JP2727262B2 - 光波長変換素子 - Google Patents
光波長変換素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、基本波を第２高調波等
に波長変換する光波長変換素子、特に詳細には、非線形
光学材料の周期構造を有する光波長変換素子に関するも
のである。
に波長変換する光波長変換素子、特に詳細には、非線形
光学材料の周期構造を有する光波長変換素子に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、非線形光学材料を利用して、
レーザー光を第２高調波等に波長変換（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の一つとして、バルク結晶型のもの
が広く知られている。
レーザー光を第２高調波等に波長変換（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の一つとして、バルク結晶型のもの
が広く知られている。
【０００３】ところで、上記のようなバルク結晶型とす
ると非線形光学定数を有効利用できない非線形光学材料
に対して、いわゆる周期構造を導入することが考えられ
ている。この周期構造は、例えばＡppl ．Ｐhys ．Ｌet
t ．（アプライド・フィジックス・レター）57(20)，12
Ｎovember 1990 ｐ2074に示されるように、屈折率あ
るいは非線形分極（ドメイン）が互いに異なる第１、第
２の部分が基本波の進行方向に周期的に並設されたもの
である。この周期構造を有する従来の光波長変換素子を
図１の(a) に模式的に示す。図中１、２がそれぞれ第１
の部分、第２の部分であり、これらは例えば基本波３を
導波させる光導波路に形成されている。この基本波３
は、非線形光学材料からなる第１の部分１および第２の
部分２を通過して、例えば波長が1/2 の第２高調波４に
波長変換される。この周期構造は、第１の部分、第２の
部分における基本波と波長変換波との位相不整合量をΔ
ｋ1 、Δｋ2 とし、第１、第２の部分の長さを各々
ｌ1 、ｌ2 として、 Δｋ1 ｌ1 ＋Δｋ2 ｌ2 ＝２πＭ （Ｍ＝０、±１、±
２……） …(1) が成立するように形成されており、
このような周期構造を基本波と波長変換波とが通過する
ことにより、両者の間で位相整合が取られるようにな
る。
ると非線形光学定数を有効利用できない非線形光学材料
に対して、いわゆる周期構造を導入することが考えられ
ている。この周期構造は、例えばＡppl ．Ｐhys ．Ｌet
t ．（アプライド・フィジックス・レター）57(20)，12
Ｎovember 1990 ｐ2074に示されるように、屈折率あ
るいは非線形分極（ドメイン）が互いに異なる第１、第
２の部分が基本波の進行方向に周期的に並設されたもの
である。この周期構造を有する従来の光波長変換素子を
図１の(a) に模式的に示す。図中１、２がそれぞれ第１
の部分、第２の部分であり、これらは例えば基本波３を
導波させる光導波路に形成されている。この基本波３
は、非線形光学材料からなる第１の部分１および第２の
部分２を通過して、例えば波長が1/2 の第２高調波４に
波長変換される。この周期構造は、第１の部分、第２の
部分における基本波と波長変換波との位相不整合量をΔ
ｋ1 、Δｋ2 とし、第１、第２の部分の長さを各々
ｌ1 、ｌ2 として、 Δｋ1 ｌ1 ＋Δｋ2 ｌ2 ＝２πＭ （Ｍ＝０、±１、±
２……） …(1) が成立するように形成されており、
このような周期構造を基本波と波長変換波とが通過する
ことにより、両者の間で位相整合が取られるようにな
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のような周期構造
の導入が特に望まれる非線形光学材料の一つとして、II
−VI族化合物半導体が挙げられる。すなわちこのII−VI
族化合物半導体は非線形光学定数が比較的大きいもの
の、非線形光学定数としてｄ14、ｄ25、ｄ36しか持たな
いので、バルク結晶状態で使用したのでは基本波と波長
変換波との位相整合が取れないからである。
の導入が特に望まれる非線形光学材料の一つとして、II
−VI族化合物半導体が挙げられる。すなわちこのII−VI
族化合物半導体は非線形光学定数が比較的大きいもの
の、非線形光学定数としてｄ14、ｄ25、ｄ36しか持たな
いので、バルク結晶状態で使用したのでは基本波と波長
変換波との位相整合が取れないからである。
【０００５】他方、上述のII−VI族化合物半導体を良質
に結晶成長させるためには、格子定数が一致する基板が
必要であるが、そのような基板は見つかっていない。そ
こで従来から知られているように、格子定数の異なる基
板上にII−VI族化合物半導体からなる臨界膜厚以下の歪
超格子層を成長させて、良質の結晶を得ることが考えら
れる。
に結晶成長させるためには、格子定数が一致する基板が
必要であるが、そのような基板は見つかっていない。そ
こで従来から知られているように、格子定数の異なる基
板上にII−VI族化合物半導体からなる臨界膜厚以下の歪
超格子層を成長させて、良質の結晶を得ることが考えら
れる。
【０００６】ところが、II−VI族化合物半導体の場合、
臨界膜厚は通常10ｎｍ（＝100 Å）程度であり、上記歪
超格子層はそれ以下の極めて薄いものとなるのに対し、
前記(1) 式の位相整合条件を満足するための第１、第２
の部分の長さｌ1 、ｌ2 は、数μｍ程度となってしま
う。したがって、このII−VI族化合物半導体を利用する
場合は、従来から知られている周期構造をそのまま適用
したのでは、歪超格子層を採用して良質の結晶を得るこ
とは不可能となる。
臨界膜厚は通常10ｎｍ（＝100 Å）程度であり、上記歪
超格子層はそれ以下の極めて薄いものとなるのに対し、
前記(1) 式の位相整合条件を満足するための第１、第２
の部分の長さｌ1 、ｌ2 は、数μｍ程度となってしま
う。したがって、このII−VI族化合物半導体を利用する
場合は、従来から知られている周期構造をそのまま適用
したのでは、歪超格子層を採用して良質の結晶を得るこ
とは不可能となる。
【０００７】以上、非線形光学材料としてII−VI族化合
物半導体を使用する場合の問題について説明したが、そ
の他例えば、非線形光学材料によりＬＢ（ラングミュア
ブロジェット）膜を積層して光波長変換素子を得るよう
な場合でも、膜厚が非常に小さくしかできない場合があ
り、そのような場合は前記(1) 式で示される位相整合条
件を満足できないことになる。
物半導体を使用する場合の問題について説明したが、そ
の他例えば、非線形光学材料によりＬＢ（ラングミュア
ブロジェット）膜を積層して光波長変換素子を得るよう
な場合でも、膜厚が非常に小さくしかできない場合があ
り、そのような場合は前記(1) 式で示される位相整合条
件を満足できないことになる。
【０００８】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たものであり、非線形光学材料を極めて薄い膜の状態に
した上で、周期構造により基本波と波長変換波とを位相
整合させることができ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。
たものであり、非線形光学材料を極めて薄い膜の状態に
した上で、周期構造により基本波と波長変換波とを位相
整合させることができ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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明による光波長変換
素子は、前述したように、基本波を波長変換する非線形
光学材料からなる長さｌ1 の第１の部分、および長さｌ
2 の第２の部分が基本波進行方向に周期的に並設され、
前記(1) 式で示される位相整合条件を満足するようにし
た、周期構造を有する光波長変換素子を、第１の部分お
よび第２の部分をそれぞれＮ分割（Ｎは２以上の整数）
して、両部分を交互に繰り返すように並設した形のもの
であり、より具体的には、基本波の進行方向に、長さｌ
1 ／Ｎの第１の非線形光学材料、および長さｌ2／Ｎ
（Ｎは２以上の整数）の第２の非線形光学材料が交互に
繰り返すように周期的に並設されてなり、前記長さｌ1
／Ｎの部分Ｎ個による基本波と波長変換波との位相不整
合量をΔｋ1 、前記長さｌ2 ／Ｎの部分Ｎ個による基本
波と波長変換波との位相不整合量をΔｋ2 としたとき、 Δｋ1 ｌ1 ＋Δｋ2 ｌ2 ＝２πＭ （Ｍ＝０、±１、±２……） が成立していることを特徴とするものである。
素子は、前述したように、基本波を波長変換する非線形
光学材料からなる長さｌ1 の第１の部分、および長さｌ
2 の第２の部分が基本波進行方向に周期的に並設され、
前記(1) 式で示される位相整合条件を満足するようにし
た、周期構造を有する光波長変換素子を、第１の部分お
よび第２の部分をそれぞれＮ分割（Ｎは２以上の整数）
して、両部分を交互に繰り返すように並設した形のもの
であり、より具体的には、基本波の進行方向に、長さｌ
1 ／Ｎの第１の非線形光学材料、および長さｌ2／Ｎ
（Ｎは２以上の整数）の第２の非線形光学材料が交互に
繰り返すように周期的に並設されてなり、前記長さｌ1
／Ｎの部分Ｎ個による基本波と波長変換波との位相不整
合量をΔｋ1 、前記長さｌ2 ／Ｎの部分Ｎ個による基本
波と波長変換波との位相不整合量をΔｋ2 としたとき、 Δｋ1 ｌ1 ＋Δｋ2 ｌ2 ＝２πＭ （Ｍ＝０、±１、±２……） が成立していることを特徴とするものである。
【００１０】
【作用および発明の効果】上記構造の本発明の光波長変
換素子を、前述した従来の周期構造を有する光波長変換
素子と比較して、模式的に図１の(b) に示す。同図(a)
に示した従来装置においては、基本的に、１つの第１の
部分１および１つの第２の部分２で構成される１周期部
分により、基本波３と第２高調波４とが位相整合する。
それに対して同図(b) に示した本発明の光波長変換素子
においては、上記１周期部分に相当する長さ（ｌ1 ＋ｌ
2 ）間に配されたＮ（図ではＮ＝６）分割の第１の部分
１’Ｎ個と、同じくＮ分割の第２の部分２’Ｎ個とによ
り位相整合が取られる。すなわちこの場合の位相整合条
件は、◆ Ｎ（Δｋ1 ｌ1 ／Ｎ＋Δｋ2 ｌ2 ／Ｎ）＝２πＭ …(2) となる（ただしＭ＝０、±１、±２……）。この(2) 式
の左辺最前のＮをカッコ内に入れれば、前述の(1) 式の
位相整合条件と等しくなる。
換素子を、前述した従来の周期構造を有する光波長変換
素子と比較して、模式的に図１の(b) に示す。同図(a)
に示した従来装置においては、基本的に、１つの第１の
部分１および１つの第２の部分２で構成される１周期部
分により、基本波３と第２高調波４とが位相整合する。
それに対して同図(b) に示した本発明の光波長変換素子
においては、上記１周期部分に相当する長さ（ｌ1 ＋ｌ
2 ）間に配されたＮ（図ではＮ＝６）分割の第１の部分
１’Ｎ個と、同じくＮ分割の第２の部分２’Ｎ個とによ
り位相整合が取られる。すなわちこの場合の位相整合条
件は、◆ Ｎ（Δｋ1 ｌ1 ／Ｎ＋Δｋ2 ｌ2 ／Ｎ）＝２πＭ …(2) となる（ただしＭ＝０、±１、±２……）。この(2) 式
の左辺最前のＮをカッコ内に入れれば、前述の(1) 式の
位相整合条件と等しくなる。
【００１１】以上説明の通り、本発明の光波長変換素子
においては、従来装置では位相整合のためにそれぞれ長
さｌ1 、ｌ2 としなければならなかった第１、第２の部
分をそれぞれＮ分割して、各分割領域の長さをｌ1 ／
Ｎ、ｌ2 ／Ｎと非常に短くしても、位相整合が取られる
ことになる。Ｎの数を非常に大きくすれば、当然上記分
割領域のそれぞれの長さは極めて短く、つまり極めて薄
くなる。そこで、例えば非線形光学材料としてII−VI族
化合物半導体を使用する場合には、前述したような歪超
格子層を形成して、良質の結晶を成長させることも可能
となる。またそれ以外、非線形光学材料をＬＢ膜等の薄
膜構造とする場合でも、本発明を適用すれば、周期構造
により位相整合を取ることが可能となる。
においては、従来装置では位相整合のためにそれぞれ長
さｌ1 、ｌ2 としなければならなかった第１、第２の部
分をそれぞれＮ分割して、各分割領域の長さをｌ1 ／
Ｎ、ｌ2 ／Ｎと非常に短くしても、位相整合が取られる
ことになる。Ｎの数を非常に大きくすれば、当然上記分
割領域のそれぞれの長さは極めて短く、つまり極めて薄
くなる。そこで、例えば非線形光学材料としてII−VI族
化合物半導体を使用する場合には、前述したような歪超
格子層を形成して、良質の結晶を成長させることも可能
となる。またそれ以外、非線形光学材料をＬＢ膜等の薄
膜構造とする場合でも、本発明を適用すれば、周期構造
により位相整合を取ることが可能となる。
【００１２】そうであれば、大きな非線形光学定数を持
つのにもかかわらず、厚く形成することができないため
従来は周期構造を採用し得なかった非線形光学材料を使
用して、高い波長変換効率を実現可能となる。
つのにもかかわらず、厚く形成することができないため
従来は周期構造を採用し得なかった非線形光学材料を使
用して、高い波長変換効率を実現可能となる。
【００１３】
【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。図２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。本実施例の光波長変
換素子10は、非線形光学効果を有するII−VI族化合物半
導体として、ＺｎＳ／ＺｎＳｅが用いられたものであ
る。すなわち、ＧａＡｓ基板15上には、第１の部分のＮ
分割領域としてのＺｎＳ層11と、第２の部分のＮ分割領
域としてのＺｎＳｅ層12とが交互に積層されている。Ｚ
ｎＳ層11とＺｎＳｅ層12は各々、長さ（ｌ1 ＋ｌ2 ）内
にＮ層ずつ形成されている。なお、ＺｎＳ層11およびＺ
ｎＳｅ層12と基本波13との相互作用長をより大きく取る
ために、ＺｎＳ層11とＺｎＳｅ層12が各々Ｎ層ずつ形成
された長さ（ｌ1 ＋ｌ2 ）の領域を複数組み合わせるの
が望ましい。つまり、ＺｎＳ層11とＺｎＳｅ層12は各々
Ｎ×ｍ（ｍ＝１、２、３……）層ずつ形成されることに
なる。
詳細に説明する。図２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。本実施例の光波長変
換素子10は、非線形光学効果を有するII−VI族化合物半
導体として、ＺｎＳ／ＺｎＳｅが用いられたものであ
る。すなわち、ＧａＡｓ基板15上には、第１の部分のＮ
分割領域としてのＺｎＳ層11と、第２の部分のＮ分割領
域としてのＺｎＳｅ層12とが交互に積層されている。Ｚ
ｎＳ層11とＺｎＳｅ層12は各々、長さ（ｌ1 ＋ｌ2 ）内
にＮ層ずつ形成されている。なお、ＺｎＳ層11およびＺ
ｎＳｅ層12と基本波13との相互作用長をより大きく取る
ために、ＺｎＳ層11とＺｎＳｅ層12が各々Ｎ層ずつ形成
された長さ（ｌ1 ＋ｌ2 ）の領域を複数組み合わせるの
が望ましい。つまり、ＺｎＳ層11とＺｎＳｅ層12は各々
Ｎ×ｍ（ｍ＝１、２、３……）層ずつ形成されることに
なる。
【００１４】ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＧａＡｓの格子定
数ａはそれぞれ、5.41、5.69、5.65Åである。このよう
に基板材料の格子定数と層材料の格子定数が異なってい
ても、ＺｎＳ層11とＺｎＳｅ層12をそれぞれ臨界膜厚以
下にして歪超格子層とすると、各層を良質に結晶成長さ
せることができる。本実施例では、後述するように、Ｚ
ｎＳ層11とＺｎＳｅ層12の膜厚は各々１ｎｍ、４ｎｍと
されている。
数ａはそれぞれ、5.41、5.69、5.65Åである。このよう
に基板材料の格子定数と層材料の格子定数が異なってい
ても、ＺｎＳ層11とＺｎＳｅ層12をそれぞれ臨界膜厚以
下にして歪超格子層とすると、各層を良質に結晶成長さ
せることができる。本実施例では、後述するように、Ｚ
ｎＳ層11とＺｎＳｅ層12の膜厚は各々１ｎｍ、４ｎｍと
されている。
【００１５】基本波13はＧａＡｓ基板15と反対側から、
ＺｎＳ層11およびＺｎＳｅ層12の並び方向に入射せしめ
られる。この基本波13は波長が900 ｎｍのものであり、
非線形光学材料からなるＺｎＳ層11およびＺｎＳｅ層12
により、波長が1/2 すなわち450 ｎｍの第２高調波14に
変換される。この第２高調波14を含む光は、基板15に設
けられた開口部15a から出射し、図示しないフィルター
に通されて第２高調波14のみが取り出される。
ＺｎＳ層11およびＺｎＳｅ層12の並び方向に入射せしめ
られる。この基本波13は波長が900 ｎｍのものであり、
非線形光学材料からなるＺｎＳ層11およびＺｎＳｅ層12
により、波長が1/2 すなわち450 ｎｍの第２高調波14に
変換される。この第２高調波14を含む光は、基板15に設
けられた開口部15a から出射し、図示しないフィルター
に通されて第２高調波14のみが取り出される。
【００１６】本実施例の材料で前記(1) 式の位相整合条
件を満足しようとすると、ｌ1 ＝１μｍ、ｌ2 ＝４μｍ
となる。これらの数値はそれぞれＺｎＳ、ＺｎＳｅの臨
界膜厚を大きく上回る。そこで本実施例においてはＮ＝
1000として、ＺｎＳ層11の膜厚をｌ1 ／Ｎ＝１ｎｍ、Ｚ
ｎＳｅ層12の膜厚をｌ2 ／Ｎ＝４ｎｍに設定し、ＺｎＳ
層11とＺｎＳｅ層12の歪超格子層を得ている。
件を満足しようとすると、ｌ1 ＝１μｍ、ｌ2 ＝４μｍ
となる。これらの数値はそれぞれＺｎＳ、ＺｎＳｅの臨
界膜厚を大きく上回る。そこで本実施例においてはＮ＝
1000として、ＺｎＳ層11の膜厚をｌ1 ／Ｎ＝１ｎｍ、Ｚ
ｎＳｅ層12の膜厚をｌ2 ／Ｎ＝４ｎｍに設定し、ＺｎＳ
層11とＺｎＳｅ層12の歪超格子層を得ている。
【００１７】そして、このような膜厚のＺｎＳ層11およ
びＺｎＳｅ層12を、それぞれＮ×ｍ層ずつ形成すること
により、前述の(2) 式に示した位相整合条件を満足する
ことができる。
びＺｎＳｅ層12を、それぞれＮ×ｍ層ずつ形成すること
により、前述の(2) 式に示した位相整合条件を満足する
ことができる。
【００１８】次に図３を参照して、本発明の第２実施例
について説明する。なおこの図３において、図２中のも
のと同等の要素については同番号を付し、それらについ
ての重複した説明は省略する。この光波長変換素子20
は、ＧａＡｓ系面発光レーザー21と一体化されている。
レーザー21の後端面21a には、波長860 ｎｍの基本波と
してのレーザー光13および波長430 ｎｍの第２高調波14
を良好に反射させるコーティングが施されている。そし
て光波長変換素子20の前端面20a には、上記基本波13を
良好に反射させる一方、第２高調波14は良好に透過させ
るコーティングが施されている。こうして本例では、上
記二つの面21a ，20a により、半導体レーザーの共振器
が構成されている。
について説明する。なおこの図３において、図２中のも
のと同等の要素については同番号を付し、それらについ
ての重複した説明は省略する。この光波長変換素子20
は、ＧａＡｓ系面発光レーザー21と一体化されている。
レーザー21の後端面21a には、波長860 ｎｍの基本波と
してのレーザー光13および波長430 ｎｍの第２高調波14
を良好に反射させるコーティングが施されている。そし
て光波長変換素子20の前端面20a には、上記基本波13を
良好に反射させる一方、第２高調波14は良好に透過させ
るコーティングが施されている。こうして本例では、上
記二つの面21a ，20a により、半導体レーザーの共振器
が構成されている。
【００１９】本実施例においても、ＺｎＳ層11とＺｎＳ
ｅ層12は極めて膜厚の小さい歪超格子層とし、そしてそ
れらを各々Ｎ×ｍ層ずつ設けることにより、基本波13と
第２高調波14とを位相整合させることができる。
ｅ層12は極めて膜厚の小さい歪超格子層とし、そしてそ
れらを各々Ｎ×ｍ層ずつ設けることにより、基本波13と
第２高調波14とを位相整合させることができる。
【図１】従来装置と本発明装置における周期構造を比較
して模式的に示す概略図
して模式的に示す概略図
【図２】本発明の第１実施例の光波長変換素子を示す概
略側面図
略側面図
【図３】本発明の第２実施例の光波長変換素子を示す概
略側面図
略側面図
１’ 第１の部分の分割領域 ２’ 第２の部分の分割領域 ３、13 基本波 ４、14 第２高調波 11 ＺｎＳ層 12 ＺｎＳｅ層 15 ＧａＡｓ基板
Claims (1)
- 【請求項１】 基本波の進行方向に、該基本波を波長変
換する長さｌ1 ／Ｎの第１の非線形光学材料、および該
基本波を波長変換する長さｌ2 ／Ｎ（Ｎは２以上の整
数）の第２の非線形光学材料が交互に繰り返すように周
期的に並設されてなり、 前記長さｌ1 ／Ｎの部分Ｎ個による基本波と波長変換波
との位相不整合量をΔｋ1 、前記長さｌ2 ／Ｎの部分Ｎ
個による基本波と波長変換波との位相不整合量をΔｋ2
としたとき、 Δｋ1 ｌ1 ＋Δｋ2 ｌ2 ＝２πＭ （Ｍ＝０、±１、±２……） が成立していることを特徴とする光波長変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15653091A JP2727262B2 (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 光波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15653091A JP2727262B2 (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 光波長変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH055920A JPH055920A (ja) | 1993-01-14 |
| JP2727262B2 true JP2727262B2 (ja) | 1998-03-11 |
Family
ID=15629808
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15653091A Expired - Fee Related JP2727262B2 (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 光波長変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2727262B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3415407B2 (ja) * | 1997-09-26 | 2003-06-09 | 富士写真フイルム株式会社 | 波長変換レーザー |
-
1991
- 1991-06-27 JP JP15653091A patent/JP2727262B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH055920A (ja) | 1993-01-14 |
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