JPH04310929A - Optical second harmonic generating element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】0001
【技術分野】本発明は、光第二高調波発生素子に関する
。例えば、光ディスクメモリ光源、レーザプリンタ光源
、半導体プロセスなどに適用されるものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical second harmonic generation element. For example, it is applied to optical disk memory light sources, laser printer light sources, semiconductor processes, and the like.
【0002】0002
【従来技術】本発明に係る従来技術を記載した公知文献
としては、例えば、「周期ドメイン反転光導波路による
第二高調波発生」(伊藤弘昌 「光学」 Vol.19
No.6 1990年6月 p373〜374)があ
る。この文献によれば、第二高調波発生(second
harmonicgeneration:以下SHG
と略す)などの非線形相互作用を効率よく行うには、■
非線形係数の大きな物質の利用、■光波の閉込めによる
光エネルギー密度の増大、■長い相互作用長の実現、■
相互作用する電磁界の重畳が大なこと等が不可欠である
とされている。特に近年半導体レーザの高出力化・高性
能化により、半導体レーザ波長自体のSHGによる短波
長化の期待とともに、半導体レーザ励起固体レーザの波
長変換も重要になってきており、1W以下程度の低出力
光源に対する高効率な波長変換のための研究が進められ
ていることが記載されている。[Prior Art] Publicly known documents describing the prior art related to the present invention include, for example, "Second harmonic generation by periodic domain inversion optical waveguide" (Hiromasa Ito, "Optics" Vol. 19)
No. 6 June 1990 p373-374). According to this document, second harmonic generation (second
harmonic generation:hereinafter referred to as SHG
In order to efficiently perform nonlinear interactions such as
Utilizing materials with large nonlinear coefficients, ■Increasing optical energy density by confining light waves, ■Achieving long interaction lengths, ■
It is said that it is essential that the superposition of interacting electromagnetic fields be large. In particular, in recent years, with the increase in the output power and performance of semiconductor lasers, it is expected that the wavelength of the semiconductor laser itself will be shortened by SHG, and wavelength conversion of semiconductor laser pumped solid-state lasers is also becoming important. It is stated that research into highly efficient wavelength conversion for light sources is underway.
【0003】また、周期ドメイン反転光導波路の製作と
動作の説明の中で、ドメイン周期2Λ=7.7μmのド
メイン反転平面LiNbO3導波路により、基本波波長
1.064μm、相互作用長4.65mm、入力70m
wの条件で、規格化された変換効率ηnorm=33%
μm2/Wcm2の準位相整合(quasi phas
e matching:QPM)動作が確認されている
。一般に異なった波長間での非線形相互作用においては
、エネルギー保存のもとでの位相整合が重要である。こ
の条件が満足されない状態では、相互作用により発生す
る非線形分極波と光波との間で干渉を生じ、大きな変換
効率が得られない。また、第二高調波発生(SHG)に
おいて、一般に波長変換効率はIn addition, in the explanation of the fabrication and operation of a periodic domain inversion optical waveguide, a domain inversion planar LiNbO3 waveguide with a domain period 2Λ=7.7 μm has a fundamental wave wavelength of 1.064 μm, an interaction length of 4.65 mm, Input 70m
Under the condition of w, normalized conversion efficiency ηnorm = 33%
Quasi phas matching of μm2/Wcm2
e matching: QPM) operation has been confirmed. In general, phase matching under energy conservation is important in nonlinear interactions between different wavelengths. If this condition is not satisfied, interference will occur between the nonlinear polarization waves generated by the interaction and the light waves, and high conversion efficiency will not be obtained. In addition, in second harmonic generation (SHG), the wavelength conversion efficiency is generally
【0004】0004
【数1】[Math 1]
【0005】ただし、
P(ω),P(2ω):基本法、第二高調波のパワーd
eff:SHGに寄与する実効的な非線形光学定数ε0
:真空の誘電率
c :光速度
n(ω) n(2ω):基本波、第二高調波の屈折率d
2/n3:性能指数
Ln:相互作用長
Δk:位相不整合
で表わされる。前述したように、変換効率を高めるには
、■性能指数の大きな材料を用い、■位相整合をとり、
■基本波のパワー密度を高め、■相互作用長を長くする
ことが必要である。[0005] However, P(ω), P(2ω): fundamental law, second harmonic power d
eff: effective nonlinear optical constant ε0 contributing to SHG
: Dielectric constant of vacuum c : Speed of light n(ω) n(2ω) : Refractive index d of fundamental wave and second harmonic
2/n3: Figure of merit Ln: Interaction length Δk: Represented by phase mismatch. As mentioned above, in order to increase conversion efficiency, ■ use materials with a large figure of merit, ■ ensure phase matching,
■It is necessary to increase the power density of the fundamental wave and ■lengthen the interaction length.
【0006】ドメイン反転構造を利用すると、前記■,
■は解決できる。例えば、非線形光学材料にLiNbO
3を用いる場合、角度位相整合法では使えない非線形光
学係数d33を利用した準位相整合ができる。この非線
形光学係数d33の値は、角度位相整合のとれるd31
の約8倍であることより、性能指数の改善につながる。
準位相整合(quasi phase matchin
g;QPM)では、位相不整合を小さくするために、反
転構造を精度よく微細化しなければならない。ところが
、現在の微細加工技術では、マイクロメータオーダーの
ドメイン反転を精度よく、しかも長尺にわたり作製する
のは非常に困難である。[0006]Using the domain inversion structure, the above
■ can be solved. For example, LiNbO is used as a nonlinear optical material.
3, it is possible to perform quasi-phase matching using the nonlinear optical coefficient d33, which cannot be used in the angular phase matching method. The value of this nonlinear optical coefficient d33 is d31 where angular phase matching can be achieved.
This leads to an improvement in the performance index. quasi phase matching
(g; QPM), the inversion structure must be precisely miniaturized in order to reduce the phase mismatch. However, with current microfabrication technology, it is extremely difficult to fabricate domain inversion on the order of micrometers with high precision over a long length.
【0007】[0007]
【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、基本波のパワーを高めることで、高効率な波長
変換が得られるようにした光第二高調波発生素子を提供
することを目的としてなされたものである。[Objective] The present invention was made in view of the above-mentioned circumstances, and it is an object of the present invention to provide an optical second harmonic generation element that can obtain highly efficient wavelength conversion by increasing the power of the fundamental wave. It was made for the purpose of
【0008】[0008]
【構成】本発明は、上記目的を達成するために、(1)
周期的にドメイン反転構造を有する非線形光学部材と、
該非線形光学部材の両端に設けられた反射コーティング
部材とから成る共振器を有し、前記反射コーティング部
材は、基本波に対して高反射であること、更には、(2
)前記非線形光学部材が光導波路型のドメイン反転構造
を有すること、更には、(3)前記非線形光学部材がバ
ルク型のドメイン反転構造を有することを特徴としたも
のである。以下、本発明の実施例に基づいて説明する。[Structure] In order to achieve the above objects, the present invention provides (1)
a nonlinear optical member having a periodically domain-inverted structure;
and reflective coating members provided at both ends of the nonlinear optical member, and the reflective coating member has a high reflection with respect to the fundamental wave, and further, (2
) The nonlinear optical member has an optical waveguide type domain inversion structure, and (3) the nonlinear optical member has a bulk type domain inversion structure. Hereinafter, the present invention will be explained based on examples.
【0009】図1は、本発明による光第二高調波発生素
子の一実施例を説明するための構成図で、図中、1はミ
ラー(反射コーティング部材)、2は周期ドメイン反転
構造、2Λはドメイン周期、Lは共振器長である。周期
ドメイン反転構造を施した非線形材料を共振ミラー内に
有する共振器について説明する。ここではLiNbO3
のような1軸結晶のZ−cut板を例にする。■ミラー
1は、基本波ω、高調波2ωともに、反射率rに透過率
t(r2+t2=1)をみたすものとする。■ドメイン
はコヒーレンズ長FIG. 1 is a configuration diagram for explaining an embodiment of the optical second harmonic generation device according to the present invention. In the figure, 1 is a mirror (reflective coating member), 2 is a periodic domain inversion structure, and 2Λ is the domain period and L is the resonator length. A resonator in which a resonant mirror includes a nonlinear material with a periodic domain inversion structure will be described. Here, LiNbO3
Let us take a Z-cut plate of a uniaxial crystal as an example. (2) It is assumed that the mirror 1 has a reflectance r and a transmittance t (r2+t2=1) for both the fundamental wave ω and the harmonic 2ω. ■The domain is the coherence lens length
【0010】0010
【数2】 「ただし、λ(ω)は基本波波長」[Math 2] "However, λ (ω) is the fundamental wavelength."
【0011】の周期に一致して反転しているものとする
。共振器内の電界eは、基本波(ω1,ω2)および高
調波(ω3)のそれぞれの前進波と後退波の重ね合わせ
を考える。前進波を後退波の位相が完全に一致している
とき、電界eはIt is assumed that the period is inverted in accordance with the period of . The electric field e within the resonator is considered to be a superposition of forward and backward waves of the fundamental wave (ω1, ω2) and harmonic (ω3), respectively. When the phases of the forward wave and the backward wave are perfectly matched, the electric field e is
【0012】0012
【数3】[Math 3]
【0013】で表わせる。いま、簡単のため、共振器内
に吸収損を無視することにすると、Maxwellの方
程式はIt can be expressed as: Now, for the sake of simplicity, if we ignore the absorption loss in the resonator, Maxwell's equation becomes
【0014】[0014]
【数4】[Math 4]
【0015】と表わせる。ここで、ω3=ω1+ω2(
ω1=ω2)、k32=ω32μ0ε3、さらに、It can be expressed as follows. Here, ω3=ω1+ω2(
ω1=ω2), k32=ω32μ0ε3, and further,
【0
016】0
016]
【数5】[Math 5]
【0017】なる条件を(2)式に代入し、dE3(x
)/dxについて解くと、Substituting the following condition into equation (2), dE3(x
)/dx, we get
【0018】[0018]
【数6】[Math 6]
【0019】が得られる。共振器長Lより高調波の電界
E3は##EQU1## is obtained. The harmonic electric field E3 from the resonator length L is
【0020】[0020]
【数7】[Math 7]
【0021】となる。したがって、高調波パワーは、[0021] Therefore, the harmonic power is
【
0022】[
0022
【数8】[Math. 8]
【0023】となる。さらに高調波発生にともなう基本
波のパワーの減衰が十分無視できる領域について考える
。共振器に入射する電界をE0とすると、[0023] Furthermore, we will consider a region where the attenuation of the power of the fundamental wave due to the generation of harmonics can be sufficiently ignored. If the electric field incident on the resonator is E0, then
【0024】[0024]
【数9】[Math. 9]
【0025】より、(3)式は次のように改められる。Therefore, equation (3) can be modified as follows.
【0026】[0026]
【数10】[Math. 10]
【0027】前記(4)(5)(6)式より、高調波の
パワーが求まる。具体例として、非線形光学結晶にLi
NbO3のZカット板のバルク型ドメイン反転共振器に
ついて、共振器内部の第二高調波(SH)パワーを数値
計算した。ドメインの半周期ΛがLiNbO3のコヒー
レンス長に等しく、5周期分が光共振器内に存在すると
している。基本波ω高調波2ωに対する屈折率はそれぞ
れ
n(ω) =2.1544
n(2ω)=2.2325
とし、基本波の波長をλ(ω)=1.064μmで計算
した。比較のため、光共振器を構成しないとき、即ち、
反射膜をつけないときのSHパワーも数値計算した。な
お、反射率はr=0.9、従ってパワー反射率R≒80
%としている。ドメインが5周期であること、パワー反
射率が約80%であることは、数値計算のためのひとつ
の例にすぎない。この計算において平面波近似を仮定し
ている。バルクでは問題はない。また、光導波路でも、
次の変換をおこなえば基本的に同じ効果が得られること
はいうまでもない。
β(伝播定数)←k
N(等価屈折率)←n[0027] The harmonic power can be found from the above equations (4), (5), and (6). As a specific example, Li is added to a nonlinear optical crystal.
The second harmonic (SH) power inside the resonator was numerically calculated for a bulk-type domain-inverted resonator made of a Z-cut plate of NbO3. It is assumed that the half period Λ of the domain is equal to the coherence length of LiNbO3, and five periods exist within the optical resonator. The refractive index for the fundamental wave ω harmonic 2ω was set as n(ω) = 2.1544 and n(2ω) = 2.2325, respectively, and the wavelength of the fundamental wave was calculated using λ(ω) = 1.064 μm. For comparison, when no optical resonator is configured, that is,
The SH power without the reflective film was also calculated numerically. Note that the reflectance is r=0.9, so the power reflectance R≒80
%. The fact that the domain has 5 periods and the power reflectance is about 80% is just one example for numerical calculations. This calculation assumes a plane wave approximation. There is no problem in bulk. Also, in optical waveguides,
It goes without saying that basically the same effect can be obtained by performing the following conversion. β (propagation constant)←k N (equivalent refractive index)←n
【0028】図2は、光導波部型を示す図で、図3はバ
ルク型を示す図である。図中、3は反射膜、4はドメイ
ン反転構造の光導波路、5は反射ミラー(反射膜)、6
はバルク型ドメイン反転構造部である。SH光パワーの
数値計算結果を図4に示す。出力ミラーM2直前での共
振器型におけるSH光パワーは、非共振器型のx=10
Lc(Lc:コヒーレント長)の位置におけるSH光パ
ワーの約30倍になる。R=81%より、パワー透過率
は約20%、したがって、出力ミラーからは、30×0
.2=6倍のパワーのSH光が透過されることになる。FIG. 2 is a diagram showing an optical waveguide type, and FIG. 3 is a diagram showing a bulk type. In the figure, 3 is a reflective film, 4 is an optical waveguide with domain inversion structure, 5 is a reflective mirror (reflective film), and 6 is a reflective film.
is a bulk domain inversion structure. Figure 4 shows the numerical calculation results of the SH optical power. The SH optical power in the resonator type immediately before the output mirror M2 is x = 10 in the non-resonator type.
This is approximately 30 times the SH optical power at the position of Lc (Lc: coherence length). Since R=81%, the power transmittance is about 20%, so from the output mirror, 30×0
.. 2=6 times the power of the SH light is transmitted.
【0029】[0029]
【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、以下のような効果がある。
(1)請求項1においては、ドメイン反転構造を施した
光導波路を共振器で構成することにより、基本波のパワ
ーを高くすることができ、高効率波長変換が可能となる
。
(2)請求項2においては、バルク型のドメイン反転で
共振器を構成していて、基本波のパワーを高めることが
でき高効率に、また、バルクによる構成より作製が容易
になる。[Effects] As is clear from the above description, the present invention has the following effects. (1) In claim 1, by configuring the optical waveguide with a domain inversion structure using a resonator, the power of the fundamental wave can be increased and highly efficient wavelength conversion can be achieved. (2) In claim 2, the resonator is configured by bulk-type domain inversion, which increases the power of the fundamental wave, provides high efficiency, and is easier to manufacture than a bulk configuration.
【図1】 本発明による光第二高調波発生素子の一実
施例を説明するための構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram for explaining one embodiment of an optical second harmonic generation element according to the present invention.
【図2】 光導波路型の光第二高調波発生素子を示す
図である。FIG. 2 is a diagram showing an optical waveguide type optical second harmonic generation element.
【図3】 バルク型の光第二高調波発生素子を示す図
である。FIG. 3 is a diagram showing a bulk type optical second harmonic generation element.
【図4】 SH光パワーの数値計算結果を示す図であ
る。FIG. 4 is a diagram showing numerical calculation results of SH optical power.
1…ミラー(反射コーティング部材)、2…周期ドメイ
ン反転構造、2Λ…ドメイン周期、L…共振器長。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Mirror (reflective coating member), 2... Periodic domain inversion structure, 2Λ... Domain period, L... Resonator length.
Claims (3)
線形光学部材と、該非線形光学部材の両端に設けられた
反射コーティング部材とから成る共振器を有し、前記反
射コーティング部材は、基本波に対して高反射であるこ
とを特徴とする光第二高調波発生素子。1. A resonator comprising a nonlinear optical member having a periodic domain inversion structure and reflective coating members provided at both ends of the nonlinear optical member, the reflective coating member being An optical second harmonic generation element characterized by high reflection.
メイン反転構造を有することを特徴とする請求項1記載
の光第二高調波発生素子。2. The optical second harmonic generation device according to claim 1, wherein the nonlinear optical member has an optical waveguide type domain inversion structure.
イン反転構造を有することを特徴とする請求項1記載の
光第二高調波発生素子。3. The optical second harmonic generating element according to claim 1, wherein the nonlinear optical member has a bulk type domain inversion structure.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10474791A JPH04310929A (en) | 1991-04-09 | 1991-04-09 | Optical second harmonic generating element |
Applications Claiming Priority (1)
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JP10474791A JPH04310929A (en) | 1991-04-09 | 1991-04-09 | Optical second harmonic generating element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04310929A true JPH04310929A (en) | 1992-11-02 |
Family
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JP10474791A Pending JPH04310929A (en) | 1991-04-09 | 1991-04-09 | Optical second harmonic generating element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04310929A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006100772A (en) * | 2004-04-22 | 2006-04-13 | Sony Corp | One-dimensional illumination apparatus and imaging apparatus |
WO2014045658A1 (en) * | 2012-09-20 | 2014-03-27 | 富士電機株式会社 | Wavelength conversion element, light source device, and method for manufacturing wavelength conversion element |
-
1991
- 1991-04-09 JP JP10474791A patent/JPH04310929A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2006100772A (en) * | 2004-04-22 | 2006-04-13 | Sony Corp | One-dimensional illumination apparatus and imaging apparatus |
WO2014045658A1 (en) * | 2012-09-20 | 2014-03-27 | 富士電機株式会社 | Wavelength conversion element, light source device, and method for manufacturing wavelength conversion element |
JP2014062960A (en) * | 2012-09-20 | 2014-04-10 | Fuji Electric Co Ltd | Wavelength conversion element, light source device, and manufacturing method of wavelength conversion element |
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