JP2014211528A - Optical switch element and laser oscillation device - Google Patents
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Abstract
【課題】従来技術によるQスイッチ素子は、偏光を90?回転させるため、数100以上もの高電圧で、高速な立ち下がりまたは立ち上がり時間のスイッチング電圧印加しなければならない。導波路型光Qスイッチでは、数Vで高速なスイッチングが可能であるが、チタン拡散法により作製されたニオブ酸リチウム導波路では、光損傷が生じる。光損傷を避けるために、動作可能な入力光パワーの上限は、高々200mW程度に留まっていた。【解決手段】本発明のスイッチ素子は、コアおよび下部クラッドからなるチャネル型導波路構造の光導波路と、コア上面および下部クラッドの上面にそれぞれ設けられた第1および第2の電極を備え、第1および第2の電極間に電圧をオンオフ可能に印加するQスイッチ駆動装置とを備える。屈折率の異なるコア材料およびクラッド材料を直接接合法により接合することによって作製される。【選択図】図1A Q-switching element according to the prior art must apply a switching voltage with a high voltage of several hundreds or more and a fast falling or rising time in order to rotate the polarization by 90 ?. In the waveguide type optical Q switch, high-speed switching is possible at several V, but in the lithium niobate waveguide manufactured by the titanium diffusion method, optical damage occurs. In order to avoid optical damage, the upper limit of operable input optical power remains at most about 200 mW. A switching element according to the present invention includes an optical waveguide having a channel-type waveguide structure including a core and a lower cladding, and first and second electrodes provided on the upper surface of the core and the upper surface of the lower cladding, respectively. And a Q switch driving device that applies a voltage between the first and second electrodes so as to be turned on and off. It is manufactured by joining a core material and a clad material having different refractive indexes by a direct joining method. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、電気光学効果を用いた光導波路型スイッチ素子、および、スイッチ素子を用いたQスイッチレーザ装置に関する。 The present invention relates to an optical waveguide switch element using an electro-optic effect, and a Q-switch laser apparatus using the switch element.
レーザ発振器は、光通信だけではなく医療技術やレーザ加工などの様々な産業分野にも利用されている。レーザ発振器の動作には、大別して連続発振(CW)およびパルス発振が知られている。パルス発振動作の一例としては、後述するようにQスイッチ法による発振器が知られており、電子部品、半導体部品などの精密部品へのマイクロ加工、穴加工、マーキングなどに利用されている。 Laser oscillators are used not only in optical communication but also in various industrial fields such as medical technology and laser processing. The operation of a laser oscillator is roughly classified into continuous oscillation (CW) and pulse oscillation. As an example of the pulse oscillation operation, an oscillator based on the Q switch method is known as will be described later, and is used for micro machining, drilling, marking, etc. on precision parts such as electronic parts and semiconductor parts.
従来技術のQスイッチ法による発振器において利用されるQスイッチ素子の一例として、ポッケルスセル(Pockels cell)効果を有する電気光学結晶を用いたQスイッチ素子が提案されている(例えば、特許文献1参照)。電気光学結晶を用いたQスイッチ素子は、偏光分離スプリッタ、および、薄膜偏光子などの偏光子を組み合わせて、共振器内に構成される。ポッケルスセルの偏光の向きを電気的に制御して偏光子の透過成分と反射成分との比を変更し、共振器内のQ値を変えることにより、Qスイッチパルスを得るように動作する。 As an example of a Q switch element used in an oscillator based on the Q switch method of the prior art, a Q switch element using an electro-optic crystal having a Pockels cell effect has been proposed (for example, see Patent Document 1). . A Q switch element using an electro-optic crystal is configured in a resonator by combining a polarization separation splitter and a polarizer such as a thin film polarizer. The Pockels cell is operated so as to obtain a Q switch pulse by electrically controlling the direction of polarization of the Pockels cell to change the ratio of the transmission component to the reflection component of the polarizer and changing the Q value in the resonator.
また、従来技術のQスイッチ法による発振器において利用される他のQスイッチ素子としては、可飽和吸収体を光導波路材料に用いた光導波路型のQスイッチ素子が提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。非特許文献1に開示された光導波路型Qスイッチ素子における可飽和吸収体は、光を吸収すると除々に透明になる物質である。可飽和吸収体を共振器内に挿入した場合、励起開始時においては、可飽和吸収体は損失となる。しかしながら、励起を開始するとレーザ発振を抑制しながら徐々に透明になり、やがて利得が損失よりも大きくなると、急速にレーザ発振を開始してQスイッチパルスを得るように動作する。
Further, as another Q switch element used in a conventional oscillator using the Q switch method, an optical waveguide type Q switch element using a saturable absorber as an optical waveguide material has been proposed (for example, non-patent). Reference 1). The saturable absorber in the optical waveguide type Q switch element disclosed in Non-Patent
また、特許文献2には、従来技術によるQスイッチレーザ装置の一例が開示されている。特許文献2に開示されたレーザ装置は、出力鏡および全反射鏡からなる共振器と、この共振器内に配置されたレーザ光の発生源(レーザロッド、偏光子およびポッケルスセル)と、レーザロッドを励起するフラッシュランプと、ポッケルスセルへの印加電圧を変化させるポッケルスセル駆動回路とにより構成されている。このQスイッチレーザ装置においては、ポッケルスセルへの印加電圧によって共振器内の偏光方向の制御を行い、偏光子との組み合わせによって共振器内のQ値を変えることにより、ジャイアントパルスを得るように動作する。
しかしながら、従来技術によるQスイッチ素子およびこれを用いたQスイッチレーザ装置は、以下に述べるような様々な問題を抱えていた。特許文献1に開示されたQスイッチ素子および特許文献2に開示されたQスイッチレーザ装置のいずれの場合も、偏光を90°回転させるために、数100〜数kVもの高電圧であって、高速な立ち下がりまたは立ち上がり時間を持つスイッチング電圧をQスイッチ素子に印加しなければならない。このような高電圧・高速の制御電圧を駆動可能なスイッチング回路は、大掛かりなものとなり、レーザ装置全体の部品点数が増えるという問題があった。
However, the conventional Q-switch element and the Q-switch laser apparatus using the same have various problems as described below. Both the Q switch element disclosed in
また、Nd:YAGなどの材料をレーザ媒質に用いた場合には、熱複屈折によるDepolarization損失(偏光解消損失)が生じて、Qスイッチ素子に印加すべき電圧が増加し、駆動回路における効率が低下するという問題があった。 Further, when a material such as Nd: YAG is used for the laser medium, depolarization loss (depolarization loss) due to thermal birefringence occurs, the voltage to be applied to the Q switch element increases, and the efficiency in the drive circuit increases. There was a problem of lowering.
さらに、非特許文献1に開示された光導波路型Qスイッチ素子においては、可飽和吸収体の残留損失によって効率が低下するという問題があった。発振器のピークパワーを大きくするためには、可飽和吸収体の光学濃度(Optical Density)を濃くする必要がある。このとき、可飽和吸収体の残留損失が光学濃度に比例して大きくなることから、パルス幅が広がりピークパワーが減少して、効率の低下が大きくなる。さらに、可飽和吸収体を利用する場合、正確なパルスの発振タイミングの制御が困難であり、励起光の強度ばらつきなどに起因する発振タイミングのばらつきが大きいという問題もあった。
Furthermore, the optical waveguide type Q switch element disclosed in Non-Patent
上述のような背景から、Qスイッチレーザ装置内のポッケルスセルにおける駆動電圧を低減することが可能な、ポッケルス効果を有する光学材料を用いた導波路型の光スイッチが望まれている。 From the background described above, a waveguide-type optical switch using an optical material having a Pockels effect that can reduce the driving voltage in the Pockels cell in the Q-switched laser device is desired.
現在、導波路型光スイッチとしては、高速性および低駆動電圧性の観点から、チタン拡散法によるニオブ酸リチウム導波路がよく用いられている。この方法では、LN基板にTiを拡散することによって、拡散された部分の屈折率を周囲に比べて上昇させ、導波構造を実現している。駆動電圧として半波長駆動電圧Vπが数Vで、高速なスイッチングが可能である。 Currently, as a waveguide type optical switch, a lithium niobate waveguide by a titanium diffusion method is often used from the viewpoint of high speed and low driving voltage. In this method, by diffusing Ti in the LN substrate, the refractive index of the diffused portion is increased compared to the surroundings, thereby realizing a waveguide structure. As the drive voltage, the half-wave drive voltage Vπ is several volts, and high-speed switching is possible.
しかしながら、上述のチタン拡散法により作製されたニオブ酸リチウム導波路では、Tiの拡散により発生した欠陥に起因するフォトリフラクティブ効果のため、大きな光パワーを入射すると、屈折率が変化して導波構造が破壊される、いわゆる光損傷が生じる。この光損傷を避けるために、動作可能な入力光パワーの上限は、高々200mW程度に留まってしまう。チタン拡散法により作製されたニオブ酸リチウム導波路を、Qスイッチレーザ装置に要求されるようなW級の光を扱うレーザ装置へ適用することができなかった。 However, in the lithium niobate waveguide fabricated by the titanium diffusion method described above, the refractive index changes when a large optical power is incident due to the photorefractive effect caused by defects caused by the diffusion of Ti. So-called photodamage occurs. In order to avoid this optical damage, the upper limit of operable input optical power remains at most about 200 mW. The lithium niobate waveguide produced by the titanium diffusion method could not be applied to a laser device that handles W-class light as required for a Q-switch laser device.
本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高い消光比、超小型、低駆動電圧を実現した光導波路型スイッチ素子を実現するところにある。また、光導波路型スイッチ素子を用いたQスイッチレーザ装置において、高い光出力を確保しながら、部品点数を抑えて、小型で高効率、かつ正確なタイミング制御を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to realize an optical waveguide switch element that realizes a high extinction ratio, ultra-small size, and low driving voltage. . Another object of the present invention is to realize a small, highly efficient and accurate timing control in a Q-switched laser device using an optical waveguide type switching element while suppressing the number of parts while ensuring a high light output.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、電気光学効果を用いて光強度を変化させるスイッチ素子において、光を伝搬させる高屈折率の電気光学材料と、前記電気光学材料と接合され、前記電気光学材料に比べて低屈折率の誘電体材料とを有し、前記電気光学材料がコアリッジを構成するチャネル型構造を有した光導波路と、前記光導波路の前記コアリッジの最上面に形成され、前記電気光学材料の誘電率を変化させるための駆動電圧が印加される第1の電極と、前記誘電体材料の上に形成され、前記駆動電圧が印加される第2の電極とを備えたことを特徴とする導波路型スイッチ素子である。前記電気光学材料と、前記誘電体材料とは、直接接合されてコアリッジを構成するのが好ましい。 In order to achieve the above object, the present invention provides a high refractive index electro-optic material for propagating light in a switch element that changes the light intensity using the electro-optic effect. An optical waveguide bonded to the electro-optic material and having a dielectric material having a refractive index lower than that of the electro-optic material, and the electro-optic material has a channel structure that forms a core ridge; and the optical waveguide A first electrode formed on the top surface of the core ridge and applied with a driving voltage for changing a dielectric constant of the electro-optic material; and formed on the dielectric material and applied with the driving voltage. And a second electrode having a second electrode. The electro-optic material and the dielectric material are preferably joined directly to form a core ridge.
請求項2に記載の発明は、請求項1の導波路型スイッチ素子であって、前記第1の電極および前記コアリッジの間、または、前記第2の電極および前記誘電体材料の間の少なくとも一方に、非晶質材料薄膜を設けたことを特徴とする。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1または2の導波路型スイッチ素子であって、前記電気光学材料は、ZnOを添加したLiNbO3(LN)結晶、低屈折率材料にMgOを添加したLN結晶、LiTaO3(LT)結晶、水晶結晶または非晶質材料のいずれかであることを特徴とする。
The invention according to
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3いずれかの導波路型スイッチ素子であって、前記非晶質材料薄膜は、SiO2で構成されることを特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is the waveguide switch element according to the first to third aspects, wherein the amorphous material thin film is made of SiO 2 .
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4いずれかの導波路型スイッチ素子であって、前記光導波路のチャネル構造は、ドライエッチ法により作製されることを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is the waveguide switch element according to the first to fourth aspects, wherein the channel structure of the optical waveguide is manufactured by a dry etching method.
本発明は、レーザ発振装置としても実現可能であって、上述の導波路型スイッチ素子と、前記第1の電極および前記第2の電極に駆動電圧を供給する駆動装置と、該導波路型スイッチ素子への光の偏光を選択する偏光子と、該導波路型スイッチ素子の前記コアリッジを通過する光が入射するレーザ媒質と、前記レーザ媒質および前記導波路型スイッチ素子を透過する光路の両端に配置された2つの反射装置と、前記レーザ媒質および前記偏光子との間に置かれたコリメート装置とを備えたことを特徴とするQスイッチレーザ発振装置を実現できる。 The present invention can also be realized as a laser oscillation device, and includes the above-described waveguide switch element, a drive device that supplies a drive voltage to the first electrode and the second electrode, and the waveguide switch. A polarizer for selecting the polarization of light to the element, a laser medium on which light passing through the core ridge of the waveguide switch element is incident, and both ends of an optical path that passes through the laser medium and the waveguide switch element It is possible to realize a Q-switched laser oscillation device including two arranged reflection devices and a collimation device placed between the laser medium and the polarizer.
以上説明したように、本発明によれば、直接接合法により作製された光導波路における電気光学効果による光偏光、または光導波路内の屈折率変化によって、低電圧の駆動が可能で、高い消光比で光を制御し、高光パワー耐性を持つ小型化された光導波路型スイッチ素子を実現することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to drive at a low voltage due to light polarization due to an electro-optic effect in an optical waveguide manufactured by a direct bonding method or a change in refractive index in the optical waveguide, and a high extinction ratio. Thus, it is possible to realize a miniaturized optical waveguide switch element having high optical power resistance by controlling light.
本発明のスイッチ素子は、コアおよび下部クラッドからなるチャネル型導波路構造の光導波路と、コア上面および下部クラッドの上面にそれぞれ設けられた第1および第2の電極を備え、第1および第2の電極間に電圧をオンオフ可能に印加するQスイッチ駆動装置とを備える。クラッドは、コア内の光を閉じ込めるために、コアの下面側に設けられる。上述の第1の電極および第2の電極は、電気伝導性が高い材料からなり、コアリッジ上および下部クラッド面上にそれぞれ形成されている。 The switch element of the present invention includes an optical waveguide having a channel-type waveguide structure composed of a core and a lower clad, and first and second electrodes provided on the upper surface of the core and the lower clad, respectively. And a Q switch driving device for applying a voltage between the two electrodes in an on / off manner. The clad is provided on the lower surface side of the core in order to confine light in the core. The first electrode and the second electrode described above are made of a material having high electrical conductivity, and are formed on the core ridge and the lower cladding surface, respectively.
本発明のスイッチ素子は、光が電極材料により減衰することを防止するために、第1の電極とコアリッジとの間、または、第2の電極と下部クラッドとの間に、光学バッファー手段が設けられた構造を持つ。コアは、電気光学結晶からなり、両端面の電極の相互間に電界が印加されると電気光学効果によってその屈折率が変化する材料からなる。 In the switch element of the present invention, an optical buffer means is provided between the first electrode and the core ridge or between the second electrode and the lower clad to prevent light from being attenuated by the electrode material. Has the structure. The core is made of an electro-optic crystal, and is made of a material whose refractive index changes due to an electro-optic effect when an electric field is applied between the electrodes on both end faces.
本発明のスイッチ素子における光導波路は、従来技術のようなチタン拡散法を用いず、屈折率の異なるコア材料およびクラッド材料を直接接合法により接合することによって作製される。以下、本発明のスイッチ素子の構成および作製方法についてより詳細に説明する、以下の各実施例は例示のために示されており、本発明の技術思想が含まれている限り、必ずしもこれらの実施例に限定されないのは言うまでもない。 The optical waveguide in the switch element of the present invention is manufactured by joining the core material and the clad material having different refractive indexes by the direct joining method without using the titanium diffusion method as in the prior art. Hereinafter, the configuration and manufacturing method of the switch element of the present invention will be described in more detail. Each of the following examples is shown for illustration, and as long as the technical idea of the present invention is included, these implementations are not necessarily performed. Needless to say, the examples are not limited.
図1は、本発明の実施例1の光導波路型スイッチ素子の構成を示す斜視図である。図1では、光導波路型スイッチ素子10のほか、Qスイッチ駆動装置7、偏光子8を含むレーザ装置の一部も描かれている。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an optical waveguide switch element according to
図2は、本発明の実施例1の光導波路型スイッチ素子の、図1のA−A´線を含む面の断面図である。まず図2を参照すると、光導波路型スイッチ素子10は、チャネル型光導波路10から構成される。光導波路10は、コアリッジ3と、その下にある下部クラッド4と、コアリッジ3およびクラッド4の全面を覆う光学バッファー層5により構成される。コアリッジ3の上面には第1の電極1が形成され、クラッド4の上面には光学バッファー層5を介して、第2の電極2a、2bが形成される。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the surface including the AA ′ line in FIG. 1 of the optical waveguide switch according to the first embodiment of the present invention. First, referring to FIG. 2, the
すなわち、本発明の光スイッチ素子は、電気光学効果を用いて光強度を変化させるスイッチ素子であって、光を伝搬させる高屈折率の電気光学材料と、前記電気光学材料と接合され、前記電気光学材料に比べて低屈折率の誘電体材料とを有し、前記電気光学材料がコアリッジを構成するチャネル型構造を有した光導波路と、前記光導波路の前記コアリッジの最上面に形成され、前記電気光学材料の誘電率を変化させるための駆動電圧が印加される第1の電極と、前記誘電体材料の上に形成され、前記駆動電圧が印加される第2の電極とを備えている。 That is, the optical switch element of the present invention is a switch element that changes the light intensity using the electro-optic effect, and is joined to the electro-optic material having a high refractive index that propagates light, and the electro-optic material. A dielectric material having a refractive index lower than that of the optical material, and the electro-optic material is formed on the uppermost surface of the core ridge of the optical waveguide, the optical waveguide having a channel-type structure constituting the core ridge, A first electrode to which a driving voltage for changing a dielectric constant of the electro-optic material is applied; and a second electrode that is formed on the dielectric material and to which the driving voltage is applied.
再び図1を参照すれば、光導波路型スイッチ素子10の第1の電極1および第2の電極2a、2bは、Qスイッチ駆動装置7に接続される。光導波路型スイッチ素子10のコアリッジ3の一端に対して、偏光子8を通過したx軸に対して45度の直線偏光の光6のみが入射する。コアリッジ3内をz方向に伝播し、他端からは、偏光を受けた光9が出射光9として放出される。光学バッファー層5は、電極1において導波光の一部が吸収され伝搬損失が増加することを防ぐために設けられている。すなわち、本発明の光スイッチ素子では、第1の電極およびコアリッジの間、または、第2の電極および誘電体材料の間の少なくとも一方に、非晶質材料薄膜を設けたことを特徴とする。
Referring again to FIG. 1, the
図3は、本発明の光スイッチ素子を含むQスイッチレーザ発振装置の構成を示す図である。Qスイッチレーザ発振装置100は、2つの反射装置16、17の間に置かれた、レーザ媒質12および本発明の光スイッチ素子10を備える。光スイッチ素子10およびレーザ媒質12の間の光路には、偏光子8および第1のコリメート装置11が備えられる。さらに、出力光17を取り出す反射装置14とレーザ媒質12との間にも、第2のコリメート装置13が、また、光スイッチ素子10と反射装置16との間にも、第3のコリメート装置13が備えられる。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a Q-switch laser oscillation apparatus including the optical switch element of the present invention. The Q-switch
レーザ媒質12としては、例えばNd:YAG、CO2、色素レーザなどがある。本実施例では、発振波長は1.06μmである。各コリメート装置11、13、15は、レーザビームが共振器中の往復する際に、レーザビーム径が広がる等して、レーザ媒質や導波路型素子の導波モードに効率よく光が入射しなくなることを防ぐ。具体的には、各コリメート装置として光学レンズ系を用いて、レーザ媒質12や導波モードに最適なビーム径で入出力させる。ただし、この光学レンズ系によるビーム径の最適化は共振器用の反射装置(ミラー)14、16の形状を凹面にしたりすることでも可能である。したがって、各反射装置14、17に隣接する第2のコリメート装置13、第3のコリメート装置15を省略することも可能である。
Examples of the
再び図2に戻ると、本実施例の光スイッチ素子では、コア材料としてZnOを添加したZカットLN結晶基板(ZnLN)を、クラッド材料として、MgOを添加した同様にZカットLN結晶基板を用いた。これらの2つの基板を直接接合により接合する。その後、ドライエッティングによりコアリッジ3を形成し、さらに光学バッファー層5としてSiO2膜をスパッタにより形成した。光導波路を作製した後、蒸着によって金電極の成膜を行い、ウェットエッチプロセスによりコアリッジ上の第1の電極1およびクラッド上の第2の電極2a、2bを作製した。次に、図1および図2に示した本発明の実施例1の光スイッチの動作について説明する。
Returning to FIG. 2 again, in the optical switch element of this example, a Z-cut LN crystal substrate (ZnLN) added with ZnO as a core material and a Z-cut LN crystal substrate added with MgO as a cladding material are used. It was. These two substrates are joined by direct joining. Thereafter, the
図4は、実施例1の光導波路型スイッチ素子における電極間の電圧印加により発生する光導波路素子内の電界分布を示す説明図である。図4の(a)は光導波路素子の電界分布を計算した場所を示す断面図であり、対称性を考慮して素子の右半分の領域のみを示している。図4の(b)は、(a)の破線で囲まれた矩形領域に概ね対応した領域について電極間に単位電圧(1V)を印加した場合の電界分布を示している。図4の(b)における横軸の0および60の位置は、図4の(a)の矩形領域の両端に対応する。図4の(b)における縦軸の20の位置は(a)の矩形領域の上端に対応し、縦軸の0の位置は(a)のコアリッジ3とクラッド4との境界に対応する。図4の(b)における各軸の単位は、μmである。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an electric field distribution in the optical waveguide device generated by applying a voltage between the electrodes in the optical waveguide switch device of the first embodiment. FIG. 4A is a cross-sectional view showing a location where the electric field distribution of the optical waveguide device is calculated, and shows only the right half region of the device in consideration of symmetry. FIG. 4B shows an electric field distribution when a unit voltage (1 V) is applied between the electrodes in a region substantially corresponding to the rectangular region surrounded by the broken line in FIG. The positions of 0 and 60 on the horizontal axis in FIG. 4B correspond to both ends of the rectangular area in FIG. The
図4の(b)の各三角形の小領域は、有限要素法における解析単位である。本実施例の光導波路型Qスイッチ素子のコアリッジ厚、コア幅(図2におけるコア3の上辺)、および電極間隔(電極1と電極2aまたは2bとの間の、x軸方向のギャップ)は、それぞれ7μm、9μm、5μmである。図4の(b)の電界分布から分かるように、コア3の中心では主に縦方向のy方向の電界が支配的となり横方向のx方向の電界はほぼ無視できる。
The small area of each triangle in FIG. 4B is an analysis unit in the finite element method. The core ridge thickness, core width (upper side of the
したがって、電極間に電圧Vを加えたとき、1次の電気光学効果によりコアの屈折率は、x方向およびy方向について、以下のように変化する。
Δnx=−0.5×nx3×r13×a×V 式(1)
Δny=−0.5×ny3×r33×a×V 式(2)
式(1)、式(2)で、aは印加した電圧のうちどの程度コア中心のy方向電界に寄与するかを表す係数であり、本実施例の光導波路型スイッチ素子の使用材料、導波路サイズおよび電極配置においては、およそa=0.055×106である。nx、nyは、それぞれコア材料の基板に対して平行な方向、垂直な方向の屈折率を示し、r13、r33は、それぞれコア材料の基板に対して平行な方向、垂直な方向の屈折率電気光学定数を示す。また、複屈折変化量Δnは次式によって表される。
Δn=0.5 (ny3r33 − nx3r13)
ここで電極長をLとすると、導波光は電極を通過した後、次式で表される固有偏光間の位相差φ、すなわちリタデーションを生じる。
φ =2πλ−1ΔnL
Therefore, when the voltage V is applied between the electrodes, the refractive index of the core changes in the x direction and the y direction as follows due to the primary electro-optic effect.
Δnx = −0.5 × nx 3 × r 13 × a × V Formula (1)
Δny = −0.5 × ny 3 × r 33 × a × V Formula (2)
In Expressions (1) and (2), a is a coefficient representing how much of the applied voltage contributes to the y-direction electric field at the core center. In the waveguide size and electrode arrangement, a is approximately 0.055 × 10 6 . nx and ny indicate refractive indexes in a direction parallel to and perpendicular to the substrate of the core material, respectively. r 13 and r 33 indicate refraction in a direction parallel to and perpendicular to the substrate of the core material, respectively. The rate electro-optic constant is shown. Further, the birefringence change Δn is expressed by the following equation.
Δn = 0.5 (ny 3 r 33 −nx 3 r 13 )
Here, when the electrode length is L, the guided light passes through the electrode, and then a phase difference φ between intrinsic polarizations expressed by the following equation, that is, retardation is generated.
φ = 2πλ −1 ΔnL
レーザ共振器内では、偏光子8によりx軸に対して45度の直線偏光の光6のみが光導波路型スイッチ素子のコア3に入射し、図1示されていない共振器のミラーで反射される。反射光は、再び光導波路素子のコア3を通過することで、リタデーション量は2倍となり、全体として次式の位相差が生じる。
φtotal = 2×φ
Φtotalがπとなれば、発振器の反射鏡で反射してスイッチ素子1を透過し、45度の偏光子8を透過後は、再び偏光子8の透過軸に対して直交した直線偏光となる。このため、光を遮断することが可能となって、レーザ共振器のQ値を制御可能となる。
In the laser resonator, only the linearly
φ total = 2 × φ
If Φ total is π, the light is reflected by the reflector of the oscillator and transmitted through the
したがって、本発明はQスイッチレーザ発振装置に適用が可能であって、上述の導波路型スイッチ素子と、前記第1の電極および前記第2の電極に駆動電圧を供給する駆動装置と、該導波路型スイッチ素子への光の偏光を選択する偏光子と、該導波路型スイッチ素子の前記コアリッジを通過する光が入射するレーザ媒質と、前記レーザ媒質および前記導波路型スイッチ素子を透過する光路の両端に配置された2つの反射装置と、前記レーザ媒質および前記偏光子との間に置かれたコリメート装置とを備えたことを特徴とするQスイッチレーザ発振装置を実現できる。 Therefore, the present invention can be applied to a Q-switch laser oscillation device, and includes the above-described waveguide switch element, a drive device that supplies a drive voltage to the first electrode and the second electrode, and the waveguide A polarizer that selects the polarization of light to the waveguide switch element, a laser medium on which light passing through the core ridge of the waveguide switch element is incident, and an optical path that passes through the laser medium and the waveguide switch element It is possible to realize a Q-switched laser oscillation device comprising two reflecting devices arranged at both ends of the laser beam and a collimating device placed between the laser medium and the polarizer.
Qスイッチレーザ発振装置では、よく知られているように、光を遮断することでQ値を低くでき、発振しないように大きな反転分布が得られるようにする。そして、反転分布が最大となる時間に合わせて光を透過させ急激に高いQ値にすることで、急激に発振がおこり短い光パルスが得られる。本実施例のスイッチ素子では、電極長を40mmとし、スイッチ電圧は約2.4Vであった。 As is well known, the Q-switched laser oscillation device can reduce the Q value by blocking light and obtain a large inversion distribution so as not to oscillate. Then, the light is transmitted in accordance with the time when the inversion distribution is maximized, and the Q value is rapidly increased, so that the oscillation rapidly occurs and a short optical pulse is obtained. In the switch element of this example, the electrode length was 40 mm, and the switch voltage was about 2.4V.
図5は、本実施例の光導波路型スイッチ素子の透過率の応答特性を示した図である。光導波路スイッチ素子1の電極間に、評価用の正弦波発振器を接続して、駆動電圧を印加した。左の縦軸には電極1および電極2a、2bの間に印加した駆動電圧の正弦波を、右の縦軸にはそのときの光透過率を示している。駆動電圧(p−p)が約2.4Vで、高い消光比の変調特性が得られている。消光比を、透過率最小値/透過率最大値のデシベル表記とすれば、13dBの消光比が得られている。また周波数1GHzの入力信号に対する応答を示しており、本発明の導波路型スイッチ素子レーザは、Qスイッチとして使用するのに十分な帯域を持っていることを確認できた。
FIG. 5 is a diagram showing the response characteristics of the transmittance of the optical waveguide switch element of the present embodiment. A sine wave oscillator for evaluation was connected between the electrodes of the optical
図1に示した本発明のスイッチ素子1において、z方向の縮尺と、x軸およびy軸方向の縮尺とは、正確に比例して描かれてはいない点に留意されたい。すなわち、z軸方向の電極長さは、必要な他の条件にしたがって適宜調整されるものであって、図1に描かれたスイッチ素子の各方向の寸法の関係に限定されない。
It should be noted that in the
本実施例の光導波路型スイッチ素子では、導波路化した構成とすることによって電極間隔を極めて狭くすることが可能となった。このため、従来技術のQスイッチ素子(数100V以上)と比べて大幅に駆動電圧を低電圧化して、約2.4Vの駆動電圧で十分となる。追加の周辺回路が不要な、一般的に容易に入手可能な信号発生装置を用いて電圧をオンオフすることによりQスイッチ動作させ、パルス幅が5nsで、光強度が2Wの光パルスを、光損傷を抑制しながら安定して発生することができた。 In the optical waveguide type switch element of this example, the electrode spacing can be made extremely narrow by adopting a waveguide configuration. For this reason, the driving voltage is significantly reduced as compared with the conventional Q switch element (several hundreds V or more), and a driving voltage of about 2.4 V is sufficient. A Q-switch operation is performed by turning on and off the voltage using a generally easily available signal generator that does not require an additional peripheral circuit, and an optical pulse having a pulse width of 5 ns and a light intensity of 2 W is optically damaged. It was possible to generate stably while suppressing.
実施例2の光導波路型スイッチ素子の構成は、実施例1の図1、図2に示した構成と同様である。本実施例では、実施例1とは異なる基板材料を使用しており、コア材料としてZカットZnLN結晶基板を、クラッド材料としてZカットLT結晶基板を用いた。これらの2つの基板を直接接合により接合する。その後、ドライエッティングによりコアリッジを形成した後、光学バッファー層としてのSiO2膜を、実施例1のスパッタとは異なりCVD法によって形成した。光導波路を作製した後で、蒸着によって金電極を成膜し、ウェットエッチプロセスによりコアリッジの上面およびクラッドの上面に電極を作製した。 The configuration of the optical waveguide switch element of the second embodiment is the same as the configuration shown in FIGS. 1 and 2 of the first embodiment. In this example, a substrate material different from that of Example 1 was used, and a Z-cut ZnLN crystal substrate was used as the core material, and a Z-cut LT crystal substrate was used as the cladding material. These two substrates are joined by direct joining. Then, after forming a core ridge by dry etching, an SiO 2 film as an optical buffer layer was formed by a CVD method unlike the sputtering in Example 1. After producing the optical waveguide, a gold electrode was formed by vapor deposition, and electrodes were produced on the upper surface of the core ridge and the upper surface of the clad by a wet etch process.
図6は、実施例2の光導波路型スイッチ素子における電極間の電圧印加により発生する光導波路素子内の電界分布を示す説明図である。図6の(a)は光導波路素子の電界分布を計算した場所を示す断面図であり、対称性を考慮して素子の右半分の領域のみを示している。図4の(b)は、(a)に示した破線で囲まれた矩形領域に概ね対応した領域について電極間に単位電圧(1V)を印加した場合の電界分布を示している。図6の(a)と(b)との関係は、図4と同様である。本実施例の光導波路型スイッチ素子のコアリッジ厚、コア幅、および電極間隔は、それぞれ5.2μm、6μm、5μmである。実施例1の場合と同様、コア中心では主に縦方向のy方向の電界が支配的となり、横方向のx方向の電界はほぼ無視することができる。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing an electric field distribution in the optical waveguide device generated by applying a voltage between the electrodes in the optical waveguide switch device of the second embodiment. FIG. 6A is a cross-sectional view showing the location where the electric field distribution of the optical waveguide device is calculated, and shows only the right half region of the device in consideration of symmetry. FIG. 4B shows an electric field distribution when a unit voltage (1 V) is applied between the electrodes in a region substantially corresponding to the rectangular region surrounded by the broken line shown in FIG. The relationship between (a) and (b) in FIG. 6 is the same as in FIG. The core ridge thickness, the core width, and the electrode interval of the optical waveguide switch element of this example are 5.2 μm, 6 μm, and 5 μm, respectively. As in the case of the first embodiment, the vertical y-direction electric field is mainly dominant at the core center, and the horizontal x-direction electric field can be almost ignored.
係数aは、本実施例の光導波路型スイッチ素子の使用材料、導波路サイズおよび電極配置においては、およそ0.058×106である。本実施例では電極長を35mmとしたため、スイッチ電圧は約2.6Vであった。 The coefficient a is approximately 0.058 × 10 6 in the material used for the optical waveguide switch element of this embodiment, the waveguide size, and the electrode arrangement. In this example, since the electrode length was 35 mm, the switch voltage was about 2.6V.
図7は、実施例2の光導波路型スイッチ素子の透過率の応答特性を示した図である。右側縦軸には電極21および電極22a、22bの間に印加した正弦波の駆動電圧を、左側縦軸にはそのときの透過率を示している。駆動電圧(p−p)が約2.6Vで高い消光比の変調特性が得られている。また本実施例では、周波数2GHzの入力信号に対する応答を示しており、本実施例の光導波路型スイッチ素子を、レーザQスイッチとして使用するのに十分な帯域を持っていることを確認した。
FIG. 7 is a graph showing the response characteristics of the transmittance of the optical waveguide switch element of Example 2. In FIG. The vertical axis on the right shows the sinusoidal drive voltage applied between the
本実施例の光導波路型スイッチ素子においても、導波路化することにより電極間隔を非常に狭くすることが可能となったため、駆動電圧は約2.6Vで済む。追加の周辺回路が不要な、一般的に入手可能な簡便な信号発生装置を用いて電圧をオンオフすることによりQスイッチ動作させて、パルス幅が約3nsで、光強度が3Wの光パルスを、光損傷を抑制しながら安定して発生することができた。 Also in the optical waveguide type switch element of this embodiment, since the distance between the electrodes can be made very narrow by forming the waveguide, the driving voltage is only about 2.6V. A Q signal is operated by turning on and off the voltage using a generally available simple signal generator that does not require an additional peripheral circuit, and an optical pulse with a pulse width of about 3 ns and a light intensity of 3 W is obtained. It was possible to generate stably while suppressing optical damage.
実施例3の光導波路型スイッチ素子の構成も、実施例1で示した図1および図2に示した構成と同様である。本実施例では、実施例1および実施例2とは異なる基板材料を使用しており、コア材料としてZカットZnLN結晶基板を、クラッド材料としてSiO2基板を用いた。これらの2つの基板を、直接接合によって接合する。その後、ドライエッティングによりコアリッジを形成した後、光学バッファー層として、SiO2膜を、実施例2同様にCVD法によって形成した。光導波路を作製した後で、蒸着によって金電極を成膜し、ウェットエッチプロセスによりコアリッジの上面およびクラッドの上面にそれぞれ電極を作製した。 The configuration of the optical waveguide switch element according to the third embodiment is the same as that shown in FIGS. 1 and 2 shown in the first embodiment. In this example, a substrate material different from those in Example 1 and Example 2 was used, and a Z-cut ZnLN crystal substrate was used as the core material, and an SiO 2 substrate was used as the cladding material. These two substrates are joined by direct joining. Thereafter, a core ridge was formed by dry etching, and then an SiO 2 film was formed as an optical buffer layer by the CVD method as in Example 2. After producing the optical waveguide, a gold electrode was formed by vapor deposition, and electrodes were produced on the upper surface of the core ridge and the upper surface of the cladding by a wet etch process.
図8は、実施例3の光導波路型スイッチ素子における電極間の電圧印加により発生する光導波路素子内の電界分布を示す図である。図8の(a)は光導波路素子の電界分布を計算した場所を示す断面図であり、対称性を考慮して素子の右半分の領域を示している。図8の(b)は、(a)に示した破線で囲まれた矩形領域に概ね対応した領域について電極間に単位電圧(1V)を印加した場合の電界分布を示している。図8の(a)と(b)との関係は、図4と同様である。本実施例の光導波路型スイッチ素子のコアリッジ厚、コア幅、および電極間隔は、それぞれ5μm、5μm、5μmである。本実施例でも実施例1の場合と同様、コア中心では主に縦方向のy方向の電界が支配的となり、横方向のx方向の電界をほぼ無視することができる。 FIG. 8 is a diagram illustrating an electric field distribution in the optical waveguide device generated by applying a voltage between the electrodes in the optical waveguide switch device of the third embodiment. FIG. 8A is a cross-sectional view showing a location where the electric field distribution of the optical waveguide element is calculated, and shows the right half region of the element in consideration of symmetry. FIG. 8B shows an electric field distribution when a unit voltage (1 V) is applied between the electrodes in a region substantially corresponding to the rectangular region surrounded by the broken line shown in FIG. The relationship between (a) and (b) in FIG. 8 is the same as in FIG. The core ridge thickness, the core width, and the electrode interval of the optical waveguide switch element of this example are 5 μm, 5 μm, and 5 μm, respectively. In the present embodiment as well, as in the case of the first embodiment, the electric field in the y direction in the vertical direction mainly dominates at the center of the core, and the electric field in the x direction in the horizontal direction can be almost ignored.
係数aは、本実施例の光導波路型スイッチ素子の使用材料、導波路サイズおよび電極配置においては、およそ0.026×106である。本実施例では、電極長を50mmとし、このときのスイッチ電圧は約4.0Vであった。 The coefficient a is approximately 0.026 × 10 6 in the material used for the optical waveguide switch element of the present embodiment, the waveguide size, and the electrode arrangement. In this example, the electrode length was 50 mm, and the switch voltage at this time was about 4.0V.
図9は、本実施例の光導波路型スイッチ素子の透過率の応答特性を示した図である。右側縦軸には電極31および電極32a、32bの間に印加した駆動電圧の正弦波を、左側縦軸にはそのときの透過率を示している。駆動電圧(p−p)が約4.0Vで高い消光比の変調特性が得られている。また周波数1GHzの入力信号に対する応答を示しており、本実施例の光導波路型スイッチ素子を、レーザQスイッチとして使用するのに十分な帯域を持っていることを確認できた。
FIG. 9 is a diagram showing the response characteristics of the transmittance of the optical waveguide switch element of this example. The right vertical axis represents the sine wave of the drive voltage applied between the
本実施例の光導波路型スイッチ素子においても、導波路化することによって電極間隔を非常に狭くすることが可能となったため、駆動電圧は約4.0Vで済む。一般的に入手可能な簡便な信号発生装置を用いて電圧をオンオフすることによりQスイッチ動作させ、パルス幅が約0.02μsで、光強度が3.5Wの光パルスを、光損傷を抑制しながら安定して発生することができた。 Also in the optical waveguide type switch element of this embodiment, since the distance between the electrodes can be made very narrow by forming the waveguide, the drive voltage is only about 4.0V. Q switch operation is performed by turning on and off the voltage using a generally available simple signal generator, and an optical pulse with a pulse width of about 0.02 μs and an optical intensity of 3.5 W is suppressed from optical damage. However, it was able to occur stably.
以上詳細に説明してきたように、本発明によれば、直接接合法により作製された光導波路における電気光学効果による光偏光、または光導波路内の屈折率変化によって、低電圧の駆動が可能で、高い消光比で光を制御し、高光パワー耐性を持つ小型化された光導波路型スイッチ素子を実現することができる。 As described above in detail, according to the present invention, it is possible to drive at a low voltage by light polarization due to an electro-optic effect in an optical waveguide manufactured by a direct bonding method, or a refractive index change in the optical waveguide, It is possible to realize a miniaturized optical waveguide switch element that controls light with a high extinction ratio and has high optical power resistance.
本発明は、一般的にレーザ発振装置に利用することができる。 The present invention is generally applicable to a laser oscillation device.
1、2a、2b、21、22a、22b、31、32a、32b 電極
3 コアリッジ
4 クラッド
5 光バッファー層
6 入射光
7 Qスイッチ駆動装置
8 偏光子
9 出射光
10 チャネル型光導波路
11、13、15 コリメート装置
12 レーザ媒質
14、16 反射装置
100 Qスイッチレーザ発振装置
1, 2 a, 2 b, 21, 22 a, 22 b, 31, 32 a, 32
Claims (6)
光を伝搬させる高屈折率の電気光学材料と、
前記電気光学材料と接合され、前記電気光学材料に比べて低屈折率の誘電体材料と
を有し、前記電気光学材料がコアリッジを構成するチャネル型構造を有した光導波路と、
前記光導波路の前記コアリッジの最上面に形成され、前記電気光学材料の誘電率を変化させるための駆動電圧が印加される第1の電極と、
前記誘電体材料の上に形成され、前記駆動電圧が印加される第2の電極と
を備えたことを特徴とする導波路型スイッチ素子。 In a switch element that changes the light intensity using the electro-optic effect,
A high refractive index electro-optic material that propagates light;
An optical waveguide bonded to the electro-optic material, having a dielectric material having a lower refractive index than the electro-optic material, and having a channel-type structure in which the electro-optic material forms a core ridge;
A first electrode formed on an uppermost surface of the core ridge of the optical waveguide and applied with a driving voltage for changing a dielectric constant of the electro-optic material;
A waveguide type switch element, comprising: a second electrode formed on the dielectric material, to which the driving voltage is applied.
前記第1の電極および前記第2の電極に駆動電圧を供給する駆動装置と、
該導波路型スイッチ素子への光の偏光を選択する偏光子と、
該導波路型スイッチ素子の前記コアリッジを通過する光が入射するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質および前記導波路型スイッチ素子を透過する光路の両端に配置された2つの反射装置と、
前記レーザ媒質および前記偏光子との間に置かれたコリメート装置と
を備えたことを特徴とするQスイッチレーザ発振装置。 A waveguide switch element according to any one of claims 1 to 5,
A driving device for supplying a driving voltage to the first electrode and the second electrode;
A polarizer that selects the polarization of light to the waveguide switch element;
A laser medium on which light passing through the core ridge of the waveguide switch element is incident;
Two reflecting devices disposed at both ends of an optical path that passes through the laser medium and the waveguide switch element;
A Q-switched laser oscillation device comprising: a collimating device placed between the laser medium and the polarizer.
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