JP2833392B2

JP2833392B2 - 波長変換素子

Info

Publication number: JP2833392B2
Application number: JP33983692A
Authority: JP
Inventors: 義徳太田
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-11-26
Filing date: 1992-11-26
Publication date: 1998-12-09
Anticipated expiration: 2013-12-09
Also published as: JPH06160929A

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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を変換で
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生れて来た。

【０００５】その様な例として、タンタル酸リチウム結
晶のＣ板に自発分極の反転周期構造を形成し、この周期
格子ベクトル方向に平行して光導波路を形造り、この光
導波路に近赤外光を透過し、同じ導波路を導波される２
次高調波を得る方式のＳＨＧ素子の構造の提案並びに基
本的な特性を実験的に実証した例がある（「半導体レー
ザを用いた分極反転型ＬｉＴａＯ₃ＳＨＧ素子によるブ
ルー光発生」；山本和久、水内公典、谷内哲夫、第５２
回応用物理学会学術講演予稿集所収１１ｐ−ＺＮ−９、
平成３年９月１１日）。この方式のＳＨＧ素子は、基本
波からＳＨＧ波へと同じ偏光成分間への変換に関与し、
通常最も高い値の非線形光学定数であるｄ₃₃を利用でき
るような位相整合条件を、自発分極の反転周期を介する
ことに拠って実現しており、高い変換効率を可能にして
いる。しかしながら、このＳＨＧ素子は、入射させる光
の波長の許容幅がきわめて狭く、個体差の発振波長のば
らつきの大きい半導体レーザの選別を必要とし、素子そ
のものや、半導体レーザ各々に精密な温度調節を行なう
必要があるという欠点を持つ。

【０００６】温度の変化による屈折率の変動や、入射波
長の変動にたいしても絶えず位相整合条件が保たれ、波
長トレランスの大きい、安定した波長変換が行なわれる
デバイスの新しい構成が必要である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来例における
課題である入射波長変動許容幅の狭さは、位相整合の条
件が一点波長でのみ満たされる構成になっていることに
起因する。すなわち、強誘電体を含む多くの誘電体では
屈折率の波長分散があり、短波長特に青色付近で屈折率
が急激に上昇する。入射波長として或特定の波長を想定
して、素子を設計しても、入射波長が僅かでも変動する
と、それに対応する１／２波長の屈折率の変化は大き
く、位相整合の仲立ちをする分極反転の格子周期が単一
であるため、整合の条件からすぐにはずれ、変換効率が
極端に低下する。温度変動による屈折率変化にたいして
も同様である。

【０００８】この難点を解除する方法として、位相整合
化の仲立ちの働きをする自発分極反転の格子ピッチを分
散分布させる提案がある（学術論文「Ｔｈｅｏｒｅｔｉ
ｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＷａｖｅｇｕｉｄｅ
Ｓｅｃｏｎｄ−ＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉ
ｏｎＰｈａｓｅＭａｔｃｈｅｄｗｉｔｈＵｎｉ
ｆｏｒｍａｎｄＣｈｉｒｐｅｄＧｒａｔｉｎｇｓ
（均一周期及びチャープ周期格子によって位相整合する
導波路第２次高調波発生の理論的解析）」；栖原敏明、
西原浩共著、ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａ
ｎｔｕｍＥｌｅｃｔｏｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２６，
Ｎｏ．７，ｐｐ１２６５−１２７６（１９９０）所
収）。

【０００９】分極反転の格子ピッチを分散分布させる方
法は、概念的には有効な方法である。しかしながら、単
にこれだけでは、実質的には実現が困難で、有効性にも
難点がある。前にも述べた通り、屈折率の波長分散は、
青色波長近辺では屈折率が大きく増大する。このため、
近赤外波長の屈折率との間で位相整合を取るためには、
分極反転の格子の周期はニオブ酸リチウム結晶では３μ
ｍ、タンタル酸リチウム結晶でも３．６μｍであり、こ
のため、反転分域の幅はその半分の１．５μｍや１．８
μｍとそれぞれ極めて細くなる。自発分極の反転分域を
形成する方法は数多く見い出されているが、いずれも１
μｍ８を切る精度は無い。従って、格子周期を３μｍ周
辺で徐々に変化し、分散させて設けることは困難であ
る。周知の如く、反転させた領域の幅と、反転させない
領域の比が１：１に近く無いと変換効率が低下する。

【００１０】また、屈折率の波長分散は、近赤外領域で
は青色波長近辺で大きいということは、素子に波長許容
幅を広く持たせるためには、分極反転の格子周期の分散
幅を大きくとらなければならず、素子サイズの増大を招
き、作製を難しくし、変換された青色光は散乱や吸収を
多く受け、素子特性が低下する。

【００１１】上記の難点を回避するためには、何らかの
別な手段を導入して、分極反転の格子周期を１桁以上大
きくし、導波光の等価屈折率の波長による分散の大きさ
を、近赤外領域と青色光領域とで同程度にすることが必
要である。

【００１２】本発明の目的は、従来提案されている上述
の導波型ＳＨＧ素子の持つ難点を取り除き、温度変動並
びに波長変動に対して位相整合条件に冗長性のある構成
の波長変換素子を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明により、２次の非
線形光学効果を有する強誘電体結晶基板の表面に、その
周期が前記基板の表面に沿って除々に変化する自発分極
の反転した周期構造を設け、同一表面に前記周期構造に
平行して直線のチャンネル状の導波路を形成し、該チャ
ンネル状の導波路の表面に、前記強誘電体結晶基板より
小さい屈折率を有する誘電体の層を薄く設け、更にこの
上に、基本波波長に対する屈折率が、前記強誘電体結晶
基板の２次高調波波長に対する屈折率より大きい膜を設
けることによって、高効率で安定な波長変換素子が得ら
れる。

【００１４】

【実施例】以下本発明を実施例に基づき図面を参照して
詳細に説明する。図１は本発明の一実施例である導波路
構成の波長変換素子の構造を示す図である。１は有用な
２次非線形光学材料であるタンタル酸リチウム（ＬｉＴ
ａＯ₃）結晶でなる基板であり、基板１の方位はｙ板
（すなわち、基板１に立てた法線はｙ軸）である。この
基板１の表面には、簡便な導波路構造の一つであるプロ
トンイオン交換によるチャンネル導波路２が基板のＸ軸
方向に沿って形成されている。基本波６はチャンネル導
波路２にＴＥ波（電界の振動方向が基板のＸ軸方向）と
して注入される。基本波６は導波路２に導かれて行くう
ちに、タンタル酸リチウム結晶の持つ最も大きい２次非
線形光学定数ｄ₃₃を介して、基本波６と同じ偏光（ＴＥ
波）の２次高調波光７に効率よく変換され、同じ導波路
２に導かれて基板１を出射する。基本波から２次高調波
光へ効率よく変換されるためには、上で述べたように、
位相整合条件、即ち材料の屈折率分散によって本質的に
存在する（２次高調波が青の短波長では特に差が大き
い）屈折率の違いを補償する方法がデバイスの構造に設
けられていることが必要であり、さらに、ＬＤ光である
基本波の波長が温度等で揺らいでも安定に変換されるこ
とが必要である。このためには、構造上の工夫がなされ
ていなければならない。本発明では以下に説明する工夫
がなされるている。

【００１５】図１において、タンタル酸リチウム結晶基
板１の表面にチャンネル導波路２を設ける前に、位相整
合を取るために、自発分極の反転分域５がＸ軸方向に周
期配列して格子状に形成してある。そして、この格子ピ
ッチは図２に示すように、光の進行方向に徐々に変化す
るように形成してある。更に、チャンネル導波路２の上
は、例えばＳＩＯ₂膜のように、基板であるタンタル酸
リチウム結晶より屈折率の小さい誘電体の膜３で薄く覆
う。更に、この上から、別なる誘電体の膜４がスパッタ
法や蒸着法等の成膜方法によって薄く付けてある。この
膜４は光学特性上、次の条件を有する。すなわち、膜４
は基本波６の波長の光に対しては透明であり、その波長
における膜４の固有の屈折率の大きさは、ＬｉＴａＯ₃
の２次高調波の波長における異常光屈折率ｎ_eよりも大
きい。この様な材料としては、例えば、燐化ガリウム
（ＧａＰ）、酸化チタンや酸化ニオブ等が上げられる。
その厚さは、導波路２の基本波波長での等価屈折率が、
基板１であるタンタル酸リチウム結晶の２次高調波の波
長でのｎ_eと同程度の大きさになるように、１０〜１０
０ｎｍ程度と薄く設けてある。

【００１６】上記のような構造にすることによって、装
荷された導波路２の基本波と２次高調波に対する等価屈
折率は、図３に示すようになる。すなわち、図１の構造
では、波長の長い基本波は、低屈折率のＳｉＯ₂の薄い
膜３を突き抜けて、屈折率の高いＧａＰ膜４の装荷効果
を受けるから等価屈折率が上昇し、曲線１２のようにな
る。これに対して、２次高調波領域の波長は、短波長で
あるためにＳｉＯ₂膜３によってＧａＰ膜４と隔てられ
るから、ＧａＰ膜４は等価屈折率には影響を与えず、タ
ンタル酸リチウム結晶の屈折率曲線１１と大差無い。

【００１７】装荷膜３と４が無い場合には、０．８３μ
ｍの基本波の屈折率は２．１６程度であり、２次高調波
０．４１５μｍ光の屈折率は２．２７であって、基本波
と高調波とでは屈折率の差は０．１１もある。これに対
して、ＳｉＯ₂とＧａＰの２層膜を付けたとき（図３の
曲線１２）、基本波の屈折率は２．２６程度となって、
２次高調波のそれとの差は０．０１以下となる。このた
め、装荷膜が無いとき、反転分域のピッチは３μｍと極
めて細かさを必要とするのに対して、装荷膜を付けた場
合には、そのピッチは３０μｍ以上と大きなものとな
る。このため、反転分域５の格子ピッチの分散は容易に
実現でき、これに拠って波長許容範囲が広くなる。

【００１８】また、図３に示すように、装荷膜が無い場
合（曲線１１）、基本波波長付近での屈折率の波長変化
と、２次高調波波長付近でのそれとは大幅に異なるのに
対して、装荷膜を付けた場合の基本波波長付近の曲線１
２の傾きは、２次高調波のそれに近くなる。このこと
は、基本波波長がずれた場合にも、自発分極の格子ピッ
チの整合に寄与する周期の値の変化は大きくないことを
意味し、分散の幅を広く設けておく必要が無いことを意
味する。

【００１９】上記の実施例では、結晶基板としてｙ板を
用い、導波モードとしてＴＥ波を利用する場合を述べた
が、本発明では勿論、ｚ板、ＴＭ波を利用する事もでき
る。また、ｄ₃₃を利用することを述べたが、ｄ₁₃を利用
してもよい。

【００２０】本発明の構造は、周囲温度の変化による屈
折率の変化、入射波の波長の変動やばらつき、装荷膜の
厚さや屈折率の設定誤差が多少あっても、等価屈折率の
交差場所は、導波路中の光進行方向の何処かに存在する
ため、変換効率の変動は小さいという特徴を持つ。すな
わち、製作精度、温度、波長に対する許容度や余裕度が
広い。

【００２１】また、非線形結晶として、タンタル酸リチ
ウム結晶の場合を述べたが、ニオブ酸リチウム結晶やチ
タン酸燐酸カリウム等非線形光学効果の大きく、自発分
極の反転が可能な他の無機物結晶を用いることもでき
る。また無機物結晶に留まらず、高分子材料を用いても
同様の効果が得られる。

【００２２】

【発明の効果】以上に実施例を挙げて詳しく説明したよ
うに、本発明によれば高効率でしかも安定な導波路型の
波長変換素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の導波路型波長変換素子の構
造を説明する斜視図である。

【図２】基板結晶上に形成する反転分域格子の周期ピッ
チを説明するための図である。

【図３】用いる非線形光学結晶の屈折率の波長分散特性
を表わす図である。

【符号の説明】

１ＬｉＴａＯ₃結晶２チャンネル導波路３ＳｉＯ₂膜４ＧａＰ膜５反転分域６入射基本波７２次高調波

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２次の非線形光学効果を有する強誘電体
結晶基板の表面に、その周期が前記基板の表面に沿って
除々に変化する自発分極の反転した周期構造を設け、同
一表面に前記周期の方向に平行して直線のチャンネル状
の導波路を形成し、該チャンネル状の導波路の表面に、
前記強誘電体結晶基板より小さい屈折率を有する誘電体
の膜を設け、更に該誘電体膜の上に、基本波波長に対す
る屈折率が、前記強誘電体結晶基板の２次高調波波長に
対する屈折率より大きい膜を設けたことを特徴とする波
長変換素子。
【請求項２】前記誘電体膜は、前記基本波波長に対す
る前記導波路の等価屈折率が前記強誘電体結晶基板にお
ける前記２次高調波波長での異常屈折率と同程度になる
厚さに設けてあることを特徴とする請求項１に記載の波
長変換素子。