JPS63199328A - 光波長変換素子 - 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】 〈産業上の利用分野） 本発明は、基本波をその１／２の波長の第２高調波に変
換する光波長変換素子、特に詳細には光伝搬損失が少な
く、耐久性も高くなるように形成された光波長変換素子
に関するものである。

（従来の技術） 従来より、非線形光学材料による第２高調波発生を利用
して、レーザー光を波長変！ｉｔ！（短波長化）する試
みが種々なされている。このようにして波長変換を行な
う光波長変換素子として具体的には、例えば［光エレク
トロニクスの基礎」Ａ、ＹＡＲＩＶ著、多田邦雄、神谷
武志訳（丸善株式会社）のｐ２００〜２０４に示される
ようなバルク結晶型のものがよく知られている。ところ
がこの光波長変換素子は、位相整合条件を満たずために
結晶の複屈折を利用するので、非線形性が大きくても複
屈折性が無い材料あるいは小さい材料は利用できない、
という問題があった。

上記のような問題を解決できる光波長変換素子として、
いわゆるファイバー型のものが提案されている。この光
波長変換素子は、クラッド内に非線形光学材料からなる
コアが充てんされた光ファイバーであり、応用物理学会
光学懇話会微小光学研究グループ機関誌ＶＯＬ、３、Ｎ
Ｏ６２、ｐ２８〜３２　　ＡＰＲＩＬ　　２５　　（１
９８５）にはその−例が示されている。このファイバー
型の光波長変換素子は、基本波と第２高調波との間の位
相整合をとることも容易であるので、最近ではこのファ
イバー型光波長変換素子についての研究が盛んになされ
ている。また、例えば本出願人による特願昭６１−１５
９２９２号、同６１−１５９２９３号に示されるように
、クラッド層となる２枚の基板の間に非線形光学材料か
らなる光導波路を形成した光導波路型の光波長変換素子
も知られてりる。この光導波路型の光波長変換素子も、
上述のような特長を有している。

（発明か解決しようとする問題点） ところが、これらファイバー型、光導波路型の光波長変
換素子は、非線形光学材料よりも低屈折率のクラッド層
中に第２高調波を１５９．則させ、この第２高調波と、
非線形光学材料中を進行する基本波との間で位相整合を
とるようにしているために、光伝搬損失が生じやすいと
いう問題を有している。

すなわち、上記非線形光学材料からクラッド層中に放射
した第２高調波は、全反射を繰り返して端面側に進行す
るが、クラッド層の表面に例えば傷が生じていたり、異
物が付着していたり、さらには素子の支持具が接触して
いたりすると、そこで全反射条件が満たされなくなって
第２高調波がクラッド層外に逃げ出たり、あるいはそこ
で第２高調波が散乱してしまうのである。

そこで本発明は、上記の問題を解決しつる光波長変換素
子を提供することを目的とするものである。

〈問題点を解決するための手段及び作用）本発明の光波
長変換素子は、先に述べたようなファイバー型あるいは
光導波路型の光波長変換素子において、クラッド層のさ
らに外側に、該層の屈折率よりも屈折率の小さい材料か
らなる第２り一　　３　− ランド層が形成されたことを特徴とするものである。

上述のような第２クラッド層がクラッド層の外側に形成
されていれば、クラッド層に直接異物や素子支持具等が
接触することがなくなるので、それらのために第２高調
波の全反射が妨げられることかなくなる。また、クラッ
ド層の表面が損傷を受けることも起こり難くなる。勿論
、この第２クラッド層がクラッド層よりも低屈折率の材
料から形成されていれば、第２高調波はこれら両層の境
界面で全反射して、クラッド層中を進行しつる。

なお従来より、一般の光ファイバーにあっては、クラッ
ドの外側にカバ一層を設けたものが知られでいるが、こ
のカバ一層は例えは“特開昭６１−２６４３０３号に示
されるようにクラッドよりも高屈折率の材料から形成さ
れて、コア内からクラッドに放射した伝搬光をクラッド
外に放射させるようになっており、本光明の光波長変換
素子における第２クラッド層とはｌＩ造も作用も異にし
ている。

以下、上記第２クラッド層とクラッド層の屈折率につい
て、クラッド喘オよび第２クラツド喘がそれぞれ基本波
と第２高調波の波長および第２高調波の波長に対して十
分に厚い場合につきチェレンコフ放射の場合を例にとっ
て詳しく説明する。

第２図図示のようにコア１１、クラッド１２および第２
クラツド１３からなるファイバー型の光波長変換素子を
考え、コア１１、クラッド１２、第２クラツド１３の屈
折率をそれぞれｎｌ　、ｎ、、　、ｎ３とする。

また、クラッド１２の基本波に対する屈折率、第２高調
波に対する屈折率をそれぞれｎａ＋、　、ｎ”２と表わ
す（その他についても同様）。第２図図示のようにファ
イバー軸に対して光波がなす角をθとすると、まずクラ
ッド１２と第２クラツド１３との境界面における全反射
条件として、 ｓ　ｉ　ｎα＞ｎ３／ｎｚ である。α＋θ−π／２であるから、 Ｓ　ｉ　ｎ　（ｙｒ／２−θ＞＞ｎ３／ｎｚ、’、ｃｏ
ｓθ＞ｎ３／ｎｚ したがって、全反射が生じる範囲でとりうるθの最大値
θ。は、 θｏ　　＝Ｃ０６−１（ｎ３　　／ｎ２　　）　　　−
（１１である。

次にチェレンコフ放射による位相整合条件として、実効
屈折率をｎ　ｅｆｆとすると、ｎｚｃＯ５θ＝ｎｅｆｆ ｎｌ　くｎ　ｅｆｆくｎｌ：′ であるから、この条件の下でとりうるθの最大値θ１は
、 θ１＝　ｃ　ｏ　ｓ−１（ｒ＋％’　／ｎ”、”　）　
　・・−（２１以上より、前述の全反射が起こりしかも
第２高調波がクラッド層を導波しつる条件は θ１くθ。　　　　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・　（３）（１）、（２）、（３）式より ｃｏｓ−”　（ｎｌ、／ｎ２）＜ｃｏｓ−１（ｎ３／ｎ
ｚ　＞、、　　ｎｌ＞ｎ３　　　　　・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・　（４）この（４）
式は、クラッド１２と第２クラツド１３の屈折率分散曲
線が例えば第３図に示すａとｂのようにならず、ａとＣ
のようになっていて、波長λ２の基本波に対するクラッ
ド１２の屈折率ｎ’が、波長λ１　（−λ２／２）の第
２高調波に対する第２クラツド１３の屈折率ｎ３を上回
っていれは゛、第２高調波の全反射も、また該第２高調
波と基本波との位相整合もなされうろことを示している
。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図は本発明の第１実施例による光波長変換素子１０
を示すものである。この光波長変換素子１０は、クラッ
ド１２の中心の中空部分内に、非線形光学材料からなる
コア１１が充てんされた光ファイバーである。上記非線
形光学材料としては、無機材料に比べて非線形光学定数
が極めて大きい有機非線形光学材料を用いるのが好まし
い。この有機非線形光学材料として（よ、例えば特開昭
６０−２５０３３４号及び’Ｎｏｎ１ｉｎｅｒ　０ｐｔ
ｉｃａｌ　　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　　Ｑｒｇａ
ｎｉｃ　ａｎｄ　　Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ　　１ｖｌａｔ
ｅｒｉａｌｓ”ＡＣ８ＳＹＭＰＯ８ＩＩＪＭ　　５ＥＲ
ＩＦＳ２３３、［）ａｖｉｄ　　Ｊ、　Ｗｉｌｌｉａｎ
＋ｓ　ａ　（ＡｍｅｒｉＣａｎＣｈｅｌｌｉｃａｌ　５
ｏｃｉｅｔｙ、　１９８３年刊）、１−有機非線形光学
材料」加藤政雄、中西へ部監修（シー・エム・シー社、
１９８５年刊）等に示されるＭＮＡ　（２−メチル−４
−ニトロアニリン）　、ｍＮＡ　（メタニトロアニリン
＞、ＲＯＭ（３−メチル−４−ニトロビニジン−１−オ
キサイド）、尿素等が挙げられる。例えばＭＮＡは、無
機非線形光学材料であるＬ！Ｎ１）０３に比べると２０
００倍程度高い波長変換効率を有するので、この有機非
線形光学材料からコア１１を形成すれば、一般的な小型
かつ低コストの半導体レーザーからの赤外レーザー光を
基本波として第２高調波を発生させることにより、青領
域の短波長レーザー光を得ることも可能となる。

一方クラッド１２は、上記非線形光学材料よりも低屈折
率の材料から形成されている。またこのクラッド１２の
外側には、このクラッド１２よりもさらに低屈折率の材
料からなる第２クラツド１３が形成されている。

ここで、−例としてコア１１を上述のＭＮＡ、クラッド
１２をパイレックスガラス、第２クラツド１３をポリト
リフルオロイソプロピルメタクリレートから形成する場
合について、この光波長変換素子１０の製造方法を説明
する。まずクラッド１２となる中空のガラスファイバー
１２′が用意される。このガラスファイバー１２′は一
例として、外径が１００μｍ程度で、中空部の径が２〜
１０μｍ程度のものである。そして第４図に示すように
、炉内等においてＭ　Ｎ　Ａ　１１’を融液状態に保ち
、この融液内にガラスファイバー１２′の一端部を浸入
させる。

すると毛細管現象により、融液状態のＭ　Ｎ　Ａ　１１
’がガラスファイバー１２′の中空部内に進入する。

なお該融液の温度は、Ｍ　Ｎ　Ａ　１１’の分解を防止
するため、その融点（１３２°Ｃ）よりも僅かに高い温
度とする。その後ガラスファイバー１２′を急冷させる
と、中空部に進入していたＭ　Ｎ　Ａ　１１’が結晶化
する。

なお、さらに好ましくはこの光ファイバー１２′を、Ｍ
　Ｎ　Ａ　１１’の融点より高い温度に保たれた炉内か
ら、該融点より低い温度に保たれた炉外に徐々に引き出
すことにより、溶融状態のＭ　Ｎ　Ａ　１１’を炉外へ
の引出し部分から単結晶化させる。それにより、極めて
長い単結晶状態で結晶方位も一定に揃ったコア１１が形
成され、光波長変換素子１０を十分に長くすることがで
きる。周知のようにこの種の光波長変換素子の波長変換
効率は素子の長さに比例するので、光波長変換素子は長
いほど実用的価値が高くなる。

以上述べたようにしてコア１１が充てんされたガラスフ
ァイバー１２′の表面には、ポリトリフルオロイソプロ
ピルメタクリレートが塗布されて第２クラツド１３が形
成される。この第２クラツド１３の形成は、例えば２０
ｑのポリトリフルオロイソプロピルメタクリレートをメ
チルエチルケトン１９Ｊに溶解して塗布液を調製し、こ
の液をファイバー表面に塗布後、乾燥するという工程に
よって行なわれる。その後このガラスファイバー１２′
は適宜両端が切断され、第１図に示すような光波長変換
素子１０が得られる。

上記光波長変換素子１０は第１図図示のようにして使用
される。すなわち基本波１５は、コア端面１１ａから該
コア１１内に入射される。基本波発生手段としては例え
ばＱスイッチＹＡＧレーザ−（波長：１．０６μｍ）１
６が用いられ、対物レンズ１７で東上したレーザー光（
基本波）１５を上記コア端面１１ａに照射することによ
り、該レーザー光１５を光波長変換素子１０内に入射さ
せる。この基本波１５は、］コア１を構成するＭＮＡに
より、波長が１／２の第２高調波１５′に変換される。

この第２高調波１５′はクラッド１２の外表面の間で全
反射を繰り返して素子１０内を進行する。位相整合は例
えば、基本波１５のコア部での導波モードと、第２高調
波１５′のクラッド部への放射モードとの間で行なわれ
る（いわゆるチェレンコフ放射の場合）。

光波長変換素子１０の出射端面１０ａからは、上記第２
高調波１５′を含むビーム１５″が出射する。この出射
ビーム１５″は図示しないフィルターに通され、第２高
調波１５′のみが取り出されて利用される。

ここでコア１１、クラッド１２、第２クラツド１３をそ
れぞれ構成するＭＮＡ、パイレックスガラス、ポリトリ
フルオロイソプロピルメタクリレートの各屈折率ｎｌ　
、ｎ２、ｎ、、について説明する。例えは前述の波長１
．０６μｍのＹＡＧレーザ−、およびその第２高調波（
波長０．５３μｍ）に対この場合、ｎ岑−１，４６４、
ｎ？＝１．４２であるから、前述の（４）式が満足され
ている（ここでｎｘ＝’１．４９６の値は実効的な屈折
率である）。

したがって、第２高調波１５′の全反射も、前述の位相
整合もなされうろことになる。

そして上述のような第２クラツド１３が形成されていれ
ば、クラッド１２の表面に異物が付着したり、素子の支
持具が直接接したり、あるいは傷が付くことが防止され
る。またこの第２クラツド１３が設けられていれば、当
然ながら光波長変換素子１０の物理的強度も向上する。

次に本発明の第２実施例について、第５図を参照して説
明する。この第５図に示される光波良度検索子２０は光
導波路型のものであり、クラッド層となる２枚のガラス
基板２２．２２の間に、非線形光学材料を充てんさせて
光導波路２１が形成された構造となっている。そして２
枚の基板２２、′２２の外表面上にはそれぞれ第２クラ
ッドＭ２３が形成されている。これらの光導波路２１、
基板２２、第２クラッド層２３はそれぞれ例えば、前述
のＭＮＡ、パイレックスガラス、ポリトリフルオロイソ
プロピルメタクリレートから形成することができるし、
基板２２．２２間へのＭＮＡの充てん、そして第２クラ
ッド層２３の形成も、基本的に第１実施例で説明した方
法によって行なわれつる。なお基板２２．２２の間に非
線形光学材料を充てんして光導波路を形成する方法につ
いては、例えば本出願人による特願昭６１−１５９２９
２号、同６１−１５９２９３号に詳しい記載がなされて
いる。

この光導波路型の光波長変換素子２０に基本波を入射さ
せるには、第１実施例で説明したように素子端面に直接
基本波を照射してもよいが、本例では特にグレーティン
グカプラーによって基本波の入射、および第２高調波の
出射を行なうようにしている。すなわち第５図中上側の
ガラス基板２２の下表面〈光導波路２１側の表面）には
基本波入射用の線形回折格子（ｌｉｎｅａｒ　　Ｑｒａ
ｔｉｎｇＣｏｕｐｌｅｒ：以下Ｌ　Ｇ　Ｃと称する）２
４が形成され、一方このガラス基板２２の外表面上には
、上記ＬＧＣ２４と十分に間隔をおいて第２高調波出射
用（７）集光性回折格子（Ｆｏｃｕｓｉｎｇ　　Ｑｒａ
ｔｉｎｇ　　Ｃｏｕｐｌｅｒ：以下ＦＧＣと称する）２
５か形成されている。

以下、上記構成の第２実施例の光波長変換素子２０の作
用について説明する。例えば前述のＹＡＧレーザ−１６
を基本波発生手段として用い、コリメータレンズ２６で
集光したレーザー光（基本波）１５を第２クラツド喘２
３およびガラス基板２２越しにＬＧＣ２４の部分に照射
することにより、該レーザー光１５を光導波路２１内に
入射させることができる。

この基本波としてのレーザー光１５から第２高調波が生
成され、この第２高調波を含む光ビーム１５″は第２ク
ラッド層２３上のＦＧＣ２５から出射して１点に集束す
る。

この第２実施例の光波長変換素子２０においても、２枚
のガラス基板２２．２２の外側にそれぞれ第２クラッド
層２３．２３が形成されているから、第１実施例の光波
長変換素子１０において第２クラツド１３を設けたこと
による作用効果と同様の作用効果が得られる。

なお、上記実施例では非線形光学結晶としてＭＮＡを用
い、その基本波（１，０６μｍ）に対する実効的な屈折
率が１．４９６の場合について示したが、単結晶の配向
の違い及び非線形光学材料の種類により実効屈折率が変
化した場合には、相応した屈折率を持った第１クラッド
層、第２クラッド層を選定すべきである。すなわち第１
クラツドのクラッドガラスも各種の屈折率を持つものを
用いる事ができ、第２クラッド層としては上記実施例で
示したポリトリフルオロイソプロビルメタクリレート以
外にもメラミン、ポリエステル、アクリル、シリコン、
エポキシ、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン
、ポリアミド、アセチルセルロース等の樹脂材料、及び
石英ガラスを始めとする各種のガラス、さらにはＡｌ１
，２０３等の透明酸化物結晶も用いることができる。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の光波長変換素子におい
ては、クラッド層の表面に異物が付着したり、傷が付い
たり、素子支持具が接触することが防止されるから、第
２高調波が素子外に逃げ出したり、散乱することを防止
でき、光伝搬損失を低く抑えることが可能となる。そし
て上述のように素子支持具がクラッド−表面に接触する
ことがないから、光波長変換素子はどのようにも支持、
配置可能となり、該素子を用いるデバイスの構成の自田
度が高くなる。さらに本発明の光波長変換素子は、第２
クラッド層を設けたことにより物理的強度も増し、耐久
性が高く経時劣化の少ないものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による光波長変換素子を示
す概略側面図、 第２図（よ本発明の光波長変換素子における第２高調波
の全反射条件、位相整合条件を説明するための説明図、 第３図は本発明に係るクラッド層と第２クラッド層の屈
折率分散曲線を示すグラフ、 第４図は第１図の光波長変換素子の製造方法を説明する
概略図、 第５図は本発明の第２実施例による光波長変換素子を示
す概略斜視図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）非線形光学材料がそれよりも低屈折率のクラッド
   層によって被覆されてなり、入射された基本波を第２高
   調波に変換し前記クラッド層を導波させて出射させる光
   波長変換素子において、前記クラッド層のさらに外側に
   、該層の屈折率よりも屈折率の小さい材料からなる第２
   クラッド層が形成されていることを特徴とする光波長変
   換素子。
2. （２）前記クラッド層の前記基本波に対する屈折率ｎ＾
   ω＿２と、 前記第２クラッド層の前記第２高調波に対する屈折率ｎ
   ＾２＾ω＿３とが、 ｎ＾ω＿２＞ｎ＾２＾ω＿３ なる関係にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の光波長変換素子。