(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が伝播する導波路膜と、
前記導波路膜の格子定数と異なる格子定数を有する基板と、
前記基板と前記導波路膜との間に形成されていると共に、前記導波路膜の格子定数の値と前記基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜と、
を備え、
前記導波路膜はＫNbＯ３膜であり、
前記基板はスピネル基板であり、
前記緩衝膜はＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換素子において、
前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面で４原子％以上６原子％以下であると共に前記ＫNbＯ３膜に接する面で０％となり、且つ、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面から前記ＫNbＯ３膜に接する面に向かう方向に漸次減少していることを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の波長変換素子において、
前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面と前記ＫNbＯ３膜に接する面との間で連続的に変化していることを特徴とする波長変換素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の波長変換素子において、
前記ＫNbＯ３膜が、ＫNbＯ３結晶における（００２）面を主面としていることを特徴とする波長変換素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の波長変換素子において、
前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さが３００Å以上５００Å以下であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項６】
光が伝播する導波路膜と、
前記導波路膜の格子定数と異なる格子定数を有する基板と、
前記基板と前記導波路膜との間に形成されていると共に、前記導波路膜の格子定数の値と前記基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜と、
を備え、
前記導波路膜はＫNbＯ３膜であり、
前記基板はスピネル基板であり、
前記緩衝膜はＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項７】
光が伝播する導波路膜としてのＫNbＯ３膜と、当該ＫNbＯ３膜の格子定数と異なる格子定数を有するスピネル基板とを備える波長変換素子の製造方法であって、
前記スピネル基板上に、前記導波路膜の格子定数の値と当該スピネル基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させる第１成長工程と、
前記成長されたＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の表面に前記ＫNbＯ３膜を結晶成長させる第２成長工程と、
を備えることを特徴とする前記波長変換素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の製造方法において、
前記第１成長工程において、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面で４原子％以上６原子％以下であると共に前記ＫNbＯ３膜に接する面で０％となり、且つ、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面から前記ＫNbＯ３膜に接する面に向かう方向に漸次減少するように前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させることを特徴とする製造方法。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の製造方法において、
前記第１成長工程において、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面と前記ＫNbＯ３膜に接する面との間で連続的に変化するように前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させることを特徴とする製造方法。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか一項に記載の製造方法において、
前記第２成長工程において、ＫNbＯ３結晶における（００２）面を主面として前記ＫNbＯ３膜を結晶成長させることを特徴とする製造方法。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれか一項に記載の製造方法において、
前記第１成長工程において、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さを３００Å以上５００Å以下とするように当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させることを特徴とする製造方法。
【請求項１２】
光が伝播する導波路膜としてのＫNbＯ３膜と、当該ＫNbＯ３膜の格子定数と異なる格子定数を有するスピネル基板とを備える波長変換素子の製造方法であって、
前記スピネル基板上に、前記導波路膜の格子定数の値と当該スピネル基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜を結晶成長させる第１成長工程と、
前記成長されたＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜の表面に前記ＫNbＯ３膜を結晶成長させる第２成長工程と、
を備えることを特徴とする前記波長変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光等の光ビームの波長を変換し、例えば、第２次高調波等を得るための波長変換素子及びその製造方法の技術分野に属し、より詳細には、スピネルよりなる基板を有し、ＫNbＯ3膜を光導波路として構成されている波長変換素子及びその製造方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ光等を波長変換してより短波長のレーザ光等を得るために、入射したレーザ光等の第２次高調波を出射する波長変換素子がある。
【０００３】
そして、当該波長変換素子として一般的に知られているものに、スピネル（より具体的には、例えばMgＯ・Al2Ｏ3）よりなる基板上にＫNbＯ3膜を光導波路として結晶成長させ、当該成長させたＫNbＯ3膜の表面に薄膜電極と光閉じ込め用の例えばストライプ状のTiＯ2膜とを形成した構成のものがある。
【０００４】
この構成を有する波長変換素子を用いれば、ＫNbＯ3膜が、非線形光学定数が大きく且つ光損傷耐性も高いという特性を有することから、高効率で且つ寿命の長い波長変換素子を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成を有する従来の波長変換素子においては、光導波路材料としてのＫNbＯ3の格子定数と基板材料としてのスピネルの格子定数との整合が取れない（すなわち、ＫNbＯ3の格子定数を自然数倍してもスピネルの格子定数に一致しない）ために、基板上に成長させたＫNbＯ3膜内に内部歪みが生じ、光伝播時に損失が生じるという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記各問題点に鑑みて為されたもので、その課題は、基板の格子定数と異なる格子定数を有する光導波膜を有する波長変換素子において、当該導波路膜の内部歪みを低減して波長変換の変換特性が良好な波長変換素子及び当該波長変換素子の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光が伝播する導波路膜と、前記導波路膜の格子定数と異なる格子定数を有する基板と、前記基板と前記導波路膜との間に形成されていると共に、前記導波路膜の格子定数の値と前記基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜と、を備え、前記導波路膜はＫNbＯ３膜であり、前記基板はスピネル基板であり、前記緩衝膜はＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜である。
【０００８】
請求項１に記載の発明の作用によれば、光が伝播する導波路膜としてのＫNbＯ３膜と、ＫNbＯ３膜の格子定数と異なる格子定数を有するスピネル基板との間に、ＫNbＯ３膜の格子定数の値と基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜が形成されている。
【０００９】
よって、間に中間の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を挟んでスピネル基板上に導波路膜としてのＫNbＯ３膜が形成されているので、当該ＫNbＯ３膜の格子定数とスピネル基板の格子定数との間の齟齬がＫNbＯ３膜の結晶性に与える悪影響を緩和でき、当該ＫNbＯ３膜の結晶性を向上させることができる。
【００１１】
また、導波路膜がＫNbＯ３膜であり、基板がスピネル基板であり、緩衝膜がＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜であるので、高効率で波長変換を行うことができる。
【００１２】
上記の課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長変換素子において、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面で４原子％以上６原子％以下であると共に前記ＫNbＯ３膜に接する面で０％となり、且つ、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面から前記ＫNbＯ３膜に接する面に向かう方向に漸次減少している。
【００１３】
請求項２に記載の発明の作用によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面で４原子％以上６原子％以下であると共にＫNbＯ３膜に接する面で０％となり、且つ、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面からＫNbＯ３膜に接する面に向かう方向に漸次減少しているので、ＫNbＯ３膜の結晶性が向上すると共に、ＫNbＯ３膜とＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜との間における格子不整合及びＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜と基板との間における格子不整合が夫々緩和される。
【００１４】
上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の波長変換素子において、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面と前記ＫNbＯ３膜に接する面との間で連続的に変化している。
【００１５】
請求項３に記載の発明の作用によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加えて、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面とＫNbＯ３膜に接する面との間で連続的に変化しているので、組成がＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜からＫNbＯ３膜に連続的に移行することとなり、基板とＫNbＯ３膜との間の格子不整合がより緩和されてＫNbＯ３膜における結晶性がより向上する。
【００１６】
上記の課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の波長変換素子において、前記ＫNbＯ３膜が、ＫNbＯ３結晶における（００２）面を主面としている。
【００１７】
請求項４に記載の発明の作用によれば、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、ＫNbＯ３膜が、ＫNbＯ３結晶における（００２）面を主面としているので、ＫNbＯ３結晶における大きい非線形光学定数を利用して波長変換することができる。
【００１８】
上記の課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の波長変換素子において、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さが３００Å以上５００Å以下とされている。
【００１９】
請求項５に記載の発明の作用によれば、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さが３００Å以上５００Å以下であるので、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さを必要最小限とすることができる。
【００２０】
上記の課題を解決するために、請求項６に記載の発明は、光が伝播する導波路膜と、前記導波路膜の格子定数と異なる格子定数を有する基板と、前記基板と前記導波路膜との間に形成されていると共に、前記導波路膜の格子定数の値と前記基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜と、を備え、前記導波路膜はＫNbＯ３膜であり、前記基板はスピネル基板であり、前記緩衝膜はＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜である。
【００２１】
請求項６に記載の発明の作用によれば、光が伝播する導波路膜としてのＫNbＯ３膜と、ＫNbＯ３膜の格子定数と異なる格子定数を有するスピネル基板との間に、ＫNbＯ３膜の格子定数の値と基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜が形成されている。
よって、間に中間の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜を挟んでスピネル基板上に導波路膜としてのＫNbＯ３膜が形成されているので、当該ＫNbＯ３膜の格子定数とスピネル基板の格子定数との間の齟齬がＫNbＯ３膜の結晶性に与える悪影響を緩和でき、当該ＫNbＯ３膜の結晶性を向上させることができる。
また、導波路膜がＫNbＯ３膜であり、基板がスピネル基板であり、緩衝膜がＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜であるので、高効率で波長変換を行うことができる。
【００２２】
上記の課題を解決するために、請求項７に記載の発明は、光が伝播する導波路膜としてのＫNbＯ３膜と、当該ＫNbＯ３膜の格子定数と異なる格子定数を有するスピネル基板とを備える波長変換素子の製造方法であって、前記スピネル基板上に、前記導波路膜の格子定数の値と当該スピネル基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させる第１成長工程と、前記成長されたＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の表面に前記ＫNbＯ３膜を結晶成長させる第２成長工程と、を備える。
【００２３】
請求項７に記載の発明の作用によれば、第１成長工程において、スピネル基板上に、導波路膜としてのＫNbＯ３膜の格子定数の値と当該スピネル基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させる。
【００２４】
次に、第２成長工程において、成長されたＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の表面にＫNbＯ３膜を結晶成長させる。
【００２５】
よって、間に中間の格子定数を有するＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を挟んでスピネル基板上にＫNbＯ３膜を形成するので、当該ＫNbＯ３膜の格子定数とスピネル基板の格子定数との間の齟齬がＫNbＯ３膜の結晶性に与える悪影響を緩和でき、当該ＫNbＯ３膜の結晶性を向上させた波長変換素子を製造することができる。
【００２８】
また、第１成長工程において、基板としてのスピネル基板上に緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させると共に、第２成長工程において、導波路膜としてＫNbＯ３膜を結晶成長させるので、高効率で波長変換を行うことが可能な波長変換素子を製造することができる。
【００２９】
上記の課題を解決するために、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の製造方法において、前記第１成長工程において、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面で４原子％以上６原子％以下であると共に前記ＫNbＯ３膜に接する面で０％となり、且つ、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面から前記ＫNbＯ３膜に接する面に向かう方向に漸次減少するように前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させる。
【００３０】
請求項８に記載の発明の作用によれば、請求項７に記載の発明の作用に加えて、第１成長工程において、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面で４原子％以上６原子％以下であると共にＫNbＯ３膜に接する面で０％となり、且つ、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面からＫNbＯ３膜に接する面に向かう方向に漸次減少するようにＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させる。
【００３１】
よって、ＫNbＯ3膜の結晶性を向上させることができると共に、ＫNbＯ3膜とＫ(1-X)RbXNbＯ3膜との間における格子不整合及びＫ(1-X)RbXNbＯ3膜と基板との間における格子不整合を夫々緩和することができる。
【００３２】
上記の課題を解決するために、請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載の製造方法において、前記第１成長工程において、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の前記基板に接する面と前記ＫNbＯ３膜に接する面との間で連続的に変化するように前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させる。
【００３３】
請求項９に記載の発明の作用によれば、請求項７又は８に記載の発明の作用に加えて、第１成長工程において、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面とＫNbＯ３膜に接する面との間で連続的に変化するようにＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させる。
【００３４】
よって、組成がＫ(1-X)RbXNbＯ3膜からＫNbＯ3膜に連続的に移行することとなり、基板とＫNbＯ3膜との間の格子不整合をより緩和してＫNbＯ3膜における結晶性をより向上させることができる。
【００３５】
上記の課題を解決するために、請求項１０に記載の発明は、請求項７から９のいずれか一項に記載の製造方法において、前記第２成長工程において、ＫNbＯ３結晶における（００２）面を主面として前記ＫNbＯ３膜を結晶成長させる。
【００３６】
請求項１０に記載の発明の作用によれば、請求項７から９のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、第２成長工程において、ＫNbＯ３結晶における（００２）面を主面としてＫNbＯ３膜を結晶成長させるので、ＫNbＯ３結晶における大きい非線形光学定数を利用して波長変換可能な波長変換素子を製造できる。
【００３７】
上記の課題を解決するために、請求項１１に記載の発明は、請求項７から１０のいずれか一項に記載の製造方法において、前記第１成長工程において、前記Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さを３００Å以上５００Å以下とするように当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させる。
【００３８】
請求項１１に記載の発明の作用によれば、請求項７から１０のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、第１成長工程において、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さを３００Å以上５００Å以下とするように当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させる。
【００３９】
よって、Ｋ(1-X)RbXNbＯ3膜の厚さを必要最小限としてＫNbＯ3膜を結晶成長させることができる。
【００４０】
上記の課題を解決するために、請求項１２に記載の発明は、光が伝播する導波路膜としてのＫNbＯ３膜と、当該ＫNbＯ３膜の格子定数と異なる格子定数を有するスピネル基板とを備える波長変換素子の製造方法であって、前記基板上に、前記導波路膜の格子定数の値と当該基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜を結晶成長させる第１成長工程と、前記成長されたＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜の表面に前記ＫNbＯ３膜を結晶成長させる第２成長工程と、を備える。
【００４１】
請求項１２に記載の発明の作用によれば、第１成長工程において、スピネル基板上に、導波路膜としてのＫNbＯ３膜の格子定数の値と当該スピネル基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜を結晶成長させる。
次に、第２成長工程において、成長されたＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜の表面にＫNbＯ３膜を結晶成長させる。
よって、間に中間の格子定数を有するＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜を挟んでスピネル基板上にＫNbＯ３膜を形成するので、当該ＫNbＯ３膜の格子定数とスピネル基板の格子定数との間の齟齬がＫNbＯ３膜の結晶性に与える悪影響を緩和でき、当該ＫNbＯ３膜の結晶性を向上させた波長変換素子を製造することができる。
【００４２】
また、基板としてのスピネル基板上に緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜を結晶成長させると共に、導波路膜としてＫNbＯ３膜を結晶成長させるので、高効率で波長変換を行うことが可能な波長変換素子を製造することができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に好適な実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、入射されるレーザ光を波長変換して第２次高調波を得る、いわゆるチャネル型の波長変換素子であって、スピネル（より具体的にはMgＯ・Al2Ｏ3）を基板とする波長変換素子に対して本発明を適用した場合の実施形態である。
【００４４】
始めに、本発明の波長変換素子において、スピネル基板上に形成され、光学的非線形性を用いて波長変換を行う導波路膜としてのＫNbＯ3膜（以下、単にＫＮ膜と称する。）について、図１を用いて説明する。
【００４５】
ＫN膜は、上述のように光損傷に対する耐性が高い強誘電体であるが、その結晶構造は、二辺の長さが異なる直方体格子の斜方晶系結晶としての構造を有している。そして、その格子定数は、図１に示すようにａが３．９６９２Å、ｂが５．６８９６Å、ｃが５．７２５６Åである。
【００４６】
また、斜方晶系の分極と非線形感受テンソル及び電界との関係については、下記式１に示される関係となっている。ここで、式（１）においてＰは分極成分であり、ｄは２次非線形光学定数であり、Ｅは基本波電界成分であり、各添え字のａ、ｂ及びｃは軸方向を示す。
【００４７】
【数１】
0003828275.tif 000002
従って、当該ＫN膜をスピネル基板（MgＯ・Al2Ｏ3基板）上にエピタキシャル成長させ、これを波長変換素子の導波路として利用する場合には、当該ＫN膜の（００２）面すなわち（ａ−ｂ）面で成長させ、これにより、各非線形光学定数のうち２番目に大きな非線形光学定数ｄ32を利用することとなる。そして、この場合、図１に示すように、ａ軸方向へ伝播しａ−ｂ面内で振動する基本波から、ａ軸方向へ伝播しａ−ｃ面内で振動する第２次高調波が得られる。
【００４８】
ここで、ＫN膜の各非線形光学定数を表１に示す。
【００４９】
【表１】
ｄ33＝−２７．４±０．３
ｄ32＝−１８．３±０．３
ｄ32＝−２０．５±０．３（λ＝８６０ｎｍ）
ｄ31＝−１５．８±０．３
ｄ24＝１７．１±０．４
ｄ16＝１６．５±０．４
ｄ15＝１６．５±０．４
（単位；ｐｍ／Ｖ）（基本波波長λ＝１．０６μｍ）
次に、実施形態の波長変換素子に用いられている導波路としての上記ＫＮ膜及び基板を含む部分の構成について、図２を用いて説明する。
【００５０】
実施形態の波長変換素子においては、図２（ａ）に示すように、基板１上に厚さ５００Åの緩衝膜としてのＫ(1-X)RbXNbＯ3膜（以下、単にＫＲＮ膜と称する）２を挟んで、導波路としての厚さ約９０００ÅのＫＮ膜３が形成されている。ここで、当該ＫＲＮ膜２及びＫＮ膜３は、後述する条件の下、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）法と称する。）により基板１上に夫々結晶成長させられたものである。また、実施形態の基板１は、MgＯ・Ａｌ2Ｏ3（１１０）よりなる基板を用いている。
【００５１】
更に、実施形態のＫＲＮ膜２においては、図２（ｂ）に示すように、当該ＫＲＮ膜２におけるルビジウムRbの混合比Ｘの値が、当該ＫＲＮ膜２の基板１に接する面で５原子％であると共にＫN膜３に接する面で０原子％となり、且つ、基板１に接する面からＫN膜３に接する面に向かう方向に漸次減少して変化するように形成されている。
【００５２】
ここで、図３に示すＫＮ膜３の（００２）面の格子定数（図３（ｂ）参照）と基板１（MgＯ・Al2Ｏ3）の（１１０）面の格子定数（図３（ａ）参照）とは相互に異なり、例えば図３（ｃ）に示すようにＫＮ膜３の（００２）面の結晶１１を四つ並べてもその格子定数と基板１の（１１０）面の結晶１０の格子定数とは一致しないわけであるが、上記ＫＲＮ膜２が基板１とＫＮ膜３との間に介在しており、且つ、そのルビジウムRbの含有率が基板１側の面で５原子％でありそこから漸減してＫＮ膜３側の面で０原子％であることから、基板１とＫＮ膜３との間の格子不整合がＫＮ膜３方向に徐々に緩和されることにより、上記基板１とＫＮ膜３との間の格子定数の齟齬がＫＮ膜３の結晶性に与える影響が緩和され、よって、ＫＮ膜３を基板１上に直接成長させた場合に格子定数の差に起因して生じるＫＮ膜３内の内部歪みが極めて小さくなっている。
【００５３】
なお、ＫＲＮ膜２の基板１側の面におけるルビジウムRbの含有率（すなわち、ルビジウムRbの含有率の最大値）については、上述した５原子％の場合を含めて４原子％乃至６原子％の範囲であれば、いずれの場合でも、その上に積層されたＫＮ膜３では（００２）面が顕著に多く含まれることとなる。
【００５４】
次に、実施形態の波長変換素子を製造するための製造工程について、図４を用いて説明する。なお、図４は、当該波長変換素子が製造される過程を順を追って示す断面図である。
【００５５】
図４に示すように、実施形態の波長変換素子を製造する際には、始めに、予め製造されているMgＯ・Al2Ｏ3（１１０）面を主面とする基板１（図４（ａ）参照）上にＭＯＣＶＤ法によりＫＲＮ膜３（５００Å）とＫＮ膜３（約９０００Å）とを夫々気相成長させる（図５（ｂ）参照）。
【００５６】
このときの結晶成長条件としては、例えば、ＫＲＮ膜２については、酸化物ＣＶＤ装置を用い、温度８５０℃、圧力５Torr（リアクター圧力）とし、材料ガスとしてジピバロイルメタナトカリウム（Ｋ（Ｃ11Ｈ19Ｏ2）。以下、Ｋ（ＤＰＭ）と称する。）、ペンタエトキシニオブ（Ｎb（ＯＣ2Ｈ5）5）及びペンタエトキシルビジウム（Rb（ＯＣ2Ｈ5）5）を用いる。
【００５７】
一方、ＫＮ膜３については、同様に、酸化物ＣＶＤ装置を用い、温度８５０℃、圧力５Torr（リアクター圧力）とし、材料ガスとしてＫ（ＤＰＭ）、ペンタエトキシニオブ（Ｎb（ＯＣ2Ｈ5）5）を用いる。
【００５８】
より具体的に成膜工程を説明すると、MgＯ・Al2Ｏ3（１１０）を主面とする基枚１を酸化物ＣＶＤ装置の反応室に装填し、これを上記設定温度まで昇温し、次に反応室内部を上記設定気圧まで減圧し、出発材料としての上記各材料を酸化物ＣＶＤ装置の気化器の夫々に装填する。次に、これら出発原料をそれぞれ上記設定温度に保つことにより昇華又は気化させ有機金属化合物ガスとし、これを夫々流量制御されたＡrキャリアガス及び酸化ガスＯ2を用いて加熱された基板１が配置された反応室へ層流として導き、基板１上にエピタキシャル層を祈出させる。
【００５９】
このとき、ＫＲＮ膜２の成膜においては、ペンタエトキシルビジウム（Rb（ＯＣ2Ｈ5）5）の流量を当該ＫＲＮ膜２の成膜当初から漸次減少させ、当該成膜終了時には零として当該ＫＲＮ膜２におけるルビジウムRbの含有量を基板１側からＫＮ膜３側に向かって連続的に単調減少させる。
【００６０】
ここで、出発材料からの各酸化物の生成には酸化反応をともなうため、反応ガスに一定量の酸素を添加してもよい。
【００６１】
また、出発材料として、上述したＫ（ＤＰＭ）の他に、各金属元素のアルコキシドを用いてもよい。
【００６２】
更に、Ｒｂ材料としてはＫ（ＤＰＭ）と同様のＲｂ（ＤＰＭ）を用いてもよい。
【００６３】
上記ＫＲＮ膜２及びＫＮ膜３が形成されると、次に、その上に、スパッタ法又は真空蒸着法によりTiＯ2膜４を形成する（図４（ｃ）参照）。
【００６４】
ここで、当該TiＯ2膜４は、３次元導波路を形成するために空気よりも高屈折率の誘電体膜として形成されるものである。従って、TiＯ2膜４の膜厚としては、当該TiＯ2膜４自体がＫＮ膜３よりも高屈折率であるためその膜厚が光導波可能な膜厚となったのではＫＮ膜３内にレーザ光を閉じ込めることができないことから、カットオフ条件を満たすべく、例えば、約８００Å（ＫＮ膜３をシングルモード導波路とする場合）とされる。
【００６５】
なお、レーザ光閉じ込め用としては、上記TiＯ2膜４の他にＳiＯ2膜を用いることも可能であるが、この場合には、上述の理由からその膜厚は約２乃至３μｍ必要となる。
【００６６】
TiＯ2膜４が形成されると、次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、当該形成されたTiＯ2膜４をレーザ光が伝播する方向に長い例えば幅４μｍのストライプ状にパターニングし、閉じ込め層５を形成する（図４（ｄ）参照）。この時のエッチングには、例えば、ＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching）法が用いられる。
【００６７】
そして、その後、TiＯ2膜４がエッチングされて除去された領域に、閉じ込め層５と平行に、レーザ光の基本波と第２次高調波との位相整合を取るためのストライプ状の電極６及び７を形成して（図４（ｅ）参照）波長変換素子Ｓが完成する。なお、電極６及び７の材料としては、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金或いは金又は白金等を用いることができるが、波長変換素子としての動作時に高電界が印加されるため、実際には金又は白金の方が望ましい。
【００６８】
更に、上記各工程に加えて、閉じ込め層５の表面の一部に、入射光制御用の回折格子（図５符号８参照）を形成してもよい。
【００６９】
なお、ここでは光ビームの閉じ込めをＴiＯ2又はＳiＯ2等の装荷型導波路とした場合について説明したが、この他に、ＫＮ膜を上記リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法等で直接ストライプ状に加工してもよい。
【００７０】
次に、完成した波長変換素子Ｓを実際に動作させる場合の構成について、図５を用いて説明する。
【００７１】
図５に示すように、波長変換素子Ｓを動作させる場合には、上述した電極６及び７に対して電源９により電圧を印加して各電極間に電界を発生させ、当該電界によりＫＮ膜３の１次電気光学効果を用いて基本波モードの実行屈折率と第２次高調波モードの実行屈折率との位相整合を取って第２次高調波を発生させる。このとき、基本波は閉じ込め層５の短辺の一端側から入射し、第２次高調波及び基本波が当該短辺の他端側から出射することとなる。
【００７２】
【実施例】
次に、具体的な波長変換実験について説明する。
【００７３】
上述した製造工程により製造された波長変換素子Ｓ（ＫＮ層３の膜厚９０００Å、ＫＲＮ層２の膜厚５００Å、閉じ込め層５の厚さ８００Åで閉じ込め層５の基本波入射側の表面に回折格子８を有している。）を用いて、室温で基本波（λ＝８６０ｎｍ）をＫＮ膜３にその断面から導波させることにより、良好な光閉じ込めが達成され、第２次高調波（λ＝４３０ｎｍ）が高変換効率で得られた。
【００７４】
更に、ＫＮ膜３の光損傷耐性の高さに起因して、高い出力まで安定した勤作が得られた。
【００７５】
以上説明したように、実施形態の波長変換素子Ｓによれば、光が伝播するＫＮ膜３と基板１との間にＫＲＮ膜２が形成されているので、当該ＫＮ膜３の格子定数と基板１の格子定数との間の齟齬がＫＮ膜３の結晶性に与える悪影響を緩和でき、当該ＫＮ膜３の結晶性が向上する。
【００７６】
よって、高効率で波長変換が可能になる。
【００７７】
また、導波路としてＫN膜３を用い、基板１としてMgＯ・Al2Ｏ3基板を用いると共にＫＲＮ膜２を間に挟んでいるので、高効率で波長変換を行うことができる。
【００７８】
更に、ＫＲＮ膜２におけるRbの混合比Ｘの値が、基板１に接する面で５原子％であると共にＫＮ膜３に接する面で０％となり、且つ、基板１に接する面からＫＮ膜３に接する面に向かう方向に漸次減少しているので、ＫＮ膜３の結晶性が向上すると共に、ＫＮ膜３とＫＲＮ膜２との間における格子不整合及びＫＲＮ膜２と基板１との間における格子不整合が夫々緩和される。
【００７９】
更にまた、ＫＲＮ膜２におけるRbの混合比Ｘの値が、基板１に接する面とＫＮ膜３に接する面との間で連続的に変化しているので、組成がＫＲＮ膜２からＫＮ膜３に連続的に移行することとなり、基板１とＫＮ膜３との間の格子不整合がより緩和されてＫＮ膜３における結晶性がより向上する。
【００８０】
また、ＫＮ膜３が、ＫNbＯ3結晶における（００２）面を主面としているので、ＫNbＯ3結晶における大きい非線形光学定数を利用して波長変換することができる。
【００８１】
更に、ＫＲＮ膜２の厚さが５００Åであるので、ＫＲＮ膜２の厚さを必要最小限とすることができる。
【００８２】
なお、上述の実施形態では、ＫＮ膜３と基板１との間にＫＲＮ膜２を挟む構成としたが、これ以外に、ＫＲＮ膜３に代えてＫ(1-X)CsXNbＯ3膜を用い、当該Ｋ(1-X)CsXNbＯ3膜におけるセシウムCsの含有率Ｘを基板１側の面からＫＮ膜３側の面まで漸次減少させる構成とすることもできる。
【００８３】
この場合には、ルビジウムRbよりもイオン半径の大きいセシウムCsを用いるので、より効果的に基板１とＫＮ膜３との間における格子不整合を緩和することができる。
【００８４】
更に、ＫＮ膜３と基板１との間にＫＲＮ膜２を挟む構成以外に、ＫＮ膜３に代えて、LiNbＯ3膜又はTaNbＯ3膜を導波路として用いてもよい。この場合には、上記ＫＲＮ膜２に代えて、緩衝膜としてLiRbNbＯ3膜又はLiCsNbＯ3膜（LiNbＯ3膜を導波路として用いた場合）或いはTaRbNbＯ3膜又はTaCsNbＯ3膜（TaNbＯ3膜を導波路として用いた場合）を用いることとなる。
【００８５】
また、ＫＲＮ膜２の膜厚については、上述の実施形態では５００Åとしたが、これ以外に、ＫＲＮ膜２及びＫＮ膜３の結晶性を向上させることができる膜厚であれば、ＫＲＮ膜２はなるべく薄くすることが望ましく、この意味で、当該ＫＲＮ膜２の膜厚は３００Å以上５００Å以下であることが望ましい。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、光が伝播する導波路膜としてのＫNbＯ３膜と、ＫNbＯ３膜の格子定数と異なる格子定数を有するスピネル基板との間に、ＫNbＯ３膜の格子定数の値と基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜が形成されているので、間に中間の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を挟んでスピネル基板上に導波路膜としてのＫNbＯ３膜が形成されていることとなり、当該ＫNbＯ３膜の格子定数とスピネル基板の格子定数との間の齟齬がＫNbＯ３膜の結晶性に与える悪影響を緩和でき、当該ＫNbＯ３膜の結晶性を向上させることができる。
【００８７】
従って、高効率で波長変換することができる。
【００８８】
また、導波路膜がＫNbＯ３膜であり、基板がスピネル基板であり、緩衝膜がＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜であるので、より高効率で波長変換を行うことができる。
【００８９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面で４原子％以上６原子％以下であると共にＫNbＯ３膜に接する面で０％となり、且つ、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面からＫNbＯ３膜に接する面に向かう方向に漸次減少しているので、ＫNbＯ３膜の結晶性が向上すると共に、ＫNbＯ３膜とＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜との間における格子不整合及びＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜と基板との間における格子不整合が夫々緩和される。
【００９０】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加えて、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面とＫNbＯ３膜に接する面との間で連続的に変化しているので、組成がＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜からＫNbＯ３膜に連続的に移行することとなり、基板とＫNbＯ３膜との間の格子不整合がより緩和されてＫNbＯ３膜における結晶性がより向上する。
【００９１】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、ＫNbＯ３膜が、ＫNbＯ３結晶における（００２）面を主面としているので、ＫNbＯ３結晶における大きい非線形光学定数を利用して波長変換することができる。
【００９２】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さが３００Å以上５００Å以下であるので、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さを必要最小限とすることができる。
【００９３】
請求項６に記載の発明によれば、光が伝播する導波路膜としてのＫNbＯ３膜と、ＫNbＯ３膜の格子定数と異なる格子定数を有するスピネル基板との間に、ＫNbＯ３膜の格子定数の値と基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜が形成されているので、間に中間の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜を挟んでスピネル基板上に導波路膜としてのＫNbＯ３膜が形成されていることとなり、当該ＫNbＯ３膜の格子定数とスピネル基板の格子定数との間の齟齬がＫNbＯ３膜の結晶性に与える悪影響を緩和でき、当該ＫNbＯ３膜の結晶性を向上させることができる。
また、導波路膜がＫNbＯ３膜であり、基板がスピネル基板であり、緩衝膜がＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜であるので、高効率で波長変換を行うことができる。
【００９４】
請求項７に記載の発明によれば、スピネル基板上に、導波路膜としてのＫNbＯ３膜の格子定数の値と当該スピネル基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させ、次に、成長されたＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の表面にＫNbＯ３膜を結晶成長させるので、間に中間の格子定数を有するＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を挟んでスピネル基板上にＫNbＯ３膜を形成することとなり、当該ＫNbＯ３膜の格子定数とスピネル基板の格子定数との間の齟齬がＫNbＯ３膜の結晶性に与える悪影響を緩和でき、当該ＫNbＯ３膜の結晶性を向上させた波長変換素子を製造することができる。
【００９５】
従って、高効率で波長変換することが可能な波長変換素子を製造することができる。
【００９６】
また、基板としてのスピネル基板上に緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させると共に、導波路膜としてＫNbＯ３膜を結晶成長させるので、より高効率で波長変換を行うことが可能な波長変換素子を製造することができる。
【００９７】
請求項８に記載の発明によれば、請求項７に記載の発明の効果に加えて、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面で４原子％以上６原子％以下であると共にＫNbＯ３膜に接する面で０％となり、且つ、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面からＫNbＯ３膜に接する面に向かう方向に漸次減少するようにＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させるので、ＫNbＯ３膜の結晶性を向上させることができると共に、ＫNbＯ３膜とＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜との間における格子不整合及びＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜と基板との間における格子不整合を夫々緩和することができる。
【００９８】
請求項９に記載の発明によれば、請求項７又は８に記載の発明の効果に加えて、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜におけるRbの混合比Ｘの値が、当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の基板に接する面とＫNbＯ３膜に接する面との間で連続的に変化するようにＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させるので、組成がＫ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜からＫNbＯ３膜に連続的に移行することとなり、基板とＫNbＯ３膜との間の格子不整合をより緩和してＫNbＯ３膜における結晶性をより向上させることができる。
【００９９】
請求項１０に記載の発明によれば、請求項７から９のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、ＫNbＯ３結晶における（００２）面を主面としてＫNbＯ３膜を結晶成長させるので、ＫNbＯ３結晶における大きい非線形光学定数を利用して波長変換可能な波長変換素子を製造できる。
【０１００】
請求項１１に記載の発明によれば、請求項７から１０のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さを３００Å以上５００Å以下とするように当該Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜を結晶成長させるので、Ｋ（１−Ｘ）RbＸNbＯ３膜の厚さを必要最小限としてＫNbＯ３膜を結晶成長させることができる。
【０１０１】
請求項１２に記載の発明によれば、スピネル基板上に、導波路膜としてのＫNbＯ３膜の格子定数の値と当該スピネル基板の格子定数の値との間の値の格子定数を有する緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜を結晶成長させ、次に、成長されたＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜の表面にＫNbＯ３膜を結晶成長させるので、間に中間の格子定数を有するＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜を挟んでスピネル基板上にＫNbＯ３膜を形成することとなり、当該ＫNbＯ３膜の格子定数とスピネル基板の格子定数との間の齟齬がＫNbＯ３膜の結晶性に与える悪影響を緩和でき、当該ＫNbＯ３膜の結晶性を向上させた波長変換素子を製造することができる。
また、基板としてのスピネル基板上に緩衝膜としてのＫ（１−Ｘ）CsＸNbＯ３膜を結晶成長させると共に、第２成長工程において、導波路膜としてＫNbＯ３膜を結晶成長させるので、高効率で波長変換を行うことが可能な波長変換素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＫＮ膜における結晶構造と光ビームの入射方向との関係を示す図である。
【図２】ＫＮ膜とＫＲＮ膜の構成を示す図であり、（ａ）は基板を含んだ構造を示す断面図であり、（ｂ）はＫＲＮ膜におけるルビジウムの含有率の厚さに対する変化を示す図である。
【図３】ＫＮ膜とスピネル基板の結晶構造を示す図であり、（ａ）はＭgＯ・Al2Ｏ3（１１０）面の単位結晶の大きさを示す図であり、（ｂ）はＫNbＯ3（００２）面の単位結晶の大きさを示す図であり、（ｃ）はＭgＯ・Al2Ｏ3（１１０）面の単位結晶とＫNbＯ3（００２）面の単位結晶の格子不整合を示す図である。
【図４】波長変換素子の製造工程を示す図であり、（ａ）は基板を示す断面図であり、（ｂ）は基板上に積層されたＫＮ膜及びＫＲＮ膜を示す断面図であり、（ｃ）はＫＮ膜上に製膜されたTiＯ2膜を示す断面図であり、（ｄ）は閉じ込め層を形成した後の波長変換素子を示す断面図であり、（ｅ）は電極を形成した後の波長変換素子を示す断面図である。
【図５】波長変換素子における波長変換動作を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…基板
２…ＫＲＮ膜
３…ＫＮ膜
４…ＴiＯ2膜
５…閉じ込め層
６、７…電極
８…回折格子
９…電源
１０、１１…結晶
Ｓ…波長変換素子
【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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