JPH05100271A - 光第二高調波発生素子 - Google Patents
光第二高調波発生素子Info
- Publication number
- JPH05100271A JPH05100271A JP26245391A JP26245391A JPH05100271A JP H05100271 A JPH05100271 A JP H05100271A JP 26245391 A JP26245391 A JP 26245391A JP 26245391 A JP26245391 A JP 26245391A JP H05100271 A JPH05100271 A JP H05100271A
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- JP
- Japan
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- wavelength
- optical
- domain
- domain inversion
- axis
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 光第二高調波発生素子、特に基本波光源の１
／２の波長の光を取り出す第二高調波発生素子に関し、
特にニオブ酸リチウム結晶表面に周期ドメイン反転構造
と光を強く閉じ込めるプロトン交換導波路を形成して、
光第二高調波発生素子を得る技術に関しＳＨＧ効率を高
める。 【構成】 位相整合波長λμｍとドメイン反転周期長Λ
μｍとが上記位相整合波長λをｘ軸にとり上記ドメイン
反転周期Λをｙ軸にとるｘ−ｙ直交座標系において、各
（ｘ，ｙ）座標の点ａ（０．７８，０．９）、ｂ（０．
９，２．３）、ｃ（０．９，３．４）、ｄ（０．７８，
２．０）を順次直線で結ぶ範囲内で設定する。
／２の波長の光を取り出す第二高調波発生素子に関し、
特にニオブ酸リチウム結晶表面に周期ドメイン反転構造
と光を強く閉じ込めるプロトン交換導波路を形成して、
光第二高調波発生素子を得る技術に関しＳＨＧ効率を高
める。 【構成】 位相整合波長λμｍとドメイン反転周期長Λ
μｍとが上記位相整合波長λをｘ軸にとり上記ドメイン
反転周期Λをｙ軸にとるｘ−ｙ直交座標系において、各
（ｘ，ｙ）座標の点ａ（０．７８，０．９）、ｂ（０．
９，２．３）、ｃ（０．９，３．４）、ｄ（０．７８，
２．０）を順次直線で結ぶ範囲内で設定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光第二高調波発生素
子、特に基本波光源の１／２の波長の光を取り出す第二
高調波発生素子に関し、特にニオブ酸リチウム結晶表面
に周期ドメイン反転構造と光を閉じ込めるプロトン交換
導波路を形成して、光第二高調波発生素子を得る技術に
関する。
子、特に基本波光源の１／２の波長の光を取り出す第二
高調波発生素子に関し、特にニオブ酸リチウム結晶表面
に周期ドメイン反転構造と光を閉じ込めるプロトン交換
導波路を形成して、光第二高調波発生素子を得る技術に
関する。
【０００２】
【従来の技術】各種光デバイスの高機能化、高性能化に
ともない、従来用いられてきた波長６８０ｎｍ〜１５５
０ｎｍのコヒーレント光源に比べ、より短波長である４
００ｎｍから５００ｎｍのコヒーレント光源が求められ
ている。
ともない、従来用いられてきた波長６８０ｎｍ〜１５５
０ｎｍのコヒーレント光源に比べ、より短波長である４
００ｎｍから５００ｎｍのコヒーレント光源が求められ
ている。
【０００３】この短波長帯で発振する半導体レーザーの
実現は現在のところ困難である。そのため、波長７８０
ｎｍ〜９００ｎｍの半導体レーザー光を非線形光学効果
を利用して周波数逓倍する第二高調波発生（ＳＨＧ：Se
cond Harmonics Generation）素子を用いて、短波長コ
ヒーレント光源を実現している。
実現は現在のところ困難である。そのため、波長７８０
ｎｍ〜９００ｎｍの半導体レーザー光を非線形光学効果
を利用して周波数逓倍する第二高調波発生（ＳＨＧ：Se
cond Harmonics Generation）素子を用いて、短波長コ
ヒーレント光源を実現している。
【０００４】なかでも、導波路型ＳＨＧ素子は光の回折
によるエネルギー密度低下を回避でき、半導体レーザー
を基本波光源として効率良く第二高調波光を発生させ数
ｍＷの出力をもつ小型の短波長光源を実現できる可能性
があることから注目されている。
によるエネルギー密度低下を回避でき、半導体レーザー
を基本波光源として効率良く第二高調波光を発生させ数
ｍＷの出力をもつ小型の短波長光源を実現できる可能性
があることから注目されている。
【０００５】このような導波路型ＳＨＧ素子の一例を図
２に示す。同図では、非線形定数の大きいニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶の厚さ方向にｃ軸を有す
る、いわゆるｚ板１の＋ｃ面上に分極のドメインがスト
ライプ状に所定のピッチをもって交互に上下に平行配列
する周期ドメイン反転構造部２を有している。
２に示す。同図では、非線形定数の大きいニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶の厚さ方向にｃ軸を有す
る、いわゆるｚ板１の＋ｃ面上に分極のドメインがスト
ライプ状に所定のピッチをもって交互に上下に平行配列
する周期ドメイン反転構造部２を有している。
【０００６】そして、この反転構造部２のパターンに応
じて反転構造の周期方向と直交する方向に、所要の幅お
よび深さを持ってストライプ状に光導波路３が形成され
ている。
じて反転構造の周期方向と直交する方向に、所要の幅お
よび深さを持ってストライプ状に光導波路３が形成され
ている。
【０００７】このようなＳＨＧ素子では、前記光導波路
３の一方より近赤外の基本波４を打ち込み、他方側より
第二高調波５を得ている。このＳＨＧ素子では、周期分
極反転構造部２の周期長、光導波路３の幅ならびに深さ
を適当に作製することにより、ニオブ酸リチウムの最大
の非線形定数をもちいて４００ｎｍ〜５００ｎｍ帯の第
二高調波光を取り出すことができる。
３の一方より近赤外の基本波４を打ち込み、他方側より
第二高調波５を得ている。このＳＨＧ素子では、周期分
極反転構造部２の周期長、光導波路３の幅ならびに深さ
を適当に作製することにより、ニオブ酸リチウムの最大
の非線形定数をもちいて４００ｎｍ〜５００ｎｍ帯の第
二高調波光を取り出すことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで従前では、こ
の種の特性光を得るために、製造が容易な周期長２．５
μｍ以上の分極反転構造を８００ｎｍ帯でのＳＨＧ素子
に利用するのが一般的であった。
の種の特性光を得るために、製造が容易な周期長２．５
μｍ以上の分極反転構造を８００ｎｍ帯でのＳＨＧ素子
に利用するのが一般的であった。
【０００９】このため、分極反転層の周期長がコヒーレ
ント長Ｌに等しい基本動作では導波路の深さを比較的深
めとして基本波、第二高調波ともに弱い閉じこめとする
必要があった。
ント長Ｌに等しい基本動作では導波路の深さを比較的深
めとして基本波、第二高調波ともに弱い閉じこめとする
必要があった。
【００１０】そのため、表面付近に局在する分極反転層
を有効に利用できずレーザーの出力効率が必ずしも良好
とはいえなかった。また周期長がＬの３倍である３次動
作の場合には、導波路３の深さを自由に選択でき、分極
反転層（反転構造部２）を有効に利用できるが、基本動
作に比べ効率が本質的に低い欠点があった。
を有効に利用できずレーザーの出力効率が必ずしも良好
とはいえなかった。また周期長がＬの３倍である３次動
作の場合には、導波路３の深さを自由に選択でき、分極
反転層（反転構造部２）を有効に利用できるが、基本動
作に比べ効率が本質的に低い欠点があった。
【００１１】本発明は、前記課題に鑑みてなされたもの
であり、基本波の波長が７８０ｎｍ〜９００ｎｍである
ような上述の導波路型ＳＨＧ素子の基本動作における高
効率化を目的とする。
であり、基本波の波長が７８０ｎｍ〜９００ｎｍである
ような上述の導波路型ＳＨＧ素子の基本動作における高
効率化を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明における光波長変
換素子は、コヒーレント光源からの光を基本波４として
表面に周期的分極反転構造部２を有する基板１に、プロ
トン交換により形成した光導波路３より第二高調波５を
発生する光波長変換素子であって、分極反転構造の周期
がコヒーレント長に等しい特徴を有している。
換素子は、コヒーレント光源からの光を基本波４として
表面に周期的分極反転構造部２を有する基板１に、プロ
トン交換により形成した光導波路３より第二高調波５を
発生する光波長変換素子であって、分極反転構造の周期
がコヒーレント長に等しい特徴を有している。
【００１３】特に本発明においては、位相整合波長λを
ｘ軸にとり上記ドメイン反転周期Λをｙ軸にとるｘ−ｙ
直交座標系において、位相整合波長λとドメイン反転周
期Λとの関係が、基本波と第二高調波の電界分布および
分極反転層分布の３つの分布の重なり積分の範囲内で設
定される点が特徴である。
ｘ軸にとり上記ドメイン反転周期Λをｙ軸にとるｘ−ｙ
直交座標系において、位相整合波長λとドメイン反転周
期Λとの関係が、基本波と第二高調波の電界分布および
分極反転層分布の３つの分布の重なり積分の範囲内で設
定される点が特徴である。
【００１４】さらに、本発明においては、波長が７８０
ｎｍ〜９００ｎｍのコヒーレント光源を用いた場合、分
極反転構造部２の周期長を基本波光光源の波長との関係
において、図１に示すように、基本波長λ（μｍ）をｘ
軸にとり、分極反転周期長Λ（μｍ）をｙ軸にとるｘ−
ｙ直交座標系において各（ｘ，ｙ）座標の点ａ（０．７
８，０．９）、ｂ（０．９，２．３）、ｃ（０．９，
３．４）、ｄ（０．７８，２．０）を順次直線で結ぶ範
囲内で選定する。
ｎｍ〜９００ｎｍのコヒーレント光源を用いた場合、分
極反転構造部２の周期長を基本波光光源の波長との関係
において、図１に示すように、基本波長λ（μｍ）をｘ
軸にとり、分極反転周期長Λ（μｍ）をｙ軸にとるｘ−
ｙ直交座標系において各（ｘ，ｙ）座標の点ａ（０．７
８，０．９）、ｂ（０．９，２．３）、ｃ（０．９，
３．４）、ｄ（０．７８，２．０）を順次直線で結ぶ範
囲内で選定する。
【００１５】
【作用】ＳＨＧ効率は基本波と高調波の電界分布、分極
反転層分布の３分布の重なり積分の２乗に比例する。３
次動作での分極反転周期は９μｍ程度であるが、基本動
作の場合３μｍ程度のきわめて短い周期となる。Linb03
の場合、分極反転は三角形状で一定であるため反転周期
長が短くなると比例して反転層の厚みは薄くなる。ドメ
イン反転層境界の表面からの位置は、分極反転熱処理時
間に依存するが、表面からドメイン反転が基板深さ方向
に反転が進むにしたがって、その周期性は失われる為、
微細周期の場合は表面に局在させる必要がある。この表
面に局在した薄い分極反転層とマッチングをよくするた
めには強導波により基本波のモード分布を表面に局在さ
せる必要がある。このような強い導波層を形成するため
には０．４μｍ程度のプロトン交換導波路を作製する必
要があるが、このような導波路を形成するとプロトン交
換部の強い屈折率分散を感じて、位相整合のとれる反転
周期長はさらに短くなる。したがって分極反転層の厚み
はさらに薄くなり上記３つの重なり積分は低下し、変換
効率は低下すると考えられていた。またプロトン交換に
より非線形定数は半分程度に低下するため、プロトン交
換後アニールを長時間ほどこして非線形定数を回復させ
た方が有利であると考えられていた。
反転層分布の３分布の重なり積分の２乗に比例する。３
次動作での分極反転周期は９μｍ程度であるが、基本動
作の場合３μｍ程度のきわめて短い周期となる。Linb03
の場合、分極反転は三角形状で一定であるため反転周期
長が短くなると比例して反転層の厚みは薄くなる。ドメ
イン反転層境界の表面からの位置は、分極反転熱処理時
間に依存するが、表面からドメイン反転が基板深さ方向
に反転が進むにしたがって、その周期性は失われる為、
微細周期の場合は表面に局在させる必要がある。この表
面に局在した薄い分極反転層とマッチングをよくするた
めには強導波により基本波のモード分布を表面に局在さ
せる必要がある。このような強い導波層を形成するため
には０．４μｍ程度のプロトン交換導波路を作製する必
要があるが、このような導波路を形成するとプロトン交
換部の強い屈折率分散を感じて、位相整合のとれる反転
周期長はさらに短くなる。したがって分極反転層の厚み
はさらに薄くなり上記３つの重なり積分は低下し、変換
効率は低下すると考えられていた。またプロトン交換に
より非線形定数は半分程度に低下するため、プロトン交
換後アニールを長時間ほどこして非線形定数を回復させ
た方が有利であると考えられていた。
【００１６】本発明者は、プロトン交換による分極反転
層の表面局在化と基本波、高調波の重なり積分を検討
し、非線形定数の低下を考慮にいれてもアニール時間が
短いほど交換効率は急速に向上することを見いだした
（図４）。したがってＳＨＧ効率の点からはアニールは
しない方が好ましいが、分極反転長が短くなりすぎ作製
が困難となる点で不都合がある。
層の表面局在化と基本波、高調波の重なり積分を検討
し、非線形定数の低下を考慮にいれてもアニール時間が
短いほど交換効率は急速に向上することを見いだした
（図４）。したがってＳＨＧ効率の点からはアニールは
しない方が好ましいが、分極反転長が短くなりすぎ作製
が困難となる点で不都合がある。
【００１７】したがって、この表面に局在した分極反転
層２と基本波４、第二高調波５の電界分布の重なり積分
を大きくするためには、分極反転処理時間、プロトン交
換量、および交換後のプロトン熱拡散を精密に制御する
必要がある。
層２と基本波４、第二高調波５の電界分布の重なり積分
を大きくするためには、分極反転処理時間、プロトン交
換量、および交換後のプロトン熱拡散を精密に制御する
必要がある。
【００１８】
【実施例】図２を参照して本発明の一実施例を説明す
る。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ 3）単結晶基板の厚
さ方向にＣ軸を有するいわゆるｚ基板１を用意する。
る。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ 3）単結晶基板の厚
さ方向にＣ軸を有するいわゆるｚ基板１を用意する。
【００１９】ここで前記ｚ基板１において、主面（１
ａ）側を＋Ｃ面とする。この＋Ｃ面上に同図で模式的に
示すように、周期分極反転構造部２が形成される。この
周期分極反転構造部２は、前記ｚ基板１上に、フォトリ
ソグラフィー工程により所定の幅、ピッチをもってスト
ライプ状に平行に配列するようにマスク材のパターニン
グを行なった後、１０００℃〜１１００℃数時間の熱処
理工程を経ることにより形成できる。
ａ）側を＋Ｃ面とする。この＋Ｃ面上に同図で模式的に
示すように、周期分極反転構造部２が形成される。この
周期分極反転構造部２は、前記ｚ基板１上に、フォトリ
ソグラフィー工程により所定の幅、ピッチをもってスト
ライプ状に平行に配列するようにマスク材のパターニン
グを行なった後、１０００℃〜１１００℃数時間の熱処
理工程を経ることにより形成できる。
【００２０】このときのマスク材としては、たとえば酸
化珪素ＳｉＯ2を用いる。この分極反転構造部２の周期
Λは、図１で示した周期Λと基本波光源の波長λとが各
点ａ〜ｂによって囲まれる範囲内で選定する。
化珪素ＳｉＯ2を用いる。この分極反転構造部２の周期
Λは、図１で示した周期Λと基本波光源の波長λとが各
点ａ〜ｂによって囲まれる範囲内で選定する。
【００２１】更に主面１ａ側にプロトン交換により、屈
折率が材料体に比して大きな光導波路３を形成する。こ
の光導波路３は所定の幅のストライプ状窓を残して主面
１ａ側をマスク材、たとえばタンタルＴａで覆ったの
ち、例えばピロ燐酸をプロトン源として２３０℃、１５
分間熱処理することで形成できる。このようにして周期
ドメイン反転構造部２が光導波路３内に入り込んだ構造
が得られる。
折率が材料体に比して大きな光導波路３を形成する。こ
の光導波路３は所定の幅のストライプ状窓を残して主面
１ａ側をマスク材、たとえばタンタルＴａで覆ったの
ち、例えばピロ燐酸をプロトン源として２３０℃、１５
分間熱処理することで形成できる。このようにして周期
ドメイン反転構造部２が光導波路３内に入り込んだ構造
が得られる。
【００２２】上述の周期分極反転構造部２を有する導波
路型ＳＨＧ素子のＳＨＧ効率は基本波４と第二高調波５
の電界分布および分極反転層分布の３つの分布の重なり
積分に比例する。
路型ＳＨＧ素子のＳＨＧ効率は基本波４と第二高調波５
の電界分布および分極反転層分布の３つの分布の重なり
積分に比例する。
【００２３】基本波４と第二高調波５の重なりは導波路
３の屈折率分布で定まる。このためプロトン交換導波路
では、屈折率を変調する原因であるプロトンの交換量
（温度、時間の関数）とこのプロトンを基板１内に熱拡
散するプロトン交換後のアニール温度、時間で重なりを
コントロールできる。
３の屈折率分布で定まる。このためプロトン交換導波路
では、屈折率を変調する原因であるプロトンの交換量
（温度、時間の関数）とこのプロトンを基板１内に熱拡
散するプロトン交換後のアニール温度、時間で重なりを
コントロールできる。
【００２４】また分極反転構造部２の深さは反転層の周
期長Λにより決定される。またドメイン反転層境界の表
面からの位置は、分極反転熱処理時間に依存するが微細
周期の場合は表面からドメイン反転が基板深さ方向に反
転が進むに従ってその周期性は失われるため表面に局在
させる必要がある。
期長Λにより決定される。またドメイン反転層境界の表
面からの位置は、分極反転熱処理時間に依存するが微細
周期の場合は表面からドメイン反転が基板深さ方向に反
転が進むに従ってその周期性は失われるため表面に局在
させる必要がある。
【００２５】この表面に局在した分極反転層２と基本波
４、第二高調波５の電界分布の重なり積分を大きくする
ためには、分極反転処理時間、プロトン交換量、および
交換後のプロトン熱拡散を精密にコントロールする必要
がある。
４、第二高調波５の電界分布の重なり積分を大きくする
ためには、分極反転処理時間、プロトン交換量、および
交換後のプロトン熱拡散を精密にコントロールする必要
がある。
【００２６】基本波４の波長λと分極反転周期長Λの関
係をアニール時間をパラメータとした結果を図３に示
す。同図において、アニール時間が長くなると分極反転
周期長Λは長くなりバルクでの周期長に近くなる。一
方、アニール時間が短くなるとドメイン反転周期長Λは
急速に短くなる。
係をアニール時間をパラメータとした結果を図３に示
す。同図において、アニール時間が長くなると分極反転
周期長Λは長くなりバルクでの周期長に近くなる。一
方、アニール時間が短くなるとドメイン反転周期長Λは
急速に短くなる。
【００２７】本実施例において、分極反転周期（Λ）
２．４μｍ、アニール温度３６０℃、時間１８分で作製
した本素子に、波長（λ）８４０ｎｍのＬＤを光源とし
２０ｍＷ入力したところ、０．７ｍＷの第二高調波出力
を得ることができた。
２．４μｍ、アニール温度３６０℃、時間１８分で作製
した本素子に、波長（λ）８４０ｎｍのＬＤを光源とし
２０ｍＷ入力したところ、０．７ｍＷの第二高調波出力
を得ることができた。
【００２８】
【発明の効果】以上本発明によれば、周期分極反転によ
り位相整合をとる高効率の導波路型ＳＨＧ素子を実現で
きる。そして、この素子を利用して半導休レーザーを光
源とした小型の短波長光源を得ることが可能となる。
り位相整合をとる高効率の導波路型ＳＨＧ素子を実現で
きる。そして、この素子を利用して半導休レーザーを光
源とした小型の短波長光源を得ることが可能となる。
【図１】本発明における基本波の波長と分極反転周期長
の選定範囲を示すグラフ図
の選定範囲を示すグラフ図
【図２】本発明における光第ニ高調波発生素子の構造を
示す斜視図
示す斜視図
【図３】基本波の波長と分極反転周期との関係を示すグ
ラフ図
ラフ図
【図４】アニール時間とＳＨＧ効率との変化を示すグラ
フ図
フ図
【符号の説明】 １・・基板 ２・・周期ドメイン反転構造部（分極反転層） ３・・光導波路 ４・・基本波 ５・・第ニ高調波
Claims (1)
- 【請求項１】 周期的に誘電分極のドメイン反転領域が
表面に形成されたＬｉＮｂＯ3非線形光学結晶基板に基
本波および第二高調波を閉じ込めるプロトン交換による
導波路を有してなり、位相整合波長λμｍとドメイン反
転周期長Λμｍとが上記位相整合波長λをｘ軸にとり上
記ドメイン反転周期Λをｙ軸にとるｘ−ｙ直交座標系に
おいて、各（ｘ，ｙ）座標の点ａ（０．７８，０．
９）、ｂ（０．９，２．３）、ｃ（０．９，３．４）、
ｄ（０．７８，２．０）を順次直線で結ぶ範囲内で設定
されていることを特徴とする光第二高調波発生素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26245391A JPH05100271A (ja) | 1991-10-09 | 1991-10-09 | 光第二高調波発生素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26245391A JPH05100271A (ja) | 1991-10-09 | 1991-10-09 | 光第二高調波発生素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05100271A true JPH05100271A (ja) | 1993-04-23 |
Family
ID=17375998
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26245391A Pending JPH05100271A (ja) | 1991-10-09 | 1991-10-09 | 光第二高調波発生素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05100271A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6334008B2 (en) | 1998-02-19 | 2001-12-25 | Nec Corporation | Optical circuit and method of fabricating the same |
-
1991
- 1991-10-09 JP JP26245391A patent/JPH05100271A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6334008B2 (en) | 1998-02-19 | 2001-12-25 | Nec Corporation | Optical circuit and method of fabricating the same |
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