JPH05346602A - 波長変換素子 - Google Patents
波長変換素子Info
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- JPH05346602A JPH05346602A JP4156932A JP15693292A JPH05346602A JP H05346602 A JPH05346602 A JP H05346602A JP 4156932 A JP4156932 A JP 4156932A JP 15693292 A JP15693292 A JP 15693292A JP H05346602 A JPH05346602 A JP H05346602A
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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
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- G02F1/3775—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure with a periodic structure, e.g. domain inversion, for quasi-phase-matching [QPM]
-
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 準位相整合条件が緩和された構造を有する波
長変換素子を提供する。 【構成】 非線形光学材料からなる導波路を有する波長
変換素子であって、導波路は導波路の伸長方向に沿って
漸次増加又は減少する屈折率分布を有し、かつ導波路の
分極が導波路の伸長方向に沿って周期的に反転する複数
の分極反転ドメインを有することを特徴とする。
長変換素子を提供する。 【構成】 非線形光学材料からなる導波路を有する波長
変換素子であって、導波路は導波路の伸長方向に沿って
漸次増加又は減少する屈折率分布を有し、かつ導波路の
分極が導波路の伸長方向に沿って周期的に反転する複数
の分極反転ドメインを有することを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、導波路を有し該導波路
に基本波を注入し準位相整合（quasi-phasematching:QP
M)により第２高調波を生ぜしめる波長変換素子（以下、
ＱＰＭ素子ともいう）に関する。
に基本波を注入し準位相整合（quasi-phasematching:QP
M)により第２高調波を生ぜしめる波長変換素子（以下、
ＱＰＭ素子ともいう）に関する。
【０００２】
【従来の技術】第２高調波発生(Second Harmonic Gener
ation)を用いた波長変換素子として準位相整合を利用し
たＱＰＭ素子が知られている。ＱＰＭ素子は、導波路の
分極が導波路の伸長方向に沿って周期的に反転する複数
の分極反転ドメインからなる分極反転構造を有する。
ation)を用いた波長変換素子として準位相整合を利用し
たＱＰＭ素子が知られている。ＱＰＭ素子は、導波路の
分極が導波路の伸長方向に沿って周期的に反転する複数
の分極反転ドメインからなる分極反転構造を有する。
【０００３】準位相整合は、基本波を注入された導波路
からの第２高調波出力がその伝播に伴ってコヒーレンス
長ｌc毎に極大極小を周期的に繰返すことを利用して、
コヒーレンス長毎に発生する分極波の符号を交互に反転
させて、第２高調波の出力の加算により出力を増大させ
る整合方法である。分極波の符号を周期的に反転させる
には、導波路における非線型係数の符号を反転させれば
よく、強誘電体ではドメインの反転特性を利用できる。
例えばＬｉＮｂＯ3結晶の表面では不純物や歪応力、熱
や電界等の外部要因によって分極反転ドメインを生じや
すいので、該結晶がＱＰＭ素子の基板に用いられる。Ｌ
ｉＮｂＯ3結晶の基板主面上において、導波路並びにそ
の伸長方向に周期的な分極反転ドメインを形成すること
により、ＱＰＭ素子が得られる。分極反転ドメイン構造
形成方法には、キューリー点近傍の熱処理、くし型電極
による高電圧処理、電子ビーム描画処理等がある。
からの第２高調波出力がその伝播に伴ってコヒーレンス
長ｌc毎に極大極小を周期的に繰返すことを利用して、
コヒーレンス長毎に発生する分極波の符号を交互に反転
させて、第２高調波の出力の加算により出力を増大させ
る整合方法である。分極波の符号を周期的に反転させる
には、導波路における非線型係数の符号を反転させれば
よく、強誘電体ではドメインの反転特性を利用できる。
例えばＬｉＮｂＯ3結晶の表面では不純物や歪応力、熱
や電界等の外部要因によって分極反転ドメインを生じや
すいので、該結晶がＱＰＭ素子の基板に用いられる。Ｌ
ｉＮｂＯ3結晶の基板主面上において、導波路並びにそ
の伸長方向に周期的な分極反転ドメインを形成すること
により、ＱＰＭ素子が得られる。分極反転ドメイン構造
形成方法には、キューリー点近傍の熱処理、くし型電極
による高電圧処理、電子ビーム描画処理等がある。
【０００４】分極反転ドメインの半周期Λは、コヒーレ
ンス長ｌcの奇数倍であれば良く次式で表される。
ンス長ｌcの奇数倍であれば良く次式で表される。
【０００５】
【数１】 Λ＝(2m＋1)ｌc＝(2m＋1)λ0／４（|ｎ(2ω)
−ｎ(ω)|） ここで、mが整数、λ0が基本波の波長、ｎ(2ω)が周波
数2ωの第２高調波に対する導波路の屈折率、ｎ(ω)が
周波数ωの基本波に対する導波路の屈折率を示す。
−ｎ(ω)|） ここで、mが整数、λ0が基本波の波長、ｎ(2ω)が周波
数2ωの第２高調波に対する導波路の屈折率、ｎ(ω)が
周波数ωの基本波に対する導波路の屈折率を示す。
【０００６】したがって、変換効率の高いＱＰＭ素子を
得るためには、安定なレーザや正確な分極反転ドメイン
構造が必要である。
得るためには、安定なレーザや正確な分極反転ドメイン
構造が必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記式
から明らかなように、ＱＰＭ素子自体の温度が変化して
屈折率ｎ(ω)，ｎ(2ω)が変化したり、レーザから入射
される基本波の波長λ0が変動したりすると、コヒーレ
ンス長ｌcが変化して準位相整合が達成されなくなる。
ＱＰＭ素子の温度と波長とに対する許容度は小さく、例
えば、コヒーレンス長ｌcはμｍオーダーであり、さら
に屈折率差|ｎ(2ω)−ｎ(ω)|は１０-2オーダーであ
る。よって、基本波の波長変動許容幅は０．２nmと非常
に小さく、ＱＰＭ素子の位相整合条件が厳しく、また、
分極反転ドメインの加工精度にも同様のオーダーが必要
とされ、その素子製造において高細密性を要求されると
いう問題点があった。
から明らかなように、ＱＰＭ素子自体の温度が変化して
屈折率ｎ(ω)，ｎ(2ω)が変化したり、レーザから入射
される基本波の波長λ0が変動したりすると、コヒーレ
ンス長ｌcが変化して準位相整合が達成されなくなる。
ＱＰＭ素子の温度と波長とに対する許容度は小さく、例
えば、コヒーレンス長ｌcはμｍオーダーであり、さら
に屈折率差|ｎ(2ω)−ｎ(ω)|は１０-2オーダーであ
る。よって、基本波の波長変動許容幅は０．２nmと非常
に小さく、ＱＰＭ素子の位相整合条件が厳しく、また、
分極反転ドメインの加工精度にも同様のオーダーが必要
とされ、その素子製造において高細密性を要求されると
いう問題点があった。
【０００８】よって、本発明の目的は、準位相整合条件
が緩和された構造を有する波長変換素子を提供すること
にある。
が緩和された構造を有する波長変換素子を提供すること
にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の波長変換素子
は、非線形光学材料からなる導波路を有する波長変換素
子であって、前記導波路は前記導波路の伸長方向に沿っ
て漸次増加又は減少する屈折率分布を有し、かつ前記導
波路の分極が前記導波路の伸長方向に沿って周期的に反
転する複数の分極反転ドメインを有することを特徴とす
る。
は、非線形光学材料からなる導波路を有する波長変換素
子であって、前記導波路は前記導波路の伸長方向に沿っ
て漸次増加又は減少する屈折率分布を有し、かつ前記導
波路の分極が前記導波路の伸長方向に沿って周期的に反
転する複数の分極反転ドメインを有することを特徴とす
る。
【００１０】
【作用】本発明の波長変換素子は、その導波路の屈折率
が導波方向に沿って徐々に変化しているので、基本波の
波長が変動しても導波路の伸長方向におけるいずれかの
領域で準位相整合が達成される。すなわち、導波路の導
波方向に沿ってＭｇ等のドーパントのドープ量を変化さ
せることにより、導波方向に沿って屈折率が変調される
ことになり、位相整合条件の緩和が図れる。
が導波方向に沿って徐々に変化しているので、基本波の
波長が変動しても導波路の伸長方向におけるいずれかの
領域で準位相整合が達成される。すなわち、導波路の導
波方向に沿ってＭｇ等のドーパントのドープ量を変化さ
せることにより、導波方向に沿って屈折率が変調される
ことになり、位相整合条件の緩和が図れる。
【００１１】
【実施例】本発明による実施例の波長変換素子を添付図
面に基づいて説明する。図１に本実施例の波長変換素子
を示す。図示するように、基板１はニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ3）結晶からなる。基板１において、結晶
の自発分極がｃ軸方向、すなわち基板１の厚み方向に揃
えられている（図の上向矢印方向）。基板１の＋ｃ面２
（主面）上において、導波路３が例えばプロトン交換法
により主面２を横断して形成されている。この導波路３
の一端面は基本波の入射端面３ａになり、他端面は第２
高調波の出射端面３ｂになっている。
面に基づいて説明する。図１に本実施例の波長変換素子
を示す。図示するように、基板１はニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ3）結晶からなる。基板１において、結晶
の自発分極がｃ軸方向、すなわち基板１の厚み方向に揃
えられている（図の上向矢印方向）。基板１の＋ｃ面２
（主面）上において、導波路３が例えばプロトン交換法
により主面２を横断して形成されている。この導波路３
の一端面は基本波の入射端面３ａになり、他端面は第２
高調波の出射端面３ｂになっている。
【００１２】導波路３はその伸長方向（基本波の導波方
向）に沿って漸次増加（又は減少）する屈折率分布を有
している。例えば図示するように導波路３の点の多い部
位が屈折率が低い。さらに導波路３には基本波の導波方
向に沿って周期的に自発分極が反転する複数の分極反転
ドメイン４（図の下向矢印方向）が例えばＴｉ拡散法に
より形成されている。この分極反転構造の分極周期はコ
ヒーレンス長ｌc及び基本波の波長に基づいて決めら
れ、本実施例においては例えば一定になっている。
向）に沿って漸次増加（又は減少）する屈折率分布を有
している。例えば図示するように導波路３の点の多い部
位が屈折率が低い。さらに導波路３には基本波の導波方
向に沿って周期的に自発分極が反転する複数の分極反転
ドメイン４（図の下向矢印方向）が例えばＴｉ拡散法に
より形成されている。この分極反転構造の分極周期はコ
ヒーレンス長ｌc及び基本波の波長に基づいて決めら
れ、本実施例においては例えば一定になっている。
【００１３】さらに、かかる波長変換素子の製造方法を
説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、ＬｉＮｂＯ
3基板１の＋Ｃ面上に、そのＺ軸方向に沿って暫時膜厚
が増大する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる付加層
５をスパッタ法により成膜する。この付加層５は、膜厚
が導波路３の入射端面３ａでは最も薄く、導波方向に沿
って膜厚が増加して出射端面３ｂでは最も厚く形成され
ている。なお、付加層５は、例えばスパッタ蒸着時に出
射端面３ｂ近傍上部だけ開口となる遮蔽板を用い上部か
らドーパントを堆積させることにより、膜厚が導波方向
に対して変化するように形成される。
説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、ＬｉＮｂＯ
3基板１の＋Ｃ面上に、そのＺ軸方向に沿って暫時膜厚
が増大する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる付加層
５をスパッタ法により成膜する。この付加層５は、膜厚
が導波路３の入射端面３ａでは最も薄く、導波方向に沿
って膜厚が増加して出射端面３ｂでは最も厚く形成され
ている。なお、付加層５は、例えばスパッタ蒸着時に出
射端面３ｂ近傍上部だけ開口となる遮蔽板を用い上部か
らドーパントを堆積させることにより、膜厚が導波方向
に対して変化するように形成される。
【００１４】次に、図２(b)に示すように、該基板１を
炉に入れ加熱しＬｉＮｂＯ3基板中にＭｇＯを熱拡散さ
せる熱処理を行い、ＭｇＯがドープされた領域６を＋Ｃ
面近傍に有するＬｉＮｂＯ3基板を作製する。この時、
この基板における＋Ｃ面近傍のＭｇＯ濃度と基板屈折率
とは基板Ｚ方向距離に対して図２(b)に示す分布とな
る。すなわち、基板の射端面３ａからＺ方向へ距離が増
加するにつれて、ＭｇＯ濃度が増加するとともに、基板
の＋Ｃ面近傍領域６の屈折率が漸次減少する分布とな
る。
炉に入れ加熱しＬｉＮｂＯ3基板中にＭｇＯを熱拡散さ
せる熱処理を行い、ＭｇＯがドープされた領域６を＋Ｃ
面近傍に有するＬｉＮｂＯ3基板を作製する。この時、
この基板における＋Ｃ面近傍のＭｇＯ濃度と基板屈折率
とは基板Ｚ方向距離に対して図２(b)に示す分布とな
る。すなわち、基板の射端面３ａからＺ方向へ距離が増
加するにつれて、ＭｇＯ濃度が増加するとともに、基板
の＋Ｃ面近傍領域６の屈折率が漸次減少する分布とな
る。
【００１５】次に、図２(c)に示すように、該基板の＋
Ｃ面２上において、コヒーレンス長ｌc及び基本波の波
長に基づいて決められた一定の分極周期にて、複数の分
極反転ドメイン４の領域を例えばＴｉ拡散及びキュリー
点近傍熱処理によって形成する。次に、図２(d)に示す
ように、該基板の＋Ｃ面２上に３次元導波路３を例えば
プロトン交換法によって形成し、本実施例の素子を得
る。
Ｃ面２上において、コヒーレンス長ｌc及び基本波の波
長に基づいて決められた一定の分極周期にて、複数の分
極反転ドメイン４の領域を例えばＴｉ拡散及びキュリー
点近傍熱処理によって形成する。次に、図２(d)に示す
ように、該基板の＋Ｃ面２上に３次元導波路３を例えば
プロトン交換法によって形成し、本実施例の素子を得
る。
【００１６】第２の実施例として、図２(b)に示す伸長
方向においてＭｇＯ濃度が漸次増加する基板１を作成す
る。まず、図３(a)に示すように、ＬｉＮｂＯ3結晶の種
を付した回転引上げロッドを備えた溶融炉装置におい
て、溶融炉１０からＬｉＮｂＯ3結晶ロッド１１の引き
上げ動作中に、ＭｇＯなどのドーパント物質を炉中の溶
融ＬｉＮｂＯ3に混入して、ＭｇＯ-ＬｉＮｂＯ3バルク
結晶を成長させる。
方向においてＭｇＯ濃度が漸次増加する基板１を作成す
る。まず、図３(a)に示すように、ＬｉＮｂＯ3結晶の種
を付した回転引上げロッドを備えた溶融炉装置におい
て、溶融炉１０からＬｉＮｂＯ3結晶ロッド１１の引き
上げ動作中に、ＭｇＯなどのドーパント物質を炉中の溶
融ＬｉＮｂＯ3に混入して、ＭｇＯ-ＬｉＮｂＯ3バルク
結晶を成長させる。
【００１７】得られた結晶ロッド１１の長さ方向に対す
るＭｇＯ濃度の特性は図３(b)の如くになる。次に、得
られた結晶ロッド１１を昇温して電場を印加してＣ軸方
向をＭｇＯ濃度勾配方向と垂直にし、図３(c)に示すよ
うに結晶ロッド１１の長さ方向が導波路の伸長方向とな
るように、該結晶ロッドから基板を切り出し、その＋Ｃ
面上に上記第１実施例同様の分極反転ドメイン並びに３
次元導波路を形成し、素子を形成する。
るＭｇＯ濃度の特性は図３(b)の如くになる。次に、得
られた結晶ロッド１１を昇温して電場を印加してＣ軸方
向をＭｇＯ濃度勾配方向と垂直にし、図３(c)に示すよ
うに結晶ロッド１１の長さ方向が導波路の伸長方向とな
るように、該結晶ロッドから基板を切り出し、その＋Ｃ
面上に上記第１実施例同様の分極反転ドメイン並びに３
次元導波路を形成し、素子を形成する。
【００１８】作成された波長変換素子に対して、例えば
半導体レーザ（図示せず）から出射された基本波を導波
路３の入射端面３ａに入射すると、この基本波は導波路
３を導波するにつれて第２高調波を励起してこの第２高
調波を出射端面３ｂより出力する。このとき、導波路３
の屈折率は入射端面３ａから導波方向に沿って出射端面
３ｂに向けて減少し、導波路３における基本波及び第２
高調波の屈折率ｎ(ω)，ｎ(2ω)もそれぞれ同様に導波
方向に沿って減少しているので、基板１の温度変化によ
り基本波及び第２高調波の屈折率や基本波の波長などの
変動を考慮して、あらかじめ導波路３の伝搬定数を導波
方向に沿って徐々に変化させていることができる。従っ
て、本実施例の波長変換素子は、第２高調波が励起され
る波長許容幅が従来の波長変動許容幅よりも広く設定さ
れているので、従来の波長変動許容幅を越えた基本波の
波長変動が生じても、導波路３内のいずれかの領域で準
位相整合条件を満足することができる。
半導体レーザ（図示せず）から出射された基本波を導波
路３の入射端面３ａに入射すると、この基本波は導波路
３を導波するにつれて第２高調波を励起してこの第２高
調波を出射端面３ｂより出力する。このとき、導波路３
の屈折率は入射端面３ａから導波方向に沿って出射端面
３ｂに向けて減少し、導波路３における基本波及び第２
高調波の屈折率ｎ(ω)，ｎ(2ω)もそれぞれ同様に導波
方向に沿って減少しているので、基板１の温度変化によ
り基本波及び第２高調波の屈折率や基本波の波長などの
変動を考慮して、あらかじめ導波路３の伝搬定数を導波
方向に沿って徐々に変化させていることができる。従っ
て、本実施例の波長変換素子は、第２高調波が励起され
る波長許容幅が従来の波長変動許容幅よりも広く設定さ
れているので、従来の波長変動許容幅を越えた基本波の
波長変動が生じても、導波路３内のいずれかの領域で準
位相整合条件を満足することができる。
【００１９】なお、基板１はＬｉＮｂＯ3に限らずタン
タル酸リチウム（ＬiＴaＯ3）など準位相整合により第
２高調波を発生する適宜の非線形光学結晶にて作製で
き、同様の効果を有する。また、上記実施例では分極反
転構造の反転周期を一定としたが、この反転周期を入射
端面３ａから出射端面３ｂに向けて徐々に変化させれ
ば、準位相整合条件をより緩和する相乗効果が得られ
る。
タル酸リチウム（ＬiＴaＯ3）など準位相整合により第
２高調波を発生する適宜の非線形光学結晶にて作製で
き、同様の効果を有する。また、上記実施例では分極反
転構造の反転周期を一定としたが、この反転周期を入射
端面３ａから出射端面３ｂに向けて徐々に変化させれ
ば、準位相整合条件をより緩和する相乗効果が得られ
る。
【００２０】さらに、付加層の膜厚は、上記実施例に限
らず、入射端面よりも出射端面の方が薄く形成されてい
たり、導波方向に沿う膜厚が周期的に変化しているなど
導波方向に適宜に変化していれば、上記実施例と同様の
効果を得る。
らず、入射端面よりも出射端面の方が薄く形成されてい
たり、導波方向に沿う膜厚が周期的に変化しているなど
導波方向に適宜に変化していれば、上記実施例と同様の
効果を得る。
【００２１】
【発明の効果】本発明によれば、基本波の導波方向に沿
って屈折率が変化させ導波路の導波パラメータを導波方
向に変化させているので、第２高調波が励起される波長
許容幅が従来の波長変動許容幅よりも広く設定し得る。
よって、従来の波長変動許容幅を越えた波長変動が生じ
ても、導波路内のいずれかの領域で準位相整合による位
相整合条件を満足することができ、位相整合条件を緩和
することができる。
って屈折率が変化させ導波路の導波パラメータを導波方
向に変化させているので、第２高調波が励起される波長
許容幅が従来の波長変動許容幅よりも広く設定し得る。
よって、従来の波長変動許容幅を越えた波長変動が生じ
ても、導波路内のいずれかの領域で準位相整合による位
相整合条件を満足することができ、位相整合条件を緩和
することができる。
【図１】本発明による実施例における波長変換素子の導
波路伸長方向に沿って切断した縦断面図である。
波路伸長方向に沿って切断した縦断面図である。
【図２】図１に示す波長変換素子の製造工程における構
成部材の断面図である。
成部材の断面図である。
【図３】他の実施例における波長変換素子の製造工程に
用いる結晶ロッドの概略側面図である。
用いる結晶ロッドの概略側面図である。
１ 基板 ３ 導波路 ４ 分極反転ドメイン ５ 付加層
Claims (1)
- 【請求項１】 非線形光学材料からなる導波路を有する
波長変換素子であって、前記導波路は前記導波路の伸長
方向に沿って漸次増加又は減少する屈折率分布を有し、
かつ前記導波路の分極が前記導波路の伸長方向に沿って
周期的に反転する複数の分極反転ドメインを有すること
を特徴とする波長変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4156932A JPH05346602A (ja) | 1992-06-16 | 1992-06-16 | 波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4156932A JPH05346602A (ja) | 1992-06-16 | 1992-06-16 | 波長変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05346602A true JPH05346602A (ja) | 1993-12-27 |
Family
ID=15638508
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4156932A Pending JPH05346602A (ja) | 1992-06-16 | 1992-06-16 | 波長変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05346602A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105261928A (zh) * | 2015-11-06 | 2016-01-20 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种基于畴反转电光晶体的脉冲激光合束装置及其方法 |
| CN105514787A (zh) * | 2015-11-10 | 2016-04-20 | 南京邮电大学 | 一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器 |
| CN109564308A (zh) * | 2016-08-05 | 2019-04-02 | 日本电气硝子株式会社 | 波长变换部件及其制造方法 |
-
1992
- 1992-06-16 JP JP4156932A patent/JPH05346602A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105261928A (zh) * | 2015-11-06 | 2016-01-20 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种基于畴反转电光晶体的脉冲激光合束装置及其方法 |
| CN105514787A (zh) * | 2015-11-10 | 2016-04-20 | 南京邮电大学 | 一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器 |
| CN109564308A (zh) * | 2016-08-05 | 2019-04-02 | 日本电气硝子株式会社 | 波长变换部件及其制造方法 |
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