ選択的に吸収される。その結果、光エネルギーを吸収した領域（励起電子高密度領域はレーザ光Ｌ１の照射により一時的に発生した領域）が効果的に発熱することが、上記非特許文献２に開示されている。レーザ光Ｌ２の光エネルギーを吸収した領域（吸収領域）における発熱量は、該レーザ光Ｌ２の照射時間に依存する。すなわち、発熱量が増加すると該吸収領域を中心とした周辺領域の温度も上昇することになる（図２で示された結晶核生成閾値Ｔ１から結晶成長閾値Ｔ２へと昇温）。このとき、該周辺領域の温度が損傷（溶融）閾値Ｔ３以下となるように吸収領域における発熱量を制御することで、該周辺領域の結晶化が可能になる。
図２は、一般的なレーザ照射の例として、直接非晶質材料にレーザ光を照射したときの領域結晶化と温度変化の関係を説明するための図である。図２に示された結晶領域１００は、図１の光軸ＡＸに直交する本体１０の断面に一致しており、結晶領域１００は、放射状の自発分極Ａを有する。より具体的には、レーザ光を対象物である非晶質材料に照射するとき、図２のグラフＧ１～Ｇ３に示されたように、照射領域における温度分布は、レーザ光の光軸上において最も高く、該レーザ光の光軸から径方向に離れるに従って次第に低い分布となる。ただし、グラフＧ１の段階では、照射領域の中心温度のみが結晶核生成閾値Ｔ１に達しており、中心以外の温度は結晶核生成閾値Ｔ１に達していないので、結晶核は照射領域の中心のみに生じる。このとき、自発分極の配向はランダムである。その後、レーザ光の照射を連続して、または断続的に繰り返すと、温度分布が全体的に上昇し、グラフＧ２のように照射領域の中心温度が結晶成長閾値Ｔ２に達する。これにより、結晶核を起点として結晶が成長し始める。このとき、ランダムであった自発分極の配向を基に結晶成長することになるが、照射領域の中心へ向けて成長する結晶核は互いに衝突し、それ以上成長することはなく、その結果、成長可能な領域である外周へ向かう配向が支配的となる。したがって、最終的な自発分極Ａの配向は、主に照射領域の中心（すなわちレーザ光の光軸）から径方向に沿って離れる向きとなる。なお、その後もレーザ光の照射を連続して、または断続的に繰り返し、グラフＧ３のように照射領域の中心付近の温度が損傷閾値Ｔ３を超えると、該中心付近の対象物が溶融する。すなわち、結晶領域の中央に穿孔（加工痕）１０１が生じる。その結果、自発分極Ａが放射状に配向した円環状の結晶領域１００が形成される。
図３は、本実施形態に係る波長変換光デバイスの製造方法の一例を説明するための図である。また、図４は、本実施形態に係る波長変換光デバイスの製造方法の他の例を説明するための図である。
図３の例では、本体１０として、光軸ＡＸに沿って伸びたチャネル導波路１１を有する導波路基板１０Ａ（チャネル導波路構造を有する基板）が用意される（前工程）。第１光源２０Ａからは、導波路基板１０Ａの表面または内部に励起電子高密度領域を発生させるためのレーザ光Ｌ１（ｆｓレーザ光）が導波路基板１０Ａに照射される（第１照射工程）。一方、第２光源２０Ｂからは、導波路基板１０Ａの一部を加熱するためのレーザ光Ｌ２（パルス幅１ｐｓ以上のパルスレーザ光またはＣＷレーザ光）が導波路基板１０Ａに照射される（第２照射工程）。図３の例では、レーザ光Ｌ１およびレーザ光Ｌ２は、同軸照射される。すなわち、第１光源２０Ａから導波路基板１０Ａまでのレーザ光Ｌ１の光路と、第２光源２０Ｂから導波路基板１０Ａまでのレーザ光Ｌ２の光路のそれぞれには、共通の集光光学系３０とハーフミラー４０が配置されている。このような同軸照射系は、簡便に構成できるという利点がある。
第１照射工程と第２照射工程は、互いに同期して、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２を間欠的に照射する。レーザ照射期間中、第１光源２０Ａから出力されたレーザ光Ｌ１は、ハーフミラー４０で反射され、集光光学系３０へ向かう。更に、集光光学系３０を通過したレーザ光Ｌ１は、導波路基板１０Ａの表面近傍に集光する。このレーザ光Ｌ１の集光領域に励起電子高密度領域１１０が発生する。同時に、第２光源２０Ｂから出力されたレーザ光Ｌ２は、ハーフミラー４０を通過して集光光学系３０に向かう。更に、集光光学系３０を通過したレーザ光Ｌ２は、励起電子高密度領域１１０にオーバーラップするよう集光する。レーザ光Ｌ２の光エネルギーは効率的に励起電子高密度領域１１０に吸収されるが、このとき、励起電子高密度領域１１０が発熱領域として機能することで、チャネル導波路１１内に結晶領域１００が形成される。
上述の第１および第２照射工程が互いに同期した状態で間欠的に実施される期間中、導波路基板１０Ａおよびレーザ光Ｌ１、Ｌ２の同軸照射系の少なくとも一方が、矢印Ｓ２で示された方向に沿って移動する。これにより、導波路基板１０Ａに設けられたチャネル導波路１１の光軸ＡＸに沿って複数の結晶領域１００が形成される（走査工程）。
なお、上記では、一回の走査で結晶領域１００を形成したが、レーザ光を複数回走査し、そのうち初回は比較的弱いパワーのレーザ光Ｌ２（図２のＧ１）を使って核を形成し、第二回目以降の走査においてより強いパワーのレーザ光Ｌ２（図２のＧ２またはＧ３）を使って核を成長させ、結晶領域１００を形成してもよい。また、チャネル導波路１１（チャネル導波路構造）は、第１および第２照射工程の前または走査工程の後に、導波路基板１０Ａに設けられてもよい（加工工程）。また、図３に示された導波路基板１０Ａは、リッジ構造を有するが、このリッジ構造は、ドライエッチングや、ダイシングソーによる切出しにより形成可能である。
一方、図４の例では、本体１０として、中心軸が光軸ＡＸに沿って伸びた光ファイバ１０Ｂが用意される（前工程）。光ファイバ１０Ｂは、中心軸（光軸ＡＸに一致）を含み、該中心軸に沿って伸びるコア１２と、コア１２を取り囲む光学クラッド１３Ａと、光学クラッド１３Ａを取り囲む物理クラッド１３Ｂ（ジャケット）と、を備える。このような構造を有する光ファイバ１０Ｂにおいて、結晶領域１００は、コア１２および光学クラッド１３Ａにより構成される光導波領域１３０の少なくとも一部を構成する。
第１光源２０Ａからは、光ファイバ１０Ｂの内部に励起電子高密度領域１１０を発生させるためのレーザ光Ｌ１（ｆｓレーザ光）が光ファイバ１０Ｂに照射される（第１照射工程）。一方、第２光源２０Ｂからは、光ファイバ１０Ｂのうち励起電子高密度領域１１０を加熱するためのレーザ光Ｌ２（パルス幅１ｐｓ以上のパルスレーザ光またはＣＷレーザ光）が光ファイバ１０Ｂに照射される（第２照射工程）。図４の例では、レーザ光Ｌ１およびレーザ光Ｌ２は、異なる光路を伝播し、光ファイバ１０Ｂ内に到達する。すなわち、第１光源２０Ａから光ファイバ１０Ｂまでのレーザ光Ｌ１の光路上には、集光光学系３０Ａが配置され、第２光源２０Ｂから光ファイバ１０Ｂまでのレーザ光Ｌ２の光路上には、集光光学系３０Ｂがそれぞれ配置されている。
図３の例と同様に、第１照射工程と第２照射工程は、互いに同期して、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２を間欠的に照射する。レーザ照射期間中、第１光源２０Ａから出力されたレーザ光Ｌ１は、集光光学系３０Ａを通過した後、光ファイバ１０Ｂの内部に集光する。このレーザ光Ｌ１の集光領域に励起電子高密度領域１１０が発生する。同時に、第２光源２０Ｂから出力されたレーザ光Ｌ２は、集光光学系３０Ｂを通過した後、励起電子高密度領域１１０にオーバーラップするよう集光する。レーザ光Ｌ２の光エネルギーは効率的に励起電子高密度領域１１０に吸収されるが、このとき、励起電子高密度領域１１０が発熱領域として機能することで、光ファイバ１０Ｂ内に結晶領域１００が形成されるが、結晶領域１００を制御する方法は段落「００３９」または段落「００４１」に記載された内容（図３の例で説明された走査工程における制御方法）と同様に行われる。
上述の第１および第２照射工程が矢印Ｓ３で示された方向に沿って互いに同期した状態で間欠的に実施させることにより、光ファイバ１０Ｂの中心軸（光軸ＡＸ）に沿って複数の結晶領域１００が形成される（走査工程）。なお、中心軸から外れた位置にレーザ光Ｌ１を集光させて、図４中の矢印Ｓ４で示された方向に光ファイバ１０Ｂを回転させることにより、光導波領域１３０内に、円環状の断面を有する結晶領域１００が得られる。
なお、第１光源２０Ａと集光光学系３０Ａで構成される照射系と、第２光源２０Ｂと集光光学系３０Ｂで構成される照射系を、光ファイバ１０Ｂに対して移動させる場合、それぞれの照射系を保持するＸＹＺ軸ステージを、互いに同期させて移動させる。特に、図４の例で示された２つの照射系では、第１および第２光源２０Ａ、２０Ｂそれぞれの集光条件を変更出来るため、レーザ照射の自由度が増す。すなわち、レーザ光Ｌ１の集光点の深さに応じて、レーザ光Ｌ２の集光条件を変えることが可能になる。また、図３および図４の何れの例においても、レーザ光Ｌ１およびレーザ光Ｌ２の集光点へのパルス照射タイミング（ただし、レーザ光Ｌ２がＣＷレーザ光の場合は不要）をシンクロさせる機構を備えてもよい。加えて、図３および図４の何れの例においても、照射領域に応じて、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２の光強度を調整することも可能である。
図５は、本実施形態に係る波長変換光デバイスの一例として、本体内に非晶質領域を介して複数の結晶領域が配置される繰り返し構造を示す概略図である。この図５に示された例では、光軸ＡＸに沿って配置された複数の結晶領域１００のうち隣接する結晶領域１００が、非晶質領域を介して離間した状態で配置されている。なお、図５に示された結晶領域１００それぞれは、適切なパルス幅、光強度、繰り返し周波数、集光条件、波長によるｆｓレーザと発熱用レーザを基板に重ねて照射した後の概念図を示す。
すなわち、結晶領域１００内に位置する中央の円柱部分は、レーザ光Ｌ１の照射により発生した励起電子高密度領域１１０であり、該励起電子高密度領域１１０にオーバーラップするようにレーザ光Ｌ２が照射されることで、周辺領域の温度がＴ１からＴ２に達する（図２参照）。その結果、励起電子高密度領域１１０を中心とした周辺に、該励起電子高密度領域１１０の形状を反映した結晶領域が形成される。なお、図５の例では、結晶領域１００の形状は円柱であるが、正確には集光条件を反映した励起電子高密度領域１１０の形状に依存するため、例えば、細長い卵形に結晶化される。結晶領域１００を示す円柱の中央部分（第１部分結晶領域１００Ａに相当）は、光軸ＡＸを中心に放射状に配向した自発分極Ａが発生する。結晶領域１００の両端（第２部分結晶領域１００Ｂ１、１００Ｂ２に相当）は、光軸ＡＸに沿って互いに逆方向に配向した自発分極Ｂ１、Ｂ２を有する。なお、正確には、自発分極の分極方向は、励起電子高密度領域１１０の形状を反映し、該励起電子高密度領域１１０とその周辺領域との境界の接線に垂直な方向に配向する）。
また、図５の例において、複数の結晶領域１００は、励起電子高密度領域１１０の長さ（１つの結晶領域１００内の界面１２０Ａと界面１２０Ｂ間の間隔で規定）Ｌと互いに隣り合う励起電子高密度領域１１０間の距離（隣接する結晶領域１００のうち一方の結晶領域１００内の界面１２０Ｂと他方の結晶領域１００内の界面１２０Ａとの間の距離）Ｌ’との和を一周期として配置されている。すなわち、光軸ＡＸに沿って配置された複数の結晶領域１００の界面１２０Ａ、１２０Ｂにより、周期Ｌ＋Ｌ’（界面１２０Ｂを介して隣接する界面１２０Ａの間隔、または、界面１２０Ａを介して隣接する界面１２０Ｂの間隔）の繰り返し構造が構成されている。このように複数の結晶領域１００を光軸ＡＸに沿って配置することにより、擬似位相整合による高効率な波長変換が実現可能になる。
なお、位相整合帯域を拡大する場合は、上述の繰り返し構造として、非周期な周期分極反転構造（非特許文献３に記載のチャープ型周期）、周期Λ１領域と周期Λ２領域と周期Λ３領域…のように複数種類の周期領域を１セグメントとして扱い、そのセグメントをある間隔で配置した構造（非特許文献４参照）、フィボナッチ数列を基準とした周期構造（非特許文献５参照）、Barkersequenceを基にした周期構造（非特許文献６参照））が採用され得る。
また、図５の例で示された構造に対して、光軸ＡＸに沿って光が入射される。例えば、入射光はラジアル偏光のベクトルビームが好適である。自発分極Ｂ１と自発分極Ｂ２は、光軸ＡＸに沿った光の伝搬方向と一致する、そのため、非線形光学定数（ｄ）は、例えば、ｄ１６、ｄ２２などに該当するが、本体１０は正方晶系であるので、何れも零であることから、不要な波長変換は生成されない。よって、高効率な波長変換が可能になる。
図６は、本実施形態に係る波長変換光デバイスの他の例として、本体内に連続して複数の結晶領域が配置される繰り返し構造を示す概略図であり、図７は、図６に示された構造における分極秩序構造を説明するための図である。これら図６および図７に示された例では、光軸ＡＸに沿って配置された複数の結晶領域１００のうち隣接する結晶領域１００が、光軸ＡＸに沿って配向した自発分極Ｂ１、Ｂ２を有する部分同士が接触した状態で配置されている。なお、図６には、本体１０の側面構造と正面構造を対応させた図であり、図７は、本体１０の斜視図であって、特に、本体１０の内部に形成される自発分極の配向状態を示す図である。
図６および図７の例では、各結晶領域１００の概略構造は図５の例と同様であり、界面１２０Ａ、１２０Ｂの間隔はＬ（一定）で、繰り返し構造の周期は２Ｌで一定である。この間隔Ｌは、擬似位相整合のコヒーレント長である。ただし、結晶領域１００が接触していても、あるいは、図５の例のように隣接する結晶領域１００の間に非晶質領域が残留していても、結晶領域１００と非晶質領域の屈折率には変化が無いため、波長変換には影響が無い（隣接する結晶領域１００が接触していても離れていても構わない）。また、図６および図７の例では、本体１０の内部に結晶領域１００が形成されているが、図３の例のように、励起電子高密度領域１１０が本体１０の表面に到達していてもよい。更に、表面にレーザ光Ｌ１、Ｌ２を集光させると、半円形の断面を有した結晶領域が形成される。この場合、その断面における自発分極の配向は、放射状となっている。この場合においても、複数の結晶領域１００を、隣接する界面の間隔がＬになるように直線状に配置し、かつ、擬似位相整合が成立する方向（光軸ＡＸに沿った方向）と平行になるように本体１０の形状をリッジ構造に加工することで、高効率な波長変換が可能となる。本体１０に対するリッジ構造の形成は、ドライエッチングやダイシングソーによる切出しにより可能である。
上述の本体１０の形状は、バルク、板状の他、ファイバ形状であっても選択的に結晶領域１００の形成は可能である。また、図４の例で示された光ファイバ１０Ｂにおいて、コア１２、光学クラッド１３Ａ、物理クラッド１３Ｂの何れも、図１に示された本体１０の構成材料（ＢａＯ－ＴｉＯ２－ＧｅＯ２－ＳｉＯ２系ガラス、および、ＳｒＯ－ＴｉＯ２－ＳｉＯ２系ガラスのうち少なくとも何れか）が適用可能である。なお、コア１２及び光学クラッド１３Ａにより構成される光導波領域１３０の全体または一部に、ランタノイド系、アクチノイド系、４族～１２族のうち何れかの族に含まれる金属が添加されてもよい。いずれの場合も、それぞれの集光領域がオーバーラップするようにレーザ光Ｌ１（ｆｓレーザ光）とレーザ光Ｌ２（パルスレーザ光またはＣＷレーザ光）を照射することにより、優先的に発熱領域を形成することができ、該発熱領域からの熱を利用して結晶領域が形成される。また、レーザを間欠的に本体に照射することで、間欠的な結晶領域の形成（光軸方向に沿って配置された複数の結晶領域の形成）が可能になる。
１０…本体、２０Ａ…第1光源、２０Ｂ…第２光源、３０、３０Ａ、３０Ｂ…集光光学系、４０…ハーフミラー、１００…結晶領域、１１０…励起電子高密度領域、１００Ａ…第１部分結晶領域、１００Ｂ１、１００Ｂ２…第２部分結晶領域、１２０Ａ、１２０Ｂ…界面、Ａ、Ｂ１、Ｂ２…自発分極、Ｌ１…レーザ光（第１レーザ光）、Ｌ２…レーザ光（第２レーザ光）。
Claims (7)
- 内部に光を伝搬させる本体と、
前記光の伝搬方向に沿って前記本体内に配置された複数の結晶領域と、
を備えた波長変換光デバイスであって、
前記複数の結晶領域それぞれは、前記伝搬方向に沿って配向した自発分極を有し、
前記複数の結晶領域それぞれは、前記伝搬方向に対して垂直な方向に放射状に配向した自発分極を有する第１部分結晶領域と、前記伝搬方向に沿って前記第１部分結晶領域の両端に位置する第２部分結晶領域であってそれぞれが前記伝搬方向に沿って配向した自発分極を有するとともに前記第１部分結晶領域の分極方向とは異なる方向に配向した自発分極を有する第２部分結晶領域と、を備え、
前記第２部分結晶領域の一方から前記第２部分結晶領域の他方に向かって前記光が伝搬するように前記複数の結晶領域が配置された状態で、前記第１部分結晶領域と前記一方の第２部分結晶領域との第１界面と、前記第１部分結晶領域と前記他方の第２部分結晶領域との第２界面は、前記伝搬方向に沿って交互に配置され、
前記伝搬方向に沿って隣接する２つの結晶領域間における前記第１界面の間隔または前記２つの結晶領域間における前記第２界面の間隔を一周期として規定される繰り返し構造は、単一周期、チャープ型周期、互いに異なる複数の単一周期が組み合わされた周期、あるいは、フィボナッチ数列またはBarker sequence法に基づいた周期を有する、
波長変換光デバイス。 - 前記複数の結晶領域のうち隣接する結晶領域は、前記伝搬方向に沿って配向した自発分極を有する部分同士が接触した状態で配置されている、
請求項１に記載の波長変換光デバイス。 - 前記複数の結晶領域のうち隣接する結晶領域は、非晶質領域を介して離間した状態で配置されている、
請求項１に記載の波長変換光デバイス。 - 前記本体は、前記伝搬方向に沿って伸びる光軸を有するチャネル導波路構造を有する基板を含む、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の波長変換光デバイス。
- 前記本体は、前記伝搬方向に沿って伸びる中心軸を有する光ファイバを含み、
前記光ファイバは、前記中心軸を含んだ状態で前記中心軸に沿って伸びるコアと、前記コアを取り囲むとともに前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有する光学クラッドと、前記光学クラッドを取り囲むとともに前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有する物理クラッドと、を備え、
前記複数の結晶領域それぞれは、前記コアおよび前記光学クラッドにより構成される光導波領域の少なくとも一部を構成している、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の波長変換光デバイス。 - 前記本体は、ＢａＯ－ＴｉＯ２－ＧｅＯ２－ＳｉＯ２系ガラス、および、ＳｒＯ－ＴｉＯ２－ＳｉＯ２系ガラスを主成分とする材料からなり、前記複数の結晶領域それぞれは、フレスノイト型結晶である、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の波長変換光デバイス。 - 前記本体は、ランタノイド系、アクチノイド系、４族～１２族のうち何れかの族の金属を添加物として含む、
請求項６に記載の波長変換光デバイス。
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