JPH0336530A - 光整形装置 - 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、導波路などの線状の光源から指向性をもって
発する光を狭く集光できるように整形するのに適した光
整形装置に関する。さらに詳しくは、光ディスクの記録
密度を増大させるため短波長光を狭く集光するなどに用
いることのできる光整形装置に関する。

〈従来技術〉 近年、小型の装置によって短波長のレーザ光を得る方法
として光波長変換が試みられている。ここて代表的な光
波長変換の方式として、複数の光の周波数が足し合わさ
れる和周波発生、その中でも特に同一周波数の２つ、あ
るいは３つの光の周波数が足し合わされる第２高調波発
生、第３高調波発生という方法がある。第２高調波発生
によシ、ソ 現在、例えば波長１．０６μ風のＹＡＧ（イツト≠ウム
・アルミニウム・ガーネット）レーザを用いて波長０．
５３μ九の緑色レーザ光、波長０．８３〜０．８４μ汎
の半導体レーザを用いて０．４１５〜０．４２μ九の青
色レーザ光の発生が実現されている。

このような例の一つとして、ＬｉＮｂＯ３基板上にプロ
トン交換によって光導波路を作製し、０．８４μｙｒｂ
＊４０ｍＷの半導体レーザ光より１％の変換効率で０．
４ｍＷの第２高調波を発生させた報告が「応用物理、第
５６巻、１２号、１６３７−１６４１ページ（１９８７
）Ｊに記載されている。幅２μ汎、深さ０．４μ扉の導
波路に半導体レーザ光を入射させると、高調波は基板面
に対し約１６．２°下側に放射される。この場合、基本
波と高調波との位相整合条件はほとんど自動的に満足さ
れ、光線と結晶の角度や結晶の温度に対する制約がない
。

〈発明が解決しようとする課題〉 短波長光源を光ディスクに用いようとする第１の理由は
記録密度の向上であり、良好な集光特性の実現が必須で
ある。しかしこの例による高調波発生の場合、ビームの
集光を行うのが難しいという問題点を有している。通常
のレンズは光源が点状であることを前提にして設計され
ており、そのまま用いることができない。線状の光源か
らの光を点状光源から発したように補正するシリンドリ
カルレンズは線光源が光軸に垂直である場合には有効で
あるが、この場合のように線光源の向きが光軸に近い場
合には補正が不十分となる。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、導波路型光波長変換素子などの線光源から指
向性をもって放射させる光を、複屈折基板にかける「偏
光モード変換による導波モード・放射モード結合」とい
う現象を利用して導波路を伝搬させるようにし、その端
面あるいはグレーティングカプラなどから出射させて良
好な集光特性をもつ光形状に変換する。

〈作　用〉 複屈折材料に釦ける直交する偏光成分に対する２つの屈
折率のうち、小さいほうをｎ　（ａ）、大きいほうをｎ
　（ｂ）とする。例えば負の単軸結晶においては、異常
光屈折率が、　（ａ）、常光屈折率がｎ（ｂ）となる。

偏光モード変換による導波モード・放射モード結合は、
導波モードの等理屈折率をＮｅｆｆ（ａ）、導波モード
に直交する偏光に対する基板の屈折率をｎ　−（ｂ）と
するとき、 Ｎ　ｅｆ　ｆ　（ａｌ　＜　ｎｏ（ｂ）の場合に生じ得
る。このとき放射光進行方向の導波路に対する角度は、 ｃｏｓ　’　（Ｎｅｆｆ　（ａ）／　ｎ−（ｂ）　）で
与えられる。

なおこのモード変換を、■ＬｉＮｂＯ３にかいてｙ板、
Ｘ板を用い、伝搬方向を光軸からずらす、■Ｌ　１Ｎｂ
０３　＊　Ｌ　１Ｔａｏ３における電気光学効果を利用
する、■ＬｉＮｂＯ３において入射光量を光誘起屈折率
効果が起こる閾値よυ大きくする（波長が短い場合は少
ない光量で光誘起屈折率効果が発生し得る）、■プロト
ン交換ＬｉＮｂＯ３導波路を作製する際、急加熱、急冷
などを行い、導波路部分に結晶歪み発生、導波路部分の
多結晶化、粒子方向ばらつき発生を起こす、などで効率
良く実現することができる。

〈実施例〉 以下、実施例に基づいて本発明の詳細な説明するが、本
発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１） 第１図は本発明の第１の実施例である光整形装置の断面
図である。波長０．８３μ九、出力１００ｍＷの半導体
レーザ１０から発した光（基本波）はレンズ２０によっ
て集光され、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３の２カツト基板
からなる第１の基板３０上のｙ伝搬第１の導波路３２に
２軸方向の偏光（７Ｍ偏光）として入射する。第１の導
波路３２の各部分からｚｙ平面に偏光軸を有する高調波
（７Ｍ偏光）が基板中へ放射され、第１の基板３０の出
射側端面３５より出射する（ビームＡ）。

ビームＡは片側が円錐面になったレンズ４０に入射し平
行ビームとなる。続いてゲ４板４４を通ることにより偏
光方向が９０’回転し、Ｘ軸方向の偏光（基板３０．５
０に対してＴＥ偏光）となる。この光は第２の円錐面レ
ンズ４８を通ることによシビームＢとして出射する。な
お一般にビームＡの第１の導波路３２からの出射角とビ
ームＢの第２の導波路５２への結合角は異なるので、レ
ンズ４０．４８の面形状は異なる。

ビームＢは第２の基板５０の端面５５に入射して第２の
導波路５２に収束され、偏光モード変換結合によって２
軸方向の偏光（ＴＭ偏光）として第２の導波路５２を伝
搬し、その端面から整形された光として出射する。なお
ＬｉＮｂＯ３はＺ軸を光学軸とする負の単軸結晶であシ
、ｚ軸方向の偏光は異常光屈折率、Ｘ軸方向の偏光は常
光屈折率を感じ、常光屈折率の方が大きいため、Ｘ軸偏
光放射モードと２軸偏光伝搬モードの結合条件が存在す
る。ただし導波モードは基板の屈折率よりやや高い等側
屈折率を感じるため、異常光等価屈折率が常光屈折率よ
シ大きく結合条件を満たさない場合も存在する。

ここで第２の基板５０は第１の基板１０と同じ材料・方
位・導波路５２は幅・深さ以外は導波路３２と同じ工程
にて作製した。これはＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３がたまた１
高調波の発生効率に釦いても偏光モード間結合効率にか
いても優れた材料であったからであυ、別の材料を用い
ても一向に差し支えない。

導波路３２釦よび５２は以下のようにして作製した。２
２０℃のビロリン酸に２５分浸漬して深さ約Ｏ６４μ扉
のプロトン交換層を形成した。導波路幅は導波路３２に
対しては２μ渦、導波路５２に対しては１．４５μ汎で
ある。なお導波路５２としては等側屈折率の作製ばらつ
きを考慮して幾つかの線幅のものを作製し、最も結合効
率の良いも、−Ｖ／ のを選んだ。プロトン交換に際し、ヒロリ酸を用いたが
、本発明はこれに限定されるものではなく他にリン酸、
安息香酸を用いてもよい。

基板３０および５０の入射・出射面は光学研磨を行い、
それぞれの波長に対して反射防止コートを行った。な釦
レンズ４０．４８．　λ／４板４４の表面についても反
射防止コートを施した。

ここでビーム形状は、ビームＢは導波路に対して完全に
軸対称なのに対し、ビームＡは僅かに対称と異なる。こ
れはＬｉＮｂＯ３基板３０．５０が２軸を光軸とする一
軸性結晶であシ、ビームＢばＺ軸に直交した偏光（ＴＥ
偏光）であるが、ビームＡはｚｙ平面に偏光軸を有しく
ＴＭ偏光）、下向きの光と横向きの光とで偏光方向の２
軸に対する角度が異なるためである。しかし実際にはビ
ームＡの光強度の大部分は下側に集中している。

従って下側への放射光の角度に合わせてレンズ４０を選
定した。

実験によれば、基本波光量１００ｍＷ、うち導波路３２
への結合光量が約３５ｍＷのとき、高調波は約０．５ｍ
Ｗ発生し、そのうち４０％が導波路５２を出射した。

（実施例２） 本発明の第２の実施例ｆ：第２図に示す。

第１の実施例と異なる主な点は以下の通りである。

基板５０はＭｇＯをドープしないＸカットＬｉＮ　ｂ　
Ｏｓ基板とし、導波路５２はＴｉ拡散法で作製した。導
波路５２の線幅は３μ卯とした。推定導波路深さは２．
７μ扉である。Ｔｉ拡散導波路にかいては基板と導波路
の屑折率差が小さいため、このように導波路深さを深く
してもシングルモード条件を保つことができる。導波路
１Ｉｉｌ？面の縦横比をほぼ１とすることによって、導
波路５２の出射光の形状が集光に適したものとなる。ま
た屈折率差が小さいことからＴｉ拡散導波路モードの偏
光モード変換放射角がほぼ一定（基板の複屈折によって
ほとんど決まる）となシ、作製が容易になる。

基板５０としてＸカット基板を用いたことに伴い、基板
５０においてはＴＭ放射モードとＴＥ伝搬モードが結合
することになる。従って導波路３２からのＴＭ出射光は
そのままの偏光で基板５０に入射でき、λＡ板４４は不
要となる。これに伴いレンズ４０．４８を貼り合わせた
。

導波路は結晶の２軸に対し約２０’傾いた方向に作製し
た。これは、このとき放射モード・伝搬モードの結合係
数が極大となるためである。

光源１１としてＹＡＧレーザを用いた。波長が変わった
ので高調波の発生効率を最適に保つよう導波路３２の深
さを約０．５５μ扉とした。

導波路３２への基本波の入射、導波路５２からの高調波
の出射は端面からでなくグレーティングカブラ３１．５
３を用いて行った。この方法は端面研磨の必要がないた
め低価格で大量に生産する場合に適している。

実験によれば、導波路３２からの発生光量が０、３　ｍ
　Ｗのとき、導波路５２の出射光は発生光量の７０％で
あった。

（実施例３） 本発明を光ファイバに対して適用した実施例を第３図に
示す。

この光ファイバは以下のようにして作製された。

ＬｉＮｂＯ５結晶を光軸方向がｙ軸となるように直径１
００μ汎の円柱状に切シ出す。その表面にＭｇＯ薄膜層
を形成する。そのあと高温下でＭｇＯの拡散を行い拡散
領域をクラッド層とする。この拡散条件を適当に調整す
ることによって、コア径を制御できる。次に、結晶の形
状を先端面と終端面とで円の大きさが異なるようなテー
パー状に加工・研磨し、アクリル樹脂よりなる第２クラ
ツド１２０を被覆し、最後に先端面と終端面を光学研磨
した。

波長０．８３μｍの半導体レーザ光源１０からの光をレ
ンズ系２０によってコア１１０に集光し、結晶のＸ軸方
向の偏光として入射した。この場合、コア１１０の非線
形光学係数ｄｌｌによってＸ軸偏光の第２高調波がクラ
ッド１００に−゛定の角度で放射される。この光はクラ
ッド１００と第２クラツド１２０の界面で全反射される
。その界面は光軸方向に対してテーパー角をなして釦９
、コア前部での高調波放射角とコア後部の放射・導波モ
ード結合角との整合を取ることができる。従って界面で
反射された高調波はコア１１０の２軸方向に偏光する伝
搬モードとなり、コアの終端から良好な点光源からの光
として出射された。

本実施例においてはコア前部の光波長変換部とコア後部
の光整形部が一体化されているが、それぞれの機能を有
する光ファイバを組み合わせてもよい。そのとき光波長
変換ファイバと光整形ファイバの間に、実施例１・２で
用いた光学系４０〜４８のようなものを用いてもよい。

なか、以上の実施例を通じて、基板５０あるいはクラッ
ド１００の材料としては、複屈折性を有し、導波路が作
製しやすいものであれば、様々なものを用いることがで
きる。代表的なものとしては、ＬｉＮｂＯ３の他にも、
Ｌ　１Ｔａ０３　、ＫＮｂＯ３＋　　β−ＢａＢ２０ａ
、ＢＮＮ（Ｂａ２ＮａＮｂｓ０１５）、ＫＤＰ（ＫＨ２
ＰＯ，）、ＫＴＰ（ＫＴ　ｉＯＰ　０４　）　、Ｋ　Ｔ
　Ａ　（Ｋ　Ｔ　ｔ　ＯＡ　ｓ　０４　）　、　　Ｂ　
ａ　Ｔ　ｒ　０３などの無機非線形光学材料、５ｉＣ）
＋（水晶）。

ＺｎＳ、Ｚｎ５ｅ、ＣａＣＯ３，ＰＬＺＴ（Ｐｂ−Ｌａ
−Ｚｎ−Ｔｉ・０の化合物）、　Ｔ　ｉ０２．　Ａｌ２
Ｏ３＊　Ｆｅ２Ｏ３＋　Ｆ　ｅ２０３．ＮａＮＯ３，ｃ
ａｓ。

ＣａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡＩＰ。

Ｉ　ｎＧａＡｓＰなどの無機材料、およびＭＮＡ。

Ｍ　Ａ　Ｐ　（３−ｍｅｔｈｙｌ−２，４−ｄｉｎｉ　
ｔｒｏｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｏｐｒｏｐａｎａｔｃ）、
ｍＮＡ　（メタニトロアニＩＪン）、　ＬＡＰ（Ｌ　−
Ａｒｇｉｎｉｎｅ　ＰｈｏｓｐｈａｔｅＭｏｎｏｈｙｄ
ｒａｔｅ）、ＤＬＡＰ（重水素化ＬＡＰ）、尿素などの
有機非線形光学材料、延伸などによって配向化して複屈
折を与えたポリビニルアルコール、アクリル、ＰＭＭＡ
（ポリメチルメタクリレート）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化
ビニリデン）などをを用いることが考えられる。

〈発明の効果〉 本発明の光整形装置は、導波路などの線状光源から発す
る放射光を再び導波路に戻すことができ、集光特性の優
れた光に成型することができる。従って、導波路から放
射された短波長の光を用いた高密度光ディスクを実現す
ることなどが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成断面図、第２
図は本発明の第２の実施例を示す構成鳥諏図、第３図は
本発明の第３の実施例を示す構成断面図である。 １０・・・シー４光源　　２０・・・レンズ　　３０・
・・光波長変換導波路基板　　３２・・・光波長変換導
波路　　４０．４８・・・円錐状レンズ　　４４・・・
λ／４板　　５０・・・光整形導波路基板　　５２・・
・光整形導波路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の基板又は光ファイバに形成された第１の光導
   波路と、 第２の基板又は光ファイバに形成され、複屈折材料より
   なる第２の光導波路と、 前記第１の光導波路から前記第１の基板又は光ファイバ
   に対する指向性を有して放射される光の、前記第２の光
   導波路への入射角及び偏光方向を設定し、偏光モード変
   換結合によって前記第２の光導波路に光を伝播させる収
   束光学系とを備えてなり、 前記第２の光導波路から整形された光を出射することを
   特徴とする光整形装置。