JPH0833563B2 - 光波長変換モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、基本波をその1/2の波長の第２高調波等に
変換するファイバー型の光波長変換素子を用いた光波長
変換モジュールに関するものである。

（従来の技術） 従来より、非線形光学材料を利用して、レーザー光を
第２高調波等に波長変換（短波長化）する試みが種々な
されている。このようにして波長変換を行なう光波長変
換素子として具体的には、例えば「光エレクトロニクス
の基礎」A.YARIV著，多田邦雄，神谷武志訳（丸善株式
会社）のp200〜204に示されるようなバルク結晶型のも
のがよく知られている。ところがこの光波長変換素子
は、位相整合条件を満たすために結晶の複屈折を利用す
るので、非線形性が大きくても複屈折性が無い材料ある
いは小さい材料は利用できない、という問題があった。

上記のような問題を解決できる光波長変換素子とし
て、いわゆるファイバー型のものが提案されている。こ
の光波長変換素子は、クラッド内に非線形光学材料から
なるコアが充てんされた光ファイバーであり、応用物理
学会懇話会微小光学研究グループ機関誌VOL.3,No.2,p28
〜32にはその一例が示されている。このファイバー型の
光波長変換素子においては、コア部における基本波の導
波モードと、第２高調波等のクラッドへの放射モードと
の間で容易に位相整合をとることができる（いわゆるチ
ュレンコフ放射の場合）ので、最近ではこのファイバー
型光波長変換素子についての研究が盛んになされてい
る。

ところで、上述のようにして得た波長変換波はクラッ
ドの端面から取り出されて、種々の目的のために利用さ
れるが、その場合、波長変換波を小さなスポットに絞っ
て利用したいことが多い。例えば波長変換波を光記録に
利用する場合等にあっては、記録密度向上等の点から、
波長変換波を特に微小なスポットに絞り込むことが望ま
れる。

ところが、上述のファイバーチェレンコフ型の光波長
変換素子においては、素子外に取り出した波長変換波を
一般的な球面レンズに通して絞ろうとしても、小さなス
ポットに収束しないという問題が認められる。そこで本
発明者等は先に、波長変換波を小さなスポットに絞り込
むことを可能にする光波長変換素子、および光波長変換
モジュールを提案した（特願昭63-186080号、同63-1860
81号）。この光波長変換素子は、ファイバーチェレンコ
フ型の光波長変換素子において、波長変換波が出射する
クラッド端面を、該波長変換波の波面を円錐波面から平
面波面に変換する円錐面状とし、あるいは球面波面に変
換する非球面レンズとしたり、さらには上述のクラッド
端面に、上記と同様の波長変換作用を果たす同心円グレ
ーティングを形成したものである。

また上記の特許出願において提案された光波長変換モ
ジュールは、ファイバーチェレンコフ型の光波長変換素
子と、この光波長変換素子のクラッド端面から出射した
波長変換波が入射する位置に配され、この波長変換波の
波面を円錐波面から平面波面に、あるいは球面波面に変
換する光学素子とから構成されたものである。

以上述べたような光学素子や、円錐面状のクラッド端
面、さらにはクラッド端面に形成された同心円グレーテ
ィングの作用により波長変換波の波面を平面波面に変換
できれば、その波長変換波を通常の球面レンズに通すこ
とにより、小さなスポットに絞り込むことが可能にな
る。

また上記の光学素子や、非球面レンズ面とされたクラ
ッド端面、さらにはクラッド端面に形成された同心円グ
レーティングの作用により波長変換波の波面を収束球面
波面に変換できれば、該波長変換波を小さなスポットに
絞ることができるし、また発散球面波面に変換しても、
その波長変換波を通常の球面レンズに通すことにより、
小さなスポットに絞り込むことが可能になる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上記のような光波長変換素子や光波長変換
モジュールにおいては、波長変換波を良好に絞り込むた
めに、ファイバーの長さやコア径、さらには光波長変換
素子と光学素子との距離等を基本波波長に対応させて厳
密に所定値に設定する必要がある。したがって光波長変
換素子や光波長変換モジュールの作成に際して、ファイ
バーの長さやコア径等の許容誤差は非常に小さくなり、
そのため、この種の光波長変換素子や光波長変換モジュ
ールは歩留りが低く、必然的に高価なものとなってい
た。またこのような光波長変換素子や光波長変換モジュ
ールを用いる場合、基本波発生源としての光源（例えば
半導体レーザー）も、波長の変動が極めて小さいものを
選別して使用する必要があるから、この点からも光波長
変換素子や光波長変換モジュールを用いる装置がコスト
アップするという問題がある。

また、上記のようにファイバーの長さやコア径等の許
容誤差が非常に小さいと、光波長変換素子等のコストア
ップを招くのみならず、例えばコア径に関しては、現在
の技術では加工精度をその小さな許容誤差内に収めるこ
とが全く不可能になる、という問題も生じる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、フ
ァイバーチェレンコフ型の光波長変換素子を有し、クラ
ッド中に放射された波長変換波の波面を円錘波面から平
面波または球面波に変換するようにした光波長変換モジ
ュールにおいて、ファイバーの長さやコア径等の許容誤
差を拡大することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明による光波長変換モジュールは、上記ファイバ
ーチェレンコフ型の光波長変換素子と、この光波長変換
素子に入射される基本波としてのレーザー光を発する半
導体レーザーと、クラッド中に放射された波長変換波の
波面を円錘波面から平面波または球面波に変換させる波
面変換手段とからなる光波長変換モジュールにおいて、
光波長変換素子および半導体レーザーの温度を調節する
温度調節手段が設けられたことを特徴とするものであ
る。

なお上記の波面変換手段は、前述したような光学素子
であってもよいし、あるいは円錘面状、非球面レンズ状
に加工されたり同心円グレーティングが形成されたクラ
ッド端面であってもよい。

（作用） ファイバーチェレンコフ型の光波長変換素子において
は、素子温度を変化させると、それに応じてコア屈折率
およびクラッド屈折率が変化するので、位相整合角度が
変化する。一方、波長変換波を良好に絞り込む上でのフ
ァイバーの長さやコア径等の条件の最適値は、位相整合
角度によって変わるものである。したがって、現実に作
成された光波長変換素子に関するこれらの条件が、所定
の設計値に対して誤差を有していても、素子温度を変化
させて位相整合角度を変化させることにより、これらの
現実の条件を、波長変換波を良好に絞り込む上での最適
値あるいはそれに近い値とすることができる。また半導
体レーザーの発振波長が所定の設定値とずれていると、
位相整合角度が設計値と異なり、上記条件の最適値が変
わることになるが、上述のようにして位相整合角度を変
えれば、この発振波長のずれを補償することができる。

また、半導体レーザーの発振波長もその温度を変化さ
せることによって変化する。この発振波長つまり光波長
変換素子に入射される基本波の波長が変われば、位相整
合角度が変化するので、半導体レーザーの温度を変化さ
せることにより、この場合も上記と同様に、現実のファ
イバーの長さやコア径等の条件を、波長変換波を良好に
絞り込む上での最適値あるいはそれに近い値とすること
ができる。

（実施例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説
明する。

第１図は本発明の第１実施例による光波長変換モジュ
ール５を示すものである。この光波長変換モジュール５
は、光波長変換素子10と、この光波長変換素子10によっ
て波長変換される基本波15を発する半導体レーザー20
と、２枚の凸レンズ21、22およびビーム整形プリズム2
3、24からなる入力光学系15と、円錐レンズ26と、集光
レンズ27と、例えばペルチェ素子からなり各々光波長変
換素子10、半導体レーザー20の近傍に配置された温度調
節素子28、29と、これらの素子28、29を駆動する駆動回
路30とから構成されている。

上記の光波長変換素子10は、クラッド12の中心の中空
部分内に、非線形光学材料からなるコア11が充てんされ
た光ファイバーである。上記非線形光学材料としては、
波長変換効率が高い有機非線形光学材料を用いるのが好
ましい。本例では特に特開昭62-210432号公報に示され
る3,5−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）ピラゾ
ール（以下、PRAと称する）によってコア11を形成して
いる。

ここで、一例としてコア11を上述のPRA、クラッド12
をSF56ガラスから形成する場合について、この光波長変
換素子10の製造方法を説明する。まずクラッド12となる
中空のガラスファイバー12′が用意される。このガラス
ファイバー12′は一例として外径が5.2mmで、中空部の
径が1.5μｍのものである。そして第２図に示すよう
に、炉内等においてPRA11′を融液状態に保ち、この融
液内にガラスファイバー12′の一端部を浸入させる。す
ると毛細管現象により、融液状態のPRA11′がガラスフ
ァイバー12′の中空部内に進入する。なお該融液の温度
は、PRA11′の分解を防止するため、その融点（102℃）
よりも僅かに高い温度とする。その後ガラスファイバー
12′を急冷させると、中空部に進入していたPRA11′が
多結晶化する。

次いでこのガラスファイバー12′を、PRA11′の融点
より高い温度（例えば102.5℃）に保たれた炉内から、
該融点より低い温度に保たれた炉外に徐々に引き出すこ
とにより、溶融状態のPRA11′を炉外への引出し部分か
ら単結晶化させる。それにより、極めて長い単結晶状態
で結晶方位も一定に揃ったコア11が形成され、光波長変
換素子10を十分に長くすることができる。

以上述べたようにしてコア11が充てんされた後、ガラ
スファイバー12′の両端が適宜切断される。それにより
第１、３図に示すような光波長変換素子10が得られる。

上記光波長変換素子10には、第１図図示のようにして
基本波が入力される。すなわち、半導体レーザー（発振
波長:890nm）20から射出された発散ビームであるレーザ
ー光（基本波）15はコリメーターレンズ21によって平行
ビームとされ、ビーム整形プリズム23、24によって断面
正円形とされ、さらに対物レンズ22で集光した上で素子
端面10a（コア11の端面）に照射される。それにより、
該レーザー光15がコア11内に入射する。この基本波15
は、コア11を構成するPRAにより、波長が1/2の第２高調
波15′に変換される。この第２高調波15′はクラッド12
中に放射して、素子10内を端面側に進行する。位相整合
は、基本波15のコア部での導波モードと、第２高調波1
5′のクラッド部への放射モードとの間で取られる（い
わゆるチェレンコフ放射）。

第２高調波15′は、クラッド端面12aから素子外に出
射する。またコア11の端面11aからは、コア11内を導波
した基本波15が出射する。この第２高調波15′と基本波
15を含む光ビーム15″は、光波長変換素子10側の面が円
錐面とされた円錐レンズ26に通された後、第２高調波1
5′のみを通過させるフィルター18に通され、第２高調
波15′のみが取り出される。この第２高調波15′は一般
的な球面レンズである集光レンズ27に通され、微小なス
ポットＰに絞られる。なお第１図ではこの第２高調波1
5′を利用する装置を特に示していないが、この種の装
置においては前述した理由により、こうして第２高調波
15′を絞って利用することが多い。

次に、円錐レンズ26の作用について説明する。本実施
例においては第３図に詳しく示すように、クラッド12が
十分に太く形成され、それにより、位相整合角度θでク
ラッド12中に放射した第２高調波15′はすべて、クラッ
ド外表面で全反射することなしにクラッド端面12aから
直接素子外に出射するようになっている。そうするため
にはコア11の直径をｄ、光波長変換素子10の長さをＬ
（第３図参照）としたとき、クラッド12の直径Ｄを Ｄ＞2L・tan θ＋ｄ ……（１） に設定すればよい。このようになっていると、クラッド
12中を進行するすべての第２高調波15′の波面は、コア
軸を含む１つの平面内においては第３図中に矢印Ｗで示
す向きとなり、したがって全体では円錐面状となる。そ
こで、クラッド12から出射した第２高調波15′を円錐レ
ンズ26に通すことにより、第２高調波15′は平面波面を
有するものとなる。したがって、該第２高調波15′を球
面レンズである集光レンズ27に通すことにより、微小な
スポットＰに絞ることが可能となる。なお円錐レンズ26
の形状については、前述した特願昭63-186080号明細書
に詳しい記載がなされている。

次に、温度調節素子28、29の作用について説明する。
本実施例において、基本波15の波長は890nm、コア11の
材質はPRA、コア径は1.5μｍ、クラッド12の材質はSF56
ガラス、クラッド径は5.2mm、位相整合角度θは14.42
°、素子10の長さＬは10mmである（これらの数値は上記
（１）式を満足する）。また円錐レンズ26の材質はSF10
ガラス、その円錐面の傾きρは27.60°である。このよ
うな状況下で、第２高調波15′を十分微小なスポットＰ
に絞り込むためには、円錐レンズ26出射後の平行光であ
るべき光線の向きと光軸方向との差Δθが、Δθ≦0.00
6°程度となっていることが求められる。これは、光学
的な計算から判明していることである。この値からコア
径の許容誤差を計算すると±0.006μｍとなるが、現実
的にはコア径をこのような許容誤差内に収めて光波長変
換素子10を作成することは困難である。

そこで本装置においては、上記温度調節素子28、29を
駆動回路30により駆動して、光波長変換素子10および半
導体レーザー20の温度を±５℃の範囲で調節可能として
いる。ここで半導体レーザー20の発振波長変化率を0.27
nm/℃（モードホップ分とモード内変化の平均）、コア1
1を構成するPRAの屈折率変化率を約−９×10^-5/nmおよ
び約−１×10^-4／℃、そしてクラッド12を構成するSF56
ガラスの屈折率変化率を約10×10^-6／℃と仮定すると、
上述の範囲で光波長変換素子10および半導体レーザー20
の温度を調節することにより、位相整合角度が変化して
Δθ＝±0.06°の変化が得られる。したがって、コア径
の許容誤差は10倍の±0.06μｍとなり、光波長変換素子
10を容易に作成可能となる。

次に、第４図を参照して本発明の第２実施例について
説明する。なおこの第４図において、前記第１図中の要
素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説
明は特に必要の無い限り省略する（以下、同様）。この
第４図の光波長変換モジュール６においては、第１図の
装置において用いられた円錐レンズ26に代えて、それと
同様の波面変換作用を果たす等ピッチ同心円グレーティ
ングレンズ40が用いられている。なお、このような等ピ
ッチ同心円グレーティングレンズ40の形状についても、
前記特願昭63-186080号明細書に詳しい記載がなされて
いる。

この場合、光波長変換素子10および半導体レーザー20
の温度調節を実施しなければ、Δθ≦0.006°で、コア
径の許容誤差±0.004μｍが求められるが、第１実施例
と同様に±５℃の範囲で光波長変換素子10および半導体
レーザー20の温度を調節することにより、Δθ≦0.14°
の変化が得られる。したがって、コア径の許容誤差は約
23倍（0.14°/0.006°）に拡大されて±0.004μｍ×23
＝±0.09μｍとなる。このようにコア径の許容誤差が十
分に大きくなっていれば、光波長変換素子10の長さＬ
や、半導体レーザー20の発振波長等のその他の条件に関
しても許容誤差が拡大され、光波長変換モジュール６の
作成が容易になる。

次に、第５図を参照して本発明の第３実施例について
説明する。この第５図の光波長変換モジュール７におい
ては、第１図の装置において用いられた円錐レンズ26に
代えて、光波長変換素子10側の面50aが円錘面とされ、
それと反対側の面50bが球面とされたレンズ50が用いら
れている。

この光波長変換モジュール７においては、光波長変換
素子10から出射した第２高調波15′がレンズ面50aを通
過することによりその波面は円錘波面から平面波面に変
換され、さらに第２高調波15′がレンズ面50bを通過す
ることにより、その波面は平面波面から収束球面波面に
変換され、よって該第２高調波15′は微小なスポットＰ
に絞られるようになる。

この光波長変換モジュール７においても、温度調節素
子28、29を駆動回路30により駆動して、光波長変換素子
10および半導体レーザー20の温度を調節することによ
り、以上述べたのと同様の効果が得られる。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明によれば、光波長変換
素子および該素子に入射する基本波を発する半導体レー
ザーを温度調節することにより、ファイバーの長さやコ
ア径等の許容誤差を大きくとることができ、よってファ
イバーチェレンコフ型の光波長変換素子、および該素子
を用いる光波長変換モジュールの作成が容易化され、コ
ストダウンが実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例による光波長変換モジュ
ールを示す概略側面図、 第２図は、上記光波長変換モジュールに用いられた光波
長変換素子の作成方法を説明する説明図、 第３図は、上記光波長変換素子を拡大して示す概略側面
図、 第４図と第５図はそれぞれ、本発明の第２、第３実施例
による光波長変換モジュールを示す概略側面図である。 ５、６、７……光波長変換モジュール 10……光波長変換素子、11……コア、12……クラッド、
26……円錘レンズ、28、29……温度調節素子、30……駆
動回路、40……等ピッチ同心円グレーティングレンズ、
50……レンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非線形光学材料のコアがそれよりも低屈折
   率のクラッド内に充てんされてなるファイバーであっ
   て、コアに入射された基本波を波長変換してクラッド中
   に放射する光波長変換素子と、 この光波長変換素子に入射される基本波としてのレーザ
   ー光を発する半導体レーザーと、 クラッド中に放射された波長変換波の波面を円錘波面か
   ら平面波または球面波に変換させる波面変換手段とから
   なる光波長変換モジュールにおいて、 前記光波長変換素子および半導体レーザーの温度を調節
   する温度調節手段が設けられたことを特徴とする光波長
   変換モジュール。