JP2771247B2 - 波長変換素子 - Google Patents
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
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- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
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- 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
- G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
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- G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
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Description
この発明は波長変換素子に係り、特に非線形材料から
なる光導波路を含みSHG光及び和差周波光を発生させる
波長変換素子に関する。
なる光導波路を含みSHG光及び和差周波光を発生させる
波長変換素子に関する。
従来、Li Nb O3結晶にプロトン交換法で作つた光導波
路によつて、チエレンコフ放射光を発生させる波長変換
素子がある。 この場合、半導体レーザ光を入射することによつて第
２高調波（SHG光）の、１％の変換効率を得ることがで
きる。 又上記と同様の光導波路を備えた波長変換素子におい
て、チエレンコフ放射による和差周波光を発生させるこ
とができる。 例えば、λ１＝1.06μｍとλ２＝0.824μｍの入力光
から、1/λ１＋1/λ２＝1/λ３の関係があるλ３＝0.46
3μｍの和周波光が得られることが知られている。
路によつて、チエレンコフ放射光を発生させる波長変換
素子がある。 この場合、半導体レーザ光を入射することによつて第
２高調波（SHG光）の、１％の変換効率を得ることがで
きる。 又上記と同様の光導波路を備えた波長変換素子におい
て、チエレンコフ放射による和差周波光を発生させるこ
とができる。 例えば、λ１＝1.06μｍとλ２＝0.824μｍの入力光
から、1/λ１＋1/λ２＝1/λ３の関係があるλ３＝0.46
3μｍの和周波光が得られることが知られている。
しかしながら、上記のような波長変換素子において
は、光導波路に導入された導波光の多くが波長変換され
ないまま出力されてしまい、効率が低いという問題点が
ある。 変換効率を改善するためには、光導波路の光路長を長
くする必要があるが、このためには波長変換素子自体を
長くしなければならず、大型化してしまうという問題点
がある。 更に、上記従来の波長変換素子においては、１方向に
のみ出力光が得られ、他方向の出力光を得ることができ
ないという問題点がある。 又、和差周波発生素子を考えた場合、上記光導波路
は、単純な直線状であるので、λ１とλ２の２つの入力
光を光導波路に導くためには、該光導波路の前に、ダイ
クロイツクミラー等の合波手段を設けなければならない
という問題点がある。 このため、例えば光フアイバーから波長λ１とλ２の
２つの光を導く場合には、該光フアイバーの出力端から
一旦対物レンズでコリメート光にし、これを合波して、
再び対物レンズで集光してから光導波路に導入しなけれ
ばならず、λ１とλ２の光軸を一致させるのに非常に困
難であり、更に装置が複雑化、大型化してしまうという
問題点がある。 この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので
あつて、素子そのものを長大化することなく光路長即ち
相互作用長を長くして効率よく波長変換することができ
るようにした波長変換素子を提供することを目的とす
る。 又、波長変換光を多方向に得られるようにした波長変
換素子を提供することを目的とする。 更に、本発明は、ダイクロイツクミラー等の合波手段
を用いることなく、波長の異なる２つの光を、光フアイ
バーから直接導波路に導くことができるようにした波長
変換素子を提供することを目的とする。
は、光導波路に導入された導波光の多くが波長変換され
ないまま出力されてしまい、効率が低いという問題点が
ある。 変換効率を改善するためには、光導波路の光路長を長
くする必要があるが、このためには波長変換素子自体を
長くしなければならず、大型化してしまうという問題点
がある。 更に、上記従来の波長変換素子においては、１方向に
のみ出力光が得られ、他方向の出力光を得ることができ
ないという問題点がある。 又、和差周波発生素子を考えた場合、上記光導波路
は、単純な直線状であるので、λ１とλ２の２つの入力
光を光導波路に導くためには、該光導波路の前に、ダイ
クロイツクミラー等の合波手段を設けなければならない
という問題点がある。 このため、例えば光フアイバーから波長λ１とλ２の
２つの光を導く場合には、該光フアイバーの出力端から
一旦対物レンズでコリメート光にし、これを合波して、
再び対物レンズで集光してから光導波路に導入しなけれ
ばならず、λ１とλ２の光軸を一致させるのに非常に困
難であり、更に装置が複雑化、大型化してしまうという
問題点がある。 この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので
あつて、素子そのものを長大化することなく光路長即ち
相互作用長を長くして効率よく波長変換することができ
るようにした波長変換素子を提供することを目的とす
る。 又、波長変換光を多方向に得られるようにした波長変
換素子を提供することを目的とする。 更に、本発明は、ダイクロイツクミラー等の合波手段
を用いることなく、波長の異なる２つの光を、光フアイ
バーから直接導波路に導くことができるようにした波長
変換素子を提供することを目的とする。
この発明は、非線形光学材料からなる光導波路によつ
てチエレンコフ放射光を発生させる波長変換素子におい
て、前記光導波路の端部に、伝搬される導波光を反射さ
せる反射手段を設けると共に前記光導波路を、前記反射
手段により順次リング状に連結された複数の光導波路か
ら構成されたリング型光導波路とすることにより上記目
的を達成するものである。 第２発明は、非線形光学材料からなる光導波路を含む
波長変換素子において、前記光導波路の端部に、伝搬さ
れる導波光を反射させる反射手段を設けると共に、前記
光導波路を、２本の略平行な直線状の光導入部と、両者
を滑らかに合流させる合流部と、この合流部に接続され
る１本の直線状の光発生部と、からなる略Ｙ字形状と
し、前記反射手段を前記光発生部の端部に配置したこと
により上記目的を達成するものである。 又、前記反射手段の少なくとも１つを誘導体多層膜ミ
ラーとすることにより上記目的を達成するものである。 又、前記光導波路への光入力に対して、発生するSHG
光及び和差周波光の少なくとも一方を所定の方向に導く
反射手段を備えることにより上記目的を達成するもので
ある。 又、第３発明は、非線形光学材料からなる光導波路を
含む波長変換素子において、前記光導波路を、光入路及
びこれに滑らかに接続する円形無端状の湾曲光導波路か
ら構成することにより上記目的を達成するものである。 第４発明は、非線形光学材料からなる光導波路を含む
波長変換素子において、前記光導波路は、光入路及びこ
れに滑らかに接続するスパイラル状の湾曲光導波路から
構成されていることにより上記目的を達成するものであ
る。 又、前記スパイラル状湾曲光導波路の前記光入路と反
対側の端部に、伝搬される導波光を反射させる反射手段
を備えることにより上記目的を達成するものである。 又、前記光入路を複数とすることにより上記目的を達
成するものである。 又、前記光入路の光導入端には、光フアイバーの光出
力端を接続することにより上記目的を達成するものであ
る。 又、前記光入路を、２本の略平行な直線状の光導波部
と、両者を滑らかに合流させる合流部と、一端がこの合
流部に接続され、他端が前記湾曲光導入部に、その接線
方向に湾曲接続される接続部とから略Ｙ字形状に構成す
ることにより上記目的を達成するものである。 又、前記光入路は複数とし、前記湾曲光導波路の湾曲
部に対して、少なくとも該湾曲部への接続部が、該湾曲
部の接線方向に接続するようにして上記目的を達成する
ものである。 又、光導波路から多方向に出射する出力光を一点に集
光するミラー及び集光部材を設けたことにより上記目的
を達成するものである。 又、前記光導波路を、SHG素子及び和差周波発生素子
の一方により形成することにより上記目的を達成するも
のである。
てチエレンコフ放射光を発生させる波長変換素子におい
て、前記光導波路の端部に、伝搬される導波光を反射さ
せる反射手段を設けると共に前記光導波路を、前記反射
手段により順次リング状に連結された複数の光導波路か
ら構成されたリング型光導波路とすることにより上記目
的を達成するものである。 第２発明は、非線形光学材料からなる光導波路を含む
波長変換素子において、前記光導波路の端部に、伝搬さ
れる導波光を反射させる反射手段を設けると共に、前記
光導波路を、２本の略平行な直線状の光導入部と、両者
を滑らかに合流させる合流部と、この合流部に接続され
る１本の直線状の光発生部と、からなる略Ｙ字形状と
し、前記反射手段を前記光発生部の端部に配置したこと
により上記目的を達成するものである。 又、前記反射手段の少なくとも１つを誘導体多層膜ミ
ラーとすることにより上記目的を達成するものである。 又、前記光導波路への光入力に対して、発生するSHG
光及び和差周波光の少なくとも一方を所定の方向に導く
反射手段を備えることにより上記目的を達成するもので
ある。 又、第３発明は、非線形光学材料からなる光導波路を
含む波長変換素子において、前記光導波路を、光入路及
びこれに滑らかに接続する円形無端状の湾曲光導波路か
ら構成することにより上記目的を達成するものである。 第４発明は、非線形光学材料からなる光導波路を含む
波長変換素子において、前記光導波路は、光入路及びこ
れに滑らかに接続するスパイラル状の湾曲光導波路から
構成されていることにより上記目的を達成するものであ
る。 又、前記スパイラル状湾曲光導波路の前記光入路と反
対側の端部に、伝搬される導波光を反射させる反射手段
を備えることにより上記目的を達成するものである。 又、前記光入路を複数とすることにより上記目的を達
成するものである。 又、前記光入路の光導入端には、光フアイバーの光出
力端を接続することにより上記目的を達成するものであ
る。 又、前記光入路を、２本の略平行な直線状の光導波部
と、両者を滑らかに合流させる合流部と、一端がこの合
流部に接続され、他端が前記湾曲光導入部に、その接線
方向に湾曲接続される接続部とから略Ｙ字形状に構成す
ることにより上記目的を達成するものである。 又、前記光入路は複数とし、前記湾曲光導波路の湾曲
部に対して、少なくとも該湾曲部への接続部が、該湾曲
部の接線方向に接続するようにして上記目的を達成する
ものである。 又、光導波路から多方向に出射する出力光を一点に集
光するミラー及び集光部材を設けたことにより上記目的
を達成するものである。 又、前記光導波路を、SHG素子及び和差周波発生素子
の一方により形成することにより上記目的を達成するも
のである。
この発明においては、各光導波路の端部に、伝搬され
る導波光を反射させる反射手段が設けられているので、
光導波路へ導入された導波光及びその反射光の両方から
斜め下方に基板を通してSHG光が発生するので、各導波
路において実質的に相互作用長を２倍にでき、変換効率
を高くすることができる。 又SHG光は２方向に取り出すことができる。又、素子
の長さを単純に２倍にした場合は、SHG光が基板を伝搬
する距離が２倍になり、基板での散乱が増加するが、こ
の発明では、素子の大きさを変えていないので、SHG光
の基板における散乱は増加しない。 又、和差周波光を得る場合でも、相互作用長が実質的
に２倍になるので、SHG光の場合と同様に、変換効率の
向上を図ると共に、２方向から出力光を取り出すことが
できる。 又、特に、光導波路を、リング状に構成しているの
で、更に相互作用長を長くでき、従つて素子を大型化す
ることなく、効率よく波長変換することができると共
に、多方向に波長変換光を取り出すことができる。 又、光導波路を、２本の略平行な直線状の光導入部を
含む略Ｙ字形状とした場合、ダイクロイツクミラー等
の、光導波路外の合波手段を設けることなく、簡単な構
造で、２つの光を導入することができる。 又、光導波路を、光入路及びこれに滑らかに接続する
円形やスパイラル状の湾曲光導波路から構成した場合
は、相互作用長を大幅に長くして変換効率を向上させる
と共に、多方向から出力光を得ることができ、更に、光
入路を複数設けることによつて、高出力とすることがで
きる。 又、光フアイバーからの出力光を光導波路に導く際
に、対物レンズ等を用いることなく、単に光フアイバー
の出力端を光導波路の光導入部に接続することによつて
合波することができる。
る導波光を反射させる反射手段が設けられているので、
光導波路へ導入された導波光及びその反射光の両方から
斜め下方に基板を通してSHG光が発生するので、各導波
路において実質的に相互作用長を２倍にでき、変換効率
を高くすることができる。 又SHG光は２方向に取り出すことができる。又、素子
の長さを単純に２倍にした場合は、SHG光が基板を伝搬
する距離が２倍になり、基板での散乱が増加するが、こ
の発明では、素子の大きさを変えていないので、SHG光
の基板における散乱は増加しない。 又、和差周波光を得る場合でも、相互作用長が実質的
に２倍になるので、SHG光の場合と同様に、変換効率の
向上を図ると共に、２方向から出力光を取り出すことが
できる。 又、特に、光導波路を、リング状に構成しているの
で、更に相互作用長を長くでき、従つて素子を大型化す
ることなく、効率よく波長変換することができると共
に、多方向に波長変換光を取り出すことができる。 又、光導波路を、２本の略平行な直線状の光導入部を
含む略Ｙ字形状とした場合、ダイクロイツクミラー等
の、光導波路外の合波手段を設けることなく、簡単な構
造で、２つの光を導入することができる。 又、光導波路を、光入路及びこれに滑らかに接続する
円形やスパイラル状の湾曲光導波路から構成した場合
は、相互作用長を大幅に長くして変換効率を向上させる
と共に、多方向から出力光を得ることができ、更に、光
入路を複数設けることによつて、高出力とすることがで
きる。 又、光フアイバーからの出力光を光導波路に導く際
に、対物レンズ等を用いることなく、単に光フアイバー
の出力端を光導波路の光導入部に接続することによつて
合波することができる。
以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。 まず第１図〜第５図に示される本発明の基本原理につ
き説明する。 第１図は、Li Nb O3結晶からなる基板10上にプロトン
交換Li Nb O3光導波路12を形成すると共に、該光導波路
12の一方の端部に金属製の全反射ミラー14を真空蒸着等
により設けたものである。このとき、光導波路12は、チ
エレンコフ放射光を発生させる波長変換素子として働
く。 前記光導波路12に、全反射ミラー14と反対側から該直
線状の光導波路12に同軸的に入射光16を導入すると、導
波光が光導波路12を通つて全反射ミラー14に至り、ここ
で反射して再度光導波路12を通り、この際に、斜め下方
２方向に基板10を通してSHG光18が発生される。 従つて、この場合においては、相互作用長を実質的に
２倍にできるので、変換効率を増大させることができ
る。 又、素子の長さを単純に２倍にした場合は、SHG光が
基板10を伝搬する距離が２倍になり、基板10での散乱が
増加するが、ここでは、素子の大きさを変えていないの
で、SHG光の基板10における散乱は増加しないという利
点がある。 波長変換素子により和差周波を発生させる場合は、光
導波路12に、第２図に示されるように、ダイクロイツク
ミラー11を介して波長λ１及びλ２の光を入力させる
と、波長λ３の和差周波光を、前記SHG光18と同様に２
方向に取り出すことができる。このダイクロイツクミラ
ー11は、波長λ１の光を通過させ、且つ波長λ２の光を
反射するものである。 又、この場合も、実質的に相互作用長が２倍になるの
で、変換効率が増大される。 前記第１図における全反射ミラー14の代わりに、分光
ミラー即ち誘電体多層膜ミラー20を設けてもよい。 この誘電体多層膜ミラー20は、波長λ１の光を反射さ
せ、且つ波長λ２の光を透過するものである。 この第２図の場合、誘電体多層膜ミラー20側から波長
λ２の光を入力させ、且つ該誘電体多層膜ミラー20の反
対側から光導波路12中に波長λ１の光を入力させると、
波長λ３の和差周波光が、波長λ１と反対方向で且つ斜
め下方に基板10を通して出力される。 第４図は、前記第１図における光導波路12の両端に誘
電多層膜ミラー20及び22を形成したものを示す。 この誘電体多層膜ミラー20は、前述と同様にλ１光を
反射、λ２光を透過し、誘電体多層膜ミラー22はλ１光
を透過し、λ２光を反射させるものである。 この場合、波長λ２の和差周波光が前記第２図の場合
と同様に２方向に得られる。 ここで、前記第１図及び第３図において、SHG光18あ
るいは波長λ３の和差周波光は、２方向に得られる場合
でも方向が異なり分散してしまうが、これらの複数の出
力光を、同一方向に取り出す場合は、第５図又は第６図
に示されるように、全反射ミラーを用いる。 即ち、第５図の場合は、２方向に取り出されたSHG光
又はλ３光を一対の全反射ミラー24A、24Bで平行光線と
し、これを集光レンズ26で集光させて１方向に取り出す
ものである。 第６図は、全反射ミラー27A、27Bを集光レンズ形状の
集光材料27と一体的に設けたものである。この集光レン
ズ形状の集光材料27は基板10を集光レンズ形状に加工し
たものであつてもよい。 この場合、全反射ミラー27A、27Bに代えて、集光材料
27の所要個所に金属膜あるいは誘電体多層膜を蒸着して
形成するようにしてもよい。 次に第７図に示される本発明の第１実施例について説
明する。 この第１実施例は、３本の直線状の光導波路12A〜12C
を２個の全反射ミラー14A、14Bとを介して正三角形状に
連結して、リング型光導波路を構成したものである。 光導波路12A〜12Cを形成した基板10Aは、各頂点を面
取りした正三角形状とされ、面取りした２面に前記全反
射ミラー14A、14Bを配置し、且つ残りの面取りした面に
無反射コーテイング（以下ARコート）15を施したもので
ある。 このARコート15を施した面にλ１光及びλ２光を入射
させると、チエレンコフ光であるλ３光が３つの面取り
面の下側から出力されることになる。 このとき、実質的な相互作用長は３倍となつているの
で、高変換率を得ることができる。 なお、第７図で２点鎖線で示されるように、第１図の
場合と同様に入射光16を入射させ、SHG光18を取り出す
ようにしてもよい。 この第７図の第１実施例は、１個所からλ１光とλ２
光を同時に入射させたものであるが、これは第８図に示
される第２実施例のように、λ１光とλ２光を異なる位
置から入射するようにしてもよい。 この第２実施例では、第７図の第１実施例と相違し
て、面取り平面に各々誘電体多層膜ミラー20A〜20Cが施
されている。 これらのうち誘電体多層膜ミラー20Aは、λ２光を透
過し、λ１光を反射させ、誘電体多層膜ミラー20B及び2
0Cは、λ２光を反射させ、λ１光を透過させるように形
成されている。 この実施例においては、誘電体多層膜ミラー20Aから
λ２光、誘電体多層膜ミラー20B、20Cからはそれぞれλ
１光を、各々30゜の入射角度で光導波路12A〜12Cに入射
させる。 なお、上記入射角度は簡単のために、30゜としたが、
スネルの法則に従って、光を効率よく光導波路に入射で
きる角度にする必要がある。 即ち、λ２の被測定光を、λ１のポンプ光を使つてλ
３に変換する系が構成されている。 ここで、波長λ１のポンプ光は、２個所から入射させ
ることができるので、効率よく波長変換をすることがで
きる。 又波長変換光であるλ３光は、同時に３個所から取り
出すことができる。 上記第１及び第２実施例において、λ３光を一方向に
取り出したい場合は、前記第５図又は第６図の場合と同
様に、全反射ミラーと集光レンズとを用いればよい。 上記第１及び第２実施例の変形例として第９図に示さ
れるように、リングの終端に全反射ミラー14を設けても
よい。この変形例においてもSHG光及び和差周波波光の
両方を発生させることができる。 次に第10図に示される本発明の第３実施例につき説明
する。 この第３実施例は、光導波路28を直線状の光導入部28
Aとこれに滑らかに接続される円形光導波路28Bとから構
成したものである。光導波部28Aの端部には光フアイバ
ー29が接続され、ここから入射光が導入される。 この実施例の場合は、相互作用長を実質的に無限大に
することができるので、高効率で波長変換を行うことが
できる。 次に第11図に示される本発明の第４実施例について説
明する。 この第４実施例は、スパイラル状の光導波路30を形成
したものである。 この実施例の場合も、装置面積を大きくすることな
く、光導波路30を長くして、従つて相互作用長を長くし
て、波長変換効率を向上させることができる。 このようなスパイラル状の光導波路30を用いる場合
は、第12図に示される第５実施例のように、スパイラル
中心の端部に全反射ミラー32を設ければ、更に相互作用
長を長くして、高効率で波長変換を行うことができる。 上記第３〜第５実施例において、波長変換光を一方向
に取り出したい場合は、前記第５図又は第６の場合と同
様に、全反射ミラーと集光レンズを用いればよい。但
し、このとき、全反射ミラーは、円錐形であり、全反射
光を反射できるようにする必要がある。 上記各第２図〜第４図、第７図〜第９図においては、
いずれも和差周波光を得るために、λ１光及びλ２光を
同一個所から又は異なる個所から光導波路に入射させる
ものであるが、同一個所から入射させる場合は、第９図
のようにダイクロイツクミラーが必要となる。 以下の実施例は、ダイクロイツクミラーを用いること
なく、実質的に同一個所からλ１光及びλ２光を光導波
路に入射して、和差周波光を得るものである。 まず第13図に示される本発明の第６実施例について説
明する。 この第６実施例は、光導波路34を、２本の略平行な直
線状の光導入部34Aと、これら２本の光導入部34Aを滑か
に合流させる合流部34Bと、この合流部34Bに接続される
１本の直線状の光発生部34Cと、からなる略Ｙ字形状と
して、且つ、前記２本の光導入部34A、34Aそれぞれに、
λ１光を導く光フアイバー36A、λ２光を導く光フアイ
バー36Bをそれぞれ同軸的に、それぞれの出力端を接続
すると共に光発生部34Cの、光導入部34Aと反対側の端部
に、反射ミラー34Dを設けたものである。 この反射ミラー34Dは金属蒸着膜から成る全反射ミラ
ーあるいは誘電体多層膜ミラーより構成する。 この実施例において、光フアイバー36A、36Bから導入
される入射光であるλ１光及びλ２光は、導波光とな
り、合流部34Bで１本に集められ、光発生部34Cで、チェ
レンコフ光として、λ３光が出力される。 ここで、合流部34Bは、２本の光導入部34Aを滑かに合
流させるものであつて、そのテーパーが非常に緩かにな
つていて、合流による減衰、散乱は非常に少ない。 このため、光発生部34Cに、λ１光及びλ２光を効率
よく導くことができるので、強い出力光λ３を得ること
ができる。 更に、反射ミラー34Dで反射した導波光からも和差周
波光を取出せるので、ミラー34Dを設けない場合と比較
して、実質的に相互作用長を２倍にでき、変換効率を向
上させることができる。 又、この実施例においては、光導波路34にλ１光及び
λ２光を導入する前に、ダイクロイツクミラー等の合流
手段を設ける必要がないので、装置を小型化させること
ができる。 特に、光フアイバーでλ１光及びλ２光を導入する場
合、従来は、光フアイバーからの出力光を一旦対物レン
ズでコリメート光に直してから合波して、再び対物レン
ズで集光する必要があるが、この実施例ではそのような
煩雑な過程を経る必要がない。 第14図は、第13図の第６実施例を、赤外光検出装置に
応用した実施例である。 この場合、λ１＝1.55μｍの被測定光を光フアイバー
36Aから導入し、これに対して、ポンプ光として、半導
体レーザー38からλ２＝0.85μｍの光を、光フアイバー
36Bから導入する。 光発生部34Cからチエレンコフ光として発生する和周
波光（λ３＝0.55μｍ）は、光電子増倍管40で受光さ
れ、信号処理部42で処理されて、測定値が得られる。こ
のときの光導波路34における変換効率は、ポンプ光の出
力を40mwとすれば、約１％程度が得られる。 前記光電子増倍管40で、直接λ１＝1.55μｍの被測定
光を測定した場合と比較して100倍の感度向上が得られ
る。 即ち、前記光電子増倍管40は、λ１光に比較して、λ
３光に対しては１万倍の感度を持ち、和周波光λ３発生
の変換効率が１％であるので、結局、光電子増倍管40
は、直接λ１光を測定する場合と比較して、100倍の感
度となる。 ここで、ポンプ光であるλ２光をパルス光とすると、
λ３光は、λ１光をポンプ光でサンプリングしたものと
なる。 この場合、λ２のタイミングをλ１に対して徐々にず
らしていくと、光サンプリング・オシロスコープが実現
できる。 このときの時間分解能は、光電子増倍管40の能力によ
るものでなく、λ２光のパルス幅に依存するので、1ps
以下の時間分解能が容易に得られる。 次に第15図に示される本発明の第８実施例について説
明する。 この第８実施例は、前記第13図の第６実施例における
直線状の光発生部34Cの代わりに、円形の光発生部34Eを
設けたものである。 この第８実施例では、光発生部34Eの相互作用長を実
質的に無限大にできるので、高効率で波長変換を行うこ
とができる。又、光発生部34Eは円形であるので、出力
光であるλ・光は全ての方向から取出すことができる。 次に第16図に示される本発明の第９実施例について説
明する。 この第９実施例は、円形の光発生部34Eに対して直線
状光導入部34F、34Gを、円形の光発生部34Eに対して反
対方向から、且つ、同一接線方向に、接続したものであ
る。 又、λ１光及びλ２を導入する光フアイバー36A、36B
は、これら直線状光導入部34F及び34Gに独立して接続さ
れている。 この第９実施例の場合は、前記第８実施例等と比較し
て、合流部が不要となり、光導波路の構成が容易であ
る。 又、直線状光導入部34F及び34Gを任意の方向から円形
光発生部34Eにその接線方向に接続できるので、光フア
イバー36A、36Bの取り回しの自由度が非常に大きくな
る。 上記、第６〜第９実施例において、波長変換光を一方
向に取り出したい場合は、前記第５図に示されると同様
に、例えば、円錐形の全反射ミラーと集光レンズを用い
ればよい。 なお上記実施例において、和差周波発生素子で、光フ
アイバーから光導入部を介して光発生部にλ１光及びλ
２光を導入する場合、光発生部を直線状あるいは円形状
としたものであるが、これは、例えば、第11図あるいは
第12図に示されるようにスパイラル状又はスパイラル状
の端部に反射ミラーを設けた光発生部であつてもよい。
更に、第７図あるいは第８図に示されるような、リング
型光導波路としてもよい。 更に、上記各実施例において、光発生部は、三角形の
リング形状、円形、スパイラル状以外の形状であつて
も、実質的に相互作用長を長く取ることができ、且つ装
置面積を大きくしないものであればよい。 又、上記実施例は、チェレンコフ放射型波長変換素子
についてのものであるが、本発明はこれに限定されるも
のでなく、位相整合させて、出射光を入力光と異なる方
向に出力させることが可能な他の波長変換素子にも適用
されるものである。
き説明する。 第１図は、Li Nb O3結晶からなる基板10上にプロトン
交換Li Nb O3光導波路12を形成すると共に、該光導波路
12の一方の端部に金属製の全反射ミラー14を真空蒸着等
により設けたものである。このとき、光導波路12は、チ
エレンコフ放射光を発生させる波長変換素子として働
く。 前記光導波路12に、全反射ミラー14と反対側から該直
線状の光導波路12に同軸的に入射光16を導入すると、導
波光が光導波路12を通つて全反射ミラー14に至り、ここ
で反射して再度光導波路12を通り、この際に、斜め下方
２方向に基板10を通してSHG光18が発生される。 従つて、この場合においては、相互作用長を実質的に
２倍にできるので、変換効率を増大させることができ
る。 又、素子の長さを単純に２倍にした場合は、SHG光が
基板10を伝搬する距離が２倍になり、基板10での散乱が
増加するが、ここでは、素子の大きさを変えていないの
で、SHG光の基板10における散乱は増加しないという利
点がある。 波長変換素子により和差周波を発生させる場合は、光
導波路12に、第２図に示されるように、ダイクロイツク
ミラー11を介して波長λ１及びλ２の光を入力させる
と、波長λ３の和差周波光を、前記SHG光18と同様に２
方向に取り出すことができる。このダイクロイツクミラ
ー11は、波長λ１の光を通過させ、且つ波長λ２の光を
反射するものである。 又、この場合も、実質的に相互作用長が２倍になるの
で、変換効率が増大される。 前記第１図における全反射ミラー14の代わりに、分光
ミラー即ち誘電体多層膜ミラー20を設けてもよい。 この誘電体多層膜ミラー20は、波長λ１の光を反射さ
せ、且つ波長λ２の光を透過するものである。 この第２図の場合、誘電体多層膜ミラー20側から波長
λ２の光を入力させ、且つ該誘電体多層膜ミラー20の反
対側から光導波路12中に波長λ１の光を入力させると、
波長λ３の和差周波光が、波長λ１と反対方向で且つ斜
め下方に基板10を通して出力される。 第４図は、前記第１図における光導波路12の両端に誘
電多層膜ミラー20及び22を形成したものを示す。 この誘電体多層膜ミラー20は、前述と同様にλ１光を
反射、λ２光を透過し、誘電体多層膜ミラー22はλ１光
を透過し、λ２光を反射させるものである。 この場合、波長λ２の和差周波光が前記第２図の場合
と同様に２方向に得られる。 ここで、前記第１図及び第３図において、SHG光18あ
るいは波長λ３の和差周波光は、２方向に得られる場合
でも方向が異なり分散してしまうが、これらの複数の出
力光を、同一方向に取り出す場合は、第５図又は第６図
に示されるように、全反射ミラーを用いる。 即ち、第５図の場合は、２方向に取り出されたSHG光
又はλ３光を一対の全反射ミラー24A、24Bで平行光線と
し、これを集光レンズ26で集光させて１方向に取り出す
ものである。 第６図は、全反射ミラー27A、27Bを集光レンズ形状の
集光材料27と一体的に設けたものである。この集光レン
ズ形状の集光材料27は基板10を集光レンズ形状に加工し
たものであつてもよい。 この場合、全反射ミラー27A、27Bに代えて、集光材料
27の所要個所に金属膜あるいは誘電体多層膜を蒸着して
形成するようにしてもよい。 次に第７図に示される本発明の第１実施例について説
明する。 この第１実施例は、３本の直線状の光導波路12A〜12C
を２個の全反射ミラー14A、14Bとを介して正三角形状に
連結して、リング型光導波路を構成したものである。 光導波路12A〜12Cを形成した基板10Aは、各頂点を面
取りした正三角形状とされ、面取りした２面に前記全反
射ミラー14A、14Bを配置し、且つ残りの面取りした面に
無反射コーテイング（以下ARコート）15を施したもので
ある。 このARコート15を施した面にλ１光及びλ２光を入射
させると、チエレンコフ光であるλ３光が３つの面取り
面の下側から出力されることになる。 このとき、実質的な相互作用長は３倍となつているの
で、高変換率を得ることができる。 なお、第７図で２点鎖線で示されるように、第１図の
場合と同様に入射光16を入射させ、SHG光18を取り出す
ようにしてもよい。 この第７図の第１実施例は、１個所からλ１光とλ２
光を同時に入射させたものであるが、これは第８図に示
される第２実施例のように、λ１光とλ２光を異なる位
置から入射するようにしてもよい。 この第２実施例では、第７図の第１実施例と相違し
て、面取り平面に各々誘電体多層膜ミラー20A〜20Cが施
されている。 これらのうち誘電体多層膜ミラー20Aは、λ２光を透
過し、λ１光を反射させ、誘電体多層膜ミラー20B及び2
0Cは、λ２光を反射させ、λ１光を透過させるように形
成されている。 この実施例においては、誘電体多層膜ミラー20Aから
λ２光、誘電体多層膜ミラー20B、20Cからはそれぞれλ
１光を、各々30゜の入射角度で光導波路12A〜12Cに入射
させる。 なお、上記入射角度は簡単のために、30゜としたが、
スネルの法則に従って、光を効率よく光導波路に入射で
きる角度にする必要がある。 即ち、λ２の被測定光を、λ１のポンプ光を使つてλ
３に変換する系が構成されている。 ここで、波長λ１のポンプ光は、２個所から入射させ
ることができるので、効率よく波長変換をすることがで
きる。 又波長変換光であるλ３光は、同時に３個所から取り
出すことができる。 上記第１及び第２実施例において、λ３光を一方向に
取り出したい場合は、前記第５図又は第６図の場合と同
様に、全反射ミラーと集光レンズとを用いればよい。 上記第１及び第２実施例の変形例として第９図に示さ
れるように、リングの終端に全反射ミラー14を設けても
よい。この変形例においてもSHG光及び和差周波波光の
両方を発生させることができる。 次に第10図に示される本発明の第３実施例につき説明
する。 この第３実施例は、光導波路28を直線状の光導入部28
Aとこれに滑らかに接続される円形光導波路28Bとから構
成したものである。光導波部28Aの端部には光フアイバ
ー29が接続され、ここから入射光が導入される。 この実施例の場合は、相互作用長を実質的に無限大に
することができるので、高効率で波長変換を行うことが
できる。 次に第11図に示される本発明の第４実施例について説
明する。 この第４実施例は、スパイラル状の光導波路30を形成
したものである。 この実施例の場合も、装置面積を大きくすることな
く、光導波路30を長くして、従つて相互作用長を長くし
て、波長変換効率を向上させることができる。 このようなスパイラル状の光導波路30を用いる場合
は、第12図に示される第５実施例のように、スパイラル
中心の端部に全反射ミラー32を設ければ、更に相互作用
長を長くして、高効率で波長変換を行うことができる。 上記第３〜第５実施例において、波長変換光を一方向
に取り出したい場合は、前記第５図又は第６の場合と同
様に、全反射ミラーと集光レンズを用いればよい。但
し、このとき、全反射ミラーは、円錐形であり、全反射
光を反射できるようにする必要がある。 上記各第２図〜第４図、第７図〜第９図においては、
いずれも和差周波光を得るために、λ１光及びλ２光を
同一個所から又は異なる個所から光導波路に入射させる
ものであるが、同一個所から入射させる場合は、第９図
のようにダイクロイツクミラーが必要となる。 以下の実施例は、ダイクロイツクミラーを用いること
なく、実質的に同一個所からλ１光及びλ２光を光導波
路に入射して、和差周波光を得るものである。 まず第13図に示される本発明の第６実施例について説
明する。 この第６実施例は、光導波路34を、２本の略平行な直
線状の光導入部34Aと、これら２本の光導入部34Aを滑か
に合流させる合流部34Bと、この合流部34Bに接続される
１本の直線状の光発生部34Cと、からなる略Ｙ字形状と
して、且つ、前記２本の光導入部34A、34Aそれぞれに、
λ１光を導く光フアイバー36A、λ２光を導く光フアイ
バー36Bをそれぞれ同軸的に、それぞれの出力端を接続
すると共に光発生部34Cの、光導入部34Aと反対側の端部
に、反射ミラー34Dを設けたものである。 この反射ミラー34Dは金属蒸着膜から成る全反射ミラ
ーあるいは誘電体多層膜ミラーより構成する。 この実施例において、光フアイバー36A、36Bから導入
される入射光であるλ１光及びλ２光は、導波光とな
り、合流部34Bで１本に集められ、光発生部34Cで、チェ
レンコフ光として、λ３光が出力される。 ここで、合流部34Bは、２本の光導入部34Aを滑かに合
流させるものであつて、そのテーパーが非常に緩かにな
つていて、合流による減衰、散乱は非常に少ない。 このため、光発生部34Cに、λ１光及びλ２光を効率
よく導くことができるので、強い出力光λ３を得ること
ができる。 更に、反射ミラー34Dで反射した導波光からも和差周
波光を取出せるので、ミラー34Dを設けない場合と比較
して、実質的に相互作用長を２倍にでき、変換効率を向
上させることができる。 又、この実施例においては、光導波路34にλ１光及び
λ２光を導入する前に、ダイクロイツクミラー等の合流
手段を設ける必要がないので、装置を小型化させること
ができる。 特に、光フアイバーでλ１光及びλ２光を導入する場
合、従来は、光フアイバーからの出力光を一旦対物レン
ズでコリメート光に直してから合波して、再び対物レン
ズで集光する必要があるが、この実施例ではそのような
煩雑な過程を経る必要がない。 第14図は、第13図の第６実施例を、赤外光検出装置に
応用した実施例である。 この場合、λ１＝1.55μｍの被測定光を光フアイバー
36Aから導入し、これに対して、ポンプ光として、半導
体レーザー38からλ２＝0.85μｍの光を、光フアイバー
36Bから導入する。 光発生部34Cからチエレンコフ光として発生する和周
波光（λ３＝0.55μｍ）は、光電子増倍管40で受光さ
れ、信号処理部42で処理されて、測定値が得られる。こ
のときの光導波路34における変換効率は、ポンプ光の出
力を40mwとすれば、約１％程度が得られる。 前記光電子増倍管40で、直接λ１＝1.55μｍの被測定
光を測定した場合と比較して100倍の感度向上が得られ
る。 即ち、前記光電子増倍管40は、λ１光に比較して、λ
３光に対しては１万倍の感度を持ち、和周波光λ３発生
の変換効率が１％であるので、結局、光電子増倍管40
は、直接λ１光を測定する場合と比較して、100倍の感
度となる。 ここで、ポンプ光であるλ２光をパルス光とすると、
λ３光は、λ１光をポンプ光でサンプリングしたものと
なる。 この場合、λ２のタイミングをλ１に対して徐々にず
らしていくと、光サンプリング・オシロスコープが実現
できる。 このときの時間分解能は、光電子増倍管40の能力によ
るものでなく、λ２光のパルス幅に依存するので、1ps
以下の時間分解能が容易に得られる。 次に第15図に示される本発明の第８実施例について説
明する。 この第８実施例は、前記第13図の第６実施例における
直線状の光発生部34Cの代わりに、円形の光発生部34Eを
設けたものである。 この第８実施例では、光発生部34Eの相互作用長を実
質的に無限大にできるので、高効率で波長変換を行うこ
とができる。又、光発生部34Eは円形であるので、出力
光であるλ・光は全ての方向から取出すことができる。 次に第16図に示される本発明の第９実施例について説
明する。 この第９実施例は、円形の光発生部34Eに対して直線
状光導入部34F、34Gを、円形の光発生部34Eに対して反
対方向から、且つ、同一接線方向に、接続したものであ
る。 又、λ１光及びλ２を導入する光フアイバー36A、36B
は、これら直線状光導入部34F及び34Gに独立して接続さ
れている。 この第９実施例の場合は、前記第８実施例等と比較し
て、合流部が不要となり、光導波路の構成が容易であ
る。 又、直線状光導入部34F及び34Gを任意の方向から円形
光発生部34Eにその接線方向に接続できるので、光フア
イバー36A、36Bの取り回しの自由度が非常に大きくな
る。 上記、第６〜第９実施例において、波長変換光を一方
向に取り出したい場合は、前記第５図に示されると同様
に、例えば、円錐形の全反射ミラーと集光レンズを用い
ればよい。 なお上記実施例において、和差周波発生素子で、光フ
アイバーから光導入部を介して光発生部にλ１光及びλ
２光を導入する場合、光発生部を直線状あるいは円形状
としたものであるが、これは、例えば、第11図あるいは
第12図に示されるようにスパイラル状又はスパイラル状
の端部に反射ミラーを設けた光発生部であつてもよい。
更に、第７図あるいは第８図に示されるような、リング
型光導波路としてもよい。 更に、上記各実施例において、光発生部は、三角形の
リング形状、円形、スパイラル状以外の形状であつて
も、実質的に相互作用長を長く取ることができ、且つ装
置面積を大きくしないものであればよい。 又、上記実施例は、チェレンコフ放射型波長変換素子
についてのものであるが、本発明はこれに限定されるも
のでなく、位相整合させて、出射光を入力光と異なる方
向に出力させることが可能な他の波長変換素子にも適用
されるものである。
本発明は、上記のように構成したので、波長変換素子
においてこれを大型化することなく、実質的な相互作用
長を増大して、高い変換効率を得ることができるという
優れた効果を有する。 又、光導波路を、光入路及びこれに滑かに接続する湾
曲光導波路から構成しているので、小型であつても更に
相互作用長を大きくすることができ、変換効率をより向
上させることができる。 更に又、波長変換素子を和差周波発生素子としたと
き、素子内で２本の光導入部から光発生部に光を導入で
きるので、ダイクロイツクミラー等の合波手段が不要と
なると共に、光フアイバーから直接、光を導入すること
ができるという優れた効果を有する。
においてこれを大型化することなく、実質的な相互作用
長を増大して、高い変換効率を得ることができるという
優れた効果を有する。 又、光導波路を、光入路及びこれに滑かに接続する湾
曲光導波路から構成しているので、小型であつても更に
相互作用長を大きくすることができ、変換効率をより向
上させることができる。 更に又、波長変換素子を和差周波発生素子としたと
き、素子内で２本の光導入部から光発生部に光を導入で
きるので、ダイクロイツクミラー等の合波手段が不要と
なると共に、光フアイバーから直接、光を導入すること
ができるという優れた効果を有する。
第１図〜第６図は本発明の原理を示す断面図、第７図、
第８図は本発明の第１、第２実施例を示す平面図、第９
図は第１、第２実施例の変形例を示す平面図、第10図〜
第12図は本発明の第３〜第５実施例を示す平面図、第13
図は本発明の第６実施例を示す斜視図、第14図は本発明
の第７実施例を示す一部ブツロク図を含む斜視図、第15
図、第16図は本発明の第８、第９実施例を示す斜視図で
ある。 10……基板、12……光導波路、 14、14A、14B、24A、24B、32……全反射ミラー、 16……入射光、18……SHG光、 20、20A〜20C、22、……誘電体多層膜ミラー、 26……集光レンズ、 27……集光材料、 28、34……光導波路、 28A……光導入部、 28B……円形光導波路、 29、36A、36B……光フアイバー、 30……（スパイラル状）光導波路、 34A……光導入部、 34B……合流部、 34C……光発生部、 34D……反射ミラー。
第８図は本発明の第１、第２実施例を示す平面図、第９
図は第１、第２実施例の変形例を示す平面図、第10図〜
第12図は本発明の第３〜第５実施例を示す平面図、第13
図は本発明の第６実施例を示す斜視図、第14図は本発明
の第７実施例を示す一部ブツロク図を含む斜視図、第15
図、第16図は本発明の第８、第９実施例を示す斜視図で
ある。 10……基板、12……光導波路、 14、14A、14B、24A、24B、32……全反射ミラー、 16……入射光、18……SHG光、 20、20A〜20C、22、……誘電体多層膜ミラー、 26……集光レンズ、 27……集光材料、 28、34……光導波路、 28A……光導入部、 28B……円形光導波路、 29、36A、36B……光フアイバー、 30……（スパイラル状）光導波路、 34A……光導入部、 34B……合流部、 34C……光発生部、 34D……反射ミラー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−112024（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−186327（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−254427（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/37
Claims (13)
- 【請求項１】非線形光学材料からなる光導波路を含む波
長変換素子において、前記光導波路の端部に、伝搬され
る導波光を反射させる反射手段を設けると共に、前記光
導波路を、前記反射手段により順次リング状に連結され
た複数の光導波路から構成されたリング型光導波路とし
たことを特徴とする波長変換素子。 - 【請求項２】非線形光学材料からなる光導波路を含む波
長変換素子において、前記光導波路の端部に、伝搬され
る導波光を反射させる反射手段を設けると共に、前記光
導波路を、２本の略平行な直線状の光導入部と、両者を
滑らかに合流させる合流部と、この合流部に接続される
１本の直線状の光発生部と、からなる略Ｙ字形状とし、
前記反射手段を前記光発生部の端部に配置したことを特
徴とする波長変換素子。 - 【請求項３】請求項１又は２において、前記反射手段の
少なくとも１つは誘電体多層膜ミラーである波長変換素
子。 - 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記
光導波路への光入力に対して、発生するSHG光及び和差
周波光の少なくとも一方を所定の方向に導く反射手段を
備えたことを特徴とする波長変換素子。 - 【請求項５】非線形光学材料からなる光導波路を含む波
長変換素子において、前記光導波路は、光入路及びこれ
に滑らかに接続する円形無端状の湾曲光導波路から構成
されていることを特徴とする波長変換素子。 - 【請求項６】非線形光学材料からなる光導波路を含む波
長変換素子において、前記光導波路は、光入路及びこれ
に滑らかに接続するスパイラル状の湾曲光導波路から構
成されていることを特徴とする波長変換素子。 - 【請求項７】請求項６において、前記スパイラル状湾曲
光導波路の前記光入路と反対側の端部に、伝搬される導
波光を反射させる反射手段を備えたことを特徴とする波
長変換素子。 - 【請求項８】請求項５、６又は７において、前記光入路
は複数とされたことを特徴とする波長変換素子。 - 【請求項９】請求項５乃至８のうちいずれかにおいて、
前記光入路は、２本の略平行な直線状の光導波部と、両
者を滑らかに合流させる合流部と、一端がこの合流部に
接続され、他端が前記湾曲光導入部に、その接線方向に
接続される接続部と、から略Ｙ字形状に構成されたこと
を特徴とする波長変換素子。 - 【請求項１０】請求項５乃至９のうちいずれかにおい
て、前記光入路は複数であつて、前記湾曲光導波路の湾
曲部に対して、少なくとも該湾曲部への接続部が、該湾
曲部の接線方向に接続されたことを特徴とする波長変換
素子。 - 【請求項１１】請求項１乃至10のうちいずれかにおい
て、前記光入路の光導入端には、光フアイバーの光出力
端が接続されたことを特徴とする波長変換素子。 - 【請求項１２】請求項１乃至11のうちいずれかにおい
て、光導波路から多方向に出射する出力光を一点に集光
するミラー及び集光部材を設けたことを特徴とする波長
変換素子。 - 【請求項１３】請求項１乃至12のうちのいずれかにおい
て、前記光導波路は、SHG素子及び和差周波発生素子の
一方により形成されたことを特徴とする波長変換素子。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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