JPH06273816A - 光導波路型第二高調波発生素子 - Google Patents
光導波路型第二高調波発生素子Info
- Publication number
- JPH06273816A JPH06273816A JP8526093A JP8526093A JPH06273816A JP H06273816 A JPH06273816 A JP H06273816A JP 8526093 A JP8526093 A JP 8526093A JP 8526093 A JP8526093 A JP 8526093A JP H06273816 A JPH06273816 A JP H06273816A
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- Japan
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- waveguide
- period
- electrodes
- wavelength
- optical waveguide
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、周期構造を利用する擬似位相整合
型の第二高調波発生（ＳＨＧ）素子であり、入射波の波
長に対する周期のずれを補償することのできる素子構造
を提供する。 【構成】 本発明による素子は、非線形光学結晶上に、
周期構造を有する光導波路２と、その光導波路２の両サ
イドにある電極４と、電極４に直流電圧を印加する電源
から構成される。周期はコヒーレンス長Λの二倍で、電
極は導波路に沿って平行に配置された金属膜である。電
極間へ電圧を印加すると、ポッケルス効果により導波路
の屈折率が変化し、見かけ上、周期幅が変化する。従っ
て、本発明の素子においては、入射波長に最適の周期幅
になるよう周期を調節することができるため、波長可変
でない半導体レーザに接続しても高い変換効率を得るこ
とができる。
型の第二高調波発生（ＳＨＧ）素子であり、入射波の波
長に対する周期のずれを補償することのできる素子構造
を提供する。 【構成】 本発明による素子は、非線形光学結晶上に、
周期構造を有する光導波路２と、その光導波路２の両サ
イドにある電極４と、電極４に直流電圧を印加する電源
から構成される。周期はコヒーレンス長Λの二倍で、電
極は導波路に沿って平行に配置された金属膜である。電
極間へ電圧を印加すると、ポッケルス効果により導波路
の屈折率が変化し、見かけ上、周期幅が変化する。従っ
て、本発明の素子においては、入射波長に最適の周期幅
になるよう周期を調節することができるため、波長可変
でない半導体レーザに接続しても高い変換効率を得るこ
とができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光情報処理分野、光
計測分野、医療分野における短波長の小型レーザ光源を
実現するためのＳＨＧ素子に関するものである。
計測分野、医療分野における短波長の小型レーザ光源を
実現するためのＳＨＧ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在のところ、短波長の緑色、青色を高
出力で発振できる半導体レーザの実現は難しいため、赤
外光を発振する半導体レーザ等の光から第二高調波を発
生させて、短波長レーザ光源を得る方法が提案されてい
る。
出力で発振できる半導体レーザの実現は難しいため、赤
外光を発振する半導体レーザ等の光から第二高調波を発
生させて、短波長レーザ光源を得る方法が提案されてい
る。
【０００３】これまでに提案されたＳＨＧ素子の一例と
して、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）の単結晶基板
上へ周期的にドメイン反転構造を作製した擬似位相整合
法によるＳＨＧ素子（E.J.Lim, M.M.Fejer, R.L.Byer :
Electron.Lett., 25, 731(1989)）がある。
して、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）の単結晶基板
上へ周期的にドメイン反転構造を作製した擬似位相整合
法によるＳＨＧ素子（E.J.Lim, M.M.Fejer, R.L.Byer :
Electron.Lett., 25, 731(1989)）がある。
【０００４】擬似位相整合素子においては、周期２Λと
基本波の波長λの間に次のような関係がある。 λ＝２Λ｛Ｎ（２ω）−Ｎ（ω）｝／（２ｍ−１） （１）
基本波の波長λの間に次のような関係がある。 λ＝２Λ｛Ｎ（２ω）−Ｎ（ω）｝／（２ｍ−１） （１）
【０００５】ここで、Ｎ（２ω）は導波路内におけるＳ
Ｈ波の等価屈折率、Ｎ（ω）は基本波の等価屈折率、ｍ
は自然数である。
Ｈ波の等価屈折率、Ｎ（ω）は基本波の等価屈折率、ｍ
は自然数である。
【０００６】このような擬似位相整合素子の問題点とし
て、入射する基本波の波長に対する周期２Λの許容範囲
が非常に狭いことがあげられる。たとえば、上記の引用
文献によると、ニオブ酸リチウムを用いて６．５μｍ周
期で作製したＳＨＧ素子では、８２０ｎｍの基本波から
４１０ｎｍのＳＨ波が得られるが、そのときの半値幅は
０．５ｎｍである。これは、周期の誤差が２ｎｍ以下で
あることに相当するが、通常のフォトリソグラフィ技術
で、ここまでの精度を期待することは現実的でない。ま
た、（１）式でΛを計算する際に用いる等価屈折率の値
を直接知ることは困難であり、通常、セルマイヤーの式
で求めたバルク結晶における屈折率で代用するため、計
算値そのものの確度が低い。このため、基本波の波長λ
に応じて（１）式から得られる周期２Λの素子を作製し
ても、実際にλの波長の光を入射したとき効率よくＳＨ
波を発生させることができない。この問題を回避するた
めに、このような素子では、λの周辺で波長を走査し、
周期の幅に最適の波長を選択できる波長可変レーザを用
いて、高いＳＨＧの変換効率を得ているのが現状であ
る。しかし、小型の短波長光源を実現するためには、波
長を変えることのできない半導体レーザにおいても高い
変換効率が得られるような素子構造にすることが望まれ
る。
て、入射する基本波の波長に対する周期２Λの許容範囲
が非常に狭いことがあげられる。たとえば、上記の引用
文献によると、ニオブ酸リチウムを用いて６．５μｍ周
期で作製したＳＨＧ素子では、８２０ｎｍの基本波から
４１０ｎｍのＳＨ波が得られるが、そのときの半値幅は
０．５ｎｍである。これは、周期の誤差が２ｎｍ以下で
あることに相当するが、通常のフォトリソグラフィ技術
で、ここまでの精度を期待することは現実的でない。ま
た、（１）式でΛを計算する際に用いる等価屈折率の値
を直接知ることは困難であり、通常、セルマイヤーの式
で求めたバルク結晶における屈折率で代用するため、計
算値そのものの確度が低い。このため、基本波の波長λ
に応じて（１）式から得られる周期２Λの素子を作製し
ても、実際にλの波長の光を入射したとき効率よくＳＨ
波を発生させることができない。この問題を回避するた
めに、このような素子では、λの周辺で波長を走査し、
周期の幅に最適の波長を選択できる波長可変レーザを用
いて、高いＳＨＧの変換効率を得ているのが現状であ
る。しかし、小型の短波長光源を実現するためには、波
長を変えることのできない半導体レーザにおいても高い
変換効率が得られるような素子構造にすることが望まれ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、周期構造
を利用した擬似位相整合素子において、電気光学効果を
用いて導波路の屈折率を変化させることにより、周期幅
と入射波長のずれを緩和し、効率よく第二高調波を発生
させようとするものである。
を利用した擬似位相整合素子において、電気光学効果を
用いて導波路の屈折率を変化させることにより、周期幅
と入射波長のずれを緩和し、効率よく第二高調波を発生
させようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、非線形光学結晶上に、周期構造を有する光導波路
と、その光導波路の両サイドにある電極と、電極に直流
電圧を印加する電源を有することを特徴とする擬似位相
整合型のＳＨＧ素子を用いて第二高調波を発生させる。
に、非線形光学結晶上に、周期構造を有する光導波路
と、その光導波路の両サイドにある電極と、電極に直流
電圧を印加する電源を有することを特徴とする擬似位相
整合型のＳＨＧ素子を用いて第二高調波を発生させる。
【０００９】非線形光学結晶としては、ニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウム、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）な
どの無機結晶と、ＭＮＡなどの有機結晶を使用すること
ができる。
ム、タンタル酸リチウム、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）な
どの無機結晶と、ＭＮＡなどの有機結晶を使用すること
ができる。
【００１０】周期構造を有する擬似位相整合素子とは、
周期的な分極反転構造を利用して位相整合をとるＳＨＧ
素子、または、周期的に導波路の幅が変動することによ
り位相整合をとるＳＨＧ素子、または、周期的に導波路
の屈折率が異なっていることにより位相整合をとるＳＨ
Ｇ素子である。このような擬似位相整合素子の周期２Λ
は入射する基本波の波長λによって変わり、周期２Λは
（１）式で与えられる。
周期的な分極反転構造を利用して位相整合をとるＳＨＧ
素子、または、周期的に導波路の幅が変動することによ
り位相整合をとるＳＨＧ素子、または、周期的に導波路
の屈折率が異なっていることにより位相整合をとるＳＨ
Ｇ素子である。このような擬似位相整合素子の周期２Λ
は入射する基本波の波長λによって変わり、周期２Λは
（１）式で与えられる。
【００１１】電極は、導波路を形成した面上で、導波路
にそって平行に、導波路の両サイドに配置された金属膜
から成る。導波路の両サイドの電極は、導波路と重なら
ない範囲で、できるだけ導波路に近づけた方がよい。チ
ャンネル導波路を作製するために用いたＴｉ、Ａｌなど
の金属膜のマスクをそのまま電極として使用することも
可能である。
にそって平行に、導波路の両サイドに配置された金属膜
から成る。導波路の両サイドの電極は、導波路と重なら
ない範囲で、できるだけ導波路に近づけた方がよい。チ
ャンネル導波路を作製するために用いたＴｉ、Ａｌなど
の金属膜のマスクをそのまま電極として使用することも
可能である。
【００１２】直流電圧を印加するための電源は、導波路
の両サイドの金属膜にそれぞれ取り付けられたリードに
接続する。
の両サイドの金属膜にそれぞれ取り付けられたリードに
接続する。
【００１３】
【作用】以下、この素子で、周期幅と入射波長のずれを
緩和できる理由を説明する。電圧が印加されるとポッケ
ルス効果により結晶の屈折率は、Ｎ（２ω）→Ｎ（２
ω）＋δＮ（２ω）、Ｎ（ω）→Ｎ（ω）＋δＮ（ω）
と変化する。従って基本波の波長λに対して、Ｎの変化
により（１）式を満たす２Λが次式のように２（Λ＋δ
Λ）に変わることになる。 λ＝２（Λ＋δΛ）｛Ｎ（２ω）−Ｎ（ω）＋δＮＤ｝／（２ｍ−１） （２） ただし、δＮＤ＝δＮ（２ω）−δＮ（ω）
緩和できる理由を説明する。電圧が印加されるとポッケ
ルス効果により結晶の屈折率は、Ｎ（２ω）→Ｎ（２
ω）＋δＮ（２ω）、Ｎ（ω）→Ｎ（ω）＋δＮ（ω）
と変化する。従って基本波の波長λに対して、Ｎの変化
により（１）式を満たす２Λが次式のように２（Λ＋δ
Λ）に変わることになる。 λ＝２（Λ＋δΛ）｛Ｎ（２ω）−Ｎ（ω）＋δＮＤ｝／（２ｍ−１） （２） ただし、δＮＤ＝δＮ（２ω）−δＮ（ω）
【００１４】つまり、λが一定の場合、作製した周期が
２Λから２（Λ＋δΛ）にずれていたとしても、電圧を
印加してδＮＤの屈折率の変化を生じさせることによ
り、見かけ上、基本波の波長λに対して最適の周期幅を
持つ構造にすることが可能である。
２Λから２（Λ＋δΛ）にずれていたとしても、電圧を
印加してδＮＤの屈折率の変化を生じさせることによ
り、見かけ上、基本波の波長λに対して最適の周期幅を
持つ構造にすることが可能である。
【００１５】このときに必要な電圧の大きさは、各結晶
の電気光学定数と導波路の幅によって異なる。波長ωの
光に対する屈折率の変化量は、電気光学定数をｒ、電圧
をＶ、導波路の幅をｄとすると、 δＮ（ω）＝１／２・ｒ・Ｎ（ω）3 ・ｖ／ｄ で表される。δＮＤ《Ｎ（２ω）−Ｎ（ω）のときδΛ
は（１）、（２）より ２δΛ＝−δＮＤλ（２ｍ−１）／｛Ｎ（２ω）−Ｎ
（ω）｝ のようになる。
の電気光学定数と導波路の幅によって異なる。波長ωの
光に対する屈折率の変化量は、電気光学定数をｒ、電圧
をＶ、導波路の幅をｄとすると、 δＮ（ω）＝１／２・ｒ・Ｎ（ω）3 ・ｖ／ｄ で表される。δＮＤ《Ｎ（２ω）−Ｎ（ω）のときδΛ
は（１）、（２）より ２δΛ＝−δＮＤλ（２ｍ−１）／｛Ｎ（２ω）−Ｎ
（ω）｝ のようになる。
【００１６】ニオブ酸リチウムおよびＫＴＰでは０．８
〜１．０μｍの基本波の波長に対してλ（２ｍ−１）／
｛Ｎ（２ω）−Ｎ（ω）｝は５〜１５μｍとなり、δΛ
としては、最低０．０１μｍ以上が必要であるので、δ
ＮＤが０．００１３〜０．００４になるｖ以上の電圧を
与えることが必要である。
〜１．０μｍの基本波の波長に対してλ（２ｍ−１）／
｛Ｎ（２ω）−Ｎ（ω）｝は５〜１５μｍとなり、δΛ
としては、最低０．０１μｍ以上が必要であるので、δ
ＮＤが０．００１３〜０．００４になるｖ以上の電圧を
与えることが必要である。
【００１７】
【実施例】本発明による実施例を図１により説明する。
１はＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）単結晶のＸ板である。こ
の単結晶のＸ面に２に示す周期的に幅の変化する導波路
が形成されている。導波路の幅が周期的に変わると、基
本波とＳＨ波の空間結合係数に生じる変調により擬似位
相整合条件を満たすことになる。
１はＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）単結晶のＸ板である。こ
の単結晶のＸ面に２に示す周期的に幅の変化する導波路
が形成されている。導波路の幅が周期的に変わると、基
本波とＳＨ波の空間結合係数に生じる変調により擬似位
相整合条件を満たすことになる。
【００１８】ＫＴＰ単結晶には半導体レーザ３の出力光
が導波路２に入るように接続されている。４は電極とし
て用いる金属膜である。半導体レーザからの出力光は、
ＫＴＰ基板上に形成された光導波路内で、Ｚ方向に平行
な電界成分をもつように結合すると、ＫＴＰのもつ最大
の非線形光学定数ｄ33＝１４×１０-12 ｍ／Ｖを利用す
ることができる。半導体レーザから導波路２の中に、基
本波として８８０ｎｍの波長の光を入れるとすると、周
期２Λは、式（１）においてｍ＝１の場合４．８０μｍ
である。ここで、Ｎ（２ω）、およびＮ（ω）の値とし
て、ＫＴＰのセルマイヤーの式（Appl. Opt. 27, 3314
(1988) ）から求めた数値、Ｎ（２ω）＝１．９３０
２、Ｎ（ω）＝１．８３８４を用いた。
が導波路２に入るように接続されている。４は電極とし
て用いる金属膜である。半導体レーザからの出力光は、
ＫＴＰ基板上に形成された光導波路内で、Ｚ方向に平行
な電界成分をもつように結合すると、ＫＴＰのもつ最大
の非線形光学定数ｄ33＝１４×１０-12 ｍ／Ｖを利用す
ることができる。半導体レーザから導波路２の中に、基
本波として８８０ｎｍの波長の光を入れるとすると、周
期２Λは、式（１）においてｍ＝１の場合４．８０μｍ
である。ここで、Ｎ（２ω）、およびＮ（ω）の値とし
て、ＫＴＰのセルマイヤーの式（Appl. Opt. 27, 3314
(1988) ）から求めた数値、Ｎ（２ω）＝１．９３０
２、Ｎ（ω）＝１．８３８４を用いた。
【００１９】ＫＴＰ結晶のＺ軸方向に電界を印加したと
きの波長６３３ｎｍの光に対する屈折率変化は、δＮ
（６３３）＝１／２・ｒ33ｎ3 Ｅで与えられる。ｒ33＝
３５ｐｍ／Ｖ、ｎ＝１．８６であるから、１０Ｖ／μｍ
の電界Ｅに対して１．１×１０-3の屈折率変化が期待で
きる。
きの波長６３３ｎｍの光に対する屈折率変化は、δＮ
（６３３）＝１／２・ｒ33ｎ3 Ｅで与えられる。ｒ33＝
３５ｐｍ／Ｖ、ｎ＝１．８６であるから、１０Ｖ／μｍ
の電界Ｅに対して１．１×１０-3の屈折率変化が期待で
きる。
【００２０】この素子の場合、導波路の幅が変化してい
るので、４の電極間に適当な電圧を印加したとき電界強
度が場所によって変化するため、δＮ（２ω）、δＮ
（ω）、δＮはいずれも周期的に変動することになる。
そこで導波路の幅の広いところと狭いところの等価屈折
率を平均化して考えることにする。いまδＮＤの平均変
化量に着目し、これを−１．０×１０-3から＋１．０×
１０-3まで変化させたとすると、それに対応した周期は
４．７４μｍから４．８４μｍに変化する。すなわち、
４．８０μｍで設計した周期が実際に作製したときには
若干ずれていても、電圧をかけることにより最適周期に
することができる。
るので、４の電極間に適当な電圧を印加したとき電界強
度が場所によって変化するため、δＮ（２ω）、δＮ
（ω）、δＮはいずれも周期的に変動することになる。
そこで導波路の幅の広いところと狭いところの等価屈折
率を平均化して考えることにする。いまδＮＤの平均変
化量に着目し、これを−１．０×１０-3から＋１．０×
１０-3まで変化させたとすると、それに対応した周期は
４．７４μｍから４．８４μｍに変化する。すなわち、
４．８０μｍで設計した周期が実際に作製したときには
若干ずれていても、電圧をかけることにより最適周期に
することができる。
【００２１】この素子は次のようにして作製することが
できる。まず、導波路を作製したい領域以外を通常のフ
ォトリソグラフィの技術を利用してＴｉ膜で覆う。その
後、Ｂａ（ＮＯ3 ）2 とＲｂＮＯ3 の混合融液中でＫＴ
Ｐ結晶を熱処理すると、Ｔｉ膜のついていない部分につ
いてＫ+ イオンとＲｂ+ イオンの交換が行われ導波路が
形成される。イオン交換後、Ｔｉ膜はリードをつけて電
極として用いる。
できる。まず、導波路を作製したい領域以外を通常のフ
ォトリソグラフィの技術を利用してＴｉ膜で覆う。その
後、Ｂａ（ＮＯ3 ）2 とＲｂＮＯ3 の混合融液中でＫＴ
Ｐ結晶を熱処理すると、Ｔｉ膜のついていない部分につ
いてＫ+ イオンとＲｂ+ イオンの交換が行われ導波路が
形成される。イオン交換後、Ｔｉ膜はリードをつけて電
極として用いる。
【００２２】
【発明の効果】上述したように、本発明の素子によれ
ば、赤外〜赤色の波長の光を発振する半導体レーザなど
の光源から第二高調波を発生させることによって、高出
力で安定した短波長のレーザ光を得ることができる。
ば、赤外〜赤色の波長の光を発振する半導体レーザなど
の光源から第二高調波を発生させることによって、高出
力で安定した短波長のレーザ光を得ることができる。
【図１】本発明の実施例によるＳＨＧ素子の概略図であ
る。
る。
１ ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）単結晶のＸ板 ２ 導波路 ３ 半導体レーザ ４ 金属膜
Claims (1)
- 【請求項１】 非線形光学結晶上に周期構造を有する光
導波路と、その光導波路の両サイドにある電極と、電極
に直流電圧を印加する電源を有することを特徴とする擬
似位相整合型の第二高調波発生（ＳＨＧ）素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8526093A JPH06273816A (ja) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | 光導波路型第二高調波発生素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8526093A JPH06273816A (ja) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | 光導波路型第二高調波発生素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06273816A true JPH06273816A (ja) | 1994-09-30 |
Family
ID=13853610
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8526093A Withdrawn JPH06273816A (ja) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | 光導波路型第二高調波発生素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06273816A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2786279A1 (fr) * | 1998-11-24 | 2000-05-26 | Cit Alcatel | Composant optique a base d'amplificateurs optiques a semi-conducteur comportant un nombre reduit d'electrodes independantes |
| KR100392367B1 (ko) * | 2000-11-06 | 2003-07-22 | 한국전자통신연구원 | 주기분극 광섬유 제조용 전극선 및 그를 이용한 주기분극광섬유 제조 방법 |
| KR100420951B1 (ko) * | 2002-04-17 | 2004-03-02 | 한국전자통신연구원 | 분극 광섬유, 분극 광섬유를 제조하는 방법 및 분산 보상기 |
| CN105372901A (zh) * | 2015-12-04 | 2016-03-02 | 华中科技大学 | 一种硅基全光波长转换器 |
| JP2019509509A (ja) * | 2016-01-22 | 2019-04-04 | セントレ ナシオナル デ ラ ルシェルシェ シエンティフィーク | 光子の多色及び空間的自己適応型ビームを発生するための装置 |
-
1993
- 1993-03-19 JP JP8526093A patent/JPH06273816A/ja not_active Withdrawn
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2786279A1 (fr) * | 1998-11-24 | 2000-05-26 | Cit Alcatel | Composant optique a base d'amplificateurs optiques a semi-conducteur comportant un nombre reduit d'electrodes independantes |
| EP1004919A1 (fr) * | 1998-11-24 | 2000-05-31 | Alcatel | Composant optique à base d'amplificateurs optiques à semi-conducteur comportant un nombre réduit d'electrodes indépendantes |
| US6215935B1 (en) | 1998-11-24 | 2001-04-10 | Alcatel | Optical component based on semi-conductor optical amplifiers having a reduced number of independent electrodes |
| KR100392367B1 (ko) * | 2000-11-06 | 2003-07-22 | 한국전자통신연구원 | 주기분극 광섬유 제조용 전극선 및 그를 이용한 주기분극광섬유 제조 방법 |
| US6654520B2 (en) | 2000-11-06 | 2003-11-25 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Periodically poled optical fiber and method for the manufacture thereof |
| KR100420951B1 (ko) * | 2002-04-17 | 2004-03-02 | 한국전자통신연구원 | 분극 광섬유, 분극 광섬유를 제조하는 방법 및 분산 보상기 |
| CN105372901A (zh) * | 2015-12-04 | 2016-03-02 | 华中科技大学 | 一种硅基全光波长转换器 |
| JP2019509509A (ja) * | 2016-01-22 | 2019-04-04 | セントレ ナシオナル デ ラ ルシェルシェ シエンティフィーク | 光子の多色及び空間的自己適応型ビームを発生するための装置 |
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