JPH04128824A - 光波長変換素子 - 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、有機非線形光学材料からなる導波部を有し、
この導波部を導波させた基本波を第２高調波や和周波、
差周波等に変換する光波長変換素子に関し、特に詳細に
は、上記有機非線形光学材料の昇華や変成を防止できる
ようにした光波長変換素子に関するものである。

（従来の技術） 従来より、非線形光学材料を利用して、レーザー光を第
２高調波等に波長変換（短波長化）する試みが種々なさ
れている。このようにして波長変換を行なう光波長変換
素子として具体的には、例えば「光エレクトロニクスの
基礎ＪＡ、ＹＡＲＩ■著、多田邦雄、神谷武志訳（丸善
株式会社）のｐ２００〜２０４に示されるようなバルク
結晶型のものがよく知られている。ところがこの光波長
変換素子は、位相整合条件を満たすために結晶の複屈折
を利用するので、非線形性が大きくても複屈折性が無い
材料あるいは小さい材料は利用できない、という問題が
あった。

上記のような問題を解決できる光波長変換素子として、
いわゆるファイバー型のものが提案されている。この光
波長変換素子は、クラッド内に非線形光学材料からなる
コアが充てんされた光ファイバーであり、応用物理学会
懇話会微小光学研究グループ機関誌ＶＯＬ、３．ＮＯ，
２，ｐ２８〜３２にはその一例が示されている。このフ
ァイバー型の光波長変換素子は、基本波と第２高調波と
の間の位相整合をとることも容易であるので、最近では
このファイバー型光波長変換素子についての研究が盛ん
になされている。

また、例えば特開昭６３−１５２３３号、同６３−１５
２３４号公報に示されるように、クラッド層となる２枚
の基板の間に非線形光学材料からなる光導波路を形成し
た光導波路型の光波長変換素子も知られている。さらに
は、ガラス基板内に非線形光学材料からなる３次元光導
波路が埋め込まれてなり、ガラス基板中に波長変換波を
出射する３次元光導波路型の光波長変換素子も知られて
いる。これらの先導波路型光波長変換素子も、上述のよ
うな特長を有している。

また、特願昭６３−７２７５２号明細書において、和周
波および差周波も同様に、ファイバー型波長変換素子に
よって発生することが詳細に記されている。導波路型光
波長変換素子における和差周波発生についても特願昭６
３−７２７５３号明細書において詳細に記されている。

さらに３次の非線形性を利用した第３高調波発生も十分
に可能である。

ところで、近時、これらファイバー型、光導波路型の光
波長変換素子において、非線形光学材料として単結晶の
有機非線形光学材料を用いる提案が種々なされている。

この有機非線形光学材料は、無機材料に比べて非線形光
学定数が極めて大きいので、この有機非線形光学材料を
用いれば高い波長変換効率を得ることが可能となるので
ある。この有機非線形光学材料としては、例えば特開昭
６０−２５０３３４号公報、“Ｎｏｎ１ｉｎｅｒ　０ｐ
ｔｉｃａｌＰ　ｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　　Ｏｒｇａ
ｎｉｃ　ａｎｄ　　Ｐ　ｏｌｙｍｅｒｉｃＭａｔｅｒｉ
ａｌｓ”　　ＡＣＳ　　　ＳＹＭＰＯ８Ｉ　ＵＭ　　　
５ＥＲＩＥＳ　　２２３．　Ｄａｖｉｄ　Ｊ、　Ｗｉｌ
ｌｉａｍｓ編（Ａａｅｒｉｅａｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　
５ｏｃｉｅｔｙ、　　１９８３年刊）「有機非線形光学
材料」加藤政雄、中西へ部監修（シー・エム・シー社、
１９８５年刊）、“Ｎｏｎ１ｊｎｅａｒ　　０ｐｔｉｃ
ａｌ　　ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｒＯｒｇａｎｉｃＭｏ
ｌｅｃｕｌｅｓ　ａｎｄ　　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　’　Ｄ
、　　Ｓ、　　ＣｈｅｍｌａおよびＪ、Ｚｙｓｓ編（Ａ
ｃａｄｅａ＋ｊｃ　Ｐ　ｒｅｓｓ　　Ｉ　ｎｅ。

１９８７年刊）　、Ｒ，Ｔ、　　Ｂａ１ｌｅｙ等による
”Ｔｈｅ　　Ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　　Ｐｅｒｆ’ｏ
ｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＴｈｅＯｒｇａｎｉｃ　　Ｎｏｎ
−Ｌｉｎｅａｒ　０ｐｔｉｃａｌ　　Ｍａｔｅｒｉａｌ
（−）　２−　Ｃａ　−Ｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｙｌａｍ
ｉｎｏ）　−５−Ｎ１ｔｒｏｐｙｒｉｄｉｎｅ　（ＭＢ
Ａ−ＮＰ）　’　　（Ｏｐｔｉｃｓ　ＣｏｗＩＩｕｎｉ
ｃａｔｉｏｎｓ、　　Ｖｏｌ、　６５．　　ＮｏＪ　、
　　Ｐ２２９　）等に示されるＭＮＡ　（２−メチル−
４−ニトロアニリン）　、ｍＮＡ　（メタニトロアニリ
ン）、ＰＯＭ（３−メチル−４−二トロピリジン−１−
オキサイド）、尿素、ＮＰＰ　［Ｎ−（４−ニトロフェ
ニル）−（Ｓ）−ブロリノールコ、ＮＰＡＮ　（２−［
Ｎ−（４−ニトロフェニル）−Ｎ−メチルアミノコアセ
トニトリルｌ　、ＤＡＮ　（２−ジメチルアミノ−５−
ニトロアセトアニリド）　、ＭＢＡ−ＮＰ　［２−Ｎ　
（α−メチルベンジルアミノ）−５−二トロビリジンコ
さらには特開昭６２−２１０４３２号公報に示される３
、５−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）ピラゾー
ル［以下、ＤＭＮＰと称する］、３．５−ジメチル−１
−（４−ニトロフェニル）　−１，２，４−トリアゾー
ル、２−エチル−１−（４−ニトロフェニル）イミダ／
−ル、１−（４−ニトロフェニル）ヒロール、２−ジメ
チルアミノ１−５−ニトロアセトアニリド、５−ニトロ
−２−ピロリジノアセトアニリド、３−メチル−４−二
トロビリジンーＮ−オキシド等が挙げられる。

例えばＭＮＡは、無機非線形光学材料であるＬｉＮｂＯ
３に比べると２０００倍程度高い波長変換効率を有する
ので、この有機非線形光学材料を用いて光波長変換素子
を形成すれば、−船釣な小型かつ低コストの半導体レー
ザーからの赤外レーザー光を基本波として第２高調波を
発生させることにより、青領域の短波長レーザー光を得
ることも可能となる。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上述の有機非線形光学材料によって光ファイ
バーのコア、あるいは光導波路を構成して得られたファ
イバー型あるいは光導波路型の光波長変換素子にあって
は、従来、波長変換効率および基本波の入射結合効率が
時間経過にともなって著しく悪化する、という問題が認
められていた。

すなわち、光波長変換素子の導波部を構成する有機非線
形光学材料は、その端面において周囲の空気等の雰囲気
と接するので、この部分から昇華して単結晶部分が短く
なり、あるいは変成して単結晶でなくなってしまって上
述の問題を招くのである。

上記の点に鑑み、本出願人は先に、導波部の端面を含む
素子端面に、導波部端面と周囲雰囲気とを遮断する遮断
層を設けることを提案した（例えば特願昭６２−３０９
１４５号明細書参照）。この遮断層は、上述の問題を防
止する上で極めて効果的であるが、それを設けてもなお
かつ導波部端面の劣化が認められることがある。

そこで本発明は、上記導波部の劣化の問題をさらに確実
に防止できる波長変換素子を提供することを目的とする
ものである。

（課題を解決するための手段） 本発明による光波長変換素子は、先に述べたような有機
非線形光学材料を用いたファイバー型あるいは先導波路
型の光波長変換素子において、導波部の端面を含む素子
端面に、導波部を構成する有機非線形光学材料と同材料
の単結晶からなり、導波部端面と周囲雰囲気とを遮断す
る遮断層を形成したことを特徴とするものである。

（作　　用） 上記のような遮断層が設けられていれば、有機非線形光
学材料からなる導波部の端面ば空気等の雰囲気と直接接
しなくなるので、前述した昇華あるいは変成が防止され
る。

そして上記遮断層が導波部と同じ材料から形成されてい
るので、従来の遮断層を設けた際に起こり得る導波部端
面の劣化も防止可能となる。以下、この点を詳しく説明
する。

従来の遮断層は、導波部を構成する有機非線形光学材料
とは異なる各種の樹脂等から形成されていた。その場合
、本発明者等の研究によると、導波部と遮断層との界面
において、樹脂等の中に有機非線形光学材料が拡散また
は相溶して、導波路端部の有機非線形光学材料が消失し
てしまうことがある。また、遮断層が素子端面（すなわ
ち導波部端面）から剥離して、両者間に空間が生じてし
まうことがある。そうなると、導波部端部の有機非線形
光学材料が昇華して、消失してしまう。従来の遮断層を
設けた光波長変換素子においては、上記２つの原因によ
り導波部端面の劣化が生じていた。

それに対して、遮断層が導波部材材と同じ材料からなる
本発明の光波長変換素子においては、導波部材材と遮断
層材料との相溶や剥離が防止される。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図および第２図は、本発明の一実施例による光波長
変換素子ｌＯを示すものである。この光波長変換素子１
０は、クラッド１２の中心の中空部分内に、非線形光学
材料からなるコア１１が充てんされた光ファイバーであ
る。上記非線形光学材料としては、前述したように波長
変換効率が高い有機非線形光学材料が用いられる。本例
では特に前述のＤＭＮＰによってコア１１を形成してい
る。そしてこのＤＭＮＰからなるコア１１の端面を含む
素子端面１０ａＳｌＯｂ上には、それぞれ上記ＤＭＮＰ
からなる遮断層１３ａ、１３ｂが形成されている。

なお第３図に、遮断層１３ａが形成された一方の素子端
面１０ａの部分を、拡大して分かりやすく示す。この素
子端面１０ａは、光入射端面とされるものであるが、光
出射端面とされる他方の素子端面ｆｏｂの部分において
も、遮断層１８ｂが同様に形成されている。図示の通り
クラッド１２の端面中央部は、外側に円環状の周壁を残
す形で薄い円筒状に掘り込まれ、この部分に遮断層１３
ａが充てんされている。この遮断層１３ａは上記の通り
コア１１と同材料からなり、該コア１１との間に不連続
部を作らないで、それと完全に一体化されて、単結晶状
態で形成されている。なお、遮断層の結晶光学軸方向は
コアのそれと一致していることが望ましい。

本実施例では、コア長さ方向に光学軸Ｘが、それと直交
する方向に光学軸Ｙ、Ｚが存在する。

ここで、−例としてコア１１および遮断層１３ａｓ１３
ｂを上述のＤＭＮＰ、クラッド１２を５ＦＩＯガラスか
ら形成する場合について、この光波長変換素子１０の製
造方法を説明する。

まず第４図に示されるようにガラスアンプル２１が用意
され、その中にＤＭＮＰ原料１１Ａを入れて融解後、固
化させる。次に第５図に示されるように、ガラスアンプ
ル２１内に両端面部分が第７図図示のように掘り込まれ
たガラスファイバー１２°を収容し、該ガラスアンプル
２１を真空対じする。なお上記ガラスファイバー１２’
　としては、例えば外径が１ｍｍ程度で、両端部に開口
した中空部の径か数十μｍ〜０．８ｍｍ程度のものが使
用される。

なおコアの直径は、１μｍ程度である。

次いで第６図の（１）に示されるように、図中上下方向
に移動自在とされた保持部材２３に、上記ガラスアンプ
ル２１が縦向きに保持される。そしてこのガラスアンプ
ル２１を、ブリッジマン炉２４内に全体が収まるように
配置される。このブリッジマン炉２４は、中央部に上下
方向に延びる空間を有するものであり、この空間内にガ
ラスアンプル２１が収められる。そして該ブリッジマン
炉２４はガラスアンプル２１よりもやや長い全長を有し
、ガラスアンプル２１を周囲から加熱する。第６図の（
２）には、このブリッジマン炉２４の炉内温度分布を示
しである。

図示されるように炉内温度は、炉外に出た部分以外のア
ンプル底部およびガラスファイバー１２゛　の周囲部分
において、ＤＭＮＰＩＩｏの融点（１０２℃）よりも僅
かに高い温度で上部に行く程高くなるような温度分布に
なっている。

このようなブリッジマン炉２４内にガラスアンプル２１
が配されると、アンプル底部のＤＭＮＰＩＩ’は、温度
分布が上部の方が高いために上部からゆっくりと融解し
はじめる。すると、ガラスファイバー１２’　の下側の
堀り込まれた部分および中空部に毛細管現象によりＤＭ
ＮＰ融液が注入されると共に、ガラスファイバー１２’
　は、ＤＭＮＰ融液中に沈んで行く。

そして、中空部にＤＭＮＰ融液が、完全に注入された後
、ガラスファイバー１２°は、ＤＭＮＰ融液中に完全に
没し、上部の掘り込まれた部分にもＤＭＮＰＩＩ’　が
充填される。

次に、公知の駆動手段により、保持部材２３が下方に徐
々に移動される。この移動速度は、−例として１ｍｍ／
ｈ程度に設定される。こうすることによりＤＭＮＰＩＩ
’　は、ガラスファイバー１２′　内に進入している部
分も含めて、炉外に出ている種部から単結晶化する。

その後ガラスアンプル２１内からガラスファイバー１２
°が取り出され、その両端面、すなわち遮断層１３ａ、
　１３ｂの表面が適宜研磨されて、第１．２図図示のよ
うなファイバー型光波長変換素子１０が得られる。

上記のようにして光波長変換素子ｌＯを作成することに
より、極めて長い単結晶状態で結晶方位も一定に揃った
遮断層１３ａ、１３ｂおよびコア１１が形成される。な
おコア１１と遮断層１３ａ、　１３ｂとの間に不連続部
が生じると、その素子１０は使用し得ないので、そうな
らないように素子１０を形成することが肝要である。

上記光波長変換素子１０は第２図図示のようにして使用
される。すなわち、基本波発生手段としての半導体レー
ザー（発振波長：　　８７０ｎｍ）１Ｂから射出された
発散ビームであるレーザー光（基本波）１５はコリメー
ターレンズ１７によって平行ビームとされ、さらに対物
レンズ１８によって集光され、コア１１の端面上におい
てそれと同径（本例では２μｍ）の小さなスポットに収
束する。それにより該レーザー光１５が光波長変換素子
１０内に入射する。

この基本波１５は、コア１１を構成するＤＭＮＰにより
、波長が１／２すなわち４３５ｎｍの第２高調波１５゛
　に変換される。この第２高調波１５゛　はクラッド１
２中に放射し、その外表面と周囲媒質（通常は空気）と
の界面の間で全反射を繰り返して素子１０内を端面側に
進行する。位相整合は、基本波１５のコア部での導波モ
ードと、第２高調波１５°のクラッド部への放射モード
との間で取られる（いわゆるチェレンコフ放射の場合）
。

光波長変換素子１０の出射端面１０ｂからは、上記第２
高調波１５′を含むビーム１５′が出射する。この出射
ビーム１５″は図示しないフィルターに通され、第２高
調波１５°のみが取り出されて利用される。

ここで、この光波長変換素子１０においては、前述のよ
うな遮断層Ｌ３ａおよび１３ｂが設けられているので、
有機材料であるＤＭＮＰからなる導波路端面が空気等の
雰囲気に直接接することかない。

したがって、このコア１１の昇華および変成が確実に防
止される。

また上記遮断層１３ａ、１３ｂは、コア１１と同じ材料
から形成されているので、前述した通り、コア１１の材
料と相溶したり、あるいはコア１１から剥離してしまう
ことがない。よってこのコア１１の端面の劣化が防止さ
れて、基本波１５のコア１１への入力結合効率が高く維
持され、また波長変換する上で有効な素子長も長いまま
維持される。

なお有機材料のＤＭＮＰからなる遮断層１３ａ１１３ｂ
は、昇華あるいは変成することがある。しかし第３図に
示されるように、基本波１５か入射する側の遮断層１３
ａの表面は、基本波１５の収束位置から外れているので
、該表面がたとえ劣化して荒れたとしても、基本波１５
のコア１１への入力結合効率に及はす影響は少ない。

なお上記のような遮断層１３ａの昇華、変成をも防止す
るため、第８図に示すように、遮断層１３ａの外側にさ
らに、例えばガラスまたは透明樹脂製の遮断層１４ａを
形成してもよい。これは他方の遮断層１３ｂについても
同様である。

このような遮断層１４ａを形成するための樹脂としては
、例えばゼラチン、カゼイン、コラーゲン等の蛋白質、
カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロ
ース等のセルロース化合物、寒天、アルギン酸ソーダ、
でんぷん誘導体等の糖誘導体、ポリビニルアルコール、
ポリ−Ｎ−ビニルピロリドン、ポリアクリル酸共重合体
、ポリアクリルアミド、またはこれらの誘導体および部
分加水分解物等の合成水溶性高分子化合物等、またはア
クリル樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹
脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリウレタン、不飽
和ポリエステル、フェノール、ポリアミド、アルキド樹
脂等が用いられる。

また上記のような樹脂製遮断層１４ａを設ける代わりに
、第９図に示すように、光波長変換素子ＩＯ全全体透明
樹脂３０中に埋め込んで使用することもできる。

さらに、コアと同材料から形成される遮断層の形状は、
上記実施例の形状に限られるものではなく、例えば第１
０図図示の遮断層４０のようにテーパ状としたり、ある
いは第１１図図示の遮断層４１のようにキャップ状とす
ることもできる。また遮断層は、導波部の一方の端面に
のみ設けてもよい。

以上、ファイバー型光波長変換素子に本発明を適用した
実施例について説明したが、本発明は、クラッド部と導
波部とからなるその他のタイプの光波長変換素子、すな
わち２次元光導波路型の光波長変換素子や、３次元光導
波路型の光波長変換素子に対して適用することも可能で
ある。

また本発明は、基本波を第２高調波に変換する光波長変
換素子に限らず、その他、基本波を和周波や差周波さら
には第３高調波等に変換する光波長変換素子に対しても
適用可能である。

さらに本発明の光波長変換素子は、遮断層の昇華、変成
をさらに確実に防止するため、例えば本出願人による特
願昭６３−２３０５９５号明細書に示されるように、不
活性媒体が充填された密閉容器内に収容して使用しても
よい。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の光波長変換素子におい
ては、有機非線形光学材料からなる導波部の端面を含む
素子端面に遮断層を設けたことにより、導波部端面の有
機非線形光学材料の昇華あるいは変成か確実に防止され
る。その上本発明において、上記遮断層は導波部と同じ
材料で形成されているので、導波部材料と遮断層材料と
の相溶や剥離も防止され、よって導波部の劣化がより一
層確実に防止され得る。

したがって本発明によれば、光波長変換素子の有効長を
長く保ち、また基本波の導波部への入力結合効率、さら
には波長変換波の導波部からの出射効率を高く維持して
、高い波長変換効率を実現可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ、本発明の第１実施例に
よる光波長変換素子を示す斜視図と概略側面図、 第３図は、上記光波長変換素子の要部を拡大して示す部
分側面図、 第４．５および６図は、上記光波長変換素子の製造方法
を説明する概略図、 第７図は、上記光波長変換素子に用いられたガラスファ
イバーの端部形状を示す側断面図、第８図は、本発明の
第２実施例による光波長変換素子を示す部分側面図、 第９図は、本発明の第３実施例による光波長変換素子を
示す概略側面図、 第１Ｏ図と第１１図はそれぞれ、本発明の第４実施例お
よび第５実施例による光波長変換素子を示す部分側面図
である。 ｌＯ・・・光波長変換素子　　１０ａ、　１０ｂ・・・
素子端面１１・・・コ　　ア　　　　　１２・・・クラ
ッド１３　ａ　ｓ　１３　ｂ　Ｓ１４　ａ　−４０，４
１−・・遮断層１５・・・基本波　　　　　　１５’・
・・第２高調波法

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 クラッド部内に有機非線形光学材料の導波部が形成され
   てなり、この導波部を導波した基本波を波長変換する光
   波長変換素子において、 前記導波部の端面を含む素子端面に、導波部を構成する
   有機非線形光学材料と同材料の単結晶からなり、導波部
   端面と周囲雰囲気とを遮断する遮断層が形成されている
   ことを特徴とする光波長変換素子。