JP2009271435A - 光導波路素子および波長変換素子および高調波レーザ光源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光導波路素子は、非線形光学材料によるコア層0101と、コア層の側から第1クラッド0103、第2クラッド0104を積層して構成されるクラッド構造層0102と、コア層0101とともにクラッド構造層0102を挟むように形成された光吸収層0105とを有し、コア層とクラッド構造層との間において光が干渉反射され、この干渉反射の反射率が、基本波の基本モードの光に対して大きく、コア層において発生する高次モードの光に対して低く設定されることにより、コア層において発生する高次モードの光がクラッド構造層の側に漏れて光吸収層に吸収され、コア層内に発生する高調波光が、実質的にコア層内に閉じ込められて、コア層内を基本モードの基本波と共に導波されるように構成されている。
【選択図】図1
Description
1例として、第2高調波を発生させる場合について説明すると、基本波(高調波に対する元の周波数(基本周波数)を持つレーザ光)を、非線形光学結晶による光導波路に入射させ、光導波路中で伝搬距離:Lだけ伝搬させたときの第2高調波の発生効率:ηは、次式:
η=|κ|2P0L2[{sin(Δ・L)}/(Δ・L)]2 (1)
で与えられる。
Δ=2π(n2−n1)/λ (2)
で定義される量である。また、κは「基本波と高調波の結合係数」であり、それぞれの導波モード間の「重なり積分」に比例する。
I(2ω) ∝ d2[{sin(Δ・L)}/(Δ・L)]2 (3)
で与えられる。dは「2次非線形光学定数」、Lは「光の伝搬距離」である。
別の位相整合法としては「周期分極反転結晶を用いた擬似位相整合法」が知られている(特許文献1)。
上記結合係数:κを大きくできる光導波路構造として「リッジ型光導波路」が知られている(特許文献2)。
「リッジ型光導波路」は、LiNbO3等の非線形光学結晶を支持基板に接合してから精密研磨等によって「厚さ:数μmまで薄膜化」して光を膜厚方向に閉じ込め、さらに薄膜にダイシングやエッチング加工を施して薄膜に「厚さの差(リッジ)」を設けて薄膜幅方向(厚さ方向と導波方向とに直交する方向)の光閉じ込めを可能にした光導波路であり、結晶膜厚の厚さが数μmと小さいところから非線形光学結晶薄膜内に光を強く閉じ込めることができる。
「コア層」は、非線形光学材料により構成される。非線形光学材料は、例えば、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やタンタル酸リチウム(LiTaO3)等に代表される「非線形光学結晶」を用いることができる。
「クラッド構成層」は1以上が設けられ、個々のクラッド構成層は「コア層の側から第1クラッド、第2クラッドを積層」して構成される。
「第2クラッド」は、第1クラッドの屈折率より大きい屈折率を有して、コア層よりも薄く、且つ、第1クラッドよりも厚く形成される。
即ち、コア層の屈折率をNc、厚さをEc、第1クラッドの屈折率をN1、厚さをE1、第2クラッドの屈折率をN2、厚さをE2とすると、これらの大小関係は以下の通りである。
「光吸収層」は、コア層とともに、クラッド構造層を挟むように形成される。
そして、コア層とクラッド構造層とは、これらの間において光が「干渉反射」され、この干渉反射の反射率が、基本モードの基本波に対して大きく、コア層において発生する高次モードの光に対して低く設定されることにより、基本モードの基本波が「実質的にコア層内に閉じ込められて導波される」とともに、コア層において発生する高次モードの光が「クラッド構造層の側に漏れて光吸収層に吸収」され、コア層内において発生する高調波光が「実質的にコア層内に閉じ込められて、コア層内を基本モードの基本波と共に導波される」ように構成されている。
クラッド構造層が単一である場合、クラッド構造層はコア層の片面に形成され「コア層と光吸収層により挟まれた構造」となる(請求項2)。
クラッド構造層が複数である場合、これらは、コア層の片面に積層して形成されてもよいし、コア層の両面に形成されてもよい。例えば、クラッド構造層が2層である場合には、これらがコア層の片面に積層され、「積層された2層のクラッド構造層」がコア層と光吸収層により挟まれる構造とすることもできるし、コア層の両面にクラッド構造層を1層ずつ形成し、コア層の両面側において、コア層と光吸収層とにより挟持される構造であることもできる。
請求項1〜8の任意の1に記載の光導波路素子は「コア層が、光の導波方向に沿って厚みの段差を有し、光が厚みの大きいコア層部分を導波される」構成であることができる(請求項9)。
請求項1〜8の任意の1に記載の光導波路素子はまた「コア層の幅方向(コア層の厚み方向と光導波方向とに直交する方向)の少なくとも一端に沿って、非線形光学材料より屈折率の小さい光非伝搬領域を有する」構成とすることができる(請求項11)。
請求項1〜12の任意の1に記載の光導波路素子は「光が伝搬する領域の近傍に、屈折率調整用の電極を有する」構成とすることができる(請求項13)。
図1の左側の部分は「コア層0101、第1クラッド0103、第2クラッド0104、光吸収層0105の屈折率・厚さの大小関係」を示している。図示の如く、第1クラッド0103は、コア層0101の屈折率よりも小さい屈折率を有してコア層0101よりも薄く形成され、第2クラッド0104は、第1クラッド0103の屈折率より大きい屈折率を有してコア層0101よりも薄く、且つ、第1クラッド0103よりも厚く形成されている。また、光吸収層0105は、コア層0101、第1クラッド0103、第2クラッド0104よりも大きい屈折率を有する。
動作波長(基本波の波長)を1064nmとした。
コア層0101を構成する非線形光学材料としてはニオブ酸リチウム(屈折率:2.156)の結晶とし、コア層0101の厚さを6.0μmとした。
第2クラッド0104の屈折率はコア層0101と同じく2.156、厚さは3.0μm(コア層の厚さの1/2)とした。光吸収層0105の材料はCrとし、その複素屈折率を4.53+4.3iとした。
第1クラッド0103の屈折率を2.0および2.1としたときの、第1クラッド0103の膜厚と「光導波モードの伝搬損失」との関係をシミュレーションした結果を、それぞれ図13の(a)及び(b)に示す。高次モードは2次モードまでを考慮した。
このときの「基本モードの基本波の伝搬損失」は0.2dB/cm程度であり十分に低損失である。
図2は光導波路素子の断面図を図1に倣って模式的に表したものである。
支持基板0201上に光バッファ層0207を介してコア層0202が積層され、その上にさらに第1クラッド0204および第2クラッド0205が順次積層されてクラッド構造層0203を構成し、更にその上に光吸収層0206が形成される。
コア層0202は「非線形光学材料」からなる。
プロセス2001において、コア層となる「コア材料(非線形光学結晶)」02の表面に光バッファ層0207を成膜する。光バッファ層0207がガラス材料で形成される場合には、高周波スパッタや真空蒸着、化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)等の一般的なガラス薄膜形成方法で成膜が可能である。光バッファ層0207の膜厚は1μm程度以上であればよい。プロセス2002において光バッファ層0207の成膜面と支持基板(図中「基板」と表示)0201とを接合する。
図3において符号0308は「基本モードの光(基本波)の伝搬光フィールド(x方向の電界強度分布)」を示している。
図4は、光導波路素子の断面図を図1に倣って表したものであり、基板0401上に光バッファ層0406、コア層0402、第1クラッド0403、第2クラッド0404、光吸収層0405が順次積層されている。光は光導波路内部をz軸方向に伝搬する。コア層0402は「z方向に分極が交互に反転」する分極反転領域0407を有する。
図4において符号0408は「基本モードの光(基本波)の伝搬光フィールド(x方向の電界強度分布)」を示している。
Λ=2Lc=λ/(2|n2−n1|)
=1.064μm/2(2.2342−2.156)=1.064/0.1564
=6.803μm
であるから、分極反転のピッチを6.8μmとすることにより位相整合が可能になる。
図5は、光導波路素子の断面図を図1に倣って表したものである。この実施の形態において、光導波路素子は、支持基板0501の上に、光バッファ層0508、コア層0502、クラッド構造層0503、0504、光吸収層0507が上記順序に積層された構造となっている。即ち、この実施の形態では、コア層0502の片面(図における上面)に2層のクラッド構造層0503、0504が積層された構造となっている。
図6は、光導波路素子の断面図を表したものである。図6(a)、(b)は光導波路素子の断面を示し、光が導波するz方向は図面に直交する方向である。
図6(a)及び(b)に示す実施の形態は、図2及び図3に示した光導波路素子において「リッジ形状」を形成したものである。図6(a)、(b)に共通の符号0602で示すコア層の膜厚が「x方向の領域ごとに異なるリッジ形状」となっている。導波される光は、x方向における「コア層0602の厚い領域0607」に横方向(x方向)に閉じ込められて伝搬する。
プロセスは図17に示した工程に対して「コア層へのリッジ形状の加工プロセス2204が追加」された点のみが異なる。その他の製作プロセスについては図17に示したものと全く同様の加工方法が適用できる。コア層にリッジ形状を加工するプロセス2204において、リッジ幅は1〜10μm程度であり、「リッジの深さ」は第2クラッド0604の厚さより小さくて済むため5μm以下となる。このようなリッジ形状の加工には、例えば、ダイシング加工によりコア層(図中に「コア」と表示)の両脇を切削することや、ドライエッチング加工等が好適である。
図7は、光導波路素子の断面図を図6に倣って表したものである。図7(a)、(b)は光導波路素子の断面を示し、光が導波するZ方向は図面に直交する方向である。
これら図7(a)、(b)に示す光導波路素子においては、光は光伝搬領域0707に閉じ込められてz方向(図面に直交する方向)に伝搬する。
図8は光導波路素子の断面図を示し、光の伝搬方向であるz方向は図面に直交する方向である。この実施形態においては、光は光伝搬領域0807に閉じ込められてz軸方向に伝搬する。先に説明した図6の実施形態では「コア層0603の厚さを異ならせて横方向(x方向)における光の閉じ込めを実現した。
図9は光導波路素子の断面図を示し、光の伝搬方向であるz方向は図面に直交する方向である。この実施形態においては、光は光伝搬領域0907に閉じ込められてz軸方向に伝搬する。
図10は光導波路素子の断面図を図1に倣って示している。この光導波路素子では、コア層1102の上下を「第1クラッドおよび第2クラッドからなるクラッド構造層1103とクラッド構造層1104」で挟んでいる。即ち、2層のクラッド構造層1103、1194がコア層1102の両面に形成された例である。
この光導波路素子の場合、必ずしも光バッファ層1108を必要としない。しかし、支持基板1101と光吸収層1106との密着性が悪い場合などの場合に、この密着性を高めるために光バッファ層1108を設けることが有効である。
基本波の波長(動作波長)を1064nmとし、コア層の材料をニオブ酸リチウムの結晶としその屈折率を2.156、厚さを4.0ミクロンとした。
図12において符号10は「レーザ光源」を示す。また、符号12、121は波長変換素子を示す。
波長変換素子12、121は「光導波路素子に、基本波を基本モードで導波しつつ高調波光を発生させ、発生した高調波光を基本モードの基本波と共に導波し、光導波路素子の出力端から高調波光を基本波と分離して射出させる波長変換素子」であり、光導波路素子12Aと、この光導波路素子12Aの出力端に設けられて、高調波光を基本波から分離する波長分離手段12Bあるいは12Cを有する。
図12においてレーザ光源10は「基本波となるレーザ光」を放射する半導体レーザ10Aと、放射されたレーザ光を光導波路素子12Aのコア層にカップリングさせて入射させるための集光レンズ10Bとを有している。
0202 第1クラッド
0203 第2クラッド
0204 クラッド構造層
0205 光吸収層
Claims (15)
- 基本波を入射され、高調波光を発生・伝搬させる光導波路素子であって、
コア層と、光吸収層と、1以上のクラッド構造層とを有し、
前記コア層は非線形光学材料により構成され、
前記クラッド構造層は、前記コア層の側から第1クラッド、第2クラッドを積層して構成され、
前記第1クラッドは、前記コア層の屈折率よりも小さい屈折率を有して前記コア層よりも薄く形成され、
前記第2クラッドは、前記第1クラッドの屈折率より大きい屈折率を有して前記コア層よりも薄く、且つ、前記第1クラッドよりも厚く形成され、
前記光吸収層は、前記コア層とともに、前記クラッド構造層を挟むように形成され、
前記コア層とクラッド構造層との間において光が干渉反射され、この干渉反射の反射率が、前記基本波の基本モードの光に対して大きく、前記コア層において発生する高次モードの光に対して低く設定されることにより、前記基本波が基本モードで実質的に前記コア層内に閉じ込められて導波されるとともに、前記コア層において発生する高次モードの光が前記クラッド構造層の側に漏れて前記光吸収層に吸収され、
前記コア層内に発生する高調波光が、実質的に前記コア層内に閉じ込められて、前記コア層内を前記基本モードの基本波と共に導波されるように構成されていることを特徴とする光導波路素子。 - 請求項1記載の光導波路素子において、
クラッド構造層が単一で、コア層の片面に形成され、前記コア層と光吸収層とにより挟持される構造であることを特徴とする光導波路素子。 - 請求項1記載の光導波路素子において、
クラッド構造層が複数であって、コア層の片面もしくは両面に形成されており、前記コア層の片面側もしくは両面側において、前記コア層と光吸収層とにより挟持される構造であることを特徴とする光導波路素子。 - 請求項1〜3の任意の1に記載の光導波路素子において、
コア層、クラッド構造層、光吸収層の何れかに接して、光を全反射する光バッファ層を有することを特徴とする光導波路素子。 - 請求項1〜4の任意の1に記載の光導波路素子において、
少なくとも、コア層と、光吸収層と、1以上のクラッド構造層とにより構成される部分が、支持基板上に一体に形成されていることを特徴とする光導波路素子。 - 請求項5記載の光導波路素子において、
光吸収層が支持基板に密着することを特徴とする光導波路素子。 - 請求項5記載の光導波路素子において、
光バッファ層を有し、前記光バッファ層が支持基板に密着することを特徴とする光導波路素子。 - 請求項1〜7の任意の1に記載の光導波路素子において、
コア層が、光の導波方向において周期的な分極反転領域を有することを特徴とする光導波路素子。 - 請求項1〜8の任意の1に記載の光導波路素子において、
コア層が、光の導波方向に沿って厚みの段差を有し、光が厚みの大きいコア層部分を導波されることを特徴とする光導波路素子。 - 請求項1〜8の任意の1に記載の光導波路素子にいて、
コア層が、非線形光学材料よりも屈折率を高められた光伝搬領域を有することを特長とする光導波路素子。 - 請求項1〜8の任意の1に記載の光導波路素子において、
コア層の幅方向の少なくとも一端に沿って、非線形光学材料より屈折率の小さい光非伝搬領域を有することを特徴とする光導波路素子。 - 請求項1〜11の任意の1に記載の光導波路素子において、
クラッド構造層を構成する第1クラッド、第2クラッドのうち、第2クラッドはコア層と同一の屈折率を有し、且つ、その厚さがコア層の略1/2であることを特徴とする光導波路素子。 - 請求項1〜12の任意の1に記載の光導波路素子において、
光が伝搬する領域の近傍に、屈折率調整用の電極を有することを特徴とする光導波路素子。 - 光導波路素子に、基本波を基本モードで導波しつつ高調波光を発生させ、発生した高調波光を前記基本モードの基本波と共に導波し、前記光導波路素子の出力端から前記高調波光を前記基本波と分離して射出させる波長変換素子において、
光導波路素子と、この光導波路素子の出力端に設けられて、前記高調波光を前記基本波から分離する波長分離手段を有し、
前記光導波路素子が、請求項1〜13の任意の1に記載のものであることを特徴とする波長変換素子。 - 請求項14記載の波長変換素子と、この波長変換素子に導波させる基本波を放射するレーザ光源とを有することを特徴とする高調波レーザ光源装置。
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