JP2895204B2 - 光波長変換素子及びその製造方法 - Google Patents
光波長変換素子及びその製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、半導体レーザ光等を例えばその半分の波長
の光に変換する光波長変換素子に関する。
の光に変換する光波長変換素子に関する。
背景技術 光波長変換素子としては、矩形基板上面にチャンネル
型導波路を形成した導波路型光波長変換素子や、非線形
結晶のコアと該コアを囲繞するクラッドからなる光ファ
イバー形状でチェレンコフ放射型位相整合を用いる光波
長変換素子等が知られている。これら光波長変換素子の
一種としては、入射一次光の波長を半分に変換する第二
高調波発生素子（Second HHarmonics Generator:SHG）
が知られている。
型導波路を形成した導波路型光波長変換素子や、非線形
結晶のコアと該コアを囲繞するクラッドからなる光ファ
イバー形状でチェレンコフ放射型位相整合を用いる光波
長変換素子等が知られている。これら光波長変換素子の
一種としては、入射一次光の波長を半分に変換する第二
高調波発生素子（Second HHarmonics Generator:SHG）
が知られている。
ファイバー型第二高調波発生素子のチェレンコフ放射
方式では、ほとんど自動的に光の位相整合のとれた第二
高調波の発生が可能であるので、第二高調波発生素子は
短波長光源などに応用される。
方式では、ほとんど自動的に光の位相整合のとれた第二
高調波の発生が可能であるので、第二高調波発生素子は
短波長光源などに応用される。
第６図に示すように、短波長光源は、半導体レーザ11
と、半導体レーザから放射される光を集光し第二高調波
発生素子13の端面に光を注入するためのカップリングレ
ンズ12と、コアを非線形光学結晶のガラスクラッドで囲
繞して構成したファイバー型第二高調波発生素子13と、
第二高調波発生素子で変換され放射された第二高調波の
波面を整形し第二高調波を平行光束にするためのアキシ
コン14とにより構成されている。
と、半導体レーザから放射される光を集光し第二高調波
発生素子13の端面に光を注入するためのカップリングレ
ンズ12と、コアを非線形光学結晶のガラスクラッドで囲
繞して構成したファイバー型第二高調波発生素子13と、
第二高調波発生素子で変換され放射された第二高調波の
波面を整形し第二高調波を平行光束にするためのアキシ
コン14とにより構成されている。
チェレンコフ放射方式によるファイバー型第二高調波
発生素子13のコアに非線形光学結晶としてDMNP（3,5−
ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）ピラゾール）を
用いたものが知られ、この第二高調波発生素子では、DM
NP非線形光学結晶のｃ軸はファイバー軸方向（伸長方
向）に配向されている。実際、ブリッジマン炉によりガ
ラスキャピラリをクラッドとしてその軸の中空通路の中
にコアとしてDMNPの結晶を成長させると、このｃ軸方位
に結晶が成長する。即ち結晶の、a,b軸がファイバー軸
に垂直な面内にあり、ｃ軸がファイバー軸に略一致した
方向に特定される。このようなコアの結晶配向を持った
ファイバー型光波長変換素子で半導体レーザ波長（波長
830〜870nm）の光波長変換を試みる場合、入射一次光の
偏光に対するコアの屈折率ｎωに比べ、第二高調波光の
偏光に対するコアの屈折率n2 ωの値の方が幾分大きくな
る。このため、光波長変換効率の向上が阻害される。
発生素子13のコアに非線形光学結晶としてDMNP（3,5−
ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）ピラゾール）を
用いたものが知られ、この第二高調波発生素子では、DM
NP非線形光学結晶のｃ軸はファイバー軸方向（伸長方
向）に配向されている。実際、ブリッジマン炉によりガ
ラスキャピラリをクラッドとしてその軸の中空通路の中
にコアとしてDMNPの結晶を成長させると、このｃ軸方位
に結晶が成長する。即ち結晶の、a,b軸がファイバー軸
に垂直な面内にあり、ｃ軸がファイバー軸に略一致した
方向に特定される。このようなコアの結晶配向を持った
ファイバー型光波長変換素子で半導体レーザ波長（波長
830〜870nm）の光波長変換を試みる場合、入射一次光の
偏光に対するコアの屈折率ｎωに比べ、第二高調波光の
偏光に対するコアの屈折率n2 ωの値の方が幾分大きくな
る。このため、光波長変換効率の向上が阻害される。
発明の目的 本発明は、光波長変換素子における導波路の非線型光
学結晶の結晶軸方向を制御すること及び光波長変換効率
の高い光波長変換素子を提供することを目的とする。
学結晶の結晶軸方向を制御すること及び光波長変換効率
の高い光波長変換素子を提供することを目的とする。
発明の構成 本発明の光波長変換素子は、非線形光学結晶からなる
導波路と該導波路に接する基板とからなる光波長変換素
子であって、前記非線形光学結晶の全ての誘電主軸は前
記導波路の伸長方向に対して傾斜していることを特徴と
する。
導波路と該導波路に接する基板とからなる光波長変換素
子であって、前記非線形光学結晶の全ての誘電主軸は前
記導波路の伸長方向に対して傾斜していることを特徴と
する。
本発明の光波長変換素子製造方法は、少なくとも１つ
の基板中に直線状の結晶導入溝と直線状の導波路溝とを
所定角度で交差させ連続した屈曲溝を形成し、前記屈曲
溝中に有機非線形光学材料の溶融液を注入し、前記溶融
液を前記結晶導入溝側から前記導波路溝側へ向けて順に
結晶化させることを特徴とする。
の基板中に直線状の結晶導入溝と直線状の導波路溝とを
所定角度で交差させ連続した屈曲溝を形成し、前記屈曲
溝中に有機非線形光学材料の溶融液を注入し、前記溶融
液を前記結晶導入溝側から前記導波路溝側へ向けて順に
結晶化させることを特徴とする。
発明の作用 本発明によれば、導波路をなす非線形光学結晶の全て
の誘導主軸が導波路の伸長方向に対して傾斜させること
ができ、導波路の屈折率分散を変化させ、光波長変換素
子中の第二高調波の電界分布と励起非線型分極との重り
積分を大きくして光波長変換素子の光波長変換効率を向
上させることができる。
の誘導主軸が導波路の伸長方向に対して傾斜させること
ができ、導波路の屈折率分散を変化させ、光波長変換素
子中の第二高調波の電界分布と励起非線型分極との重り
積分を大きくして光波長変換素子の光波長変換効率を向
上させることができる。
実施例 以下、本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明す
る。
る。
第１図は、本発明による実施例の光波長変換素子の斜
視図である。この第１図（ａ）に示す光波長変換素子
は、中心の矩形断面を有する導波路１と該導波路を囲繞
する矩形断面形状の基板2a及びｂからなるチャネル型光
波長変換素子である。また、第１図（ｂ）に示す光波長
変換素子は、中心の円柱状コア３と該コアを同心円状に
囲繞する円筒状クラッド層４からなるファイバー型光波
長変換素子である。
視図である。この第１図（ａ）に示す光波長変換素子
は、中心の矩形断面を有する導波路１と該導波路を囲繞
する矩形断面形状の基板2a及びｂからなるチャネル型光
波長変換素子である。また、第１図（ｂ）に示す光波長
変換素子は、中心の円柱状コア３と該コアを同心円状に
囲繞する円筒状クラッド層４からなるファイバー型光波
長変換素子である。
第１図（ａ）及び（ｂ）に示す本実施例の光波長変換
素子においては、非線形光学結晶の導波路またはコアの
全ての誘電主軸は導波路またはコアの伸長方向に対して
傾斜している。非線形光学結晶は互いに直交するａ軸、
ｂ軸及びｃ軸の結晶軸を有し、導波路またはコアの伸長
方向に対してｃ軸が所定角度αだけ傾いているからであ
る。
素子においては、非線形光学結晶の導波路またはコアの
全ての誘電主軸は導波路またはコアの伸長方向に対して
傾斜している。非線形光学結晶は互いに直交するａ軸、
ｂ軸及びｃ軸の結晶軸を有し、導波路またはコアの伸長
方向に対してｃ軸が所定角度αだけ傾いているからであ
る。
特に、ファイバー型光波長変換素子でチェレンコフ放
射方式を用いるものにおいては、クラッドとコアの境界
の存在を考慮しクラッド径を実際のファイバーのように
有限にし電磁界を解析して見ると、第二高調波がクラッ
ドを伝播する離散的なモードの重ね合わせで表される。
さらに、第二高調波の変換効率は基本波によって励起さ
れる非線形分極と第２高調波の電界との重なり積分で表
され、これを大きな値にすることが変換効率を向上させ
る。
射方式を用いるものにおいては、クラッドとコアの境界
の存在を考慮しクラッド径を実際のファイバーのように
有限にし電磁界を解析して見ると、第二高調波がクラッ
ドを伝播する離散的なモードの重ね合わせで表される。
さらに、第二高調波の変換効率は基本波によって励起さ
れる非線形分極と第２高調波の電界との重なり積分で表
され、これを大きな値にすることが変換効率を向上させ
る。
発明者は、DMNPをコアに用いた素子で非線形分極と第
二高調波の電界との重なり積分を大きくしようとする場
合、コアの伸長方向に伝播する一次元の偏光に対する屈
折率をｎωとし第二高調波の偏光に対する屈折率をn2ω
としたとき、ｎω＞ｎ2 ωなる関係を実現しなければな
らない事を見出だし、入射一次光及び変換された第二高
調波の振動面を適当なコア結晶軸（主誘電軸）に対応さ
せ、かかる結晶軸の配向方向を変化させることによっ
て、この関係を満たすようにした。
二高調波の電界との重なり積分を大きくしようとする場
合、コアの伸長方向に伝播する一次元の偏光に対する屈
折率をｎωとし第二高調波の偏光に対する屈折率をn2ω
としたとき、ｎω＞ｎ2 ωなる関係を実現しなければな
らない事を見出だし、入射一次光及び変換された第二高
調波の振動面を適当なコア結晶軸（主誘電軸）に対応さ
せ、かかる結晶軸の配向方向を変化させることによっ
て、この関係を満たすようにした。
チャネル型光波長変換素子の製造工程を説明する。第
２図（ａ）のように、第１ガラス基板５上に途中で屈曲
した溝６を作り、その屈曲部の交角θを、所望の結晶の
ｃ軸（誘電主軸ではＸ軸）と導波路の伸長方向との成す
角に設定する。屈曲した溝６は、その一方の直線状溝を
結晶導入用溝6aとし、他方を導波路溝6bとからなる。次
に、第２図（ｂ）のように、この第１ガラス基板５上に
第２ガラス基板７を張合わせて屈曲溝６を覆い、ガラス
一体基板を形成する。
２図（ａ）のように、第１ガラス基板５上に途中で屈曲
した溝６を作り、その屈曲部の交角θを、所望の結晶の
ｃ軸（誘電主軸ではＸ軸）と導波路の伸長方向との成す
角に設定する。屈曲した溝６は、その一方の直線状溝を
結晶導入用溝6aとし、他方を導波路溝6bとからなる。次
に、第２図（ｂ）のように、この第１ガラス基板５上に
第２ガラス基板７を張合わせて屈曲溝６を覆い、ガラス
一体基板を形成する。
その後、結晶導入用溝6aと他方を導波路溝6bとからな
る屈曲溝６中に有機非線形光学結晶材料の溶融液を注入
する。そして、第３図に示すように、ｃ軸方向に結晶が
成長し易いことを利用し、結晶導入溝6aの端から結晶成
長させる。屈曲部6cに達するまでは、結晶のｃ軸が結晶
導入溝6aの伸長方向に一致し成長する。屈曲部6cから先
は結晶のｃ軸は結晶導入溝６の伸長方向を保ちつつ導波
路溝6bの伸長方向と一致しないが、結晶は切れ目なく成
長し、第３図に示すように結局、屈曲部以降は導波路溝
6bの伸長方向と結晶のｃ軸とは一定の角（180−θ）を
成す。したがって、コアの誘電主軸のＸ軸は導波路溝の
伸長方向に対してこの所定角度だけ傾斜する。
る屈曲溝６中に有機非線形光学結晶材料の溶融液を注入
する。そして、第３図に示すように、ｃ軸方向に結晶が
成長し易いことを利用し、結晶導入溝6aの端から結晶成
長させる。屈曲部6cに達するまでは、結晶のｃ軸が結晶
導入溝6aの伸長方向に一致し成長する。屈曲部6cから先
は結晶のｃ軸は結晶導入溝６の伸長方向を保ちつつ導波
路溝6bの伸長方向と一致しないが、結晶は切れ目なく成
長し、第３図に示すように結局、屈曲部以降は導波路溝
6bの伸長方向と結晶のｃ軸とは一定の角（180−θ）を
成す。したがって、コアの誘電主軸のＸ軸は導波路溝の
伸長方向に対してこの所定角度だけ傾斜する。
その後、この導波路溝6b中の結晶が導波路を形成する
ので、第２図（ｃ）のように、ガラス一体基板の導波路
溝6bの存在する部分を切断して、チャネル型光波長変換
素子を得る。この素子においては、コアの誘電主軸のＸ
軸が導波路伸長方向に対して傾斜しているので、コアの
全ての誘電主軸は導波路の伸長方向に対して所定角度だ
け傾斜している。
ので、第２図（ｃ）のように、ガラス一体基板の導波路
溝6bの存在する部分を切断して、チャネル型光波長変換
素子を得る。この素子においては、コアの誘電主軸のＸ
軸が導波路伸長方向に対して傾斜しているので、コアの
全ての誘電主軸は導波路の伸長方向に対して所定角度だ
け傾斜している。
次に、ファイバー型光波長変換素子の製造工程を説明
する。まず、第４図（ａ）及び（ｂ）に示すように、直
線状の結晶導入溝だけを有し一対の張合わせガラス一体
基板８を作成し、この一体基板８とガラスキャピラリ９
とを接着する。この場合、第４図（ａ）に示すように、
結晶導入溝6aを端面に対して直角に作った一体基板８
と、キャピラリ軸9aが端面に対して傾斜するよう斜めに
切断したガラスキャピラリ９とを用いるか、又は第４図
（ｂ）に示すように、結晶導入溝6aを端面に対して斜め
に作った一体基板８と、キャピラリ軸9aが端面に対して
直角になるガラスキャピラリ９とを用いる。又、結晶導
入溝及びキャピラリ軸は一体基板及びガラスキャピラリ
の端面に対してそれぞれ傾斜したものを用いてもよい。
そして、結晶導入溝6aが露出する一体基板８の端面とガ
ラスキャピラリ９の端面とを、ガラスキャピラリ軸9a及
び結晶導入溝6aが一定の角θを成して接続されるように
配置し位置合わせをした後、両者を接着する。次に、上
記実施例と同様に結晶導入溝6aとガラスキャピラリ９と
を鈍角のｖ字状に置き、結晶導入溝6a側から結晶成長さ
せ、必要部分を切断して、ファイバー型光波長変換素子
を得る。
する。まず、第４図（ａ）及び（ｂ）に示すように、直
線状の結晶導入溝だけを有し一対の張合わせガラス一体
基板８を作成し、この一体基板８とガラスキャピラリ９
とを接着する。この場合、第４図（ａ）に示すように、
結晶導入溝6aを端面に対して直角に作った一体基板８
と、キャピラリ軸9aが端面に対して傾斜するよう斜めに
切断したガラスキャピラリ９とを用いるか、又は第４図
（ｂ）に示すように、結晶導入溝6aを端面に対して斜め
に作った一体基板８と、キャピラリ軸9aが端面に対して
直角になるガラスキャピラリ９とを用いる。又、結晶導
入溝及びキャピラリ軸は一体基板及びガラスキャピラリ
の端面に対してそれぞれ傾斜したものを用いてもよい。
そして、結晶導入溝6aが露出する一体基板８の端面とガ
ラスキャピラリ９の端面とを、ガラスキャピラリ軸9a及
び結晶導入溝6aが一定の角θを成して接続されるように
配置し位置合わせをした後、両者を接着する。次に、上
記実施例と同様に結晶導入溝6aとガラスキャピラリ９と
を鈍角のｖ字状に置き、結晶導入溝6a側から結晶成長さ
せ、必要部分を切断して、ファイバー型光波長変換素子
を得る。
更に、第５図に示すように、２つのガラスキャピラリ
19,9を用いて、一方のガラスキャピラリ19のキャピラリ
軸19aを結晶導入溝として上記実施例と同様にしてファ
イバー型光波長変換素子を得ることができる。
19,9を用いて、一方のガラスキャピラリ19のキャピラリ
軸19aを結晶導入溝として上記実施例と同様にしてファ
イバー型光波長変換素子を得ることができる。
ここで具体的に、第４図のように行ない、ファイバー
型光波長変換素子を作成した。クラッドガラスとなるガ
ラスキャピラリにSF4ガラスを、コアに非線形光学結晶
としてDMNPを用い、第４図（ｂ）に示すように、結晶導
入溝を端面に対して斜めに作った一体基板とキャピラリ
軸が端面に対して直角になるガラスキャピラリ９とを用
いて、第１図に示すガラスキャピラリ軸及び結晶導入溝
が屈曲角155度を成すように接着し行なった。結果とし
て、結晶のｂ軸（誘電主軸ではＹ軸）がファイバー軸と
垂直な面内にあり、ａ軸（誘電主軸ではＺ軸）、ｃ軸
（誘電主軸ではＸ軸）がファイバー軸を含む面内にあ
り、ｃ軸がファイバー軸（伸張方向）に対し25度傾いて
いるフィバー型光波長変換素子を得、コアの直径1.4μ
ｍの時、１％の変換効率を得た。（但し一次光の導波路
パワー40mW、ファイバー長さ1mm）このようにして、フ
ァイバー型光波長変換素子におけるコアの結晶配向の制
御は可能となった。
型光波長変換素子を作成した。クラッドガラスとなるガ
ラスキャピラリにSF4ガラスを、コアに非線形光学結晶
としてDMNPを用い、第４図（ｂ）に示すように、結晶導
入溝を端面に対して斜めに作った一体基板とキャピラリ
軸が端面に対して直角になるガラスキャピラリ９とを用
いて、第１図に示すガラスキャピラリ軸及び結晶導入溝
が屈曲角155度を成すように接着し行なった。結果とし
て、結晶のｂ軸（誘電主軸ではＹ軸）がファイバー軸と
垂直な面内にあり、ａ軸（誘電主軸ではＺ軸）、ｃ軸
（誘電主軸ではＸ軸）がファイバー軸を含む面内にあ
り、ｃ軸がファイバー軸（伸張方向）に対し25度傾いて
いるフィバー型光波長変換素子を得、コアの直径1.4μ
ｍの時、１％の変換効率を得た。（但し一次光の導波路
パワー40mW、ファイバー長さ1mm）このようにして、フ
ァイバー型光波長変換素子におけるコアの結晶配向の制
御は可能となった。
発明の効果 以上の如く、本発明によれば、非線形光学結晶からな
る導波路と該導波路に接する基板とからなる光波長変換
素子において、非線形光学結晶の全ての誘電主軸を導波
路の伸長方向に対して傾斜させているので、導波路の屈
折率分散を変化させ、光波長変換素子中の第二高調波の
電界分布と励起非線型分極との重り積分を大きくして光
波長変換素子の光波長変換効率を向上させることができ
る。また、本発明の光波長変換素子製造方法によれば、
基板中に屈曲溝を形成し、屈曲溝中に有機非線形光学材
料の溶融液を注入し、この溶融液を結晶導入溝側から導
波路溝側へ向けて順に結晶化させているので、導波路溝
中にいて、その伸長方向に対して傾斜した結晶軸及び誘
電主軸を有した非線形光学結晶を形成できるので、光波
長変換素子の製造において、一定の結晶軸方向にとらわ
れない自由度の大きい結晶が得られる。
る導波路と該導波路に接する基板とからなる光波長変換
素子において、非線形光学結晶の全ての誘電主軸を導波
路の伸長方向に対して傾斜させているので、導波路の屈
折率分散を変化させ、光波長変換素子中の第二高調波の
電界分布と励起非線型分極との重り積分を大きくして光
波長変換素子の光波長変換効率を向上させることができ
る。また、本発明の光波長変換素子製造方法によれば、
基板中に屈曲溝を形成し、屈曲溝中に有機非線形光学材
料の溶融液を注入し、この溶融液を結晶導入溝側から導
波路溝側へ向けて順に結晶化させているので、導波路溝
中にいて、その伸長方向に対して傾斜した結晶軸及び誘
電主軸を有した非線形光学結晶を形成できるので、光波
長変換素子の製造において、一定の結晶軸方向にとらわ
れない自由度の大きい結晶が得られる。
第１図は本発明による光波長変換素子の斜視図、第２図
は本発明による光波長変換素子製造用の部材の斜視図、
第３図は一体化ガラス基板の平面図、第４図は結晶導入
溝を有するガラス基板と導波路溝を有するガラスキャピ
ラリとの結合体の平面図、第５図は２つのガラスキャピ
ラリの結合体の平面図、第６図はファイバー型光波長変
換素子を用いた短波長光源の概略図である。 主要部分の符号の説明 5,6……ガラス基板 6a……結晶導入溝 6b……導波路溝 ９……ガラスキャピラリ ４……クラッド ３……コア １……導波路 2a,2b……基板
は本発明による光波長変換素子製造用の部材の斜視図、
第３図は一体化ガラス基板の平面図、第４図は結晶導入
溝を有するガラス基板と導波路溝を有するガラスキャピ
ラリとの結合体の平面図、第５図は２つのガラスキャピ
ラリの結合体の平面図、第６図はファイバー型光波長変
換素子を用いた短波長光源の概略図である。 主要部分の符号の説明 5,6……ガラス基板 6a……結晶導入溝 6b……導波路溝 ９……ガラスキャピラリ ４……クラッド ３……コア １……導波路 2a,2b……基板
Claims (6)
- 【請求項１】非線形光学結晶からなる導波路と該導波路
に接する基板とからなる光波長変換素子であって、前記
非線形光学結晶の少なくとも２つの誘電主軸は前記導波
路の伸長方向に対して傾斜していることを特徴とする光
波長変換素子。 - 【請求項２】前記導波路は円柱状コアであり、前記基板
は前記コアを囲繞するクラッドであり、前記導波路の伸
長方向に伝播する一次光である偏光に対する屈折率をｎ
ωとし第二高調波である偏光に対する屈折率をn2 ωとし
たとき、前記円柱状コアがｎω＞n2 ωを満たす非線形光
学結晶からなることを特徴とする請求項１記載の光波長
変換素子。 - 【請求項３】少なくとも１つの基板中に直線状の結晶導
入溝と直線状の導波路溝とを所定角度で交差させ連続し
た屈曲溝を形成し、 前記屈曲溝中に有機非線形光学材料の溶融液を注入し、 前記溶融液を前記結晶導入溝側から前記導波路溝側へ向
けて順に結晶化させることを特徴とする光波長変換素子
の製造方法。 - 【請求項４】前記基板はガラスからなることを特徴とす
る請求項３記載の製造方法。 - 【請求項５】前記基板は１対の基板であり、一方の基板
に端面から露出する前記結晶導入溝を形成し、他方の基
板に端面から露出する前記導波路溝を形成し、前記結晶
導入溝と前記導波路溝とが前記屈曲溝を形成するように
前記両端面を接合することを特徴とする請求項４記載の
製造方法。 - 【請求項６】前記導波路溝を形成した他方の基板はガラ
スキャピラリであることを特徴とする請求項５記載の製
造方法。
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