JPH04226431A - 準位相整合による波長変換及びそのための光学物品の製造及び使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は光学的物品、更に特定すれば波長
変換の為に有用な光学的物品に関する。

【０００２】通信、光学的メモリー及びその他の用途の
為の光学系の長所は、高い非線形性、良好な光学的特性
および入射レーザー光の周波数を増加する為に位相整合
できる性質を持った光学媒体の探索に拍車を掛けた。そ
のようなシステムを設計する時に屡々遭遇する挑戦は、
そのようなシステムに使用するのに特に適した波長を持
った光学波を効率的に発生させることである。例えば、
赤外波を効率的にレーザー発振させる方法は普通に良く
用いられるが、もっと波長が短いある種のより望ましい
波を直接発振させることは非常に難しい場合が屡々ある
。

【０００３】より望ましい波長を持った波を与える為の
一つのアプローチは、従来から光学媒体に入射する光学
波を異なる波長を持った出射光学波に少なくとも部分的
に変換する為に光学媒体を含む物品を使用することであ
った。屡々用いられた波長変換法には発生した波の周波
数が入射波に関して二倍になる第二高調波発生が含まれ
る。典型的な方法では、入射光学波は媒体（例えば、無
機の非線形の結晶）を貫くように向けられ、媒体の中で
入射光学波の波長の第二高調波に相当する波長を持った
光学波が媒体と光学波間の相互作用によって発生し、媒
体から出射される。

【０００４】典型的には、波長変換の為の光学物品の中
で適当な波長の幾つかの波が媒体の長さ全体に亙って発
生する。そのような物品の設計では、媒体の長さに沿っ
た色々な点で発生した波の間で破壊的な干渉を禁止する
為の手段が備わっていない限り第二高調波発生のような
波長変換体系の効率は厳しく制限されることが良く知ら
れている。従って、一般にはそのような破壊的な干渉の
影響を抑制する為に幾つかのテクニックを用いる必要が
ある。

【０００５】若干もっと理論的な言葉を借りて言えば、
波長変換システムは一般に変換媒体の中で相互作用する
光学波の各々に対する伝搬定数　Ｋ　を用いて扱うこと
ができる。この記述の目的の為に、各光学波に対して　
Ｋ　は２πｎ／λに等しいものと定義することができる
。但し、ｎ　は媒体の屈折率で、λは波の波長である。 伝搬定数と波長の間には逆比例関係があり、屈折率は異
なる周波数の光学波ごとに違うと言う事実を考えれば、
変換媒体の中で相互作用する光学波の各々に対して伝搬
定数は明らかに異なるだろう。

【０００６】一般に波長変換の場合は、相互作用する入
射波の周波数の総和は、相互作用によって発生した波の
周波数の総和に等しい。媒体中で発生した波の間の破壊
的な干渉を最少限にする為には、相互作用する入射波の
伝搬定数の総和も同じように相互作用によって発生した
波の伝搬定数の総和と密接に近似することが望ましいと
考えられてきた。換言すれば、波長変換に関与する光学
波に対しては、媒体に入射する波の伝搬定数の合計と媒
体中で発生した波の伝搬定数の合計との間の差（即ち、
媒体に対するΔｋ）は約ゼロであるべきが望ましいと考
えられてきた。Δｋが約ゼロである状態に波長変換シス
テムを調節することは位相整合として知られている。

【０００７】特定の媒体に対して波長変換システムの中
で若干の関心のある光学パラメーターは、コヒーレンス
の長さ、ｃｏｈ　であり、それは一般に２π／Δｋとし
て定義される。Δｋが約ゼロに等しい状態の場合は、対
応するｃｏｈが比較的大きいことは明らかである。

【０００８】夫れぞれ周波数がω１とω２で、夫れぞれ
波長がλ１とλ２の入射光学波の二つのビームが、光学
波の周波数の函数として変化する屈折率ｎ（ω）を有す
る媒体（例えば、結晶または複合材料）の中を通過して
周波数がω３で波長がλ３の光学波を発生する結晶系内
の三つのビームの非線形の相互作用を含む正規の位相整
合方法では、ビームの伝搬定数　ｋ　は各波のビーム毎
に２πｎ（ω）／λに等しいものと定義され、光学媒体
に対するΔｋは次ぎの関係式によって表わされる： 　　　　　　　　　　Δｋ＝２πｎ（ω３）／λ３ー２
πｎ（ω２）／λ２ー２πｎ（ω１）／λ１そのような
システムにおける最大出力強度は、位相系が整合された
（即ち、Δｋ＝０）状態の下にある時に起こる。位相整
合したシステムに対する出力の強度は、一般に光学媒体
（例えば、結晶）の長さｈの二乗、　ｈ２　に比例する
。

【０００９】第二高調波発生システムの場合は周波数ω
１とω２は等しく、そして周波数ω３の半分と考える。 従って、波長λ１とλ２は波長λ３の二倍となり、そし
て第二高調波発生システムに対するΔｋは上の例を用い
れば次ぎの関係式によって表わされる： Δｋ＝２π／λ３［ｎ（ω３）ーｎ（ω１）］そのよう
な第二高調波発生システムの場合のコヒーレンスの長さ
は、従って次の関係式によって表わされる：　　　　　
　　　　ｃｏｈ＝λ３／［ｎ（ω３）ーｎ（ω１）］＝
０．５λ１／［ｎ（ω３）ーｎ（ω１）］波長変換体系
の別の例は、波長λ４の単一の入力波から波長がλ５と
λ６の二つの波を発生する場合を含む。

【００１０】効率的な位相整合を達成する為の幾つかの
技法が示され又は提案されてきた。（例えば、Ｊｏｈｎ
　Ｗｉｌｅｙ　＆　Ｓｏｎｓ発行、１９８６年、応用古
典電気動力学、ＩＩ巻、非線形光学、Ｆ．Ａ．Ｈｏｐｆ
他著の頁２９〜５６を参照のこと）。これらの中で最も
良く知られた方法は第二高調波発生と和と差の周波数発
生（ｓｕｍ　ａｎｄｄｉｆｆｅｒ‐ｅｎｃｅ　ｆｒｅｑ
ｕｅｎｃｙ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）のような現行の殆
ど総ての用途に用いられている角度と温度の整調技法（
ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｕｎ
ｉｎｇ）である。単結晶のようなバルク材料の角度整調
（ａｎｇｌｅ　ｔｕｎｉｎｇ）では、位相整合を得る為
に入射光に対する結晶の相対的配向を調節する。設計の
性質上からも本来、入射波に対して特定方向に配向させ
ねばならない導波路構造のような物の中で用いるには此
の技法は不適当と考えられる。温度整調（ｔｅｍｐｅｒ
ａｔｕｒｅ　ｔｕｎｉｎｇ）は物質の複屈折の温度依存
性に頼るもので、バルク材料の他に導波路にも用いるこ
とができる。しかしながら、多くの物質の場合、複屈折
の温度依存性は大きく、そして温度整調はこれらの物質
の中で導波路としては可能であるけれども、高度の温度
制御（例えば、±１℃）を備えていなければならない。 複屈折の温度依存性が小さい光学的材料（例えば、ＫＴ
ｉＯＰＯ４）では、高度の温度制御は必要無いが、温度
整調が導波路に対して可能な波長の領域が小さい。

【００１１】Δｋがゼロでないと言う事実を矯正する為
に屈折率の周期的変動を用いる第二高調波発生の位相整
合は、基本ビームと第二高調波ビームの双方を反射ビー
ムが位相整合されるように逆反射させることによって達
成することができる（例えば、Ｓ．Ｓｏｍｅｋｈの論文
；“周期的薄層フィルムにおける位相‐交換性の非線形
の光学的相互作用”、応用物理、レター、２１、１４０
（１９７２））。上の方法を用いた時と同じように、第
二高調波出力の強度は用いられた物質の長さの二乗に比
例して増加する。しかしながら、実際には、この方法の
全体としての効率は上に述べた方法よりも寧ろ低い。

【００１２】最近になって、波長変換の為に入射光学波
を波長変換用の光学物質の一連の整合セクションを通し
て投射し、この場合、該セクションは整合の方向にある
各セクションの長さとそのセクションに対するΔｋの積
の一連のセクション全体に就いての総和が約ゼロに等し
くなるように、そして各セクションの長さがそのコヒー
レンスの長さよりも小さくなるように選ばれ；この場合
、該物質の少なくとも一つが光学的に非線形であるか又
は波長変換中に該シリーズに隣接して非線形の光学物質
の一つの層が備えられているかのいずれか、又はその両
方であるようになっている波長変換の特に有用な方法が
Ｊ．Ｂｉｅｒｌｅｉｎ他によって開発された。この技法
は、屈折率とセクションの長さにおける両方の相違がシ
リーズを通しての破壊的干渉の影響を、光学波の位相が
個々のセクションでは整合されていなくてもシリーズの
末端で位相整合されるように抑制する為に均衡化されて
いるような光学物質の一連のセクションを用いることに
よって波長変換が達成できるとの発見に基づいている（
米国特許出願番号０７／４４９，６１６を参照のこと）
。

【００１３】“準”位相整合技法として知られ、周期的
な分域反転又は内部反射を含む他の波長変換の技法も記
述されている（Ｊ．Ａ．Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ他、“非線
形誘電体における光波間の相互作用”、フィジカルレビ
ュー、Ｖｏｌ．１２７、１９１８頁（１９６２）を参照
のこと）。周期的に変調されたＬｉＮｂＯ３を用いた光
学的導波路における準位相整合が記述されている。この
方法は、Δｋと導波路の周期長の積が約２Ｎπ（但し、
Ｎは奇数）に等しくなるように光学長さと一緒に周期的
に非線形光学係数の記号を反転させることによって位相
整合を達成するものである。ＬｉＮｂＯ３を利用して周
期的に分域を反転させたチャンネル導波路は光波技術ジ
ャーナル、Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．１０，１５９７〜１６０
０頁（１９８９年１０月）とＩＥＥＥフォトニクス技術
レター、Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１０，３１６〜３１８頁（
１９８９年１０月）にＪ．Ｗｅｂ‐ｊｏｒｎ、Ｆ．Ｌａ
ｕ‐ｒｅｌｌ及びＧ．Ａｒｖｉｄｓｓｏｎによって記述
されている。周期的な分域反転を達成する為にチタニウ
ムを用い、又はＬｉＮｂＯ３の正のｃ‐面上の二酸化珪
素の周期パターンを用いて、それに熱処理とその後のプ
ロトン交換とを組み合わせた導波路の製作が記述されて
いる。応用物理レターズ、５６、１０８〜１１０頁（１
９９０年）の中で、Ｇ．Ａ．Ｍａｇｅｌ、Ｍ．Ｍ．Ｆｅ
ｊｅｒ及びＲ．Ｌ．Ｂｙｅｒは、レーザー加熱の台座上
結晶溶融成長法を用いて製造した、周期的に交互に変わ
る強誘電分極を有するＬｉＮｂＯ３結晶を開示している
。これらの構造体は４０７ｎｍと言った短い波長で光を
発振し、このタイプの構造体としては光屈折による損傷
に対して比較的抵抗力がある。しかしながら、これらの
周期的に変調された導波路は製作するのが難しく、多く
の用途には余りにも低い光学的損傷の閾値を持つ。前述
の著書の５２頁でＨｏｐｆ他は、非線形の光学係数が光
学材料の中の波に対するコヒーレンスの長さに等しい周
期で変調される非線形の光学材料のセグメントを開示し
ている。

【００１４】コヒーレンスの長さに等しい隣接材料の長
さを用いることによって位相整合を与えることができる
他の変調された導波路体系が当該技術の中で記述されて
きた。しかしながら、これらの周期的に変調された体系
は、導波路の深さと変調周期のような導波路パラメータ
ーに対して極めて強い感受性を有し、波長変換に関して
効率が良いとは言えない。

【００１５】基本の光学波を有用な別の波長に変換する
為の波長変換体系に対するニーズは依然として残ってい
る。

【００１６】本発明は、準位相整合性以外にも高い非線
形性と高い耐損傷性と言った良く知られたＫＴｉＯＭＯ
４‐型の光学材料（但し、式中のＭは燐または砒素）の
長所を利用し、波長変換を達成する為に非線形の光学係
数（即ち、“ｄ”）の記号及び／又は大きさを変化させ
るものである。この発明によれば、一連の光学材料のセ
クションが準位相整合によって波長変換を達成する為に
用いられる。一連のセクションは、少なくとも一つのセ
クションに対する非線形の光学係数が隣接する少なくと
も一つのセクションに対する非線形の光学係数に対して
相対的に変化させられ；各セクションに対する長さ（即
ち、ｈｉ）とΔｋ（即ち、Δｋｉ）の積のシリーズの総
和が約２Ｎπ（即ち、ΣΔｋｉｈｉ≒２πＮ）に等しい
（但し、Ｎはゼロ以外の整数）ことを特徴としている。 非線形の光学係数を変化させる好ましい方法は、少なく
とも一つのセクションに対する偏光軸を少なくとも一つ
の隣接セクションに対する偏光軸に関して相対的に逆転
させることを含む。少なくとも一つのセクションに対す
る非線形の光学係数と少なくとも一つの隣接セクション
に対する非線形の光学係数との間で少なくとも約１％の
差があるのが好ましく；そして該少なくとも一つのセク
ションの表面屈折率と該少なくとも一つの隣接セクショ
ンの表面屈折率との間で少なくとも約０．０００２５の
差があるのが好ましい。

【００１７】本発明によれば、次のステップからなる波
長変換の方法が与えられる：即ち、波長変換の為に入射
光学波を光学材料の整合した一連のセクションを含む単
結晶に当て、該光学材料は（ａ）式　Ｋ１−ｘＲｂｘＴ
ｉＯＭＯ４を有する物質（但しｘは０〜１でＭは燐と砒
素から構成される群から選ばれる）と（ｂ）該式のカチ
オンがＲｂ＋、Ｔｌ＋、Ｃｓ＋の少なくとも一つとＢａ
＋＋、Ｓｒ＋＋　及びＣａ＋＋　の少なくとも一つによ
って部分的に置換された該式の物質（但し、前提として
、少なくとも一つのセクションは（ｂ）から選ばれた光
学材料のものであり、そしてｘが０．８よりも大きい（
ｂ）から選ばれた光学材料に対しては、該式のカチオン
がＴｌ＋とＣｓ＋の少なくとも一つとＢａ＋＋、Ｓｒ＋
＋、及びＣａ＋＋の少なくとも一つによって部分的に置
換されていること）とから選ばれ、該セクションは整合
方向にある各セクションの長さ（即ち、ｈｉ）とそのセ
クションに対するΔｋ（即ち、Δｋｉ）の積を一連のセ
クション毎に集計した総和が約２πＮ（即ち、ΣΔｋｉ
ｈｉ＝２πＮ）に等しく（但し、Ｎはゼロ以外の整数）
、そして少なくとも一つのセクションの非線形の光学係
数は少なくとも一つの隣接セクションの非線形の光学係
数に関して相対的に変化しているように選ばれる。各セ
クションに対するΔｋは、そのセクションにおける波長
変換システムに対する入射波の伝搬定数の和とそのセク
ションにおける波長変換システムに対する発生波の伝搬
定数の和との間の差である。このプロセスは二つの入射
ビームから或る波長を持ったビームを発生する為に使う
ことができる。それとも又は、プロセスを一つの入射ビ
ームから二つのビームを発生させるのに使うこともでき
る。しかしながら、波長変換プロセスの好ましい使用は
、発生波が入射ビームの波長の２分の１の波長を持つ第
二高調波発生の場合である。

【００１８】本発明によれば、波長変換システムの中で
使用する為の光学物品が提供される。物品は次の物質の
中から選ばれる光学材料の一連の整合したセクションを
含む単結晶から構成される少なくとも一つの光学的変換
セグメントからなる。（ａ）式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＭ
Ｏ４を有する物質と（ｂ）該式のカチオンがＲｂ＋、Ｔ
ｌ＋、及びＣｓ＋の少なくとも一つとＢａ＋＋、Ｓｒ＋
＋　及びＣａ＋＋の少なくとも一つによって部分的に置
換されている該式の物質（但し、前提として、少なくと
も一つのセクションが（ｂ）から選ばれた光学材料から
の物であり、（ｂ）から選ばれた光学材料に対しては、
ｘ　は０．８よりも大きく、該式のカチオンはＴｌとＣ
ｓの少なくとも一つとＢａ、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一
つによって部分的に置換されている）から選ばれ、この
場合、該セクションは、各セクションの長さ（即ち、ｈ
ｉ）とそのセクションに対するΔｋ（即ち、Δｋｉ）の
積の総和が約２πＮに等しく（即ち、ΣΔｋｉｈｉ≒２
πＮ）、Ｎはゼロ以外の整数であり、そして少なくとも
一つのセクションの非線形の光学係数が少なくとも一つ
の隣接セクションの非線形の光学係数に関して相対的に
変えられている。

【００１９】個々の長さが、ｈ１、ｈ２、…ｈｉ、…ｈ
ｐのｐ個のセクションからなり、波長変換システムの中
の光学波の各々に対して一連の伝搬定数、ｋ１、ｋ２、
…ｋｉ、…ｋｐを持つことを特徴とするセグメントにお
いて、ｋｉ＝２πｎｉ（ω）／λであり、ｎｉ（ω）と
λは夫れぞれセクション内の屈折率と波長であり、Δｋ
はセクションにおける波長変換システムに対する入射波
の伝搬定数の合計とそのセクションにおける波長変換シ
ステムに対する発生波の伝搬定数の合計との間の差に相
当する数値として各セクション毎に与えられる。本発明
によれば、各セグメントに対するセクションは、セグメ
ント全体に対する和Δｋ１ｈ１＋Δｋ２ｈ２＋…Δｋｉ
ｈｉ＋…Δｋｐｈｐ（即ち、シリーズ全体に対する和ｈ
ｉΔｋｉ、又はΣΔｋｉｈｉ）が約２πＮに等しくなる
ように選ばれ、少なくとも一つのセクションの非線形の
光学係数が少なくとも一つの隣接セクションの非線形の
光学係数に関して相対的に変えられている。

【００２０】好ましい具体例は第二高調波発生に関する
。

【００２１】更に発明は、少なくとも一つの光学物品、
入射光学波を該光学物品の中にカップリングする手段お
よび該光学物品の外へ出て行く波をカップリングする手
段からなる改良された光学装置を提供する。この場合、
改良点は本発明に従って組み立てられた光学物品を使用
することからなる。例えば、本発明に従って組み立てら
れたチャンネル導波路は、少なくとも一つのチャンネル
導波路、該チャンネル導波路に入ってくる光学波をカッ
プリングする手段および該チャンネル導波路から外へ出
て行く波をカップリングする手段からなる光学装置を改
良する為に用いることができる。

【００２２】本発明は更に光学物品を調製する方法を提
供する。本発明に従う波長変換システムの場合、少なく
とも一つのセクションの非線形の光学係数が少なくとも
一つの隣接セクションの非線形の光学係数に関して相対
的に変えられている一連の整合したセクションを有する
チャンネル導波路を調製する一つの方法は次のステップ
からなる：（１）式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＭＯ４（但し
、ｘは０〜１の値で、Ｍは燐または砒素）を有する単結
晶物質をｚ‐カットした光学的に平滑な面を持つｚ‐表
面の基板を供給し；（２）Ｒｂ＋、Ｃｓ＋、Ｔｌ＋から
構成される群から選ばれたカチオンとＢａ＋＋、Ｓｒ＋
＋、Ｃａ＋＋から構成される群から選ばれたカチオンを
含有する溶融塩（但し、前提として、ｘが０．８よりも
大きい時は溶融塩はＣｓ＋とＴｌ＋から選ばれたカチオ
ンを含有すること）を、選ばれた温度で選ばれた時間、
該光学的に平滑な面に対して曝すと十分なカチオン置換
が行なわれて該基板の屈折率に関して屈折率を変化させ
、そして基板の非線形の光学係数に関して変化した非線
形の光学係数を与えるのに十分な有効量で供給し；（３
）該基板の上にマスキング材料を塗布して、該溶融塩に
対して抵抗性のある材料で交互にマスキングされ、マス
キングされない該光学的に平滑なｚ‐表面の一部に沿っ
て整合領域のパターンを供給し；（４）該マスキングし
た基板を該溶融塩の中に該選ばれた温度で該選ばれた時
間浸漬し、それによって該マスキングしない領域中でカ
チオン置換を行なわせ；（５）該基板からマスキング材
料を除去し；そして（６）該基板を表面仕上げして光沢
のある導波路の入り口面と出口面を持った奇麗な導波路
を得る。このプロセスにおいて、マスクするのとマスク
しない領域の長さは、マスクしなかった領域内でカチオ
ン置換が行なわれた後、本発明による波長変換用の光学
材料の一連の整合したセクションから構成される少なく
とも一つの光学的変換セグメントからなる導波路が得ら
れるように選ばれる。本発明は変成したＫＴｉＯＰＯ４
単結晶を用いた青色光の発生に特に有用であると考えら
れる。

【００２３】本発明によれば、一つの波長を有する光学
波を異なる波長の光学波に少なくとも部分的に変換する
のに適した手段が提供される。

【００２４】一般に、波長変換中は入射波の周波数の和
と発生波の周波数の和は等しい。従って、周波数がω３
で波長がλ３の波を発生する為に周波数がω１で波長が
λ１である波と周波数がω２で波長がλ２である波が一
緒に用いられる波長変換システムでは、ω３はω１とω
２の和に等しい；そして周波数がω５で波長がλ５の波
と周波数がω６で波長がλ６の波を同時に発生する為に
周波数がω４で波長がλ４の波が用いられる波長変換シ
ステムでは、ω４はω５とω６の和に等しい。

【００２５】本発明によれば、次のステップからなる波
長変換方法が提供される。即ち、波長変換の為の入射光
学波を波長変換用の光学材料の一連の整合したセクショ
ンを含む単結晶の中に指向し導くステップ、該セクショ
ンは整合の方向にある各セクションの長さとそのセクシ
ョンに対するΔｋの積を一連のセクションに対して合計
した和が約２πＮ（但し、Ｎはゼロ以外の整数）に等し
く、そして少なくとも一つのセクションに対する非線形
の光学係数が少なくとも一つの隣接セクションの非線形
の光学係数に関して相対的に変えられるように選ばれる
。、以下に論ずるように、各セクションに対するΔｋは
、そのセクションにおける波長変換システムへの入射波
に対する伝搬定数の和とそのセクションにおける波長変
換システムに対する発生波の伝搬定数の和との間の差で
ある。

【００２６】本発明で用いられる結晶性の光学材料は、
式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＭＯ４を有する単結晶である。 但し、式中のｘは０〜１の数であり、Ｍは燐と砒素から
構成される群から選ばれ、該式の単結晶材料は式中のカ
チオンがＲｂ＋、Ｔｌ＋及びＣｓ＋の少なくとも一つと
Ｂａ＋＋、Ｓｒ＋＋及びＣａ＋＋の少なくとも一つで部
分的に置換されたものである。連続して繋がる一連の整
合されたセクションの少なくとも一つは、カチオンがＢ
ａ＋＋、Ｓｒ＋＋及びＣａ＋＋の少なくとも一つによっ
て部分的に置換された該式の光学材料から作られた物で
なければならない。実用的な理由から、カチオンが部分
的に置換されており、そして　ｘ　が約０．８又はそれ
以上である該式の材料を使用する時は、一価の置換カチ
オンにはＣｓ＋、Ｔｌ＋又はＣｓ＋とＴｌ＋の両方を含
むべきである。セクションは好ましくは結晶の　ｚ‐表
面の上で整合される。

【００２７】この方法は二つの入射ビームから或る特定
の波長を持つビームを発生する為に用いることができる
。それとも又は、この方法は一つの入射ビームから二つ
のビームを発生するのに使用しても良い。しかしながら
、波長変換方法の好ましい使用は、発生波の波長が入射
ビームの波長の２分の１である第二高調波発生にある。

【００２８】波長変換システムに用いられる本発明の光
学物品は、波長変換用の光学材料の一連の整合されたセ
クションを含む単結晶から構成される少なくとも一つの
光学的変換用セグメントからなる。セクションは、好ま
しくは結晶の　ｚ‐面の上で整合される。一連の繋がり
は、光学材料の　ｐ個の整合された隣接セクションの複
数、ｍ１，ｍ２，…ｍｉ，…ｍｐとして表わすことがで
き、各々は式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＭＯ４内の組成と該
式のカチオンが上に限定したように置換された組成を有
する。各セクションは、整合方向にある長さｈｉとセク
ションを通過する光学波の周波数ωの函数として変化す
る屈折率ｎｉ（ω）によって特徴付けられる。整合され
た各セクションに対する入射波の伝搬定数の合計と各整
合セクションに対して発生した波の伝搬定数の合計との
間の差がセクションに対するΔｋｉを定義する。本発明
によれば、該セグメントの各々に対するセクションは、
セクションに対するΔｋと該セクションに対する長さｈ
の積のセグメント全体に亙る総和（即ち、Δｋ１ｈ１＋
Δｋ２ｈ２＋…Δｋｉｈｉ＋…Δｋｐｈｐ）が約２πＮ
（但し、Ｎはゼロ以外の整数）に等しくなるように；そ
して少なくとも一つのセクションの非線形の光学係数が
少なくとも一つの隣接セクションの非線形の隣接セクシ
ョンに関して相対的に変化されているように選ばれる。

【００２９】各セクションの長さと各セクションに対す
るΔｋの積の関係は、本発明によれば慣用の屈折率回折
格子による位相整合と同一である。しかしながら、本発
明によれば、各セクションの長さは、各セクションの長
さｈｉとそのセクションに対するΔｋｉの光学的変換セ
グメントの全長に亙る積が約２Ｎπに等しいと言う条件
、即ち、ｐ個（即ち、ｉが１からｐ迄）のセクションを
含む光学的変換セグメントに対してΣｋｉｈｉ≒２Ｎπ
が成立する限り、一般にゼロ以外の任意の長さであり得
る。

【００３０】ΣΔｋｉｈｉは実行可能な限り２πＮに近
い値になるべきが望ましい。しかしながら、光学特性と
セクションの長さとの完全なバランスは達成するのが難
しいこと、又、本発明の長所はΣΔｋｉｈｉが約２πＮ
の範囲、即ち、波長変換の全路に亙る光学的変換セグメ
ントの総数をＭとして、２πＮ＋δと２πＮーδ（δは
２π／Ｍより小さい値）の間に保たれる限り達成可能で
あることを理解すべきである。このバランスを達成する
為の波長変換路の設計へのアプローチは、実際にΔｋと
各セクション毎にセクションの長さを計算することであ
る。このアプローチにおいて、有利なバランスは各セク
ションのΔｋとそのセクションに対する長さとの積を波
長変換路の全行程に亙って集計した和が約２πＮになる
時に起こるものと考えられる。得られる該積の合計は、
２πＮ＋１．５π／Ｍと２πＮー１．５π／Ｍの間にあ
るのが好ましく、最も好ましくは、２πＮ＋π／Ｍと２
πＮーπ／Ｍの間である。　　実際問題として多くの場
合に、本発明に用いる一連のセクションの調製（光学材
料それ自身の調製も含めて）に関連して精度に限界があ
るから、望ましいバランス又はΔｋとセクションの長さ
が、波長変換路の全行程に亙って全体としてのコヒーレ
ンスの長さが該路の長さよりも大きいことを観察するこ
とによって達成されたことを確かめたいと思うであろう
。幾つかのケースにおいて、波長変換路の長さ方向に沿
って波の弱い散乱を調べることから直に全体としてのコ
ヒーレンスの長さを観察することができる。

【００３１】例えば、夫れぞれの周波数がω１とω２で
波長がλ１とλ２の入射光学波の二つのビームが、長さ
がｈｉで屈折率がｎｉ（ω）（屈折率は光学波の周波数
の函数として変化する）の媒体（例えば、結晶または複
合材料）に向かって投射されて、周波数がω３で波長が
λ３の光学波を発生するセクションを考えると、各波の
ビームに対してビームの伝搬定数ｋは２πｎ（ω）／λ
に等しいものとして定義され、そのセクションに対する
Δｋｉは次の関係式によって表わされる。

【００３２】 Δｋｉ＝（２πｎｉ（ω３）／λ３）ー（２πｎｉ（ω
１）／λ１）ー（２πｎｉ（ω２）／λ２）この発明の
方法によれば、そのような波長変換システムの入射波（
周波数がω１とω２）は、セクションの連続した繋がり
に対してｈｉΔｋｉの総和が約２πＮ（Ｎはゼロ以外の
整数）に等しくなるように一連のセクションを通って指
向される。そのような波長変換システムを使用する光学
物品の為の光学的変換セグメントは、セクションの連続
した繋がりに対するｈｉΔｋｉの総和が約２πＮに等し
いように選ばれた一連のセクションから構成される。

【００３３】第二高調波発生の場合は、ω１とω２は等
しく、共にω３の２分の１である。従って、第二高調波
発生に対しては、各セクションに対するΔｋｉは次ぎの
関係式によって表わされる。

【００３４】Δｋｉ＝２π［ｎ（ω３）ーｎ（ω１）］
／λ３それとも又は、周波数ω４と波長λ４を有する入
射光学波のビームが、長さがｈｉで屈折率（屈折率は光
学波の周波数の函数として変化する）がｎｉ（ω）の媒
体に向かって投射されて夫れぞれ周波数がω５とω６で
波長がλ５とλ６の光学波の二つのビームを発生するよ
うなセクションでは、ビームの伝搬定数ｋｉは各波のビ
ームに対して２πｎｉ（ω）／λに等しいものとして定
義され、そして其のセクションに対するΔｋｉは次の関
係式によって表わされる。

【００３５】 Δｋｉ＝［（２πｎｉ（ω６）／λ６）＋（２πｎｉ（
ω５）／λ５）＋（２πｎｉ（ω４）／λ４）］本発明
の方法によれば、そのような波長変換システムの入射光
学波（周波数がω４）は、セクションの連続した繋がり
に対してｈｉΔｋｉの総和が約２πＮ（Ｎはゼロ以外の
整数）に等しくなるように一連のセクションに向かって
投射される。そのような波長変換システムを用いる光学
物品に対する光学的変換セグメントは、セグメントの一
連の繋がりに対するｈｉΔｋｉの総和が約２πＮである
ように選ばれた一連のセクションから構成される。

【００３６】いずれにしても、連続したセクションの繋
がりの中の少なくとも一つのセクションの非線形の光学
係数は隣接するセクションの非線形の光学係数に対して
相対的に変化されなければならない。

【００３７】本発明の或る幾つかの具体例では、光学材
料のｐ個のセクションは、光学材料のｑ対の隣接セクシ
ョン、即ち、（ｍ１，ｍ２）、（ｍ３，ｍ４），…（ｍ
ｉ−１，ｍｉ），…（ｍ２ｑ−１，ｍ２ｑ）として（即
ち、ｐ＝２ｑ）特徴付けられ、各セクションは相当する
長さ、ｈ１，ｈ２，…ｈｉ，…ｈ２ｑ、相当する屈折率
、ｎ１，ｎ２，…ｎｉ，…ｎ２ｑ、波長変換システムの
各波長に関連する相当する伝搬定数、ｋ１，ｋ２，…ｋ
ｉ，…ｋｐによって特徴付けられ、そして光学材料は光
学材料のセクション、ｍｉ　１とｍｉの各ペア（対）に
対して、偏光の軸が逆になるように選ばれる。

【００３８】最大にするために、第二調波発生Ｎは１に
等しくなければならず、セグメント当たりのセクション
の数は２に等しくなければならず、そして、各セクショ
ンの長さはその各々のコヒーレンス長さ（即ちｈ１＝π
／Δｋ１及びｈ２＝π／Δｋ２）の半分に等しくなけれ
ばならない。一般に、長さｈｉは、各々異なることがで
き、各々０．２５μｍ〜５０μｍの範囲内にある。事実
、隣接するセクション長さの比（即ち、ｈｉ−１：ｈ）
は、普通、１：２０〜２０：１の範囲内である。各セク
ションの幅は０．２μｍ〜５０μｍの範囲内で変動でき
、１μｍ〜２０μｍの範囲内が好ましく、２μｍ〜１０
μｍの範囲内が最も好ましい。各セクションの深さは０
．１μｍ〜５０μｍの範囲内で変動でき、１μｍ〜２０
μｍの範囲内が好ましく、２μｍ〜１０μｍの範囲内が
最も好ましい。好ましくは、少なくとも１個のセクショ
ンの非線形光係数と少なくとも１個の隣接するセクショ
ンの非線形光係数との間に少なくとも約１％の差がある
。

【００３９】好適な基板物質は、式ＫＴｉＯＭＯ４（式
中、ＭはＰ又はＡｓである。）を有する単結晶である。 本発明の実施において基板物質として有用であると思わ
れる式ＫＴｉＯＭＯ４の単結晶は、光学品質の結晶を与
えるどのような方法によっても調製できる。結晶成長の
通常の方法には水熱法やフラックス法がある。米国特許
第４，３０５，７７８号明細書はＫＴｉＯＭＯ４の単結
晶を成長させるための適当な水熱法を開示し、その方法
は、鉱化剤溶液として、選択したＫ２Ｏ／Ｍ２Ｏ５／（
ＴｉＯ２）２系用の三成分系ダイヤグラムの特定的な箇
所により定められるガラスの水溶液を使用することを含
む。 米国特許第４，２３１，８３８号明細書はＫＴｉＯＭＯ
４の単結晶を成長させるための適切なフラックス成長法
を開示する。この方法は、選択した出発成分（所望の結
晶物が固相でのみ安定である三成分相系ダイヤグラムの
範囲内であるように選択）を加熱し、次いで、制御しな
がら冷却して所望生成物を結晶化させることからなる。 ＫＴｉＯＭＯ４の単結晶を利用して本発明の教示に従っ
て光学物品を製造する場合、水熱成長結晶又はフラック
ス成長結晶を使用できる。しかし、水熱成長結晶ではイ
オン交換がより困難であり、従って、水熱法で成長した
結晶を使用する場合、比較的高濃度の二価カチオン（例
えば、Ｂａ＋＋）を有する融解塩がしばしばイオン交換
のためにより適している。

【００４０】一般に、位相整合は二種類の型を有する。 即ち、型Ｉは二種の入射光波が同一偏光を有する場合で
あり、型ＩＩは二種の入射光波が直交偏光を有する場合
である。バルク結晶ＫＴｉＯＰＯ４について、型Ｉ位相
整合は型ＩＩに比較して低い変換率を与える。更に、バ
ルク結晶ＫＴｉＯＰＯ４について型ＩＩによるより良好
な変換率にもかかわらず、位相整合は約１μｍよりも大
きな入射波長についてのみ達成できる。

【００４１】本発明に従って作られた光学物品の使用は
、入射及び出射波が結晶の偏光又はＣ軸に沿って偏光さ
れる場合及び非線形光係数が慣用的に使用されている型
ＩＩ法のそれよりも約２倍である場合、型Ｉの位相整合
を可能にする。第二調波変換率が非線形光係数の二乗に
比例するので、本発明の使用は、慣用の型ＩＩ法に対し
て約４倍の変換率を持つ光学物品を与える。幾つかの型
Ｉの実施態様では、しかし、入射偏光が偏光又はＣ軸に
直角であり、出射偏光が偏光又はＣ軸のとおりである。 更に、本発明の光学物品により与えられる準位相整合に
ついて、型Ｉ及び型ＩＩの位相整合の双方とも、ＫＴｉ
ＯＰＯ４（３５０ｎｍ〜４．５μｍ）内及びＫＴｉＯＡ
ｓＯ４（３５０ｎｍ〜５．５μｍ）内で全透過範囲を超
えて達成できる。

【００４２】導波路について、与えられるセクションの
数は、使用される光学物質と導波路の長さのような因子
に依存しうる。約４００〜１０００セクションの範囲を
、典型的な５．０ｍｍの長さの導波路に具備することが
できる。より長い導波路は１０，０００セクションまで
、又はそれ以上でさえ有することができる。しかし、僅
か２個のセクションの光変換セグメントからなる物品も
本発明の範囲内であると思われる。

【００４３】本発明を導波路構造のため、そして、混合
導波及び非導波システムのために使用してもよい。混合
システムでは、波伝搬方向の各非導波長さを物質の波の
焦点ぼけ長さよりも短くし、導波セクション間の照射損
失を可及的に少なくすべきである。

【００４４】本発明を、少なくとも１個のチャンネル導
波路、該チャンネル導波路に入射光波を結合する手段及
び該導波路から出射光学波の結合を解く手段からなる光
導波路デバイスを改良するのに使用してもよい。このデ
バイスは本発明に従う物品をその中の導波路として使用
することにより改良される。

【００４５】本発明の使用を第１図に示されている装置
（１０）を参照することにより例証する。第１図には、
１波長のレーザー（１２）により発光した光波を別の波
長の波を発生させるのに使用できる。レンズ（１３）は
、レーザー（１２）により発光した光波を本発明の構成
の導波路（１４）に焦点合わせするのに使用される。 波長変換は導波路（１４）内で起こり、第二レンズ（１
７）は光波を一直線にして導波路から現れさすために備
えられている。フィルター（１８）は、導波路（１４）
内で発生して通過する所望の波長の光波を許容しながら
、放出された入射波の波長の残存する光波を取り除くた
めに示されている配列で備えられている。従って、例え
ば、レーザー（１２）が波長０．８μｍの偏光を発生す
るのに使用されるＴｉ：Ａｌ２Ｏ３レーザーであり、且
つ導波路（１４）がかかる入射光を使用して第二調波発
生のために本発明に従って構成されている場合、フィル
ター（１８）は、０．４μｍの波長の光波を通過させう
るが０．８μｍの波長の光波を導波路から現れる一直線
にされたビームから取り除くようになっている。第１図
の装置［即ち、レーザー（１２）、導波路（１４）、フ
ィルター（１８）並びにレンズ（１３）及び（１７）］
を組み込んだデバイスは本発明の範囲内の物品であると
思われる。事実、導波路（１４）のような導波路は、そ
れら自身が本発明の範囲内の物品であると思われる。

【００４６】本発明の導波路の一実施態様は、第２図の
２０で例証されている第二調波発生用の導波路により示
されている。図示されているような導波路２０はセクシ
ョン（２４）、（２５）、（２６）、（２７）及び（２
８）を有する単結晶ＫＴｉＯＭＯ４（ＭはＰ又はＡＳ）
のブロック（２２）からなり、これらの総てのセクショ
ンは式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＭＯ４（式中、ｘは０〜１
である。）の別の結晶物質であり、ここで前記式のカチ
オンがＲｂ＋，Ｔｌ＋及びＣｓ＋のうち少なくとも一種
並びにＢａ＋＋，Ｓｒ＋＋及びＣａ＋＋のうち少なくと
も一種により部分的に置換されている。セクション（２
４）、（２５）、（２６）、（２７）及び（２８）は物
品の頂部（３０）と物品の底部（３２）との間で、前記
セクションがブロック（２２）の部分と共に整列して導
波路を構成するように、整列されている。導波路は、操
作中に光波の入射ビームが物品（２０）の頂部（３０）
でセクション（２４）の上表面（３４）において導波路
に入るように設定されている。入射ビームは、光波が（
２４）、（２５）、（２６）、（２７）及び（２８）の
各セクション並びに該セクションと整列状態のブロック
（２２）の諸部分により表されるセクションを通過し、
次いでブロック（２２）の底部（３２）から出るように
整列されている。

【００４７】従って、第３図により更に示されているよ
うに、第２図により具体化された導波路は、それを通過
するビームがブロック（２４）、（２５）、（２６）、
（２７）及び（２８）により表される一物質から構成さ
れる多くのセクション、並びにそれらと整列状態のブロ
ック（２２）の一部である（２３）により表される別の
物質から構成される等しい数のセクションを通過ように
設定されている。

【００４８】本発明に従う第２図及び第３図に示されて
いる型のチャンネル導波路を調製する手段は、式Ｋ１−
ｘＲｂＴｉＯＭＯ４（式中、ｘは０〜１であり、ＭはＰ
又はＡｓである。）の単結晶基板を修正することである
。 チャンネル導波路を製造するためのこれらの基板の使用
は当業界で公知であり、米国特許第４，７６６，９５４
号明細書に示されている（該特許明細書を本明細書にそ
っくり含める）。導波路の製造に使用される典型的な基
板はＫＴｉＯＰＯ４（即ち、ＫＴＰ）の結晶である。

【００４９】米国特許第４，７６６，９５４号明細書に
記載されているように、基板マスキングの使用は一種の
光学的に滑らかな表面のカチオンの少なくとも一種のＲ
ｂ＋及びＣｓ＋及びＴｌ＋から選択されるイオンによる
置換と、最初の基板の屈折率に関してそれによる表面屈
折率の変化とを許容する。本発明では、これらのカチオ
ンも少なくとも一種のＢａ＋＋、Ｓｒ＋＋及びＣａ＋＋
から選択されるイオンにより部分的に置換され、所望の
チャンネルを形成するのに使用される結晶基板表面の部
分に沿う領域をカチオン置換中に交互にマスクしたりし
なかったりしてもよく、その結果、得られたチャンネル
が初めの基板と少なくとも一種のＲｂ＋、Ｃｓ＋及びＴ
ｌ＋により、そして少なくとも一種のＢａ＋＋、Ｓｒ＋
＋及びＣａ＋＋により置換された基板物質との間で交互
にする一連の整列セクションから構成される（但し、ｘ
は０．８より大きいとき、カチオンが少なくとも一種の
Ｔｌ＋及びＣｓ＋により、そして少なくとも一種のＢａ
＋＋、Ｓｒ＋＋及びＣａ＋＋により置換されている）。 好ましくは、基板のカチオンはＢａ＋＋並びに少なくと
も一種のＴｌ＋及びＲｂ＋により置換され、隣接するセ
クションの非線形光係数の変化を確実にする。標準的な
写真平版技術を所望のマスキングを与えるのに使用でき
る。例えば、保護物質（例えば、Ｔｉ）のマスクを結晶
基板のｚ表面上に、そこに発生したパターンで適用でき
、融解塩への適当な露出時にカチオン交換による第二の
光学物質のセクションの形成を許容できる。カチオン置
換後、残存する保護物質を取り除いてもよい。

【００５０】本発明の場合、えり抜きの基板はＫＴｉＯ
ＭＯ４（ＭはＰ又はＡｓであり、好ましくはＰである）
であり、基板はそのｚ表面上でマスクされており、慣用
のｘ線結晶学技術により決定できる。好ましくは、基板
の非線形光学係数に関して少なくとも１％まで非線形光
学係数を変化させるのに足るカチオン置換がある。

【００５１】本発明の波長変換システムのためのチャン
ネル導波路の製造法の一つは、（１）式Ｋ１−ｘＲｂｘ
ＴｉＯＭＯ４（ｘは０〜１でありＭはＰ又はＡｓである
）を有し光学的に滑らかな表面の単結晶物質のｚ−切断
基板のｚ表面を与え；（２）Ｒｂ＋、Ｃｓ＋及びＴｌ＋
からなる群から選択されるカチオン並びにＢａ＋＋、Ｓ
ｒ＋＋及びＣａ＋＋からなる群から選択されるカチオン
を含有する融解塩（但し、ｘが０．８より大きいとき、
融解塩はＴｌ＋及びＣｓ＋からなる群から選択されるカ
チオンを含有する）を、選択した温度で選択した時間の
間前記光学的に滑らかな表面への露出時に、屈折率を変
化させるのに足るカチオン置換を前記基板の屈折率に関
して与え且つ基板の非線形光係数に関して変化される非
線形光係数を与えるのに効果的な量で与え；（３）前記
基板上にマスキング材料を適用して、前記光学的に滑ら
かな表面の前記融解塩に抵抗性の材料で交互にマスクす
る部分とマスクしない部分に沿って整列した領域のパタ
ーンを与え；（４）選択した温度で選択した時間の間前
記融解塩中に前記マスクした基板を浸し、それにより、
前記マスクしていない領域にカチオンを置換させ；（５
）前記基板からマスク用材料を取り除き；そして（６）
前記基板を仕上げて磨いた導波路の入射及び出射面をも
つ清浄な導波路を与える；各工程からなる。この方法で
は、前記マスクした領域及びマスクしない領域の長さは
、マスクしない領域で前記カチオン置換した後、結晶内
の非線形光物質の整列した一連のセクションから構成さ
れる少なくとも１個の光変換セグメントからなるチャン
ネル導波路が前記光学的に滑らかな表面の部分において
与えられるようにし；且つ一連のセクションについての
各セクションの長さとそのセクションについてのΔｋと
の積の合計がおおよそ２πＮ（Ｎは０以外の整数）に等
しくなるよう；に選択する。ここで、各セクションにつ
いてのΔｋは、そのセクション中の波長変換システムの
入射波（複数）の各伝搬定数の合計とそのセクション中
の前記波長の発生波（複数）の各伝播定数の合計との間
の差である。二価のカチオン及び一価のカチオンは、別
の工程で交互に交換できる。

【００５２】ＫＴＰ基板を、工程（１）に従って、その
基板をＺ板に切断して１ｍｍ厚さのｚ切断基板を磨くこ
とにより与えることができる。好ましくは、工程（２）
で与えられた融解塩はＢａ＋＋と共にＴｌ＋、Ｒｂ＋、
又はＴｌ＋及びＲｂ＋の双方を含有する。Ｔｉのマスキ
ングは、工程（３）に従って、基板上にＴｉを順次適用
し、Ｔｉ上にホトレジスト材料を適用しホトレジスト材
料を硬化し、所望のパターンを有するホトマスクを与え
、ホトマスクを介してホトレジストを密着露光し、ホト
レジストの露光した部分を取り除き、除去したホトレジ
ストの下のＴｉをエッチング処理して除き、そして露光
していないホトレジストを取り除き、その結果、パター
ン処理したＴｉマスキングを残すことによる標準の写真
平版技術に従って与えることができる。典型的には、基
板を融解塩に浸す前に最終研磨し、塩を除去後洗浄する
。Ｔｉマスクを除去後、導波路は、その中にレーザービ
ームを向け得るように適当に設置されることができる。 好ましくは、カチオン交換は、少なくとも１個のセクシ
ョン（例えば、カチオン交換したセクション）の表面屈
折率と少なくとも１個の隣接するセクション（例えば、
基板）の表面屈折率との間に少なくとも約０．０００２
５の差があるように表面屈折率の変化を与える。

【００５３】カチオンが本発明の導波路製造法で交換さ
れた各セクションについてのΔｋは、セクションの幅及
び／又は深さを変化させることにより幾らか変動でき、
そして置換イオンの種類と濃度の関数として幾らか変動
してもよいということが理解されるべきである。従って
、種々の幅（等）をもつ多くの導波路を製造し特定の物
質を使用して特定の波長変換システムのための最適の設
計を決定することを要望できる。

【００５４】本発明により与えられるプロセス許容度及
び導波路の深さと屈折率不整合Δｎとの間の関係を更に
例証するために、当業者は、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）
の型Ｉの第二調波発生についての屈折率不整合（即ち、
Δｎ）をｙ伝搬と共に［即ち、Δｎ＝ｎｚ（ω）−ｎｚ
（２ω）ここでｎｚ（ω）及びｎｚ（２ω）は、各々、
ｚ偏光についての周波数ω及び２ωの入射及び発生光波
の有効屈折率である］、種々の導波路の幅の導波路につ
いての誘導の関数として、Ｍ．Ｊ．Ａｄａｍｓの「光学
導波路への入門（Ａｎ　　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　
　ｔｏ　　ＯｐｔｉｃａｌＷａｖｅｇｕｉｄｅｓ）」（
Ｊｏｈｎ　　Ｗｉｌｅｙ　　＆　　Ｓｏｎｓ，ニューヨ
ーク、１９８１年発行）に記載されている方法を使用し
て計算できる。このアプローチを使用して、λ＝０．４
２０μｍ及び０．８４０ｎｍにおける最低空間モードに
ついての有効モード率を計算した。計算では、深さ方向
の指数率を推定した。Ｊ．Ｄ．Ｂｉｅｒｌｅｉｎ及びＨ
．Ｖａｎｈｅｒｚｅｅｌｅ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ
．，Ｂ６，６２２−６３３（１９８９）に記載されいて
るように、ＫＴＰに使用された屈折率はλ＝０．８４０
μｍにおいてｎｚ＝１．８４１０でλ＝０．４２０μｍ
においてｎｚ＝１．９４６である。プレナーＲｂ交換導
波路について、表面屈折率はλ＝０．８４０μｍにおい
てｎｚ＝１．８６１０でλ＝０．４２０μｍにおいてｎ
ｚ＝１．９６６であると測定された。計算の結果を第５
図に示す。０の導波路深さにおいて、ΔｎはバルクＫＴ
Ｐ基板値と等しい。相当するコヒーレンス長さは４μｍ
である。Ｒｂ交換導波路について、無限の深さにおいて
ΔｎはバルクＲｂＴｉＯＰＯ４（ＲＴＰ）のそれと匹敵
するであろう。１〜３μｍ深さ範囲で最小化が起こる。

【００５５】第５図は、第二調波発生の位相整合を達成
するための均一な導波路に関連する本発明の教示に従っ
てセグメント化した導波路を使用することの実際的な利
点を例証する。Δｎ対深さ曲線で最小化が起こるので、
この最小化付近でΔｎの非常に小さな変化をプロセス条
件の変化、例えば、導波深さを変化させる時間又は温度
の交換のような変化で予測する。この最小を選択し、位
相整合を、ｈ１Δｎ１＋ｈ２Δｎ２がＮ２πにおおよそ
等しくなるように光変換セグメントの各セクションの長
さを調節することにより達成する。対照的に、その他の
導波路深さについて、導波路深さに影響を与える小さな
プロセス変化は、Δｎにおいて大きな変化を与え、従っ
て、プロセス許容度はより狭くなるであろう。

【００５６】えり抜きの単結晶基板のｚ表面（特に、Ｋ
ＴｉＯＰＯ４）の利用並びにＢａ＋＋と共にＴｌ＋、Ｒ
ｂ＋又はＴｌ＋及びＲｂ＋の双方を使用するカチオン置
換体は、隣接するセクションの非線形光係数の変化の達
成度を増すために本発明の実施に好ましい。マスキング
及びその上のカチオン変換の前に、単結晶基板のｚ表面
を前述した通りの慣用のｘ線結晶学技術により決定でき
る。 非線形光係数の変化が逆偏光に起因する場合、逆偏光の
確認を、光学物品のエッチング、又は更に具体的には、
光学変換セグメント若しくはそのセグメントの集まりに
より、又は表面ＳＨＧ（第二調波発生）テクノロジーに
よりすることができる。例えば、液状静電気トナーを、
光変換セグメントのカチオン変換セクション又は未変換
セクションのいずれかを優先的にトーンを変えるのに使
用してもよい。

【００５７】導波路の形体の本発明に従う光学物品の別
の実施態様を第４図に示す。ＫＴｉＯＰＯ４（２２）の
単結晶は、式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＰＯ４（ｘは１未満
で０より大きい）の複数の整列したセクション（２９）
、（３１）、（３３）、（３５）及び（３７）と、交互
に式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＰＯ４（ｘは１未満で０より
大きいか０に等しく、カチオンはＴｌ＋で部分的置換さ
れており且つＢａ＋＋で部分的に置換されている）の複
数の整列したセクション（３０）、（３２）、（３４）
、（３６）及び（３８）とを有する。この実施態様では
、図示したような方式でＫＴｉＯＰＯ４基板中のカチオ
ン置換が導波路を通過する光経路上の波の実質的に完全
な誘導を確実にする。

【００５８】次の限定を目的としない実施例から本発明
の実際が更に明らかになるであろう。

【００５９】

【実施例】次ぎの実施例で製造する導波路中の偏光逆転
を決定するために、各導波路を市販されているグリース
（Ａｐｉｅｚｏｎ　　Ｎグリース）を使用してペトリ皿
の底に固定した。次いで、この皿を約４秒間ドライアイ
ス−アセトン浴中に浸け、数滴の高解像静電トナーを導
波路に適用した。使用したトナーはアイソパー中に懸濁
させたミクロン寸法の電荷粒子である。市販されている
陽電荷の適当なトナーはＪａｍｅｓ　　Ｒｉｖｅｒ　　
Ｇｒａｐｈｉｃｓ　　Ｔ８７１８である。市販されてい
る負電荷の適当なトナーはＳａｖｉｎ黒色トナーであり
、通常Ｓａｖｉｎ　　７３００複写機に使用される。い
ずれの場合でも、トナーの固形分は固形物とアイソパー
との総重量を基準に約０．１〜１重量％に調整されてい
る。

【００６０】実施例１ 水熱法により成長したＫＴｉＯＰＯ４の結晶をまず約１
ｍｍ厚さのｚ板に切断した。次いで、ｚ面を磨き熱蒸発
により約１０００ÅのＴｉで被覆した。次いで、ホトレ
ジストを所望の導波路パターンを有するホトマスクより
密着露光する。露光したホトレジストを除去し、除去し
たホトレジストの下に現れたＴｉ被覆を、エチレンジア
ミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、Ｈ２Ｏ２及びＮＨ４ＯＨの溶
液を使用して化学的にエッチングして、その結果、ＫＴ
ｉＯＰＯ４基板を選択的に露出させる。次いで、残存す
るホトレジストを除去し、Ｔｉマスク処理した基板を仕
上げ研磨した。

【００６１】一連の導波路パターンを、Ｒｂ／Ｔｌ／Ｂ
ａ交換導波路セクションと交互のバルクＫＴｉＯＰＯ４
のセクションを製造する目的のためにＴｉマスク中で発
生させる。マスク処理した基板は、約４００〜１０００
セクション程度の３６の異なる導波路パターンを備えて
いた。これらのパターンは、１μｍステップに４〜９μ
ｍで変動する幅（ビーム伝搬方向）、再度１μｍステッ
プに３〜６μｍに及ぶ長さの開口領域から構成されてい
た。導波路はＫＴｉＯＰＯ４のｘ伝搬の方向に配向され
ていた。

【００６２】マスクした基板を磨き、約５ｍｍの総誘導
長さを与え、１モル％のＢａＮＯ３、９５モル％のＲｂ
ＮＯ３及び４モル％のＴｌＮＯ３から構成される融解塩
浴中で３６０℃の温度で１時間のイオン交換時間の間イ
オン交換した。交換時間が経過後、基板を室温に冷却し
、Ｔｉマスクを除去した。

【００６３】第二調波発生変換効率を顕微鏡の対物レン
ズより色素レーザーのエンドファイヤーカップリングを
使用して測定した。このレーザーの波長は約８５０ｎｍ
〜９７０ｎｍに変動され、第二調波出射が観察された。 ０．４０７μｍにおいて型Ｉ位相整合した第二調波発生
出射（即ち、二種の入射波が同じ偏光を有する場合の位
相整合）が、４μｍの誘導周期及び５μｍの誘導幅につ
いて観察され、５μｍの誘導周期について位相整合出射
が０．４３μｍにおいて観察された。両方の場合で約０
．０２％／Ｗ−ｃｍ２の第二調波変換効率が観察された
。

【００６４】実施例２ ＫＴｉＯＰＯ４の結晶がフラックス成長であり、Ｔｉ：
Ａｌ２Ｏ３レーザーを第二調波発生変換効率を測定する
のに使用した以外は実施例１の方法に従った。０．４３
μｍにおいて型Ｉ位相整合した第二調波発生出射（即ち
、二種の入射波が同じ偏光を有する場合の位相整合）が
４μｍ誘導周期及び５μｍの誘導幅について観察され、
約５０％／Ｗ−ｃｍ２の第二調波変換効率であった。５
μｍの誘導周期について、位相整合出射が０．４５μｍ
において観察され、６μｍの誘導に対して位相整合出射
が０．４８μｍにおいて観察され、双方の第二調波変換
効率が約５０％／Ｗ−ｃｍ２であった。

【００６５】実施例３ 結晶をフラックス成長法で成長させたＫＴｉＯＰＯ４を
切断し、研磨し、マスク処理し加工して実施例２の方法
（ただし、交換時間を４５分にした）を使用して評価し
た。０．８５μｍ入射の型Ｉ位相整合した第二調波発生
が５μｍの誘導幅及び４μｍの誘導周期について観察さ
れ、約５０％／Ｗ−ｃｍ２の第二調波変換効率であった
。

【００６６】実施例４ フラックス成長結晶を切断し、研磨し、マスク処理し、
加工し、実施例２に従って（ただし、この試料を１モル
％Ｂａ（ＮＯ３）２、９９モル％ＲｂＮＯ３からなる融
解塩浴中で３０分間３６０℃でイオン交換した）評価し
た。処理後、基板を室温に冷却しＴｉマスクを除去した
。Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３レーザーを用いて、型Ｉ位相整合を
、３μｍの誘導周期及び５μｍの誘導幅について観察さ
れた。λ＝０．７９μｍからλ＝０．３９５μｍまでの
変換が観察され、第二調波変換効率は約４０％／Ｗ−ｃ
ｍ２であった。４μｍの誘導周期及び５μｍの誘導幅に
ついて、λ＝０．８５μｍからλ＝０．４２５μｍまで
の第二調波変換が観察され、約２０％／Ｗ−ｃｍ２の効
率であった。

【００６７】実施例５ ５モル％ＢａＮＯ３及び９５モル％ＲｂＮＯ３から構成
される融解塩浴を使用し、導波路をＫＴｉＯＰＯ４のｙ
伝搬の方向に配向させ、そして８５０ｎｍの波長におけ
るダイオードレーザーを第二調波変換効率を測定するの
に使用した以外は、実施例１の方法に従った。

【００６８】０．４２５μｍにおける型Ｉ位相整合第二
調波発生出射を６μｍの誘導幅及び４μｍの誘導周期に
ついて観察され、約３％／Ｗ−ｃｍ２の第二調波変換効
率であった。

【００６９】第６図は、変換しようとする光の波長とＲ
ｂ、Ｔｌ添加ＫＴＰ導波路の周期との間の相関を例証す
る。試験した導波路は周期と幅とを変化させるチャンネ
ルを与えられている。一番上の列の項目は格子／セグメ
ントのミクロン（μ）単位の周期を表す。左欄はナノメ
ーター（ｎｍ）単位の入射光（上の数字）及び出射光（
下の数字）の波長を示す。二番目の列の項目は試験した
チャンネルの幅を示す。次の列の項目の標示＃は試験し
たチャンネルの配列番号を示す。グラフ中の太い実線は
強い第二調波発生を示し、点線は弱い第二調波発生を示
す。図から理解できるように、４μ周期チャンネルは８
５０ｎｍの入射光から４２５ｎｍの光を発生するのに有
効であった。５μ周期チャンネルは９２４ｎｍの入射光
から４６２ｎｍの光を発生するのに有効であり、６μ周
期チャンネルは９５０ｎｍの入射光から４７５ｎｍの出
射光を発生した。

【００７０】結果は、効率的な第二調波発生が、周期的
に調節されて位相整合を得るＲｂ，Ｔｌ　　ＫＴＰ導波
路で起こることを示す。誘導の効率は、屈折率工程の最
適化、幾何学的形状、及び導波路構造を作り上げる単位
セルの配向を含む種々の技術により更に上げることがで
きる。この考慮のその他の因子にはマルチモード配置に
おけるモードビーティング及び単位セルのＦａｂｒｙ−
Ｐｅｒｏｔ様共振等がある。

【００７１】本発明の特定の実施態様を実施例に示した
。その他の実施態様は本明細書中に示されている発明の
詳細説明及び実際を検討することにより当業界の熟達者
に明らかになるであろう。修正及び変更が本発明の精神
と範囲から逸脱することなく可能出あることを了解すべ
きである。更に、本発明が本明細書中で例証した特定の
方式及び実施例に限定されないで、特許請求の範囲の修
正した形態を包含することを了解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の波長変換用装置の略図である。

【図２】本発明の波長変換用導波路の斜視図である。

【図３】図２の導波路により与えられる非線形光学物質
の整列したセクションの斜視図である。

【図４】本発明の波長変換用導波路の別の実施態様の斜
視図である。

【図５】異なる導波路幅についての深さと屈折率不整合
との間の計算した関係のプロットである。

【図６】第二調波波長と導波路のピリオドとの相関を示
している。

【符号の説明】

１０　　装置 １２　　レーザー １３　　レンズ １４　　導波路 １７　　第二レンズ １８　　フィルター ２０　　第二調波発生用導波路 ２２　　単結晶のブロック

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　波長変換用の光学物質の一連の整列し
   たセクションを含有する単結晶を通過して波長変換のた
   めに入射光学波を誘導する工程からなる波長変換方法で
   あって、該光学物質が （ａ）式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＭＯ４（ｘは０〜１であ
   り、ＭはＰ及びＡｓから選択される）を有する物質、並
   びに（ｂ）前記式で該式のカチオンが少なくとも一種の
   Ｒｂ＋、Ｔｌ＋及びＣｓ＋と、少なくとも一種のＢａ＋
   ＋、Ｓｒ＋＋及びＣａ＋＋とにより部分的に置換されて
   いる物質、但し、少なくとも一個のセクションは（ｂ）
   から選択される光学物質を有し且つ（ｂ）から選択され
   る光学物質について、ｘが０．８よりも大きい場合、前
   記式のカチオンは少なくとも一種のＴｌ＋及びＣｓ＋と
   少なくとも一種のＢａ＋＋、Ｓｒ＋＋及びＣａ＋＋とに
   より部分的に置換されており、前記セクションが、一連
   のセクションについての各セクションの整列方向の長さ
   とそのセクションについてのΔｋとの積の合計が約２π
   Ｎ（Ｎは０以外の整数）に等しくなるように、そして、
   少なくとも一個のセクションの非線形光係数が少なくと
   も一個の隣接するセクションの非線形光係数に比例して
   変化されているように、選択され、ここで各セクション
   についてのΔｋがそのセクションの波長変換システムに
   ついての入射波の伝搬定数の合計とそのセクションの波
   長変換システムについての発生波の伝搬播定数の合計と
   の間の差である、前記波長変換方法。
2. 【請求項２】　　周波数ω１及びω２の入射波が周波数
   ω３の波を発生させるのに使用され、且つω３がω１及
   びω２の合計に等しい、請求項１記載の波長変換方法。
3. 【請求項３】　　周波数ω４の入射波が周波数ω５及び
   ω６の波を発生させるのに使用され、且つω４がω５及
   びω６の合計に等しい、請求項１記載の波長変換方法。
4. 【請求項４】　　入射光波の第二調波を発生させる、請
   求項１記載の波長変換方法。
5. 【請求項５】　　各セクションの長さが０．２５μｍ〜
   ５０μｍの範囲内にあり、各セクションの幅が０．２μ
   ｍ〜５０μｍの範囲内にあり、そして変換した各セクシ
   ョンの深さが０．１μｍ〜５０μｍの範囲内にある、請
   求項１記載の波長変換方法。
6. 【請求項６】　　光学物質の整列した一連のセクション
   を含有する単結晶から構成される少なくとも一個の光変
   換セグメントからなる波長変換システムの使用のための
   光学物品であって、該光学物質が （ａ）式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＭＯ４（ｘは０〜１であ
   り、ＭはＰ及びＡｓから選択される）を有する物質、並
   びに（ｂ）前記式で該式のカチオンが少なくとも一種の
   Ｒｂ＋、Ｔｌ＋及びＣｓ＋と、少なくとも一種のＢａ＋
   ＋、Ｓｒ＋＋及びＣａ＋＋とにより部分的に置換されて
   いる物質、但し、少なくとも一個のセクションは（ｂ）
   から選択される光学物質を有し且つ（ｂ）から選択され
   る光学物質について、ｘが０．８よりも大きい場合、前
   記式のカチオンは少なくとも一種のＴｌ＋及びＣｓ＋と
   少なくとも一種のＢａ＋＋、Ｓｒ＋＋及びＣａ＋＋とに
   より部分的に置換されており、前記セクションが、各セ
   クションの整列方向の長さとそのセクションについての
   Δｋとの積の合計が約２πＮ（Ｎは０以外の整数）に等
   しくなるように、そして、少なくとも一個のセクション
   の非線形光係数が少なくとも一個の隣接するセクション
   の非線形光係数に比例して変化されているように、選択
   され、ここで各セクションについてのΔｋがそのセクシ
   ョンの波長変換システムについての入射波の伝搬定数の
   合計とそのセクションの波長変換システムについての発
   生波の伝搬定数の合計との間の差である、前記光学物品
   。
7. 【請求項７】　　ＫＴｉＯＰＯ４及びカチオンがＢａ＋
   ＋と少なくとも一種のＴｌ＋及びＲｂ＋とにより部分的
   に置換されているＫＴｉＯＰＯ４の交互するセクション
   を有する、請求項６記載の光学物品。
8. 【請求項８】　　各セクションの長さが０．２５μｍ〜
   ５０μｍの範囲内にあり、各セクションの幅が０．２μ
   ｍ〜５０μｍの範囲内にあり、そして各変換セクション
   の深さが０．１μｍ〜５０μｍの範囲内にある、請求項
   ６記載の光学物品。
9. 【請求項９】　　式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＭＯ４（ｘは
   ０〜１であり、ＭはＰ又はＡｓである）を有する結晶性
   基板の交互セクションと前記基板のカチオンが前記基板
   の非線形光学係数に関して少なくとも１％まで非線形光
   学係数を変化させるのに足るＲｂ＋、Ｃｓ＋及びＴｌ＋
   からなる群から選択されるカチオンとＢａ＋＋、Ｓｒ＋
   ＋及びＣａ＋＋からなる群から選択されるカチオンとに
   より置換されている基板物質のセクションとからなる導
   波路である、請求項６記載の光学物品。
10. 【請求項１０】　　少なくとも一個のセクションについ
    ての非線形光係数と少なくとも一個の隣接するセクショ
    ンについての非線形光係数との間に少なくとも約１％の
    差があり、且つ前記少なくとも一個のセクションの表面
    屈折率と前記少なくとも一個の隣接するセクションの表
    面屈折率との間に少なくとも約０．０００２５の差があ
    る、請求項６記載の光学物品。
11. 【請求項１１】　　少なくとも一個のチャンネル導波路
    、該チャンネル導波路に入射光波を結合する手段及び該
    チャンネル導波路から出射する波の結合を解く手段から
    なる光学導波路デバイスにおいて、チャンネル導波路が
    請求項６に規定した通りの光学物品であることを改良点
    とする、前記光学導波路デバイス。
12. 【請求項１２】　　（１）式Ｋ１−ｘＲｂｘＴｉＯＭＯ
    ４（ｘは０〜１であり、ＭはＰ又はＡｓである）を有し
    光学的に滑らかな表面の単結晶物質のｚ切断基板のｚ切
    断表面を準備し； （２）Ｒｂ＋、Ｃｓ＋及びＴｌ＋からなる群から選択さ
    れるカチオンとＢａ＋＋、Ｓｒ＋＋及びＣａ＋＋とから
    なる群から選択されるカチオンを含有する融解塩（但し
    、ｘが０．８よりも大きいとき、融解塩はＴｌ＋及びＣ
    ｓ＋から選択されるカチオンを含有する）を、選択した
    温度で選択した時間の間前記光学的に滑らかな表面に露
    出させるのに効果的で、前記基板の屈折率に関して屈折
    率を変化させるのに足るカチオン置換を与え、且つ基板
    の非線形光係数に関して変化される非線形光係数を与え
    るのに効果的な量で、準備し； （３）前記基板の上にマスキング材料を適用して、前記
    光学的に滑らかな表面の一部に沿って、前記融解塩に抵
    抗性の材料で交互にマスクされ及びマスクされない整列
    した領域のパターンを与え； （４）前記マスクした基板を、選択した温度で選択した
    時間の間前記融解塩中に浸し、それにより、前記マスク
    していない領域にカチオン置換を付与し；（５）前記基
    板からマスキング材料を除去し；そして（６）前記基板
    を仕上げて磨かれた導波路の入射面及び出射面をもつ清
    浄な導波路を得る；波長変換システム用のチャンネル導
    波路の製造法であり：前記マスクした領域及びマスクし
    ない領域の長さが、前記マスクしない領域中のカチオン
    置換後に、チャンネル導波路が結晶内の非線形光学物質
    の一連の整列したセクションから構成される少なくとも
    一個の光学変換セグメントを含む光学的に滑らかな表面
    の前記部分において与えられるように、且つ一連のセク
    ションについて各セクションの長さとそのセクションに
    ついてのΔｋとの積の合計が約２πＮ（Ｎは０以外の整
    数）に等しくなるように、選択され、ここで各セクショ
    ンについてのΔｋがそのセクションの波長変換システム
    についての入射波の伝搬定数の合計とそのセクションの
    波長変換システムについての発生波の伝搬定数の合計と
    の間の差である、前記製造法。
13. 【請求項１３】　　７７５〜９５０ｎｍの範囲内の波長
    を有する光を、３〜６μの周期性を有する周期的にセグ
    メント化されている非線形光ＫＴＰ導波路構造体に適用
    する工程からなる効率的に青色光を発生させる方法。
14. 【請求項１４】　　３〜６μの周期性をもち線形及び非
    線形の異なる屈折率を有する交互領域のチャンネルを有
    し且つ前記チャンネル中に７７５〜９５０ｎｍの範囲内
    の波長をもつ光を照射する手段を兼備する非線形光ＫＴ
    Ｐ導波路構造体からなる光の周波数を増加させるための
    装置。
15. 【請求項１５】　　周期的にセグメント化されている非
    線形光ＫＴＰ導波路を準備し、ＴＭ偏光化光を該非線形
    光学ＫＴＰ導波路に適用する各工程からなる型Ｉ周波数
    の増加を得る方法。
16. 【請求項１６】　　周期的にセグメント化されている非
    線形光ＫＴＰ導波路構造体及び偏光の方向を前記セグメ
    ント化されている非線形光ＫＴＰ導波路の表面に対して
    直角であるように入射光を偏光させるための手段からな
    る入射光源の型Ｉ周波数の増加を得るための装置。
17. 【請求項１７】　　ＫＴＰ導波路がＲｂ及びＴｌのうち
    の少なくとも一種でドープされている請求項１３又は１
    ５に記載の方法。
18. 【請求項１８】　　ＫＴＰ導波路がＲｂ及びＴｌのうち
    の少なくとも一種でドープされている請求項１４又は１
    ６に記載の装置。