JPH04225334A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コアおよびそれを取り
囲むクラッドを有する光ファイバ型に構成され、たとえ
ばレーザ光などの基本波をコアに入射し、その２次高調
波を変換光としてファイバ端面から出射させるようにし
た波長変換素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】非線形光学効果は、媒質に光が入射した
とき、その光の電場の２乗以上の高次項に比例する分極
が生じる現象であり、この現象により２次高調波が発生
する。上記現象が現れる材料は非線形光学材料といわれ
、ＫＨ２　ＰＯ４　、ＬｉＮｂＯ３　等の無機材料がよ
く知られている。また、最近では、２−メチル−４−ニ
トリルアニリン（ＭＮＡ）に代表される有機材料も大き
な非線形光学定数を有することから注目されている。

【０００３】そして、上記非線形光学材料を構成材料と
して、半導体レーザ等の低出力レーザ光源の波長を半分
にする波長変換素子が盛んに研究されている。この波長
変換素子は、基本波（半導体レーザ光）を高いエネルギ
ー密度で閉じ込め、かつ基本波との相互作用長を長くす
るように設計されているものである。そのため、波長変
換素子の形態としては、たとえば光導波路型のものが使
用されている。これは、基板上に、光を閉じ込めて伝搬
させる細長い光導波部を形成し、その上からオーバーレ
イヤを被覆したものであるが、光導波部等で発生した２
次高調波を取り出すには、光導波路が、当該波長の２次
高調波の伝搬位相速度に対応可能な構造となっていなけ
ればならない。すなわち、基本波と２次高調波との位相
整合がとれていなければならない。この位相整合をとる
ためには、種々の方法が考えられるが、位相整合をとる
ための最も簡単な方法として、チェレンコフ放射方式を
用いたものがある。

【０００４】この方式は、図１０に示すように、Ａ点に
おいて光導波部２１を伝搬している光から２次高調波が
発生し、角度αをもって基板２２およびオーバーレイヤ
２３に洩れ出したとすると、単位時間後Ｂ点において再
びα方向に出射した２次高調波の等位相面と、上記２次
高調波の等位相面とが合致する場合に、この角度α方向
に２次高調波が出射されるというものである。基本波に
対する基板２２の屈折率をｎＳ　（ω）、導波部２１の
屈折率をｎＧ　（ω）、２次高調波に対する基板２２の
屈折率をｎＳ　（２ω）としたとき、 　　　　ｎＳ　（２ω）＞ｎＧ　（ω）＞ｎＳ　（ω）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・　
（１）の条件さえ満足すれば自動的に位相整合がとれ、
チェレンコフ放射が可能となる。

【０００５】しかし、光導波路型の波長変換素子では、
狭い幅の光導波部から基板へ２次高調波を放射するため
、出力される光線は断面が三日月状となり、出射された
光の集光が良好に行えず、小さなスポットに集光するこ
とができないという欠点がある。したがって、たとえば
、光ディスク等の微細なピットを有する光記憶媒体に対
する情報の書込／読出等に２次高調波を利用するのは困
難であった。

【０００６】これに対して、図１１に示すような、コア
３１とクラッド３２との屈折率が上記第（１）　式を満
たす光ファイバ型の波長変換素子３０では、端面から出
射される２次高調波３３は回転対称なリング状に広がる
ので、集光特性に優れている。したがって、このような
光ファイバ型の波長変換素子は、たとえば光ディスク装
置の高密度記録を実現するための素子として有望視され
ている。

【０００７】ところで、光ファイバ型の波長変換素子か
らの変換光を集光するためには、波長変換素子からの出
力光を一旦平行光にする必要がある。そのための先行技
術は、たとえば特開平２−３５４２３号公報、特開平２
−１５３３２８号公報および特開平２−１８６３２７号
公報などに開示されている。たとえば、特開平２−１５
３３２８号公報に開示されている先行技術の構成は本願
の図１２に示されている。すなわち、波長変換素子５０
の出射端面５０ａに対向して同心円状の回折格子を形成
したフレネルレンズ５１が配置されており、波長変換素
子５０から出射されて円錐状に広がる２次高調波が、平
行光にコリメートされる。このコリメートされた光は、
容易に集光することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１２の構成
では、波長変換素子５０とフレネルレンズ５１との光軸
合わせ、および波長変換素子５０の出射端面５０ａとフ
レネルレンズ５１との間の距離調整が困難であり、フレ
ネルレンズ５１の正確な位置合わせのための作業が繁雑
になるという問題があった。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上述の技術的課
題を解決し、繁雑な位置合わせ作業を要することなく平
行光にコリメートされた変換光を得ることができるよう
にした波長変換素子を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項１記載の波長変換素子は、コアおよびそれを
取り囲むクラッドを有する光ファイバ型で、コアまたは
クラッドの一方または双方が非線形光学材料を用いて構
成され、上記コアに入射される基本波の２次高調波であ
る変換光がファイバ端面から出射されるようにした波長
変換素子において、少なくとも上記変換光が出射される
ファイバ端面を透明層で被覆し、この透明層の変換光出
射端面に、上記変換光を平行光線に変換する同心円状の
回折格子を形成したことを特徴とする。

【００１１】

【作用】上記の構成によれば、少なくとも変換光が出射
されるファイバ端面は透明層で被覆されており、上記フ
ァイバ端面から出射した変換光は、上記透明層の変換光
出射端面に形成された同心円状の回折格子で平行光にコ
リメートされる。

【００１２】

【実施例】以下実施例を示す添付図面によって詳細に説
明する。図２は、本発明の一実施例の波長変換素子を用
いた光源装置の基本的な構成を示す概念図である。この
光源装置は、半導体レーザ等のレーザ光源１から発生さ
れたレーザ光を球面レンズ２でコリメートし、このコリ
メートされた光線を集光球面レンズ３で集光して、波長
変換素子４に入射させるようにしたものである。

【００１３】波長変換素子４は、図１に拡大して示され
ているように、光ファイバ型に構成されたものであり、
コア４１およびクラッド４２を有しているとともに、そ
の周囲が円筒状の高分子透明層５で覆われている。コア
４１、クラッド４２は、いずれか一方または双方にＭＮ
Ａ（２−メチル−４−ニトリルアニリン）等の公知の非
線形光学材料を適用したものである。また高分子透明層
５は、たとえばＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）
などの透明な高分子材料で構成されている。

【００１４】高分子透明層５において、波長変換素子４
の出射端面４ａ側の変換光出射端面５ａには、波長変換
素子４の光軸１０上に中心を有する同心円状の回折格子
が形成されている。この回折格子は、たとえば断面が矩
形であり、等しいピッチΛで形成されてフレネルレンズ
と同様な働きをするように構成されている。集光球面レ
ンズ３からのレーザ光は、高分子透明層５を介して、波
長変換素子４の入射端面４ｂから、そのコア４１に入射
する。波長変換素子４では、入射したレーザ光を基本波
としたチェレンコフ放射が生じ、発生した２次高調波が
、クラッド４２内を光軸１０と角度θ０　をなす方向に
伝搬する。このようにして入射レーザ光の半分の波長を
有する変換光は、波長変換素子４の出射端面４ａで高分
子透明層５とクラッド４２との間の屈折率差に起因する
屈折を受け、高分子透明層５内を光軸１０に対して角度
θ１　をなす方向に伝搬する。この光はさらに、高分子
透明層５の変換光出射端面５ａに形成された回折格子に
より平行光にコリメートされる。

【００１５】回折格子のピッチΛは、 　　　　Λ＝ｍλ／ｓｉｎθ１　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　・・・・　（２）（ただし、λは変換光の波
長である。また、ｍ＝１，２，・・・・である。）を満
たすように設定されており、これにより波長変換素子４
からの出射光が、良好に平行光に変換される。

【００１６】なお、角度θ０　と角度θ１　とは、クラ
ッド４２の屈折率ｎ０　と高分子透明層５の屈折率ｎ１
　とを用いて表される下記第（３）　式を満たしている
。 　　　　ｎ０　・　ｓｉｎθ０　＝ｎ１　・　ｓｉｎθ
１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　・・・・　（３）また、角度θ０　は、基本波の
伝搬モードの実効屈折率Ｎを用いて、 　　　　　ｃｏｓθ０　＝Ｎ／ｎ０　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　・・・・　（４）により与えられる。

【００１７】上記の構成により、高分子透明層５から平
行ビームを出射させることができるので、従来のような
波長変換素子とフレネルレンズとの繁雑な位置合わせ作
業などが不要であり、平行光にコリメートされた２次高
調波を容易に得ることができるようになる。そして、出
射された平行ビームは、既知の集光手段で集光すること
より、回折限界とほぼ一致する小さなスポットを得るこ
とができる。

【００１８】なお、高分子透明層５の変換光出射端面５
ａに形成される回折格子の形状は、図２に示された断面
が矩形のものに限られるものではない。たとえば、図３
に示すように断面が鋸歯状の同心円状の回折格子を形成
すれば、回折効率を高めることができる。この場合に、
回折格子の傾斜面８が光軸１０となす角度θは、下記第
（５）　式を満たすことが好ましい。

【００１９】 　　　　　ｔａｎθ＝（ｎ１　・　ｃｏｓθ１　−１）
／　ｓｉｎθ１　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・・　（５）さらにまた、高分子透明層５の形状は図
４および図５に示す種々の形状とすることができる。た
とえば図４（ａ）　のように外周面に環状の凹所６を形
成したり、図４（ｂ）　のようにフランジ部７を形成し
たりすれば、たとえば光源装置などを組み立てる際に素
子の位置決めを容易に行うことができる。また、図５（
ａ）　に示すように入射側端面５ｂの形状を球面レンズ
（または非球面レンズ）状に形成したり、図５（ｂ）　
に示すように端面５ｂに回折格子を形成してフレネルレ
ンズを構成させたりすれば、たとえば図２の光源装置に
おいて、レーザ光の集光のためのレンズ３を消除して、
装置の構成を簡素化することが可能となる。

【００２０】また、図６に示すように、波長変換素子４
の入射端面４ｂが高分子透明層５の外部に突出した形状
とすることもでき、この場合には、入射端面４ｂの位置
が正確に把握できるので、素子の位置合わせが良好に行
えるという利点がある。さらにまた、クラッド４１の外
周面には透明層を設けずに、波長変換素子４の出射端面
４のみを被覆する透明層を設けて、この透明層の変換光
出射端面に回折格子を形成するようにしてもよい。

【００２１】次に素子の作製例について説明する。たと
えば図３に示す鋸歯状の回折格子が高分子透明層５の変
換光出射端面５ａに形成された構成の素子の作製例につ
いて説明する。内径０．８μｍ、外径１．０ｍｍのＳＦ
１５ガラス（保谷ガラス製）の毛細管中に３，５−ジメ
チル−１−（４−ニトロフェニル）ピラゾールの融液を
毛細管現象を利用して吸い上げた後、ブリッジマン法に
よって端から結晶を成長させ、光ファイバ型波長変換素
子を作製した。この光ファイバ型波長変換素子を５ｍｍ
の長さに切り出し、一端面を研磨して出射端を形成し、
波長変換素子４を作製した。この波長変換素子４のコア
に波長０．８８４μｍの半導体レーザ光を入射したとこ
ろ、波長０．４４２　μｍの変換光がファイバ出射端か
ら出射角１２度で空気中に出射した。ここで、出射角と
は、波長変換素子４の光軸と出射光の進行方向とのなす
角である。

【００２２】なお、ＳＦ１５ガラス（クラッド）の屈折
率は、波長０．４４２μｍの光に対して１．７２７　で
あり、クラッド内部での放射角は６．９度である。次に
図７に示すように、底面にピッチΛが３．３μｍ、傾斜
面９の傾斜角θが７６．０度の同心円状の回折格子の型
を形成した円筒状の金型１１（たとえば内径は２ｍｍ）
に、上記の波長変換素子４を突っ込んで保持した。この
とき、波長変換素子４の光軸と、円筒状の金型１１の軸
線を一致させ、また上記研磨した出射端を金型１１の底
面に向けるようにした。金型１１の蓋１１ａには金型１
１の軸線上の位置に円形の孔１２が形成されており、こ
の孔１２に波長変換素子４を突っ込むことにより、波長
変換素子４の光軸と金型の軸線とを一致させることがで
きる。

【００２３】波長変換素子４を保持した状態で、ＭＭＡ
（メチルメタクリレート）と光重合開始剤である１−ヒ
ドロキシシクロヘキシルフェニルケトンを重量％で９９
．９％：０．１％の割合で混合した溶液を流し込み、紫
外線を照射してＭＭＡを重合し、ＰＭＭＡ（ポリメチル
メタクリレート）１３を形成した。このときのＰＭＭＡ
の屈折率は、波長０．４４２　μｍの光に対して１．５
５であった。

【００２４】なお、重合の際、ＰＭＭＡとクラッドガラ
スとの接着性を良好にするために、シランカップリング
剤であるジエトキシジビニルシランを１重量％程度添加
することも有効である。この後、図８に示すように、波
長変換素子４の一端部を切断し全長１ｍｍとした。そし
て図９に示すように再度ＭＭＡを加え重合させてＰＭＭ
Ａ１３とともに高分子透明層５を構成するＰＭＭＡ１４
を作り、全体を取り出して、入射端となるＰＭＭＡ１４
の表面を光学研磨した。

【００２５】このようにして作製した素子の波長変換素
子４のコアに、波長０．８８４　μｍの半導体レーザ光
を入射させたところ、回折格子を形成した高分子透明層
５の変換光出射端面５ａから、波長０．４４２　μｍの
変換光が、平行光となって出射した。なお、高分子透明
層５の変換光出射端面５ａの回折格子の形成方法は、上
記の金型の底面に回折格子の型を形成しておく方法に限
定されるものではない。たとえば、平らな変換光出射端
面を形成した後、この端面にレジスト剤をスピンコート
により塗布し、フォトリソグラフィまたは電子線リソグ
ラフィによって回折格子を形成するようにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明の波長変換素子によ
れば、少なくとも変換光が出射されるファイバ端面を透
明層で被覆し、この透明層の変換光出射端面に、上記フ
ァイバ端面からの変換光を平行光にコリメートする回折
格子を形成したので、従来のように素子とレンズとの間
の繁雑な位置合わせ作業を行うことなく平行光にコリメ
ートされた変換光を得ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の波長変換素子の基本的な構
成を示す断面図である。

【図２】上記波長変換素子が適用された光源装置の基本
的な構成を示す概念図である。

【図３】本発明の他の実施例の波長変換素子の基本的な
構成を示す断面図である。

【図４】本発明のさらに他の実施例の波長変換素子の基
本的な構成を示す断面図である。

【図５】本発明の他の実施例の波長変換素子の基本的な
構成を示す断面図である。

【図６】本発明の他の実施例の波長変換素子の基本的な
構成を示す断面図である。

【図７】金型を使った波長変換素子の製造方法を説明す
るための断面図である。

【図８】金型を使った波長変換素子の製造方法を説明す
るための断面図である。

【図９】金型を使った波長変換素子の製造方法を説明す
るための断面図である。

【図１０】チェレンコフ放射方式を示す説明図である。

【図１１】光ファイバ型波長変換素子の出射ビームを示
す斜視図である。

【図１２】光ファイバ型波長変換素子の出射ビームを平
行光にコリメートするための先行技術を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

４　　　　波長変換素子 ４１　　コア ４２　　クラッド ５　　　　高分子透明層 ５ａ　　変換光出射端面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コアおよびそれを取り囲むクラッドを有す
   る光ファイバ型で、コアまたはクラッドの一方または双
   方が非線形光学材料を用いて構成され、上記コアに入射
   される基本波の２次高調波である変換光がファイバ端面
   から出射されるようにした波長変換素子において、少な
   くとも上記変換光が出射されるファイバ端面を透明層で
   被覆し、この透明層の変換光出射端面に、上記変換光を
   平行光線に変換する同心円状の回折格子を形成したこと
   を特徴とする波長変換素子。