JPH043127A - 導波路型第２高調波発生素子 - 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】 ［概要〕 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、高い変換効率
を有し、かつ、許容波長帯域の広い導波路型第２高調波
発生素子と、それを用いて小型・高安定の第２高調波を
発生するレーザ発振器を従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β１（ω）９ｍを正の奇数とし
た時、前記第１の光導波路と第２の光導波路の結合係数
が、β２（２ω）−２βｌ（ω）−２πｍ／Δなる関係
を満足する周期へで変化するように導波路型第２高調波
発生素子を構成する。また、光導波路領域に光学的周期
構造を設けて、基本波光と第２高調波光の屈折率差を補
償してなる導波路型第２高調波発生素子において、前記
光学的周期構造の周期を徐々に変化させて許容波長帯域
の広い導波路型第２高調波発生素子を構成する。

さらに、導波路型第２高調波発生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んで第２高調波光が発
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、変換効率が高く許容波長帯域の広い導波路型
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（Ｌｆ））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以下にすることはがなり困難であ
り、その他の技術、たとえば、第２高調波発生（Ｓｌ（
Ｇ）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ずものがよく知られてい
る。通常の結晶では屈折率の波長分散のため基本波光の
屈折率ｎωと第２高調波光の屈折率ｎ２ωの差が大きく
位相整合がとれず、と７たがって、第２高調波出力が非
常に小さい。

これを解決するために位相整合を取る方法が捉案されて
いる。しかし、バルク結晶型の場合、位相整合条件を満
足し、かっ、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
るムこ至ってぃない。

一方、最近になって光導波路型の素子により、大きな非
線形光学定数を用いて大きな変換効率（η、８．）を得
る極めて有力な方法が提案されている。

第１２図は従来の導波路型第２高調波発生素子の例を示
す図で、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、１．１Ｎ
ｂｏ、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＋２面を光学研磨した基板で
、１００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２
０を上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１周期Δで分極が下向きの領域
を形成すると、８上向きの分極領域と新たに形成された
下向きの分極領域５０゛　　とが等間隔に並んだ分極反
転型光導波路１．００が構成される。

い４−１たとえば、左側から角周波数ωのト・−ザ光を
分極反転型光導波路１００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、Ａｒｓ＋ｓｔｒｏｎｇ、ｅｔ、ａｌ、、Ｐｈｙ
ｓ。

Ｒｅｖ、ｖｏｌ、１２７．ｐ１９１８．１９６２）。

八＝２πｒｎ／ｆβ１・（２ω）−２β１・（ω）　］
　−（１）こ＼で、β、、、（２ω）は分極反転型光導
波８１００に対する第２高調波の伝播定数、β１００（
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、 Δ−λ。ｍ／２Ｉｎ＋。１（２ω）−〇、。１（ω）　
］−（２＞となる。こ＼で１、λ０は基本波の真空中の
波長ｎｅｏ１（２ω）は分極反転型光導波路１００に対
する第２高調波の屈折率＋ｎ１ｏｏ（ω）は同じく基本
波の屈折率２ｍは正の奇数である。このように構成され
た導波路型第２高調波発生素子は、理想的には位相整合
条件を満たしているのでバルク結晶型に比較して大巾に
変換効率が向上する。

〔発明が解決しようとした課題〕

しかし、上記の従来の導波路型第２高調波発生素子では
、分極反転型光導波路１００の分極反転領域５０°を形
成するのにＴｉの表面拡散を行う場合があり、結晶の光
損傷が問題になることがある。

さらに、基本波光の光源として半導体レーザを用いるよ
うな場合、発振波長にバラツキがあると位相整合条件が
くずれ効果的に第２高調波光が得られないといった重大
な問題があり、その解決が必要であった。

変化するようにした導波路型第２高調波発生素了により
解決することができる。

また、光導波路領域に光学的周期構造を設けて、基本波
光と第２高調波光の屈折率差を補償してなる導波路型第
２高調波発生素子において、前記光学的周期構造の周期
を徐々に変化させ導波路型第２高調波発生素子の許容波
長帯域を広げることができる。

（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高調波の光に対シ２．て力
量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β２（２
ω）、前記第１の光導波路１に対する基本波の伝播定数
をａｌ（ω）７ｍを正の奇数とした時、前記第１の光導
波路１と第２の光導波路２の結合係数が、β２（２ω）
−２β。

（ω）−２πｍ／Δなる関係を満足する周期Δで［作用
］ 本発明によれば、基本波が伝播している第１の光導波路
１内の第２高調波光のパワーは、位相整合条件が満たさ
れていないため１すなわち、基本波により各点で発生す
る第２高調波光の位相と伝播してくる第２高調波光の位
相がずれていくために、たとえば、周期へで変動する。

し、がし、発生する第２高調波光の位相が伝播してくる
第２高調波光に対して逆相となる領域で、両導波路間に
設けられた。たとえば、スロット３によって、第２高調
波光のパワーが第２の光導波路２へ移行しないようにし
ている（すなわち、モード間の結合を妨げている）ので
、第２の光導波路２では同相成分だけが積算されて第２
高調波光の出力が大きくなるのである。

また、光導波路領域の光学的周期構造の周期を徐々に変
化させることによって、基本波光の波長がずれた場合で
も変化させられている周期範囲のどこかで位相整合条件
を満足することができるので、導波路型第２高調波発生
素子の許容波長帯域を広げることができるのである。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例を示す図である。

図中、２０は基板で、たとえば、厚さ９．５ｍｍ巾１０
ｍｍ、長さ１５ｍ　ｍの単一分域処理したＭｇＯドープ
ＬｉＮｂ０１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、１および２は基板２
０上に形成されたプロトン交換による第１および第２の
光導波路である。プロトン交換は公知のごとく、たとえ
ば、第１および第２の光導波路１および２となる部分を
残して、たとえば、ＳｉＯ□のスパッタ膜からなるマス
クを形成し、２００〜３００°Ｃに加熱した安息香酸（
Ｃ，）Ｉ５ＣＯＯ）ｌ）の融液に数１０分〜数時間浸漬
して、周囲の基板部分よりも屈折率を１〜数％上昇させ
て光導波路を形成する。

第１および第２の光導波路１および２の間隔は数μｍ以
下としたが、変換効率を高めるために基本波導波路、す
なわち、第１の光導波路１−・の第２高調波光のしみた
し２による光損傷が生じない範囲まで近接させるのがよ
い。

３はスロットで、たとえば、長さ３μｍ、深さ５μｍ１
周期Ａ＝６μｍのエツチング溝である。

スロット３の形成には、たとえば、適当なマスクを用い
てリアクティブ・イオン・エツチング（ＲＩＥ）により
行えばよい。各光導波路のｌ〕、深さやスロット３の中
その他の詳細条件は次式を満足するように定めればよい
。

β２（２ω）−２β１（ω）−２πｍ／Δ　（３）こ＼
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、βｌ（ω）は第１の光導波路１に対する
基本波の伝播定数１ｍは正の奇数である。

以上のごとく本発明の導波路型第２高調波発生素子路を
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０．８３μｍ、入射パワー５０ｍ
Ｗ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５倍以上に向上した。

上記（３）式において、結晶長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１ｉＮｂｏ３を
用いたが、ＬｉＴａ０．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。また、スロ・ット３の形
成法もＲＩＥとは限らず他の方法を用し）てもよい。

第２図は本発明の第２実施例を示す図で、図中４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
光導波路２から高い効率で第２高調波の光が得られる。

なお、前記の諸口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、５は光導波路の入射端面に形成された、基本波お
よび第２高調波いずれの光に対しても高反射率となる膜
で、たとえば、誘電体多層膜などである。なお、前記の
諸口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。

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、同図（イ）は
斜視図、同図（ロ）は断面図である。図中、１０は分極
反転型光導波路で、同図（ロ）に示したごとく周期がΔ
、からΔ、まで徐々に変化している分極反転領域５０が
形成されている。

具体的に分極反転光導波路１０を形成するにはたとえば
、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３からなる基板２０を上向き
の方向に強誘電体分極を揃え、χ軸方向に沿、っご光導
波路となる部分に分極反転領域５０を形成する。分極反
転領域５０は、たとえば、公知のＴｉ拡散法などを用い
ると、先ず基板２０に厚さ３００ｎｍのＴｉを真空蒸着
し、下向きの分極反転領１ｉ１ｉ５０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。

このとき、入射基本波光の波長範囲をλ１〜λ。とした
と、分極反転領域５０の周期が次式を満たすようなΔ１
からΔアまで徐々に変化するように形成する。

β、（２ω）−２βＩ（ω）　−２πｍ／Λ＋　　（４
）β、、（２ω）−２β、、（ω）−２πｍ／Δ、−（
５）コソテ、β１（２ω）、β１ｌ（２ω）はそれぞれ
波長λ７．λ。に対する第２高調波光の伝播定数、βｌ
（ω）、β、ｌ（ω）はそれぞれ波長λ０．λ。に対す
る基本波光の伝播定数である。

次いで、分極反転光導波路工０となる部分を残して、た
とえば、５ｉＯｚのスパッタ膜からなるマスクを形成し
、２００〜３００’Ｃに加熱した安息香酸（Ｃ，Ｈｓｃ
ＯＯＨ）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
数％上昇させて光導波路を形成する。

これにより、波長範囲がλ１〜λ、の入射基本波光に対
して、第２高調波光の発生が可能となり従来の導波路型
第２高調波発生素子が、たとえば、λ＝８３０ｎｍの基
本波光の許容波長帯域巾が±０゜１βｍ程度であったも
のが、本実施例では±５０ｍ以上と大巾に許容波長帯域
巾が拡大された。

第５図は本発明の第５実施例を示す図である。

図中、１１は第１の光導波路、２１は第２の光導波路で
ある。上記実施例では一導波路型の第２高調波発生素子
について説明したが、２本の光導波路を用いる方向性結
合器型の素子の一方の光導波路。

すなわち、第１の光導波路ＩＩに上記と同様に周期Δが
徐々に変化する分極反転領域５０を形成して導波路型第
２高調波発生素子を構成しても同様に本発明を実現する
ことができる。

第６図は本発明の第６実施例を示す図である。

本実施例は前記第１実施例で詳しく説明した前記第１の
光導波路１と第２の光導波路２０間に、たとえば、スロ
ット３を形成し７て両導波路間の結合係数を周期的ムこ
変化させる際に、たとえば、スロ、・ト３の周期Δを同
様の関係を満足するように徐々に変化させても本発明が
実現できる。

また、第４〜第６実施例でも、第２実施例及び第３実施
例で述べた機能膜を、それぞれ光導波路の入出射面に形
成すれば、同様に、より高機能の導波路型第２高調波発
生素子を構成することができることは勿論である。

第７図〜第９図は本発明の第８〜第９実施例を示す図で
ある。図中、１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）は電極、
３０は電源である。

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、かつ、同等部分についての説明は
省略する。

これら実施例では前記光導波路領域に伝播定数調整用の
、たとえば、Ａｎからなる電極１５（１５ａ、１５ｂ、
　１５ｃ）を設け、所要の２゛つの電極間に電源３０で
電圧を印加すると基板結晶の電気光学効果により、光導
波路の屈折率が変化し伝播定数も変わるので。

たとえば、作成時の伝播定数のバラツキの調整や温度変
化ムごともなう伝播定数の調整をし７、位相不整合の補
償を行うことができる利点がある。

第１０図および第１１図は本発明素子を用いたレーザ共
振器の実施例を示す図（その１）および（その２）であ
る。図中、２００　（２００ａ、　２００ｂ）は本発明
の実施例素子で、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４、入
射側端面に基本波光に対して低反射率で第２高調波光に
対しては高反射率を有する膜６を施したものである。７
０はカバー、７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用の膜８を、反
対側の面に高反射率の膜９を施したものである。すなわ
ち、高反射率膜９と基本波に対して高反射率を有する膜
４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の実施例素子２００を挿入して
構成されたものであり、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、本発明によれば素子の導波路化によ
り基本波光のパワー密度が高まり変換効率が向上すると
ともに、基本波光と第２高調波光の屈折率差を周期構造
により補償でき、しかも、その周期を徐々に変化するよ
うにすれば任意の波長で許容波長帯域の広い第２高調波
発生素子が実現できるので、導波路型第２高調波発生素
子の性能・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〜第９図は本発明の第１〜第９実施例を示す図、 第１０図および第１１図は本発明素子を用いたレーザ共
振器の実施例を示す図（その１）および（その２）、 第１２図は従来の導波路型第２高調波発生素子の例を示
す図である。 図において、 １．１１は第１の光導波路、 ２．２１は第２の光導波路、 ３はスロット、 ４．５，６，８．９は膜、７はレーザ発振素子、１０は
分極反転光導波路、１５（１５ａ、　１５ｂ、　１５ｃ
）は電極、２０は基板、５０は分極反転領域である。 夕θ　・オ半シ及申ｉ斧りガ（ ７本発Ｂ月の第；実２介１　’ｃ　７ｒ、す７第　　１
　　図 木ｆ朔の第２案施４列を示す図 第　　２　　図 （イ）イ判視囚 （コ）に面　図 （を明／）第４劃施必・ｊΣ示Ｔｚ 第　４　　図 りＱ 〜 １１３１シ光４坂路 ／ 本発明の第３を方色仲１Σ示（図 第　　３　図 木企朗の第５実施５仲’Ｉｔ示す７ 第　　Ｓ　図 Ａ２角艷Ｂ月１１　第６＄　オ千元４タリをブｒミＴＬ
戸り第　　６　　図 、＄、臂ｅ月の第８実施Ｊ・１を示Ｔ図第　　ａ　　図 ネン茫明の第　７ア施イ列を示子乏 木変９月の第ｑ実オ巳ブ列Σ示す２ 第 第 国 （イ）斜 ネ丸ロ ホ変」Ｆ！李子を用いへｂ−ブ″共ｔｊｊＪｐ’）丈、
転置に示Ｌ？とそり０第 従来の４波路型第２高８周波金五左チｎ脅・目示Ａ１木
仝ＢＲ＃＋Σ用りしたトープ共語、酩ｎ寅杷伊りチオ２
（シ２）第 図 第 ■

Claims (10)

【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）と第２の光導波路（２）の結合
   係数が、β＿２（２ω）−２β＿１（ω）＝２πｍ／Λ
   なる関係を満足する周期Λで変化することを特徴とした
   導波路型第２高調波発生素子。
2. （２）前記第１の光導波路（１）と第２の光導波路（２
   ）の間の基板（２０）にスロット（３）を形成すること
   によって、結合係数を変化させることを特徴とした請求
   項（１）記載の導波路型第２高調波発生素子。
3. （３）光導波路領域に光学的周期構造を設けて、基本波
   光と第２高調波光の屈折率差を補償してなる導波路型第
   ２高調波発生素子において、 前記光学的周期構造の周期を徐々に変化させることを特
   徴とした導波路型第２高調波発生素子。
4. （４）前記光学的周期構造が光導波路領域の前記基板（
   ２０）の強誘電体分域の分極反転構造であることを特徴
   とした請求項（３）記載の導波路型第２高調波発生素子
   。
5. （５）前記光学的周期構造が光導波路間の結合係数の大
   きさの周期的変化であることを特徴とした請求項（３）
   記載の導波路型第２高調波発生素子。
6. （６）光の入射側端面と出射側端面に、基本波光に対し
   ては高反射率で、かつ、第２高調波光に対しては低反射
   率となるような膜（４）を形成することを特徴とした請
   求項（１）〜（５）記載の導波路型第２高調波発生素子
   。
7. （７）光の入射側端面に基本波光および第２高調波光に
   対して高反射率を有する膜（５）を形成し、出射側端面
   には基本波光に対して高反射率で第２高調波光に対して
   は低反射率となるような膜（４）を形成することを特徴
   とした請求項（１）〜（５）記載の導波路型第２高調波
   発生素子。
8. （８）光の入射側端面に基本波光に対して低反射率で第
   ２高調波光に対しては高反射率を有する膜（６）を形成
   し、出射側端面には基本波光に対して高反射率で第２高
   調波光に対しては低反射率となるような膜（４）を形成
   することを特徴とした請求項（１）〜（５）記載の導波
   路型第２高調波発生素子。
9. （９）前記光導波路領域に伝播定数調整用の電極（１５
   ）を設けることを特徴とした請求項（１）〜（８）記載
   の導波路型第２高調波発生素子。
10. （１０）請求項（８）または請求項（９）記載の導波路
    型第２高調波発生素子（２００）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。