JPH0293624A - 光第２高調波発生素子 - Google Patents
光第２高調波発生素子Info
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- JPH0293624A JPH0293624A JP63246545A JP24654588A JPH0293624A JP H0293624 A JPH0293624 A JP H0293624A JP 63246545 A JP63246545 A JP 63246545A JP 24654588 A JP24654588 A JP 24654588A JP H0293624 A JPH0293624 A JP H0293624A
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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]
-
- G—PHYSICS
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- 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
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- G02F1/3548—Quasi phase matching [QPM], e.g. using a periodic domain inverted structure
-
- 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
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- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
- G02F1/3558—Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
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。
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光第２高調波発生素子、いわゆるＳＨＧ（Ｓ
ｅｃｏｎｄａｒｙ ｔｌａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａ
ｔｏｒ）特に導波路型ＳＨＧに係わる。
ｅｃｏｎｄａｒｙ ｔｌａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａ
ｔｏｒ）特に導波路型ＳＨＧに係わる。
ご発明の概要〕
本発明は、光導波路にまたはその下に周期ドメイン反転
構造部を設けることによって、チェレンコフ角を０°も
しくはこれに近づけ第２高調波光のスポットの円形集光
化、出力光ビームの出射角の制御、変換効率の向上等を
はかる。
構造部を設けることによって、チェレンコフ角を０°も
しくはこれに近づけ第２高調波光のスポットの円形集光
化、出力光ビームの出射角の制御、変換効率の向上等を
はかる。
非線形光学によるレーザー光の波長変換への適用、例え
ばＳＨＧによって波長範囲の拡大化がはかられ、これに
伴いレーザーの利用範囲のより拡大化と、各技術分野で
のレーザー光利用の最適化がはかられる。例えばレーザ
ー光の短波長化によって、レーザー光を用いた光記録再
生、光磁気記録再生等の記録密度の向上等が挙げろれる
。
ばＳＨＧによって波長範囲の拡大化がはかられ、これに
伴いレーザーの利用範囲のより拡大化と、各技術分野で
のレーザー光利用の最適化がはかられる。例えばレーザ
ー光の短波長化によって、レーザー光を用いた光記録再
生、光磁気記録再生等の記録密度の向上等が挙げろれる
。
非線形光学相互作用における効率良い動作の実現は、そ
の相互作用させる光波間に、エネルギー及び運動量の保
存関係が満足されねばならない。
の相互作用させる光波間に、エネルギー及び運動量の保
存関係が満足されねばならない。
また、相互作用する光波間の重なり合いや、動作長、強
度は効率を直接左右するパラメータである。
度は効率を直接左右するパラメータである。
ところが一般の光学材料は、波長によって屈折率が変化
する（分散をもつ）ことから、エネルギーの保存される
波長間で同時に運動量を保存させることができない。こ
のため、結晶の異方性、すなわち複屈折性を用いて位相
整合を行わしめて運動量保存をとっている。
する（分散をもつ）ことから、エネルギーの保存される
波長間で同時に運動量を保存させることができない。こ
のため、結晶の異方性、すなわち複屈折性を用いて位相
整合を行わしめて運動量保存をとっている。
これに対して周期的に非線形係数の方向だけを逆転させ
た構造による周期ドメイン反転構造（バルク）では、各
層の厚さをコーヒーレンス長（位相不整合成分が丁度π
となる長さ）の奇数倍としたとき、各層で発生した非線
形分極により生ずる波は互いに同位相となり強め合うこ
とがスロられている〈例えばＪ、Ａ、 Ａｒｍｓｔｒｏ
ｎｇ、 Ｎ、 Ｂｌｏｅｍｂｅｒｇｅｎ。
た構造による周期ドメイン反転構造（バルク）では、各
層の厚さをコーヒーレンス長（位相不整合成分が丁度π
となる長さ）の奇数倍としたとき、各層で発生した非線
形分極により生ずる波は互いに同位相となり強め合うこ
とがスロられている〈例えばＪ、Ａ、 Ａｒｍｓｔｒｏ
ｎｇ、 Ｎ、 Ｂｌｏｅｍｂｅｒｇｅｎ。
Ｊ、 Ｄｕｃｕｉｎｇ ａｎｄ Ｐ、Ｓ、 Ｐｅｒ
ｓｈａｎ、 Ｐｙｈｓｉｃａｌ Ｒｅｖ＋ｅｗ１２７
、 （１９６２）、 Ｐ１９１８〜及びり、Ｆｅｎｇ、
Ｎ−Ｂ ！Ｊｉｎｇ、 、Ｊ−ＦＨｏｎｇ ｅｔ
、 ａｌ、 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ、 ３７゜（１９８０） 、 Ｐ２Ｏ３〜Ｐ
６０９参照）シタカッテコレニヨレば直接には位相整合
のとれない材料や、従来利用できなかった非線形感受率
の最大のテンソル成分ｄ３．の利用が可能となる。
ｓｈａｎ、 Ｐｙｈｓｉｃａｌ Ｒｅｖ＋ｅｗ１２７
、 （１９６２）、 Ｐ１９１８〜及びり、Ｆｅｎｇ、
Ｎ−Ｂ ！Ｊｉｎｇ、 、Ｊ−ＦＨｏｎｇ ｅｔ
、 ａｌ、 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ、 ３７゜（１９８０） 、 Ｐ２Ｏ３〜Ｐ
６０９参照）シタカッテコレニヨレば直接には位相整合
のとれない材料や、従来利用できなかった非線形感受率
の最大のテンソル成分ｄ３．の利用が可能となる。
一方、導波型構造の非線形光学相互作用への利用は、導
波路によりエネルギーが高密度化されること、また回折
することがないことにより長い距離での相互作用が可能
となり、さらにその構造によって伝搬定数を制御できる
ことから、位相整合の自由度が増大する。しかしながら
、反面、材料分散が大きいことから通常では基本モード
ｎｎでの位相整合が不可能であり、変換効率を著しく劣
化させる。非線形導波路材料の複屈折性を用いて、基本
モード間での位相整合を可能とした素子の場合でも、位
相整合に対して条件が厳しく、動作温度や光導波路の作
製条件に厳しい精度が要求される。例えば動作温度の変
動を０．１℃未満に抑える必要があるとか、１００人程
度量下の導波路の厚さ精度が要求される。
波路によりエネルギーが高密度化されること、また回折
することがないことにより長い距離での相互作用が可能
となり、さらにその構造によって伝搬定数を制御できる
ことから、位相整合の自由度が増大する。しかしながら
、反面、材料分散が大きいことから通常では基本モード
ｎｎでの位相整合が不可能であり、変換効率を著しく劣
化させる。非線形導波路材料の複屈折性を用いて、基本
モード間での位相整合を可能とした素子の場合でも、位
相整合に対して条件が厳しく、動作温度や光導波路の作
製条件に厳しい精度が要求される。例えば動作温度の変
動を０．１℃未満に抑える必要があるとか、１００人程
度量下の導波路の厚さ精度が要求される。
これに対し、例えば応用物理、５６巻（１９８７）第１
６３７百〜第１６４１頁及びＰ、に、Ｔｉｅｎ、 Ｒ
１Ｕ］ｒ＋ｃｂ ａｎｄＲ，Ｊ、 Ｍａｒｔｉｎ、 Ａ
ｐｐｌｉｅｄ Ｐｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、 １７
巻（１９７０） ４４７頁〜４５０頁に記載された非線
形導波路におけるチェレンコフ放射を用いたＳ ＨＧは
、位相整合を自動的に満足するような方向に、すなわち
チェレンコフ角αをもって非線形分極により発生する波
は強め合いこれが放射される。したがって、この場合、
基体に非線形性の大きい材料を用いることにより、高効
率動作が期待できる。例えばチェレンコフ放射型の非線
形導波路型ＳＨＧの基板として上記前者の文献（応用物
理）では、ＬｉＮｂＯ３でその非線形感受率の最大のテ
ンソル成分ａａＳが用いられている。
６３７百〜第１６４１頁及びＰ、に、Ｔｉｅｎ、 Ｒ
１Ｕ］ｒ＋ｃｂ ａｎｄＲ，Ｊ、 Ｍａｒｔｉｎ、 Ａ
ｐｐｌｉｅｄ Ｐｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、 １７
巻（１９７０） ４４７頁〜４５０頁に記載された非線
形導波路におけるチェレンコフ放射を用いたＳ ＨＧは
、位相整合を自動的に満足するような方向に、すなわち
チェレンコフ角αをもって非線形分極により発生する波
は強め合いこれが放射される。したがって、この場合、
基体に非線形性の大きい材料を用いることにより、高効
率動作が期待できる。例えばチェレンコフ放射型の非線
形導波路型ＳＨＧの基板として上記前者の文献（応用物
理）では、ＬｉＮｂＯ３でその非線形感受率の最大のテ
ンソル成分ａａＳが用いられている。
しかしながら、このチェレンコフ放射による非線形相互
作用では、放射される波が、ある一定のチェレンコフ角
αで基板内にもぐって出て（るため、基板からの出射光
のスポット形状、例えばファーフィールドパターンは例
えば三日月状の特異形状のパターンとなり、レンズ光学
系によって回折限界に集光しにくいという問題があり、
実用上利用しに（いという課題がある。また、このチェ
レンコフ放射型の導波路型ＳＨＧにおけるその導波路内
の波とチェレンコフ放射波の重畳はＳＨＧの効率に大き
な影響を及ぼすものであり、これがため、チェレンコフ
角は上述の重畳が大となるように小さい角度であること
が望まれる。
作用では、放射される波が、ある一定のチェレンコフ角
αで基板内にもぐって出て（るため、基板からの出射光
のスポット形状、例えばファーフィールドパターンは例
えば三日月状の特異形状のパターンとなり、レンズ光学
系によって回折限界に集光しにくいという問題があり、
実用上利用しに（いという課題がある。また、このチェ
レンコフ放射型の導波路型ＳＨＧにおけるその導波路内
の波とチェレンコフ放射波の重畳はＳＨＧの効率に大き
な影響を及ぼすものであり、これがため、チェレンコフ
角は上述の重畳が大となるように小さい角度であること
が望まれる。
今、光導波路型チェレンコフ放射ＳＨＧについてその動
作について考察する。この場合、第４図に示すように、
非線形光学基板（１）上の導波路（２）における導波モ
ード（基本波）の伝搬定数をβ、とし、とすると、位相
不整合成分Δには、 ・・・・・・（１） となるαの方向に高調波を発生する。ここで、ｋＦＯは
基本波波長における真空中の伝搬定数（２π／／！Ｆ）
とすると、この関係は、 ・・・・・・〔４） の屈折率） 導波路（２）中に基本波を伝搬させる条件は、ｎｐＳ（
Ｏｐ／シ（Ｆｏ）；；ｉｎＦ・・・・・・（ａ）（但し
ｎＦ及びｎｐ は基ｖｉ（１）及び導波路（２）の基本
波に対する屈折率）であり、チェレンコフ放射の条件は
、 となり、（５）及び（６）式の条件でチェレンコフ放射
ＳＨＧを生じる。この条件範囲を第５図の導波モードの
分散を与えるグラフで示す。
作について考察する。この場合、第４図に示すように、
非線形光学基板（１）上の導波路（２）における導波モ
ード（基本波）の伝搬定数をβ、とし、とすると、位相
不整合成分Δには、 ・・・・・・（１） となるαの方向に高調波を発生する。ここで、ｋＦＯは
基本波波長における真空中の伝搬定数（２π／／！Ｆ）
とすると、この関係は、 ・・・・・・〔４） の屈折率） 導波路（２）中に基本波を伝搬させる条件は、ｎｐＳ（
Ｏｐ／シ（Ｆｏ）；；ｉｎＦ・・・・・・（ａ）（但し
ｎＦ及びｎｐ は基ｖｉ（１）及び導波路（２）の基本
波に対する屈折率）であり、チェレンコフ放射の条件は
、 となり、（５）及び（６）式の条件でチェレンコフ放射
ＳＨＧを生じる。この条件範囲を第５図の導波モードの
分散を与えるグラフで示す。
この場合、ＬｉＮｂＯ３導波路で入射光は波長１．０６
４μｍ（ＹＡＧレーザー光）とした場合の、ＴＭモード
の場合であり、基板の屈折率は２．１５５ 、導波路の
屈折率は２．２８８ としている。第５図は、横軸に屈
折率（等価屈折率）をとり、縦軸に導波路の厚さをとっ
たものである。この場合、導波路の厚さが約１．０μｍ
以下では存在できるモードが１つである単一モード動作
が得られる。因みに具体的には、Ｌ、１Ｎｂ０３基板表
面をプロトン交換した光導波路としたＳＨＧでは、チェ
レンコフ角αは、基本波の波長が１．０６４ μｍで約
１３°、０．８３μｍで約１６°である。
４μｍ（ＹＡＧレーザー光）とした場合の、ＴＭモード
の場合であり、基板の屈折率は２．１５５ 、導波路の
屈折率は２．２８８ としている。第５図は、横軸に屈
折率（等価屈折率）をとり、縦軸に導波路の厚さをとっ
たものである。この場合、導波路の厚さが約１．０μｍ
以下では存在できるモードが１つである単一モード動作
が得られる。因みに具体的には、Ｌ、１Ｎｂ０３基板表
面をプロトン交換した光導波路としたＳＨＧでは、チェ
レンコフ角αは、基本波の波長が１．０６４ μｍで約
１３°、０．８３μｍで約１６°である。
本発明は非線形導波路によるチェレンコフ放射のＳ Ｈ
Ｇにおけるチェレンコフ放射角αの課題の解決をはかる
。つまり、チェレンコフ放射角αの縮小によって第２高
調波の基板（バルク）内への入り込みを小さくさせて取
り出される第２高調波光のスポット （ファーフィール
ドパターン）の歪の小さい４円形パターンとすること、
基本波と高調波の伝搬方向をほぼ一致させることができ
ることによって両者の重畳を高め、変換効率の向上をは
かることを目的とする。
Ｇにおけるチェレンコフ放射角αの課題の解決をはかる
。つまり、チェレンコフ放射角αの縮小によって第２高
調波の基板（バルク）内への入り込みを小さくさせて取
り出される第２高調波光のスポット （ファーフィール
ドパターン）の歪の小さい４円形パターンとすること、
基本波と高調波の伝搬方向をほぼ一致させることができ
ることによって両者の重畳を高め、変換効率の向上をは
かることを目的とする。
本発明は、第１図に示すように、非線形光学材料基板（
１）上に光導波路（２）が設けられチェレンコフ放射に
よる第２高調波を発生させる光第２高調波発生素子ＳＨ
Ｇにおいて、基板（１）上に周期的にドメインが反転す
る周期ドメイン反転構造部およびもしくは周期的に屈折
率が変化する周期屈折率構造部（以下回期構造部と記す
）〔３）を設けこれの上に光導波路（２）を設けるか、
導・波路（２）内に周期構造Ｂ（３）を設ける。
１）上に光導波路（２）が設けられチェレンコフ放射に
よる第２高調波を発生させる光第２高調波発生素子ＳＨ
Ｇにおいて、基板（１）上に周期的にドメインが反転す
る周期ドメイン反転構造部およびもしくは周期的に屈折
率が変化する周期屈折率構造部（以下回期構造部と記す
）〔３）を設けこれの上に光導波路（２）を設けるか、
導・波路（２）内に周期構造Ｂ（３）を設ける。
に作用〕
基本波の導波モードの伝搬定数βＦ（または等価屈折率
βＦ／（２π／λＦ）−βＦ／ｋＦｏ） （ここに、λ
、は基本波の波長、ｋＦｏは基本波の真空中での伝搬定
数）と高調波であるチェレンコフ放射波の伝搬窓（１）
の高調波の屈折率）との間の不整合成分Δには、Ｆ であり、チェレンコフ放射は、このΔｎが第５図で示さ
れるように、負のときに発生するものであるが、上述の
本発明構成による周期ドメイン反転は、その周期２Ａと
、導波モードの伝搬定数を決定するパラメータである膜
厚と、導波路の屈折率ｎ−の間に次のような条件が必要
である。
βＦ／（２π／λＦ）−βＦ／ｋＦｏ） （ここに、λ
、は基本波の波長、ｋＦｏは基本波の真空中での伝搬定
数）と高調波であるチェレンコフ放射波の伝搬窓（１）
の高調波の屈折率）との間の不整合成分Δには、Ｆ であり、チェレンコフ放射は、このΔｎが第５図で示さ
れるように、負のときに発生するものであるが、上述の
本発明構成による周期ドメイン反転は、その周期２Ａと
、導波モードの伝搬定数を決定するパラメータである膜
厚と、導波路の屈折率ｎ−の間に次のような条件が必要
である。
すなわち、前記〔従来の技術〕の項で挙げた周期ドメイ
ン反転構造（バルク）でのＳＨＧについてみるに、この
場合の各ドメイン反転層の厚さが、コーヒーレンス長Ｒ
ｃ の奇数倍となる条件（発生する分極波が同位相にな
り強め合う条件）は、導波路構造のチェレンコフ型ＳＨ
Ｇの場合には、導波モードの基本波とバルク波の高調波
について同様に導かれる。すなわち、前記（１）式及び
（７）式よりこの場合のコーヒーレンス長β。は、 ｐｃ−π／１Δｋｌ−λＦ／（４１Δｒｌ ｌ ’）
・−・−・＝（８）である。したがって、ドメインの
周期を２Ａとすると、コーヒーレンス長の奇数倍となる
上記の条件は、 八−１゜（２ｑ＋１＞ （ｑ＝ｏ、±１．±２．
・・・・）・・・・・・（９） である。ここで、最も基本的なｑ−０の場合を考えると
、 Δ＝β。＝λｐ／（４１Δｎｌ） −・−・（１０
）の条件で、基本波及び高調波のなす角度が零となリ、
位相の整合がとれることになる。
ン反転構造（バルク）でのＳＨＧについてみるに、この
場合の各ドメイン反転層の厚さが、コーヒーレンス長Ｒ
ｃ の奇数倍となる条件（発生する分極波が同位相にな
り強め合う条件）は、導波路構造のチェレンコフ型ＳＨ
Ｇの場合には、導波モードの基本波とバルク波の高調波
について同様に導かれる。すなわち、前記（１）式及び
（７）式よりこの場合のコーヒーレンス長β。は、 ｐｃ−π／１Δｋｌ−λＦ／（４１Δｒｌ ｌ ’）
・−・−・＝（８）である。したがって、ドメインの
周期を２Ａとすると、コーヒーレンス長の奇数倍となる
上記の条件は、 八−１゜（２ｑ＋１＞ （ｑ＝ｏ、±１．±２．
・・・・）・・・・・・（９） である。ここで、最も基本的なｑ−０の場合を考えると
、 Δ＝β。＝λｐ／（４１Δｎｌ） −・−・（１０
）の条件で、基本波及び高調波のなす角度が零となリ、
位相の整合がとれることになる。
そして、この（ｌＯ）式を書き直すと、λＦ／２ Ａ
＝ ２ Δｎｌ・・・・・・（１１）またはλ、お／
２Ａ＝ＩΔｎｌ ・・・・・・（１２）とな
る。
＝ ２ Δｎｌ・・・・・・（１１）またはλ、お／
２Ａ＝ＩΔｎｌ ・・・・・・（１２）とな
る。
一方周期構造（周期２人）によって伝搬定数は、Ｐπ／
Ａ （Ｐはブラッグ反射の次数）の摂動（ブラング反射
）を受ける（例えば、Ａ、 Ｙａｒｉｖ著“０ｐｔｉｃ
ａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｌｃｓ” ｐｐ４１４〜４２
１． ）Ｉｏｌｔ。
Ａ （Ｐはブラッグ反射の次数）の摂動（ブラング反射
）を受ける（例えば、Ａ、 Ｙａｒｉｖ著“０ｐｔｉｃ
ａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｌｃｓ” ｐｐ４１４〜４２
１． ）Ｉｏｌｔ。
Ｒｉｎｅｈａｒｔ ａｎｄ Ｗｉｌｓｏｎ １９３５参
照）。式（１１）及び（１２）の成分は、βＦ及びｋｓ
Ｉ＋にそれぞれ摂動を与えることになり、その結果とし
て位相の整合がとれることになる。すなわち、ｐ＝ｔと
して周期構造をもつ場合に（１）式は、（１１）式及び
（１２）式より、は、 （βＦ／Ｌｏ）＞ ｎｓ、Ｉ −
−−−・−（１４）となり、（６）式のチェレンコフの
条件とは逆の関係にある。
照）。式（１１）及び（１２）の成分は、βＦ及びｋｓ
Ｉ＋にそれぞれ摂動を与えることになり、その結果とし
て位相の整合がとれることになる。すなわち、ｐ＝ｔと
して周期構造をもつ場合に（１）式は、（１１）式及び
（１２）式より、は、 （βＦ／Ｌｏ）＞ ｎｓ、Ｉ −
−−−・−（１４）となり、（６）式のチェレンコフの
条件とは逆の関係にある。
次に、位相にわずかな不整合成分が残る場合を考える。
このとき、この不整合成分をチェレンコフ角αで相殺し
て位相整合をほぼ近軸でとる条件（具体的には例えばα
＝２°以内）を考える。
て位相整合をほぼ近軸でとる条件（具体的には例えばα
＝２°以内）を考える。
ドメイン反転構造による摂、勅を受けるチェレンコフ放
射ＳＨＧの条件として、その（１１）式による摂動（後
述する第２図Ｃの０点）の等偏屈折率が、（１２）式に
よる摂動（後述する第２図り点）のそれより小さいこと
が必要である。したがってすなわち、 ・・・・・・（Ｉ３） となり、周期ドメイン反転構造の動作条件は、周期構造
に基づく伝搬定数の摂動π／Ａによる位相整合条件と等
値である。（１３）式が解をもつために・・・・・・（
１５） が得られる。
射ＳＨＧの条件として、その（１１）式による摂動（後
述する第２図Ｃの０点）の等偏屈折率が、（１２）式に
よる摂動（後述する第２図り点）のそれより小さいこと
が必要である。したがってすなわち、 ・・・・・・（Ｉ３） となり、周期ドメイン反転構造の動作条件は、周期構造
に基づく伝搬定数の摂動π／Ａによる位相整合条件と等
値である。（１３）式が解をもつために・・・・・・（
１５） が得られる。
この（１５）式が零となる条件でコリニアな動作、すな
わち導波路（２）と平行（α−０）に高調波が出射し、
（１５）式が零以外の動作ではチェレンコフ角αは、（
２）式の関係から、 しｏｃ α −〔（（βｐ／に＋→ −（λ、／２Ａ）
）／（ｎｓｌ＋ （λ５ｕ／２Δ））〕 ・
・・・・・（１６）となる。ここで、λ／２Ａは波長λ
で周期２Ａの構造によって等偏屈折率が受ける摂動の基
本成分である。
わち導波路（２）と平行（α−０）に高調波が出射し、
（１５）式が零以外の動作ではチェレンコフ角αは、（
２）式の関係から、 しｏｃ α −〔（（βｐ／に＋→ −（λ、／２Ａ）
）／（ｎｓｌ＋ （λ５ｕ／２Δ））〕 ・
・・・・・（１６）となる。ここで、λ／２Ａは波長λ
で周期２Ａの構造によって等偏屈折率が受ける摂動の基
本成分である。
ここで、αの小さいことが望ましく、その範囲の制御）
よ基本波の伝搬定数βＦ（またはβＦ／ｋＦｏすなわち
、ｎＦ 及び膜厚Ｗの値によって決定される）及びド
メイン周期２Ａで行うことができる。
よ基本波の伝搬定数βＦ（またはβＦ／ｋＦｏすなわち
、ｎＦ 及び膜厚Ｗの値によって決定される）及びド
メイン周期２Ａで行うことができる。
今、決められた角度α内での高調波の放射の条件につい
てみるとこの条件は次のように求まる。
てみるとこの条件は次のように求まる。
反転構造の導波路ＳＨＧのチェレンコフ角αは、（１６
〉式（；よって与えられ、α＝０ではく１０）式が成立
している。この時（α＝０）の値を（βＦ／ｋＦＯ）。
〉式（；よって与えられ、α＝０ではく１０）式が成立
している。この時（α＝０）の値を（βＦ／ｋＦＯ）。
。
Ａｏ とする。すなわち、
・・・・・・（１７）
今、（βｐ／ｋｐｏ） −（βｐ／ｋＦｏ）ｏ−△ ・
・・・・・（１８）のように（βｐ／ｋｐｏ） と（
βＦ／ｋｐ。）。とがわずかにずれているとすると、こ
のときのチェレンコフ角αは、 λ。
・・・・・（１８）のように（βｐ／ｋｐｏ） と（
βＦ／ｋｐ。）。とがわずかにずれているとすると、こ
のときのチェレンコフ角αは、 λ。
αが十分小さいとすれば、ｃｏｓα〜１−（α’／２）
の関（系から、 ここで、λｐ＜４Ａｏ とする（Δ。としては数μｍ
以上数百μｍ以下を考える） では０≦δ≦３，５ＸｌＯ−’ ２°以内では０≦δ
＝１、４ Ｘ １０−３．５°以内では０≦δ−＝８．
８ Ｘ １０− ’の範囲にあれば良い。
の関（系から、 ここで、λｐ＜４Ａｏ とする（Δ。としては数μｍ
以上数百μｍ以下を考える） では０≦δ≦３，５ＸｌＯ−’ ２°以内では０≦δ
＝１、４ Ｘ １０−３．５°以内では０≦δ−＝８．
８ Ｘ １０− ’の範囲にあれば良い。
次に周期ドメイン反転Ｍ４造の許容範囲について述べる
。ドメイン反転構造の周期を ２Ａ＝２ 八〇−ΔＡ としく１６）に代入して整理すると、 ・・・・・・（２１） （１７）式に（２１）式を代入し、（２２）を用いて整
理すると、 δｙ（λｐ／２） （１／２ Ａ Ｏ） （ΔΔ／２Ａ
Ｏ）第２図は、Ｌ＋Ｎｂ（］＊にブりトン交換を行った
基本波長が１．０６４μｍ（ＹΔＧレーザー光）とした
ときの等偏屈折率と導波路の厚さＷの、導波モード（基
本波モードＴ Ｍ ｏ １次モードＴＭ、）の関係
及びｎｐ と高調波での基板の屈折率ｎｓＨを示（
β／ｋ） のずれによるδの値の（２０）式と同期２
Δのずれによるδの値（２３）式の値は、前者が２倍大
きい。したがってαなるチェレンコフ角に高調波の放射
をとじこめる条件は、（２０）式の条件を用いて次のよ
うに示すことができる。
。ドメイン反転構造の周期を ２Ａ＝２ 八〇−ΔＡ としく１６）に代入して整理すると、 ・・・・・・（２１） （１７）式に（２１）式を代入し、（２２）を用いて整
理すると、 δｙ（λｐ／２） （１／２ Ａ Ｏ） （ΔΔ／２Ａ
Ｏ）第２図は、Ｌ＋Ｎｂ（］＊にブりトン交換を行った
基本波長が１．０６４μｍ（ＹΔＧレーザー光）とした
ときの等偏屈折率と導波路の厚さＷの、導波モード（基
本波モードＴ Ｍ ｏ １次モードＴＭ、）の関係
及びｎｐ と高調波での基板の屈折率ｎｓＨを示（
β／ｋ） のずれによるδの値の（２０）式と同期２
Δのずれによるδの値（２３）式の値は、前者が２倍大
きい。したがってαなるチェレンコフ角に高調波の放射
をとじこめる条件は、（２０）式の条件を用いて次のよ
うに示すことができる。
・・・・・・（２４）
ここで基本波の伝搬方向と近軸で第２高調波の放射を与
える条件としてα−５°以内を考えると（２４）式より ・・・・・・（２５） が与えられる。
える条件としてα−５°以内を考えると（２４）式より ・・・・・・（２５） が与えられる。
れる領イ、は、厚さＷが実線ａで示す値以下の、約１．
０２μｍ以下の領域である。そして、４ｔ−モード動作
領域で、しかもΔｎ＞Ｏｌすなわちβ／ｋｐｏ＞として
示した領域）では、前記（２３）式中メインン反転構造
部（３）の周期２Δは、（２４＞、 （２５） 式を
満足するように、（２６）式よりわずか小さいものとす
る。
０２μｍ以下の領域である。そして、４ｔ−モード動作
領域で、しかもΔｎ＞Ｏｌすなわちβ／ｋｐｏ＞として
示した領域）では、前記（２３）式中メインン反転構造
部（３）の周期２Δは、（２４＞、 （２５） 式を
満足するように、（２６）式よりわずか小さいものとす
る。
そして、周期２Ａと（２６）式の差が（１６）式のチェ
レンコフ角αとなる。すなわち、第２図によれば導波路
の厚さＷを０．９８μｍとするとＴＭ、モード（＝２．
２３３）は（図中Ｂ点）であり、この条件は（１４）式
の関係を満足している。
レンコフ角αとなる。すなわち、第２図によれば導波路
の厚さＷを０．９８μｍとするとＴＭ、モード（＝２．
２３３）は（図中Ｂ点）であり、この条件は（１４）式
の関係を満足している。
チェレンコフ角α＝０となる周期２Δは、（１０）式の
条件より求まり、この図の場合は４４．３μｍとなる。
条件より求まり、この図の場合は４４．３μｍとなる。
伝搬定数は周期構造によって（８）式、（１１）式、（
１２）式の条件により、Ａ点はＣへ、Ｂ点はＤになり、
Ｃ，Ｄが上記条件ではＣ，Ｄの値は丁度等しくなり、位
相整合がとれる。またＡ−Ｃ間の値は等偏屈折率で示す
とλｐ／２Ａ、Ｂ Ｄ間の値はＡｓＨ／２八である。ま
た高調波出力の放射方向を基１ （１）の主面と１°以
内とするには（１６）式に代入すると、周期２Ａは４３
．１μｍ２°以内とするには３９．８μｍ となる。
１２）式の条件により、Ａ点はＣへ、Ｂ点はＤになり、
Ｃ，Ｄが上記条件ではＣ，Ｄの値は丁度等しくなり、位
相整合がとれる。またＡ−Ｃ間の値は等偏屈折率で示す
とλｐ／２Ａ、Ｂ Ｄ間の値はＡｓＨ／２八である。ま
た高調波出力の放射方向を基１ （１）の主面と１°以
内とするには（１６）式に代入すると、周期２Ａは４３
．１μｍ２°以内とするには３９．８μｍ となる。
ここにチェレンコフ角αは、従来のドメイン反転同期構
造をもたない導波路型ＳＨＧでは１０°以上であるもの
を５°以内さらに望ましくは２°以内にすることが望ま
しく、そのための周期２Ａおよび伝搬定数（βｐ／ｋｐ
ｏ） の許容範囲は、ＬｉＮｂ［］。
造をもたない導波路型ＳＨＧでは１０°以上であるもの
を５°以内さらに望ましくは２°以内にすることが望ま
しく、そのための周期２Ａおよび伝搬定数（βｐ／ｋｐ
ｏ） の許容範囲は、ＬｉＮｂ［］。
材料の場合について（１７）式より（２１）式で示した
通りである。
通りである。
第３図へに示すように非線形係数の大きい強誘電体非線
形光学材料より成る基板（１）を用意し、これの−主面
上にドメインの反転層を形成する。このドメインの反転
層を周知の技術によって形成できる。例えば所定周期（
ピッチ）２Δをもって金属例えばＴ１より成る平行スト
ライブパクーンの金属層（４）を基本波の伝搬方向と直
交する方向に延長させて被着形成する。基板（１）は例
えばＬ＋ＮｂＯ＊の＋２基板を用い得る。次に、第３図
Ｂに示すように、例えば１０００℃の熱処理を施し、上
述の金属層（４）の例えばＴ１の拡散を行って周知のよ
うに、基板（１）の例えば矢印すで示す上向きのドメイ
ンが矢印Ｃで示すように反転されたドメイン、の反転層
（３ａ）が周期２Δ＝１〜５００μｍをもって配列され
た周期ドメイン反転構造部（３）を形成する。そして、
第３図Ｃ１に示すように、この周期ドメイン反転構造部
（３）を有する基板（１）の主面側に例えばピロりん酸
を塗布後熱拡散させたり、例えばホットりん酸に浸して
プロトン置換によって屈折率が基板（１）に比し大とさ
れた光導波路（２）を形成する。
形光学材料より成る基板（１）を用意し、これの−主面
上にドメインの反転層を形成する。このドメインの反転
層を周知の技術によって形成できる。例えば所定周期（
ピッチ）２Δをもって金属例えばＴ１より成る平行スト
ライブパクーンの金属層（４）を基本波の伝搬方向と直
交する方向に延長させて被着形成する。基板（１）は例
えばＬ＋ＮｂＯ＊の＋２基板を用い得る。次に、第３図
Ｂに示すように、例えば１０００℃の熱処理を施し、上
述の金属層（４）の例えばＴ１の拡散を行って周知のよ
うに、基板（１）の例えば矢印すで示す上向きのドメイ
ンが矢印Ｃで示すように反転されたドメイン、の反転層
（３ａ）が周期２Δ＝１〜５００μｍをもって配列され
た周期ドメイン反転構造部（３）を形成する。そして、
第３図Ｃ１に示すように、この周期ドメイン反転構造部
（３）を有する基板（１）の主面側に例えばピロりん酸
を塗布後熱拡散させたり、例えばホットりん酸に浸して
プロトン置換によって屈折率が基板（１）に比し大とさ
れた光導波路（２）を形成する。
このようにすると周期ドメイン反転構造部（３）が光導
波路（２）内に入り込んだ構造が得られるが、他の例と
しては、第３図Ｃ２に示すように、周期ドメイン反転構
造部（３）を有する基板（１）の−主面上に光導波路（
２）を、非線形ないしは線形の基本波に対して吸収率が
低く基ｆｉ！２ （１）より高屈折率材料層の例えば窒
化シリコン、２酸化チタン、セレン化砒素ガラス、硫化
亜鉛、酸化亜鉛等を蒸着による堆積やエピタキシャル成
長することによって形成することもできる。
波路（２）内に入り込んだ構造が得られるが、他の例と
しては、第３図Ｃ２に示すように、周期ドメイン反転構
造部（３）を有する基板（１）の−主面上に光導波路（
２）を、非線形ないしは線形の基本波に対して吸収率が
低く基ｆｉ！２ （１）より高屈折率材料層の例えば窒
化シリコン、２酸化チタン、セレン化砒素ガラス、硫化
亜鉛、酸化亜鉛等を蒸着による堆積やエピタキシャル成
長することによって形成することもできる。
また、光導波路（２）は、その幅方向についても制限し
たいわゆるリッジ型構造を採ることが望ましい。
たいわゆるリッジ型構造を採ることが望ましい。
上述したように本発明によれば、周期ドメイン反転構造
部およびもしくは周期屈折率構造部（３）を設けたこと
によってチェレンコフ放射による第２高調波の発生で問
題となるチェレンコフ角αを０ないしはその近傍にする
ことができる。したがって、光導波路モード間での第２
高調波発生とは異なり、残された位相の不整合成分が自
動的に補正される。また、基板（１）に第２高調波が入
り込むことによって生ずる出力光ビームのファーフィー
ルドパターンの三日月状パターンを回避でき、出力ビー
ムを回折限界にまで容易に集光させることができるとい
う利益をもたらす。更に基本波との重畳が大となること
によって変換効率が向上する。
部およびもしくは周期屈折率構造部（３）を設けたこと
によってチェレンコフ放射による第２高調波の発生で問
題となるチェレンコフ角αを０ないしはその近傍にする
ことができる。したがって、光導波路モード間での第２
高調波発生とは異なり、残された位相の不整合成分が自
動的に補正される。また、基板（１）に第２高調波が入
り込むことによって生ずる出力光ビームのファーフィー
ルドパターンの三日月状パターンを回避でき、出力ビー
ムを回折限界にまで容易に集光させることができるとい
う利益をもたらす。更に基本波との重畳が大となること
によって変換効率が向上する。
また、同調帯域が広くなる。また、導波路の厚さが大と
なることによって通常のチェレンコフ放射型Ｓ ＨＧに
比して、その端面の入力光源との結合面積を大とするこ
とができ、光結合を高効率に有利に行うことができる。
なることによって通常のチェレンコフ放射型Ｓ ＨＧに
比して、その端面の入力光源との結合面積を大とするこ
とができ、光結合を高効率に有利に行うことができる。
第１図は本発明素子の一例の一部を断面とじた斜視図、
第２図は等偏屈折率と導波路の膜厚と導波モードの関係
を示す図、第３図は本発明素子の一例の製造工程図、第
４図は従来のチェレンコフ型Ｓ ＨＧと位相整合の説明
図、第５図はその導波路の等偏屈折率と膜厚と導波モー
ドの関係を示す図である。 （１）は基板、（２）は導波路、（３）は周期ドメイン
反転構造部およびもしくは周期屈折率構造部である。 代 理 人 伊 藤 貞 同 松 隈 秀 盛 第３図 ３ａＦ＞−イン反ナス層 本介ＦＪＦ４素袖−郁ε断面しＣ斜視図第１図 第４図 第 図 手続補正書 １、事件の表示 昭和６３年 特 許 願 第２４６５４５号 ２、発明の名称 先箱２１８Ｊ調波発生素子 ３、補正をする４ｉ 事件との関係
第２図は等偏屈折率と導波路の膜厚と導波モードの関係
を示す図、第３図は本発明素子の一例の製造工程図、第
４図は従来のチェレンコフ型Ｓ ＨＧと位相整合の説明
図、第５図はその導波路の等偏屈折率と膜厚と導波モー
ドの関係を示す図である。 （１）は基板、（２）は導波路、（３）は周期ドメイン
反転構造部およびもしくは周期屈折率構造部である。 代 理 人 伊 藤 貞 同 松 隈 秀 盛 第３図 ３ａＦ＞−イン反ナス層 本介ＦＪＦ４素袖−郁ε断面しＣ斜視図第１図 第４図 第 図 手続補正書 １、事件の表示 昭和６３年 特 許 願 第２４６５４５号 ２、発明の名称 先箱２１８Ｊ調波発生素子 ３、補正をする４ｉ 事件との関係
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 非線形光学材料基板上に光導波路が設けられたチエレン
コフ放射による第２高調波を発生させる光第２高調波発
生素子において、 上記基板上に周期ドメイン反転構造部およびもしくは周
期屈折率構造部を設けこれの上に上記光導波路を設ける
か、上記光導波路内に周期ドメイン反転構造部およびも
しくは周期屈折率構造部を設けることを特徴とする光第
２高調波発生素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63246545A JPH0293624A (ja) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 光第２高調波発生素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63246545A JPH0293624A (ja) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 光第２高調波発生素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0293624A true JPH0293624A (ja) | 1990-04-04 |
Family
ID=17150005
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63246545A Pending JPH0293624A (ja) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 光第２高調波発生素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0293624A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5249250A (en) * | 1990-07-12 | 1993-09-28 | Sony Corporation | Optical device having domain structure and method for manufacturing the same |
-
1988
- 1988-09-30 JP JP63246545A patent/JPH0293624A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5249250A (en) * | 1990-07-12 | 1993-09-28 | Sony Corporation | Optical device having domain structure and method for manufacturing the same |
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