(57)【要約】【課題】従来よりも小型な偏波無依存型の波長変換素子を提供すること。【解決手段】波長変換素子１０は、非線形光学結晶の基板１１に、光の伝播方向Ｌに沿ってそれぞれ周期的に設けられていて、光の伝播方向に直交する方向に並置されているとともに、互いに周期が等しい第１及び第２周期的分極反転構造１６及び１８を含む。第１及び第２周期的分極反転構造のそれぞれの分極方向Ｐ１及びＰ２は、互いに直交するとともに、光の伝播方向に直交しており、第１周期的分極反転構造は、光の伝播方向に沿った第１導波路部分２０を有し、第２周期的分極反転構造は、光の伝播方向に沿い、かつ第１導波路部分と光結合可能な距離の範囲に第２導波路部分２２を有していて、第１及び第２導波路部分が相俟って１本の光導波路２４が形成されている。【選択図】図１
2009047980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶の基板に、光の伝播方向に沿ってそれぞれ周期的に設けられていて、該光の伝播方向に直交する方向に並置されているとともに、互いに周期が等しい第１及び第２周期的分極反転構造を含み、
前記第１及び第２周期的分極反転構造のそれぞれの分極方向は、互いに直交するとともに、前記光の伝播方向に直交しており、
前記第１周期的分極反転構造は、前記光の伝播方向に沿った第１導波路部分を有し、
前記第２周期的分極反転構造は、前記光の伝播方向に沿い、かつ前記第１導波路部分と光結合可能な距離の範囲に第２導波路部分を有していて、
該第１及び第２導波路部分が相俟って１本の光導波路が形成されていることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記基板は、前記分極方向が互いに直交するとともに同材料からなる第１及び第２基板を備えていて、該第１基板に前記第１周期的分極反転構造が形成されており、該第２基板に前記第２周期的分極反転構造が形成されており、
前記第１導波路部分に備わり、前記光の伝播方向に平行に延在する第１光結合面と、前記第２導波路部分に備わり、前記光の伝播方向に平行に延在する第２光結合面とが光結合可能に配置されてい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】
前記第１光結合面と前記第２光結合面とが機械的に密着された上で熱溶着されていることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記第１周期的分極反転構造と前記第２周期的分極反転構造の位相を一致させて、前記第１及び第２導波路部分が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記第１基板としてＬｉＮｂＯ３のＺ板を用い、及び前記第２基板としてＬｉＮｂＯ３のＸ板を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記第１導波路部分が、第１主面側から第２主面側に向かって切断された前記第１基板の切断面から該第１主面にかけて延在していて、当該第１導波路部分の前記切断面に露出した領域が前記第１光結合面となっていて、
前記第２導波路部分が、第１主面側から第２主面側に向かって切断された前記第２基板の切断面から該第１主面にかけて延在していて、当該第２導波路部分の前記切断面に露出した領域が前記第２光結合面となっていて、
前記光導波路が、前記第１及び第２基板の第１主面が同一平面をなすように、前記切断面同士で結合されることで、前記第１及び第２光結合面が光結合可能に配置された前記第１及び第２導波路部分で構成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記第１導波路部分が、第１主面側から第２主面側に向かって切断された前記第１基板の切断面から該第１主面にかけて延在していて、当該第１導波路部分の前記第１主面に露出した領域が前記第１光結合面となっていて、
前記第２導波路部分が、第１主面側から第２主面側に向かって切断された前記第２基板の切断面から該第１主面にかけて延在していて、当該第２導波路部分の前記第１主面に露出した領域が前記第２光結合面となっていて、
前記光導波路が、前記第１及び第２基板の切断面が同一平面をなすように、第１主面同士で結合されることで、前記第１及び第２光結合面が光結合可能に配置された前記第１及び第２導波路部分で構成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記第１導波路部分が、前記第１基板の第１主面側に露出して延在していて、該第１主面に露出した領域が前記第１光結合面となっていて、
前記第２導波路部分が、前記第２基板の第１主面側に露出して延在していて、該第１主面に露出した領域が前記第２光結合面となっていて、
前記光導波路が、前記第１及び第２基板の第１主面同士が結合されることで、前記第１及び第２光結合面が光結合可能に配置された前記第１及び第２導波路部分で構成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか一項に記載の波長変換素子を製造するに当たり、
前記第１及び第２導波路部分を、前記第１及び第２基板への金属の蒸着及び熱拡散により形成する工程と、
前記第１及び第２基板を機械的に密着した上で、キュリー温度未満の温度で熱溶着することで結合する工程と
を備えることを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項６又は７に記載の波長変換素子を製造するに当たり、
前記第１及び第２基板を機械的に密着した上で、キュリー温度未満の温度で熱溶着することで結合する工程と、
前記第１及び第２導波路部分を前記第１及び第２基板への金属の蒸着及び熱拡散により形成する工程と
を備えることを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項６〜８のいずれか一項に記載の波長変換素子を製造するに当たり、
前記第１及び第２導波路部分の形成予定領域に金属を蒸着する工程と、
前記第１及び第２基板を機械的に密着した上で、キュリー温度未満の温度で熱溶着することで結合するとともに、前記金属を熱拡散させて前記第１及び第２導波路部分を形成する工程と
を備えることを特徴とする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、非線形光学結晶に形成された周期的分極反転構造を利用した波長変換素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の分野で用いられる波長変換法の一つとして、非線形光学効果を利用した差周波発生（ＤＦＧ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）が知られている。ＤＦＧは、（１）変換スピードが速く高速な信号に対応できる、（２）変換の波長帯域が広い、（３）複数の波長の光信号を一括変換できる、及び（４）信号フォーマットを選ばない等の利点を有している。
【０００３】
しかしながら、ＤＦＧは、波長変換効率の偏波依存性が大きいという問題点を有している。つまり、一般的な光通信ネットワークにおいて、ＤＦＧで波長変換すべき信号光は、光ファイバを伝播する過程で、偏光方向が温度や振動等の影響により時間とともに変化している。このような信号光をＤＦＧにより波長変換すると、波長変換効率の偏波依存性のために、波長変換後に得られる変換光の強度が大きく揺らいでしまう。
【０００４】
この問題点を解決する技術として、信号光のＴＭ偏波成分を波長変換するＴＭ波用変換領域と、信号光のＴＥ偏波成分を波長変換するＴＥ波用変換領域とを、光の伝播方向に沿って直列に配置した波長変換素子が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−５２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された波長変換素子は、ＴＥ偏波成分の波長変換に用いる非線形光学定数として非対角成分ｄ３１（以下、単に「成分ｄ３１」と称することもある。）を利用している。この成分ｄ３１は、ＴＭ偏波成分の波長変換に用いられる最大の非線形光学定数としての対角成分ｄ３３（以下、単に「成分ｄ３３」と称することもある。）の約１／５の大きさである。従って、ＴＥ偏波成分の波長変換効率をＴＭ偏波成分と同程度にまで高めるためには、ＴＥ波用変換領域をＴＭ波用変換領域の約５倍の長さとする必要がある。
【０００６】
つまり、特許文献１に開示された技術では、波長変換素子の全長が長くなってしまう。このように、波長変換素子の全長が長くなると、波長変換素子を構成する非線形光学結晶中でのＴＥ偏波とＴＭ偏波の伝播速度の差に起因して、出力される変換光の信号波形が乱れてしまうという問題点が生じる。
【０００７】
この発明は、このような問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、従来よりも小型な偏波無依存型の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】
【０００８】
上述した目的の達成を図るために、この発明は、以下のような技術的特徴を有している。
【０００９】
この発明の波長変換素子は、非線形光学結晶の基板に、光の伝播方向に沿ってそれぞれ周期的に設けられていて、光の伝播方向に直交する方向に並置されているとともに、互いに周期が等しい第１及び第２周期的分極反転構造を含んでいる。ここで、第１及び第２周期的分極反転構造のそれぞれの分極方向は、互いに直交するとともに、光の伝播方向に直交している。
【００１０】
また、第１周期的分極反転構造は、光の伝播方向に沿った第１導波路部分を有している。同様に、第２周期的分極反転構造は、光の伝播方向に沿い、かつ第１導波路部分と光結合可能な距離の範囲に第２導波路部分を有している。そして、これらの第１及び第２導波路部分が相俟って１本の光導波路が形成されている。
【００１１】
このように、この発明の波長変換素子は、分極方向が互いに直交する第１及び第２周期的分極反転構造が光の伝播方向に直交する方向に並列して配置されている。そして、第１及び第２周期的分極反転構造の両者に跨って、光の伝播方向に沿って延在する光導波路が形成されている。また、光導波路は、互いに光結合可能な第１及び第２導波路部分で構成されている。そして、光導波路に入力された信号光を波長変換して、信号光とは波長の異なる変換光を外部に出力する。
【００１２】
このような構成によれば、光導波路を伝播する信号光は、第１導波路部分でＴＭ偏波成分又はＴＥ偏波成分のどちらか一方が成分ｄ３３により高い波長変換効率で波長変換される。また、第２導波路部分において、第１導波路部分で波長変換されなかった偏波成分が成分ｄ３３により高い波長変換効率で波長変換される。つまり信号光に含まれるＴＭ及びＴＥ偏波成分の両者ともが光導波路を伝播する過程で、成分ｄ３３により高い波長変換効率で波長変換される。
【００１３】
仮に、第１導波路部分で信号光のＴＭ偏波成分が、成分ｄ３３により選択的に波長変換され、及び第１導波路部分では、信号光のＴＥ偏波成分は実質的に波長変換されないとする。
【００１４】
ところで、第１及び第２導波路部分の分極方向は互いに直交している。また、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分とでは電場ベクトルの方向は互いに直交している。つまり、（１）「第１導波路部分の分極方向−ＴＭ偏波の電場ベクトルの方向の関係」と、（２）「第２導波路部分の分極方向−ＴＥ偏波の電場ベクトルの方向の関係」とは互いに等しくなる。
【００１５】
従って、第１導波路部分で波長変換されなかったＴＥ偏波成分は、第２導波路部分において成分ｄ３３により選択的に波長変換されることとなる。
【００１６】
つまり、この波長変換素子においては、ＴＥ及びＴＭ偏波成分のどちらもが成分ｄ３３により高効率に波長変換される。つまり、信号光の偏波方向によらず、高効率に波長変換を行うことができる偏波無依存型の波長変換素子が得られる。
【００１７】
上述した波長変換素子において、基板は、分極方向が互いに直交するとともに同材料からなる第１及び第２基板を備えていて、第１基板に第１周期的分極反転構造が形成されており、第２基板に第２周期的分極反転構造が形成されていることが好ましい。
【００１８】
また、第１導波路部分に備わり、伝播方向に平行に延在する第１光結合面と、第２導波路部分に備わり、伝播方向に平行に延在する第２光結合面とが光結合可能に配置されていることが好ましい。
【００１９】
このように構成することにより、第１及び第２基板として、切断方位のみが異なる同一の非線形光学結晶を用いることができる。また、第１及び第２光結合面を互いに光結合可能に配置することにより、第１及び第２導波路部分から１本の光導波路を構成することができる。
【００２０】
上述した波長変換素子において、第１光結合面と第２光結合面とが機械的に密着された上で熱溶着されていることが好ましい。
【００２１】
このように構成することにより、第１及び第２導波路部分を、一体に接合することができる。つまり、第１及び第２光結合面間の距離を０（ゼロ）にすることができる。
【００２２】
上述した波長変換素子において、第１周期的分極反転構造と第２周期的分極反転構造の位相を一致させて、第１及び第２導波路部分が配置されていることが好ましい。
【００２３】
このように構成することにより、波長変換素子で波長変換されて出力される変換光の信号の乱れを小さくすることができる。
【００２４】
上述した波長変換素子において、第１基板としてＬｉＮｂＯ３のＺ板を用い、及び第２基板としてＬｉＮｂＯ３のＸ板を用いてもよい。
【００２５】
上述した波長変換素子において、第１導波路部分が、第１主面側から第２主面側に向かって切断された第１基板の切断面から第１主面にかけて延在していて、第１導波路部分の切断面に露出した領域が第１光結合面となっている。
【００２６】
また、第２導波路部分が、第１主面側から第２主面側に向かって切断された第２基板の切断面から第１主面にかけて延在していて、第２導波路部分の切断面に露出した領域が第２光結合面となっている。
【００２７】
そして、光導波路が、第１及び第２基板の第１主面が同一平面をなすように、切断面同士で結合されることで、第１及び第２光結合面が光結合可能に配置された第１及び第２導波路部分で構成されていてもよい。
【００２８】
このように構成することにより、第１及び第２基板を厚さ方向（第１及び第２主面間を結ぶ方向）に切断した上で、その切断面同士を結合した波長変換素子が得られる。
【００２９】
上述した波長変換素子において、第１導波路部分が、第１主面側から第２主面側に向かって切断された第１基板の切断面から第１主面にかけて延在していて、第１導波路部分の第１主面に露出した領域が第１光結合面となっている。
【００３０】
また、第２導波路部分が、第１主面側から第２主面側に向かって切断された第２基板の切断面から第１主面にかけて延在していて、第２導波路部分の第１主面に露出した領域が第２光結合面となっている。
【００３１】
そして、光導波路が、第１及び第２基板の切断面が同一平面をなすように、第１主面同士で結合されることで、第１及び第２光結合面が光結合可能に配置された第１及び第２導波路部分で構成されていてもよい。
【００３２】
このように構成することにより、第１及び第２基板を厚さ方向に切断した上で、その第１主面同士を結合した波長変換素子が得られる。
【００３３】
上述した波長変換素子において、第１導波路部分が、第１基板の第１主面側に露出して延在していて、第１主面に露出した領域が第１光結合面となっている。
【００３４】
また、第２導波路部分が、第２基板の第１主面側に露出して延在していて、第１主面に露出した領域が第２光結合面となっている。
【００３５】
そして、光導波路が、第１及び第２基板の第１主面同士が結合されることで、第１及び第２光結合面が光結合可能に配置された第１及び第２導波路部分で構成されていてもよい。
【００３６】
このように構成することにより、第１及び第２基板を切断することなく、第１主面同士で結合した波長変換素子が得られる。
【００３７】
この発明の波長変換素子の製造方法は、上述した波長変換素子を製造するに当たり、
第１及び第２導波路部分を、第１及び第２基板への金属の蒸着及び熱拡散により形成する工程と、第１及び第２基板を機械的に密着した上で、キュリー温度未満の温度で熱溶着することで結合する工程とを備える。
【００３８】
また、上述した波長変換素子を製造するに当たり、第１及び第２基板を機械的に密着した上で、キュリー温度未満の温度で熱溶着することで結合する工程と、第１及び第２導波路部分を第１及び第２基板への金属の蒸着及び熱拡散により形成する工程とを備えていてもよい。
【００３９】
また、上述した波長変換素子を製造するに当たり、第１及び第２導波路部分の形成予定領域に金属を蒸着する工程と、第１及び第２基板を機械的に密着した上で、キュリー温度未満の温度で熱溶着することで結合するとともに、金属を熱拡散させて第１及び第２導波路部分を形成する工程とを備えていてもよい。
【００４０】
このように構成することにより、周期的分極反転構造の分極方向を保ったままで、第１及び第２基板を結合することができる。
【発明の効果】
【００４１】
この発明は、上述したような構成上の特徴を備えている。その結果、この発明によれば、従来よりも小型な偏波無依存型の波長変換素子が得られる。
【００４２】
また、この波長変換素子の製造方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
【００４４】
（実施の形態１）
図１〜図８を参照して、実施の形態１の波長変換素子及びその製造方法について説明する。図１は、波長変換素子を模式的に示す斜視図である。図２〜図８は、波長変換素子の製造工程の説明に供する主要工程段階を抜き出して示す模式図である。
【００４５】
（構造）
まず、図１を参照して、波長変換素子１０の構造を概略的に説明する。
【００４６】
実施の形態１の波長変換素子１０は、非線形光学結晶の基板１１に、光の伝播方向Ｌに沿ってそれぞれ周期的に設けられる第１及び第２周期的分極反転構造１６及び１８を備えている。この第１及び第２周期的分極反転構造１６及び１８は、光の伝播方向Ｌに直交する方向に並置されているとともに、互いに周期が等しく形成されている。
【００４７】
そして、第１及び第２周期的分極反転構造１６及び１８のそれぞれの分極方向Ｐ１及びＰ２は、互いに直交するとともに、光の伝播方向Ｌに直交している。
【００４８】
第１周期的分極反転構造１６には、光の伝播方向Ｌに沿った第１導波路部分２０が形成されており、及び、第２周期的分極反転構造１８には、光の伝播方向Ｌに沿い、かつ第１導波路部分２０と光結合可能な距離の範囲に第２導波路部分２２が形成されている。そして、第１及び第２導波路部分２０及び２２が相俟って１本の光導波路２４が形成されている。
【００４９】
波長変換素子１０の光導波路２４には、ＴＭ偏波成分ＴＭとＴＥ偏波成分ＴＥとを含む信号光Ｓが光の伝播方向Ｌに沿って入力され、波長変換された上で、光の伝播方向Ｌに沿った信号光Ｃとして出力される。
【００５０】
次に、波長変換素子１０の構造について、より詳細に説明する。まず、基板１１を構成する第１及び第２基板１２及び１４の構造を説明する。
【００５１】
第１基板１２は、第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂを有する矩形状の平行平板として構成されている。第１基板１２は、好ましくは、例えば非線形光学結晶であるＺ板のＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３を材料としている。第１基板１２における自発分極の方向Ｐ１（以下、「第１方向Ｐ１」とも称する。）は、第１基板１２の第１主面１２ａから第２主面１２ｂに向かう方向に沿っている。
【００５２】
第１基板１２の全体には、第１周期的分極反転構造１６が設けられている。第１周期的分極反転構造１６は、分極の向き（図中矢印ａ１及びｂ１）が１８０°異なる第１ドメイン１６ａと第２ドメイン１６ｂとから構成される。なお、当然のことながら、第１及び第２ドメイン１６ａ及び１６ｂの分極の向きａ１及びｂ１は、自発分極の向きＰ１と平行である。
【００５３】
第１周期的分極反転構造１６は、複数個の第１ドメイン１６ａと第２ドメイン１６ｂとが、光の伝播方向Ｌに沿って、所定の周期Λで交互に配置された構造を有する。なお、この周期Λは、波長変換素子１０の波長変換に際して重要な役割を果たす量であるため、その導出法については、（周期Λの導出）の項で説明する。
【００５４】
第１周期的分極反転構造１６の一部領域には、光の伝播方向Ｌに沿って直線的に延在する棒状の第１導波路部分２０が設けられている。詳細は後述するが、第１導波路部分２０は、波長変換素子１０に入力された信号光ＳのＴＭ偏波成分ＴＭを、非線形光学定数の成分ｄ３３により、高効率で波長変換する機能を有している。
【００５５】
第１導波路部分２０は、第１基板１２を厚み方向に垂直に切断して形成された平面状の切断面１２Ｃから、第１主面１２ａにかけて延在している。ここで、「厚み方向」とは、第１基板１２において、第１主面１２ａ側から第２主面１２ｂ側に向かう方向のことを示す。換言すれば、第１導波路部分２０は、第１基板１２の第１主面１２ａと切断面１２Ｃとが交わる稜線近傍において、第１主面１２ａと切断面１２Ｃの両者に跨って延在している。
【００５６】
第１導波路部分２０は、周囲の第１基板１２よりも屈折率が高い領域として形成されている。より詳細には、第１導波路部分２０に対応する第１基板１２の領域には、好ましくは、例えばＴｉ（チタン）が拡散されている。その結果、第１導波路部分２０では、第１周期的分極反転構造１６が保たれたまま、屈折率が周囲の第１基板１２よりも高くなっている。
【００５７】
第１導波路部分２０には第１光結合面２６が設けられている。詳細には、第１光結合面２６は、第１導波路部分２０の切断面１２Ｃに露出した領域として構成されている。第１導波路部分２０が光の伝播方向Ｌに対して平行に延在していることから、第１光結合面２６も、光の伝播方向Ｌに対して平行に延在している。
【００５８】
第２基板１４は、第１主面１４ａ及び第２主面１４ｂを有する矩形状の平行平板として構成されている。第２基板１４は、好ましくは、例えばＸ板のＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３を材料としている。第２基板１４における自発分極の方向Ｐ２（以下、「第２方向Ｐ２」とも称する。）は、第１方向Ｐ１及び光の伝播方向Ｌの両者に垂直な方向に沿っている。つまり、第２方向Ｐ２は、第２基板１４の第１主面１４ａに平行な面内において、光の伝播方向Ｌに垂直な方向に沿っている。また、第２基板１４の光の伝播方向Ｌに沿った長さは、第１基板１２の光の伝播方向Ｌに沿った長さと等しく形成されている。
【００５９】
第２基板１４の全体には、第２周期的分極反転構造１８が設けられている。第２周期的分極反転構造１８は、分極の向き（図中矢印ａ２及びｂ２）が１８０°異なる第１ドメイン１８ａと第２ドメイン１８ｂとから構成される。当然のことながら、第１及び第２ドメイン１８ａ及び１８ｂの分極の向きａ２及びｂ２は、自発分極の向きＰ２と平行である。
【００６０】
第２周期的分極反転構造１８は、第１ドメイン１８ａと第２ドメイン１８ｂとが、光の伝播方向Ｌに沿って、第１周期的分極反転構造１６と同じ周期Λで交互に配置された構造を有する。ここで、第１及び第２ドメイン１８ａ及び１８ｂの個数の総和は、第１周期的分極反転構造１６の第１及び第２ドメイン１６ａ及び１６ｂの個数の総和に等しい。なお、周期Λについては、（周期Λの導出）の項で詳細に説明する。
【００６１】
第２周期的分極反転構造１８の一部領域には、光の伝播方向Ｌに沿って直線的に延在する棒状の第２導波路部分２２が設けられている。詳細は後述するが、第２導波路部分２２は、波長変換素子１０に入力された信号光ＳのＴＥ偏波成分ＴＥを、非線形光学定数の成分ｄ３３により、高効率で波長変換する機能を有している。
【００６２】
第２導波路部分２２は、第２基板１４を厚み方向に垂直に切断することにより形成された平面状の切断面１４Ｃから、第１主面１４ａにかけて延在している。ここで、「厚み方向」とは、第２基板１４において、第１主面１４ａ側から第２主面１４ｂ側に向かう方向のことを示す。換言すれば、第２導波路部分２２は、第２基板１４の第１主面１４ａと切断面１４Ｃとが交わる稜線近傍において、第１主面１４ａと切断面１４Ｃの両者に跨って延在している。
【００６３】
第２導波路部分２２は、周囲の第２基板１４よりも屈折率が高い領域として形成されている。より詳細には、第２導波路部分２２に対応する第２基板１４の領域には、好ましくは、例えばＴｉ（チタン）が拡散されている。その結果、第２導波路部分２２では、第２周期的分極反転構造１８が保たれたまま、屈折率が周囲の第２基板１４よりも高くなっている。なお、第２導波路部分２２の屈折率分布と、上述した第１導波路部分２０の屈折率分布とは、切断面１２Ｃ及び１４Ｃを挟んで面対称の関係にある。
【００６４】
第２導波路部分２２には、第２光結合面２８が設けられている。詳細には、第２光結合面２８は、第２導波路部分２２の、切断面１４Ｃに露出した領域として構成されている。第２導波路部分２２が光の伝播方向Ｌに対して平行に延在していることから、第２光結合面２８も、光の伝播方向Ｌに対して平行に延在している。
【００６５】
次に、第１及び第２基板１２及び１４の相互の位置関係と、第１及び第２基板１２及び１４とに跨った構成要素である光導波路２４とについて説明する。
【００６６】
上述したように、基板１１は、分極方向Ｐ１及びＰ２が互いに直交するとともに同材料からなる第１及び第２基板１２及び１４を備えている。そして、第１基板１２に第１周期的分極反転構造１６が形成されており、及び第２基板１４に第２周期的分極反転構造１８が形成されている。
【００６７】
ここで、第１及び第２基板１２及び１４は、光の伝播方向Ｌに垂直な方向に並列して配置されている。つまり、第１及び第２基板１２及び１４は、切断面１２Ｃ及び１４Ｃからなる接合面を境界とした両側に、互いに光結合可能に並置されている。
【００６８】
このように、並置された第１及び第２基板１２及び１４の両者に跨って、光導波路２４が形成されている。すなわち、光導波路２４は、切断面１２Ｃ及び１４Ｃ同士を近接して配置することで、第１及び第２光結合面２６及び２８が光結合可能に配置された第１及び第２導波路部分２０及び２２で構成されている。ここで、第１及び第２基板１２及び１４の第１主面１２ａ及び１４ａ同士は同一平面をなすように配置されている。
【００６９】
より詳細には、波長変換素子１０において、第１基板１２に設けられた第１導波路部分２０と、第２基板１４に設けられた第２導波路部分２２とが、互いに光結合可能な距離の範囲にそれぞれ配置されている。そして、これらの第１導波路部分２０と第２導波路部分２２とで、１本の光導波路２４が形成される。
【００７０】
つまり、第１導波路部分２０に備わる第１光結合面２６と、第２導波路部分２２に備わる第２光結合面２８とが、互いに光結合可能に配置されている。これにより、第１基板１２の第１導波路部分２０と、第２基板１４の第２導波路部分２２とが光学的に結合される。その結果、信号光Ｓ及び変換光Ｃから見た場合、第１及び第２導波路部分２０及び２２が相俟って、１本の光導波路２４として機能する。
【００７１】
なお、ここで、「第１及び第２光結合面２６及び２８が光結合可能に配置される」とは、第１及び第２光結合面２６及び２８の間の間隔が、両光結合面２６及び２８から染み出すエバネッセント光が光結合可能な長さ以下であることを示す。
【００７２】
この実施の形態においては、第１及び第２光結合面２６及び２８の間の間隔は、好ましくは、例えば０（ゼロ）とする。つまり、第１及び第２光結合面２６及び２８は、一体に結合されている。これは、第１及び第２基板１２及び１４を機械的に密着した上で熱溶着することで達成できる。
【００７３】
また、第１基板１２に設けられた第１周期的分極反転構造１６と、第２基板１４に設けられた第２周期的分極反転構造１８とは、互いに位相を一致させて配置されている。つまり、第１周期的分極反転構造１６において、互いに隣接する第１及び第２ドメイン１６ａ及び１６ｂの間の境界面は、対応する第２周期的分極反転構造１８の第１及び第２ドメイン１８ａ及び１８ｂの間の境界面と、同一平面をなしている。
【００７４】
（周期Λの導出）
次に、この発明の波長変換素子１０の波長変換において重要な役割を果たす量であるΛの導出過程について説明する。以下の説明では、第１周期的分極反転構造１６を代表として、周期Λを求める場合について説明する。
【００７５】
第１周期的分極反転構造１６の第１及び第２ドメイン１６ａ及び１６ｂは周期Λで配列されている。
【００７６】
今、光導波路２４に波長λωの信号光Ｓが入力され、波長変換の結果、波長λ２ω（＝λω／２）の第２次高調波としての変換光Ｃが出力される場合を考える。
【００７７】
このとき、信号光ＳのＴＭ偏波成分ＴＭは、電場ベクトルの振動方向が第１基板１２の第１主面１２ａに垂直な面内に存在している。さらに、電場ベクトルの振動方向が第１周期的分極反転構造１６の光学軸（第１方向Ｐ１）と平行である。
【００７８】
従って、ＴＭ偏波成分ＴＭは、第１基板１２において絶対値の最も大きな成分ｄ３３により、第１導波路部分２０において波長変換されることとなる。また、ＴＭ偏波成分ＴＭは、第１基板１２に関しては異常光線となる。よって、第１導波路部分２０を伝播する際に、ＴＭ偏波成分ＴＭが感じる第１周期的分極反転構造１６の屈折率は、異常光線屈折率ｎｅとなる。
【００７９】
ところで、第１導波路部分２０においてＴＭ偏波成分の波長変換が行われるためには、下記式（１）の位相整合条件が満たされる必要がある。
【００８０】
β２ω−（２βω＋Ｋ）＝０  ・・・（１）
ここで、β２ω：変換光の伝播定数、βω：信号光の伝播定数、及び、Ｋ：第１周期的分極反転構造１６の波数である。
【００８１】
ところで、β２ω、βω及びＫは、それぞれ下記式（２）〜（４）で表される。
β２ω＝ｋ２ωＮ２ω  ・・・（２）
βω＝ｋωＮω        ・・・（３）
Ｋ＝２π／Λ        ・・・（４）
ここで、ｋ２ω：変換光の波数、Ｎ２ω：変換光の感じる第１導波路部分２０の等価屈折率、ｋω：信号光の波数、及び、Ｎω：信号光の感じる第１導波路部分２０の等価屈折率である。
【００８２】
（２）式及び（３）式において、ｋ２ω及びｋωは、下記（５）式及び（６）式で表される。
ｋ２ω＝２π／λ２ω  ・・・（５）
ｋω＝２π／λω      ・・・（６）
（２）式〜（６）式の関係と、λ２ω＝λω／２なる関係とに注意して（１）式を変形すると、下記（７）式が得られる。
Λ＝λω／｛２×（Ｎ２ω−Ｎω）｝  ・・・（７）
（７）式において、Ｎ２ω及びＮωは、第１周期的分極反転構造１６の屈折率ｎｅから求めることができる。よって、（７）式からΛを決定することができる。
【００８３】
なお、第２周期的分極反転構造１８における周期Λが、第１周期的分極反転構造１６の周期Λと等しくなる理由については、次項で詳細に説明する。
【００８４】
（波長変換素子１０が偏波無依存となる理由）
上述のように信号光ＳのＴＭ偏波成分ＴＭは、第１導波路部分２０を伝播する過程で、第１周期的分極反転構造１６との相互作用により、成分ｄ３３で高い波長変換効率で波長変換される。
【００８５】
一方、信号光ＳのＴＥ偏波成分ＴＥは、電場ベクトルの振動方向が第１主面１２ａに平行な方向に沿っている。つまり、ＴＥ偏波成分ＴＥの電場ベクトルの振動方向は、第１周期的分極反転構造１６の光学軸（第１方向Ｐ１）と垂直である。従って、ＴＥ偏波成分ＴＥは、第１基板１２において、絶対値の小さい成分ｄ１１又はｄ２２により、第１導波路部分２０において波長変換されることとなる。
【００８６】
さらに、ＴＥ偏波成分ＴＥは、第１周期的分極反転構造１６に関しては常光線となるため、第１導波路部分２０を伝播する際に、ＴＥ偏波成分ＴＥが感じる第１周期的分極反転構造１６の屈折率は、常光線屈折率ｎ０（≠ｎｅ）となる。その結果、ＴＥ偏波成分ＴＥは、ＱＰＭ条件（（７）式）を満たさない。これらのことから、ＴＥ偏波成分ＴＥは、第１導波路部分２０では、ほとんど波長変換されない。
【００８７】
ところで、第２周期的分極反転構造１８から見た場合、ＴＥ偏波成分ＴＥの電場ベクトルの振動方向は第２周期的分極反転構造１８の光学軸（第２方向Ｐ２）と平行である。従って、ＴＭ偏波成分ＴＭが第１導波路部分２０において選択的に波長変換されたと同様の理由により、ＴＥ偏波成分ＴＥは、第２導波路部分２２において、選択的に波長変換される。
【００８８】
また、ＴＥ偏波成分ＴＥは、第２基板１４に関しては異常光線となる。よって、第２導波路部分２２を伝播する際に、ＴＥ偏波成分ＴＥが感じる第２周期的分極反転構造１８の屈折率は、異常光線屈折率ｎｅとなる。
【００８９】
なお、第２周期的分極反転構造１８の第１及び第２ドメイン１８ａ及び１８ｂの周期Λは、第１周期的分極反転構造１６の場合と等しくなる。つまり、第２周期的分極反転構造１８とＴＥ偏波成分ＴＥとの間には、上述した（１）式〜（７）式がそのまま成立する。また、これらの式中のパラメータλω，λ２ω、Ｎ２ω及びＮωは、“第１周期的分極反転構造１６−ＴＭ偏波成分ＴＭ”と、“第２周期的分極反転構造１８−ＴＥ偏波成分ＴＥ”とで同一である。なぜなら、ＴＭ偏波成分ＴＭが感じる第１周期的分極反転構造１６の屈折率はｎｅであり、ＴＥ偏波成分ＴＥが感じる第２周期的分極反転構造１８の屈折率もｎｅであるからである。従って、第２周期的分極反転構造１８に関して得られたΛは、第１周期的分極反転構造１６に関して得られたΛと同一の値となる。つまり、第１周期的分極反転構造１６と第２周期的分極反転構造１８の周期Λは互いに等しい。
【００９０】
（動作）
次に、図１を参照して、波長変換素子１０の動作について説明する。
【００９１】
図１に示すように、波長変換されるべき信号光Ｓが、光導波路２４に入力されると、信号光Ｓは、光導波路２４を伝播する過程で第２次高調波としての変換光Ｃに変換されて出力される。
【００９２】
（周期Λの導出）の項で説明したように、信号光Ｓの内、ＴＭ偏波成分ＴＭは、第１導波路部分２０を伝播する過程で、最大の非線形光学定数である成分ｄ３３により波長変換されて、変換光Ｃとして出力される。
【００９３】
また、信号光Ｓの内ＴＥ偏波成分ＴＥは、第２導波路部分２２を伝播する過程で、最大の非線形光学定数である成分ｄ３３により波長変換されて、変換光Ｃとして出力される。
【００９４】
これらの結果、波長変換素子１０は、信号光Ｓの偏波の状態によらず、最大の成分ｄ３３を用いて高効率に波長変換を行うことができる。
【００９５】
（製造方法）
次に、図２〜図８を参照して、波長変換素子１０の製造方法について説明する。
【００９６】
波長変換素子１０の製造方法は、概略的に以下に列記する工程を含んでいる。
（Ａ１）第１及び第２導波路部分２０及び２２を、第１及び第２基板１２及び１４への金属の蒸着及び熱拡散により形成する第１工程。
【００９７】
（Ａ１−１）第１基板１２の準備
（Ａ１−２）第２基板１４の準備
（Ａ２）第１及び第２基板１２及び１４を機械的に密着した上で、キュリー温度未満の温度で熱溶着することで結合させる第２工程。
【００９８】
以下、上述した工程ごとに詳細に説明を行う。
【００９９】
（Ａ１）第１工程
（Ａ１−１）第１基板１２の準備
（Ａ１−１−１）Ｚ板ＬｉＮｂＯ３基板の準備
図２（Ａ）に示すように、ＭｇＯがドープされたＺ板のＬｉＮｂＯ３基板３０（以下、単に「基板３０」とも称する。）を準備する。なお、基板３０においては、第２主面３０ｂから第１主面３０ａに向かう方向に自発分極（図中矢印Ｐ３参照）が沿っている。
【０１００】
（Ａ１−１−２）レジストパターンの形成
続いて、図２（Ｂ）に示すように、基板３０の第１主面３０ａに、フォトリソグラフィ技術を利用して、第１周期的分極反転構造１６を形成するためのレジストパターン３２を形成する。
【０１０１】
このレジストパターン３２は、いわゆるラインアンドスペース形のパターンである。レジストパターン３２において、ライン及びスペースの幅（図面左右方向の長さ）は、第１周期的分極反転構造１６の第１及び第２ドメイン１６ａ及び１６ｂと等しくΛとする。
【０１０２】
（Ａ１−１−３）第１周期的分極反転構造の形成
続いて、図２（Ｃ）に示すような手法を使い、基板３０に第１周期的分極反転構造１６（図３（Ａ））を形成する。すなわち、基板３０の第１主面３０ａを正極として、及び第２主面３０ｂを負極として、液体電極３４を介して、好ましくは、例えば約２ｋＶの電圧を印加する。
【０１０３】
これにより、レジストパターン３２が存在していない露出領域において、第１主面３０ａから第２主面３０ｂに向かう電圧が基板３０に印加される。その結果、電圧が印加された領域において、自発分極の向きが反転する。これにより、図３（Ａ）に示すように、第１及び第２ドメイン１６ａ及び１６ｂが交互に配列した第１周期的分極反転構造１６が形成される。
【０１０４】
（Ａ１−１−４）レジストパターンの除去
続いて、図３（Ｂ）に示すように、レジストパターン３２を常法に従って除去する。これにより、第１周期的分極反転構造１６が形成された基板３０が得られる。
【０１０５】
（Ａ１−１−５）レジストパターンの形成
続いて、図３（Ｃ）の斜視図に示すように、基板３０に、第１導波路部分２０の前駆領域である第１導波路前駆部分４０の形成のために用いるレジストパターン３５を、フォトリソグラフィ技術を利用して形成する。
【０１０６】
より詳細には、第１周期的分極反転構造１６の第１及び第２ドメイン１６ａ及び１６ｂの配列を垂直に横切る、長尺な矩形状の開口部３６を有するレジストパターン３５を基板３０の第１主面３０ａの全面に形成する。
【０１０７】
（Ａ１−１−６）Ｔｉ膜３７の蒸着
続いて、図４（Ａ）に示すように、レジストパターン３５を含む基板３０の第１主面３０ａの全面に、真空蒸着法により、好ましくは、例えば約４５ｎｍの厚みのＴｉ膜３７を蒸着する。これにより、開口部３６から露出する第１主面３０ａ上にＴｉ膜３７が堆積される。
【０１０８】
（Ａ１−１−７）リフトオフ
続いて、図４（Ｂ）に示すように、開口部３６以外に存在するＴｉ膜３７を、レジストパターン３５とともにリフトオフにより除去する。これにより、開口部３６にのみＴｉ膜３７が残留する。この開口部３６に残留したＴｉ膜３７からなるパターンのことをＴｉパターン３８と称する。
【０１０９】
（Ａ１−１−８）第１導波路前駆部分４０の形成
続いて、図４（Ｃ）に示すように、Ｔｉパターン３８を構成するＴｉ原子を基板３０内部に拡散させる。具体的には、基板３０を湿潤アルゴン雰囲気下で、約１０００℃の温度で約６時間加熱することにより、Ｔｉパターン３８に含まれるＴｉ原子を基板３０内部に拡散させる。
【０１１０】
これにより、Ｔｉが基板３０の第１主面３０ａから所定の深さにわたって分布する。その結果、周囲の基板３０よりも屈折率が高く、光を伝播可能な第１導波路前駆部分４０が、Ｔｉが拡散した領域として形成される。
【０１１１】
（Ａ１−１−９）ダイシング
続いて、図５に示すように、基板３０をダイシングして、第１基板１２を形成する。具体的には、第１導波路前駆部分４０の中心線に沿って、基板３０を半分に切断する。さらに、第１周期的分極反転構造１６が存在していない、基板３０の不用な部分を切断する。
【０１１２】
その結果、不用部分を切断により除去した基板３０としての第１基板１２が得られる。ここで、切断後の第１導波路前駆部分４０が第１導波路部分２０に対応する。第１基板１２の第１導波路前駆部分４０に沿った切断面が、切断面１２Ｃに対応する。また、切断面１２Ｃに露出した第１導波路部分２０が第１光結合面２６に対応する。
【０１１３】
（Ａ１−２）第２基板１４の準備
（Ａ１−２−１）Ｘ板ＬｉＮｂＯ３基板の準備
図６（Ａ）に示すように、ＭｇＯがドープされたＸ板のＬｉＮｂＯ３基板５０（以下、単に「基板５０」とも称する。）を準備する。なお、基板５０においては、第１主面５０ａに平行な面内において、図中左側に向かって自発分極（図中矢印Ｐ４参照）が沿っている。
【０１１４】
（Ａ１−２−２）レジストパターンの形成
続いて、図６（Ｂ）に示すように、基板５０の第１主面５０ａにフォトリソグラフィ技術を利用して、第２周期的分極反転構造１８を形成するためのレジストパターン５２を形成する。
【０１１５】
より詳細には、第１開口部５４と第２開口部５６とを除いた第１主面５０ａの全面にフォトレジストを塗布したレジストパターン５２を形成する。ここで、第１開口部５４は、後述する櫛状電極５８（図７（Ａ））の形成予定領域である。また、第２開口部５６は、櫛状電極５８に対向するライン状電極６０（図７（Ａ））の形成予定領域である。
【０１１６】
なお、第１開口部５４は、図６（Ｂ）より明らかなように、平面形状が櫛歯状であり、凸部と凹部とを有している。これらの凸部と凹部の幅は、第２周期的分極反転構造１８の第１及び第２ドメイン１８ａ及び１８ｂと等しくΛとする。
【０１１７】
（Ａ１−２−３）Ｃｒ膜５３の蒸着
続いて、図６（Ｃ）に示すように、レジストパターン５２を含む基板５０の第１主面５０ａの全面に、真空蒸着法により、好ましくは、例えば約５０ｎｍの厚みのＣｒ膜５３を蒸着する。これにより、第１及び第２開口部５４及び５６から露出する第１主面５０ａ上にもＣｒ膜５３が堆積される。
【０１１８】
（Ａ１−２−４）電極の形成
続いて、図７（Ａ）に示すように、第１及び第２開口部５４及び５６以外のＣｒ膜５３をレジストパターン５２とともにリフトオフにより除去する。これにより、第１及び第２開口部５４及び５６にのみＣｒ膜５３が残留する。第１開口部５４に残留したＣｒ膜５３により櫛状電極５８が形成される。また、第２開口部５６に残留したＣｒ膜５３により、櫛状電極５８と間隔を空けて対向するライン状電極６０が形成される。
【０１１９】
（Ａ１−２−５）第２周期的分極反転構造１８の形成
続いて、図７（Ｂ）に示すように、第２周期的分極反転構造１８を形成する。すなわち、櫛状電極５８を正極として、及びライン状電極６０を負極として、基板５０に、好ましくは、例えば約２ｋＶの電圧を印加する。
【０１２０】
これにより、櫛状電極５８の凸部とライン状電極６０とに挟まれた領域には、櫛状電極５８の凹部とライン状電極６０とに挟まれた領域よりも高い電圧が印加されることになる。
【０１２１】
その結果、櫛状電極５８の凸部とライン状電極６０との間に挟まれた領域において、自発分極の向きが反転する。その結果、第１及び第２ドメイン１８ａ及び１８ｂが交互に配列した第２周期的分極反転構造１８が形成される。
【０１２２】
（Ａ１−２−６）電極の除去
続いて、図７（Ｃ）に示すように、櫛状電極５８とライン状電極６０とをウエットエッチングにより除去する。
【０１２３】
（Ａ１−２−７）Ｔｉパターン３９の形成
続いて、図８（Ａ）に示すように、（Ａ１−１−５）〜（Ａ１−１−７）の手順と同様にして、第２周期的分極反転構造１８の第１及び第２ドメイン１８ａ及び１８ｂの配列を垂直に横切るＴｉパターン３９を形成する。
【０１２４】
具体的には、レジストパターンを用いてＴｉを所定形状に蒸着し、その後、不用なＴｉをレジストパターンとともにリフトオフする。
【０１２５】
（Ａ１−２−８）第２導波路前駆部分６２の形成
続いて、既に説明した（Ａ１−１−８）の手順と同様にして、第２周期的分極反転構造１８の第１及び第２ドメイン１８ａ及び１８ｂの配列を垂直に横切る第２導波路前駆部分６２を形成する。
【０１２６】
具体的には、基板５０を、湿潤アルゴン雰囲気下で、約１０００℃の温度で約６時間加熱することにより、Ｔｉパターン３９に含まれるＴｉ原子を基板５０内部に拡散させる。
【０１２７】
これにより、Ｔｉが基板５０の第１主面５０ａから所定の深さにわたって分布する。その結果、周囲の基板５０よりも屈折率が高く、光を伝播可能な第２導波路前駆部分６２が、Ｔｉが拡散した領域として形成される（図８（Ｂ））。
【０１２８】
（Ａ１−２−９）ダイシング
続いて、図８（Ｃ）に示すように、基板５０をダイシングして、第２基板１４を形成する。具体的には、第２導波路前駆部分６２の中心線に沿って、基板５０を半分に切断する。さらに、第２周期的分極反転構造１８が存在していない、基板５０の不用な部分を切断する。
【０１２９】
その結果、不用部分を切断により除去した基板５０としての第２基板１４が得られる。ここで、切断後の第２導波路前駆部分６２が第２導波路部分２２に対応する。第２基板１４の第２導波路前駆部分６２に沿った切断面が、切断面１４Ｃに対応する。切断面１４Ｃに露出した第２導波路部分２２が第１光結合面２８に対応する。
【０１３０】
（Ａ２）第２工程
（Ａ２−１）接合
続いて、図１に示した波長変換素子１０を形成する。具体的には、上述した（Ａ１−１）及び（Ａ１−２）の工程を経ることにより得られた第１及び第２基板１２及び１４を接合する。つまり、第１基板１２の切断面１２Ｃと、第２基板１４の切断面１４Ｃとを位置合わせの上、機械的に密着させ、キュリー温度未満の温度で熱溶着する。具体的には、例えば３００〜５００℃の温度で、好ましくは、例えば３０〜９０分間、加熱して第１及び第２基板１２及び１４を熱溶着する。
【０１３１】
ここで、「位置合わせ」とは、以下の３点を位置合わせすることである。
（ｉ）第１基板１２の第１主面１２ａと、第２基板１４の第１主面１４ａとを同一平面上に配置すること。
（ｉｉ）第１導波路部分２０の第１光結合面２６と、第２導波路部分２２の第２光結合面２８とを第１及び第２基板１２及び１４の厚み方向にズレが生じないように配置すること。
（ｉｉｉ）第１周期的分極反転構造１６と第２周期的分極反転構造１８の位相を一致させること。つまり、第１周期的分極反転構造１６の第１及び第２ドメイン１６ａ及び１６ｂと、第２周期的分極反転構造１８の第１及び第２ドメイン１８ａ及び１８ｂ間の境界面を同一平面とすること。
【０１３２】
以上説明したように（Ａ１）及び（Ａ２）の工程を経ることにより、第１主面１２ａ側から第２主面１２ｂ側に向かって切断された第１基板１２の切断面１２Ｃから第１主面１２ａにかけて延在していて、第１導波路部分２０の切断面１２Ｃに露出した領域が第１光結合面２６となっている第１導波路部分２０と、第１主面１４ａ側から第２主面１４ｂ側に向かって切断された第２基板１４の切断面１４Ｃから第１主面１４ａにかけて延在していて、第２導波路部分２２の切断面１４Ｃに露出した領域が第２光結合面２８となっている第２導波路部分２２とを、第１及び第２基板１２及び１４の第１主面１２ａ及び１４ａが同一平面をなすように、切断面１２Ｃ及び１４Ｃ同士で結合することで、第１及び第２光結合面２６及び２８が光結合可能に配置された第１及び第２導波路部分２０及び２２で構成される光導波路２４を備えた波長変換素子１０が得られる。
【０１３３】
（効果）
この実施の形態の波長変換素子１０は、以下に列記する効果を奏する。
【０１３４】
（１）波長変換素子１０は、第１周期的分極反転構造１６中に設けられた第１導波路部分２０と、第２周期的分極反転構造１８中に設けられた第２導波路部分２２を光結合可能な距離の範囲に配置することにより光導波路２４を形成している。
【０１３５】
そして、第１導波路部分２０において、最大の成分ｄ３３を用いて信号光ＳのＴＭ偏波成分ＴＭの波長変換を行い、及び第２導波路部分２２において、最大の成分ｄ３３を用いて信号光ＳのＴＥ偏波成分ＴＥの波長変換を行う。
【０１３６】
つまり、ＴＭ及びＴＥ偏波成分ＴＭ及びＴＥの両成分を最大の成分ｄ３３により波長変換することができる。その結果、ＴＭ波用変換領域と、ＴＭ波用変換領域の約５倍の長さのＴＥ波用変換領域とを、光の伝播方向に沿って直列に配置した従来の波長変換素子に比べて、素子の全長を大幅に短くすることができる。
【０１３７】
（２）（１）で説明したように、波長変換素子１０は、素子の全長が従来品に比べて大幅に短くなっているので、非線形光学結晶中でのＴＥ偏波とＴＭ偏波の伝播速度の差に起因して生じる変換光Ｃの信号波形の乱れが最小限に抑えられる。
【０１３８】
（設計条件変更）
この実施の形態の波長変換素子１０においては、以下に列記するような設計条件の変更が可能である。
【０１３９】
（１）この実施の形態においては、基板１１として、分極方向が互いに直交する第１基板１２及び第２基板１４を接合した場合について説明した。しかし、技術的に可能であれば、分極方向が互いに直交する２領域を有する単一の基板を用いて波長変換素子を構成してもよい。
【０１４０】
（２）この実施の形態においては、第１及び第２基板１２及び１４としてＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ３を用いた場合について説明した。しかし、第１及び第２基板１２及び１４は、ＭｇＯがドープされていないＬｉＮｂＯ３を用いてもよい。
【０１４１】
（３）この実施の形態においては、第１及び第２基板１２及び１４としてＬｉＮｂＯ３を用いた場合について説明した。しかし、第１及び第２基板は、紫外線から赤外線の波長帯域で屈折率に異方性を持つ強誘電体であり、かつ１０ｐｍ／Ｖ以上の非線形光学定数を有する非線形光学結晶を用いることができる。このような非線形光学結晶としては、例えば、タンタル酸リチウム、チタン酸リン酸カリウム及びニオブ酸カリウム等を好適に用いることができる。
【０１４２】
（４）この実施の形態においては、第１及び第２導波路部分２０及び２２を、Ｔｉの熱拡散で形成する場合について説明した。しかし、第１及び第２導波路部分２０及び２２は、例えば、Ｍｇを熱拡散することにより形成してもよい。
【０１４３】
（５）この実施の形態においては、第１及び第２導波路部分２０及び２２を、拡散型導波路として構成した場合について説明した。しかし、第１及び第２導波路部分２０及び２２は拡散型導波路には限定されない。例えば、第１及び第２導波路部分２０及び２２は、ステップインデックス型、装荷型、リッジ型又は電圧誘起型の光導波路としてもよい。また、第１及び第２導波路部分２０及び２２を形成せずに、第１及び第２基板１２及び１４を平面型導波路として用いて波長変換素子を構成してもよい。
【０１４４】
（６）この実施の形態においては、第１周期的分極反転構造１６と第２周期的分極反転構造１８の位相を一致させた場合について説明した。つまり、第１及び第２ドメイン１６ａ及び１６ｂと１８ａ及び１８ｂとの間の境界面を、第１周期的分極反転構造１６と第２周期的分極反転構造１８とで一致させた場合について説明した。
【０１４５】
しかし、第１周期的分極反転構造１６と第２周期的分極反転構造１８の位相は、変換光Ｃの波形の乱れが実用上許容できる範囲でずれていてもよい。
【０１４６】
（７）この実施の形態においては、第１光結合面２６と第２光結合面２８とが隙間なく熱溶着された場合について説明した。しかし、第１光結合面２６と第２光結合面２８は、必ずしも一体に接合されている必要はない。第１光結合面２６と第２光結合面２８とは、エバネッセント光が結合可能な距離だけ離間していてもよい。このように構成することによっても、第１導波路部分２０と第２導波路部分２２とは、１本の光導波路２４として機能する。
【０１４７】
（８）この実施の形態では、第１基板１２と第２基板１４とを切断面１２Ｃ及び１４Ｃで接合した波長変換素子１０ついて説明した。この波長変換素子１０の機械的な強度をより向上させるためには、第１基板１２の第２主面１２ｂ及び第２基板１４の第２主面１４ｂに跨って、補強用の基板を貼り付けてもよい。このようにすることにより、第１基板１２及び第２基板１４の接合面における接合強度をより高めることができる。
【０１４８】
（９）この実施の形態では、基板３０に第１周期的分極反転構造１６を形成するに当たり、液体電極３４を用いる場合について説明した（図２（Ｃ）参照）。しかし、第１周期的分極反転構造１６の形成には、液体電極３４を用いる必要はない。基板５０に第２周期的分極反転構造１８を形成する際（図７（Ａ）参照）に用いたと同様の金属製の電極を用いてもよい。
【０１４９】
（１０）この実施の形態では、第１及び第２基板１２及び１４に、まず第１及び第２周期的分極反転構造１６及び１８を形成した後に、第１及び第２導波路部分２０及び２２を形成する場合について説明した。しかし、第１及び第２基板１２及び１４にまず、第１及び第２導波路部分２０及び２２を形成した後に、第１及び第２周期的分極反転構造１６及び１８を形成してもよい。
【０１５０】
（１１）この実施の形態では、第１及び第２導波路部分２０及び２２を第１及び第２基板１２及び１４に予め作成した後に、両基板１２及び１４を接合した場合について説明した。しかし、第１及び第２導波路部分２０及び２２を、第１及び第２基板１２及び１４を接合した後に形成してもよい。
【０１５１】
つまり、波長変換素子１０を製造するに当たり、（Ａ）第１及び第２基板１２及び１４を機械的に密着した上で、キュリー温度未満の温度で熱溶着することで結合し、（Ｂ）その後に、第１及び第２導波路部分２０及び２２を、第１及び第２基板１２及び１４への金属の蒸着及び熱拡散により形成してもよい。
【０１５２】
すなわち、第１主面１２ａ及び１４ａが同一平面をなすように切断面１２Ｃ及び１４Ｃ同士で接合された接合基板を作成し、その後に、光導波路２４の形成予定領域にＴｉを蒸着した後に熱拡散することにより、第１及び第２導波路部分２０及び２２からなる光導波路２４を作成してもよい。
【０１５３】
（１２）この実施の形態では、Ｔｉを熱拡散することで第１及び第２導波路部分２０及び２２を作成した後に、両基板１２及び１４を熱溶着した場合について説明した。しかし、Ｔｉの熱拡散と、両基板１２及び１４の熱溶着とを同時に行ってもよい。
【０１５４】
つまり、波長変換素子１０を製造するに当たり、（Ａ）第１及び第２導波路部分２０及び２２の形成予定領域に金属を蒸着した後に、（Ｂ）第１及び第２基板１２及び１４を機械的に密着した上で、キュリー温度未満の温度で熱溶着することで結合するとともに、金属を熱拡散させて第１及び第２導波路部分２０及び２２を形成してもよい。
【０１５５】
すなわち、第１及び第２導波路部分２０及び２２の形成予定領域にＴｉが蒸着された第１及び第２基板１２及び１４を機械的に密着した上で加熱することにより、両基板１２及び１４の熱溶着と、Ｔｉの熱拡散による第１及び第２導波路部分２０及び２２の形成とを同時に行ってもよい。
【０１５６】
（実施の形態２）
図９を参照して、実施の形態２の波長変換素子７０について説明する。図９は、波長変換素子７０の構成を概略的に示す斜視図である。
【０１５７】
実施の形態２の波長変換素子７０は、第１基板１２の第１主面１２ａと、第２基板１４の第１主面１４ａとが接合されている点を除いては、実施の形態１の波長変換素子１０と同様に構成されている。そこで、図９において、図１と同様の構成要素には同符号を付し、主に、波長変換素子１０との相違点について説明する。
【０１５８】
波長変換素子７０を構成する各構成要素は、波長変換素子１０と同様である。しかし、波長変換素子７０は、第１基板１２及び第２基板１４の接合方法が波長変換素子１０とは異なっている。つまり、波長変換素子７０においては、第１基板１２の第１主面１２ａと第２基板１４の第１主面１４ａとが接合されている。
【０１５９】
より詳細には、波長変換素子７０においては、波長変換素子１０と同様に、第１導波路部分２０が、第１主面１２ａ側から第２主面１２ｂ側に向かって切断された第１基板１２の切断面１２Ｃから第１主面１２ａにかけて延在している。しかし、波長変換素子７０においては、第１導波路部分２０の第１主面１２ａに露出した領域が第１光結合面７２となっている点が波長変換素子１０と異なっている。
【０１６０】
また、波長変換素子７０においては、波長変換素子１０と同様に、第２導波路部分２２が、第１主面１４ａ側から第２主面１４ｂ側に向かって切断された第２基板１４の切断面１４Ｃから第１主面１４ａにかけて延在している。しかし、波長変換素子７０においては、第２導波路部分２２の第１主面１４ａに露出した領域が第２光結合面７４となっている点が波長変換素子１０と異なっている。
【０１６１】
そして、波長変換素子７０においては、光導波路７６が、第１及び第２基板１２及び１４の切断面１２Ｃ及び１４Ｃが同一平面をなすように、第１主面１２ａ及び１４ａ同士で結合されることで、第１及び第２光結合面７２及び７４が光結合可能に配置された第１及び第２導波路部分２０及び２２で構成されている。
【０１６２】
波長変換素子７０において、Λの導出法及び動作は波長変換素子１０と同様であるので、その説明を省略する。
【０１６３】
また、波長変換素子７０の製造方法は、切断面１２Ｃ及び１４Ｃ同士を接合する代わりに、第１主面１２ａ及び１４ａ同士を接合する点が異なっている以外は、波長変換素子１０の製造方法と同様である。
【０１６４】
また、波長変換素子７０は、波長変換素子１０と同様の設計条件変更が可能である。
【０１６５】
（効果）
波長変換素子７０は、波長変換素子１０の項で説明したと同様の効果を奏する。
【０１６６】
波長変換素子７０は、波長変換素子１０の効果に加えて、第１基板１２と第２基板１４との間の接合面の面積が波長変換素子１０に比較して広いので、機械的な強度に優れている。
【０１６７】
（実施の形態３）
図１０〜図１２を参照して、実施の形態３の波長変換素子８０について説明する。図１０は、波長変換素子８０の構成を概略的に示す斜視図である。
【０１６８】
（構造）
実施の形態３の波長変換素子８０は、第１基板１２及び第２基板１４を切断せずに接合する点を除いては、実施の形態２の波長変換素子７０と同様に構成されている。そこで、図１０において、図９と同様の構成要素には同符号を付し、主に、波長変換素子７０との相違点について説明する。
【０１６９】
波長変換素子８０を構成する各構成要素は、波長変換素子７０と同様である。しかし、波長変換素子８０は、第１及び第２基板１２及び１４が未切断である点が波長変換素子７０と異なっている。
【０１７０】
より詳細には、波長変換素子８０においては、第１導波路部分８２が、第１基板１２の第１主面１２ａ側に露出して延在している。そして、第１主面１２ａに露出した第１導波路部分８２の領域が第１光結合面８４となっている。
【０１７１】
また、第２導波路部分８６が、第２基板１４の第１主面１４ａ側に露出して延在している。そして、第１主面１４ａに露出した第２導波路部分８６の領域が第２光結合面８８となっている。
【０１７２】
そして、光導波路９０が、第１及び第２基板１２及び１４の第１主面１２ａ及び１４ａ同士が結合されることで、第１及び第２光結合面８４及び８８が光結合可能に配置された第１及び第２導波路部分８２及び８６で構成されている。
【０１７３】
（製造方法）
次に、図１１及び図１２を参照して、波長変換素子８０の製造方法について説明する。
【０１７４】
波長変換素子８０の製造方法は、概略的に以下に列記する工程を含んでいる。
（Ｂ１）第１及び第２導波路部分８２及び８６の形成予定領域に金属を蒸着する第１工程。
（Ｂ２）第１及び第２基板１２及び１４を機械的に密着した上で、キュリー温度未満の温度で熱溶着することで結合するとともに、金属を熱拡散させて前記第１及び第２導波路部分８２及び８６を形成する第２工程。
【０１７５】
以下、上述した工程ごとに詳細に説明を行う。
【０１７６】
（Ｂ１）第１工程
（Ｂ１−１）第１基板１２の準備
（Ｂ１−１−１）Ｔｉパターン３８の形成
図１１（Ａ）に示すように、上述した（Ａ１−１−１）〜（Ａ１−１−７）の工程と同様にして、Ｔｉパターン３８が形成された基板３０を準備する。
【０１７７】
（Ｂ１−１−２）ダイシング
図１１（Ｂ）に示すように、基板３０の第１周期的分極反転構造１６が形成された領域以外の不用部分をダイシングにより切断する。これにより、第１導波路部分８２の形成予定領域にＴｉパターン３８が形成された第１基板１２が形成される。
【０１７８】
（Ｂ１−２）第２基板１４の準備
（Ｂ１−２−１）Ｔｉパターン３９の形成
図１１（Ｃ）に示すように、上述した（Ａ１−２−１）〜（Ａ１−２−７）の工程と同様にして、Ｔｉパターン３９が形成された基板５０を準備する。
【０１７９】
（Ｂ１−２−２）ダイシング
図１２に示すように、基板５０の第２周期的分極反転構造１８が形成された領域以外の不用部分をダイシングにより切断する。これにより第２基板１４が形成される。
【０１８０】
（Ｂ２）第２工程
（Ｂ２−１）接合
続いて、図１０に示した波長変換素子８０を形成する。具体的には、上述した（Ｂ１−１）及び（Ｂ１−２）の工程を経ることにより得られた第１及び第２基板１２及び１４を接合する。つまり、第１基板１２の第１主面１２ａと、第２基板１４の第２主面１４ａとを位置合わせの上、機械的に密着させ、キュリー温度未満の温度で熱溶着する。具体的には、湿潤アルゴン雰囲気下で、約１０００℃の温度で約６時間加熱して第１及び第２基板１２及び１４を熱溶着する。
【０１８１】
これにより、第１及び第２基板１２及び１４は、第１主面１２ａ及び１４ａ同士で接合される。それとともに、Ｔｉパターン３８に含まれるＴｉ原子は、第１基板１２の第１主面１２ａ側に拡散し、第１導波路部分８２が形成される。また、Ｔｉパターン３９に含まれるＴｉ原子は、第２基板１４の第１主面１４ａ側に拡散し、第２導波路部分８６が形成される。
【０１８２】
その結果、第１及び第２導波路部分８２及び８６からなる光導波路９０が形成される。
【０１８３】
波長変換素子８０において、Λの導出法及び動作は波長変換素子１０と同様であるので、その説明を省略する。
【０１８４】
（効果）
（１）波長変換素子８０は、第１及び第２基板１２及び１４の第１主面１２ａ及び１４ａ同士の接合面に光導波路９０が形成されている。従って、厚み方向（第１主面１２ａから第２主面１２ｂに向かう方向）に関して、光導波路９０の屈折率は、接合面を境にして対称的に分布する。
【０１８５】
その結果、波長が異なる信号光Ｓと変換光Ｃの電界ピーク位置が厚み方向で一致する。これにより、信号光Ｓと変換光Ｃの電界の重なりが大きくなり、波長変換の波長変換効率をさらに高めることができる。
【０１８６】
（２）波長変換素子８０を製造するに当たり、第１及び第２基板１２及び１４の接合と、Ｔｉの拡散による第１及び第２導波路部分８２及び８６の形成とを同時に行っている。その結果、第１及び第２基板１２及び１４の接合と、Ｔｉの拡散による第１及び第２導波路部分２０及び２２の形成とを別工程で行っている実施の形態１に比べて、加熱処理の回数を減少させることができる。
【０１８７】
（設計条件変更）
波長変換素子８０は、波長変換素子１０と同様の設計条件変更が可能である。さらに、波長変換素子８０は、以下の設計条件の変更が可能である。
【０１８８】
この実施の形態においては、第１基板１２と第２基板１４とにそれぞれＴｉパターン３８及び３９を設ける場合について説明した。しかし、Ｔｉパターンは、第１及び第２基板１２及び１４のどちらか一方に設けてもよい。ただし、この場合、Ｔｉパターンの厚みは、両基板１２及び１４にＴｉパターン３８及び３９を設ける場合の約２倍とする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【０１８９】
【図１】実施の形態１の波長変換素子を模式的に示す斜視図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態１の波長変換素子の製造工程の説明に供する主要工程段階を抜き出して示す模式図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態１の波長変換素子の製造工程の説明に供する主要工程段階を抜き出して示す模式図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態１の波長変換素子の製造工程の説明に供する主要工程段階を抜き出して示す模式図である。
【図５】実施の形態１の波長変換素子の製造工程の説明に供する主要工程段階を抜き出して示す模式図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態１の波長変換素子の製造工程の説明に供する主要工程段階を抜き出して示す模式図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態１の波長変換素子の製造工程の説明に供する主要工程段階を抜き出して示す模式図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態１の波長変換素子の製造工程の説明に供する主要工程段階を抜き出して示す模式図である。
【図９】実施の形態２の波長変換素子の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１０】実施の形態３の波長変換素子の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態３の波長変換素子の製造工程の説明に供する主要工程段階を抜き出して示す模式図である。
【図１２】実施の形態３の波長変換素子の製造工程の説明に供する主要工程段階を抜き出して示す模式図である。
【符号の説明】
【０１９０】
１０，７０，８０  波長変換素子
１１，３０，５０  基板
１２  第１基板
１２ａ，１４ａ  第１主面
１２ｂ，１４ｂ  第２主面
１２Ｃ，１４Ｃ切断面
１４  第２基板
１６  第１周期的分極反転構造
１６ａ，１８ａ  第１ドメイン
１６ｂ，１８ｂ  第２ドメイン
１８  第２周期的分極反転構造
２０，８２  第１導波路部分
２２，８６  第２導波路部分
２４，７６，９０  光導波路
２６，７２，８４  第１光結合面
２８，７４，８８  第２光結合面
３０ａ，５０ａ  第１主面
３０ｂ  第２主面
３２，３５，５２  レジストパターン
３４  液体電極
３６  開口部
３７  Ｔｉ膜
３８，３９  Ｔｉパターン
４０  第１導波路前駆部分
５３  Ｃｒ膜
５４  第１開口部
５６  第２開口部
５８  櫛状電極
６０  ライン状電極
６２  第２導波路前駆部分
【図１】
2009047980.tif 000003
【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】
2009047980.tif 000012
【図１１】
2009047980.tif 000013
【図１２】
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