JPH01185528A - 光波長変換モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体レーザから発せられたレーザ光をファ
イバー型の光波長変換素子に通して、このレーザ光の波
長の１／２の波長の第２高調波に変換する光波長変換モ
ジュールに関するものである。

（従来の技術） 従来より、非線形光学材料による第２高調波発生を利用
して、レーザー光を波長変換（短波長化）する試みが種
々なされている。このようにして波長変換を行なう光波
長変換素子として具体的には、例えば「光エレクトロニ
クスの基礎Ｊ　Ａ、ＹＡＲＩＶ著、多田邦雄、神谷武志
訳（丸善株式会社）のｐ２００〜２０４に示されるよう
なバルク結晶型のものがよく知られている。ところがこ
の光波長変換素子は、位相整合条件を満たすために結晶
の複屈折を利用するので、非線形性が大きくても複屈折
性が無い材料あるいは小さい材料は利用できない、とい
う問題があった。

上記のような問題を解決できる光波長変換素子として、
いわゆるファイバー型のものが機業されている。この光
波長変換素子は、クラッド内に非線形光学材料からなる
コアが充てんされた光ファイバーであり、応用物理学会
懇話会微小光学研究グループ機関誌ＶＯＬ、３．に２．
ｐ２８〜３２にはその一例が示されている。このファイ
バー型の光波長変換素子においては、コア部における基
本波の導波モードと、第２高調波のクラッドへの放射モ
ードとの間で容易に位相整合をとることができる（いわ
ゆるチェレンコフ放射の場合）ので、最近ではこのファ
イバー型光波長変換素子についての研究が盛んになされ
ている。

上記ファイバー型の光波長変換素子は、小型軽量である
という特長を活かすべく、これも小型軽量の基本波発生
用半導体レーザと組み合わせて用いることが多い。この
半導体レーザから発せられた基本波としてのレーザ光を
実際にファイバー型光波長変換素子のコア内に入射させ
るには、このレーザ光をコリメーターレンズと集光レン
ズ等からなる集光光学系に通して小さなビーム径に集束
させ、この集束したレーザ光を素子のコア端面に照射さ
せればよい。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上述のようなファイバー型の光波長変換素子
と半導体レーザと集光光学系とから構成された光波長変
換モジュールにあっては、レーザ光の光波長変換素子へ
の入射結合効率が低いという問題が認められている。こ
れは、半導体レーザから発せられたレーザ光の遠視野像
は周知のように楕円形であるのに対し、光波長変換素子
を構成するファイバーのコアの断面形状は正円形である
ので、コア端面全面にレーザ光を照射させると、楕円形
のビームスポットの長袖方向の端部がコア端面からはみ
出すようになるからである。光波長変換素子の波長変換
効率は入力される基本波の強度の２乗に比例するので、
このようにレーザ光の入射結合効率が低いということは
、高強度の第２高調波を得る上で甚だ不利である。

このような不具合を解消するため、半導体レーザから発
せられたレーザ光をアナモリフイックプリズムやシリン
ドリカルレンズ等に通して、ビーム断面形状が正円形と
なるように整形することが従来から行なわれている。し
かしこのようなビーム成形系を設けると、当然ながら光
波長変換モジュールが大型化してしまうし、またそのコ
ストも高くなってしまう。

一方、ファイバー型の光波長変換素子のコアは複屈折媒
質からなるので、そこにレーザ光を入射させるに際して
は、コアの所定の結晶軸に対してレーザ光の偏光方向を
所定方向に設定する必要があるが、従来のファイバー型
光波長変換素子にあってはコアが正円形であるため上記
結晶軸がどの方向を向いているかが分からないので、半
導体レーザと光波長変換素子との間に偏光板を入れて上
記の要求を満たすようにしていた。しかし二のような偏
光板も、光波長変換モジュールのコストアップを招くも
のとなる。

そこで本発明は、半導体レーザから発せられたレーザ光
のファイバー型光波長変換素子への入射結合効率を高め
ることができ、そして前述したアナモリフイックプリズ
ム等のビーム整形手段が不要で、さらに偏光板を用いな
くてもレーザ光の偏光方向をコアの所定の結晶軸に対し
て所定の向きに設定することができる光波長変換モジュ
ールを提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明の光波長変換モジュールは、先に述べたようなフ
ァイバー型の光波長変換素子と半導体レーザと集光光学
系とからなる光波長変換モジュールにおいて、光波長変
換素子のコアを、レーザ光の遠視野像とほぼ相似の楕円
形の断面形状を有するものに形成した上で、半導体レー
ザと集光光学系を、上記レーザ光のコア端面上における
ビームスポットが該コア端面の輪郭とほぼ合致するよう
に（つまり双方の長袖の向きが一致し、また大きさも互
いに等しくなるように）配置したことを特徴とするもの
である。

（作　　用） コア端面上におけるレーザ光の楕円形のスポットが、こ
の端面の楕円形の輪郭と合致していれば、レーザ光がコ
ア端面からはみ出してクラッド部分を無駄に照射するこ
とが無くなるので、レーザ光のコアへの入射結合効率が
高められる。

また上記のように楕円形のビームスポットとコア端面輪
郭とが合致している場合、レーザ光の直線偏光方向（活
性層と平行方向）は必ずコア端面の短径方向を向くよう
になる。したがって光波長変換素子を作成するに際して
、そのコア短径方向に対して所定の結晶軸が所定方向を
向くようにコア分子を配向させておけば、光波長変換モ
ジュール組立てに際して上記のようにビームスポットと
コア端面輪郭とを合致させれば、レーザ光偏光方向に対
して所定の結晶軸が自動的に所定方向を向くようになる
。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図および第２図は本発明の一実施例による光波長変
換モジュール５を示すものである。この光波長変換モジ
ュール５は、光波長変換素子ｌＯと、コリメーターレン
ズ２１および集光レンズ２２からなる集光光学系２０と
、基本波発生手段としての半導体レーザ３０とから構成
されている。光波長変換素子ｌＯは、クラッド１２の中
心の中空部分内に、非線形光学材料からなるコア１１が
充てんされた光ファイバーである。上記非線形光学材料
としては、波長変換効率が高い有機非線形光学材料を用
いるのが好ましい。本例では特に本願出願人による特願
昭６１−５３８８４号明細書に示される３、５−ジメチ
ル−１−（４−ニトロフェニル）ピラゾール（以下、Ｐ
ＲＡと称する）によってコア１１を形成している。

ここで、−例としてコア１１を上述のＰＲＡ、クラッド
１２を５ＦＳ３ガラスから形成する場合について、この
光波長変換素子ｌＯの製造方法を説明する。まずクラッ
ド１２となる中空のガラスファイバー１２°が用意され
る。このガラスファイバー１２゜は−例として外径が３
ｍｍで、中空部は断面形状が楕円形とされ、その長径、
短径は一例としてそれぞれ３μｍｓ　１μｍのものであ
る。この中空部の断面形状は、半導体レーザ３０から水
平方向に半値幅１０″、垂直方向に半値幅３０°で出射
するレーザ光１５の楕円状の遠視野像と相似の形状とさ
れている。このようなガラスファイバー１２°は、中心
部に断面楕円状の中空部を形成した比較的太い円柱状の
ガラスを、加熱しながらその長手方向に引張ることによ
って作成することができる。そして第３図に示すように
、炉内等においてＰＲＡ１１’　を融液状態に保ち、こ
の融液内にガラスファイバー１２°の一端部を浸入させ
る。すると毛細管現象により、融液状態のＰ　ＲＡ　１
１’がガラスファイバー１２’　の中空部内に進入する
。なお該融液の温度は、ＰＲＡＩＩ’　の分解を防止す
るため、その励点（１０２℃）よりも僅かに高い温度と
する。

その後ガラスファイバー１２′　を急冷させると、中空
部に進入していたＰ　ＲＡ　１１’が多結晶化する。

次いでこのガラスファイバー１２°を、ＰＲＡＩＩ’の
融点より高い温度（例えば１０２．５℃）に保たれた炉
内から、該融点より低い温度に保たれた炉外に徐々に引
き出すことにより、溶融状態のＰＲＡ　１１’　を炉外
への引出し部分から単結晶化させる。それにより、極め
て長い単結晶状態で結晶方位も一定に揃ったコア１１が
形成され、光波長変換素子１０を十分に長くすることが
できる。周知のようにこの種の光波長変換素子の波長変
換効率は素子の長さに比例するので、光波長変換素子は
長いほど実用的価値が高くなる。

以上述べたようにしてコア１１が充てんされた後、ガラ
スファイバー１２°の両端が適宜切断され、それにより
第１図および第２図に示すような光波長変換素子１０が
得られる。なおガラスファイバー１２゜が前述のような
断面形状を有するものであるから、得られたこの光波長
変換素子１０においては、コア１１の断面形状が楕円形
となる（第２図参照）。

上記光波長変換素子ｌＯは第１図図示のようにして使用
される。すなわち、基本波発生手段としての半導体レー
ザ（波長：８３０ｎｍ）３０から射出された発散ビーム
であるレーザ光（基本波）１５はコリメーターレンズ２
１によって平行ビームとされ、さらに集光レンズ２２で
集光した上で光波長変換素子１０のコア端面１１ａに照
射される。それにより、該レーザ光１５がコアｌｌ内に
入射する。この基本波１５は、コア１１を構成するＰＲ
Ａにより、波長が１／２の第２高調波１５°に変換され
る。この第２高調波１５°はクラッド１２中に放射し、
その外表面の間で全反射を繰り返して素子１０内を端面
側に進行する。位相整合は、基本波１５のコア部での導
波モードと、第２高調波１５°のクラッド部への放射モ
ードとの間で行なわれる（いわゆるチェレンコフ放射）
。

光波長変換素子ｌＯの出射端面１０ｂからは、上記第２
高調波１５°を含むビーム１５°が出射する。この出射
ビーム１５°は図示しないフィルターに通され、第２高
調波１５°のみが取り出されて利用される。

前述したように、半導体レーザ３０から発せられるレー
ザ光１５の遠視野像は楕円形となっており、半導体レー
ザ３０と集光光学系２０は、第２図図示のようにこのレ
ーザ光１５のコア端面１１ａ上のスポットが、該端面１
１ａの輪郭とほぼ合致するように配置されている。すな
わち半導体レーザ３０は、その活性層３１がコア１１の
長軸（第２図の上下方向軸）に対して直角となるように
配置され、また両レンズ２１．２２は、上記スポットの
大きさがコア端面１１ａと同じ大きさとなる位置に配さ
れている。したがってレーザ光１５は、コア端面１１ａ
を全面的に照射するので該コア１１内に入射可能となり
、その−方該コア端面ｉｔａから外方にはみ出すことも
ないので、高い入射結合効率でコアｌｌ内に入射するよ
うになる。この入射結合効率は、−例として２０％を実
現できる。ちなみに前述したアナモリフイックプリズム
等のビーム整形手段を用いてビーム断面形状を正円形に
して、断面正円形のコアを有する光波長変換素子にレー
ザ光を入射させる場合の入射結合効率は、コア径が２〜
３μｍの場合で５％以下である。

また本例の光波長変換素子ｌＯのコア１１は、結晶化の
条件を適当に設定することにより、光学軸が第１図の左
右方向方向を向くものとなっている。

高い波長変換効率を得るためには、この光学軸と直角な
方向（第１図の紙面に垂直な方向）とレーザ光１５の偏
光方向とを一致させることが望まれるが、前述したよう
にコア１１の長軸と活性層３１とが直角になるように半
導体レーザ３０を配置すれば、自動的に偏光方向（活性
層３１と平行）が光学軸に対して所望の向きになり、先
に述べたような偏光板が不要となる。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の光波長変換モジュール
においては、光波長変換素子のコアの断面形状を、半導
体レーザから発せられるレーザ光の遠視野像とほぼ相似
の楕円形とし、また半導体レーザと集光光学系を、コア
断面上におけるビームスポットがコア断面の輪郭とほぼ
合致するように配置したことにより、該レーザ光がコア
端面に対して過不足無く照射されるようになり、したが
ってレーザ光の光波長変換素子への入射結合効率が高め
られる。そして本発明の光波長変換モジュールは、゛７
ナモリフイツクプリズムやシリンドリカルレンズ等のビ
ーム整形手段が不要であるから、小型軽量でかつ安価に
形成されうる。

また本発明の光波長変換モジュールにおいては、光波長
変換素子のコアの断面形状を上述のように楕円形とした
上でレーザ光の遠視野像と合致させたことにより、レー
ザ光の偏光方向は常にコアの短径方向を向くようになる
。したがって、コアの結晶配向を予め所定方向に設定し
ておけば、レーザ光の偏光方向は所定の結晶軸に対して
必ず所定方向を向くようになるので、従来そのために用
いられていた偏光板も不要となり、本発明の光波長変換
モジュールは、この点からも従来のものに比べてコスト
ダウンを達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による光波長変換モジュール
を示す断面図、 第２図は上記光波長変換モジュールの光波長変換素子の
端面部分を示す斜視図、 第３図は上記光波長変換素子の作成方法を説明する説明
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 非線形光学材料からなるコアがクラッド中に充てんされ
   てなり、コア端面に入射された基本波を第２高調波に変
   換して出射させる光波長変換素子と、 前記基本波としてのレーザ光を発する半導体レーザと、 このレーザ光を集光して前記光波長変換素子のコア端面
   に照射させる集光光学系とからなる光波長変換モジュー
   ルにおいて、 前記光波長変換素子のコアが、前記レーザ光の遠視野像
   とほぼ相似の楕円形の断面形状を有するものに形成され
   、 前記半導体レーザと集光光学系が、前記レーザ光のコア
   端面上におけるビームスポットが該コア端面の輪郭とほ
   ぼ合致するように配置されていることを特徴とする光波
   長変換モジュール。