JPH0534748A

JPH0534748A - 高調波発生装置

Info

Publication number: JPH0534748A
Application number: JP3208490A
Authority: JP
Inventors: Shigeyoshi Misawa; 成嘉三澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-07-25
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 1993-02-12

Abstract

(57)【要約】【目的】空間コヒーレンスが良好で点光源に近い性能
をもつ高調波を高効率で出射可能である。【構成】環状の光導波路４と、高調波出射用の光導波
路５とが非線形光学効果を有する基板３に形成されてお
り、光導波路４と光導波路５とは、光導波路４を導波す
る基本波に基づきこの光導波路４内において発生する高
調波が光導波路５に移行し光導波路５から出射されるよ
うな位置関係に配置され、また、光導波路４を導波する
基本波と高調波との間で擬似的位相整合をとるための分
極反転層７が光導波路４に沿って形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ディスク装置やレー
ザビームプリンタ等の情報処理装置，光応用計測器等に
利用され、レーザ光の波長を短波長化し、高調波として
発生させる高調波発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザ光である基本波の波長を短
波長化し、高調波として発生させるのに、特開平２−２
５４４２７号に開示されているような高調波発生装置が
知られている。図２（ａ），（ｂ）はそれぞれこの種の
高調波発生装置の平面図，側面図である。

【０００３】この高調波発生装置では、Ｙカットされた
ＬｉＮｂＯ₃の基板１１上に環状の３次元光導波路１２
をプロトン交換法により形成し、レーザ光源１４からの
レーザ光を光学系１５を介して光導波路１２内に基本波
として入射させて第２高調波を発生させるようにしてお
り、光導波路１２を環状に構成することにより、光導波
路１２に入射した基本波を環状の光導波路１２内におい
てＴＥモードで矢印Ｒの向きに還流させることができ
る。また、屈折率制御電極１３の印加電圧を調節するこ
とによりリング共振器の共振条件が満足されるよう光導
波路１２内の導波モードの位相を調整することができ
る。

【０００４】このような構成において、基板１１の非線
形光学定数が最大となるｄ₃₃を利用して高調波発生部１
２ａが形成されている場合には、光導波路１２に入射し
た基本波は高調波発生部１２ａにおいて第２高調波に変
換されて基板１１内に放出される。基板１１内に放出さ
れた第２高調波は、光導波路１２の高調波発生部１２ａ
の延設方向に沿って基板１１内を下方に傾斜して伝播
し、図２（ａ），（ｂ）に矢印Ａで示すように、傾斜し
た端面１１ｂから出射される。なお、端面１１ｂを図２
（ｂ）のように角度θが鋭角となるように加工すること
により、基板１１内を傾斜して伝播する第２高調波を端
面１１ｂから基板１１上面と平行に出射させることがで
きる。

【０００５】一方、高調波発生部１２ａにおいて第２高
調波に変換されない基本波は、光導波路１２の高調波発
生部１２ａから第１湾曲部１２ｂ内に導入され、第１湾
曲部１２ｂから傾斜部１２ｃ、モニター波発生部１２
ｄ、および第２湾曲部１２ｅを通って、高調波発生部１
２ａ内へ還流される。この結果、光導波路１２の高調波
発生部１２ａ内を伝播する基本波は、新たに入射する基
本波に還流した基本波が加わったものとなるため、その
光密度は増大し、高効率で第２高調波を発生することが
できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の高調波発生装置では、第２高調波は、光導波路
の高調波発生部１２ａの延設方向に沿って基板１１内を
斜め方向に伝播する所謂チェレンコフ放射型のものとし
て発生し、この場合には比較的容易に第２高調波を得る
ことができるものの、その反面、光導波路１２全体から
基板１１内へ向かって放射状に斜めに第２高調波が発生
するので、この第２高調波は点光源とはなり得ず、ま
た、端面１１ｂから出射される第２高調波が基板１１上
面と平行になるよう端面１１ｂに加工を施しても、この
第２高調波の空間コヒーレンスを良好なものにすること
ができないという問題があった。このため、上記高調波
発生装置は、高い波面精度の必要な光ディスクドライ
ブ，レーザプリンタ用の光源としては適していない。

【０００７】本発明は、空間コヒーレンスが良好で点光
源に近い性能をもつ高調波を高効率で出射させることの
可能な高調波発生装置を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の高調波発生装置は、環状の第１の光導波路
と、高調波出射用の第２の光導波路とが非線形光学効果
を有する材料で形成された基板に形成されており、前記
第１の光導波路と前記第２の光導波路とは、前記第１の
光導波路を導波する基本波に基づき第１の光導波路内に
おいて発生する高調波が前記第２の光導波路に移行し第
２の光導波路から出射されるような位置関係に配置さ
れ、また、前記第１の光導波路を導波する基本波と高調
波との間で擬似的位相整合をとるための位相整合手段が
前記第１の光導波路に沿って形成されていることを特徴
としている。

【０００９】また、前記第１の光導波路と前記第２の光
導波路とは、所定の間隔および所定の結合長で互いに近
接した結合部を有し、前記間隔および結合長を所定の値
に設定することにより、前記第１の光導波路で発生した
高調波のみを前記第２の光導波路に移行させるよう構成
されていることを特徴としている。

【００１０】また、前記第２の光導波路は、単一モード
導波路として形成されていることを特徴としている。

【００１１】

【作用】上記のような構成の高調波発生装置では、第１
の光導波路を基本波が導波することにより、第１の光導
波路内で高調波が発生する。この際、基本波は第１の光
導波路内を還流することにより光強度が増大し、また、
基本波とこれに基づき発生する高調波とは、第１の光導
波路に沿って形成されている位相整合手段によって擬似
位相整合がとれるので、第１の導波路内において高調波
を高効率で発生させることができる。第１の導波路内に
おいて高効率で発生した高調波は、第２の導波路に移行
し、第２の導波路から出射される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１（ａ），（ｂ）は本発明に係る高調波発生
装置の一実施例の平面図，側面図である。本実施例の高
調波発生装置は、所定波長の光を出射する光源１と、光
源１から出射された光を集光する集光光学系２と、非線
形光学定数をもつ基板３上に形成された光入射用の３次
元光導波路４´と、３次元光導波路４´と合流部Ｃにお
いて連結されている環状の３次元光導波路４と、基板３
上に３次元光導波路４と所定の間隔をへだてて近接して
形成された高調波出射用の３次元光導波路５と、環状の
光導波路４に沿って周期的に所定のピッチで形成された
分極反転領域７と、位相調整用の一対の電極６ａ，６ｂ
とを有している。

【００１３】光源１としては、コヒーレントな光を出射
するものであれば良く、半導体レーザに限らず、ＹＡＧ
レーザ等の固体レーザや各種の気体レーザ，色素レーザ
等を用いることができる。また、集光光学系２には一般
にとつレンズが使用されるが、光を集光可能な光学系で
あれば、分布屈折率レンズ，フレネルレンズ等をも用い
ることができる。

【００１４】また、本実施例では、基板３の材料に例え
ばＬｉＮｂＯ₃の強誘電体結晶を用い、これを光学軸
（Ｚ軸）にほぼ垂直な面で切出したものを（すなわちＺ
カットされたものを）基板３として使用している。

【００１５】また、光導波路４´，４，５は、例えばプ
ロトン交換法によって形成されており、光導波路４，５
の近接領域Ｄは、光導波路４と光導波路５との間で導波
モードの移行制御を行なう方向性結合器（カップリング
部）として機能するようになっている。すなわち、光導
波路４と光導波路５との間の間隔ｄおよび結合長ｌを適
宜設定することにより、光導波路４に励起された高調波
の導波モードのみを光導波路５に結合させ光導波路５に
移行させて、光導波路５から出射させるよう構成されて
いる。

【００１６】また、分極反転領域７は、基板３のキュリ
ー点付近やや下の温度で基板３の一部にＴｉイオン等を
拡散させることにより、基板３の他の部分と分極方向が
反転した形で形成される。また、位相調整用の一対の電
極６ａ，６ｂは、図１の例では、一方の電極６ａが光導
波路４上に設けられ、該電極６ａから横方向にずれた位
置に他方の電極６ｂが設けられている。このような配置
に電極６ａ，６ｂを設け、電極６ａ，６ｂ間に電圧を印
加すると、基板３の光学軸方向（Ｚ方向）に電界が形成
されるので、この電界に基づく１次の電気光学効果によ
り、電極６ａ直下の光導波路４の部分の屈折率を変化
（低下）させ、光導波路４を伝播する導波光の位相を変
化させることができるようになっている。

【００１７】次にこのような構成における高調波発生装
置の動作について説明する。光源１として例えば半導体
レーザを用い、半導体レーザ１からレーザ光を出射させ
ると、レーザ光は、集光光学系２によって３次元光導波
路４´の端面Ａに集光され、光導波路４´に基本波とし
て入射する。光導波路４´に入射した基本波は、基板３
がＺカットされているので、その異常光屈折率ｎ_eによ
り、光導波路４´内をＴＭモードで伝播し、合流部Ｃか
ら環状の光導波路４内に入射する。

【００１８】光導波路４に入射した基本波は、環状の光
導波路４内を矢印Ｒの向きに還流し、これにより、光導
波路４には、高調波，例えば、基本波の波長の半波長の
第２高調波が励起される。この場合、励起された高調波
は、光導波路４内を基本波とともに還流するが、光導波
路４と光導波路５との近接領域，すなわちカップリング
部Ｄにおける光導波路４，５間の間隔ｄ，結合長ｌを適
宜設定しておくことにより、光導波路４内に励起された
高調波のみを選択的に光導波路５に移行させることがで
きる。すなわち、光導波路４中を伝播する基本波および
高調波の各導波モードは、基板３の材料の波長分散によ
って生じる等価屈折率差をもち光導波路４中を伝播する
各導波モードの伝播速度は互いに異なるので、これに合
せて、カップリング部Ｄにおける光導波路４，５間の間
隔ｄ，結合長ｌを予め調整し設定しておくことにより、
高調波の導波モードのみを選択的に光導波路５に結合さ
せ光導波路５に移行させることができる。

【００１９】具体的には、カップリング領域Ｄにおける
光導波路４，５間の間隔ｄを大きくすると、光導波路
４，５間の高調波導波モードに関する結合定数χが小さ
くなり、間隔ｄを小さくすると、結合定数χは大きくな
る傾向がある。また、結合長ｌは、結合定数χと次式の
関係がある。

【００２０】

【数１】ｌ＝π／２χ

【００２１】従って、間隔ｄ，結合長ｌとしては、間隔
ｄを所定の値に設定したとすると、この間隔ｄにより定
まる結合定数χに基づき、数１の関係を満たすよう結合
長ｌを設定すれば良い。

【００２２】このように、本実施例では、光導波路４内
を還流する基本波によって光導波路４内に高調波を励起
させ、これを光導波路４内で導波させることができ、さ
らに、光導波路４内を導波する高調波のみを選択的に光
導波路５に移行させ、光導波路５の端面Ｂから出射させ
ることができるので、従来のように高調波を基板端面か
らチェレンコフ放射により出射させる形式のものに比べ
て、空間コヒーレンスが良く点光源に近い状態で短波長
の高調波を出射させることができる。なお、光導波路
４，５としては基本波及び高調波の波長に対して単一モ
ード光導波路かそれに近い光導波となっているのが望ま
しく、例えば光導波路５が単一モード光導波路で構成さ
れているときには、光導波路５の端面Ｂから出射される
高調波の空間コヒーレンスをより良好なものにすること
ができ、点光源により近い状態で高調波を出射させるこ
とができる。

【００２３】さらに、本実施例では、環状の光導波路４
に沿って周期的に所定のピッチで分極反転層７が形成さ
れているので、光導波路４を導波する基本波および高調
波の各導波モードは、互いに擬似位相整合がとられ、基
本波と高調波との相互作用長が長くなり、光導波路４に
おいて高調波を高い効率で発生させることができる。従
って、光導波路５の端面Ｂから高調波を従来に比べて一
層高効率で出射させることができる。

【００２４】なお、高調波を高効率で発生させるため
に、具体的には分極反転層７を次式により定まるピッチ
Ｆ₁で周期的に形成するのが良い。

【００２５】

【数２】Ｆ₁＝２（２ｍ＋１）ｌ_c （ｍ＝０，１，２，…）

【００２６】ここで、ｌ_cはコヒーレント長であり、基
本波の角周波数をω，第Ｎ高調波の角周波数をＮω，基
本波の波長をλとするときに、コヒーレント長ｌ_cは次
式で与えられる。

【００２７】

【数３】ｌ_c＝λ／〔４（ｎ_eff（Ｎω）−ｎ
_eff（ω））〕

【００２８】但し、ｎ_eff（Ｎω），ｎ_eff（ω）はそれ
ぞれ第Ｎ高調波，基本波の光導波路４における等価屈折
率である。

【００２９】さらに、本実施例では、一対の電極６ａ，
６ｂへの印加電圧を調節し、この電極部分に対応した光
導波路４の部分の屈折率を調整することにより、光導波
路４を還流する基本波の位相を調整することができる。
この際、光導波路４を還流して合流点Ｃに戻った基本波
と光導波路４´から合流点Ｃに新たに入射する基本波長
との位相が整合するよう電極６ａ，６ｂへの印加電圧を
設定すれば、基本波を還流させるに伴なって光導波路４
における基本波の光強度を増大させることができる。す
なわち、環状の光導波路４は、リング共振器として機能
し、電極６ａ，６ｂへの印加電圧を調節してリング共振
器の共振ピークに合せることにより、光導波路４内にお
ける基本波の光強度を増大させることができる。この結
果、光導波路４において高調波をさらに一層高効率で発
生させることができ、光導波路５の端面Ｂから高調波を
より高効率で出射させることができる。

【００３０】なお、上述の実施例では、基板３にＬｉＮ
ｂＯ₃を用いているが、基板３の材料に、比較的に安価
にかつ安定して作製可能なＬｉＮｂ_1-xＴａ_xＯ₃（０≦
ｘ≦１）を用いれば、安価で安定した特性をもつ高調波
発生素子を得ることができる。特に、基板としてＬｉＴ
ａＯ₃の−Ｚ板を用い、選択的にプロトン交換した後に
キュリ−点直下でアニ−ルすると容易に分極反転領域７
が形成できる。さらに、上記材料の他にも、ＫＴｉＯＰ
Ｏ₄や、半導体非線形材料，有機非線形材料など，例え
ばＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＧａＡｓ等を用いることができ
る。

【００３１】また、上述の実施例では、光導波路４´，
４，５をプロトン交換法によって形成しており、プロト
ン交換法により作成するときには、光導波路４´，４，
５を基板３に対して安定かつ容易に作成でき、安価かつ
安定した高調波発生装置を得ることができるが、光導波
路４´，４，５をプロトン交換法以外の方法で形成する
こともできる。例えば、Ｔｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｒｂ，Ｃ
ｓ，Ｔｌ等の金属イオンによるイオン交換法（イオン注
入，酸化等をも含む）や、液相，気相成長等の結晶成長
法により形成することもできるし、あるいはスパッタリ
ング蒸着，塗布等の方法とエッチング，切削等を組合せ
てリッジ形の光導波路として形成することもできる。

【００３２】さらに、光導波路４´，４の合流部Ｃにつ
いては、合流の角度φが小さくなるように設定されてい
るのが良く、また、光導波路４において曲率を有する部
分についても、導波損失を少なくするため、曲率ができ
るだけ小さく形成されているのが良い。

【００３３】また、上述の実施例では、光導波路４を還
流する基本波の位相を調整するために一対の電極６ａ，
６ｂが設けられているが、電極６ａ，６ｂのかわりに、
光導波路４の一部あるいは全体の温度を例えば薄膜ヒー
タで変化させて光導波路４の屈折率を変化させ、これに
より位相を調整することもできる。あるいは、光源１の
波長を変化させることにより、リング共振器としての光
導波路４の共振ピークを合わせ、位相を調整することも
可能であり、この場合には、電極６ａ，６ｂや薄膜ヒー
タ等の装置を設けずとも良く、高調波発生装置をより簡
単な構成のものにすることができる。

【００３４】さらに、上述の実施例では、基本波と高調
波との位相を整合させる位相整合手段として、周期的な
分極反転層７を光導波路４に沿って形成しているが、分
極反転層７のかわりに、所定ピッチをもつグレーティン
グ等を光導波路４に沿って形成しても良い。

【００３５】この場合には、グレーティングを次式によ
り定まるピッチＦ₂で周期的に形成するのが良い。

【００３６】

【数４】Ｆ₂＝２ｍｌ_c （ｍ＝１，２，３，…）

【００３７】ここで、ｌ_cは数３によって与えられるコ
ヒーレント長である。グレーティングが数４の関係を満
たすピッチＦ₂で形成されているときには、光導波路４
中にはこのピッチＦ₂で周期的な屈折率変化が与えら
れ、この周期的な屈折率変化により基本波，高調波の導
波モード間で擬似位相整合がとれて、高調波を効率良く
発生させることができる。さらに、光導波路４中の周期
的な屈折率変化だけではなく、光導波路４の幅，深さを
周期的に変化させたり、光導波路４の上部表面に別の材
料で装荷型のグレーティングを設けたりすることによっ
て、擬似位相整合条件を満たさせ、高調波を効率良く発
生させることもできる。

【００３８】但し、分極反転層７を形成する場合には、
グレーティング等によって周期的な屈折率変化を与える
場合に比べて、高調波をより効率良く発生させることが
できるので、高調波を高効率で得る目的のためには、グ
レーティング等でなく、分極反転層７を形成するのが良
い。

【００３９】また、上述の実施例では、光導波路４の端
面Ａに光源１からのレーザ光を集光光学系２で集光して
入射させ、光導波路４において、入射したレーザ光に基
づきＴＭモードの導波光，すなわち基本波を直接励起し
ているが、光導波路４上にプリズムカプラーやグレーテ
ィングカプラー等を設けて基本波を励起するようにして
も良い。

【００４０】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
環状の第１の光導波路を還流する基本波に基づき第１の
光導波路内で発生した高調波を第２の光導波路に移行さ
せて第２の光導波路から出射するように構成し、また、
第１の導波路を導波する基本波と高調波とが位相整合が
とれるように構成しているので、空間コヒーレンスが良
好で点光源に近い性能をもつ高調波を高効率で出射させ
ることができる。

【００４１】また、第１の光導波路と第２の光導波路と
の結合部の間隔および結合長を所定の値に設定し、前記
第１の光導波路で発生した高調波のみを前記第２の光導
波路に移行させるよう構成すれば、第２の光導波路から
は高調波のみを出射させることができ、高調波発生装置
を高性能のものにすることができる。

【００４２】また、第２の光導波路を単一モード導波路
として形成すれば、第２の光導波路から出射される高調
波の空間コヒーレンスをより良好なものにすることがで
き、点光源により近い状態で高調波を出射させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は本発明に係る高調波発生装置
の一実施例の平面図，側面図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は従来の高調波発生装置の平面
図，側面図である。

【符号の説明】

１光源２集光光学系３基板４´，４，５３次元光導波路６ａ，６ｂ電極７分極反転層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】環状の第１の光導波路と、高調波出射用
の第２の光導波路とが非線形光学効果を有する材料で形
成された基板に形成されており、前記第１の光導波路と
前記第２の光導波路とは、前記第１の光導波路を導波す
る基本波に基づき第１の光導波路内において発生する高
調波が前記第２の光導波路に移行し第２の光導波路から
出射されるような位置関係に配置され、また、前記第１
の光導波路を導波する基本波と高調波との間で擬似的位
相整合をとるための位相整合手段が前記第１の光導波路
に沿って形成されていることを特徴とする高調波発生装
置。
【請求項２】前記第１の光導波路と前記第２の光導波
路とは、所定の間隔および所定の結合長で互いに近接し
た結合部を有し、前記間隔および結合長を所定の値に設
定することにより、前記第１の光導波路で発生した高調
波のみを前記第２の光導波路に移行させるよう構成され
ていることを特徴とする請求項１記載の高調波発生装
置。
【請求項３】前記第２の光導波路は、単一モード導波
路として形成されていることを特徴とする請求項１また
は２記載の高調波発生装置。