JPH05289130A - Second harmonic generating element - Google Patents

Second harmonic generating element

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JPH05289130A
JPH05289130A JP4090931A JP9093192A JPH05289130A JP H05289130 A JPH05289130 A JP H05289130A JP 4090931 A JP4090931 A JP 4090931A JP 9093192 A JP9093192 A JP 9093192A JP H05289130 A JPH05289130 A JP H05289130A
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JP
Japan
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regions
waveguide
refractive index
harmonic
periodic structure
Prior art date
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Application number
JP4090931A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuji Hiramatsu
靖二 平松
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Ibiden Co Ltd
Original Assignee
Ibiden Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH05289130A publication Critical patent/JPH05289130A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a element radiating SHG in which allowable accuracy for variation of a fundamental wave is wide and radiation intensity is high. CONSTITUTION:This element has periodic structure in which two regions n1, n2 provided in a light waveguide path 2 are alternately arranged, also each refraction index of these adjacent regions n2, n2 is same for a fundamental wave or at least same grade. On the other hand, this refraction index is clearly different for harmonics, also these two regions n1, n2 are constituted as periodic structure in which elements are arranged in the perpendicular direction to the direction of light propagation.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、第2高調波発生素子
(以下、単に「SHG素子」という)に関し、特に基本
波の波長変動に対する許容精度の大きく実用性に優れた
SHG素子に関しての提案である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a second harmonic generating element (hereinafter simply referred to as "SHG element"), and particularly to an SHG element having a large permissible accuracy with respect to wavelength fluctuation of a fundamental wave and excellent in practical use. Is.

【0002】[0002]

【従来の技術】SHG素子は、入射された波長λのレー
ザを、非線形光学材料の非線形光学効果を利用してλ/
2の波長に変換して出力する素子であり、この素子を用
いると、出力光の波長が1/2に変換されることから、
光ディスクメモリやCDプレーヤ等に応用した場合、記
録密度を向上(約4倍)させることができる。また、レ
ーザプリンタ、フォトリソグラフィー等に応用した場合
には高い解像度を得ることができることから、最近とく
に注目を浴びている光学材料である。
2. Description of the Related Art An SHG element is a laser having an incident wavelength of λ, which is λ / wavelength by utilizing the nonlinear optical effect of a nonlinear optical material.
It is an element that converts to 2 wavelengths and outputs, and when this element is used, the wavelength of output light is converted to 1/2,
When applied to an optical disk memory, a CD player, etc., the recording density can be improved (about 4 times). Further, it is an optical material that has recently been particularly attracting attention because it can obtain a high resolution when applied to a laser printer, photolithography and the like.

【0003】従来、前記SHG素子としては、高出力の
ガスレーザを光源とする非線形光学結晶のバルク単結晶
が用いられてきた。しかし、このSHGの主要用途であ
る光ディスク装置やレーザプリンタ等の分野では、装置
全体を小型化する要請が強いこと、しかもガスレーザ
は、光変調のため外部に変調器が必要で、小型化にも適
していないという問題があった。
Conventionally, a bulk single crystal of a nonlinear optical crystal using a high-output gas laser as a light source has been used as the SHG element. However, in the fields of optical disc devices, laser printers, and the like, which are the main applications of this SHG, there is a strong demand for downsizing the entire device. Moreover, the gas laser requires an external modulator for optical modulation, and it is necessary for downsizing. There was a problem that it was not suitable.

【0004】このことから、最近では、上記ガスレーザ
に代えて、直接変調が可能で、ガスレーザに比べると安
価で取扱いの容易な半導体レーザを使用することができ
るSHG素子が注目されているのである。なかでも、半
導体レーザを光源とするものでは、その出力が数mWか
ら数十mWと低いことから、特に高い変換効率を得るこ
とのできる導波路構造のSHG素子に対する期待が大き
い。
Therefore, in recent years, an SHG element has attracted attention, which can be used in place of the above-mentioned gas laser and can use a semiconductor laser which can be directly modulated and which is cheaper and easier to handle than a gas laser. Among them, in the case of using a semiconductor laser as a light source, the output thereof is as low as several mW to several tens mW, and therefore, there are great expectations for the SHG element having a waveguide structure capable of obtaining particularly high conversion efficiency.

【0005】このようなSHG素子として、従来、膜
厚位相整合方式、温度位相整合方式、角度位相整合
方式、チェレンコフ放射方式などにより、発振する高
調波の位相を揃えて高調波を取り出す形式のものが、種
々提案されている。しかし、上記膜厚位相整合方式で
は、導波路の膜厚を数十Åのオーダーで調整しなければ
ならず実用的でない。また、上記温度位相整合方式およ
び上記角度位相整合方式は、いずれも常光屈折率と異常
光屈折率が近接する条件でのみ高調波を発振させること
ができる方法であるから、導波路を構成する材料や基本
波長に多くの制約があった。
As such an SHG element, a conventional type in which a film thickness phase matching method, a temperature phase matching method, an angle phase matching method, a Cherenkov radiation method and the like are used to extract the harmonics by aligning the phases of the oscillating harmonics However, various proposals have been made. However, the above film thickness phase matching method is not practical because the film thickness of the waveguide must be adjusted on the order of several tens of liters. Further, both the temperature phase matching method and the angle phase matching method are methods capable of oscillating a harmonic only under the condition that the ordinary light refractive index and the extraordinary light refractive index are close to each other. There were many restrictions on the fundamental wavelength.

【0006】さらに、上記チェレンコフ放射方式は、出
射光が三日月状になり、レンズ光学系によって回折限界
内に集光しにくく、このことが、第2高調波を基板から
チェレンコフ出射させる従来技術が抱える大きな問題点
であった。それ故に、現在は、第2高調波は導波路から
出射させることが望まれており、この要請に応えられる
ものとして、従来、導波路に周期ドメイン反転構造を形
成してなるSHG素子が提案されたのである。
Further, in the above Cherenkov radiation method, the emitted light is crescent-shaped, and it is difficult for the lens optical system to focus the light within the diffraction limit. It was a big problem. Therefore, at present, it is desired that the second harmonic be emitted from the waveguide, and in order to meet this demand, an SHG element having a periodic domain inversion structure formed in the waveguide has been conventionally proposed. It was.

【0007】このような要請に応えられる従来技術とし
ては、例えば、特開平2−93624号公報などに記載
されているような導波路内に周期ドメイン反転構造部お
よびもしくは周期屈折率構造部を形成してなるSHG素
子がある。しかしながら、この従来技術では、基本波に
おける導波路の実効屈折率が高調波における基板の屈折
率より大きいことが必要であり、基本波のパワー効率を
良くするために単一モード導波路とした場合、この領域
はかなりかぎられてくるか、または存在しないし、さら
に多モード導波路においても、この条件は存在しないこ
とがあり、制約が大きい。
As a conventional technique that can meet such a demand, for example, a periodic domain inversion structure portion and / or a periodic refractive index structure portion are formed in a waveguide as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-93624. There is an SHG element formed by However, in this conventional technique, it is necessary that the effective refractive index of the waveguide in the fundamental wave is larger than the refractive index of the substrate in the harmonic, and in the case of using the single mode waveguide in order to improve the power efficiency of the fundamental wave. However, this region is considerably limited or does not exist, and even in a multimode waveguide, this condition may not exist, which is a large limitation.

【0008】また、これとは違う新たな方法として、B
PM法が提案されている(Appl. Phys. Lett. 57(20),
1990) 。この従来技術では、分極反転層を形成しにくい
ものにも適用できるが、いずれにしても擬似位相整合法
による、波長変動に対する許容精度は( 数Å〜数nm) で
あり、一方、半導体レーザー等の場合、一般には波長が
常に不安定に変動する( 安定性がない) ので、位相整合
を達成することが極めて困難である。
As a new method different from this, B
The PM method has been proposed (Appl. Phys. Lett. 57 (20),
1990). This conventional technique can be applied to a material in which it is difficult to form a domain-inverted layer, but in any case, the permissible accuracy for wavelength fluctuations by the quasi-phase matching method is (several Å to several nm), while semiconductor lasers, etc. In the case of, in general, the wavelength always fluctuates unstablely (there is no stability), so it is extremely difficult to achieve phase matching.

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be Solved by the Invention]

【0009】本発明の目的は、上述した従来SHG素子
が抱えている問題点を克服し、基本波の変動に対する許
容精度が大きく出射強度の高いSHGを放射する素子を
開発提案するところにある。
An object of the present invention is to overcome the problems of the above-mentioned conventional SHG element and to develop and propose an element that emits SHG having a high permissible accuracy with respect to the fluctuation of the fundamental wave and a high emission intensity.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の目的実現に向けた
研究の中で、本発明者らは、以下に述べる要旨構成のS
HG素子を開発した。すなわち、このSHG素子は、基
板上に非線形光学結晶特性を有する光導波路を形成して
なる第2高調波発生素子において、前記光導波路が画成
した領域n1 , n2 が交互に並ぶ周期構造を有し、かつ
これらの互いに隣接する領域n1 , n2 は、屈折率が基
本波に対しては同じか少なくとも同じ程度の屈折率であ
り、また、高調波に対してはこの屈折率が明確に異なる
関係にあり、しかもこれらの2つの領域n1 , n2 は、
光の伝搬する方向に直交する向きに並ぶ周期構造として
構成されているものである。
[Means for Solving the Problems] In the research for realizing the above-mentioned object, the inventors of the present invention have S of the following summary structure.
HG device was developed. That is, this SHG element is a second harmonic generation element in which an optical waveguide having nonlinear optical crystal characteristics is formed on a substrate, and a periodic structure in which regions n 1 and n 2 defined by the optical waveguide are arranged alternately. And adjacent regions n 1 and n 2 have an index of refraction that is the same or at least about the same as that of the fundamental wave, and that this index of refraction is higher than that of the harmonic wave. There is a clearly different relationship, and these two regions n 1 and n 2 are
The periodic structure is arranged in a direction orthogonal to the light propagation direction.

【0011】とくに、隣接する上記2つの領域n1 , n
2 の関係は基本波における屈折率差が5/1000以下であ
り、またこれらの高調波における屈折率差は10/1000以
上であることが必要である。
In particular, the two adjacent regions n 1 and n
The relationship of 2 requires that the refractive index difference in the fundamental wave is 5/1000 or less, and the refractive index difference in these harmonics is 10/1000 or more.

【0012】[0012]

【作用】本発明の特徴は、基板上に形成した光導波路
が、図1に示すように光の伝搬方向に対して直交する向
きに画成された2つの領域n1 , n2 が交互に並ぶ周期
構造(グレーティング構造)を有しており、しかもこれ
らの領域n1 , n2 は、屈折率特性が図2のような波長
分散曲線をもつものである。とくにこれらの隣接する領
域n1 、n2 どうしは、屈折率が基本波に対しては同じ
か少なくとも同じ程度に近いもので構成されており、ま
た、高調波に対してはこの屈折率が明確に異なる関係を
維持して並ぶ周期構造を有するものである。このような
導波路構成にした理由は、次のような知見に基づいて構
成されたものである。
The feature of the present invention is that the optical waveguide formed on the substrate has two regions n 1 and n 2 defined alternately in a direction orthogonal to the light propagation direction as shown in FIG. The regions n 1 and n 2 have a periodic structure (grating structure) arranged side by side, and the refractive index characteristics of these regions n 1 and n 2 have a wavelength dispersion curve as shown in FIG. In particular, these adjacent regions n 1 and n 2 are constructed so that their refractive indices are the same as or at least close to the same level for the fundamental wave, and this refractive index is clear for the harmonics. It has a periodic structure in which the different relationships are maintained. The reason for adopting such a waveguide configuration is that it is configured based on the following knowledge.

【0013】図1に示したような導波路において、図2
に示すようなの屈折率特性をもつ領域n1 , n2 の交互
配列になる周期構造部を設けた導波路を形成した場合を
考えてみる。さて、上記の導波路にK0 の伝搬定数をも
つ基板上の光が導波されてくると、領域n1 中で第2高
調波が発生する。この発生した高調波は伝搬定数K1
持つ。一般に、周期構造部(グレーティング部)に光が
導波された場合、領域n1 と領域n2 の屈折率差が大き
い場合、光はグレーティングにより空気中または基板側
へ放出される。しかし、上記のような導波路構造では、
領域n1 と領域n2 が基本波に対して同じか近接してい
るため、画成した領域n1 , n2 からなるグレーデイン
グ部の影響をあまり受けずにそのまま伝搬していく。と
ころが、伝搬することによって発生した高調波の場合、
領域n1 と領域n2 が違っているために、位相整合条件
を満たして空気中または基板側へ放出される。
In a waveguide such as that shown in FIG.
Consider a case in which a waveguide having a periodic structure portion in which regions n 1 and n 2 having a refractive index characteristic as shown in FIG. Now, when the light on the substrate having the propagation constant of K 0 is guided to the above waveguide, the second harmonic wave is generated in the region n 1 . The generated harmonic has a propagation constant K 1 . Generally, when light is guided to the periodic structure portion (grating portion), and when the difference in refractive index between the region n 1 and the region n 2 is large, the light is emitted into the air or the substrate side by the grating. However, in the above waveguide structure,
Since the region n 1 and the region n 2 are the same as or close to the fundamental wave, they propagate as they are without being affected by the grading portion composed of the defined regions n 1 and n 2 . However, in the case of harmonics generated by propagation,
Since the regions n 1 and n 2 are different from each other, they are emitted into the air or the substrate side while satisfying the phase matching condition.

【0014】このように、領域n1 , n2 の交互配列か
らなる周期構造(グレーデイング)の好ましい周期とし
ては、出射角を考慮して、次式を満足する任意の値が採
用される。 ただし、nC :空気の屈折率 nS :基板の屈折率 N :高調波の実効屈折率 Λ :周期 θ1 :空気への出射角 θ2 :基板への出射角 λ :高調波の波長 q =±1, ±2, ±3……
As described above, as the preferable period of the periodic structure (grading) composed of the alternating arrangement of the regions n 1 and n 2 , any value satisfying the following equation is adopted in consideration of the emission angle. Where n C : refractive index of air n S : refractive index of substrate N: effective refractive index of higher harmonic Λ: period θ 1 : angle of emission to air θ 2 : angle of emission to substrate λ: wavelength of higher harmonic wave q = ± 1, ± 2, ± 3 ……

【0015】上記式において、定数qは、q=±1であ
ることが好ましい。それは、q>1またはq<−1であ
ると、たくさんの放射モードが存在し、発生した高調波
を効率よく集めることができないからである。また、出
射角θは特に限定されないが、θ=0が好ましい。それ
は、あとで集光したりするときに使いやすいからであ
る。さらに、周期Λは、次式; で満たされるΛが有利である。それは、Λがこの式で満
たされるΛ値よりも大きくなると、発生した高調波が互
いに干渉し合って高調波を弱めてしまうからである。一
方、Λが余りに小さいと加工が難しくなるので好ましく
ない。なお、Λを変化させていれば、このグレーデイン
グ部で発生した高調波を空間中で集光させることも可能
である。また、このグレーデイング部(周期構造部)の
比率であるが、非線形定数が大きい方を多く取った方が
有利である。
In the above equation, the constant q is preferably q = ± 1. This is because if q> 1 or q <-1, there are many radiation modes, and the generated harmonics cannot be collected efficiently. The emission angle θ is not particularly limited, but θ = 0 is preferable. It is easy to use when collecting light later. Furthermore, the period Λ is given by the following equation; Λ filled with is advantageous. This is because when Λ becomes larger than the Λ value satisfied by this equation, the generated harmonics interfere with each other and weaken the harmonics. On the other hand, if Λ is too small, processing becomes difficult, which is not preferable. It should be noted that if Λ is changed, it is possible to focus the harmonics generated in this grading section in space. Further, regarding the ratio of the grading portion (periodic structure portion), it is advantageous to take a larger nonlinear constant.

【0016】このような出射特性を示す導波路の周期構
造は、図3に示す領域n1 , n2 ,n3 からなるレリー
フ構造の周期構造(グレーデイング)としてもよい。こ
の場合、各領域n1 , n2 , n3 は次式の関係満たして
もよい。すなわち、平均屈折率n2 である。
The periodic structure of the waveguide exhibiting such emission characteristics may be a periodic structure (grading) of a relief structure composed of regions n 1 , n 2 and n 3 shown in FIG. In this case, the areas n 1 , n 2 , and n 3 may satisfy the relationship of the following equation. That is, the average refractive index n 2 is Is.

【0017】上述のような導波路構造を有する本発明の
SHG素子において、基本波に対する周期構造部n1 ,
2 領域間の屈折率差は5/1000以下がよい。この理由
は、このときの屈折率差が5/1000以上では、基本波も
放射されてしまい、導波中に減衰してしまって効率の良
い高調波が発生しないからである。一方、高調波におけ
る周期構造部n1 , n2 領域間の屈折率差は10/1000以
上がよい。この理由は、このときの屈折率差が10/1000
以下では、高調波の出射効率が悪くて、効率よく集める
ことができないからである。
In the SHG element of the present invention having the above-mentioned waveguide structure, the periodic structure part n 1 for the fundamental wave,
The refractive index difference between the n 2 regions is preferably 5/1000 or less. The reason for this is that if the refractive index difference at this time is 5/1000 or more, the fundamental wave is also radiated and attenuated in the guided wave, so that efficient harmonics are not generated. On the other hand, the difference in refractive index between the periodic structure portions n 1 and n 2 in the harmonic is preferably 10/1000 or more. The reason is that the difference in refractive index at this time is 10/1000.
This is because in the following, the emission efficiency of the harmonics is poor and the harmonics cannot be collected efficiently.

【0018】本発明で使用する光導波路としては、バル
クあるいは基板上にエピタキシャル成長させて得られる
ような薄膜を用いることができる。例えば、本発明のS
HG素子において、前記薄膜光導波路と基板との組合せ
は、 薄膜光導波路としては、LiNbO3 、αー石英、K
TiOPO4 (KTP)、βーBaB2 4 (BB
O)、KH2 PO4 (KDP)、KD2 PO4 (KD*
P)、NH4 2 PO4 (ADP)、C5 2 AsO4
(CDA)、C5 2 AsO4 (CD* A)、RbH2
PO4 (RDP)、RbH2 AsO4 (RDA)、Be
SO4 ・4H2 O、LiClO4 ・3H2 O、LiCl
3 、α−LiCdBO3 、LiB3 5 (LBO)、
尿素、Y3 Fe5 12、(Bi,Y) 3 (Al,Fe)
5 12などのガーネット、Ba2 NaNb5 15(BN
N)、(Sr,Ba)Nb2 6 などが使用でき、 この薄膜光導波路に組合わせて用いる基板として
は、LiTaO3 、LiTaO3 薄膜が形成されたLi
NbO3 、SiO2 、α−サファイア、BeO、ZnO、
Ga3 Ga5 12などのガーネット、KTP、BBO、
LBO、KDPおよび類似化合物、ソーダガラス、パイ
レックスガラスなどが用いられる。特に、薄膜光導波路
としては、LiNbO3 を用い、基板としてLiTaO
3を用いる組合わせは最も望ましい形態である。それ
は、これらの単結晶は、結晶構造が互いに類似してお
り、格子整合させやすいからである。
As the optical waveguide used in the present invention,
Obtained by epitaxial growth on a substrate or substrate
Such a thin film can be used. For example, S of the present invention
In the HG device, a combination of the thin film optical waveguide and the substrate
As a thin film optical waveguide, LiNbO3, Α-quartz, K
TiOPOFour(KTP), β-BaB2OFour(BB
O), KH2POFour(KDP), KD2POFour(KD*
P), NHFourH2POFour(ADP), CFiveH2AsOFour
(CDA), CFiveD 2AsOFour(CD*A), RbH2
POFour(RDP), RbH2AsOFour(RDA), Be
SOFour・ 4H2O, LiClOFour・ 3H2O, LiCl
O3, Α-LiCdBO3, LiB3OFive(LBO),
Urea, Y3FeFiveO12, (Bi, Y) 3(Al, Fe)
FiveO12Garnet such as, Ba2NaNbFiveO15(BN
N), (Sr, Ba) Nb2O6Etc. can be used as a substrate used in combination with this thin film optical waveguide
Is LiTaO3, LiTaO3Thin film formed Li
NbO3, SiO2, Α-sapphire, BeO, ZnO,
Ga3GaFiveO12Garnet, KTP, BBO, etc.
LBO, KDP and similar compounds, soda glass, pie
Rex glass or the like is used. Especially thin film optical waveguide
As LiNbO3Using LiTaO as the substrate
3The combination using is the most desirable form. It
Are similar in crystal structure to each other.
This is because the lattice matching is easy.

【0019】なお、上記光導波路の形成方法としては、
イオン交換法、拡散法を用るか、またはエピタキシャル
成長法に従って形成する。
As a method of forming the above optical waveguide,
It is formed by using an ion exchange method, a diffusion method, or an epitaxial growth method.

【0020】次に、本発明SHG素子の製造方法につい
て、図4に基づいて説明する。まず、基板1上に光導波
路2を形成する(図4a)。次に、この光導波路2中
に、グレーティング(周期構造部)を形成するには、薄
膜光導波路2の表面にフォトレジストを塗布し、露光,
現像して所要のパターン3を得る(図4b)。その後、
Tiをスパッタし、リフトオフすることによりTiの膜4を
得る(図4c)。次いで、このTi膜4をマスクとしてイ
オンビームエッチング(IBE)を行なったり、あるい
は同様にしてAlをマスクにして反応性イオンエッチング
(RIE)を行なったりして溝5を形成する(図4
d)。このようにしてレリーフ型グレーティングを形成
する。次いで、この状態でスパッタやCVDでこの溝に
他材料を形成する(図4e)。この材料としては、もと
の光導波路に合わせて、できるだけ波長分散性が導波路
材料として違うものを選択する。たとえば、ガラス6や
ガラスとTiO2の複合体等である。その後、マスクとして
いた金属をリフトオフし、余分な材料がある場合は研磨
し、いわゆる2つの領域n1 , n2 が光の伝搬方向に交
互に並ぶ周期構造を有する本発明のSHG素子を完成す
る(図4f)。なお、図5の例は、表面がガラス膜で保
護されたSHG素子の製法である。
Next, a method of manufacturing the SHG element of the present invention will be described with reference to FIG. First, the optical waveguide 2 is formed on the substrate 1 (FIG. 4a). Next, in order to form a grating (periodic structure portion) in this optical waveguide 2, a photoresist is applied to the surface of the thin film optical waveguide 2 and exposed,
It is developed to obtain the required pattern 3 (FIG. 4b). afterwards,
A Ti film 4 is obtained by sputtering Ti and lifting off (FIG. 4c). Then, the Ti film 4 is used as a mask for ion beam etching (IBE), or similarly, Al is used as a mask for reactive ion etching (RIE) to form a groove 5 (FIG. 4).
d). In this way, a relief type grating is formed. Next, in this state, another material is formed in this groove by sputtering or CVD (FIG. 4e). As this material, a material having different wavelength dispersion as a waveguide material is selected according to the original optical waveguide. For example, it is glass 6, a composite of glass and TiO 2 , or the like. After that, the metal used as the mask is lifted off, and if there is an excess material, it is polished to complete the SHG element of the present invention having a periodic structure in which so-called two regions n 1 and n 2 are alternately arranged in the light propagation direction. (Fig. 4f). The example of FIG. 5 is a method of manufacturing an SHG element whose surface is protected by a glass film.

【0021】[0021]

【実施例】【Example】

実施例 KTP結晶のy方向長さ10mm、厚さ1mmのZ板の表面を
研磨し、導波路形成用の面とした。この基板を、RbNO3
とBa(NO3) の混合体を 330℃で溶融させたものに70分間
つけこみ、表面に深さ2μmのチャンネル導波路をy方
向に形成した。この導波路の屈折率を導波光の観察によ
り測定したところ、波長1.064 μmのレーザーでnx=1.
7644であった。また、波長0.532 μmでのnx=1.804 で
あった。上記導波路に市販のフォトレジストを塗布し露
光現像を行い、周期0.29μmのパターンを形成した。こ
こにスパッタによりアルミニウムを0.5 μmの厚さで形
成し、リフトオフ法によりアルミニウムのマスクを形成
した。次に、CF4 のガスを利用し、反応性イオンエッチ
ングにより導波路に1μmの溝を形成した。その後、波
長1.064 μmで屈折率が1.762 で、波長0.532 μmで屈
折率が1.825 のLaF9ガラスをスパッタし、リフトオフし
た。導波路表面をポリッシュし余分なガラスを落とし第
2高調波発生素子とした。
Example A surface of a Z plate having a length of 10 mm in the y direction and a thickness of 1 mm of a KTP crystal was polished and used as a surface for forming a waveguide. RbNO 3
A mixture of Ba and NO ( 3 ) was immersed in a melted material at 330 ° C. for 70 minutes to form a channel waveguide having a depth of 2 μm in the y direction on the surface. When the refractive index of this waveguide was measured by observing the guided light, nx = 1.
It was 7644. Also, nx = 1.804 at a wavelength of 0.532 μm. A commercially available photoresist was applied to the above waveguide and exposed and developed to form a pattern with a period of 0.29 μm. Aluminum was formed thereon to a thickness of 0.5 μm by sputtering, and an aluminum mask was formed by the lift-off method. Next, using CF 4 gas, a 1 μm groove was formed in the waveguide by reactive ion etching. Then, LaF 9 glass having a wavelength of 1.064 μm and a refractive index of 1.762 and a wavelength of 0.532 μm and a refractive index of 1.825 was sputtered and lifted off. The surface of the waveguide was polished to remove excess glass and used as a second harmonic generation element.

【0022】このようにして得られたSHG素子に 100
mmWのパワーをもつ波長1.064 μmのレーザ光を入射し
たところ、素子面から88.9゜の角度で波長0.532 μmの
高調波が出射した。この高調波のパワーを測定したとこ
ろ、1mWであり、十分実用になるものであった。さら
に、色素レーザを用いて波長を 1.0μmから1.1 μmま
で走査したところ、波長0.5 μmから0.55μmの高調波
が基板面に対して92.2゜から87゜に変化しながら出射し
た。この時、出力光強度は変化しなかった。さらに、ペ
ルチェ素子を用い素子の温度を0℃から60℃まで変化さ
せたが、出射角は89.1゜から88.4゜に変化しただけであ
り、出射光強度は変化しなかった。以上示したように、
本素子はこれまでにない実用性をもった優れた第2高調
波発生素子であることがわかった。
The SHG device thus obtained has 100
When a laser beam with a wavelength of 1.064 μm having a power of mmW was made incident, a harmonic wave having a wavelength of 0.532 μm was emitted at an angle of 88.9 ° from the device surface. When the power of this harmonic was measured, it was 1 mW, which was sufficiently practical. Further, when the wavelength was scanned from 1.0 μm to 1.1 μm using a dye laser, a harmonic wave having a wavelength of 0.5 μm to 0.55 μm was emitted while changing from 92.2 ° to 87 ° with respect to the substrate surface. At this time, the output light intensity did not change. Furthermore, the temperature of the device was changed from 0 ° C. to 60 ° C. by using a Peltier device, but the output angle was changed from 89.1 ° to 88.4 °, and the output light intensity was not changed. As shown above,
It was found that this device is an excellent second harmonic wave generating device with practicality never before seen.

【0023】比較例 KTP結晶のy方向長さ10mm, 厚さ1mmのZ板の表面を
研磨し、導波路形成用の面とした。この基板の表面に通
常のフォトリソグラフにより周期4μm、幅6μmのパ
ターンを形成した後、Tiをスパッタしリフトオフするこ
とによりTiの周期パターンを得た。次に、この基板を、
RbNO3 とBa(NO3) の混合体を 330℃で溶融させたものに
60分つけこみ、その後、フッ化水素酸でTiをとり、深さ
5μmの周期導波路を形成し第2高調波発生素子とし
た。この素子に、100 mWのパワーを持つ波長 1.064μ
mのレーザ光を入射したところ、反対の端面から波長
0.532μmの高調波が出射した。この高調波のパワーを
測定したところ、1.3 mWであった。この素子に色素レ
ーザを用いて波長を 1.064μmから変化させたところ
1.063μm〜1.065 μmの間だけしか高調波が観測され
なかった。さらに波長を 1.064μmに固定し、素子の温
度を変化させたところ、素子温度が24.6℃〜28.2℃の間
のみ高調波が観測されたが、それ以外では観測すること
ができなかった。このように、通常の屈折率変化をつけ
ただけのものは許容幅の非常に狭い素子であった。
Comparative Example A surface of a Z plate having a length of 10 mm and a thickness of 1 mm of a KTP crystal was polished to form a surface for forming a waveguide. After forming a pattern having a period of 4 μm and a width of 6 μm on the surface of this substrate by a normal photolithography, Ti was sputtered and lifted off to obtain a periodic pattern of Ti. Next, this substrate
A mixture of RbNO 3 and Ba (NO 3 ) melted at 330 ° C.
After being immersed for 60 minutes, Ti was taken out with hydrofluoric acid to form a periodic waveguide having a depth of 5 μm to obtain a second harmonic generation element. This element has a wavelength of 1.064μ with a power of 100 mW.
When a laser beam of m is incident, the wavelength is from the opposite end face.
A harmonic wave of 0.532 μm was emitted. The power of this harmonic was measured and found to be 1.3 mW. When the wavelength was changed from 1.064μm using a dye laser for this device.
The harmonics were observed only between 1.063 μm and 1.065 μm. When the wavelength was fixed at 1.064 μm and the temperature of the element was changed, higher harmonics were observed only when the element temperature was 24.6 ° C to 28.2 ° C, but could not be observed in other cases. As described above, a device having only a normal refractive index change was an element having a very narrow permissible width.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上説明したように本発明SHG素子に
よれば、基本波の波長が多少変動しても出射角がわずか
に変化するだけで強度の大きい第2高調波を発生させる
ことができる。さらに、本発明によれば、素子の温度許
容幅も大きく、出射ビームの形状がスポットであり集光
しやすく、グレーティング周期を選択することにより、
任意の方向に出射させることができるし、さらには、グ
レーティング周期を変化させることにより、空間中に集
光することも可能となる、実用的なSHG素子を提供で
きる。
As described above, according to the SHG element of the present invention, even if the wavelength of the fundamental wave changes a little, the second harmonic wave having a large intensity can be generated by only slightly changing the emission angle. .. Further, according to the present invention, the temperature allowable width of the element is large, the shape of the emitted beam is a spot, and it is easy to collect the light. By selecting the grating period,
It is possible to provide a practical SHG element that can be emitted in an arbitrary direction and can be condensed in space by changing the grating period.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明SHG素子の周期構造の例を示す略線
図。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a periodic structure of an SHG element of the present invention.

【図2】光導波路に設けた画成領域n1 , n2 の波長と
屈折率との関係を示すグラフ。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the wavelength and the refractive index of defined regions n 1 and n 2 provided in the optical waveguide.

【図3】本発明SHG素子の他の例を示す略線図。FIG. 3 is a schematic diagram showing another example of the SHG element of the present invention.

【図4】本発明SHG素子の製造工程図。FIG. 4 is a manufacturing process drawing of the SHG element of the present invention.

【図5】表面がガラス膜で保護されたSHG素子の製造
工程図。
FIG. 5 is a manufacturing process drawing of an SHG element whose surface is protected by a glass film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 光導波路 3 パターン 4 Ti膜 5 溝 6 ガラス膜 1 substrate 2 optical waveguide 3 pattern 4 Ti film 5 groove 6 glass film

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板上に非線形光学結晶特性を有する光導
波路を形成してなる第2高調波発生素子において、前記
光導波路が画成した領域n1 , n2 が交互に並ぶ周期構
造を有し、かつこれらの互いに隣接する領域n1 , n2
は、屈折率が基本波に対しては同じか少なくとも同じ程
度の屈折率であり、また、高調波に対してはこの屈折率
が明確に異なる関係にあり、しかもこれらの2つの領域
1 ,n2 は、光の伝搬する方向に直交する向きに並ぶ
周期構造として構成されていることを特徴とする第2高
調波発生素子。
1. A second harmonic generation element comprising an optical waveguide having a nonlinear optical crystal characteristic formed on a substrate, wherein the second harmonic generation element has a periodic structure in which regions n 1 and n 2 defined by the optical waveguide are alternately arranged. And the areas n 1 and n 2 adjacent to each other
Has the same or at least the same degree of refraction index for the fundamental wave, and has a clearly different relation for the harmonic wave, and these two regions n 1 , n 2 is a second harmonic generation element, which is configured as a periodic structure arranged in a direction orthogonal to a light propagating direction.
【請求項2】 上記2つの領域n1 , n2 の基本波に対
する屈折率差は、5/1000以下であることを特徴とする
第2高調波発生素子。
2. A second harmonic generation element, wherein the difference in refractive index between the two regions n 1 and n 2 with respect to the fundamental wave is 5/1000 or less.
【請求項3】 上記2つの領域n1 , n2 の高調波に対
する屈折率差は、10/1000以上であることを特徴とする
第2高調波発生素子。
3. A second harmonic generation element, wherein the difference in refractive index between the two regions n 1 and n 2 with respect to harmonics is 10/1000 or more.
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