JPH02186327A - 波長変換光学素子 - 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】 【発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、光情報処理や光計Δ１１等に用いる短波長の
光源を得るための波長変換光学素子に係わり、特にチェ
レンコフ放射方式を利用した波長変換光学素子に関する
。

（従来の技術） 近年、高密度光ディスクシステム、計測及び表示システ
ム等への応用を目的として、短波長のコヒーレント光源
の開発が進められている。

光デイスクシステムでは、ディスク面上に絞られる光の
スポット径が光源の波長に比例するため、高密度化を実
現するには短波長の光Ｒが必須である。

短波長の光源としての半導体レーザは、小型。

軽量且つ低消費電力という利点を持つため、新しい材料
を用いた、より短波長のレーザの開発が進められており
、既に０．６μｍ帯（赤色）に発振波長を持つＩ　ｎに
ａＡ　Ｉ　Ｐ系半導体レーザは実用化のレベルに至って
いる。しかしながら、さらに短波長の緑色或いは青色の
半導体レーザについては研究は行われているものの、室
温で連続発振するレーザは得られておらず、実用化の見
通しは未だついていない。

一方、短波長の光源を実現する他の手段として、非線形
光学結晶を用いた光第２高調波発生（ＳＨＧ）があり、
従来より多くの研究が行われている。特に、小型、低消
費電力を実現させるため、基本波光源として半導体レー
ザを用い、非線形光学結晶を導波路化する試みが行われ
ている。そして、第２２図に示す如く、 Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ＊基板９１上に導波部９２を形成し
たプロトン交換ＬｉＮｂ０．導波路を用いることにより
、基本波（λｌ）の８０ｍ　Ｗの半導体レーザ光に対し
、第２高調波として１ｍＷの青色光（λ２）が得られて
いる（昭和８２年秋季応用物理学会、　１９ｐ−ＺＧ−
４（１９ｇ？））　、この方式は、チェレンコフ放射に
より光第２高調波を導波路基板内へ放射させるもので、
従来のＳＨＧに比べ、角度１り御や温度制御等による位
相整合が不要であるという利点を持つ。

しかしながら、このような波長変換光学素子を短波長光
源としての実用に供するためには、少なくとも数ｍＷの
光出力が必要であり、そのためには基本波として１００
ｒｒｘ　Ｗ以上の出力が必要とされる。半導体レーザは
高出力になるほど、熱の影響及びＣＯＤ等による劣化が
起こり易く、長時間の寿命を確保するのが困難になるた
め、これがＳＨＧ方式による短波長光源の実用化の上で
大きな制約となる。

バルクのＳＨＧでは、光第２高調波への変換効率を上げ
る手段として、外部共振器方式が考えられており、これ
により例えば基本波の先出力５２．８ｍ　Ｗに対して２
９．７ｍ　Ｗの光第２高調波が得られた例が報告されて
いる（　ＩＥＰ、Ｅ　Ｊ、ＱｕａｎＬｕｓＥｌｅｃＬｒ
ｏｎ、、ＱＥ−２４，Ｎｏ、８．ｐｐ、９１３−９１９
（１９１８））　　。

但し、半導体レーザ励起のＹＡＧレーザを基本波として
用いたものであり、励起用半導体レーザの光出力は５０
０ｍ　Ｗが必要とされる。一方、光導波路においても、
共振器型ＳＨＧの報告例があり、Ａｒレーザ光を基本波
として、光第２高調波への変換効率０　、１９６が得ら
れている（Ｒ，Ｒｅｇ！ｎｅｒ　ｅＬ　ａｌ、：ＥＣ０
Ｃ’８６（１９１１６））　、　　しかし、光導波路に
おける共振器型ＳＨＧは共振条件と位相整合条件の両方
を満たすようにしなければならないため、厳しい温度制
御精度が要求され、やはり実用化の上で大きな制約とな
る。

また、前記第２２図に示す構成では、出射ビームは導波
路面に垂直方向の面内では平行光、それと直交する市内
では場所によりビームウェスト位置の異なる発散光とな
っており、軸対称性を持っていない。このため、コリメ
ート或いは集光を行うには特殊な光学系を必要とし、ビ
ームを回折限界のスポット径にまで絞ることは困難であ
る。

これに対し、同じチェレンコフ放射方式を用いたものと
して、非線形材料の単結晶ファイバによるＳＨＧが報告
されている（昭和６１年秋季応用物理学会、　２９ｐ−
Ｘ−２（１９８Ｂ）　）　ｏ第２３図に示したように、
コア９３の周囲をクラッド９４で被覆した同軸構造とな
っており、この方式では光第２高調波がクラッド９４内
で光軸に対して一定の角度θＣの方向に進むチェレンコ
フ放射光となり、ファイバ端面から出射されるビームは
光軸に対し角度θ０　（但し、角度θ。−θｏ　＝　５
ｉｎ−’　（ｎ　２　ｓｌｎ　θｃ）＋ｎｚは光第２高
調波に対するクラッドの屈折率）の方向に広がるリング
状のビームとなる。この出射ビームは軸対称性はあるが
、やはりこのままではコリメート或いは集光させること
はできない。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、小型化のために光導波路を用いたＳＨ
Ｇでは、鹿換効率が未だ十分ではなく、基本波として１
００ｍ　Ｗ以上の光出力が必要とされる。また、高効率
化のため共振器型導波路を用いたものでは、位ＭＪ整合
のために温度制御精度が厳しく、実用化は困難である。

また、位相整合が不要のチェレンコフ放射を利用するＳ
ＨＧでは、出射ビームをコリメート或いは集光させるこ
とが困難である。さらに、軸対称性のあるビームが得ら
れるファイバ方式においても、出射ビームをそのままで
はコリメートできず、特殊な光学系を用いてコリメート
する場合でも、光学素子の厳密な加工ｆ１？度が要求さ
れるという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、位相整合が不要で変換効率の高い波
長変換光学素子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、特殊な光学系を用いること
なく、チェレンコフ放射による光第２高調波ビームをコ
リメート或いは集光させることができる波長変換光学素
子を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、光導波路の端面に反射膜を設けること
により、基本波からの光第２高調波への変換効率を高め
ることにある。さらに、光導波路の光出射端面に、円錘
波を平面波や球面波等に変換する波面変換素子を設け、
光導波路の光出射端面から出射される光第２高調波ビー
ムをコリメート或いは集光することにある。

即ち本発明（２７求項１又は２）は、導波部及びクラッ
ド部の少なくとも一方を非線形光学材料で構成した光導
波路からなり、光導波路の一方の端面から導波部に入射
された基本波をチェレンコフ放射により光第２高調波に
変換してクラ゛ツド部に放射し、クラッド部に放射され
た光第２高調波を光導波路の他方の端面から出射する波
長変換光学素子において、少なくとも前記光導波路の光
第２高調波出射端面に、導波モードの基本波に対して高
反射、光第２高調波に対して低反射となる反射膜を設け
るようにしたものである。

また本発明（請求項３）は、チェレンコフ放射を利用し
た波長変換光学素子において、導波部及びクラッド部の
少なくとも一方を非線形光学材料で構成した光導波路か
らなり、光導波路の一方の端面から導波部に入射された
基本波をチェレンコフ放射により光第２高調波に変換し
てクラッド部に放射し、クラッド部に放射された光第２
高調波を光導波路の他方の端面から出射する波長変換部
と、この波長変換部の光第２？ｉＩＩ：Ａ波出射端面に
接して設けられ、該出射端面から出射される円錘波を平
面波１球面波又は広がり角の異なる円錘波に変換する波
面変換部とを設け、光第２高調波ビームをコリメート或
いは集光するようにしたものである。

（作用） 本発明（請求項１．２）によれば、チェレンコフ放射方
式による光導波路型ＳＨＧにおいて、光導波路端面に上
記のような反射膜を設けることにより、π導波路内での
光パワーを高めることができ、これにより基本波からの
光第２高調波への変換効率を高めることが可能となる。

また本発明（請求項３）によれば、光導波路の端面に接
して上記のような波面変換素子を設けることにより、平
面波（平行光）或いは球面波（収束先又は発散光）とし
ての光第２高調波が得られ、光第２高調波ビームを有効
利用することが可能となる。さらに、ファイバ型光導波
路の光出射端面に設ける波面変換素子として同心円回折
格子を用いることにより、作成が容易で位置合わせも容
易な波面変換素子を備えた波長変換光学素子の実現が可
能となる。また、回折格子断面形状を上記のように鋸歯
状波とすることにより、回折効率の高い波面変換素子を
備えた波長変換光学素子の実現が可能となる。

（実施ｆＮ） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

ＴＳ１図は本発明の第１の実施例に係わる波長変換光学
素子の概略構成を示す断面図である。

図中１１は非線形材料からなる断面円形のコア（光導波
部）であり、このコア１１の周囲はガラスクラッド１２
により被覆されている。これらコア１１及びクラッド１
２からなる光導波路は、前記第２３図と同様に、軸対称
のファイバ型光導波路となっている。光導波路の両端面
には、本発明の特徴である反射ＷＡ１３．１４がそれぞ
れ披むされている。そして、反射膜（第２の反射１１１
！Ｉ）１３を設けた端面からコア１１内に基本波１５が
入射され、クラッド１２中に伝搬したチェレンコフ放射
光（光第２５調波）１６が反射Ｈ（第１の反射膜）１４
を設けた端面から出射されるものとなっている。

ここで、基本波１５の波長λ１及び光第２高調波１６の
波長λ、（−λ、／２）に対するクラッド１２の屈折率
をそれぞれｎ　ｌ　＋　　０２とすると、 ｎｌ　＜ｎｇｐｐ　＜ｎ２　　　　　　　−−−ｃｉ）
を満たすようにクラッド１２の材料が選択されている。

但し、ｎＦＩＰＰはコア１１及びクラッド１２からなる
ファイバ型光導波路の基本波に対する実効ｈＩＩ折率で
ある。

波長λ１の基本波１５がこのファイバ型光導波路に入射
すると、非線形光学材料からなるコア１１によって、こ
の光がλ１／２の光第２高調波に変換され、コア１１に
対しθＣの角度を持ったチェレンコフ放射光１６として
クラッド１２中を伝搬する。θＣはｎｌ、及びｎ２と次
の関係にある。

ｎ　２　ｅＯ５θｃ　−ｎ　ｇｐｐ　　　　　　　　−
（２）第１の反射膜１４は、導波モードである基本波に
対して高反射、チェレンコフ放射光の光第２高調波に対
して低反射となるように設計されている。さらに、第２
の反射膜１３は、導波モードである基本波に対して、以
下に述べるような最適の反射率となるように設計されて
いる。

ここで、反射８１３及び反射膜１４の基本波（導波そ−
ド）に対する反射率をそれぞれｒ　ｌ　ｒ「２とする。

また、入射基本波のパワーをＰ１光導波路への結合効率
をη、光導波路入射直後の導波モードのパワーをＰ　Ｃ
ｓチェレンコフ放射光への変換効率をγＳｌ＋ＰＣｓそ
れ以外の導波モード損失により失われるパワー（導波路
長しに対して）の比をａ、光第２高調波として外部に出
射するパワーをＰ２とする。従来のチェレンコフ放射に
よる光第２高調波発生の場合、即ち反射８１３．１４が
ない場合には、端面での反射を無囚すると、上記のパラ
メータの間には次の関係がある。

Ｐｃ−ηＰ、　　　　　　　　　　　　・・・（３）ｐ
　、　ｍγ１ｉＨＰｃ”−４２７１ＭＰ＋”・・・（４
）一方、第１図のように反射１！［１３，１４が存在す
る場合には、共振条件の下で、ｐ、、ｐ。

は次式で与えられる（１１シｌＥＣ１，Ｑｕａｎｔｕｍ
ＥＩａｃｔｒｏｎ、、ＱＥ−２４，８，ｐｐ、９１３−
９１９（１９ｇＢ＞　）　。

Ｐ２　ｓａｔ、　　γＳＮＰ　Ｃ２・”　（８）ここで
、ｔ２は反射膜１４の光第２高調波に対する透過率、ま
たｔはＰｃの関数で、次式で表わされる。

ｔ−（１−ａ）（１−γｓｏＰ　ｃ　）　　・”　（７
）また、入射波に対する共振器のインピーダンス整合条
件は、 ｒｌ　ｍｒ３　ｔ２　　　　　　　　　・・・（８）で
与えられる。

例として、ｎ　＝０．５　、　７　ｓｕ”０．４／Ｗ　
、　　Ｐ　ｌ＝１００ｍＷ　、　　Ｌ　＝　５　ｍｍ、
導波路損失ａ　−１ｄＢ／ｃｓ（ａ〜０．１）の場合を
考える。このパラメータで、反射膜がない場合には、　
（４）式より、光第２高調波出力として１ｍＷが得られ
ることになる。一方、反射膜が存在する構成で、「２−
１とすると、（５）、（７）、（８）式よりインピーダ
ンス整合条件を満たす反射１１１ｉ１３の反射率はｆ、
ｍ０４７となる。ｔ２−１とすると、（５）、（８）式
より、光第２高調波の先出力は、１１．４ｍ　Ｗとなり
、反射膜がない場合に比べると、１桁大きい光第２高調
波パワーが得られることになる。なお、上記のような反
射膜の反射率設定は、誘電体多層膜を用いることにより
可能である。

上記の例では、約ｌＯ％の変換効率が得られている。入
射波のパワー　ｆｏｏｍ　Ｗの残り９０９６の内訳は５
０％が光導波路に結合しない光、３０９６が導波路損失
で失われる光、１０９６が反対側に伝搬する光第２高調
波である。光導波路への結合効率を上げ、導波路損失を
小さくすると、さらに光第２高調波への変換効率の高い
波長変換光学素子が実現できる。導波路損失を小さくす
るには、ｊＪｉ位長さ当りの損失を小さくするか、或い
は導波路長を短くすればよい。上記の例では、例えば導
波路損失を０．５ｄ１３／ｅ−にするのと、導波路長を
２．５ｍｓにするのとは等価である。この場合のインピ
ーダンス整合条件はｒ、ｍＯ，７５となる。

また、このとき、光第２高調波パワーとして１０．４ｍ
　Ｗが得られる。

このように共振器型のＳＨＧでは高い変換効率が得られ
るので、入射波のパワーはもっと小さくてもよい。αＬ
　−０，２５ｄＢの場合、入射波のパワーを３０ｍ　Ｗ
とすると、インピーダンス整合条件はｒ　＋−０，８３
、光第２高調波パワーは３．１ｍＷとなる。即ち、基本
波パワーが３０ｍ　Ｗで、光導波路への結合効率が５０
％の場合でも、１０％の変換効率が得られることになる
。３０ｒｎ　Ｗという光出力は、現在追記型ディスク用
光源として用いられているにａＡ　ＩＡｓレーザでは一
般的な値であり、十分に実現可能である。

かくして本実施例によれば、ファイバ型光導波路の両端
面に反射膜１３．１４を設けて共振器を形成しているの
で、光導波路内での導波モードパワーが高められ、光導
波路内で基本波をチェレンコフ放射光に有効に変換する
ことができ、１桁程度の変換効率の大幅な向上をはかり
得る。このため、大引パワーを小さくすることができ、
現在実用化されている半導体レーザを用いても、数ｍＷ
の光出力の短波長光鯨として十分な機能を発揮させるこ
とができる。また、光導波路の両端面に反射膜１３．１
４を彼青するのみの、極めて間尺な構成で実現し得る等
の利点がある。

なお、この実施例では光導波路の両端面に反射膜を設け
て共振器を形成しているが、出射端色にのみ反射膜を設
けた場合でも変換効率向上の効果はある。この場合には
、基本波として例えば゛ト導体レーザを用い、反射膜１
４がこの半導体レーザの外部共振器として働く。

第２図は本発明の第２の実施例の概略構成を示す断面図
であり、第１図と同一部分には同一符号を付している。

この実施例は、構造的には先に説明した第１の実施例と
同じであるが、第２の反射８２３の作用が異なる。即ち
、第１の実施例ではチェレンコフ放射により発生した光
第２高調波のうち半分は反対側へ伝搬し無駄になってい
る。これに対し本実施例では、反対側へ伝搬している光
第２高調波を反射１２３で折り返し、同じ方向に伝搬さ
せている。

このようにすると、第１図の場合の２倍、例えば３０ｍ
　Ｗの基本波に対して６ｍＷ以上の光第２高調波出力が
得られる。この場合、反射！Ｉ２３の反射率は、基本波
の導波モードに対しては第１の実施例と同じ値、チェレ
ンコフ放射光としての光第２高調波に対しては１００％
の反射率に設定しておけばよい。上記の最後の例につい
て、各反射率の理想的な値をまとめると、となる。ここ
で、（ω）及び（２ω）はそれぞれ、基本波及び光第２
高調波に対する反射率を表わしている。次頁の第１表に
、この仕様に対する反射膜（誘電体多層膜）の設計例を
示す。

第　　　１ （ａ）反射膜２３の構造 波長λ。−０，５７ 表 （ｂ）反射１１１１４の構造 波長λ。−１，０ この表で、中心波長λ。は基本波の波長で規格化した値
である。Ｈ，Ｌは、光学的厚さがλ、／４の高屈折率層
及び低屈折率層を表わしており、それぞれの実際の厚さ
ｉ１１＋！Ｌは次式で与えられる。

ここで、ｎＨ＋ｎＬは各層の屈折率、またθ□。

θＬはチェレンコフ放射角θＣに対して次の関係にある
。

ｎ２ｓｌｎ　　　θ　ｃ”’ｎｎ５Ｉｎ　　　θ　１イ
”　ｎ　ｉ、　ｓｉｎθＬ　　　　・”（１１）前記第
１表に示した誘電体多層膜は、それぞれ帯域通過フィル
タ及び短波長通過フィルタを基本構造としたものである
。ｎ＋１”２．３（Ｔ　１０２　）　ｓ　ｎＬ＝１．４
８　（Ｓ　ｉ　０２）としたときの、この誘電体多層膜
の波長特性を第３図に示す。この図で（ａ）、　（ｂ）
はそれぞれ第１表の　（ａ）、　（ｂ）の誘電体多層膜
に対応している。

第３図の横軸は基本波の波長λ１で規格化したときの値
である。λ／λ１−１が基本波（ω）、λ／λ、−０，
５が光第２高調波（２ω）に対応している。（９）式の
仕様に対する実際の誘電体多層膜の反射率は、以下の値
となっている。

（９）、（ｆｆｉ２）式を比較して判るように、殆ど仕
様通りの反射率特性となるように多層膜、の設計ができ
る。なお、ここではθＣが小さいとして、垂直入射の場
合の計ｒ１例を示したが、入射角を考慮し、且つ放射モ
ード（光第２高調波）と導波モード（基本波）との違い
を考慮した反射率の設計は勿論可能である。

なお、第１図及び第２図の例では光導波路として、軸対
称性を持つ構造（ファイバ型光導波路）の場合を示した
が、光導波路として拡散型或いはりフジストライプ型等
の３次元光導波路を用いることも可能である。また、第
１図或いは第２図の例で光導波路端面から出射される光
第２高調波は円錘波となっており、このままではコリメ
ート或いは収束させることはできないが、後述する如き
光学索子（波面変換索ｆ）を用いれば、平面波或いは球
面波に変換することもできる。

第４図は本発明の第３の実施例の概略構成を示す断面図
である。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して
、その詳しい説明は省略する。図中１０は非線形材料か
らなるコア（導波部）１１をガラスクラッド１２により
被覆したファイバ型の光導波路（波長変換部）である。

この光導波路１０の光第２高調波出射端面には、波面変
換素子として作用する同心円回折格子からなるレンズ板
（波面変換部）３１が接触して配置されている。クラッ
ド１２の屈折率ｎ。

ｎ２と光導波路１０の基本波に対する実効屈折率ｎεｐ
ｐとの関係は、前記（１）式のように選ばれている。さ
らに、チェレンコフ放射光１６のコア１１に対する放射
角θ。は前記（２）式のようになっている。

本実施例では、光導波路１０から放出される光第２高調
波１６は、レンズ板３１によって平行光１７に変換され
る。この平行光１７はリング状に広がる光とは異なり、
通常の凸レンズで回折限界のスポット径にまで絞ること
が可能である。

レンズ板３１は、等間隔の同心円回折格子からなってお
り、その格子間隔Δは Ａ＝ｍλｚ／（ｎ２ｓｉｎθｃ）　　　−（１８）を満
たすように設定されている。ここで、ｍは正の整数であ
る。この場合、ファイバ型光導波路１０の端面から出射
される光第２高調波１６は、レンズ板３１としての同心
円回折格子のｍ次の回折により、平行光１７へと変換さ
れる。

この同心円回折格子の構造例を第５図に示す。

ここでは、回折格子基板３１での反射を防ぐため、基板
３１に無反射コーティング８３２を付けである。また、
高い回折効率を得るため、回折格子の断面形状は図のよ
うに鋸歯状としである。この側面状回折格子断面の傾斜
角θはｔａｎθ−ｃ　ｎ　５−ｃｏｓθｏ）／ｓｉｎθ
。−（１４）となるように設定されている。ここで、ｎ
ｓは同心円回折格子基板の屈折率、θ０は同心円回折格
子がない場合に、光導波路端面がら放射される光第２高
調波の空気中での伝搬角度で、チェレンコフ放射による
放射角θ。とは以下の関係にある。

ｎ　２　ｓｌｎ　Ｅｌ　（＝ｓｉｎθｏ　　　　　　・
”（１５）（ｆｉ４）、＜１５）式より、第５図におけ
る回折格子の溝の深さｔは次式で与えられる。

第５図のような回折格子は同心円であることから、例え
ば計算機制御の旋盤（ＮＣ旋盤）を用いて容易に作成可
能である。また、この方法で金属金型を作り、プラスチ
ックレプリカ技術を用いて複製することもできる。前記
（２）式から判るように、クラッドの材料を適当に選ぶ
ことにより、θ。を小さい値にすることがｉｉＪ能であ
り、それにより高い回折効率の得られる１次の回折を用
いる場合（Ｆ８子間隔が最も小さくなる場合）でも、格
子間隔へを比較的大きくできるので、ＮＣ旋盤のような
機械加工によっても十分精度の高い波面変換素子を実現
可能である。

第６図はこの同心円回折格子の他の製法として、ホログ
ラフィック干渉露光力による作製法を示したものである
。図中４０は円錐台プリズム、４１は回折格子基板、４
２は感光材料である。この図で、円錐台プリズム４０の
底面に入射した平面波は、中心部はそのまま直進し、外
側部分はプリズム側面で屈折されて円錘波となる。感光
材料４２上にはこの両者の光が到達し、ホログラフィッ
ク干渉により同心円状の回折格子が記録される。記録時
の入射波の波長をλ３、プリズムの屈折率をｎｐとする
と、第４図の波面変換素子１３として用いるためには、
円錐台プリズム４０の底角θ、を次のように選べばよい
。

比較的厚い感光材料を用いて“厚いホログラム″を記録
すれば、回折効率の高い波面変換素子が得られる。さら
に、記録時の入射波波長λ、をλ２に等しくし、且つ１
次の回折（ｍ＝１）を用いるようにすると　１００％近
い回折効率が得られる。この場合は、（１３）式より、
となる。

ここで、円錘波は円錐プリズムを用いて平面波に変換す
ることも可能である。例えば、第７図（ａ）に示すよう
な円錐プリズム５１を用いた光学系で、リング状ビーム
を平面波に変換することも可能である。しかし、この方
法だとプリズム５１の底面をファイバ型光導波路１０の
端面に密着させたとしても、リング状に広がった光をコ
リメートすることになるため、コリメートされた光はや
はりリング状である。この対策として、第７図（ｂ）に
示すように円錐プリズム５２を同図（ａ）とは逆の方向
に配置する方法が考えられる。この場合には、コリメー
トされた光は中心の抜けたビームとはならないが、光導
波路１０の端面に対しプリズム５２が１点で接する配置
のため、位置合わせが困難になる欠点がある。また、　
（ａ）（ｂ）いずれの場合でも、円錐プリズムの側面で
屈折される光の方向が、円錐プリズムの底角で決まるた
め、かなり厳密なプリズム加工精度が必要とされる問題
がある。

これに対し、同心円回折格子からなる波面変換素子は、
ファイバ型光導波路１０に密着しておけるため、第７図
（ａ）に示したように出射光が中央部の抜けたリング状
のビームになることはなく、また同図（ｂ）に示したよ
うな位置合わせの困難も解消される。

第８図は本発明の第４の実施例の概略構成を示す断面図
である。この実施例は先の第２の実施例と第３の実施例
とを組合わせたものである。

即ち、端面に反射膜２３．１４を設けた光導波路１０の
出射端面にレンズ板３１が設けられている。

このような構成であれば、先の第２及び第３の実施例の
それぞれの効果、即ち基本波から光第２高調波への変換
効率が高く、光第２高調波をコリメートして出力できる
という効果があり、従って半導体レーザを用いた短波長
光源として極めて有効である。

第９図及びＴＳｌ　０図は、それぞれ本発明の第５、の
実施例の概略構成を示す断面図である。第９図の例では
、ファイバ型光導波路１０の端面から放射される光第２
高調波を一点に収束させるようにレンズ板（波面変換素
子）３３が設計されている。この波面変換素子３３にお
ける回折格子の位相Ωは中心からの距＃ｔｒの関数とし
て次式で表わされる。

Ω　（ｒ）＝（２ｇ／λ　ｚ）ＩＬ（ｒ）−Ｌｏ＋　　
ｒｓｉｎθ　ｏｌ　　　・・・（１９）ここで、Ｌ（「
）は回折格子面上の点から焦点Ｆまでの光路長で、波面
変換素子基板の厚さｔ及び屈折率ｎ５を用いて、 Ｌ　　（ｒ）−ｓｅｃ？Ｈ＋ｎｓ”Ｌ／／（ｎｓ２−１
）ｓｅｅ２φ÷１ｌ−（２０）で与えられる（Ａｐｐｌ
、Ｏｐｔ、、２４．４３０７（１９８５）　）。

但し、ψと「とは以下の関係にある。

ｒ信ｔａｎψげ＋ｔ／　　ｎｓ　−１ｔａｎ　　ψ＋ｎ
ｓ）　　・・・（２１）Ω−２ｎπとなるｒ１即ち中心
からｎ番目の格子線半径は、（１９）、（２０）式をψ
について解き、それを（２１）式に代入することによっ
て得られる。

（１９）、（２０）式からしく「）を消去したものはＳ
ｅｅψについての４次方程式になるから、解析的に解く
ことが可能である。また１、中心から「の距離における
格子間隔Ａ（ｒ）（＝２ｒｎπ／（ｄΩ／ｄｒ）、ｍは
使用する回折次数）は次式で与えられる。

Ａ　（ｒ）＝ｍλ２／（ｓｉｎθ、　＋　ｓｉｎθφ）
−（２２）但し、ψは（２１）式をＬ　ａ　ＩＩψにつ
いて解くことにより「の関数として与えられる。（２１
）式はｔａｎψについての４次り程式であるから、上に
述べたのと同Ｊ、１に解析的に解くことができる。

回折格子パターンが基板の出射心細■に形成されている
場合には、（１９）〜（２２）式でｔ−０とおけばよい
。この場合には、中心からの０番１１１８子半径「。は
次式で表わされる（但し１次の回折（ｍ−１）の場合）
。

ｒ　　ｎ　　＝ｌ（ｎｈ）”＋２ｎｒλ２＋（ｆｆ上、
＋ｒ）’ｔａｎ２θ。ｌ　１．２−（ｎλ２　＋ｒ）ｔ
ａｒｔθ。　　　　　　　・・・（２３）上式でθ。−
０とおいたものは、所謂フレネルゾーンプレートを表わ
す式となる。また、ｆ−閃とおくと、 「。−ｎλ２／ｌａｎ　θ０　　　　　　・・・〈２４
）となり、これは前記第４図に示した波面変換索′ｆ３
１の格子線半径を示す式となる。

また、（１９）〜（２３）式でｆの代わりに−ｒとおく
と、基板出射面反対側ｆの距離から発散する光に変換す
る波面変換素子を表わすことになる。

この波面変換素子を用いた例が第１０図である。

第９図及び第１０図における波面変換素子の回折格子パ
ターンを第１１図（ａ）　（ｂ）にそれぞれ示した。こ
れらから判るように、いずれの場合も同心円パターンで
あるため、先の第３の実施例の場合と同様にＮＣ旋盤に
よる機械加工が可能である。

第４図、第８図、第９図及び第１０図の例では、回折格
子パターンが波面変換素子の入射側に形成されている場
合を示したが、波面変換素子を形成する基板が十分薄い
場合には、出射側にパターンを形成してもよい。第１２
図は本発明の第６の実施例を示したもので、波ＩＩ［ｉ
ｉ換素子３５の前記光導波路１０の光出射側に同心円回
折格子パターンが形成されている。この場合には、波面
変換索子３５の′４也坦面をファイバ型光導波路端面に
接着することが可能である。

以上の例は、ファイバ型光導波路として、軸対称性を持
つ構造の光導波路の場合を示したが、本発明はこの場合
に限定されるものではない。

即ち、ファイバ型光導波路として埋込み型或いはリッジ
ストライプ構造等の３次元光導波路を用いることも可能
である。

第１３図は本発明の第７の実施例゛として、前記第２２
図と同様の光導波路に波面変換素子を適用した例である
。Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｖ　ｊＡ板６１上に導波部６２が
形成された光導波路６０の光第２高調波出射端面に、波
面変換素子としてのレンズ板３６が設置されている。こ
の例では、チェレンコフ放射光としての光第２高調波は
基板６１側のみに放射されるが、この場合にも波面は円
錘波の一部であるので、これまでに述べた波面変換素子
により、コリメート或いは収束が可能である。但し、光
導波路基板端面は導波路に垂直に形成されている。こと
が必須である。

第１４図にこの波面変換索子３６のパターン例を示した
。このパターンは同心円回折格子の一部である。ここで
は、コリメート用のパターンを示しであるが、前記第１
１図と同様のパターンを用いることにより、収束光或い
は発散光に変換する波面変換素子とすることも、勿論＋
−＋１能である。さらに、第１５図に示す如く、光導波
路６０の端面に反射膜６３．６４を設けた構造に適用す
ることもできる。

第１６図は本発明の第８の実施例の概略構成を示す斜視
図である。この実施例では、ファイバ型光導波路として
埋込み型３次元導波路を用い、さらに軸幻称性を良くす
るために、基板と同じ材料をカバーとして光導波路上部
に接着しである。図中７１はＬｉＮｂ０ｉ基板、７２は
埋込み導波部、７３はＬｉＮｂ０．カバー　３７は波面
変換素子をそれぞれ示している。この場合の波面変換素
子３７には、先の第３乃至第５の実施例と同様に同心円
回折格子を用いることができる。なお、この例に示した
埋込み型３次元光導波路は、例えばＴｉ拡散とＭｇＯ追
拡散を組合わせた方法（昭和６１年春季応用物理学会、
　３ｐ−Ｌ−１１（１９８０）　）等により、作成可能
である。

以上述べたように、チェレンコフ放射方式の波長変換光
学素子において、回折格子を形成した波面変換索子を用
いることにより、ファイバ型光導波路から出射される光
第２高調波ビームのコリメート或いは集光が＝１能とな
る。また、ｔ１７１心円回折格子を採用することにより
、作成が容品で位置合わせも容品な波面変換素子を備え
た波長変換光学素子の実現が可能となる。この同心円回
折格子の格子１■１隔を前記（１３）式或いは（２２）
式を満たすように設定することにより、平面波（平行光
）或いは球面波（収束光或いは発散光）としての光第２
高調波を得ることができる。また、上記同心円回折格子
の断面形状を鋸歯状のフレーズ化された形状とすること
により、回折効率の高い波面変換素子を備えた波長変換
光学素子の実現が可能となる。

ところで、前記第５図に示す如き波面変換索子の格子間
隔は前記（１３）式で与えられるが、高次回折光が現わ
れないように１次の回折光を利用する場合、即ち（］３
）式でｍ−ｍ　ｌとする場合には、八が非常に小さい値
になることがあり得る。

例えば、λ、−０．４２μｍ、ｎ２ｍ２．３　、　　θ
。−１５１とすると、Ａ−０゜７μｍとなる。同心円回
折格子をホログラフィックモル露光により作成する場合
には、この程度の格子間隔は実現可能であるが、プラス
チックレプリカによる量産が。

可能な機械加工による作成方法の場合にはＩｐ　ｍ以下
の回折格子を加工することは困難である。

これを解決する手段として、波面変換を１回のみでなく
、２回以上行うことにより、それぞれの波面変換面の格
子間隔を大きくすることができ、波面変換素子の作成を
容易にすることができる。この考えに基づく第９の実施
例を、第１７図乃至第２１図に示す。

第１７図では、波面変換索子８１が２つの波面変換面８
１ａ、８１ｂを持っており、いずれも等間隔の同心円回
折格子からなっている。この格子間隔Δは次式を満たす
ように設定されている。

Ａ−２λｚ／（ｎ２ｓｌｎ　　θｃ　）　　　　−（２
５）即ち、第５図の波面変換素子において（１３）式で
ｍ−１とした場合の２倍の格子間隔となり、機械加工に
よっても容易に作成が可能な回折格子とすることができ
る。

第１７図では２つの変換面が同一の基板に形成されてい
る場合を示したが、第１８図に示すように別々の基板で
も構わない。第１８図の例では、波面変換索子８２が２
つの基板８２１゜８２２で構成されており、それぞれの
基板には（２５）式で与えられる格子間隔の同心円回折
格子が形成されている。この例では、全く２うの回し同
心円回折格子を持つ基板を張り合わせるだけでよいので
、作成はより簡単である。

第１７図及び第１８図は、２つの波面変換面が同一の回
折路１量隔である場合を示したが、必ずしも両者の格子
１８１隔が等しい必要はない。

２つの波面変換面の格子間隔を、それぞれＡＩ。

Ａ２とすると、 １／Δ、　＋１／Ａ２−ｎｘ　ｓｉｎθＣ／λ２−（２
［１＞が満たされていれば、第１７図の場合と同様に、
出射光を平行光にすることができる。（２５）式は（２
６）式の特別な場合（Δ＋＝Ａｚ）である。

なお、第１７図及び第１８図の例では、２っの波面変換
面が同心円回折格子である場合を示したが、第１９図に
示す如く、波面変換素子８３を同心円回折格子８３ａと
円錐プリズム８３ｂとの組合わせで形成してもよい。こ
の場合でも、前記第７図の場合に比較すると、波面変換
素子８３を小さくすることができ、また位置合わせも容
易である。

第２０図は、等間隔の同心円回折格子８４ｍとフレネル
レンズ型の同心円回折格子８４ｂとを組合わせて波面変
換索子８４を形成した例であり、出射光を１点に収束す
る球面波に変換することを可能としたものである。この
場合も、一つの波面変換面のみでこの機能を持たせる場
合に比べると、格子間隔を大きくすることができ、その
作成が容易である。また、第２０図の変形として第２１
図に示す如く、波面変換素子８５の一方を波面変換素子
８４と同様に等間隔の同心円回折格子８５ａとし、もう
片方を球面レンズ或いは非球面レンズ８５ｂとしてもよ
い。

このように、第９の実施例によれば、波面変換素子を２
つ以上の波面変換面を持つように構成することにより、
機械加工が容易な波面変換素子を備えた波長変換光学素
子を実現することができる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施
することができる。例えば、前記光導波路は必ずしも導
波部が非線形光学材料で形成されている必要はなく、ク
ラ・ソド部が非・線形光学材料で形成されたものであっ
てもよい。さらに、導波部及びクラ・ンド部の両方が非
線形光学材料で形成されたものであってもよい。

また、光導波路及び波面変換素子の各部の材料等は、仕
様に応じて適宜変更可能である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、光導波路の端面に
反射膜を設けることにより、基本波からの光第２高調波
への変換効率を高めることができ、位相整合が不要で変
換効率の高い波長変換光学素子を実現することが可能と
なる。

また、光導波路の光出射端面に、円錘波を平面波や球面
波等に変換する波面変換素子を設けることにより、特殊
な光学系を用いることなく、チェレンコフ放射による光
第２高調波ビームをコリメート或いは集光させることが
できる波長変換光学素子を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる波長変換光学素
子の概略構成を示す断面図、第２図は本発明の第２の実
施例の概略構成を示す断面図、第３図は規格化波長と反
射率との関係を示す特性図、第４図は本発明の第３の実
施例の概略構成を示す断面図、第５図は第３の実施例に
用いた波面変換素子の構成を示す図、第６図は上記波面
変換索子の形成方法を説明するための模式図、第７図は
波面変換素子としてプリズムを用いた比較例を示す図、
第８図は本発明の第４の実施例の概略構成を示す断面図
、第９図及び第１０図はそれぞれ本発明の第５の実施例
の概略構成を示す断面図、第１１図は第５の実施例に用
いた波面変換素子の構成を示す図、第１２図は本発明の
第６の実施例の概略構成を示す断面図、第１３図乃至第
１５図はそれぞれ本発明の第７の実施例の概略構成を示
す図、第１６図は本発明の第８の実施例の概略構成を示
す斜視図、第１７図乃至第２１図はそれぞれ本発明の第
９の実施例の概略構成を示す断面図、第２２図及び第２
３図はそれぞれ従来の波長変換光学素子の問題点を説明
するための図である。 １０・・・光導波路（波長変換部）、１１・・・コア（
導波部）、１２・・・クラッド、１３・・・反射膜（第
２の反射膜）、１４・・・反射膜（第１の反射膜）、１
５・・・基本波、１６・・・光第２高調波、１７・・・
平行光、３１．３３□〜、３７，８１．〜８５・・・レ
ンズ板（波ｉＩｉ変換部）。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第 図 簗 図 第 図 １０゜ （ａ） 第 図 第 図 第 図 第 図 富 図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）導波部及びクラッド部の少なくとも一方を非線形
   光学材料で構成した光導波路からなり、光導波路の一方
   の端面から導波部に入射された基本波をチェレンコフ放
   射により光第２高調波に変換してクラッド部に放射し、
   クラッド部に放射された光第２高調波を光導波路の他方
   の端面から出射する波長変換光学素子において、 前記光導波路の光第２高調波出射端面に、導波モードの
   基本波に対して高反射、光第２高調波に対して低反射と
   なる反射膜が設けられていることを特徴とする波長変換
   光学素子。
2. （２）導波部及びクラッド部の少なくとも一方を非線形
   光学材料で構成した光導波路からなり、光導波路の一方
   の端面から導波部に入射された基本波をチェレンコフ放
   射により光第２高調波に変換してクラッド部に放射し、
   クラッド部に放射された光第２高調波を光導波路の他方
   の端面から出射する波長変換光学索子において、 前記光導波路の光第２高調波出射端面に、導波モードの
   基本波に対して高反射、光第２高調波に対して低反射と
   なる第１の反射膜が設けられ、 且つ前記光導波路の基本波入射端面に、光第２高調波に
   対して高反射となる第２の反射膜が設けられていること
   を特徴とする波長変換光学素子。
3. （３）導波部及びクラッド部の少なくとも一方を非線形
   光学材料で構成した光導波路からなり、光導波路の一方
   の端面から導波部に入射された基本波をチェレンコフ放
   射により光第２高調波に変換してクラッド部に放射し、
   クラッド部に放射された光第２高調波を光導波路の他方
   の端面から出射する波長変換部と、 この波長変換部の光第２高調波出射端面に接して設けら
   れ、該出射端面から出射される円錘波を平面波、球面波
   又は広がり角の異なる円錘波に変換する波面変換部とを
   具備してなることを特徴とする波長変換光学素子。
4. （４）前記波面変換部は、同心円回折格子からなるもの
   であることを特徴とする請求項３記載の波長変換光学素
   子。
5. （５）前記同心円回折格子の格子間隔Λは、前記光第２
   高調波の波長をλ＿２、クラッド部における放射角をθ
   ＿ｃ、クラッド部の光第２高調波に対する屈折率をｎ＿
   ２としたとき、 Λ＝ｍλ＿２／（ｎ＿２ｓｉｎθ＿ｃ） を略満たす値に設定されていることを特徴とする請求項
   ４記載の波長変換光学素子。但し、ｍは正の整数である
   。
6. （６）前記同心円回折格子が、鋸歯状断面形状を持つフ
   レーズ化された回折格子であることを特徴とする請求項
   ４記載の波長変換光学素子。
7. （７）前記波面変換部は、少なくとも２つの波面変換面
   を持つことを特徴とする請求項３記載の波長変換光学素
   子。