JPH03197932A - 光波長変換装置 - 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、光デイスク装置やレーザビームプリンタ等の
情報処理装置、光応用計測器等に使用されるレーザ光を
短波長化する際に使用される光波長変換装置に関する。

（従来の技術） 光デイスク装置やレーザビームプリンタ等の情報処理装
置、あるいは光応用計測器等では、半導体レーザ素子か
ら発せられる、集光性および指向性に優れたレーザ光が
使用されている。通常、半導体レーザ素子から発振され
るレーザー光の波長は、７８０ｎｉ、８３０ｎｍ等の長
波長の近赤外光であるが、最近では、情報処理装置にお
ける処理情報量を増大させるために、あるいは光応用計
測器の計測精度を向上させるために、レーザ光の短波長
化が進められている。例えば、光デイスク装置やレーザ
ビームプリンタ等の情報装置では、半導体レーザ素子に
て発振されたレーザ光を所定位置に集光させて、情報や
画像の書き込みが行われている。レーザ光の波長と集光
スポットの径は、通常、比例関係にあり、レーザ光の波
長が短くなれば、集光スポットの径を小さくできる。集
光スポットの径が小さくなれば、光デイスク装置では、
光ディスクに書き込む情報量（記録密度）を増大させる
ことができる。レーザビームプリンタでは、レーザ光の
波長が短くなれば、微小画像を形成し得るために記録密
度を増大させることができ、さらには、解像度を向上さ
せることができ゛る。波長の短い緑色や青色のレーザ光
が容易に得られれば、現在使用されている赤色レーザ光
と組み合わせることにより、高速動作可能な、高解像度
のカラープリンタも実現し得る。光応用計測器では、レ
ーザ光の波長を短くすることすることにより、計測精度
の向上が図れる。

近時、ｍ−ｖ族の半導体材料を使用した半導体レーザ素
子では、発振波長が６００ｎｍ台（６８０ｎｍ）のレー
ザ光が得られているが、■−ｖ族の半導体材料では、そ
れ以上の短波長化は困難である。Ｚｎ５ｅ、ＺｎＳ等の
ＩＩ−Ｖｌ族の半導体材料を用いた半導体レーザ素子の
研究も行われているが、現在では、ｐ−ｎ接合も実現さ
れていない。このため、緑色、青色等の短波長のレーザ
光を発振し得る半導体レーザ素子は、適当な材料が見あ
たらないこともあって、実現されていない。その結果、
緑色や青色等の短波長のレーザ光は、アルゴンイオンレ
ーザ等の大型なガスレーザによって発振されているのが
現状である。

このような大型のガスレーザを用いることなく、緑色、
青色等の短波長のレーザ光を得るために、固体レーザや
半導体レーザ素子から発振されたレーザ光の波長を変換
する光波長変換方法がある。

この光波長変換方法としては、複数の光の周波数が足し
合わされる和周波発生、特に、同一周波数の２つ、ある
いは３つの光の周波数が足し合わされる第２高調波発生
、第３高調波発生を利用する方法が知られている。現在
、第２高調波発生により、例えば、波長１．０６μ論の
ＹＡＧ　（イツトニウム・アルミニウム・ガーネット）
レーザを用いて波長０．５３μｍの緑色レーザ光の発生
が実現されており、また、波長０．８３〜０．８４μｍ
の半導体レーザを用いて、波長０．４１５〜０．４２μ
ｍの青色レーザ光発生が実現されている。

波長０．８４μｍの半導体レーザ光による第２高調波の
発生は、例えば、「応用物理、第５６巻、１２号、１６
３７〜１６４１ページ（１９８７）　Ｊに報告されてい
る。

この報告では、ＬｉＮｂＯ３基板上にプロトン交換法に
より光導波路を形成して、０．８４μ頂、４０ｔａＷの
半導体レーザ光により、１％の変換効率で、０．４ｍＷ
の第２高調波が発生されている。光導波路は、幅２．０
μｍ、深さ０．４μ簡に形成されており、該光導波路内
に半導体レーザ光を入射させると、高調波は基板面に対
して、約１６．２’の傾斜状態で該基板内に放射される
。この場合、基本波と高調波との位相整合条件は、はと
んど目動的に満足され、光線と結晶の角度や結晶の温度
に対する制約がない。しかし、高調波出力は、０．４ｍ
Ｗと低く、光ディスク等に使用するためには、出力は１
桁下足している。

（発明が解決しようとする課題） このような欠点を解消した、実用的な高効率光波長変換
装置として、導波路型共振器を用いた構成が提案されて
おり、本願発明者等は、導波路をリング状の共振器にし
て、高調波出力を基板への放出光として取り出すように
した光波長変換装置を提案している（特願平１−７７８
２３号参照）。

この光波長変換装置は、第３図に示すように、非線形光
学効果を有する結晶基板８１　（例えば、Ｙカットされ
たＭｇＯドープのＬｉＮｂＯ２）上に、リング状の光導
波路８２が形成されている。該光導波路８２内には、レ
ーザ光源８４から発振されたレーザ光（基本波）が、光
学系８５を介して入射され、リング状の光導波路８２内
を周回する。この基本波は、直線状の高調波発生部８２
ａ内を伝播される間に第２高調波に変換されて、基板８
１内に放射され、該第２高調波Ａが該基板８１の端面か
ら出力として取り出される。他方、光導波路８２内を周
回する基本波は、直線状の高調波発生部８２ａに対向す
る位置に略平行状態で形成されたモニター波発生部８２
ｄを伝播する間に第２高調波Ｂに変換され、該第２高調
波Ｂが、基板８１の基本波入射側の端面から出射され、
受光器８６に入射される。該受光器８６に入射した第２
高調波Ｂが所定の電気信号に変換されて、制御回路８７
に入力される。該制御回路８７は、光導波路８２におけ
るモニター波発生部８２ｄの上流部を挟むように対向配
設された一対の電極８３および８３に印加される電圧を
制御して、該光導波路８２のモニター波発生部８２ｄを
伝播する光の波長を変更し、受光器８６にて受光される
第２高調波の出力が最大となるように、光導波路８２の
共振条件を満足させる。光導波路８２におけるモニター
波発生部８２ｄを伝播した基本波は、非対称合流部８２
ｆから、高調波発生部８２ａ内へと還流される。

このような構成の光波長変換装置では、第２高調゛波へ
の変換は、チーレンコフ放射による位相整合法によって
いるため、光導波路の全てから高調波が発生する。この
ために、高調波の放射ビームの形状に軸対称性がないと
いう問題がある。このように、リング状の光導波路の全
ての部分から高調波が発生しても、実用的には、一方向
に出射する光のみが利用されるために、それ以外から出
射される光は無駄になり、その結果、基本波の利用効率
が低下する。また、高調波のビーム形状が軸対称でない
ために、放射光を回折限界まで絞ることができず、用途
が限定されるという問題もある。

本発明は上記従来の問題を解決するものであり、その目
的は、比較的低出力の基本波を高効率で波長変換するこ
とができ、高出力の変換波長光を所定方向へ出射させ得
る光波長変換装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の光波長変換装置は、基本波が入射されるように
基板上に形成されており、入射された基本波が内部を伝
播する入射側光導波路と、該入射側光導波路内を伝播す
る基本波が、光結合により移行されて内部を伝播するよ
うに基板上に構成されており、該基本波の位相整合条件
を近似的に満足させて高調波光または和周波光を発生さ
せる位相整合部を有するリング状の主光導波路と、該主
光導波路の位相整合部にて発生される高調波光または和
周波光が光結合により移行されて内部を伝播するように
基板上に形成されており、内部を伝播する該高調波又は
和周波が基板から出射される出射側光導波路と、を具備
してなり、そのことにより上記目的が達成される。

（実施例） 以下に本発明を実施例について説明する。

本発明の光波長変換装置は、第１図に示すように、非線
形光学効果を有する直方体状の結晶基板１１と、該基板
１１上に形成されたリング状の主光導波路１２とを有す
る。該結晶基板１１は、例えば、非、線形光学定数が大
きい＋Ｚ板のＬｉＮｂＯ３が使用されている。

該光導波路１２は、長円状になっており、基板１１の一
側部上にその長辺に沿ってそれぞれ直線状になった一対
の入射側結合部１２ａと出射側結合部１２ｂとを有して
いる。基板１１には、入射側結合部１２ａに対して一端
部が平行になった入射側光導波路１３と、出射側結合部
１２ｂに対して一端部が平行になった出射側光導波路１
４とが、それぞれ設けられている。

入射側光導波路１３は、入射側連結部１２ａとは平行に
なった一端部から、リング状の主光導波路１２に対して
離れる方向にずれた状態で、基板１１の一方の端面１１
ａ側へと延出しており、該端面１１ａに連なっている。

該端面１１ａの側方には、光学系１７が、該入射側光導
波路１３の端部に対向して配設されており、レーザ光源
１８から発振されるレーザ光が、該光学系１７を介して
、入射側光導波路１３の端部に照射され、その端部から
基本波が、該入射側光導波路１３内に入射される。そし
て、該入射側光導波路１３に入射された基本波が、該入
射側光導波路１３内を伝播する。

該入射側光導波路１３における主導波路１２の入射側結
合部１２ａと平行になった端部は、該入射側結合部′１
２ａとともに方向性光結合器を形成しており、該入射側
光導波路１３内を伝播する光が、光結合により、入射側
結合部１２ａから主光導波路１２内へと徐々に移行され
る。該主導波路１２内へと移行した基本波は、該主導波
路１２内を伝播する。

該入射側光導波路１３とはリング状の主光導波路１２を
挟んだ位置に設けられた出射側光導波路１４は、入射側
光導波路１３とは対称的な形状になっており、リング状
の主光導波路１２の出射側結合部１２ｂとは平行になっ
た一端部から、主光導波路１２に対して離れる方向にず
れた状態で、基板１１の端面１１ａ側に延出して、該端
面１１ａに連なっている。

該出射側光導波路１４における主導波路１２の出射側結
合部１２ｂと平行になった端部は、該出射側結合部１２
ｂとともに方向性光結合器を形成しており、主光導波路
１２内を伝播する光が、光結合により出射側結合部１２
ｂから該出射側光導波路１４内へと、徐々に移行される
。

入射側結合部１２ａおよび出射側結合部１２ｂの端面１
１ａ側の各端部同士は、円弧状の連結部１２ｃにより連
結されている。

主光導波路１２における入射側結合部１２ａは、円弧状
の連結部１２ｃに連結された端部とは反対側端部に、直
線状の制御部１２ｅが連なっており、該制御部１２ｅに
は、屈折率制御用の一対の電極１５ａおよび１５ｂが設
けられている。そして、画電極１５ａおよび１５ｂの間
に、電源１６が介装されており、該電源１６により、画
電極１５ａおよび１５ｂ間に、所定の電圧が印加される
。これにより、主導波路１２内を伝播する基本波の波長
が変更されて、共振器である主光導波路１２の共振条件
が満足される。

主光導波路１２の該制御部１２ｅは、円弧状の連結部１
２ｄを介して、出射側結合部１２ｂに連続する直線状の
位相整合部１２ｆに連なっている。この位相整合部１２
ｆに対応する基板１１部分には、基本波と第２高調波と
を、近似的に位相整合させるために、Ｔｉを拡散させて
基板１１における非線形光学定数を、その位相整合部１
２ｆ方向に周期的に反転させた非線形光学定数反転部１
１ｂが形成されている。該非線形光学定数反転部１１ｂ
は、エレクトリックレターズの２５巻３号１７４ページ
にて、Ｅ、　　Ｊ、　　リム他により報告されているよ
うに、基本波と第２高調波との位相を近似的に整合させ
るものであり、例えば、基板１１における位相整合部１
２ｆに対して直交状態のストライブ状のＴｉを、その位
相整合部１２ｆ方向に一定の周期で蒸着し、これを１１
００℃で拡散することにより、同一の周期で結晶の分極
の向きを反転させて非線形光学定数を反転させている。

これにより、主光導波路１２における位相整合部１２ｆ
内を伝播する基本波が、近似的に位相整合して、第２高
調波とされる。なお、位相整合部１２ｆに対応する基板
１１部分は、非線形光学定数が周期的にＯになっていて
もよい。

基板１１上の各光導波路１２．１３および１４は、次の
ように形成される。Ｚ板ＬｉＮｂＯ３製の結晶基板１１
に、モリブデン（ＭＯ）等のマスク用金属薄膜を電子ビ
ーム蒸着法等により蒸着した後に、通常のホトリソグラ
フィー法により、リング状の主光導波路１２、入射側光
導波路１３および出射側光導波路１４に対応したパター
ンを、前述したようにホトレジストによりＴｉを拡散し
て形成された非線形光学反転部１１ｂに対応させて作成
する。その後に、このホトレジストパターンをマスクと
して、Ｍｏ等の金属膜をエツチングする。そして、ピロ
リン酸を使用して、２００℃の交換温度にてプロトン交
換することにより、各光導波路１２．１３および１４が
形成される。

本実施例における各光導波路１２．１３および１４の厚
さに対する等偏屈折率の変化（分散曲線）は、第２図に
示すようになる。従って、光導波路の厚さを、０．３０
〜０．８８μｍに設定することにより、基本波に対して
、単一のモードのみが伝播するようになり、低損失であ
って光増幅作用に優れている。

チェレンコフ放射による位相整合法では、光導波路の厚
さが０．３５〜０．４５μｍの範囲でなければ、基本波
は、はとんど、第２高調波に変換されないことが知られ
ている。この条件は、上記単一モード条件を満足してい
る。このために、本実施例では、光導波路の厚さを、約
０．３３μ謂として、リング状の主導波路１２内におい
ては、光増幅作用だけが行われるようにして、チェレン
コフ放射による第２高調波への変換がほとんど起こらな
いようにしている。そして、主導波路１２の位相整合部
１２ｆにより、基本波と第２高調波とを近似的に位相整
合させることにより、基本波が第２高調波に変換される
。

このような構成の光波長変換装置では、レーザ光源１８
から発振されたレーザ光が光学系１７を介して基板１１
の入射側光導波路１３内に基本波として入射される。入
射側光導波路１３内に入射した基本波は、入射側光導波
路１３内を伝播する。そして、基本波は、該入射側光導
波路１３における主光導波路１２の入射側結合部１２ａ
に近接した平行部分とその入射側結合部１２ａとにより
形成される方向性光結合器により、該入射側光結合部１
２ａ内へと移行される。

そして、リング状の主光導波路１２内を伝播する。

入射側光導波路１３と主導波路１２における入射側結合
部１２ａとは、近接した状態になっているために、入射
側光導波路１３内を伝播する光（基本波）は、徐々に主
光導波路１２内へと移行され、従って、急激なモード変
換がな（、その結合損失は、きわめて低い。

′主光導波路１２内を伝播する基本波は、前述したよう
に、チェレンコフ放射による第２高調波への変換がほと
んど行われない。

主導波路１２内を伝播する基本波は、制御部１２ｅにお
いて、屈折率制御用の電極１５ａおよび１５ｂにて所定
電圧が印加され、電気光学効果により、屈折率が制御さ
れる。これにより、基本波の共振条件が満足されて、光
増幅作用により増幅される。その後、主光導波路１２内
を伝播する基本波は、該主光導波路１２における位相整
合部１２ｆを通過する間に、基板１１おける非線形光学
定数反転部１１ｂにより、位相が近似的に整合されて、
第２高調波に変換される。該位相整合部１２ｆにて発生
した第２高調波は、出射側結合部１２ｂにて、該出射側
結合部１２ｂに近接して平行する出射側光導波路１４の
端部へと、両者により形成される方向性結合器により、
移行され該出射側光導波路１４における基板１１の端面
１１ａに位置する端部から出射される。

本実施例では、入射側光導波路１３の基板１１端面１１
ａにおける端部から、波長８３０ｎｍ、出力が約３ｍＷ
の半導体レーザ光を入射し、主光導波路１２内を伝播す
る基本波を、屈折率制御用電極１５ａおよび１５ｂにて
印加される電圧により増幅したところ、非線形光学定数
反転部１１ｂにて変換された波長４１５ｎｍの青色レー
ザ光が、位相整合部１２ｆから発生した。そして、主光
導波路１２から出射側光導波路１４に移行して、基板１
１端面１１ａ内に位置する該出射側光導波路１４の端部
から、この青色レーザ光を取り出したところ、該青色レ
ーザ光は、基板１１に対する垂直方向の広がり角度が、
その方向とは直交する方向の広がり角度よりも大きい楕
円形であったが、はぼ、回折限界まで集光することがで
きた。

なお、上記実施例では、入射側光導波路１３への基本波
の入射、および出射側光導波路１４からの第２高調波の
出射を基板１１の端面１１ａから行うようにしたが、い
ずれも、プリズム光結合器や回折格子を用いておこなっ
てもよい。また、基板１１として、ＬｉＮｂＯ３を使用
したが、光導波路が作成できて、基本波を近似的に位相
整合させて高調波に変換し得るものであればどのような
物質であってもよい。

なお、レーザ光源としては、単一モード半導体レーザに
限らず、マルチモード半導体レーザであってもよい。特
に、リング状の主光導波路（共振器）の共振波長間隔の
整数倍が半導体レーザの縦モード間隔となる場合には、
マルチモード半導体レーザの出力がほとんど該主光導波
路内へと伝播するため、高効率で第２高調波を発生させ
ることができる。このとき、厳密には、半導体レーザの
異なる縦モードの周波数が足し合わされて高調波を発生
する一種の和周波も発生する。

（発明の効果） 本発明の光波長変換装置は、このように、基板に設けら
れた入射側光導波路を伝播する基本波が、光結合により
、きわめて低損失でリング状の主光導波路に伝播され、
このリング状の主光導波路内を伝播する基本波が、チェ
レンコフ放射することなく、位相整合部により近似的に
位相整合条件が満足されて、高調波等が発生される。こ
のため、基本波は、高効率で増幅されるとともに、高効
率で高調波等に変換され、さらには、高出力の高調波′
等を拡散させることなく、所定方向へ出射させることが
できる。

４、　′　　　の　　　な！　日 第１図は本発明の光波長変換装置の構成図、第２図は光
導波路の深さと等偏屈折率との関係を示すグラフ、第３
図は従来の光波長変換装置の概略図である。

１１・・・基板、ｌｌａ・・・端面、ｌｌｂ・・・非線
形光学定数反転部、１２・・・主光導波路、１２ａ・・
・入射側結合部、１２ｂ・・・出射側結合部、１２ｆ・
・・位相整合部、１３・・・入射側光導波路、１４・・
・出射側光導波路、１８・・・レーザ光源。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基本波が入射されるように基板上に形成されており
   、入射された基本波が内部を伝播する入射側光導波路と
   、 該入射側光導波路内を伝播する基本波が、光結合により
   移行されて内部を伝播するように基板上に構成されてお
   り、該基本波の位相整合条件を近似的に満足させて高調
   波光または和周波光を発生させる位相整合部を有するリ
   ング状の主光導波路と、 該主光導波路の位相整合部にて発生される高調波光また
   は和周波光が光結合により移行されて内部を伝播するよ
   うに基板上に形成されており、内部を伝播する該高調波
   又は和周波が基板から出射される出射側光導波路と、 を具備する光波長変換装置。