JPH05333392A

JPH05333392A - 波長変換素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH05333392A
Application number: JP16543392A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Shudo; 美和首藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-06-01
Filing date: 1992-06-01
Publication date: 1993-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】有機非線形光学材料を用いる場合にも、高効
率の波長変換を実現可能である。【構成】基板１上に、導波路層２が形成されており、
導波路層２には、擬似位相整合をとるための層３が所定
周期Λで形成されている。この周期的な層３は、対称中
心をもたない状態の有機非線形光学材料で形成されてお
り、これによって、有機非線形光学材料を用いる場合に
も、導波路層２を導波する基本波とこれに基づき発生す
るＳＨ光との擬似位相整合をとることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光メモリ，レーザプリ
ンタ等の光源などに利用される第２高調波発生素子（Ｓ
ＨＧ素子）等の波長変換素子およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、有機非線形光学材料は、従来の無
機非線形光学材料であるＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａＯ₃等に
比べてミクロ的には性能が高いことが見出され、第２高
調波発生素子（ＳＨＧ素子）に代表される波長変換素子
の材料として、有機非線形光学材料が着目されている

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、有機非
線形光学材料は、単結晶化すると加工性が悪く、しかも
しばしば対称中心をもつ結晶構造をとるため、マクロ的
にはその性能を発揮させることができないという問題が
あった。また、有機非線形光学材料をポリマー等に分散
させた後、ポーリングした場合では、ＳＨＧ活性ユニッ
トの密度が低いため、性能が低下したり、熱的緩和によ
りＳＨＧ効果が消失してしまうことなどから、従来の無
機材料を用いた波長変換素子よりも優れた性能は得られ
ていない。

【０００４】特に、出力の小さい半導体レーザからの出
射光を基本波として波長変換を行なう場合、変換効率を
向上させるために、導波路化の試みがなされているが、
この導波路に有機非線形光学材料を用いるときには、そ
の加工性の悪さ，あるいはＳＨＧ定数の低下のため、高
効率の素子は得られていない。

【０００５】本発明は、有機非線形光学材料を用いる場
合にも、高効率の波長変換を実現可能な波長変換素子お
よびその製造方法を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、基本波から
変換波（例えば第２高調波）への変換効率を向上させる
ため、波長変換素子を基本的に導波路型のものにしてい
る。なお、以下では、説明の便宜上、波長変換素子は、
基本波に基づき第２高調波（ＳＨ光）を変換波として発
生する第２高調波発生素子（ＳＨＧ素子）であるとす
る。一般に、導波路型の波長変換素子の変換効率は、位
相整合がなされているときには、導波路のＳＨＧ定数の
２乗、基本波とこれに基づき発生するＳＨ光との空間結
合係数の２乗に比例して、大きなものとなる。導波路型
波長変換素子の位相整合法としては、モード間位相整
合，チェレンコフ位相整合等の方法が知られているが、
そのうち、擬似位相整合法は、導波路厚許容差が大きい
ことや、基本モード間で位相整合をとることができて空
間結合係数Ｉが大きくなることなどから着目されてい
る。

【０００７】図１は擬似位相整合をとるように設計され
た導波路型波長変換素子の構成例を示す図である。図１
の導波路型変換素子では、基板１上に、導波路層２が形
成されており、導波路層２には、擬似位相整合をとるた
めの層３が次式で与えられる周期Λで形成されている。

【０００８】

【数１】Λ＝ｍπ／（β_2ω−２β_ω）

【０００９】ここで、β_ωは導波路層２における基本波
の伝搬定数，β_2ωは導波路層２におけるＳＨ光の伝搬
定数であり、また、ｍは奇数である。

【００１０】擬似位相整合法は、数１で与えられる周期
Λで、ＳＨＧ定数の値が周期的に変化するときに実現で
きて、基本波をＳＨ光に効率良く変換することができ
る。ＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａＯ₃等の無機非線形光学材料
を用いた従来の波長変換素子では、ＬｉＮｂＯ₃，Ｌｉ
ＴａＯ₃等の導波路層２にＴ_iをドープすることなどによ
り、周期的な層３として分極反転層を形成し、この分極
反転層による周期的な分極反転によって、ＳＨＧ定数の
値，より詳しくは極性（符号）を周期的に変化させ、擬
似位相整合を実現している。

【００１１】しかしながら、有機非線形光学材料の場合
は、周期的な分極反転構造の作製はもとより、良好な導
波路特性をもつ導波路構造を作製することすら困難であ
る。唯一、ポリマーのみが良好な導波路，および分極反
転構造を作製可能であるが、前述したように、熱的緩
和，ＳＨＧ定数の低下等により、高性能の波長変換素子
は得られていない。

【００１２】ところで、擬似位相整合は、周期的なＳＨ
Ｇ定数の変化があれば良いので、ＳＨＧ定数が“０”の
部分と、ある有限の値をもつ部分とが、周期的に繰り返
す構造のものであれば、分極反転構造によらずとも、実
現することができる。また、有機材料は、加工性や結晶
性については無機材料よりも劣るが、中空ガラスファイ
バのコアのような狭細部では、比較的良好に単結晶化す
ることが知られている。さらに、ＭＮＡのような一方向
に分子が配向した有機材料では、狭細部の長手方向に分
極が揃い易いことも報告されている。

【００１３】本発明は、上記各点に着目してなされたも
のであり、図１の構造において、擬似位相整合をとるた
めの周期的な層３が対称中心をもたない状態の有機非線
形光学材料で形成されていることを特徴としている。こ
れによって、有機非線形光学材料を用いる場合にも、導
波路層２を導波する基本波とこれに基づき発生するＳＨ
光との擬似位相整合をとることができ、ＳＨ光に効率良
く変換することができる。

【００１４】ここで、有機非線形光学材料を対称中心を
もたない状態で形成するには、具体的には、有機非線形
光学材料をもつ低分子を単結晶成長させるのが望まし
い。すなわち、単結晶化された有機非線形光学材料の場
合には、光の散乱が少ないとともに、非線形性能が非常
に大きく、しかも、ＭＮＡのような材料を用いるときに
は、層３の長手方向ｘ，すなわち図１に示すように導波
路層の長手方向ｚと垂直な方向ｘが分子の揃う方向とな
るため、この材料の有している大きなＳＨＧテンソルの
対角成分を有効に活用して擬似位相整合を行なうことが
できる。

【００１５】従って、層３を形成する有機非線形光学材
料としては、低分子の単結晶であるのが望ましく、さら
には、一方向に分子が整列するような結晶構造をもつ材
料が望ましい。また、導波路層２を導波する基本波，Ｓ
Ｈ光の各波長に対する吸収係数が非常に小さい材料で形
成されるのが望ましい。また、導波路層２の屈折率と同
じか、これに近い屈折率で形成されるのが望ましい。な
お、図１の構造において、基板１は低屈折率の材料で形
成され、導波路層２は高屈折率の材料で形成されてい
る。従って、有機非線形光学材料としては高屈折率のも
のが用いられるのが良い。

【００１６】図２（ａ）乃至（ｃ）は上記のような構造
をもつ本発明の波長変換素子の製造工程例を示す図であ
る。先づ、図２（ａ）に示すように、低屈折率の透明基
板１上に、高屈折率の導波路層２を形成する。なお、こ
の導波路層２には、周期Λの溝５が作られている。次い
で、図２（ｂ）に示すように、周期Λの溝５を有する導
波路層２上に、低屈折率の透明部材４を接着等によって
設ける。低屈折率の透明部材４を導波路層２上に設ける
ことで、導波路層２の溝５は空洞となる。次いで、この
空洞５に、有機非線形光学材料の融液を毛細管現象を利
用して注入し、しかる後、注入された有機非線形光学材
料を固化させ、さらに所定の温度分布を有する炉内で融
解した後、再び、徐々に結晶化する。これにより、図２
（ｃ）に示すように、空洞，すなわち溝５内には、単結
晶化された有機非線形光学材料が充填され、擬似位相整
合をとるための層３として形成される。

【００１７】なお、上記製造工程において、導波路層２
における周期Λの溝５は、フォトリソグラフィー法によ
るエッチングや、レーザアブレーション法等によって作
製される。また、上記工程例では、有機非線形光学材料
の融液を毛細管現象を利用して空洞５内に注入したが、
有機非線形光学材料の融液あるいは溶液をキャスト，デ
ィッピング，スピンコート法などにより塗布した後、同
様にして結晶化しても良い。また、溶液法，昇華法など
により結晶を充填しても良い。

【００１８】図３は図１に示した波長変換素子の使用例
を示す図である。図３の例では、レーザ光ＢＭを光学部
品１０を介して導波路層２に入射させ、これを基本波と
して導波路層２に導波させる。この基本波に基づき、導
波路層２にはＳＨ光が発生し、基本波とＳＨ光とは、周
期Λの層３によって、擬似位相整合がとられるので、Ｓ
Ｈ光を高効率良く発生させてこれを出射させることがで
きる。なお、レーザ光ＢＭには、例えばＮｄ：ＹＡＧレ
ーザ，Ｎｄ：ガラスレーザ，チタンサファイアレーザ，
半導体レーザ等からの出射光が用いられる。また、光学
部品１０は、プリズム等で構成することができ、レーザ
光ＢＭを、プリズムカップラー法，グレーティングカッ
プラー法等により導波路層２に入射させることができ
る。さらに、レーザ光ＢＭの進行方向を導波路層２の長
手方向ｚから層３の長手方向ｘに角度θだけ回転させる
ことで（図３参照）、実質的に、周期Λの微調整を行な
うことができる。

【００１９】〔実施例〕以下、本発明の実施例を説明す
る。実施例本実施例では、先づ、図４（ａ）に示すように、１０×
５０mmの光学研磨したフェーズドシリカ板２１（基板１
に対応）の研磨面上に、導波路層２となるべきＺｎＳの
薄膜２２を既知の蒸着法により約１μｍの厚さに作製し
た。この薄膜２２上にエキシマレーザのビームを照射し
てレーザアブレーションを行ない、３５０本／mmの周期
Λで溝５を作製した。次いで、図４（ｂ）に示すよう
に、上記のように作製したフェーズトシリカ板２１（す
なわち基板）と薄膜２２に、溝５への融液の導入口２３
をエッチングにより形成した。しかる後、図４（ｃ）に
示すように、溝５を覆うように光学研磨ガラス２４を重
ね、四隅を接着剤で固定した後、溝５への融液の導入口
２３にＭＮＡの融液を滴下し、毛細管現象により融液を
吸い上げた。この後、温度勾配を持つ炉で徐々に結晶化
し、単結晶とした。この導波路にプリズムカップラー法
によりパルスＮｄ：ＹＡＧレーザからのレーザ光を導入
し、その進行方向をｚ−ｘ平面内で方向ｚから方向ｘに
回転させながら調整を行なった所、方向ｚから約１７°
傾いた角度θで、位相整合された第２高調波が確認され
た。

【００２０】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１乃至３
記載の発明によれば、導波路層に擬似位相整合をとるた
めの層が、対称中心をもたない状態の有機非線形光学材
料により所定周期で形成されているので、有機非線形光
学材料が用いられる場合にも、高効率の波長変換を実現
することができる。

【００２１】また、請求項４記載の発明によれば、導波
路層に所定周期で複数の溝を形成し、該導波路層の溝が
形成されている面上に、該溝が空洞となるように所定の
部材を設け、該空洞内に有機非線形光学材料の融液また
は溶液を注入し、単結晶化し、空洞内に単結晶化された
有機非線形光学材料を充填するようにしているので、有
機非線形光学材料を用いた高効率の波長変換素子を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の波長変換素子の構成例を示す図であ
る。

【図２】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の波長変換素子の製
造工程例を示す図である。

【図３】本発明の波長変換素子の使用例を示す図であ
る。

【図４】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の波長変換素子の製
造工程の具体的な実施例を示す図である。

【符号の説明】

１基板２導波路層３擬似位相整合をとるための層４透明部材５溝（空洞）１０光学部品

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基本波を導波路層に導波させ、該基本波
に基づき変換波を発生させる導波路型の波長変換素子で
あって、導波路層が、該基本波の伝搬方向に対し所定周
期の対称中心をもたない状態の有機非線形光学材料から
なる部分と、非線形光学性能をもたないかあるいは非線
形光学性能の非常に小さな有機あるいは無機の材料から
なる部分とで形成されていることを特徴とする波長変換
素子。
【請求項２】請求項１記載の波長変換素子において、
前記対称中心をもたない状態の有機非線形光学材料は、
低分子の単結晶であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】請求項１記載の波長変換素子において、
前記導波路層は、所定の基板上に形成されており、対称
中心をもたない状態の有機非線形光学材料からなる部分
と、非線形光学性能をもたないかあるいは非線形光学性
能の非常に小さな有機あるいは無機の材料からなる部分
とは、共に等しいかあるいは非常に近い屈折率をもち、
該屈折率は前記基板の屈折率よりも大きいことを特徴と
する波長変換素子。
【請求項４】基本波を導波路層に導波させ、該基本波
に基づき変換波を発生させる導波路型の波長変換素子の
製造方法であって、導波路層に所定周期で複数の溝を形
成する工程と、溝が形成されている導波路層の面上に、
該溝が空洞となるように所定の部材を設ける工程と、該
空洞内に有機非線形光学材料の融液または溶液を注入
し、単結晶化し、空洞内に単結晶化された有機非線形光
学材料を充填する工程とを有していることを特徴とする
波長変換素子の製造方法。