JPH0437731A - 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、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、特に詳細には、有機非線形光学
材料によりコアあるいは先導波路を形成した、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、レーサー光を第
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、ＹＡＲＩＶ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。ところかこの光波長
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、それらよりも高屈折率の非線形光学材料
からなる２次元光導波路を形成した２次元光導波路型の
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、それよりも高屈折率の非線形光学材料からなる３
次元光導波路が埋め込まれた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。

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か可能となるので
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　ｏｌｙｉｌｅｒｉｃＭａｔｅｒ
ｉａｌｓ”ＡＣ８ＳＹＭＰＯ８ＩＵＭ　　５ＥＲＩＥＳ
　　２２３．　Ｄａｖｉｄ　Ｊ、　Ｗｊｌｌｉａｍｓ編
（Ａｍｅｒｊｃａｎ　Ｃｈｅｍｊｃａｌ　５ｏｃｉｅｔ
ｙ、　　１９８３年刊）「有機非線形光学材料」加藤政
雄１中西八部監修（シー・エム・シー社、１９８５年刊
）、“Ｎｏｎ１ｉｎｅａｒ　　Ｏｐｔｉｃａｌ　　Ｐ　
ｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　　ＯｒｇａｎｉｃＭｏｌｅ
ｃｕｌｅｓ　ａｎｄ　　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　”　Ｄ、　
　Ｓ、　　ＣｈｅｍｌａおよびＪ、Ｚｙｓｓ編（Ａ　ｃ
ａｄｅｃｉｃ　Ｐ　ｒｅｓｓ　　Ｉ　ｎｃ。

１９８７年刊）　、Ｒ，Ｔ、　　Ｂａ１ｌｅｙ等による
”Ｔｈｅ　　Ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　　Ｐｅｒｒｏｒ
ｍａｎｃｅ　ｏｆ　　ＴｈｅＯｒｇａｎｉｃ　　Ｎｏｎ
−Ｌｉｎｅａｒ　　０ｐｔｉｃａｌ　　Ｍａｔｅｒｉａ
ｌ（−）　　２−　　（ａ　−Ｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｙ
ｌａｍｉｎｏ）　　−５−Ｎ１ｔｒｏｐｙｒｉｄｊｎｃ
　（ＭＢＡ−ＮＰ）　　’　　（Ｏｐｔｉｃｓ　　Ｃｏ
ｍｍｕｎｌｃａｔｉｏｎｓ、　　Ｖｏｌ、８５．　　Ｎ
ｏ、３　、　　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−４−二トロビリ
ジン−１−オキサイド）、尿素、ＮＰＰ　［Ｎ−（４−
ニトロフェニル）−（Ｓ）−プロリノール］　、ＮＰＡ
Ｎ　ｆ２〜ＣＮ−（４−ニトロフェニル）−Ｎ−メチル
アミノ〕アセトニトリル）　、ＤＡＮ　（２−ジメチル
アミノ−５−ニトロアセトアニリド）　、ＭＢＩ−ＮＰ
　　［２−Ｎ　（α−メチルベンジルアミノ）−５−ニ
トロピリジン］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１、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）イミダゾール、１−（４−ニトロフェニル）ピロー
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−ニトロピリジン−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何する
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サー光を得る
ことも可能となる。

（発明が解決しようとする課題） ところか、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力結合効率が
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。

一方、上記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、例えばファイバー型のものではコア
径が１μｍ程度と、有機非線形光学材料からなる導波部
が極めて小さく、あるいは薄く形成される。そのため、
この種の従来の光波長変換素子においては、上述したよ
うな昇華あるいは変成が生じていなくても、元より基本
波の入力結合効率が低いという問題が有った。

例えば特開平２−７９０３３号公報等には、有機非線形
光学材料からなる導波部の端面に樹脂等の遮断層を被着
して、該有機非線形光学材料の昇華や変成を防止する技
術思想が開示されている。

このような遮断層は、上記昇華や変成を防止する上で確
かに効果的であるが、導波部が極めて小さくあるいは薄
く形成されるために基本波入力結合効率が低い、という
根本的な問題には対処できないものである。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり
、導波部が極めて小さくあるいは薄くても、高い基本波
入力結合効率を実現でき、そして前述した導波部の昇華
や変成を防止することもてきる、ファイバー型あるいは
先導波路型の光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、前述したように、クラ
ッド部と、このクラッド部よりも高屈折率の有機非線形
光学材料により形成されて該クラッド部内に配された導
波部とからなり、この導波部を導波する基本波を波長変
換するファイバー型あるいは光導波路型の光波長変換素
子において、 導波部とクラッド部の中間の屈折率を有する材料からな
り、導波部とその周囲雰囲気とを遮断する遮断部を、導
波部の少なくとも基本波入力側の端部に連続させて、ク
ラッド部内に配したことを特徴とするものである。

（作　　用） 上記の遮断部は、導波部と空気等の周囲雰囲気とを遮断
するので、この導波部を構成する有機非線形光学材料の
昇華や変成が防止され得る。

また、基本波はまず上記遮断部に入射してそこを伝搬し
てから、有機非線形光学材料からなる導波部に入射する
ことになるが、該遮断部の材料は導波部よりも低屈折率
であるから、この遮断部を伝搬する基本波のモードフィ
ールドは、導波部におけるそれよりも広くなる。したが
ってこの場合は、基本波を直接導波部の端面に照射して
そこに入射させる場合よりも、基本波入力結合効率が高
くなる。

（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１０を示すものである。この光波長変換素子ｌ
Ｏ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。そし
てコア１１の両端面にそれぞれ連続させて、遮断部１３
ａ、１３ｂが形成されている。これらの遮断部１３ａ、
１３ｂは、コア１１と同様にクラッド１２中に配され、
素子端面１０ａ、１０ｂにおいては、これらの遮断部１
３ａ、　１３ｂの端面が露出している。つまりコア１１
は、これらの遮断部１３ａ、１３ｂによって、周囲雰囲
気と遮断されている。

ここで、本実施例ではコア１１を前述のＤＭＮＰ。

クラッド１２を光学ガラス５ＦＩＯ１遮断部１３ａ、１
３ｂをアロマティックポリアミドから形成する。以下、
この光波長変換素子１０の製造方法を説明する。

まずクラッド１２となる中空のガラスファイバー１２゜
が用意される。このガラスファイバー１２°は一例とし
て、外径が１ｍｍ程度で、中空部の径が０゜１〜１０μ
ｍ程度のものである。そして第３図に示すように、炉内
等においてＤＭＮＰＩＩｏを融液状態に保ち、この融液
内にガラスファイバー１２′の一端部を浸入させる。す
ると毛細管現象により、融液状態のＤＭＮＰＩＩ’がガ
ラスファイバー１２′の中空部内に進入する。なお該融
液の温度は、ＤＭＮＰＩＩｏの分解を防止するため、そ
の融点（１０２℃）よりも僅かに高い温度とする。その
後ガラスファイバー１２°を急冷させると、中空部に進
入していたＤＭＮＰＩＩ’が多結晶化する。

次に、この光ファイバー１２′　を、ＤＭＮＰＩＩ’の
融点より高い温度（例えば１０２．５℃）に保たれた炉
内から、該融点より低い温度に保たれた炉外に徐々に引
き出すことにより、溶融状態のＤＭＮＰＩＩ’　を炉外
への引出し部分から単結晶化させる。それにより、極め
て長い単結晶状態で結晶方位も一定に揃ったコア１１が
形成され、光波長変換素子１０を十分に長くすることが
できる。周知のようにこの種の光波長変換素子の波長変
換効率は素子の長さに比例するので、光波長変換素子は
長いほど実用的価値が高くなる。

以上述べたようにしてコア１１が充てんされた後、適宜
両端が切断されたガラスファイｌ＜−１２＋ｉ、アロマ
ティックポリアミドをアセトンに溶解しｔこ溶液中に、
１０分程度浸漬される。こうすること（こより、コア１
１の両端部が溶解して、５０μｍ程度の深さまでアロマ
ティックポリアミドが浸入する。

次いでガラスファイバー１２′　を上記溶液から取り出
し、５時間程度乾燥させる。以上の処理（こより、第１
．２図図示のように、コア１１の両端部にアロマティッ
クポリアミドからなる遮断部１３ａ、　１３ｂが連なる
光波長変換素子１０が形成される。

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１５は、素子１０の入射端面
１０ａからコア１１内に入射される。基本波発生手段と
しては例えばＱスイ・フチＹＡＧレーザ−（波長：　１
０６４１０６４ｎが用いられ、対物レンズ１７て集光し
たレーザー光（基本波）１５を素子端面１０ａ　（遮断
部１３ａの端面）に照射することにより、該レーザー光
１５を光波長変換素子１０内に入射させる。

この基本波１５は、コア１１を構成するＤＭＮＰにより
、波長が１／２の第２高調波１５′　に変換される。こ
の第２高調波１５′　　は、クラ・ノド１２の周面と周
囲媒質との界面間で全反射を繰り返して、素子１０内を
進行する。位相整合は例えば、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
モードとの間で行なわれる（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（クラ・ノド端面
）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、遮断部１３ｂを
透過して素子外に出射し、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、前述のような遮断部１３ａおよび１３ｂが設け
られていれば、有機材料であるＤＭＮＰからなるコア１
１が空気等の雰囲気に直接接しなくなるので、このコア
１１の昇華および変成が防止される。

また、基本波入力側の素子端部において遮断部１３ａが
形成されていることにより、基本波入力結合効率が向上
する。以下、この点を詳しく説明する。クラッド１２を
構成する５ＦＩＯガラス、遮断部１３ａを構成するアロ
マティ・ツクポリアミド、コア１１を構成するＤＭＮＰ
の波長６３３ｎｍに対する屈折率ｎはそれぞれ、１．７
２、■、７７．１．８３である。また第４図にＡなる範
囲で示すように、コア１１と遮断部１３ａとの境界部に
は、両者の相溶部分か生じており、この相溶部分の屈折
率は、ＤＭＮＰとアロマティックポリアミドの中間的な
値をとる。

そこで、遮断部１３ａからコア１１に伝搬する基本ｅＬ
１５の光強度分布は基本的に、遮断部１３ａ、相溶部分
Ａ、コア１１においてそれぞれ、第４図中ａ１ｂＳｃで
示すようになる。つまり基本波１５のモードフィールド
径りは、図中破線ｄて示すように変化することになる。

前述したようにアロマティ・ツクポリアミドはＤＭＮＰ
よりも低屈折率であるから、図示の通り、遮断部１３ａ
における基本波１５のモードフィールド径りは、コア１
１におけるそれよりも大きくなる。

したがってこの場合は、遮断部１３ａを設けずにＤＭＮ
Ｐからなるコア１１の端面から直接基本波１５を入力さ
せる場合と比べると、基本波入力結合効率がより高くな
る。具体例を挙げると、コア１１、クラッド１２、遮断
部１３ａを上述の材料から形成し、コア径を１．８μｍ
としたとき、遮断部１３ａを設けない場合は基本波入力
結合効率が４０％であったのに対し、遮断部１３ａを設
けてそこを介して基本波１５をコア１１に入力させる場
合は、基本波入力結合効率が５５％にまで向上した。

なお本発明においては、基本波入力側の導波部端部のみ
ならず、上記実施例におけるように、波長変換波が出射
する側の導波部端部に遮断部を形成してもよい。そのよ
うにすれば、当然この波長変換波出射側の導波部端部の
昇華や変成が防止され得る。しかし、この導波部端部は
勿論基本波入力には係わらないので、この部分には遮断
部を設けず、その代わりに、前記特開平２−７９０３３
号公報に示されるように、素子端面全体を覆う遮断層を
設けるようにしてもよい。

また勿論ながら本発明は、有機非線形光学材料としてＤ
ＭＮＰを用いる場合のみならず、先に例示したようなそ
の他の有機非線形光学材料を用いる場合においても、同
様に適用され得るものである。

そして遮断部を形成する材料も、上記実施例のアロマテ
ィックポリアミドに限らず、導波部およびクラッド部を
構成する材料に応じて、アクリル樹脂、フェノール樹脂
、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹
脂、ポリスチレン樹脂、アクリルニトリル−ブタジェン
−スチレン共重合体、フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂
、メタクリル−スチレン共重合体、ポリカーボネート、
ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルアセタール、
アルキド樹脂、酢酸ビニル樹脂等を用いることができる
。

また、上記実施例の光波長変換素子１０は、基本波のコ
ア部での導波モードと、第２高調波のクラッド部への放
射モードとの間で位相整合がとられるものであるが、本
発明は、基本波と波長変換波をともにコア部あるいは光
導波路中において導波させ、両者の導波モード間で位相
整合をとるタイプの素子に対しても適用可能である。

さらに、以上説明した実施例の光波長変換素子は、第２
高調波を発生するファイバー型のものであるか、本発明
は、第２高調波以外の例えば第３高調波、和周波、差周
波等を発生させる光波長変換素子に対しても、また前述
した光導波路型の光波長変換素子に対しても適用可能で
ある。

（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は、有
機非線形光学材料からなる導波部の基本波入力側の端部
を遮断部により覆う構造としたので、この有機非線形光
学材料の昇華や変成を確実に防止可能となる。よって本
発明の光波長変換素子においては、この昇華や変成によ
る導波部の有効長の低下や、基本波入力結合効率の低下
を防止することができる。

そして本発明の光波長変換素子においては、上記の遮断
部を、クラッド部と導波部の中間の屈折率を有する材料
から形成した上で、導波部に連続する形でクラッド部内
に配したことにより、該遮断部を伝搬する基本波のモー
ドフィールドを、導波部を伝搬する基本波のそれよりも
大きくして、基本波入力結合効率を根本的に高くするこ
とができる。

以上により、本発明の光波長変換素子によれば、従来装
置に比べてより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、本発明の一実施例によ
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作成方法を説明する概
略図、 第４図は、上記光波長変換素子における基本波のモード
フィールド径の変化の様子を示す概略図である。 １０・・・光波長変換素子　　１０ａ、１０ｂ・・・素
子端面１１・・・コ　ア　　　　　　１２・・・クラッ
ド１３ａ、　１３ｂ・・・遮断部　　１５・・・基　本
　波１５′　・・・第２高調波 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 クラッド部と、このクラッド部よりも高屈折率の有機非
   線形光学材料により形成されて該クラッド部内に配され
   た導波部とからなり、 この導波部を導波する基本波を波長変換する光波長変換
   素子において、 導波部とクラッド部の中間の屈折率を有する材料からな
   り、導波部とその周囲雰囲気とを遮断する遮断部が、導
   波部の少なくとも基本波入力側の端部に連続させて、ク
   ラッド部内に配されていることを特徴とする光波長変換
   素子。