JPH03146929A - 光波長変換装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、基本波をその１７２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と、波長変換波
の波面を円錐波面から平面あるいは球面波面に変換する
光学素子とからなる光波長変換装置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ＪＡ、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（いわゆるチェ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。

（発明が解決しようとする課題） 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。

そこで本発明は、波長変換波を小さなスポットに絞り込
むことができる光波長変換装置を提供することを目的と
するものである。

さらに本発明は、レーザー光源の発振波長変動により基
本波波長が変動しても、上記のように波長変換波を小さ
なスポットに絞り込んだ状態を良好に維持可能とするこ
とも目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明の光波長変換素子は、先に述べたようなファイバ
ーチェレンコフ型の光波長変換素子にあっては、クラッ
ド中に放射した波長変換波（所定の位相整合角度で出射
して基本波と位相整合する光）の波面が円錐波面になっ
ているという知見に基づいて得られたものであり、 このファイバーチェレンコフ型の光波長変換素子に加え
てさらに、 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
、光の回折現象により、円錐波面から平面または球面波
面に変換する光学素子を設けた上で、 波長変換波の波長、有効径をそれぞれλ、Ｄとし、前記
クラッド端面からの波長変換波出射角をθＡとしたとき
、 が、ｓｉｎ’（λ／２Ｄ）よりも小さい誤差範囲内でθ
Ａ／λなる値に近似するように、上記光波長変換素子の
クラッド材料およびコア径を選択したことを特徴とする
ものである。

上記の光学素子としては例えば、同心円グレーティング
素子等を用いることができる。この光学素子は、波長変
換波が出射するクラッド端面から離して配されてもよい
し、またこの端面に密着固定されてもよいし、さらには
この端面に直接形成されてもよい。

（作　　用） 上記光学素子の作用により、波長変換波の波面を平面ま
たは球面波面に変換すれば、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。

また光波長変換素子のクラッド材料およびコア径が上述
のように選択されていると、基本波波長が変動したとき
、クラッド端面からの波長変換波出射角と、光学素子に
おける波長変換波回折角とが互いに打ち消し合うように
変化し、波長変換波が小さなスポットに絞られた状態が
維持されるようになる。以下、この点について詳しく説
明する。

例えば第１図に示すように、非線形光学材料のコア１が
それよりも低屈折率のクラッド２内に配されてなるファ
イバーチェレンコフ型の光波長変換素子３により、コア
１中を導波させた基本波５を第２高調波５′に変換させ
、そしてその円錐波面を等ピッチ同心円グレーティング
素子６により、平面波面に変換する場合について考える
。

まず、素子６から出射する光ビームの方向を、ファイバ
ー軸（＝光軸）に対する角度θ。ＵＴで定義する。符号
は光軸から離れる方向（発散円錐波面となる方向）を正
、逆を負とする（第１図参照）。平面波面に変換する場
合には θ。ＵＴ−θＡ−θＤ−０　　　　である。

θ０ＬＩＴの波長依存性は ａλ　　　　ａλ　　　　ａλ　　となる。

右辺第１項は波長変化により位相整合角θ０が変化し、
それに応じて出射角θＡが変化する量を表わし、第２項
は波長変化により、素子６の回折角θＤが変化する量を
表わしている。

第２図に示すように、一般に等ピッチ同心円グレーティ
ング素子６における回折角をθＤ、グレーティングピッ
チをＡ１そして光波長をλとすると、ｓｉｎθＤ−λ／
Ａの関係があり、近似的にθＤ＝λ／Ａと表わす。一方
図折角の波長依存性は（θＤ十Δθ０）＝（λ＋Δλ）
／Ａ　　より、Δλ ａλ λ である。

平面波に変換する場合にはθ０ θ。０丁の波長依存性は −θＡであるから、 ａλ ８λ λ と表わせる。この式から、 であれば、等ピッチ同心円グレーティング素子６を通過
後の第２高調波５′は、平面波面の状態を維持すること
になる。

次に、実用に際して上記（１）式の左辺と右辺との差が
どの程度許容されうるか考える。第３図に示すように、
等ピッチ同心円グレーティング素子６を通過後の第２高
調波５°の有効径をＤ１導波の角度ズレ量をΔθ、波面
収差のｐ−ｐ値（ピーク・トウー・ピーク値）をεとす
ると、 ε−（Ｄ／２）ｌｓｉｎΔθ１ である。一般に上記εの値がλ／４以下であれば、良好
に絞られたビームスポットが得られるとされているから
、 １Δθｌ＜５ｉｎ−”（λ／２Ｄ）　　−・−−−−（
２）となる。

ここで、基本波５を発する基本波光源としては、半導体
レーザーが多く用いられ、この半導体レーザーの縦モー
ド間隔は小さいものでも２ｎｍ程度ある。したがって、
該半導体レーザーにおいてモードホップが生じたとき、
第２高調波波長の変動Δλは約１ｎｍ’生じることにな
る。また、れにおいてΔλ−１（ｎｍ）とすると、（２
式より、したがって、前述した（１）式の右辺と左辺の
誤差がｓｉｎ’（λ／２Ｄ）よりも小さく収まっていれ
ば、波面収差のｐ−ｐ値εはλ／４よりも小さくなる。

なお上記の説明では、基本波光源として半導体レーザー
を使用し、第２高調波を発生させる場合を例に挙げたが
、その他の場合でも光波長変換装置は、波長変換波の波
長変動Δλをｌｎｍ程度許容できれば実用可能であるこ
とが多い。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第４図は、本発明の一実施例による光波長変換装置を示
すものである。この装置の光波長変換素子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、前述したように波長変換効率が
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。一方クラッド１２は、ＬａＫ１０ガラスから形成
されている。

この光波長変換素子１０を作成する際には、まずクラッ
ド１２となるＬａＫＩＯガラスの中空ファイバーが用意
される。このガラスファイバーは一例として、外径が３
ｍｍで、中空部の径が１．１μｍのものである。そして
このガラスファイバーの中空部に融液状態のＰＲＡを充
填し、固化させ、またそれを単結晶化させる。次いでこ
のガラスファイバーの両端を切断、研磨して、光波長変
換素子ｌＯを得る。なお、以上のようにして光波長変換
素子ＩＯを作成する方法については、例えば特開昭６４
１ ７９７３４号公報等に詳しい記載がなされている。

こうして得られた光波長変換素子１０の光出射端面とな
るクラッド端面１２ａには、等ピッチ同心円グレーティ
ング２０が形成される。なお等ピッチ同心円グレーティ
ング２０の正面形状を第５図に示す。

このようなグレーティング２０は、公知のフォトリソ法
等によって形成することができる。

上記光波長変換素子ｌＯは第４図図示のようにして使用
される。すなわち、基本波発生手段としての半導体レー
ザー（発振波長：　８７０　ｎ　ｍ）　１Ｂが光波長変
換素子ＩＯの光入射側の端面１０ａに直接固定され、そ
こから射出されたレーザー光（基本波）１５がコアｌｌ
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２ 放射）。

第２高調波１５′は、前記クラッド端面１２ａから出射
し、等ピッチ同心円グレーティング２０を通過してコリ
メートされる。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１
５″は、第２高調波１５’　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、−膜内な球面レンズである
集光レンズ１９に通され、微小なスポットＰに絞られる
。なお第４図ではこの第２高調波１５’　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、等ピッチ同心円グレーティング２０の作用につい
て説明する。本実施例においては第６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θ０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ｄ１ク
ラッド１２の長さをＬとしたとき、クラッド１２の直径
ＤｃをＤＣ〉２Ｌ・ｔａｎθｏ＋ｃｉ 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６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
。

ここで等ピッチ同心円グレーティング２０のピッチＡは
、第２高調波ｉ５°の波長をλ、第２高調波１５’のク
ラッド端面１２ａからの出射角をθＡとすると、 ｓｉｎ　　θＡ−（λ／　Ａ　）　　　・−・−・−（
３）と設定されている。このような等ピッチ同心円グレ
ーティング２０に第２高調波１５°を通すことにより、
その円錐波面が平面波面に変換される。したがって、こ
の第２高調波１５°を前記のように一般的な球面レンズ
である集光レンズ１９に通すことにより、それを微小な
スポットＰに絞ることが可能５ となる。

次に、基本波１５すなわち第２高調波１５゛　の波長変
動の影響について考える。位相整合角をθ。とじ、第２
高調波１５’　に対するクラッド１２の屈折率をｎ（と
すると、 ｓｉｎθＡ−ｎＣｓｉｎθ０ であるから、上記（３）式より、 Ａ−λ／（ｎｃｓｉｎθｏ　）　　−−（４）となる。

ＰＲＡからなるコア１１の直径が１．１μｍで、ＬａＫ
１０ガラスからなるクラッド１２の直径が３ｍｍである
とき、 θｏ−５．９６７°　　θＡ　−１０，４０９゜となる
。なお角度の正負は、前記第１図で規定した通りである
。

６ 一方、本実施例において基本波波長は８７０ｎｍである
から、λ−４３５ｎｍである。またこの波長に対するＬ
ａＫ１０ガラスの屈折率ｎｃは１．７３７９９である。

これらの値に加えて上記θｏ　＝５．９６７゜の値を前
記の（４）式に代入すると、Ａ−２，４０８μ１ｍであ
る。

次に等ピッチ同心円グレーティング２０における回折角
θＤの波長依存性 は、λ−４３５ｎｍ、θＡ−１０，４０９’より、とな
る。一方出射角θＡの波長依存性は上記の通り、 ７ であり、それとθＡ／λ−０，０２３９°／　ｎ　ｍと
の差は、０．００１３＠／　ｎ　ｍとなる。この値と、
５ｉｎ−１（λ／２Ｄ）−０，００４２°／　ｎ　ｍの
値とを比較すると、 ０．００１３°／　ｎ　ｍ　＜　０．００４２’　／　
ｎ　ｍとなっているから、第２高調波１５’　の波長λ
が１ｎｍ程度変動しても、前述した理由により波面収差
のｐ−ｐ値εは、λ／４よりも小さく収まることになる
。

なお上記の実施例では、等ピッチ同心円グレーティング
２０がクラッド端面１２ａに直接形成されているが、本
発明の光波長変換装置は前記第１図に示されるように、
ファイバーチェレンコフ型の光波長変換素子に対して、
波面変換を行なう光学素子を別個に設けて構成すること
もできる。

以上、基本波を第２高調波に変換する実施例について説
明したが、本発明はその他、基本波を第３高調波に波長
変換する光波長変換素子や、２種の波長の基本波を和周
波や差周波に波長変換する光波長変換装置に対しても適
用可能である。

また本発明は、波長変換波の波面を円錐波面から球面波
面に変換する場合にも適用可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明によれば、ファイバー型
の光、波長変換素子から出射した波長変換波の波面を平
面または球面波面とすることができるので、この波長変
換波を通常の球面レンズに通して微小なスポットに絞る
ことが可能となる。したがって本発明によれば、利用す
る光ビームを微小なスポットに絞る必要がある光記録装
置等に対して波長変換波を利用することが可能となり、
波長変換の技術の応用範囲が著しく拡大される。

その上本発明においては、波長変換波の光波長変換素子
からの出射角の波長依存性と、波面変換を行なう光学素
子における回折角の波長依存性とが互いに打ち消し合う
に構成したから、基本波の波長変動があっても、上記の
ように波長変換波が微小なスポットに良好に絞られた状
態を維持でき、この波長変換波を利用する装置の信頼性
を高めることができる。

さらに本発明によれば、上記のように基本波の波長変動
を許容できるから、レーザー光源の発振波長の個体差も
許容できることになり、それにより歩留り向上の効果や
、レーザー光源が破損した際光波長変換素子はそのまま
にしてレーザー光源を簡単に交換使用できるという効果
も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光波長変換装置の基本構成を説明す
る側面図、 第２図は、波面変換を行なう光学素子における波長変換
波の回折を説明する説明図、 第３図は、波面収差を説明する説明図、゛第４図は、本
発明の一実施例による光波長変換装置を示す側面図、 第５図は、第４図の装置の等ピッチ同心円グレーティン
グの正面図、 第６図は、第４図の装置における光波長変換素子を詳し
く示す拡大側面図である。 １．１１・・・コア　　　　　　２．１２・・・クラッ
ド３、ｌＯ・・・光波長変換素子　５．１５・・・基本
波１つ ５゜ １５゜ ・・・第２高調波 １２ａ・・・クラッド端面 ２０・・・等ピッチ同心円グレーティング　Ｕ 第 ４ 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   、光の回折現象により、円錐波面から平面または球面波
   面に変換する光学素子とからなる光波長変換装置におい
   て、 波長変換波の波長、有効径をそれぞれλ、Ｄとし、前記
   クラッド端面からの波長変換波出射角をθ＿Ａとしたと
   き、 この出射角θ＿Ａの波長依存性（∂θ＿Ａ／∂λ）が、
   ｓｉｎ＾−＾１（λ／２Ｄ）よりも小さい誤差範囲内で
   θ＿Ａ／λなる値に近似するように、前記光波長変換素
   子のクラッド材料およびコア径が選択されていることを
   特徴とする光波長変換装置。