JPH02110436A

JPH02110436A - 光波長変換モジュール

Info

Publication number: JPH02110436A
Application number: JP63263317A
Authority: JP
Inventors: Chiaki Goto; 後藤　千秋
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1988-10-19
Filing date: 1988-10-19
Publication date: 1990-04-23
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPH0833563B2; US5029976A

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１／２の波長の第２高調波等に
変換するファイバー型の光波長変換素子、および該素子
を用いた光波長変換モジュールに関するものである。

（従来の技術）従来より、非線形光学材料を利用して、レーザー光を第
２高調波等に波長変換（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ＪＡ、ＹＡＲＩ■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．Ｎｏ、
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高調波等のクラッドへの
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。

ところで、上述のようにして得た波長変換波はクラッド
の端面から取り出されて、種々の目的のために利用され
るが、その場合、波長変換波を小さなスポットに絞って
利用したいことが多い。例えば波長変換波を光記録に利
用する場合等にあっては、記録密度向上等の点から、波
長変換波を特に微小なスポットに絞り込むことが望まれ
る。

ところが、上述のファイバーチェレンコフ型の光波長変
換素子においては、素子外に取り出した波長変換波を一
般的な球面レンズに通して絞ろうとしても、小さなスポ
ットに収束しないという問題が認められる。そこで本発
明者等は先に、波長変換波を小さなスポットに絞り込む
ことを可能にする光波長変換素子、および光波長変換モ
ジュールを提案した（特願昭６３−１８６０８０号、同
６３−１８６０８１０号）。この光波長変換素子は、フ
ァイバーチェレンコフ型の光波長変換素子において、波
長変換波が出射するクラッド端面を、該波長変換波の波
面を円錐波面から平面波面に変換する円錐面状とし、あ
るいは球面波面に変換する非球面レンズとしたり、さら
には上述のクラッド端面に、上記と同様の波長変換作用
を果たす同心円グレーティングを形成したものである。

また上記の特許出願において提案された光波長変換モジ
ュールは、ファイバーチェレンコフ型の光波長変換素子
と、この光波長変換素子のクラッド端面から出射した波
長変換波が入射する位置に配され、この波長変換波の波
面を円錐波面から平面波面に、あるいは球面波面に変換
する光学素子とから構成されたものである。

以上述べたような光学素子や、円錐面状のクラッド端面
、さらにはクラッド端面に形成された同心円グレーティ
ングの作用により波長変換波の波面を平面波面に変換で
きれば、その波長変換波を通常の球面レンズに通すこと
により、小さなスポットに絞り込むことが可能になる。

また上記の光学素子や、非球面レンズ面とされたクラッ
ド端面、さらにはクラッド端面に形成された同心円グレ
ーティングの作用により波長変換波の波面を収束球面波
面に変換できれば、該波長変換波を小さなスポットに絞
ることができるし、また発散球面波面に変換しても、そ
の波長変換波を通常の球面レンズに通すことにより、小
さなスポットに絞り込むことが可能になる。

（発明が解決しようとする課題）ところで、上述のような光波長変換素子や光波長変換モ
ジュールにおいては、波長変換波を良好に絞り込むため
に、ファイバーの長さやコア径、さらには光波長変換素
子と光学素子との距離等を基本波波長に対応させて厳密
に所定値に設定する必要がある。したがって光波長変換
素子や光波長変換モジュールの作成に際して、ファイバ
ーの長さやコア径等の許容誤差は非常に小さくなり、そ
のため、この種の光波長変換素子や光波長変換モジュー
ルは歩留りが低く、必然的に高価なものとなっていた。

またこのような光波長変換素子や光波長変換モジュール
を用いる場合、基本波発生源としての光源（例えば半導
体レーザー）も、波長の変動が極めて小さいものを選別
して使用する必要があるから、この点からも光波長変換
素子や光波長変換モジュールを用いる装置がコストアッ
プするという問題がある。

また、上記のようにファイバーの長さやコア径等の許容
誤差が非常に小さいと、光波長変換素子等のコストアッ
プを招くのみならず、例えばコア径に関しては、現在の
技術では加工精度をその小さな許容誤差内に収めること
が全く不可能になる、という問題も生じる。

以上、光波長変換素子のクラッド端面から出射する波長
変換波の波面を円錐波面から平面波面あるいは球面波面
に変換する際の問題について説明したが、このような波
面変換は行なわない場合においても、ファイバーの長さ
やコア径等の許容誤差を極めて小さくすることが望まれ
る場合があり、その場合には上記と同様に光波長変換素
子等のコストアップ、さらには作成不可能という問題が
生じる。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり
、ファイバーの長さやコア径等の許容誤差を大きくとる
ことができるファイバーチェレンコフ型の光波長変換素
子、および光波長変換モジュール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）本発明による光波長変換素子は、先に述べた通りのファ
イバーチェレンコフ型の光波長変換素子において、素子
温度を調節する温度調節手段が設けられたことを特徴と
するものである。

また本発明による光波長変換モジュールは、上記ファイ
バーチェレンコフ型の光波長変換素子と、この光波長変
換素子に入射される基本波としてのレーザー光を発する
半導体レーザーとからなる光波長変換モジュールにおい
て、光波長変換素子と半導体レーザーの少なくとも一方
の温度を調節する温度調節手段が設けられたことを特徴
とするものである。

（作　　用）ファイバーチェレンコフ型の光波長変換素子においては
、素子温度を変化させると、それに応じてコア屈折率お
よびクラッド屈折率が変化するので、位相整合角度が変
化する。一方、波長変換波を良好に絞り込む上でのファ
イバーの長さやコア径等の条件の最適値は、位相整合角
度によって変わるものである。したがって、現実に作成
された光波長変換素子に関するこれらの条件が、所定の
設計値に対して誤差を有していても、素子温度を変化さ
せて位相整合角度を変化させることにより、これらの現
実の条件を、波長変換波を良好に絞り込む上での最適値
あるいはそれに近い値とすることができる。また半導体
レーザーの発振波長が所定の設計値とずれていると、位
相整合角度が設計値と異なり、上記条件の最適値が変わ
ることになるが、上述のようにして位相整合角度を変え
れば、この発振波長のずれを補償することができる。

また、半導体レーザーの発振波長もその温度を変化させ
ることによって変化する。この発振波長つまり光波長変
換素子に入射される基本波の波長が変われば、位相整合
角度が変化するので、半導体レーザーの温度を変化させ
ることにより、この場合も上記と同様に、現実のファイ
バーの長さやコア径等の条件を、波長変換波を良好に絞
り込む上での最適値あるいはそれに近い値とすることが
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図は本発明の第１実施例による光波長変換モジュー
ル５を示すものである。この光波長変換モジュール５は
、光波長変換素子１０と、この光波長変換素子１０によ
って波長変換される基本波１５を発する半導体レーザー
２０と、２枚の凸レンズ２１．２２およびビーム整形プ
リズム２３．２４からなる入力光学系２５と、円錐レン
ズ２６と、集光レンズ２７と、例えばベルチェ素子から
なり各々光波長変換素子１０、半導体レーザー２０の近
傍に配置された温度調節素子２８．２９と、これらの素
子２８．２９を駆動する駆動回路３０とから構成されて
いる。

上記の光波長変換素子１０は、クラ・ソド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、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。本例では特に特開昭６２−２１０４３２
号公報に示される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５Ｆ５Ｂ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５．２　ｍｍで、中空部の径が１．５μｍのも
のである。そして第２図に示すように、炉内等において
ＰＲＡＩＩｏ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ＰＲＡ［１゛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（１
０２℃）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ＰＲＡＩＩ’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ＰＲＡ　ｌｌ’　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１１
が形成され、光波長変換素子１０を十分に長くすること
ができる。

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る。

それにより第１．３図に示すような光波長変換素子１０
が得られる。

上記光波長変換素子１０には、第１図図示のようにして
基本波が入力される。すなわち、半導体レーザー（発振
波長：　８９０　ｎ　ｍ）　２０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２１によって平行ビームとされ、ビーム整形プリ
ズム２３．２４によって断面正円形とされ、さらに対物
レンズ２２で集光した上で素子端面１０ａ（コア１１の
端面）に照射される。それにより、該レーザー光１５が
コア１１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１
２中に放射して、索子１０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取ら
れる（いわゆるチェレンコフ放射）。

第２高調波１５′　は、クラッド端面１２ａから素子外
に出射する。またコア１１の端面１１ａからは、コアｌ
Ｉ内を導波した基本波１５が出射する。この第２高調波
１５″　　と基本波１５を含む光ビーム１５”は、光波
長変換素子１０側の面が円錐面とされた円錐レンズ２６
に通された後、第２高調波１５’　のみを通過させるフ
ィルター１８に通され、第２高調波１５’　のみが取り
出される。この第２高調波１５゛　は−船釣な球面レン
ズである集光レンズ２７に通され、微小なスポットＰに
絞られる。なお第１図ではこの第２高調波１５′　を利
用する装置を特に示していないが、この種の装置におい
ては前述した理由により、こうして第２高調波１５゛　
を絞って利用することが多い。

次に、円錐レンズ２Ｇの作用について説明する。

本実施例においては第３図に詳しく示すように、クラッ
ド１２が十分に太く形成され、それにより、位相整合角
度θでクラッド１２中に放射した第２高調波１５゛　は
すべで、クラッド外表面で全反射することなしにクラッ
ド端面１２ａから直接素子外に出射するようになってい
る。そうするためにはコア１１の直径をｄ、光波長変換
素子１０の長さをＬ（第３図参照）としたとき、クラッ
ド１２の直径りを１）　＞　２　Ｌ　拳ｔａｎθ＋ｄ　
　　・・−−−−（＋１に設定すればよい。このように
“なっていると、クラッド１２中を進行するすべての第
２高調波１５°の波面は、コア軸を含む１つの平面内に
おいては第３図中に矢印Ｗで示す向きとなり、したがっ
て全体では円錐面状となる。そこで、クラッド１２から
出射した第２高調波１５”　を円錐レンズ２６に通すこ
とにより、第２高調波１５’　は平面波面を有するもの
となる。したがって、該第２高調波１５’　を球面レン
ズである集光レンズ２７に通すことにより、微小なスポ
ットＰに絞ることが可能となる。なお円錐レンズ２６の
形状については、前述した特願昭６３−１８６０８０号
明細書に詳しい記載がなされている。

次に、温度調節素子２８．２９の作用について説明する
。本実施例において、基本波１５の波長は８９０ｎｍ、
コア１１の材質はＰＲＡ、コア径は１．５μｍ。

クラッド１２の材質は５Ｆ５６ガラス、クラツド径は５
．２　ｍｍ％位相整合角度θは１４．４２°、素子１０
の長さしは１０ｍｍである（これらの数値は上記（１）
式を満足する）。また円錐レンズ２Ｂの材質は５ＦＩＯ
ガラス、その円錐面の傾きρは２７．６０°である。

このような状況下で、第２高調波１５’　を十分微小な
スポットＰに絞り込むためには、円錐レンズ２６出射後
の平行光であるべき光線の向きと光軸方向との差Δθが
、Δθ≦ｏ、ｏｏｅ＠程度となっていることが求められ
る。これは、光学的な計算から判明していることである
。この値からコア径の許容誤差を計算すると±０．００
６μｍとなるが、現実的にはコア径をこのような許容誤
差内に収めて光波長変換索子１０を作成することは困難
である。

そこで本装置においては、上記温度調節素子２８．２９
を駆動回路３０により駆動して、光波長変換素子ｌＯお
よび半導体レーザー２０の温度を±５℃の範囲で調節可
能としている。ここで半導体レーザー２０の発振波長変
化率を０．２７　ｎ　ｍ　／　℃（モードホップ分とモ
ード内変化の平均）、コア１１を構成するＰＲＡの屈折
率変化率を約−９×１０°５／ｎｍおよび約−Ｉ　Ｘ　
１０−’　／”Ｃ１そしてクラッド１２を構成する５Ｆ
５Ｂガラスの屈折率変化率を約１０Ｘ　１０’　／’Ｃ
と仮定すると、上述の範囲で光波長変換素子１０および
半導体レーザー２０の温度を調節することにより、位相
整合角度が変化してΔθ−±０，０６°の変化が得られ
る。したがって、コア径の許容誤差は１０倍の±０，０
６μｍとなり、光波長変換素子１０を容易に作成可能と
なる。

次に、第４図を参照して本発明の第２実施例について説
明する。なおこの第４図において、前記第１図中の要素
と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明
は特に必要の無い限り省略する（以下、同様）。この第
４図の光波長変換モジュール６においては、第１図の装
置において用いられた円錐レンズ２６に代えて、それと
同様の波面変換作用を果たす等ピッチ同心円グレーティ
ングレンズ４０が用いられている。なお、このような等
ピッチ同心円グレーティングレンズ４０の形状について
も、前記特願昭６３−１８６０８０号明細書に詳しい記
載がなされている。

この場合、光波長変換素子１０および半導体レーザー２
０の温度調節を実施しなければ、Δθ≦０．００６°で
、コア径の許容誤差±０．００４μｍが求められるが、
第１実施例と同様に土５℃の範囲で光波長変換素子１０
および半導体レーザー２０の温度を調節することにより
、Δθ−±０．１４’の変化が得られる。したがって、
コア径の許容誤差は約２３倍（０，１４°／　０．００
１１ｉ’　）に拡大されて±０．００４μｍ×２３−±
０．０９μｍとなる。このようにコア径の許容誤差が十
分に大きくなっていれば、光波長変換素子１０の長さし
や、半導体レーザー２０の発振波長等のその他の条件に
関しても許容誤差が拡大され、光波長変換モジュール６
の作成が容易になる。

次に、第５図を参照して本発明の第３実施例について説
明する。この第５図の光波長変換モジュール７において
は、第１図の装置において用いられた円錐レンズ２６に
代えて、光波長変換素子１０側の面５０ａが円錐面とさ
れ、それと反１１側の面５０ｂが球面とされたレンズ５
０が用いられている。

この光波長変換モジュール７においては、光波長変換素
子１０から出射した第２高調波１５゛　がレンズ面５０
ａを通過することによりその波面は円錐波面から平面波
面に変換され、さらに第２高調波１５゛がレンズ面５０
ｂを通過することにより、その波面は平面波面から収束
球面波面に変換され、よって該第２高調波１５“　は微
小なスポラ）Ｐに絞られるようになる。

この光波長変換モジュール７においても、温度調節素子
２８．２９を駆動回路３０により駆動して、光波長変換
素子１０および半導体レーザー２０の温度を調節するこ
とにより、以上述べたのと同様の効果が得られる。

次に、第６図を参照して本発明の第４実施例による光波
長変換素子６０について説明する。この光波長変換素子
６０は、第１〜３実施例の光波長変換素子１０と同様に
、温度調節素子２８と駆動回路３０により温度調節され
るようになっているが、半導体レーザー２０は温度調節
されない。

このように光波長変換素子のみを温度調節しても、前述
したように位相整合角度が変化するので、この場合もコ
ア径や、光波長変換素子６０の長さや、半導体レーザー
２０の発振波長等の許容誤差が拡大されるようになる。

（発明の効果）以上詳細に説明した通り本発明によれば、光波長変換素
子あるいは該素子に入射する基本波を発する半導体レー
ザーを温度調節することにより、ファイバーの長さやコ
ア径等の許容誤差を大きくとることができ、よってファ
イバーチェレンコフ型の光波長変換素子、および該素子
を用いる光波長変換モジュールの作成が容易化され、コ
ストダウンが実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例による光波長変換モジュ
ールを示す概略側面図、第２図は、上記光波長変換モジュールに用いられた光波
長変換素子の作成方法を説明する説明図、第３図は、上
記光波長変換素子を拡大して示す概略側面図、第４図と第５図はそれぞれ、本発明の第２、第３実施例
による光波長変換モジュールを示す概略側面図、第６図は、本発明の第４実施例による光波長変換素子を
示す概略側面図である。５．６．７・・・光波長変換モジュール１Ｏ１６０・・
・光波長変換素子　１１・・・コア１２・・・クラッド
　　　　　　２８．２９・・・温度調節素子３０・・・
駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

（１）非線形光学材料のコアがそれよりも低屈折率のク
ラッド内に充てんされてなるファイバーであって、コア
に入射された基本波を波長変換してクラッド中に放射す
る光波長変換素子において、素子温度を調節する温度調
節手段が設けられたことを特徴とする光波長変換素子。
（２）非線形光学材料のコアがそれよりも低屈折率のク
ラッド内に充てんされてなるファイバーであって、コア
に入射された基本波を波長変換してクラッド中に放射す
る光波長変換素子と、この光波長変換素子に入射される基本波としてのレーザ
ー光を発する半導体レーザーとからなる光波長変換モジ
ュールにおいて、前記光波長変換素子および／または半導体レーザーの温
度を調節する温度調節手段が設けられたことを特徴とす
る光波長変換モジュール。