JPH0728112A - 導波路型第２高調波発生光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外レーザ光を可視光に変換する、変換効率
が高く発振波長が安定な導波路型第２高調波発生光源を
得る。 【構成】 基板１内に複数の周期が異なる分極反転／屈
折率変調部を有する光導波部４を設け、その一方を分極
反転格子３とし他方を回折格子５とし、入射した半導体
レーザ７の光を、分極反転格子３で第２高調波１５に変
換し、残りを回折格子５でレーザ７側に反射するととも
に、回折格子５上の電極１７に電圧印加し半導体レーザ
波長を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ディスク装置等の光
応用装置の光源として、波長約８００ｎｍの半導体レー
ザ光を波長約４００ｎｍの光に変換するような、導波路
型第２高調波発生光源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光記録再生装置の記録密度を向上し、レ
ーザビームプリンタを高精細化するために、半導体レー
ザの波長を従来の８００ｎｍから５００ｎｍ以下に短縮
することが強く要望されている。しかしながら、このた
めにはレーザ用半導体を従来の三−五族半導体から二−
六族半導体に変更する必要があり、まだ見通しが得られ
ていない。

【０００３】したがって現状では、例えば波長８００ｎ
ｍの半導体レーザ光（赤外光）を第２高調波発生素子
（ＳＨＧ．Second Harmonic Generator）を用いて、波
長４００ｎｍの第２高調波に変換する方法が注目されて
いる。上記波長変換においては誘電率の非線形性が利用
される。しかし、光学材料の屈折率は一般に波長によっ
て変化するため、エネルギー保存則を満足すると運動量
の保存法則が成立しないという問題があり、単純に第２
高調波を取り出すことができなかった。そこで、基本波
と第２高調波との間の位相整合、すなわち第２高調波発
生素子内で発生した無数の第２高調波成分を、光導波路
内において同位相で合成させることが検討されている。

【０００４】例えば１９８９年の電子情報通信学会秋季
全国大会予稿集Ｃ−２４９には図９に示すように、タン
タル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）基板３１上に、マグネ
シウムをドープしたニオブ酸リチウムを液相成長させて
光導波路３２を形成し、その一端より基板表面に対して
水平に偏光３５した基本波３３（ＴＥ偏光）を入射し、
他端面から垂直偏光３６の（ＴＭ偏光）第２高調波３４
を出射させることが開示されている。

【０００５】また、特開昭６１−１８９６４号公報に
は、図１０に示すようにＬｉＮｂＯ₃単結晶基板４１
に、プロトン交換法（ＬｉＮｂＯ₃のＬｉイオンとプロ
トンとを一部置換する方法）により光導波路４２を形成
し、その一端より基板表面に対して垂直に偏光した基本
波４３を入射し、光導波路４２内でチェレンコフ放射に
より発生した垂直偏光の第２高調波４４を取り出す方法
が開示されている。

【０００６】また、エレクトロニクス・レターズ（Elec
tronics Letters）第２５巻、第７３１〜７３２頁には
図１１に示すように、例えばＬｉＮｂＯ₃基板５１等の
自発分極をもつ強誘電体上に、自発分極方向を等ピッチ
で反転させた分極反転層５３と、プロトン交換法により
形成した光導波路５２を設け、上記光導波路５２の一端
よりｚ方向に偏光した基本波５４を入射し、他端よりｚ
方向に偏光した第２高調波５５を取り出す方法が提案さ
れている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記図９に示した従来
方法では、ＬｉＮｂＯ₃の屈折率の波長分散が過大であ
るため、第２高調波３４の波長が５００ｎｍ以下になる
と十分に位相整合することができず、純粋な青色光が得
られないという問題があった。さらに、基本波３３と第
２高調波３４の各偏光方向における屈折率の温度係数が
大きく異なるため、温度により伝播速度が変化して位相
整合条件が崩れるので、許容温度幅は０．２℃程度に狭
くなり、また、光導波路３２の膜厚精度にも０．０１μ
ｍ以下というような非現実的な値が要求されるという問
題もあった。

【０００８】上記図１０に示した従来方法では、第２高
調波出力４４は断面が三日月型になって波面収差が大き
いため、これを光ディスク装置用等の微小光スポットに
絞り込むことができないという問題があった。

【０００９】一方、図１１に示した従来方法の第２高調
波発生素子においては、第２高調波が光導波路５２に閉
じ込められるので出射光を容易に絞り込むことができ、
また、基本波５４と第２高調波５５の偏光方向が同じに
なるので、偏光方向の差異による屈折率やその温度係数
の差異が発生せず、許容温度幅が緩和される。しかし、
実用的には不十分であるうえ、波長選択性が厳しく、半
導体レーザの波長が僅か１ｎｍ変化しただけでも効率が
ほとんどゼロになるというような問題があった。

【００１０】上記波長変動の低減策として、応用物理学
会１９９１年秋期学術講演会予稿集１１ｐ−ＺＮ−９に
は、レーザの温度を±０．５℃以下に制御することが報
告されている。また、他の対策としてＩＥＥＥのジャー
ナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス、第２６巻、
第７号の１２６５〜１２７６頁には、分極反転格子の周
期Λを徐々に変化させて、上記波長選択性を広帯域化す
ることが提案されている。しかし上記方法は、長い分極
反転格子内の周期を数ミクロンオーダーの１／１００以
下ずつずらせるので、実際上は作製困難であるうえ、第
２高調波の発生に寄与するのは分極反転格子の極めて短
い部分であり、他の部分では位相ずれが発生して効率が
低下するという問題があった。

【００１１】また、特開平２−６３０２６号公報には、
図１２に示すように上記分極反転周期を変化させるかわ
りに、光導波路の幅や深さを変化させて、波長選択性を
緩和する方法が提案されている。しかしこの方法でも、
やはり光導波路の短い部分のみしか第２高調波の発生に
寄与しないため、効率が大幅に低下してしまうという問
題があった。

【００１２】最近では電気情報通信学会技術報告、ＯＱ
Ｅ９１−２３の第３１〜３６頁において、図１３に示す
ように、図１１に示す第２高調波発生素子と半導体レー
ザ７１間をレンズ系７３と光ファイバ７２によって結合
し、上記光ファイバ７２と第２高調波発生素子を半導体
レーザ７１の出力側反射ミラーの機能を兼ねたレーザ共
振器として利用し、レーザ発振波長を第２高調波発生可
能な波長に引き込む方法が提案されている。この方法で
はレーザ波長が安定化されるものの、上記レーザ波長に
対する分極反転格子の反射率を高めることは、すなわち
導波路の損失を増加させることであり、第２高調波発生
効率が大きく低下してしまうという問題がある。また、
第２高調波発生素子の作製時に発生する様々な誤差によ
り、例えは設計波長と実際の動作波長とがずれ、半導体
レーザを特別に選択するか、または結晶の温度を調節し
て、設計波長と実際の動作波長を一致させねばならない
という副次的な問題もあった。

【００１３】本発明の目的は、上記図１３に示す従来装
置の問題点を解消し、レーザ波長λの変化に対する効率
ηの劣化が僅少であり、集光容易で波面収差が小さく、
製造容易な導波路型第２高調波発生光源を得ることにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、基本波であ
る半導体レーザの光を、自発分極を有する光学基板内に
設けた、自発分極の向きおよび基板の屈折率が周期的に
変調される光導波部に入射して、第２高調波に変換する
導波路型第２高調波発生光源において、上記光導波部が
少なくとも２つ以上の互いに周期が異なる領域からな
り、上記半導体レーザが、上記光導波部のある周期Λ１
を有する領域からのブラッグ反射により、

【００１５】

【数１】

【００１６】を満足する波長λで発振され、上記領域以
外の変調周期Λ２の少なくとも１つが

【００１７】

【数２】

【００１８】を満足し（ただし、Ｎ（λ）は波長λにお
ける導波光の実効屈折率、Ｎ（λ／２）は波長λ／２に
おける導波光の屈折率である）、かつ（１）式を満足し
ないように設定することによって達成される。また、上
記（２）式を満足する周期を有する変調領域が、半導体
レーザと（１）式を満足する変調領域との間に設置され
ることによって、あるいは、上記光導波部の周期Λ１を
有する領域以外の領域は、変調周期Λ２の少なくとも１
つが上記（１）式を満足しないように設定され、少なく
とも上記（１）式を満足する変調領域上に、光学的に透
明な薄膜を介して設けた一対の電極間に電圧印加して得
た電界により、上記電極下の光導波部の屈折率を制御
し、上記半導体レーザの発振波長を変化させることによ
り、変調周期Λ２の少なくとも１つが（２）式を満足す
るようにし、かつ周期Λ２を有する変調領域が、半導体
レーザと（１）式を満足する変調領域との間に設置され
ることによって達成される。

【００１９】また、上記光学基板の半導体レーザ光入射
端面または上記半導体レーザとの間に、半導体レーザ光
のみを透過し半導体レーザの第２高調波を反射する手段
を設け、また、上記光学基板の半導体レーザ光入射端面
とは反対側の端面に、半導体レーザの第２高調波を透過
する手段を設け、さらに、上記半導体レーザの上記光学
基板とは反対側の端面に半導体レーザ光を反射する手段
を設けることにより達成され、さらにまた、上記一対の
電極が上記光導波部の光の伝搬方向に並行に配置するこ
とにより達成される。

【００２０】

【作用】本発明における２つ以上の互いに周期が異なる
領域からなる光導波部を有する光学基板では、入射した
半導体レーザ光が、周期Λ２を有する変調領域で第２高
調波に変換される一方、周期Λ１を有する変調領域で
は、上記第２高調波に変換されない半導体レーザ光が半
導体レーザ側に反射される。また、上記光学基板の半導
体レーザ入射部に設けた反射手段は、半導体レーザの第
２高調波成分を反射して基本波成分を透過するが、上記
半導体レーザ端面の反射手段は、上記半導体レーザ光を
例えば９０％以上反射する。

【００２１】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は本発明による導波路型第２高調波発生光源の
第１実施例を示す断面図、図２は上記第１実施例の平面
図、図３は上記実施例の分極反転周期、回折格子周期と
半導体レーザ波長の関係図、図４は上記実施例の回折格
子反射率とブラッグ条件からのずれを示す図、図５は本
発明による導波路型第２高調波発生光源の第２実施例を
示す断面図、図６は本発明の第３実施例を示す断面図、
図７は本発明の光源を光ディスクに応用した例を示す
図、図８は本発明の光源をレーザビームプリンタに適用
した例を示す図である。

【００２２】まず、本発明による導波路型第２高調波発
生光源を、図１３に示す従来の光源素子と比較して本発
明の特徴を明らかにする。図１において、半導体レーザ
７の光はコリメートレンズ系９、偏光板１１、集光レン
ズ系１０を介して、基板１内に設けられた光導波部４の
端面に入射する。したがって、コリメートレンズ系９、
偏光板１１、集光レンズ系１０等が、図１３に示す従来
素子の光ファイバ６２に相当する。なお上記コリメート
レンズ系９、偏光板１１、集光レンズ系１０等を光ファ
イバに置き換えても、本発明の作用および効果は変らな
い。

【００２３】基板１には周期Λ２の分極反転／屈折率変
調部３と周期Λ１の分極反転／屈折率変調部５とが光導
波部４に沿って設けられ、上記分極反転／屈折率変調部
３により基本波レーザ光を第２高調波に変換し、分極反
転／屈折率変調部５により上記基本波側に反射する。し
たがって、半導体レーザ７と分極反転／屈折率変調部５
間の伝播特性により、半導体レーザ７の発振波長（基本
波波長）λが決定される。すなわちこの部分が半導体レ
ーザ７の共振器として動作する。

【００２４】これに対し図１３に示す従来の光源素子で
は、分極反転格子５３が上記分極反転／屈折率変調部５
の役割を兼ねている。この結果、上記のように図１３に
示す素子では構造が簡単化されるけれども、第２高調波
変換効率ηと基本波に対する反射率を同時に高めること
が困難である、という問題が発生していた。

【００２５】本発明では周期Λ２の分極反転／屈折率変
調部３と周期Λ１の分極反転／屈折率変調部５とを別々
に設けることにより、第２高調波発生部と基本波の反射
部とを分離できるので、それぞれを最適に設計すること
ができる。また、本発明では分極反転／屈折率変調部５
上に、光学的に透明な薄膜を介して光導波部４に平行に
一対の電極１７が配置されている。上記電極１７に電界
を印加することにより、分極反転／屈折率変調部５内を
伝搬する導波光の実効屈折率を変化させることができ、
分極反転／屈折率変調部５のブラッグ反射波長を変える
ことができる。これにより、素子作製誤差により第２高
調波発生波長とレーザ発振波長がずれた場合でも、電圧
印加により両者を一致させることができる。また逆に、
電極１７に高周波の交流電界を印加することで、レーザ
発振波長を高周波数で変化させることもできるので、こ
れによりレーザ発振波長を第２高調波発生波長からずら
すことができ、第２高調波出力強度を変調することがで
きる。

【００２６】第１実施例 本発明による導波路型第２高調波発生光源の第１実施例
を図１により詳細に説明する。基板１はＺｃｕｔＬｉＴ
ａＯ₃単結晶板であり、その表面は−ｃ面になってい
る。上記基板１の自発分極は通常下向きであり、基板１
内にプロトン交換法により分極反転／屈折率変調部３お
よび５が同時に作製される。上記ＬｉＴａＯ₃やＬｉＮ
ｂＯ₃の単結晶は、空間群Ｒ３ｃに属する強誘電体結晶
であり、その非線形光学係数の符号は上記自発分極の向
きに一致して周期的に反転する（ジャーナル・オブ・ア
プライド・フィジクス（Journal of Applied Physics）
のVol.40, No.2, 720〜734頁参照）。半導体レーザ７は
一端に反射膜８を備え、偏光板１１により偏光方向を９
０度回転されて光導波部４に入射する。分極反転／屈折
率変調部３において、上記基本波レーザ光は第２高調波
に変換される。コーティング膜１２は上記基本波を通過
させ第２高調波光を反射させる。上記分極反転／屈折率
変調部３から出射した基本波成分は、分極反転／屈折率
変調部５により反射されて、半導体レーザ７側にフィー
ドバックされ半導体レーザ７を例えば波長８３０ｎｍで
発振させる。また、分極反転／屈折率変調部３から出射
した第２高調波成分１５は、その反射を防止するための
コーティング膜１３とコリメートレンズ１４を通過して
出射される。なお、上記各光学素子はホルダ１６により
位置決めされてコンパクトにマウントされる。

【００２７】つぎに上記本発明による導波路型第２高調
波発生光源の特性を理論的に導いて、その特徴を具体的
に説明する。光導波部４の実効屈折率の変化ΔＮは波長
の変化によって生じる。可視光領域では物質の屈折率ｎ
の波長依存性はSellmeinerの式に従う。例えばＬｉＴａ
Ｏ₃では（３）式のようになる。

【００２８】

【数３】

【００２９】ただし、Ａ₁＝４．５７８９、Ａ₂＝９．９
３０４×１０~¹⁴、Ａ₃＝４．２２７５×１０~¹⁴、Ａ₄＝
２．２４００×１０¹⁰で、λの単位はｍである。

【００３０】なお、Ａ₁〜Ａ₄等の値は、Ｔｉ−サファイ
アレーザ、色素レーザ、アルゴンレーザを用いた測定に
より求めた、図１に示す実施例における基板１の屈折率
ｎｓに対する値である。（３）式の値を用いて、設計波
長λ₀＝８５０（ｎｍ）からのずれΔλに対するΔＮを
求めると（４）式が得られる。

【００３１】

【数４】

【００３２】長さ１０ｍｍの第２高調波発生素子で効率
を最大値の８０％以上に保つには、ΔＮを２．５×１０
~⁵以下にする必要があるが、（２）式によりこれをΔλ
に換算すると０．０４３ｎｍ以下に抑える必要があるこ
とがわかる。しかし、半導体レーザの波長は通常１ｎｍ
のオーダで変化するため、上記のような条件を満たすこ
とはほとんど不可能である。

【００３３】そこで本発明では、前記のように分極反転
／屈折率変調部５からのブラッグ反射を用いて半導体レ
ーザ７の発振波長をロックし、同時に半導体レーザ７の
注入電流値の変化や縦モードホッピングを防止するよう
にしている。図３は半導体レーザ７の発振波長λと分極
反転周期Λ２とブラッグ回折周期Λ１の関係を示す図で
ある。上記ブラッグ回折周期Λ１は（１）式で与えられ
る。図３からｑ＝１とするとλ＝８５０ｎｍになり、こ
れに対してΛ１は０．１９μｍという作製困難な値にな
るので、本実施例ではｑ＝１７に設定し分極反転／屈折
率変調部５の周期をΛ１＝３．４μｍにした。また分極
反転周期Λ２は（２）式で与えられる。λ＝８５０ｎｍ
で第２高調波を発生させるには、Λ２＝３．９μｍとす
る必要があることがわかる。本実施例では分極反転／屈
折率変調部３の周期をΛ１＝３．９μｍに設定した。

【００３４】本実施例では、上記のように分極反転／屈
折率変調部３を分極反転格子として、分極反転／屈折率
変調部５をブラッグ回折格子として用いているが、逆に
分極反転／屈折率変調部３がブラッグ回折格子として作
用する可能性もある。しかし図３より、Λ２＝３．９μ
ｍの周期でレーザ発振する可能性がある波長は、８０５
ｎｍまたは８８５ｎｍであり、レーザの利得が極めて小
さい波長域なので、これらの波長では発振しないと考え
られる。したがって、レーザ発振は波長８５０ｎｍ付近
のみでおこり、周期Λ２＝３．９μｍの分極反転／屈折
率変調部３ではブラッグ反射がおこらず、第２高調波の
みが発生する。

【００３５】ところで、分極反転／屈折率変調部におけ
るブラッグ反射の複素反射率ｒは（５）式で与えられ
る。

【００３６】

【数５】

【００３７】ただし、Ｋは結合係数、Ｌ_bはブラッグ回
折格子の長さ、Δβは位相不整合量で

【００３８】

【数９】

【００３９】αは光損失係数である。

【００４０】回折格子５の反射係数はＲ＝｜ｒ｜²で表
わされ、ブラッグ条件を満足するΔλ＝０の場合に
（６）式に示す最大値Ｒ₀をとる。

【００４１】

【数６】

【００４２】分極反転／屈折率変調部５の結合係数κは
（７）式のようになる（西原、春名、栖原共著「光集積
回路」オーム社、７７頁参照）。

【００４３】

【数７】

【００４４】ただし、ｎ_fは光導波部の屈折率、Ｈ
_y（ｘ）は磁場の界分布、ｎ（ｘ）は座標ｘにおける屈
折率、ｑはブラッグ回折次数である。

【００４５】本実施例ではブラッグ回折次数をｑ＝１７
とする。また、分極反転／屈折率変調部はプロトン交換
法によって作製するので、Δｎ＝０．０１程度でありκ
＝５．０×１０~⁴μｍ~¹となる。光導波路４の光伝搬損
失を約０．５ｄＢ／ｃｍとしＬ_b＝４０００μｍとし
て、その反射率Ｒを求めると図４が得られる。図４にお
いて、ブラッグ条件が満足されるとき（Δλ＝０）の反
射率Ｒは０．９１３であり、Ｒの値が８０％以上の値に
保たれる波長Δλの範囲は±０．０５ｎｍと良好な波長
選択性をもつ。したがって、半導体レーザの発振波長は
ほぼこの範囲に引き込まれ、安定な第２高調波の発振を
実現することができる。

【００４６】また、第２高調波の発生効率ηも図１３に
示した従来の素子よりも、格段に大きくすることができ
る。その理由の第１は、半導体レーザ７の外部共振器と
して必要な分極反転／屈折率変調部５を第２高調波を発
生する分極反転／屈折率変調部３から分離しているの
で、光伝搬損失が小さくなるように分極反転／屈折率変
調部３を製作できるからである。第２の理由は、基本波
に対する反射率を度外視して第２高調波発生効率を高め
るように、分極反転／屈折率変調部３を製作できるから
である。また第３の理由は、第２高調波を発生する分極
反転／屈折率変調部３を、半導体レーザ７と回折格子と
して作用する分極反転／屈折率変調部５との中間に置い
たため、基本波の往路と帰路とで第２高調波が発生され
るためである。さらに、上記第２高調波がコーティング
膜１２により反射されてほぼ完全にコーティング膜１３
から出射されることも、第２高調波の発生効率ηに寄与
する。

【００４７】上記検討結果に基いて作製した、本発明に
よる導波路共振型ＳＨＧ光源の発振特性はつぎのように
なった。出力ミラーの反射率を０．１％、後方反射ミラ
ーの反射率を９０％とした場合の最高出力が、入力電流
２００ｍＡで１００ｍＷのストライプ形ＧａＡｌＡｓ系
半導体レーザを用い、後方ミラー８の反射率をやはり９
０％とし出力側を反射防止膜でコーティングした場合
に、しきい値が約５０ｍＡであり、注入電流２００ｍＡ
で４０ｍＷという極めて強い波長４２５ｎｍ（青色）の
第２高調波出力を得た。従来の第２高調波発生素子の出
力は、同程度の入力に対して２．０ｍＷレベルであるか
ら、本発明により第２高調波出力レベルをほぼ２０倍に
高め得たことになる。上記出力レベルは反射鏡８、コー
ティング膜１２や外部共振器等の構造を最適化すること
によりさらに向上できる可能性がある。

【００４８】つぎに、電極１７による引込み波長の補正
効果について記載する。上記のように第２高調波発生の
基本波波長帯域は±０．０４３ｎｍと極めて狭いので、
例えば素子作製工程において種々の作製誤差が発生した
場合は、分極反転／屈折率変調部５によって引き込まれ
た半導体レーザの引込み波長と、第２高調波発生の波長
がずれてしまうことが起り得る。そこで、電極１７に直
流電圧を印加することによって、回折格子５上を伝搬す
る導波光の実効屈折率を補正し、引込み波長を調整する
ことができる。

【００４９】電圧印加による実効屈折率の変化ΔＮは、
（８）式で大体を表わすことができる。

【００５０】

【数８】

【００５１】ここで、ｒは電気光学係数で、例えばＬｉ
ＴａＯ₃の場合は約３０ｐｍ／Ｖという値をもつ。ｎは
光導波路４の屈折率、Ｖは印加電圧、ｇは電極の距離、
Γは導波光の電場と印加電界の電場との重なりを表わす
係数で、電極と光導波路との配置にもよるが、その値は
０．３〜０．７である。したがって、ＴＴＬレベルの電
圧±５Ｖの印加により、例えば電極距離を５μｍとした
場合にΔＮ＝８×１０￣^５となり、これより引込み波長
は±０．５ｎｍほど補正できる。５０Ｖ程度の電圧を印
加すれば、±５ｎｍという大幅な補正も可能である。

【００５２】逆に半導体レーザの引込み波長と第２高調
波発生の波長が一致している場合は、上記電圧印加によ
って出力の第２高調波の強度を変調できる。上記のよう
に第２高調波の出力は、半導体レーザの波長が所定の波
長から僅か０．１５ｎｍずれただけで殆んどゼロにな
る。そこで、上記ＴＴＬレベルの±５Ｖの電圧印加によ
り半導体レーザ波長を０．５ｎｍずらせば、第２高調波
の出力をゼロにすることができる。また、電圧値を調整
し基本波の屈折率を変化させることにより、（２）式に
従って任意の第２高調波強度を得ることができる。

【００５３】なお、上記周期Λ２の分極反転／屈折率変
調部３と周期Λ１の分極反転／屈折率変調部５とは、上
記半導体レーザ７に対する設定位置が逆であっても、同
様の効果が得られる。

【００５４】つぎに、本実施例における光源の作製方法
を簡単に説明する。−ｃ面を鏡面に研磨したＬｉＴａＯ
_３基板１上に、３０ｎｍ厚のＴａ膜をスパッタリング法
で成膜し、図２に示す分極反転／屈折率変調部３ならび
に５の斜線部を、開口を有するホトマスクを用いてホト
レジストにパターニングしたのち、上記ホトレジストを
マスクにして反応性イオンエッチング法を用いてＴａ膜
をパターニングしたのちに上記ホトレジストを除去す
る。その後、上記基板１を白金板に乗せ、さらに白金板
ごと上記基板をプレート型ヒータに乗せて、ピロりん酸
（Ｈ₂Ｐ₄Ｏ₇）を適量基板上に滴下したのち、温度２４
０℃ないし２６０℃、時間３０分ないし６０分程熱処理
を行ない、白金ごと上記ヒータから降して急冷する。そ
の後基板を十分に水洗し、７０℃に加熱した水酸化ナト
リウム水溶液を用いてＴａ膜を除去する。このようにし
て、スパイク形状の分極反転格子と、屈折率が０．０１
から０．０２程変調された分極反転／屈折率変調部３お
よび５が同時に形成される。上記分極反転／屈折率変調
部３および５は、このままで伝搬損失約０．５ｄＢ／ｃ
ｍの良好な光導波路４になっている。したがって、上記
作製法によれば、分極反転格子と回折格子および光導波
路を別個に作製していた従来の作製に比べ、極めて簡単
な工程で素子を作製することができる。分極反転／屈折
率変調部３および５を作製したのち、例えば二酸化けい
素のバッファ層６をスパッタリング法で約１００ｎｍ成
膜し、その後周期Λ１の分極反転／屈折率変調部５の電
極パタン１７を形成する。

【００５５】最後に、素子を約２０ｍｍ×１０ｍｍのチ
ップに切り出し、上記１０ｍｍの辺の２端面を光学研磨
した。その後、上記素子、半導体レーザ７、レンズ系等
をホルダ１６上に位置決めし、マウントして光源の作製
を終了する。

【００５６】第２実施例 図５に示す本発明の第２実施例は、位相整合法としてバ
ランス位相整合を用いた例である。図５において、１０
１は例えばＫＴＰ（ＰＯ₄）基板、１０２および１０３
はルビジウム（Ｒｂ）イオン拡散法によって形成された
分極反転／屈折率変調部であり、１０２は第２高調波を
発生する部分（第１実施例の３に相当）、１０３はレー
ザ波長を固定する回折格子の作用をする部分（第１実施
例の５に相当）である。その他の部分はすべて上記第１
実施例と同一であり、複数の屈折率領域のバランスで基
本波と第２高調波との位相整合を行っている。

【００５７】第３実施例 図６に示す本発明の第３実施例は、位相整合を非線形光
学係数を周期的に小さくすることにより達成する例であ
る。図６において１１１は例えばＬｉＮｂＯ₃基板であ
り、１１２および１１３はそれぞれプロトン交換された
部分とされない部分とにより構成された、第２高調波を
発生する部分（第１実施例の３に相当）、およびレーザ
波長を固定する回折格子の作用をする部分（第１実施例
の５に相当）を示し、その他の部分はすべて第１実施例
と同一である。上記プロトン交換された部分の非線形光
学係数はプロトン交換されていない部分の非線形光学係
数の約半分であり、これによって擬位相整合を達成する
ことができる。

【００５８】第４実施例 上記第１実施例から第３実施例に示した第２高調波発生
光源を、光ディスクの記録または再生に使用した第４実
施例を図７に示す。光ディスクに記録されるべき信号に
よって本発明の光源は変調されるが、変調の方法は第１
実施例に示したように、上記信号に従って電極１７に所
定の電圧を印加してレーザ光源の発振周波数を変化さ
せ、位相整合条件を強制的に崩すことによって行う。本
発明による光源１２２の導波路端面から発した、直流電
圧印加手段１２１により変調された光ビームは、その後
第２高周波コリメートレンズ１２３を介し、ビームスプ
リッタ１２４、ミラー１２５に至り、対物レンズ１２６
を経てスポットに形成され、変調信号に応じて光ディク
１２７の上にピットの列が形成される。これを再生する
ときは記録時より低い光パワーとし、上記光ディスク１
２７からの反射光をビームスプリッタ１２４で分岐し、
光検出器１２８で受光してもとの変調信号を復調する。

【００５９】第５実施例 上記第１実施例から第３実施例に示した第２高調波発生
光源を、レーザビームプリンタ用の光源として用いた第
５実施例を図８に示す。上記第４実施例の場合と同様に
第２高調波発生光源１２２を発する変調された光はレン
ズで集光され、回転多面体１３１で光ビームは左右に振
られ、走査用対物レンズ１２６により感光ドラム１３２
上にスポットが形成される。変調信号により上記感光ド
ラム１３２上に形成された潜像に、トナーがまぶされて
紙に転写される。

【００６０】

【発明の効果】上記のように本発明による導波路型第２
高調波発生光源は、基本波である半導体レーザの光を、
自発分極を有する光学基板内に設けた、自発分極の向き
および基板の屈折率が周期的に変調される光導波部に入
射して、第２高調波に変換する導波路型第２高調波発生
光源において、上記光導波部が少なくとも２つ以上の互
いに周期が異なる領域からなり、上記半導体レーザが、
上記光導波部のある周期Λ１を有する領域からのブラッ
グ反射により

【００６１】

【数１】

【００６２】を満足する波長λで発振され、上記領域以
外の変調周期Λ２の少なくとも１つが

【００６３】

【数２】

【００６４】で満足し（ただし、Ｎ（λ）は波長λにお
ける導波光の実効屈折率、Ｎ（λ／２）は波長λ／２に
おける導波光の屈折率）、かつ（１）式を満足しないよ
うに設定することにより、あるいは上記（２）式を満足
する周期を有する変調領域が、半導体レーザと（１）式
を満足する変調領域との間に設置されることにより、２
つ以上の互いに周期が異なる分極反転／屈折率変調部を
作製し、その一方を第２高調波発生用に、他方を回折格
子として用いるため、第２高調波発生部と基本波の反射
部とを分離できるので、それぞれに対して最適の設計を
することができる。

【００６５】また、半導体レーザの発振周波数が電極に
印加される電圧により制御されるため、上記半導体レー
ザの発振周波数を第２高調波発生周波数にチューニング
したり、逆に第２高調波光の強度を直接変調することも
できる。また、上記半導体レーザの出力向上とともに、
第２高調波の発生効率を従来装置に比べて格段に大きく
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による導波路型第２高調波発生光源の第
１実施例を示す断面図である。

【図２】上記第１実施例の平面図である。

【図３】上記第１実施例の分極反転周期および回折格子
周期と半導体レーザ波長との関係を示す図である。

【図４】上記実施例における回折格子反射率とブラッグ
条件からのずれを示す図である。

【図５】本発明による導波路型第２高調波発生光源の第
２実施例を示す断面図である。

【図６】本発明による導波路型第２高調波発生光源の第
３実施例を示す断面図である。

【図７】本発明の光源を光ディスクに応用した第４実施
例を示す図である。

【図８】本発明の光源をレーザビームプリンタに適用し
た第５実施例を示す図である。

【図９】従来の複屈折位相整合法を用いた第２高調波発
生素子を示す斜視図である。

【図１０】従来のチェレンコフ位相整合法を用いた第２
高調波発生素子の斜視図である。

【図１１】従来の分極反転格子を用いた第２高調波発生
素子の斜視図である。

【図１２】従来の導波路の幅が変調された第２高調波発
生素子の斜視図である。

【図１３】従来の分極反転格子共振型第２高調波発生素
子の構成図である。

【符号の説明】

１ 光学基板 ３、５ 分極反転／屈折率変調部 ４ 光導波部 ６ 透明薄膜 ７ 半導体レーザ ８ 反射膜 １２、１３ コーティング膜 １５ 第２高調波 １７ 電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 楓 弘志 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 薦田 琢 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 牧尾 諭 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地 日立金属株 式会社磁性材料研究所内 (72)発明者 二反田 文雄 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地 日立金属株 式会社磁性材料研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基本波である半導体レーザの光を、自発分
   極を有する光学基板内に設けた、自発分極の向きおよび
   基板の屈折率が周期的に変調される光導波部に入射し
   て、第２高調波に変換する導波路型第２高調波発生光源
   において、上記光導波部が少なくとも２つ以上の互いに
   周期が異なる領域からなり、上記半導体レーザが、上記
   光導波部のある周期Λ１を有する領域からのブラッグ反
   射により、 【数１】 （ただし、Ｎ（λ）は波長λにおける導波光の実効屈折
   率）を満足する波長λで発振され、上記領域以外の変調
   周期Λ２の少なくとも１つが 【数２】 （ただし、Ｎ（λ／２）は波長λ／２における導波光の
   屈折率）を満足し、かつ（１）式を満足しないように設
   定することを特徴とする導波型第２高調波発生光源。
2. 【請求項２】上記（２）式を満足する変調周期を有する
   領域は、上記半導体レーザと上記（１）式を満足する変
   調周期の領域との間に設定されたことを特徴とする請求
   項１記載の導波路型第２高調波発生光源。
3. 【請求項３】上記（１）式を満足する変調領域は、該変
   調領域上に光学的に透明な薄膜を介して一対の電極を設
   け、上記電極間に直流電圧を印加して、上記光導波部の
   屈折率を調整することを特徴とする請求項１記載の導波
   路型第２高調波発生光源。
4. 【請求項４】上記一対の電極間に印加する直流電圧は、
   得られる電界により上記電極下の光導波部における屈折
   率を制御し、上記半導体レーザの発振波長を変化させる
   ことにより、第２高調波出力の強度を変調することを特
   徴とする請求項２記載の導波路型第２高調波発生光源。
5. 【請求項５】上記光導波部の周期Λ１を有する領域以外
   の領域は、変調周期Λ２の少なくとも１つが上記（１）
   式を満足しないように設定され、少なくとも上記（１）
   式を満足する変調領域上に光学的に透明な薄膜を介して
   一対の電極を設け、上記一対の電極間に電圧を印加して
   得られる電界により、上記電極下の光導波部の屈折率を
   制御し、上記半導体レーザの発振波長を変化させて変調
   周期Λ２の少なくとも１つが（２）式を満足するように
   し、かつ周期Λ２を有する変調領域が、半導体レーザと
   （１）式を満足する変調領域との間に設置されることを
   特徴とする請求項１記載の導波路型第２高調波発生光
   源。
6. 【請求項６】上記光学基板は、上記半導体レーザ光の入
   射端面または半導体レーザとの間に、半導体レーザ光の
   みを透過し、半導体レーザの第２高調波を反射する手段
   を設けたことを特徴とする請求項１記載の導波路型第２
   高調波発生光源。
7. 【請求項７】上記光学基板は、上記半導体レーザ光の入
   射端面とは反対側の端面に、半導体レーザの第２高調波
   を透過する手段を設けたことを特徴とする請求項１記載
   の導波路型第２高調波発生光源。
8. 【請求項８】上記半導体レーザは、上記光学基板とは反
   対側の端面に、半導体レーザ光を反射する手段を設けた
   ことを特徴とする請求項１または請求項３から請求項６
   のいずれかに記載の導波路型第２高調波発生光源。
9. 【請求項９】上記一対の電極は、上記光導波部の光の伝
   搬方向と平行に、配置されていることを特徴とする請求
   項２または請求項４記載の導波路型第２高調波発生光
   源。