JP2008129316A - Light wavelength conversion device and the light wavelength conversion method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光波長変換装置および光波長変換方法に関する。 The present invention relates to an optical wavelength conversion device and an optical wavelength conversion method.
非線形光学材料に特定の波長の光を入射して第二次高調波を発生させることで、光の波長変換を行う技術の研究開発が行われている。この第二次高調波発生（ＳＨＧ；Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）を効率良く行うためには、入力する光（以下、基本光と呼ぶ）と発生した第二次高調波（以下、ＳＨＧ光と呼ぶ）が位相整合することが重要であり、そのために非線形光学材料に周期分極反転構造を形成して、擬似位相整合をとる方法が広く用いられている。 Research and development has been conducted on a technique for converting the wavelength of light by causing light of a specific wavelength to enter a nonlinear optical material and generating a second harmonic. In order to efficiently perform this second harmonic generation (SHG; Second Harmonic Generation), input light (hereinafter referred to as basic light) and generated second harmonic (hereinafter referred to as SHG light) are required. It is important to perform phase matching. For this purpose, a method of forming a periodically poled structure in a nonlinear optical material to obtain quasi phase matching is widely used.
第二次高調波発生の変換効率は、非線形光学材料（以下、ＳＨＧ素子と呼ぶ）の温度や屈折率、入力する基本光の波長などによって敏感に影響を受けることが知られており、こうした各種の要因によって、出力されるＳＨＧ光のパワーが不安定となることが問題となっている。例えば、
（１）環境温度が変化すると基本光の光源であるレーザダイオード（ＬＤ）の発振波長が変化して、位相整合条件が満たされなくなって変換効率が低下する。
（２）環境温度が変化するとＳＨＧ素子の位相整合条件自体が変化して、変換効率が低下する。
（３）上記のそれぞれの温度変化特性が異なるため、特定の温度でＳＨＧ光の出力を最適化していても、温度変化が生じると位相整合条件が一致しなくなって、変換効率が低下する。
The conversion efficiency of second harmonic generation is known to be sensitively affected by the temperature and refractive index of nonlinear optical materials (hereinafter referred to as SHG elements), the wavelength of the input fundamental light, and the like. This causes a problem that the power of the output SHG light becomes unstable. For example,
(1) When the environmental temperature changes, the oscillation wavelength of the laser diode (LD), which is the light source of the basic light, changes, and the phase matching condition is not satisfied and the conversion efficiency decreases.
(2) When the environmental temperature changes, the phase matching condition itself of the SHG element changes and the conversion efficiency decreases.
(3) Since each of the above temperature change characteristics is different, even if the output of the SHG light is optimized at a specific temperature, if the temperature change occurs, the phase matching conditions do not match and the conversion efficiency decreases.
これらの問題を解決するため、従来、次のような方法が提案されている。
例えば、特許文献１においては、ＬＤの温度変化によって基本光の波長が変化した場合に、この波長変化に合わせてＳＨＧ素子の温度を可変に制御し、位相整合条件を満足させるようにすることでＳＨＧ光の出力を安定化させている。
In order to solve these problems, conventionally, the following methods have been proposed.
For example, in Patent Document 1, when the wavelength of the fundamental light changes due to the temperature change of the LD, the temperature of the SHG element is controlled variably in accordance with the wavelength change so that the phase matching condition is satisfied. The output of SHG light is stabilized.
また、特許文献２においては、入力される基本光の波長をグレーティング（回折格子）を用いて固定するとともに、基本光と発生したＳＨＧ光のパワーをモニタすることによって、環境温度が変化してもＳＨＧ素子の温度が一定となるように制御し、位相整合条件を満足させてＳＨＧ光の出力を安定化させている。 Further, in Patent Document 2, the wavelength of the input basic light is fixed using a grating (diffraction grating), and even if the environmental temperature changes by monitoring the power of the basic light and the generated SHG light. Control is performed so that the temperature of the SHG element is constant, and the phase matching condition is satisfied to stabilize the output of the SHG light.
ところで、ＳＨＧ素子に用いられる材料の一つであるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；以下、ＬＮ）は、光を照射することでその屈折率が変化するフォトリフラクティブ効果（光誘起屈折率変化あるいは光損傷ともいう）を有する材料として知られている。フォトリフラクティブ効果は、材料中の不純物等から光照射によって発生した電荷が材料内を移動して電場を形成し、この電場によって電気光学効果を介して屈折率変化が誘起されることなどに基づくものである。 By the way, lithium niobate (LiNbO 3 ; hereinafter referred to as LN), which is one of materials used for the SHG element, has a photorefractive effect (photoinduced refractive index change or optical damage) that changes its refractive index when irradiated with light. It is also known as a material having (also called). The photorefractive effect is based on the fact that charges generated by light irradiation from impurities in the material move through the material to form an electric field, and this electric field induces a refractive index change via the electro-optic effect. It is.
このようなメカニズムによることから、光強度が大きくなるとフォトリフラクティブ効果が生じ易くなる。特に、ＳＨＧ素子に光導波路を形成して光を光導波路に局所的に閉じ込めることによって高い変換効率を得る（第二次高調波発生の変換効率は、入力する基本光の光パワー密度の２乗で増加する）ようにした、光導波路型のＳＨＧ素子においては、光導波路部分の光のパワー密度が大きくなるため、顕著にフォトリフラクティブ効果が発生すると考えられる。 Due to such a mechanism, a photorefractive effect tends to occur when the light intensity increases. In particular, a high conversion efficiency is obtained by forming an optical waveguide in the SHG element and confining light locally in the optical waveguide (the conversion efficiency of the second harmonic generation is the square of the optical power density of the input fundamental light). In the optical waveguide type SHG element, the light power density of the optical waveguide portion is increased, so that it is considered that the photorefractive effect is remarkably generated.
フォトリフラクティブ効果によってＳＨＧ素子の屈折率が変化すると、上記したように位相整合条件がずれて、ＳＨＧ光の変換効率が低下してしまうことになるが、従来、この問題に対しては、
（ａ）フォトリフラクティブ効果の原因である材料中の電荷の移動などは、熱によって緩和するため、ＳＨＧ素子を例えば１００℃以上の温度に保持して動作させることで、フォトリフラクティブ効果による屈折率変化を緩和させ、屈折率を元に戻すことができる。この結果、ＳＨＧ光の出力が安定化される。
（ｂ）フォトリフラクティブ効果の原因となる不純物や格子欠陥を除去する、またはマグネシウムやスカンジウムなどの特定の物質を材料中に添加するなどの方法によって、フォトリフラクティブ効果の発生自体を低減する。
（ｃ）ＳＨＧ光の出力が低下した場合、入力する基本光すなわちＬＤ光強度を上げることで、出力の低下分を補う。
などの対策がとられていた。
(A) Since the movement of electric charges in the material that is the cause of the photorefractive effect is alleviated by heat, the refractive index change due to the photorefractive effect is achieved by operating the SHG element at a temperature of, for example, 100 ° C. or higher. Can be relaxed and the refractive index can be restored. As a result, the output of SHG light is stabilized.
(B) The occurrence of the photorefractive effect itself is reduced by removing impurities and lattice defects that cause the photorefractive effect or adding a specific substance such as magnesium or scandium to the material.
(C) When the output of SHG light decreases, the decrease in output is compensated for by increasing the input basic light, that is, the LD light intensity.
Measures such as were taken.
しかしながら、上記（ａ）の方法は、バルク型のＳＨＧ素子には適用できるが、光導波路型のＳＨＧ素子には適用できないという問題がある。すなわち、光導波路型のＳＨＧ素子では、ＳＨＧ光の出力の取り出しに光ファイバを用い、光ファイバと光導波路（ＳＨＧ素子）との光結合にバットジョイントまたはレンズ結合を採用していることから、光ファイバの被覆やバットジョイントの接着剤の耐熱性を確保しなければならず、また、室温で光軸調整を行った後に光結合部が高温に晒されると、光軸ずれが発生してＳＨＧ光の取り出し光強度が低下してしまうからである。 However, the above method (a) can be applied to a bulk type SHG element, but cannot be applied to an optical waveguide type SHG element. That is, in the optical waveguide type SHG element, an optical fiber is used for taking out the output of SHG light, and a butt joint or lens coupling is adopted for optical coupling between the optical fiber and the optical waveguide (SHG element). The heat resistance of the fiber coating and the butt joint adhesive must be ensured, and if the optical coupling is exposed to high temperature after optical axis adjustment at room temperature, the optical axis shift occurs and SHG light is generated. This is because the extracted light intensity is reduced.
また、（ｂ）の方法を用いても、フォトリフラクティブ効果を完全になくすことは困難であり、そのための材料製造コストの増大を招いてしまう。
また、（ｃ）の方法では、ＬＤの出力強度には上限があるため、ある程度以上にフォトリフラクティブ効果が生じてしまうと、ＳＨＧ光の出力光強度の低下をＬＤ光強度の増加でまかないきれなくなって、ＳＨＧ光の出力を安定させることができなくなるという問題がある。
Further, even if the method (b) is used, it is difficult to completely eliminate the photorefractive effect, which leads to an increase in material manufacturing cost.
In the method (c), since there is an upper limit on the output intensity of the LD, if the photorefractive effect occurs to some extent, the decrease in the output light intensity of the SHG light cannot be overcome by the increase in the LD light intensity. Thus, there is a problem that the output of SHG light cannot be stabilized.
このように、従来はフォトリフラクティブ効果による屈折率変化が第二次高調波発生などの光波長変換に与える影響を完全に排除することができなかった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォトリフラクティブ効果が発生した場合であっても、その影響を受けることなく良好な特性で光波長変換を行うことが可能な光波長変換装置および光波長変換方法を提供することにある。
As described above, conventionally, it has been impossible to completely eliminate the influence of the refractive index change due to the photorefractive effect on the optical wavelength conversion such as second harmonic generation.
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to perform light wavelength conversion with good characteristics without being affected even when a photorefractive effect occurs. An object of the present invention is to provide an optical wavelength conversion device and an optical wavelength conversion method.
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、入射されたレーザ光を波長変換して波長変換光を発生させる非線形光学素子を含む光波長変換装置において、前記レーザ光の波長を一定に制御する波長制御手段と、前記非線形光学素子の温度を変化させて波長変換効率を最大化させる温度制御手段とを備えることを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and in an optical wavelength conversion device including a nonlinear optical element that converts wavelength of incident laser light to generate wavelength-converted light, the wavelength of the laser light is changed. It is characterized by comprising wavelength control means for controlling the temperature constant and temperature control means for maximizing wavelength conversion efficiency by changing the temperature of the nonlinear optical element.
この光波長変換装置の作用を説明する。波長変換光が最も効率的に出力されるのは、入射されるレーザ光（波長λとする）と発生した波長変換光との間に位相整合条件が成り立っている場合である。位相整合条件を満たす波長（波長λｃとする。以下、位相整合波長と呼ぶ）は、非線形光学素子の屈折率（入射レーザ光の実効屈折率ｎωおよび波長変換光の実効屈折率ｎ２ω）と非線形光学素子の分極反転周期Λとによって決まる。分極反転周期Λは固定であるので、非線形光学素子の屈折率が変化しなければ位相整合波長λｃは一定である。本光波長変換装置では、波長制御手段により、入射レーザ光の波長λをこの一定値の位相整合波長λｃと一致するように制御している。 The operation of this optical wavelength conversion device will be described. The wavelength-converted light is output most efficiently when the phase matching condition is established between the incident laser light (having wavelength λ) and the generated wavelength-converted light. The wavelength satisfying the phase matching condition (wavelength λ c , hereinafter referred to as phase matching wavelength) is the refractive index of the nonlinear optical element (effective refractive index n ω of incident laser light and effective refractive index n 2ω of wavelength converted light). And the polarization inversion period Λ of the nonlinear optical element. Since the polarization inversion period Λ is fixed, the phase matching wavelength λ c is constant unless the refractive index of the nonlinear optical element changes. In the present optical wavelength converter, the wavelength λ of the incident laser light is controlled by the wavelength control means so as to coincide with the constant phase matching wavelength λ c .
ここで、非線形光学素子の内部でフォトリフラクティブ効果が発生し、非線形光学素子の屈折率が変化（変化量をΔｎとする）すると、上記の関係から位相整合波長λｃも変化し、位相整合条件が満たされなくなることになる。一方、非線形光学素子の屈折率は温度依存性を有しているから、非線形光学素子の温度が変化するとその屈折率が変化する。本光波長変換装置では、温度制御手段により、非線形光学素子の温度を変化させ、それによる屈折率の変化量が、上記フォトリフラクティブ効果による屈折率変化を打ち消すだけの量、すなわち−Δｎとなるように制御を行っている。これによって、位相整合波長は元の波長λｃに戻るので、位相整合条件が満たされることになる。 Here, when a photorefractive effect occurs inside the nonlinear optical element and the refractive index of the nonlinear optical element changes (amount of change is Δn), the phase matching wavelength λ c also changes from the above relationship, and the phase matching condition Will not be satisfied. On the other hand, since the refractive index of a nonlinear optical element has temperature dependence, the refractive index changes when the temperature of the nonlinear optical element changes. In the present optical wavelength converter, the temperature of the nonlinear optical element is changed by the temperature control means, and the amount of change in the refractive index is an amount sufficient to cancel the change in the refractive index due to the photorefractive effect, that is, −Δn. Control. Thus, the phase matching wavelength is returned to the original wavelength lambda c, so that the phase matching condition is satisfied.
このように、本発明によれば、入射レーザ光の波長を一定に制御するとともに、非線形光学素子内部に生じた屈折率変化をキャンセルするように非線形光学素子の温度を変化させる制御を行っているので、フォトリフラクティブ効果が発生した場合でも、位相整合された状態を維持することができ、波長変換効率が最大化されて光波長変換の良好な特性を実現することが可能である。
なお、非線形光学素子は特定の熱膨張率を有しているので、非線形光学素子の温度を変化させた場合、厳密には分極反転周期Λの値も変化する。したがって、非線形光学素子の上記温度制御において実際に必要とされる温度変化量は、それによる屈折率の変化量が−Δｎ＋α（αは分極反転周期Λの変化分を補償する値）となる値である。しかしながら、分極反転周期Λの変化量は微少でありαの値もΔｎに比べて小さいので、ここでは非線形光学素子の熱膨張・収縮の影響について、詳しく論じないこととする。
As described above, according to the present invention, the wavelength of the incident laser beam is controlled to be constant, and the temperature of the nonlinear optical element is controlled so as to cancel the refractive index change generated inside the nonlinear optical element. Therefore, even when the photorefractive effect occurs, the phase-matched state can be maintained, and the wavelength conversion efficiency can be maximized to realize good characteristics of optical wavelength conversion.
Since the nonlinear optical element has a specific coefficient of thermal expansion, strictly speaking, when the temperature of the nonlinear optical element is changed, the value of the polarization inversion period Λ also changes. Therefore, the amount of temperature change actually required in the above temperature control of the nonlinear optical element is a value at which the amount of change in the refractive index is −Δn + α (α is a value that compensates for the change in the polarization inversion period Λ). is there. However, since the amount of change of the polarization inversion period Λ is very small and the value of α is smaller than Δn, the influence of thermal expansion / contraction of the nonlinear optical element will not be discussed in detail here.
また、上記光波長変換装置において、前記レーザ光の強度を制御することにより前記波長変換光の強度を一定に保持する強度制御手段を備え、前記温度制御手段は、前記強度制御手段が前記レーザ光の強度を制御するための信号を用いて駆動されることを特徴とする。 The optical wavelength conversion device further includes intensity control means for maintaining the intensity of the wavelength converted light constant by controlling the intensity of the laser light, and the temperature control means is configured such that the intensity control means includes the laser light. It is driven using a signal for controlling the intensity of the light.
本発明では、上記した入射レーザ光の波長制御と非線形光学素子の温度制御を行うことに加えて、波長変換光の出力をモニタして、その波長変換光の強度が一定となるように、入射レーザ光の強度が制御されている。この場合に、非線形光学素子の温度制御と入射レーザ光の強度制御とを別系統の制御信号を用いて行うと、この温度制御と強度制御はともに波長変換光の出力強度に影響を与えるものであることから、制御結果が発散することが起こり得る。そこで本発明においては、非線形光学素子の温度制御を、入射レーザ光の強度制御に用いる制御信号を用いて行うようにしている。これにより、安定した制御を実現することが可能となる。 In the present invention, in addition to performing the wavelength control of the incident laser light and the temperature control of the nonlinear optical element, the output of the wavelength converted light is monitored so that the intensity of the wavelength converted light is constant. The intensity of the laser beam is controlled. In this case, if the temperature control of the nonlinear optical element and the intensity control of the incident laser beam are performed using different control signals, both the temperature control and the intensity control affect the output intensity of the wavelength converted light. For some reason, the control result may diverge. Therefore, in the present invention, temperature control of the nonlinear optical element is performed using a control signal used for intensity control of incident laser light. As a result, stable control can be realized.
また、上記光波長変換装置において、前記温度制御手段の制御周期が前記強度制御手段の制御周期よりも長く設定されていることを特徴とする。 In the optical wavelength converter, the control cycle of the temperature control unit is set longer than the control cycle of the intensity control unit.
本発明によれば、入射レーザ光の強度制御と非線形光学素子の温度制御とを異なる制御周期により行うことで、互いの制御結果が影響を及ぼし合い、制御が発散してしまうことをさらに起こり難くしている。ここで、一般に温度制御における時定数は秒オーダーであることから、温度制御の周期をこの時定数程度とし、強度制御の周期をそれよりも早くする（すなわち温度制御の周期が強度制御の周期よりも長い）ことが好ましい。そのようにすることによって、位相整合条件が上記時定数程度の時間安定性で最適制御されるとともに、当該制御された位相整合条件において十分に安定して波長変換光の強度が制御されることになる。これにより、さらに安定した制御を実現することが可能となる。 According to the present invention, by performing the intensity control of the incident laser beam and the temperature control of the nonlinear optical element with different control cycles, the mutual control results influence each other and the control is less likely to diverge. is doing. Here, since the time constant in temperature control is generally on the order of seconds, the temperature control period is set to this time constant, and the intensity control period is made earlier (that is, the temperature control period is higher than the intensity control period). Is also long). By doing so, the phase matching condition is optimally controlled with the time stability of the above time constant, and the intensity of the wavelength converted light is controlled sufficiently stably under the controlled phase matching condition. Become. This makes it possible to realize more stable control.
また、上記光波長変換装置において、前記レーザ光を発生させるレーザ光源を備えることを特徴とする。 The optical wavelength conversion device may further include a laser light source that generates the laser light.
この発明によれば、光波長変換装置にレーザ光源が内蔵されていることによって、レーザ光を安定して非線形光学素子に入射させることができ、安定した制御を実現することが可能である。また、光波長変換装置のコンパクト化を達成することもできる。 According to this invention, since the laser light source is built in the optical wavelength conversion device, the laser light can be stably incident on the nonlinear optical element, and stable control can be realized. In addition, the optical wavelength converter can be made compact.
また、本発明にかかる光波長変換方法は、入射されたレーザ光を波長変換して波長変換光を発生させる非線形光学素子を用いた光波長変換方法において、前記レーザ光の波長を一定に制御するとともに前記非線形光学素子の温度を変化させることにより、波長変換効率を最大化させることを特徴とする。 The optical wavelength conversion method according to the present invention controls the wavelength of the laser light to be constant in the optical wavelength conversion method using a nonlinear optical element that converts the wavelength of incident laser light to generate wavelength converted light. In addition, the wavelength conversion efficiency is maximized by changing the temperature of the nonlinear optical element.
本発明によれば、フォトリフラクティブ効果が発生した場合であっても、その影響を受けることなく良好な特性で光波長変換を行うことが可能である。 According to the present invention, even when a photorefractive effect occurs, it is possible to perform optical wavelength conversion with good characteristics without being affected by the photorefractive effect.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による光波長変換装置の構成図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical wavelength converter according to an embodiment of the present invention.
ＬＤ１は、基本光であるレーザ光を発生させるレーザダイオード（半導体レーザ）であり、ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ；出力コントローラ）５とＡＴＣ（Ａｕｔｏ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ；温度コントローラ）４によってそれぞれ出力パワーと温度が制御されている。ＡＴＣ４の温度制御により、ＬＤ１の発振波長はλ１＝１１２０ｎｍに保持されている。 The LD 1 is a laser diode (semiconductor laser) that generates laser light as basic light, and the output power and temperature are controlled by an APC (Auto Power Controller) 5 and an ATC (Auto Temperature Controller) 4 respectively. Has been. By the temperature control of the ATC 4, the oscillation wavelength of the LD 1 is held at λ 1 = 1120 nm.
ＳＨＧ素子２は、入射光の波長変換を行う非線形光学材料であり、周期分極反転構造と光導波路とを形成したＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）を用いる。ＬＤ１からの基本光はＳＨＧ素子２の光導波路に入力され、周期分極反転構造によって擬似位相整合がとられてＳＨＧ光（波長λ２＝５６０ｎｍ）が発生し、発生したＳＨＧ光は光導波路から出力される。 The SHG element 2 is a nonlinear optical material that performs wavelength conversion of incident light, and uses LN (LiNbO 3 ) in which a periodically poled structure and an optical waveguide are formed. The basic light from the LD 1 is input to the optical waveguide of the SHG element 2, quasi-phase-matched by the periodic polarization inversion structure to generate SHG light (wavelength λ 2 = 560 nm), and the generated SHG light is output from the optical waveguide. Is done.
ＳＨＧ素子２から出力されるＳＨＧ光は、ハーフミラー６を介して本光波長変換装置の出力として外部に取り出される。ＳＨＧ光の一部はハーフミラー６からＰＤ７へ取り込まれる。 The SHG light output from the SHG element 2 is extracted outside as an output of the present optical wavelength conversion device via the half mirror 6. Part of the SHG light is taken into the PD 7 from the half mirror 6.
ＰＤ７は、ＳＨＧ光の出力をモニタするためのフォトダイオード（受光器）であり、受光したＳＨＧ光を電気信号に変換することによりＳＨＧ光のパワーが測定される。この測定結果は、ＬＤ１とＳＨＧ素子２の制御において用いられる。 The PD 7 is a photodiode (light receiver) for monitoring the output of the SHG light, and the power of the SHG light is measured by converting the received SHG light into an electric signal. This measurement result is used in controlling the LD 1 and the SHG element 2.
ＡＰＣ５は、ＰＤ７の測定結果に基づいて、ＬＤ１の出力パワーを制御する。具体的には、ＰＤ７の測定結果によりＳＨＧ光の出力が低下したことが検知されると、ＬＤ１の出力パワーを増加させるようにＬＤ１の駆動電流を制御し、またＰＤ７の測定結果によりＳＨＧ光の出力が上昇したことが検知されると、ＬＤ１の出力パワーを減少させるようにＬＤ１の駆動電流を制御する。
The
一方、ＳＨＧ素子２はＡＴＣ３によって素子の温度が制御されている。この温度制御により、次に説明するようにＳＨＧ素子２内における基本光とＳＨＧ光の位相整合を実現する。ＡＴＣ３にはＡＰＣ５から出力される制御信号が入力され、この制御信号に従ってＳＨＧ素子２の温度制御が行われるようになっている。
On the other hand, the temperature of the SHG element 2 is controlled by the ATC 3. By this temperature control, the phase matching between the basic light and the SHG light in the SHG element 2 is realized as described below. A control signal output from the
図２は、本光波長変換装置の動作原理を説明する図である。図２（ａ）および（ｂ）において、横軸はＳＨＧ素子２へ入射される基本光の波長、縦軸は当該波長にて得られるＳＨＧ光の光強度（相対値）を表している。 FIG. 2 is a diagram for explaining the operating principle of the present optical wavelength converter. 2A and 2B, the horizontal axis represents the wavelength of the basic light incident on the SHG element 2, and the vertical axis represents the light intensity (relative value) of the SHG light obtained at the wavelength.
ＳＨＧ光は、基本光とＳＨＧ光の間に位相整合条件が成り立っている場合に最大の出力を得ることができる。周期分極反転構造を用いた擬似位相整合における位相整合条件は、次式で与えられる。
Λ＝λ／｛２・（ｎ２ω−ｎω）｝
上式において、ΛはＳＨＧ素子２の分極反転周期、λはＳＨＧ素子２へ入射される基本光の波長、ｎ２ωはＳＨＧ素子２のＳＨＧ光に対する実効屈折率、ｎωはＳＨＧ素子２の基本光に対する実効屈折率である。なお、分極反転周期Λは、ＳＨＧ素子２に形成された物理的な構造の長さであり、固定値である。
The SHG light can obtain the maximum output when the phase matching condition is satisfied between the basic light and the SHG light. The phase matching condition in the quasi phase matching using the periodically poled structure is given by the following equation.
Λ = λ / {2 · (n 2ω −n ω )}
In the above equation, Λ is the polarization inversion period of the SHG element 2, λ is the wavelength of the basic light incident on the SHG element 2, n 2ω is the effective refractive index of the SHG element 2 with respect to the SHG light, and n ω is the basic of the SHG element 2. It is the effective refractive index for light. The polarization inversion period Λ is the length of the physical structure formed in the SHG element 2 and is a fixed value.
基本光の波長λを変化させていくと、上記位相整合条件を満たす波長、すなわち位相整合波長λｃにおいて、ＳＨＧ光の光強度は最大となる。本実施形態では、λｃ＝λ１≡１１２０ｎｍとなるように、位相整合条件が選ばれている。基本光の波長λが位相整合波長λｃからずれるとＳＨＧ光の光強度は減少する。図２（ａ）の点線で表した曲線（波長変換曲線）に、この様子が示されている。 As you changing the wavelength lambda of the fundamental light, the phase matching condition is satisfied wavelength, i.e. in the phase matching wavelength lambda c, light intensity of the SHG light is maximized. In this embodiment, the phase matching condition is selected so that λ c = λ 1 ≡1120 nm. Light intensity of the SHG light when the wavelength of the fundamental light lambda deviates from the phase matching wavelength lambda c is reduced. This is shown in the curve (wavelength conversion curve) represented by the dotted line in FIG.
ここで、ＳＨＧ素子２にはＬＮを用いており、基本光の入力によって、基本光が伝搬される光導波路部分若しくはその近傍に、フォトリフラクティブ効果に基づく屈折率変化が誘起されたとする。すると、上記ＳＨＧ光と基本光の実効屈折率ｎ２ω、ｎωが変化するから、上式の位相整合条件を満たす位相整合波長λｃは、その屈折率変化に応じて変化することになる。その結果、図２（ａ）において点線で示した波長変換曲線は、波長方向にシフトする。変化後の波長変換曲線を図２（ａ）の実線で示す。なお、ここでは、ＬＮにおけるフォトリフラクティブ効果の屈折率変化は負であるので、位相整合波長は短波長側に変化している。 Here, it is assumed that LN is used for the SHG element 2 and that the refractive index change based on the photorefractive effect is induced in the optical waveguide portion where the basic light is propagated or in the vicinity thereof by the input of the basic light. Then, since the effective refractive indexes n 2ω and n ω of the SHG light and the basic light change, the phase matching wavelength λ c that satisfies the phase matching condition of the above equation changes according to the change in the refractive index. As a result, the wavelength conversion curve indicated by the dotted line in FIG. 2A shifts in the wavelength direction. The wavelength conversion curve after the change is shown by the solid line in FIG. Here, since the refractive index change of the photorefractive effect in LN is negative, the phase matching wavelength is changed to the short wavelength side.
さて、波長変換曲線が上記のようにシフトしても、ＬＤ１の出力光波長は上述のとおり一定値になるようＡＴＣ４によって制御されているから、この出力光波長λ１と波長変換曲線のピークは一致せず（すなわち位相整合条件が成り立っていない）、ＳＨＧ光の光強度は、シフトした波長変換曲線の出力光波長λ１における値に減少することとなる。 Now, even if the wavelength conversion curve is shifted as described above, the output light wavelength of the LD 1 is controlled by the ATC 4 so as to have a constant value as described above. Therefore, the output light wavelength λ 1 and the peak of the wavelength conversion curve are The light intensity of the SHG light decreases to a value at the output light wavelength λ 1 of the shifted wavelength conversion curve because they do not match (that is, the phase matching condition is not satisfied).
本光波長変換装置は、上記のようにして変化してしまった位相整合波長λｃをＳＨＧ素子２の温度を変化させることによって補償し、位相整合波長が元の波長（λｃ＝λ１≡１１２０ｎｍ）に復元するようにＡＴＣ３を用いて温度制御を行う。 The present optical wavelength converter compensates the phase matching wavelength λ c changed as described above by changing the temperature of the SHG element 2, and the phase matching wavelength is the original wavelength (λ c = λ 1 ≡ The temperature is controlled using ATC3 so as to restore to 1120 nm.
すなわち、上式の位相整合条件を温度で微分して得られる位相整合波長λｃの温度依存性は、ＳＨＧ素子２の材料であるＬＮの屈折率の温度依存性に基づいて、およそ０．００７ｎｍ／℃の値を有している。したがって、この位相整合波長の温度依存性に従いＳＨＧ素子２の温度を変化させることで、位相整合波長λｃを元の波長、すなわち出力波長が一定値に波長制御されているＬＤ１からの基本光の波長λ１、に復元することができるのである。図２（ｂ）は、このときの波長変換曲線の変化する様子を示している。フォトリフラクティブ効果により図２（ｂ）の点線の状態にシフトしていた波長変換曲線は、ＳＨＧ素子２の温度を変化（ここでは上昇）させることで、同図実線で示される状態に復元される。 That is, the temperature dependence of the phase matching wavelength λ c obtained by differentiating the phase matching condition of the above equation with temperature is approximately 0.007 nm based on the temperature dependence of the refractive index of LN which is the material of the SHG element 2. It has a value of / ° C. Therefore, by changing the temperature of the SHG element 2 in accordance with the temperature dependence of the phase matching wavelength, the phase matching wavelength λ c is changed to the original wavelength, that is, the output wavelength of the basic light from the LD 1 whose wavelength is controlled to a constant value. The wavelength can be restored to λ 1 . FIG. 2B shows how the wavelength conversion curve changes at this time. The wavelength conversion curve that has been shifted to the dotted line state in FIG. 2B due to the photorefractive effect is restored to the state indicated by the solid line in FIG. 2 by changing (in this case, increasing) the temperature of the SHG element 2. .
ただし、実際のＡＴＣ３による温度制御では、ＳＨＧ素子２から出力されるＳＨＧ光の光強度が最大になるように最適温度を決めるという方法で、制御を行えばよい。本光波長変換装置では、具体的には、ＰＤ７でＳＨＧ光の出力をモニタし、このモニタ結果に基づいてＡＰＣ５によりＬＤ１の出力パワーを制御していることは上述したが、このＡＰＣ５による制御信号をＡＴＣ３へも入力して、ＡＴＣ３を制御する。
However, in the actual temperature control by the ATC 3, the control may be performed by a method of determining the optimum temperature so that the light intensity of the SHG light output from the SHG element 2 is maximized. In the present optical wavelength converter, specifically, the output of the SHG light is monitored by the PD 7 and the output power of the LD 1 is controlled by the
例えば、ＳＨＧ光の出力が低下したことが検知された場合に、ＡＰＣ５からは上述したようにＬＤ１の出力パワーを増加させるようにＬＤ１の駆動電流を変化させるための制御信号が出力される。この制御信号がＡＴＣ３に入力されると、ＡＴＣ３は、ＳＨＧ素子２の温度を低温側または高温側のどちらか（いずれの側かは任意である）に微少量だけ変化させる。このとき、当該温度変化によってさらにＳＨＧ光の出力が低下し、ＡＰＣ５からさらにＬＤ１の出力パワーを増加させる制御信号が出力された場合には、図２の波長変換曲線が元の波長からより一層離れる方向に変化したことを意味するので、ＡＴＣ３はＳＨＧ素子２の温度を逆方向に変化させる。これにより、波長変換曲線は元の波長に近づくことになる。その後、その方向への温度制御を続ければ、波長変換曲線のピークが位相整合波長と一致する状態が実現される。もし再びＳＨＧ光の出力が低下したら、波長変換曲線が上記一致状態を通り過ぎてシフトしてしまったことを意味するので、温度制御の方向を逆転させればよい。
For example, when it is detected that the output of the SHG light has decreased, the
なおここで、ＡＴＣ３によるＳＨＧ素子２の温度制御は、例えば０．０５〜２０Ｈｚ、より好ましくは０．１〜５Ｈｚ程度で行うのがよい。これは、フォトリフラクティブ効果による屈折率変化は分オーダーで生じ、またＳＨＧ素子２の温度変化は秒オーダーの時定数を有することによる。
一方、ＡＰＣ５によるＬＤ１の出力パワー制御を、ＡＴＣ３によるＳＨＧ素子２の温度制御と同程度の周期で行うと、場合によっては制御が発散することもある。そこで、ＡＰＣ５におけるＬＤ１の出力パワー制御は、上記温度制御の周期と十分に異なる周期、例えば１／１００以下とすることが好ましく、１／５００以下であればより好ましい。そのため、ＡＰＣ５によるＬＤ１の出力パワー制御は、通常０．２〜５０ｋＨｚ程度がよく、０．５〜２０ｋＨｚであればより好ましい。
Here, the temperature control of the SHG element 2 by the ATC 3 is preferably performed at, for example, 0.05 to 20 Hz, more preferably about 0.1 to 5 Hz. This is because the refractive index change due to the photorefractive effect occurs in the order of minutes, and the temperature change of the SHG element 2 has a time constant in the order of seconds.
On the other hand, if the output power control of the LD 1 by the
ＳＨＧ素子２の温度制御の周期とＬＤ１の出力パワー制御の周期を上記のように定めれば、ＳＨＧ素子２における位相整合条件がＬＤ１の出力パワー制御よりも十分にゆっくりとした周期で安定することになる。すなわち、ＬＤ１の出力パワー制御にとって見れば、ＳＨＧ素子２の温度は時間的にほぼ一定であり、常に位相整合条件が満足された状態が実現されている。したがって、ＳＨＧ素子２の温度制御により発生するＳＨＧ光強度の揺らぎを、ＬＤ１の出力パワーを制御することで補償することが可能となり、これにより、ＳＨＧ光の出力強度を常時一定に保つことができる。 If the temperature control period of the SHG element 2 and the output power control period of the LD 1 are determined as described above, the phase matching condition in the SHG element 2 is stabilized at a period sufficiently slower than the output power control of the LD 1. become. That is, when viewed from the output power control of the LD 1, the temperature of the SHG element 2 is almost constant in time, and a state in which the phase matching condition is always satisfied is realized. Therefore, the fluctuation of the SHG light intensity generated by the temperature control of the SHG element 2 can be compensated by controlling the output power of the LD 1, whereby the output intensity of the SHG light can be kept constant at all times. .
図３は、本光波長変換装置のデモンストレーション結果の一例を模式的に示したものである。比較のため、従来の光波長変換装置の結果も示している。
同図において、横軸はＳＨＧ素子２への基本光の入力を開始してからの経過時間、左の縦軸はＳＨＧ素子２の位相整合温度、右の縦軸は測定されたＳＨＧ光の出力パワーをそれぞれ表している。ここで、位相整合温度とは、基本光の波長を一定としたときに、上述した位相整合条件を表す式が満足されるＳＨＧ素子２の温度のことである。
FIG. 3 schematically shows an example of a demonstration result of the present optical wavelength converter. For comparison, the result of a conventional optical wavelength converter is also shown.
In the figure, the horizontal axis represents the elapsed time from the start of input of the basic light to the SHG element 2, the left vertical axis represents the phase matching temperature of the SHG element 2, and the right vertical axis represents the output of the measured SHG light. Each represents power. Here, the phase matching temperature is the temperature of the SHG element 2 that satisfies the above-described equation representing the phase matching condition when the wavelength of the fundamental light is constant.
図３によれば、ＳＨＧ素子２へ基本光の入力を開始した直後は、位相整合温度は３５．４℃程度である。ＡＴＣ３を用いてＳＨＧ素子２をこの温度に制御することにより最大のＳＨＧ光出力が得られ、その出力パワーはおよそ１５ｍＷである。ここで、時間が経過するにつれて、位相整合温度は徐々に３６．４℃程度まで上昇を続けていくことが分かる。 According to FIG. 3, the phase matching temperature is about 35.4 ° C. immediately after the input of the basic light to the SHG element 2 is started. By controlling the SHG element 2 to this temperature using the ATC 3, the maximum SHG light output is obtained, and the output power is about 15 mW. Here, it can be seen that the phase matching temperature gradually increases to about 36.4 ° C. as time elapses.
従来は、上記のように位相整合温度が変化しても、ＳＨＧ素子２の温度は初期状態と同じ温度（すなわち図３の例では３５．４℃程度）に制御されていたため、波長変換曲線は図２（ａ）の実線に示した状態に置かれたままであり、その結果、位相整合温度が時間とともに変化するのに応じて、ＳＨＧ光の出力パワーは低下していた（図３の点線のグラフ）。 Conventionally, even if the phase matching temperature changes as described above, the temperature of the SHG element 2 is controlled to the same temperature as the initial state (that is, about 35.4 ° C. in the example of FIG. 3). As a result, the output power of the SHG light decreased as the phase matching temperature changed with time (as indicated by the dotted line in FIG. 3). Graph).
本光波長変換装置では、位相整合温度が図３のように時間変化するのに追随してＳＨＧ素子２の温度を変化させることによって、常にＳＨＧ素子２の温度が位相整合温度と一致するように温度制御を行っている。したがって、位相整合条件が常に満足されることとなるので、ＳＨＧ光の出力パワーは最大の値を維持し続けることができる（図３の実線のグラフ）。 In the present optical wavelength conversion device, the temperature of the SHG element 2 is always matched with the phase matching temperature by changing the temperature of the SHG element 2 following the time change of the phase matching temperature as shown in FIG. Temperature control is performed. Accordingly, since the phase matching condition is always satisfied, the maximum output power of the SHG light can be maintained (solid line graph in FIG. 3).
このように、本実施形態によれば、ＬＤ１から出力される基本光の波長をＡＴＣ４を用いた温度制御によって一定波長に制御するとともに、ＳＨＧ素子２内部に発生した屈折率変化に基づく位相整合波長の変化を補償するようにＳＨＧ素子２の温度を変化させる温度制御を行うことで、位相整合条件が常に満足されるようにしている。これにより、ＳＨＧ光の最大出力を得ることができ、光波長変換を良好な特性にて実現可能である。 As described above, according to the present embodiment, the wavelength of the basic light output from the LD 1 is controlled to a constant wavelength by temperature control using the ATC 4, and the phase matching wavelength based on the refractive index change generated in the SHG element 2 is used. By performing temperature control to change the temperature of the SHG element 2 so as to compensate for this change, the phase matching condition is always satisfied. Thereby, the maximum output of SHG light can be obtained, and optical wavelength conversion can be realized with good characteristics.
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、本発明はＳＨＧすなわち第二高調波発生に限定されるものではなく、第三高調波発生（ＴＨＧ；Ｔｈｉｒｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）や、より高次の高調波発生、和周波発生、差周波発生などにも適用可能である。
As described above, the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above, and various design changes and the like can be made without departing from the scope of the present invention. It is possible to
For example, the present invention is not limited to SHG, that is, second harmonic generation, but third harmonic generation (THG), higher order harmonic generation, sum frequency generation, difference frequency generation, etc. It is also applicable to.
また、非線形光学素子の材料、基本光の波長、分極反転周期、非線形光学素子の制御温度などは、発生させる高調波に応じて適宜設定することができる。
また、ＬＤ１は、光波長変換装置に内蔵させずに、外部光源としてもよい。
The material of the nonlinear optical element, the wavelength of the fundamental light, the polarization inversion period, the control temperature of the nonlinear optical element, and the like can be set as appropriate according to the generated harmonics.
The LD 1 may be an external light source without being incorporated in the optical wavelength conversion device.
１…ＬＤ（レーザダイオード） ２…ＳＨＧ素子 ３、４…ＡＴＣ（温度コントローラ） ５…ＡＰＣ（出力コントローラ） ６…ハーフミラー ７…ＰＤ（フォトダイオード） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... LD (laser diode) 2 ... SHG element 3, 4 ... ATC (temperature controller) 5 ... APC (output controller) 6 ... Half mirror 7 ... PD (photodiode)
Claims (5)
前記レーザ光の波長を一定に制御する波長制御手段と、
前記非線形光学素子の温度を変化させて波長変換効率を最大化させる温度制御手段と
を備えることを特徴とする光波長変換装置。 In an optical wavelength conversion device including a nonlinear optical element that converts wavelength of incident laser light to generate wavelength converted light,
Wavelength control means for controlling the wavelength of the laser light to be constant;
And a temperature control means for maximizing wavelength conversion efficiency by changing the temperature of the nonlinear optical element.
前記温度制御手段は、前記強度制御手段が前記レーザ光の強度を制御するための信号を用いて駆動される
ことを特徴とする請求項１に記載の光波長変換装置。 Comprising intensity control means for maintaining the intensity of the wavelength-converted light constant by controlling the intensity of the laser light;
The optical wavelength converter according to claim 1, wherein the temperature control unit is driven using a signal for the intensity control unit to control the intensity of the laser beam.
前記レーザ光の波長を一定に制御するとともに前記非線形光学素子の温度を変化させることにより、波長変換効率を最大化させることを特徴とする光波長変換方法。 In an optical wavelength conversion method using a nonlinear optical element that converts wavelength of incident laser light to generate wavelength converted light,
An optical wavelength conversion method characterized in that the wavelength conversion efficiency is maximized by controlling the wavelength of the laser light constant and changing the temperature of the nonlinear optical element.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP4565207B1 (en) * | 2009-04-28 | 2010-10-20 | レーザーテック株式会社 | Wavelength conversion device, wavelength conversion method, and semiconductor device manufacturing method |
| JP2012203147A (en) * | 2011-03-24 | 2012-10-22 | Nikon Corp | Ultraviolet laser device |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003001635A1 (en) * | 2001-06-22 | 2003-01-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Light source apparatus and its control method |
| JP2005057208A (en) * | 2003-08-07 | 2005-03-03 | Noritsu Koki Co Ltd | Laser emitting apparatus and laser exposure apparatus |
-
2006
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003001635A1 (en) * | 2001-06-22 | 2003-01-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Light source apparatus and its control method |
| JP2005057208A (en) * | 2003-08-07 | 2005-03-03 | Noritsu Koki Co Ltd | Laser emitting apparatus and laser exposure apparatus |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4565207B1 (en) * | 2009-04-28 | 2010-10-20 | レーザーテック株式会社 | Wavelength conversion device, wavelength conversion method, and semiconductor device manufacturing method |
| JP2010256784A (en) * | 2009-04-28 | 2010-11-11 | Lasertec Corp | Wavelength converting device, wavelength converting method, and method of manufacturing semiconductor device |
| JP2012203147A (en) * | 2011-03-24 | 2012-10-22 | Nikon Corp | Ultraviolet laser device |
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