JPH02262132A - 波長変換光学素子及びその端面加工方法 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、光情報処理や光計測等に用いる短波長の光源
を得るための波長変換光学素子に係わり、特に端面形状
の改良をはかった波長変換光学素子及びその端面加工方
法に関する。

（従来の技術） 近年、高密度光ディスクシステム、計測及び表示システ
ム等への応用を目的として、短波長のコヒーレント光源
の開発が進められている。

光デイスクシステムでは、ディスク面上に絞られる光の
スポット径が光源の波長に比例するため、高密度化を実
現するには短波長の光源が必須である。

短波長の光源として、半導体レーザは小型。

軽量、低消費電力という利点を持つため、新しい材料を
用いた短波長のレーザの開発が進められており、既に０
．６μｍ帯（赤色）に発振波長を持つＩ　ｎＧａＡ　Ｉ
　Ｐ系半導体レーザは実用化のレベルに至っている。し
かしながら、さらに短波長の緑色或いは青色のレーザに
ついては研究は行われているものの、室温で連続発振す
るレーザは得られておらず、実用化の見通しは未だつい
ていない。

一方、短波長の光源を実現する他の手段として、非線形
光学結晶を用いた光第２高調波発生（ＳＨＧ）があり、
従来より多くの研究が行われている。小型、低消費電力
を実現させるため、基本波光源として半導体レーザを用
い、非線形光学結晶を導波路化する試みが行われており
、例えば第８図に示したようなプロトン交換ＬｉＮｂ０
．導波路を用いて、８０ｍＷの半導体レーザの光第２高
調波として１ｍＷの青色光源が得られている（谷内他：
昭和６２年秋季応用物理学会、　１９ｐ−ＺＧ−４（１
９８７））。なお、図中８１はマウント、８２は半導体
レーザ、８３は１／２波長板、８４は集光レンズ、８５
はＬｉＮＢＯ３光導波路、８６は青色ＳＨＧ光を示して
いる。この方式は、チェレンコフ放射により光第２高調
波を導波路基板内へ放射させるもので、従来のＳＨＧ方
式に比べ、角度制御、温度制御による位相整合が不要で
あるという利点を持つ。

しかしながら、第８図に示す構成では、出射ビームは導
波路面に垂直方向の面内では平行光、それと直交する面
内では場所によりビームウェスト位置の異なる発散光と
なっており、軸対称性を持っていない。このため、コリ
メート或いは集光を行うには特殊な光学系を必要とし、
ビームを回折限界のスポット径にまで絞ることは困難で
ある。

これに対し、同じチェレンコフ放射方式を用いたものと
して、非線形材料の単結晶ファイバによるＳＨＧが報告
されている（昭和６１年秋季応用物理学会、２９ｐ−Ｘ
−２（１９８６））。この方式では、光第２高調波がク
ラッド内で光軸に対して一定の角度θ。の方向に進むチ
ェレンコフ放射光となり、ファイバ端面から出射される
ビームは光軸に対し角度θｏ　　（＝　　５ｉｎ−’　
（ｎ２ｓｉｎθｃ）＋ｎ２は光第２高調波に対するクラ
ッドの屈折率）の方向に広がるリング状のビームとなる
。この出射ビームは軸対称性はあるが、やはりこのまま
ではコリメート或いは集光させることはできない。

チェレンコフ放射光は軸上に分布した光源から一定の角
度で放射される、いわゆる円錐波となっている。円錐波
は円錐プリズムを用いて平面波に変換できることはよく
知られている（Ｊ’、０ｐｔＪｏｃ、Ａｍ、４４．Ｎｏ
、８．ｐｐ、５９２−５９７　（１９５４））。

しかし、この方法だとプリズム底面をファイバ端面に密
着させたとしても、リング状に広がりた後の光をコリメ
ートすることになるため、コリメートされた光はやはり
リング状である。これらの問題を解決するためには、特
殊な光学系を用い且つその加工に厳密な精度が必要とな
り、製造コストが増大するという問題がある。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、位相整合が不要のチェレンコフ放射を
利用するＳＨＧでは、出射ビームをコリメート或いは集
光させることが困難であり、また軸対称性のあるビーム
が得られる光ファイバにおいても、出射ビームをそのま
まではコリメートできない。さらに、特殊な光学系を用
いてコリメートする場合、光学系の厳密な加工精度が要
求されコスト高を招く欠点があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、ファイバ型光導波路から出射される
光第２高調波ビームをリング状にすることなくコリメー
ト或いは集光させることができ、且つ作成が容易でロー
コストに実現し得る波長変換光学素子を提供することに
ある。

また本発明は、上記波長変換光学素子の端面をエツチン
グ加工して円錐波を平面波又は球面波に変換する波面変
換素子を作成するための波長変換光学素子の端面加工方
法を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、チェレンコフ放射型の波長変換素子に
おいて、端面の構造が円錐波を平面波又は球面波に変換
する端面形状を有し、低パワーの基本波で高効率の光第
２高調波を得ることにある。

即ち本発明は、導波部及びクラッド部の少なくとも一方
が非線形光学材料で形成され、基本波が導波モード、第
２高調波がチェレンコフ放射光となるように導波部及び
クラッド部の屈折率が設定された光導波路型の波長変換
光学素子において、前記クラッド部の光出射端面を、円
錐波を平面波又は球面波に変換するテーバ形状を有する
ように構成したものである。

また本発明は、上記波長変換光学素子の光出射端面部に
、円錐波を平面波又は球面波に変換する所望のテーバを
形成する波長変換光学素子の端面加工方法において、波
長変換素子の光出射端部をエツチング液又はエツチング
ガス中に晒し、且つ該エツチング液又はエツチングガス
中に晒される時間を、光出射端部の端面より内側の方を
短くするようにした方法である。

（作用） 本発明によれば、チェレンコフ放射方式による光導波型
ＳＨＧにおいて、光導波路端面に上記のような形状を設
けることにより、クラッド部を円錐波として進行する光
第２高調波を光出射端面からコリメートした光として出
力することが可能となる。従って、特殊な光学系を用い
る必要はなく、光第２高調波ビームを光ファイバ等に簡
易に位置合わせすることができる。また、光出射端面部
をエツチング加工するだけで、該端面部にテーバ加工を
行うことができ、円錐波を平面波又は球面波に変換する
波面変換素子を容易に実現することが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる波長変換光学素
子の概略構成を示す断面図である。

図中１１は非線形材料からなる断面円形のコア（光導波
部）であり、このコア１１の周囲はガラスクラッド１２
により被覆されている。これらコア１１及びクラッド１
２からなる先導波路は、軸対称のファイバ型光導波路と
なっている。

そして、光入射端面からコア１１内に基本波１３が入射
され、クラッド１２中に伝搬したチェレンコフ放射光（
光第２高調波）１４が光出射端面から出射されるものと
なっている。

ここで、基本波１３の波長λ１及び光第２高調波１４の
波長λ２　（−λ１／２）に対するクラッド１２の屈折
率をそれぞれｎｌ＋ｎ２とすると、 ｎ＋　＜ｎＥＰＰ　＜ｎ２　　　　　　−（１）を満た
すようにクラッド１２の材料が選択されている。但し、
ｎＥＰｆ）はコア１１及びクラッド１２からなるファイ
バ型光導波路の基本波に対する実効屈折率である。

波長λ１の基本波１３がこのファイバ型先導波路に入射
すると、非線形光学材料からなるコア１１によって、こ
の光がλ、／２の光第２高調波に変換され、コア１１に
対しθＣの角度を持ったチェレンコフ放射光１４として
クラッド１２中を伝搬する。θＣはｎ　ＥＰＰ及びｎ２
と次の関係にある。

ｎ２ｃｏｓθｃ　−ｎ　ＥＰＰ　　　　　　−（２）コ
ア１１により発生し赳光第２高調波１４を、光導波路か
ら平行光１５として外部に取出すには、光導波路の出射
端面にテーパをつける必要がある。平行光１５となるテ
ーバ角度（半頂角）θとしては、 を満たすようにすればよい。

かくして本実施例によれば、光出射端面部に前記（３）
式で示されるテーパ角θを有するテーパ端面を形成して
いるので、該端面から出射される光第２高調波１５を平
行光にすることができる。平行光であれば通常のレンズ
等で集光させることが容易であり、各種の用途に対する
汎用性が増すことになる。さらに、特別の光学系を必要
としないことから、構成の簡略化及び製造コストの低減
をはかり得る。また、光第２高調波１４が広がる前に平
行光１５にしているので、平行光１５がリング状になる
等の不都合もない。

なお、先導波路からの出射光を集光する場合には、光出
射端面を第２図に示した球面形状に形成すればよい。こ
の場合、出射光１６の焦点曲率は光導波路端面の曲率に
依存する。また、出射光１６を拡大するには端面形状を
第３図のようにすればよい。このように、チェレンコフ
放射方式の波長変換光学素子において、光第２高調波出
射端部の形状を平面波又は球面波に変換する端面にし、
波長変換光学素子を作成することにより、効率の高い波
長変換光学素子の実現が可能となる。

次に、上記した波長変換光学素子における端面形状の形
成方法について説明する。

第４図は本実施例方法に使用した端面加工装置を示す概
略構成図である。図中４１は波長変換光学素子２０のク
ラッド部をエツチングする弗化アンモニウム溶液（エツ
チング液）４２を収容したルツボであり、このルツボ４
１はヒータ４３により加熱されている。ヒータ４３は制
御装置（以下、ＣＰＵと略記する）５０の制御の下で作
動するヒータコントローラ４４により通電電流を制御さ
れる。ルツボ４１の周辺部には、エツチング液４２の温
度を検出する熱電対４５が配置されており、この熱電対
４５の温度検出信号はヒータコントローラ４４に供給さ
れる。そして、このヒータコントローラ４４により、エ
ツチング液の温度が一定に制御されるものとなっている
。

波長変換光学素子２０はその光入射端２１側をホルダー
２１に固定され、光出射端２２側をルツボ４１内のエツ
チング液４２に浸漬されている。ホルダー５１はＣＰＵ
５０の下で作動する引上げ・回転機構５２により上下駆
動及び回転駆動が可能となっている。また、ホルダー５
１には該ホルダー５１の上下位置を正確に測定する位置
検出器５３が設けられており、この位置検出器５３の検
出信号はＣＰＵ５０に供給されている。また、ルツボ４
１の斜め上方には、メニスカス３０を観察するためのレ
ーザ照射装置５４及び反射光を観測する光検出器５５が
設置されている。光検出器５５の検出信号はＣＰＵ５０
に供給される。

上記構成された装置においては、まずエツチング液４２
を所定の温度に保持したのち、波長変換光学素子２０の
光出射端面部を所定長さし、だけエツチング液４２内に
浸漬する。そして、引上げ・回転機構５２により、波長
変換光学素子２０を回転させると共に、徐々に引上げる
。ここで、ＣＰＵ５０に予めインプットされているエツ
チング速度との対応から、指定された端面の形状を形成
すべく、波長変換光学素子２０の引上げ速度及び回転速
度を制御する。また、メニスカスを検出して端面のエツ
チング形状を間接的に観察し、この観察情報を基に上記
引上げ速度及び回転速度を補正する。さらに、１回の引
上げで必要とするテーパ形状が得られない場合は、上記
操作を繰返すが、このとき引上げ速度と共に降下速度も
制御すればよい。

このような操作により、波長変換光学素子２０の光出射
端面部は端面が最も長くエツチング液中に晒されること
になり、端面から離れるほどエツチング液中に晒される
時間が短くなり、これにより端面部形状は端面側が細く
絞り込まれたテーパ形状となる。ここで、第５図（ａ）
に実線Ａで示す如く引上げ速度を一定とすると、端面か
ら初期浸漬量Ｌ１におけるテーバ形状は同図（ｂ）に示
す如く直線状のものとなる。なお、エツチング速度とエ
ツチング時間ｔ１との積で決まるエツチング量が波長変
換光学素子２０の半径Ｔ、に相当している。また、引上
げ速度を第５図（ａ）の１点鎖線Ｂに示す如く最初は速
く徐々に遅くすると、端面形状は前記第２図に示すよう
になり、さらに引上げ速度を２点鎖線Ｃに示す如く最初
は遅く徐々に速くすると、端面形状は前記第３図に示す
ようになる。つまり、引上げ速度を制御することで端面
形状を自由に変えることができる。

また、波長変換光学素子２０を回転させると、第６図に
示す如く、クラッド部の断面が矩形であっても、クラッ
ド部の角部がエツチング液と高速に接するため、角部に
おけるエツチング速度が速くなり、（ａ）→（ｂ）−（
ｅ）に示す如くクラッドの外径を丸くすることができる
。

このように本実施例によれば、波長変換光学素子２０の
引上げ速度を制御するだけで、光出射端面部に所望のテ
ーパを形成することができ、前記第１乃至第３図に示す
構造を簡易に実現することができる。また、クラッド部
を加熱して可撓性を持たせ、この状態でクラッド部を引
っ張ることにより端面をテーパ状にする方法もあるが、
この場合形状が不安定であると共に、応力により欠陥が
発生する虞れがある。これに対し本実施例では、端面部
に応力を加える必要がなく、さらに引上げ速度等の制御
により各部のエツチング量を正確に定めることができる
。従って、欠陥発生を招くことなく精度良いテーパ加工
を行うことができる。

第７図は端面加工の別の例を示す図である。

この例では、エツチング液をリング状又は中空を有する
閉じた状態にした電極７１内に表面張力を利用して保持
しエツチング液膜７２を形成する。そして、波長変換光
学素子２０の光出射端面部をこのエツチング液膜７２に
つける。エツチング液膜７２の粘性を上げるための添加
剤又は界面活性剤の混入により、エツチング液膜７２の
膜厚は予め設定可能である。

先の実施例と同様にして、”波長変換光学素子２０を上
下に動かし、エツチング液膜７２に接する光出射端面部
を移動し、所望の端面形状を形成する。このとき、先の
実施例で示した形状観察とリンクして、波長変換光学素
子２０と電極７１との間に電源７３により電流を流し、
エツチング速度を制御する。これらを時間又は印加電圧
の関数として制御系を設けることにより、所望のテーバ
形状を再現性良く且つ自動的に作成することが可能であ
る。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、光出射端面部を加工する方法としては、
エツチング液を用いる代わりにエツチングガスを用いる
ことも可能である。

この場合、端面部がエツチングガスに晒される時間を制
御し端面のエツチング量を多くし、端面より内側のエツ
チング量を少なくすればよい。

つまり、所望の端面テーパ形状を得るには、光出射端面
部の端面がエツチング液又はエツチングガス中に晒され
る時間より、端面よりも内側の方は□どエツチング液又
はエツチングガス中に晒される時間を短くすればよい。

その他、本発明の要曽を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、チェレンコフ放射
方式の波長変換光学素子において、光出射端面にテーパ
を形成しているので、ファイバ型光導波路から出射され
る光第２高調波ビームをコリメート或いは集光させるこ
とができ、且つ作成が容易で光ファイバとの位置合せも
容易な波面変換素子を備えた波長変換光学素子を実現す
ることができる。また、波長変換光学素子の端面をエツ
チング加工することにより、該端面に円錐波を平面波又
は球面波に変換する波面変換素子を簡易に実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる波長変換光学素子の
概略構成を示す断面図、第２図及び第３図は上記光学素
子の変形例を示す断面図、第４図は端面形成に用いた端
面加工装置を示す概略構成図、第５図は角型の導波路を
丸くするるための模式図、第７図は端面加工装置の別の
例を示す概略構成図、第８図は従来の波長変換光学素子
の一例を示す図である。 １１・・・コア（導波部）、 １２・・・クラッド、 １３・・・基本波、 １４・・・光第２高調波、 １５・・・出射光、 ２０・・・波長変換光学素子、 ３０・・・メニスカス、 ４１・・・ルツボ、 ４２・・・エツチング液、 ４３・・・ヒータ、 ４４・・・ヒータコントローラ、 ４５・・・熱電対、 ５０・・・ＣＰＵ。 ５１・・・ホルダー ５２・・・引上げ・回転機構、 ５３・・・位置検出器、 ５４・・・レーザ照射装置、 ５５・・・光検出器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）導波部及びクラッド部の少なくとも一方が非線形
   光学材料で形成され、基本波が導波モード、第２高調波
   がチェレンコフ放射光となるように導波部及びクラッド
   部の屈折率が設定された光導波路型の波長変換光学素子
   において、 前記クラッド部の光出射端面が円錐波を平面波又は球面
   波に変換するテーパ形状を有することを特徴とする波長
   変換光学素子。
2. （２）導波部及びクラッド部の少なくとも一方が非線形
   光学材料で形成され、基本波が導波モード、第２高調波
   がチェレンコフ放射光となるように導波部及びクラッド
   部の屈折率が設定された光導波路型の波長変換光学素子
   の光出射端部に、円錐波を平面波又は球面波に変換する
   所望のテーパを形成する方法において、 波長変換光学素子の光出射端部をエッチング液又はエッ
   チングガス中に晒し、且つ該エッチング液又はエッチン
   グガス中に晒される時間を光出射端部の端面よりも内側
   の方を短くしたことを特徴とする波長変換光学素子の端
   面加工方法。
3. （３）導波部及びクラッド部の少なくとも一方が非線形
   光学材料で形成され、基本波が導波モード、第２高調波
   がチェレンコフ放射光となるように導波部及びクラッド
   部の屈折率が設定された光導波路型の波長変換光学素子
   の光出射端部に、円錐波を平面波又は球面波に変換する
   所望のテーパを形成する方法において、 波長変換光学素子の光出射端部を所定長さだけエッチン
   グ液中に浸漬し、波長変換素子を徐々に引上げると共に
   、形成すべき端面形状に応じて引上げ速度を制御したこ
   とを特徴とする波長変換光学素子の端面加工方法。