JP2693842B2

JP2693842B2 - 光波長変換装置

Info

Publication number: JP2693842B2
Application number: JP1339836A
Authority: JP
Inventors: 智彦 ▲吉▼田; 昌規渡辺; 修山本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1989-12-26
Publication date: 1997-12-24
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JPH03197932A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、光ディスク装置やレーザビームプリンタ等
の情報処理装置、光応用計測器等に使用されるレーザ光
を短波長化する際に使用される光波長変換装置に関す
る。

（従来の技術）光ディスク装置やレーザビームプリンタ等の情報処理
装置、あるいは光応用計測器等では、半導体レーザ素子
から発せられる、集光性および指向性に優れたレーザ光
が使用されている。通常、半導体レーザ素子から発振さ
れるレーザー光の波長は、780nm、830nm等の長波長の近
赤外光であるが、最近では、情報処理装置における処理
情報量を増大させるために、あるいは光応用計測器の計
測精度を向上させるために、レーザ光の短波長化が進め
られている。例えば、光ディスク装置やレーザビームプ
リンタ等の情報装置では、半導体レーザ素子にて発振さ
れたレーザ光を所定位置に集光させて、情報や画像の書
き込みが行われている。レーザ光の波長と集光スポット
の径は、通常、比例関係にあり、レーザ光の波長が短く
なれば、集光スポットの径を小さくできる。集光スポッ
トの径が小さくなれば、光ディスク装置では、光ディス
クに書き込む情報量（記録密度）を増大させることがで
きる。レーザビームプリンタでは、レーザ光の波長が短
くなれば、微小画像を形成し得るために記録密度を増大
させることができ、さらには、解像度を向上させること
ができる。波長の短い緑色や青色のレーザ光が容易に得
られれば、現在使用されている赤色レーザ光と組み合わ
せることにより、高速動作可能な、高解像度のカラープ
リンタも実現し得る。光応用計測器では、レーザ光の波
長を短くすることすることにより、計測精度の向上が図
れる。

近時、III−Ｖ族の半導体材料を使用した半導体レー
ザ素子では、発振波長が600nm台（680nm）のレーザ光が
得られているが、III−Ｖ族の半導体材料では、それ以
上の短波長化は困難である。ZnSe、ZnS等のII−VI族の
半導体材料を用いた半導体レーザ素子の研究も行われて
いるが、現在では、ｐ−ｎ接合も実現されていない。こ
のため、緑色、青色等の短波長のレーザ光を発振し得る
半導体レーザ素子は、適当な材料が見あたらないことも
あって、実現されていない。その結果、緑色や青色等の
短波長のレーザ光は、アルゴンイオンレーザ等の大型な
ガスレーザによって発振されているのが現状である。

このような大型のガスレーザを用いることなく、緑
色、青色等の短波長のレーザ光を得るために、固体レー
ザや半導体レーザ素子から発振されたレーザ光の波長を
変換する光波長変換方法がある。この光波長変換方法と
しては、複数の光の周波数が足し合わされる和周波発
生、特に、同一周波数の２つ、あるいは３つの光の周波
数が足し合わされる第２高調波発生、第３高調波発生を
利用する方法が知られている。現在、第２高調波発生に
より、例えば、波長1.06μｍのYAG（イットニウム・ア
ルミニウム・ガーネット）レーザを用いて波長0.53μｍ
の緑色レーザ光の発生が実現されており、また、波長0.
83〜0.84μｍの半導体レーザを用いて、波長0.415〜0.4
2μｍの青色レーザ光発生が実現されている。

波長0.84μｍの半導体レーザ光による第２高調波の発
生は、例えば、「応用物理、第56巻、12号、1637〜1641
ページ（1987）」に報告されている。この報告では、Li
NbO₃基板上にプロトン交換法により光導波路を形成し
て、0.84μｍ、40mWの半導体レーザ光により、１％の変
換効率で、0.4mWの第２高調波が発生されている。光導
波路は、幅2.0μｍ、深さ0.4μｍに形成されており、該
光導波路内に半導体レーザ光を入射させると、高調波は
基板面に対して、約16.2°の傾斜状態で該基板内に放射
される。この場合、基本波と高調波との位相整合条件
は、ほとんど自動的に満足され、光線と結晶の角度や結
晶の温度に対する制約がない。しかし、高調波出力は、
0.4mWと低く、光ディスク等に使用するためには、出力
は１桁不足している。

（発明が解決しようとする課題）このような欠点を解消した、実用的な高効率光波長変
換装置として、導波路型共振器を用いた構成が提案され
ており、本願発明者等は、導波路をリング状の共振器に
して、高調波出力を基板への放出光として取り出すよう
にした光波長変換装置を提案している（特願平１−7782
3号参照）。この光波長変換装置は、第３図に示すよう
に、非線形光学効果を有する結晶基板81（例えば、Ｙカ
ットされたMgOドープのLiNbO₃）上に、リング状の光導
波路82が形成されている。該光導波路82内には、レーザ
光源84から発振されたレーザ光（基本波）が、光学系85
を介して入射され、リング状の光導波路82内を周回す
る。この基本波は、直線状の高調波発生部82a内を伝播
される間に第２高調波に変換されて、基板81内に放射さ
れ、該第２高調波Ａが該基板81の端面から出力として取
り出される。他方、光導波路82内を周回する基本波は、
直線状の高調波発生部82aに対向する位置に略平行状態
で形成されたモニター波発生部82dを伝播する間に第２
高調波Ｂに変換され、該第２高調波Ｂが、基板81の基本
波入射側の端面から出射され、受光器86に入射される。
該受光器86に入射した第２高調波Ｂが所定の電気信号に
変換されて、制御回路87に入力される。該制御回路87
は、光導波路82におけるモニター波発生部82dの上流部
を挟むように対向配設された一対の電極83および83に印
加される電圧を制御して、該光導波路82のモニター波発
生部82dを伝播する光の波長を変更し、受光器86にて受
光される第２高調波の出力が最大となるように、光導波
路82の共振条件を満足させる。光導波路82におけるモニ
ター波発生部82dを伝播した基本波は、非対称合流部82f
から、高調波発生部82a内へと還流される。

このような構成の光波長変換装置では、第２高調波へ
の変換は、チェレンコフ放射による位相整合法によって
いるため、光導波路の全てから高調波が発生する。この
ために、高調波の放射ビームの形状に軸対称性がないと
いう問題がある。このように、リング状の光導波路の全
ての部分から高調波が発生しても、実用的には、一方向
に出射する光のみが利用されるために、それ以外から出
射される光は無駄になり、その結果、基本波の利用効率
が低下する。また、高調波のビーム形状が軸対称でない
ために、放射光を回折限界まで絞ることができず、用途
が限定されるという問題もある。

本発明は上記従来の問題を解決するものであり、その
目的は、比較的低出力の基本波を高効率で波長変換する
ことができ、高出力の変換波長光を所定方向へ出射させ
得る光波長変換装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の光波長変換装置は、基本波が入射されるよう
に基板上に形成されており、入射された基本波が内部を
伝播する入射側光導波路と、該入射側光導波路内を伝播
する基本波が、光結合により移行されて内部を伝播する
ように基板上に構成され、厚さが0.33μｍ以下0.30μｍ
以上であるリング状の主光導波路と、該主光導波路上の
一部に形成され、前記基本波の位相整合条件を近似的に
満足させて高調波光または和周波光を発生させる主光導
波路の位相整合部と、該主光導波路の位相整合部にて発
生される高調波光または和周波光が光結合により移行さ
れて内部を伝播するように基板上に形成されており、内
部を伝播する該高調波又は和周波が基板から出射される
出射側光導波路と、を具備してなり、そのことにより上
記目的が達成される。

（実施例）以下に本発明を実施例について説明する。

本発明の光波長変換装置は、第１図に示すように、非
線形光学効果を有する直方体状の結晶基板11と、該基板
11上に形成されたリング状の主光導波路12とを有する。
該結晶基板11は、例えば、非線形光学定数が大きい＋Ｚ
板のLiNbO₃が使用されている。

該光導波路12は、長円状になっており、基板11の一側
部上にその長辺に沿ってそれぞれ直線状になった一対の
入射側結合部12aと出射側結合部12bとを有している。基
板11には、入射側結合部12aに対して一端部が平行にな
った入射側光導波路13と、出射側結合部12bに対して一
端部が平行になった出射側光導波路14とが、それぞれ設
けられている。入射側光導波路13は、入射側連結部12a
とは平行になった一端部から、リング状の主光導波路12
に対して離れる方向にずれた状態で、基板11の一方の端
面11a側へと延出しており、該端面11aに連なっている。
該端面11aの側方には、光学系17が、該入射側光導波路1
3の端部に対向して配設されており、レーザ光源18から
発振されるレーザ光が、該光学系17を介して、入射側光
導波路13の端部に照射され、その端部から基本波が、該
入射側光導波路13内に入射される。そして、該入射側光
導波路13に入射された基本波が、該入射側光導波路13内
を伝播する。

該入射側光導波路13における主導波路12の入射側結合
部12aと平行になった端部は、該入射側結合部12aととも
に方向性光結合器を形成しており、該入射側光導波路13
内を伝播する光が、光結合により、入射側結合部12aか
ら主光導波路12内へと徐々に移行される。該主導波路12
内へと移行した基本波は、該主導波路12内を伝播する。

該入射側光導波路13とはリング状の主光導波路12を挟
んだ位置に設けられた出射側光導波路14は、入射側光導
波路13とは対称的な形状になっており、リング状の主光
導波路12の出射側結合部12bとは平行になった一端部か
ら、主光導波路12に対して離れる方向にずれた状態で、
基板11の端面11a側に延出して、該端面11aに連なってい
る。

該出射側光導波路14における主導波路12の出射側結合
部12bと平行になった端部は、該出射側結合部12bととも
に方向性光結合器を形成しており、主光導波路12内を伝
播する光が、光結合により出射側結合部12bから該出射
側光導波路14内へと、徐々に移行される。

入射側結合部12aおよび出射側結合部12bの端面11a側
の各端部同士は、円弧状の連結部12cにより連結されて
いる。

主光導波路12における入射側結合部12aは、円弧状の
連結部12cに連結された端部とは反対側端部に、直線状
の制御部12eが連なっており、各制御部12eには、屈折率
制御用の一対の電極15aおよび15bが設けられている。そ
して、両電極15aおよび15bの間に、電源16が介装されて
おり、該電源16により、両電極15aおよび15b間に、所定
の電圧が印加される。これにより、主導波路12内を伝播
する基本波の波長が変更されて、共振器である主光導波
路12の共振条件が満足される。

主光導波路12の該制御部12eは、円弧状の連結部12dを
介して、出射側結合部12bに連続する直線状の位相整合
部12fに連なっている。この位相整合部12fに対応する基
板11部分には、基本波と第２高調波とを、近似的に位相
整合させるために、Tiを拡散させて基板11における非線
形光学定数を、その位相整合部12f方向に周期的に反転
させた非線形光学定数反転部11bが形成されている。該
非線形光学定数反転部11bは、エレクトリックレターズ
の25巻３号174ページにて、E.J.リム他により報告され
ているように、基本波と第２高調波との位相を近似的に
整合させるものであり、例えば、基板11における位相整
合部12fに対して直交状態のストライプ状のTiを、その
位相整合部12f方向に一定の周期で蒸着し、これを1100
℃で拡散することにより、同一の周期で結晶の分極の向
きを反転させて非線形光学定数を反転させている。これ
により、主光導波路12における位相整合部12f内を伝播
する基本波が、近似的に位相整合して、第２高調波とさ
れる。なお、位相整合部12fに対応する基板11部分は、
非線形光学定数が周期的に０になっていてもよい。

基板11上の各光導波路12、13および14は、次のように
形成される。Ｚ板LiNbO₃製の結晶基板11に、モリブデン
（Mo）等のマスク用金属薄膜を電子ビーム蒸着法等によ
り蒸着した後に、通常のホトリソグラフィー法により、
リング状の主光導波路12、入射側光導波路13および出射
側光導波路14に対応したパターンを、前述したようにホ
トレジストによりTiを拡散して形成された非線形光学反
転部11bに対応させて作成する。その後に、このホトレ
ジストパターンをマスクとして、Mo等の金属膜をエッチ
ングする。そして、ピロリン酸を使用して、200℃の交
換温度にてプロトン交換することにより、各光導波路1
2、13および14が形成される。

本実施例における各光導波路12、13および14の厚さに
対する等価屈折率の変化（分散曲線）は、第２図に示す
ようになる。従って、光導波路の厚さを、0.30〜0.88μ
ｍに設定することにより、基本波に対して、単一のモー
ドのみが伝播するようになり、低損失であって光増幅作
用に優れている。

チェレンコフ放射による位相整合法では、光導波路の
厚さが0.35〜0.45μｍの範囲でなければ、基本波は、ほ
とんど、第２高調波に変換されないことが知られてい
る。この条件は、上記単一モード条件を満足している。
このために、本実施例では、光導波路の厚さを、約0.33
μｍとして、リング状の主導波路12内においては、光増
幅作用だけが行われるようにして、チェレンコフ放射に
よる第２高調波への変換がほとんど起こらないようにし
ている。そして、主導波路12の位相整合部12fにより、
基本波と第２高調波とを近似的に位相整合させることに
より、基本波が第２高調波に変換される。

このような構成の光波長変換装置では、レーザ光源18
から発振されたレーザ光が光学系17を介して基板11の入
射側光導波路13内に基本波として入射される。入射側光
導波路13内に入射した基本波は、入射側光導波路13内を
伝播する。そして、基本波は、該入射側光導波路13にお
ける主光導波路12の入射側結合部12aに近接した平行部
分とその入射側結合部12aとにより形成される方向性光
結合器により、該入射側光結合部12a内へと移行され
る。そして、リング状の主光導波路12内を伝播する。

入射側光導波路13と主導波路12における入射側結合部
12aとは、近接した状態になっているために、入射側光
導波路13内を伝播する光（基本波）は、徐々に主光導波
路12内へと移行され、従って、急激なモード変換がな
く、その結合損失は、きわめて低い。

主光導波路12内を伝播する基本波は、前述したよう
に、チェレンコフ放射による第２高調波への変換がほと
んど行われない。

主導波路12内を伝播する基本波は、制御部12eにおい
て、屈折率制御用の電極15aおよび15bにて所定電圧が印
加され、電気光学効果により、屈折率が制御される。こ
れにより、基本波の共振条件が満足されて、光増幅作用
により増幅される。その後、主光導波路12内を伝播する
基本波は、該主光導波路12における位相整合部12fを通
過する間に、基板11おける非線形光学定数反転部11bに
より、位相が近似的に整合されて、第２高調波に変換さ
れる。該位相整合部12fにて発生した第２高調波は、出
射側結合部12bにて、該出射側結合部12bに近接して平行
する出射側光導波路14の端部へと、両者により形成され
る方向性結合器により、移行され該出射側光導波路14に
おける基板11の端面11aに位置する端部から出射され
る。

本実施例では、入射側光導波路13の基板11端面11aに
おける端部から、波長830nm、出力が約3mWの半導体レー
ザ光を入射し、主光導波路12内を伝播する基本波を、屈
折率制御用電極15aおよび15bにて印加される電圧により
増幅したところ、非線形光学定数反転部11bにて変換さ
れた波長415nmの青色レーザ光が、位相整合部12fから発
生した。そして、主光導波路12から出射側光導波路14に
移行して、基板11端面11a内に位置する該出射側光導波
路14の端部から、この青色レーザ光を取り出したとこ
ろ、該青色レーザ光は、基板11に対する垂直方向の広が
り角度が、その方向とは直行する方向の広がり角度より
も大きい楕円形であったが、ほぼ、回折限界まで集光す
ることができた。

なお、上記実施例では、入射側光導波路13への基本波
の入射、および出射側光導波路14からの第２高調波の出
射を基板11の端面11aから行うようにしたが、いずれ
も、プリズム光結合器や回折格子を用いておこなっても
よい。また、基板11として、LiNbO₃を使用したが、光導
波路が作成できて、基本波を近似的に位相整合させて高
調波に変換し得るものであればどのような物質であって
もよい。

なお、レーザ光源としては、単一モード半導体レーザ
に限らず、マルチモード半導体レーザであってもよい。
特に、リング状の主光導波路（共振器）の共振波長間隔
の整数倍が半導体レーザの縦モード間隔となる場合に
は、マルチモード半導体レーザの出力がほとんど該主光
導波路内へと伝播するため、高効率で第２高調波を発生
させることができる。このとき、厳密には、半導体レー
ザの異なる縦モードの周波数が足し合わされて高調波を
発生する一種の和周波も発生する。

（発明の効果）本発明の光波長変換装置は、このように、基板に設け
られた入射側光導波路を伝播する基本波が、光結合によ
り、きわめて低損失でリング状の主光導波路に伝播さ
れ、このリング状の主光導波路内を伝播する基本波が、
チェレンコフ放射することなく、位相整合部により近似
的に位相整合条件が満足されて、高調波等が発生され
る。このため、基本波は、高効率で増幅されるととも
に、高効率で高調波等に変換され、さらには、高出力の
高調波等を拡散させることなく、所定方向へ出射させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光波長変換装置の構成図、第２図は光
導波路の深さと等価屈折率との関係を示すグラフ、第３
図は従来の光波長変換装置の概略図である。 11…基板、11a…端面、11b…非線形光学定数反転部、12
…主光導波路、12a…入射側結合部、12b…出射側結合
部、12f…位相整合部、13…入射側光導波路、14…出射
側光導波路、18…レーザ光源。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基本波が入射されるように基板上に形成さ
れており、入射された基本波が内部を伝播する入射側光
導波路と、該入射側光導波路内を伝播する基本波が、光結合により
移行されて内部を伝播するように基板上に構成され、厚
さが0.33μｍ以下0.30μｍ以上であるリング状の主光導
波路と、該主光導波路上の一部に形成され、前記基本波の位相整
合条件を近似的に満足させて高調波光または和周波光を
発生させる主光導波路の位相整合部と、該主光導波路の位相整合部にて発生される高調波光また
は和周波光が光結合により移行されて内部を伝播するよ
うに基板上に形成されており、内部を伝播する該高調波
又は和周波が基板から出射される出射側光導波路と、を具備する光波長変換装置。