JPH04507299A - 非線形光発振器と半導体の強誘電分極領域の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ゛　の　°　”　の　′ アメリカ合衆国政府契約 本発明は合衆国海軍と合衆国空電よりそれぞれ発注された契約Ｎｏ　０１４−８ ４−に−０３２７とＡＦＯ３Ｒ−８８−０３５４のちとに、合衆国政府の後援に より成されたものである。従って、合衆国政府は本発明にたいして特定の権限を 有する。

発明の開示 光凱豊宜員 本発明は電磁（ＥＭ）放射の高調波生成機能と他の和周波数や差周波数の変換機 能の性能同上を図る為に導波路の電気分権の異なった状態の分域を利用した光発 振器と固体内のかかる分域の制御に関する。

光放射変換器、即ち、一形態のエネルギーからＥＭ放射光へ変換する装置は以前 より知られている。注目を集めているのは非線形材料よりなるボンピング源とし てのレーザーダイオードの組み合わせであり、それはダイオードより発する放射 を希望周波数の光に変換する。非線形周波数変換の効率とそのパワーは最適に制 御する事がめられ、上記構成の動作バンド幅の広帯域化もめられている。

溌ｍ 本発明は２Ｍ放射を希望光周波数に効率良く変換する非線形発振器を提供する。

本発明はまた固体内で希望強誘電分極の同き（ポーリング）を形成、即ち、制御 する。（ポーリングの意味は有極結晶や圧電結晶に於いて、或領域にて強誘電分 極の主方向を整える事である）。

広義には非線形発振器は、希望光周波数とは異なった一つかまたはそれ以上の周 波数を有すｔ磁放射源と、希望周波数を有する電磁放射とその放射源の両方かま たは何れか一方から電磁放射を封じ込めておく目的の導波路が、その中かまたは それに接しであるような固体を含む。本発明を実施するためには、放射源よりの 放射を、希望光周波数を存する放射に変換する為、導波路はその導波路により誘 導される放射の進行方向を横切る方向に強誘電分極の異なった、二つかそれ以上 の領域（分域）を有する。（ここで用いられている、強誘電分極の状態と分域即 ち、領域はそこに於いてはある強誘電分極の向きが他の強誘電分極の向きより優 勢な事を意味する。２Ｍ放射やＥＭの性質を意味するのに用いられている１光” と言う用語は可視波長スペクトルとそれに隣合った他の波長スペクトルに含まれ る電磁放射を規定、即ち含み、１ナノメタ−から１５，０００ナノメタ−のレン ジにある波長を有する放射を指す場合が一般的である。） 最も好ましくは各領域は放射源と放射との準位相整合（ＱＰＭ：ｑｕａｓｔ−ｐ ｈａｓｅｍａｔｃｈｉｎｇ）を行っている進行路にである長さを有する事である 。準位相整合は或状況では２Ｍ放射を、希望光波長への非線形変換を相対的に効 率良く達成する事が理解されている。例えば、準位相整合では、複屈折位相整合 では利用できない、非線形係数の利用が可能となる。また他の状況では準位相整 合を利用すると、希望温度で動作可能となり、広帯域化が実現でき、更に複屈折 では実行できない多数の材料で非線形変換が可能となる。

最も望ましくは、放射はコヒーレントな放射であり、非線形相互作用のコヒーレ ント長の奇数倍に大体等しい長さの進行路に沿って、領域はその長さ方向を存す る事である。（コヒーレント長の意味するところは２Ｍ放射源の場の位相と発生 ＥＭが１８０”の位相反転をする距離である。Ｊ、　Ｄ、　ＭｃＭｕｌｌｉｎに よりＪｏｕｒｎａｌ　ｏｒＡｐｐｌｔｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　Ｖｏｌｕ＋ｓｅ 　４６　＋　Ｎｏ、７　（Ｊｕｌｙ　１９７５）に寄せられた論文”０ｐｔ４ｃ ａｌ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｒｓｏｔｒｏ ｐｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ　Ｌｌｓｉｎｇ　ａ　Ｐｈａｓｅ−ｃｏｒｒｅｃｔｅ ｄ　５ｔａｃｋ　ｏｆ　Ｎｏｎ１ｉｎｅａｒ　Ｄｉｅｌｅ−ｃｔｒｉｃ　Ｐｌａ ｔｅｓ　’はコヒーレント長の数学的定義とその取扱い方に関して述べている。

）上記のような構造は入射波より出力波へのパワーの移行を最適化する。

本発明による光変換器は最も好ましくは“青い光、即ち３９０から４９２ナノメ タ−の範囲にある波長を有し、そのレンジは色で言うと紫の可視光線を含む様な 放射を発生させる事である。この波長のレンジの放射は多数の応用分野がある。

本発明はまた既に強誘電分極を有する固体内で、必要な強誘電分極の領域を形成 する多様な方法を提供する。一つの方法は固体が異なった領域では異なった組成 となるように固体の組成を変更する事である。これは固体にパターンを描き、或 選別された材料を除去する事によって簡単に実行できる。領域を形成するための 分極の反転は固体に電場を加える事により実行できる。電気拡散、即ち、固体の 内部で材料が他の電極でなくある特定の電極に向かう行動、が良く生起する。固 体の表面に電極を接触させて電場が固体に加えられた場合に特にそうである。電 極が汚染物質として振る舞い、それに加えられた電圧はその遷移を引き起こす。

汚染物質のこのような固体内への浸入は、固体が電磁放射と相互作用をする目的 で設計されているこの場合、特に有害となり得る。本発明の実施例の一つでは電 気拡散は阻止されるかまたは、希望電気分極の領域を形成するため、固体の材料 に対して電極とその電極に加える電圧を選択する事により利用している。他の実 施例では固体内で電場を作るため使用される異なった電圧値を有する電画上の電 極からの物質のＥＭ進行路への遷移を阻止してる。

電気分極の領域を形成するため固体に電極を接続する方法に関しては幅広い概念 が既に知られている。例えば、ｈ匹匹虹瓜５ｏｆ−Ｌ旦」工３　ＩＩ擾旦ｊ−見 巳：■μｍｙＬジ１１■違復に掲載されているＮａｋａｍｕｒａその他による” 　Ｐｏｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　ｂｙ Ｕｓｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｄｉｇｔｔａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ａｎｄ　ｉｔ ｓ　ＡｐＨ１ｃａｔｉｎ　ｔｏ　Ｂｕｌｋ−Ｗａｖｅ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ”が参照できる。しかし、ここでの分極は機械的な振動の伝搬を目的として設計 された超音波トランスデユーサ−の為のもので、２Ｍ放射と相互作用したり２Ｍ 放射を発生したりする目的の光集積回路の為のものではない。また、紅紅圏Ｌ７ 旦ｅｒｓ　（Ａｐｒｉｌ　１９７５）　Ｖｏｌｕ＋ｗｅ２６．　Ｎｏ、７に掲載 されているＬｅｖｉｎｅその他による’　Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ　５ｅｃ ｏｎｄ　ｌ（ａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｊｏｎ　ｉｎ　ａ　Ｌｉｑｕｉｄ　 Ｆｉｌｌｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　’を参照すると導波路内の液体は周期的に 分権化した配置にでき、入射光の二次高調波をそこから生成可能であると記述さ れている。しかし、液体の分極は一時的であり（電場やその他の分極を形成する ためのメカニズムが取り除かれると分極は消失してしまう）、はとんどの応用分 野にて希望光周波数を提供する手段としては実用的ではない。

また強誘電結晶導波路内で分域反転の考えが提案されたがこれはまだ実用化され ていない。それぞれが主分極を有する薄い結晶板が積み重ねて分域反転を得た研 究者もいる。これらの板は相互に適切な向きに配置されるように積み重なってい る。ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＱｕａｎｔｕｌｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ 、νｏｌｕ＋ｍｅ　ＱＥ　−１８，Ｎｏ、６（Ｊｕｎｅ　１９　Ｂ　２）に掲載 されてたＲｕｓｔａｇｉ　その他による”０ｐｔｉ−ｃａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃ ｙ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｉｎ　Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ階ａｔｃｈｅｄ　５ ｔａｃｋｓ　ｏｆＮｏｎ−１ｉｎｅａｒ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　″にはこの一例が 記載されている。この方法には製造上の決定的な問題がある。薄い板は非常に薄 り（ミクロンのオーダー）その積み重ねの相対的な向きは変動し安い。動作可能 な構造を実現するに必要な総合光学性を達成するのは困難である。ある研究者は 周期的重層分域を実現するため分域の形成を制御しながら結晶を成長させる事を 提案しているｅ釦鮭胆（ハ５ｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌｕｍｅ　３７． 　Ｎｏ、７　（Ｏｃｔｏｂｅｒ　１．　１９８０）に掲載されたＦｅｎｇその他 による”　Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｅｃｏｎｄ−ＨａｒｍｏｎｉｃＧ ｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｔｎ　ＬｉＮｂＯｘ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　ｗｊｔｈ　Ｐｅ ｒｔｏｄｉｃ　Ｌａｍ１ｎａｒ　Ｆｅｒｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｏｍａｉｎ ｓ”が参照できる。この方法は扱いにくいミクロンオーダーの長さを有する強誘 電領域の必要性故に実現可能性は低い。

本発明は多くの他の特徴と利点を有し、それらは次の好ましい実施例を例に取り 説明され、明らかになろう。

Ｎ里二皿皇呈皇里 第１図は本発明による非線形光発振器の好ましい実施例の等角全体図である。

第２図は本発明の特徴をしめす、光発振器の図である。

第３図は本発明による化学分極処理の好ましい実施例を示すフローチャートであ る。

第４図（ａ）と第４図（ｂ）は準位相整合の理解を容易にするための図である。

第５図は電気分極を示す図である。

第６図は本発明による電気分極の別の実施例を示す図である。

韮豊呈鋭里 本発明による非線形光発振器を示している第１図と第２図を先ず初めに参照しな がら説明する。発振器の全体は１１で示され、必要な光周波数に変換される周波 数を含むコヒーレントな入力電！　（ＥＭ）放射のソースを有する。ソースは一 つかそれ以上の装置、例えば、ガスレーザーかまたは固体レーザーでも良いが、 本実施例ではレーザーダイオード１２を使用している。その様なレーザーダイオ ードは同調が取られているかそうでなければ、変換用周波数を有するコヒーレン トなＥＭ放射を提供する従来の方法で制御されている。前記放射は固体１４に中 に形成されている導波路１３に導かれる。その様な導波路は固体の一表面に、こ こでは表面１６、に形成されるのが最も望ましい。何故なら、導波路を形成する 為の改造、例えば、固体の組成変更が、より容易であるし、従って、表面に於け る屈折率の変更もより容易である。固体１４は強誘電体結晶であることが最も望 ましく、導波路がチャンネル状に形成される。固体１４は顕著な強誘電自然分極 を特徴として持つようなニオブ酸すチェウム（ＬｉＮｂＯｓ）　、例えばＰａｌ 。

Ａｌｔｏ、　Ｃａ１ｉｆｏｒｎｉａのＣｒｙｓｔａｌ　Ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｙ 　、（ｎｃ、よりＺカットＬｉＮｂＯ５組み込みの光学基材として入手可能な強 誘電分域単結晶でも良い。導波路１３は上記結晶にプロトン交換で形成される。

導波路はストリップ負荷タイプ導波路でも良いしまたリッジタイプ導波路でも良 い。更に、もっと広い観点からは、導波路は例えばポスト拡散法によるように、 結晶体の内部深く形成されても良いし、また例えばシュディジヤスコーティング 法によるような結晶体の表面に形成されても良い。

レーザーダイオード１２の出力は光ファイバー１７により導波路のチャンネルの 方へ誘導される。導波路へ出力が、導波路に合って結合されるようにして、レー ザーダイオードが固体の表面に直接接する方が望ましい幾つかの事例もある。こ の様な事例では出力を導波路に誘導する手段は光学軸を適切な間きに設定された 接合部を提供する固定構造のみとなる。入力放射の偏光は非線形相互作用を最適 化するように制御される。

本発明を実施する為には導波路による画定される放射光進行路を横切っての主要 誘電分極の複数の異なった領域を導波路は含む。

これら領域は第１図では破線１８で示されるが、第２図ではもっと分かりやすく 示されている。

固体１４はここでは１４′となり、導波路１３はここでは１３′となっている。

レーザーダイオード１２は１２′となっており、その出力は導波路１３′の入力 端に対し最適になるようにレンズ１９により焦点が合わせられる。導波路よりの 出力放射はその応用目的に応じレンズ２０により焦点が合わされるようになって いる。導波路１３はチャンネル構造が望ましいが、広い観点からは、必ずしもそ の構造である必要はない。例えず、表面１６に隣り合わせた平面型の構造でも良 い。

矢印２１は固体内の通常の分極の状態を示す。通常、固体１４′は前記矢印で示 される方向に分権の主状態を持つ。広い観点からは、しかし、固体内に分極の主 状態がある必要はない。しかし、固体１４は初めより分権し、主電気分極が提供 されているので、隣接した異なった主分極の領域は２２で示される主分極の領域 を変える事により簡単に形成可能である。１１１ち、２２で示される領域の間は 異なった分極の領域として動作する。本発明は固体自身が主電気分極を前もって 有していない構造にも応用可能である。

更に、隣合った領域が完全に逆向きの分極である必要もない、即ち、主分極を有 する領域の長さとその配置を適当に選択する事によりパワーは必要周波数に変換 される。しかし、導波路が出力される必要周波数からパワーを抽出する分権領域 を含む場合はこの周波数に対するパワーを付加する逆向きの領域の数はパワーを 取り除（領域の数より多くなければならないと言う事は重要である。

固体内の導波路に形成される領域の境界は破線であり、領域は第２図の２２で示 される。図示の如く、各領域は導波路の全深度、また導波路の全幅を占有してい る（第１図参照）。この構造は各領域と放射の相互作用を最適化するのに有効で あるので好ましいが、広い観点から観ると必要条件ではない。導波路の放射と異 なった分極の領域の相互作用がある限り、領域は導波路に対して隣り合わせにな っても良い。導波路に押し込められたＥＭ放射光が形成された領域を横切る場合 と請求の範囲にて記述されるときは上記の構造は実施され手いる事を意味してい る。主強誘電分極領域が保持されるように固体はキエリ一温度を越えない温度に 保たれるべきである。（これは分極方向を保持するために、いかなる外力も加え られていないとの前提に基づいている）。領域反転が液体内の場合で、外力が液 体に加えられていないときは得られた不連続な領域が明白に把握できる温度は存 在しない。

領域２２の各ｌは入射ＥＭ光と出力ＥＭ光の周波数間の準位相整合状態を形成で きる長さになっている。最も好ましくは、入射ＥＭ光はコヒーレントで、前記長 さは非線形相互作用のコヒーレント長の奇数倍に大体等しい。これは入射周波数 により要求光周波数へのパワー変換を最適化する。分極領域と反転分極領域の長 さは等しく第２図に示されているが、或状況では、異なった長さの領域を形成し たり、非線形相互作用を最適化するため領域の周期性を変化させたりする事が有 効な事もある。

本発明の最も簡単な形は、出力周波数が入力周波数の第二高調波となる周波数逓 倍器として動作する固体の実施例である。以下に説明される準位相整合状態では 、波長０．８６ミクロンの入射光用の導波路を持つニオブ酸すチュウム水晶は０ ．４３ミクロンの出力光、即ち、既に述べた薄青いレンジに属する光周波数を出 力す広く論ずれば、この固体１４は更に他の特徴を待ち得る。例えば、変換機能 を増す為に、導波路中の放射の一つかそれ以上の周波数に共振する為の反射面を 取り付けても良い。更に、上記固体自身がレーザー性の材料であり、出力を上げ るためにレーザーを発しても良い。この様な構造では主分極領域はレーザーの共 振器の内側でもよいし外側でも良い、またこの様な、構造では、領域を構成する 材料はレーザー性のものである必要はない。本発明は希土類を添加した強誘電性 材料からなる固体を使用した場合にも応用できる。

ここで留意すべき点は第二高調波（Ｓ　ＨＧ”）は和周波数変換の特別な一例で あると言う事である。ＳＨＧは２Ｍ入射光の他の和周波数変換や差周波数変換と は数学的には別に取り扱わなければならない。本発明は単−入射光周波数よりＳ ＨＧを得る例を特に扱っているが、必要光周波数を持つ出力光の生成するために 二つ以上の周波数を持つ２Ｍ入射光を取り扱う場合にも応用可能である。

電気分極を達成する為の様々な方法がある。一方法は基材で異なった電気分極が 必要な部位にその基材の組成に変更を加える事である。最も望ましくは、異なっ た電気分極の領域が互いに接するように配置する事である。もし、主電気分極が すでに形成されていれば、異なった電気分極を形成するために、或特定の領域に て、その他の領域の本来の固体の組成とは異なるようにするため、組成に変更を 加えるだけでよい。例として、ニオブ酸すチェウムの結晶ウェーハーの＋０表面 上にチタンを拡散させるとその拡散した部位には主電気分極の反転が起こる。こ の効果は既に基となる主電気分極を持つニオブ酸すチューム基材の表面に分極を 起こすのに利用されている。この表面にチタンでパターンを描き、その描かれた パターンは結晶材に拡散する。この工程と基材に導波路を形成する工程が第３図 のフローチャートに図示されている。

リフトオフリソグラフィーがチタン層のパターンを形成するために使用される。

Ｈｏｅｃｈｓｔ　Ｃｅ１ａｎｅｓｅ　Ａ　Ｚ　５２１４−　Ｅの様な、適当なフ ォトレジストが、例えば、スピニングにより結晶の表面に塗布される。この塗布 工程は第３図の、ドックス２６で示される。

フォトレジストで覆われた表面はボックス２７で示されるようにマスク処理され 、紫外線に露光される。露光済みのフォトレジスト材はボックス２Ｂで示される 如く、マスクされてなかった表面より、例えば５ｈｔｐｌｅｙ　Ｍｉｃｒｏｐｏ ｓｉｔ現像剤を使用して除去される。

次にチタン層が結晶露出面とフォトレジストを有する面と両方に塗布される。こ の塗布工程はホックス２９で示される。

更に、チタンの下部に残存したフォトレジスト層は取り除かれて、チタンが基材 に接着せず、剥離する部分が生じる。その結果、ニオブ酸すチュウームの結晶体 の＋０面上にチタンによるパターンが描かれ、このパターンはこの結晶体の領域 の組成を変更したい部位に一致した形になっている。

チタンは基材に拡散して行く、この工程では基材を９００℃から１２００℃の範 囲の温度で熱し、この温度を或一定の時間保ち、次に室内温度まで冷却（熱処理 ）する。この拡散過程は領域の単純な組成の変化が発生したというのではなく固 体の構造に化学変化が起きたと考えられている。即ち、固体の化学的な構造でニ オブがチタンに替わったと考えられている。この事はしかし領域の材質の変化は 相当する固体の部分の組成の変化を意味するが、固体全体の化学的な組成の変化 を意味はしない。

一実施例ではニオブ酸すチュウム基材は０．５＠ＩＩ＋の厚みで実行された。そ れは四つの異なったチタンの線のグレーティングを用いたパターンであり、各々 が１ｍｍの長さである。そのグレーティングの周期は１５から２２ミクロンであ る。各グレーティングラインは約４ミクロンの幅と５ナノメタ−の厚みを持つ。

この実験装置は１．０６ミクロンの波長の放射を２倍の周波数にするように設定 されており、グレーティング周期は分極領域が約３コヒーレント長になるように 選ばれている。

熱処理は室温から１１００℃になるまで２時間をかけ、その温度に３０分さらし ておいた。冷却は単に熱を供給していた炉の電源を切り、室温になるまで冷却す るに任せた。これにより、初期冷却速度は８に／分となった。これら加熱、冷却 工程は第３図、ボックス３１と３２に示される。

加熱、冷却工程での酸化リチュウムの外方拡散の防止の為、チタンでコーティン グした基材は一致溶融のニオブ酸すチュウム粉末で満たし密封したアルミナのボ ートにセットされた。基材中にプロトン交換導波路がプロトン交換により、形成 されている主電気分極の領域を横切って、作られた。これは２００℃の安息香酸 （高純度）に固体を浸し、３５０℃の酸素流の下で熱処理する事で形成できる。

これら工程は第３図のボックス３３と３４で示される。結果として得られた導波 路は１．０６ミクロンの単−ＴＭモードの導波路である。

前述の如く、入射光より出力光への希望光周波数でのパワー移行はこの実施例に ある準位相整合（Ｑ　Ｐ　Ｍ　：　ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅｍａｔｃｈｉｎｇ） により最も簡単に達成できる。準位相整合それ自身は目新しいものではないが、 以下の説明は本発明に於けるその応用の理解に役立つ、先ず、標準復屈折位相整 合につき考えることは有益と思える。

光第二高調波の生成は非零第二次非線形分極率を存する媒質中で可能である。入 射基本波はこの非線形分極率中を基本波と同じ速度で進行する第二高調波にて強 制波を発生させる。ｋｌを基本波波動ベクトルとすると強制波は波動ベクトル２ に＋　となる。マスクウェルの方程式による境界条件は波動ベクトルに２の表面 で生成した自由第二高調波は結晶の中でもまた存在する事を要求している。結晶 中の第二高調波の強度は上記二つの波の干渉の結果で決定される。媒質中の分散 により、自由波も強制波も一般的には同じ速度で進行はしない。これらは相互に 衝突しあい、基本波から第二高調波へ、また第二高調波より基本波へと交互に、 コヒーレント長１ｃに等しい半波長の周期で、パワーが移行しあう結果、結晶中 を距離とともに正弦波的な変化をする第二高調波の強度かもたらさる。この状況 は第４図（ａ）曲線Ｃで示される。ここでコヒーレント長１ｅは１ｅ＝π／Δに であり、Δに一１２ｋｌｈｚ１．（導波路では波動ベクトルはモード伝搬定数に 替わっているが、定性的には等価である）。ｚ＝Ｌに於ける第二高調波強度は下 記の式にて与えられる。

（、ωＩω”ｄ”Ｌ”　（ｓｉｎ”（ΔｋＬ／２）バΔｋＬ／２）　”］　［＾ −１］ここでｄは今問題としている有効非線形係数であり、第二次非線形分極率 と比例関係にある０式［Ａ−１１により、ピーク第二高調波強度は、波動ベクト ルのミスマツチΔｋが大きいほど、小さい事が分かる。この理由で、位相整合と 呼ばれるΔｋを正確にゼロにする工夫が必要とされる０位相整合状態では第４図 （ａ）の曲線Ｃで示されるように第二高調波強度は結晶中を距離の二乗で単調に 増加する。複屈折結晶で基本波を適度に偏光させ、直交方向に偏光した第二高調 波が基本波と同一の屈折率に於かれるような方間に伝搬させるとき、上記状況は 達成できる。この手法は角度整合、または臨界位相整合と呼ばれている。仮に、 結晶が温度変化に対し十分に変化する適量な複屈折特性を持つとすると、いわゆ る非臨界位相整合が結晶の光学軸に対し９０″の角度で温度調節により達成でき る。

以上述べてきた複屈折位相整合に替わるもとのして、準位相整合が第４図（ａ） と第４図（ｂ）の曲線Ｂで示される。もしΔに≠０なら、自由第二高調波と強制 第二高調波はコヒーレント長１ｃごとに相対位相シフトπを蓄積する。強制波の 偏光の位相が第二高調波パワーが基本波に移行し始めた点でπだけ変化するとパ ワーは継続して第二高調波へ移行する。これは非線形係数ｄの符号を反転させる 事により、即ち、結晶の向きを一瞬にして変更する事により達成できる。強誘電 体ＬｉＮｂ０１では結晶光学軸の反転は同結晶内の分極Ｐｓの符号を変えて達成 できる。最大効率はＰｓの向きをコヒーレント長ごとに変えれば得られる。

第一次準位相整合と命名したこの状況は第４図（ａ）の曲線Ｂｌで示される。こ の図により、準位相整合での第二次高調波パワーはまだ距離の二乗に比例して増 加しているが、２ｄ／πｍで与えられる、もっと小さい有効非線形係数でもって の増加である。

ここで、ｄは通常の非線形係数であり、ｍは周期分極グレーティングの領域長１ が１ｍｍｌｃとなるような値である。第二次高調波の連続増加は奇数のｍに対し てのみ得られる。第４図（ｂ）の曲線３で示されている第三次の準位相整合は第 一次位相整合と比較し、平均するとその１／９の速さで増加していて、その第一 次位相整合は完全位相整合と比較すると、（２／π）”−０，４倍の速さで増加 している。この様な見かけ上の低い効率にもかかわらず、準位相整合を使用する 理由は少なくとも以下の四つがある。準位相整合を使用しようとする理由は（１ ）角度調節や温度調節による複屈折位相整合で波長、幾何学的配置、や材質の制 御が不可能、（２）室温のような好まれる温度で相互位相整合を達成したい、（ ３）複屈折的に位相整合されない非線形係数、例えば、同様に偏光した基本波と 高調波とを結合させるような係数を使用したい、（４）バンド幅を増加させたい 。

ニオブ酸すチュウムは三つの異なった非線形係数を持つ。どの係数を第二次高調 波発生（ＳＨＯ）に使用するかに付いては次の表が役立つ。

［表］ ＬｉＮｂ０ｉの非線形係数 ｌｃ　（単位μｍ、温度Ｔ＝２５℃） 五歎　■灯孜エ　λ＝１．３２μｍ　λ＝１．０６μｍ　λ＝０．８６μｍｄ＋ ｓ（ｄ　：１１）　１．０　１４．５　〜１３０　４．３ｄｓｓ　Ｏ，７６，４ ３，４１，７ ｄ、ｚｏ、５　’５．５　２．９　１．４最も一般的に用いられる係数はｄＩＳ で約１μｍの波長にたいして複屈折位相整合できる。１．０６μｍのＳＨＯを発 生させてみれば長いコヒーレント長よりこの事はみられる。この係数は他の二つ の係数より位相整合されるのに近いので、他の波長でもコヒーレント長が長くな り、必要なスペースの周期的領域の形成をｄＳＳ準位相整合に近くしている。

ｄ、□は最も大きい係数であり、高い変換効率を得ようと思えば利用されるのが 望ましい。これは同じ分極で波を結合しているので、準位相整合されねばならな い。第一次準位相整合に関し、変換効率で複屈折位相整合されたｄＳＳより２０ 高い。（従って、効率はｔ　７ｍ”となり、第三次位相整合の結果２．２の利得 が得られる）。

係数ｄ。は最も小さく、ＳＨＯの為のコヒーレント長は最も短くなる。これにも かかわらず、ｎｏに分極したＬｔＮｂＯｓで放射の伝搬は光誘導の屈折効果によ る影響を受けないのでこの係数は使用されるであろう。

上記の如く形成された導波路で相互に反転した領域を持つニオブ酸すチュウム結 晶で準位相整合を使用する一実験で、導波路に対しての入力と出力はルチルプリ ズムを用いて成された。入力側では８ｃｍの焦点距離を有する円柱レンズを通し てビームが導波路に焦点を結ぶようにした。導波路の出力側で測定すると１．０ ６μｍで１ｎＷの連続波パワーに対し、５３２ｎｍでは０．５ｎＷの出力光が得 られた。基本波と高調波はｄ３３を使用して適当な分権された。この装置の変換 効率はＷ−ｃｍ当たり約５％である。

導波路は−ステップ当たり０．００３の屈折率で増加するステップ型の導波路に した。導波路の深さは４−７μｍと考えられ、変換効率はＷ−ｃｍ”当たり７か ら１０％と計算結果は示した。（これは先に得られた実測値と大体合っている） 、これらの値より計算してみると、観測された第二高調波のパワーは相互作用が もし準位相整合でなかった場合に観測されるだろう値と比較すると大まかに１５ ００倍も大きい値である。

固体として用いられる材質はニオブ酸すチュウム結晶以外でも良く、拡散される 材料も別のものでも良い。例えば、組成を変えるためにニオブ酸すチュウムに拡 散される他の材料はクロムとインドリウムを含む。

既に述べたように、或特定の領域の分極を制御するため、固体に電場をかける事 により希望領域が分極する。第５図と第６図は導波路を横切ってその様な領域を 形成するため電極が固体に接続される二つの方法を示している。これらの図で固 体は１４＃で示され、導波路は１３″で示される。非線形固体内で相互作用する ように入射光を誘導するやり方に対して、ある状況で光を自由に伝搬させる為、 導波路が省略される。

第５図では電極のパターンは固体の表面に、導波路の隣接して、描かれ従って、 希望領域間のスペースと長さに一致している。その様な領域の形成には電極を存 する固体がそのキュリ一温度以上に加熱される。この固体がキュリ一温度より低 い温度に冷却される過程で、電極がその交互の配列でより高い電圧とより低い電 圧をくりかえして電極に電場がかけられる。電極はその後取り除かれる。希望領 域はこの様にして形成され、そのパターンは電極のパターンと一致する。この領 域はその主分極を固体がキュリ一温度近くに熱せられない限り保持し続ける。本 発明を実施する為には、電圧が電極に加えらえる時電極が固体に拡散しないよう に、電極の材質は固体の材質とそれ加えられる電圧に対応して選別されねばなら ない。汚染物質の導波路に対する遷移はこれで阻止される。

相対的な低キュウリ一温度を考慮すれば固体材質としてはタンタル酸すチュウム が選ばれる。この固体で、正電圧が加えられる電極は金メッキしたクロム、従っ て、もう一方の電圧が加えられる電極は金である。第５図の２１″の矢印で示さ れる如く分極が制御された固体はもはや初めの分極を状態を保ってはいない、こ の事は領域２２の各々に隣り合わせた導波路の領域は選択された主分極を持たな い事を意味する。

第６図は導波路に対する汚染拡散を防止するもう一つの方法を示す。この方法で 領域のパターンとなる全電極は単一の電圧の為のみで、他の電圧、例えばより負 の電圧は導波路よりスペースを置いた別の異なった面に置かれる。そのスペース 故に、その別の面上に有る電極から導波路に対する汚染は最小に抑えられる。

ここで留意されるべき事は第５図と第６図に示される両方法は同時に実施出来る という事である。即ち、遷移を阻止するために固体の別の表面に電極を置く事に 加えて、電極の材質を遷移が発生しないように注意深く選別する。

両方法の変形もある。例えば、固体のキュリ一温度より低い温度で、電場をかけ 、分極処理の間、固体をその温度に保つ。周期的な電場は温度変化の傾斜を作り だす事により固体表面に熱電気的に、例えば結晶表面で二つのレーザーを干渉さ せて、生成できる。更に、化学的な分極処理と電気的な分極処理を同時に実行で きる。即ち、それ自身だけでは希望分極を生成しない様な材質の組成を変更し、 希望領域の分極を完成させるために、適当な電場を加える。本発明は特許法に従 って、好ましい実施例とその変形に関して述べた０例えば、上記の固体の化学的 電気的分極処理は上記の光発振器はもとより、光パラメトリツク発振器、光パラ メトリツク増幅器など多くの光集積回路に応用できる。本発明の範囲は請求の範 囲とその均等範囲のみで定義される。

ｏ　１ｃ２１．　３１．　４１ａ５１．　６１゜０　１ｃ　２１ｃ　３１ｃ　４ １０　５１ｃ　６１゜国際調査報告

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. １．希望光周波数を有する非線形電磁放射変換器で、基材となる固体と、 前記希望周波数とは異なった一つかまたはそれ以上の周波数を有する電磁放射の ソース手段と、 電磁放射を閉じこめるため前記固体により与えられる導波路手段と、 前記ソース手段より前記導波路手段に電磁放射を向ける手段と、 前記ソース手段よりの放射を前記希望光周波数を有する出力放射に変換するため 、導波路で誘導される進行路を横切って主電気分極の異なった状態の複数の領域 を有する前記導波路手段を含む事を特徴とする前記非線形変換器。
2. ２．前記ソース電磁放射と出力電磁放射はコヒーレントで、前記ソース電磁放射 と前記出力電磁放射の間で準位相整合を提供する為に選択された長さを有する前 記領域を特徴とする請求の範囲第１項に記載の非線形交換機。
3. ３．前記導波路は強誘電結晶体に形成されている事を特徴とする請求の範囲第１ 項に記載の非線形交換機。
4. ４．前記導波路手段は前記固体の中にあるチャンネル導波路で画定されることを 特徴とする請求の範囲第１項に記載の非線形交換機。
5. ５．前記領域の各々は非線形相互作用のコヒーレント長の奇数倍の長さに大体等 しい特徴を有する請求の範囲第１項に記載の非線形交換機。
6. ６．主電気分極の異なった状態の前記領域の或ものは前記固体内にて前記領域の その他のものとは組成が異なる特徴を有する請求の範囲第５項に記載の非線形交 換機。
7. ７．希望光周波数は前記ソース手段より与えられる放射の周波数の第二高調波に 等しいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の非線形交換機。
8. ８．前記希望光周波数の前記放射が３９０ナノメターから４９２ナノメターの範 囲にある波長である事を特徴とする請求の範囲第７項に記載の非線形交換機。
9. ９．光集積回路を形成する方法にて、 基材となる固体内に光放射の進行路を画定するステップと、前記進行路上で光放 射と相互作用の為、前記光集積回路内に異なった主電気分極を有する領域を形成 するステップを含む事を特徴とする方法。
10. １０．少なくとも主電気分極の前記領域のあるものは、固体内の前記領域の或も のに於いて必要とする電気分極を形成するため電圧値を有する電場を前記固体の 外部より前記領域の或ものに加える事によって形成される事を特徴とする請求の 範囲第９項に記載の方法。
11. １１．前記電場は、電極を前記固体に接触させ、前記電極の内から選択されたあ るものにたいして異なった値の電圧を加えることにより、前記領域にかけられ、 前記電極の材料は、前記電圧が前記電極に加えられた時前記電極の材料が前記固 体に拡散するのを阻止するため、固体の材料と加えられる電圧とに対応して選択 される事を特徴とする請求の範囲第１０項に記載の方法。
12. １２．前記電場が、電極を前記固体の異なった面に接触させ、前記異なった面の 電極に対応して異なった電圧を加え、少なくとも前記面の一つは進行路からは十 分に離す事によって、前記固体に拡散する前記電極の材料が前記進行路に干渉し ないようにしている事を特徴とする請求の範囲第１０項に記載の方法かまたは請 求の範囲第１１項に記載の方法。
13. １３．異なった主電気分極の領域は、前記領域の隣接するそれぞれが隣とは異な った電圧を持つように、固体外部より、電場をかけて、それぞれ隣り合わすよう に形成される事を特徴とする請求の範囲第１０項に記載の方法。
14. １４．前記光集積回路は和周波数または差周波数デバイスであり、前記進行路を 画定するステップは前記ソースよりの電磁放射の為と希望周波数を有しかつ異な った主電気分極の前記領域を進行する電磁放射の為の単一進行路を画定するステ ップを含む事を特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。
15. １５．前記光集積回路は第二高調波発生器であり、単一進行路を画定する前記ス テップは前記固体中に放射の第一高調波と第二高調波の両方の為の進行路を画定 するステップを含む事を特徴とする請求の範囲第１４項に記載の方法。
16. １６．前記導波路は前記希望光周波数のコヒーレントな放射の為であり、異なっ た主電気分極の領域を形成するステップは希望非線形相互作用のコヒーレント長 の奇数倍に大体に等しい長さをそれぞれが有する領域を形成するステップを含む 事を特徴とする請求の範囲第１５項に記載の方法。
17. １７．固体中に希望電気分極の領域を形成する方法で、前記希望主電気分極を形 成するため、前記領域に於ける前記固体の組成を変更するステップを含む事を特 徴とする方法。
18. １８．前記固体の組成を変更する前記ステップは前記固体の隣接した領域では互 いに異なって主電気分極を持つように前記固体の組成を変更するステップを含む 事を特徴とする請求の範囲第１７項に記載の方法。
19. １９．前記固体は同じ電気分極を有する前記隣接した領域をもち、前記固体の組 成を変更するステップは、前記異なった電気分極を提供するため、前記領域の一 つの組成を前記隣接した領域のその他に於ける固体の組成と異なるように変更す るステップを含む事を特徴とする請求の範囲第１８項に記載の方法。
20. ２０．前記変更のステップは、領域画定をするため、前記固体の表面にパターン を描くステップを含む事を特徴とする請求の範囲第１７項に記載の方法。
21. ２１．前記パターンを描くステップは、電気分極が変化しないように領域を画定 している前記表面の部分を覆い、その後、前記固体とは異なった材料を、覆われ ていない前記固体の表面より、前記固体へ拡散させ、従って、異なった組成を有 す前記領域を覆われた領域と区別して画定するステップを含む事を特徴とする請 求の範囲第２０項に記載の方法。
22. ２２．前記固体はニオブ酸リチュウムで、パターン材はチタンであり、前記材料 を前記固体へ拡散させた後、前記隣接した領域を提供するため、得られた構造に 熱処理を施す追加ステップを含む事を特徴とする請求の範囲第２１項に記載の方 法。
23. ２３．導波路を形成する前記ステップは前記熱処理の後に成される事を特徴とす る請求の範囲第２２項に記載の方法。
24. ２４．前記パターンを描くステップは、電気分極が変化しないように領域を画定 している前記表面の部分を覆い、その後、覆われていない前記固体の表面より、 前記固体より拡散させ、従って、異なった組成を有す前記領域を覆われた領域と 区別して画定するステップを含む事を特徴とする請求の範囲第２０項に記載の方 法。
25. ２５．前記隣合った領域を進行する、希望周波数の電磁放射の為の導波路を形成 する追加ステップを含む事を特徴とする請求の範囲第２０項に記載の方法。
26. ２６．前記固体の組成を変更する前記ステップは前記領域に於ける前記固体の化 学的な組成の変更を含む事を特徴とする請求の範囲第１７項に記載の方法。
27. ２７．固体内で希望電気分極の領域を形成する方法で前記領域の前記固体の組成 を変更するステップと、前記変更された組成での希望電気分極を形威するために 、前記領域が電圧値を有して、前記固体に電場が加えられるようにするステップ を含む事を特徴とした方法。
28. ２８．固体内の希望電気分極を領域を形成する方法で、電極を前記固体に接触さ せ、前記電極の内から選択されたあるものにたいして異なった値の電圧を加える ことにより、前記領域にかけられ、前記電極の材料は、前記電圧が前記電極に加 えられた時前記電極の材料が前記固体に拡散するのを阻止するため、固体の材料 と加えられる電圧とに対応して選択される事を特徴とする前記方法。
29. ２９．前記固体はタンタル酸リチュウムで前記極の一方に使用される電極はクロ ムであり、前記極の他方に使用される電極は金である事を特徴とする請求の範囲 第２８項に記載の方法。
30. ３０．前記領域での前記固体の組成を変更するステップを更に含む事を特徴とす る請求の範囲第２８項に記載の方法。
31. ３１．前記固体にて光放射の進行路を画定するステップと前記接触させるステッ プを含み、前記接触させるステップは更に、電極を前記固体の異なった面に接触 させ、前記異なった面の電極に対応して異なった電圧を加え、少なくとも前記面 の一つは進行路からは十分に離す事によって、前記固体に拡散する前記電極の材 料が前記進行路に干渉しないようにしている事を含んでいる事を特徴とする請求 の範囲第２８項に記載の方法。
32. ３２．固体にて希望電気分極を形成する方法で、電極を前記固体の異なった面に 接触させ、前記異なった面にそれぞれ配置された電極に異なった電圧値を加える 事を含む様な特徴を有する前記方法。
33. ３３．前記固体がタンタル酸リチュウム結晶よりなる特徴をゆうする請求の範囲 第３２項に記載の方法。
34. ３４．前記固体にて前記領域を進行する光放射に進行路を画定するステップと、 前記電圧が前記電極に加えられた時前記電極の材料が前記固体に拡散するのを阻 止するため、前記固体の材料と加えられる電圧とに対応して前記電極の材料を選 択するステップを含む事を特徴とする請求の範囲第３２項に記載の方法。
35. ３５．前記領域に於ける前記固体の組成を変更するステップを含む事を特徴とす る請求の範囲第３２項に記載の方法。