JP2005352393A

JP2005352393A - 波長変換素子及び波長変換レーザ光源

Info

Publication number: JP2005352393A
Application number: JP2004175635A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Suzudo; 剛鈴土
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】擬似位相整合方式を採用した波長変換素子に関し、その入力レーザ光の波長許容幅拡大を達成する。
【解決手段】非線形光学材料２表面に並列的に形成された複数の光導波路９ａ〜９ｅと、光導波路９ａ〜９ｅ毎に分極反転周期を異ならせて個別に形成された分極反転領域１０ａ〜１０ｅとを有する波長変換部４を備えるので、各光導波路９ａ〜９ｅ毎に擬似位相整合条件が異なるものとなり、広い波長幅を持ったレーザ入射光に対しても、各々の光導波路９ａ〜９ｅの分極反転領域１０ａ〜１０ｅによって平均的に安定した波長変換を行うことができ、よって、擬似位相整合方式を採用する波長変換素子に関し、その入力レーザ光の波長許容幅拡大を達成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、擬似位相整合方式の波長変換素子及びこの波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源に関する。より詳細には、一つ以上のレーザ光を作用させることで、異なる波長光を出力することができる波長変換素子とこの波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源に関する。

レーザ光源は様々な分野への応用が期待されており、また、様々な応用に展開されている。その分野は多岐に亘り、医療、加工、通信、記憶装置など様々な適応や応用が期待されている。しかしながら、レーザ装置は発振波長がある程度固定されており、様々な波長を出力することができない。そのため、非線形光学現象を利用した、波長変換機能を有する波長変換素子をレーザ装置に取付け、様々な波長を出力することが行われている。波長変換素子は、強誘電体結晶を用いるものが主に使用され、代表的にはＫＴＰ結晶、ＬＢＯ結晶等が使用されるが、結晶中の分極構造を周期的に反転させることによる、擬似位相整合素子も使用される。擬似位相整合素子としては、ＬＮやＬＴを用いた素子が一般的であり、主に波長多重通信用として、研究開発が盛んに行われており、様々な応用を目指している。

擬似位相整合技術を用いた波長変換は、一般的に波長の許容幅が小さいため、波長許容幅を広げるために様々な工夫を行っている。以下に、波長許容幅を拡大させる従来方式について説明する。

例えば、特許文献１によれば、擬似位相整合波長変換素子の波長許容幅を拡大するために、レーザ光を通過させる光導波路中に異なる周期の分極反転構造を連続的に配置させるようにしている。

また、特許文献２によれば、擬似位相整合素子の独立した素子間に位相制御部を設けることによって、位相整合のずれを制御し、波長許容幅を拡大するようにしている。

さらに、特許文献３によれば、擬似位相整合波長変換素子の分極反転周期を斜め方向に横切るように光導波路を形成して、擬似位相整合の周期を可変させることにより、波長許容幅を拡大するようにしている。

特開平１１−３３７９９０号公報特開２０００−１７１８４４公報特開２００２−３５０９１５公報

特許文献１のような構成とすることで、波長許容幅を拡大することができる。しかしながら、異なる周期の分極反転構造を直列に配置しているため、波長の許容幅の更なる拡大を行う場合には、素子長が長くなってしまうという欠点が存在する。

特許文献２の場合も、波長許容幅の拡大という課題に対しては、大きな効果を持っているが、素子間に配置する位相制御部を別途設けなければならず、素子の作製コストや実装コストが、単素子構造と比較し、大きくなってしまうという欠点が存在する。

特許文献３の場合も、光導波路は異なる周期の分極反転構造を直列に配置していることと等価であるため、波長の許容幅の更なる拡大を行う場合には、素子長が長くなってしまうという欠点が存在する。

このように、従来の擬似位相整合を用いた波長変換素子においては、波長許容幅が大きく、かつ、小型で簡便なものが存在しないのが現状である。

本発明の目的は、擬似位相整合方式を採用した波長変換素子に関し、その入力レーザ光の波長許容幅拡大を達成できるようにすることである。

より具体的には、広い波長幅を持ったレーザ入射光に対しても、平均的に安定な波長変換を可能にすることを目的とする。

さらには、波長変換素子の波長変換効率を向上させることを目的とする。

加えて、波長変換素子の信頼性を向上させることを目的とする。

或いは、波長変換素子の低コスト化を図ることを目的とする。

さらには、より簡単な構成で、出力安定性の良い波長変換レーザ光源を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明の波長変換素子は、入射光の光路を分岐する入射光分岐部と、この入射光分岐部による分岐路の各々に個別に接続させて非線形光学材料表面に並列的に形成された複数の光導波路と、前記光導波路毎に分極反転周期を異ならせて個別に形成された分極反転領域とを有する波長変換部と、これらの複数の光導波路から出射される出射光の光路を１本に合成する出射光合成部と、を備える。

従って、本発明の波長変換素子は、当該素子への入力レーザ光の波長を変換する動作を行うが、この際、並列的に形成された複数の光導波路毎に分極反転周期を異ならせた分極反転領域を形成することにより波長変換部を構成しているので、各光導波路毎に擬似位相整合条件が異なるものとなり、擬似位相整合による条件を満たす、一つ以上のレーザ光より、異なった波長に変換したレーザ光を出力する動作を行うこととなる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の波長変換素子において、前記各分極反転領域は、各光導波路内では均一周期の分極反転周期で形成されている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の波長変換素子において、分極反転周期を異ならせた前記各分極反転領域は、基本となる分極反転周期に対して所定の周期差ずつ異ならせることにより形成されている。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載の波長変換素子において、前記入射光分岐部及び前記出射光合成部の導波路は、前記光導波路が形成された非線形光学材料とは異なる材料により形成されている。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の波長変換素子において、前記入射光分岐部及び前記出射光合成部の導波路は、等方性材料により形成されている。

請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の波長変換素子において、前記入射光分岐部及び前記出射光合成部の導波路は、無機材料により形成されている。

請求項７記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の波長変換素子において、前記入射光分岐部及び前記出射光合成部の導波路は、有機材料により形成されている。

請求項８記載の発明の波長変換レーザ光源は、レーザ光を発するレーザ光源と、前記レーザ光が入射光分岐部から入射される請求項１ないし７の何れか一記載の波長変換素子と、を備える。

請求項１記載の発明によれば、並列的に形成された複数の光導波路毎に分極反転周期を異ならせた分極反転領域を形成することにより波長変換部を構成しているので、各光導波路毎に擬似位相整合条件が異なるものとなり、広い波長幅を持ったレーザ入射光に対しても、平均的に安定して波長変換を行うことができ、よって、擬似位相整合方式を採用する波長変換素子に関し、その入力レーザ光の波長許容幅拡大を達成することができる。

請求項２記載の発明によれば、各分極反転領域は、各光導波路内では均一周期の分極反転周期で形成されているので、擬似位相整合条件を満たす場合には各光導波路毎に安定した波長変換動作を行わせることができる。

請求項３記載の発明によれば、分極反転周期を異ならせた各分極反転領域は、基本となる分極反転周期に対して所定の周期差ずつ異ならせることにより形成されているので、広い波長許容幅について安定した波長変換機能を確保することができ、よって、入射するレーザ光の波長変動やレーザ光そのものが持つ波長幅を制御せずとも、安定した波長変換後のレーザ出力を得ることができる。

請求項４記載の発明によれば、入射光分岐部、出射光合成部の導波路が、波長変換部を構成する光導波路が形成された非線形光学材料とは異なる材料により構成されているので、レーザ入射光（波長変換前のレーザ光）の損失を低減することができ、結果的に、波長変換効率の向上を図ることができる。

請求項５記載の発明によれば、入射光分岐部、出射光合成部の導波路が等方性材料で構成されているので、レーザ入射光（波長変換前のレーザ光）の損失とビーム品質（縦モード、横モードなど）の劣化を低減することができ、結果的に、波長変換効率の向上を図ることができる。

請求項６記載の発明によれば、入射光分岐部、出射光合成部の導波路が無機材料で構成されているので、光ダメージや環境劣化等に対する耐性が向上し、素子の信頼性を向上させることができる。

請求項７記載の発明によれば、入射光分岐部、出射光合成部の導波路が有機材料で構成されているので、素子材料コストの低減や、素子作製コストを安価にすることができる。

請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一記載の波長変換素子を用いているので、より簡単な構成で、出力安定性の良い、波長変換レーザ光源を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態の波長変換素子１の構成例を示し、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）はその模式的断面図である。

本実施の形態の波長変換素子１は、ＭｇＯを添加した非線形光学材料であるＬｉＮｂＯ_３基板２をベースとし、レーザ光の入射側から出射側に向けて、入射光分岐部３と波長変換部４と出射光合成部５とに区分されて構成され、１本の入射レーザ光を受け入れる入射口６と、１本の出射レーザ光を出力する出射口７とを有する構成とされている。ここに、入射光分岐部３及び出射光合成部５の導波路は、ＬｉＮｂＯ_３基板２とは異なる材料であるＳｉＯ_２により形成され、波長変換部４自体は非線形光学材料であるＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３基板２を利用して一体に形成されている。

入射光分岐部３はエッチングにより形成されたリッジ型の導波路（分岐路）８を構成しており、本実施の形態では、例えば入射口６から入射されるレーザ光を５本に分岐できる構成とされている。入射口６の幅は約２０μｍであり、５本の導波路８に分岐している。導波路８の高さは約２μｍとされており、分岐後の導波路幅が１０μｍとなるように構成されている。また、この入射光分岐部３部分の素子長は約２ｍｍとしている。

波長変換部４は、入射光分岐部３の分岐数に対応させて導波路（分岐路）８の各々に個別に接続するように並列的に形成された５本の光導波路９ａ〜９ｅによって構成されている。これらの光導波路９ａ〜９ｅはプロトン交換方法によりＬｉＮｂＯ_３基板２上に形成されており、幅約１０μｍ、深さ約２μｍの光導波路となっている。加えて、波長変換部４の各光導波路９ａ〜９ｅに対しては直交する形で、各々分極反転領域１０ａ〜１０ｅが形成されており、擬似位相整合による波長変換が可能とされている。より具体的には、各光導波路９ａ〜９ｅには、電界印加により形成した、異なる分極反転周期の分極反転領域１０ａ〜１０ｅが形成されており、その周期は、基本となる分極反転周期６．８μｍを中心（中央の分極反転領域１０ｃに割り当て）に±０．０４μｍ、±０．０８μｍの分極反転周期で形成され、各々の光導波路９ａ〜９ｅに対しては、均一周期の分極反転周期構成とされている。即ち、分極反転領域１０ａ〜１０ｅの各々の分極反転周期は、６．９２μｍ、６．９６μｍ、７．０μｍ、７．０４μｍ、７．０８μｍであり、各々０．０４μｍの周期差ずつ異ならせて形成されている。これは、波長１０６４ｎｍレーザ光に対するＳＨＧ用の波長変換周期である。

出射光合成部５に関しては、入射光分岐部３と逆（波長変換部４から見て対称）であり、エッチングにより形成されたリッジ型の導波路１１を構成しており、本実施の形態では、例えば光導波路９ａ〜９ｅから入射される５本のレーザ光を１本に合成して１つの出射口７から出射させる構成とされている。出射口７の幅は約２０μｍであり、５本の導波路１１をまとめている。導波路８の高さは約２μｍとされている。また、この出射光合成部５部分の素子長は約２ｍｍとしている。

このような構成において、波長変換素子１の動作について説明する。波長変換素子１にレーザ光は入射口６より入射する。波長変換素子１に入射したレーザ光はある強度分布を持って、入射光分岐部３の導波路８構成によって分岐され、各々独立した波長変換用の光導波路９ａ〜９ｅに導かれる。ここに、各々の光導波路９ａ〜９ｅ中にはレーザ基本波付近（ここでは、１０６４ｎｍ）に対するＳＨＧ発生条件を満たす分極反転周期の分極反転領域１０ａ〜１０ｅが形成されている。そのため、各光導波路９ａ〜９ｅを通過した、レーザ基本波はＳＨＧ光への波長変換を受けながら当該波長変換部４を通過する。波長変換部４を通過したレーザ光は出射光合成部５の導波路１１に導かれ、最終的には出射口７より、１本のビームとして出射されることになる。

ここで、波長変換部４の分極反転領域１０ａ〜１０ｅの分極反転周期について説明する。本実施の形態における波長変換部４の５本の光導波路９ａ〜９ｅに施してある分極反転領域１０ａ〜１０ｅの分極反転周期は６．９２μｍ、６．９６μｍ、７．０μｍ、７．０４μｍ、７．０８μｍであり、各々０．０４μｍの周期差ずつ異ならせて形成されている。図２に本実施の形態の波長変換素子１の波長変換効率曲線を示す。各々の分極反転領域１０ａ〜１０ｅによる波長変換特性を点線で、波長変換素子１全体の波長変換特性を実線で示している。各々の分極反転領域１０ａ〜１０ｅによる一本毎の波長変換特性の波長に対する許容幅Δλは、計算上は約０．０７ｎｍとなる。０．０７ｎｍは分極反転周期に換算すると、約０．０４μｍとなるため、本実施の形態の波長変換素子１では０．０４μｍの周期間隔で異ならせた分極反転領域１０ａ〜１０ｅを５本の光導波路９ａ〜９ｅに形成し、各々の効率を合成することにより、広い波長許容幅Δλｔを実現しているものである。これによって、入射するレーザ光の波長変動やレーザ光そのものが持つ波長幅を制御せずとも、安定した波長変換後の出力が得られることになる。

また、本実施の形態では、入射光分岐部３と出射光合成部５については、基板２用のＬｉＮｂＯ_３を使用せずに、異なる材料であるＳｉＯ_２材料を使用している。これによって、入射光分岐部３と出射光合成部５との導波路８，１１部分での不要な波長変換を避けることができるため、レーザ基本波の損失を低減することができる。また、ここで等方性材料を用いているので、レーザ基本波の偏光状態などのビーム品質を損なうことなく、波長変換が実現できるため、素子としてのビーム品質の劣化を低減することができる。また、無機材料を使用しているので、水分やその他の外部影響による素子の劣化を防ぐことができ、信頼性が向上することにもなる。

なお、本実施の形態では、入射光分岐部３と出射光合成部５については、基板２用のＬｉＮｂＯ_３を使用せずに、異なる材料として無機材料であるＳｉＯ_２材料を使用するようにしたが、異なる材料として有機材料、例えばエポキシ系樹脂材料を用いるようにしてもよい。入射光分岐部３と出射光合成部５について、基板２用のＬｉＮｂＯ_３を使用せずに、異なる材料として有機材料、例えばエポキシ系樹脂材料を用いた場合も、入射光分岐部３と出射光合成部５との導波路８，１１部分での不要な波長変換を避けることができるため、レーザ基本波の損失を低減することができる。また、等方性材料であるので、レーザ基本波の偏光状態などのビーム品質を損なうことなく、波長変換が実現できるため、素子としてのビーム品質の劣化を低減することができる。さらには、有機材料を使用することにより、素子作製に対してエネルギーを大きくかけず、成膜工程もスピンコート法やスプレーコート法を採用できることや、材料費も低コストになるため、素子全体として低コスト化を実現できる。

次に、上述したような波長変換素子１を用いた波長変換レーザ光源２１に関する実施の形態を図３を参照して説明する。図３は本実施の形態の波長変換レーザ光源２１の構成例を示す概略断面図である。この波長変換レーザ光源２１は、レーザ光を発するレーザ光源としての半導体レーザ素子２２、この半導体レーザ素子２２より出力されたレーザ光を集光するためのレンズ等により構成された集光光学系２３、前述の波長変換素子１、及び、これらの部材を各々を実装するためのベース部材２４から構成されている。

半導体レーザ素子２２としては、出力０．５Ｗ、波長８１０ｎｍのレーザを用いている。波長変換素子１は前述した構成とほぼ同様であるが、ここでは、レーザ基本波８１０ｎｍに対してＳＨＧ光を出力可能な分極反転周期の分極反転領域１０ａ〜１０ｅを形成した素子とされている。即ち、分極反転領域１０ａ〜１０ｅの分極反転周期は、２．７７μｍ、２．７８μｍ、２．７９μｍ、２．８０μｍ、２．８１μｍの５種類であり、０．０１μｍずつの周期差で形成されている。これにより、波長８１０ｎｍ±１．７５ｎｍの波長許容幅を持った素子が可能になる。ここで、半導体レーザ素子２２の発振波長半値幅は２ｎｍであるので、十分な波長許容幅を持った素子となる。

本実施の形態の波長変換レーザ光源２１は、半導体レーザ素子２２よりレーザ基本波が出射され、集光光学系２３で集光され、波長変換素子１に対して入射レーザ光２５として入射口６から入射する。そして、レーザ光は波長変換素子１通過後に、ＳＨＧ光に変換され、出射口７から出力レーザ光２６として出射される。ここで、波長変換素子１での詳細動作に関しては、前述した通りであるので、省略する。

本実施の形態の波長変換レーザ光源２１によれば、前述したような波長変換素子１を利用してので、光源（ここでは半導体レーザ素子２２）の波長コントロールを精度良く行わずに、安定した波長変換特性を得られることにより、レーザ光源の安定性を確保できる。また、光源の波長精度も気にせず使用できるので、安価なレーザ光源を使用できるため、波長変換レーザ光源２１の低コスト化も可能となる。

なお、前述の構成例に示した材料や構成については、一例を示すものであり、例示したものに限られるものではない。例えば、非線形光学材料としてはＬｉＮｂＯ_３に限らず、ＫＴＰ等でも実施可能であり、光導波路９ａ〜９ｅ、導波路８，１１の構成に関しても、他の設計も可能である。また、波長に関しても、他の波長においても、分極反転周期の設計を変更することにより可能である。また、前述の実施の形態では、ＳＨＧ構成例を示しているが、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック発振用などの構成も可能である。

本発明の一実施の形態の波長変換素子の構成例を示し、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）はその模式的断面図である。波長変換素子の波長変換効率曲線を示す特性図である。本発明の一実施の形態の波長変換レーザ光源の構成例を示す概略断面図である。

符号の説明

１波長変換素子
２非線形光学材料
３入射光分岐部
４波長変換部
５出射光合成部
８分岐路
９ａ〜９ｅ光導波路
１０ａ〜１０ｅ分極反転領域
２１波長変換レーザ光源
２２レーザ光源

Claims

入射光の光路を分岐する入射光分岐部と、
この入射光分岐部による分岐路の各々に個別に接続させて非線形光学材料表面に並列的に形成された複数の光導波路と、前記光導波路毎に分極反転周期を異ならせて個別に形成された分極反転領域とを有する波長変換部と、
これらの複数の光導波路から出射される出射光の光路を１本に合成する出射光合成部と、
を備える波長変換素子。
前記各分極反転領域は、各光導波路内では均一周期の分極反転周期で形成されている、請求項１記載の波長変換素子。
分極反転周期を異ならせた前記各分極反転領域は、基本となる分極反転周期に対して所定の周期差ずつ異ならせることにより形成されている、請求項１又は２記載の波長変換素子。
前記入射光分岐部及び前記出射光合成部の導波路は、前記光導波路が形成された非線形光学材料とは異なる材料により形成されている、請求項１ないし３の何れか一記載の波長変換素子。
前記入射光分岐部及び前記出射光合成部の導波路は、等方性材料により形成されている、請求項４記載の波長変換素子。
前記入射光分岐部及び前記出射光合成部の導波路は、無機材料により形成されている、請求項１ないし５の何れか一記載の波長変換素子。
前記入射光分岐部及び前記出射光合成部の導波路は、有機材料により形成されている、請求項１ないし５の何れか一記載の波長変換素子。
レーザ光を発するレーザ光源と、
前記レーザ光が入射光分岐部から入射される請求項１ないし７の何れか一記載の波長変換素子と、
を備える波長変換レーザ光源。