JP2582634B2 - 光波長変換モジュールの駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、基本波としてのレーザ光を発する半導体レ
ーザと、このレーザ光を波長変換する光導波路型の光波
長変換素子とからなる光波長変換モジュールの駆動方法
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、レーザ光を波長変換（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す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
学会懇話会微小光学研究グループ機関誌VOL.3,No.2,p28
〜32にはその一例が示されている。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開昭63−15233号，
同63−15234号公報に示されるように、クラッド部とな
る２枚の基板の間に非線形光学材料からなる２次元光導
波路を形成した２次元光導波路型の光波長変換素子も知
られている。さらには、ガラス基板内に非線形光学材料
からなる３次元光導波路が埋め込まれてなり、ガラス基
板中に第２高調波を出射する３次元光導波路型の光波長
変換素子も知られている。これらの光導波路型光波長変
換素子も、上述のような特長を有している。

また、特願昭63−72752号明細書において、和周波お
よび差周波も同様に、ファイバー型波長変換素子によっ
て発生することが詳細に記されている。導波路型光波長
変換素子における和差周波発生についても特願昭63−72
753号明細書において詳細に記されている。さらに３次
の非線形性を利用した第３高調波発生も十分に可能であ
る。

なお以上列挙した光導波路型（ファイバー型のものも
含むものとする）の光波長変換素子は、主に導波部が非
線形光学材料から形成されたものであるが、クラッド部
のみを、あるいは導波部とクラッド部の双方を非線形光
学材料から形成してもよい。すなわち導波部を進行する
導波光の一部はエバネッセント波としてクラッド部に浸
み出すので、クラッド部が非線形光学材料から形成され
ていれば、このエバネッセント波が波長変換されうる。

ところで以上述べた光導波路型の光波長変換素子は、
基本波としてのレーザ光を発する半導体レーザと組み合
わせて、光波長変換モジュールとして用いられることが
多い。光波長変換素子における波長変換効率は、例えば
第２高調波の発生においては、入力された基本波の強度
（より詳しくは非線形光学材料中を進行する基本波の強
度）の２乗に比例し、第３高調波の発生においては基本
波強度の３乗に比例し、また和、差周波発生の場合は両
基本波の強度の積に比例するので、上記の光波長変換モ
ジュールにより高強度の波長変換波を得るためには、半
導体レーザの出力を高めるのが大いに効果的であると言
える。

（発明が解決しようとする課題） 半導体レーザの光出力を上げる方法として従来より、
半導体レーザをパルス駆動する方法が知られている。す
なわち、半導体レーザをあるパルス幅以下でパルス駆動
すると、熱飽和が生じ難くなり、連続動作時よりも高い
ピーク出力が得られるようになる。

したがって、上述の光波長変換モジュールにおいて
も、半導体レーザをパルス駆動すれば、連続駆動する場
合と比べて高強度の波長変換波が得られると期待でき
る。ところが実際にそのようにすると、確かに波長変換
効率が向上することもあるが、波長変換効率が半導体レ
ーザ連続動作時より低くなってしまうこともある。

そこで本発明は、このような不具合を招くことのな
い、光波長変換モジュールの駆動方法を提供することを
目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明による光波長変換モジュールの駆動方法は、先
に述べたような光導波型の光波長変換素子、すなわち、
クラッド部と、それよりも高屈折率で該クラッド部内に
配された導波部とを有し、これらクラッド部と導波部の
少なくとも一方が非線形光学材料から形成されてなり、
上記導波部を導波した基本波を波長変換する光波長変換
素子と、 上記導波部に入力される基本波としてのレーザ光を発
生させる半導体レーザとから構成された光波長変換モジ
ュールにおいて、 半導体レーザをパルス動作させ、そのパルス幅を、半
導体レーザの連続動作時の出力よりも大きなピーク出力
が得られる値で、かつ、パルス幅減少につれてレーザ光
の導波部への入力結合効率が低下する範囲にあって波長
変換効率が半導体レーザの連続動作時と等しくなる値よ
り大きい値に設定することを特徴とするものである。

（作用） 本発明者等は、半導体レーザをパルス駆動する際、そ
のパルス幅を小さくするほど高いピーク出力が得られる
半面、半導体レーザから発せられたレーザ光の導波部へ
の入力結合効率が、あるパルス幅よりも小さくなるにつ
れて次第に低下することを見出した。これは、パルス幅
を余りに小さくすると発振モードが基本モードから高次
の不安定なモードに変わってしまい、そのためにレーザ
光の強度分布がガウス分布とは大きくかけ離れて、入力
結合効率が低下するものと考えられる。この問題は、半
導体レーザからの出射ビームを光波長変換素子の導波部
に対して端面から入射させる場合でも、また２次元光導
波路等にあっては基板表面に形成した回折格子で回折さ
せて入射させる場合でも、同じように認められる。

前述したように、半導体レーザをパルス駆動すると波
長変換効率が低下してしまうという問題は、上記入力結
合効率の低下が原因と考えられる。そこで、上記の本発
明方法におけるようにパルス幅を設定すれば、パルス幅
を小さくすることにより半導体レーザのピーク出力が向
上するという利点を活かし、その一方、パルス幅を小さ
くし過ぎることにより上記入力結合効率が著しく低下す
るという問題は回避して、半導体レーザを連続動作させ
る場合よりは高い波長変換効率を実現できる。

（実 施 例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説
明する。

第１図は、本発明の方法を実施する光波長変換モジュ
ールの一例を示している。この光波長変換モジュール
は、一例としてファイバー型の光波長変換素子10と、こ
の光波長変換素子10に入射される基本波としてのレーザ
光15を発する半導体レーザ16とから構成されている。

上記の光波長変換素子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、
波長変換効率が高い有機非線形光学材料を用いるのが好
ましい。本例では特に特開昭62−210432号公報に示され
る3,5−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）ピラゾ
ール（以下、PRAと称する）によってコア11を形成して
いる。

ここで、一例としてコア11を上述のPRA、クラッド12
をSFS10ガラス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3mmで、中空部の径が２μｍのものである。そして
第３図に示すように、炉内等においてPRA11′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PR
A11′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、PRA11′の分解を防止するため、
その融点（102℃）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PRA11′が多結晶化する。

次いでこのガラスファイバー12′を、PRA11′の融点
より高い温度（例えば102・５℃）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PRA11′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が充てんんされた後、ガ
ラスファイバー12′の両端が適宜切断され、その両端面
10a、10bにレジコート膜13、14が設けられる。本実施例
のようにコア11を形成する非線形光学材料が有機物から
成る場合には、その有機物が昇華あるいは変成しやすい
が、上述のレジンコート膜13、14を設けることにより、
有機物の昇華または編成がファイバー両端で防止され
る。このようにして第１図および第２図示すような光波
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、基本波発生手段としての半導体レー
ザ（波長:870nm）16から射出された発散ビームであるレ
ーザ光（基本波）15はコリメーターレンズ17によって平
行ビームとされ、さらに対物レンズ18によって集光さ
れ、コア11の端面上においてそれと同径（本例では２μ
ｍ）の小さなスポットに収束する。それにより該レーザ
光が15光波長変換素子10内に入射する。この基本波15
は、コア11を構成するPRA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
中に放射し、その外表面と周囲媒質（通常は空気）との
界面の間で全反射を繰り返して素子10内を端面側に進行
する。位相整合は、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
で取られる（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10b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。

ここで本発明方法においては、レーザ駆動回路20がパ
ルス状の矩形波駆動電流Ｉを半導体レーザ16に供給し、
該半導体レーザ16はパルス動作する。そしてその際のパ
ルス幅は一例として１μｓとされ、それにより極めて高
い波長変換効率が実現されている。以下、その理由を詳
しく説明する。

第４図は、第１図に示した光波長変換モジュールにお
いて、デューティ比は50％に保ち、レーザ光15のパルス
幅を変化させたときの 半導体レーザ16のピーク出力 レーザ光15のコア11への入力結合効率 波長変換効率 の変化の様子を示している。なおの波長変換効率は、
半導体レーザ16を連続動作させたときの値を１とし、そ
れに対する相対的な値で表示してある。図示されるよう
に、パルス幅が小さくなるほど半導体レーザ16のピーク
出力は増大する。しかしその一方、入力結合効率はパル
ス幅が概ね10μｓよりも小さくなると、パルス幅の減少
につれて次第に低下する。これは先に述べたように半導
体レーザ16の発振モードが、基本モードから高次のモー
ドに移り変わることに起因すると考えられる。したがっ
て波長変換効率は、図示の通り、上記のピーク出力と入
力結合効率の兼ね合いで定まるあるパルス幅Wpにおいて
最大値を取り、パルス幅がこの値Wpよりもさらに小さく
設定されると、パルス幅減少に応じて次第に低下する。
本例において上記のパルス幅Wpはおよそ0.5μｓであ
り、この値の近辺の値としてパルス幅を前述の通り１μ
ｓに設定してある。それにより本実施例では、第４図に
示されるように、半導体レーザ16を連続動作させる場合
に比べて４倍以上の波長変換効率が得られている。

なお上記のようにしてパルス状の第２高調波15′を
得、この第２高調波15′を感光材料に照射して画像記録
を行なうような場合は、記録速度等を考慮すると、単位
時間当りにどれだけの光エネルギーを感光材料に与えら
れるかということが重要になる。以下、この点について
考察する。第４図に示した特性を例に考えると、半導体
レーザ16の連続動作時は、その光出力は約40mW、波長変
換効率は相対値で１、そしデューティ比は100％であ
る。それに対してパルス幅を１μｓとして半導体レーザ
16をパルス動作させた場合は、そのピーク出力は100mW
以上、波長変換効率は相対値で６以上、そしてデューテ
ィ比は50％である。したがって、このパルス動作時に得
られる第２高調波15′の単位時間当りの光エネルギー
は、連続動作時に比べると基本的に、 （100/40）×（4/1）×（50/100）＝５であるから、
５倍以上となるとが分かる。また、このようなパルス変
調条件で変調すれば、感光材料への記録速度に比べて変
調速度が十分に速いため、記録時の雑音の問題は生じな
い。

なお以上の実施例ではパルス幅を、最大の波長変換効
率が得られるパルス幅Wpの近辺の値である１μｓに設定
したが、このパルス幅は勿論ながら上記の値Wpそのもの
に設定してもよいし、さらには、第４図に示すパルス幅
Wmin（つまりレーザ光15のコア11への入力結合効率がパ
ルス幅減少にともなって低下する範囲にあって、波長変
換効率が半導体レーザ16の連続動作時のそれと等しくな
るパルス幅）よりは大きくて、しかも半導体レーザ16の
連続動作時の出力よりも大きなピーク出力が得られる値
ならば、いかなる値に設定されてもよい。

また上記の実施例では、光波長変換素子としてファイ
バー型のものが用いられているが、本発明の方法は、前
述した２次元あるいは３次元光導波路型の光波長変換素
子を用いて構成された光波長変換モジュールにおいても
適用可能であるし、さらにそのような光波長変換モジュ
ールにあっては、基板表面に形成した回折格子（Gratin
g Coupler）で基本波を回折させて導波部に入力させる
場合にも適用可能である。

さらに上記の実施例では、駆動電流Ｉの（すなわちレ
ーザ光15の）パルス波形が矩形波とされているが、この
パルス波形はその他正弦波等とされてもよい。ただし、
先に述べた単位時間当りの光エネルギーを上げる点から
は、矩形波とするのが最も好ましい。また本発明は、第
２高調波のみならず、前述の第３高調波等を得る際にも
適用可能であり、第３高調波の場合は波長変換効率が基
本波強度の３乗に比例するため、さらに効果的である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明による光波長変換モジ
ュールの駆動方法においては、基本波光源としての半導
体レーザをパルス動作させ、そのパルス幅を、半導体レ
ーザの連続動作時の出力よりも大きなピーク出力が得ら
れる程度に小さく、その一方、パルス幅減少につれてレ
ーザ光の導波部への入力結合効率が低下する範囲にあっ
て波長変換効率が半導体レーザの連続動作時と等しくな
る値よりは大きい値に設定するようにしたから、光波長
変換素子に入力される基本波強度を十分に高め、その一
方、基本波の光波長変換素子への入力結合効率が著しく
低下してしまうことも防止して、高い波長変換効率を実
現できるようになる。したがって本方法によれば、エネ
ルギー利用効率を十分に高く保った上で、高強度の波長
変換波を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施する光波長変換モジュール
の一例を示す概略側面図、 第２図は第１図の光波長変換モジュールの光波長変換素
子を示す斜視図、 第３図は上記光波長変換素子の製造方法を説明する説明
図、 第４図は本発明に係る半導体レーザの駆動パルス幅と、
そのピーク出力、光波長変換素子への入力結合効率、お
よび波長変換効率との関係の一例を示すグラフである。 10……光波長変換素子、11……コア 12……クラッド、15……レーザ光（基本波） 16……半導体レーザ、20……レーザ駆動回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】クラッド部と、それよりも高屈折率で該ク
   ラッド部内に配された導波部とを有し、これらクラッド
   部と波動部の少なくとも一方が非線形光学材料から形成
   されてなり、前記導波部を導波した基本波を波長変換す
   る光波長変換素子と、 前記導波部に入力される基本波としてのレーザ光を発生
   させる半導体レーザとから構成された光波長変換モジュ
   ールにおいて、 前記半導体レーザをパルス動作させ、そのパルス幅を、
   半導体レーザの連続動作時の出力よりも大きなピーク出
   力が得られる値で、かつ、パルス幅減少についてレーザ
   光の導波部への入力結合効率が低下する範囲にあって波
   長変換効率が半導体レーザの連続動作時と等しくなる値
   より大きい値に設定することを特徴とする光波長変換モ
   ジュールの駆動方法。