JPH0519310A

JPH0519310A - 光変調波長変換素子

Info

Publication number: JPH0519310A
Application number: JP28152291A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Fukuda; 浩章福田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-01-23
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 1993-01-29

Abstract

(57)【要約】【目的】同一の素子で第２高調波の発生と、この第２高
調波の変調とを行い得るようにする。【構成】基板１に３次元導波路を形成し、導波方向に周
期的な電界を発生させる電極構造３による電界のオン・
オフによりＴＥ−ＴＭモード間のモード変換を行い、こ
れを利用して第２高調波の変調を行う。あるいは、３次
元導波路をＹ字状に分岐させ、１対の電極により導波光
に位相変化を与えて、分岐導波路を選択して所定の分岐
導波路から変調された第２高調波を射出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光変調波長変換素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】波長変換素子として知られるＳＨＧ素子
は、非線形光学効果を利用して波長：λのレーザー光か
ら波長：λ／２の第２高調波を発生させる光学素子であ
る。このような第２高調波を用いると、例えば光ディス
ク等の光情報記録媒体における情報の記録密度を飛躍的
に高めることができるため、近来活発な開発が行われて
おり、３次元導波路型のものも種々のものが知られてい
る（例えば、特開昭６３−４４７８１号公報）。

【０００３】第２高調波により情報記録や情報処理を行
うためには、第２高調波自体の変調が必要であり、第２
高調波の発生と変調とを同一の素子で行うことができれ
ば極めて便利であるが、従来このような素子は実現され
ていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこでこの発明は、第
２高調波の発生と、その変調とを同一素子において実行
できる全く新規な光変調波長変換素子の提供を目的とし
ている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の光変調波長変
換素子は「高調波発生手段と光変調手段とを同一の基板
に一体化して」構成される。「高調波発生手段」は、基
本波レーザー光を導波される３次元導波路を有し、上記
基本波レーザー光から第２高調波を発生させる。「光変
調手段」は、３次元導波路に導波される基本波レーザー
光に対してＴＥ−ＴＭモード間のモード変換を行うこと
により第２高調波の変調を行う。この光変調手段は、基
本波レーザー光の波長をλ、３次元導波路におけるＴＥ
及びＴＭモードの等価屈折率をそれぞれＮteおよびＮtm
とするとき、「３次元導波路中の導波方向に周期的な電
界を発生させるような、Λ₂(=λ/{Ｎte-Ｎtm})の電極間
隔の周期を持つ電極構造」である。

【０００６】第２高調波の発生の際には、基本波と第２
高調波との位相整合を行う必要があるが、この位相整合
は専用の位相整合手段を用いて行うこともできるし、基
板の選択により行うこともできる。

【０００７】即ち、請求項２の発明のように「３次元導
波路における、基本波レーザー光に対する導波モード光
の伝搬定数をβ(ω)、第２高調波に対する導波モード光
の伝搬定数をβ(２ω)とするとき、導波方向に周期Λ
₁(=２（２ｍ−１）π／{β(２ω)−２β(ω)}；ｍ：自
然数）を持って導波路に形成された分極反転領域」を位
相整合手段とし、高調波発生手段の一部とすることがで
きる。

【０００８】また「拡散により３次元導波路を形成され
たＬｉＮｂＯ₃のｃ板を基板として選択し、光の伝搬方
向をｙ方向、これに直交するｚ方向をｃ軸方向に合わ
せ、基本波に電界方向がｘ軸に平行なｘ方向偏波、第２
高調波に電界方向がｚ軸に平行なｚ方向偏波を用い、基
本波の波長を１μｍ以上にする」と、基板であるＬｉＮ
ｂＯ₃の複屈折により位相整合を行うことができる（請
求項７）。

【０００９】請求項２の発明のように、周期的な分極反
転領域を位相整合手段として用いる場合、基板としてＬ
ｉＴａＯ₃の−ｃ板やＬｉＮｂＯ₃のｃ板を用いることが
できる。３次元導波路は拡散によりこれら基板に形成す
る。なおＬｉＮｂＯ₃の基板はＭｇＯドープされたＬｉ
ＮｂＯ₃による基板を含む。

【００１０】ＬｉＴａＯ₃の−ｃ板を用いる場合、光の
伝搬方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方向を−ｃ軸
方向に合わせたとき、基本波として「電界方向がｚ軸に
平行なｚ方向偏波」、第２高調波として「電界方向がｚ
軸に平行なｚ方向偏波」を用いることができ（請求項
３）、また光の伝搬方向をｙ方向、これに直交するｚ方
向を−ｃ軸方向に合わせたとき、基本波として「電界方
向がｘ軸に平行なｘ方向偏波」、第２高調波として「電
界方向がｚ軸に平行なｚ方向偏波」を用いることができ
る（請求項４）。

【００１１】ＬｉＮｂＯ₃のｃ板を用いる場合、光の伝
搬方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方向をｃ軸方向
に合わせたとき、基本波として電界方向がｚ軸に平行な
ｚ方向偏波、第２高調波として電界方向がｚ軸に平行な
ｚ方向偏波を用いることができ（請求項５）、光の伝搬
方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方向をｃ軸方向に
合わせたとき、基本波として電界方向がｘ軸に平行なｘ
方向偏波、第２高調波として電界方向がｚ軸に平行なｚ
方向偏波を用いることもできる（請求項６）。

【００１２】また、３次元導波路をＬｉＮｂＯ₃のｃ板
に「プロトン交換」により形成することにより第２高調
波をチェレンコフ放射により発生させることができる
（請求項８）。

【００１３】上記の請求項１ないし８の光変調波長変換
素子では、「３次元導波路に導波される基本波レーザー
光に対してＴＥ−ＴＭモード間のモード変換を行うこと
により第２高調波の変調を行う」が、請求項９以下の光
変調波長変換素子では別の変調方式を用いる。

【００１４】即ち、請求項９の光変調波長変換素子は、
高調波発生手段と１対の電極が同一基板に一体化され
る。「高調波発生手段」は、射出側が２又に分岐し基本
波レーザー光を導波するＹ字型の３次元導波路を有し、
基本波レーザー光から第２高調波を発生させる。「１対
の電極」は、３次元導波路の分岐点手前で導波光の位相
を変化させて、分岐導波路の選択を行なう。従って、光
変調は「分岐した３次元導波路（分岐導波路）の選択に
より」行なう。請求項９の光変調波長変換素子において
も、基板を非線形媒質で構成し、高調波発生手段が「３
次元導波路における、基本波レーザー光に対する導波モ
ード光の伝搬定数をβ(ω)、第２高調波に対する導波モ
ード光の伝搬定数をβ(２ω)とするとき、導波方向に周
期：Λ（＝２（２ｍ−１）π/｛β(２ω)−２β
(ω)｝；ｍ：自然数）で分極反転した領域として３次元
導波路に形成された屈折率変化領域」であるようにする
ことができる（請求項１０）。この場合、高調波発生手
段自体が位相整合の機能を有する。

【００１５】また、この場合「屈折率変化領域による高
調波発生手段」は、基本波レーザー光の入射側から導波
路の分岐点に到る中間の部分に形成しても良いが、３次
元導波路の２又に分岐した一方の分岐導波路に形成して
も良い（請求項１１）。

【００１６】請求項９，１０の素子においては、非線形
媒質の基板として、拡散により３次元導波路を形成され
たＬｉＴａＯ₃の−ｃ板を用い、光の伝搬方向をｙ方向
とし、これに直交するｚ方向を−ｃ軸方向に合わせ、基
本波として「電界方向がｚ軸に平行なｚ方向偏波もしく
は電界方向がｘ軸に平行なｘ方向偏波」を用い、第２高
調波として「電界方向がｚ軸に平行なｚ方向偏波」を用
いてもよいし（請求項１２）、非線形媒質として、拡散
により３次元導波路を形成されたＬｉＮｂＯ₃のｃ板を
用い、光の伝搬方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方
向をｃ軸方向に合わせ、基本波として「電界方向がｚ軸
に平行なｚ方向偏波もしくは電界方向がｘ軸に平行なｘ
方向偏波」、第２高調波として「電界方向がｚ軸に平行
なｚ方向偏波」を用いてもよい（請求項１３）。

【００１７】また、請求項９の光変調波長変換素子の基
板として、拡散により３次元導波路を形成されたＬｉＮ
ｂＯ₃のｃ板を用い、光の伝搬方向をｙ方向とし、基本
波として「電界方向がｘ軸に平行なｘ方向偏波」、第２
高調波として「電界方向がｚ軸に平行なｚ方向偏波」を
用い、位相整合に基板の複屈折性を用いることができる
（請求項１４）。この場合、変調された第２高調波を射
出しない方の分岐導波路の上には、金属クラッディング
を形成することができる（請求項１５）。

【００１８】また請求項９の光変調波長変換素子の基板
として、プロトン交換により３次元導波路を形成された
ＬｉＮｂＯ₃結晶もしくはＬｉＴａＯ₃結晶の板を用い、
第２高調波をチェレンコフ放射により発生させることが
できる（請求項１６）。

【００１９】

【作用】請求項１ないし８の光変調波長変換素子では、
光変調手段の電極構造により導波路の光伝搬方向に電界
を作用させて、屈折率楕円体の主軸回転を起こし、ＴＥ
−ＴＭモード結合を起こす。このモード結合に伴うモー
ド変換を利用して第２高調波を変調する。

【００２０】また請求項９以下の光変調波長変換素子で
は、３次元導波路中に第２高調波を発生させ、変調は分
岐導波路の選択により行なう。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照しながら具体的な実施例に
即して説明する。

【００２２】図１において、符号１はＬｉＴａＯ₃の単
結晶による基板を示す。この基板１は−ｃ板である。符
号２は、基板１に形成された３次元導波路、符号３は光
変調手段をなす電極構造を、符号４は分極反転領域を示
している。図のようにｘ，ｙ，ｚ方向を設定すると、基
板１の−ｃ軸はｚ方向に平行であり、ｙ方向は３次元導
波路２の光伝搬方向に対応する。

【００２３】３次元導波路２は、この実施例においては
基板表面にＴｉを１０００度Ｃ程度の温度で拡散し、基
板１よりも屈折率を高くすることにより形成されてい
る。拡散物質はＴｉの外にＣｕ等を用いることができ
る。３次元導波路２は単一モード導波路であることが望
ましい。

【００２４】分極反転領域４は導波光の伝搬方向、即ち
ｙ方向に分極が周期的に反転した領域である。この分極
反転領域を形成するには例えば、以下のようにすれば良
い。

【００２５】即ち、３次元導波路となるべき部分に拡散
物質を拡散させた後、キューリー点近傍の温度下でｃ方
向に電界を作用させてポーリングを行い分極方向を揃え
る。次いで３次元導波路２上の、図１において破線を施
した部分以外をＴｉでマスクしたのち安息香酸溶液中で
２５０度ｃ程度の温度でプロトン交換し、ＬｉＴａＯ₃
のキューリー点（Ｔｃ〜６００度ｃ）直下の温度で熱処
理してマスクされていない部分に分極反転層４ａを形成
する。このようにして、ｙ方向において分極方向が交互
に反転した分極反転領域４が形成される。なお、分極反
転層４ａの形成については、１９８９年春季応用物理学
会において配布された予稿集の27-P-10に報告されてい
る。

【００２６】場合によっては上記方法で分極反転領域を
先に形成した後に、金属イオンをイオン拡散することに
より、あるいは、２５０度Ｃ程度の温度でプロトン交換
した後、３８０度Ｃでアニール処理することにより、３
次元導波路を形成することもできる。Ｒｂ，Ｃｓ，Ａｇ
等、３００〜４００度ｃ近傍の温度で拡散できる金属の
拡散により３次元導波路を形成する場合には、この方法
を取る必要がある。

【００２７】また非線形媒質の基板として、ＫＴｉＯＰ
Ｏ₄のｚ板を用いる場合には、ＲｂＮＯ₃／Ｂａ（Ｎ
Ｏ₃）₂の溶融塩をイオン源に用いることにより、イオン
交換により、上記と同様の３次元導波路を形成できる。

【００２８】分極反転層の厚さは昇温速度の変化により
調整できる。また分極反転層４ａの幅Ｌは、３次元導波
路２の幅と必ずしも一致させる必要はない。

【００２９】電極構造３は一対の櫛歯状電極３Ａ，３Ｂ
を交指状に組み合わせてなり、以下のように形成され
る。即ち、３次元導波路２の形成された側の基板表面に
プラズマＣＶＤによりシリコン酸化膜のバッファ層を形
成し、その上に接着剤としてＮｉＣｒ−Ａｕを蒸着す
る。その後、厚膜レジストを図示の電極形状にパターニ
ングし、形成されたパターンをガイドにしてＡｕを電界
鍍金で成長させ、しかるのちにレジストをレジストリム
ーバーで除去する。そして最後にＡｕ鍍金以外の部分を
エッチングで除去するのである。この他、Ａｌ，Ｎｉ等
を用いてリフトオフ法やフォトリソグラフィ、電界鍍金
等で形成することも可能である。

【００３０】分極反転領域４の屈折率の周期的変化にお
ける周期Λ₁は、３次元導波路２に導波される基本波レ
ーザー光の伝搬定数をβ(ω)、第２高調波の伝搬定数を
β(２ω)とするとき、 Λ₁＝２（２ｍ−１）π／｛β(２ω)−２β(ω)｝；ｍ：自然数で与えられる大きさに設定される。

【００３１】電極構造３においては、櫛歯状電極３Ｂを
接地して櫛歯状電極３Ａに電圧を印加すると、３次元導
波路２の光伝搬方向に周期的な電界が導波路中に形成さ
れるが、このような電界を与える櫛歯状電極の間隔の周
期Λ₂はＴＥ，ＴＭモードの透過屈折率をＮte，Ｎtmと
するとき、 Λ₂＝λ／｜Ｎte−Ｎtm｜で与えられる大きさに設定される。λは基本波レーザー
光の波長である。

【００３２】周知の如く、３次元導波路２に基本波レー
ザー光を導波させた状態でｙ方向に電界を作用させる
と、導波路における屈折率楕円体の主軸回転が起こり、
比誘電テンソルに非対角成分が生じてＴＥモードとＴＭ
モードの結合が起こり、モード変換が行われる。その
際、各モード間の位相の不整合が、電極構造３による周
期Λ₂の電界周期で補償されるのである。

【００３３】また発生した第２高調波と基本波レーザー
光の位相の不整合は周期Λ₁をもって屈折率が交互に変
化する屈折率変化領域４により補償される。

【００３４】この図１の実施例では、上述のごとく基板
１はＬｉＴａＯ₃の−ｃ板である。

【００３５】光源として波長０．８３μｍの半導体レー
ザーを想定すると３次元導波路２における等価屈折率の
波長分散は、波長０．８３μｍの基本波では、常光に相
当する電界方向がｘ方向を向いているEx₀₀モードを用い
た場合で２．１５３８、異常光に相当する電界方向がｚ
方向に向いているEz₀₀モードを用いた場合で２．１５７
８、波長０．４１５μｍの第２高調波では、常光に相当
するEx₀₀モードを用いた場合で２．２４１４、異常光に
相当するEz₀₀モードを用いた場合で２．２８１４であ
る。

【００３６】また波長１．２μｍの半導体レーザー光源
を想定すると上記等価屈折率の波長分散は、波長１．２
μｍの基本波では常光に相当するEx₀₀モードを用いた場
合で２．１３０５、異常光に相当するEz₀₀モードを用い
た場合で２．１３４１、波長０．６μｍの第２高調波で
は常光に相当するEx₀₀モードを用いた場合で２．１８３
４、異常光に相当するEz₀₀モードを用いた場合で２．１
８７８である。

【００３７】従って、基本波に対する等価屈折率をＮ
(ω)，第２高調波に対する等価屈折率をＮ(２ω）とす
ると、伝搬定数β＝２πＮ／λであるから、上述の関
係、 Λ₁＝２（２ｍ−１）λ／｛β(２ω)−２β(ω)｝；
ｍ：自然数は、Λ₁＝（２ｍ−１）λ／［２・｛Ｎ(２ω)−Ｎ
(ω)｝］となり、この関係を満足するΛ₁を分極反転領域におけ
る分極反転の周期に設定すれば位相整合を良好に行って
安定した第２高調波を得ることができる。

【００３８】基本波レーザー光の波長を０．８３μｍと
し、基本波として常光に相当する上記Ex₀₀モード、第２
高調波として異常光に相当する上記Ez₀₀モードを用いる
場合は、上記等価屈折率の場合、屈折率変化の周期Λ₁
は約３．１μｍとなる。この場合は非線形定数ｄ₃₁が用
いられることになる。

【００３９】また上記波長０．８３μｍで基本波として
異常光に相当する上記Ez₀₀モード、第２高調波として異
常光に相当するEz₀₀モードを用いる場合は、上記等価屈
折率の場合、屈折率変化の周期Λ₁は約３．２μｍとな
る。この場合は非線形定数ｄ₃₃が用いられることにな
る。

【００４０】基本波レーザー光の波長を１．２μｍと
し、基本波として常光に相当するEx₀₀モード、第２高調
波として異常光に相当するEz₀₀モードを用いる場合は、
上記等価屈折率の場合、屈折率変化の周期Λ₁は約１
０．５μｍとなる。この場合は非線形定数ｄ₃₁が用いら
れることになる。

【００４１】また上記波長１．２μｍで基本波として異
常光に相当するEz₀₀モード、第２高調波として異常光に
相当するEz₀₀モードを用いる場合は、上記等価屈折率の
場合、屈折率変化の周期Λ₁は約１１．２μｍとなる。
この場合は非線形定数ｄ₃₃が用いられることになる。

【００４２】３次元導波路２における常光、異常光に対
する屈折率をそれぞれNo，Neとし、|Nte−Ntm|≒(No−N
e）とすると、電極構造３における周期Λ₂は、波長０．
７８μｍに対して約１９５μｍ、波長１．２μｍに対し
て約３３３μｍとなる。この程度の大きさであれば電極
構造３の形成は容易である。

【００４３】基本波として常光に相当するEx₀₀モードを
用い、第２高調波として異常光に相当するEz₀₀モードを
用いるように分極反転領域４を形成し、Ex₀₀モードの光
を入力させつつ、電極構造３により周期的な電界を作用
させると、Ex₀₀モードがEz₀₀モードに変換されて第２高
調波は発生しないが、電界を作用させないと第２高調波
が発生する。

【００４４】また基本波として常光に相当するE_X00モー
ドを用い、第２高調波として異常光に相当するEz₀₀モー
ドを用いるように屈折率変化領域４を形成し、Ez₀₀モー
ドの光を入力させつつ、電極構造３により周期的な電界
を作用させると、Ex₀₀モードがEz₀₀モードに変換されて
第２高調波が発生するが、電界を作用させないと第２高
調波は発生しない。

【００４５】従って、何れの場合も櫛歯状電極３Ａに印
加される電圧をオン・オフすることにより、第２高調波
を変調することができる。

【００４６】図２には図１の実施例の変形例を示す。煩
雑を避けるために混同の虞がないと思われるものに就い
ては図１におけると同一の符号を付した。図１の実施例
との差異は電極構造の構成にある。即ち、この実施例に
おいては電極構造は３次元導波路２に沿って設けられ、
櫛歯状部分の周期がΛ₂であるような櫛歯状電極３Ｃ
と、この電極３Ｃと３次元導波路２を介して対向するよ
うに設けられた長方形形状の電極３Ｄとにより構成され
ている。このような電極構造でも図１の実施例と同様の
動作を行うことができる。

【００４７】図３には別の実施例を示す。この図におい
ても混同の虞がないと思われるものに就いては図１にお
けると同一の符号を付した。この実施例において基板１
ＡはＬｉＮｂＯ₃のｃ板であり、ｃ軸に合わせてｚ軸を
設定し、図のごとくにｘ，ｙ方向を定める。

【００４８】この場合、光源として波長０．８３μｍの
半導体レーザーを想定すると３次元導波路２における等
価屈折率の波長分散は、波長０．８３μｍの基本波で
は、常光に相当するEx₀₀モードを用いた場合で２．２
２、異常光に相当するEz₀₀モードを用いた場合で２．１
７、波長０．４１５μｍの第２高調波では、常光に相当
するEx₀₀モードを用いた場合で２．３９、異常光に相当
するEz₀₀モードを用いた場合で２．２８である。

【００４９】基本波レーザー光の波長を０．８３μｍと
し、基本波として常光に相当する上記Ex₀₀モード、第２
高調波として異常光に相当する上記Ez₀₀モードを用いる
場合は、上記等価屈折率の場合、屈折率変化の周期Λ₁
は約３．１μｍとなる。また、基本波として異常光に相
当するEz₀₀モード、第２高調波として異常光に相当する
Ez₀₀モードを用いる場合は、屈折率変化の周期Λ₁は約
３．２μｍとなる。電極構造３における周期Λ₂は、波
長０．８３μｍに対して約１６．６μｍとなる。この程
度の大きさであれば電極構造３の形成は容易である。

【００５０】基板１Ａの材料としてＬｉＮｂＯ₃結晶に
替えて、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ₃結晶を用いて
も上記実施例と同様のものが得られる。ＬｉＮｂＯ₃結
晶もしくはＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ₃結晶を基板
１Ａとして用いる場合、基本波として常光に相当するEx
₀₀モード、第２高調波に異常光に相当するEz₀₀モードを
用いると、基本波の波長が１μｍ以上なら、非線形媒質
である基板の複屈折性を利用して位相整合を行うことが
できる。従って、このような場合には、基本波と第２高
調波の位相整合をとるための屈折率変化領域４を省略す
ることができる。図４は、このような場合の実施例を示
している。

【００５１】図４の実施例は屈折率変化領域がない点を
除けば図３の実施例と同一である。図３，図４の実施例
の場合、Ex₀₀モードを入力光とした場合、電極３Ａに電
圧を印加するとEx₀₀モードがEz₀₀モードに変換され第２
高調波は発生しないが、電極３Ａに電圧を印加しない状
態では第２高調波が発生する。

【００５２】ＬｉＮｂＯ₃の基板１Ａにプロトン交換に
より３次元導波路を形成すると、チェレンコフ放射によ
って安定した第２高調波を発生させ得ることが知られて
いる（応用物理：第５６巻第１２号１６３７（４
９）頁１９８７年）。この場合にも位相整合のための
屈折率変化領域は不要である。

【００５３】そこで、図４の構成で、３次元導波路２を
プロトン交換で形成すると電極３Ａへの電圧印加のオン
・オフでチェレンコフ放射による第２高調波を変調する
ことができる。

【００５４】この発明の実施において、基板としてはＬ
ｉＴａＯ₃もしくはＬｉＮｂＯ₃が好適に利用できるが、
ＬｉＴａＯ₃の基板は光損傷しきい値がＬｉＮｂＯ₃の基
板に比して大きいため、フォトリフラクティブ効果が小
さい。

【００５５】以上は、請求項１〜８の光変調波長変換素
子に関する実施例の説明である。以下には図５ないし図
１１を参照して、請求項９以下の光変調波長変換素子の
実施例を説明する。煩雑を避けるため、混同の虞れがな
いと思われるものに就いては図５以下の各図面において
も、図１ないし図４の符号を用いる。

【００５６】図５において、符号１は図１の実施例にお
けると同じく、ＬｉＴａＯ₃の−ｃ板を用いた基板を示
す。符号２０は３次元導波路を示す。３次元導波路２０
はＹ字状であり、光射出側は２又に分岐して、分岐導波
路２０Ａ，２０Ｂをなしている。勿論、３次元導波路２
０は「単一モード導波路」であることが望ましい。符号
４Ａは、Λの周期で分極反転した領域を示す。

【００５７】上記分極反転領域４Ａにおける、分極反転
の周期：Λは、３次元導波路における、基本波レーザー
光に対する導波モード光の伝搬定数をβ(ω)、第２高調
波に対する導波モード光の伝搬定数をβ(２ω)とすると
き、ｍを自然数として、 Λ＝２（２ｍ−１）π/｛β(２ω)−２β(ω)｝で与えられる。

【００５８】符号３０は１対の電極を示す。この１対の
電極は、電極３０Ａ，３０Ｂにより構成され、３次元導
波路２０の分岐点手前で導波光の位相を変化させて、分
岐導波路２０Ａ，２０Ｂの選択を行なうものであり、分
岐点の手前側から３次元導波路２０に沿って設けられ、
各電極３０Ａ，３０Ｂは、それぞれ分岐導波路２０Ａ，
２０Ｂの一部を覆っている。

【００５９】３次元導波路２０は、図１の実施例におけ
る３次元導波路２と同様の方法で形成され、分極反転領
域４Ａおよび電極対３０は、図１の実施例における分極
反転領域４および電極構造３と同様の方法で形成されて
いる。

【００６０】上記ＬｉＴａＯ₃の−ｃ板を用いた基板１
に換えて、ＬｉＮｂＯ₃結晶やＭｇＯをドープしたＬｉ
ＮｂＯ₃結晶、ＫＴｉＯＰＯ₄基板等を用いて、図１の実
施例に即して説明した方法で、３次元導波路や分極反転
領域、１対の電極を形成できることは言うまでもない。

【００６１】図５の実施例において、図の如く電極３０
Ｂを接地し、電極３０Ａに印加する電圧をＶ₀とする
と、電圧：Ｖ₀が０のときは、導波光に対する実効屈折
率分布は導波路中一様であり、Ez₀₀モードの界分布は中
心対称となる。電圧Ｖ₀が０でない場合には、３次元導
波路２０の、電極３０Ａよりに高屈折率領域が生じ、導
波光は、この高屈折率領域に閉じ込められて導波し、分
岐導波路２０Ａに引き込まれ、同分岐導波路２０Ａから
射出することになる。

【００６２】従って図５に示すように、基本波として電
界がＺ方向を向いた偏光レーザー光を３次元導波路２０
にｙ方向へ導波させると、分極反転領域４Ａにおいて位
相整合した第２高調波が発生して、３次元導波路２０の
分岐点に向かって導波する。この状態で、変調信号を電
圧信号Ｖ₀として電極３０Ａに印加すると、上述したと
ころに従って、変調された第２高調波が分岐導波路２０
Ａから得られることになる。勿論、電極３０Ａを接地し
て、変調電圧信号を電極３０Ｂに印加すれば変調された
第２高調波は分岐導波路２０Ｂから射出する。

【００６３】３次元導波路２０における２つの分岐導波
路２０Ａ，２０Ｂの分岐角を約１度以下にすれば、分岐
点における散乱損失を１ｄＢ以下に抑えることができ、
高次モードの発生を抑制できる。ＬｉＴａＯ₃の基板１
を用いるこの実施例でもＬｉＮｂＯ₃の基板に比してフ
ォトリフラクティブ効果が小さいことは図１の実施例の
場合と同じである。

【００６４】基板としてＬｉＴａＯ₃の−ｃ板を用いた
図５の実施例において、基本波レーザー光の光源として
発振波長０．８３μｍのものを考えると、３次元導波路
２０における等価屈折率の波長分散は、上記波長の基本
波では、常光に相当する電界方向がｘ軸方向を向いたEx
₀₀モードの場合で２．１５３８、異状光に相当する電界
方向がｚ方向を向いたEz₀₀モードの場合で２．１５７
８、波長０．４１５μｍの第２高調波では、常光に相当
するEx₀₀モードを用いた場合で２．２４１４、異常光に
相当するEz₀₀モードで２．２８１４である。

【００６５】また、基本波レーザー光の光源として発振
波長１．２μｍのものを考えると、３次元導波路２０に
おける等価屈折率の波長分散は、基本波では、常光に相
当するEx₀₀モードの場合で２．１３０５、異常光に相当
するEz₀₀モードで２．１３４１であり、波長０．６μｍ
の第２高調波では、常光に相当するEx₀₀モードを用いた
場合で２．１８３４、異常光に相当するEz₀₀モードで
２．１８７８である。

【００６６】３次元導波路２０における、基本波に対す
る等価屈折率をＮ（ω）、第２高調波に対する等価屈折
率をＮ（２ω）とすると、伝搬定数βと等価屈折率Ｎと
の間には、λを波長として関係：β＝２πＮ／λが成り
立つから、上述の式：Λ＝２（２ｍ−１）π/｛β(２
ω)−２β(ω)｝に従い、屈折率分布領域４Ａにおける
分極反転の周期Λを、Λ＝（２ｍ−１）λ／［２｛Ｎ
（２ω）−Ｎ（ω）｝］とすれば、効率良く第２高調波
を発生させることができる。

【００６７】基本波の波長を０．８３μｍとし、基本波
にEx₀₀モード、第２高調波にEz₀₀モードを用いた場合、
周期Λは３．１μｍとなり、非線形定数ｄ₃₁が用いられ
ることになる。また上記波長０．８３μｍの基本波のモ
ードを異常光に相当するEz₀₀モード、第２高調波にも異
常光にあたるEz₀₀モードを用いると、Λは３．２μｍと
なる。この場合は非線形定数ｄ₃₃が用いられることにな
る。

【００６８】基本波の波長を１．２μｍとし、基本波に
Ex₀₀モード、第２高調波にEz₀₀モードを用いた場合、上
記周期Λは１０．５μｍとなり、非線形定数ｄ₃₁が用い
られることになる。また上記波長１．２μｍの基本波の
モードを異常光に相当するEz₀₀モード、第２高調波にも
異常光にあたるEz₀₀モードを用いると、Λは１１．２μ
ｍとなる。この場合は非線形定数ｄ₃₃が用いられること
になる。

【００６９】図５の実施例において、基本波、第２高調
波とも異常光に相当するEz₀₀モードを用いる分極反転領
域４Ａを形成し、基本波としてEz₀₀モードのレーザー光
を入射させ、電極３０Ａに正電圧を印加すると分岐導波
路２０Ａから第２高調波が射出する。印加電圧の極性を
逆転させると、第２高調波は分岐導波路２０Ｂから射出
する。また、基本波のモードとして常光に相当するEx₀₀
モード、第２高調波に異常光に相当するEz₀₀モードを用
いると、電極３０Ａに正電圧Ｖ₀を印加すると、第２高
調波は分岐導波路２０Ａから射出し、印加電圧Ｖ₀の極
性を逆にすれば第２高調波が射出するのは分岐導波路２
０Ｂからになる。

【００７０】基本波のモードとして異常光に相当するＥ
ｚ₀₀モードを用いると、図６の実施例のように、第２高
調波を発生させる屈折率分布領域４Ｂを分岐導波路２０
Ｂ（または分岐導波路２０Ａ）に設けても、印加電圧Ｖ
₀に応じて変調された第２高調波を分岐導波路２０Ｂか
ら得ることができる。

【００７１】図７に示す実施例では、基板１Ａは図３の
実施例と同じく、ＬｉＮｂＯ₃のｃ板であり、ｃ軸に合
わせてｚ軸を設定し、図のごとくにｘ，ｙ方向を定め
る。この場合、光源として波長０．８３μｍのものを想
定すると、３次元導波路２０における等価屈折率の波長
分散は、波長０．８３μｍの基本波では、常光に相当す
るEx₀₀モードを用いた場合で２．２２、異常光に相当す
るEz₀₀モードを用いた場合で２．１７、波長０．４１５
μｍの第２高調波では、常光に相当するEx₀₀モードを用
いた場合で２．３９、異常光に相当するEz₀₀モードを用
いた場合で２．２８である。

【００７２】基本波レーザー光の波長を０．８３μｍと
し、基本波として常光に相当する上記Ex₀₀モード、第２
高調波として異常光に相当する上記Ez₀₀モードを用いる
場合は、屈折率変化領域の分極反転の周期Λは約１０μ
ｍ、また基本波として異常光に相当するEz₀₀モード、第
２高調波として異常光に相当するEz₀₀モードを用いる場
合は、Λは約３．８μｍとなる。

【００７３】図６の実施例と同様、図７の実施例の場合
も、図８に示すように第２高調波発生手段としての屈折
率変化領域４Ｂを分岐導波路２０Ａ（または２０Ｂ）に
設けても良い。

【００７４】基板１Ａの材料としてＬｉＮｂＯ₃結晶に
替えて、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ₃結晶を用いて
も上記実施例と同様のものが得られる。図４の実施例に
関連して説明したように、ＬｉＮｂＯ₃結晶もしくはＭ
ｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ₃結晶を基板１Ａとして用
いる場合、基本波として常光に相当するEx₀₀モード、第
２高調波に異常光に相当するEz₀₀モードを用いると、Ex
₀₀モードの基本波を入射させた場合、異常光としてEz₀₀
モードの第２高調波が発生するので、第２高調波発生手
段としての屈折率変化領域は不要であり、さらに基本波
の波長が１μｍ以上なら、非線形媒質である基板の複屈
折性を利用して位相整合を行うことができる。図９は、
このような場合の実施例を示している。

【００７５】図９の実施例の場合、Ex₀₀モードを入力光
とした場合、第２高調波はEz₀₀モードとなるため、電極
３０Ａに電圧Ｖ₀を印加すると、発生した第２高調波が
分岐導波路２０Ａから射出する。印加電圧Ｖ₀の極性を
逆転すれば、分岐導波等２０Ｂから第２高調波が射出す
る。この場合、第２高調波の射出しない方の分岐導波路
表面に、金属クラッディング５を設けると、消光比を有
効に向上させることができる。

【００７６】また、図１０に示すように、ＬｉＴＡＯ₃
結晶の基板１や、ＬｉＮｂＯ₃結晶の基板１Ａにプロト
ン交換により３次元導波路を形成すると、チェレンコフ
放射によって安定した第２高調波を発生させ得るので、
第２高調波発生手段としての屈折率変化領域なしで、電
極３０Ａへの電圧印加のオン・オフでチェレンコフ放射
による第２高調波を変調して、分岐導波路２０Ａもしく
は２０Ｂから取り出すことができる。

【００７７】図５ないし図１０に示す各実施例で、３次
元導波路２０の分岐状態は基本波の入射方向に関して対
称的であるが、図１１に示すように、３次元導波路２０
の分岐状態が、分岐前の導波方向に対して非対称であっ
ても、上記図５ないし１０の実施例と同様の効果を得る
ことができる。

【００７８】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、従来
に無い全く新規な光変調波長変換素子を提供できる。こ
の素子は上述のごとく構成されているので、第２高調波
の発生とその変調とを同一素子で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施例を説明するための図であ
る。

【図２】別実施例を説明するための図である。

【図３】他の実施例を説明するための図である。

【図４】さらに他の実施例を説明するための図である。

【図５】さらに他の実施例を説明するための図である。

【図６】さらに他の実施例を説明するための図である。

【図７】さらに他の実施例を説明するための図である。

【図８】さらに他の実施例を説明するための図である。

【図９】さらに他の実施例を説明するための図である。

【図１０】さらに他の実施例を説明するための図であ
る。

【図１１】さらに他の実施例を特徴部分のみ示す図であ
る。

【符号の説明】

１，１Ａ基板２，２０３次元導波路３電極構造４，４Ａ分極反転領域２０Ａ，２０Ｂ分岐導波路３０１対の電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基本波レーザー光を導波する３次元導波路
を有し、上記基本波レーザー光から第２高調波を発生さ
せる高調波発生手段と、上記３次元導波路に導波される基本波レーザー光に対し
てＴＥ−ＴＭモード間のモード変換を行うことにより上
記第２高調波の変調を行う光変調手段とを、同一基板に
一体化してなり、基本波レーザー光の波長をλ、上記３次元導波路におけ
るＴＥ及びＴＭモードの等価屈折率をそれぞれＮteおよ
びＮtmとするとき、上記光変調手段が、上記３次元導波路中の導波方向に周
期的な電界を発生させるようなΛ₂(=λ/{Ｎte-Ｎtm})の
電極間隔の周期を持つ電極構造であることを特徴とする
光変調波長変換素子。
【請求項２】請求項１において、高調波発生手段が、３次元導波路における、基本波レーザー光に対する導波
モード光の伝搬定数をβ(ω)、第２高調波に対する導波
モード光の伝搬定数をβ(２ω)とするとき、導波方向に
周期Λ₁（＝２（２ｍ−１）π/｛β(２ω)−２β
(ω)｝；ｍ：自然数）を持って形成された分極反転領域
を位相整合手段として有することを特徴とする光変調波
長変換素子。
【請求項３】請求項２において、基板が、拡散により３次元導波路を形成されたＬｉＴａ
Ｏ₃の−ｃ板であり、光の伝搬方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方向を−
ｃ軸方向に合わせたとき、基本波として電界方向がｚ軸
に平行なｚ方向偏波、第２高調波として電界方向がｚ軸
に平行なｚ方向偏波を用いることを特徴とする光変調波
長変換素子。
【請求項４】請求項２において、基板が、拡散により３次元導波路を形成されたＬｉＴａ
Ｏ₃の−ｃ板であり、光の伝搬方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方向を−
ｃ軸方向に合わせたとき、基本波として電界方向がｘ軸
に平行なｘ方向偏波、第２高調波として電界方向がｚ軸
に平行なｚ方向偏波を用いることを特徴とする光変調波
長変換素子。
【請求項５】請求項２において、基板が、拡散により３次元導波路を形成されたＬｉＮｂ
Ｏ₃のｃ板であり、光の伝搬方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方向をｃ
軸方向に合せたとき、基本波として電界方向がｚ軸に平
行なｚ方向偏波、第２高調波として電界方向がｚ軸に平
行なｚ方向偏波を用いることを特徴とする光変調波長変
換素子。
【請求項６】請求項２において、基板が、拡散により３次元導波路を形成されたＬｉＮｂ
Ｏ₃のｃ板であり、光の伝搬方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方向をｃ
軸方向に合わせたとき、基本波として電界方向がｘ軸に
平行なｘ方向偏波、第２高調波として電界方向がｚ軸に
平行なｚ方向偏波を用いることを特徴とする光変調波長
変換素子。
【請求項７】請求項１において、基板が、拡散により３次元導波路を形成されたＬｉＮｂ
Ｏ₃のｃ板であり、光の伝搬方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方向をｃ
軸方向に合わせたとき、基本波として電界方向がｘ軸に
平行なｘ方向偏波、第２高調波として電界方向がｚ軸に
平行なｚ方向偏波を用い、ＬｉＮｂＯ₃の複屈折により
位相整合を行うことを特徴とする光変調波長変換素子。
【請求項８】請求項１において、基板が、プロトン交換により３次元導波路を形成された
ＬｉＮｂＯ₃のｃ板であり、第２高調波をチェレンコフ
放射により発生させることを特徴とする、光変調波長変
換素子。
【請求項９】射出側が２又に分岐し基本波レーザー光を
導波するＹ字型の３次元導波路を有し、上記基本波レー
ザー光から第２高調波を発生させる高調波発生手段と、上記３次元導波路の分岐点手前で導波光の位相を変化さ
せて、分岐導波路の選択を行なう１対の電極を、同一基
板に一体化してなることを特徴とする、光変調波長変換
素子。
【請求項１０】請求項９において、基板が非線形媒質であり、高調波発生手段が、３次元導波路における、基本波レーザー光に対する導波
モード光の伝搬定数をβ(ω)、第２高調波に対する導波
モード光の伝搬定数をβ(２ω)とするとき、導波方向に
周期Λ（＝２（２ｍ−１）π/｛β(２ω)−２β
(ω)｝；ｍ：自然数）で３次元導波路に形成された分極
反転領域であることを特徴とする光変調波長変換素子。
【請求項１１】請求項１０において、分極反転領域による高調波発生手段が、３次元導波路の
２又に分岐した一方の分岐導波路に形成されていること
を特徴とする光変調波長変換素子。
【請求項１２】請求項１０または１１において、基板が、拡散により３次元導波路を形成されたＬｉＴａ
Ｏ₃の−ｃ板であり、光の伝搬方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方向を−
ｃ軸方向に合わせたとき、基本波として電界方向がｚ軸
に平行なｚ方向偏波もしくは電界方向がｘ軸に平行なｘ
方向偏波を用い、第２高調波として電界方向がｚ軸に平
行なｚ方向偏波を用いることを特徴とする光変調波長変
換素子。
【請求項１３】請求項１０または１１において、基板が、拡散により３次元導波路を形成されたＬｉＮｂ
Ｏ₃のｃ板であり、光の伝搬方向をｙ方向とし、これに直交するｚ方向をｃ
軸方向に合わせたとき、基本波として電界方向がｚ軸に
平行なｚ方向偏波もしくは電界方向がｘ軸に平行なｘ方
向偏波、第２高調波として電界方向がｚ軸に平行なｚ方
向偏波を用いることを特徴とする光変調波長変換素子。
【請求項１４】請求項９において、基板が、拡散により３次元導波路を形成されたＬｉＮｂ
Ｏ₃のｃ板であり、光の伝搬方向をｘ方向とし、基本波として電界方向がｙ
軸に平行なｙ方向偏波、第２高調波として電界方向がｚ
軸に平行なｚ方向偏波を用い、位相整合に基板の複屈折
性を用いることを特徴とする光変調波長変換素子。
【請求項１５】請求項１４において、３次元導波路の２又に分岐した分岐導波路のうち、変調
された第２高調波を出力しない方の導波路表面に金属ク
ラッディングを形成したことを特徴とする光変調波長変
換素子。
【請求項１６】請求項９において、基板が、プロトン交換により３次元導波路を形成された
ＬｉＮｂＯ₃結晶もしくはＬｉＴａＯ₃結晶の板であり、
第２高調波をチェレンコフ放射により発生させることを
特徴とする、光変調波長変換素子。