JPH05249521A

JPH05249521A - 導波路型高調波変調装置

Info

Publication number: JPH05249521A
Application number: JP4046686A
Authority: JP
Inventors: Herumufurido Suten; ステン・ヘルムフリド; Kimio Tateno; 公男立野; Akitomo Itou; 顕知伊藤; Kazutami Kawamoto; 和民川本; Tetsuo Ando; 哲生安藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1993-09-28

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、光変調時に、ノイズの発生を
伴わないような短波長光源を提供することである。【構成】光変調を、半導体レーザではなく、高調波発生
時の位相整合を変調することで行う。【効果】光ディスクなどに適用される高調波の変調時に
ノイズ発生が生じないため、高い信号対雑音比の装置を
提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学を応用して
発生する短波長の高調波の強度変調に係り、特に光ディ
スク装置等の光学的情報処理装置の記録密度の向上、あ
るいは、レーザビームプリンタの印字品質の向上に関す
る。さらに本発明は、医療外科手術用の装置、レーザ機
械加工、光通信などに用いられる光源に関する。

【０００２】

【従来の技術】記録や書換えが可能な光ディスク、ある
いは、レーザビームプリンタでは、記録すべき情報に応
じて、光源からの光ビームを、数百ＭＨｚの速さで強度
変調して、被記録媒体上に照射する必要がある。従来技
術において、非線形光学結晶に作られた導波路型の高調
波発生装置では、基本波である半導体レーザの注入電流
を変調して、高調波の強度を変調する方法がとられてい
た。しかしながら、半導体レーザの注入電流を直接変調
すると、注入したキャリアの量が増減するため、屈折率
に変動が生じ、縦モード間のホッピングが伴い、出力に
大きな変動が起こる。この現象は、変調の周波数が高く
なるに従い顕著になるため、非線形光学結晶に作られた
導波路型の高調波発生装置の強度変調は低周波での変調
に限られており、数百ＭＨｚの高周波で強度変調しなく
てはならない光ディスクやレーザプリンタへの応用は阻
まれていたのが実状であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】光ディスクやレーザプ
リンタに適用される光源は、出力が安定している必要が
ある。例えば、ディジタルのコード情報を光ディスクか
ら再生する場合、許容されるノイズのレベルは、相対強
度ノイズ(Relative Intensity Noise)にして、高々−１
２０デシベル／ヘルツである。これに対し、導波路型の
高調波発生装置では、基本波となる半導体レーザの注入
電流を変調して高調波の強度を変調すると、ノイズが発
生し、許容レベルを超えてしまうことはよく知られてい
る（アイトリプルイージャーナルオブクワンタムエ
レクトロニクス，ボリュームキューイー１８，ナンバ
ー３，１９８２年３月Ｐ３４３−Ｐ３５１（IEEE JOUR
NALOF QUANTUM ELECTRONICS，VOL．QE-18，NO．3，MARC
H 1982））。半導体レーザを構成する導波路内の注入電
流密度が変化すると、屈折率が変化して光路長が変わ
る。これに起因して、半導体レーザ共振器の共振波長が
変化し、モードホップが発生し出力光にゆらぎが生じて
ノイズが発生するのである。

【０００４】非線形光学を応用した高調波の発生過程で
は、基本波と高調波との位相が一致している必要があ
る。この条件を位相整合条件と呼ぶが、この条件が満た
されない場合は、基本波から高調波への変換効率は急激
に下がる。位相整合は、非線形光学的結晶、あるいは、
導波路内で、基本波と高調波の実効的屈折率が等しくな
ければならないことを意味している。ところが、非線形
光学的結晶、あるいは、導波路には波長分散があるた
め、この条件を満たす波長幅は極めて狭い。従って、基
本波である半導体レーザの波長がモードホップによって
変化すると、該位相整合条件が崩れて、高調波の出力が
ゆらぐことになる。さらに、半導体レーザのモードホッ
プには出力の変動がともなうが、高調波の強度は、基本
波の高次光次数のべき乗に比例するため、半導体レーザ
出力のゆらぎが増幅されることになる。

【０００５】本発明の目的は、高速で強度変調をしても
安定した出力が得られる導波路型の高調波発生装置を提
供することにある。

【０００６】本発明の他の目的は、安定な出力の高調波
発生装置を光源に用いて、記録又は再生時のノイズレベ
ルを許容範囲に押えた、精度のよい光情報処理装置を提
供することにある。

【０００７】本発明の更に他の目的は、安定な出力の高
調波発生装置を光源に用いて、高速かつ高精度に光ビー
ムを走査するレーザビームプリンタを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、半導体レーザを連続発振とし、注入
電流を変調せずに位相整合条件を変調する。

【０００９】具体的には、異なる非線形光学定数を有す
る複数個のドメインと、該ドメインに電場を与える電極
を備えた導波路型高調波変調装置により達成され、特
に、複数個のドメインによって構成された導波路の屈折
率を電気光学的に変調することで位相整合条件を変調
し、高調波の強度を変調することによって達成される。

【００１０】

【作用】電場を印加することで屈折率が変化する電気光
学効果を有する有機物の一例に、ＫＴＰ（チタン酸リン
酸カリウム）、ＬｉＮｂＯ（リチウムニオベイト）、Ｌ
ｉＴａＯ（リチウムタンタレイト）などがある。この電
気光学効果における屈折率の変化は、印加電場に比例す
る。従って、電場を印加して屈折率を変化させることに
よって、位相整合条件を制御することが可能となる。印
加電圧を変調すれば、基本波と高調波の実効的屈折率を
等しくなるように変調して位相整合条件を満足させるこ
とができる。一般に、非線形光学材料の屈折率と波長の
分散は大きい必要がある。何故ならば、電気光学効果に
よる基本波と高調波の屈折率変化がいずれも大きいと、
位相整合が崩れないからである。幸いなことに、通常、
波長の短い領域ほど、電気光学的に生じる屈折率分散は
大きい。すなわち、基本波よりも、高調波の屈折率変化
の方が大きい。さらにまた、基本波よりも、高調波の方
が、導波路内で占める場所が狭いため、電極を通じて印
加される電場とのオーバラップがよくなり、電気光学効
果を生じさせる効率が上がるという利点もある。

【００１１】位相整合条件を利用して導波路型の高調波
発生装置を構成した例として、次のものがある。すなわ
ち、非線形光学結晶からなる導波路を周期的なセグメン
トに分割し、各セグメントの非線形光学係数の符号を順
次反転させる。こうして、位相整合条件を導波路全体に
渡ってつないだ上で位相整合条件を満足させて高調波を
発生させる（オプティクスレター，ボリューム１６，ナ
ンバー１５，１９９１年８月１日、Ｐ１１５６−Ｐ１
１５８（OPTICS LETTERS／Vol．16，No．15／August
1，1991））。これは、疑似位相整合と呼ばれている。
しかしながら、このような高調波発生装置の注入電流を
変化させて高調波を変調させようとすると、前述のとお
り位相整合条件が崩れてしまい、高調波を安定に変調す
ることができない。

【００１２】本発明を用いることによって、隣接する個
々のセグメントに、セグメント毎に異なる電場をかける
ことができるので、隣接するセグメント間で屈折率変化
を相殺することなく、位相整合条件を満たすことができ
る。特にセグメントの導波路方向に隣接する大きさを変
えると、高次の疑似位相整合をよりよく達成することが
できる。

【００１３】さらに、直接変調がなければ、半導体レー
ザをシングルモードで発振させることは可能である。位
相整合条件の変調は、電気光学効果を利用することで、
導波路の実効屈折率を変調して行う。導波路に形成した
電極を通じて印加される電場によって生じる基本波と高
調波の実効屈折率変化が十分大きければ、上記位相整合
条件を簡単にはずすことが可能となる。逆に、印加電場
を切れば、もと通りの位相整合条件が再現され、高調波
が発生する。

【００１４】本発明による高調波の変調方法は、平面型
導波路、チャンネル型導波路、アレー型導波路などいか
なるタイプの導波路に対しても適用可能である。また、
この方法は、高調波を得るための、電気光学効果を有す
る、様々な非線形光学結晶、例えば、リチウムニオベイ
ト、リチウムタンタレイト、チタン酸リン酸カリウム、
そして、有機化合物に適用可能である。さらにこの方法
は、前述の疑似位相整合だけでなく、複屈折型位相整
合、モード分散型位相整合、バランス型位相整合などい
かなるものにも適用可能である。高調波としては、２
次、３次、そして、高次光の発生に応用可能である。ま
た、導波路に形成する電極としては、ランプ型、あるい
は、インピーダンスマッチを取った進行波型など、あら
ゆるタイプが使用できる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。いずれも
疑似位相整合型の高調波発生の変調を例とする。この方
法は高調波への変換効率が最も高く、実用になる可能性
が大きいからである。

【００１６】第一の実施例では、反転セグメントの長さ
が等しい場合、すなわち、波長変換効率のより高い、一
次の疑似位相整合が成り立つ場合について説明する。す
なわち、印加電場を隣あうセグメント毎に変化させるも
のである。第二の実施例では、２次の疑似位相整合が成
り立つ場合について述べる。この場合は隣あうセグメン
トの各々の長さが異なるため、導波路に沿って、一様な
電圧を駆けることで、変調が可能となり、進行波型変調
器として、１Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上の高速変調が可能と
なる。第３、第４の実施例は、本方法を、光ディスク
や、レーザプリンタに適用したものである。

【００１７】これまでに報告されている疑似位相整合導
波路は、ｚ−カット基板上に形成されている。最大の電
気光学定数、ｒ33を使うためには、ｚ−カット基板の表
面に垂直に電場を印加する必要がある。従って、電極は
導波路に重なるように形成することになる。この時、電
極と導波路の間にはバッファー層を設けて、エバネッセ
ント波が電極に掛かるために生じる光波の損失を防ぐ必
要がある。このバッファー層の厚みは、百ないし、数百
ｎｍであり、ＳｉＯ₂、あるいは、Al₂O₃などが使われ
る。

【００１８】図１は本発明の一実施例を示すものであ
る。電圧印加による変調は、導波路の上に蒸着した、ア
ルミニウムなどの櫛型電極を通じて行う。電気抵抗を小
さくするために、電極の厚みは３ミクロン以下が望まし
い。図２に図１の断面図を示す。電極１，２にはそれぞ
れ異なる電場が与えられているため、ドメイン３，４の
非線形光学定数の符号が異なり、電場４が生じる。すな
わち、印加電場の符号と非線形光学定数の符号が、隣接
ドメインでは異なるため、誘起される実効屈折率の変化
は常に一定である。しかし、隣接ドメインの境界付近で
は、電場のほとんどはｘ方向成分で構成されており、垂
直成分ｙ方向成分が小さいため、実効屈折率の変化は小
さい。従って、本発明による高調波発生用のデバイスに
おける電圧一ボルト当たりの位相シフト量は、例えば非
線型光学結晶にリチウムナイオベイトを用いた場合で、
本発明を用いずに得られる値よりも小さい。この点につ
いては、本発明によるデバイスの最適値を求めることに
より、解決することができる。例えば次のように検討す
る。

【００１９】高調波発生用のデバイスの長さは、１cm程
度であるので、電極の電気容量は１０pF程度となり、変
調周波数は一秒当たり数百メガビットとなる。以上のデ
ィメンジョンの位相変調器では、電圧一ボルト当たりの
位相シフト量は、約πラジアンである。電極と電極の間
での電場の垂直成分は小さいこと、および、位相整合を
崩すための基本波と高調波の位相差が、およそπラジア
ン必要なことを考慮すると、変調のための印加電圧は、
数ボルト必要である。

【００２０】本発明の第二の実施例を図３に示す。図３
に示すように、異なる幅の異種のドメインが（３，４）
導波路方向に構成されている。そして、ドメイン上に電
極２が、構成され、これと平行した位置に他の電極１が
構成されており、電極１，２間で異なる電場を与える。
この例では、符号の異なる各々のドメイン３と４の大き
さが異なる（本実施例では導波路方向の長さでドメイン
３：ドメイン４＝１：３）ため、非線形光学定数の符号
の差異による位相シフトの相殺は起こらない。図３の導
波路と垂直方向の断面図を図４に示す。電極１，２間の
電場は５で示されるようにかかり、ドメイン３及び４に
かかる電場のｚ方向成分は少なく、実効屈折率の変化を
大きくとることができる。この場合、ドメイン３と４で
構成される導波路型回折格子は、二次として使用され
る。この例では、材料としてリチウムタンタレイトが適
切である。リチウムタンタレイトの方がリチウムナイオ
ベイトの場合よりも、ドメインの形がラミナー型になり
やすい傾向があること、および、高次モードで使用する
場合は、プロセス中に生じる設計値からのズレに対する
許容度が大きいからである。金属電極のインピーダンス
は５０オームとし、ターミネイトされるべく設計される
（進行波型変調器）。進行波型変調器の周波数帯域は、
電極のインピーダンスではなく、電波と光波の速度ズレ
で決まる。このため、一秒当たり数ギガビットの変調が
可能となる。誘起される実効屈折率の差を十分大きくす
るために、電極と基本波との重なりは小さくし、電極と
高調波との重なりが大きくなるように、電極の幅を設定
する必要がある。この例では、高次の位相整合を用いて
いるため、第一の実施例の場合よりも、高調波への変換
効率は低い。しかし、電極の構造は簡単であり、変調周
波数も高くなるという利点がある。

【００２１】以上のように構成することにより、異なる
符号の非線形光学定数を持つセグメントの長さが等しい
場合に、セグメントに電場をかけても屈折率変化が相殺
されてしまうという問題を解決することができるのであ
る。

【００２２】図５は、本発明の第三の実施例を示すもの
である。すなわち、本発明は、光ディスクの記録、ある
いは、再生用光源として使用できるものである。光ディ
スクに記録されるべき信号によって本発明の光源は変調
される。導波路端面から発し、変調された光ビームは、
レンズで集光される。その後、ビームスプリッタ、ミラ
ーにいたり、対物レンズを経て、スポットとして形成さ
れ、変調信号に応じて光ディスク上にピットの列が形成
される。これを再生する時は、記録時よりも低いパワー
とし、ディスクからの反射光をビームスプリッタで分枝
し、光検知器で受光してもとの変調信号を復調する。

【００２３】図６は、本発明の第四の実施例を示すもの
である。すなわち、本発明はレーザビームプリンタの光
源として使用することも可能である。変調された高調波
の光ビームはレンズで集光され、回転する多面鏡で光ビ
ームが左右に振られ、走査レンズによって感光ドラム上
にスポットが形成される。変調信号によって感光ドラム
上に形成された潜像にトナーがまぶされ、紙に転写され
るものである。

【００２４】

【発明の効果】以上述べて来たように、本発明では、半
導体レーザの注入電流を変調する必要がなくなるため、
変調によって発生するモードホップノイズを避けること
が可能となる。このため、従来より深刻であった高調波
発生に伴う半導体レーザノイズの増幅の問題が解決され
ることになり、短波長、かつ安定に動作する光源を提供
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一の実施例を示す図。

【図２】図１に示すデバイスの導波路方向に平行な断面
図。

【図３】本発明第二の実施例を示す図。

【図４】図３に示すデバイスの導波路方向に垂直な面の
断面図。

【図５】本発明第三の実施例。光ディスク用光源として
の応用を示す。

【図６】本発明第四の実施例。レーザビームプリンタ用
光源としての応用を示す。

【符号の説明】

１…正電極、２…負電極、３…非線形光学定数の符号が
反転した領域、４…非線形光学定数の符号が反転してい
ない領域、５…電場ベクトル線図、６…結晶基板と電極
間のバッファ層、７…リチウムナイオベイト基板、８…
リチウムタンタレイト基板、９…５０オーム終端抵抗、
１０…変調信号、１１…本発明の光源、１２…レンズ、
１３…ビームスプリッタ、１４…ミラー、１５…レン
ズ、１６…光ディスク、１７…光検知器、１８…多面
鏡、１９…感光ドラム。

フロントページの続き (72)発明者川本和民神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者安藤哲生東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザと、該半導体レーザの光ビー
ムを導波路に導く手段と、該導波路上に配置されており
該半導体レーザの非線形光学的高調波を位相整合を保っ
て発生せしめる手段と、電極とを有する装置において、
該導波路の屈折率を電気光学的に変調することで、位相
整合条件を変調し、該高調波の強度を変調することを特
徴とする、導波路型高調波変調装置。
【請求項２】前記位相整合を疑似位相整合型とし、疑似
位相整合型導波路を構成する等間隔の各部分の非線形光
学定数の周期的反転符号に応じて、該電極に印加する電
場の符号を対応させることを特徴とする、請求項１記載
の導波路型高調波変調装置。
【請求項３】前記位相整合を非等間隔の各周期的部分の
非線形光学定数の符号が反転する疑似位相整合型とし、
該電極を該導波路に平行に配置することを特徴とする、
請求項１記載の導波路型高調波変調装置。
【請求項４】光ディスク用の低ノイズ光源として適用す
ることを特徴とする、請求項１から３に記載の導波路型
高調波変調装置。
【請求項５】レーザビームプリンタ用の低ノイズ光源と
して適用することを特徴とする、請求項１から３に記載
の導波路型高調波変調装置。
【請求項６】半導体レーザ光を入射し、該レーザ光の高
調波を出力とする高調波変調装置であって、異なる非線
形光学定数を有する複数個のドメインを備えた基板と、
該ドメインに電場を与える複数の電極を有することを特
徴とする高調波変調装置。
【請求項７】隣接するドメインにかかる前記電場は異符
号であることを特徴とする請求項６に記載の高調波変調
装置。
【請求項８】前記隣接するドメインは異なる前記電極に
よって前記電場が与えられることを特徴とする請求項７
に記載の高調波変調装置。
【請求項９】前記電極は櫛型の電極であることを特徴と
する請求項８に記載の高調波変調装置。
【請求項１０】隣接するドメインにかかる前記電場は同
符号であることを特徴とする請求項６に記載の高調波変
調装置。
【請求項１１】前記隣接するドメインどうしは異なる大
きさを有することを特徴とする請求項１０に記載の高調
波変調装置。
【請求項１２】前記電極は前記ドメインに一様な電場を
与えることを特徴とする請求項５，１０，１１に記載の
高調波変調装置。