JP4806114B2 - Optical wavelength conversion element, laser light generation apparatus and optical information processing apparatus using the same - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コヒーレント光源を応用した光情報処理或いは光応用計測分野に使用される波長変換素子、並びにそれを使用したコヒーレント光発生装置、及びそのコヒーレント光発生装置を用いた光情報処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
非線形光学効果を利用した光波長変換素子は、波長変換により光の波長を変換することでレーザ光源の使用波長の拡大が図れるため、多くの分野で利用されている。例えば、第2高調波を利用した波長変換では、レーザ光を、半分の波長の第2高調波に波長変換し、従来は難しかった短波長の光の実現を可能にする。更に、パラメトリック発振を利用すると、単一波長の光源から連続的に波長の異なる光を発生することが可能となり、波長可変光源を実現できる。また、和周波数を利用すれば、波長の異なる2つの光を第3の波長の光に変換することができる。
【0003】
このような非線形光学効果を利用した光の波長変換には、変換する前の基本波と変換後の高調波との間で、位相整合条件が成立する必要がある。このための手法としては、例えば、結晶の複屈折を利用して基本波と高調波との間で結晶中の伝搬速度を揃える複屈折率法、非線形グレーティングを利用して位相整合をとる擬似位相整合法などがある。
【0004】
ところが、実際には、これらの位相整合条件を満足する波長の許容度が極端に狭いため、基本波の波長を非常に高い精度で制御する必要があり、出力を安定させることが困難である。
【0005】
そこで、これらの波長許容度を広げて、光波長変換の安定性を増す検討が行われた。図19には、波長許容度の拡大を目的とした従来の光波長変換素子の構成図を示す(特願平3−16198号参照)。以下には、0.84μmの波長の基本波P1に対する波長0.42μmの2次高調波P2の発生について、図19を参照して詳しく述べる。
【0006】
図19の構成では、LiNbO3基板6101に光導波路6102が形成され、更に光導波路6102には、周期的に分極の反転した層6103(分極反転層)が形成されている。基本波P1と発生する高調波P2との伝搬定数の不整合を分極反転層6103の周期構造で補償することにより、高効率に第2高調波P2を発生することができる。
【0007】
このように周期的な分極反転層6103により波長変換を行う光波長変換素子は、高い変換効率を持つ反面で、波長変換が可能となる位相整合波長許容度が非常に狭い。そこで、図19の構成では、光導波路6102の伝搬定数を部分的に変えることにより、光波長変換素子の波長許容度の拡大を図っている。光導波路6102の伝搬定数を変えると、光導波路6102における位相整合波長が変化する。位相整合条件とは、波長変換素子において波長変換が可能となる条件のことで、この条件が成立する入射光の波長のことを位相整合波長という。そこで、光導波路6102の幅を領域A,B,C,Dと部分的に変化させると、それぞれの領域における光導波路6102の幅に応じて、位相整合波長が異なってくる。そのため、入射光の波長が変わっても、異なる光導波路幅を有する領域A〜Dの何れかで位相整合条件が成立するため、素子全体の位相整合波長が増大する。その結果、光波長変換素子の波長許容度が増加し、安定な波長変換素子が作製できる。各領域A〜Dの間の位相整合条件は、各領域A〜Dのにおける光導波路6102の深さ、または、各領域A〜Dの間の分極反転層6103の周期を変えても実現できて、これらの場合でも同様に、波長許容度の大きな光波長変換素子が得られる。
【0008】
更に、周期状の分極反転構造と位相制御部とを組み合わせた構成についても、報告されている(特願平4−070726号)。図20には、そのような手法によって許容度拡大を実現した従来の光波長変換素子の構成を示す。
【0009】
図20に示された光波長変換素子は、非線形光学結晶6101の上に、複数の分極反転領域6105と、分極反転領域6105の間に形成された位相制御部6106と、を備える。各分極反転領域6105における位相整合条件の差を利用し、位相整合波長許容度の拡大を図るとともに、各分極反転領域6105の間で発生する位相不整合を位相制御部6106により調整することで、基本波P1の波長変動に対する高調波P2の出力変動の低減を図っている。
【0010】
更に、分極反転領域6105の数を増大させることで、更に広い波長範囲に渡って、位相整合波長許容度の拡大が可能である。例えば、分極反転領域6105が3分割構造(n=3)及び4分割構造(n=4)を有する場合の基本波波長と第2高調波(SHG)出力との関係を示した位相整合特性(チューニングカーブ)を、図21(a)及び(b)にそれぞれ示す。これより、分割数を増すことで、波長許容度を大幅に拡大できることがわかる。
【0011】
更に、分極反転の周期構造を変調することで位相整合波長許容度の拡大を可能にする試みも、報告されている。
【0012】
例えば、栖原らによりIEEE Journal of Quantum Electronics、vol.26、pp.1265−1276、1990に報告されているように、分極反転の周期構造をチャープ状に変化させることで、位相整合波長の許容度を拡大する方法が報告されている。具体的には、ここでは、分極反転の周期を距離に比例して増大させる線形チャープ構造による位相整合波長許容度の拡大方法が、提案されている。この場合には、位相ズレが線形に変化する分極反転構造により、位相整合カーブの大幅な増大が可能である。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
従来の分極反転構造を用いた光波長変換素子における位相整合波長許容度の拡大方法の課題は、位相整合特性、即ち位相整合波長をチューニングしたときのSHG出力特性の形状が、ピーク近傍で大きく変動する点である。
【0014】
上記のように、分極反転層を基本とした光波長変換素子において、素子を2つ以上の領域に分割し、各領域間の位相整合条件を変えることにより波長変換素子変換素子の波長許容度を増大させる方法では、各領域における位相整合波長が異なるため、広い波長範囲において第2高調波が発生する。しかし、各領域で発生する第2高調波が互いに干渉するため、図21(a)及び(b)に示すように、SHGの出力ピーク近傍で、基本光の波長変動に対する高調波の出力変動が大きい。
【0015】
また、分極反転周期を線形チャープ構造にすることで位相整合波長の大幅な増大が可能であるが、この方法でも、チューニングカーブのピーク近傍に大きなリップルは発生する。
【0016】
以上のように、従来の方法では、チューニングカーブのピーク近傍で平坦な出力特性が得られない。このため、位相整合波長許容度内における基本波波長のわずかな変動に対して高調波出力が変化して、安定な出力が得られない。
【0017】
更に、分極反転領域間に位相制御部を設けることで各分極反転領域間で発生する高調波間の干渉を低減し、基本波の波長変動に対する高調波の出力変動の低減を図っている従来の光波長変換素子において、高調波の出力は、なお10%以上の変動を有しており、このために、出力の安定化を実現するために必要なピーク値近傍での平坦性を実現することが、困難である。
【0018】
更に、従来の光波長変換素子は、比較的広い範囲に波長許容を拡大することは容易であるが、波長変換素子の変換効率の低下が激しい。例えば、同一の長さの結晶を用いた場合、1/9以上に変換効率が低下する。すなわち、従来技術では、高効率の波長変換特性を保ったままで波長許容度を拡大することが、困難である。
【0019】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、(1)ピーク近傍に広い平坦性を有する位相整合特性(ピークフラットな特性)を維持しながら波長許容度の拡大を実現して、安定な波長変換特性を有する光波長変換素子を提供すること、(2)上記のような光波長変換素子と半導体レーザとを用いてコヒーレント光発生装置を構成することで、半導体レーザにおける発振波長の変動を安定化し、安定な出力特性を有するコヒーレント光発生装置を提供すること、並びに(3)上記のようなコヒーレント光発生装置を用いた光情報処理装置を提供すること、を目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明の光波長変換素子は、非線形光学結晶と、該非線形光学結晶に形成した周期状の分極反転構造と、を備え、該分極反転構造が、単一の周期Λ0を有する単一周期部分と、徐々に周期が変化しているチャープ周期部分と、を有していて、そのことによって、上記の目的が達成される。
【0021】
例えば、前記単一周期部分が前記分極反転構造のほぼ中心部近傍に位置し、前記チャープ周期部分が該分極反転構造の両端近傍に位置している。
【0022】
本発明の他の光波長変換素子は、非線形光学結晶と、該非線形光学結晶に形成した周期状の分極反転構造と、を備え、該分極反転構造の周期が、Λ-m、Λ-(m-1)、・・・、Λ-2、Λ-1、Λ0、Λ1、Λ2、・・、Λm-1、Λmと表される分極反転周期であり、該分極反転周期は、位相不整合量の分布f(z)を有しており、該分布f(z)は、
f(i*Λ0)=(Λ1+Λ2+・・・+Λi)−i*Λ0、及び
f(−i*Λ0)=(Λ-1+Λ-2+・・・+Λ-i)−i*Λ0
但し、i=1、2、3、・・・
なる関係を満足し、z=0の近傍で、f(z)=0となり、更に、該分布f(z)は、f(i*Λ0)=−f(−i*Λ0)なる関係を満足し、該分布f(z)の少なくとも一部において、2次の微分係数が該非線形光学結晶の端部に向かって増大しており、そのことによって、前述の目的が達成される。
【0023】
ある実施形態では、前記分極反転構造の全長をLとすると、前記分布f(z)が、
f(z)=a・|sin(bz)|m z>0
f(z)=−a・|sin(bz)|m z<0
であり、2<m<6及びb・L/2<0.5・πなる関係を満足する。
【0024】
他の実施形態では、前記分布f(z)が
f(z)=a・|z|m z>0
f(z)=−a・|z|m z<0
であり、2<m<4なる関係を満足する。
【0025】
本発明の更に他の光波長変換素子は、互いに等しい分極反転構造を有する複数の非線形光学結晶と、該非線形光学結晶の間に配置された位相制御部と、を備え、該位相制御部が、該非線形光学結晶とは異なる周期の分極反転構造から構成されていて、そのことによって、前述の目的が達成される。
【0026】
好ましくは、前記分極反転構造の全長をLとすると、前記光波長変換素子の両端における位相不整合量を規格化した値の絶対値|f(L/2)/Λ0|が、0.4〜1の値を有する。
【0027】
上記の構成において、前記非線形光学結晶の中で基本波が高調波に変換され、該基本波の伝搬損失が、該高調波の伝搬損失のほぼ半分であり得る。
【0028】
本発明の他の局面によれば、上記のような本発明の光波長変換素子と、レーザ光源と、を備え、該レーザ光源の光が、該光波長変換素子により波長変換されているコヒーレント光発生装置が提供される。
【0029】
例えば、前記レーザ光源は、波長可変機能を有する半導体レーザである。
【0030】
例えば、前記半導体レーザが高周波重畳されている。
【0031】
好ましくは、前記光波長変換素子の波長許容度が、前記半導体レーザの縦モード間隔より広い。
【0032】
本発明の他の局面によれば、上記のような本発明のコヒーレント光発生装置と、集光光学系と、を備え、該コヒーレント光発生装置から出射されるコヒーレント光を該集光光学系により集光している光情報処理装置が提供される。
【0033】
【発明の実施の形態】
本発明は、非線形光学効果を利用した光波長変換素子における出力の安定化を目的とした素子構造、並びにそれを用いたコヒーレント光源及び光情報処理装置に関する。具体的には、光波長変換素子を構成する分極反転の周期構造に特別な構造を用いることで、広い波長許容度を有し、かつ平坦なピークを有する位相整合特性を実現する方法を新たに提供する。
【0034】
より具体的には、以下に示す4つの項目:
・単一周期構造と線形チャープ構造を組み合わせた分極反転構造を有する非線形光学素子
・関数f(z)を用いて分極反転周期構造を変調した場合の非線形光学素子
・半導体レーザと光波長変換素子とから構成されるコヒーレント光源において、常に安定な出力特性の実現が可能な構造
・出力が安定化されたコヒーレント光発生装置と集光光学系とにより、安定な特性を有する光情報処理装置の構造
について、実施の形態を用いてそれぞれ説明する。
【0035】
(擬似位相整合の原理について)
まず最初に、擬似位相整合型SHG素子における光波長変換及び位相整合について、説明する。
【0036】
2次の非線形光学効果を利用した光の波長変換には、第2高調波発生、パラメトリック発生、和周波発生、差周波発生などの方式があるが、何れの方法においても、波長λ1、波長λ2、波長λ3の3つの光の相互作用により、光の波長変換が行われる。このとき、光の波長は、
1/λ1=1/λ2+1/λ3 (1)
の関係を満足しなければならない。
【0037】
例えば、第2高調波発生は、λ2=λ3の場合であり、このときに式(1)は、
1/λ1=2/λ2 (2)
となり、基本波の波長λ1に対して、半分の波長λ2を有する光が発生する。
【0038】
パラメトリック発生は、波長λ1の基本波に対して、波長λ2及びλ3の光がそれぞれ発生する現象である。また、波長λ2の光と波長λ3の光とに対して、波長λ1の光が発生する現象が和周波発生、一方、波長λ1の光と波長λ2の光とから波長λ3の光が発生する現象が、差周波発生である。
【0039】
これらの波長変換において、高効率の波長変換の実現に必要になることが、位相整合条件の成立である。位相整合とは、波長変換に関係する3つの光の波長λ1、λ2、λ3の波長の位相関係が、伝搬する媒質(例えば、非線形光学結晶、光導波路等)において整合することであり、
N1・2π/λ1=N2・2π/λ2+N3・2π/λ3 (3)
の関係を満足することである。ここで、N1,N2,N3は、波長λ1、λ2、λ3の光が実際に感じる光の屈折率(実効屈折率)であり、光導波路の場合及びバルク結晶の場合では異なり、また、光の偏光方向などによっても異なる。
【0040】
2次の非線形光学効果における3つの波長の位相関係は、伝搬方向の距離zに対し、
A・exp{i(−N1・2π/λ1+N2・2π/λ2
+N3・2π/λ3)z} (4)
で表され、距離に対する光の変換効率は、式(4)の距離zに対する定積分値の2乗に比例する。例えば、式(3)の条件が満足されない式(4)は、
A・exp{i・β・z} (5)
となり、その積分値は振動関数となって、A/βの値以上にはならない。
【0041】
一方、式(3)の条件が満足された場合、式(4)は、
A (6)
となり、その積分値はA・zとなって、距離に比例して増大する。この状態が位相整合条件を満足した場合で、変換効率は距離の二乗に比例して増大し、高効率の変換を可能にする。
【0042】
ところが、一般に全ての物質は波長分散を有しており、その屈折率は光の波長によって変化する。従って、式(1)と式(2)とを同時に満足することは難しい。これを解決する方法が、非線形分極の周期状な反転を利用した擬似位相整合である。擬似位相整合では、周期Λの非線形グレーティング構造を設けることで、式(3)の伝搬定数の関係に、グレーティングによる伝搬ベクトルを付加することが可能となる。即ち、周期Λの分極反転構造を非線形光学結晶内に形成した場合、式(4)の位相関係は、
A’・exp{i(−N1・2π/λ1+N2・2π/λ2
+N3・2π/λ3−q・2π/Λ)z} (7)
但し、q=1、2、3・・・・
で表され、q=1のときを1次の周期構造、q=2のときを2次の周期構造とよぶ。即ち、非線形グレーティング構造によって位相不整合量(−N1・2π/λ1+N2・2π/λ2+N3・2π/λ3)を相殺することで、位相整合条件を成立させることが可能となる。
【0043】
擬似位相整合条件を成立させるための分極反転周期は、1次周期構造の場合、式(1)より、
−N1・2π/λ1+N2・2π/λ2+N3・2π/λ3
=2π/Λ (8)
と導き出せる。例えば、第2高調波発生の場合、式(8)より
Λ=λ1/2(N2−N1) (9)
が得られる。
【0044】
(位相不整合量について)
本願発明者らは、周期状分極反転構造における位相整合の不整合状態を制御することで、位相整合波長許容度の制御が効率的に行えることを見出した。即ち、分極反転構造を、図1(a)に示すように、Λ-m、Λ-(m-1)、・・・、Λ-2、Λ-1、Λ0、Λ1、Λ2、・・・、Λm-1、Λmと表される分極反転周期を有する分極反転領域601が配置された構造とし、グレーティングの全長Lを、
L=Λ-m+Λ-(m-1)+・・・+Λ-2+Λ-1+Λ0+Λ1+Λ2+・・・+Λm-1+Λm
とする。また、位相不整合量の分布関数としてf(z)を仮定し、
f(i*Λ0)=(Λ1+Λ2+・・・+Λi)−i*Λ0、及び
f(−i*Λ0)=(Λ-1+Λ-2+・・・+Λ-i)−i*Λ0
但し、i=1、2、3、・・・
とする。位相不整合量f(z)を規格化すると、
f(z)/Λ0 (10)
で表される。以下の位相不整合量は、上記の規格化された値とする。
【0045】
分極反転構造の周期Λ0における位相整合条件は式(9)で表され、これを満足する基本波波長λ0に対して、位相整合条件が成立する。
【0046】
次に、従来の分極反転構造における位相不整合量の発生について説明する。
【0047】
中心波長λ0の基本波に対して、分極反転構造の周期をΛ0からずらした場合に、位相不整合量がどのように発生するかを、図2(a)及び(b)を参照して説明する。
【0048】
例えば、従来技術として示したチャープ状に変化する周期構造の場合、分極反転周期のz方向の距離に伴う変化を図示すると、図2(a)となる。周期が直線的に変化することより、位相不整合量は線形関数の積分となり、2次関数で表されて、図2(b)に示すような変化となる。
【0049】
また、従来技術で示されている分割周期構造に関して、3分割構造による位相整合波長許容度を実現した構造として、異なる周期Λ1、Λ2、Λ3を有する分極反転構造と位相制御部δ1及びδ2とからなる分極反転構造における、分極反転周期のz方向の距離に伴う変化を図2(c)に、位相不整合量の関係を図2(d)に示す。中心周期をΛ2とし、中心周期に対する位相不整合量を図示している。この場合の位相不整合量は、位相制御部で発生した位相不整合量と、周期の異なる分極反転構造で発生した位相不整合量と、の和となる。また、周期状の分極反転構造内に位相シフト部を形成した場合も、同様に位相不整合を表すことができる。
【0050】
一方、位相シフトだけを与えた構造では、分極反転周期は一定であるから、図3(a)に示すように、分極反転周期は距離zに関係なく一定である。しかし、位相不整合量は、図3(b)に示すように、位相制御部で発生している。
【0051】
(擬似位相整合の課題について)
ここでは、擬似位相整合を利用した光波長変換素子における課題である、位相整合波長の許容度について説明する。
【0052】
擬似位相整合による波長変換では、非線形グレーティングにより位相整合条件を擬似的に成立させ、素子長の2乗に比例して高い変換効率を実現できる。しかし、グレーティングの作用長に反比例して、位相整合条件を満足させる波長許容度の幅が減少する。例えば、素子長10mmのLiNbO3を用いた擬似位相整合型のSHG素子において、波長850nmの光を波長425nmの第2高調波に変換する場合を例にとると、分極反転の周期は約3.2μmとなる。このとき、擬似位相整合条件を成立させるための基本波の波長許容度は、半値全幅で0.1nm以下となる。この値は、安定な波長変換を行う場合には非常に厳しい値であり、周辺温度などの環境変化により、出力が不安定になるという問題がある。
【0053】
以下では、本発明の具体的な幾つかの実施の形態を、添付の図面を参照して説明する。
【0054】
(実施の形態1)
ここでは、広い波長許容度を有する光波長変換素子の構造について述べる。具体的には、位相不整合量の分布を制御して、光波長変換素子の波長許容度を拡大している。
【0055】
本願発明者は、光波長変換素子の位相整合波長の許容度を拡大する新たな方法を見出した。本発明の光波長変換素子は、図1(a)に示すように、周期状の分極反転領域601の周期を部分的に変化させることにより、位相整合波長許容度を拡大する。より具体的には、図1(b)に示すように、単一周期の分極反転構造を有する単一周期部603とチャープ状の周期構造を有するチャープ周期部602とを組み合わせることで、位相整合波長の許容度を拡大する。これによって、広い波長許容度を有すると同時に、基本波の波長変動に対する高調波の出力変化を極端に少ないレベルに抑制することができる。すなわち、ピークフラットなチューニングカーブが実現される。更に、波長許容度拡大による波長変換効率の低下を最小限に抑え、波長許容度の拡大と高効率特性とを同時に達成することができる。また、位相整合特性の設計の自由度が増し、波長許容度の拡大率を自由に設計できる。
【0056】
従来より、いくつかの構造で、位相整合波長許容度の拡大が可能であることが示されている。これらは、例えば、1)分割周期構造(周期の異なる分極反転構造を組み合わせた構造)や、2)チャープ状の周期構造である。しかし、従来の方法では、波長許容度の大幅な拡大は可能であるが、位相整合カーブのピーク近傍に大きなリップルが生じるため、SHGの出力を安定に保つことは困難であった。
【0057】
これに対して本願発明では、この分極反転構造に特別な工夫を加えることで、波長許容度の拡大と、ピークフラットな位相整合特性の実現とを可能にした。即ち、従来の光波長変換素子との構造上の違いは、位相不整合量に着目し、この分布の制御により、位相整合特性の設計を可能にした点である。
【0058】
分割周期構造における分極反転周期及び位相不整合量とz方向の距離との関係を、図4(a)及び(b)にそれぞれ示す。2分割の分割周期構造は、図4(a)の分極反転周期の図からわかるように、分極反転構造の中心に対して、2つの異なる周期構造を組み合わせて構成されている。この場合、位相不整合量の発生は、図4(b)に示すように、1次関数と位相シフトとの組み合わせで表される。このときの位相整合特性には、図4(c)に示すように、大きなリップルを生じている。
【0059】
一方、従来のチャープ構造における分極反転周期及び位相不整合量とz方向の距離との関係を、図5(a)及び(b)に示す。このとき、位相不整合量は、2次関数に従って発生する。また、このときの位相整合特性を、図5(c)に示す。図4(c)に比べて、図5(c)におけるピーク近傍のリップルが、かなり低減されている。このことより、本願発明者らは、位相不整合量の発生が、1次関数から2次関数に従うようになることで、位相整合特性のピーク近傍におけるリップルの大きさが低減されていると推測した。
【0060】
そこで、本願発明者らは、位相不整合量が幾つかの関数系に従って発生(分布)する構造に関して、検討を行った。
【0061】
まず最初に、高次のべき関数に従って位相不整合量を発生させる構造を検討した。分極反転構造としては、周期Λを中心として中心対称な構造を仮定し、位相整合特性を計算した。即ち、
f(z)=a・|z| z>0
f(z)=−a・|z| z<0
とし、f(z)を、分極反転周期構造の中心対称な奇関数のべき関数として設計を行って、ピークフラットに最も近い形状を有する位相整合カーブ(チューニングカーブ、すなわち位相整合特性)を、べき関数の次数mの幾つかの値について求めた。その結果を図6に示す。
【0062】
図6にて、(1)はa=Λ0×1.2×10-4、m=1、(2)はa=Λ0×2.5×10-8、m=2、(3)はa=Λ0×6.3×10-12、m=3、及び(4)はa=Λ0×3.2×10-15、m=4の場合の結果を、それぞれ示している。
【0063】
具体的には、図6において、カーブ(1)は2分割周期構造の場合に相当し、周期の異なる2つの分極反転構造を結合させた場合である。カーブ(2)は、線形チャープ構造の場合に相当し、直線的に分極反転周期が変化している場合を示す。図6から分かるように、カーブ(1)及び(2)はともに位相整合カーブのピーク近傍で変動が大きく、フラットピーク特性を得ることができない。これに対して、カーブ(3)では、ピークフラットな特性が得られた。更に、m=4である(4)になると、最大値の値が低下している。
【0064】
以上の結果より、べき関数の場合は、次数mが2<m<4の場合に、ピークフラットな位相整合特性が得られることが明らかになった。特に、m=3の近傍で、図6のカーブ(3)に示すように、非常にフラット位相整合特性が得られた。すなわち、従来の線形チャープ構造(m=2の場合)に比べて、次数mの値を大きくすることで、ピークフラットな位相整合特性を実現できることが明らかになった。
【0065】
また、より良好なピークフラット特性を実現するには、位相不整合量の分布が従う関数f(z)に、幾つかの規制を設ける必要があることが判明した。
【0066】
関数f(z)は、分極反転構造の中心を原点とする奇関数であることが好ましい。これは、位相整合特性が対称構造となり、効率が最も高くなる構造である。しかし、光の伝搬損失や変換効率が高まった場合には、基本波が高調波に変換されてその強度が低下する現象(ポンプデプレッション)等の影響で、分極反転構造から発生する高調波変換効率の対称性が崩れる場合があるため、分極反転構造の中心は、僅かにずれる場合もある。
【0067】
また、ピークフラットな位相整合特性が得られた場合の規格化された位相不整合量の分布(式(10)で規定)を、図7に示す。図7のカーブ(1)(2)(3)(4)は、それぞれ図6のカーブ(1)(2)(3)(4)に対応している。
【0068】
分極反転構造の両端の位相不整合量の値は、図7から分かるように、0.5〜1の近傍に集中している。カーブ(4)の場合にだけ2に近い値をとるが、図6からわかるように、この場合の位相整合カーブは、ピークフラット形状とかなり異なった値を取っている。
【0069】
これより、f(z)の関数の次数mに関係なく、位相不整合量が分極反転構造の両端で0.5〜1の近傍の値をとる場合に、位相整合特性はピークフラットな形状に近づくことが確認された。それ以外の範囲では、リップルが大きすぎるために、良好な特性は得られなかった。
【0070】
更に、図7に示す位相不整合量の発生を観測すると、ピークフラットな位相整合特性を実現する関数f(z)としては、次数の高いべき関数のみならず、他の関数系も使用し得ると推測された。そこで、f(z)として三角関数を用いることを試みた。具体的には、周期Λを中心周期として、
f(z)=a・|sin(bz)| z>0
f(z)=−a・|sin(bz)| z<0
として計算した。
【0071】
まず、bの値について検討したところ、bの値が大きくなると、f(z)はsin関数であるため振動する。このとき、変換効率は大幅に低下した。f(z)が増加または減少関数であるときのみ、ピークフラットでかつ効率の高い位相整合特性が得られた。従って、分極反転構造の中心から端までの距離L/2に対して、b・(L/2)<0.5πでなけらばならないことが明らかになった。
【0072】
次に、次数mについて検討するために、多項式の場合と同様に、mの値と位相整合特性との関係を計算した。それらの結果を、図8A(a)〜8D(b)に示す。具体的には、m=2の場合の位相整合カーブ及びそのときの規格化された位相不整合量の分布を、図8A(a)及び(b)に、m=3の場合の位相整合カーブ及びそのときの規格化された位相不整合量の分布を、図8B(a)及び(b)に、m=4の場合の位相整合カーブ及びそのときの規格化された位相不整合量の分布を、図8C(a)及び(b)に、m=5の場合の位相整合カーブ及びそのときの規格化された位相不整合量の分布を、図8D(a)及び(b)に、それぞれ示している。
【0073】
図8A(a)、図8B(a)、図8C(a)、及び図8D(a)を参照すると、図8A(a)に示すm=2の場合は、ピークフラット部にリップルが生じているが、図8B(a)、図8C(a)、及び図8D(a)に示すm=3〜5の場合においては、ほぼピークフラットな特性が得られた。例えば、図8B(a)に示すm=3の場合には、カーブ(3)、(4)、(5)にて、ほぼピークフラットな特性が得られた、このときの位相不整合量は、0.6〜0.7程度であった。また、図8C(a)に示すm=4の場合は、カーブ(3)、(4)、(5)にて、ほぼピークフラットな特性が得られた。このときの位相不整合量は、0.6〜0.7程度であった。また、図8D(a)に示すm=5の場合には、カーブ(2)、(3)、(4)、(5)にて、ほぼピークフラットな特性が得られた。このときの位相不整合量は、0.5〜0.8近傍であった。
【0074】
また、ピークフラットな特性が得られたm=3〜5の場合については、計算に用いたa及びbの値を、該当する各々の図面中に記している。これらの結果より、bの値が0.00005〜0.0003の範囲に設定されている場合でのみ、ピークフラットな特性が得られることが分かる。
【0075】
一方、図示していないが、m=6の場合には、ピーク値の値が大幅に低下した。
【0076】
従って、次数mが2<m<6の範囲で、ピークフラットな特性が得られることが分かった。ただし、mの値は実数である。
【0077】
また、位相不整合量の分布に関しては、図8A(b)、図8B(b)、図8C(b)、及び図8D(b)を参照すると、分極反転構造の両端における規格化した位相不整合量の値は何れも、0.5〜1の値を取っていることがわかる。規格化した位相不整合量の値が1以上になると変換効率の大幅な低下が生じ、0.5以下になると、位相整合カーブのリップルが増大している。
【0078】
これより、ピークフラット位相整合カーブを得るには、周期構造の両端における位相不整合量の値を0.5〜1の範囲に限定しなければならない。
【0079】
また、位相不整合量の分布が従うべき関数f(z)としてtan(z)関数のべき関数を用いた場合も、同様にピークフラットな位相整合特性が得られた。
【0080】
以上の結果、位相不整合量の分布が従うべき関数f(z)としては、2次より大きなべき関数、または三角関数(sin関数或いはtan関数)を用いることで、ピークフラットな特性を実現できた。更に、べき関数と三角関数との組み合わせ、例えばf(x)=axn*|sin(bx)|mまたはf(x)=axn*|tan(bx)|mでも、ピークフラットな位相整合特性が実現できた。このとき、2<n*m<6の範囲で、ピークフラットな特性が得られた。
【0081】
次に、ピークフラットな位相整合特性が実現可能な位相不整合量分布を、図7、図8A(b)、図8B(b)、図8C(b)、及び図8D(b)から分析した。
【0082】
これより、ピークフラットな位相整合特性を実現する位相不整合量分布を実現するためには、分極反転構造の中心部に、位相整合波長の中心波長と整合するほぼ単一周期Λ0を有する単一周期構造の部分が存在し、かつ、位相不整合量が、分極反転周期構造の両端に向かって徐々に増大する構造が必要であることが分かる。更に、図示されているいずれの位相不整合量分布においても、f(z)は、その傾きが増大する部分を有する。更に分析すると、べき関数及びsin関数ともに、次数mとして2以上の値が必要であって、f(z)の2次の微分係数が、分極反転構造の両端に向かって増大する部分を有している必要がある。更に、分極反転構造の両端における位相不整合量の規格化した値|f(z)/Λ0|の値は、いずれの場合においても、0.5〜1の範囲となっている。これらの条件を満足する位相不整合量分布を与えれば、位相整合特性をピークフラットな形状に設計できる。
【0083】
次に、図7に示す位相不整合量分布の特性を、より簡便な構成で実現する方法について検討した。
【0084】
ピークフラットな位相整合特性を実現するには、図7に示した位相不整合量の分布を、分極反転周期構造に与えればよい。即ち、分極反転周期構造に、上記で図7及び図8A(a)〜8D(b)を参照して説明した位相不整合量の分布を近似的に与えることで、同様の位相整合特性が得られる。ここで、図7及び図8A(a)〜8D(b)においてピークフラットな位相整合特性を実現した位相不整合量分布を近似的に表せば、分極反転構造の中心近傍では中心周期Λ0の単一周期構造をとり、分極反転構造の両端近傍で位相不整合量が増加する構造が必要である。
【0085】
そこで、図9(a)及び(b)に示すような位相不整合量分布特性を設定した。分極反転構造としては、図9(a)に示すように、中心部は周期Λ0であり、端に向かって、分極反転周期がチャープ状に変化している。位相不整合量分布としては、図10(b)に示すように、中心近傍は単一周期のために位相不整合量は0であり、両端には、距離に依存して増大する位相不整合量分布を有している。位相不整合量の増加の傾きも、両端に向かって増加するように設定されている。このような、単一周期構造とチャープ周期構造とを組み合わせた構造により、図6とほぼ等しい位相整合特性が実現できた。
【0086】
更に、図7に示した位相不整合量分布を近似した他の構造についても、検討した。
【0087】
即ち、中心周期をΛ0とし、分極反転構造の一方の端に向かって周期Λ0+α1及びΛ0+α2の分極反転領域を設け、反対側の端に向かって周期Λ0−α1及びΛ0−α2の分極反転領域を設ける(ただし、α2>α1)。これは、べき関数に従って変化する位相不整合量分布を、2つの領域の間で周期が変化している構造に簡略化した5分割分極反転構造である。この構造では、分極反転周期が、中心から端に向かって2段階に分かれて変化し、その変化量は端に近いほど大きい。これは、べき関数を近似した構造であって、周期構造の端に向かって位相不整合が増大する構造である。
【0088】
実際には、図10(a−2)、(b−2)、(c−2)、(d−2)にそれぞれ示すようなグレーティング長(距離)依存性を有する位相不整合量分布についてシミュレーションを行って、各場合の位相整合特性を求めたところ、図10(a−1)、(b−1)、(c−1)、(d−1)にそれぞれ示す特性が得られた。これらの図に描かれている特性を比較すれば、位相不整合量のグレーティング長(距離)依存性を変えることで、ピークフラットに近い特性を呈する構造が実現でき、これによって、位相整合波長許容度も自由に設計できることがわかる。また、グレーティングの両端での位相不整合量の大きさが大きくなるにつれて、許容度が拡大していることが分かる。グレーティングの両端における位相不整合量の値として、0.5〜1の範囲である場合に、ほぼピークフラットな位相整合特性が実現できた。
【0089】
上記の構造と位相シフト構造との違いは、より広い範囲に位相整合特性を拡大できる点である。等しい周期を有する分極反転構造に位相シフトを挿入する位相シフト構造の場合、0.85μmの位相整合波長に対する波長許容度の拡大範囲は、位相整合波長領域を同程度の大きさに3分割する構造の場合で、0.1〜0.13nm程度である。これに対して、本発明の構造では、0.2nm以上に波長許容度を拡大できる。
【0090】
分割数を更に増やすと、よりピークフラットな特性が実現できる。例えば、7分割構造の場合について、図11(a−2)、(b−2)、(c−2)、(d−2)にそれぞれ示すようなグレーティング長(距離)依存性を有する位相不整合量分布についてシミュレーションを行って、各場合の位相整合特性を求めたところ、図11(a−1)、(b−1)、(c−1)、(d−1)にそれぞれ示す特性が得られた。これより、分割数を増加させてもピークフラットに近い位相整合特性が実現でき、波長許容幅も自由に設計できることが分かる。
【0091】
以上より分かるように、ピークフラットな位相整合特性を実現する波長許容度拡大を実現する構造としては、中央部に位相不整合条件を満足する単一周期部分を有し、両端に向かって位相不整合量が増加する構造で、かつ位相不整合量の増加の傾きが両端に向かって増えていることが必要である。即ち、分極反転構造が、中央部に単一周期構造を有し、その両側には、分極反転の一方の端に向かって分極反転周期Λが減少するチャープ構造と、分極反転の他方の端に向かって分極反転周期Λが増大するチャープ構造と、を有しているときに、位相整合特性の波長許容度をピークフラットな形状で拡大できることが分かった。
【0092】
なお、本実施の形態では、光波長変換素子の形状については述べなかったが、バルク型または光導波路型の何れの構造にも、本発明は適用可能である。光導波路型の構造に本発明を適用する場合には、導波光間で光波長変換を行うことで光の閉じ込めを強化し、かつ長い相互作用長を実現できるため、高効率の波長変換が可能であり有効である。また、バルク型の構造に本発明を適用する場合には、結晶を共振器構造内に設置することで、変換効率の大幅な向上が可能となる。
【0093】
また、周期状の分極反転構造としては、LiNbO3、LiTaO3、KTPにおいて短周期の分極反転構造の形成が可能であり、光波長変換素子として高効率の変換が達成できる。
【0094】
(実施の形態2)
ここでは、位相シフト分極反転構造を他の構造により実現する方法について、説明する。
【0095】
分極反転構造により波長許容度を拡大する方法として、位相シフト分極反転構造がある。これは、等しい周期を有する分極反転構造間に位相シフト部(位相制御部)を挿入し、位相整合波長許容度を拡大する方法である。この構造では、挿入された位相シフト部で、位相不整合量を発生する。
【0096】
これに対して、本実施形態では、同様の位相不整合の発生を、異なる分極反転周期を有する周期構造を挿入することで実現する。具体的には、図12(a)に示すように、従来の位相シフト部の代わりに、分極反転周期がΛ0である分極反転領域613の間に、周期の異なる分極反転領域614及び615、具体的には、周期Λ0+αで+δの位相シフトを与える分極反転領域614と周期Λ0−αで−δの位相シフトを与える分極反転領域615とを、位相制御部614及び615として挿入する。この場合の位相不整合量を図示すると、図12(b)となる。このように、位相シフトが、位相制御部614及び615で分布をもって形成される。ただし、位相整合特性は、従来の位相シフト部で位相シフトδを与えた場合に、ほぼ等しい。このような構成に基本波606を入射させれば、高調波607が得られる。
【0097】
本実施形態の構成では、従来の位相シフト構造に比べて、ピークフラットな位相整合波長特性の許容度拡大率を大きくすることができる。従来の位相シフト構造の場合、0.85μmの位相整合波長に対する波長許容度の拡大範囲は、位相整合波長領域を同程度の大きさに3分割する構造の場合で、0.1〜0.13nm程度である。これに対して、本発明の構造では、0.18nm以上に波長許容度を拡大できる。このように波長許容度の拡大率の設計値が増大することで、より安定な出力特性を有する光波長変換素子が製造できる。
【0098】
(実施の形態3)
ここでは、半導体レーザと光波長変換素子からなるコヒーレント光発生装置(コヒーレント光源とも称する)において、常に安定な出力特性の実現が可能な構造について述べる。
【0099】
具体的には、本実施形態では、半導体レーザと光波長変換素子によりコヒーレント光源を構成する場合に、光波長変換素子から出射する高調波出力を安定化させるために、最低不可欠な光波長変換素子の波長許容度及びチューニングカーブ特性を明らかにしている。
【0100】
図13に、本実施形態によるコヒーレント光源の構造を示す。この構成は、光波長変換素子621と半導体レーザ622とから構成されて、光波長変換素子621は、入射部623と出射部624を有する。半導体レーザ622は、出射波長を可変できる機能を有しており、光波長変換素子621の位相整合条件を満足する波長に出射波長を合わせることで、出力の安定化を図っている。
【0101】
この様な構成において、光波長変換素子621から出射される高調波の出力安定化のために必要な特性について、検討した。
【0102】
半導体レーザの発振波長は、グレーティングフィードバックや波長フィルターを利用した光フィードバックにより、可変できる。また、半導体レーザにおける光導波路の一部にDBRグレーティングを集積化し、DBRグレーティングの反射波長を温度やプラズマ効果を利用して可変することによっても、半導体レーザの発振波長を可変することが可能である。しかし、半導体レーザは、半導体レーザの共振器構造に起因する縦モード間隔でしか発振しないため、その発振波長は、飛び飛びの発振波長でのみ可変となる。例えば、0.1nm程度の間隔で、発振波長を制御できる。
【0103】
一方、光波長変換素子は、通常、波長許容度の非常に狭い特性を有する。例えば、素子長10mmのLiNbO3で作製した導波路型光波長変換素子などでは、0.1nm以下の半値全幅を有する。このときの光波長変換素子の位相整合特性と、半導体レーザの発振波長との関係を、図14(a)及び(b)に模式的に示す。図14(a)及び(b)において、625は半導体レーザの発振モード(縦モード)であり、626が光波長変換素子のチューニングカーブである。
【0104】
図14(a)においては、チューニングカーブ626のピークと半導体レーザの発振モード625が重なっている。この場合、半導体レーザの縦モード625をチューニングカーブ626のピークの位置に調整することで、最大の高調波出力が得られる。ところが、図14(b)に示すように、チューニングカーブ626のピークが半導体レーザの縦モード625の中央近傍に位置する場合、半導体レーザの発振波長を調整しても、高調波の出力を最大にすることができなくなる。従って、このようなコヒーレント光源においては、半導体レーザの波長を調整しても、安定な高調波出力が得られない。
【0105】
これを解決するには、光波長変換素子のチューニングカーブの平坦部分が、少なくとも半導体レーザの縦モード625の間隔より広いことが要求される。チューニングカーブの平坦部分が半導体レーザの縦モード625の間隔より広い場合、すなわち、図15(a)及び(b)に示すチューニングカーブ636の場合には、チューニングカーブ636のピークと半導体レーザの縦モード625との位置関係に関わらず、高調波の最大出力が得られる。これによって、半導体レーザの波長を可変することで、出力の安定化を図ることができる。
【0106】
次に、半導体レーザからの出力を変調し、コヒーレント光源から出射する高調波出力を変調することを試みた。その結果、半導体レーザの発振波長のチャーピングの問題が明らかになった。半導体レーザのチャーピングとは、半導体レーザの出力を変調すると、出力強度に比例して半導体レーザの活性層の温度が変化し、これによって、半導体レーザの発振波長が変動する現象である。
【0107】
例えば、図16(a)に示すように、半導体レーザの出力を一定の状態Aから特定の周波数で変調する状態Bにすると、状態Aと状態Bでは、平均の光強度が異なる。これによって、状態A及びBで、半導体レーザ活性層の温度が異なり、発振波長は、状態Aから状態Bに変わった瞬間に、数10μsオーダで変化する。このときのコヒーレント光源からの高調波出力をモニターすると、図16(b)に示すように、出力が徐々に変化する。
【0108】
これに対して、先に図15(b)に示したように半導体レーザの縦モード間隔より広い波長許容度を有する光波長変換素子を用いて半導体レーザの変調特性を測定したところ、図16(c)に示すように、安定な変調特性が得られた。この特性を更に分析すると、半導体レーザの発振波長のチャーピング波長は、最大で、半導体レーザの縦モード間隔だけ変化することを見出した。すなわち、光フィードバックで半導体レーザの発振波長を安定化させても、半導体レーザの活性層の温度が変化することで、発振モードの波長が変動する。このために、発振波長が、最大で縦モード間隔だけ変動する。これを安定化させるためには、光波長変換素子のチューニングカーブがピーク近傍で平坦部を有し、かつ平坦部が半導体レーザの縦モード間隔より大きいことが重要であることが分かった。
【0109】
ここで注意しなければならないのは、光波長変換素子における波長許容度と変換効率とが、トレードオフの関係にあることである。すなわち、波長許容度を増大させるに従って、光波長変換素子の変換効率は低下する。従って、光波長変換素子の波長許容度の拡大は、必要最小限にとどめる必要がある。
【0110】
以上の結果、半導体レーザの波長を制御してコヒーレント光源を安定化させるには、光波長変換素子のチューニングカーブがピーク近傍で平坦であり、かつ平坦な部分が半導体レーザの縦モード間隔より大きい必要がある。チューニングカーブの平坦性は、コヒーレント光源に要求される出力変動の範囲に依存する。通常のレーザ光源では5%程度の出力変動が許されるが、このような場合には、半導体レーザの縦モード間隔に相当する波長範囲におけるチューニングカーブの平坦度は、5%以下であればよい。一方、更に厳しい特性が要求される用途においては、より平坦なチューニングカーブが要求される。
【0111】
上記の検討結果に基づいて、実施の形態1に示した光波長変換素子と半導体レーザによりコヒーレント光源を構成し、出力の安定化実験を行った。しかし、半導体レーザの波長調整することで光波長変換素子の位相整合波長に一致させ、高調波出力の安定化を図ったところ、出力が大きく変動し、設計通りの安定化が得られない場合があることが明らかになった。そこで、高調波出力変動の要因について更に検討を行うため、図17に示すように、基本波の波長を連続的に変化させて、高調波出力の変化を観測した。
【0112】
その結果、光波長変換素子の許容度の範囲で、高調波出力が細かく変動していることが明らかになった。この原因を検討したところ、基本波及び高調波が光波長変換素子の入射部端面及び出射部端面でフレネル反射し、この光が互いに干渉することで、高調波出力を不安定にしていることが明らかになった。すなわち、入射部及び出射部における端面反射光が互いに干渉し、かつ波長の変化により光波長変換素子の光路長が変化することで、端面反射光の干渉度合いが変化して、出力を不安定にしている。更に、基本波出力を変調して高調波の出力を変調する場合にも、同様の出力変動が観測された。
【0113】
このように、半導体レーザを変調すると、半導体レーザの波長が変化するため、波長許容度を拡大した光波長変換素子を用いても出力の安定化が難しく、高調波の雑音レベルを大幅に増大させる。この問題を解決するためには、端面反射による干渉を防止する方法として、入射部または出射部の少なくとも何れか一方に、高調波及び基本波に対する反射防止膜を形成する。端面に反射防止膜を堆積することでフレネル反射を防止し、端面反射による干渉効果を低減できる。その結果、非常に安定な出力特性を有するコヒーレント光源を実現できる。
【0114】
更に、基本波に対する反射防止膜は、入射部及び出射部ともに形成するのが望ましい。半導体レーザでは、外部に出射した光が再び活性層内に戻ることで、雑音の増大や出力の変動などの問題が発生する。これを防止するために、基本波に対する反射防止膜は、出射部及び入射部の両方に形成することが望ましい。一方、高調波に対する反射防止膜は、入射部または出射部のどちらか一方でよいが、出射部に形成するのが望ましい。これは、出射部に高調波の反射防止膜を形成することで、端面のフレネル反射による損失を防止し、より高出力の高調波を得ることができるためである。
【0115】
従って、望ましい構成としては、出射部には、基本波及び高調波ともに反射防止効果を有する反射防止膜を形成し、入射部には、基本波に対する反射防止膜を形成する。
【0116】
入射部及び出射部における端面反射の干渉効果により高調波出力が不安定になる問題を解決する他の方法として、半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳する方法がある。
【0117】
端面反射光が干渉を起こす原因として、光のコヒーレンスが高いために、互いに光が干渉しあうことがある。そこで、この点を克服するために、コヒーレンスを低下させて、干渉度を低減させることが考えられる。これは、半導体レーザの駆動電流を高い周波数で変調することでコヒーレンスを低下させる方法であって、数100MHz以上の高い周波数で変調を加える。このとき、半導体レーザの発振波長がシングルモードからマルチモードになって広がるが、このようなマルチモード化は、DBRグレーティング等を用いて強い光フィードバックを活性層内に帰還することで、防止できる。
【0118】
このように、半導体レーザに高周波を重畳することで、端面干渉を低減して、高調波出力の安定性を確保することができる。
【0119】
更に、高周波重畳には、光波長変換素子の効率を大幅に増大させるという特徴がある。光波長変換素子の効率は、基本波のパワーに比例して増大する。半導体レーザを高周波重畳で駆動すると、尖塔値の高いパルス列発振となり、各ピークの値が数倍から10倍以上に増加する。このため、高強度のパルス光の波長変換となり、変換効率が大幅に増大する。実験では、2〜3倍以上の変換効率向上が観測された。この点からも、高周波重畳した半導体レーザを用いることは、有効である。
【0120】
更に、高周波重畳によって半導体レーザの発振波長の幅がわずかに広がる場合にも、波長許容度を拡大した光波長変換素子においては、半導体レーザの発振波長より広い波長許容度を実現することができるため、全ての光を効率よく波長変換することが可能となり、高効率で光波長変換が行える。
【0121】
(実施の形態4)
ここでは、光波長変換素子を用いたコヒーレント光発生装置について述べる。
【0122】
前述した実施形態による光波長変換素子の構成により、高効率で安定な光波長変換素子の実現が可能となる。そこで、本光波長変換素子を用いたコヒーレント光発生装置として、短波長光源の作製を試みた。この短波長光源は、波長850nm帯の半導体レーザと、集光光学系と、光波長変換素子より構成され、半導体レーザから出射された光を、集光光学系により光波長変換素子の導波路短面に集光し、導波モードを励起する。光波長変換素子の他の導波路端面より、波長変換されたSHG光が出射する。
【0123】
本発明によって変換効率が高い光波長変換素子が実現したため、上記のような構成を有する本実施形態の短波長光源(コヒーレント光発生装置)では、出力100mW程度の半導体レーザを用いて、10mWの青色SHG光が得られた。また、用いた波長変換素子は波長許容度が拡大されており、かつフラットなチューニング特性を有するため、波長変動に対して安定な出力特性が得られる。この結果、出力変動を5%以下に抑えることができる。
【0124】
400nm帯の波長は、印刷製版、バイオエンジニアリング、蛍光分光特性などの特殊計測分野や、光ディスク分野など、広い応用分野において望まれている。本発明の光波長変換素子を用いた短波長光源は、出力特性及び動作安定性の両面から、これらの応用分野での実用化が可能である。
【0125】
なお、本実施の形態では、半導体レーザの光を集光光学系を用いて光導波路に結合させたが、半導体レーザと光導波路を直接結合させることも可能である。具体的には、TEモード伝搬の光導波路を用いると、光導波路内の電界分布を、半導体レーザの導波モードと等しくすることが可能となるため、集光レンズなしでも高効率で結合できる。実験では、結合効率80%で直接結合が可能であり、レンズ結合とほぼ同等の結合特性が得られることを確認した。直接結合を用いると、小型で低価格の光源が実現でき、有望である。
【0126】
更に、パラメトリック発振を利用しても、波長可変レーザの可変波長領域の拡大が可能である。
【0127】
周期状の分極反転構造を有する光波長変換素子とレーザ光源を用いれば、パラメトリック発振が可能である。パラメトリック発振によれば、波長λ3の基本波を入力すると、1/λ3=1/λ1+1/λ2の関係を満足する波長λ2のシグナル光及び波長λ1のアイドラー光を発生することが可能である。これより、波長λ3の基本波を用いて、上記の条件を満足する波長を有する光を、波長可変しながら出力することができて、波長可変なレーザ光源が実現できる。
【0128】
このようなパラメトリック発振を可能にする構成において、本発明の光波長変換素子を用いれば、広い波長許容度を有する光波長変換素子が実現できるため、安定な出力を得ることができる。
【0129】
更に、従来のパラメトリック発振で問題となっていた波長可変範囲の拡大を、実現できる。
【0130】
周期Λの分極反転構造を用いてパラメトリック発振を行った場合、Λ=2mπ/(β3−β1−β2)の関係を満足する波長λ1の光と波長λ2の光が発生可能である。しかし、従来技術では、Λの条件を満足する波長許容度が狭いため、同一の周期構造内で発生条件を満足する波長の条件が狭く、波長可変の範囲が極端に狭いという問題があった。これに対して、本発明の光波長変換素子を用いると、位相整合波長許容度の拡大が、ピークフラットなチューニングカーブで実現する。これによって基本波の波長変動に対する許容度が拡大されるが、パラメトリック発振の場合は、シグナル光及びアイドラー光に対する波長許容をも、拡大することが可能となる。従って、従来の光波長変換素子では難しかった出力波長の可変波長範囲を、大幅に拡大できる。
【0131】
更に、ピークフラットなチューニングカーブを有しているため、出力強度をほぼ一定に保ったままで、発振波長を可変できる。
【0132】
(実施の形態5)
ここでは、本発明によって構成される光情報処理装置について、説明を行う。
【0133】
図18に、本発明の光情報処理装置の構成を示す。図18において、実施の形態6に示した特徴を有するコヒーレント光発生装置640から出た出力10mWのビームは、ビームスプリッタ641を透過し、レンズ642により、情報再生媒体である光ディスク643に照射される。光ディスク643からの反射光は、逆にレンズ642によりコリメートされ、ビームスプリッタ641で反射されて、光検出器644で信号が読みとられる。更に、コヒーレント光発生装置640の出力を強度変調することで、光ディスク643に情報を書き込むことができる。
【0134】
本発明によれば、コヒーレント光発生装置640を構成する光波長変換素子の許容度が拡大されているので、出力の安定化が図れて、外部の温度変化に対しても5%以下の出力変動に抑えることができる。
【0135】
更に、高出力の青色光の発生が可能となるため、読み取りだけでなく、上記のように、光ディスク643へ情報を書き込むことも可能となる。また、半導体レーザを基本波光源として用いることで、非常に小型になるため、民生用の小型の光ディスク読み取り/記録装置にも利用できる。
【0136】
光ディスク643への書き込みには出力を変調する必要があるが、本発明の光情報処理装置では、半導体レーザの出力強度を変調することで、コヒーレント光発生装置640からの出力変調を行っている。半導体レーザの波長を変調すると発振波長が変動するが、前述のように、光波長変換素子がフラットピークな位相整合特性を有するために、半導体レーザの変調による高調波出力の不安定性は発生しない。その結果、安定な変調出力特性が得られて、低ノイズの特性が実現される。
【0137】
更に、光波長変換素子の光導波路幅を最適化することで、出力ビームのアスペクト比の最適化が行える。例えば、光導波路上に光導波路幅より狭い高屈折率層を有する導波路構造を設けることで、出射ビームのアスペクト比を1:1に近づけることが可能となる。これによって、ビーム成形プリズムなどを用いずに光ピックアップの集光特性を向上させることが可能になって、高い伝達効率、優れた集光特性、低価格化が実現できる。更に、ビーム成形時に発生する散乱光のノイズが低減できて、ピックアップの簡素化が実現される。
【0138】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、光波長変換素子において、単一周期構造とチャープ周期構造とからなる分極反転構造を用いることで、ピークフラットな位相整合特性を実現できる。更に、位相不整合量の分布を利用して、光波長変換素子の位相整合特性を設計する新たな手法が提供される。この結果、光波長変換素子における位相整合波長許容度の設計自由度が大幅に増し、従来の1.5倍以上の波長許容度の拡大が実現した。この構成により、安定な出力特性を有する光波長変換素子の実現が可能となった。
【0139】
更に、光波長変換素子と半導体レーザにより構成するコヒーレント光発生装置(コヒーレント光源)において、出力安定化が実現される。具体的には、コヒーレント光発生装置に含まれる光波長変換素子が、半導体レーザの縦モード間隔より広い波長許容度を有し、かつ波長許容度内でチューニングカーブがフラットな特性を有することで、半導体レーザの波長を常に波長許容度内に安定化することが可能になる。その結果、コヒーレント光の出力変動を押さえて、安定な出力特性を有するコヒーレント光源を実現することが可能になり、その実用効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明の光波長変換素子における分極反転構造の構成図であり、(b)は、(a)の構造における分極反転周期の分布を表す図である。
【図2】(a)は、線形チャープ分極反転構造における分極反転周期の分布を表す図であり、(b)は、線形チャープ分極反転構造における位相不整合量の分布を表す図であり、(c)は、分割周期分極反転構造における分極反転周期の分布を表す図であり、(d)は、分割周期分極反転構造における位相不整合量の分布を表す図である。
【図3】(a)は、位相シフトが存在する分極反転構造の分極反転周期の分布を表す図であり、(b)は、位相シフトが存在する分極反転構造の位相不整合量の分布を表す図である。
【図4】(a)は、2分割された周期分極反転構造の分極反転周期の分布を表す図であり、(b)は、2分割された周期分極反転構造の位相不整合量の分布を表す図であり、(c)は、得られる位相整合特性(チューニングカーブ)を表す図である。
【図5】(a)は、線形チャープ周期の分割周期分極反転構造の分極反転周期の分布を表す図であり、(b)は、線形チャープ周期の分極反転構造の位相不整合量の分布を表す図であり、(c)は、得られる位相整合特性(チューニングカーブ)を表す図である。
【図6】本発明の分極反転構造において、位相不整合量分布が従う関数f(z)がべき関数の場合の位相整合特性を表す図であり、(1)次数m=1の場合、(2)次数m=2の場合、(3)次数m=3の場合、(4)次数m=4の場合である。
【図7】本発明の分極反転構造において、位相不整合量分布が従う関数f(z)がべき関数の場合の位相不整合量分布を表す図であり、(1)次数m=1の場合、(2)次数m=2の場合、(3)次数m=3の場合、(4)次数m=4の場合である。
【図8A】(a)は、本発明の分極反転構造において、位相不整合量分布が従う関数f(z)が三角関数(次数m=2)の場合の位相整合特性を表す図であり、(b)は、その場合の位相不整合量分布を表す図である。
【図8B】(a)は、本発明の分極反転構造において、位相不整合量分布が従う関数f(z)が三角関数(次数m=3)の場合の位相整合特性を表す図であり、(b)は、その場合の位相不整合量分布を表す図である。
【図8C】(a)は、本発明の分極反転構造において、位相不整合量分布が従う関数f(z)が三角関数(次数m=4)の場合の位相整合特性を表す図であり、(b)は、その場合の位相不整合量分布を表す図である。
【図8D】(a)は、本発明の分極反転構造において、位相不整合量分布が従う関数f(z)が三角関数(次数m=5)の場合の位相整合特性を表す図であり、(b)は、その場合の位相不整合量分布を表す図である。
【図9】(a)は、本発明の光波長変換素子における位相整合特性を表す図であり、(b)は、その場合の位相不整合量分布を表す図である。
【図10】(a−1)、(b−1)、(c−1)、(d−1)は、位相不整合分布がそれぞれ(a−2)、(b−2)、(c−2)、(d−2)である場合(5分割構造)に得られる位相整合特性を示す図である。
【図11】(a−1)、(b−1)、(c−1)、(d−1)は、位相不整合分布がそれぞれ(a−2)、(b−2)、(c−2)、(d−2)である場合(7分割構造)に得られる位相整合特性を示す図である。
【図12】(a)は、本発明の位相制御部を有する分極反転構造において得られる位相整合特性を表す図であり、(b)は、その場合の位相不整合量分布を表す図である。
【図13】本発明のコヒーレント光発生装置の構造図である。
【図14】(a)は、光波長変換素子のチューニングカーブの最大値と半導体レーザの発振波長とが一致している場合の、半導体レーザの発振波長と位相整合特性の関係を表す図であり、(b)は、発振波長がチューニングカーブの最大値近傍からずれた場合における、半導体レーザの発振波長と位相整合特性の関係を表す図である。
【図15】(a)は、本発明のコヒーレント光発生装置において、光波長変換素子のチューニングカーブの最大値と半導体レーザの発振波長とが一致している場合の、半導体レーザの発振波長と位相整合特性の関係を表す図であり、(b)は、本発明のコヒーレント光発生装置において、発振波長がチューニングカーブの最大値近傍からずれた場合における、半導体レーザの発振波長と位相整合特性の関係を表す図である。
【図16】(a)は、コヒーレント光発生装置における基本波の変調出力を示す図であり、(b)は、従来の光波長変換素子を用いたコヒーレント光発生装置の出力変動を示す図であり、(c)は、本発明の光波長変換素子を用いたコヒーレント光発生装置の出力変動を示す図である。
【図17】コヒーレント光発生装置の基本波波長を変化させた場合の出力特性を表す図である。
【図18】本発明の光情報処理装置の構成図である。
【図19】従来の光波長変換素子の構成図である。
【図20】従来の光波長変換素子の構成図である。
【図21】(a)は、従来の2分割構造光波長変換素子における位相整合特性を表す図であり、(b)は、従来の3分割構造光波長変換素子における位相整合特性を表す図である。
【符号の説明】
601 分極反転領域
602 チャープ周期部
603 単一周期部
606 基本波
607 高調波
613 分極反転領域
614 位相制御部
615 位相制御部
621 光波長変換素子
622 半導体レーザ
623 入射部
624 出射部
625 半導体レーザの発振モード(縦モード)
626 光波長変換素子のチューニングカーブ
636 本発明による光波長変換素子のチューニングカーブ
640 コヒーレント光発生装置
641 ビームスプリッタ
642 レンズ
643 光ディスク
644 光検出器
6101 LiNbO3基板(非線形光学結晶)
6102 光導波路
6103 分極反転層
6105 分極反転領域
6106 位相制御部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength conversion element used in the field of optical information processing or optical applied measurement using a coherent light source, a coherent light generation apparatus using the same, and an optical information processing apparatus using the coherent light generation apparatus.
[0002]
[Prior art]
Optical wavelength conversion elements using the nonlinear optical effect are used in many fields because the wavelength used for laser light sources can be expanded by converting the wavelength of light by wavelength conversion. For example, in the wavelength conversion using the second harmonic, the laser light is wavelength-converted to the second harmonic having a half wavelength, thereby realizing a short wavelength light that has been difficult in the past. Furthermore, when parametric oscillation is used, light having different wavelengths can be continuously generated from a light source having a single wavelength, and a wavelength variable light source can be realized. In addition, if the sum frequency is used, two lights having different wavelengths can be converted into light having a third wavelength.
[0003]
In wavelength conversion of light using such a nonlinear optical effect, it is necessary to satisfy a phase matching condition between a fundamental wave before conversion and a harmonic after conversion. For this purpose, for example, the birefringence method that uses the birefringence of the crystal to align the propagation speed in the crystal between the fundamental wave and the harmonic, and the pseudo phase that uses a nonlinear grating to achieve phase matching. There is a matching method.
[0004]
However, in practice, since the tolerance of the wavelength that satisfies these phase matching conditions is extremely narrow, it is necessary to control the wavelength of the fundamental wave with very high accuracy, and it is difficult to stabilize the output.
[0005]
Therefore, studies have been made to increase the stability of optical wavelength conversion by expanding these wavelength tolerances. FIG. 19 shows a configuration diagram of a conventional optical wavelength conversion element for the purpose of expanding the wavelength tolerance (see Japanese Patent Application No. 3-16198). Hereinafter, generation of the second harmonic P2 having a wavelength of 0.42 μm with respect to the fundamental wave P1 having a wavelength of 0.84 μm will be described in detail with reference to FIG.
[0006]
In the configuration of FIG. 19, LiNbOThreeAn optical waveguide 6102 is formed on the substrate 6101, and a layer 6103 (polarization inversion layer) whose polarization is periodically inverted is formed in the optical waveguide 6102. By compensating for mismatch in propagation constant between the fundamental wave P1 and the generated harmonic wave P2 by the periodic structure of the domain-inverted layer 6103, the second harmonic wave P2 can be generated with high efficiency.
[0007]
As described above, the optical wavelength conversion element that performs wavelength conversion by the periodically domain-inverted layer 6103 has high conversion efficiency, but has a very narrow phase matching wavelength tolerance that enables wavelength conversion. Therefore, in the configuration of FIG. 19, the wavelength tolerance of the optical wavelength conversion element is increased by partially changing the propagation constant of the optical waveguide 6102. When the propagation constant of the optical waveguide 6102 is changed, the phase matching wavelength in the optical waveguide 6102 changes. The phase matching condition is a condition that enables wavelength conversion in the wavelength conversion element, and the wavelength of incident light that satisfies this condition is called a phase matching wavelength. Therefore, when the width of the optical waveguide 6102 is partially changed to the regions A, B, C, and D, the phase matching wavelength varies depending on the width of the optical waveguide 6102 in each region. For this reason, even if the wavelength of the incident light changes, the phase matching condition is satisfied in any of the regions A to D having different optical waveguide widths, so that the phase matching wavelength of the entire element increases. As a result, the wavelength tolerance of the optical wavelength conversion element increases, and a stable wavelength conversion element can be manufactured. The phase matching condition between the regions A to D can be realized by changing the depth of the optical waveguide 6102 in each region A to D or the period of the domain-inverted layer 6103 between the regions A to D. In these cases as well, an optical wavelength conversion element having a large wavelength tolerance can be obtained.
[0008]
Furthermore, a configuration in which a periodic domain-inverted structure and a phase control unit are combined has also been reported (Japanese Patent Application No. 4-070726). FIG. 20 shows a configuration of a conventional optical wavelength conversion element that realizes an increase in tolerance by such a method.
[0009]
The optical wavelength conversion element illustrated in FIG. 20 includes a plurality of polarization inversion regions 6105 and a phase control unit 6106 formed between the polarization inversion regions 6105 on the nonlinear optical crystal 6101. By utilizing the difference in the phase matching conditions in each polarization inversion region 6105 to increase the phase matching wavelength tolerance, and adjusting the phase mismatch generated between the polarization inversion regions 6105 by the phase control unit 6106, The output fluctuation of the harmonic P2 is reduced with respect to the wavelength fluctuation of the fundamental wave P1.
[0010]
Furthermore, by increasing the number of domain-inverted regions 6105, the phase matching wavelength tolerance can be expanded over a wider wavelength range. For example, when the domain-inverted region 6105 has a three-divided structure (n = 3) and a four-divided structure (n = 4), a phase matching characteristic showing a relationship between a fundamental wave wavelength and a second harmonic (SHG) output ( The tuning curves are shown in FIGS. 21 (a) and 21 (b), respectively. This shows that the wavelength tolerance can be greatly expanded by increasing the number of divisions.
[0011]
In addition, attempts have been reported to increase the phase matching wavelength tolerance by modulating the periodic structure of polarization inversion.
[0012]
For example, Sugawara et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 26, pp. 1265 to 1276 and 1990, a method for expanding the tolerance of the phase matching wavelength by changing the periodic structure of polarization inversion to a chirp shape has been reported. Specifically, here, a method of expanding the phase matching wavelength tolerance by a linear chirp structure in which the period of polarization inversion is increased in proportion to the distance has been proposed. In this case, the phase matching curve can be greatly increased by the polarization inversion structure in which the phase shift changes linearly.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The problem of the method of expanding the phase matching wavelength tolerance in the conventional optical wavelength conversion element using the polarization inversion structure is that the phase matching characteristic, that is, the shape of the SHG output characteristic when the phase matching wavelength is tuned, fluctuates in the vicinity of the peak. It is a point to do.
[0014]
As described above, in an optical wavelength conversion element based on a domain-inverted layer, the wavelength tolerance of the wavelength conversion element conversion element can be increased by dividing the element into two or more regions and changing the phase matching conditions between the regions. In the method of increasing, since the phase matching wavelength in each region is different, the second harmonic is generated in a wide wavelength range. However, since the second harmonics generated in each region interfere with each other, as shown in FIGS. 21 (a) and (b), the output fluctuation of the harmonics with respect to the wavelength fluctuation of the fundamental light is near the output peak of SHG. large.
[0015]
In addition, although the phase matching wavelength can be significantly increased by making the polarization inversion period a linear chirp structure, a large ripple is generated near the peak of the tuning curve even with this method.
[0016]
As described above, the conventional method cannot obtain a flat output characteristic in the vicinity of the peak of the tuning curve. For this reason, the harmonic output changes with respect to a slight fluctuation of the fundamental wave wavelength within the phase matching wavelength tolerance, and a stable output cannot be obtained.
[0017]
Furthermore, by providing a phase control unit between the domain-inverted regions, interference between harmonics generated between the domain-inverted regions is reduced, and conventional light that aims to reduce harmonic output fluctuations with respect to fundamental wavelength fluctuations. In the wavelength conversion element, the harmonic output still has a fluctuation of 10% or more. For this reason, it is possible to realize flatness near the peak value necessary to realize the stabilization of the output. ,Have difficulty.
[0018]
Furthermore, in the conventional optical wavelength conversion element, it is easy to expand the wavelength tolerance over a relatively wide range, but the conversion efficiency of the wavelength conversion element is drastically reduced. For example, when crystals having the same length are used, the conversion efficiency is reduced to 1/9 or more. That is, with the conventional technology, it is difficult to increase the wavelength tolerance while maintaining highly efficient wavelength conversion characteristics.
[0019]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. The purpose of the present invention is to (1) maintain the phase matching characteristic (peak flat characteristic) having a wide flatness in the vicinity of the peak while maintaining the wavelength tolerance. Realizing expansion and providing a light wavelength conversion element having stable wavelength conversion characteristics, (2) By configuring a coherent light generation device using the light wavelength conversion element and the semiconductor laser as described above, Providing a coherent light generation device that stabilizes oscillation wavelength fluctuation in a semiconductor laser and has stable output characteristics; and (3) providing an optical information processing device using the coherent light generation device as described above. With the goal.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The optical wavelength conversion element of the present invention includes a nonlinear optical crystal and a periodic domain-inverted structure formed in the nonlinear optical crystal, and the domain-inverted structure has a single period Λ.0And a chirp period portion having a gradually changing period, whereby the above object is achieved.
[0021]
For example, the single period portion is located substantially near the center of the domain-inverted structure, and the chirp period is located near both ends of the domain-inverted structure.
[0022]
Another optical wavelength conversion element of the present invention comprises a nonlinear optical crystal and a periodic domain-inverted structure formed in the nonlinear optical crystal, and the period of the domain-inverted structure is Λ-m, Λ-(m-1), ..., Λ-2, Λ-1, Λ0, Λ1, Λ2, ..., Λm-1, ΛmThe polarization inversion period has a phase mismatch amount distribution f (z), and the distribution f (z) is
f (i * Λ0) = (Λ1+ Λ2+ ... + Λi) -I * Λ0,as well as
f (−i * Λ0) = (Λ-1+ Λ-2+ ... + Λ-i) -I * Λ0,
However, i = 1, 2, 3,...
In the vicinity of z = 0, f (z) = 0, and the distribution f (z) is expressed as f (i * Λ0) = − F (−i * Λ0And the second order differential coefficient increases toward the end of the nonlinear optical crystal in at least a part of the distribution f (z), whereby the above-mentioned object is achieved. The
[0023]
In one embodiment, when the total length of the domain-inverted structure is L, the distribution f (z) is
f (z) = a · | sin (bz) |m            z> 0
f (z) = − a · | sin (bz) |m          z <0
And satisfies the relationship 2 <m <6 and b · L / 2 <0.5 · π.
[0024]
In another embodiment, the distribution f (z) is
f (z) = a · | z |m                        z> 0
f (z) = − a · | z |m                      z <0
And satisfies the relationship 2 <m <4.
[0025]
Still another optical wavelength conversion element of the present invention includes a plurality of nonlinear optical crystals having the same polarization inversion structure, and a phase control unit disposed between the nonlinear optical crystals, the phase control unit comprising: The nonlinear optical crystal is composed of a domain-inverted structure having a different period, and thereby the above-mentioned object is achieved.
[0026]
Preferably, when the total length of the domain-inverted structure is L, the absolute value | f (L / 2) / Λ of a value obtained by standardizing the phase mismatch amount at both ends of the optical wavelength conversion element0| Has a value of 0.4 to 1.
[0027]
In the above configuration, the fundamental wave is converted into a harmonic in the nonlinear optical crystal, and the propagation loss of the fundamental can be approximately half of the propagation loss of the harmonic.
[0028]
According to another aspect of the present invention, coherent light comprising the optical wavelength conversion element of the present invention as described above and a laser light source, and the light of the laser light source being wavelength-converted by the optical wavelength conversion element. A generator is provided.
[0029]
For example, the laser light source is a semiconductor laser having a wavelength variable function.
[0030]
For example, the semiconductor laser is superimposed on a high frequency.
[0031]
Preferably, the wavelength tolerance of the optical wavelength conversion element is wider than the longitudinal mode interval of the semiconductor laser.
[0032]
According to another aspect of the present invention, the coherent light generation device of the present invention as described above and a condensing optical system are provided, and the coherent light emitted from the coherent light generation device is transmitted by the condensing optical system. A focused optical information processing apparatus is provided.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to an element structure for the purpose of stabilizing an output in an optical wavelength conversion element using a nonlinear optical effect, and a coherent light source and an optical information processing apparatus using the element structure. Specifically, a new method for realizing phase matching characteristics having a wide wavelength tolerance and a flat peak by using a special structure for the periodic structure of polarization inversion constituting the optical wavelength conversion element. provide.
[0034]
More specifically, the following four items:
・ Nonlinear optical element with polarization inversion structure combining single periodic structure and linear chirp structure
.Nonlinear optical element when the polarization inversion periodic structure is modulated using the function f (z)
A structure that can always realize stable output characteristics in a coherent light source composed of a semiconductor laser and an optical wavelength conversion element
・ Structure of optical information processing device with stable characteristics by coherent light generator with stable output and condensing optical system
Will be described using embodiments.
[0035]
(About the principle of pseudo phase matching)
First, optical wavelength conversion and phase matching in the quasi phase matching type SHG element will be described.
[0036]
The wavelength conversion of light using the second-order nonlinear optical effect includes methods such as second harmonic generation, parametric generation, sum frequency generation, difference frequency generation, and the like. The wavelength conversion of the light is performed by the interaction of the three lights having the wavelength λ3. At this time, the wavelength of light is
1 / λ1 = 1 / λ2 + 1 / λ3 (1)
Must satisfy the relationship.
[0037]
For example, the second harmonic generation is in the case of λ2 = λ3. At this time, the expression (1) is
1 / λ1 = 2 / λ2 (2)
Thus, light having a half wavelength λ2 with respect to the wavelength λ1 of the fundamental wave is generated.
[0038]
Parametric generation is a phenomenon in which light of wavelengths λ2 and λ3 is generated with respect to the fundamental wave of wavelength λ1. A phenomenon in which light of wavelength λ1 is generated with respect to light of wavelength λ2 and light of wavelength λ3 is a sum frequency, while light having wavelength λ3 is generated from light of wavelength λ1 and light of wavelength λ2. Is the difference frequency generation.
[0039]
In these wavelength conversions, what is necessary for realizing highly efficient wavelength conversion is the establishment of the phase matching condition. The phase matching means that the phase relationship of the wavelengths λ1, λ2, and λ3 of the three lights related to wavelength conversion is matched in a propagation medium (for example, a nonlinear optical crystal, an optical waveguide, etc.)
N1 · 2π / λ1 = N2 · 2π / λ2 + N3 · 2π / λ3 (3)
Satisfy the relationship. Here, N1, N2, and N3 are refractive indexes (effective refractive indexes) of light actually sensed by light of wavelengths λ1, λ2, and λ3, and are different in the case of an optical waveguide and in the case of a bulk crystal. It depends on the polarization direction.
[0040]
The phase relationship between the three wavelengths in the second-order nonlinear optical effect is as follows:
A · exp {i (−N1 · 2π / λ1 + N2 · 2π / λ2
+ N3 · 2π / λ3) z} (4)
The light conversion efficiency with respect to the distance is proportional to the square of the definite integral value with respect to the distance z in Equation (4). For example, the expression (4) where the condition of the expression (3) is not satisfied is
A · exp {i · β · z} (5)
The integrated value becomes a vibration function and does not exceed the value of A / β.
[0041]
On the other hand, when the condition of Expression (3) is satisfied, Expression (4) is
A (6)
The integrated value is A · z, which increases in proportion to the distance. When this state satisfies the phase matching condition, the conversion efficiency increases in proportion to the square of the distance, enabling highly efficient conversion.
[0042]
However, in general, all substances have chromatic dispersion, and the refractive index varies depending on the wavelength of light. Therefore, it is difficult to satisfy the expressions (1) and (2) at the same time. A method for solving this is quasi-phase matching using periodic inversion of nonlinear polarization. In the quasi-phase matching, by providing a nonlinear grating structure with a period Λ, it is possible to add a propagation vector due to the grating to the relationship of the propagation constant in Expression (3). That is, when a domain-inverted structure having a period Λ is formed in a nonlinear optical crystal, the phase relationship of Equation (4) is
A ′ · exp {i (−N1 · 2π / λ1 + N2 · 2π / λ2
+ N3 · 2π / λ3-q · 2π / Λ) z} (7)
However, q = 1, 2, 3,...
When q = 1, it is called a primary periodic structure, and when q = 2, it is called a secondary periodic structure. That is, the phase matching condition can be established by canceling out the phase mismatch amount (−N1 · 2π / λ1 + N2 · 2π / λ2 + N3 · 2π / λ3) by the nonlinear grating structure.
[0043]
In the case of the primary periodic structure, the polarization inversion period for satisfying the quasi-phase matching condition is as follows:
-N1 · 2π / λ1 + N2 · 2π / λ2 + N3 · 2π / λ3
= 2π / Λ (8)
Can be derived. For example, in the case of second harmonic generation, from equation (8)
Λ = λ1 / 2 (N2-N1) (9)
Is obtained.
[0044]
(About phase mismatch)
The inventors of the present application have found that the phase matching wavelength tolerance can be efficiently controlled by controlling the phase matching mismatch state in the periodically poled structure. That is, as shown in FIG.-m, Λ-(m-1), ..., Λ-2, Λ-1, Λ0, Λ1, Λ2, ..., Λm-1, ΛmThe domain-inverted region 601 having a domain-inverted period represented by:
L = Λ-m+ Λ-(m-1)+ ... + Λ-2+ Λ-1+ Λ0+ Λ1+ Λ2+ ... + Λm-1+ Λm
And Further, f (z) is assumed as a distribution function of the phase mismatch amount,
f (i * Λ0) = (Λ1+ Λ2+ ... + Λi) -I * Λ0,as well as
f (−i * Λ0) = (Λ-1+ Λ-2+ ... + Λ-i) -I * Λ0,
However, i = 1, 2, 3,...
And When the phase mismatch amount f (z) is normalized,
f (z) / Λ0                                        (10)
It is represented by The following phase mismatch amounts are the above normalized values.
[0045]
Period Λ of domain-inverted structure0The phase matching condition is expressed by equation (9), and the phase matching condition is satisfied for the fundamental wavelength λ0 that satisfies this condition.
[0046]
Next, generation of the phase mismatch amount in the conventional domain-inverted structure will be described.
[0047]
For a fundamental wave with a center wavelength of λ0, the period of the domain-inverted structure is Λ0With reference to FIGS. 2A and 2B, description will be made of how the phase mismatching amount is generated when shifted from the above.
[0048]
For example, in the case of a periodic structure that changes in a chirp shape as shown in the prior art, FIG. 2A shows a change with a distance in the z direction of the polarization inversion period. Since the period changes linearly, the phase mismatch amount becomes an integral of a linear function and is expressed by a quadratic function, and changes as shown in FIG.
[0049]
In addition, with respect to the divided periodic structure shown in the prior art, as a structure realizing phase matching wavelength tolerance by a three-divided structure, a polarization inversion structure having different periods Λ1, Λ2, and Λ3 and phase control units δ1 and δ2 FIG. 2 (c) shows the change of the polarization inversion period with the distance in the z direction, and FIG. 2 (d) shows the relationship of the phase mismatch amount. The center period is Λ2, and the amount of phase mismatch with respect to the center period is illustrated. In this case, the phase mismatch amount is the sum of the phase mismatch amount generated in the phase controller and the phase mismatch amount generated in the polarization inversion structure having a different period. Further, when a phase shift portion is formed in a periodic domain-inverted structure, phase mismatch can be similarly expressed.
[0050]
On the other hand, in the structure given only the phase shift, the polarization inversion period is constant, so that the polarization inversion period is constant regardless of the distance z as shown in FIG. However, the phase mismatch amount is generated in the phase controller as shown in FIG.
[0051]
(Pseudo phase matching issues)
Here, the tolerance of the phase matching wavelength, which is a problem in the optical wavelength conversion element using pseudo phase matching, will be described.
[0052]
In wavelength conversion by quasi phase matching, phase matching conditions can be established in a pseudo manner by nonlinear grating, and high conversion efficiency can be realized in proportion to the square of the element length. However, the width of the wavelength tolerance that satisfies the phase matching condition decreases in inverse proportion to the action length of the grating. For example, LiNbO with an element length of 10 mmThreeIn the quasi-phase matching type SHG element using the above, when the light of wavelength 850 nm is converted into the second harmonic of wavelength 425 nm, for example, the period of polarization inversion is about 3.2 μm. At this time, the wavelength tolerance of the fundamental wave for satisfying the quasi-phase matching condition is 0.1 nm or less at the full width at half maximum. This value is a very severe value when performing stable wavelength conversion, and there is a problem that the output becomes unstable due to environmental changes such as ambient temperature.
[0053]
Several specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0054]
(Embodiment 1)
Here, the structure of an optical wavelength conversion element having a wide wavelength tolerance will be described. Specifically, the wavelength tolerance of the optical wavelength conversion element is expanded by controlling the distribution of the phase mismatch amount.
[0055]
The inventor of the present application has found a new method for expanding the tolerance of the phase matching wavelength of the optical wavelength conversion element. As shown in FIG. 1A, the optical wavelength conversion element of the present invention expands the phase matching wavelength tolerance by partially changing the period of the periodic domain-inverted region 601. More specifically, as shown in FIG. 1B, phase matching is achieved by combining a single periodic part 603 having a single-period polarization reversal structure and a chirp periodic part 602 having a chirped periodic structure. Increase wavelength tolerance. As a result, it is possible to suppress a change in the output of the harmonic with respect to the wavelength variation of the fundamental wave to an extremely small level while having a wide wavelength tolerance. That is, a peak flat tuning curve is realized. Furthermore, it is possible to minimize a decrease in wavelength conversion efficiency due to an increase in wavelength tolerance and simultaneously achieve an increase in wavelength tolerance and high efficiency characteristics. Further, the degree of freedom in designing the phase matching characteristic is increased, and the enlargement ratio of the wavelength tolerance can be freely designed.
[0056]
Conventionally, it has been shown that phase matching wavelength tolerance can be expanded with several structures. These are, for example, 1) a divided periodic structure (a structure in which polarization inversion structures having different periods are combined) and 2) a chirped periodic structure. However, with the conventional method, the wavelength tolerance can be greatly expanded, but since a large ripple is generated near the peak of the phase matching curve, it is difficult to keep the SHG output stable.
[0057]
On the other hand, in the present invention, by adding a special device to the domain-inverted structure, it is possible to increase the wavelength tolerance and realize a peak-flat phase matching characteristic. That is, the structural difference from the conventional optical wavelength conversion element is that the phase matching characteristic can be designed by controlling the distribution by paying attention to the phase mismatch amount.
[0058]
FIGS. 4A and 4B show the relationship between the polarization inversion period and the phase mismatch amount in the divided periodic structure and the distance in the z direction, respectively. As can be seen from the diagram of the polarization inversion period in FIG. 4A, the two-part divided periodic structure is configured by combining two different periodic structures with respect to the center of the polarization inversion structure. In this case, the occurrence of the phase mismatch amount is represented by a combination of a linear function and a phase shift, as shown in FIG. The phase matching characteristic at this time has a large ripple as shown in FIG.
[0059]
On the other hand, the relationship between the polarization inversion period and the phase mismatch amount in the conventional chirp structure and the distance in the z direction is shown in FIGS. At this time, the phase mismatch amount is generated according to a quadratic function. The phase matching characteristics at this time are shown in FIG. Compared to FIG. 4C, the ripple near the peak in FIG. 5C is considerably reduced. From this, the inventors of the present application speculate that the magnitude of the ripple in the vicinity of the peak of the phase matching characteristic is reduced by generating the phase mismatch amount from the linear function to the quadratic function. did.
[0060]
Therefore, the inventors of the present application have studied a structure in which a phase mismatch amount is generated (distributed) according to several function systems.
[0061]
  First, a structure that generates a phase mismatch amount according to a higher-order power function was studied. As the domain-inverted structure, the period Λ0Assuming a centrosymmetric structure around the center, the phase matching characteristics were calculated. That is,
f (z) = a · | z |m          z> 0
f (z) = − a · | z |m        z <0
And f (z) is designed as a power function of an oddly symmetric function of the domain-inverted periodic structure, and a phase matching curve (tuning curve, that is, phase matching characteristic) having a shape closest to the peak flat is Several values of the order m of the function were obtained. The result is shown in FIG.
[0062]
In FIG. 6, (1) is a = Λ0× 1.2 × 10-Four, M = 1, (2) is a = Λ0× 2.5 × 10-8, M = 2, (3) is a = Λ0× 6.3 × 10-12, M = 3, and (4) a = Λ0× 3.2 × 10-15, M = 4, the results are shown respectively.
[0063]
Specifically, in FIG. 6, curve (1) corresponds to the case of a two-divided periodic structure, and is a case where two domain-inverted structures having different periods are combined. A curve (2) corresponds to the case of the linear chirp structure, and shows a case where the polarization inversion period changes linearly. As can be seen from FIG. 6, the curves (1) and (2) both vary greatly in the vicinity of the peak of the phase matching curve, and flat peak characteristics cannot be obtained. On the other hand, in the curve (3), a peak flat characteristic was obtained. Furthermore, when m = 4 (4), the maximum value decreases.
[0064]
From the above results, it has been clarified that in the case of the power function, a peak flat phase matching characteristic can be obtained when the order m is 2 <m <4. In particular, in the vicinity of m = 3, a very flat phase matching characteristic was obtained as shown by curve (3) in FIG. That is, it became clear that peak flat phase matching characteristics can be realized by increasing the value of the order m as compared with the conventional linear chirp structure (in the case of m = 2).
[0065]
Further, it has been found that in order to realize better peak flat characteristics, it is necessary to provide some restrictions on the function f (z) that the distribution of the phase mismatch amount follows.
[0066]
The function f (z) is preferably an odd function having the origin at the center of the domain-inverted structure. This is a structure in which the phase matching characteristic is a symmetric structure and the efficiency is highest. However, when the optical propagation loss and conversion efficiency increase, the harmonic conversion efficiency generated from the domain-inverted structure due to the phenomenon that the fundamental wave is converted into a harmonic and its intensity decreases (pump depletion). In some cases, the center of the domain-inverted structure may be slightly shifted.
[0067]
In addition, FIG. 7 shows a normalized distribution of phase mismatch amounts (specified by equation (10)) when peak flat phase matching characteristics are obtained. Curves (1), (2), (3), and (4) in FIG. 7 correspond to curves (1), (2), (3), and (4) in FIG. 6, respectively.
[0068]
The values of the phase mismatch amounts at both ends of the domain-inverted structure are concentrated in the vicinity of 0.5 to 1, as can be seen from FIG. Although it takes a value close to 2 only in the case of the curve (4), as can be seen from FIG. 6, the phase matching curve in this case takes a value considerably different from the peak flat shape.
[0069]
Thus, regardless of the order m of the function of f (z), when the phase mismatch amount takes a value in the vicinity of 0.5 to 1 at both ends of the domain-inverted structure, the phase matching characteristic has a peak flat shape. It was confirmed to approach. In other ranges, the ripple was too large, and good characteristics could not be obtained.
[0070]
  Further, when the occurrence of the phase mismatch amount shown in FIG. 7 is observed, not only a high-order function but also other function systems can be used as the function f (z) for realizing the peak flat phase matching characteristics. It was speculated. Therefore, an attempt was made to use a trigonometric function as f (z). Specifically, the period Λ0Is the central period,
f (z) = a · | sin (bz) |m          z> 0
f (z) = − a · | sin (bz) |m        z <0
As calculated.
[0071]
First, when the value of b is examined, when the value of b increases, f (z) vibrates because it is a sin function. At this time, the conversion efficiency was greatly reduced. Only when f (z) is an increasing or decreasing function, a peak flat and highly efficient phase matching characteristic was obtained. Therefore, it has become clear that b · (L / 2) <0.5π must be satisfied with respect to the distance L / 2 from the center to the end of the domain-inverted structure.
[0072]
Next, in order to examine the order m, the relationship between the value of m and the phase matching characteristics was calculated as in the case of the polynomial. The results are shown in FIGS. 8A (a) to 8D (b). Specifically, the phase matching curve in the case of m = 2 and the distribution of the normalized phase mismatch amount at that time are shown in FIGS. 8A and 8B as the phase matching curve in the case of m = 3. 8B and FIGS. 8B and 8B show the distribution of the normalized phase mismatch amount in FIG. 8B and the distribution of the normalized phase mismatch amount when m = 4. 8C (a) and (b), the phase matching curve in the case of m = 5 and the distribution of the normalized phase mismatch amount at that time are shown in FIGS. 8D (a) and (b), respectively. Show.
[0073]
Referring to FIGS. 8A (a), 8B (a), 8C (a), and 8D (a), when m = 2 shown in FIG. 8A (a), a ripple occurs in the peak flat portion. However, in the case of m = 3 to 5 shown in FIG. 8B (a), FIG. 8C (a), and FIG. 8D (a), substantially peak flat characteristics were obtained. For example, in the case of m = 3 shown in FIG. 8B (a), almost peak flat characteristics are obtained in curves (3), (4), and (5). The phase mismatch amount at this time is It was about 0.6 to 0.7. Further, in the case of m = 4 shown in FIG. 8C (a), substantially peak flat characteristics were obtained in the curves (3), (4), and (5). The amount of phase mismatch at this time was about 0.6 to 0.7. When m = 5 shown in FIG. 8D (a), substantially peak flat characteristics were obtained in the curves (2), (3), (4), and (5). The amount of phase mismatch at this time was in the vicinity of 0.5 to 0.8.
[0074]
Further, in the case of m = 3 to 5 in which peak flat characteristics are obtained, the values of a and b used in the calculation are shown in each corresponding drawing. From these results, it can be seen that peak flat characteristics can be obtained only when the value of b is set in the range of 0.00005 to 0.0003.
[0075]
On the other hand, although not shown in the figure, when m = 6, the value of the peak value was significantly reduced.
[0076]
Therefore, it was found that peak flat characteristics can be obtained when the order m is in the range of 2 <m <6. However, the value of m is a real number.
[0077]
Further, regarding the distribution of the phase mismatch amount, referring to FIGS. 8A (b), 8B (b), 8C (b), and 8D (b), the normalized phase mismatch at both ends of the domain-inverted structure. It can be seen that the value of the matching amount takes a value of 0.5 to 1. When the normalized value of the phase mismatch amount is 1 or more, the conversion efficiency significantly decreases. When the value is 0.5 or less, the ripple of the phase matching curve increases.
[0078]
Thus, in order to obtain a peak flat phase matching curve, the value of the phase mismatch amount at both ends of the periodic structure must be limited to a range of 0.5 to 1.
[0079]
Similarly, when the power function of the tan (z) function is used as the function f (z) to be followed by the distribution of the phase mismatch amount, the peak flat phase matching characteristic is obtained.
[0080]
As a result, a peak flat characteristic can be realized by using a power function larger than the second order or a trigonometric function (sin function or tan function) as the function f (z) to be followed by the distribution of the phase mismatch amount. It was. Further, a combination of a power function and a trigonometric function, for example, f (x) = axn* | Sin (bx) |mOr f (x) = axn* | Tan (bx) |mHowever, peak-flat phase matching characteristics were realized. At this time, peak flat characteristics were obtained in the range of 2 <n * m <6.
[0081]
Next, the phase mismatch amount distribution capable of realizing the peak flat phase matching characteristic was analyzed from FIG. 7, FIG. 8A (b), FIG. 8B (b), FIG. 8C (b), and FIG. 8D (b). .
[0082]
Thus, in order to realize a phase mismatch distribution that realizes a peak-flat phase matching characteristic, a substantially single period Λ matching the center wavelength of the phase matching wavelength is provided at the center of the domain-inverted structure.0It can be seen that there is a need for a structure in which there is a portion of a single periodic structure having, and the phase mismatch amount gradually increases toward both ends of the domain-inverted periodic structure. Further, in any of the illustrated phase mismatch amount distributions, f (z) has a portion where the slope increases. Further analysis shows that both the power function and the sin function require a value of 2 or more as the order m, and the second-order differential coefficient of f (z) has a portion that increases toward both ends of the domain-inverted structure. Need to be. Further, the normalized value | f (z) / Λ of the phase mismatch amount at both ends of the domain-inverted structure0The value of | is in the range of 0.5 to 1 in any case. If a phase mismatch distribution satisfying these conditions is given, the phase matching characteristics can be designed in a peak flat shape.
[0083]
Next, a method for realizing the characteristics of the phase mismatch distribution shown in FIG. 7 with a simpler configuration was examined.
[0084]
In order to realize a peak-flat phase matching characteristic, the distribution of the phase mismatch amount shown in FIG. 7 may be given to the domain-inverted periodic structure. That is, the same phase matching characteristics can be obtained by approximately giving the distribution of the phase mismatching amount described above with reference to FIGS. 7 and 8A (a) to 8D (b) to the polarization inversion periodic structure. It is done. 7 and 8A (a) to 8D (b), if the phase mismatch amount distribution realizing the peak flat phase matching characteristics is approximately expressed, the central period Λ is near the center of the domain-inverted structure.0And a structure in which the amount of phase mismatch increases in the vicinity of both ends of the domain-inverted structure.
[0085]
Therefore, phase mismatch amount distribution characteristics as shown in FIGS. 9A and 9B are set. As the domain-inverted structure, as shown in FIG.0The polarization inversion period changes in a chirp shape toward the end. As the phase mismatch distribution, as shown in FIG. 10B, the phase mismatch is zero because of the single period near the center, and the phase mismatch increases depending on the distance at both ends. It has a quantity distribution. The slope of the increase in the amount of phase mismatch is also set so as to increase toward both ends. With such a combination of a single periodic structure and a chirp periodic structure, phase matching characteristics substantially equal to those in FIG. 6 can be realized.
[0086]
Furthermore, other structures approximating the phase mismatch distribution shown in FIG. 7 were also examined.
[0087]
That is, the center period is Λ0And the period Λ toward one end of the domain-inverted structure0+ Α1 and Λ0+ Α2 polarization inversion region, period Λ toward the opposite end0-Α1 and Λ0A polarization inversion region of -α2 is provided (where α2> α1). This is a five-part polarization reversal structure in which a phase mismatch distribution that changes according to a power function is simplified to a structure in which the period changes between two regions. In this structure, the polarization inversion period changes in two steps from the center toward the end, and the amount of change increases as the distance from the end increases. This is a structure that approximates a power function, and the phase mismatch increases toward the end of the periodic structure.
[0088]
Actually, simulation is performed on the phase mismatch amount distribution having the grating length (distance) dependency as shown in FIGS. 10 (a-2), (b-2), (c-2), and (d-2). The phase matching characteristics in each case were determined, and the characteristics shown in FIGS. 10A-1, B-1, C-1, and D-1 were obtained. Comparing the characteristics depicted in these figures, it is possible to realize a structure that exhibits characteristics close to the peak flat by changing the dependency of the phase mismatch amount on the grating length (distance), thereby allowing the phase matching wavelength tolerance. It can be seen that it can be designed freely. It can also be seen that the tolerance increases as the amount of phase mismatch at both ends of the grating increases. When the phase mismatch amount at both ends of the grating is in the range of 0.5 to 1, phase-matching characteristics having a substantially peak flatness can be realized.
[0089]
The difference between the above structure and the phase shift structure is that the phase matching characteristic can be expanded over a wider range. In the case of a phase shift structure in which a phase shift is inserted into a domain-inverted structure having an equal period, the extended range of wavelength tolerance for a phase matching wavelength of 0.85 μm is a structure in which the phase matching wavelength region is divided into three parts of the same size In this case, the thickness is about 0.1 to 0.13 nm. On the other hand, in the structure of the present invention, the wavelength tolerance can be expanded to 0.2 nm or more.
[0090]
If the number of divisions is further increased, more peak flat characteristics can be realized. For example, in the case of a seven-divided structure, a phase error having a grating length (distance) dependency as shown in FIGS. 11 (a-2), (b-2), (c-2), and (d-2), respectively. When the phase matching characteristics in each case are obtained by performing a simulation on the matching amount distribution, the characteristics shown in FIGS. 11A-1, 11B-1, 11C-1, and 11D-1 are obtained. Obtained. From this, it can be seen that even if the number of divisions is increased, a phase matching characteristic close to a peak flat can be realized, and the allowable wavelength width can be designed freely.
[0091]
As can be seen from the above, the structure that realizes the wavelength tolerance expansion that realizes the peak-flat phase matching characteristic has a single period portion that satisfies the phase mismatch condition at the center, and the phase mismatch toward both ends. It is necessary for the structure to increase the matching amount and to increase the slope of the increase in the phase mismatch amount toward both ends. That is, the domain-inverted structure has a single-period structure at the center, and on both sides thereof, a chirp structure in which the domain-inverted period Λ decreases toward one end of domain-inverted and the other end of domain-inverted. It has been found that the wavelength tolerance of the phase matching characteristic can be expanded in a peak flat shape when it has a chirp structure in which the polarization inversion period Λ increases.
[0092]
In the present embodiment, the shape of the light wavelength conversion element is not described, but the present invention can be applied to any structure of a bulk type or an optical waveguide type. When the present invention is applied to an optical waveguide type structure, optical wavelength conversion between guided lights enhances light confinement and realizes a long interaction length, thus enabling highly efficient wavelength conversion. It is effective. In addition, when the present invention is applied to a bulk type structure, the conversion efficiency can be greatly improved by installing the crystal in the resonator structure.
[0093]
Further, as the periodic domain-inverted structure, LiNbOThreeLiTaOThreeIn KTP, it is possible to form a domain-inverted structure with a short period, and high efficiency conversion can be achieved as an optical wavelength conversion element.
[0094]
(Embodiment 2)
Here, a method for realizing the phase shift polarization inversion structure with another structure will be described.
[0095]
There is a phase shift polarization reversal structure as a method of expanding the wavelength tolerance by the polarization reversal structure. In this method, a phase shift unit (phase control unit) is inserted between polarization inversion structures having the same period to expand the phase matching wavelength tolerance. In this structure, a phase mismatch amount is generated in the inserted phase shift unit.
[0096]
On the other hand, in this embodiment, the occurrence of the same phase mismatch is realized by inserting a periodic structure having a different polarization inversion period. Specifically, as shown in FIG. 12A, the polarization inversion period is Λ instead of the conventional phase shift unit.0Between the domain-inverted regions 613, the domain-inverted regions 614 and 615 having different periods, specifically, the period Λ0Polarization inversion region 614 giving a phase shift of + δ at + α and period Λ0A domain-inverted region 615 that gives a phase shift of −δ at −α is inserted as phase control units 614 and 615. The phase mismatch amount in this case is illustrated in FIG. Thus, the phase shift is formed with a distribution in the phase control units 614 and 615. However, the phase matching characteristics are substantially equal when the phase shift δ is given by the conventional phase shift unit. When the fundamental wave 606 is incident on such a configuration, a harmonic 607 is obtained.
[0097]
In the configuration of the present embodiment, the tolerance expansion ratio of the peak flat phase matching wavelength characteristic can be increased as compared with the conventional phase shift structure. In the case of the conventional phase shift structure, the expansion range of the wavelength tolerance with respect to the phase matching wavelength of 0.85 μm is 0.1 to 0.13 nm in the case of the structure in which the phase matching wavelength region is divided into three equal parts. Degree. On the other hand, in the structure of the present invention, the wavelength tolerance can be expanded to 0.18 nm or more. As described above, the design value of the enlargement ratio of the wavelength tolerance increases, so that an optical wavelength conversion element having more stable output characteristics can be manufactured.
[0098]
(Embodiment 3)
Here, a structure capable of always realizing stable output characteristics in a coherent light generator (also referred to as a coherent light source) including a semiconductor laser and an optical wavelength conversion element will be described.
[0099]
Specifically, in this embodiment, in the case where a coherent light source is configured by a semiconductor laser and an optical wavelength conversion element, in order to stabilize the harmonic output emitted from the optical wavelength conversion element, the optical wavelength conversion element that is indispensable The wavelength tolerance and tuning curve characteristics are clarified.
[0100]
FIG. 13 shows the structure of the coherent light source according to the present embodiment. This configuration includes an optical wavelength conversion element 621 and a semiconductor laser 622, and the optical wavelength conversion element 621 has an incident part 623 and an emission part 624. The semiconductor laser 622 has a function capable of varying the emission wavelength, and the output is stabilized by matching the emission wavelength to a wavelength that satisfies the phase matching condition of the optical wavelength conversion element 621.
[0101]
In such a configuration, the characteristics necessary for stabilizing the output of the harmonics emitted from the light wavelength conversion element 621 were examined.
[0102]
The oscillation wavelength of the semiconductor laser can be varied by grating feedback or optical feedback using a wavelength filter. It is also possible to vary the oscillation wavelength of the semiconductor laser by integrating the DBR grating in a part of the optical waveguide in the semiconductor laser and changing the reflection wavelength of the DBR grating by utilizing temperature and plasma effect. . However, since the semiconductor laser oscillates only at the longitudinal mode interval due to the resonator structure of the semiconductor laser, the oscillation wavelength is variable only at the jumping oscillation wavelength. For example, the oscillation wavelength can be controlled at intervals of about 0.1 nm.
[0103]
On the other hand, the optical wavelength conversion element usually has a characteristic with a very narrow wavelength tolerance. For example, LiNbO with an element length of 10 mmThreeThe waveguide type optical wavelength conversion element manufactured in (1) has a full width at half maximum of 0.1 nm or less. FIGS. 14A and 14B schematically show the relationship between the phase matching characteristics of the optical wavelength conversion element at this time and the oscillation wavelength of the semiconductor laser. 14A and 14B, reference numeral 625 denotes an oscillation mode (longitudinal mode) of the semiconductor laser, and reference numeral 626 denotes a tuning curve of the optical wavelength conversion element.
[0104]
In FIG. 14A, the peak of the tuning curve 626 and the oscillation mode 625 of the semiconductor laser overlap. In this case, the maximum harmonic output can be obtained by adjusting the longitudinal mode 625 of the semiconductor laser to the peak position of the tuning curve 626. However, as shown in FIG. 14B, when the peak of the tuning curve 626 is located near the center of the longitudinal mode 625 of the semiconductor laser, the harmonic output is maximized even if the oscillation wavelength of the semiconductor laser is adjusted. Can not do. Therefore, in such a coherent light source, even if the wavelength of the semiconductor laser is adjusted, a stable harmonic output cannot be obtained.
[0105]
In order to solve this, the flat part of the tuning curve of the optical wavelength conversion element is required to be wider than at least the interval of the longitudinal mode 625 of the semiconductor laser. When the flat portion of the tuning curve is wider than the interval of the longitudinal mode 625 of the semiconductor laser, that is, in the case of the tuning curve 636 shown in FIGS. 15A and 15B, the peak of the tuning curve 636 and the longitudinal mode of the semiconductor laser. Regardless of the positional relationship with 625, the maximum output of the harmonic can be obtained. Thus, the output can be stabilized by changing the wavelength of the semiconductor laser.
[0106]
Next, an attempt was made to modulate the output from the semiconductor laser and to modulate the harmonic output emitted from the coherent light source. As a result, the problem of the chirping of the oscillation wavelength of the semiconductor laser became clear. The chirping of the semiconductor laser is a phenomenon in which when the output of the semiconductor laser is modulated, the temperature of the active layer of the semiconductor laser changes in proportion to the output intensity, thereby changing the oscillation wavelength of the semiconductor laser.
[0107]
For example, as shown in FIG. 16A, when the output of the semiconductor laser is changed from a constant state A to a state B where the output is modulated at a specific frequency, the average light intensity differs between the state A and the state B. As a result, the temperature of the semiconductor laser active layer differs between states A and B, and the oscillation wavelength changes on the order of several tens of μs at the moment when the state A changes to state B. When the harmonic output from the coherent light source at this time is monitored, the output gradually changes as shown in FIG.
[0108]
On the other hand, when the modulation characteristics of the semiconductor laser were measured using an optical wavelength conversion element having a wavelength tolerance wider than the longitudinal mode interval of the semiconductor laser as shown in FIG. As shown in c), a stable modulation characteristic was obtained. Further analysis of this characteristic has found that the chirping wavelength of the oscillation wavelength of the semiconductor laser changes at a maximum by the longitudinal mode interval of the semiconductor laser. That is, even if the oscillation wavelength of the semiconductor laser is stabilized by optical feedback, the wavelength of the oscillation mode varies due to the change in the temperature of the active layer of the semiconductor laser. For this reason, the oscillation wavelength varies by the longitudinal mode interval at the maximum. In order to stabilize this, it has been found that it is important that the tuning curve of the optical wavelength conversion element has a flat portion near the peak and the flat portion is larger than the longitudinal mode interval of the semiconductor laser.
[0109]
It should be noted here that the wavelength tolerance and the conversion efficiency in the optical wavelength conversion element are in a trade-off relationship. That is, as the wavelength tolerance increases, the conversion efficiency of the optical wavelength conversion element decreases. Therefore, it is necessary to increase the wavelength tolerance of the optical wavelength conversion element to the minimum necessary.
[0110]
As a result, to stabilize the coherent light source by controlling the wavelength of the semiconductor laser, the tuning curve of the optical wavelength conversion element must be flat near the peak, and the flat portion must be larger than the longitudinal mode interval of the semiconductor laser. There is. The flatness of the tuning curve depends on the range of output fluctuation required for the coherent light source. In an ordinary laser light source, an output fluctuation of about 5% is allowed. In such a case, the flatness of the tuning curve in the wavelength range corresponding to the longitudinal mode interval of the semiconductor laser may be 5% or less. On the other hand, a flatter tuning curve is required for applications that require more stringent characteristics.
[0111]
Based on the above examination results, a coherent light source was configured by the optical wavelength conversion element and the semiconductor laser shown in the first embodiment, and an output stabilization experiment was performed. However, when the wavelength of the semiconductor laser is adjusted to match the phase matching wavelength of the optical wavelength conversion element and the harmonic output is stabilized, the output greatly fluctuates and the designed stabilization may not be obtained. It became clear that there was. Therefore, in order to further examine the cause of the harmonic output fluctuation, as shown in FIG. 17, the wavelength of the fundamental wave was continuously changed, and the change in the harmonic output was observed.
[0112]
As a result, it became clear that the harmonic output fluctuated finely within the tolerance range of the optical wavelength conversion element. When this cause was examined, it was found that the fundamental wave and the harmonic wave were Fresnel-reflected at the incident part end face and the emission part end face of the optical wavelength conversion element, and this light interfered with each other, thereby destabilizing the harmonic output. It was revealed. That is, the end surface reflected light at the incident part and the output part interfere with each other, and the optical path length of the optical wavelength conversion element changes due to the change in wavelength, thereby changing the degree of interference of the end surface reflected light and making the output unstable. ing. Furthermore, similar output fluctuations were observed when the fundamental wave output was modulated to modulate the harmonic output.
[0113]
As described above, when the semiconductor laser is modulated, the wavelength of the semiconductor laser changes, so that it is difficult to stabilize the output even if an optical wavelength conversion element with an increased wavelength tolerance is used, and the noise level of the harmonics is greatly increased. . In order to solve this problem, as a method for preventing interference due to end face reflection, an antireflection film for harmonics and fundamental waves is formed on at least one of the incident part and the emission part. By depositing an antireflection film on the end face, Fresnel reflection can be prevented, and the interference effect due to end face reflection can be reduced. As a result, a coherent light source having very stable output characteristics can be realized.
[0114]
Furthermore, it is desirable to form an antireflection film for the fundamental wave in both the incident part and the emission part. In the semiconductor laser, the light emitted to the outside returns to the active layer again, thereby causing problems such as an increase in noise and fluctuation in output. In order to prevent this, it is desirable to form an antireflection film for the fundamental wave in both the emitting part and the incident part. On the other hand, the antireflection film for harmonics may be either the incident part or the emission part, but is preferably formed on the emission part. This is because by forming a harmonic antireflection film at the emission part, loss due to Fresnel reflection on the end face can be prevented, and higher output harmonics can be obtained.
[0115]
Therefore, as a desirable configuration, an antireflection film having an antireflection effect for both the fundamental wave and the harmonic wave is formed on the emission part, and an antireflection film for the fundamental wave is formed on the incident part.
[0116]
As another method for solving the problem that the harmonic output becomes unstable due to the interference effect of the end face reflection at the entrance and exit, there is a method of superposing a high frequency on the drive current of the semiconductor laser.
[0117]
The cause of interference between the end face reflection light is that the light may interfere with each other due to the high coherence of the light. Therefore, in order to overcome this point, it is conceivable to reduce the coherence and reduce the degree of interference. This is a method of reducing the coherence by modulating the drive current of the semiconductor laser at a high frequency, and the modulation is applied at a high frequency of several hundred MHz or more. At this time, the oscillation wavelength of the semiconductor laser spreads from a single mode to a multimode. Such a multimode can be prevented by feeding back strong optical feedback into the active layer using a DBR grating or the like.
[0118]
In this way, by superimposing a high frequency on the semiconductor laser, it is possible to reduce end face interference and to ensure the stability of the harmonic output.
[0119]
Furthermore, the high frequency superposition has a feature of greatly increasing the efficiency of the optical wavelength conversion element. The efficiency of the optical wavelength conversion element increases in proportion to the power of the fundamental wave. When a semiconductor laser is driven with high frequency superposition, pulse train oscillation with a high spire value occurs, and the value of each peak increases from several times to 10 times or more. Therefore, wavelength conversion of high-intensity pulsed light is performed, and the conversion efficiency is greatly increased. In the experiment, a conversion efficiency improvement of 2-3 times or more was observed. Also from this point, it is effective to use a semiconductor laser with high frequency superimposed.
[0120]
Furthermore, even when the width of the oscillation wavelength of the semiconductor laser is slightly widened due to the high frequency superposition, the optical wavelength conversion element with an expanded wavelength tolerance can realize a wavelength tolerance wider than the oscillation wavelength of the semiconductor laser. All the light can be efficiently wavelength-converted, and the light wavelength can be converted with high efficiency.
[0121]
(Embodiment 4)
Here, a coherent light generator using an optical wavelength conversion element will be described.
[0122]
With the configuration of the optical wavelength conversion element according to the above-described embodiment, a highly efficient and stable optical wavelength conversion element can be realized. Therefore, an attempt was made to produce a short wavelength light source as a coherent light generator using the present optical wavelength conversion element. This short wavelength light source is composed of a semiconductor laser having a wavelength of 850 nm band, a condensing optical system, and an optical wavelength conversion element, and the light emitted from the semiconductor laser is converted into a waveguide short-circuit of the optical wavelength conversion element by the condensing optical system. Focus on the surface and excite the guided mode. Wavelength-converted SHG light is emitted from the other end face of the optical wavelength conversion element.
[0123]
Since an optical wavelength conversion element with high conversion efficiency is realized by the present invention, the short wavelength light source (coherent light generator) of the present embodiment having the above-described configuration uses a semiconductor laser with an output of about 100 mW and a blue wavelength of 10 mW. SHG light was obtained. In addition, the wavelength conversion element used has an increased wavelength tolerance and has a flat tuning characteristic, so that a stable output characteristic can be obtained against wavelength fluctuations. As a result, the output fluctuation can be suppressed to 5% or less.
[0124]
The wavelength in the 400 nm band is desired in a wide range of application fields such as special measurement fields such as printing plate making, bioengineering, and fluorescence spectral characteristics, and optical disk fields. The short wavelength light source using the light wavelength conversion element of the present invention can be put into practical use in these application fields from both aspects of output characteristics and operational stability.
[0125]
In the present embodiment, the light of the semiconductor laser is coupled to the optical waveguide using a condensing optical system, but it is also possible to directly couple the semiconductor laser and the optical waveguide. Specifically, when an optical waveguide for TE mode propagation is used, the electric field distribution in the optical waveguide can be made equal to the waveguide mode of the semiconductor laser, so that coupling can be performed with high efficiency without a condensing lens. In the experiment, it was confirmed that direct coupling was possible with a coupling efficiency of 80%, and that coupling characteristics almost equivalent to lens coupling were obtained. If direct coupling is used, a small and low-cost light source can be realized, which is promising.
[0126]
Furthermore, even if parametric oscillation is used, the variable wavelength region of the wavelength tunable laser can be expanded.
[0127]
Parametric oscillation is possible by using an optical wavelength conversion element having a periodic domain-inverted structure and a laser light source. According to parametric oscillation, when a fundamental wave having a wavelength λ3 is input, it is possible to generate a signal light having a wavelength λ2 and an idler light having a wavelength λ1 that satisfy the relationship 1 / λ3 = 1 / λ1 + 1 / λ2. As a result, it is possible to output light having a wavelength that satisfies the above-described conditions using the fundamental wave having the wavelength λ3 while changing the wavelength, and a wavelength-variable laser light source can be realized.
[0128]
In such a configuration that enables parametric oscillation, if the optical wavelength conversion element of the present invention is used, an optical wavelength conversion element having a wide wavelength tolerance can be realized, and a stable output can be obtained.
[0129]
Furthermore, the expansion of the wavelength variable range, which has been a problem with the conventional parametric oscillation, can be realized.
[0130]
When parametric oscillation is performed using a domain-inverted structure with a period Λ, light having a wavelength λ1 and light having a wavelength λ2 satisfying the relationship Λ = 2mπ / (β3-β1-β2) can be generated. However, in the prior art, since the wavelength tolerance that satisfies the Λ condition is narrow, there is a problem that the wavelength condition that satisfies the generation condition in the same periodic structure is narrow, and the wavelength variable range is extremely narrow. On the other hand, when the optical wavelength conversion element of the present invention is used, the phase matching wavelength tolerance can be increased with a peak flat tuning curve. This increases the tolerance for wavelength fluctuations of the fundamental wave, but in the case of parametric oscillation, the wavelength tolerance for the signal light and idler light can also be increased. Therefore, the variable wavelength range of the output wavelength, which was difficult with the conventional optical wavelength conversion element, can be greatly expanded.
[0131]
Furthermore, since it has a peak-flat tuning curve, the oscillation wavelength can be varied while keeping the output intensity substantially constant.
[0132]
(Embodiment 5)
Here, an optical information processing apparatus configured according to the present invention will be described.
[0133]
FIG. 18 shows the configuration of the optical information processing apparatus of the present invention. In FIG. 18, a beam of 10 mW output from the coherent light generator 640 having the characteristics described in Embodiment 6 is transmitted through the beam splitter 641 and irradiated onto the optical disk 643 that is an information reproducing medium by the lens 642. . On the contrary, the reflected light from the optical disk 643 is collimated by the lens 642, reflected by the beam splitter 641, and a signal is read by the photodetector 644. Furthermore, information can be written on the optical disk 643 by intensity-modulating the output of the coherent light generator 640.
[0134]
According to the present invention, since the tolerance of the optical wavelength conversion element constituting the coherent light generation device 640 is expanded, the output can be stabilized, and the output fluctuation is 5% or less even with respect to an external temperature change. Can be suppressed.
[0135]
Furthermore, since high-output blue light can be generated, not only reading but also information can be written to the optical disc 643 as described above. In addition, since a semiconductor laser is used as a fundamental wave light source, it becomes very small, so that it can be used for a small consumer optical disk reading / recording apparatus.
[0136]
Although writing to the optical disk 643 requires modulation of output, the optical information processing apparatus of the present invention modulates output from the coherent light generator 640 by modulating the output intensity of the semiconductor laser. When the wavelength of the semiconductor laser is modulated, the oscillation wavelength fluctuates. However, as described above, since the optical wavelength conversion element has a flat peak phase matching characteristic, instability of the harmonic output due to the modulation of the semiconductor laser does not occur. As a result, stable modulation output characteristics can be obtained, and low noise characteristics can be realized.
[0137]
Furthermore, the aspect ratio of the output beam can be optimized by optimizing the optical waveguide width of the optical wavelength conversion element. For example, by providing a waveguide structure having a high refractive index layer narrower than the width of the optical waveguide on the optical waveguide, the aspect ratio of the outgoing beam can be made close to 1: 1. As a result, it is possible to improve the light collecting characteristic of the optical pickup without using a beam shaping prism or the like, thereby realizing high transmission efficiency, excellent light collecting characteristic, and low price. Furthermore, the noise of scattered light generated during beam shaping can be reduced, and the pickup can be simplified.
[0138]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a peak-flat phase matching characteristic can be realized by using a polarization inversion structure including a single period structure and a chirp period structure in the optical wavelength conversion element. Further, a new method for designing the phase matching characteristics of the optical wavelength conversion element using the distribution of the phase mismatch amount is provided. As a result, the degree of freedom in designing the phase matching wavelength tolerance in the optical wavelength conversion element has been greatly increased, and the wavelength tolerance has been increased by 1.5 times or more than the conventional one. With this configuration, an optical wavelength conversion element having stable output characteristics can be realized.
[0139]
Further, output stabilization is realized in a coherent light generator (coherent light source) configured by an optical wavelength conversion element and a semiconductor laser. Specifically, the optical wavelength conversion element included in the coherent light generator has a wavelength tolerance wider than the longitudinal mode interval of the semiconductor laser, and has a characteristic that the tuning curve is flat within the wavelength tolerance. It becomes possible to always stabilize the wavelength of the semiconductor laser within the wavelength tolerance. As a result, it is possible to realize a coherent light source having stable output characteristics by suppressing output fluctuation of coherent light, and its practical effect is great.
[Brief description of the drawings]
1A is a configuration diagram of a polarization inversion structure in an optical wavelength conversion element of the present invention, and FIG. 1B is a diagram showing a distribution of polarization inversion periods in the structure of FIG.
2A is a diagram showing a distribution of polarization inversion periods in a linear chirp polarization inversion structure, and FIG. 2B is a diagram showing a distribution of phase mismatch amounts in a linear chirp polarization inversion structure; (c) is a figure showing the distribution of the polarization inversion period in a division | segmentation periodic polarization inversion structure, (d) is a figure showing the distribution of the phase mismatching amount in a division | segmentation period polarization inversion structure.
3A is a diagram showing a distribution of polarization inversion periods of a domain-inverted structure having a phase shift, and FIG. 3B is a diagram showing a distribution of phase mismatch amounts of the domain-inverted structure having a phase shift. FIG.
FIG. 4A is a diagram illustrating a distribution of polarization inversion periods of a periodically poled structure divided into two, and FIG. 4B is a diagram illustrating a distribution of phase mismatch amounts of the periodically poled structure divided into two. (C) is a figure showing the phase matching characteristic (tuning curve) obtained.
FIG. 5A is a diagram showing a distribution of polarization inversion periods of a split period polarization inversion structure with a linear chirp period, and FIG. 5B is a distribution of phase mismatch amounts of a polarization inversion structure with a linear chirp period. (C) is a figure showing the phase matching characteristic (tuning curve) obtained.
6 is a diagram showing the phase matching characteristics when the function f (z) followed by the phase mismatch distribution is a power function in the domain-inverted structure of the present invention. (1) When the order m = 1, 2) When the order m = 2, (3) When the order m = 3, (4) When the order m = 4.
7 is a diagram showing a phase mismatch amount distribution when a function f (z) followed by the phase mismatch amount distribution is a power function in the domain-inverted structure according to the present invention. (1) When the order m = 1 (2) When the order m = 2, (3) When the order m = 3, (4) When the order m = 4.
FIG. 8A is a diagram showing a phase matching characteristic when a function f (z) followed by a phase mismatch amount distribution is a trigonometric function (order m = 2) in the domain-inverted structure of the present invention; (B) is a figure showing the phase mismatching amount distribution in that case.
FIG. 8B is a diagram showing a phase matching characteristic when a function f (z) followed by a phase mismatch amount distribution is a trigonometric function (order m = 3) in the domain-inverted structure of the present invention; (B) is a figure showing the phase mismatching amount distribution in that case.
FIG. 8C is a diagram showing phase matching characteristics when the function f (z) followed by the phase mismatch distribution is a trigonometric function (order m = 4) in the domain-inverted structure of the present invention; (B) is a figure showing the phase mismatching amount distribution in that case.
FIG. 8D is a diagram showing phase matching characteristics when the function f (z) that the phase mismatch distribution follows is a trigonometric function (order m = 5) in the domain-inverted structure of the present invention; (B) is a figure showing the phase mismatching amount distribution in that case.
9A is a diagram showing phase matching characteristics in the optical wavelength conversion element of the present invention, and FIG. 9B is a diagram showing a phase mismatch amount distribution in that case.
10 (a-1), (b-1), (c-1), and (d-1) have phase mismatch distributions (a-2), (b-2), and (c−), respectively. It is a figure which shows the phase matching characteristic obtained in the case of (2) and (d-2) (5-part dividing structure).
11 (a-1), (b-1), (c-1), and (d-1) have phase mismatch distributions (a-2), (b-2), and (c−), respectively. It is a figure which shows the phase matching characteristic obtained in the case of 2) and (d-2) (7 division structure).
12A is a diagram showing phase matching characteristics obtained in a polarization inversion structure having a phase control unit of the present invention, and FIG. 12B is a diagram showing a phase mismatch distribution in that case. .
FIG. 13 is a structural diagram of a coherent light generator according to the present invention.
14A is a diagram showing the relationship between the oscillation wavelength of the semiconductor laser and the phase matching characteristics when the maximum value of the tuning curve of the optical wavelength conversion element matches the oscillation wavelength of the semiconductor laser. FIG. (B) is a figure showing the relationship between the oscillation wavelength of a semiconductor laser and a phase matching characteristic when the oscillation wavelength deviates from the vicinity of the maximum value of the tuning curve.
FIG. 15A is a diagram illustrating an oscillation wavelength and phase of a semiconductor laser when the maximum value of the tuning curve of the optical wavelength conversion element matches the oscillation wavelength of the semiconductor laser in the coherent light generation device of the present invention. It is a figure showing the relationship of a matching characteristic, (b) is the relationship between the oscillation wavelength of a semiconductor laser, and a phase matching characteristic when the oscillation wavelength shift | deviates from the maximum value of a tuning curve in the coherent light generator of this invention. FIG.
FIG. 16A is a diagram showing a modulation output of a fundamental wave in a coherent light generator, and FIG. 16B is a diagram showing an output fluctuation of a coherent light generator using a conventional optical wavelength conversion element. (C) is a figure which shows the output fluctuation | variation of the coherent light generator using the optical wavelength conversion element of this invention.
FIG. 17 is a diagram illustrating output characteristics when the fundamental wavelength of the coherent light generator is changed.
FIG. 18 is a configuration diagram of an optical information processing apparatus according to the present invention.
FIG. 19 is a configuration diagram of a conventional optical wavelength conversion element.
FIG. 20 is a configuration diagram of a conventional optical wavelength conversion element.
FIG. 21A is a diagram showing phase matching characteristics in a conventional two-part structure optical wavelength conversion element, and FIG. 21B is a diagram showing phase matching characteristics in a conventional three-part construction optical wavelength conversion element. is there.
[Explanation of symbols]
601 Domain inversion
602 Chirp period
603 Single period part
606 fundamental wave
607 harmonic
613 Polarization inversion region
614 Phase control unit
615 Phase control unit
621 Optical wavelength conversion element
622 Semiconductor laser
623 Incident part
624 emitting part
625 Semiconductor laser oscillation mode (longitudinal mode)
626 Tuning curve of optical wavelength converter
636 Tuning curve of optical wavelength conversion device according to the present invention
640 coherent light generator
641 Beam splitter
642 lens
643 optical disc
644 photodetector
6101 LiNbOThreeSubstrate (nonlinear optical crystal)
6102 Optical waveguide
6103 Polarization inversion layer
6105 Polarization inversion region
6106 Phase controller

Claims (1)

非線形光学結晶と、
該非線形光学結晶に形成した周期状の分極反転構造と、を備える光波長変換素子であって、
該分極反転構造は、単一の周期Λを有する単一周期部分と、前記分極反転構造の一方の端に向かって分極反転周期ΛがΛ−1、Λ−2・・・Λ−mと徐々に減少する第1のチャープ周期部分と、前記分極反転構造の他方の端に向かって分極反転周期ΛがΛ1、Λ・・・Λと徐々に増大する第2のチャープ周期部分と、を有し、
前記単一周期部分の両端に前記第1のチャープ周期部分と前記第2のチャープ周期部分が配置されており、
該周期状の分極反転構造の長さをLとし、
該周期状の分極反転構造の中心からの距離をzとし、
該分極反転構造の中心から距離zまでの間に存在する、前記第1のチャープ周期部分の周期であるΛ(i≦m)と前記単一周期部分の周期Λとの差を足し合わせた式
f(z)=(Λ−1+Λ−2・・・+Λ−i)−iΛ z<0
及び、該分極反転構造の中心から距離zまでの間に存在する、前記第2のチャープ周期部分の周期であるΛ(i≦m)と前記単一周期部分の周期Λとの差を足し合わせた式
f(z)=(Λ+Λ・・・+Λ)−iΛ z>0
において、前記分極反転構造の両端における位相不整合量の規格値|f(L/2)/Λ|および|f(−L/2)/Λ|の値が0.5〜1の範囲である光波長変換素子。
A nonlinear optical crystal;
An optical wavelength conversion device comprising a periodic domain-inverted structure formed in the nonlinear optical crystal,
該分pole inversion structure, a single period portion having a single period lambda 0, the polarization poling period towards the one end of the inverted structure lambda is lambda -1, and Λ -2 ··· Λ -m A first chirp period portion that gradually decreases, and a second chirp period portion in which the polarization inversion period Λ gradually increases as Λ 1, Λ 2 ... Λ m toward the other end of the polarization inversion structure, Have
The first chirp period portion and the second chirp period portion are arranged at both ends of the single period portion,
The length of the periodic domain-inverted structure is L,
The distance from the center of the periodic domain-inverted structure is z,
Add the difference between Λ i (i ≦ m), which is between the center of the domain-inverted structure and the distance z, and the period Λ 0 of the single-period part. F (z) = (Λ −1 + Λ −2 ... + Λ −i ) −iΛ 0 z <0
The difference between Λ i (i ≦ m) that is the period of the second chirp period portion and the period Λ 0 of the single period portion that exists between the center of the domain-inverted structure and the distance z is Addition formula f (z) = (Λ 1 + Λ 2 ... + Λ i ) −iΛ 0 z> 0
, The standard mismatch values | f (L / 2) / Λ 0 | and | f (−L / 2) / Λ 0 | of the phase inversion amounts at both ends of the domain-inverted structure are in the range of 0.5 to 1. An optical wavelength conversion element.
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