JP2725302B2 - 導波路型波長変換素子 - Google Patents
導波路型波長変換素子Info
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- JP2725302B2 JP2725302B2 JP63216773A JP21677388A JP2725302B2 JP 2725302 B2 JP2725302 B2 JP 2725302B2 JP 63216773 A JP63216773 A JP 63216773A JP 21677388 A JP21677388 A JP 21677388A JP 2725302 B2 JP2725302 B2 JP 2725302B2
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- waveguide
- shg
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
- G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
- G02F1/3775—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure with a periodic structure, e.g. domain inversion, for quasi-phase-matching [QPM]
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、コヒーレントな短波長小型光源の実現を可
能にする波長変換素子に関する。
能にする波長変換素子に関する。
波長変換素子とくに第２次高調波発生（SHG）素子
は、エキシマレーザなどでは得にくいコヒーレントな短
波長光を得るデバイスとして産業上極めて重要である。
は、エキシマレーザなどでは得にくいコヒーレントな短
波長光を得るデバイスとして産業上極めて重要である。
半導体レーザは小型で高出力のコヒーレント光を発振
する光源として各種の光通信機器や光情報機器に使用さ
れている。現在この半導体レーザから得られる光の波長
は0.78〜1.55μｍの近赤外領域の波長である。この半導
体レーザをディスプレイ等、さらに広く機器に応用する
ために、赤色、緑色、青色等、より短波長の光が求めら
れているが、現在の技術ではこの種の半導体レーザをに
わかに実現するのは難かしい。半導体レーザの出力程度
でも効率よく波長変換できる波長変換素子が実現できる
とその効果は甚大である。
する光源として各種の光通信機器や光情報機器に使用さ
れている。現在この半導体レーザから得られる光の波長
は0.78〜1.55μｍの近赤外領域の波長である。この半導
体レーザをディスプレイ等、さらに広く機器に応用する
ために、赤色、緑色、青色等、より短波長の光が求めら
れているが、現在の技術ではこの種の半導体レーザをに
わかに実現するのは難かしい。半導体レーザの出力程度
でも効率よく波長変換できる波長変換素子が実現できる
とその効果は甚大である。
近年半導体レーザの製作技術が発達して、従来にも増
して高出力の特性が得られるようになってきた。このた
め、光導波路型のSHG素子を構成すれば、光の回析によ
るエネルギ密度の減少を回避でき、半導体レーザ程度の
光強度でも、比較的高い交換効率で波長変換素子を実現
できる可能性がある。その様な例として、ニオブ酸リチ
ウム（LiNbO3）結晶に光導波路を形成し、この光導波路
に近赤外光を透過し、これから結晶基板中に放射（チェ
レンコフ輻射）される第２次高周波を得る方式のSHG素
子の発明がある（特開昭60−14222、特開昭61−9403
1）。この方式のSHG素子は、基本波とSHG波との移送整
合条件が自動的に取れているため、精密な温度調節が必
要ないという特長を持つ反面、SHG出力が基板放射光で
あるため波面が特異で、収差のきつい、あたかも「細い
眉毛」の様な強度分布の光が基板の端面から出てくる。
このため、この光をガウス状強度分布の通常の使いやす
いビームに変換するには、この収差を補正する高級なレ
ンズを必要とする。SHG出力光も半導体レーザの出射光
と同じようにチャンネル導波光であれば、このような不
便は生じない。
して高出力の特性が得られるようになってきた。このた
め、光導波路型のSHG素子を構成すれば、光の回析によ
るエネルギ密度の減少を回避でき、半導体レーザ程度の
光強度でも、比較的高い交換効率で波長変換素子を実現
できる可能性がある。その様な例として、ニオブ酸リチ
ウム（LiNbO3）結晶に光導波路を形成し、この光導波路
に近赤外光を透過し、これから結晶基板中に放射（チェ
レンコフ輻射）される第２次高周波を得る方式のSHG素
子の発明がある（特開昭60−14222、特開昭61−9403
1）。この方式のSHG素子は、基本波とSHG波との移送整
合条件が自動的に取れているため、精密な温度調節が必
要ないという特長を持つ反面、SHG出力が基板放射光で
あるため波面が特異で、収差のきつい、あたかも「細い
眉毛」の様な強度分布の光が基板の端面から出てくる。
このため、この光をガウス状強度分布の通常の使いやす
いビームに変換するには、この収差を補正する高級なレ
ンズを必要とする。SHG出力光も半導体レーザの出射光
と同じようにチャンネル導波光であれば、このような不
便は生じない。
本発明の目的は、上述の従来の導波型SHG素子の持つ
難点を取り除き、SHG出力光がチャンネル導波光となる
構造の導波路型波長変換素子を提供することにある。
難点を取り除き、SHG出力光がチャンネル導波光となる
構造の導波路型波長変換素子を提供することにある。
交互に反転した自発分極の周期を表面に沿ってもつＺ
カットニオブ酸リチウム結晶板の表面に、前記自発分極
の周期の方向と一致した光伝搬軸をもつチャンネル光導
波路を設け、該チャンネル光導波路の基本波（周波数
ω）にたいする波数β（ω）と該基本波の第２高調波に
たいする前記チャンネル光導波路の波数β（２ω）との
間でβ（２ω）−２β（ω）＝２π／Λなる関係をほぼ
満たすように前記交互に反転した自発分極の周期Λを定
め、且つ、その周期を光透過方向に徐々に変化させて設
け、前記チャネンネル光導波路の一端から基本波を注入
し、他端から第２高調波を得るようにすることによっ
て、SHGの出力光に波面収差のない導波路型波長変換素
子が得られる。
カットニオブ酸リチウム結晶板の表面に、前記自発分極
の周期の方向と一致した光伝搬軸をもつチャンネル光導
波路を設け、該チャンネル光導波路の基本波（周波数
ω）にたいする波数β（ω）と該基本波の第２高調波に
たいする前記チャンネル光導波路の波数β（２ω）との
間でβ（２ω）−２β（ω）＝２π／Λなる関係をほぼ
満たすように前記交互に反転した自発分極の周期Λを定
め、且つ、その周期を光透過方向に徐々に変化させて設
け、前記チャネンネル光導波路の一端から基本波を注入
し、他端から第２高調波を得るようにすることによっ
て、SHGの出力光に波面収差のない導波路型波長変換素
子が得られる。
以下本発明の実施例に基づき図面を参照して説明す
る。
る。
図は本発明の一実施例である導波路型波長変換素子の
構造を示す図である。１はLiNbO3結晶板であり、基板包
囲はＺ板（すなわち、基板に立てた法線はＺ軸）であ
る。この結晶は、その製法を後述するように、基板表面
に自発分極が反転した領域２が周期を持って形成されて
いる。この周期的な反転分極を有するニオブ酸リチウム
結晶面上にチャンネル光導波路３がイオン交換法により
形成されている。チャンネル光導波路３の一端面には半
導体レーザ４の出力光が入射基本波として結合される。
基本波はチャンネル光導波路３をすすむにつれ、LiNbO3
結晶の持つ２次の非線形光学効果を介してSHG光を発生
する。基本波から変換されたSHG光は同一のチャンネル
光導波路で導びかれ、導波路３の他端面から放射され
る。導波路他端面から放射された導波路SHG光は、円レ
ンズ５によって円形コリメートビーム６に変換される。
構造を示す図である。１はLiNbO3結晶板であり、基板包
囲はＺ板（すなわち、基板に立てた法線はＺ軸）であ
る。この結晶は、その製法を後述するように、基板表面
に自発分極が反転した領域２が周期を持って形成されて
いる。この周期的な反転分極を有するニオブ酸リチウム
結晶面上にチャンネル光導波路３がイオン交換法により
形成されている。チャンネル光導波路３の一端面には半
導体レーザ４の出力光が入射基本波として結合される。
基本波はチャンネル光導波路３をすすむにつれ、LiNbO3
結晶の持つ２次の非線形光学効果を介してSHG光を発生
する。基本波から変換されたSHG光は同一のチャンネル
光導波路で導びかれ、導波路３の他端面から放射され
る。導波路他端面から放射された導波路SHG光は、円レ
ンズ５によって円形コリメートビーム６に変換される。
上記基本波が、SHG光へ効率よく変換され、しかも前
記基本波と同一光導波路を導かれるための条件、すなわ
ち位相整合条件は、周期的な反転分極を仲立ちとして以
下のように満たされている。
記基本波と同一光導波路を導かれるための条件、すなわ
ち位相整合条件は、周期的な反転分極を仲立ちとして以
下のように満たされている。
LiNbO3結晶基板のＺ方向に平行な電界成分を持つTM波
である基本波およびSHG光を伝搬させるプロトンイオン
（H+）交換法によって形成した光導波路３は、基本波
（例えば波長0.83μｍ）にたいしても、またSHG光（例
えば波長0.415μｍ）にたいしてもほぼ単一モード導波
路となるように、そのプロトンイオン交換の深さ及び幅
が設定されている。したがって、基本波にたいして閉じ
こめ効果が緩く、LiNbO3結晶基板中への光の浸み出しの
大きい導波路となっており、SHG光にたいしては、閉じ
こめ効果がきつく、LiNbO3結晶基板中への光の浸み出し
の小さい導波路となっている。この時、波長0.83μｍ基
本波に対する導波路の等価屈折率ｎ（ω）は、基板の異
常光屈折率2.17に近く、プロトンイオン交換の効果を受
けて、それより少し大きい2.18程度であり、一方、波長
0.415μmSHG光に対する等価屈折率ｎ（２ω）は、基板
の異常光屈折率2.31にプロトンイオン交換による屈折率
上昇の効果を受けて、2.4程度となっており、２つの波
の位相定数（β）に差がある。このため、こままでは基
本波からSHG光への変換は生じない。
である基本波およびSHG光を伝搬させるプロトンイオン
（H+）交換法によって形成した光導波路３は、基本波
（例えば波長0.83μｍ）にたいしても、またSHG光（例
えば波長0.415μｍ）にたいしてもほぼ単一モード導波
路となるように、そのプロトンイオン交換の深さ及び幅
が設定されている。したがって、基本波にたいして閉じ
こめ効果が緩く、LiNbO3結晶基板中への光の浸み出しの
大きい導波路となっており、SHG光にたいしては、閉じ
こめ効果がきつく、LiNbO3結晶基板中への光の浸み出し
の小さい導波路となっている。この時、波長0.83μｍ基
本波に対する導波路の等価屈折率ｎ（ω）は、基板の異
常光屈折率2.17に近く、プロトンイオン交換の効果を受
けて、それより少し大きい2.18程度であり、一方、波長
0.415μmSHG光に対する等価屈折率ｎ（２ω）は、基板
の異常光屈折率2.31にプロトンイオン交換による屈折率
上昇の効果を受けて、2.4程度となっており、２つの波
の位相定数（β）に差がある。このため、こままでは基
本波からSHG光への変換は生じない。
今、 β（２ω）−２β（ω）＝２π／Λ すなわち、 ne（２ω）−ｎ（ω）＝0.415/Λ の関係を満たす周期Λμｍの非線形光学効果の符号が反
転する周期があれば、効率のよいSHG変換が行なわれ
る。LiNbO3結晶基板に形成された自発分極の反転周期は
この役目を果す。この周期Λは２μｍ程度となり通常の
リソグラフイー技術を用いて形成が可能である。
転する周期があれば、効率のよいSHG変換が行なわれ
る。LiNbO3結晶基板に形成された自発分極の反転周期は
この役目を果す。この周期Λは２μｍ程度となり通常の
リソグラフイー技術を用いて形成が可能である。
しかしながら、上記の周期が単一であると、導波路の
厚さや結晶屈折率などにゆらぎや温度変化があると、導
波路の透過屈折率は変化し、上式が満たされなくなり、
SHG変換は極めて不安定になる。これを避けるために自
発分極の反転の周期のピッチを、光透過方向に徐々に変
化させることによって、等価屈折率のゆらぎや温度変化
を吸収して安定なSHG交換を実現することが出来る。
厚さや結晶屈折率などにゆらぎや温度変化があると、導
波路の透過屈折率は変化し、上式が満たされなくなり、
SHG変換は極めて不安定になる。これを避けるために自
発分極の反転の周期のピッチを、光透過方向に徐々に変
化させることによって、等価屈折率のゆらぎや温度変化
を吸収して安定なSHG交換を実現することが出来る。
上記の自発分極の反転の周期は以下のようにして作る
ことが出来る。ニオブ酸リチウム結晶のＺ板の＋Ｃ面に
Ti膜の周期パターンを設け、高温（1030〜1150℃）で３
〜５時間、空気中で熱拡散を行なうと、Tiの拡散した部
位だけ分極反転がおこる。この現象は次の論文、“Ti拡
散LiNbO3における分極反転現象を利用した弾性表面波反
射器；日本音響学会講演論文集、第821頁、講演番号３
−２−６、昭和61年10月、著者；中村 僖良 、安藤
晴康、清水洋”に詳述されている。上記実施例における
自発分極の反転の周期は、この現象を用いることによっ
て、容易に形成することができる。
ことが出来る。ニオブ酸リチウム結晶のＺ板の＋Ｃ面に
Ti膜の周期パターンを設け、高温（1030〜1150℃）で３
〜５時間、空気中で熱拡散を行なうと、Tiの拡散した部
位だけ分極反転がおこる。この現象は次の論文、“Ti拡
散LiNbO3における分極反転現象を利用した弾性表面波反
射器；日本音響学会講演論文集、第821頁、講演番号３
−２−６、昭和61年10月、著者；中村 僖良 、安藤
晴康、清水洋”に詳述されている。上記実施例における
自発分極の反転の周期は、この現象を用いることによっ
て、容易に形成することができる。
チャンネル導波路が、イオン交換法等の単一プロセス
で形成されていて、結晶端面から放射されるSHG光の導
波路垂直方向への強度分布に非対称が生じ、円レンズで
交換されたコリメート光が、ガウス状円形ビームから形
状が隔たる場合には、チャンネル導波路を埋め込み構造
にして、放射光強度分布を対称化することも可能であ
る。これは、上記のプロセスの後、マグネシウム等の屈
折率を低下させる原子を熱拡散法等で、追拡散させると
いう公知の技術を用いることで実現される。
で形成されていて、結晶端面から放射されるSHG光の導
波路垂直方向への強度分布に非対称が生じ、円レンズで
交換されたコリメート光が、ガウス状円形ビームから形
状が隔たる場合には、チャンネル導波路を埋め込み構造
にして、放射光強度分布を対称化することも可能であ
る。これは、上記のプロセスの後、マグネシウム等の屈
折率を低下させる原子を熱拡散法等で、追拡散させると
いう公知の技術を用いることで実現される。
また、非線形光学定数のきわめて大きい、例えばMNA
等の有機非線形材料を前記導波路のうえに設ければ、更
に非線形効果は増大される。この時、有機非線形材料は
一般にニオブ酸リチウム結晶より屈折率が低い。このた
め、導波路の等価屈折率は、結晶およびプロトン交換に
よってほぼ定まるため自発分極の周期ピッチの設計値
は、上記の実施例とほぼ変わらない。
等の有機非線形材料を前記導波路のうえに設ければ、更
に非線形効果は増大される。この時、有機非線形材料は
一般にニオブ酸リチウム結晶より屈折率が低い。このた
め、導波路の等価屈折率は、結晶およびプロトン交換に
よってほぼ定まるため自発分極の周期ピッチの設計値
は、上記の実施例とほぼ変わらない。
以上説明のように、本発明によればSHG出力光に波面
収差のない、安定な導波路型波長変換素子が得られる。
収差のない、安定な導波路型波長変換素子が得られる。
図は本発明の一実施例の導波路型波長変換素子の構造を
説明する斜視図である。 １……LiNbO3結晶基板、２……自発分極反転領域、３…
…チャンネル導波路。
説明する斜視図である。 １……LiNbO3結晶基板、２……自発分極反転領域、３…
…チャンネル導波路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−119066（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−82022（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−18934（ＪＰ，Ａ) Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ. 50 Ｎｏ．７ ＰＰ．4599〜4603 （1979) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ ｏｌ．46 Ｎｏ．10 ＰＰ．933〜935 （1985) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ ｏｌ．37 Ｎｏ．７ ＰＰ．607〜609 （1980)
Claims (1)
- 【請求項１】交互に反転した自発分極の周期を持ち、前
記自発分極の周期の方向と一致した方向に光伝搬軸があ
るチャンネル光導波路を有するニオブ酸リチウム結晶板
を用いた導波路型波長変換素子において、前記ニオブ酸
リチウム結晶板にＺカットニオブ酸リチウム結晶板を用
い、前記自発分極反転の周期を光透過方向に徐々に変化
させて設けたことを特徴とする導波路型波長変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63216773A JP2725302B2 (ja) | 1988-08-30 | 1988-08-30 | 導波路型波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63216773A JP2725302B2 (ja) | 1988-08-30 | 1988-08-30 | 導波路型波長変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0263026A JPH0263026A (ja) | 1990-03-02 |
| JP2725302B2 true JP2725302B2 (ja) | 1998-03-11 |
Family
ID=16693671
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63216773A Expired - Fee Related JP2725302B2 (ja) | 1988-08-30 | 1988-08-30 | 導波路型波長変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2725302B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5854870A (en) * | 1990-05-25 | 1998-12-29 | Hitachi, Ltd. | Short-wavelength laser light source |
| JP2666540B2 (ja) * | 1990-08-17 | 1997-10-22 | 日本電気株式会社 | 導波路型波長変換素子 |
| JP2502818B2 (ja) * | 1991-02-07 | 1996-05-29 | 松下電器産業株式会社 | 光波長変換素子 |
| JPH0812367B2 (ja) * | 1991-03-05 | 1996-02-07 | 松下電器産業株式会社 | 波長変換素子 |
| JPH04296731A (ja) * | 1991-03-27 | 1992-10-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 短波長レーザ光源 |
| JPH0534748A (ja) * | 1991-07-25 | 1993-02-12 | Ricoh Co Ltd | 高調波発生装置 |
| JP4590531B2 (ja) * | 1999-11-09 | 2010-12-01 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | ニオブ酸リチウム単結晶ウエハーからなる光素子、および該ウエハー用のニオブ酸リチウム単結晶体の製造方法 |
| JP4846469B2 (ja) * | 2006-07-06 | 2011-12-28 | スターテング工業株式会社 | 小型エンジンの始動装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2385114A1 (fr) * | 1977-03-23 | 1978-10-20 | Thomson Csf | Dispositif optique non lineaire en couche mince et son procede de fabrication |
| JPS6118934A (ja) * | 1984-07-05 | 1986-01-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光波長変換装置 |
-
1988
- 1988-08-30 JP JP63216773A patent/JP2725302B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．７ ＰＰ．６０７〜６０９（１９８０） |
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．４６ Ｎｏ．１０ ＰＰ．９３３〜９３５（１９８５） |
| Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．５０ Ｎｏ．７ ＰＰ．４５９９〜４６０３（１９７９） |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0263026A (ja) | 1990-03-02 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |