JPH02281243A - 波長変換素子及びその製造方法 - Google Patents

波長変換素子及びその製造方法

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JPH02281243A
JPH02281243A JP10248689A JP10248689A JPH02281243A JP H02281243 A JPH02281243 A JP H02281243A JP 10248689 A JP10248689 A JP 10248689A JP 10248689 A JP10248689 A JP 10248689A JP H02281243 A JPH02281243 A JP H02281243A
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JP
Japan
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waveguide
phase matching
electrode
electric field
conversion element
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JP10248689A
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Shunji Kishida
岸田 俊二
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NEC Corp
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NEC Corp
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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高調波光を発生する波長変換素子及び製造
方法に関する。
(従来の技術) 非線形光学を利用した波長変換法、とくに第2高調波法
は、その簡便さと高効率性とにより、有力なレーザ光源
の短波長化手段として、例えば光デイスク記録の高密度
化用半導体レーザ励起青色光源の実現に向け、盛んに研
究開発がすすめられている。半導体レーザのように比較
的低出力の光源を用いて高効率に波長変換を行なうため
には、導波路構造により波長変換の相互作用長を長大化
し、かつ位相整合により波長変換を高効率化する構造の
素子が必要であるが、現状では同条件を両立させる素子
は実現していない。
これは、導波路の構造が決まっても正確な導波モードの
解析が困難なうえに、導波路の極くわずかの構造的な変
化が、導波モードに大きな変化を生じて、いずれも導波
路全体の位相整合条件を満たすうえの設計上及びプロセ
ス上の障害となっているためである。また、さらには、
自然に存在する非線形光学材料を用いて位相整合条件を
満たせる場合でも基本波波長と入射方向及び偏光方向に
厳しい特定の条件が課せられるうえ、導波路構造を導入
すると、位相整合条件の補正が必要になるのに加え、基
板への非線形光学材料膜の成膜可能性等の導波路構造製
作のためのプロセス上の制約条件を生ずるため、一般に
は、バルク材料を導波路構造にして位相整合させること
は不可能に近い。
(発明が解決しようとする課題) 以上の一般的背景をもとに、位相整合条件が自動的に満
たされるLiNbO3導波路からのチェレンコフ放射を
利用する第2高調波発生素子、即ち、第2高調波を導波
モードでなく放射モードとする素子が、谷下らにより例
えば昭和63年レーザ学会学術講演会第8会年次大会予
稿集の講演番号18pI3(45頁〜48頁、1988
)に報告されている。しかしながら、その場合の第2高
調波出力は集束性が悪く、実用的ではない。
一方、人工的な周期構造を利用して位相整合条件を疑似
的に満たして、位相整合条件下に準じた第2高調波出力
を得る方法が、擬位相整合法として早くからBloem
bergen(ブレンベルゲン)らにより提案され、知
られている。これは、コヒーレンス長の2倍ごとに第2
高調波発生の分極を反転して第2高調波の位相を、ずら
し、実効的に非線形材料内で発生した第2高調波が位相
を揃えて加算的に寄与する手法であり、一般的には極め
て有力な方法といえる。この方法に基づいて最近、Li
NbO3へのイオン照射による分極反転効果を利用した
、位相整合した導波路構造の第2高調波発生素子が太田
による特開平1−82022号公報(特願昭62−24
1319号公報)に提案されている。しかしながらこの
ような素子が実現しても、現状では適用可能材料がLi
NbO3に限定され、光損傷や変換効率に限界があるこ
と、LiNbO3の特定の方位の単結晶を用いるため将
来の励起用基本波光源である半導体レーザとの一体的集
積化が困難なこと、などの問題点がある。
本発明の目的は、擬位相整合可能な第2高調波発生素子
を構成する材料選択の自由度を大幅に増大し、半導体レ
ーザと集積可能な小形高効率な第2高調波発生のための
波長変換素子、及び同素子を位相整合するための製造方
法を提供することにある。
(課題を解決するための手段) 本発明は以下からなる。
本発明の波長変換素子は、直流電界の印加により電子的
配向分極を生ずる有機膜に形成した直線状の光導波路に
該導波方向と直交する方向に直流電界を印加する電極を
、該導波方向に沿って周期的に設け、該直流電界を該電
極に印加する手段を備え、該電極の幅及び周期を、該光
導波路内を伝搬する基本波によりそれぞれの該直流電界
印加部分で生じた導波モードの第2高調波光が互いに位
相を揃えて該導波路内で加算的に強め合う位相整合条件
に設定したことを特徴とする。
さらにこの素子において、該電極の幅もしくは周期を、
前記位相整合条件を満たす数値の前後で、該導波方向に
沿って単調に変化させると良い。
または、有機膜に複数の直線状の光導波路を、その導波
方向が前記有機膜面内で互いに少しずつ異なるように設
け、前記電極は前記有機膜面に沿って前記光導波路のひ
とつと直角に直線状に設けても良い。
前記波長変換素子を製造する方法として、前記電極に印
加する電圧と、前記電子的配向を生ぜしめる加熱状態の
温度と時間とを適当に選ぶ工程を行うことにより、前記
第2高調波発生効率を極大化することができる。
(作用) 前述のBloembergen(ブレンベルゲン)等に
よる擬位相整合の概念のポイントは、コヒーレンス長の
2倍ごとに等間隔に、同一結晶を第2高調波分極が反対
方向になるように多数ならべて、各コヒーレンス長ごと
に発生した第2高調波を同位相にして励起基本波の伝搬
方向に加算できるようにした点にある。
本発明では、この概念を拡張し、第2高調波発生材料を
コヒーレンス長の長さ、次いで適当な屈折率の位相補償
材料を適当な長さ設け、基本波と第2高調波の間にコヒ
ーレンス長の第2高調波発生材料伝搬後に生じた位相差
をなくす。さらに、この複合領域を1ユニツトとして、
これを多数ユニット、基本波の伝搬方向に重ねる構造を
採ることにより、原理的に、全ての第2高調波発生材料
が利用可能になり、材料選択の自由度を大幅に拡大でき
る。
具体的には、第2高調波発生材料の長さをl5H1同材
料の基本波の屈折率をnc′)sH1第2高調波の屈折
率をn2°SHI位相補償材料の長さをlph、同材料
の基本波の屈折率をn0ph、同第2高調波の屈折率を
new  とする。第2高調波発生材料のコヒーレンス
h 長10は1c=A/2ΔnsH%但し、λは基本波の真
空中の波長(=2.C/ω)、ΔnsH= In”’B
H−n”SHIである。従って、 1c=nc/wln”3H−n2°SHI      
  (1)ISHをこのlcに等しくおけば、この材料
内でマクロには位相整合がとれていなくても得られる最
大の第2高調波出力が得られる。次に位相補償材料の長
さlphは、lsH+lphの1ユニツト長で、基本波
と第2高調波の間で位相整合がとれる以下の条件で決め
ればよい。
ただし、mは整数である。
(2)式の条件により、位相補償材料の領域は第2高調
波発生に寄与しないものの、どんな第2高調波発生材料
による位相不整合も、必ず補償できる。導波路構造で本
発明の趣旨を成立させるには、上記の屈折率を、それぞ
れの波長の伝搬モードについての導波路の等側屈折率に
置きかえればよい。
具体的な材料選択においては、当技術の動向から、半導
体レーザ材料との集積化可能な半導体材料や、非晶質材
料が望ましい。この中で、有機材料は、非線形光学係数
が無機材料に比べて非常に大きいものが多い、材料選択
の自由度が大きい、非晶質材料も利用可能といった秀れ
た特徴がある。ただし光学的に等方な材料では、反転対
称性を欠き、第2高調波発生ができない。そこで本発明
では、最近光スイツチ材料として注目されている電界誘
起の配向性を示す有機材料を利用する。このような材料
は例えば、Material Re5erachSoc
iety(マテリアル・リサーチ・ソサイエティ)の1
987Fall Meating(フォール・ミーティ
ング)のSymposium Proceeding 
Volume109におけるR9DeMartino(
アール・デマルチイノ)氏のp、65−p76記載の論
文や、同じ< J、 1. Thackara(ジエイ
・アイ・サラカラ)氏のp、19−p27記載の論文に
詳しく記述されており、加熱と直流電界印加により分子
配向を生じ、□電子系の分子種により大きな電気光学効
果と屈折率の上昇を生じたことが述べられている。本発
明では、この配向現象により期待できる反転非対称性に
着目し、本材料を第2高調波発生材料に利用する。生じ
た電界方向の正の一軸性複屈折をΔnEとする。
この材料を用いると、第2高調波発生素子で最も重要な
位相整合条件を、上述の電界印加時の配向条件の選択、
具体的には印加電界強度、加熱温度及び加熱時間の選択
により、ΔnBの大きさの違いを通じて制御可能になる
。また、同様の位相整合条件の制御は、光の伝播方向に
沿って、前述の拡張した擬位相整合用ユニットの長さを
単調に変化させることにより可能になり、その場合、素
子内の位相整合したユニットの部分で自動的に第2高調
波が発生し、素子設計の所要精度を緩和することができ
る。
また、さらに、類似の狙いを実現するために、同一基板
上に伝搬方向を少しずつずらした放射状の多数の導波路
を形成し、その上に前述の有機材料を利用するための周
期的電極を、ひとつの導波路に直角に直線状に設けて、
その他の導波路にとって電極周期を少しずつ異ならせる
構造をとれば、多数の導波路から最適の位相整合条件の
第2高調波発生素子を選択することができる。
(実施例) 以下、本発明を適用した方法及び素子の実施例を図面を
用いて詳細に説明する。第1図は本発明の一実施例によ
る第2高調波発生素子の概観図である。基板1の上に金
属の電極2を形成し、その上に電界分極性有機ポリマー
3の層を形成する。基板1の材料は、とくに選択に制限
はなく、石英でも半導体基板でもよい。電界分極性有機
ポリマーとし゛ては 例えばHoechst Ce1a
nese Re5earchCorporation 
(HCRC)社(米国)で合成したPC6SやC22の
材料などの前述のMR8’87Fall meetin
gのSymposium Proceedingに現わ
れた材料を用いうる。これらの有機材料の屈折率は一般
に低く、約1.5の程度であるので、この層の上に石英
等の屈折率(1,35〜1.4)の低い絶縁層4を形成
すれば、容易に平面導波路を形成できるが、本発明では
この絶縁層を形成する前に、エツチングにより凸部の導
波路を形成して励起光の集束光強度を増大させる。
最後に本発明による拡張擬位相整合を実現するための周
期的な位相整合用電極5を形成する。その導波路方向の
幅が、作用原理の項で述べた第2高調波発生材料の長さ
ISHに等しく、その間隔は、位相補償材料の長さ1.
hに等しくすればよい。こうしてできた素子を約100
°Cで数十分に亘り、位相整合電極5と電極2の間に1
00v程度の直流電圧を印加して、電界分極性有機ポリ
マー3の位相整合用電極下の部分を配向させる。このと
き、配向させる加熱条件(温度、時間)や電界強度を調
整することにより、位相整合条件を制御して、調整でき
る。このことは、電界印加部の誘起複屈折のΔnEの大
小を調整することに相当する。
同様の位相整合条件の調整には、電極の幅もしくは間隔
もしくは、その両方を、例えば設計値の0.1%から0
.5%程度に単調に変えて素子を形成すれば、素子内の
位相整合実現部分からの第2高調波を利用することがで
きる。この方式は、素子全体での位相整合を実現できな
い不利はあるものの、位相整合のむずかしさを回避する
ひとつの有力な方法となる。本発明の別の実施例の概念
図を第2図に示す。図において、位相整合用電極5は第
1の導波路6の方向に直角に形成しであるが、図を簡単
化するために、一部を除いて省略しである。この第1の
導波路6に隣接して、それと平行な位置からずらすこと
により少しずつ導波路方向を変えた第2の導波路7、第
3の導波路8、第4の導波路9、第5の導波路10が形
成されている。これらの導波路のうち最も位相整合条件
のよい導波路を用いればよい。
(発明の効果) 以上、本発明によれば、材料選択の自由度が大幅に拡大
した、半導体レーザと集積化可能な小形高効率な第2高
調波発生素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は本発明による第2高調波発生素子の実
施例の概念図であり、 1・・・基板、2・・・電極、 3・・・電界分極性有機ポリマー、4・・・絶縁層、5
・・・位相整合用電極、6・・・第1の導波路、7・・
・第2の導波路、8・・・第3の導波路、9・・・第4
の導波路、10・・第5の導波路を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)直流電界の印加により電子的配向分極を生ずる有機
    膜に形成した直線状の光導波路に該導波方向と直交する
    方向に直流電界を印加する電極を、該導波方向に沿って
    周期的に設け、該直流電界を該電極に印加するための手
    段を備え、該電極の幅及び周期を、該光導波路内を伝搬
    する基本波によりそれぞれの該直流電界印加部分で生じ
    た導波モードの第2高調波光が互いに位相を揃えて該導
    波路内で加算的に強め合う位相整合条件に設定したこと
    を特徴とする波長変換素子。 2)前記請求項1記載の波長変換素子において、該電極
    の幅もしくは周期を、前記位相整合条件を満たす数値の
    前後で、該導波方向に沿って単調に変化させたことを特
    徴とする波長変換素子。 3)前記有機膜に複数の直線状の光導波路を、その導波
    方向が前記有機膜面内で互いに少しずつ異なるように設
    け、前記電極は前記有機膜面に沿って前記光導波路のひ
    とつと直角に直線状に設けたことを特徴とする前記請求
    項1又は請求項2記載の波長変換素子。 4)前記請求項1〜3に記載の波長変換素子において前
    記電極に電圧を印加しつつ加熱することにより第2高調
    波発生効率を極大化する工程を備えてなることを特徴と
    する波長変換素子の製造方法。
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Cited By (1)

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KR20030031689A (ko) * 2001-10-15 2003-04-23 엘지전자 주식회사 광증폭기의 이득평탄화 장치

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