(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上に活性層である半導体層と不活性層である誘電体層とが交互に積層してなる多層膜とから構成され、半導体層および誘電体層の膜厚が擬似位相整合条件を満足する範囲に設定され、入射基本波光の進行方向に対し逆方向に第二高調波光を発生させ、活性層の膜厚ｄＡおよび不活性層の膜厚ｄＮが、それぞれ、
【数１】
0004194736.tif 000007
で定められる光波長変換素子であって、活性層が酸化亜鉛（ＺｎＯ）、不活性層が酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）よりなることを特徴とする光波長変換素子。
【請求項２】
多層膜はイオンビームスパッタにより成膜されている請求項１の光波長変換素子。
【請求項３】
請求項１または２の光波長変換素子が組込まれ、この素子により光波長変換が行われるようにしたことを特徴とする光波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、光波長変換素子に関するものである。さらに詳しくは、後方擬似位相整合を半導体および誘電体の多層膜により実現する光波長変換素子とこれを用いた光変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
光波の波長、振幅、位相および波面の自在な制御を実現する非線形光学技術は、次世代フォトニクスを支える不可欠な基盤技術であり、これを応用した高度な光機能デバイスの開発を目的として様々な研究がおこなわれてきている。
【０００３】
特に、周期的ドメイン反転非線形光学材料は、位相整合を自在に制御することが可能であることから、２次の非線形光学効果を応用した第二高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）や光パラメトリック発振（ＯＰＯ：Optical Parametric Oscillation）における波長変換範囲を大幅に拡大することが知られている。
【０００４】
強誘電体非線形光学結晶の誘電分極方向を周期的に１８０度反転させることにより、擬似的に位相整合をとる方法は擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase Matching）と呼ばれており、原理的には１９６２年にArmstrong らにより考案された。一般に、この場合の強誘電体としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3 ）が知られている。
【０００５】
また、光記憶や光コンピューティングを用途として、光波長変換素子における波長変換効率向上が強く望まれている。波長変換の効率は、材料の性能、素子の製造プロセス、光源の構成などより決定されるものであるが、特に、材料の物理的特性に大きく依存する。材料の２次の非線形感受率が高い程、大きな光非線形性を示すことが知られており、化合物半導体やセレンまたはテルルの結晶は、ＬｉＮｂＯ3 やＬｉＴａＯ3 よりも高い値の２次の非線形感受率を持つことから、高効率での光波長変換を可能とするものと期待されているが、未だ実現されていない。これは、化合物半導体やセレン、テルルの結晶が光学的に等方性を示すため、複屈折を利用した位相整合が不可能であることが原因である。
【０００６】
一方、ドメイン反転結晶においては、微細加工技術の限界から、短い基本周期構造を得ることが困難であるため、基本波である入射レーザーの進行方向と同一方向に高調波を発生させる前方擬似位相整合方式が用いられてきている。最近になって、基本波に対して逆向きに高調波を発生させる後方擬似位相整合が、ＬｉＮｂＯ3 において見出されたが、赤外域における１６次以上の高次の光波長であり、低次の後方光波長発生の成功例は未だ報告されていない。
【０００７】
この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、優れた非線形感受率を持つ半導体材料を用いた後方擬似位相整合により低次の第二高調波光の発生を実現する光波長変換素子を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、基板と、この基板上に活性層である半導体層と不活性層である誘電体層とが交互に積層してなる多層膜とから構成され、半導体層および誘電体層の膜厚が擬似位相整合条件を満足する範囲に設定され、入射基本波光の進行方向に対し逆方向に第二高調波光を発生させ、活性層の膜厚ｄＡおよび不活性層の膜厚ｄＮが、それぞれ、
【数１】
0004194736.tif 000002
で定められる光波長変換素子であって、活性層が酸化亜鉛（ＺｎＯ）、不活性層が酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）よりなることを特徴とする光波長変換素子を提供する。
【０００９】
また、この出願の発明は、第２には、上記第１の発明において、多層膜はイオンビームスパッタにより成膜されている光波長変換素子を提供する。
【００１０】
さらに、この出願の発明は、第３には、上記第１または第２の光波長変換素子が組込まれ、この素子により光波長変換が行われるようにしたことを特徴とする光波長変換装置を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１５】
この出願の発明に係る光波長変換素子は、上記の通り、入力光の入射方向とは逆方向に第二高調波を出力する光波長変換素子である。この光波長変換素子は、基板と、基板上に積層される多層膜層とから構成される。基板上に積層される多層膜は２次の非線形感受率が大きな値を持つ活性層と２次の非線形感受率の小さな値を持つ不活性層との周期構造を持つものである。
【００１６】
活性層は、半導体やセレン、テルルの結晶により構成される層であり、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＣｕＣｌなどから選択される。また、不活性層は、誘電体により構成される層であり、例えば、ＴｉＯ2 、ＳｉＯ2 、ＨｆＯ2 などから選択される。
【００１７】
図１に示すように、活性層と不活性層とが交互に積層する周期構造においては、位相整合条件
【００１８】
【数３】
0004194736.tif 000003
【００１９】
を、周期∧の交互積層構造による逆格子ベクトルＫ＝ｍＧ＝２πｍ／∧（ｍ＝０．±１，±２，…）により補うことで、
【００２０】
【数４】
0004194736.tif 000004
【００２１】
で表される擬似位相整合条件を満たすよう周期構造を設定することにより、入射基本波光の進行方向に対して逆方向に第二高調波光を発生させることが可能となる。この出願の発明の周期構造においては、非線形性を備える活性層において発生する第二高調波光に対して、位相が反転した第二高調波光が発生しないようにするために不活性層を介在させ、素子全体を通して発生する第二高調波光が相殺されないように構成される。すなわち、不活性層は、各活性層から発生する第二高調波光の位相を合わせるスペーサーとして作用し、基本波と第二高調波の位相の不整合を、各層でπ、１周期で２πずらすことで、発生する第二高調波どうしの位相のギャップを補う働きを持つ。
【００２２】
この出願の発明の光波長変換素子においては、上記の擬似位相整合条件を満たすために、活性層の膜厚ｄA および不活性層の膜厚ｄN は、それぞれ、
【００２３】
【数５】
0004194736.tif 000005
【００２４】
となるように設定させる。ここで、λ2 ωは発生する第二高調波光の波長、ｎA （ω）は基本波長光に対する活性層の屈折率、ｎA （２ω）は第二高調波光に対する活性層の屈折率、ｎN （ω）は基本波長光に対する不活性層の屈折率、ｎA （２ω）は第二高調波光に対する不活性層の屈折率をそれぞれ示す。
【００２５】
また、この出願の発明の光波長変換素子により出力される第二高調波の強度は、理論上では多層膜の層数の２乗に比例する。
【００２６】
多層膜の積層生成については、例えばイオンビームスパッタにより活性層および不活性層を交互に基板上に蒸着するなど、従来の薄膜生成技術を利用することでなされる。
【００２７】
基板には、例えば石英ガラスなどが利用されるが、第二高調波光が入力される基本波光とは逆方向に出力されることから、従来の波長変換素子のように、無色透明である必要はなく、有色不透明の材料を利用することができる。
【００２８】
また、この出願の発明の光波長変換素子は、従来の強誘電体非線形光学結晶の誘電分極方向を周期的に１８０度反転させることで位相整合を実現する方法のように、ドメイン反転プロセスとして広く知られている電子ビームの照射や電界印加を必要。さらに活性層と不活性層を構成する材料の屈折率を一致させることにより、積層面における多重反射による損失を防ぎ、第１高調波を高効率で発生させることが可能である。
【００２９】
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００３０】
【実施例】
＜実施例１＞
この出願の発明の光波長変換素子を作製し、その特性を評価した。
【００３１】
基板となる合成石英ガラス上に、試料となる多層膜構造をＡｒイオンビームスパッター装置（ＩＢＳ）を用いて生成した。
【００３２】
多層膜構造を構成する活性層にはＺｎＯ、不活性層にはＴｉＯ2 を選択した。設計においては、１層におけるＺｎＯの膜厚は、４７．９６ｎｍ、また、１層におけるＴｉＯ2 の膜厚は、３６．１７ｎｍである。基板上にはＺｎＯ活性層およびＴｉＯ2 不活性層を１０周期成長させることで、試料を作成した。
【００３３】
イオンビームスパッタリングにおけるビーム電流は２５ｍＡ、ビーム電圧は１０００Ｖ、基板温度は５００℃であった。酸素欠陥を補うために、２．０ｃｃｍの酸素を基板に吹き付けながら、成膜を実施した。
【００３４】
作製した試料の透過スペクトルを図２に示した。図中の実線は測定値を示し、点線は計算値を示している。試料Ａとしての１０周期の多層膜においては、４４０ｎｍに多重反射のギャップが確認され、周期構造であることが推定された。計算値とフィットさせ平均膜厚を見積ると、ＴｉＯ2   ４０ｎｍ、ＺｎＯ  ４９ｎｍであった。波長４２０ｎｍに対応することが判明した。
【００３５】
作製した試料から発生する第二高調波の測定に使用した実験装置の構成を図３に示した。基本波光源（２１）として、波長可変ピコ秒モードロックチタンサファイアレーザーを用いた。波長の範囲は７２０〜８５０ｎｍ、パルス幅は８〜１０ｐｓに設定した。
【００３６】
基本波光源（２１）より基本波光を出射し、ダイクロイックミラー（２２）により全反射させ、試料（２３）へと照射し、基本波光の進行方向後方に発生した第二高調波をダイクロイックミラー（２２）を通過させ、ミラー（２４）で光路を変更し、フィルター（２５）を介した後、レンズ（２６）で集光し、さらに、回折格子分光器（２７）で分光した後に、ＣＣＤ（２８）により受光した。
【００３７】
図４に、基本波光波長λω＝７８０ｎｍにおいて試料より発生した第二高調波のスペクトルを示した。同様に図５にはλω＝７９０ｎｍ、図６にはλω＝８００ｎｍ、図７にはλω＝８１８ｎｍ、図８にはλω＝８３０ｎｍと各々設定したときの第二高調波のスペクトルをそれぞれ示した。いずれの場合にも、基本波光の１／２の波長において鋭いピークが見られ、試料から第二高調波光が発生していることが証明された。
【００３８】
また図９に、λω＝８００ｎｍの基本波光を試料に照射したときの、試料から発生する基本波光の入力強度と第２高調波光の出力強度の関係について示す。図９より、第二高調波光の出力強度は基本波の入力強度のほぼ２乗に比例していることがわかる。
【００３９】
また、第二高調波光強度の波長依存性を図１０に示した。また、図１０には、対照試料Ａとして、ＴｉＯ  ３６０ｎｍ、ＺｎＯ  ４４１ｎｍの１周期分（１層）のものについても示した。この発明の１０周期分（１０層）の試料より発生する第二高調波の強度は、４０５ｎｍおよび４１５ｎｍ付近でピークを示している。比較例としての１周期分の活性層および不活性層から構成されたものと比較すると、この発明の１０周期分の周期構造を持つ試料は、１周期分の周期構造を持つ試料と比較して、約２００倍の第二高調波光の強度を出力することがわかった。また、１０周期分の周期構造を持つ試料は、１周期分の周期構造を持つ試料と比較して、位相整合波長付近において顕著なピークが得られることがわかった。＜実施例２＞
実施例１と同様にして、膜厚の相違する次の表１の試料を作製した。いずれの試料も１０周期分の構成とした。
【００４０】
【表１】
0004194736.tif 000006
【００４１】
これら試料の各々に第二高調波強度の入射波長依存性を評価した。その結果を図１１に示した。
【００４２】
この図１１から、膜厚を変化させることで、発生効率のピークを３８０〜４２０ｎｍまで制御できることが確認された。
＜実施例３＞
実施例１において、ＴｉＯ2 に代えてＨｆＯ2 を用いて１０周期分（１０層）の多層膜を構成した。
【００４３】
図１２は、この試料の透過スペクトルをＺｎＯ／ＴｉＯ2 の場合とともに示したものである。ＨｆＯ2 は、４００ｎｍ付近で屈折率が約２．１とＺｎＯと等しいことから、多重反射がないことが推察される。
【００４４】
なお、平均膜厚は、ＨｆＯ2   ５０ｎｍ、ＺｎＯ  ５１ｎｍである。
【００４５】
このＺｎＯ／ＨｆＯ2 多層膜についての波長依存性を評価した。図１３は、その結果を示したものである。ＴｉＯ2 をＨｆＯ2 に代えることによって、多重反射による損失がなく、強度が６倍に増大することが確認された。
【００４６】
以上の実施例により、この出願の発明に係る光波長変換素子により、任意の波長域における定次の後方擬似位相整合による第二高調波光発生が実現することが示される。
【００４７】
【発明の効果】
以上、詳しく説明した通り、この出願の発明により、優れた非線形感受率を持つ半導体材料を用いた後方擬似位相整合により低次の第二高調波光の発生を実現する光波長変換素子が提供される。この出願の発明の光波長変換素子を用いることで、任意の波長域における第二高調波発生が可能となり、例えば半導体レーザーと組み合わせることで、小型かつ低コストで製造可能な短波長レーザー光源が実現するなど、次世代フォトニクス技術として様々な工業的応用に貢献すると考えられることから、その実用化が強く期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明に係る光波長変換素子の構造を示した概要図である。
【図２】この発明の実施例における試料Ａの透過スペクトルを例示した図である。
【図３】この出願の発明の実施例において、作製した試料から発生する第二高調波の測定に使用した実験装置の構成を示した概要図である。
【図４】この出願の発明の実施例において、基本波光波長λω＝７８０ｎｍに設定したとき、試料より発生した第二高調波のスペクトルを例示した図である。
【図５】この出願の発明の実施例において、基本波光波長λω＝７９０ｎｍに設定したとき、試料より発生した第二高調波のスペクトルを例示した図である。
【図６】この出願の発明の実施例において、基本波光波長λω＝８００ｎｍに設定したとき、試料より発生した第二高調波のスペクトルを例示した図である。
【図７】この出願の発明の実施例において、基本波光波長λω＝８１８ｎｍに設定したとき、試料より発生した第二高調波のスペクトルを例示した図である。
【図８】この出願の発明の実施例において、基本波光波長λω＝８３０ｎｍに設定したとき、試料より発生した第二高調波のスペクトルを例示した図である。
【図９】この出願の発明の実施例において、試料より発生する第２高調波光の出力強度と基本波光の入力強度との関係について例示した図である。
【図１０】この出願の発明の実施例において、試料より発生する第二高調波光の強度の波長依存性を例示した図である。
【図１１】膜厚を変化させた場合のＴｉＯ2 ／ＺｎＯ多層膜の第二高調波強度の入射波長依存性を例示した図である。
【図１２】ＺｎＯ／ＨｆＯ2 多層膜の透過スペクトルを例示した図である。
【図１３】ＺｎＯ／ＨｆＯ2 多層膜の波長依存性を例示した図である。
【符号の説明】
１１  活性層
１２  不活性層
２１  基本波光源
２２  ダイクロイックミラー
２３  試料
２４  ミラー
２５  フィルター
２６  レンズ
２７  回折格子分光器
２８  ＣＣＤ
【図１】
0004194736.tif 000008
【図２】
0004194736.tif 000009
【図３】
0004194736.tif 000010
【図４】
0004194736.tif 000011
【図５】
0004194736.tif 000012
【図６】
0004194736.tif 000013
【図７】
0004194736.tif 000014
【図８】
0004194736.tif 000015
【図９】
0004194736.tif 000016
【図１０】
0004194736.tif 000017
【図１１】
0004194736.tif 000018
【図１２】
0004194736.tif 000019
【図１３】
0004194736.tif 000020