JPH0361929A - Wavelength converting optical element - Google Patents

Wavelength converting optical element

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JPH0361929A
JPH0361929A JP1196831A JP19683189A JPH0361929A JP H0361929 A JPH0361929 A JP H0361929A JP 1196831 A JP1196831 A JP 1196831A JP 19683189 A JP19683189 A JP 19683189A JP H0361929 A JPH0361929 A JP H0361929A
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grating
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玄一 波多腰
Kazutaka Terajima
一高 寺嶋
Yutaka Uematsu
豊 植松
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL 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
    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/37Non-linear optics for second-harmonic generation
    • G02F1/372Means for homogenizing the output beam

Abstract

PURPOSE:To allow the collimating or condensing of a light second harmonic wave beam by changing the equiv. grating pitch of the diffraction grating with respect to a radial direction according to the spreading angle of the second harmonic wave beam. CONSTITUTION:A basic wave 14 is made incident into a waveguide part 11 from a light incident end face and the Cherenkov reflected light propagated in a substrate 10, i.e., the light second harmonic wave 15 is emitted from a light exit end face 13. Further, this radiated light 15 is converted by a wave front converting element 12 to collimated beams 16 of light. The wave front converting element 12 is formed of the diffraction grating consisting of a part of elliptic patterns. This diffraction grating has A1, A2 grating spaces respectively in two orthogonal directions. The grating pitches of the diffraction grating, therefore, vary in different radial directions and the setting of the grating pitches corresponding to the spread angles of the second harmonic wave beams respectively in the different radial directions is possible. The collimating or condensing of the light second harmonic wave having no axisymmetry is possible in this way.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、光情報処理や光計ill等に用いる短波長の
光源を得るための波長変換光学素子に係わり、特に光導
波路と波面変換素子とを組み合わせた波長変換光学素子
に関する。
Detailed Description of the Invention [Objective of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a wavelength conversion optical element for obtaining a short wavelength light source used for optical information processing, optical meter illumination, etc. The present invention relates to a wavelength conversion optical element that combines a wave path and a wavefront conversion element.

(従来の技術) 近年、高密度光ディスクシステム、計alll及び表示
システム等への応用を目的として、短波長のコヒーレン
ト光源の開発が進められている。光デイスクシステムで
は、ディスク面上に絞られる光のスポット径が光源の波
長に比例するため、高密度化を実現するには短波長の光
源が必須である。
(Prior Art) In recent years, short-wavelength coherent light sources have been developed for application to high-density optical disk systems, all-in-one systems, display systems, and the like. In an optical disk system, the spot diameter of the light focused on the disk surface is proportional to the wavelength of the light source, so a short wavelength light source is essential to achieve high density.

短波長の光源として、半導体レーザは小型、軽量、低消
費電力という利点を持つため、新しい材料を用いた短波
長のレーザの開発が進められており、既に 0.6μm
帯(赤色)に発振波長を持つInGaAIP系半導体レ
ーザは実用化のレベルに至っている。しかしながら、さ
らに短波長の緑色或いは青色のレーザについては研究は
行われているものの、室温で連続発振するレーザは得ら
れておらず、実用化の見通しは未だついていない。
As a short-wavelength light source, semiconductor lasers have the advantages of being small, lightweight, and low power consumption, so the development of short-wavelength lasers using new materials is progressing, and it has already reached 0.6 μm.
InGaAIP semiconductor lasers with an oscillation wavelength in the red band have reached the level of practical use. However, although research has been carried out on green or blue lasers with shorter wavelengths, a laser that continuously oscillates at room temperature has not been obtained, and there is still no prospect of practical use.

一方、短波長の光源を実現する他の手段として、非線形
光学結晶を用いた光第2高調波発生(SHG)があり、
従来より多くの研究が行われている。小型、低消費電力
を実現させるため、基本波光源として半導体レーザを用
い、非線形光学結晶を導波路化する試みが行われており
、例えば第15図に示したようなプロトン交換L i 
N b Oi導波路を用いて、半導体レーザの光第2高
調波として青色光源が得られている(T、Tan1uc
hl at al、: 0pLo−electronl
cs、 Vol、2. No、1. pp、5g−58
(1987)、)。
On the other hand, as another means of realizing a short wavelength light source, there is optical second harmonic generation (SHG) using a nonlinear optical crystal.
More research has been conducted than ever before. In order to realize compact size and low power consumption, attempts have been made to use a semiconductor laser as a fundamental wave light source and to turn a nonlinear optical crystal into a waveguide. For example, proton exchange L i as shown in Fig.
A blue light source has been obtained as the optical second harmonic of a semiconductor laser using an N b Oi waveguide (T, Tanuc
hl at al,: 0pLo-electronl
cs, Vol, 2. No, 1. pp, 5g-58
(1987), ).

なお、図中100はL i N b O3基板、101
は導波部、104は基本波、10Bは出射光(光第2高
調波)を示している。この方式は、チェレンコフ放射に
より光第2高調波を導波路基板内へ放n=tさせるもの
で、従来のSHG方式に比べ、角度制御、温度制御によ
る位相整合が不要であるという利点を持つ。
In addition, 100 in the figure is a L i N b O3 substrate, 101
104 indicates a waveguide, 104 indicates a fundamental wave, and 10B indicates an output light (optical second harmonic). This method emits optical second harmonics into the waveguide substrate n=t by Cerenkov radiation, and has the advantage that phase matching by angle control and temperature control is not required compared to the conventional SHG method.

しかしながら、チェレンコフ放射光は軸上に分布した発
光源から放射される複雑な波面を有しているため、出射
光の第2高調波のコリメート或いは集光を行うには特殊
な光学系を必要とし、ビームを回折限界のスポット径に
まで絞ることは困難である。等方媒質中で軸上に分布し
た発光源から放射される光は円錐波と呼ばれており、こ
のような円錐波は例えばアクシコンと呼ばれる光学素子
(J、H,McLeod : J、Opi、Soc、^
m、、Vo1.44、No、8゜pp、592−597
 (1954) )により、コリメートすることが可能
である。アクシコンの代表的な例としては円錐プリズム
がある。
However, since Cerenkov synchrotron radiation has a complex wavefront emitted from a light source distributed on the axis, a special optical system is required to collimate or focus the second harmonic of the emitted light. , it is difficult to focus the beam to a diffraction-limited spot diameter. Light emitted from a light emitting source distributed on the axis in an isotropic medium is called a conical wave, and such a conical wave is generated by an optical element called an axicon (J, H, McLeod: J, Opi, Soc). , ^
m,, Vo1.44, No, 8゜pp, 592-597
(1954)) allows for collimation. A typical example of an axicon is a conical prism.

ところが、先に述べたL i N b 03中のチェレ
ンコフ放射光は完全な円錐波とはならない。これは、一
般に非線形光学結晶の屈折率が光の伝搬方向及び偏光方
向によって天なることによる。即ち、LiNb0.基板
中に放射される第2高調波も方向によって出射角が穴な
り、軸対称とはならない。
However, the Cherenkov radiation in L i N b 03 described above does not form a perfect conical wave. This is because the refractive index of a nonlinear optical crystal generally varies depending on the propagation direction and polarization direction of light. That is, LiNb0. The second harmonic radiated into the substrate also has an emission angle depending on the direction and is not axially symmetrical.

従って、このようなビームを軸対称のアクシコンを用い
てコリメートすることはできない。
Therefore, such a beam cannot be collimated using an axisymmetric axicon.

(発明が解決しようとする課題) このように従来、位相整合が不要のチェレンコフ放射を
利用するSHGでは、基板の異方性により出射ビームが
軸対称とはならないため、出射ビームをコリメート或い
は集光させることは困難であった。
(Problem to be Solved by the Invention) Conventionally, in SHG that uses Cerenkov radiation that does not require phase matching, the emitted beam is not axially symmetrical due to the anisotropy of the substrate, so the emitted beam must be collimated or focused. It was difficult to do so.

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、チェレンコフ放射により光導波路か
ら出射される軸対称性を持たない第2高調波ビームをコ
リメート或いは集光させることができ、小型で短波長の
光源の実用化に寄与し得る波長変換光学素子を提供する
ことにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to collimate or condense a second harmonic beam having no axis symmetry that is emitted from an optical waveguide due to Cerenkov radiation. It is an object of the present invention to provide a wavelength conversion optical element that can contribute to the practical use of compact, short-wavelength light sources.

[9!明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明の1’を子は、光導波路端面から出射される第2
高調波ビームのコリメート或いは集光を可能とするため
に、波面変換素子を楕円若しくは同心円パターンの回折
格子で形成し、半径方向に関する回折格子の等偏向な格
子ピッチを第2高調波ビームの広がり角に応じて変える
ことにある。
[9! [Means for Solving the Problems] 1' of the present invention is based on the second
In order to enable collimation or condensation of the harmonic beam, the wavefront conversion element is formed by a diffraction grating with an elliptical or concentric pattern, and the grating pitch with equal polarization of the diffraction grating in the radial direction is adjusted to the spread angle of the second harmonic beam. The goal is to change it accordingly.

即ち本発明は、導波層及び基板の少なくとも一方が非線
形光学材料で形成され、基本波が導波モード、第2高調
波がチェレンコフ放射光となるように導波部層び基板の
屈折率が設定された光導波路と、この光導波路の光出射
端面に接して又は対向して設けられ、該端面から出射さ
れた光の波面を変換する波面変換素子とを備えた波長変
換光学素子において、前記波面変換素子を楕円パターン
の一部からなる回折格子で形成するようにしたものであ
り、望ましくは光第2高調波の波長における常光及び異
常光に対する前記基板の屈折率をそれぞれn■とじたと
き、前記楕円パターンの長袖と短軸との比がnoon、
となるように設定したものである。
That is, in the present invention, at least one of the waveguide layer and the substrate is formed of a nonlinear optical material, and the refractive index of the waveguide layer and the substrate is such that the fundamental wave becomes the waveguide mode and the second harmonic becomes Cerenkov radiation. A wavelength conversion optical element comprising a set optical waveguide and a wavefront conversion element that is provided in contact with or opposite to a light output end face of the optical waveguide and converts the wavefront of light emitted from the end face, The wavefront conversion element is formed by a diffraction grating consisting of a part of an elliptical pattern, and preferably, when the refractive index of the substrate for ordinary light and extraordinary light at the wavelength of the second harmonic of light is n , the ratio of the long sleeve to the short axis of the elliptical pattern is noon,
It is set so that

また本発明は、導波層及び基板の少なくとも一方が非線
形光学材料で形成され、基本波が導波モード、第2高調
波がチェレンコフ放射光となるように導波層及び基板の
屈折率が設定された光導波路と、この光導波路の光出射
端面に接して又は対向して設けられ、該端面から出射さ
れた光の波面を変換する波面変換素子とを備えた波長変
換光学素子において、前記波面変換素子を同心円パター
ンの一部からなる回折格子で形成し、且つ前記光出射端
面及び波面変換素子の少なくとも一方を、前記導波層に
垂直な面から傾けて配置するようにしたものであり、望
ましくは前記光出射端面及び波面変換素子の傾き角が同
じとなるように設定したものである。
Further, in the present invention, at least one of the waveguide layer and the substrate is formed of a nonlinear optical material, and the refractive index of the waveguide layer and the substrate is set so that the fundamental wave is a waveguide mode and the second harmonic is Cherenkov radiation. A wavelength converting optical element comprising: an optical waveguide having a light output from the optical waveguide; and a wavefront conversion element that is provided in contact with or opposite to a light output end face of the optical waveguide and converts a wavefront of light emitted from the end face. The conversion element is formed of a diffraction grating consisting of a part of a concentric pattern, and at least one of the light output end face and the wavefront conversion element is arranged at an angle from a plane perpendicular to the waveguide layer, Preferably, the inclination angles of the light emitting end face and the wavefront conversion element are set to be the same.

(作用) 本発明によれば、波面変換素子を形成する回折格子を楕
円パターンとすることにより、異なる半径方向で回折格
子の格子ピッチが巣なることになり、異なる半径方向で
それぞれ第2高調波ビームの広がり角に応じた格子ピッ
チを設定することができる。従って、チェレンコフ放射
方式による先導波型SHGにおいて、軸対称性を持たな
い光第2高調波のコリメート或いは集光が可能となる。
(Function) According to the present invention, by forming the diffraction grating forming the wavefront conversion element into an elliptical pattern, the grating pitch of the diffraction grating becomes nested in different radial directions, and the second harmonic is generated in different radial directions. The grating pitch can be set according to the beam spread angle. Therefore, in the leading wave type SHG using the Cerenkov radiation method, it is possible to collimate or condense optical second harmonics that do not have axial symmetry.

また、回折格子を同心円パターンとしても光出射端面及
び波面変換素子の少なくとも一方を、導波層に垂直な面
から傾けて配置することにより、楕円パターンとした場
合と同様に、異なる半径方向でそれぞれ第2高調波ビー
ムの広がり角に応じた格子ピッチを設定することができ
、軸対称性を持たない光第2高調波のコリメート或いは
集光が可能となる。
Furthermore, even if the diffraction grating is arranged in a concentric circular pattern, at least one of the light emitting end face and the wavefront conversion element is tilted from the plane perpendicular to the waveguide layer. The grating pitch can be set according to the spread angle of the second harmonic beam, and it becomes possible to collimate or condense the optical second harmonic without axial symmetry.

(実施例) 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。(Example) Hereinafter, details of the present invention will be explained with reference to illustrated embodiments.

第1図は本発明の第1の実施例に係わる波長変換光学素
子の概略構成を示す斜視図である。図中10はL i 
NbO3基板であり、この基板10上に導波部11を形
成して光導波路が構成されている。この光導波路の光出
射端面13に対向又は接して、楕円パターンの回折格子
からなる波面変換素子12が配置されている。そして、
光入射端面から導波部11内に基本波14が入射され、
基板10中に伝搬したチェレンコフ放射光(光第2高調
波)15が光出射端面13から出射され、さらにこの放
射光15が波面変換素子12により平行光16に変換さ
れるものとなっている。
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a wavelength conversion optical element according to a first embodiment of the present invention. In the figure, 10 is Li
The substrate 10 is a NbO3 substrate, and a waveguide section 11 is formed on this substrate 10 to constitute an optical waveguide. A wavefront conversion element 12 made of an elliptical pattern diffraction grating is arranged opposite to or in contact with the light output end face 13 of this optical waveguide. and,
The fundamental wave 14 is input into the waveguide 11 from the light incidence end face,
Cherenkov radiation light (optical second harmonic) 15 propagated into the substrate 10 is emitted from the light emitting end face 13, and this radiation light 15 is further converted into parallel light 16 by the wavefront conversion element 12.

ここで、基本波14の波長λ1及び光第2高調波15の
波長λ2 (−λ、/2)に対する基板IOの屈折率を
それぞれnl+n2とすると、n、 <nEPF <n
2         +++ (1)を満たすように基
板10の材料が選択されている。
Here, if the refractive index of the substrate IO with respect to the wavelength λ1 of the fundamental wave 14 and the wavelength λ2 (-λ, /2) of the optical second harmonic 15 is nl+n2, then n, <nEPF <n
2 +++ The material of the substrate 10 is selected so as to satisfy (1).

但し、n EPFは光導波路の基本波に対する実効屈折
率である。L i N b Oiは非線形光学定数d3
Nが大きな値を持っているため、このd33を利用でき
るように基板方位、基本波の伝搬方向及び偏光方向が選
ばれている。即ち、基板としてZ板を用いる場合には基
本波の導波モードはy伝搬(又はX伝搬)のT Mモー
ドであり、X板(又はyN)を用いる場合には基本波の
導波モードはy伝搬(又はX伝搬)のTEモードである
However, n EPF is the effective refractive index of the optical waveguide with respect to the fundamental wave. L i N b Oi is the nonlinear optical constant d3
Since N has a large value, the substrate orientation, fundamental wave propagation direction, and polarization direction are selected so that this d33 can be utilized. That is, when a Z plate is used as the substrate, the waveguide mode of the fundamental wave is the y propagation (or X propagation) TM mode, and when an X plate (or yN) is used, the waveguide mode of the fundamental wave is This is the TE mode of y propagation (or X propagation).

波長λ1の基本波14がこの光導波路端面に入射すると
、LiNbO3の非線形光学効果によって、この光がλ
1/2の光第2高調波に変換され、導波部11に対しθ
Cの角度を持ったチェレンコフ放射光15として基板1
0中を伝搬する。θ。
When the fundamental wave 14 with wavelength λ1 is incident on the end face of this optical waveguide, the nonlinear optical effect of LiNbO3 causes this light to
It is converted into a 1/2 optical second harmonic, and θ
Substrate 1 as Cerenkov radiation 15 with angle C
Propagates through 0. θ.

はn I!pp及びn2と次の関係にある。Ha n I! It has the following relationship with pp and n2.

n 2 Cogθc −n gpp        −
(2)このチェレンコフ放射光は基板端面13で屈折さ
れ、角度θで空気中に放射される。ここで、θ。
n 2 Cogθc −n gpp −
(2) This Cherenkov radiation is refracted at the substrate end face 13 and radiated into the air at an angle θ. Here, θ.

とθCとは以下の関係にある。and θC have the following relationship.

n2sfnθ(−sinθo       ・”  (
3)空気中へ放射された第2高調波は波面変換素子12
によって平行光16に変換される。この平行光16は、
通常のレンズで回折限界のスボ・ソト径にまで絞ること
が可能である。波面変換素子12の構造例を第2図に示
す。図に示したように、波面変換素子12は楕円パター
ンの一部からなる回折格子で形成されている。この回折
格子は、直交する2方向でそれぞれAI、A2の格子間
隔を持っている。
n2sfnθ(-sinθo ・” (
3) The second harmonic radiated into the air is transmitted to the wavefront conversion element 12
is converted into parallel light 16 by . This parallel light 16 is
It is possible to focus down to the diffraction limit subo-soto diameter using a normal lens. An example of the structure of the wavefront conversion element 12 is shown in FIG. As shown in the figure, the wavefront conversion element 12 is formed of a diffraction grating that is a part of an elliptical pattern. This diffraction grating has grating spacings of AI and A2 in two orthogonal directions, respectively.

次に、上記の波面変換素子の原理について説明する。ま
ず、第2高調波に対する基板の屈折率を求めるため、第
3図に示したような屈折率楕円体を考える。ここで、基
本波導波モードの伝搬方向をXとし、その偏光方向と同
じ方向にベクトルn、をとる。第2高38波の進行方向
を表わすポインティングベクトルをS、第2高調波の偏
光方向に一致し、絶対値が第2高:J3波に対する屈折
率の大きさであるようなベクトルをnzとする。Sとx
 Toとのなす角をθ、Sのyz面への投影と2軸との
なす角をψとすると、Sは次式で表わされる。
Next, the principle of the above wavefront conversion element will be explained. First, in order to find the refractive index of the substrate for the second harmonic, consider a refractive index ellipsoid as shown in FIG. Here, the propagation direction of the fundamental waveguide mode is set to X, and a vector n is set in the same direction as the polarization direction. Let S be the Poynting vector representing the traveling direction of the second harmonic wave, and let nz be a vector that matches the polarization direction of the second harmonic and whose absolute value is the magnitude of the refractive index for the second harmonic: J3 wave. . S and x
S is expressed by the following equation, where θ is the angle with To, and ψ is the angle between the projection of S onto the yz plane and the two axes.

T’−(cosθ、  sinθs1nφ+  5ln
fl cosφ) ・(4)またnl+ 02を nよ−(○、O,n、)       ・・・(5)n
z −(x、V+ z)        ・・・(6)
とすると、各ベクトルは次の関係を満たす必要がある。
T'-(cosθ, sinθs1nφ+ 5ln
fl cosφ) ・(4) Also, nl+ 02 as n-(○, O, n,) ...(5) n
z − (x, V + z) ... (6)
Then, each vector must satisfy the following relationship.

(x/no)2+(y/no)2”  (z/n−)2
−1  −  (7)s*n2 =0        
        ・・・ (8)s ・ (nl  x
Q2)−0−(9)ここで、no1n*は第2高調波の
波長における常光及び異常光に対する屈折率を表わす。
(x/no)2+(y/no)2” (z/n-)2
−1 − (7)s*n2 =0
... (8) s ・ (nl x
Q2) -0-(9) Here, no1n* represents the refractive index for ordinary light and extraordinary light at the wavelength of the second harmonic.

(4)〜(9)式より、第2高調波に対する屈折率n2
は次式で与えられる。
From equations (4) to (9), the refractive index n2 for the second harmonic
is given by the following equation.

n2s”   nz  2 ・・・・・・(10) 上式のθは第1図の構成でチェレンコフ放射角θ。に相
当する。(10)式の02は (2)式を満たす必要が
あるので、(2)、  (10)式よりθCは次式で与
えられることになる。
n2s" nz 2 ......(10) θ in the above equation corresponds to the Cherenkov radiation angle θ in the configuration shown in Figure 1. Since 02 in equation (10) needs to satisfy equation (2), , (2), and (10), θC is given by the following equation.

即ち、第1図のような構成では、一般にチェレンコフ放
射角θCは角度ψによって異なる。ψはX板、TE偏光
を用いる場合には導波路面からの角度、またZ板、7M
偏光を用いる場合にはその余角に相当する。(11)式
のψ依存性により、端面から放射される第2高調波の空
気中での角度θ。
That is, in the configuration shown in FIG. 1, the Cerenkov radiation angle θC generally varies depending on the angle ψ. ψ is the X plate, the angle from the waveguide plane when using TE polarization, and the Z plate, 7M
When polarized light is used, it corresponds to its complementary angle. Due to the ψ dependence of equation (11), the angle θ in the air of the second harmonic radiated from the end face.

もψにより変わる。Z軸を含む面内(ψ−0)、及び2
軸に垂直な面内(ψ−π/2)における、空気中でのチ
ェレンコフ放射角をそれぞれθ。1及びθ。2とすると
、(3) 、  (11)式より、sin θo+−n
 o(1−n EFP2/ n *’) ”” −(1
2)sln θ02− n !(1−n F!pp2/
 n *’) ”” −(13)LiNbo、の場合、
n o、  n eは波長λ[am]及び温度T [K
]の関数として、次式で与えられる(tl、V、tlo
bden et at、: Phys、Lett、、 
Vol、23゜No、3. pp、243−244 (
196B)、)。
also changes depending on ψ. In the plane containing the Z axis (ψ-0), and 2
Let θ be the Cherenkov radiation angle in air in the plane perpendicular to the axis (ψ−π/2). 1 and θ. 2, then from equations (3) and (11), sin θo+−n
o(1-n EFP2/ n *') ”” −(1
2) sln θ02-n! (1-n F!pp2/
n *') ”” −(13) LiNbo, in the case of
n o and n e are the wavelength λ [am] and the temperature T [K
] as a function of (tl, V, tlo
bden et at,: Phys, Lett,,
Vol, 23°No, 3. pp, 243-244 (
196B),).

n。n.

4.9130 0.00278 λ n 、  2− 4.5567 − 0.00224  λ 2 +  2.005X 10−’T 2 室温(25℃)におけるL i NbO,の屈折率の波
長特性を第4図に示す。基本波及び第2高請波の波長を
それぞれ0.84μm、 0.42μmとした場合の、
(1)〜(3)式におけるnl +  nz r  n
EFPの関係を図中に示した。上式を用いて計算した基
板内及び空気中での第2高調波の放射角とΔNとの関係
を第5図に示す。ここで、ΔNは導波モードに対する実
効屈折率と基板屈折率との差、即ちΔNs*ngpp 
 nl  (ct>)      −(ie)で与えら
れ、導波部と基板の屈折率差Δn−n。
4.9130 0.00278 λ n , 2- 4.5567 - 0.00224 λ 2 + 2.005X 10-'T 2 The wavelength characteristics of the refractive index of Li NbO at room temperature (25°C) are shown in Fig. show. When the wavelengths of the fundamental wave and the second high-order wave are 0.84 μm and 0.42 μm, respectively,
nl + nz r n in formulas (1) to (3)
The relationship of EFP is shown in the figure. FIG. 5 shows the relationship between the radiation angle of the second harmonic in the substrate and in the air and ΔN calculated using the above formula. Here, ΔN is the difference between the effective refractive index for the guided mode and the substrate refractive index, that is, ΔNs*ngpp
The refractive index difference Δn−n between the waveguide and the substrate is given by nl (ct>)−(ie).

−nl  (n、fil’l、(ω))とは以下の関係
にある。
−nl (n, fil'l, (ω)) has the following relationship.

0   く   Δ N   く   Δ n    
           ・・・ (17)なお、第5図
の例では(11)式におけるψがO及びπ/2の2通り
の場合を示した。
0 Ku Δ N Ku Δ n
(17) In the example shown in FIG. 5, there are two cases in which ψ in equation (11) is O and π/2.

θCが(11)式で与えられるとき、この光をコリメー
トする波面変換素子として用いる回折格子の格子間隔は
次式で与えられる。
When θC is given by equation (11), the grating spacing of the diffraction grating used as a wavefront conversion element for collimating this light is given by the following equation.

上式から判るように、チェレンコフ放射角のψ依存性に
対応して、格子間隔Aも角度ψによって変わる。ψ−0
のときのAをA、 ψ−π/2のときのAt−A2とす
ると、A、、A2はそれぞれ次のように表わされる。
As can be seen from the above equation, the lattice spacing A also changes depending on the angle ψ, corresponding to the ψ dependence of the Cerenkov radiation angle. ψ−0
Let A be A when , and At-A2 be At-A2 when ψ-π/2, then A, , A2 can be expressed as follows, respectively.

A1−mλ2/no/(1−ngpp2/n*’) ”
”   ・” (19)A2−mλ2/IT@/ 0−
navF2/na ’) ” ’   −(20)0く
ψくπ/2ではAは(19)、 (20)式の中間の値
を取り、結局、波面変換素子グレーティングの等位相線
は長袖と短軸の比がn。:n、の楕円となる。
A1-mλ2/no/(1-ngpp2/n*')"
"・" (19) A2-mλ2/IT@/ 0-
navF2/na ') '' - (20) 0 x π/2, A takes an intermediate value between equations (19) and (20), and as a result, the equiphase line of the wavefront conversion element grating is divided into long sleeve and short sleeve. It becomes an ellipse with the axis ratio n.:n.

第6図に、1次の回折を用いる場合(m−1)の格子間
隔A I + A 2とΔNとの関係を示す。グレーテ
ィング加工の観点からは八が大きい方がよいが、図から
、そのためにはΔNを大きくする必要があることが判る
。第6図より、ΔN −0,135のとき%nEPF(
ω)−n、(2ω)となって、θ。
FIG. 6 shows the relationship between the lattice spacing A I + A 2 and ΔN when first-order diffraction is used (m-1). From the perspective of grating processing, it is better to have a larger value of 8, but from the figure it can be seen that for this purpose it is necessary to increase ΔN. From Figure 6, when ΔN -0,135, %nEPF (
ω)-n, (2ω), and θ.

−〇。−〇となり、このときA−■となる。−〇. -〇, and at this time, it becomes A-■.

プロトン交換による導波路形成では、異常光に対する屈
折率差が大きくとれることが知られており、例えばΔn
−0,13という値が報告されている(谷内他:応用物
理、 Vol、56. No、12. pp、1637
−1614(19117))。従って、ΔNを(1,1
程度に設定することが可能である。このとき、第6図よ
り、格子間隔Aは約1μmとなる。この程度のグレーテ
ィングは、例えば電子ビーム描画等により作成可能であ
る(G、IIatakoshl et al、:^pp
1.opt、、Vol。
It is known that waveguide formation by proton exchange can provide a large refractive index difference for extraordinary light; for example, Δn
A value of -0.13 has been reported (Taniuchi et al.: Applied Physics, Vol. 56. No. 12. pp. 1637
-1614 (19117)). Therefore, ΔN is (1, 1
It is possible to set it to a certain degree. At this time, from FIG. 6, the lattice spacing A is approximately 1 μm. A grating of this level can be created by, for example, electron beam lithography (G, IIatakoshl et al.: ^pp
1. opt,, Vol.

24、 No、24. pp、4307−4311(1
985)、)。
24, No, 24. pp, 4307-4311 (1
985),).

前記第2図に示したグレーティングは、回折効率を上げ
るため、断面を鋸歯状としたブレーズ化形状となってい
るが、このようなグレーティングでも電子ビーム描画時
のドーズ量制御等によって形成可能である。なお、第1
図の例では出射光をコリメートするための波面変換素子
の例を示しであるが、グレーティングパターンを変える
ことにより、出射光を収束或いは発散する球面波に変換
する波面変換素子を可能である。この場合にもグレーテ
ィングパターンはやはり楕円状となる。但し、第2図に
示したようなそれぞれの方向で等間隔のグレーティング
ではなく、不等間隔のグレーティングとなる。
The grating shown in FIG. 2 has a blazed shape with a sawtooth cross section in order to increase diffraction efficiency, but such a grating can also be formed by controlling the dose during electron beam lithography. . In addition, the first
The illustrated example shows an example of a wavefront conversion element for collimating the emitted light, but by changing the grating pattern, it is possible to create a wavefront conversion element that converts the emitted light into a spherical wave that converges or diverges. In this case, the grating pattern also has an elliptical shape. However, the gratings are not equally spaced in each direction as shown in FIG. 2, but are unevenly spaced.

上述したように第2図に示したグレーティングパターン
は電子ビーム描画等により作成可能であるが、楕円パタ
ーンであるため、機緘加工等の他の方法による作成は困
難である。NC旋盤を用いれば同心円パターンのグレー
ティングは比較的容易に作成できるが、第1図の配置で
はこのような同心円パターンのグレーティングを波面変
換素子として利用することはできない。そこで、次に同
心円パターンのグレーティングを波面変換素子として用
いるための構成を示す。
As described above, the grating pattern shown in FIG. 2 can be created by electron beam drawing, etc., but since it is an elliptical pattern, it is difficult to create it by other methods such as machining. Although a grating with a concentric pattern can be produced relatively easily using an NC lathe, such a grating with a concentric pattern cannot be used as a wavefront conversion element with the arrangement shown in FIG. Therefore, next, a configuration for using a concentric pattern grating as a wavefront conversion element will be described.

第7図は、本発明の第2の実施例を示したもので、波面
変換素子として同心円パターンのグレーティングを用い
ている。図中20はL i N b O3基板、21は
導波部、22は同心円パターンの回折格子からなる波面
変換素子である。この図に示したように、同心円パター
ンの波面変換素子又は導波路基板端面を傾けて使用する
ことにより、チェレンコフ放射角の異方性を補正するこ
とが可能である。ここで、同心■グレーティング波面変
換素子及び導波路基板端面の傾き角をそれぞれφ及びΦ
とする。導波路が2板、導波モードがy伝搬の7Mモー
ドとすると、このような配置で、出射光をコリメートす
るためには、グレーティングの格子間隔Aは(20〉式
で与えられるA2を用い、またφ及びΦが次式を満たす
ように傾き角を設定すればよい。
FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention, in which a concentric pattern grating is used as the wavefront conversion element. In the figure, 20 is a L i N b O3 substrate, 21 is a waveguide, and 22 is a wavefront conversion element consisting of a diffraction grating with a concentric pattern. As shown in this figure, it is possible to correct the anisotropy of the Cerenkov radiation angle by using a concentric pattern of wavefront conversion elements or tilting the end face of the waveguide substrate. Here, the inclination angles of the concentric grating wavefront conversion element and the end face of the waveguide substrate are φ and Φ, respectively.
shall be. Assuming that there are two waveguides and the waveguide mode is 7M mode with y propagation, in order to collimate the emitted light with this arrangement, the grating spacing A is given by the formula (20), using A2, Further, the inclination angle may be set so that φ and Φ satisfy the following equation.

sln[51n−’ ln2+5ln(θC1−Φ))
+Φ−φ]+slnφ=  sinθ02   ・”<
21)(2) 、 (3)式等の関係を用いると上式は
次のように変形される。
sln[51n-' ln2+5ln(θC1-Φ))
+Φ−φ]+slnφ= sinθ02 ・”<
21) Using the relationships such as (2) and (3), the above equation can be transformed as follows.

1−(SIn(Io+eO8φ−t++:pps1n4
1) 2sln(I−φ)+(Slflθo+con−
nEppsinΦ)cos(Φ−φ)+slnφ−si
n  θ02  ”’(22) ここで、θ。1及びθo2は(12)、  (1,3)
式と同じものである。X板導波路でy伝搬のTEモード
を用いる場合には、格子間隔Aとして(19〉式で与え
られるA1を用い、上式においてθ。1とθ。2を交換
すればよい。
1-(SIn(Io+eO8φ-t++:pps1n4
1) 2sln(I-φ)+(Slflθo+con-
nEppsinΦ)cos(Φ-φ)+slnφ-si
n θ02 ”' (22) Here, θ.1 and θo2 are (12), (1, 3)
It is the same as the expression. When using the TE mode of y-propagation in the X-plate waveguide, A1 given by equation (19) may be used as the grating spacing A, and θ.1 and θ.2 may be exchanged in the above equation.

第7図の例は波面変換素子及び導波路基板端面の両方を
傾けて使用する場合を示しであるが、片方のみ傾けても
放射角の異方性の補正は可能である。なお、図中20は
L i N b O3基板、21は導波部、24は基本
波、25は基板10中に伝搬したチェレンコフ放射光(
光第2高調波)、26はコリメートされた平行光を示し
ている。
The example in FIG. 7 shows a case where both the wavefront conversion element and the end face of the waveguide substrate are tilted, but it is also possible to correct the anisotropy of the radiation angle even if only one side is tilted. In the figure, 20 is a L i N b O3 substrate, 21 is a waveguide, 24 is a fundamental wave, and 25 is Cherenkov radiation propagated into the substrate 10 (
26 indicates collimated parallel light.

第8図は本発明の第3の実施例を示したもので、同心円
パターンの波面変換素子を傾けることにより、放射角を
補正している。この場合の傾き角を求めるには(21)
式でΦ−0とおけばよい。即ち、同心円グレーティング
波面変換素子の傾き角φは次式で与えられる(X板、y
伝搬、7Mモードの場合)。
FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention, in which the radiation angle is corrected by tilting a wavefront conversion element having a concentric pattern. To find the tilt angle in this case (21)
It is sufficient to set Φ-0 in the formula. That is, the inclination angle φ of the concentric grating wavefront conversion element is given by the following formula (X plate, y
propagation, for 7M mode).

但し、 A  −(1−cos7to+)2+5ln2θat−
8lr12θ。2である。同様にしてX板、TEモード
の場合には、上式は次式で置き換えられる。
However, A −(1−cos7to+)2+5ln2θat−
8lr12θ. It is 2. Similarly, in the case of the X plate and TE mode, the above equation can be replaced by the following equation.

但し、 B −(1−cosθo2)2+5ln2θo2−3i
n2θo1である。φの符号はX板の場合とX板の場合
とで異なる。即ち、(23)式ではφ<0.(24)式
ではφ〉Oとなる。第9図に(16)式で定義されるΔ
Nとφとの関係を示した。
However, B −(1-cosθo2)2+5ln2θo2-3i
n2θo1. The sign of φ is different between the case of the X plate and the case of the X plate. That is, in equation (23), φ<0. In equation (24), φ>O. Figure 9 shows Δ defined by equation (16).
The relationship between N and φ is shown.

第10図は本発明の第4の実施例を示したもので、導波
路端面のみを傾ける場合を示したものである。この場合
には、(22)式でφ−〇と置くことにより、端面傾き
角Φが次式のように求まる(2板、7Mモードの場合)
FIG. 10 shows a fourth embodiment of the present invention, in which only the end face of the waveguide is tilted. In this case, by setting φ−〇 in equation (22), the end face inclination angle Φ can be found as shown in the following equation (in case of 2 plates, 7M mode)
.

tanΦ= (Slnf)o+−9lnθ02)/ (
ngpp−cosθ02)・・・・・・(25) 同様にして、xli、TEモードの場合には、tanΦ
= (sinθo2−9inllo+)/(nEpp−
cosθ01)・・・・・・(26) 波面変換素子を傾けて用いる場合と同様に、X板とX板
とでは、Φの符号が兄なる。第11図にΔNとΦとの関
係を示した。第9図と第11図とを比較して判るように
、チェレンコフ放射角の異方性補正の効果はφよりΦの
方が大きい。即ち、波面変換素子を傾けるより、基板端
面を傾けた方が、僅かな傾きで済む。これは、ΔNが大
きい程顕著である。ΔN −0,135のとき、即ち、
n EFF(ω)−n、(2ω)のときは、Φによる補
正は0であるにもかかわらず、φによる補正が必要とな
るのは矛盾しているようであるが、これは、このときに
θ。、−θ。2−0となり、格子間隔が無限大となって
、φが不定となるからである。
tanΦ= (Slnf)o+-9lnθ02)/(
ngpp-cosθ02) (25) Similarly, in the case of xli, TE mode, tanΦ
= (sinθo2−9inllo+)/(nEpp−
cos θ01) (26) Similarly to the case where the wavefront conversion element is tilted and used, the X plate and the X plate have the same sign of Φ. FIG. 11 shows the relationship between ΔN and Φ. As can be seen by comparing FIG. 9 and FIG. 11, the effect of anisotropic correction of the Cherenkov radiation angle is greater for Φ than for φ. That is, it is better to incline the end face of the substrate than to incline the wavefront conversion element with a slight inclination. This becomes more noticeable as ΔN becomes larger. When ΔN −0,135, that is,
When n EFF(ω) - n, (2ω), it seems contradictory that correction by φ is required even though the correction by Φ is 0. niθ. , −θ. 2-0, the lattice spacing becomes infinite, and φ becomes indeterminate.

第12図は本発明の第5の実施例を示したちので、導波
路基板端面及び波面変換素子の両方を同じ向きに傾ける
場合を示したものである。この配置では、波面変換素子
を基板端面に接着できるので、位置合わせが容易である
。このときの傾き角は(22)式でΦ−φと置けばよい
。即ち、2[,7Mモードの場合、端面傾き角Φは次式
で与えられる。
FIG. 12 shows a fifth embodiment of the present invention, in which both the end face of the waveguide substrate and the wavefront conversion element are tilted in the same direction. In this arrangement, the wavefront conversion element can be bonded to the end surface of the substrate, so alignment is easy. The tilt angle at this time can be expressed as Φ-φ in equation (22). That is, in the case of the 2[,7M mode, the end face inclination angle Φ is given by the following equation.

但し、 C” (napp−1)2+5ln2θ、、−5in2
θo2である。同様にしてx仮、7Mモードの場合には
、上式は次式で置き換えられる。
However, C” (napp-1)2+5ln2θ,,-5in2
θo2. Similarly, in the case of x tentative, 7M mode, the above equation is replaced by the following equation.

但し、 C= (nI:pp−1)2+5ln2θ、2−sin
2θo1である。なお、第13図に、(27)、(28
〉式でりえられるΔNとΦとの関係を示した。
However, C= (nI:pp-1)2+5ln2θ, 2-sin
2θo1. Furthermore, in Fig. 13, (27) and (28
The relationship between ΔN and Φ, which can be obtained by the above formula, is shown.

このように、本発明の第1の実施例によれば、チェレン
コフ放射方式の波長変換光学素子において、第2図に示
したような楕円パターンの回折格子からなる波面変換素
子を設けることにより、光導波路から出射される第2高
調波ビームのコリメート或いは集光が可能となる。また
、第2乃至第5の実施例のように、波面変換素子及び光
導波路載板端面の少なくとも一方を傾けて使用する配置
を採用することにより、波面変換素子として作成が容易
な同心円パターンの回折格子を用いることができ、この
場合もコリメートされた第2高調波ビームを得ることが
可能となる。従って、入4.を光源として半導体レーザ
を用いることにより、従来の半導体レーザでは得られな
い短波長の緑色或いは青色の光源を実現することができ
る。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, a wavefront conversion element consisting of an elliptical pattern diffraction grating as shown in FIG. It becomes possible to collimate or condense the second harmonic beam emitted from the wave path. In addition, as in the second to fifth embodiments, by adopting an arrangement in which at least one of the wavefront conversion element and the end face of the optical waveguide mounting plate is tilted, a concentric pattern diffraction that can be easily created as a wavefront conversion element is achieved. A grating can be used, again making it possible to obtain a collimated second harmonic beam. Therefore, entering 4. By using a semiconductor laser as a light source, it is possible to realize a short wavelength green or blue light source that cannot be obtained with conventional semiconductor lasers.

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、光導波路の基板としては、L i N 
b O3の代わりに、LiTa0i。
Note that the present invention is not limited to the embodiments described above. For example, as a substrate for an optical waveguide, L i N
b LiTa0i instead of O3.

KNbO3、L i IO3、KTP等の無機非線形材
料やMNA、DAN等の有機非線形材料を用いることが
できる。また、光導波路の構成は、基板上に7XIJ膜
状の導波層を形成したものに限るものではなく、第14
図に示す如(L i N b 03等の非線形材料から
なる基板90の表面部に不純物拡散による導波部を形成
したものであってもよい。さらに、基板及び導波層は必
ずしも両方が非線形光学材料である必要はなく、これら
の少なくとも一方が非線形光学材料であればよい。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施することができる。
Inorganic nonlinear materials such as KNbO3, LiIO3, and KTP, and organic nonlinear materials such as MNA and DAN can be used. Furthermore, the configuration of the optical waveguide is not limited to one in which a 7XIJ film-like waveguide layer is formed on a substrate;
As shown in the figure, a waveguide portion may be formed by impurity diffusion on the surface of a substrate 90 made of a nonlinear material such as L i N b 03. Furthermore, both the substrate and the waveguide layer are not necessarily nonlinear. It is not necessary that the material is an optical material, and at least one of these materials may be a nonlinear optical material.In addition, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

[発明の効果] 以上詳述したように本発明によれば、波面変換素子を楕
円若しくは同心円パターンの回折格子で形成し、半径方
向に関する回折格子の等劇的な格子ピッチを第2高調波
ビームの広がり角に応じて変えるようにしているので、
チェレンコフ放射により光導波路から出射された軸対称
性を持たない光第2高調波ビームをコリメート或いは集
光させることができ、小型で短波長の光源を簡易に実現
することが可能となる。
[Effects of the Invention] As detailed above, according to the present invention, the wavefront conversion element is formed of a diffraction grating having an elliptical or concentric pattern, and the equi-dramatic grating pitch of the diffraction grating in the radial direction is adjusted to the second harmonic beam. Since it is changed according to the spread angle of
It is possible to collimate or condense the optical second harmonic beam having no axial symmetry emitted from the optical waveguide by Cerenkov radiation, and it becomes possible to easily realize a compact and short wavelength light source.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の第1の実施例に係わる波長変換光学素
子の概略構成を示す断面図、第2図は上記実施例に用い
る波面変換素子の描造例を示す図、第3図はLiNbO
3の屈折率について説明するための図、第4図はL i
 N b 03の屈折率と波長との関係を示す特性図、
第5図はチェレンコフ放射角とΔNとの関係を示す特性
図、第6図は波面変換素子の格子間隔とΔNとの関係を
示す特性図、第7図乃至第13図はそれぞれ本発明の他
の実施例を説明するためのもので、第7図、第8図、第
10図及び、第12図は素子構成を示す断面図、第9図
、第11図及び第13図は傾き角φとΔNとの関係を示
す特性図、第14図は本発明の変形例を示す斜視図、第
15図は従来の波長変換光学素子の一例を示す斜視図で
ある。 10.20,30.40.50・・・L i N b 
03基板、11,21.31,41.51・・・導波部
、12.22.32.42.52・・・波面変換素子、
13・・・導波路基板端面、14.24・・・基本波、
5・・・チェレンコフ放射光、 16゜ り 6・・・出射光。
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a wavelength conversion optical element according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an example of a wavefront conversion element used in the above embodiment, and FIG. LiNbO
A diagram for explaining the refractive index of 3, Figure 4 is L i
A characteristic diagram showing the relationship between the refractive index and wavelength of N b 03,
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between Cerenkov radiation angle and ΔN, FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between lattice spacing of the wavefront conversion element and ΔN, and FIGS. Figures 7, 8, 10 and 12 are cross-sectional views showing the element configuration, and Figures 9, 11 and 13 are for explaining the inclination angle φ. FIG. 14 is a perspective view showing a modification of the present invention, and FIG. 15 is a perspective view showing an example of a conventional wavelength conversion optical element. 10.20, 30.40.50...L i N b
03 substrate, 11, 21.31, 41.51... waveguide section, 12.22.32.42.52... wavefront conversion element,
13... Waveguide substrate end surface, 14.24... Fundamental wave,
5... Cherenkov synchrotron radiation, 16 degrees 6... Outgoing light.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)導波層及び基板の少なくとも一方が非線形光学材
料で形成され、基本波が導波モード、第2高調波がチェ
レンコフ放射光となるように導波層及び基板の屈折率が
設定された光導波路と、この光導波路の光出射端面に接
して又は対向して設けられ、該端面から出射された光の
波面を変換する波面変換素子とを備えた波長変換光学素
子において、前記波面変換素子が楕円パターンの一部か
らなる回折格子で形成されてなることを特徴とする波長
変換光学素子。
(1) At least one of the waveguide layer and the substrate is formed of a nonlinear optical material, and the refractive index of the waveguide layer and the substrate is set so that the fundamental wave is a waveguide mode and the second harmonic is Cherenkov radiation. A wavelength conversion optical element comprising an optical waveguide and a wavefront conversion element that is provided in contact with or opposite to a light output end face of the optical waveguide and converts a wavefront of light emitted from the end face, wherein the wavefront conversion element 1. A wavelength conversion optical element characterized in that the wavelength conversion optical element is formed of a diffraction grating consisting of a part of an elliptical pattern.
(2)光第2高調波の波長における常光及び異常光に対
する前記基板の屈折率をそれぞれn_0、n_■とした
とき、前記楕円パターンの長軸と短軸との比がn_0:
n_■であることを特徴とする請求項1記載の波長変換
光学素子。
(2) When the refractive index of the substrate for ordinary light and extraordinary light at the wavelength of the second harmonic of light is respectively n_0 and n_■, the ratio of the long axis and short axis of the elliptical pattern is n_0:
The wavelength conversion optical element according to claim 1, characterized in that n_■.
(3)導波層及び基板の少なくとも一方が非線形光学材
料で形成され、基本波が導波モード、第2高調波がチェ
レンコフ放射光となるように導波層及び基板の屈折率が
設定された光導波路と、この光導波路の光出射端面に接
して又は対向して設けられ、該端面から出射された光の
波面を変換する波面変換素子とを備えた波長変換光学素
子において、前記波面変換素子が同心円パターンの一部
からなる回折格子で形成され、且つ前記光出射端面及び
波面変換素子の少なくとも一方が、前記導波層に垂直な
面から傾いていることを特徴とする波長変換光学素子。
(3) At least one of the waveguide layer and the substrate is formed of a nonlinear optical material, and the refractive index of the waveguide layer and the substrate is set so that the fundamental wave is a waveguide mode and the second harmonic is Cherenkov radiation. A wavelength conversion optical element comprising an optical waveguide and a wavefront conversion element that is provided in contact with or opposite to a light output end face of the optical waveguide and converts a wavefront of light emitted from the end face, wherein the wavefront conversion element is formed of a diffraction grating consisting of a part of a concentric pattern, and at least one of the light output end face and the wavefront conversion element is inclined from a plane perpendicular to the waveguide layer.
(4)前記光出射端面及び波面変換素子の傾き角が同じ
であることを特徴とする請求項3記載の波長変換光学素
子。
(4) The wavelength conversion optical element according to claim 3, wherein the light emitting end face and the wavefront conversion element have the same inclination angle.
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