JPH04335328A - 第2高調波発生素子の製造方法 - Google Patents
第2高調波発生素子の製造方法Info
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- JPH04335328A JPH04335328A JP10605991A JP10605991A JPH04335328A JP H04335328 A JPH04335328 A JP H04335328A JP 10605991 A JP10605991 A JP 10605991A JP 10605991 A JP10605991 A JP 10605991A JP H04335328 A JPH04335328 A JP H04335328A
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Classifications
-
- 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
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
- G02F1/3558—Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光ディスク装置、レ−
ザプリンタ、その他の光応用装置の光源の短波長化に係
り、とくに波長が約800nmの半導体レ−ザ光を波長
が約400nmの青色光に変換するような、導波路型の
第2高調波発生素子(SHG,Seconnd Har
monic Generator)とその製造方法、お
よび上記第2高調波発生素子を用いたバルク型光ヘッド
、集積化光ヘッド、ディスク装置、レーザビームプリン
タ等の光情報処理機器用部品と装置に関する。
ザプリンタ、その他の光応用装置の光源の短波長化に係
り、とくに波長が約800nmの半導体レ−ザ光を波長
が約400nmの青色光に変換するような、導波路型の
第2高調波発生素子(SHG,Seconnd Har
monic Generator)とその製造方法、お
よび上記第2高調波発生素子を用いたバルク型光ヘッド
、集積化光ヘッド、ディスク装置、レーザビームプリン
タ等の光情報処理機器用部品と装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来からレ−ザ光の短波長化により光記
録再生装置における記録密度の向上、レーザビームプリ
ンタにおける高精彩化などが進展するものと期待されて
いるものの、例えば半導体レーザ波長を従来の800n
mから500nm以下に短縮するには、従来のレ−ザに
用いられているIII−V族半導体をII−VI族半導
体に変更する必要があり簡単なことではなかった。この
ため赤外光例えば波長800nmの半導体レーザ光(赤
外光)を、光学的非線形性を利用して波長400nmの
第2高調波に変換する方法が注目されている。
録再生装置における記録密度の向上、レーザビームプリ
ンタにおける高精彩化などが進展するものと期待されて
いるものの、例えば半導体レーザ波長を従来の800n
mから500nm以下に短縮するには、従来のレ−ザに
用いられているIII−V族半導体をII−VI族半導
体に変更する必要があり簡単なことではなかった。この
ため赤外光例えば波長800nmの半導体レーザ光(赤
外光)を、光学的非線形性を利用して波長400nmの
第2高調波に変換する方法が注目されている。
【0003】このような第2高調波発生素子により第2
高調波を効率よく発生させるためには、基本波と第2高
調波間にエネルギー保存則と運動量保存則とが満足され
る必要がある。ところが一般に光学材料の屈折率は波長
によって変化するため、エネルギー保存則を満足する波
長間では運動量の保存法則が成立しないという問題が発
生するので、基本波と第2高調波間の位相整合をとる必
要があった。上記位相整合とは、第2高調波発生素子内
で発生した無数の第2高調波成分が光導波路内を伝搬す
る過程で互いに同位相で合波されるようにすることであ
る。上記位相整合により、発生した第2高調波成分は互
いに強め合う方向に合成されて出力される。
高調波を効率よく発生させるためには、基本波と第2高
調波間にエネルギー保存則と運動量保存則とが満足され
る必要がある。ところが一般に光学材料の屈折率は波長
によって変化するため、エネルギー保存則を満足する波
長間では運動量の保存法則が成立しないという問題が発
生するので、基本波と第2高調波間の位相整合をとる必
要があった。上記位相整合とは、第2高調波発生素子内
で発生した無数の第2高調波成分が光導波路内を伝搬す
る過程で互いに同位相で合波されるようにすることであ
る。上記位相整合により、発生した第2高調波成分は互
いに強め合う方向に合成されて出力される。
【0004】上記位相整合法にはいくつかの方法が提案
されている。例えば、特開昭61−18964公報には
図4に示すように、LiNbO3単結晶基板41上に、
プロトン交換法(LiNbO3のLiイオンとプロトン
を一部置換する方法)により光導波路42を形成し、そ
の一端面より基板表面と垂直な方向35へ偏光した基本
波33を入射し、チェレンコフ放射により発生した基板
表面と垂直な方向35へ偏光した第二高調波44を取り
出す方法が提案されている。この方法では第2高調波が
導波路から外へ放射する放射モードであり位相整合は満
足される。
されている。例えば、特開昭61−18964公報には
図4に示すように、LiNbO3単結晶基板41上に、
プロトン交換法(LiNbO3のLiイオンとプロトン
を一部置換する方法)により光導波路42を形成し、そ
の一端面より基板表面と垂直な方向35へ偏光した基本
波33を入射し、チェレンコフ放射により発生した基板
表面と垂直な方向35へ偏光した第二高調波44を取り
出す方法が提案されている。この方法では第2高調波が
導波路から外へ放射する放射モードであり位相整合は満
足される。
【0005】また、1989年の電子情報通信学会秋季
全国大会予稿集C−249には角度位相整合と称する方
法が報告されている。上記角度位相整合法においては図
3に示すように、タンタル酸リチウム(LiTaO3)
基板31上にマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウ
ム(MgO:LiNbO3と略称する)を液相成長させ
て形成した光導波路32を設け、その一端面に基板表面
と垂直なz方向に偏光(TE偏光)した基本波33を入
射させ、他端面から基板表面と平行なx方向に偏光(T
M偏光)した第2高調波34を出射させるようにしてい
る。光導波路32内を基本波33が伝播する過程で屈折
率の非線形性により基本波33は第2高調波34成分に
変換されていく。このとき、基本波33と第2高調波3
4成分の伝播速度が等しければ第2高調波成分は常に位
相整合されて出力するので最大の第2高調波出力を得る
ことができる。
全国大会予稿集C−249には角度位相整合と称する方
法が報告されている。上記角度位相整合法においては図
3に示すように、タンタル酸リチウム(LiTaO3)
基板31上にマグネシウムをドープしたニオブ酸リチウ
ム(MgO:LiNbO3と略称する)を液相成長させ
て形成した光導波路32を設け、その一端面に基板表面
と垂直なz方向に偏光(TE偏光)した基本波33を入
射させ、他端面から基板表面と平行なx方向に偏光(T
M偏光)した第2高調波34を出射させるようにしてい
る。光導波路32内を基本波33が伝播する過程で屈折
率の非線形性により基本波33は第2高調波34成分に
変換されていく。このとき、基本波33と第2高調波3
4成分の伝播速度が等しければ第2高調波成分は常に位
相整合されて出力するので最大の第2高調波出力を得る
ことができる。
【0006】しかしながら屈折率は一般に光の周波数に
比例して変化するので、上記位相整合条件は満たされな
い。例えば基本波33と第2高調波34の偏光方向がと
もにz方向であると上記位相整合条件を満たせないので
、図3に示すように第2高調波34の偏光方向をx方向
にして、上記位相整合条件を満たす屈折率がx方向に存
在する結晶を用いるようにするのである。すなわち、結
晶の異方性を利用して位相整合を行っている。
比例して変化するので、上記位相整合条件は満たされな
い。例えば基本波33と第2高調波34の偏光方向がと
もにz方向であると上記位相整合条件を満たせないので
、図3に示すように第2高調波34の偏光方向をx方向
にして、上記位相整合条件を満たす屈折率がx方向に存
在する結晶を用いるようにするのである。すなわち、結
晶の異方性を利用して位相整合を行っている。
【0007】また、エレクトロニクス、レターズ(El
ectronics,Letters)第25巻,第7
31〜732頁には図5に示すように、自発分極を持つ
強誘電体、例えばLiNbO3基板41上に自発分極方
向を等ピッチで反転させた分極反転層53と、プロトン
交換法により形成した光導波路52を設け、光導波路5
2の一端より基板表面とz方向に偏光した基本波33を
入射し、他端より同様にz方向に偏光した第2高調波5
6を取り出す方法が提案されている。ここでは、上記自
発分極の反転により光導波路52内で発生する第2高調
波成分に強弱をつけ、上記自発分極の反転ピッチの長さ
を調節して強い第2高調波成分同志を位相整合して取り
出すようにするのである。
ectronics,Letters)第25巻,第7
31〜732頁には図5に示すように、自発分極を持つ
強誘電体、例えばLiNbO3基板41上に自発分極方
向を等ピッチで反転させた分極反転層53と、プロトン
交換法により形成した光導波路52を設け、光導波路5
2の一端より基板表面とz方向に偏光した基本波33を
入射し、他端より同様にz方向に偏光した第2高調波5
6を取り出す方法が提案されている。ここでは、上記自
発分極の反転により光導波路52内で発生する第2高調
波成分に強弱をつけ、上記自発分極の反転ピッチの長さ
を調節して強い第2高調波成分同志を位相整合して取り
出すようにするのである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記図4に示したチェ
レンコフ放射を用いる方法では、第2高調波44が三日
月型となるため波面収差が大きく、これを光ディスク装
置等に用いる微小光スポットまで絞り込むことはほとん
ど不可能であった。また、図3に示した従来方法にはL
iNbO3のような非線形光学係数の大きな強誘電体材
料を用いるので、第2高調波34の波長が500nm以
下の場合には屈折率の波長分散性により十分に位相整合
することができず青色光が得られないという問題があっ
た。
レンコフ放射を用いる方法では、第2高調波44が三日
月型となるため波面収差が大きく、これを光ディスク装
置等に用いる微小光スポットまで絞り込むことはほとん
ど不可能であった。また、図3に示した従来方法にはL
iNbO3のような非線形光学係数の大きな強誘電体材
料を用いるので、第2高調波34の波長が500nm以
下の場合には屈折率の波長分散性により十分に位相整合
することができず青色光が得られないという問題があっ
た。
【0009】また、基本波33と第2高調波34の偏光
方向が直交するため各偏光方向における屈折率の温度係
数が大きく異なり、これにより伝播速度が温度変化して
位相整合条件を崩すので許容温度幅は0.1℃程度に狭
められ、また光導波路32の膜厚精度には0.01μm
以下というような非現実的な値が要求されるという問題
もあった。一方、図5に示した分極反転格子を用いる第
2高調波発生素子においては、第2高調波は光導波路に
閉じ込められるので出射光を容易に絞り込むことができ
、また、基本波33と第2高調波56が同じ方向に偏光
するのでそれぞれの屈折率の温度係数も略等しくなるた
め、図3における許容温度幅0.2℃を約3℃に改善で
きるものの実用的には不十分である上、変換効率の温度
劣化が過大という問題を伴っていた。本発明の目的は、
上記基本波と第2高調波の偏光方向が同じである第2高
調波発生素子の許容温度幅を拡大し、同時に変換効率を
高めることにある。また、上記第2高調波発生素子の製
造方法を提供し、さらにこの第2高調波発生素子を用い
た可視光発生用光源、光ヘッド、光情報記録再生装置等
を提供することにある。
方向が直交するため各偏光方向における屈折率の温度係
数が大きく異なり、これにより伝播速度が温度変化して
位相整合条件を崩すので許容温度幅は0.1℃程度に狭
められ、また光導波路32の膜厚精度には0.01μm
以下というような非現実的な値が要求されるという問題
もあった。一方、図5に示した分極反転格子を用いる第
2高調波発生素子においては、第2高調波は光導波路に
閉じ込められるので出射光を容易に絞り込むことができ
、また、基本波33と第2高調波56が同じ方向に偏光
するのでそれぞれの屈折率の温度係数も略等しくなるた
め、図3における許容温度幅0.2℃を約3℃に改善で
きるものの実用的には不十分である上、変換効率の温度
劣化が過大という問題を伴っていた。本発明の目的は、
上記基本波と第2高調波の偏光方向が同じである第2高
調波発生素子の許容温度幅を拡大し、同時に変換効率を
高めることにある。また、上記第2高調波発生素子の製
造方法を提供し、さらにこの第2高調波発生素子を用い
た可視光発生用光源、光ヘッド、光情報記録再生装置等
を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、上記光学基板と光導波路の基板表面と垂直な方向の
屈折率温度係数の比を0.9から1.1の範囲に入るよ
うにする。さらに、上記光導波路内では非線形光学係数
が等間隔格子状に交互に反転するようにし、さらに基本
波から第二高調波への変換性能を表す結合係数をKとし
、基本波の入力パワーをP0としたときに,K√P0の
値が10m ̄1以上になるようにする。さらに、上記光
学基板にマグネシウムがドープされたニオブ酸リチウム
を用い、上記光導波路にニオブ酸リチウム、または上記
光学基板よりマグネシウムのドープ量が少ないニオブ酸
リチウムを用いるようにする。
に、上記光学基板と光導波路の基板表面と垂直な方向の
屈折率温度係数の比を0.9から1.1の範囲に入るよ
うにする。さらに、上記光導波路内では非線形光学係数
が等間隔格子状に交互に反転するようにし、さらに基本
波から第二高調波への変換性能を表す結合係数をKとし
、基本波の入力パワーをP0としたときに,K√P0の
値が10m ̄1以上になるようにする。さらに、上記光
学基板にマグネシウムがドープされたニオブ酸リチウム
を用い、上記光導波路にニオブ酸リチウム、または上記
光学基板よりマグネシウムのドープ量が少ないニオブ酸
リチウムを用いるようにする。
【0011】また第2高調波発生素子を、上記光学基板
の表面の自発分極方向を等間隔で反転させる第1工程と
、光導波層を構成する強誘電体金属酸化物の原料粉末を
フラックスと混合して酸素及び水蒸気雰囲気下で加熱溶
融して得られる溶融体に浸漬し上記光学基板上に金属酸
化膜を液相エピタキシャル成長させる第2工程と、上記
光学基板表面に設けた自発分極部の分極方向を上記金属
酸化膜に転写する第3工程により製造するようにする。 また、上記フラックスをホウ酸リチウム(Li2B2O
4)、またはフッ化リチウム(LiF)、またはフッ化
カリウム(KF)とするようにする。
の表面の自発分極方向を等間隔で反転させる第1工程と
、光導波層を構成する強誘電体金属酸化物の原料粉末を
フラックスと混合して酸素及び水蒸気雰囲気下で加熱溶
融して得られる溶融体に浸漬し上記光学基板上に金属酸
化膜を液相エピタキシャル成長させる第2工程と、上記
光学基板表面に設けた自発分極部の分極方向を上記金属
酸化膜に転写する第3工程により製造するようにする。 また、上記フラックスをホウ酸リチウム(Li2B2O
4)、またはフッ化リチウム(LiF)、またはフッ化
カリウム(KF)とするようにする。
【0012】
【作用】上記本発明においては、光学基板と光導波路の
基板法線方向の屈折率の温度係数比が0.9〜1.1と
1に近い値に設定することにより、また、基本波から第
二高調波への変換性能を表す結合係数をK、基本波の入
力パワーをP0としてK√P0の値を10m ̄1以上の
大きな値に設定することにより第2高調波発生素子許容
温度幅が拡大し、また、その変換効率が向上する。また
、具体的には上光学基板をMgO:LiNbO3、光導
波路をLiNbO3または、上記光学基板よりマグネシ
ウムのドープ量が少ないMgO:LiNbO3材とする
ことにより上記1に近い屈折率の温度係数比が得られる
。また、上記光導波路の金属酸化膜の液相エピタキシャ
ル成長により、光導波路内に断面形状が矩形の分極反転
格子が高精度に作製され、これにより上記結合係数Kの
値が高まり、同時に上記温度許容幅が広がる。
基板法線方向の屈折率の温度係数比が0.9〜1.1と
1に近い値に設定することにより、また、基本波から第
二高調波への変換性能を表す結合係数をK、基本波の入
力パワーをP0としてK√P0の値を10m ̄1以上の
大きな値に設定することにより第2高調波発生素子許容
温度幅が拡大し、また、その変換効率が向上する。また
、具体的には上光学基板をMgO:LiNbO3、光導
波路をLiNbO3または、上記光学基板よりマグネシ
ウムのドープ量が少ないMgO:LiNbO3材とする
ことにより上記1に近い屈折率の温度係数比が得られる
。また、上記光導波路の金属酸化膜の液相エピタキシャ
ル成長により、光導波路内に断面形状が矩形の分極反転
格子が高精度に作製され、これにより上記結合係数Kの
値が高まり、同時に上記温度許容幅が広がる。
【0013】
〔実施例 1〕図1は本発明による第2高調波発生素
子実施例の斜視図である。図1において、リッジ型の光
導波路4に入射される基本波5、および光導波部4より
出射する第2高調波6は図6に示した従来素子の場合と
同様に基板1表面に対してともに垂直方向(C軸方向)
に偏光している。したがって、本発明は図5に示すよう
な表面が平坦な構造にも適用することができる。しかし
以下においては説明の明快化のため図1のリッジ型につ
いて説明を進めることにする。表面が+c面である5m
ol%MgOドープのZcutLiNbO3単結晶基板
1上に通常は自発分極が上向きの1mol%MgOドー
プLiNbO3単結晶薄膜2が設けられる。薄膜2上に
は薄膜2と同一材質の光導波路4が設けられ、光導波路
4内には薄膜2とは分極方向が逆(下向き)の分極反転
格子3が設けられている。
子実施例の斜視図である。図1において、リッジ型の光
導波路4に入射される基本波5、および光導波部4より
出射する第2高調波6は図6に示した従来素子の場合と
同様に基板1表面に対してともに垂直方向(C軸方向)
に偏光している。したがって、本発明は図5に示すよう
な表面が平坦な構造にも適用することができる。しかし
以下においては説明の明快化のため図1のリッジ型につ
いて説明を進めることにする。表面が+c面である5m
ol%MgOドープのZcutLiNbO3単結晶基板
1上に通常は自発分極が上向きの1mol%MgOドー
プLiNbO3単結晶薄膜2が設けられる。薄膜2上に
は薄膜2と同一材質の光導波路4が設けられ、光導波路
4内には薄膜2とは分極方向が逆(下向き)の分極反転
格子3が設けられている。
【0014】図2は図1における光導波路4の断面図で
ある。図5に示した従来装置においては分極反転層53
は三角波状の層状断面を有していたが、本発明では基本
波から第2高調波への変換効率を高めるために、分極反
転部は図2の3のように矩形断面の格子状となっている
。したがって、3を分極反転格子と名付ける。Jour
nal of Applied Physics誌、第
40巻、第2号、720〜734頁においてM.Did
omenico Jr.らは、上記LiNbO3やLi
TaO3等の空間群R3cに属する強誘電体結晶では、
自発分極の向きが反転すると非線形光学係数の符号も反
転することを報告している。従って、上記光導波路4内
では分極反転格子3の存在により非線形光学係数が周期
的に反転するので、分極反転格子3部で第2高調波が発
生し、その偏光方向は基本波と同一方向となるのである
。また、分極反転格子3のピッチΛを適正化することに
より各分極反転格子部で発生した第2高調波成分を同位
相で合波することができるのである。
ある。図5に示した従来装置においては分極反転層53
は三角波状の層状断面を有していたが、本発明では基本
波から第2高調波への変換効率を高めるために、分極反
転部は図2の3のように矩形断面の格子状となっている
。したがって、3を分極反転格子と名付ける。Jour
nal of Applied Physics誌、第
40巻、第2号、720〜734頁においてM.Did
omenico Jr.らは、上記LiNbO3やLi
TaO3等の空間群R3cに属する強誘電体結晶では、
自発分極の向きが反転すると非線形光学係数の符号も反
転することを報告している。従って、上記光導波路4内
では分極反転格子3の存在により非線形光学係数が周期
的に反転するので、分極反転格子3部で第2高調波が発
生し、その偏光方向は基本波と同一方向となるのである
。また、分極反転格子3のピッチΛを適正化することに
より各分極反転格子部で発生した第2高調波成分を同位
相で合波することができるのである。
【0015】しかし、光導波路4内各部の屈折率の温度
変化により上記分極反転格子3間の最適ピッチΛが変る
ため上記位相整合条件が崩れて変換効率ηが低下すると
いう問題が発生する。本発明の目的は上記温度劣化を低
減することにある。以下、分極反転格子の変換効率ηと
位相整合条件、とくにその温度依存性について理論的に
考察して上記温度特性を改善する条件を明らかにする。
変化により上記分極反転格子3間の最適ピッチΛが変る
ため上記位相整合条件が崩れて変換効率ηが低下すると
いう問題が発生する。本発明の目的は上記温度劣化を低
減することにある。以下、分極反転格子の変換効率ηと
位相整合条件、とくにその温度依存性について理論的に
考察して上記温度特性を改善する条件を明らかにする。
【0016】式(1)および式(2)はそれぞれ、図1
の光導波路4内におけるz方向に偏光した平面波(波長
λ、角周波数ω=2πc/λ)である基本波5と第2高
調波6のz方向電場成分を一般的に表現したものである
。
の光導波路4内におけるz方向に偏光した平面波(波長
λ、角周波数ω=2πc/λ)である基本波5と第2高
調波6のz方向電場成分を一般的に表現したものである
。
【数2】
【数3】
ただし、N(λ)、N(λ/2)等は、それぞれ光導波
路4内における基本波5および第2高調波6に対する実
効屈折率、c.cはその前の指数項の複素共役項(Co
mplex Conjugate)である。式(1)の
A(y)と式(2)におけるC(y)は上記基本波5と
第2高調波6のy方向(進行方向)における振幅変化を
表し、光導波路4の光学非線形性による上記基本波と第
2高調波電場間の結合によって規定される。
路4内における基本波5および第2高調波6に対する実
効屈折率、c.cはその前の指数項の複素共役項(Co
mplex Conjugate)である。式(1)の
A(y)と式(2)におけるC(y)は上記基本波5と
第2高調波6のy方向(進行方向)における振幅変化を
表し、光導波路4の光学非線形性による上記基本波と第
2高調波電場間の結合によって規定される。
【0017】式(3−1)と式(3−2)は上記A(y
)とC(y)のy方向変化率でありMaxwell方程
式から導かれる。
)とC(y)のy方向変化率でありMaxwell方程
式から導かれる。
【数4】
ここで指数項の中身である4π/λ(N(λ/2)−N
(λ))が位相の不整合量Δβを表している。また、数
4中の積分項は重なり積分とよばれ、素子の第2高調波
発生効率を支配する重要な項である。
(λ))が位相の不整合量Δβを表している。また、数
4中の積分項は重なり積分とよばれ、素子の第2高調波
発生効率を支配する重要な項である。
【0018】また、d(x,y,z)は非線形光学係数
であり、本発明のようにd(x,y,z)の符号がy方
向にピッチΛで反転するようになっていると式(4)の
ようにフーリエ級数に展開することができる。
であり、本発明のようにd(x,y,z)の符号がy方
向にピッチΛで反転するようになっていると式(4)の
ようにフーリエ級数に展開することができる。
【数5】
また、フーリエ次数M=−1の場合に周期Λを式(5)
のように選ぶと位相整合が実現する。
のように選ぶと位相整合が実現する。
【数6】
【0019】周期Λを上記のように決定しても、屈折率
N(λ/2)、N(λ)等の温度変化により式(5)の
整合条件が崩れ、上記Δβがゼロではなくなる。Δβが
ゼロでないときの基本波から第2高調波への変換効率η
は、式(3)からヤコビの楕円関数を用いて式(6)の
ように導かれる。
N(λ/2)、N(λ)等の温度変化により式(5)の
整合条件が崩れ、上記Δβがゼロではなくなる。Δβが
ゼロでないときの基本波から第2高調波への変換効率η
は、式(3)からヤコビの楕円関数を用いて式(6)の
ように導かれる。
【数7】
Lは素子長、P0は入射基本波パワー、Kは基本波から
第2高調波への変換性能を表す結合係数で式(7)のよ
うに表される。
第2高調波への変換性能を表す結合係数で式(7)のよ
うに表される。
【数8】
【0020】式(6)の楕円関数は、K√P0Lνが小
さいときには式(8−1)、(8−2)のように冪級数
に展開できる。
さいときには式(8−1)、(8−2)のように冪級数
に展開できる。
【数9】
式(8−2)より、位相整合が取れているΔβ=0の場
合には、効率ηはほぼ結合係数kの2乗に比例し、また
、入射パワーP0に比例することがわかる。また、位相
整合が不完全な場合には、式(8−2)の第2項以下が
大きくなって、効率ηが低下し、同時にΔβの温度変動
の影響が強くなることがわかる。したがって変換効率η
の温度変動を低減するには、第1に大きな変換効率ηが
得られる構造を採用することが重要である。このため本
発明では図5に示した従来の分極反転層53の替わりに
図1に示した矩形断面形状を有する分極反転格子3を採
用している。このようにすると変換効率ηを高めたうえ
温度変動を低減出来るという2重の効果を得ることがで
きる。
合には、効率ηはほぼ結合係数kの2乗に比例し、また
、入射パワーP0に比例することがわかる。また、位相
整合が不完全な場合には、式(8−2)の第2項以下が
大きくなって、効率ηが低下し、同時にΔβの温度変動
の影響が強くなることがわかる。したがって変換効率η
の温度変動を低減するには、第1に大きな変換効率ηが
得られる構造を採用することが重要である。このため本
発明では図5に示した従来の分極反転層53の替わりに
図1に示した矩形断面形状を有する分極反転格子3を採
用している。このようにすると変換効率ηを高めたうえ
温度変動を低減出来るという2重の効果を得ることがで
きる。
【0021】このような本発明の効果は上記式(1)〜
(8)に示したように、非線形光学係数の分極反転格子
を有する第2高調波発生素子の特性を理論的に解析して
詳しく考察したことから見出されたのである。以下、変
換効率ηの温度特性を更に詳しく解析して、温度変動幅
を実用的な範囲内に抑えることのできる条件を明らかに
する。なお、以下の解折は一例として、基板1としてマ
グネシウムが5mol%ドープされたZcutLiNb
O3を用い、光導波路4にはマグネシウムが1mol%
ドープされたLiNbO3薄膜を用い、その厚さを2μ
m、幅を3μmとした。基本波5の波長λは830nm
、したがって第2高調波の波長は415nmである。 また、位相整合の次数Mは1である。入力光パワーP0
=40mWのとき、式(6)、(8)等の中のK√P0
の値は88m ̄1となる。
(8)に示したように、非線形光学係数の分極反転格子
を有する第2高調波発生素子の特性を理論的に解析して
詳しく考察したことから見出されたのである。以下、変
換効率ηの温度特性を更に詳しく解析して、温度変動幅
を実用的な範囲内に抑えることのできる条件を明らかに
する。なお、以下の解折は一例として、基板1としてマ
グネシウムが5mol%ドープされたZcutLiNb
O3を用い、光導波路4にはマグネシウムが1mol%
ドープされたLiNbO3薄膜を用い、その厚さを2μ
m、幅を3μmとした。基本波5の波長λは830nm
、したがって第2高調波の波長は415nmである。 また、位相整合の次数Mは1である。入力光パワーP0
=40mWのとき、式(6)、(8)等の中のK√P0
の値は88m ̄1となる。
【0022】図6は式(6)から計算した変換効率ηの
温度特性である。パラメータrは式(9)に示すように
基板の基板表面に垂直な方向(z方向)の屈折率の温度
係数と、光導波層の基板表面に垂直な方向の屈折率の温
度係数の比である。rが1に近いほど変換効率ηは温度
の影響を受けにく、また、rが減少するにつれて温度影
響が急速に強まることがわかる。図7は変換効率ηを8
0%に保つ際に許容し得る温度許容幅ΔTと上記屈折率
の温度係数比r(式9)との関係を求めたものである。 これより例えば10℃以上の温度許容幅を得ようとする
と、rを略0.9〜1.1の範囲内に納める必要がある
ことがわかる。
温度特性である。パラメータrは式(9)に示すように
基板の基板表面に垂直な方向(z方向)の屈折率の温度
係数と、光導波層の基板表面に垂直な方向の屈折率の温
度係数の比である。rが1に近いほど変換効率ηは温度
の影響を受けにく、また、rが減少するにつれて温度影
響が急速に強まることがわかる。図7は変換効率ηを8
0%に保つ際に許容し得る温度許容幅ΔTと上記屈折率
の温度係数比r(式9)との関係を求めたものである。 これより例えば10℃以上の温度許容幅を得ようとする
と、rを略0.9〜1.1の範囲内に納める必要がある
ことがわかる。
【0023】図3に示した従来の異方性モ−ド変換にお
いては上記温度許容幅は通常±0.1℃程度であった。 これに対し本発明では上記のようにrを0.9〜1.1
として温度許容幅を±10℃と略100倍以上に広げる
ことが容易である。また、上記±10℃の温度許容幅は
第2高調波素子を空調された室内で動作させる場合には
比較的容易に満たし得る値であり、また、空調されない
場合には簡単な温度調節装置に経済的に制御でき、実用
的に見て妥当な許容幅である。図8はr=1の場合のK
√P0と温度許容幅の関係を示す。図8よりK√P0が
大きいほど温度許容幅が大きいことがわかるが、特にK
√P0の値を10m ̄1以上とすれば、温度許容幅を大
きく拡大できる。
いては上記温度許容幅は通常±0.1℃程度であった。 これに対し本発明では上記のようにrを0.9〜1.1
として温度許容幅を±10℃と略100倍以上に広げる
ことが容易である。また、上記±10℃の温度許容幅は
第2高調波素子を空調された室内で動作させる場合には
比較的容易に満たし得る値であり、また、空調されない
場合には簡単な温度調節装置に経済的に制御でき、実用
的に見て妥当な許容幅である。図8はr=1の場合のK
√P0と温度許容幅の関係を示す。図8よりK√P0が
大きいほど温度許容幅が大きいことがわかるが、特にK
√P0の値を10m ̄1以上とすれば、温度許容幅を大
きく拡大できる。
【0024】以上のように、温度許容幅が大幅に拡大し
た理由は、以下の二点である。 (1)まず第一に、屈折率の温度係数の比が1にきわめ
て近いことである。例えば、従来例の図3の角度整合型
の素子では、基板と光導波層の屈折率の温度係数比は1
0にも達し、このため温度の許容幅が極めて狭かったの
である。 (2)第二に、K√P0の値が極めて大きいことが上げ
られる。数8から明らかなように、同一のΔβに対し、
K√P0の値が大きいほど、効率低下へのΔβの効果は
減殺される。従来の、例えば図5の素子では、K√P0
の値は1から5m ̄1程度であり、このため温度許容幅
は、あまり広くはなかったのである。これに対して本発
明では断面形状が矩形の分極反転層3を用いるので上記
Kの値を高めることができ、さらにこれにより変換効率
が向上して損失が減るので、基本波入力P0の値を増加
することができるようになるのである。
た理由は、以下の二点である。 (1)まず第一に、屈折率の温度係数の比が1にきわめ
て近いことである。例えば、従来例の図3の角度整合型
の素子では、基板と光導波層の屈折率の温度係数比は1
0にも達し、このため温度の許容幅が極めて狭かったの
である。 (2)第二に、K√P0の値が極めて大きいことが上げ
られる。数8から明らかなように、同一のΔβに対し、
K√P0の値が大きいほど、効率低下へのΔβの効果は
減殺される。従来の、例えば図5の素子では、K√P0
の値は1から5m ̄1程度であり、このため温度許容幅
は、あまり広くはなかったのである。これに対して本発
明では断面形状が矩形の分極反転層3を用いるので上記
Kの値を高めることができ、さらにこれにより変換効率
が向上して損失が減るので、基本波入力P0の値を増加
することができるようになるのである。
【0024】図9−1、図9−2は液層エピタキシャル
成長法を用いた上記第2高調波発生素子の製造工程図で
ある。まず、基板の分極反転格子の作製を行った。図9
−1(a)にしめすように上記基板1上に5nm厚にス
パッタリングしたTi膜をホトリソグラフィとエッチン
グにより、ピッチが2.5から3.5μmまで0.1μ
mずつ異なる11種類のパターンを作製し、その中から
後に決定される最適ピッチのパタ−ンを選定できるよう
にした。次いで図9−1(b)に示すように熱処理炉9
2にて1040℃、30分の熱処理を行い、約1μmの
分域反転域3を形成した。なお、熱処理炉92内の雰囲
気ガスには80℃の純水中を通した酸素ガスとアルゴン
ガスを用い酸化リチウムの外拡散を防止するようにした
。
成長法を用いた上記第2高調波発生素子の製造工程図で
ある。まず、基板の分極反転格子の作製を行った。図9
−1(a)にしめすように上記基板1上に5nm厚にス
パッタリングしたTi膜をホトリソグラフィとエッチン
グにより、ピッチが2.5から3.5μmまで0.1μ
mずつ異なる11種類のパターンを作製し、その中から
後に決定される最適ピッチのパタ−ンを選定できるよう
にした。次いで図9−1(b)に示すように熱処理炉9
2にて1040℃、30分の熱処理を行い、約1μmの
分域反転域3を形成した。なお、熱処理炉92内の雰囲
気ガスには80℃の純水中を通した酸素ガスとアルゴン
ガスを用い酸化リチウムの外拡散を防止するようにした
。
【0025】次に図9−1(c)に示すように、+c面
が光学研磨された5mol%MgOドープのZcutL
iNbO3単結晶基板1上に1mol%MgOドープL
iNbO3薄膜2を2.5μm厚にエピタキシャル成長
させた。上記エピタキシャル材には炭酸リチウムLi2
CO3、硼酸H3BO3、五酸化ニオブNb2O5、酸
化マグネシウムMgO等の混合粉末を酸素および水蒸材
雰囲気内で略1200℃、3時間加熱して均一に溶融さ
せたときに、薄膜2の1mol%MgOドープLiNb
O3が20mol%、フラックス材となる硼酸リチウム
Li2B2O4が80mol%となるように各成分を調
整したものをもちいる。
が光学研磨された5mol%MgOドープのZcutL
iNbO3単結晶基板1上に1mol%MgOドープL
iNbO3薄膜2を2.5μm厚にエピタキシャル成長
させた。上記エピタキシャル材には炭酸リチウムLi2
CO3、硼酸H3BO3、五酸化ニオブNb2O5、酸
化マグネシウムMgO等の混合粉末を酸素および水蒸材
雰囲気内で略1200℃、3時間加熱して均一に溶融さ
せたときに、薄膜2の1mol%MgOドープLiNb
O3が20mol%、フラックス材となる硼酸リチウム
Li2B2O4が80mol%となるように各成分を調
整したものをもちいる。
【0026】薄膜2は上記溶融体を60℃/hの冷却速
度で800℃まで冷却してから+c面が光学研磨された
上記基板1を浸漬し、次いで上記溶融体から取り出し電
気炉中で30℃/hで室温まで徐冷して生成する。EP
MAによってMgの含有率を調べたところ、ほぼ1mo
l%であった。なお、上記フラックス材料の添加量は7
0から90mol%の範囲が望ましい。浸漬時間は膜厚
0.5〜3μmに対て10〜30分である。またフラッ
クス材には上記硼酸リチウムの他にフッ化リチウムLi
F、フッ化カリウムKF、五酸化バナジウムV2O5等
を用いることもできる。
度で800℃まで冷却してから+c面が光学研磨された
上記基板1を浸漬し、次いで上記溶融体から取り出し電
気炉中で30℃/hで室温まで徐冷して生成する。EP
MAによってMgの含有率を調べたところ、ほぼ1mo
l%であった。なお、上記フラックス材料の添加量は7
0から90mol%の範囲が望ましい。浸漬時間は膜厚
0.5〜3μmに対て10〜30分である。またフラッ
クス材には上記硼酸リチウムの他にフッ化リチウムLi
F、フッ化カリウムKF、五酸化バナジウムV2O5等
を用いることもできる。
【0027】次いで図9−2(d)に示すように基板1
を水蒸気を含む酸素雰囲気内でアニールして酸素の欠損
を補い、次いで図9−2(e)に示すように薄膜2上に
光導波路を蔽う3μm幅のホトレジストマスク93を設
け、図9−2(f)に示すようにホトレジストマスク9
3の上からイオンミリングにより薄膜を2μmエッチン
グし、その後ホトレジストを除いて光導体波路4を作製
する。なお、上記イオンミリング用の装置は、円錐状の
空洞真空容器の外周に複数の永久磁石を配したプラズマ
室にてイオンを生成して、加速電極、減速電極、接地電
極等により引きだされる構造であるため、空間密度分布
が一様なイオンを指向性高く取り出すことでき、これに
よりエッチング精度を高めることができるようになって
いる。
を水蒸気を含む酸素雰囲気内でアニールして酸素の欠損
を補い、次いで図9−2(e)に示すように薄膜2上に
光導波路を蔽う3μm幅のホトレジストマスク93を設
け、図9−2(f)に示すようにホトレジストマスク9
3の上からイオンミリングにより薄膜を2μmエッチン
グし、その後ホトレジストを除いて光導体波路4を作製
する。なお、上記イオンミリング用の装置は、円錐状の
空洞真空容器の外周に複数の永久磁石を配したプラズマ
室にてイオンを生成して、加速電極、減速電極、接地電
極等により引きだされる構造であるため、空間密度分布
が一様なイオンを指向性高く取り出すことでき、これに
よりエッチング精度を高めることができるようになって
いる。
【0028】上記基板1の光導波路4に基板表面と垂直
方向に偏光した波長830nmのTi−Sレーザ光を入
射させ、同じ方向に励振された電場を有するTMモード
の実効屈折率N(λ)を測定したところ2.1686で
あった。波長415nmの色素レーザを入射して同様の
測定を行ったところ二本のモードが励振され、低次モー
ドの実効屈折率N(λ/2)は2.3016であった。 また、830nmの光に対する光伝搬損失をカットバッ
ク法により測定したところ1dB/cmであった。この
ように光伝搬損失が低くなる第一の理由は、薄膜2が上
記液相エピタキシャル成長により化学量論的組成にきわ
てて近い高品質に生成されたためであり、第二の理由は
上記イオンミリングを指向性高く行った結果、光導波路
4の側壁部が極めて高精度に加工できたためである。
方向に偏光した波長830nmのTi−Sレーザ光を入
射させ、同じ方向に励振された電場を有するTMモード
の実効屈折率N(λ)を測定したところ2.1686で
あった。波長415nmの色素レーザを入射して同様の
測定を行ったところ二本のモードが励振され、低次モー
ドの実効屈折率N(λ/2)は2.3016であった。 また、830nmの光に対する光伝搬損失をカットバッ
ク法により測定したところ1dB/cmであった。この
ように光伝搬損失が低くなる第一の理由は、薄膜2が上
記液相エピタキシャル成長により化学量論的組成にきわ
てて近い高品質に生成されたためであり、第二の理由は
上記イオンミリングを指向性高く行った結果、光導波路
4の側壁部が極めて高精度に加工できたためである。
【0029】上記基本波と第2高調波の屈折率を用い、
M=1として式(4)より分極ピッチΛを求めると約3
.1μmとなる。したがって、ピッチΛが3.1μmの
試料を光導波路長10mmに切り出し、Ti−Sレーザ
光(基本波)を入射し、第2高調波の発生効率を測定し
た。試料を銅ブロックに搭載してペルチェ素子によりそ
の温度を制御できるようにした。上記銅ブロックの温度
を25℃に設定し、最大の第2高調波発生効率が得られ
るように基本波波長を設定すると、基本波入力40mW
に対して2mWの第2高調波出力が得られ、フレネル反
射損失を含めるとその効率は6.8%となった。式(6
)から計算される効率は40%であるから上記6.8%
は理論値の約1/6になる。この不一致の原因は、式(
6)では光伝搬損失を無視しているためと考えられ、光
伝搬損失を0.5dB/cmとすると上記効率は15%
となる。
M=1として式(4)より分極ピッチΛを求めると約3
.1μmとなる。したがって、ピッチΛが3.1μmの
試料を光導波路長10mmに切り出し、Ti−Sレーザ
光(基本波)を入射し、第2高調波の発生効率を測定し
た。試料を銅ブロックに搭載してペルチェ素子によりそ
の温度を制御できるようにした。上記銅ブロックの温度
を25℃に設定し、最大の第2高調波発生効率が得られ
るように基本波波長を設定すると、基本波入力40mW
に対して2mWの第2高調波出力が得られ、フレネル反
射損失を含めるとその効率は6.8%となった。式(6
)から計算される効率は40%であるから上記6.8%
は理論値の約1/6になる。この不一致の原因は、式(
6)では光伝搬損失を無視しているためと考えられ、光
伝搬損失を0.5dB/cmとすると上記効率は15%
となる。
【0030】上記数値を基にして効率が基本波入力に比
例して増加する点を勘案すると、例えば出力200mW
の大出力半導体レーザを結合効率50%で光導波路4へ
結合した場合には変換効率ηは17%、すなわち17m
Wの第二高調波出力が得られることになり、光磁気型光
ディスクや相変化型光ディスクの書き込み、再生用に十
分な大きさの短波長光源が得られることになる。図10
は上記ペルチェ素子により基板温度を変化させた場合の
上記変換効率ηの測定結果である。これより変換効率η
が80%に低下する温度幅は25℃を中心にして約±1
0℃であった。この値は図6のr=1における温度幅よ
り小さいもののr=0.9に対する値よりは可成大きい
。この理由は、本発明では基板1と光導波路4はともに
MgO:LiNbO3であり、それぞれの基板表面に垂
直な方向の屈折率の温度係数がほぼ等しいことと、K√
P0の値が従来の素子に比べて大きくなったため式(4
)に示した位相整合条件の温度変化が少なくなったため
と考えられる。
例して増加する点を勘案すると、例えば出力200mW
の大出力半導体レーザを結合効率50%で光導波路4へ
結合した場合には変換効率ηは17%、すなわち17m
Wの第二高調波出力が得られることになり、光磁気型光
ディスクや相変化型光ディスクの書き込み、再生用に十
分な大きさの短波長光源が得られることになる。図10
は上記ペルチェ素子により基板温度を変化させた場合の
上記変換効率ηの測定結果である。これより変換効率η
が80%に低下する温度幅は25℃を中心にして約±1
0℃であった。この値は図6のr=1における温度幅よ
り小さいもののr=0.9に対する値よりは可成大きい
。この理由は、本発明では基板1と光導波路4はともに
MgO:LiNbO3であり、それぞれの基板表面に垂
直な方向の屈折率の温度係数がほぼ等しいことと、K√
P0の値が従来の素子に比べて大きくなったため式(4
)に示した位相整合条件の温度変化が少なくなったため
と考えられる。
【0031】この結果、従来の第二高調波発生素子に較
べて上記許容温度範囲がを約100倍に広げることがで
きたのである。図11に示した本発明の第2高調波発生
素子は図12のように実装して小形可視光光源として使
用する。出力約100mW、波長830nmの大出力半
導体レーザ111のレーザ光はレンズ系112により第
2高調波発生素子113の光導波部端面に集光され、波
長415nmの第2高調波は出射面115より出射しコ
リメートレンズ系116により平行光にされる。なお入
射面114には反射防止膜がコーティングされ、出射面
115には波長830nmの基本波をカットするコーテ
ィングが施されている。
べて上記許容温度範囲がを約100倍に広げることがで
きたのである。図11に示した本発明の第2高調波発生
素子は図12のように実装して小形可視光光源として使
用する。出力約100mW、波長830nmの大出力半
導体レーザ111のレーザ光はレンズ系112により第
2高調波発生素子113の光導波部端面に集光され、波
長415nmの第2高調波は出射面115より出射しコ
リメートレンズ系116により平行光にされる。なお入
射面114には反射防止膜がコーティングされ、出射面
115には波長830nmの基本波をカットするコーテ
ィングが施されている。
【0032】〔実施例 3〕図12は上記図11の可
視光光源を搭載した追記型光ディスク用ヘッドの一例の
構成図である。上記小形可視光光源121の出射光は偏
光ビームスプリッタ122を透過し、λ/4波長板12
3により円偏光に変換され対物レンズ124により光デ
ィスク125に集光される。光ディスク125からの反
射光は偏光ビームスプリッタ122により反射され、集
光レンズ126により集光され、ハーフミラー127で
二分割される。2分割された光の一方は2分割ホトセン
サ128に導かれ光ディスクのトラッキング誤差信号に
変換される。2分割された光の他方は4分割ホトセンサ
129に導かれフォーカシング誤差信号と再生信号に変
換される。
視光光源を搭載した追記型光ディスク用ヘッドの一例の
構成図である。上記小形可視光光源121の出射光は偏
光ビームスプリッタ122を透過し、λ/4波長板12
3により円偏光に変換され対物レンズ124により光デ
ィスク125に集光される。光ディスク125からの反
射光は偏光ビームスプリッタ122により反射され、集
光レンズ126により集光され、ハーフミラー127で
二分割される。2分割された光の一方は2分割ホトセン
サ128に導かれ光ディスクのトラッキング誤差信号に
変換される。2分割された光の他方は4分割ホトセンサ
129に導かれフォーカシング誤差信号と再生信号に変
換される。
【0033】〔実施例 4〕図13は図11の可視光
光源を搭載した光磁気ディスク用ヘッドの一例の構成図
である。上記可視光光源121の出射光は偏光ビームス
プリッタ132を通過し、反射プリズム133で立ち上
げられ、対物レンズ134で光ディスク135上に集光
される。136は書き込み、消去用の磁気コイルである
。 ディスク面135からの反射光は偏光ビームスプリッタ
132で反射され、λ/2波長板137を通過して集光
レンズ138により集光され、偏光ビームスプリッタ1
39により2分割される。2分割された光の一方は2分
割フォトセンサ1310に入力されトラッキング誤差信
号に変換される。2分割された光の他方は4分割フォト
センサ1311上に導かれてフォーカシング誤差信号と
光磁気再生信号に変換される。上記可視光光源121は
ヘッド光学系を適宜変更することにより、再生専用型光
ディスクや相変化型光ディスクにも適用することができ
る。
光源を搭載した光磁気ディスク用ヘッドの一例の構成図
である。上記可視光光源121の出射光は偏光ビームス
プリッタ132を通過し、反射プリズム133で立ち上
げられ、対物レンズ134で光ディスク135上に集光
される。136は書き込み、消去用の磁気コイルである
。 ディスク面135からの反射光は偏光ビームスプリッタ
132で反射され、λ/2波長板137を通過して集光
レンズ138により集光され、偏光ビームスプリッタ1
39により2分割される。2分割された光の一方は2分
割フォトセンサ1310に入力されトラッキング誤差信
号に変換される。2分割された光の他方は4分割フォト
センサ1311上に導かれてフォーカシング誤差信号と
光磁気再生信号に変換される。上記可視光光源121は
ヘッド光学系を適宜変更することにより、再生専用型光
ディスクや相変化型光ディスクにも適用することができ
る。
【0034】〔実施例 5〕図14は上記実施例3ま
たは実施例4の光ヘッドを用いた光情報記録再生装置1
44の概略構成図である。アクチュエータ142に搭載
された光ヘッド141は光記録媒体145からの光情報
を電気信号に変換して信号処理手段する。この光情報記
録再生装置においては本発明の第2高調波変換素子が生
成する青色光を用いることができるので、ディスク上の
スポット径を0.5μmに小さくできるので記録密度を
従来の4倍に高めることができる。また、第2高調波発
生素子の温度変動が僅少であるため従来装置では省くこ
とができなかった温度制御系を不必要になり、このため
システムが簡単化されて経済化されると同時に、光ヘッ
ドが小型軽量化されるのでアクセス時間を短縮すること
ができる。
たは実施例4の光ヘッドを用いた光情報記録再生装置1
44の概略構成図である。アクチュエータ142に搭載
された光ヘッド141は光記録媒体145からの光情報
を電気信号に変換して信号処理手段する。この光情報記
録再生装置においては本発明の第2高調波変換素子が生
成する青色光を用いることができるので、ディスク上の
スポット径を0.5μmに小さくできるので記録密度を
従来の4倍に高めることができる。また、第2高調波発
生素子の温度変動が僅少であるため従来装置では省くこ
とができなかった温度制御系を不必要になり、このため
システムが簡単化されて経済化されると同時に、光ヘッ
ドが小型軽量化されるのでアクセス時間を短縮すること
ができる。
【0035】
【発明の効果】光学基板をMgO:LiNbO3、光導
波路をLiNbO3または、上記光学基板よりマグネシ
ウムのドープ量が少ないMgO:LiNbO3材とする
ことにより基板法線方向の屈折率の温度係数比を0.9
〜1.1と1に近い値に設定でき、また、基本波から第
2高調波への変換性能を表す結合係数をK、基本波の入
力パワーをP0としてK√P0の値を10m ̄1以上の
大きな値に設定できるため、許容温度幅を従来の屈折率
異方性を利用したモ−ド変換素子の0.1℃に較べて1
00倍以上の10℃に拡大した第2高調波発生素子を提
供することができる。また、上記光導波路の金属酸化膜
の液相エピタキシャル成長により、光導波路内に断面形
状が矩形の分極反転格子が高精度に作製できるので、基
本波から第2高調波への変換係数と高めることができる
。また、上記第2高調波発生素子を用いて光ディスクの
短波長記録を可能にする波長が400nm帯のレ−ザ光
源装置を提供することができる。
波路をLiNbO3または、上記光学基板よりマグネシ
ウムのドープ量が少ないMgO:LiNbO3材とする
ことにより基板法線方向の屈折率の温度係数比を0.9
〜1.1と1に近い値に設定でき、また、基本波から第
2高調波への変換性能を表す結合係数をK、基本波の入
力パワーをP0としてK√P0の値を10m ̄1以上の
大きな値に設定できるため、許容温度幅を従来の屈折率
異方性を利用したモ−ド変換素子の0.1℃に較べて1
00倍以上の10℃に拡大した第2高調波発生素子を提
供することができる。また、上記光導波路の金属酸化膜
の液相エピタキシャル成長により、光導波路内に断面形
状が矩形の分極反転格子が高精度に作製できるので、基
本波から第2高調波への変換係数と高めることができる
。また、上記第2高調波発生素子を用いて光ディスクの
短波長記録を可能にする波長が400nm帯のレ−ザ光
源装置を提供することができる。
【図1】本発明による第2高調波発生素子の斜視図であ
る。
る。
【図2】図1の第2高調波発生素子の断面図である。
【図3】従来のモード位相整合法を用いた第2高調波発
生素子の斜視図である。
生素子の斜視図である。
【図4】従来のチェレンコフ位相整合法を用いた第2高
調波発生素子の斜視図である。
調波発生素子の斜視図である。
【図5】従来の分極反転を用いた第2高調波発生素子の
斜視図である。
斜視図である。
【図6】本発明による第2高調波発生素子の変換効率の
温度特性例である。
温度特性例である。
【図7】本発明による第2高調波発生素子の屈折率温度
係数比と温度許容幅の関係図である。
係数比と温度許容幅の関係図である。
【図8】本発明による第2高調波発生素子の結合係数と
温度許容幅の関係図である。
温度許容幅の関係図である。
【図9−1】本発明による第2高調波発生素子の製造工
程図である。
程図である。
【図9−2】本発明による第2高調波発生素子の製造工
程図である。
程図である。
【図10】本発明による第2高調波発生素子の温度特性
測定結果である。
測定結果である。
【図11】本発明による第2高調波発生素子の外観図で
ある。
ある。
【図12】本発明による第2高調波発生素子を用いた可
視光光源の構成図である。
視光光源の構成図である。
【図13】図11の可視光光源を用いた追記型光ディス
クヘッドの構成図である。
クヘッドの構成図である。
【図14】図11の可視光光源を搭載した光磁気型光デ
ィスクヘッドの構成図である。
ィスクヘッドの構成図である。
【図15】光情報記録再生装置の構成図である。
1 基板
2 薄膜
3 分極反転格子
4 光導波路
5 基本波
6 第2高調波
111 レ−ザダイオ−ド
113 第2高調波発生素子
121 可視光光源
122、132 偏光ビームスプリッタ124、13
4 対物レンズ 141 光ヘッド 145 光記録媒体
4 対物レンズ 141 光ヘッド 145 光記録媒体
Claims (6)
- 【請求項1】 光学基板上に該光学基板より高い屈折
率を有する光導波路を備えた第2高調波発生素子におい
て、上記光学基板と光導波路の基板表面と垂直な方向の
屈折率の温度係数の比を0.9から1.1の範囲にした
ことを特徴とする第2高調波発生素子。 - 【請求項2】 請求項1において、上記光導波路は非
線形光学係数が交互に反転する部分を等間隔に設けて構
成され、さらに基本波から第2高調波への変換性能を表
す結合係数をKとし、基本波の入力パワーをP0とした
ときに,K√P0の値を10m ̄1以上つするようにし
たことを特徴とする第2高調波発生素子。ただし、前記
結合係数Kは 【数1】 とする。 - 【請求項3】 請求項1または2において、上記光学
基板をマグネシウムがドープされたニオブ酸リチウムと
し、上記光導波路をニオブ酸リチウム、または上記光学
基板よりマグネシウムのドープ量が少ないニオブ酸リチ
ウムとするようにしたことを特徴とする第2高調波発生
素子。 - 【請求項4】 光学基板の表面に非線形光学係数が交
互に反転する部分を等間隔に隣接して設けた光導波路を
有する第2高調波発生素子の製造方法において、上記光
学基板の表面の自発分極方向を等間隔で反転させる第1
工程と、上記第1工程を経た上記光学基板を、光導波層
を構成する強誘電体金属酸化物の原料粉末をフラックス
と混合して酸素及び水蒸気雰囲気下で加熱溶融して得ら
れる溶融体に浸漬し、上記光学基板上に金属酸化膜を液
相エピタキシャル成長させる第2工程と、上記光学基板
表面に設けた自発分極部の分極方向を上記金属酸化膜に
転写する第3工程とを備えたことを特徴とする第2高調
波発生素子の製造方法。 - 【請求項5】 請求項4において、上記フラックスを
ホウ酸リチウム(Li2B2O4)、またはフッ化リチ
ウム(LiF)、またはフッ化カリウム(KF)とした
ことを特徴とする第2高調波発生素子の製造方法。 - 【請求項6】 波長780nmから1100nmの近
赤外半導体レーザ光源と、上記レーザ光源の出射光を集
光するレンズ系と、光学基板上に光導波路を備え、上記
光学基板上と光導波路の光学基板表面と垂直な方向の屈
折率の温度係数の比を0.9から1.1の範囲にした第
2高調波発生素子と、上記レーザ光源の出射光を集光し
て上記光導波路に入射するレンズ系とを備えたことを特
徴とする光記録媒体の記録、再生装置用の第2調波発生
素子を用いた光源装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10605991A JP3050333B2 (ja) | 1991-05-10 | 1991-05-10 | 第2高調波発生素子の製造方法 |
US07/879,361 US5274727A (en) | 1991-05-10 | 1992-05-07 | Second harmonic generator and method of fabrication thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10605991A JP3050333B2 (ja) | 1991-05-10 | 1991-05-10 | 第2高調波発生素子の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04335328A true JPH04335328A (ja) | 1992-11-24 |
JP3050333B2 JP3050333B2 (ja) | 2000-06-12 |
Family
ID=14424046
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10605991A Expired - Lifetime JP3050333B2 (ja) | 1991-05-10 | 1991-05-10 | 第2高調波発生素子の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3050333B2 (ja) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003270467A (ja) * | 2002-01-09 | 2003-09-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光導波路デバイスの製造方法、光導波路デバイス並びに当該光導波路デバイスを用いたコヒーレント光源及び光学装置 |
KR100721318B1 (ko) * | 2005-12-30 | 2007-05-25 | 전자부품연구원 | 유사위상정합 도파관의 제조방법 |
US7373065B2 (en) | 2004-10-12 | 2008-05-13 | Ngk Insulators, Ltd. | Optical waveguide substrate and harmonics generating device |
JP2009025555A (ja) * | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光導波路の製造方法 |
WO2013121482A1 (ja) * | 2012-02-13 | 2013-08-22 | 富士電機株式会社 | 波長変換素子の検査方法及び検査装置 |
WO2014045658A1 (ja) * | 2012-09-20 | 2014-03-27 | 富士電機株式会社 | 波長変換素子、光源装置、及び波長変換素子の製造方法 |
CN104253294A (zh) * | 2014-07-04 | 2014-12-31 | 南京航空航天大学 | 一种人工表面等离子场强增强器 |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5672529B2 (ja) | 2010-09-13 | 2015-02-18 | 株式会社リコー | 電気光学素子及びその製造方法、並びに、電気光学素子を用いた光偏向装置 |
-
1991
- 1991-05-10 JP JP10605991A patent/JP3050333B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003270467A (ja) * | 2002-01-09 | 2003-09-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光導波路デバイスの製造方法、光導波路デバイス並びに当該光導波路デバイスを用いたコヒーレント光源及び光学装置 |
US7373065B2 (en) | 2004-10-12 | 2008-05-13 | Ngk Insulators, Ltd. | Optical waveguide substrate and harmonics generating device |
KR100721318B1 (ko) * | 2005-12-30 | 2007-05-25 | 전자부품연구원 | 유사위상정합 도파관의 제조방법 |
JP2009025555A (ja) * | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光導波路の製造方法 |
JP4603020B2 (ja) * | 2007-07-19 | 2010-12-22 | 日本電信電話株式会社 | 光導波路の製造方法 |
WO2013121482A1 (ja) * | 2012-02-13 | 2013-08-22 | 富士電機株式会社 | 波長変換素子の検査方法及び検査装置 |
WO2014045658A1 (ja) * | 2012-09-20 | 2014-03-27 | 富士電機株式会社 | 波長変換素子、光源装置、及び波長変換素子の製造方法 |
JP2014062960A (ja) * | 2012-09-20 | 2014-04-10 | Fuji Electric Co Ltd | 波長変換素子、光源装置、及び波長変換素子の製造方法 |
CN104253294A (zh) * | 2014-07-04 | 2014-12-31 | 南京航空航天大学 | 一种人工表面等离子场强增强器 |
CN104253294B (zh) * | 2014-07-04 | 2016-11-23 | 南京航空航天大学 | 一种人工表面等离子场强增强器 |
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---|---|
JP3050333B2 (ja) | 2000-06-12 |
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