JPH0263026A - 導波路型波長変換素子 - Google Patents
導波路型波長変換素子Info
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- JPH0263026A JPH0263026A JP21677388A JP21677388A JPH0263026A JP H0263026 A JPH0263026 A JP H0263026A JP 21677388 A JP21677388 A JP 21677388A JP 21677388 A JP21677388 A JP 21677388A JP H0263026 A JPH0263026 A JP H0263026A
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- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 20
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
- G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
- G02F1/3775—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure with a periodic structure, e.g. domain inversion, for quasi-phase-matching [QPM]
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- Physics & Mathematics (AREA)
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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。
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、コヒーレントな短波長小型光源の実現を可能
にする波長変換素子に関する。
にする波長変換素子に関する。
波長変換素子とくに第２次高調波発生（ＳＨＧ）素子は
、エキシマレーザなどでは得にくいコヒーレントな短波
長光を得るデバイスとして産業上極めて重要である。
、エキシマレーザなどでは得にくいコヒーレントな短波
長光を得るデバイスとして産業上極めて重要である。
半導体レーザは小型で高出力のコヒーレント光を発振す
る光源として各種の光通信機器や光情報機器に使用され
ている。現在この半導体レーザから得られる光の波長は
０．７８〜１，５５μｍの近赤外領域の波長である。こ
の半導体レーザをデイスプレィ等、さらに広、く機器に
応用するために、赤色、緑色、青色等、より短波長の光
が求められているが、現在の技術ではこの稲の半導体レ
ーザをにわかに実現するのは難かしい。半導体レーザの
出力程度でも効率よく波長変換できる波長変換素子が実
現できるとその効果は甚大である。
る光源として各種の光通信機器や光情報機器に使用され
ている。現在この半導体レーザから得られる光の波長は
０．７８〜１，５５μｍの近赤外領域の波長である。こ
の半導体レーザをデイスプレィ等、さらに広、く機器に
応用するために、赤色、緑色、青色等、より短波長の光
が求められているが、現在の技術ではこの稲の半導体レ
ーザをにわかに実現するのは難かしい。半導体レーザの
出力程度でも効率よく波長変換できる波長変換素子が実
現できるとその効果は甚大である。
近年半導体レーザの製作技術が発達して、従来にも増し
て高出力の特性が得られるようになってきた。このため
、光導波路型のＳＨＧ素子を構成すれば、光の回折によ
るエネルギ密度の減少を回避でき、半導体レーザ程度の
光強度でも、比教的高い交換効率で波長変換素子を実現
できる可能性がある。その様な例として、ニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯｓ ）結晶に光導波路を形成し、この
光導波路に近赤外光を透過し、これから結晶基板中に放
射（チェレンコフ輻射）される第２次高周波を得る方式
のＳＨＧ素子の発明がある（特開昭６０−１４２２２．
特開昭６ｌ−９４０３１）。
て高出力の特性が得られるようになってきた。このため
、光導波路型のＳＨＧ素子を構成すれば、光の回折によ
るエネルギ密度の減少を回避でき、半導体レーザ程度の
光強度でも、比教的高い交換効率で波長変換素子を実現
できる可能性がある。その様な例として、ニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯｓ ）結晶に光導波路を形成し、この
光導波路に近赤外光を透過し、これから結晶基板中に放
射（チェレンコフ輻射）される第２次高周波を得る方式
のＳＨＧ素子の発明がある（特開昭６０−１４２２２．
特開昭６ｌ−９４０３１）。
この方式のＳＨＧ素子は、基本波とＳＨＧ波との位相整
合条件が自動的に取れているため、精密な温度調節が必
要ないという特長を持つ反面、ＳＨＧ出力が基板放射光
であるため波面が特異で、収差のきつい、あたかも［細
い眉毛」の様な強度分布の光が基板の端面から出てくる
。このため、この光をガウス状強度分布の通常の使いや
すいビームに変換するには、この収差を補正する高級な
レンズを必要とする。ＳＨＧ出力光も半導体レーザの出
射光と同じようにチャンネル導波光であれば、このよう
な不便は生じない。
合条件が自動的に取れているため、精密な温度調節が必
要ないという特長を持つ反面、ＳＨＧ出力が基板放射光
であるため波面が特異で、収差のきつい、あたかも［細
い眉毛」の様な強度分布の光が基板の端面から出てくる
。このため、この光をガウス状強度分布の通常の使いや
すいビームに変換するには、この収差を補正する高級な
レンズを必要とする。ＳＨＧ出力光も半導体レーザの出
射光と同じようにチャンネル導波光であれば、このよう
な不便は生じない。
本発明の目的は、上述の従来の導波型ＳＨＧ素子の持つ
難点を取り除き、ＳＨＧ出力光がチャンネル導波光とな
る構造の導波路型波長変換素子を提供することにある。
難点を取り除き、ＳＨＧ出力光がチャンネル導波光とな
る構造の導波路型波長変換素子を提供することにある。
交互に反転した自発分極の周期を表面に沿ってもつＺカ
ットニオブ酸リチウム結晶板の表面に、前記自発分極の
周期の方向と一致した光伝搬軸をもつチャンネル光導波
路を設け、該チャンネル光導波路の基本波（周波数ω）
にないする波数βＩ″７１と該基本波の第２高調波にた
いする前記チャンネル光導波路の波数β１２ｗ＋との間
でβＴ２１，１Ｊ１２β（ψ）＝２π／Δなる関係をほ
ぼ満たすように前記交互に反転した自発分極の周期Δを
定め、前記チャネンネル光導波路の一端から基本波を注
入し、他端から第２高調波を得るようにすることによっ
て、ＳＨＧ出力光に波面収差のない導波路型波長変換素
子が得られる。
ットニオブ酸リチウム結晶板の表面に、前記自発分極の
周期の方向と一致した光伝搬軸をもつチャンネル光導波
路を設け、該チャンネル光導波路の基本波（周波数ω）
にないする波数βＩ″７１と該基本波の第２高調波にた
いする前記チャンネル光導波路の波数β１２ｗ＋との間
でβＴ２１，１Ｊ１２β（ψ）＝２π／Δなる関係をほ
ぼ満たすように前記交互に反転した自発分極の周期Δを
定め、前記チャネンネル光導波路の一端から基本波を注
入し、他端から第２高調波を得るようにすることによっ
て、ＳＨＧ出力光に波面収差のない導波路型波長変換素
子が得られる。
以下本発明の実施例に基づき図面を参照して説明する。
図は本発明の一実施例である導波路型波長変換素子の構
造を示す図である。１はＬｉＮｂＯ３結晶板であり、基
板方位はＺ板（すなわち、基板に立てた法線はＺ軸）で
ある。この結晶は、その製法を後述するように、基板表
面に自発分極が反転した領域２が周期を持って形成され
ている。この周期的な反転分極を有するニオブ酸リチウ
ム結晶面上にチャンネル光導波路３がイオン交換法によ
り形成されている。チャンネル先導波路３の一端面には
半導体レーザ４の出力光が入射基本波として結合される
。基本波はチャンネル光導波路３をすすむにつれ、Ｌ
ｉ Ｎ ｂ Ｏ３結晶の持つ２次の非線形光学効果を介
してＳＨＧ光を発生する。基本波から変換されたＳＨＧ
光は同一のチャンネル光導波路で導びかれ、導波路３の
他端面から放射される。導波路他端面から放射された導
波路ＳＨＧ光は、円レンズ５によって円形コリメートビ
ーム６に変換される。
造を示す図である。１はＬｉＮｂＯ３結晶板であり、基
板方位はＺ板（すなわち、基板に立てた法線はＺ軸）で
ある。この結晶は、その製法を後述するように、基板表
面に自発分極が反転した領域２が周期を持って形成され
ている。この周期的な反転分極を有するニオブ酸リチウ
ム結晶面上にチャンネル光導波路３がイオン交換法によ
り形成されている。チャンネル先導波路３の一端面には
半導体レーザ４の出力光が入射基本波として結合される
。基本波はチャンネル光導波路３をすすむにつれ、Ｌ
ｉ Ｎ ｂ Ｏ３結晶の持つ２次の非線形光学効果を介
してＳＨＧ光を発生する。基本波から変換されたＳＨＧ
光は同一のチャンネル光導波路で導びかれ、導波路３の
他端面から放射される。導波路他端面から放射された導
波路ＳＨＧ光は、円レンズ５によって円形コリメートビ
ーム６に変換される。
上記基本波が、ＳＨＧ光へ効率よく変換され、しかも前
記基本波と同一光導波路を導かれるための条件、すなわ
ち位相整合条件は、周期的な反転分極を仲立ちとして以
下のように満たされている。
記基本波と同一光導波路を導かれるための条件、すなわ
ち位相整合条件は、周期的な反転分極を仲立ちとして以
下のように満たされている。
ＬｉＮｂＯ３結晶基板のＺ方向に平行な電界成分を持つ
ＴＭ波である基本波およびＳＨＧ光を伝搬させるプロト
ンイオン（Ｈ＋）交換法によって形成した光導波路３は
、基本波（例えば波長０．８３μｍ）にないしても、ま
たＳＨＧ光（例えば波長０．４１５μｍ）にないしても
ほぼ単一モード導波路となるように、そのプロトンイオ
ン交換の深さ及び幅が設定されている。したがって、基
本波にたいして閉じこめ効果が緩く、ＬｉＮｂＯ３結晶
基板中への光の浸み出しの大きい導波路となっており、
ＳＨＧ光にないしては、閉じこめ効果がきつく、ＬｉＮ
ｂ０ｚ結晶基板中への光の浸み出しの小さい導波路とな
っている。この時、波長０．８３μｍ基本波に対する導
波路の等偏屈折率ｎ （（４１１は、基板の異常光屈折
率２．１７に近く、プロトンイオン交換の効果を受けて
、それより少し大きい２．１８程度であり、一方、波長
０．４１５μｍ５ＨＧ光に対する等偏屈折率、 ＋２Ｃ
ＩＪｌは、基板の異常光屈折率２．３１にプロトンイオ
ン交換による屈折率上昇の効果を受けて、２．４程度と
なっており、２つの波の位相定数（β）に差がある。こ
のため、こままでは基本波からＳＨＧ光への変換は生じ
ない。
ＴＭ波である基本波およびＳＨＧ光を伝搬させるプロト
ンイオン（Ｈ＋）交換法によって形成した光導波路３は
、基本波（例えば波長０．８３μｍ）にないしても、ま
たＳＨＧ光（例えば波長０．４１５μｍ）にないしても
ほぼ単一モード導波路となるように、そのプロトンイオ
ン交換の深さ及び幅が設定されている。したがって、基
本波にたいして閉じこめ効果が緩く、ＬｉＮｂＯ３結晶
基板中への光の浸み出しの大きい導波路となっており、
ＳＨＧ光にないしては、閉じこめ効果がきつく、ＬｉＮ
ｂ０ｚ結晶基板中への光の浸み出しの小さい導波路とな
っている。この時、波長０．８３μｍ基本波に対する導
波路の等偏屈折率ｎ （（４１１は、基板の異常光屈折
率２．１７に近く、プロトンイオン交換の効果を受けて
、それより少し大きい２．１８程度であり、一方、波長
０．４１５μｍ５ＨＧ光に対する等偏屈折率、 ＋２Ｃ
ＩＪｌは、基板の異常光屈折率２．３１にプロトンイオ
ン交換による屈折率上昇の効果を受けて、２．４程度と
なっており、２つの波の位相定数（β）に差がある。こ
のため、こままでは基本波からＳＨＧ光への変換は生じ
ない。
今、
／ｌ （２（ｊｊ） ２ β（（ＪＪ） −２ｘ ／
Ａすなわち、 ｎ（２ωゝ−ｎ ”” −０，４１５／Δの関係を満た
す周期Δμｍの非線形光学効果の符号が反転する周期が
あれば、効率のよいＳＨＧ変換が行なわれる。Ｌ ｉ
Ｎ ｂ Ｏ３結晶基板に形成された自発分極の反転周期
はこの役目を果す。この周期Δは２μｍ程度となり通常
のリソグラフィー技術を用いて形成が可能である。
Ａすなわち、 ｎ（２ωゝ−ｎ ”” −０，４１５／Δの関係を満た
す周期Δμｍの非線形光学効果の符号が反転する周期が
あれば、効率のよいＳＨＧ変換が行なわれる。Ｌ ｉ
Ｎ ｂ Ｏ３結晶基板に形成された自発分極の反転周期
はこの役目を果す。この周期Δは２μｍ程度となり通常
のリソグラフィー技術を用いて形成が可能である。
しかしながら、上記の周期が単一であると、導波路の厚
さや結晶屈折率などにゆらぎや温度変化があると、導波
路の透過屈折率は変化し、上式が満たされなくなり、Ｓ
ＨＧ変換は極めて不安定になる。これを避けるために自
発分極の反転の周期のピッチを、光透過方向に徐々に変
化させることによって、等偏屈折率のゆらぎや温度変化
を吸収して安定なＳＨＧ交換を実現することが出来る。
さや結晶屈折率などにゆらぎや温度変化があると、導波
路の透過屈折率は変化し、上式が満たされなくなり、Ｓ
ＨＧ変換は極めて不安定になる。これを避けるために自
発分極の反転の周期のピッチを、光透過方向に徐々に変
化させることによって、等偏屈折率のゆらぎや温度変化
を吸収して安定なＳＨＧ交換を実現することが出来る。
上記の自発分極の反転の周期は以下のようにして作るこ
とが出来る。ニオブ酸リチウム結晶の２板の＋０面にＴ
ｉ膜の周期パターンを設け、高温（１０３０〜１１５０
℃）で３〜５時間、空気中で熱拡散を行なうと、Ｔｉの
拡散した部位だけ分極反転がおこる。この現象は次の論
文、“Ｔｉ拡散ＬｉＮｂ０ｇにおける分極反転現象を利
用した弾性表面波反射器；日本音響学会講演論文集、第
８２１頁、講演番号３−２−６、昭和６１年１０月、著
者；中村 信良 、安藤 晴康、清水洋゛°に詳述され
ている。上記実施例における自発分極の反転の周期は、
この現象を用いることによって、容易に形成することが
できる。
とが出来る。ニオブ酸リチウム結晶の２板の＋０面にＴ
ｉ膜の周期パターンを設け、高温（１０３０〜１１５０
℃）で３〜５時間、空気中で熱拡散を行なうと、Ｔｉの
拡散した部位だけ分極反転がおこる。この現象は次の論
文、“Ｔｉ拡散ＬｉＮｂ０ｇにおける分極反転現象を利
用した弾性表面波反射器；日本音響学会講演論文集、第
８２１頁、講演番号３−２−６、昭和６１年１０月、著
者；中村 信良 、安藤 晴康、清水洋゛°に詳述され
ている。上記実施例における自発分極の反転の周期は、
この現象を用いることによって、容易に形成することが
できる。
チャンネル導波路が、イオン交換法等の単一プロセスで
形成されてい′Ｃ１結晶端面から放射されるＳ ＨＧ光
の導波路垂直方向への強度分布に非対称が生じ、円レン
ズで交換されたコリメート光が、ガウス状円形ビームか
ら形状が隔たる場合には、チャンネル導波路を埋め込み
構造にして、放射光強度分布を対称化することも可能で
ある。これは、上記のプロセスの後、マグネシウム等の
屈折率を低下させる原子を熱拡散法等で、追拡散させる
という公知の技術を用いることで実現される。
形成されてい′Ｃ１結晶端面から放射されるＳ ＨＧ光
の導波路垂直方向への強度分布に非対称が生じ、円レン
ズで交換されたコリメート光が、ガウス状円形ビームか
ら形状が隔たる場合には、チャンネル導波路を埋め込み
構造にして、放射光強度分布を対称化することも可能で
ある。これは、上記のプロセスの後、マグネシウム等の
屈折率を低下させる原子を熱拡散法等で、追拡散させる
という公知の技術を用いることで実現される。
また、非線形光学定数のきわめて大きい、例えばＭＮＡ
等の有機非線形材料を前記導波路のうえに設ければ、更
に非線形効果は増大される。この時、有機非線形材料は
一般にニオブ酸リチウム結晶より屈折率が低い。このた
め、導波路の等偏屈折率は、結晶およびプロトン交換に
よってほぼ定まるため自発分極の周期ピッチの設計値は
、上記の実施例とほぼ変わらない。
等の有機非線形材料を前記導波路のうえに設ければ、更
に非線形効果は増大される。この時、有機非線形材料は
一般にニオブ酸リチウム結晶より屈折率が低い。このた
め、導波路の等偏屈折率は、結晶およびプロトン交換に
よってほぼ定まるため自発分極の周期ピッチの設計値は
、上記の実施例とほぼ変わらない。
以上説明のように、本発明によればＳＨＧ出力光に波面
収差のない、安定な導波路型波長変換素子が得られる。
収差のない、安定な導波路型波長変換素子が得られる。
１・・・Ｌ ｉ Ｎ ｂ Ｏ３結晶基板、２・・・自発
分極反転領域、３・・・チャンネル導波路。
分極反転領域、３・・・チャンネル導波路。
Claims (1)
- 交互に反転した自発分極の周期を表面に沿って持つＺカ
ットニオブ酸リチウム結晶板の表面に、前記自発分極の
周期の方向と一致した光伝搬軸をもつチャンネル光導波
路を有することを特徴とする導波路型波長変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63216773A JP2725302B2 (ja) | 1988-08-30 | 1988-08-30 | 導波路型波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63216773A JP2725302B2 (ja) | 1988-08-30 | 1988-08-30 | 導波路型波長変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0263026A true JPH0263026A (ja) | 1990-03-02 |
| JP2725302B2 JP2725302B2 (ja) | 1998-03-11 |
Family
ID=16693671
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63216773A Expired - Fee Related JP2725302B2 (ja) | 1988-08-30 | 1988-08-30 | 導波路型波長変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2725302B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0498227A (ja) * | 1990-08-17 | 1992-03-30 | Nec Corp | 導波路型波長変換素子 |
| JPH04254834A (ja) * | 1991-02-07 | 1992-09-10 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光波長変換素子 |
| JPH04276725A (ja) * | 1991-03-05 | 1992-10-01 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 波長変換素子 |
| JPH04296731A (ja) * | 1991-03-27 | 1992-10-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 短波長レーザ光源 |
| JPH0534748A (ja) * | 1991-07-25 | 1993-02-12 | Ricoh Co Ltd | 高調波発生装置 |
| US5854870A (en) * | 1990-05-25 | 1998-12-29 | Hitachi, Ltd. | Short-wavelength laser light source |
| JP2007269626A (ja) * | 1999-11-09 | 2007-10-18 | National Institute For Materials Science | ニオブ酸リチウム単結晶、およびその光素子、およびその製造方法 |
| JP2008014242A (ja) * | 2006-07-06 | 2008-01-24 | Starting Ind Co Ltd | 小型エンジンの始動装置 |
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| JPS53119066A (en) * | 1977-03-23 | 1978-10-18 | Thomson Csf | Nonnlinear thin membrane device and method of manufacturing thereof |
| JPS6118934A (ja) * | 1984-07-05 | 1986-01-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光波長変換装置 |
-
1988
- 1988-08-30 JP JP63216773A patent/JP2725302B2/ja not_active Expired - Fee Related
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