JPH0262522A - 導波路型波長変換素子 - Google Patents
導波路型波長変換素子Info
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- JPH0262522A JPH0262522A JP21551888A JP21551888A JPH0262522A JP H0262522 A JPH0262522 A JP H0262522A JP 21551888 A JP21551888 A JP 21551888A JP 21551888 A JP21551888 A JP 21551888A JP H0262522 A JPH0262522 A JP H0262522A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL 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
- G02F1/00—Devices 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
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
- G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Optics & Photonics (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、コヒーレントな短波長小型光源の実現を可能
にする波長変換素子に関する。
にする波長変換素子に関する。
波長変換素子とくに第２次高調波発生（ＳＨＧ ： ５
ｅｅｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
）素子は、エキシマレーザなどでは得にくいコヒーレン
トの短波長光を得るデバイストして産業上極めて重要で
ある。
ｅｅｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
）素子は、エキシマレーザなどでは得にくいコヒーレン
トの短波長光を得るデバイストして産業上極めて重要で
ある。
半導体レーザは小型で高出力のコヒーレントレーザ光源
として各種の光通信機器や光情報機器に使用されている
。現在この半導体レーザから得られる光の波長は０．７
８μｍ〜１．５５μｍの近赤外領域の波長である。この
半導体レーザをデイスプレィ、光ディスクやレーザプリ
ンタ等、レーザ応用機器にさらに広く応用するために、
赤色、緑色、青色等、より短波長の光が求められている
が、現在の技術ではこの種の半導体レーザをにわかに実
現するのは難しい。半導体レーザの出力程度でも効率よ
く波長変換できる波長変換素子が実現できるとその効果
は甚大である。
として各種の光通信機器や光情報機器に使用されている
。現在この半導体レーザから得られる光の波長は０．７
８μｍ〜１．５５μｍの近赤外領域の波長である。この
半導体レーザをデイスプレィ、光ディスクやレーザプリ
ンタ等、レーザ応用機器にさらに広く応用するために、
赤色、緑色、青色等、より短波長の光が求められている
が、現在の技術ではこの種の半導体レーザをにわかに実
現するのは難しい。半導体レーザの出力程度でも効率よ
く波長変換できる波長変換素子が実現できるとその効果
は甚大である。
近年半導体レーザのデバイス技術が発達して、従来にも
増して高出力の発振特性が得られるようになってきた。
増して高出力の発振特性が得られるようになってきた。
このため、光導波路型のＳＨＧ素子を構成すれば、光の
回折によるエネルギ密度の減少を回避でき、半導体レー
ザ程度の光強度でも比較的高い変換効率で波長変換素子
を実現できる可能性がある。このような例として、ニオ
ブ酸リチウム結晶に光導波路を形成し、この光導波路に
近赤外光を透過し、これから結晶基板中に放射（チェレ
ンコフ輻射）される第２次高調波を得る方式のＳＨＧ素
子の発明がある（特開昭６１−９４０３１＞。この方式
ＳＨＧ素子は、基本波とＳＨＧ波との位相整合条件が自
動的に取れているため、精密な温度調節が必要ないとい
う特長を持つ。しかしながら、この公知例の難点は、導
波路自体の非線形光学効果が小さいために、効率の良い
ＳＨＧ励起に成功していない点にある。上記公知例では
、ＬｉＮｂ０．結晶を基板とし、プロトイオン（Ｈ４）
変換を用いて光導波路を形成している。周知の如く、Ｌ
ｉＮｂＯ３結晶にＨ＋交換を施すと、結晶の対称性が増
し、圧電効果、電気光学効果、非線形光学効果など、結
晶の非対称性から生じる各種の効果を減少する。このた
め、基本波入力４０ｍＷで効率１％程度しか得られてい
ない。
回折によるエネルギ密度の減少を回避でき、半導体レー
ザ程度の光強度でも比較的高い変換効率で波長変換素子
を実現できる可能性がある。このような例として、ニオ
ブ酸リチウム結晶に光導波路を形成し、この光導波路に
近赤外光を透過し、これから結晶基板中に放射（チェレ
ンコフ輻射）される第２次高調波を得る方式のＳＨＧ素
子の発明がある（特開昭６１−９４０３１＞。この方式
ＳＨＧ素子は、基本波とＳＨＧ波との位相整合条件が自
動的に取れているため、精密な温度調節が必要ないとい
う特長を持つ。しかしながら、この公知例の難点は、導
波路自体の非線形光学効果が小さいために、効率の良い
ＳＨＧ励起に成功していない点にある。上記公知例では
、ＬｉＮｂ０．結晶を基板とし、プロトイオン（Ｈ４）
変換を用いて光導波路を形成している。周知の如く、Ｌ
ｉＮｂＯ３結晶にＨ＋交換を施すと、結晶の対称性が増
し、圧電効果、電気光学効果、非線形光学効果など、結
晶の非対称性から生じる各種の効果を減少する。このた
め、基本波入力４０ｍＷで効率１％程度しか得られてい
ない。
本発明の目的は、上述の従来の導波型ＳＨＧ素子の持つ
難点を収り除き、高効率となる構造の導波路型波長変換
素子を提供することにある。
難点を収り除き、高効率となる構造の導波路型波長変換
素子を提供することにある。
本発明は基板波が導波路光である光の第２高調波を基板
への放射光として取り出す方式の導波路型波長変換素子
であって、導波路の導波層を構成する材料に非線形光学
効果を示す材料を用い基板に、第２高調波（周波数２ω
）に対する屈折率ｎｓ （２ω）が前記有機非線形材料
の基本波（周波数ω）に対する屈折率ｎｆ （ω）と
の間にｎｓ（２ω）＞ｎｆ（ω）なる条件を有する材料
を用いた構成になっている。
への放射光として取り出す方式の導波路型波長変換素子
であって、導波路の導波層を構成する材料に非線形光学
効果を示す材料を用い基板に、第２高調波（周波数２ω
）に対する屈折率ｎｓ （２ω）が前記有機非線形材料
の基本波（周波数ω）に対する屈折率ｎｆ （ω）と
の間にｎｓ（２ω）＞ｎｆ（ω）なる条件を有する材料
を用いた構成になっている。
以下本発明の実施例に基すき図面を用いて詳細に説明す
る。
る。
（実施例１）
第１図は本発明の第１の実施例である導波路型波長変換
素子の断面の構造を示す図であり、１は光学結晶、２は
非線形光学効果の高い有機材料３を有する先導波層であ
る。更に詳しくは光学結晶１は屈折率ｎｓが１，８程度
より大きい、例えばＬｉＮｂＯ３結晶板であり、基板方
位は、この実施例ではｙ板（すなわち、基板に立てた法
線はｙ軸）に、光透過方向をＺ軸に選んである。そして
、結晶の表面に設けな光導波層２は、非線形光学効果を
有する有機材料単結晶膜３と、ＴｉＯ□のような高屈折
率の薄層４と、ＳｉＯ３のような低屈折率の層５とによ
って構成されている。
素子の断面の構造を示す図であり、１は光学結晶、２は
非線形光学効果の高い有機材料３を有する先導波層であ
る。更に詳しくは光学結晶１は屈折率ｎｓが１，８程度
より大きい、例えばＬｉＮｂＯ３結晶板であり、基板方
位は、この実施例ではｙ板（すなわち、基板に立てた法
線はｙ軸）に、光透過方向をＺ軸に選んである。そして
、結晶の表面に設けな光導波層２は、非線形光学効果を
有する有機材料単結晶膜３と、ＴｉＯ□のような高屈折
率の薄層４と、ＳｉＯ３のような低屈折率の層５とによ
って構成されている。
非線形光学効果の高い有機材料の単結晶膜としては、こ
の実施例では例えばＭＮＡ（メチル訃ロアニリン、２−
ｍｅｔｈｙｌ−４−ｎｉｔ、ｒｏａｎｉｌｉｎｅ）を用
いている。
の実施例では例えばＭＮＡ（メチル訃ロアニリン、２−
ｍｅｔｈｙｌ−４−ｎｉｔ、ｒｏａｎｉｌｉｎｅ）を用
いている。
上記の構成の光導波層２は以下の光学特性を持つ。入射
光でありＬｉＮｂＯ３結晶基板１のＸ軸に平行な電界成
分を持つＴＥ波の基本波（周波数ω）に対しては、これ
を極めて低損失に伝搬させるが、２倍に高調波（周波数
２ω）に対しては、Ｌ ｉ Ｎ ｂ ＯＳ結晶基板への
放射光としてよく放出する。例えば、波長０．８μｍの
光を基本波としたとき、この光に対して屈折率が１．８
程度の大きさを持つＭＮＡを２．５２程度の大きさを持
つＬｉＮｂＯ３結晶の上に直接設けてもＬ ｉ Ｎ ｂ
０３結晶基板の屈折率の方がＭＮＡの屈折率より大きい
ために、ＭＮＡは光導波路とはならない。
光でありＬｉＮｂＯ３結晶基板１のＸ軸に平行な電界成
分を持つＴＥ波の基本波（周波数ω）に対しては、これ
を極めて低損失に伝搬させるが、２倍に高調波（周波数
２ω）に対しては、Ｌ ｉ Ｎ ｂ ＯＳ結晶基板への
放射光としてよく放出する。例えば、波長０．８μｍの
光を基本波としたとき、この光に対して屈折率が１．８
程度の大きさを持つＭＮＡを２．５２程度の大きさを持
つＬｉＮｂＯ３結晶の上に直接設けてもＬ ｉ Ｎ ｂ
０３結晶基板の屈折率の方がＭＮＡの屈折率より大きい
ために、ＭＮＡは光導波路とはならない。
低屈折率のＳｉＯ□ （屈折率１．４５程度）層５をＬ
ｉ Ｎ ｂ Ｏ３結晶基板１の上に厚さ１μｍ程度設
け、この上に、高屈折率の薄膜（Ｔｉ’０２、屈折率２
．５．厚さ０．０５６．ｃｚｍ程度）４、この２重層の
上に、ＭＡＮを２μｍ程度設ける。このようにして設け
た２重層は、光の干渉効果によって、波長０．８μｍの
基本波光に対しては全反射条件を与え、一方、２倍の高
調波に対しては透過条件を墜える。すなわち、この２重
層の上のＭＮＡは、波長０．８μｍの基本波光に対して
は良好な導波路となり、一方、波長０．４μｍの２倍の
高調波に対しては放射導波路となる。
ｉ Ｎ ｂ Ｏ３結晶基板１の上に厚さ１μｍ程度設
け、この上に、高屈折率の薄膜（Ｔｉ’０２、屈折率２
．５．厚さ０．０５６．ｃｚｍ程度）４、この２重層の
上に、ＭＡＮを２μｍ程度設ける。このようにして設け
た２重層は、光の干渉効果によって、波長０．８μｍの
基本波光に対しては全反射条件を与え、一方、２倍の高
調波に対しては透過条件を墜える。すなわち、この２重
層の上のＭＮＡは、波長０．８μｍの基本波光に対して
は良好な導波路となり、一方、波長０．４μｍの２倍の
高調波に対しては放射導波路となる。
非線形光学効果を有する有機材料単結晶膜３の端面から
注入されたＬｉＮｂＯ３結晶基板１のＸ軸に平行な電界
成分を持つＴＥ波の基本波６は、有機材料単結晶膜３中
を進むにつれ、その２次の非線形光学定数ｄｌｌを介し
て、基本波と同じ電界成分を持つＴＥ波の２倍の高調波
を励起する。この２倍の高調波は、光導波層２の光学特
性が上記のようであるため基板結晶中に放射光７として
放出されるが、下記の条件の角度θに効率よく放射され
る。すなわち、角度θは、Ｌ ｉ Ｎ ｂ Ｏ３結晶基
板１の屈折率をｎｓ、有機材料単結晶膜３の屈折率をｎ
ｆとしたとき、ｎｆ＝ｎｓｃＯ５θで与えられる。波長
０．４μｍに対するＬｉＮｂＯ３結晶基板１の屈折率（
本実施例の結晶方位ではｎｓは常光屈折率）は２．４１
程度であり、−角度θは４１度程度となる。
注入されたＬｉＮｂＯ３結晶基板１のＸ軸に平行な電界
成分を持つＴＥ波の基本波６は、有機材料単結晶膜３中
を進むにつれ、その２次の非線形光学定数ｄｌｌを介し
て、基本波と同じ電界成分を持つＴＥ波の２倍の高調波
を励起する。この２倍の高調波は、光導波層２の光学特
性が上記のようであるため基板結晶中に放射光７として
放出されるが、下記の条件の角度θに効率よく放射され
る。すなわち、角度θは、Ｌ ｉ Ｎ ｂ Ｏ３結晶基
板１の屈折率をｎｓ、有機材料単結晶膜３の屈折率をｎ
ｆとしたとき、ｎｆ＝ｎｓｃＯ５θで与えられる。波長
０．４μｍに対するＬｉＮｂＯ３結晶基板１の屈折率（
本実施例の結晶方位ではｎｓは常光屈折率）は２．４１
程度であり、−角度θは４１度程度となる。
もし、ｎ ｒ ＞ ｎ ｓでは、上式を満足する角度θ
は存在しない。基板結晶中に放射光７として取り出すた
めにはｎ ｒ ＜ ｎ ｓが必須条件となる。
は存在しない。基板結晶中に放射光７として取り出すた
めにはｎ ｒ ＜ ｎ ｓが必須条件となる。
ここで、光透過方向をＬ ｉ Ｎ ｂ ０３結晶基板の
別な方位、例えば同じくｙ板（すなわち、基板に立てた
法線はｙ軸）で、光透過方法Ｘ軸、電界振動方向Ｚ軸に
選んだ場合、ｎｓは異常光屈折率（−２，３１程度）と
なり、角度θは３８度程度となる。このとき、ＬｉＮｂ
Ｏ３結晶の最大の非線形光学定数ｄ３３も有効に寄与す
る。
別な方位、例えば同じくｙ板（すなわち、基板に立てた
法線はｙ軸）で、光透過方法Ｘ軸、電界振動方向Ｚ軸に
選んだ場合、ｎｓは異常光屈折率（−２，３１程度）と
なり、角度θは３８度程度となる。このとき、ＬｉＮｂ
Ｏ３結晶の最大の非線形光学定数ｄ３３も有効に寄与す
る。
（実施例２）
上記第１の実施例では、導波路２は二次元の平面構造で
ある。基本波のパワー密度を高め、ＳＨＧの変換効率を
さらに高めるには、基本波の導波路はチャンネル構造で
あることが望ましい。これを可能にするためには、第２
図の光透過方向の垂直断面で示した導波路の構造にすれ
ばよい。すなわち、チャンネルとすべき領域以外には、
導波路の中間厚さ位置に、薄い高屈折層８を設ければよ
い。高屈折率お中間層８を持つ領域は基本波にないして
カットオフとなる。このため、基本波は中間層８の無い
領域に集中して導波される。
ある。基本波のパワー密度を高め、ＳＨＧの変換効率を
さらに高めるには、基本波の導波路はチャンネル構造で
あることが望ましい。これを可能にするためには、第２
図の光透過方向の垂直断面で示した導波路の構造にすれ
ばよい。すなわち、チャンネルとすべき領域以外には、
導波路の中間厚さ位置に、薄い高屈折層８を設ければよ
い。高屈折率お中間層８を持つ領域は基本波にないして
カットオフとなる。このため、基本波は中間層８の無い
領域に集中して導波される。
以上説明したように、本発明によれば非線形光学定数の
極めて大きい有機非線形材料を利用できるため高効率で
、しかもチェレンコフ放射により位相整合条件を収って
いるために、導波層の膜厚変動や屈折率の温度変動等に
対しても安定な導波路型波長変換素子が得られる。
極めて大きい有機非線形材料を利用できるため高効率で
、しかもチェレンコフ放射により位相整合条件を収って
いるために、導波層の膜厚変動や屈折率の温度変動等に
対しても安定な導波路型波長変換素子が得られる。
第１図は本発明の第１の実施例の導波路型波長変換素子
の構造を説明する断面図であり、第２図は第２の実施例
の導波路型波長変換素子の構造を説明する断面図である
。 １・・・Ｌ ｉ ＮｂＯ３，２・・・光導波層、３・・
・非線形有機材料単結晶膜、４・・・高屈折率薄層、５
・・・低屈折率薄層、８・・・高屈折率中間層。 万 １ｉ２］
の構造を説明する断面図であり、第２図は第２の実施例
の導波路型波長変換素子の構造を説明する断面図である
。 １・・・Ｌ ｉ ＮｂＯ３，２・・・光導波層、３・・
・非線形有機材料単結晶膜、４・・・高屈折率薄層、５
・・・低屈折率薄層、８・・・高屈折率中間層。 万 １ｉ２］
Claims (1)
- 非線形光学効果を示す材料を含む１層構造または多層構
造の導波層を光学結晶基板上に備え、第２高周波（周波
数２ω）に対する前記光学結晶基板の屈折率ｎ＿ｓ（２
ω）と前記有機非線形材料の基本波（周波数ω）に対す
る屈折率ｎ＿ｆ（ω）との間にｎ＿ｓ（２ω）＞ｎ＿ｆ
（ω）なる条件を有することを特徴とする導波路型波長
変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21551888A JPH0262522A (ja) | 1988-08-29 | 1988-08-29 | 導波路型波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21551888A JPH0262522A (ja) | 1988-08-29 | 1988-08-29 | 導波路型波長変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0262522A true JPH0262522A (ja) | 1990-03-02 |
Family
ID=16673741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21551888A Pending JPH0262522A (ja) | 1988-08-29 | 1988-08-29 | 導波路型波長変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0262522A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02113227A (ja) * | 1988-10-24 | 1990-04-25 | Canon Inc | 薄膜導波路素子 |
-
1988
- 1988-08-29 JP JP21551888A patent/JPH0262522A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02113227A (ja) * | 1988-10-24 | 1990-04-25 | Canon Inc | 薄膜導波路素子 |
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