(57)【要約】【課題】プロトン交換処理を施す工程を具える周期的分極反転構造の製造方法を用いて形成されるQPM型波長変換素子であって光導波路を具えている。【解決手段】分極反転領域12aと非分極反転領域12bとを交互に周期的に具えた周期的分極反転構造が誘電体結晶の+Z面から-Z面に貫通して形成されており、被波長変換光及び波長変換光が伝播する方向が、分極反転領域と非分極反転領域との境界面に対して直交するように、被波長変換光及び波長変換光を導波する光導波路20が強誘電体結晶の-Z面を含んで形成されている。周期的分極反転構造の非分極反転領域の強誘電体結晶の+Z面側のみが、プロトン交換処理されており、このプロトン交換処理されて形成されたプロトン交換領域16と非プロトン交換領域との境界面16sは、光導波路を伝播する被波長変換光及び波長変換光の光電場が到達しない位置に設定されている。【選択図】図１
2010066649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的分極反転構造を有する強誘電体結晶に入射される被波長変換光の波長を、前記周期的分極反転構造に基づく擬似位相整合により変換する波長変換素子であって、
前記周期的分極反転構造は、前記強誘電体結晶の+Z面から-Z面に貫通して形成されており、
前記被波長変換光及び波長変換光が伝播する方向が前記周期的分極反転構造の非分極反転領域と分極反転領域との境界面に対して直交するように、前記被波長変換光及び前記波長変換光を導波する光導波路が前記強誘電体結晶の-Z面を含んで形成されており、
前記周期的分極反転構造の前記非分極反転領域の前記強誘電体結晶の+Z面側のみが、プロトン交換処理されており、該プロトン交換処理されて形成されたプロトン交換領域と非プロトン交換領域との境界面は、前記光導波路を伝播する前記被波長変換光及び前記波長変換光の光電場が到達しない位置に設定されている
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記光導波路は、プロトン交換法によって形成されるプレーナ型の光導波路であることを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記光導波路は、リッジ型の光導波路であることを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記強誘電体結晶は、定比組成（stoichiometric mixture）のニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記強誘電体結晶は、定比組成（stoichiometric mixture）のタンタル酸リチウムであることを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。
【請求項６】
強誘電体結晶の+Z面に、波長変換を実現させる擬似位相整合条件を満たす周期で間隔を隔てて複数の電極を形成する+Z面電極形成工程と、
前記強誘電体結晶の-Z面を均一に覆う電極を形成する-Z面電極形成工程と、
前記+Z面側の電極で覆われた領域以外の領域にプロトン交換を施すプロトン交換工程と、
前記強誘電体結晶の+Z面に形成された+Z面電極と、前記強誘電体結晶の-Z面を均一に覆う-Z面電極との間に電圧を印加して周期的分極反転構造を形成する分極反転構造形成工程と、
被波長変換光及び波長変換光が伝播する方向が、前記周期的分極反転構造の非分極反転領域と分極反転領域との境界面に対して直交するように、前記被波長変換光及び前記波長変換光を導波する光導波路を前記強誘電体結晶の-Z面を含んで形成する光導波路形成工程とを含み、
前記プロトン交換工程において、プロトン交換領域と非プロトン交換領域との境界面が、前記光導波路を伝播する前記被波長変換光及び前記波長変換光の光電場が到達しない位置に設定される
ことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【請求項７】
前記光導波路形成工程がプレーナ型の光導波路を形成する工程であることを特徴とする請求項6に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項８】
前記光導波路形成工程がリッジ型の光導波路を形成する工程であることを特徴とする請求項6に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項９】
前記強誘電体結晶は、定比組成（stoichiometric mixture）のニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項6に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項１０】
前記強誘電体結晶は、定比組成（stoichiometric mixture）のタンタル酸リチウムであることを特徴とする請求項6に記載の波長変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、擬似位相整合による波長変換を実現するための波長変換素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝送速度が1 Tbit/s 以上である大容量光通信ネットワークを構築するために様々な手段が検討されているが、そのうちの一つが波長多重（WDM: Wavelength Division Multiplexing）である。WDM光通信ネットワークを実現するためには、このWDM光通信ネットワークを構成するノード間で波長変換を行うための波長変換装置が必要となることが想定される。
【０００３】
例えば、光クロスコネクトノードに波長変換装置を採用すると、チャンネル間の衝突の回避や、波長の再利用が可能となる他、ネットワークの管理やネットワークそのものの改良(アップグレード)がしやすくなり、その結果新たな通信帯域を利用できるようになるなどの利点があるためである。
【０００４】
上述の波長変換装置を構成する素子として、周期的分極反転構造によって擬似位相整合（QPM: Quasi-Phase Matching）を実現して波長変換をおこなう擬似位相整合型波長変換素子（以後「QPM型波長変換素子」ということもある。）を使用するのが好適である。QPM型波長変換素子は、被波長変換光の波長に応じて周期的分極反転構造の周期を調整することによって任意の波長の被波長変換光に対して波長変換を可能とするからである。
【０００５】
なお、周期的分極反転構造は、後述するようにニオブ酸リチウム(LiNbO3)あるいはタンタル酸リチウム(LiTaO3)等、強誘電体結晶の自発分極を反転させた複数のドメインを周期的に配列して構成される構造であるので、周期的ドメイン反転構造とも称されている。
【０００６】
LiNbO3あるいはLiTaO3等、強誘電体結晶に周期的分極反転構造を形成する方法には、チタン(Ti)拡散法、電圧印加法等が知られている。このうち、電圧印加法は、後述するように分極反転周期が均一に形成することが可能であるため、最近精力的に研究が進められている。
【０００７】
電圧印加法とは、強誘電体結晶の-Z面から+Z面に向いた自発分極を、この自発分極と逆向きの電場を与えることによって、自発分極の向きを反転させる手法である。電圧印加法では、周期的に自発分極の向きを反転させるために、自発分極と逆向きの電場が周期的に形成されるよう強誘電体結晶の-Z面と+Z面との間に高電圧を印加する。具体的には、強誘電体結晶の+Z面に、波長変換を実現させる擬似位相整合条件を満たす周期で間隔を隔てて複数の電極を形成し、一方の-Z面を均一に覆う電極を形成する。そして強誘電体結晶の-Z面と+Z面との間に高電圧を印加すれば、+Z面の電極の直下から-Z面に至る強誘電体結晶の領域の自発分極が反転される。この領域が分極反転領域である。
【０００８】
分極反転領域の形状は、強誘電体結晶の+Z面に形成された電極を一方の底面とする直方体の形状であることが望ましい。すなわち、分極反転領域と非分極反転領域との境界面が、+Z面（あるいは-Z面）に垂直であって、隣接する境界面との間隔が均一であることが望ましい。このように、理想的な形状に周期的分極反転が形成されている状態を、分極反転周期が均一に形成されているというものとする。
【０００９】
分極反転周期を均一に形成するための有力な方法として、周期的分極反転構造の分極反転領域を形成する領域以外の領域、すなわち非分極反転領域となる強誘電体結晶の+Z面側のみをプロトン交換処理した上で、-Z面と+Z面との間に高電圧を印加する手法が知られている（例えば、非特許文献1参照）。このように、プロトン交換処理をすることによって、プロトン交換処理をしない場合と比較して、効果的に分極反転周期が均一に形成される。
【非特許文献１】K. Mizuuchi and K.Yamamoto, "Harmonic blue light generation in bulk periodically poled LiTaO3", Applied Physics Letters vol. 66, pp. 2943-2945 (1995).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述のプロトン交換処理を施すと、+Z面には、プロトン交換がなされた領域（プロトン交換領域ということもある。）とプロトン交換がなされない領域（非プロトン交換領域ということもある。）が形成され、両者の屈折率は異なる。このため上述のプロトン交換領域を含んで光導波路を形成することが困難である。従って、上述の非特許文献1に開示されている方法で形成された波長変換素子は、光導波路を具えていないいわゆるバルク型の波長変換素子として利用されてきた。
【００１１】
波長変換効率、すなわち非線形光学効果は、QPM型波長変換素子に入射される被波長変換光のエネルギー密度が高いほど、そして非線形相互作用する長さ（相互作用長）が長いほど大きい。すなわち、光のエネルギー密度を高い状態に保ったまま必要な距離伝播させることができる光導波路中で非線形光学効果を発現させる構造にすることが、非線形光学効果を大きくするために有効である。すなわち、波長変換効率を大きくするためには、光導波路を具えるQPM型波長変換素子を利用することが望ましい。
【００１２】
そこで、この発明の目的は、上述のプロトン交換処理を施す工程を具える周期的分極反転構造の製造方法を用いて形成されるQPM型波長変換素子であって、光導波路を具えたタイプのQPM型波長変換素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明の発明者は、上述のプロトン交換処理を施す工程を具える周期的分極反転構造の製造方法を用いて形成されるQPM型波長変換素子において、-Z面に光導波路を形成することに思い至った。すなわち、十分な厚みを有する強誘電体結晶基板を用いてQPM型波長変換素子を形成すれば、+Z面に形成される上述のプロトン交換処理によって形成されるプロトン交換領域と非プロトン交換領域との境界面を、-Z面から十分離れた位置に設定することが可能である。そして、-Z面に光導波路を形成すれば、この光導波路を伝播する入射光（被波長変換光）及び波長変換光の消衰電場（エバネッセントフィールド：evanescent field）が上述のプロトン交換領域に到達しないようにすることが可能であることに思い至った。
【００１４】
上述の目的を達成するため、この発明の波長変換素子は、周期的分極反転構造を有する強誘電体結晶に入射される被波長変換光である入射光の波長を、周期的分極反転構造に基づく擬似位相整合により変換するQPM型波長変換素子であって、以下の特徴を具えている。
【００１５】
周期的分極反転構造は、強誘電体結晶の+Z面から-Z面に貫通して形成されている。被波長変換光及び波長変換光が伝播する方向が周期的分極反転構造の非分極反転領域と分極反転領域との境界面に対して直交するように、被波長変換光及び波長変換光を導波する光導波路が強誘電体結晶の-Z面を含んで形成されている。そして、周期的分極反転構造の非分極反転領域の強誘電体結晶の+Z面側のみが、プロトン交換処理されており、このプロトン交換処理されて形成されたプロトン交換領域と非プロトン交換領域との境界面は、光導波路を伝播する被波長変換光及び波長変換光の光電場が到達しない位置に設定されている。
【００１６】
光導波路は、プロトン交換法によって形成されるプレーナ型の光導波路、あるいは、リッジ型の光導波路とするのが好適である。また、強誘電体結晶は、定比組成（stoichiometric mixture）のLiNbO3あるいはLiTaO3とするのが好適である。
【００１７】
この発明の波長変換素子は、以下の方法で形成することが可能である。すなわち、+Z面電極形成工程と、-Z面電極形成工程と、プロトン交換工程と、分極反転構造形成工程と、光導波路形成工程とを含み、プロトン交換工程において、プロトン交換領域と非プロトン交換領域との境界面は、光導波路を伝播する被波長変換光及び波長変換光の光電場が到達しない位置に設定される。
【００１８】
+Z面電極形成工程は、強誘電体結晶の+Z面に、波長変換を実現させる擬似位相整合条件を満たす周期で間隔を隔てて複数の電極を形成する工程である。-Z面電極形成工程は、強誘電体結晶の-Z面を均一に覆う電極を形成する工程である。プロトン交換工程は、+Z面側の電極で覆われた領域以外の領域にプロトン交換を施す工程である。分極反転構造形成工程は、強誘電体結晶の+Z面に形成された+Z面電極と、強誘電体結晶の-Z面を均一に覆う-Z面電極との間に電圧を印加して周期的分極反転構造を形成する工程である。光導波路形成工程は、被波長変換光及び波長変換光が伝播する方向が、周期的分極反転構造の非分極反転領域と分極反転領域との境界面に対して直交するように、被波長変換光及び波長変換光を導波する光導波路を強誘電体結晶の-Z面を含んで形成する工程である。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の波長変換素子によれば、周期的分極反転構造が、強誘電体結晶の+Z面から-Z面に貫通して形成されているので、-Z面を含んで形成される光導波路を伝播する被波長変換光は、分極反転構造に基づく擬似位相整合によりその波長が変換される条件を満たしつつ伝播する。しかも、被波長変換光は光導波路を伝播するのであるから、この光導波路を伝播する間、変換光にエネルギーが移動した分を除きその強度（エネルギー密度）は低下しない。すなわち、高い強度を保ったまま分極反転領域を貫くように被波長変換光が伝播することが保証されるので、従来のこの種の光導波路を具えていない波長変換素子（例えば、非特許文献1に開示されている波長変換素子）に比べ、その波長変換効率は大きくなる。
【００２０】
また、電圧を印加することで実行される分極反転構造形成工程に先立って実行されるプロトン交換工程で形成された、プロトン交換領域と非プロトン交換領域との境界面が、光導波路を伝播する被波長変換光及び波長変換光のエバネッセントフィールドが到達しない位置に設定されているので、この光導波路を伝播する被波長変換光及び波長変換光が、プロトン交換領域の影響を受けない。すなわち、光導波路を伝播する被波長変換光及び波長変換光の伝播モードを、波長変換効率が極大となる基本伝播モードに設定することが容易である。
【００２１】
また、この発明の波長変換素子の製造方法によれば、強誘電体結晶基板の+Z面に周期的にプロトン交換領域を形成する工程を含んでいるので、均一な周期で分極反転構造を形成することが可能である。
【００２２】
また、定比組成のLiNbO3結晶基板あるいはLiTaO3単結晶基板は、分極反転を発現させるための電圧が低く済むので、プロトン交換領域と非プロトン交換領域との境界面を、光導波路を伝播する被波長変換光及び波長変換光の光電場が到達しない位置に設定するために必要とされる十分な厚みを有していても、周期的分極反転構造を容易に形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図1〜図3を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の断面形状や配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の材料および条件等を用いることがあるが、これら材料および条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。
【００２４】
＜第1実施形態＞
図1(A)及び(B)を参照して、この発明の第1実施形態の波長変換素子の構造を説明する。図1(A)はこの発明の第1実施形態の波長変換素子の概略的斜視図であり、図1(B)は、この発明の第1実施形態の波長変換素子の光導波路の方向に沿って、+Z面あるいは-Z面に垂直な平面であって、この光導波路を含む平面で切断して示す断面図である。
【００２５】
この発明の第1実施形態の波長変換素子は、周期的分極反転構造を有する強誘電体結晶12に入射される被波長変換光の波長を、周期的分極反転構造に基づく擬似位相整合により変換するQPM型波長変換素子である。また、第1実施形態の波長変換素子が有する光導波路は、プレーナ型の光導波路である。
【００２６】
周期的分極反転構造は、分極反転領域12aと非分極反転領域12bとを交互に周期的に具えて構成されている。分極反転領域12aと非分極反転領域12bとは、波長変換素子を構成する素材である強誘電体結晶12の自発分極の向きが互いに180°を成す関係となっている。波長変換素子を構成する素材には、例えばZカットされたLiNbO3基板あるいはLiTaO3基板が使われる。以後の説明において、特に断らない限り、強誘電体結晶基板としてZカットされたLiNbO3基板を対象として取り上げることとするが、ZカットされたLiTaO3基板であっても、光導波路の形成条件等の製造方法における処理時間が異なる以外、同様である。
【００２７】
ZカットされたLiNbO3基板とは、その表面に垂直な方向に自発分極の向きが揃えられているシングルドメイン結晶基板である。自発分極ベクトルの終端側の面を+Z面、自発分極ベクトルの初端側の面を-Z面と呼ぶこともある。
【００２８】
分極反転領域12aは、シングルドメイン結晶基板であるZカットされたLiTaO3基板の自発分極ベクトルの向きを反転させて形成される。したがって、周期的分極反転構造は、シングルドメイン結晶基板としての自発分極が保たれているドメイン（非分極反転領域12b）と自発分極の方向が反転されたドメイン（分極反転領域12a）とで構成される。すなわち、非分極反転領域12bの自発分極ベクトルの向きは-Z面から+Z面に向かう方向であるのに対して、分極反転領域12aの自発分極ベクトルの向きは+Z面から-Z面に向かう方向である。
【００２９】
周期的分極反転構造は、強誘電体結晶12の+Z面から-Z面に貫通して形成されている。すなわち、プロトン交換処理されて形成されたプロトン交換領域と非プロトン交換領域との境界面は、強誘電体結晶12の+Z面から-Z面に貫通している。
【００３０】
被波長変換光及び波長変換光が伝播する方向が、周期的分極反転構造の非分極反転領域12bと分極反転領域12aとの境界面に対して直交するように、被波長変換光及び波長変換光を導波する光導波路20が強誘電体結晶の-Z面を含んで形成されている。そして、周期的分極反転構造の非分極反転領域12bの強誘電体結晶の+Z面側のみが、プロトン交換処理されており、このプロトン交換処理されて形成されたプロトン交換領域16と非プロトン交換領域との境界面16sは、光導波路20を伝播する被波長変換光及び波長変換光のエバネッセントフィールドが到達しない位置に設定されている。
【００３１】
図2(A)〜(D)を参照して、LiNbO3基板に周期的分極反転構造を形成する方法について説明する。図2(A)〜(D)は、LiNbO3基板に周期的分極反転構造を形成する方法の説明に供する図である。図2(A)は+Z面電極形成工程及び-Z面電極形成工程の説明に供する図であり、図2(B)は+Z面側の電極で覆われた領域以外の領域にプロトン交換を施すプロトン交換工程の説明に供する図であり、図2(C)は分極反転構造形成工程の説明に供する図であり、図2(D)は周期的分極反転構造の形成工程が終了した時点でのLiNbO3基板の構造の説明に供する図である。
【００３２】
図2(A)に示す+Z面電極形成工程及び-Z面電極形成工程では、厚みが500μｍであるLiNbO3基板12の+Z面に波長変換を実現させる擬似位相整合条件を満たす周期で間隔を隔てて複数の電極10が形成され、LiNbO3基板12の-Z面に-Z面を均一に覆う電極14が形成される。
【００３３】
電極10及び電極14には、例えば、真空蒸着法によって形成される厚さ数十ナノメートル(nm)のTi薄膜を利用することが好適である。LiNbO3基板12の+Z面に形成される電極10は、間隔d1を隔てて幅がd2となるように形成され、d1+d2で与えられる値は、被波長変換光の波長と波長変換光の波長との関係から決定される擬似位相整合条件を満たす周期に設定される。
【００３４】
なお、図2(A)〜(D)において、LiNbO3基板12に上向き及び下向きの矢印が示してあるが、この矢印は自発分極ベクトルを示している。すなわち、矢印の向きが自発分極の向きを示している。
【００３５】
図2(B)に示す+Z面側の電極で覆われた領域以外の領域にプロトン交換を施すプロトン交換工程では、電極10がレジストマスクの役割を果たす。すなわち、電極10が形成されていることによって、+Z面側の電極で覆われた領域以外の領域にプロトン交換が行われる。ここでは、プロトン交換は、安息香酸(Benzoic acid)を交換源として行う。もちろん交換源として安息香酸のほかにもピロリン酸(Pyrophosphoric acid)等によっても行うことが可能である。
【００３６】
プロトン交換は、電極10及び14が形成されたLiNbO3を、260℃の安息香酸中に20分間浸すことによって実行される。この条件でプロトン交換を行うと、プロトン交換領域16は、LiNbO3基板12の+Z面から10μｍ以上の深さ(Lx)に達することがない（例えば、J. Nikolopoulos and G. L. Yip, "Theoretical Modeling and Characterization of Annealed Proton-Exchanged Planar Waveguides in z-cut LiNbO3", IEEE Journal of Lightwave Technology vol. 9, p. 864, (1991) 参照）。
【００３７】
図2(C)に示す分極反転構造形成工程は、電極10と電極14との間に、電極10の側が正の電位となるよう、パルス幅が数ミリ秒、ピーク電圧が2 kVのパルス電圧を印加する。プロトン交換領域16が形成されているために、パルス電圧が印加された際に+Z面の電極10で覆われていない領域が分極反転されることが阻止される。このことによって分極反転領域と非分極反転領域との境界面が、+Z面（あるいは-Z面）に垂直であって、隣接する境界面との間隔が均一となるように、理想的な形状に周期的分極反転構造が形成される。すなわち、分極反転周期が均一に形成される。
【００３８】
LiNbO3基板12を定比組成のLiNbO3基板を用いることによって、不定比組成のLiNbO3基板を用いた場合と比較して、分極反転構造形成工程における印加電圧のピーク値を低く設定することが可能である。ここで、定比組成のLiNbO3基板とは、LiNbO3基板を構成するLiNbO3結晶のLiとNbとの組成比が1対1となっていることを意味する。この組成比から外れた組成比を有するLiNbO3結晶を不定比組成のLiNbO3結晶という。
【００３９】
LiNbO3基板12を定比組成のLiNbO3基板を用いることによって、分極反転構造形成工程における印加電圧のピーク値を低く設定することが可能である理由は、自発分極ベクトルの向きを反転させるために必要とされる最小の電場強度である抗電場強度が、定比組成のLiNbO3結晶が不定比組成のLiNbO3の1／4程度であることによる（例えば、文献：V. Gopalan, T. E. Mitchell, Y. Furukawa and K. Kitamura, "The role of nonstoichiometry in 180°domain switching of LiNbO3 crystals", Applied Physics Letters vol. 72, p. 1981 (1998)を参照）。
【００４０】
図2(D)に分極反転構造形成工程終了後、電極10及び電極14を除去した状態の+Z面あるいは-Z面に垂直な平面で切断した断面を示す。+Z面側にプロトン交換領域16が形成されている。図2(D)に示す、分極反転構造形成工程終了後のLiNbO3基板12の-Z面に、被波長変換光及び波長変換光が伝播する方向が、周期的分極反転構造の非分極反転領域と分極反転領域との境界面に対して直交するように、被波長変換光及び波長変換光を導波する光導波路を形成する（光導波路形成工程）。
【００４１】
光導波路形成工程は、プレーナ型の光導波路を形成する工程である。この光導波路形成工程では、LiNbO3基板にプロトン交換法を利用する。プロトン交換法は、まずLiNbO3基板12の-Z面に、光導波路20が形成される部分のみを空けて、その他の部分を覆う金属マスク（Tiマスク等）を形成する。このマスクを形成する工程は、通常のフォトリソグラフィー技術を適宜利用することで容易に行える。
【００４２】
光導波路を形成するためのプロトン交換工程は、図2(D)に示す、分極反転構造形成工程終了後のLiNbO3基板12の光導波路20を形成する領域のみを空けてそのほかの領域を金属マスクで覆った状態で、200℃の安息香酸中に2時間浸して、金属マスク及び安息香酸を除去し450℃の酸素雰囲気中で6時間アニール処理することで実施できる。
【００４３】
光導波路形成工程を終了することによって、図1(A)及び(B)に示すこの発明の第1実施形態の波長変換素子が完成する。上述の手法で形成された光導波路20は、-Z面から底部20sまでの光導波路20の深さ(Lw)は10μｍ程度であり、+Z面側のプロトン交換領域16の深さLxも上述したように10μｍ以上の深さに達することはない。
【００４４】
従って、プロトン交換領域16及び光導波路20を上述の条件で形成するのであれば、プロトン交換領域16と非プロトン交換領域との境界面16sを、光導波路20を伝播する被波長変換光及び波長変換光のエバネッセントフィールドが到達しない位置に設定するためには、LiNbO3基板12の厚みは、20μｍ以上あればよいことになるが、第1実施形態の波長変換素子の利用形態等を勘案すると、その機械的強度を確保する意味からも500μｍ程度とするのが好適である。
【００４５】
＜第2実施形態＞
図3(A)及び(B)を参照して、この発明の第2実施形態の波長変換素子の構造を説明する。図3(A)はこの発明の第2実施形態の波長変換素子の概略的斜視図であり、図3(B)は、この発明の第2実施形態の波長変換素子の光導波路の方向に沿って、+Z面あるいは-Z面に垂直な平面であって、この光導波路を含む平面で切断して示す断面図である。
【００４６】
第2実施形態の波長変換素子と第1実施形態の波長変換素子との構造上の相違点は、光導波路の構造にある。すなわち、第1実施形態の波長変換素子が具える光導波路はプレーナ型の光導波路であるのに対し、第2実施形態の波長変換素子が具える光導波路はリッジ型の光導波路である点である。
【００４７】
従って、第2実施形態の波長変換素子の製造工程において、+Z面電極形成工程、-Z面電極形成工程、プロトン交換工程、及び分極反転構造形成工程は、第1実施形態の波長変換素子の製造工程におけるこれらの工程と同一の工程である。そこで以下の説明では、これら共通する工程についての説明を省略し、光導波路形成工程についての説明を行う。
【００４８】
リッジ型の光導波路22を構成するに当たり、まず、-Z面の全面にわたりプロトン交換処理を行う。このプロトン交換処理の工程は、上述のプレーナ型の光導波路を形成する工程で採用した条件と同一の条件で行うことが可能である。すなわち、200℃の安息香酸中に2時間浸して、450℃の酸素雰囲気中で6時間アニール処理することで、リッジ型の光導波路22を構成するための前段のプロトン交換処理の工程が実施できる。
【００４９】
光導波路(リッジ型の光導波路)22として形成される領域を除き、LiNbO3基板12の-Z面をダイシングする。図3(B)に示すように、リッジ型の光導波路22の裾の位置を破線で示してある。すなわち、リッジ型の光導波路22のリッジの高さは図3(B)に示すようにLw’である。Lw’の寸法は、被波長変換光の波長にもよるが、被波長変換光の波長が1.5μmである場合は、5〜10μｍとするのが好ましい。
【００５０】
このようにプロトン交換処理を施した後に、ダイシング装置を利用してリッジ型の光導波路を形成する手法を採ると、ダイシングソーによってリッジ以外の部分が研削されて形成されたリッジの部分がプロトン交換領域であるのでその屈折率が高くなっている。従って、このリッジ型の光導波路22を伝播する被波長変換光及び波長変換光の閉じ込め効率が一層高くなるという利点が得られる。
【００５１】
光導波路をリッジ型の光導波路とすることによる利点は、光導波路を伝播する被波長変換光及び波長変換光の閉じ込め効率がプレーナ型の光導波路に比べて高いので、被波長変換光及び波長変換光を高いエネルギー密度を保ったまま伝播させることができる点にある。このことによって、波長変換効率を高くすることが可能となる。しかしながら、リッジ型の光導波路は、-Z面から飛び出した形状となるため、波長変換素子として利用する際に不便である場合もある。また、プレーナ型の光導波路よりも形成工程が複雑であるので、製造コストが高くなる。
【００５２】
波長変換素子の具える光導波路としては、上述したプレーナ型の光導波路及びリッジ型の光導波路に限定されることはない。例えば、ストリップ装荷(strip-loaded)型光導波路を利用することも可能である。
【００５３】
なお、上述したプレーナ型の光導波路は埋め込み型の光導波路と呼ばれることもある。また、リッジ型の光導波路はリブ(rib)型の光導波路と呼ばれることもある。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】この発明の第1実施形態の波長変換素子の概略を示す図であり、(A)は概略的斜視図であり、(B)は光導波路の方向に沿って、+Z面あるいは-Z面に垂直な平面であって、この光導波路を含む平面で切断して示す断面図である。
【図２】LiNbO3基板に周期的分極反転構造を形成する方法の説明に供する図である。（A)は+Z面電極形成工程及び-Z面電極形成工程の説明に供する図であり、(B)は+Z面側の電極で覆われた領域以外の領域にプロトン交換を施すプロトン交換工程の説明に供する図であり、(C)は分極反転構造形成工程の説明に供する図であり、(D)は周期的分極反転構造の形成工程が終了した時点でのLiNbO3基板の構造の説明に供する図である。
【図３】この発明の第2実施形態の波長変換素子の概略を示す図であり、(A)は概略的斜視図であり、(B)は光導波路の方向に沿ってこの光導波路を含む平面で切断して示す断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
10、14：電極
12：LiNbO3基板（強誘電体結晶）
16：プロトン交換領域
20：光導波路（プレーナ型の光導波路）
22：光導波路（リッジ型の光導波路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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