JPS60250334A - 非線形光学デバイス - Google Patents

非線形光学デバイス

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Publication number
JPS60250334A
JPS60250334A JP10775584A JP10775584A JPS60250334A JP S60250334 A JPS60250334 A JP S60250334A JP 10775584 A JP10775584 A JP 10775584A JP 10775584 A JP10775584 A JP 10775584A JP S60250334 A JPS60250334 A JP S60250334A
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JP
Japan
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waveguide
light
thin film
thickness
harmonic
Prior art date
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Pending
Application number
JP10775584A
Other languages
English (en)
Inventor
Keisuke Sasaki
敬介 佐々木
Naoki Karasawa
唐沢 直樹
Takeshi Kinoshita
木下 岳司
Yuichi Aoki
裕一 青木
Akio Takigawa
滝川 章雄
Koichi Maeda
浩一 前田
Ikuo Tago
田子 育良
Motoaki Yoshida
元昭 吉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Sheet Glass Co Ltd filed Critical Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority to JP10775584A priority Critical patent/JPS60250334A/ja
Publication of JPS60250334A publication Critical patent/JPS60250334A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/37Non-linear optics for second-harmonic generation
    • G02F1/377Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 3−7発明の技術分野 本゛発明は電気−光学効果、第2高調波発振、光パラメ
トリツク発振、光混合などの機能を有する非線形光学デ
バイスに関するものである。
3−2発明の技術的背景 められ、それを応用した装置も一部は実用化されている
。この様なデバイス、たとえば第二高調波発振器や光パ
ラメトリツク発振器などには、現在のところLiNbO
3やKDP(KH2PO4)の結晶が用いられているが
、近年になって、これらを大幅に上回る非線形光学定数
を有した物質が発見されている。
この様な物質にはたとえば、MNAC2−メチル−l−
ニトロアニリン)、mNA(メタニトロアニリン)、尿
素、MAP(2−(J’、 4/’−ジニトロフェニル
)アミノプロピオン酸メチル)、POM(、?−メチル
ーダーニトロピリジンー/−オキサイド)などが挙げら
れる。
光学的非線形性を応用した機能の代表的なものに第二高
調波発生がある。通常は、光学的非線形性を有する物質
から成る、対称中心を持たない結晶に光を入射させて出
射光から第二高調波をとり出すが、この際、入射光の位
相速度と第二高調波の位相速度が一致している時に、す
なわち位相整合が成り立つ時に最も変換効率が高い。通
常は、位相整合をとるために角度整合を行なう。結晶の
多くは複屈折を有するので、光軸から成る角度だけ傾け
て光を入射させれば、その第二高調波と位相速度が等し
くなって位相整合をとることができる場合がある。
現在のところ最大の非線形光学定数を有するといわれる
MNA結晶は単斜晶系に属し、70個のSHGテンソル
成分の内6個が独立で、d12=26、dl3””d3
5、dl5−d31M d24−d32)d33)dl
lである0この内dllが最大で、他は数桁下まわる大
きさである。これをLiNI)03と比較すると、SH
G効率はMNAがLiNbO3の約2000倍という大
きさを有することになる。
ところが、MNAはバルク結晶でdl、1についての整
合角を持たないので、結晶に直接光を入射させる場合に
は位相整合が不可能である。
角度整合の不可能な物質については、導波路を形成して
導波路の波長分散に依る位相整合をとる事が一般に行わ
れる。この方法の特徴としては、■導波路中にレーザ光
を閉じ込めるので容易にパワー密度が上げられる。バル
クの結晶ではレンズで集光して入射させるが、この場合
には焦点付近でしかパワー密度が上げられない。
■角度整合では90°整合でない限りウオークオフ(W
alk off)に依って基本波と高調波の進行方向が
ずれる為、結晶全体では相互作用が起こらなくなる事が
ある。導波路では主軸方向に伝搬させる為Walk O
ffは起こらない。
■結晶で整合角が存在しない物質でも位相整合が達成で
きる。などが挙げられる。
これまでに、非線形結晶を用いて形成された導波路の波
長分散を利用して位相整合を行なった例としては、次の
様なものが挙げられる。
■GaAs導波路 /60μm厚のCaAS結晶の板の端面から基本板を入
射させて1%のSHG効率を達成している。
@ LiNb03−GGG導波路 GGG基板上vc LiNbO3をスパッタリングで薄
膜形成させて導波路とし、効率2.6X10−4でSH
Gを達成している。
◎水 晶 コーニング70!;9ガラスを水晶表面にコートして導
波路とし、70!;9ガラスを導波する光のエバネセン
ト波が水晶に依ってSHGを達成した。
MNA K関してはラングミュア膜や気相エピタキシャ
ル成長が試みられているが、成功していない。
特開昭3;t−113220には、ジアセチレンの側鎖
にMNAを結合させた構造の単量体をラングミエアープ
ロジェット法で基板上に配向累積させ、紫外線やXll
を照射して重合させて形成した導波路を用いて位相整合
を行なう事が開示されている。しかし、この方法に於い
ては単量体の合成及びラングミュア膜の形成に多大の労
力を要するので実用的ではない。
3−3 発明の目的 本発明は、MNAの様な角度整合の不可能な物質に於い
て先に述べた様な複雑な手段を用いる事なく簡単な方法
で位相整合を達成できる装置を提供することを目的とす
る。
3−ダ発明の概要 本発明者等は、従来のように高屈折率導波路を導波する
光に依る、それに接した低屈折率非線形光学結晶へのエ
バネセント波が第二高調波を発振すると云うメカニズム
でなく、非線形光学結晶で形成された導波路に接した、
より屈折率の低い導波路を導波する光が、光屈折率非線
形光学結晶で形成された導波路へモード結合して導波し
、そこで第二高調波へと変換されて再び元の導波路へモ
ード結合して導波すると云うメカニズムで、MNAの様
な角度整合の不可能な材料でも位相整合が可能となる事
を見出した。
本発明は、すなわち、薄膜光導波路Aに接して、これよ
りも屈折率が高く、シかも光学的非線形性を有する物質
より成る薄膜先導波路Bを重ね、導波路AまたはBのい
ずれか一方にテーパー状の厚味変化を持たせるか、ある
いは、両方に、同一方向でかつ変化率の異なるデーパ−
状の厚味変化を持たせ、厚味変化方向に垂直な方向を光
路として用いる様、導波路Aに光を入射する手段及び出
射する手段を設け、該入射及び出射手段は、入射及び出
射位置を、導波路AまたはBの厚味変化方向の全域また
は一部分を占める、成る有限な幅の全域にわたって変化
させることのできるものである、非線形光学デバイスに
関するものである。
本発明に於いて位相整合は、入射及び出射位置を、導波
路AまたはBの厚味変化方向の全域または一部分を占め
る、成る有限な幅の全域にわたって変化させることので
きる、導波路AK設けられた入射及び出射手段に依って
行なう。入射位置を導波路AまたはBの厚味変化方向に
沿って動かすと、入射光の導波膜厚もまた変化し、これ
に依って第二高調波と入射基本波の位相整合をとること
ができる。導波路の厚味変化は、導波路Aに設けても導
波路Bに設けても、あるいは、導波路A及びBK変化率
が異なる様にして設けても良い。位相整合に必要な膜厚
比率が得られれば良いからである。
3−5発明の効果 本発明によれば、角度整合の不可能な物質についてもた
やすく位相整合を行うことができるのみならず、たとえ
ば導波路の波長分散を利用して位相整合を行う場合でも
、非線形光学物質を用いた導波路に直接基本波を入射さ
せる場合に起こる種々の不都合(その様な導波路を形成
することそのものの困難さ、たとえば特開昭5≦−1I
3220に開示されている方法の繁雑さ、導波膜厚制御
の困難など)があるが、これも回避できる。また、導波
路型は集積化が容易なので、たとえば光回路中に第二高
調波発振器を設ける場合などは、導波路上にテーパー状
の非線形光学結晶を密着して乗せるだけで良い。
3−乙実施例 次に本発明を図面に示した実施例について詳−細に説明
する。
第1図は本発明に係る第二高調波発振器を示す斜視図で
あり、溶融石英等の相対的に屈折率の低い物質からなる
平板状の基板lの片面に傾斜する厚み勾配をもつ薄膜か
らなる導波路2を設け、この薄膜導波路λ上に、導波路
2への光入射手段および出射手段としてのカプラプリズ
ム3に’、38ttそれら対向面を平行にして離して載
置し、これら結晶例えばMNA結晶lを載置する。導波
路2は厚みがX方向の基板lの一方の側縁で最小の厚み
dlで対向側縁における厚みd2が最大となる断面くさ
び形を成しており、これと直交するY方向では一様な厚
みとなっている。そしてカプラプリズム、?A、JBお
よび非線形光学結晶グは導波路の厚みが一様なY方向の
直線上に並べる。またカプラプリズム31L、3Bおよ
び非線型光学結晶グの上記X方向における幅は導波路2
の広い厚み範囲をカバーするよう充分な幅をとっておく
第2図に導波路2へ光線を入射させる装置、および導波
路から出射する第二高調波の強度を測定する装置を示す
。第2図で10は入射装置でありYAGレーザー光源t
t6らの出射ビームをボラライサー12を通して偏光さ
せた後IRパスフィルター/3を通して赤外光以外の光
をカットし、レンズltIで集光させた後反射鏡/3で
反射させてカプラプリズム3Aに入射させる。カプラプ
リズム3Aから導波路に導かれた光は非線形光学結晶グ
の下を導波しつつこれとモード給金して導波する。この
際非線形光学結晶lの内部では基本波が定在波となって
導波しており、ここで第二高調波を発振し、これもまた
定在波として導波する。これがテーパー型導波路2にモ
ード給金して導波した後、他方のカプラプリズム3Bか
らとり出される。
zOは受光装置を示し、カプラプリズム3Bから出た光
はCuSO4セルコlおよび干渉フィルタ2.2を通る
。ここで基本波は吸収され第二高調波のみが通過して光
電子増倍管2J K受光される。そして上記装置におい
て、入射光線Sを反射ミラー駆動等で振らせるかまたは
基板lをX方向に移動させることにより、入射光夕のX
方向における入射位置を移動させて光電子増倍管23で
の受光強度が最大となる位置をめることにより位相整合
を行なうことができる。
以上に述べた実施例では非線形光学結晶lをカプラプリ
ズム、?A、、?B間の導波路2表面に接して配置した
が第3図に示すように上記結晶lを入射用カプラプリズ
ム3Aと導波路コとの間に介在させてプリズム3Aを透
過した入射光を結晶グの上面から入射させるようにして
もよい。
また第を図に示すように出射用カプラプリズム3Bと導
波路−との間に介在させて結晶lの上面を通して出射さ
せるようにしてもよい。
次に薄膜導波路−に厚み勾配を設ける好適な方法を第3
図に示す。スパッタ装置内で基板/から一定距離をおい
て雲母等から成るマスク材30を固定配置し、このマス
ク材30の下方に加膜導波路2を構成する物質のターゲ
ット3/を配置する。
ここでマスク材300片端縁位置を、基板lの側縁とタ
ーゲラ)J/の側縁を結ぶ線よりも内側で経らせ空隙3
2を残しておく。
上記の状態でスパッタリングを行なうと、ターゲット3
1から出た導波路構成物質32はマスク端の空111i
3コを通って回り込みつつ基板lの面に付着する。これ
により上記空隙32の近傍では相対的に厚く付着すると
ともに、空vIA32から奥へ向うに従かいスパッタリ
ング物質の侵入量が減って付着厚みが減少し、その結果
基板lにはテーパ状の厚み変化をもった薄膜導波路2を
形成できる。
上述した図示例ではいずれも基板上に設ける薄膜導波路
2Aに厚み勾配を設けたが、本Flにおいては導波路2
は厚み一様とし、これに載せる非線型光学結晶ヶに厚み
勾配を設けてもよい。
3−7試験例 第2図に示した装置を用いて非線型光学結晶lとしてM
NAおよびmNAを用いて第二高調波発振を観測した。
基板として溶融石英を使用し、この基板上に第S図に示
した方法により高周波スパッタでコーニング70!;9
ガラスを付着させてテーバ導波路を形成した。
第1表に非線形光学結晶グとしてMNAを用いた場合の
各層の屈折率を示す。
第 l 表 またMNA結晶は導波路上に第を図の平面図に示すよう
に配置した。結晶の厚みは30μmである。
MNA結晶の導波路上における位置を、導波路の厚み変
化方向に直交する方向(Y方向)に種々変えて第二高調
波強度の基本波強度依存性を調べた。
その結果を第7図ないし第9図に示す。第7図ないし第
9図のグラフにおいて横軸は基本波強II(単位ワット
)でありたて軸は第二高調波強度であり、MNA結晶の
Y方向配置位置を合せて示しである。
また非線型光学結晶としてmNAを使用し入射用カプラ
プリズムの下に配置したときの第二高調波強度の基本波
強度依存性を第10図に示した。
また第11図には第二高調波の位相整合の特性を示した
。同図で横軸は導波路の膜厚であり、たて軸は第二高調
波強度である。同図から導波路膜厚/、6tμmの位置
に明瞭なピークがあることが解る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す斜視図、第2図は入射
装置および出射光強度測定装置を含めた全体を示す側面
図、第3図、第1図は非線型光学結晶の他の配置方法を
それぞれ示す側面図、第5図は厚み勾配をもった薄膜導
波路の形成方法を示す断面図、第を図は非線形光学結晶
の形状および配置の数値例を示す平面図、第7図ないし
第9閏ハ非線型光学結晶として2−メチル−l−ニトロ
アニリン(MNA)を使用し1、結晶の位置を種々変え
た場合における第二高調波(SH)強度の基本波依存性
をそれぞれ示すグラフ、第1O図は上記結晶としてメタ
ニトロアニリン(mNA)を使用した場合の同上グラフ
、第11図は第二高調波の位相整合の特性を示すグラフ
である。 ハ・・基板 !・・・薄膜導波路 3A、3B・・0カブラプリズム q・・・非線型光学結晶 10− @−入射装置l/・
・・レーザー光源 /2−−−ポラライザー731IO
eIRパスフイルター /4’−・0レンズ200− 
受光装置 !ハ・・cuso4セル、22・・・干渉フ
ィルタ 23・・・光電子増倍管第2図 図面の汀信(内容に変更なし) 第7図 賠窮亀W 第8図 駐氷鶴W 第9図 銅酵W 第10図 鯵−W 第1頁の続き −18−11 44−9 手 続 補 正 書(方式) 昭和59年9月夕日 / 事件の表丞 特願昭夕9−1077!;3号 特公昭 −号 一9発明の名称 非線形光学デバイス 3 補正をする者 事件との関係 特許出願人 住 所 大阪府大阪市東区道修町4丁目8番地名称 (
<toθ)日本板硝子株式会社代表者 刺 賀 信 雄 グ代理人

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 薄膜光導波路AK接して、これよりも屈折率が高く、シ
    かも光学的非線形性を有する物質より成る薄膜光導波路
    Bを重ね、導波路AまたはBのいずれか一方にテーパー
    状の厚味変化を持たせるか、あるいは、両方に、同一方
    向でかつ変化率の異なるテーパー状の厚味変化を持たせ
    、厚味変化方向に垂直な方向を光路として用いる様、導
    波路Aに光を入射する手段及び出射する手段を設け、該
    入射及び出射手段は、入射及び出射位置を、導波路Aま
    たはBの厚味変化方向の全域または一部分を占める、成
    る有限な幅の全域にわたって変化させることのできるも
    のである、非線形光学デバイス。
JP10775584A 1984-05-28 1984-05-28 非線形光学デバイス Pending JPS60250334A (ja)

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