非線形結晶材料周期分極反転は、非線形相互作用の擬似位相整合[1]を得るための技術である。この技術は、非線形結晶において、ドメイン方位(ドメイン反転)の周期的反転を生成するプロセスを含んでいるため、非線形係数の符号も変化する。

強誘電体エンジニアリング

周期分極反転のための最も一般的な技術は、強誘電体ドメインエンジニアリング[2]である。これは、結晶表面上のパターン化された電極を介した強誘電体結晶へ強い電界を印加することを含み、典型なパターンの間隔は、数ミクロンから数十ミクロンである。また、通常フォトリソグラフィプロセスで製造される。分極周期(すなわち、電極の間隔)は、ある非線形プロセスが擬似位相整合できる波長を決定する。ドメイン反転は、いわゆる保磁力を上回る電界強度に対して起こり、例えば、一致ニオブ酸リチウム(LiNbO3)においては約21 kV/mmである。そのような高い電界強度は、大気中での放電や結晶の破壊を避けるために、非常に注意して用いる必要がある。このプロセスは特に、(0.5mmよりも)厚い試料に対しては難しく、その場合、分極品質は電極に近くでのみ良好になることもある。別の課題は、例えば、可視スペクトル範囲への周波数二倍化のために、必要に応じて(10μmより十分に)小さい分極周期で高い分極品質を達成することである。定比ニオブ酸リチウム(SLN)は、約2 kV/mmのずっと低い保磁力を有し、より厚い試料であっても、周期分極反転を非常に容易にする。

ここで留意しておきたいのは、分極反転プロセスは、特定の種類の非線形結晶ごとに最適化が必要である点である。これは、結晶表面の前処理、電極材料の選別、電極製造の詳細、印加された電気パルスの大きさ、形状および持続時間(例えば、流れた電荷または光の偏光変化のリアルモニタリングによって進んで制御することも多い)、および分極反転プロセス中の温度の選択が含まれる。ドメインバックスイッチングを抑制する方法や、高品質の分極反転のためにバックスイッチングを利用する方法もある[4]。

電界による分極反転に適した強誘電性非線形結晶材料には、ニオブ酸リチウム((LiNbO3)、タンタル酸塩リチウム(LiTaO3)、リン酸チタニルカリウム(KTA, KTiOPO4)などがある。周期分極された材料には、PPKTP(周期分極KTP)、PPLN(周期分極ニオブ酸リチウム)およびPPLT(周期分極タンタル酸リチウム)などのように、”PP”で始まる名前が付けられることが多い。PPLNとPPLT結晶は、光パラメトリック発振器および周波数二倍器などでしばしば使用され、非線形導波路でも利用可能である。PPLNの高い非線形性と導波管内の強い閉じ込めの組み合わせは、かなり出力レベルが低い場合でさえ効率的な非線形相互作用を可能にする。

単一のプロセスで、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムなどの結晶ウェハ全体の大部分を周期分極反転し、その後、そのウェハを多くの小さな結晶に切断することが可能である。このようにして、大量生産のために加工コストが多少低くなるが、周期分極反転された材料は通常、少量でも高価である。

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