JP2822778B2

JP2822778B2 - 波長変換素子

Info

Publication number: JP2822778B2
Application number: JP4147048A
Authority: JP
Inventors: 義徳太田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-06-08
Filing date: 1992-06-08
Publication date: 1998-11-11
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: JPH05341344A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、半導体レーザ用波長変換
素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】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０．６３μｍ〜１．５５μｍの赤色から近
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、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。

【０００４】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、光の回折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、比較的高い変換効率で波
長変換素子を実現できる可能性が起こって来た。

【０００５】その様な例として、タンタル酸リチウム結
晶のＣ板に自発分極の反転周期構造を形成し、この周期
格子ベクトル方向に平行して光導波路を形造り、この光
導波路に近赤外光を透過し、同じ導波路を導波される２
次高調波を得る方式のＳＨＧ素子の構造の提案並びに基
本的な特性を実験的に実証した例がある（「半導体レー
ザを用いた分極反転型ＬｉＴａＯ₃ＳＨＧ素子によるブ
ルー光発生」；山元和久、水内公典、谷内哲夫、第５２
回応用物理学会学術講演予稿集所収１１ｐ−ＺＮ−９、
平成３年９月１１日）。この方式のＳＨＧ素子は、基本
波からＳＨＧ波へと同じ偏光成分間への変換に関与し、
通常最も高い値の非線形光学定数であるｄ₃₃を利用でき
るような位相整合条件を、自発分極の反転周期を介する
ことに拠って実現しており、高い変換効率を可能にして
いる。しかしながら、入射させる光の波長の許容幅がき
わめて狭く、個体差の発振波長のばらつきの大きい半導
体レーザの選別を必要とし、素子そのものや、半導体レ
ーザ各々に精密な温度調節を行なう必要があるという欠
点を持つ。温度の変化による屈折率の変動や、入射波長
の変動にたいしても絶えず位相整合条件が保たれ、波長
トレランスの大きい、安定した波長変換が行なわれるデ
バイスの新しい構成の発明が必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来例における
課題である入射波長変動許容幅の狭さは、位相整合の条
件が一点波長でのみ満たされる構成になっていることに
起因する。すなわち、強誘電体を含む多くの誘電体では
屈折率の波長分散があり、短波長特に青色付近で屈折率
が急激に上昇する。入射波長の或特定の波長で素子を設
計しても、入射波長が僅かでも変動すると、それに対応
する１／２波長の屈折率の変化は大きく、位相整合の仲
立ちをする分極反転の格子周期が単一であるため、整合
の条件からすぐにはずれ、変換効率が極端に低下する。
温度変動による屈折率変化にたいしても同様である。

【０００７】この難点を解除する方法として、位相整合
化の仲立ちの働きをする自発分極反転の格子ピッチを分
散分布させる提案がある（「Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＷａｖｅｇｕｉｄｅＳｅｃ
ｏｎｄ−ＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＰｈ
ａｓｅＭａｔｃｈｅｄｗｉｔｈＵｎｉｆｏｒｍ
ａｎｄＣｈｉｒｐｅｄＧｒａｔｉｎｇｓ（均一周期
及びチャープ周期格子によって位相整合する導波路第２
次高調波発生の理論的解析）」；楢原敏明、西原浩
共著、ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕ
ｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．
７，ｐｐ１２６５−１２７６（１９９０）所収）。

【０００８】分極反転の格子ピッチを分散分布させる方
法は、概念的には有効な方法である。しかしながら、単
にこれだけでは、実質的には実現が困難で、有効性にも
難点がある。

【０００９】その第一は、前にも述べた通り、屈折率の
波長分散は、青色波長近辺では屈折率が大きく増大す
る。このため、近赤外波長の屈折率との間で位相整合を
取るためには、分極反転の格子の周期はニオブ酸リチウ
ム結晶では３μｍ、タンタル酸リチウム結晶でも３．６
μｍであり、このため、反転分域の幅はその半分の１．
５μｍや１．８μｍとそれぞれ極めて細くなる。自発分
極の反転分域を形成する方法は数多く見い出されている
が、いずれも１μｍを切る精度は無い。従って、格子周
期を３μｍ周辺で徐々に変化し、分散させて設けること
は困難である。周知の如く、反転させた領域の値と、反
転させない領域の比が１：１に近くないと変換効率が低
下する。

【００１０】また、屈折率の波長分散は、近赤外領域で
は小さく青色波長近辺で大きいということは、素子に波
長許容幅を広く持たせるためには、分極反転の格子周期
の分散幅を大きくとらなければならず、素子サイズの増
大を招き、作製を難しくし、変換された青色光は散乱や
吸収を多く受け、素子特性が低下する。この難点を回避
するためには、何らかの別な手段を導入して、分極反転
の格子周期を１桁以上大きくし、導波光の等価屈折率の
波長による分散の大きさを、近赤外光領域と青色領域と
で同程度にすることが必要である。

【００１１】また、問題点の第二は、単に分極反転の格
子ピッチを分散分布させるだけでは、まだ波長が変動す
ると変換効率が激しく変動する。何故ならば、素子上に
実際に分散して設けられる格子周期の範囲（空間周波数
範囲）は一定範囲に限られるため、回折効果が生じる。
すなわち、基本波と二次高調波との位相定数不整合量
（即ち格子による整合の中心の波長からの波長のずれ）
を横軸に、縦軸に変換効率をとって表わすと、光学で云
うフレネルリップルが生じることは、前述の学術論文、
「ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆ
ＷａｖｅｇｕｉｄｅＳｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ
ＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＰｈａｓｅＭａｔｃｈｅｄ
ｗｉｔｈＵｎｉｆｏｒｍａｎｄＣｈｉｒｐｅｄ
Ｇｒａｔｉｎｇｓ（均一周期及びチャープ周期格子に
よって位相整合する導波路第２次高調波発生の理論的解
析）」の図１０にも示されている。このため、基本波を
発生する半導体レーザの発振波長の温度変動や駆動電流
変動によって、二次高調波の出力が大きく変わり実用に
耐えられない。

【００１２】本発明の目的は、上述した従来提案されて
いる導波型ＳＨＧ素子の持つ難点を取り除き、温度変動
並びに波長変動に対して位相整合条件に冗長性があっ
て、安定度の高い構成の波長変換素子を提供することに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】２次の非線形光学効果を
有する強誘電体結晶の表面に、その周期が前記結晶の表
面に沿って徐々に変化する自発分極の反転した周期構造
を設け、前記周期構造の周期方向に平行した、チャンネ
ル導波路を形成し、且つ、該チャンネル導波路には、基
本波の波長に於いて透明であって、またその屈折率が、
前記強誘電体結晶の二次高調波の波長に於ける屈折率よ
り大きい値を有する誘電体の薄層を有し、且つ前記チャ
ンネル導波路の光入射端及び光出射端の近傍では各々の
端に向かって、前記自発分極を反転させた領域と反転さ
せない領域の光透過方向への幅の比を１：１よりも単調
に減少または増大させることにより高効率で安定な波長
変換素子が得られる。

【００１４】

【実施例】以下本発明を実施例に基づき図面を用いて詳
細に説明する。

【００１５】図１は本発明の一実施例である導波路構成
の波長変換素子の構造を示す図である。基板１は有用な
２次非線形光学材料であるタンタル酸リチウム（ＬｉＴ
ａＯ₃）結晶板であり、基板方位はＺ板（すなわち、基
板に立てた法線はＺ軸）である。

【００１６】この基板表面には、基本波導波路４と２次
高調波導波路３とが形成されている。基本波導波路４は
基板よりも屈折率の大きい誘電体膜をストライプ状に設
けることによって、また２次高調波導波路３はプロトン
イオン交換法により、基本波導波路に平行に基板１のＹ
軸方向に沿って形成されている。基本波５は前記の基本
波導波路４にＴＭ波（電界の振動方向が基板のＺ軸方
向）として注入される。基本波は基本波導波路４に導か
れて行くうちに、タンタム酸リチウム結晶の持つ最も大
きい２次非線形光学定数ｄ₃₃を介して、基本波と同じ偏
光（ＴＭ波）の２次高調波６を発生する。発生した２次
高調波は２次高調波導波路３に空間的に結合し、これに
導びかれて基板を出射する。基本波から２次高調波光へ
効率よく変換されるためには、上で述べたように、位相
整合条件、即ち材料の屈折率分散によって本質的に存在
する（２次高調波が青の短波長では特に差が大きい）屈
折率の違いを補償する方法がデバイスの構造に設けられ
ていることが必要であり、さらに、ＬＤ光である基本波
の波長が温度等で揺らいでも安定に変換されることが必
要である。このために、本発明では以下に説明する構造
上の工夫を有している。

【００１７】図１において、タンタル酸リチウム結晶１
の表面に導波路３，４を設ける前に、位相整合を取るた
めに、自発分極の反転分域２がＹ軸方向に周期配列して
格子状に形成してある。そして、この格子ピッチは図３
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、光の進行方向に
徐々に変化するように形成してある。更に、基本波導波
路４は、基板１の上に誘電体の膜がスパッタ法や蒸着法
等の成膜方法によって薄くストライプ状に付けて構成す
る装荷型の導波路である。この膜は光学特性上、次の条
件を有する。すなわち、基本波の波長の光に対しては透
明であり、その波長における固有の屈折率の大きさは、
ＬｉＴａＯ₃の２次高調波の波長における異常光屈折率
ｎ_eよりも大きい。この様な材料としては、例えば燐化
ガリウム（ＧａＰ）等が上げられる。その厚さは、基本
波導波路４の基本波波長での等価屈折率が、プロトンイ
オン交換で形成した２次高調波導波路３の２次高調波波
長に於ける等価屈折率（これはほぼ基板であるニオブ酸
リチウム結晶の２次高調波の波長でなｎ_e）と同程度の
大きさになるように、数１０ｎｍ程度と薄く設けてあ
る。

【００１８】上記のような構造にすることによって、装
荷された導波路の等価屈折率は、図２に示すような値を
とる。すなわち、２次高調波導波路３の等価屈折率の波
長による変化は、基板の屈折率分散とほぼ同じで曲線１
１のようになる。基本波導波路４では、屈折率の高いＧ
ａＰの装荷効果を受けて等価屈折率は高くなり、曲線１
２のようになる。装荷膜が無い場合、基板の屈折率の分
散に従って、０．８３μｍの基本波の屈折率は２．１６
程度で、２次高調波０．４１５μｍ光に対しては２．２
７で、それらの差は０．１１もある。これに対して、Ｇ
ａＰの膜を付けたとき（図２の曲線１２）、基本波の屈
折率は２．２６程度となって、２次高調波のそれとの差
は、０．０１以下となる。このため、装荷膜が無いと
き、反転分域のピッチは３μｍと極めて細かさを必要と
し、ピッチを空間的に徐々に変化させて設けるのが困難
なのに対して、装荷膜を付けた場合には、そのピッチは
３０μｍ以上と大きなものとなり、ピッチを空間的に徐
々に変化させて設けることは容易である。これに拠っ
て、波長許容範囲が広くなる。

【００１９】また、図２に示すように、装荷膜が無い場
合（曲線１１）、基本波波長付近での屈折率の波長変化
と、２次高調波波長付近でのそれとは大幅に異なるのに
対して、装荷膜を付けた場合の基本波波長付近の曲線１
２の傾きは、２次高調波のそれに近くなる。このこと
は、基本波波長がずれた場合にも、自発分極の格子ピッ
チの整合に寄与する周期の値の変化は大きくないことを
意味し、分散の幅は、広く設けておく必要が無いことを
意味する。

【００２０】さらに、自発分極の反転格子の反転させた
領域と反転させない領域の光透過方向へのそれらの幅の
比は一様ではなく、入射端付近と出射端付近ではその比
が１：１からずれるように形成してある。基本波導波路
４から２次高調波導波路３への波長変換の効率は、材料
定数である非線形光学定数ｄ₃₃の大きさだけでなく、前
述の如く反転／非反転の領域の幅の比が関係する。も
し、この領域の幅の比が終始一様であると、前述の論文
が説くように、波長変化に対する変換効率の大きな変動
を来す。すなわち、ピッチをチャープ化して設ける反転
周期のそのチャープ範囲は有限にならざるを得ないため
（図４（ａ））、波長変化によって２次高調波導波路３
に現われる変換光の強度は図４（ｂ）に示すように、激
しいリップル特性を持ち、基本波の発振源が半導体レー
ザでは実用が困難である。図３（ｂ）のように入射端付
近と出射端付近ではその比が、端に向かって１：１より
徐々に低下するように形成してあると、そこでは、等価
的に非線形効果が低下していることになり（図５
（ａ））、リップル特性が抑圧される（図５（ｂ））。
このため、半導体レーザの発振光の変動に対しても、安
定した波長変換が可能となる。導波路が空間的に離れて
いる効果は、副次的に２次高調波出射端での基本波と２
次高調波との空間的分離が容易となり、分離のための波
長フィルタを不要とする。

【００２１】上記の実施例では、基本波の導波路４は、
基板上に単に高屈折率膜を設けただけの装荷型導波路の
場合（図６（ａ））を述べたが、他の形成方法として
は、２次高調波導波路３と同じように基本波の導波路４
を設け、その表面に高屈折率膜１０を設ける方法（図６
（ｂ）及び（ｃ））でもよい。

【００２２】更に、方向成結合器の２つの導波路間の空
間結合を極端に大きくした場合、図６（ｄ）に示すよう
に、基板にイオン交換法等で１本のチャンネル導波路を
設け、その上にＳｉＯ₂等の低屈折率の薄い誘電体層で
覆い、更にその上からＧａＰ等の高屈折率装荷膜を被せ
る構成でもよい。この場合、基本波は低屈折率層を通し
て高屈折率膜の装荷効果を受け位相速度を低下される。
２次高調波は低屈折率層のバッファ効果を受け、その上
の高屈折率層の吸収効果を受けることのない、基板表面
のイオン交換層に局在したモードが、自発分極の反転格
子を介して基本波と位相整合する。この構造の場合に
は、基本波と２次高調波とのモード分布の重なりが強い
ため、図６（ａ）〜（ｃ）の場合に較べて素子長が短く
なる。

【００２３】上記の実施例では、結晶基板としてＺ板を
用い、導波モードとしてＴＭ波を利用する場合を述べた
が、勿論、Ｙ（またはＸ）板、ＴＥ板を利用する事もで
きる。またｄ₃₃を利用することを述べたが、ｄ₁₃を利用
してもよい。

【００２４】本発明の構造は、周囲温度の変化による屈
折率の変化、入射波の波長の変動やばらつき、装荷膜の
厚さや屈折率の設定誤差が多少あっても、変換効率の変
動は小さいという特徴を持つ。すなわち、製作精度、温
度、波長にたいする許容度や余裕度が広い。

【００２５】また、非線形結晶として、タンタル酸リチ
ウム結晶の場合を述べたが、ニオブ酸リチウム結晶やチ
タン酸燐酸カリウム等非線形光学効果の大きく、自発分
極の反転が可能な他の無機物結晶を用いることもでき
る。また無機物結晶に留まらず、高分子材料を用いても
同様の効果が得られる。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明のように、本発明によれば高
効率でしかも安定な導波路型の波長変換素子が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】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。

【図２】非線形光学結晶の屈折率の波長分散特性を表わ
す図。

【図３】基板結晶上に形成する反転分極格子の周期ピッ
チを示す図。

【図４】従来技術における変換光強度特性を示す図。

【図５】本発明における変換光強度特性を示す図。

【図６】チャンネル導波路の構成を示す断面図。

【符号の説明】

１基板（ＬｉＴａＯ₃結晶）２反転分域３２次高調波導波路４基本波導波路５入射基本波６２次高調波

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２次の非線形光学効果を有する強誘電体
結晶の表面に、その周期が前記結晶の表面に沿って徐々
に変化する自発分極の反転した周期構造を設け、前記周
期構造の周期方向に平行して、チャンネル導波路を形成
し、且つ、該チャンネル導波路には、基本波の波長に於
いて透明であって、またその屈折率が、前記強誘電体結
晶の二次高調波の波長に於ける屈折率より大きい値を有
する誘電体の薄層を有し、且つ前記チャンネル導波路の
光入射端及び光出射端の近傍では各々の端に向かって、
前記自発分極を反転させた領域と反転させない領域の光
透過方向への幅の比を１：１よりも単調に減少または増
大させたことを特徴とする波長変換素子。