【手続補正書】
【提出日】平成21年6月2日(2009.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自発分極が互いに反転している第１、第２分極領域が複数個ずつ交互に形成された非線形光学基板と、これら第１、第２分極領域を通過するように形成された光導波路とを有する波長変換素子であって、
形成される前記第１、第２分極領域の光進行方向に対する位置座標を調整することにより、波長変換効率の絶対値を変化させることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記非線形光学基板に、前記第１、第２分極領域の位相がＫｚ＋Δφ＋ｃｏｓ−１（Ｆ（ｚ））になる区間と、該第１、第２分極領域の位相がＫｚ＋Δφ−ｃｏｓ−１（Ｆ（ｚ））になる区間（Ｆ（ｚ）は変換係数強度の光進行方向に対する変化を示す関数、Δφ（ｚ）はＱＰＭ周期のチャープを表す位相項、Ｋはこの実施形態に係るＱＰＭチャープ構造の全長に相当する波数）とを、交互に形成した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】
自発分極が互いに反転している第１、第２分極領域が複数個ずつ交互に一定の周期で形成された微小区間を複数個備えた非線形光学基板と、これら第１、第２分極領域を通過するように形成された光導波路とを有する波長変換素子であって、これら複数の微小区間の間の位相をシフトさせて平均周期を変化させることを特徴とする波長変換素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
図１５において、波長変換素子１５００の基板１５０１は、非線形光学効果を有する基板材料で作成される。基板１５０１としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３のｚ板を使用することができる。ＬｉＮｂＯ３基板１５０１は、強誘電体であり、自発分極を有している。したがって、ＬｉＮｂＯ３基板１５０１には、自発分極が互いに反転している領域（以下、「第１、第２分極領域」と記す）１５０２，１５０３を交互に作成することができる。分極領域１５０２，１５０３を交互に設けた素子構造は、ＱＰＭ(Quasi Phase Matching)構造と称されている。ＱＰＭ構造の基板１５０１を作成するためには、例えば、分極領域１５０２を形成すべき領域または分極領域１５０３を形成すべき領域のみに、基板１５０１の分極方向と逆の電圧を印加して、分極を反転させればよい。基板１５０１には、さらに、光導波路１５０４が形成される。光導波路１５０４を作成するためには、例えば、２００℃の安息香酸中で、基板１５０１中のリチウムイオンをプロトンにイオン交換すればよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
しかしながら、図１６に示したような従来のチャープ構造では、波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎが大きいという欠点があり、パルス波形のリップルを十分に抑えることができなかった。波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎ及びパルス波形の歪みを抑制するためには、分極領域１５０２，１５０３の周期のチャープとともに、非線形光学係数を素子の両端で徐々に端へ向かって低減する構造が必要である。この構造を、従来は、分極領域１５０２，１５０３の幅制御で行っていた(非特許文献１)。
【特許文献１】特開平５−２７３６２３号公報
【特許文献２】特開２００４−２０８７０号公報
【非特許文献１】2006年秋季応用物理学会学術講演会予稿集30p-ZX-12
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上述の非特許文献１の技術では、非常に複雑な構造の寸法を高精度で実現しないと、波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎ及びパルス波形のリップルを十分に抑えるという目的は達成できない。このためには、例えば上述の形成方法を採用する場合には、分極領域１５０２または分極領域１５０３を形成するための電極の位置・寸法、電圧印加条件等を高精度に制御すればよい。しかし、電子ビーム描画装置の解像度に限界があること、分極領域作製条件などの理由により、分極領域１５０２，１５０３の長さ制御には限界がある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
この発明の課題は、分極領域の位置・寸法等を高精度に制御することなしに、波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎパルス波形のリップルを抑制する技術を提供することにある。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
この発明は、自発分極が互いに反転している第１、第２分極領域が複数個ずつ交互に形成された非線形光学基板と、これら第１、第２分極領域を通過するように形成された光導波路とを有する波長変換素子に関する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
この発明によれば、第１、第２分極領域の周期を全体的には一定にしつつ、波長変換効率の絶対値が被波長変調光導入側から段階的に変化するように第１、第２分極領域の位置を調整したので、分極領域の位置・寸法等を高精度に制御することなしに、波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎ及びパルス波形歪みを抑制することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
第１、第２分極領域１０２，１０３は、基板１０１に形成された、自発分極が互いに反転している領域である。図１に示したように、第１、第２分極領域１０２，１０３は、交互に作成される。すなわち、波長変換素子１００は、ＱＰＭ構造を有している。さらに、図１には示していないが、第１、第２分極領域１０２，１０３は、光進行方向に対する長さが、周期的に変化するように形成されている。すなわち、波長変換素子１００は、チャープ構造を有している。加えて、第１、第２分極領域１０２，１０３は、波長変換効率が光導入面付近で段階的に増加し且つ光導出面付近で段階的に減少するように、構成されている（後述の図２参照）。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
従来から、非線形光学係数の絶対値｜ｄ（ｚ）｜が光導入面付近で段階的に増加し且つ光導出面付近で段階的に減少するように第１、第２分極領域１０２，１０３の幅を変化させるものがある（非特許文献１、図２参照）。この方法では光の導入面付近および導出面付近で、非線形光学係数ｄ（ｚ）の変化が緩やかになる。したがって、この方法によれば、波長変換の周波数帯域内での波長変換効率の揺らぎ及び変調光Ｐ４のパルス波形に発生するリップルを抑制できる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
ここでは、ＱＰＭチャープ構造の平均周期を１９μｍとし、チャープ量が周期で０．１５３の場合（曲線Ｃ１）、０．２３８の場合（曲線Ｃ２）、０．０７６５の場合（曲線Ｃ３）の場合についてそれぞれグラフを作成した。また、ＱＰＭチャープ構造の周期数は２０００とし、非線形光学係数変化のエッジを滑らかにした部分の長さを全長の４０％に設定し、さらに、この部分の形状をガウス形状とした。このような条件下で、均一な非線形光学係数によるＱＰＭチャープ構造（図１６参照）と同様の波長変換特性を得るには、チャープ量を１．７倍にする必要がある。したがって、上述のチャープ量は、図１６のＱＰＭチャープ構造においてチャープ量が０．０９（＝０．１５３／１．７）、０．１４（＝０．２３８／１．７）、０．０４５（＝０．０７６５／１．７）の場合に相当する。さらに、ここでは、基板１０１の材料はＬｉＮｂＯ３であり、信号光Ｐ１の波長は１５５０ｎｍ、中間光Ｐ３の波長は７７５ｎｍであった。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
図４（Ａ）において、曲線Ｐ１は、均一波長変換効率のＱＰＭチャープ構造（図１６参照）に対応し、位相φ（ｚ）がＫｚ＋Δφ（ｚ）で与えられる。また、曲線Ｐ２は、エッジがなだらかな波長変換効率変化を変換係数強度Ｆ（ｚ）の位相変化で実現した場合（式（２）参照）に対応し、位相φ（ｚ）がＫｚ＋Δφ（ｚ）＋ｃｏｓ−１［Ｆ（ｚ）］で与えられる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
図４（Ｂ）において、直線Ｐ３は、非チャープのＱＰＭ構造（分極領域の長さが均一なＱＰＭ構造）に対応している。直線Ｐ３で示したような特性のＱＰＭ構造において、分極領域の位置を適当にずらすことにより、符号Ｐ４で示したような位相関数を得ることができる。このように、分極領域位置を適当にずらすことで、曲線Ｐ２と近似的に一致するような特性のＱＰＭ構造を得ることができる。以下、符号Ｐ４で示した曲線を、近似位相曲線と記す。近似位相曲線Ｐ４は、多数の微小区間から構成され、各微小区間の直線線分は直線Ｐ３と同じ傾きを有する。各微小区間の段差は、Ｋ×Δｚで表される。ここで、Δｚは、電子描画装置の解像限界εと一致する。すなわち、微小区間の段差部では、解像限界εに対応する値の位相差が、ＱＰＭ構造に与えられる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図６は、実施形態に係るＱＰＭ構造の他の具体例を説明するための概念図である。図６において、曲線Ｐ５は位相φ（ｚ）がＫｚ＋Δφ（ｚ）＋ｃｏｓ−１（Ｆ（ｚ））で表される場合を示しており、曲線Ｐ６は位相φ（ｚ）がＫｚ＋Δφ（ｚ）−ｃｏｓ−１（Ｆ（ｚ））で表される場合を示しており、且つ、曲線Ｐ７は位相φ（ｚ）がＫｚ＋Δφ（ｚ）で表される場合を示している。上述のように、ｊ・ｓｉｎ｛±ｃｏｓ−１［Ｆ（ｚ）］｝を排除しないとエッジがなだらかな波長変換効率変化を実現できない。このために、図６の例では、基板１０１の全区間を光進行方向について複数区間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・に区切り、曲線Ｐ５に対応する区間と曲線Ｐ６に対応する区間とを、交互に作製する。すなわち、図６の例では、分極領域１０２，１０３の位相が、奇数番目の区間Ｓ１，Ｓ３，・・・では曲線Ｐ６にしたがって決定され、偶数番目の区間Ｓ２，・・・では曲線Ｐ５にしたがって決定されている（逆でもよい）。これにより、基板１０１の全域について考えた場合には、＋jsin[ｃｏｓ−１（Ｆ（ｚ））]の項とjsin[−ｃｏｓ−１（Ｆ（ｚ））]の項とが打ち消し合う状態になって、エッジがなだらかな波長変換効率変化を実現できる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
図７（Ｂ）、（Ｃ）は、図５に示す構造を有する波長変換素子の波長変換特性を演算で求めた結果を示すグラフである。図７（Ｂ）、（Ｃ）において、縦軸はパルスの光強度（規格値）、横軸は時間（ピコ秒）である。また、Ｍ０は信号波のパルス波形、Ｍ１は非チャープＱＰＭ構造のＳＨＧパルス波形、Ｍ２は従来のチャープＱＰＭ構造（図１６参照）のＳＨＧパルス波形、Ｍ３は非線形光学係数ｄ（ｚ）を調整した波長変換素子（図２参照）のＳＨＧパルス波形、Ｍ４は第１、第２分極領域１０２，１０３のｚ座標位相をシフトさせることによってこの実施形態を適用した波長変換素子（図５参照）のＳＨＧパルス波形である。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
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