(57)【要約】　　　（修正有）【課題】周期分極構造を作製する上で問題となっていた反転の不均一性やプロセスの非再現性の問題が少なく、かつ波長変換としての機能を有する新しい構造を利用した波長変換素子を提供することにある。【解決手段】強誘電体基板からなる波長変換素子であり、前記強誘電体基板が異なる２種類の分極領域１０、２０を周期的にならべた構造を有し、前記異なる２種類の分極領域の分極方向１１、２１が互いに非平行であることを特徴とする波長変換素子である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体からなる波長変換素子であり、前記強誘電体が異なる２種類の分極領域を周期的にならべた構造を有し、前記異なる２種類の分極領域の分極方向が互いに非平行であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記異なる２種類の分極領域の互いの分極界面が、格子の連続条件を満たすために特定の方向に限定されている界面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】
前記強誘電体の異なる分極領域の分極方向が、互いに９０度、６０度、または１２０度をなすことを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記強誘電体が斜方晶または正方晶のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記強誘電体がニオブ酸カリウムであることを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体を用いた波長変換素子で、特に周期的な分極構造を有する波長変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた通信分野では、大容量で高速なデータ伝送が要求される。特に波長多重（ＷＤＭ）や光時分割多重（ＯＴＤＭ）は光ファイバの伝送容量を格段に増加できる点で有望視されており、複数のキャリア波長を精度良く制御するための波長制御技術やあるキャリア波長を別のキャリア波長に変換する波長変換技術が重要になる。
【０００３】
たとえば既設の光通信ネットワークでは、光ファイバの損失が少ない１．３μｍ帯をキャリア波長とした単一波長の光伝送が主流であり、一般には都市内の電話通信網を置換する目的で敷設されている。一方、都市間を結ぶ幹線系の光通信ネットワークでは、波長多重伝送に好適な１．５μｍ帯をキャリア波長とした波長多重の光伝送が主流である。
【０００４】
両者の光通信ネットワークを接続する場合、キャリア波長が互いに異なるため、一方のネットワークに流れる光信号をいったん電気信号に変換し、他方のネットワークに適合するキャリア波長を用いた光信号に変換する必要がある。すると、光通信の性能が電気信号処理の能力によって制限されてしまう。
【０００５】
そこで、一方のネットワークのキャリア波長を他方のネットワークのキャリア波長に直接に変換できれば、電気信号処理が介在しなくなり、光通信の高い性能を有効に維持できる。そのため、キャリア波長を変換するための光ミキシング技術が不可欠となる。
【０００６】
こうした波長変換では、非線形光学効果による第２高調波発生（ＳＨＧ）、和周波発生（ＳＦＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）、パラメトリック変換、などを利用するため、非線形光学効果の高い材料が望まれる。
【０００７】
関連する先行技術として、特開平１０−２１３８２６号（特許文献１）、特開２０００−１０１３０号（特許文献２）などが、関連する論文として、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４などがある。
【０００８】
非特許文献１では、導波路構造を持つＰＰＬＮ（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ−ｐｏｌｅｄ　ｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ：周期分極ニオブ酸リチウム）素子を用いた差周波発生による光ミキシングについて記載されている。非特許文献２では、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３　を用いたＱＰＭ（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ　Ｍａｔｃｈｉｎｇ：疑似位相整合）素子は、高強度の光が入射すると、フリーキャリア吸収によって局部的に電界が生じ、非線形光学定数が大きく変動する光損傷（Ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　ｄａｍａｇｅ）について記載されている。非特許文献３，４もニオブ酸リチウムに関する。
【０００９】
このように波長変換を行う場合、従来から非線形光学効果の高いニオブ酸リチウムを使用することが多い。
【００１０】
これらの材料を波長変換素子として用いる最も一般的な方法として、図８（ａ）に示すように、自発分極１を有する分極領域３と自発分極１と１８０°反対方向の分極方向２を有する分極領域４とを周期的に並べた周期分極反転構造を作製しＱＰＭを行う方法がある。周期分極反転構造の作成方法としては、電界印加による、周期的な１８０°分極構造を作製する方法が広く用いられている（非特許文献５、６）。しかし、１８０°分極構造の場合、分極壁が任意の方向を取ることが可能である（非特許文献７）。なぜならば、１８０°の分極構造の場合、元の分極領域と１８０°分極領域の分極方向（ｃ軸方向）のプラスマイナスの符号のみ変化するだけであり、元の分極領域と１８０°分極領域のａ軸、ｂ軸の方向は符号以外は変化しないため、任意の分極界面を取ることが可能である。そのため、図８（ａ）の模式図のような理想的な周期分極反転構造を作製しようとしても、図８（ｂ）に示すように分極反転領域４がｘｙ面内で不均一になったり、図８（ｃ）に示すように分極反転領域４が深さ方向で不均一になったり、さらに作製プロセスに再現性がないなどの問題がある（非特許文献８）。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−２１３８２６号
【００１２】
【特許文献２】特開２０００−１０１３０号
【００１３】
【非特許文献１】Ｍｉｎｇ−Ｈｓｉｅｎ　ＣＨＯＵ、　Ｋｉｒｉｓｈｎａｎ．　Ｒ．　Ｐａｒａｍｅｓｗａｒａｎ、Ｍ．Ｍ．　Ｆｅｊｅｒ、Ｉｇａｌ　Ｂｒｅｎｅｒ　著，　”ＩＥＩＣＥ　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ　ＯＦ　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ”．，　（ＪＵＮＥ　２０００）　ＶＯＬ．Ｅ８３−Ｃ，ＮＯ．６，ｐ．８６９
【００１４】
【非特許文献２】Ｃ．Ｑ．Ｘｕ，ｅｔ、Ｈ．Ｏｋａｙａｍａ、Ｙ．Ｏｇａｗａ著，　　”Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ”，　２０００年　　ＶＯＬ．８７，ＮＯ．７、ｐ．３２０３
【００１５】
【非特許文献３】栗村直　著、「固体物理」，１９９４年，　Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１，　ｐ．７５
【００１６】
【非特許文献４】古川保典、佐藤正純　著、「日本結晶成長学学会会誌」，１９９０年，　Ｖｏｌ．１７，　Ｎｏ．３＆４，　ｐ．２７７
【００１７】
【非特許文献５】Ｌ．　Ｅ．　Ｍｙｅｒｓ、Ｒ．Ｃ．Ｅｃｋａｒｄｔ、Ｍ．Ｍ．Ｆｅｊｅｒ、Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ、Ｗ．Ｒ．Ｂｏｓｅｎｂｅｒｇ、Ｊ．Ｗ．Ｐｉｅｒｃｅ．著，”　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ”　　Ｂ　１２，　（１９９５）　Ｐ．　２１０２、
【００１８】
【非特許文献６】Ｊ．−Ｐ．　Ｍｅｙｎ、Ｍ．Ｅ．　Ｋｌｅｉｎ、Ｄ．Ｗｏｌｌ、Ｒ．Ｗａｌｌｅｍｓｔｅｉｎ、Ｄ．Ｒｙｔｚ著，　”Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ”．　２４，　　（１９９９）．　Ｐ１１５４
【００１９】
【非特許文献７】Ｅ．　Ｗｉｅｓｅｎｄａｎｇｅｒ著　”Ｃｚｅｃｈｏｓｌｏｖａｋｉａ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ”Ｂ　２３，　　（１９７３）．　Ｐ９１
【００２０】
【非特許文献８】関秀一、阿久津剛史、丸山真幸、中島啓幾、栗村直、北村健二、石月秀貴、平等拓範、Ｊｕｎｇ　Ｈｏｏｎ　ＲＯ、Ｍｙｏｕｎｇｓｉｋ　ＣＨＡ　著、「信学技報」ＯＰＥ２００２−４０、（２００２）ｐ．１９
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、周期分極構造を作製する上で問題となっていた反転の不均一性やプロセスの非再現性の問題が少なく、かつ波長変換としての機能を有する新しい構造を利用した波長変換素子を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、強誘電体からなる波長変換素子であり、前記強誘電体が異なる２種類の分極領域を周期的にならべた構造を有し、前記異なる２種類の分極領域の分極方向が互いに非平行であることを特徴とする波長変換素子である。
【００２３】
本発明において前記の異なる２種類の分極領域の互いの分極界面が、格子の連続条件を満たすために特定の方向に限定されている界面であることが好ましい。
【００２４】
前述のように、従来の周期分極反転構造として用いられている１８０°分極構造は、分極壁が任意の構造を取ることが可能であるため、作製した分極構造が面内および深さ方向において不均一になったり、プロセスに再現性がないなどの問題点が生じていた。本発明は、分極壁が格子の連続条件により特定の面に限られている分極構造を利用することを特徴とする波長変換素子である。
【００２５】
前記波長変換素子は、理論的に特定の面しかもたない分極壁が存在する斜方晶、正方晶、単斜晶であることが望ましい。
また、そのなかでも非線形光学定数の大きいニオブ酸カリウムであることが好ましい。
また、前記分極壁が格子の連続条件により特定の面に限られている分極構造の例としては、ニオブ酸カリウムの６０°分極壁、９０°分極壁、１２０°分極壁などがあげられる。
【００２６】
実際の波長変換を行う上では、分極壁における反射が起こらないことが望ましい。図２にその一例を示す。図２は９０°分極構造の模式図であり、自発分極１１を有する分極領域１０と自発分極２１を有する分極領域２０が分域壁１５を介して接合している。自発分極方向１１と２１は９０°の角度をなすため、９０°分極構造と呼ばれる。元の分極領域１０と自発分極方向が９０°異なる９０°分極領域２０では、結晶軸がｂ軸のみ共通であり、ａ軸とｃ軸は互いに９０°回転した構造となる。そのため、９０°分極壁１５は格子の連続条件から、ｂ軸と平行で、ａ軸ｃ軸からそれぞれ４５°なす方向にしか存在することができない。分域壁１５で反射が起こらないためには、９０°分極構造のように、分極壁１５を介した二つの分極領域１０と分極領域２０において、図２（ｂ）（ｃ）に示す領域１０領域２０での壁に垂直な面に対する屈折率楕円体の主軸が共通であることが望ましい。この点で９０°分極が好ましい。
【００２７】
以下、ニオブ酸カリウムの９０°分極構造を例にとり、この構造を説明する。
【００２８】
本発明における波長変換素子の構造を図１に示す。また、図１のような構造を作成するためのプロセスを示した模式図を図４に示す。図４（ａ）は分極構造作製前のニオブ酸カリウム単結晶基板３３の模式図である。９０°分極構造は、図２に示すように、格子の連続条件から、分極壁がａ軸とｃ軸から４５°傾きかつｂ軸と平行な方向にのみ形成される。ここでｃ軸方向は自発分極方向である。
【００２９】
周期的な分極構造を作製するために、図４（ａ）に示すようにａ，ｃ軸から４５°傾いた面と垂直に基板３３を切り出し、図４（ｂ）に示すように切り出し面に片方にｂ軸と平行に周期電極３１を作製し、反対側の面に全面電極３２を作製する。作製した両電極３１，３２間に電源３４により電界を印加することにより、自発分極方向２１を有する９０°分極領域２０を周期的に作製することができた。このとき、分極壁１５は理論的に決まった面に限定され、断面方向（ｚ｀軸方向）に対して傾いた分極壁やｂ軸と平行でない分極壁を生じることは無かった。この物理的性質を利用することにより、従来の１８０°分極周期分極反転構造では図８（ｃ）のように断面方向に対して不均一が生じやすく非常に困難であった厚膜化も容易となる。
【００３０】
前記説明において、電極形状は、パターンを形成してある電極であれば、その材料、材質によらない。たとえば、パターン作製のフォトリソグラフィを用い、その上にリフトオフ法により作製したＡｌやＡｕなどの金属電極、フォトリソグラフィにより周期的に作製したフォトレジストなどの絶縁層を介して、ＬｉＣｌなどの電界液をコンタクトさせた液体電極、また、これらフォトレジストと金属電極の二つを組みあわせて作製した電極などである。
【００３１】
また、上述のパターン電極３１の作製は、片面、または両面に作製しても良い。
【００３２】
次に、作製した波長変換素子の波長変換特性について説明する。はじめに、図１の波長変換素子の模式図を用いて説明する。光の伝播方向４０をｙ’軸とし、各分極領域１０，２０における分極壁１５に平行な面における屈折率楕円体の主軸方向をｘ’、ｚ’軸とする。以下では、第二次高調波発生を例にとり説明する。波長λの光を４０の方向から入射した場合、非線形光学効果によりλ／２の第二次高調波が発生する。このような波長変換動作をさせるためには、その波長変換の方向に対する非線形光学定数（ｄ定数）、および、擬似位相整合（ＱＰＭ）を行うための周期が重要となる。９０°分極構造を用いた場合の非線形光学定数は、ｚ’軸方向の偏光を入射してｚ’軸方向の変換光を得るｄ定数であるｄ’３３はｄ’３３＝１４．９、ｘ’軸方向の偏光を入射してｚ’軸方向の変換光を得るｄ定数であるｄ’３１はｄ’３１＝９．１であり、１８０°分極構造におけるｄ定数ｄ３３＝１９．５、ｄ３１＝１１．３よりは若干小さくなるものの、波長変換素子としては十分大きな値を保持できる。さらに、青色から赤外までの第二次高調波を発生させるための周期分極構造の周期は、１０￣８０μｍ程度で１８０°分極の場合と大きな差は無く、作製技術として十分可能なレベルである。
【００３３】
上述のように、１８０°分極と異なる分極構造のうち、分極壁１５が物理的に特定の面しかとりえない分極構造を用いることで、容易に精度の良い周期分極構造を作製することができ、変換効率の優れた波長変換素子を実現することができた。
【００３４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図４の略線的拡大模式図を参照して説明する。ここでは、強誘電体基板としてニオブ酸カリウム（ＫＮ）を用い、図４（ａ）に示すようにａ，ｃ軸から４５°傾いた面と垂直に２ｍｍ厚の基板３３を切り出した。切り出し面の片方に、ｂ軸と平行にフォトレジストを用いて１７μｍ周期の周期パターンを作製し、その上から金を蒸着することにより、周期電極３１を作製した。反対側の面には金蒸着により全面電極３２を作製した。電源３４により、作製した両電極３１，３２間に約１４０Ｖ／ｍｍから２００Ｖ／ｍｍの台形形状の電界を印加した。この例では、自発分極方向２１を有する９０°分極領域２０を周期的に作製する際、作製した９０°分極領域２０が広がり過ぎないようにするためため、周期電極３１の電極部の幅がフォトレジストによる絶縁層の幅がより５μｍ細くなるような形状とした。
【００３５】
その結果、図５に示す透過顕微鏡像のように周期的な９０°分極構造２０を作製することができた。このとき、分極壁１５は理論的に決まった面に限定され、断面方向に対して斜めに傾いた分極壁やｂ軸と平行でない分極壁が生じることは無かった。
【００３６】
さらに、９０°分極構造の場合、分極壁１５の移動速度が数分オーダーと１８０°分極壁の移動速度（数ミリ秒）に比べて非常にゆっくりであるためであり、制御性が非常に優れており、電界印加時間を繊細に制御しなくても再現性よく周期構造を作製することが可能であることがわかった。
【００３７】
作製した素子に１．５５μｍの光を入射し、波長変換動作の確認すると、波長変換された第二高調波の出力を確認することができる。
【００３８】
以上の結果から、電界印加法により、１８０°分極構造ではない異なる２種類の分極構造を用いた周期分極構造による波長変換素子を容易にかつ高精度に作製することができた。
【００３９】
（実施例２）
実施例１と同様にして、図５に示すような周期的な９０°分極構造２０を作製する。作製した分極構造の表面に図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すような導波路構造を作製する。以下、具体的に説明する。
【００４０】
図６（ａ）はニオブ酸カリウム単結晶にＨｅイオンを打ち込むことにより、イオン打ち込み層５１と基板４の表面との間に導波路構造５２を作製したものである。図６（ｂ）はこの結晶を薄く研磨し、スラブ状の導波路にしたものである。図６（ｃ）はこの結晶を薄く研磨し、ダイサーなどにより、リッジ型の導波路構造５２を構成したものである。
【００４１】
作製した導波路構造を有する素子に対しても、１．５５μｍの光を入射し、波長変換動作の確認すると、波長変換された第二高調波の出力を確認することができる。
【００４２】
（実施例３）
はじめに、図４（ａ）のように、実施例１と同様にして、ニオブ酸カリウムの基板を切出し、表面にＨｅイオンを打ち込むことにより、図７に示すようにイオン打ち込み層５１と基板４の表面との間に導波路構造５２を作製する。次に、図７（ｂ）のように電極３１、３２を作製し、実施例１と同様に電界印加をすることにより周期的な９０°分極領域２０を作製する。このようにして作製した素子は、図６（ａ）のように、導波路構造を有する波長変換素子となる。
【００４３】
作製した導波路構造を有する素子に対しても、１．５５μｍの光を入射し、波長変換動作の確認すると、波長変換された第二高調波の出力を確認することができる。
【００４４】
以上の結果から、電界印加法により、１８０°分極構造ではない異なる２種類の分極領域を用いた周期分極構造による波長変換素子を容易にかつ高精度に作製することができた。
【００４５】
以上の説明は主にＫＮｂＯ３結晶の９０°分極構造を例に説明したが、他の分極構造（６０°、１２０°）や、斜方晶、正方晶であるＫＴｉＯＰＯ４、ＢａＴｉＯ３，ＲｂＴｉＯＰＯ４、ＬｉＢ３Ｏ５などにも適用できることは言うまでもない。
【００４６】
また、導波路構造を有する素子において導波路構造の作製法としてＨｅイオンの打ち込みによる作製法、および研磨によるスラブ状の作製法、ダイサー等によるリッジ状導波路の作製法を例にあげたが、そのほかの良く知られている図３に示すような酸によるプロトン交換法、Ｔｉ拡散法、Ｚｎ拡散法などの金属拡散法による導波路構造５２に対しても適用できることは言うまでも無い。
【００４７】
また単結晶材料に限定して説明したが、基板上にエピタキまたシャル成長した材料でも適応できることも言うまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明により、従来１８０°周期分極構造を用いた波長変換素子においては作製の不均一や、作製の非再現性が問題となっていたが、９０°分極構造のように格子の連続条件を満たすために特定の分極壁のみ存在する構造を利用することにより、不均一が少ない周期分極構造を再現性よく作製でき、作製制度のよい波長変換素子を実現することが可能となった。本発明の実用上かつ産業上効果は、これらデバイス特性の向上、作製精度の向上という点で甚大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波長変換素子を示した模式図である。
【図２】９０°分極構造を説明した図である。
（ａ）９０°分極構造の自発分極方向と、理論的に決まっている分極壁を示した図である。
（ｂ）分極領域１０における分極壁と平行な断面で切断した屈折率楕円体を示した図である。
（ｃ）分極領域２０における分極壁と平行な断面で切断した屈折率楕円体を示した図である。
【図３】プロトン交換法、または金属拡散法により作製した導波路構造を有する本発明による波長変換素子の例である。
【図４】本発明における波長変換素子の作製法の一例を示した模式図である。（ａ）は本発明における波長変換素子を作製するために準備した基板の模式図である。
（ｂ）は本発明における波長変換素子を作製する電界印加法を示した模式図である。
【図５】本発明における波長変換素子の光学顕微鏡写真の一例である。
【図６】本発明における導波路構造を有する波長変換素子の構造を示した例である。
（ａ）イオン打ち込みにより導波路構造を作製した場合の例である。
（ｂ）薄く研磨することにより作製したスラブ状導波路構造の例である。
（ｃ）ダイサーなどで細く切出すことにより作製したリッジ型導波路構造の例である。
【図７】導波路構造を有する基板に、本発明による波長変換素子における周期分極構造の作製方法を示した模式図である。
【図８】従来の１８０°周期分極構造を利用した波長変換素子の模式図である
（ａ）理想的な波長変換素子の構造である。
（ｂ）自発分極と垂直な面内で不均一が生じた場合の素子の例である。
（ｃ）自発分極と平行な方向で不均一が生じた場合の素子の例である。
【符号の説明】
１：　自発分極方向、　　　　　２：　自発分極方向、　３：　分極領域
４：　分極領域、　　　　　１０：　分極領域、　１１：　自発分極方向、
１５：　分極壁、　　　２０：　分極領域、　　　２１：　自発分極方向
３１：周期電極、　　　３２：全面電極、　　　　　　３３：　基板、
３４：　電源、　　　５１：　イオン打ち込み層、　　　５２：　導波路
【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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