JPH0235423A - 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、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し、特に詳細には波
長変換波の波面を円錐波面から平面波面に変換する機能
を備えた光波長変換素子および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．　
Ｎ（１２，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。

（発明が解決しようとする課題） 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
明は、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、および該素子を用いた光波長
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及び作用）本発明は、先に
述べたようなファイバーチェレンコフ型の光波長変換素
子にあっては、クラッド中に放射した波長変換波（所定
の位相整合角度で出射して基本波と位相整合する光）の
波面が円錐波面になっているという知見に基づいて得ら
れたものであり、本発明の光波長変換素子は、このファ
イバーチェレンコフ型の光波長変換素子において、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に形成した
ことを特徴とするものである。

なお後に詳述するが、上記クラッド端面の円錐面の角度
は、位相整合角度に基づいて所定の角度に設定しなけれ
ば、波長変換波の波面を円錐波面から平面波面に変換す
ることはできない。特開昭６３−１５２３５号公報には
、クラッドが光出射端面に向かって次第に小径となるテ
ーバ状とされたファイバー型の光波長変換素子が示され
ているが、この光波長変換素子は上記テーバ状の部分か
ら波長変換波を出射させるものではなく、その内側のフ
ァイバー軸と垂直な小さなりラッド端面から波長変換波
を出射させるものであり、したがって、特にこのテーバ
状部分の角度を位相整合角度に基づいて所定の角度に設
定するものではないから、本発明の光波長変換素子とは
異なる。

また本発明の別の光波長変換素子は、同じく前記ファイ
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に、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等ピッチ同心円グレー
ティングを形成したことを特徴とするものである。

また本発明は、前述した課題を解決するために、上述の
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
面から平面波面に変換する光学素子とからなる光波長変
換モジュールを提供するものである。

上記の光学素子としては例えば、光入射側および／また
は光出射側の面が円錐面状とされたレンズ、このレンズ
と同様の作用が得られるようにした屈折率分布型のレン
ズあるいは等ピッチ同心円グレーティング素子等を用い
ることができる。このような光学素子は、波長変換波が
出射するクラッド端面から離して配されてもよいし、ま
たこの端面に密着固定されてもよい。

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等ピッチ同心円グ
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。

（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図および第２図は本発明の第１実施例による光波長
変換素子１０を示すものである。この光波長変換索子１
０は、クラッド１２の中心の中空部分内に、非線形光学
材料からなるコア［１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、前述したように波長
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５ＦＳ３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−例として、外径が
３ｍｍで、中空部の径が２μｍのものである。そして第
３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ＰＲＡＩＬ’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、Ｐ　ＲＡ　１１’　の
分解を防止するため、その融点（１０２℃）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［２゛　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ＰＲＡＩＩ’　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
て長いり１１結晶状態で結晶方面も一定に揃ったコア１
１が形成され、光波長変換素子ＩＯ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。

この際光入射端面となる素子端面１０ａはファイバー軸
と垂直に切断されるが、それと反対側のクラッド端面１
２ａは、公知の研磨法等により円錐面状に仕上げられる
。それにより第１．２図に示すような光波長変換素子Ｉ
Ｏが得られる。なお上記クラッド端面１２ａの形状につ
いては、後に詳述する。

上記光波長変換索子１０は第２図図示のようにして使用
される。すなわち、基本波発生手段として例えば半導体
レーザー（波長：　８７０　ｎ　ｍ）　１Ｂが用いられ
、そこから射出された発散ビームであるレザー光（基本
波）　１５はコリメーターレンズ２５によって平行ビー
ムとされ、ビーム整形プリズム２６．２７によって断面
正円形とされ、さらに対物レンズ２８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ＩＩ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１２中に放射して、素子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、前記クラッド端面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
１１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、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°は一般的な球面レンズである集光レンズ１９に
通され、微小なスポットＰに絞られる。なお第２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、円錐面状に形成されたクラッド端面１２ａの作用
について説明する。本実施例においては第４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ｄ１クラッドＩ２の外周部の長さをＬ（第４図参照
）としたとき、クラッド１２の直径りを Ｄ＞２Ｌ−ｔａｎθ十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４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の屈折率をｎｃ、素子１０の周囲の媒
質（通常は空気）の屈折率をｎＡ、第２高調波１５°の
クラッド端面１２ａへの入射角をα、端面カット角をδ
としたとき、 ｎ（ｓｉｎ　　ａ　−ｎＡｓ１ｎ　　δが成立すれば、
クラッド１２外に出射した第２高調波１５゛　の波面は
平面波面になる。ここでα−δ−θを上式に代入してδ
について解くと、となる。本例ではクラッド端面１２ａ
のカット角δを上記の値に設定してあり、それにより、
光波長変換索子１０外に出射した第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゛　を集光レンズ１９に通して微小なスポットＰに
絞ることが可能となる。

次に第５および６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５および６図において、前記
第１〜４図における要素と同等のものについては同番号
を付してあり、それらについては特に必要の無い限り、
説明を省略する（以下、同様）。この第２実施例の光波
長変換素子２０において、第２高調波１５’が出射する
クラッド端面１２ａはコア軸に対して垂直に形成されて
おり、その表面には等ピッチ同心円のグレーティング２
１が設けられている。このようなグレーティング２１は
、公知のフォトリソ法等によって形成することができる
。なお本実施例においても、前述した（１）式が成立す
るようにクラッド１２の径りは例えば１〜３ｍｍ程度と
十分に太く形成され、したがって上述のようなグレーテ
ィング２１は比較的容易に形成することができる。この
グレーティング２１のピッチ（半径の増分）Ａは、クラ
ッド１２の屈折率をｎｃ、位相整合角度をθ、第２高調
波１５°の波長をλとすると、 λ へ胃 ｎＣｓｉｎ　θ に設定されている。このようなグレーティング２１を通
過させることにより本実施例においても、第２高調波１
５’　の波面を円錐波面から平面波面に変換することが
でき、よって該第２高調波１５°を集光レンズ１９に通
して微小なスポットＰに絞ることが可能となる。

次に第７図を参照して本発明の第３実施例にっいて説明
する。この第３実施例の装置は、既に説明したものと同
様のファイバーチェレンコフ型光波長変換素子３［と、
この光波長変換素子３１のクラッド１２の端面（光出射
端面）　１２ａに対向するように配置されたレンズ３２
とからなる光波長変換モジュール３０である。このレン
ズ３２は、光波長変換素子３１側の面３２ａが平面とさ
れ、それと反対側の而３２ｂが円錐面とされたものであ
る。ここで、クラッド１２の屈折率をｎｃ、素子３Ｉの
周囲の媒質（通常は空気）の屈折率をｎ＾、レンズ３２
の材料の屈折率をｎＬとすると、 ｎＣ３ｉｎθ　−ｎ　Ａ　ｓｉｎθ１ ｎＡｓｌｎθ１−ｎｌ−８ｌｒｌθ２ ｎＬｓｉｎθ３″ｎＡｓ１ｎθ番 θ３−ρ−θ２ であり、レンズ３２を通過後の第２高調波１５’が平行
光になるとすれば、レンズ面３２ｂの傾き角をρとして
θ４−ρであるから、上記の３式より、ｎＣｓ１ｎθ　
−ｎｌ−ｓｉｎ　　（ρ−０３）ｎＬ　ｓｉｎ　　θ３
　　＝　ｎ　Ａ　ｓｉｎ　　ｐとなる。つまり円錐形の
レンズ面３２ｂの傾き角ρを上記２式が成立するように
設定しておくことにより、レンズ３２を通過後の第２高
調波１５°の波面は平面波面となる。そこでこの場合も
、第１実施例、第２実施例におけるのと同様、球面レン
ズを用いて第２高調波１５’　を微小なスポットに絞り
込むことが可能となる。

次に第８図を参照して本発明の第４実施例について説明
する。この第４実施例の光波長変換モジュール４０も、
光波長変換素子３１とレンズ４２とからなる。レンズ４
２は、光波長変換素子３１側の面４２ａが円錐面とされ
、それと反対側の面４２ｂが平面とされたものである。

ここで、第３実施例におけるのと同様にして、 ｎＣｓ１ｎθ　＝　ｎ　Ａ　ｓｉｎθｌｎ、ａ、ｓｉｎ
θ２−ｎＣｓ１ｎθ３ θ２−θ１＋ρ であり、レンズ４２を通過後の第２高調波１５°が平行
光になるとすれば、レンズ面４２ａの傾き角をρとして
θ３−ρであるから、 ｎ（ｓｉｎ　　θ−ｎ　Ａ　ｓｉｎ　　θ１ｎＡｓｌｎ
（θ十ρ）　−ｎｌ　ｓｔｎ　ρとなる。つまり円錐形
のレンズ面４２ａの傾き角ρを上記２式が成立するよう
に設定しておくことにより、レンズ４２を通過後の第２
高調波１５°の波面は平面波面となる。

次に第９図を参照して本発明の第５実施例について説明
する。この第５実施例の光波長変換モジュール５０も、
光波長変換素子３１とレンズ５２とからなる。レンズ５
２は、光波長変換素子３１側の面５２ａが平面とされ、
それと反対側の面５２ｂが円錐面とされたものであり、
上記面５２ａが光波長変換素子３１のクラッド端面１２
ａに密着されている。第３実施例におけるのと同様に、
レンズ面５２ｂの傾き角をρとして、 ｎ（ｓｉｎθ　＝ｎＬｓｉｎθ工 ｎＣ３ｉｎθ２ｍｎＡｓ１ｎθ３ θ２−ρ−θｌ であり、レンズ５２を通過後の第２高調波１５′が平行
光になるとすれば、レンズ面５２ｂの傾き角をρとして
、θ３−ρであるから、 ｎ（ｓｉｎθ＝ｎ１．Ｓｉｎθ１ ｎｌｓｊｎ（ρ−０１）　−ｎ　Ａ　ｓｉｎ　ｐとなる
。つまり円錐形のレンズ面５２ｂの傾き角ρを上記２式
が成立するように設定しておくことにより、レンズ５２
を通過後の第２高調波１５’　の波面は゛ト面波面とな
る。

以上説明した第３．４および５実施例においては、一方
の面が平面とされ他方の而が円錐面とされたレンズ３２
．４２および５２が用いられているが、第１０図に示す
第６実施例の光波長変換モジュール６０におけるように
、双方の面６２ａ、　Ｇ２ｂがともに円錐面とされたレ
ンズ６２を用いて第２高調波１５′の波面を平面波面に
することもできる。さらには第１１図に示す第７実施例
の光波長変換モジュール７０におけるように、一方の面
７２ａが凹の円錐面とされ、他方の而７２ｂが上記面７
２ａよりも傾き角の大きい円錐面（凸の円錐面）とされ
たレンズ７２を用いることもできる。

次に第１２図を参照して本発明の第８実施例について説
明する。この第８実施例の装置は、既に説明したものと
同様のファイバーチェレンコフ型光波長変換素子３１と
、この光波長変換素子３１のクラッド１２の端面（光出
射端面）　１２ａに対向するように配置されたグレーテ
ィング素子８１とからなる光波長変換モジュール８０で
ある。上記グレーティング素子８１は、透明部材８２の
一表面（光波長変換素子３１と反対側の表面）上に、前
記第２実施例におけるのと同様の等ピッチ同心円グレー
ティング２１が形成されてなるものである。光波長変換
素子３１のクラッド端面１２ａから出射する第２高調波
１５’を上述のようなグレーティング素子８１に通すこ
とにより、この場合も該第２高調波１５°の波面を平面
波面に変換することができる。

上記第８実施例においては、グレーティング素子８１が
光波長変換素子３１から離して配置されているが、この
グレーティング素子８■は第１３図に示す第９実施例の
光波長変換モジュール９０におけるように、光波長変換
素子３１のクラッド端面１２ａに密着固定されてもよい
。

次に第１４図を参照して本発明の第１０実施例について
説明する。この第１０実施例の装置は、既に説明したも
のと同様のファイバーチェレンコフ型光波長変換素子３
１と、この光波長変換素子３１のクラッド１２の端面（
光出射端面）　１２ａに対向するように配置されたｈＩ
］折率分布型レンズ１０１とからなる光波長変換モジュ
ール１００である。本実施例においては、光波長変換素
子３１外の媒質は空気（ｎＡ〜１．０）であり、そして ｎＣｓ１ｎθ＝ｓｉｎ　１０’ となっている。この場合、上記の屈折率分布型レンズ１
０１として、長さが８．６６ｍ　ｍ　、屈折率分布ｎ（
ｒ）　＝１．５−０．０２ｒつまり屈折率が半径方向内
側に１ｍｍ当り０．０２ずつ低下し、中心部の屈折率が
１．５のものを用いると、第２高調波１５′　の波面が
平面波面に変換される。

なおこのような屈折率分布型レンズを用いる場合におい
ても、それをクラッド端面１２ａに密着固定して使用す
ることができる。

以上、基本波を第２高調波に変換する実施例について説
明したが、本発明はその他、基本波を第３高調波に波長
変換する光波長変換素子や、２種の波長の基本波を和周
波や差周波に波長変換する光波長変換素子に対しても適
用可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明によれば、ファイバー型
の光波長変換素子から出射ｔた波長変換波の波面を平面
波面とすることができるので、この波長変換波を通常の
球面レンズに通して微小なスポットに絞ることが可能と
なる。したがって本発明によれば、利用する光ビームを
微小なスポットに絞る必要がある光記録装置等に対して
波長変換波を利用することが可能となり、波長変換の技
術の応用範囲が著しく拡大される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光波長変換素子を示す概
略斜視図、 第２図は上記第１実施例の光波長変換素子の使用状態を
示す側面図、 第３図は上記光波長変換素子の作成方法を説明する説明
図、 第４図は上記光波長変換素子を拡大して示す側断面図、 第５図と第６図は本発明の第２実施例による光波長変換
素子を示す側断面図と正面図、第７．８．９、ｌ０１１
１１２．１３、および１４図はそれぞれ、本発明の第３
．４．５．６．７．８．９およびＩＩ）実施例による光
波長変換モジュールを示す側断面図である。 １０．２０．３１・・・光波長変換素子　　１１・・・
コア１２・・・クラッド　　　　１２ａ・・・クラッド
端面１５・・・基本波　　　　　１５’　・・・第２高
調波１９・・・集光レンズ ２Ｉ・・・等ピッチ同心円グレーティング３０．４０．
５０．６０．７０．８０．９０、【００・・・光波長変
換モジュール ３２．４２．５２．６２．７２・・・レンズ３２ａ、３
２ｂ、４２ａ、４２ｂ、５２ａ、５２ｂ、［ｉ２ａ、Ｇ
２ｂ、７２ａ、７２ｂ・＝レンズ面 ８１・・・グレーティング素子 ・・・屈折率分布型レンズ 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 ｎ 第１３図 第 図 昧 昧 昧

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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、波長変換波が出射するクラ
   ッド端面が、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されていることを特徴とする光
   波長変換素子。
2. （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
   る光波長変換素子において、波長変換波が出射するクラ
   ッド端面に、該波長変換波の波面を円錐波面から平面波
   面に変換する等ピッチ同心円グレーティングが形成され
   ていることを特徴とする光波長変換素子。
3. （３）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変換する光学素子とからなる光
   波長変換モジュール。