(57)【要約】【課題】厚い強誘電体結晶基板を用いた波長変換素子と入射レーザとの位置合わせのばらつきによらず出射レーザ光の効率が低下することのない光波長変換素子およびその作製方法を提供する。【解決手段】強誘電体結晶からなる基板の第1の面に形成された第１の梯子形電極と前記第1の面の反対の位置にある第２の面に形成された第２の梯子形電極とを持つ光波長変換素子において、前記第１の梯子形電極と前記第２の梯子形電極との形状が同一であり、且つ前記第２の梯子形電極の位置が、前記第１の梯子形電極の位置に一致するように配置された光波長変換素子。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体結晶からなる基板の第1の面に形成された第１の梯子形電極と前記第1の面の反対の位置にある第２の面に形成された第２の梯子形電極とを持つ光波長変換素子において、
前記第１の梯子形電極と前記第２の梯子形電極との形状が同一であり、且つ前記第２の梯子形電極の位置が、前記第１の梯子形電極の位置に一致するように配置された光波長変換素子。
【請求項２】
前記強誘電体結晶は、ＬｉＴａ(１‐ｘ)ＮｂｘＯ3（０≦ｘ≦１）の成分からなる結晶、または前記成分にＭｇＯがドープされた結晶からなる請求項1に記載の光波長変換素子。
【請求項３】
前記第１櫛状電極と前記第２の櫛状電極との材料を同一とした請求項1に記載の光波長変換素子。
【請求項４】
前記第１の櫛状電極は、金属薄膜からなり、その歯同士の間隔が同一になるように配列された請求項３に記載の光波長変換素子。
【請求項５】
前記金属薄膜は、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗのいずれか一つで形成されている請求項1に記載の光波長変換素子。
【請求項６】
請求項１から５に記載の光波長変換素子の第１の梯子形電極と第２の梯子形電極との間に電圧源を接続する電圧源接続工程と、
前記電圧源から正負の極性が変化する交流電圧を前記第１の梯子形電極と前記第２の梯子形電極との間に印加する電圧印加工程とからなる光波長変換素子の分極反転方法。
【請求項７】
前記電圧印加工程における前記電圧は、雰囲気温度１４０度以上の場合に、２ｋＶ以上であることを特徴とする請求項６に記載の光波長変換素子の分極反転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コヒーレント光源を応用した、光情報処理、光応用計測の分野に使用される光波長変換素子に関するものであり、このような光波長変換素子に含まれる分極反転部の製造方法に関するものである。
【０００２】
また本発明は、パルス電界印加を利用する分極反転構造の形成方法、および分極反転構造を有し、光波長変換素子、偏光素子、光スイッチ、位相変調器等に応用可能な光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
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するため、分極反転された強誘電体結晶は、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、周期的な分極反転構造を持つ強誘電体結晶は、半導体レーザの光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。
【０００４】
周期的な分極反転構造を形成する方法としては、強誘電体基板の表面に所定パターンの周期電極を形成し、基板裏面に全面電極を形成する。この周期電極と全面電極により強誘電体基板に電圧を印加して、局所的な分極反転部を形成する方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
これらの周期的な分極反転構造は、分極反転している部分の幅の比（デューティ比）が各々１：１であることが望ましい。しかし、周期の長い分極反転構造や大面積な強誘電体結晶に分極反転を形成する場合には、このデューティ比が不均一になってしまう。この不均一性の改善に対し、従来のように強誘電体結晶の分極反転させたい領域に、それに対応した形状の１つの電極を配置するのではなく、分極反転させたい領域にそれよりも細い複数の電極を配置しておいて、それら複数の電極を介して強誘電体結晶に電界を印加する手法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平２−１８７７３５号公報
【特許文献２】特開２００２−２１４６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、強誘電体結晶の基板厚が１ｍｍ以上の厚さになると、電圧を印加して形成される分極反転部は深さ方向に向かわず面内方向へ広がるため、強誘電体結晶に形成される分極反転部の周期が不均一になる。このような強誘電体結晶からなる波長変換素子に対して入射する入射レーザの位置合わせがばらつくと、出射レーザ光の効率が低下するという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、厚い強誘電体結晶基板を用いた波長変換素子と入射レーザとの位置合わせのばらつきによらず出射レーザ光の効率が低下することのない光波長変換素子およびその作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の光波長変換素子および光波長変換素子の作成方法は、強誘電体結晶からなる基板の第1の面に形成された第１の梯子形電極と前記第1の面の反対の位置にある第２の面に形成された第２の梯子形電極とを持つ光波長変換素子において、前記第１の梯子形電極と前記第２の梯子形電極との形状が同一であり、且つ前記第２の梯子形電極の位置が、前記第１の梯子形電極の位置に一致するように配置されたことを特徴としたものである。
【０００９】
また、本発明の光波長変換素子および光波長変換素子の作成方法は、請求項１から５に記載の光波長変換素子の第１の梯子形電極と第２の梯子形電極との間に電圧源を接続する電圧源接続工程と、前記電圧源から正負の極性が変化する交流電圧を前記第１の梯子形電極と前記第２の梯子形電極との間に印加する電圧印加工程とからなることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の光波長変換素子および光波長変換素子の作成方法によれば、強誘電体結晶の基板厚が１ｍｍ以上である場合においても、分極反転部の面内方向への広がりが抑えられる。そのため、長変換素子と入射レーザとの位置合わせ精度の影響を受けることなく、安定した出射レーザ光効率が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の光波長変換素子および光波長変換素子の作成方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【００１２】
図１は、強誘電体結晶基板１に、パルス電圧源４よりパルス電界を印加して分極反転部の形成方法を説明する図である。Ｚ軸方向とは強誘電体基板１の厚さ方向である。２は、複数の電極からなる梯子形電極であり、強誘電体結晶基板１の＋Ｚ面に電極間の距離が等しくなるように形成されている。また、３は、２と同じ梯子形電極であり、お互いが対向するように強誘電体結晶基板１の−Ｚ面に形成されている。なお、本実施例の梯子形電極２および３の詳細は、図５にて後述する。
【００１３】
本実施例の強誘電体基板１には、ＭｇＯが５ｍｏｌ％ドープされたＬｉＮｂＯ3（以下ＭｇＯ−ＬＮ基板）基板を用いた。図１に示すように、パルス電圧源４より正負のパルス電界を梯子形電極２及び３に印加することで、強誘電体結晶基板１にこれらの梯子形電極２及び３のパターンに対応した周期分極反転構造を形成し、光波長変換素子を作製する。
【００１４】
図２（ａ）〜（ｅ）に、本実施例における光波長変換素子である分極反転デバイスの作製方法を示す模式図を示す。本実施例では、光波長変換素子としては、厚さ１ｍｍ、長さ２６ｍｍのＭｇ−ＬＮ基板１を使用した。
【００１５】
まず図２（ａ）に示すように、基板表面（＋Ｚ面）にＴａ（タンタル）をスパッタ装置で１００ｎｍの薄膜５を作製した。Ｔａ薄膜５作製後、図２（ｂ）のようにｉ線用のレジスト６をコーター・デベロッパ装置を用いて塗布した。繰返しパターンの周期構造を有するマスクが装着された露光器にコンタクトさせ、ｉ線の光（波長３６５ｎｍ）を照射した後に、基板表面に現像液を塗布し現像を行うことで、図２（ｃ）に示すように繰返しパターンのレジストパターン７を有する基板を作製した。レジストパターン７の形成後、図２（ｄ）のようにエッチング装置によりエッチングを行い、＋Ｚ面に周期構造の梯子形電極２を有する基板１を作製する。
【００１６】
その後、基板裏面（−Ｚ面）に対しても、図２（ａ）〜（ｄ）と同様のプロセスを行い、図２（ｅ）に示すような裏面に梯子形電極３を形成する。但し、図２（ｂ）の工程で使用するマスクは、基板表面（＋Ｚ面）に使用したマスクの繰返しパターンの周期に合致するように基板１と位置合わせしなければならない。本実施例における梯子形電極２は、図１の断面図に示すとおり、ＭｇＯ−ＬＮ基板１の＋Ｚ面上に多数繰り返すように形成されたものであり、これらの梯子形電極２は、全て共通の基部から延ばされており、互いに電気的に導通した状態となっている。また、−Ｚ面上の梯子形電極３についても同様に、電極が周期的に多数繰り返すように形成されており、それぞれ全て共通の基部から延ばされ、互いに電気的に導通した状態となっている。
【００１７】
また本実施例では表面電極、裏面電極用の金属薄膜としてＴａを用いているが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）としてもよい。＋Ｚ面及び−Ｚ面に電極を形成後、図１に示すようにパルス電圧源４よりパルス電界を印加することで、周期的な分極反転部を形成し、光波長変換素子を作製する。この光波長変換素子への電界印加は、光波長変換素子を１４０度の雰囲気におき、パルス電圧は３ｋＶで実施しているが、反転電圧は温度により低下するので１４０度以上の環境であれば、２ｋＶとしてもよい。
【００１８】
図３を用いて、一般に行われているパルス電界の印加による分極反転方法を説明する。２は、梯子形電極を構成している電極の一つであり、１０は、裏面電極である。図３では、裏面電極は、基板１の裏面全体を覆っている。さて、この電極２と１０との間にパルス電界を印加すると、図３（ａ）に示すように、梯子形電極２の直下の基板１内部に微小反転核８が生成され、裏面１へ向かうように成長する。その後、電圧を印加するにつれ、図３（ｂ）に示すように、裏面まで微小反転核が成長して分極壁が出来る。その後、電圧印加を続けると、この分極壁が左右に成長し、図３（ｃ）に示すように、分極壁が一つになった時点で、分極反転が終了する。
【００１９】
一般的には、微小反転核８の生成は周期電極２のエッジ効果のため局所電界が最も大きくなる電極端より始まり、これが基板１の厚み方向に成長する。その後さらに分極壁移動により、電極直下も分極方向が次第に反転し、最終的には電極サイズより広い領域が分極反転され反転プロセスが終了する。
【００２０】
次に梯子状電極について図４を使用して説明する。図４は、従来の光波長変換素子の断面図である。図４における、２は、＋Ｚ面に形成された梯子状電極２であり、３は、−Ｚ面に形成された裏面電極であり、基板１の全面に形成されている。基板１は、１ｍｍ厚のＭｇＯ−ＬＮ基板を使用している。梯子状電極の各電極間のピッチΛは、数（１）で求められる。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
すなわち、基本波が１０６４ｎｍで、変換される第２高調波が５３２ｎｍなので、梯子状電極の各電極間のピッチΛは、７．０９μｍとなる。電極幅は、分極反転されている部分と反転されていない部分を１：１とすると、それぞれの電極幅は３．５４５μｍとなる。しかし、現実には図３（ｂ）に示すような分極壁移動が起こるため、分極壁移動を考慮して、電極幅を２μｍとした。
【００２３】
図５に、本発明の光波長変換素子の断面図を示す。裏面電極を、＋Ｚ面の梯子状電極２と同一形状にし、さらに＋Ｚ面と−Ｚ面上の電極位置を互いに対向するように配置していることが特徴である。梯子状電極２の形状は、図４に示したものと同一である。
【００２４】
図６に、本実施例で作製された光波長変換素子である分極反転デバイス１７の変換効率を評価するための評価装置である波長変換レーザ光源１９を示す。波長変換レーザ光源１９は、ファイバーレーザ２０と、ポンプレーザダイオード１１とを備えている。ファイバーレーザ２０は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４内のＹｂイオンを励起させるようになる１０００ｎｍおよび１１００ｎｍの間の範囲の波長、本実施例では１０６４ｎｍで第２のポンプ放射を生成するように構成されている。ブラッグ回折格子１２、１３は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４の両端部にライディングされ、ファイバーレーザ２０のファブリペロー共振空洞部の境界を画する。ポンプレーザダイオード１１は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４の一端部に光学的に結合され、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４をポンピングするための励起光を生成するようになっている。Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１４の反対側の端部は、第２のポンプ光を出射するためのファイバー２１に接合されている。ファイバーレーザ２０から出射したレーザ光はコリメートレンズ１５によって平行にされ、フォーカシングレンズ１６によって光波長変換素子ある分極反転デバイス１７の端面を通り分極反転領域１８内に集光される。分極反転領域１８を伝播して、レーザ光の成分が高調波に変換され、この高調波および変換されなかった基本波が光波長変換素子１７の出射端面より出射される。
【００２５】
本実施例では光波長変換素子１７に入射されるレーザ光の波長が１０６４ｎｍであるので、この基本波としてのレーザ光は、光波長変換素子１７により５３２ｎｍの第２高調波に変換される。その後、ＩＲカットフィルタ２１を通過することにより１０６４ｎｍのレーザを取り除き、５３２ｎｍのレーザのみを光パワーメータ２３により測定する。本実施例における変換効率は、数（２）で定義される。
【００２６】
【数２】
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【００２７】
本評価装置において、光波長変換素子１７を設置しているステージはＺ方向（基板厚み方向）に移動できるので、波長変換素子のＺ方向の変換効率を評価することが出来る。
【００２８】
この図６で説明した評価装置を用いて、図４に示す従来の方法で作製した分極反転デバイスと、図５に示す本発明の方法で作製した分極反転デバイスについて、基板の厚み方向であるＺ方向の変換効率の比較を行った。両者とも、１ｍｍ厚のＭｇＯ−ＬＮ基板１を用いた。
【００２９】
図４に示した従来の分極反転デバイスのＺ軸方向に対する波長変換効率を図６の装置を用いて、測定した結果を図７に示す。横軸は、Ｚ軸方向の位置、縦軸は波長変換効率を示している。破線は、基本波である入射レーザのＺ軸方向の光量を示し、実線はＺ軸方向の変換効率を示す変換効率曲線である。有効分極反転領域は、目標変換効率を越えている入射レーザのＺ軸方向の長さとした。本実施例での目標変換効率は、６％／Ｗ以上としたので、有効分極反転領域は、約１９０μｍとなる。これは、変換効率曲線が先鋭であるために生じる。従って、入射レーザと基板との位置合わせがばらつくと、変換効率が低下する。
【００３０】
同様に、図５に示した本発明の方法で作製した分極反転デバイスのＺ軸方向に対する波長変換効率を測定した結果を図８に示す。変換効率曲線は、図７の従来技術と比較すると頂部が平坦になっている。そのため、図７で適用した６％／Ｗ以上の目標変換効率であっても、その有効分極反転領域は、４６０μｍと広く、２．４倍の有効分極反転領域を持っている。従って、本発明を使用すれば、従来の方法で作製された波長変換素子よりも入射レーザと基板との位置合わせの許容度が広く、組み立て時の位置合わせが容易に行える波長変換素子が得られる。
【００３１】
この変換効率曲線の差異は、従来例と本発明との裏面電極のパターンの違いから生じている。従来例の裏面電極が平板であるので、＋Ｚ面から−Ｚ面への電流密度が拡散してしまい、基板の厚みが増すと、Ｚ軸方向への分極反転の進行が進みに難くなる。ところが、本発明のように、表面と裏面の電極を互いに対向する位置に形成すると、＋Ｚ面から−Ｚ面への電極同士の間に流れる電流密度の拡散が少なくなるため、分極反転の進行が促進される。その結果、梯子状電極を構成する各電極に対応した分極反転部同士がお互いに揃い、厚み方向に均一な分極反転部を形成することができる。
【００３２】
これらの結果から、本発明方法によれば表面電極と裏面電極を一対にすることで、入射レーザのアライメントを容易にし、安定した波長変換特性を有する光波長変換素子を提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明にかかる光波長変換素子およびそれを用いた光波長変換素子の分極反転方法は、Ｚ軸方向に対して均一な分極反転部を確保する構成を有したものであり、不均一な分極反転部に起因する波長変換効率の低下を防止することができる手法としてとして有用である。
【００３４】
本発明にかかる光波長変換素子およびそれを用いた光波長変換素子の分極反転方法は、安定した波長変換効率が必要な光波長変換素子の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例における光波長変換素子の分極反転部の形成方法を説明する図
【図２】本発明の実施例における光波長変換素子の作製方法を模式的に示す図
【図３】本発明の実施例における分極反転デバイスの分極反転プロセスを示す図
【図４】従来例における光波長変換素子の平面図および断面図
【図５】本発明における光波長変換素子の平面図および断面図
【図６】波長変換レーザ光源の構成を示す模式図
【図７】従来例における変換効率と基板深さ方向（Ｚ軸）の関係を示す図
【図８】本発明における変換効率と基板深さ方向（Ｚ軸）の関係を示す図
【符号の説明】
【００３６】
１  強誘電体基板（ＭｇＯ−ＬＮ基板）
２  梯子形電極
３  裏面電極
４  パルス電圧源
５  Ｔａ薄膜
６  レジスト溶液
７  周期性を有するレジストパターン
８  微小反転核
９  分極反転部
１０  裏面電極
１１  ポンプレーザダイオード
１２  第１のブラッグ回折格子
１３  第２のブラッグ回折格子
１４  Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー
１５  コリメートレンズ
１６  フォーカシングレンズ
１７  光波長変換素子（分極反転デバイス）
１８  分極反転領域
１９  波長変換レーザ光源
２０  ファイバーレーザ
２１  ファイバー
２２  ＩＲカットフィルタ
２３  光パワーメータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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