JPH04340525A - 波長変換素子 - Google Patents
波長変換素子Info
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- JPH04340525A JPH04340525A JP11162891A JP11162891A JPH04340525A JP H04340525 A JPH04340525 A JP H04340525A JP 11162891 A JP11162891 A JP 11162891A JP 11162891 A JP11162891 A JP 11162891A JP H04340525 A JPH04340525 A JP H04340525A
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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、コヒーレント光源を応
用した光情報処理、光応用計測制御分野に使用される波
長変換素子に関するものである。
用した光情報処理、光応用計測制御分野に使用される波
長変換素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】誘電体の分極を強制的に反転させる分極
反転は誘電体に周期的な分極反転層を形成することによ
り表面弾性波を利用した光周波数変調器や非線形分極の
分極反転を利用した波長変換素子などに利用される。特
に非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転すること
が可能になれば非常に変換効率の高い第二高調波発生素
子を作製することができる。これによって半導体レーザ
などの光を変換すると小型の短波長光源が実現でき、印
刷、光情報処理、光応用計測制御分野などに応用できる
ため盛んに研究が行われている。
反転は誘電体に周期的な分極反転層を形成することによ
り表面弾性波を利用した光周波数変調器や非線形分極の
分極反転を利用した波長変換素子などに利用される。特
に非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転すること
が可能になれば非常に変換効率の高い第二高調波発生素
子を作製することができる。これによって半導体レーザ
などの光を変換すると小型の短波長光源が実現でき、印
刷、光情報処理、光応用計測制御分野などに応用できる
ため盛んに研究が行われている。
【0003】このような分極反転を利用した従来の波長
変換素子としては、例えば、(エレクトロニクスレター
(Electron.Lett.)1989年25号P
731の)E.J.Lim氏による分極反転型の波長変
換素子がある。これはLiNbO3基板表面に周期的に
Tiを拡散することにより、LiNbO3基板に周期的
な分極反転層を形成し、この周期的な分極反転層を横切
るように光導波路を形成して波長変換素子を構成するも
のである。図10はこの従来の波長変換素子の構成図で
ある。図10(a)において21はLiNbO3基板、
22はプロトン交換導波路、23分極反転層、24は基
本光、25は第二高調波(以下SHG光とする)、26
は分極反転層の1次の周期Λ1、27は分極反転層の幅
である。図10(b)はこの波長変換素子を導波路22
に沿って切断した断面である。図10(b)において、
22はプロトン導波路、23は分極反転層で、光導波路
22は深さDを有し、また分極反転層23は周期Λ1、
幅Wで三角形状をしており、深さはdである。この分極
反転層の1次の周期Λ1は基本光(波長をλとする)に
対する実効屈折率Nωと前記光導波路を導波するSHG
光(波長をλ/2とする)に対する実効屈折率N2ωに
対して、Λ1=λ/2/(N2ω−Nω)の関係を満た
している。周期的に形成された分極反転層によって導波
路内を伝搬する基本光はSHG光に変換される。素子長
1mmのとき、SHG変換効率は37%/W/cm2で
ある。また基本光の波長依存性は半値全幅0.5nmで
ある。この半値全幅は素子長に反比例する。
変換素子としては、例えば、(エレクトロニクスレター
(Electron.Lett.)1989年25号P
731の)E.J.Lim氏による分極反転型の波長変
換素子がある。これはLiNbO3基板表面に周期的に
Tiを拡散することにより、LiNbO3基板に周期的
な分極反転層を形成し、この周期的な分極反転層を横切
るように光導波路を形成して波長変換素子を構成するも
のである。図10はこの従来の波長変換素子の構成図で
ある。図10(a)において21はLiNbO3基板、
22はプロトン交換導波路、23分極反転層、24は基
本光、25は第二高調波(以下SHG光とする)、26
は分極反転層の1次の周期Λ1、27は分極反転層の幅
である。図10(b)はこの波長変換素子を導波路22
に沿って切断した断面である。図10(b)において、
22はプロトン導波路、23は分極反転層で、光導波路
22は深さDを有し、また分極反転層23は周期Λ1、
幅Wで三角形状をしており、深さはdである。この分極
反転層の1次の周期Λ1は基本光(波長をλとする)に
対する実効屈折率Nωと前記光導波路を導波するSHG
光(波長をλ/2とする)に対する実効屈折率N2ωに
対して、Λ1=λ/2/(N2ω−Nω)の関係を満た
している。周期的に形成された分極反転層によって導波
路内を伝搬する基本光はSHG光に変換される。素子長
1mmのとき、SHG変換効率は37%/W/cm2で
ある。また基本光の波長依存性は半値全幅0.5nmで
ある。この半値全幅は素子長に反比例する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】LiNbO3結晶には
光損傷という問題があり、光のパワー密度を上げると導
波路内の屈折率変化が発生し、高出力時の出力安定化が
難しいという問題がある。また、図10(b)に示すよ
うに、分極反転層の深さdは導波路の深さDに対し約1
/2以下になる、これは分極反転層の深さdと幅Wの比
が一定の相似形となるからである。しかし、青色光の発
生を行うためには、約3μmの分極反転周期Λ1が必要
になり、このため分極反転層深さdは分極反転幅Wに規
制され、光導波路に対し充分深い反転層が形成できなく
なる。非線形光学効果による波長変換は基本光、SHG
光、分極反転層深さの3つの重なり積分に依存するため
、このような浅い分極反転層しか形成できないと変換効
率が非常に低くなってしまい、高効率の波長変換が実現
しないという問題がある。
光損傷という問題があり、光のパワー密度を上げると導
波路内の屈折率変化が発生し、高出力時の出力安定化が
難しいという問題がある。また、図10(b)に示すよ
うに、分極反転層の深さdは導波路の深さDに対し約1
/2以下になる、これは分極反転層の深さdと幅Wの比
が一定の相似形となるからである。しかし、青色光の発
生を行うためには、約3μmの分極反転周期Λ1が必要
になり、このため分極反転層深さdは分極反転幅Wに規
制され、光導波路に対し充分深い反転層が形成できなく
なる。非線形光学効果による波長変換は基本光、SHG
光、分極反転層深さの3つの重なり積分に依存するため
、このような浅い分極反転層しか形成できないと変換効
率が非常に低くなってしまい、高効率の波長変換が実現
しないという問題がある。
【0005】そこで、本発明は分極反転の周期をΛ2(
=2Λ1)とし、これによって、導波路に対し十分深い
分極反転層を得ることによって高効率の波長変換素子を
製造することを目的とする。
=2Λ1)とし、これによって、導波路に対し十分深い
分極反転層を得ることによって高効率の波長変換素子を
製造することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】誘電体の基板と、前記基
板表面近傍に形成した2次の周期Λ2で非線形分極が反
転している幅Wの分極反転層と、前記基板表面近傍に形
成した前記分極反転層に直行する光導波路と、前記光導
波路の両端面に形成した入射部および出射部とを備え、
かつ前記分極反転層の周期Λが前記光導波路を導波する
基本光(波長をλとする)に対する実行屈折率Nωと前
記光導波路を導波するSHG光(波長をλ/2とする)
に対する実行屈折率N2ωに対して、Λ2=λ/(N2
ω−Nω)の関係を満足し、かつ前記分極反転層の幅W
がΛ2/2<W<Λ2の関係を満足している波長変換素
子である。
板表面近傍に形成した2次の周期Λ2で非線形分極が反
転している幅Wの分極反転層と、前記基板表面近傍に形
成した前記分極反転層に直行する光導波路と、前記光導
波路の両端面に形成した入射部および出射部とを備え、
かつ前記分極反転層の周期Λが前記光導波路を導波する
基本光(波長をλとする)に対する実行屈折率Nωと前
記光導波路を導波するSHG光(波長をλ/2とする)
に対する実行屈折率N2ωに対して、Λ2=λ/(N2
ω−Nω)の関係を満足し、かつ前記分極反転層の幅W
がΛ2/2<W<Λ2の関係を満足している波長変換素
子である。
【0007】
【作用】本発明は前述した構成により、2次の分極反転
周期を用いた波長変換素子を構成する。ここで1次と2
次の分極反転について説明する。
周期を用いた波長変換素子を構成する。ここで1次と2
次の分極反転について説明する。
【0008】図8(a)に波長変換素子の素子長と素子
内で変換されたSHG出力の関係を示す。図8(b)は
1次の分極反転の分極の様子、図8(c)(d)は2次
の分極反転の分極の様子である。図8(b)(c)(d
)において矢印は分極の向きである。
内で変換されたSHG出力の関係を示す。図8(b)は
1次の分極反転の分極の様子、図8(c)(d)は2次
の分極反転の分極の様子である。図8(b)(c)(d
)において矢印は分極の向きである。
【0009】今、図8(b)のように周期Λ1で分極の
向きが交互に反転するとSHG出力は図8(a)中の(
b)の曲線で示すように距離の2乗に比例して増加する
。
向きが交互に反転するとSHG出力は図8(a)中の(
b)の曲線で示すように距離の2乗に比例して増加する
。
【0010】この周期が2倍のΛ2(=Λ1)になった
ら2次の分極反転である。しかし図8(c)に示すよう
に周期Λ2で分極の向きが交互に反転すると図8(a)
中の(c)に示すようにSHG出力は距離によって増加
せず高効率のSHG出力は得られない。ところが同じ周
期Λ2でも1周期Λ2内の分極の反転している割合を1
:3に変えるとSHG出力は図8(a)中の(d)に示
すように距離の2乗に比例して増加し高効率の変換が行
える。
ら2次の分極反転である。しかし図8(c)に示すよう
に周期Λ2で分極の向きが交互に反転すると図8(a)
中の(c)に示すようにSHG出力は距離によって増加
せず高効率のSHG出力は得られない。ところが同じ周
期Λ2でも1周期Λ2内の分極の反転している割合を1
:3に変えるとSHG出力は図8(a)中の(d)に示
すように距離の2乗に比例して増加し高効率の変換が行
える。
【0011】これによって、分極反転層の周期を1次の
周期Λ1の2倍に拡大して分極反転層形成の許容度を増
し、作製を容易にする。また、分極反転層深さは分極反
転層幅に依存するため、分極反転層の幅を分極反転周期
の1/2より大きくすることにより、より深い分極反転
層の形成を可能にして、光導波路とのオーバーラップを
増大させ、変換効率を向上させる。さらに分極反転層と
非反転層間の比率を調整することにより変換効率をより
増大させ高出力の波長変換素子を構成することができる
。
周期Λ1の2倍に拡大して分極反転層形成の許容度を増
し、作製を容易にする。また、分極反転層深さは分極反
転層幅に依存するため、分極反転層の幅を分極反転周期
の1/2より大きくすることにより、より深い分極反転
層の形成を可能にして、光導波路とのオーバーラップを
増大させ、変換効率を向上させる。さらに分極反転層と
非反転層間の比率を調整することにより変換効率をより
増大させ高出力の波長変換素子を構成することができる
。
【0012】
【実施例】図1に第1の実施例における波長変換素子の
構成図を示す。1は−C板のLiTaO3基板、4は分
極反転層、5はプロトン交換導波路、6は波長800n
mの基本光、7は波長400nmのSHG光である。図
1において分極反転層4とは基板に対し、分極の方向が
逆転している部分である。本実施例の波長変換素子の分
極反転層の周期Λ2は2次であり、1次の周期Λ1の2
倍の周期をもつ(Λ2=Λ1*2)。この分極反転層の
2次の周期Λ2は基本光(波長をλとする)に対する実
効屈折率Nωと前記光導波路を導波するSHG光(波長
をλ/2とする)に対する実効屈折率N2ωに対して、
Λ2=λ/(N2ω−Nω)の関係を満たしている。実
効屈折率とは光が実際に感じる屈折率のことである。L
iTaO3の場合、基本光の波長が800nmのとき1
次の周期Λ1が約4μm、2次で約8μmである(基本
光とSHG光の位相整合がとれSHG光が発生するのは
、分極反転層の周期が1次の分極反転周期Λ1の整数倍
に一致したときのみである。)。図2は、第1の実施例
における波長変換素子の製造方法の工程図を示すもので
分極反転層の形成方法である。図2において、1は−C
板のLiTaO3基板、2はTaマスク、3はプロトン
交換層、4は分極反転層、8はマスクの幅W、9は2次
の周期Λ2である。 以下、その製造方法を説明する。(a)−C板のLiT
aO3基板1上にスパッタリング法によりTa膜を30
0A形成する。(b)Ta膜上にフォトレジストを塗布
した後、通常のフォトリソグラフィ法により周期Λごと
に幅Wのストライプを基板のY伝搬方向に形成する(周
期Λは7μmとした)。(c)CF4雰囲気中でドライ
エッチングでTaマスクにレジストのパターンを転写す
る。(d)260℃のピロ燐酸中で20分間熱処理しプ
ロトン交換層3を形成する。(e)加熱装置でLiTa
O3基板を加熱した。
構成図を示す。1は−C板のLiTaO3基板、4は分
極反転層、5はプロトン交換導波路、6は波長800n
mの基本光、7は波長400nmのSHG光である。図
1において分極反転層4とは基板に対し、分極の方向が
逆転している部分である。本実施例の波長変換素子の分
極反転層の周期Λ2は2次であり、1次の周期Λ1の2
倍の周期をもつ(Λ2=Λ1*2)。この分極反転層の
2次の周期Λ2は基本光(波長をλとする)に対する実
効屈折率Nωと前記光導波路を導波するSHG光(波長
をλ/2とする)に対する実効屈折率N2ωに対して、
Λ2=λ/(N2ω−Nω)の関係を満たしている。実
効屈折率とは光が実際に感じる屈折率のことである。L
iTaO3の場合、基本光の波長が800nmのとき1
次の周期Λ1が約4μm、2次で約8μmである(基本
光とSHG光の位相整合がとれSHG光が発生するのは
、分極反転層の周期が1次の分極反転周期Λ1の整数倍
に一致したときのみである。)。図2は、第1の実施例
における波長変換素子の製造方法の工程図を示すもので
分極反転層の形成方法である。図2において、1は−C
板のLiTaO3基板、2はTaマスク、3はプロトン
交換層、4は分極反転層、8はマスクの幅W、9は2次
の周期Λ2である。 以下、その製造方法を説明する。(a)−C板のLiT
aO3基板1上にスパッタリング法によりTa膜を30
0A形成する。(b)Ta膜上にフォトレジストを塗布
した後、通常のフォトリソグラフィ法により周期Λごと
に幅Wのストライプを基板のY伝搬方向に形成する(周
期Λは7μmとした)。(c)CF4雰囲気中でドライ
エッチングでTaマスクにレジストのパターンを転写す
る。(d)260℃のピロ燐酸中で20分間熱処理しプ
ロトン交換層3を形成する。(e)加熱装置でLiTa
O3基板を加熱した。
【0013】ここで、分極反転処理とは、LiTaO3
結晶をキュリー温度近くまで温度を上げて、一定方向に
そろっている結晶の分極を部分的に反転させる処理であ
る。この分極反転のメカニズムとして考えられるのは、
まず第1にプロトン交換によってプロトン交換層のLi
濃度が低減し、これによって、プロトン交換層のキュリ
ー点が低下する。そこで基板をLiTaO3結晶のキュ
リー点とプロトン交換LiTaO3のキュリー点の間で
熱処理するとプロトン交換部分のみキュリー状態にする
ことができる。さらにプロトン交換層内のイオンと基板
内のイオンの間発生する電界によってキュリー状態にあ
るプロトン交換層の分極反転が逆転し、分極反転層が形
成される。
結晶をキュリー温度近くまで温度を上げて、一定方向に
そろっている結晶の分極を部分的に反転させる処理であ
る。この分極反転のメカニズムとして考えられるのは、
まず第1にプロトン交換によってプロトン交換層のLi
濃度が低減し、これによって、プロトン交換層のキュリ
ー点が低下する。そこで基板をLiTaO3結晶のキュ
リー点とプロトン交換LiTaO3のキュリー点の間で
熱処理するとプロトン交換部分のみキュリー状態にする
ことができる。さらにプロトン交換層内のイオンと基板
内のイオンの間発生する電界によってキュリー状態にあ
るプロトン交換層の分極反転が逆転し、分極反転層が形
成される。
【0014】図3には、作製した分極反転上に形成する
光導波路の作製方法を示す。図3において(a)図2(
e)にある分極反転形成のためのTaマスク2を除去す
る。 (b)LiTaO3基板1表面にTa膜をスパッタリン
グ法により340A成膜する。 (c)フォトリソおよびドライエッチングによりマスク
パターンを形成する。(d)260℃のピロ燐酸中で1
0分間熱処理するとプロトン交換光導波路5が形成され
る。Taマスクを酸により除去し、導波路の両端面を光
学研磨し波長変換素子を形成した。
光導波路の作製方法を示す。図3において(a)図2(
e)にある分極反転形成のためのTaマスク2を除去す
る。 (b)LiTaO3基板1表面にTa膜をスパッタリン
グ法により340A成膜する。 (c)フォトリソおよびドライエッチングによりマスク
パターンを形成する。(d)260℃のピロ燐酸中で1
0分間熱処理するとプロトン交換光導波路5が形成され
る。Taマスクを酸により除去し、導波路の両端面を光
学研磨し波長変換素子を形成した。
【0015】次に波長変換素子の動作について説明する
。光導波路導波路に入射された基本波は分極反転層にお
いてSHG光に変換され、波長800nmの基本光を入
射すると波長400nmの青色のSHG光を発生するこ
とができる。理論的に光導波路に対し充分深い分極反転
層が形成できるとき反転周期は変換効率に影響し、2次
の分極反転層の効率は1次の分極反転層の効率の約1/
4になる。しかし、1次の分極反転においては、分極反
転周期が短いため光導波路に対し充分深い分極反転層は
形成できない。これは分極反転層が大きさに依存せず、
相似形状をとるため、分極反転層幅が小さな短周期の分
極反転層においては深い分極反転層が形成できない。そ
れに対し2次の分極反転層周期は1次の周期の2倍の周
期をとるため、分極反転層幅が拡大し深い分極反転層が
形成できる。これを図4、5で説明する。
。光導波路導波路に入射された基本波は分極反転層にお
いてSHG光に変換され、波長800nmの基本光を入
射すると波長400nmの青色のSHG光を発生するこ
とができる。理論的に光導波路に対し充分深い分極反転
層が形成できるとき反転周期は変換効率に影響し、2次
の分極反転層の効率は1次の分極反転層の効率の約1/
4になる。しかし、1次の分極反転においては、分極反
転周期が短いため光導波路に対し充分深い分極反転層は
形成できない。これは分極反転層が大きさに依存せず、
相似形状をとるため、分極反転層幅が小さな短周期の分
極反転層においては深い分極反転層が形成できない。そ
れに対し2次の分極反転層周期は1次の周期の2倍の周
期をとるため、分極反転層幅が拡大し深い分極反転層が
形成できる。これを図4、5で説明する。
【0016】図4(a)は1次の分極反転周期を有する
波長変換素子を導波路5に沿って切断した断面である。 1は−C板のLiTaO3基板、4は分極反転層、5は
プロトン交換導波路、10は波長800nmの基本光の
電界分布、11は波長400nmのSHG光の電界分布
、12は基本光とSHG光の分極反転層内における電界
のオーバラップである。図5(a)は2次の分極反転周
期を有する波長変換素子を導波路5に沿って切断した断
面である。1は−C板のLiTaO3基板、4は分極反
転層、5はプロトン交換導波路、10は波長800nm
の基本光の電界分布、11は波長400nmのSHG光
の電界分布、13は基本光とSHG光の分極反転層内に
おける電界のオーバラップである。SHG出力は分極反
転層内での基本光6とSHG光7の電界のオーバーラッ
プ12,13に比例する。このため図5(b)に示すよ
うに2次の分極反転周期の波長変換素子における場合の
基本光6とSHG光7の分極反転層内における電界のオ
ーバーラップ13は図4(b)に示すとおり1次の分極
反転周期の波長変換素子の電界のオーバラップ12に比
べ非常に大きいため、高効率の波長変換が行える。
波長変換素子を導波路5に沿って切断した断面である。 1は−C板のLiTaO3基板、4は分極反転層、5は
プロトン交換導波路、10は波長800nmの基本光の
電界分布、11は波長400nmのSHG光の電界分布
、12は基本光とSHG光の分極反転層内における電界
のオーバラップである。図5(a)は2次の分極反転周
期を有する波長変換素子を導波路5に沿って切断した断
面である。1は−C板のLiTaO3基板、4は分極反
転層、5はプロトン交換導波路、10は波長800nm
の基本光の電界分布、11は波長400nmのSHG光
の電界分布、13は基本光とSHG光の分極反転層内に
おける電界のオーバラップである。SHG出力は分極反
転層内での基本光6とSHG光7の電界のオーバーラッ
プ12,13に比例する。このため図5(b)に示すよ
うに2次の分極反転周期の波長変換素子における場合の
基本光6とSHG光7の分極反転層内における電界のオ
ーバーラップ13は図4(b)に示すとおり1次の分極
反転周期の波長変換素子の電界のオーバラップ12に比
べ非常に大きいため、高効率の波長変換が行える。
【0017】例えば波長800nm、出力40mWの半
導体レーザの基本光6を集光光学系により集光し作製し
た波長変換素子に入射した。導波路より、出射される基
本波及びSHG光をレンズでコリメートしパワーメータ
で測定した。その結果を図6に示す。図6は基本光の出
力とSHG光の出力を示したもので横軸は基本光出力、
縦軸はSHG出力である。2次の分極反転周期の波長変
換素子におけるSHG光の出力は2mWであり、このと
きの変換効率は60%/W・cm2という非常に高効率
の波長変換が行われた。またこの値は1次の分極反転周
期のSHG出力の約2倍であった。さらに基本光のパワ
ーを増大させて200mWまで導波させたが光損傷によ
る変動は観測されなかった。以上の結果安定で高効率な
波長変換素子が作製できた。
導体レーザの基本光6を集光光学系により集光し作製し
た波長変換素子に入射した。導波路より、出射される基
本波及びSHG光をレンズでコリメートしパワーメータ
で測定した。その結果を図6に示す。図6は基本光の出
力とSHG光の出力を示したもので横軸は基本光出力、
縦軸はSHG出力である。2次の分極反転周期の波長変
換素子におけるSHG光の出力は2mWであり、このと
きの変換効率は60%/W・cm2という非常に高効率
の波長変換が行われた。またこの値は1次の分極反転周
期のSHG出力の約2倍であった。さらに基本光のパワ
ーを増大させて200mWまで導波させたが光損傷によ
る変動は観測されなかった。以上の結果安定で高効率な
波長変換素子が作製できた。
【0018】分極反転層の幅とSHGの関係を説明する
。図7は2次の分極反転周期の波長変換素子において分
極反転層の幅WとSHG出力の関係を示したものである
。図7において、横軸は分極反転層の幅W、縦軸はSH
G出力である。2次の分極反転周期をΛ2とするとSH
G出力は図7のようになる。SHG出力は分極反転層の
幅WがΛ2/4近傍と3Λ2/4近傍で極大となるが、
SHG出力が最大となるのは0<W<Λ2/2の間では
なくΛ2/2<W<Λ2の間である。
。図7は2次の分極反転周期の波長変換素子において分
極反転層の幅WとSHG出力の関係を示したものである
。図7において、横軸は分極反転層の幅W、縦軸はSH
G出力である。2次の分極反転周期をΛ2とするとSH
G出力は図7のようになる。SHG出力は分極反転層の
幅WがΛ2/4近傍と3Λ2/4近傍で極大となるが、
SHG出力が最大となるのは0<W<Λ2/2の間では
なくΛ2/2<W<Λ2の間である。
【0019】この理由を図9を用いて説明する。図9(
a)は波長変換素子の素子長と、SHG出力の関係を示
している。図9(b),(c),(d),(d)は導波
路と分極反転層を示しており導波路内の分極の方向は上
向,反転層内の分極の方向は下向である。
a)は波長変換素子の素子長と、SHG出力の関係を示
している。図9(b),(c),(d),(d)は導波
路と分極反転層を示しており導波路内の分極の方向は上
向,反転層内の分極の方向は下向である。
【0020】図9(b),(c),(d)において、分
極反転の周期はΛ2、分極反転層の巾及び深さは、それ
ぞれW,d,導波路深さはDである。SHG出力は分極
反転の深さdと導波路深さDとのオーバラップで決まる
。
極反転の周期はΛ2、分極反転層の巾及び深さは、それ
ぞれW,d,導波路深さはDである。SHG出力は分極
反転の深さdと導波路深さDとのオーバラップで決まる
。
【0021】図9(b)は分極反転層の巾Wが0<W<
Λ2/2のときでありこのときSHG出力は距離によっ
て増加するが導波路の深さDに対し、分極反転の深さd
が小さいためSHG出力は図9(a)中の(b)に示す
ように低いSHG変換効率しか得られない。
Λ2/2のときでありこのときSHG出力は距離によっ
て増加するが導波路の深さDに対し、分極反転の深さd
が小さいためSHG出力は図9(a)中の(b)に示す
ように低いSHG変換効率しか得られない。
【0022】図9(c)は分極反転層の巾WがW=Λ2
/2のときである。このときSHG出力は図9(a)中
の(c)となりSHGの出力はほとんど0になる。
/2のときである。このときSHG出力は図9(a)中
の(c)となりSHGの出力はほとんど0になる。
【0023】ところが図9(d)に示すようにΛ2/2
<W<Λ2のとき分極反転層の巾Wが大きくなるため分
極反転層の深さdは導波路深さDに対し十分深くなる。
<W<Λ2のとき分極反転層の巾Wが大きくなるため分
極反転層の深さdは導波路深さDに対し十分深くなる。
【0024】これによってSHG出力は図9(a)中の
(d)に示すように高い変換効率が得られる。
(d)に示すように高い変換効率が得られる。
【0025】それに対しΛ2/2<W<Λ2の間では分
極反転層の幅が広いため深さが導波路に対し充分深くな
りかつ、SHG出力が最大となる点を有するため、非常
に高い変換効率を実現できる。
極反転層の幅が広いため深さが導波路に対し充分深くな
りかつ、SHG出力が最大となる点を有するため、非常
に高い変換効率を実現できる。
【0026】なお、本実施例では分極反転層の作製方向
をY伝搬方向としたがX伝搬方向でも同様な素子が作製
できる。
をY伝搬方向としたがX伝搬方向でも同様な素子が作製
できる。
【0027】なお、本実施例では基板にLiTaO3基
板を用いたが他にMgO、Nb、Ndなどをドープした
LiTaO3基板でも同様な素子が作製できる。
板を用いたが他にMgO、Nb、Ndなどをドープした
LiTaO3基板でも同様な素子が作製できる。
【0028】なお、本実施例では、イオン交換にピロ燐
酸を用いたが、他にオルト燐酸、安息香酸、硫酸、など
も用いることができる。
酸を用いたが、他にオルト燐酸、安息香酸、硫酸、など
も用いることができる。
【0029】なお、本実施例では耐イオン化のマスクと
して、Ta膜を用いたが、他にTa2O5、Pt、Au
など耐酸性を有する膜なら用いることができる。
して、Ta膜を用いたが、他にTa2O5、Pt、Au
など耐酸性を有する膜なら用いることができる。
【0030】なお、本実施例では光導波路としてプロト
ン交換導波路を用いたが、他にTi拡散導波路、Nb拡
散導波路、イオン注入導波路など他の光導波路も用いる
ことができる。
ン交換導波路を用いたが、他にTi拡散導波路、Nb拡
散導波路、イオン注入導波路など他の光導波路も用いる
ことができる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、2次の分極反転周
期を用いて分極反転形の波長変換素子を構成しすること
により、分極反転周期が1次の周期の2倍になって作製
が容易になる。また分極反転層の幅が広がるため、光導
波路に対して充分深い分極反転層を形成できるため、分
極反転層内における基本光とSHG光の電界分布のオー
バーラップが増大し、SHG光への変換効率が増大する
。さらに分極反転層の幅を分極反転周期Λの1/2より
大きくすることにより、より深い分極反転層が形成でき
、SHG変換効率の増大が図れると共に、SHG出力の
分極反転層幅依存性により2次の分極反転周期のSHG
出力の最大値をとれるため、高効率でかつ短波長変換が
可能かつ作製が容易な分極反転型の波長変換素子を構成
することができ、その実用効果は大きい。
期を用いて分極反転形の波長変換素子を構成しすること
により、分極反転周期が1次の周期の2倍になって作製
が容易になる。また分極反転層の幅が広がるため、光導
波路に対して充分深い分極反転層を形成できるため、分
極反転層内における基本光とSHG光の電界分布のオー
バーラップが増大し、SHG光への変換効率が増大する
。さらに分極反転層の幅を分極反転周期Λの1/2より
大きくすることにより、より深い分極反転層が形成でき
、SHG変換効率の増大が図れると共に、SHG出力の
分極反転層幅依存性により2次の分極反転周期のSHG
出力の最大値をとれるため、高効率でかつ短波長変換が
可能かつ作製が容易な分極反転型の波長変換素子を構成
することができ、その実用効果は大きい。
【図1】本発明の実施例の波長変換素子の構成斜視図
【
図2】本発明の波長変換素子の分極反転層の製造工程断
面図
図2】本発明の波長変換素子の分極反転層の製造工程断
面図
【図3】本発明の波長変換素子のプロトン交換導波路の
製造工程斜視図
製造工程斜視図
【図4】(a)1次の分極反転周期の波長変換素子の構
造断面図 (b)1次の分極反転周期の波長変換素子における基本
光とSHG光の電界分布のオーバーラップを示す図
造断面図 (b)1次の分極反転周期の波長変換素子における基本
光とSHG光の電界分布のオーバーラップを示す図
【図
5】(a)2次の分極反転周期の波長変換素子の構造断
面図 (b)2次の分極反転周期の波長変換素子における基本
光とSHG光の電界分布のオーバーラップを示す図
5】(a)2次の分極反転周期の波長変換素子の構造断
面図 (b)2次の分極反転周期の波長変換素子における基本
光とSHG光の電界分布のオーバーラップを示す図
【図
6】基本光に対するSHG出力を示す図
6】基本光に対するSHG出力を示す図
【図7】分極反
転層の幅Wに対するSHG出力を示す図
転層の幅Wに対するSHG出力を示す図
【図8】(a)
1次の分極反転周期と2次の分極反転周期の素子長に対
するSHG出力を示す図(b)波長変換素子の1次の分
極反転周期Λ1を示す図(c)波長変換素子の2次の分
極反転周期Λ2(非分極反転層と分極反転層の幅Wの比
が1:1)を示す図(d)波長変換素子の2次の分極反
転周期Λ2(非分極反転層と分極反転層の幅Wの比が1
:3)を示す図
1次の分極反転周期と2次の分極反転周期の素子長に対
するSHG出力を示す図(b)波長変換素子の1次の分
極反転周期Λ1を示す図(c)波長変換素子の2次の分
極反転周期Λ2(非分極反転層と分極反転層の幅Wの比
が1:1)を示す図(d)波長変換素子の2次の分極反
転周期Λ2(非分極反転層と分極反転層の幅Wの比が1
:3)を示す図
【図9】(a)2次の分極反転層幅の素
子長に対するSHG出力係を示す図 (b)分極反転層幅Wが0<W<Λ2であるときの分極
反転層幅Wに対する分極反転層の深さdを示す波長変換
素子の断面図 (c)分極反転層幅WがW=Λ2/2であるときの分極
反転層幅Wに対する分極反転層の深さdを示す波長変換
素子の断面図 (d)分極反転層幅WがΛ2/2<W<Λ2であるとき
の分極反転層幅Wに対する分極反転層の深さdを示す波
長変換素子の断面図
子長に対するSHG出力係を示す図 (b)分極反転層幅Wが0<W<Λ2であるときの分極
反転層幅Wに対する分極反転層の深さdを示す波長変換
素子の断面図 (c)分極反転層幅WがW=Λ2/2であるときの分極
反転層幅Wに対する分極反転層の深さdを示す波長変換
素子の断面図 (d)分極反転層幅WがΛ2/2<W<Λ2であるとき
の分極反転層幅Wに対する分極反転層の深さdを示す波
長変換素子の断面図
【図10】(a)従来の波長変換素子の構成図(b)従
来の波長変換素子の断面図
来の波長変換素子の断面図
1 −C板のLiTaO3基板
2 Taマスク
3 プロトン交換層
4 分極反転層
5 プロトン交換導波路
6 波長800nmの基本光
7 波長400nmの第二高調波(SHG光)8
マスクの幅W 9 周期Λ 10 波長800nmの基本光の電界分布11 波
長400nmのSHG光の電界分布12 基本光とS
HG光の分極反転層内における電界のオーバラップ 13 基本光とSHG光の分極反転層内における電界
のオーバラップ 21 LiNbO3基板 22 プロトン交換導波路 23 分極反転層 24 基本光 25 第二高調波(SHG光) 26 分極反転層の周期 27 分極反転層の幅 28 基本光の電界分布 29 SHG光の電界分布
マスクの幅W 9 周期Λ 10 波長800nmの基本光の電界分布11 波
長400nmのSHG光の電界分布12 基本光とS
HG光の分極反転層内における電界のオーバラップ 13 基本光とSHG光の分極反転層内における電界
のオーバラップ 21 LiNbO3基板 22 プロトン交換導波路 23 分極反転層 24 基本光 25 第二高調波(SHG光) 26 分極反転層の周期 27 分極反転層の幅 28 基本光の電界分布 29 SHG光の電界分布
Claims (1)
- 【請求項1】誘電体の基板と、前記基板表面近傍に形成
した2次の周期Λ2で非線形分極が反転している幅Wの
分極反転層と、前記基板表面近傍に形成した前記分極反
転層に直行する光導波路と、前記光導波路の両端面に形
成した入射部および出射部とを備え、前記分極反転層の
2次の周期Λ2が前記光導波路を導波する基本光(波長
をλとする)に対する実行屈折率Nωと前記光導波路を
導波する高調波(波長をλ/2とする)に対する実行屈
折率N2ωに対して、Λ2=λ/(N2ω−Nω)の関
係を満足し、かつ前記分極反転層の幅WがΛ2/2<W
<Λ2の関係を満足していることを特徴とする波長変換
素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11162891A JPH04340525A (ja) | 1991-05-16 | 1991-05-16 | 波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11162891A JPH04340525A (ja) | 1991-05-16 | 1991-05-16 | 波長変換素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04340525A true JPH04340525A (ja) | 1992-11-26 |
Family
ID=14566141
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11162891A Pending JPH04340525A (ja) | 1991-05-16 | 1991-05-16 | 波長変換素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04340525A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH052203A (ja) * | 1990-11-05 | 1993-01-08 | Fujitsu Ltd | 導波路型第2高調波発生素子の製造方法 |
US5303247A (en) * | 1992-03-11 | 1994-04-12 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical harmonic generating device for generating harmonic wave from fundamental wave and shorter wavelength laser generating apparatus in which fundamental wave of laser is converted to harmonic wave with the device |
US5412502A (en) * | 1992-01-24 | 1995-05-02 | Hitachi Metals, Ltd. | Second harmonic generating element and the production method thereof |
-
1991
- 1991-05-16 JP JP11162891A patent/JPH04340525A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH052203A (ja) * | 1990-11-05 | 1993-01-08 | Fujitsu Ltd | 導波路型第2高調波発生素子の製造方法 |
US5412502A (en) * | 1992-01-24 | 1995-05-02 | Hitachi Metals, Ltd. | Second harmonic generating element and the production method thereof |
US5303247A (en) * | 1992-03-11 | 1994-04-12 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical harmonic generating device for generating harmonic wave from fundamental wave and shorter wavelength laser generating apparatus in which fundamental wave of laser is converted to harmonic wave with the device |
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