JPH01237528A - 光波長変換素子 - Google Patents

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、基本波をその１７２の波長の第２高調波に変
換する光波長変換素子、特に詳細にはコア部における基
本波の導波モードと、第２高調波のクラッド部への放射
モードとの間で位相整合をとるようにしたファイバー型
の光波長変換素子に関するものである。

（従来の技術） 従来より、非線形光学材料による第２高調波発生を利用
して、レーザー光を波長変換（短波長化）する試みが種
々なされている。このようにして波長変換を行なう光波
長変換素子として具体的には、例えば「光エレクトロニ
クスの基礎Ｊ　Ａ、ＹＡＲＩＶ著、多田邦雄、神谷武志
訳（丸善株式会社）のｐ２００〜２０４に示されるよう
なバルク結晶型のものがよく知られている。ところがこ
の光波長変換素子は、位相整合条件を満たすために結晶
の複屈折を利用するので、非線形性が大きくても、　　
複屈折性が無い材料あるいは小さい材料は利用できない
、という問題があった。

上記のような問題を解決できる光波長変換素子として、
いわゆるファイバー型のものが提案されている。この光
波長変換素子は、クラッド内に非線形光学材料からなる
コアが充てんされた光ファイバーであり、応用物理学会
懇話会微小光学研究グループ機関誌ＶＯＬ、３．に２．
ｐ２８〜３２にはその一例が示されている。このファイ
バー型の光波長変換素子においては、コア部における基
本波の導波モードと、第２高調波のクラッドへの放射モ
ードとの間で容易に位相整合をとることができる（いわ
ゆるチェレンコフ放射の場合）ので、最近ではこのファ
イバー型光波長変換素子についての研究が盛んになされ
ている。

（発明が解決しようとする課題） しかしその反面、このファイバー型の光波長変換素子は
、第２高調波がクラッドの外表面間で全反射を繰り返し
て素子端面側に進行して行く間に位相が乱れやすい、と
いう問題を有することも認められている。このように第
２高調波の位相が乱れると、最終的に光波長変換素子か
ら出射する第２高調波の光強度が低下して波長変換効率
が低くなってしまうし、また素子から出射した第２高調
波を十分に集光することが不可能となる。

さらにこのファイバー型の光波長変換素子においては、
第２高調波が上記のように全反射を繰り返して進行して
行く間にコアに吸収されやすいので、この点でも波長変
換効率の向上が妨げられ、またこのような吸収が有るか
ら、吸収されやすいより短波の第２高調波を高強度の状
態で取り出すことは難しくなっていた。

そこで本発明は、第２高調波の位相の乱れ、および第２
高調波のコアへの吸収を防止することができ、また高強
度の短波の第２高調波を得ることができる光波長変換素
子を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明の光波長
変換素子は、前述のようなファイバー型の光波長変換素
子、つまり非線形光学材料からなるコアがクラッド中に
充てんされてなり、コア端面に入射された基本波を第２
高調波に変換してクラッド中に放射させ、コア部におけ
る基本波の導波モードと、第２高調波のクラッド部への
放射モードとの間で位相整合をとるようにした光波長変
換素子において、クラッドの直径を５００μｍ以上とし
たことを特徴とするものである。

先に述べた第２高調波の位相の乱れは、■：第５図（１
）に示すように、クラッド５２の外表面５２ａ間で全反
射を繰り返して素子端面側に進行する第２高調波５５°
が、クラッド５２とコア５１の屈折率（第２高調波に対
するもの）の差により図中破線で示すようにフレネル反
、射を生じ、そのため、コア５１を通過した第２高調波
５５°とフレネル反射した第２高調波５５′　との間で
位相がずれてしまう、■二またクラッド５２の第２高調
波に対する屈折率がコア５１のそれよりも大きい場合に
は、第５図（ａに破線で示すように、コア５１とクラッ
ド５２との界面で全反射が生じて位相が乱れる、 ■：さらにコア５１がクラッド５２に対して偏心してい
ると、第５図（３）に実線と破線で示すように第２高調
波５５°がコア５１を通過する場合としない場合とが生
じ、このコア５１を通過した第２高調波５５゜と通過し
なかった第２高調波５５゛　との間で位相がずれる、 ことが原因となって生じると考えられる。

従来のファイバー型光波長変換素子にあっては、クラツ
ド径は通常１００μｍで、太くても２５０μｍ程度、そ
してコア径は１〜１０μｍ程度に形成されていた。また
この種の光波長変換素子において波長変換効率は、素子
の長さが長いほど大きくなり、実用レベルで考えると素
子長さは３０ｍｍ以上は必要となる。この程度のクラツ
ド径、コア径、素子長さである場合には、コアからクラ
ッド中に放射した第２高調波は通常、クラッド外表面に
おいて最大で数千回程度全反射を繰り返すので、上記■
、■および■で説明した現象が数多く発生し、そのため
第２高調波の位相乱れが顕著となる。また上記の全反射
の回数が多ければ、第２高調波がコアに入射する回数も
多くなり、該第２高調波がコアに吸収されやすくなる。

それに対して本発明の光波長変換素子においては、クラ
ツド径を５００μｍ以上と極めて太くしているので、第
２高調波のクラッド外表面における全反射の回数は従来
の光波長変換素子と比べると最大でも半分以下から数分
の１程度となり、上記■、■および■で説明した現象の
発生を抑えて、第２高調波の位相乱れ、およびコアにお
ける吸収を効果的に防止できる。

なお上述のような原因で生じる第２高調波の位相乱れお
よびコアでの吸収をより確実に防止するためには、第２
高調波のコアへの再入射が１回も生じないようにすれば
よい。そのためには、コア径をｄ１第２高調波の位相整
合角度をθ、素子の長さをＬとしたとき、クラツド径を
、Ｌ・ｔａｎθ十ｄの値以上とすればよい。

さらに、クラツド径を２Ｌ−ｔａｎθ＋ｄの値以上と、
より一層太く形成すれば、第２高調波がコアに再入射す
ることが無いばかりか、位相整合がとれる第２高調波が
クラッド外表面で全反射することも無くなる。こうなっ
ていれば、クラッド外表面で全反射した後クラッド端面
から出射する第２高調波と、全反射しないで直接的にク
ラッド端面から出射する第２高調波との間で位相のずれ
が生じることも無くなり、この位相のずれに起因して波
長変換効率が低下すること、および第２高調波の集光が
困難になるという不具合の発生を防止できる。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図および第２図は本発明の一実施例による光波長変
換素子ｌＯを示すものである。この光波長変換素子ｌＯ
は、クラッド１２の中心の中空部分内に、非線形光学材
料からなるコア１１が充てんされた光ファイバーである
。上記非線形光学材料としては、前述したように波長変
換効率が高い有機非線形光学材料を用いるのが好ましい
。本例では特に本願出願人による特願昭６１−５３８８
４号明細書に示される３、５−ジメチル−１−（４−ニ
トロフェニル）ピラゾール（以下、ＰＲＡと称する）に
よってコア１１を形成している。

ここで、−例としてコア１１を上述のＰＲＡ、クラッド
１２を５ＦＳ３ガラスから形成する場合について、この
光波長変換素子１０の製造方法を説明す−る。まずクラ
ッド１２となる中空のガラスファイバー１２°が用意さ
れる。このガラスファイバー１２’は一例として、外径
が３ｍｍで、中空部の径が２μｍのものである。そして
第３図に示すように、炉内等においてＰＲＡＩＩ”を融
液状態に保ち、この融液内にガラスファイバー１２°の
一端部を浸入させる。すると毛細管現象により、融液状
態のＰＲＡＩＬ’がガラスファイバー１２’　の中空部
内に進入する。なお該融液の温度は、ＰＲＡＩＩ’の分
解を防止するため、その融点（１０２℃）よりも僅かに
高い温度とする。その後ガラスファイバー１２′を急冷
させると、中空部に進入していたＰ　ＲＡ　１１’が多
結晶化する。

次いでこのガラスファイバー１２°を、ＰＲＡＩＩ’の
融点より高い温度（例えば１０２．５℃）に保たれた炉
内から、該融点より低い温度に保たれた炉外に徐々に引
き出すことにより、溶融状態のＰＲＡＩＬｏを炉外への
引出し部分から単結晶化させる。それにより、極めて長
い単結晶状態で結晶方位も一定に揃ったコアｌｌが形成
され、光波長変換素子ＩＯを十分に長くすることができ
る。周知のようにこの種の光波長変換素子の波長変換効
率は素子の長さに比例するので、光波長変換素子は長い
ほど実用的価値が高くなる。

以上述べたようにしてコア１１が充てんされた後、ガラ
スファイバー１２°の両端が適宜切断され、それにより
第１図および第２図に示すような光波長変換素子１０が
得られる。なお本例で素子長さは１０ｍｍとされる。

上記光波長変換素子ｌＯは第２図図示のようにして使用
される。すなわち、基本波発生手段として例えば半導体
レーザー（波長：８７０ｎｍ）１Ｂが用いられ、そこか
ら射出された発散ビームであるレーザー光（基本波）　
１５はコリメーターレンズ１７によって平行ビームとさ
れ、さらに対物レンズ１８で集光した上で素子端面１０
ａに照射される。それにより、該レーザー光１５が光波
長変換素子１０内に入射する。この基本波１５は、コア
１１を構成するＰＲＡにより、波長が１／２の第２高調
波１５°に変換される。この第２高調波１５°はクラッ
ド１２中に放射し、その外表面の間で全反射を繰り返し
て素子ｌＯ内を端面側に進行する。位相整合は、基本波
１５のコア部での導波モードと、第２高調波１５°のク
ラッド部への放射モードとの間で行なわれる（いわゆる
チェレンコフ放射）。

光波長変換素子１０の出射端面ｔｏｂからは、上記第２
高調波１５°を含むビーム１５”が出射する。この出射
ビーム１５’は図示しないフィルターに通され、第２高
調波１５°のみが取り出されて利用される。

本実施例において、５ＦＳ３ガラスからなるクラッド１
２の基本波１５（波長８７０ｎｍ）および第２高調波１
５゛（波長４３５ｎｍ）に対する屈折率ｎａｌａｄ、ｎ
ｉ、−はそれぞれ、 ｎ：’＋ａａ−１，７６、ｎ七５ａ−１，８４である。

またＰＲＡからなるコアｌｌの基本波１５に対する屈折
率ｎ″：。、、−１，７８であり、したがって　　　ｎ
　Ｆ＋ａ−＜　ｎ　’：＊ｔ＊＜　ｎ　”ｃＭｍａとな
って導波条件が満たされている。

そしてこの場合、クラッド１２に放射する第２高調波１
５°の位相整合角度θは約１５＠である。また前述した
通りクラツド径りは３ｍｍ、コア径ｄは２μｍ１素子の
長さしは１０ｍｍである。これらの値に基づいて、第４
図に示すように素子ｌＯ内で最も長い光路をとる位相整
合可能な第２高調波１５゜（つまり素子ＩＯの入射端面
１０ａに最も近接しコア１１の最外周部で生じた第２高
調波１５°）について考えてみると、この第２高調波１
５°がクラッド１２の外表面に到達するまでに素子長さ
方向に進行する距離Ｘは、 ｘｍ（Ｄ−ｄ）／ｌａｎθ ＝　（３０００−２）／ｌ　ａｎ１５＠−５５９５μｍ となる。この第２高調波１５°がクラッド１２の外表面
で全反射して再度コア１１に入射しうるためには、光波
長変換素子ｌＯの長さは ２ｘ＝１１１９０μｍ−１１，１９ｍｍ必要であるが、
本実施例の光波長変換素子１０の長さＬは１０ｍ　ｍと
されているので、上記の第２高調波１５’　は実際には
コアＵに再入射することがない。

素子内の光路長が最も長くなる第２高調波１５”につい
て上述の通りであるから、位相整合角度θでクラッド１
２中に放射した第２高調波１５”　はすべて、コア１１
に再入射することがない。そうであれば、先に説明した
ように第２高調波がコアに再入射することによって生じ
る位相乱れが発生しない。

第２高調波１５°の位相乱れが生じなければ、光波長変
換素子ｌＯから高強度の第２高調波１５°を取り出せる
ようになり、波長変換効率が向上する。

具体的に、以上説明した実施例における波長変換効率は
、入力１００ｍＷ換算で約１０％であった。

それに対して、クラツド径りを従来と同様に１５０μｍ
とし、その他の仕様は上記実施例におけるものと同一と
した比較例の光波長変換素子を作成し、この光波長変換
素子の波長変換効率を調べたところ、同じく入力１００
ｍＷ換算で約２％であった。この比較例の光波長変換素
子においては、第６図に示すように最長光路をとる第２
高調波１５”は最初にクラッド１２の外表面に到達する
までに素子長さ方向に２７６μｍ　（＝７４／　ｔ　ａ
　ｎ１５”　）進行し、また、クラッド外表面での全反
射１回当り素子長さ方向に５６０μｍ（＝１５０／１ａ
ｎ１５＠）進行するから、素子長さ１０ｍｍ（＝１００
００μｍ）の場合、 １００００−５６０Ｘ１７＋２７６＋２０４であり、コ
ア１１に１７回再入射している。

なお、第４図を参照した前述の説明から明らかなように
、一般的にクラツド径をり、コア径をｄ１素子長さをＬ
１位相整合角度をθとしたとき、Ｄ＞Ｌ＊ｔａｎθ＋ｄ となるようにすれば、位相整合がとれるすべての第２高
調波はコアに再入射しないことになり、大変好ましい。

なおさらに好ましくは、クラツド径りを、Ｄ〉２ＬＩＩ
ｔａｎθ＋ｄ となるように十分太くする。このようにすれば、第７図
に示すように、位相整合がとれる全ての第２高調波１５
’　はコア１１に再入射しないばかりか、クラッド１２
の外表面において１回も全反射しないことになる。そこ
でこの場合は、クラッド１２の外表面で全反射した後素
子端面ｆｏｂから出射する第２高調波１５°と、全反射
しないで直接的に素子端面１０ｂから出射する第２高調
波１５°との間で位相のずれが生じることも無くなる。

したがって、この位相のずれに起因して第２高調波の干
渉が生じて波長変換効率が低下すること、および第２高
調波の集光が困難になるということが無くなり、極めて
光強度でかつ小さなスポットに絞られた第２高調波を得
ることが可能となる。

しかし、必ずしも上記のようにしなくても、クラツド径
を５００μｍ以上に設定すれば、第２高調波がコアに再
入射する回数は従来のファイバー型光波長変換素子に比
べて極めて少なくなるので、第２高調波の位相乱れが効
果的に防止されうる。

またクラツド径を上記のように設定すれば、第２高調波
がコアを通過する回数が少なくなるので、第２高調波の
コアにおける吸収が少なくなり、あるいはクラツド径が
十分に大きい場合はこの吸収が全く無くなるので、より
高強度の第２高調波を素子から取り出すことができる。

さらにこのコアにおける第２高調波の吸収が少なければ
、あるいは全く無ければ、コアに吸収されやすいより短
波の第２高調波を高強度の状態で取り出すことも可能と
なる。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の光波長変換素子におい
ては、クラツド径を５００μｍ以上に設定したことによ
り、第２高調波のコアへの再入射の回数を従来のファイ
バー型光波長変換素子に比べて著しく少なくすることが
できる。したがって本発明の光波長変換素子によれば、
第２高調波の位相乱れを防止して、高い波長変換効率の
下に高強度の第２高調波を得ることができ、またこの第
２高調波を十分小さなスポットに集光可能となる。

さらに、上記のように第２高調波のコアへの再入射回数
が少なくなれば、第２高調波のコアへの吸収も防止され
るので、この点でも波長変換効率を高めることができ、
また吸収されやすいより短波の第２高調波を高強度の状
態で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ、本発明の一実施例によ
る光波長変換素子を示す斜視図と概略側面図、 第３図は上記光波長変換素子の製造方法を説明する概略
図、 第４図は上記光波長変換素子における第２高調波の光路
を説明する説明図、 第５図（１）、＋２）および（３１は、従来のファイバ
ー型光波長変換素子における第２高調波の位相乱れの原
因を説明する説明図、 第６図は従来のファイバー型光波長変換素子における第
２高調波の光路を説明する説明図、第７図は本発明の別
の実施例における第２高調波の光路を説明する説明図で
ある。 ｌＯ・・・光波長変換素子　　１１・・・コア１２・・
・クラッド　　　　　１５・・・基本波１５°・・・第
２高調波　　　１６・・・半導体レーザー昭和６３年０
８月１８日 昭和６３年　特許願　　第０５４．６１６　Ｎ２、　発
明の名称 光波長変換素子 ３、　補正をする者 事件との関係　　　　　特許出願人 性　所　神奈川県南足柄市中沼２１０番地名　称　　（
５２０）富士写真フィルム株式会社４、代理人 住　所　東京都港区六本木５−２−１　　　　　　はう
らいやピル７階自発補正 ６、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄および図面７、補正
の内容 （１）明細書第１２頁第１５〜１７行 「Ｘ−・・・・・・５５９５μｍ」を ｒｘ−（Ｄ−ｄ）／　（２ｔ　ａｎθ）＝　（３０００
−２）／　（２ｔ　ａｎ１５＠）−５５９３μｍ」と訂
正する。 （２）同第１３頁第１行 ｒｌｌ１９０］をｒｌ　１１８６Ｊと訂正する。 （３第５図を添付の通り訂正する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）非線形光学材料からなるコアがクラッド中に充て
   んされてなり、コア端面に入射された基本波を第２高調
   波に変換してクラッド中に放射させ、コア部における基
   本波の導波モードと、第２高調波のクラッド部への放射
   モードとの間で位相整合をとるようにした光波長変換素
   子において、前記クラッドの直径が５００μｍ以上とさ
   れていることを特徴とする光波長変換素子。
2. （２）前記コアの直径をｄ、第２高調波の位相整合角度
   をθ、素子の長さをＬとしたとき、クラッドの直径がＬ
   ・ｔａｎθ＋ｄの値以上とされていることを特徴とする
   請求項１記載の光波長変換素子。
3. （３）前記コアの直径をｄ、第２高調波の位相整合角度
   をθ、素子の長さをＬとしたとき、クラッドの直径が２
   Ｌ・ｔａｎθ＋ｄの値以上とされていることを特徴とす
   る請求項１記載の光波長変換素子。