JPH06194708A

JPH06194708A - Ｓｈｇ素子、ｓｈｇ装置およびｓｈｇ素子の実効屈折率決定方法

Info

Publication number: JPH06194708A
Application number: JP5209239A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Shinozaki; 啓助篠崎; Yasuhiro Matsui; 康浩松井; Takeshi Kamijo; 健上條
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1992-11-04
Filing date: 1993-08-24
Publication date: 1994-07-15

Abstract

(57)【要約】【目的】ＳＨＧ素子の基本波長に対する実効屈折率Ｎ
を正確に決定し、それに基づき任意の基本波長に対応す
るＳＨＧ素子およびこのＳＨＧ素子を用いたＳＨＧ変換
効率の高いＳＨＧ装置を提供する。【構成】ＳＨＧ素子の光導波路に可変波長レーザを入
射させてＳＨＧ変換効率が最大と成る基本波の波長λ
_SHGおよびこの波長の近傍の波長で最大の反射を起こす
波長λ_DBRを求め、計算により実効屈折率および固有屈
折率の差△ｎ、従って、Ｎを求める。ＳＨＧ素子の光導
波路に、ＤＢＲ部分とＱＰＭＳＨＧ部分とを個別に設
ける。ＤＢＲ部分は△ｎを用いて設計出来る。従って、
任意の基本波長に対してＤＢＲを設計でき、よって、Ｓ
ＨＧ素子を設計できる。このＳＨＧ素子をＬＤと光学手
段を用いて光結合させて、ＳＨＧ変換効率の高いＳＨＧ
装置を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ＳＨＧ素子、ＳＨＧ
装置およびＳＨＧ素子の実効屈折率決定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザを基本波光源とする
光第２高調波発生素子および装置が知られている。この
種の装置は、ＳＨＧ装置と称せられ、光源（基本波光源
ともいう。）として主として半導体レーザ（ＬＤともい
う。）を用い、この光源からの出射光の波長を１／２に
変換して短波長化を図る装置である。このＳＨＧ装置に
使用される第２高調波発生素子（ＳＨＧ素子という。）
の一例が文献Ｉ：「エレクトロニクスレターズ（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ），Ｖｏｌ．２
５，（１９８９），ｐｐ．７３１−７３２」に開示され
ている。

【０００３】先ず、この従来のＳＨＧ素子の動作原理で
ある擬似位相整合法につき、図５を参照して説明する。
図５はこの動作原理を説明するための模式図である。

【０００４】このＳＨＧ素子１０では、ＬｉＮｂＯ₃基
板１２の＋ｃ面にＴｉ（チタン）を周期Λで周期的に熱
拡散して分極反転（ドメイン反転ともいう。）構造１４
を形成してある。この形成のときの拡散温度を約１１０
０℃とし拡散時間を約１時間とした例である。この分極
反転の格子構造１４に直交するように、プロトン交換法
（Ｌｉ⁺−Ｈ⁺交換法またはイオン交換法ともいう。）
により、光導波路１６が形成してある。

【０００５】このＳＨＧ素子１０の光導波路１６に、角
振動数ω、波長λの基本波が図中左側の端面から入射す
るとする。入射光はあるｍ次（但し、ｍ＝０，１，２，
３・・・ｍ）の伝播モード（伝播横モード）で光導波路
中を実効屈折率Ｎｍ（λ）で伝播する。周知の通り、こ
の伝播の間に第２高調波（角振動数：２ω；波長：λ／
２）が発生する。この第２高調波の発生をＳＨＧ（Ｓｅ
ｃｏｎｄ−ＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）
といい、この第２高調波をＳＨ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒ
ｍｏｎｉｃ）波と称する。このように、このＳＨＧ素子
１０では、基本波のエネルギーの一部分が第２高調波に
移る。

【０００６】今、仮に分極反転構造が形成されていない
とすると、次式で与えられるコヒーレント長（コヒーレ
ンス長ともいう。）Ｌｃだけ基本波が光導波路１６中を
伝播すると、基本波からＳＨ波へのエネルギーの変換量
が最大となる。

【０００７】Ｌｃ＝λ／｛４［Ｎｎ（λ／２）−Ｎｍ（λ）］｝・・・（１）但し、Ｎｎ（λ／２）はＳＨ波のｎ次（ｎ＝１，２，・
・・・ｎ）の伝播モードに対する実効屈折率であり、Ｎ
ｍ（λ）は基本波のｍ次の伝播モードに対する実効屈折
率である。

【０００８】以下、説明を簡単にするために、光導波路
１６中を基本波もＳＨ波も０次モードで伝播する場合を
例に上げて説明する（すなわち、ｍ＝ｎ＝０）。以後、
ここでは、この場合の実効屈折率を単にＮ（λ／２）お
よびＮ（λ）と書く。ここで、Ｌｃは、（１）式から明
らかなように、λや光導波路の寸法に依存する。Ｎ
（λ）は、非線形媒質（ＬｉＮｂＯ₃や、ＫＴｉＯＰＯ
₄：ＫＴＰ等）の固有屈折率ｎ（λ）にほぼ等しいが、
光導波路の形状や伝播モードにも依存する。Ｌｃの物理
的な意味を説明すると、以下のようになる。

【０００９】基本波が、光導波路１６中をコヒーレント
長Ｌｃだけ伝播すれば、ＳＨ波の強度は極大となり、そ
れからさらにＬｃだけ進めば、ＳＨ波は強度は０となる
ことを意味する。コヒーレント長Ｌｃが無限大でなく有
限な値であるということは、基本波とＳＨ波との位相整
合がとれておらず、位相不整合が存在する。位相不整合
が存在すると、コヒーレント長Ｌｃ以上の長い距離にわ
たり光導波路を基本波が伝播してもＳＨ波の強度はある
一定値以上の大きさにはならないことを示している。コ
ヒーレント長は数μｍ程度であるので、この程度の短い
距離の基本波の伝播では非常に弱いＳＨ波しか得られな
い。すなわち、充分な強度のＳＨ波を得ようとすると、
位相不整合を０にしなければならない。

【００１０】位相不整合を△ｋとすると、この△ｋは次
式（２）で与えられる。

【００１１】 △ｋ＝（４π／λ）［Ｎ（λ／２）−ｎ（λ）］・・・（２）この式からわかるように、位相不整合を０とするために
は、Ｎ（λ／２）−ｎ（λ）＝０であることが必要であ
る。しかしながら、一般的に、屈折率は波長に依存する
ので、このようなことは起こらない。

【００１２】そこで、従来は、図５に示すように、コヒ
ーレント長Ｌｃ毎に分極反転領域１４を設けて周期Λ
（＝２Ｌｃ）の分極反転構造を形成して、位相不整合△
ｋを補完し、それにより基本波の伝播距離のほぼ２乗に
比例した強度のＳＨ波を取り出すようにしている。この
位相不整合△ｋを完全に補完するための条件はＮ（λ／２）−Ｎ（λ）−λ／Λ＝０・・・（３）で与えられる。この条件のことを擬似位相整合条件また
はＱＰＭ条件ともいう。尚、この（３）式についての参
考文献として、文献ＩＩ：「オプティックスコミュニ
ケーションズ（ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉ
ｏｎｓ），Ｖｏｌ．６，（１９７２），ｐｐ３０１−３
０４」と、文献ＩＩＩ：「ジャーナル・オブ・ライトウ
エーブ・テクノロジー（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｌｉｇ
ｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），ｖｏｌ．７，
Ｎｏ．１０，（１９８９），ｐｐ．１５９７−１６０
０」を挙げておく。

【００１３】位相不整合が存在する場合でも、（３）式
を満足するように周期的分極構造を形成すれば、基本波
の伝播距離、従って、ＳＨＧ素子の長さの２乗に比例す
るＳＨ波を取り出すことが出来る。

【００１４】しかし、（２）式で与えられる条件は、次
の２点において技術的に満足させることが難しい。

【００１５】［１］実効屈折率Ｎ（λ），Ｎ（λ／２）
が光導波路の寸法等に依存し、これを素子の設計（例え
ばΛを幾らにしたら（３）式を満足させることが出来る
か等）の段階で把握することが出来ない。

【００１６】［２］基本波光源たる半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）の発振波長を必要とされる精度で確定出来ない。す
なわち、最適のＬＤを選択出来ない。（３）式を満足さ
せるために要求されるＬＤの発振波長の精度は、数ｎｍ
程度である（例えば、文献ＩＶ：「ジャーナル・オブ・
アプライド・フィジクス（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐ
ｌｌｉｅｄｐｈｙｓｉｃｓ），Ｖｏｌ．７１，（１９
９２），ｐｐ．２２−２７」参照。）。

【００１７】［３］仮に、上記条件を満たすＬＤとＳＨ
Ｇ素子との組み合わせが実現しても、ＳＨＧ素子からの
戻り光のためにＬＤの発振が安定せず、従って、安定し
たＳＨＧを実現することが困難であった。

【００１８】そこで、従来から、基本波光源として波長
を可変出来る色素レーザ（或いは、Ｔｉ：サファイヤレ
ーザ等の波長可変レーザ）を用いて、（３）式の条件を
満足させ、変換効率を大きくする方式をとっている。こ
うすることにより、充分な変換効率が達成されるように
なった。

【００１９】次の課題は、基本波光源として色素レーザ
を用いるとＳＨＧ装置が大型化してしまうこと、およ
び、既に気体レーザ等で短波長レーザ光が得られる現
在、色素レーザを基本光源として用いるＳＨＧ装置は実
用的価値がほとんどないという問題を解決することにあ
る。すなわち、あくまで、基本波光源としては、ＬＤを
利用しなければならないということである。

【００２０】そこで、この出願の発明者らは、上述した
課題の解決を図るため、先の特願平３−０５１９３０号
において、ＳＨＧ素子からの帰還によってＬＤの発振を
擬似位相整合条件を満足する波長で安定的に規定する方
法（以後、この方法を自己擬位相整合法またはＳ−ＱＰ
Ｍ法とも言う）を提案している。この発明の理解を容易
にするために、ここでは、先ず、先に提案された技術に
つき、以下、簡単に説明する。

【００２１】図６は、先に提案されている方法の説明に
供する、ＳＨＧ装置２０を拡大して模式的に示した斜視
図である。２２は半導体レーザ（ＬＤ）、２４はレンズ
等の光学的手段である。この装置２０では、ＳＨＧ素子
１０からの帰還によりＬＤ２２が発振する配置関係と成
っている。この発振光が以下述べるように、ＱＰＭ条件
を満足するようになっている。

【００２２】周期的分極反転格子はブラッグ反射器（Ｄ
ｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏ
ｒ：ＤＢＲと略称する。）としても機能する。この周期
ΛがＱＰＭ条件を満足し、かつ、基本波の波長に対して
光反射条件を満足するようになっていれば、光導波路か
らの帰還光（ＤＢＲからの帰還光）によりＱＰＭ条件を
満足する波長でＬＤが発振することになる。すなわち、
Ｓ−ＱＰＭが実現することを意味する。ここで用いるＬ
Ｄ２２は、端面が低反射コーティング（以後、ＡＲコー
ティングと称する。）されており、それ自身では通常の
注入電流値では発振せず、あるバイアス電流を流した状
態で分極反転格子からの帰還光を得て初めて発振するよ
うにしておく。すなわち、次式（４）を満足するよう
に、Λが形成されていれば、Ｓ−ＱＰＭが実現すること
となる。尚、この式（４）でｐを正の整数とする。

【００２３】 Λ＝２（２ｍ−１）Ｌｃ＝ｐλ／２Ｎ（λ）・・・（４）この条件を具体的にＬｉＮｂＯ₃を例にして説明する。
また、基本波の波長は、１．３μｍ近傍である場合を想
定する。すなわち、ＬＤ２２は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ
Ｐ系である。光導波路１６は前述したイオン交換法で形
成する。また、周期的分極反転構造１４は、Ｔｉ熱拡散
法で形成する。

【００２４】一方、ＬｉＮｂＯ₃の屈折率ｎ（λ）の波
長依存性は次式（５）の実験式で与えられる。

【００２５】ｎ²（λ）−１＝３．５５６７−２．６０５ｘ１０^-7Ｔ² ＋（０．９７０ｘ１０⁵＋２．７０ｘ１０^-2Ｔ²）ｘ［λ²−（２．０１ｘ１０²＋５．４ｘ１０^-5Ｔ²）²］^-1 −２．２４ｘ１０^-8λ² ・・・（５）但し、Ｔは雰囲気温度、およびλは波長である。ここ
で、光導波路の実効屈折率Ｎ（λ）が（５）式で近似出
来るものとして、（４）式の条件をグラフにしたのが図
７である。

【００２６】図７は、横軸には基本波の波長（ｎｍ）お
よび縦軸にコヒーレント長Ｌｃ（ｎｍ）および４０次か
ら４５次までのブラック反射率を満足する分極反転領域
の寸法Ｌｗ（ｎｍ）をとって示した図である。同図にお
いて、コヒーレント長Ｌｃをパラメータとしたときの、
曲線の交点が（４）式の条件を満足する。しかし、Ｌｉ
ＮｂＯ₃の固有の屈折率は光導波路の実効屈折率とは僅
かではあるが異なるはずである。そこで、とりあえず、
この近似に基づいて、分極反転周期を求めて、これを第
一近似として話を進めることにする。先の出願で発明者
らが提案している方法に従って以下の作業を説明する。

【００２７】ＬＤ２２の利得が最大となる波長は、１．
３μｍ程度であったので、Ｓ−ＱＰＭＳＨＧが実現す
る周期Λは、上述した（４）式でｐ＝４０〜４５とする
と、波長１２００〜１４００ｎｍの範囲でΛは約５６０
０〜約７４００ｎｍの範囲と成る。従って、Ｌｃとの交
点は、上記第一近似により、ほぼ６．０〜７．０μｍの
範囲内に数点あると推定できる。すなわち、図７によれ
ば、Ｓ−ＱＰＭＳＨＧが実現するのはほぼ０．６，
６．２５，６．５，６．７５μｍと推定される。そこ
で、この程度の周期のものをいくつか作り実験的に最適
な周期を知った。実験によれば、分極反転構造の周期が
６．５μｍのものが適していることがわかった。この周
期を図７中に、直線Ｌ_Rで示す。

【００２８】図８により、この実験の概要を説明する。
図８の構成は、ＳＨＧ素子１０を例えば光ファイバ等の
光学的手段３０を介して基本波光源３２に結合してあ
り、３４、３６は例えばレンズ等の光学系であり、３８
はＬＤである。尚、光学系３６は基本波のモニタに用い
るものであり、所要に応じて設ければ良い。また、４０
は、フィルタである。基本波光源３２として用いたＬＤ
３８の両端面は低反射コーティング（ＡＲ）してある。
入射端面の一方を予め光導波路の入射端面に位置合わせ
しておいた光ファイバ３０に接続する。このようにして
おいて、ＬＤ３８に電流を注入すれば発振してＳ−ＱＰ
ＭＳＨＧが実現し、フィルタ４０からＳＨ波が出力す
る。

【００２９】図９にこのＬＤ３８の発振スペクトルを、
図１０にＳＨＧスペクトルをそれぞれ示す。これらの図
は、いずれも横軸（μｍ）に波長を取り、縦軸に光強度
（任意の単位）をとって示してある。これらの図から、
基本波光源の波長は、１．３２７μｍ、ＳＨ波の波長は
６６２．４μｍであることがわかる。ちなみに、ＬＤ３
８とＳＨＧ素子１０との光学的結合をといてＬＤ３８の
発振スペクトルを調べたところ、図１１に示すスペクト
ル分布を得た。この実験結果からも理解出来るように、
図９のスペクトル中に生じていた発振ピーク（１．３２
７μｍ）がなくなって、なだらかなスペクトルとなって
いるので、ＬＤ３８の発振が停止したことが理解出来
る。この実験から、分極反転構造の周期は６．５μｍで
あることが図７から推定される。

【００３０】次に考察すべきことは、分極反転構造の周
期の最適性についてである。すなわち、式（４）を完全
に満足させる周期を求めるには光導波路の実効屈折率Ｎ
（λ）を知る必要がある。このＮ（λ）はＬｉＮｂＯ₃
の固有の屈折率ｎ（λ）すなわち式（５）で与えられる
屈折率よりも僅かに大きくなっているはずである。これ
を式で表現すれば、次式の通りとなる。

【００３１】Ｎ（λ）＝ｎ（λ）＋△ｎ・・・（６）ここで、△ｎは、経験的に波長λにほとんど依存しな
い。この△ｎは、この出願の発明者らが既に文献Ｖ：
「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌＡｐｐ
ｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ），Ｖｏｌ．３１，（１９９
２），ｐｐ．２１０４−２１０８」で報告しているよう
に、実験的にはほぼ０．０５であることが知られてい
る。勿論、この値は、ＬｉＮｂＯ₃についてであり、物
質が異なれば、当然この値も変わってくるし、厳密には
光導波路の形状、形成方法にも依存する。従って、ここ
で基本的な問題は、次の３点となる。

【００３２】ＳＨＧ素子の設計の時点でこの△ｎを正
確に知らなければ、Ｓ−ＱＰＭＳＨＧを効率よく実現
出来ないこと。従来は、この△ｎを求めること自体行な
われていなかった。

【００３３】また、さきの出願に係るＳ−ＱＰＭＳ
ＨＧにおいては、（４）式を満足する分極反転構造の周
期は離散的にしか存在しないので、任意の波長に対して
ＳＨ波を発生するＳＨＧ素子を設計することができない
こと。

【００３４】また、さきの出願に係るＳ−ＱＰＭＳ
ＨＧにおいては、ＬＤからの出射光がＳＨＧ素子の光導
波路に入射するのは、この出射光の半分程度であり、従
って、出射光を基本波光として有効的に利用出来ないこ
と。

【００３５】

【発明が解決しようとする課題】従って、これまでに提
案されているＳＨＧ技術においては、下記のような解決
すべき課題がある。

【００３６】上記について：一般に、ＬｉＮｂＯ₃，
ＬｉＴａＯ₃，ＫＴＰ等に光導波路を形成する場合、光
導波路の部分を周期的にイオン交換法を用いて屈折率を
変える。具体的に説明すると、ＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａ
Ｏ₃に対してはＬｉ⁺イオンをＨ⁺イオンと交換する。
このイオン交換には安息香酸やピロリン酸が使われる。
交換された部分はそれぞれＬｉ_XＨ_1-XＮｂＯ₃，Ｌｉ
_XＨ_1-XＴａＯ₃（ｘは組成比を表す値であって、０＜
ｘ＜１）となり、非交換部分よりも屈折率が高くなる。

【００３７】ＫＴＰについては、Ｋ⁺イオンをＲｂ⁺イ
オンと交換し、Ｋ_XＲｂ_1-XＴｉＯＰＯ₄にする。

【００３８】イオン交換には、ＲｂＮＯ₃，Ｂａ（ＮＯ
₃）₂の混合融液が使われる。交換された部分が非交換
部分に比べてやはり屈折率が高くなり、また、分極方向
が反転する。これらの屈折率変化量は、交換されたイオ
ン濃度に比例する。イオン濃度は基板表面が一番高く、
基板内部に進むにつれて低くなるように分布する。この
ような複雑な屈折率分布形状をした光導波路中を伝播す
る光に対する実効屈折率を解析的に求めることは事実上
困難である。そこで、実験的にこの実効屈折率を求める
必要があるが、従来は、この実効屈折率を求めることは
行なわれていなかったし、また、これを求める方法も提
案されていなかった。

【００３９】ところで、仮に実効屈折率を求めることが
できたとしても、光導波路の周期的分極反転構造の周期
を正確に形成することは、例えばフォトリソグラフィー
及び熱拡散の技術では制約があり、また、ＳＨＧ素子の
温度変化によっても実効屈折率は変化してしまう。

【００４０】上記について：図７に示したように、交
点は波長にして、ほぼ０．２５μｍ間隔に飛び飛びに存
在する。すなわち、この間の波長に対してはＳＨＧを実
現することが出来ない。

【００４１】上記について：図８に示した実験に用い
たＳＨＧ装置の構成では、ＬＤの出射光のうち、一方の
端面からの出射光のみがＳＨＧ素子の光導波路に入射す
る構成となっている。他方の端面からの出射光はこの構
成ではスペクトルアナライザに導いているので、事実上
ＳＨＧに寄与していない。この実験では基本波光の波長
をモニタするためにこのような配置を取っているが、実
用上はこのスペクトルアナライザに導かれている基本波
も有効に使われるようにするのが望ましい。このように
有効に使われるようになれば、光導波路中の基本波のエ
ネルギー密度は２倍にすることができ、ＳＨ波の出力強
度を４倍にすることが出来る。

【００４２】この発明は、上述した諸課題に鑑みなされ
たものであり、従って、この発明はＳＨＧ素子及びＳＨ
Ｇ装置の設計に必要な実効屈折率を決定する方法、およ
び任意の基本波長に対して、エネルギーの有効利用が図
れるＳＨＧ素子およびＳＨＧ装置を提供することにあ
る。

【００４３】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明のＳＨＧの実効屈折率決定方法によれば、
周期的分極反転構造を利用した光導波路を有し、擬似位
相整合条件を満足するタイプのＳＨＧ素子を用い、該Ｓ
ＨＧ素子の光導波路に基本波を導波させて該ＳＨＧ素子
のＳＨＧ変換効率が極大となる、基本波に対する波長λ
_SHGを測定し、該ＳＨＧ素子の光導波路に基本波を導波
させて該光導波路の基本波に対する反射率が極大となる
波長λ_DBRを測定し、これら波長λ_SHGおよびλ_DBRか
ら次の３つの式（ａ），（ｂ），および（ｃ）を用いて
前記ＳＨＧ素子を構成している光導波路の基本波に対す
る実効屈折率Ｎを決定することを特徴とする。

【００４４】Ｌ＝λ_SHG／｛４［ｎ（λ_SHG／２）−ｎ（λ_SHG）］｝・・・・（ａ） △ｎ＝［ｐλ_DBR／４Ｌ］−ｎ（λ_DBR）・・・・・・・・・・・（ｂ）Ｎ＝ｎ＋△ｎ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（ｃ）但し、ｎ（λ）は波長λの光に対するＳＨＧ素子を構成
している材料の固有の屈折率、Ｌは分極反転構造の実効
的な周期の１／２、およびｐは、正の整数であって、△
ｎが０＜△ｎ＜０．１の範囲に収まるように設定する。

【００４５】また、この発明のＳＨＧ素子によれば、擬
似位相整合条件を満足することでＳＨＧを実現するタイ
プのＳＨＧ素子であって、上述のＳＨＧ素子の実効屈折
率決定方法を用いて決定した実効屈折率に基づいて設計
された周期的分極反転構造を具えた光導波路の基板に設
けたことを特徴とする。

【００４６】また、好ましくは、上述のＳＨＧ素子にお
いて、光導波路の温度を制御する温度制御手段と、光導
波路に電界を印加する電界制御手段とを具えることが望
ましい。

【００４７】また、好ましくは、温度制御手段が、基板
の前記光導波路が設けられた面の裏面に設けたペルチェ
素子からなることが望ましい。

【００４８】また、好ましくは、電界制御手段が、光導
波路上に設けた電極を以って構成されてなることが望ま
しい。

【００４９】また、上述したＳＨＧ素子の実施例として
は、基板をＬｉＮｂＯ₃基板とし、このＬｉＮｂＯ₃基
板の＋Ｃ面に周期的分極反転構造及び光導波路を設け、
電極は、前記光導波路上に設けられた第１の電極と、Ｌ
ｉＮｂＯ₃基板の、第１の電極の両側の部分にこの第１
の電極に沿ってそれぞれ設けられた第２の電極とで構成
してあることが望ましい。

【００５０】また、上述したＳＨＧ素子の他の実施例と
しては、基板をＬｉＴａＯ₃基板とし、このＬｉＴａＯ
₃基板の−Ｃ面に周期的分極反転構造及び光導波路を設
け、電極は、光導波路上に設けられた第１の電極と、Ｌ
ｉＮｂＯ₃基板の、第１の電極の両側の部分にこの第１
の電極に沿ってそれぞれ設けられた第２の電極とで構成
してあることが望ましい。

【００５１】また、好ましくは、光導波路と前記第１の
電極との間に光導波路の屈折率より小さな屈折率を有し
かつ基本波及び第２高調波を実質的に吸収しない誘電体
膜を具えると良い。

【００５２】また、この発明のＳＨＧ素子によれば、基
板に設けた光導波路に周期的分極反転構造を利用したＳ
ＨＧ素子であって、該光導波路は、周期的分極反転構造
の周期がブラック反射条件を満たす部分（ＤＢＲ部と称
する。）と擬似位相整合条件を満たす部分（ＱＰＭ部と
称する。）とを個別に具えていることを特徴とする。

【００５３】この場合、好ましくは、ＤＢＲ部とＱＰＭ
部とを同一の基板上に設けるのが良い。

【００５４】また、別の実施例では、好ましくは、ＤＢ
Ｒ部とＱＰＭ部とを個別の基板にそれぞれ設けるが良
い。

【００５５】また、この発明のＳＨＧ装置によれば、上
述したＳＨＧ素子と、半導体レーザと、両者を光学的に
結合する光学手段とを具えることを特徴とする。

【００５６】また、この発明の好適実施例のＳＨＧ装置
においては、上述したＳＨＧ素子のＤＢＲ部とＱＰＭ部
と、該ＤＢＲ部およびＱＰＭ部間に配設されている半導
体レーザと、前記ＤＢＲ部およびＱＰＭ部のそれぞれと
前記半導体レーザとを光学的に結合する光学手段を具
え、前記半導体レーザの両端面を低反射面としてあるの
が良い。

【００５７】また、この発明の他の好適実施例のＳＨＧ
装置において、前記ＳＨＧ素子を２個用い、それぞれの
ＳＨＧ素子を前記半導体レーザの入射端および出射端の
双方に個別に配設し、これらＳＨＧ素子と前記半導体レ
ーザとを光学的手段を用いて結合させてあるのが良い。

【００５８】また、この発明の他の好適実施例のＳＨＧ
装置において、前記２つのＳＨＧ素子からのＳＨＧ波を
合成する光結合手段を具えるのが良い。

【００５９】

【作用】上述したＳＨＧ素子の実効屈折率の決定方法に
よれば、周期的分極反転構造を利用した光導波路を有す
る擬似位相整合条件を満足するタイプのＳＨＧ素子を用
意する。このため、ＳＨＧ素子を非線形光学材料の固有
の屈折率の波長依存性に関するデータを用いて、予定さ
れている基本波の波長に対するコヒーレンス長を求め
る。そして、このコヒーレンス長の２倍あるいはこのコ
ヒーレンス長さの奇数倍の長さの周期の分極反転構造の
光導波路を基板に形成する。

【００６０】次に、このＳＨＧ素子の光導波路に、可変
波長レーザを入射させてＳＨＧ変換効率が最大となる基
本波の波長λ_SHGを測定により求める。この値を用いて
次式（７）で与えられるＬを求める。

【００６１】Ｌ＝λ_SHG／｛４［ｎ（λ_SHG／２）−ｎ（λ_SHG）］｝・・・・（７）但し、ｎ（λ_SHG／２）およびｎ（λ_SHG）はＳＨＧ素
子の非線形光学材料の固有の屈折率である。Ｌは分極反
転構造の実効的な周期の１／２に相当する。

【００６２】次に、この光導波路に再びＳＨＧ変換効率
が最大となった近傍の基本波の波長の光を入射させて、
光導波路からの反射が最大となる波長λ_DBRを求める。
この波長λ_DBRおよび前述のＬから次式（８）から△ｎ
を求める。この後者の実験では、光源として必ずしもレ
ーザを用いる必要はない。 △ｎ＝ｐλ_DBR／［４Ｌ−ｎ（λ_DBR）］・・・・・・・・・・・（８）但し、ｎ（λ_DBR）は、λ_DBRに対する非線形光学材料
の固有の屈折率、ｐは、正の整数であって、△ｎが０＜
△ｎ＜０．１の範囲に収まるように設定する。

【００６３】基本波の波長や非線形光学材料により、式
（８）のＬは、この値そのものでなく、その奇数倍をと
るべきこともある（基本波の波長が短い場合、あるい
は、コヒーレンス長が短く、１μｍ程度以下である場合
等がこれに該当する。）。式（８）は波長にほとんど依
存しないことが経験的にわかっているので、λ_DBRの代
わりに一般的にλと表すことが出来る。

【００６４】これらの両者から式（９）を用いてＮ＝ｎ＋△ｎ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（９）を決定することが出来る。このような決定方法である
と、任意の基本波の波長に対して、波長の実測値より正
確に△ｎ、従って、実効屈折率Ｎを求めることが出来
る。

【００６５】また、実効屈折率Ｎを正確に把握した上
で、ＱＰＭ構造を有するＳＨＧ素子を作り、さらに温度
制御及び電界印加によるポケッルス効果を用いて光導波
路の屈折率を制御すれば、ＳＨＧへの変換効率を理想的
な値に近づけることができる。その結果、エネルギーの
より有効な利用を図ることができる。

【００６６】次に、この発明の上述したＳＨＧ素子によ
れば、ＳＨＧ素子の光導波路の一部分をＤＢＲ構造と
し、ＱＰＭ構造である周期的反転構造とは分離して構成
する。このＤＢＲ構造の周期および分極反転構造の周期
を求めるには上述した実験より求めた△ｎを用いる。従
って、このＳＨＧ素子の光導波路は、この△ｎを求めた
ときに使用した光導波路の形成条件と実質的に同一の条
件で形成する。このように、ＤＢＲ部分とＱＰＭ−ＳＨ
Ｇの機能を有する部分とを分離してＳＨＧ素子を形成し
ているので、このＤＢＲ部分を任意の基本波に対して独
立して設計出来る。従って、ＳＨＧ素子自体を、一定の
離散的な基本波の波長に対してのみならず、基本波のい
ずれかの任意の波長に対応して設計出来る。

【００６７】さらに、この発明の上述した構成のＳＨＧ
装置によれば、上述したこの発明のＳＨＧ素子を半導体
レーザとを光学的手段を用いて光結合させれば構成する
ことが出来る。このＳＨＧ装置によれば、ＳＨＧ素子自
体が所要の波長の基本波に対応して形成されたものであ
るから、この装置自体も基本波光源の対応する波長に対
して適応して動作する。そして、ＳＨＧ素子を光源に対
して適当に組み合わせ配設することにより、程度の差は
あるかもしれないが、半導体レーザ（ＬＤ）からの基本
波を効率良くＳＨ変換させること、従って、ＳＨＧ効率
を向上させることが可能となる。

【００６８】例えば、ＬＤの一方の端面を光反射率コー
ティング（ＨＲ）とする代わりにＡＲコーティングす
る。そして、このＬＤをＤＢＲ構造を有する光導波路と
光学的に結合する。このＤＢＲの周期は上述したＳＨＧ
素子の基本波光源の波長に対して有効に機能するように
設定する。このとき、上述したようにして求めた△ｎを
用いる。具体的には、この周期２Ｌ_DBR（＝Λ_DBR）は
次式（１０）を満足するように設定する。

【００６９】Ｌ_DBR＝ｑλ／４［ｎ（λ）＋△ｎ］・・・（１０）但し、λは基本波の波長、ｑは正の整数であって、素子
の製作が可能な範囲で出来るかぎり小さいことが望まし
い。

【００７０】

【実施例】以下、図を参照して、この発明の実施例につ
き説明する。尚、この発明のＳＨＧ素子及びＳＨＧ装置
の構成を示す図は、この発明が理解出来る程度の、その
構成成分の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示し
てあるにすぎない。

【００７１】＜ＳＨＧ素子の実効屈折率の決定方法の説
明＞これは、光導波路の実効屈折率を実際に測定して求
める。非線形光学材料（ＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａＯ₃，
ＫＴＰ等）の固有の屈折率の波長依存性に関するデータ
をもとに、Ｓ−ＱＰＭＳＨＧが実現すると予想される
周期で分極反転構造を持つ光導波路を形成する。そし
て、波長可変レーザによりこの光導波路に対してＳＨＧ
変換効率が最大となる基本波の波長を先ず求める。この
データをもとにコヒーレンス長を求め、この結果から光
導波路中を伝播する基本波の実効屈折率を数値解析によ
り求める。これらの手続きにより△ｎを求める。

【００７２】ＳＨＧ素子の基板をＬｉＮｂＯ₃で形成し
た場合につき説明する。また、基本波光源として、Ｉｎ
Ｐ／ＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザを使用する場合を想定
して説明する。

【００７３】先ず、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰＬＤで、
レーザ発振を起こす前は図１１に示すようなスペクトル
を示すものを用いる場合を例に挙げて説明する。この図
１１から明らかなように、このＬＤの利得の最大は１．
３２μｍである。基本波の波長がこの近傍である場合の
コヒーレンス長とＬｃ、ＤＢＲ条件（第４０次から第４
５次）とを示したのが、既に説明した図７である。この
図７は、周期的分極反転構造が擬似位相整合としての機
能とＤＢＲとしての機能とを兼ねるための条件を与えて
いる。

【００７４】Ｓ−ＱＰＭＳＨＧの原理に立ち返って考
えると、ＳＨＧ素子からの帰還によりＬＤが発振し、こ
の発振光がＱＰＭ条件を満足することが要点である。す
なわち、このＳ−ＱＰＭＳＨＧでは、ＱＰＭを実現す
るための分極反転構造部分とＤＢＲ部分を兼用すること
が必須要件ではない。素子の設計の時点で、光導波路の
実効屈折率が分かっていれば、ＤＢＲ機能を具える部分
とＱＰＭを実現するための部分とを分離して構成するこ
とが出来る。

【００７５】そこで、ここでは先ず、既に説明した
（８）式に従って、△ｎを求める。以下、基本波光源と
して１．３μｍ帯のＬＤを予定して行なった試作実験を
例に挙げて、具体的な方法を説明する。

【００７６】先ず、フォトリソグラフィ等の一般的な技
術を用いて周期が６．５μｍの分極反転構造をＬｉＮｂ
Ｏ₃基板のｚ面（ｃ面でもある）にＴｉ熱拡散法で形成
する。その後、安息香酸を用いて光導波路を形成する。
この段階では実効的に分極反転構造の周期は６．５μｍ
に形成されている保証はない。そこで、Ｔｉ：サファイ
ヤレーザをこの光導波路に導いてλ_SHGを求める。図１
２がその結果である。図１２は、横軸の基本波の波長
（ｎｍ）を取り、縦軸にＳＨの光強度を任意の単位でと
って示したＴｉ：サファイヤレーザのスペクトル分布図
である。Ｔｉ：サファイヤレーザの利得範囲が９２０か
ら９３０ｎｍ程度に限られている関係で、３次のＱＰＭ
条件から分極反転構造の周期２Ｌを求めることになる。
このとき、式（４）において、実用性を考慮したｍの最
大値からｍ＝２と設定した。すなわち、Ｌ＝３λ_SHG／｛４［ｎ（λ_SHG／２）−ｎ（λ_SHG）］｝・・・（１１）を満足するＬの値を求める。実験によれば、図１２から
分かるように、λ_SHGはほぼ９２４ｎｍである。この波
長の固有屈折率ｎ（λ_SHG＝９２４ｎｍ）＝２．１６４
であり、また，ｎ（λ_SHG／２＝４６２ｎｍ）＝２．２
７１であるので、既に説明した（５）式にこれらの値を
代入して計算すると、Ｌ＝６．４９８μｍとなる。

【００７７】次に、１．３μｍの近傍の光をだす発光ダ
イオード（ＬＥＤ）をもちいてこの光導波路からの反射
特性を調べた。これによると、１．３２７μｍにおい
て、反射率の極大を観測した。この結果を既に説明した
（１０）式に代入すると以下の結果となる。但し、ここ
では、ｐ＝４３とする。

【００７８】△ｎ＝ｐｘ１．３２７／４ｘ６．４９８−
ｎ（１．３２７）＝４３ｘ１．３２７／４ｘ６．４９８−２．１４４＝０．０５１３このようにして、△ｎを求めることが出来た。実験精度
等から△ｎ＝０．０５としてよい。この値△ｎは基本波
光源の波長が数十ｎｍ変わってもほとんど変化しないの
で、以下説明するＳＨＧ素子の設計に有効な値として用
いることが出来る。

【００７９】もう少し△ｎを精度良く求めるためには、
製作条件を同一とした光導波路であって、分極反転構造
の周期を数種類変えたものを用意して、それぞれにつき
△ｎを求めてそれらの平均値を求めれば良い。

【００８０】また、この実施例では、ＬｉＮｂＯ₃を例
にとって説明したが、他の材料であっても上述した実施
例と同様にして△ｎを求めることにより、光導波路の実
効屈折率を知ることが出来る。

【００８１】＜変換効率を向上させるための温度及び電
界制御手段の説明＞次に、上述の方法を用いて求めた実
効屈折率に基づき、基板に設けた光導波路の周期分極反
転構造の周期を決定したＳＨＧ素子の例について説明す
る。

【００８２】図１３に示すＳＨＧ素子は、より理想的な
変換効率の達成を図るために、温度制御手段３００と、
電界制御手段３０２とを具えている。このＳＨＧ素子
は、ＬｉＮｂＯ₃の基板３０４とこの基板３０４の＋Ｃ
面に設けられた周期的分極反転構造３０６及び光導波路
３０８とを具え、さらに周期的分極反転構造３０６の光
導波路中に当たる部分に電界を加えるための電極とし
て、光導波路上に誘電体膜３１０を介して設けられた第
１の電極３０２ａと、基板３０４の第１の電極３０２ａ
の両側の部分にこの第１の電極３０２ａに沿ってそれぞ
れ設けられた第２の電極３０２ｂとで構成した電極３０
２を具えている。

【００８３】また、基板３０４の電極３０２を設けた面
の反対側の面には、温度制御手段としてのペルチェ素子
３００を具えている。

【００８４】誘電体膜３１０は、光導波路３０８の屈折
率よりもできるだけ小さな屈折率を有し、かつ、基本波
及びＳＨはを実質的に吸収失い材料で構成するのが望ま
しい。この実施例の場合は、この誘電体膜３１０を厚さ
が１〜２μｍ程度のＳｉＯ₂膜３１０で構成している。
このＳｉＯ₂膜３１０の形成は例えば電子線加熱による
真空蒸着法を用いることができる。

【００８５】電極３０２は、この実施例の場合は、薄膜
で基板３０４側からクロムおよび金を積層した２層膜で
構成する。金薄膜はこの種の素子の電極として用いられ
ている実績があり、また、金薄膜のみでは基板３０４に
対する実用的な密着度が得られない。このため、クロム
を介することによって基板３０４との密着度が実用的な
強度にしている。第１の電極３０２ａと第２の電極３０
２ｂとの間隔Ｇは大きすぎると光導波路３０８へ所望の
電界を加えるのに要する電圧が高くなる。このため、現
行の製造技術で安定に製造できる範囲を考慮してこの間
隔Ｇを決定しなければならない。この実施例では、この
間隔Ｇを１μｍ程度とする。この電極３０２には、ワイ
ヤボンディング法により引き出し配線（図示せず）が接
続されており、この引き出し配線を介して電極３０２に
電圧を印加することができる。

【００８６】次に、電極３０２により電界制御した場合
の光導波路３０８中の分極反転領域および非反転領域の
屈折率の変化について説明する。ここで、この屈折率の
変化をΔｎ（λ）とし、基板３０４のＺ軸方向（Ｃ面に
垂直な方向）の電場成分の大きさをＥ_Zとすると、屈折
率の変化は次式（１４）で与えられる。

【００８７】 Δｎ（λ）＝−（１／２）・ｎ³（λ）・γ₃₃（λ）・Ｅ_Z・・・・（１２）但し、γ₃₃（λ）は一次電気光学係数であり、ＬｉＮｂ
Ｏ₃では３２×１０^-12ｍ／Ｖである。尚、この値のλ
依存性は厳密には測定されてないが、可視領域から近赤
外領域にわたりほとんど依存しないことが知られてい
る。従って、電極３０２に印加する電圧を制御すること
により、屈折率ｎ（λ）の関数であるコヒーレンス長Ｌ
_Cの値とブラッグ反射条件λ／｛２ｎ（λ）｝を制御す
ることができる。その結果、コヒーレンス長を与える曲
線とブラッグ反射条件を与える曲線との交点を制御する
ことができる。このようにして、この交点の位置を周期
的分極反転構造の周期に合わせることにより、より厳密
なＱＰＭ構造を有するＳＨＧ素子を実現することができ
ることになる。特に、この実施例の場合は、Ｓ−ＱＰＭ
ＳＨＧ素子を実現することができることになる。

【００８８】次に、電極３０２に電圧Ｖを印加した場合
の制御について考察する。この電圧Ｖを印加した場合の
光導波路３０８のＺ方向の電場成分の大きさＥ_Zは第１
および第２の電極３０２ａおよび３０２ｂの間隔がＧで
ある場合、ほぼ次の式（１５）で与えられることが知ら
れている。

【００８９】Ｅ_Z＝Ｖ／（２Ｇ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１３）（１５）式を（１４）式に代入すると、（１６）式が得
られる。

【００９０】 Δｎ（λ）＝−（１／２）・ｎ³（λ）・γ₃₃（λ）・（２Ｇ）・・（１４）ここで、例えば、ＳーＱＰＭ条件について考察すると、
Ｓ−ＱＰＭ条件（１次のＱＰＭ条件を利用すると仮定し
て）は、以下の（１７）式のように表せる。

【００９１】（分極反転構造の半周期，Λ／２）＝（ＱＰＭ条件）＝（ＤＢＲ条件）・・・・・・・（１５）ここで、（ＱＰＭ条件）＝λ／［４｛ｎ（λ／２）−ｎ
（λ）｝］（ＤＢＲ条件）＝ｐλ／４ｎ（λ）である。

【００９２】上述した（１７）式はＳＨＧ素子の作製誤
差および動作時の温度により厳密に満たすことは困難で
ある。そこで、この実施例では、電界制御および温度制
御により厳密な値からのずれを補償する。

【００９３】ここで、電極に電圧Ｖを印加すると屈折率
ｎ（λ）が変化する。このため、ＱＰＭ条件は以下の
（１８）式のように変化する。（ＱＰＭ条件）＝λ／［４｛ｎ（λ／２）＋Δｎ（λ／
２）−ｎ（λ）−Δｎ（λ）｝］＝λ／［４｛ｎ（λ／２）−（１／２）・ｎ³・（λ／
２）・γ₃₃・（Ｖ／２Ｇ）−ｎ（λ）＋（１／２）・ｎ
³（λ）・γ₃₃・（Ｖ／２Ｇ）｝］・・・・・（１８）一方、このときのＤＢＲ条件は、以下の（１９）式のよ
うに表せる。

【００９４】（ＤＢＲ条件）＝ｐλ／４［ｎ（λ）＋Δｎ（λ）］＝ｐλ／４［ｎ（λ）−（１／２）・ｎ³（λ）・γ₃₃
・（Ｖ／２Ｇ）］・・・・（１９）ここで、ＳーＱＰＭ条件からのずれを以下のように定義
する。実際に作製されたＱＰＭＳＨＧ素子の分極反転
構造の周期がΛ’であったとすると、 δ₁＝（Λ’／２）−（ＱＰＭ条件） δ₂＝（Λ’／２）−（ＤＢＲ条件）ＳＨＧ素子の温度変化や素子製造に基づくＳ−ＱＰＭ条
件からの条件が発生し、δ₁≠０、δ₂≠０となった場
合、上述したように電圧Ｖを調整することで、δ₁＝δ
₂＝０とすることができる。

【００９５】次に、電圧を印加した場合のＱＰＭ条件お
よびＤＢＲ条件の変化の様子の計算結果を示す。図１４
は、ＳＨＧ素子の光導波路に印加された電界とＱＰＭ条
件及びＤＢＲ条件との関係を示す図である。横軸は、基
本波の波長（ｎｍ）を表し、縦軸は、反転分極構造の周
期を表している。図中、コヒーレンス長（ＱＰＭ条件）
を満足する条件を曲線Ｉおよび破線ＩＩを示してある。
曲線Ｉは、電極に電圧を印加していないときのＱＰＭ条
件を示し、破線ＩＩは、電極に１０Ｖの電圧を印加した
場合のＱＰＭ条件を示している。一方、図中、（ＤＢＲ
条件）を曲線ＩＩＩおよび破線ＩＶで示してある。曲線
ＩＩＩは、電極に電圧を印加していない時のＤＢＲ条件
を示し、破線ＩＶは、電極に１０Ｖの電圧を印加した場
合のＤＢＲ条件を示している。図１４に示すように、破
線ＩＩおよびＩＶの交点の周期は、電圧を印加しない場
合に比べて２ｎｍ短くなっている。従って、ＳＨＧ素子
の設計上の分極反転構造の周期と実際のＳＨＧ素子の周
期との間に実効的にこの程度の差であれば、電圧を印加
することによって補正をすることができ、ＳＨＧ素子の
変換効率を最大にすることができることになる。

【００９６】次に、温度制御とＱＰＭ条件およびＤＢＲ
条件との関係について説明する。一般に、ＳＨＧ素子の
温度を変化させることによって光導波路の屈折率が変化
することが知られている。

【００９７】次に、温度を制御した場合のＱＰＭ条件お
よびＤＢＲ条件の変化の様子の計算結果を示す。図１５
は、ＳＨＧ素子の光導波路の温度とＱＰＭ条件及びＤＢ
Ｒ条件との関係を示す図である。横軸は、基本波の波長
（ｎｍ）を表し、縦軸は、反転分極構造の周期を表して
いる。図中、コヒーレンス長（ＱＰＭ条件）を満足する
条件を曲線Ｖおよび破線ＶＩを示してある。曲線Ｖは、
３００Ｋの温度下の場合のＱＰＭ条件を示し、破線ＶＩ
は、３５０Ｋの温度下のＱＰＭ条件を示している。一
方、図中、（ＤＢＲ条件）を曲線ＶＩＩおよび破線ＶＩ
ＩＩで示してある。曲線ＶＩＩは、３００Ｋの温度下の
ＤＢＲ条件を示し、破線ＩＶは、３５０ＫのＤＢＲ条件
を示している。図１５に示すように、破線ＶＩおよびＶ
ＩＩＩの交点の周期は、３００Ｋの場合に比べて４０ｎ
ｍ長くなっている。従って、ＳＨＧ素子の設計上の分極
反転構造の周期と実際のＳＨＧ素子の周期との間に実効
的にこの程度の差であれば、温度を制御することによっ
て補正をすることができ、ＳＨＧ素子の変換効率を最大
にすることができることになる。

【００９８】一般に、温度制御の方が、電界制御に比べ
て時間的な応答速度が遅いので、温度制御によりおおよ
その補正を行っておいて、微調整を電圧の印加による電
界制御によって行うことが望ましい。

【００９９】また、現在のフォトリソグラフィの技術を
用いれば、数十ｎｍの精度でパターンを描画することが
できる。従って、現在のＳＨＧ素子の作製における作製
誤差は、温度および電界制御により十分に補正すること
ができる。

【０１００】尚、図１４および図１５に示した電界制御
および温度制御の計算に当たっては、ＳＨＧ素子の各パ
ラメータとして以下の値を代入した。Ｇ＝１μｍ＝１×１０^-6ｍ γ₃₃＝３２．２×１０^-12ｍ／Ｖｎ（１．３μｍ）＝２．１４５３８ｎ（０．６５μｍ）＝２．１９８８２４ｐ＝４３このように、ＳＨＧ素子の製造誤差や動作時点での素子
の温度により、分極反転構造の周期が理想的な条件から
ずれた場合も、このずれを補償して理想的な値に近い変
換効率の達成を図ることができる。

【０１０１】尚、上述した温度御及び電界制御手段は、
Ｓ−ＱＰＭＳＨＧ素子のみならず、ＤＢＲ部分とＱＰ
Ｍ部分とを個別に具えたＳＨＧ素子に用いることもでき
る。

【０１０２】＜ＳＨＧ素子の説明＞次に、ＳＨＧ素子に
つき説明する。先ず、従来の問題を解決するための手法
を説明する。上述した式（４）の２つのパラメータｍ，
ｐのうちｍの値は実用的には１または２である。従っ
て、ＬｉＮｂＯ₃を例に挙げて説明すると、コヒーレン
ス長Ｌｃは基本波光源の波長が１．３μｍ程度であれば
６μｍ程度である。この程度の寸法であれば、現在の技
術をもってすれば、周期的分極反転構造を形成すること
は容易である。従って、ｍ＝１について考察すると、こ
れに対するｐの値は４０程度である。これらのことと、
ＬｉＮｂＯ₃の屈折率を考慮すると、ｐの値が１異なれ
ば（４）式で与えられる条件は０．２５μｍ程度変化す
る。これは、コヒーレンス長が０．２５μｍに対応する
基本波の変化分に相当する波長分以上細かくＳＨＧ波長
を選択出来ないことを意味している。そこで、この発明
では、ＤＢＲ構造の部分とＳＨＧ素子としての部分とを
同一の光導波路（一体的であってもまたは個別的であっ
てもよい。）において分離することによりこの問題を解
決する。この時、上述した式（１）で求めた△ｎを用い
る。

【０１０３】そこで、この発明のＳＨＧ素子は、ＳＨＧ
部分とＤＢＲ部分とは兼用せずに、光導波路に個別に設
けてある。その一実施例を図１に示す。図１に示すＳＨ
Ｇ素子１００の構造では、例えばＬｉＮｂＯ₃の基板１
０２に、既に説明したと同様な方法によって光導波路１
０４を形成する。そして、この光導波路１０４には、屈
折率ｎ₁，ｎ₂が交互に異なるように、周期的分極反転
領域（ドメイン反転領域）１０６を設け、その周期を部
分的に変えた領域を設けることによって、ＱＰＭＳＨ
Ｇ部分１１０とＤＢＲ部分１２０とを構成する。この構
成の仕方は種々あるが、この実施例では、ＱＰＭＳＨ
ＧＢ部分１１０の左右両側にＤＢＲ部分１２０を設けて
あり、しかも、これらＤＢＲ部分１２０にＳＨＧ素子１
００の入射端および出射端を形成した例である。この両
部分１１０および１２０の形成方法自体は同じである
が、それぞれの部分の分極反転周期が異なっている。Ｄ
ＢＲ部分１２０は基本波の波長に対しては反射条件を満
足するように、また、出来るだけ低次のブラック条件を
満足するようにその周期Λ_DBRを決定するのが良い。こ
のとき、上述した実験により求めた△ｎを用いることは
言うまでもない。

【０１０４】ここで、ＳＨＧ素子を一例として、図１に
示した構造とは異なり、ＳＨＧ素子の出射端側に設けた
１つのＳＨＧ部分と、入射端側に設けた１つのＤＢＲ部
分とをで構成した構造とする。そして、ＬｉＮｂＯ₃を
例にとり、かつ、基本波の波長を１．３２７μｍ程度と
して、具体的に説明する。ＤＢＲ部分の周期Λ_DBRは次
式（１２）で与えられる。

【０１０５】 Λ_DBR／２＝ｐλ／４［ｎ（λ）＋０．０５３１］・・・（１６）ここで、ｎ（１．３２７）であるから、１．３２７／４
（２．１４４＋０．０５３１）＝０．１５１となる。半
導体レーザ（ＬＤ）への帰還効率は、ｐが奇数であるほ
うが大きいこと、およびフォトリソグラフィ等の都合を
考えると、ｐ＝７程度が望ましい。そうすると、Λ_DBR
／２＝１．０６μｍとなる。

【０１０６】一方、ＱＰＭＳＨＧ部分の半周期Λ_SHG
は既に説明したように、ほぼ６．５μｍとすれば良い。
従って、分極反転部分と非反転部分との屈折率差はほぼ
１０^-3程度である。このため、ＤＢＲ部分の周期の数す
なわちＤＢＲ部分の寸法は、反射率を４０％程度に出来
れば良いことを根拠に見積もれば、以下のようになる。

【０１０７】周期の数をＸとし、分極反転部分の屈折率
をｎ₁、非反転部分の屈折率をｎ₂とすると、ＤＢＲ部
分の反射率Ｒは次式（１３）のように与えられる。

【０１０８】Ｒ＝｛［１−（ｎ₂／ｎ₁）ｎ₂（ｎ₂／ｎ₁）^2X］ ÷［１＋（ｎ₂／ｎ₁）ｎ₂（ｎ₂／ｎ₁）^2X］｝² ・・・（１７）ｎ₁＝ｎ（１．３２７）＋０．０５１３＝２．１９５３
であり、また、ｎ₂＝ｎ（１．３２７）＋０．０５１３＋０．００１＝
２．１９６３であるから、７５０周期（２Ｘ＝１５００）とすれば、
Ｒ＝０．３９２２となり、ほぼ４０％の反射率が得られ
る。ＤＢＲ部分の寸法は、１．０６ｘ１５００＝１５９
０μｍ、すなわち、１．６ｍｍ程度である。

【０１０９】また、ＱＰＭＳＨＧ部分は５から１０ｍ
ｍとすれば充分なＳＨＧ変換効率が得られるので、素子
全体の寸法は６．６から１１．６ｍｍ程度で充分である
ことになる。すなわち、従来のＳＨＧ素子に比べて１０
％程度（数ｍｍ程度）大きくなるにすぎない。

【０１１０】上述した実施例では、ＤＢＲ部分をＳＨＧ
部分の入射端側に１つだけ設けた例であるが、図１に示
すように、ＳＨＧ素子１００の入出力端にＤＢＲ構造１
２０をそれぞれ設け、このＤＢＲ部分１２０でＳＨＧ部
分１１０を挟んだ構造としてもよい。このように構成す
ると、ＳＨＧ素子１００のＳＨＧ効率を高くすることが
出来る。ＤＢＲ構造１２０を入射端側のみの設けたＳＨ
Ｇ素子構造の場合と、入出力の両端側にＤＢＲ構造１２
０をそれぞれ設けたＳＨＧ素子構造１００とでは、ＳＨ
Ｇ変換効率はＤＢＲの反射率をｒとして表すと、（１−
ｒ）^-1倍になることが知られているので、この２つのＤ
ＢＲ構造１２０を両側に設けたＳＨＧ素子構造は、１つ
のＤＢＲ構造を具えたＳＨＧ素子構造の場合に比べて、
（１−０．４）^-1＝１．６７倍となる。従って、このＳ
ＨＧ素子１００の長さはさらに１．６ｍｍ長くなるにす
ぎない。

【０１１１】このＤＢＲ部分およびＱＰＭＳＨＧ部分
は、光導波路が具えていればよいので、これらの配列順
序や個数はこの発明では何ら限定されるものではない。

【０１１２】また、上述した実施例のＳＨＧ素子では、
同一の基板の光導波路１０４がＱＰＭＳＨＧ部分１１
０とＤＢＲ部分１２０とを有した構造となっている。し
かしながら、これに何ら限定されるものではなく、後述
する図２に示す構造のように、このＱＰＭＳＨＧ部分
とＤＢＲ部分とを別の基板に設けて、それぞれを個別の
素子部分として形成してもよい。勿論、その場合には、
基板、光導波路の条件は両者とも同一とする。両者の相
違は、単に、周期Λ_SHGおよびΛ_DBRの値が異なるだけ
である。

【０１１３】＜ＳＨＧ装置の説明＞次に、図２、図３お
よび図４を参照して、この発明のＳＨＧ装置の実施例を
説明する。

【０１１４】このＳＨＧ装置を設計するに当たり、従来
の問題点を解決するためには、ＬＤの片端面を高反射
（ＨＲ）コーティングすれば良いと思われるが、現実に
は困難である。反対側の端面（ＳＨＧ素子に接続する
側）を反射率０に形成出来れば問題ないのであるが、現
実には不可能であるため、僅かな残留反射によりファブ
リ・ペロモードによる発振を起こし、当初のＳ−ＱＰ
ＭＳＨＧの実現という目的を果たせない。そこで、こ
の発明では、例えば、この反対側端面をＨＲコーティン
グする代わりにＤＢＲ構造を用いる。このＤＢＲの設計
に上述した△ｎを用いる。

【０１１５】そこで、図２は、ＳＨＧ素子をＱＰＭＳ
ＨＧ部分とＤＢＲ部分を個別の基板に設け、それぞれＱ
ＰＭＳＨＧ部分の素子２１０およびＤＢＲ部分の素子
として構成する。これら素子をそれぞれＱＰＭＳＨＧ
構造素子およびＤＢＲ構造素子と称する。これらを素子
２１０および２２０を、入出射端面の両端面を高反射コ
ーティングする代わりに低反射コーティングしてある半
導体レーザ（ＬＤ）２３０と、光学手段２４０例えばレ
ンズ系を用いて、光学結合させて、ＳＨＧ装置を構成し
た例である。この場合、ＱＰＭＳＨＧ部分の素子２１
０およびＤＢＲ部分の素子２２０は、上述した実施例の
ＳＨＧ素子の場合と同様に、各基板２００および２０２
に設けた光導波路２０４および２０６が周期的分極反転
領域（ドメイン反転領域）を互いに周期Λ_SHGおよびΛ
_DBRのみを変えて有した構造と成っている。好ましく
は、ＤＢＲ構造素子２２０は反射率を大きくするため、
十分な長さとするのが良い。例えば、ＤＢＲ構造素子２
２０の寸法を１０ｍｍとすると、反射率Ｒを９８％以上
にすることが出来る。

【０１１６】図３は、ＳＨＧ装置の他の実施例を示す図
である。この実施例では、ＬＤ２３０の両端面側に図１
に示したと同様な構造のＳＨＧ素子１００を配設して、
レンズ系２４０を用いて、これらＳＨＧ素子とＬＤ２３
０とを光学的に結合させた構造と成っている。この構造
では、第２高調波であるＳＨ波（２ω）は、変換されな
かった基本波（ω）と一緒に両素子から互いに反対な２
方向に出射する。

【０１１７】図４に示す別の実施例のＳＨＧ装置の構造
では、ＳＨＧ効率を高めた構造であり、図３で示したＳ
ＨＧ装置の構造の両出射端面に、所要に応じてレンズ系
その他の光学的手段（図示せず）を介して、光ファイバ
２５０および２５２を光学的に結合し、これら光ファイ
バ２５０および２５２を例えば光カプラー等の光合成手
段２６０に結合して、第２高調波を効率よく取り出すこ
とも出来る。

【０１１８】この発明は、上述した実施例にのみ限定さ
れるものではなく多くの変更および変形を行ない得るこ
とは当業者に明らかである。例えば、上述した実施例で
は、ＬｉＮｂＯ₃を基板の材料として用いたが、この発
明では、例えばＬｉＴａＯ₃またはＫＴＰを用いても良
い。

【０１１９】

【発明の効果】この発明によれば、ＳＨＧ素子の光導波
路の実効屈折率をＳＨＧ変換効率とＤＢＲ反射率の実測
値から求め、ＳＨＧ素子の設計にこの結果をフィードバ
ックさせてある。従って、ＳＨＧ素子の設計の段階で正
確に光導波路の実効屈折率を知ることができ、分極反転
構造の周期等を一層理想的に設定出来る。

【０１２０】また、例えば、この発明の方法で決定した
実効屈折率に基づいて設計されたＳＨＧ素子において、
温度制御および電界制御により補正を行えば、ほぼ理想
に近いＳＨＧ変換効率の実現を図ることができる。すな
わち、ＬＤを基本波光源としたＱＰＭＳＨＧ素子をＳ
ＨＧ変換効率を理想限界に近い高い状態で利用すること
が可能となる。

【０１２１】そして、先に提案したＳＨＧ素子ではＳ−
ＱＰＭＳＨＧにおいては分極反転構造の部分にＤＢＲ
としての機能も兼ねさせる必要があったが、この発明の
ＳＨＧ素子によれば、分極反転構造部分をＤＢＲとして
の機能を持たせる部分とＱＰＭの機能を持たせる部分と
に分離している。これにより、先に提案したＳ−ＱＰＭ
ＳＨＧにおいては離散的波長のみにＳＨＧ素子を設計
して構成することが出来なかったが、この発明によれ
ば、上述したように基本波としての任意の波長に対する
ＳＨＧ素子の実効屈折率を正確に求めることが出来るの
で、この実効屈折率を用いて、ＤＢＲ部分の周期Λ_DBR
を知ることが出来、あらゆる波長に対応してＳＨＧ素子
を設計して構成することが出来る。

【０１２２】この発明のＳＨＧ素子を用いてＳＨＧ装置
を構成すると、ＳＨＧ素子が光導波路中にＱＰＭＳＨ
Ｇ部分とＤＢＲ部分とを順次に具えるか、ＬＤの一方の
側にＱＰＭＳＨＧ部分を他方の側にＤＢＲ部分を設置
することになるので、ＳＨＧ効率を従来のＳＨＧ装置と
比べて向上させることが出来る。また、ＳＨＧ装置から
２方向に出るＳＨＧ波を光合成器で合成すれば、基本波
光源としてのＬＤの出力エネルギーを全て有効に使用出
来る。このように、この発明のＳＨＧ装置によれば、Ｓ
ＨＧ効率を実質的に向上させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のＳＨＧ素子の構造の一実施例を概略
的に示す斜視図である。

【図２】この発明のＳＨＧ装置の一実施例を概略的に示
す斜視図である。

【図３】この発明のＳＨＧ装置の他の実施例を概略的に
示す斜視図である。

【図４】ＳＨＧ装置の２つのＳＨＧ出力を光合成手段を
用いて合成する例を示す構成図である。

【図５】従来のＳＨＧ素子の構造の説明のための斜視図
である。

【図６】従来のＳＨＧ装置の構造の説明のための斜視図
である。

【図７】ＳＨＧ素子の設計の説明に供する、基本波の波
長に対するコヒーレンス長ＬｃおよびＬｗの関係を示す
図である。

【図８】ＳＨＧ装置の設計の説明のためのＳＨＧ装置の
斜視図である。

【図９】ＳＨＧ装置の設計の説明に供する、ＬＤの発振
スペクトル図である。

【図１０】ＳＨＧ装置の設計の説明に供する、ＳＨＧの
スペクトル図である。

【図１１】ＳＨＧ装置の設計の説明に供する、ＬＤのス
ペクトル図である。

【図１２】この発明の実効屈折率決定方法の説明に供す
る、Ｔｉ：サファイヤレーザのスペクトル分布図であ
る。

【図１３】ＳＨＧ素子の温度及び電界制御手段の説明に
供する斜視図である。

【図１４】ＳＨＧ素子の光導波路に印加された電界とＱ
ＰＭ条件及びＤＢＲ条件との関係を示す図である。

【図１５】ＳＨＧ素子の光導波路の温度とＱＰＭ条件及
びＤＢＲ条件との関係を示す図である。

【符号の説明】

１００：ＳＨＧ素子１０２，２００，２０２，３０４：基板１０４，２０６，２０８，３０８：光導波路１０６，２１８，２１９：周期的分極反転領域１１０：ＱＰＭＳＨＧ部分１２０：ＤＢＲ部分２１０：ＱＰＭＳＨＧ構造素子２２０：ＤＢＲ構造素子２３０：半導体レーザ２４０：光学的手段２５０，２５２：光ファイバー２６０：光合成手段３００：ペルチェ素子３０６：周期的分極反転構造３１０：誘電体膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に設けた光導波路に周期的分極反転
構造を利用したＳＨＧ素子において、該光導波路は、周
期的分極反転構造の周期がブラック反射条件を満たす部
分（ＤＢＲ部と称する。）と擬似位相整合条件を満たす
部分（ＱＰＭ部と称する。）とを個別に具えていること
を特徴とするＳＨＧ素子。
【請求項２】請求項１に記載のＤＢＲ部とＱＰＭ部と
を同一の基板上に設けたことを特徴とするＳＨＧ素子。
【請求項３】請求項１に記載のＤＢＲ部とＱＰＭ部と
を個別の基板にそれぞれ設けたことを特徴とするＳＨＧ
素子。
【請求項４】請求項１のＳＨＧ素子と、半導体レーザ
と、両者を光学的に結合する光学手段とを具えることを
特徴とするＳＨＧ装置。
【請求項５】請求項３に記載のＳＨＧ素子のＤＢＲ部
とＱＰＭ部と、該ＤＢＲ部およびＱＰＭ部間にこれらか
ら等距離をもって配設されている半導体レーザと、前記
ＤＢＲ部およびＱＰＭ部のそれぞれと前記半導体レーザ
とを光学的に結合する光学手段を具え、前記半導体レー
ザの両端面を低反射面としてあることを特徴とするＳＨ
Ｇ装置。
【請求項６】請求項４に記載のＳＨＧ装置において、
前記ＳＨＧ素子を２個用い、それぞれのＳＨＧ素子を前
記半導体レーザの入射端および出射端の双方に個別に配
設し、これらＳＨＧ素子と前記半導体レーザとを光学的
手段を用いて結合させてあることを特徴とするＳＨＧ装
置。
【請求項７】請求項６に記載のＳＨＧ装置において、
前記２つのＳＨＧ素子からのＳＨＧ波を合成する光結合
手段を具えることを特徴とするＳＨＧ装置。
【請求項８】周期分極反転構造を利用した光導波路を
有し、擬似位相整合条件を満足するタイプのＳＨＧ素子
を用い、該ＳＨＧ素子の光導波路に基本波を導波させて該ＳＨＧ
素子のＳＨＧ変換効率が極大となる、基本波に対する波
長λ_SHGを測定し、該ＳＨＧ素子の光導波路に基本波を導波させて該光導波
路の基本波に対する反射率が極大となる波長λ_DBRを測
定し、これら波長λ_SHGおよびλ_DBRから次の３つの式
（ａ），（ｂ），および（ｃ）を用いて前記ＳＨＧ素子
を構成している光導波路の基本波に対する実効屈折率Ｎ
を決定することを特徴とするＳＨＧ素子の実効屈折率決
定方法。Ｌ＝λ_SHG／｛４［ｎ（λ_SHG／２）−ｎ（λ_SHG）］｝・・・・（ａ） △ｎ＝［ｐλ_DBR／４Ｌ］−ｎ（λ_DBR）・・・・・・・・・・・（ｂ）Ｎ＝ｎ＋△ｎ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（ｃ）但し、ｎ（λ）は波長λの光に対するＳＨＧ素子を構成
している材料の固有の屈折率、Ｌは分極反転構造の実効的な周期の１／２、およびｐ
は、正の整数であって、△ｎが０＜△ｎ＜０．１の範囲
に収まるように設定する。
【請求項９】擬似位相整合条件を満足することでＳＨ
Ｇを実現するタイプのＳＨＧ素子であって、請求項８に
記載のＳＨＧ素子の実効屈折率決定方法を用いて決定し
た実効屈折率に基づいて設計された基板に設けた光導波
路の周期的分極反転構造を具えた光導波路を基板に設け
たことを特徴とするＳＨＧ素子。
【請求項１０】請求項９に記載のＳＨＧ素子におい
て、前記光導波路の温度を制御する温度制御手段と、前記光導波路の電界を制御する電界制御手段とを具えた
ことを特徴とするＳＨＧ素子。
【請求項１１】請求項１０に記載のＳＨＧ素子におい
て、前記温度制御手段が、前記基板の前記光導波路が設けら
れた面の裏面に設けたペルチェ素子からなることを特徴
とするＳＨＧ素子。
【請求項１２】請求項１０に記載のＳＨＧ素子におい
て、前記電界制御手段が、前記光導波路上に設けた電極から
なることを特徴とするＳＨＧ素子。