JPH06202175A

JPH06202175A - 周波数増大光学素子

Info

Publication number: JPH06202175A
Application number: JP5222441A
Authority: JP
Inventors: 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; Gerardus L J A Rikken; ラディスラウヨハネスアンドレアスリッケンヘラルダス; Constance J E Seppen; ジェーンエリザベスセッペンコンスンタス
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV; Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1992-09-07
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 1994-07-22
Also published as: SG44725A1; KR940007557A; ATE173095T1; DE69321913T2; US5631766A; DE69321913D1; CN1041864C; CN1086019A

Abstract

(57)【要約】【目的】非線形光学材料層の厚さ変化に依存しない高
い変換効率が得られる周波数増大光学素子を提供するこ
とにある。【構成】非線形光学媒体と光変調構造体（２１）を有
し非線形光学材料中における波長分散を補償して位相整
合できる光学素子（３）に関するものである。高い屈折
率を有する高屈折率層（１５）を光変調構造体（２１）
に近接して形成することにより、位相整合する波長が非
線形光学媒体の層厚により規制されなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基本波である電磁放射
の周波数を増大させる周波数増大光学素子であって、屈
折率ｎ₁を有し基本波の周波数を増大させる非線形光学
媒体と、光変調構造体とを具える周波数増大光学素子に
関するものである。また、本発明は、上記周波数増大素
子のような光学素子を有す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ス装置にも関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】周波数の増大とは、周波数を２倍にする
こと及び周波数を２倍以外の倍数だけ増大させることの
両方を意味する。周波数増大は、レーザプリンタやスキ
ャナのような装置並びに光記録媒体に情報を書込み及び
／又は読取る光学装置において大きな利点がある。けだ
し、情報密度が増大するからである。２倍以外の倍数だ
け周波数を増大させることは、例えば２個の放射源から
の放射を結合することにより増大周波数が放射源から放
出された放射の周波数の和の周波数とすることにより実
現することができる。

【０００３】非線形光学媒体で電磁放射の周波数が増大
ささる際に発生する問題は、基本波に対する有効屈折率
と高次高調波に対する有効屈折率との間の屈折率差に起
因して基本波と発生した高次高調波とが互いに異なる速
度で伝播すること、すなわち非線形光学媒体中において
波長分散が生ずることである。高次高調波の放射は、基
本波の一部が高次高調波に変換される非線形光学材料層
中の伝播方向に沿う位置から基本波とは異なる速度で伝
播し、周波数変換は種々ノ位置で行なわれるため、光学
素子の所定の位置に到達した高次高調波のうちの種々の
高調波が互いに異なる位相を有し、この結果光学素子の
種々の位置で発生した高次高調波間で干渉作用が発生し
てしまう。従って、コヒーレント長と称せられる所定の
距離Ｉ_cだけ伝播した後に別の何んらかの方策が施され
ていないと、周波数増大した放射が消滅してしまう。周
波増大が周波数増倍（２倍）の場合、コヒーレント長Ｉ
_cは、Ｉ_c＝４／（λ（ｎω−ｎ_2W))で与えられる。
ここで、λは基本波の波長であり、ｎ_wは基本波に対す
る有効屈折率、ｎ_2Wは周波数増倍した光波に対する有効
屈折率である。

【０００４】高次高調波の消滅は、基本波の伝播速度と
周波数増倍された光波の伝播速度とを互いに等しくする
ことにより防止することができる。この解決法は、位相
整合として既知でる。位相整合法の一例は、1985年に発
光された報誌“ジャーナルオブアプライドフュジク
ス”第58巻(12)に記載されている文献“ノン−リニア
インテグレーテッドオプティクス（Non −linenr int
egrsted optics)"に記載されており、この文献において
位相整合は節分散により波長分散を除去することにより
行なわれている。

【０００５】本発明は、高次高調波への変換を伝播方向
に沿う所定の位置においてだけ発生させ、これらの位置
で発生した高調波を互いにほぼ同相にさせる別の解決方
法に関するものである。基本波及び２次高調波は異なる
速度で伝播し続けるが、伝播速度差に起因する種々の２
次高調波間の相互干渉作用は抑制される。この解決方法
は擬似位相整合として既知である。擬似位相整合は非線
形光学材料の線形光学特性及び／又は非線形光学特性に
空間的な周期変調を導入することにより達成することが
できる。この方法は米国特許第4865406 号明細書から既
知である。この特許明細書には、非線形光学放射伝播層
がポリマで構成される冒頭部で述べた型式の光学素子が
記載されている。非線形光学作用の周相的な変調は周期
的な変調電界によりポリマを分極させることにより達成
される。この場合、ポリマ中に一方向に極性化したドメ
インと反対極性に極性化したドメインとが発生し、これ
らドメインは互いに交互に現われ、伝播方向におけるそ
の大きさは周波数増倍された放射の消滅を防止するため
に必要なコヒーレンス長により決定される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特許明細書に記載
されている光学素子の変換効率は、非線形光学素子の非
線形光学特性の周期的変調性が２個の光波に対する有効
屈折率差を補償する精度により決定される。この屈折率
差は材料の特性だけでなく非線形光学層の厚さにも強く
影響を受けるので、非線形光学材料層の厚さがわずかに
変化するだけでも位相整合が不完全になってしまい、こ
の結果変換効率が低下してしまう。特に、非線形光学材
料層が例えばポリマのような薄膜層の場合、光学素子全
体に亘って非線形光学材料層の厚さを一定に維持するこ
とは極めて困難である。

【０００７】従って、本発明の目的は、光学素子の非線
形光学材料層の厚さの変化にほとんど影響を受けない周
波数増大素子及びオプトエレクトロニクス装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述目的を達成するた
め、本発明による光学素子は、ｎ₁＜ｎ₂となる屈折率
ｎ₂を有する高屈折率層を前記光変調構造体に近接して
形成したことを特徴とする。

【０００９】高屈折率層を形成することにより、基本波
及び２次高調波は非線形光学媒体中ではなくこの高屈折
率層中に集中する。従って、基本波に対する有効屈折率
ｎ_w及び２次高調波に対する有効屈折率ｎ_2wは主として
高屈折率層の厚さ及び材料に依存する。この結果、擬似
位相整合は非半形光学媒体の厚さに依存しなくなる。さ
らに、電磁放射が高屈折率層を伝播する際この電磁放射
が光変調作用を受けるように高屈折率層を変調構造体に
近接させる。ここで、近接させるとは、変調構造体が電
磁放射に十分作用する距離で配置することを意味する。

【００１０】本発明による周波数増大光学素子の第１実
施例は、非線形光学媒体を、ｎ₃＜ｎ₁となる屈折率ｎ
₃を有する基板上に位置する導波路とし、前記光変調構
造体を、ｎ_m＜ｎ₂となる屈折率ｎ_mを有する線形光学
材料から成り、周期的に形成されたクラッド層を前記基
板と前記導波路との間に非線形光学材料の導波路と直接
接触するように形成することにより構成したことを特徴
とする。

【００１１】クラッド層の周期的構造により、このクラ
ッド層は非線形光学材料の導波路の一部と共に、非線形
特性及び／又は線形特性が材料に応じて電磁放射の伝播
方向において周期的に変化する放射伝播路を構成する。

【００１２】構造化されたクラッド層を有する本発明に
よる周波数増大光学素子の実施例は、クラッド層が電磁
放射の伝播方向と直交する方向に延在する細条列を含
み、これら細条列が、厚さｄ₁及び幅Ｌ₁を有する第１
の細条と、この第１の細条と交互に形成した厚さｄ₂及
び幅Ｌ₂を有する第２の細条とで構成され、前記Ｌ₁及
びＬ₂を電磁放射の伝播方向に沿って測定した幅とし、
ｎ及びｍを正の整数とし、ｌ_c,mを光変調構造体が線形
光学材料で形成されている第１区域のコヒーレント長と
し、ｌ_c,NLOを光変調構造体が線形光学材料により部分
的に構成されている第２区域のコヒーレント長とした場
合に、Ｌ₁＝（２ｎ＋１）ｌ_c,m、及びＬ ₂＝（２ｎ＋
１）ｌ_c,NLO、並びにｄ₁＞ｄ₂となるように設定した
ことを特徴とする。

【００１３】このようにして、非線形光学特性及び線形
光学特性が互いに相異するドメインを有する放射伝播層
が形成される。線形光学材料の領域及び非線形光学材料
の領域について適切な寸法を選択することにより例えば
本例では関連する領域のコヒーレンス長を適切に選択す
ることにより、光学層に沿う種々の位置で発生した高次
高調波が互に同相になり、周波数増大した放射の消滅が
回避される。

【００１４】別の実施例として、ｄ₂＝０とすることが
できる。

【００１５】この実施例において、変調構造体の周期、
すなわちＬ₁＋Ｌ₂は、基本波に対する有効屈折率と高
次高調波に対する屈折率との間の差が補償されるように
選択する。最大変換効率は、変調構造体の変調深さを適
切に選択することより得ることができる。ｄ₂＝０の場
合、クラッド層は距離ｄ₂において所定の厚さｄ₁を有
する細条により形成する。クラッド層上に非線光学材料
層を形成した後、幅Ｌ ₁の線形光学材料の細条と幅ｄ₂
の非線形光学材料の細条とで形成され厚さｄ₁の光変調
構造体が得られる。

【００１６】周波数増大光学素子の好適実施例は、クラ
ッド層とシリコンオキシニトライドで構成したことを特
徴とする。シリコンオキシニトライドを用いると、光学
素子の全体構造を標準のシリコン技術により形成できる
利点が達成される。

【００１７】本発明による周波数増大光学素子の好適実
施例は、導波路がポリマで構成されるたとを特徴とす
る。非線形光学材料としてポリマ層を用いることは前述
した米国特許第４８６５４０６号に記載されている。こ
の既知の装置では、擬似位相整合は、原理的に均一な厚
さを有する周波数増大層の材料中に非線形な周期的空間
変調を形成することにより得られている。層形成中に、
この周期的空間変調は、厚さが周期的に変化するクラッ
ド層を形成するのではなくポリマを分極させる電界を周
期的に変調することにより得られる。

【００１８】ポリマは、相対的に低い屈折率を有する利
点がある。これにより、高屈折率層に対する材料の選択
の範囲が広くなる。

【００１９】本発明による光学素子は、各層に平行な面
内における放射伝播方向と直交する方向の寸法伝播方向
における寸法よりもあまり小さくないプレーナ型導波路
とすることができる。一方、本発明における光学素子の
好適実施例は、光学素子をチャネル型導波路としたこと
を特徴とする。プレーナ型導波路の代わりにチャネル型
導波路を用いると、パワー密度が相当増大する。この理
由は、放射がチャネル中に一層トラップされるためであ
る。この結果発生する２次高周波の収率が一層増大す
る。チャネルは高屈折率層中に形成するのが好ましい。

【００２０】本発明による周波数増大光学素子の別の実
施例は、高屈折率層をＳｉ₃Ｎ₄で構成したことを特徴
とする。Ｓｉ₃Ｎ₄を用いると、光学素子の全体構造を
標準のシリコン技術で造ることができる利点がある。さ
らに、Ｓｉ₃Ｎ₄は極めて一定な厚さの層を相対的に広
い範囲に亘って形成できる。

【００２１】本発明による周波数増大光学素子の別の実
施例は、非線形光学媒体における基本波に対する有効屈
折率と高次高調波に対する有効屈折率との差を、前記ク
ラッド層における有効屈折率差に少なくともほぼ等しく
したことを特徴とする。

【００２２】非線形光学媒体及びクラッド層の材料の基
本波に対する有効屈折率高次高調波に対する有効屈折率
との差が互いにほぼ等しい場合、コヒーレンス長に関す
る式より、第１区域のコヒーレンス長と第２区域のコヒ
ーレンス長が互いに等しくなることになる。この条件が
満足されると、位相整合が生ずる波長は変調構造体の周
期（Ｌ₁＋Ｌ₂）にだけ依存し、比Ｌ₂／Ｌ₁には依存
しない。ｌ_C,NLD＝ｌ _C,mの場合、基本波と２次高調波
との間の位相差は、周期Ｌ₁＋Ｌ₂＝２ｎ′ｌ _C（ｎ′
は正の整数）だけ伝播すると２πに等しくなるので、順
次発生する高次高調波はその前に発生した高次高調波の
放射と累積的に加算されることになる。位相整合が生ず
る波長は比Ｌ₂／Ｌ₁にほとんど依存しない。

【００２３】本発明による周波数増大光学素子の実施例
は、基本放射及び／又は高次高調波放射に対する非線形
光学層の屈折率をクラッド層の対応する屈折率に少なく
ともほぼ等しくしたことを特徴とする。

【００２４】クラッド層屈の折率及び非線形光学材料の
屈折率が基本波又は高異議高調波或いはこれら両方の放
射に対して互いにほぼ等しい場合、線形光学特性は互い
にほぼ等しくなり、線形材料と非線形材料との間の遷移
領域で散乱が発生せず、この結果伝播する電磁放射は等
方性導波路としての作用を受け、ダンピング損失（danp
ing loss) が制限されるので高い変換効率が得られる。
この場合、２個の材料の非線形光学作用が相違するにす
ぎない。

【００２５】また、本発明は、基本波となる電磁放射の
周波数を増大させるオプトエレクトロニクス装置であっ
て、前記電磁放射を発生するダイオードレーザが形成さ
れている支持部材と、周波数増大を行なう光学素子とを
有するオプトエレクトロニクス装置において、前記光学
層を請求項１から１０までのいずれか１項に記載の光学
素子とし、前記光学素子の基本波が伝播する層を前記ダ
イオードレーザの活性層と整列させ、ダイオードレーザ
の出射面と光学素子の入射面とを互いに対向させたこと
を特徴とするを提供する。

【００２６】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明
する。

【００２７】

【実施例】図１は周波数が増大した電磁放射を発生させ
るオプトエレクトロニクス装置１を線図的に示す。この
装置はレーザプリンタ、スチャナのような種々の光学装
置や、光記録媒体に情報を書込み及び／又は書込んだ情
報を読取る装置に用いることができる。例えば放射源か
ら供給される１次放射の周波数を増倍させることによ
り、上記装置における操作スポットの大きさを例えば半
分にすることができるので、これら装置の解像力を例え
ば２倍にすることができ、この結果これら装置に書込ま
れ及び／又は読取られる情報の密度を一層増大させるこ
とができる。特に、レーザプリンタや光記録媒体への情
報書込装置ような書込装置の場合、周波数変換が高い効
率で行なわれ周波数増倍された放射が十分パワーを有す
ることは極めて重要である。この変換効率は、周波数増
大された放射のパワーと１次放射のパワーとの商を意味
するものと理解されるべきである。以下、周波数増倍に
基き本発明を説明する。

【００２８】オプトエレクトロニクス装置１は支持部材
３を有し、この支持部材上に例えばダイオードレーザの
ような電磁放射を発生させる放射源５を形成する。ダイ
オードレーザ５に電極６，８を介して電流源１０を接続
する。電極６，８を介して電流がダイオードレーザに流
れると、波長λの電磁放射が活性層１２から発生する。
さらに、放射源５から発生した放射の周波数を増倍させ
る光学素子７を支持部材３上に形成する。この光学素子
７は屈折率ｎ₃を有する基板となる支持材料体９を具
え、この基板９上に屈折率ｎ₁の導波路１１を形成す
る。この導波路１１は非線形光学材料で構成され、ｎ₁
＞ｎ₃の条件を満たして全内部反射により放射を閉じ込
める。

【００２９】ダイオードレーザ５及び光学素子７を支持
部材３上で整列させ、光学素子７の基本波が伝播する層
とダイオードレーザ５の活性層１２とを互いに整列させ
る。ダイオードレーザ５と光学素子７との間の距離が数
μm 程度と微小距離の場合、ダイオードレーザ５ら放射
される放射は光学素子７に有効に結合され、周波数増倍
が発生する。

【００３０】すでに知られているように、有効な周波数
倍増を行なうためには基本波と２次高調波とを互いに同
相で伝播させる必要がある。この理由は、コヒーレンス
長と称せられる所定の距離Ｉ_C＝４／｛λ（ｎ_2W−
ｎ_W｝だけ伝播した後周波数増倍した放射が消滅するた
めである。この消滅は光学素子７中の伝播方向に沿う種
々の位置で発生した第２高調波の放射間における相互干
渉により生ずる。一方、非線形光学材料の有効屈折率の
波長依存性により生ずる波長分散により、上記同相とな
る条件はさらに別の手段を採用しない限り満足されな
い。

【００３１】変換効率を増大させる既知の方法は擬似位
相整合と称さられる方法である。この解決方法におい
て、高次高調波の放射への変換は非線形光学材料層中の
伝播方向に沿う所定の位置においてだけ発生するので、
これらの位置で発生した高次高調波は互いに同相とな
る。

【００３２】この空間選択性変換は、異なる線形光学特
性及び／又は非線形光学特性を有し交互に形成された第
１及び第２の細条からなる構造体により行なうことがで
きる。この構造体は、光変調構造体と称する。基本波及
び２次高調波は互いに異なる速度で伝播するが、この構
造体の線形及び／又は非線形光学特性の周期的な変調に
より、この速度差の結果としての効果が補償される。既
知の周波増大素子において、この変調構造体は非線形光
学材料中に形成される。第１及び第２の細条の幅は基本
波と高次高調波との間の伝播速度差に依存し、この伝播
速度差はこれら２個の波に対する有効屈折率に依存する
ので、非線形材料相の材料の特性だけでなくこれの材料
層の厚さも重要である。この理由は、これら材料の特性
及び層の厚さが有効屈折率を決定するからである。所定
の細条の幅及び所定の材料特性において、非線形材料層
の厚さは正確に決定する必要がある。最適の厚さからわ
ずかに偏移している場合、この選択された光変調体はも
はや十分有効な位相整合を行なうことができないため、
変換効率が低下してしまう。特に、非線形光学材料層と
してポリマ層を用いる場合、必要な定数及びこの層の最
適厚さを適切に設定して最適な性能を得ることは困難で
ある。

【００３３】本発明では、上述した周波数増大素子につ
いて新規な概念を適用することにより上述した課題を解
決する。この新規な概念によれば、基本波及び２次高調
波を非線形光学材料層の変調構造体が形成されている部
分に集中させる。このため、屈折率ｎ₂の高屈折率層を
変調構造体に近接して形成する。ここで、近接して形成
するとは、零の距離を含み変調構造体が光波に対して十
分な作用を及ぼす距離を意味するものと理解すべきであ
る。屈折率ｎ₂は非線形光学材料層の屈折率ｎ ₁よりも
相当高くする。この高屈折率層が存在する場合、基本波
及び高次高調波の電界分布の中心は高屈折率層に向けて
偏位する。電磁放射は主として非線形光学材料層の部分
だけを伝播するから、この層が所定の最小厚さ以上の厚
さを有する場合この層の実際の厚さは意義を有しないこ
とにある。

【００３４】多くの場合、変調構造体の作用が高屈折層
によって乱されない限り、本発明は既知の周波数増大素
子の設計に高屈折率層だけを組み込むことよって実現す
ることができる。これ以外の場合、特に非線形光学材料
層がポリマ層の場合、光変調構造体を既知の周波数増大
素子の設計位置から新たな位置に変位させる必要があ
る。このような実施例を図２に示す。

【００３５】図２は本発明による光学素子７の第１実施
例の詳細な構造を線図的に示す。基板９は例えば二酸化
シリコン層（ＳｉＯ₂)が形成されているシリコン基板と
し、自然吸収性シリコンを他の材料層から分離すること
ができる。或は、基板９を全体として二酸化シリコンで
構成することができる。屈折率ｎ₃の基板９上に屈折率
ｎ₂の薄い高屈折率層を形成する（図２ａ）。次に、屈
折率層ｎ_mの線形材料から或るクラッド層１７を形成す
る。ここで、屈折率ｎ_mは、ｎ_m＜ｎ₂となるように設
定する。好ましくは、最適な効率を得るため、ｎ_m≧ｎ
₃とする。光変調構造体２１もクラッド層１７中に形成
する。光変調構造体は、厚さｄ₁及び幅Ｌ₁の第１の細
条１６とこの細条と交互に形成され厚さｄ₂及び幅Ｌ₂
の第２の細条１６´とで構成する。図２ｂではｄ₂＜ｄ
₁として図示する。Ｌ₁及びＬ₂は電磁放射の伝播方向
１８に沿って測定した細条の幅とする。細条の長手方向
は、矢印１８で図示した電磁放射の方向と直交する方向
とする。

【００３６】第２の細条１６´の厚さｄ₂を零とし、図
２ｃに示すように第１の細条１６が細条状の中間区域１
６´によって分離されるに層１７が細条１６だけを含む
ように構成することもできる。

【００３７】非線形光学材料層１９を周期的に形成した
クラッド層１７上に形成する。この状態をｄ₂＝０の光
学素子の場合として図２ｄに示す。このようにして、線
形光学材料で構成される第１の区域１４と少なくとも部
分的に非線形光学材料で構成される第２の区域１４´と
から成る光変調構造体２１が得られる。光学素子７中を
方向１８に沿って伝播する電磁放射は、選択した材料に
依存する線形特性及び非線形特性の周期的な変調を受け
ることになる。

【００３８】Ｌ₁及びＬ₂の値は位相整合させる要件に
よって決定する。この位相整合の要件により次の条件が
得られる。Ｌ₁＝（２ｎ＋１）ｌ_c,m及びＬ₂＝（２ｍ＋１）ｌ
_c,NLO ここで、ｎ及びｍは正の整数であり、ｌ_c,mは第１区域
１４のコヒレンス長であり、ｌ_c,NLOは第２区域１４´
のコヒーレンス長である。すなわち、Ｌ₁及びＬ₂はコ
ヒーレンス長の奇数倍である。正の整数ｍ及びｎは０と
することができるが、１倍のコヒーレンス長の寸法の区
域を形成することは、実際に製造する際問題がある。Ｌ
₁及びＬ₂の値は、コヒレンス長に関する既知の式から
得ることができる。

【００３９】

【数１】ここで、λは基本波の波長であり、

【外１】及び

【外２】は第２の区域１４´におけるそれぞれ２次高調波及び基
本波に対する有効屈折率であり、

【外３】及び

【外４】は第１の区域１４におけるそれぞれ２次高調波及び基本
波に対する有効屈折率である。

【００４０】基本波に対する有効屈折率と２次高調波に
対する有効屈折率との間の屈折率差は高屈折率層１５の
材料の特性及び層厚によって決定され、この屈折率差を
補償するために必要な所定の変調周期における変換効率
に応じて、厚さｄ₂は０≧ｄ ₂＜ｄ₁となるように選択
することができる。

【００４１】高屈折率層１５は基板９上に形成するのが
好ましいが、非線形光学材料層１９上に形成することも
できる。高屈折率層１５を変調構造体に近接させる必要
があり、すなわち高屈折率層１５中を伝播する電磁放射
が変調効果を受けるように近接させる必要がある。高屈
折率層１５は、例えば変調構造体に直接接触するように
形成することができる。さらに、光学素子７には、非線
形光学材料層の屈折率よりも低い屈折率のキャップ層
（図示せず）を形成することもできる。このキャップ層
は省略することもでき、省略する場合例えば空気がその
機能を果たすことになる。

【００４２】高屈折率層に好適な材料として、例えばＳ
ｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮ，Ｎｂ₂Ｏ₅及びＴｉＯ₂がある。こ
れら全ての材料は、最も一般的に使用されている非線形
光学材料に対して十分に高い屈折率を有している。これ
らの材料は容易にエッチングすることができると共に比
較的容易に薄膜形成することができる。さらに、Ｓｉ ₃
Ｎ₄は、この材料を用いる場合標準のシリコン技術によ
り周波数増大素子全体を製造できる利点がある。

【００４３】非線形光学材料として、高屈折率層よりも
十分に低い屈折率を有する種々の材料を用いることがで
きる。極めて好適な非線形光学材料は、１９９１年２月
４日に発行された雑誌″アプライドフィジクスレタ
ーズ（Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔｅｒｓ）第５８巻
（５）の第４３５頁〜４３７頁に記載されている文献″
ポールドポリマズフォーフリーケンシーダブリン
グオブダイオードレーザズ（Poled polymers for
frequency doubling of diode Lasers）に記載さ
れている組成物２５／７５ＭＳＭＡ／ＭＭＡの極性基
化にされたポリマである。このポリマは、８００ｎｍの
波長光に対して屈折率１．５２及び４００ｎｍの波長光
に対して屈折率１．５６と比較的低い屈折率を有してい
る。

【００４４】例えば上述した有機ポリマのような非線形
光学材料を用いる場合、実際上非線形光学材料層上に高
屈折率層１５を形成するのは問題となる。この理由は、
高屈折率層１５は高温で形成されたので、すでに形成さ
れているポリマ層に悪影響を及ぼすおそれがあるためで
ある。この場合、高屈折率層を非線形光学材料層の下側
に形成する実施例が好ましい。

【００４５】クラッド層１７に極めて好適な材料は、例
えばシリコンオキシニトライドがある。

【００４６】光学素子７はプレーナ型導波路であると仮
定した。しかしながら、本発明は、垂直方向である第１
の方向だけでなく、横方向である第２の方向すなわち第
１の方向及び伝播方向と直交する方向にも放射が極めて
狭い領域内にトラップされるチャネル導波路にも適用す
ることができる。放射を両方向にトラップすることによ
り、プレーナ型導波路よりも一層高いパワー密度が得ら
れる。

【００４７】上述した材料のうちの１つの材料から成る
高屈折率層を有するチャネル導波路の場合、これら材料
の容易にエッチングされる特性を利用できる利点があ
る。この場合、チャネルは高屈折率層をエッチングする
ことにより得られる。高屈折率層の表面領域の大部分は
所定の深さにエッチングされるので、この層１５の上側
表面は図３に示すリブ２３を有することになる。図３は
図２ｄに示す構造と同様な構造を有するが、高屈折率層
に電磁放射の伝播方向１８と平行なリブ２３が形成され
ているので、この光学素子はチャネル導波路のように作
動する。

【００４８】一般的に、チャネル導波路は、高屈折率層
上にリブを形成するか及び／又は高屈折材料層の屈折率
より低い屈折率を有する層のうちの１つの層に溝を形成
することにより実現することができる。

【００４９】図３の光学素子の線形光学材料から成る細
条１６はチャネルと直交する方向において図２ｄの光学
素子よりも相当短くすることができる。

【００５０】本願人からすでに出願された欧州特許出願
第９１２０２６０６，９号に記載されている方法と同様
に、チャネル導波路はシリコンの局部酸化技術（ＬＯＣ
ＯＳ）を用いて得ることができる。図４はＬＯＣＯＳ技
術により形成したチャネル導波路の実施例を電磁放射の
伝播方向と直交する断面を示す。この実施例において
は、酸素に対して不浸透性の材料から成る細条２６を酸
化シリンコン層２７がすでに形成されているシリコン基
板９上に形成する。細条２６が形成されている位置にお
いて酸化が抑制されるので、局部酸化を行なうことによ
りこの細条２６の下側においてシリコン酸化膜中に溝が
形成される。次に、溝２５が形成されている基板に高屈
折層は、光変調構造体としてのクラッド層１７及び非線
形光学材料層１９を順次形成する。

【００５１】ＬＯＣＯＳ技術を用いる利点は、シリコン
酸化層２７中の溝２５が極めて滑らかな壁部を有するの
で、エッチング形成された溝を用いる場合よりも放射損
失が一層低減される。

【００５２】細条２６がＳｉ₃Ｎ₄のような高屈折率材
料で構成される場合、この細条は溝が形成された後エッ
チング除去する必要はなく、図４に示すように高屈折率
の細条１５として用いる。

【００５３】変調構造体を個別に形成する代りに、周波
数増大層として周期的構造体を形成することができる。
図５は、周期的構造体２１が互いに異なる光学特性を有
する並列形成区域で構成される実施例を示す。非線形光
学材料層がポリマの場合、前述した米国特許明細書に記
載されているように、これらの区域は一方向に分極した
ドメインと反対方向に分極したドメイン或は分極された
ドメインと非分極ドメインとすることができる。或は、
変調構造体は非線形材料層中に形成した周期的矩形波型
構造体（図示せず）とすることができる。

【００５４】上述した実施例において、２次高調波の放
射は寸法Ｌ₂の区域で発生し、２次高調波以外の放射は
寸法Ｌ₁の区域で発生する。第１の区域１４のコヒーレ
ンス長ｌ_C,mと第２の区域１４′のコヒーレンス長ｌ
_C,NLDとが互いに等しい場合、Ｌ₁＋Ｌ₂＝（２ｎ＋１）ｌ_C,m＋（２ｍ＋１）ｌ
_C,NLD＝２ｎ’ｌ_C となり、パラメータすなわち変調器構造体の周期（Ｌ₁
＋Ｌ₂）を適切に選択することにより擬似位相整合条件
を満足することができる。周期（Ｌ₁＋Ｌ₂）を適切に
設定すると、基本波と２次高調波との間の位相差は２π
に等しくなるので、順次の区域で発生した２次高調波の
放射は以前に発生した２次高調波の放射と干渉し合うこ
となく累積的に加算される。

【００５５】コヒーレンス長に関する式より、コヒーレ
ンス長が等しくなるために必要な条件は、以下の式を満
たす必要がある。 Δｎ_NLD＝Δｎ_m 又は、

【数２】

【００５６】さらに、クラッド層１７に関して非線形光
学材料層１９の光学特性にほぼ等しい光学特性を有する
線形材料を用いる場合、すなわち基本波又は２次高調波
の放射或はこれら両方の放射について非線形光学材料及
び線形光学材料の屈折率が互いに等しい場合、すなわち
次式が成立する場合、

【数３】又は、

【数４】又は、ｎ_NLD＝ｎ_m 変調構造体を構成する層２１は電磁放射に対して等方性
導波路として作用し非線形光学材料と線形光学材料との
間の遷移区域において散乱が発生せず、この結果一層高
い変換効率が得られる。

【００５７】本発明は、周波数増倍を行なう光学素子だ
けでなく周波数増大させる光学素子に適用することがで
きる。さらに、例えば導波路に波長の異なる２個の放射
を投射する場合及び２個の周波数の和に等しい周波数の
放射を発生させる光学素子にも本発明を適用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学素子を具えるオプトエレクト
ロニクス装置を示す線図である。

【図２】変調構造体が周期的に構造化されたクラッド層
により形成される本発明による光学素子を示す斜視図で
ある。

【図３】チャネル導波路型の光学素子の構成を示す斜視
図である。

【図４】ＬＯＣＯＳを用いて得たチャネル導波路の形態
の光学素子の実施例を示す断面図である。

【図５】光変調構造体が周波数増大層中に形成されてい
る光学素子の実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１オプトエレクトロニクス装置３支持部材５放射源６，８電極７光学素子９基板１２活性層１５高屈折率層２１光変調構造体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ヘラルダスラディスラウヨハネスアンドレアスリッケンオランダ国 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 (72)発明者コンスンタスジェーンエリザベスセッペンオランダ国 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】基本波である電磁放射の周波数を増大さ
せる周波数増大光学素子であって、屈折率ｎ₁を有し基
本波の周波数を増大させる非線形光学媒体と、光変調構
造体とを具える周波数増大光学素子において、ｎ₁＜ｎ₂となる屈折率ｎ₂を有する高屈折率層を前記
光変調構造体に近接して形成したことを特徴とする周波
数増大光学素子。
【請求項２】請求項１に記載の周波数増大光学素子に
おいて、前記非線形光学媒体を、ｎ₃＜ｎ₁となる屈折
率ｎ₃を有し基板上に位置する導波路とし、前記光変調
構造体を、ｎ_m＜ｎ₂となる屈折率ｎ_mを有する線形光
学材料から成り、周期的に形成されたクラッド層を前記
基板と前記導波路との間に非線形光学材料の導波路と直
接接触するように形成することにより構成したことを特
徴とする周波数増大光学素子。
【請求項３】請求項２に記載の周波数増大光学素子に
おいて、前記クラッド層が電磁放射の伝播方向と直交す
る方向に延在する細条列を含み、これら細条列が、厚さ
ｄ₁及び幅Ｌ₁を有する第１の細条と、この第１の細条
と交互に形成した厚さｄ₂及び幅Ｌ₂を有する第２の細
条とで構成され、前記Ｌ₁及びＬ₂を電磁放射の伝播方
向に沿って測定した幅とし、ｎ及びｍを正の整数とし、
ｌ_c,mを光変調構造体が線形光学材料で形成されている
第１区域のコヒーレント長とし、ｌ_c,NLOを光変調構造
体が線形光学材料により部分的に構成されている第２区
域のコヒーレント長とした場合に、Ｌ₁＝（２ｎ＋１）
ｌ_c,m、及びＬ₂＝（２ｎ＋１）ｌ_c,NLO、並びにｄ₁
＞ｄ₂となるように設定したことを特徴とする周波数増
大光学素子。
【請求項４】請求項３に記載の周波数増大光学素子に
おいて、前記ｄ₂を、ｄ₂＝０としたことを特徴とする
周波数増大光学素子。
【請求項５】請求項２，３又は４に記載の周波数増大
光学素子において、前記クラッド層をシリコンオキシニ
トライドで形成したことを特徴とする周波数増大光学素
子。
【請求項６】請求項２から５でのいずれか１項に記載
の周波数増大光学素子において、前記導波路がポリマを
含むことを特徴とする周波数増大光学素子。
【請求項７】請求項１から６までのいずれか１項に記
載の周波数増大光学素子において、周波数増大光学素子
をチャネル型導波路としたことを特徴とする周波数増大
光学素子。
【請求項８】請求項１から７までのいずれか１項に記
載の周波数増大光学素子において、前記高屈折率層をＳ
ｉ₃Ｎ₄で構成したことを特徴とする周波数増大光学素
子。
【請求項９】請求項２から８までのいずれか１項に記
載の周波数増大光学素子において、前記非線形光学媒体
における基本波に対する有効屈折率と高次高調波に対す
る有効屈折率との差を、前記クラッド層における有効屈
折率差に少なくともほぼ等しくしたことを特徴とする周
波数増大光学素子。
【請求項１０】請求項２から８までのいずれか１項に
記載の周波数増大光学素子において、前記基本波及び／
又は高次高調波の放射に対する非線形光学媒体の屈折率
を、クラッド層の対応する屈折率に少なくともほぼ等し
くしたことを特徴とする周波数増大光学素子。
【請求項１１】基本波とな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ス装置であって、前記電磁
放射を発生するダイオードレーザが形成されている支持
部材と、周波数増大を行なう光学素子とを有するオプト
エレクトロニクス装置において、前記光学層を請求項１
から１０までのいずれか１項に記載の光学素子とし、前
記光学素子の基本波が伝播する層を前記ダイオードレー
ザの活性層と整列させ、ダイオードレーザの出射面と光
学素子の入射面とを互いに対向させたことを特徴とする
オプトエレクトロニクス装置。