JPH02189527A - 導波路型波長変換素子 - Google Patents

導波路型波長変換素子

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JPH02189527A
JPH02189527A JP1069689A JP1069689A JPH02189527A JP H02189527 A JPH02189527 A JP H02189527A JP 1069689 A JP1069689 A JP 1069689A JP 1069689 A JP1069689 A JP 1069689A JP H02189527 A JPH02189527 A JP H02189527A
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JP
Japan
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light
waveguide
plane
crystal
refractive index
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Pending
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JP1069689A
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English (en)
Inventor
Yoshinori Ota
太田 義徳
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、導波路型波長変換素子に関し、特にコヒーレ
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
用に好適な導波路型波長変換素子に関する。
〔従来の技術〕
波長変換素子、特に第2次高調波発生(S i(G :
 5econd Harmonic Generati
on)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。
波長変換素子の有用性は、使用光源が半導体レーザの場
合には、既存の波長光の半導体レーザを用いても、波長
変換によって所望の短波長光を取り出せる光源を構成で
きる点にある。
すなわち、一般に、半導体レーザは、小型で高出力のコ
ヒーレントレーザ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が、現在、この半導体レーザから
得られる光の波長は、0.78μm〜1.55μmの近
赤外領域の波長である。
このような半導体レーザをデイスプレィ等、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
長の光が得られる半導体レーザ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、すなわち1.半
導体レーザ自体として短波長光が得られるものをにわか
に実現するのは難しい。
従って、波長変換素子、特に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れば
、その効果は甚大なものとなるのである。
そこで、半導体レーザ用波長変換素子の研究、開発が進
められており、近年、半導体レーザの製作技術の発達に
伴い従来にも増して高出力の特性のものが得られるよう
になってきたため、波長変換素子として導波路型SHG
素子が注目されてきている。
すなわち、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ある。
従来、このような観点からの導波路型波長変換素子の例
として、ニオブ酸リチウム(LiNb03)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
次高調波を得る方式のSHG素子の技術が提案されてい
る(特開昭60〜14222号公報、特開昭61−94
031号公報)。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、かかる方式によるSHG素子にあっては、次の
ような波面収差などの点では、なお改善の余地がある。
すなわち、上述の従来の方式のSHG素子は、基本波と
SHG波との位相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もつ反面、5r
(G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易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。
本発明の目的は、上述のような従来の導波路型波長変換
素子の持つ難点を除去することができ、出力光に波面収
差のない導波路型波長変換素子を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の導波路型波長変換素子は、 X仮またはY板ニオブ酸リチウム結晶面上のZ軸にほぼ
直交する方向に進むチャンネル光導波路と、 このチャンネル光導波路を形成した同一の結晶面上にお
ける当該チャンネル光導波路を挟んだ左右いずれか一方
の結晶面上に形成された等側屈折率の周期格子を有する
平面導波路とを有することを特徴としている。
〔作用〕
本発明では、X板またはY板ニオブ酸リチウム結晶面上
のZ軸にほぼ直交する方向に進むチャンネル光導波路に
基本波を注入すれば、等側屈折率の周期格子を有する平
面導波路から上記基本波と波長を異にする波長変換され
た出力光が平面導波光として得られる。
この出力光は波面収差のないものとして取り出され、従
って従来のように収差補正に高級なレンズを使用しない
でも済む。また、X板またはY板の使用は、半導体レー
ザと組み合わせて光源を構成する場合でも、半導体レー
ザとの直接的な接続を可能ならしめる。
〔実施例〕
次に、本発明について図面を参照して説明する。
第1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。
本実施例では、ニオブ酸リチウム(L i N b O
z)結晶基板としてX板を用いており、これにチャンネ
ル光導波路と、等側屈折率の周期格子を有する平面導波
路との2つの光導波路を形成する構成を採っている。
すなわち、第1図において、参照符号1はLiN b 
Ox結晶板であり、基板方位はX板(すなわち、基板に
立てた法線はX軸)である。この結晶面上に、Z軸にほ
ぼ直交する方向(従って、本実施例ではY方向)に進む
チャンネル光導波路2が形成されている。そして、この
チャンネル光導波路2を形成した同一の結晶面上の、チ
ャンネル光導波路2を挟んだどちらか一方の結晶面上に
等側屈折率の周期格子4を有する平面導波路3が設けら
れている。
チャンネル光導波路2の一方の端面側には光源としての
半導体レーザ10が、また平面導波路3の出射端面側に
は図示の例では円筒レンズ11が、それぞれ配置されて
いる。
第1図に示した波長変換素子では、使用半導体レーザ1
0からの出力光をチャンネル光導波路2に入射させるこ
とによって波長変換し、平面導波路3を介し平面導波光
として取り出し、これをSHG出力光として円筒レンズ
】1に与えるようになっている。
SHG出力光、すなわち波長が1/2の第2次高調波を
得るのに際し、これを平面導波光として取り出すことが
できるので、従来のように収差を(m圧するべく高級な
レンズを使用しないでも済み、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を構成することが
できる。
前述したように、従来のものでは、SHG出力に波面が
特異で収差のきつい光が出てくるためガウス状強度分布
の使い易いビームに変換するのに収差補正用の高級なレ
ンズが必要とされるのに対し、SHO出力光も使用半導
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、または、そうでなくても少なくとも1次元方向には
導波された平面導波光であれば、円レンズないしは本実
施例の如(円筒レンズ11を用いて容易に平行ビーム、
すなわちコリメートS HG光12に変換することがで
き、従来のような不便は生じない。従って、前述の従来
の導波型SHG素子の持つ難点を取り除(ことができ、
SHG出力光が平面導波光となる構造の導波路型波長変
換素子を得ることができる。
また、第1図の構成では、前述の従来例と異なって、既
述の如く使用結晶板にX板を用いており、Z板を用いて
いないために、半導体レーザ10を直接導波路端面に接
続できる。具体的には半導体レーザエOの出力光をレン
ズを介し、または直接に結合させることができ、Z板を
使用する場合のように半波長板を介したり、使用半導体
レーザチップを90度傾けたりする必要もない。
このように、本発明に従う導波路型波長変換素子は、x
板またはY板ニオブ酸リチウム結晶面上のZ軸にほぼ直
交する方向に進むチャンネル光導波路2と、チャンネル
光導波路2を形成した同一の結晶面上の、チャンネル光
導波路2を挟んで左右いずれか一方の結晶面上に形成さ
れた等側屈折率の周期格子4を有する平面導波路3から
なるものであり、かかる構成によれば、光源として半導
体レーザlOを使用し波長変換によってSMC光を得る
場合には、チャンネル光導波路2に基本波(周波数ω)
を注入し、前記等価屈折率の周期格子4を有する平面導
波路3から前記基本波の第2高調波を得るように前記チ
ャンネル、平面の画光導波路2.3を設けることによっ
て、SHG出力光に波面収差のない導波路型波長変換素
子を得ることができる。
以下、数値例をも含めて第1図の導波路型波長変換素子
について更に具体的に説明する。
第1図において、半導体レーザ10と波長変換素子は、
コヒーレントな短波長小型光源を構成しており、半導体
レーザ10は例えば波長0.83μmで発振する半導体
レーザであり、その出力光は、チャンネル光導波路20
片端面からレンズを介し、または直接に結合される。こ
の光がチャンネル光導波路2を進むにつれ結晶の持つ非
線形光学定数ariffを介して波長0.415μmの
S HG光を発生する。このSMC光は平面導波光とし
て平面導波路3中に放射される。平面導波路3を出た光
は、円筒レンズ11によって円形の平行コリメートビー
ム、すなわちコリメートSHG光12に変換される。
上記の2つの光導波路は、より詳細には以下のような構
造をしている。
入射光であり結晶基板1のX面に、Z軸に平行な電界成
分をもつTE波の基本波を保持するチャンネル光導波路
2は、通常よく使われる方法である金属チタン(Ti)
を熱拡散するごとによって形成されており、その厚さは
、基本波の波長0.83μmの半導体レーザ光に対して
単一モード導波路となるように設定しである。基本波と
同じ偏波のTE波であるS HG平面導波光を保持する
導波路3は、導波路2と同一の結晶面上に形成されてお
リ、上記のTt熱拡散法やプロトン(H゛)交換法によ
って設けられている。そして、この導波路3はSMC光
である波長0.415μmの光に対しては、単一モード
導波路となっており、基本波の0゜83μm光に対して
は、はぼカットオフとなるようにその厚さが設定されて
いる。さらに、等偏屈折率の周期を形成するために、こ
こでは、平面導波路3の表面に、例えばSin、膜の格
子4が設けである。
基本波とSMC光との位相整合は、次のようにして実現
しており、また、後述のようにして効率のよい変換も行
うことができる。
まず、基本波が伝搬するTi拡散チャンネル光導波路2
の波長0.83μm基本波に対する等偏屈折率n−1は
2.17程度であり、平面導波路3が等偏屈折率の周期
格子を持たない場合の基本波と同一方向(即ちY方向)
に伝搬する波長0.415pmTE波に対する等偏屈折
率nHd)は2.32程度である。
このため、2つの波の位相定数に差があるため同一伝搬
方向では基本波からSMC光への変換は生しない。
しかるに、SMC光の波面伝搬方向がY方向からZ方向
に回転すると、等偏屈折率は増大する。
例えば、Y軸から20〜25度程度振種変と、平面導波
路の0.415pmTE波に対する等偏屈折率n(2)
は、前述のチャンネル光導波路2をY方向に伝搬する基
本波に対する等偏屈折率と等しくなるため、原理的には
この方向にSMC光が放射されるはずである。しかしな
がら、基本波はY方向に伝搬する平面波に近い波であり
、SMC光はY軸から20〜25度程度振種変方向に伝
搬する平面波に近い波である。基本波とSMC光とでは
波面の方向が20〜25度と大きく異なるため変換の効
率はきわめて小さい。
従って、変換の効率を大きくするためには、基本波とS
MC光とは、伝搬方向が僅かな角度βの差であることが
望ましい。そこで、いま、β(mal)  2β(W)
 2 2π/Δすなわち、 n(2t+J) −nllall z 9.415 /
Δの関係を満たす周期Δμmの屈折率の変化の周期を、
周期のベクトルをY軸方向から掻く僅かの角度(0,5
〜1度程種変ずらして設けておけば、チャンネル光の基
本波から平面導波光のSMC光へ効率のよい変換が行わ
れる。
具体的には、周期格子4の形成については、上記の等偏
屈折率の値の場合、その周期Δは、2μm程度となり、
これは通常のリソグラフィー技術を用いてパターンは形
成することが出来る。
また、導波路3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3の等偏屈折率は変化し、上式が
満たされなくなり、SHG変換は極めて不安定になるが
、これを避けるために、導波路3上に設けた誘電体の周
期、すなわち格子の周期を、光透過方向に徐々に変化さ
せるようにすれば、これによって、等偏屈折率のゆらぎ
や温度変化を吸収して安定なSHG変換を実現すること
も出来る。
なお、上記の実施例において、平面導波路3が、Ti拡
散法や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SMC先の導波路垂直方向へ
の強度分布に非対称が生じ、円筒レンズ11で変換され
たコリメートSHG光12が、ガウス状円形ビームから
形状が隔たる場合には、チャンネル光導波路2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、上記の実施例では、等偏屈折率の周期を形成する
のに、平面導波路3の上に誘電体の格子を設ける場合を
述べたが、これに限らず、導波路を形成するTi拡拡散
中プロトン交換厚を周期状に変えることでも可能である
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、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。
しかも、従来例と異なってX板ないしはY板を用いてお
り、Z板を用いていないために、半導体レーザを光源と
して用いる場合においてその半導体レーザを直接導波路
端面に接続でき、Z板の場合のように半波長板を介した
り、半導体レーザチップを90度傾けたりする必要もな
く、実装上極めて好都合であり、特に半導体レーザ用波
長変換素子として適している。
【図面の簡単な説明】
第1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・・・・・ニオブ酸リチウム(LiNb03)結晶板 2・・・・・Ti拡散チャンネル光導波路3・・・・・
平面導波路 4・・・・・等偏屈折率周期格子 10・・・・・半導体レーザ 11・・・・・円筒レンズ 12・・・・・コリメートS HG光 代理人 弁理士  岩 佐  義 幸

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)X板またはY板ニオブ酸リチウム結晶面上のZ軸
    にほぼ直交する方向に進むチャンネル光導波路と、 このチャンネル光導波路を形成した同一の結晶面上にお
    ける当該チャンネル光導波路を挟んだ左右いずれか一方
    の結晶面上に形成された等価屈折率の周期格子を有する
    平面導波路とを有することを特徴とする導波路型波長変
    換素子。
JP1069689A 1989-01-19 1989-01-19 導波路型波長変換素子 Pending JPH02189527A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5339190A (en) * 1992-04-16 1994-08-16 Nippon Steel Corporation Optical waveguide second harmonic generating element and method of making the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5339190A (en) * 1992-04-16 1994-08-16 Nippon Steel Corporation Optical waveguide second harmonic generating element and method of making the same

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