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JP3731977B2 - Optical wavelength converter - Google Patents

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JP3731977B2
JP3731977B2 JP15510097A JP15510097A JP3731977B2 JP 3731977 B2 JP3731977 B2 JP 3731977B2 JP 15510097 A JP15510097 A JP 15510097A JP 15510097 A JP15510097 A JP 15510097A JP 3731977 B2 JP3731977 B2 JP 3731977B2
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基本波を第2高調波等に変換する光導波路型の光波長変換素子、特に詳細には、光導波路基板として強誘電体結晶基板を用い、光導波路に周期ドメイン反転構造を形成してなる光波長変換素子を利用して、半導体レーザから発せられたレーザビームを波長変換する装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
非線形光学効果を有する強誘電体の自発分極(ドメイン)を周期的に反転させた領域を設けた光波長変換素子を用いて、基本波を第2高調波に波長変換する方法が既にBleombergenらによって提案されている(Phys.Rev.,vol.127,No.6,1918(1962)参照)。この方法においては、ドメイン反転部の周期Λを、
Λc=2π/{β(2ω)−2β(ω)}
ただしβ(2ω)は第2高調波の伝搬定数
β(ω)は基本波の伝搬定数
で与えられるコヒーレント長Λcの整数倍になるように設定することで、基本波と第2高調波との位相整合(いわゆる疑似位相整合)を取ることができる。
【0003】
そして、例えば特開平7−152055号に示されるように、非線形光学材料からなる光導波路を有し、そこを導波させた基本波を波長変換する光導波路型の光波長変換素子において、上述のような周期ドメイン反転構造を形成して、効率良く位相整合を取る試みもなされている。
【0004】
ところで、上記の周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長変換素子は、半導体レーザから発せられたレーザビームを波長変換するためにも多く用いられている。その場合、半導体レーザの発振波長が、ドメイン反転部の周期Λと位相整合する波長と一致していないと、波長変換効率は著しく低いものとなり、実用性のある短波長光源を得ることは困難となる。
【0005】
このような事情に鑑み、従来より、例えば上記の特開平7−152055号にも示されているように、半導体レーザと光波長変換素子との間のレーザビーム光路に狭帯域のバンドパスフィルター(以下、BPFと称する)を配して、半導体レーザの発振波長を所望値に調整、ロックすることが提案されている。
【0006】
そのような構成の一例を図4に示す。図中、1は基本波としてのレーザビーム2を発する半導体レーザ、3は入射光学系、4はチャンネル光導波路4aおよび周期ドメイン反転構造4bを有する光導波路型の光波長変換素子である。そして入射光学系3は、半導体レーザ1から発散光状態で出射したレーザビーム2を平行光化するコリメーターレンズ5と、平行光化されたレーザビーム2を収束させる集光レンズ6と、これらのレンズ5および6の間に配された偏光制御用のλ/2板7と、例えば誘電体多層膜フィルターからなる狭帯域BPF8とを有している。
【0007】
上述のような狭帯域BPF8は、概ね図5に示すような分光透過率特性を有する。またこの特性における最大透過波長λ0 は、概ね図6に示すようにBPF8への光入射角θに依存して変化する。このような特性のBPF8を透過したレーザビーム2は、集光レンズ6によって光導波路4aの入射端面で収束するように絞られ、TMモードで該光導波路4aに入力する成分と、上記入射端面で反射する成分とに分けられる。
【0008】
光導波路4aに入力されたレーザビーム2は、上記周期ドメイン反転構造4bを通過して第2高調波9に変換される。一方、光導波路4aの入射端面で反射したレーザビーム2は、そこまでの光路と逆の光路を辿って半導体レーザ1にフィードバックされ、上記入射端面と半導体レーザ1の後方端面との間で共振し、それにより半導体レーザ1が波長λ0 で発振するようになる。
【0009】
そして、BPF8の最大透過波長λ0 は図6に示したようにBPF8への光入射角θに依存するので、このBPF8を図4中に矢印Aで示すように回転させることにより、半導体レーザ1の発振波長を、周期ドメイン反転構造4bの周期Λと位相整合する値に調整し、ロックすることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
この従来装置においては、図7の(1)に概略図示するように、調整前はレーザビーム2が光導波路4aの入射端面に正しく照射されていても、発振波長調整のためにBPF8を回転させると、レーザビーム2の光路が図7の(2)に破線で示すように傾くことがある。これは、BPF8が完全な平行板でないこと、またレーザビーム2が完全な平行光になっていないことに起因する。
【0011】
レーザビームの光路が上述のように傾くと、その光導波路端面上での収束位置がずれることになる。このずれは僅かではあるが、光導波路の径は一般に2〜3μm程度と非常に小さいために、レーザビームの光導波路に対する光結合効率を低下させ、波長変換波の出力低下を招く。最悪の場合は、光導波路への入力光量が極端に低下し、位相整合波長と合うように発振波長を調整することが不可能になることもある。
【0012】
さらに上記の従来装置においては、透過率の高いBPFを作製するのが難しいことから、光波長変換素子への入力光量が低くなりがちで、そのために、高出力の波長変換波を得ることが難しいという問題も認められる。
【0013】
具体的に説明すると、半導体レーザを単一縦モードで発振させるために、BPFの透過波長半値幅は一般に0.5 nm以下とする必要がある。多層薄膜技術によりBPFを作製するに当たり、このような透過波長半値幅を実現した上で、かつ高い透過率を得るには、非常に高度の製膜技術が要求される。現在の製膜技術で、例えば透過波長半値幅0.5 nm、透過率80%以上を実現しようとすると、製膜プロセスの歩留まりは非常に低くなり、その結果、BPFは著しく高価なものとなってしまう。現在の通常の製膜技術で透過波長半値幅0.5 nmを実現しようとすると、透過率は30%程度にとどまり、そのために波長変換波の出力は大変低いものとなる。
【0014】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、半導体レーザから発せられたレーザビームを、周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長変換素子により波長変換する装置において、半導体レーザの発振波長をドメイン反転部の周期と位相整合する波長に正確にロックし、また、高い波長変換波出力を得ることを目的とするものである。
【0015】
さらに本発明は、上記の目的を、安価なBPFを利用して達成することも目的とするものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明による第1の光波長変換装置は、
前述したように周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長変換素子と、基本波としてこの光波長変換素子に入射されるレーザビームを発する、それ自身で発振する半導体レーザとからなる光波長変換装置において、
半導体レーザから発せられたレーザビームをコリメーターレンズによって平行光化し、
光波長変換素子に入射する前の上記レーザビームを光分岐手段によって一部分岐させ、
この分岐されたレーザビームを集光レンズによりミラー上において収束させ、
該レーザビームをこのミラーで反射させて半導体レーザにフィードバックさせ、
そして、上記ミラーと光分岐手段との間に狭帯域BPFを通過波長が変わるように回転可能に配し、該通過波長が所定波長になったところでこの狭帯域BPFを固定してなるものである。
【0017】
なお上記の光分岐手段としては、そこに入射したレーザビームの50〜90%を光波長変換素子に入射させ、残余を上記ミラーに入射させるものが好適に用いられる。またこの光分岐手段として具体的には、ビームスプリッタが好適に用いられる。
【0018】
一方、本発明による第2の光波長変換装置は、第1の光波長変換装置で用いられたものと同様の光波長変換素子および半導体レーザからなる光波長変換装置において、
この半導体レーザから、波長変換されるレーザビームとは反対側に出射する後方出射光としてのレーザビームをコリメーターレンズより平行光化した上で、集光レンズによりミラー上において収束させ、
該レーザビームをこのミラーで反射させて半導体レーザにフィードバックさせ、
そして、上記後方出射光としてのレーザビームの光路に狭帯域BPFを通過波長が変わるように回転可能に配し、該通過波長が所定波長になったところでこの狭帯域BPFを固定したことを特徴とするものである。
【0019】
【発明の効果】
本発明の光波長変換装置において、半導体レーザの発振波長の調整、ロックは、上記BPFを回転させることにより、前述した従来装置におけるのと同様になされ得る。
【0020】
そして本発明の第1の光波長変換装置においては、BPFを透過したレーザビームを光波長変換素子に入射させずに、光分岐手段を通過したレーザビームを光波長変換素子に入射させるようにしており、この光分岐手段としては例えば透過率が70〜90%に及ぶビームスプリッタ等も利用可能であるから、光波長変換素子への入力光量を高く確保して、高出力の波長変換波を得ることが可能になる。
【0021】
以上のように、BPFを透過したレーザビームが光波長変換素子に入射しないのであれば、このBPFとして透過率が30%程度の安価なものを用いても、波長変換波の出力が低下することはない。こうして安価なBPFを利用できれば、光波長変換装置を比較的低コストで作製可能となる。
【0022】
また本発明の第2の光波長変換装置において、BPFを透過するのは後方出射光としてのレーザビームのみであって、波長変換されるレーザビーム(前方出射光)は基本的に全量が光波長変換素子に導かれるので、この場合も光波長変換素子への入力光量を高く確保して、高出力の波長変換波を得ることが可能になる。
【0023】
なお本発明の第2の光波長変換装置において、半導体レーザの後方端面の反射率がほぼ0%と低い場合、半導体レーザはそれ自身では発振せず、後方出射光を反射させるミラーと半導体レーザの前方端面とを外部共振器としてレーザ発振がなされる。そのとき、ミラーと半導体レーザとの間に配置されるBPFとして低透過率のものを用いると、共振器の内部光パワーが低下して、発振効率が低下する。そうであると、半導体レーザの前方出射光の光量が低下し、ひいては波長変換波の出力が低下するので、BPFとして余りに低透過率のものを用いるのは好ましくない。
【0024】
一方この第2の光波長変換装置において、半導体レーザの後方端面の反射率が2〜3%程度の場合、半導体レーザはそれ自身で発振するので、後方出射光を反射させるミラーによって外部共振器を構成しても、半導体レーザの前方出射光の光量は外部共振器が無い場合とほとんど変わらない。つまりこの場合、外部共振器からの光は半導体レーザに弱く摂動的に作用するので、BPFの透過率は、半導体レーザの前方出射光の光量や、波長変換波の出力に影響を及ぼさない。
【0025】
また本発明の光波長変換装置において、BPFを透過するのは発振波長調整用のレーザビームだけで、波長変換されるレーザビームはそれとは別に光波長変換素子に入射するので、発振波長調整のためにBPFを回転させたときレーザビームの光路が傾いても、それによって光波長変換素子への入力光量が低下して、波長変換波の出力低下を招くことはない。
【0026】
特に本発明の第2の光波長変換装置においては、半導体レーザと光波長変換素子との外にBPFが配置されているので、半導体レーザの発振波長の調整、ロックのためにこのBPFを回転させても、光波長変換素子の光導波路に対する基本波の入力結合効率に影響が及ばない。そのため、この基本波の入力結合効率を高く維持したまま、基本波波長を容易に位相整合波長に調整することができ、よって、極めて高い波長変換効率を実現可能となる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の第1実施形態による光波長変換装置を示すものである。図示されるようにこの光波長変換装置は、半導体レーザ(レーザダイオード)10と、この半導体レーザ10から発散光状態で出射したレーザビーム11を平行光化するコリメーターレンズ12と、平行光化されたレーザビーム11を収束させる集光レンズ13と、これらのレンズ12および13の間に配された偏光制御用のλ/2板14と、このλ/2板14と集光レンズ13との間に配された光分岐手段としてのビームスプリッタ20と、光波長変換素子15とを有している。
【0028】
またビームスプリッタ20で反射したレーザビーム11が入射する位置には、ミラー21が配設される一方、このミラー21で反射したレーザビーム11が順次入射するように狭帯域BPF22、集光レンズ23、およびミラー24が配設されている。なおBPF22としては、一例として透過率が30%の比較的安価な誘電体多層膜フィルターが用いられている。
【0029】
光波長変換素子15は、図2にその斜視形状を示す通り、非線形光学効果を有する強誘電体であるMgO−LN(MgOがドープされたLiNbO3 )結晶の基板16に、そのz軸と平行な自発分極の向きを反転させたドメイン反転部が周期的に形成されてなる周期ドメイン反転構造17と、この周期ドメイン反転構造17に沿って延びるチャンネル光導波路18とが形成されてなるものである。
【0030】
MgO−LN結晶基板16は、例えばMgOが5 mol%ドープされたものである。また周期ドメイン反転構造17は、基板16のx軸方向にドメイン反転部が並ぶように形成され、その周期Λは、MgO−LNの屈折率の波長分散を考慮し、980 nm近辺の波長に対して1次の周期となるように5.3 μmとされている。また本例において、周期ドメイン反転構造17の長さ(図2中のa寸法)は10mmである。このような周期ドメイン反転構造17は、例えば特開平6−242478号に示される種々の方法によって形成することができる。
【0031】
一方チャンネル光導波路18は、周期ドメイン反転構造17を形成した後、基板16の+z面上に公知のフォトリソグラフィーとドライエッチングにより金属マスクパターンを形成し、この基板16をピロリン酸中に浸漬してプロトン交換処理を行ない、マスクを除去した後にアニール処理する、等の方法によって作製することができる。その後このチャンネル光導波路18の両端面18a、18bをエッジ研磨すると、光波長変換素子15が完成する。
【0032】
なお上記プロトン交換処理は、例えば温度を170 ℃とし、プロトン交換時間を68分としてなされる。一方アニール処理は、例えばアニール温度を350 〜370 ℃とし、アニール時間を1〜2時間としてなされる。またチャンネル光導波路18の幅(図2中のb寸法)は例えば6〜9μmとされる。
【0033】
半導体レーザ10としては、一例として波長が980 nm近辺のレーザビーム11を発するものが用いられている。このレーザビーム11は、コリメーターレンズ12によって平行光化された後、λ/2板14でチャンネル光導波路18のz軸方向に偏光方向が合わせられ、ビームスプリッタ20に入射する。ビームスプリッタ20としては透過率70%のものが用いられており、入射したレーザビーム11の70%がこのビームスプリッタ20を透過する。
【0034】
ビームスプリッタ20を透過したレーザビーム11は、集光レンズ13により集光されてチャンネル光導波路18の端面18aにおいて収束する。それによりレーザビーム11はチャンネル光導波路18内に入射し、そこを導波する。
【0035】
導波モードで進行する基本波としてのレーザビーム11は、チャンネル光導波路18中の周期ドメイン反転領域で位相整合(いわゆる疑似位相整合)して、波長が490 nmの第2高調波19に波長変換される。この第2高調波19もチャンネル光導波路18を導波モードで伝搬し、光導波路端面18bから出射する。
【0036】
一方、ビームスプリッタ20で反射したレーザビーム11はミラー21で反射した後、狭帯域BPF22を透過し、集光レンズ23により集光されて収束し、この収束位置に配されたミラー24において反射する。ミラー24において反射したレーザビーム11は、そこまでの光路と逆向きの光路を辿って半導体レーザ10にフィードバックされる。なお集光レンズ23は必ずしも必要ではなく、レーザビーム11を平行ビームのままミラー24に入射、反射させても構わない。しかしその場合は、ミラー24と半導体レーザ10の後方端面とが共焦点光学系とならないので、半導体レーザ10へのフィードバック光量が最大となるように、ミラー24の角度を高精度に調整することが必要となる。
【0037】
ここで、BPF22を図1中の矢印A方向に回転させることにより、所定波長のレーザビーム11のみを半導体レーザ10にフィードバックさせることができる。なおその詳しい理由は、図4に示した従来装置におけるのと基本的に同じである。ただしこの場合は、半導体レーザ10の後方端面と上記ミラー24とによって該半導体レーザ10の外部共振器が構成される。
【0038】
こうして、所定波長のレーザビーム11のみが半導体レーザ10にフィードバックされれば、半導体レーザ10がこの波長で発振する。そこで、BPF22を適宜回転させることにより、半導体レーザ10の発振波長を周期ドメイン反転構造17の周期Λと位相整合する所望波長に選択、ロックすることができる。
【0039】
そして本装置においては、透過率が低いBPF22を透過したレーザビーム11を光波長変換素子15に入射させずに、透過率が70%と高いビームスプリッタ20を透過したレーザビーム11を光波長変換素子15に入射させるようにしているから、光波長変換素子15への入力光量を高く確保して、高出力の第2高調波19を得ることができる。
【0040】
以上のように、BPF22を透過したレーザビーム11が光波長変換素子15に入射しないのであれば、このBPF22として透過率が30%と低い比較的安価なものを用いていても、第2高調波19の出力が低下することはない。こうして安価なBPF22を利用できれば、光波長変換装置を比較的低コストで作製可能となる。
【0041】
また本装置において、BPF22を透過するのは発振波長調整用のレーザビーム11だけで、波長変換されるレーザビーム11はそれとは別に光波長変換素子15に入射するようになっているので、発振波長調整のためにBPF22を回転させたときレーザビーム11の光路が傾いても、それによって光波長変換素子15への入力光量が低下して、第2高調波19の出力低下を招くことはない。
【0042】
以下、第2高調波19の出力等について、具体的な数値を挙げて説明する。この第1の実施形態において、まず出力100 mWの半導体レーザ10の発振波長を、特に周期ドメイン反転構造17の周期Λと位相整合する波長(980 nm)に選択しないで、その発振波長をBPF22により983 nmにロックした。
【0043】
このとき、コリメーターレンズ12によって平行光化されたレーザビーム11の出力は、コリメーターレンズ12での損失のために90mWとなった。さらに、λ/2板14およびビームスプリッタ20を通過した後のレーザビーム11の出力は、ビームスプリッタ20の透過率が70%であることから63mWとなった。この場合、光波長変換素子15からのレーザビーム11の出力は41mWであったので、光導波路18に対するレーザビーム11の光結合効率は、約65%と見積もられる。
【0044】
次に半導体レーザ10の発振波長を周期ドメイン反転構造17の周期Λと位相整合する波長に選択するため、BPF22を回転させた。この回転にともなって第2高調波19の出力が徐々に増大し、最大約1mWの出力が得られた。このときの半導体レーザ10の発振波長は、周期ドメイン反転構造17の周期Λと位相整合する980 nmとなっていた。また、基本波であるレーザビーム11の光波長変換素子15からの出力は約40mWであった。
【0045】
以上により、本実施形態においては、半導体レーザ10の発振波長を調整するためにBPF22を回転させても、光導波路18に対するレーザビーム11の光結合効率が、従来装置のように低下しないことが確認された。
【0046】
なお以上説明した実施形態において、半導体レーザ10はDC駆動される。この駆動方法では、半導体レーザ10自身による低周波領域(MHzレベル以下)の数〜数10%の光量ノイズ、すなわち光量レベル変動が観測された。これは、光量レベルの安定化がなされていないことに起因する(勿論、波長に関しては本発明により位相整合波長にロックされているので、波長変動によるレベル変動は生じなかった)。従来より、このようなノイズを低減するためには、半導体レーザを高周波で駆動すると良いことが知られている。そこで、半導体レーザ10を0.1 〜1GHzの周波数で高周波駆動したところ、光量レベルの変動が1%以下となり、より望ましい結果となった。
【0047】
また、半導体レーザ10の発振波長のロックは、ビームスプリッタ20の透過率が50〜90%の範囲にあると安定に動作する。このビームスプリッタ20の透過率が90%を超えるほど高い場合は、発振波長のロックがやや不安定になる。
【0048】
次に図3を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。なおこの図3において、図1および図2中のものと同等の要素には同番号を付してあり、それらについての重複した説明は、特に必要の無い限り省略する(以下、同様)。
【0049】
この図3の光波長変換装置においては、ビームスプリッタ20で反射したレーザビーム11がミラー(図1のミラー21参照)で光路を折り曲げられることなく、直接的に狭帯域BPF22、集光レンズ23およびミラー24に入射するように構成されている。
【0050】
なお、ビームスプリッタ20で反射したレーザビーム11の光路を上述のようなミラーで折り曲げる場合でも、その折り曲げの方向は図1における方向に限定される訳ではなく、例えば図1において右方に折り曲げるようにしてもよい。
【0051】
また上記の実施形態では、MgO−LN結晶基板16としてzカット基板(z板)を用いており、したがってその自発分極の向きは基板表面に垂直となっている。しかしこれに限らず、本出願人による特願平8−47591号の明細書に示されるように、自発分極の向きが基板表面に対して垂直とならないようにカットされた基板を用い、該基板に直接電場を印加して周期ドメイン反転構造を形成することも可能である。
【0052】
次に図8を参照して、本発明の第3の実施形態について説明する。この図8の光波長変換装置において、半導体レーザ10から前方側つまり図中の右方側に出射したレーザビーム11は、分岐されることなく光波長変換素子15に導かれる。光波長変換素子15に入射したレーザビーム11は、基本的に図1の装置におけるのと同様にして第2高調波19に変換される。
【0053】
ここで半導体レーザ10からは、後方側つまり図中の左方側にもレーザビーム11Rが出射する。一般に後方出射光と称されるこのレーザビーム11Rは、発散光として半導体レーザ10から出射し、コリメーターレンズ30によって平行光化された後、狭帯域BPF22を透過し、集光レンズ23により集光されて収束する。この収束位置に配されたミラー24において反射したレーザビーム11Rは、そこまでの光路と逆向きの光路を辿って、ほぼ全量が半導体レーザ10にフィードバックされる。
【0054】
この場合も、BPF22を図中の矢印A方向に回転させることにより、所定波長のレーザビーム11Rのみを半導体レーザ10にフィードバックさせることができる。ただしこの場合は、半導体レーザ10の前方端面10bとミラー24とによって該半導体レーザ10の外部共振器が構成されている。そのために、半導体レーザ10の後方端面10aの反射率は例えば0〜3%程度に設定され、また前方端面10bの反射率はそれよりも高い10〜20%程度に設定されている。
【0055】
こうして、所定波長のレーザビーム11Rのみが半導体レーザ10にフィードバックされれば、半導体レーザ10がこの波長で発振する。そこで、BPF22を適宜回転させることにより、半導体レーザ10の発振波長を周期ドメイン反転構造17の周期Λと位相整合する所望波長に選択、ロックすることができる。
【0056】
また本装置においても、BPF22を透過するのは発振波長調整用のレーザビーム11Rだけで、波長変換されるレーザビーム11はそれとは全く別に光波長変換素子15に入射する。そこで、発振波長調整のためにBPF22を回転させたときレーザビーム11Rの光路が傾いても、それによって光波長変換素子15への入力光量が低下して、第2高調波19の出力低下を招くようなことはない。
【0057】
以下、この第3実施形態の光波長変換装置における第2高調波19の出力等について、具体的な数値を挙げて説明する。本装置において、まず半導体レーザ10の発振波長を、特に位相整合波長(980 nm)に選択しないで、BPF22により983 nmにロックした。このとき、基本波であるレーザビーム11の光波長変換素子15からの出力は40mWであった。
【0058】
次に半導体レーザ10の発振波長を位相整合波長に選択するため、BPF22を回転させた。この回転にともなって第2高調波19の出力が徐々に増大し、最大約1mWの第2高調波出力が得られた。このときの半導体レーザ10の発振波長は980 nmで、位相整合波長と一致していた。また、基本波であるレーザビーム11の光波長変換素子15からの出力は約39mWであった。
【0059】
以上により、本装置においては、半導体レーザ10の発振波長を調整するためにBPF22を回転させても、光導波路18に対するレーザビーム11の光結合効率が従来装置のように低下しないことが確認された。つまり本装置によれば、光波長変換素子の光導波路に対する基本波の入力結合効率を変化させることなく、高い波長変換効率を得ることができる。
【0060】
次に図9を参照して、本発明の第4の実施形態について説明する。この図9の光波長変換装置は、図8のものと比較すると、半導体レーザ10が光波長変換素子41の光入射端面に直接結合されている点が異なるものである。このような構成の光波長変換素子は、光学部品が少ないので小型軽量に形成でき、また、光学部品の軸ズレが少ないので光学的な安定性が高いものとなる。
【0061】
上記のように半導体レーザ10を光波長変換素子41の光入射端面に直接結合させる場合は、それら両者の間に、図1のλ/2板14等の偏光制御素子を設けることはできない。そのため、図1の装置と同様にzカットの基板を用いて光波長変換素子を構成し、TMモード導波を採用しようとするならば、レーザビーム11の偏光方向をチャンネル光導波路18のz軸方向に合わせるために、例えば半導体レーザ10を図1の状態から90°回転させて配置することが必要である。しかし、そのようにすると、半導体レーザ10とチャンネル光導波路18におけるレーザビームパターンが異なるようになり、それら両者間での光結合効率が悪くなる。
【0062】
このような事情があるので、半導体レーザ10を光波長変換素子の光入射端面に直接結合させる場合は、レーザビーム11の偏光方向を90°回転させる必要がないTEモード導波型の光波長変換素子を用いる方が、半導体レーザ10とチャンネル光導波路18との間の光結合効率を高く保つ上で有利である。そこで本実施形態では、z軸の向きが基板表面に対して水平なxカットのMgO−LN結晶基板40を用いて、TEモード導波型の光波長変換素子41を構成している。
【0063】
なお、xカットのMgO−LN結晶基板40の代わりに、同様にz軸の向きが基板表面に対して水平となるyカットの基板を用いても、TEモード導波型の光波長変換素子を得ることができる。さらには、前述した特願平8−47591号の明細書に示されるように、自発分極の向きが基板表面に対して垂直とならないようにカットされた基板を用い、該基板に直接電場を印加して周期ドメイン反転構造を形成することにより、TEモード導波型の光波長変換素子を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による光波長変換装置を示す概略側面図
【図2】図1の光波長変換装置に用いられた光波長変換素子の斜視図
【図3】本発明の第2実施形態による光波長変換装置を示す概略側面図
【図4】従来の光波長変換装置を示す概略側面図
【図5】狭帯域バンドパスフイルターの分光透過率特性を示す概略図
【図6】狭帯域バンドパスフイルターの光入射角対最大透過波長特性を示す概略図
【図7】従来の光波長変換装置における、光波長変換素子に対する基本波の光結合効率の低下を説明する説明図
【図8】本発明の第3実施形態による光波長変換装置を示す概略側面図
【図9】本発明の第4実施形態による光波長変換装置を示す概略側面図
【符号の説明】
10 半導体レーザ
11 レーザビーム(基本波)
12 コリメーターレンズ
13 集光レンズ
14 λ/2板
15 光波長変換素子
16 MgO−LN結晶基板(z板)
17 周期ドメイン反転構造
18 チャンネル光導波路
19 第2高調波
20 ビームスプリッタ
21 ミラー
22 狭帯域バンドパスフイルター
23 集光レンズ
24 ミラー
30 コリメーターレンズ
40 MgO−LN結晶基板(x板)
41 光波長変換素子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide type optical wavelength conversion element that converts a fundamental wave into a second harmonic, and more specifically, a ferroelectric crystal substrate is used as an optical waveguide substrate, and a periodic domain inversion structure is formed in the optical waveguide. The present invention relates to an apparatus for converting the wavelength of a laser beam emitted from a semiconductor laser using an optical wavelength conversion element.
[0002]
[Prior art]
A method for converting the wavelength of a fundamental wave into a second harmonic using an optical wavelength conversion element provided with a region in which spontaneous polarization (domain) of a ferroelectric material having a nonlinear optical effect is periodically inverted has already been proposed by Bleombergen et al. (See Phys. Rev., vol. 127, No. 6, 1918 (1962)). In this method, the period Λ of the domain inversion part is
Λc = 2π / {β (2ω) -2β (ω)}
Where β (2ω) is the propagation constant of the second harmonic
β (ω) is the fundamental wave propagation constant
By setting so as to be an integral multiple of the coherent length Λc given by (1), phase matching (so-called pseudo phase matching) between the fundamental wave and the second harmonic can be achieved.
[0003]
And, for example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-152555, an optical waveguide type optical wavelength conversion element that has an optical waveguide made of a nonlinear optical material and converts the wavelength of the fundamental wave guided therethrough is as described above. Attempts have been made to form such a periodic domain inversion structure and achieve phase matching efficiently.
[0004]
By the way, the optical waveguide type optical wavelength conversion element having the above-mentioned periodic domain inversion structure is often used for wavelength conversion of a laser beam emitted from a semiconductor laser. In that case, if the oscillation wavelength of the semiconductor laser does not match the wavelength that is phase-matched with the period Λ of the domain inversion part, the wavelength conversion efficiency will be extremely low, and it will be difficult to obtain a practical short wavelength light source. Become.
[0005]
In view of such circumstances, conventionally, as shown in, for example, the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-152555, a narrow-band bandpass filter (in the laser beam optical path between the semiconductor laser and the optical wavelength conversion element) In the following, it has been proposed to adjust and lock the oscillation wavelength of the semiconductor laser to a desired value.
[0006]
An example of such a configuration is shown in FIG. In the figure, 1 is a semiconductor laser that emits a laser beam 2 as a fundamental wave, 3 is an incident optical system, and 4 is an optical waveguide type optical wavelength conversion element having a channel optical waveguide 4a and a periodic domain inversion structure 4b. The incident optical system 3 includes a collimator lens 5 that collimates the laser beam 2 emitted from the semiconductor laser 1 in a divergent light state, a condensing lens 6 that converges the collimated laser beam 2, and these A λ / 2 plate 7 for polarization control disposed between the lenses 5 and 6 and a narrow band BPF 8 made of a dielectric multilayer filter, for example, are provided.
[0007]
The narrow band BPF 8 as described above generally has a spectral transmittance characteristic as shown in FIG. The maximum transmission wavelength λ in this characteristic 0 Generally changes depending on the light incident angle θ to the BPF 8 as shown in FIG. The laser beam 2 transmitted through the BPF 8 having such characteristics is focused by the condenser lens 6 so as to converge at the incident end face of the optical waveguide 4a, and the component input to the optical waveguide 4a in the TM mode and the incident end face. It is divided into the component to reflect.
[0008]
The laser beam 2 input to the optical waveguide 4 a passes through the periodic domain inversion structure 4 b and is converted to the second harmonic 9. On the other hand, the laser beam 2 reflected by the incident end face of the optical waveguide 4a follows an optical path opposite to the optical path so far and is fed back to the semiconductor laser 1 and resonates between the incident end face and the rear end face of the semiconductor laser 1. , So that the semiconductor laser 1 has a wavelength λ 0 It will oscillate at.
[0009]
And the maximum transmission wavelength λ of the BPF 8 0 6 depends on the light incident angle θ to the BPF 8 as shown in FIG. 6, and by rotating the BPF 8 as shown by the arrow A in FIG. 4, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 is changed to the periodic domain inversion structure. It can be adjusted and locked to a value that is phase matched to the period Λ of 4b.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In this conventional apparatus, as schematically shown in FIG. 7 (1), the BPF 8 is rotated to adjust the oscillation wavelength even if the laser beam 2 is correctly applied to the incident end face of the optical waveguide 4a before adjustment. Then, the optical path of the laser beam 2 may be tilted as indicated by a broken line in FIG. This is because the BPF 8 is not a perfect parallel plate and the laser beam 2 is not a perfect parallel light.
[0011]
When the optical path of the laser beam is inclined as described above, the convergence position on the end face of the optical waveguide is shifted. Although this deviation is slight, the diameter of the optical waveguide is generally very small, such as about 2 to 3 μm, so that the optical coupling efficiency of the laser beam to the optical waveguide is reduced, and the output of the wavelength conversion wave is reduced. In the worst case, the amount of light input to the optical waveguide may be extremely reduced, making it impossible to adjust the oscillation wavelength to match the phase matching wavelength.
[0012]
Further, in the above-described conventional apparatus, since it is difficult to produce a BPF having a high transmittance, the amount of light input to the optical wavelength conversion element tends to be low, and thus it is difficult to obtain a high-output wavelength converted wave. The problem is also recognized.
[0013]
More specifically, in order to oscillate the semiconductor laser in a single longitudinal mode, it is generally necessary that the transmission wavelength half-width of the BPF be 0.5 nm or less. In producing a BPF by a multilayer thin film technique, a very advanced film forming technique is required in order to achieve such a transmission wavelength half width and to obtain a high transmittance. For example, if it is attempted to achieve a transmission wavelength half width of 0.5 nm and a transmittance of 80% or more with the current film forming technology, the yield of the film forming process becomes very low, and as a result, the BPF becomes extremely expensive. . If it is attempted to realize a transmission wavelength half width of 0.5 nm with the current normal film forming technology, the transmittance is only about 30%, and the output of the wavelength-converted wave is very low.
[0014]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in an apparatus for converting the wavelength of a laser beam emitted from a semiconductor laser by an optical waveguide type optical wavelength conversion element having a periodic domain inversion structure, the oscillation of the semiconductor laser An object of the present invention is to accurately lock the wavelength to a wavelength that is phase-matched with the period of the domain inversion unit and to obtain a high wavelength converted wave output.
[0015]
Another object of the present invention is to achieve the above object by using an inexpensive BPF.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The first optical wavelength conversion device according to the present invention comprises:
As described above, an optical waveguide type optical wavelength conversion element having a periodic domain inversion structure and a laser beam incident on the optical wavelength conversion element as a fundamental wave are emitted. Oscillate on its own In an optical wavelength conversion device comprising a semiconductor laser,
The collimator lens collimates the laser beam emitted from the semiconductor laser,
The laser beam before entering the optical wavelength conversion element is partly branched by the light branching means,
This branched laser beam is converged on a mirror by a condenser lens,
The laser beam is reflected by this mirror and fed back to the semiconductor laser,
A narrow band BPF is rotatably arranged between the mirror and the light branching means so that the pass wavelength is changed, and the narrow band BPF is fixed when the pass wavelength reaches a predetermined wavelength. .
[0017]
In addition, as said light branching means, what makes 50 to 90% of the laser beam which injected there into inject into an optical wavelength conversion element, and makes the remainder inject into the said mirror is used suitably. Specifically, a beam splitter is preferably used as this light branching means.
[0018]
On the other hand, the second optical wavelength conversion device according to the present invention is an optical wavelength conversion device comprising an optical wavelength conversion element and a semiconductor laser similar to those used in the first optical wavelength conversion device.
From this semiconductor laser, after collimating the laser beam as the backward emission light emitted to the opposite side of the laser beam to be wavelength-converted from the collimator lens, it is converged on the mirror by the condenser lens,
The laser beam is reflected by this mirror and fed back to the semiconductor laser,
Then, a narrow band BPF is provided in the optical path of the laser beam as the backward emission light. The narrow band BPF is fixed when the passing wavelength reaches a predetermined wavelength. It is characterized by that.
[0019]
【The invention's effect】
In the optical wavelength conversion device of the present invention, the adjustment and locking of the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be performed in the same manner as in the conventional device described above by rotating the BPF.
[0020]
In the first optical wavelength conversion device of the present invention, the laser beam that has passed through the BPF is not incident on the optical wavelength conversion element, but the laser beam that has passed through the optical branching unit is incident on the optical wavelength conversion element. As this optical branching means, for example, a beam splitter having a transmittance of 70 to 90% can be used, so that a high input light quantity to the optical wavelength conversion element is secured to obtain a high-output wavelength converted wave. It becomes possible.
[0021]
As described above, if the laser beam that has passed through the BPF does not enter the optical wavelength conversion element, the output of the wavelength-converted wave is reduced even if an inexpensive BPF having a transmittance of about 30% is used. There is no. If an inexpensive BPF can be used in this way, an optical wavelength conversion device can be manufactured at a relatively low cost.
[0022]
In the second optical wavelength conversion device of the present invention, only the laser beam as the backward emission light passes through the BPF, and the laser beam to be wavelength-converted (front emission light) basically has the entire optical wavelength. Since the light is guided to the conversion element, in this case as well, it is possible to secure a high input light amount to the optical wavelength conversion element and obtain a high-output wavelength conversion wave.
[0023]
In the second optical wavelength conversion device of the present invention, when the reflectance of the rear end face of the semiconductor laser is as low as 0%, the semiconductor laser does not oscillate by itself, and the mirror and the semiconductor laser that reflect the backward emitted light Laser oscillation is performed using the front end face as an external resonator. At that time, if a BPF having a low transmittance is used as the BPF disposed between the mirror and the semiconductor laser, the internal optical power of the resonator is lowered, and the oscillation efficiency is lowered. If this is the case, the amount of light emitted from the front of the semiconductor laser is reduced, and as a result the output of the wavelength-converted wave is reduced.
[0024]
On the other hand, in the second optical wavelength converter, when the reflectance of the rear end face of the semiconductor laser is about 2 to 3%, the semiconductor laser oscillates by itself. Even if configured, the amount of light emitted from the front of the semiconductor laser is almost the same as when there is no external resonator. That is, in this case, the light from the external resonator acts weakly and perturbatively on the semiconductor laser. Therefore, the transmittance of the BPF does not affect the amount of light emitted from the front of the semiconductor laser and the output of the wavelength conversion wave.
[0025]
Further, in the optical wavelength conversion device of the present invention, only the laser beam for adjusting the oscillation wavelength passes through the BPF, and the laser beam to be converted is incident on the optical wavelength conversion element separately from the laser beam for adjusting the oscillation wavelength. Even if the optical path of the laser beam is tilted when the BPF is rotated, the amount of light input to the optical wavelength conversion element is not reduced thereby, and the output of the wavelength converted wave is not reduced.
[0026]
In particular, in the second optical wavelength conversion device of the present invention, since the BPF is disposed outside the semiconductor laser and the optical wavelength conversion element, the BPF is rotated for adjusting and locking the oscillation wavelength of the semiconductor laser. However, the input coupling efficiency of the fundamental wave to the optical waveguide of the optical wavelength conversion element is not affected. For this reason, the fundamental wave wavelength can be easily adjusted to the phase matching wavelength while maintaining the input coupling efficiency of the fundamental wave high, and thus extremely high wavelength conversion efficiency can be realized.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an optical wavelength converter according to a first embodiment of the present invention. As shown in the figure, this optical wavelength conversion device is converted into parallel light by a semiconductor laser (laser diode) 10, a collimator lens 12 for collimating a laser beam 11 emitted from the semiconductor laser 10 in a divergent light state. A converging lens 13 for converging the laser beam 11, a λ / 2 plate 14 for polarization control disposed between the lenses 12 and 13, and a space between the λ / 2 plate 14 and the condensing lens 13. A beam splitter 20 as an optical branching unit, and an optical wavelength conversion element 15.
[0028]
Further, a mirror 21 is disposed at a position where the laser beam 11 reflected by the beam splitter 20 is incident. On the other hand, a narrow band BPF 22, a condensing lens 23, and the like so that the laser beam 11 reflected by the mirror 21 is sequentially incident. And a mirror 24 is provided. As the BPF 22, for example, a relatively inexpensive dielectric multilayer filter having a transmittance of 30% is used.
[0029]
As shown in the perspective view of FIG. 2, the optical wavelength conversion element 15 is made of MgO—LN (MgO-doped LiNbO) which is a ferroelectric material having a nonlinear optical effect. Three ) A periodic domain inversion structure 17 in which a domain inversion portion in which the direction of spontaneous polarization parallel to the z-axis is inverted is periodically formed on a crystal substrate 16, and a channel extending along the periodic domain inversion structure 17 An optical waveguide 18 is formed.
[0030]
The MgO-LN crystal substrate 16 is, for example, doped with 5 mol% of MgO. The periodic domain inversion structure 17 is formed so that domain inversion portions are arranged in the x-axis direction of the substrate 16, and the period Λ is in consideration of the wavelength dispersion of the refractive index of MgO-LN with respect to wavelengths near 980 nm. Therefore, it is set to 5.3 μm so as to have a primary cycle. In this example, the length of the periodic domain inversion structure 17 (a dimension in FIG. 2) is 10 mm. Such a periodic domain inversion structure 17 can be formed by various methods disclosed in, for example, JP-A-6-242478.
[0031]
On the other hand, in the channel optical waveguide 18, after forming the periodic domain inversion structure 17, a metal mask pattern is formed on the + z surface of the substrate 16 by known photolithography and dry etching, and this substrate 16 is immersed in pyrophosphoric acid. It can be manufactured by a method such as performing a proton exchange process, removing the mask, and then performing an annealing process. Thereafter, the end faces 18a and 18b of the channel optical waveguide 18 are edge-polished, whereby the optical wavelength conversion element 15 is completed.
[0032]
The proton exchange treatment is performed, for example, at a temperature of 170 ° C. and a proton exchange time of 68 minutes. On the other hand, the annealing treatment is performed, for example, at an annealing temperature of 350 to 370 ° C. and an annealing time of 1 to 2 hours. The width of the channel optical waveguide 18 (dimension b in FIG. 2) is, for example, 6 to 9 μm.
[0033]
As an example of the semiconductor laser 10, a laser that emits a laser beam 11 having a wavelength near 980 nm is used. The laser beam 11 is collimated by the collimator lens 12, and then the polarization direction is adjusted in the z-axis direction of the channel optical waveguide 18 by the λ / 2 plate 14 and enters the beam splitter 20. A beam splitter 20 having a transmittance of 70% is used, and 70% of the incident laser beam 11 passes through the beam splitter 20.
[0034]
The laser beam 11 transmitted through the beam splitter 20 is condensed by the condenser lens 13 and converges on the end face 18 a of the channel optical waveguide 18. As a result, the laser beam 11 enters the channel optical waveguide 18 and is guided there.
[0035]
The laser beam 11 as the fundamental wave traveling in the waveguide mode is phase-matched (so-called quasi-phase matching) in the periodic domain inversion region in the channel optical waveguide 18 and converted into the second harmonic 19 having a wavelength of 490 nm. Is done. This second harmonic wave 19 also propagates through the channel optical waveguide 18 in the waveguide mode and exits from the optical waveguide end face 18b.
[0036]
On the other hand, the laser beam 11 reflected by the beam splitter 20 is reflected by the mirror 21, passes through the narrow band BPF 22, is condensed by the condensing lens 23, converges, and is reflected by the mirror 24 arranged at this convergence position. . The laser beam 11 reflected by the mirror 24 follows the optical path opposite to the optical path up to that point and is fed back to the semiconductor laser 10. The condensing lens 23 is not always necessary, and the laser beam 11 may be incident and reflected on the mirror 24 as a parallel beam. However, in that case, the mirror 24 and the rear end face of the semiconductor laser 10 do not form a confocal optical system, so the angle of the mirror 24 can be adjusted with high accuracy so that the amount of feedback to the semiconductor laser 10 is maximized. Necessary.
[0037]
Here, by rotating the BPF 22 in the direction of arrow A in FIG. 1, only the laser beam 11 having a predetermined wavelength can be fed back to the semiconductor laser 10. The detailed reason is basically the same as that in the conventional apparatus shown in FIG. However, in this case, the rear end face of the semiconductor laser 10 and the mirror 24 constitute an external resonator of the semiconductor laser 10.
[0038]
Thus, if only the laser beam 11 having a predetermined wavelength is fed back to the semiconductor laser 10, the semiconductor laser 10 oscillates at this wavelength. Therefore, by appropriately rotating the BPF 22, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 can be selected and locked to a desired wavelength that is phase-matched with the period Λ of the periodic domain inversion structure 17.
[0039]
In this apparatus, the laser beam 11 transmitted through the BPF 22 having a low transmittance is not incident on the light wavelength conversion element 15, and the laser beam 11 transmitted through the beam splitter 20 having a high transmittance of 70% is used as the light wavelength conversion element. Since the light is incident on the light 15, it is possible to obtain a high-output second harmonic 19 while ensuring a high amount of light input to the optical wavelength conversion element 15.
[0040]
As described above, if the laser beam 11 transmitted through the BPF 22 does not enter the optical wavelength conversion element 15, even if a relatively inexpensive one having a transmittance of 30% is used as the BPF 22, the second harmonic is used. The output of 19 never drops. If an inexpensive BPF 22 can be used in this way, an optical wavelength conversion device can be manufactured at a relatively low cost.
[0041]
In this apparatus, only the laser beam 11 for adjusting the oscillation wavelength passes through the BPF 22, and the laser beam 11 to be wavelength-converted is incident on the optical wavelength conversion element 15 separately. Even if the optical path of the laser beam 11 is tilted when the BPF 22 is rotated for adjustment, the amount of light input to the optical wavelength conversion element 15 is not reduced thereby, and the output of the second harmonic 19 is not reduced.
[0042]
Hereinafter, the output of the second harmonic 19 and the like will be described with specific numerical values. In this first embodiment, first, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 with an output of 100 mW is not selected as a wavelength (980 nm) that is phase-matched with the period Λ of the periodic domain inversion structure 17 in particular. Locked to 983 nm.
[0043]
At this time, the output of the laser beam 11 collimated by the collimator lens 12 was 90 mW due to the loss at the collimator lens 12. Further, the output of the laser beam 11 after passing through the λ / 2 plate 14 and the beam splitter 20 was 63 mW because the transmittance of the beam splitter 20 was 70%. In this case, since the output of the laser beam 11 from the optical wavelength conversion element 15 is 41 mW, the optical coupling efficiency of the laser beam 11 with respect to the optical waveguide 18 is estimated to be about 65%.
[0044]
Next, the BPF 22 was rotated in order to select the oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 to a wavelength that is phase-matched with the period Λ of the periodic domain inversion structure 17. With this rotation, the output of the second harmonic 19 gradually increased, and a maximum output of about 1 mW was obtained. The oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 at this time was 980 nm, which is phase-matched with the period Λ of the periodic domain inversion structure 17. The output of the laser beam 11 that is the fundamental wave from the optical wavelength conversion element 15 was about 40 mW.
[0045]
As described above, in this embodiment, it is confirmed that even if the BPF 22 is rotated to adjust the oscillation wavelength of the semiconductor laser 10, the optical coupling efficiency of the laser beam 11 with respect to the optical waveguide 18 does not decrease as in the conventional apparatus. It was done.
[0046]
In the embodiment described above, the semiconductor laser 10 is DC driven. In this driving method, several to several tens of percent of light intensity noise in the low frequency region (MHz level or lower) due to the semiconductor laser 10 itself, that is, light amount level fluctuations were observed. This is due to the fact that the light amount level is not stabilized (of course, the wavelength is locked to the phase matching wavelength according to the present invention, so that the level fluctuation due to the wavelength fluctuation does not occur). Conventionally, in order to reduce such noise, it is known that a semiconductor laser should be driven at a high frequency. Therefore, when the semiconductor laser 10 was driven at a high frequency with a frequency of 0.1 to 1 GHz, the fluctuation of the light amount level became 1% or less, and a more desirable result was obtained.
[0047]
The oscillation wavelength lock of the semiconductor laser 10 operates stably when the transmittance of the beam splitter 20 is in the range of 50 to 90%. When the transmittance of the beam splitter 20 exceeds 90%, the oscillation wavelength lock becomes slightly unstable.
[0048]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the same elements as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted unless necessary (the same applies hereinafter).
[0049]
In the optical wavelength converter of FIG. 3, the laser beam 11 reflected by the beam splitter 20 is directly bent by the mirror (see the mirror 21 of FIG. 1), and the narrow band BPF 22, the condenser lens 23, and It is configured to enter the mirror 24.
[0050]
Even when the optical path of the laser beam 11 reflected by the beam splitter 20 is bent by the mirror as described above, the direction of the bending is not limited to the direction in FIG. 1, for example, it is bent to the right in FIG. It may be.
[0051]
In the above embodiment, a z-cut substrate (z plate) is used as the MgO-LN crystal substrate 16, and therefore the direction of spontaneous polarization is perpendicular to the substrate surface. However, the present invention is not limited thereto, and as shown in the specification of Japanese Patent Application No. 8-47591 filed by the present applicant, a substrate cut so that the direction of spontaneous polarization is not perpendicular to the substrate surface is used. It is also possible to form a periodic domain inversion structure by directly applying an electric field to.
[0052]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the optical wavelength conversion device of FIG. 8, the laser beam 11 emitted from the semiconductor laser 10 to the front side, that is, the right side in the figure, is guided to the optical wavelength conversion element 15 without being branched. The laser beam 11 incident on the light wavelength conversion element 15 is converted into the second harmonic 19 in the same manner as in the apparatus of FIG.
[0053]
Here, the laser beam 11R is emitted from the semiconductor laser 10 to the rear side, that is, the left side in the drawing. This laser beam 11R, generally referred to as backward emission light, is emitted from the semiconductor laser 10 as diverging light, converted into parallel light by a collimator lens 30, and then transmitted through a narrow band BPF 22 and condensed by a condenser lens 23. Has been converged. The laser beam 11R reflected by the mirror 24 arranged at the convergence position follows an optical path opposite to the optical path up to that point, and is almost entirely fed back to the semiconductor laser 10.
[0054]
Also in this case, only the laser beam 11R having a predetermined wavelength can be fed back to the semiconductor laser 10 by rotating the BPF 22 in the direction of arrow A in the figure. In this case, however, the front end face 10b of the semiconductor laser 10 and the mirror 24 constitute an external resonator of the semiconductor laser 10. Therefore, the reflectance of the rear end face 10a of the semiconductor laser 10 is set to, for example, about 0 to 3%, and the reflectance of the front end face 10b is set to about 10 to 20%, which is higher than that.
[0055]
Thus, if only the laser beam 11R having a predetermined wavelength is fed back to the semiconductor laser 10, the semiconductor laser 10 oscillates at this wavelength. Therefore, by appropriately rotating the BPF 22, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 can be selected and locked to a desired wavelength that is phase-matched with the period Λ of the periodic domain inversion structure 17.
[0056]
Also in this apparatus, only the laser beam 11R for adjusting the oscillation wavelength passes through the BPF 22, and the laser beam 11 subjected to wavelength conversion is incident on the optical wavelength conversion element 15 completely separately. Therefore, even if the optical path of the laser beam 11R is tilted when the BPF 22 is rotated to adjust the oscillation wavelength, the amount of light input to the optical wavelength conversion element 15 is thereby reduced, and the output of the second harmonic 19 is reduced. There is no such thing.
[0057]
Hereinafter, the output of the second harmonic 19 in the optical wavelength converter of the third embodiment will be described with specific numerical values. In this apparatus, first, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 was locked to 983 nm by the BPF 22 without selecting the phase matching wavelength (980 nm). At this time, the output from the optical wavelength conversion element 15 of the laser beam 11 which is the fundamental wave was 40 mW.
[0058]
Next, in order to select the oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 as the phase matching wavelength, the BPF 22 was rotated. With this rotation, the output of the second harmonic 19 gradually increased, and a second harmonic output of about 1 mW at maximum was obtained. At this time, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 was 980 nm, which coincided with the phase matching wavelength. The output of the laser beam 11 that is the fundamental wave from the optical wavelength conversion element 15 was about 39 mW.
[0059]
From the above, it was confirmed that the optical coupling efficiency of the laser beam 11 to the optical waveguide 18 does not decrease as in the conventional apparatus even if the BPF 22 is rotated to adjust the oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 in this apparatus. . That is, according to the present apparatus, high wavelength conversion efficiency can be obtained without changing the input coupling efficiency of the fundamental wave with respect to the optical waveguide of the optical wavelength conversion element.
[0060]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The optical wavelength conversion device of FIG. 9 is different from that of FIG. 8 in that the semiconductor laser 10 is directly coupled to the light incident end face of the optical wavelength conversion element 41. The optical wavelength conversion element having such a configuration can be formed to be small and light because there are few optical components, and has high optical stability because there is little axial displacement of the optical components.
[0061]
When the semiconductor laser 10 is directly coupled to the light incident end face of the light wavelength conversion element 41 as described above, a polarization control element such as the λ / 2 plate 14 in FIG. 1 cannot be provided between them. Therefore, if the optical wavelength conversion element is configured using a z-cut substrate as in the apparatus of FIG. 1 and the TM mode waveguide is adopted, the polarization direction of the laser beam 11 is changed to the z-axis of the channel optical waveguide 18. In order to match the direction, for example, the semiconductor laser 10 needs to be rotated 90 ° from the state shown in FIG. However, if so, the laser beam patterns in the semiconductor laser 10 and the channel optical waveguide 18 will be different, and the optical coupling efficiency between them will deteriorate.
[0062]
Because of these circumstances, when the semiconductor laser 10 is directly coupled to the light incident end face of the light wavelength conversion element, it is not necessary to rotate the polarization direction of the laser beam 11 by 90 °. The use of an element is advantageous in keeping the optical coupling efficiency between the semiconductor laser 10 and the channel optical waveguide 18 high. Therefore, in the present embodiment, the TE mode waveguide type optical wavelength conversion element 41 is configured using an x-cut MgO-LN crystal substrate 40 whose z-axis is horizontal with respect to the substrate surface.
[0063]
In place of the x-cut MgO-LN crystal substrate 40, a TE-mode waveguide type optical wavelength conversion element can be obtained by using a y-cut substrate in which the z-axis direction is horizontal to the substrate surface. Obtainable. Further, as shown in the specification of Japanese Patent Application No. 8-47591 mentioned above, a substrate cut so that the direction of spontaneous polarization is not perpendicular to the substrate surface is used, and an electric field is directly applied to the substrate. By forming a periodic domain inversion structure, a TE mode waveguide type optical wavelength conversion element can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view showing an optical wavelength converter according to a first embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of an optical wavelength conversion element used in the optical wavelength conversion device of FIG.
FIG. 3 is a schematic side view showing an optical wavelength converter according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic side view showing a conventional optical wavelength converter.
FIG. 5 is a schematic diagram showing the spectral transmittance characteristics of a narrow-band bandpass filter.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the light incident angle versus the maximum transmission wavelength characteristic of a narrow-band bandpass filter.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a decrease in optical coupling efficiency of a fundamental wave with respect to an optical wavelength conversion element in a conventional optical wavelength conversion device.
FIG. 8 is a schematic side view showing an optical wavelength converter according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic side view showing an optical wavelength converter according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Semiconductor laser
11 Laser beam (fundamental wave)
12 Collimator lens
13 Condensing lens
14 λ / 2 plate
15 Optical wavelength conversion element
16 MgO-LN crystal substrate (z plate)
17 Periodic domain inversion structure
18-channel optical waveguide
19 Second harmonic
20 Beam splitter
21 mirror
22 Narrow bandpass filter
23 Condensing lens
24 mirror
30 Collimator lens
40 MgO-LN crystal substrate (x plate)
41 Optical wavelength conversion element

Claims (4)

非線形光学効果を有する強誘電体結晶基板に光導波路が形成されるとともに、この光導波路に基板の自発分極の向きを反転させたドメイン反転部が周期的に形成されてなり、該光導波路においてドメイン反転部の並び方向に導波する基本波を波長変換する光波長変換素子と、
前記基本波としてこの光波長変換素子に入射されるレーザビームを発する、それ自身で発振する半導体レーザと、
この半導体レーザから発せられたレーザビームを平行光化するコリメーターレンズと、
前記光波長変換素子に入射する前の前記レーザビームを一部分岐させる光分岐手段と、
この分岐されたレーザビームを反射させて前記半導体レーザにフィードバックさせるミラーと、
前記分岐されたレーザビームを前記ミラー上において収束させる集光レンズと、
前記ミラーと前記光分岐手段との間において前記レーザビームの光路に、通過波長が変わるように回転可能に配され、該通過波長が所定波長になったところで固定された狭帯域バンドパスフィルタとからなる光波長変換装置。
An optical waveguide is formed on a ferroelectric crystal substrate having a nonlinear optical effect, and a domain inversion portion in which the direction of spontaneous polarization of the substrate is inverted is periodically formed on the optical waveguide. An optical wavelength conversion element that converts the wavelength of the fundamental wave guided in the direction of arrangement of the inversion parts;
A semiconductor laser that emits a laser beam incident on the optical wavelength conversion element as the fundamental wave and oscillates by itself ;
A collimator lens that collimates the laser beam emitted from the semiconductor laser;
A light branching means for branching a part of the laser beam before entering the light wavelength conversion element;
A mirror for reflecting the branched laser beam and feeding it back to the semiconductor laser;
A condenser lens for converging the branched laser beam on the mirror;
A narrow band-pass filter that is rotatably arranged in the optical path of the laser beam between the mirror and the optical branching unit so as to change a passing wavelength, and is fixed when the passing wavelength reaches a predetermined wavelength. An optical wavelength conversion device.
前記光分岐手段が、そこに入射した前記レーザビームの50〜90%を前記光波長変換素子に入射させ、残余を前記ミラーに入射させるものであることを特徴とする請求項1記載の光波長変換装置。  2. The optical wavelength according to claim 1, wherein the optical branching unit causes 50 to 90% of the laser beam incident thereon to enter the optical wavelength conversion element and the remainder to enter the mirror. Conversion device. 前記光分岐手段がビームスプリッタであることを特徴とする請求項1または2記載の光波長変換装置。  3. The optical wavelength converter according to claim 1, wherein the optical branching unit is a beam splitter. 非線形光学効果を有する強誘電体結晶基板に光導波路が形成されるとともに、この光導波路に基板の自発分極の向きを反転させたドメイン反転部が周期的に形成されてなり、該光導波路においてドメイン反転部の並び方向に導波する基本波を波長変換する光波長変換素子と、
前記基本波としてこの光波長変換素子に入射されるレーザビームを発する、それ自身で発振する半導体レーザと、
この半導体レーザから、前記レーザビームとは反対側に出射する後方出射光としてのレーザビームを平行光化するコリメーターレンズと、
このレーザビームを反射させて、該半導体レーザにフィードバックさせるミラーと、
前記後方出射光としてのレーザビームを前記ミラー上において収束させる集光レンズと、
前記後方出射光としてのレーザビームの光路に、通過波長が変わるように回転可能に配され、該通過波長が所定波長になったところで固定された狭帯域バンドパスフィルタとからなる光波長変換装置。
An optical waveguide is formed on a ferroelectric crystal substrate having a nonlinear optical effect, and a domain inversion portion in which the direction of spontaneous polarization of the substrate is inverted is periodically formed on the optical waveguide. An optical wavelength conversion element that converts the wavelength of the fundamental wave guided in the direction of arrangement of the inversion parts;
A semiconductor laser that emits a laser beam incident on the optical wavelength conversion element as the fundamental wave and oscillates by itself ;
From this semiconductor laser, a collimator lens that collimates a laser beam as backward emission light emitted to the opposite side of the laser beam;
A mirror that reflects the laser beam and feeds it back to the semiconductor laser;
A condensing lens that converges a laser beam as the backward emission light on the mirror;
An optical wavelength conversion device comprising a narrow-band bandpass filter that is rotatably arranged in the optical path of the laser beam as the backward emission light so that the passing wavelength changes, and is fixed when the passing wavelength reaches a predetermined wavelength.
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