JPH1062829A - 非線形光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光導波路構造を有し、かつ所望の結晶方位を
有する非線形光学素子及びその製造方法を提供するこ
と。 【解決手段】 両端が開放された空孔部４１を有するク
ラッド４２を加熱装置４３により、コアにする結晶材料
の融点以上に加熱し、その片端に種結晶４４を接触さ
せ、種結晶４４の融液４５の一部を毛細管現象により空
孔部４１内に入り込ませて空孔部内融液４６とし、結晶
状態を維持している種結晶４４から空孔部内融液４６に
向かって結晶の固化が進むように、クラッド４２及び結
晶状態を維持している種結晶４４と加熱装置４３との相
対位置を移動させていくことにより、種結晶４４と同一
の結晶方位の空孔部内結晶４７を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路構造を有
し、かつ所望の結晶方位を有する光学素子、特に二次の
非線形光学効果を発現する非線形光学素子及びその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】まず、二次の非線形光学効果について簡
単に説明する。

【０００３】二次の非線形光学効果は、３つの光の間に
相互作用を生じさせるもので、波長変換及びスイッチ素
子等の種々の光学素子への応用が検討されている。

【０００４】周知のように非線形光学効果とは、物質中
の分極Ｐが、 Ｐ＝ε_o・（ｘ⁽¹⁾Ｅ＋ｘ⁽²⁾Ｅ²＋ｘ⁽³⁾Ｅ³，……） ……(1) のように光の電界Ｅに比例する項以外に、Ｅ²，Ｅ³に比
例する高次項をもつためにおこる効果である。

【０００５】ここで、(1)式における第２項に起因する
効果が二次の非線形光学効果であり、ｘ⁽²⁾は二次非線
形感受率である。一般に、二次非線形感受率ｘ⁽²⁾は３
階テンソルであり、ｘ⁽²⁾ _ijkと記述される。ここで、
ｉ，ｊ，ｋはそれぞれ寄与する電界の成分を表す。

【０００６】二次の非線形光学効果では、二次非線形光
学定数ｄ_ijkを用いることが一般的であるが、二次非線
形光学定数ｄ_ijkも二次非線形感受率と同様に３階テン
ソルであり、一般に、ｄ_ijk＝（１／２）・ｘ⁽²⁾ _ijkの
関係にある。３階テンソルｄ_{i jk}のうち、どの成分が大
きいかは媒質の対称性により定まり、媒質に対する光の
進行方向と偏光方向により、利用できる実効的な二次非
線形光学定数が定まることになる。

【０００７】二次の非線形光学効果を効率良く生じさせ
るためには、より大きな実効的な二次非線形光学係数を
利用することと、一般に関与する３つの光の間に位相整
合条件を満足させる必要がある。ここで、位相整合条件
とは、関与する３つの光の波長を、波長の長い順にそれ
ぞれλ₁，λ₂，λ₃とした時、エネルギー保存則１／λ₁
＋１／λ₂＝１／λ₃を満たす３つの光に対して、二次の
非線形光学効果を有する物質の３つの光の波長に対する
波長変換に関与する偏光の実効屈折率に Ｎ（λ₃）／λ₃−Ｎ（λ₁）／λ₁−Ｎ（λ₂）／λ₂＝０ ……(2) の関係を満たすことをいう。ここで、Ｎ（λ₁），Ｎ
（λ₂），Ｎ（λ₃）は、３つの光の波長に対する非線形
物質の波長変換に関与する偏光の実効屈折率である。

【０００８】位相整合条件を満たすために一般的に行わ
れているのは、二次の非線形光学効果を有する結晶の複
屈折を用いる方法で、偏光方向による屈折率の違いを利
用して位相整合条件を満たそうとするものである。複屈
折を利用する位相整合の概略を、波長変換の一例である
第二高調波発生（ＳＨＧ）により説明する。ＳＨＧは、
λ₁＝λ₂で、λ₃＝λ₁／２となる波長変換である。

【０００９】二軸光学結晶を考え、結晶のｘ軸，ｙ軸，
ｚ軸方向の偏光の屈折率をそれぞれｎ_x，ｎ_y，ｎ_zとし
た時、ｎ_x＞ｎ_z＞ｎ_yであるとする。この場合の屈折率
の波長依存性は、大きな吸収がなければ波長に対して単
調減少となり、各屈折率間の大小関係は保持される。こ
こで、この光学結晶の二次非線形光学係数のうち、ｄ_31
1が比較的大きく、このｄ₃₁₁をＳＨＧ発生に利用するも
のとすると、二次非線形光学定数の添字の１，２，３
は、それぞれｘ軸成分，ｙ軸成分，ｚ軸成分に対応して
いるので、λ₁（＝λ₂）の光はｘ軸成分を含む偏光を持
ち、λ₃（＝λ₁／２）の光はｚ軸成分を含む偏光をもた
なければならない。

【００１０】この時の位相整合条件は、 Ｎ（λ₁）−Ｎ（λ₃）＝０ ……(3) となるが、ｎ_x（λ₁）−ｎ_z（λ₃）＝０となるのは特殊
な場合に限られるので、一般には、光の進行方向に対し
て結晶のｚ軸を傾ける。この例の場合には、λ₁の光は
ｘ軸偏光にいれ、Ｎ（λ₁）＝ｎ_x（λ₁）とし、λ₃の光
はｙｚ面内に偏光をもつように入射し、ｙ軸とｚ軸の合
成屈折率を感じるようにする。

【００１１】この時、実効屈折率は Ｎ（λ₃）＝（sin²θ／ｎ_z ²＋cos²θ／ｎ_y ²）^-1/2 ……(4) で与えられる。そして、結晶軸を傾ける角度θを調整す
ることにより、式(3)を満たすようにすることができ、
位相整合条件を満たすことができ、比較的高効率な波長
変換を行うことができる。この方法は角度位相整合と呼
ばれ、二次非線形光学結晶の波長変換に一般的に使用さ
れている。

【００１２】以上のように二次の非線形光学効果を有効
に活用するためには、所望の結晶方位に成長した結晶が
ぜひ必要となる。また、二次の非線形光学効果の効率
は、二次非線形光学定数の二乗、光密度及び相互作用長
に比例するため、高効率な光学素子を実現するために
は、大きな二次非線形光学定数を有する結晶を用い、か
つ光導波路構造により伝搬する光を閉じこめて伝搬する
ことが必要となる。このため、無機結晶に比べて、一般
に大きな二次非線形光学定数を有する有機結晶におい
て、所望の結晶方位を有し、かつ光導波路構造を有する
結晶素子が求められていた。

【００１３】以下、従来の光導波路構造を有する単結晶
作製法を説明する。

【００１４】図１はブリッヂマン−ストックバーガー法
によるガラスキャピラリ内に有機結晶を成長させる方法
を示すものである。

【００１５】まず、図１(a)に示すように、ガラスキャ
ピラリ１の一端を結晶融液２中に浸し、該融液２を毛細
管現象によりガラスキャピラリ１の空孔部に吸い上げ、
空孔部内融液３を形成する。続いて、図１(b)に示すよ
うに、ガラスキャピラリ１を冷却し、空孔部内多結晶４
を形成する。続いて、図１(c)に示すように、ガラスキ
ャピラリ１をヒータ５により加熱し、溶融部６を形成す
る。その後、ガラスキャピラリ１をヒータ５より引き出
すことにより、ガラスキャピラリ１の一端より固化させ
ていく。この際、引き出し速度等の条件が適当であれ
ば、固化した結晶７は単結晶となる。

【００１６】しかしながら、ガラスキャピラリの長手方
向の結晶方位は、自然成長方位と呼ばれる各々の結晶に
固有の方位であり、その光の導波方向を任意の方向に制
御することはできなかった。

【００１７】例えば、３，５−ジメチル−１−（４−ニ
トロフェニル）ピラゾール（以後、ＤＭＮＰと略す。）
の場合、ガラスキャピラリの長手方向に結晶のｘ軸が向
くように成長し、２−アダマンチルアミノ５−ニトロピ
リジン（以後、ＡＡＮＰと略す。）の場合、ガラスキャ
ピラリの長手方向に結晶のｃ軸が向くように成長する。
なお、結晶軸の表記法は、ＤＭＮＰについては、A.Hara
da等がApplied Physics Letters、第５９巻、１９９
１、pp.１５３５−１５３７に、また、ＡＡＮＰについ
ては、S.Tomaru等がApplied Physics Letters、第５８
巻、１９９１、pp.２５８３−２５８５に記載したもの
を用いている。

【００１８】このため、特定波長等の極めて特殊な場合
を除いて、高効率な二次非線形光学素子を実現すること
はできなかった。

【００１９】次に、従来の所望の結晶方位を実現する単
結晶成長方法を説明する。

【００２０】図２は間接加熱レーザ溶融ぺデスタル（Ｉ
ＬＨＰＧ）法を模式的に示すものである。

【００２１】図２において、石英ガラス等で作製された
直管１１の一部をＣＯ₂レーザ等の赤外光１２により加
熱し、直管高温部からの輻射熱１３により母材１４の上
部を加熱・溶融する。この溶融部１５を種結晶１６に付
着させ、該種結晶１６を速度Ｖ２で移動させるとともに
母材１４を速度Ｖ１で移動させて線引きすることによ
り、単結晶１７が作製される。ここで、単結晶１７の結
晶方位は種結晶１６の方位と同一となる。

【００２２】この方法では、所望の結晶方位に成長させ
ることができるが、結晶径を１０μｍ以下にすることは
難しく、有効な光導波路構造を形成することはできなか
った。このため、大きな二次非線形光学定数を有する有
機結晶である２−アダマンチルアミノ５−ニトロピリジ
ン（ＡＡＮＰ）を用いた場合でも、第二高調波発生効率
は０．００１／Ｗ程度であり、高効率な二次非線形光学
素子を実現することはできなかった。

【００２３】前述した２つの従来技術を組み合わせた作
製方法として、図３に示すような作製方法が類推でき
る。即ち、前述のブリッヂマン−ストックバーガー法に
よりガラスキャピラリ中に多結晶が入ったものを作製
し、これを前述のＩＬＨＰＧ法の母材として使用する方
法である。

【００２４】図３はこの場合の作製方法を模式的に示す
ものである。

【００２５】まず、図３(a)に示すように、石英ガラス
等で作製された直管２１の一部をＣＯ₂レーザ等の赤外
光２２により加熱する。直管高温部からの輻射熱により
ガラスキャピラリ２３内部の多結晶２４の上部を溶融
し、キャピラリ内溶融部２５を形成する。このキャピラ
リ内溶融部２５を種結晶２６の下端の種結晶溶融部２７
に付着させる。続いて、図３(b)に示すように、種結晶
２６及びガラスキャピラリ２３を、それぞれの支持棒２
８及び２９により上方に移動させ、種結晶２６側から固
化させ、単結晶３０を形成し、キャピラリ２３内へ固化
を進める。

【００２６】この方法については発明者が実際に実施し
てみたが、キャピラリ内溶融部２５と種結晶溶融部２７
との接触の際、気泡が混入し、図３(b)に示すように、
キャピラリ内の気泡３１のため、種結晶の結晶方位がキ
ャピラリ内の結晶には、ほとんど伝わらないことがわか
り、従来の結晶成長方法の組み合わせでは、光導波路構
造を有し、かつ所望の結晶方位を有する単結晶を成長が
できないことがわかった。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、波
長変換素子等における二次の非線形光学効果を効率良く
活用するためには、二次非線形光学結晶に光導波路構造
を持たせるとともに所望の結晶方位で成長させる必要が
あるが、従来は、光導波路構造を作製できる方法では結
晶方位が特定の方位に限られ、また、結晶方位を制御で
きる方法では光導波路構造を作製できないという問題が
あった。

【００２８】本発明の目的は、光導波路構造を有し、か
つ所望の結晶方位を有する非線形光学素子及びその製造
方法を提供することにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記目的を
達成するため、二次の非線形光学効果を有する光学結晶
をコアとし、該コアの周囲をクラッドで囲んだ光導波路
構造を備えた非線形光学素子において、前記光学結晶の
自然成長方位以外の所望の結晶方位が、前記光導波路構
造における光の導波方向に一致している非線形光学素子
と、ＤＭＮＰからなる二次の非線形光学効果を有する光
学結晶をコアとし、該コアの周囲をクラッドで囲んだ光
導波路構造を備えた非線形光学素子において、前記光学
結晶のｘ軸以外の所望の結晶方位が、前記光導波路構造
における光の導波方向に一致している非線形光学素子
と、ＡＡＮＰからなる二次の非線形光学効果を有する光
学結晶をコアとし、該コアの周囲をクラッドで囲んだ光
導波路構造を備えた非線形光学素子において、前記光学
結晶のｃ軸以外の所望の結晶方位が、前記光導波路構造
における光の導波方向に一致している非線形光学素子と
を提案する。

【００３０】また、本発明では、前記目的を達成するた
め、二次の非線形光学効果を有する光学結晶より融点が
高い材料からなる中空体を前記光学結晶の融点以上に加
熱する第１の工程と、前記中空体に前記光学結晶からな
る種結晶を、該中空体の中空部が形成されている方向に
種結晶の所望の結晶方位を一致させながら接触させると
ともに、該種結晶の中空体に接触させた部分及びその近
傍を融解する第２の工程と、前記中空体の中空部内を毛
細管現象により前記融解した種結晶の一部で満たす第３
の工程と、前記融解した種結晶をその固液界面から順次
冷却し結晶化することにより、前記中空体の中空部内に
所望の結晶方位を備えた光学結晶を形成する第４の工程
とからなる非線形光学素子の製造方法を提案する。

【００３１】本発明によれば、種結晶の一部が溶融し、
これが毛細管現象によりクラッドを構成する中空体の中
空部に入り込むが、中空体が結晶材料の融点以上に保持
されているため、結晶材料は中空部内において溶融状態
で存在する。このように、中空部への結晶材料の導入に
種結晶の一部を使用するため、種結晶から中空部内への
結晶材料の接続は切れ目なく連続的になされ、中空部内
への気泡の侵入を抑制することができ、溶融せず結晶状
態を維持している種結晶の残存部分の方向へ移動させる
ことにより、連続的に種結晶と同一の結晶方位を、中空
体の中空部内の結晶に実現することができ、中空部内の
結晶をコアとする結晶方位制御光導波路構造を得ること
ができる。

【００３２】また、前記方法において、種結晶が接触す
る一端に向かって広がるテーパ状の中空部を有する中空
体を使用すれば、種結晶から中空部内への結晶成長がよ
りスムーズに行われることになり、種結晶及び中空体の
移動速度をより速く行うことができ、結晶性をより向上
させることができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】ここで、図４及び図５を参照して
本発明の概念を簡単に説明する。

【００３４】まず、図４を用いて、種結晶及び中空体
（クラッド）の位置と加熱装置の位置とを相対的に変化
させる作製方法の概略を説明する。

【００３５】図４(a)に示すように、両端が開放された
中空（空孔）部４１を有するクラッド４２を、加熱装置
４３により、コアにする結晶材料の融点以上に加熱して
おく。そして、クラッド４２の片端に種結晶４４を接近
させる。

【００３６】次に、図４(b)に示すように、クラッド４
２の片端に種結晶４４を接触させる。その際、種結晶４
４の一部のみが溶融するように、最初から加熱条件を調
整しておく。種結晶４４の融液４５の一部は毛細管現象
により空孔部４１内に入り、空孔部内融液４６となる。
この際、結晶状態を維持している種結晶４４、種結晶の
融液４５及び空孔部内融液４６が連続的に接続するよう
にする。

【００３７】次に、図４(c)に示すように、結晶状態を
維持している種結晶４４から空孔部内融液４６に向かっ
て結晶の固化が進むように、クラッド４２及び結晶状態
を維持している種結晶４４と加熱装置４３との相対位置
を移動させていく。

【００３８】その結果、図４(c)に示すように、まず、
種結晶４４の溶融部が固化し、続いて図４(d)に示すよ
うに、連続的に空孔部内融液４６の固化が進み、空孔部
内結晶４７が形成されていく。この際、種結晶融液から
空孔部へ連続的に固化が進むため、空孔部内結晶４７と
種結晶４４とは同一の結晶方位を有することになる。

【００３９】そして、図４(e)に示すように、空孔部内
融液の固化がなされ、空孔部内結晶４７が形成される。
この結果、空孔部内結晶４７をコアとし、クラッド４２
をクラッドとする、結晶方位が制御された光導波路構造
結晶を作製できる。

【００４０】次に、図５を用いて、加熱装置の加熱状態
を変化させる作製方法の概略を説明する。

【００４１】図５(a)に示すように、両端が開放された
空孔部５１を有するクラッド５２を、加熱装置５３によ
り、コアにする結晶材料の融点以上に加熱しておく。そ
して、クラッド５２の片端に種結晶５４を接近させる。

【００４２】次に、図５(b)に示すように、クラッド５
２の片端に種結晶５４を接触させる。その際、種結晶５
４の一部のみが溶融するように、最初から加熱条件を調
整しておく。種結晶５４の融液５５の一部は毛細管現象
により空孔部５１内に入り、空孔部内融液５６となる。
この際、結晶状態を維持している種結晶５４、種結晶の
融液５５及び空孔部内融液５６が連続的に接続するよう
にする。

【００４３】ここまでは、前述した種結晶及びクラッド
の位置と加熱装置の位置とを相対的に変化させる作製方
法と同一である。

【００４４】次に、図５(c)に示すように、加熱装置５
３の加熱条件を変え、加熱温度を徐々に下げる。する
と、種結晶５４及びクラッド５２の温度分布が変化し、
結晶材料の融点以下となる位置が、結晶状態を維持して
いる種結晶５４から空孔部内融液５６に向かって移動
し、固化が連続的に進み、空孔部内結晶５７が形成され
ていく。

【００４５】そして、図５(d)に示すように、空孔部内
融液全域の温度が結晶の融点以下になった状態で、空孔
部内結晶５７が形成される。この結果、空孔部内結晶５
７をコアとし、クラッド５２をクラッドとする、結晶方
位が制御された光導波路構造結晶を作製できる。

【００４６】本発明は、クラッドを形成する材料の溶融
もしくは軟化する温度が、コアとして用いる結晶材料の
融点より高ければ適用することができる。このため、特
に融点の低い有機結晶に対して有用といえる。

【００４７】コアとして適用可能な有機結晶の例とし
て、以下のようなものがある。即ち、材料としては、３
−ニトロアニリン（ｍ−ＮＡ）、２−メチル−４−ニト
ロアニリン（ＭＮＡ）、３−メチル−（２，４−ジニト
ロフェニル）−アミノプロパノエート（ＭＡＰ）、３−
メチル−４−ニトロピリジン−１−オキサイド（ＰＯ
Ｍ）、３−アミノフェニル（ｍ−ＡＰ）、２−アダマン
チルアミノ５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）、Ｎ−（４
−ニトロフェニル）−Ｌ−プロリノール（ＮＰＰ）、Ｎ
−（ニトロフェニル）−Ｎ−メチルアミノアセトニトリ
ル（ＮＰＡＮ）、４−ニトロジメチルアニリン（ＮＤＭ
Ａ）、４−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ−２−アセタミド−
４−ニトロアニリン（ＤＡＮ）、２−（Ｎ−プロリノー
ル）−５−ニトロピリジン（ＰＮＰ）、２−シクロアセ
チルアミノ−５−ニトロピリジン（ＣＯＡＮＰ）、３，
９−ジニトロ−５ａ，６，１１ａ，１２−テトラヒドロ
−［１，４］べンズオキサジノ［３，２−ｂ］［１，
４］べンズオキサジン（ＤＮＢＢ）、４’−ニトロベン
ジリデン−３−アセトアミノ−４−メトキシアニリン
（ＭＮＢＡ）、ジシアノビニルアニソール（ＤＩＶ
Ａ）、（−）４−（４’−ジメチルアミノフェニル）−
３−（２’−ヒドロキシプロピルアミノ）シクロブテン
−３，４−ジオン（ＤＡＤ）、２−メトキシ−５−ニト
ロフェノール（ＭＮＰ）、スチルバゾリウム−Ｐ−トル
エンスルホン酸（ＳＰＴＳ）、３，５−ジメチル−１−
（４−ニトロフェニル）ピラゾ−ル（ＤＭＮＰ）、Ｎ−
メトキシメチル−４−ニトロアニリン（ＭＭＮＡ）等が
ある。

【００４８】一方、クラッドとしては、前述したよう
に、クラッドを形成する材料の溶融もしくは軟化する温
度が、コアとして用いる結晶材料の融点より高いことに
加えて、光導波路構造を形成するため、波長変換に関連
する光の波長において少なくとも一つの光の波長におい
て、クラッドの屈折率がコアの屈折率より低いことが条
件となる。この条件を満たせば、ガラス材料、ポリマー
材料、結晶材料及びその他の材料をクラッド材料として
使用できる。

【００４９】以下、本発明の具体的な実施の形態につい
て説明する。

【００５０】（第１の形態）図６は本発明の第１の実施
の形態を模式的に示すものである。ここでは、クラッド
として、外径１ｍｍ、内径０．０３ｍｍのガラスキャピ
ラリ６１を用い、結晶材料として、３，５−ジメチル−
１−（４−ニトロフェニル）ピラゾール（ＤＭＮＰ）を
用い、ガラスキャピラリ６１の長手方向がＤＭＮＰ結晶
のｚ軸と垂直でかつｘ軸と２４度になるような結晶方位
を有する種結晶６２を用いる。

【００５１】種結晶６２は、支持棒６３及び種結晶押さ
え治具６４によりガラス板６５に保持される。ガラスキ
ャピラリ６１は、キャピラリ押さえ治具６６により、ガ
ラスキャピラリの空孔部を塞がないように、ガラス板６
５に保持される。

【００５２】また、第１のヒータ６７は結晶の融点以上
になるように加熱状態が設定され、第２のヒータ６８は
結晶の融点以下になるように設定される。本例では、Ｄ
ＭＮＰの融点が１０２度であるため、第１のヒータ６７
は１２０度に設定し、第２のヒータ６８は７０度に設定
している。

【００５３】第１の工程では、ガラスキャピラリ６１は
ほぼ第１のヒータ６７内に入っており、ＤＭＮＰの融点
以上の温度に加熱される。この際、種結晶６２は第２の
ヒータ６８内にあり、結晶状態を維持している。

【００５４】第２の工程では、種結晶６２はガラスキャ
ピラリ６１に接触し、種結晶６２の一部が溶融し、種結
晶融液６９の一部が毛細管現象によりガラスキャピラリ
６１の空孔部に入り、空孔部内融液７０となる。図６は
この時の状態を表している。

【００５５】第３の工程では、ワイヤー７１により、保
持されているガラスキャピラリ６１及び種結晶６２ご
と、ガラス板６５が第２のヒータ６８方向に移動され
る。移動速度は、本例では１ｍｍ／ｓである。この結
果、種結晶融液６９及び空孔部内融液７０は、種結晶か
ら空孔部へと連続的に固化され、空孔部結晶は種結晶６
２と同じ結晶方位を有することになる。

【００５６】本例の結果、内径０．０３ｍｍの空孔部Ｄ
ＭＮＰ結晶をコアとし、外径１ｍｍのガラスをクラッド
とする光導波路構造を有し、かつガラスキャピラリの長
手方向がＤＭＮＰ結晶のｚ軸と垂直でかつｘ軸と２４度
になるような結晶方位を有する結晶光導波路が長さ６ｍ
ｍに亘って作製できた。

【００５７】本結晶方位は、波長１．３２μｍに対し、
第二高調波発生の位相整合条件を満たす方位であり、作
製した結晶光導波路を用いて、波長１．３２μｍの第二
高調波発生実験を行ったところ、波長変換効率０．１／
Ｗが得られた。バルク結晶では波長変換効率０．００１
／Ｗであるため、本例により約２桁の効率改善がなされ
た。

【００５８】また、クラッドとして、縦０．０３ｍｍ、
横２ｍｍの扁平な空孔部を有するガラス板を用いて、本
例と同様な方法でＤＭＮＰ結晶の作製を行ったところ、
縦０．０３ｍｍ、横２ｍｍのコア形状の一種のスラブ導
波路が作製できた。この場合の波長変換効率は０．０１
／Ｗで、ガラスキャピラリを用いた場合より低かった
が、これはコア面積がスラブ形状で大きいためである。
結果として、薄膜状の方位制御結晶光導波路が作製され
たわけで、この後の２次加工を施すことにより、３次元
光導波路を作製できる可能性を有するものである。従っ
て、本発明は、クラッドの形状に規定されるものではな
く、両端が開放された空孔部を備えていれば、クラッド
として適用できる。

【００５９】（第２の形態）図７は本発明の第２の実施
の形態を模式的に示すものである。ここでは、クラッド
として、外径１ｍｍ、内径０．０１ｍｍで、空孔部片端
にテーパ形状８１を有するガラスキャピラリ８２を用
い、結晶材料として、３，５−ジメチル−１−（４−ニ
トロフェニル）ピラゾール（ＤＭＮＰ）を用い、ガラス
キャピラリ８２の長手方向がＤＭＮＰ結晶のｚ軸と垂直
でかつｘ軸と２４度になるような結晶方位を有する種結
晶８３を用いる。

【００６０】種結晶８３は、支持棒８４及び種結晶押さ
え治具８５によりガラス板８６に保持される。ガラスキ
ャピラリ８２は、キャピラリ押さえ治具８７により、ガ
ラスキャピラリの空孔部を塞がないように、ガラス板８
６に保持される。

【００６１】また、第１のヒータ８８は結晶の融点以上
になるように加熱状態が設定され、第２のヒータ８９は
結晶の融点以下になるように設定される。本例では、Ｄ
ＭＮＰの融点が１０２度であるため、第１のヒータ８８
は１２０度に設定し、第２のヒータ８９は７０度に設定
している。

【００６２】第１の工程では、ガラスキャピラリ８２は
ほぼ第１のヒータ８８内に入っており、ＤＭＮＰの融点
以上の温度に加熱される。この際、種結晶８３は第２の
ヒータ８９内にあり、結晶状態を維持している。

【００６３】第２の工程では、種結晶８３はガラスキャ
ピラリ８２に接触し、種結晶８３の一部が溶融し、種結
晶融液９０の一部が毛細管現象によりテーパ部８１を通
ってガラスキャピラリ８２の空孔部に入り、空孔部内融
液９１となる。図７はこの時の状態を表している。

【００６４】第３の工程では、ワイヤー９２により、保
持されているガラスキャピラリ８２及び種結晶８３ご
と、ガラス板８６が第２のヒータ８９方向に移動され
る。移動速度は、本例では４ｍｍ／ｓである。この結
果、種結晶融液９０及び空孔部内融液９１は、種結晶か
ら空孔部へと連続的に固化され、空孔部結晶は種結晶８
３と同じ結晶方位を有することになる。

【００６５】本例の結果、内径０．０１ｍｍの空孔部Ｄ
ＭＮＰ結晶をコアとし、外径１ｍｍのガラスをクラッド
とする光導波路構造を有し、かつガラスキャピラリの長
手方向がＤＭＮＰ結晶のｚ軸と垂直でかつｘ軸と２４度
になるような結晶方位を有する結晶光導波路が長さ８ｍ
ｍに亘って作製できた。

【００６６】この際、ガラスキャピラリ８２の空孔部片
端にテーパ構造８１を有することにより、種結晶８３か
ら空孔部への結晶固化の連続性がよりスムーズになり、
移動速度をテーパ形状がない場合に比して、一般に速く
することができる。

【００６７】本結晶方位は、波長１．３２μｍに対し、
第二高調波発生の位相整合条件を満たす方位であり、作
製した結晶光導波路を用いて、波長１．３２μｍの第二
高調波発生実験を行ったところ、波長変換効率１．０／
Ｗが得られた。バルク結晶では波長変換効率０．００１
／Ｗであるため、本例により約３桁の効率改善がなされ
た。

【００６８】（第３の形態）図８は本発明の第３の実施
の形態を模式的に示すものである。ここでは、クラッド
として、外径１ｍｍ、内径０．０１ｍｍで、空孔部片端
にテーパ形状１０１を有するガラスキャピラリ１０２を
用い、結晶材料として、２−アダマンチルアミノ５−ニ
トロピリジン（ＡＡＮＰ）を用い、ガラスキャピラリ１
０２の長手方向がＡＡＮＰ結晶のｃ軸と垂直でかつｂ軸
と３０度になるような結晶方位を有する種結晶１０３を
用いる。

【００６９】種結晶１０３は、支持棒１０４及び種結晶
押さえ治具１０５によりガラス板１０６に保持される。
ガラスキャピラリ１０２は、キャピラリ押さえ治具１０
７により、ガラスキャピラリの空孔部を塞がないよう
に、ガラス板１０６に保持される。

【００７０】また、第１のヒータ１０８は結晶の融点以
上になるように加熱状態が設定され、第２のヒータ１０
９は結晶の融点以下になるように設定される。また、第
１のヒータ１０８と第２のヒータ１０９との間に、第３
のヒータ１１０を設置しており、第１のヒータ１０８の
設定温度と第２のヒータ１０９の設定温度との中間の温
度に設定される。本例では、ＡＡＮＰの融点が１６８度
であるため、第１のヒータ１０８は１９０度に設定し、
第２のヒータ１０９は１００度に設定し、第３のヒータ
１１０は１５４度に設定している。

【００７１】第１の工程では、ガラスキャピラリ１０２
はほぼ第１のヒータ１０８内に入っており、ＡＡＮＰの
融点以上の温度に加熱される。この際、種結晶１０３は
第２のヒータ１０９内にあり、結晶状態を維持してい
る。

【００７２】第２の工程では、種結晶１０３はガラスキ
ャピラリ１０２に接触し、種結晶１０３の一部が溶融
し、種結晶融液１１１の一部が毛細管現象によりテーパ
部１０１を通ってガラスキャピラリ１０２の空孔部に入
り、空孔部内融液１１２となる。図８はこの時の状態を
表している。

【００７３】第３の工程では、ワイヤー１１３により、
保持されているガラスキャピラリ１０２及び種結晶１０
３ごと、ガラス板１０６が第２のヒータ１０９方向に移
動される。移動速度は、本例では４ｍｍ／ｓである。こ
の結果、種結晶融液１１１及び空孔部内融液１１２は、
種結晶から空孔部へと連続的に固化され、空孔部結晶は
種結晶１０３と同じ結晶方位を有することになる。

【００７４】本例の結果、内径０．０１ｍｍの空孔部Ａ
ＡＮＰ結晶をコアとし、外径１ｍｍのガラスをクラッド
とする光導波路構造を有し、かつガラスキャピラリの長
手方向がＡＡＮＰ結晶のｃ軸と垂直でかつｂ軸と３０度
になるような結晶方位を有する結晶光導波路が長さ８ｍ
ｍに亘って作製できた。

【００７５】この際、ガラスキャピラリ１０２の空孔部
片端にテーパ構造１０１を有することにより、種結晶１
０３から空孔部への結晶固化の連続性がよりスムーズに
なり、移動速度をテーパ形状がない場合に比して、一般
に速くすることができる。また、第３のヒータ１１０の
設置により、固化する近傍の温度勾配の制御をより精密
に行うことができ、結晶成長の歩留まりを向上できる。

【００７６】本結晶方位は、波長１．３２μｍに対し、
第二高調波発生の位相整合条件を満たす方位であり、作
製した結晶光導波路を用いて、波長１．３２μｍの第二
高調波発生実験を行ったところ、波長変換効率１．８／
Ｗが得られた。バルク結晶では波長変換効率０．００１
／Ｗであるため、本例により約３桁の効率改善がなされ
た。

【００７７】（第４の形態）図９は本発明の第４の実施
の形態を模式的に示すものである。ここでは、クラッド
として、外径１ｍｍ、内径０．０１ｍｍで、空孔部片端
にテーパ形状１２１を有するガラスキャピラリ１２２を
用い、結晶材料として、２−アダマンチルアミノ５−ニ
トロピリジン（ＡＡＮＰ）を用い、ガラスキャピラリ１
２２の長手方向がＡＡＮＰ結晶のｃ軸と垂直でかつｂ軸
と３０度になるような結晶方位を有する種結晶１２３を
用いる。

【００７８】図９(a)に示すように、種結晶１２３は、
ガラス直管１２４内に支持棒１２５により上方から保持
される。ガラスキャピラリ１２２は、ガラス直管１２４
内に支持棒１２６により、ガラスキャピラリの空孔部を
塞がないように、下方から保持される。

【００７９】また、ヒータ１２７は結晶の融点以上にな
るように加熱状態が設定される。また、ガラス直管１２
４のヒータ１２７上方の近傍部分は、赤外光である炭酸
ガスレーザ光１２８により加熱される。

【００８０】図９(a)に示すように、種結晶１２３を上
方からガラスキャピラリ１２２に接近させると、ガラス
キャピラリ１２２に接触する前に、炭酸ガスレーザ光１
２８により加熱されたガラス直管１２４からの輻射によ
り加熱され、種結晶１２３の先端部が溶融し、溶融部１
２９を形成する。この状態で、図９(b)に示すように、
溶融部１２９をガラスキャピラリ１２２の空孔部片端の
テーパ部１２１に接触させると、種結晶融液１２９の一
部が毛細管現象によりテーパ部１２１を通ってガラスキ
ャピラリ１２２の空孔部に入り、空孔部内融液１３０と
なる。

【００８１】この後、ガラスキャピラリ１２２及び種結
晶１２３は同一の速度で上方に移動される。移動速度
は、本例では４ｍｍ／ｓである。この結果、種結晶融液
１２９及び空孔部内融液１３０は、種結晶から空孔部へ
と連続的に固化され、空孔部結晶は種結晶１２３と同じ
結晶方位を有することになる。

【００８２】本例の結果、内径０．０１ｍｍの空孔部Ａ
ＡＮＰ結晶をコアとし、外径１ｍｍのガラスをクラッド
とする光導波路構造を有し、かつガラスキャピラリの長
手方向がＡＡＮＰ結晶のｃ軸と垂直でかつｂ軸と３０度
になるような結晶方位を有する結晶光導波路が長さ８ｍ
ｍに亘って作製できた。

【００８３】この際、ヒータに加えて赤外光を利用した
加熱を行うことにより、微小な領域での温度制御が可能
になり、結晶成長の歩留まりを向上できる。

【００８４】本結晶方位は、波長１．３２μｍに対し、
第二高調波発生の位相整合条件を満たす方位であり、作
製した結晶光導波路を用いて、波長１．３２μｍの第二
高調波発生実験を行ったところ、波長変換効率１．８／
Ｗが得られた。バルク結晶では波長変換効率０．００２
／Ｗであるため、本例により約３桁の効率改善がなされ
た。

【００８５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光導波路構造を有し、かつ所望の結晶方位を有する、極
めて効率の良い二次非線形光学素子を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の製造方法の一例を示す工程図

【図２】従来の製造方法の他の例を示す工程図

【図３】従来の製造方法のさらに他の例を示す工程図

【図４】本発明の第１の製造方法の概略を示す工程図

【図５】本発明の第２の製造方法の概略を示す工程図

【図６】本発明の第１の実施の形態を示す模式図

【図７】本発明の第２の実施の形態を示す模式図

【図８】本発明の第３の実施の形態を示す模式図

【図９】本発明の第４の実施の形態を示す模式図

【符号の説明】

４１，５１：空孔部、４２，５２：クラッド、４３，５
３：加熱装置、４４，５４，６２，８３，１０３，１２
３：種結晶、４５，５５，６９，９０，１１１，１２
９：種結晶の融液、４６，５６，７０，９１，１１２，
１３０：空孔部内融液、４７，５７：空孔部内結晶、６
１，８２，１０２，１２２：ガラスキャピラリ、６３，
８４，１０４，１２５，１２６：支持棒、６４，８５，
１０５：種結晶押さえ治具、６５，８６，１０６：ガラ
ス板、６６，８７，１０７：キャピラリ押さえ治具、６
７，８８，１０８：第１のヒータ、６８，８９，１０
９：第２のヒータ、７１，９２，１１３：ワイヤー、８
１，１０１，１２１：テーパ部、１１０：第３のヒー
タ、１２４：ガラス直管、１２７：ヒータ、１２８：炭
酸ガスレーザ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二次の非線形光学効果を有する光学結晶
   をコアとし、該コアの周囲をクラッドで囲んだ光導波路
   構造を備えた非線形光学素子において、 前記光学結晶の自然成長方位以外の所望の結晶方位が、
   前記光導波路構造における光の導波方向に一致している
   ことを特徴とする非線形光学素子。
2. 【請求項２】 ＤＭＮＰからなる二次の非線形光学効果
   を有する光学結晶をコアとし、該コアの周囲をクラッド
   で囲んだ光導波路構造を備えた非線形光学素子におい
   て、 前記光学結晶のｘ軸以外の所望の結晶方位が、前記光導
   波路構造における光の導波方向に一致していることを特
   徴とする非線形光学素子。
3. 【請求項３】 ＡＡＮＰからなる二次の非線形光学効果
   を有する光学結晶をコアとし、該コアの周囲をクラッド
   で囲んだ光導波路構造を備えた非線形光学素子におい
   て、 前記光学結晶のｃ軸以外の所望の結晶方位が、前記光導
   波路構造における光の導波方向に一致していることを特
   徴とする非線形光学素子。
4. 【請求項４】 二次の非線形光学効果を有する光学結晶
   より融点が高い材料からなる中空体を前記光学結晶の融
   点以上に加熱する第１の工程と、 前記中空体に前記光学結晶からなる種結晶を、該中空体
   の中空部が形成されている方向に種結晶の所望の結晶方
   位を一致させながら接触させるとともに、該種結晶の中
   空体に接触させた部分及びその近傍を融解する第２の工
   程と、 前記中空体の中空部内を毛細管現象により前記融解した
   種結晶の一部で満たす第３の工程と、 前記融解した種結晶をその固液界面から順次冷却し結晶
   化することにより、前記中空体の中空部内に所望の結晶
   方位を備えた光学結晶を形成する第４の工程とからなる
   ことを特徴とする非線形光学素子の製造方法。
5. 【請求項５】 種結晶が接触する一端に向かって広がる
   テーパ状の中空部を有する中空体を使用したことを特徴
   とする請求項４記載の非線形光学素子の製造方法。