JPH05204007A

JPH05204007A - 第２高調波発生素子および第２高調波発生装置

Info

Publication number: JPH05204007A
Application number: JP4012499A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Shinozaki; 啓助篠崎; Chiyousei Jiyo; 長青徐; Takeshi Kamijo; 健上條
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1993-08-13

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザからの発振光を基本波光とし
て、発振波長が安定していて、しかも、光エネルギーの
第２高調波を出力出来るＳＨＧ素子およびこの素子を用
いたＳＨＧ装置。【構成】ＳＨＧ素子は、基板上にそれぞれ均一の膜厚
の線形光導波路と非線形光導波路との複合光導波路を具
える。基板を熔融石英とし、線形光導波路をガラス層と
し、非線形光導波路を２−メチル−４−ニトロアニリン
（ＭＮＡ）層とする。ガラス層に、イオン交換法により
高屈折率部と低屈折率部とを交互に作り込んだ屈折率周
期構造を設けるか、或いは、ＭＮＡ層を周期的に部分的
に除去し、残存ＭＮＡ層部分の高屈折率部とスペース部
の低屈折率部とで屈折率周期構造を設けている。高屈折
率部と低屈折率部との長さを異ならしめ、多周期として
設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザを基本波光の
光源とする第２高調波発生素子、特に有機非線形薄膜結
晶を用いる薄膜導波路形の第２高調波発生素子に関す
る。また、この発明は、この第２高調波発生素子を用い
た第２高調波発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、有機非線形薄膜結晶を用いる薄膜
導波路形の第２高調波発生素子は、例えば、文献：「Ａ
ｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．
９，（１９８６），ｐｐ．１４９１〜１４９４」に開示
されているものがある。この発明の説明に先たち、この
発明の理解を容易にするために、以下、図５、図６、図
７の（Ａ）および（Ｂ）を用いてこの素子の構造、その
製造方法、およびその使用方法を説明する。図５はこの
素子から第２高調波を発生させるための構成の一例であ
る。１０はＱ−スイッチＹＡＧレーザ、１２は偏向子、
１４は赤外光（ＩＲ）透過フィルタ、１６はレンズ、１
８は鏡、２０はプリズム、２２は２−メチル−４−ニト
ロアニリン（ＭＮＡ）単結晶薄膜、２４はバッファ領
域、２６はプリズム、２８はコーニング７０５９（商品
番号）ガラスを用いて形成したガラス光導波路、３０は
熔融石英基板、３２は硫酸銅水溶液フィルタ、３４は絞
り、３６は干渉膜フィルタ、３８は光電子増倍管、４０
はボックスカー積分器、４２はペンレコーダである。

【０００３】光導波路２８は、高周波スパッタ法によ
り、コーニング７０５９ガラス（波長１．６０４μｍの
光に対する屈折率は１．５４、波長０．５３２μｍの光
に対する屈折率は１．５６）を熔融石英基板（波長１．
０６４μｍの光に対する屈折率は１．４５、波長０．５
３２μｍの光に対する屈折率は１．４６）に付着させる
ことにより形成されている。この光導波路２８の上にＭ
ＮＡ結晶薄膜２２（波長１．０６４μｍの光に対する屈
折率は１．８０、波長０．５３２μｍの光に対する屈折
率は２．２）が形成されている。

【０００４】図４で概略的に示した単結晶薄膜２２は光
導波路として機能させることを目的として形成されてお
り、厚さが場所により線形的に減少した形状（テーパ状
薄膜）になっている点に特色がある。薄膜２２がテーパ
状構造に形成されている理由は、第２高調波発生のため
の位相整合条件を満足させるためである。

【０００５】図５を用いてＭＮＡ単結晶薄膜２２の形成
方法を説明する。図５はＭＮＡ融液５０をビーカ５２内
に用意し、成長基板５４を準備した状態を示している。
この基板５４において、５６は熔融石英基板（図４の３
０に対応する）、５８は高周波スパッタにより形成され
た光導波路（図４の２８に対応する）のガラス層、６０
はポリカーボネイトのスペーサである。６２は、このス
ペーサ６０をはさみ込んだために、対向するガラス層５
８の対向面間に出来た楔状のスペース（空間）である。

【０００６】図６はＭＮＡ単結晶薄膜の形成方法を説明
する図である。６２はモータ、６４は成長基板（図５の
５４に対応する。）、６６はヒータ、６８はガラス容器
（管）、７０は油浴槽、７２は温度制御装置、７４は温
度検出器である。ビーカ５２の上側に、それぞれ光導波
路のガラス層５８を形成した２枚の基板５６をスペーサ
６０を介して光導波路側を対向させて用意する。このよ
うにして形成した成長基板６４を図６に示すように、Ｍ
ＮＡ融液５０に浸す。ビーカ５２内のＭＮＡ融液５０の
温度は１３０℃にされており、２枚の基板５６を図に示
すようにＭＮＡ融液に浸すと、毛細管現象によりＭＮＡ
融液が２枚の基板５６の光導波路のガラス層５８とスぺ
ーサ６０との隙間に入り込む。これを冷却するとテーパ
状のＭＮＡの多結晶薄膜（図示せず）がガラス基板５６
の上側に形成される。

【０００７】このようにして形成されたＭＮＡ多結晶薄
膜は、図６に示した装置を用いてＭＮＡ単結晶薄膜とし
て形成する。モータ２６によりＭＮＡ多結晶薄膜の付着
している成長基板６４をゆっくりとした速さ（４０ｍｍ
／ｄａｙ）で引き上げてゆっくりと冷却する。この過程
でテーパ状のＭＮＡ多結晶薄膜はテーパ状の単結晶薄膜
になる。このあと２枚のガラス基板５６をゆっくりと剥
して、２層構造の光導波路を完成する。

【０００８】このようにして形成した薄膜型光導波路
に、図４に示すような方法でＹＡＧレーザからの基本波
光を導き第２高調波を発生させるている。

【０００９】ここで、図７の（Ａ）および（Ｂ）を用い
て基本波光と第２高調波とが光導波路中を伝播する様子
を説明する。図７は熔融石英基板３０、コーニング７０
５９ガラス光導波路２８、光導波路２２、空気の４層か
ら成る複合光導波路中を基本波光（図７の（Ａ））およ
び第２高調波（図７の（Ｂ））が伝播する場合の、光電
場の振幅分布をそれぞれ示している。基本波光は、図４
に示すようにプリズムカプラ２０により光導波路２８に
導かれ、光導波路２８内を伝播して光導波路２２と光導
波路２８の２層が重なった構造（基板３０、光導波路２
８、光導波路２２、空気の４層構造である）になってい
る部分に達する。この４層構造部分では、この基本波光
は、図７に示すように、光導波路２２と光導波路２８の
両方の光導波路により導波される。光導波路２２中を基
本波光が伝播するあいだに基本波光のエネルギーの一部
が第２高調波のエネルギーに変換され、図７の（Ｂ）に
示すようにこの第２高調波は４層から成る複合光導波路
中を伝播して行く。やがて光導波路２２のない３層複合
光導波路（熔融石英基板３０、コーニング７０５９ガラ
ス光導波路２８、空気）中を伝播して外部に取り出され
る。

【００１０】このとき位相整合は、光導波路２２中を伝
播する基本波光の実効屈折率（有効屈折率あるいは導波
屈折率とも記述されることもある。）と第２高調波の実
効屈折率とを一致させることにより充足させられる。具
体的には、光導波路の厚さを変えることにより位相整合
条件を満足させることが出来る。すなわち光導波路の厚
さを変えることにより、基本波光および第２高調波の光
導波路内の伝播モード（伝播する際の光電場の強度分布
の形状を言う。図７の（Ａ）および（Ｂ）に示したのが
この一例である。）が変わるので、これにより実効屈折
率をコントロールすることができる。単結晶薄膜をテー
パ状の形状としたのは、位相整合のとれる条件を見付け
るためである。すなわち、基本波光を位相整合のとれる
厚さのテーパ状の光導波路２２中を伝播させるようにす
ることで、位相整合条件を充足させている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来構成の第２高調波発生素子を用いて従来方法によ
り第２高調波発生を実現しても、下記のような理由によ
り産業上の有用性はあまりない。

【００１２】基本波光の光源にＹＡＧレーザを用いて
いるため、第２高調波発生装置の小型化を図れない。本
来、第２高調波発生（以下、ＳＨＧとも言う。）素子
は、小型の短波長コーヒーレント光源として主に利用さ
れることが期待されているものであり、ＹＡＧレーザよ
りはるかに小型である半導体レーザ（ＬＤ）を使うこと
が要望されている。

【００１３】従来構造のＳＨＧ素子では、位相整合が
とりにくく、かつ、安定した発振が期待出来ない。ＬＤ
は周囲の温度や注入電流値等により発振波長が変動して
しまう。発振縦モードの一つ分の発振波長の変化は、Ｌ
Ｄではごく普通に発生することはよく知られた事実であ
る（分布帰還型ＬＤなどのように特に波長安定を図った
ものであっても、位相整合条件を満足する範囲内に安定
させることは、現在の技術をもってしても難しい。）。
このため、従来構造のＳＨＧ素子ではＬＤを基本波光の
光源とする場合には、基本波光の波長に対する位相整合
条件は非常に厳しく、ＬＤの発振縦モード一つ分の発振
波長の変化でも位相整合条件から外れてしまう。従っ
て、ＬＤとの組み合わせに対応してＳＨＧ素子も上述し
た従来構造のＳＨＧ素子とは異なる、位相整合の取り易
い構造に改良する必要がある。

【００１４】また、上述した従来構造のＳＨＧ素子で
は、位相整合のとれる波長に関する自由度が著しく低
い。この従来素子では、非線形型光導波路の厚みを変え
ることによって位相整合条件を満足させている。しか
し、この手法により位相整合のとれる波長の範囲は、最
大でも数十ナノメートルである。

【００１５】また、上述したＳＨＧ素子では、原理的
にリッジ形構造の光導波路を形成することが出来ないた
め、ＳＨＧ変換効率を高めることができず、しかも、外
部に出力させる第２高調波の波面収差が大きい。

【００１６】この発明の目的は、上述した従来の〜
の問題点の改善を図ったＳＨＧ素子およびこれを用いた
第２高調波発生装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明の第２高調波発生素子によれば、基本波光
を用いる第２高調波発生素子であって、基板と、この基
板に順次に重ねて設けた線形光導波路および非線形光導
波路をもって構成した複合光導波路とを具え、この複合
光導波路に、光の導波方向に沿って、基本波光に対する
実効屈折率が交互に周期的に異なる高屈折率部および低
屈折率部を形成してあり、この高屈折率部および低屈折
率部の、前記光の導波路方向に沿う長さを異なる長さと
してあり、この線形光導波路および非線形光導波路の厚
みをそれぞれ一定としてあることを特徴とする。

【００１８】また、この発明の第２高調波発生装置によ
れば、少なくとも、端面を低反射面とした半導体レーザ
と第２高調波発生素子とを具えて構成とすることを特徴
とする。好ましくは、例えば、端面を低反射面とした半
導体レーザ、コリメータレンズと、１／２波長板と、集
光レンズと、上述した第２高調波発生素子とをこの順序
で、かつ、この半導体レーザが第２高調波発生素子から
の帰還光で発振する配置として構成するのが良い。

【００１９】

【作用】上述したこの発明の第２高調波発生装置によれ
ば、複合光導波路を互いに屈折率の異なる２種類の部分
を交互に周期的に設けた構造となっている。この構造で
あると、基本波光が光屈折率部を伝播するときと、低屈
折率部を伝播するときとでは、伝播モードが異なるた
め、両部分で実効屈折率が異なる。このため、これら両
部分における基本波光から第２高調波へのエネルギー変
換効率（以下、ＳＨＧ変換効率とも言う。）も異なる。
このため、高屈折率部で発生した第２高調波（Ｓ₁）の
エネルギー（Ｅ₁）と低屈折率部で発生した第２高調波
（Ｓ₂）のエネルギー（Ｅ₂）とでは大きさが異なる。
また、両第２高調波Ｓ₁およびＳ₂は逆位相となってい
るので、互いに干渉し合う。従って、一周期分のエネル
ギーの和はＥ₁−Ｅ₂の絶対値（なお、このエネルギー
Ｅ₁＞Ｅ₂として議論しても、不都合がないので、以
後、敢えて絶対値と断らずに説明する。また、両者のエ
ネルギーの和は常に正の値をとる。）となる。よって、
複合光導波路中に形成した屈折率周期構造（または、周
期的屈折率分布構造とも言う。）の周期を例えばＮ周期
と設定すれば、Ｎ（Ｅ₁−Ｅ₂）のエネルギーの第２高
調波を有効にかつ安定して発生させることができ、これ
を第２高調波発生素子の外部にとりだすことが出来る。
この周期Ｎを著しく大きな値と設定することが出来るの
で、第２高調波のエネルギーを著しく大きくすることが
可能である。

【００２０】このように、この発明のＳＨＧ素子によれ
ば、この屈折率周期構造の周期を変えることによって、
事実上どのような波長の光に対しても位相整合をとるこ
とが出来る。従って、この発明のＳＨＧ素子は、小型の
半導体レーザ（ＬＤ）はもとより、小型のコヒーレント
光源を実現するといった目的以外であってＬＤを基本波
光の光源としない場合にも、適用することが出来る。

【００２１】上述した屈折率周期構造は、光の導波方向
に沿って設ければＳＨＧ変換を行なうので、基板に対し
て線形または非線形光導波路のいずれに設けてもよい
し、また、プレーナ形として或いはリッジ形として形成
してもよい。

【００２２】また、この発明の第２高調波発生装置の構
成によれば、ＳＨＧ素子の周期的屈折率分布構造を作り
つけた複合光導波路に光を導入すると、この周期に対応
する特定の波長の光が強く反射される（ブラッグ反
射）。そこで、先ず、ＬＤの端面を低反射（ＡＲ）コー
ティングすることにより発振しきい値を高くしておき、
このブラッグ反射してきた戻り光をＬＤに帰還させて、
このＬＤを発振させるように、ＳＨＧ素子とＬＤとは配
置させている。このため、このＳＨＧ素子の複合光導波
路の周期的屈折率分布構造の周期を適切に設定すること
によって、このＬＤからの発振光を基本波光とした場
合、このＳＨＧ素子から上述したように、第２高調波を
有効に出力させることが可能となる。

【００２３】従って、この発明の装置によれば、ＳＨＧ
素子でのブラッグ反射によって帰還した光によってＬＤ
が発振しているので、周囲温度や注入電流値の変動では
発振波長の変動は起こらず、従って、ＬＤは安定して発
振する。このため、ＳＨＧ素子から第２高調波も安定し
て採り出すことが出来る。

【００２４】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
つき説明する。なお、以下説明する実施例は、単なる好
適例にすぎず、従って、この発明はこの実施例にのみ限
定されるものではないことを理解されたい。

【００２５】図１の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、こ
の発明の第１実施例の説明に供する図で、（Ａ）は、光
の導波方向に沿って採って示した断面の切り口を示した
図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は、光の導波方向と直交
する方向のプレーナ形およびリッジ形の断面の切り口を
示した図である。また、断面図において、断面を表すハ
ッチング等は、一部分を除き省略して示してある。図は
この発明が理解出来る程度に、各構成成分の形状、寸法
および配置関係を概略的に示してあるにすぎない。

【００２６】［ＳＨＧ素子の第１実施例］先ず、この発
明の第２高調波発生（ＳＨＧ）素子の実施例につき説明
する。このＳＨＧ素子は、基本波光を用いる素子であ
る。そして、基板１００と、この基板１００に順次に重
ねて設けた線形光導波路１１０および非線形光導波路１
２０をもって構成した複合光導波路１３０とを具えてい
る（図１の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ））。この実施例
では、複合光導波路１３０を、光の導波方向に延在させ
て、ストライプ状に設けるのが好適である。基板１００
として熔融石英基板を用いる。また、線形光導波路１１
０は、コーニング社製の商品番号７０５９のガラス材料
を高周波スパッタリングによって基板１００上に形成し
たガラス薄膜で構成する。

【００２７】そして、この複合光導波路１３０に、光の
導波方向に沿って、基本波光に対する実効屈折率が交互
に周期的に異なる高屈折率部１３２および低屈折率部１
３４を形成する。そして、この高屈折率部１３２および
低屈折率部１３４の、光の導波路方向に沿う長さを異な
る長さとする。この実施例では、ガラス薄膜１１０に公
知のイオン交換法により周期的屈折率分布構造（屈折率
周期構造）１３６を形成する（図１の（Ａ）、（Ｂ）お
よび（Ｃ））。

【００２８】このため、プレーナ形の実施例では、先
ず、ガラス薄膜１１０上に一旦クロム（Ｃｒ）薄膜を例
えば５０ｎｍ程度の膜厚に蒸着し、続いて、フォトリソ
グラフィー技術を用いて高屈折率部１３２となる部分の
上側のＣｒ膜部分を選択的に除去する。その後、残存Ｃ
ｒ薄膜を有する基板の構造体の全体を２００℃〜４００
℃程度の温度の安息香酸に３０分〜１時間程度浸す。そ
の後、この構造体を空気中引き上げて室温に戻す。次
に、基板１００に付着している安息香酸をエチルアルコ
ール等で除去した後、硝酸第二セリアムアンモニウムに
より残存しているＣｒ薄膜を剥離する。その後、２００
℃〜４００℃程度の温度でＣｒ薄膜除去後の構造体に対
してアニールを行なう。その結果、ガラス薄膜１１０に
屈折率周期構造１３６が形成される（図１の（Ａ）およ
び（Ｂ））。

【００２９】一方、リッジ形の実施例では、先ず、ガラ
ス薄膜１１０にイオン交換法等によりリッジ光導波路を
形成する。そして、このリッジ光導波路上に重ねて、屈
折率周期構造を形成する。リッジ形光導波路中の高屈折
率部１３２にのみ選択的に重ねてイオン交換等をして、
周期的屈折率分布構造１３６をもつリッジ形光導波路と
する（図１の（Ａ）および（Ｃ））。なお、リッジ形の
ほうが光閉じ込め効果が高いので、より優れたＳＨＧ素
子となる。

【００３０】図１の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示す
実施例では、高屈折率部１３２および低屈折率部１３４
の光導波方向に沿う方向の長さを、それぞれ、Ｄ₁およ
びＤ₂（但し、Ｄ₁≠Ｄ₂でＤ₁＞０およびＤ₂＞０で
ある。）とし、周期をΛ（すなわちＤ₁＋Ｄ₂）とす
る。

【００３１】なお、この場合、線形光導波路であるガラ
ス薄膜１１０の膜厚は、光導波方向に沿って一定とす
る。

【００３２】次に、この屈折率周期構造１３６が形成さ
れたガラス薄膜１１０上に、非線形光導波路１２０を形
成する。この実施例では、この非線形光導波路１２０
を、従来と同様に、有機非線形光学材料例えば２−メチ
ル−４−ニトロアニリン（ＭＮＡ）の薄膜で形成する。
このＭＮＡ薄膜１２０を、既に図５および図６で説明し
た従来方法を利用して作製する。この発明では、非線形
光導波路であるＭＮＡ薄膜１２０の膜厚を均一とする必
要があるので、従来のテーパ状のスぺーサの代わりに、
同一寸法のスぺーサを２個用いて、ＭＮＡ融液が毛細管
現象で入り込む空間を均一にする。また、なお、従来と
同様、線形光導波路が既に形成されている基板を２枚用
意する。そして、スぺーサ間にＭＮＡ融液が入り込んで
ＭＮＡ多結晶薄膜が形成された後、この多結晶薄膜を、
従来と同様にして、ＭＮＡ単結晶薄膜に変えて、スぺー
サを介して対向させてある２枚の基板を慎重に剥離す
る。これにより、ＭＮＡ薄膜がいずれか一方の基板の線
形光導波路上に付着したまま残存する。よって、所望の
３層構造、すなわち、熔融石英基板１００、ガラス薄膜
１１０およびＭＮＡ薄膜１２０からなるプレーナ形ＳＨ
Ｇ素子を得る。

【００３３】［ＳＨＧ素子の第２実施例］次に、この発
明のＳＨＧ素子の他の実施例につき説明する。この実施
例では、高屈折率部２３２および低屈折率部２３４を非
線形光導波路２２０に形成してある。この実施例の構造
を図２に断面図で示す。この実施例でも図１に示した実
施例の場合と同様に、熔融石英基板２００上に、高周波
スパッタリング技術を用いてコーニング社製の商品番号
７０５９のガラス材料で、ガラス薄膜を線形光導波路２
１０として形成する。このガラス薄膜２１０上に、上述
した図１の場合と同様な手法で、均一な膜厚のＭＮＡ薄
膜２２０を非線形光導波路薄膜として形成する。

【００３４】その後、ＭＮＡ薄膜２２０を耐有機溶剤系
フォトレジストである、ヘテロポリタングステン酸（Ｈ
ＰＡ）等を用いて、ＭＮＡ薄膜２２０を格子状にパター
ニングする。その結果、図２に示すような構造のＳＨＧ
素子を得る。この場合、この格子の寸法は、残存してい
るＭＮＡ薄膜部分２３２が高屈折率部を構成しており、
その長さをＤ₁とする。また、除去されてスペースとな
っている部分（スペース部と称する）２３４が低屈折率
部を構成し、その長さをＤ₂とする。そして、格子の周
期ΛはＤ₁＋Ｄ₂である。

【００３５】図２に示す実施例の場合でも、図１の
（Ｂ）および（Ｃ）で説明した場合と同様に、ガラス薄
膜２１０をプレーナ形の光導波路として形成してもよい
し、或いは、好ましくはイオン交換法等により予めリッ
ジ形の光導波路として形成してもよい。なお、この実施
例でも、複合光導波路２３０を、光の導波方向に延在さ
せて、ストライプ状に設けるのが好適である。

【００３６】ガラス薄膜２１０をリッジ形光導波路とし
て形成した後、格子状ＭＮＡ単結晶薄膜２３２を形成し
て、この構造のＳＨＧ素子を得る。このリッジ形構造で
あると、図１の（Ｂ）につき既に説明したと同様に、プ
レーナ形構造と比べて光閉じ込め効果が高く、それだけ
ＳＨＧ変換効率が高まるという利点がある。

【００３７】この図２に示す構造の場合には、線形光導
波路すなわちガラス薄膜２１０を伝播する光に対する実
効屈折率は、残存ＭＮＡ薄膜部分２３２の方が除去され
て形成されたスペース部２３４よりも大きくなる。そこ
で、前者の屈折率をＮ₁とし、後者の屈折率をＮ₂とす
ると、上述した寸法Ｄ₁およびＤ₂に関する設計方針は
図１の（Ａ）に示した構造の場合と同じとなる。すなわ
ち、残存ＭＮＡ薄膜部分２３２と選択的に除去されてス
ペースとなっている部分２３４との間で、実効屈折率に
差が生じることとなる。そのうえ、残存部分２３２で
は、第２高調波が発生するのに対して、スペース部２３
４では第２高調波は発生しない。従って、非線形光導波
路の格子構造の周期を適切に設定することにより、第１
実施例の場合と同様に、位相整合がとれて、基本波光を
第２高調波に効率よく変換して、これを外部へと効率よ
く出力させることが出来る。基本波に対する実効屈折率
は、非線形光導波路が残っている部分２３２では大き
く、除去された部分２３４では小さいので、前者の第２
高調波（Ｓ₁）のエネルギーがＥ₁であり、後者のエネ
ルギーは０ということになる。

【００３８】この発明のＳＨＧ素子は、既に説明した通
り、線形導波路と非線形導波路とからなる複合導波路に
おいて、この導波路を伝播する基本波光の実効屈折率が
周期的に変化すると共に、この周期的変化にリンクして
第２高調波発生効率も変化するように構成されている。

【００３９】この発明のＳＨＧ素子は、上述した２つの
実施例にのみ限定されるものではなく、多くの変形およ
び変更を行ない得ることが明らかである。例えば、基板
１００および２００として熔融石英基板を用いる代わり
に、強誘電体であるＬｉＮｂＯ₃とか、ＬｉＴａＯ₃と
かの基板を用いても良い。また、線形光導波路１１０お
よび２２０として、ガラス薄膜を用いる代わりに、上述
した強誘電体薄膜を用い、これにイオン交換法でリッジ
光導波路を形成してもよい。また、非線形光導波路１２
０および２２０として、ＭＮＡと同様な性質を有する材
料であってＭＮＡ以外の非線形光学材料を用いてもよ
い。例えば、２−（α−メチルベンジルアミノ）−５−
ニトロピリジン（ＭＢＡＮＰと略称する。）や、ＤＡＮ
や、１−ニトロピレン等を用いることが出来る。

【００４０】［ＳＨＧ素子を用いた第２高調波発生装
置］次に、この発明の第２高調波発生装置につき説明す
る。図３にこのＳＨＧ装置の各構成成分の配置構造を概
略的に示す。このＳＨＧ装置は、端面を低反射面（Ａ
Ｒ）とした半導体レーザ３００と、コリメータレンズ３
１０と、偏光方向を制御するための１／２波長板３１２
と、集光レンズ３１４と、上述した第２高調波発生素子
３２０とをこの順序で、かつ、この半導体レーザ３００
が第２高調波発生素子３２０からの帰還光で発振する配
置として、構成してある。なお、図中、３０２および３
０４はＡＲコーティング膜であり、例えば、フッ化マグ
ネシウム（ＭｇＦ₂）とシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）の
多層膜構造として形成するのが良い。また、３２２は基
板、３２４は線形光導波路、３２６は非線形光導波路で
当て、この場合には、この非線形光導波路に屈折率周期
構造を組み込んである。３２８および３３０は上述した
と同様なＡＲ反射膜である。

【００４１】このような配置構成をとると、この発明の
ＳＨＧ素子に対して、端面がＡＲコーティングされてい
る半導体レーザ（ＬＤ）を基本波光の光源として用いた
場合、上述した複合光導波路からのブラッグ反射光がＬ
Ｄに帰還する。そして、この帰還光により、ＳＨＧ素子
において位相整合条件を満足する基本波光をこのＬＤか
ら自動的に、しかも、安定して得ることが出来る。

【００４２】この点につき以下説明する。通常、ＬＤ３
００は図３に示すような配置をさせずに、単独の状態で
駆動電流（注入電流）を流しても、ＡＲコーティング膜
３０２および３０４が形成されているため、発振は起こ
らないか、或いは、発振しきい値が著しく高い。しか
し、図３に示すような配置構成として駆動電流を流す
と、光導波路３２４からの帰還光のために、ＬＤ３００
は光導波路３２６の屈折率周期構造の周期Λに対応する
特定の波長λで発振する。この発振波長λが第２高調波
発生素子３２０の位相整合条件を満足するように、周期
Λを設定しておけば、図３に示すような第２高調波発生
装置が実現する。

【００４３】そこで、この周期Λの決定方法につき説明
する。今、基本波光の波長をλとし、第２高調波の波長
を（１／２）λとする。さらに、ｐ，ｑ，ｓ，ｔを正の
整数、Ｎ_H1，Ｎ_H2をそれぞれ高屈折率部の、基本波光お
よび第２高調波に対する実効屈折率、Ｎ_L1，Ｎ_L2をそれ
ぞれ低屈折率部の、基本波光および第２高調波に対する
実効屈折率、Ｄ₁，Ｄ₂をそれぞれ光屈折率部および低
屈折率部の光の導波方向の長さ、およびΛを周期とす
る。

【００４４】基本波光の光源としてＬＤ３００の利得の
範囲に波長λが存在するという条件の下に、下記の
（１）〜（４）の方程式が同時に満足する正の整数ｐ，
ｑ，ｓ，ｔを求める。

【００４５】Ｄ₁＝（２ｐ−１）λ／［４（Ｎ_H2−Ｎ_H1）］（１）Ｄ₂＝（２ｑ−１）λ／［４（Ｎ_L2−Ｎ_L1）］（２）として、Ｄ₁＝ｓ（λ／４Ｎ_H1）（３）Ｄ₂＝ｔ（λ／４Ｎ_L1）（４）および Λ＝Ｄ₁＋Ｄ₂ （５）ここで求めるｐ，ｑ，ｓ，ｔの各値は、出来る限り小さ
いことが望ましい。その理由は、第２高調波発生効率が
この周期の繰り返し数の２乗に比例するので、周期的屈
折率分布構造の周期Λが小さいほど、単位長当たりの周
期の繰り返し数を多く出来、その結果、高第２高調波変
換効率を実現することが出来るからであるからである。
実際、Ｄ₁およびＤ₂の値として、有効桁数３桁程度で
一致させることを前提とすると、ｐ，ｑ（多くの場合、
ｐ＝ｑ）が１〜３程度として、（１）〜（４）の方程式
を満足するｓ，ｔ（多くの場合、ｓ＝ｔ）を求めること
が出来る（多くの場合、Ｄ₁＝Ｄ₂となるが、この発明
ではＤ₁＝Ｄ₂の場合を除く。）。現実的には、この程
度の一致でこの発明を実現出来る。

【００４６】方程式（３）および（４）を満足するよう
に屈折率周期構造が形成されていれば、波長λの光がブ
ラッグ反射条件を満たすので、この波長の光が強く反射
される。従って、図３に示したような配置構成とすれ
ば、光導波路３２４からは波長λの光が強く選択的に反
射され、その結果、ＬＤ３００が波長λの光を発振す
る。また、この屈折率周期構造は、方程式（１）および
（２）も同時に満足しているので、波長λの発振光は位
相整合条件を満足した基本波光となっている。

【００４７】ＬＤ３００は外部共振器としての周期的屈
折率分布を持っている光導波路３２４からの帰還により
発振しているので、ＬＤ３００への注入駆動電流の変動
や周囲温度の変化によっては、発振波長が変化すること
がない。すなわち、安定して第２高調波の発生を実現出
来る。なお、ここで用いるＳＨＧ素子としては、上述し
た実施例のいずれの構造のＳＨＧ素子であっても良い。

【００４８】１／２波長板３１２は、光導波路３２４へ
の入射光の偏光方向を制御するために光学系に挿入して
あるので、基本波光がＳＨＧ素子３２０にＴＥモードで
入射するように、この波長板３１２を回転調整させてお
く。この場合、ＬＤ３００の発振光が最も高い効率で光
導波路３２４に入射するように、ＬＤ３２４、コリメー
タレンズ３１０、１／２波長板３１２、集光レンズ３１
４およびＳＨＧ素子３２０を配置して、その後で１／２
波長板３１２を回転させることにより、第２高調波発生
効率（第２高調波の強度）が最高となるように調整する
のが好適である。このため、従来装置とは異なり、ＬＤ
の発振波長が変化した場合に対応して、その都度位相整
合がとれるように基本波のＳＨＧ素子への入射位置を調
整するようなことを行なう必要がない。

【００４９】このようにして、図３に示すような配置構
成の第２高調波発生装置を形成することが出来る。この
装置では、半導体レーザ（ＬＤ）を基本波光の光源とし
て使用出来るため、小型のコヒーレント光源を実現する
ことができる。

【００５０】さらに、この装置の実施例では、レンズを
２枚用いてＬＤとＳＨＧ素子とを光学的に結合した構成
となっているが、この構成に限定されるものではないこ
と明らかである。例えば、光学系にプリズムカプラを利
用してＬＤとＳＨＧ素子とを結合させてもよい。また、
ＬＤとＳＨＧ素子とを直接結合させる構成としても良
い。或いはまた、偏光方向保存（偏波面保存）ファイバ
を用いてＬＤとＳＨＧ素子とを結合させても良い。これ
らの場合には、ＳＨＧ素子への入射光の偏光方向を何ら
かの方法で第２高調波の発生が可能な方向に調整すれば
良い。

【００５１】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の第２高調波発生（ＳＨＧ）素子によれば、基本
波光の光源として半導体レーザ（ＬＤ）を使用すること
が出来る。その結果、このＳＨＧ素子を用いた装置の小
型化を図ることが出来る。

【００５２】また、この発明のＳＨＧ素子によれば、複
合光導波路に屈折率周期構造を設けてある。したがっ
て、ＳＨＧ素子毎に、その周期を、ＬＤの利得がとれる
範囲内に、予め設定しておけば、事実上いかなる波長の
光に対しても位相整合をとることが出来る。これによ
り、ＬＤを基本波光源とした小型のコヒーレント光源の
実現といった目的以外の目的にも、この発明のＳＨＧ素
子を用いることが出来る。

【００５３】また、この発明のＳＨＧ素子をリッジ形構
造とすることにより、基本波光の光導波中でのエネルギ
ー密度を高く出来るので、ＳＨＧ変換効率を高くするこ
とが出来るとともに、ＳＨＧ素子から外部へとりだされ
る第２高調波の波面収差を小さくすることが出来る。

【００５４】さらに、この発明ＳＨＧ素子とＬＤとを組
む合わせた装置によれば、ＳＨＧ素子からのブラッグ反
射による帰還光によってＬＤが発振するので、ＬＤでの
発振波長の、周囲温度や注入電流値に起因した発振波長
変動が生ずる恐れがない。従って、この発振光が基本波
光となってＳＨＧ素子に入射し、しかも、ＳＨＧ素子内
での良好な位相整合に基づいて、基本波光が高効率で第
２高調波に変換される。よって、この発明のＳＨＧ装置
によれば、高エネルギーの、波長の安定した第２高調波
を出力させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、この発明の第
２高調波発生素子の第１実施例の説明に供する断面図で
ある。

【図２】この発明の第２高調波発生素子の第２実施例の
説明に供する断面図である。

【図３】この発明の第２高調波発生素子を用いた第２高
調波発生装置の実施例の説明に供する、各構成成分の配
置構成図である。

【図４】従来の第２高調波発生装置の説明図である。

【図５】従来の第２高調波発生素子の作製方法の前半工
程の要部の説明図である。

【図６】従来の第２高調波発生素子の作製方法の後半工
程の要部の説明図である。

【図７】（Ａ）および（Ｂ）は、線形光導波路と非線形
光導波路からなる複合光導波路中での、基本波光と第２
高調波の伝播の様子を説明するための説明図である。

【符号の説明】

１００、２００、３２２：基板１１０，２１０，３２４：線形光導波路１２０、２２０、３２６：非線形光導波路１３２、２３２：高屈折率部１３４，２３４：低屈折率部１３６，２３６：屈折率周期構造３００：半導体レーザ３０２，３０４，３２８，３３０：ＡＲコーティング膜３１０：コリメータレンズ３１２：１／２波長板３１４：集光レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基本波光を用いる第２高調波発生素子で
あって、基板と、この基板に順次に重ねて設けた線形光導波路お
よび非線形光導波路をもって構成した複合光導波路とを
具え、この複合光導波路に、光の導波方向に沿って、基本波光
に対する実効屈折率が交互に周期的に異なる高屈折率部
および低屈折率部を形成してあり、この高屈折率部および低屈折率部の、前記光の導波路方
向に沿う長さを異なる長さとしてあり、この線形光導波路および非線形光導波路の厚みをそれぞ
れ一定としてあることを特徴とする第２高調波発生素
子。
【請求項２】請求項１に記載の高屈折率部および低屈
折率部を線形光導波路に形成してあることを特徴とする
第２高調波発生素子。
【請求項３】請求項１に記載の高屈折率部および低屈
折率部を非線形光導波路に形成してあることを特徴とす
る第２高調波発生素子。
【請求項４】請求項１に記載の高屈折率部および低屈
折率部の周期は、下記の（１）〜（５）式を満たすこと
を特徴とする第２高調波発生素子。Ｄ₁＝（２ｐ−１）λ／［４（Ｎ_H2−Ｎ_H1）］（１）Ｄ₂＝（２ｑ−１）λ／［４（Ｎ_L2−Ｎ_L1）］（２）Ｄ₁＝ｓ（λ／４Ｎ_H1）（３）Ｄ₂＝ｔ（λ／４Ｎ_L1）（４） Λ＝Ｄ₁＋Ｄ₂ （５）但し、ｐ，ｑ，ｓ，ｔは正の整数、Ｎ_H1，Ｎ_H2はそれぞ
れ高屈折率部の、基本波光および第２高調波に対する実
効屈折率、Ｎ_L1，Ｎ_L2はそれぞれ低屈折率部の、基本波
光および第２高調波に対する実効屈折率、Ｄ₁，Ｄ₂は
それぞれ光屈折率部および低屈折率部の光の導波方向の
長さ、およびΛは周期である。
【請求項５】請求項１に記載の複合光導波路を前記基
板上に、光の導波方向に延在させて、ストライプ状に設
けてあることを特徴とする第２高調波発生素子。
【請求項６】請求項１に記載の複合光導波路を前記基
板中に、光の導波方向に延在させて、ストライプ状に設
けてあることを特徴とする第２高調波発生素子。
【請求項７】請求項３に記載の高屈折率部を非線形材
料層で形成し、低屈折率部をスペース部としたことを特
徴とする第２高調波発生素子。
【請求項８】請求項１の非線形光導波路を有機非線形
光学材料をもって形成してあることを特徴とする第２高
調波発生素子。
【請求項９】請求項１の非線形光導波路を２−メチル
−４−ニトロアニリン（ＭＮＡ）単結晶薄膜で形成した
ことを特徴とする第２高調波発生素子。
【請求項１０】請求項１の基板を溶融石英とし、線形
導波路をスパッタリングで形成したガラス層とし、非線
形光導波路を２−メチル−４−ニトロアニリン（ＭＮ
Ａ）単結晶薄膜で形成したことを特徴とする第２高調波
発生素子。
【請求項１１】端面を低反射面とした半導体レーザ
と、請求項１に記載の第２高調波発生素子とを少なくと
も具えることを特徴とする第２高調波発生装置。
【請求項１２】端面を低反射面とした半導体レーザ
と、コリメータレンズと、１／２波長板と、集光レンズ
と、請求項１に記載の第２高調波発生素子とをこの順序
で、かつ、この半導体レーザが前記第２高調波発生素子
からの帰還光で発振する配置として構成したことを特徴
とする第２高調波発生装置。