JPH02219032A - 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］ 本発明はレーザー光を利用する情報処理分野。

計測制御分野等において使用される光波長変換素子に関
し、特にその信鎖性の向上に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、中空のクラッド材に有機非線型光学材料が充
填されたファイバーからなる光波長変換素子において、
前記ファイバーの端面のうち少なくとも基本波の入射す
る側の端面を透明な保護層で保護することにより、有機
非線型光学材料の経時劣化を防止し、光波長変換素子の
信顛性の向上を図るものである。

（従来の技術〕 レーザー光を利用して情報処理や計測制御等を行うオプ
トエレクトロニクスの分野においては、光源の短波長化
（高周波数化）と高出力化への要求が一段と高まってい
る。この光源としては、小型で近年価格も下がっている
半導体レーザーが広く使用されている。しかし、７００
０Å以下の短波長光を必要とする場合には従来の半導体
レーザーでは発振困難であるため、気体レーザーを使用
せざるを得す、関連機器の大型化は避けられなかった。

そのため、第二高調波発生（ＳＨＧ）あるいは第三高調
波発生（ＴＨＧ）等の現象を利用して光源からの基本波
の波長を１７２もしくは１／３に変換することのできる
光波長変換素子が研究されている。光波長変換素子は非
線型光学材料を使用して構成され、たとえばＳＨＧを応
用した第二高調波発生素子の場合には角周波数ωの基本
波によって材料内部に生じた非線型分極から角周波数２
ωの光（第二高調波）を発生するものである。このよう
な素子を利用すれば、目に見えない赤外線レーザーを可
視化して新しいタイプの表示装置を提供したり、光学情
報記録媒体の記録密度を一挙に４倍とする（ＳＨＧの場
合）こと等が可能となる。

上記光波長変換素子には、大別してバルクの結晶を使用
するバルク型と、導波路を有する導波路型とがある。近
年、光源として半導体レーザーが多用されていることを
考慮すると、装置の小型化低コスト化を実現し、比較的
パワーの小さい半導体レーザーから効率良く第二高調波
を発生させるという観点から導波路型が有利である。

さらに導波路型には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯｌ
）等の非線型光学材料からなる基板上にリッジを形成し
たリッジ型、適当なりラッド材の中に非線型光学材料か
らなるコアを配したファイバー型等の種類がある。この
うちファイバー型は、小型化に適すること、得られる第
二高調波のビーム形状の対称性が高い等の利点を有して
いる。

また、上記非線型光学材料には、従来から知られている
リン酸二水素カリウムや上記ニオブ酸リチウム等の無機
結晶の他に、近年ではこれらの無機結晶を這かに上回る
非線型光学効果と高速応答性を示す有機物質が見出され
ており、有機分子構造の多様性を活かして様々な分子設
計の試みがなされている。

したがって、有機非線型光学材料からなるコアを有する
ファイバー型の光波長変換素子は、その応用５発展が将
来的にも極めて有望視されるものである。

かかるファイバー型の光波長変換素子と周辺光学系の代
表的な構成を第５図に示す。この光波長変換素子は、た
とえばガラスからなる円筒形のクラッド材（１１）の中
心部に、２−メチル−４−ニトロアニリンのコア（１２
）を配したファイバー（ｌＯ）からなるものである、こ
こで、クラッド材（１１）の屈折率はコア（１２）の屈
折率よりも低く選ばれている。

この素子の外部には半導体レーザー（１３）とレンズ（
１４）　、　（１５）が置かれ、上記半導体レーザー（
１３）から放出される基本波を上記レンズ（１４）　、
　（１５）で集光して端面１０Ａからコア（１２）に入
射するようになされている。基本波がコア（１２）の内
部で全反射を繰り返しながら伝播する間に、一定のチェ
レンコフ角θをもって第二高調波がクラッド材（１１）
中に伝播し、端面１０Ｂから空気中に向かって放出され
る。この際、端面１０Ｂ側の外部に基本波を遮断するた
めのフィルター、集光レンズ等からなる適当な光学系（
図示せず。）を設けておけば、第二高調波を選択的に取
り出して利用することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、第５図に示されるような光波長変換素子は、
一般には初めに長尺状のファイバーを作成してから適当
な長さに破断して製造されるので、その端面１０Ａおよ
び端面１０Ｂにはコア（１２）の断面、すなわち非線型
光学材料の臂開面が露出している。

しかし、現在知られている有機非線型光学材料の多くは
機械的強度や化学的安定性に劣るため、このようにコア
（１２）の断面が露出していると損傷や変質が発生する
虞れがある他、ゴミ等の異物も付着しやすい。特にレー
ザー光入射側の端面において露出部に…傷、変質５ゴミ
の付着等が発生すると、基本波が導波されず、光波長変
換素子としての機能が損なわれる。

そこで本発明は、有機非線型光学材料の損傷変質、ゴミ
付着等の問題を解消し、信頼性の高い光波長変換素子の
提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、ファイバー型の光波長変換素子の信頼性
を向上させるためには、ファイバーの端面を保護して有
機非線型光学材料を露出させないようにすれば良いこと
を見出し、本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明にかかる光波長変換素子は、中空のク
ラッド材に有機非線型光学材料が充填されたファイバー
からなり、前記ファイバーの端面のうち少なくとも基本
波の入射する側の端面が透明な保護層で保護されている
ことを特徴とするものである。

ここで上記クラッド材としては、■コアに使用される後
述の有機非線型光学材料よりも低い屈折率を有すること
、■第二高調波に対して透明であること、■製造過程に
おいて中空部に溶融状態で後述の有機非線型光学材料を
充填する必要から、該有機非線型光学材料よりも高い融
点を有すること、■十分な強度と優れた成形性を有する
こと等の性質が要求される。かかる材料としては、ガラ
スが最も一般的であるが、この他にも一般に光デイスク
基板用に開発されている各種プラスチック類が適用可能
である。例示すれば、ポリメチルメタクリレート、ポリ
カーボネート、セルロースアセテート、ポリプロピレン
、ポリ−４−メチルペンテン−１，ポリスチレン、アク
リロニトリル−スチレン共重合体、メチルメタクリレー
ト−スチレン共重合体、ポリエチレンテレフタレート、
ポリジエチレングリコールビスアリルカーボネート。

ポリシクロへキシルメタクリレート、ポリスルホン５　
ポリイミド等である。

なお、上記クラッド材の典型的な寸法は、直径（２ｒ）
１ｍｍ、中空部の内径３μｍ、長さ（１）５〜１０ｍｍ
である。これらの寸法は、第二高調波の放出されるチェ
レンコフ角θによって適宜設定する必要があるが、ｆｔ
ａｎθくｒの関係を満足させておけば前述の端面１０Ｂ
から第二高調波がはみ出さず、後段の光学系において集
光するのに有利である。もちろん、第二高調波をクラッ
ド材と空気の屈折率の差を利用する全反射によりファイ
バー内を伝播させることも可能であるが、この場合は伝
播効率が低下したり、コアを通過する際に干渉を起こし
たり、ファイバーから空気中に出射した後に平行光に変
換しにくい等の実用上の問題点が多い。

一方、上記クラッド材の中に充填される有機非線型光学
材料としては、高いＳＨＧ活性を有する公知の化合物が
適用可能である。例示すれば、２メチル−４−ニトロア
ニリン（ＭＮＡ）、２Ｎ−ジメチル−４−ニトロアニリ
ン（ＭＮＭＡ）１−ジメチルアミノ−２−アセトアミド
−４−二トロベンゼン（ＤＡＮ）、メチル−（２，４−
ジニトロフェニル）アミノプロピオネート（ＭＡＰ）２
−（α−メチルベンジルアミノ）−５−二トロピリジン
（ＭＢＡ−ＮＰ）、２−　（２−ヒドロキシメチルピロ
リジノ）−５〜ニトロピリジン（ＰＮＰ）、３−メチル
−４−二トロピリジンーＮ−オキシド（ＰＯＭ）等であ
る。なお、ＳＨＯを実現するためには二次の非線型感受
率χ＋１＋　が大きいことがまず必要である。このよう
な観点から、上述の化合物はいずれも芳香環をはさんで
電子吸引性基と電子供与性基を配した構造を共通に有し
ている。しかし、たとえばｐ−ニトロアニリンや４′−
ジメチルアミノ−４−ニトロスチルベン等のように上述
のような構造をとっていても反転対称性を有するために
ＳＨＧを発現しない化合物もある。このような化合物に
ついては、立体障害の大きい置換基の導入、光学活性基
の導入、水素結合の導入、永久双極子を小さくする等の
手段により本発明に適用可能となる。

上述のようなりラッド材と有機非線型光学材料を使用し
てファイバーを作成するためには、有機非線型光学材料
を融点以上に加熱して溶融物とし、これをクラッド材の
中空部へ注入する。中空部の内径が極めて小さい場合に
は、クラッド材の先端部を上記溶融物中へ浸漬し、毛管
現象により吸い上げることもできる。

本発明の特徴をなす部分は、このようにして作成された
前記ファイバーの端面を透明な保護層で保護することで
ある。この保護層の材料としては、前述のクラッド材の
ところで挙げた材料と同じものが使用可能である他、エ
ポキシ樹脂、シリコン樹脂１電子線硬化樹脂、紫外線硬
化樹脂、パリレン樹脂（ｐ−キシリレン重合体）、ある
いは一般にレンズの反射防止膜として使用されているＭ
ｇＦ２等の無機材料等が使用可能である。

保護層による保護は、少なくとも基本波の入射する側の
端面に対して行うことが必要である。それは、基本波の
入射側においてコアの断面にゴミが付着したり有機非線
型光学材料の傷付き、変質等が発生したりすると、基本
波の導波自体が阻害され、光波長変換素子としての機能
が発揮されなくなるからである。これに対し、出射側の
保護は必要に応じて行えば良い。つまり、本発明にかか
る光波長変換素子はクラッド材の内部を伝播する高調波
を取り出すためのものであり、コア内を伝播する基本波
は出射側では不要であるから、出射側のコアの断面にお
ける多少のゴミ付着、傷、変質等は許容されるからであ
る。なお、当然のことながら入射側の端面に設けられる
保護層は少なくとも基本波に対して、また出射側に設け
られる保護層は少なくとも高調波に対してそれぞれ透明
でなければならない。

端面保護の方法は、使用する材料により適宜選ぶ必要が
ある。たとえば樹脂を使用する場合には、該樹脂を適当
な溶媒に溶解し、この溶液をファイバーの端面に塗布す
るか、あるいは該溶液に端面を浸漬して樹脂を付着させ
、加熱、エネルギー線照射等の適当な方法により硬化・
密着させて保護層を形成する。この際の加熱は、有機非
線型光学材料の融点より低い温度で行われる。この点、
電子線硬化樹脂や紫外線硬化樹脂は硬化・密着に際して
加熱を要さないので、材料設計の自由度は高い、また、
樹脂の中でもパリレン樹脂、あるいはＭ　ｇ　Ｆ　ｚ等
の無機材料は真空蒸着により端面に被着させることがで
きる。この時の保護層は薄膜状となる。いずれの方法に
より形成される場合でも、保護層の厚さは使用する材料
の屈折率、基本波の波長、高調波の波長等により適宜設
定すれば良い。

なお、上記保護層を塗布、浸漬等により形成した後に、
必要に応じて該保護層の光学研磨を行ったり、適当な手
段により成形あるいは加工して所望の形状に仕上げるこ
ともできる。これにより、反射率の低下、ビーム形状の
補正２周辺光学系の簡略化等が可能となる。ただし、こ
れらの技術は保護層が真空蒸着により薄膜状に形成され
ている場合には適用困難である。

〔作用〕

本発明によれば、ファイバー型の光波長変換素子の端面
のうち少なくとも基本波の入射する側の端面ば透明な保
護層で保護されており、コアとして充填されている有機
非線型光学材料の断面は空気中に露出しない。したがっ
て、上記コアの断面におけるゴミの付着、有機非線型光
学材料の傷付きや変質等の発生が防止でき、コア内にお
ける基本波の導波の信頼性および効率が向上する。ここ
で、入射側の端面に設けられる保護層は、少なくとも基
本波に対して透明な材料を選択して形成されるので、光
学系には何ら悪影響を与えない。このとき、基本波の波
長、保護層の屈折率、保護層の厚さ、保護層の形状等を
適切に選べば、基本波は該保護層を通過して所定の臨界
角よりも大きな角度でコアに入射し、該コア内を伝播す
るようになる。さらに保護層の形成・加工によっては反
射率の低下や周辺光学系の簡略化等も可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の好適な実施例について図面を参照しなが
ら説明する。

実施例１ 本実施例は、レーザー光の入射側と第二高調波の出射側
の両方の端面に平坦な保護層を設けた第二高調波発生素
子（ＳＨＧ素子）の例である。

このＳＨＧ素子と周辺光学系の概略を第１図に示す。

このＳＨＧ素子（ｆ）は、たとえばガラスからなる円筒
形のクラッド材（１）の中心部に、たとえば２−メチル
−４−ニトロアニリン（ＭＮＡ）のコア（２）を配した
ファイバー（８）からなるものである。ここで、クラッ
ド材（１）の屈折率はコア（２）の屈折率よりも低く選
ばれている。上記ＳＨＧ素子（１）の端面のうちレーザ
ー光の入射側に相当する端面８Ａには、基本波に対して
透明な樹脂からなる第１の保護層（３ａ）が、また第二
高調波の出射側に相当する端面８Ｂには第二高調波に対
して透明な樹脂からなる第２の保護層（４ａ）がそれぞ
れ設けられており、両端面においてコア（２）の断面を
露出させないようにしている。ここで使用される樹脂と
しては、有機非線型光学材料の融点より低い温度で硬化
・密着するものを選択する。たとえば有機非線型光学材
料としてＭＮＡを使用する場合、その温度はＭＮＡの融
点である１３１″Ｃよりも低くなければならない、かか
る条件を満たしていれば、第１の保護層（３ａ）と第２
の保護層（４ａ）に使用される樹脂は、同じであっても
異なっていても構わない、またいずれの樹脂の屈折率も
特に限定されるものではないので、使用する基本波の波
長および所望の光学系の特性に応じて適宜選択すれば良
い。上記ＳＨＧ素子（１）の前段には、光源となる半導
体レーザー（５）、および該半導体レーザー（５）から
放出される基本波を集光するためのレンズ（６）　、　
（７）が置かれている。

かかる光学系においては、まず半導体レーザー（５）か
ら放出された基本波はレンズ（６）　、　（７）を介し
て収束され、第１の保護層（３ａ）を通過してコア（２
）に所定のＨｕ界角よりも大きな角度で入射する。

基本波がコア（２）の内部で全反射を繰り返しながら伝
播する間に一定のチェレンコフ角θをもって放出された
第二高調波がクラッド材（１）中を伝播し、第２の保Ｉ
Ｉ層（４ａ）を通過して空気中に向かって放出される。

この際、端面８Ｂからは基本波も放出されるが、これは
外部に基本波を遮断するためのフィルターを設けること
により除去することができる。さらに、集光レンズ等か
らなる適当な光学系（図示せず。）を設ければ、第二高
調波のみを選択的に取り出して利用することができる。

ここで、第１の保護層（３ａ）および第２の保護層（４
ａ）の表面に光学研磨を施すことにより、反射率を低下
させ、第二高調波の伝送損失を低減させることもできる
。

実施例２ 本実施例は、上述の実施例１における端面８Ａ側の保護
層の形状をレンズ状とし、前段の光学系の簡略化を可能
としたＳＨＣ素子の例である。

このＳＨＧ素子と周辺光学系の概略を第２図に示す。以
下、第１図と共通の部分については同し番号を使用して
説明する。

このＳＨＧ素子（ｎ）の端面８Ａには、基本波に対して
透明な樹脂からなる第１の保護層（３ｂ）が、また第二
高調波の出射側に相当する端面８Ｂには第二高調波に対
して透明な樹脂からなる第２の保護層（４ｂ）が設けら
れている。このうち第１の保護層（３ｂ）はレンズ状に
加工もしくは成形されている。

この第１の保護層（３ｂ）の曲率、材料の屈折率、厚さ
等は、使用する基本波の波長および光学系の所望の特性
に応じて最適に選ばれている。

このような構成によれば、半導体レーザー（５）から放
出された基本波はレンズ（６）により平行光に変換され
、さらに第１の保護層（３ｂ）の集光作用により収束さ
れてコア（２）に至る。すなわち、第１の保護層（３ｂ
）は、端面８Ａの保護の役割に加え、上述の実施例１に
おいてレンズ（７）が担当していた集光作用も受は持っ
たわけであり、これにより前段の光学系の構成が簡略化
された。

実施例３ 本実施例は、上述の実施例２における端面８Ｂ側の保護
層の形状を回折格子状とし、前段の光学系の簡略化に加
えて後段の光学系の簡略化も可能としたＳＨＧ素子の例
である。

このＳＨＧ素子と周辺光学系の概略を第３図に示す。以
下、第１図と共通の部分については同じ番号を使用して
説明する。

このＳＨＧ素子（ＩＩＩ）の端面８Ａには、基本波に対
して透明な樹脂からなる第１の保ｉＩ層（３ｃ）が、ま
た第二高調波の出射側に相当する端面８Ｂには第二高調
波に対して透明な樹脂からなる第２の保護層（４ｃ）が
設けられている。このうち第１の保護層（３ｃ）はレン
ズ状に、また第２の保護層（４ｃ）は回折格子状に加工
もしくは成形されている。この第１の保護層（３ｃ）の
曲率、材料の屈折率、厚さ、および第２の保護層（４ｃ
）の回折格子のピッチ、材料の屈折率、厚さ等は、基本
波の波長、第二高調波の波長および光学系の所望の特性
に応じて最適に選ばれている。

このような構成によれば、半導体レーザー（５）から放
出された基本波はレンズ（６）により平行光に変換され
、さらに第１の保護層（３Ｃ）の集光作用により収束さ
れて端面８Ａに到達し、コア（２）内を伝播する。基本
波の伝播に伴って発生した第二高調波は、一定のチェレ
ンコフ角θをもってクラッド材（１）中を伝播し端面８
Ｂに到達する。さらに第二高調波は第２の保護層（４Ｃ
）を通過し、最後に表面に形成された回折格子のプリズ
ム作用により平行光に変換されて空気中へ放出される。

すなわち、第２の保護層（４ｃ）は、端面８Ｂの保護作
用と同時に後段の光学系で行われる平行光への変換作用
も兼ねたわけであり、これにより後段の光学系の構成も
簡略化された。

なお、上記第２の保護層（４ｃ）の表面は回折格子状と
したが、所定の傾斜角を有する円錐状としても同様の効
果を得ることができる。

実施例４ 本実施例は、入射側に保護層を設けると同時に、特に出
射側に設ける保護層を形成する材料としてクラッド材の
屈折率と等しい屈折率を有する材料を選択することによ
り、第二高調波のビーム形状の補正を可能としたＳＨＧ
素子の例である。

このＳＨＧ素子の概略を第４図に示す、以下、第１図と
共通の部分については同じ番号を使用して説明する。

このＳＨＧ素子（ＴＶ）の端面８Ａには、基本波に対し
て透明な樹脂からなる第１の保護層（３ｄ）が、また第
二高調波の出射側に相当する端面８Ｂには第二高調波に
対して透明でありかつクラッド材（１）と等しい屈折率
を有する樹脂からなる第２の保護層（４ｄ）が設けられ
ている。これら第１の保護層（３ｄ）と第２の保護Ｊｕ
ｌ　（４ｄ）の表面はいずれも光学系の光軸に対して垂
直でかつ平坦に形成されている。

このような構成によれば、クラッド材（１）と第２の保
護層（４ｄ）とは光学的に等価であるから、たとえ端面
８Ｂに傾きや凹凸が存在していても、これらは第２の保
護層（４ｄ）により完全に補正されたことになる。した
がって、クラッド材（１）を伝播した第二高調波は、光
路を曲げることなくそのまま第２の保ａｌｌ（４ｄ）内
を伝播し、その表面から均一な角度で空気中に向かって
放出されるようになり、従来のファイバー型の光波長変
換素子よりもビーム形状が改善される。

一般にファイバー型の光波長変換素子は、初めに長尺状
に作成したものを必要な長さに破断することにより製造
されているので、その端面には必然的に傾きや微細な凹
凸が存在している。このような端面の性状はビーム形状
にばらつきをもたらす原因となっているが、端面を研磨
等により平坦化することは、クラッド材の強度が不十分
なために従来は極めて困難であった。しかし、本実施例
で平坦化されるのは成形・加工の容易な樹脂等からなる
保護層であるから、上述のような問題は生じない。

〔発明の効果〕

以上の説明からも明らかなように、本発明を適用すれば
ファイバー型の光波長変換素子の少なくともレーザー先
入射側の端面においてコアの断面が露出しなくなるため
、ゴミの付着が防止でき、またコアを構成する有機非線
型光学材料が保護される。したがって、基本波の導波作
用の信幀性が向上し、安定した高調波発生が可能となる
。

さらに上記保護層の形状を工夫することにより、周辺光
学系の簡略化、小型化、コストダウン等も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかるＳＨＧ素子と周辺光
学系の構成を概略的に示す模式図である。 第２図は本発明の他の実施例にがかるＳＨＧ素子と周辺
光学系の構成を概略的に示す模式図である。 第３図は本発明のさらに他の実施例にかかるＳＨＧ素子
と周辺光学系の構成を概略的に示す模式図である。第４
図は本発明のさらに他の実施例にかかるＳＨＧ素子を概
略的に示す模式図である。第５図は従来の一般的な光波
長変換素子と周辺光学系の構成を概略的に示す模式図で
ある。 ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ クラッド材 コア 第１の保護層 第２の保護層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 中空のクラッド材に有機非線型光学材料が充填されたフ
   ァイバーからなる光波長変換素子において、 前記ファイバーの端面のうち少なくとも基本波の入射す
   る側の端面が透明な保護層で保護されていることを特徴
   とする光波長変換素子。