JPH03261925A - 光波長変換装置 - Google Patents

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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、レーザ光の波長を第２あるいは第３の高調波
発生、または和周波発生によって短波長化する光波長変
換装置に関し、さらに詳しくは、光デイスク装置、レー
ザビームプリンタ、光計測器などのレーザ光を用いる製
品において、レーザ光の波長を短くして高性能化を図る
場合などに利用される光波長変換装置に関する。

（ロ）従来の技術 近年、小型・高効率・低価格といった利点を有する半導
体レーザの実用化によって、従来レーザ光源の使用が困
難であった一般産業機器、民生機器へのレーザ応用が進
展している。なかでも特に光デイスク装置やレーザビー
ムプリンタなど、半導体レーザを利用して情報処理など
を行う機器の進展が著しい。これらの機器に使用される
半導体レーザ光の発振波長は通常７８０ｎｍあるいは８
３０ｎ−であるが、レーザ光の波長と集光スポット径（
−光の最小集光径）とは比例関係にあり、集光スポット
径が小さいほど、光デイスク装置では光ディスクの記憶
密度を増大することができ、またレーザビームプリンタ
では高解像度が得られる。

また干渉計測等の光応用計測分野にお一部でも、短波長
のレーザ光を用いることによって計測精度の向上を図る
ことができる。このようにレーザ光を利用した機器の性
能向上を図るために、より短波長のレーザ光発生装置が
要望されている。

半導体レーザの発振波長自体を短くするために、ＩｎＧ
ａＡＩＰ系の半導体材料を用いて波長６Ｂ０ｎｍのレー
ザ光が得られているが、まだ信頼性など多（の問題を残
している。さらに短波長の半導体レーザについては研究
の初期的段階にあり、実用化の見通しは立っていない。

従って現在のところ、緑色、青色などの短波長レーザ光
を必要とする場合には、大型で取り扱いの不便なガスレ
ーザに頼らざるを得ない。

小型の装置によって短波長のレーザ光を得るもう一つの
方法として光波長変換がある。ここで光波長変換の方式
としては、複数の光の周波数が足し合わされる和周波発
生、その中でも特に同一周波数の２つ、あるいは３つの
光の周波数が足し合わされる第２高調波発生、第３高調
波発生という方法がある。Ｗｔ２の高調波発生により、
現在、例えば波長１．０６μｍのＹＡＣ；　（イツトニ
ウム・アルミニウム・ガーネット）レーザを用いて波長
０．５３μｍの緑色レーザ光、波長０．８３〜０．８４
μｌの半導体レーザを用いて０．４１５〜０．４２μｌ
の青色レーザ光の発生か実現されている。

（ハ）発明が解決しようとする課題 このような光波長変換における現在の主要な課題は、半
導体レーザのような低出力の基本波光源を用いて高効率
変換を実現することである。波長変換効率は基本波密度
に比例し、高調波出力は基本波密度の２乗に比例して増
大する。そこで基本波密度を増幅するため、第１の手法
として導波路による光閉じ込めが、第２の手法として光
共振器を用いた光増幅が行われており、さらにその両者
を組み合せて大幅な高効率化を図ることも提案されてい
る。

現在、この種の装置として、リング共振器を導波路化し
、高調波出力を基板への放射光として取り出す構成のも
のが提案されている。この構成を第６図に示す。

同図において、波長０．８３μｍ、出力１００ｍＷの単
一モード発振する半導体レーザ１００から発し几光（基
本波）はレンズ１０１によって集光され、ＭｇＯドープ
Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３の２カツト基板１０Ｂ上の光導波
路１０２λに入射する。各光導波路は、プロトン交換法
によって作製されている。光導波路１０２ａからの光は
先方向性結合器１０３を通過するとき一部はリング導波
路１０４に結合し、残りは光導波路１０２ｂを通って受
光素子１０５へ入射する。この受光量が極小となるよう
に制御回路１０７により共振制御を行う。高調波はリン
グ導波路１０４の各部分から基板中へ放出される。

特に図下側の直線部１０４ａから発生した光を基板端一
から取り出し、レンズ１０６で整形し平行光とした。

実験によれば、基本波光量１００　ｍＷ、うち光導波路
１０２ａの結合量が約３５ｍＷのとき、レンズ１０６を
通った高調波の強度は約３ｍＷであった。これによりリ
ング光導波路１０４全体から発する光量の総和はほぼ１
０ｍＷに達すると推定される。

以上の例では、リング光導波路の一方の直線部分から発
生した第２高調波のみを有効に利用しており、リング光
導波路の曲がり部分、および他方の直線部分から発した
第２高調波光はむだに捨てている。この点に関しては、
さらに高調波が有効に利用されない部分の光導波路にお
ける高調波の発生を抑え、波長変換に伴う基本波の損失
を抑える構成を有する光波長変換装置が提案されている
。

しかし、高調波が発生しない部分における導波路損失は
依然として存在しており、そのため基本波の共振倍率が
制限されている。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、リング
導波路の総ての部分から発生する波長変換光を有効に利
用するために導波路のどの部分から発する波長変換光に
対しても、同一焦点を有する光もしくは平行光に変換す
ることができる光波長変換装置を提供しようとするしの
である。

（ニ）課題を解決するため９手段及び作用この発明（ｉ
、基板外部に対する光入力部を育する第１の光導波路と
、円周状に形成されそのコアあるいはクラッド層が非線
形光学材料よりなる第２の光導波路と、第１の光導波路
と第２の光導波路の間に光結合を行う光方向性結合器と
が同一の基板に形成され、レーザ光源からの出射光を基
本波として前記第１の光導波路の光入力部に入射し、前
記第２の光導波路より、位相整合条件を満たす角変で基
板内に高調枝先または和周波光を発生する光波長変換装
置において、前記基板の裏面または表面に、第２の光導
波路の全周から発する高調枝先または和周波光を同一焦
点を経由する光または平行光となるように波形整形を行
うグレーティングが形成されてなることを特徴とする光
波長変換装置である。

上記構成において、グレーティングが基板の裏面あるい
は表面に形成されろことにより、従来は光導波路の直線
部分から発する波長変換光しか利用できなかったのに対
し、曲線部分をも含む第２の導波路の全周からの高調波
が利用できるようになる。更に、光導波路の曲がり損失
と伝搬損失との和が最小となるように極力小さい円形状
の光導波路とすることにより、共振倍率を大きくするこ
とができるため、単に全周の波長変換光が利用できる以
上に効率の向上が図れる。

（ホ）実施例 以下本発明の実施例を図面にて詳述するが、本発明は以
下の実施例に限定されるものではない。

実施例１ 第１図は本発明の第１の実施例である光波長変換装置の
構成を示すブロック図である。

同図において、波長０．８３μ１１出力１００ｍＷの単
一モード発振する半導体レーザｌＯから発した光（基本
波）はレンズ２０によって集光され、ＭｇＯドープＬ　
ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓの２カツト基板（以下基板と記す）３
０上の光導波路３２ｇに光入力部３２ｃを介して入射す
る。この光は光方向性結合器３６を通過する際、一部は
半径０．７ＪＩＩの円形状光導波路（以下リング光導波
路と記す）３４に結合し、残りは光導波路３２ｂを通っ
て受光素子５０へ入射する。この受光量が極小となるよ
うに後述する方法によって共振制御を行う。共振状態に
おいて高調波はリング光導波路３４の各部分から基板３
０中へ放射される。

基板３０の裏面には、ある幅を有する閉曲線領域すなわ
ち外周部半径１．３６ｉｚと内周部半径１．１８ｚｚの
間の領域に、グレーティング４０が形成されている。リ
ング光導波路３４から基板３０に放射された第２高調波
はこのグレーティング４０によって方向を変えられ、基
板３０表面に垂直に入射し、基板３０外部で平行光Ｌｐ
となる。

それぞれの光導波路３２．３４は以下のようにして作製
する。基板３０を２２０℃のリン酸に２５分浸漬して深
さ約０．４μ−のプロトン交換層を所定形状に形成する
。光導波路幅はＩｕｍである。曲がり部は半径０．７ｘ
ｘの円弧とする。このような寸法の光導波路の伝搬損失
は０．８ｄＢ／ａｍであった。

プロトン交換光導波路の場合、光導波路部分の屈折率の
増加が約０．１３と大きいので、半径０．７ｕ＋の光導
波路における曲がり損失は無視でき、リング光導波路３
４での損失はばば伝搬損失のみによって与えられる。

グレーティング４０の形状について、第２図に基づいて
説明する。第２図（ａ）は基板３０上面から光導波路３
２，３４、グレーティング４０を眺めた図、第２図（ｂ
）は点Ａと点Ｂを含む面内での基板３０の断面図である
。

リング光導波路３４の点Ａから光導波路の接平面に沿っ
て基板３０方向に放射される高調波は、裏面上の点Ｂに
到達する。グレーティング４０は、この光を基板３０に
垂直な方向に反射するようよ設計される。グレーティン
グ線の方向は第２図（ａ）において、直線ＡＢに直光す
る方向であり、ピッチは、チェレンコフ角θ−１６°、
高調波に対する基板３０の屈折率ｎ−２，３、高周波の
波長λ≠０．４１５μｓより、λ／ｎ−ｃｏｓθ＝０．
１８ｈａとする。

なお、この値は実際に作製するにはやや細かいので、そ
の整数倍である０、３７５μ−などとしてもよい。

グレーティング４０の断面形状は、第２図（ｂ）に示す
ように反射面の法線ＢＰが、＃ＡＢＣを三等分するよう
ブレーズ化した。

グレーティング４０は以下の手順で作製した。

まず、基板３０裏面に電子ビームレジストを塗布し、グ
レーティング４０の谷（削られる部分）を電子ビーム露
光し、現像することにより、電子ビームに露光されなか
った部分のレジスト３１０（第３図）を残す。次にグレ
ーティング４０のブレーズ化した溝を作製するため、Ａ
ｒイオンビームエツチングを行う。グレーティング溝の
方向がスノ（イラルなので、−度に同じ向きにブレーズ
化することができない。そこで第３図に示すように、グ
レーティング領域の一部分のみが斜めに入射するＡｒイ
オンビーム３３０にエツチングされるようにウィンドウ
部のあるマスク３２０を配置し、基板３０を回転ホルダ
３４０に取付け、回転しながらエツチングを行い、全周
のエツチングを行った。

その後で裏面にアルミニウム反射膜３９を蒸着した。

基［３０の表面には、Ｓ　ｉ　Ｏを層３８を６９０人形
成した。この５ｉＯｚ層３８は単に光導波路を保護する
だけでなく、グレーティング４０で向きを変えられて基
板３０表面を透過する第２高調波に対しての反射防止膜
としても作用する。

基板３０の基本波入射・出射面は光学研摩を行い、基本
波波長に対して反射防止コートを灯った。

このように基本波の入射面と出射面を同一面とすること
により、両方の反射防止膜コートを同時に済ますことが
できる。

光方向性結合器３６は、光導波路３２．３４を１／４円
周（約１．１ｚｍ）に渡って、１〜４μｌの距離を置い
て平行に配置して作製した。なお、導波・路３２ａから
の光がほぼすべてリング光導波路３４に結合するために
は、リング光導波路損失に応じて最適な結合長さ、およ
び光導波路間距離を設定する必要がある。この例では結
合長さを一定として光導波路間距離を調節することによ
り最適化を図っている。一般にリング光導波路の損失が
小さくなるほど光方向性結合器の光導波路間距離を大き
くする。なお、最適結合長さは複数存在するが、本実施
例ではその中で最も短いものをとった。

リング光導波路３４の共振状態は、受光素子５０におけ
る受光量が極小となることによって検知できる。本実施
例においては、共振条件を保つために半導体レーザ発振
波長の注入電流依存性を利用し、常に受光量が極小とな
るように制御回路６０によって注入電流を制御している
。この制御方式では半導体レーザのモードホッピングに
よって制御が不安定となるため、半導体レーザ１０の温
度がほぼ一定となるようにして実験した。なお、半導体
レーザ１０を完全な定電流駆動とし、その温度を受光量
が極小となるように精密に制御することによっても共振
制御が可能である。

実験によれば、基本波光量１００　ｍＷ、そのうち光導
波路３２への結合光量が約４５ｍＷのとき、基板３０表
面を出射した高調波の強度は約１７ｍＷであった。

なお、本実施例においては単一モード半導体レーザを用
いたが、マルチモードであってもよい。

特にリング共振器の共振波長間隔の整数倍が半導体レー
ザの縦モード間隔となる場合には、マルチモード半導体
レーザの出力がほとんどリング共振器に入り、有効に第
２高周波を発生する。ここで厳密に言えば、半導体レー
ザの異なる２つの縦モードの周波数が足し合わされて高
周波を発生する一種の和周波発生も生じる。

実施例２ 第２の実施例の構成図を第４図に示す。本実施例におい
ては、第１の実施例において表面の導波路と裏面のグレ
ーティングとの位置合せが難しかった点を解決するため
、裏面を良好な平坦面とし、その平坦面で第２高周波光
を全反射させ、グレーティングを表面に形成して＄２高
調波光の整形を行う。このグレーティングは反射型なの
で、第２高調波は裏面から出射する。グレーティングは
外径２．４０６ｚｍ、内径２．００６ｚ、ｗの円に挟ま
れた領域に形成した。

光導波路基板および作製方法は実施例１と同じてある。

同一構成要素には上記第１の実施例と同一符号を付して
説明する。

リング光導波路３４は半径０．７ｕ、幅ｌμ偽である。

基本波入力部分および出力部分にグレーティングカプラ
３１ａ、３１ｂを採用した。作製手順としては、まず導
波路のプロトン交換を行い、次にグレーティング４０、
グレーティングカブラ３１λ。

３１ｂのパターンを同じ電子ビーム描画装置で作製し、
Ａｒイオンビームエツチングによって所定の形状に加工
した。その後で裏面全面にＳｉｎ。

膜３８°を蒸着した。

第１の実施例においてはグレーティングを通過した光は
平行ビームとしたが、本実施例においては収束光Ｌｃと
した。

本実施例においても高い波長交換効率が得られた。

実施例３ 第３の実施例においては、光導波路材料として大きな非
線形光学効果を有する非線形光学材料のうちの有機材料
のひとつであるＭＮＡ（２−メチル−４−ニトロアニリ
ン）を用いた。ＭＮＡを用いた光導波路部分を説明する
ための要部斜視図を第５図に示す。なお基板中での光導
波路の配置は実施例１と同じである。

ガラス基板９０λ上（図では下面）に幅２μ−１深さ０
．２μ園のＺｎ０Ｉ膜層９２を形成し、その上に１〜１
０μｍ程度の微小な空隙を介してもう一つのガラス基板
９０ｂを重ね、その空隙に融点以上の温度で液状となっ
ているＭＮＡ９４を吸い込ませ、冷却により固化する。

この構造では基本波はＺｎＯ薄膜層９２に沿って伝搬し
、ＭＮＡ９４はクラッド層として作用する。ＺｎＯ薄膜
層９２とＭＮＡ９４の屈折率の関係で基板中への第２高
調波放射条件が満足される。

光源としては半導体レーザ励起の小型ＹＡＧレーザを用
いた。共振制御には、材料の性質上電気光学効果による
制御を行うことができないので、屈折率の温度変化によ
る光路長の変化を利用し、基板全体の温度を調節した。

この構成により第２高周波の発生が観測された。

Ｍ　Ｎ　Ａは非常に高い非線形光学定数を有しているの
で、導波路損失、ＭＮＡの配向性などを改善することに
より良好な効率が得られるものと考えられる。

非線形光学材料としては、高調波が基板中へ放射される
条件（チェレンコフ放射条件）をみたすものであれば様
々なものを用いることが可能である。代表的なものとし
ては、実施例１・２に用いたＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓの他
、Ｌ　１ＴａＯｓ、ＫＮｂＯｓ、ＫＴＰ　（ＫＴ　ｉ　
０ＰＯ４）　、ＫＴＡ　（ＫＴ　ｉ　０ＡＳＯ，）、β
−Ｂ　ｉ　Ｂ　＠　Ｏａ、Ｌｉｌ０ａ、ＬｉＢ。

０５、Ｂ　Ｎ　Ｎ　（Ｂ　ｌ　ｔ　Ｎ　Ｌ　Ｎ　ｂ　ｓ
　Ｏ、ｓ　）　、Ｋ　Ｄ　Ｐ　（ＫＨｘ　Ｐ　０４　）
、ＺｎＳ、Ｚｎ５ｅなどの無機材料、および実施例３に
用いたＭＮＡや、ＮＰＰ　（Ｎ−（４−ｎ１ｔｒｏｐｈ
ｅｎｙｌ）−（Ｌ）−ｐｒｏｌｉｎｏｌ）、ＰＯＭ（３
−ｓｅｔｈｙｌ　−４−ｎｉｔｒｏｐｙｒｉｄｉｎｅ−
１−ｏｗｉｄｅ）、　　ＤＡＮ　　（４−（Ｎ、　　Ｎ
−ｄｉａｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）−３−ａｃｅｔａｍｉ
ｄｏｎｉｔｒｏｂｅｎｚｅｎｅ）、ＭＡＰ　（３−ｓ＋
ｅｔｈｙｌ−２，４−ｄｉｎｉｔｒｏｐｈｅｎｙｌ　ａ
ｍｉｎｏｐｒｏｐａｎａｔｅ）、ｍＮＡ（メタニトロア
ニリン）、Ｌ　Ａ　Ｐ　（Ｌ　−Ａｒｇｉｎｉｎｅ　Ｐ
ｈｏｓｐｈａｔｅ　Ｍｏｎｏｈｙｄｒａｔｅ）、ＤＬＡ
Ｐ　（１水素化ＬＡＰ）、Ｄ　Ｉ　ＶＡ　（メトキシジ
シアノビニルアニソール）、カルコン誘導体、シアニン
誘導体などの有機材料を用いることが考えられる。

基板材料としては、実施例１や２のように非線形光学材
料自体を用いる場合と、実施例３のようにガラスなどの
他の基板を用いることが可能である。基板としては、サ
ファイア、Ｍ、Ｏ，シリコン、ＧλＡｓなどを用いても
よい。

（へ）発明の効果 本発明によれば、基板上に第１の光導波路と第２の光導
波路とによりリング共振型導波路が形成され、その第２
の光導波路の全周から放射された波長変換光がすべてグ
レーティングによって平行光または同一焦点を有するビ
ームに変換されるため、波長変換光の利用率をほぼ１０
０％にできる。

さらに第２の光導波路の長さを極小化でき、導波損失の
低減に伴う共振倍率の向上が図れるため、高効率で光波
長変換が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、第２図（
ａ）及び（ｂ）は第１の実施例におけるグレーティング
の配置および形状を説明する説明図、第３図は第１の実
施例におけるグレーティングを作製する方法の説明図、
第４図は本発明の第２の実施例を示す構成図、第５図は
本発明の第３の実施例に用いた導波路の構造を示す要部
拡大斜視図、第６図は従来例を示す構成図である。 ０・・・・・・レーザ光源、２０・・・・・・レンズ、
０・・・・・・基板、３２・・・・・・光導波路、４・
・・・・・リング光導波路、 ６・・・・・・光方向性結合器、 ０・・・・・・グレーティング、 ０・・・・・・制御回路。 ５０・・・・・・受光素子、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板外部に対する光入力部を有する第１の光導波路
   と、円周状に形成されそのコアあるいはクラッド層が非
   線形光学材料よりなる第２の光導波路と、第１の光導波
   路と第２の光導波路の間に光結合を行う光方向性結合器
   とが同一の基板に形成され、レーザ光源からの出射光を
   基本波として前記第１の光導波路の光入力部に入射し、
   前記第２の光導波路より、位相整合条件を満たす角度で
   基板内に高調波光または和周波光を発生する光波長変換
   装置において、 前記基板の裏面または表面に、第２の光導波路の全周か
   ら発する高調波光または和周波光を同一焦点を経由する
   光または平行光となるように波形整形を行うグレーティ
   ングが形成されてなることを特徴とする光波長変換装置
   。