JPH01302232A - 光高調波発生導波路 - 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〕 この発明は、入射基本波を高調波に変換させる光導波路
に関するものである。

〔従来の技術〕

レーザ光の波長変換は非常に注目を集めている。

特に半導体レーザはその発振波長の短波長化の研究が精
力的に行なわれているが、現在の限界は７００ｎｍ台で
ある。従って半導体レーザの第２高調波が発生できれば
、レーザの短波長化は急激に進歩する。そのような効果
をもたらす材料として非線形光学材料が知られている。

非線形光学材料を用いて第２高調波発生を高効率で行な
うには位相整合を実現し、非線形光学効果の相互作用長
を太き（とる必要がある。この手段としてはバルク単結
晶を用いて複屈折を利用した角度位相整合をとる方法と
、導波路を用いてその導波路モードを利用した位相整合
をとる方法が知られている。

第２高調波発生において、基本波ωから第２高調波２ω
への変換効率ηは近似的に で与えられる。ここでΔには高調波の波数と基本波の波
数との差、ｌとｄはそれぞれ非線形媒質の長さと幅、ｎ
は屈折率、Ｐは入力基本波のパワー、Ａは入射光ビーム
の断面積である。

上記変換効率を大きくとるには媒質の長さと幅を大きく
し、入力基本波のパワー密度を大きくし、更に位相整合
をとるためにΔｋを零にする必要がある。導波路構造は
、入射基本波を導波路内に閉じ込めるため、パワー密度
がバルク結晶の場合に比して数桁大きくなることと、光
導波路特有のモード分散を利用して通常の複屈折を利用
した位相整合の他にバルク結晶では位相整合をとること
ができない非線形定数成分に対しても位相整合をとるこ
とが可能になるという特徴を有する（谷内哲人；日経ニ
ューマテリアル１９８７年４月２０日号、ｐｐ。

９６〜１０５）。この特徴のために導波路構造は高効率
の光高調波発生素子として期待されている。

導波路構造では、位相整合項は ｓｉｎ”　（Δβ・Ｌ／２）　／　（Δβ・Ｌ／２）　
”と書かれる。βはモード伝播定数（バルク結晶のｋに
相当）であり、モードの次数と導波路膜厚に依存してい
る。このため入射光が感じる屈折率すなわち実効屈折率
はモードの次数と膜厚に依存することになる。このモー
ド分散において異なるモードが交差する膜厚を選べば、
実効屈折率が等しくなり、位相整合がとれることになる
。

この方法によれば、膜厚制御によって位相整合をとって
高効率の高調波発生素子が得られるが、この膜厚制御に
は極めて高い精度が要求され、十分な変換効率が得られ
ていないのが現状である。

例えば、モード間の重なりが大きく高い変換効率を得る
ためには、膜厚を光の波長オーダに選ぶ必要があるが、
導波路の長さを１０１．膜厚を１μｍとすると変換効率
が最大値の１／２となる許容膜厚はわずかに１０人程度
である。導波路を作製する方法としては大きく分けて、
基板内にドーピング等の拡散処理によって屈折率の高い
領域を形成して導波路を作製する方法と、真空蒸着法、
クラスタ・イオンビーム法、キャスト法等の方法によっ
て基板上に屈折率の高い材料を積んで導波路を形成する
方法の２通りが知られている。しかしながら、いずれの
方法においても１μｍ程度の厚さの膜を１０人程度の精
度で制御して作製することは非常に困難である。この困
難を克服する手段としては、実験室レベルでは例えばサ
サキ等はアプライド　オブティクス、２５巻、９号、１
４９頁（１９８６）　（Ａｐｐｌ。

Ｏｐｔ、　Ｖｏｌ、２５．　Ｎｏ、９．　ｐ、　１４９
（１９８６））で示されるように膜厚に傾斜を持たせた
試料を作製し、膜厚の変化する方向に光ビームを走査し
て効率よく変換の行なわれる膜厚を選択している。しが
しながらこの方法は実用化には向いていない。これとは
別に膜厚を精度良く制御できる方法としてラングミュア
ブロジェット法（ＬＢ法）と呼ばれる水面上に有機材料
の単分子膜を形成して基板にうつしとる方法が注目され
盛んに研究されている。この方法は膜厚を分子の大きさ
のオーダで制御できることが特徴である。また、同様の
方法で水面上に高分子を展開して、その膜を基板にうつ
しとる水面展開法も同様の特徴を持っており、精度良く
膜厚を制御することができる。例えば、ＬＢ法において
製膜性のよい材料として知られるポリイミドでは単分子
膜の厚さは約４人であり、１層ごとに４人の厚さを正確
に積層できる。このような方法で所定回数水面上の膜を
基板にうつしとれば精度良く希望の膜厚の膜が作製でき
る。しかしながら、導波路を形成するためには少な（と
も１μｍ程度の膜厚が必要であるので、これをＬＢ法で
作製すると数百層以上にわたって積層を行なわなければ
ならない、このためには材料の製膜性が良好なものでな
ければならず、材料の選択が非常に制限される。

また、その製膜には膨大な時間が必要となる。

また一方、新しい有機超薄膜作製法として注目されてい
る方法は、有機分子線を用いる方法（分子線ビーム蒸着
法）である、これは材料を真空中で蒸発させ、分子線の
オーダに絞って基板上に堆積させる方法であり、膜厚を
精度良く制御して薄膜を製膜できる。しかしながらその
成長速度は〜１人／分程度であることから、１μｍ程度
の厚さの膜を作製するにはやはり膨大な時間が必要とな
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の光高調波発生導波路は以上のような方法で作製さ
れており、上述のようにＬＢ法、水面展開法、有機分子
線ビーム蒸着法は数Å以下の膜厚制御性には優れている
が、これらの方法だけで光高調波発生導波路のためのμ
ｍオーダの厚みを製膜するには膨大な時間が必要であり
、およそ現実的でないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、モード分散を利用した位相整合が可能とな
るように膜厚制御され、その結果高い変換効率を有する
光高調波発生導波路を容易に得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る光高調波発生導波路は、非線形光学材料
で構成され、基本波ωが第２高調波２ωに変換する効率
が最大となるべく位相整合が正確にとれるように導波路
表面を有機超薄膜で覆い、実効膜厚を高い精度で制御し
たものである。

〔作用〕

この発明においては、非線形光学材料を用いた光高調波
発生導波路を従来の一般的な方法で作製し、モード分散
を利用した位相整合をとるために必要な１０人オーダで
の膜厚制御をｌｌｉ厚制御性のよい有機超薄膜で導波路
の表面を覆うことによって行なうようにしたから、導波
路の基本部分は従来からのあらゆる方法が可能となるた
め、材料への制約なく作製することができ、膜厚はその
表面に膜厚制御性のよい有機超薄膜作製法を用いて導波
路の基本部分に比較すればわずかな厚さの有機超薄膜を
つけることによって調整できる。このときの第２高調波
発生（Ｓ　ＨＧ、５ｅｃｏｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｇ
ｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の機能は基本部分が持っており、
有機超薄膜は波長変換能力を持つ必要がなく、膜厚を制
御するためだけの層である。この有機超薄膜の屈折率が
基本部分の屈折率と等しい材料を選んだ場合には、光は
基本部分とその表面上の有機超薄膜を同一層として感じ
て伝播するので、表面の有機超薄膜の膜厚を制御するこ
とによって全体の実効屈折率を制御できる。また有機超
薄膜の屈折率が基本部分の屈折率と違う場合でも、核層
の膜厚が光の波長に比較して十分に小さければ、光は核
層と基本部分の平均屈折率を感じて伝播するので表面の
有機超薄膜の膜厚を制御することによって全体の実効屈
折率を制御できる。

これにより、モード間の実効屈折率を等しくできるため
、位相整合がとれ、基本波ωから第２高調波２ωへの変
換効率を大きくできる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は本発明の一実施例による光高調波発生導波路を
示す断面図であり、図において、１は基板、２は導波路
部分、３は導波路部分の表面を覆う有機超薄膜である。

次に製造方法について説明する。

まず、導波路部分２の製造方法としては、従来より知ら
れているあらゆる方法が適用できるが、これは大きく２
通りに分けられる。その１つは基板１上に導波路部分２
を積層する方法であり、他の１つは基板１内に何らかの
方法で屈折率の高い部分を形成し、導波路部分２とする
方法である。

前者の方法を用いた場合には、基板１としてはあらゆる
材料を用いることができる。ただし、光はその大部分が
導波路部分を通るが、基板１部分にも光のしみたしがあ
るので、吸収のある材料は光のロスを招き、好ましくな
い。従って基板１としては基本波ωおよび第２高調波２
ωの波長領域では透明な材料が好ましい。そのような材
料からなる基板１上に波長変換能力を有する非線形光学
材料を層状に形成し、導波路部分２とする。この非線形
光学材料としては無機材料、半導体材料。

有機材料などあらゆる材料が適用可能であるが、使用す
る波長領域で吸収がなく透明であることが望ましい、ま
た導波路を形成するためには導波路部分２の基本波及び
第２高調波における屈折率ｎｔω）、ｎ、（２ω）が基
板１の材料の基本波及び第２高調波における屈折率ｎ＋
（ω）、ｎ、（２ω）よりそれぞれ大きいこと、すなわ
ち ｎｔ（ω）＜ｎｔ（ω） ｎｔ（２ω）＜ｎｔ（２ω） であることが必要である。形成方法としては真空蒸着法
、クラスタ・イオンビーム法、プラズマ重合法、ＭＢＥ
法、スピナー法、キャスト法等、導波路部分２の材料と
して用いる非線形光学材料の特性に合わせてあらゆる方
法が適用できる。またこの方法では逆に、非線形光学材
料からなる導波路基板に、より屈折率の小さい基板を種
々の方法で形成することも可能である。

後者の方法を用いた場合には、非線形光学材料からなる
基板１に他材料のドーピング処理や粒子線照射などの処
理によって、屈折率の高い部分を作り、導波路部分２と
する。この方法の例としては、ＬｉＮｂＯ５の基板にＴ
ｉを拡散するか、あるいはプロトン交換によって導波路
を形成する方法が一般によく知られている。また、基板
に非線形光学特性を有しない材料を用い、非線形光学特
性を有する材料を拡散させて導波路を形成する方法もあ
り、この方法の例としては、ＰＭＭＡ　（ポリメチルメ
タクリレート）基板にｍ−ＮＡ（ｍ−ニトロアニリン）
を拡散させて導波路を形成する方法がグレンらにより報
告されている（Ｒ，グレン。

Ｍ、Ｊ、グツドウィン、Ｃ，トランドル、ジャーナルモ
ルキュラー　エレクトロニクス、　第３１．５９〜６６
頁（１９８７）（Ｒ，Ｇｌｅｎｎ、　Ｍ、Ｊ、Ｇｏｏｄ
ｗｉｎ　ａｎｄ　Ｃ，Ｔｒｕｎｄｌｅｌ　Ｊ、Ｍｏ１ｅ
ｃｕ１．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、　Ｖｏｌ、３．ｐ、５９〜
６６（１９８７））〕。

このようにして形成された導波路はモード分散をもって
いる。第２高調波発生を行なうには空間結合係数の大き
なモード間で結合をとるのが有利である。空間結合係数
の大きいモード間結合の例としては基本波ωは０次のＴ
Ｅモード、第２高調波２ωは２次の７Ｍモード、すなわ
ち ＴＥｏ（ω）＋ＴＥｏ（ω）　＝　Ｔ　Ｍ　ｚ　（２ω
）がある、第２図はこの場合のモード分散の例を示した
ものである。このモード分散の交差する膜厚に導波路の
厚みを制御すれば実効屈折率が等しくなり位相整合がと
れる。この厚みをｄとすると、ｄは導波路の屈折率によ
っても変化するが、基本波の数波長程度の大きさになる
。基本波がＹＡＧレーザであればその波長は１．０６μ
ｍ、半導体レーザであれば８００ｎｍ前後となり、この
位相整合がとれる膜厚は数μｍのオーダとなる。そして
この膜厚の誤差の許容範囲は前述のように１０人程度で
ある。

本実施例では上述のような方法で、導波路部分２を大ま
かな膜厚に（位相整合がとれる所望の膜厚よりやや薄め
に）作製しておき、その表面を１０Å以下の精度で膜厚
を制御して形成できる有機超薄膜作製法で形成した有機
超薄膜３で覆い、位相整合がとれる所望の膜厚の高調波
発生導波路を作製する。このとき表面の有機超薄膜３の
屈折率が基本波、第２高調波の両方の波長において導波
路部分２と等しいことが望ましいが、もし等しくない場
合においても、この有機超薄膜が波長オーダよりはるか
に小さい厚みであれば、導波路部分のモード分散が微妙
に変化するだけであり、何ら問題はない、この有機超薄
膜作成法としては、ラングミュア・ブロジェット法（Ｌ
Ｂ法）、水面展開法、有機分子線ビーム蒸着法が挙げら
れる。これらの方法は、材料を適切に選択すれば、数人
オーダでの膜厚制御が可能であり、製膜性もよい。また
、このときこの有機超薄膜３は導波路部分２に比して十
分薄いので、を機超薄膜の材料が非線形光学特性を有す
る必要はない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば光高調波発生導波路に
おいて、非線形光学材料からなる導波路上に導波路を位
相整合がとれる所望の膜厚とする厚みの有機超薄膜を備
えた構成としたから、位相整合のとれた波長変換効率の
大きい光高調波発生導波路を容易に作成できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による光高調波発生導波路
を示す断面図、第２図はモード分散の模式図である。 １は基板、２は導波路部分、３は有機超薄膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）非線形光学材料で構成された導波路上に極薄の有
   機超薄膜を形成してなり、 導波路全体の厚みが入力基本波と高調波との位相整合が
   とれる厚みであることを特徴とする光高調波発生導波路
   。