JPH01302233A - 単結晶光ファイバ - 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、第２高調波を発生す名車結晶光ファイバに関
するものである。

（従来の技術） 従来、波長λの光を入射して、波長λ／２の光に変換す
る第２高調波発生素子としては、バルク状非線形光学結
晶が用いられている。

バルク状非線形光学結晶中を伝搬する波長λの光は平面
波と近似できるため、その伝搬定数β′は結晶の屈折率
ｎを用いて、（１）式で表すことができる。

β′　−（２π／λ）・ｎ　　　　　・・・・・・（１
）しかし、屈折率ｎは光の波長λの関数であるので、位
相整合関係を満足させるためには、（２〉式で示す条件
が必要となる。

ｎ（λ／２）−ｎ（λ＞　＝　ｏ　　　　・−−−−・
（２）この（３）式の条件を満足させるために、従来よ
り非線形光学結晶に存在する常光線の屈折率ｎ。

と異常光線の屈折率ｎ　を利用して、光の伝搬力向と非
線形光学結晶の光学軸方向との間に角度θを設けること
が行なわれている。

第２図は、バルク状ニオブ酸リチウムを用いた、従来の
第２高調波発生系を示すものである。この第２高調波発
生系では、上記した位相整合条件を満足させる光の伝搬
方向と結晶の光学軸とのなす角度θを８５°としたバル
ク状ニオブ酸リチウム結晶１に、Ｎｄ　：　ＹＡＧレー
ザ２により波長１，０６μｍの常光線を入射し、波長０
．５３μｍの異常光線である第２高調波を発生させ、こ
れを波長１．０６μｍの光は遮断し、波長０．５３μｌ
の光は透過する光フィルタ３を介して、光検出器４で検
出していた。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような、第２高調波発生は、２次の非線形光学効
果であり、その発生効率は、波長１．０６μ■の光の結
晶中における単位面積当りの光強度及び結晶中の伝搬距
離に比例する。しかしながら、上記従来の第２高調波発
生系で用いられるバルク状非線形光学結晶では、光導波
機能を有していないので、伝搬距離を長く取ることがで
きず、また光を収束することが困難であるので単位面積
当りの光強度を大きくできないという問題点があり、こ
のため、第２高調波の発生効率が低いという問題点があ
った。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、光の伝搬距離を長
くすることができ、かつ単位面積当たりの光強度を大き
くでき、しかも第２高調波を高効率に発生することので
きる単結晶光ファイバを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため、ニオブ酸リチウム（
Ｌ　ｉＮ　ｂ　Ｏａ　）系の単結晶光ファイバにおいて
、ファイバ軸方向とニオブ酸リチウム結晶光学軸が互い
に垂直であると共に、コア半径がａ。

波長１．０６μｌの光に対するコアの屈折率がｎ　Ａ　
ｓクラッドの屈折率がｎＢであり、これらコア半径ａと
コアの屈折率ｎ　とクラッド屈折率ｎＢとが次式を満足
する ことを特徴とする。

（作　用） 本発明の作用を以下に説明する。第２高調波を発生させ
るためには、非線形光学結晶中を伝搬する波長λの光の
伝搬定数β１と波長λ／２の光の伝搬定数β２との間で
、（３）式に示す位相整合条件を満足させる必要がある
。

β２−２β１→０　　　　・・・・・・（３）この（３
）式で示す位相整合条件において、１β２−２β１１が
「０」に近ければ近い程、高効率な第２高調波発生が可
能となるため、１β２−２β１　；の値が、第２高調波
発生素子における指標となる。高効率の第２高調波発生
の一つの条件としては（４）式の示すものが有り、１β
　−２β１１≦１０　　（μｍ）・・・（４）この条件
は、長さ１＋ａｍ以上の領域が、第２高調波発生に寄与
することを意味する。

ここで、屈折率ｎＡを有するコアと屈折率ｎＢを有する
クラッドからなるステップ状光フアイバ導波路の伝搬定
数をβとすると、この伝搬定数βは、次のマックスウェ
ルの方程式（５）を、凭 つＤ ｒｏｔｌＨ−（５） つｔ Ｄ請εＥ ＩＢｓｌＩμＨ なお、Ｅ：ｉｇ界、ＩＨ：磁界、Ｄ＝電東密度、ＩＢ：
磁束密度、ε：誘電率、μ：透磁率である。

円筒座標系に置換し、コアとクラッドの境界における連
続条件を考慮すると、次の固有方程（６）が導かれる。

・・・・・・（６） なお、”は微分を示し、かつＪ　：ベツセル関数、Ｋ　
：変形ベッセル関数、ε　：コアの誘電ｎ　　　　　　
　　　　　　Ａ ｗ−（β　−に２　ｎ２．１／２　ａ、β に：波数、ａ：コア半径である。

ここで、一般に良く使用される弱導波近似を用いると、
コアの誘電率εＡとクラッドの誘電率εＢとはε＾→ε
Ｂであるので、上記（６）式は、Ｊ　　　’（ｕ）　　
　　　　　Ｋ　　　’（ｖ）ｎ ｕＪ　　　（ｕ）　　　　　　ｗＫ　　　（ｗ）ｎ ｕ２　　　　２ となる。

さらに、光フアイバ導波路の基本モードはＨＥ　　モー
ドであるので、ＨＥ１１モードに関するＩ 固有方程式は上記（７）式から次のようになる。

Ｊ　ｏ（ｕ）　　　　　Ｋｏ（ｖ） このＨＥ　、１モードに関する固有方程式（８）を、波
長１．０６μｍｍ　、０．５３μｍで、コア半径ａとコ
アの屈折率ｎ　とクラッドの屈折率ｎＢを種々の値に変
化させて解き、これら種々の値に対する波長１．０６μ
ｍでの伝搬定数β１と、波長０．５３μｌでの伝搬定数
β２を求める。

このようにして求められた値から、前述した（４）式の
条件を満足するコア半径ａとコアの屈折率ｎＡとクラッ
ドの屈折率ｎＢとの関係を求めると、 ・・・・・・（９） となる。

上記（９〉式の条件を満２足するコア半径ａを２△〔△
−（ｎＡ−ｎＢ　）／２ｎＡ）の関数として表したもの
が、第３図の斜線部分である。第３図中、黒丸で示す条
件で、比屈折率差△とコア半径ａを変えた全長２００１
１の複数本の単結晶光ファイバに、ＬＯＷの波長１．０
６μｍの光をコアに入射させると、波長０．５３μ−の
光の変換効率が２０％以上となる。

従って、上記（９）の条件で、単結晶光ファイバを作製
することにより、高効率に第２高調波を発生させること
ができる。

（実施例） 第１図は、本発明の単結晶光ファイバの実施例を示すも
ので、同図（Ａ）は断面図、同図（Ｂ）は屈折率分布を
示す図である。第１図において、１０はニオブ酸リチウ
ムを基本素材とした半径すが５０μ厘の単結晶光ファイ
バで、半径ａが５．２μｍ、波長１．０６μ麿の光に対
する屈折率がｎＡであるコア１１と、波長１．０８μ厳
に対する屈折率がｎＢのクラッド１２とから構成されて
おり、当該単結晶光ファイバー０の軸方向とニオブ酸リ
チウム結晶光学軸とは互いに直交した構造となっている
。

また、コア１１とクラッド１２の非屈折率差Δ（”＝　
（ｎ　　　ｎＢ　／　２　ｎＡ）は０．００８であり、
コア半径ａと比屈折率差Δ、即ちコア１１の屈折率ｎｔ
、とクラッド１２の屈折率ｎＢは前述した（９）式の条
件、即ち、 ０．１１５８　　　　　　　　　０．０９５６６．２９
０−□≦ａ≦６．９２２−− Ｃ７Ｋ　　　　　　　　　　　ＪＴｉ を満足する値である。

上記した構造を有する単結晶光ファイバ１０は、第４図
に示すように、ニオブ酸リチウムに酸化マグネシウム（
Ｍ　ｇ　Ｏ）を添加して作製し、中央部に穴あけを行な
ったクラッド用母材１２ａに、ニオブ酸リチウムにより
なるコア用母材１１ａを挿入して、加熱一体止後、加熱
延伸して作製される。

このように作製された単結晶光ファイバ１０においては
、コア１１に入射された光はコア１１中に閉じ込められ
るので、単位面積当りの光強度を大きくすることができ
、長い距離に亘って光を伝搬させることができる。従っ
て、高効率な第２高調波発生を行なうための条件を満足
している。

第５図は、本発明による単結晶光ファイバを採用した第
２高調波発生系２０を示す図であって、図中、１０ａは
全長２０ｃ１１で第１図と同一の構造パラメーターを有
する単結晶光ファイバ、２１はＮｄ　：　ＹＡＧレーザ
、２２．２３はレンズ、２４は波長ｌ、０６μ■の光は
遮断し、波長０．５３μｍの光を透過する光フィルタ、
２５は光゛検出器である。

このような構成を有する第２高調波発生系２０を用いて
、単結晶光ファイバ１０ａにＮｄ：ＹＡＧレーザ２１よ
り１０Ｗの波長１．０６μｍの光をレンズ２２を介して
常光線として入射させ、発生した波長０．５３μＩの第
２高調波をレンズ２３、光フィルタ２４を介して光検出
器２５で検出した。

その結果、２，５Ｗの波長０．５３μ−の光が発生し、
効率２５％の高効率で第２高調波が発生したことがわか
った。

以上のように、本実施例によれば、入射角調整等を行な
うことなく、単結晶光ファイバ１０に光を入射させるだ
けで、高効率で第２高調波を発生できる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明による単結晶光ファイバは
、ファイバ軸方向とニオブ酸リチウム結晶光学軸が互い
に垂直であると共に、コア半径ａと波長ｉ、ｏｅμｍの
光に対するコア及びクラッドの０．１１５８　　　　　
　　　　　　　　　　　　　０．０９５６の条件を満足
し、かつ導波構造を有するため、入射角調整等を行なう
ことなく光をコア中に入射するのみで高効率に第２高調
波を発生できる利点がある。

また、このような導波構造を有する単結晶光ファイバか
ら発生した第２高調波は、極めて小さな領域に集光する
ことができ、光メモリの書き込み読み出し等への応用が
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による単結晶光ファイバの断面構造及び
屈折率分布を示す図、第２図はバルク状非線形光学結晶
を採用した従来の第２高調波発生系を示す図、第３図は
本発明の単結晶光ファイバの条件範囲を示す図、第５図
は本発明による単結晶光ファイバを採用した第２高調波
発生系を示す図である。 図中、１０．１０ａ・・・単結晶光ファイバ、１１・・
・コア、１２・・・クラッド、２０・・・第２高調波発
生系、２１・・・Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、２２．２３・・
・レンズ、２４・・・光フィルタ、２５・・・光検出器
。 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　　吉　　１）　精　　孝←−−−−衾
り一−−−← ハル２Ａ天二オフ酢り子ラムふも晶 従来の第２島調狡生辰Σ示１図 第２図 酊 条）午範、圓Σ示Ｔ図 第３図 第４図 第５図 手続補正書（方式） 昭和６３年　９月　１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ＿３）系の単結晶光ファ
   イバにおいて、 ファイバ軸方向とニオブ酸リチウム結晶光学軸が互いに
   垂直であると共に、 コア半径がａ、波長１．０６μｍの光に対するコアの屈
   折率がｎ＿Ａ、クラッドの屈折率がｎ＿Ｂであり、これ
   らコア半径ａとコアの屈折率ｎ＿Ａとクラッド屈折率ｎ
   ＿Ｂとが次式を満足する ６．２９０−［（０．１１５８）／（√（ｎ＾２＿Ａ−
   ｎ＾２＿Ｂ）／（ｎ＾２＿Ａ））］≦ａ≦６．９２２−
   ［（０．０９５６）／（√（ｎ＾２＿Ａ−ｎ＾２＿Ｂ）
   ／（ｎ＾２＿Ａ））］ことを特徴とする単結晶光ファイ
   バ。