JP3348297B2 - Wavelength conversion element and method of manufacturing wavelength conversion element - Google Patents
Wavelength conversion element and method of manufacturing wavelength conversion elementInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学物質による
高調波発生、光混合、光パラメトリック発振などを利用
した波長変換素子に関するものであり、特に、近赤外半
導体レーザから青色又は緑色のコヒーレント光を直接変
換できる高効率な第2高調波を発生する波長変換素子に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wavelength conversion element utilizing harmonic generation, optical mixing, optical parametric oscillation and the like by a non-linear optical material. The present invention relates to a wavelength conversion element that generates highly efficient second harmonics that can directly convert light.
【0002】[0002]
【従来の技術】非線形光学物質による光高調波発生、光
混合、光パラメトリック発振などを利用した波長変換素
子は、近年大いに注目され研究が続けられている。特に
青色又は緑色のコヒーレント光を得るために、近赤外半
導体レーザーを直接変換できる高効率な第2高調波発生
波長変換素子が有望とされ、さまざまな材料、構造が提
案されているものの実用化のためにはさらに変換効率の
高い素子が要求されているのが現状である。2. Description of the Related Art In recent years, wavelength conversion elements utilizing optical harmonic generation, optical mixing, optical parametric oscillation, and the like using a nonlinear optical material have received considerable attention in recent years and have been studied. Particularly, in order to obtain blue or green coherent light, a highly efficient second harmonic generation wavelength conversion element capable of directly converting a near-infrared semiconductor laser is promising, and various materials and structures have been proposed, but they have been put to practical use. At present, elements with higher conversion efficiency are required for this purpose.
【0003】第2高調波発生の変換効率は基本波のパワ
ー密度に比例して高くなり、相互作用する長さの2乗に
比例するので(例えばチェレンコフ放射タイプの位相整
合法など1乗に比例する場合もある)、光を狭い領域に
閉じ込めて長い距離を伝播させられる光導波路構造が、
高効率な第2高調波発生波長変換素子に応用されてい
る。[0003] The conversion efficiency of the second harmonic generation increases in proportion to the power density of the fundamental wave and is proportional to the square of the interacting length (for example, proportional to the first power such as the phase matching method of Cherenkov radiation type). Optical waveguide structure that can confine light in a small area and propagate it over long distances.
It is applied to a highly efficient second harmonic generation wavelength conversion element.
【0004】さらに高効率に高調波を発生させるには位
相整合という重要な課題がある。一般に光学材料は屈折
率分散があるため、基本波と第2高調波の非線形光学媒
質中の位相速度が等しくない。そのため、基本波が非線
形媒質を伝播中に各部分で発生させた第2高調波はお互
いに位相がずれている。そこで、コヒーレント長以上の
いくら長い距離を伝播させても、発生した第2高調波は
キャンセルしあって累積されず、総和としての強度は極
めて小さくなってしまう。In order to generate harmonics with higher efficiency, there is an important problem of phase matching. In general, since the optical material has a refractive index dispersion, the phase velocities of the fundamental wave and the second harmonic in the nonlinear optical medium are not equal. Therefore, the second harmonic generated in each part while the fundamental wave propagates through the nonlinear medium is out of phase with each other. Therefore, even if the light is propagated over a long distance equal to or longer than the coherent length, the generated second harmonics are canceled and not accumulated, and the total intensity is extremely small.
【0005】そこで、基本波と第2高調波の位相速度を
一致させるための位相整合法が種々提案されている。薄
膜の光導波路に於いても伝播導波モード間での位相整合
など検討されているが膜厚に高い均一性が要求されるた
め、あまり変換効率の高い報告はない。一方、比較的位
相整合条件が緩いチェレンコフ型の位相整合法でも高い
変換効率の第2高調波波長変換素子が最近発表され、こ
の位相整合法がにわかに注目されている。Therefore, various phase matching methods for matching the phase velocities of the fundamental wave and the second harmonic have been proposed. In the case of thin-film optical waveguides, phase matching between propagation waveguide modes has been studied. However, because high uniformity is required for the film thickness, there is no report with a very high conversion efficiency. On the other hand, a second harmonic wavelength conversion element having a high conversion efficiency even in a Cherenkov-type phase matching method having relatively moderate phase matching conditions has been recently announced, and this phase matching method has attracted attention.
【0006】チェレンコフ型の位相整合には、導波路に
光学非線形性がある場合と、基板に光学非線形性がある
場合、又それらの混合タイプなどがある。チェレンコフ
放射タイプの位相整合法による第2高調波発生波長変換
素子としてこれらのタイプで幾例かが報告されている。
ここでは導波路に光学非線形性がある場合の第2高調波
発生波長変換素子についてのみ説明するが他の場合につ
いても同様な議論が可能である。The Cherenkov-type phase matching includes a case where the waveguide has optical nonlinearity, a case where the substrate has optical nonlinearity, and a mixed type thereof. Several examples of these types have been reported as second harmonic generation wavelength conversion elements based on the Cherenkov radiation type phase matching method.
Here, only the second harmonic generation wavelength conversion element in the case where the waveguide has optical nonlinearity will be described, but the same discussion can be made in other cases.
【0007】チェレンコフ放射タイプ位相整合では、基
本波を光導波路を伝播する光(導波モード)とし、高調
波を導波路から放射させる光(放射モード)とした時
に、基本波の位相速度は、その導波路の実効屈折率によ
り、ディスクリートな値になるが、基本波の伝播方向の
高調波の位相速度は、その放射角(チェレンコフ角)に
より連続的に変化する。そして基板と光導波路の屈折率
がある条件を満足すれば、高調波は位相整合がとれる放
射角、すなわち、導波路の伝播方向への位相速度が基本
波の位相速度と一致するような放射角の方向へ強く放射
され、自動的に位相整合がとれる。このために満たされ
ねばならない条件を数1に示す。In the Cerenkov radiation type phase matching, when the fundamental wave is light propagating through an optical waveguide (guiding mode) and the harmonic wave is light radiating from the waveguide (radiation mode), the phase velocity of the fundamental wave becomes Although the discrete value is obtained by the effective refractive index of the waveguide, the phase velocity of the harmonic in the propagation direction of the fundamental wave is continuously changed by the radiation angle (Cherenkov angle). If the refractive index of the substrate and the optical waveguide satisfies a certain condition, the harmonic wave is a radiation angle at which phase matching is achieved, that is, the radiation angle at which the phase velocity in the propagation direction of the waveguide coincides with the phase velocity of the fundamental wave. Strongly radiated in the direction, and phase matching can be automatically achieved. The condition that must be satisfied for this is shown in Equation 1.
【0008】[0008]
【数1】 (Equation 1)
【0009】このときの基板内でのチェレンコフ角θは
基板中では数2のように表される。At this time, the Cerenkov angle θ in the substrate is expressed as in equation 2 in the substrate.
【0010】[0010]
【数2】 (Equation 2)
【0011】このように、位相整合条件は基板と導波路
の屈折率の関係に関する不等式だけであり比較的緩いも
のである。ただし、数1は単に位相整合がとれる条件で
あり、高効率の変換のためには、更に厳しい条件が付加
される。それらの条件の一つに結合効率がある。As described above, the phase matching condition is only an inequality relating to the relationship between the refractive index of the substrate and the refractive index of the waveguide, and is relatively loose. However, Equation 1 is simply a condition for achieving phase matching, and more severe conditions are added for high-efficiency conversion. One of those conditions is coupling efficiency.
【0012】第2高調波は非線形光学媒質中で基本波の
電界強度の2乗に比例して発生するため、その電界強度
分布は基本波の電界強度分布の2乗に比例する。これ
が、位相整合のとれたチェレンコフ放射タイプのコヒー
レント光として放射されるには、発生した第2高調波の
電界分布がチェレンコフ放射モードの電界強度分布にな
っている場合が最も良い。すなわち、発生した第2高調
波の電界分布に比例している基本波の電界強度分布の2
乗と、位相整合のとれるチェレンコフ放射の第2高調波
の電界強度分布との重なり積分が大きいほど結合効率が
高くなり、変換効率が上がる。Since the second harmonic is generated in the nonlinear optical medium in proportion to the square of the electric field intensity of the fundamental wave, its electric field intensity distribution is proportional to the square of the electric field intensity distribution of the fundamental wave. In order to radiate this as coherent light of the phase-matched Cerenkov radiation type, it is best if the electric field distribution of the generated second harmonic is the electric field intensity distribution of the Cherenkov radiation mode. That is, the electric field intensity distribution of the fundamental wave, which is proportional to the electric field distribution of the generated second harmonic, is 2
The larger the integral of the power and the electric field intensity distribution of the second harmonic of the Cherenkov radiation that can be phase-matched, the higher the coupling efficiency and the higher the conversion efficiency.
【0013】導波路内に強い電界強度分布をもった基本
波を伝播させようとした場合、それぞれの屈折率にもよ
るが、だいたい0.6μm程度のかなり厚膜の導波路に
する必要があり、そのとき放射モードの高調波は導波路
内で電界が1回以上反転する場合が多い。この時の重な
り積分は、放射モードの電界が反転しているためにキャ
ンセルされてしまい大きくならないという問題点があっ
た。When trying to propagate a fundamental wave having a strong electric field intensity distribution in a waveguide, it is necessary to form a waveguide having a considerably thick film of about 0.6 μm, though it depends on the respective refractive indexes. At that time, in many cases, the electric field of the harmonic of the radiation mode is inverted once or more in the waveguide. There is a problem that the overlap integral at this time is canceled out because the electric field of the radiation mode is inverted and does not increase.
【0014】モード結合理論をチェレンコフ放射型位相
整合波長変換素子に適応して、クラッド層の屈折率を考
慮した活性層(光導波路)内及び基板内の入射モード及
び放射モードの電磁場解析結果を図21に示す。この例
では、上述のC12PPyとアラキン酸とによるヘテロ
LB膜における数値を用いて解析を行った。モード結合
理論による解析とは、入射光と高調波光を基本伝播モー
ドで展開して、変換効率を理論的に導く解析手法であ
る。この解析では、入射光(基本波モード)と2次高調
波光(SHG放射モード)との間の重なり積分が重要な
役割を果たす。図31において、破線Rは基本波モード
電界の2乗、実線SはSHG放射モード電界、実線Tは
破線Rで示す基本波モード電界の2乗の符号を反転位置
Pで反転させた非線形分極波を示す。By applying the mode coupling theory to a Cherenkov radiation type phase matching wavelength conversion element, the electromagnetic field analysis results of the incident mode and the radiation mode in the active layer (optical waveguide) and the substrate in consideration of the refractive index of the cladding layer are shown. 21. In this example, analysis was performed using the numerical values of the above-mentioned hetero LB film of C12PPy and arachidic acid. The analysis based on the mode coupling theory is an analysis method in which the incident light and the harmonic light are developed in the fundamental propagation mode and the conversion efficiency is theoretically derived. In this analysis, the overlap integral between the incident light (fundamental mode) and the second harmonic light (SHG radiation mode) plays an important role. In FIG. 31, the broken line R is the square of the fundamental wave mode electric field, the solid line S is the SHG radiation mode electric field, and the solid line T is the nonlinear polarization wave obtained by inverting the sign of the square of the fundamental wave mode electric field indicated by the broken line R at the inversion position P. Is shown.
【0015】SHG変換効率は基本波により誘起される
非線形分極波とSHG放射モード界の重なり積分の2乗
に比例する。図31に示すように、多くの場合は活性層
内でSHG放射モード界が反転し、非線形分極波とSH
G放射モード界の重なり積分が両者の符号が異なるため
に互いにキャンセルして、モード結合効率即ち波長変換
効率を減少させていることがわかる。このことがチェレ
ンコフ放射位相整合波長変換素子の高効率化に対する大
きな問題点になっているのである。The SHG conversion efficiency is proportional to the square of the overlap integral of the nonlinear polarization wave induced by the fundamental wave and the SHG radiation mode field. As shown in FIG. 31, in many cases, the SHG radiation mode field is inverted in the active layer, and the nonlinear polarization wave and the SH
It can be seen that the overlap integral of the G radiation mode field cancels each other because their signs are different, and reduces the mode coupling efficiency, that is, the wavelength conversion efficiency. This is a major problem in improving the efficiency of the Cherenkov radiation phase matching wavelength conversion element.
【0016】結合効率を高めるため、図1に示すよう
に、基板上に所定の方向に非線形光学感受率の符号を揃
えた非線形光学材料と非線形光学感受率の符号を反転さ
せた非線形光学材料を配し、非線形光学感受率の反転構
造を導入するという手法については、ある特殊な材料系
についての計算例がある。In order to increase the coupling efficiency, as shown in FIG. 1, a non-linear optical material having a non-linear optical susceptibility code aligned in a predetermined direction and a non-linear optical material having a non-linear optical susceptibility code inverted on a substrate are provided. As for the method of arranging and introducing an inverted structure of the nonlinear optical susceptibility, there is a calculation example for a specific material system.
【0017】それは柳川、早田、小柴の報告で、「ドメ
イン反転構造によるチェレンコフ放射形波長変換素子の
高効率化」、電子通信学会論文誌VOL.J174─C
─I,NO.4,1991,PAGE119である。
(文献1)It is reported by Yanagawa, Hayata and Koshiba, "Improvement of efficiency of Cerenkov radiation type wavelength conversion device by domain inversion structure", IEICE Transactions Vol. J174─C
{I, NO. 4, 1991, PAGE 119.
(Reference 1)
【0018】ここで彼らは、非線形光学材料として、L
iNbO3 のプロトン交換光導波路について計算してい
る。この導波路は、1987に松下電器が高効率なチェ
レンコフ放射形第2高調波発生光導波素子として発表し
たものである。(文献2:谷内ら、「半導体レーザの第
二高調波発生」、応用物理、56巻、12、p.163
7(1987))この光導波路は、基板側にも非線形性
があり、導波路と基板の非線形光学定数が反転している
と第2高調波発生変換効率が向上するという議論は既に
知られていた。彼等は、導波路と基板の境界である、屈
折率不連続面(導波路層の厚さ)と非線形光学定数反転
面(非線形光学反転層の厚さ)を独立に動かして、各場
合における変換効率を計算している。この時、組合せの
一例として、導波路層で非線形光学定数が反転し、基板
も導波路の基板と接するドメインと同じ符号の非線形光
学定数を有する場合について計算しているが、基板に非
線形性がない場合については検討していない。又、計算
の主要部分が数値解析であるため、なぜ反転構造に効果
があるのかがあまり明確化されていない。Here, they describe L.sub.L as a nonlinear optical material.
Calculations are made for a proton exchange optical waveguide of iNbO 3 . This waveguide was announced in 1987 by Matsushita Electric as a highly efficient Cerenkov radiation type second harmonic generation optical waveguide element. (Reference 2: Taniuchi et al., “Second Harmonic Generation of Semiconductor Laser”, Applied Physics, Vol. 56, 12, p. 163)
7 (1987)) This optical waveguide also has non-linearity on the substrate side, and it is already known that the second harmonic generation conversion efficiency is improved if the nonlinear optical constants of the waveguide and the substrate are inverted. Was. They independently move the index discontinuity surface (waveguide layer thickness) and nonlinear optical constant inversion surface (nonlinear optical inversion layer thickness) at the boundary between the waveguide and the substrate, and in each case, Calculate the conversion efficiency. At this time, as an example of the combination, the calculation is performed for the case where the nonlinear optical constant is inverted in the waveguide layer and the substrate also has the nonlinear optical constant of the same sign as the domain in contact with the substrate of the waveguide. No case is considered. Also, since the main part of the calculation is a numerical analysis, it is not so clear why the inverted structure is effective.
【0019】一方、波長変換効率が大きい導波路型波長
変換素子を実現するには、非線形感受率が大なる材料系
が必要である。最近、有機非線形光学材料が高効率波長
変換素子のキー材料として注目されている。無機材料の
非線形光学現象が格子振動に起因しているのに対して、
有機材料ではπ電子の共役に起因するため、高い応答性
と大きい光学定数が得られ、その構造の多様性に材料開
発の期待がかけられている。これまで実際に無機材料を
凌ぐ非線形光学特性を示す有機非線形光学材料が得られ
ている。On the other hand, in order to realize a waveguide type wavelength conversion element having a large wavelength conversion efficiency, a material system having a large nonlinear susceptibility is required. Recently, organic nonlinear optical materials have attracted attention as key materials for high-efficiency wavelength conversion elements. Whereas nonlinear optical phenomena of inorganic materials are caused by lattice vibration,
In organic materials, high responsiveness and large optical constants can be obtained because of the conjugation of π electrons, and the variety of structures is expected to develop materials. Organic nonlinear optical materials exhibiting nonlinear optical characteristics actually exceeding those of inorganic materials have been obtained.
【0020】上記非線形光学材料を用いた導波路型非線
形光学素子(波長変換素子)を実現させるためには、非
線形性の大きい有機材料の薄膜導波路化が必須となる。
しかし、上述した有機材料の薄膜化技術はまだ検討段階
であり、現状では確立されていない。この有機材料の薄
膜化技術の有力な手法がラングミュア・ブロジェット法
(LB法)である。LB法により良好な有機薄膜を得る
には、両親媒性分子(分子内に親水性基と疎水性基とを
合わせ持つ)が必要である。非線形性が大きい有機低分
子材料を、LB法を用いて薄膜導波路化する試みは従来
多く成されてきたが、これまで良好な非線形特性を示す
有機薄膜が得られた例はまだ極めて少ない。In order to realize a waveguide type nonlinear optical element (wavelength conversion element) using the above-mentioned nonlinear optical material, it is essential to use an organic material having a large nonlinearity as a thin film waveguide.
However, the technique for thinning the organic material described above is still under study and has not been established at present. One of the most prominent techniques for thinning organic materials is the Langmuir-Blodgett method (LB method). In order to obtain a good organic thin film by the LB method, an amphiphilic molecule (having both a hydrophilic group and a hydrophobic group in the molecule) is required. Many attempts have been made to convert an organic low-molecular material having a large nonlinearity into a thin film waveguide using the LB method, but there have been very few examples of organic thin films exhibiting good nonlinear characteristics.
【0021】このような累積性に優れたLB膜材料とし
ては、例えばデジャー等によって“Ferroelectrics(フ
ェロエレクトリクス)”(1989年91巻193 〜207 頁)に
述べられているDCANP(2-docosylamino-5-nitropyr
idine 、2-ドコシルアミノ-5- ニトロピリジン)LB
膜、または江良等によって「応用物理(1991年60巻586
〜590 頁)」に述べられているC12PPy(5-(P-dode
cyloxy phenil)pyrazine-2-carboxylic acid、5-(p- ド
デシロキシ フェニル)ピラジン-2- カルボキシリック
アシッド)とアラキン酸とのヘテロLB膜の例があ
る。また、Bosshard等によって“Optics Communication
s (オプティクス・コミュニケーションズ)(1991年85
巻247 〜253 頁)”において、DCANP LB膜を用
いて作製した光導波路の非線形光学特性の評価結果が報
告されている。As such an LB film material having excellent accumulation properties, for example, DCANP (2-docosylamino-) described in "Ferroelectrics" (1989, Vol. 91, pp. 193 to 207) by Dejar et al. 5-nitropyr
idine, 2-docosylamino-5-nitropyridine) LB
"Applied Physics (Vol. 60 of 1991, 586)
Pp. 590) described in "C12PPy (5- (P-dode
There is an example of a hetero LB film of cyloxy phenil) pyrazine-2-carboxylic acid, 5- (p-dodecyloxyphenyl) pyrazine-2-carboxylic acid) and arachiic acid. "Optics Communication" by Bosshard et al.
s (Optics Communications) (1991 85
Vol. 247-253) ", reports the results of evaluating the nonlinear optical characteristics of an optical waveguide fabricated using a DCANP LB film.
【0022】しかしながら、これらの報告は特別なLB
膜材料を用いて、累積性の良好な比較的厚い有機薄膜を
作製し、光導波路特性を評価することに留まっており、
ナノメータオーダで分子層の制御が可能なLB法固有の
特徴を生かした波長変換素子の素子構造は全く検討され
ていない。However, these reports are based on a special LB
Using a film material, a relatively thick organic thin film with good accumulative properties is produced, and only the optical waveguide characteristics are evaluated.
No studies have been made on a device structure of a wavelength conversion device that makes use of a feature unique to the LB method, in which a molecular layer can be controlled on the order of nanometers.
【0023】[0023]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従
来、非線形感受率の反転構造の導入がどのように第2高
調波発生の変換効率に効果があるのかは明確ではなく、
反転構造の最適な導入位置を決定することは難しかっ
た。As described above, it is not clear how the introduction of the non-linear susceptibility inversion structure has an effect on the conversion efficiency of the second harmonic generation.
It was difficult to determine the optimal introduction position of the inverted structure.
【0024】そこで、本発明においては、モード結合理
論を発展させた計算方法にて算出した最適な位置に、ラ
ングミュア・ブロジェット法を用いて非線形光学分子を
配向させることによって確実に反転構造を導入する等、
より具体的な素子構造を提案し、第2高調波発生変換効
率を大幅に向上させた波長変換素子を提供することを目
的とする。Therefore, in the present invention, the inverted structure is surely introduced by orienting the nonlinear optical molecules at the optimum positions calculated by the calculation method developed from the mode coupling theory using the Langmuir-Blodgett method. Etc.
It is an object of the present invention to propose a more specific element structure and to provide a wavelength conversion element in which the second harmonic generation conversion efficiency is greatly improved.
【0025】[0025]
【課題を解決するための手段】本発明は上述の目的を達
成するために提案されたものである。本発明は、光伝播
部分が光導波路形状である波長変換素子において、光導
波路が2次の光学非線形性を有する材料で構成されてお
り、生成される第2高調波、和周波、または差周波が膜
厚方向に形成する定在波の節の部分で上記光導波路の非
線形光学定数の主要なテンソル成分の1つ以上が反転し
ているかまたは変わっていることを特徴とするものであ
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed to achieve the above-mentioned object. The present invention provides a wavelength conversion element in which a light propagation portion has an optical waveguide shape, wherein the optical waveguide is made of a material having a second-order optical nonlinearity, and a second harmonic, a sum frequency, or a difference frequency generated. Is characterized in that at least one of the main tensor components of the nonlinear optical constant of the optical waveguide is inverted or changed at the node of the standing wave formed in the film thickness direction.
【0026】本発明者等は、前述した既知の報告例とは
別な方法で非線形光学導波路内での基本波と第2高調波
の電界分布を解析した。光導波路の伝播モード解析に既
に実績のあるモード結合理論を更に発展させて、光導波
路部分を波源とする放射タイプの光に対しての光の電界
分布についての計算方法を確立し、それによりチェレン
コフ放射形の第2高調波について膜厚方向への電界分布
を計算した。この計算により、チェレンコフ放射形第2
高調波の電界が反転する位置(膜厚方向)が容易に算出
され、その部分で非線型定数を反転させれば大きな第2
高調波変換効率が得られることがわかった。(文献3:
H.Tamada,“Coupled−mode an
alysis of second harmonic
generation in the form o
f Cerenkov radiation from
a planar optical wavegui
de ”,IEEE J.of QE vol.27,
no.3,1991,pp.502 この元となる理論
は、A.Yariv,“Coupled−modeth
eory for guided−wave opti
cs”,IEEEJ of QE,vol.QE−9,
no.9,1973,pp.919))The present inventors analyzed the electric field distribution of the fundamental wave and the second harmonic in the nonlinear optical waveguide by a method different from the above-mentioned known report example. By further developing the mode coupling theory that has already been proven in the propagation mode analysis of optical waveguides, we established a calculation method for the electric field distribution of light for radiation type light with the optical waveguide part as the wave source. The electric field distribution in the film thickness direction was calculated for the radial second harmonic. By this calculation, the Cherenkov radiation type second
The position (in the thickness direction) where the electric field of the harmonic is inverted can be easily calculated.
It was found that harmonic conversion efficiency was obtained. (Reference 3:
H. Tamada, “Coupled-mode an
alysis of second harmonic
generation in the form o
f Cerenkov radiation from
a planar optical wavegui
de ", IEEE J. of QE vol.27,
no. 3,1991, pp. 502 The underlying theory is that Yariv, “Coupled-modeth
early for guided-wave opti
cs ", IEEEJ of QE, vol. QE-9,
no. 9, 1973, p. 919))
【0027】非線形光学定数の符号を反転させることが
変換効率向上の上では最大の効果を発揮するが、完全な
符号反転ではないため、非線形光学定数の絶対値が変化
している場合でも効果は現れる。そして、本発明は、こ
の計算に基づいた設計で導波路部が作製される。Inverting the sign of the nonlinear optical constant has the greatest effect in improving the conversion efficiency. However, since the sign is not completely inverted, even if the absolute value of the nonlinear optical constant is changed, the effect is not significant. appear. Then, according to the present invention, the waveguide section is manufactured with a design based on this calculation.
【0028】本発明の波長変換素子は、光導波路がラン
グミュア・ブロジェット法(LB法)を用いて非線形光
学分子を配向させて積層させることにより形成されたこ
とを特徴とするものである。The wavelength conversion element of the present invention is characterized in that the optical waveguide is formed by orienting and stacking non-linear optical molecules using the Langmuir-Blodgett method (LB method).
【0029】つまり、膜方向の反転構造をLB法による
膜を累積し作製する。例として、2─ドコシルアミノ─
5─ニトロピリジン(DCANP)のLB膜について示
す。2─ドコシルアミノ─5─ニトロピリジンの構造を
化1に示す。That is, a structure in which a film direction is inverted is formed by accumulating films by the LB method. For example, 2 {docosylamino}
The LB film of 5-nitropyridine (DCANP) is shown. The structure of 2-docosylamino-5-nitropyridine is shown in Chemical formula 1.
【0030】[0030]
【化1】 Embedded image
【0031】上記DCANPをY型のLB膜に形成する
と、両面の基板引上げ方向に強い非線形光学感受率テン
ソルを有する非線型光学薄膜がかなり厚い膜厚(1μm
〜)で形成できることは、既にDecherらが報告し
ており、その非線形・線形の光学的性質についてもGu
nterらが報告している。(文献4:G.Deche
r et.al.“Optical Second H
armonic Generation in Lan
gmuir−Blogett Films of No
vel Donor−accepter Substi
tuted Pyridine and Benzen
Derivatives”,Ferroelectr
ics,1989,vol.91,pp.193,文献
5:C.Bosshard et.al.,“Opti
cal waveguidingand nonlin
ear optics in high qualit
y 2−docosylamino−5−nitoro
pyridine Langmuir−Blogett
film”,Appl.Phys.Lett.vo
l.56(13),26 March 1990,p
p.1204)When the DCANP is formed on a Y-type LB film, the nonlinear optical thin film having a strong nonlinear optical susceptibility tensor in the pulling direction of the substrate on both sides has a considerably large thickness (1 μm).
~) Have already been reported by Decher et al., And their non-linear and linear optical properties have also been reported by Gu.
report. (Reference 4: G. Deche
r et. al. "Optical Second H
armonic Generation in Lan
gmuir-Blogett Films of No
vel Donor-acceptor Substi
tuted Pyridine and Benzen
Derivatives ", Ferroselectr
ics, 1989, vol. 91 pp. 193, Reference 5: C.I. Bosshard et. al. , "Opti
cal waveguiding and nonlin
ear optics in high qualit
y 2-docosylamino-5-nitoro
pyridine Langmuir-Blogett
film ", Appl. Phys. Lett. vo
l. 56 (13), 26 March 1990, p.
p. 1204)
【0032】上記DCANPをクロロホルムに溶解さ
せ、展開溶液を作製する。サブフェーズとして純水を満
たし、展開溶液を水面上に滴下し単分子層を形成した。
この際、実験系を室温より下げると、次第に圧縮してい
った時に膜が破壊しはじめる表面圧(コラプス表面圧)
が高くなり、きれいな単分子膜が形成される。The DCANP is dissolved in chloroform to prepare a developing solution. Pure water was filled as a subphase, and the developing solution was dropped on the water surface to form a monomolecular layer.
At this time, if the temperature of the experimental system is lowered below room temperature, the surface pressure at which the film starts to break when it is gradually compressed (collapse surface pressure)
And a clean monomolecular film is formed.
【0033】基板はシランカップリング剤を用いて疎水
処理をし、展開溶液中に降下させる。累積は基板下降時
より開始される。この方法で基板の両面にDCANP
LB膜が形成される。The substrate is subjected to a hydrophobic treatment using a silane coupling agent, and is dropped into a developing solution. The accumulation starts when the substrate is lowered. In this way, DCANP is applied to both sides of the substrate.
An LB film is formed.
【0034】図2はDCANP分子が基板上に累積した
状態を表すもので、DCANP分子は基板への累積時に
なんらかの強い配向力をうけ、基板降下時には疎水部が
基板側に向いて、引き込まれるように累積され、その時
も親水基にあるダイポールモーメントαは下に向かって
配列され、引上げ時には親水性の非線形光学性を有する
基が基板側に向き、そのダイポールモーメントβを下に
向けて配列するものと推定される。このようにダイポー
ルモーメントα,βが下を向くため非線形光学感受率配
向方向Cも下に向いている。FIG. 2 shows a state in which DCANP molecules accumulate on a substrate. When DCANP molecules accumulate on a substrate, they receive some strong alignment force, and when the substrate descends, the hydrophobic portion faces the substrate side and is drawn. The dipole moment α in the hydrophilic group is also arranged downward, and at the time of pulling up, the group having hydrophilic nonlinear optical properties faces the substrate side, and the dipole moment β is arranged downward. It is estimated to be. As described above, since the dipole moments α and β face downward, the orientation direction C of the nonlinear optical susceptibility also faces downward.
【0035】図3は、途中で基板を上下反転させてDC
ANP分子を累積させた状態を示すもので、反転前累積
膜でのダイポールモーメントγは上向きになり、それか
ら反転後累積膜ではダイポールモーメントδは下向きと
なるため、非線形光学感受率Cが逆転する。FIG. 3 shows that the substrate is turned upside down on
This shows a state in which ANP molecules are accumulated, and the dipole moment γ in the accumulated film before inversion becomes upward, and then the dipole moment δ in the accumulated film after inversion becomes downward, so that the nonlinear optical susceptibility C is reversed.
【0036】よって、計算によって算出されたチェレン
コフ放射形の第2高調波の電界が逆転する位置にて基板
を上下反転させて膜を累積させればよい。非線形光学感
受率が反転した構造のDCANP LB膜が形成され
る。Therefore, the film may be accumulated by inverting the substrate up and down at the position where the electric field of the second harmonic of the Cerenkov radiation type calculated by the calculation is reversed. A DCANP LB film having a structure in which the nonlinear optical susceptibility is inverted is formed.
【0037】このような構造で累積できる材料として、
DCANPの類似化合物として、C n+1 ─ANP(n≧
20:化2に示す。)、Cn+1 −MNA(n≧20:化
3に示す。)、Cn+1 −PNA(n≧20:化4に示
す。)がある。なお、Cn+1 −MNA(n≧20:化3
に示す。)、Cn+1 −PNA(n≧20:化4に示
す。)については非線形光学材料として別途、特許出願
申請中である。As a material that can be accumulated by such a structure,
As analogs of DCANP, C n + 1─ANP (n ≧
20: Shown in Chemical Formula 2. ), Cn + 1−MNA (n ≧ 20: formula
3 is shown. ), Cn + 1-PNA (n ≧ 20: shown in Chemical formula 4)
You. ). Note that Cn + 1-MNA (n ≧ 20: Chemical formula 3)
Shown in ), Cn + 1-PNA (n ≧ 20: shown in Chemical formula 4)
You. ) For non-linear optical material, patent application
Applying.
【0038】[0038]
【化2】 Embedded image
【0039】[0039]
【化3】 Embedded image
【0040】[0040]
【化4】 Embedded image
【0041】なお、この際、非線形光学感受率を反転さ
せることが、変換効率向上の効果において最大である
が、正確な180°回転でなく、例えば0、−1/2、
或いは符号を反転させないで単に値を1/2にするよう
な場合でも効果はある。DCANP LB膜では、90
°回転させて次の累積を行うことで、非線形光学定数が
0になるような場合を実際に作製し、この場合において
も、変換効率向上に効果があることを確かめた。In this case, inverting the non-linear optical susceptibility is the largest in terms of the effect of improving the conversion efficiency, but it is not an accurate 180 ° rotation but, for example, 0, -1/2,
Alternatively, the effect is also obtained when the value is simply reduced to 1/2 without inverting the sign. For the DCANP LB film, 90
A case where the nonlinear optical constant became 0 was actually manufactured by performing the next accumulation by rotating the rotation, and it was confirmed that in this case also, the conversion efficiency was improved.
【0042】すなわち、 このDCANP LB膜の対
称性が点群2mmに属しているために、非線形光学定数
のテンソルは数3で示される形に表される(DCANP
LB膜の座標のとりかたは図4に示されている。)。
このテンソルは、よく知られているように、数4に示す
非線形分極ベクトルを基本波の電界ベクトルから計算す
る行列式の中で使われる表示法で記述されている。That is, since the symmetry of the DCANP LB film belongs to the point group 2 mm, the tensor of the nonlinear optical constant is expressed by the following equation (3)
FIG. 4 shows how to obtain the coordinates of the LB film. ).
As is well known, this tensor is described by a notation used in a determinant for calculating the nonlinear polarization vector shown in Expression 4 from the electric field vector of the fundamental wave.
【0043】[0043]
【数3】 (Equation 3)
【0044】[0044]
【数4】 (Equation 4)
【0045】ここで基板を上下反転して累積を続けるこ
とは、数学的にはy軸(膜厚方向軸)を中心として18
0度回転操作を行うことになり、反転以後の非線形光学
定数のテンソルは数5で示される。主要成分であるz方
向の対角テンソルd33が反転されることは明らかであ
る。Here, to continue the accumulation by inverting the substrate, mathematically, it is necessary to rotate the substrate around the y-axis (the axis in the film thickness direction).
The rotation operation is performed by 0 degrees, and the tensor of the nonlinear optical constant after inversion is represented by Expression 5. It is clear that z-direction of the diagonal tensor d 33 is the main component is inverted.
【0046】[0046]
【数5】 (Equation 5)
【0047】もし、この際、基板の回転が正確に180
度の反転ではなく角度φ(0<φ≦180度)である場
合について考察する(図5)。全てのテンソル成分を考
慮すると煩雑になるので、DCANP LB膜で最も大
きいテンソル成分であるd33(またはdzzz とも呼ばれ
る)の角度φに対する変化だけを数6に示す。ここで、
d31やd15はd33に比べて小さいので無視しておく。At this time, if the rotation of the substrate is exactly 180
Consider the case where the angle is φ (0 <φ ≦ 180 degrees) instead of the degree reversal (FIG. 5). Since it becomes complicated when all the tensor components are considered, only the change with respect to the angle φ of d 33 (also called d zzz ), which is the largest tensor component in the DCANP LB film, is shown in Equation 6. here,
d 31 and d 15 is left ignored because small compared to d 33.
【0048】[0048]
【数6】 (Equation 6)
【0049】今、SHG放射モードが導波層の中で一回
反転しているとして、重なり積分(I)を放射モード電
界が反転している位置で上層の成分(−I1 )と下層
(基板側)の成分(I2 )に分けて、上の層の累積方向
が下の層の累積方向(こちらを基準の座標系にする)に
対してφ傾いた時の重なり積分は、数7のように表され
る。Now, assuming that the SHG radiation mode is inverted once in the waveguide layer, the overlap integral (I) is determined by comparing the upper layer component (-I 1 ) and the lower layer (-I 1 ) at the position where the radiation mode electric field is inverted. When the cumulative direction of the upper layer is inclined by φ with respect to the cumulative direction of the lower layer (this is used as a reference coordinate system), the overlap integral is expressed by the following equation (I 2 ). It is represented as
【0050】[0050]
【数7】 (Equation 7)
【0051】ここでは、I1 >0,I2 >0で表記して
いる。後述の実施例5の場合の条件のI,−I1 cos
3φ,I2 及び変換効率のφに対する変化を図26に示
した。φ=180度の回転操作、すなわち反転操作が最
も重なり積分、ひいては重なり積分の2乗に比例する変
換効率を高める上で効果的であるが、0度でない回転操
作をすることも殆どの回転角で効果があることが分か
る。実際にφ=170度程度では、φ=180度と比
べ、変換効率で1割程度しか低下しない。In this case, I 1 > 0 and I 2 > 0. I, −I 1 cos of the condition in the case of Example 5 described later
3 phi, as shown in FIG. 26 changes to the phi of I 2 and conversion efficiency. The rotation operation of φ = 180 degrees, that is, the inversion operation is most effective in increasing the conversion efficiency proportional to the square of the overlap integral and the overlap integral, but the rotation operation other than 0 degree is also effective for most rotation angles. It turns out that it is effective. Actually, at about φ = 170 degrees, the conversion efficiency is reduced by only about 10% compared to φ = 180 degrees.
【0052】さらに、本発明の波長変換素子は、基板上
に、非線形光学特性を有する有機薄膜が積層されて成る
活性層を有し、上記活性層で2次の非線形光学感受率χ
(2)の向きが上記活性層の厚さ方向について少なくとも
1カ所で反転もしくは変更されて成り、チェレンコフ放
射型のSHGが起きる屈折率条件を満たし、且つ、チェ
レンコフ角が0度になる極限の活性層厚さにおいて、S
HG導波モードと基本波導波モードとの位相整合条件
が、SHG導波モードのカットオフポイントにおいて満
足されることを特徴とするものである。Further, the wavelength conversion element of the present invention has an active layer in which an organic thin film having nonlinear optical characteristics is laminated on a substrate, and the active layer has a second-order nonlinear optical susceptibility.
The direction of (2) is reversed or changed at least at one position in the thickness direction of the active layer, and satisfies the refractive index condition under which the Cherenkov radiation type SHG occurs, and has an extreme activity in which the Cherenkov angle is 0 degree. In layer thickness, S
The phase matching condition between the HG guided mode and the fundamental wave guided mode is satisfied at a cutoff point of the SHG guided mode.
【0053】また、この波長変換素子10は、その一例
の略線的拡大断面図を図6に示すように、基板1上に、
非線形光学特性を有する有機薄膜が積層されてなる活性
層2を有し、この活性層2で2次の非線形光学感受率χ
(2) の向きが活性層2の厚さ方向について少なくとも1
カ所反転もしくは変更されてなり、この活性層2の上
に、屈折率が基板1の屈折率より小さい有機材料よりな
るクラッド層3を積層して構成するものである。As shown in FIG. 6, an enlarged schematic cross-sectional view of one example of the wavelength conversion element 10
An active layer 2 is formed by stacking organic thin films having nonlinear optical characteristics, and the active layer 2 has a second-order nonlinear optical susceptibility.
The direction of (2) is at least one in the thickness direction of the active layer 2.
The cladding layer 3 made of an organic material having a refractive index smaller than that of the substrate 1 is laminated on the active layer 2.
【0054】本発明波長変換素子10は、図6に示すよ
うに、有機薄膜よりなる活性層2で2次の非線形光学感
受率χ(2) の向きが活性層2の厚さ方向について少なく
とも1回反転されてなることから、予め計算によって算
出していたSHG放射モード界の反転位置を算出してお
き、この反転位置Pにおいて、例えば矢印x1 及びx 2
で示すように、非線形性活性な分子の双極子モーメント
の向き(非線形光学感受率χ(2) の向き)を、膜厚方向
に向かって180°回転するように設けられるため、活
性層2内で非線形分極波とSHG放射モード界の重なり
積分が互いにキャンセルすることを回避できる。これに
より、基本波により誘起される非線形分極波とSHG放
射モード界の重なり積分の2乗を大きくすることがで
き、SHG変換効率の向上を図ることができる。The wavelength conversion element 10 of the present invention is shown in FIG.
As described above, the active layer 2 made of an organic thin film has a second order nonlinear optical sensitivity.
Receipt rateχ(2)Is less in the thickness direction of the active layer 2
Are calculated once in advance because they are inverted once.
Calculate the reversal position of the SHG radiation mode field
At this reversal position P, for example, the arrow x1And x Two
As shown in the figure, the dipole moment of a nonlinear active molecule
Direction (nonlinear optical susceptibility χ(2)Direction), the film thickness direction
Is provided so as to rotate 180 ° toward
Of non-linear polarization wave and SHG radiation mode field in conductive layer 2
It is possible to avoid that the integration cancels each other. to this
The nonlinear polarization wave induced by the fundamental wave and the SHG emission
It is possible to increase the square of the overlap integral of the firing mode field.
Therefore, the SHG conversion efficiency can be improved.
【0055】一方、チェレンコフSHGのSHG変換効
率を下記の(1)式に示す。 P2W/PW = (1/2)πlω2 pW ε0 2|∫dzzz Ez 2 E’z dy|2 cotθ ・・・(1) 但し、P2WはSHGパワー線密度、PW は基本波パワー
線密度、lは導波路長、ωは基本波周波数、EZ は基本
波導波モードの電界、E’Z はSHG放射モードの電
界、dZZZ は非線形光学定数、θはチェレンコフ角を示
す。またこの(1)式において∫dzzz Ez 2 E’z d
yは重なり積分(IQV)を示す。On the other hand, the SHG conversion efficiency of Cherenkov SHG is shown by the following equation (1). P 2W / P W = (1/2) πlω 2 p W ε 0 2 | ∫d zzz E z 2 E ′ z dy | 2 cot θ (1) where P 2W is the SHG power linear density and P W Is the fundamental power linear density, l is the waveguide length, ω is the fundamental frequency, EZ is the electric field in the fundamental wave guided mode, E ' Z is the electric field in the SHG radiation mode, d ZZZ is the nonlinear optical constant, and θ is the Cherenkov angle. Is shown. Also, in this equation (1), ∫d zzz E z 2 E ′ z d
y indicates the overlap integral (I QV ).
【0056】そして更にこの活性層2の上に、屈折率が
基板1の屈折率より小さい有機材料よりなるクラッド層
3を積層して構成することから、クラッド層が存在しな
い場合即ち活性層2の上部が空気層である場合に比し、
非線形分極波とSHG放射モード界との重なり積分を減
少させることなく、cotθの値を増大させることがで
き、その結果として、SHG強度を大とすることができ
た。図8においてこのようなSHG強度の活性層の膜厚
に対する依存性を示す。図8においてaは活性層2上に
クラッド層3を設ける場合、bはクラッド層を設けない
場合を示す。この結果からわかるように、クラッド層3
を設けることによって、クラッド層を設けない場合に比
し高いSHG強度を得ることができると共に、最大強度
を得る活性層の膜厚を小とすることができる。Further, since the cladding layer 3 made of an organic material having a refractive index smaller than that of the substrate 1 is laminated on the active layer 2, if the cladding layer does not exist, that is, the active layer 2 Compared to the case where the upper part is an air layer,
The value of cotθ could be increased without reducing the overlap integral between the nonlinear polarization wave and the SHG radiation mode field, and as a result, the SHG intensity could be increased. FIG. 8 shows the dependency of the SHG intensity on the thickness of the active layer. In FIG. 8, a shows the case where the clad layer 3 is provided on the active layer 2, and b shows the case where no clad layer is provided. As can be seen from this result, the cladding layer 3
By providing, it is possible to obtain a higher SHG intensity as compared with the case where the cladding layer is not provided, and it is possible to reduce the thickness of the active layer for obtaining the maximum intensity.
【0057】図8中aにおいてSHG強度が発散的に増
大するのはチェレンコフ角が0の極限に集束していくた
め、cotθが発散的に増大するからである。この物理
的意味としては、チェレンコフSHG放射モードが1次
のSHG導波モードに漸近していく極限と考えることが
できる。In FIG. 8A, the reason why the SHG intensity increases divergently is that cot θ divergently increases because the Cherenkov angle converges to the limit of 0. In terms of this physical meaning, it can be considered that the limit is such that the Cherenkov SHG radiation mode asymptotically approaches the first-order SHG waveguide mode.
【0058】逆に、チェレンコフ角が0に近づく際、S
HG放射モードがSHG導波モードに漸近しない光学条
件では、SHG放射モードの活性層内での電界振幅は、
急激に小さくなり、変換効率も、チェレンコフ角が0に
近づくに連れ急激に小さくなる。Conversely, when the Cherenkov angle approaches zero, S
Under optical conditions in which the HG radiation mode does not asymptotically approach the SHG waveguide mode, the electric field amplitude in the active layer of the SHG radiation mode is
The conversion efficiency sharply decreases, and the conversion efficiency also rapidly decreases as the Cherenkov angle approaches zero.
【0059】実際上、チェレンコフ角が0に近づく際、
SHG放射モードがSHG導波モードに漸近し一致する
光学条件は、光学条件の中の有限の範囲として示される
ものではないため、それを達成することは不可能である
が、できるだけ近づけることにより、よりチェレンコフ
角が浅い条件で、より大きな変換効率が達成できる。図
9には、チェレンコフ角が0に近づく際、SHG放射モ
ードがSHG導波モードに漸近する場合の光学条件が満
たされた導波路における、チェレンコフ角が0の極限で
の電界分布を示す。光学条件は表1に示す。つまり、表
1は、チェレンコフ角が0に近づく際にSHG放射モー
ドがSHG導波路型モードに漸近する光学条件が満たさ
れる、活性層、基板、クラッド層の屈折率の組み合わせ
の一例を示したものであり、図9及び図10の計算条件
である。In practice, when the Cherenkov angle approaches zero,
The optical conditions in which the SHG radiation mode asymptotically matches the SHG waveguide mode are not shown as a finite range in the optical conditions, so it is impossible to achieve it, but by bringing them as close as possible, Greater conversion efficiency can be achieved under conditions where the Cherenkov angle is smaller. FIG. 9 shows the electric field distribution at the limit where the Cherenkov angle is 0 in a waveguide satisfying the optical conditions when the SHG radiation mode gradually approaches the SHG waveguide mode when the Cherenkov angle approaches 0. The optical conditions are shown in Table 1. That is, Table 1 shows an example of the combination of the refractive index of the active layer, the substrate, and the cladding layer, which satisfies the optical condition that the SHG radiation mode asymptotically approaches the SHG waveguide mode when the Cherenkov angle approaches 0. This is the calculation condition of FIGS. 9 and 10.
【0060】[0060]
【表1】 [Table 1]
【0061】ここに示されるSHG放射モードの電界分
布は、いわゆる導波路のカットオフポイント厚さにおけ
る、1次のSHG導波モードの電界分布であることは明
らかである。更にこの光学条件での、いわゆるモード分
散曲線を計算した結果を図10に示す。つまり図10は
チェレンコフ角が0に近づく際にSHG放射モードがS
HG導波モードに漸近する光学条件が満たされた導波路
における、モード分散曲線を示す。実線カーブが基本波
導波モード、破線カーブがSHG導波モードである。It is apparent that the electric field distribution of the SHG radiation mode shown here is the electric field distribution of the first-order SHG waveguide mode at the so-called waveguide cut-off point thickness. FIG. 10 shows the result of calculating a so-called mode dispersion curve under these optical conditions. That is, FIG. 10 shows that when the Cherenkov angle approaches 0,
5 shows a mode dispersion curve in a waveguide satisfying an optical condition asymptotic to an HG waveguide mode. The solid curve is the fundamental wave guiding mode, and the broken curve is the SHG waveguide mode.
【0062】基本波0次の導波モードがSHGの1次の
導波モードに、そのカットオフポイントにおいて一致し
ている。これはカットオフポイントにおける導波モード
SHGの位相整合条件であることを示している。The zero-order guided mode of the fundamental wave coincides with the first-order guided mode of SHG at its cutoff point. This indicates that this is the phase matching condition of the waveguide mode SHG at the cutoff point.
【0063】この図から明らかなように、基板の基本波
及びSHG波長における屈折率を調整することで、この
条件に近づけていくことができるし、またクラッドを空
気以外の透明材料で形成して屈折率を変えることでも調
整が可能である。As is clear from this figure, this condition can be approached by adjusting the refractive index of the substrate at the fundamental wave and the SHG wavelength, and the cladding can be formed of a transparent material other than air. Adjustment is also possible by changing the refractive index.
【0064】DCANP LB膜において、この条件
(チェレンコフ角が0に近づく際にSHG放射モードが
SHG導波モードに漸近する光学条件)が満足される基
板の基本波及びSHG波長における屈折率間の関係を図
11に示した。実線がその関係を示しているが、ここで
は、クラッドの屈折率を1(空気)、1.3、1.4
(有機ポリマー)の一例を示したものであり、他の屈折
率においても容易に計算される。ここで白丸で示した点
は各種ガラスの基本波波長(1.064nm)とSHG
波長(532nm)での屈折率の関係を示している。こ
の場合、例えば、C7ガラス(ホヤ社製)を基板に、C
YTOP(旭ガラス社製 フッソポリマー,屈折率1.
34)をクラッドとする系、またはPC2(ホヤ社製)
ガラス基板に、ポリ(トリフルオロエチルメタクリレー
ト,屈折率1.43)をクラッドとする系が適してい
る。これはもちろん、他の基本波波長(例えば、半導体
レーザの波長である800〜1000nm)においても
容易に計算され、材料選択と導波路の設計が可能とな
る。In the DCANP LB film, the relationship between the fundamental wave of the substrate and the refractive index at the SHG wavelength that satisfies this condition (optical conditions under which the SHG radiation mode gradually approaches the SHG waveguide mode when the Cherenkov angle approaches 0). Is shown in FIG. The solid line shows the relationship. Here, the refractive index of the clad is set to 1 (air), 1.3, 1.4.
(Organic polymer) is shown as an example, and other refractive indexes can be easily calculated. Here, the points indicated by open circles indicate the fundamental wave wavelength (1.064 nm) of various glasses and SHG.
The relation of the refractive index at the wavelength (532 nm) is shown. In this case, for example, C7 glass (manufactured by Hoya Co., Ltd.)
YTOP (Fluoropolymer manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., refractive index 1.
34) Cladding system or PC2 (manufactured by Hoya Corporation)
A system in which poly (trifluoroethyl methacrylate, refractive index: 1.43) is clad on a glass substrate is suitable. This is, of course, easily calculated at other fundamental wavelengths (for example, 800 to 1000 nm, which is the wavelength of a semiconductor laser), so that material selection and waveguide design are possible.
【0065】また、カットオフポイントにおける導波モ
ードSHGの位相整合条件をとることでチェレンコフ放
射SHGの変換効率が非常に強くなるということはこの
χ(2 ) を膜厚方向に反転分布させたLB膜導波路の場合
ばかりでなく、一般のあらゆる材料系、素子構成でのチ
ェレンコフ放射型のSHG素子において成り立つことで
ある。The fact that the conversion efficiency of the Cherenkov radiation SHG becomes very strong by taking the phase matching condition of the waveguide mode SHG at the cut-off point means that the LB (2 ) is inverted in the film thickness direction. This is true not only in the case of a film waveguide, but also in a Cherenkov radiation type SHG element of any general material system and element configuration.
【0066】ところで、本発明においては上述の波長変
換素子10のクラッド層3の厚さは特に規定はないが、
1μm以上として構成すれば、略バルク状態の屈折率と
同じになり、また、クラッドとその外側(通常は空気)
との界面の表面性の影響も小さくなり、作製上有利であ
る。In the present invention, the thickness of the cladding layer 3 of the wavelength conversion element 10 is not particularly limited,
If the thickness is set to 1 μm or more, the refractive index becomes substantially the same as that of a bulk state, and the clad and its outside (usually air)
The influence of the surface property of the interface with the substrate is reduced, which is advantageous in manufacturing.
【0067】さらにこの波長変換素子10のクラッド層
3は、スピンコート膜より構成することが好ましい。ス
ピンコート膜により構成することによって、LB膜の膜
厚を均一化すること及び信頼性を高めることができて、
より高いSHG変換効率を得ることができる。Further, it is preferable that the cladding layer 3 of the wavelength conversion element 10 be constituted by a spin coat film. By using a spin coat film, the thickness of the LB film can be made uniform and the reliability can be increased.
Higher SHG conversion efficiency can be obtained.
【0068】また、上述の波長変換素子10の活性層2
を、2−ドコシルアミノ−5−ニトロピリジン(DCA
NP)か、N−ドコシル−2−メチル−4−ニトロアニ
リン(DCMNA)か、或いはN−ドコシル−パラニト
ロアニリン(DCPNA)のうち1種の材料よりなるラ
ングミュア・ブロジェット膜(LB膜)により構成する
ことが好ましい。The active layer 2 of the wavelength conversion element 10 described above
With 2-docosylamino-5-nitropyridine (DCA)
NP), N-docosyl-2-methyl-4-nitroaniline (DCMNA), or a Langmuir-Blodgett membrane (LB membrane) made of one of N-docosyl-paranitroaniline (DCPNA). It is preferable to configure.
【0069】上述のDCANP、DCMNA或いはDC
PNAのうち1種の材料より成るLB膜により構成する
ことによって、従来のSHG素子に比して格段に高いS
HG強度を得ることができた。即ちLB膜においては、
有機薄膜を分子層単位で制御することができるため、分
子層単位で双極子モーメントの向きを制御することがで
きる。従って、活性層をこれらの有機薄膜材料より成る
LB膜により構成する本発明によれば、活性層の双極子
モーメントを、SHG放射モード界の符号の反転位置P
で精度良く反転させることができ、SHG効率を大幅に
向上することができるものである。The above-described DCANP, DCMNA or DC
By using an LB film made of one type of material among PNAs, a significantly higher S than that of a conventional SHG element can be achieved.
HG intensity could be obtained. That is, in the LB film,
Since the organic thin film can be controlled in units of molecular layers, the direction of the dipole moment can be controlled in units of molecular layers. Therefore, according to the present invention in which the active layer is constituted by the LB film made of these organic thin film materials, the dipole moment of the active layer is changed to the inversion position P of the sign of the SHG radiation mode field.
Can be inverted with high accuracy, and the SHG efficiency can be greatly improved.
【0070】また、本発明に係る波長変換素子10の製
造方法としては、Y型ラングミュア・ブロジェット法を
用いて非線形光学分子を配向させて積層させる際に、非
線形光学分子の単分子層を展開した水面に対して基板1
を垂直方向に降下及び引き上げを繰り返し、所定回数繰
り返す毎に基板1を所定角回転させて、膜面に平行方向
に2次の光学非線形性を有し第2高調波、和周波、また
は差周波が膜厚方向に形成する定在波の節の部分或いは
該節近傍で2次の光学非線形分極感受率テンソルχ
(2)の1つ以上の成分の符号が反転されている活性層
2を累積し、累積された活性層2上に屈折率が基板1の
屈折率より小である有機材料からなるクラッド層3を積
層する。これにより、活性層の双極子モーメントをSH
G放射モード界の符号の反転位置Pで精度よく反転させ
ることができ、SHG効率を大幅に向上できる。またこ
こで、累積形成する活性層には、単一の非線形光学分子
を用いる。Further, as a method of manufacturing the wavelength conversion element 10 according to the present invention, when a non-linear optical molecule is oriented and laminated using a Y-type Langmuir-Blodgett method, a monolayer of the non-linear optical molecule is developed. Substrate 1 against the water surface
The substrate 1 is rotated by a predetermined angle each time a predetermined number of times is repeated, and the substrate 1 has a second-order optical non-linearity in a direction parallel to the film surface and has a second harmonic, a sum frequency, or a difference frequency. Is at or near the node of the standing wave formed in the film thickness direction, the second-order optical nonlinear polarization susceptibility tensor χ
The active layer 2 in which the sign of one or more components of (2) is inverted is accumulated, and a clad layer 3 made of an organic material having a refractive index smaller than that of the substrate 1 is accumulated on the accumulated active layer 2. Are laminated. Thereby, the dipole moment of the active layer is reduced to SH.
The inversion can be accurately performed at the inversion position P of the sign of the G radiation mode field, and the SHG efficiency can be greatly improved. Here, a single nonlinear optical molecule is used for the active layer to be formed cumulatively.
【0071】[0071]
【0072】[0072]
【0073】[0073]
【0074】[0074]
【0075】[0075]
【作用】光伝播部分が光導波路形状である波長変換素子
において、光導波路部の膜厚方向に非線形光学感受率の
符号が反転した構造であって、その反転位置がチェレン
コフ放射モードの第2高調波の電界分布の節の付近であ
ると、重なり積分でキャンセルされていたものが、積算
されることになって、結合定数が大幅に上がり、第2高
調波発生変換効率が大きく向上する。In a wavelength conversion element in which a light propagation portion has an optical waveguide shape, the sign of the nonlinear optical susceptibility is inverted in the thickness direction of the optical waveguide portion, and the inverted position is the second harmonic of the Cherenkov radiation mode. In the vicinity of the node of the electric field distribution of the wave, what has been canceled by the overlap integration is integrated, so that the coupling constant is greatly increased and the second harmonic generation conversion efficiency is greatly improved.
【0076】この際、本発明において提案されたモード
結合理論を発展させた計算方法によってチェレンコフ放
射形の第2高調波の電界が逆転する位置を算出し、LB
法を用いて、その位置で非線形光学分子の非線形光学感
受率の符号を反転させれば、従来の波長変換素子より第
2高調波発生変換効率が大幅に向上した導波路を有する
波長変換素子を提供できる。At this time, the position at which the electric field of the second harmonic of the Cherenkov radiation type is reversed is calculated by a calculation method which is based on the mode coupling theory proposed in the present invention, and LB
By inverting the sign of the nonlinear optical susceptibility of the nonlinear optical molecule at that position using the method, a wavelength conversion element having a waveguide whose second harmonic generation conversion efficiency is significantly improved compared to the conventional wavelength conversion element can be obtained. Can be provided.
【0077】この構造は、第2高調波発生波長変換素子
だけでなく、光混合による和周波数、差周波数発生、パ
ラメトリック発振など、偶数次の非線形光学感受率が関
与する現象に於いてその発生効率向上にも有効である。This structure is effective not only for the second harmonic generation wavelength conversion element but also for the phenomena involving even-order non-linear optical susceptibility such as sum frequency, difference frequency generation and parametric oscillation due to light mixing. It is also effective for improvement.
【0078】また、チャンネル型導波路の場合、膜厚方
向だけでなく導波路の幅方向にも非線形光学感受率が反
転した構造とすれば、膜面内で導波路に対して、チャレ
ンコフ放射される高調波の効率を向上する場合にも有効
となる。更に、スラブ型やチャンネル型などの薄膜から
形成する導波路に限らず、ファイバー型の導波路に於い
ても、そのコア部分を同心円上に周期的に非線形感受率
を反転させた多層構造とすることも有効である。In the case of the channel type waveguide, if the nonlinear optical susceptibility is inverted not only in the film thickness direction but also in the width direction of the waveguide, Chalenkov radiation is emitted to the waveguide in the film plane. This is also effective when improving the efficiency of higher harmonics. Furthermore, not only waveguides formed from thin films such as slab type or channel type, but also fiber type waveguides, the core portion has a multilayer structure in which the nonlinear susceptibility is periodically inverted on a concentric circle. It is also effective.
【0079】予め計算によって求めたSHG放射モード
界の符号反転位置において、活性層の双極子モーメント
を反転させることによって、基本波により誘起される非
線形分極波とSHG放射モード界の重なり積分の2乗を
大きくすることができると共に、この活性層の上にクラ
ッド層を設けること等によって、チェレンコフ角が0に
近づく際SHG放射モードがSHG導波モードに漸近し
一致する光学条件により近づけて、SHG変換効率を従
来構成のSHG素子に比し1桁程度以上高めることがで
きる。By inverting the dipole moment of the active layer at the sign inversion position of the SHG radiation mode field obtained in advance by calculation, the square of the overlap integral of the nonlinear polarization wave induced by the fundamental wave and the SHG radiation mode field is obtained. And by providing a cladding layer on the active layer, the SHG radiation mode asymptotically approaches the SHG waveguide mode when the Cherenkov angle approaches 0, and is brought closer to the optical conditions that coincide with the SHG waveguide mode. Efficiency can be improved by about one digit or more compared to the SHG element of the conventional configuration.
【0080】また、クラッド層の膜厚を1μm以上とす
ることによって、光の閉じ込め効果を大として、より高
いSHG変換効率を得ることができる。By setting the thickness of the cladding layer to 1 μm or more, the effect of confining light is increased and higher SHG conversion efficiency can be obtained.
【0081】また上述のクラッド層をスピンコート膜に
より構成することによって、LB膜の膜厚を均一化する
ことができて、より高いSHG変換効率を得ることがで
きる。Further, by forming the above-mentioned clad layer by a spin coat film, the thickness of the LB film can be made uniform, and higher SHG conversion efficiency can be obtained.
【0082】更にまた、上述の波長変換素子10の活性
層2を、DCANP、DCMNA或いはDCPNAのう
ち1種の材料より成るLB膜により構成することによっ
て、これら有機薄膜材料より成る活性層の双極子モーメ
ントを、SHG放射モード界の符号が反転する位置にお
いて分子層単位で精度良く反転させることができ、非線
形分極波とSHG放射モード界の重なり積分の2乗を大
とし、SHG効率を大幅に向上することができる。Further, by forming the active layer 2 of the wavelength conversion element 10 from an LB film made of one of DCANP, DCMNA and DCPNA, the dipole of the active layer made of these organic thin film materials can be obtained. The moment can be inverted with high accuracy at the molecular layer unit at the position where the sign of the SHG radiation mode field is reversed, and the square of the overlap integral of the nonlinear polarization wave and the SHG radiation mode field is increased, thereby greatly improving the SHG efficiency. can do.
【0083】また、波長変換素子10の製造方法として
は、Y型のラングミュア・ブロジェット法を用いて非線
形光学分子を配向させて積層させる際に、非線形光学分
子の単分子層を展開した水面に対して基板を垂直方向に
降下及び引き上げを繰り返し、所定回数繰り返す毎に基
板1を所定角回転させて、膜面に平行方向に2次の光学
非線形性を有し第2高調波、和周波、または差周波が膜
厚方向に形成する定在波の節の部分或いは該節近傍で2
次の光学非線形分極感受率テンソルχ(2)の1つ以上
の成分の符号が反転されている活性層2を累積し、累積
された活性層2上に屈折率が基板1の屈折率より小であ
る有機材料からなるクラッド層3を積層する。これによ
り、活性層2の双極子モーメントをSHG放射モード界
の符号の反転位置Pで精度よく反転させることができ、
SHG効率を大幅に向上できる。またここで、累積形成
する活性層には、単一の非線形光学分子を用いる。As a method of manufacturing the wavelength conversion element 10, when the non-linear optical molecules are oriented and laminated using the Y-type Langmuir-Blodgett method, the water surface on which the monomolecular layer of the non-linear optical molecules is developed On the other hand, the substrate is repeatedly lowered and raised in the vertical direction, and the substrate 1 is rotated by a predetermined angle each time the substrate is repeated a predetermined number of times, and has a second-order optical nonlinearity in a direction parallel to the film surface, a second harmonic, a sum frequency, Alternatively, at the node of the standing wave where the difference frequency is formed in the thickness direction or in the vicinity of the node, 2
The active layer 2 in which the sign of one or more components of the following optical nonlinear polarization susceptibility tensor χ (2) is inverted, and the refractive index is smaller than the refractive index of the substrate 1 on the accumulated active layer 2 The cladding layer 3 made of an organic material is laminated. Thereby, the dipole moment of the active layer 2 can be accurately inverted at the inversion position P of the sign of the SHG radiation mode field,
The SHG efficiency can be greatly improved. Here, a single nonlinear optical molecule is used for the active layer to be formed cumulatively.
【0084】[0084]
【0085】[0085]
【0086】[0086]
【0087】このように本発明波長変換素子によれば、
高性能波長変換素子を得ることができ、これにより短波
長のコヒーレント光源が実現され、このコヒーレント光
源を用いて大容量光ディスクシステムを実現することが
できる。As described above, according to the wavelength conversion element of the present invention,
It is possible to obtain a high-performance wavelength conversion element, thereby realizing a short-wavelength coherent light source, and realizing a large-capacity optical disk system using the coherent light source.
【0088】[0088]
【実施例】本発明の解析方法の特徴は、前述の文献3で
述べられているように、光導波路の伝播モード解析に既
に実績のあるモード結合理論を更に発展させて、光導波
路部分を波源とする放射タイプの光に対しての光の電界
分布についての計算法を確立し、それによりチェレンコ
フ放射形の第2高調波について膜厚方向への電界分布を
計算したことにある。この計算により、チェレンコフ放
射形の第2高調波の電界反転する位置(膜厚方向)が容
易に導出され、その部分で非線形定数を反転させれば大
きな第2高調波変換効果が得られる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The characteristic of the analysis method of the present invention is that, as described in the above-mentioned reference 3, the mode coupling theory which has already been proven in the propagation mode analysis of an optical waveguide is further developed, and the optical waveguide portion is converted into a wave source. The present invention has established a calculation method for the electric field distribution of light with respect to the radiation type light, and calculated the electric field distribution in the film thickness direction for the second harmonic of the Cherenkov radiation type. By this calculation, the position (in the film thickness direction) where the electric field of the second harmonic of the Cherenkov radiation type is inverted is easily derived, and a large second harmonic conversion effect can be obtained by inverting the nonlinear constant at that position.
【0089】さらに、実施例に示す2─ドコシルアミノ
─5─ニトロピリジン(DCANP)のLB膜につい
て、高度に累積する技術を確立し、前記反転構造実現の
ための方法を見出した点にある。以下、本発明に好適な
実施例について述べる。Further, the present invention is based on the finding that a technique for highly accumulating the LB film of 2-docosylamino-5-nitropyridine (DCANP) shown in the examples was established and a method for realizing the inverted structure was found. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
【0090】実施例1(計算例) 実施例として有機分子である化Gに示すDCANPをL
B法により累積した膜を光導波路としたスラブ型光導波
路の第2高調波発生波長変換素子について、Nd:YA
Gレーザ(波長1064nm)に合わせた膜構成の設計
の1例とその際、反転構造を非線形光導波路に導入する
ことで変換効率が大幅に向上することを示し、かつLB
膜の累積実験結果を示す。 Example 1 (Computation Example) As an example, DCANP shown in Chemical Formula G, which is an organic molecule, was converted to L
The second harmonic generation wavelength conversion element of the slab type optical waveguide using the film accumulated by the method B as the optical waveguide, Nd: YA
An example of a film configuration designed for a G laser (wavelength: 1064 nm) and, at that time, showing that the conversion efficiency is greatly improved by introducing an inversion structure into the nonlinear optical waveguide, and LB
3 shows the results of cumulative experiments of the film.
【0091】DCANP LB膜の線形及び2次非線形
の光学定数は表2に示した通りである。The linear and second-order nonlinear optical constants of the DCANP LB film are as shown in Table 2.
【0092】[0092]
【表2】 [Table 2]
【0093】図4はDCANP LB膜の非線形光学感
受率の方向を示すもので、基板上にDCANP LB膜
が累積されている場合、最も強い2次の非線形光学感受
率テンソルd33 がLB膜累積時引き上げ方向(ディッ
ピング時の引上げ方向)Dにあり、屈折率表現の座標系
ではZの方向である。そこで、このテンソルを有効に利
用するために、TEモードの基本波を入れて、TEモー
ドの放射型第2高調波を発生させるための設計をした。
チャレンコフ放射の基本条件を満足するための基板の屈
折率の条件は数1の通りである。光導波路の実効屈折率
はバルクの状態の屈折率よりも小さいが、とりあえずバ
ルクの値で代用して、許容される基板の屈折率は、基本
波波長1.064μmで1.58以下、第2高調波発生
波長532nmで1.58以上となる。FIG. 4 shows the direction of the nonlinear optical susceptibility of the DCANP LB film. When the DCANP LB film is accumulated on the substrate, the strongest second-order nonlinear optical susceptibility tensor d 33 becomes the LB film accumulation. It is in the time pulling direction (pulling direction at dipping) D, and is the Z direction in the coordinate system of the refractive index expression. Therefore, in order to effectively use this tensor, a design was made to generate a radiation mode second harmonic of the TE mode by inserting a fundamental wave of the TE mode.
The condition of the refractive index of the substrate for satisfying the basic condition of the Charenkov radiation is as shown in the following equation (1). Although the effective refractive index of the optical waveguide is smaller than the refractive index of the bulk state, the refractive index of the substrate is 1.58 or less at a fundamental wave wavelength of 1.064 μm. It becomes 1.58 or more at a harmonic generation wavelength of 532 nm.
【0094】図12は計算したスラブ型光導波路形状を
示すもので、基板として(株)HOYAのガラスPC2
を使い、その上にDCANP LB膜を厚さtが0.6
5μmとなるよう累積させた構造のスラブ型導波路であ
る。この時、基本波の入射方向は屈折率表現の座標系の
Xで示される。基本波のTE0 モードの電界の2乗の膜
厚方向の分布、これからチェレンコフ放射条件をみたし
て放射される第2高調波の電界分布を求めそれらの重な
り積分の値を求めた。PC2ガラスの屈折率を表3に示
す。FIG. 12 shows the calculated slab type optical waveguide shape, and a glass PC2 of HOYA CORPORATION was used as a substrate.
And a DCANP LB film is formed thereon with a thickness t of 0.6.
This is a slab-type waveguide having a structure accumulated to 5 μm. At this time, the incident direction of the fundamental wave is indicated by X in the coordinate system of the refractive index expression. The square of the thickness direction of the distribution of the electric field of the TE 0 mode of the fundamental wave to obtain the second value of the electric field distribution of the determined overlap their integral harmonics radiated satisfies therefrom Cherenkov radiation conditions. Table 3 shows the refractive index of PC2 glass.
【0095】[0095]
【表3】 [Table 3]
【0096】図13に、具体的設計例として、導波路内
での各膜厚における基本波の電界の2乗分布すなわち基
本波から発生する第2高調波電界分布E及び伝播するチ
ェレンコフ放射条件を満たす第2高調波電界分布Fを示
す。ハッチングで示される部分が非線形導波路内である
膜厚bでの非線形分極波強度分布である。FIG. 13 shows, as a specific design example, the square distribution of the electric field of the fundamental wave at each film thickness in the waveguide, that is, the second harmonic electric field distribution E generated from the fundamental wave and the Cherenkov radiation conditions for propagation. The second harmonic electric field distribution F to be satisfied is shown. The portion indicated by hatching is the nonlinear polarization wave intensity distribution at the film thickness b in the nonlinear waveguide.
【0097】発生する第2高調波の電界分布E及びチェ
レンコフ放射条件を満たす第2高調波電界分布Fとの重
なり積分の結果は、43.6(相対値)であった。次
に、図14に第2高調波の電界分布の節eの位置にあた
る非線形導波路の基板側から220nmのところで非線
形光学感受率が反転した場合の導波路内での各膜厚にお
ける基本波の電界の2乗分布すなわち基本波から発生す
る第2高調波の電界分布E及び伝播するチェレンコフ放
射条件を満たす第2高調波電界分布Fを示す。ハッチン
グで示される部分がある膜厚bにおける第2高調波の電
界分布の節eで非線形光学感受率が反転した場合の非線
形分極波強度分布である。The result of the overlap integration with the electric field distribution E of the generated second harmonic and the electric field distribution F of the second harmonic that satisfies the Cerenkov radiation condition was 43.6 (relative value). Next, FIG. 14 shows that the nonlinear optical susceptibility is inverted at 220 nm from the substrate side of the nonlinear waveguide at the position of the node e of the electric field distribution of the second harmonic, and the fundamental wave at each film thickness in the waveguide is inverted. A square distribution of an electric field, that is, an electric field distribution E of a second harmonic generated from a fundamental wave and a second harmonic electric field distribution F that satisfies the condition of propagating Cherenkov radiation are shown. This is a non-linear polarization wave intensity distribution when the non-linear optical susceptibility is inverted at the node e of the electric field distribution of the second harmonic at a film thickness b with a hatched portion.
【0098】このある膜厚での基本波から発生する第2
高調波の電界分布Eこれと伝播するチェレンコフ放射条
件を満たす第2高調波電界分布Fとの重なり積分は25
47となり、反転構造のない場合に比べ約62倍にな
る。変換効率はこの2乗に比例し、約3800倍とな
る。この時、チェレンコフ角などの位相整合条件は、導
波路及び基板の屈折率が変わらない限り、不変である。The second wave generated from the fundamental wave at this certain film thickness
The overlap integral of the electric field distribution E of the harmonic and the electric field distribution F of the second harmonic which satisfies the Cherenkov radiation condition for propagation is 25
47, which is about 62 times that of the case without the inversion structure. The conversion efficiency is proportional to this square, which is about 3800 times. At this time, the phase matching conditions such as the Cerenkov angle are unchanged unless the refractive indices of the waveguide and the substrate are changed.
【0099】実施例2(作成例) 次に、実際にDCANP LB膜が数100nmの厚さ
で非線形光学感受率が反転した構造を形成できたことを
示す。DCANPをY型のLB膜に形成すると、面内の
基板引上げ方向に強い非線形光学感受率テンソルを有す
る非線形光学薄膜がかなり厚い膜厚(1μm〜)で形成
できることは、前述のように、既にDecherらが報
告しており、その非線形・線形の光学的性質についても
Gunterらが報告している。本発明者等もほぼ同様
な結果を得た。その作成法はかなりの部分が公知である
が以下述べる。 Example 2 (Preparation Example) Next, it will be shown that the DCANP LB film was actually formed with a thickness of several 100 nm and the nonlinear optical susceptibility was inverted. As described above, when DCANP is formed on a Y-type LB film, a nonlinear optical thin film having a strong nonlinear optical susceptibility tensor in the in-plane substrate pulling direction can be formed with a considerably large film thickness (from 1 μm). Have reported, and Gunter et al. Have reported on their nonlinear and linear optical properties. The present inventors have obtained almost the same results. Although a considerable part of the method is known, it will be described below.
【0100】DCANPをクロロホルムに溶解させ、濃
度0.6mg/mlの展開溶液を作成した。LB膜作成
装置はジョイスローブル社製のものを用いた。サブフェ
ーズとして純水を満たし、展開溶液を200μl水面上
に滴下し単分子層を形成した。この際、実験系を室温よ
り下げて、15℃に保つと、次第に圧縮していった時に
膜が破壊しはじめる表面圧(コラプス表面圧)が高くな
り、きれいな単分子膜が形成されることがわかった。図
15に実験系温度15℃下でのπ─A曲線Aと実験系温
度22℃下でのπ─A曲線Bを示す。非常にきれいな単
分子膜が形成されることがわかった。DCANP was dissolved in chloroform to prepare a developing solution having a concentration of 0.6 mg / ml. An LB film forming apparatus manufactured by Joy Loble was used. Pure water was filled as a subphase, and a developing solution was dropped on 200 μl of the water surface to form a monomolecular layer. At this time, if the experimental system is cooled down from room temperature and kept at 15 ° C., the surface pressure (collapse surface pressure) at which the film starts to break when compressed gradually increases, and a clean monomolecular film may be formed. all right. FIG. 15 shows a π─A curve A at an experimental system temperature of 15 ° C. and a π─A curve B at an experimental system temperature of 22 ° C. It was found that a very clean monomolecular film was formed.
【0101】種々の検討により、実験系温度15℃、表
面圧20mN/m、引上げ速度3〜5mm/minが高
品質なLB膜を作製できる条件であることを見出した。
尚、基板はシランカップリング剤を用いて疎水処理をし
てあり、累積は基板降下時より開始される。この方法で
基板の両面にDCANPのLB膜が形成された。Through various studies, it has been found that an experimental system temperature of 15 ° C., a surface pressure of 20 mN / m, and a pulling speed of 3 to 5 mm / min are conditions for producing a high-quality LB film.
The substrate has been subjected to a hydrophobic treatment using a silane coupling agent, and the accumulation is started when the substrate is lowered. In this way, LB films of DCANP were formed on both surfaces of the substrate.
【0102】累積性を調べるため、20、130単分子
層を累積し、それぞれの光学非線形性を、第2高調波発
生強度のメーカーフリンジ法による測定で評価した。In order to examine the cumulative property, 20 and 130 monolayers were accumulated, and the optical nonlinearity of each was evaluated by measuring the second harmonic generation intensity by the Maker Fringe method.
【0103】図16にメーカーフリンジ測定装置図を示
す。この装置はYAGレーザー114とHe−Neレー
ザー115よりなる光源部とIR透過フィルター11
6,NDフィルター117,フレネルロムプリズム11
8,偏光子119,レンズ120よりなる光学系、鉛直
方向に回転可能なサンプルステージ121、IR吸収フ
ィルター122,レンズ123,レンズ124,検光子
125よりなる検出部、リファレンスの為のディテクタ
ー等よりなる光学系126、情報処理装置127,演算
機128よりなる解析部からなる。このメーカーフリン
ジ測定法は、非線形光学感受率の代表的な測定法であ
る。鉛直方向に回転するサンプルステージ121上にサ
ンプル129を乗せ、これに YAGレーザー114よ
りIR透過フィルター116,NDフィルター117,
フレネルロムプリズム118,偏光子119,レンズ1
20を通したレーザーを照射して、IR吸収フィルター
122,レンズ123,レンズ124,検光子125に
て第2高調波 、第3高調波を測定する。これとリファ
レンスの為のディテクター等よりなる光学系126を通
したレーザーとを情報処理装置127,演算機128に
よって解析し、メーカーフリンジパターンを決定するも
のである。FIG. 16 shows a maker fringe measuring device. This device has a light source section composed of a YAG laser 114 and a He-Ne laser 115 and an IR transmission filter 11.
6, ND filter 117, Fresnel rhomb prism 11
8, an optical system including a polarizer 119 and a lens 120, a sample stage 121 rotatable in a vertical direction, an IR absorption filter 122, a detection unit including a lens 123, a lens 124, and an analyzer 125, a detector for reference, and the like. It comprises an analysis unit comprising an optical system 126, an information processing device 127, and a calculator 128. This maker fringe measurement method is a typical method for measuring the nonlinear optical susceptibility. A sample 129 is placed on a sample stage 121 that rotates in the vertical direction, and an IR transmission filter 116, an ND filter 117,
Fresnel rhomb prism 118, polarizer 119, lens 1
Then, the second and third harmonics are measured by the IR absorption filter 122, the lens 123, the lens 124, and the analyzer 125. This is analyzed by the information processing device 127 and the arithmetic unit 128 to determine the maker fringe pattern by analyzing the laser beam transmitted through the optical system 126 including a detector for reference and the like.
【0104】平行平板状に非線形材料が加工できた場合
はサンプルを回転させてレーザーの入射角を変え、また
ウェッジ形の試料の場合は サンプルを平行移動させて
レーザーの照射位置を変えて、非線形媒体を通るレーザ
ーの光路を連続的に変えながら、基本波と高調波の屈折
率分散により生ずる、位相ずれにより高調波発生効率が
周期的に変化するパターン(フリンジパターン)を観測
するものであり、非線形光学感受率の絶対測定(参照材
料との比較による方法がより容易ではあるが厳密な意味
での絶対測定もできる。)、コヒーレント長(屈折率差
により基本波と高長波が半波長ずれに要する伝播距離、
特に位相整合の検討には重要なパラメータである。)測
定など重要なデータを得ることができる。また、位相整
合がとれないテンソル成分でも評価できる特徴がある。When the nonlinear material can be processed into a parallel plate, the sample is rotated to change the incident angle of the laser. In the case of a wedge-shaped sample, the sample is moved in parallel to change the irradiation position of the laser. While continuously changing the optical path of the laser passing through the medium, a pattern (fringe pattern) in which the harmonic generation efficiency changes periodically due to the phase shift caused by the refractive index dispersion of the fundamental wave and the harmonic wave is observed. Absolute measurement of nonlinear optical susceptibility (easier method by comparison with reference material, but absolute measurement in strict sense is also possible), coherent length (basic wave and long wave are shifted by half wavelength due to refractive index difference) Required propagation distance,
In particular, it is an important parameter for studying phase matching. ) Important data such as measurement can be obtained. Further, there is a feature that a tensor component that cannot be phase-matched can be evaluated.
【0105】今回測定したLB膜累積基板はサンプルの
両面の極めて薄い部分(コヒーレント長以下)にのみ光
学非線形性を有しているため、これら2つの部分で発生
する第2高調波が干渉してフリンジパターンが得られ
る。この場合、位相のずれのもととなるのは基板のコヒ
ーレント長であり、LB膜のコヒーレント長は求められ
ない。しかし、非線形光学感受率の相対比較は可能であ
るし、膜厚が分かればその絶対値も求められる。Since the LB film accumulation substrate measured this time has optical nonlinearity only in extremely thin portions (less than the coherent length) on both surfaces of the sample, the second harmonic generated in these two portions interferes. A fringe pattern is obtained. In this case, the cause of the phase shift is the coherent length of the substrate, and the coherent length of the LB film cannot be obtained. However, relative comparison of the nonlinear optical susceptibility is possible, and if the film thickness is known, its absolute value can be obtained.
【0106】サンプルステージ121は鉛直方向を軸に
回転する。基板引き上げ方向を水平に向けて基板面の法
線方向が基本波のレーザ方向を0度として±40度サン
プル129を回転させて第2高調波発生の強度の角度依
存性を測定した。The sample stage 121 rotates about a vertical axis. The sample 129 was rotated by ± 40 degrees with the substrate normal to the laser beam of the fundamental wave at 0 degree with the substrate pulling direction oriented horizontally, and the angle dependence of the intensity of the second harmonic generation was measured.
【0107】図17は20単分子層からなるDCANP
LB膜のメーカーフリンジパターン(×40)G,1
30単分子層からなるDCANP LB膜のメーカーフ
リンジパターンHを示し、基本波、第2高調波波共に水
平方向の偏光でのメーカーフリンジパターンを示してお
り、明確なフリンジパターンが得られた。FIG. 17 shows DCANP consisting of 20 monolayers.
Maker fringe pattern of LB film (× 40) G, 1
The maker fringe pattern H of the DCANP LB film composed of 30 monolayers was shown, and both the fundamental wave and the second harmonic wave showed the maker fringe pattern with the polarization in the horizontal direction, and a clear fringe pattern was obtained.
【0108】図18にそれぞれの膜厚サンプルで発生し
た第2高調波発生強度Iをプロットした。FIG. 18 plots the second harmonic generation intensity I generated in each film thickness sample.
【0109】図18は両対数のプロットであり、それぞ
れの点を結んだ直線の傾きを測定した結果2.0であっ
た。これは膜厚の2乗に比例して第2高調波発生強度が
増加していることを示している。一般に非線形光学媒体
中を伝播するレーザにより誘起される第2高調波発生強
度は数8に示される。FIG. 18 is a log-log plot, and the result of measuring the slope of a straight line connecting the respective points was 2.0. This indicates that the second harmonic generation intensity increases in proportion to the square of the film thickness. Generally, the intensity of second harmonic generation induced by a laser propagating in a nonlinear optical medium is shown in Equation 8.
【0110】[0110]
【数8】 (Equation 8)
【0111】この測定では膜厚がコヒーレント長よりも
十分小さい領域であるので、最後の振動成分は無視で
き、その結果、伝播長の2乗に比例する。測定結果はL
B膜の性能がこの数式に合致することを示し、これはL
B膜作製において、始めに累積した部分と後で累積した
部分で非線形光学定数に変化がないことを示している。
すなわち、100層以上の多層膜でも非線形光学性能の
低下しない高品質なLB膜が作製できることを示してい
る。In this measurement, since the film thickness is a region sufficiently smaller than the coherent length, the last vibration component can be ignored, and as a result, it is proportional to the square of the propagation length. The measurement result is L
It shows that the performance of the B film meets this equation,
This shows that there is no change in the nonlinear optical constant between the portion accumulated first and the portion accumulated later in the preparation of the B film.
In other words, it is shown that a high-quality LB film can be manufactured without deteriorating nonlinear optical performance even with a multilayer film having 100 or more layers.
【0112】次に、非線形光学感受率が反転した膜構造
が形成できたことを示す。既に詳細を説明した方法によ
り、10単分子層からなるDCANP LB膜を2枚作
製する。そのうち1枚は基板の上下を変えずに、そのま
ま20単分子層累積し、他の1つは10単分子層累積し
た後、基板の上下を反転させて、10単分子層累積し、
20単分子層とした。前者を比較例1、後者をサンプル
1とした。これらの非線形性をメーカーフリンジ法で比
較した。その結果、比較例1は前述の20単分子層累積
したLB膜と殆ど同じ第2高調波発生強度を得られた
が、サンプル1は非常に第2高調波発生強度が小さく、
比較例1の2%以下であった。Next, it will be shown that a film structure in which the nonlinear optical susceptibility was inverted was formed. According to the method already described in detail, two DCANP LB films each composed of 10 monolayers are produced. Among them, one monolayer accumulated 20 monolayers without changing the top and bottom of the substrate, and the other one accumulated 10 monolayers, then inverted the top and bottom of the substrate and accumulated 10 monolayers,
20 monolayers. The former was Comparative Example 1 and the latter was Sample 1. These nonlinearities were compared by the maker fringe method. As a result, in Comparative Example 1, the second harmonic generation intensity was almost the same as that of the above-described LB film in which 20 monolayers were accumulated, but in Sample 1, the second harmonic generation intensity was extremely small.
It was 2% or less of Comparative Example 1.
【0113】次に、サンプル1と比較例1の直線二色性
吸収を測定した。図19中線Jは光を基板引き上げ方向
に平行に照射した場合のサンプル1の吸収スペクトル,
線Kは光を基板引き上げ方向に垂直に照射した場合のサ
ンプル1の吸収スペクトル,線Lは光を基板引き上げ方
向に平行に照射した場合の比較例1の吸収スペクトル,
線Mは光を基板引き上げ方向に垂直に照射した場合の比
較例1の吸収スペクトルを示し、比較例1,サンプル1
間で違いは見られなかった。Next, the linear dichroism absorption of Sample 1 and Comparative Example 1 was measured. In FIG. 19, a line J represents an absorption spectrum of Sample 1 when light was irradiated in parallel with the substrate lifting direction,
Line K is the absorption spectrum of Sample 1 when light is irradiated perpendicular to the substrate lifting direction, line L is the absorption spectrum of Comparative Example 1 when light is irradiated parallel to the substrate lifting direction,
Line M shows the absorption spectrum of Comparative Example 1 when light was irradiated perpendicularly to the substrate lifting direction.
No difference was seen between them.
【0114】これらの結果は、非線形性がサンプル1で
比較例1に比べ格段に小さくなったのはLB膜の配向が
ランダムに乱れたわけではなく(もし、ランダムに配向
すれば、偏光によって吸収スペクトルは変化しない)、
最初につけたLB膜の配向方向と反平行の配向でつけら
れたLB膜が形成されたことを示している。These results indicate that the nonlinearity of the sample 1 was much smaller than that of the comparative example 1 because the orientation of the LB film was not randomly disturbed (if the orientation was random, if the absorption spectrum was Does not change),
This indicates that an LB film applied in an anti-parallel orientation to the orientation direction of the LB film applied first was formed.
【0115】実施例3(DCANP LB膜の作製) 設計例を元に反転構造の2─ドコシルアミノ─5─ニト
ロピリジン(DCANP)のLB膜を作製した。DCA
NP LB膜の1層の厚さは2.21nmであることが
知られている。(文献6:G.Descher et.
al.“Spectroscopicinvestig
ations of LB mono− and mu
ltilayers of 2−docosylami
no−5−nitoropyridine;promi
sing candidates for non−l
inear and integrated opti
cs”,Ann.Int.Conf.of the I
EEE Engineering in Medici
ne and Biology Society,vo
l.12,no.4,1990,pp.1708)使用
した基板は、クラウンガラス(B270−superw
ite;DESAG社製)である。このガラスの屈折率
データの精度が良くないなどの理由で、高い変換効率が
得られる条件から少しはずれるが、より確実にチェレン
コフ放射型第2高調波発生が得られるように少し膜厚が
薄くなるように累積した。 Example 3 (Preparation of DCANP LB film) Based on the design example, an LB film of 2-docosylamino-5-nitropyridine (DCANP) having an inverted structure was prepared. DCA
It is known that the thickness of one layer of the NP LB film is 2.21 nm. (Reference 6: G. Descher et.
al. “Spectroscopicinvestig
ations of LB mono- and mu
ltilaiers of 2-docosylami
no-5-nitropyridine; promi
sing candidates for non-l
inear and integrated opti
cs ", Ann. Int. Conf. of the I
EEE Engineering in Medici
ne and Biology Society, vo
l. 12, no. 4,1990, pp. 1708) The substrate used was crown glass (B270-superw).
item; DESAG). Although the accuracy of the refractive index data of the glass is not good, it slightly deviates from the condition for obtaining a high conversion efficiency, but the film thickness is slightly reduced so as to obtain the Cerenkov radiation type second harmonic generation more reliably. So accumulated.
【0116】すなわち、実施例2の方法に従って、10
0単分子層を累積した後に、基板を反転した後、160
単分子層を累積した。これをサンプル2とした。また、
比較サンプルとして、260単分子層を基板を反転させ
ることなく、累積した膜も同時に作製した。これを比較
例2とした。That is, according to the method of Example 2, 10
After accumulating 0 monolayers, inverting the substrate, 160
Monolayers were accumulated. This was designated as Sample 2. Also,
As a comparative sample, a film in which 260 monolayers were accumulated without inverting the substrate was also prepared. This was designated as Comparative Example 2.
【0117】この反転構造のDCANPのLBサンプル
2の非線形性を実施例2と同様にメーカーフリンジ法で
測定したところ、60単分子層を累積したLB膜と同程
度の第2高調波発生強度しか得られず、非線形光学感受
率が反転した構造であると推定できた。図20にサンプ
ル2と比較例2の直線二色性吸収スペクトルを示す。図
中点線はサンプル2の吸収スペトル、実線は比較例2の
吸収スペクトルを示す。二色性吸収スペクトルの結果も
DCANP分子が一方向に配列していることを示してい
た。また、吸収スペクトル測定時に現れる干渉パターン
よりこれら2つのサンプルで膜厚が1%も差がないこと
が分かった。When the nonlinearity of the LB sample 2 of the DCANP having the inverted structure was measured by the maker fringe method in the same manner as in Example 2, only the second harmonic generation intensity of the same level as that of the LB film in which 60 monolayers were accumulated was obtained. It could not be obtained, and it could be estimated that the structure had the nonlinear optical susceptibility inverted. FIG. 20 shows the linear dichroic absorption spectra of Sample 2 and Comparative Example 2. In the figure, the dotted line shows the absorption spectrum of Sample 2, and the solid line shows the absorption spectrum of Comparative Example 2. The results of the dichroic absorption spectrum also indicated that the DCANP molecules were arranged in one direction. In addition, it was found from the interference pattern appearing at the time of the absorption spectrum measurement that the film thickness of these two samples did not differ by 1%.
【0118】これらの第2高調波発生強度を比較した。
実験装置を図21に示す。この装置はYAGレーザー3
0とHe−Neレーザー31から成る光源部とフレネル
ロムプリズム32,NDフィルター33,NDフィルタ
ー34,IR透過フィルター35,アイリス3φ36,
XYZ微調可能な対物レンズ(NA/0.25)37よ
り成る光学系、及びXY微調θψ微調可能な試料ステ─
ジよりなる試料部、IRカットフィルター39,Si−
フォトディテクター40より成る検出部より成る。YA
Gレーザー30を、サンプル38のラングミュア・ブロ
ジェット膜の端面から入射させる。YAGレーザー30
を対物レンズ(NA/0.25)37にいれる前にアイ
リス3φ36を通して、約3mmにしてビームパターン
を整えた。サンプル38表面付近では20μ程度に絞ら
れている。YAGレーザー30のパルス幅は10nS,
繰り返し10Hz、試料へ入射する位置でのビームパワ
ー強度は104 W/程度である。The second harmonic generation intensities were compared.
The experimental apparatus is shown in FIG. This device is a YAG laser 3
A light source unit composed of 0 and He-Ne laser 31, a Fresnel rhomb prism 32, an ND filter 33, an ND filter 34, an IR transmission filter 35, an iris 3φ 36,
An optical system including an XYZ fine-tunable objective lens (NA / 0.25) 37, and XY fine-tuning θ {fine-tunable sample stage
The sample part consisting of two parts, IR cut filter 39, Si-
It comprises a detection section comprising a photodetector 40. YA
The G laser 30 is incident on the sample 38 from the end face of the Langmuir-Blodgett film. YAG laser 30
Before entering into the objective lens (NA / 0.25) 37, the beam pattern was adjusted to about 3 mm through an iris 3φ36. In the vicinity of the surface of the sample 38, the diameter is reduced to about 20 μ. The pulse width of the YAG laser 30 is 10 ns,
The beam power intensity at the position where the light repeatedly enters the sample at 10 Hz is about 10 4 W /.
【0119】図22にサンプル38の成型方法を示す。
サンプル2の基板引き上げ方向Nに沿って中央にてガラ
ス基板41を割り、その端面aからレーザーを基板引き
上げ方向Nとは垂直に、偏光方向Oにて基板表面のラン
グミュア・ブロジェット膜42に沿って入射させた時、
第2高調波発生方向Pの様に第2高調波が発生した。FIG. 22 shows a method of forming the sample 38.
The glass substrate 41 is divided at the center along the substrate pulling direction N of the sample 2 and a laser is applied from the end face a of the glass substrate 41 in the polarization direction O along the Langmuir-Blodgett film 42 on the substrate surface in a direction perpendicular to the substrate pulling direction N. When incident
The second harmonic was generated as in the second harmonic generation direction P.
【0120】図21の装置で第2高調波発生強度を測定
したところ、532nmの第2高調波がYAGレーザを
入射させた端面と反対側の端面から、角度dのように約
8度程度の角度でラングミュア・ブロジェット膜のつい
ていない基板表面方向へチャレンコフ放射として放射さ
れるのが確認できた。そこで、サンプル2と比較例2の
第2高調波発生強度比較を行ったところ、図23に示す
ように、膜の非線形光学定数を途中で反転させたサンプ
ル2の第2高調波発生強度Qの方が比較例2の第2高調
波発生強度Rに比べて約3倍以上強く第2高調波が放射
されていることが確認できた。When the second harmonic generation intensity was measured using the apparatus shown in FIG. 21, the second harmonic of 532 nm was about 8 degrees from the end face opposite to the end face on which the YAG laser was incident, as at an angle d. It was confirmed that the light was emitted as Charenkov radiation toward the substrate surface without the Langmuir-Blodgett film at an angle. Therefore, when the second harmonic generation intensity of Sample 2 was compared with that of Comparative Example 2, as shown in FIG. 23, the second harmonic generation intensity Q of Sample 2 in which the nonlinear optical constant of the film was inverted halfway was obtained. It was confirmed that the second harmonic was emitted about three times or more stronger than the second harmonic generation intensity R of Comparative Example 2.
【0121】分子を完全に反転させない配列例としてφ
=90度の場合についての実施例4,5を述べる。As an example of a sequence that does not completely invert the molecule, φ
Examples 4 and 5 for the case of = 90 degrees will be described.
【0122】実施例4 ガラス基板は実施例2,3と同じ材質だが、5cm×5
cm,厚さ1mmのものを用意した。実施例2と同じよ
うにガラスを2枚張り合わせて、外側の面にDCANP
LB膜を累積する。実施例2と同じ方法で最初の5分
子層を累積した後、一方の基板を空気中で90度回転さ
せてから、更に5分子層を累積した。このときのいわゆ
る累積トレースを図26に示すが、90度回転させる前
後で殆ど同じであり、綺麗な累積ができたと判断され
る。これらの試料の吸収二色比を測定した。90度回転
させて累積した試料の二色比は略1であり回転させない
ものの二色比は実施例2と略同じの1.5であった。こ
のことより90度回転して累積をしたDCANP LB
膜では、期待通りの最初の累積と2度目の累積で、分子
が90度回転してついていると判断できた。 Example 4 The glass substrate was made of the same material as in Examples 2 and 3, but 5 cm × 5
cm and a thickness of 1 mm were prepared. Two sheets of glass are laminated in the same manner as in Example 2, and DCANP is applied to the outer surface.
LB film is accumulated. After accumulating the first five molecular layers in the same manner as in Example 2, one of the substrates was rotated 90 degrees in air, and then another five molecular layers were accumulated. The so-called cumulative trace at this time is shown in FIG. 26, but it is almost the same before and after the rotation by 90 degrees, and it is determined that a beautiful accumulation has been achieved. The absorption dichroic ratio of these samples was measured. The dichroic ratio of the sample accumulated by rotating it by 90 degrees was approximately 1, and the dichroic ratio of the sample not rotated was 1.5, which was substantially the same as in Example 2. From this, DCANP LB rotated 90 degrees and accumulated
In the film, it was determined that the molecules were rotated by 90 degrees in the first accumulation and the second accumulation as expected.
【0123】実施例5 次に、実施例3と同じように導波路作製を行った。ガラ
ス基板は実施例2,3と同じ材質だが、5cm×5c
m,厚さ1mmのものを用意した。実施例3と同じよう
に最初に50分子層累積した後、基板を90度回転させ
て、更に80分子層累積させた。一方130分子層をそ
のまま累積したものも参考のために作製した。 Example 5 Next, a waveguide was manufactured in the same manner as in Example 3. The glass substrate is the same material as in Examples 2 and 3, but 5cm x 5c
m and a thickness of 1 mm were prepared. After accumulating 50 molecular layers for the first time in the same manner as in Example 3, the substrate was rotated by 90 degrees, and an additional 80 molecular layers were accumulated. On the other hand, a layer obtained by accumulating 130 molecular layers as they were was prepared for reference.
【0124】これらの試料の累積されている中心部分
を、基板引き上げ方向(90度回転した試料では最初の
累積の基板引き上げ方向)が長手方向を向くように、幅
10mm程度のリボン状に切り出した。この二つを、実
施例3と同じ実験方法、実験装置で、チェレンコフ放射
SHGを発生させてその強度比較を行った。レーザビー
ムを入射するのは、切り出した端面から、10mmの幅
方向に向けてである。The accumulated central portion of these samples was cut out into a ribbon shape having a width of about 10 mm so that the substrate pulling direction (first cumulative substrate pulling direction in the case of a sample rotated by 90 degrees) was oriented in the longitudinal direction. . For these two, the same experimental method and experimental apparatus as in Example 3 were used to generate Cerenkov radiation SHG, and their intensities were compared. The laser beam is incident in the width direction of 10 mm from the cut end face.
【0125】90度回転させて累積したサンプルの方が
回転しないで累積したサンプルに比べ、2倍以上明るい
チェレンコフ放射SHGが発生していることを確認し
た。It was confirmed that the sample accumulated by rotating by 90 degrees generated Cherenkov radiation SHG twice or more brighter than the sample accumulated without rotating.
【0126】実施例6(チャンネル型導波路の作製) 図24に示すような基板43上に所定の方向に非線形光
学感受率の符号を揃えた非線形光学材料44と非線形光
学感受率の符号を反転させた非線形光学材料45を配
し、その上にキャップ層46を被せた形状のチャンネル
型導波路を作製する上で、本発明の反転構造がなんら障
害を与えるものでないことは構造上明らかであり、光強
度の高い基本波を長距離伝播できるため、波長変換効率
向上に極めて有効な構造である。 Example 6 (Fabrication of Channel-Type Waveguide) A nonlinear optical material 44 in which the signs of the nonlinear optical susceptibility are arranged in a predetermined direction on a substrate 43 as shown in FIG. It is apparent from the structure that the inverted structure of the present invention does not cause any obstacle in producing a channel type waveguide in which the nonlinear optical material 45 is disposed and the cap layer 46 is covered thereon. Since the fundamental wave having high light intensity can be propagated over a long distance, the structure is extremely effective for improving the wavelength conversion efficiency.
【0127】実施例7 図25に示すような、基板47上に 所定の方向に非線
形光学感受率の符号を揃えた非線形光学材料48と非線
形光学感受率の符号を反転させた非線形光学材料49を
導波方向Sにコヒーレント長l内の範囲で、ドメイン反
転構造を構成する上で、本発明である膜厚方向の反転構
造はなんの障害も与えるものではなく、併用することが
可能であることは明らかであり、この場合には非常に大
きな変換効率が期待できる。 Embodiment 7 As shown in FIG. 25, on a substrate 47, a nonlinear optical material 48 in which the signs of the nonlinear optical susceptibility are arranged in a predetermined direction and a nonlinear optical material 49 in which the sign of the nonlinear optical susceptibility is inverted are arranged. In constructing the domain inversion structure within the coherent length l in the waveguide direction S, the inversion structure in the film thickness direction according to the present invention does not cause any obstacle and can be used together. Is obvious, and in this case, a very large conversion efficiency can be expected.
【0128】以下に本発明をYAGレーザ光(波長10
64nm)を532nmの波長のコヒーレント光に変換
する波長変換素子について、素子構造設計の他の例、そ
の素子の作製方法及び素子特性評価を示す。The present invention is described below with reference to a YAG laser beam (wavelength
Regarding a wavelength conversion element that converts (64 nm) into coherent light having a wavelength of 532 nm, another example of element structure design, a method of manufacturing the element, and evaluation of element characteristics will be described.
【0129】実施例8 (1)素子構造設計 モード結合理論による光導波路内での電磁解析結果を用
いて、素子設計を行った。DCANP LB膜の双極子
モーメントは、基板に対して平行方向を向いているた
め、2次の非線形光学定数χ(2) も基板に対して平行方
向を向いている。従って、波長変換はTEモード−TE
モード変換を仮定した。SHGの位相整合には、チェレ
ンコフ位相整合方式を用いた。 Example 8 (1) Device Structure Design A device was designed using an electromagnetic analysis result in an optical waveguide based on mode coupling theory. Since the dipole moment of the DCANP LB film is oriented parallel to the substrate, the second-order nonlinear optical constant χ (2) is also oriented parallel to the substrate. Therefore, the wavelength conversion is performed in the TE mode-TE
Mode conversion was assumed. For the phase matching of the SHG, a Cerenkov phase matching method was used.
【0130】チェレンコフ位相整合方式では、基板の選
択が重要であり、この場合屈折率が1.51であるガラ
ス基板PC2を用いた。モード結合理論により有機非線
形導波路の膜厚を設計し、有機薄膜より成る活性層2の
全膜厚T1 を570nmとして構成した。In the Cerenkov phase matching system, the selection of the substrate is important. In this case, a glass substrate PC2 having a refractive index of 1.51 was used. The thickness of the organic nonlinear waveguide was designed by the mode coupling theory, and the total thickness T 1 of the active layer 2 composed of the organic thin film was set to 570 nm.
【0131】図6は2次元スラブ導波路型SHGの素子
構造である。上述のPC2ガラスより成る基板1上に前
述のDCANPより成る第1の有機薄膜2aと、第2の
有機薄膜2bとをそれぞれLB法により累積した。これ
ら第1及び第2の有機薄膜1及び2は、各々2次の非線
形光学感受率χ(2) の向きが反転しており、第1の薄膜
1の膜厚t1 を330nm、第2の薄膜2の膜厚t2 を
250nmとした。そしてこの上に厚さ約1μmの、ク
ラッド層3が被着されて成る。FIG. 6 shows an element structure of a two-dimensional slab waveguide type SHG. The first organic thin film 2a and the second organic thin film 2b made of the aforementioned DCANP were accumulated on the substrate 1 made of the above-mentioned PC2 glass by the LB method. Each of the first and second organic thin films 1 and 2 has the direction of the second-order nonlinear optical susceptibility χ (2) inverted, and the first thin film 1 has a thickness t 1 of 330 nm and a second The thickness t 2 of the thin film 2 was set to 250 nm. Then, a cladding layer 3 having a thickness of about 1 μm is formed thereon.
【0132】図27は3次元リッジ光導波路型の有機非
線形光学素子の断面図を示す。この場合、上述の図6に
示す素子と同様の材料、膜厚として構成することができ
る。FIG. 27 is a sectional view of a three-dimensional ridge optical waveguide type organic nonlinear optical element. In this case, it is possible to configure the same material and film thickness as those of the element shown in FIG.
【0133】(2)素子作製方法 本実施例では、LB膜作製装置として、ジョイスルーブ
ル社製装置を用いた。DCANPをクロロホルム溶液に
溶解させ、濃度0.5mg/mlの展開溶液を作製す
る。サブフェーズは純粋とし、展開溶液を300μl水
面上に滴下した。LB膜としての累積性を考えた場合、
コラプス表面圧が大きいこと、ある一定の累積条件(一
定表面圧)に保持した場合の単分子膜面積の経時変化が
少ないことが必要である。このような条件を満たす累積
条件の一つとして、表面圧20mN/mを採用した。(2) Element Manufacturing Method In this example, an apparatus manufactured by Joysle Bull Co., Ltd. was used as an LB film manufacturing apparatus. DCANP is dissolved in a chloroform solution to prepare a developing solution having a concentration of 0.5 mg / ml. The subphase was pure, and the developing solution was dropped on 300 μl water surface. Considering the cumulative nature of the LB film,
It is necessary that the collapse surface pressure is large and that the monomolecular film area has little change with time when kept under a certain cumulative condition (constant surface pressure). A surface pressure of 20 mN / m was employed as one of the cumulative conditions that satisfy such conditions.
【0134】次に、LB膜の累積実験を行った。基板1
としてはPC2ガラス基板を用い、累積前にシランカッ
プリング剤を用いて疏水化処理をした後、累積を行っ
た。基板2の表面は疎水性のため、累積は基板降下より
開始し、累積時の基板の移動スピードは、10〜15m
m/minとした。DCANPより成る有機薄膜材料を
150分子層累積して第1の有機薄膜2aを形成した
後、基板1を反転し、更に114分子層累積して第2の
有機薄膜2bを形成した。累積時のトレース(基板の位
置の、累積されて減少した表面積との関係)より、この
累積実験では累積比1の良好なY型LB膜が形成されて
いることを確認した。本累積実験では、基板の上下移動
を始めとして、全てコンピュータ制御で行った。Next, a cumulative experiment of the LB film was performed. Substrate 1
Was used, a hydrophobic treatment was performed using a silane coupling agent before accumulation, and accumulation was performed. Since the surface of the substrate 2 is hydrophobic, the accumulation starts from the lowering of the substrate, and the moving speed of the substrate during the accumulation is 10 to 15 m.
m / min. After the first organic thin film 2a was formed by accumulating 150 molecular layers of the organic thin film material composed of DCANP, the substrate 1 was inverted, and further 114 molecular layers were accumulated to form the second organic thin film 2b. From the trace at the time of accumulation (the relationship between the position of the substrate and the accumulated and reduced surface area), it was confirmed in this accumulation experiment that a good Y-type LB film having an accumulation ratio of 1 was formed. In this cumulative experiment, all operations were performed by computer control, including the vertical movement of the substrate.
【0135】LB膜の累積の後、周知のスピンコート法
により屈折率1.43のPoly(trifluoroethyl methacry
late) (ポリ(トリフルオロエチル・メタクリレー
ト))等の有機材料を厚さ1μmに形成した。After the accumulation of the LB film, Poly (trifluoroethyl methacryol) having a refractive index of 1.43 was obtained by a well-known spin coating method.
late) An organic material such as (poly (trifluoroethyl methacrylate)) was formed to a thickness of 1 μm.
【0136】また、この後図27に示す3次元リッジ導
波路型の有機非線形光学素子を作製する場合には、上述
の作製方法によって図6に示す2次元導波路型有機非線
形光学素子を作製した後、フォトリソグラフィ等の適用
によって、所定のパターンにパターニングして形成する
ことができる。In order to fabricate a three-dimensional ridge waveguide type organic nonlinear optical element shown in FIG. 27 later, the two-dimensional waveguide type organic nonlinear optical element shown in FIG. 6 was fabricated by the above-described fabrication method. Thereafter, it can be formed by patterning into a predetermined pattern by applying photolithography or the like.
【0137】(3)素子評価 先ず、非線形光学特性の一例として、累積したDCAN
P LB膜の2次の非線形光学感受率χ(2) の評価を行
った。評価用試料は、ガラス基板の片側にLB法により
LB膜試料を10層累積して作製した。評価法として
は、周知のメイカーフリンジ法を用いた。先ず、ガラス
基板の測定を行い、非線形性を示さないことを確認し
た。次に、LB膜試料の測定を行った。その結果、SH
G強度の入射角依存性が観測され、作製したLB膜試料
が2次の非線形光学特性を有することを確認した。この
評価結果から求められるd定数の異方向性より、双極子
モーメントはこの場合基板に対し平行方向にあることが
分かった。(3) Element Evaluation First, as an example of nonlinear optical characteristics, accumulated DCAN
The second-order nonlinear optical susceptibility χ (2) of the PLB film was evaluated. The evaluation sample was produced by accumulating 10 LB film samples on one side of the glass substrate by the LB method. The well-known maker fringe method was used as the evaluation method. First, a glass substrate was measured, and it was confirmed that the glass substrate did not exhibit nonlinearity. Next, an LB film sample was measured. As a result, SH
The dependence of the G intensity on the incident angle was observed, and it was confirmed that the produced LB film sample had second-order nonlinear optical characteristics. From the anomalous direction of the d constant obtained from the evaluation results, it was found that the dipole moment was in a direction parallel to the substrate in this case.
【0138】また、クラッド層3をスピンコートする前
に、作製したLB膜より成る活性層2(光導波路)の偏
光UV可視スペクトルを測定した。規格化した直線2色
性比は約0.23であった。この値は、DCANP L
B膜の通常累積試料における値と一致し、作製した活性
層2は良好な分子配列構造を有することを確認した。Before spin coating of the cladding layer 3, the polarized UV-visible spectrum of the active layer 2 (optical waveguide) made of the LB film was measured. The normalized linear dichroic ratio was about 0.23. This value is DCANP L
The value coincided with the value of the normal accumulation sample of the B film, and it was confirmed that the produced active layer 2 had a favorable molecular arrangement structure.
【0139】次に、波長変換素子としての光導波特性に
ついて述べる。ここでは有機非線形光学材料を用いた非
線形光学素子の一例として、図6に示すチェレンコフ放
射型SHG素子の特性評価を、図28に示す評価実験系
により行った。図28において、YAGレーザ11から
のレーザ光Lは、シリンドリカルレンズ12を通過し
て、対物レンズ13により集光され、試料14を通って
2次高調波光SHGが出射される。15は赤外光(I
R)カットフィルターである。矢印dは、この試料14
におけるLB膜の累積方向を示す。このような構成にお
いて、レンズ結合法を用いてYAGレーザ光を光導波路
即ち活性層2に導入し、この活性層2から出射されるS
HG光をフォトマルチプライヤー(図示せず)により検
知して、素子評価を行った。この結果、活性層2の端部
より波長532nmのコヒーレントなSHG光を観測す
ることができた。Next, optical waveguide characteristics as a wavelength conversion element will be described. Here, as an example of the nonlinear optical element using the organic nonlinear optical material, the characteristic evaluation of the Cerenkov radiation type SHG element shown in FIG. 6 was performed by an evaluation experiment system shown in FIG. In FIG. 28, a laser beam L from a YAG laser 11 passes through a cylindrical lens 12, is collected by an objective lens 13, and passes through a sample 14 to emit a second harmonic light SHG. 15 is infrared light (I
R) It is a cut filter. The arrow d indicates that this sample 14
Shows the accumulation direction of the LB film in FIG. In such a configuration, YAG laser light is introduced into the optical waveguide, that is, the active layer 2 by using the lens coupling method, and the SAG emitted from the active layer 2 is emitted.
HG light was detected by a photomultiplier (not shown) to evaluate the device. As a result, coherent SHG light having a wavelength of 532 nm could be observed from the end of the active layer 2.
【0140】この場合、クラッド層3を設けない試料と
比較して、SHG強度は1桁以上向上していることが分
かった。これにより、本発明有機非線形光学素子におけ
る活性層上にクラッド層を設ける構造が、SHG変換効
率の向上に有効であることが確認された。In this case, it was found that the SHG intensity was improved by one digit or more as compared with the sample in which the cladding layer 3 was not provided. Accordingly, it was confirmed that the structure in which the cladding layer was provided on the active layer in the organic nonlinear optical element of the present invention was effective for improving the SHG conversion efficiency.
【0141】本実施例では、有機薄膜材料として、DC
ANPより成るLB膜を用いた場合について示したが、
その他の材料例えば下記の化5に示すDCMNA(N−
ドコシル−2−メチル−4ニトロアニリン)より成るL
B膜か、或いは下記の化6に示すDCPNA(N−ドコ
シル−パラニトロアニリン)より成るLB膜により活性
層2の各有機薄膜2a及び2bを構成しても同様の効果
を得ることができた。In this embodiment, the organic thin film material is DC
Although the case where the LB film made of ANP is used is shown,
Other materials, for example, DCMNA (N-
L comprising docosyl-2-methyl-4nitroaniline)
Similar effects could be obtained even if each of the organic thin films 2a and 2b of the active layer 2 was composed of the B film or the LB film composed of DCPNA (N-docosyl-paranitroaniline) shown in Chemical Formula 6 below. .
【0142】[0142]
【化5】 Embedded image
【0143】[0143]
【化6】 Embedded image
【0144】実施例9 次に、本発明の他の一による有機非線形光学素子、即
ち、2種類以上の有機材料が1分子層ずつ周期的に積層
された有機超格子より活性層2を構成する場合を示す。 Embodiment 9 Next, the active layer 2 is constituted by an organic nonlinear optical element according to another embodiment of the present invention, that is, an organic superlattice in which two or more kinds of organic materials are periodically laminated one by one. Show the case.
【0145】(1)素子構造設計 この場合においても、モード結合理論による光導波路内
の電磁解析結果を用いて素子設計を行った。この例にお
いては、有機超格子を構成する材料として、下記の化7
に示す。C12PPy(5-(p- ドデシロキシ フェニ
ル)ピラジン-2-カルボキシル アシッド)とアラキン
酸(C19H39COOH)とを用いた。(1) Element Structural Design In this case as well, the element was designed using the results of electromagnetic analysis in the optical waveguide based on the mode coupling theory. In this example, as a material constituting the organic superlattice,
Shown in C12PPy (5- (p-dodecyloxyphenyl) pyrazine-2-carboxyl acid) and arachidic acid (C 19 H 39 COOH) were used.
【0146】[0146]
【化7】 Embedded image
【0147】これらC12PPy及びアラキン酸とのヘ
テロLB膜による有機超格子の双極子モーメントは基板
に対して垂直な方向を向いているため、2次の非線形光
学定数χ(2) も基板に対して垂直方向を向いている。従
って、波長変換はTMモード−TMモード変換を仮定し
た。図29にこの場合のヘテロLB膜光導波路内、即ち
活性層内の電界分布を示す。Rは基本波モードの2乗、
SはSHG放射モード、Pはその符号反転位置を示す。Since the dipole moment of the organic superlattice formed by the hetero LB film with C12PPy and arachinic acid is oriented in a direction perpendicular to the substrate, the second-order nonlinear optical constant χ (2) also increases with respect to the substrate. Orientated vertically. Therefore, TM mode-TM mode conversion was assumed for wavelength conversion. FIG. 29 shows the electric field distribution in the hetero LB film optical waveguide in this case, that is, in the active layer. R is the square of the fundamental mode,
S indicates the SHG radiation mode, and P indicates the sign inversion position.
【0148】この場合においても、SHGの位相整合に
はチェレンコフ位相整合方式を用いて、基板として屈折
率1.51のPC2ガラス基板を用いた。モード結合理
論による有機非線形導波路、即ち有機超格子より成る活
性層2の全厚さT1 を570nmとした。Also in this case, the SHG phase matching was performed by using a Cherenkov phase matching method, and a PC2 glass substrate having a refractive index of 1.51 was used as the substrate. Organic nonlinear waveguide by the mode coupling theory, i.e. the total thickness T 1 of the active layer 2 made of an organic superlattice was 570 nm.
【0149】そしてそれぞれの有機超格子より成る第1
の有機薄膜2aの厚さt1 を320nm、第2の有機薄
膜2bの厚さt2 を250nmとして構成した。これら
各有機薄膜2a及び2bの略線的拡大断面図を図30A
及びBに示す。各薄膜2a、2bはそれぞれ第1の材料
層5または7と、第2の材料層6または8とが単分子層
ずつ交互に周期的に積層されて成る。これら薄膜2a及
び2bとは2次の非線形光学感受率χ(2) の向きが矢印
y1 及びy2 で示すように逆向きとされる。そしてこの
上に厚さ約1μmのクラッド層3が被着されて成る。The first organic superlattice
The organic thin film 2a to the thickness t 1 320 nm, and the thickness t 2 of the second organic thin film 2b configured as 250 nm. FIG. 30A is a schematic enlarged sectional view of each of these organic thin films 2a and 2b.
And B. Each of the thin films 2a and 2b is formed by alternately laminating a first material layer 5 or 7 and a second material layer 6 or 8 alternately on a monomolecular layer basis. From these thin films 2a and 2b orientation of the nonlinear optical susceptibility of the secondary chi (2) is opposite to as shown by the arrow y 1 and y 2. Then, a cladding layer 3 having a thickness of about 1 μm is formed thereon.
【0150】また、この場合においても図27に示すよ
うに3次元リッジ型光導波路の素子構造とすることもで
きる。In this case, as shown in FIG. 27, a three-dimensional ridge type optical waveguide element structure can be adopted.
【0151】(2)素子作製方法 この場合においても、上述の実施例8と同様に、LB法
を用いてC12PPy−アラキン酸より成る有機超格子
より成る活性層2を作製した。この場合ヘテロLB膜作
製装置を用いた。(2) Element Fabrication Method In this case, as in Example 8, the active layer 2 made of an organic superlattice made of C12PPy-arachinic acid was fabricated by using the LB method. In this case, a hetero LB film manufacturing apparatus was used.
【0152】先ず、C12PPy及びアラキン酸をクロ
ロホルム溶液に溶解させ、濃度0.5mg/mlの展開
溶液を作製する。サブフェーズは塩化バリウムとし、展
開溶液を200μl水面上に滴下した。またこの場合に
おいてもLB膜としての累積性を考えて、表面圧を25
mN/mとした。First, C12PPy and arachidic acid are dissolved in a chloroform solution to prepare a developing solution having a concentration of 0.5 mg / ml. The subphase was barium chloride, and the developing solution was dropped on 200 μl of water. Also in this case, the surface pressure is set to 25 in consideration of the cumulative property of the LB film.
mN / m.
【0153】次に、LB膜の累積実験を行った。基板と
してガラス基板を用い、累積前にシランカップリング剤
を用いて疏水化処理を行った。基板表面は疎水性のた
め、累積は基板降下より開始し、累積時の基板の移動ス
ピードは、10〜15mm/minとした。そして図3
0Aに示すように、第1の有機薄膜2aの第1の材料層
5をアラキン酸、第2の材料層6をC12PPyとし
て、以下アラキン酸、C12PPy、....の順序で累積
を行い、有機超格子ヘテロLB膜を作製した。累積時の
トレースより、この累積実験では、累積比1の良好なY
型LB膜が形成されていることを確認した。この累積実
験においても基板の上下移動を始めとして全てコンピュ
ータ制御で行った。Next, a cumulative experiment of the LB film was performed. A glass substrate was used as a substrate, and a hydrophobic treatment was performed using a silane coupling agent before accumulation. Since the surface of the substrate is hydrophobic, the accumulation starts from the lowering of the substrate, and the moving speed of the substrate during the accumulation is 10 to 15 mm / min. And FIG.
As shown in 0A, performs the first material layer 5 arachidic acid of the first organic thin film 2a, the second material layer 6 as C12PPy, hereinafter arachidic acid, C12PPy, the cumulative .... order of, An organic superlattice hetero LB film was produced. From the trace at the time of accumulation, in this accumulation experiment, a good Y with an accumulation ratio of 1 was obtained.
It was confirmed that a mold LB film was formed. In this cumulative experiment, all the operations, including the vertical movement of the substrate, were performed by computer control.
【0154】そして上述の累積方法により、第1の有機
薄膜2aを320nm成膜した後、LB膜材料の累積順
序を逆転させ、図30Bに示すように、第1の材料層7
をC12PPy、第2の材料層8をアラキン酸として、
続いてC12PPy、アラキン酸、....の順序で第2の
有機薄膜2bを250nm累積した。ヘテロLB膜作製
装置では、基板の移動方向を反転させることにより、容
易にLB膜材料の累積順序を反転させることができる。After the first organic thin film 2a is formed to a thickness of 320 nm by the above-described accumulation method, the accumulation order of the LB film materials is reversed, and as shown in FIG.
Is C12PPy, the second material layer 8 is arachidic acid,
Subsequently, 250 nm of the second organic thin film 2b was accumulated in the order of C12PPy, arachidic acid, .... In the hetero LB film manufacturing apparatus, the accumulation order of the LB film materials can be easily inverted by reversing the moving direction of the substrate.
【0155】次に、この上に周知のスピンコート法によ
ってポリ(トリフルオロエチル・メタクリレート)等よ
り成るクラッド層3を1μmの厚さとして積層した。こ
の場合クラッド層3の屈折率は1.43となる。Next, a cladding layer 3 made of poly (trifluoroethyl methacrylate) or the like was formed thereon to a thickness of 1 μm by a well-known spin coating method. In this case, the refractive index of the cladding layer 3 is 1.43.
【0156】そしてこの後、フォトリソグラフィ等の適
用によって、所定のパターンにクラッド層3及び活性層
2をパターニングして、図27に示す3次元リッジ導波
路型SHG素子を作製した。Thereafter, the cladding layer 3 and the active layer 2 were patterned into a predetermined pattern by applying photolithography or the like, thereby producing a three-dimensional ridge waveguide type SHG element shown in FIG.
【0157】(3)素子評価 この場合においても、非線形光学特性の一例として、累
積したC12PPy−アラキン酸有機超格子(ヘテロL
B膜)の2次の非線形光学感受率χ(2) の評価を行っ
た。評価用試料はガラス基板の片側にLB法によりLB
膜試料を10層累積して作製した。評価法としては、メ
イカーフリンジ法を用いた。ガラス基板の測定を行って
非線形性を示さないことを確認した後、LB膜試料の測
定を行った。その結果、SHG強度の入射角依存性が観
測され、作製したLB膜試料が2次の非線形光学特性を
有することを確認した。本評価結果より求められるd定
数の異方向性より、双極子モーメントは基板に対して垂
直な方向にあることがわかった。(3) Element Evaluation In this case as well, as an example of the nonlinear optical characteristics, the accumulated C12PPy-arachinic acid organic superlattice (hetero L
(B film) was evaluated for the second-order nonlinear optical susceptibility χ (2) . The evaluation sample was placed on one side of the glass substrate by LB method.
Film samples were made by accumulating 10 layers. The maker fringe method was used as an evaluation method. After confirming that no nonlinearity was exhibited by measuring the glass substrate, an LB film sample was measured. As a result, the dependency of the SHG intensity on the incident angle was observed, and it was confirmed that the produced LB film sample had second-order nonlinear optical characteristics. From the anomalous direction of the d constant obtained from the evaluation results, it was found that the dipole moment was in a direction perpendicular to the substrate.
【0158】次に、有機非線形光学素子の光導波特性に
ついて述べる。この場合においても、図28において説
明した評価実験系により、レンズ結合法を用いてYAG
レーザ光を光導波路即ち活性層2に導入し、この活性層
2から出射されるSHG光をフォトマルチプライヤー
(図示せず)により検知して、素子評価を行った。この
結果、活性層2端部より波長532nmのコヒーレント
なSHG光を観測することができた。Next, the optical waveguide characteristics of the organic nonlinear optical element will be described. Also in this case, the evaluation experiment system described with reference to FIG.
The laser light was introduced into the optical waveguide, that is, the active layer 2, and the SHG light emitted from the active layer 2 was detected by a photomultiplier (not shown) to evaluate the device. As a result, coherent SHG light having a wavelength of 532 nm could be observed from the end of the active layer 2.
【0159】この場合、クラッド層3を設けない試料と
比較して、SHG強度は1桁以上向上していることが分
かった。これにより、本発明有機非線形光学素子におけ
る活性層10クラッド層を設ける構成が、SHG変換効
率の向上に有効であることが確認された。In this case, it was found that the SHG intensity was improved by one digit or more compared to the sample in which the clad layer 3 was not provided. Thus, it was confirmed that the configuration in which the active layer 10 clad layer in the organic nonlinear optical element of the present invention was provided was effective for improving the SHG conversion efficiency.
【0160】本実施例では、有機薄膜を、C12PPy
とアラキン酸とより成る有機超格子ヘテロLB膜により
構成した場合について示したが、その他例えばC12P
Pyに代えて下記の化8に示すC16H33−P3CNQと
アラキン酸とを積層するヘテロLB膜や、或いは下記の
化9に示すC16H33−Q3CNQとアラキン酸とより成
るヘテロLB膜により、活性層2の各有機薄膜2a及び
2bを構成しても同様の効果を得ることができた。In this embodiment, the organic thin film is made of C12PPy
Of the organic superlattice hetero-LB film composed of
Hetero LB film in place of Py laminating a C 16 H 33 -P3CNQ and arachidic acid shown in the formula 8 below, or more composed hetero LB film as C 16 H 33 -Q3CNQ and arachidic acid shown in chemical formula 9 below Thus, the same effect could be obtained even if the organic thin films 2a and 2b of the active layer 2 were formed.
【0161】[0161]
【化8】 Embedded image
【0162】[0162]
【化9】 Embedded image
【0163】実施例10 次に、図7に示す本発明の他の一による、有機非線形光
学素子の一例を詳細に説明する。 Embodiment 10 Next, an example of an organic nonlinear optical element according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 7 will be described in detail.
【0164】(1)素子構造設計 この場合、モード結合理論による光導波路内の電磁解析
結果を用いて素子設計を行った。この例においても上述
の実施例9と同様に、有機超格子を構成する材料とし
て、C12PPyとアラキン酸とを用いて、ヘテロLB
膜による有機超格子構造を採用した。上述したようにこ
の材料による場合2次の非線形光学定数χ (2) は基板に
対して垂直方向を向いている。従って、波長変換はTM
モード−TMモード変換を仮定した。前述の図31はこ
の場合のヘテロLB膜導波路内、即ち活性層2内の電界
分布に相当する。(1) Element structure design In this case, electromagnetic analysis in an optical waveguide by mode coupling theory
An element was designed using the results. Also in this example
As in Example 9, the material constituting the organic superlattice was
To obtain hetero LB using C12PPy and arachidic acid.
An organic superlattice structure with a film was adopted. As mentioned above
Second-order nonlinear optical constant χ (2)Is on the board
Orientated vertically. Therefore, the wavelength conversion is TM
Mode-TM mode conversion was assumed. Fig. 31
, The electric field in the hetero LB film waveguide, that is, the active layer 2
Equivalent to distribution.
【0165】そしてこの場合においても上述の実施例8
及び9と同様に、チェレンコフ位相整合方式を用いてS
HGの位相整合を行い、基板として屈折率1.51のP
C2ガラス基板を用い、C12PPy−アラキン酸有機
超格子ヘテロLB膜の全膜厚T2 を650nmとした。
そして図7に示す3次元リッジ導波路型SHG素子を作
製した。Also in this case, the above-mentioned embodiment 8
And 9, using the Cherenkov phase matching scheme
HG phase matching is performed, and a substrate having a refractive index of 1.51 P
With C2 glass substrate, a C12PPy- arachidic organic total thickness T 2 of the superlattice hetero LB film was 650 nm.
Then, a three-dimensional ridge waveguide type SHG element shown in FIG. 7 was manufactured.
【0166】(2)素子作製方法 この場合においても、上述の実施例8及び9と同様に、
LB法を用いてC12PPy−アラキン酸より成る有機
超格子より成る活性層2を作製した。この場合ヘテロL
B膜作製装置を用いた。(2) Element Fabrication Method In this case as well, as in the above Examples 8 and 9,
Using the LB method, an active layer 2 made of an organic superlattice made of C12PPy-arachinic acid was produced. In this case hetero L
A B film production apparatus was used.
【0167】先ず、C12PPy及びアラキン酸をクロ
ロホルム溶液に溶解させ、濃度0.5mg/mlの展開
溶液を作製する。サブフェーズは塩化バリウムとし、展
開溶液を200μl水面上に滴下した。またこの場合に
おいてもLB膜としての累積性を考えて、表面圧を25
mN/mとした。First, C12PPy and arachidic acid are dissolved in a chloroform solution to prepare a developing solution having a concentration of 0.5 mg / ml. The subphase was barium chloride, and the developing solution was dropped on 200 μl of water. Also in this case, the surface pressure is set to 25 in consideration of the cumulative property of the LB film.
mN / m.
【0168】次に、LB膜の累積実験を行った。基板と
してガラス基板を用い、累積前にシランカプッリング剤
を用いて疏水化処理を行った。基板表面は疎水性のた
め、累積は基板降下より開始し、累積時の基板の移動ス
ピードは、10〜15mm/minとした。そして図3
0Aに示すように、第1の有機薄膜2aの第1の材料層
5をアラキン酸、第2の材料層6をC12PPyとし
て、以下アラキン酸、C12PPy、....の順序で累積
を行い、有機超格子ヘテロLB膜を作製した。累積時の
トレースより、この累積実験では、累積比1の良好なY
型LB膜が形成されていることを確認した。この累積実
験においても基板の上下移動を始めとして全てコンピュ
ータ制御で行った。Next, a cumulative experiment of the LB film was performed. A glass substrate was used as a substrate, and a hydrophobic treatment was performed using a silane coupling agent before accumulation. Since the surface of the substrate is hydrophobic, the accumulation starts from the lowering of the substrate, and the moving speed of the substrate during the accumulation is 10 to 15 mm / min. And FIG.
As shown in 0A, performs the first material layer 5 arachidic acid of the first organic thin film 2a, the second material layer 6 as C12PPy, hereinafter arachidic acid, C12PPy, the cumulative .... order of, An organic superlattice hetero LB film was produced. From the trace at the time of accumulation, in this accumulation experiment, a good Y with an accumulation ratio of 1 was obtained.
It was confirmed that a mold LB film was formed. In this cumulative experiment, all the operations, including the vertical movement of the substrate, were performed by computer control.
【0169】そして上述の累積方法により、第1の有機
薄膜2aを400nm成膜した後、LB膜材料の累積順
序を逆転させ、図30Bに示すように、第1の材料層7
をC12PPy、第2の材料層8をアラキン酸として、
続いてC12PPy、アラキン酸、....の順序で第2の
有機薄膜2bを250nm累積した。そしてこの後、フ
ォトリソグラフィ等の適用によって、所定のパターンに
クラッド層3及び活性層2をパターニングして、図27
に示す3次元リッジ導波路型SHG素子を作製した。After the first organic thin film 2a is formed to a thickness of 400 nm by the above-described accumulation method, the accumulation order of the LB film materials is reversed, and as shown in FIG.
Is C12PPy, the second material layer 8 is arachidic acid,
Subsequently, 250 nm of the second organic thin film 2b was accumulated in the order of C12PPy, arachidic acid, .... Then, after that, the cladding layer 3 and the active layer 2 are patterned into a predetermined pattern by applying photolithography or the like.
The three-dimensional ridge waveguide type SHG element shown in FIG.
【0170】(3)素子評価 この場合においても、非線形光学特性の一例として、累
積したC12PPy−アラキン酸有機超格子(ヘテロL
B膜)の2次の非線形光学感受率χ(2) の評価を上述の
実施例9と同様にメイカーフリンジ法により行い、双極
子モーメントは基板に対して垂直な方向にあることを確
認した。(3) Element Evaluation In this case as well, as an example of the nonlinear optical characteristics, the accumulated C12PPy-arachinic acid organic superlattice (hetero L
The second-order nonlinear optical susceptibility χ (2) of the ( B film) was evaluated by the Maker Fringe method in the same manner as in Example 9 above, and it was confirmed that the dipole moment was in a direction perpendicular to the substrate.
【0171】次に、波長変換素子の光導波特性について
述べる。この場合においても、図28において説明した
評価実験系により、レンズ結合法を用いてYAGレーザ
光を光導波路即ち活性層2に導入し、この活性層2から
出射されるSHG光をフォトマルチプライヤー(図示せ
ず)により検知して、素子評価を行った。この結果、活
性層2端部より波長532nmのコヒーレントなSHG
光を観測することができた。Next, the optical waveguide characteristics of the wavelength conversion element will be described. Also in this case, the YAG laser light is introduced into the optical waveguide, that is, the active layer 2 using the lens coupling method by the evaluation experiment system described in FIG. 28, and the SHG light emitted from the active layer 2 is converted into a photomultiplier ( (Not shown), and the device was evaluated. As a result, a coherent SHG having a wavelength of 532 nm from the end of the active layer 2
Light could be observed.
【0172】この場合、クラッド層3を設けない構成と
するにも係わらず、従来構成の即ちSHG放射モードの
符号反転位置において非線形光学感受率χ(2) の向きを
反転させないSHG素子と比較して、SHG強度は1桁
以上向上させることができた。In this case, in spite of the configuration in which the cladding layer 3 is not provided, the SHG element of the conventional configuration, ie, in which the direction of the nonlinear optical susceptibility χ (2) is not inverted at the sign inversion position of the SHG radiation mode is compared. Thus, the SHG intensity could be improved by one digit or more.
【0173】またこの場合においても、有機超格子とし
て、C12PPyに代えて前述の化E及び化Fで示すC
16H33−P3CNQまたはC16H33−Q3CNQ等の各
種材料を用いることができる。Also in this case, as the organic superlattice, C12PPy is replaced by C
16 H 33 -P3CNQ or C 16 H 33 various materials such -Q3CNQ can be used.
【0174】更に、実施例8及び9においては、有機超
格子を構成する2種類以上の有機材料のうち、1種類の
みが即ちこの場合C12PPyのみが2次の非線形光学
感受率χ(2) を有する場合を説明したが、更にSHG変
換効率を高めるためには、各有機材料が非線形光学感受
率を有し、隣接する分子層の非線形光学感受率の向きが
同一方向を向いている構成とすることが望ましい。Further, in Examples 8 and 9, only one of the two or more organic materials constituting the organic superlattice, that is, in this case, only C12PPy has a second-order nonlinear optical susceptibility χ (2) Although the case of having is described, in order to further increase the SHG conversion efficiency, each organic material has a non-linear optical susceptibility, and the direction of the non-linear optical susceptibility of adjacent molecular layers is in the same direction. It is desirable.
【0175】また、本発明の波長変換素子は、上述した
YAGレーザによる1064nmの波長のレーザ光に対
するSHG光を得る場合に限ることなく、その他種々の
波長のコヒーレントなSHG光を得る波長変換素子に用
いる場合等に適用することができ、本発明構成を逸脱す
ることなく種々の変形変更が可能であることはいうまで
もない。Further, the wavelength conversion element of the present invention is not limited to the case of obtaining SHG light with respect to laser light of 1064 nm wavelength by the above-described YAG laser, but may be any other wavelength conversion element that obtains coherent SHG light of various wavelengths. It is needless to say that the present invention can be applied to the case where it is used and various modifications can be made without departing from the configuration of the present invention.
【0176】[0176]
【発明の効果】光伝播部分が光導波路形状である波長変
換素子において光導波路部の膜厚方向に主要な非線形光
学感受率テンソル成分の符号が反転した構造であって、
その反転位置がチャレンコフ放射モードの第2高調波発
生光の電界分布の節の付近であると、重なり積分でキャ
ンセルされていたものが、積算されることになって、結
合定数が大幅に上がり、第2高調波発生の変換効率が大
きく向上する。According to the present invention, there is provided a wavelength conversion element having a light propagation portion having an optical waveguide shape, wherein a sign of a main nonlinear optical susceptibility tensor component is inverted in a thickness direction of the optical waveguide portion.
If the reversal position is near the node of the electric field distribution of the second harmonic generation light in the Charenkov radiation mode, those that have been canceled by the overlap integration will be integrated and the coupling constant will increase significantly, The conversion efficiency of the second harmonic generation is greatly improved.
【0177】この構造は、第2高調波発生波長変換素子
だけでなく、光混合による和周波数、差周波数発生、パ
ラメトリック発振など、偶数次の非線形光学感受率が関
与する現象に於いてその発生効率向上にも有効である。This structure is effective not only in the second harmonic generation wavelength conversion element but also in the phenomena involving even-order nonlinear optical susceptibility, such as sum frequency and difference frequency generation due to light mixing, and parametric oscillation. It is also effective for improvement.
【0178】また、チャンネル型導波路の場合、膜厚方
向だけでなく導波路の幅方向にも非線形光学感受率が反
転した構造とすれば、膜面内で導波路に対して、チャレ
ンコフ放射される高調波の効率を向上する場合にも有効
となる。更に、スラブ型やチャンネル型などの薄膜から
形成する導波路に限らず、ファイバー型の導波路に於い
ても、そのコア部分を同心円上に周期的に非線形感受率
を反転させた多層構造とすることも有効である。In the case of the channel type waveguide, if the nonlinear optical susceptibility is inverted not only in the film thickness direction but also in the width direction of the waveguide, the Chalenkov radiation is emitted to the waveguide in the film plane. This is also effective when improving the efficiency of higher harmonics. Furthermore, not only waveguides formed from thin films such as slab type or channel type, but also fiber type waveguides, the core portion has a multilayer structure in which the nonlinear susceptibility is periodically inverted on a concentric circle. It is also effective.
【0179】予め計算によって求めたSHG放射モード
界の符号反転位置において、活性層の双極子モーメント
を反転させることによって、基本波により誘起される非
線形分極波とSHG放射モード界の重なり積分の2乗を
大きくすることができると共に、この活性層の上にクラ
ッド層を設けることによって、SHG変換効率を従来構
成のSHG素子に比し1桁程度以上高めることができ
る。By inverting the dipole moment of the active layer at the sign inversion position of the SHG radiation mode field obtained in advance by calculation, the square of the overlap integral of the nonlinear polarization wave induced by the fundamental wave and the SHG radiation mode field is obtained. By providing a cladding layer on the active layer, the SHG conversion efficiency can be increased by about one digit or more as compared with a conventional SHG element.
【0180】また、クラッド層の膜厚を1μm以上とす
ることによって、光の閉じ込め効果を大として、より高
いSHG変換効率を得ることができる。Further, by setting the thickness of the cladding layer to 1 μm or more, the effect of confining light is increased and higher SHG conversion efficiency can be obtained.
【0181】また上述のクラッド層をスピンコート膜に
より構成することによって、LB膜の膜厚を均一化する
ことができて、より高いSHG変換効率を得ることがで
きる。Further, by forming the above-mentioned clad layer by a spin coat film, the thickness of the LB film can be made uniform, and higher SHG conversion efficiency can be obtained.
【0182】更にまた、上述の波長変換素子10の活性
層2を、DCANP、DCMNA或いはDCPNAのう
ち1種の材料より成るLB膜により構成することによっ
て、これら有機薄膜材料より成る活性層の双極子モーメ
ントを、SHG放射モード界の符号が反転する位置にお
いて分子層単位で精度良く反転させることができ、非線
形分極波とSHG放射モード界の重なり積分の2乗を大
とし、SHG効率を大幅に向上することができる。Furthermore, by forming the active layer 2 of the wavelength conversion element 10 from an LB film made of one of DCANP, DCMNA and DCPNA, the dipole of the active layer made of these organic thin film materials is obtained. The moment can be inverted with high accuracy at the molecular layer unit at the position where the sign of the SHG radiation mode field is reversed, and the square of the overlap integral of the nonlinear polarization wave and the SHG radiation mode field is increased, thereby greatly improving the SHG efficiency. can do.
【0183】また、この波長変換素子10の活性層2
を、2種類以上の有機材料を1分子雄ずつ周期的に積層
した有機超格子より構成することから、例えばその積層
順序を変えることによって容易に且つ分子層単位で精度
良く双極子モーメントの向きを変えることができて、ク
ラッド層を設けることと相俟って、従来構成の即ち膜厚
方向に関して非線形光学定数χ(2) が反転しない構成の
SHG素子に比し1桁程度以上高いSHG変換効率を得
ることができる。The active layer 2 of the wavelength conversion element 10
Is composed of an organic superlattice in which two or more types of organic materials are periodically stacked one by one for each molecule. Therefore, the direction of the dipole moment can be easily and accurately adjusted in units of molecular layers by changing the stacking order. The SHG conversion efficiency can be changed by at least one order of magnitude compared to the conventional configuration, that is, the SHG device having the configuration in which the nonlinear optical constant χ (2) is not inverted in the film thickness direction. Can be obtained.
【0184】また、波長変換素子10の製造方法として
は、Y型のラングミュア・ブロジェット法を用いて非線
形光学分子を配向させて積層させる際に、非線形光学分
子の単分子層を展開した水面に対して基板を垂直方向に
降下及び引き上げを繰り返し、所定回数繰り返す毎に基
板1を所定角回転させて、膜面に平行方向に2次の光学
非線形性を有し第2高調波、和周波、または差周波が膜
厚方向に形成する定在波の節の部分或いは該節近傍で2
次の光学非線形分極感受率テンソルχ(2)の1つ以上
の成分の符号が反転されている活性層2を累積し、累積
された活性層2上に屈折率が基板1の屈折率より小であ
る有機材料からなるクラッド層3を積層する。これによ
り、活性層2の双極子モーメントをSHG放射モード界
の符号の反転位置Pで精度よく反転させることができ、
SHG効率を大幅に向上できる。またここで、累積形成
する活性層には、単一の非線形光学分子を用いる。As a method for manufacturing the wavelength conversion element 10, when the non-linear optical molecules are oriented and laminated using the Y-type Langmuir-Blodgett method, the monomolecular layer of the non-linear optical molecules is spread on the water surface. On the other hand, the substrate is repeatedly lowered and raised in the vertical direction, and the substrate 1 is rotated by a predetermined angle each time the substrate is repeated a predetermined number of times, and has a second-order optical nonlinearity in a direction parallel to the film surface, a second harmonic, a sum frequency, Alternatively, at the node of the standing wave where the difference frequency is formed in the thickness direction or in the vicinity of the node,
The active layer 2 in which the sign of one or more components of the following optical nonlinear polarization susceptibility tensor χ (2) is inverted, and the refractive index is smaller than the refractive index of the substrate 1 on the accumulated active layer 2 The cladding layer 3 made of an organic material is laminated. Thereby, the dipole moment of the active layer 2 can be accurately inverted at the inversion position P of the sign of the SHG radiation mode field,
The SHG efficiency can be greatly improved. Here, a single nonlinear optical molecule is used for the active layer to be formed cumulatively.
【0185】[0185]
【0186】[0186]
【0187】[0187]
【図1】非線形光学感受率反転構造を示す模式図であ
る。FIG. 1 is a schematic diagram showing a nonlinear optical susceptibility inversion structure.
【図2】累積時の2─ドコシルアミノ─5─ニトロピリ
ジンの配列を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the sequence of 2-dokosylamino-5-nitropyridine during accumulation.
【図3】基板上下反転後の2─ドコシルアミノ─5─ニ
トロピリジンの配列を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an arrangement of 2-docosylamino-5-nitropyridine after the substrate is turned upside down.
【図4】非線形光学感受率の方向を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a direction of a nonlinear optical susceptibility.
【図5】基板の回転角の方向を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a direction of a rotation angle of a substrate.
【図6】本発明有機非線形光学素子の一例の略線的拡大
断面図である。FIG. 6 is a schematic enlarged sectional view of an example of the organic nonlinear optical element of the present invention.
【図7】本発明有機非線形光学素子の一例の略線的拡大
断面図である。FIG. 7 is a schematic enlarged cross-sectional view of an example of the organic nonlinear optical element of the present invention.
【図8】SHG強度と活性層の膜厚との関係を示す図で
ある。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between SHG intensity and the thickness of an active layer.
【図9】深さ方向長さと電界強度の関係を示す特性図で
ある。FIG. 9 is a characteristic diagram showing a relationship between a length in a depth direction and an electric field intensity.
【図10】活性層厚さと実効屈折率の関係を示す特性図
である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing a relationship between an active layer thickness and an effective refractive index.
【図11】基本波の基板屈折率とSHG波長の屈折率の
関係を示す特性図である。FIG. 11 is a characteristic diagram showing a relationship between a substrate refractive index of a fundamental wave and a refractive index of an SHG wavelength.
【図12】計算したスラブ型光導波路形状を示す概略斜
視図である。FIG. 12 is a schematic perspective view showing a calculated slab type optical waveguide shape.
【図13】発生第2高調波・放射第2高調波の各電界分
布を示す特性図である。FIG. 13 is a characteristic diagram showing respective electric field distributions of a generated second harmonic and a radiated second harmonic.
【図14】非線形光学感受率反転を入れた時の各電界分
布を示す特性図である。FIG. 14 is a characteristic diagram showing electric field distributions when nonlinear optical susceptibility inversion is included.
【図15】2─ドコシルアミノ─5─ニトロピリジン単
分子膜のπ─A曲線を示す特性図である。FIG. 15 is a characteristic diagram showing a π─A curve of a 2- {docosylamino} 5-nitropyridine monomolecular film.
【図16】メーカーフリンジ測定装置を示す模式図であ
る。FIG. 16 is a schematic diagram showing a maker fringe measuring device.
【図17】20,130単分子層からなる2─ドコシル
アミノ─5─ニトロピリジンラングミュア・ブロジェッ
ト膜のメーカーフリンジパターンを示す特性図である。FIG. 17 is a characteristic diagram showing a maker fringe pattern of a 2-docosylamino-5-nitropyridine Langmuir-Blodgett film composed of 20,130 monomolecular layers.
【図18】第2高調波発生強度とラングミュア・ブロジ
ェット膜累積総数との関係を示す特性図である。FIG. 18 is a characteristic diagram showing a relationship between the second harmonic generation intensity and the total number of Langmuir-Blodgett films.
【図19】サンプル1と比較例1の直線二色性吸収スペ
クトル図である。19 is a linear dichroic absorption spectrum diagram of Sample 1 and Comparative Example 1. FIG.
【図20】サンプル2と比較例2の直線二色性吸収スペ
クトル図である。FIG. 20 is a linear dichroic absorption spectrum diagram of Sample 2 and Comparative Example 2.
【図21】チャレンコフ放射型第2高調波発生実験装置
を示す模式図である。FIG. 21 is a schematic diagram showing a Charenkov radiation type second harmonic generation experimental device.
【図22】サンプル2の成型方法及びレーザの入射方向
を示す模式図である。FIG. 22 is a schematic diagram showing a molding method of a sample 2 and a laser incident direction.
【図23】サンプル2と比較例2の第2高調波発生強度
を示す特性図である。FIG. 23 is a characteristic diagram illustrating second harmonic generation intensities of Sample 2 and Comparative Example 2.
【図24】チャンネル型導波路の形状を示す概略斜視図
である。FIG. 24 is a schematic perspective view showing the shape of a channel waveguide.
【図25】導波方向反転分布との組合せを示す模式図で
ある。FIG. 25 is a schematic view showing a combination with a waveguide direction inversion distribution.
【図26】変換効率のφに対する変化を示す特性図であ
る。FIG. 26 is a characteristic diagram showing a change in conversion efficiency with respect to φ.
【図27】本発明有機非線形光学素子の他の例の略線的
拡大断面図である。FIG. 27 is a schematic enlarged sectional view of another example of the organic nonlinear optical element of the present invention.
【図28】SHG光評価実験系のブロック図である。FIG. 28 is a block diagram of an SHG light evaluation experiment system.
【図29】有機非線形光学素子の活性層及び基板内にお
ける基本波及び第2高調波の電界分布を示す図である。FIG. 29 is a diagram showing electric field distributions of a fundamental wave and a second harmonic in the active layer and the substrate of the organic nonlinear optical element.
【図30】本発明有機非線形光学素子の他の例の要部の
略線的拡大断面図である。FIG. 30 is a schematic enlarged sectional view of a main part of another example of the organic nonlinear optical element of the present invention.
【図31】有機非線形光学素子の活性層及び基板内にお
ける基本波及び第2高調波の電界分布を示す図である。FIG. 31 is a diagram showing electric field distributions of a fundamental wave and a second harmonic in an active layer and a substrate of an organic nonlinear optical element.
1・・・基板 2・・・活性層 2a・・・第1の有機薄膜 2b・・・第2の有機薄膜 3・・・クラッド層 5・・・第1の材料層 6・・・第2の材料層 7・・・第1の材料層 8・・・第2の材料層 43・・・基板 44・・・非線形光学材料 45・・・非線形光学材料 46・・・キャップ層 47・・・基板 48・・・非線形光学材料 49・・・非線形光学材料 C・・・非線形光学感受率配向方向 S・・・導波方向 l・・・コヒーレント長 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2 ... Active layer 2a ... 1st organic thin film 2b ... 2nd organic thin film 3 ... Cladding layer 5 ... 1st material layer 6 ... 2nd 7 ... First material layer 8 ... Second material layer 43 ... Substrate 44 ... Non-linear optical material 45 ... Non-linear optical material 46 ... Cap layer 47 ... Substrate 48: Non-linear optical material 49: Non-linear optical material C: Non-linear optical susceptibility Orientation direction S: Guide direction l: Coherent length
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボーン ハワース 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソ ニー株式会社内 (72)発明者 石橋 義 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−210133(JP,A) Opt.Spectrosc.(US SR),Vol.58,No.4,558− 559 Polymers in Nonli near Optics,Electr onic and Photonic Applications of Po lymers,American Ch emical Society,297− 330 IEEE J.Quan.Elect ron.,Vol.27,No.3,502 −508 電子情報通信学会論文誌,Vol.J 74−C−I,No.4,119−125 Jpn.J.Appl.Phys., Vol.30,No.5,957−982 Optics Communicat ions,Vol.85,No.2,3, 247−253 Proc.SPIE Int.So c.Opt.Eng.,Vol.1361, Pt.1,,589−598 Electron.Lett.,Vo l.22,No.9,460−462 応用物理,第60巻 第6号,586−590 応用物理,1992年 9月10日,第61巻 第9号,910−917 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/37 JICSTファイル(JOIS)────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Born Haworth 6-7-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Inside Sony Corporation (72) Inventor Yoshiyoshi Ishibashi 6-35, Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation (56) References JP-A-5-210133 (JP, A) Opt. Spectrosc. (US SR), Vol. 58, No. 4,558-559 Polymers in Nonlinear near Optics, Electronic and Photonic Applications of Polymers, American Chemical Society, 297-330 IEEE J.C. Quan. Select ron. , Vol. 27, No. 3, 502-508 IEICE Transactions, Vol. J 74-CI, No. 4,119-125 Jpn. J. Appl. Phys. , Vol. 30, No. 5,957-982 Optics Communications, Vol. 85, No. 2, 3, 247-253 Proc. SPIE Int. SoC. Opt. Eng. , Vol. 1361, Pt. 1, 589-598 Electron. Lett. , Vol. 22, No. 9,460-462 Applied Physics, Vol. 60, No. 6, 586-590 Applied Physics, September 10, 1992, Vol. 61, No. 9, 910-917 (58) investigated the field (Int.Cl. 7 , DB name) G02F 1/37 JICST file (JOIS)
Claims (8)
非線形光学分子を配向させて積層させることにより、基
板上に非線形光学導波路が形成された波長変換素子にお
いて、 一種類の非線形光学分子からなり、上記基板面に平行方
向に2次の光学非線形性を有し、生成される第2高調
波、和周波、または差周波が膜厚方向に形成する定在波
の節の部分或いは該節近傍で2次の光学非線形分極感受
率テンソルχ(2)の1つ以上の成分の符号が反転され
ている活性層と、 上記活性層上に積層され屈折率が上記基板の屈折率より
小である有機材料からなるクラッド層とを有することを
特徴とする波長変換素子。1. A wavelength conversion element in which a nonlinear optical waveguide is formed on a substrate by orienting and stacking nonlinear optical molecules using the Langmuir-Blodgett method, comprising one kind of nonlinear optical molecules, The second harmonic, the sum frequency, or the difference frequency has a second-order optical nonlinearity in a direction parallel to the substrate surface, and a generated second harmonic, a sum frequency, or a difference frequency is formed at or near a node of a standing wave formed in the film thickness direction. An active layer in which the sign of one or more components of the second-order optical nonlinear polarization susceptibility tensor χ (2) is inverted; and an organic layer laminated on the active layer and having a refractive index smaller than that of the substrate. A wavelength conversion element having a cladding layer made of a material.
−ニトロピリジン、N−ドコシル−2−メチル−4ニト
ロアニリン、N−ドコシル−パラニトロアニリンから選
ばれる1種類の材料から作成されるラングミュア・ブロ
ジェット膜であることを特徴とする請求項1記載の波長
変換素子。2. The method according to claim 1, wherein the active layer is 2-docosylamino-5.
2. A Langmuir-Blodgett membrane formed from one material selected from the group consisting of -nitropyridine, N-docosyl-2-methyl-4nitroaniline, and N-docosyl-paranitroaniline. Wavelength conversion element.
なフッ素系ポリマーよりなることを特徴とする請求項1
記載の波長変換素子。3. The method according to claim 1, wherein the cladding layer is made of a fluorine-based polymer soluble in a fluorine-based solvent.
The wavelength conversion element as described in the above.
の屈折率及び膜厚、上記クラッド層の屈折率及び膜厚を
調整し、チェレンコフ角が概ね0度のチェレンコフ放射
型の第2次高調波を得ることを特徴とする請求項1記載
の波長変換素子。4. The second harmonic of a Cerenkov radiation type having a Cerenkov angle of approximately 0 degrees by adjusting the refractive index of the substrate, the refractive index and thickness of the nonlinear optical molecule, and the refractive index and thickness of the cladding layer. 2. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein a wave is obtained.
いて非線形光学分子を配向させて積層させることによ
り、基板上に非線形光学導波路が形成された波長変換素
子の製造方法において、 上記非線形光学分子の単分子層を展開した水面に対して
上記基板を垂直方向に降下及び引き上げを繰り返し、所
定回数繰り返す毎に上記基板を所定角回転させて、膜面
に平行方向に2次の光学非線形性を有し第2高調波、和
周波、または差周波が膜厚方向に形成する定在波の節の
部分或いは該節近傍で2次の光学非線形分極感受率テン
ソルχ(2)の1つ以上の成分の符号が反転されている
活性層を累積する工程と、 上記累積された活性層上に屈折率が上記基板の屈折率よ
り小である有機材料からなるクラッド層を積層する工程
とを有することを特徴とする波長変換素子の製造方法。5. A method for manufacturing a wavelength conversion element having a nonlinear optical waveguide formed on a substrate by orienting and stacking nonlinear optical molecules using a Y-type Langmuir-Blodgett method, The substrate is repeatedly lowered and raised in the vertical direction with respect to the water surface on which the monomolecular layer is developed, and the substrate is rotated by a predetermined angle each time the substrate is repeated a predetermined number of times, so that the second-order optical nonlinearity is parallel to the film surface. One or more of the second-order optical non-linear polarization susceptibility tensor χ (2) at or near a node of the standing wave where the second harmonic, sum frequency, or difference frequency forms in the film thickness direction. Accumulating an active layer in which the signs of the components are inverted; and laminating a clad layer made of an organic material having a refractive index smaller than the refractive index of the substrate on the accumulated active layer. Features Method for manufacturing a wavelength conversion element that.
非線形光学分子が積層されることを特徴とする請求項5
記載の波長変換素子の製造方法。6. The method according to claim 5, wherein in the step of accumulating the active layers, a single nonlinear optical molecule is stacked.
A method for manufacturing the wavelength conversion element according to the above.
ドコシルアミノ−5−ニトロピリジン、N−ドコシル−
2−メチル−4ニトロアニリン、N−ドコシル−パラニ
トロアニリンから選ばれる1種類の材料を用いることを
特徴とする請求項6記載の波長変換素子の製造方法。7. The method according to claim 7, wherein the single nonlinear optical molecule is 2-
Docosylamino-5-nitropyridine, N-docosyl-
The method according to claim 6, wherein one kind of material selected from 2-methyl-4nitroaniline and N-docosyl-paranitroaniline is used.
ッ素系溶媒に可溶なフッ素系ポリマーをスピンコートし
てクラッド層を作成することを特徴とする請求項5記載
の波長変換素子の製造方法。8. The method according to claim 5, wherein in the step of laminating the cladding layer, a cladding layer is formed by spin-coating a fluorine-based polymer soluble in a fluorine-based solvent. .
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