阅读说明：本技术 光波长转换器及光波长转换器的制造方法 (Optical wavelength converter and method for manufacturing optical wavelength converter ) 是由 长能重博 藤原巧 高桥仪宏 寺门信明 于 2019-02-07 设计创作，主要内容包括：根据实施例的光波长转换器包括：由晶体材料或非晶体材料构成的基板；多个第一结晶区域,其具有放射状第一极化有序结构；以及多个第二结晶区域,其具有放射状第二极化有序结构。在该基板上限定有第一区域和第二区域,当从与虚拟轴线正交的基准方向观察基板时,第一区域和第二区域在夹着虚拟轴线的情况下彼此直接相邻。位于第一区域中的第一极化有序结构的放射中心和位于第二区域中的第二极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线交替地布置。多个第一结晶区域的一部分地突出到第二区域。多个第二结晶区域的一部分地突出到第一区域。(An optical wavelength converter according to an embodiment includes: a substrate composed of a crystalline material or an amorphous material; a plurality of first crystalline regions having a radially first poled ordered structure; and a plurality of second crystalline regions having a radially second polarization ordered structure. A first region and a second region are defined on the substrate, and the first region and the second region are directly adjacent to each other with the virtual axis therebetween when the substrate is viewed from a reference direction orthogonal to the virtual axis. The radial centers of the first polarized ordered structures located in the first region and the radial centers of the second polarized ordered structures located in the second region are alternately arranged along the virtual axis. A portion of the plurality of first crystalline regions protrudes partially into the second region. A portion of the plurality of second crystallization regions partially protrudes into the first region.)

光波长转换器及光波长转换器的制造方法

技术领域

本发明涉及一种光波长转换器及光波长转换器的制造方法。

本申请要求2018年2月8日提交的日本专利申请No.2018-021281的优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用的方式并入本文。

背景技术

用于利用二阶非线性光学现象的光学器件的材料主要包括铁电光学晶体，诸如LiNbO₃(LN)晶体、KTiOPO₄(KTP)晶体、LiB₃O₅(LBO)晶体和β-BaB₂O₄(BBO)晶体。使用这些晶体的光学器件已经在以波长转换作为主要应用的广泛应用领域中得到发展。在激光加工领域，例如，利用光纤激光器的二次谐波产生(SHG)来缩短利用这些晶体的光学器件的波长。由于可以减小束斑的直径，所以在精细加工中使用这种光学器件。在光通信领域中，为了在波分复用(WDM)光通信中有效地利用波长资源，使用利用这些晶体的光学器件作为光波长转换器，该光波长转换器执行从C波段WDM信号到L波段信号的同时波长转换。此外，在测量领域中，关注允许观察由氢键等引起的分子间振动的太赫兹光谱，并且使用利用这些晶体的光学器件作为产生太赫兹光的光源。

最近，诸如GaAs、GaP、GaN、CdTe、ZnSe和ZnO等化合物半导体晶体也已经用作利用二阶非线性光学现象的光学器件的材料。由于制造周期性空间极化结构的技术的显著进步，这些材料作为二阶非线性器件的材料已经引起注意，除了具有大的二阶非线性光学常数之外，周期性空间极化结构对于二阶非线性光学器件是必要的。

波长转换的方案可以被分类为角度相位匹配和周期性极化的准相位匹配(QPM)。其中，准相位匹配通过适当地设计极化间距，能够产生各种相位匹配波长并且在材料的所有透明区域中进行波长转换。另外，准相位匹配没有由角度相位匹配引起的走离角，光束质量优异，并且可以使相互作用长度长。因此，准相位匹配是一种适于提高效率和抑制耦合损耗的方法，并且在加工、测量等方面是有效的。

引文列表

专利文献

专利文献1：PCT国际申请公开No.2017/110792

非专利文献

非专利文献1：R.Gatass and E.Mazur,Nature Photonics 2,P.219(2008)

非专利文献2：U.Ito等人“Ultrafast and precision drilling of glass byselective absorption of fiber-laser pulse into femtosecond-laser-inducedfilament”,Applied Physics Letters,Vol.113,2018,pp.061101-1

发明内容

本公开的光波长转换器包括：基板，其由晶体材料或非晶体材料构成；多个第一结晶区域，其分别具有放射状第一极化有序结构；以及多个第二结晶区域，其分别具有放射状第二极化有序结构。在该基板中，第一区域和第二区域被限定为这样：当从与基板中设定的某一虚拟轴线正交的基准方向观察基板时，第一区域和第二区域在夹着该虚拟轴线的情况下彼此直接相邻。在基板的第一区域中，第一极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线布置。当从基准方向观察基板时，多个第一结晶区域中的每一个跨过虚拟轴线部分地突出到第二区域。在基板的第二区域中，第二极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线布置，并且第二极化有序结构的放射中心与第一极化有序结构的放射中心沿虚拟轴线交替布置。当从基准方向观察基板时，多个第二结晶区域中的每一个跨过虚拟轴线部分地突出到第一区域。

根据本发明的光波长转换器的制造方法包括：制备基板的制备步骤；以及第一加工步骤，在基板中设置均具有放射状第一极化有序结构的多个第一结晶区域以及分别具有放射状第二极化有序结构的多个第二结晶区域。该基板由晶体材料或非晶体材料构成。另外，在基板中，限定了第一区域和第二区域，当从与基板中设定的某一虚拟轴线正交的基准方向观察基板时，第一区域和第二区域在夹着虚拟轴线的情况下彼此直接相邻。在基板的第一区域中，多个第一结晶区域的第一极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线布置。另外，当从基准方向观察基板时，多个第一结晶区域的每一个跨过虚拟轴线部分地突出到第二区域。另一方面，在基板的第二区域中，多个第二结晶区域的第二极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线布置。另外，在从基准方向观察基板时，在第二极化有序结构的放射中心与第一极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线交替布置的状态下，多个第二结晶区域中的每一个跨过虚拟轴线部分地突出到第一区域。第一加工步骤包括激光照射步骤，该激光照射步骤用激光对与多个第一结晶区域的第一极化有序结构的放射中心对应的多个第一会聚点中的每一个以及与多个第二结晶区域的第二极化有序结构的放射中心对应的多个第二会聚点中的每一个进行照射，以形成第一极化有序结构和第二极化有序结构。

附图说明

图1是示出根据本发明的一个实施例的光波长转换器1A的结构的截面图。

图2是结晶区域10A和10B的放大平面图。

图3是示出根据一个实施例的制造方法的流程图。

图4是示出在基板2上设定多个会聚点P1和多个会聚点P2的状态的视图。

图5是示出根据一个实施例的激光的光强度分布的实例的曲线图。

图6是示出根据第一变型例的光波长转换器1B的构造的截面图。

图7是示出用于形成第一变型例的结晶区域10A和10B的激光的光强度分布的实例的曲线图。

图8是示出构造为获得图7所示的光强度分布的光学系统的实例的图。

图9A是示出根据第二变型例的光波长转换器1C的构造的截面图。

图9B是示出波长转换区域B1中的电场分布的曲线图。

图9C是示出波长转换区域B2中的电场分布的曲线图。

图10A是示出根据上述实施例的第三变型例的光波长转换器1D的构造的平面图。

图10B是沿图10A的线IXb-IXb截取的截面图。

图10C是沿图10A的线IXc-IXc截取的截面图。

图11是示出根据上述实施例的第四变型例的用于制造光波长转换器的方法的一个步骤的截面图。

图12是示出根据第五变型例的用于制造光波长转换器的方法的一个步骤的截面图。

图13A是用于描述使用具有图5所示的光强度分布的激光形成的结晶区域中的极化取向的示意图。

图13B是用于描述通过根据第五变型例的用于制造光波长转换器的方法形成的结晶区域中的极化取向的示意图。

图14A是示出用来自CO₂激光器的激光照射SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃之后的状态的光学显微镜图像。

图14B是图14A的局部放大图。

图15A是示出用来自CO₂激光器的激光照射SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃之后的状态的光学显微镜图像。

图15B是图15A的局部放大图。

图16A是示出用来自CO₂激光器的激光照射SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃之后的状态的光学显微镜图像。

图16B是图16A的局部放大图。

图17是示出二次谐波产生的测量结果的图像。

具体实施方式

[本发明要解决的问题]

作为检查传统光波长转换器的结果，发明人发现了以下问题。即，作为进行准相位匹配的光波长转换器，提出了通过将玻璃的原位成型和波长转换技术组合而得到的光学器件(例如，参照专利文献1)。这种光波长转换器的优点在于，由于基材材料为玻璃，因此能够将玻璃加工成纤维状、薄膜状等各种形状，并且能够赋予该形状以波长转换功能。专利文献1描述了一种通过在施加电场的状态下照射激光来形成由极化取向限定的极化有序结构的方法。同时，实现准相位匹配的极化有序结构精细，并且相邻极化有序结构之间的间隔极短。在这种结构中，被构造为施加电场的正电极和负电极之间的间隔变窄，因此，存在为了避免当施加高电压时的介电击穿而使处理步骤复杂化的问题。

本发明为了解决这样的问题而完成，其目的在于提供一种能够通过简单的方法形成用于实现准相位匹配的极化有序结构的光波长转换器及其制造方法。

[本公开的效果]

根据本发明的光波长转换器及其制造方法，在夹着虚拟轴线的一对区域中，沿着虚拟轴线交替地形成具有放射状极化有序结构的结晶区域。

[本公开的各实施例的描述]

首先，将单独列出并描述本公开的各实施例的内容。

(1)作为一个方面，根据本公开的一个实施例的光波长转换器包括：基板，其由晶体材料或非晶体材料构成；多个第一结晶区域，其分别具有放射状第一极化有序结构；以及多个第二结晶区域，其分别具有放射状第二极化有序结构。在该基板中，第一区域和第二区域被限定为这样：在从与基板中设定的某一虚拟轴线正交的基准方向观察基板时，第一区域和第二区域在夹着虚拟轴线的情况下彼此直接相邻。在基板的第一区域中，第一极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线布置。当从基准方向观察基板时，多个第一结晶区域的每一个跨过虚拟轴线部分地突出到第二区域。在基板的第二区域中，第二极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线设置，并且第二极化有序结构的放射中心与第一极化有序结构的放射中心沿虚拟轴线交替布置。当从基准方向观察基板时，多个第二结晶区域中的每一个跨过虚拟轴线部分地突出到第一区域。

在具有上述结构的光波长转换器中，放射状极化有序结构交替地布置在虚拟轴线的两侧。因此，在虚拟轴线上交替地出现彼此相反且与虚拟轴线相交的极化取向。因此，可以对在虚拟轴线上传播的光执行周期性极化的准相位匹配。另外，通过向基板照射具有包含在基板的吸收波长中的波长的激光，或者通过在基板的表面或基板内部形成热源，能够容易地形成光波长转换器的各结晶区域。

(2)作为本实施例的一个方面，基板优选地具有以虚拟轴线为光轴的通道光波导结构。这种通道光波导结构可以提高虚拟轴线上的光传播效率。作为本实施例的一个方面，基板优选包括硅钛钡石型晶体(fresnoite-type crystal)、BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂系玻璃和SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃中的至少一种。例如，通过在这些基板上照射激光，可以容易地形成上述放射状极化有序结构。此外，作为本实施例的一个方面，基板可以包括BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂系玻璃和SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃中的至少一种，并且还可以包括作为添加剂的包含在镧系元素、锕系元素以第4族至第12族中的任何族中的金属。在这种情况下，可以增强激光在基板中的吸收，并且可以更有效地形成上述放射状极化有序结构。

(3)作为一个方面，根据本公开的一个实施例的光波长转换器的制造方法包括：制备基板的制备步骤；以及第一加工步骤，在基板中设置多个第一结晶区域和多个第二结晶区域，每个第一结晶区域具有放射状第一极化有序结构，每个第二结晶区域具有放射状第二极化有序结构。该基板由晶体材料或非晶体材料构成。另外，在基板中，限定了第一区域和第二区域，当从与基板中设定的某一虚拟轴线正交的基准方向观察基板时，第一区域和第二区域在夹着虚拟轴线的情况下彼此直接相邻。在基板的第一区域中，多个第一结晶区域的第一极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线布置。另外，当从基准方向观察基板时，多个第一结晶区域的每一个跨过虚拟轴线部分地突出到第二区域。另一方面，在基板的第二区域中，多个第二结晶区域的第二极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线布置。另外，在从基准方向观察基板时，在第二极化有序结构的放射中心与第一极化有序结构的放射中心沿着虚拟轴线交替布置的状态下，多个第二结晶区域中的每一个跨过虚拟轴线部分地突出到第一区域。

特别地，第一加工步骤包括激光照射步骤。在激光照射步骤中，用激光对与多个第一结晶区域的第一极化有序结构的放射中心对应的多个第一会聚点中的每一个以及与多个第二结晶区域的第二极化有序结构的放射中心对应的多个第二会聚点中的每一个进行照射，以形成第一极化有序结构和第二极化有序结构。通过向基板照射具有包含在基板的吸收波长中的波长的激光，或者通过在基板的表面或基板内部形成热源，能够容易地形成光波长转换器的各结晶区域。即，根据该制造方法，能够以简单的方法形成用于实现准相位匹配的极化有序结构。

(4)作为本实施例的一个方面，用于形成极化有序结构的激光优选地具有包含在基板的吸收波段内的波长。在这种情况下，可以通过激光的照射直接加热基板。另外，作为本实施例的一个方式，用于形成极化有序结构的激光可以包括第一激光和第二激光，第一激光用于在基板的表面上或基板的内部产生高密度受激电子区域，并且第二激光用于加热高密度受激电子区域。在这种构造中，在激光照射步骤中，在第二激光的会聚区域与第一激光的会聚区域重叠的状态下，利用第一激光和第二激光照射多个第一会聚点中的每一个和多个第二会聚点中的每一个。在这种情况下，可以在基板表面上或基板内部的任意位置形成构造为形成极化有序结构的热源。

(5)顺便提及，各种类型的激光可以应用于第一激光和第二激光。例如，作为本实施例的一个方面，优选第一激光包括fs(飞秒)激光，fs激光的脉冲宽度小于1ps，并且具有在基板的吸收波段之外的波长，或者具有将由基板吸收的光量抑制为低的波长。另外，作为本实施例的一个方面，优选的是，第二激光包括脉冲激光，该脉冲激光的脉冲宽度为1ps以上且优选为1ns以上，并具有在基板的吸收波段之外的波长、或者具有在除第一激光的会聚区域以外的区域中将由基板吸收的光量抑制为低的波长。作为本实施例的一个方面，第二激光可以包括连续波(CW)激光，CW激光具有在基板的吸收波段之外的波长，或者在除第一激光的会聚区域之外的区域中将由基板吸收的光量抑制为低的波长。

第一激光的会聚区域是指以第一激光的会聚点为中心的受激电子以高密度产生的区域(高密度受激电子区域)，并且被限定为受激电子数的密度为10¹⁹/cm³以上的区域。另外，第一激光的会聚区域和第二激光的会聚区域彼此重叠的状态(在下文中，称为重叠状态)不仅包括第一激光的会聚点和第二激光的会聚点彼此一致的状态，而且包括会聚点彼此不一致的状态。具体地说，即使在第二激光的会聚点不存于高密度受激电子区域(第一激光的会聚区域)中的情况下，该重叠状态也包括第二激光的光斑直径变窄，使得高密度受激电子区域整体或至少一部分存在于第二激光的照射区域中的状态。当第一激光(fs激光)在非晶基板(例如，前体玻璃)内会聚时，在会聚fs激光的区域中暂时产生高密度受激电子区域。如果第二激光(脉冲激光或CW激光)被发射为在产生该高密度受激电子区域(第一激光的会聚区域)的同时使会聚区域与高密度受激电子区域重叠，则能够仅在高密度受激电子区域的局部区域中优先地并选择性地产生光吸收。此时，在光吸收区域(第一激光和第二激光彼此重叠的会聚区域)中产生热，并且形成结晶区域。通过在基板的表面上或基板内部三维扫描第一激光和第二激光彼此重叠的会聚区域，可以实现具有诸如块形和光纤形等各种形式的高效光波长转换器。

(6)作为本实施例的一个方面，制造方法还可以包括在激光照射步骤之前或之后，在基板上形成以虚拟轴线为光轴的通道光波导构造体的第二加工步骤。结果，可以提高在虚拟轴线上的光传播效率。另外，作为本实施例的一个方面，优选地通过划片机或干法蚀刻形成通道光波导结构。结果，可以容易地在由晶体材料或非晶体材料构成的基板上形成通道光波导结构。

(7)作为本实施例的一个方面，在激光照射步骤中，优选地经由光学构件用激光照射基板，该光学构件构造为将激光的光强分布整形为礼帽形状。结果，抑制了每个结晶区域的中央部分的基板的熔融，并且可以抑制在每个结晶区域的中央处的孔隙的产生。另外，作为本实施例的一个方面，上述光学构件优选地包括衍射光学元件或非球面透镜。结果，可以容易地产生具有礼帽形状的光强度分布的激光。

(8)作为本实施例的一个方面，激光的光源可以包括CO₂激光器。结果，可以用包括在许多基板的吸收波长中的红外区中的激光以相对高的光强度照射基板。

(9)作为本实施例的一个方面，在激光照射步骤中，可以在基板的表面上布置吸光材料的状态下用激光照射基板。结果，可以增强激光在基板中的吸收，并且可以更有效地形成上述放射状极化有序结构。此外，作为本发明的一个实施例的一个方面，吸光材料优选为碳膏。结果，可以容易地在基板上布置有效地吸收激光的吸光材料。

如上所述，在[本公开的各实施例的描述]中列出的每个方面可以应用于其余方面中的每一个或者这些其余方面的所有组合。

[本公开的各实施例的详细描述]

在下文中，将参考附图详细描述本公开的光波长转换器和光波长转换器的制造方法的具体实例。顺便提及，本公开不限于这些实例，而是由权利要求示出，并且权利要求的范围内的等同物和任何变型都旨在包括在其中。另外，在附图的描述中的相同元件将由相同的附图标记表示，并且将省略冗余的描述。此外，在以下描述中，除非另有说明，否则各个元件(区域、轴线等)之间的位置关系意味着基板表面上的位置关系。

图1是示出根据本公开的一个实施例的光波长转换器1A的结构的截面图，并且示出了光波长转换器1A沿光波导方向D1的截面。如图1所示，根据本实施例的光波长转换器1A包括由晶体材料或非晶体材料构成的基板2。基板2是具有平板面(表面)的基板，并且具有沿着光波导方向D1彼此相对布置的一对端面2a和2b。在本实施例中，端面2a和2b与光波导方向D1正交，并且彼此平行。基板2具有至少透射预定波长的光的特性。预定波长是例如在400nm至4500nm范围内的波长。基板2的构成材料的实例包括硅钛钡石型晶体、BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂系玻璃和SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃中的至少一种。

基板2包括：从与光波导方向D1正交的基准方向观察基板2时均具有环状平面形状(基本上被限定在基板2的表面上的形状)的多个结晶区域10A(第一结晶区域)、以及均具有环状平面形状的多个结晶区域10B(第二结晶区域)。图2是结晶区域10A和10B的放大平面图。结晶区域10A和10B是各自具有放射状极化有序结构的区域。极化有序结构是指自发极化以特定方式取向的结构。本实施例的结晶区域10A具有自发极化A1从结晶区域10A的放射中心O1朝向外周放射状延伸的放射状极化有序结构。类似地，本实施例的结晶区域10B具有自发极化A2从结晶区域10B的放射中心O2朝向外周放射状延伸的放射状极化有序结构。如稍后将描述的，该极化有序结构通过例如用红外区中的激光照射基板2而形成。当基板2包括BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂系玻璃和SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃中的至少一种时，基板2可以包括镧系元素、锕系元素以及第4至12族元素中的任何族中所包括的金属作为添加剂，以增强对红外区中具有特定波长的激光的吸收。镧系或锕系金属的实例包括Yb、Tm和Er。另外，属于第4族至第12族的金属的实例包括Ti、Cr和Zn。

如图1所示，基板2具有夹着基板2上设定的某个虚拟轴线AX的一对区域2c和2d。该对区域2c和2d是从与虚拟轴线正交的基准方向观察基板2时在夹着虚拟轴线的情况下彼此直接相邻的区域。然后，多个结晶区域10A的放射中心O1(其与极化有序结构的放射中心一致)位于两个区域之一的区域2c中，并且沿着虚拟轴线AX等间隔地布置成一行。另外，多个结晶区域10B的放射中心O2(其与极化有序结构的放射中心一致)位于另一区域2d中，并且沿着虚拟轴线AX等间隔地布置成一行。此外，多个结晶区域10A的放射中心O1与多个结晶区域10B的放射中心O2沿着虚拟轴线AX的延伸方向(光波导方向D1)交替排列。换言之，从与虚拟轴线AX的延伸方向交叉的方向D2观察基板2的表面时，放射中心O1和O2在基板2的表面上交替地排列。因此，连接彼此相邻的放射中心O1和O2的直线在基板2的表面上以大于0°且小于90°的角度与虚拟轴线AX交叉。此外，连接多个放射中心O1的第一直线和连接多个放射中心O2的第二直线分别与虚拟轴线AX平行。虚拟轴线AX位于这些第一直线和第二直线之间。即，多个放射中心O1中的每一个与虚拟轴线AX之间的距离相等，并且多个放射中心O2中的每一个与虚拟轴线AX之间的距离相等。另外，放射中心O1与虚拟轴线AX之间的距离以及放射中心O2与虚拟轴线AX之间的距离彼此相等。换言之，与虚拟轴线AX对应的轴线(被基板2的表面限定的线)与这样的直线平行：该直线连接将基板2的表面上彼此相邻的放射中心O1和O2连接在一起的线段的中点。

每个结晶区域10A跨过虚拟轴线AX部分地突出到区域2d侧。即，每个结晶区域10A具有与虚拟轴线AX重叠的部分。另外，每个结晶区域10B跨过虚拟轴线AX部分地突出到区域2c。即，每个结晶区域10B具有与虚拟轴线AX重叠的部分。在虚拟轴线AX上，交替地布置结晶区域10A和结晶区域10B。

基板2在每个结晶区域10A内还具有孔隙(激光加工标记)12A。孔隙12A的平面形状(被限定在基板2的表面上的形状)是以放射中心O1为圆心的圆。孔隙12A的外周与结晶区域10A的内周接触。另外，基板2在每个结晶区域10B内还具有孔隙(激光加工标记)12B。孔隙12B的平面形状是以放射中心O2为圆心的圆。孔隙12B的外周与结晶区域10B的内周接触。这些孔隙12A、12B是通过激光的照射使基板2的一部分熔融时产生的孔(凹部或空隙)。

在具有上述结构的光波长转换器1A中，在基板2的内部形成有波长转换区域B1。波长转换区域B1是沿着光波导方向D1以虚拟轴线AX为光轴延伸的光波导。波长转换区域B1的一端B1a到达基板2的端面2a，并且波长转换区域B1的另一端B1b到达基板2的端面2b。从一端B1a入射的预定波长的光在波长转换区域B1内传播后，从另一端B1b射出。

接下来，将描述用于制造具有上述结构的本实施例的光波长转换器1A的方法的实例。图3是示出本实施例的制造方法的流程图。首先，在制备基板2的制备步骤中，称量基板2的原料(在SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃的情况下为Sr₂CO₃、TiO₂和SiO₂)，然后混合这些原料(步骤S1)。如果需要，可以将增强激光吸收的上述金属加入到混合原料中。接着，加热并熔融混合原料，使熔融的原料流入到平板状的模具中，冷却以进行成形，最终得到基板2(步骤S2)。熔融温度例如为1500℃，并且熔融时间例如为一小时。随后，对基板2执行热处理以消除基板2的变形(步骤S3)。此时，热处理温度为例如760℃，并且热处理时间为例如一小时。此后，在基板2的两个板表面(正面和反面)上执行镜面抛光(步骤S4)。

接着，进行在基板2上设置多个结晶区域10A和多个结晶区域10B的第一加工步骤。该第一加工步骤包括激光照射步骤。作为激光照射步骤的实例，当使用具有包含在基板2的吸收波长中的波长的激光时，通过用该激光照射基板2的板表面来形成多个结晶区域10A和多个结晶区域10B。具体而言，首先，如图4所示，在基板2上设定多个会聚点P1(第一会聚点)和多个会聚点P2(第二会聚点)。即，多个会聚点P1位于夹着虚拟轴线AX的区域中的一个区域2c中，并且在基板2的表面上沿着虚拟轴线AX布置成一行。另外，多个会聚点P1位于另一个区域2d中，并且沿着虚拟轴线AX布置成一行。此外，多个会聚点P1和多个会聚点P2在虚拟轴线AX的延伸方向上(即，在光波导方向D1上)交替地排列。换言之，从与虚拟轴线AX的延伸方向交叉的方向D2观察基板2的表面时，会聚点P1和会聚点P2交替地布置。连接多个会聚点P1的第一直线和连接多个会聚点P1的第二直线平行于虚拟轴线AX。虚拟轴线AX位于这些第一直线和第二直线之间。即，多个会聚点P1中的每个会聚点和虚拟轴线AX之间的距离相等，并且多个会聚点P1中的每个会聚点和虚拟轴线AX之间的距离相等。另外，会聚点P1与虚拟轴线AX之间的距离等于会聚点P2与虚拟轴线AX之间的距离。换言之，与虚拟轴线AX对应的轴线(被限定在基板2的表面上的线)与这样的直线平行：该直线连接将基板2的表面上彼此相邻的会聚点P1和P2连接在一起的线段的中点。

然后，将激光顺序地发射到多个会聚点P1和P2(步骤S5)。结果，基板2局部结晶，并且形成具有以多个会聚点P1为放射中心的放射状自发极化的多个结晶区域10A(见图1)，并形成分别具有以多个会聚点P2为放射中心的放射状极化有序结构的多个结晶区域10B(见图1)。在该步骤中，调整激光的功率密度和照射时间，使得每个结晶区域10A跨过虚拟轴线AX向区域2d侧突出，并且每个结晶区域10B跨过虚拟轴线AX向区域2c侧突出。顺便提及，在上述的激光照射步骤的实例中，激光的波长是在形成基板2的材料的吸收波段(例如远红外区)中包含的任意波长。在该步骤中，根据需要，通过聚光透镜使激光会聚，从而提高功率密度，使得由吸收的能量局部加热的区域的温度为800℃以上。作为激光的光源，例如，能够输出高强度远红外光的CO₂激光器是优选的。当基板2由SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃构成时，CO₂激光在10.6μm波段的透射率约为百分之几。因此，可以使用CO₂激光器以使基板2吸收大量的激光，从而适当地形成结晶区域10A和10B。顺便提及，光源不限于CO₂激光器，只要可局部施加结晶所需的热量即可。

图5是示出本实施例中的激光的光强度分布的实例的曲线图。在图5中，水平轴线表示径向位置，并且竖直轴线表示光强度。另外，虚线E1是基板2的结晶阈值，并且虚线E2是基板2的加工(熔融)阈值。如图5所示，在本实施例中，向基板2发射的激光具有诸如高斯分布等光强度分布。即，中央处的光强度最高，并且光强度随着离中央的距离增加而逐渐减小。然后，中央处的光强度超过基板2的加工(熔融)阈值。根据具有这种光强度分布的激光，在会聚点P1和P2附近的功率密度变高，因此，基板2局部熔融从而形成孔隙12A和12B。另外，功率密度在孔隙12A和12B附近具有在结晶阈值和加工(熔融)阈值之间的大小，从而形成结晶的结晶区域10A和10B。

在第一加工步骤结束时，对基板2执行热处理以再次消除基板2的变形(步骤S6)。此时，热处理温度为例如760℃，并且热处理时间为例如一小时。通过上述制备步骤和第一加工步骤(包括激光照射步骤)制造出根据本实施例的光波长转换器1A。

将描述通过根据上述本实施例的光波长转换器1A及其制造方法所获得的效果。在根据本实施例的光波长转换器1A及其制造方法中，在观察基板2的表面(激光照射面)时，在虚拟轴线AX的两侧交替地布置放射状极化有序结构。因此，在包括虚拟轴线AX的波长转换区域B1中，周期性地且交替地出现与虚拟轴线AX相交并且彼此相反(反转180度)的极化取向。因此，可以对在波长转换区域B1中传播的光执行周期性极化的准相位匹配。另外，通过对基板2照射具有基板2的吸收波段中所含的波长的激光，能够容易地形成本实施例的光波长转换器1A的结晶区域10A、10B中的每一个。另外，在本实施例的制造方法中，通过对基板2照射具有基板2的吸收波段中所含的波长的激光，能够形成结晶区域10A、10B。即，根据本实施例的光波长转换器1A及其制造方法，可以用简单的方法形成构造为实现准相位匹配的极化有序结构。

另外，如在本实施例中那样，基板2可以包括硅钛钡石型晶体、BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂系玻璃和SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃中的至少一种。例如，在这些基板2中通过激光的照射可以容易地形成上述放射状极化有序结构。此外，当基板2包括BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂系玻璃和SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃中的至少一种时，基板2可以包括下述金属作为添加剂：该金属包括在镧系元素、锕系元素和第4族至第12族中的任何族中。结果，增强了基板2中激光的吸收，并且可以更有效地形成上述放射状极化有序结构。

另外，CO₂激光器可用作如本实施例中的激光的光源。结果，可以在具有相对高的光强度的状态下，用包括在许多基板的吸收波段中的红外区中的激光来照射基板2。

(第一变型例)

图6是示出根据上述实施例的第一变型例的光波长转换器1B的构造的截面图。本变型例和上述实施例之间的差别在于结晶区域10A和10B的形状。换言之，本变型例的结晶区域10A、10B不是环状，而是以放射状极化有序结构的放射中心O1、O2为圆心的圆形。而且，在结晶区域10A、10B中分别包含放射中心O1、O2。因此，本变型例的光波长转换器1B不包括孔隙12A和12B。

图7是示出用于形成本变型例的结晶区域10A和10B的激光的光强度分布的实例的曲线图。在图7中，水平轴线表示径向位置，并且竖直轴线表示光强度。虚线E1是基板2的结晶阈值，并且虚线E2是基板2的加工(熔融)阈值。如图7所示，在本变型例中，向基板2发射的激光具有礼帽(平顶)形状的光强度分布。即，在从中央起的一定半径内的区域中光强度基本上恒定，并且在外侧区域中，光强度随着距中央的距离的增加而逐渐减小。然后，在从中央起的一定半径内的区域中的光强度高于基板2的结晶阈值并且低于加工(熔融)阈值。根据这种光强度分布，在会聚点P1和P2附近的功率密度变得低于熔融阈值，因此，基板2不会熔融，并且不会形成孔隙12A和12B。另外，在从会聚点P1和P2起的一定半径内的区域中，功率密度变成结晶阈值与加工(熔融)阈值之间的大小，从而形成结晶区域(结晶区域10A和10B)。

根据本变型例的光波长转换器1B，可以获得与上述实施例相同的效果。另外，由于激光的光强度分布具有如本变型例中的礼帽形状，所以可以抑制基板2在结晶区域10A和10B中的每一个的中央部分中的熔融，并且可以抑制在相应结晶区域10A和10B的中央处的孔隙12A和12B的形成。结果，可以抑制由于由孔隙12A和12B引起的裂纹等导致的器件性能的劣化。

在制造本变型例的光波长转换器1B时，只要经由以下光学构件用激光照射基板2即可：该光学构件将激光的光强度分布装换为图7所示的礼帽形状。这种光学构件的实例包括衍射光学元件(DOE)、非球面透镜等。使用这种光学构件，能够容易地产生具有礼帽形状的光强度分布的激光。

图8是示出构造为获得图7所示的光强度分布的光学系统的实例的图。在图8所示的实例中，在输出准直激光La的激光光源(也可以包括构造为使激光La准直的光学系统)30与会聚点之间布置有光学构件OP1。从激光光源30向会聚点依次布置聚光透镜40A和衍射光学元件50作为光学构件OP1。在这种构造中，激光La在激光光源30与聚光透镜40A之间的光强度分布I1具有图5所示的高斯分布形状。另一方面，通过聚光透镜40A和衍射光学元件50后的激光La在会聚点处的光强度分布I2具有图7所示的礼帽形状。顺便提及，光学构件OP1也可以替换为包含非球面透镜40B的光学构件OP2。即使在激光La的激光光源30与会聚点之间布置光学构件OP2时，会聚点处的光强度分布I2的形状也是礼帽形状。

(第二变型例)

图9A是示出根据上述实施例的第二变型例的光波长转换器1C的构造的截面图。本变型例与上述实施例的不同点在于，与第一变型例类似地，结晶区域10A、10B包括放射状极化有序结构的放射中心O1、O2但没有孔隙12A、12B，并且结晶区域10A、10B甚至在与光波导方向D1交叉的方向D2上交替布置。在这种构造中，通过位于某一虚拟轴线AX两侧的结晶区域10A和10B，可以形成与上述实施例中相同的波长转换区域B1。另外，可以由位于一个虚拟轴线AX1两侧的结晶区域10A和10B以及位于与虚拟轴线AX1相邻的虚拟轴线AX2两侧的结晶区域10B和10A(结晶区域10B与虚拟轴线AX1侧的结晶区域10B是共同的)形成波长转换区域B2。即，波长转换区域B2是包括两个虚拟轴线AX1和AX2并沿着光波导方向D1延伸的区域。波长转换区域B2沿着方向D2的宽度基本上等于放射中心O1沿着方向D2的周期(即，会聚点P1的周期)。

图9B和图9C分别是示出了在波长转换区域B1和B2中能够有效地执行波长转换的电场分布的曲线图。水平轴线表示电场强度，并且竖直轴线表示在方向D2上的位置。如图9B所示，在波长转换区域B1中，电场强度分布处于LP₀₁模式(基模)。另一方面，如图9C所示，在波长转换区域B2中，电场强度分布处于LP₁₁模式。即使在这种电场模式中，也适当地执行波长转换。顺便提及，在波长转换区域B2中，电场强度分布在波长转换之前和之后处于LP₁₁模式。

(第三变型例)

图10A是示出根据上述实施例的第三变型例的光波长转换器1D的构造的平面图。图10B是沿图10A的线IXb-IXb截取的截面图，并且示出与光波导方向D1相交的截面。图10C是沿图10A的线IXc-IXc截取的截面图，并示出与光波导方向D1相交的截面。在根据本变型例的光波长转换器1D中，基板2具有以虚拟轴线AX为光轴的通道光波导结构21。通道光波导结构21具有沿着虚拟轴线AX延伸的一对侧面21a和21b。在一个实例中，在基板2的沿着线IXb-IXb的截面中，一个侧面21a位于虚拟轴线AX与放射中心O1之间。在基板2的沿着线IXc-IXc的截面中，另一侧面21b位于虚拟轴线AX与放射中心O2之间。侧面21a和21b例如通过在图3所示的步骤S5(相当于激光照射步骤的步骤)之前或之后的第二加工步骤而得到。在该第二加工步骤中，通过干蚀刻除去基板2的位于通道光波导结构21的外侧的部分，从而能够容易地形成侧面21a和21b。

如本变型例那样，根据本实施例的光波长转换器也可以具备具有以虚拟轴线AX为光轴的通道光波导结构21的基板2。另外，光波长转换器的制造方法还可以包括如上所述在基板2中形成通道光波导结构21的第二加工步骤。结果，能够提高在虚拟轴线AX(波长转换区域B1)上的光传播效率。

顺便提及，作为用于在基板2中形成通道光波导结构的方法(第二加工步骤)，可以想到除了上述方法之外的各种方法。例如，这些方法的实例包括：在将作为通道光波导结构的部分留下的同时用划片机切割基板2的方法、通过使诸如Ge和Ti等添加剂扩散到基板2中而使折射率局部变化的方法、通过质子(H+)交换法在基板2的内部形成通道光波导结构的方法等。

(第四变型例)

图11是示出根据上述实施例的第四变型例的光波长转换器的制造方法中的步骤的截面图，并示出基板2的与光波导方向D1相交的截面。在本变型例中，在图3所示的步骤S5(与激光照射步骤对应的步骤)中，用激光La照射布置有吸光材料31的基板2。吸光材料31包含在包括激光La的波长的波段中具有吸收的材料。在基板2的表面上布置吸光材料31的方法包括涂布、溅射、气相沉积等。例如，吸光材料31由含碳材料构成，并且在一个实例中是碳膏(通过将碳粒子作为填料添加到树脂中而获得的导电膏)。

根据本变型例的方法，激光La在基板2中的吸收得到增强，并且可以更有效地形成放射状极化有序结构。另外，在这种情况下，可以施加碳膏作为吸光材料31。由此，容易在基板2上布置有效吸收激光功率的吸光材料31。另外，碳膏的吸收带宽，因此能够吸收CO₂激光器以外的光纤激光器、固体激光器、半导体激光器等振荡的波段的光。此外，在激光照射后，通过清洗等可以容易地除去碳膏。

顺便提及，除了上述方法之外的各种方法都可以被认为是提高激光吸收效率的方法。例如，存在这样的方法：在激光照射之前通过还原反应预先增加基板2的光吸收率，并且在激光照射之后通过氧化反应恢复光吸收率。

(第五变型例)

图12是示出根据上述实施例的第四变型例的光波长转换器的制造方法的一个步骤的图，并且是用于描述与图3的步骤S5对应的激光照射步骤的图。尽管在上述变型例中使用了具有包含在基板2的吸收波段内的波长的激光La，但在本变型例中，第一激光Lb1和第二激光Lb2发射作为用于形成极化有序结构的激光，第一激光Lb1用于在基板表面或基板内产生高密度受激电子区域，第二激光Lb2用于加热高密度受激电子区域。即，在激光照射步骤中，在第二激光Lb2的会聚区域与第一激光Lb1的会聚区域重叠的状态下，利用第一激光Lb1和第二激光Lb2照射多个会聚点P1中的每一个和多个会聚点P2中的每一个。

顺便提及，第一激光Lb1适当地为fs激光，fs激光的脉冲宽度小于1ps，并具有在基板2的吸收波段之外的波长，或者具有可以将由基板2吸收的光量抑制为低的波长。另外，第二激光Lb2适当地为脉冲激光，该脉冲激光的脉冲宽度为1ps以上，并且优选为1ns以上，并且具有在基板2的吸收波段之外的波长，或者具有在除第一激光Lb1的会聚区域之外的区域中将由基板2吸收的光量抑制为低的波长。第二激光Lb2可以是CW激光，CW激光具有在基板2的吸收波段之外的波长，或者在除第一激光Lb1的会聚区域之外的区域中可以将由基板2吸收的光量抑制为低的波长。作为用于照射第二激光Lb2的光源，诸如上述CO2激光器、光纤激光器、半导体激光器和固态激光器的激光光源是合适的。

已知根据照射条件而在可应用于第一激光Lb1的fs激光的会聚区域中瞬时产生高密度受激电子区域(非专利文献1)。另外，发射可应用于第二激光Lb2的具有1ns以上的脉冲宽度的激光(例如，1070nm波长)，以便与高密度受激电子区域(第一激光Lb1的会聚区域)重叠，所发射激光的光能仅在该区域优先地和选择性地被吸收。结果，上述非专利文献2披露了已经吸收光能的区域(高密度受激电子区域是通过第一激光Lb1的照射暂时产生的区域)有效地产生作为热灯丝的热量。在已吸收第二激光Lb2的光能的区域(热灯丝)中产生的热量取决于第二激光Lb2的照射时间。即，随着产生的热量增加，在以热灯丝为中心的周围区域中的温度也增加(超过图5和图7中所示的结晶阈值E1的区域)。此时，通过控制吸收区域中的产生热量使得周围区域的温度变得等于或低于加工(熔融)阈值E2，周围区域的结晶变得成为可能。

具体地说，如图12所示，在本变型例的激光照射步骤(图3的步骤S5)中，制备具有通道光波导结构21的基板2。从第一光源30A用第一激光Lb1(fs激光)照射图4和图9A所示的会聚点P1(与放射中心O1一致)和会聚点P2(与放射中心O2一致)中的每一个，用于在基板2的表面上或基板内部生成高密度受激电子区域。另一方面，从第二光源30B用第二激光Lb2(脉冲宽度为1ps以上、优选为1ns以上的脉冲激光或CW激光)照射基板2，用于对通过照射第一激光Lb1暂时生成的高密度受激电子区域进行加热。在图12的实例中，第一激光Lb1和第二激光Lb2同轴地发射。即，在从第一光源30A到基板2的第一激光Lb1的光路和从第二光源30B到基板2的第二激光Lb2的光路的每一个中布置共用光学构件OP3(包括聚光透镜40A)和半反射镜60。这种照射系统具有容易构成的优点。然而，第一激光Lb1的光路和第二激光Lb2的光路可以不同。

基板2被彼此同步的第一激光Lb1和第二激光Lb2照射。在激光照射期间，从第一光源30A输出的第一激光Lb1被半反射镜60反射并行进到聚光透镜40A。此外，通过聚光透镜40A的第一激光Lb1会聚于基板2的表面附近。在第一激光Lb1的会聚区域中产生高密度受激电子区域。同时，从第二光源30B输出的第二激光Lb2通过半反射镜60并行进到聚光透镜40A。此外，通过聚光透镜40A的第二激光Lb2被会聚以便与高密度受激电子区域重叠。第二激光Lb2的光能量在高密度受激电子区域被有效吸收，并且此时高密度受激电子区域作为热灯丝110发挥功能。结果，在基板2中形成取向为垂直于热灯丝110的周围区域中的温度等值线的结晶区域10A和10B。

顺便提及，图13A是用于描述使用具有图5所示的光强度分布的激光形成的结晶区域中的极化取向的示意图。另外，图13B是用于描述通过用于制造根据第五变型例的光波长转换器的方法形成的结晶区域中的极化取向的示意图。

在没有施加fs激光的上述实施例和第一变型例至第四变型例中，如图13A所示，照射材料(基板2)在深度方向上的取向不完全平行于基板2的表面，而是在深度方向上稍微倾斜。

另一方面，当在fs激光的会聚区域和脉冲宽度为1ns以上的脉冲激光的会聚区域彼此重叠的状态下发射fs激光和脉冲激光时，由于热灯丝效应，温度沿着照射材料(基板2)的深度方向选择性地升高。因此，如图13B所示，在区域α中，照射材料在深度方向上的取向平行于基板2的表面。尽管孔隙(激光加工标记)12A和12B的形状取决于fs激光的会聚条件，但也可以根据照射条件来加工具有直径为约10μm且深度为100μm以上的高纵横比的形状(参见上述非专利文献2)。由于取决于加工形状的热灯丝110的形状形成为垂直于深度方向，并且被极化为垂直于温度等值线，因此图13B中所示的区域α的极化尽可能平行于基板2的表面取向。结果，根据入射光的偏振，可以进行高效率的波长转换。顺便提及，作为构造为输出fs激光的光源，Ti:S激光器、1μm波段的光纤激光器或这样的光源的SHG是有效的。

(实例)

图14A、图15A和图16A是光学显微镜图像，示出了用来自CO₂激光器的激光照射SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃之后的状态。图14A示出了激光输出为7.8W并且照射时间为2秒的状态。图15A示出了激光输出为7.8W并且照射时间为1秒的状态。图16A示出了激光输出为3.28W并且照射时间为2秒的状态。顺便提及，图14B、图15B和图16B分别是图14A、图15A和图16A的局部放大图。在所有照射条件下，产生孔隙(激光加工标记)12，并且在孔隙12周围形成结晶区域，即结晶区域10(对应于结晶区域10A和10B)。

为了明确结晶区域10的光轴的取向，本发明人使用波长为1.06μm且光直径为约2mm的激光来进行二次谐波产生的测量。图17是示出二次谐波产生(SHG)的测量结果的图像。顺便提及，图17还示出用于测量的激光的偏振方向。SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃的二阶非线性光学常数(d常数)具有d₃₁＞d₃₃的关系，并且在该测量中优先观察到具有d₃₁的SH光。如图17所示，在该实验中，在形成为环形的结晶区域10中观察到一对SH光束。顺便提及，这些SH光束在穿过结晶区域10的中央并在垂直于偏振方向的方向上延伸的直线上产生。

SH光是由d₃₁分量引起的SH光，并且该SH光的极化方向垂直于入射波前。即，应该理解，极化方向沿着连接SH光的产生区域和结晶区域10的中央的直线延伸，并且是放射状的。这表明，通过用激光照射基板2，可以形成具有放射状极化有序结构的结晶区域10。

本公开的光波长转换器不限于上述实施例(包括变型例)，并且可以进行各种其它变型。例如，可以根据需要的目的和效果将上述实施例和各变型例彼此组合。另外，在上述实施例和变型例中，作为基板材料，例示了硅钛钡石型晶体、BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂系玻璃和SrO-TiO₂-SiO₂系玻璃，但是，作为晶体或非晶体并且对期望波长透明的各种材料可应用于本公开的基板。

附图标记列表

1A、1B、1C、1D……光波长转换器；2……基板；2a、2b……端面；2c、2d……区域；10、10A、10B……结晶区域；12A、12B……孔隙(激光加工标记)；21……通道光波导结构；21a、21b……侧面；30……激光光源；30A……第一光源；30B……第二光源；31……吸光材料；40A……聚光透镜；40B……非球面透镜；50……衍射光学元件；60……半反射镜；A1、A2……自发极化；AX、AX1、AX2……虚拟轴线；B1、B2……波长转换区域；B1a……一端；B1b……另一端；D1……光波导方向；D2……方向；La……激光；Lb1……第一激光；Lb2……第二激光；O1、O2……放射中心；P1、P2……会聚点；以及OP1、OP2、OP3……光学构件。