JPH01147528A

JPH01147528A - ２次高調波光発生素子

Info

Publication number: JPH01147528A
Application number: JP30595887A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Uno; 宇野　武彦; Toshihiro Shintaku; 新宅　敏宏
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-12-04
Filing date: 1987-12-04
Publication date: 1989-06-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、変換効率の高い２次高調波光の発生素子に関
するものである。

（従来の技術）２次高調波光発生素子は、媒質の非線形効果を利用して
入射光の２倍の周波数の光、すなわち２次高調波光を生
じる素子であり、赤外光を可視光に変換するなどの目的
に使用される。２次高調波光発生素子用材料としては、
ニオブ酸リチウムなどの強誘電体結晶が用いられるが、
非線形効果はいずれの結晶においても比較的小さいので
、２次高調波発生効率は小さく、入射光強度の弱いとき
には高々数パーセント程度の変換効率が得られているに
過ぎない。また従来の２次高調波発生素子では、温度特
性が大きいので、安定化のためには精密な温度制御が必
要であり、さらに変換効率が入力光強度に依存するなど
、素子として使用する場合の制約条件が多々ある。

物性研究または光通信技術等において、波長が０．５　
ミクロン以下のいわゆる短波長コヒーレント光源の開発
が望まれ、短波長帯のレーザー開発の一方で、長波長帯
レーザーによる光を、２次高調波光発生素子を通して、
短波長光を得る方法が注目されている。このため、非線
形効果の大きな材料の探索努力が広範に行われているが
、新材料の発見：ごは至っていない。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は、素子の構成を改善して、効率が高く、かつ変
換特性の制御が容易な２次高調波光発生素子を提供する
ことにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、光を非線形媒質に入射した時の出力光のうち
、高調波に変換されない成分、すなわち基本周波成分を
適当な位相で入射端に戻して再び上記の非線形媒質に戻
す、いわゆる帰還を行うことにより、高い２次高調波の
発生効率を得るとともに、帰還位相を制御することによ
り変換効率を任意に制御することをも可能とする。

すなわち本発明は、入光部から導入された入力光を合波
器を通じて非線形光学媒質に入射し、該非線形光学媒質
からの出射光を、分波器に導入して２次高調波光と非変
換光に分離し、該非変換光を帰還路を経由して前記合波
器に入力し、前記入力光と合波して前記非線形光学媒質
の入射部に帰還人力する。

本発明は、従来の技術と異なって、非線形媒質の出力光
のうち、高周波に変換されなかった成分、すなわち基本
周波成分を再び非線形媒質の入射端に戻して高周波に変
換する操作を無限回繰り返して行うものであり、２次高
調波の発生効率を飛躍的に高めることができる。また、
上記の基本周波成分を非線形媒質に戻す過程で、位相を
制御することにより、広範囲にわたって２次高調波発生
の効率を調整することも可能となるなど、従来にない特
長を有するものである。

実施例１第１図は本発明の第１の実施例を示す図であって、１は
高調波発生のための非線形光学媒質、２は分波器、３は
合波器、４は素子への入力光、５は２次高調波（２倍周
波の）出力光、６は帰還路である。

この実施例において、波長λ。の入射光は合波器３を通
って非線形光学媒質１に導かれる。そして前記媒質１で
非線形効果によって入射光の一部は波長λ。／２の高調
波に変換され、残る一部は入射光と同じ周波数、すなわ
ち基本波と同じ波長λ。のままで媒質１の出射端から出
力される。次に、前記媒質１からの出射光は、分波器２
に人力され、高調波成分は出力光５として外部に取り出
され、一方、基本波成分は帰還路６を通って合波器３に
入射される。合波器３は前記入射光と帰還路を通って戻
ってきた帰還光を合流させ、その後、再び非線形光学媒
質１に入射される。このように、非線形光学媒質１で高
調波に変換されなかった基本波成分は、帰還路を通って
媒質ｌの入力端に戻されて再び変換に寄与することにな
り、この過程を無限回繰り返す結果として、帰還路のな
い場合に比べて高い変換効率を得ることができる。

第１図の実施例における変換効率は、次のように与えら
れる。

第２図に示すように、入射光の電解をｅＩｈ１２次高調
波に変換された出射光の電界をｅ。ｕｔ　ｓ非変換光の
入射端への帰還係数をＴとする。ここで、帰還係数Ｔは
帰還路における位相回転を考慮すると一般に複素数とな
るので、その絶対値をＩＴＩとし、また入射光と帰還光
との間の位相差をθ。

（以下、帰還位相と記述）とする。帰還路のない場合に
は、非線形光学素子における入射光の電界と２次高調波
の電界との関係は、入射光電界の自乗に比例するので、
その比例係数をαとすると、帰還路を含む系では、近似
的に次に示す式（１）の関係が成り立つ。

Ｃｌ　（ｅ２ｔｎ”　２Ｒｅ’ｔｈ　ＩＴ　（ｅ”Ｈ，
ｅ”６．（ＣＯ８θを一１Ｔ１２ｅ２゜ｕｔ）−Ｒ２ｅ
ｏｕｔ＝０（１）ただし、Ｒ＝　ＪＴ”Ｔ了Ｆ（２）式（１）から、ＩＴＩとθ、を与えた場合のｅｏｕＬと
ｅｉｎの関係を求めることにより、変換効率ηを算出す
ることができる。ただし、η＝（ｅｏｕｔ／ｅｔｈ）　
’である。

第３図に、帰還位相θｔ＝０の場合、すなわち同位相で
帰還された場合の帰還係数の絶対値ＩＴＩと変換効率η
の関係の一例を示す。第３図において、非線形光学媒質
としてはＬｉＮｂＯ５を想定し、入射光電力は５ｍｖＪ
　とし、厚さ４ミクロン、幅６ミクロンの′導波路を仮
定した。第３図より１Ｔｌ＝ｏ、すなわち帰還を行わな
い場合には変換効率ηは約０．８％であるのに対し、ｌ
　Ｔ　ｌ　＝０．５の場合には変換効率はおよそ４．７
％、ｌ　Ｔ　ｌ　＝０．６では変換効率は６．９％、ま
たｌ　Ｔ　Ｉ　＝０．７　　では変換効率は１０％以上
と、ＩＴＩの増大とともに変換効率は急激に上昇する。

第４図は、ｌＴ＋＝０．６の場合について、帰還位相θ
、と変換効率との関係を示す図である。θ。

＝０°でηは最大値をとり、一方、θ、　＝１８０°で
は最小値となる。従って、この実施例においては、同相
で帰還を行うことが高い変換効率を得るうえで重要であ
り、素子を製作するに際しては、帰還の位相差を調整す
ることが必要である。第４図から明らかなように、θ、
＝０°付近においては、位相差が２０°〜３０°変化し
ても変換効率の変化量は１０％程度であるから、位相の
調整は容易である。

この実施例による２次高調波光発生素子を実現するには
、例えば非線形光学媒質１としてＬｉＮｂ０＊結晶、分
波器２には多層膜フィルタ、合波器３にはプリズムを用
い、帰還路６は反射ミラーにより、空間伝搬形で構成す
ればよく、また例えばＬｉＮｂ０＋上にチタン拡散導波
路を形成して非線形光学媒質ｌおよび帰還路６として用
い、分波器２、合波器３も同じ基板上に光学薄膜回路で
構成する、いわゆる集積形とすることも可能である。

実施例２第５図は本発明の第２の実施例を示す図である。

この実施例では、帰還路６′の途中に位相調整器１０を
設け、調整信号入力端子１１を通して人力される調整電
圧により帰還位相を調整する。この実施例の動作は実施
例１と同様であるが、前述のように位相調整器を設けて
帰還位相を調整できるので、第４図に示した原理に従っ
て２次高調波出力を可変とすることができる。位相調整
器は、例えば帰還路の媒質にＬｉＮｂＯ３を用い、電極
を設けて電気光学効果により屈折率を調整する方法、ま
たは圧電変位素子により帰還路の長さを変化する方法を
用いて実現することができる。

この実施例によれば、第４図から明らかなように、１８
０°の帰還位相量の変化に対して、変換効率は７％から
０．００３％と２０００倍以上の大幅な変化が得られる
ので、調整信号入力端子１１の印加信号により強度変調
を受けた２次高調波を得ることができる。

この実施例についても、実施例１と同様に空間伝搬形で
構成してもよいし、また集積形で実現することもできる
。

実施例３第６図は本発明の第３の実施例を示す図である。

この実施例では、実施例２の構成に加えて、温度センサ
ー２０および制御回路２１よりなる温度補償回路２２を
備えている。一般にＬ＋ＮｂＯ，、などの非線形光学材
料は温度特性が大きいため、２次高調波発生素子への適
用にあたっては、温度による特性変化を避けるため一定
温度に保つなどの方策がとられる。

この実施例は、第４図に示す帰還位相（位相差θ、）に
対する変換効率ηの変化を利用して、温度特性の補償を
行うものである。第７図（ａ）に示すように、温度Ｔ０
、Ｔ、およびＴ２に対する帰還位相と変換特性は、それ
ぞれ特性曲線（１）　、（２）および（３）で与えられ
るものとする。この場合、温度変化にかかわらず一定の
変換効率η。を得るためには、温度Ｔ０では帰還位相を
θ。、温度Ｔ、ではθ１、Ｔ２のときはθ２となるよう
に調整すればよ゛　　　　く、温度と帰還位相量の関係
を第７図（ｂ）のように設定すればよい。

第６図に示すように、温度センサー２０および制御回路
２１からなる温度補償回路２２は、温度に対応した補償
電圧を発生して位相調整器に人力することにより、前述
のような位相特性を実現するものである。温度センサー
としては、例えばサーミスタを用い、また、制御回路は
半導体回路で簡単に実現できる。この実施例によれば、
高い変換効率とともに、温度変化に対しても安定である
という特長が得られる。

実施例４第８図は本発明の第４の実施例を示す図である。

この実施例では、実施例２の構成に加えて、入射光モニ
゛ター２３および制御回路２４を備えている。入射光モ
ニター２３によるモニター出力は、制御回路２４を通し
て位相調整器１０を制御し、入力光の強度にかかわりな
く一定強度の２次高調出力を得る。

第９図および第１０図はその原理を説明する図である。

第９図は、入力光強度Ｐｉｎをパラメータとした場合の
帰還位相と変換効率の関係をＩＴ１＝０．７について示
す。帰還位相が一定の時には、変換効率はＰ１イにほぼ
比例して増大している。入射光強度にかかわりなく一定
強度の出力を得るためには、入射光強度にほぼ逆比例し
て変換効率を制御することが必要であるが、そのために
は変換効率の帰還位相に対する依存性を利用すればよい
。

第１０図（ａ）　は、第９図に対応して、出力光強度と
して０．０８ｎ＋Ｗを得る場合の、入射光強度と帰還位
相との関係を示す。制御回路２４では、この特性曲線を
満たすよう、位相変調器１００位相を制御する。

これにより、数倍の入射光強度変化に対して、安定した
出力光を得ることができる。

上記の説明は、一定出力を得る場合であるが、第８図の
構成によれば入射光強度に比例した出力光を得ることも
可能である。このためには、入射光強度にかかわりなく
一定の変換効率を与えればよい。

第１Ｏ図（ｂ）は第９図に対応して、４．５％の一定変
換効率を実現するための入射光強度と帰還位相の関係を
示し、この特性を満たすよう位相調整器を制御すれば、
一定変換効率を得ることができる。

そのほか、この実施例によれば、制御回路２４の特性を
任意に設定することにより、入射光強度に対して任意の
出力特性を付与できることは、前述の説明より明かであ
る。

実施例５第１１図は本発明の第５の実施例を示す図である。

この実施例では、第８図の実施例における入射光モニタ
ー２３に代えて、出力光モニター２５を備えている。モ
ニター出力は、制御回路２４を通じて位相調整器１００
位相を制御し、一定強度の２次高調波出力を得る。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の２次高調波光発生素子は
、非線形効果の比較的小さい光学材料を用いても、２次
高周波への変換効率を飛躍的に高めることができる。ま
た帰還位相を調整することにより変換効率を大幅に変え
ることができるので、２次高調波の発生と同時に変調動
作を行うことも可能であり、さらに温度補償機能の追加
、出力光強度の安定化または一定変換効率を実現するこ
とも容易であるなど、従来の２次高調波発生素子では得
られない特長を有し、物性研究または光通信技術等にお
ける短波長光発生素子として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す図、第２図は本発
明における光の流れを示す説明図、第３図は入射光から
２次高調波へ変換される効率の一計算例を示す図、第４図は帰還位相（位相差θｔ）と変換効率ηの関係の
一計算例を示す図、第５図は本発明の第２の実施例を示す図、第６図は温度
補償機能を有する本発明の第３の実施例を示す図、第７図（ａ）、　（ｂ）は温度補償の説明図、第８図は
入力光強度により変換効率を調整する機能を有する本発
明の第４の実施例を示す図、第９図および第１Ｏ図（ａ
）、（ｂ）は変換効率調整機能の動作説明図、第１１図は一定出力光強度を得る機能を有する本発明の
第５の実施例を示す図である。ｌ・・・非線形光学媒質　　２・・・分波器３・・・合
波器　　　　　　４・・・入力光５・・・２次高調波出
力光　６・・・帰還路６′・・・帰還路　　　　　１０
・・・位相調整器１１・・・調整信号入力端子　２０・
・・温度センサー２１・・・制御回路　　　　　２２・
・・温度補償回路２３・・・入射光モニター　　２４・
・・制御回路２５・・・出力光モニター特許出願人　　日本電信電話株式会社１丁１イ立、木目羞　θｔ　（刀ｒ）第５図ｆｏ−位趨ｇｌ！Ｉｖ器１１・・−ｆ！Ｉツ信号信号入力子箱６図第７図Ｔ、　　Ｔ、　　Ｔ。；２廣丁第９図イｆｒ、寥ｓｉｔ　θｔ−（Ｉｔ）第（０図Ｐｔｆｌ（惰Ｗ）Ｐ７冑（慴Ｗ）

Claims

【特許請求の範囲】１、入光部から導入された入力光を合波器を通じて非線
形光学媒質に入射し、該非線形光学媒質からの出射光を
、分波器に導入して２次高調波光と非変換光に分離し、
該非変換光を帰還路を経由して前記合波器に入力し、前
記入力光と合波して前記非線形光学媒質の入射部に帰還
入力することを特徴とする２次高調波光発生素子。２、帰還路の中間部に外部制御可能な位相調整器を有す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の２次高
調波光発生素子。３、帰還路の中間部に電気的な制御が可能な位相調整器
を有し、かつ温度検出素子と制御回路とを有し、前記温
度検出素子の出力を前記制御回路に入力し、該制御回路
の出力により前記位相調整器の位相推移量を調整するこ
とにより、温度にかかわらず一定変換効率を得ることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の２次高調波光発
生素子。４、帰還路の中間部に電気的に制御可能な位相調整器を
有し、かつ入力光を検出する光モニターと制御回路とを
有し、前記光モニター出力を前記制御回路に入力し、該
制御回路の出力により前記位相調整器の位相推移量を調
整することにより、変換効率を制御することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の２次高調波光発生素子。５、帰還路の中間部に電気的に制御可能な位相調整器を
有し、かつ出力光を検出する光モニターと制御回路とを
有し、前記光モニター出力を前記制御回路に入力し、該
制御回路の出力により前記位相調整器の位相推移量を調
整することにより、出力光強度を一定とすることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の２次高調波光発生素
子。