JPH0990448A

JPH0990448A - 光導波路及び第２高調波発生装置

Info

Publication number: JPH0990448A
Application number: JP7242865A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ota; 啓之大田; Kiminori Mizuuchi; 公典水内; Yasuo Kitaoka; 康夫北岡; Kazuhisa Yamamoto; 和久山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 1997-04-04
Anticipated expiration: 2015-09-21
Also published as: JP3453946B2

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザの出力変動や波長変動を低減す
るので、第２高調波の出力変動を低減し、高出力で安定
な第２高調波発生装置を得る。【構成】第２高調波発生素子には高屈折率層３と保護
膜６が形成されている。この保護膜６の入射側端面４付
近を、半導体レーザの光導波路内に反射光が結合しない
程度に後退させることにより、半導体レーザへの戻り光
を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコヒーレント光源を応用
した、光情報処理、光応用計測制御、光通信や光記録の
光源として用いる光導波路及び第２高調波発生装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザのレーザ光を光学素子の表
面あるいは内部にある光導波路に結合する場合、光学素
子の端面等で反射した光が半導体レーザに戻ると、半導
体レーザの雑音強度の増加や、発振波長のモードホッピ
ングが発生する。そこで、これまでは次のような反射戻
り光の低減方法が提案されている。

【０００３】光通信用半導体レーザ光源に関しては、特
開昭５５−６９１５号公報、特開昭５５−１６４４８０
３号公報、特開昭５６−２１１０７号公報などに報告さ
れているように、光ファイバやその他の部品の端面を出
射光の光軸から傾けて配置する、光アイソレータを用い
る、部品間の屈折率差を樹脂などを充填してなくす、半
導体レーザからの出射光に垂直な面をなくし曲面にする
など、様々な工夫がなされている。

【０００４】一方、第２高調波発生素子と半導体レーザ
の光学的結合においては、半導体レーザに戻る反射光を
抑制するための工夫はほとんどなされていない。これま
で提案されているのは、特開平５−９３９３１号公報で
示されたように、第２高調波発生素子の入射端面及び出
射端面の法線方向を半導体レーザのレーザ光の光軸に対
して傾けて戻り光を低減する方法、また、特開平６−１
１８４６６号公報あるいはＵＳＰ５３１３５４３で示さ
れたように、第２高調波発生素子において、出射端付近
で半導体レーザのレーザ光が導波しないように、光導波
路幅を狭める方法とわずかであった。

【０００５】また、従来、基板表面に高屈折率層が形成
された光導波路の導波光は基板の上まで広がっているた
め、光導波路上に付着するゴミや残留物質による散乱や
反射などの影響を受け伝搬損失が増大する。また、金属
拡散法やプロトン交換法などで形成された高屈折率層を
表面に晒しておくと、屈折率の経時変化によって、最悪
の場合は導波しなくなる。従って、基板表面に形成され
た高屈折率層の上に、誘電体等からなる保護膜を形成し
なければならなかった。

【０００６】また、第２高調波発生素子と半導体レーザ
の光学的結合において、結合の調整の簡便さやビーム広
がり角を考慮して、半導体レーザと第２高調波発生素子
の基板は同一平面上に配置される。しかし、通常、半導
体レーザはＴＥモードで発振するのに対し、複屈折率を
有する基板を用いた第２高調波発生素子上の光導波路は
ＴＥモードを導波しないので、図１３のように２分の１
波長板２４を用いて半導体レーザのレーザ光の偏光状態
をＴＥモードからＴＭモードに変えなければならなかっ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】発振波長の安定性や雑
音強度の低減が重要な光通信用光源はもとより、基本波
と第２高調波の位相整合を取るための手段として分極反
転を用いた第２高調波発生装置においては、半導体レー
ザ等のレーザ光源の発振波長に応じた分極反転層の構造
を作製しており、また分極反転層構造の発振波長に対す
る許容度は非常に狭く、半導体レーザの発振波長が構造
設計時の波長より０．２ｎｍ変化することにより、半導
体レーザから入射される基本波と第２高調波の位相整合
がとれなくなり、第２高調波が発生しなくなるという問
題があるので、安定に第２高調波の発生を行おうとすれ
ば、半導体レーザへの戻り光を抑制し、波長変動やモー
ドホップ等を抑制することが大きな課題であった。

【０００８】光導波路に入射するレーザ光は入射端面で
反射するばかりでなく、光導波路を導波して出射端面に
おいても反射するので、光導波路中の損失が小さければ
その影響は無視できないほど大きくなる。特に、結合レ
ンズを用いてレーザ光の結合効率が極めて高い場合、レ
ーザ光源の出射端面と光導波路の端面に集光点を持つ共
焦点系を構成しているので、光導波路を通って出射する
反射光も高い結合効率でレーザ光源に結合する。従っ
て、両端面に反射防止膜を形成する方法だけを用いて反
射光の低減を行った場合、両端面共に０．０１％以下の
反射率に低減するため精密な膜厚と屈折率の制御が必要
となり、実用的ではなかった。

【０００９】また、反射防止膜の形成に組み合わせて、
従来提案された反射光を低減する方法を用いた場合、反
射光が減少しても、レーザ光の結合効率の減少や光導波
路の出射端から出射するレーザ光及び高調波の集光特性
の劣化という課題があった。

【００１０】本発明は、上記問題点を解決するため、光
導波路、あるいは高屈折率層上に形成された保護膜、あ
るいは半導体レーザと第２高調波発生素子の間のレーザ
光の結合光学系に新たな工夫を加えることにより、半導
体レーザへの戻り光を低減して半導体レーザの波長の安
定性と、高調波を安定に出力する第２高調波発生装置を
提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１に、基板表面に形成
された高屈折率層の上に保護膜を有する光導波路で、半
導体レーザ等のコヒーレント光源からの入射光が結合し
ない程度に入射端面付近の保護膜を後退させ、導波して
出射端面において保護膜から反射しない程度に出射端面
付近の保護膜を後退させるという手段を有するものであ
る。例えば、半導体レーザの波長が９００ｎｍ以下で基
板の屈折率が２以上の場合、端面から前記保護膜を２０
μｍ以上後退させればよい。

【００１２】第２に、基板表面に形成された高屈折率層
からなる光導波路が出射端面よりも内部で途切れている
という手段を有するものである。また、前記基板が非線
形光学材料からなり第２高調波発生素子を構成する場
合、出射端面の近傍に発生する高調波のみを導波して、
基本波は導波しない光導波路を形成する。

【００１３】第３に、基板表面に形成された高屈折率層
からなる光導波路が入射端面よりも内部で途切れている
という手段を有するものである。

【００１４】第４に、基板表面に形成された高屈折率層
からなる光導波路が入射端面付近では入射光が導波しな
い幅や、屈折率等の条件を満たすという手段を有するも
のである。特に、半導体レーザの波長が９００ｎｍ以下
の場合、入射端面における高屈折率層からなる光導波路
の幅を２μｍ以下とすればよい。

【００１５】第５に、高屈折率層からなる光導波路の入
射端面の法線が入射光の光軸に対して傾いており、前記
半導体レーザと第２高調波発生素子の間にコリメートレ
ンズの有効口径と同じ口径のピンホールを配置するとい
う手段を有するものである。

【００１６】

【作用】本発明の光導波路により半導体レーザへの戻り
光を低減することができ、半導体レーザの発振波長の安
定化及び雑音の低減が実現され、第２高調波発生素子の
場合、安定な高調波発生が得られる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を用いた実施例により詳細に説明
する。

【００１８】（実施例１）光導波路の保護膜に使われて
いる材料は、導波光に対する透過性や、形成の容易さや
温度や湿度などの対環境性を考慮したものが選ばれてい
るため、基板と保護膜の屈折率は異なることがほとんど
である。特に、基板としてＬｉＮｂ_xＴａ₍ _1-x)Ｏ₃（０
≦ｘ≦１）を使った場合、ＳｉＯ₂やＴａ₂Ｏ₅等の保護
膜に比べ、屈折率の差は極めて大きい。我々は、これに
着目し、光導波路からの反射戻り光の低減の方法を着想
した。

【００１９】図１は屈折率が２．１５のＬｉＴａＯ₃基
板に反射率０％の無反射条件を満たす単層の（Ｓｉ
Ｏ₂）_x（Ａｌ₂Ｏ₃）_(1-x)（０≦ｘ≦１）からなる反射
防止膜を形成した場合で、保護膜の部分における反射率
を保護膜の屈折率に対して示した図である。ここで、光
導波路に入射するレーザ光の波長を８５０ｎｍ、反射防
止膜の屈折率は１．４６６、膜厚は１４４．９ｎｍであ
る。光導波路の実効屈折率が２．１６、厚さが３μｍの
場合、光導波路に入射するレーザ光のうち保護膜の部分
に分布する強度の割合は、少なくとも３０％程度存在す
る。反射戻り光を抑制するために、基板屈折率に対する
反射防止膜が理想的に反射率０％を実現しても、保護膜
上に形成された反射防止膜による反射率は大きくなって
しまう。

【００２０】我々の実験では、半導体レーザの波長が安
定し、反射光に対する相対雑音強度（ＲＩＮ）として少
なくとも−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下、実用的には−１４０
ｄＢ／Ｈｚ以下を実現するためには、半導体レーザの特
性のバラツキを考慮して、反射光を０．０１％以下に低
減することが必要であることを見いだした。従って、反
射率を０．０１％以下に低減するために、保護膜の屈折
率で改善を試みる場合、保護膜は２．１５±０．０７の
狭い範囲の屈折率をもつ材料に限定されるので、実現は
困難である。

【００２１】ここで、我々は保護膜の入射端面における
反射光が存在し、これがかなり大きいことに気づいた。
そのため、ここでの反射光の抑制を図ることにした。つ
まり、本実施例のポイントは、高屈折率層の上に形成さ
れた保護膜の入射側の端面付近を後退させて、半導体レ
ーザへの戻り光の低減を図ったことにある。

【００２２】なお、保護膜を入射側端面側のみ後退させ
れば十分に反射率の低減の効果が得られるが、出射端面
側においても同様に後退させてあれば、さらに出射端面
からの反射戻り光の低減の効果が得られる。

【００２３】図２に、第１の実施例における光導波路の
構造図を示す。ここで、図２において、１はＬｉＴａＯ
₃基板、２は分極反転層、３はプロトン交換光導波路、
４は入射端面、５は出射端面、６は保護膜、７は反射防
止膜である。

【００２４】第１の実施例の光導波路について、以下に
その製造方法を図３を用いて説明する。同図（ａ）でＬ
ｉＴａＯ₃基板１の表面にプロトン交換法によって高屈
折率層３を形成する。同図（ｂ）で高屈折率層３の上に
ＳｉＯ₂からなる保護膜６をスパッタによって形成す
る。同図（ｃ）で保護膜６の上に粘度５以上のレジスト
を滴下すると、保護膜のエッジまで広がったレジストは
表面張力によって、入射端面４及び出射端面５に付着す
ることなく、保護膜のエッジまでレジストで覆われる。
この後、９０℃のオーブン中で５０分間ベークする。同
図（ｄ）で、ＬｉＴａＯ₃基板１を濃度１％のフッ酸水
溶液中に２０分以上浸すことによって、保護膜６は表面
に露出している入射端面４と出射端面５からエッチング
されて、次第に保護膜の端部は入射端面４と出射端面５
のそれぞれから２０μｍ以上後退する。同図（ｅ）でア
セトンでレジスト８を除去して、入射端面４と出射端面
５のそれぞれに反射防止膜７を形成して本発明の光導波
路が得られる。

【００２５】以上のように本発明の光導波路の製造方法
を用いれば、保護膜の端部除去を行うために、通常行わ
れる、大がかりな露光装置を使用するエッチングマスク
を形成する工程を必要とせず、簡単な工程で実現でき
る。

【００２６】次に、本発明の製造方法で作製された光導
波路に半導体レーザからのレーザ光を結合した場合に、
保護膜の除去部分の長さによる保護膜の端部における反
射率の変化を図４を用いて説明する。ここで、レーザ光
の波長は８５０ｎｍ、保護膜は屈折率１．４５のＳｉＯ
₂であり、入射端面と出射端面にはＬｉＴａＯ₃基板の屈
折率に対する反射防止膜が形成されている。ただし、保
護膜の除去部分の長さは入射端面、出射端面共に同じ長
さである。図４から端面の反射率を０．０１％以下にす
るためには保護膜の除去部分の長さが２０μｍ以上あれ
ばよいことがわかる。この程度の保護膜の端部除去であ
れば、光導波路上に付着するゴミや残留物質による散乱
や反射はほとんど発生しないので、半導体レーザへの反
射戻り光の低減して、レーザ光の波長の安定化を実現す
ることができる。さらに、本発明の方法を用いれば、従
来の方法とは異なり出射光の集光特性に影響を及ぼさず
に、反射戻り光の低減を実現することができる。

【００２７】なお、本実施例ではレーザ光の波長が８５
０ｎｍの場合を示したが、９００ｎｍ以下であれば、端
面から前記保護膜を２０μｍ以上後退させればよい。

【００２８】なお、保護膜の形状が端部に近づくにつれ
て薄くなるくさび形である場合、光導波路の端部付近で
導波モードのピーク位置が基板側にずれるため、結合す
るレーザ光が保護膜の端部に分布する強度は小さくなっ
て、保護膜からの反射光が減少するため、さらに反射率
の低減の効果が得られる。

【００２９】なお、本実施例では光導波路の基板にＬｉ
ＴａＯ₃基板を用いたが、他にＭｇＯをドープしたＬｉ
ＴａＯ₃基板、ＬｉＮｂＯ₃基板、ＫＴＰ、有機非線形材
料、半導体でも同様な素子が得られる。

【００３０】特に、高い非線形定数を有するＬｉＮｂ_x
Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）は、屈折率が高いので、本
発明の方法は半導体レーザへの反射光の低減に有効であ
る。

【００３１】なお、本実施例では反射防止膜は、（Ｓｉ
Ｏ₂）_x（Ａｌ₂Ｏ₃）_(1-x)（０≦ｘ≦１）の単層で構成
されている。特に、２付近の高い屈折率を有する基板に
は、組成比ｘを調節するだけで反射防止膜の屈折率を簡
単に制御できるので有効な方法である。反射防止膜とし
て、他に酸化物、フッ化物等を用いたり、多層膜を構成
しても同様の効果が得られる。

【００３２】なお、本実施例では高屈折率層の形成方法
として、プロトン交換法を例として用いたが、Ｔｉ拡散
等の方法によって形成された高屈折率層でも同様の効果
が得られる。

【００３３】なお、本実施例では保護膜としてＳｉＯ₂
を例として用いたが、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＮ、Ｍ
ｇＦ等の誘電体やＺｎＯ、ＡｌＮ、ＧａＮ等の半導体を
用いても同様な結果が得られる。

【００３４】（実施例２）図５は、第２の実施例におけ
る第２高調波発生装置を示すものである。第２高調波発
生装置は半導体レーザ９と第２高調波発生素子からな
る。図５において、１はＬｉＴａＯ₃基板、２は分極反
転層、３はプロトン交換光導波路、４は入射端面、５は
出射端面、６は保護膜、７は反射防止膜である。

【００３５】ここで、本実施例の第２高調波発生素子
は、実施例１のＬｉＴａＯ₃基板に光導波路でいう高屈
折率層であるプロトン交換導波路３と直交するように分
極反転層２が形成されたものである。

【００３６】以上のように構成された第２の実施例の第
２高調波発生装置について、以下に動作を説明する。第
２高調波発生素子は、プロトン交換光導波路３の入射端
面４に入射されたレーザ光を周期的な分極反転層２によ
って波長変換し、出射端面５より変換された高調波を出
射する。レーザ光源に波長８５０ｎｍの半導体レーザ９
を用いると第２高調波発生素子により、半分の波長の４
２５ｎｍの青色のレーザ光を発生することができる。こ
の第２高調波発生素子は光導波路用いて光閉じこめ効果
を大きくし、かつ長い作用長を実現することができるた
め、非常に高効率の波長変換が可能である。

【００３７】作製した第２高調波発生装置の安定性を測
定するために、第２高調波発生装置の出力（高調波出
力）の時間変動を測定した。半導体レーザの出力が１０
０ｍＷのとき１ｍＷの高調波出力が得られた。保護膜の
端部エッチングが行われていない場合、出力変動は８０
％以上と激しく変化した。保護膜の端部エッチングを２
０μｍ以上にすると出力変動は３％以下となり、安定し
た高調波出力が得られた。さらに、本発明の方法を用い
れば、従来の方法とは異なり出射光の集光特性に影響を
及ぼさずに、反射戻り光の低減を実現することができ
る。

【００３８】なお、本実施例では第２高調波発生素子の
基板にＬｉＴａＯ₃基板を用いたが、他にＭｇＯをドー
プしたＬｉＴａＯ₃基板、ＬｉＮｂＯ₃基板、ＫＴＰ、有
機非線形材料でも同様な素子が得られる。

【００３９】なお、本実施例では反射防止膜は、（Ｓｉ
Ｏ₂）_x（Ａｌ₂Ｏ₃）_(1-x)（０≦ｘ≦１）の単層で構成
されている。特に、２付近の高い屈折率を有する基板に
は、組成比ｘを調節するだけで反射防止膜の屈折率を簡
単に制御できるので有効な方法である。反射防止膜とし
て、他に酸化物、フッ化物等を用いたり、多層膜を構成
しても同様の効果が得られる。

【００４０】なお、本実施例では保護膜として、ＳｉＯ
₂を用いたが、他の誘電体単体あるいは多層膜を用いて
も同様な効果が得られる。

【００４１】なお、本実施例では半導体レーザのレーザ
光を第２高調波発生素子に直接結合した場合で説明し
た。しかし、図６のように、半導体レーザと第２高調波
発生素子の間に少なくとも１個以上の結合レンズ１０が
配置された場合は、半導体レーザの出射端面と第２高調
波発生素子の入射端面付近は、結合レンズ１０のｆ値と
レーザ光の波長で決まる焦点深度の範囲で結合する。従
って、保護膜の端部除去の長さを焦点深度よりも大きく
とれば、保護膜の端部からの反射光を抑制することがで
きるので、安定な第２高調波発生素子の高調波出力を得
る。

【００４２】（実施例３）図７は、第３の実施例におけ
る第２高調波発生装置を示すものである。第２高調波発
生装置は半導体レーザ９と第２高調波発生素子からな
る。図７を用いて、第２高調波発生素子の構成を説明を
すると、１はＬｉＴａＯ₃基板、２は分極反転層、３は
プロトン交換光導波路、４は入射端面、５は出射端面、
７は反射防止膜である。

【００４３】ここで、本実施例の第２高調波発生素子の
プロトン交換光導波路３は、出射端面よりも内部に光導
波路の端点１１が配置されている。

【００４４】以上のように構成された第２の実施例の第
２高調波発生装置で、半導体レーザ９から出射されたレ
ーザ光は入射端面４より入射して、プロトン交換光導波
路３に結合して導波するレーザ光はほとんどが光導波路
の端点１１で放射されて、１部が反射されて光導波路中
に結合する。プロトン交換光導波路３の実効屈折率とＬ
ｉＴａＯ₃基板１の屈折率の比が減少するのに従い光導
波路の端点１１の位置における界面による反射は減少
し、例えば、屈折率の比が１．０２以下であれば光導波
路の端点１１の位置における界面による反射率は０．０
１％以下となる。従って、レーザ光は入射端面４と光導
波路の端点１１の位置における界面のみで反射するの
で、出射端５に反射防止膜を形成する必要がないため、
半導体レーザへの反射光を低減が容易に実現できる。こ
の場合、半導体レーザの波長変動は３％以下に抑制され
て、安定な高調波出力が得られる。

【００４５】さらに、出射端面側に基本波であるレーザ
光の波長に対する反射防止膜を形成する必要がないこと
から、高調波に対する反射防止膜を形成することによっ
て高調波出力の増大が実現される。基板の屈折率が高い
ほど、出力増大の効果は大きい。

【００４６】一方、出射端面から出射される高調波は光
導波路を通らないため波面収差を持っているが、非球面
レンズによって波面の修正を行いながら集光すれば、集
光特性に優れた高調波が得られる。

【００４７】また、光導波路の端点１１の形状が図９及
び図１０のように次第に幅が細くなる場合、光導波路の
端点１１における反射は減少するため、さらに、半導体
レーザへの反射光は低減される。

【００４８】また、光導波路の端点１１から高調波のみ
を導波光として取り出して、出射高調波の波面修正レン
ズを不要にすることができる。

【００４９】第１に、図１０のようにＴａ₂Ｏ₅等の高屈
折率誘電体膜１２を光導波路端点１１と１部重なるよう
に形成する。基本波であるレーザ光に比べて高調波は基
板表面に強く分布しているので、高調波の方が強く高屈
折率誘電体膜１２中に結合して導波するが、レーザ光は
そのまま放射される。ここで、高屈折率の基板を出射端
付近に張り合わせたり、基板と等しい屈折率の膜を形成
すると、基板表面で反射される成分をそのまま出射する
ことができるため、出射ビームの形状がさらに改善され
る。

【００５０】第２の方法として、図１１のように光導波
路の端点１１の先に周期的に分布する高屈折率領域１３
を形成することである。高屈折率領域１３をプロトン交
換光導波路３と同時に作製すると、高屈折率領域１３の
実効屈折率はプロトン交換光導波路３に比べて低くなる
ので、高調波の結合のみを強くして、レーザ光は放射さ
れるようにすることができる。ただし、高屈折率領域１
３の分布する周期は、レーザ光の波長に対してブラッグ
反射条件とならないように与えなければならない。

【００５１】なお、本実施例では高屈折率層の形成方法
として、プロトン交換法を例として用いたが、Ｔｉ拡散
等の方法によって形成された高屈折率層でも同様の効果
が得られる。

【００５２】なお、本実施例では第２高調波発生素子の
基板にＬｉＴａＯ₃基板を用いたが、他にＭｇＯをドー
プしたＬｉＴａＯ₃基板、ＬｉＮｂＯ₃基板、ＫＴＰ、有
機非線形材料でも同様な素子が得られる。

【００５３】特に、本実施例のようにＬｉＮｂ_xＴａ
_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）基板を用いた場合、光導波路の
端点で幅や深さが広がらないように容易に作製できるの
で、本発明の方法に適した材料である。

【００５４】（実施例４）図１２は、第４の実施例にお
ける第２高調波発生装置を示すものである。第２高調波
発生装置は半導体レーザ９と第２高調波発生素子からな
る。図１２を用いて、第２高調波発生素子の構成を説明
をすると、１はＬｉＴａＯ₃基板、２は分極反転層、３
はプロトン交換光導波路、４は入射端面、５は出射端
面、７は反射防止膜である。

【００５５】ここで、本実施例の第２高調波発生素子の
プロトン交換光導波路３は、入射端面よりも内部に光導
波路の端点１１が配置されている。

【００５６】半導体レーザ９から出射されたレーザ光は
入射端面４より入射して、光導波路の端点１１でプロト
ン交換光導波路３に結合する。導波するレーザ光は出射
端５で反射するが、反射されたレーザ光は光導波路の端
点１１で放射されて、半導体レーザの活性層には結合し
ない。従って、レーザ光は入射端面４のみで反射するの
で、反射防止膜７は入射端のみ形成すればよいので、反
射光の低減が容易になる。この場合、半導体レーザの波
長変動は３％以下に抑制されて、安定な高調波出力が得
られる。

【００５７】さらに、出射端面側に基本波であるレーザ
光の波長に対する反射防止膜を形成する必要がないこと
から、高調波に対する反射防止膜を形成することによっ
て高調波出力の増大が実現される。基板の屈折率が高い
ほど、出力増大の効果は大きい。

【００５８】なお、本実施例では半導体レーザのレーザ
光を第２高調波発生素子に直接結合した場合で説明し
た。しかし、半導体レーザと第２高調波発生素子の間に
少なくとも１個以上の結合レンズが配置された場合は、
半導体レーザの出射端面と第２高調波発生素子の光導波
路の端点付近は、結合レンズのｆ値とレーザ光の波長で
決まる焦点深度の範囲で結合する。ここで、光導波路の
端点１１と入射端４との間の距離を焦点深度よりも大き
くとれば、入射端４からの反射光は結合レンズで半導体
レーザの端面に集光せず、さらに反射光を抑制すること
ができるので、安定な第２高調波発生素子の高調波出力
を得る。

【００５９】なお、本実施例では高屈折率層の形成方法
として、プロトン交換法を例として用いたが、Ｔｉ拡散
等の方法によって形成された高屈折率層でも同様の効果
が得られる。

【００６０】なお、本実施例では第２高調波発生素子の
基板にＬｉＴａＯ₃基板を用いたが、他にＭｇＯをドー
プしたＬｉＴａＯ₃基板、ＬｉＮｂＯ₃基板、ＫＴＰ、有
機非線形材料でも同様な素子が得られる。

【００６１】特に、本実施例のようにＬｉＮｂ_xＴａ
_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）基板を用いた場合、光導波路の
端点で幅や深さが広がらないように容易に作製できるの
で、本発明の方法に適した材料である。

【００６２】（実施例５）図１４は、第５の実施例にお
ける第２高調波発生装置を示すものである。第２高調波
発生装置は半導体レーザ２０と第２高調波発生素子から
なる。図１４を用いて第２高調波発生素子の構成を説明
をすると、２７はＬｉＴａＯ₃基板、２８はプロトン交
換光導波路、２９は分極反転層、３０は結合レンズであ
る。ここで、本実施例の第２高調波発生素子のプロトン
交換光導波路３は、入射端面よりも内部に光導波路の端
点１１が配置されている。

【００６３】本発明のポイントは半導体レーザのレーザ
光の偏光状態をＴＥモードからＴＭモードに変換するの
に、従来の２分の１波長板を用いる方法に対し、非線形
光学材料の複屈折率を利用することである。

【００６４】本実施例で用いる第２高調波発生素子のＬ
ｉＴａＯ₃基板２７は常光線と異常光線の屈折率はそれ
ぞれ、２．１５３８、２．１５７８である。ここで、Ｌ
ｉＴａＯ₃基板２７の面方位と異常光線の方向のなす角
が１０度以上、５０度以下である場合、ＬｉＴａＯ₃基
板２７中を通るレーザ光は最初の偏光軸２５から回転し
て、光導波路２８中で導波する偏光軸２６に変換され
る。レーザ光の波長が８５０ｎｍである場合、この変換
に必要な長さは１０６μｍである。これによって、２分
の１波長板を必要とせず、しかも入射端面から内部にあ
る光導波路に結合するため、第２高調波発生素子の小型
化、及びレーザ光の結合効率の増大が図られる。

【００６５】従って、本発明の方法を用いれば、半導体
レーザ光への反射光は低減され、かつ小型で、高調波出
力の安定した第２高調波発生装置が得られる。

【００６６】ここで、基板２７の面方位と異常光線の方
向のなす角が１０度以下であると、レーザ光の偏光軸は
ほとんど回転しなってしまう。また、なす角が５０度以
上であると利用される非線形定数が小さくなり、第２高
調波発生素子の変換効率が小さくなってしまうため、実
用的ではない。

【００６７】なお、本実施例では高屈折率層の形成方法
として、プロトン交換法を例として用いたが、Ｔｉ拡散
等の方法によって形成された高屈折率層でも同様の効果
が得られる。

【００６８】なお、本実施例では第２高調波発生素子の
基板にＬｉＴａＯ₃基板を用いたが、他にＭｇＯをドー
プしたＬｉＴａＯ₃基板、ＬｉＮｂＯ₃基板、ＫＴＰ等の
複屈折率を有する非線形光学材料でも同様な素子が得ら
れる。

【００６９】特に、本実施例のようにＬｉＮｂ_xＴａ
_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）基板を用いた場合、光導波路の
端点で幅や深さが広がらないように容易に作製できるの
で、本発明の方法に適した材料である。

【００７０】なお、本実施例では半導体レーザのレーザ
光を第２高調波発生素子に結合レンズ３０を用いて結合
した場合で説明した。しかし、図１５のように、半導体
レーザと第２高調波発生素子を直接結合した場合も、同
様の効果が得られる。

【００７１】（実施例６）図１６は、第６の実施例にお
ける第２高調波発生装置を示すものである。第２高調波
発生装置は半導体レーザ９と第２高調波発生素子からな
る。図１６を用いて、第２高調波発生素子の構成を説明
をすると、１はＬｉＴａＯ₃基板、２は分極反転層、３
はプロトン交換光導波路、４は入射端面、５は出射端
面、７は反射防止膜である。

【００７２】ここで、本実施例の第２高調波発生素子の
プロトン交換光導波路３は、入射端面４側で波長８５０
ｎｍのレーザ光が導波しないように幅を２μｍ以下にし
てある。

【００７３】特に、半導体レーザの波長が９００ｎｍ以
下で基板の屈折率が２以上の場合、入射端面における高
屈折率層からなる光導波路の幅を２μｍ以下とすればよ
い。

【００７４】ここで、半導体レーザ９から出射されたレ
ーザ光は入射端面４より入射して、光導波路の端点１１
でプロトン交換光導波路３に結合する。導波するレーザ
光は出射端５で反射するが、反射されたレーザ光は光導
波路の入射端面４側で放射されるので、半導体レーザの
活性層には結合しない。従って、レーザ光は入射端面４
のみで反射するので、この場合、半導体レーザの波長変
動は３％以下に抑制されて、安定な高調波出力が得られ
る。

【００７５】なお、本実施例では高屈折率層の形成方法
として、プロトン交換法を例として用いたが、Ｔｉ拡散
等の方法によって形成された高屈折率層でも同様の効果
が得られる。

【００７６】なお、本実施例では第２高調波発生素子の
基板にＬｉＴａＯ₃基板を用いたが、他にＭｇＯをドー
プしたＬｉＴａＯ₃基板、ＬｉＮｂＯ₃基板、ＫＴＰ、有
機非線形材料でも同様な素子が得られる。

【００７７】特に、本実施例のようにＬｉＮｂ_xＴａ
_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）基板を用いた場合、光導波路の
端点で幅や深さが広がらないように容易に作製できるの
で、本発明の方法に適した材料である。

【００７８】なお、本実施例では半導体レーザのレーザ
光を第２高調波発生素子に直接結合した場合で説明し
た。しかし、半導体レーザと第２高調波発生素子の間に
少なくとも１個以上の結合レンズが配置された場合も、
同様に、安定な第２高調波発生素子の高調波出力を得
る。

【００７９】（実施例７）概略構成図１７において４０
は0.86μm帯の１４０mW級AlGaAs半導体レーザー、４１
はN.A.=0.5のコリメートレンズ、４２はN.A.=0.55の集
光レンズ、４３は第２高調波発生素子である。

【００８０】第２高調波発生素子４３はＬｉＴａＯ₃基
板４４上に周期的に分極反転領域４５が形成されている
擬似位相整合方式の波長変換素子である。コリメートレ
ンズ４１で平行になった半導体レーザ４０からのレーザ
光は、ピンホール４６を通過し、集光レンズ４２により
第２高調波発生素子４３の入射端面４７に集光される。
第２高調波発生素子４３により半分の波長の光に変換さ
れた高調波光は、反対側の出射端面４８より得られる。
第２高調波発生素子４３の入射端面４７には反射防止膜
が形成されているが、0.1％程度の反射が残存してい
る。半導体レーザ４０の端面と第２高調波発生素子４３
の入射端面４７は共焦点光学系を形成しているため、反
射光は半導体レーザ４０の活性層にフィードバックす
る。本実施例では、第２高調波発生素子４３が半導体レ
ーザ４０の光軸に対して５度傾いて設置されているた
め、反射光は構成図１７に図示された点線の光路を通
る。即ち、半導体レーザ４０からのレーザ光とその反射
光では、光路が異なる。本実施例のように、コリメート
レンズ４１と集光レンズ４２の間にピンホール４６が設
置されていると、反射光の一部分をカットすることがで
きるため、従来の方法に比べて簡単な構成で、半導体レ
ーザ４０にフィードバックする反射光の量を低減でき
る。

【００８１】本実施例では、６０％程度の反射光量をカ
ットすることを実現でき、フィードバック量を0.04％以
下に低減し、半導体レーザ４０の戻り光ノイズも低減で
きた。

【００８２】（実施例８）本実施例の構成図１８におい
ても、第２高調波発生素子４３が半導体レーザ４０の光
軸に対して５度傾いて設置されているため、反射光は構
成図１８に図示された点線の光路を通る。即ち、半導体
レーザ４０からのレーザ光とその反射光では、光路が異
なる。本実施例では、コリメートレンズ４１の有効口径
が集光レンズ４２の有効口径よりも小さいため、コリメ
ートレンズ４１が実施例２０のピンホール４６と同じ効
果を有し、従来の方法に比べて簡単な構成で、しかも調
整方法が簡単になって、反射光の一部分をコリメートレ
ンズ４１でカットすることが可能となる。

【００８３】実施例２０と同様、６０％程度の反射光量
をカットすることを実現でき、フィードバック量を0.04
％以下に低減し、半導体レーザ４０の戻り光ノイズも低
減できた。

【００８４】実施例２０および２１では、バルク型の擬
似位相整合方式による第２高調波発生素子を用いた第２
高調波発生装置について説明したが、導波路型の擬似位
相整合方式による第２高調波発生素子を用いた第２高調
波発生装置に対しても同様の効果が得られる。この場
合、第２高調波発生素子を傾けるかわりに、光導波路端
面を斜めに研磨したほうが、第２高調波発生素子の固定
が容易である。

【００８５】

【発明の効果】以上説明したように、入射光の波長変動
の許容度が小さい分極反転型の第２高調波発生素子と半
導体レーザを結合させる場合、第２高調波発生素子から
の反射戻り光によって半導体レーザの波長変動を誘発
し、これによって第２高調波発生素子の出力の不安定や
雑音の増加が発生する。そこで光導波路上に形成された
保護膜の入射側端面付近と出射側端面付近を後退させる
ことで、半導体レーザへの反射戻り光を低減し、相対雑
音強度を低減し、半導体レーザの出力変動を低減し、波
長変動を低減できる。以上の結果、第２高調波発生素子
の出力変動を低減し、高出力で安定な第２高調波発生装
置を形成することができ、その実用効果は大きい。

【００８６】また、本発明の光導波路は、レーザ光を入
射した場合にレーザ光源への反射戻り光を低減できると
いう効果がある。この結果、レーザ光源の波長は安定
し、相対雑音強度の低減したレーザ光が得られ、その実
用効果は大きい。

【００８７】また、本発明の光導波路の製造方法を用い
ると、大がかりな製造装置を用いずに、レーザ光源への
反射戻り光の少ない光導波路を製造することができるの
で、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】基板に対する反射防止膜を施した場合の保護膜
の屈折率と反射率の関係を示した図

【図２】本発明の実施例の光導波路の構成図

【図３】本発明の実施例の光導波路の製造工程を示した
図

【図４】保護膜の除去部分の長さとそこでの反射率の関
係を示した図

【図５】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成図

【図６】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成図

【図７】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成図

【図８】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成図

【図９】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成図

【図１０】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成
図

【図１１】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成
図

【図１２】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成
図

【図１３】従来の方法を用いた第２高調波発生装置の構
成図

【図１４】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成
図

【図１５】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成
図

【図１６】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成
図

【図１７】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成
図

【図１８】本発明の実施例の第２高調波発生装置の構成
図

【符号の説明】

１ＬｉＴａＯ₃基板２分極反転層３プロトン交換光導波路４入射端面５出射端面６保護膜７反射防止膜８レジスト９半導体レーザ１０結合レンズ１１光導波路の端点１２高屈折率誘電体膜１３周期的に分布した高屈折率領域２０半導体レーザー２１光導波路２２コリメートレンズ２３集光レンズ２４２分の１波長板２５回転前の偏光の方向２６回転後の偏光の方向２７ＬｉＴａＯ₃基板２８プロトン交換光導波路２９分極反転層３０結合レンズ４０ＡｌＧａＡｓ半導体レーザ４１コリメートレンズ４２集光レンズ４３第２高調波発生素子４４ＬｉＴａＯ₃基板４５分極反転領域４６ピンホール４７入射端面４８出射端面

フロントページの続き (72)発明者山本和久大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、基板の表面に形成された高屈折率層と、前記高屈折率層の上に形成された保護膜と、前記高屈折
率層の断面が含まれた端面に形成された反射防止膜とを
有し、前記保護膜が前記基板の端面から後退していることを特
徴とする光導波路。
【請求項２】非線形光学材料基板の表面に形成された高
屈折率層の断面が含まれた端面から後退した部分の形状
がくさび型となっている保護膜を有する請求項１記載の
光導波路。
【請求項３】基板の表面に形成された高屈折率層の断面
が含まれた端面から２０μｍ以上後退している保護膜を
有する請求項１記載の光導波路。
【請求項４】基板の材料がＬｉＮｂ_xＴａ_(1-x)Ｏ₃（０
≦ｘ≦１）である請求項１記載の光導波路。
【請求項５】半導体レーザと、非線形光学材料を用いた
第２高調波発生素子とを備え、前記第２高調波発生素子には、高屈折率層と、前記高屈
折率層の上に形成された保護膜と、前記レーザ側の前記
基板端面に形成された反射防止膜とを有しており、前記レーザから出射したレーザ光が前記保護膜の端部で
反射して前記半導体レーザの光導波路中に結合しない程
度に、前記保護膜が前記基板の端面から後退しているこ
とを特徴とする第２高調波発生装置。
【請求項６】基板の表面に形成された高屈折率層の断面
が含まれた端面から２０μｍ以上後退している保護膜を
有する請求項５記載の第２高調波発生装置。
【請求項７】半導体レーザと、第２高調波発生素子の間
に、少なくとも１個のレンズを含む請求項５記載の第２
高調波発生装置。
【請求項８】非線形光学材料の基板表面に高屈折率層を
作製する工程と、前記高屈折率層を作製した前記基板の表面に保護膜を堆
積する工程と、前記保護膜上にレジストが前記基板の端面にかからない
ように塗布する工程と、前記保護膜をエッチング液に浸す工程とを有することを
特徴とする第２高調波発生装置の製造方法。
【請求項９】非線形光学材料からなる基板を用いた第２
高調波発生素子を備え、前記第２高調波発生素子には前
記素子基板に形成された高屈折率層を有し、前記高屈折
率層の端点が前記第２高調波発生素子の出射側の端面よ
りも内部にあることを特徴とする第２高調波発生装置。
【請求項１０】半導体レーザと、第２高調波発生素子の
間に、少なくとも１個のレンズを含む請求項９記載の第
２高調波発生装置。
【請求項１１】第２高調波発生素子の出射端面よりも内
部に端点のある高屈折率層と、前記第２高調波発生素子
の基板上に装荷された誘電体を有し、前記誘電体が前記
高屈折率層の終端から前記出射端面に配置されているこ
とを特徴とする請求項９記載の第２高調波発生装置。
【請求項１２】第２高調波発生素子の基板上に高屈折率
層を有し、前記高屈折率層が前記第２高調波発生素子の
出射側の端面付近で周期的に配置された領域を有する請
求項９記載の第２高調波発生装置。
【請求項１３】非線形光学材料の基板を用いた第２高調
波発生素子とを備え、前記第２高調波発生素子の前記基
板に形成された高屈折率層を有し、前記高屈折率層の端
点が前記第２高調波発生素子の入射側の端面よりも素子
の内部にあることを特徴とする第２高調波発生装置。
【請求項１４】半導体レーザと、第２高調波発生素子の
間に、少なくとも１個のレンズを含む請求項１３記載の
第２高調波発生装置。
【請求項１５】第２高調波発生素子が複屈折を有する非
線形光学材料の基板で構成されており、異常光線の方向
と前記基板の面方位のなす角が１０度以上、５０度以下
である請求項１３記載の第２高調波発生装置。
【請求項１６】非線形光学材料がＬｉＮｂ_xＴａ_(1-x)Ｏ
₃（０≦ｘ≦１）である請求項９、１１、１３のいずれ
かに記載の第２高調波発生装置。
【請求項１７】半導体レーザと、非線形光学材料からな
る基板を用いた第２高調波発生素子とを備え、前記第２
高調波発生素子の前記基板に形成された高屈折率層を有
し、前記高屈折率層が前記第２高調波発生素子の入射側
の端面付近において前記半導体レーザのレーザ光が導波
しないことを特徴とする第２高調波発生装置。
【請求項１８】半導体レーザと、第２高調波発生素子の
間に、１個以上のレンズを含む請求項１７記載の第２高
調波発生装置。
【請求項１９】第２高調波発生素子の入射端面付近で、
高屈折率層の幅が２μｍ以下である請求項１７記載の第
２高調波発生装置。
【請求項２０】反射防止膜が（ＳｉＯ₂）_x（Ａｌ₂Ｏ₃）
_(1-x)（０≦ｘ≦１）である請求項１記載の光導波路。
【請求項２１】反射防止膜が（ＳｉＯ₂）_x（Ａｌ₂Ｏ₃）
_(1-x)（０≦ｘ≦１）である請求項９、１１、１３のい
ずれかに記載の第２高調波発生装置。
【請求項２２】半導体レーザと、第２高調波発生素子
と、前記半導体レーザからのレーザ光を前記第２高調波
発生素子に導くためのコリメートレンズ及び集光レンズ
を備え、前記コリメートレンズと前記集光レンズの間に
前記コリメートレンズの有効径と同じ口径のピンホール
が挿入され、かつ前記第２高調波発生素子が前記半導体
レーザの光軸に対して傾いて設置されていることを特徴
とする第２高調波発生装置。
【請求項２３】半導体レーザと、第２高調波発生素子
と、前記半導体レーザからのレーザ光を前記第２高調波
発生素子に導くためのコリメートレンズ及び集光レンズ
を備え、前記コリメートレンズの有効口径が前記集光レ
ンズの有効口径よりも小さく、かつ前記第２高調波発生
素子が前記半導体レーザの光軸に対して傾いて設置され
ていることを特徴とする第２高調波発生装置。