JP2643735B2 - 波長変換素子 - Google Patents
波長変換素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレントな短波長
小型光源の実現を可能にする、半導体レーザ用波長変換
素子に関する。
小型光源の実現を可能にする、半導体レーザ用波長変換
素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】波長変換素子とくに第２次高調波発生
（ＳＨＧ）素子は、エキシマレーザなどでは得にくいコ
ヒーレントな短波長光を得るデバイスとして産業上極め
て重要である。
（ＳＨＧ）素子は、エキシマレーザなどでは得にくいコ
ヒーレントな短波長光を得るデバイスとして産業上極め
て重要である。
【０００３】半導体レーザは小型で高出力のコヒーレン
ト光を発振する光源として各種の光通信機器や光情報機
器に使用されている。現在この半導体レーザから得られ
る光の波長は０．６３μｍ〜１．５５μｍの赤色から近
赤外領域の波長である。この半導体レーザをディスプレ
イ等、さらに広く機器に応用するために、緑色、青色
等、より短波長の光が求められているが、現在の技術で
はこの種の半導体レーザをにわかに実現するのは難し
い。半導体レーザの出力程度でも効率よく波長変換でき
る波長変換素子が実現できるとその効果は甚大である。
ト光を発振する光源として各種の光通信機器や光情報機
器に使用されている。現在この半導体レーザから得られ
る光の波長は０．６３μｍ〜１．５５μｍの赤色から近
赤外領域の波長である。この半導体レーザをディスプレ
イ等、さらに広く機器に応用するために、緑色、青色
等、より短波長の光が求められているが、現在の技術で
はこの種の半導体レーザをにわかに実現するのは難し
い。半導体レーザの出力程度でも効率よく波長変換でき
る波長変換素子が実現できるとその効果は甚大である。
【０００４】近年半導体レーザの製作技術が発達して、
従来にも増して高出力の特性が得られるようになってき
た。このため、光導波路型のＳＨＧ素子を構成すれば、
光の回折によるエネルギー密度の減少を回避でき、半導
体レーザ程度の光強度でも、比較的高い変換効率で波長
変換素子を実現できる可能性がある。その様な例とし
て、ニオブ酸リチウム結晶に光導波路を形成し、この光
導波路に近赤外光を透過し、これから結晶基板中に放射
（チェレンコフ輻射）される第２次高調波を得る方式の
ＳＨＧ素子の発明がある（特開昭６０−１４２２２号公
報、特開昭６１−９４０３１号公報及び特開平２−９３
６２４号公報参照）。この方式のＳＨＧ素子は、基本波
とＳＨＧ波との位相整合条件が自動的に取れているた
め、精密な温度調節が必要ないという特長を持つ。しか
しながらその反面、以下のような２つの大きな難点があ
る。その第一は、導波光である基本波と放射光であるＳ
ＨＧ光とは電磁界分布が大幅に異なるため、基本波から
ＳＨＧ光への変換効率が低く、半導体レーザの出力レベ
ル（最大百ｍＷ程度）では０．２％程度と実用的ではな
い。
従来にも増して高出力の特性が得られるようになってき
た。このため、光導波路型のＳＨＧ素子を構成すれば、
光の回折によるエネルギー密度の減少を回避でき、半導
体レーザ程度の光強度でも、比較的高い変換効率で波長
変換素子を実現できる可能性がある。その様な例とし
て、ニオブ酸リチウム結晶に光導波路を形成し、この光
導波路に近赤外光を透過し、これから結晶基板中に放射
（チェレンコフ輻射）される第２次高調波を得る方式の
ＳＨＧ素子の発明がある（特開昭６０−１４２２２号公
報、特開昭６１−９４０３１号公報及び特開平２−９３
６２４号公報参照）。この方式のＳＨＧ素子は、基本波
とＳＨＧ波との位相整合条件が自動的に取れているた
め、精密な温度調節が必要ないという特長を持つ。しか
しながらその反面、以下のような２つの大きな難点があ
る。その第一は、導波光である基本波と放射光であるＳ
ＨＧ光とは電磁界分布が大幅に異なるため、基本波から
ＳＨＧ光への変換効率が低く、半導体レーザの出力レベ
ル（最大百ｍＷ程度）では０．２％程度と実用的ではな
い。
【０００５】すなわち導波基本波から放射２次高調波へ
の変換の効率に寄与する因子としては、非線形光学定数
の大小および位相整合がとれていることは勿論である
が、上で述べた基本波とＳＨＧ放射光との電磁界分布の
整合がもうひとつ重要である。これを詳しく分析すれ
ば、導波路を伝わる基本波は、非線形光学定数を介し
て、基本波の界分布に対応した分布の、２倍の周波数の
分極波を生成する。この分極波の、回折パターンの主峰
の方向と基本波の位相速度（屈折率）と合致する方向と
が等しい時に、その方向へ分極波が加算的に累積され、
効率の良いＳＨＧ光が放射される。
の変換の効率に寄与する因子としては、非線形光学定数
の大小および位相整合がとれていることは勿論である
が、上で述べた基本波とＳＨＧ放射光との電磁界分布の
整合がもうひとつ重要である。これを詳しく分析すれ
ば、導波路を伝わる基本波は、非線形光学定数を介し
て、基本波の界分布に対応した分布の、２倍の周波数の
分極波を生成する。この分極波の、回折パターンの主峰
の方向と基本波の位相速度（屈折率）と合致する方向と
が等しい時に、その方向へ分極波が加算的に累積され、
効率の良いＳＨＧ光が放射される。
【０００６】上記の従来発明の例では、基本波の波長
０．８４μｍの場合で、チェレンコフ放射角は１６．２
度と報告されている。一方、導波路を導かれている基本
波のモード分布は、直径２μｍ程度のガウス状の分布と
近似され、発生する２次分極波の分布もこれと等しい。
この分極波の回折パターンはエアリ回折パターンで大ま
かではあるが近似され、導波路進行方向が最大で、基板
深さ斜め方向の角度には急激に強度を低下させる。直径
２μｍの分極波のエアリ回折像の最初の強度０となる角
度は７度程度であり、上記のチェレンコフ放射角１６．
２度はその外であるため、分極波の強度は極めて小さ
い。上記の従来発明の効率の悪さはこのように概略解釈
できる。
０．８４μｍの場合で、チェレンコフ放射角は１６．２
度と報告されている。一方、導波路を導かれている基本
波のモード分布は、直径２μｍ程度のガウス状の分布と
近似され、発生する２次分極波の分布もこれと等しい。
この分極波の回折パターンはエアリ回折パターンで大ま
かではあるが近似され、導波路進行方向が最大で、基板
深さ斜め方向の角度には急激に強度を低下させる。直径
２μｍの分極波のエアリ回折像の最初の強度０となる角
度は７度程度であり、上記のチェレンコフ放射角１６．
２度はその外であるため、分極波の強度は極めて小さ
い。上記の従来発明の効率の悪さはこのように概略解釈
できる。
【０００７】分極波の回折パターンの主峰の方向とチェ
レンコフ放射角とを等しくできれば、効率の高い導波路
型波長変換素子が構成できる。
レンコフ放射角とを等しくできれば、効率の高い導波路
型波長変換素子が構成できる。
【０００８】従来のチェレンコフ放射型波長変換素子の
発明の難点の第２は、周囲温度や基本波である半導体レ
ーザの発振光の波長変動によって、ＳＨＧ光の放射角の
変動やこれに伴う効率が大きく変動することである。即
ち、光学結晶のほとんどが、青色光の波長近傍に吸収端
を有す。このため、この付近での屈折率の波長変動や温
度変動は大きい。周知の如く、上記の構成でのチェレン
コフ放射角は、基本波導波光の等価屈折率とＳＨＧ光波
長での異常光屈折率の比のｃｏｓで定まる。ＳＨＧ光波
長での異常光屈折率が温度や波長で大きく変化し、これ
によりＳＨＧの放射角が変わることにともなってＳＨＧ
出力が大きく変動し、実用に不便である。とくにこの効
果は、効率を上げんがために放射角を基板すれすれに浅
くしようとして、導波路の構成を工夫し、基本波に対す
る等価屈折率をＳＨＧ光に対する基板の異常光屈折率に
近付けるようにした場合に、とくに影響が強く出る。
発明の難点の第２は、周囲温度や基本波である半導体レ
ーザの発振光の波長変動によって、ＳＨＧ光の放射角の
変動やこれに伴う効率が大きく変動することである。即
ち、光学結晶のほとんどが、青色光の波長近傍に吸収端
を有す。このため、この付近での屈折率の波長変動や温
度変動は大きい。周知の如く、上記の構成でのチェレン
コフ放射角は、基本波導波光の等価屈折率とＳＨＧ光波
長での異常光屈折率の比のｃｏｓで定まる。ＳＨＧ光波
長での異常光屈折率が温度や波長で大きく変化し、これ
によりＳＨＧの放射角が変わることにともなってＳＨＧ
出力が大きく変動し、実用に不便である。とくにこの効
果は、効率を上げんがために放射角を基板すれすれに浅
くしようとして、導波路の構成を工夫し、基本波に対す
る等価屈折率をＳＨＧ光に対する基板の異常光屈折率に
近付けるようにした場合に、とくに影響が強く出る。
【０００９】上記の難点から、従来のタイプの波長変換
素子は実用に供されていない。
素子は実用に供されていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
の導波路ＳＨＧ素子の持つ、変換効率が低く、基本波波
長変動や、周囲温度変化等に伴って生ずる屈折率の変化
によって変換効率が大きく変動するという難点を取り除
き、しかも作製条件が緩いという特長をもつ波長変換素
子を提供することにある。
の導波路ＳＨＧ素子の持つ、変換効率が低く、基本波波
長変動や、周囲温度変化等に伴って生ずる屈折率の変化
によって変換効率が大きく変動するという難点を取り除
き、しかも作製条件が緩いという特長をもつ波長変換素
子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】自発分極が直線格子状に
ブラッグ角とチェレンコフ角が一致するように一定の周
期で反転して形成されている非線形光学結晶の表面に、
基本波光の透過方向が、前記自発分極反転周期の作る格
子ベクトルに対してほぼ直交し、その等価屈折率が光透
過方向に徐々に変化した光導波路を形成するか、また
は、結晶表面に自発分極が直線格子状に一定の周期で反
転して形成されている非線形光学結晶のその表面に、基
本波光の透過方向が、前記自発分極反転周期の作る格子
ベクトルに対して直交方向より僅かずれて設けられ、そ
の等価屈折率が光透過方向に徐々に変化した光導波路を
形成するか、または、非線形光学結晶の表面に沿って自
発分極が湾曲し且つ周期的に反転して形成され、該表面
に等価屈折率が一定の直線状の光導波路を設けるか、の
上記３つの何れかの手段によって、高効率で、温度変化
や波長変化等に対して効率が安定な導波型波長変換素子
が得られる。
ブラッグ角とチェレンコフ角が一致するように一定の周
期で反転して形成されている非線形光学結晶の表面に、
基本波光の透過方向が、前記自発分極反転周期の作る格
子ベクトルに対してほぼ直交し、その等価屈折率が光透
過方向に徐々に変化した光導波路を形成するか、また
は、結晶表面に自発分極が直線格子状に一定の周期で反
転して形成されている非線形光学結晶のその表面に、基
本波光の透過方向が、前記自発分極反転周期の作る格子
ベクトルに対して直交方向より僅かずれて設けられ、そ
の等価屈折率が光透過方向に徐々に変化した光導波路を
形成するか、または、非線形光学結晶の表面に沿って自
発分極が湾曲し且つ周期的に反転して形成され、該表面
に等価屈折率が一定の直線状の光導波路を設けるか、の
上記３つの何れかの手段によって、高効率で、温度変化
や波長変化等に対して効率が安定な導波型波長変換素子
が得られる。
【００１２】
【実施例】以下本発明を実施例に基づき図面を用いて説
明する。
明する。
【００１３】（実施例１）図１は本発明の第一の実施例
である導波路型波長変換素子の構造を示す図でああり、
１は有効な２次非線形光学材料であるニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶であり、基板方位はｚである。こ
の結晶は、既に知られている製法（結晶成長時に結晶引
き上げ方向に自発分域の反転周期を形成する方法）によ
って、基板の深さ方向に層状に自発分極の反転周期２が
形成されている。
である導波路型波長変換素子の構造を示す図でああり、
１は有効な２次非線形光学材料であるニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶であり、基板方位はｚである。こ
の結晶は、既に知られている製法（結晶成長時に結晶引
き上げ方向に自発分域の反転周期を形成する方法）によ
って、基板の深さ方向に層状に自発分極の反転周期２が
形成されている。
【００１４】この結晶基板１の表面には、基本波光を導
波する導波路を形成してある。この実施例では、基本波
波長における屈折率が、基板であるＬｉＮｂＯ3 結晶の
基本波波長の異常光屈折率（ｎe （ω））より大きい材
料（例えば酸化チタン（ＴｉＯ2 ）を、基板表面にリッ
ジ状に薄く装荷して、チャンネル導波路３としてある。
該チャンネル導波路３に基本波（例えば波長０．８３μ
ｍ）である半導体レーザ１０の発振光を注入し、ＴＭの
基本波導波モードを注入する。この基本波光は結晶の非
線形光学定数ｄ3 3 を介して２倍の周波数の２次分極波
を励起する。基本波光が伝搬するにつれて、次々と放射
される２次分極波は、基本波と２次高調波との位相が整
合した方向に、干渉して強め合いビーム状になって伝搬
する。従来技術の問題点に述べたように、この２次分極
波の放射パターンと疑似的ではあるが基本波に位相が整
合した２次高調波の伝搬方向、即ちチェレンコフ角が一
致していれば、基本波からＳＨＧ光６への変換効率が高
い。
波する導波路を形成してある。この実施例では、基本波
波長における屈折率が、基板であるＬｉＮｂＯ3 結晶の
基本波波長の異常光屈折率（ｎe （ω））より大きい材
料（例えば酸化チタン（ＴｉＯ2 ）を、基板表面にリッ
ジ状に薄く装荷して、チャンネル導波路３としてある。
該チャンネル導波路３に基本波（例えば波長０．８３μ
ｍ）である半導体レーザ１０の発振光を注入し、ＴＭの
基本波導波モードを注入する。この基本波光は結晶の非
線形光学定数ｄ3 3 を介して２倍の周波数の２次分極波
を励起する。基本波光が伝搬するにつれて、次々と放射
される２次分極波は、基本波と２次高調波との位相が整
合した方向に、干渉して強め合いビーム状になって伝搬
する。従来技術の問題点に述べたように、この２次分極
波の放射パターンと疑似的ではあるが基本波に位相が整
合した２次高調波の伝搬方向、即ちチェレンコフ角が一
致していれば、基本波からＳＨＧ光６への変換効率が高
い。
【００１５】本実施例では、結晶基板は深さ方向に予め
自発分極が反転した周期層を形成している。図２に示す
ように、自発分極が反転した層の間では２次分極波の位
相は１８０度反転する。各層から発した分極波（図２の
５）の合成波面の進行方向θB は周期場におけるブラッ
グ角となり、ＳｉｎθB ＝λ（２ω）／（Λa ・ｎ（２
ω））で与えられる。ここで、λ（２ω）およびｎ（２
ω）は２次高調波の空気中での波長並びにそこでの屈折
率、Λa は自発分極反転周期である。一方、チェレンコ
フ角θC はＣｏｓθC ＝Ｎ（ω）／ｎ（２ω）で与えら
れる。ここで、Ｎ（ω）は基本波導波モード（図２の
４）の等価屈折率である。θB ＝θC となるように、自
発分極反転周期Λa と基本波導波モード等価屈折率Ｎ
（ω）を設定すれば、基本波からＳＨＧ光への高い変換
効率が実現する。
自発分極が反転した周期層を形成している。図２に示す
ように、自発分極が反転した層の間では２次分極波の位
相は１８０度反転する。各層から発した分極波（図２の
５）の合成波面の進行方向θB は周期場におけるブラッ
グ角となり、ＳｉｎθB ＝λ（２ω）／（Λa ・ｎ（２
ω））で与えられる。ここで、λ（２ω）およびｎ（２
ω）は２次高調波の空気中での波長並びにそこでの屈折
率、Λa は自発分極反転周期である。一方、チェレンコ
フ角θC はＣｏｓθC ＝Ｎ（ω）／ｎ（２ω）で与えら
れる。ここで、Ｎ（ω）は基本波導波モード（図２の
４）の等価屈折率である。θB ＝θC となるように、自
発分極反転周期Λa と基本波導波モード等価屈折率Ｎ
（ω）を設定すれば、基本波からＳＨＧ光への高い変換
効率が実現する。
【００１６】例えば、文献等で確認されている自発分極
反転周期Λa を３μｍとした場合、上記の波長に対しブ
ラッグ角θB は３．４３度程度となる。この角度と等し
いチェレンコフ角θC を与える条件は、Ｎ（ω）＝０．
９９８ｎ（２ω）となり、リッジ導波路を形成するＴｉ
Ｏ2 のリッジ部の高さは〜３００ｎｍ程度と設定すれば
よいことになる。これらは容易に実現できる。
反転周期Λa を３μｍとした場合、上記の波長に対しブ
ラッグ角θB は３．４３度程度となる。この角度と等し
いチェレンコフ角θC を与える条件は、Ｎ（ω）＝０．
９９８ｎ（２ω）となり、リッジ導波路を形成するＴｉ
Ｏ2 のリッジ部の高さは〜３００ｎｍ程度と設定すれば
よいことになる。これらは容易に実現できる。
【００１７】さらに、前述の課題で述べたように、半導
体レーザは、その発振波長がロット間で異なり、また温
度によって３オングストローム／度程度の波長変動を生
ずる。これら波長の個差や温度変動を吸収する効果を波
長変換素子が具備していなければ、コストの面で工業的
に成り立たない。本実施例ではこのような効果を下記の
ように具現化してある。
体レーザは、その発振波長がロット間で異なり、また温
度によって３オングストローム／度程度の波長変動を生
ずる。これら波長の個差や温度変動を吸収する効果を波
長変換素子が具備していなければ、コストの面で工業的
に成り立たない。本実施例ではこのような効果を下記の
ように具現化してある。
【００１８】市販の半導体レーザの発振波長のばらつき
に関する出荷使用は±１０ｎｍ程度と規定されている。
基本波波長が０．８３μｍから０．０１μｍ変動した場
合、ブラッグ角も変動する。この角度が再びチェレンコ
フ角となるためには基本波の等価屈折率Ｎ（ω）は２．
３１７から２．２９７の範囲をカバーして設定されてい
ればよい。
に関する出荷使用は±１０ｎｍ程度と規定されている。
基本波波長が０．８３μｍから０．０１μｍ変動した場
合、ブラッグ角も変動する。この角度が再びチェレンコ
フ角となるためには基本波の等価屈折率Ｎ（ω）は２．
３１７から２．２９７の範囲をカバーして設定されてい
ればよい。
【００１９】即ち、図１に示すように基本波を導波する
リッジ型導波路のリッジ部の幅を光透過方向に一様では
なく、等価屈折率が徐々に変化するように、楔状に設け
てある。リッジ部の幅が狭くなるほど透過屈折率は小さ
くなるので、波長や材料屈折率が変化しても、自発分極
の反転周期による２次分極波が干渉して強められる方向
（ブラッグ角）と、位相整合条件（チェレンコフ角）と
が一致する等価屈折率をあたえるリッジ部幅の導波路部
位で波長変換が強くおこる。常に２つの角度が一致する
という条件が満たされる。このため、安定した波長変換
が実現される。
リッジ型導波路のリッジ部の幅を光透過方向に一様では
なく、等価屈折率が徐々に変化するように、楔状に設け
てある。リッジ部の幅が狭くなるほど透過屈折率は小さ
くなるので、波長や材料屈折率が変化しても、自発分極
の反転周期による２次分極波が干渉して強められる方向
（ブラッグ角）と、位相整合条件（チェレンコフ角）と
が一致する等価屈折率をあたえるリッジ部幅の導波路部
位で波長変換が強くおこる。常に２つの角度が一致する
という条件が満たされる。このため、安定した波長変換
が実現される。
【００２０】（実施例２）図３は本発明の第二の実施例
である導波路型波長変換素子の構造を示す図であり、１
は有効な２次非線形光学材料であるニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶であり、基板方位はｙ板であり、
基板表面はｚｘ面にとってある。この結晶は、実施例１
と同じように、既に知らされている製法によって、基板
の主面ｚ方向に沿って層状に自発分極の反転周期２が形
成されている。この結晶基板１の表面には、基本波光を
ｘ方向から僅かに角度を振った方向に導波する導波路３
を形成してある。導波路の形成方法は、実施例１と同じ
としてある。すなわち、基本波波長における屈折率が、
基板であるＬｉＮｂＯ3 結晶の基本波波長の異常光屈折
率（ｎe （ω））より大きい材料（例えば酸化チタン
（ＴｉＯ2 ））を、基板表面にリッジ状に薄く装荷し
て、チャンネル導波路３としてある。該チャンネル導波
路３に基本波（例えば波長０．８３μｍ）である半導体
レーザの発振光１１を注入し、ＴＥの基本波導波モード
を起す。
である導波路型波長変換素子の構造を示す図であり、１
は有効な２次非線形光学材料であるニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶であり、基板方位はｙ板であり、
基板表面はｚｘ面にとってある。この結晶は、実施例１
と同じように、既に知らされている製法によって、基板
の主面ｚ方向に沿って層状に自発分極の反転周期２が形
成されている。この結晶基板１の表面には、基本波光を
ｘ方向から僅かに角度を振った方向に導波する導波路３
を形成してある。導波路の形成方法は、実施例１と同じ
としてある。すなわち、基本波波長における屈折率が、
基板であるＬｉＮｂＯ3 結晶の基本波波長の異常光屈折
率（ｎe （ω））より大きい材料（例えば酸化チタン
（ＴｉＯ2 ））を、基板表面にリッジ状に薄く装荷し
て、チャンネル導波路３としてある。該チャンネル導波
路３に基本波（例えば波長０．８３μｍ）である半導体
レーザの発振光１１を注入し、ＴＥの基本波導波モード
を起す。
【００２１】この実施例の動作原理は、自発分極反転層
周期と導波路形成面との方位の関係が、実施例１の場合
とは９０度異なるが、ほぼ類似する。しかしながら、全
くの類似構成ではない。すなわち、自発分極反転周期の
格子ベクトルΚa と基本波ベクトルΚ（ω）とが、実施
例１のように正に直交していると、条件を満たす２次高
調波ベクトルΚ（２ω）は、導波路の両側に存在し、Ｓ
ＨＧ光は両側に分散して出力するため、効率悪く利用し
にくい。これを避け、導波路の片側にＳＨＧ光が放射さ
れるように、本実施例では、基本波光導波路の光透過方
向をｘ軸よりずらして設定してある。波数ベクトル間の
整合関係を表したのが図４（ａ）である。基本波の波数
ベクトルはｘ軸よりθ（ω）傾いて入射する。この図で
は、基本波等価屈折率（Ｎ（ω））が２次高調波の屈折
率（ｎe （２ω））より小さい場合を示す。２つの基本
波ベクトルΚ（ω）と、２次高調波ベクトルΚ（２ω）
１つとが自発分極反転周期ベクトルΚa を介して三角形
を形成したとき、ＳＨＧ光が効率よく生成される。すな
わち、整合条件は、次式のようになる。
周期と導波路形成面との方位の関係が、実施例１の場合
とは９０度異なるが、ほぼ類似する。しかしながら、全
くの類似構成ではない。すなわち、自発分極反転周期の
格子ベクトルΚa と基本波ベクトルΚ（ω）とが、実施
例１のように正に直交していると、条件を満たす２次高
調波ベクトルΚ（２ω）は、導波路の両側に存在し、Ｓ
ＨＧ光は両側に分散して出力するため、効率悪く利用し
にくい。これを避け、導波路の片側にＳＨＧ光が放射さ
れるように、本実施例では、基本波光導波路の光透過方
向をｘ軸よりずらして設定してある。波数ベクトル間の
整合関係を表したのが図４（ａ）である。基本波の波数
ベクトルはｘ軸よりθ（ω）傾いて入射する。この図で
は、基本波等価屈折率（Ｎ（ω））が２次高調波の屈折
率（ｎe （２ω））より小さい場合を示す。２つの基本
波ベクトルΚ（ω）と、２次高調波ベクトルΚ（２ω）
１つとが自発分極反転周期ベクトルΚa を介して三角形
を形成したとき、ＳＨＧ光が効率よく生成される。すな
わち、整合条件は、次式のようになる。
【００２２】Κ（２ω）Ｓｉｎθ（２ω）＝２Κ（ω）
Ｓｉｎθ（ω）＋Κa Κ（２ω）Ｃｏｓθ（２ω）＝２Κ（ω）Ｃｏｓθ
（ω） 基本波の波数ベクトルはｘ軸よりθ（ω）傾いているた
め、逆方向に向くΚaによっては、閉じた三角形を形成
することはない。即ち、整合条件は満たされず、条件を
満たす方向のみにＳＨＧ光は効率よく放射される。図４
（ｂ）のように、基本波のベクトルを傾けずにｘ軸方向
に取った場合は、整合条件を満たす２次高調波ベクトル
（２ω）の方向は、ｘ軸を挟んで対称に２方向に存在
し、２次高調はのパワーは分散され、効率が上がらな
い。
Ｓｉｎθ（ω）＋Κa Κ（２ω）Ｃｏｓθ（２ω）＝２Κ（ω）Ｃｏｓθ
（ω） 基本波の波数ベクトルはｘ軸よりθ（ω）傾いているた
め、逆方向に向くΚaによっては、閉じた三角形を形成
することはない。即ち、整合条件は満たされず、条件を
満たす方向のみにＳＨＧ光は効率よく放射される。図４
（ｂ）のように、基本波のベクトルを傾けずにｘ軸方向
に取った場合は、整合条件を満たす２次高調波ベクトル
（２ω）の方向は、ｘ軸を挟んで対称に２方向に存在
し、２次高調はのパワーは分散され、効率が上がらな
い。
【００２３】さらに、第一の実施例と同様、基本波等価
屈折率を光透過方向に分散して配するように、導波路構
造を作ってあるため、波長変動、屈折率変動にも耐えら
れる構造としてある。例えば設計例として、自発分極反
転格子のピッチΛa を５μｍとし、基本波導波路方向と
自発分極反転格子ベクトルΚa となす角度を６０度と設
定し、基本波等価屈折を２．２５７から２．２７７の範
囲をカバーするように設定すれば、基本波波長の０．８
３±０．０１μｍの範囲でこの素子は動作する。
屈折率を光透過方向に分散して配するように、導波路構
造を作ってあるため、波長変動、屈折率変動にも耐えら
れる構造としてある。例えば設計例として、自発分極反
転格子のピッチΛa を５μｍとし、基本波導波路方向と
自発分極反転格子ベクトルΚa となす角度を６０度と設
定し、基本波等価屈折を２．２５７から２．２７７の範
囲をカバーするように設定すれば、基本波波長の０．８
３±０．０１μｍの範囲でこの素子は動作する。
【００２４】この実施例は、第１の実施例がＳＨＧ光を
基板内部に放射させるために、或程度基板の厚さを通常
以上必要なのに較べ、基板水平面内の放射であるため、
基板の厚さを特に要しない特長を持つ。
基板内部に放射させるために、或程度基板の厚さを通常
以上必要なのに較べ、基板水平面内の放射であるため、
基板の厚さを特に要しない特長を持つ。
【００２５】上記第一、第二の実施例では、自発分極反
転周期を育成時に形成しておいた結晶から基板を切り出
して用いる場合を述べたが、勿論、現在よく用いられて
いる、単分域化した結晶から基板成形した後、プロセス
によって反転分域を任意の形に形成する方法で得た基板
を用いてもよい。上記の実施例の説明ではｙ板を使用す
ることを述べたが、この場合には、ｚ板を用い、基本
波、ＳＨＧ光ともに基板に垂直な電界成分を持つ偏向
（ＴＭ波）を利用することになる。
転周期を育成時に形成しておいた結晶から基板を切り出
して用いる場合を述べたが、勿論、現在よく用いられて
いる、単分域化した結晶から基板成形した後、プロセス
によって反転分域を任意の形に形成する方法で得た基板
を用いてもよい。上記の実施例の説明ではｙ板を使用す
ることを述べたが、この場合には、ｚ板を用い、基本
波、ＳＨＧ光ともに基板に垂直な電界成分を持つ偏向
（ＴＭ波）を利用することになる。
【００２６】（実施例３）図５は本発明の第三の実施例
である導波路型波長変換素子の構造を示す図であり、１
は第一、第二の実施例と同様、有効な２次非線形光学材
料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶であ
り、基板方位はｚ板であり、基板表面はｚｘ面にとって
ある。この結晶は、既に知られている製法によって、基
板の主面に曲線ストライプ状に自発分極の反転周期２が
形成されている。この結晶基板１の表面には、基本波光
を導波する直線のリッジ導波路が形成してある。導波路
の形成方法は、実施例１及び２と同じとしてある。
である導波路型波長変換素子の構造を示す図であり、１
は第一、第二の実施例と同様、有効な２次非線形光学材
料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶であ
り、基板方位はｚ板であり、基板表面はｚｘ面にとって
ある。この結晶は、既に知られている製法によって、基
板の主面に曲線ストライプ状に自発分極の反転周期２が
形成されている。この結晶基板１の表面には、基本波光
を導波する直線のリッジ導波路が形成してある。導波路
の形成方法は、実施例１及び２と同じとしてある。
【００２７】この導波路に半導体レーザの発振光１０を
注入し、ＴＭの基板波導波モード４を励起する。基本波
から２次高調波６へ変換される。この実施例では、波長
変動や屈折率変動に対する素子の余裕度（冗長性）をも
たせる構造として、前述第二、第三の実施例のように基
本波モードの等価屈折率の大きさ（すなわち、波数ベク
トルΚ（ω）の長さ）を、光透過方向に分散させるので
はなく、自発分極反転格子ベクトルΚa の基本波波数ベ
クトルΚ（ω）となす角度を分散させている。即ち、リ
ッジ型導波路３の幅は光透過方向に一定とし、自発分極
の格子の方向に角度をもたせ、大きさが一定な自発分極
反転格子ベクトルΚa に対する、基本波の波数ベクトル
Κ（ω）の角度を分散させている。これによって、波長
や屈折率が変動しても、Κ（ω）、Κ（２ω）及びΚa
のベクトルが閉じた三角形を形成する導波路の曲部近傍
で、効率高い波長変換が行なわれる。
注入し、ＴＭの基板波導波モード４を励起する。基本波
から２次高調波６へ変換される。この実施例では、波長
変動や屈折率変動に対する素子の余裕度（冗長性）をも
たせる構造として、前述第二、第三の実施例のように基
本波モードの等価屈折率の大きさ（すなわち、波数ベク
トルΚ（ω）の長さ）を、光透過方向に分散させるので
はなく、自発分極反転格子ベクトルΚa の基本波波数ベ
クトルΚ（ω）となす角度を分散させている。即ち、リ
ッジ型導波路３の幅は光透過方向に一定とし、自発分極
の格子の方向に角度をもたせ、大きさが一定な自発分極
反転格子ベクトルΚa に対する、基本波の波数ベクトル
Κ（ω）の角度を分散させている。これによって、波長
や屈折率が変動しても、Κ（ω）、Κ（２ω）及びΚa
のベクトルが閉じた三角形を形成する導波路の曲部近傍
で、効率高い波長変換が行なわれる。
【００２８】例えば、自発分極反転格子をピッチΛa ＝
５μｍ、半径６０ｍｍ程度の同心円状に構成すると、基
本波波長の０．８３±０．０１μｍの範囲でこの素子は
変換効率の変動を来す事なく動作する。
５μｍ、半径６０ｍｍ程度の同心円状に構成すると、基
本波波長の０．８３±０．０１μｍの範囲でこの素子は
変換効率の変動を来す事なく動作する。
【００２９】（参考例） 実施例３では自発分極の格子の方向に角度をもたせ、波
長変動や屈折率変動に対する素子の余裕度（冗長性）を
付与する構造とした。相補的な構成として、結晶表面に
自発分極が直線格子状に一定の周期で反転して形成され
ている非線形光学結晶のその表面に、等価屈折率が一定
の光導波路を形成し、その自発分極反転周期の作る格子
ベクトルの方向と光導波路の光透過方向との成す角度
を、光導波路の光透過方向に沿って徐々に変化するよう
に、光導波路の軌跡が曲線状となるように設けてもよ
い。自発分極反転周期を直線形状に形成し、基本波導波
路の軌跡に曲率を持たせた例を図６に示す。
長変動や屈折率変動に対する素子の余裕度（冗長性）を
付与する構造とした。相補的な構成として、結晶表面に
自発分極が直線格子状に一定の周期で反転して形成され
ている非線形光学結晶のその表面に、等価屈折率が一定
の光導波路を形成し、その自発分極反転周期の作る格子
ベクトルの方向と光導波路の光透過方向との成す角度
を、光導波路の光透過方向に沿って徐々に変化するよう
に、光導波路の軌跡が曲線状となるように設けてもよ
い。自発分極反転周期を直線形状に形成し、基本波導波
路の軌跡に曲率を持たせた例を図６に示す。
【００３０】以上の実施例では、非線形光学結晶とし
て、ニオブ酸リチウム結晶を用いて説明したが、この結
晶と同様に非線形光学効果が大きく、自発分極を空間的
に反転させうる結晶としてタンタル酸リチウム結晶やＫ
ＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）結晶などが知らされており、こ
れらを用いることも勿論可能である。また、有機非線形
材料では、ＬＢ膜のように、分子の配向を周期的に反転
させうる事が知らされている。このような、材料と成膜
方法を用いても、本発明の効果を実現することが出来
る。
て、ニオブ酸リチウム結晶を用いて説明したが、この結
晶と同様に非線形光学効果が大きく、自発分極を空間的
に反転させうる結晶としてタンタル酸リチウム結晶やＫ
ＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）結晶などが知らされており、こ
れらを用いることも勿論可能である。また、有機非線形
材料では、ＬＢ膜のように、分子の配向を周期的に反転
させうる事が知らされている。このような、材料と成膜
方法を用いても、本発明の効果を実現することが出来
る。
【００３１】また、基本波導波路を形成する材料や、形
成方法は、すでに集積光学技術において、有用性が明ら
かになっている数多くの手法を用いることが出来る。
成方法は、すでに集積光学技術において、有用性が明ら
かになっている数多くの手法を用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例の構造を示す斜視図であ
る。
る。
【図２】本発明の第一の実施例の構造を示す断面図であ
る。
る。
【図３】本発明の第二の実施例の構造を示す斜視図であ
る。
る。
【図４】波数ベクトルの整合条件を示す図である。
【図５】本発明の第三の実施例の構造を示す斜視図であ
る。
る。
【図６】参考例の構造を示す上面図である。
１ ＬｉＮｂＯ3 結晶 ２ 自発分極反転周期 ３ リッジ型光導波路 ４ 基本波モード ５ ２次分極波 ６ ＳＨＧ光 １０ 半導体レーザ １１ 発振光（基本波） ３１ リッジ型導波路リッジ部
Claims (3)
- 【請求項１】自発分極が基板深さ方向にブラッグ角とチ
ェレンコフ角が一致するように一定の周期で反転して形
成されている非線形光学結晶の表面に、基本波光の等価
屈折率が光透過方向に徐々に変化した導波路を形成した
ことを特徴とする波長変換素子。 - 【請求項２】自発分極が基板表面に沿って一定の周期で
反転して形成されている非線形光学結晶表面に、基本波
光の透過方向が、前記自発分極反転周期の作る格子ベク
トルに対してほぼ直角に近いが有限な角度を有し、その
等価屈折率が光透過方向に徐々に変化した導波路を形成
したことを特徴とする波長変換素子。 - 【請求項３】自発分極が基板表面に沿って湾曲し且つ周
期的に反転して形成されている非線形光学結晶の表面
に、直線状の光導波路が形成され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 |
|---|---|---|---|
| JP29945292A JP2643735B2 (ja) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | 波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29945292A JP2643735B2 (ja) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | 波長変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06194703A JPH06194703A (ja) | 1994-07-15 |
| JP2643735B2 true JP2643735B2 (ja) | 1997-08-20 |
Family
ID=17872762
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29945292A Expired - Fee Related JP2643735B2 (ja) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | 波長変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2643735B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4848496B2 (ja) * | 2000-09-26 | 2011-12-28 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 非対称分極率分布周期配列型光第二高調波発生装置 |
| JP2002350915A (ja) * | 2001-05-30 | 2002-12-04 | Ngk Insulators Ltd | 波長変換素子、波長変換用光導波路デバイス、高調波発生装置および波長変換素子の製造方法 |
| JP6718779B2 (ja) * | 2016-09-08 | 2020-07-08 | 浜松ホトニクス株式会社 | 波長変換素子及び波長変換光パルス波形整形装置 |
-
1992
- 1992-11-10 JP JP29945292A patent/JP2643735B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH06194703A (ja) | 1994-07-15 |
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