JP2835087B2 - 波長変換光学素子 - Google Patents
波長変換光学素子Info
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- JP2835087B2 JP2835087B2 JP1196831A JP19683189A JP2835087B2 JP 2835087 B2 JP2835087 B2 JP 2835087B2 JP 1196831 A JP1196831 A JP 1196831A JP 19683189 A JP19683189 A JP 19683189A JP 2835087 B2 JP2835087 B2 JP 2835087B2
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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
- G02F1/372—Means for homogenizing the output beam
Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、光情報処理や光計測等に用いる短波長の光
源を得るための波長変換光学素子に係わり、特に光導波
路と波面変換素子とを組み合わせた波長変換光学素子に
関する。
源を得るための波長変換光学素子に係わり、特に光導波
路と波面変換素子とを組み合わせた波長変換光学素子に
関する。
（従来の技術） 近年、高密度光ディスクシステム，計測及び表示シス
テム等への応用を目的として、短波長のコヒーレント光
源の開発が進められている。光ディスクシステムでは、
ディスク面上に絞られる光のスポット径が光源の波長に
比例するため、高密度化を実現するには短波長の光源が
必須である。
テム等への応用を目的として、短波長のコヒーレント光
源の開発が進められている。光ディスクシステムでは、
ディスク面上に絞られる光のスポット径が光源の波長に
比例するため、高密度化を実現するには短波長の光源が
必須である。
短波長の光源として、半導体レーザは小型，軽量，低
消費電力という利点を持つため、新しい材料を用いた短
波長のレーザの開発が進められており、既に0.6μｍ帯
（赤色）に発振波長を持つInGaAlP系半導体レーザは実
用化のレベルに至っている。しかしながら、さらに短波
長の緑色或いは青色のレーザについては研究は行われて
いるものの、室温で連続発振するレーザは得られておら
ず、実用化の見通しは未だついていない。
消費電力という利点を持つため、新しい材料を用いた短
波長のレーザの開発が進められており、既に0.6μｍ帯
（赤色）に発振波長を持つInGaAlP系半導体レーザは実
用化のレベルに至っている。しかしながら、さらに短波
長の緑色或いは青色のレーザについては研究は行われて
いるものの、室温で連続発振するレーザは得られておら
ず、実用化の見通しは未だついていない。
一方、短波長の光源を実現する他の手段として、非線
形光学結晶を用いた光第２高調波発生（SHG）があり、
従来より多くの研究が行われている。小型，低消費電力
を実現させるため、基本波光源として半導体レーザを用
い、非線形光学結晶を導波路化する試みが行われてお
り、例えば第15図に示したようなプロトン交換LiNbO3導
波路を用いて、半導体レーザの光第２高調波として青色
光源が得られている（T.Taniuchi et al.:Opto-electro
nics,Vol.2,No.1,pp53-58（1987.）。なお、図中100はL
iNbO3基板、101は導波部、104は基本波、106は出射光
（光第２高調波）を示している。この方式は、チェレン
コフ放射により光第２高調波を導波路基板内へ放射させ
るもので、従来のSHG方式に比べ、角度制御，温度制御
による位相整合が不要であるという利点を持つ。
形光学結晶を用いた光第２高調波発生（SHG）があり、
従来より多くの研究が行われている。小型，低消費電力
を実現させるため、基本波光源として半導体レーザを用
い、非線形光学結晶を導波路化する試みが行われてお
り、例えば第15図に示したようなプロトン交換LiNbO3導
波路を用いて、半導体レーザの光第２高調波として青色
光源が得られている（T.Taniuchi et al.:Opto-electro
nics,Vol.2,No.1,pp53-58（1987.）。なお、図中100はL
iNbO3基板、101は導波部、104は基本波、106は出射光
（光第２高調波）を示している。この方式は、チェレン
コフ放射により光第２高調波を導波路基板内へ放射させ
るもので、従来のSHG方式に比べ、角度制御，温度制御
による位相整合が不要であるという利点を持つ。
しかしながら、チェレンコフ放射光は軸上に分布した
発光源から放射される複雑な波面を有しているため、出
射光の第２高調波のコリメート或いは集光を行うには特
殊な光学系を必要とし、ビームを回折限界のスポット径
にまで絞ることは困難である。等方媒質中で軸上に分布
した発光源から放射される光は円錐波と呼ばれており、
このような円錐波は例えばアクシコンと呼ばれる光学素
子（J.H.McLeod:J.Opt.Soc.Am.,Vol.44,No.8,pp.592-59
7（1954））により、コリメートすることが可能であ
る。アクシコンの代表的な例としては円錐プリズムがあ
る。
発光源から放射される複雑な波面を有しているため、出
射光の第２高調波のコリメート或いは集光を行うには特
殊な光学系を必要とし、ビームを回折限界のスポット径
にまで絞ることは困難である。等方媒質中で軸上に分布
した発光源から放射される光は円錐波と呼ばれており、
このような円錐波は例えばアクシコンと呼ばれる光学素
子（J.H.McLeod:J.Opt.Soc.Am.,Vol.44,No.8,pp.592-59
7（1954））により、コリメートすることが可能であ
る。アクシコンの代表的な例としては円錐プリズムがあ
る。
ところが、先に述べたLiNbO3中のチェレンコフ放射光
は完全な円錐波とはならない。これは、一般に非線形光
学結晶の屈折率が光の伝搬方向及び偏向方向によって異
なることによる。即ち、LiNbO3基板中に放射される第２
高調波も方向によって出射角が異なり、軸対称とはなら
ない。従って、このようなビームを軸対称のアクシコン
を用いてコリメートすることはできない。
は完全な円錐波とはならない。これは、一般に非線形光
学結晶の屈折率が光の伝搬方向及び偏向方向によって異
なることによる。即ち、LiNbO3基板中に放射される第２
高調波も方向によって出射角が異なり、軸対称とはなら
ない。従って、このようなビームを軸対称のアクシコン
を用いてコリメートすることはできない。
（発明が解決しようとする課題） このように従来、位相整合が不要のチェレンコフ放射
を利用するSHGでは、基板の異方性により出射ビームが
軸対称とはならないため、出射ビームをコリメート或い
は集光させることは困難であった。
を利用するSHGでは、基板の異方性により出射ビームが
軸対称とはならないため、出射ビームをコリメート或い
は集光させることは困難であった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、チェレンコフ放射により光導波路
から出射される軸対称性を持たない第２高調波ビームを
コリメート或いは集光させることができ、小型で短波長
の光源の実用化に寄与し得る波長変換光学素子を提供す
ることにある。
目的とするところは、チェレンコフ放射により光導波路
から出射される軸対称性を持たない第２高調波ビームを
コリメート或いは集光させることができ、小型で短波長
の光源の実用化に寄与し得る波長変換光学素子を提供す
ることにある。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、光導波路端面から出射される第２高
調波ビームのコリメート或いは集光を可能とするため
に、波面変換素子を楕円若しくは同心円パターンの回折
格子で形成し、半径方向に関する回折格子の等価的な格
子ピッチを第２高調波ビームの広がり角に応じて変える
ことにある。
調波ビームのコリメート或いは集光を可能とするため
に、波面変換素子を楕円若しくは同心円パターンの回折
格子で形成し、半径方向に関する回折格子の等価的な格
子ピッチを第２高調波ビームの広がり角に応じて変える
ことにある。
即ち本発明は、導波層及び基板の少なくとも一方が非
線形光学材料で形成され、基本波が導波モード，第２高
調波がチェレンコフ放射光となるように導波部層び基板
の屈折率が設定された光導波路と、この光導波路の光出
射端面に接して又は対向して設けられ、該端面から出射
された光の波面を変換する波面変換素子とを備えた波長
変換光学素子において、前記波面変換素子を楕円パター
ンの一部からなる回折格子で形成するようにしたもので
あり、望ましくは光第２高調波の波長における常光及び
異常光に対する前記基板の屈折率をそれぞれn0,neとし
たとき、前記楕円パターンの長軸と短軸との比がn0：ne
となるように設定したものである。
線形光学材料で形成され、基本波が導波モード，第２高
調波がチェレンコフ放射光となるように導波部層び基板
の屈折率が設定された光導波路と、この光導波路の光出
射端面に接して又は対向して設けられ、該端面から出射
された光の波面を変換する波面変換素子とを備えた波長
変換光学素子において、前記波面変換素子を楕円パター
ンの一部からなる回折格子で形成するようにしたもので
あり、望ましくは光第２高調波の波長における常光及び
異常光に対する前記基板の屈折率をそれぞれn0,neとし
たとき、前記楕円パターンの長軸と短軸との比がn0：ne
となるように設定したものである。
また本発明は、導波層及び基板の少なくとも一方が非
線形光学材料で形成され、基本波が導波モード，第２高
調波がチェレンコフ放射光となるように導波層及び基板
の屈折率が設定された光導波路と、この光導波路の光軸
に垂直な光出射端面に接して又は対向して設けられ、該
端面から出射された光の波面を変換する波面変換素子と
を備えた波長変換光学素子において、前記波面変換素子
を等間隔の同心円パターンの一部からなる回折格子で形
成し、且つ前記光出射端面及び波面変換素子の少なくと
も一方を、前記導波層に垂直な面から傾けて配置するよ
うにしたものであり、望ましくは前記光出射端面及び波
面変換素子の傾き角が同じとなるように設定したもので
ある。
線形光学材料で形成され、基本波が導波モード，第２高
調波がチェレンコフ放射光となるように導波層及び基板
の屈折率が設定された光導波路と、この光導波路の光軸
に垂直な光出射端面に接して又は対向して設けられ、該
端面から出射された光の波面を変換する波面変換素子と
を備えた波長変換光学素子において、前記波面変換素子
を等間隔の同心円パターンの一部からなる回折格子で形
成し、且つ前記光出射端面及び波面変換素子の少なくと
も一方を、前記導波層に垂直な面から傾けて配置するよ
うにしたものであり、望ましくは前記光出射端面及び波
面変換素子の傾き角が同じとなるように設定したもので
ある。
（作用） 本発明によれば、波面変換素子を形成する回折格子を
楕円パターンとすることにより、異なる半径方向で回折
格子の格子ピッチが異なることになり、異なる半径方向
でそれぞれ第２高調波ビームの広がり角に応じた格子ピ
ッチを設定することができる。従って、チェレンコフ放
射方式による光導波型SHGにおいて、軸対称性を持たな
い光第２高調波のコリメート或いは集光が可能となる。
また、回折格子を同心円パターンとしても光出射端面及
び波面変換素子の少なくとも一方を、導波層に垂直な面
から傾けて配置することにより、楕円パターンとした場
合と同様に、異なる半径方向でそれぞれ第２高調波ビー
ムの広がり角に応じた格子ピッチを設定することがで
き、軸対称性を持たない光第２高調波のコリメート或い
は集光が可能となる。
楕円パターンとすることにより、異なる半径方向で回折
格子の格子ピッチが異なることになり、異なる半径方向
でそれぞれ第２高調波ビームの広がり角に応じた格子ピ
ッチを設定することができる。従って、チェレンコフ放
射方式による光導波型SHGにおいて、軸対称性を持たな
い光第２高調波のコリメート或いは集光が可能となる。
また、回折格子を同心円パターンとしても光出射端面及
び波面変換素子の少なくとも一方を、導波層に垂直な面
から傾けて配置することにより、楕円パターンとした場
合と同様に、異なる半径方向でそれぞれ第２高調波ビー
ムの広がり角に応じた格子ピッチを設定することがで
き、軸対称性を持たない光第２高調波のコリメート或い
は集光が可能となる。
（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。
る。
第１図は本発明の第１の実施例に係わる波長変換光学
素子の概略構成を示す斜視図である。図中10はLiNbO3基
板であり、この基板10上に導波部11を形成して光導波路
が構成されている。この光導波路の光出射端面13に対向
又は接して、楕円パターンの回折格子からなる波面変換
素子12が配置されている。そして、光入射端面から導波
部11内に基本波14が入射され、基板10中に伝搬したチェ
レンコフ放射光（光第２高調波）15が光出射端面13から
出射され、さらにこの放射光15が波面変換素子12により
平行光16に変換されるものとなっている。
素子の概略構成を示す斜視図である。図中10はLiNbO3基
板であり、この基板10上に導波部11を形成して光導波路
が構成されている。この光導波路の光出射端面13に対向
又は接して、楕円パターンの回折格子からなる波面変換
素子12が配置されている。そして、光入射端面から導波
部11内に基本波14が入射され、基板10中に伝搬したチェ
レンコフ放射光（光第２高調波）15が光出射端面13から
出射され、さらにこの放射光15が波面変換素子12により
平行光16に変換されるものとなっている。
ここで、基本波14の波長λ１及び光第２高調波15の波
長λ２（＝λ１/2）に対する基板10の屈折率をそれぞれ
n1,n2とすると、 n1＜nEFF＜n2 …（１） を満たすように基板10の材料が選択されている。但
し、nEFFは光導波路の基本波に対する実効屈折率であ
る。LiNbO3は非線形光学定数d33が大きな値を持ってい
るため、このd33を利用できるように基板方位，基本波
の伝搬方向及び偏光方向が選ばれている。即ち、基板と
してｚ板を用いる場合には基本波の導波モードはｙ伝搬
（又はｘ伝搬）のTMモードであり、ｘ板（又はｙ板）を
用いる場合には基本波の導波モードはｙ伝搬（又はｘ伝
搬）のTEモードである。
長λ２（＝λ１/2）に対する基板10の屈折率をそれぞれ
n1,n2とすると、 n1＜nEFF＜n2 …（１） を満たすように基板10の材料が選択されている。但
し、nEFFは光導波路の基本波に対する実効屈折率であ
る。LiNbO3は非線形光学定数d33が大きな値を持ってい
るため、このd33を利用できるように基板方位，基本波
の伝搬方向及び偏光方向が選ばれている。即ち、基板と
してｚ板を用いる場合には基本波の導波モードはｙ伝搬
（又はｘ伝搬）のTMモードであり、ｘ板（又はｙ板）を
用いる場合には基本波の導波モードはｙ伝搬（又はｘ伝
搬）のTEモードである。
波長λ１の基本波14がこの光導波路端面に入射する
と、LiNbO3の非線形光学効果によって、この光がλ１/2
の光第２高調波に変換され、導波部11に対しθＣの角度
を持ったチェレンコフ放射光15として基板10中を伝搬す
る。θＣはnEFF及びn2と次の関係にある。
と、LiNbO3の非線形光学効果によって、この光がλ１/2
の光第２高調波に変換され、導波部11に対しθＣの角度
を持ったチェレンコフ放射光15として基板10中を伝搬す
る。θＣはnEFF及びn2と次の関係にある。
n2 cos θＣ＝nEFF …（２） このチェレンコフ放射光は基板端面13で屈折され、角
度θで空気中に放射される。ここで、θ０とθＣとは以
下の関係にある。
度θで空気中に放射される。ここで、θ０とθＣとは以
下の関係にある。
n2 sin θC=sin θ0 …（３） 空気中へ放射された第２高調波は波面変換素子12によ
って平行光16に変換される。この平行光16は、通常のレ
ンズで回折限界のスポット径にまで絞ることが可能であ
る。波面変換素子12の構造例を第２図に示す。図に示し
たように、波面変換素子12は楕円パターンの一部からな
る回折格子で形成されている。この回折格子は、直交す
る２方向でそれぞれ、Λ１，Λ２の格子間隔を持ってい
る。
って平行光16に変換される。この平行光16は、通常のレ
ンズで回折限界のスポット径にまで絞ることが可能であ
る。波面変換素子12の構造例を第２図に示す。図に示し
たように、波面変換素子12は楕円パターンの一部からな
る回折格子で形成されている。この回折格子は、直交す
る２方向でそれぞれ、Λ１，Λ２の格子間隔を持ってい
る。
次に、上記の波面変換素子の原理について説明する。
まず、第２高調波に対する基板の屈折率を求めるため、
第３図に示したような屈折率楕円体を考える。ここで、
基本波導波モードの伝搬方向をｘとし、その偏光方向と
同じ方向にベクトル▲▼をとる。第２高調波の進行
方向を表わすポインティングベクトルを，第２高調波
の偏光方向に一致し、絶対値が第２高調波に対する屈折
率の大きさであるようなベクトルを▲▼とする。
とｘ軸とのなす角をθ、ｓのyz面への投影とｚ軸とのな
す角をψとすると、は次式で表わされる。
まず、第２高調波に対する基板の屈折率を求めるため、
第３図に示したような屈折率楕円体を考える。ここで、
基本波導波モードの伝搬方向をｘとし、その偏光方向と
同じ方向にベクトル▲▼をとる。第２高調波の進行
方向を表わすポインティングベクトルを，第２高調波
の偏光方向に一致し、絶対値が第２高調波に対する屈折
率の大きさであるようなベクトルを▲▼とする。
とｘ軸とのなす角をθ、ｓのyz面への投影とｚ軸とのな
す角をψとすると、は次式で表わされる。
＝（cosθ,sinθ sinφ,sinθ cosφ） …（４） また▲▼，▲▼を とすると、各ベクトルは次の関係を満たす必要があ
る。
る。
(x/n0)2＋(y/n0)2＋(z/ne)2＝１ …（７） ここで、n0,neは第２高調波の波長における常光及び
異常光に対する屈折率を表わす。（４）〜（９）式よ
り、第２高調波に対する屈折率n2は次式で与えられる。
異常光に対する屈折率を表わす。（４）〜（９）式よ
り、第２高調波に対する屈折率n2は次式で与えられる。
上式のθは第１図の構成でチェレンコフ放射角θＣに
相当する。（10）式のn2は（２）式を満たす必要がある
ので、（２），（10）式よりθＣは次式で与えられるこ
とになる。
相当する。（10）式のn2は（２）式を満たす必要がある
ので、（２），（10）式よりθＣは次式で与えられるこ
とになる。
即ち、第１図のような構成では、一般にチェレンコフ
放射角θＣは角度ψによって異なる。ψはｘ板,TE偏光
を用いる場合には導波路面からの角度、またｚ板,TM偏
光を用いる場合にはその余角に相当する。（11）式のψ
依存性により、端面から放射される第２高調波の空気中
での角度θ０もψにより変わる。ｚ軸を含む面内（ψ＝
０）、及びｚ軸に垂直な面内（ψ＝π/2）における、空
気中でのチェレンコフ放射角をそれぞれθ01及びθ02と
すると、（３），（11）式より、 sinθ01＝n0(1-nEFF 2/ne 2)1/2 …（12） sinθ02＝nE(1-nEFF 2/ne 2)1/2 …（13） LiNbO3の場合、n0,neは波長λ［μｍ］及び温度Ｔ
［Ｋ］の関数として、次式で与えられる（H.V.Hobden e
t al.:Phys,Lett.,Vol.23,No.3,pp.243-244（196
6）．）。
放射角θＣは角度ψによって異なる。ψはｘ板,TE偏光
を用いる場合には導波路面からの角度、またｚ板,TM偏
光を用いる場合にはその余角に相当する。（11）式のψ
依存性により、端面から放射される第２高調波の空気中
での角度θ０もψにより変わる。ｚ軸を含む面内（ψ＝
０）、及びｚ軸に垂直な面内（ψ＝π/2）における、空
気中でのチェレンコフ放射角をそれぞれθ01及びθ02と
すると、（３），（11）式より、 sinθ01＝n0(1-nEFF 2/ne 2)1/2 …（12） sinθ02＝nE(1-nEFF 2/ne 2)1/2 …（13） LiNbO3の場合、n0,neは波長λ［μｍ］及び温度Ｔ
［Ｋ］の関数として、次式で与えられる（H.V.Hobden e
t al.:Phys,Lett.,Vol.23,No.3,pp.243-244（196
6）．）。
室温（25℃）におけるLiNbO3の屈折率の波長特性を第
４図に示す。基本波及び第２高調波の波長をそれぞれ0.
84μm,0.42μｍとした場合の、（１）〜（３）式におけ
るn1,n2,nEFFの関係を図中に示した。上式を用いて計算
した基板内及び空気中での第２高調波の放射角とΔＮと
の関係を第５図に示す。ここで、ΔＮは導波モードに対
する実効屈折率と基板屈折率との差、即ち ΔＮ＝nEFF−ne（ω） …（16） で与えられ、導波部と基板の屈折率差Δｎ＝n0−n
1（n1＝ne（ω））とは以下の関係にある。
４図に示す。基本波及び第２高調波の波長をそれぞれ0.
84μm,0.42μｍとした場合の、（１）〜（３）式におけ
るn1,n2,nEFFの関係を図中に示した。上式を用いて計算
した基板内及び空気中での第２高調波の放射角とΔＮと
の関係を第５図に示す。ここで、ΔＮは導波モードに対
する実効屈折率と基板屈折率との差、即ち ΔＮ＝nEFF−ne（ω） …（16） で与えられ、導波部と基板の屈折率差Δｎ＝n0−n
1（n1＝ne（ω））とは以下の関係にある。
０＜ΔＮ＜Δｎ …（17） なお、第５図の例では（11）式におけるψが０及びπ
/2の２通りの場合を示した。
/2の２通りの場合を示した。
θＣが（11）式で与えられるとき、この光をコリメー
トする波面変換素子として用いる回折格子の格子間隔は
次式で与えられる。
トする波面変換素子として用いる回折格子の格子間隔は
次式で与えられる。
上式から判るように、チェレンコフ放射角のψ依存性
に対応して、格子間隔Λも角度ψによって変わる。ψ＝
０のときのΛをΛ１、ψ＝π/2のときのΛをΛ２とする
と、Λ１，Λ２はそれぞれ次のように表わされる。
に対応して、格子間隔Λも角度ψによって変わる。ψ＝
０のときのΛをΛ１、ψ＝π/2のときのΛをΛ２とする
と、Λ１，Λ２はそれぞれ次のように表わされる。
Λ１＝ｍλ２／n0／(1-nEFF 2/ne 2)1/2 …（19） Λ２＝ｍλ２／ne／(1-nEFF 2/ne 2)1/2 …（20） ０＜ψ＜π/2ではΛは（19），（20）式の中間の値を
取り、結局、波面変換素子グレーティングの等位相線は
長軸と短軸の比がn0：neの楕円となる。
取り、結局、波面変換素子グレーティングの等位相線は
長軸と短軸の比がn0：neの楕円となる。
第６図に、１次の回折を用いる場合（ｍ＝１）の格子
間隔Λ１，Λ２とΔＮとの関係を示す。グレーティング
加工の観点からはΛが大きい方がよいが、図から、その
ためにはΔＮを大きくする必要があることが判る。第６
図より、ΔＮ＝0.135のとき、nEFF（ω）＝ne（２ω）
となって、θＣ＝θ０＝０となり、このときΛ＝∞とな
る。
間隔Λ１，Λ２とΔＮとの関係を示す。グレーティング
加工の観点からはΛが大きい方がよいが、図から、その
ためにはΔＮを大きくする必要があることが判る。第６
図より、ΔＮ＝0.135のとき、nEFF（ω）＝ne（２ω）
となって、θＣ＝θ０＝０となり、このときΛ＝∞とな
る。
プロトン交換による導波路形成では、異常光に対する
屈折率差が大きくとれることが知られており、例えばΔ
ｎ＝0.13という値が報告されている（谷内他：応用物
理,Vol.56,No.12,pp.1637-1614（1987））。従って、Δ
Ｎを0.1程度に設定することが可能である。このとき、
第６図より、格子間隔Λは約１μｍとなる。この程度の
グレーティングは、例えば電子ビーム描画等により作成
可能である（G.Hatakoshi et al.:Appl.Opt.,Vol.24,N
o.24,pp.4307-4311（1985）．）。
屈折率差が大きくとれることが知られており、例えばΔ
ｎ＝0.13という値が報告されている（谷内他：応用物
理,Vol.56,No.12,pp.1637-1614（1987））。従って、Δ
Ｎを0.1程度に設定することが可能である。このとき、
第６図より、格子間隔Λは約１μｍとなる。この程度の
グレーティングは、例えば電子ビーム描画等により作成
可能である（G.Hatakoshi et al.:Appl.Opt.,Vol.24,N
o.24,pp.4307-4311（1985）．）。
前記第２図に示したグレーティングは、回折効率を上
げるため、断面を鋸歯状としたブレーズ化形状となって
いるが、このようなグレーティングでも電子ビーム描画
時のドーズ量制御等によって形成可能である。なお、第
１図の例では出射光をコリメートするための波面変換素
子の例を示してあるが、グレーティングパターンを変え
ることにより、出射光を収束或いは発散する球面波に変
換する波面変換素子を可能である。この場合にもグレー
ティングパターンはやはり楕円状となる。但し、第２図
に示したようなそれぞれの方向で等間隔のグレーティン
グではなく、不等間隔のグレーティングとなる。
げるため、断面を鋸歯状としたブレーズ化形状となって
いるが、このようなグレーティングでも電子ビーム描画
時のドーズ量制御等によって形成可能である。なお、第
１図の例では出射光をコリメートするための波面変換素
子の例を示してあるが、グレーティングパターンを変え
ることにより、出射光を収束或いは発散する球面波に変
換する波面変換素子を可能である。この場合にもグレー
ティングパターンはやはり楕円状となる。但し、第２図
に示したようなそれぞれの方向で等間隔のグレーティン
グではなく、不等間隔のグレーティングとなる。
上述したように第２図に示したグレーティングパター
ンは電子ビーム描画等により作成可能であるが、楕円パ
ターンであるため、機械加工等の他の方法による作成は
困難である。NC旋盤を用いれば同心円パターンのグレー
ティングは比較的容易に作成できるが、第１図の配置で
はこのような同心円パターンのグレーティングを波面変
換素子として利用することはできない。そこで、次に同
心円パターンのグレーティングを波面変換素子として用
いるための構成を示す。
ンは電子ビーム描画等により作成可能であるが、楕円パ
ターンであるため、機械加工等の他の方法による作成は
困難である。NC旋盤を用いれば同心円パターンのグレー
ティングは比較的容易に作成できるが、第１図の配置で
はこのような同心円パターンのグレーティングを波面変
換素子として利用することはできない。そこで、次に同
心円パターンのグレーティングを波面変換素子として用
いるための構成を示す。
第７図は、本発明の第２の実施例を示したもので、波
面変換素子として同心円パターンのグレーティングを用
いている。図中20はLiNbO3基板、21は導波部、22は同心
円パターンの回折格子からなる波面変換素子である。こ
の図に示したように、同心円パターンの波面変換素子又
は導波路基板端面を傾けて使用することにより、チェレ
ンコフ放射角の異方性を補正することが可能である。こ
こで、同心円グレーティング波面変換素子及び導波路基
板端面の傾き角をそれぞれφ及びΦとする。導波路がｚ
板、導波モードがｙ伝搬のTMモードとすると、このよう
な配置で、出射光をコリメートするためには、グレーテ
ィングの格子間隔Λは（20）式で与えられるΛ２を用
い、またφ及びΦが次式を満たすように傾き角を設定す
ればよい。
面変換素子として同心円パターンのグレーティングを用
いている。図中20はLiNbO3基板、21は導波部、22は同心
円パターンの回折格子からなる波面変換素子である。こ
の図に示したように、同心円パターンの波面変換素子又
は導波路基板端面を傾けて使用することにより、チェレ
ンコフ放射角の異方性を補正することが可能である。こ
こで、同心円グレーティング波面変換素子及び導波路基
板端面の傾き角をそれぞれφ及びΦとする。導波路がｚ
板、導波モードがｙ伝搬のTMモードとすると、このよう
な配置で、出射光をコリメートするためには、グレーテ
ィングの格子間隔Λは（20）式で与えられるΛ２を用
い、またφ及びΦが次式を満たすように傾き角を設定す
ればよい。
sin［sin-1｛n21sin（θC1−Φ）｝＋Φ＋φ］＋sinφ ＝sinθ02 …（21） （２），（３）式等の関係を用いると上式は次のよう
に変形される。
に変形される。
ここで、θ01及びθ02は（12），（13）式と同じもの
である。ｘ板導波路でｙ伝搬のTEモードを用いる場合に
は、格子間隔Λとして（19）式で与えられるΛ１を用
い、上式においてθ01とθ02を交換すればよい。
である。ｘ板導波路でｙ伝搬のTEモードを用いる場合に
は、格子間隔Λとして（19）式で与えられるΛ１を用
い、上式においてθ01とθ02を交換すればよい。
第７図の例は波面変換素子及び導波路基板端面の両方
を傾けて使用する場合を示してあるが、片方のみ傾けて
も放射角の異方性の補正は可能である。なお、図中20は
LiNbO3基板、21は導波部、24は基本波、25は基板10中に
伝搬したチェレンコフ放射光（光第２高調波）、26はコ
リメートされた平行光を示している。
を傾けて使用する場合を示してあるが、片方のみ傾けて
も放射角の異方性の補正は可能である。なお、図中20は
LiNbO3基板、21は導波部、24は基本波、25は基板10中に
伝搬したチェレンコフ放射光（光第２高調波）、26はコ
リメートされた平行光を示している。
第８図は本発明の第３の実施例を示したもので、同心
円パターンの波面変換素子を傾けることにより、放射角
を補正している。この場合の傾き角を求めるには（21）
式でΦ＝０とおけばよい。即ち、同心円グレーティング
波面変換素子の傾き角φは次式で与えられる（ｚ板,y伝
搬,TMモードの場合）。
円パターンの波面変換素子を傾けることにより、放射角
を補正している。この場合の傾き角を求めるには（21）
式でΦ＝０とおけばよい。即ち、同心円グレーティング
波面変換素子の傾き角φは次式で与えられる（ｚ板,y伝
搬,TMモードの場合）。
但し、 Ａ＝（１−cosθ01）２＋sin2θ01−sin2θ02 である。同様にしてｘ板、TEモードの場合には、上式
は次式で置き換えられる。
は次式で置き換えられる。
但し、 Ｂ＝（１−cosθ02）２＋sin2θ02−sin2θ01 である。φの符号はｚ板の場合とｘ板の場合とで異な
る。即ち、（23）式ではφ＜0,（24）式ではφ＞０とな
る。第９図に（16）式で定義されるΔＮとφとの関係を
示した。
る。即ち、（23）式ではφ＜0,（24）式ではφ＞０とな
る。第９図に（16）式で定義されるΔＮとφとの関係を
示した。
第10図は本発明の第４の実施例を示したもので、導波
路端面のみを傾ける場合を示したものである。この場合
には、（22）式でφ＝０と置くことにより、端面傾き角
Φが次式のように求まる（ｚ板,TMモードの場合）。
路端面のみを傾ける場合を示したものである。この場合
には、（22）式でφ＝０と置くことにより、端面傾き角
Φが次式のように求まる（ｚ板,TMモードの場合）。
tanΦ＝（sinθ01−sinθ02）／（nEFF−cosθ02） ……（25） 同様にして、ｘ板、TEモードの場合には、 tanΦ＝（sinθ02−sinθ01）／（nEFF−cosθ01） ……（26） 波面変換素子を傾けて用いる場合と同様に、ｚ板とｘ
板とでは、Φの符号が異なる。第11図にΔＮとΦとの関
係を示した。第９図と第11図とを比較して判るように、
チェレンコフ放射角の異方性補正の効果はφよりΦの方
が大きい。即ち、波面変換素子を傾けるより、基板端面
を傾けた方が、僅かな傾きで済む。これは、ΔＮが大き
い程顕著である。ΔＮ＝0.135のとき、即ち、n
EFF（ω）＝ne（２ω）のときは、Φによる補正は０で
あるにもかかわらず、φによる補正が必要となるのは矛
盾しているようであるが、これは、このときにθ01＝θ
02＝０となり、格子間隔が無限大となって、φが不定と
なるからである。
板とでは、Φの符号が異なる。第11図にΔＮとΦとの関
係を示した。第９図と第11図とを比較して判るように、
チェレンコフ放射角の異方性補正の効果はφよりΦの方
が大きい。即ち、波面変換素子を傾けるより、基板端面
を傾けた方が、僅かな傾きで済む。これは、ΔＮが大き
い程顕著である。ΔＮ＝0.135のとき、即ち、n
EFF（ω）＝ne（２ω）のときは、Φによる補正は０で
あるにもかかわらず、φによる補正が必要となるのは矛
盾しているようであるが、これは、このときにθ01＝θ
02＝０となり、格子間隔が無限大となって、φが不定と
なるからである。
第12図は本発明の第５の実施例を示したもので、導波
路基板端面及び波面変換素子の両方を同じ向きに傾ける
場合を示したものである。この配置では、波面変換素子
を基板端面に接着できるので、位置合わせが容易であ
る。このときの傾き角は（22）式でΦ＝φと置けばよ
い。即ち、ｚ板、TMモードの場合、端面傾き角Φは次式
で与えられる。
路基板端面及び波面変換素子の両方を同じ向きに傾ける
場合を示したものである。この配置では、波面変換素子
を基板端面に接着できるので、位置合わせが容易であ
る。このときの傾き角は（22）式でΦ＝φと置けばよ
い。即ち、ｚ板、TMモードの場合、端面傾き角Φは次式
で与えられる。
但し、 Ｃ＝(nEFF-1)2＋sin2θ01−sin2θ02 である。同様にしてｘ板、TMモードの場合には、上式
は次式で置き換えられる。
は次式で置き換えられる。
但し、 Ｃ＝(nEFF-1)2＋sin2θ02−sin2θ01 である。なお、第13図に、（27），（28）式で与えら
れるΔＮとΦとの関係を示した。
れるΔＮとΦとの関係を示した。
このように、本発明の第１の実施例によれば、チェレ
ンコフ放射方式の波長変換光学素子において、第２図に
示したような楕円パターンの回折格子からなる波面変換
素子を設けることにより、光導波路から出射される第２
高調波ビームのコリメート或いは集光が可能となる。ま
た、第２乃至第５の実施例のように、波面変換素子及び
光導波路基板端面の少なくとも一方を傾けて使用する配
置を採用することにより、波面変換素子として作成が容
易な同心円パターンの回折格子を用いることができ、こ
の場合もコリメートされた第２高調波ビームを得ること
が可能となる。従って、入射光源として半導体レーザを
用いることにより、従来の半導体レーザでは得られない
短波長の緑色或いは青色の光源を実現することができ
る。
ンコフ放射方式の波長変換光学素子において、第２図に
示したような楕円パターンの回折格子からなる波面変換
素子を設けることにより、光導波路から出射される第２
高調波ビームのコリメート或いは集光が可能となる。ま
た、第２乃至第５の実施例のように、波面変換素子及び
光導波路基板端面の少なくとも一方を傾けて使用する配
置を採用することにより、波面変換素子として作成が容
易な同心円パターンの回折格子を用いることができ、こ
の場合もコリメートされた第２高調波ビームを得ること
が可能となる。従って、入射光源として半導体レーザを
用いることにより、従来の半導体レーザでは得られない
短波長の緑色或いは青色の光源を実現することができ
る。
なお、本発明は上述した各実施例に限定されるもので
はない。例えば、光導波路の基板としては、LiNbO3の代
わりに、LiTaO3,KNbO3,LiIO3,KTP等の無機非線形材料や
MNA,DAN等の有機非線形材料を用いることができる。ま
た、光導波路の構成は、基板上に薄膜状の導波層を形成
したものに限るものではなく、第14図に示す如くLiNbO3
等の非線形材料からなる基板90の表面部に不純物拡散に
よる導波部を形成したものであってもよい。さらに、基
板及び導波層は必ずしも両方が非線形光学材料である必
要はなく、これらの少なくとも一方が非線形光学材料で
あればよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。
はない。例えば、光導波路の基板としては、LiNbO3の代
わりに、LiTaO3,KNbO3,LiIO3,KTP等の無機非線形材料や
MNA,DAN等の有機非線形材料を用いることができる。ま
た、光導波路の構成は、基板上に薄膜状の導波層を形成
したものに限るものではなく、第14図に示す如くLiNbO3
等の非線形材料からなる基板90の表面部に不純物拡散に
よる導波部を形成したものであってもよい。さらに、基
板及び導波層は必ずしも両方が非線形光学材料である必
要はなく、これらの少なくとも一方が非線形光学材料で
あればよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。
［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、波面変換素子を
楕円若しくは同心円パターンの回折格子で形成し、半径
方向に関する回折格子の等価的な格子ピッチを第２高調
波ビームの広がり角に応じて変えるようにしているの
で、チェレンコフ放射により光導波路から出射された軸
対称性を持たない光第２高調波ビームをコリメート或い
は集光させることができ、小型で短波長の光源を簡易に
実現することが可能となる。
楕円若しくは同心円パターンの回折格子で形成し、半径
方向に関する回折格子の等価的な格子ピッチを第２高調
波ビームの広がり角に応じて変えるようにしているの
で、チェレンコフ放射により光導波路から出射された軸
対称性を持たない光第２高調波ビームをコリメート或い
は集光させることができ、小型で短波長の光源を簡易に
実現することが可能となる。
第１図は本発明の第１の実施例に係わる波長変換光学素
子の概略構成を示す断面図、第２図は上記実施例に用い
る波面変換素子の構造例を示す図、第３図はLiNbO3の屈
折率について説明するための図、第４図はLiNbO3の屈折
率と波長との関係を示す特性図、第５図はチェレンコフ
放射角とΔＮとの関係を示す特性図、第６図は波面変換
素子の格子間隔とΔＮとの関係を示す特性図、第７図乃
至第13図はそれぞれ本発明の他の実施例を説明するため
のもので、第７図，第８図，第10図及び，第12図は素子
構成を示す断面図、第９図，第11図及び第13図は傾き角
φとΔＮとの関係を示す特性図、第14図は本発明の変形
例を示す斜視図、第15図は従来の波長変換光学素子の一
例を示す斜視図である。 10,20,30,40,50……LiNbO3基板、11,21,31,41,51……導
波部、12,22,32,42,52……波面変換素子、13……導波路
基板端面、14,24……基本波、15……チェレンコフ放射
光、16,26……出射光。
子の概略構成を示す断面図、第２図は上記実施例に用い
る波面変換素子の構造例を示す図、第３図はLiNbO3の屈
折率について説明するための図、第４図はLiNbO3の屈折
率と波長との関係を示す特性図、第５図はチェレンコフ
放射角とΔＮとの関係を示す特性図、第６図は波面変換
素子の格子間隔とΔＮとの関係を示す特性図、第７図乃
至第13図はそれぞれ本発明の他の実施例を説明するため
のもので、第７図，第８図，第10図及び，第12図は素子
構成を示す断面図、第９図，第11図及び第13図は傾き角
φとΔＮとの関係を示す特性図、第14図は本発明の変形
例を示す斜視図、第15図は従来の波長変換光学素子の一
例を示す斜視図である。 10,20,30,40,50……LiNbO3基板、11,21,31,41,51……導
波部、12,22,32,42,52……波面変換素子、13……導波路
基板端面、14,24……基本波、15……チェレンコフ放射
光、16,26……出射光。
Claims (4)
- 【請求項１】導波層及び基板の少なくとも一方が非線形
光学材料で形成され、基本波が導波モード、第２高調波
がチェレンコフ放射光となるように導波層及び基板の屈
折率が設定された光導波路と、この光導波路の光出射端
面に接して又は対向して設けられ、該端面から出射され
た光の波面を変換する波面変換素子とを備えた波長変換
光学素子において、 前記波面変換素子が楕円パターンの一部からなる回折格
子で形成されてなることを特徴とする波長変換光学素
子。 - 【請求項２】光第２高調波の波長における常光及び異常
光に対する前記基板の屈折率をそれぞれn0,neとしたと
き、前記楕円パターンの長軸と短軸との比がn0：neであ
ることを特徴とする請求項１記載の波長変換光学素子。 - 【請求項３】導波層及び基板の少なくとも一方が非線形
光学材料で形成され、基本波が導波モード、第２高調波
がチェレンコフ放射光となるように導波層及び基板の屈
折率が設定された光導波路と、この光導波路の光軸に垂
直な光出射端面に接して又は対向して設けられ、該端面
から出射された光の波面を変換する波面変換素子とを備
えた波長変換光学素子において、 前記波面変換素子が等間隔の同心円パターンの一部から
なる回折格子で形成され、且つ前記光出射端面及び波面
変換素子の少なくとも一方が、前記導波層に垂直な面か
ら傾いていることを特徴とする波長変換光学素子。 - 【請求項４】前記光出射端面及び波面変換素子の傾き角
が同じであることを特徴とする請求項３記載の波長変換
光学素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1196831A JP2835087B2 (ja) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | 波長変換光学素子 |
| US07/451,234 US5377291A (en) | 1989-01-13 | 1989-12-15 | Wavelength converting optical device |
| DE68925809T DE68925809T2 (de) | 1989-01-13 | 1989-12-20 | Optische Wellenlängenkonverter-Einrichtung |
| EP89313380A EP0377988B1 (en) | 1989-01-13 | 1989-12-20 | Wavelength converting optical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1196831A JP2835087B2 (ja) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | 波長変換光学素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0361929A JPH0361929A (ja) | 1991-03-18 |
| JP2835087B2 true JP2835087B2 (ja) | 1998-12-14 |
Family
ID=16364393
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1196831A Expired - Lifetime JP2835087B2 (ja) | 1989-01-13 | 1989-07-31 | 波長変換光学素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2835087B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107735059A (zh) | 2016-06-06 | 2018-02-23 | 泰合意株式会社 | 外伤部的防水护具 |
-
1989
- 1989-07-31 JP JP1196831A patent/JP2835087B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0361929A (ja) | 1991-03-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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