特許 6753417 光デバイスおよび光デバイス製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6753417

(24)【登録日】2020年8月24日

(45)【発行日】2020年9月9日

(54)【発明の名称】光デバイスおよび光デバイス製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/383 20060101AFI20200831BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20200831BHJP

   G02B 6/024 20060101ALI20200831BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/383

   G02B6/02 396

   G02B6/02 411

   G02B6/02 371

   G02B6/024 301

【請求項の数】16

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2017-558145(P2017-558145)

(86)(22)【出願日】2016年12月20日

(86)【国際出願番号】JP2016087914

(87)【国際公開番号】WO2017110792

(87)【国際公開日】20170629

【審査請求日】2019年9月24日

(31)【優先権主張番号】特願2015-251286(P2015-251286)

(32)【優先日】2015年12月24日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100136722

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼木 邦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】長能 重博

【審査官】 奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−１１１４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２７６３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／００７６１５５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００１／００２８７７５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１５１４６７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 CANAGASABEY,Albert et al.，High-average-power second-harmonic generation from periodically poled silica fibers，OPTICS LETTERS，２００９年 ４月１５日，Vol.34,No.16，pp.2483-2485

【文献】 CABRILLO,C. et al.，Thermally poled silica samples are structually heterogeneous;Electron diffraction evidence of partia，APPLIED PHYSICS LETTERS，２００１年 ４月 ２日，Vol.78,No.14，pp.1991-1993

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５，１／２１−７／００

Ｇ０２Ｂ ６／０２，６／０３２，６／０３６

ＯＳＡ ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＳｉＯ_２を含むガラスからなる光デバイスであって、
前記光デバイスの長手方向に沿って延びるコア領域と、
前記コア領域を取り囲み、かつ、前記コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第１クラッド領域と、
前記第１クラッド領域を取り囲み、かつ、前記コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第２クラッド領域と、を備え、
前記コア領域と前記第１クラッド領域とで構成されるガラス領域の少なくとも一部に、分極配向された結晶領域である第１区間と非結晶領域である第２区間とが前記長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造を有する、
光デバイス。

【請求項2】

ＳｉＯ_２を含むガラスからなる光デバイスであって、
前記光デバイスの長手方向に沿って延びるコア領域と、
前記コア領域を取り囲み、かつ、前記コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第１クラッド領域と、
前記第１クラッド領域を取り囲み、かつ、前記コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第２クラッド領域と、を備え、
前記コア領域と前記第１クラッド領域とで構成されるガラス領域の少なくとも一部に、分極配向された結晶領域である第１区間と前記第１区間の結晶領域とは異なる向きに分極配向された別の結晶領域である第２区間とが前記長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造を有する、
光デバイス。

【請求項3】

前記第１区間の結晶領域は、ガラス結晶化を促進させる添加物として金属元素を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。

【請求項4】

前記第１区間の結晶領域は、ガラス結晶化を推進させる添加物として半金属元素を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。

【請求項5】

前記第１区間の結晶領域は、失透を抑制する添加物として１価または２価の金属元素を含むことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光デバイス。

【請求項6】

前記繰り返し構造は、前記長手方向に沿って単一の繰り返し周期を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光デバイス。

【請求項7】

前記長手方向に沿った前記繰り返し構造の繰り返し周期は、チャープ型周期、互いに異なる複数の単一周期が組み合わされた周期、あるいは、フィボナッチ数列やBarker sequence法に基づいた周期であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光デバイス。

【請求項8】

前記繰り返し構造は、前記コア領域と前記第１クラッド領域に跨るように設けられていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の光デバイス。

【請求項9】

前記第２クラッド領域内において前記第１区間の結晶領域を挟んだ状態で前記長手方向に沿ってそれぞれ延び、前記長手方向に垂直な前記光デバイスの断面において前記第１区間の結晶領域における分極配向に平行または垂直な直線上に配置された一対の空孔または導電性領域を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の光デバイス。

【請求項10】

前記一対の空孔または導電性領域は一対の導電性領域であって、前記一対の導電性領域それぞれは、前記長手方向に沿って延びる応力付与領域を取り囲んだ、導電性を有するアモルファス酸化物半導体が添加された領域であることを特徴とする請求項９に記載の光デバイス。

【請求項11】

ＳｉＯ_２を含むガラスからなる光ファイバであって、前記光ファイバの長手方向に沿って延びるコア領域と、前記コア領域を取り囲み、かつ、前記コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を取り囲み、かつ、前記コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第２クラッド領域とを備えるとともに、前記コア領域と前記第１クラッド領域とで構成されるガラス領域の少なくとも一部に、ガラス結晶化を促進させる添加物が添加された添加領域が前記長手方向に沿って連続的に設けられた光ファイバを用意する準備工程と、
前記光ファイバの表面温度を１００℃〜８００℃の範囲内に収まるよう維持する温度調節工程と、
前記光ファイバの前記添加領域に対するレーザ光の間欠照射の最中または後に前記添加領域を貫通する電界を形成することにより、分極配向された結晶領域である第１区間と非結晶領域である第２区間とが前記長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造を、前記添加領域内に形成する区間形成工程であって、前記レーザ光の間欠照射は、前記長手方向に沿って間欠的にレーザ光を前記添加領域に照射することにより、前記添加領域内に前記繰り返し構造を形成するよう構成されるとともに、前記電界の形成は、前記長手方向に垂直な方向に沿って前記添加領域内に電位勾配を形成するよう構成される区間形成工程と、
を備えた光デバイス製造方法。

【請求項12】

前記電界の形成は、前記長手方向に垂直な方向に沿って前記添加領域を挟む２点間に電圧を印加することにより、前記添加領域内に電位勾配を形成するよう構成されることを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス製造方法。

【請求項13】

前記電界の形成は、前記光ファイバに対して、所定の電流が供給されるカソードで発生し所定の加速電圧により加速された電子ビームを前記光ファイバに照射することにより、前記光ファイバの前記第２クラッド領域内に電荷溜りを形成した後、前記添加領域に対して前記電荷溜りとは反対側に電極を配置することにより、前記電位勾配を形成するよう構成されることを特徴とする請求項１２に記載の光デバイス製造方法。

【請求項14】

ＳｉＯ_２を含むガラスからなる光ファイバであって、前記光ファイバの長手方向に沿って延びるコア領域と、前記コア領域を取り囲み、かつ、前記コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を取り囲み、かつ、前記コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第２クラッド領域とを備えるとともに、前記コア領域と前記第１クラッド領域とで構成されるガラス領域の少なくとも一部に、ガラス結晶化を促進させる添加物が添加された添加領域が前記長手方向に沿って連続的に設けられた光ファイバを用意する準備工程と、
前記光ファイバの表面温度を１００℃〜８００℃の範囲内に収まるよう維持する温度調節工程と、
前記光ファイバの前記添加領域に対するレーザ光の連続照射の最中または後に前記添加領域を貫通する第１電界を形成することにより、前記長手方向に沿って連続し、かつ、分極配向された第一結晶領域を、前記添加領域内に形成する結晶領域形成工程であって、前記レーザ光の連続照射は、前記長手方向に沿って連続的にレーザ光を前記添加領域に照射することにより、前記添加領域内に連続する前記第一結晶領域を形成するよう構成されるとともに、前記第１電界の形成は、前記長手方向に垂直な第１方向に沿って前記添加領域内に電位勾配を形成するよう構成される結晶領域形成工程と、
前記第一結晶領域に対するレーザ光の間欠照射の最中または後に前記第一結晶領域を貫通する第２電界を形成することにより、前記第一結晶領域の一部である第１区間と前記第一結晶領域とは異なる方向に分極配向された第二結晶領域である第２区間とが前記長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造を、前記添加領域内に形成する区間形成工程であって、前記レーザ光の間欠照射は、長手方向に沿って間欠的にレーザ光を前記添加領域に照射するにより、前記添加領域内に前記繰り返し構造を形成するよう構成されるとともに、前記第２電界の形成は、前記長手方向に垂直な、前記第１方向とは異なる第２方向に沿って前記添加領域内に電位勾配を形成するよう構成される区間形成工程と、
を備えた光デバイス製造方法。

【請求項15】

前記結晶領域形成工程において、前記第１電界の形成は、前記第１方向に沿って前記添加領域を挟む２点間に第１電圧Ｖａを印加することにより、前記添加領域内に電位勾配を形成するよう構成され、
前記区間形成工程において、前記第２電界の形成は、前記添加領域を挟む前記２点間に、前記第１電圧Ｖａとは逆極性であって、かつ、その絶対値が前記第１電圧Ｖａの絶対値よりも小さい第２電圧Ｖｉを印加することにより、前記第２方向に沿って前記添加領域内に電位勾配を形成するよう構成されることを特徴とする請求項１４に記載の光デバイス製造方法。

【請求項16】

前記結晶領域形成工程において、前記第１電界の形成は、前記光ファイバに対して前記第１方向から、第１電流値の電流が供給されるカソードで発生し所定の加速電圧で加速された電子ビームを照射することにより、前記光ファイバの前記第２クラッド領域内に第１電荷溜りを形成した後、前記添加領域に対して前記第１電荷溜りとは反対側に第１電極を配置することにより、前記添加領域内に前記電位勾配を形成するよう構成され、
前記区間形成工程において、前記第２電界の形成は、前記光ファイバに対して前記第２方向から、前記第１電流値よりも小さい第２電流値の電流が供給されるカソードで発生し前記加速電圧で加速された電子ビームを照射することにより、前記光ファイバの前記第２クラッド領域内に第２電荷溜りを形成した後、前記添加領域に対して前記第２電荷溜りとは反対側に第２電極を配置することにより、前記添加領域内に前記電位勾配を形成するよう構成されることを特徴とする請求項１４に記載の光デバイス製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光デバイスおよび光デバイス製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

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は、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）結晶、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）結晶、ＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）結晶、β-ＢａＢ_２Ｏ_４（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おり、例えば、レーザ加工分野、光通信分野および計測分野などにおいて用いられている。

【0003】

レーザ加工分野では、光デバイスは、光ファイバレーザの第２高調波発生（ＳＨＧ: second harmonic generation）による短波長化に用いられており、基本波より第２高調波のビームスポット径が小さくなることから、微細なレーザ加工に用いられている。光通信分野では、光デバイスは、ＷＤＭ信号の波長資源を有効活用するために、ＣバンドのＷＤＭ信号からＬバンドのＷＤＭ信号への一括多重波長変換などに用いられている。計測分野では、光デバイスは、水素結合などに起因する分子間振動を観測することができるテラヘルツ光を発生させる光源として使用されている。

【0004】

最近では、化合物半導体結晶であるＧａＡｓ、ＣａＰ、ＧａＮ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、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（periodically-poled structure）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着目されている。

【0005】

波長変換の手法は、周期分極反転（periodically-poling）による擬似位相整合（ＱＰＭ: quasi-phase matching）および角度位相整合の２つに分類できる。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で、様々な位相整合波長の生成が可能であり、材料の透明領域の全てにおいて波長変換が可能である。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ないことから、ビーム品質が良好である上に、相互作用長の長尺化が可能であることから、高効率化や結合損の抑制に適しており、加工および計測等において有効な方法である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Opt. Lett., Vol.34, No.16 (2009) p.2483

【非特許文献2】Opt. Express, Vol.19, No.27 (2011) p.26975

【非特許文献3】応用物理、第83巻、第7号 (2014) p.560

【非特許文献4】セラミックス、Vol.49, No.7 (2014) p.604

【非特許文献5】Opt. Lett., Vol.39, No.22 (2014) p.6513

【非特許文献6】IEEE J. Quantum Electron., Vol.28, Issue.11 (1992) p.2631

【非特許文献7】電子情報通信学会論文誌C-I J77（1994）p.536

【非特許文献8】IEEE J. Quantum Electron., Vol.30, Issue.7 (1994) p.1596

【非特許文献9】Science Vol.278 (1997) p.843

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

発明者は、従来の光デバイスについて検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上記強誘電体光学結晶または化合物半導体結晶を利用した光デバイスを光ファイバと組み合わせてモジュールを構成する際、集光または拡光の為のレンズを光デバイスと光ファイバとの間に挿入する必要がある。このような構成では、結合損失が増大し、波長変換の応用分野によっては空間光学系が必要になる。構成部品の増加に伴いアライメントが煩雑化し、装置が大型化する。更には、レンズ表面の汚れにより性能の劣化等の問題が生じ易い。このように、従来の２次非線形光デバイスと光ファイバとの相性は良いとは言えない。

【0008】

一方、石英系ガラスからなる光ファイバ（石英系ガラスファイバ：silica-based glass fiber）は、材料がアモルファスであることから、３次の非線形光学効果の活用に留まっており、２次の非線形光学効果を利用する高効率な波長変換が困難である。

【0009】

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、２次非線形光学現象を発現することができるファイバ型の光デバイスおよび光デバイス製造方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本実施形態に係る光デバイスは、ＳｉＯ_２を含むガラスからなるファイバ型の光デバイスであって、コア領域と、第１クラッド領域と、第２クラッド領域を備える。コア領域は、当該光デバイスの長手方向に沿って延びている。第１クラッド領域は、コア領域を取り囲み、かつ、該コア領域の屈折率より低い屈折率を有する。第２クラッド領域は、第１クラッド領域を取り囲み、かつ、該コア領域の屈折率より低い屈折率を有する。上述のような課題を解決するため、本実施形態では、コア領域と第１クラッド領域とで構成されるガラス領域の少なくとも一部に、第１区間と第２区間とが長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が設けられている。なお、第１区間は、長手方向に垂直な所定方向に分極配向された結晶領域である。第２区間は、非結晶領域、または、該第１区間の結晶領域とは異なる向きに分極配向された別の結晶領域である。

【発明の効果】

【0011】

本実施形態によれば、２次非線形光学現象の発現が可能なファイバ型の光デバイスの提供が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】は、第１比較例に係る光デバイス１０の断面構造を示す図である。

【図2】は、第３比較例に係る光デバイス３０の断面の概念図である。

【図3A】は、第１実施形態に係る光デバイス製造方法を説明するためのフローチャートである。

【図3B】は、第２実施形態に係る光デバイス製造方法を説明するためのフローチャートである。

【図4】は、光ファイバ内に電界を形成する第１の方法を説明するための図である。

【図5】は、光ファイバに間欠的または連続的にレーザ光を照射する方法を説明するための図である。

【図6】は、光ファイバ内に電界を形成する第２の方法を説明するための図である。

【図7】は、第１実施形態に係る光デバイス１００の構成を示す図である。

【図8】は、自発分極の温度依存性の概略を示すグラフである。

【図9】は、第２実施形態に係る光デバイス２００の構成を示す図である。

【図10】は、光ファイバへの電圧印加（光ファイバ内への電界形成）に適用可能な電子ビーム照射の第１の方法を説明するための図である。

【図11A】は、光ファイバへの電圧印加（光ファイバ内への電界形成）に適用可能な電子ビーム照射の第２の方法を説明するための図である。

【図11B】は、光ファイバへの電圧印加（光ファイバ内への電界形成）に適用可能な電子ビーム照射の第３の方法を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。

【0014】

（１） 本実施形態に係る光デバイスは、ＳｉＯ_２を含むガラスからなるファイバ型の光デバイスであって、コア領域と、第１クラッド領域と、第２クラッド領域を備える。コア領域は、当該光デバイスの長手方向に沿って延びている。第１クラッド領域は、コア領域を取り囲み、かつ、該コア領域の屈折率より低い屈折率を有する。第２クラッド領域は、第１クラッド領域を取り囲み、かつ、該コア領域の屈折率より低い屈折率を有する。本実施形態の一態様として、コア領域と第１クラッド領域とで構成されるガラス領域の少なくとも一部には、分極配向された結晶領域（polarization-oriented crystal region (poled crystal region)）である第１区間と非結晶領域である第２区間とが長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が設けられている。また、本実施形態の一態様として、上記ガラス領域の少なくとも一部には、分極配向された結晶領域である第１区間と該第１区間の結晶領域とは異なる向きに分極配向された別の結晶領域である第２区間とが長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が設けられてもよい。

【0015】

（２）なお、上記ガラス領域において、繰り返し構造が設けられる部分は、コア領域またはその一部のみで構成される部分、第１クラッド領域またはその一部のみで構成される部分、コア領域またはその一部から第１クラッド領域またはその一部に跨った部分の何れであってもよい。また、繰り返し構造は、繰り返し周期により規定され、該繰り返し周期の１周期は、隣接する第１および第２区間で構成される領域の、長手方向に沿った長さにより規定される。

【0016】

（３）本実施形態の一態様として、第１区間の結晶領域は、ガラス結晶化を促進させる添加物として金属元素を含んでもよく、この場合、該金属元素は、Ｔｉであるのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、第１区間の結晶領域は、ガラス結晶化を推進させる添加物として半金属元素を含んでもよく、この場合、該半金属元素は、Ｇｅであるのが好ましい。更に、本実施形態の一態様として、第１区間の結晶領域は、失透を抑制する添加物として１価または２価の金属元素を含んでもよく、この場合、該１価または２価の金属元素は、ＳｒまたはＢａであるのが好ましい。

【0017】

（４）本実施形態の一態様として、繰り返し構造は、長手方向に沿って単一の繰り返し周期を有してもよい。また、本実施形態の一態様として、長手方向に沿った繰り返し構造の繰り返し周期は、チャープ型周期（１周期に相当する区間長が長手方向に沿って増加および減少を繰り返す周期パターン）、互いに異なる複数の単一周期が組み合わされた周期、あるいは、フィボナッチ数列やBarker sequence法に基づいた周期であってもよい。

【0018】

（５）本実施形態の一態様として、繰り返し構造は、コア領域と第１クラッド領域に跨って設けられてもよい。この場合、繰り返し構造は、コア領域全体に設けられる必要はない。同様に、繰り返し構造は、第１クラッド領域の全体に設けられる必要はない。本実施形態の一態様として、第１区間それぞれの、長手方向に沿った長さは、１μｍ〜１０００μｍの範囲内に収まるのが好ましい。

【0019】

（６）本実施形態の一態様として、第２クラッド領域内に、第１区間の結晶領域を挟んだ状態で長手方向に沿ってそれぞれ延びる空孔が設けられてもよい。この場合、空孔は、長手方向に垂直な当該光デバイスの断面において、第１区間の結晶領域における分極配向（polarization-orientation）に平行または垂直な直線上に配置される。

【0020】

（７）本実施形態の一態様として、第２クラッド領域内には、第１区間の結晶領域を挟んだ状態で長手方向に沿ってそれぞれ延びる導電性領域が設けられてもよい。この場合、導電性領域は、長手方向に垂直な当該光デバイスの断面において、第１区間の結晶領域の分極配向に平行または垂直な直線上に配置される。また、本実施形態の一態様として、導電性領域それぞれは、長手方向に沿って延びる応力付与領域を取り囲んだ、導電性を有するアモルファス酸化物半導体が添加された領域であってもよい。なお、応力付与領域は、Ｂ_２Ｏ_３を含むのが好ましい。アモルファス酸化物半導体は、Ｉｎ_２Ｏ_３またはＺｎＯであるのが好ましい。また、アモルファス酸化物半導体の透過率６０％以上の透明波長域は、４００ｎｍ〜１１００ｎｍであるのが好ましい。

【0021】

（８）本実施形態に係る光デバイス製造方法は、光ファイバの所定領域内に上記繰り返し構造を形成する。当該光デバイス製造方法は、その一態様として、光ファイバを用意する準備工程と、温度調節工程と、区間形成工程を備える。準備工程で用意される光ファイバは、ＳｉＯ_２を含むガラスからなり、コア領域と、第１クラッド領域と、第２クラッド領域を備える。コア領域は、当該光ファイバの長手方向に沿って延びている。第１クラッド領域は、コア領域を取り囲み、かつ、該コア領域の屈折率より低い屈折率を有する。第２クラッド領域は、第１クラッド領域を取り囲み、かつ、該コア領域の屈折率より低い屈折率を有する。また、コア領域と第１クラッド領域とで構成されるガラス領域の少なくとも一部には、ガラス結晶化を促進させる添加物が添加された添加領域が長手方向に沿って連続的に設けられている。温度調節工程では、光ファイバの表面温度が１００℃から８００℃の範囲内、あるいは１００℃〜４００℃の範囲内に収まるよう維持される。区間形成工程では、用意された光ファイバの添加領域に対するレーザ光の間欠照射の最中または後に該添加領域を貫通する電界が形成される。これにより、分極配向された結晶領域である第１区間と非結晶領域である第２区間とが長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が、添加領域内に形成される。なお、区間形成工程において、レーザ光の間欠照射は、長手方向に沿って間欠的にレーザ光を添加領域に照射することにより、添加領域内に上記繰り返し構造を形成するよう構成される。また、電界の形成は、長手方向に垂直な方向に沿って添加領域内に電位勾配を形成するよう構成される。

【0022】

（９）本実施形態の一態様として、上記区間形成工程における電界の形成は、長手方向に垂直な方向に沿って添加領域を挟む２点間に電圧を印加することにより、添加領域内に電位勾配を形成するよう構成されるのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、上記区間形成工程における電界の形成では、光ファイバに対して、所定の電流が供給されるカソードで発生し所定の加速電圧で加速された電子ビームを照射することにより、該光ファイバの第２クラッド領域内に電荷溜りを形成した後、添加領域に対して電荷溜りとは反対側に電極を配置することにより、電位勾配を形成するよう構成されてもよい。

【0023】

（１０）本実施形態に係る光デバイス製造方法は、その一態様として、上述の準備工程および温度調節工程の他、結晶領域形成工程と区間形成工程を備えてもよい。結晶領域形成工程では、用意された光ファイバの添加領域に対するレーザ光の連続照射の最中または後に該添加領域を貫通する第１電界が形成される。これにより、結晶領域形成工程では、長手方向に沿って連続し、かつ、分極配向された第一結晶領域が、添加領域内に形成される。なお、結晶領域形成工程において、レーザ光の連続照射は、長手方向に沿って連続的にレーザ光を添加領域に照射することにより、該添加領域内に連続する第一結晶領域を形成するよう構成される。また、第１電界の形成は、長手方向に垂直な第１方向に沿って添加領域内に電位勾配を形成するよう構成される。一方、区間形成工程では、結晶領域形成工程において形成された第一結晶領域に対するレーザ光の間欠照射の最中または後に該第一結晶領域を貫通する第２電界が形成される。これにより、第一結晶領域の一部である第１区間と該第一結晶領域とは異なる方向に分極配向された第二結晶領域である第２区間とが長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が、添加領域内に形成される。なお、区間形成工程において、レーザ光の間欠照射は、長手方向に沿って間欠的にレーザ光を添加領域に照射するにより、添加領域内に上記繰り返し構造を形成するよう構成される。また、第２電界の形成は、長手方向に垂直な、第１方向とは異なる第２方向に沿って添加領域内に電位勾配を形成するよう構成される。

【0024】

（１１）本実施形態の一態様として、結晶領域形成工程における第１電界の形成は、第１方向に沿って添加領域を挟む２点間に第１電圧Ｖａを印加することにより、該添加領域内に電位勾配を形成するよう構成されてもよい。加えて、区間形成工程における第２電界の形成は、添加領域を挟む２点間に、第１電圧Ｖａとは逆極性であって、かつ、その絶対値が第１電圧Ｖａの絶対値よりも小さい第２電圧Ｖｉを印加することにより、第２方向に沿って添加領域内に電位勾配を形成するよう構成されてもよい。また、一方、本実施形態の一態様として、結晶領域形成工程における第１電界の形成は、光ファイバに対して第１方向から、第１電流値の電流が供給されるカソードで発生し所定の加速電圧で加速された電子ビームを照射することにより、該光ファイバの第２クラッド領域内に第１電荷溜りを形成した後、該添加領域に対して第１電荷溜りとは反対側に第１電極を配置することにより、添加領域内に電位勾配を形成するよう構成されてもよい。この場合、区間形成工程における第２電界の形成は、光ファイバに対して第２方向から、第１電流値よりも小さい第２電流値の電流が供給されるカソードで発生し所定の加速電圧で加速された電子ビームを照射することにより、該光ファイバの第２クラッド領域内に第２電荷溜りを形成した後、添加領域に対して第２電荷溜りとは反対側に第２電極を配置することにより、添加領域内に電位勾配を形成するよう構成されてもよい。

【0025】

（１２）本実施形態の一態様として、上記電子ビームの照射エリアの最大径は、１μｍ〜１０００μｍの範囲内に収まるのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、上記加速電圧は、１ｋＶ〜１０ＭＶの範囲内に収まるのが好ましい。更に、本実施形態の一態様として、カソードには、上記第１および第２電流値それぞれを含む１ｎＡ〜１０ｍＡの範囲内に収まる電流が供給されるのが好ましい。

【0026】

（１３）なお、本実施形態に係る光デバイス製造方法において、光ファイバに照射されるレーザ光は、１００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲内に収まる波長を有するのが好ましい。特に、本実施形態の一態様として、レーザ光の間欠照射および連続照射それぞれにおいて、パルス発振するレーザ光源が用いられるのが好ましい。この場合、パルス幅は、１０ｐｓ〜１００ｍｓの範囲内に収まるのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、レーザ光の間欠照射および連続照射それぞれにおいて、ＣＷ発振するレーザ光源が用いられてもよい。更に、本実施形態の一態様として、添加領域を挟む２点間に印加される電圧は、−２００００Ｖ〜２００００Ｖの範囲内に収まるのが好ましい。

【0027】

以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。

【0028】

［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本実施形態に係る光デバイスおよび光デバイス製造方法の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。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および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0029】

非特許文献１に、２次非線形光学現象を発現することができるファイバ型の光デバイスが記載されている。以下では、非特許文献１に記載された光デバイスを「第１比較例に係る光デバイス」という。図１は、第１比較例に係る光デバイス１０の断面構造を示す図である。

【0030】

図１に示されたように、光デバイス１０は、Ｇｅを含むコア領域１１およびクラッド領域１２を備えるシングルモード光ファイバ（以下、「ＳＭＦ」と記す）を備え、このＳＭＦのクラッド領域１２内には、当該ＳＭＦの長手方向（図１中の光軸ＡＸに沿った方向）に延在する一対の空孔１３Ａ、１３Ｂがコア領域１１を挟むように設けられている。ＳＭＦの直径（クラッド外形）は１６６μｍ、コア領域１１の直径は６μｍ、空孔１３Ａ、１３Ｂそれぞれの直径は４５μｍ、コア領域１１と空孔１３Ｂの間隔は５μｍ、２つの空孔１３Ａ、１３Ｂの間隔は３１μｍである。非特許文献１では、基本波長（Fundamental Wavelength）と分極反転周期（QPM Period）との間の関係が示されており、例えば、基本波長を１５５０ｎｍとし第２高調波を７７５ｎｍとする為には、光デバイス１０の分極反転周期を約６５μｍとすればよい。

【0031】

光デバイス１０は、サーマルポーリング（thermal poling）による分極誘発（polarization-induction）と、紫外光（ＵＶ光）照射による周期的な分極消去（periodic poling-erasure）とが行われることにより、２次の非線形光学効果を発現させ、結果、入射光波長を１.５４１５μｍとして半波長の第２高調波の発生に成功している。なお、サーマルポーリングとは、光ファイバの温度（例えば表面温度）を２１０℃〜３００℃の範囲内に維持した状態で、図１に示されたように、一対の空孔１３Ａ、１３Ｂに電極１４Ａ、１４Ｂをそれぞれ挿入し、これら電極１４Ａ、１４Ｂ間に高電圧の印加した状態を一定間保持する手法である。なお、図１には、ＳＭＦの空孔１３Ａ、１３Ｂに電極１４Ａ、１４Ｂがそれぞれ挿入される状態が示されているが、サーマルポーリング後、電極１４Ａ、１４Ｂは空孔１３Ａ、１３Ｂからそれぞれ取り除かれる。このサーマルポーリングにより、コア領域１１の一部分に酸素イオン（マイナスイオン）とプラス電極直下の空乏層によるプラスイオンとによるダイポールが形成されることにより局所的に強電場が生じ、２次の非線形光学定数が発現する。サーマルポーリングに続くＵＶ光照射では、光ファイバの長手方向に沿って周期的にＵＶ光を照射することで、その照射領域のダイポールが消去される（周期的な分極消去）。

【0032】

光デバイス１０は、一定方向の分極が形成されている領域（ＵＶ光非照射領域）と、分極が形成されていない領域（ＵＶ光照射領域）とが、長手方向に沿って交互に設けられた周期分極反転構造（periodically-poled structure）を有し、擬似位相整合による波長変換を実現することができる。

【0033】

また、非特許文献２にも、２次非線形光学現象を発現することができるファイバ型の光デバイスが記載されている。以下では、非特許文献２に記載された光デバイスを「第２比較例に係る光デバイス」という。

【0034】

第２比較例に係る光デバイスは、図１と同様に、コア領域およびクラッド領域を備えるＳＭＦを備え、ＳＭＦのクラッド領域内に、該ＳＭＦの長手方向に延在する一対の空孔がコア領域を挟むように設けられている。第２比較例に係る光デバイスは、一対の空孔に電極が挿入された状態で行われる前述のサーマルポーリングによる分極誘発と、ＵＶ光照射による周期的な分極消去とが行われることにより製造される。

【0035】

第２比較例に係る光デバイスのコア領域は、Ｇｅを含む複数の層が同心円状に形成された構造を有する。第１比較例に係る光デバイス１０と比較して第２比較例に係る光デバイスは、２００倍の変換効率が得られたことが報告されている。

【0036】

これら第１および第２比較例に係る光デバイスは、所望の特性を有するように製造された後においても、ＵＶ光照射により分極の強さ（非線形光学定数）が変化するので、ＵＶ光を含む照明光や太陽光の照射量や照射時間により波長変換効率の低下を招き、安定性に問題がある。

【0037】

非特許文献３にも、２次非線形光学現象を発現することができるファイバ型の光デバイスが記載されている。以下では、非特許文献３に記載された光デバイスを「第３比較例に係る光デバイス」という。図２は、第３比較例に係る光デバイス３０の断面の概念図である。

【0038】

光デバイス３０は、コア領域３１およびクラッド領域３２を備えるＳＭＦを備え、クラッド領域３２に特定の材料を添加することで該クラッド領域３２を結晶化させ、２次の非線形性を発現させている。

【0039】

この第３比較例に係る光デバイス３０において、クラッド領域３２に添加される材料のフレスノイト（Ｂａ_２ＴｉＳｉ_２Ｏ_８）は、正方晶系の構造を有するチタノシリケート鉱物であり、反転対称性の欠如により自発分極（spontaneous polarization）を有する。また、フレスノイトの派生結晶（Ｓｒ_２ＴｉＳｉ_２Ｏ_８、Ｂａ_２ＴｉＧｅ_２Ｏ_８）も自発分極を有する。これらのフレスノイト型結晶は、自発分極を有しているので、非線形光学特性を示す。また、ＢａＯ-ＴｉＯ_２-ＧｅＯ_２系ガラスおよびＳｒＯ-ＴｉＯ_２-ＳｉＯ_２系ガラスも、フレスノイト相が形成され、非線形光学特性を示すことが報告されている。

【0040】

上述の各種原料を石英系ガラスファイバに添加し、レーザ支援によりファイバ長手方向に沿って連続的に結晶化させることで、図２においてコア領域３１に向かう矢印で示されるように、放射状の分極秩序構造（polarization-ordered structure）が得られている。このような結晶化ガラスでは結晶化による失透が懸念されるが、非特許文献４に記載された光デバイスは、その失透の原因となっている結晶相と残存ガラス相との間の屈折率差を抑制することで透明化に成功している。

【0041】

この第３比較例に係る光デバイス３０は、コア領域３１に向かう方向に分極配向されており、コア領域３１を含み短辺の長さがコア径程度の長方形領域（図２中のエリアＡ）において、コア領域３１を挟む両側の分極方向が互いに逆になっている。このことから、光デバイス３０は、分極配向による非線形性がマクロ的にはキャンセルされるので、波長変換として分極配向を活用することができない。また、光デバイス３０は、ファイバ長手方向に沿って均一に結晶化させていることから、波長変換に必要な位相整合条件を満足することができない。その結果、光デバイス３０は、波長変換に利用することができない。

【0042】

本発明の各実施形態は、上述の第１〜第３比較例に係る光デバイスが有する問題点を解消し得るものである。本発明の第１実施形態では、光ファイバ内に、該光ファイバの長手方向に沿って結晶領域（第１区間）と非結晶領域（第２区間）とが交互に形成される。これら第１および第２区間の形成の際またはその後に、上述の電界形成法により結晶領域を選択的に結晶断面全面、あるいは一部分を一方向に分極を配向させることにより、擬似位相整合が成立する周期分極反転構造（すなわち、一定方向の分極が形成されている結晶領域と分極が形成されていない非結晶領域とが交互に存在する構造）が形成される。あるいは、本発明の第２実施形態では、光ファイバの結晶化された領域内において、該光ファイバの長手方向に沿って交互に自発分極の極性を反転させた構造が形成されており、上述の電界形成法による反転の配向は、結晶断面全面、あるいは一部分のみを一方向に配向させ、その後に、上述の電界形成法の電圧極性を反転させた電界を形成しながら、レーザ光が間欠的に照射される。レーザ光の照射量は、レーザ照射領域のみにおいて、自発分極の配向に対して相対的に９１度から１８０度配向させられる適切な照射量である。

【0043】

上述の各実施形態に係る光デバイスでは、結晶領域に分極配向させているので、結晶構造が崩れない限り２次の非線形光学定数が保持される。すなわち、本実施形態に係る光デバイスは、ＵＶ光照射等の外乱に強く、安定性を有した波長変換が可能となる。また、本実施形態に係る光デバイスは、その内部を結晶化することで、Ｇｅ添加コア領域へのサーマルポーリングと比較して、非線形光学定数を１〜２桁程度向上させることができる（変換効率を大幅に向上させることが可能になる）。

【0044】

石英系ガラスファイバの材料構造はアモルファスであり、外部から電圧を印加して当該光ファイバ中に強電界を形成した状態にすると、不純物のイオン等によるダイポールに起因して分極配向が発現する（２次の非線形光学定数（ｄ定数）が現れる）。しかしながら、無電圧（光ファイバ内の電界はゼロ）にすると、分極配向は保持されること無く崩れてしまい、２次のｄ定数は零になる。なお、２次の非線形光学効果による波長変換の効率は、ｄ定数の２乗に比例する。ｄ定数は材料の物性値に依存しており、ｄ定数の増大に伴い変換効率が向上する。ｄ定数が零の場合は、波長変換することはできない。

【0045】

ｄ定数を発現させる方法は以下のとおりである。すなわち、ＳｉＯ_２を含むガラスからなる光ファイバであって、コア領域と、該コア領域を取り囲み、かつ、コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第１クラッド領域と、該第１クラッド領域を取り囲み、かつ、コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第２クラッド領域とを備える光ファイバが用意される。また、コア領域および第１クラッド領域で構成されるガラス領域の少なくとも一部（添加領域）には、ガラス結晶化を促進させる添加物を含ませる。

【0046】

その添加物として、フレストノイト型結晶、ＢａＯ-ＴｉＯ_２-ＧｅＯ_２-ＳｉＯ_２系ガラス、ＳｒＯ-ＴｉＯ_２-ＳｉＯ_２系ガラスといった原料が、光ファイバのコア領域および第１クラッド領域で構成されるガラス領域の少なくとも一部に添加される。その添加領域に対してレーザ支援によるガラス結晶化が行われる。すなわち、結晶化させたい領域に希土類元素や遷移金属元素等を添加しておき、レーザ光の吸収によりこの領域を発熱させることで、レーザ光照射エリアを結晶化させる。結晶化による失透を抑制するには、結晶相と残存ガラス相との間の屈折率を合致させる必要があり、３５ＳｒＯ-２０ＴｉＯ_２-４５ＳｉＯ_２系ガラス等を用いることで失透を抑制することができる（非特許文献３，４を参照）。結晶化された添加領域における非線形光学定数は、外乱（ＵＶ光）に強く安定性が向上する。

【0047】

ただし、このレーザ支援による結晶化の手法では、上述の通り、放射状に中心に向う分極配向が形成される。図２に示されたように、コア領域を含み短辺の長さがコア径程度の長方形領域（図２中のエリアＡ）において、コア領域を挟む両側の分極方向が互いに逆になる。このことから、分極配向による非線形性がマクロ的にはキャンセルされるので、波長変換として分極配向を活用することができない。

【0048】

高効率な波長変換を実現するため、ファイバ断面に対して断面内全面、あるいは一部分に対して分極配向を同一方向に揃えることが必要である。そこで、本実施形態では、例えば、レーザ支援による結晶化後に電界形成（または、光ファイバを昇温しながら高電圧印加）による分極反転技術を活用することで、例えばエリアＡの分極配向を同一方向に揃える。あるいは、レーザ支援による結晶化を行っている最中に電界を形成して、分極方向を揃えながら結晶成長させる。分極配向された領域は結晶構造を有するため、電圧を印加していない状態になっても、その分極配向は保持され、外乱に強く安定性が向上した２次の非線形光学定数が得られる。

【0049】

具体的に、図３Ａは、第１実施形態に係る光デバイス製造方法を説明するためのフローチャートである。なお、図４は、光ファイバ内に電界を形成する第１の方法を説明するための図であり、図５は、光ファイバに間欠的または連続的にレーザ光を照射する方法を説明するための図であり、図６は、光ファイバ内に電界を形成する第２の方法を説明するための図である。図３Ａのフローチャートに従って光デバイスを製造することにより、図７に示された構造を有する第１実施形態に係る光デバイス１００が得られる。

【0050】

まず、図４に示された断面構造を有する光ファイバ１００Ａが用意される（ステップＳＴ１０）。用意された光ファイバ１００Ａは、ＳｉＯ_２を含むガラスからなる光ファイバであって、コア領域１１０と、該コア領域１１０を取り囲み、かつ、コア領域１１０の屈折率より低い屈折率を有する第１クラッド領域１２１と、該第１クラッド領域１２１を取り囲み、かつ、コア領域の屈折率より低い屈折率を有する第２クラッド領域１２２とを備える。また、コア領域１１０および第１クラッド領域１２１で構成されるガラス領域の少なくとも一部（図４中の斜線で示された領域）には、ガラス結晶化を促進させる添加物が添加された添加領域Ｒが長手方向に沿って連続的に設けられている。なお、図４に示された例では、添加領域Ｒは、コア領域１１０の全体および第１クラッド領域１２１の全体の双方で構成されているが、添加領域Ｒは、コア領域１１０全体またはその一部のみ、第１クラッド領域１２１全体またはその一部のみ、コア領域またはその一部から第１クラッド領域またはその一部に跨った部分の何れで構成されてもよい。また、光ファイバ１００Ａには、コア領域１１０を挟むように長手方向（光ファイバ１００Ａの光軸ＡＸに沿った方向）に沿って延びた一対の空孔１３０Ａ、１３０Ｂが設けられている。

【0051】

続いて、光ファイバ１００Ａは、その表面温度が１００℃〜８００℃の範囲内、あるいは１００℃〜４００℃の範囲内に収まるよう温度調整される（ステップＳＴ２０）。ステップＳＴ２０の温度調整と、以降の製造工程は、図５に示されたチャンバ３００内で行われればよい。なお、チャンバ３００内には、光ファイバ１００Ａの温度を一定時維持するためのヒータ３１０Ａ、３１０Ｂが設けられている。チャンバ３００内に収納される際、光ファイバ１００Ａの一対の空孔１３０Ａ、１３０Ｂには、光ファイバ１００Ａの添加領域Ｒに高電界を発生させるため、電極１４０Ａ、１４０Ｂがそれぞれ挿入されている。

【0052】

表面温度が調節された状態で、光ファイバ１００Ａには、図３Ａ中のタイミングＡ１〜タイミングＡ２の間に、レーザ光の間欠照射（ステップＳＴ３０Ａ）と電界形成（ステップＳＴ３０Ｂ）が行われる。なお、ステップＳＴ３０Ｂは、ステップＳＴ３０Ａの後に実行されても、また、ステップＳＴ３０Ａと同時並行に実行されてもよい。

【0053】

具体的に、ステップＳＴ３０Ａでは、図５に示されたように、レーザ光源３１０からのレーザ光が、光ファイバ１００Ａ（ヒータ３１０Ａ、３１０Ｂによりその表面温度が１００℃〜８００℃の範囲内、あるいは１００℃〜４００℃の範囲内に維持されている）の長手方向（矢印Ｓで示された方向）に沿って移動可能な反射ミラー３２０を介して、添加領域Ｒへ間欠照射される。これにより、光ファイバ１００Ａの添加領域Ｒ内には、結晶領域（第１区間）と非結晶領域（第２区間）とが長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が形成される。一方、ステップＳＴ３０Ｂでは、図４に示されたように、光ファイバ１００Ａの第２クラッド領域１２２内に設けられた一対の空孔１３０Ａ、１３０Ｂに電極１４０Ａ、１４０Ｂがそれぞれ挿入される。その一対の電極１４０Ａ、１４０Ｂの間に電圧が印加されることで、添加領域Ｒを構成しているコア領域１１０および第１クラッド領域１２１に電界が形成される。その結果、該添加領域Ｒ内に周期的に配置された第１区間が分極配向された結晶領域となる。電界形成による分極配向が完了した後、電極１４０Ａ、１４０Ｂは空孔１３０Ａ、１３０Ｂそれぞれから取り外される。第２区間の非結晶領域に残った分極配向は、添加領域ＲへのＵＶ光照射（結晶領域における分極の消去が可能なＵＶ光照射量よりも低い光量）による分極消去により解消される。図４の添加領域Ｒの電界を増大させる方法としては、１３０Ａおよび１３０Ｂの空孔配置はコア領域１１０を中心に、非対称に配置するのは効果的である。具体的には、プラス電極の配置をコア領域１１０へ近づける、あるいは、マイナスの電極（図４の場合は、グラウンド電極）をコア領域１１０へ近づける方法である。l_＋/l_-＝０．１〜１０の範囲で調整される。

【0054】

なお、上述の電界形成法（ステップＳＴ３０Ｂ）では、光ファイバ１００Ａに設けられた空孔１３０Ａ、１３０Ｂに電極１４０Ａ、１４０Ｂがそれぞれ挿入されたが、光ファイバ１００Ａとは異なる構造の光ファイバが適用されてもよい。例えば、光ファイバ母材の製造工程において、該光ファイバ母材の穿孔加工領域（空孔１３０Ａ、１３０Ｂとなるべき部分）に導電性を有するガラスロッドを挿入し、これら光ファイバ母材と挿入されたガラスロッドをコラプスした後、得られた光ファイバ母材を線引することにより得られる光ファイバ、すなわち、図４の電極１４０Ａ、１４０Ｂが導電性領域で置き換えられた光ファイバに対して、上述の電界形成法が適用されてもよい。また、光ファイバ母材の製造工程において、該光ファイバ母材の穿孔加工領域に導電性を有するガラスロッドを挿入した状態で、ロッドイン線引を行うことにより得られる光ファイバに対して、上述の電界形成法が適用されてもよい。これらの光ファイバ製造方法では、導電性を有するガラスロッドは線引後において光ファイバと一体化した電極となる。分極処理（poling）の後に電極を取り外す必要はない。また、光ファイバと一体化した一対の電極は、コア領域に対して応力を付与することができる。したがって、このような一体化電極の構成は、複屈折性を有する偏波保持光ファイバを本実施形態に係る光デバイスに適用できるので、波長変換に有効である。

【0055】

電極用ガラスロッドの材料としては、ＩＴＯ（Ｓｎ添加Ｉｎ_２Ｏ_３）、ＺｎＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ添加ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ添加ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ添加ＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ-Ｇａ-ＺｎＯ_４）等の導電性を有する透明なアモルファス酸化物半導体が使用できる。アモルファス酸化物半導体の透過率６０％以上の透明波長域は４００ｎｍ〜１１００ｎｍであるのが好ましい。例えば、偏波保持光ファイバの応力付与部（Ｂ_２Ｏ_３添加ＳｉＯ_２）となるべきガラスロッドの周囲に上記透明導電性を付与することで、電極用ガラスロッドと見なすことができる。なお、このような電極は、分極配向の発現に必要な電圧を印加するためのものである。したがって、数十μｍオーダーの電極間であれば、電流がｐＡ程度以下と極めて小さいので、電極間に位置する領域の抵抗が１０^６Ωｃｍ程度と高くても問題ない。ただし、大きな断面積を有する電極間領域に分極配向を発現させるためには、電流値が大きくする必要があり、この場合、金属電極が有効である。金属電極は、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｗを含むのが好ましい。

【0056】

更に、ステップＳＴ３０Ｂの電界形成として、図６に示されたような第２の方法が適用されてもよい。なお、図６は、光ファイバ内に電界を形成する第２の方法を説明するための図である。図６に示された電界印加方法では、第２クラッド領域１２２の外周面に対向する２平面が形成され、これら２平面に電極１５０が取り付けられた光ファイバ１００Ｂが適用される。なお、光ファイバ１００Ｂは、光ファイバ１００Ａと同様に、コア領域１１０、第１クラッド領域１２１、第２クラッド領域１２２を備えるが、電極を挿入するための空孔は設けられていない。このような光ファイバ１００Ｂを絶縁オイル等に浸けた状態で一対の電極１５０Ａ、１５０Ｂの間に電圧が印加されることで、電極間に位置するコア領域１１０および第１クラッド領域１２１に電界が形成され、結果、添加領域Ｒ内に分極配向が発現する。電界形成による分極配向が完了した後、電極１５０Ａ、１５０Ｂは取り外される。なお、電極は、光ファイバ１００Ｂのように第２クラッド領域１２２の外周面の加工された平面上に配置される必要はない。例えば、添加領域Ｒを含む光ファイバを挟むように配置された一対の電極間に電圧を印加する構成であってもよい。

【0057】

図４に示された第１の方法、図６に示された第２の方法を組み合わせて、電極の片方を第２クラッド領域内の空孔とし、他方を光ファイバの外周上または光ファイバの外側に配置し、これら電極間に電圧を印加してもよい。また、非特許文献５に記載された方法で分極配向を発現させてもよい。

【0058】

なお、一対の電極間に印加される電圧は、マイナスの極性電圧と接地電圧、あるいは、接地電位をプラスの極性バイアス電圧としてマイナス極性の電圧を電極間に印加するなど、電圧の極性は問わない。結晶化させたい領域に高い電界を印加することが重要である。電圧印加の際に、反転させたい厚さにも依存するが、数百ミクロン程度厚の光ファイバであれば、−２００００Ｖ〜２００００Ｖの範囲内の電圧を印加するのが好ましい。

【0059】

次に、本実施形態の光デバイスが波長変換作用を奏するために位相整合条件を満足させる方法について説明する。例えば、第２高調波発生（second harmonic generation: ＳＨＧ）の波長変換について考えることにする。一般に材料には波長によって屈折率が異なる屈折率分散が存在するので、その材料中における基本波および波長変換波（ＳＨ波）それぞれの伝搬速度が互いに異なり、非線形性を有した材料であっても波長変換はできない。

【0060】

波長変換を実現するためには、基本波およびＳＨ波それぞれの位相を互いに揃える必要があり、その場合、擬似位相整合（ＱＰＭ: quasi-phase matching）を用いることができる。擬似位相整合は、基本波とＳＨ波との間の伝搬速度差Δｋがπずれたときに、自発分極を反転させるとともにｄ定数の符合を反転させることで、位相整合を満足させるものである。すなわち、コヒーレンス長ｌｃ＝π／Δｋとして、ｌｃ毎にｄ定数の符合を反転させることで、ＳＨ波は建設的に足し合わされ、ＳＨ光は増大し、高効率な波長変換が可能となる。本実施形態に係る光デバイスの位相整合にはＱＰＭ法が適用される。

【0061】

図７は、上述の図３Ａのフローチャートに従って製造された、第１実施形態に係る光デバイス１００の構成を示す図である。光デバイス１００は、ＳｉＯ_２を含むガラスからなるファイバ型の光デバイスであり、コア領域１１０と、コア領域１１０を取り囲み、かつ、コア領域１１０の屈折率より低い屈折率を有する第１クラッド領域１２１と、第１クラッド領域１２１を取り囲み、かつ、コア領域１１０の屈折率より低い屈折率を有する第２クラッド領域１２２とを備える。光デバイス１００は、コア領域１１０および第１クラッド領域１２１で構成されるガラス領域の少なくとも一部（図７の例ではガラス領域全体が添加領域Ｒに相当）に、断面全体、あるいは一部分が一方向に分極配向された結晶領域１６１（第１区間）と非結晶領域１６２（第２区間）とが長手方向（図中の光軸ＡＸに一致した方向）に沿って交互に配置された繰り返し構造を有する。その繰り返し周期は１μｍ〜１０００μｍの範囲内である。高効率な波長変換を実現するためには、結晶領域１６１および非結晶領域１６２それぞれの長手方向の長さはコヒーレンス長ｌｃに等しいのが好ましい。（この場合、「繰返し周期」＝「第１区間の長さ」＋「第２区間の長さ」＝２×「コヒーレンス長」）なお、位相整合条件の帯域拡大が必要なケースもある。その場合、繰り返し構造の繰り返し周期には、非周期な周期分極反転構造（チャープ（非特許文献６参照）、周期Λ１領域と周期Λ２領域と周期Λ３領域・・・と周期領域を１セグメントとして扱い、そのセグメントをある間隔において配置する構造（非特許文献８参照）、フィボナッチ数列を基準とした周期（非特許文献９参照）、Barker sequenceを基にした周期（非特許文献７参照））が採用可能である。

【0062】

結晶領域１６１の分極配向は、コア領域１１０を挟んで第２クラッド領域１２２内に設けられた一対の電極１４０Ａ、１４０Ｂそれぞれの断面中心を結ぶ方向である。あるいは、少なくとも、コア領域１１０を含み短辺の長さがコア径程度の長方形領域（図２中のエリアＡ）においては、分極配向は、一対の電極１４０Ａ、１４０Ｂそれぞれの断面中心を結ぶ方向である。

【0063】

非結晶領域１６２は、無電圧状態では分極は零となる。あるいは、非結晶領域１６２は、無電圧状態でも不要な非線形光学定数が残留していた場合、ＵＶ光照射により強制的に分極消去することが可能である。なお、ＵＶ光照射により分極消去できるのは非結晶領域１６２のみとなるように、結晶領域１６１における分極の消去が可能なＵＶ光照射量（UV_th）よりも低い光量が必要である。UV_thよりも低いＵＶ光照射量であれば非結晶領域の分極のみ消去でき、ＵＶ光照射後においてもＱＰＭ法は成立する。

【0064】

次に、第２実施形態に係る光デバイス製造方法を、図３Ｂのフローチャートを用いて説明する。なお、光ファイバ内に電界を印加する第１および第２の方法は、図４および図６の例と同様である。また、光ファイバに間欠的または連続的にレーザ光を照射する方法は、図５の例と同様である。図３Ｂのフローチャートに従って光デバイスを製造することにより、図９に示された構造を有する第２実施形態に係る光デバイス２００が得られる。なお、この第２実施形態に係る光デバイス製造方法においても、図３ＢのステップＳＴ１０で用意される光ファイバは、図４に示された断面構造を有する光ファイバ１００Ａとする。

【0065】

続いて、光ファイバ１００Ａは、図５に示されたチャンバ３００内において、その表面温度が１００℃〜８００℃の範囲内、あるいは１００℃〜４００℃の範囲内に収まるよう温度調整される（ステップＳＴ２０）。なお、チャンバ３００内に収納される光ファイバ１００Ａの一対の空孔１３０Ａ、１３０Ｂには、光ファイバ１００Ａの添加領域Ｒに高電界を発生させるため、電極１４０Ａ、１４０Ｂがそれぞれ挿入されている。

【0066】

表面温度が調節された状態で、光ファイバ１００Ａには、図３Ｂ中のタイミングＢ１〜タイミングＢ２の間に、添加領域Ｒの全域に第１結晶領域を形成するためのレーザ光の連続照射（ステップＳＴ４０Ａ）と、第１結晶領域内に所定方向の分極配向を形成するための電界形成（ステップＳＴ４０Ｂ）が行われる。なお、ステップＳＴ４０Ｂは、ステップＳＴ４０Ａの後に実行されても、また、ステップＳＴ４０Ａと同時並行に実行されてもよい。更に、光ファイバ１００Ａには、図３Ｂ中のタイミングＣ１〜タイミングＣ２の間に、添加領域Ｒの全域に形成された第１結晶領域に対して、当該光ファイバ１００Ａの長手方向に沿って周期的に、第１結晶領域の分極配向とは異なる向きに分極配向された第２結晶領域を形成するため、レーザ光の間欠照射（ステップＳＴ５０Ａ）および電界形成（ステップＳＴ５０Ｂ）が行われる。なお、ステップＳＴ５０Ｂも、ステップＳＴ５０Ａの後に実行されても、また、ステップＳＴ５０Ａと同時並行に実行されてもよい。

【0067】

具体的に、タイミングＢ１〜タイミングＢ２の間では、ステップＳＴ４０Ａにおいて、図５に示されたように、レーザ光源３１０からのレーザ光が、表面温度が１００℃〜８００℃の範囲内、あるいは１００℃〜４００℃の範囲内に維持された光ファイバ１００Ａの長手方向（矢印Ｓで示された方向）に沿って移動可能な反射ミラー３２０を介して、添加領域Ｒへ連続照射される。これにより、光ファイバ１００Ａの添加領域Ｒ内には、長手方向に沿って連続する結晶領域（第１区間となるべき領域）が形成される。ステップＳＴ４０Ａと並行してまたはその後、ステップＳＴ４０Ｂでは、一対の空孔１３０Ａ、１３０Ｂに挿入された電極１４０Ａ、１４０Ｂの間に第１電圧Ｖａが印加されることで、第１結晶領域を分極配向させる。続いて、タイミングＣ１〜タイミングＣ２の間でも、ステップＳＴ５０Ａにおいて、図５に示されたように、レーザ光源３１０からのレーザ光が、表面温度が１００℃〜８００℃の範囲内、あるいは１００℃〜４００℃の範囲内に維持された光ファイバ１００Ａの長手方向に沿って移動可能な反射ミラー３２０を介して、第１結晶領域へ照射される。ただし、このステップＳＴ５０Ａでは、長手方向に沿って連続的に設けられた第１結晶領域内に周期的に第２結晶領域（第２区間となるべき領域）を形成するため、レーザ光が間欠照射される。ステップＳＴ５０Ａと並行してまたはその後、ステップＳＴ５０Ｂでは、一対の空孔１３０Ａ、１３０Ｂに挿入された電極１４０Ａ、１４０Ｂの間に、第１電圧Ｖａと極性が逆で、その絶対値が第１電圧Ｖａよりも小さい第２電圧Ｖｉが印加されることで、第１結晶領域（第１区間）と異なる向きに分極配向された第２結晶領域（第２区間）が形成される。すなわち、互いに分極配向の向きが異なる結晶領域が長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が、添加領域Ｒ内に形成される。なお、繰り返し構造の形成後（第１および第２区間それぞれにおいて、電界形成による互いに異なる向きの分極配向が完了した後）、電極１４０Ａ、１４０Ｂは、空孔１３０Ａ。１３０Ｂからそれぞれ取り出される。

【0068】

第１区間となるべき第１結晶領域と第２区間となるべき第２結晶領域の形成メカニズムについては、図８を用いて説明する。すなわち、図８において、横軸はファイバ表面の温度Ｔ（℃）、縦軸は自発分極Ｐｓ（μＣ／ｃｍ^２)であり、図８は、自発分極の温度依存性の概略図を示す。温度Ｔ_１では自発分極Ｐｓ（Ｔ_１）を有し、温度Ｔ_２では自発分極Ｐｓ(Ｔ_２)を有しているとする。自発分極の強さの関係性は、Ｐｓ（Ｔ_１）＞Ｐｓ（Ｔ_２）を有している。これらの自発分極を反転させるには、それぞれの自発分極の抗電界を超えた電界を印加する必要がある。Ｐｓ（Ｔ_１）およびＰｓ（Ｔ_２）の抗電界はそれぞれＥ_{Ｐｓ（Ｔ１）}とＥ_{Ｐｓ（Ｔ２）}とする。図８に示されたように、温度が上昇するにつれて自発分極の大きさは減少する。温度の上昇に伴い、反転させるのに必要な抗電界が低下し、温度上昇領域のみの分極反転に必要な抗電界Ｅ_ｔｈは、Ｅ_{Ｐｓ（Ｔ２）}＜Ｅ_ｔｈ＜Ｅ_{Ｐｓ（Ｔ１）}の関係性を有する。すなわち、全体の結晶の温度（実質的にファイバ表面の温度）をＴ_１とし、抗電界Ｅ_ｔｈを印加しつつレーザ照射により局所的に加熱領域（Ｔ_２）を形成することにより、加熱領域のみ分極を反転させることが可能になる。

【0069】

図９は、図３Ｂのフローチャートに従って製造された、第２実施形態に係る光デバイス２００の構成を示す図である。光デバイス２００は、ＳｉＯ_２を含むガラスからなるファイバ型の光デバイスであり、コア領域１１０と、コア領域１１０を取り囲み、かつ、コア領域１１０の屈折率より低い屈折率を有する第１クラッド領域１２１と、第１クラッド領域１２１を取り囲み、かつ、コア領域１１０の屈折率より低い屈折率を有する第２クラッド領域１２２とを備える。光デバイス２００は、コア領域１１０および第１クラッド領域１２１で構成されるガラス領域の少なくとも一部に、断面全体あるいは一部分が分極配向された第１結晶領域（第１区間）１７１と第１結晶領域と異なる向きに分極配向された第２結晶領域（第２区間）１７２とが長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が設けられている。ここで、「異なる向き」とは、第１結晶領域１７１の分極配向と第２結晶領域１７２の分極配向とのなす角度が９１度から１８０度の間であることを意味する。第１結晶領域１７１あるいは第２結晶領域１７２の長さは１μｍ〜１０００μｍの範囲内である。第１実施形態に係る光デバイス１００と同様に、高効率な波長変換を実現するため、第１結晶領域１７１および第２結晶領域１７２それぞれの長手方向の長さは、コヒーレンス長ｌｃに等しいのが好ましい。また、位相整合条件の帯域拡大が必要なケースでは、添加領域の繰り返し構造は非周期的であってもよい。

【0070】

上述の第１および第２実施形態の何れであっても、結晶化させたい領域に希土類元素や遷移金属元素等を添加し、この領域に対してレーザ光の吸収により発熱させ、レーザ光照射エリアを結晶化させる。希土類元素や遷移金属元素等を添加する領域、すなわち添加領域Ｒは、コア領域１１０のみであってもよいし、第１クラッド領域１２１のみであってもよいし、コア領域１１０および第１クラッド領域１２１の双方であってもよく、光デバイス１００、２００の応用分野に応じて結晶化領域を選択することができる。

【0071】

レーザ光波長は１００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲内に収まるのが好ましい。レーザ光源としてパルス光源およびＣＷ光源の何れを用いてもよい。パルス光源を用いる場合、不要な発熱を抑制することが可能であり、結晶化させたい領域を精度良く書き込む事が可能になる。パルス幅は１０ｐｓ〜１００ｍｓの範囲内に収まるのが好ましい。ＣＷ光源を用いる場合、コヒーレンシーが高いので、例えば、位相マスクによる回折光による書込み精度を高めることができる。なお、高出力レーザ光源を用いる場合、結晶化に必要なビーム照射エリアを拡大させることが可能であり、光位相マスクによる回折光の範囲を拡大することができ、一筆書きに比べ生産性を高めることができる。

【0072】

次に、光デバイス１００、２００の偏波保持機能について説明する。波長変換には入射光の伝搬中の偏波が重要である。光デバイスの用途によるが、光デバイス１００、２００に入射される光の偏波方向は、分極配向と一致させるか、あるいは、分極配向に垂直な方向と一致させる。何れの場合でも、光デバイス１００、２００を光が伝搬している間に偏波方向が回転することを防ぐ必要がある。そのために、光デバイス１００、２００を直線状に配置して不要な応力の付与を避けるか、あるいは、偏波保持光ファイバ（パンダファイバ、あるいは複数の空孔付与）を用いるのが好ましい。

【0073】

例えば、コア領域を挟んで一対の空孔が付与された光ファイバでは、その一対の空孔の存在によりコア領域に応力が付与され偏波保持として働くので有効である。ただし、空孔の位置をコア領域に近づける必要があり、その結果、コア領域の形状が楕円になりやすい傾向にあるので、応用分野によっては不向きな場合もある。電極一体型の光デバイスは、コア領域を挟んで設けられた一対の電極（導電性を有する領域）が応力付与部として働いて偏波保持機能を有し、コア領域の形状が変形しにくいので有効である。

【0074】

以上のとおり、第１および第２実施形態に係るファイバ形の光デバイス１００、２００それぞれは、安定性が高く高効率な波長変換を可能にする。光デバイス１００の繰り返し構造は、長手方向にｌｃ長毎に周期的に結晶領域と非結晶領域とが交互に形成されるか、あるいは、波長変換の帯域を拡大するため、周期を崩した状態で結晶領域と非結晶領域とが交互に形成される。結晶領域においては、その断面全面または一部において一方向に分極配向させることで、ＱＰＭ法を導入することが可能である。光デバイス２００の繰り返し構造は、長手方向にｌｃ長毎に周期的に分極方向が異なる２種類の結晶領域が交互に形成されるか、あるいは、波長変換の帯域を拡大するため、周期を崩した状態で分極方向が異なる２種類の結晶領域が交互に形成される。異なる種類の結晶領域それぞれにおいては、その断面全面または一部において一方向に分極配向させることで、ＱＰＭ法を導入することが可能である。また、先行技術のＧｅ添加によるサーマルポーリングと比較して、本実施形態に係る光デバイスでは、選択的な結晶化は、非線形光学定数の増大および圧倒的な安定性を有することになり、性能を大幅に高めることができる。

【0075】

なお、自発分極を反転させる方法は、図４および図６に示された電界形成法には限定されず、電子ビーム照射法も有効である。なお、図１０、図１１Ａおよび図１１Ｂは、光ファイバへの電圧印加（光ファイバ内への電界形成）に適用可能な電子ビーム照射の第１〜第３の方法をそれぞれ説明するための図である。すなわち、これら第１〜第３の電子ビーム照射による電界形成法は、図３Ａ中のステップＳＴ３０Ｂ、図３Ｂ中のステップＳＴ４０Ｂ、更に、図３Ｂ中のステップＳＴ５０Ｂにそれぞれ適用可能である。

【0076】

光ファイバへの電子ビーム照射では、真空雰囲気または大気雰囲気の何れの状態でも可能である。大気雰囲気へ電子ビーム照射は、例えば図１０中に示された電子ビーム照射装置（ＥＰＳ：electron beam processing system）５００により行われ、電子源であるカソードからの電子は、ＥＰＳ５００の照射窓箔４３０（数十ミクロンのチタンやチタン合金箔）から大気雰囲気中に放出される。なお、ＥＰＳ５００は、真空容器４００内に照射窓箔４３０を介して電子ビームを放出するカソード４１０、カソード４１０へ所望の電流値の電流を供給するための電流源４２０、カソード４１０と照射窓箔４３０との間に所望の加速電圧を印加するための電圧源４４０とを備える。真空雰囲気と同様に、カソード４１０から電子が放出されると、該電子は真空容器４００内で加速される。その加速された電子は、真空容器４００と大気を隔離する照射窓箔４３０を介して大気雰囲気中へ放出される。真空雰囲気中および大気雰囲気中の何れに加速電子を放出する場合でも、走査コイルにより必要照射幅に電子放出軌道を絞り込み、所定領域を走査することができる。なお、図１０において、ＥＰＳ５００から放出された電子が打ち込まれる光ファイバ１００Ｃは、コア領域１１０と、第１クラッド領域１２１と、第２クラッド領域１２２とを備え、コア領域１１０と第１クラッド領域１２１により構成された添加領域Ｒ内に、ガラス結晶化を促進させる添加物が添加されている。

【0077】

第１の電子ビーム照射方法では、図１０に示されたように、ＥＰＳ５００の真空容器４００内へ放出された電子（１ｎＡ〜１０ｍＡの電流が供給されたカソード４１０から放出された電子）が、電圧源４４０によりカソード−照射窓箔間に印加された数ｋＶから数十ＭＶ、好ましくは１ｋＶ〜１０ＭＶの加速電圧で加速され、光ファイバ１００Ｃの第２クラッド領域１２２内へ拡散する。電子拡散距離Ｄ（拡散深さ）は、加速電圧と被拡散体の密度で確定し、モンテカルロシミュレーションにより求めることが出来る。例えば、第２クラッド領域１２２の密度が２．６ｇ／ｃｍ^２であり、加速電圧が約９０ｋＶに設定された場合、第２クラッド領域１２２における電子拡散距離Ｄは約６０μｍ程度となる。第２クラッド領域１２２の外周面上に被覆が有る場合は、その被覆の密度を加味した加速電圧に設定することで、所定の電子拡散距離Ｄが得られる。第２クラッド領域１２２内の、電子が拡散した領域（電荷溜り）は、電子のマイナス電荷による負の電圧が生じたことに相当するため、その領域における電荷蓄積量を増大させることで負の高電圧が形成される。例えば、図１０に示されたように、グランド電極４５０を設置した場合、電極４５０からマイナス電荷に向けて電気力線が走り、コア領域１１０（結晶領域となる領域）には電気力線に沿って電界が形成される。この第１の電子ビーム照射方法は、第２クラッド領域１２２内に電極を形成する必要がなく、光ファイバ１００Ｃ内に簡便に電界を形成させられるため、有効である。

【0078】

具体的に、この第１の電子ビーム照射方法が図３ＡのステップＳＴ３０Ｂに適用される場合、タイミングＡ１〜タイミングＡ２の間で行われるステップＳＴ３０Ａでは、光ファイバ１００Ｃの表面温度を１００℃〜８００℃の範囲内、あるいは１００℃〜４００℃の範囲内に維持した状態で、ＵＶレーザ光が光ファイバ１００Ｃの長手方向（光軸ＡＸに一致した方向）に沿って間欠照射されることで、結晶領域（第１区間）と非結晶領域（第２区間）が長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が添加領域Ｒ内に設けられる。なお、ステップＳＴ３０ＡとステップＳＴ３０Ｂが個別に実行される場合、ステップＳＴ３０Ａは、図５のチャンバ３００内で行われてもよい。ステップＳＴ３０Ａと同時並行またはその後に実行されるステップＳＴ３０Ｂでは、分極を配向させたい領域（第１区間となるべき領域）に所定電流が供給されるカソード４１０から放出された電子が間欠照射され、第２クラッド領域１２２内（すなわち、電子の拡散深さは、添加領域Ｒと光ファイバ１００Ｃの外周面との中間位置）に、電荷溜りが形成される。これにより、電極４５０と電荷溜り（マイナス電荷分布）との間に形成される電界（電位勾配）により、添加領域Ｒのうち第１区間に相当する領域内において分極を配向させる。第２区間となる非結晶領域に不要な分極が形成された場合は、ＵＶレーザ光により消去することができる。

【0079】

なお、この第１の電子ビーム照射方法が図３ＢのステップＳＴ４０Ｂおよび図３ＢのステップＳＴ５０Ｂそれぞれに適用される場合、まず、タイミングＢ１〜タイミングＢ２の間に行われるステップＳＴ４０Ａでは、光ファイバ１００Ｃの表面温度を１００℃〜８００℃の範囲内、あるいは１００℃〜４００℃の範囲内に維持した状態で、ＵＶレーザ光が光ファイバ１００Ｃの長手方向に沿って連続照射されることで、第１結晶領域が長手方向に沿って連続的に形成される。ステップＳＴ４０Ａと同時並行またはその後に実行されるステップＳＴ４０Ｂでは、分極を配向させたい領域（第１区間となるべき領域）に所定電流が供給されるカソード４１０から放出された電子が間欠照射され、第２クラッド領域１２２内に、電荷溜りが形成される。なお、この電荷溜りは、当該電荷溜りと電極４５０との間に第１電圧Ｖａが印加されることに相当する電荷蓄積量を有する。これにより、電極４５０と電荷溜りとの間に形成される電界により、第１結晶領域内において分極を配向させる。

【0080】

続いて、タイミングＣ１〜タイミングＣ２の間で行われるステップＳＴ５０Ａでは、光ファイバ１００Ｃの表面温度を１００℃〜８００℃の範囲内、あるいは１００℃〜４００℃の範囲内に維持した状態で、ＵＶレーザ光が光ファイバ１００Ｃ内に連続的に形成された第１結晶領域に間欠照射されることで、第１区間として残った第１結晶領域と第２区間となる第２結晶領域とが長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が添加領域内に設けられる。ステップＳＴ５０Ａと同時並行またはその後に実行されるステップＳＴ５０Ｂでは、図１０中に示されたように光ファイバ１００Ｃを矢印Ｓで示された方向に回転させた後、分極を配向させたい領域（第２区間となるべき領域）に所定電流が供給されるカソード４１０から放出された電子が間欠照射され、第２クラッド領域１２２内に、電荷溜りが形成される。なお、この電荷溜りは、電極４５０との間に第１電圧Ｖａよりも小さい第２電圧Ｖｉを発生させる程度の電荷蓄積量を有する。電極４５０と電荷溜りとの間に形成される電界により、光ファイバ１００Ｃの長手方向に沿って周期的に形成された第２結晶領域内においても、第１結晶領域とは異なる向きに分極を配向させることが可能になる。

【0081】

上述の図４および図６に示された電界形成法では、主に正の電圧による電界（電位勾配）を形成するが、電子ビーム照射による分極反転は、負の電圧による電界を形成することで、分極反転構造を形成することが可能になる。２つの電極を有する光ファイバの場合（例えば、図４の光ファイバ１００Ａ）、第２の電子ビーム照射方法として、図１１Ａに示されたように、電極１４０Ａと添加領域Ｒ（コア領域１１０と第１クラッド領域１２１で構成）の間に電子が打ち込まれてもよい。この場合、電子溜りにマイナス電荷の分布を形成させ、電極１４０Ｂをグラウンド電極とすることで、添加領域Ｒ内には、上述の第１の電子ビーム照射方法（図１０）よりも強い電界が形成されるため、分極反転に有効である。あるいは、第３の電子ビーム照射方法として、図１１Ｂに示されたように、光ファイバ１００Ａを図１０に示された矢印Ｓで示された方向（長手方向を中心とする円周方向）に回転させ、第１の電子ビーム照射方法とは異なる位置に電子が打ち込まれてもよい。更に、上述の第１〜第３の電子ビーム照射方法の他、電極１４０Ａに打ち込まれた電子により電極１４０Ａ自体を帯電させ、この電極１４０Ａとグランド電極１４０Ｂとの間に電界を形成してもよい。このように形成される電界で分極反転させる方法も有効である。特に、第３の電子ビーム照射方法は、電極１４０Ａのサイズが大きく、電子ビーム照射エリアが小さくなってしまう場合に有効である。

【0082】

なお、上述の第２の電子ビーム照射方法（図１１Ａ）および第３の電子ビーム照射方法（図１１Ｂ）の何れの場合も、図３ＡのステップＳＴ３０Ｂ、図３ＢのステップＳＴ４０Ｂおよび図３ＢのステップＳＴ５０Ｂそれぞれに適用可能である。一例として、第２の電子ビーム照射方法が第２実施形態に係る光ファイバ製造方法（図３Ｂ）に適用される場合について、以下、説明する。まず、ステップＳＴ１０にいて用意された光ファイバ１００Ａに対し、その表面温度を１００℃〜８００℃の範囲内、あるいは１００℃〜４００℃の範囲に維持される（ステップＳＴ２０）。タイミングＢ１〜Ｂ２では、このような温度調節状態で、光ファイバ１００Ａの添加領域Ｒに対して長手方向に沿ってレーザ光が連続照射される（ステップＳＴ４０Ａ）。ステップＳＴ４０Ｂは、ステップＳＴ４０Ａと同時並行またはステップＳＴ４０Ａの後に実行される。すなわち、光ファイバ１００Ａの長手方向に沿って連続する第１結晶領域を形成しながら、または形成した後、光ファイバ１００Ａの長手方向に沿って、該長手方向に垂直な方向から第１電圧Ｖａに相当する電子が第１結晶領域に間欠照射される。これにより、第２クラッド領域１２２内に電荷溜りが形成され（第２クラッド領域１２２の帯電）、連続する第１結晶領域のうち第１区間となるべき領域が分極配向される。なお、上述のように、電極１４０Ａのサイズが大きく、電子ビーム照射エリアが小さくなってしまう場合には、第３の電子ビーム照射方法が有効である。更に他の方法として、電極１４０Ａ自体を帯電させてもよい。

【0083】

タイミングＣ１〜Ｃ２の間でも、ステップＳＴ５０Ｂは、ステップＳＴ５０Ａと同時並行またはその後に実行される。ただし、ステップＳＴ５０Ｂでは、ステップＳＴ４０Ｂとは異なり、電極１４０Ａをグランド電極とする一方、添加領域Ｒと電極１４０Ｂの間に、第１電圧Ｖａより小さい第２電圧Ｖｉ相当の電荷蓄積量の電荷溜りが形成されるよう電子が打ち込まれる。すなわち、光ファイバ１００Ａの長手方向に沿ってＵＶレーザ光を第２区間となるべき領域に間欠照射しながら、あるいはその後、添加領域Ｒと電極１４０Ｂとの間の電荷溜りを形成することにより（電子ビーム照射）、電荷溜りとグランド電極１４０Ａとの間の電界により、第２区間となるべき領域が、残った第１結晶領域（第１区間）とはことなる向きに分極配向される。これにより、添加領域Ｒ内に、第１区間となる第１結晶領域と第２区間となる第２結晶領域とが長手方向に沿って交互に配置された繰り返し構造が設けられる。

【符号の説明】

【0084】

１００、２００…光デバイス、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ…光ファイバ、１１０…コア領域、１２１…第１クラッド領域、１２２…第２クラッド領域、１３０Ａ、１３０Ｂ…空孔、１４０Ａ、１４０Ｂ、１５０Ａ、１５０Ｂ、４５０…電極、３１０…レーザ光源、４１０…カソード、４２０…電流源、４４０…電圧源、１６１…結晶領域（第１区間）、１７１…第１結晶領域（第１区間）、１６２…非結晶領域（第２区間）、１７２…第２結晶領域（第２区間）、５００…ＥＰＳ。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】