JP3178849B2 - 導波路型shg素子 - Google Patents

導波路型shg素子

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    • G02F1/3548Quasi phase matching [QPM], e.g. using a periodic domain inverted structure

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、導波路型SHG素子に
関する。
【0002】
【従来の技術】光応用技術の進歩発展に伴い、光ディス
クメモリ、レーザプリンタ、半導体プロセスなど幅広い
分野で、光源レーザの短波長化が要求されている。特に
光ディスクシステム等の光機器分野への応用を考えると
小型化・低コスト化のために光源として半導体レーザを
用いることが前提となる。そこで、半導体レーザ自体の
短波長化の研究と平行して、非線形光学効果を応用した
第2高調波発生(SHG)素子による短波長化の研究が
活発に行なわれている。特に半導体レーザを光源とする
場合は、数mWから数10mWの入力光で高い変換効率を得
るために薄膜導波型のSHG素子を用いる必要がある。
【0003】この薄膜導波路を用いた光高調波発生で
は、第一に薄膜に集中した光のエネルギーを利用できる
ため高い変換効率が得られること、第二にバルク単結晶
においては基本波と第2高調波との位相整合のできない
物質でも薄膜のモード分散を利用して位相整合が可能に
なること、第三に、光波が薄膜内に集中され、チャンネ
ル型導波路では横方向にも閉じ込められ広がらないため
に、長い距離にわたって相互作用を行なわせることがで
きる、などの点で有利である。
【0004】特に、半導体レーザでは、出力が低いの
で、入射光と第2高調波との位相整合を行なうことが重
要である。すなわち、高いSHG出力を得るためには、
発生した第2高調波と基本波長光から非線形光学効果に
より誘起される分極波とが、干渉により弱めあって減衰
してしまうのを防ぐために、両者の位相速度を一致させ
なければならない。これは、基本波長光に対する結晶の
屈折率と、第2高調波光に対する屈折率を一致させるこ
とに相当する。
【0005】本発明者らは、半導体レーザを光源として
集光が容易で、数mW以上のSHG出力が得られる導波型
のSHG素子の開発研究を行ない、先に、非線形光学材
料としてMgO固溶LiNbO3 を用いて、半導体レー
ザ光源により高出力可能なSHG素子を構成し、0.8
μm 帯半導体レーザ光源によるSHGが可能なことを提
案している(“MgO固溶LiNbO3 導波路を用いた
SHG素子の光波特性”電気学会研資・電磁界理論研究
会、EMT−89−104、1989,“LD光源を用
いた導波型SHG素子の出力特性”信学技報、MW89
−144、1989)。
【0006】このSHG素子の位相整合条件はモード分
散曲線によって求めるが、光源レーザの波長によってS
HG位相整合のとれる薄膜の厚さ(位相整合膜厚)も変
化する。波長0.83μm のLDを光源とした場合の位
相整合膜厚は、約5.6μm であり、一方波長1.15
μm のHe−Neレーザを光源とした場合には約1.6
μm である。そして、光電搬損失は、1.0〜1.3dB
/cm と従来にない良好な値を示し、実際、波長1.15
μm のHe−Neレーザを光源とした場合は膜厚1.6
μm 、波長0.83μm の半導体レーザを光源とした場
合は膜厚5.6μm でSHG位相整合がとれ、いずれも
理論値と一致する。そして、変換効率は40mW入力に換
算して約13%(SHG出力約5mW)となる。
【0007】一方、LiNbO3 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素子の提案もある(特開昭60−14
222号、特開昭61−94031号等)。
【0008】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反面、SHG出力
が基板放射光であるため波面が特異で、収差のきつい、
不均一な強度分布の光が基板の端面から出てくる。この
ため、この光をガウス状強度分布の通常の使いやすいビ
ームに変換するには、この収差を補正する高級なレンズ
を必要とする。
【0009】このため、例えばZカットLiNbO3
晶板の表面に、交互に反転した自発分極の周期をもた
せ、この自発分極の周期の方向を、チャンネル光導波路
とし、このチャンネル光導波路の基本波(周波数ω)に
対する波数β(ω)と、第2高調波に対する前記チャン
ネル光導波路の波数β(2ω)とがβ(2ω)−2β
(ω)=2π/Λなる関係をほぼ満たすように、交互に
反転した自発分極の周期Λを定め、前記チャンネル光導
波路の一端から基本波を入射し、他端から第2高調波を
得るようにすることによって、SHG出力光に波面収差
のない、いわゆるグレーティング型の導波路型SHG素
子が得る旨が種々提案されている(特開昭63−820
22号、特開平1−257922号、特開平2−630
26号、特開平2−93624号等)。
【0010】しかし、これらグレーティング型のSHG
素子は、SHG出力が低く、SHG変換効率が0.01
%以下と低い。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、位相
整合のとれた高出力SHGが得られる新規なグレーティ
ング型のSHG素子を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
(1)の本発明によって達成される。
【0013】(1) 基板上に、非線形光学材料の第1
の導波路層を有し、この第1の導波路層と基板との間
に、この第1の導波路層の屈折率以下の屈折率の第2の
導波路層を設け、前記第1の導波路層の上に、前記第2
導波路層の屈折率とほぼ同等の第3の導波路層を設け、
この第3の導波路層に周期構造を付与し、第1の導波路
層が発生する第2高周波の電磁界の第2の導波路層で減
衰するように構成したことを特徴とする導波路型SHG
素子。
【0014】
【実施例】図1には、本発明の実施例のSHG素子構造
が示される。
【0015】図1に示されるSHG素子1は、LiTa
3 の単結晶の基板2上に、非線形光学材料であるプロ
トン交換LiNbO3 単結晶の第1の導波路層4を、所
定導波路長にて形成している。図示例では、導波路長は
1〜10mm程度とし、第1の導波路層4の厚さd1 は、
0.3〜1μm 程度としている。
【0016】この場合、本発明では、後述の周期構造
や、他の導波路層との結合による分散特性によって位相
整合を調整するので、第1の導波路層4の厚さd1 は、
位相整合膜厚とする必要はない。なお、第1の導波路層
4の巾は、チャンネル型SHG素子の場合、0.5〜1
0μm 程度とする。
【0017】第1の導波路層4の屈折率は、入射光(e
jwt )に対してno =2.2〜2.4程度すればよく、
このとき基板2は、no =2.1〜2.2程度とすれば
よい。
【0018】このような基板2と第1の導波路層4との
間には、Ti拡散LiNbO3 の第2の導波路層3が、
0.5〜5μm の厚さd2 で設けられている。この第2
の導波路層3は、入射光ejwt の電磁界が存在し、第1
の導波路層4で発生する第2高調波ej2wtの電磁界が層
中で減衰してしまうような屈折率の膜厚および材質とす
ればよい。
【0019】一方、第2の導波路層4上には、第3の導
波路層5が形成される。第3の導波路層5の厚さd3
0.5〜5μm 程度とする。この第3の導波路層5は、
第2の導波路層と同様第1の導波路層4より低屈折率の
ものとする。
【0020】このような場合、第1、第2および第3の
導波路層と、基板の屈折率を、それぞれn1 、n2 、n
3 、n4とすると、基本波ωのTM波に対し、n1 >n2
≒n3 >n4 、n1 =1.05〜1.2n4 、n2
3 =1.01〜1.1n4 程度とすることが好まし
い。
【0021】さらに、このような第3の導波路層5の表
面には、周期構造が与えられる。周期構造としては、図
1に示されるように、周期的にドメインが反転する周期
ドメイン反転構造6であっても、周期的に屈折率が変化
する周期屈折率構造であってもよい。周期ドメイン反転
構造としては、周期的にTiの拡散、プロトンの交換等
を行なったりすればよく、周期屈折率構造としては、周
期的にSi34 、TiO2 、SeAs、ZnS、Zn
O、ガラス等を堆積させてもよい。
【0022】周期構造パターンの周期Λは、前記のとお
り、β(2ω)−2β(ω)=2π/Λ、すなわちn
(2ω)−n(ω)=λ/2Λ(λは波長)とすればよ
い。そして、このΛは導波路長方向に徐々に変化してい
てもよい。
【0023】このような構成のSHG素子1の第1の導
波路層4内に、入射光ejwt を入射すると、第1の導波
路2には、非線形分極により、第2高調波ej2wtが発生
する。このとき、屈折率no (ω)とne (2ω)との
関係により、入射光TM(ω)の電磁界E(ω)は第
1、第2および第3の導波路層4、3、5間で結合し、
図1に示されるような電磁界分布を示し、基本波が第1
〜第3の導波路4、3、5から出射される。
【0024】また、第1の導波路層4中では、グレーテ
ィング効果の結果、位相整合が行なわれる。そして、こ
の第2高調波TE(2ω)は、グレーティングの影響を
受けず、減衰されずに第1の導波路層4のみから出射さ
れ、第1の導波路層4から、入射光とともに、第2高調
波が高出力で出射される。
【0025】なお、本発明のSHG素子は、スラブ型と
してもチャンネル型としてもよい。
【0026】また、第1、第2、および第3の導波路層
3、4、5用の光学結晶としては、非線形光学効果を有
する光学異方性の材料であり、n1 >n2 ≒n3 であれ
ば特に限定はなく、MgO固溶LiNbO3 や、この
他、例えば、Tiを熱拡散させたLiNbO2 、プロト
ン交換したLiNbO3 、LiTaO3 、KTiOPO
4 、KNbO3 、β−BaB24 、Ba2 NaNb3
15、Ba2 LiNb515、K3 Li2 Nb215
α−石英、KH2 PO4 、KD2 PO4 、NH42
4 、CsH2 AsO4 、CsD2 AsO4 、RbH2
PO4 、RbH2 AsO4 、BeSO4 −4H2 O、L
iClO4 −3H2 O、LiIO3 等はいずれも使用可
能である。
【0027】また、前記の他、基板2としては、導波路
層より屈折率が低く、基板上に特に導波路材料をエピタ
キシャル成長によって形成することのできる材料が要求
され、例えば実施例のようにLiNbO3 導波路にはL
iTaO3 などが選ばれる。
【0028】
【発明の効果】本発明のSHG素子では、高効率にてS
HG出力を得ることができる。また、基本波と第2高調
波との分波も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の導波路型SHG素子と、その電磁界分
布とを示す模式図である。
【符号の説明】
1 導波路SHG素子 2 基板 3 第2の導波路層 4 第1の導波路層 5 第3の導波路層 6 周期ドメイン反転構造
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−44781(JP,A) 特開 平2−282232(JP,A) 特開 昭63−71836(JP,A) 特開 平1−257922(JP,A) 特開 昭64−82022(JP,A) 特開 平1−172933(JP,A) 特開 平2−93624(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/377 JICSTファイル(JOIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に、非線形光学材料の第1の導波
    路層を有し、この第1の導波路層と基板との間に、この
    第1の導波路層の屈折率以下の屈折率の第2の導波路層
    を設け、前記第1の導波路層の上に、前記第2導波路層
    の屈折率とほぼ同等の第3の導波路層を設け、この第3
    の導波路層に周期構造を付与し、第1の導波路層が発生
    する第2高周波の電磁界の第2の導波路層で減衰するよ
    うに構成したことを特徴とする導波路型SHG素子。
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