JPH02203324A - 光波長変換モジュールの駆動方法 - 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、基本波としてのレーザ光を発する半導体レー
ザと、このレーザ光を波長変換する光導波路型の光波長
変換素子とからなる光波長変換モジュールの駆動方法に
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ＪＡ、ＹＡＲＩＶ著、多田邦雄、神谷武志訳（
丸唇株式会社）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提案されている。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．Ｎａ２
．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は、基本波と第２高調波との
間の位相整合をとることも容易であるので、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。また、例えば本出願人による特開昭６３
−１５２３３号、同６３−１５２３４号公報に示される
ように、クラッド部となる２枚の基板の間に非線形光学
材料からなる２次元光導波路を形成した２次元光導波路
型の光波長変換素子も知られている。さらには、ガラス
基板内に非線形光学材料からなる３次元光導波路が埋め
込まれてなり、ガラス基板中に第２高調波を出射する３
次元光導波路型の光波長変換素子も知られている。これ
らの先導波路型光波長変換素子も、上述のような特長を
有している。

また、特願昭６３−７２７５２号明細書において、和周
波および差周波も同様に、ファイバー型波長変換素子に
よって発生することが詳細に記されている。導波路型光
波長変換素子における和差周波発生についても特願昭６
３−７２７５３号明細書において詳細に記されている。

さらに３次の非線形性を利用した第３高調波発生も十分
に可能である。

なお以上列挙した先導波路型（ファイバー型のものも含
むものとする）の光波長変換素子は、主に導波部が非線
形光学材料から形成されたものであるが、クラッド部の
みを、あるいは導波部とクラッド部の双方を非線形光学
材料から形成してもよい。すなわち導波部を進行する導
波光の一部はエバネッセント波としてクラッド部に浸み
出すので、クラッド部が非線形光学材料から形成されて
いれば、このエバネッセント波が波長変換されうる。

ところで以上述べた先導波路型の光波長変換素子は、基
本波としてのレーザ光を発する半導体し一部と組み合わ
せて、光波長変換モジュールとして用いられることが多
い。光波長変換素子における波長変換効率は、例えば第
２高調波の発生においては、入力された基本波の強度（
より詳しくは非線形光学材料中を進行する基本波の強度
）の２乗に比例し、第３高調波の発生においては基本波
強度の３乗に比例し、また和、差周波発生の場合は両基
本波の強度の積に比例するので、上記の光波長変換モジ
ュールにより高強度の波長変換波を得るためには、半導
体レーザの出力を高めるのが大いに効果的であると言え
る。

（発明が解決しようとする課題） 半導体レーザの光出力を上げる方法として従来より、半
導体レーザをパルス駆動する方法が知られている。すな
わち、半導体レーザをあるパルス幅以下でパルス駆動す
ると、熱飽和が生じ難くなり、連続動作時よりも高いピ
ーク出力が得られるようになる。

したがって、上述の光波長変換モジュールにおいても、
半導体レーザをパルス駆動すれば、連続駆動する場合と
比べて高強度の波長変換波が得られると期待できる。と
ころが実際にそのようにすると、確かに波長変換効率が
向上することもあるが、波長変換効率が半導体レーザ連
続動作時より低くなってしまうこともある。

そこで本発明は、このような不具合を招くことのない、
光波長変換モジュールの駆動方法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） 本発明による光波長変換モジュールの駆動方法は、先に
述べたような先導波型の光波長変換素子、すなわち、ク
ラッド部と、それよりも高屈折率で該クラッド部内に配
された導波部とを有し、これらクラッド部と導波部の少
なくとも一方が非線形光学材料から形成されてなり、上
記導波部を導波した基本波を波長変換する光波長変換素
子と、上記導波部に入力される基本波としてのレーザ光
を発生させる半導体レーザとから構成された光波長変換
モジュールにおいて、 半導体レーザをパルス動作させ、そのパルス幅を、半導
体レーザの連続動作時の出力よりも大きなピーク出力が
得られる値で、かつ、パルス幅減少につれてレーザ光の
導波部への入力結合効率が低下する範囲にあって波長変
換効率が半導体レーザの連続動作時と等しくなる値より
大きい値に設定することを特徴とするものである。

（作　　用） 本発明者等は、半導体レーザをパルス駆動する際、その
パルス幅を小さくするほど高いピーク出力が得られる半
面、半導体レーザから発せられたレーザ光の導波部への
入力結合効率が、あるパルス幅よりも小さくなるにつれ
て次第に低下することを見出した。これは、パルス幅を
余りに小さくすると発振モードが基本モードから高次の
不安定なモードに変わってしまい、そのためにレーザ光
の強度分布がガウス分布とは大きくかけ離れて、入力結
合効率が低下するものと考えられる。この問題は、半導
体レーザからの出射ビームを光波長変換素子の導波部に
対して端面から入射させる場合でも、また２次元光導波
路等にあっては基板表面に形成した回折格子で回折させ
て入射させる場合でも、同じように認められる。

前述したように、半導体レーザをパルス駆動すると波長
変換効率が低下してしまうという問題は、上記入力結合
効率の低下が原因と考えられる。そこで、上記の本発明
方法におけるようにパルス幅を設定すれば、パルス幅を
小さくすることにより半導体レーザのピーク出力が向上
するという利点を活かし、その一方、パルス幅を小さく
し過ぎることにより上記入力結合効率が著しく低下する
という問題は回避して、半導体レーザを連続動作させる
場合よりは高い波長変換効率を実現できる。

（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図は、本発明の方法を実施する光波長変換モジュー
ルの一例を示している。この光波長変換モジュールは、
−例としてファイバー型の光波長変換素子ＩＯと、この
光波長変換素子１０に入射される基本波としてのレーザ
光１５を発する半導体レーザ１８とから構成されている
。

上記の光波長変換素子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。本例では特に特開昭６２−２１０４３２号
公報に示される３゜５−ジメチル−１−（４−ニトロフ
ェニル）ピラゾール（以下、ＰＲＡ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５ＦＳＩＧ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’は一例として、外径
が３ｍｍで、中空部の径が２μｍのものである。そして
第３図に示すように、炉内等においてＰＲＡＩＬ’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ＰＲＡ　１１’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、Ｐ　ＲＡ　１１’
の分解を防止するため、その融点（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ＰＲＡＩＩ’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ＰＲＡＩＩ’　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、その両端面
１０ａ、ｌＯｂにレジンコート膜１３．１４が設けられ
る。本実施例のようにコアｌｌを形成する非線形光学材
料が有機物から成る場合には、その有機物が昇華あるい
は変成しやすいが、上述のレジンコート膜１８．１４を
設けることにより、有機物の昇華または変成がファイバ
ー両端で防止される。

このようにして第１図および第２図に示すような光波長
変換素子ｌＯが得られる。

上記光波長変換素子ＩＯ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：８７０ｎｍ）１６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１
７によって平行ビームとされ、さらに対物レンズ１８に
よって集光され、コア１１の端面上においてそれと同径
（本例では２μｍ）の小さなスポットに収束する。それ
により該レーザ光１５が光波長変換素子１０内に入射す
る。この基本波１５は、コア１１を構成するＰＲＡによ
り、波長が１７２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
の外表面と周囲媒質（通常は空気）との界面の間で全反
射を繰り返して素子ｌＯ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取られ
る（いわゆるチェレンコフ放射の場合）。

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。

ここで本発明方法においては、レーザ駆動回路２０がパ
ルス状の矩形波駆動電流Ｉを半導体レーザ１Ｂに供給し
、該半導体レーザ１６はパルス動作する。

そしてその際のパルス幅は一例として１μｓとされ、そ
れにより極めて高い波長変換効率が実現されている。以
下、その理由を詳しく説明する。

第４図は、第１図に示した光波長変換モジュールにおい
て、デユーティ比は５０％に保ち、レーザ光１５のパル
ス幅を変化させたときの■　半導体レーザ１Ｇのピーク
出力 ■　レーザ光１５のコア１１への入力結合効率■　波長
変換効率 の変化の様子を示している。なお■の波長変換効率は、
半導体レーザｌＢを連続動作させたときの値を１とし、
それに対する相対的な値で表示しである。図示されるよ
うに、パルス幅が小さくなるほど半導体レーザ１６のピ
ーク出力は増大する。しかしその一方、入力結合効率は
パルス幅が概ね１０μｓよりも小さくなると、パルス幅
の減少につれて次第に低下する。これは先に述べたよう
に半導体レーザ１６の発振モードが、基本モードから高
次のモードに移り変わることに起因すると考えられる。

したがって波長変換効率は、図示の通り、上記ピーク出
力と入力結合効率の兼ね合いで定まるあるパルス幅Ｗｐ
において最大値を取り、パルス幅がこの値Ｗｐよりもさ
らに小さく設定されると、パルス幅減少に応じて次第に
低下する。本例において上記のパルス幅Ｗｐはおよそ０
，５μｓであり、この値の近辺の値としてパルス幅を前
述の通り１μｓに設定しである。それにより本実施例で
は、第４図に示されるように、半導体レーザ１６を連続
動作させる場合に比べて４倍以上の波長変換効率が得ら
れている。

なお上記のようにしてパルス状の第２高調波１５’を得
、この第２高調波１５′を感光材料に照射して画像記録
を行なうような場合は、記録速度等を考慮すると、単位
時間当りにどれだけの光エネルギーを感光材料に与えら
れるかということが重要になる。以下、この点について
考察する。第４図に示した特性を例に考えると、半導体
レーザ１Ｇの連続動作時は、その光出力は約４０ｍＷ、
波長変換効率は相対値で１、そしてデユーティ比は１０
０％である。それに対してパルス幅を１μｓとして半導
体レーザ１６をパルス動作させた場合は、そのピーク出
力は１００ｍＷ以上、波長変換効率は相対値で６以上、
モしてデユーティ比は５０％である。したがって、この
パルス動作時に得られる第２高調波１５′の単位時間当
りの光エネルギーは、連続動作時に比べると基本的に、 （１００／４０）　Ｘ　（４／１）　Ｘ　（５０／１０
０　）　−５であるから、５倍以上となることが分かる
。また、このようなパルス変調条件で変調すれば、感光
材料への記録速度に比べて変調速度が十分に速いため、
記録時の雑音の問題は生じない。

なお以上の実施例ではパルス幅を、最大の波長変換効率
が得られるパルス幅Ｗｐの近辺の値である１μＳに設定
したが、このパルス幅は勿論ながら上記の値Ｗｐそのも
のに設定してもよいし、さらには、第４図に示すパルス
幅Ｗａｉｎ　　（つまりレーザ光１５のコア１１への入
力結合効率がパルス幅減少にともなって低下する範囲に
あって、波長変換効率が半導体レーザ１８の連続動作時
のそれと等しくなるパルス幅）よりは大きくて、しかも
半導体レーザ１６の連続動作時の出力よりも大きなピー
ク出力が得られる値ならば、いかなる値に設定されても
よい。

また上記の実施例では、光波長変換素子としてファイバ
ー型のものが用いられているが、本発明の方法は、前述
した２次元あるいは３次元光導波路型の光波長変換素子
を用いて構成された光波長変換モジュールにおいても適
用可能であるし、さらにそのような光波長変換モジュー
ルにあっては、基板表面に形成した回折格子（Ｇ　ｒａ
ｔｉｎｇ　　Ｃｏｕｐｌｅｒ）で基本波を回折させて導
波部に入力させる場合にも適用可能である。

さらに上記の実施例では、駆動電流Ｉの（すなわちレー
ザ光１５の）パルス波形が矩形波とされているが、この
パルス波形はその地圧弦波等とされてもよい。ただし、
先に述べた単位時間当りの光エネルギーを上げる点から
は、矩形波とするのが最も好ましい。また本発明は、第
２高調波のみならず、前述の第３高調波等を得る際にも
適用可能であり、第３高調波の場合は波長変換効率が基
本波強度の３乗に比例するため、さらに効果的である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明による光波長変換モジュ
ールの駆動方法においては、基本波光源としての半導体
レーザをパルス動作させ、そのパルス幅を、半導体レー
ザの連続動作時の出力よりも大きなピーク出力が得られ
る程度に小さく、その一方、パルス幅減少につれてレー
ザ光の導波部への入力結合効率が低下する範囲にあって
波長変換効率が半導体レーザの連続動作時と等しくなる
値よりは大きい値に設定するようにしたから、光波長変
換素子に入力される基本波強度を十分に高め、その一方
、基本波の光波長変換素子への入力結合効率が著しく低
下してしまうことも防止して、高い波長変換効率を実現
できるようになる。したがって本方法によれば、エネル
ギー利用効率を十分に高く保った上で、高強度の波長変
換波を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施する光波長変換モジュール
の一例を示す概略側面図、 第２図は第１図の光波長変換モジュールの光波長変換素
子を示す斜視図、 第３図は上記光波長変換素子の製造方法を説明する説明
図、 第４図は本発明に係る半導体レーザの駆動パルス幅と、
そのピーク出力、光波長変換素子への入力結合効率、お
よび波長変換効率との関係の一例を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 クラッド部と、それよりも高屈折率で該クラッド部内に
   配された導波部とを有し、これらクラッド部と導波部の
   少なくとも一方が非線形光学材料から形成されてなり、
   前記導波部を導波した基本波を波長変換する光波長変換
   素子と、 前記導波部に入力される基本波としてのレーザ光を発生
   させる半導体レーザとから構成された光波長変換モジュ
   ールにおいて、 前記半導体レーザをパルス動作させ、そのパルス幅を、
   半導体レーザの連続動作時の出力よりも大きなピーク出
   力が得られる値で、かつ、パルス幅減少につれてレーザ
   光の導波部への入力結合効率が低下する範囲にあって波
   長変換効率が半導体レーザの連続動作時と等しくなる値
   より大きい値に設定することを特徴とする光波長変換モ
   ジュールの駆動方法。