JPH03261924A - 光導波路型第２高調波発生素子およびそれを用いたレーザ発振器 - 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】 〔概要〕 光導波路型第２高調波発生素子およびそれを用いたレー
ザ発振器に関し、 強誘電体上に形成した光導波路において、光損傷が小さ
く高い変換効率を有するレーザ光の第２高調波発生素子
と、それを用いて第２高調波を発生するレーザ発振器を
提供することを目的とし、強誘電体結晶からなる基板上
に基本波が伝播する第１の光導波路と第２高調波が伝播
する第２の光導波路とが、第２高調波の光に対して方向
性結合器をなすごとくに近接して配設され、前記第２の
光導波路に対する第２高調波の伝播定数をβ２（２ω）
、前記第１の光導波路に対する基本波の伝播定数をβｌ
（ω）９ｍを正の奇数としたとき、前記第１の光導波路
が光の伝播方向に対して、周期Ａ＝２ｘｍ／［８ｇ（２
ω）　　２β１（ω）ｌなる等間隔分極反転領域から形
成されているように光導波路型第２高調波発生素子を構
成する。また、前記光導波路型第２高調波発生素子が、
外部共振器型レーザ発振器の共振器内部に組み込まれて
第２高調波の光が発生するようにレーザ発振器を構成す
る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、光損傷に強く変換効率が高い光導波路型第２
高調波発生素子およびそれを用いたレーザ発振器の構成
に関する。

近年、レーザ、とくに、半導体レーザ（ＬＤ）がレーザ
プリンタやレーザスキャナ、あるいは、光ディスクなど
の光源として広く用いられるようになってきた。しかし
、その一方で記憶容量の拡大や取り扱いの利便のために
短波長化（たとえば、赤外光から可視光へ）に対する要
求が強くなっている。半導体レーザの短波長発振化の開
発も進められてはいるが、現在の技術レベルではその発
振波長を６００ｎｍ以下にすることはかなり困難であり
、その他の技術、たとえば、第２高調波発生（ＳＨＧ）
による短波長のコヒーレント光が得られるデバイスの開
発が強く求められている。

〔従来の技術〕

従来、レーザ光の第２高調波発生素子としてはバルクの
非線形光学結晶にレーザ光を通すものがよく知られてい
る。

たとえば、第７図は従来の第２高調波発生素子の例を示
す図（バルク結晶型）である。１００はバルク結晶素子
で、たとえば、強誘電体結晶であるＬｉＮｂ０＋をブロ
ックにカットし両面を光学研磨してレーザ光の人出射面
としたものである。

いま、左側から角周波数ωのレーザ光を入射させると、
右側から２倍の角周波数２ωの第２高調波が発生する。

この時の変換効率（ηＳＨＧ　””Ｐ２ω／Ｐω）は、
真空の誘電率と透磁率をそれぞれε。。

μ。、結晶の非線形光学定数をｄ、結晶長を！、基本波
と高調波に対する屈折率をｎω＋　ｎｚω、基本波と高
調波の伝播定数差をΔｋ、ビーム断面積を八としたと下
記（１）式で表される。

７７１１１Ｇ　＝２（ｇｏ／μｏ）””（ω”ｄ”　ｌ
”Ｉｎ、ω−ｎ　ω）（Ｐ（１１／Ａ）　［ｓｉｎ”（
Δｋｆ／２）バΔｋｌ／２）”］（１） 第８図は第２高調波出力特性を示す図（位相整合が取れ
ていない場合）で、縦軸は第２高調波出力Ｐｚω、横軸
は結晶長！である。（１）式かられかるようにＳｉｎ”
曲線の出力特性を示している。

このように、第２高調波出力Ｐ２ωがＳｉｎ”曲線特性
で周期的に変動するのは、ｎｏとｎ！ωが異なるためで
ある。すなわち、屈折率差のため各点で発生した第２高
調波の位相が揃わず、位相ずれが２πになる距離を周期
として第２高調波出力が変動することになる。通常の結
晶では屈折率の波長分散のためｎｏとｎ２ωの差が大き
く、シたがって、ｆｃ（コヒーレント長）が非常に小さ
い。すなわち、第２高調波出力Ｐ２ωも非常に小さ（な
ってしまう。これを解決するために位相整合を取る方法
が提案されている。

第９図は位相整合条件を示す図で結晶の複屈折を利用し
ており、縦軸は屈折率、横軸は波長である。図のｎｏは
常光の屈折率、ｎ、は異常光の屈折率である。すなわち
、第２高調波光λ２の異常光屈折率と基本波光λ、の常
光屈折率を一致さゼる（図の・点参照）、いわゆる、位
相整合条件を満足させて大きな第２高調波出力を得る方
法である〔多田、神谷：光エレクトロニクスの基礎、　
ａｐ１９９〜２００．１９７４　（丸善刊）参照〕。

第１０図は第２高調波出力特性を示す図（位相整合が取
れている場合）で、縦軸は第２高調波出力Ｐ２ωを、横
軸は結晶長！である。図中、■は上記に説明した第２高
調波光λ２の屈折率と基本波光λ、の屈折率を一致させ
て、第２高調波出力Ｐ２ωが結晶長ｌが大きくなるに従
って増大するようにしている場合である。しかし、以上
に述べたバルク結晶型の場合、位相整合条件を満足し、
かつ、非線形光学定数も大きい結晶が得られていないた
め基本波の光強度を大きくしなければならず、半導体レ
ーザのような低パワー光源に対しては実用化されるに至
っていない。

一方、最近になって光導波路型の素子を用い。

たとえば、第９図の異常光の屈折率ｎ、曲線上で位相整
合（図中のＸ点参照）を行わせることによって、大きな
非線形光学定数を利用して大きな変換効率（ηＳＮＧ　
）を得る極めて有力な方法が提案されている。

第１１図は従来の第２高調波発生素子の例を示す図（光
導波路型）で、同図（イ）は斜視図、同図（ロ）はｘ−
ｘ’断面図である。図中、２０は基板で。

たとえば、ＬｉＮ−ｂＯｚの最も大きな非線形光学定数
が得られる入射方向と偏波方向を取れるように＋７面を
光学研磨した基板で、１゛は基板２０上に形成された分
極反転型光導波路である。同図（ロ）に示したごとく、
たとえば、基板２０を下向きの方向に強誘電体分極を揃
え、光導波路の部分に等間隔に。

たとえば９周期Ａ゛で分極が上向きの領域を・形成する
と、下向きの分極領域へと上向きの分極領域Ｂとが等間
隔に並んだ分極反転型光導波路１“が構成される。

いま、たとえば、左側から角周波数ωのレーザ光を分極
反転型先導波路１゛に入射させ、右側から出射させると
次式を満足するときに位相整合条件が満たされ、大きい
第２高調波出力が得られることが知られている（Ｊ、Ａ
、Ａｒ＋ｎｓｔｒｏｎｇ、　ｅｔ、ａｌ、　、　Ｐｈｙ
ｓ、Ｒｅｖ、ｖｏｌ　、　１２７．　ｐ１９１８．１９
６２）。

Ａ’　　＝２ｚｍ／［ｅｔ・（２ω）　　　２β、・（
ω）Ｌ−（２）こ−で、β、・（２ω）は分極反転型先
導波路１”に対する第２高調波の伝播定数、β、・（ω
）は同じく基本波の伝播定数５ｍは正の奇数である。

なお、上式を屈折率を用いて表すと、 八゛＝λ、ｍ／２Ｉ　ｎ、・（２ω）−ｎ、・（ω）］
−（３）となる。ニーで、λ。は基本波の真空中の波長
。

ｎｌ・（２ω）は分極反転型先導波路１”に対する第２
高調波の屈折率＋ｎｌ・（ω）は同じく基本波の屈折率
９ｍは正の奇数である。

第１０図の■の曲線はこの場合の理想的な第２高調波出
力特性の例を示したもので、結晶長ｌと共に第２高調波
出力Ｐ２ωが増加し、しかも、導波路化による基本波パ
ワー密度の向上とともに、大きな非線形定数を用いてい
るのでバルク結晶型に比較して大巾に変換効率が向上し
ている。

〔発明が解決しようとした課題〕

しかし、上記の先導波路型第２高調波発生素子では、分
極反転型光導波路１゛の分極反転領域Ｂを形成するのに
Ｔｉの表面拡散を行っている。　ＬｉＮｂＯ５などの結
晶にＴｉの拡散を行うと光損傷が生じ易くなることがよ
く知られている。とくに、光損傷は短波長の強度の強い
光に対して著しく影響が大きく、たとえば、第１Ｏ図の
■の曲線に示したごとく第２高調波出力が低下してしま
うだけでなく、光の品質、すなわち、コヒーレンシイの
劣化をきたすなどという重大な問題があり、その解決が
必要であった。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、強誘電体結晶からなる基板２０上に基本
波が伝播する第１の光導波路１と第２高調波が伝播する
第２の光導波路２とが、第２高調波の光に対して方向性
結合器をなすごとくに近接して配設され、前記第２の光
導波路２に対する第２高調波の伝播定数をβ！（２ω）
、前記第１の光導波路１に対する基本波の伝播定数をβ
１（ω）２ｍを正の奇数とした時、前記第１の光導波路
１が光の伝播方向に対して、周期Ａ＝２πｍ／［β２（
２ω）−２βＩ（ω）］なる等間隔分極反転領域Ａおよ
びＢから形成されてなる先導波路型第２高調波発生素子
によって解決することができる。また、前記先導波路型
第２高調波発生素子１０が、外部共振器型レーザ発振器
の共振器内部に組み込まれてなるレーザ発振器により小
形で効率のよい第２高調波発生レーザ共振器を構成する
ことができる。

〔作用〕

本発明によれば、基本波は第１の光導波路１を伝播し、
光損傷を起こし易い第２高調波の光はＴｉを拡散してい
ない第２の光導波路２を伝播するように構成しであるの
で、第２高調波の光による光損傷が発生せず高い効率の
光導波路型第２高調波発生素子を実現することが可能と
なる。また、この素子を外部共振器型レーザ発振器の共
振器内部に組み込めば小形で高効率の第２高調波発生レ
ーザ共振器が実現できる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例を示す図で、同図（イ）は
斜視図、同図（ロ）はＹ＋４＋’断面図、同図（ハ）は
Ｙｚ−Ｙｚ″断面図である。

図中、２０は基板で、たとえば、厚さ０．５　ｍｍ。

巾１０ｍｍ、長さ１５ｍｍの単一分域処理したＬｉＮｂ
Ｏ３の最も大きな非線形光学定数が得られるように、＋
２面を光学研磨した基板である。１は基板２０上に形成
された分極反転型光導波路である。同図（ロ）および（
ハ）に示したごとく、たとえば、基板２０を下向きの方
向に強誘電体分極を揃え、Ｘ軸方向に沿って光導波路と
なる部分に等間隔に。

たとえば１周期へで分極が上向きの領域（Ｂ）を形成す
ると、下向きの分極領域Ａと上向きの分極領域Ｂとが等
間隔に並んだ分極反転型の第１の光導波路１が構成され
る。

実際にこの分極反転型の第１の光導波路１を形成するに
は、たとえば、先ず基板２０に厚さ３００ｎｍのＴｉを
真空蒸着し、上向きの分極領域Ｂになる部分のＴｉが残
るようにホトエツチング処理したのち約１０００°Ｃで
加熱処理すると、その部分の表面が分極反転する０次い
で、第１の光導波路１となる部分を残して、たとえば、
５ｉ０２のスパッタ膜からなるマスクを形成し、２００
〜３００６Ｃに加熱した安息香酸（Ｃ，Ｈ，Ｃ００Ｈ）
の融液に数１０分〜数時間浸漬する。いわゆる、プロト
ン交換法により周囲の基板部分よりも屈折率を約１％上
昇させて光導波路を形成する。

第２の光導波路２は前記第１の光導波路ｌと近接して形
成するが、この場合にはＴｉ拡散処理はせずにプロトン
交換だけで光導波路を形成する。

本実施例では、第１の光導波路１の巾を５μｍ。

深さを３〜４μｍ１周期八を６周期色し、第２の光導波
路２の巾を３μｍ、深さを２．５μｍとして、両光導波
路の間隔（スペース）を３μｍにした。

この間隔は第１の光導波路１への第２高調波光のしみ出
しによる光損傷が生じない範囲で近接させるのがよい。

なお、以上の数値は例であるが、光導波路の巾や光導波
路の形成条件などは分極反転領域の周期へが次式を満た
すように決定すれば、２つの近接した方向性結合器型光
導波路により基本波と第２高調波の位相不整合を補償し
、第２高調波への変換を効率的に行うことが可能である
。

Λ＝２πｍ／［βｚ　（２ω）−２β１（ω）］　−（
４）ニーで、β２（２ω）は第２の光導波路２に対する
第２高調波の伝播定数、β１（ω）は第１の光導波路１
に対する基本波の伝播定数９ｍは正の奇数である。

なお、上式を屈折率を用いて表すと、 Λ＝λ。ｍ／２［ｎ１（２ω）−ｎ１（ω）Ｌ−（５）
となる。

こ＼で、λ。は基本波の真空中の波長、　　ｎ１（２ω
）は第２の光導波路２における第２高調波の屈折率、ｎ
＋（ω）は第１の光導波路１における基本波の屈折率１
ｍは正の奇数である。

以上のごとく両光導波路を形成して、たとえば、左側か
ら角周波数ωのレーザ光を第１の光導波路１に入射させ
ると、第２高調波の光は第２の光導波路２の右側から高
い効率で出射させることができ、たとえば、波長０．８
３μｍ、入射パワー５０ｍＷの半導体レーザ光を入射さ
せた場合、従来の第２高調波発生素子に比較して変換効
率が１桁以上向上した。

上記（４）式において、結晶長ｌを小さくし効率を上げ
るために一般にはｍ＝１を用いればよい。

以上の実施例では、強誘電体結晶としてＬｉＮｂ０゜を
用いたが、ＬｉＴａＯ５その他の非線形光学結晶を使用
してもよいことは勿論である。

第２図は本発明の第２実施例を示す図で、図中３は光導
波路の両端面に形成された、基本波の光に対しては高反
射率、第２高調波の光に対しては低反射率となる膜で、
たとえば、誘電体多層膜などである。このような構成に
より、基本波に対して一種のエタロンが形成され第２の
先導波路２がら高い効率で第２高調波の光が得られる。

なお、前記の諸図面で説明したものと同等の部分につい
ては同一符号を付し、かつ、同等部分についての説明は
省略する。

第３図は本発明の第３実施例を示す図である。

図中、４は先導波路の入射端面に形成された、基本波に
対しては高反射率、第２高調波の光に対しては低反射率
となる膜で、たとえば、誘電体多層膜などである。なお
、前記の諸図面で説明したものと同等の部分については
同一符号を付し、がっ、同等部分についての説明は省略
する。

この場合には、第２高調波の光は第２の光導波路２の右
端面からだけ出射されるので、前記実施例よりもさらに
高い効率の素子が得られる。

第４図は本発明の第４実施例を示す図で、図中５８は第
２の先導波路２の上に形成された。たとえば、Ａｌから
なる電極、５ｃは基板２ｏの裏面に形成された接地用の
、たとえば、同じ＜　ＡＮからなる電極である。この両
電極間に電源３０で電圧を印加すると基板結晶の電気光
学効果により、第２の先導波路２の屈折率が変化し伝播
定数β２（２ω）が変わるので、たとえば、作成時の伝
播定数のバラツキの調整や温度変化にともなう伝播定数
の調整をし、位相不整合の補償を行うことができる利点
がある。なお、電極５ａは第２の光導波路２の上でなく
、第１の先導波路ｌの上に形成しても同様の効果が得ら
れる。

第５図は本発明の第５実施例を示す図で、５ｂは第１の
先導波路ｌの上に形成された。たとえば、ＡＮからなる
電極で、この例では第２の光導波路２の上に形成された
。たとえば、Ａｆからなる電極５ａとの間に電圧を印加
するようにしているので、前記第４実施例の場合に比較
して低い電圧で、しかも、画先導波路において伝播定数
の調整を行うことができる。

第６図は本発明素子を用いた外部共振器型第２高調波レ
ーザ発振器の例を示す図である０図中、１０は本発明に
よる光導波路型第２高調波発生素子で、出射側端面に基
本波に対しては高反射率、第２高調波の光に対しては低
反射率となる膜３、入射側端面に反射防止膜１１を施し
たものである。１５はレーザ発振素子で、たとえば、半
導体レーザ素子であり出射側端面に反射防止膜１１を、
反対側の面に高反射率膜１６を施したものである。すな
わち、高反射率膜１６と基本波に対して高反射率を有す
る膜３で半導体レーザ素子の外部共振器ミラーを構成し
、その共振器の内部に本発明になる光導波路型第２高調
波発生素子１ｏを挿入したものであり、これにより小形
で効率のよい外部共振器型第２高調波レーザ発振器が得
られる。

以上述べた実施例は数例を示したもので、本発明の趣旨
に添うものである限り、使用する素材や構成など適宜好
ましいもの、あるいはその組み合わせを用いてよいこと
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば基本波は第１の先導
波路１を伝播し、光損傷を起こし易い第２高調波の光は
Ｔｉを拡散していない第２の光導波路２を伝播するよう
に構成しであるので、第２高調波の光による光損傷が発
生せず、従来の先導波路型第２高調波発生素子に比較し
て１桁以上効率が高い光導波路型第２高調波発生素子を
実現することが可能となり、短波長のコヒーレント光を
発生する素子およびレーザ発振器の性能・品質の向上に
寄与するところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は本発明
の第２実施例を示す図、第３図は本発明の第３実施例を
示す図、第４図は本発明の第４実施例を示す図、第５図
は本発明の第５実施例を示す図、第６図は本発明素子を
用いた外部共振器型第２高調波レーザ発振器の例を示す
図、 第７図は従来の第２高調波発生素子の例を示す図（バル
ク結晶型）、 第８図は第２高調波出力特性を示す図（位相整合が取れ
ていない場合）、 第９図は位相整合条件を示す図、 第１０図は第２高調波出力特性を示す図（位相整合が取
れている場合）、 第１１図は従来の第２高調波発生素子の例を示す図（光
導波路型）である。 図において、 １は第１の光導波路、 ２は第２の光導波路、 ３および４は膜、 ５　（５ａ、５ｂ、５ｃ）は電極、 １１は反射防止膜、 １５はレーザ発振素子、 １６は高反射膜、 １７はカバー ２０は基板である。 （イ）　斜字り図 水金１のＩ！、２宝カヒ分ｉ示す図 １　２　　図 （［７ン　Ｙｌ−γ１′ｕ９γ＋１ｆｆ（ノソ　γ：ｚ
　−Ｙ２’　　迷σ６１１Ｄ本イご　日月　／）第　１
　寅　カゼ、イ列Σ示１図木企明の　第５実施イ列Σ示
す図 第 ３　　図 第　　　１ 図 光１攻路型第２１．蔀Ｐ皮夜ｌ子 ｔ。 本発明の第４実方也イクリ１示Ｔ図 第 図 不全ＢＨ素素子出用た外部共賑只型第２高調波し一ブ発
η更器力脅・ｊを示す図 第 図 本発明の第 デ　実　方セ、イ列　乏示すＤコ 第 凹 ４足　５ト、め　第　２□Ａ官囚ｎタイ亡’Ｅ−幸　＋
ｎ分りを示すＢろ（〉′ぐル２Ａらｒｅ型ン駕 図 祁晶長之 第２高名周浪出力生午ゼＥを１ｉ４図（位オ目整４ｊ〃
′取昨Ｔい７２ｂ１場合つ 第　　８１！ｌ 取札了いろ場名つ 第 ０ 図 イσオ目　５乙４す茶イ午　“を、示Ｔｆ２１第 圃

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）強誘電体結晶からなる基板（２０）上に基本波が
   伝播する第１の光導波路（１）と第２高調波が伝播する
   第２の光導波路（２）とが、第２高調波の光に対して方
   向性結合器をなすごとくに近接して配設され、前記第２
   の光導波路（２）に対する第２高調波の伝播定数をβ＿
   ２（２ω）、前記第１の光導波路（１）に対する基本波
   の伝播定数をβ＿１（ω）、ｍを正の奇数とした時、前
   記第１の光導波路（１）が光の伝播方向に対して、周期
   Λ＝２πｍ／［β＿２（２ω）−２β＿１（ω）］なる
   等間隔分極反転領域（ＡおよびＢ）から形成されてなる
   ことを特徴とした光導波路型第２高調波発生素子。
2. （２）前記第１および第２の光導波路（１、２）の両端
   面に、基本波の光に対しては高反射率、第２高調波の光
   に対しては低反射率となるような膜（３）を形成するこ
   とを特徴とした請求項（１）記載の光導波路型第２高調
   波発生素子。
3. （３）前記第１および第２の光導波路（１、２）の入射
   側端面に基本波および第２高調波の光に対して高反射率
   を有する膜（４）を形成し、出射側端面には基本波の光
   に対して高反射率で第２高調波の光に対しては低反射率
   となるような膜（３）を形成することを特徴とした請求
   項（１）記載の光導波路型第２高調波発生素子。
4. （４）前記第１および第２の光導波路（１、２）の少な
   くとも一方に、伝播定数調整用の電極（５）を設けるこ
   とを特徴とした請求項（１）〜（３）記載の光導波路型
   第２高調波発生素子。
5. （５）請求項（１）または請求項（４）記載の光導波路
   型第２高調波発生素子（１０）が、外部共振器型レーザ
   発振器の共振器内部に組み込まれてなることを特徴とし
   たレーザ発振器。