JPH0862651A

JPH0862651A - 第２高調波発生素子

Info

Publication number: JPH0862651A
Application number: JP6198677A
Authority: JP
Inventors: Yuji Koga; 祐二甲賀
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-08-23
Filing date: 1994-08-23
Publication date: 1996-03-08

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザの劣化や環境の変動に対して安
定な基本波光を得、また、基本波光とＳＨＧの位相整合
をとり安定な第２高調波光を得る。【構成】本発明による第２高調波発生素子は強誘電体
材料による基板４にレーザ光を入射する光導波路３と、
前記光導波路３上に複数のクラッド層５を積層し、更に
前記クラッド層５の一部または全部に任意の周期で屈折
率が変化する周期構造をもたせ、前記周期構造内での屈
折率差により発生するブラッグ回折格子により半導体レ
ーザ光の波長を固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザにより第２
高調波（以下、単に「ＳＨＧ」と記す）光を発生させる
波長変換素子に関し、更に詳しくは２次高調波発生のた
めの基本波光を生成する半導体レーザの発振波長のロッ
キング（固定）に用いる波長変換素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来技術】半導体レーザは小型でコヒーレントな光源
としてＣＤプレーヤや光磁気ディスク等に多く用いられ
ている。しかしながら、実用化されている波長は赤色ま
でであり、光ディスクの高密度化等にはより一層の短波
長化が望まれている。

【０００３】その中で小型な青色光源は、一般に入手可
能な波長が８００ｎｍ近辺の半導体レーザを光源として
用い、導波路型のＳＨＧ素子により従来の半導体レーザ
光から波長変換をすることによって青色光を実現してき
た。上記技術は、例えば特開平３−１３７６０５号公報
に開示されている。

【０００４】このＳＨＧ素子に、周波数ωの光を入射す
ると、周波数２ωに波長変換をした光を発生するもの
で、このＳＨＧ素子によって単一波長光の波長範囲の拡
大化がはかられ、これに伴いレーザの利用範囲の拡大と
各技術分野でのレーザ光利用の最適化をはかることがで
きる。

【０００５】近年、特にＳＨＧ素子等の光デバイスにお
いて、その表面に周期的な分極反転構造（いわゆるドメ
イン反転構造）を形成して光出力等の特性の向上をはか
ることが提案されている。

【０００６】このようなＳＨＧ素子としては、例えばＫ
ＴＰを用いたいわゆるバルク型のＳＨＧ素子や、より大
なる非線形光学定数を利用して位相整合を行う導波路型
のＳＨＧ素子、例えばＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）等の強誘電
体結晶の非線形光学材料より成る単結晶基板の上に線形
導波路を形成して、これに近赤外光の基本波光を入力し
て例えば緑あるいは青色光を放射モードとして基板側か
らとりだすチェレンコフ放射型のＳＨＧ素子等がある。

【０００７】しかしながらバルク型ＳＨＧ素子はその特
性上ＳＨＧ変換効率が比較的低く、また廉価で高品質な
ＬＮを得ることは困難であった。またチェレンコフ放射
型ＳＨＧ素子は、ＳＨＧビームの放射方向が基板内方向
であり、ビームスポット形状も例えば三日月状スポット
という特異な形状をなし、実際の使用においての問題点
が存在している。

【０００８】変換効率の高いデバイス実現のためには、
基本波とＳＨＧとの位相伝搬速度を等しくしなくてはな
らない。これを擬似的に行う方法として非線形光学定数
の＋−を周期的に配列する方法が提案がされている
〔Ｊ．Ａ．Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ，ｅｔａｌ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．，Ｖｏｌ．１２，１９１８（１９６
２）〕。これを実現する方法として結晶（例えば結晶
軸）の方向を周期的に反転させる方法がある。具体的な
方法としては、例えば結晶を薄く切断して貼り合わせる
方法〔岡田、滝沢、家入、ＮＨＫ技術研究、２９
（１）、２４（１９７７）〕や、また結晶引き上げ時に
例えば印加する電流の極性を制御して周期的な分域（ド
メイン）を形成して周期分極反転構造を形成する方法
〔Ｄ．Ｆｅｎｇ，ｅｔａｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３７，６０７（１９８０）〕、
〔Ｋ．Ｎａｓｓａｕｅｔｃ，ｅｔａｌ，Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．６，２２８（１９６
５）〕、〔Ａ．Ｆｅｉｓｓｔ，ｅｔａｌ，Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．４７，１１２５（１９
８５）〕等がある。これらの方法は結晶材料の全体に渡
って周期構造を形成することを目的としている。

【０００９】また、分極反転周期構造を有する光導波路
によってＳＨＧ光を出射するには前述の位相整合をとる
必要があり、従来は分極反転周期を電気光学効果による
制御や、素子温度を変化させ位相整合をとってきた（例
えば、ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓＲｅ
ｓｅａｒｃｈ，１９９３ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇ
ｅｓｔＳｅｒｉｅｓ，Ｖｏｌ．１０，Ｐ４６３）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ＳＨＧ素子は、半導体
レーザ等を光源として用いるため光出力を一定に保とう
とした場合、半導体レーザの劣化にともなう注入電流の
増加により発振波長の変動が生じ、前記した基本波の波
長と分極反転周期とが半導体レーザの劣化に伴ってずれ
ることにより、ＳＨＧの光出力変動を生じてしまう問題
を有している。

【００１１】また、前記したような位相整合法では半導
体レーザの発振波長を制御しているわけではなく疑似位
相整合法による第二高調波（ＱＰＭ−ＳＨＧ）発生素子
の分極反転周期を制御することにより基本波とＳＨＧと
の位相整合を図っているものである。

【００１２】従って、半導体レーザの劣化に伴う出力の
変動を防ぐために、従来は半導体レーザへの注入電流を
制御して出力の制御を行っていた。このため、電流注入
に伴う半導体レーザ内部でのキャリア密度の変動による
プラズマ効果に伴う屈折率の減少と発熱効果に伴う屈折
率の増加の双方の屈折率の増減の結果、レーザ発振波長
が変動して基本波光とＳＨＧとの位相整合がとれなくな
り、従ってＳＨＧ光の出力が不安定になって場合によっ
ては出力が停止するという問題を有していた。

【００１３】従って、基本波光とＳＨＧとの位相整合を
はかった後に半導体レーザの劣化や動作環境の変化によ
り位相整合がとれなくなることを防ぐ必要があった。

【００１４】本発明は前記の問題点を取り除き予め基本
波とＳＨＧ素子との位相整合を取った後に、半導体レー
ザが劣化をしても安定なＳＨＧ光を発生する第２高調波
発生素子を提供しようとするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】非線形光学効果を有する
基板の上面に半導体レーザからの出射光を入射せしめる
光導波路を設けた第２高調波発生素子において、前記光
導波路上に第２高調波発生部位を設け、前記基板の上面
にクラッド層を設け、更に前記クラッド層の一部または
全部に任意の周期で屈折率が変化する周期構造を設け
る。

【００１６】また、前記周期構造が矩形状、鋸形状また
は蒲鉾形状として、その周期が半導体レーザからの入射
光に対してブラッグ回折格子となる周期とする。

【００１７】また、前記クラッド層が複数の層から構成
され、かつ前記周期構造がクラッド層の１層もしくは複
数層に渡って設けられた構造とする。

【００１８】更にまた、前記クラッド層を酸化シリコ
ン、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化チタンのい
ずれか、または混合物で構成することにより前記課題を
解決しようとするものである。

【００１９】

【作用】本発明による第２高調波発生素子によれば、第
２高調波発生装置を構成する半導体レーザからの基本波
光のうち、基板に作製したクラッド層内の一部または全
部にわたる任意の周期で作製された周期構造で決定され
るブラッグ波長のみが、導波光がクラッド層までしみ出
していることにより、回折格子の次数（ブラッグ波長＝
８３０ｎｍ）に応じた反射率によって選択的に反射さ
れ、半導体レーザに戻り光１１として戻るため、半導体
レーザの発振波長はブラッグ波長に固定される。

【００２０】即ち、前記周期構造の周期Λ₁が Λ₁＝ｌ・λｇ／２但し、ｌ：整数 λｇ：ブラッグ波長で示される波長の場合、レーザの発振波長はλｇに固定
され、任意の周期で周期構造を作製されたクラッド層
は、導波光がクラッド層までしみ出しているため前期周
期構造によって生じる等価屈折率差によりブラッグ回折
格子となり、ブラッグ波長のみを反射する反射鏡とな
る。

【００２１】従って、半導体レーザから出射した基本波
光は、クラッド層内に作製されたブラッグ回折格子によ
って選択的にブラッグ波長の光のみが半導体レーザに戻
されることになり、半導体レーザの共振器損失が小さい
ブラッグ波長領域の半導体レーザ発振波長が固定される
ことになる。

【００２２】

【実施例】以下本発明による第２高調波発生素子の実施
例について図１ないし図４を参照して説明する。各実施
例共に強誘電体材料としてＫＴＰ、ＬＮ、ＬｉＴａＯ₃
等の非線形光学材料の単結晶を用い、例えばＬＮ単結晶
を用いた場合では、前記ＬＮ単結晶上に光導波路を形成
する。また、光導波路は幅２μｍ〜１０μｍ、深さ０．
２μｍ〜５μｍの範囲である。

【００２３】実施例１第一の実施例である第２高調波発生素子１００およびこ
れを用いた第２高調波発生装置１２０について図１
（ａ）〜（ｂ）および図３を参照して説明する。第２高
調波発生素子１００は強誘電体に半導体レーザ７から出
射した基本波光８を入射する光導波路３と、第１の分極
方向を有する領域１と第２の分極方向を有する領域２
と、光導波路３上に積層された任意の周期で屈折率が変
動する周期構造を有するクラッド層５を集積した構成に
なっている。

【００２４】まず、図１（ａ）に示す第１の分極方向を
有する領域１と第２の分極方向を有する領域２の形成方
法を説明する。第２の分極方向を有する領域２の第２高
調波発生部位１０は疑似位相整合法により構成されるも
のであって、基板４は結晶の面内方向に単分域化された
強誘電体材料を用い、その分極方向を基板４の上面１５
から下面１６にわたる方向とし、上面１５に電極１３を
形成する。この場合Ａｌ等より成る電極は蒸着あるいは
スパッタリング等により被着した後、例えば櫛歯状にパ
ターニングされて形成され、その櫛歯先端部の周期Λ₂
が Λ₂＝λ／２〔ｎ（２ω）−ｎ（ω）〕但し、λ：基本波波長ｎ（２ω）：ＱＰＭ屈折率ｎ（ω）：基本波屈折率となるよう設定する。また、下面１６には全面に同じく
Ａｌ等による電極１４を形成する。

【００２５】このような構成において、１５０°Ｃ以下
の温度で２つの電極１３、１４間に、強誘電体材料の自
発分極の負側の電極に負電位を、また、正側の電極に正
電位を１ｋＶ／ｍｍ〜１００ｋＶ／ｍｍの範囲で、例え
ば１０ｋＶ／ｍｍの電圧を印加して、第２の分極方向を
有する領域２を形成する。この時、上面１５に電極１３
を形成していない領域は電圧が印加されず自発分極を有
したままであり、第１の分極方向を有する領域１とな
る。以上の方法により基板４の上面１５に形成した電極
パターンと同じ分極反転を結晶破壊を殆ど生じることな
く形成することができる。この第１の分極方向を有する
領域１と第２の分極方向を有する領域２とで第２高調波
発生部位１０が構成される。かかる方法の詳細は特開平
３−１０７３９２号公報に開示されている。

【００２６】次に、電極１３、１４を水酸化カリウム水
溶液等で除去し、図示していない従来からの一般的な方
法で光導波路３を形成する。例えばスパッタリング等に
よりＴａを１０ｎｍ〜３０ｎｍの厚さで成膜し、その
後、導波路パターンをフォトリソグラフィー等によって
パターニングする。次に、水酸化カリウム水溶液等で光
導波路３部分のＴａを除去し、２００°Ｃのピロリン酸
中に８〜１５分間漬けることによってプロトン交換を行
い光導波路３を形成する。

【００２７】次に、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）をスパッ
タリングにより光導波路３上に成膜しクラッド層５とす
る。更に前記クラッド層５の部分にブラッグ回折格子と
してその周期Λ₁が Λ₁＝ｌ・λｇ／２但し、ｌ：整数 λｇ：ブラッグ波長であるパターニングをフォトリソグラフィーにより行っ
た後に、化学エッチングによりクラッド層５に図１
（ｂ）に示す周期構造を形成する。尚、ここで説明した
酸化シリコンの他に酸化マグネシウム、窒化シリコン、
酸化チタンのいずれか、または混合物を用いてもよい。

【００２８】また、クラッド層５の周期構造は図１
（ｂ）に示す矩形上の他に、図２（ａ）に示す鋸形状あ
るいは図２（ｂ）に示す蒲鉾形状に形成してもよい。

【００２９】その後３５０度において１〜２時間のアニ
ールを行い、最後に光導波路両端面の研磨を行い、図１
（ｂ）に示す第２高調波発生素子１００が作製される。

【００３０】図３に示すように本発明の第２高調波発生
素子１００と半導体レーザ７を含んで成る第２高調波発
生装置１２０では、半導体レーザ７からの基本波光８を
光導波路３に入射させ、前記光導波路３に形成したブラ
ッグ回折格子からの戻り光１１を前記半導体レーザ７へ
戻すことにより基本波光８を安定化させ、半導体レーザ
７が劣化し、一定の出力を得るために注入電流が変化し
た場合においても安定な第２高調波光９を出力するよう
に構成にしたものである。

【００３１】実施例２次に、第二の実施例である第２高調波発生素子１１０に
ついて図４を参照して説明する。

【００３２】実施例１の第２高調波発生素子１００の光
導波路３上に、例えば窒化シリコン（Ｓｉ₂Ｎ₃）をス
パッタリング法により成膜し第４のクラッド層５−４と
した後、窒化シリコンと酸化シリコンとの混合物（Ｓｉ
ＯＮ）をスパッタリング法により第４のクラッド層５−
４の上に成膜し第３のクラッド層５−３を形成する。

【００３３】その後、前記光導波路３にブラッグ回折格
子としてその周期Λ₁が Λ₁＝ｌ・λｇ／２但し、ｌ：整数 λｇ：ブラッグ波長であるパターニングを例えばフォトリソグラフィーによ
って行った後に、希釈した弗酸等により深さ方向に化学
エッチングを行いクラッド層５内に周期構造を形成す
る。

【００３４】そのまま表面を放置すると散乱損失の原因
になるため、前記クラッド層５の形成後、その上面に屈
折率の異なった材料により５０〜５００ｎｍ程度の保護
層６を形成する。前記保護層６の屈折率はクラッド層５
の屈折率より低いことが望ましいが、光の電界分布が光
導波路３の内部に閉じ込められれば高い屈折率を有する
材料を用いることも可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明による第２高調波発生素子を用い
た第２高調波発生装置によれば、半導体レーザ光のブラ
ッグ回折格子からの戻り光１１を前記半導体レーザへ戻
すことにより基本波光の安定化を図ることができると共
に、半導体レーザが劣化した場合においても安定な第２
高調波光を出力することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第２高調波発生素子の第一の実
施例の略線的断面図であって、（ａ）は第２分極方向の
領域の作製時の素子を示し、（ｂ）は矩形状のクラッド
層を作製した後の素子を示す。

【図２】本発明による第２高調波発生素子のクラッド
層の他の形状を示し、（ａ）は鋸形状であり、また、
（ｂ）は蒲鉾形状である。

【図３】本発明による第２高調波発生素子を用いた第
２高調波発生装置の略線的側面図である。

【図４】本発明による第２高調波発生装置の第二の実
施例の略線的断面図である。

【符号の説明】

１第１の分極方向を有する領域２第２の分極方向を有する領域３光導波路４基板５クラッド層５−１第１のクラッド層５−２第２のクラッド層５−３第３のクラッド層５−４第４のクラッド層７半導体レーザ８基本波光９第２高調波光１０第２高調波発生部位１１戻り光１３、１４電極１５上面１６下面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非線形光学効果を有する基板に形成した
光導波路にレーザ光を入射して第２高調波光を発生する
第２高調波発生素子において、前期光導波路上に第２高調波発生部位を有し、前記基板
上にクラッド層を有し、更に前記クラッド層の一部また
は全部に任意の周期で屈折率が変化する周期構造を有す
ることを特徴とする第２高調波発生素子。
【請求項２】請求項１に記載した第２高調波発生部位
が疑似位相整合法による波長変換構造であることを特徴
とする第２高調波発生素子。
【請求項３】請求項１に記載した第２高調波発生素子
の任意の周期で屈折率が変化する周期構造が矩形状、鋸
形状または蒲鉾形状であることを特徴とする第２高調波
発生素子。
【請求項４】請求項１に記載した第２高調波発生素子
のクラッド層が複数の積層を有し、かつ周期構造がクラ
ッド層の１層もしくは複数層に渡って設けられているこ
とを特徴とする第２高調波発生素子。
【請求項５】請求項１に記載した第２高調波発生素子
の周期構造が基板厚さ方向および光伝搬方向に垂直な方
向に設けられていることを特徴とする第２高調波発生素
子。
【請求項６】請求項１に記載した第２高調波発生素子
の周期構造の周期が半導体レーザの入射光に対してブラ
ッグ回折格子となる周期であることを特徴とする第２高
調波発生素子。
【請求項７】請求項１に記載した第２高調波発生素子
のクラッド層が酸化シリコン、酸化マグネシウム、窒化
シリコン、酸化チタンのいずれか、または混合物である
ことを特徴とする第２高調波発生素子。