WO2019208582A1 - 波長変換光デバイス及び波長変換光デバイスの製造方法 - Google Patents

波長変換光デバイス及び波長変換光デバイスの製造方法 Download PDF

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    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/09—Materials and properties inorganic glass

Definitions

  • One aspect of the present disclosure relates to a wavelength conversion optical device and a method for manufacturing the wavelength conversion optical device.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2018-085055 dated Apr. 26, 2018, and incorporates all the content described in the above Japanese application.
  • Materials used for optical devices utilizing second-order nonlinear optical phenomena include LiNbO 3 (LN) crystals, KTiOPO 4 (KTP) crystals, LiB 3 O 5 (LBO) crystals, or ⁇ -BaB 2 O 4 (BBO).
  • Ferroelectric optical crystals such as crystals are the mainstream.
  • Optical devices using these crystals have been developed in a wide range of application fields based on wavelength conversion. For example, in the laser processing field, an optical device using these crystals is used for shortening the wavelength by second harmonic generation (SHG) of an optical fiber laser.
  • SHG second harmonic generation
  • selective processing can be performed by utilizing the absorption wavelength dependency of the material, and the beam spot diameter can be reduced, thereby enabling fine processing.
  • optical devices using these crystals perform batch multiple conversion from C-band WDM signals to L-bands. It is used as a wavelength conversion device.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • terahertz spectroscopy capable of observing intermolecular vibrations caused by hydrogen bonds or the like has attracted attention.
  • Optical devices using these crystals are used as light sources that generate terahertz light.
  • wavelength conversion methods can be classified into angular phase matching and quasi phase matching (QPM) by periodic polarization reversal.
  • QPM quasi phase matching
  • quasi-phase matching enables generation of various phase matching wavelengths by appropriately designing the periodical polarization inversion width (poling pitch), and enables wavelength conversion in all the transparent regions of the material.
  • the quasi phase matching does not have a walk-off angle due to angle phase matching, the beam quality is good and the interaction length can be increased.
  • the quasi phase matching is suitable for high efficiency and suppression of coupling loss, and is an effective method in processing and measurement.
  • a wavelength conversion optical device has a virtual plane including a virtual axis, and a first area and a second area facing each other across the virtual plane, and are arranged alternately on the virtual axis.
  • the first crystal region and a substrate including a plurality of second crystal regions are provided, and each of the plurality of first crystal regions is located on the first region and sandwiches a first surface parallel to the virtual plane.
  • a pair of portions arranged in a direction intersecting the second surface across a second surface that is positioned and parallel to the virtual plane, and the direction of spontaneous polarization of each of the pair of portions is away from the second surface is there.
  • the method for manufacturing a wavelength conversion optical device absorbs a substrate with respect to a substrate having a virtual plane including a virtual axis and a first region and a second region facing each other across the virtual plane.
  • a laser beam having a wavelength included in the wavelength band which is irradiated with a laser beam having a light intensity distribution that gradually decreases as the distance from the plane including the central axis of the laser beam decreases, and is in the first region and parallel to the virtual plane
  • a plurality of first crystals each including a pair of portions arranged in a direction intersecting with the first surface across the first surface, wherein the direction of spontaneous polarization of each of the pair of portions is away from the first surface
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a wavelength conversion optical device 1A according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is an enlarged view showing the crystal region 10A.
  • FIG. 3 is an enlarged view showing the crystal region 10B.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method for manufacturing the wavelength conversion optical device 1A.
  • FIG. 5 is a diagram showing a plurality of center planes P1 and a plurality of center planes P2.
  • FIG. 6A is a diagram showing a light intensity distribution of the laser light used in step S5.
  • FIG. 6B is a diagram showing a light intensity distribution of the laser light used in step S5.
  • FIG. 6C is a diagram showing a light intensity distribution of the laser light used in step S5.
  • FIG. 6D is a diagram showing a light intensity distribution of the laser light used in step S5.
  • FIG. 7 is a graph showing a temperature change of the substrate 2 and an annular crystal region 100 formed thereby.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a wavelength conversion optical device 1B according to a first modification of the above embodiment, and a graph showing an electric field distribution that can be effectively converted in wavelength in the wavelength conversion regions B1 and B2.
  • FIG. 9A is a plan view showing a configuration of a wavelength conversion optical device 1C according to a second modification.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line XIIIb-XIIIb in FIG. 9A.
  • 9C is a cross-sectional view taken along line XIIIc-XIIIc in FIG. 9A.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing one step of the method of manufacturing the wavelength conversion optical device according to the third modification.
  • Patent Document 1 describes a method of forming a polarization ordered structure defined by a polarization direction by irradiating a laser with an electric field applied.
  • the polarization order structure for realizing the quasi-phase matching is fine, and the interval between the polarization order structures adjacent to each other is extremely short. Accordingly, since the distance between the positive electrode and the negative electrode for applying the electric field is narrowed, when a high voltage is applied, the manufacturing process may be complicated in order to avoid dielectric breakdown.
  • the present disclosure aims to provide a wavelength conversion optical device capable of forming a polarization ordered structure for realizing quasi phase matching by a simple method, and a method for manufacturing the wavelength conversion optical device.
  • a wavelength conversion optical device has a virtual plane including a virtual axis, and a first area and a second area facing each other across the virtual plane, and are arranged alternately on the virtual axis.
  • the first crystal region and a substrate including a plurality of second crystal regions are provided, and each of the plurality of first crystal regions is located on the first region and sandwiches a first surface parallel to the virtual plane.
  • each of the plurality of second crystal regions is formed in the second region.
  • a pair of portions arranged in a direction intersecting the second surface across a second surface that is positioned and parallel to the virtual plane, and the direction of spontaneous polarization of each of the pair of portions is away from the second surface is there.
  • one part of the plurality of first crystal regions and one part of the plurality of second crystal regions are alternately arranged on the virtual axis.
  • the direction of spontaneous polarization in the portion of the first crystal region is a direction away from the first surface located in one of the first region and the second region (hereinafter collectively referred to as “a pair of regions”). It is.
  • the direction of spontaneous polarization in the portion of the second crystal region is a direction away from the second surface located in the other region of the pair of regions.
  • the first and second surfaces extend along a virtual plane. Therefore, on the virtual axis, polarization orientations that intersect the virtual axis and are opposite to each other appear alternately.
  • each crystal region of this wavelength conversion optical device can be easily formed by irradiating the substrate with laser light having a wavelength included in the absorption wavelength of the substrate. That is, according to this wavelength conversion optical device, a polarization ordered structure for realizing quasi phase matching can be formed by a simple method.
  • the method for manufacturing a wavelength conversion optical device absorbs a substrate with respect to a substrate having a virtual plane including a virtual axis and a first region and a second region facing each other across the virtual plane.
  • a laser beam having a wavelength included in the wavelength band which is irradiated with a laser beam having a light intensity distribution that gradually decreases as the distance from the plane including the central axis of the laser beam decreases, and is in the first region and parallel to the virtual plane
  • a plurality of first crystals each including a pair of portions arranged in a direction intersecting with the first surface across the first surface, wherein the direction of spontaneous polarization of each of the pair of portions is away from the first surface
  • one part of the plurality of first crystal regions and one part of the plurality of second crystal regions are alternately arranged on the virtual axis.
  • the direction of spontaneous polarization in the portion of the first crystal region is a direction away from the first surface located in one of the pair of regions.
  • the direction of spontaneous polarization in the portion of the second crystal region is a direction away from the second surface located in the other region of the pair of regions.
  • the first and second surfaces extend along a virtual plane. Therefore, on the virtual axis, polarization orientations that intersect the virtual axis and are opposite to each other appear alternately. Therefore, quasi-phase matching by periodic polarization inversion can be performed on the light propagating on the virtual axis.
  • each crystal region is formed by irradiating the substrate with laser light having a wavelength included in the absorption wavelength of the substrate.
  • the substrate is irradiated with laser light having a light intensity distribution that gradually decreases with distance from the plane along the central axis of the laser light.
  • the direction of spontaneous polarization of each crystal region can be easily set to be away from the first and second surfaces. That is, according to this method for manufacturing a wavelength conversion optical device, a polarization ordered structure for realizing quasi phase matching can be formed by a simple method.
  • the wavelength conversion optical device described above may have a channel optical waveguide structure on the substrate with the virtual axis as the optical axis.
  • the manufacturing method described above may further include a step of forming a channel optical waveguide structure having the virtual axis as an optical axis on the substrate before or after the first step and the second step.
  • the channel optical waveguide structure may be formed by a dicing saw or dry etching.
  • a channel optical waveguide structure can be easily formed on a crystalline or amorphous substrate.
  • the substrate is made of a Fresnoite crystal (specific examples; Sr 2 TiSi 2 O 8 , Ba 2 TiGe 2 O 8 ), BaO—TiO 2 —GeO 2 —SiO 2 glass, and SrO—TiO 2 —SiO 2 glass. At least one may be included.
  • the above-described polarization ordered structure can be easily formed by laser light irradiation.
  • the substrate includes at least one of BaO—TiO 2 —GeO 2 —SiO 2 glass and SrO—TiO 2 —SiO 2 glass, and any of lanthanoids, actinides, groups 4 to 12 A metal included in the group may be included as an additive. Thereby, absorption of the laser beam in a board
  • substrate can be improved and the polarization ordered structure mentioned above can be formed still more efficiently.
  • a CO 2 laser, a Yb-doped fiber laser, or a Ti: S laser may be used as the light source of the laser light.
  • a laser beam obtained by wavelength-converting light output from a CO 2 laser, a Yb-doped fiber laser, or a Ti: S laser may be used.
  • a light absorbing material may be disposed on the surface of the substrate and irradiated with laser light.
  • the light absorbing material may be a carbon paste.
  • the light absorption material which absorbs a laser beam efficiently can be arrange
  • the laser light may be irradiated through an optical component that converts the light intensity distribution of the laser light into a light intensity distribution that gradually decreases as the distance from the plane including the central axis of the laser light increases.
  • the optical component is, for example, a diffractive optical element or an aspheric lens.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a wavelength conversion optical device 1A according to an embodiment of the present disclosure, and illustrates a cross section of the wavelength conversion optical device 1A along the optical waveguide direction D1.
  • the wavelength conversion optical device 1 ⁇ / b> A of the present embodiment includes a crystalline or amorphous substrate 2.
  • the substrate 2 is a substrate having a flat plate surface, and has a pair of end surfaces 2a and 2b facing each other in the optical waveguide direction D1.
  • the plate surface of the substrate 2 is parallel to the paper surface.
  • the end faces 2a and 2b are orthogonal to the optical waveguide direction D1 and are parallel to each other.
  • the substrate 2 has a property of transmitting at least light having a predetermined wavelength.
  • the predetermined wavelength is, for example, a wavelength within a range of 400 nm to 2100 nm, or 9 ⁇ m to 11 ⁇ m.
  • the constituent material of the substrate 2 includes, for example, at least one of a Fresnoite crystal, BaO—TiO 2 —GeO 2 —SiO 2 glass, and SrO—TiO 2 —SiO 2 glass.
  • the substrate 2 includes a plurality of crystal regions 10A (first crystal regions) having a substantially rectangular planar shape and a plurality of crystal regions 10B (second crystal regions) having a substantially rectangular planar shape.
  • FIG. 2 is an enlarged view showing the crystal region 10A.
  • FIG. 3 is an enlarged view showing the crystal region 10B.
  • the crystal regions 10A and 10B are regions having a certain predetermined polarization order structure.
  • a polarization-ordered structure refers to a structure in which spontaneous polarization is oriented in a certain manner.
  • each crystal region 10A includes a pair of portions F1 and F2 arranged in a direction intersecting with the central plane P1 with a certain central plane P1 (first surface) interposed therebetween.
  • the center plane P1 extends along the optical waveguide direction D1 and the depth direction of the substrate 2, and the portions F1 and F2 are arranged along the direction D2.
  • the direction D2 is a direction along the plate surface of the substrate 2 and intersecting the optical waveguide direction D1.
  • the direction D2 may be orthogonal to the optical waveguide direction D1.
  • each crystal region 10A is divided into a pair of portions F1 and F2 by the center plane P1.
  • each one end of the portions F1 and F2 in the direction D2 is in contact with the center plane P1, and each other end of the portions F1 and F2 in the direction D2 constitutes one end and the other end of the crystal region 10A in the same direction.
  • the spontaneous polarization A1 extends in a direction intersecting with the central plane P1 with the central plane P1 as a starting point.
  • the direction of the spontaneous polarization A1 is a direction away from the center plane P1. That is, the spontaneous polarization A1 included in the portion F1 and the spontaneous polarization A1 included in the portion F2 are opposite to each other.
  • the spontaneous polarization A1 included in the portion F1 is directed from one end of the portion F1 on the center plane P1 side to the other end of the portion F1.
  • the spontaneous polarization A1 included in the portion F2 is directed from one end of the portion F2 on the center plane P1 side to the other end of the portion F2.
  • each crystal region 10B includes a pair of portions F3 and F4 arranged in a direction intersecting with the central plane P2 with a certain central plane P2 (second plane) interposed therebetween.
  • the center plane P2 extends along the optical waveguide direction D1 and the depth direction of the substrate 2, and the portions F3 and F4 are arranged along the direction D2.
  • each crystal region 10B is divided into a pair of portions F3 and F4 by the center plane P2.
  • One ends of the portions F3 and F4 in the direction D2 are in contact with the center plane P2, and the other ends of the portions F3 and F4 in the direction D2 constitute one end and the other end of the crystal region 10B in the same direction.
  • the spontaneous polarization A2 extends in the direction intersecting the central plane P2 with the central plane P2 as a starting point.
  • the direction of the spontaneous polarization A2 is a direction away from the center plane P2. That is, the spontaneous polarization A2 included in the portion F3 and the spontaneous polarization A2 included in the portion F4 are opposite to each other.
  • the spontaneous polarization A2 included in the portion F3 is directed from one end of the portion F3 on the center plane P2 side to the other end of the portion F3.
  • the spontaneous polarization A2 included in the portion F4 is directed from one end of the portion F4 on the center plane P2 side to the other end of the portion F4.
  • the polarization order structure in the crystal regions 10A and 10B is formed by irradiating the substrate 2 with laser light in the infrared region.
  • the substrate 2 includes at least one of BaO—TiO 2 —GeO 2 —SiO 2 glass and SrO—TiO 2 —SiO 2 glass
  • the substrate 2 enhances absorption of laser light having a specific wavelength in the infrared region. Therefore, a lanthanoid-based, actinoid-based, and a metal included in any one of groups 4 to 12 may be included as an additive.
  • the lanthanoid or actinoid metal include Yb, Tm, and Er.
  • the Group 4 to Group 12 metals include Ti, Cr, and Zn.
  • the virtual axis AX is an axis extending along the optical waveguide direction D1.
  • the substrate 2 has a pair of regions 2c and 2d that sandwich the virtual plane PA.
  • the center planes P1 of the plurality of crystal regions 10A are located in one of the regions 2c, and are arranged in a line at equal intervals along the virtual plane PA.
  • the center planes P2 of the plurality of crystal regions 10B are located in the other region 2d and are arranged in a line at equal intervals along the virtual plane PA.
  • each center plane P1 is included in one plane that exists in the region 2c and extends along the virtual plane PA, and each center plane P2 exists in the region 2d and extends along the virtual plane PA. Included in the plane. In one example, these planes are parallel to the virtual plane PA. The distances between the plurality of center planes P1 and the virtual plane PA are equal, and the distances between the plurality of center planes P2 and the virtual plane PA are equal. Further, the distance between the center plane P1 and the virtual plane PA is equal to the distance between the center plane P2 and the virtual plane PA.
  • the center plane P1 of the plurality of crystal regions 10A and the center plane P2 of the plurality of crystal regions 10B are alternately arranged in the extending direction of the virtual axis AX (that is, the optical waveguide direction D1).
  • the center plane P1 and the center plane P2 are alternately arranged.
  • the end portions of the center planes P1 and P2 adjacent to each other when viewed from the direction D2 may overlap each other or may be separated from each other.
  • the positions of the ends of the adjacent central planes P1, P2 are substantially the same.
  • each crystal region 10A protrudes to the region 2d side across the virtual plane PA. That is, the portion F2 of each crystal region 10A overlaps the virtual plane PA.
  • the portion F3 (see FIG. 3) of each crystal region 10B protrudes to the region 2c side across the virtual plane PA. That is, the portion F3 of each crystal region 10B overlaps the virtual plane PA. Accordingly, the portions F2 of the plurality of crystal regions 10A and the portions F3 of the plurality of crystal regions 10B are alternately arranged on the virtual axis AX.
  • the wavelength conversion region B1 is formed inside the substrate 2.
  • the wavelength conversion region B1 is an optical waveguide that extends along the optical waveguide direction D1 with the virtual axis AX as an optical axis.
  • One end B1a of the wavelength conversion region B1 reaches the end surface 2a of the substrate 2, and the other end B1b of the wavelength conversion region B1 reaches the end surface 2b of the substrate 2.
  • the light having a predetermined wavelength incident from one end B1a propagates through the wavelength conversion region B1 and is emitted from the other end B1b.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of the manufacturing method.
  • the raw materials of the substrate 2 in the case of SrO—TiO 2 —SiO 2 glass, Sr 2 CO 3 , TiO 2 , and SiO 2 ) are weighed and mixed together (step S1). If necessary, the above-described metal that enhances the absorption of laser light may be added to the raw material of the substrate 2 to be mixed.
  • the mixed raw materials are heated and melted, poured into a flat plate mold, and cooled to form, thereby forming the substrate 2 (step S2).
  • the melting temperature is, for example, 1500 ° C., and the melting time is, for example, 1 hour.
  • a heat treatment is performed on the substrate 2 (step S3).
  • the heat treatment temperature is, for example, 760 ° C., and the heat treatment time is, for example, 1 hour.
  • both plate surfaces (front surface and back surface) of the substrate 2 are mirror-polished (step S4).
  • a plurality of crystal regions 10 ⁇ / b> A and a plurality of crystal regions 10 ⁇ / b> B are formed on the substrate 2 by irradiating the plate surface of the substrate 2 with laser light having a wavelength included in the absorption wavelength of the substrate 2.
  • a plurality of center planes P ⁇ b> 1 and a plurality of center planes P ⁇ b> 2 are set on the substrate 2.
  • laser light is sequentially applied to the central planes P1 and P2 (step S5).
  • the wavelength of the laser light is an arbitrary wavelength included in the absorption wavelength band (for example, far infrared region) of the material constituting the substrate 2.
  • the power density is increased by condensing with a condensing lens as necessary so that the temperature of the region heated locally by the absorbed energy becomes 800 ° C. or higher.
  • a laser light source for example, a CO 2 laser capable of outputting high-intensity far infrared light is used.
  • the transmittance of far-infrared light (for example, 10.2 ⁇ m band of CO 2 laser) is about several percent. Therefore, it is possible to favorably form the crystal regions 10A and 10B by causing the substrate 2 to absorb a large amount of laser light.
  • a Yb-doped fiber laser is used.
  • the wavelength of the laser light is shortened and the focal length of the condenser lens is shortened.
  • a titanium sapphire laser Ti: S laser
  • the focal length of the condenser lens is, for example, 100 mm or less.
  • light obtained by wavelength conversion of light output from a CO 2 laser, Yb-doped fiber laser, or Ti: S laser (second harmonic or higher-order wavelength converted light) may be used.
  • the spot diameter of the laser beam can be reduced to about 10 ⁇ m or less.
  • the period ⁇ can be reduced to about 10 ⁇ m or less, it is possible to shorten the wavelength of the second harmonic and to broaden the wavelength conversion by incorporating various periodic structures.
  • FIG. 6A, 6B, and 6C are diagrams showing the light intensity distribution of the laser light used in step S5.
  • FIG. 6A shows the light intensity distribution in a cross section perpendicular to the optical axis of the laser light by color shading. The darker the color, the larger the light intensity, and the lighter the light intensity, the smaller the light intensity.
  • O in the figure is the central axis (optical axis) of the laser beam.
  • FIG. 6B is a graph showing the light intensity distribution on the straight line H1 intersecting the central axis O and along the optical waveguide direction D1
  • FIG. 6C is the light intensity distribution on the straight line H2 intersecting the central axis O and along the direction D2. It is a graph which shows. 6B and 6C, the vertical axis represents the light intensity.
  • the horizontal axis in FIG. 6B represents the position in the optical waveguide direction D1
  • the horizontal axis in FIG. 6C represents the position in the direction D2.
  • step S5 the light gradually decreases as it moves away from the reference plane PB (for example, the plane including the center axis O and the straight line H1) along the center axis O of the laser light.
  • the substrate 2 is irradiated with laser light having an intensity distribution.
  • the distribution that gradually decreases as the distance from the reference plane PB increases, in a cross section perpendicular to the reference plane PB, a single peak having the reference plane PB as a peak in the bias light (E1 portion in the figure). This is a light intensity distribution to which a peak distribution (E2 portion in the figure) is added.
  • the slope of this unimodal distribution is more gradual than the slope of the Gaussian distribution with the same peak intensity shown in FIG. 6D.
  • the light intensity on the reference plane PB is constant within a predetermined range, and the light intensity distribution on the straight line H1 has a top hat shape.
  • the reference plane PB is made coincident with the center plane P1
  • the reference plane PB is made coincident with the center plane P2.
  • the shape of the laser beam in a cross section perpendicular to the central axis O is substantially rectangular or substantially square as shown in FIG. 6A.
  • an optical component for converting the light intensity distribution of the laser light output from the light source described above into a light intensity distribution that gradually decreases as the distance from the reference plane PB may be used.
  • an optical component include a diffractive optical element (Diffractive Optical Element: DOE) or an aspherical lens.
  • the crystal region 10B (see FIG. 3) in which the direction of the spontaneous polarization A2 of each of the pair of portions F3 and F4 is away from the center plane P2 can be easily formed.
  • the reason will be described in detail.
  • FIG. 7 shows a laser beam having a distribution (for example, a symmetric Gaussian distribution around the optical axis) having a light intensity that is the largest on the optical axis and gradually decreases from the optical axis in the radial direction.
  • FIG. 2 is a graph showing a temperature change of a substrate 2 when irradiated to 2 and an annular crystal region 100 formed thereby.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 7 represents the radial position, and the optical axis is the origin. Further, the vertical axis of the graph shown in FIG. 7 represents temperature.
  • T1 is a crystal nucleation threshold
  • T2 is a crystal growth threshold
  • T3 is a damage (melting) threshold.
  • T1 ⁇ T2 ⁇ T3 is established.
  • the temperature distribution in the irradiation region is the highest on the optical axis and gradually lowers as the distance from the optical axis increases in the radial direction. Distribution.
  • the crystal nucleation threshold T1 only the center temperature of the irradiation region has reached the crystal nucleation threshold T1
  • the temperature other than the center has not reached the crystal nucleation threshold T1
  • the crystal nuclei are only at the center of the irradiation region. Arise.
  • the orientation of spontaneous polarization is random.
  • the temperature distribution rises as a whole, and the center temperature of the irradiated region reaches the crystal growth threshold T2 as shown in the graph G2.
  • the crystal starts to grow from the crystal nucleus.
  • the crystal grows based on the spontaneous polarization orientation which was random.
  • the crystal nuclei growing toward the center of the irradiated region collide with each other and do not grow any more, and as a result, the orientation toward the outer periphery, which is the region where growth is possible, becomes dominant.
  • the final orientation of the spontaneous polarization A is mainly oriented away from the center of the irradiation region (that is, the optical axis) along the radial direction.
  • the laser irradiation is repeated continuously or intermittently, and when the temperature near the center of the irradiation region exceeds the damage threshold T3 as shown in the graph G3, the substrate 2 near the center is melted. Therefore, a perforation (processing mark) 101 is generated at the center of the crystal region.
  • an annular crystal region 100 in which spontaneous polarization A is radially oriented is formed.
  • the orientation of the spontaneous polarization occurring in the crystal region follows the inclination direction of the light intensity distribution of the laser light.
  • the laser light applied to the substrate 2 in step S5 has a light intensity distribution that gradually decreases as the distance from the reference plane PB increases.
  • the orientation of the spontaneous polarization is mainly away from the reference plane PB. That is, when the substrate 2 is irradiated with this laser light, first, crystal nuclei are generated in the reference plane PB and its vicinity. Thereafter, when the laser light irradiation is continuously or intermittently repeated, the crystal starts to grow from the crystal nucleus in the reference plane PB and its vicinity.
  • the width W1 of the crystal regions 10A and 10B on the straight line H2 is the width of the laser light that is equal to or greater than the light intensity corresponding to the crystal growth threshold T2 in the direction D2. It substantially coincides with L1 (see FIG. 6C).
  • the unimodal distribution (E2 portion in the figure) exists between the light intensity corresponding to the crystal growth threshold T2 and the light intensity corresponding to the damage threshold T3.
  • the above-described width L1 is much larger than the width L2 (see FIG. 6D) equal to or higher than the light intensity corresponding to the crystal growth threshold T2 in the Gaussian distribution.
  • the peak intensity of the laser light applied to the substrate 2 in step S5 is set higher than the crystal growth threshold T2 and lower than the damage threshold T3.
  • the perforation is suppressed from occurring in the center of the crystal regions 10A and 10B, it is possible to suppress the deterioration of the device performance due to the crack or the like caused by the perforation.
  • the substrate 2 is subjected to heat treatment (step S6).
  • the heat treatment temperature is, for example, 760 ° C.
  • the heat treatment time is, for example, 1 hour.
  • the portions F2 of the plurality of crystal regions 10A and the portions F3 of the plurality of crystal regions 10B are alternately arranged on the virtual axis AX.
  • the direction of the spontaneous polarization A1 in the portion F2 of the crystal region 10A is a direction away from the center plane P1 located in the region 2c.
  • the direction of the spontaneous polarization A2 in the portion F3 of the crystal region 10B is a direction away from the center plane P2 located in the region 2d.
  • the center planes P1 and P2 extend along a virtual plane PA including the virtual axis AX.
  • the conversion wavelength is controlled by the period ⁇ (see FIG. 1) of the crystal regions 10A and 10B.
  • the crystal regions 10A and 10B described above can be easily formed by irradiating the substrate 2 with laser light having a wavelength included in the absorption wavelength of the substrate 2. That is, according to this wavelength conversion optical device 1A, a polarization ordered structure for realizing quasi phase matching can be formed by a simple method.
  • the crystal regions 10A and 10B are formed by irradiating the substrate 2 with laser light having a wavelength included in the absorption wavelength of the substrate 2 (step S5).
  • the substrate 2 is irradiated with laser light having a light intensity distribution that gradually decreases with distance from the reference plane PB along the central axis O of the laser light.
  • the directions of the spontaneous polarizations A1 and A2 can be easily set away from the center planes P1 and P2. That is, according to the manufacturing method described above, a polarization ordered structure for realizing quasi phase matching can be formed by a simple method.
  • the direction of the spontaneous polarization A1 in the portion F2 of each crystal region 10A described above is aligned in the direction away from the center plane P1, and similarly, the direction of the spontaneous polarization A2 in the portion F3 of each crystal region 10B is from the center plane P2. It is aligned in the direction to leave. Therefore, it is easy to align the directions of the spontaneous polarizations A1 and A2 in a direction orthogonal to the light guiding direction (virtual axis AX). For example, compared to the case where the crystal regions 100 having the radial spontaneous polarization A shown in FIG. 7 are arranged, the quasi phase matching by the periodic polarization inversion can be performed efficiently.
  • the substrate 2 may include at least one of a Fresnoite crystal, a BaO—TiO 2 —GeO 2 —SiO 2 glass, and a SrO—TiO 2 —SiO 2 glass.
  • the above-described polarization ordered structure can be easily formed by laser light irradiation.
  • the substrate 2 includes at least one of BaO—TiO 2 —GeO 2 —SiO 2 glass and SrO—TiO 2 —SiO 2 glass, the lanthanoid, actinide, and groups 4 to 12 A metal included in any group may be included as an additive. Thereby, absorption of the laser beam in the board
  • a CO 2 laser, a Yb-doped fiber laser, or a Ti: S laser may be used as the laser light source.
  • a laser beam obtained by wavelength-converting light output from a CO 2 laser, a Yb-doped fiber laser, or a Ti: S laser may be used.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional view of a wavelength conversion optical device 1B according to a first modification of the embodiment.
  • the difference between this modification and the above embodiment is that a plurality of crystal regions 10A and 10B are arranged in a direction D2 intersecting the optical waveguide direction D1.
  • the wavelength conversion region B1 similar to that in the above embodiment can be formed by the crystal regions 10A and 10B located on both sides of a certain virtual plane PA.
  • crystal regions 10A and 10B located on both sides of one virtual plane PA1, crystal regions 10B and 10A located on both sides of a virtual plane PA2 adjacent to the virtual plane PA1, and the crystal region 10B are common to the virtual plane PA1.
  • the wavelength conversion region B2 can be formed.
  • the wavelength conversion region B2 is a region that includes two virtual axes AX1 and AX2 and extends along the optical waveguide direction D1.
  • the width in the direction D2 of the wavelength conversion region B2 may be the same as the period of the central planes P1 and P2 in the direction D2, or may be smaller than the period of the central planes P1 and P2 in the direction D2.
  • FIG. 8 further shows a graph of electric field distribution that can be effectively wavelength-converted in each of the wavelength conversion regions B1 and B2.
  • the horizontal axis of each graph in FIG. 8 indicates the electric field strength
  • the vertical axis of each graph in FIG. The axis indicates the position in direction D2.
  • the electric field intensity distribution is the LP01 mode (base mode).
  • the electric field strength distribution is LP11 mode. Even in such an electric field mode, wavelength conversion can be suitably performed.
  • the electric field intensity distribution is LP11 mode both before and after wavelength conversion.
  • FIG. 9A is a plan view showing a configuration of a wavelength conversion optical device 1C according to a second modification of the embodiment.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line XIIIb-XIIIb in FIG. 9A and shows a cross section of the crystal region 10A that intersects the virtual axis AX.
  • FIG. 9C is a cross-sectional view taken along line XIIIc-XIIIc in FIG. 9A and shows a cross section of the crystal region 10B intersecting with the virtual axis AX.
  • a wavelength conversion optical device 1 ⁇ / b> C according to the present modification includes a channel optical waveguide structure 21 having a virtual axis AX as an optical axis on the substrate 2.
  • the channel optical waveguide structure 21 has a pair of side surfaces 21a and 21b extending along the virtual axis AX.
  • one side surface 21a is located between the virtual plane PA and the central plane P1
  • the other side surface 21b is positioned between the virtual plane PA and the central plane P2. positioned.
  • the side surfaces 21a and 21b are easily formed by, for example, removing the portion of the substrate 2 located outside the channel optical waveguide structure 21 by dry etching before or after step S5 shown in FIG. obtain.
  • the relationship between the refractive index n1 of the crystallized region and the amorphous refractive index n2 is n1> n2. The light is confined also in the substrate depth direction of FIGS. 9B and 9C.
  • the wavelength conversion optical device may have a channel optical waveguide structure 21 with the virtual axis AX as the optical axis in the substrate 2.
  • the method for manufacturing a wavelength conversion optical device may further include a step of forming the channel optical waveguide structure 21 on the substrate 2. Thereby, the light propagation efficiency on virtual axis line AX (wavelength conversion area
  • a method for forming the channel optical waveguide structure on the substrate 2 For example, a method of cutting the substrate 2 with a dicing saw while leaving a portion that becomes a channel optical waveguide structure, a method of partially changing the refractive index by diffusing an additive such as Ge or Ti into the substrate 2, and the like. It is done.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing one step of the method of manufacturing the wavelength conversion optical device according to the third modification of the embodiment, and shows a cross section of the substrate 2 intersecting the optical waveguide direction D1.
  • the laser light La is irradiated in a state where the light absorbing material 31 is disposed on the surface of the substrate 2.
  • the light absorbing material 31 includes a material having an absorption band in a band including the wavelength of the laser light La.
  • Examples of the method for disposing the light absorbing material 31 on the surface of the substrate 2 include coating, sputtering, and vapor deposition.
  • the light absorbing material 31 is made of a material containing carbon, and in one example, is a carbon paste (a conductive paste in which carbon particles are added as a filler to a resin).
  • the absorption of the laser beam La in the substrate 2 can be increased, and the above-described polarization ordered structure can be formed more efficiently.
  • a carbon paste may be used as the light absorbing material 31.
  • the light absorbing material 31 that efficiently absorbs the laser light can be easily disposed on the substrate 2.
  • the carbon paste has a wide absorption band, light in a wavelength band oscillated by a fiber laser, a solid laser, or a semiconductor laser can be absorbed in addition to the CO 2 laser.
  • the carbon paste can be easily removed by washing or the like after laser beam irradiation.
  • the wavelength conversion optical device is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible.
  • the above-described embodiments and modifications may be combined with each other according to the necessary purpose and effect.
  • the Fresnoit type crystal, BaO—TiO 2 —GeO 2 —SiO 2 glass, and SrO—TiO 2 —SiO 2 glass are exemplified as the substrate material.
  • the substrates used in the present disclosure can be made of a variety of materials that are crystalline or amorphous and transparent to the desired wavelength.
  • the crystal regions 10 ⁇ / b> A and 10 ⁇ / b> B shown in the above-described embodiment do not have perforations due to melting of the substrate 2.
  • the first and second crystalline regions of the present disclosure may have perforations.
  • the center planes P1 and P2 of the crystal regions 10A and 10B have been described as examples of the first and second surfaces.
  • the positions of the first and second surfaces of the present disclosure are in the direction D2. May be off the center of each of the first and second crystal regions.
  • 1A, 1B, 1C ... wavelength conversion optical device 2 ... substrate, 2a, 2b ... end face, 2c, 2d ... region, 10A, 10B ... crystal region, 21 ... channel optical waveguide structure, 21a, 21b ... side surface, 31 ... light Absorber, A, A1, A2 ... spontaneous polarization, AX, AX1, AX2 ... virtual axis, B1, B2 ... wavelength conversion region, B1a ... one end, B1b ... other end, D1 ... optical waveguide direction, D2 ... direction, F1- F4 ... part, La ... laser light, O ... center axis, P1, P2 ... center plane, PA, PA1, PA2 ... virtual plane, PB ... reference plane, T1 ... crystal nucleation threshold, T2 ... crystal growth threshold, T3 ... Damage threshold, ⁇ ... period.

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Abstract

仮想軸線を含む仮想平面と、仮想平面を挟んで対向する第１領域及び第２領域と、を有し、仮想軸線上に交互に配置されている複数の第１の結晶領域及び複数の第２の結晶領域を含む基板を備え、複数の第１の結晶領域それぞれは、第１領域に位置し仮想平面に平行な第１の面を挟んで第１の面と交差する方向に並ぶ一対の部分を含んでおり、一対の部分それぞれの自発分極の向きは第１の面から離れる向きであり、複数の第２の結晶領域それぞれは、第２領域に位置し仮想平面に平行な第２の面を挟んで第２の面と交差する方向に並ぶ一対の部分を含んでおり、一対の部分それぞれの自発分極の向きは第２の面から離れる向きである。

Description

波長変換光デバイス及び波長変換光デバイスの製造方法
　本開示の一側面は、波長変換光デバイス及び波長変換光デバイスの製造方法に関するものである。
　本出願は、２０１８年４月２６日の日本出願第２０１８－０８５０５５号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
　２次非線形光学現象を利用する光デバイスに用いられる材料としては、ＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）結晶、ＫＴｉＯＰＯ4（ＫＴＰ）結晶、ＬｉＢ3Ｏ5（ＬＢＯ）結晶、或いはβ－ＢａＢ2Ｏ4（ＢＢＯ）結晶といった強誘電体光学結晶が主流である。これらの結晶を利用した光デバイスは、波長変換を基軸とした広範な応用分野に展開されている。例えばレーザ加工分野では、これらの結晶を利用した光デバイスは、光ファイバレーザの第二高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）による短波長化に用いられている。これらの結晶を利用した光デバイスでは、材料の吸収波長依存性を利用して選択的な加工ができること、及びビームスポット径を小さくできることから、微細な加工を可能とする。光通信分野では、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）光通信における波長資源の有効活用のために、これらの結晶を利用した光デバイスはＣバンドのＷＤＭ信号からＬバンドへの一括多重変換を行う波長変換デバイスとして用いられている。計測分野では、水素結合などに起因する分子間振動が観測できるテラヘルツ分光が着目されており、これらの結晶を利用した光デバイスは、そのテラヘルツ光を発生させる光源に使用されている。
　最近では、化合物半導体結晶であるＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、又はＺｎＯ等も、２次非線形光学現象を利用する光デバイスの材料として用いられている。これらの材料は、大きな２次の非線形光学定数を有することに加え、２次非線形光デバイスに不可欠な周期的空間反転構造の作製技術の著しい進歩により、２次非線形デバイスの材料として注目されている。
　波長変換の方式は、角度位相整合と、周期分極反転による擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）とに分類できる。これらのうち、擬似位相整合は、周期分極反転幅（poling pitch）を適切に設計することにより、様々な位相整合波長の生成を可能とし、材料の透明領域の全てにおいて波長変換を可能とする。また、擬似位相整合は、角度位相整合によるウォークオフ角が無いことから、ビーム品質が良好な上に、相互作用長の長尺化が可能である。擬似位相整合は、高効率化、及び結合損の抑制に適しており、加工及び計測等において有効な方式である。
国際公開第２０１７／１１０７９２号公報
　一実施形態に係る波長変換光デバイスは、仮想軸線を含む仮想平面と、仮想平面を挟んで対向する第１領域及び第２領域と、を有し、仮想軸線上に交互に配置されている複数の第１の結晶領域及び複数の第２の結晶領域を含む基板を備え、複数の第１の結晶領域それぞれは、第１領域に位置し仮想平面に平行な第１の面を挟んで第１の面と交差する方向に並ぶ一対の部分を含んでおり、一対の部分それぞれの自発分極の向きは第１の面から離れる向きであり、複数の第２の結晶領域それぞれは、第２領域に位置し仮想平面に平行な第２の面を挟んで第２の面と交差する方向に並ぶ一対の部分を含んでおり、一対の部分それぞれの自発分極の向きは第２の面から離れる向きである。
　また、一実施形態に係る波長変換光デバイスの製造方法は、仮想軸線を含む仮想平面と、仮想平面を挟んで対向する第１領域及び第２領域と、を有する基板に対して、基板の吸収波長帯域に含まれる波長のレーザ光であって、レーザ光の中心軸線を含む平面から離れるに従って次第に小さくなる光強度分布を有するレーザ光を照射して、第１領域にあり仮想平面と平行である第１の面を挟んで第１の面と交差する方向に並ぶ一対の部分をそれぞれ含んでおり一対の部分それぞれの自発分極の向きが第１の面から離れる向きである複数の第１の結晶領域を形成する第一工程と、基板に対して、レーザ光を照射して、第２領域にあり仮想平面と平行である第２の面を挟んで第２の面と交差する方向に並ぶ一対の部分をそれぞれ含んでおり一対の部分それぞれの自発分極の向きが第２の面から離れる向きである複数の第２の結晶領域を形成する第二工程と、を備え、複数の第１の結晶領域と、複数の第２の結晶領域とを、仮想軸線上に交互に形成する。
図１は、本開示の一実施形態に係る波長変換光デバイス１Ａの構造を示す断面図である。 図２は、結晶領域１０Ａを拡大して示す図である。 図３は、結晶領域１０Ｂを拡大して示す図である。 図４は、波長変換光デバイス１Ａの製造方法を示すフローチャートである。 図５は、複数の中心面Ｐ１及び複数の中心面Ｐ２を示す図である。 図６Ａは、工程Ｓ５において使用されるレーザ光の光強度分布を示す図である。 図６Ｂは、工程Ｓ５において使用されるレーザ光の光強度分布を示す図である。 図６Ｃは、工程Ｓ５において使用されるレーザ光の光強度分布を示す図である。 図６Ｄは、工程Ｓ５において使用されるレーザ光の光強度分布を示す図である。 図７は、基板２の温度変化に関するグラフ、及びそれにより形成される円環状の結晶領域１００を示す図である。 図８は、上記実施形態の第１変形例に係る波長変換光デバイス１Ｂの構成を示す断面図、及び波長変換領域Ｂ１及びＢ２で有効に波長変換できる電界分布を示すグラフである。 図９Ａは、第２変形例に係る波長変換光デバイス１Ｃの構成を示す平面図である。 図９Ｂは、図９ＡのXIIIb－XIIIb線に沿った断面図である。 図９Ｃは、図９ＡのXIIIc－XIIIc線に沿った断面図である。 図１０は、第３変形例に係る波長変換光デバイスの製造方法の一工程を示す断面図である。
［本開示が解決しようとする課題］
　擬似位相整合を行う波長変換光デバイスとして、ガラスの自在成形加工と波長変換を組み合わせたものが提案されている（例えば特許文献１を参照）。このような波長変換光デバイスの利点は、基板材料がガラスであることからファイバ形や薄膜形など様々な形状に加工することができ、その形状に波長変換機能を付与できる点である。特許文献１には、電界を印加した状態でレーザを照射することにより、分極方向で規定される分極秩序構造を形成する方法が記載されている。
　しかしながら、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造は微細であり、また、互いに隣り合う分極秩序構造同士の間隔も極めて短い。従って、電界を印加するための正電極と負電極との間隔が狭くなるので、高い電圧を印加した場合、絶縁破壊を避けるために製造工程が複雑化することがある。
　本開示は、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造を簡易な方法により形成することができる波長変換光デバイス、及び波長変換光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
［本開示の効果］
　本開示による波長変換光デバイス、及び波長変換光デバイスの製造方法によれば、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造を簡易な方法により形成することができる。
［実施形態の説明］
　最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る波長変換光デバイスは、仮想軸線を含む仮想平面と、仮想平面を挟んで対向する第１領域及び第２領域と、を有し、仮想軸線上に交互に配置されている複数の第１の結晶領域及び複数の第２の結晶領域を含む基板を備え、複数の第１の結晶領域それぞれは、第１領域に位置し仮想平面に平行な第１の面を挟んで第１の面と交差する方向に並ぶ一対の部分を含んでおり、一対の部分それぞれの自発分極の向きは第１の面から離れる向きであり、複数の第２の結晶領域それぞれは、第２領域に位置し仮想平面に平行な第２の面を挟んで第２の面と交差する方向に並ぶ一対の部分を含んでおり、一対の部分それぞれの自発分極の向きは第２の面から離れる向きである。
　この波長変換光デバイスでは、複数の第１の結晶領域の一方の部分と、複数の第２の結晶領域の一方の部分とが、仮想軸線上において交互に配置されている。第１の結晶領域の当該部分における自発分極の向きは、第１領域及び第２領域（以下では合わせて「一対の領域」と呼ぶ）のうち一方の領域に位置する第１の面から離れる向きである。また、第２の結晶領域の当該部分における自発分極の向きは、一対の領域のうち他方の領域に位置する第２の面から離れる向きである。更に、第１及び第２の面は仮想平面に沿って延びている。従って、仮想軸線上においては、仮想軸線と交差し且つ互いに逆向きである分極配向が交互に現れる。故に、仮想軸線上を伝搬する光に対し、周期分極反転による擬似位相整合を行うことができる。また、この波長変換光デバイスの各結晶領域は、基板の吸収波長に含まれる波長のレーザ光を基板に照射することによって容易に形成可能である。すなわち、この波長変換光デバイスによれば、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造を簡易な方法により形成することができる。
　また、一実施形態に係る波長変換光デバイスの製造方法は、仮想軸線を含む仮想平面と、仮想平面を挟んで対向する第１領域及び第２領域と、を有する基板に対して、基板の吸収波長帯域に含まれる波長のレーザ光であって、レーザ光の中心軸線を含む平面から離れるに従って次第に小さくなる光強度分布を有するレーザ光を照射して、第１領域にあり仮想平面と平行である第１の面を挟んで第１の面と交差する方向に並ぶ一対の部分をそれぞれ含んでおり一対の部分それぞれの自発分極の向きが第１の面から離れる向きである複数の第１の結晶領域を形成する第一工程と、基板に対して、レーザ光を照射して、第２領域にあり仮想平面と平行である第２の面を挟んで第２の面と交差する方向に並ぶ一対の部分をそれぞれ含んでおり一対の部分それぞれの自発分極の向きが第２の面から離れる向きである複数の第２の結晶領域を形成する第二工程と、を備え、複数の第１の結晶領域と、複数の第２の結晶領域とを、仮想軸線上に交互に形成する。
　この製造方法では、複数の第１の結晶領域の一方の部分と、複数の第２の結晶領域の一方の部分とを、仮想軸線上において交互に配置する。第１の結晶領域の当該部分における自発分極の向きは、一対の領域のうち一方の領域に位置する第１の面から離れる向きである。また、第２の結晶領域の当該部分における自発分極の向きは、一対の領域のうち他方の領域に位置する第２の面から離れる向きである。更に、第１及び第２の面は仮想平面に沿って延びている。従って、仮想軸線上においては、仮想軸線と交差し且つ互いに逆向きである分極配向が交互に現れる。故に、仮想軸線上を伝搬する光に対し、周期分極反転による擬似位相整合を行うことができる。また、この製造方法では、各結晶領域を、基板の吸収波長に含まれる波長のレーザ光を基板に照射することによって形成する。このとき、レーザ光の中心軸線に沿った平面から離れるに従って次第に小さくなる光強度分布を有するレーザ光を基板に照射する。この製造方法によれば、各結晶領域の自発分極の向きを、第１及び第２の面から離れる向きとすることが容易にできる。すなわち、この波長変換光デバイスの製造方法によれば、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造を簡易な方法により形成することができる。
　上述した波長変換光デバイスは、仮想軸線を光軸とするチャネル光導波路構造を基板に有してもよい。同様に、上述した製造方法は、上記第一工程及び第二工程の前若しくは後に、仮想軸線を光軸とするチャネル光導波路構造を基板に形成する工程を更に備えてもよい。これにより、仮想軸線上における光伝搬効率を高めることができる。この場合、チャネル光導波路構造をダイシングソー若しくはドライエッチングにより形成してもよい。これにより、結晶質若しくは非晶質の基板にチャネル光導波路構造を容易に形成することができる。
　基板は、フレスノイト型結晶（具体例；Ｓｒ２ＴｉＳｉ２Ｏ８、Ｂａ２ＴｉＧｅ２Ｏ８）、ＢａＯ－ＴｉＯ2－ＧｅＯ2－ＳｉＯ2系ガラス、及びＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスのうち少なくとも一つを含んでもよい。例えばこれらの基板において、上述した分極秩序構造をレーザ光の照射によって容易に形成することができる。この場合、基板は、ＢａＯ－ＴｉＯ2－ＧｅＯ2－ＳｉＯ2系ガラス及びＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスのうち少なくとも一つを含み、ランタノイド系、アクチノイド系、４族ないし１２族のうちいずれかの群に含まれる金属を添加物として含んでもよい。これにより、基板におけるレーザ光の吸収を高め、上述した分極秩序構造を更に効率良く形成することができる。
　上述した製造方法において、レーザ光の光源としてＣＯ2レーザ、Ｙｂドープドファイバレーザ、若しくはＴｉ：Ｓレーザを用いてもよい。或いは、レーザ光として、ＣＯ2レーザ、Ｙｂドープドファイバレーザ、若しくはＴｉ：Ｓレーザから出力された光を波長変換したものを用いてもよい。これらのいずれかにより、多くの基板の吸収波長に含まれる赤外域のレーザ光を、比較的大きな光強度でもって基板に照射することができる。
　上述した製造方法において、基板の表面上に光吸収材を配置してレーザ光を照射してもよい。これにより、基板におけるレーザ光の吸収を高め、上述した分極秩序構造を更に効率良く形成することができる。この場合、光吸収材はカーボンペーストであってもよい。これにより、レーザ光を効率良く吸収する光吸収材を基板上に容易に配置することができる。
　上述した製造方法において、レーザ光の光強度分布を、レーザ光の中心軸線を含む平面から離れるに従って次第に小さくなる光強度分布に変換する光部品を介してレーザ光を照射してもよい。これにより、上述した光強度分布を、簡易な構成を用いて実現することができる。光部品は、例えば回折光学素子若しくは非球面レンズである。
［実施形態の詳細］
　本開示の実施形態に係る波長変換光デバイス、及び波長変換光デバイスの製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１は、本開示の一実施形態に係る波長変換光デバイス１Ａの構造を示す断面図であって、光導波方向Ｄ１に沿った波長変換光デバイス１Ａの断面を示している。図１に示されるように、本実施形態の波長変換光デバイス１Ａは、結晶質若しくは非晶質の基板２を備える。基板２は、平坦な板面を有する基板であって、光導波方向Ｄ１において互いに対向する一対の端面２ａ，２ｂを有する。図１において、基板２の板面は紙面と平行である。端面２ａ，２ｂは光導波方向Ｄ１と直交しており、且つ互いに平行である。基板２は、少なくとも所定波長の光を透過する性質を有する。所定波長は、例えば４００ｎｍ～２１００ｎｍ、あるいは、９μｍ～１１μｍ帯の範囲内の波長である。基板２の構成材料には、例えばフレスノイト型結晶、ＢａＯ－ＴｉＯ2－ＧｅＯ2－ＳｉＯ2系ガラス、及びＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスのうち少なくとも一つが含まれる。
　基板２は、平面形状が略長方形状である複数の結晶領域１０Ａ（第１の結晶領域）と、平面形状が略長方形状である複数の結晶領域１０Ｂ（第２の結晶領域）とを含む。図２は、結晶領域１０Ａを拡大して示す図である。図３は、結晶領域１０Ｂを拡大して示す図である。結晶領域１０Ａ，１０Ｂは、或る所定の分極秩序構造を有する領域である。分極秩序構造とは、自発分極が一定の態様でもって配向されている構造を指す。
　図２に示されるように、各結晶領域１０Ａは、或る中心面Ｐ１（第１の面）を挟んで中心面Ｐ１と交差する方向に並ぶ一対の部分Ｆ１，Ｆ２を含む。本実施形態では、中心面Ｐ１は光導波方向Ｄ１及び基板２の深さ方向に沿って延びており、部分Ｆ１，Ｆ２は方向Ｄ２に沿って並んでいる。方向Ｄ２は、基板２の板面に沿っており光導波方向Ｄ１と交差する方向である。方向Ｄ２は、光導波方向Ｄ１と直交してもよい。一例では、各結晶領域１０Ａは中心面Ｐ１によって一対の部分Ｆ１，Ｆ２に分割されている。方向Ｄ２における部分Ｆ１，Ｆ２の各一端は中心面Ｐ１に接し、方向Ｄ２における部分Ｆ１，Ｆ２の各他端は同方向における結晶領域１０Ａの一端及び他端を構成している。部分Ｆ１，Ｆ２の内部においては、自発分極Ａ１が、中心面Ｐ１を起点として中心面Ｐ１と交差する方向に延びている。自発分極Ａ１の向きは、中心面Ｐ１から離れる向きである。すなわち、部分Ｆ１に含まれる自発分極Ａ１と部分Ｆ２に含まれる自発分極Ａ１とは互いに逆向きである。部分Ｆ１に含まれる自発分極Ａ１は、部分Ｆ１の中心面Ｐ１側の一端から部分Ｆ１の他端へ向いている。部分Ｆ２に含まれる自発分極Ａ１は、部分Ｆ２の中心面Ｐ１側の一端から部分Ｆ２の他端へ向いている。
　図３に示されるように、各結晶領域１０Ｂは、或る中心面Ｐ２（第２の面）を挟んで中心面Ｐ２と交差する方向に並ぶ一対の部分Ｆ３，Ｆ４を含む。本実施形態では、中心面Ｐ２は光導波方向Ｄ１及び基板２の深さ方向に沿って延びており、部分Ｆ３，Ｆ４は方向Ｄ２に沿って並んでいる。一例では、各結晶領域１０Ｂは中心面Ｐ２によって一対の部分Ｆ３，Ｆ４に分割されている。方向Ｄ２における部分Ｆ３，Ｆ４の各一端は中心面Ｐ２に接し、方向Ｄ２における部分Ｆ３，Ｆ４の各他端は同方向における結晶領域１０Ｂの一端及び他端を構成している。部分Ｆ３，Ｆ４の内部においては、自発分極Ａ２が、中心面Ｐ２を起点として中心面Ｐ２と交差する方向に延びている。自発分極Ａ２の向きは、中心面Ｐ２から離れる向きである。すなわち、部分Ｆ３に含まれる自発分極Ａ２と部分Ｆ４に含まれる自発分極Ａ２とは互いに逆向きである。部分Ｆ３に含まれる自発分極Ａ２は、部分Ｆ３の中心面Ｐ２側の一端から部分Ｆ３の他端へ向いている。部分Ｆ４に含まれる自発分極Ａ２は、部分Ｆ４の中心面Ｐ２側の一端から部分Ｆ４の他端へ向いている。
　後述するように、結晶領域１０Ａ，１０Ｂにおける上記の分極秩序構造は、基板２に赤外域のレーザ光が照射されることにより形成されたものである。基板２がＢａＯ－ＴｉＯ2－ＧｅＯ2－ＳｉＯ2系ガラス及びＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスのうち少なくとも一つを含む場合、基板２は、赤外域の特定波長のレーザ光に対する吸収を高めるために、ランタノイド系、アクチノイド系、及び４族ないし１２族のうちいずれかの群に含まれる金属を添加物として含んでもよい。ランタノイド系若しくはアクチノイド系の金属としては、例えばＹｂ，Ｔｍ，Ｅｒが挙げられる。また、４族ないし１２族の金属としては、例えばＴｉ，Ｃｒ，Ｚｎが挙げられる。
　再び図１を参照する。仮想軸線ＡＸは、光導波方向Ｄ１に沿って延びる軸線である。この仮想軸線ＡＸを含み基板２の深さ方向に延びる仮想平面ＰＡを想定すると、基板２は、仮想平面ＰＡを挟む一対の領域２ｃ，２ｄを有する。複数の結晶領域１０Ａの中心面Ｐ１は、そのうち一方の領域２ｃ内に位置し、仮想平面ＰＡに沿って等間隔で一列に並んでいる。また、複数の結晶領域１０Ｂの中心面Ｐ２は、他方の領域２ｄ内に位置し、仮想平面ＰＡに沿って等間隔で一列に並んでいる。言い換えると、各中心面Ｐ１は、領域２ｃ内に存在し仮想平面ＰＡに沿って延びる一の平面に含まれ、各中心面Ｐ２は、領域２ｄ内に存在し仮想平面ＰＡに沿って延びる別の平面に含まれる。一例では、これらの平面は仮想平面ＰＡに対して平行である。そして、複数の中心面Ｐ１と仮想平面ＰＡとの距離は均等であり、複数の中心面Ｐ２と仮想平面ＰＡとの距離は均等である。また、中心面Ｐ１と仮想平面ＰＡとの距離と、中心面Ｐ２と仮想平面ＰＡとの距離とは互いに等しい。
　更に、複数の結晶領域１０Ａの中心面Ｐ１と、複数の結晶領域１０Ｂの中心面Ｐ２とは、仮想軸線ＡＸの延在方向（すなわち光導波方向Ｄ１）において交互に配置されている。言い換えると、方向Ｄ２から見て、中心面Ｐ１と中心面Ｐ２とが交互に並んでいる。但し、方向Ｄ２から見たときに互いに隣り合う中心面Ｐ１，Ｐ２の各端部は、互いに重なっていてもよいし、互いに離れていてもよい。図１に示される例では、方向Ｄ２から見たときに互いに隣り合う中心面Ｐ１，Ｐ２の端の位置は略一致している。
　更に、各結晶領域１０Ａの部分Ｆ２（図２を参照）は、仮想平面ＰＡを跨いで領域２ｄ側にはみ出している。すなわち、各結晶領域１０Ａの部分Ｆ２は、仮想平面ＰＡと重なる。また、各結晶領域１０Ｂの部分Ｆ３（図３を参照）は、仮想平面ＰＡを跨いで領域２ｃ側にはみ出している。すなわち、各結晶領域１０Ｂの部分Ｆ３は、仮想平面ＰＡと重なる。従って、複数の結晶領域１０Ａの部分Ｆ２と、複数の結晶領域１０Ｂの部分Ｆ３とは、仮想軸線ＡＸ上において交互に配置される。
　上記の構成を備える波長変換光デバイス１Ａにおいては、波長変換領域Ｂ１が基板２の内部に形成される。波長変換領域Ｂ１は、仮想軸線ＡＸを光軸として光導波方向Ｄ１に沿って延在する光導波路である。波長変換領域Ｂ１の一端Ｂ１ａは基板２の端面２ａに達し、波長変換領域Ｂ１の他端Ｂ１ｂは基板２の端面２ｂに達する。一端Ｂ１ａから入射された所定波長の光は、波長変換領域Ｂ１内を伝搬して他端Ｂ１ｂから出射される。
　以上に説明した構造を備える本実施形態の波長変換光デバイス１Ａを製造する方法について説明する。図４は、製造方法の例を示すフローチャートである。まず、基板２の原料（ＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスの場合、Ｓｒ2ＣＯ3、ＴｉＯ2、及びＳｉＯ2）の計量を行い、これらを混ぜ合わせる（工程Ｓ１）。必要に応じて、混ぜ合わせる基板２の原料にレーザ光の吸収を高める前述した金属を添加してもよい。次に、混ぜ合わせた原料を加熱して溶融し、平板状の型に流して冷却することにより成形を行い、基板２を形成する（工程Ｓ２）。溶融温度は例えば１５００℃であり、溶融時間は例えば１時間である。続いて、基板２の歪みを取り除くために、基板２に対して熱処理を行う（工程Ｓ３）。このとき、熱処理温度は例えば７６０℃であり、熱処理時間は例えば１時間である。その後、基板２の両方の板面（表面及び裏面）に対して鏡面研磨を行う（工程Ｓ４）。
　続いて、基板２の吸収波長に含まれる波長のレーザ光を基板２の板面に照射することにより、複数の結晶領域１０Ａ及び複数の結晶領域１０Ｂを基板２に形成する。具体的には、図５に示されるように、まず複数の中心面Ｐ１及び複数の中心面Ｐ２を基板２に設定する。そして、これらの中心面Ｐ１，Ｐ２に対して順にレーザ光を照射する（工程Ｓ５）。この工程では、各結晶領域１０Ａが仮想平面ＰＡを跨いで領域２ｄ側にはみ出すように、そして、各結晶領域１０Ｂが仮想平面ＰＡを跨いで領域２ｃ側にはみ出すように、レーザ光のパワー密度及び照射時間を調整する。レーザ光の波長は、基板２を構成する材料の吸収波長帯域（例えば遠赤外域）に含まれる任意の波長である。この工程では、吸収したエネルギーにより局所加熱した領域の温度が８００℃以上となるように、必要に応じて集光レンズにより集光し、パワー密度を高める。レーザ光の光源としては、例えば、高強度の遠赤外光を出力できるＣＯ2レーザが用いられる。基板２がＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスからなる場合、遠赤外光（例えばＣＯ２レーザの１０．６μｍ帯）の透過率は数％程度である。従って、基板２にレーザ光を多く吸収させて、各結晶領域１０Ａ，１０Ｂを好適に形成することができる。或いは、基板２が１μｍ帯に吸収を有する場合には、例えば、Ｙｂドープドファイバレーザが用いられる。
　また、結晶領域１０Ａ，１０Ｂの周期（図１のΛ）を短くしたい場合には、例えば、レーザ光の波長を短くし、集光レンズの焦点距離を小さくする。この場合、チタンサファイアレーザ（Ｔｉ：Ｓレーザ）を用いてもよい。集光レンズの焦点距離は、例えば１００ｍｍ以下である。或いは、ＣＯ2レーザ、Ｙｂドープドファイバレーザ、若しくはＴｉ：Ｓレーザから出力された光を波長変換した光（第２高調波、若しくはそれ以上の高次波長変換光）を用いてもよい。その場合、レーザ光のスポット径を１０μｍ程度以下まで縮小することが可能となる。その結果、周期Λを１０μｍ程度以下にまで縮小できるので、第２高調波の短波長化、及び様々な周期構造を作り込むことによる波長変換の広帯域化が可能となる。
　図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、工程Ｓ５において使用されるレーザ光の光強度分布を示す図である。図６Ａは、レーザ光の光軸に垂直な断面における光強度分布を色の濃淡によって示しており、色が濃いほど光強度が大きく、色が薄いほど光強度が小さい。図中のＯは、レーザ光の中心軸線（光軸）である。また、図６Ｂは中心軸線Ｏと交差し光導波方向Ｄ１に沿う直線Ｈ１上の光強度分布を示すグラフであり、図６Ｃは中心軸線Ｏと交差し方向Ｄ２に沿う直線Ｈ２上の光強度分布を示すグラフである。図６Ｂ及び図６Ｃにおいて、縦軸は光強度を表す。図６Ｂの横軸は光導波方向Ｄ１における位置を表しており、図６Ｃの横軸は方向Ｄ２における位置を表している。
　図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃに示されるように、工程Ｓ５では、レーザ光の中心軸線Ｏに沿った基準平面ＰＢ（例えば、中心軸線Ｏ及び直線Ｈ１を含む平面）から離れるに従って次第に小さくなる光強度分布を有するレーザ光を、基板２に照射する。基準平面ＰＢから離れるに従って次第に小さくなる分布は、例えば、図６Ｃに示されるように、基準平面ＰＢに垂直な断面において、バイアス光（図中のＥ１部分）に、基準平面ＰＢをピークとする単峰型分布（図中のＥ２部分）を加えた光強度分布である。この単峰型分布の傾斜は、図６Ｄに示される、同一のピーク強度を有するガウシアン分布の傾斜よりも緩やかである。また、図６Ｂに示されるように、基準平面ＰＢ上における光強度は所定範囲内において一定であり、直線Ｈ１上における光強度分布はトップハット状である。そして、結晶領域１０Ａを基板２に形成するときには基準平面ＰＢを中心面Ｐ１に一致させ、結晶領域１０Ｂを基板２に形成するときには基準平面ＰＢを中心面Ｐ２に一致させる。なお、中心軸線Ｏに垂直な断面におけるレーザ光の形状は、図６Ａに示されるように、略長方形若しくは略正方形である。
　この工程Ｓ５では、上述した光源から出力されるレーザ光の光強度分布を、基準平面ＰＢから離れるに従って次第に小さくなる光強度分布に変換するための光部品を用いてもよい。このような光部品を介してレーザ光を基板２に照射することにより、図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃに示された光強度分布を簡易に実現することができる。なお、このような光部品としては、例えば回折光学素子（Diffractive Optical Element：ＤＯＥ）若しくは非球面レンズが挙げられる。
　上記のような光強度分布を有するレーザ光を基板２に照射することによって、一対の部分Ｆ１，Ｆ２それぞれの自発分極Ａ１の向きが中心面Ｐ１から離れる向きである結晶領域１０Ａ（図２を参照）と、一対の部分Ｆ３，Ｆ４それぞれの自発分極Ａ２の向きが中心面Ｐ２から離れる向きである結晶領域１０Ｂ（図３を参照）とを容易に形成することができる。以下、その理由について詳細に述べる。
　図７は、説明のため、光軸上の光強度が最も大きく光軸から径方向に離れるに従って次第に光強度が小さくなる分布（例えば、光軸周りに対称なガウシアン分布）を有するレーザ光を基板２に照射した場合の、基板２の温度変化に関するグラフ、及びそれにより形成される円環状の結晶領域１００を示す図である。なお、図７に示されるグラフの横軸は径方向位置を表し、光軸を原点とする。また、図７に示されるグラフの縦軸は温度を表す。Ｔ１は結晶核生成閾値であり、Ｔ２は結晶成長閾値であり、Ｔ３は損傷（溶融）閾値である。通常、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３の関係が成り立つ。
　このようなレーザ光を基板２に照射するとき、図７のグラフＧ１～Ｇ３に示されるように、照射領域における温度分布は、光軸上において最も高く、光軸から径方向に離れるに従って次第に低い分布となる。但し、グラフＧ１の段階では、照射領域の中心温度のみが結晶核生成閾値Ｔ１に達しており、中心以外の温度は結晶核生成閾値Ｔ１に達していないので、結晶核は照射領域の中心のみに生じる。このとき、自発分極の配向はランダムである。その後、レーザ光の照射を連続して又は断続的に繰り返すと、温度分布が全体的に上昇し、グラフＧ２に示されるように照射領域の中心温度が結晶成長閾値Ｔ２に達する。これにより、結晶核を起点として結晶が成長し始める。このとき、ランダムであった自発分極の配向を基に結晶成長することになる。但し、照射領域の中心へ向けて成長する結晶核は、互いに衝突し、それ以上成長することはなく、その結果、成長可能な領域である外周へ向かう配向が支配的となる。従って、最終的な自発分極Ａの配向は、主に照射領域の中心（すなわち光軸）から径方向に沿って離れる向きとなる。なお、その後もレーザ光の照射を連続して又は断続的に繰り返し、グラフＧ３に示されるように照射領域の中心付近の温度が損傷閾値Ｔ３を超えると、該中心付近の基板２が溶融する。従って、結晶領域の中央に穿孔（加工痕）１０１が生じる。その結果、自発分極Ａが放射状に配向した円環状の結晶領域１００が形成される。
　上述した結晶領域の形成過程を検討すると、結晶領域に生じる自発分極の配向は、レーザ光の光強度分布の傾斜方向に従うといえる。工程Ｓ５において基板２に照射されるレーザ光は、図６Ｃに示されるように、基準平面ＰＢから離れるに従って次第に小さくなる光強度分布を有する。この場合、自発分極の配向は、主に基準平面ＰＢから離れる向きとなる。すなわち、このレーザ光を基板２に照射すると、まず基準平面ＰＢ及びその近傍において結晶核が生じる。その後、レーザ光の照射を連続して又は断続的に繰り返すと、基準平面ＰＢ及びその近傍において結晶核を起点として結晶が成長し始める。このとき、基準平面ＰＢ及びその近傍には既に結晶核が存在するので、結晶核の成長の向きは、基準平面ＰＢから離れる向きとなる。従って、図２及び図３に示された自発分極Ａ１，Ａ２の配向を容易に実現することができる。
　上記のことから、前述した図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃにおいて、直線Ｈ２上における結晶領域１０Ａ，１０Ｂの幅Ｗ１は、方向Ｄ２における、結晶成長閾値Ｔ２に相当する光強度以上のレーザ光の幅Ｌ１（図６Ｃを参照）と略一致する。一例では、単峰型分布（図中のＥ２部分）は、結晶成長閾値Ｔ２に相当する光強度と、損傷閾値Ｔ３に相当する光強度との間に存在する。この場合、上述した幅Ｌ１は、ガウシアン分布における結晶成長閾値Ｔ２に相当する光強度以上の幅Ｌ２（図６Ｄを参照）よりも格段に大きくなる。
　また、工程Ｓ５において基板２に照射されるレーザ光のピーク強度は、結晶成長閾値Ｔ２よりも高く且つ損傷閾値Ｔ３よりも低く設定される。この場合、結晶領域１０Ａ，１０Ｂの中央に穿孔が生じることが抑制されるので、穿孔に起因する割れ等によるデバイス性能の劣化を抑制することができる。
　最後に、基板２の歪みを再び取り除くために、基板２に対して熱処理を行う（工程Ｓ６）。このとき、熱処理温度は例えば７６０℃であり、熱処理時間は例えば１時間である。以上の工程を経て、本実施形態の波長変換光デバイス１Ａが作製される。
　以上に説明した本実施形態による波長変換光デバイス１Ａ及びその製造方法によって得られる効果について説明する。前述したように、本実施形態では、複数の結晶領域１０Ａの部分Ｆ２と、複数の結晶領域１０Ｂの部分Ｆ３とを、仮想軸線ＡＸ上において交互に配置する。結晶領域１０Ａの部分Ｆ２における自発分極Ａ１の向きは、領域２ｃに位置する中心面Ｐ１から離れる向きである。また、結晶領域１０Ｂの部分Ｆ３における自発分極Ａ２の向きは、領域２ｄに位置する中心面Ｐ２から離れる向きである。更に、中心面Ｐ１，Ｐ２は、仮想軸線ＡＸを含む仮想平面ＰＡに沿って延びている。従って、仮想軸線ＡＸ上においては、仮想軸線ＡＸと交差し且つ互いに逆向きである分極配向が交互に現れる。故に、仮想軸線ＡＸ上を伝搬する光に対し、周期分極反転による擬似位相整合を行うことができる。なお、変換波長は結晶領域１０Ａ，１０Ｂの周期Λ（図１を参照）によって制御される。
　また、上述した各結晶領域１０Ａ，１０Ｂは、基板２の吸収波長に含まれる波長のレーザ光を基板２に照射することによって容易に形成可能である。すなわち、この波長変換光デバイス１Ａによれば、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造を簡易な方法により形成することができる。また、上述した製造方法においては、各結晶領域１０Ａ，１０Ｂを、基板２の吸収波長に含まれる波長のレーザ光を基板２に照射することによって形成する（工程Ｓ５）。このとき、レーザ光の中心軸線Ｏに沿った基準平面ＰＢから離れるに従って次第に小さくなる光強度分布を有するレーザ光を基板２に照射する。この場合、図５を用いて説明したように、自発分極Ａ１，Ａ２それぞれの向きを、中心面Ｐ１，Ｐ２それぞれから離れる向きとすることが容易にできる。すなわち、上述した製造方法によれば、擬似位相整合を実現するための分極秩序構造を簡易な方法により形成することができる。
　また、上述した各結晶領域１０Ａの部分Ｆ２における自発分極Ａ１の向きが中心面Ｐ１から離れる向きに揃っており、同様に、各結晶領域１０Ｂの部分Ｆ３における自発分極Ａ２の向きが中心面Ｐ２から離れる向きに揃っている。従って、光の導波方向（仮想軸線ＡＸ）に対して直交する方向に自発分極Ａ１，Ａ２の向きを揃えることが容易である。例えば図７に示された放射状の自発分極Ａを有する結晶領域１００が配列された場合と比較して、周期分極反転による擬似位相整合を効率良く行うことができる。
　また、本実施形態のように、基板２は、フレスノイト型結晶、ＢａＯ－ＴｉＯ2－ＧｅＯ2－ＳｉＯ2系ガラス、及びＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスのうち少なくとも一つを含んでもよい。例えばこれらの基板２において、上述した分極秩序構造をレーザ光の照射によって容易に形成することができる。更に、基板２がＢａＯ－ＴｉＯ2－ＧｅＯ2－ＳｉＯ2系ガラス及びＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスのうち少なくとも一つを含む場合、ランタノイド系、アクチノイド系、及び４族ないし１２族のうちいずれかの群に含まれる金属を添加物として含んでもよい。これにより、基板２におけるレーザ光の吸収を高め、上述した分極秩序構造を更に効率良く形成することができる。
　また、本実施形態のように、レーザ光の光源としてＣＯ2レーザ、Ｙｂドープドファイバレーザ、若しくはＴｉ：Ｓレーザを用いてもよい。或いは、レーザ光として、ＣＯ2レーザ、Ｙｂドープドファイバレーザ、若しくはＴｉ：Ｓレーザから出力された光を波長変換したものを用いてもよい。これらのいずれかにより、基板材料として使用される多くの物質の吸収波長に含まれる赤外域のレーザ光を、比較的大きな光強度でもって基板に照射することができる。
　（第１変形例）
　図８は、上記実施形態の第１変形例に係る波長変換光デバイス１Ｂの断面図を示している。本変形例と上記実施形態との相違点は、結晶領域１０Ａ，１０Ｂが、光導波方向Ｄ１と交差する方向Ｄ２に複数並んでいる点である。このような構成においては、或る仮想平面ＰＡの両側に位置する結晶領域１０Ａ，１０Ｂによって、上記実施形態と同様の波長変換領域Ｂ１が形成され得る。また、１つの仮想平面ＰＡ１の両側に位置する結晶領域１０Ａ，１０Ｂと、仮想平面ＰＡ１と隣り合う仮想平面ＰＡ２の両側に位置する結晶領域１０Ｂ，１０Ａ（結晶領域１０Ｂは仮想平面ＰＡ１と共通）とによって、波長変換領域Ｂ２が形成され得る。すなわち、この波長変換領域Ｂ２は、２本の仮想軸線ＡＸ１，ＡＸ２を含み、光導波方向Ｄ１に沿って延びる領域である。波長変換領域Ｂ２の方向Ｄ２における幅は、方向Ｄ２における中心面Ｐ１，Ｐ２の周期と同一であってもよいし、方向Ｄ２における中心面Ｐ１，Ｐ２の周期より小さくてもよい。
　図８は、更に、波長変換領域Ｂ１及びＢ２のそれぞれで有効に波長変換できる電界分布のグラフを示しており、図８の各グラフの横軸は電界強度を示し、図８の各グラフの縦軸は方向Ｄ２における位置を示す。図８の左側のグラフに示されるように、波長変換領域Ｂ１では、電界強度分布がＬＰ０１モード（基底モード）となる。これに対し、図８の右側のグラフに示されるように、波長変換領域Ｂ２では、電界強度分布がＬＰ１１モードとなる。このような電界モードにおいても、波長変換を好適に行うことができる。なお、波長変換領域Ｂ２においては、波長変換前及び波長変換後ともに、電界強度分布はＬＰ１１モードとなる。
　（第２変形例）
　図９Ａは、上記実施形態の第２変形例に係る波長変換光デバイス１Ｃの構成を示す平面図である。図９Ｂは、図９ＡのXIIIb－XIIIb線に沿った断面図であって、仮想軸線ＡＸと交差する結晶領域１０Ａの断面を示す。図９Ｃは、図９ＡのXIIIc－XIIIc線に沿った断面図であって、仮想軸線ＡＸと交差する結晶領域１０Ｂの断面を示す。本変形例の波長変換光デバイス１Ｃは、仮想軸線ＡＸを光軸とするチャネル光導波路構造２１を基板２に有する。チャネル光導波路構造２１は、仮想軸線ＡＸに沿って延びる一対の側面２１ａ，２１ｂを有する。一例では、基板２に垂直な方向から見て、一方の側面２１ａは仮想平面ＰＡと中心面Ｐ１との間に位置しており、他方の側面２１ｂは仮想平面ＰＡと中心面Ｐ２との間に位置している。側面２１ａ，２１ｂは、例えば図４に示された工程Ｓ５の前、若しくは工程Ｓ５の後に、チャネル光導波路構造２１の外側に位置する基板２の部分をドライエッチングにより除去することによって容易に形成され得る。なお、結晶化領域の屈折率ｎ１と非結晶の屈折率ｎ２の関係は、ｎ１＞ｎ２である。図９Ｂ及び図９Ｃの基板深さ方向においても、光は閉じ込められることになる。
　本変形例のように、波長変換光デバイスは、仮想軸線ＡＸを光軸とするチャネル光導波路構造２１を基板２に有してもよい。また、波長変換光デバイスの製造方法は、チャネル光導波路構造２１を基板２に形成する工程を更に備えてもよい。これにより、仮想軸線ＡＸ上（波長変換領域Ｂ１）における光伝搬効率を高めることができる。
　なお、チャネル光導波路構造を基板２に形成する方法としては、上記以外にも様々な方法が考えられる。例えば、チャネル光導波路構造となる部分を残して基板２をダイシングソーにより切断する方法、Ｇｅ，Ｔｉなどの添加物を基板２の内部に拡散させて屈折率を部分的に変化させる方法などが挙げられる。
　（第３変形例）
　図１０は、上記実施形態の第３変形例に係る波長変換光デバイスの製造方法の一工程を示す断面図であって、光導波方向Ｄ１と交差する基板２の断面を示す。本変形例では、図４に示された工程Ｓ５において、基板２の表面上に光吸収材３１を配置した状態でレーザ光Ｌａを照射する。光吸収材３１は、レーザ光Ｌａの波長を含む帯域に吸収帯域を有する材料を含む。基板２の表面上に光吸収材３１を配置する方法には、塗布、スパッタ、又は蒸着等がある。例えば、光吸収材３１はカーボンを含む材料からなり、一例ではカーボンペースト（樹脂にフィラーとしてカーボン粒子を加えた導電性ペースト）である。
　本変形例の方法によれば、基板２におけるレーザ光Ｌａの吸収を高め、前述した分極秩序構造を更に効率良く形成することができる。また、この場合、光吸収材３１としてカーボンペーストを用いてもよい。これにより、レーザ光を効率良く吸収する光吸収材３１を基板２上に容易に配置することができる。また、カーボンペーストは広範囲の吸収帯域を有しているので、ＣＯ2レーザ以外にも、ファイバレーザ、固体レーザ、或いは半導体レーザにて発振する波長帯域の光を吸収することができる。更に、カーボンペーストは、レーザ光照射後に洗浄等により簡便に除去可能である。
　なお、レーザ光の吸収効率を高める方法としては、上記以外にも様々な方法が考えられる。例えば、レーザ光を照射する前に予め基板２に対し還元反応によって光吸収率を高め、レーザ光照射後に酸化反応によって光吸収率を元に戻す方法がある。
　本開示による波長変換光デバイスは、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、上述した実施形態では基板材料としてフレスノイト型結晶、ＢａＯ－ＴｉＯ2－ＧｅＯ2－ＳｉＯ2系ガラス、及びＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスを例示した。しかしながら、本開示に用いられる基板は、結晶質若しくは非晶質であって所望の波長に対して透明である様々な材料からなることができる。また、上述した実施形態に示された結晶領域１０Ａ，１０Ｂは、基板２の溶融による穿孔を有していない。しかしながら、本開示の第１及び第２の結晶領域は穿孔を有してもよい。また、上述した実施形態では結晶領域１０Ａ，１０Ｂの中心面Ｐ１，Ｐ２を第１及び第２の面の例として説明したが、本開示の第１及び第２の面それぞれの位置は、方向Ｄ２における第１及び第２の結晶領域それぞれの中心から外れていてもよい。
　１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…波長変換光デバイス、２…基板、２ａ，２ｂ…端面、２ｃ，２ｄ…領域、１０Ａ，１０Ｂ…結晶領域、２１…チャネル光導波路構造、２１ａ，２１ｂ…側面、３１…光吸収材、Ａ，Ａ１，Ａ２…自発分極、ＡＸ，ＡＸ１，ＡＸ２…仮想軸線、Ｂ１，Ｂ２…波長変換領域、Ｂ１ａ…一端、Ｂ１ｂ…他端、Ｄ１…光導波方向、Ｄ２…方向、Ｆ１～Ｆ４…部分、Ｌａ…レーザ光、Ｏ…中心軸線、Ｐ１，Ｐ２…中心面、ＰＡ，ＰＡ１，ＰＡ２…仮想平面、ＰＢ…基準平面、Ｔ１…結晶核生成閾値、Ｔ２…結晶成長閾値、Ｔ３…損傷閾値、Λ…周期。

Claims (13)

  1. 　仮想軸線を含む仮想平面と、前記仮想平面を挟んで対向する第１領域及び第２領域と、を有し、前記仮想軸線上に交互に配置されている複数の第１の結晶領域及び複数の第２の結晶領域を含む基板を備え、
    　前記複数の第１の結晶領域それぞれは、前記第１領域に位置し前記仮想平面に平行な第１の面を挟んで前記第１の面と交差する方向に並ぶ一対の部分を含んでおり、前記一対の部分それぞれの自発分極の向きは前記第１の面から離れる向きであり、
    　前記複数の第２の結晶領域それぞれは、前記第２領域に位置し前記仮想平面に平行な第２の面を挟んで前記第２の面と交差する方向に並ぶ一対の部分を含んでおり、前記一対の部分それぞれの自発分極の向きは前記第２の面から離れる向きである、
    波長変換光デバイス。
  2. 　前記仮想軸線を光軸とするチャネル光導波路構造を前記基板に有する、請求項１に記載の波長変換光デバイス。
  3. 　前記基板は、フレスノイト型結晶、ＢａＯ－ＴｉＯ2－ＧｅＯ2－ＳｉＯ2系ガラス、及びＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスのうち少なくとも一つを含む、請求項１または請求項２に記載の波長変換光デバイス。
  4. 　前記基板は、ＢａＯ－ＴｉＯ2－ＧｅＯ2－ＳｉＯ2系ガラス及びＳｒＯ－ＴｉＯ2－ＳｉＯ2系ガラスのうち少なくとも一つを含み、ランタノイド系、アクチノイド系、４族ないし１２族のうちいずれかの群に含まれる金属を添加物として含む、請求項３に記載の波長変換光デバイス。
  5. 　仮想軸線を含む仮想平面と、前記仮想平面を挟んで対向する第１領域及び第２領域と、を有する基板に対して、前記基板の吸収波長帯域に含まれる波長のレーザ光であって、前記レーザ光の中心軸線を含む平面から離れるに従って次第に小さくなる光強度分布を有するレーザ光を照射して、前記第１領域にあり前記仮想平面と平行である第１の面を挟んで前記第１の面と交差する方向に並ぶ一対の部分をそれぞれ含んでおり前記一対の部分それぞれの自発分極の向きが前記第１の面から離れる向きである複数の第１の結晶領域を形成する第一工程と、
    　前記基板に対して、前記レーザ光を照射して、前記第２領域にあり前記仮想平面と平行である第２の面を挟んで前記第２の面と交差する方向に並ぶ一対の部分をそれぞれ含んでおり前記一対の部分それぞれの自発分極の向きが前記第２の面から離れる向きである複数の第２の結晶領域を形成する第二工程と、を備え、
    　前記複数の第１の結晶領域と、前記複数の第２の結晶領域とを、前記仮想軸線上に交互に形成する、波長変換光デバイスの製造方法。
  6. 　前記第一工程及び前記第二工程の前若しくは後に、前記仮想軸線を光軸とするチャネル光導波路構造を前記基板に形成する工程を更に備える、請求項５に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
  7. 　前記チャネル光導波路構造をダイシングソー若しくはドライエッチングにより形成する、請求項６に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
  8. 　前記レーザ光の光源として、ＣＯ2レーザ、Ｙｂドープドファイバレーザ、若しくはＴｉ：Ｓレーザを用いる、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
  9. 　前記レーザ光として、ＣＯ2レーザ、Ｙｂドープドファイバレーザ、若しくはＴｉ：Ｓレーザから出力された光を波長変換した光を用いる、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
  10. 　前記基板の表面上に光吸収材を配置して前記レーザ光を照射する、請求項５から請求項９のいずれか１項に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
  11. 　前記光吸収材はカーボンペーストである、請求項１０に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
  12. 　前記レーザ光の光強度分布を、前記レーザ光の中心軸線を含む平面から離れるに従って次第に小さくなる光強度分布に変換する光部品を介して前記レーザ光を照射する、請求項５から請求項１１のいずれか１項に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
  13. 　前記光部品は回折光学素子若しくは非球面レンズである、請求項１２に記載の波長変換光デバイスの製造方法。
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