JPH07287266A

JPH07287266A - 光導波路型第二高調波発生素子への光結合方法

Info

Publication number: JPH07287266A
Application number: JP10195194A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ueda; 健司植田; Masahiro Daimon; 正博大門; Yukihiro Yamamoto; 幸弘山本; Kazuo Suzuki; 和雄鈴木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 1995-10-31

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザー光を境界面での反射損失がなく光導
波路に入射でき、かつ低ＮＡのレンズでも微小のスポッ
トを得ることにより、効率良くＳＨＧ光を発生させるこ
とができる光導波路型第二高調波発生素子への光結合方
法を提供する。【構成】半導体レーザー１０から出た光を光ファイバ
ー（屈折率１．５）１１の一方の端面に直接結合させ、
他方の端面から出射した光が透明媒質１２を通り、非線
形光学材料（ＫＴＰ、屈折率１．８６）２０上に形成さ
れたセグメント導波路２１に結合するという構成をして
いる。透明媒質１２としては、ポジ型のフォトレジスト
（屈折率１．６７）を用いる。また、透明媒質１２をレ
ーザー光の波長の４分の１の厚さで光ファイバー１１と
セグメント導波路２１の間を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理分野、光応
用計測制御分野、印刷・製版分野、医用分野等に使用さ
れるレーザー光において、その光の波長を半分にする光
導波路型第二高調波発生素子への光結合方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】分極反転させた光導波路型の第二高調波
発生（ＳＨＧ）素子への光の結合は、従来対物レンズ等
により直接光を絞り込む方法や、光ファイバーを近接さ
せることで結合させる方法等があった。しかし、これら
の方法では、光は入射端面にほぼ垂直に入射するため
（０゜入射）、異なる屈折率媒質間の境界面で反射し、
光量損失が生じる。半導体レーザーのように出力のあま
り大きくないレーザー光のＳＨＧを発生させる場合、僅
かな光量損失でも除去することが望ましい。通常、境界
面での反射損失を除去するためには、真空蒸着により無
反射（ＡＲ）コーティングを施すが、光導波路型ＳＨＧ
素子の場合、非線形光学結晶の極表層の部分に光を入射
するため、ＡＲコーティングにより反射光を除去するこ
とは困難であるという問題があった。

【０００３】また、光導波路型ＳＨＧ素子では、変換効
率を向上させるために、通常のシングルモード光導波路
より小さなサイズの導波路へ光を結合させ、導波路中で
の光の電場強度を増大させることが重要である。しか
し、微小スポットを得るために一般的に用いられる高Ｎ
Ａ（開口数）のレンズによる導波路への結合では僅かな
アライメントのずれでも収差によりスポット径が増大し
てしまい、所望のスポット径を得ることが困難であると
いう問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、光導波路型
ＳＨＧ素子の光の入射端面とレンズまたは光ファイバー
の間に屈折率がそれらの間に存在する透明媒質を入射光
の波長の４分の１の厚さで満たすことにより、レーザー
光を境界面での反射損失がなく光導波路に入射でき、か
つ低ＮＡのレンズでも微小のスポットを得ることによ
り、効率良くＳＨＧ光を発生させることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１記載の発明は、非線形光学結晶内に周期的に
自発分極の向きを反転させた導波路内で第二高調波を発
生させる光導波路型第二高調波発生素子への光結合方法
において、光導波路に光を結合させる媒体と光導波路と
の間に、屈折率がそれらの間に存在する透明媒質を満た
し、該透明媒質の厚さを入射する光の波長の４分の１に
して光を結合させることを特徴とするものである。

【０００６】請求項２記載の発明にかかる光導波路型第
二高調波発生素子への光結合方法は、請求項１記載の発
明において、上記光を結合させる媒体が光ファイバーで
あることを特徴とするものである。

【０００７】請求項３記載の発明にかかる光導波路型第
二高調波発生素子への光結合方法は、請求項１記載の発
明において、上記光を結合させる媒体が屈折率分布型レ
ンズであることを特徴とするものである。

【０００８】請求項４記載の発明にかかる光導波路型第
二高調波発生素子への光結合方法は、請求項１、２又は
３記載の発明において、上記透明媒質が紫外線硬化樹脂
であることを特徴とするものである。

【０００９】請求項５記載の発明にかかる光導波路型第
二高調波発生素子への光結合方法は、請求項１、２又は
３記載の発明において、上記透明媒質がフォトレジスト
であることを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】光は、屈折率の異なる媒質１と媒質２を通過す
る時、その境界面で反射する。その時の反射率Ｒは、媒
質１の屈折率をｎ₁、媒質２の屈折率をｎ₂とすると次
式で表される。Ｒ＝（ｎ₁−ｎ₂）²／（ｎ₁＋ｎ₂）² このように、屈折率差が大きいほど反射率が増加するこ
とがわかる。また、光は位相がπずれると干渉で打ち消
しあうことが知られている。

【００１１】これらのことを考慮し、光が媒質１→媒質
２→媒質３と進む場合を考えると、媒質１が光ファイバ
ー（屈折率１．５）、媒質２が空気（屈折率１）、媒質
３がＫＴＰ（屈折率１．８６）のとき、トータルの反射
率は１３％となり、媒質２が水（屈折率１．３３）の時
は３．１％に減少する。最も反射率が減少するのは媒質
１→媒質２と媒質２→媒質３で等しい反射率になる場合
であり、媒質２の屈折率が１．６７の時がその条件を満
たしトータルの反射率は０．６％になる。このとき、媒
質２の厚さが入射光の波長の４分の１である場合、媒質
１→媒質２で反射した光と媒質２→媒質３で反射した光
の位相がπずれるため干渉で打ち消し合い、１００％光
が媒質３内に入るようになる。さらに、媒質２の屈折率
が大きくなると光のスポットサイズが空気中で集光した
ときの１／ｎ₂になり低ＮＡのレンズでもスポットサイ
ズが小さくできるため、シングルモード導波路のような
開口径の小さい導波路への結合も容易になる。その結
果、光導波路への結合に応用した場合、結合効率を大幅
に向上させることが可能となる。

【００１２】光導波路構造をしたＳＨＧ素子の特徴は、
一般的な位相整合（角度、温度）では使うことの出来な
いｄ₃₃という非線形定数が利用できることである。ｄ₃₃
は、他の非線形定数に比べ一桁程度大きいため、ＬＤの
ような低出力のレーザー光でも十分波長変換が行える。
光導波路型ＳＨＧ素子にはチェレンコフ放射を用いるも
のや、分極を反転させた擬似位相整合を用いるものがあ
るが、ＳＨＧの集光特性や変換効率の点で擬似位相整合
の方が優れている。また、擬似位相整合のＳＨＧ素子
は、光を閉じ込める導波路層がチャンネル型とセグメン
ト型のものに分類されるが、導波路と分極反転を同じ工
程で行えるセグメント型の方がプロセスを簡略化できる
点で有利である。ｄ₃₃を有効に利用するためには、非線
形光学結晶の切断を結晶のＺ軸に垂直にするのがよい
（Ｚ板）。分極反転させていない非線形光学結晶に入射
した光は、結晶の種類と波長によって決まるコヒーレン
ト長ｌ_cの周期でＳＨＧの強度が増減を繰り返すが、分
極反転させ擬似位相整合をとった場合、ｌ_c〜２ｌ_cの
間で干渉により打ち消されて減少したＳＨＧの強度が、
反対に強め合わされて増加するようになり、長い距離を
伝播させることで大きなＳＨＧ出力が得られる。この結
果、結晶の切断面を波長により変えることなく弱い強度
のレーザー光でも十分な変換効率を達成することが可能
となる。

【００１３】

【実施例】以下に本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。図１は、本発明の一実施例である、半導
体レーザーからの光を光ファイバーにより光導波路型Ｓ
ＨＧ素子に結合させる光学系の全体像を説明するための
図である。図２は、光ファイバーから光導波路へ光を結
合させる部分を拡大した図である。

【００１４】本実施例の光導波路型ＳＨＧ素子への光結
合方法は、図１に示すように、半導体レーザー１０から
出た光を光ファイバー１１の一方の端面に直接結合さ
せ、他方の端面から出射した光が透明媒質１２を通り、
非線形光学材料２０上に形成されたセグメント導波路２
１に結合するという構成をしている。本実施例では、Ｓ
ＨＧ素子であるため、非線形光学材料２０として、二次
の非線形現象を示し、かつ非線形光学材料のＺ軸方向に
生じている自発分極を容易に反転させることの出来るも
の、たとえばＫＴＰやタンタル酸リチウム（ＬＴ）やニ
オブ酸リチウム（ＬＮ）等を用いる。以下、非線形光学
材料にＫＴＰ単結晶のＺ板を用いた場合の実施例につい
て説明する。

【００１５】ＫＴＰ単結晶のＺ面には、周期的に自発分
極が反転し、かつ屈折率が基板よりも大きいレンズ状の
領域２２が形成されている。分極反転及び、屈折率増加
は、ＫＴＰ中のカリウムをルビジウム及びバリウムにイ
オン交換することによって作製できる。分極反転の周期
は８５０ｎｍの基本波を考えた場合、３〜５μｍとな
る。図２に示すように、光ファイバー１１から出射され
た波長８５０ｎｍのレーザー光３０は、屈折率が１．５
〜１．８６、好ましくは１．６５〜１．７の範囲にある
透明媒質１２を通り非線形光学材料２０上に作られたセ
グメント導波路２１に達する。上記した範囲の屈折率を
持つ透明媒質としては、ポジ型のフォトレジストがある
（屈折率１．６７）。フォトレジストは、粘性が大きい
液体であるため、光ファイバー１１と非線形光学材料２
０の間を満たすのに適しており、さらに１５０℃前後の
温度で容易に固化させることが出来るため接着剤の役割
も果たすことが出来る。このとき、光ファイバー１１と
非線形光学材料２０との距離が０．１２５μｍであると
光ファイバー１１の出口で反射したレーザー光と非線形
光学材料２０で反射されたレーザー光が完全に打ち消し
あうため、無反射でセグメント導波路２１へ結合させる
ことが出来るようになった。結合したレーザー光３１
は、周期的に屈折率および、分極の向きが反転したセグ
メント導波路２１を伝播し、ＳＨＧへと変換される。こ
のため、従来のような端面を未処理のものではおよそ１
３％の反射損失があったものが、透明媒質１２をレーザ
ー光３０の波長の４分の１の厚さで光ファイバー１１と
導波路２１の間を満たすことにより反射損失が０にな
り、さらにレーザー光３０のスポットサイズが４０％小
さくなり結合効率が４０％向上したため、ＳＨＧ出力と
してはおよそ４．５倍の向上が図れるようになった。

【００１６】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものでなく、ＫＴＰ結晶の代わりにＬＮやＬＴ等、分
極反転と屈折率変化が容易に行える材料を用いれば、最
適な屈折率の透明媒質を用いることによりＳＨＧの出力
向上が可能となる。また、光ファイバーの代わりに屈折
率分布型レンズを用いたり、フォトレジストの代わりに
紫外線硬化樹脂を用いても何等問題はない。

【００１７】

【発明の効果】上述したように、本発明の光導波路型Ｓ
ＨＧ素子への光結合方法によれば、光ファイバーまたは
レンズの屈折率と、非線形光学材料の屈折率の中間の屈
折率を持つ透明媒質を波長の４分の１の厚さで使用する
ことにより高効率でＳＨＧを発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である、半導体レーザーから
の光を光ファイバーにより光導波路型ＳＨＧ素子に結合
させる光学系の全体像を説明するための図である。

【図２】本発明の一実施例である、光ファイバーから光
導波路へ光を結合させる部分を拡大した図である。

【符号の説明】１０半導体レーザー１１光ファイバー１２透明媒質２０非線形光学結晶（ＫＴＰ）２１セグメント導波路２２レンズ状の領域３０波長８５０ｎｍのレーザー光３１結合したレーザー光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本幸弘神奈川県川崎市中原区井田1618番地新日本製鐵株式会社先端技術研究所内 (72)発明者鈴木和雄東京都千代田区大手町２丁目６番３号新日本製鐵株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非線形光学結晶内に周期的に自発分極の
向きを反転させた導波路内で第二高調波を発生させる光
導波路型第二高調波発生素子への光結合方法において、
光導波路に光を結合させる媒体と光導波路との間に、屈
折率がそれらの間に存在する透明媒質を満たし、該透明
媒質の厚さを入射する光の波長の４分の１にして光を結
合させることを特徴とする光導波路型第二高調波発生素
子への光結合方法。
【請求項２】上記光を結合させる媒体が光ファイバー
であることを特徴とする請求項１記載の光導波路型第二
高調波発生素子への光結合方法。
【請求項３】上記光を結合させる媒体が屈折率分布型
レンズであることを特徴とする請求項１記載の光導波路
型第二高調波発生素子への光結合方法。
【請求項４】上記透明媒質が紫外線硬化樹脂であるこ
とを特徴とする請求項１、２又は３記載の光導波路型第
二高調波発生素子への光結合方法。
【請求項５】上記透明媒質がフォトレジストであるこ
とを特徴とする請求項１、２又は３記載の光導波路型第
二高調波発生素子への光結合方法。