DE69021436T2

DE69021436T2 - Optische Wellenlängenkonvertereinrichtung.

Info

Publication number: DE69021436T2
Application number: DE69021436T
Authority: DE
Inventors: Chiaki Goto; Akinori Harada
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1989-05-15
Filing date: 1990-05-15
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2010-05-16
Also published as: US5031999A; EP0398271A2; EP0398271B1; DE69021436D1; EP0398271A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung, insbesondere eine optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung, die eine Ummantelung und einen Wellenleiter umfaßt, der in der Ummantelung angeordnet ist und aus einem nicht-linearen optischen Material hergestellt ist, welches einen Brechungsindex aufweist, der höher ist als der der Ummantelung, zur Erzielung einer Phasenanpassung zwischen einer Grundwelle und einer wellenlängenkonvertierten Welle, die sich in geführten Moden bewegen.

Beschreibung des Standes der Technik

Es wurden bisher verschiedene Versuche gemacht, unter Verwendung eines nicht-linearen optischen Materials die Wellenlänge eines Laserstrahls in eine zweite Harmonische zu konvertieren (d.h., die Wellenlänge von einem Laserstrahl zu verkürzen). Ein gut bekanntes Beispiel einer optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung zur Bewirkung einer solchen Laserwellenlängenkonvertierung ist eine optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung vom Volumenkristall-Typ. Diese optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung stützt sich auf die Doppelbrechung eines Kristalls, um Phasenanpassungsbedingungen zu erfüllen. Daher kann jedes Material, das keine Doppelbrechung oder eine nur geringe Doppelbrechung zeigt, nicht verwendet werden, selbst wenn es eine hohe Nicht-Linearität besitzt.
Um das obige Problem zu lösen, wurde eine optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung vom Fasertyp vorgeschlagen. Eine optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung dieser Art besitzt die Form einer optischen Faser, welche einen Kern umfaßt, der aus einem nicht-linearen optischen Material hergestellt ist und durch eine Ummantelung umgeben wird. Ein Beispiel einer solchen optischen Faser ist im "Bulletin of the Microoptics Research Group" einer Versammlung der "Japan Society of Applied Physics" (Band 3, Nr. 2, Seiten 28 - 32) gezeigt. In jüngster Zeit wurde ein starkes Bemühen auf das Studium einer optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung vom Fasertyp gerichtet, da diese leicht eine Phasenanpassung zwischen einer Grundwelle und einer wellenlängenkonvertierten Welle erreichen kann. Es ist auch eine optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung in der Form eines zweidimensionalen optischen Wellenleiters bekannt, der zwischen zwei Substraten, die als eine Ummantelung dienen, schichtartig angeordnet und aus einem nicht-linearen optischen Material hergestellt ist, wie es z.B. im US-Patent Nr. 4 820 011 beschrieben ist. Eine weitere bekannte optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung umfaßt einen dreidimensionalen optischen Wellenleiter, der in ein Glassubstrat eingebettet und aus einem nicht-linearen optischen Material hergestellt ist, um eine zweite Harmonische in das Glassubstrat zu emittieren. Diese bekannten optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen sind auch in der Lage, eine Phasenanpassung zwischen einer Grundwelle und einer wellenlängenkonvertierten Welle einfach zu erreichen.
Die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 328 266 zeigt im einzelnen eine optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung vom Fasertyp, die Summen- und Differenz-Frequenzen erzeugen kann. Die Erzeugung von Summen- und Differenz-Frequenzen mit einer optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung vom Wellenleitertyp ist auch im einzelnen in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 328 266 beschrieben. Es ist auch möglich, unter Verwendung der Nicht-Linearität dritter Ordnung eine Welle der dritten Harmonischen zu erzeugen.
Die oben genannten optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen vom Typ mit optischen Wellenleitern (einschließlich solcher des Fasertyps) werden entsprechend dem Phasenanpassungsvorgang wie folgt grob klassifiziert:
(1) der Cerenkov-Strahlungstyp, der die Phasenanpassung zwischen einem Strahlungsmodus, indem eine wellenlängenkonvertierte Welle in eine Ummantelung gestrahlt wird, und einem geführten Modus erreicht, indem eine Grundwelle geführt wird (eine solche Einrichtung ist z.B. aus EP-A-0 307 896 bekannt), und
(2) der Wellenleiter-Wellenleitertyp, der die Phasenanpassung zwischen einer Grundwelle und einer wellenlängenkonvertierten Welle erzielt, die sich in geführten Moden bewegen.
Optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen des Wellenleiter-Wellenleitertyps (2) können im Prinzip wegen einer größeren Wechselwirkung zwischen einer Grundwelle und einer wellenlängenkonvertierten Welle eine höhere Wellenlängenumwandlungseffektivität als die optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen des Cerenkov-Typs (1) erwarten lassen. Genauer gesagt ist, falls angenommen wird, daß die Länge der Wechselwirkung (d.h., die Länge des optischen Wellenleiters) mit L bezeichnet wird, die Wellenlängenumwandlungseffektivität in den optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen des Cerenkov-Strahlungstyps proportional zu L, in den optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen des Wellenleiter-Wellenleitertyps jedoch proportional zu dem Quadrat von L.
Gemäß einer optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung des Cerenkov-Strahlungstyps besitzt ein Strahl einer wellenlängenkonvertierten Welle, der von der Einrichtung emittiert wird, eine Gestalt mit einem Ring- oder Bogen-Querschnitt, wobei ein spezielles Fokussierungs-Optiksystem erforderlich ist, um die wellenlängenkonvertierte Welle in einen kleinen Fleck zu fokussieren. Gemäß einer optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung des Wellenleiter-Wellenleitertyps wird jedoch, wenn eine wellenlängenkonvertierte Welle in einem Einzelmodus geführt wird, deren emittierter Strahl im wesentlichen ein Gauß'scher Strahl. Daher kann die wellenlängenkonvertierte Welle einfach bis hinab zu der Beugungsgrenze konvertiert werden.
Herkömmliche optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen des Wellenleiter-Wellenleitertyps, die bisher vorgeschlagen worden sind, besitzen Wellenleiter, die aus einem anorganischen nicht-linearen optischen Material hergestellt sind. Folglich sollte der Durchmesser des Kernes oder die Dicke des optischen Wellenleiters und die Wellenlänge einer Grundwelle, welche einzuführen ist, hoch genau gesteuert werden, um die gewünschte Phasenanpassung zu erreichen. Außerdem sollte die Temperatur der Einrichtung auf 100ºC oder höher eingestellt werden und die Einrichtung sollte bei dieser Temperatur innerhalb eines Fehlerbereiches von ungefähr ±0,1ºC gehalten werden, um die Phasenanpassung zu erreichen, nachdem die wellenlängenkonvertierte Welle in einem Einzelmodus geführt worden ist. Die optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen des Wellenleiter-Wellenleitertyps sind wegen der verschiedenen Bedingungen oder Faktoren, welche streng gesteuert werden müssen, wie es oben beschrieben wurde, noch nicht praxisnah gewesen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung des Wellenleiter-Wellenleitertyps bereitzustellen, die weniger strenge Bedingungen zur Phasenanpassung aufweist und genügend praktisch im Gebrauch ist.
Eine erste optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Eine zweite optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 3 definiert.
Fig. 5(b) der beigefügten Zeichnungen zeigt als Beispiel eine Modendispersion in einer herkömmlichen optischen Fasertyp-Wellenlängenkonvertierungseinrichtung des Wellenleiter-Wellenleitertyps. Die gezeigte Modendispersion wird bei Normaltemperatur bewirkt. Ein effektiver Brechungsindex nωEFF in bezug auf eine Grundwelle, die durch einen Kern in einem Modus nullter Ordnung geführt wird, besitzt einen Wert zwischen einem Brechungsindex nωMANTEL eines Ummantelungsmaterials und einem Brechungsindex nωKERN eines Kernmaterials in bezug auf die Wellenlänge der Grundwelle. Ein effektiver Brechungsindex n2ωEFF in bezug auf eine wellenlängenkonvertierte Welle (eine Welle der zweiten Harmonischen), die durch den Kern in dem Modus nullter Ordnung geführt wird, besitzt einen Wert zwischen einem Brechungsindex n2ωMANTEL des Ummantelungsmaterials und einem Brechungsindex n2ωKERN des Kernmaterials in bezug auf die Wellenlänge der Welle der zweiten Harmonischen. Weil nMANTEL nKERN gilt
gibt es keinen Kerndurchmesser, der die Phasenanpassungsbedingung:
zwischen der Grundwelle in dem Modus nullter Ordnung und der Welle der zweiten Harmonischen in dem Modus nullter Ordnung in einer optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung des Wellenleiter-Wellenleitertyps erfüllen würde.
Bei einer Temperatur, die sich stark von der Normaltemperatur unterscheidet, kann es einen Kerndurchmesser geben, welcher die Phasenanpassungsbedingung erfüllt, die durch die oben angegebene Gleichung (1) gegeben ist. In einem solchen Fall muß jedoch die Temperatur, wie oben beschrieben, sehr streng kontrolliert werden. Wie es in Fig. 5(b) gezeigt ist, kann es einen Kerndurchmesser geben, der die durch die Gleichung (1) gegebene Phasenanpassungsbedingung zwischen der Grundwelle in dem Modus nullter Ordnung und der Welle der zweiten Harmonischen in einem Modus höherer Ordnung (z.B. Modus erster Ordnung) erfüllen kann. In diesem Fall könnte die oben angegebene Phasenanpassungsbedingung nicht erfüllt werden, falls die Kerndurchmesser nicht streng auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wurden, weil sich die beiden Modendispersionskurven gegenseitig in Bereichen kreuzen, wo sie mit sich stark unterscheidenden Gradienten geneigt sind. Außerdem weicht der Strahl der Welle der zweiten Harmonischen stark von einem Gauß'schen Strahl ab.
Eine Modendispersion in der ersten optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung (z.B. des Fasertyps) des Wellenleiter- Wellenleitertyps entsprechend der vorliegenden Erfindung verläuft bei Normaltemperatur grundsätzlich, wie es in Fig. 5(a) gezeigt ist. Insbesondere stehen die Brechungsindizes einer Ummantelung in bezug auf eine Grundwelle und eine Welle der zweiten Harmonischen wegen des Unterschieds zwischen den Wellenlängen dieser Wellen wie folgt in Beziehung:
wobei die Brechungsindizes eines Kerns in bezug auf diese Wellen wie folgt in Beziehung stehen:
Daher existiert ein Kerndurchmesser, der die Phasenanpassungsbedingung zwischen der Grundwelle in dem Modus nullter Ordnung und der Welle der zweiten Harmonischen in dem Modus nullter Ordnung erfüllen kann, die durch die Gleichung (1) ausgedrückt ist. Die zwei Modendispersionskurven kreuzen einander in Bereichen, wo sie denselben Gradienten besitzen, wobei sich folglich diese Modendispersionskurven einander in einem weiteren Bereich kreuzen. Daher wird die Phasenanpassungsbedingung in einem verhältnismäßig weiten Bereich von Kerndurchmessern erfüllt.
Eine Modendispersion in der zweiten optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung (z. B. des dreidimensionalen optischen Wellenleitertyps) des Wellenleiter-Wellenleitertyps entsprechend der vorliegenden Erfindung verläuft bei Normaltemperatur grundsätzlich so, wie es in Fig. 5(c) gezeigt ist. Insbesondere stehen die Brechungsindizes der Ummantelung und des Wellenleiters in folgender Beziehung: nMANTEL nKERN
Die Modendispersionskurven der Grundwelle und der Welle der zweiten Harmonischen in dem Modus nullter Ordnung schneiden einander in dem nahezu gesamten Bereich. Daher wird die Phasenanpassungsbedingung erfüllt, ohne durch die Schichtdicke des Wellenleiters begrenzt zu sein.
Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als erläuterndes Beispiel gezeigt sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung;
Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht eines Volumenkristalls aus PRA, der als ein Kernmaterial in der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung verwendet wird, welche in Fig. 1 gezeigt ist,
Fig. 3 eine schematische Seitendraufsicht, welche die Orientierung des Kristalls des Kernes zeigt,
Fig. 4 einen Kurvenverlauf, der die Brechungsindex-Dispersionskennwerte von dem Kern und dem Ummantelungsmaterial der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung zeigt;
Fig. 5(a) einen Kurvenverlauf, der eine Modendispersion von einer Grundwelle und von einer wellenlängenkonvertierten Welle in einer ersten, erfindungsgemäßen optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung zeigt;
Fig. 5(b) einen Kurvenverlauf, der eine Modendispersion von einer Grundwelle und von einer wellenlängenkonvertierten Welle in einer herkömmlichen optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung des Wellenleiter- Wellenleitertyps zeigt;
Fig. 5(c) einen Kurvenverlauf, der eine Modendispersion von einer Grundwelle und von einer wellenlängenkonvertierten Welle in einer zweiten, erfindungsgemäßen optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung zeigt;
Fig. 6 einen Kurvenverlauf, der die Beziehung zwischen Kerndurchmessern und Wellenlängenkonvertierungseffektivitäten (von einem Relativwert) der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung zeigt;
Fig. 7 einen Kurvenverlauf, der die Beziehung zwischen den Wellenlängen einer Grundwelle und den Wellenlängenkonvertierungseffektivitäten der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung zeigt;
Fig. 8 einen Kurvenverlauf, der die Beziehung zwischen Temperaturen und den Wellenlängenkonvertierungseffektivitäten der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung zeigt; und
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 eine schematische Ansicht der Art und Weise, in der die in Fig. 9 gezeigte optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung betrieben wird; und
Fig. 11 einen Kurvenverlauf, der die Brechungsindex-Dispersionskennwerte des Wellenleiters und des Ummantelungsmaterials in der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung zeigt, welche in der Fig. 9 dargestellt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 besitzt die Form einer optischen Faser, die eine Ummantelung 12 mit einem zentralen Loch und einen Kern 11 aus einem nicht-linearen optischen Material umfaßt, welches in das zentrale Loch der Ummantelung 12 gefüllt ist. Das nicht-lineare optische Material des Kernes 11 umfaßt ein organisches nicht-lineares optisches Material, das in bezug auf die Wellenlänge einer wellenlängenkonvertierten Welle einen ersten Brechungsindex und in bezug auf die Wellenlänge einer Grundwelle einen zweiten Brechungsindex aufweist, wobei der erste Brechungsindex niedriger als der zweite Brechungsindex ist. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das organische nicht-lineare optische Material durch 3,5-Dimethyl-1-(4-Nitrophenyl)Pyrazol (im folgenden als "PRA" bezeichnet) gebildet, wie es in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 62(1987)-210432 beschrieben ist. Die Ummantelung 12 ist aus SF15-Glas hergestellt, das ein amorphes Material ist.
Die Volumenkristall-Struktur des PRA ist in Fig. 2 gezeigt. Der PRA-Kristall gehört zu einem orthorhombischen System, wobei seine Punktgruppe mm2 ist. Daher ist der Tensor der nichtlinearen optischen Konstanten wie folgt:
Falls angenommen wird, daß die optischen Achsen X, Y, Z in bezug auf die Kristallachsen a, b, c, wie in Fig. 2 gezeigt, bestimmt sind, so ist d&sub3;&sub1; eine nicht-lineare optische Konstante für die Gewinnung einer Welle der zweiten Harmonischen, die Z- polarisiert ist, wenn in der Richtung X linear polarisiertes Licht (X-polarisiertes Licht) als eine Grundwelle zugeführt wird. In ähnlicher Weise ist d&sub3;&sub2; eine nicht-lineare optische Konstante für die Gewinnung einer Welle der zweiten Harmonischen, die Z-polarisiert ist, wenn in der Richtung Y linear polarisiertes Licht (Y-polarisiertes Licht) als eine Grundwelle zugeführt wird. In ähnlicher Weise ist d&sub3;&sub3; eine nichtlineare optische Konstante für die Gewinnung einer Welle der zweiten Harmonischen, die Z-polarisiert ist, wenn in der Richtung Z linear polarisiertes Licht (Z-polarisiertes Licht) als eine Grundwelle zugeführt wird. d&sub2;&sub4; ist eine nicht-lineare Konstante für die Gewinnung einer Y-polarisierten Welle der zweiten Harmonischen, wenn Y- und Z-polarisierte Grundwellen zugeführt werden. d&sub1;&sub5; ist eine nicht-lineare optische Konstante für die Gewinnung einer X-polarisierten Welle der zweiten Harmonischen, wenn X- und Z-polarisierte Grundwellen zugeführt werden. Die Beträge der jeweiligen nicht-linearen optischen Konstanten sind in der folgenden Tabelle gegeben:
Die Werte in Spalte (1) werden durch die Röntgen-Kristallstrukturanalyse erhalten und die Werte in der Spalte (2) werden durch das Marker-Fringe-Verfahren (Marker Fringe process) gemessen (beides sind Werte in der Einheit von [x 10&supmin;&sup9; esu]).
Die oben angegebene Tabelle zeigt klar, daß die Konstanten d&sub3;&sub2;, d&sub3;&sub3; und d&sub2;&sub4; große Werte besitzen. Insbesondere sind die Konstanten d&sub3;&sub2;, d&sub2;&sub4; die größten Werte nahe zu einer nicht-linearen optischen Konstante von 600 x 10&supmin;&sup9; esu von MNA (2- Methyl-4-Nitroanilin), welches in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 60(1985)-250334 beschrieben ist, und von einer nicht-linearen optischen Konstante von 200 x 10&supmin;&sup9; esu von NPP (N-(4-Nitrophenyl)-L-Prolinol), welches in J. Opt. Soc. Am. B. (Band 4, Seite 977 (1987)) beschrieben ist.
Um den Kern 11 aus PRA in die Ummantelung 12 zu füllen, um die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 vom Fasertyp herzustellen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, wird der PRA-Kristall so orientiert, daß seine c-Achse (optische X-Achse) sich in der Richtung der Kernachse erstreckt (eine derartige Orientierung wird durch ein Verfahren ermöglicht, welches unten beschrieben wird). Die großen nicht-linearen optischen Konstanten d&sub3;&sub2;, d&sub2;&sub4; können verwendet werden, wenn eine Grundwelle, die in der Richtung der a-Achse (optische Z-Achse) oder der b- Achse (optische Y-Achse) des PRA-Kristalls linear polarisiert ist, der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 zugeführt wird.
Die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 in der Form einer optischen Faser mit dem PRA-Kristall, der wie oben beschrieben orientiert ist, kann z.B. entsprechend dem Verfahren hergestellt werden, welches in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 64(1989)-73327 beschrieben ist.
Die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 wird verwendet werden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Eine Lichtquellenvorrichtung 20 enthält eine Lichtquelle zur Emission einer Grundwelle, die einen YAG-Laser 21 umfaßt. Ein Laserstrahl (Grundwelle) 15 mit einer Wellenlänge von 1064 nm, der von dem YAG-Laser 21 emittiert worden ist, wird in seinem Strahldurchmesser durch einen Strahlaufweiter 22 vergrößert und tritt dann durch eine λ/2-Platte 25 hindurch. Der Strahl wird dann durch eine Kondensor-Linse 26 in einen kleinen Strahlfleck umgewandelt, der einem Eingangsende 10a der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 zugeführt wird. In dieser Weise tritt die Grundwelle 15 in die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 ein. Wie oben beschrieben, besitzt das PRA des Kernes 11 eine derartige Kristallorientierung, daß sich die X-Achse entlang der Kernachse erstreckt. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die λ/2- Platte 25 der Lichtquellenvorrichtung 20 gedreht, um die Grundwelle 15, die Y-polarisiert ist, der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 zuzuführen.
Der Kern 11 besitzt einen Durchmesser von 1,422 um. Die Grundwelle 15, die in die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 eingetreten ist, wird durch den Kern 11 nur in einem Modus nullter Ordnung geführt. Die Wellenlänge der Grundwelle 15 wird durch das PRA des Kernes 11 in den Wellenleiter der Welle 15' der zweiten Harmonischen mit einer Wellenlänge (= 532 nm) umgewandelt, die die Hälfte der Wellenlänge der Grundwelle 15 beträgt. Die Welle 15' der zweiten Harmonischen ist Z-polarisiert und wird in dem Kern 11 in einem Einzelmodus geführt, wobei nur der Modus nullter Ordnung angeregt ist.
Die Phasenanpassung der Welle 15' der zweiten Harmonischen wird nun im folgenden beschrieben.
Fig. 4 zeigt die Dispersionskennwerte der Brechungsindizes nY, nZ des PRA des Kernes 11 jeweils in den Y-Achsen- und Z-Achsen-Richtungen und einen Brechungsindex nMANTEL des SF15-Glases der Ummantelung 12. Die in Fig. 4 gezeigten Dispersionskennwerte werden bei 25ºC erzielt. Ein effektiver Brechungsindex nωEFF in Bezug auf die Y-polarisierte Grundwelle 15, die eine Wellenlänge von 1064 nm aufweist, besitzt einen Wert zwischen einem Wert nωMANTEL des Brechungsindizes nMANTEL in bezug auf die Wellenlänge von 1064 nm und einem Wert nωKERN des Brechungsindex nY in bezug auf die Wellenlänge von 1064 nm. Ein effektiver Brechungsindex n2ωEFF in bezug auf die Z-polarisierte Welle 15' der zweiten Harmonischen, die eine Wellenlänge von 532 nm aufweist, besitzt einen Wert zwischen einem Wert n2ωMANTEL des Brechungsindex nMANTEL in bezug auf die Wellenlänge von 532 nm und einen Wert n2ωKERN des Brechungsindizes nz in bezug auf die Wellenlänge von 532 nm. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, stehen die Brechungsindizes der Ummantelung 12 zueinander in der folgenden Beziehung: nMANTEL
wobei jedoch die Brechungsindizes des Kernes 11 zueinander wie folgt in Beziehung stehen: nKERN
Bei 25ºC verläuft die Modendispersion der Grundwelle 15 und der Welle 15' der zweiten Harmonischen, wie es in Fig. 5(a) gezeigt ist. Der Wert von dem Kerndurchmesser (= 1,422 um) bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt im wesentlichen in der Mitte eines Bereiches, in dem sich die Dispersionskurve der Grundwelle 15 in dem Modus nullter Ordnung und die Dispersionskurve der Welle 15' der zweiten Harmonischen in dem Modus nullter Ordnung einander überlappen. Folglich wird die Phasenanpassungsbedingung erfüllt, die durch die Gleichung (1) gegeben ist:
wobei die Phasenanpassung zwischen der Welle 15' der zweiten Harmonischen in dem Modus nullter Ordnung und der Grundwelle 15 in dem Modus nullter Ordnung erzielt wird.
Ein Strahl 15", der eine Mischung aus der Welle 15' der zweiten Harmonischen und der Grundwelle 15 ist, wird von einem Ausgangsende 10b der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 emittiert. Der emittierte Strahl 15" wird durch eine Kondensorlinse 27 zusammengeführt und dann einem Bandbegrenzungs-Filter 28 zugeführt, welcher der Welle 15' der zweiten Harmonischen von 532 nm erlaubt hindurchzutreten, und die Grundwelle 15 von 1064 nm absorbiert. Folglich wird nur die Welle der zweiten Harmonischen 15' von dem Bandbegrenzungs- Filter 28 freigegeben. Durch die Verwendung eines Polarisators oder ähnlichem, wurde bestätigt, daß die Welle 15' der zweiten Harmonischen Z-polarisiertes Licht war. Folglich wird bei dieser Ausführungsform die nicht-lineare optische Konstante d&sub3;&sub2; von dem PRA verwendet. Die Lichtintensität der Welle 15' der zweiten Harmonischen wurde durch ein Lichtleistungsmeßgerät 29 gemessen, wobei die Wellenlängenkonvertierungseffektivität der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 ungefähr 10% gemäß einer 1W-Umwandlung betrug, wenn die Länge der Einrichtung 5 mm betrug.
Da die Welle 15' der zweiten Harmonischen in einem Einzelmodus durch den Kern 11 geführt ist, wird die Welle 15' der zweiten Harmonischen, welche von der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 emittiert wird, im wesentlichen ein Gauß'scher Strahl. Es ist daher möglich, die Welle 15' unter Verwendung eines allgemein fokussierenden Optiksystems, das eine sphärische Linse umfaßt, hinab zu der Beugungsgrenze zusammenzuführen.
Aus den oben beschriebenen Gründen kann die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Phasenanpassung für eine hohe Wellenlängenkonvertierungseffektivität erreichen, selbst wenn die Genauigkeit des Kerndurchmessers relativ gering ist.
Fig. 6 zeigt, wie die Wellenlängenkonvertierungseinrichtung schwankt, wenn der Kerndurchmesser der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 schwankt. Die Wellenlängenkonvertierungseffektivität ist durch Relativwerte in bezug auf einen Wert von 1 für den Fall bezeichnet, daß der Kerndurchmesser einen Idealwert (= 1,422 um) besitzt. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, beträgt die Toleranz des Kerndurchmessers, der 1/2 oder mehr des maximalen Wertes der Wellenlängenkonvertierungseffektivität sicherstellt, ungefähr ± 2 nm. Optische Fasern mit Kerndurchmesserfehlern innerhalb dieses Toleranzbereiches können entsprechend dem gegenwärtigen Stand der Technik der Technologie optischer Fasern hergestellt werden.
Fig. 7 zeigt, wie die Wellenlängenkonvertierungseffektivität schwankt, wenn die Grundwellenlänge schwankt. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, beträgt die Toleranz der Grundwellenlänge, welche 1/2 oder mehr der Wellenlängenkonvertierungseffektivität in dem Fall sicherstellt, daß die Grundwellenlänge einen Idealwert (= 1064,0 nm) besitzt, ungefähr ± 0,6 nm.
Fig. 8 zeigt, wie die Wellenlängenkonvertierungseffektivität schwankt, wenn die Temperatur der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung schwankt. Wie es in Fig. 8 gezeigt ist, beträgt die Toleranz der Temperatur, welche 1/2 oder mehr der Wellenlängenkonvertierungseffektivität in dem Fall sicherstellt, daß die Temperatur einen Idealwert (= 25ºC) besitzt, ungefähr ± 5ºc.
Obwohl der Kern 11 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus PRA hergestellt ist, ist das organische nicht-lineare optische Material, dessen Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge der wellenlängenkonvertierten Welle geringer ist als der Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge der Grundwelle, nicht auf PRA beschränkt, sondern kann TRI sein, welches in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 2(1990)-28 beschrieben ist. Auch die Ummantelung ist nicht auf SF15-Glas beschränkt, sondern kann aus einem anderen amorphen Material oder Kristallmaterial hergestellt sein. Die Verwendung von einem amorphen Material wird aus Sicht einer größeren verfügbaren Auswahl von Brechungsindizes und Brechungsindexdispersionen stark bevorzugt.
Die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 der dargestellten Ausführungsform ist in der Form einer optischen Faser. Die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung kann jedoch in der Form eines zwei- oder dreidimensionalen optischen Wellenleiters sein.
Eine optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf die Figuren 9 und 10 beschrieben.
Diejenigen, in den Figuren 9 und 10 gezeigten Teile, welche identisch zu jenen der vorhergehenden optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung sind, werden durch identische Bezugszeichen bezeichnet, wobei sie nicht im einzelnen unten beschrieben werden, außer wenn es besonders erforderlich ist.
Die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung, die allgemein mit 50 in den Figuren 9 und 10 bezeichnet ist, ist von dem dreidimensionalen optischen Wellenleitertyp, welcher einen dreidimensionalen optischen Wellenleiter 51 enthält, der aus PRA hergestellt ist, das in einer Ummantelung (Substrat) 52 eingebettet ist, die aus aromatischem Polyamid hergestellt ist, welches eine Doppelbrechung zeigt.
Der Kristall aus dem PRA, aus dem der optische Wellenleiter 51 hergestellt ist, ist derart orientiert, daß er eine c-Achse (optische X-Achse), die sich in der Richtung erstreckt, in der die Wellen geführt werden, d.h., in der longitudinalen Richtung des Wellenleiters, eine a-Achse (optische Z-Achse), die sich senkrecht zu dem Blatt von Fig. 10 erstreckt, und eine b- Achse (optische Y-Achse) besitzt, die sich vertikal in der Fig. 10 erstreckt. Eine derartige Achsenorientierung wird erhalten, wenn das Aspektverhältnis des optischen Wellenleiters 51 geeignet ausgewählt wird.
Das aromatische Polyamid, aus dem die Ummantelung 52 hergestellt ist, ist derart angeordnet, daß zwei seiner optischen Achsen sich jeweils parallel zu den Y- und Z-Achsen des PRA erstrecken. Das aromatische Polyamid besitzt einen Brechungsindex nMANTEL(Y) in bezug auf Licht, welches in derselben Richtung polarisiert ist wie die Y-Achse und einen Brechungsindex nMANTEL(Z) in bezug auf das Licht, das in derselben Richtung wie die Z-Achse polarisiert ist.
Die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 50 wird verwendet, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. Ein Halbleiterlaser 61 wird als eine Lichtquelle zur Emission einer Grundwelle verwendet. Ein divergenter Laserstrahl (Grundwelle) 65 mit einer Wellenlänge von 980 nm, der von dem Halbleiterlaser 61 emittiert wird, wird durch eine Kollimatorlinse 62 in einen Parallelstrahl umgewandelt, der durch eine λ/2-Platte 25 hindurchtritt. Der Laserstrahl wird dann durch eine Kondensorlinse 26 in einen kleinen Strahlfleck umgewandelt, der einem Eintrittsende 51a des optischen Wellenleiters 51 zugeführt wird. In dieser Weise tritt die Grundwelle 65 in die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 50 ein. Bei dieser Ausführungsform wird die λ/2-Platte 25 auch gedreht, um die Grundwelle 65, die Y-polarisiert ist, der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 50 zuzuführen.
Die Grundwelle 65, die in die optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 50 eingetreten ist, wird durch den optischen Wellenleiter 51 nur in einem Modus nullter Ordnung geführt. Die Wellenlänge der Grundwelle 65 wird durch das PRA des optischen Wellenleiters 51 in dem Wellenleiter einer Welle 65' der zweiten Harmonischen mit einer Wellenlänge (= 490 nm) umgewandelt, die die Hälfte von der Wellenlänge der Grundwelle 65 beträgt. Die Welle 65' der zweiten Harmonischen ist Z-polarisiert und wird in dem optischen Wellenleiter 51 in einem Einzelmodus geführt, wobei nur der Modus nullter Ordnung angeregt ist.
Die Phasenanpassung der Welle 65' der zweiten Harmonischen wird nun im folgenden beschrieben.
Fig. 11 zeigt die Dispersionskennwerte der Brechungsindizes ny, nZ des PRA des optischen Wellenleiters 51 jeweils in den Y-Achsen- und Z-Achsen-Richtungen und die Brechungsindizes nMANTEL(Y), nMANTEL(Z) des aromatischen Polyamids der Ummantelung 62. Die Dispersionskennwerte, die in der Fig. 11 gezeigt sind, werden bei 25ºC erhalten. Ein effektiver Brechungsindex nωEFF in bezug auf die Y-polarisierte Grundwelle 65, die eine Wellenlänge von 980 nm besitzt, hat einen Wert zwischen einem Wert nωMANTEL des Brechungsindizes nMANTEL(Y) in bezug auf die Wellenlänge von 980 nm und einem Wert nωKERN des Brechungsindizes nY in bezug auf die Wellenlänge von 980 nm. Ein effektiver Brechungsindex n2ωEFF in bezug auf die Z-polarisierte Welle 65' der zweiten Harmonischen, die eine Wellenlänge von 490 nm besitzt, hat einen Wert zwischen einem n2ωMANTEL des Brechungsindizes nMANTEL(Z) in bezug auf die Wellenlänge von 490 nm und einem Wert n2ωKERN des Brechungsindizes nZ in bezug auf die Wellenlänge von 490 nm. Bei der dargestellten Ausführungsform stehen die Brechungsindizes der Ummantelung 52 und des Wellenleiters 51 in der folgenden Beziehung: nMANTEL nKERN beide betragen ungefähr
Bei 25ºC schneiden die Modendispersionskurven der Grundwelle 65 und der Welle 65' der zweiten Harmonischen einander in einem nahezu vollständigen Bereich, wie es in der Fig. 5(a) gezeigt ist. Daher wird die Phasenanpassungsbedingung:
erfüllt, ohne durch die Schichtdicke des Wellenleiters begrenzt zu sein, so daß die Phasenanpassung zwischen der Welle 65' der zweiten Harmonischen in dem Modus nullter Ordnung und der Grundwelle 65 in dem Modus nullter Ordnung erreicht wird.
In der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung 10 entsprechend der vorhergehenden Ausführungsform beträgt die Toleranz des Kerndurchmessers, welche 1/2 oder mehr des Maximalwertes der Wellenlängenkonvertierungseffektivität sicherstellt, ungefähr ± 2 nm, wie es oben beschrieben wurde. Entsprechend der Ausführungsform, die in den Figuren 9 und 10 gezeigt ist, ist die Toleranz der Schichtdicke des optischen Wellenleiters für das Erreichen derselben Wellenlängenkonvertierungseffektivität viel größer, d.h. ungefähr ± 50 nm.
Die dargestellten optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen entsprechend der vorliegenden Erfindung wandeln eine Grundwelle in eine zweite Harmonische um. Die optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen können jedoch so eingerichtet sein, daß Grundwellen in eine Welle umgewandelt werden, die eine Frequenz besitzt, welche gleich der Differenz der Frequenzen der Grundwellen oder deren Summe ist.
Bei der vorliegenden Erfindung besitzt, wie es oben beschrieben wurde, die erste optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung einen Wellenleiter, der aus einem organischen nichtlinearen optischen Material hergestellt ist, dessen Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge einer wellenlängenkonvertierten Welle niedriger als der Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge einer Grundwelle ist, wobei effektive Brechungsindizes in bezug auf die Grundwelle und die wellenlängenkonvertierte Welle, die in einem Modus nullter Ordnung geführt werden, jeweils gegenseitig dieselben sind. Es ist möglich, eine Phasenanpassung zwischen der Grundwelle und der wellenlängenkonvertierten Welle zu erreichen, obwohl der Durchmesser und die Dicke des Wellenleiters mit einem praxisgerechten Genauigkeitsgrad dimensioniert sind.
Die zweite optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung besitzt einen Wellenleiter, der aus einem organischen nicht-linearen optischen Material hergestellt ist, dessen Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge einer wellenlängenkonvertierten Welle im wesentlichen derselbe wie der Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge einer Grundwelle ist, und eine Ummantelung, die aus einem Material hergestellt ist, dessen Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge einer wellenlängenkonvertierten Welle im wesentlichen derselbe wie der Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge einer Grundwelle ist, wobei die effektiven Brechungsindizes in bezug auf die Grundwelle und die wellenlängenkonvertierte Welle, welche in einem Modus nullter Ordnung geführt werden, in einem weiten Bereich jeweils gegenseitig dieselben sind. Es ist möglich, eine Phasenanpassung zwischen der Grundwelle und der wellenlängenkonvertierten Welle zu erreichen, obwohl der Durchmesser und die Dicke des Wellenleiters mit einem niedrigen Genauigkeitsgrad dimensioniert sind.
Die optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen entsprechend der vorliegenden Erfindung können die Phasenanpassung zwischen der Grundwelle und der wellenlängenkonvertierten Welle bei Normaltemperatur erzielen. Da der Wellenleiter der optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen aus einem organischen nicht-linearen optischen Material hergestellt ist, sind dessen effektive Brechungsindizes in bezug auf die Grundwelle und die wellenlängenkonvertierte Welle kleineren Schwankungen oder Veränderungen in bezug auf Änderungen der Temperatur oder der Grundwellenlänge unterworfen als die herkömmliche optische Wellenlängenkonvertierungseinrichtung vom Wellenleiter-Wellenleitertyp, deren Wellenleiter aus einem anorganischen Material hergestellt ist. Daher kann, selbst wenn die Genauigkeit in bezug auf die Temperatur und die Grundwellenlänge geringer ist als die bei der herkömmlichen optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtung, die gewünschte Phasenanpassung erreicht werden.
Die optischen Wellenlängenkonvertierungseinrichtungen entsprechend der vorliegenden Erfindung können eine Phasenanpassung zwischen der Grundwelle und der wellenlängenkonvertierten Welle erzielen, die in einem Einzelmodus geführt wird. Daher wird die wellenlängenkonvertierte Welle, welche von der Einrichtung emittiert wird, im wesentlichen ein Gauß'scher Strahl, wobei sie unter Verwendung eines fokussierenden optischen Systems, das eine allgemeine sphärische Linse umfaßt, bis hinab zu der Beugungsgrenze zusammengeführt werden kann.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, sollte es verständlich sein, daß viele Änderungen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne den Bereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Optische Wellenlängenkonvertereinrichtung (10), die umfaßt:

eine Ummantelung (12); und

einen in der Ummantelung angeordneten Wellenleiter (11) zur Umwandlung der Wellenlänge einer in dem Wellenleiter geführten Grundwelle, wobei der Wellenleiter aus einem nicht-linearen optischen Material hergestellt ist, welches doppelbrechend ist und einen Brechungsindex besitzt, der größer als der Brechungsindex der Ummantelung ist;

wobei das nicht-lineare optische Material ein organisches nichtlineares optisches Material umfaßt, welches einen ersten Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge der wellenlängenkonvertierten Welle und einen zweiten Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge der Grundwelle besitzt;

dadurch gekennzeichnet, daß

sich die Grundwelle (15) und die wellenlängenkonvertierte Welle (15') beide durch den Wellenleiter (11) in einem geführten Modus bewegen; und

daß der erste Brechungsindex niedriger als der zweite Brechungsindex ist, wobei der effektive Brechungsindex in bezug auf die Grundwelle (15), welche in einem Modus nullter Ordnung geführt wird, und der effektive Brechungsindex in bezug auf die wellenlängenkonvertierte Welle (15'), welche in dem Modus nullter Ordnung geführt wird, zueinander gleich sind, so daß eine Phasenanpassung zwischen der wellenlängenkonvertierten Welle und der Grundwelle erreicht wird.

2. Optische Wellenlängenkonvertereinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das organische nicht-lineare optische Material 3,5- Dimethyl-1-(4-Nitrophenyl)Pyrazol ist.

3. Optische Wellenlängenkonvertereinrichtung (10), die umfaßt:

eine Ummantelung (52); und

einen in der Ummantelung angeordneten Wellenleiter (51) zur Umwandlung der Wellenlänge einer in dem Wellenleiter geführten Grundwelle, wobei der Wellenleiter aus einem nicht-linearen optischen Material hergestellt ist, welches doppelbrechend ist und einen Brechungsindex besitzt, der größer als der Brechungsindex der Ummantelung ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

sich die Grundwelle (65) und die wellenlängenkonvertierte Welle (65') durch den Wellenleiter (11) in einem geführten Modus bewegen; und

daß der erste Brechungsindex im wesentlichen gleich dem zweiten Brechungsindex ist; und

daß die Ummantelung (52) aus einem Material hergestellt ist, welches einen dritten Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge der wellenlängenkonvertierten Welle (65') und einen vierten Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge der Grundwelle (65) besitzt, wobei der dritte Brechungsindex im wesentlichen gleich dem vierten Brechungsindex ist, wobei der effektive Brechungsindex in bezug auf die Grundwelle (65), die in einem Modus nullter Ordnung geführt wird, und der effektive Brechungsindex in bezug auf die wellenlängenkonvertierte Welle (65'), die in dem Modus nullter Ordnung geführt wird, zueinander gleich sind, so daß eine Phasenanpassung zwischen der wellenlängenkonvertierten Welle (65') und der Grundwelle (65) erreicht wird.

4. Optische Wellenlängenkonvertereinrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das organische nicht-lineare optische Material 3,5- Dimethyl-1-(4-Nitrophenyl)Pyrazol ist.

5. Optische Wellenlängenkonvertereinrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das Material der Ummantelung ein aromatisches Polyamid ist.