JPH06175179A

JPH06175179A - 光学部品及びそれを具えるオプトエレクトロニク素子

Info

Publication number: JPH06175179A
Application number: JP5200690A
Authority: JP
Inventors: Gerardus L J A Rikken; ラディスラウスヨハネスアンドレアスリッケンヘラルダス; Antonius H J Venhuizen; ヘンリカスヨハネスフェンフイゼンアントニウス
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV; Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1992-08-13
Filing date: 1993-08-12
Publication date: 1994-06-24
Also published as: US5384883A; DE69321897T2; ATE173094T1; DE69321897D1; CN1083599A; TW238438B; CN1035405C

Abstract

(57)【要約】【目的】位相整合がモード分散により行われ、且つ周
波数増大が高効率に行われる光学部品を提供する。【構成】光学部品（７）は電磁放射の周波数を増大
し、これは支持基板（９）上に設けられる非線形光導波
路（１１）を具えている。基本波及び周波数増大波のフ
ィールド分布を、非線形光導波路（１１）の少なくとも
片側に高屈折率のサテライト層（１５）を設けることに
よりオーバラップさせて、周波数増大効率を高めること
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、電磁放射の基本波の周
波数を増大させるための光学部品であって、基板と、こ
の基板の屈折率よりも高い屈折率を有する非線形光導波
路とを具え、基本波と高調波の相対的に異なるモード間
にて位相整合が生ずる光学部品に関するものである。

【０００２】本発明は上述したような光学部品を具えて
いる電磁放射の周波数を増大させるオプトエレクトロニ
ク素子にも関するものである。ここに云う周波数増大と
は、周波数を２倍にすること並びに２にほぼ等しいファ
クタだけ周波数を高めることを意味するものとする。周
波数を２倍にすることは、レーザプリンタ及びスキャナ
の如き装置及び光学記録担体の書込み及び／又は読取用
の光学装置に極めて有利に用いられる。その理由は周波
数を２倍とすれば、光学記録担体における情報密度を高
めることができるからである。２にほぼ等しいファクタ
だけ周波数を高めることは、２つの放射源からの放射を
合成することにより達成することができ、増大周波数は
２つの放射源により放出される放射の周波数の和に等し
くなる。

【０００３】

【従来の技術】非線形光学材料製の導波路にて電磁放射
の周波数を２倍にする場合、この非線形光学材料中に発
生する基本波及び第２高調波は異なる速度で伝搬する。
このような伝搬速度の相違は、基本波の一部が高調波に
変換された後に起こるだけである。従って、光学部品に
沿う様々な位置にて発生する各高調波の位相が相違する
ため、こうした高調波どうし間にて破壊的な干渉が起こ
りがちとなり、この結果周波数増大した放射が消滅して
しまう。

【０００４】従って、第２高調波を有効に発生させるに
は、基本波の位相と第２高調波の位相とを整合させる必
要がある。このことは、基本波及び第２高調波に対する
非線形光学材料の実効屈折率を等しくしなければならな
いことを意味している。換言するに、基本波と第２高調
波に対する屈折率の差Δｎ、即ちΔｎ＝ｎ^W _eff−ｎ ^2W
_effが０に等しくなるようにする必要がある。なお、こ
こにｎ^W _effは基本波に対する実効屈折率であり、ｎ^2W
_effは第２高調波に対する実効屈折率である。しかし、
このような位相整合は、屈折率が波長の関数として変化
する材料内での波長分散により生ずる位相ドリフトによ
り妨げられる。従って、第２高調波の強度が導波路の長
さ全体にわたり比較的低い値の付近にて振動する。

【０００５】上述したような導波路については、J.App
l.Phys.58 (12) １９８５年のG.I.Stegemen及びC.T.Sea
ton著による“Non linear integrated optics”に記載
されており、ここでは波長分散をモード分散(modal dis
persion)によりなくすことにより位相整合をおこなって
いる。

【０００６】上述文献では導波路の層厚を適当に選定す
ることにより位相整合を達成して、β（２ｗ）＝２β
（ｗ）となるようにしており、ここにβは伝搬定数であ
り、ｗ及び２ｗは基本波及び第２高調波の周波数であ
る。非線形光学材料の層厚以外に、基本波及び高調波周
波数に対してはこの非線形光学材料の屈折率も重要であ
る。光波は異なる（ｍ個の）モードから成り、これらの
モードは所定の屈折率特性に対してそれぞれ異なるフィ
ールド分布Ｆ_mを呈し、しかも実効屈折率ｎ_eff,mも相
違し、この実効屈折率はモード次数が増えるにつれて低
下する。位相整合するには、基本波の選択モードに対す
る実効屈折率及び第２高調波の選択モードに対する実効
屈折率を等しくすべきである。導波路層の材料及び厚さ
を適当に選定すれば、第２高調波は基本波よりも高い次
数のモードで伝搬し（ｎ^W _eff,i＝ｎ ^2W _eff,j, ｊ＞
ｉ）、波長分散をモード分散により確実に相殺すること
ができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した位相整合法の
欠点は第２高調波の発生効率が比較的低いという点にあ
る。この発生効率は基本波及び第２高調波のフィールド
分布が重なる度合いに比例し、これは所謂重なり（オー
バラップ）積分により求められる。モード分散による位
相整合の場合におけるように、基本波と第２高調波の選
択モードの次数が相違すると、重なり積分の値は一般に
小さくなり、第２高調波の発生効率は低くなる。さら
に、第２高調波の強度が層厚に大いに左右されるため、
斯様な位相整合をする場合に層の厚さに関して極めて厳
格な要求を課する必要があるため、周波数増大光学部品
の製造が複雑となり、しかも経費がかかる。

【０００８】本発明の目的は位相整合をモード分散によ
り行ない、且つ周波数増大を、層厚に関する厳格な要求
を満足させる必要なく十分高い効率にて実現し得る周波
数増大光学部品及び斯様の光学部品を具えているオプト
エレクトロニク素子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は冒頭にて述べた
種類の光学部品において、前記光導波路の少なくとも片
側に、この光導波路の屈折率よりも高い屈折率を有する
サテライト層を設けたことを特徴とする光学部品にあ
る。

【００１０】本発明は基本波及び周波数増大波のフィー
ルド分布を整合させることにより、基本波のモードと第
２高調波のモードとの間のオーバラップを増やすことが
でき、これらの間の位相整合がモード分散により起こ
り、しかもこの位相整合を屈折率の高い追加の層を堆積
することにより実現することができるという事実の認識
に基づいて成したものである。

【００１１】本発明の好適例では、前記非線形光導波路
の反対側に第２サテライト層を設け、この第２サテライ
ト層の屈折率を光導波路の屈折率よりも高くする。この
ように導波路の構造を対称とすることにより、周波数増
大効率をサテライト層が１つしかない場合よりも高くす
ることができるという利点がある。特殊な非線形光学材
料、例えば有機ポリマを使用する場合には、非線形光学
材料層の上への第２サテライト層の堆積が実際上問題と
なる。その理由は、その堆積処理を高温にて行わなけれ
ばならないからである。こうした特殊なケースでは周波
数増大層の下側に１つだけサテライト層を設けるように
するのが好適である。このような非対称構造の例では、
基本波及び高調波のフィールド分布、従って重なり積分
が最大となるこうした波のモードも前述した対称構造の
例におけるものとは相違する。

【００１２】光学部品はプレーナ形の導波路とし、この
導波路の放射伝搬方向に対して垂直の方向で、しかも様
々な層に対して平行な平面内における寸法は放射伝搬方
向における寸法よりも実質上短くしないようにすること
ができる。しかし、本発明による光学部品の好適例で
は、この光学部品を帯状の（チャネル）導波路として構
成する。

【００１３】プレーナ形の導波路の代わりに帯状の導波
路を利用することにより、チャネル内に放射が閉じ込め
られるためにパワー密度を十分に高めることができると
いうことは既知である。従って第２高調波により発生す
る放射量が増大する。

【００１４】本発明のさらに他の好適例では、非線形光
学材料をポリマとする。斯種のポリマ層についてはApp
l.Phys.Lett.Vol.58(5)、２月４日号の第４３５〜４３
７頁における論文“Poled polymer for frequency doub
ling of diodelaser”に記載されている。しかし、この
文献では周波数を２倍にした放射をここで考慮している
ような位相整合により消滅しないようにするのではなく
て、所謂準位相整合により行なうのであって、これは周
波数増大層が非線形の周期的空間変調を呈するようにし
て達成されるのである。この周期性は電界の周期的変調
により達成することができ、これによりポリマは層の製
造中に成極される。

【００１５】ポリマの利点は、それが比較的低い屈折率
を有すると共に薄層に堆積し得る材料であるという点に
ある。屈折率が比較的低いことによりサテライト層用の
材料の選択性を広げることができる。

【００１６】本発明による光学部品の好適例では、サテ
ライト層をＳi₃Ｎ₄で構成する。Ｓi₃Ｎ₄を用いること
の利点は、光学部品の完成構体を標準のシリコン技法を
用いて製造し得ることにある。

【００１７】本発明は、電磁放射の基本波の周波数を増
大させるオプトエレクトロニク素子であって、上に電磁
放射発生用のダイオードレーザが設けられる基板と、内
部にて周波数の増大が行われる光学部品とを具えている
オプトエレクトロニク素子において、前記光学部品を上
述したような部品とし、前記ダイオードレーザの活性層
及び基本波が伝搬する前記光学部品の層とが互いに延長
線上に位置し、前記ダイオードレーザの出射面と前記光
学部品の入射面とが互いに対向するように位置させたこ
とを特徴とするオプトエレクトロニク素子も提供する。

【００１８】

【実施例】図１は電磁放射の周波数を高めるためのオプ
トエレクトロニク素子１を概略的に示したものである。
斯種の素子はレーザプリンタ、スキャナの如き様々な光
学装置や、光学記録担体からの読取及び／又は光学記録
担体への書込み用装置に用いることができる。放射源に
よって放出される一時放射の周波数を例えば２倍に高め
ることにより、これらの装置での放射スポットの大きさ
を例えば１／２に縮小することができるため、こうした
装置の解像度が例えば２倍に向上し、従ってこうした装
置により読取及び／又は書込むことのできる情報密度が
増大する。特に、レーザプリンタの如き「書出し」装置
又は光学記録担体用の書込み装置にとっては、周波数を
高めた放射のパワーが十分なものとなるようにすること
が重要であり、従って周波数変換を十分高い効率で行う
必要がある。ここに云う効率とは周波数を高めた放射の
パワーと一時放射のパワーとの商を意味するものとす
る。以下の説明では周波数を２倍にする例についてのみ
説明する。

【００１９】オプトエレクトロニク素子１は支持体３の
上に電磁放射を発生する放射源５、例えばダイオードレ
ーザを設けて構成する。ダイオードレーザ５は電極６，
８を介して電流源１０に接続する。電極６，８を経てダ
イオードレーザ５に電流を供給すると、基本波長λを有
する電磁放射が活性層１２内に発生する。支持体３には
光学部品７も載せ、これによって放射源５が発生した放
射の周波数を２倍にする。このような部品７は支持材
９、所謂基板を具えており、この基板は例えばシリコン
製とし、且つその屈折率はｎ₁とする。この基板上に屈
折率がｎ₂の非線形光学材料製の導波路１１を設ける。
導波路１１内に内面反射により放射を閉じ込めるために
ｎ₂をｎ₁よりも高くする必要がある。導波路１１の上
には屈折率がｎ₃のクラッディング層１３を設けること
ができ、この層の屈折率ｎ₃はｎ₃＜ｎ₂とする。基板
をシリコン製とする場合には、実際上二酸化シリコン
（ＳｉＯ₂）の層もその基板上に形成して、本来光を吸
収する基板材料を他の層から光学的に分離させる。しか
し、ＳｉＯ₂層の厚さを十分な厚さとすれば、基板を専
らこの層で構成することができる。

【００２０】ダイオードレーザ５及び光学部品７を支持
体３の上にて互いに整列させて、ダイオードレーザ５の
活性層１２と光学部品７における基本波が伝搬する層と
を互いに延長線上に位置させるようにする。従って、素
子５と７を互いに接近させ、即ち数ミクロン程度の離間
距離で位置させると、ダイオードレーザ５から出る放射
が光学部品７内に有効に結合され、実質上その放射の周
波数が２倍に逓倍される。

【００２１】既知のように、周波数を有効に２倍とする
ために満足さすべき諸要求の１つは、電磁放射の基本波
と、周波数２倍化層での周波数２倍波とが同相で伝搬し
得るようにすることである。基本波と周波数２倍波とが
同相で伝搬されないと、導波路に沿う様々な個所にて発
生される第２高調波どうしが破壊的に干渉するために、
周波数が２倍になる放射の発生が比較的低下することに
なる。導波路１１の材質の実効屈折率は波動の周波数ｆ
に反比例する波長λに依存するため、導波路１１内では
波長分散が生ずる。このことは、波長λの基本波と波長
λ／２の第２高調波とが異なる速度で伝搬するため、２
つの波が周期的に逆相となることを意味している。

【００２２】所望な位相整合を達成するために、導波路
１１内にて生ずる所謂モード分散を利用することが既に
提案されている。導波路の構造に応じ、光導波路はその
内部にて様々な方法にて、即ち種々のモードに従って光
を伝搬することができる。図２ａには導波路の層とその
周囲の状況を屈折率の特性により示してある。導波路の
層厚はこの場合２ａである。図２ｂ、図２ｃ及び図２ｄ
は波動、例えば基本波の０次、一次及び二次モードのフ
ィールド分布を示す。これらの各モードは異なるフィー
ルド分布Ｆ_mを呈し、しかも異なる実効屈折率ｎ_eff,m
を受ける。波の伝搬モードの次数が高くなるにつれて、
この波の実効屈折率は小さくなる。位相整合を達成する
ために満足すべき条件は、基本波及び第２高調波に対す
る実効屈折率が等しく、即ちΔｎ＝ｎ^W _eff−ｎ^2W _eff
＝０となるようにすることである。従って、第２高調波
は基本波よりも高い次数モードで伝搬する。プレーナ形
の導波路構体の材質及び層厚を適当に選定することによ
り、斯かる位相整合に対する基本的要件を満足させるこ
とができる。

【００２３】しかし、何等かの他の手段を講じないと、
斯かる導波路構体での周波数２倍化の効率が比較的低く
なり、実際上不適当である。これはその効率が、基本波
と第２高調波のフィールド分布がオーバラップする度合
いに比例するからである。このオーバラップの度合いＳ
ｉｊは、文献“Nonlinear optical properties of orga
nic molecules and crystals”(D.S.Chemla 及びJ. Zys
s 著、Academic Press発行、１９８７年、第４２６〜４
２７頁）に記載されているように、次のような所謂オー
バラップ（重なり）積分により表される。即ち、

【数１】ここに、−ａから＋ａまでの積分領域は導波路１１の厚
さを表し、Ｆ^W _jは基本波のフィールド分布であり、Ｆ
^2W _jは第２高調波のフィールド分布である。しかし、こ
の重なり積分の値は、モード分散による位相整合に必要
とされるような種々のモードを有する波のフィールド分
布のオーバラップに対して比較的低い値である。

【００２４】図３ａは基本波の０次モードのフィールド
分布を示し、図３ｂは第２高調波の一次モードのフィー
ルド分布を示したものである。これらの図及び同様な後
に説明する図では、導波路１１内の基板９からの距離を
横軸に沿ってプロットしてあり、この距離軸線に沿って
その上に屈折率の特性を示してあり、又垂直方向にはフ
ィールド分布の自乗を任意単位にてプロットしてある。
これらの図から明らかなように、重なり積分はこの場合
ちょうど０である。

【００２５】本発明によれば、光学部品７の少なくとも
基板９と導波路１１との間に薄くて高屈折率の層１５、
所謂サテライト層を設け、この層を導波路１１に直接接
触させる。図４はこのような光学部品の断面図を関連す
る屈折率特性と一緒に示したものである。サテライト層
１５を設けたことより基本波及び第２高調波のフィール
ド分布が影響され、周波数の増大に必要とされるモード
のフィールド分布のオーバラップ、従って周波数の増大
効率が向上し、これと同時に位相整合が得られる。図５
ａ及び５ｂはサテライト層を設けた場合における基本波
の０次モードのフィールド分布と第２高調波の一次モー
ドのフィールド分布をそれぞれ示す。

【００２６】図５ａ及び５ｂと図３ａ及び図３ｂとをそ
れぞれ比較すると明らかなように、フィールド分布Ｆ^W
_Oの最大値はサテライト層の方へとシフトされ、フィー
ルド分布Ｆ^2W ₁のローブの１つが減衰され、他方のロー
ブの最大値がサテライト層の方へとシフトされる。位相
整合が維持されるため、重なり積分の値が増大し、従っ
て周波数２倍化効率も向上する。

【００２７】図６は非線形光導波路１１とクラッディン
グ層１３との間にもサテライト層１７を設けた光学部品
の例を示す。第２サテライト層１７を設けたことより、
特に第２高調波の各モードのフィールド分布が、サテラ
イト層を持たない光学部品での第２高調波のモードのフ
ィールド分布とは相違し、又図４に示した光学部品での
フィールド分布とも相違したものとなる。図６に示した
光学部品での基本波の０次モードのフィールド分布Ｆ^W
_o及び第２高調波の二次モードのフィールド分布Ｆ^2W ₂
をそれぞれ図７ａ及び図７ｂて示してある。第２サテラ
イト層を設けるために、図４の場合とは逆に、フィール
ド分布Ｆ^W _oは導波路１１の中心に対して対称となる。
フィールド分布Ｆ^2W ₂の２つの負の部分は図２ｄと比較
するにかなり減衰し、このフィールド分布Ｆ^2W ₂の最大
値は導波路１１の中心に位置する。従って、フィールド
分布Ｆ^2W ₂はＦ^W _o内にほぼ完全に位置するため、周波
数２倍化の効率が比較的高くなり、原則として図４に示
した光学部品によるよりも高くなり、位相整合も維持さ
れる。

【００２８】図４及び図６に示した光学部品の基板９と
サテライト層１５との間には、２つのサテライト層を具
える例として図８に示すように、クラッディング層１３
と同様で、しかも同じ機能をするクラッディング層１６
を設けることができる。この図８の場合には光学部品全
体の構成が対称となる。なお、図８の例ではクラッディ
ング層１３を省いて、その機能を例えば空気のような隣
接媒体に引き継がせることができる。サテライト層１７
の厚さを図８における層１７の厚さよりも多少厚くし、
７５ｎｍでなく、例えば１００ｎｍとすることにより、
フィールド分布Ｆ^W _OとＦ^2W ₂とを適切にオーバラップ
させることもできる。

【００２９】上述した各実施例における基板９と、その
隣の層、つまりクラッディング層か、サテライト層との
間には、本来放射を吸収する基板と他の層とを光学的に
分離させるためＳｉＯ₂層を設けることができる。

【００３０】非線形光学材料を比較的薄い層にて堆積す
ることができ、しかもそれらの材料の屈折率が十分に低
ければ、それなりに適切なものとして既知の様々な非線
形光学材料を導波路１１用に使用することができ、サテ
ライト層の屈折率はかなり高いものとすることができ
る。導波路１１用の材料としては、文献“Appl.Phys.Le
tters ”（ｖｏｌ．５８（５）１９９１年２月４日、第
４３５〜４３７頁）の論文“Poled polymers for frequ
ency doubling of diode lasers ”に記載されているよ
うな組成２５／７５ＭＳＭＡ／ＭＭＡのポールドポリマ
(poled polymer)が極めて好適である。このポリマの屈
折率は比較的低く、８００ｎｍの波長に対しては1.52で
あり、４００ｎｍの波長に対しては1.56であり、しかも
比較的薄い層として、例えば厚さが７５０ｎｍの層とし
て堆積することができる。このようなポリマ又は同様な
ポリマを導波路用に用いる場合には、図４に示す例の構
成を用いるのが好適である。その理由は、このポリマ層
の上にサテライト層がないからである。サテライト層は
一般に高温で堆積するため、このような層をポリマ層の
上に設ける場合に、このポリマ層が悪影響を受けること
になる。

【００３１】サテライト層として好適な材料には例え
ば、Ｓi₃Ｎ₄，ＡｌＮ，Ｎｂ₂Ｏ₅およびＴｉＯ₂があ
る。こうした材料は通常の非線形光学材料と比較する
に、屈折率が十分に高く、1.8 程度であり、しかもエッ
チング処理がし易く、且つ比較的簡単な方法にて薄層形
態に堆積することができる。前述したサテライト層とし
ての材料の内でも、特にシリコン窒化物（Ｓi₃Ｎ₄）が
好適であり、これは集積回路の如きシリコン半導体構体
を製造する標準の技法により光学部品を作ることができ
るからである。

【００３２】これまでの説明では光学部品として所謂プ
レーナ形の導波路を用いる例につき説明したが、本発明
は所謂チャネル（帯状の）導波路にも使用でき、この帯
状の導波路では放射が図４、図６および図８における垂
直方向である第１方向のみならず、この第１方向および
伝搬方向に対して垂直に延在する第２方向、所謂横方向
にても極めて狭い領域内に閉じ込められる。概して帯状
の導波路はプレーナ形の導波路に比べてエネルギー密度
が高くなるという利点がある。

【００３３】前述した材料の１つで造ったサテライト層
を具えている帯状の導波路の場合には、こうした材料を
容易にエッチングし得ることを有利に利用する。この場
合、チャネルはサテライト層をエッチングすることによ
り得られる。

【００３４】次いで、Ｓi₃Ｎ₄の表面の大部分をエッチ
ングにより所定の深さまで除去して、この層の上側面に
図９に示すように肩部２０を形成することができる。こ
の図は放射の伝搬方向に対して垂直に切った帯状の導波
路の断面図である。基板９の小さな細条だけをエッチン
グにより除去して、基板の表面に図１０に示すような狭
い条溝２１を設けることもできる。

【００３５】概して、帯状の導波路はサテライト層に肩
部を設けることにより及び／又はサテライト層の屈折率
よりも低い屈折率を有する層の１つに条溝を設けること
により実現することができる。図１１は実行可能な実施
例の１つを示す。

【００３６】図１０から明らかなように、帯状の導波路
は先ず基板９に条溝２１をエッチングにより形成し、そ
の後その上に屈折率の高い層１５および非線形光学層１
１を設けることにより得られる。

【００３７】未公開の欧州特許出願第９１２０２６０
６．９号に記載されている方法と同様に、帯状の導波路
は所謂シリコンの局部酸化技法（ＬＯＣＯＳ）を利用す
ることにより得ることもできる。この場合には、実質上
酸素を透過しない材料製の細条をシリコン基板の上に設
け、このシリコン基板の上には予めシリコン酸化物の薄
層を形成しておくことができる。細条個所の酸化速度を
遅らせるシリコンの局所酸化処理により細条の下側のシ
リコン酸化物に条溝を形成する。図１２に示すように、
条溝２４を具えている基板上に屈折率の高い層１５及び
非線形光学層１１を設けることができる。

【００３８】ＬＯＣＯＳ法を用いることの利点は、シリ
コン酸化物層２３における条溝２４の壁部が極めてなめ
らかになるため、エッチング処理により得られる条溝の
場合よりも放射の損失が少ないという点にある。

【００３９】細条を屈折率の高い材料、例えばＳi₃Ｎ₄
で造る場合には、条溝の形成後にエッチングにより細条
を除去する必要がない。この場合には細条を屈折率が高
いサテライト細条として作用させることができる。前述
した欧州特許出願に記載されているような周波数増大用
光学部品の例に、本発明による屈折率の高い材料製の層
を設けることができる。

【００４０】帯状の導波路は前記第２方向にても放射を
狭い領域内に閉じ込める構造をしているため、こうした
導波路にはプレーナ形の導波路に比べて追加の効果があ
る。肩部２０又は条溝２１の幅を非線形光導波路１１の
厚さ程度、例えばＷ≒５μｍとする場合には追加のモー
ド分散が生ずる。これはサテライト層１５又は１７の屈
折率を適合させることにより補償することができる。肩
部又は条溝が極めて狭く、例えばＷ≦５μｍとする場合
には斯様な補正では不適切なことがある。このような場
合には、帯状の導波路内に導波路チャネルに隣接して屈
折率の高い材料製の細条を横方向に延在させることがで
きる。図１３及び図１４は図１０及び図１１に示した種
類の帯状導波路に斯様な細条２５及び２６を設けた例を
示す。

【００４１】しかし、周波数を２倍にするのに必要とさ
れる位相整合は限られた波長範囲について成り立つだけ
であり、これは材料の屈折率が波長に依存することと、
モード分散とに起因している。周波数を２倍にする放射
の波長は非線形光学部品の容認帯域内の波長とすべきで
ある。なお、ここに云う容認帯域とは非線形光学部品に
より有効に周波数を高めることのできる公称周波数付近
の放射の波長帯域を意味するものとする。概して、この
容認帯域は比較的狭く、例えば0.25ｎｍ程度であるた
め、ダイオードレーザに関しては比較的厳格なる要件を
課する必要がある。

【００４２】こうした要件の主たるものは次の通りであ
る。１）ダイオードレーザが放出する放射の波長帯域は非線
形光学部品の容認帯域幅内の帯域とすべきである。この
要件はダイオードレーザの生産性を著しく低下させる。
さらに、容認帯域幅が狭いことによりパルス化ダイオー
ドレーザの使用が妨げられる。その理由は、斯種のダイ
オードレーザの代表的な放射帯域幅は５ｎｍであるから
である。パルス化ダイオードレーザは高効率で、しかも
安定しているため連続駆動のダイオードよりも好適であ
る。２）ダイオードレーザが放出する放射の波長は極めて安
定なものとして、この波長が常に非線形光学部品の容認
帯域幅内に留まるようにすべきである。このことはダイ
オードレーザの射出スペクトルが変化しないことを意味
する。

【００４３】上記後者の要件を実際上満足させるのは困
難である。その理由は、ダイオードレーザ並びに非線形
光学媒体（部品）の特性は温度に大いに左右されるか
ら、ダイオードレーザ及び非線形光学部品は例えば0.5
℃までのような極めて正確な温度安定性を必要とするか
らである。

【００４４】それにもかかわらず、ダイオードレーザの
射出スペクトルが変化し、ダイオードレーザが放出する
放射の波長が異なる場合には、非線形光学部品から出る
放射の周波数が実質上２倍又はそれ以上に増大しなくな
るため、光学部品は不作動となる。

【００４５】非線形光学部品の容認帯域幅は、位相整合
が生ずる公称波長に対する屈折率の差Δｎ＝ｎ^W _eff−
ｎ^2W _effが０に等しくなるときに、この値が、光学部品
に供給される放射の波長が変化しても維持され、従って

【数２】∂Δｎ／∂λ＝０（∂／∂λ）ｎ^W _eff−（∂／∂λ）ｎ^2W _eff＝０となるようにすることにより増大させることができる。
なお、ここにｎ^W _eff及びｎ^2W _effは非線形光導波路及
びサテライト層の基本波及び第２高調波に対する屈折率
とそれらの厚さとの関数である。

【００４６】上に立証したように、１つ又は２つのサテ
ライト層を堆積することにより、一方では基本波のフィ
ールド分布の最大値がシフトされ、他方では第２高調波
のフィールド分布の最大値が層によって異なるため、追
加の自由度が得られ、上記条件を満足させることができ
る。これは、例えば図５ａ明らかなように、サテライト
層を設けることにより基本波のフィールド分布の中心が
サテライト層１５の付近となるからである。

【００４７】基本波の公称波長付近の波長範囲内ではサ
テライト層の材料の比較的高い屈折率は波長には殆ど左
右されない。サテライト層の厚さは比較的薄いから、基
本波はこの層内には完全にフィットしないで、主として
この層以外の所を伝搬する。従って、基本波に対する実
効屈折率は、サテライト層を囲んでいる層内にて生ずる
波長の分散により専ら波長依存性を呈するのであって、
サテライト層内にて生ずる波長の分散により波長依存性
を呈するのではない。

【００４８】サテライト層は厚みがあるので、このサテ
ライト層の外部に伝搬する基本波の部分は減少し、サテ
ライト層を囲んでいる層への基本波の波長依存度も減少
する。このようなことは、基本波に対する実行屈折率ｎ
^W _effが主としてサテライト層の厚さによって決定され
ることを意味している。

【００４９】図５ｂから明らかなように、第２高調波の
中心は主として非線形光導波路１１内に位置する。光導
波路１１の厚さは比較的厚く、例えばその厚さはサテラ
イト層１５の厚さの１０倍とするため、第２高調波はこ
の光導波路の外部には殆ど伝搬しない。従って、光導波
路の厚さが変化しても第２高調波に対する実行屈折率に
は殆ど影響を及ぼさない。しかし、第２高調波の公称波
長付近の波長範囲に対しては、光導波路の材料の屈折率
が波長に大いに依存する。従って、第２高調波に対する
実効屈折率は主として非線形光学材料の屈折率により決
定される。

【００５０】基本波及び第２高調波が伝搬する層の厚さ
及びこれら層の屈折率に、これらの基本波及び第２高調
波に対する実効屈折率が依存する度合いがそれぞれ異な
るため、サテライト層の厚さを適当に選定することによ
り、基本波に対する実効屈折率を波長∂／∂λ ｎ^W
_effの関数として変化させるようにし、同様に第２高調
波に対する実効屈折率を波長∂／∂λ ｎ^2W _effの関数
として変化させることができる。従って、波長の変化が
Δｎに及ぼす影響は、実質上基本波の公称波長付近の比
較的広い波長帯域内にて除去することができる。

【００５１】斯様な本発明の一部を成す思想は実験によ
り確認された。例えば、図１５は図４に示したような、
１つのサテライト層を具えている導波路構体に対する斯
様な実験結果を示し、これは８５０ｎｍの基本波に対す
るもので、位相整合（Δｎ＝０）が達成されたものであ
る。非線形光導波路１１は組成が２５／７５ＭＳＭＳＡ
／ＭＭＡのポリマで構成し、サテライト層はＳi₃Ｎ₄で
構成する。図１５に示す３つの曲線ａ，ｂ及びｃは、縦
軸ａ′，ｂ′及びｃ′に対する非線形光導波路１１の必
要な厚さ（ｄ_NLO、単位μｍ）、∂Δｎ／∂λ（単位ｎ
ｍ^-1）及び重なり積分Ｓ_ijの値（単位μｍ^-1/2）をそれ
ぞれサテライト層１５の厚さ（ｄ_sat、単位ｎｍ）の関
数として示したものである。図から明らかなように、サ
テライト層の厚さｄ_satが約１０７ｎｍで∂Δｎ／∂λ
＝０となり、重なり積分の値Ｓ_ijは約0.2 μｍ^-1/2とな
る。この場合、非線形光導波路に必要な厚さは約1.44μ
ｍである。

【００５２】図１６は第２高調波のパワーＰ^2W（任意の
単位）を、同様なパラメータを有し、しかも横方向の長
さが１０ｎｍの光学部品に対し、約９００ｎｍの波長に
最適化した基本波の波長の関数として示したものであ
る。これから明らかなように、約９００ｎｍの波長に対
する光導波路の容認帯域幅は約１３０ｎｍである。この
容認帯域幅は値Ｐ^2WがＰ^2Wの最大値の１／２、従ってＦ
ＷＨＭとなる水平軸上の２点間の距離である。実際上、
容認帯域幅は１０ｎｍで十分であるから、サテライト層
の厚さには適切な公差がある。

【００５３】波長が臨界的なものとならない位相整合
は、非線形光導波路及びサテライト層に他の材料を用
い、しかもこれらの層の厚さを別の厚さとする場合にも
実現することができる。このことは２つのサテライト層
を具える周波数２倍化光学部品についても云え、この部
品の容認帯域幅を比較的広くすることもできる。

【００５４】本発明は周波数を２倍にするものに限定さ
れるものでなく、本発明は周波数を２倍以上に増大させ
る光学部品にも使用することができる。又、導波路は波
長が異なる２つの光を受光し、２つの周波数の和に等し
い周波数の光を発生させることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学部品を具えているオプトエレ
クトロニク素子を示す概略図である。

【図２】サテライト層を持たない対称プレーナ形の光学
部品における種々のモードのフィールド分布をそれぞれ
示す図である。

【図３】ａはサテライト層を持たない光学部品に対する
基本波の０次モードのフィールド分布を示す図である。
ｂはサテライト層を持たない光学部品に対する第２高調
波の一次モードのフィールド分布を示す図である。

【図４】単一のサテライト層を具えるいる本発明による
光学部品の実施例の断面図を関連する屈折率特性と一緒
に示した図である。

【図５】１つのサテライト層を具えている光学部品に対
する基本波の０次モードのフィールド分布及び第２高調
波の二次モードのフィールド分布をそれぞれ示す図であ
る。

【図６】２つのサテライト層を具えている本発明による
光学部品の実施例の断面図を関連する屈折率特性と一緒
に示した図である。

【図７】図６に示した光学部品に対する基本波の０次モ
ード及び第２高調波の二次モードのフィールド分布をそ
れぞれ示す図である。

【図８】２つのサテライト層及び２つのクラッディング
層を具えている本発明による光学部品の例を示す断面図
である。

【図９】１つのサテライト層を具えている本発明による
光学部品を帯状の導波路として構成する例を示す断面図
である。

【図１０】１つのサテライト層を具えている本発明によ
る光学部品を帯状の導波路として構成する他の例を示す
断面図である。

【図１１】２つのサテライト層を具えている本発明によ
る光学部品を帯状の導波路として構成する例を示す断面
図である。

【図１２】本発明による光学部品をシリコンの局部酸化
法（ＬＯＣＯＳ）を利用して得られる帯状の導波路とし
て構成する例を示す断面図である。

【図１３】本発明による光学部品を図１０にならって帯
状の導波路として構成し、且つチャネルに隣接して横方
向に延在する高屈折率の細条を設けた例を示す断面図で
ある。

【図１４】本発明による光学部品を図１１にならって帯
状の導波路として構成し、且つチャネルに隣接して横方
向に延在する高屈折率の細条を設けた例を示す断面図で
ある。

【図１５】∂Δｎ／∂λの依存度、重なり積分Ｓ_ijの値
及びポリマ層ｄ_NLOの厚さを図４に示したような構成に
して８５０ｎｍの個所の位相整合用サテライト層の関数
として示した特性図である。

【図１６】第２高調波の任意単位のパワーＰ^2Wを図４に
示した光学部品のパラメータと同様なパラメータを有す
る光学部品に対する基本波の波長λの関数として示した
特性図である。

【符号の説明】

１オプトエレクトロニク素子３支持体５放射源６，８電極７光学部品９支持基板１０電流源１１非線形光導波路１２活性層１３，１６クラッディング層１５，１７サテライト層（高屈折率層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アントニウスヘンリカスヨハネスフェンフイゼンオランダ国 5621 ベーアーアインドーフェンフルーネヴァウツウェッハ１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁放射の基本波の周波数を増大させる
ための光学部品であって、基板と、この基板の屈折率よ
りも高い屈折率を有する非線形光導波路とを具え、基本
波と高調波の相対的に異なるモード間にて位相整合が生
ずる光学部品において、前記光導波路の少なくとも片側
に、この光導波路の屈折率よりも高い屈折率を有するサ
テライト層を設けたことを特徴とする光学部品。
【請求項２】前記非線形光導波路の反対側に第２サテ
ライト層を設け、この第２サテライト層の屈折率を光導
波路の屈折率よりも高くしたことを特徴とする請求項１
に記載の光学部品。
【請求項３】前記光学部品を帯状の導波路として構成
したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学部
品。
【請求項４】前記非線形光導波路の材料をポリマとし
たことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光
学部品。
【請求項５】前記サテライト層をＳi₃Ｎ₄で構成した
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の
光学部品。
【請求項６】電磁放射の基本波の周波数を増大させる
オプトエレクトロニク素子であって、上に電磁放射発生
用のダイオードレーザが設けられる基板と、内部にて周
波数の増大が行われる光学部品とを具えているオプトエ
レクトロニク素子において、前記光学部品を請求項１〜
５のいずれかに記載の光学部品とし、前記ダイオードレ
ーザの活性層及び基本波が伝搬する前記光学部品の層と
が互いに延長線上に位置し、前記ダイオードレーザの出
射面と前記光学部品の入射面とが互いに対向するように
位置させたことを特徴とするオプトエレクトロニク素
子。