(57)【要約】【課題】  損傷伝播のないマルチグレーティングを有する波長変換素子およびそれを用いた光発生装置を提供すること。【解決手段】  本発明による波長変換素子は、ホルダーと、ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶とを含む。複数の角柱状強誘電体単結晶は、少なくとも５つの面を有しており、複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は、実質的に１である。複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、分極方向に対して垂直な方向に、所定の周期を有する分極反転構造を有している。複数の角柱状強誘電体単結晶は、分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている。【選択図】  図３
2005156635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホルダーと、
前記ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶と
を含む波長変換素子であって、
前記複数の角柱状強誘電体単結晶は、少なくとも５つの面を有しており、
前記複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は、実質的に１であり、
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、前記複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの分極方向に対して垂直な方向に、所定の周期を有する分極反転構造を有しており、
前記複数の角柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている、波長変換素子。
【請求項２】
前記所定の周期は、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ1を有する第１の光を、第２の波長λ2を有する第２の光と第３の波長λ3を有する第３の光とに変換する場合、前記第１の波長λ1と前記第２の波長λ2と前記第３の波長λ3とが、関係１／λ1＝１／λ2＋１／λ3、関係λ1＜λ2およびλ1＜λ3を満たすように、擬似位相整合する周期である、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記所定の周期は、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ1を有する第１の光を第２の波長λ2を有する第２の光に変換する場合、前記第１の波長λ1と前記第２の波長λ2とが、関係λ1＝２×λ2を満たすように、擬似位相整合する周期である、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記所定の周期は、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ1を有する第１の光と第２の波長λ2を有する第２の光とを、第３の波長λ3を有する第３の光に変換する場合、前記第１の波長λ1と前記第２の波長λ2と前記第３の波長λ3とが、関係１／λ1±１／λ2＝１／λ3を満たすように、擬似位相整合する周期である、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは６つの面を有する、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドープした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドープした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記ホルダーに設置された温度制御素子と、
前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームと
をさらに含む、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項９】
前記温度制御素子を制御する制御部をさらに含む、請求項８に記載の波長変換素子。
【請求項１０】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されている、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１１】
第１の波長λ1を有する第１の光を発する光源と、
前記第１の光を、第２の波長λ2を有する第２の光と第３の波長λ3を有する第３の光とに変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子の位置を制御する制御部と
を含む光発生装置であって、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は少なくとも５つの面を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は実質的に１であり、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ1と第２の波長λ2と第３の波長λ3とが、関係１／λ1＝１／λ2＋１／λ3、関係λ1＜λ2およびλ1＜λ3を満たすように、前記複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている、光発生装置。
【請求項１２】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは６つの面を有する、請求項１１に記載の光発生装置。
【請求項１３】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドープした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドープした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される、請求項１１に記載の光発生装置。
【請求項１４】
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成される、請求項１１に記載の光発生装置。
【請求項１５】
前記波長変換素子は、
前記ホルダーに設置された温度制御素子と、
前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームと
をさらに含む、請求項１１に記載の光発生装置。
【請求項１６】
前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御する、請求項１５に記載の光発生装置。
【請求項１７】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されている、請求項１１に記載の光発生装置。
【請求項１８】
第１の波長λ1を有する第１の光を発する光源と、
前記第１の光を第２の波長λ2を有する第２の光に変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子の位置を制御する制御部と
を含む光発生装置であって、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は少なくとも５つの面を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は実質的に１であり、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ1と第２の波長λ2とが関係λ1＝２×λ2を満たすように、前記複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている、光発生装置。
【請求項１９】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは６つの面を有する、請求項１８に記載の光発生装置。
【請求項２０】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドープした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドープした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される、請求項１８に記載の光発生装置。
【請求項２１】
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成される、請求項１８に記載の光発生装置。
【請求項２２】
前記波長変換素子は、
前記ホルダーに設置された温度制御素子と、
前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームと
をさらに含む、請求項１８に記載の光発生装置。
【請求項２３】
前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御する、請求項２２に記載の光発生装置。
【請求項２４】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されている、請求項１８に記載の光発生装置。
【請求項２５】
第１の波長λ1を有する第１の光を発する第１の光源と、
前記第１の光と、外部から入射した第２の波長λ2を有する第２の光とを結合させる光学系と、
前記第１の光と第２の光とを、第３の波長λ3を有する第３の光に変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子の位置を制御する制御部と
を含む光発生装置であって、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は少なくとも５つの面を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は実質的に１であり、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ1と第２の波長λ2と第３の波長λ3とが、関係１／λ1±１／λ2＝１／λ3を満たすように、前記複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている、光発生装置。
【請求項２６】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは６つの面を有する、請求項２５に記載の光発生装置。
【請求項２７】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドープした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドープした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択される、請求項２５に記載の光発生装置。
【請求項２８】
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成される、請求項２５に記載の光発生装置。
【請求項２９】
前記波長変換素子は、
前記ホルダーに設置された温度制御素子と、
前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームと
をさらに含む、請求項２５に記載の光発生装置。
【請求項３０】
前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御する、請求項２９に記載の光発生装置。
【請求項３１】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されている、請求項２５に記載の光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチグレーティングを有する波長変換素子およびそれを用いた光発生装置に関する。より詳細には、本発明は、偏光方位に対応し、かつ、損傷伝播のないマルチグレーティングを有する波長変換素子およびそれを用いた光発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、優れた非線形光学定数および電気光学定数を有する強誘電体単結晶を用いた波長変換素子の研究が盛んに行われている。なかでも、良質な強誘電体単結晶の製造技術および分極反転形成技術の向上により、擬似位相整合方式を採用した波長変換素子の発展は目覚しい。
ニオブ酸リチウム単結晶を利用した波長の広い範囲にわたって調整可能な（以後では、単にチューナビリティと呼ぶ）波長変換素子が開発されている（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００３】
図１１は、従来技術によるマルチグレーティング型擬似位相整合（ＱＰＭ）パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を示す図である。
ＱＰＭ  ＯＰＯ１１００は、波長変換素子１１０１と、第１のミラー１１０２と、第２のミラー１１０３と、移動手段１１０４とを備える。
波長変換素子１１０１は、コングルエントニオブ酸リチウム（ＣＬＮ）ウェハから作製されている。波長変換素子１１０１は、ＣＬＮウェハの分極方向に平行な方向の厚さが０．５ｍｍであり、素子長Ｌは２６ｍｍである。波長変換素子１１０１は、周期の異なる分極反転構造（グレーティング）を複数有する。各グレーティングの幅ＷGは５００μｍである。各グレーティング間の間隔は、５０μｍである。各グレーティングの周期は、２６〜３６μｍである。グレーティングの周期が０．２５μｍずつ増分するように配置されている。このようなグレーティングは、グレーティングごとに所定の周期を有するマスクを用いたリソグラフィ技術および電界印加法によって、繰り返し作製される。図において、マルチグレーティングのうち一部のみを示す。
【０００４】
第１のミラー１１０２および第２のミラー１１０３はそれぞれ、曲率半径１５０ｍｍを有する。第１のミラー１１０２と第２のミラー１１０３とは、波長変換素子１１０１を介して配置されており、その間隔は３０ｍｍである。
移動手段１１０４は、波長変換素子１１０１を平行に移動させる。
【０００５】
次に、このようなＱＰＭ  ＯＰＯ１１００の動作を説明する。
ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ（図示せず）から発生したポンプレーザ光（第１の波長λ1＝１.０６４μｍ）は、第１のミラー１１０２を介して所与のビーム径で波長変換素子１１０１の所定の周期を有するグレーティングに入射する。この際、所定のグレーティングにポンプレーザ光が入射するように、移動手段１１０４は、予め波長変換素子１１０１を移動させる。その後、第１の波長λ1を有するポンプレーザ光は、波長変換素子１１０１の周期に応じて、第２の波長λ2を有するシグナル光および第３の波長λ3を有するアイドラ光に変換される。この際、波長１．５４μｍを中心とするシグナル光は、第１のミラー１１０２および第２のミラー１１０３で一部が反射する。第２のミラー１１０３で反射することなく透過したシグナル光およびアイドラ光がＱＰＭ  ＯＰＯ１１００から出射する。
【０００６】
このようにして設計されたＱＰＭ  ＯＰＯ１１００によれば、ポンプレーザ光の第１の波長λ1が１．０６４μｍであり、マルチグレーティングの周期が２６μｍ〜３２μｍの場合、移動手段１１０４によって波長変換素子１１０１を移動させるだけで、シグナル光の第２の波長λ2は、１．３６μｍ〜１．９８μｍの波長可変範囲、アイドラ光の第３の波長λ3は、４．８３μｍ〜２．３０μｍの波長可変範囲を達成可能である。
【非特許文献１】Ｌ．  Ｅ．  Ｍｅｙｒｓら、「Ｍｕｌｔｉｇｒａｔｉｎｇ  ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  ｉｎ  ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ＬｉＮｂＯ3」、ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、Ａｐｒｉｌ  １５，  １９９６、Ｖｏｌ．  ２１，Ｎｏ．  ８、ｐｐ．  ５９１−５９３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１１に示される波長変換素子１１０１は単一ウェハから作製されているため、ポンプレーザ光の照射によって１つのグレーティングに生じたクラック等の損傷は、容易に他のグレーティングに伝播してしまい、損傷に弱い（損傷伝播）という難点を有する。また、波長変換素子１１０１は、１つのグレーティングが損傷すると素子全体を交換しなければならないため、コストがかかるという問題を有する。
【０００８】
波長変換素子１１０１は、マルチグレーティングを作製する際に、１つのグレーティングの作製に失敗する（分極反転部分が接合してしまう）と、ウェハ全体を破棄しなければならない。そのため歩留まりが悪い。
さらに、波長変換素子１１０１は、ＴＭ偏光を有する光のみを波長変換することができる。したがって、ポンプレーザ光の波長がＴＥ偏光である場合には、ＴＥ偏光をＴＭ偏光にする必要がある。このため、ポンプレーザ光の偏光に応じて、偏光子等の光学系が必要となるため、ＱＰＭ  ＯＰＯ全体が大きくなるといった問題が生じる。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、損傷伝播のないマルチグレーティングを有する波長変換素子およびそれを用いた光発生装置を提供することである。
本発明の別の目的は、歩留まりを向上させた波長変換素子およびそれを用いた光発生装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、入射光の偏光に対する自由度を向上させた波長変換素子およびそれを用いた光発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は、少なくとも５つの面を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は、実質的に１であり、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、前記複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの分極方向に対して垂直な方向に、所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されており、これにより上記目的を達成する。
【００１１】
前記所定の周期は、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ1を有する第１の光を、第２の波長λ2を有する第２の光と第３の波長λ3を有する第３の光とに変換する場合、前記第１の波長λ1と前記第２の波長λ2と前記第３の波長λ3とが、関係１／λ1＝１／λ2＋１／λ3、関係λ1＜λ2およびλ1＜λ3を満たすように、擬似位相整合する周期であってもよい。
【００１２】
前記所定の周期は、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ1を有する第１の光を第２の波長λ2を有する第２の光に変換する場合、前記第１の波長λ1と前記第２の波長λ2とが、関係λ1＝２×λ2を満たすように、擬似位相整合する周期であってもよい。
【００１３】
前記所定の周期は、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれが、第１の波長λ1を有する第１の光と第２の波長λ2を有する第２の光とを、第３の波長λ3を有する第３の光に変換する場合、前記第１の波長λ1と前記第２の波長λ2と前記第３の波長λ3とが、関係１／λ1±１／λ2＝１／λ3を満たすように、擬似位相整合する周期であってもよい。
【００１４】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは６つの面を有してもよい。
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドープした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドープした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択されてもよい。
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成されてもよい。
前記ホルダーに設置された温度制御素子と、前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームとをさらに含んでもよい。
前記温度制御素子を制御する制御部をさらに含んでもよい。
前記複数の角柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されてもよい。
【００１５】
本発明による光発生装置は、第１の波長λ1を有する第１の光を発する光源と、前記第１の光を、第２の波長λ2を有する第２の光と第３の波長λ3を有する第３の光とに変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の位置を制御する制御部とを含み、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は少なくとも５つの面を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は実質的に１であり、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ1と第２の波長λ2と第３の波長λ3とが、関係１／λ1＝１／λ2＋１／λ3、関係λ1＜λ2およびλ1＜λ3を満たすように、前記複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されており、これにより上記目的を達成する。
【００１６】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは６つの面を有してもよい。
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドープした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドープした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択されてもよい。
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成されてもよい。
【００１７】
前記波長変換素子は、前記ホルダーに設置された温度制御素子と、前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームとをさらに含んでもよい。
前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御してもよい。
前記複数の角柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されてもよい。
【００１８】
本発明による光発生装置は、第１の波長λ1を有する第１の光を発する光源と、前記第１の光を第２の波長λ2を有する第２の光に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の位置を制御する制御部とを含み、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は少なくとも５つの面を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は実質的に１であり、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ1と第２の波長λ2とが関係λ1＝２×λ2を満たすように、前記複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されており、これにより上記目的を達成する。
【００１９】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは６つの面を有してもよい。
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドープした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドープした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択されてもよい。
【００２０】
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成されてもよい。
前記波長変換素子は、前記ホルダーに設置された温度制御素子と、前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームとをさらに含んでもよい。
前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御してもよい
前記複数の角柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されてもよい。
【００２１】
本発明による光発生装置は、第１の波長λ1を有する第１の光を発する第１の光源と、前記第１の光と、外部から入射した第２の波長λ2を有する第２の光とを結合させる光学系と、前記第１の光と第２の光とを、第３の波長λ3を有する第３の光に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の位置を制御する制御部とを含み、前記波長変換素子は、ホルダーと、前記ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶とを含み、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は少なくとも５つの面を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は実質的に１であり、前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ1と第２の波長λ2と第３の波長λ3とが、関係１／λ1±１／λ2＝１／λ3を満たすように、前記複数の角柱状強誘電体単結晶それぞれの分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有しており、前記複数の角柱状強誘電体単結晶は、前記分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されており、これにより上記目的を達成する。
【００２２】
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは６つの面を有してもよい。
前記複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム、不純物をドープした実質的に定比組成のニオブ酸リチウム、および、不純物をドープした実質的に定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選択されてもよい。
前記ホルダーは熱伝導性材料から形成されてもよい。
前記波長変換素子は、前記ホルダーに設置された温度制御素子と、前記ホルダーと前記温度制御素子とを包囲する断熱性フレームとをさらに含んでもよい。
前記制御部は、さらに、前記温度制御素子の温度を制御してもよい。
前記複数の角柱状強誘電体単結晶は所定の間隔で配置されており、前記所定の間隔に熱伝導性材料が充填されてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の波長変換素子は、ホルダーと、ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶とを含む。複数の角柱状強誘電体単結晶は、少なくとも５つの面を有しており、それぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は、実質的に１である。これにより、角柱状強誘電体単結晶の配置を変更するだけで、入射光の偏光に対応させることができる。したがって、偏光子等の光学系が不要であるため、系全体を小型化することができる。
【００２４】
複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、分極方向に対して垂直な方向に、所定の周期を有する分極反転構造を有しており、分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている。これにより、分極反転構造の作製に失敗した角柱状強誘電体単結晶のみを破棄すればよいので、波長変換素子作製時における歩留まりを向上させることができる。波長変換素子のうち１つの角柱状強誘電体単結晶にクラックが生じたとしても、隣接する角柱状強誘電体単結晶にはクラックが伝播することはない。また、損傷した角柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよく、コストを削減することができる。また、ユーザのニーズに応じて、所望の組み合わせを達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。実施の形態において、強誘電体単結晶としてＭｇをドープした実質的に定比組成のタンタル酸リチウム単結晶（ＭｇＳＬＴ）を用いる。本明細書中において、実質的に「定比組成である」とは、Ｌｉ2Ｏ／（Ｎｂ2Ｏ5＋Ｌｉ2Ｏ）のモル分率が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学両論比に近い組成（Ｌｉ2Ｏ／（Ｎｂ2Ｏ5＋Ｌｉ2Ｏ）のモル分率＝０．４９０〜０．５）を有しており、そのことに起因するデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。このようなＭｇＳＬＴは、例えば、特開２０００−３４４５９５に記載される二重るつぼを使用したチョクラルスキー法により作製され得る。ＭｇＳＬＴは、強誘電体単結晶の一例に過ぎず、実質的に定比組成のニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）、実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、不純物（例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ等）をドーピングしたＳＬＮまたはＳＬＴ等の任意の強誘電体単結晶が用いられ得ることに留意されたい。
図中、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、ＭｇＯ１ｍｏｌ％ドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）のアイドラ光およびシグナル光発振波長の分極反転周期依存性を示す図である。
図において、横軸は分極反転周期を表し、縦軸はアイドラ光およびシグナル光の波長を表す。図１は、波長１.０６４μｍを有するポンプ光を、種々の周期を有するＭｇＳＬＴに入射させ、パラメトリック発振させた場合に生成するアイドラ光およびシグナル光の波長の分極反転周期依存性を示す。図１から、ＭｇＳＬＴをパラメトリック発振器に用いた場合、分極反転周期２９．５μｍ〜３２μｍの範囲において、アイドラ光の発振波長は、２．９μｍ〜３．７μｍのチューナビリティを有することが分かる。同様に、シグナル光の波長は、１．５μｍ〜１．７μｍのチューナビリティを有することが分かる。図には示さないが、分極反転周期を２６μｍ〜３３μｍの範囲において、上述のＭｇＳＬＴのアイドラ光発振波長は、２．５μｍ〜４．０μｍのチューナビリティを有し、シグナル光発振波長は、１．４５μｍ〜１．８５μｍのチューナビリティを有することが分かっている。
【００２７】
図２は、本発明の実施の形態１による角柱状強誘電体単結晶の斜視図である。
角柱状強誘電体単結晶２００は、例えば、図１のＭｇＳＬＴである。角柱状強誘電体単結晶２００は、少なくとも５つの面を有する。図では、面が６の場合の角柱状強誘電体単結晶を示す。角柱状強誘電体単結晶２００は、分極方向に対して垂直な方向に所定の周期を有する周期分極反転構造２０１を有する。つまり、１つの角柱状強誘電体単結晶２００は、単一のグレーティングを有する。
【００２８】
上述の所定の周期について説明する。角柱状強誘電体単結晶２００を用いてパラメトリック発振させる場合、角柱状強誘電体単結晶２００に入射する光の波長をλ1とし、角柱状強誘電体単結晶２００から出射する光の波長をλ2およびλ3とすると、関係１／λ1＝１／λ2＋１／λ3、関係λ1＜λ2およびλ1＜λ3を満たすように、擬似位相整合する分極反転周期の範囲が決定される。同様に、角柱状強誘電体単結晶２００を用いて第二高調波発生させる場合、角柱状強誘電体単結晶２００に入射する光の波長をλ1とし、角柱状強誘電体単結晶２００から出射する光の波長をλ2とすると、関係λ1＝２×λ2を満たすように、擬似位相整合する分極反転周期の範囲が決定される。同様に、角柱状強誘電体単結晶２００を用いて差周波発生または和周波発生させる場合、角柱状強誘電体単結晶２００に入射する光の波長をλ1およびλ2とし、角柱状強誘電体単結晶２００から出射する光の波長をλ3とすると、関係１／λ1±１／λ2＝１／λ3を満たすように、擬似位相整合する分極反転周期が決定される。角柱状強誘電体単結晶２００がＭｇＳＬＴの場合、パラメトリック発振の分極反転周期は、２６μｍ〜３３μｍの範囲から選択され、第二高調波の分極反転周期は１μｍ〜１０μｍの範囲から選択される。差周波発生の場合は、λ2の波長の応じて任意の分極反転周期が採用される。このような分極反転周期は、強誘電体単結晶固有であることに留意されたい。
【００２９】
角柱状強誘電体単結晶２００の分極方向に対して垂直な方向の長さＬは、例えば３５ｍｍである。角柱状強誘電体単結晶２００のＺ軸方向の厚さ（長さ）Ｔは、例えば、２ｍｍである。角柱状強誘電体単結晶２００の幅Ｗは、例えば、２ｍｍである。これら、長さＬ、厚さＴおよび幅Ｗは、一例に過ぎず、これらの値に限定されないことに留意されたい。図では、断面は角柱状強誘電体単結晶２００の分極方向と平行な面を示すが、これに限定されない。このような周期分極反転構造２０１は、例えば、電圧印加法を用いて作製され得るが、この方法に限定されない。電子ビーム走査照射法およびプロトン交換熱処理法等の任意の方法を採用してもよい。角柱状強誘電体単結晶２００の端面に反射膜が設けられていてもよい。
【００３０】
角柱状強誘電体単結晶２００の長手方向に垂直な方向の面における各頂点を結んで形成される円２０２は、実質的に真円である。実質的に真円とは、円２０２の任意の直径Ａおよび直径Ｂの比（Ａ／Ｂ）が必ずしも１ではないものの、このような柱強誘電体単結晶２００を用いた場合に生じるデバイスの特性の低下が通常のデバイスの設計において問題にならない程度であることをいう。本明細書では、このような角柱状強誘電体単結晶２００の円２０２が実質的に真円であることを、角柱状強誘電体単結晶２００の長手方向に対して垂直な面の縦横比が実質的に１であると言う。
【００３１】
このよう角柱状強誘電体単結晶２００の縦横比が実質的に１であるため、入射光の偏光に応じて、角柱状強誘電体単結晶２００の配置を変更することができる。つまり、角柱状強誘電体単結晶２００は、配置を変更するだけで任意の偏光を有する光を波長変換することができる。
【００３２】
図３は、本発明の実施の形態１による波長変換素子の斜視図である。
波長変換素子３００は、ホルダー３０１と、複数の角柱状強誘電体単結晶３０２とを含む。
ホルダー３０１には、複数の角柱状強誘電体単結晶３０２が収容される。ホルダー３０１のサイズ（長さ、幅、厚さ）は、収容される角柱状強誘電体単結晶２００の数、複数の角柱状強誘電体単結晶３０２の配置に応じて変更され得る。図では、ホルダー３０１は底部と蓋部とからなるが、ホルダー３０１の構成は、このような構成に限定されない。例えば、矩形の筒であってもよい。
ホルダー３０１は、好ましくは、銅などの熱伝導性材料から形成される。これにより、複数の角柱状強誘電体単結晶３０２で生じた、入射光の照射による熱分布を低減することができる。複数の角柱状強誘電体単結晶３０２に熱分布が生じると、複数の角柱状強誘電体単結晶３０２それぞれの屈折率が熱によって変化してしまい、所望の波長変換を行うことができない場合がある。
【００３３】
複数の角柱状強誘電体単結晶３０２は、それぞれの分極方向に垂直な方向が同一となるように配置されている。これにより容易にマルチグレーティングが達成され得る。図では、簡単のため、５本の角柱状強誘電体単結晶３００が、平面状に、かつ、それぞれの分極方向が同一となるように配置されている。ただし、角柱状強誘電体単結晶２００の数および配置様態は、角柱状強誘電体単結晶２００のそれぞれの分極方向に垂直な方向が同一となる限り、任意である。複数の角柱状強誘電体単結晶３０２それぞれの分極反転周期は、上述の所定の周期範囲からユーザのニーズに応じて選択される。
【００３４】
このように本発明による波長変換素子３００は、単一のグレーティングを有する単一の角柱状強誘電体単結晶２００を任意に組み合わせることによってマルチグレーティングを達成する。これにより、波長変換素子３００作製時に複数の角柱状強誘電体単結晶（マルチグレーティング）３０２のうちいずれかの角柱状強誘電体単結晶が損傷した場合には、損傷した角柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよいので歩留まりを向上させることができる。また、波長変換素子３００の使用時に１つの角柱状強誘電体単結晶にクラックが発生したとしても、隣接する角柱状強誘電体単結晶にはクラックが伝播することはない。したがって、クラックが発生した角柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよいので、ユーザ側のコストを削減することができる。
【００３５】
次に、波長変換素子３００の動作を説明する。
波長変換素子３００の外部（例えば、光源）からの光（入射光）は、所望の波長を有する光に変換されるよう複数の角柱状強誘電体単結晶３０２のうち特定の分極反転周期を有する角柱状強誘電体単結晶に入射する。この場合、入射光の偏光モードは、縦モードであるものとする。波長変換素子３００の分極反転周期に応じて、入射光は、パラメトリック発振、第二高調波発生または差周波発生に基づいて、波長変換される。その後、出射光として波長変換素子３００から出射する。例えば、パラメトリック発振の場合、ポンプ光（入射光）の波長が１．０６４μｍであり、特定の分極反転周期が３１．８μｍである場合、アイドラ光およびシグナル光（出射光）の波長は、それぞれ、２．５μｍおよび１．８５μｍとなる。このように、入射光が、特定の分極反転周期を有する角柱状強誘電体単結晶に照射するように波長変換素子３００を手動で、または、機械制御を用いて移動することによって、チューナビリティが達成され得る。
【００３６】
図４は、本発明の実施の形態１による別の波長変換素子の斜視図である。
波長変換素子４００は、複数の角柱状強誘電体単結晶４０１の配置様態が図３と異なる以外は、図３に示す波長変換素子３００と同様である。複数の角柱状強誘電体単結晶４０１は、それぞれの分極方向が互いに９０°となるように配置されている。ただし、図４は一例であって、複数の角柱状強誘電体単結晶４０１の配置様態は、任意である。
【００３７】
このように複数の角柱状強誘電体単結晶４０１を分極方向が互いに異なるように配置することによって、入射光の偏光モードがＴＥモードであっても、入射光の光源（図示せず）と波長変換素子４００との間に偏光子等の光学系を設けることなく、波長変換することができる。したがって、系全体を小型化することができる。
【００３８】
本発明によれば、角柱状強誘電体単結晶２００の縦横比が実質的に１であるため、入射光に対する波長変換素子３００、４００の分極方向を任意の方向となるように配置できる。その結果、光源の偏光に対する自由度が高くなるので、任意の光源を用いることができる。
【００３９】
図５は、ＭｇＯ１ｍｏｌ％ドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）のアイドラ光およびシグナル光発振波長の温度依存性を示す図である。
【００４０】
図において、横軸は分極反転周期を表し、縦軸はアイドラ光およびシグナル光の発振波長を表す。図５は、波長１.０６４μｍを有するポンプ光を、種々の温度において、種々の周期を有するＭｇＳＬＴに入射させ、パラメトリック発振させた場合に生成するアイドラ光およびシグナル光の発振波長の分極反転周期依存性を示す。図中、ＭｇＳＬＴの室温（３０℃）における結果とＭｇＳＬＴをそれぞれ７０℃、１１０℃、１５０℃および１９０℃に加熱した場合の結果とを示す。図５から、ＭｇＳＬＴをパラメトリック発振器に用いた場合、例えば、アイドラ光発振波長では、同一分極反転周期において約０．４μｍの温度によるチューナビリティを有することが分かった。分極反転構造の周期を制御することに加えて、角柱状強誘電体単結晶２００の温度を制御すれば、より高精度に制御されたチューナビリティを達成することができる。
【００４１】
図６は、本発明の実施の形態１によるさらに別の波長変換素子の斜視図である。
図６（Ａ）に示す波長変換素子６００は、温度制御素子６０１を有する以外は図３を参照して説明した波長変換素子３００と同じである。図５を参照して説明したように、例えば、ＭｇＳＬＴからなる角柱状強誘電体単結晶は、温度によるチューナビリティを有しているので、波長変換素子６００に温度制御素子６０１を設置することによってより高精度に制御されたチューナビリティが達成され得る。図６（Ｂ）に示す波長変換素子６１０は、温度制御素子６０１を包囲するフレーム６０２を備える。フレーム６０２は、断熱性材料から形成されている。このように、ホルダー３０１および温度制御素子６０１を断熱性のフレーム６０２で包囲することによって、温度制御素子６０１の熱の散逸を妨げ、均一に複数の角柱状強誘電体単結晶３０２を加熱することができるとともに、ユーザが温度制御素子６０１の熱によって怪我することを防ぐ。温度制御素子６０１は、例えば、ペルチェ素子であり得る。
【００４２】
波長変換素子６００または６１０は、温度制御素子６０１を制御するために、制御部（図示せず）をさらに備えてもよい。このような制御部は、図１に示すような強誘電体単結晶材料固有の出射波長の分極反転周期依存性、および／または、図５に示すような強誘電体単結晶固有の出射波長の温度依存性を有しており、これらの関係を利用して適切な温度となるように温度制御素子６０１を制御してもよい。
【００４３】
図７は、本発明の実施の形態１によるさらに別の波長変換素子の斜視図である。
波長変換素子７００は、複数の角柱状強誘電体単結晶が所定の間隔で配置されており、所定の間隔には熱伝導性材料が充填されている以外は、図３を参照して説明した波長変換素子３００と同じである。このように、各角柱状強誘電体単結晶間に熱伝導性材料７０１を充填することによって、入射光によって角柱状強誘電体単結晶に生じ得る熱を散逸させて、熱分布が生じるのを低減することができる。この結果、熱による複屈折効果が低減されるので、波長変換素子７００伝播する光の偏光モードが維持され、変換効率を一定に保つことができる。所定の間隔は、例えば、５０μｍであるが、この間隔に限定されない。図７では、ホルダー３０１と熱伝導性材料７０１とは別個の要素として示すが、ホルダー３０１と熱伝導性材料７０１とは一体型であってもよい。
【００４４】
以上説明してきたように、所定の周期を有する角柱状強誘電体単結晶を組み合わせ、マルチグレーティングを有する波長変換素子を形成することによって、変換波長のチューナビリティを容易に達成する。角柱状強誘電体単結晶は、縦横比が実質的に１であるため、入射光の偏光方位に依存しない。したがって、入射光の光源の自由度が増すとともに、光学系全体を小型化できる。本発明による波長変換素子は、角柱状強誘電体単結晶を組み合わせて形成されるため、製造時に破損した角柱状強誘電体単結晶のみを破棄すればよく、歩留まりを向上させる。さらに、使用時には、破損した角柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよく、ユーザ側のコストの削減になる。本発明による波長変換素子は、角柱状強誘電体単結晶を任意に組み合わせて形成されるので、ユーザのニーズに合わせた調整が可能である。
【００４５】
実施の形態１では、図２を参照して説明した面が６である、ＭｇＳＬＴの角柱状強誘電体単結晶２００を用いた波長変換素子の例を示してきた。これらは単に例示にすぎないことを理解されたい。任意の強誘電体単結晶材料を用い、少なくとも５つの面を有し、かつ、縦横比が実質的に１である複数の角柱状強誘電体単結晶を用いれば、本発明の効果を奏することができる。
【００４６】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２によるパラメトリック発振を利用した光発生装置を示す図である。
光発生装置８００は、光源８０１と、波長変換素子８０２と、制御部８０３とを含む。
【００４７】
光源８０１は、第１の波長λ1を有する第１の光（ポンプ光）を発する。本発明によれば、第１の光の偏光は、ＴＭモードであってもよいし、ＴＥモードであってもよい。光源８０１は、例えば、第１の波長λ1＝１．０６４μｍのＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザである。光源８０１にチューナブル光源を用いてもよい。
【００４８】
波長変換素子８０２は、実施の形態１で説明した波長変換素子３００、４００、６００、６１０、７００のいずれか、または、その変形例である。波長変換素子８０２は、光源８０１から受け取った第１の光を、第２の波長λ2を有する第２の光（シグナル光）と、第３の波長λ3を有する第３の光（アイドラ光）とに波長変換する。この際、波長変換素子８０２内の複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ1と、第２の波長λ2と、第３の波長λ3とが、関係１／λ1＝１／λ2＋１／λ3、関係λ1＜λ2およびλ1＜λ3を満たすように、分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有する。角柱状強誘電体単結晶に図１および図５に示したＭｇＳＬＴを用いた場合、角柱状強誘電体単結晶の分極反転周期は、２６μｍ〜３３μｍの範囲から選択される。角柱状強誘電体単結晶は、ＭｇＳＬＴに限定されない。
【００４９】
制御部８０３は、波長変換素子８０２内の所定の角柱状強誘電体単結晶に光源８０１が発する第１の光が照射するように、波長変換素子８０２の位置を制御する。制御部８０３は、光源８０１から第１の光の有する情報（例えば、波長、偏光）を入手し、入手した情報に基づいて波長変換素子８０２の位置を制御してもよい。制御部８０３は、例えば、図１および図５に示す角柱状強誘電体単結晶のアイドラ光およびシグナル光の周期依存性のデータ、および、温度依存性のデータを格納し、これらデータに基づいて波長変換素子８０２の位置を制御してもよい。
【００５０】
光発生装置８００は、光源８０１と波長変換素子８０２との間、および、波長変換素子８０２の出射側にそれぞれ反射ミラー（図示せず）を設けて、共振器として機能させてもよい。
【００５１】
次に、光発生装置８００の動作を説明する。
光源８０１は、第１の波長λ1＝１．０６４μｍを有する第１の光を波長変換素子８０２へ発する。制御部８０３は、ユーザが所望する波長の光が得られるように、第１の光の有する情報（波長および偏光）等に基づいて、波長変換素子８０２の位置を制御する。例えば、ユーザが、第３の波長λ3＝３．６２μｍを有する第３の光（アイドラ光）を所望する場合、制御部８０３は、第１の光が３０μｍの分極反転周期を有する角柱状強誘電体単結晶に入射するように、波長変換素子８０２の位置を制御する。
【００５２】
波長変換素子８０２の所定の角柱状強誘電体単結晶に入射した第１の光は、上記の関係式を満たして、第２の波長λ2＝１．５０７μｍを有する第２の光（シグナル光）および第３の波長λ3＝３．６２μｍを有する第３の光（アイドラ光）に波長変換される。
このようにして波長変換された第２の光は、光通信の波長帯域であるため、光通信での利用が可能である。第３の光は、ガス分光に有効な波長帯域であるため、化学分析に利用可能である。
【００５３】
本発明による光発生装置８００は、所定の周期を有する角柱状強誘電体単結晶を組み合わせたマルチグレーティングを有する波長変換素子８０２を含む。これにより、変換波長のチューナビリティを容易に達成する。実施の形態１で説明したように、角柱状強誘電体単結晶は、縦横比が実質的に１であるため、入射光の偏光方位に依存しない。したがって、入射光の光源の自由度が増すとともに、光学系全体を小型化できる。
【００５４】
本発明による光発生装置８００の波長変換素子８０２は、角柱状強誘電体単結晶を組み合わせて形成されるため、製造時に破損した角柱状強誘電体単結晶のみを破棄すればよく、歩留まりを向上させる。さらに、使用時には、破損した角柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよく、ユーザ側のコストの削減になる。本発明による光発生装置８００の波長変換素子８０２は、角柱状強誘電体単結晶を任意に組み合わせて形成されるので、ユーザのニーズに合わせた調整が可能である。
【００５５】
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３による第二高調波発生を利用した光発生装置を示す図である。
光発生装置９００は、光源９０１と、波長変換素子９０２と、制御部９０３とを含む。
光源９０１は、第１の波長λ1を有する第１の光（基本波）を発する。本発明によれば、第１の光の偏光は、ＴＭモードであってもよいし、ＴＥモードであってもよい。光源９０１は、コヒーレントな第１の光を発するチューナブル半導体レーザ（波長可変レーザ）であり得る。
【００５６】
波長変換素子９０２は、実施の形態１で説明した波長変換素子３００、４００、６００、６１０、７００のいずれか、または、その変形例である。波長変換素子９０２は、光源９０１から受け取った第１の光を、第２の波長λ2を有する第２の光（第二高調波）に波長変換する。この際、波長変換素子９０２内の複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ1と第２の波長λ2とが、関係λ1＝２×λ2を満たすように、分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有する。角柱状強誘電体単結晶にＭｇＳＬＴを用いた場合、角柱状強誘電体単結晶の分極反転周期は、１μｍ〜１０μｍの範囲から選択される。角柱状強誘電体単結晶は、ＭｇＳＬＴに限定されない。
【００５７】
制御部９０３は、波長変換素子９０２内の所定の角柱状強誘電体単結晶に光源９０１が発する第１の光が照射するように、波長変換素子９０２の位置を制御する。制御部９０３は、光源９０１から第１の光の有する情報（例えば、波長、偏光）に入手し、入手した情報に基づいて波長変換素子９０２の位置を制御してもよい。制御部９０３は、例えば、角柱状強誘電体単結晶の第２高調波の周期依存性のデータ、および、温度依存性のデータを格納し、これらデータに基づいて波長変換素子９０２の位置を制御してもよい。制御部９０３は、ユーザが所望する波長の光が得られるように、光源９０１が発する第１の波長λ1を設定するように光源９０１を制御してもよい。
光発生装置９００は、光源９０１と波長変換素子９０２との間、および、波長変換素子９０２の出射側にそれぞれ反射ミラー（図示せず）を設けて、共振器として機能させてもよい。
【００５８】
次に、光発生装置９００の動作を説明する。
例えば、ユーザが、第２の波長λ2＝０．３９μｍを有する第２の光を所望する場合、制御部９０３は、光源９０１が第１の波長λ1＝０．７８μｍを有する第１の波長を発するように、光源９０１を制御する。次いで、制御部９０３は、第１の光の有する情報（波長および偏光）等に基づいて、波長変換素子９０２の位置を制御する。この場合、制御部９０３は、第１の光が３μｍの分極反転周期を有する角柱状強誘電体単結晶に入射するように、波長変換素子９０２の位置を制御する。波長変換素子９０２の所定の角柱状強誘電体単結晶に入射した第１の光は、上記の関係式を満たして、第２の波長λ2＝０．３９μｍを有する第２の光（第二高調波）に波長変換される。
【００５９】
実施の形態３による光発生装置９００は、所定の周期を有する角柱状強誘電体単結晶を組み合わせたマルチグレーティングを有する波長変換素子９０２を含む。これにより、特に、基本波を発するチューナブルな光源９０１に対して常に位相整合した第二高調波を発生することができる（すなわち、光源９０１のチューナビリティを容易に達成する）。実施の形態１で説明したように、角柱状強誘電体単結晶は、縦横比が実質的に１であるため、入射光の偏光方位に依存しない。したがって、入射光の光源の自由度が増すとともに、光学系全体を小型化できる。
【００６０】
本発明による波長変換素子は、角柱状強誘電体単結晶を組み合わせて形成されるため、製造時に破損した角柱状強誘電体単結晶のみを破棄すればよく、歩留まりを向上させる。さらに、使用時には、破損した角柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよく、ユーザ側のコストの削減になる。本発明による波長変換素子は、角柱状強誘電体単結晶を任意に組み合わせて形成されるので、ユーザのニーズに合わせた調整が可能である。
【００６１】
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４による差周波発生を利用した光発生装置を示す図である。
光発生装置１０００は、光源１００１と、結合光学系１００２と、波長変換素子１００３と、制御部１００４とを含む。
【００６２】
光源１００１は、第１の波長λ1を有する第１の光（ポンプ光）を発する。本発明によれば、第１の光の偏光は、ＴＭモードであってもよいし、ＴＥモードであってもよい。光源１００１は、例えば、第１の波長λ1＝０．７８μｍの半導体レーザであり得る。光源１００１にチューナブル光源を用いてもよい。
【００６３】
結合光学系１００２は、光源１００１からの第１の光と、第２の波長λ2を有する第２の光（シグナル光）とを結合する任意の光学系である。第２の光は、例えば、波長領域多重（ＷＤＭ）において代表的な通信帯であるＣバンド帯（１．５３μｍ〜１．５７μｍ）の光である。第１の波長λ1と第２の波長λ2は、関係λ1＜λ2を満たす。
【００６４】
波長変換素子１００３は、実施の形態１で説明した波長変換素子３００、４００、６００、６１０、７００のいずれか、または、その変形例である。波長変換素子１００３は、結合光学系１００２で結合された第１の光と第２の光とを、第３の波長λ3を有する第３の光（出力光）に波長変換する。この際、波長変換素子１００３内の複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ1と、第２の波長λ2と、第３の波長λ3とが、関係１／λ1−１／λ2＝１／λ3を満たすように、分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有する。角柱状強誘電体単結晶は、ＭｇＳＬＴに限定されない。
【００６５】
制御部１００４は、波長変換素子１００３内の所定の角柱状強誘電体単結晶に結合光学系１００２で結合された第１の光および第２の光が照射するように、波長変換素子１００３の位置を制御する。制御部１００４は、光源１００１から第１の光の有する情報（例えば、波長、偏光）および第２の光の有する情報（例えば、波長、偏光）を入手し、入手した情報に基づいて波長変換素子１００３の位置を制御してもよい。制御部１００４は、例えば、角柱状強誘電体単結晶のシグナル光および出射光の周期依存性のデータ、および、温度依存性のデータを格納し、これらデータに基づいて波長変換素子１００３の位置を制御してもよい。
【００６６】
光発生装置１０００は、結合光学系１００２と波長変換素子１００３との間、および、波長変換素子１００３の出射側にそれぞれ反射ミラー（図示せず）を設けて、共振器として機能させてもよい。
【００６７】
次に、光発生装置１０００の動作を説明する。
例えば、ユーザが、第２の波長λ2＝１．５５μｍを有する第２の光（Ｃバンド帯）をＬバンド帯の波長を有する第３の光に変換することを所望する場合、制御部１００４は、第１の光の有する情報（波長および偏光）および第２の光の有する情報（波長および偏光）等に基づいて、波長変換素子１００３の位置を制御する。この場合、制御部１００４は、結合光学系１００２で結合された第１の光および第２の光が、例えば、１７μｍの分極反転周期を有する角柱状強誘電体単結晶に入射するように、波長変換素子１００３の位置を制御する。波長変換素子１００３の所定の角柱状強誘電体単結晶に入射した第１の光および第２の光は、上記の関係式を満たして、第３の波長λ3＝１．５７μｍを有する第３の光に波長変換される。このようにして変換された第３の波長λ3は、波長領域多重（ＷＤＭ）において代表的な通信帯であるＬバンド帯（１．５７μｍ〜１．６２μｍ）である。
【００６８】
実施の形態４による光発生装置１０００は、所定の周期を有する角柱状強誘電体単結晶を組み合わせたマルチグレーティングを有する波長変換素子を含む。これにより、光源１００１がチューナブル光源であれば、固定のＣバンド帯の波長（第２の光の第２の波長λ2）ば、Ｌバンド帯の波長（第３の波長λ3）へとチューナブルに調整することができる。また、光源１００１が単一波長を発する光源である場合、Ｃバンド帯の波長（第２の光の第２の波長λ2）を可変にすれば、Ｌバンド帯の波長（第３の波長λ3）をチューナブルに調整することができる。このように、Ｃ−Ｌバンド変換をチューナブルに行うことができる。実施の形態１で説明したように、角柱状強誘電体単結晶は、縦横比が実質的に１であるため、入射光の偏光方位に依存しない。したがって、入射光の光源の自由度が増すとともに、光学系全体を小型化できる。
【００６９】
本発明による光発生装置１０００の波長変換素子１００３は、角柱状強誘電体単結晶を組み合わせて形成されるため、製造時に破損した角柱状強誘電体単結晶のみを破棄すればよく、歩留まりを向上させる。さらに、使用時には、破損した角柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよく、ユーザ側のコストの削減になる。本発明による光発生装置１０００の波長変換素子１００３は、角柱状強誘電体単結晶を任意に組み合わせて形成されるので、ユーザのニーズに合わせた調整が可能である。
【００７０】
図１０に示される光発生装置１０００を用いて、差周波発生させる場合を説明したが、光発生装置１０００を用いて和周波発生させることもできることに留意されたい。この場合、波長変換素子１００３内の複数の円柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、第１の波長λ1と、第２の波長λ2と、第３の波長λ3とが、関係１／λ1＋１／λ2＝１／λ3を満たすように、分極方向に対して垂直な方向に擬似位相整合する所定の周期を有する分極反転構造を有していればよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の波長変換素子は、ホルダーと、ホルダーに配置された複数の角柱状強誘電体単結晶とを含む。複数の角柱状強誘電体単結晶は、少なくとも５つの面を有しており、それぞれの長手方向に対して垂直な面の縦横比は、実質的に１である。これにより、角柱状強誘電体単結晶の配置を変更するだけで、入射光の偏光に対応させることができる。したがって、偏光子等の光学系が不要であるため、系全体を小型化することができる。
【００７２】
複数の角柱状強誘電体単結晶のそれぞれは、分極方向に対して垂直な方向に、所定の周期を有する分極反転構造を有しており、分極方向に対して垂直な方向が同一となるように配置されている。これにより、分極反転構造の作製に失敗した角柱状強誘電体単結晶のみを破棄すればよいので、波長変換素子作製時における歩留まりを向上させることができる。波長変換素子のうち１つの角柱状強誘電体単結晶にクラックが生じたとしても、隣接する角柱状強誘電体単結晶にはクラックが伝播することはない。また、損傷した角柱状強誘電体単結晶のみを交換すればよく、コストを削減することができる。また、ユーザのニーズに応じて、所望の組み合わせを達成することができる。
【００７３】
本発明による波長変換素子は、それぞれが所定の周期を有する分極反転構造を有する円柱状強誘電体単結晶を組み合わせ、マルチグレーティングを有する波長変換素子を形成することによって、変換波長のチューナビリティを容易に達成する。このような波長変換素子を化学分析、通信等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】ＭｇＯ１ｍｏｌ％ドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）のアイドラ光およびシグナル光発振波長の分極反転周期依存性を示す図
【図２】本発明の実施の形態１による角柱状強誘電体単結晶の斜視図
【図３】本発明の実施の形態１による波長変換素子の斜視図
【図４】本発明の実施の形態１による別の波長変換素子の斜視図
【図５】ＭｇＯ１ｍｏｌ％ドーピングした実質的に定比組成のタンタル酸リチウム（ＭｇＳＬＴ）のアイドラ光およびシグナル光発振波長の温度依存性を示す図
【図６】本発明の実施の形態１によるさらに別の波長変換素子の斜視図
【図７】本発明の実施の形態１によるさらに別の波長変換素子の斜視図
【図８】本発明の実施の形態２によるパラメトリック発振を利用した光発生装置を示す図
【図９】本発明の実施の形態３による第二高調波発生を利用した光発生装置を示す図
【図１０】本発明の実施の形態４による差周波発生を利用した光発生装置を示す図
【図１１】従来技術によるマルチグレーティング型擬似位相整合（ＱＰＭ）パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を示す図
【符号の説明】
【００７５】
２００、３００、４００、６００、６１０、７００、８０２、９０２、１００３  波長変換素子
２０１  周期分極反転構造
２０２  実質的な真円
３０１  ホルダー
３０２、４０２  複数の角柱状強誘電体単結晶
６０１  温度制御素子
６０２  フレーム
７０１  熱伝導性材料
８０１、９０１、１００１  光源
８０３、９０３、１００４  制御部
１００２  結合光学系
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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