JP7415195B2 - 波長変換素子 - Google Patents
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Description
式(1)を満たす波長変換を、和周波発生(SFG)と呼ぶ。
式(2)を満たす波長変換を、入力光の半分の波長の光(第2高調波)を発生するので、第2高調波発生(SHG)と呼ぶ。
式(3)を満たす波長変換を、波数(空間周波数、波長の逆数)にして差分となる光を発生するので、差周波発生(DFG)と呼ぶ。例えば、λ1=1μm、λ2=1.5μmとして、λ3=3μmの長波長の赤外光を発生することも原理的に可能である。
n1/λ1-n2/λ2-n3/λ3-1/Λ=0 (4)
となる式(4)を満たすように分極反転構造の周期Λを設定すれば良い。ここで材料の屈折率は光の波長に依存して変化するので、n1は波長λ1での材料の屈折率、n2は波長λ2での材料の屈折率、n3は波長λ3での材料の屈折率である。
このように高次の擬似位相整合が発生してしまうのは、非線形定数が+dか-dのどちらかの値しか取れず、中間の値が取れないため、分極反転周期構造において非線形定数の変調が矩形波状になっているためである。つまり、-1と1の2値で構成される矩形波をフーリエ級数展開すると、
f(x)=4/π×{sin(x) + 1/3×sin(3x) + 1/5×sin(5x) + 1/7×sin(7x) + ・・・}
(5)
と表現できるが、sin(x)以外にsin(3x)やsin(5x)といった奇数次数のサイン成分が存在するので、奇数次の擬似位相整合が起こる要因となっているのである。すなわち、分極反転周期Λを設定しても、そのΛ/3やΛ/5などの反転周期Λを奇数で割った周期を新たな分極反転周期とみなした意図しない波長(寄生波長、寄生光)への光変換が起こる。
(構成1)
分極反転構造を有する二次非線形光学媒質を有する波長変換素子であって、
λ1、λ2、λ3の3波長が1/λ1=1/λ2+1/λ3の関係のある相互作用により波長変換が行われる非線形光学過程において、該分極反転構造が、n1をλ1における屈折率、n2をλ2における屈折率、n3をλ3における前記二次非線形光学媒質の屈折率として
n1/λ1-n2/λ2-n3/λ3-1/Λ=0
となる分極反転周期Λを2a分割し(aは2以上の整数)、
各分割領域の反転領域と非反転領域の幅の比を1-r対rとし(0≦r≦1)、
Λを2a分割したものと対応させるように、サイン関数の位相の0から2πの1周期を2a分割した時の各分割領域の中央における値が(1-2r)±0.1になるように幅の比率rが設定される
ことを特徴とする波長変換素子。
(構成2)
前記二次非線形光学媒質が、導波路構造をしている
ことを特徴とする構成1に記載の波長変換素子。
(構成3)
前記二次非線形光学媒質は、LiNbO3もしくはLiTaO3ないしはそれらの混晶であり、Mg、Zn、Sc、Inのうちの少なくとも一種を添加物として含有する
ことを特徴とする構成1または2に記載の波長変換素子。
+0.5、+1.0、+0.5、-0.5、-1.0、-0.5である。
(+1)×(1-r)+(-1)×r=1-2r
となる。
図4は、横軸に分割数a、縦軸に規格化変換効率を取って、1次と3次の計算結果をプロットした図である。図4の横軸の分割数aは、1から9までを取り、分極反転周期Λを1000周期繰り返した場合の計算結果である。図4縦軸の規格化変換効率は、a=1から9までの1次と3次の規格化変換効率(◆と■)と、a=9の場合に3次に-0.1または+0.1の誤差を許容した場合(▲と●)の計算結果をプロットした図である。(図4の縦軸は、対数目盛りであることに注意されたい)
図4の横軸の分割数aは、a=1,3,4、5、9の5通りの場合について計算を行った。前述したとおり、a=1の場合は通常の分極反転構造と同じである。分割数aを上げると、1次の規格化変換効率(◆でプロット)は図3でも示したように約6割程度に低下するが、それ以上に3次の変換効率(■でプロット)が、分割数aの増加に従って指数的に低下しているのが判る。(図4の縦軸は対数目盛りであることに再度注意されたい)
図4のa=3以上では、1次の規格化変換効率(◆)よりも3次の変換効率(■)のほうが1桁以上低下しており、3次の擬似位相整合による波長変換は入力光のエネルギー減少に影響を与えないと考えられる。安全を見ればa=4以上をとることを推奨する。
どこまで誤差を許すかの目安を得るために、このa=9の場合のサインの値0.94を0.8もしくは1.0としてわざと誤差を導入して計算した場合の結果を、それぞれ3次-0.1、3次+0.1として図4のa=9の▲と●の点で示している。誤差の値が±0.1程度変化しても十分に3次の変換効率は低いことがわかる。
図5には、本発明の実施例1に関連して用意した2種類の分極反転構造をもつニオブ酸リチウム結晶で構成した波長変換素子の平面図を示す。
この2つの素子に、0.98μm光を200mW、1.47μm光を20mWをそれぞれレンズでコリメートして、ダイクロイックミラーで合波し、再度レンズで素子の中央に焦点を結ぶようにして、同一条件で2波長をそれぞれの素子の中に光を通した。
かつレンズで絞っているので、長さを長くすると両端で光密度が落ちて効率が落ちることも予想される。しかしながら今回、図5(b)の実施例1で図5(a)の比較例と同程度の中赤外変換光が得られたのは、0.59μmの寄生光の発生による入力光の光パワー低下を抑制でき、元光を実用的な範囲内で弱めることなく波長変換できたからだと考えられる。
Claims (3)
- 分極反転構造を有する二次非線形光学媒質を有する波長変換素子であって、
λ1、λ2、λ3の3波長が1/λ1=1/λ2+1/λ3の関係のある相互作用により波長変換が行われる非線形光学過程において、該分極反転構造が、n1をλ1における屈折率、n2をλ2における屈折率、n3をλ3における前記二次非線形光学媒質の屈折率として
n1/λ1-n2/λ2-n3/λ3-1/Λ=0
となる分極反転周期Λを2a分割し(aは2以上の整数)、
各分割領域の反転領域と非反転領域の幅の比を1-r対rとし(0≦r≦1)、
Λを2a分割したものと対応させるように、サイン関数の位相の0から2πの1周期を2a分割した時の各分割領域の中央における値が(1-2r)±0.1になるように幅の比率rが設定される
ことを特徴とする波長変換素子。 - 前記二次非線形光学媒質が、導波路構造をしている
ことを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。 - 前記二次非線形光学媒質は、LiNbO3もしくはLiTaO3ないしはそれらの混晶であり、Mg、Zn、Sc、Inのうちの少なくとも一種を添加物として含有する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の波長変換素子。
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