JPH09304800A - 光波長変換素子および分極反転の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 強誘電体結晶における分極反転の製造におい
て、分極反転を大きな面積に渡り均一に形成する手段を
提供する。 【解決手段】 基板厚みに依存する分極反転部４の拡大
部を考慮した電極２０の形状を形成することにより、非
反転領域の形成を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コヒーレント光源
を応用した、光情報処理、光応用計測分野に使用される
光導波路および波長変換素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】単一分極の強誘電体結晶の分極を部分的
に反転させる分極反転は、非線形光学効果、電気光学効
果、音響光学効果等の光波制御を可能にし、通信、光情
報処理、計測等広い分野で応用されている。中でも非線
形光学効果を利用した光波長変換素子への適用は、半導
体レーザの波長変換による小型の短波長光源を実現でき
るため、盛んに研究が行われている。

【０００３】従来の分極反転製造方法は、強誘電体に電
極を形成し電極間に電圧を印加することで分極反転を形
成している（電子情報通信学会論文誌、金高健二 他、
C-I、vol.J78-C-I, No.5 pp.238-245）。強誘電体であ
るLiNbO₃の表面に周期構造の電極を裏面に平面電極を形
成する。電極間に電圧を印加し流れる電荷量を制御し
て、分極反転構造を形成している。従来の分極反転の製
造方法を図１３に示す。分極反転に必要な電荷量は（自
発分極Ｐs）×（電極範囲面積）×２で与えられてい
る。また、分極反転部の広がりは、電極の周期Λと電極
幅Ｗの比Ｗ／Λの値で決まり、基板の厚みに依存しない
値だけ広がると考えられている。形成された分極反転は
周期３μｍ、分極反転が形成された領域の面積は１ｍｍ
²程度であった。

【０００４】また、従来の光波長変換素子の構造は、位
相整合をとるため周期状の分極反転構造を非線形光学結
晶内に形成した素子構造が報告されている（例えば、電
気情報通信学会論文誌、佐藤学 他、Ｃ−Ｉ，vol.J78-
C-I,No.8,pp.366-372）。

【０００５】従来の光波長変換素子の構造を図１４に示
す。光波長変換素子はLiTaO₃基板に周期７．８μｍの分
極反転層を形成し、分極反転層により位相整合をとるこ
とで、素子内に集光された基本波を第二高調波（以下Ｓ
ＨＧとする）に変換している。

【０００６】また、その作製方法は、LiTaO₃基板の+Z面
に櫛形電極を、-Z面に平面電極を形成し、電極間にパル
ス状の高電圧を印加することで周期状の分極反転層を形
成している。その後、電極を除去し、光導波路の両端面
を光学研磨して入出射部を形成している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】分極反転の製造方法に
ついての課題を述べる。

【０００８】電界印加により形成される分極反転は、変
換効率向上、生産性の向上から大面積に渡る分極反転構
造の形成が必要である。しかしながら、従来の方法では
周期状の分極反転が形成される面積が１mm²程度と小さ
く、大面積に渡り分極反転を形成すると、分極反転が形
成されない、非反転領域が多数形成され均一な分極反転
構造ができないといった問題があった。また周期３μｍ
程度の粗い周期構造しか形成できず、さらに短周期の分
極反転構造を形成するのが難しいという問題があった。

【０００９】また分極反転を均一に形成するための、基
板厚み、電極形状、印加電荷量等の関係が明らかではな
いため、微細な分極反転形状を形成するのが難しいとい
う問題があった。

【００１０】また、電界印加により形成された周期状の
分極反転構造は、短周期で深い構造を実現し、バルク型
の光波長変換素子において高効率の波長変換を可能にし
た。しかしながら、高圧の電界を印加するため結晶内に
局所的な屈折率変化が残留し、結晶内を通る光の伝播損
失になっていた。これを低減するため４００℃以上の高
温でアニール処理する方法も報告されているが、高温で
熱処理すると結晶の光損傷が増大し、ＳＨＧ出力の不安
定性が増大するという問題があった。

【００１１】次に、光波長変換素子についての課題を述
べる。従来の光波長変換素子はLiTaO₃に周期状分極反転
構造を形成することで位相整合をとり波長変換を行って
いる。そのため位相整合は波長許容度は0.1nm程度（相
互作用長:10mm程度の場合）と非常に厳しく、環境温度
の変化、焦電効果による電界の発生、光損傷等の影響に
よる結晶の屈折率変化により変換効率が大きく変動し、
出力が不安定になるという問題があった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明では、単一分極の強誘電体結晶の表面と裏面に電
極を形成する工程と、前記電極間に前記分極に対向する
電圧を印加して分極を反転を形成する工程とを有し、前
記電極形状が、目的とする分極反転形状に比べ、その外
周において前記表面電極の周辺部で広がる分極反転部の
最小値ΔＷmin以上小さい分極反転の製造方法である。

【００１３】また、自発分極Ｐsを有する単一分極の強
誘電体結晶の表面に面積Ａ、外周Ｌの電極を形成する工
程と、前記結晶の裏面に電極を形成する工程と、前記表
面と裏面の電極間に前記分極に対向する電圧を印加し分
極を反転する工程とを有し、前記表面電極の周辺部で広
がる分極反転部の最小値ΔＷminに対し、前記電極間に
流れる電荷量Ｑが、 Ｑ＞２Ｐs（Ａ＋Ｌ・ΔＷmin） の関係を満足する分極反転の製造方法である。

【００１４】また、単一分極の強誘電体結晶の表面に周
期Λの櫛形電極を形成する工程と、前記結晶の裏面に平
面電極を形成する工程と、前記電極間に前記分極に対向
する電圧を印加して分極を反転する工程とを有し、前記
櫛形電極の周辺部で広がる分極反転部の最小値ΔＷmin
に対し前記櫛形電極の電極指の幅Ｗが、 Ｗ＋２・ΔＷmin＜Λ／２ である分極反転の製造方法である。

【００１５】また、単一分極の強誘電体結晶の表面に周
期Λ、幅Ｗ、長さLdの電極指からなる櫛形電極を長さＬ
ｓに渡り形成する工程と、前記結晶の裏面に平面電極を
形成する工程と、前記電極間に前記分極に対向する電圧
を印加して分極を反転する工程とを有し、前記櫛形電極
の周辺部で広がる分極反転部の最小値ΔＷminに対し前
記電極間に印加する電荷量Ｑが、 Ｑ＞２Ｐs・（Ｗ＋２ΔＷmin）Ｌｄ・Ｌs／Λ である分極反転の製造方法である。

【００１６】また、ｃ板のLiNb_xTa_1-xO₃（０≦ｘ≦１）
結晶に周期状の分極反転層を形成する行程と前記結晶表
面にプラズマを照射することを特徴とする分極反転の製
造方法である。

【００１７】また、ｃ板のLiNb_xTa_1-xO₃（０≦ｘ≦１）
結晶の表面に櫛形電極を形成する工程と、前記結晶の裏
面に平面電極を形成する工程と、前記電極間に電圧を印
加して周期状の分極反転層を形成する工程と、前記結晶
を熱処理する工程を有する光波長変換素子の製造方法で
ある。

【００１８】また、ｃ板のLiNb_xTa_1-xO₃（０≦ｘ≦１）
結晶の表面に櫛形電極を形成する工程と、前記結晶の裏
面に平面電極を形成する工程と、前記電極間に電圧を印
加して周期状の分極反転層を形成する工程とを有し、前
記電極間に印加する電圧として、前記結晶の分極反転が
生じる電圧以上の電圧を印加した後、前記結晶の分極が
生じない程度の電界を２秒間以上印加する光波長変換素
子の製造方法である。

【００１９】また、ｃ板のLiTaO₃基板と、前記基板に形
成した周期状の分極反転層を有し、分極反転層の周期Λ
と、前記基板の厚みＴが、 Ｔ＜Λ／0.0１ の関係を満足する光波長変換素子である。

【００２０】また、非線形光学効果を有する結晶と、前
記結晶に形成された周期状の分極反転層と、前記結晶の
端面に形成された入射面と、前記結晶の他の端面に形成
された出射面と、前記結晶の表面または裏面の少なくと
も一部に形成した金属膜を有する光波長変換素子であ
る。

【００２１】また、非線形光学効果を有する結晶と、前
記結晶に形成された周期状の分極反転層と、前記結晶の
端面に形成された入射面と、前記結晶の他の端面に形成
された出射面とを有し、前記周期状分極反転層が、前記
入射面より入射された基本波の伝搬方向と平行な方向に
２つ以上の領域に分割されており、かつ前記領域におけ
る前記分極反転の位相が互いに異なっている光波長変換
素子である。

【００２２】また、非線形光学効果を有する結晶と、前
記結晶に形成された周期状の分極反転層と、前記結晶の
端面に形成された入射面と、前記結晶の他の端面に形成
された出射面とを有し、前記周期状分極反転層が、前記
入射面より入射された基本波の伝搬方向と平行な方向に
２つ以上の領域に分割されており、かつ前記領域におけ
る前記分極反転の周期が互いに異なっている光波長変換
素子である。

【００２３】また、非線形光学効果を有する結晶を２つ
以上備え、各々の結晶が内部に形成された周期状の分極
反転層と、端面に形成された入射面と、他の端面に形成
された出射面とを有し、かつ前記結晶が互いに光学的に
接触している光波長変換素子である。

【００２４】また、前述した光波長変換素子と、集光光
学系と、レーザとを備え、前記レーザから出射した光
が、前記光学系により前記光波長変換素子内に集光され
て前記光波長変換素子により波長変換されている短波長
光発生装置である。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明は、第２高調波発生を利用
した光波長変換素子に必要な周期状分極反転構造を形成
するための方法で、具体的な分極反転の形成方法として
は、単一分極の強誘電体基板（ここでは、主にLiTaO₃基
板）に電極を形成し、電極間に高圧の電圧を印加するこ
とで電極下に分極反転部を形成する。ここで問題となる
のは、 ・分極反転を大面積に渡り形成する際に、電極下に分極
反転が均一に形成できない。

【００２６】・微細な電極パターン下において分極反転
部の形状が電極形状と同じにならない。

【００２７】・短周期の分極反転構造を形成する場合、
隣接する分極反転部同士がくっついてしまい周期構造が
形成できない。

【００２８】等の問題が生じた。そこでこれらの問題を
解決する方法について検討した結果について述べる。

【００２９】（実施の形態１）最初に、従来例に示され
ている方法によるLiTaO₃の分極反転を試みた。図１に分
極反転方法を示す。(a)ｃ板のLiTaO₃基板の+C面に電極
パターン（電極の面積A）を形成し、(b)-C面に平面電極
を形成した。(c)±C面の電極間にパルス状の電圧を印加
して分極の反転を行った。電圧はLiTaO₃の反転電圧（約
21kV/mm）で、パルス幅を制御することで電極間に流れ
る電荷量を制御した。ところが、LiTaO₃の自発分極Ｐs
（50μＣ/cm²）から計算した分極反転に必要な電荷量２
Ｐs・Ａを印加すると、図２(a)に示すように、電極下に
形成された分極反転は分極が反転しない非反転部分が多
数形成された。またこの傾向は基板が厚くなるほど顕著
に現れた。

【００３０】そこで、分極反転が均一に形成される方法
について検討を行った結果、非反転領域を形成しない分
極反転の状態が存在することを見いだした。そこで、非
反転領域が形成されない分極反転条件を繰り返し実験し
たところ、＋Ｃ面に形成した分極反転用の電極の周辺部
に一定の値（ΔＷmin）以上に分極反転部が広がったと
きに、図２(b)に示すような非反転を有さない分極反転
が形成できることが明らかになった。さらに、ΔＷmin
の値は用いる基板の厚みＴに依存することを発見した。
この関係を図３に示す。ΔＷminと基板厚みＴは実験結
果（図３）より、 △Ｗmin＝0.002×Ｔ−0.2 （μm） （１） の関係があることが判明した。

【００３１】また、電極周辺部の分極反転部の広がりは
Ｃ平面内でほぼ等方的に発生する。このため、均一な分
極反転を形成するためには、分極反転部の拡大を考慮し
た電極形状、即ち図４に示すように、形成する分極反転
形状の周辺部からΔＷmin以上小さな電極を形成し、分
極反転を行うことで、均一な分極反転を精度良く形成で
きるようになった。

【００３２】分極反転が電極周辺部にΔＷmin以上広が
って形成されるときにのみ、非反転領域を有さない均一
な分極反転形状が形成されることより、非反転領域を有
さない分極反転に必要な電荷量が計算できる。従来例の
ように電極面積Ａと自発分極Ｐsより電荷量Ｑを２Ｐs・
Ａとすると電荷量不足のため非反転領域が形成されてし
まう。これを防止するためには、電極周辺部への反転部
の広がりΔＷmin（図３）の面積の電荷量を余分に加え
る必要がある。即ち、電極の外周Ｌ（電極の周辺部の全
距離）にΔＷminをかけた面積分以上の電荷量が余分に
必要となる。そのため、均一な分極反転を形成するのに
必要な電荷量Ｑは電極面積（A）に電極周辺部への広が
り（Ｌ・ΔＷmin）を加えた以上の値となり、 Ｑ＞２Ｐs（Ａ＋Ｌ・ΔＷmin） （２） の形で与えられることが明らかになった。

【００３３】（実施の形態２）次に、微細な分極反転形
状を必要とする光波長変換素子に利用される周期状分極
反転構造の形成について検討した。光波長変換素子は半
導体レーザ光を波長変換することで光の波長を半分に変
換することができる。また半導体レーザと光波長変換素
子を一体化することで小型の短波長光源が実現でき、光
ディスク、特殊計測、医用、バイオ等の多くの分野への
応用が可能となる。現在、市販されている短波長の半導
体レーザの波長は、800〜900nm、780nm近傍、630〜690n
mである。それぞれの波長に対する周期はΛ＝3〜4μｍ
（波長：800〜900nm）、Λ＝2.8μｍ近傍（波長：780n
m）、Λ＝1.5〜1.8μｍ（波長：630〜680nm）となって
いる。このような微細な反転形状を形成するには、反転
の面内均一性を一層向上させる処理が必要となる。我々
は、短周期分極反転を均一に形成する方法として、絶縁
膜装荷の方法を提案した。図５にその製造方法を示す。
(a)ｃ板のLiTaO₃基板の+C面に周期状の櫛形電極パター
ン（電極の面積A、電極指は長さＬd、幅Ｗ、周期Λで距
離Ｌｓ）を形成し、(b)-C面に平面電極を形成した。(d)
+C面の電極パターンを絶縁膜（ここではSiO₂を200nm堆
積した）で被う。(e)±C面の電極間にパルス状の電圧を
印加して分極の反転を行う。絶縁膜を用いないと分極反
転が均一に形成される面積は10mm²以下になってしま
い。変換効率の向上が難しいという問題があった。とこ
ろが、絶縁膜を用いることで分極反転を形成する領域が
30mm²以上に拡大した。しかし、この場合でも、分極反
転を均一に形成するには、（実施の形態１）に示した電
極周辺部への分極反転部の拡大が必要があった。即ち、
分極反転を均一に形成するには、図３に示したΔＷmin
以上の分極反転の拡大を必要とした。光波長変換素子に
用いられる周期状の分極反転構造は、変換効率が最大に
なる最適な構造としてデューティ比（分極反転幅Ｗ／分
極反転周期Λ）を５０％程度に制御する必要がある。従
って、電極周辺部への分極反転部の拡大を考慮すると、
周期状の電極を構成する電極指の幅Ｗは、 Ｗ＜Λ／２−２ΔＷmin （３） にしなければならない。

【００３４】また、周期状の分極反転構造を形成する場
合に必要な電荷量の値も電極周辺部に広がる分極反転部
の拡大を考慮すると計算できる。分極反転を形成する電
極構造として図５に示したように、長さＬd、幅Ｗの電
極指を周期Λで距離Ｌｓに渡って並べた櫛形電極を用い
る場合、電極の面積はＷ・Ld・Ls/Λ、分極反転部の拡大
部分の面積は２ΔＷmin・Ld・Ｌｓ／Λで表される。従っ
て、均一な分極反転を形成するための電荷量は、 Ｑ＞２Ｐs・（Ｗ＋２ΔＷmin）Ｌｄ・Ｌs／Λ （４） で求められる。

【００３５】分極反転形成において特に難しいのが、短
周期の分極反転構造を形成する場合である。分極反転部
の広がりは、図３に示すように、基板の厚さに依存する
が１μｍ以下の値である。このため、１０μｍ以上の分
極反転形状や周期状分極反転構造を形成する場合あまり
問題にならない。ところが、分極反転で短周期の反転構
造や微細な構造を形成する場合には、分極反転の拡大が
大きな形状誤差となってくる。

【００３６】例えば、周期2.8μmの分極反転構造を形成
するにはデューティ比５０％の反転構造を形成するのに
分極反転部の幅を1.4μmに制御する必要がある。基板の
厚みが0.2mmのとき、分極反転部の幅を1.4μmにするに
は、分極反転部の幅方向の広がりＷmin＝0.2μmを考慮
して電極の幅を1μm以下に制限しなければならなかっ
た。

【００３７】さらに、分極反転周期２μm以下の反転構
造の形成を試みた。分極反転周期1.7μm程度の反転構造
の形成ができると波長680nm程度の赤色半導体レーザの
波長変換が可能となり波長340nmの紫外光が発生でき
る。紫外光を用いると蛍光分光を利用した特殊計測、レ
ーザプリンタ−等広い分野で応用できる。しかしなが
ら、現在この波長帯の出力が可能な小型光源が存在しな
いため応用分野は広がっていない。しかしながら、周期
２μｍの分極反転構造を形成するには分極反転部を１μ
ｍ以下にする必要がある。ここで0.5mm厚の基板を用い
れば、分極反転部の拡大だけで１μｍとなり、分極反転
用の電極幅Ｗと両サイドの反転部の拡大をあわせると分
極反転部の幅は２μｍ以上になり、周期構造が形成でき
なくなる。通常のフォトプロセスによるパターニングで
は、電極の幅を0.4μｍ程度にしか小さくできないの
で、１μm幅の分極反転部を形成するには分極反転部の
拡大は0.3μｍ以下に抑える必要がある。図３から判断
すると、基板の厚みは0.2mm以下のものを用いないと分
極反転が形成できない。分極反転の周期と基板の厚みの
関係は電極幅が0.4μｍと仮定して、（１）、（３）式
から計算すると、 Ｔ＜Λ／0.01 （５） となる。

【００３８】になる。即ち、短周期構造の分極反転を形
成する場合、基板厚みが分極反転周期に規制されること
を示している。特に周期２μｍ以下の分極反転層を必要
とする紫外光発生用の波長変換素子の場合、基板厚みＴ
が分極反転周期Λに限定されてしまう。実際に周期1.7
μmの分極反転の形成を試みたところ0.2mm厚の基板では
分極反転部の横方向拡大が大きくデューティ比５０％の
反転構造の形成は難しかった。基板厚みが0.17mm以下で
反転構造の形成が可能となり、光波長変換素子を形成す
る場合、素子の基板厚みと分極反転周期は（４）式の関
係を満足しなければならないことを確認できた。基板が
0.17mmのときは基板表面から基板の中央部近傍までは均
一な周期構造が形成できたが、基板の裏面近傍では周期
構造に乱れが生じた。基板厚みが0.15mm以下のとき、分
極反転構造が表面から裏面にかけて、均一になり変換効
率の高い光波長変換素子が形成できた。波長680nmの赤
色半導体レーザからの光を集光光学系で光波長変換素子
内に集光し、シングルパスで波長変換を行ったところ、
50mW入力で30μＷの紫外光（波長：340nm）が得られ
た。このときの換算効率は1.2%/Wであった。さらに、基
板の両端面に99%反射の多層膜を形成し、共振器型にし
たところ、出力３ｍＷの紫外光が得られた。（５）式の
条件を満足することで短周期の分極反転構造を有する光
波長変換素子の構成が可能となるため、紫外光発生用の
光波長変換素子の実現が可能となった。

【００３９】（実施の形態３）ここでは、耐光損傷特性
に優れた光波長変換素子を製造する方法について述べ
る。波長400nm程度の青色光から紫外光にかけて高出力
のSHG光を発生する場合問題となるのが、光損傷であ
る。例えば、波長430nmのSHG光を発生する場合、出力が
1mW程度以上になると、SHG出力のビーム形状が歪な形状
となった。これは、光損傷により結晶の屈折率が部分的
に変化しSHG光のビーム形状に影響を与えたためであ
る。より短い波長では、さらに低いSHG出力に対し同様
の光損傷が観測された。光損傷の原因として、高圧の電
界印加により分極反転を行った際に基板内に蓄積される
電荷が影響していると考察された。そこで、基板内の蓄
積電荷を解放する方法としてプラズマ処理による方法を
試みた。Arと酸素雰囲気中でプラズマを発生させ、基板
にプラズマを照射した。プラズマを２０分程度照射した
ところ、蓄積電荷が減少し、約1.5倍の耐光損傷強度を
示した。さらに、耐光損傷強度を高めるため、基板を加
熱しながら、プラズマを照射した。100℃いかでは、室
温での効果とあまり大差が無かったが。１００℃以上に
なると耐光損傷強度が徐々に高まってきた。２５０℃程
度で最大となり、プラズマを照射しない場合の５倍の耐
光損傷強度を示した。基板温度が300℃を越えると、SHG
変換効率の低下が見られ、光波長変換素子の特性劣化が
観測された。これは、高温のプラズマ照射が分極反転構
造に何らかの影響を与えるためと考えられる。

【００４０】（実施の形態４）ここでは、耐光損傷性に
優れ、かつ導波損失の小さなバルク型ＳＨＧ素子の製造
方法について述べる。

【００４１】光波長変換素子に必要な周期状分極反転は
図５の製造方法に従う。電界印加による分極反転形成プ
ロセスにおいて重要なのは、印加電圧波形である。LiTa
O₃において短周期の分極反転層を形成するには、パルス
電圧波形として反転電圧（分極が反転する電圧でLiTaO₃
で約２１ｋＶ／ｍｍ）以上の電圧を印加する必要があ
る。しかしパルス電圧印加後、瞬時に印加電圧を０に戻
すと、反転した分極が再反転を生じ、分極反転層が消滅
してしまう現象が観測された。そこで、パルス電圧印加
後、ＣＷ電圧をしばらく印加したところ、反転した分極
が安定化し、再反転が防止できることが分かった。

【００４２】ところが、ＣＷ電圧の印加時間が形成され
た分極反転構造の均一性にも大きく影響を与えることが
明らかになった。例えば、基板厚０．２ｍｍのLiTaO₃に
パルス電圧として4.2kV印加した後、ＣＷ電圧を３ｋＶ
印加し、ＣＷ電圧の印加時間と分極反転周期の均一性の
関係を測定したところ、２秒以下では、形成される分極
反転の周期構造の不均一性が大きくなるのが分かった。
周期構造の均一性を得るにはＴbの時間を３秒以上必要
であり、５秒以上にする非常に均一性の高い反転層が形
成され、効率の高い光波長変換素子が製造できることが
明らかになった。

【００４３】また、ＣＷ電圧としては、印加電界で２０
〜１０kV/mmの間が望ましかった。２０ｋＶ／ｍｍ以上
の電界を印加すると、分極反転がさらに進行するため、
分極反転構造が最適な形状からずれてくるという問題が
生じた。また１０ｋＶ／ｍｍ以下の電界では、分極反転
構造の均一化に寄与しなかった。

【００４４】一方、電界印加により形成された分極反転
層は結晶内に周期状の屈折率変化を有するため光の伝搬
損失が存在し、光波長変換素子と特性が劣化することが
分かった。そこで、４００℃程度で数分間アニール処理
したところ伝搬損失の低減は図れたが、光波長変換素子
において光損傷増大することを発見した。素子長１０ｍ
ｍの光波長変換素子に波長８６０ｎｍの基本波を入射し
て、波長４３０ｎｍのＳＨＧ発生を行ったところ、数１
００μＷ以上のＳＨＧが出射した場合に光損傷により出
力が不安定になる現象が観測された。そこでアニール処
理温度について種々の検討を行った結果、アニール処理
温度と光損傷の間に相関関係があることを見いだした。
以下に、アニール処理温度と結晶の伝搬損失並びに光損
傷の関係を測定した結果を示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】伝搬損失は１５０℃程度の低温のアニール
処理でも改善されることが分かった。また、光損傷は３
５０℃以上では増大する傾向が観測された。従って、伝
搬損失が小さく光損傷の小さな素子を形成するには１５
０℃〜３５０℃の温度で熱処理を行う必要があることが
分かった。特に光損傷強度の強い光波長変換素子を形成
するには１８０℃〜２８０℃程度で熱処理するのが望ま
しかった。この温度範囲で熱処理した光波長変換素子に
より波長４３０ｎｍのＳＨＧ発生を行ったところ、１０
ｍＷ以上のＳＨＧ出力においても光損傷による出力変動
は観測されず、従来難しかった高出力のＳＨＧ発生が可
能な素子が作製できた。

【００４７】本実施の形態により形成した光波長変換素
子が、特に有効である使用方法として、共振器型の光波
長変換素子がある。共振器内に光波長変換素子を挿入す
ることにより高いパワー密度の基本波を利用することが
でき、変換効率の大幅な向上が可能となる。しかしなが
ら、光波長変換素子を透過する光の損失があると共振器
特性が劣化してしまい、共振器内の光のパワー密度が増
大しないという問題が生じる。光の伝搬損失としては数
％以下に抑える必要がある。本実施の形態の方法で作製
した光波長変換素子は伝搬損失が３％以下であり、共振
器内に挿入することにより、変換効率の大幅な向上が図
れた。

【００４８】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃、また
はLiNbO₃またはその混合物であるLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦
x≦１）基板、そのほかＫＴＰ(KTiOPO₄)でも同様な素子
が作製できる。LiTaO₃、LiNbO₃、ＫＴＰはともに、高い
非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作製
できる。

【００４９】次に、出力安定化を目的とした本発明のバ
ルク型の光波長変換素子について説明する。具体的な素
子構造としては、 ・金属膜を光波長変換素子表面に堆積することにより、
素子の温度均一性を図ると共に、焦電効果を防止する構
造。

【００５０】・分極反転周期の位相分布を変えることに
より、光損傷の低減と光波長変換素子の許容度の拡大を
実現する構造。

【００５１】・分極反転の周期の分布を変えることによ
り、光波長変換素子の許容度の拡大を実現する構造。

【００５２】・分極反転構造を有する結晶を張り合わせ
ることにより、素子の高効率化を行い、焦電効果を防止
する構造。

【００５３】である。以下の実施の形態において、それ
ぞれの光波長変換素子の特性について述べる。

【００５４】（実施の形態５）ここでは、バルク型光波
長変換素子に金属膜を付加することで焦電効果の低減を
図った結果について説明する。

【００５５】光波長変換素子の構造を図６を用いて説明
する。図６に示すように、Ｃ板のLiTaO₃結晶１（結晶の
Ｃ軸に垂直な面）内に周期状の分極反転層４が形成され
ている。さらに、表面をＡｌ膜５で被っている。結晶１
の端面は光学研磨されており、入射端より入射した波長
８６０ｎｍの基本波６は結晶内で、波長４３０ｎｍの第
２高調波（ＳＨＧ）７に変換される。

【００５６】従来のバルク型光波長変換素子は、温度が
変化すると焦電効果により表面に電荷が溜り、これによ
って生じる屈折率変化によりＳＨＧ出力が変化してい
た。そこで基板表面に金属膜を形成し、発生する焦電電
荷を相殺した。その結果、基板表面に生じる表面電荷を
なくすことができ、温度変化０〜６０℃において、焦電
効果による出力変動は観測されず安定な出力が得られ
た。

【００５７】また、表面に金属膜を形成することによ
り、結晶の温度制御が容易になった。光波長変換素子は
波長許容度が狭いため、温度変化による結晶の屈折率変
化により位相整合条件が変化し、出力が低下する。これ
を防止するために、光波長変換素子の温度を制御する必
要がある。しかしながら、LiTaO₃結晶は熱伝導度が低い
ため、素子長１０ｍｍに渡って結晶温度の均一性を保つ
のが難しいという問題があった。ところが、結晶を金属
膜で被うことで光波長変換素子の熱伝導度が増大し、素
子長全域に渡る温度の均一化が容易になった。さらに、
温度制御も高速に行え、急激な温度変化に対しても焦電
効果が発生しないため安定な出力が得られた。

【００５８】また、金属膜に電流を流し、金属膜をヒー
タとして使用する実験も行った。金属膜としてTiを３０
ｎｍ堆積し、ストライプ状に加工して、これに電流を流
すことで薄膜ヒータとして用いた。ヒータにより結晶の
温度を５０℃に制御し、雰囲気温度の変化０〜５０℃に
対し、ＳＨＧの出力変動を±５％以下まで低減できるこ
とを確認した。金属膜をヒータとして用いることで、結
晶の焦電効果を低減すると同時に、結晶温度安定化が図
れた。

【００５９】また、金属膜を結晶表面に付加すること
で、結晶の汚れによる特性の劣化も防止できる。雰囲気
温度の変化による焦電電荷は、結晶雰囲気中のダストを
吸着し、長時間使用していると、結晶表面に多くのダス
トが付着して光波長変換素子特性の劣化が起こる。この
ようなダストの付着も結晶表面を金属膜で被うことで防
止できた。

【００６０】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃、また
はLiNbO₃またはその混合物であるLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦
x≦１）基板、そのほかＫＴＰ(KTiOPO₄)でも同様な素子
が作製できる。LiTaO₃、LiNbO₃、ＫＴＰはともに、高い
非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作製
できる。

【００６１】（実施の形態６）ここでは、分極反転の周
期構造を変えることにより耐光損傷性の向上を図った結
果について述べる。

【００６２】光励起により発生した電荷が結晶の分極方
向に移動して結晶内に電荷分布の偏りを生じる。これに
よって発生した電界により、電気光学効果を介した屈折
率変化が発生し光損傷となる。電荷の移動は結晶の分極
方向に沿って移動するため、結晶内の分極反転層と非反
転層部分では電荷の移動が逆方向となる。そのため、短
周期の分極反転構造を形成することで光励起により生じ
た電界を相殺することができる。ここでは、光励起によ
る電界を相殺する効果をさらに高めるため、周期状の分
極反転構造を光の伝搬方向に平行な方向で分割し、各部
分での分極反転の位相を互いにずらした構成をとった。
図７（ａ）に示すように伝搬方向に平行にＡ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ，Ｅ領域に分割し、各領域間での分極反転周期の位相
が図７（ｂ）に示すように互いに異なるように形成され
ている。分極反転構造に位相差を形成することにより、
各領域間において光励起による電界の相殺が起こり、光
損傷を低減することができた。

【００６３】さらに、位相差を調整することにより光波
長変換素子の波長許容度の拡大が可能となる。分極反転
構造を伝搬方向にいくつかのセグメントに分割し、各セ
グメントの位相を制御することで光波長変換素子の波長
許容度が拡大することが報告されている（エレクトロニ
クスレター記載、M.L.Bortz,M.Fujimura,and M.M.Feje
r, Electronics Letters, vol.30, pp.34-35, 1994）。
しかしながら、伝搬方向に反転構造を分割すると、長さ
方向に渡り光損傷の分布が形成された場合（ＳＨＧは伝
搬距離に対し二乗で増大するため光損傷の分布が形成さ
れる）、各セグメント間の相互関係が変化するため波長
許容度拡大の効果が表れず、ＳＨＧの出力低下が生じる
という問題があった。そこで、本発明の構成では伝搬方
向に平行に分極反転構造を分割する構成をとった。本発
明の構成では、伝搬方向に屈折率分布が生じた場合で
も、各セグメント間の相互関係が常に保たれるため、Ｓ
ＨＧ出力の安定化が図れた。

【００６４】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃、また
はLiNbO₃またはその混合物であるLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦
x≦１）基板、そのほかＫＴＰ(KTiOPO₄)でも同様な素子
が作製できる。LiTaO₃、LiNbO₃、ＫＴＰはともに、高い
非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作製
できる。

【００６５】（実施の形態７）ここでは、分極反転構造
を変えることによる光波長変換素子の波長許容度の拡大
について述べる。

【００６６】周期状の分極反転構造を用いた光波長変換
素子は、高効率の波長変換が可能であるが、反面、位相
整合波長許容度が狭いため励起する基本波の波長変動に
より出力が大幅に低下するといった問題がある。そのた
め、位相整合波長を拡大することにより出力の安定化を
図る必要がある。

【００６７】本実施の形態では、図８(a)に示すように
分極反転構造を光の進行方向に平行にＡとＢに２分割
し、それぞれの分極反転周期Λ1とΛ2が異なるように形
成した。このため、ＳＨＧ出力の基本波波長依存性は、
セグメントＡでとセグメントＢでは図８（ｂ）に示すよ
うに僅かにずれており、光波長変換素子全体ではＡとＢ
の波長依存性を足した値となり波長許容度が増大する。

【００６８】従来の構成としては伝搬方向に分極反転構
造を分割し、各セグメントにおける周期構造を変えるこ
とで互いのセグメント間の相互作用により位相整合波長
の許容度を拡大する方法があった。しかしながら、従来
の構成では、伝搬方向に光損傷による屈折率分布が生じ
た場合、各セグメント間の相互関係が変化し、位相整合
許容度が必ずしも増大しないという問題があった。

【００６９】これに対し、本構成を用いると光の伝搬方
向に対し均一な周期構造をとるため、伝搬方向において
光損傷による屈折率分布が生じた場合もセグメント間の
相互関係が変化しない。従って、光損傷による位相整合
波長の変化に対しても安定な出力特性を得ることができ
た。

【００７０】さらに、導波損失や基本波からＳＨＧへの
パワーの移行により、基本波は伝搬するに従い減少す
る。このような基本波パワーの変化に対しても、分極反
転構造との相互関係が変化しないため、素子設計が容易
になる。

【００７１】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃、また
はLiNbO₃またはその混合物であるLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦
x≦１）基板、そのほかＫＴＰ(KTiOPO₄)でも同様な素子
が作製できる。LiTaO₃、LiNbO₃、ＫＴＰはともに、高い
非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作製
できる。

【００７２】（実施の形態８）ここでは、分極反転構造
を積層化することによる変換効率の向上並びに出力の安
定化を図った結果について述べる。

【００７３】LiTaO₃、LiNbO₃結晶に電界印加により深い
分極反転層の形成が可能である。例えば、これらの結晶
に周期３〜４μｍの分極反転層を厚さ２００μｍに渡っ
て形成することが報告されている。しかしながら、この
ような短周期の分極反転を深さ方向に渡り均一に形成で
きる基板厚みには限界がある。例えば、現在報告されて
いるのは、厚みとして１５０〜２００μｍ程度であり、
３００μｍを越えると反転の不均一性が増大する。従っ
て、バルク型の光波長変換素子を形成する結晶の厚みは
約２００μｍ程度に制限されてしまう。

【００７４】このような光波長変換素子をバルク型とし
て用いる場合、いくつかの問題が生じる。第一に、結晶
内を通る基本波のビーム径が結晶の厚みに規制される。
ビーム径が結晶の厚みより大きくなるとビームが歪み、
得られるＳＨＧ出力の波面特性が劣化して、十分な集光
が得られなくなからである。ビーム径が制限されると素
子長が制限される。例えば、２００μｍ程度の厚みの場
合、素子長は１０ｍｍ程度である。第二に、基本波を入
射する面積が狭いため光学系のアライメントに微調性が
必要となる。これらの問題を解決する方法として、本発
明では分極反転した基板を光学的に接触させる（オプテ
ィカルコンタクト）ことにより基板の厚みを増大させる
方法を見いだした。

【００７５】光波長変換素子の構造としては、図９に示
すように、周期状の分極反転構造４を形成したLiTaO₃基
板８と９を張り合わせて構成している。複数の基板を張
り合わせると、さらに厚みを増大させることができる。

【００７６】次に、本実施の形態の構成により、変換効
率の高効率化が可能となった結果を示す。LiTaO₃結晶は
＋Ｃ面より周期状の分極反転構造を形成する。従って、
分極反転構造の均一性は＋Ｃ面で最も優れ、−Ｃ面に近
づくに従い劣化する。そこで、図９に示すように＋Ｃ面
どうしを接触させる構成をとった。基本波を基板の接触
部分を中心に伝搬させることにより他の構成（例えば一
つの基板を用いた場合、＋Ｃ面と−Ｃ面とを接触した場
合、または−Ｃ面どうしを接触した場合）に比べ、１．
５〜２倍の高効率化が可能となった。さらに、従来の単
一基板を用いた場合に比べ、素子長も２倍に増大させる
ことが可能となり、変換効率をさらに２倍に増加させる
ことができた。

【００７７】次に、基板を接着剤で貼合わせる際、接着
剤に基板より屈折率の高い材料を用いた。接着剤は基本
波および高調波に対して透明な材料である。材料として
は、例えば、TiO₂ゾルゲル液を用いた。基板間にTiO₂ゾ
ルゲルを流し込み、約５００℃で焼結することにより基
板を接着できた。屈折率の高い接着材料を用いると、高
屈折率部分を基板で挟んだ対称構造の光導波路が形成で
きる。基本波は導波モードとなり、接着剤の部分を中心
に伝搬するため、光のパワー密度を増大させることがで
きる。また、伝搬距離も長くとれるため、相互作用長が
増大し変換効率が大幅に向上した。

【００７８】次に、光損傷および焦電効果による出力の
不安定化を低減できることを示す。図９の光波長変換素
子の構成では基板８の分極反転層と基板９の非反転層が
重なっているが、位相をずらせて、２つの基板の反転層
が互いに重なるようにすると、結晶の分極方向が２つの
基板間で対立することになる。これによって、光損傷で
生じる電荷および焦電効果により発生する電荷は結晶の
張り合わせた部分で正負逆の電荷が発生するため相殺さ
れ結晶内に電界による屈折率変化が生じなくなる。すな
わち、光損傷および焦電効果による屈折率変動が発生せ
ず、安定なＳＨＧ出力が得られた。

【００７９】次に、結晶を積層構造にした場合の互いの
分極反転構造の周期のずれについて述べる。周期状の分
極反転構造を有する結晶を重ねて、光波長変換素子を構
成する場合、結晶内を通る基本波の進行方向に対する分
極反転の周期が、ほぼ等しくならないと、それぞれを通
る光の位相整合条件が異なり高効率の波長変換が行えな
い。そこで、位相整合条件を満足する分極反転構造のず
れについて検討した。高効率化には、互いの分極反転構
造のずれが０となるのが望ましいが、実際にずれをなく
すのは困難である。効率が低下しない分極反転周期のず
れを計算するとΛav／Ｌ＞ΔΛn（ｎ＝１、２、３・
・）となることが分かった。

【００８０】但し、Λavは分極反転の周期の平均値、Δ
Λn（ｎ＝１、２、３・・）は各分極反転層の周期とＶa
vとの差の絶対値、Ｌは相互作用長である。例えば図９
に示すように２つの結晶を重ねた場合、Λav＝（Λ1＋
Λ2）／２であり、ΔΛ1＝｜Λ1−Λav｜、ΔΛ2＝｜Λ
2−Λav｜である。周期３．６μｍ作用長１０ｍｍの場
合、分極反転周期のずれは、３．６ｘ１０^-4μｍ以下に
する必要がある。

【００８１】実施に分極反転構造を有する素子を重ねる
場合は、結晶に基本波を入射しながら、基板を微動台で
調整し、変換効率が最大になるように調整した後、接着
した。基板をオプティカルコンタクトした状態で加熱す
ることで、基板間が接着する。また接着剤を用いる場合
は、基板の屈折率に近いものを用いることにより、ＳＨ
Ｇ光の波面収差を低減することができた。また、接着剤
を用いず、基板同志をオプティカルコンタクトした状態
で固定することで、ＳＨＧ光の波面収差をほとんどなく
すことも可能であり、集光特性に優れた光波長変換素子
の構成が実現できた。

【００８２】重ねた基板の分極反転周期の差を積極的に
利用する方法もある。実施の形態３で示したように、周
期の異なる分極反転層を隣合わせに用い、ここに基本波
を通すことにより、位相整合波長の許容度を増大させる
ことも可能である。例えば、同一の周期を用いた基板
を、重ね合わせわずかに回転させることにより、光の進
行方向に対する周期に基板間で差を設けることにで、分
極反転周期構造の異なる反転層を重ねた構造が実現でき
た。本方式により位相整合の波長許容度の拡大が可能で
あった。位相整合波長許容度が拡大することで、基本波
の波長変動に対しても安定な出力が得られて有効であっ
た。

【００８３】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃、また
はLiNbO₃またはその混合物であるLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦
x≦１）基板、そのほかＫＴＰ(KTiOPO₄)でも同様な素子
が作製できる。LiTaO₃、LiNbO₃、ＫＴＰはともに、高い
非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作製
できる。

【００８４】（実施の形態９）ここでは周期状分極反転
構造を用いた、第３または第４高調波発生用のバルク型
の光波長変換素子について述べる。

【００８５】前述の実施の形態において、周期状の分極
反転構造を利用したバルク型の第２高調波発生を利用し
た光波長変換素子について説明した。周期状の分極反転
を用いると、さらに高次の第３高調波、第４高調波の発
生が可能となる。本実施の形態では、単一の素子による
高次の高調波発生が可能な素子について述べる。

【００８６】従来、非線形光学効果を利用した第３高調
波ならびに第４高調波発生は、非線形光学結晶を用い
て、第２高調波発生を行い。さらに、他の非線形光学結
晶を用いて、第２高調波を利用した第３または第４高調
波発生を行っていた。これらの光学系では、複数の非線
形光学結晶が必要であり、光学系の複雑な調整が必要で
あった。

【００８７】そこで、本実施の形態では、図１０（ａ）
に示す光波長変換素子の構成を用いた。図１０（ａ）で
は、LiTaO₃基板１が２つのセグメントＡ，Ｂに分割され
ており、セグメントＡは基本波６を第２高調波に変換
し、セグメントＢではセグメントＡを通過した基本波と
第２高調波により第３高調波１６を発生する。それぞれ
の分極反転の周期は、セグメントＡでは、 Λ1＝λ／２／（Ｎ2−Ｎ1） セグメントＢでは、 Λ2＝λ／（３Ｎ3−Ｎ1−２Ｎ2） となっている。但し、λは基本波の波長、Ｎ1は波長λ
の光に対する前記結晶の屈折率、Ｎ2は波長λ／２の光
に対する前記結晶の屈折率、Ｎ3は波長λ／３の光に対
する前記結晶の屈折率である。

【００８８】一つの非線形材料に異なる分極反転構造を
形成することにより、単一の結晶で第３高調波発生が可
能となった。さらに、基板に分極反転構造が形成されて
いるため複雑な光学系調整が不要となり安定な出力が得
られるという利点を持つ。本構造は、簡単な構成で短波
長光の発生が可能であり、かつ安定な出力が得られる点
で有効である。例えば、光源に波長1.06μｍのＹＡＧレ
ーザを用い、レーザ光を光波長変換することで、0.35μ
ｍの紫外光発生ができた。

【００８９】同様の構成でさらに高次の第４高調波の発
生も可能である。この場合は、セグメントＡで第２高調
波を発生し、第２高調波よりセグメントＢで第４高調波
を発生する。この時に分極反転周期は、セグメントＡで
は、 Λ1＝λ／２（Ｎ2−Ｎ1） であり、セグメントＢでは、 Λ2＝λ／４（Ｎ4−Ｎ2） である。ただし、λは基本波の波長、Ｎ1は波長λの光
に対する前記結晶の屈折率、Ｎ2は波長λ／２の光に対
する前記結晶の屈折率、Ｎ4は波長λ／４の光に対する
前記結晶の屈折率である。

【００９０】次に、温度変化等による光波長変換素子の
位相整合ずれが生じた場合の調整機構を付加しした光波
長変換素子構成についても図１０（ｂ）に示す。結晶の
温度変化により屈折率が変化すると、位相整合条件が変
わり高調波出力が低下する。このとき光波長変換素子を
わずかに回転させ光の進行方向に対する分極反転周期を
変調させることによりセグメントＡで、第２高調波の発
生を最大に調整することができる。しかし、セグメント
Ｂでの位相整合条件もずれるため、第３高調波の位相整
合条件が成立しなくなる場合がある。これを調整するた
め、セグメントＢは分極反転周期が素子の位置により僅
かづつ異なる用に形成する。光波長変換素子の位置を左
右に調整すれば、セグメントＢでの位相整合状態を最良
に調整することが可能となり、第３高調波を効率よく取
り出すことが可能となる。

【００９１】本構成を用いると、パラメトリック発振等
への応用も可能であり、セグメントをさらに追加して、
より高次の高調波の発生も可能である。

【００９２】（実施の形態１０）ここでは、上述した実
施の形態の光波長変換素子を用いた短波長光源について
述べる。

【００９３】レーザ光源と光波長変換素子を用いて、短
波長光源が構成できる。図１２に本実施の形態の短波長
光源を示す。レーザ１２からでた基本波６は、光波長変
換素子１４により波長変換され、ＳＨＧ７となって出射
される。例えば波長800nm帯の半導体レーザを用いると
波長400nm帯の青色のSHG光が得られ、小型の青色光源が
実現できる。位相整合条件は、光軸に対し基板の角度を
回転させることで、実効的な分極反転周期を調整するこ
とで達成した。位相整合のアライメントの角度調整は容
易であり、温度安定化を図ることで安定な光源が実現で
きた。

【００９４】安定な小型短波長光源は、高密度光記録、
カラーレーザプリンター、医用、バイオなどの幅広い分
野での応用が可能となる。波長680nm帯の赤色半導体レ
ーザを基本波として用いることで、波長340nmの紫外光
発生が可能となり、作製が困難な小型の紫外光源が実現
できる。バイオ、蛍光寿命測定、特殊計測等への応用が
可能となる。また、レーザをパルス駆動すると高いピー
クパワーの基本波が得られるため、高効率の波長変換が
可能になる。例えは、ＣＷ駆動では最大出力４０ｍＷ程
度の半導体レーザでも、パルス駆動することで数１００
ｍＷの高いピークパワーの発生が可能となり、ＳＨＧ出
力としても数１０ｍＷのものが得られる。高いピークパ
ワーを持ったＳＨＧ光は、蛍光寿命測定等に応用するこ
とで、不純物検出等が可能となる。また、半導体レーザ
を高周波のＲＦ駆動することで、高いピークパワーをも
ったパルス列発振が可能となり、平均パワーでＣＷ駆動
の半導体レーザに比べ５倍以上の変換効率向上が可能と
なった。高出力の小型光源として優れた特性を示した。

【００９５】高出力のＳＨＧ光を発生した場合、光損傷
による出力の不安定性が問題となる。本実施例で示した
素子においても１０ｍＷを越えるＳＨＧ出力を発生した
場合、出力の不安定性が観測される場合があった。これ
を解決するため、図１１に示すように、光波長変換素子
を微動台１５に固定し基本波に対する光波長変換素子の
位置を変動させた。光損傷は比較的ゆっくりした速度
（数秒オーダ以上）で発生するため、光波長変換素子の
位置を数１０Hz以上の速さで変動することで、結晶内に
照射されている光のパワーを分散させて、結果として光
のパワー密度を低減することができる。この方法で耐光
損傷の強度が２倍以上に向上し、安定な高出力ＳＨＧの
発生が可能となった。

【００９６】一方、温度による位相整合条件の変化によ
り、光波長変換素子の変換効率が劣化する減少が観測さ
れた。これは温度により基板結晶の屈折率が変化し、位
相整合条件がずれたために発生した。そこで、図１２に
示すように、光波長変換素子を回転微動台１５で制御し
た。周期状の分極反転層を有する光波長変換素子は、素
子を光軸に対し傾けることで、光に対する実質的な分極
反転周期を可変することが可能となる。この回転微動台
を調整して、光波長変換素子の位相整合条件を常に最適
に調整することにより、安定したＳＨＧの発生が可能と
なった。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように、分極反転を形成時
に、分極反転部分の形状が電極周辺部にある最小の値
（ΔＷmin）以上広がったときにのみ、分極が均一に形
成されることが見いだされた。従って、分極反転の拡大
（Ｗmin）を考慮した電極形状を作製することで、均一
な分極反転構造が高い精度で形成できるため、その実用
効果は大きい。

【００９８】また、分極反転を形成する際、電極に与え
る電荷量を分極反転部の最小拡大部を含めた値以上印加
することで、分極反転の際形成される非反転領域の形成
を防止し、均一な分極反転構造を形成できるため、その
実用効果は大きい。

【００９９】また、周期状分極反転構造を形成する際、
分極反転部の拡大により隣接する分極反転部同士が接触
し周期状分極反転構造の形成を困難にするのを防止する
ため、分極反転部の最小拡大分を考慮して電極を形成す
ることで、周期状の分極反転構造の形成が可能となり、
その実用効果は大きい。

【０１００】また、周期状分極反転構造を形成する際、
電極に与える電荷量を分極反転部の最小拡大部を含めた
値以上印加することで、分極反転の際形成される非反転
領域の形成を防止し、均一な分極反転構造を形成できる
ため、その実用効果は大きい。

【０１０１】また、分極反転形成後、基板にプラズマを
照射することで、耐光損傷性に優れた光波長変換素子が
形成できるため、その実用効果は大きい。

【０１０２】また、光波長変換素子を作製するプロセス
において、分極反転形成後に基板を特定の温度でアニー
ル処理することで、光の伝搬損失および光損傷を大幅に
低減できるため、その実用効果は大きい。

【０１０３】また、光波長変換素子を作製するプロセス
において、電界印加直後に２秒間以上直流電圧を印加す
ることで、分極反転の周期構造の均一化が大幅に増大す
るため、その実用効果は大きい。

【０１０４】また、分極反転部の拡大が基板厚みに依存
する関係を見いだしたことより、基板厚みに制限された
分極反転周期を有する光波長変換素子構造をとること
で、変換効率の高い素子が構成できるため、その実用効
果は大きい。

【０１０５】また、光波長変換素子の表面に金属膜を装
着することで、焦電効果による屈折率変化を低減でき
る。さらに、結晶の熱伝導率を増大させることができる
ため、温度制御の高速化、安定化が可能となり、光波長
変換素子の出力安定化が可能となるため、その実用効果
は大きい。

【０１０６】また、分極反転構造を分割し、各分割部分
で互いに分極反転周期の位相を変えることで、光損傷の
原因となる光励起による電荷の相殺効果を高めることが
できた。これによって、光損傷の少ない出力の安定な光
波長変換素子が実現できるため、その実用効果は大き
い。

【０１０７】また、分極反転構造を分割し、各分割部分
での分極反転周期を互いに変えることにより、光波長変
換素子の波長許容度を向上させることができた。本発明
の構成は、分割された部分の相関関係が素子の長さ方向
に渡り均一なめ、光損傷等の長さ方向に分布をもった、
屈折率変化に対しても、安定な位相整合特性を達成する
ため、光損傷に対し安定な出力の光波長変換素子が実現
でき、その実用効果は大きい。

【０１０８】また、分極反転構造を有する非線形光学結
晶を積層することにより、厚い基板のバルク型光波長変
換素子が作製できる。電界印加により形成可能な周期状
分極反転は、短周期の分極反転構造を実現する場合、そ
の基板厚みが制限される。そこで、薄い基板に形成した
分極反転構造を積層することで厚いバルク型素子を実現
できる。作製された素子は、素子長増大による変換効率
の向上ならびに、素子アライメント尤度が増大する。さ
らに、光損傷および、焦電効果の低減も可能となるた
め、その実用効果は大きい。

【０１０９】また、同一の基板に周期の異なる２つの分
極反転構造を形成することで、高次の高調波発生が可能
となる。単一結晶で、第３高調波、または第４高調波の
発生が可能となり、加えて素子のアライメントも簡単に
なるため、その実用効果は、大きい。

【０１１０】また、レーザ光源を光波長変換素子により
波長変換することで、短波長光源が実現できる。安定な
特性の光波長変換素子を用いることにより、出力の安定
な光源が作製できるため、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）分極反転の製造方法を示す作製
工程斜視図

【図２】（ａ）非反転領域が形成された分極反転の表面
図 （ｂ）均一な分極反転の表面図

【図３】分極反転部の拡大（Ｗmin）距離と基板厚みの
関係を示す特性要因図

【図４】電極と分極反転部の位置関係を表す表面図

【図５】（ａ）〜（ｄ）本発明の光波長変換素子の作製
工程斜視図

【図６】本発明の光波長変換素子の構成斜視図

【図７】（ａ）本発明の光波長変換素子の構成斜視図 （ｂ）各領域における分極反転構造の位相関係を表す特
性要因図

【図８】（ａ）本発明の光波長変換素子の構成斜視図 （ｂ）各領域における位相整合特性を表す特性要因図

【図９】本発明の光波長変換素子の構成斜視図

【図１０】（ａ）高次高調波発生用の光波長変換素子の
構成斜視図 （ｂ）位相整合調整機構付きの光波長変換素子の構成斜
視図

【図１１】本発明の短波長光源の構成斜視図

【図１２】本発明の短波長光源の構成斜視図

【図１３】従来の分極反転の製造方法を示す作製斜視図

【図１４】従来の光波長変換素子の構成斜視図

【符号の説明】

１ Ｃ板のLiTaO₃基板 ４ 分極反転層 ５ Ａｌ膜 ６ 基本光 ７ ＳＨＧ ８ 第１のLiTaO₃基板 ９ 第２のLiTaO₃基板 １１ SiO₂ １２ レーザ １３ 集光光学系 １４ 光波長変換素子 １５ 微動台 １６ 高調波 １７ 櫛形電極 １８ 平面電極 １９ 絶縁膜 ２０ 電極 ２１ 分極反転部 ２２ 非反転部分 ２３ LiNbO₃基板 ２４ 櫛形電極 ２５ 平面電極

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単一分極の強誘電体結晶の表面と裏面に電
   極を形成する工程と、 前記電極間に前記分極に対向する電圧を印加して分極を
   反転を形成する工程とを有し、 前記電極形状が、目的とする分極反転形状に比べ、その
   外周において前記表面電極の周辺部で広がる分極反転部
   の最小値ΔＷmin以上小さいことを特徴とする分極反転
   の製造方法。
2. 【請求項２】自発分極Ｐsを有する単一分極の強誘電体
   結晶の表面に面積Ａ、外周Ｌの電極を形成する工程と、 前記結晶の裏面に電極を形成する工程と、 前記表面と裏面の電極間に前記分極に対向する電圧を印
   加し分極を反転する工程とを有し、 前記表面電極の周辺部で広がる分極反転部の最小値ΔＷ
   minに対し、 前記電極間に流れる電荷量Ｑが、 Ｑ＞２Ｐs（Ａ＋Ｌ・ΔＷmin） の関係を満足することを特徴とする分極反転の製造方
   法。
3. 【請求項３】単一分極の強誘電体結晶の表面に周期Λの
   櫛形電極を形成する工程と、 前記結晶の裏面に平面電極を形成する工程と、 前記電極間に前記分極に対向する電圧を印加して分極を
   反転する工程とを有し、 前記櫛形電極の周辺部で広がる分極反転部の最小値ΔＷ
   minに対し、 前記櫛形電極の電極指の幅Ｗが、 Ｗ＋２・ΔＷmin＜Λ／２ であることを特徴とする分極反転の製造方法。
4. 【請求項４】単一分極の強誘電体結晶の表面に周期Λ、
   幅Ｗ、長さLdの電極指からなる櫛形電極を長さＬｓに渡
   り形成する工程と、 前記結晶の裏面に平面電極を形成する工程と、 前記電極間に前記分極に対向する電圧を印加して分極を
   反転する工程とを有し、 前記櫛形電極の周辺部で広がる分極反転部の最小値ΔＷ
   minに対し、 前記電極間に印加する電荷量Ｑが、 Ｑ＞２Ｐs・（Ｗ＋２ΔＷmin）Ｌｄ・Ｌs／Λ であることを特徴とする分極反転の製造方法。
5. 【請求項５】前記分極反転周期Λが２μｍ以下である請
   求項３または４に記載の分極反転の製造方法。
6. 【請求項６】前記単一分極を有する強誘電体がｃ板のLi
   TaO₃結晶である請求項１〜５のいずれか一項に記載の分
   極反転の製造方法。
7. 【請求項７】前記単一分極を有する強誘電体がｃ板のLi
   TaO₃結晶であり、 前記分極反転部の広がる最小値ΔＷminの大きさが前記
   結晶の厚みＴに対し、 △Ｗmin＝0.00２×Ｔ−0.2 μｍ の関係を満足する請求項１〜５のいずれか一項に記載の
   分極反転の製造方法。
8. 【請求項８】前記電極を形成する工程の後、 前記結晶の表面に形成した電極の表面を絶縁膜で被う工
   程を有する請求項１、２、３、４、５、７のいずれか一
   項に記載の分極反転の製造方法。
9. 【請求項９】ｃ板のLiNb_xTa_1-xO₃（０≦ｘ≦１）結晶に
   周期状の分極反転層を形成する行程と、 前記結晶表面にプラズマを照射する行程とを、 有することを特徴とする分極反転の製造方法。
10. 【請求項１０】前記プラズマを照射する行程を１００〜
    ３００℃以下の温度中で行う請求項９記載の分極反転の
    形成方法。
11. 【請求項１１】ｃ板のLiNb_xTa_1-xO₃（０≦ｘ≦１）結晶
    の表面に櫛形電極を形成する工程と、 前記結晶の裏面に平面電極を形成する工程と、 前記電極間に電圧を印加して周期状の分極反転層を形成
    する工程と、 前記結晶を熱処理する工程を有する分極反転の製造方
    法。
12. 【請求項１２】ｃ板のLiNb_xTa_1-xO₃（０≦ｘ≦１）結晶
    の表面に櫛形電極を形成する工程と、 前記結晶の裏面に平面電極を形成する工程と、 前記電極間に電圧を印加して周期状の分極反転層を形成
    する工程とを有し、 前記電極間に印加する電圧として、前記結晶の分極反転
    が生じる電界以上の電圧を印加した後、前記結晶の分極
    が生じない程度の電界を２秒間以上印加する分極反転の
    製造方法。
13. 【請求項１３】前記熱処理工程の温度が１５０〜３００
    ℃である請求項１１記載の分極反転の製造方法。
14. 【請求項１４】前記分極反転が生じない程度の電界が１
    ０〜２０ｋＶ／ｍｍである請求項１２記載の分極反転の
    製造方法。
15. 【請求項１５】ｃ板のLiTaO₃基板と、 前記基板に形成した周期状の分極反転層を有し、 分極反転層の周期Λと、前記基板の厚みＴが、 Ｔ＜Λ／0.0１ の関係を満足する光波長変換素子。
16. 【請求項１６】前記分極反転周期が２μｍ以下である請
    求項１５記載の光波長変換素子。
17. 【請求項１７】非線形光学効果を有する結晶と、 前記結晶に形成された周期状の分極反転層と、 前記結晶の端面に形成された入射面と、 前記結晶の他の端面に形成された出射面と、 前記結晶の表面または裏面の少なくとも一部に形成した
    金属膜を有する光波長変換素子。
18. 【請求項１８】非線形光学効果を有する結晶と、 前記結晶に形成された周期状の分極反転層と、 前記結晶の端面に形成された入射面と、 前記結晶の他の端面に形成された出射面とを有し、 前記周期状分極反転層が、前記入射面より入射された基
    本波の伝搬方向と平行な方向に２つ以上の領域に分割さ
    れており、 かつ前記領域における前記分極反転の位相が互いに異な
    っている光波長変換素子。
19. 【請求項１９】非線形光学効果を有する結晶と、 前記結晶に形成された周期状の分極反転層と、 前記結晶の端面に形成された入射面と、 前記結晶の他の端面に形成された出射面とを有し、 前記周期状分極反転層が、前記入射面より入射された基
    本波の伝搬方向と平行な方向に２つ以上の領域に分割さ
    れており、 かつ前記領域における前記分極反転の周期が互いに異な
    っている光波長変換素子。
20. 【請求項２０】非線形光学効果を有する結晶を２つ以上
    備え、 各々の結晶が内部に形成された周期状の分極反転層と、 端面に形成された入射面と、 他の端面に形成された出射面とを有し、 かつ前記結晶が互いに光学的に接触している光波長変換
    素子。
21. 【請求項２１】前記強誘電体結晶が接着剤を介して接着
    されており、 前記接着剤の屈折率が前記強誘電体の屈折率とほぼ等し
    い請求項２０記載の光波長変換素子。
22. 【請求項２２】前記入射面から入射された基本波の進行
    方向に対する各々の結晶の分極反転層の周期Λ1、Λ2、
    ・・と、前記分極反転層の周期の平均値Λavとの差ΔΛ
    n（ｎ＝１、２、３・・）が、Λav／Ｌ＞ΔΛn（ｎ＝
    １、２、３・・、Ｌは相互作用長）の関係を満足してい
    る請求項２０または２１に記載の光波長変換素子。
23. 【請求項２３】非線形光学効果を有する結晶と、 前記結晶に形成された周期状の分極反転層と、 前記結晶の端面に形成された入射面と、 前記結晶の他の端面に形成された出射面とを有し、 前記周期状分極反転層が、前記入射面より入射された基
    本波の伝搬方向に２つ以上の領域に分割されており、 かつ前記領域における前記分極反転の周期が互いに異な
    っている光波長変換素子。
24. 【請求項２４】前記分極反転層が２つの領域に分割され
    ており、 第１の領域における分極反転層の周期Λ1が、 Λ1＝λ／２（Ｎ2−Ｎ1） であり、 第２の領域における分極反転層の周期Λ2が、 Λ2＝λ／（３Ｎ3−Ｎ1−２Ｎ2） である請求項７記載の光波長変換素子。ただし、λは基
    本波の波長、Ｎ1は波長λの光に対する前記結晶の屈折
    率、Ｎ2は波長λ／２の光に対する前記結晶の屈折率、
    Ｎ3は波長λ／３の光に対する前記結晶の屈折率であ
    る。
25. 【請求項２５】前記分極反転層が２つの領域に分割され
    ており、 第１の領域における分極反転層の周期Λ1が、 Λ1＝λ／２（Ｎ2−Ｎ1） であり、 第２の領域における分極反転層の周期Λ2が、 Λ2＝λ／４（Ｎ4−Ｎ2） である請求項７記載の光波長変換素子。ただし、λは基
    本波の波長、Ｎ1は波長λの光に対する前記結晶の屈折
    率、Ｎ2は波長λ／２の光に対する前記結晶の屈折率、
    Ｎ4は波長λ／４の光に対する前記結晶の屈折率であ
    る。
26. 【請求項２６】請求項１７，１８，１９、２０、２３の
    いずれか一項に記載の光波長変換素子と、 集光光学系と、 レーザとを備え、 前記レーザから出射した光が、前記光学系により前記光
    波長変換素子内に集光されて前記光波長変換素子により
    波長変換されている短波長光発生装置。
27. 【請求項２７】請求項１６記載の光波長変換素子と、 集光光学系と、 波長600〜700nm帯の半導体レーザとを備え、 前記レーザから出射した光が、前記光学系により前記光
    波長変換素子内に集光されて前記光波長変換素子により
    波長変換されている短波長光発生装置。
28. 【請求項２８】前記レーザがパルス駆動されている請求
    項２６または２７に記載の短波長光発生装置。
29. 【請求項２９】微動台を備え、 前記光波長変換素子が前記微動台に固定されており、 前記集光光学系により前記レーザから出た光が光波長変
    換素子内部に集光されており、 かつ前記レーザ光に対する前記結晶の位置が前記微動台
    により変動している請求項２７または２８に記載の短波
    長光発生装置。
30. 【請求項３０】回転微動台を備え、 前記光波長変換素子が前記回転微動台に固定されてお
    り、 前記集光光学系により前記レーザから出た光が光波長変
    換素子内部に集光されており、 かつ前記回転台により前記レーザ光に対する前記結晶の
    位相整合条件を制御している請求項２７または２８に記
    載の短波長光発生装置。