(57)【要約】  【課題】  結合モード径を大きくとることができ、基本波の光導波路に対する結合効率を高く維持し、高調波出力をシングルモードで出力することができる波長変換素子を提供する。【解決手段】  周期分極反転構造の強誘電体結晶に光導波路を形成してなる光導波路型波長変換素子であって、以下の関係式を満たす光導波路を形成するようにする。【数１】2005266374.tif 000010【選択図】図２
2005266374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期分極反転構造の強誘電体結晶に光導波路を形成してなる光導波路型波長変換素子であって、以下の関係式を満たす光導波路を形成することを特徴とする光導波路型波長変換素子。
【数１】
2005266374.tif 000009
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路を用いた波長変換素子に関し、さらに詳細にはシングルモードの高調波を出力する光導波路型波長変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
周期分極反転構造の強誘電体結晶を用いた光導波路に基本波を入射し、その高調波を出射する光導波路型波長変換素子が開発され、レーザ光源等に利用されている。光導波路型波長変換素子をレーザ光源等として利用する場合には、一般に、スポット形状を小さくすることが望ましい。光導波路型波長変換素子のスポット形状を小さくするためには、光導波路内を伝播する高調波光を、マルチモードではなく、０次モードのみのシングルモードにすることが必要である。そのため、従来の光導波路型波長変換素子では、光導波路の形状や寸法を、高調波領域でシングルモードとなるようにしている。
【０００３】
例えば、光導波路型波長変換素子を用いて、４３０ｎｍ程度の青色波長を出力する場合に、光導波路を深さ０．５μｍと非常に浅く設定し、上記青色波長に対してシングルモード高調波を得るようにすることが開示されている（非特許文献１参照）。
これまで、シングルモードにするには光導波路の深さをどうすべきかなどの設計条件についての考え方は、特に発表されていない。
【０００４】
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys. Vol.31 “Low-Loss Channel Waveguides in MgO:LiNbO3 and LiTaO3 by Pyrophosphoric Acid Proton Exchane
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、光導波路型波長変換素子の出力は、０次モードのみのシングルモードで利用できることが望まれている。
従来は、シングルモードの光導波路路型波長変換素子とするために、マルチモードとならないように、安全を考えて、光導波路の形状・寸法を、シングルモードのみが伝播可能なシングルモード条件となるように設計していた。
【０００６】
しかしながら、確実にシングルモード条件を満たそうとするには、設計上、導波路に厳しい制限を課さざるを得なかった。例えば、上述した例のように、導波路の深さは、０．５μｍ程度の非常に小さい値に設定する必要があった。
そのため、基本波に対する結合モード径が小さな導波路となってしまい、基本波を導波路に結合させる場合に、高い結合効率を得ることが難しく、その結果、高い高調波出力を得ることが難しかった。
【０００７】
そこで、本発明は、光導波路型波長変換素子の結合モード径を大きくとることができ、基本波の光導波路に対する結合効率を高く維持し、高調波出力をシングルモードで出力することができる波長変換素子を提供することを目的とする。
【０００８】
また、基本波光学系と光導波路波長変換素子との温度クリープによって出力が変動したりする場合でも、マルチモードとなることなく、シングルモードを安定して出力できる波長変換素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた本発明の波長変換素子は、本来、光導波路の形状、寸法が、マルチモード条件であるにもかかわらず、実質的にシングルモード条件となるような条件を選ぶことにより、シングルモード高調波を安定して出力するようにする。
すなわち、周期分極反転構造の強誘電体結晶に光導波路を形成してなる光導波路型波長変換素子であって、以下の関係式を満たす光導波路を形成するものである。
【数１】
2005266374.tif 000003
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、上述した（１）式の条件を満たすことにより、光導波路に対して、高次の導波モードに結合した高調波は、位相整合条件が合わなくなり、減衰、消滅することとなる。そのため、高調波に対して、シングルモード条件を満たすようにした場合よりもモード径が大きいマルチモード条件となるような形状、寸法の光導波路であっても、実質的に、シングルモード出力を得ることができるようになる。このことが、数値計算結果、および、実験的に確かめられた。
ここで、右辺の数値０．０１は、シングルモードの品質を表す値となるものであり、モード品質の程度を表す値として、よく知られているＭスクエア値（Ｍ２値）で、１．１に相当する品質を表す。なお、右辺の数値は、小さいほどシングルモードの品質がよくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
光導波路型波長変換素子における波長変換では、図５に示すように、以下のようなプロセスにより出力光が得られると考えられる。
（１）まず、光導波路中に基本波（ここでは０次モードとする）が入射され、基本波伝播電界プロファイルＥω０（ｘ、ｙ）に対応して、位相整合Δ、作用長Ｌ（周期分極反転層の長さ）に依存する波長変換効率ηＳＨＧ(ΔＬ)で波長変換がなされ、高調波伝播電界プロファイルＥ２ω０（ｘ、ｙ）が発生する。
このとき発生する高調波伝播電界プロファイルＥ２ω（ｘ、ｙ）は、概略、基本波伝播電界プロファイルＥω（ｘ、ｙ）の２乗となる。
【００１２】
（２）そして、発生した高調波は、その高調波波長に対して光導波路内で存在することができる各導波モード（高調波に対する０次モードＥ２ω０、１次モードＥ２ω１、２次モードＥ２ω２、・・・）に結合して伝播することになる。このときの各モードへの結合度は、横モード結合効率ηｃ（０次はηｃ０、１次はηｃ１、２次はηｃ２・・・）で表される。
【００１３】
一般に、０次導波モードの基本波Ｅω０を入射した場合でも、屈折率の波長依存性により、基本波波長と高調波波長に対する光導波路の屈折率が異なることから、発生する高調波の伝播電界プロファイルは、高調波に対する０次導波モードＥ２ω０と完全に一致することはなく、高調波０次導波モードＥ２ω０以外に、高次モードＥ２ω１、Ｅ２ω２、・・・も含んだマルチモード出力となる。
【００１４】
本発明では、波長変換効率ηＳＨＧ(ΔＬ)を規格化した規格化波長変換効率η（ΔＬ）と、横モード結合効率ηｃとの積を設計パラメータとして用いることを検討し、（１）式を満たすことにより、光導波路としてはマルチモード条件であるにも関わらず、実質的にシングルモードとして伝播する条件が得られることを、数値計算により導出し、実験により見出した。
【００１５】
すなわち、規格化波長変換効率と横モード結合効率との積を、パラメータとして採用することにより、マルチモード条件であっても実用上、シングルモードとして利用できる範囲があることを見出し、この範囲で導波路を設計することにより、高品質のシングルモード高調波を得ることができるようになった。
【００１６】
これまでは、位相整合素子の波長変換効率η（Δ)については、高調波出力が大きくなるように、できるだけ大きい値にすることに主眼が置かれてきた。また、結合効率ηｃについては、シングルモードを得るには、０次高調波モードへの結合効率ηｃ０を大きくし、1次高調波モード（さらに２次高調波モード以降も）への結合効率ηｃ１を小さくすることが望ましい、と単純に考えられていた。
【００１７】
しかしながら、規格化波長変換効率と横モード結合効率との積をパラメータとして検討した場合、０．０１（Ｍスクエアで１．１程度に相当する品質）より小さい場合には、結合効率ηｃ１がマルチモード条件となるような大きい場合でも、波長変換効率η（Δ）が十分に小さくすることで、実質的にシングルモードにすることができた。そして、このような条件設定を行うことにより、導波路の深さは、従来よりも大きい値（例えば４μｍ）に設定することができるようになった。
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について具体的に説明する。まず、いくつかのパラメータの定義について、説明しておく。
【００１９】
横モード結合効率（ηｃ）
基本波伝播電界プロファイルをＥω（ｘ、ｙ）、高調波伝播電界プロファイルをＥ２ω（ｘ、ｙ）とすると、結合効率（ηｃ）は、以下の式で与えられる。
【数２】
2005266374.tif 000004
【００２０】
位相不整合（Δ）
導波路中の基本波の伝播定数βω、高調波の伝播定数β２ω、分極反転周期をΛとすると、位相誤差２Δは、以下の式で与えられる。
【数３】
2005266374.tif 000005
【００２１】
波長変換効率（ηＳＨＧ）
一般に、波長変換効率は、上記の位相誤差Δと作用長さＬの関係式として、以下の式で与えられる。
【数４】
2005266374.tif 000006
【００２２】
ここで、位相誤差Δを０としたときのηＳＨＧで規格化した規格化波長変換効率η（ΔＬ）は、次式で与えられる。
【数５】
2005266374.tif 000007
【００２３】
次に、本発明による素子設計の一例として、プロトン交換型導波路を形成したＬｉＴａＯ３結晶の擬似位相整合素子を示す。
本デバイスの基本構造を図１に示す。この素子は、周期分極反転構造３を形成したｚ−ｃｕｔ  ＬｉＴａＯ３結晶１に、プロトン交換領域（光導波路２）を形成したものである。
【００２４】
基本波波長を、９４６ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザとして、ここから高調波である波長４７３ｎｍの光を得るデバイスを、ＬｉＴａＯ３結晶１のプロトン交換型光導波路２で形成した場合を考える。バルクでのＬｉＴａＯ３結晶１の異常光屈折率は、波長９４６ｎｍでは２．１４６８５となり、波長４７３ｎｍでは２．２３４１１となる。
【００２５】
上記素子の製造工程を説明する。結晶に、２３０°Ｃのピロりん酸で、1時間の交換処理を行い、３５０°Ｃの大気中で、６５分アニールすることで、プロトン交換型光導波路２を形成する。
このようにして形成した光導波路２は、波長９４６ｎｍでは、０次導波モードのみ存在するシングルモード導波路となり、等価屈折率は約２．１５１２である。
一方、波長４７３ｎｍに対しては、１次の導波モードまで存在し、等価屈折率は、０次導波モードに対して約２．２４５３３であり、１次の導波モードに対して２．２３９８１である。
この導波路２が、基本波０次モードと高調波０次モードとにおいて、位相整合するための分極反転周期Λは、（３）式により、５．０２５μｍとなる。
【００２６】
光導波路２における、基本波０次伝播モードから発生する高調波０次伝播モードと高調波波長の０次以外すべての高調波波長の伝播モード次数ｎとのモード結合効率をηｃｎ、同じく、光導波路２における、基本波０次伝播モードから発生する高調波０次伝播モードと高調波波長の０次高調波伝播モードのモード結合効率をηｃ０として、これらの結合効率の比であるηｃｎ／ηｃ０は、各伝播モードについて（２）式を用いて数値計算することで解くことができる。
これによれば、例えば、ηｃ１／ηｃ０は、約０．８となる。
すなわち、高調波１次伝播モードは、高調波０次伝播モードよりわずかに小さい程度である。通常、このようなηｃ１値の結合効率では、光導波路は、マルチモード条件となる。
【００２７】
光導波路２を伝播する基本波伝播モードと、高調波ｎ次伝播モードとの間の位相誤差Δｎに対する規格化波長変換効率比に関して
η（Δｎ）／η（Δ０）≦０．０１２５なる条件を満たせば、
【数６】
2005266374.tif 000008
なる条件が成立する。
【００２８】
ここで、位相誤差Δは、（３）式で与えられるが、波長、等価屈折率、Λが一定であるため、Δが定数となる。
したがって、η（Δｎ）／η（Δ０）≦０．０１２５なる条件は、光導波路２の作用長Ｌの関数として得られることになる。
【００２９】
この関数の計算結果を図２に示す。図２から明らかなように、作用長Ｌが０．２５ｍｍ以上で、η（Δｎ）／η（Δ０）≦０．０１２５なる条件が得られる。このとき、実用上、シングルモードと見なせる高調波が放射されることになる。すなわち、Ｍスクエア値が１．１程度に相当する品質のシングルモードが得られることとなる。
【００３０】
ただし、上記計算は、レーザ発振波長が全く変化せず、結晶の屈折率が変化しない条件、すなわち結晶温度などが変化しない状態で、計算に用いた波長９４６ｎｍでの基本波０次伝播モードと、高調波光における０次伝播モードとの間での位相整合が完全である場合である。  つまり、位相誤差Δが常に０であり、規格化波長変換効率η（Δ０）が作用長Ｌによらず、1となる条件を前提としている。
【００３１】
したがって、レーザ発振波長変化などにより、位相誤差が０でなくなる場合には、もはや、作用長Ｌの条件Ｌ≧０．２５ｍｍは異なるようになる。
例えば、レーザ発振波長が０．５ｎｍ変化する場合の計算結果を、グラフにして図３に示す。この場合、ビート状に発散する領域が現れ、波長の変化に伴って、（６）式の条件を満たさない場合がある。ただし、作用長Ｌが９ｍｍ≧Ｌであればビートが発生していない。
【００３２】
このことは，レーザ発振波長が、０．５ｎｍ変化する可能性がある場合であっても、９ｍｍ≧Ｌ≧０．２５ｍｍなる条件で本デバイスを用いれば、実質、高調波シングルモードとして機能する光導波路波長変換デバイスとすることができる。しかも、この条件を満たす限り、温度変化など位相整合条件を乱す要因がある場合でも、シングルモードとして機能させることができる。
【００３３】
導波路２は、高調波光がシングルモードとなる光導波路型波長変換デバイスであるが、その導波モード深さは、基本波については約４μｍである。
この導波路２を、幅１．５μｍの導波路アパーチャの金属マスクを用いてプロトン交換すると、基本波の導波モードプロファイルは、モード幅が約４μｍとなり、非常に対象性のよい導波モードが得られる。
【００３４】
導波モードプロファイルの計算結果を図４に示す。導波モードプロファイルが円形に近いため、Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザから発生する波長９４６ｎｍの円形レーザ光を、効率よく導波路に結合させることが可能となり、高効率な波長変換が可能となる。
【００３５】
一方、アパーチャ幅を約５μｍとすると、９４６ｎｍにおける０次の導波モード幅は、８μｍとなる。この場合、扁平な楕円形になるため、同様に扁平な楕円ビームパターンを持つ半導体レーザ光を結合させる場合に、高い結合効率を得られるようになる。
【００３６】
上述した導波路条件は、一例であり、（２）式を満たす範囲で、高調波シングルモード光導波路型波長変換デバイスを形成することが可能である。したがって、（２）式を設計指針としてデバイスを作成することにより、安心して高調波シングルモード光導波路型波長変換デバイスとすることができる。
【００３７】
さらに、光閉じ込め効果・基本波０次導波モードの２乗電界プロファイルと、高調波０次導波モードの電界プロファイルの結合を最適化することにより、より高出力の波長変換素子を構成することが可能となる。
【００３８】
また、この現象は擬似位相整合デバイスの結晶種に関係なく成立する原理に基づくため，たとえばＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶など、ＬｉＴａＯ３結晶以外を用いた場合にも、同様の設計が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、シングルモード光導波路型波長変換素子を設計する際に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】光導波路型波長変換素子の構成を示す図。
【図２】本発明で用いる設計パラメータ（波長変換効率×結合効率）の作用長Ｌ依存性を説明する図。
【図３】本発明で用いる設計パラメータ（波長変換効率×結合効率）の作用長Ｌ依存性を説明する図。
【図４】モード形状（ニアフイールドパターン）を説明する図。
【図５】波長変換素子による波長変換のプロセスを説明する図。
【符号の説明】
【００４１】
１  ＬｉＴａＯ３結晶
２  光導波路（プロトン交換領域）
３  周期分極反転構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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