JPWO2014030404A1 - 波長変換素子 - Google Patents
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Abstract
基本波の波長を変換して高調波を発生するための周期分極反転構造を備えている波長変換素子を提供する。波長変換素子は、周期分極反転構造が形成された強誘電体基板を備えており、基本波の伝搬方向に対して平行かつ強誘電体基板の上面の法線に対して平行な断面から強誘電体基板を見たときに、上面の法線に対して周期分極反転構造の縦分極反転境界が傾斜している。
Description
本発明は、波長変換素子に関するものである。
青色レーザはＧａＮ系の半導体材料により商品化され、ディスプレイ用光源として既に実用化されている。現在は、ＧａＮ系半導体レーザで発振波長の長波長化が進められ、緑色帯近くまでレーザ発振が確認されつつある。しかしながら、商品化されている青色レーザを含め、ＧａＮ系半導体レーザは消費電力が大きいという課題を有する。
一方、波長変換素子を用いたレーザは、組立の部品点数が多くなるが、消費電力が小さく、また、導波路から出力されるビーム品質も良好なため、ＧａＮ系半導体レーザと同一の光出力であっても、光の利用効率が高いという利点を有する。また、波長が安定していることから、計測用途には低雑音の測定ができるという特長を有する。
波長変換素子に使用する非線形効果を有する結晶としては、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶がある。これらの結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）デバイスを実現することができる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なＳＨＧデバイスが実現でき、ディスプレイ用途のみならず光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等に適した波長に比較的自由に設計することができ、幅広い応用が可能である。
しかし、本発明者が第二高調波を得ようと、基本光を導波路型波長変換素子に光学結合したところ、高調波の発振出力が不安定になることがあった。
本出願人は、特許第４６４６３３３において、強誘電体基板に周期分極反転構造を形成するのに際して、周期分極反転構造の分極反転面を基本波の伝搬方向に対して垂直から外すことにより、戻り光を抑制することを提案した。
また、特開２０１２−１１８５２８でも、同様に分極反転領域を傾斜させることによって、伝搬光の背面反射を低減することが提案されている。
一方、波長変換素子を用いたレーザは、組立の部品点数が多くなるが、消費電力が小さく、また、導波路から出力されるビーム品質も良好なため、ＧａＮ系半導体レーザと同一の光出力であっても、光の利用効率が高いという利点を有する。また、波長が安定していることから、計測用途には低雑音の測定ができるという特長を有する。
波長変換素子に使用する非線形効果を有する結晶としては、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶がある。これらの結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）デバイスを実現することができる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なＳＨＧデバイスが実現でき、ディスプレイ用途のみならず光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等に適した波長に比較的自由に設計することができ、幅広い応用が可能である。
しかし、本発明者が第二高調波を得ようと、基本光を導波路型波長変換素子に光学結合したところ、高調波の発振出力が不安定になることがあった。
本出願人は、特許第４６４６３３３において、強誘電体基板に周期分極反転構造を形成するのに際して、周期分極反転構造の分極反転面を基本波の伝搬方向に対して垂直から外すことにより、戻り光を抑制することを提案した。
また、特開２０１２−１１８５２８でも、同様に分極反転領域を傾斜させることによって、伝搬光の背面反射を低減することが提案されている。
本発明者は、固体レーザ発振体に対してファイバグレーティングを光学的に結合して外部共振器とした光源を基本波の光源として用い、高効率で高調波を発振させることを試みていた。この場合には、ファイバグレーティングを用いることで、基本波の波長幅を精密に制御して基本波の波長ズレを極力低減した。これと共に、周期分極反転構造の周期の精度を向上させることで、高い波長変換効率を達成することを試みた。基本波の波長ズレが抑制されていることによって、周期の製造精度を向上させて位相整合波長幅を小さくしても、ピークアウトによる波長変換効率の低下や不安定を抑制できるはずであった。
しかし、実際に試作してみると、やはり高調波の発振出力に経時的に変動が生ずることがあった。本発明者がこの原因を検討した結果、出力変動の原因は、前記した位相整合波長の微細なズレではなく、基本波波長と少し離れた波長の戻り光の発振であった。
本発明者は、特許第４６４６３３３、特開２０１２−１１８５２８記載のように、基本波の伝搬方向に垂直な方向に対して分極反転面を傾斜させることも試みた。しかし、戻り光による波長変換効率低下の抑制は可能であったが、本来の高い発振効率を活用することが困難であった。
本発明の課題は、戻り光の帰還に起因する変換効率の低下を抑制し、高調波出力を一層向上させることである。
本発明は、基本波の波長を変換して高調波を発生するための周期分極反転構造を備えている波長変換素子であって、
周期分極反転構造が形成された強誘電体基板を備えており、
基本波の伝搬方向に対して平行かつ上面の法線に対して平行な断面から強誘電体基板を見たときに、上面の法線に対して周期分極反転構造の縦分極反転境界が傾斜していることを特徴とする。
従来は、例えば図３（ａ）の平面図に示すように、水平分極反転境界ＰＨと光の伝搬方向ＯＥとの角度αを、直角から少し変化させることで、戻り光を抑制していた。しかし、この構造では、戻り光を十分に低減できるほど角度αを直角から大きく外すと、今度は分極反転それ自体の効率が低下するらしく、このため全体としての波長変換効率の上昇が限られていることが判明してきた。
この原因は明確ではないが、以下の二つが考えられる。
一つ目として、周期分極反転構造は、通常、電圧印加法によって形成される。ここで、上面から見た水平分極反転境界ＰＨが、強誘電体基板１１の上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して傾斜している。このため、水平分極反転境界ＰＨと方向Ｅとの偏差が大きくなると、分極反転が効率的に行われず、深さ方向への分極反転が起こりにくい傾向があるものと思われる。
二つ目として、基本波となる半導体レーザとの結合効率をあげるため、波長変換素子の分極反転部の幅は、その厚さよりも大きくなる傾向がある。図３に示したような従来技術においては、この長い幅方向に向かって分極反転境界を傾斜させていたので、光が反転部分を通るときの時間ずれが大きいものと考えられる。
これに対して、本発明によれば、基本波の伝搬方向に対して平行かつ上面の法線に対して平行な断面から強誘電体基板を見たときに、上面の法線に対して周期分極反転構造の縦分極反転境界が傾斜している。これによって、分極反転部内での劣化を抑制しつつ、戻り光の帰還に起因する変換効率の低下も十分に抑制することが可能であり、全体としての高調波出力を一層向上させることができる。
これは、相対的に短い強誘電体基板の深さ方向に向かって分極反転境界を傾斜させているので、光が反転部分を通るときの時間ずれが小さいためとも考えられる。
しかし、実際に試作してみると、やはり高調波の発振出力に経時的に変動が生ずることがあった。本発明者がこの原因を検討した結果、出力変動の原因は、前記した位相整合波長の微細なズレではなく、基本波波長と少し離れた波長の戻り光の発振であった。
本発明者は、特許第４６４６３３３、特開２０１２−１１８５２８記載のように、基本波の伝搬方向に垂直な方向に対して分極反転面を傾斜させることも試みた。しかし、戻り光による波長変換効率低下の抑制は可能であったが、本来の高い発振効率を活用することが困難であった。
本発明の課題は、戻り光の帰還に起因する変換効率の低下を抑制し、高調波出力を一層向上させることである。
本発明は、基本波の波長を変換して高調波を発生するための周期分極反転構造を備えている波長変換素子であって、
周期分極反転構造が形成された強誘電体基板を備えており、
基本波の伝搬方向に対して平行かつ上面の法線に対して平行な断面から強誘電体基板を見たときに、上面の法線に対して周期分極反転構造の縦分極反転境界が傾斜していることを特徴とする。
従来は、例えば図３（ａ）の平面図に示すように、水平分極反転境界ＰＨと光の伝搬方向ＯＥとの角度αを、直角から少し変化させることで、戻り光を抑制していた。しかし、この構造では、戻り光を十分に低減できるほど角度αを直角から大きく外すと、今度は分極反転それ自体の効率が低下するらしく、このため全体としての波長変換効率の上昇が限られていることが判明してきた。
この原因は明確ではないが、以下の二つが考えられる。
一つ目として、周期分極反転構造は、通常、電圧印加法によって形成される。ここで、上面から見た水平分極反転境界ＰＨが、強誘電体基板１１の上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して傾斜している。このため、水平分極反転境界ＰＨと方向Ｅとの偏差が大きくなると、分極反転が効率的に行われず、深さ方向への分極反転が起こりにくい傾向があるものと思われる。
二つ目として、基本波となる半導体レーザとの結合効率をあげるため、波長変換素子の分極反転部の幅は、その厚さよりも大きくなる傾向がある。図３に示したような従来技術においては、この長い幅方向に向かって分極反転境界を傾斜させていたので、光が反転部分を通るときの時間ずれが大きいものと考えられる。
これに対して、本発明によれば、基本波の伝搬方向に対して平行かつ上面の法線に対して平行な断面から強誘電体基板を見たときに、上面の法線に対して周期分極反転構造の縦分極反転境界が傾斜している。これによって、分極反転部内での劣化を抑制しつつ、戻り光の帰還に起因する変換効率の低下も十分に抑制することが可能であり、全体としての高調波出力を一層向上させることができる。
これは、相対的に短い強誘電体基板の深さ方向に向かって分極反転境界を傾斜させているので、光が反転部分を通るときの時間ずれが小さいためとも考えられる。
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係るバルク型の波長変換素子１の上面図であり、図１（ｂ）は、波長変換素子１を、光の伝搬方向ＯＥと平行かつ上面２ａの法線Ｏと平行な断面に沿って切って見た断面図である。
図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るチャンネル光導波路型の波長変換素子１０の上面図であり、図２（ｂ）は、波長変換素子１０を、光の伝搬方向ＯＥと平行かつ上面１１ａの法線Ｏと平行な断面で切って見た断面図である。
図３（ａ）は、比較例に係るチャンネル光導波路型の波長変換素子の上面図であり、図３（ｂ）は、波長変換素子の断面図である。
図４（ａ）は、本発明の実施形態に係る波長変換素子１０の模式的断面図であり、図４（ｂ）は、波長変換素子１０の上面図であり、図４（ｃ）は、波長変換素子１０を、光の伝搬方向ＯＥと平行かつ上面の法線Ｏと平行な断面で切ってみた模式的断面図であり、図４（ｄ）は、（ｃ）の拡大図である。
図５（ａ）は、一実施形態に係る波長変換素子１０の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の波長変換素子１０の断面図である。
図６は、図５の波長変換素子１０を、基本波の伝搬方向ＯＥに垂直な強誘電体基板の幅方向に切ってみた断面図である。
図７は、図５、図６の波長変換素子を模式的に示す斜視図である。
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、波長変換素子を形成するときの分極反転部の形態を説明するための図である。
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、他の波長変換素子を形成するときの分極反転部の形態を説明するための図である。
図１０は、電圧印加法によって周期分極反転構造を形成するための構成例を模式的に示す斜視図である。
図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るチャンネル光導波路型の波長変換素子１０の上面図であり、図２（ｂ）は、波長変換素子１０を、光の伝搬方向ＯＥと平行かつ上面１１ａの法線Ｏと平行な断面で切って見た断面図である。
図３（ａ）は、比較例に係るチャンネル光導波路型の波長変換素子の上面図であり、図３（ｂ）は、波長変換素子の断面図である。
図４（ａ）は、本発明の実施形態に係る波長変換素子１０の模式的断面図であり、図４（ｂ）は、波長変換素子１０の上面図であり、図４（ｃ）は、波長変換素子１０を、光の伝搬方向ＯＥと平行かつ上面の法線Ｏと平行な断面で切ってみた模式的断面図であり、図４（ｄ）は、（ｃ）の拡大図である。
図５（ａ）は、一実施形態に係る波長変換素子１０の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の波長変換素子１０の断面図である。
図６は、図５の波長変換素子１０を、基本波の伝搬方向ＯＥに垂直な強誘電体基板の幅方向に切ってみた断面図である。
図７は、図５、図６の波長変換素子を模式的に示す斜視図である。
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、波長変換素子を形成するときの分極反転部の形態を説明するための図である。
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、他の波長変換素子を形成するときの分極反転部の形態を説明するための図である。
図１０は、電圧印加法によって周期分極反転構造を形成するための構成例を模式的に示す斜視図である。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を説明する。
従来は、例えば図３（ａ）、（ｂ）に示すように、強誘電体基板１１の上面側に光導波路１２が形成されており、この中に周期分極反転構造１９が形成されている。周期分極反転構造１９は、交互に形成された分極反転部３Ａと非分極反転部４Ａとからなる。
なお、分極反転部と非分極反転部との境界が分極反転面である。分極反転面を基板上面側から見たときの境界線を水平分極反転境界ＰＨと呼ぶ。また、分極反転面を後述の基板横断面に沿って切った時に現れる境界線を縦分極反転境界ＰＶと呼ぶ。
ここで、従来は、基板を上面１１ａ側から見たときに、水平分極反転境界ＰＨと光の伝搬方向ＯＥとの角度αを、直角から少し変更して鋭角とすることで、戻り光を抑制していた（図３（ａ）参照）。このとき、光の伝搬方向ＯＥに対して平行かつ上面１１ａの法線Ｏに対して平行な断面（図３（ｂ）の断面）で見たときに、縦分極反転境界ＰＶは法線Ｏと平行である。つまり、図３（ｂ）のような基板長手方向断面で見ると、周期分極反転構造は傾斜していなかった。
しかし、前述したように、こうした波長変換素子では波長変換効率の向上に限界のある場合があった。この理由は以下のように考えられた。すなわち、図３（ａ）に示すように水平分極反転境界ＰＨの傾斜角度αを直角よりも小さくするほど、戻り光は抑制される。しかし、傾斜角度αが小さくなると、今度は各分極反転部３Ａの深さ方向への分極反転が起こりにくくなる他、光が各分極反転部３Ａを通るときの時間ずれが大きくなり、波長変換効率が低下する。このトレードオフによって、波長変換効率の向上に限界があったものと考えられる。
図１（ａ）、（ｂ）の例では、強誘電体基板２の上面２ａと底面２ｂとの間に周期分極反転構造９が形成されており、バルク状の波長変換素子１を形成している。分極反転部３と非分極反転部４とは、基本波の伝搬方向ＯＥに向かって交互に配列されている。２ｃは入射面であり、２ｄは出射面である。
ここで、本例では、強誘電体基板２の上面２ａから見たときに（図１（ａ）参照）、基本波の伝搬方向ＯＥに対して水平分極反転境界ＰＨが略垂直である。これに対して、基本波の進行方向ＯＥに対して平行かつ上面２ａの法線Ｏに対して平行な断面（図１（ｂ）参照）で切って見たときには、基板深さ方向の縦分極反転境界ＰＶが法線Ｏに対して傾斜している。
図１（ｂ）に示すように、基板深さ方向に見たときの縦分極反転境界ＰＶと基板上面の法線Ｏとが平行ではないので、戻り光を抑制できる。これと同時に、図１（ａ）に示すように、上面側から見ると水平分極反転境界ＰＨは基本波の伝搬方向ＯＥに対して垂直である。
図２（ａ）、（ｂ）の波長変換素子１０では、強誘電体基板１１にチャンネル型光導波路１２が形成されており、かつ上面１１ａと底面１１ｂとの間に周期分極反転構造９が形成されている。光導波路１２内を伝搬する基本波は周期分極反転構造によって波長変換を受ける。分極反転部３と非分極反転部４とは、基本波の伝搬方向ＯＥに向かって交互に配列されている。１１ｃは入射面であり、１１ｄは出射面である。
本例では、強誘電体基板１１の上面１１ａから見たときに（図２（ａ）参照）、基本波の伝搬方向ＯＥに対して水平分極反転境界ＰＨが略垂直である。これに対して、基本波の進行方向ＯＥに対して平行かつ上面１１ａの法線Ｏに対して平行な断面（図２（ｂ）参照）で切って見たときには、縦分極反転境界ＰＶが法線Ｏに対して傾斜している。
そして、図２（ｂ）に示すように、縦分極反転境界ＰＶが法線Ｏに対して傾斜しているので、戻り光を抑制できる。これと同時に、図２（ａ）に示すように、上面側から見ると水平分極反転境界ＰＨは基本波の伝搬方向ＯＥに対して垂直である。
また、図２の例では、強誘電体基板１１の底面１１ｂは、別体の支持基板１３に接着されており、全体として一体の波長変換素子１０を形成している。
以下、更に詳細に説明する。
本発明の波長変換素子では、基本波の波長を変換して高調波を発振する。
基本波となるレーザ光は特に限定されないが、半導体レーザー、ＮｄドープＹＡＧレーザー、ＮｄドープＹＶＯ４レーザーが好ましい。
また、基本波の波長は特に限定されないが、一般に６６０〜２０００ｎｍとすることができ、７１０〜１６００ｎｍが特に好適である。
高調波の波長は、目的に応じて選択するが、二次高調波が好ましく、三次高調波、四次高調波であってもよい。
強誘電体基板は、基本波の入射面、基本波および高調波の出射面、上面および底面を有しており、内部に周期分極反転構造が形成されている。
強誘電体基板の材質は強誘電体単結晶が好ましい。これは、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。
強誘電体単結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希上類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希上類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
周期分極反転構造は、チャンネル型光導波路内に形成されていてよい。この場合には、チャンネル型光導波路は、接合層あるいは基板から突出するリッジ型の波長変換素子であってよく、非線形光学結晶を加工、例えば機械加工やレーザ加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。そして、チャンネル型光導波路が、非晶質材料からなる接着層を介して基板に接合されている。あるいは、光導波路が、チタン拡散などの金属拡散法やプロトン交換法によって形成されていてよい。
また、チャンネル型光導波路は、強誘電体単結晶からなるＹ板またはオフカットＹ板（Ｘ板、オフカットＸ板）に設けられていてよい。
また、周期分極反転構造が強誘電体単結晶のバルク基板中に設けられていてよい。また、バルク状の強誘電体基板内を基本波および高調波がスラブモードで伝搬する。
好適な実施形態においては、例えば図２に示すように、強誘電体基板の底面を支持基板に接着することができ、この場合は接着層を設けることができる。
また、強誘電体基板に対して、アンダークラッド、オーバークラッドを設けることもできる。アンダークラッド、オーバークラッドの材質は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナ、五酸化タンタルを例示できる。
接着層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。
支持基板１３の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Ｓｉなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、強誘電体基板と支持基板とを同じ材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。
本発明では、基本波の伝搬方向ＯＥに対して平行かつ強誘電体基板の上面２ａ、１１ａの法線Ｏに対して平行な断面で強誘電体基板２、１１を切って見たときに、上面２ａ、１１ａの法線Ｏに対して周期分極反転構造の縦分極反転境界ＰＶが傾斜している。
この上面２ａ、１１ａの法線Ｏと縦分極反転境界ＰＶが作る傾斜角度βは、戻り光の抑制による高調波発生効率の改善という観点からは、１°以上が好ましく、３°以上が更に好ましい。また、この傾斜角度βが大きくなると波長変換が低減するので、この観点からは、２５°以下が好ましく、１５°以下が更に好ましい。
好適な実施形態においては、強誘電体基板を上面から平面的に見たときに、基本波の伝搬方向と水平分極反転境界ＰＨとが略垂直である。図１、図２はこの実施形態に係るものであり、基本波の伝搬方向ＯＥと縦分極反転境界ＰＶとのなす角αが略直角である。ここで、αは厳密に９０°である必要はなく、製造上の誤差は許容するものとする。
次に、図４〜図８を参照しつつ、本発明の強誘電体基板の更なる具体例について述べる。
本実施形態では、図５〜図７に示すように、強誘電体基板１１の底面１１ｂが、接着層１４を介して、別体の支持基板１３に対して接着されている。
ここで、強誘電体基板１１には、本発明による周期分極反転構造が形成されている。この形成方法について、図４、図８および図１０を参照しつつ述べる。なお、図４では各軸の傾斜角度が小さくわかりにくいため、図８では各傾斜角度を誇張して図示することで見易くしてある。
ここで、強誘電体基板１１は、オフカットＹ板を用いており、分極軸（Ｚ軸）の方向が、強誘電体基板の上面１１ａに対して傾斜している。すなわち、図４（ａ）、図８（ａ）、図１０に示すように、表面１１ａに対して分極軸が角度ＯＣだけ傾斜している。この傾斜角度ＯＣがオフカット角である。
強誘電体基板１１の上面１１ａには櫛形電極２２および対向電極２１が形成されており、櫛形電極２２から対向電極２１へと向かって多数の細長い電極片２３が形成されている。符号Ｖは、電極片２３の長手方向である。また、強誘電体基板１１の底面１１ｂ上には一様電極２０が形成されている。本例では、電極片２３の長手方向Ｖは、光の伝搬方向ＯＥに対して垂直である。
櫛形電極２２と一様電極２０との間に電圧Ｖ２を印加し、周期分極反転構造を形成する。また、対向電極２１に対しては、電圧Ｖ１を印加するか、あるいは対向電極２１を浮き電極とする。
なお、符号Ｅは、強誘電体基板１１の上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向を指す。
また、図４（ｂ）、図８（ｂ）の上面図に示すように、Ｚ軸を上面１１ａに対して投影すると、上面１１ａに投影されたＺ軸は、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜している。また、Ｚ軸を上面１１ａに対して投影した方向は、電極片２３の長手方向Ｖに対して角度ε傾斜している。
なお、図８（ａ）には、Ｚ軸およびオフカット角ＯＣを図示してある。しかし、正確には、上面１１ａに投影されたＺ軸は、図８（ｂ）に示すように、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜している。従って、図８（ａ）の面には、Ｚ軸をその面に投影した投影図が現れ、また図８（ａ）の面に投影されるオフカット角は、ＯＣと若干異なる。しかし、説明の便宜上、図８（ａ）にＺ軸およびオフカット角ＯＣをそのまま図示してある。
本例では、図８（ａ）に示すように、＋Ｚ軸が上面１１ａ側へと向かっており、分極反転は、−Ｚ軸方向へ向かって進展する。一方、図４（ｂ）、図８（ｂ）に示すように、櫛形電極の電極片の長手方向Ｖは、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して平行とする。
分極反転は、図８（ａ）に示すように、基板内部に向かってオフカット角度ＯＣだけ傾斜した方向（−Ｚ軸方向）へと進展する。
この結果、例えば上面のＡ点から始まった分極反転は、基板の底面側ではＡ’点へと向かい、ここを通過する。つまり、分極反転は、立体的に見るとＡ点からＡ’点へと向かって進展する。
このＡ点からＡ’点へと向かう分極反転方向を上面１１ａに投影すると、投影された分極反転方向ｅとなる（図４（ｂ）、図８（ｂ）参照）。従って、分極反転が進展する方向を上面１１ａに投影した方向ｅは、電極片の長手方向Ｖから見て、角度εだけ傾斜し、また、上面１１ａにおいて光伝搬方向に垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜する。
この結果、点Ａ’を上面１１ａに投影した点Ａ’’（図４（ｄ）、図８（ｃ）参照）と電極までの間に位置偏差ｔが生ずる。この位置偏差ｔは、強誘電体基板を横断面で切って見たときの縦分極反転境界ＰＶの傾斜角度βに対応する。
この傾斜角度βは、位置偏差ｔと基板厚さによって決まる。分極反転部の厚さ（法線Ｏ方向の長さ）は分極反転部の方向Ｅの長さＬに比べて短いので、位置偏差ｔが小さくても角度βを大きくできる。位置偏差ｔが小さいので光が反転部分を通るときの時間ずれを小さくすることができる。
なお、図４（ａ）、図８（ａ）には、Ａ点とＡ’点とが図示されているが、実際には、図４（ｂ）、図８（ｂ）に示すように、分極反転方向を上面１１ａに投影した方向ｅは、方向Ｅに対して角度ε傾斜している。このため、図４（ａ）、図８（ａ）の面に点Ａが現れている場合、正確には点Ａ’は、図４（ａ）、図８（ａ）よりも位置偏差ｔだけ外れた位置にあり、図４（ａ）、図８（ａ）の面には現れない。しかし、説明の便宜上、図４（ａ）、図８（ａ）に点Ａと点Ａ’とを図示してある。
なお、例えば図５、図６に示すように、強誘電体基板１１の上面１１ａ上にオーバークラッド７を設けることができ、また、強誘電体基板１１の底面１１ｂにアンダークラッド８を設けることができる。
また、チャンネル型光導波路を形成するには、例えば図６に示すように、一対の溝１６を形成することによって、これらの間にリッジ型の光導波路１２を形成することができる。光導波路１２内には、本発明に従って周期分極反転構造を形成する。なお、光導波路１２内部にも内拡散法によって拡散部を形成することができる。なお、図５（ａ），図４（ｃ）において、Ｆは基本波であり、Ｈは高調波である。
また、強誘電体基板を上面から平面的に見たときに、基本波の伝搬方向と水平分極反転境界ＰＨとのなす角を鋭角にすることもできる。すなわち、図１（ａ）に示す基本波の伝搬方向ＯＥと水平分極反転境界ＰＨとのなす角αが鋭角である。
基本波の伝搬方向ＯＥと水平分極反転境界ＰＨとがなす角αを鋭角とするのに際して、同時に上面の法線Ｏに対して縦分極反転境界ＰＶを角度β傾斜させることで、従来より直角に近い角αで戻り光を低減できる。
図９はこの実施形態に係る。本実施形態では、強誘電体基板１１には、本発明による周期分極反転構造が形成されている。この形成方法について述べる。なお、図９では各傾斜角度を誇張して図示することで見易くしてある。
ここで、強誘電体基板１１は、オフカットＹ板を用いており、図９（ａ）に示すように、基板表面１１ａに対して分極軸（Ｚ軸）が角度ＯＣだけ傾斜している。この傾斜角度ＯＣがオフカット角である。
ここで、図９（ｂ）の上面図に示すように、Ｚ軸を基板上面１１ａに対して投影すると、上面１１ａに投影されたＺ軸は、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して略垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜している。
なお、図９（ａ）には、図８（ａ）と同様に、説明の便宜上、Ｚ軸およびオフカット角ＯＣを図示してある。
本例では、図９（ａ）に示すように、＋Ｚ軸が上面１１ａ側へと向かっており、分極反転は、−Ｚ軸方向へ向かって進展する。一方、図９（ｂ）に示すように、櫛形電極の電極片の長手方向Ｖは、方向Ｅに対して、角度γだけ傾斜させる。
そして、基板上面において、櫛形電極から電圧を印加し、分極反転を進展させる。
すると、分極反転は、図９（ａ）に示すように、基板内部に向かってオフカット角度ＯＣだけ傾斜した方向へと進展する。
例えば上面のＡ点から始まった分極反転は、基板の底面側ではＡ’点へと向かい、ここで終了する。つまり、分極反転は、立体的に見るとＡ点からＡ’点へと向かって進展する。これにより、基本波の伝搬方向ＯＥと水平分極反転境界ＰＨとがなす角αを鋭角としつつ、同時に上面の法線Ｏに対して縦分極反転境界ＰＶを角度β傾斜させることができる。
なお、図９（ａ）には、Ａ点とＡ’点とが図示されているが、実際には、図９（ｂ）に示すように、分極反転方向を上面１１ａに投影した方向ｅは、方向Ｅに対して角度ε傾斜している。しかし、説明の便宜上、図９（ａ）に点Ａと点Ａ’とを図示してある。
本実施形態では、αは９０°未満であれば特に限定されないが、後述するような断面方向における傾斜角度βとの相乗作用という観点からは、８９．９°以下が好ましく、８９．７°以下がさらに好ましい。また、αが小さくなりすぎると、分極反転効率の低下からかえって波長変換効率が低下する傾向がある。この観点からは、αは、８８°以上が好ましく、８９°以上がさらに好ましい。
従来は、例えば図３（ａ）、（ｂ）に示すように、強誘電体基板１１の上面側に光導波路１２が形成されており、この中に周期分極反転構造１９が形成されている。周期分極反転構造１９は、交互に形成された分極反転部３Ａと非分極反転部４Ａとからなる。
なお、分極反転部と非分極反転部との境界が分極反転面である。分極反転面を基板上面側から見たときの境界線を水平分極反転境界ＰＨと呼ぶ。また、分極反転面を後述の基板横断面に沿って切った時に現れる境界線を縦分極反転境界ＰＶと呼ぶ。
ここで、従来は、基板を上面１１ａ側から見たときに、水平分極反転境界ＰＨと光の伝搬方向ＯＥとの角度αを、直角から少し変更して鋭角とすることで、戻り光を抑制していた（図３（ａ）参照）。このとき、光の伝搬方向ＯＥに対して平行かつ上面１１ａの法線Ｏに対して平行な断面（図３（ｂ）の断面）で見たときに、縦分極反転境界ＰＶは法線Ｏと平行である。つまり、図３（ｂ）のような基板長手方向断面で見ると、周期分極反転構造は傾斜していなかった。
しかし、前述したように、こうした波長変換素子では波長変換効率の向上に限界のある場合があった。この理由は以下のように考えられた。すなわち、図３（ａ）に示すように水平分極反転境界ＰＨの傾斜角度αを直角よりも小さくするほど、戻り光は抑制される。しかし、傾斜角度αが小さくなると、今度は各分極反転部３Ａの深さ方向への分極反転が起こりにくくなる他、光が各分極反転部３Ａを通るときの時間ずれが大きくなり、波長変換効率が低下する。このトレードオフによって、波長変換効率の向上に限界があったものと考えられる。
図１（ａ）、（ｂ）の例では、強誘電体基板２の上面２ａと底面２ｂとの間に周期分極反転構造９が形成されており、バルク状の波長変換素子１を形成している。分極反転部３と非分極反転部４とは、基本波の伝搬方向ＯＥに向かって交互に配列されている。２ｃは入射面であり、２ｄは出射面である。
ここで、本例では、強誘電体基板２の上面２ａから見たときに（図１（ａ）参照）、基本波の伝搬方向ＯＥに対して水平分極反転境界ＰＨが略垂直である。これに対して、基本波の進行方向ＯＥに対して平行かつ上面２ａの法線Ｏに対して平行な断面（図１（ｂ）参照）で切って見たときには、基板深さ方向の縦分極反転境界ＰＶが法線Ｏに対して傾斜している。
図１（ｂ）に示すように、基板深さ方向に見たときの縦分極反転境界ＰＶと基板上面の法線Ｏとが平行ではないので、戻り光を抑制できる。これと同時に、図１（ａ）に示すように、上面側から見ると水平分極反転境界ＰＨは基本波の伝搬方向ＯＥに対して垂直である。
図２（ａ）、（ｂ）の波長変換素子１０では、強誘電体基板１１にチャンネル型光導波路１２が形成されており、かつ上面１１ａと底面１１ｂとの間に周期分極反転構造９が形成されている。光導波路１２内を伝搬する基本波は周期分極反転構造によって波長変換を受ける。分極反転部３と非分極反転部４とは、基本波の伝搬方向ＯＥに向かって交互に配列されている。１１ｃは入射面であり、１１ｄは出射面である。
本例では、強誘電体基板１１の上面１１ａから見たときに（図２（ａ）参照）、基本波の伝搬方向ＯＥに対して水平分極反転境界ＰＨが略垂直である。これに対して、基本波の進行方向ＯＥに対して平行かつ上面１１ａの法線Ｏに対して平行な断面（図２（ｂ）参照）で切って見たときには、縦分極反転境界ＰＶが法線Ｏに対して傾斜している。
そして、図２（ｂ）に示すように、縦分極反転境界ＰＶが法線Ｏに対して傾斜しているので、戻り光を抑制できる。これと同時に、図２（ａ）に示すように、上面側から見ると水平分極反転境界ＰＨは基本波の伝搬方向ＯＥに対して垂直である。
また、図２の例では、強誘電体基板１１の底面１１ｂは、別体の支持基板１３に接着されており、全体として一体の波長変換素子１０を形成している。
以下、更に詳細に説明する。
本発明の波長変換素子では、基本波の波長を変換して高調波を発振する。
基本波となるレーザ光は特に限定されないが、半導体レーザー、ＮｄドープＹＡＧレーザー、ＮｄドープＹＶＯ４レーザーが好ましい。
また、基本波の波長は特に限定されないが、一般に６６０〜２０００ｎｍとすることができ、７１０〜１６００ｎｍが特に好適である。
高調波の波長は、目的に応じて選択するが、二次高調波が好ましく、三次高調波、四次高調波であってもよい。
強誘電体基板は、基本波の入射面、基本波および高調波の出射面、上面および底面を有しており、内部に周期分極反転構造が形成されている。
強誘電体基板の材質は強誘電体単結晶が好ましい。これは、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。
強誘電体単結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希上類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希上類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
周期分極反転構造は、チャンネル型光導波路内に形成されていてよい。この場合には、チャンネル型光導波路は、接合層あるいは基板から突出するリッジ型の波長変換素子であってよく、非線形光学結晶を加工、例えば機械加工やレーザ加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。そして、チャンネル型光導波路が、非晶質材料からなる接着層を介して基板に接合されている。あるいは、光導波路が、チタン拡散などの金属拡散法やプロトン交換法によって形成されていてよい。
また、チャンネル型光導波路は、強誘電体単結晶からなるＹ板またはオフカットＹ板（Ｘ板、オフカットＸ板）に設けられていてよい。
また、周期分極反転構造が強誘電体単結晶のバルク基板中に設けられていてよい。また、バルク状の強誘電体基板内を基本波および高調波がスラブモードで伝搬する。
好適な実施形態においては、例えば図２に示すように、強誘電体基板の底面を支持基板に接着することができ、この場合は接着層を設けることができる。
また、強誘電体基板に対して、アンダークラッド、オーバークラッドを設けることもできる。アンダークラッド、オーバークラッドの材質は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナ、五酸化タンタルを例示できる。
接着層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。
支持基板１３の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Ｓｉなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、強誘電体基板と支持基板とを同じ材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。
本発明では、基本波の伝搬方向ＯＥに対して平行かつ強誘電体基板の上面２ａ、１１ａの法線Ｏに対して平行な断面で強誘電体基板２、１１を切って見たときに、上面２ａ、１１ａの法線Ｏに対して周期分極反転構造の縦分極反転境界ＰＶが傾斜している。
この上面２ａ、１１ａの法線Ｏと縦分極反転境界ＰＶが作る傾斜角度βは、戻り光の抑制による高調波発生効率の改善という観点からは、１°以上が好ましく、３°以上が更に好ましい。また、この傾斜角度βが大きくなると波長変換が低減するので、この観点からは、２５°以下が好ましく、１５°以下が更に好ましい。
好適な実施形態においては、強誘電体基板を上面から平面的に見たときに、基本波の伝搬方向と水平分極反転境界ＰＨとが略垂直である。図１、図２はこの実施形態に係るものであり、基本波の伝搬方向ＯＥと縦分極反転境界ＰＶとのなす角αが略直角である。ここで、αは厳密に９０°である必要はなく、製造上の誤差は許容するものとする。
次に、図４〜図８を参照しつつ、本発明の強誘電体基板の更なる具体例について述べる。
本実施形態では、図５〜図７に示すように、強誘電体基板１１の底面１１ｂが、接着層１４を介して、別体の支持基板１３に対して接着されている。
ここで、強誘電体基板１１には、本発明による周期分極反転構造が形成されている。この形成方法について、図４、図８および図１０を参照しつつ述べる。なお、図４では各軸の傾斜角度が小さくわかりにくいため、図８では各傾斜角度を誇張して図示することで見易くしてある。
ここで、強誘電体基板１１は、オフカットＹ板を用いており、分極軸（Ｚ軸）の方向が、強誘電体基板の上面１１ａに対して傾斜している。すなわち、図４（ａ）、図８（ａ）、図１０に示すように、表面１１ａに対して分極軸が角度ＯＣだけ傾斜している。この傾斜角度ＯＣがオフカット角である。
強誘電体基板１１の上面１１ａには櫛形電極２２および対向電極２１が形成されており、櫛形電極２２から対向電極２１へと向かって多数の細長い電極片２３が形成されている。符号Ｖは、電極片２３の長手方向である。また、強誘電体基板１１の底面１１ｂ上には一様電極２０が形成されている。本例では、電極片２３の長手方向Ｖは、光の伝搬方向ＯＥに対して垂直である。
櫛形電極２２と一様電極２０との間に電圧Ｖ２を印加し、周期分極反転構造を形成する。また、対向電極２１に対しては、電圧Ｖ１を印加するか、あるいは対向電極２１を浮き電極とする。
なお、符号Ｅは、強誘電体基板１１の上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向を指す。
また、図４（ｂ）、図８（ｂ）の上面図に示すように、Ｚ軸を上面１１ａに対して投影すると、上面１１ａに投影されたＺ軸は、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜している。また、Ｚ軸を上面１１ａに対して投影した方向は、電極片２３の長手方向Ｖに対して角度ε傾斜している。
なお、図８（ａ）には、Ｚ軸およびオフカット角ＯＣを図示してある。しかし、正確には、上面１１ａに投影されたＺ軸は、図８（ｂ）に示すように、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜している。従って、図８（ａ）の面には、Ｚ軸をその面に投影した投影図が現れ、また図８（ａ）の面に投影されるオフカット角は、ＯＣと若干異なる。しかし、説明の便宜上、図８（ａ）にＺ軸およびオフカット角ＯＣをそのまま図示してある。
本例では、図８（ａ）に示すように、＋Ｚ軸が上面１１ａ側へと向かっており、分極反転は、−Ｚ軸方向へ向かって進展する。一方、図４（ｂ）、図８（ｂ）に示すように、櫛形電極の電極片の長手方向Ｖは、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して平行とする。
分極反転は、図８（ａ）に示すように、基板内部に向かってオフカット角度ＯＣだけ傾斜した方向（−Ｚ軸方向）へと進展する。
この結果、例えば上面のＡ点から始まった分極反転は、基板の底面側ではＡ’点へと向かい、ここを通過する。つまり、分極反転は、立体的に見るとＡ点からＡ’点へと向かって進展する。
このＡ点からＡ’点へと向かう分極反転方向を上面１１ａに投影すると、投影された分極反転方向ｅとなる（図４（ｂ）、図８（ｂ）参照）。従って、分極反転が進展する方向を上面１１ａに投影した方向ｅは、電極片の長手方向Ｖから見て、角度εだけ傾斜し、また、上面１１ａにおいて光伝搬方向に垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜する。
この結果、点Ａ’を上面１１ａに投影した点Ａ’’（図４（ｄ）、図８（ｃ）参照）と電極までの間に位置偏差ｔが生ずる。この位置偏差ｔは、強誘電体基板を横断面で切って見たときの縦分極反転境界ＰＶの傾斜角度βに対応する。
この傾斜角度βは、位置偏差ｔと基板厚さによって決まる。分極反転部の厚さ（法線Ｏ方向の長さ）は分極反転部の方向Ｅの長さＬに比べて短いので、位置偏差ｔが小さくても角度βを大きくできる。位置偏差ｔが小さいので光が反転部分を通るときの時間ずれを小さくすることができる。
なお、図４（ａ）、図８（ａ）には、Ａ点とＡ’点とが図示されているが、実際には、図４（ｂ）、図８（ｂ）に示すように、分極反転方向を上面１１ａに投影した方向ｅは、方向Ｅに対して角度ε傾斜している。このため、図４（ａ）、図８（ａ）の面に点Ａが現れている場合、正確には点Ａ’は、図４（ａ）、図８（ａ）よりも位置偏差ｔだけ外れた位置にあり、図４（ａ）、図８（ａ）の面には現れない。しかし、説明の便宜上、図４（ａ）、図８（ａ）に点Ａと点Ａ’とを図示してある。
なお、例えば図５、図６に示すように、強誘電体基板１１の上面１１ａ上にオーバークラッド７を設けることができ、また、強誘電体基板１１の底面１１ｂにアンダークラッド８を設けることができる。
また、チャンネル型光導波路を形成するには、例えば図６に示すように、一対の溝１６を形成することによって、これらの間にリッジ型の光導波路１２を形成することができる。光導波路１２内には、本発明に従って周期分極反転構造を形成する。なお、光導波路１２内部にも内拡散法によって拡散部を形成することができる。なお、図５（ａ），図４（ｃ）において、Ｆは基本波であり、Ｈは高調波である。
また、強誘電体基板を上面から平面的に見たときに、基本波の伝搬方向と水平分極反転境界ＰＨとのなす角を鋭角にすることもできる。すなわち、図１（ａ）に示す基本波の伝搬方向ＯＥと水平分極反転境界ＰＨとのなす角αが鋭角である。
基本波の伝搬方向ＯＥと水平分極反転境界ＰＨとがなす角αを鋭角とするのに際して、同時に上面の法線Ｏに対して縦分極反転境界ＰＶを角度β傾斜させることで、従来より直角に近い角αで戻り光を低減できる。
図９はこの実施形態に係る。本実施形態では、強誘電体基板１１には、本発明による周期分極反転構造が形成されている。この形成方法について述べる。なお、図９では各傾斜角度を誇張して図示することで見易くしてある。
ここで、強誘電体基板１１は、オフカットＹ板を用いており、図９（ａ）に示すように、基板表面１１ａに対して分極軸（Ｚ軸）が角度ＯＣだけ傾斜している。この傾斜角度ＯＣがオフカット角である。
ここで、図９（ｂ）の上面図に示すように、Ｚ軸を基板上面１１ａに対して投影すると、上面１１ａに投影されたＺ軸は、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して略垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜している。
なお、図９（ａ）には、図８（ａ）と同様に、説明の便宜上、Ｚ軸およびオフカット角ＯＣを図示してある。
本例では、図９（ａ）に示すように、＋Ｚ軸が上面１１ａ側へと向かっており、分極反転は、−Ｚ軸方向へ向かって進展する。一方、図９（ｂ）に示すように、櫛形電極の電極片の長手方向Ｖは、方向Ｅに対して、角度γだけ傾斜させる。
そして、基板上面において、櫛形電極から電圧を印加し、分極反転を進展させる。
すると、分極反転は、図９（ａ）に示すように、基板内部に向かってオフカット角度ＯＣだけ傾斜した方向へと進展する。
例えば上面のＡ点から始まった分極反転は、基板の底面側ではＡ’点へと向かい、ここで終了する。つまり、分極反転は、立体的に見るとＡ点からＡ’点へと向かって進展する。これにより、基本波の伝搬方向ＯＥと水平分極反転境界ＰＨとがなす角αを鋭角としつつ、同時に上面の法線Ｏに対して縦分極反転境界ＰＶを角度β傾斜させることができる。
なお、図９（ａ）には、Ａ点とＡ’点とが図示されているが、実際には、図９（ｂ）に示すように、分極反転方向を上面１１ａに投影した方向ｅは、方向Ｅに対して角度ε傾斜している。しかし、説明の便宜上、図９（ａ）に点Ａと点Ａ’とを図示してある。
本実施形態では、αは９０°未満であれば特に限定されないが、後述するような断面方向における傾斜角度βとの相乗作用という観点からは、８９．９°以下が好ましく、８９．７°以下がさらに好ましい。また、αが小さくなりすぎると、分極反転効率の低下からかえって波長変換効率が低下する傾向がある。この観点からは、αは、８８°以上が好ましく、８９°以上がさらに好ましい。
（実施例Ａ１）
図１〜図８に示すような形態の波長変換素子を作製した。
具体的には、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム度オフカットＹ基板の上面に、櫛形電極および対向電極を形成し、底面に一様電極を形成した。電圧印加法によって周期５．０８μｍの周期分極反転構造を形成した。
一方、厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板に接着剤を塗布した。次いで、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を、厚さ３．５μｍとなるまで研削、研磨し、薄板を作製した。
次いで、この薄板に、レーザーアブレーション加工法により、リッジ型のチャンネル光導波路を形成した。光導波路の形成後、厚さ０．５μｍのＳｉＯ２オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。ダイサーで長さ９ｍｍ、幅１．０ｍｍで波長変換素子を切断した後、端面を研磨し反射防止膜を施した。
各条件を以下に示す。
ＯＣ： ５°
ε： ０．５°
Ｌ： ４０μｍ
ｔ：０．３５μｍ
β： ５．７°
得られた波長変換素子において、半導体レーザを使用して光学特性を測定した。レーザ光源からの発振出力を３５０ｍＷに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に入力し、８２ｍＷのＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は９７６．１ｎｍであった。測定は室温（２５℃）にて行った。半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
（実施例Ａ２〜Ａ５）
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、各パラメーターを以下のように変化させた。
ε： ０．１°（実施例Ａ２）、 ０．３°（実施例Ａ３）
１°（実施例Ａ４）、 ２°（実施例Ａ５）
ｔ： ０．０７μｍ（実施例Ａ２）、 ０．２１μｍ（実施例Ａ３）
０．７μｍ（実施例Ａ４）、 １．４μｍ（実施例Ａ５）
β： １．１°（実施例Ａ２）、 ３．４°（実施例Ａ３）
１１°（実施例Ａ４）、 ２２°（実施例Ａ５）
実施例Ａ１と同様に発振出力を測定したところ、以下のＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は９７５．９〜９７６．４ｎｍであった。測定は室温（２５℃）にて行った。この基本光の波長の差は各実施例に対し、試作したＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の厚さばらつきに起因するものである。各実施例に対して半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
実施例Ａ２： ８４ ｍＷ
実施例Ａ３： ８３．５ｍＷ
実施例Ａ４： ７６ ｍＷ
実施例Ａ５： ６１ ｍＷ
（比較例１）
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。
ただし、実施例Ａ１とは異なり、図３に示すように、角度αを８４．３°とした。また、電圧印加方向Ｖと光の伝搬方向ＯＥとは垂直である。
実施例Ａ１と同様にしてＳＨＧ発振出力を測定したところ、ＳＨＧ出力は４９．７ｍＷであり、その際の基本光の波長は９７６．４ｎｍであった。測定は室温（２５℃）にて行った。半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
（実施例Ｂ１）
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、図９に示すような形態とした。各パラメーターを以下のように変化させた。
ＯＣ： ５°
ε： ０．２°
γ： ０．３°
Ｌ： ４０μｍ
β： ５．７°
実施例Ａ１と同様にＳＨＧ発振出力を測定したところ、ＳＨＧ出力は８２．５ｍＷであり、その際の基本光の波長は９７６．２ｎｍであった。測定は室温（２５℃）にて行った。半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
（実施例Ｂ２〜Ｂ５）
実施例Ｂ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、各パラメーターを以下のように変化させた。
ε： ０．２°（実施例Ｂ２）、 ０．２°（実施例Ｂ３）
０．２°（実施例Ｂ４）、 ０．２°（実施例Ｂ５）
γ： ０．１°（実施例Ｂ２）、 ０．５°（実施例Ｂ３）
１°（実施例Ｂ４）、 ２°（実施例Ｂ５）
β： ３．４°（実施例Ｂ２）、 ８°（実施例Ｂ３）
１３．５°（実施例Ｂ４）、 ２４°（実施例Ｂ５）
実施例Ａ１と同様に発振出力を測定したところ、以下のＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は９７５．９〜９７６．５ｎｍであった。測定は室温（２５℃）にて行った。この基本光の波長の差は各実施例に対し、試作したＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の厚さばらつきに起因するものである。各実施例に対して半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
実施例Ｂ２： ８４ ｍＷ
実施例Ｂ３： ８１．５ ｍＷ
実施例Ｂ４： ７３ ｍＷ
実施例Ｂ５： ５８ ｍＷ
図１〜図８に示すような形態の波長変換素子を作製した。
具体的には、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム度オフカットＹ基板の上面に、櫛形電極および対向電極を形成し、底面に一様電極を形成した。電圧印加法によって周期５．０８μｍの周期分極反転構造を形成した。
一方、厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板に接着剤を塗布した。次いで、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を、厚さ３．５μｍとなるまで研削、研磨し、薄板を作製した。
次いで、この薄板に、レーザーアブレーション加工法により、リッジ型のチャンネル光導波路を形成した。光導波路の形成後、厚さ０．５μｍのＳｉＯ２オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。ダイサーで長さ９ｍｍ、幅１．０ｍｍで波長変換素子を切断した後、端面を研磨し反射防止膜を施した。
各条件を以下に示す。
ＯＣ： ５°
ε： ０．５°
Ｌ： ４０μｍ
ｔ：０．３５μｍ
β： ５．７°
得られた波長変換素子において、半導体レーザを使用して光学特性を測定した。レーザ光源からの発振出力を３５０ｍＷに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に入力し、８２ｍＷのＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は９７６．１ｎｍであった。測定は室温（２５℃）にて行った。半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
（実施例Ａ２〜Ａ５）
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、各パラメーターを以下のように変化させた。
ε： ０．１°（実施例Ａ２）、 ０．３°（実施例Ａ３）
１°（実施例Ａ４）、 ２°（実施例Ａ５）
ｔ： ０．０７μｍ（実施例Ａ２）、 ０．２１μｍ（実施例Ａ３）
０．７μｍ（実施例Ａ４）、 １．４μｍ（実施例Ａ５）
β： １．１°（実施例Ａ２）、 ３．４°（実施例Ａ３）
１１°（実施例Ａ４）、 ２２°（実施例Ａ５）
実施例Ａ１と同様に発振出力を測定したところ、以下のＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は９７５．９〜９７６．４ｎｍであった。測定は室温（２５℃）にて行った。この基本光の波長の差は各実施例に対し、試作したＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の厚さばらつきに起因するものである。各実施例に対して半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
実施例Ａ２： ８４ ｍＷ
実施例Ａ３： ８３．５ｍＷ
実施例Ａ４： ７６ ｍＷ
実施例Ａ５： ６１ ｍＷ
（比較例１）
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。
ただし、実施例Ａ１とは異なり、図３に示すように、角度αを８４．３°とした。また、電圧印加方向Ｖと光の伝搬方向ＯＥとは垂直である。
実施例Ａ１と同様にしてＳＨＧ発振出力を測定したところ、ＳＨＧ出力は４９．７ｍＷであり、その際の基本光の波長は９７６．４ｎｍであった。測定は室温（２５℃）にて行った。半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
（実施例Ｂ１）
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、図９に示すような形態とした。各パラメーターを以下のように変化させた。
ＯＣ： ５°
ε： ０．２°
γ： ０．３°
Ｌ： ４０μｍ
β： ５．７°
実施例Ａ１と同様にＳＨＧ発振出力を測定したところ、ＳＨＧ出力は８２．５ｍＷであり、その際の基本光の波長は９７６．２ｎｍであった。測定は室温（２５℃）にて行った。半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
（実施例Ｂ２〜Ｂ５）
実施例Ｂ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、各パラメーターを以下のように変化させた。
ε： ０．２°（実施例Ｂ２）、 ０．２°（実施例Ｂ３）
０．２°（実施例Ｂ４）、 ０．２°（実施例Ｂ５）
γ： ０．１°（実施例Ｂ２）、 ０．５°（実施例Ｂ３）
１°（実施例Ｂ４）、 ２°（実施例Ｂ５）
β： ３．４°（実施例Ｂ２）、 ８°（実施例Ｂ３）
１３．５°（実施例Ｂ４）、 ２４°（実施例Ｂ５）
実施例Ａ１と同様に発振出力を測定したところ、以下のＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は９７５．９〜９７６．５ｎｍであった。測定は室温（２５℃）にて行った。この基本光の波長の差は各実施例に対し、試作したＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の厚さばらつきに起因するものである。各実施例に対して半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
実施例Ｂ２： ８４ ｍＷ
実施例Ｂ３： ８１．５ ｍＷ
実施例Ｂ４： ７３ ｍＷ
実施例Ｂ５： ５８ ｍＷ
本発明は、波長変換素子に関するものである。
青色レーザはGaN系の半導体材料により商品化され、ディスプレイ用光源として既に実用化されている。現在は、GaN系半導体レーザで発振波長の長波長化が進められ、緑色帯近くまでレーザ発振が確認されつつある。しかしながら、商品化されている青色レーザを含め、GaN系半導体レーザは消費電力が大きいという課題を有する。
一方、波長変換素子を用いたレーザは、組立の部品点数が多くなるが、消費電力が小さく、また、導波路から出力されるビーム品質も良好なため、GaN系半導体レーザと同一の光出力であっても、光の利用効率が高いという利点を有する。また、波長が安定していることから、計測用途には低雑音の測定ができるという特長を有する。
波長変換素子に使用する非線形効果を有する結晶としては、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶がある。これらの結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Quasi-Phase-Matched ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Second-Harmonic-Generation:SHG）デバイスを実現することができる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なSHGデバイスが実現でき、ディスプレイ用途のみならず光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等に適した波長に比較的自由に設計することができ、幅広い応用が可能である。
しかし、本発明者が第二高調波を得ようと、基本光を導波路型波長変換素子に光学結合したところ、高調波の発振出力が不安定になることがあった。
本出願人は、特許文献１（特許第４６４６３３３）において、強誘電体基板に周期分極反転構造を形成するのに際して、周期分極反転構造の分極反転面を基本波の伝搬方向に対して垂直から外すことにより、戻り光を抑制することを提案した。
また、特許文献２（特開２０１２−１１８５２８）でも、同様に分極反転領域を傾斜させることによって、伝搬光の背面反射を低減することが提案されている。
本発明者は、固体レーザ発振体に対してファイバグレーティングを光学的に結合して外部共振器とした光源を基本波の光源として用い、高効率で高調波を発振させることを試みていた。この場合には、ファイバグレーティングを用いることで、基本波の波長幅を精密に制御して基本波の波長ズレを極力低減した。これと共に、周期分極反転構造の周期の精度を向上させることで、高い波長変換効率を達成することを試みた。基本波の波長ズレが抑制されていることによって、周期の製造精度を向上させて位相整合波長幅を小さくしても、ピークアウトによる波長変換効率の低下や不安定を抑制できるはずであった。
しかし、実際に試作してみると、やはり高調波の発振出力に経時的に変動が生ずることがあった。本発明者がこの原因を検討した結果、出力変動の原因は、前記した位相整合波長の微細なズレではなく、基本波波長と少し離れた波長の戻り光の発振であった。
本発明者は、特許第４６４６３３３、特開２０１２−１１８５２８記載のように、基本波の伝搬方向に垂直な方向に対して分極反転面を傾斜させることも試みた。しかし、戻り光による波長変換効率低下の抑制は可能であったが、本来の高い発振効率を活用することが困難であった。
本発明の課題は、戻り光の帰還に起因する変換効率の低下を抑制し、高調波出力を一層向上させることである。
本発明は、基本波の波長を変換して高調波を発生するための周期分極反転構造を備えている波長変換素子であって、
周期分極反転構造が形成された強誘電体基板を備えており、
基本波の伝搬方向に対して平行かつ上面の法線に対して平行な断面から強誘電体基板を見たときに、上面の法線に対して周期分極反転構造の縦分極反転境界が傾斜しており、強誘電体基板がオフカットＹ板であることを特徴とする。
周期分極反転構造が形成された強誘電体基板を備えており、
基本波の伝搬方向に対して平行かつ上面の法線に対して平行な断面から強誘電体基板を見たときに、上面の法線に対して周期分極反転構造の縦分極反転境界が傾斜しており、強誘電体基板がオフカットＹ板であることを特徴とする。
従来は、例えば図３（ａ）の平面図に示すように、水平分極反転境界ＰＨと光の伝搬方向ＯＥとの角度αを、直角から少し変化させることで、戻り光を抑制していた。しかし、この構造では、戻り光を十分に低減できるほど角度αを直角から大きく外すと、今度は分極反転それ自体の効率が低下するらしく、このため全体としての波長変換効率の上昇が限られていることが判明してきた。
この原因は明確ではないが、以下の二つが考えられる。
一つ目として、周期分極反転構造は、通常、電圧印加法によって形成される。ここで、上面から見た水平分極反転境界ＰＨが、強誘電体基板１１の上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して傾斜している。このため、水平分極反転境界ＰＨと方向Ｅとの偏差が大きくなると、分極反転が効率的に行われず、深さ方向への分極反転が起こりにくい傾向があるものと思われる。
二つ目として、基本波となる半導体レーザとの結合効率をあげるため、波長変換素子の分極反転部の幅は、その厚さよりも大きくなる傾向がある。図３に示したような従来技術においては、この長い幅方向に向かって分極反転境界を傾斜させていたので、光が反転部分を通るときの時間ずれが大きいものと考えられる。
これに対して、本発明によれば、基本波の伝搬方向に対して平行かつ上面の法線に対して平行な断面から強誘電体基板を見たときに、上面の法線に対して周期分極反転構造の縦分極反転境界が傾斜している。これによって、分極反転部内での劣化を抑制しつつ、戻り光の帰還に起因する変換効率の低下も十分に抑制することが可能であり、全体としての高調波出力を一層向上させることができる。
これは、相対的に短い強誘電体基板の深さ方向に向かって分極反転境界を傾斜させているので、光が反転部分を通るときの時間ずれが小さいためとも考えられる。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を説明する。
従来は、例えば図３（ａ）、（ｂ）に示すように、強誘電体基板１１の上面側に光導波路１２が形成されており、この中に周期分極反転構造１９が形成されている。周期分極反転構造１９は、交互に形成された分極反転部３Ａと非分極反転部４Ａとからなる。
なお、分極反転部と非分極反転部との境界が分極反転面である。分極反転面を基板上面側から見たときの境界線を水平分極反転境界ＰＨと呼ぶ。また、分極反転面を後述の基板横断面に沿って切った時に現れる境界線を縦分極反転境界ＰＶと呼ぶ。
ここで、従来は、基板を上面１１ａ側から見たときに、水平分極反転境界ＰＨと光の伝搬方向ＯＥとの角度αを、直角から少し変更して鋭角とすることで、戻り光を抑制していた（図３（ａ）参照）。このとき、光の伝搬方向ＯＥに対して平行かつ上面１１ａの法線Ｏに対して平行な断面（図３（ｂ）の断面）で見たときに、縦分極反転境界ＰＶは法線Ｏと平行である。つまり、図３（ｂ）のような基板長手方向断面で見ると、周期分極反転構造は傾斜していなかった。
しかし、前述したように、こうした波長変換素子では波長変換効率の向上に限界のある場合があった。この理由は以下のように考えられた。すなわち、図３（ａ）に示すように水平分極反転境界ＰＨの傾斜角度αを直角よりも小さくするほど、戻り光は抑制される。しかし、傾斜角度αが小さくなると、今度は各分極反転部３Ａの深さ方向への分極反転が起こりにくくなる他、光が各分極反転部３Ａを通るときの時間ずれが大きくなり、波長変換効率が低下する。このトレードオフによって、波長変換効率の向上に限界があったものと考えられる。
図１（ａ）、（ｂ）の例では、強誘電体基板２の上面２ａと底面２ｂとの間に周期分極反転構造９が形成されており、バルク状の波長変換素子１を形成している。分極反転部３と非分極反転部４とは、基本波の伝搬方向ＯＥに向かって交互に配列されている。２ｃは入射面であり、２ｄは出射面である。
ここで、本例では、強誘電体基板２の上面２ａから見たときに（図１（ａ）参照）、基本波の伝搬方向ＯＥに対して水平分極反転境界ＰＨが略垂直である。これに対して、基本波の進行方向ＯＥに対して平行かつ上面２ａの法線Ｏに対して平行な断面（図１（ｂ）参照）で切って見たときには、基板深さ方向の縦分極反転境界ＰＶが法線Ｏに対して傾斜している。
図１（ｂ）に示すように、基板深さ方向に見たときの縦分極反転境界ＰＶと基板上面の法線Ｏとが平行ではないので、戻り光を抑制できる。これと同時に、図１（ａ）に示すように、上面側から見ると水平分極反転境界ＰＨは基本波の伝搬方向ＯＥに対して垂直である。
図２（ａ）、（ｂ）の波長変換素子１０では、強誘電体基板１１にチャンネル型光導波路１２が形成されており、かつ上面１１ａと底面１１ｂとの間に周期分極反転構造９が形成されている。光導波路１２内を伝搬する基本波は周期分極反転構造によって波長変換を受ける。分極反転部３と非分極反転部４とは、基本波の伝搬方向ＯＥに向かって交互に配列されている。１１ｃは入射面であり、１１ｄは出射面である。
本例では、強誘電体基板１１の上面１１ａから見たときに（図２（ａ）参照）、基本波の伝搬方向ＯＥに対して水平分極反転境界ＰＨが略垂直である。これに対して、基本波の進行方向ＯＥに対して平行かつ上面１１ａの法線Ｏに対して平行な断面（図２（ｂ）参照）で切って見たときには、縦分極反転境界ＰＶが法線Ｏに対して傾斜している。
そして、図２（ｂ）に示すように、縦分極反転境界ＰＶが法線Ｏに対して傾斜しているので、戻り光を抑制できる。これと同時に、図２（ａ）に示すように、上面側から見ると水平分極反転境界ＰＨは基本波の伝搬方向ＯＥに対して垂直である。
また、図２の例では、強誘電体基板１１の底面１１ｂは、別体の支持基板１３に接着されており、全体として一体の波長変換素子１０を形成している。
以下、更に詳細に説明する。
本発明の波長変換素子では、基本波の波長を変換して高調波を発振する。
本発明の波長変換素子では、基本波の波長を変換して高調波を発振する。
基本波となるレーザ光は特に限定されないが、半導体レーザー、NdドープYAGレーザー、NdドープYVO4レーザーが好ましい。
また、基本波の波長は特に限定されないが、一般に660〜2000nmとすることができ、710〜1600nmが特に好適である。
高調波の波長は、目的に応じて選択するが、二次高調波が好ましく、三次高調波、四次高調波であってもよい。
強誘電体基板は、基本波の入射面、基本波および高調波の出射面、上面および底面を有しており、内部に周期分極反転構造が形成されている。
強誘電体基板の材質は強誘電体単結晶が好ましい。これは、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。
強誘電体単結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
周期分極反転構造は、チャンネル型光導波路内に形成されていてよい。この場合には、チャンネル型光導波路は、接合層あるいは基板から突出するリッジ型の波長変換素子であってよく、非線形光学結晶を加工、例えば機械加工やレーザ加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。そして、チャンネル型光導波路が、非晶質材料からなる接着層を介して基板に接合されている。あるいは、光導波路が、チタン拡散などの金属拡散法やプロトン交換法によって形成されていてよい。
また、チャンネル型光導波路は、強誘電体単結晶からなるオフカットＹ板（オフカットＸ板）に設けられていてよい。
また、周期分極反転構造が強誘電体単結晶のバルク基板中に設けられていてよい。また、バルク状の強誘電体基板内を基本波および高調波がスラブモードで伝搬する。
好適な実施形態においては、例えば図２に示すように、強誘電体基板の底面を支持基板に接着することができ、この場合は接着層を設けることができる。
また、強誘電体基板に対して、アンダークラッド、オーバークラッドを設けることもできる。アンダークラッド、オーバークラッドの材質は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナ、五酸化タンタルを例示できる。
接着層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。
支持基板１３の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、強誘電体基板と支持基板とを同じ材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。
本発明では、基本波の伝搬方向ＯＥに対して平行かつ強誘電体基板の上面２ａ、１１ａの法線Ｏに対して平行な断面で強誘電体基板２、１１を切って見たときに、上面２ａ、１１ａの法線Ｏに対して周期分極反転構造の縦分極反転境界ＰＶが傾斜している。
この上面２ａ、１１ａの法線Ｏと縦分極反転境界ＰＶが作る傾斜角度βは、戻り光の抑制による高調波発生効率の改善という観点からは、1°以上が好ましく、3°以上が更に好ましい。また、この傾斜角度βが大きくなると波長変換が低減するので、この観点からは、25°以下が好ましく、15°以下が更に好ましい。
好適な実施形態においては、強誘電体基板を上面から平面的に見たときに、基本波の伝搬方向と水平分極反転境界ＰＨとが略垂直である。図１、図２はこの実施形態に係るものであり、基本波の伝搬方向ＯＥと縦分極反転境界ＰＶとのなす角αが略直角である。ここで、αは厳密に９０°である必要はなく、製造上の誤差は許容するものとする。
次に、図４〜図８を参照しつつ、本発明の強誘電体基板の更なる具体例について述べる。
本実施形態では、図５〜図７に示すように、強誘電体基板１１の底面１１ｂが、接着層１４を介して、別体の支持基板１３に対して接着されている。
本実施形態では、図５〜図７に示すように、強誘電体基板１１の底面１１ｂが、接着層１４を介して、別体の支持基板１３に対して接着されている。
ここで、強誘電体基板１１には、本発明による周期分極反転構造が形成されている。この形成方法について、図４、図８および図１０を参照しつつ述べる。なお、図４では各軸の傾斜角度が小さくわかりにくいため、図８では各傾斜角度を誇張して図示することで見易くしてある。
ここで、強誘電体基板１１は、オフカットＹ板を用いており、分極軸（Ｚ軸）の方向が、強誘電体基板の上面１１ａに対して傾斜している。すなわち、図４（ａ）、図８（ａ）、図１０に示すように、表面１１ａに対して分極軸が角度ＯＣだけ傾斜している。この傾斜角度ＯＣがオフカット角である。
強誘電体基板１１の上面１１ａには櫛形電極２２および対向電極２１が形成されており、櫛形電極２２から対向電極２１へと向かって多数の細長い電極片２３が形成されている。符号Ｖは、電極片２３の長手方向である。また、強誘電体基板１１の底面１１ｂ上には一様電極２０が形成されている。本例では、電極片２３の長手方向Ｖは、光の伝搬方向ＯＥに対して垂直である。
櫛形電極２２と一様電極２０との間に電圧Ｖ２を印加し、周期分極反転構造を形成する。また、対向電極２１に対しては、電圧Ｖ１を印加するか、あるいは対向電極２１を浮き電極とする。
なお、符号Ｅは、強誘電体基板１１の上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向を指す。
また、図４（ｂ）、図８（ｂ）の上面図に示すように、Ｚ軸を上面１１ａに対して投影すると、上面１１ａに投影されたＺ軸は、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜している。また、Ｚ軸を上面１１ａに対して投影した方向は、電極片２３の長手方向Ｖに対して角度ε傾斜している。
なお、図８（ａ）には、Ｚ軸およびオフカット角ＯＣを図示してある。しかし、正確には、上面１１ａに投影されたＺ軸は、図８（ｂ）に示すように、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜している。従って、図８（ａ）の面には、Ｚ軸をその面に投影した投影図が現れ、また図８（ａ）の面に投影されるオフカット角は、ＯＣと若干異なる。しかし、説明の便宜上、図８（ａ）にＺ軸およびオフカット角ＯＣをそのまま図示してある。
本例では、図８（ａ）に示すように、＋Ｚ軸が上面１１ａ側へと向かっており、分極反転は、−Ｚ軸方向へ向かって進展する。一方、図４（ｂ）、図８（ｂ）に示すように、櫛形電極の電極片の長手方向Ｖは、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して垂直な方向Ｅに対して平行とする。
分極反転は、図８（ａ）に示すように、基板内部に向かってオフカット角度ＯＣだけ傾斜した方向（−Ｚ軸方向）へと進展する。
この結果、例えば上面のＡ点から始まった分極反転は、基板の底面側ではＡ’点へと向かい、ここを通過する。つまり、分極反転は、立体的に見るとＡ点からＡ’点へと向かって進展する。
このＡ点からＡ’点へと向かう分極反転方向を上面１１ａに投影すると、投影された分極反転方向ｅとなる（図４（ｂ）、図８（ｂ）参照）。従って、分極反転が進展する方向を上面１１ａに投影した方向ｅは、電極片の長手方向Ｖから見て、角度εだけ傾斜し、また、上面１１ａにおいて光伝搬方向に垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜する。
この結果、点Ａ’を上面１１ａに投影した点Ａ’’（図４（ｄ）、図８（ｃ）参照）と電極までの間に位置偏差ｔが生ずる。この位置偏差ｔは、強誘電体基板を横断面で切って見たときの縦分極反転境界ＰＶの傾斜角度βに対応する。
この傾斜角度βは、位置偏差ｔと基板厚さによって決まる。分極反転部の厚さ（法線Ｏ方向の長さ）は分極反転部の方向Ｅの長さＬに比べて短いので、位置偏差ｔが小さくても角度βを大きくできる。位置偏差ｔが小さいので光が反転部分を通るときの時間ずれを小さくすることができる。
なお、図４（ａ）、図８（ａ）には、Ａ点とＡ’点とが図示されているが、実際には、図４（ｂ）、図８（ｂ）に示すように、分極反転方向を上面１１ａに投影した方向ｅは、方向Ｅに対して角度ε傾斜している。このため、図４（ａ）、図８（ａ）の面に点Ａが現れている場合、正確には点Ａ’は、図４（ａ）、図８（ａ）よりも位置偏差ｔだけ外れた位置にあり、図４（ａ）、図８（ａ）の面には現れない。しかし、説明の便宜上、図４（ａ）、図８（ａ）に点Ａと点Ａ’とを図示してある。
なお、例えば図５、図６に示すように、強誘電体基板１１の上面１１ａ上にオーバークラッド７を設けることができ、また、強誘電体基板１１の底面１１ｂにアンダークラッド８を設けることができる。
また、チャンネル型光導波路を形成するには、例えば図６に示すように、一対の溝１６を形成することによって、これらの間にリッジ型の光導波路１２を形成することができる。光導波路１２内には、本発明に従って周期分極反転構造を形成する。なお、光導波路１２内部にも内拡散法によって拡散部を形成することができる。なお、図５（ａ），図４（ｃ）において、Ｆは基本波であり、Ｈは高調波である。
また、強誘電体基板を上面から平面的に見たときに、基本波の伝搬方向と水平分極反転境界ＰＨとのなす角を鋭角にすることもできる。すなわち、図１（ａ）に示す基本波の伝搬方向ＯＥと水平分極反転境界ＰＨとのなす角αが鋭角である。
基本波の伝搬方向ＯＥと水平分極反転境界ＰＨとがなす角αを鋭角とするのに際して、同時に上面の法線Ｏに対して縦分極反転境界ＰＶを角度β傾斜させることで、従来より直角に近い角αで戻り光を低減できる。
図９はこの実施形態に係る。本実施形態では、強誘電体基板１１には、本発明による周期分極反転構造が形成されている。この形成方法について述べる。なお、図９では各傾斜角度を誇張して図示することで見易くしてある。
ここで、強誘電体基板１１は、オフカットＹ板を用いており、図９（ａ）に示すように、基板表面１１ａに対して分極軸（Ｚ軸）が角度ＯＣだけ傾斜している。この傾斜角度ＯＣがオフカット角である。
ここで、図９（ｂ）の上面図に示すように、Ｚ軸を基板上面１１ａに対して投影すると、上面１１ａに投影されたＺ軸は、上面１１ａにおいて光の伝搬方向ＯＥに対して略垂直な方向Ｅに対して角度ε傾斜している。
なお、図９（ａ）には、図８（ａ）と同様に、説明の便宜上、Ｚ軸およびオフカット角ＯＣを図示してある。
本例では、図９（ａ）に示すように、＋Ｚ軸が上面１１ａ側へと向かっており、分極反転は、−Ｚ軸方向へ向かって進展する。一方、図９（ｂ）に示すように、櫛形電極の電極片の長手方向Ｖは、方向Ｅに対して、角度γだけ傾斜させる。
そして、基板上面において、櫛形電極から電圧を印加し、分極反転を進展させる。
すると、分極反転は、図９（ａ）に示すように、基板内部に向かってオフカット角度ＯＣだけ傾斜した方向へと進展する。
すると、分極反転は、図９（ａ）に示すように、基板内部に向かってオフカット角度ＯＣだけ傾斜した方向へと進展する。
例えば上面のＡ点から始まった分極反転は、基板の底面側ではＡ’点へと向かい、ここで終了する。つまり、分極反転は、立体的に見るとＡ点からＡ’点へと向かって進展する。これにより、基本波の伝搬方向ＯＥと水平分極反転境界ＰＨとがなす角αを鋭角としつつ、同時に上面の法線Ｏに対して縦分極反転境界ＰＶを角度β傾斜させることができる。
なお、図９（ａ）には、Ａ点とＡ’点とが図示されているが、実際には、図９（ｂ）に示すように、分極反転方向を上面１１ａに投影した方向ｅは、方向Ｅに対して角度ε傾斜している。しかし、説明の便宜上、図９（ａ）に点Ａと点Ａ’とを図示してある。
本実施形態では、αは９０°未満であれば特に限定されないが、後述するような断面方向における傾斜角度βとの相乗作用という観点からは、89.9°以下が好ましく、89.7°以下がさらに好ましい。また、αが小さくなりすぎると、分極反転効率の低下からかえって波長変換効率が低下する傾向がある。この観点からは、αは、88°以上が好ましく、89°以上がさらに好ましい。
（実施例Ａ１）
図１〜図８に示すような形態の波長変換素子を作製した。
図１〜図８に示すような形態の波長変換素子を作製した。
具体的には、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム度オフカットＹ基板の上面に、櫛形電極および対向電極を形成し、底面に一様電極を形成した。電圧印加法によって周期5.08μｍの周期分極反転構造を形成した。
一方、厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板に接着剤を塗布した。次いで、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を、厚さ３．５μｍとなるまで研削、研磨し、薄板を作製した。
次いで、この薄板に、レーザーアブレーション加工法により、リッジ型のチャンネル光導波路を形成した。光導波路の形成後、厚さ０．５μｍのＳｉＯ２オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。ダイサーで長さ９ｍｍ、幅１．０ｍｍで波長変換素子を切断した後、端面を研磨し反射防止膜を施した。
各条件を以下に示す。
ＯＣ： 5°
ε： 0.5°
Ｌ： 40μｍ
ｔ：0.35μｍ
β： 5.7°
ＯＣ： 5°
ε： 0.5°
Ｌ： 40μｍ
ｔ：0.35μｍ
β： 5.7°
得られた波長変換素子において、半導体レーザを使用して光学特性を測定した。レーザ光源からの発振出力を350ｍＷに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に入力し、82ｍＷのＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は976.1ｎｍであった。測定は室温（25℃）にて行った。半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
（実施例Ａ２〜Ａ５）
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、各パラメーターを以下のように変化させた。
ε： 0.1°（実施例Ａ２）、 0.3°（実施例Ａ３）
1°（実施例Ａ４）、 2°（実施例Ａ５）
ｔ： 0.07μｍ（実施例Ａ２）、 0.21μｍ（実施例Ａ３）
0.7μｍ（実施例Ａ４）、 1.4μｍ（実施例Ａ５）
β： 1.1°（実施例Ａ２）、 3.4°（実施例Ａ３）
11°（実施例Ａ４）、 22°（実施例Ａ５）
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、各パラメーターを以下のように変化させた。
ε： 0.1°（実施例Ａ２）、 0.3°（実施例Ａ３）
1°（実施例Ａ４）、 2°（実施例Ａ５）
ｔ： 0.07μｍ（実施例Ａ２）、 0.21μｍ（実施例Ａ３）
0.7μｍ（実施例Ａ４）、 1.4μｍ（実施例Ａ５）
β： 1.1°（実施例Ａ２）、 3.4°（実施例Ａ３）
11°（実施例Ａ４）、 22°（実施例Ａ５）
実施例Ａ１と同様に発振出力を測定したところ、以下のＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は975.9〜976.4ｎｍであった。測定は室温（25℃）にて行った。この基本光の波長の差は各実施例に対し、試作したMgOドープニオブ酸リチウム基板の厚さばらつきに起因するものである。各実施例に対して半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
実施例Ａ２： 84 ｍＷ
実施例Ａ３： 83.5ｍＷ
実施例Ａ４： 76 ｍＷ
実施例Ａ５： 61 ｍＷ
実施例Ａ３： 83.5ｍＷ
実施例Ａ４： 76 ｍＷ
実施例Ａ５： 61 ｍＷ
（比較例１）
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。
ただし、実施例Ａ１とは異なり、図３に示すように、角度αを84.3°とした。また、電圧印加方向Ｖと光の伝搬方向ＯＥとは垂直である。
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。
ただし、実施例Ａ１とは異なり、図３に示すように、角度αを84.3°とした。また、電圧印加方向Ｖと光の伝搬方向ＯＥとは垂直である。
実施例Ａ１と同様にしてＳＨＧ発振出力を測定したところ、ＳＨＧ出力は49.7ｍＷであり、その際の基本光の波長は976.4ｎｍであった。測定は室温（25℃）にて行った。半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
（実施例Ｂ１）
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、図９に示すような形態とした。各パラメーターを以下のように変化させた。
ＯＣ： 5°
ε： 0.2°
γ： 0.3°
Ｌ： 40μｍ
β： 5.7°
実施例Ａ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、図９に示すような形態とした。各パラメーターを以下のように変化させた。
ＯＣ： 5°
ε： 0.2°
γ： 0.3°
Ｌ： 40μｍ
β： 5.7°
実施例Ａ１と同様にＳＨＧ発振出力を測定したところ、ＳＨＧ出力は82.5ｍＷであり、その際の基本光の波長は976.2ｎｍであった。測定は室温（25℃）にて行った。半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
（実施例Ｂ２〜Ｂ５）
実施例Ｂ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、各パラメーターを以下のように変化させた。
ε： 0.2°（実施例Ｂ２）、 0.2°（実施例Ｂ３）
0.2°（実施例Ｂ４）、 0.2°（実施例Ｂ５）
γ： 0.1°（実施例Ｂ２）、 0.5°（実施例Ｂ３）
1°（実施例Ｂ４）、 2°（実施例Ｂ５）
β： 3.4°（実施例Ｂ２）、 8°（実施例Ｂ３）
13.5°（実施例Ｂ４）、 24°（実施例Ｂ５）
実施例Ｂ１と同様の手順で波長変換素子を作製した。ただし、各パラメーターを以下のように変化させた。
ε： 0.2°（実施例Ｂ２）、 0.2°（実施例Ｂ３）
0.2°（実施例Ｂ４）、 0.2°（実施例Ｂ５）
γ： 0.1°（実施例Ｂ２）、 0.5°（実施例Ｂ３）
1°（実施例Ｂ４）、 2°（実施例Ｂ５）
β： 3.4°（実施例Ｂ２）、 8°（実施例Ｂ３）
13.5°（実施例Ｂ４）、 24°（実施例Ｂ５）
実施例Ａ１と同様に発振出力を測定したところ、以下のＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は975.9〜976.5ｎｍであった。測定は室温（25℃）にて行った。この基本光の波長の差は各実施例に対し、試作したMgOドープニオブ酸リチウム基板の厚さばらつきに起因するものである。各実施例に対して半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。
実施例Ｂ２： 84 ｍＷ
実施例Ｂ３： 81.5 ｍＷ
実施例Ｂ４： 73 ｍＷ
実施例Ｂ５： 58 ｍＷ
実施例Ｂ３： 81.5 ｍＷ
実施例Ｂ４： 73 ｍＷ
実施例Ｂ５： 58 ｍＷ
Claims (8)
- 基本波の波長を変換して高調波を発生するための周期分極反転構造を備えている波長変換素子であって、
前記周期分極反転構造が形成された強誘電体基板を備えており、前記基本波の伝搬方向に対して平行かつ前記強誘電体基板の上面の法線に対して平行な断面から前記強誘電体基板を見たときに、前記上面の法線に対して前記周期分極反転構造の縦分極反転境界が傾斜していることを特徴とする、波長変換素子。 - 前記強誘電体基板の前記上面の法線に対する前記縦分極反転境界の傾斜角度が３〜２５°であることを特徴とする、請求項１記載の波長変換素子。
- 前記強誘電体基板がオフカットＹ板であることを特徴とする、請求項１または２記載の波長変換素子。
- 前記強誘電体基板を前記上面から平面的に見たときに、前記基本波の伝搬方向と前記周期分極反転構造の水平分極反転境界とが略垂直であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の波長変換素子。
- 前記強誘電体基板を前記上面から平面的に見たときに、前記基本波の伝搬方向と前記周期分極反転構造の水平分極反転境界とがなす角が鋭角であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の波長変換素子。
- 支持基板、および前記強誘電体基板の底面を前記支持基板に接着する接着層を備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の波長変換素子。
- 前記強誘電体基板がチャンネル型光導波路を備えており、このチャンネル型光導波路内に前記周期分極反転構造が形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の波長変換素子。
- 前記強誘電体基板がスラブ光導波路を備えており、このスラブ光導波路内に前記周期分極反転構造が形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の波長変換素子。
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