JP3049986B2 - 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、コヒ−レント光を利用
する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野に使
用する光波長変換素子およびそれを用いた短波長レーザ
光源に関するものである。
する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野に使
用する光波長変換素子およびそれを用いた短波長レーザ
光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１３に従来の光波長変換素子の構成図
を示す。以下820nmの波長の基本波に対する高調波発生
（波長410nm）について図を用いて詳しく述べる。（E.
J.Lim,M.M.Fejer, R.L.Byer and W.J.Kozlovsky, "Blue
light generation by frequency doubling in period
ically-poled lithium niobate channel waveguide", E
lectronics Letters, Vol.27, P731-732，1989年、参
照）。
を示す。以下820nmの波長の基本波に対する高調波発生
（波長410nm）について図を用いて詳しく述べる。（E.
J.Lim,M.M.Fejer, R.L.Byer and W.J.Kozlovsky, "Blue
light generation by frequency doubling in period
ically-poled lithium niobate channel waveguide", E
lectronics Letters, Vol.27, P731-732，1989年、参
照）。
【０００３】図１３に示されるようにLiNbO3基板１に光
導波路２が形成され、さらに光導波路２には周期的に分
極の反転した層３（分極反転層）が形成されている。基
本波と発生する高調波の伝搬定数の不整合を分極反転層
３と非分極反転層５の周期構造で補償することにより高
効率に高調波を出すことができる。まず、図１４を用い
て高調波増幅の原理を説明する。分極反転していない非
分極反転素子３１では分極反転層は形成されておらずに
分極反転方向は一方向となっている。この非分極反転素
子３１では光導波路の進行方向に対して高調波出力３１
ａは増減を繰り返しているだけである。これに対して周
期的に分極が反転している分極反転波長変換素子（１次
周期）３２では出力３２ａは図１４に示されるように光
導波路の長さＬの２乗に比例して高調波出力は増大す
る。ただし分極反転において基本波Ｐ１に対して高調波
Ｐ２の出力が得られるのは擬似位相整合するときだけで
ある。この擬似位相整合が成立するのは分極反転層の周
期Λ１がλ／（２（Ｎ2ω−Ｎω））に一致するときに
限られる。ここでＮωは基本波（波長λ）の実効屈折
率、Ｎ2ωは高調波（波長λ／２）の実効屈折率であ
る。このような従来の光波長変換素子は分極反転構造を
基本構成要素としていた。
導波路２が形成され、さらに光導波路２には周期的に分
極の反転した層３（分極反転層）が形成されている。基
本波と発生する高調波の伝搬定数の不整合を分極反転層
３と非分極反転層５の周期構造で補償することにより高
効率に高調波を出すことができる。まず、図１４を用い
て高調波増幅の原理を説明する。分極反転していない非
分極反転素子３１では分極反転層は形成されておらずに
分極反転方向は一方向となっている。この非分極反転素
子３１では光導波路の進行方向に対して高調波出力３１
ａは増減を繰り返しているだけである。これに対して周
期的に分極が反転している分極反転波長変換素子（１次
周期）３２では出力３２ａは図１４に示されるように光
導波路の長さＬの２乗に比例して高調波出力は増大す
る。ただし分極反転において基本波Ｐ１に対して高調波
Ｐ２の出力が得られるのは擬似位相整合するときだけで
ある。この擬似位相整合が成立するのは分極反転層の周
期Λ１がλ／（２（Ｎ2ω−Ｎω））に一致するときに
限られる。ここでＮωは基本波（波長λ）の実効屈折
率、Ｎ2ωは高調波（波長λ／２）の実効屈折率であ
る。このような従来の光波長変換素子は分極反転構造を
基本構成要素としていた。
【０００４】この素子の製造方法について図１５を用い
て説明する。同図（ａ）で非線形光学結晶であるＬｉＮ
ｂＯ3基板１にＴｉ３１のパターンをリフトオフと蒸着
により幅数μｍの周期で形成していた。次に同図（ｂ）
で１１００℃程度の温度で熱処理を行いLiNbO3基板１と
分極が反対向きに反転した分極反転層３を形成した。次
に同図（ｃ）で安息香酸（２００℃）中で２０分熱処理
を行った後３５０℃で３時間アニールを行い光導波路２
を形成する。上記安息香酸処理により作製される光波長
変換素子は波長820nmの基本波Ｐ１に対して、光導波路
の長さを１ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを14.7ｍＷにした
とき高調波Ｐ２のパワー９４０ｎＷが得られていた。
て説明する。同図（ａ）で非線形光学結晶であるＬｉＮ
ｂＯ3基板１にＴｉ３１のパターンをリフトオフと蒸着
により幅数μｍの周期で形成していた。次に同図（ｂ）
で１１００℃程度の温度で熱処理を行いLiNbO3基板１と
分極が反対向きに反転した分極反転層３を形成した。次
に同図（ｃ）で安息香酸（２００℃）中で２０分熱処理
を行った後３５０℃で３時間アニールを行い光導波路２
を形成する。上記安息香酸処理により作製される光波長
変換素子は波長820nmの基本波Ｐ１に対して、光導波路
の長さを１ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを14.7ｍＷにした
とき高調波Ｐ２のパワー９４０ｎＷが得られていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のような分極反転
層を基本とした光波長変換素子では素子長５ｍｍのとき
基本波のレーザの波長変動に対する許容度が狭く半値幅
で０．１ｎｍしかない。そのため光波長変換素子と半導
体レーザと組み合わせた場合、半導体レーザが温度変化
のため波長変動を生じ高調波がでなくなるか、または大
きく高調波の出力が変動するといった問題があった。こ
れについて詳しく説明する。図１６に温度変化した場合
の波長に対する高調波出力の関係を示す。図１６に示す
ように半導体レーザは波長820nmで高調波出力が最大で
あるが、レーザの波長が0.05ｎｍずれただけで高調波出
力は半分になってしまう。半導体レーザの波長変化に対
する許容度はこのように小さいのである。具体的に半導
体レーザが２０℃から２１℃に１℃温度変化すると、波
長は820ｎｍから820.2ｎｍ変化するため、高調波出力は
ゼロになる。
層を基本とした光波長変換素子では素子長５ｍｍのとき
基本波のレーザの波長変動に対する許容度が狭く半値幅
で０．１ｎｍしかない。そのため光波長変換素子と半導
体レーザと組み合わせた場合、半導体レーザが温度変化
のため波長変動を生じ高調波がでなくなるか、または大
きく高調波の出力が変動するといった問題があった。こ
れについて詳しく説明する。図１６に温度変化した場合
の波長に対する高調波出力の関係を示す。図１６に示す
ように半導体レーザは波長820nmで高調波出力が最大で
あるが、レーザの波長が0.05ｎｍずれただけで高調波出
力は半分になってしまう。半導体レーザの波長変化に対
する許容度はこのように小さいのである。具体的に半導
体レーザが２０℃から２１℃に１℃温度変化すると、波
長は820ｎｍから820.2ｎｍ変化するため、高調波出力は
ゼロになる。
【０００６】そこで本発明は、環境温度に左右されな
い、すなわち環境温度が変わっても安定した高調波の出
力が得られる光波長変換素子、およびそれを用いた短波
長レーザ光源を提供することを目的とする。
い、すなわち環境温度が変わっても安定した高調波の出
力が得られる光波長変換素子、およびそれを用いた短波
長レーザ光源を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するため分極反転構造を基本とした光波長変換素子
に新たな工夫を加えることにより半導体レーザの温度変
化に対して高調波を安定に出力する光波長変換素子を提
供するものである。つまり、本発明は非線形光学結晶中
に周期状分極反転層および光導波路を有し、なおかつ前
記光導波路上に電極が形成されており、前記分極反転層
の厚みをｄ、光導波路中を基本波が伝搬する厚みをＳ
１、前記光導波路中を高調波が伝搬する厚みをＳ２とす
るとＳ１＞ｄ＞Ｓ２となるものである。
解決するため分極反転構造を基本とした光波長変換素子
に新たな工夫を加えることにより半導体レーザの温度変
化に対して高調波を安定に出力する光波長変換素子を提
供するものである。つまり、本発明は非線形光学結晶中
に周期状分極反転層および光導波路を有し、なおかつ前
記光導波路上に電極が形成されており、前記分極反転層
の厚みをｄ、光導波路中を基本波が伝搬する厚みをＳ
１、前記光導波路中を高調波が伝搬する厚みをＳ２とす
るとＳ１＞ｄ＞Ｓ２となるものである。
【０００８】また、本発明の短波長レーザ光源は安定な
出力を得るために非線形光学結晶中に周期状分極反転層
および光導波路を有する光波長変換素子と半導体レーザ
を有し、なおかつ前記光波長変換素子が電圧により制御
されているという手段を有するものである。
出力を得るために非線形光学結晶中に周期状分極反転層
および光導波路を有する光波長変換素子と半導体レーザ
を有し、なおかつ前記光波長変換素子が電圧により制御
されているという手段を有するものである。
【０００９】
【作用】本発明の光波長変換素子を電極を用いて電圧制
御することにより、半導体レーザの波長が変化しても電
圧を変化させることで常に最高の高調波出力が得られ
る。これを詳しく説明する。環境温度が変化すると半導
体レーザの波長が変化してしまい、光波長変換素子の擬
似位相整合条件が合わなくなり高調波の出力が得られな
くなる。前述したように基本波と高調波が位相整合する
条件はΛ１＝λ／（２（Ｎ2ω−Ｎω））である。ここ
で光波長変換素子の周期Λ１は光波長変換素子を作製し
た段階で規定されてしまうから、環境温度が変化しても
変わらない。ところが環境温度が変化すると半導体レー
ザの発振波長λが変化する。すると図１６で示したよう
に半導体レーザに対する許容度が小さいために高調波の
出力が変動することとなる。ここで擬似位相整合条件を
合わすために、半導体レーザの波長λが変化しても、そ
れに応じて（Ｎ2ω−Ｎω）の値を変化させ、結果的に
Λ１＝λ／（２（Ｎ2ω−Ｎω））の条件式を満たすよ
うにする。
御することにより、半導体レーザの波長が変化しても電
圧を変化させることで常に最高の高調波出力が得られ
る。これを詳しく説明する。環境温度が変化すると半導
体レーザの波長が変化してしまい、光波長変換素子の擬
似位相整合条件が合わなくなり高調波の出力が得られな
くなる。前述したように基本波と高調波が位相整合する
条件はΛ１＝λ／（２（Ｎ2ω−Ｎω））である。ここ
で光波長変換素子の周期Λ１は光波長変換素子を作製し
た段階で規定されてしまうから、環境温度が変化しても
変わらない。ところが環境温度が変化すると半導体レー
ザの発振波長λが変化する。すると図１６で示したよう
に半導体レーザに対する許容度が小さいために高調波の
出力が変動することとなる。ここで擬似位相整合条件を
合わすために、半導体レーザの波長λが変化しても、そ
れに応じて（Ｎ2ω−Ｎω）の値を変化させ、結果的に
Λ１＝λ／（２（Ｎ2ω−Ｎω））の条件式を満たすよ
うにする。
【００１０】（Ｎ2ω−Ｎω）の値は図１７のように光
波長変換素子の光導波路に電界つまり電圧を印加するこ
とで変化させることができる。このことを詳しく説明す
る。LiNbO3は非線形光学効果だけでなく電気光学効果も
大きい。これは電界Ｅを加えると屈折率変化ΔｎがＮ3
ｒＥ／２に比例して生じるものである。ここでＮは基板
の屈折率、ｒは電気光学定数である。電気光学定数ｒは
波長依存性を持っており、短波長側で大きくなる。その
ため（Ｎ2ω−Ｎω）の値は変化することとなる。これ
により光波長変換素子の電圧を変化させ光導波路の屈折
率を変え、新しい擬似位相整合波長に合わせることがで
きる。これにより高調波が安定に保たれる。また、最初
から擬似的に位相整合する波長からずれていたとしても
電圧を印加することで擬似位相整合条件にすることがで
き高調波を高効率に取り出すことができる。また、本発
明の短波長レーザ光源によれば、同様な作用により高調
波の出力安定度を大幅に向上できる。
波長変換素子の光導波路に電界つまり電圧を印加するこ
とで変化させることができる。このことを詳しく説明す
る。LiNbO3は非線形光学効果だけでなく電気光学効果も
大きい。これは電界Ｅを加えると屈折率変化ΔｎがＮ3
ｒＥ／２に比例して生じるものである。ここでＮは基板
の屈折率、ｒは電気光学定数である。電気光学定数ｒは
波長依存性を持っており、短波長側で大きくなる。その
ため（Ｎ2ω−Ｎω）の値は変化することとなる。これ
により光波長変換素子の電圧を変化させ光導波路の屈折
率を変え、新しい擬似位相整合波長に合わせることがで
きる。これにより高調波が安定に保たれる。また、最初
から擬似的に位相整合する波長からずれていたとしても
電圧を印加することで擬似位相整合条件にすることがで
き高調波を高効率に取り出すことができる。また、本発
明の短波長レーザ光源によれば、同様な作用により高調
波の出力安定度を大幅に向上できる。
【００１１】また、上記のような構成により電圧印加に
対して効率的に屈折率が変化し変調することが可能とな
る。初期状態で位相整合がとれているとする。これに電
圧を印加することにより屈折率変化が生じる。これによ
り（Ｎ２ωーＮω）は大きく変化し、位相整合条件から
ずれる。よって電圧変化により高調波出力のＯＮ、ＯＦ
Ｆが得られるのである。
対して効率的に屈折率が変化し変調することが可能とな
る。初期状態で位相整合がとれているとする。これに電
圧を印加することにより屈折率変化が生じる。これによ
り（Ｎ２ωーＮω）は大きく変化し、位相整合条件から
ずれる。よって電圧変化により高調波出力のＯＮ、ＯＦ
Ｆが得られるのである。
【００１２】
【実施例】実施例の一つとして本発明の光波長変換素子
の構成を図を用いて説明する。まず、本発明による光波
長変換素子の第１の実施例の構造図を図１に示す。この
実施例では分極反転型の光波長変換素子としてLiTaO3基
板１中にプロトン交換を用いて作製した光導波路２を用
いたものである。図１で１は−Ｚ板（Ｚ軸と垂直に切り
出された基板の−側）のLiTaO3基板、２は形成された光
導波路、３は分極反転層、１０は基本波Ｐ１の入射部、
１２は高調波Ｐ２の出射部、１５ａ，１５ｂ，１５ｃは
光導波路上に形成されたＡｌの電極である。光導波路２
に入った基本波Ｐ１は位相整合長Ｌの長さを持った分極
反転層で高調波Ｐ２に変換され、次の同じくＬの長さを
持った非分極反転層で高調波パワーは増す事になる。こ
のようにして光導波路２内でパワーを増した高調波Ｐ２
は出射部１２より放射される。擬似位相整合により高調
波が発生する波長（擬似位相整合波長）は非線形光学結
晶の屈折率と分極反転層の周期により決まる。LiTaO3は
非線形光学効果だけでなく電気光学効果も大きく電界に
より屈折率を変えることができる。つまり光導波路に印
加する電圧を変化させることで屈折率が変化し変調する
ことができる。
の構成を図を用いて説明する。まず、本発明による光波
長変換素子の第１の実施例の構造図を図１に示す。この
実施例では分極反転型の光波長変換素子としてLiTaO3基
板１中にプロトン交換を用いて作製した光導波路２を用
いたものである。図１で１は−Ｚ板（Ｚ軸と垂直に切り
出された基板の−側）のLiTaO3基板、２は形成された光
導波路、３は分極反転層、１０は基本波Ｐ１の入射部、
１２は高調波Ｐ２の出射部、１５ａ，１５ｂ，１５ｃは
光導波路上に形成されたＡｌの電極である。光導波路２
に入った基本波Ｐ１は位相整合長Ｌの長さを持った分極
反転層で高調波Ｐ２に変換され、次の同じくＬの長さを
持った非分極反転層で高調波パワーは増す事になる。こ
のようにして光導波路２内でパワーを増した高調波Ｐ２
は出射部１２より放射される。擬似位相整合により高調
波が発生する波長（擬似位相整合波長）は非線形光学結
晶の屈折率と分極反転層の周期により決まる。LiTaO3は
非線形光学効果だけでなく電気光学効果も大きく電界に
より屈折率を変えることができる。つまり光導波路に印
加する電圧を変化させることで屈折率が変化し変調する
ことができる。
【００１３】図２に光導波路に垂直な面で切った断面図
を示す。光導波路上に＋電圧を印加し光導波路の横をグ
ランドに落としておくと図のように電気力線が走り電界
がかかる。これにより屈折率が変化する。
を示す。光導波路上に＋電圧を印加し光導波路の横をグ
ランドに落としておくと図のように電気力線が走り電界
がかかる。これにより屈折率が変化する。
【００１４】図３に光導波路に平行な方向に切った断面
図（ａ）およびその拡大図（ｂ）を示す。図３のように
この光導波路２の基本波Ｐ１の強度が1/e2になる点Ｄ１
の表面からの厚みＳ１は２μｍであり分極反転層３の厚
み１．６μｍに比べ大きい。また、高調波Ｐ２の強度が
1/e2になる点Ｄ２の表面からの厚みより分極反転層の厚
みｄは大きい。このような構成を採ったのは電圧印加に
対する屈折率変化を有効に生じさせるためである。つま
り光導波路に電界をかけることにより分極反転層３は屈
折率が低下し、その反対に非分極反転層４は屈折率が増
加する。そのため平均屈折率は変化しないことになる。
しかしながら、光導波路を伝搬する基本波の一部が分極
反転していないためその部分は屈折率が変化し、全体と
して位相整合条件からずれるため、変調された電圧を印
加することで高調波の変調できることになるからであ
る。
図（ａ）およびその拡大図（ｂ）を示す。図３のように
この光導波路２の基本波Ｐ１の強度が1/e2になる点Ｄ１
の表面からの厚みＳ１は２μｍであり分極反転層３の厚
み１．６μｍに比べ大きい。また、高調波Ｐ２の強度が
1/e2になる点Ｄ２の表面からの厚みより分極反転層の厚
みｄは大きい。このような構成を採ったのは電圧印加に
対する屈折率変化を有効に生じさせるためである。つま
り光導波路に電界をかけることにより分極反転層３は屈
折率が低下し、その反対に非分極反転層４は屈折率が増
加する。そのため平均屈折率は変化しないことになる。
しかしながら、光導波路を伝搬する基本波の一部が分極
反転していないためその部分は屈折率が変化し、全体と
して位相整合条件からずれるため、変調された電圧を印
加することで高調波の変調できることになるからであ
る。
【００１５】次にこの光波長変換素子の製造方法につい
て図を使って説明する。図４（ａ）でLiTaO3基板１ａに
通常のフォトプロセスとドライエッチングを用いてＴａ
６ａを周期状にパターニングする。次に同図（ｂ）でＴ
ａ６ａによるパターンが形成されたLiTaO3基板１ａにピ
ロ燐酸中で260℃、30分間プロトン交換を行いスリット
直下に厚み0.8μｍのプロトン交換層を形成した後、550
℃の温度で１分間熱処理する。これにより分極反転層３
が周期的に形成される。次に同図（ｃ）でプロトン交換
用保護マスクとしてＴａを30nmストライプ状にパターニ
ングした後、260℃、16分間プロトン交換を行った。そ
の後380℃、１０分間アニールを行い光導波路２が形成
される。さらに同図（ｄ）でSiO2１４を保護膜として形
成した後、電極１５となるTi膜を形成する。Ｔｉの厚み
は200nmである。次にフォトリソとドライエッチングを
用いて図１に見られるようなＴｉのパターンを形成す
る。これが電極１５となる。この電極１５の周期と分極
反転層の周期は一致している。最後に研磨により入出射
面を形成する。光導波路２は幅4μｍ、長さは1ｃｍであ
る。分極反転の周期は３．８μｍ、分極反転層の厚みは
１．６μｍである。
て図を使って説明する。図４（ａ）でLiTaO3基板１ａに
通常のフォトプロセスとドライエッチングを用いてＴａ
６ａを周期状にパターニングする。次に同図（ｂ）でＴ
ａ６ａによるパターンが形成されたLiTaO3基板１ａにピ
ロ燐酸中で260℃、30分間プロトン交換を行いスリット
直下に厚み0.8μｍのプロトン交換層を形成した後、550
℃の温度で１分間熱処理する。これにより分極反転層３
が周期的に形成される。次に同図（ｃ）でプロトン交換
用保護マスクとしてＴａを30nmストライプ状にパターニ
ングした後、260℃、16分間プロトン交換を行った。そ
の後380℃、１０分間アニールを行い光導波路２が形成
される。さらに同図（ｄ）でSiO2１４を保護膜として形
成した後、電極１５となるTi膜を形成する。Ｔｉの厚み
は200nmである。次にフォトリソとドライエッチングを
用いて図１に見られるようなＴｉのパターンを形成す
る。これが電極１５となる。この電極１５の周期と分極
反転層の周期は一致している。最後に研磨により入出射
面を形成する。光導波路２は幅4μｍ、長さは1ｃｍであ
る。分極反転の周期は３．８μｍ、分極反転層の厚みは
１．６μｍである。
【００１６】図５に電極に印加される電圧に対する擬似
位相整合波長との関係を示す。電圧を印加しないときの
擬似位相整合波長は860nmであるのに対して30Vの電圧を
印加すると862nmまで変化した。電極１５を用いると電
圧の変化に対する擬似位相整合波長の変化が大きく、広
い範囲で半導体レーザの波長変化に追随することが可能
である。この実施例での変換効率は４０ｍＷ入力で２．
５％である。光損傷はなく高調波出力は非常に安定して
いた。次にこの櫛形電極にピーク電圧５Ｖのパルス状変
調電圧（繰り返し２００ｐｓ）を印可した。図６に印加
電圧波形と高調波出力の関係を示す。5ＧHzの周波数の
変調電圧に対して高調波も追随して応答していた。この
ように電極に変調電圧を印加することで変調された高調
波も得ることができる。
位相整合波長との関係を示す。電圧を印加しないときの
擬似位相整合波長は860nmであるのに対して30Vの電圧を
印加すると862nmまで変化した。電極１５を用いると電
圧の変化に対する擬似位相整合波長の変化が大きく、広
い範囲で半導体レーザの波長変化に追随することが可能
である。この実施例での変換効率は４０ｍＷ入力で２．
５％である。光損傷はなく高調波出力は非常に安定して
いた。次にこの櫛形電極にピーク電圧５Ｖのパルス状変
調電圧（繰り返し２００ｐｓ）を印可した。図６に印加
電圧波形と高調波出力の関係を示す。5ＧHzの周波数の
変調電圧に対して高調波も追随して応答していた。この
ように電極に変調電圧を印加することで変調された高調
波も得ることができる。
【００１７】次に本発明の短波長レーザ光源の第２の実
施例を説明する。図７の短波長レーザ光源の構成図を示
す。短波長レーザ光源は基本的には半導体レーザ２１と
光波長変換素子２２により構成される。Ａｌ枠２０に固
定された半導体レーザ２１から出射された基本波Ｐ１は
コリメータレンズ２４で平行光にされた後、フォーカス
レンズ２５で光波長変換素子２２の光導波路２に導入さ
れ高調波Ｐ２へと変換される。また、２３は石英板であ
り断熱のためのものである。ここで光波長変換素子の構
成は実施例１と同様である。本実施例ではLiNbO3基板に
比べて光損傷に強いＭｇＯドープのLiNbO3を用い１１２
０℃で熱処理し分極反転層を形成した。LiNbO3に比べて
処理温度が高いのはキュリー温度がＭｇＯドープするこ
とにより８０℃程度高いためである。又、光導波路には
分極反転層の形成時の熱処理温度に比べて低温処理が可
能であるプロトン交換光導波路を用いた。この実施例で
はこの光波長変換素子２２と半導体レーザ２１を組み合
わせて短波長レーザ光源を作製した。出力される高調波
Ｐ２の出力はビームスプリッタ２６により分岐され、Ｓ
ｉディテクター２７により検出され電気処理によりフィ
ードバックがかかり高調波出力の最大点で光波長変換素
子２２に形成されている電極に電圧を印加することで高
調波が一定に保たれる。半導体レーザ２１の波長変動に
追随して光波長変換素子２２に形成された電極により印
加する電圧を変化することにより光波長変換素子２２の
光導波路２の屈折率が変化し高調波出力は安定化され
る。図８に作製された短波長レーザ光源の環境温度依存
性を示す。変換効率は８０ｍＷ入力で４％であり、３０
℃程度の範囲にわたって出力も非常に安定していた。図
９に従来の短波長レーザ光源と本発明の短波長レーザ光
源の環境温度２５℃と３５℃での高調波出力の比較を示
す。２５℃の環境温度では従来の短波長レーザ光源の光
波長変換素子も擬似位相整合条件を満たしているため高
調波は最高出力の３ｍＷとなっているが、３５℃では擬
似位相整合条件からずれるため高調波出力は０である。
これに対して本発明の光波長変換素子では環境温度が変
わっても、光波長変換素子の光導波路の屈折率が電圧に
より制御されており常に最大の高調波出力（３ｍＷ）が
保たれることとなる。
施例を説明する。図７の短波長レーザ光源の構成図を示
す。短波長レーザ光源は基本的には半導体レーザ２１と
光波長変換素子２２により構成される。Ａｌ枠２０に固
定された半導体レーザ２１から出射された基本波Ｐ１は
コリメータレンズ２４で平行光にされた後、フォーカス
レンズ２５で光波長変換素子２２の光導波路２に導入さ
れ高調波Ｐ２へと変換される。また、２３は石英板であ
り断熱のためのものである。ここで光波長変換素子の構
成は実施例１と同様である。本実施例ではLiNbO3基板に
比べて光損傷に強いＭｇＯドープのLiNbO3を用い１１２
０℃で熱処理し分極反転層を形成した。LiNbO3に比べて
処理温度が高いのはキュリー温度がＭｇＯドープするこ
とにより８０℃程度高いためである。又、光導波路には
分極反転層の形成時の熱処理温度に比べて低温処理が可
能であるプロトン交換光導波路を用いた。この実施例で
はこの光波長変換素子２２と半導体レーザ２１を組み合
わせて短波長レーザ光源を作製した。出力される高調波
Ｐ２の出力はビームスプリッタ２６により分岐され、Ｓ
ｉディテクター２７により検出され電気処理によりフィ
ードバックがかかり高調波出力の最大点で光波長変換素
子２２に形成されている電極に電圧を印加することで高
調波が一定に保たれる。半導体レーザ２１の波長変動に
追随して光波長変換素子２２に形成された電極により印
加する電圧を変化することにより光波長変換素子２２の
光導波路２の屈折率が変化し高調波出力は安定化され
る。図８に作製された短波長レーザ光源の環境温度依存
性を示す。変換効率は８０ｍＷ入力で４％であり、３０
℃程度の範囲にわたって出力も非常に安定していた。図
９に従来の短波長レーザ光源と本発明の短波長レーザ光
源の環境温度２５℃と３５℃での高調波出力の比較を示
す。２５℃の環境温度では従来の短波長レーザ光源の光
波長変換素子も擬似位相整合条件を満たしているため高
調波は最高出力の３ｍＷとなっているが、３５℃では擬
似位相整合条件からずれるため高調波出力は０である。
これに対して本発明の光波長変換素子では環境温度が変
わっても、光波長変換素子の光導波路の屈折率が電圧に
より制御されており常に最大の高調波出力（３ｍＷ）が
保たれることとなる。
【００１８】次に本発明の光波長変換素子の第３の実施
例を説明する。光波長変換素子の構成を図１０に示す。
本実施例ではLiTaO3を基板として用いた。LiTaO3はキュ
リー温度が６２０℃と低く低温で分極反転処理が可能で
ある。また、本実施例では電極として櫛形電極を用い
た。この櫛形電極１５の周期は分極反転層の周期と一致
している。分極反転層３上の電極１５をグランドに接続
し、非分極反転層５上の電極に＋電圧を印加する。この
ことにより分極反転層３および非分極反転層５の屈折率
変化はどちらも増加となるため、擬似位相整合波長が大
きく変化できる。光導波路２はピロ燐酸中でのプロトン
交換により作製した。また、光導波路の上に櫛形電極１
５としてＴｉを２００nm蒸着により形成している。以下
作製方法について図１１を用いて説明する。図１１
（ａ）でLiTaO3基板１ａに通常のフォトプロセスとドラ
イエッチングを用いてＴａ６ａを周期状にパターニング
する。次に同図（ｂ）でＴａ６ａによるパターンが形成
されたLiTaO3基板１ａにピロ燐酸中で260℃、30分間プ
ロトン交換を行いスリット直下に厚み0.8μｍのプロト
ン交換層を形成した後、550℃の温度で１分間熱処理す
る。これにより分極反転層３が周期的に形成される。次
に同図（ｃ）でプロトン交換用保護マスクとしてＴａを
30nmストライプ状にパターニングした後、260℃、16分
間プロトン交換を行った。その後380℃、１０分間アニ
ールを行い光導波路２が形成される。さらに同図（ｄ）
でSiO2１４を保護膜として形成した後、電極１５となる
Ti膜を形成する。Ｔｉの厚みは200nmである。次にフォ
トリソとドライエッチングを用いて図１０に見られるよ
うなＴｉの周期的パターンを形成する。これが櫛形電極
１５となる。この櫛形電極１５の周期と分極反転層の周
期は一致している。最後に研磨により入出射面を形成す
る。光導波路２は厚みは1.9μｍ、幅4μｍ、長さは1ｃ
ｍである。分極反転の周期は３．６μｍ、分極反転層の
厚みは１．８μｍである。
例を説明する。光波長変換素子の構成を図１０に示す。
本実施例ではLiTaO3を基板として用いた。LiTaO3はキュ
リー温度が６２０℃と低く低温で分極反転処理が可能で
ある。また、本実施例では電極として櫛形電極を用い
た。この櫛形電極１５の周期は分極反転層の周期と一致
している。分極反転層３上の電極１５をグランドに接続
し、非分極反転層５上の電極に＋電圧を印加する。この
ことにより分極反転層３および非分極反転層５の屈折率
変化はどちらも増加となるため、擬似位相整合波長が大
きく変化できる。光導波路２はピロ燐酸中でのプロトン
交換により作製した。また、光導波路の上に櫛形電極１
５としてＴｉを２００nm蒸着により形成している。以下
作製方法について図１１を用いて説明する。図１１
（ａ）でLiTaO3基板１ａに通常のフォトプロセスとドラ
イエッチングを用いてＴａ６ａを周期状にパターニング
する。次に同図（ｂ）でＴａ６ａによるパターンが形成
されたLiTaO3基板１ａにピロ燐酸中で260℃、30分間プ
ロトン交換を行いスリット直下に厚み0.8μｍのプロト
ン交換層を形成した後、550℃の温度で１分間熱処理す
る。これにより分極反転層３が周期的に形成される。次
に同図（ｃ）でプロトン交換用保護マスクとしてＴａを
30nmストライプ状にパターニングした後、260℃、16分
間プロトン交換を行った。その後380℃、１０分間アニ
ールを行い光導波路２が形成される。さらに同図（ｄ）
でSiO2１４を保護膜として形成した後、電極１５となる
Ti膜を形成する。Ｔｉの厚みは200nmである。次にフォ
トリソとドライエッチングを用いて図１０に見られるよ
うなＴｉの周期的パターンを形成する。これが櫛形電極
１５となる。この櫛形電極１５の周期と分極反転層の周
期は一致している。最後に研磨により入出射面を形成す
る。光導波路２は厚みは1.9μｍ、幅4μｍ、長さは1ｃ
ｍである。分極反転の周期は３．６μｍ、分極反転層の
厚みは１．８μｍである。
【００１９】櫛形電極１５に１０Ｖの電圧を加えること
により光波長変換素子の屈折率を制御し擬似位相整合波
長を半導体レーザの発振波長に合わせた。このとき電界
は２×１０6Ｖ／ｍである。すると基本波４０ｍＷの入
力で１ｍＷの高調波（波長420nm）を得た。この場合の
変換効率は２．５％である。光波長変換素子の波長に対
する許容度は０．０３ｎｍである。この半導体レーザの
波長変動を光波長変換素子の電圧を変化させて補正し高
調波が安定に出力されるようにする。半導体レーザの波
長変化に対する光波長変換素子の電圧との関係を図１２
に示す。波長が0.03nmずれても電圧を１０Ｖから４０Ｖ
まで変化させるとまた、高調波出力は最大になる。高調
波出力の安定度は従来の光波長変換素子に比べ大幅に改
善され実用性が増した。環境温度が３℃程度変化して半
導体レーザの発振波長が840nmから840.6nmになったとし
ても電極により光導波路に印加する電圧を１０Ｖより７
０Ｖに変えることで高調波出力は安定に得られた。電圧
制御はｐｓ程度の速さで応答が可能なので波長変動に対
して追随させるには効果的である。なお基本波に対して
マルチモード伝搬では高調波の出力が不安定で実用的で
はなくシングルモードが有効である。
により光波長変換素子の屈折率を制御し擬似位相整合波
長を半導体レーザの発振波長に合わせた。このとき電界
は２×１０6Ｖ／ｍである。すると基本波４０ｍＷの入
力で１ｍＷの高調波（波長420nm）を得た。この場合の
変換効率は２．５％である。光波長変換素子の波長に対
する許容度は０．０３ｎｍである。この半導体レーザの
波長変動を光波長変換素子の電圧を変化させて補正し高
調波が安定に出力されるようにする。半導体レーザの波
長変化に対する光波長変換素子の電圧との関係を図１２
に示す。波長が0.03nmずれても電圧を１０Ｖから４０Ｖ
まで変化させるとまた、高調波出力は最大になる。高調
波出力の安定度は従来の光波長変換素子に比べ大幅に改
善され実用性が増した。環境温度が３℃程度変化して半
導体レーザの発振波長が840nmから840.6nmになったとし
ても電極により光導波路に印加する電圧を１０Ｖより７
０Ｖに変えることで高調波出力は安定に得られた。電圧
制御はｐｓ程度の速さで応答が可能なので波長変動に対
して追随させるには効果的である。なお基本波に対して
マルチモード伝搬では高調波の出力が不安定で実用的で
はなくシングルモードが有効である。
【００２０】次にこの櫛形電極にピーク電圧１０Ｖのパ
ルス状変調電圧（繰り返し１ｎｓ）を印可した。変調電
圧に対して高調波も追随して応答していた。このように
櫛形電極に変調電圧を印加することで変調された高調波
も得ることができる。このように、櫛形電極を用いると
効率良く屈折率変化を与えることができ効果的である。
ルス状変調電圧（繰り返し１ｎｓ）を印可した。変調電
圧に対して高調波も追随して応答していた。このように
櫛形電極に変調電圧を印加することで変調された高調波
も得ることができる。このように、櫛形電極を用いると
効率良く屈折率変化を与えることができ効果的である。
【００２１】また、実施例では非線形光学結晶としてLi
NbO3およびLiTaO3を用いたがKNbO3、ＫＴＰ等の強誘電
体、ＭＮＡ等の有機材料にも適用可能である。
NbO3およびLiTaO3を用いたがKNbO3、ＫＴＰ等の強誘電
体、ＭＮＡ等の有機材料にも適用可能である。
【００２２】なお基本波を発生する光源として半導体レ
ーザを用いたがＹＡＧやＹＶＯ4等の固体レーザを用い
ても良い。この場合は発振波長は一定なので電圧により
擬似位相整合に合わせるという目的対して効果を生む。
ーザを用いたがＹＡＧやＹＶＯ4等の固体レーザを用い
ても良い。この場合は発振波長は一定なので電圧により
擬似位相整合に合わせるという目的対して効果を生む。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように本発明の光波長変換
素子によれば、分極反転層を持つ光波長変換素子上に電
極を形成し光波長変換素子を電圧コントロールすること
により擬似位相整合波長をレーザ発振波長に合わせるこ
とで簡単になおかつ安定に高調波発生を行うことができ
る。また、本発明の短波長レーザ光源によれば半導体レ
ーザの波長変動を光導波路に印加される電圧の制御によ
り補正することで、高調波出射の安定な動作を実現でき
る。
素子によれば、分極反転層を持つ光波長変換素子上に電
極を形成し光波長変換素子を電圧コントロールすること
により擬似位相整合波長をレーザ発振波長に合わせるこ
とで簡単になおかつ安定に高調波発生を行うことができ
る。また、本発明の短波長レーザ光源によれば半導体レ
ーザの波長変動を光導波路に印加される電圧の制御によ
り補正することで、高調波出射の安定な動作を実現でき
る。
【００２４】また、本発明の光波長変換素子により高調
波を光導波路から取り出すことができ簡単に非点収差の
ないスポットを安定に得ることができ、その実用的効果
は極めて大きい。
波を光導波路から取り出すことができ簡単に非点収差の
ないスポットを安定に得ることができ、その実用的効果
は極めて大きい。
【００２５】さらに、本発明の光波長変換素子によれ
ば、分極反転層を持つ光波長変換素子上に電極を形成し
光波長変換素子を電圧印加する際、分極反転層の厚みを
ｄ、基本波が伝搬する厚みをＳ１、高調波が伝搬する厚
みをＳ２とするとＳ１＞ｄ＞Ｓ２と構成することで単純
な電極構成により基本波のみを大きく屈折率変化させる
ことが可能となり、電極に電圧を印加することで高調波
出力を効率良く変調することができる。
ば、分極反転層を持つ光波長変換素子上に電極を形成し
光波長変換素子を電圧印加する際、分極反転層の厚みを
ｄ、基本波が伝搬する厚みをＳ１、高調波が伝搬する厚
みをＳ２とするとＳ１＞ｄ＞Ｓ２と構成することで単純
な電極構成により基本波のみを大きく屈折率変化させる
ことが可能となり、電極に電圧を印加することで高調波
出力を効率良く変調することができる。
【図１】本発明の光波長変換素子の第１の実施例の構造
図
図
【図２】本発明の光波長変換素子を光導波路に垂直な報
告で切った断面図
告で切った断面図
【図３】本発明の光波長変換素子を光導波路に平行な方
向で切った断面図
向で切った断面図
【図４】本発明の光波長変換素子の製造工程図
【図５】光波長変換素子に印加する電圧と擬似位相整合
波長の関係を示す特性図
波長の関係を示す特性図
【図６】本発明の第１の実施例の光波長変換素子の変調
特性を示す特性図
特性を示す特性図
【図７】本発明の短波長レーザ光源の構成図
【図８】環境温度に対する高調波出力の依存性の従来例
と本発明の短波長レーザ光源の比較図
と本発明の短波長レーザ光源の比較図
【図９】環境温度に対する従来例と本発明の短波長レー
ザ光源の高調波出力の比較図
ザ光源の高調波出力の比較図
【図１０】本発明の第３の実施例の光波長変換素子の構
成図
成図
【図１１】本発明の第３の実施例の光波長変換素子の製
造工程図
造工程図
【図１２】本発明の第３の実施例の光波長変換素子に印
加する電圧と擬似位相整合波長の関係を示す特性図
加する電圧と擬似位相整合波長の関係を示す特性図
【図１３】従来の光波長変換素子の構成図
【図１４】光波長変換素子による波長変換の原理図
【図１５】従来の光波長変換素子の製造工程図
【図１６】温度を変化させた場合の波長に対する光波長
変換素子の高調波出力を示す特性図
変換素子の高調波出力を示す特性図
【図１７】印加電圧に対する屈折率変化（Ｎ2w−Ｎw）
の関係を示す特性図
の関係を示す特性図
１ LiTaO3基板 ２ 光導波路 ３ 分極反転層 １５ 電極 ２１ 半導体レーザ ２２ 光波長変換素子 Ｐ１ 基本波 Ｐ２ 高調波
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−119066（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−191332（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−142608（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−249521（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−143707（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−27508（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−127208（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−281588（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−51359（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−110099（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−3127（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−53163（ＪＰ，Ａ) 1992年春季第39回応用物理学関係連合 講演会予稿集 第３分冊（1992年３月28 日発行）ｐ．996，31ａ−Ｇ−７ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/35 - 1/39 H01S 3/108 - 3/109
Claims (1)
- 【請求項１】非線形光学結晶中に周期状分極反転層およ
び光導波路を有し、なおかつ前記光導波路上に電極が形
成されており、前記分極反転層の厚みをｄ、光導波路中
を基本波が伝搬する厚みをＳ１、前記光導波路中を高調
波が伝搬する厚みをＳ２とするとＳ１＞ｄ＞Ｓ２となる
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 |
|---|---|---|---|
| JP5048915A JP3049986B2 (ja) | 1992-03-11 | 1993-03-10 | 光波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5254892 | 1992-03-11 | ||
| JP725393 | 1993-01-20 | ||
| JP5-7253 | 1993-01-20 | ||
| JP4-52548 | 1993-01-20 | ||
| JP5048915A JP3049986B2 (ja) | 1992-03-11 | 1993-03-10 | 光波長変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06273814A JPH06273814A (ja) | 1994-09-30 |
| JP3049986B2 true JP3049986B2 (ja) | 2000-06-05 |
Family
ID=27277532
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5048915A Expired - Fee Related JP3049986B2 (ja) | 1992-03-11 | 1993-03-10 | 光波長変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3049986B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1305185C (zh) * | 1995-06-02 | 2007-03-14 | 松下电器产业株式会社 | 激光光源 |
| JP2002043698A (ja) | 1999-12-22 | 2002-02-08 | Yokogawa Electric Corp | Ｓｈｇレーザ光源及びｓｈｇレーザ光源の変調方法 |
| WO2024023879A1 (ja) * | 2022-07-25 | 2024-02-01 | 日本電信電話株式会社 | 発光素子 |
-
1993
- 1993-03-10 JP JP5048915A patent/JP3049986B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| １９９２年春季第３９回応用物理学関係連合講演会予稿集 第３分冊（１９９２年３月２８日発行）ｐ．９９６，３１ａ−Ｇ−７ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06273814A (ja) | 1994-09-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |