JPWO2019156177A1 - 波長変換光デバイスおよび波長変換光デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

一実施形態に係る波長変換光デバイスは、結晶質または非晶質からなる基板と、放射状の第１分極秩序構造を有する複数の第１結晶領域と、放射状の第２分極秩序構造を有する複数の第２結晶領域と、を備える。基板は、仮想軸線に直交する基準方向から基板を見たときに仮想軸線を挟んで直接隣接する第１領域と第２領域が規定されている。第１領域に位置する第１分極秩序構造の放射中心と第２領域に位置する第２分極秩序構造の放射中心は、仮想軸線に沿って交互に配置されている。複数の第１結晶領域は、それらの一部が第２領域にはみ出している。複数の第２結晶領域は、それらの一部が第１領域にはみ出している。

Description

本開示は、波長変換光デバイスおよび波長変換光デバイスの製造方法に関するものである。

本願は、２０１８年２月８日に出願された日本特許出願第２０１８−０２１２８１号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。

２次非線形光学現象を利用する光デバイスに用いられる材料としては、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）結晶、ＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）結晶、ＬｉＢ₃Ｏ₅（ＬＢＯ）結晶、あるいはβ−ＢａＢ₂Ｏ₄（ＢＢＯ）結晶のような強誘電体光学結晶が主流である。これらの結晶を利用した光デバイスは、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。例えば、レーザ加工分野では、これらの結晶を利用した光デバイスは、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いる。ビームスポット径を小さくできることから、このような光デバイスは微細な加工を可能にする。光通信分野では、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）光通信における波長資源の有効活用のため、これらの結晶を利用した光デバイスは、ＣバンドのＷＤＭ信号からＬバンドへの一括多重変換（simultaneous wavelength conversion）を行う波長変換光デバイスとして用いられている。更に、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が着目されており、これらの結晶を利用した光デバイスは、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等も、２次非線形光学現象を利用する光デバイスの材料として用いられている。これらの材料は、大きな２次の非線形光学定数を有することに加え、２次非線形光デバイスに不可欠な周期的空間反転構造（periodically-poled structure）の作製技術の著しい進歩により、２次非線形デバイスの材料として注目されている。

波長変換の方式は、角度位相整合（angle phase matching）と、周期分極反転（periodically-poling）による擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）とに分類できる。これらのうち、擬似位相整合は、周期分極反転幅（poling pitch）を適切に設計することにより、様々な位相整合波長の生成を可能とし、材料の透明領域の全てにおいて波長変換を可能とする。また、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ことから、ビーム品質が良好な上に、相互作用長の長尺化が可能であり、高効率化や結合損の抑制に適していることから、加工および計測等において有効な方式である。

国際公開第２０１７／１１０７９２号公報

R. Gatass and E. Mazur, Nature Photonics 2, P.219 (2008) U. Ito, et al.,"Ultrafast and precision drilling of glass by selective absorption of fiber-laser pulse into femtosecond-laser-induced filament", Applied Physics Letters, Vol.113, 2018, pp.061101-1

本開示の波長変換光デバイスは、結晶質または非晶質からなる基板と、放射状の第１分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第１結晶領域と、放射状の第２分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第２結晶領域と、を備える。基板は、当該基板内に設定される或る仮想軸線に直交する基準方向から該基板を見たときに仮想軸線を挟んで直接隣接する第１領域と第２領域が規定される。第１分極秩序構造の放射中心は、基板の第１領域において仮想軸線に沿って配置されている。複数の第１結晶領域は、基準方向から基板を見たときに、それぞれの一部が仮想軸線を跨いで第２領域にはみ出している。第２分極秩序構造の放射中心は、基板の第２領域において仮想軸線に沿って配置されるとともに第２分極秩序構造の放射中心が仮想軸線に沿って第１分極秩序構造の放射中心と交互に配置されている。複数の第２結晶領域は、基準方向から基板を見たときに、それぞれの一部が仮想軸線を跨いで第１領域にはみ出している。

本開示の波長変換光デバイスの製造方法は、基板を用意する前工程と、放射状の第１分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第１結晶領域と放射状の第２分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第２結晶領域と、を基板に設ける第１加工工程と、を備える。基板は、結晶質または非晶質からなる。また、基板は、当該基板内に設定される或る仮想軸線に直交する基準方向から該基板を見たときに仮想軸線を挟んで直接隣接する第１領域と第２領域が規定される。複数の第１結晶領域の第１分極秩序構造における放射中心は、基板の第１領域において仮想軸線に沿って配置されている。また、複数の第１結晶領域は、基準方向から基板を見たときに、それぞれの一部が仮想軸線を跨いで第２領域にはみ出している。一方、複数の第２結晶領域の第２分極秩序構造における放射中心は、基板の第２領域において仮想軸線に沿って配置されている。また、複数の第２結晶領域は、基準方向から基板を見たときに、第２分極秩序構造の放射中心が仮想軸線に沿って第１分極秩序構造の前記放射中心と交互に配置された状態でそれぞれの一部が仮想軸線を跨いで第１領域にはみ出している。第１加工工程はレーザ光照射工程を含み、レーザ光照射工程は、複数の第１結晶領域の第１分極秩序構造における放射中心に対応した複数の第１集光点それぞれと複数の第２結晶領域の第２分極秩序構造における放射中心に対応した複数の第２集光点のそれぞれに対して、第１および第２分極秩序構造を形成するためのレーザ光を照射する。

は、本発明の一実施形態に係る波長変換光デバイス１Ａの構造を示す断面図である。 は、結晶領域１０Ａ，１０Ｂを拡大した平面図である。 は、一実施形態の製造方法を示すフローチャートである。 は、複数の集光点Ｐ１および複数の集光点Ｐ２を基板２に設定した様子を示す図である。 は、一実施形態におけるレーザ光の光強度分布の一例を示すグラフである。 は、第１変形例に係る波長変換光デバイス１Ｂの構成を示す断面図である。 は、第１変形例の結晶領域１０Ａ，１０Ｂを形成するためのレーザ光の光強度分布の一例を示すグラフである。 は、図７に示された光強度分布を得るための光学系の例を示す図である。 は、第２変形例に係る波長変換光デバイス１Ｃの構成を示す断面図である。 は、波長変換領域Ｂ１における電界分布を示すグラフである。 は、波長変換領域Ｂ２における電界分布を示すグラフである。 は、上記実施形態の第３変形例に係る波長変換光デバイス１Ｄの構成を示す平面図である。 は、図１０ＡのIXb−IXb線に沿った断面図である。 は、図１０ＡのIXc−IXc線に沿った断面図である。 は、上記実施形態の第４変形例に係る波長変換光デバイスの製造方法の一工程を示す断面図である。 は、第５変形例に係る波長変換光デバイスの製造方法の一工程を示す断面図である。 は、図５に示された光強度分布を有するレーザ光を利用して形成された結晶領域における分極方向を説明するための概略図である。 は、第５変形例に係る波長変換光デバイスの製造方法により形成された結晶領域における分極方向を説明するための概略図である。 は、ＳｒＯ−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂系ガラスにＣＯ_２レーザからのレーザ光を照射した後の状態を示す光学顕微鏡像である。 は、図１４Ａの部分拡大図である。 は、ＳｒＯ−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂系ガラスにＣＯ_２レーザからのレーザ光を照射した後の状態を示す光学顕微鏡像である。 は、図１５Ａの部分拡大図である。 は、ＳｒＯ−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂系ガラスにＣＯ_２レーザからのレーザ光を照射した後の状態を示す光学顕微鏡像である。 は、図１６Ａの部分拡大図である。 は、第二高調波発生の測定結果を示す画像である。

［本開示が解決しようとする課題］
発明者らは、従来の波長変換光デバイス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、擬似位相整合を行う波長変換光デバイスとして、ガラスの自在成形加工と波長変換技術の組み合わせにより得られる光デバイスが提案されている（例えば特許文献１を参照）。このような波長変換光デバイスの利点は、基板材料がガラスであることからファイバ形や薄膜形など様々な形状に加工することができ、その形状に波長変換機能を付与できる点である。特許文献１には、電界を印加した状態でレーザを照射することにより、分極方向（polarization orientation）で規定される分極秩序構造（polarization-ordered structure）を形成する方法が記載されている。一方、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造は微細であり、また、互いに隣り合う分極秩序構造同士の間隔も極めて短い。このような構造では電界を印加するための正電極と負電極との間隔が狭くなるので、高い電圧を印加したときの絶縁破壊を避けるために加工工程が複雑化するという課題がある。

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造を簡易な方法により形成することができる波長変換光デバイス、および該波長変換光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

［本開示の効果］
本開示の波長変換光デバイスおよび波長変換光デバイスの製造方法によれば、仮想軸線を挟む一対の領域において、該仮想軸線に沿って交互に放射状の分極秩序構造を有する結晶領域が形成される。

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示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）本開示の一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、結晶質または非晶質からなる基板と、放射状の第１分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第１結晶領域と、放射状の第２分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第２結晶領域と、を備える。基板は、当該基板内に設定される或る仮想軸線に直交する基準方向から該基板を見たときに仮想軸線を挟んで直接隣接する第１領域と第２領域が規定される。第１分極秩序構造の放射中心は、基板の第１領域において仮想軸線に沿って配置されている。複数の第１結晶領域は、基準方向から基板を見たときに、それぞれの一部が仮想軸線を跨いで第２領域にはみ出している。第２分極秩序構造の放射中心は、基板の第２領域において仮想軸線に沿って配置されるとともに第２分極秩序構造の放射中心が仮想軸線に沿って第１分極秩序構造の放射中心と交互に配置されている。複数の第２結晶領域は、基準方向から基板を見たときに、それぞれの一部が仮想軸線を跨いで第１領域にはみ出している。

上述のような構造を有する波長変換デバイスでは、仮想軸線の両側に放射状の分極秩序構造が交互に並んでいる。したがって、仮想軸線上においては、仮想軸線と交差し且つ互いに逆向きである分極配向が交互に現れる。故に、仮想軸線上を伝搬する光に対し、周期分極反転による擬似位相整合を行うことができる。また、当該波長変換光デバイスの各結晶領域は、基板の吸収波長に含まれる波長のレーザ光を基板に照射すること、または、基板表面または内部に熱源を形成することにより、容易に形成可能である。

（２）本実施形態の一態様として、基板は、仮想軸線を光軸とするチャネル光導波路構造を有するのが好ましい。このようなチャネル光導波路構造は、仮想軸線上における光伝搬効率を高めることができる。本実施形態の一態様として、基板は、フレスノイト型結晶、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一つを含むのが好ましい。例えばこれらの基板において、上述の放射状の分極秩序構造がレーザ光の照射によって容易に形成され得る。更に、本実施形態の一態様として、基板は、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一つを含み、更に添加物として、ランタノイド系、アクチノイド系、４族ないし１２族のうち何れかの群に含まれる金属を含んでもよい。この場合、基板におけるレーザ光の吸収が高められ、上述の放射状の分極秩序構造が更に効率良く形成され得る。

（３） 本開示の一実施形態に係る波長変換光デバイスの製造方向は、その一態様として、基板を用意する前工程と、放射状の第１分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第１結晶領域と放射状の第２分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第２結晶領域と、を基板に設ける第１加工工程と、を備える。基板は、結晶質または非晶質からなる。また、基板は、当該基板内に設定される或る仮想軸線に直交する基準方向から該基板を見たときに仮想軸線を挟んで直接隣接する第１領域と第２領域が規定される。複数の第１結晶領域の第１分極秩序構造における放射中心は、基板の第１領域において仮想軸線に沿って配置されている。また、複数の第１結晶領域は、基準方向から基板を見たときに、それぞれの一部が仮想軸線を跨いで第２領域にはみ出している。一方、複数の第２結晶領域の第２分極秩序構造における放射中心は、基板の第２領域において仮想軸線に沿って配置されている。また、複数の第２結晶領域は、基準方向から基板を見たときに、第２分極秩序構造の放射中心が仮想軸線に沿って第１分極秩序構造の前記放射中心と交互に配置された状態でそれぞれの一部が仮想軸線を跨いで第１領域にはみ出している。

特に、第１加工工程はレーザ光照射工程を含む。レーザ光照射工程は、複数の第１結晶領域の第１分極秩序構造における放射中心に対応した複数の第１集光点それぞれと複数の第２結晶領域の第２分極秩序構造における放射中心に対応した複数の第２集光点のそれぞれに対して、第１および第２分極秩序構造を形成するためのレーザ光を照射する。当該波長変換光デバイスの各結晶領域は、基板の吸収波長に含まれる波長のレーザ光を基板に照射すること、または、基板表面または内部に熱源を形成することにより、容易に形成可能である。すなわち、当該製造方法によれば、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造を簡易な方法により形成することを可能にする。

（４）本実施形態の一態様として、分極秩序構造を形成するためのレーザ光は、基板の吸収波長帯域に含まれる波長を有するのが好ましい。この場合、レーザ光照射により基板を直接加熱することが可能になる。また、本実施形態の一態様として、分極秩序構造を形成するためのレーザ光は、基板表面または基板内に励起電子高密度領域を発生させるための第１レーザ光と、該励起電子高密度領域を加熱するための第２レーザ光を含んでもよい。このような構成において、レーザ光照射工程は、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した状態で複数の第１集光点のそれぞれおよび複数の第２集光点のそれぞれに対して、第１レーザ光および第２レーザ光を照射する。この場合、分極秩序構造を形成するための熱源を基板表面または内部の任意の位置に形成することが可能になる。

（５）なお、上記第１レーザ光および第２レーザ光には、種々のレーザ光が適用可能である。例えば、本実施形態の一態様として、第１レーザ光は、基板の吸収波長帯域から外れた波長または該基板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未満のｆｓ（femtosecond）レーザ光を含むのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、第２レーザ光は、第１レーザ光の集光領域以外における基板の吸収波長帯域から外れた波長または該基板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、好ましくは１ｎｓ以上のパルスレーザ光を含むのが好ましい。本実施形態の一態様として、第２レーザ光は、第１レーザ光の集光領域以外における基板の吸収波長帯域から外れた波長または該基板への光吸収量が低く抑えられる波長を有するＣＷ(Continuous Wave)レーザ光を含んでもよい。

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１０^１９／ｃｍ^３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）が非晶質の基板、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。基板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。

（６）本実施形態の一態様として、当該製造方法は、レーザ光照射工程の前または後に、仮想軸線を光軸とするチャネル光導波路構造を基板に形成する第２加工工程を更に備えてもよい。これにより、仮想軸線上における光伝搬効率を高めることができる。また、本実施形態の一態様として、チャネル光導波路構造は、ダイシングソーまたはドライエッチングにより形成されるのが好ましい。これにより、結晶質または非晶質からなる基板にチャネル光導波路構造を容易に形成することが可能になる。

（７）本実施形態の一態様として、レーザ光照射工程は、レーザ光の光強度分布をトップハット状に整形するための光部品を介して該レーザ光を基板に照射するのが好ましい。これにより、各結晶領域の中心部分における基板の溶融が抑えられ、各結晶領域の中心に穿孔が生じることを抑制することができる。また、本実施形態の一態様として、光部品は、回折光学素子または非球面レンズを含むのが好ましい。これにより、トップハット状の光強度分布を有するレーザ光を容易に生成することが可能になる。

（８）本実施形態の一態様として、レーザ光の光源はＣＯ₂レーザを含んでもよい。これにより、多くの基板の吸収波長に含まれる赤外域のレーザ光を、比較的大きな光強度でもって基板に照射することができる。

（９）本実施形態の一態様として、レーザ光照射工程は、基板の表面上に光吸収材を配置した状態でレーザ光を基板に照射してもよい。これにより、基板におけるレーザ光の吸収を高め、上述した放射状の分極秩序構造を更に効率良く形成することができる。更に、本開示の一実施形態の一態様として、光吸収材は、カーボンペーストであるのが好ましい。これにより、レーザ光を効率良く吸収する光吸収材を基板上に容易に配置することができる。

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。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の波長変換光デバイスおよび波長変換光デバイスの製造方法の具体例を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、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。更に、以下の説明において、各要素（領域、軸線等）の位置関係は、特に言及しない限り、基板の表面上における位置関係を意味するものとする。

図１は、本開示の一実施形態に係る波長変換光デバイス１Ａの構造を示す断面図であって、光導波方向Ｄ１に沿った波長変換光デバイス１Ａの断面を示している。図１に示されたように、本実施形態に係る波長変換光デバイス１Ａは、結晶質または非晶質からなる基板２を備える。基板２は、平坦な板面（表面）を有する基板であって、光導波方向Ｄ１に沿って互いに対向するよう配置された一対の端面２ａ，２ｂを有する。本実施形態において、端面２ａ，２ｂは光導波方向Ｄ１と直交しており、且つ互いに平行である。基板２は、少なくとも所定波長の光を透過する性質を有する。所定波長は、例えば４００ｎｍ〜４５００ｎｍの範囲内の波長である。基板２の構成材料には、例えばフレスノイト型結晶、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一つが含まれる。

基板２は、光導波方向Ｄ１に直交する基準方向から基板２を見たときの平面形状（実質的には基板２の表面上で規定される形状）が円環状である複数の結晶領域１０Ａ（第１結晶領域）と、該平面形状が円環状である複数の結晶領域１０Ｂ（第２結晶領域）とを含む。図２は、結晶領域１０Ａ，１０Ｂを拡大した平面図である。結晶領域１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ放射状の分極秩序構造を有する領域である。分極秩序構造とは、自発分極（spontaneous polarization）が一定の態様で配向（orient）されている構造を指す。本実施形態の結晶領域１０Ａは、自発分極Ａ１が放射中心Ｏ１から結晶領域１０Ａの外周に向けて径方向に延びた放射状の分極秩序構造を有する。同様に、本実施形態の結晶領域１０Ｂは、自発分極Ａ２が放射中心Ｏ２から結晶領域１０Ｂの外周に向けて径方向に延びた放射状の分極秩序構造を有する。後述するように、この分極秩序構造は、基板２に例えば赤外域のレーザ光が照射されることにより形成される。基板２が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一つを含む場合、基板２は、赤外域の特定波長のレーザ光に対する吸収を高めるために、ランタノイド系、アクチノイド系、４族ないし１２族のうち何れかの群に含まれる金属を添加物として含んでもよい。ランタノイド系またはアクチノイド系の金属としては、例えばＹｂ，Ｔｍ，Ｅｒが挙げられる。また、４族ないし１２族の金属としては、例えばＴｉ，Ｃｒ，Ｚｎが挙げられる。

図１に示されたように、基板２は、基板２内に設定される或る仮想軸線ＡＸを挟む一対の領域２ｃ，２ｄを有する。なお、一対の領域２ｃ，２ｄは、仮想軸線に直交する基準方向から該基板２を見たときに仮想軸線を挟んで直接隣接する領域である。そして、複数の結晶領域１０Ａの放射中心（分極秩序構造の放射中心に一致）Ｏ１は、そのうち一方の領域２ｃ内に位置し、仮想軸線ＡＸに沿って等間隔で一列に並んでいる。また、複数の結晶領域１０Ｂの放射中心（分極秩序構造の放射中心に一致）Ｏ２は、他方の領域２ｄ内に位置し、仮想軸線ＡＸに沿って等間隔で一列に並んでいる。更に、複数の結晶領域１０Ａの放射中心Ｏ１と、複数の結晶領域１０Ｂの放射中心Ｏ２とは、仮想軸線ＡＸの延在方向（すなわち光導波方向Ｄ１）に沿って交互に配置されている。換言すれば、仮想軸線ＡＸの延在方向と交差する方向Ｄ２から基板２の表面を見たとき、基板２の表面において放射中心Ｏ１と放射中心Ｏ２とが交互に並んでいる。したがって、基板２の表面において、互いに隣り合う放射中心Ｏ１と放射中心Ｏ２とを結ぶ直線と仮想軸線ＡＸとは、０°より大きく９０°より小さい角度でもって交差している。更に、複数の放射中心Ｏ１を結ぶ第１直線と、複数の放射中心Ｏ２を結ぶ第２直線とは、それぞれ仮想軸線ＡＸに対して平行である。仮想軸線ＡＸは、これら第１および第２直線の間に位置する。すなわち、複数の放射中心Ｏ１と仮想軸線ＡＸとの距離は均等であり、複数の放射中心Ｏ２と仮想軸線ＡＸとの距離は均等である。また、放射中心Ｏ１と仮想軸線ＡＸとの距離と、放射中心Ｏ２と仮想軸線ＡＸとの距離とは互いに等しい。換言すれば、仮想軸線ＡＸに対応する軸線（基板２の表面で規定される線）は、基板２の表面において互いに隣り合う放射中心Ｏ１と放射中心Ｏ２とを結ぶ線分の中点を結んだ直線と平行である。

各結晶領域１０Ａは、一部が仮想軸線ＡＸを跨いで領域２ｄ側にはみ出している。すなわち、各結晶領域１０Ａは、仮想軸線ＡＸと重なる部分を有する。また、各結晶領域１０Ｂは、一部が仮想軸線ＡＸを跨いで領域２ｃ側にはみ出している。すなわち、各結晶領域１０Ｂは、仮想軸線ＡＸと重なる部分を有する。仮想軸線ＡＸ上において、結晶領域１０Ａと結晶領域１０Ｂとは交互に並んでいる。

基板２は、各結晶領域１０Ａの内側に穿孔（レーザ加工痕）１２Ａを更に有する。穿孔１２Ａの平面形状（基板２の表面上で規定される形状）は、放射中心Ｏ１を中心とする円形である。穿孔１２Ａの外周は、結晶領域１０Ａの内周と接している。また、基板２は、各結晶領域１０Ｂの内側に穿孔（レーザ加工痕）１２Ｂを更に有する。穿孔１２Ｂの平面形状は、放射中心Ｏ２を中心とする円形である。穿孔１２Ｂの外周は、結晶領域１０Ｂの内周と接している。これらの穿孔１２Ａ，１２Ｂは、レーザ光の照射によって基板２の一部が溶融することにより生じた穴（凹部または空孔）である。

上述のような構造を備えた波長変換光デバイス１Ａでは、波長変換領域Ｂ１が基板２の内部に形成される。波長変換領域Ｂ１は、仮想軸線ＡＸを光軸として光導波方向Ｄ１に沿って延在する光導波路である。波長変換領域Ｂ１の一端Ｂ１ａは基板２の端面２ａに達し、波長変換領域Ｂ１の他端Ｂ１ｂは基板２の端面２ｂに達する。一端Ｂ１ａから入射された所定波長の光は、波長変換領域Ｂ１内を伝搬した後に他端Ｂ１ｂから出射される。

次に、上述のような構造を備えた本実施形態の波長変換光デバイス１Ａを製造する方法の一例について説明する。図３は、本実施形態の製造方法を示すフローチャートである。まず、基板２を用意する前工程では、基板２の原料（ＳｒＯ−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂系ガラスの場合、Ｓｒ₂ＣＯ₃、ＴｉＯ₂、およびＳｉＯ₂）の計量が行われた後、これらが混ぜ合わされる（工程Ｓ１）。必要に応じて、レーザ光の吸収を高める前述の金属が混ぜ合わされた原料に添加されてもよい。次に、混ぜ合わせた原料を加熱して溶融し、溶融した原料を平板状の型に流して冷却することにより成型が行われ、最終的に基板２が得られる（工程Ｓ２）。溶融温度は例えば１５００℃であり、溶融時間は例えば１時間である。続いて、基板２の歪みを取り除くために、基板２に対して熱処理が行われる（工程Ｓ３）。このとき、熱処理温度は例えば７６０℃であり、熱処理時間は例えば１時間である。その後、基板２の両方の板面（表面および裏面）に対して鏡面研磨が行われる（工程Ｓ４）。

続いて、基板２に複数の結晶領域１０Ａおよび複数の結晶領域１０Ｂを設ける第１加工工程が実施される。この第１加工工程はレーザ光照射工程を含む。レーザ光照射工程の一例として基板２の吸収波長に含まれる波長のレーザ光を利用する場合、該レーザ光を基板２の板面に照射することにより、複数の結晶領域１０Ａおよび複数の結晶領域１０Ｂが形成される。具体的には、図４に示されたように、まず複数の集光点Ｐ１（第１集光点）および複数の集光点Ｐ２（第２集光点）が基板２に設定される。すなわち、基板２の表面において、複数の集光点Ｐ１は、仮想軸線ＡＸを挟む一方の領域２ｃ内に位置し、仮想軸線ＡＸに沿って一列に並ぶ。また、複数の集光点Ｐ１は、他方の領域２ｄ内に位置し、仮想軸線ＡＸに沿って一列に並ぶ。更に、複数の集光点Ｐ１と、複数の集光点Ｐ２とは、仮想軸線ＡＸの延在方向（すなわち光導波方向Ｄ１）において交互に配置される。換言すれば、仮想軸線ＡＸの延在方向と交差する方向Ｄ２から基板２の表面を見て、集光点Ｐ１と集光点Ｐ２が交互に並ぶ。複数の集光点Ｐ１を結ぶ第１直線と、複数の集光点Ｐ１を結ぶ第２直線とは、仮想軸線ＡＸに対して平行である。仮想軸線ＡＸは、これら第１および第２直線の間に位置する。すなわち、複数の集光点Ｐ１と仮想軸線ＡＸとの距離は均等であり、複数の集光点Ｐ１と仮想軸線ＡＸとの距離は均等である。また、集光点Ｐ１と仮想軸線ＡＸとの距離と、集光点Ｐ２と仮想軸線ＡＸとの距離とは互いに等しい。換言すれば、仮想軸線ＡＸに対応する軸線（基板２の表面上で規定される線）は、基板２の表面において互いに隣り合う集光点Ｐ１と集光点Ｐ２とを結ぶ線分の中点を結んだ直線である。

そして、複数の集光点Ｐ１，Ｐ２に対して順にレーザ光が照射される（工程Ｓ５）。これにより、基板２が局所的に結晶化し、複数の集光点Ｐ１それぞれを放射中心とする放射状の自発分極を有する複数の結晶領域１０Ａ（図１参照）が形成され、また、複数の集光点Ｐ２それぞれを放射中心とする放射状の分極秩序構造を有する複数の結晶領域１０Ｂ（図１参照）が形成される。この工程では、各結晶領域１０Ａが仮想軸線ＡＸを跨いで領域２ｄ側にはみ出すように、また、各結晶領域１０Ｂが仮想軸線ＡＸを跨いで領域２ｃ側にはみ出すように、レーザ光のパワー密度および照射時間が調整される。なお、上述のレーザ光照射工程の例では、レーザ光の波長は、基板２を構成する材料の吸収波長帯域（例えば遠赤外域）に含まれる任意の波長である。この工程において、吸収したエネルギーにより局所加熱された領域の温度が８００℃以上となるように、必要に応じて集光レンズによりレーザ光を集光することにより、パワー密度が高められる。レーザ光の光源としては、例えば、高強度の遠赤外光を出力できるＣＯ₂レーザが好ましい。基板２がＳｒＯ−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂系ガラスからなる場合、ＣＯ_２レーザの１０．６μｍ帯の透過率は数％程度である。したがって、ＣＯ₂レーザを用いることにより基板２にレーザ光を多く吸収させることにより、各結晶領域１０Ａ，１０Ｂを好適に形成することが可能になる。なお、結晶化に必要な熱量を局所的に印加することができれば、光源はＣＯ_２レーザに限られない。

図５は、本実施形態におけるレーザ光の光強度分布の一例を示すグラフである。図５において、横軸は径方向位置を示し、縦軸は光強度を示す。また、破線Ｅ１は基板２の結晶化閾値であり、破線Ｅ２は基板２の加工（溶融）閾値である。図５に示されたように、本実施形態において基板２に照射されるレーザ光は、ガウシアン分布といった光強度分布を有する。すなわち、中心における光強度が最も大きく、中心から遠ざかるに従って次第に光強度が小さくなる。そして、中心における光強度は基板２の加工（溶融）閾値を超えている。このような光強度分布を有するレーザ光によれば、集光点Ｐ１，Ｐ２付近におけるパワー密度が大きくなるので、基板２が局所的に溶融して穿孔１２Ａ，１２Ｂが形成される。また、穿孔１２Ａ，１２Ｂの周囲においては、パワー密度が結晶化閾値と加工（溶融）閾値との間の大きさとなり、結晶化した各結晶領域１０Ａ，１０Ｂが形成される。

第１加工工程の最後に、基板２の歪みを再び取り除くために、基板２に対して熱処理が行われる（工程Ｓ６）。このとき、熱処理温度は例えば７６０℃であり、熱処理時間は例えば１時間である。以上の前工程および第１加工工程（レーザ光照射工程を含む）を経て、本実施形態に係る波長変換光デバイス１Ａが作製される。

以上に説明した本実施形態に係る波長変換光デバイス１Ａおよびその製造方法によって得られる効果について説明する。本実施形態に係る波長変換光デバイス１Ａおよびその造方法では、基板２の表面（レーザ照射面）を見たとき、仮想軸線ＡＸの両側に放射状の分極秩序構造が交互に並んでいる。したがって、仮想軸線ＡＸを含む波長変換領域Ｂ１においては、仮想軸線ＡＸと交差し且つ互いに逆向きとなる（１８０度反転している）分極配向（polarization orientation）が周期的に且つ交互に現れる。故に、波長変換領域Ｂ１を伝搬する光に対し、周期分極反転による擬似位相整合を行うことができる。また、本実施形態の波長変換光デバイス１Ａの各結晶領域１０Ａ，１０Ｂは、基板２の吸収波長帯域に含まれる波長のレーザ光を基板２に照射することによって容易に形成可能である。また、本実施形態の製造方法では、各結晶領域１０Ａ，１０Ｂが、基板２の吸収波長帯域に含まれる波長のレーザ光を基板２に照射することによって形成されている。すなわち、本実施形態の波長変換光デバイス１Ａおよびその製造方法によれば、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造が簡易な方法により形成され得る。

また、本実施形態のように、基板２は、フレスノイト型結晶、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一つを含んでもよい。例えばこれらの基板２において、上述の放射状の分極秩序構造をレーザ光の照射によって容易に形成することができる。更に、基板２が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一つを含む場合、該基板２は、ランタノイド系、アクチノイド系、４族ないし１２族のうち何れかの群に含まれる金属を添加物として含んでもよい。これにより、基板２におけるレーザ光の吸収を高め、上述の放射状の分極秩序構造が更に効率良く形成され得る。

また、本実施形態のように、レーザ光の光源としてＣＯ₂レーザが適用されてもよい。これにより、多くの基板の吸収波長帯域に含まれる赤外域のレーザ光が、比較的大きな光強度を有する状態で基板２に照射され得る。

（第１変形例）
図６は、上記実施形態の第１変形例に係る波長変換光デバイス１Ｂの構成を示す断面図である。本変形例と上記実施形態との相違点は、結晶領域１０Ａ，１０Ｂの形状である。すなわち、本変形例の結晶領域１０Ａ，１０Ｂは、円環状ではなく、放射状の分極秩序構造の放射中心Ｏ１，Ｏ２を中心とする円形状を呈している。そして、放射中心Ｏ１，Ｏ２はそれぞれ結晶領域１０Ａ，１０Ｂに含まれる。したがって、本変形例の波長変換光デバイス１Ｂは穿孔１２Ａ，１２Ｂを備えていない。

図７は、本変形例の結晶領域１０Ａ，１０Ｂを形成するためのレーザ光の光強度分布の一例を示すグラフである。図７において、横軸は径方向位置を示し、縦軸は光強度を示す。破線Ｅ１は基板２の結晶化閾値であり、破線Ｅ２は基板２の加工（溶融）閾値である。図７に示されたように、本変形例において基板２に照射されるレーザ光は、トップハット（フラットトップ）状の光強度分布を有する。すなわち、中心から或る半径内の領域においては光強度が略一定であり、その外側の領域では、中心から遠ざかるに従って次第に光強度が小さくなる。そして、中心から或る半径内の領域における光強度は、基板２の結晶化閾値よりも大きく、加工（溶融）閾値よりも小さい。このような光強度分布によれば、集光点Ｐ１，Ｐ２付近におけるパワー密度が溶融閾値よりも小さくなるので、基板２が溶融せず、穿孔１２Ａ，１２Ｂが形成されない。また、集光点Ｐ１，Ｐ２から或る半径内の領域においては、パワー密度が結晶化閾値と加工（溶融）閾値との間の大きさとなり、結晶化した領域（結晶領域１０Ａ，１０Ｂ）が形成される。

本変形例に係る波長変換光デバイス１Ｂによれば、上述の実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本変形例のように、レーザ光の光強度分布をトップハット状とすることにより、各結晶領域１０Ａ，１０Ｂの中心部分における基板２の溶融を抑え、各結晶領域１０Ａ，１０Ｂの中心に穿孔１２Ａ，１２Ｂが生じることを抑制することができる。これにより、穿孔１２Ａ，１２Ｂに起因する割れ等によるデバイス性能の劣化を抑制することができる。

本変形例に係る波長変換光デバイス１Ｂを製造する際には、レーザ光の光強度分布を図７に示されたようなトップハット状に変換する光部品を介して、レーザ光が基板２に照射されればよい。このような光部品としては、例えば回折光学素子（Diffractive Optical Element：ＤＯＥ）または非球面レンズが挙げられる。このような光部品を用いることにより、トップハット状の光強度分布を有するレーザ光が容易に生成され得る。

図８は、図７に示された光強度分布を得るための光学系の例を示す図である。図８に示された例では、コリメートされたレーザ光Ｌａを出力するレーザ光源（レーザ光Ｌａをコリメートするための光学系を含んでもよい）３０と集光点との間に、光部品ＯＰ１が配置されている。光部品ＯＰ１は、レーザ光源３０から集光点に向かって順に、集光レンズ４０Ａ、回折光学素子５０が配置されている。このような構成において、レーザ光源３０と集光レンズ４０Ａとの間のレーザ光Ｌａの光強度分布Ｉ１は、図５に示されたガウス分布形状となる。一方、集光レンズ４０Ａおよび回折光学素子５０を順に通過したレーザ光Ｌａの、集光点における光強度分布Ｉ２は、図７に示されたように、トップハット形状になる。なお、光部品ＯＰ１は、非球面レンズ４０Ｂを含む光部品ＯＰ２に置き換えられてもよく、レーザ光源３０とレーザ光Ｌａの集光点の間に光部品ＯＰ２が配置された場合であっても、集光点における光強度分布Ｉ２の形状は、トップハット形状となる。

（第２変形例）
図９Ａは、上記実施形態の第２変形例に係る波長変換光デバイス１Ｃの構成を示す断面図である。本変形例と上記実施形態との相違点は、第１変形例と同様に結晶領域１０Ａ，１０Ｂが、放射状の分極秩序構造の放射中心Ｏ１，Ｏ２を含んでおり穿孔１２Ａ，１２Ｂが存在しない点、および、結晶領域１０Ａ，１０Ｂが、光導波方向Ｄ１と交差する方向Ｄ２においても交互に並んでいる点である。このような構成においては、或る仮想軸線ＡＸの両側に位置する結晶領域１０Ａ，１０Ｂによって、上記実施形態と同様の波長変換領域Ｂ１が形成され得る。また、１つの仮想軸線ＡＸ１の両側に位置する結晶領域１０Ａ，１０Ｂと、仮想軸線ＡＸ１と隣り合う仮想軸線ＡＸ２の両側に位置する結晶領域１０Ｂ，１０Ａ（結晶領域１０Ｂは仮想軸線ＡＸ１と共通）とによって、波長変換領域Ｂ２が形成され得る。すなわち、この波長変換領域Ｂ２は、２本の仮想軸線ＡＸ１，ＡＸ２を含み、光導波方向Ｄ１に沿って延びる領域である。波長変換領域Ｂ２の方向Ｄ２に沿った幅は、方向Ｄ２に沿った放射中心Ｏ１の周期（すなわち集光点Ｐ１の周期）と略等しい。

図９Ｂおよび図９Ｃは、それぞれ波長変換領域Ｂ１およびＢ２で有効に波長変換できる電界分布を示すグラフであって、横軸は電界強度を示し、縦軸は方向Ｄ２における位置を示す。波長変換領域Ｂ１では、図９Ｂに示されたように、電界強度分布がＬＰ_０１モード（基底モード）となる。これに対し、波長変換領域Ｂ２では、図９Ｃに示されたように、電界強度分布がＬＰ_１１モードとなる。このような電界モードにおいても、波長変換が好適に行われる。なお、波長変換領域Ｂ２においては、波長変換前および波長変換後ともに、電界強度分布はＬＰ_１１モードとなる。

（第３変形例）
図１０Ａは、上記実施形態の第３変形例に係る波長変換光デバイス１Ｄの構成を示す平面図である。図１０Ｂは、図１０ＡのIXb−IXb線に沿った断面図であって、光導波方向Ｄ１と交差する断面を示す。図１０Ｃは、図１０ＡのIXc−IXc線に沿った断面図であって、光導波方向Ｄ１と交差する断面を示す。本変形例に係る波長変換光デバイス１Ｄにおいて、基板２は、仮想軸線ＡＸを光軸とするチャネル光導波路構造２１を有する。チャネル光導波路構造２１は、仮想軸線ＡＸに沿って延びる一対の側面２１ａ，２１ｂを有する。一例では、IXb−IXb線に沿った基板２の断面において、一方の側面２１ａは仮想軸線ＡＸと放射中心Ｏ１との間に位置している。IXc−IXc線に沿った基板２の断面において、他方の側面２１ｂは仮想軸線ＡＸと放射中心Ｏ２との間に位置している。側面２１ａ，２１ｂは、例えば図３に示された工程Ｓ５（レーザ光照射工程に相当する工程）の前または後に実施される第２加工工程により得られる。第２加工工程では、チャネル光導波路構造２１の外側に位置する基板２の部分をドライエッチングにより除去することで、側面２１ａ，２１ｂが容易に形成され得る。

本変形例のように、実施形態に係る波長変換光デバイスは、仮想軸線ＡＸを光軸とするチャネル光導波路構造２１を有する基板２を備えてもよい。また、波長変換光デバイスの製造方法は、上述のように、チャネル光導波路構造２１を基板２に形成する第２加工工程を更に備えてもよい。これにより、仮想軸線ＡＸ上（波長変換領域Ｂ１）における光伝搬効率を高めることができる。

なお、チャネル光導波路構造を基板２に形成する方法（第２加工工程）としては、上記以外にも様々な方法が考えられる。例えば、チャネル光導波路構造となる部分を残して基板２をダイシングソーにより切断する方法、Ｇｅ，Ｔｉなどの添加物を基板２の内部に拡散させて屈折率を部分的に変化させる方法、あるいは、プロトン（Ｈ⁺）交換法によって基板２内部にチャネル光導波路構造を形成する方法などが挙げられる。

（第４変形例）
図１１は、上記実施形態の第４変形例に係る波長変換光デバイスの製造方向の一工程を示す断面図であって、光導波方向Ｄ１と交差する基板２の断面を示す。本変形例では、図３に示された工程Ｓ５（レーザ光照射工程に相当する工程）において、表面に光吸収材３１が配置された基板２に対してレーザ光Ｌａが照射される。光吸収材３１は、レーザ光Ｌａの波長を含む帯域に吸収を有する材料を含む。基板２の表面上に光吸収材３１を配置する方法には、塗布、スパッタ、蒸着等がある。例えば、光吸収材３１はカーボンを含む材料からなり、一例ではカーボンペースト（樹脂にフィラーとしてカーボン粒子を加えた導電性ペースト）である。

本変形例の方法によれば、基板２におけるレーザ光Ｌａの吸収が高められ、放射状の分極秩序構造が更に効率良く形成され得る。また、この場合、光吸収材３１としてカーボンペーストが適用されてもよい。これにより、レーザ光パワーを効率良く吸収する光吸収材３１が基板２上に容易に配置される。また、カーボンペーストは広範囲の吸収帯域を有しするため、ＣＯ₂レーザ以外にも、ファイバレーザ、固体レーザ、或いは半導体レーザにて発振する波長帯域の光を吸収することができる。更に、カーボンペーストは、レーザ光照射後に洗浄等により簡便に除去可能である。

なお、レーザ光の吸収効率を高める方法としては、上記以外にも様々な方法が考えられる。例えば、レーザ光を照射する前に予め基板２に対し還元反応によって光吸収率を高め、レーザ光照射後に酸化反応によって光吸収率を元に戻す方法がある。

（第５変形例）
図１２は、上記実施形態の第４変形例に係る波長変換光デバイスの製造方向の一工程を示す図であって、図３の工程Ｓ５に相当するレーザ光照射工程を説明するための図である。上述の変形例では、基板２の吸収波長帯に含まれる波長のレーザ光Ｌａを利用しているが、本変形例では、分極秩序構造を形成するためのレーザ光として、基板表面または基板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Ｌｂ１と、該励起電子高密度領域を加熱するための第２レーザ光Ｌｂ２が照射される。すなわち、レーザ光照射工程では、第２レーザ光Ｌｂ２の集光領域が第１レーザ光Ｌｂ１の集光領域とオーバーラップした状態で複数の集光点Ｐ１のそれぞれおよび複数の集光点Ｐ２のそれぞれに対して、第１レーザ光Ｌｂ１および第２レーザ光Ｌｂ２が照射される。

なお、第１レーザ光Ｌｂ１は、基板２の吸収波長帯域から外れた波長または該基板２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未満のｆｓレーザ光が好適である。また、第２レーザ光Ｌｂ２は、第１レーザ光Ｌｂ１の集光領域以外における基板２の吸収波長帯域から外れた波長または該基板２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、好ましくは１ｎｓ以上のパルスレーザ光が好適である。第２レーザ光Ｌｂ２は、第１レーザ光Ｌｂ１の集光領域以外における基板２の吸収波長帯域から外れた波長または該基板２への光吸収量が低く抑えられる波長を有するＣＷレーザ光であってもよい。第２レーザ光Ｌｂ２を照射する光源としては、上述のＣＯ_２レーザ、ファイバレーザ、半導体レーザ、固体レーザ等のレーザ光源が好適である。

第１レーザ光Ｌｂ１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、第２レーザ光Ｌｂ２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（第１レーザ光Ｌｂ１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第１レーザ光Ｌｂ１の照射により一時的に発生した領域）が熱フィラメントとして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。第２レーザ光Ｌｂ２の光エネルギーを吸収した領域（熱フィラメント）における発熱量は、該第２レーザ光Ｌｂ２の照射時間に依存する。すなわち、発熱量が増加すると該熱フィラメントを中心とした周辺領域の温度も上昇することになる（図５および図７で示された結晶化閾値Ｅ１を超えた領域）。このとき、該周辺領域の温度が加工（溶融）閾値Ｅ２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。

具体的に、本変形例のレーザ光照射工程（図３の工程Ｓ５）では、図１２に示されたように、チャネル光導波路構造２１を有する基板２が用意される。第１光源３０Ａからは、図４や図９Ａに示された集光点Ｐ１（放射中心Ｏ１に一致）および集光点Ｐ２（放射中心Ｏ２に一致）のそれぞれに対して、基板２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第１レーザ光Ｌｂ１（ｆｓレーザ光）が照射される。一方、第２光源３０Ｂからは、第１レーザ光Ｌｂ１の照射により一時的に発生した励起電子高密度領域を加熱するための第２レーザ光Ｌｂ２（パルス幅１ｐｓ以上、好ましくは１ｎｓ以上のパルスレーザ光またはＣＷレーザ光）が基板２に照射される。図１２の例では、第１レーザ光Ｌｂ１および第２レーザ光Ｌｂ２は、同軸照射される。すなわち、第１光源３０Ａから基板２までの第１レーザ光Ｌｂ１の光路と、第２光源３０Ｂから基板２までの第２レーザ光Ｌｂ２の光路のそれぞれには、共通の光部品ＯＰ３（集光レンズ４０Ａを含む）とハーフミラー６０が配置されている。このような同軸照射系は、簡単に構成できるという利点がある。ただし、第１レーザ光Ｌｂ１の光路と第２レーザ光Ｌｂ２の光路は異なっていてもよい。

第１レーザ光Ｌｂ１と第２レーザ光Ｌｂ２は、互いに同期して、基板２へ照射される。レーザ照射期間中、第１光源３０Ａから出力された第１レーザ光Ｌｂ１は、ハーフミラー６０で反射され、集光レンズ４０Ａへ向かう。更に、集光レンズ４０Ａを通過した第１レーザ光Ｌｂ１は、基板２の表面近傍に集光する。この第１レーザ光Ｌｂ１の集光領域に励起電子高密度領域が発生する。同時に、第２光源３０Ｂから出力された第２レーザ光Ｌｂ２は、ハーフミラー６０を通過して集光レンズ４０Ａに向かう。更に、集光レンズ４０Ａを通過した第２レーザ光Ｌｂ２は、励起電子高密度領域にオーバーラップするよう集光する。第２レーザ光Ｌｂ２の光エネルギーは効率的に励起電子高密度領域に吸収されるが、このとき、励起電子高密度領域が熱フィラメント１１０として機能する。これにより、熱フィラメント１１０の周辺領域における温度の等高線に対して垂直に配向させられた結晶領域１０Ａ，１０Ｂが基板２内に形成される。

なお、図１３Ａは、図５に示された光強度分布を有するレーザ光を利用して形成された結晶領域における分極方向を説明するための概略図である。また、図１３Ｂは、第５変形例に係る波長変換光デバイスの製造方法により形成された結晶領域における分極方向を説明するための概略図である。

ｆｓレーザ光が適用されていない上述の実施形態および第１〜第４変形例では、照射材料（基板２）の深さ方向の配向は、図１３Ａに示されたように、基板２の表面に対して完全な平行とはなってはおらず、少し深さ方向に傾いている。

これに対し、ｆｓレーザ光とパルス幅１ｎｓ以上のパルスレーザ光を、それぞれのレーザ光の集光領域をオーバーラップさせた状態で照射する場合、熱フィラメント効果により、照射材料（基板２）の深さ方向に沿って選択的に昇温させられる。そのため、図１３Ｂに示されたように、照射材料の深さ方向の配向は、領域αにおいて、基板２の表面と平行になる。穿孔（レーザ加工痕）１２Ａ，１２Ｂの形状は、ｆｓレーザの集光条件に依存することになるが、照射条件によっては直径１０μｍ程度、深さ１００μｍ以上の高アスペクト比の形状の加工も可能となる（上記非特許文献２参照）。加工形状に依存した熱フィラメント１１０の形状は、深さ方向に垂直に形成され、温度の等高線に対して垂直に分極することから、図１３Ｂに示された領域αの分極は基板２の表面に対して限りなく平行に配向することになる。その結果、入射光の偏波によっては、高効率な波長変換が可能となる。なお、ｆｓレーザ光を出力するための光源としては、Ｔｉ：Ｓレーザ、１μｍ帯のファイバレーザ、あるいは、それら光源のＳＨＧ等が有効である。

（実施例）

図１４Ａ、図１５Ａ、および図１６Ａは、それぞれＳｒＯ−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂系ガラスにＣＯ_２レーザからのレーザ光を照射した後の状態を示す光学顕微鏡像である。図１４Ａは、レーザ光の出力を７．８Ｗとし、照射時間を２秒間とした場合の状態を示す。図１５Ａは、レーザ光の出力を７．８Ｗとし、照射時間を１秒間とした場合の状態を示す。図１６Ａは、レーザ光の出力を３．２８Ｗとし、照射時間を２秒間とした場合の状態を示す。なお、図１４Ｂ、図１５Ｂ、および図１６Ｂは、それぞれ図１４Ａ、図１５Ａ、および図１６Ａの部分拡大図である。いずれの照射条件においても、穿孔（レーザ加工痕）１２が生じる一方、その周囲に結晶化された領域すなわち結晶領域１０（結晶領域１０Ａ，１０Ｂに相当）が生じていた。

本発明者らは、結晶領域１０の光学軸の方位を明らかにするため、波長１．０６μｍ、光径２ｍｍ程度のレーザ光を用いて、第二高調波発生による測定を行った。図１７は、第二高調波発生（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）の測定結果を示す画像である。なお、図１７中には測定に使用したレーザ光の偏光方向が併せて示されている。ＳｒＯ−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂系ガラスの２次非線形光学定数（ｄ定数）には、ｄ₃₁＞ｄ₃₃の関係があり、この測定においてはｄ₃₁のＳＨ光が優先的に観測される。図１７に示されるように、この実験では、円環状に形成された結晶領域１０において、一対のＳＨ光が観測された。なお、これらのＳＨ光は、結晶領域１０の中心を通り偏光方向と直交する方向に延びる直線上に発生した。

このＳＨ光はｄ₃₁成分によるＳＨ光であり、このＳＨ光の分極の向きは、入射波面に対して垂直である。すなわち、分極の向きは、ＳＨ光の発生領域と結晶領域１０の中心とを結ぶ直線に沿っており、放射状であることが判る。このことから、放射状の分極秩序構造を有する結晶領域１０を、基板２にレーザ光を照射することにより形成可能であることが示された。

本開示の波長変換光デバイスは、上述の実施形態（変形例を含む）に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述の実施形態および各変形例を、必要な目的および効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、上述の実施形態および変形例では、基板材料としてフレスノイト型結晶、ＢａＯ−ＴｉＯ₂−ＧｅＯ₂−ＳｉＯ₂系ガラス、およびＳｒＯ−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂系ガラスが例示されたが、本開示の基板では、結晶質または非晶質であって所望の波長に対して透明である様々な材料が適用可能である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…波長変換光デバイス、２…基板、２ａ，２ｂ…端面、２ｃ，２ｄ…領域、１０，１０Ａ，１０Ｂ…結晶領域、１２Ａ，１２Ｂ…穿孔（レーザ加工痕）、２１…チャネル光導波路構造、２１ａ，２１ｂ…側面、３０…レーザ光源、３０Ａ…第１光源、３０Ｂ…第２光源、３１…光吸収材、４０Ａ…集光レンズ、４０Ｂ…非球面レンズ、５０…回折光学素子、６０…ハーフミラー、Ａ１，Ａ２…自発分極、ＡＸ，ＡＸ１，ＡＸ２…仮想軸線、Ｂ１，Ｂ２…波長変換領域、Ｂ１ａ…一端、Ｂ１ｂ…他端、Ｄ１…光導波方向、Ｄ２…方向、Ｌａ…レーザ光、Ｌｂ１…第１レーザ光、Ｌｂ２…第２レーザ光、Ｏ１，Ｏ２…放射中心、Ｐ１，Ｐ２…集光点、ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３…光部品。

Claims (17)

1. 結晶質または非晶質からなる基板であって、前記基板内に設定される或る仮想軸線に直交する基準方向から前記基板を見たときに前記仮想軸線を挟んで直接隣接する第１領域と第２領域が規定された基板と、
   前記基板の前記第１領域において前記仮想軸線に沿って放射中心が配置された放射状の第１分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第１結晶領域であって、前記基準方向から前記基板を見たときに、それぞれの一部が前記仮想軸線を跨いで第２領域にはみ出している複数の第１結晶領域と、
   前記基板の前記第２領域において前記仮想軸線に沿って放射中心が配置された放射状の第２分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第２結晶領域であって、前記基準方向から前記基板を見たときに、前記第２分極秩序構造の放射中心が前記仮想軸線に沿って前記第１分極秩序構造の前記放射中心と交互に配置された状態でそれぞれの一部が前記仮想軸線を跨いで第１領域にはみ出している複数の第２結晶領域と、
   を備えた波長変換光デバイス。
2. 前記基板は、前記仮想軸線を光軸とするチャネル光導波路構造を有する、請求項１に記載の波長変換光デバイス。
3. 前記基板は、フレスノイト型結晶、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一つを含む、請求項１または２に記載の波長変換光デバイス。
4. 前記基板は、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一つを含み、更に添加物として、ランタノイド系、アクチノイド系、４族ないし１２族のうち何れかの群に含まれる金属を含む、請求項３に記載の波長変換光デバイス。
5. 結晶質または非晶質からなる基板であって、前記基板内に設定される或る仮想軸線に直交する基準方向から前記基板を見たときに前記仮想軸線を挟んで直接隣接する第１領域と第２領域が規定された基板を用意する前工程と、
   前記基板の前記第１領域において前記仮想軸線に沿って放射中心が配置された放射状の第１分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第１結晶領域であって、前記基準方向から前記基板を見たときに、それぞれの一部が前記仮想軸線を跨いで第２領域にはみ出している複数の第１結晶領域と、前記基板の前記第２領域において前記仮想軸線に沿って放射中心が配置された放射状の第２分極秩序構造をそれぞれ有する複数の第２結晶領域であって、前記基準方向から前記基板を見たときに、前記第２分極秩序構造の放射中心が前記仮想軸線に沿って前記第１分極秩序構造の前記放射中心と交互に配置された状態でそれぞれの一部が前記仮想軸線を跨いで第１領域にはみ出している複数の第２結晶領域と、を前記基板に設ける第１加工工程と、
   を備え、
   前記第１加工工程はレーザ光照射工程を含み、前記レーザ光照射工程は、前記複数の第１結晶領域の前記第１分極秩序構造における前記放射中心に対応した複数の第１集光点のそれぞれと前記複数の第２結晶領域の前記第２分極秩序構造における前記放射中心に対応した複数の第２集光点のそれぞれに対して、前記第１および第２分極秩序構造を形成するためのレーザ光を照射する、
   波長変換光デバイスの製造方法。
6. 前記レーザ光は、前記基板の吸収波長帯域に含まれる波長を有する、請求項５に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
7. 前記レーザ光は、前記基板の表面または基板内に励起電子高密度領域を発生させるための第１レーザ光と、前記励起電子高密度領域を加熱するための第２レーザ光と、を含み、
   前記レーザ光照射工程は、前記第２レーザ光の集光領域が前記第１レーザ光の集光領域とオーバーラップした状態で前記複数の第１集光点のそれぞれおよび前記複数の第２集光点のそれぞれに対して、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を照射する、請求項５に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
8. 前記第１レーザ光は、前記基板の吸収波長帯域から外れた波長または前記基板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未満のｆｓレーザ光を含む、請求項７に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
9. 前記第２レーザ光は、前記第１レーザ光の集光領域以外における前記基板の吸収波長帯域から外れた波長または前記基板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を含む、請求項７または８に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
10. 前記第２レーザ光は、前記第１レーザ光の集光領域以外における前記基板の吸収波長帯域から外れた波長または前記基板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、請求項７または８に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
11. 前記レーザ光照射工程の前または後に、前記仮想軸線を光軸とするチャネル光導波路構造を前記基板に形成する第２加工工程を更に備える、請求項５〜１０の何れか一項に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
12. 前記チャネル光導波路構造をダイシングソーまたはドライエッチングにより形成する、請求項１１に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
13. 前記レーザ光照射工程は、前記レーザ光の光強度分布をトップハット状に整形するための光部品を介して前記レーザ光を前記基板に照射する、請求項５〜１２の何れか一項に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
14. 前記光部品は、回折光学素子または非球面レンズを含む、請求項１３に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
15. 前記レーザ光の光源はＣＯ₂レーザを含む、請求項５〜１４の何れか一項に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
16. 前記レーザ光照射工程は、前記基板の表面上に光吸収材を配置した状態で前記レーザ光を前記基板に照射する、請求項５〜１５の何れか一項に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
17. 前記光吸収材はカーボンペーストである、請求項１６に記載の波長変換光デバイスの製造方法。