JP2002062556A - 高調波出力安定化方法及びそれを利用する短波長レーザ光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザを用いた短波長レーザ光源から
の基本波を光波長変換素子に入射して高調波に変換する
際に、出射される変換後の高調波の光学特性を安定化す
る。 【解決手段】 LiTaO₃基板に分極反転領域３と光導波路
２とを形成した光波長変換素子２２の光導波路２に半導
体レーザ光Ｐ１を入射させ、波長変換することで青色光
を得る。その際に、ＤＢＲ半導体レーザ２１ａのＤＢＲ
部４０の駆動電流を変化させ、半導体レーザ２１ａの発
振波長を光波長変換素子２２の位相整合波長に合わせ
て、発生する高調波Ｐ２を一定に制御する。これによ
り、環境温度が変化しても半導体レーザの波長は一定で
あり、安定な動作が行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コヒ−レント光を
利用する光情報処理分野や光応用計測制御分野にて使用
される高調波出力安定化方法、及びそれを利用した短波
長レーザ光源に関する。

【０００２】

【従来の技術】光情報処理分野では、光記録用短波長レ
ーザ光源は数ｍＷ以上の出力が必要である。青色レーザ
光源としては、基本波を発する半導体レーザと基本波の
高調波を発生する光波長変換素子との組み合わせが有望
である。

【０００３】図２２は、青色光を発生する従来の短波長
レーザ光源５０００の構成を示す断面図である。半導体
レーザ１２１から出た基本波Ｐ１は、コリメータレンズ
１２４で平行化された後に、フォーカスレンズ１２５に
よって、光波長変換素子１２２の内部に形成された光導
波路１０２に集光される。光導波路１０２の内部で基本
波Ｐ１は高調波Ｐ２に変換されて、外部に取り出され
る。なお、短波長レーザ光源５０００の各構成要素は、
Ａｌでできた基材１２０の上に搭載されている。また、
光波長変換素子１２２は、その光導波路１０２が形成さ
れている面を下に向けて石英板１２３の上に配置されて
いる。

【０００４】次に、従来の短波長レーザ光源５０００で
使用されている光波長変換素子１２２について、詳しく
説明する。

【０００５】図２３（ａ）は、従来の光波長変換素子１
２２の斜視図であり、図２３（ｂ）は、図２３（ａ）の
線２３Ｂ−２３Ｂにおける断面図である。以下では、光
波長変換素子１２２の動作を、波長８７３ｎｍの基本波
に対する高調波の発生（波長４３７ｎｍ）を例にとって
説明する（Kazuhisa Yamamoto and Kiminori Mizuuchi,
"Blue light generation by frequency doubling of
a laser diode in a periodically-domain inverted Li
TaO₃ waveguide", IEEE Photonics TechnologyLetters,
Vol.4, No.5, P435-437，1992年、参照）。

【０００６】図２３（ａ）及び（ｂ）に示されるよう
に、光波長変換素子１２２では、ＬｉＴａＯ₃基板１０
１に光導波路１０２が形成され、さらに光導波路１０２
には周期的に分極の反転した層（分極反転領域）１０３
が形成されている。基本波Ｐ１と発生する高調波Ｐ２と
の伝搬定数の不整合を、分極反転領域１０３と非分極反
転領域１０４の周期構造で補償する。これによって、基
本波Ｐ１は高効率で高調波Ｐ２に変換されて、出射され
る。なお、図２３（ｂ）の矢印は、各領域における分極
の方向を示している。

【０００７】次に、図２４（ａ）及び（ｂ）を用いて、
光波長変換素子１２２における高調波の増幅の原理を説
明する。

【０００８】図２４（ａ）は、非分極反転素子１３１及
び分極反転素子１３２の内部構成、すなわち分極の方向
を、模式的に示している。なお、図２４（ａ）の矢印
は、各領域における分極の方向を示している。

【０００９】分極反転していない非分極反転素子１３１
では、分極反転領域は形成されておらず、分極の方向は
一方向に揃っている。この非分極反転素子１３１を基本
波が進行する際にも、基本波の一部は高調波に変換され
る。しかし、非分極反転素子１３１の構成では、光導波
路の進行方向に対して、高調波出力１３１ａは図２４
（ｂ）に示すように増減を繰り返しているだけである。

【００１０】これに対して、周期的に分極が反転してい
る１次周期の分極反転波長変換素子１３２では、高調波
出力１３２ａは、図２４（ｂ）に示されるように光導波
路の長さＬの２乗に比例して増大する。ただし、分極反
転構造において、入射する基本波Ｐ１に対して高調波Ｐ
２の出力が得られるのは、擬似位相整合が成立するとき
だけである。擬似位相整合は、分極反転領域の周期Λ１
がλ／（２（Ｎ2ω−Ｎω））に一致するときに限って
成立する。ここで、Ｎωは基本波（波長λ）の実効屈折
率、Ｎ2ωは高調波（波長λ／２）の実効屈折率であ
る。

【００１１】このような、分極反転構造を基本構成要素
としている従来の光波長変換素子５０００の製造方法に
ついて説明する。

【００１２】まず、非線形光学結晶であるＬｉＴａＯ₃
基板１０１の上に、蒸着とフォトリソグラフィとによっ
て、幅数μｍの周期のＴａ膜のパターンを形成する。次
に、温度２６０℃でＴａパターンに対してプロトン交換
処理を行った後に、５５０℃程度の温度で熱処理を行
い、ＬｉＴａＯ₃基板１０１に対して分極が反対向きに
反転している分極反転領域１０３を形成する。次に、Ｔ
ａ膜によるスリットを再び形成した後に、温度２６０℃
に設定したピロ燐酸の中で１２分間の熱処理を行い、さ
らにその後に温度４２０℃で１分間のアニール処理を行
う。これによって、光導波路１０２を形成する。

【００１３】上記のようにして作製される光波長変換素
子１２２で、光導波路１０２の長さを１０ｍｍとすれ
ば、波長８７３ｎｍの基本波Ｐ１に対して、基本波Ｐ１
のパワーが３７ｍＷであるときに、１．１ｍＷのパワー
を有する高調波Ｐ２が出射される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、光波長変換素
子１２２の基本波波長に対する許容幅は、一般に０．１
ｎｍと狭い。そのために、半導体レーザのモードホップ
や出射光の波長の広がりを許容できない。

【００１５】例えば、上記のような分極反転領域を基本
とした従来の波長変換素子１２２では、素子長が１０ｍ
ｍのときの基本波レーザ光の波長変動に対する許容度は
非常に狭く、典型的には半値幅で０．１ｎｍ程度しかな
い。また、温度に対する許容幅も、典型的には３℃と狭
い。そのため、光波長変換素子と半導体レーザとを組み
合わせた場合に、半導体レーザの出力が温度変化によっ
て影響を受けて、出力光に波長変動が生じると、高調波
への変換が行われなくなるか、または変換されて出射さ
れる高調波の出力が大きく変動するといった問題があ
る。

【００１６】これらの問題点について、以下に説明す
る。

【００１７】典型的には、半導体レーザの波長が０．０
５ｎｍずれただけで、得られる高調波出力は、所期の値
の半分になる。半導体レーザの波長変化に対する許容度
は、このように小さい。例えば、半導体レーザの動作時
の周囲温度が２０℃から２１℃に１℃だけ温度変化する
と、半導体レーザの縦モードはひとつずれて、発振波長
が８２０．０ｎｍから８２０．２ｎｍに変化する。この
ため、高調波出力はゼロになる。

【００１８】一方、光波長変換素子１２２の温度変化に
対する許容幅に関しても、環境温度が変化すると、たと
え半導体レーザの発振波長が安定していても、高調波出
力は得られなくなる。また、モードホップがたびたび起
こるとノイズの原因となり、光ディスクの読み取り等で
は問題となる。

【００１９】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、環境温度に左右されな
い、すなわち環境温度が変わっても安定した高調波出力
が得られる高調波出力安定化方法、およびそれを利用し
た短波長レーザ光源を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明のある局面によれ
ば、高調波出力安定方法が、波長可変部を有する分布ブ
ラッグ反射型半導体レーザから出射された基本波を光波
長変換素子の中で高調波へと変換する工程と、該分布ブ
ラッグ反射型半導体レーザの該波長可変部の印加電流を
制御して、該分布ブラッグ反射型半導体レーザの発振波
長を変え、それによって、該高調波のピークに該発振波
長を合わせる工程と、を包含しており、それによって上
記目的が達成される。

【００２１】本発明の他の局面によれば、高調波出力安
定方法が、半導体レーザから出射された基本波を光波長
変換素子の中で高調波へと変換する工程と、該半導体レ
ーザに対して光フィードバックを適用して、該半導体レ
ーザの発振波長を所定の値に設定する工程と、該半導体
レーザの駆動電流を制御して該発振波長を変え、それに
よって、該高調波のピーク出力に該発振波長を合わせる
工程と、を包含しており、それによって上記目的が達成
される。

【００２２】本発明のさらに他の局面によれば、高調波
出力安定方法が、第１の波長可変手段および第２の波長
可変手段を有する分布ブラッグ反射型半導体レーザから
出射された基本波を光波長変換素子で高調波へと変換す
る工程と、該第１の波長可変手段で該分布ブラッグ反射
型半導体レーザの発振波長を粗調整し、該第２の波長可
変手段で該発振波長を微調整して、それによって、該高
調波のピークに該発振波長を合わせる工程と、を包含し
ており、そのことによって上記目的が達成される。

【００２３】本発明のさらに他の局面によれば、高調波
出力安定方法が、波長可変部を有する分布ブラッグ反射
型半導体レーザから出射された基本波を光波長変換素子
で高調波へと変換する工程と、該高調波出力を差動検出
し、検出結果を用いて該分布ブラッグ反射型半導体レー
ザの該波長可変部の印加電流を制御して該分布ブラッグ
反射型半導体レーザの発振波長を変え、それによって、
該高調波のピークに該発振波長を合わせる工程と、を包
含しており、そのことによって上記目的が達成される。

【００２４】本発明のさらに他の局面によれば、高調波
出力安定化方法が、波長ロックされた半導体レーザから
出射された基本波を、該半導体レーザの発振縦モード間
隔に対して広い許容波長半値幅を有する光波長変換素子
の中で高調波へと変換する工程と、該半導体レーザの印
加電流を制御して、該半導体レーザの発振波長を変え、
それによって、該高調波のピーク出力に該発振波長を合
わせる工程と、を包含しており、そのことによって上記
目的が達成される。

【００２５】ある実施形態では、前記光波長変換素子が
光導波路型である。

【００２６】他の実施形態では、前記光波長変換素子が
バルク型である。

【００２７】さらに他の実施形態では、基本波出力をモ
ニタして電流を制御する。

【００２８】さらに他の実施形態では、縦モード間隔が
１ｎｍ以上となるように、前記半導体レーザのへき開面
とＤＢＲ部との間に反射体がさらに設けられている。

【００２９】さらに他の実施形態では、前記分布ブラッ
グ反射型半導体レーザにおいて、前記波長可変部或いは
前記第１の波長可変手段が、前記光波長変換素子から遠
い側に配置されている。

【００３０】さらに他の実施形態では、前記分布ブラッ
グ反射型半導体レーザ或いは前記半導体レーザ、及び前
記光波長変換素子は基材の上にマウントされており、該
半導体レーザの活性層及び該光波長変換素子の光導波路
が、それぞれ該基材から遠い側に配置されている。

【００３１】本発明のさらに他の局面によれば、短波長
レーザ光源が、非線形光学結晶中に形成された周期状分
極反転領域を有する光波長変換素子と、分布ブラッグ反
射型半導体レーザと、を備えていて、該分布ブラッグ反
射型半導体レーザは波長可変部を有し、該分布ブラッグ
反射型半導体レーザから出射された基本波が該光波長変
換素子の中で高調波へと変換され、該分布ブラッグ反射
型半導体レーザの該波長可変部の印加電流の制御によっ
て、該分布ブラッグ反射型半導体レーザの発振波長を変
化させて該高調波のピークに該発振波長を合わせ、それ
によって一定の高調波出力が取り出され、そのことによ
って上記目的が達成される。

【００３２】本発明のさらに他の局面によれば、短波長
レーザ光源が、非線形光学結晶中に形成された周期状分
極反転領域を有する光波長変換素子と、分布ブラッグ反
射型半導体レーザとを備え、該分布ブラッグ反射型半導
体レーザから出射された基本波が該光波長変換素子の中
で高調波へと変換され、そのことによって上記目的が達
成される。

【００３３】本発明のさらに他の局面によれば、短波長
レーザ光源が、非線形光学結晶中に形成された周期状分
極反転領域を有する光波長変換素子と、半導体レーザ
と、を備え、該半導体レーザから出射された基本波が該
光波長変換素子の中で高調波へと変換され、光フィード
バックにより所定の値に設定されている該半導体レーザ
の発振波長を、該半導体レーザの駆動電流の制御によっ
て変え、それによって、該高調波のピーク出力に該発振
波長を合わせることで一定の高調波出力を取り出し、そ
のことによって上記目的が達成される。

【００３４】本発明のさらに他の局面によれば、短波長
レーザ光源が、非線形光学結晶中に形成された周期状分
極反転領域を有する光波長変換素子と、第１の波長可変
手段および第２の波長可変手段を有する分布ブラッグ反
射型半導体レーザと、を備え、該分布ブラッグ反射型半
導体レーザから出射された基本波が該光波長変換素子で
高調波へと変換され、該第１の波長可変手段は該分布ブ
ラッグ反射型半導体レーザの発振波長を粗調整し、該第
２の波長可変手段は該発振波長を微調整して、それによ
って、該高調波のピークに該発振波長を合わせて、一定
の高調波出力を取り出し、そのことによって上記目的が
達成される。

【００３５】本発明のさらに他の局面によれば、短波長
レーザ光源が、第１の波長可変手段を有する分布ブラッ
グ反射型半導体レーザと、第２の波長可変手段と非線形
光学結晶中に形成された周期状分極反転領域とを有する
光波長変換素子と、を備え、該分布ブラッグ反射型半導
体レーザから出射された基本波が該光波長変換素子で高
調波へと変換され、該第１の波長可変手段は該分布ブラ
ッグ反射型半導体レーザの発振波長を粗調整し、該第２
の波長可変手段は該光波長変換素子の位相整合波長を微
調整して、それによって、該高調波のピークを該発振波
長に合わせて、一定の高調波出力を取り出し、それによ
って上記目的が達成される。

【００３６】本発明のさらに他の局面によれば、短波長
レーザ光源が、波長ロックされた半導体レーザと、該半
導体レーザの発振縦モード間隔に対して広い許容波長半
値幅を有する光波長変換素子と、を備え、該半導体レー
ザから出射された基本波が該光波長変換素子の中で高調
波へと変換され、該半導体レーザの印加電流を制御して
該半導体レーザの発振波長を変えて、該高調波のピーク
出力に該発振波長を合わせて一定の高調波出力を取り出
し、そのことによって上記目的が達成される。

【００３７】本発明のさらに他の局面によれば、短波長
レーザ光源が、非線形光学結晶中に形成された周期状分
極反転領域を有する光波長変換素子と、波長可変部を有
する分布ブラッグ反射型半導体レーザと、を備え、該分
布ブラッグ反射型半導体レーザの外部に反射体をさらに
有していて、該反射体と該分布ブラッグ反射型半導体レ
ーザとの間でレーザ発振が生じ、該分布ブラッグ反射型
半導体レーザから出射された基本波が該光波長変換素子
の中で高調波へと変換され、該分布ブラッグ反射型半導
体レーザの波長可変部の印加電流を制御して該分布ブラ
ッグ反射型半導体レーザの発振波長を変え、発生する該
高調波のピークに該発振波長を合わせて、一定の高調波
出力を取り出し、そのことによって上記目的が達成され
る。

【００３８】本発明のさらに他の局面によれば、短波長
レーザ光源が、非線形光学結晶中に形成された少なくと
も３つ以上の周期状分極反転領域を有する光波長変換素
子と、半導体レーザと、を備え、該３つ以上の周期状分
極反転領域は、周期Λの第１の周期状分極反転領域と、
周期Λ１の第２の周期状分極反転領域と、周期Λ２の第
３の周期状分極反転領域と、を含み、周期の関係がΛ１
＜Λ＜Λ２であり、周期Λ１の第第２の周期状分極反転
領域で発生した高調波と周期Λ２の該第３の周期状分極
反転領域で発生した高調波とは、それぞれ異なる検出器
で検出され、そのことによって上記目的が達成される。

【００３９】ある実施形態では、前記光波長変換素子が
光導波路型である。好ましくは、前記光導波路がプロト
ン交換光導波路である。

【００４０】他の実施形態では、前記光波長変換素子が
バルク型である。

【００４１】さらに他の実施形態では、前記非線形光学
結晶がＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦Ｘ≦１）基板であ
る。

【００４２】さらに他の実施形態では、ディテクタおよ
びビームスプリッタをさらに有する。

【００４３】さらに他の実施形態では、基本波出力をモ
ニタして電流を制御する。

【００４４】さらに他の実施形態では、縦モード間隔が
１ｎｍ以上となるように、前記半導体レーザのへき開面
とＤＢＲ部との間に反射体がさらに設けられている。

【００４５】さらに他の実施形態では、前記光波長変換
素子の入射面または出射面のいずれかに反射体がさらに
設けられている。

【００４６】さらに他の実施形態では、前記光波長変換
素子における前記基本波の反射戻り光が０．２％以下で
ある。

【００４７】さらに他の実施形態例では、前記分布ブラ
ッグ反射型半導体レーザをＲＦ駆動する。

【００４８】さらに他の実施形態では、ペルチエ素子の
第１の面にて前記半導体レーザの温度を制御し、該ペル
チエ素子の第２の面にて前記光波長変換素子の温度を制
御し、かつ該第１の面と該第２の面とでは温度変化がお
互いに逆である。

【００４９】さらに他の実施形態では、前記基本波の波
長を前記光波長変換素子の位相整合波長からずらすこと
によって、高調波出力を変調する。

【００５０】さらに他の実施形態では、前記基本波の波
長を前記光波長変換素子の位相整合波長に合わせた後
に、前記半導体レーザの駆動電流を調整して高調波出力
を調整する。

【００５１】さらに他の実施形態では、前記分布ブラッ
グ反射型半導体レーザにおいて、前記波長可変部或いは
前記第１の波長可変手段が、前記光波長変換素子から遠
い側に配置されている。

【００５２】さらに他の実施形態では、前記分布ブラッ
グ反射型半導体レーザ或いは前記半導体レーザ、及び前
記光波長変換素子は基材の上にマウントされており、該
半導体レーザの活性層及び該光波長変換素子の光導波路
が、それぞれ該基材から遠い側に配置されている。

【００５３】以下、作用について説明する。

【００５４】本発明では、半導体レーザの駆動電流をわ
ずかに変化させることによって発振波長を変え、光波長
変換素子（ＳＨＧ）の位相整合波長に発振波長を合わせ
ることができる。通常は、環境温度が変化すると位相整
合波長が変化し、光波長変換素子の擬似位相整合条件が
満足されなくなって高調波出力が得られなくなる。これ
に対して、本発明によれば、位相整合波長が変化して
も、駆動電流を変化させることで半導体レーザの発振波
長λを変化させ、位相整合波長に合わせることで、常に
最高の高調波出力が得られる条件が維持される。

【００５５】分布ブラッグ反射型半導体レーザ（以下、
「ＤＢＲ半導体レーザ」と称する）は、活性層に印加す
る電流を変えても発振波長はほとんど変化しないが、Ｄ
ＢＲ部に電流注入機能を加えてそこに電流を流すと、屈
折率が変化して反射波長が変わる。このようにして、発
振波長を変化させることができる。つまり、半導体レー
ザのＤＢＲ部への注入電流を変化させることで屈折率が
変化し、フィードバックされる発振波長が変わる。これ
により、レーザの発振波長を変えることができ、光波長
変換素子の擬似位相整合波長に合わせることができる。

【００５６】高調波出力をディテクタでモニタし、常に
最高値となるように電流を調整することにより、高調波
が安定に保たれる。また、最初から擬似的に位相整合す
る波長からずれていたとしても電流を印加することで擬
似位相整合条件にすることができ高調波を高効率に取り
出すことができる。

【００５７】さらに、上記のような構成により、本発明
によれば、電流印加に対して効率的に屈折率が変化し
て、高調波出力を変調することが可能となる。すなわ
ち、初期状態で位相整合がとれている場合に、電流印加
によって屈折率が大きく変化して、位相整合波長からの
ずれが生じる。これを利用すれば、印加する電流の変化
により、高調波出力のＯＮ／ＯＦＦ制御をすることがで
きる。

【００５８】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は、本発
明の第１の実施形態における短波長レーザ光源１００の
構成を示す断面図である。

【００５９】この短波長レーザ光源１００では、非線形
光学結晶であるLiTaO₃基板１の表面に周期状の分極反転
領域３が形成されている光波長変換素子２２ａを用い
る。さらに、光波長変換素子２２ａの周期状の分極反転
領域３が形成されている表面には、プロトン交換を用い
て光導波路２が形成されている。

【００６０】また、短波長レーザ光源１００は、波長可
変部を有するＤＢＲ半導体レーザ２１ａを用いている。
ＤＢＲ半導体レーザ２１ａ及び光波長変換素子２２ａ
は、Ａｌでできた基材２０の上に固定されている。半導
体レーザ２１ａから出射された基本波Ｐ１は、コリメー
タレンズ２４で平行光にされた後、半波長板２６を介し
てフォーカスレンズ２５で集光され、光波長変換素子２
２ａの光導波路２に入射面１０から入射する。半波長板
２６は、基本波Ｐ１の偏光方向を９０度回転させ、光導
波路２の偏光方向に一致させるために挿入されている。

【００６１】光導波路２に入った基本波Ｐ１は、位相整
合長Ｌの長さを持った分極反転領域３で高調波Ｐ２に変
換される。さらに、その後に続く同じくＬの長さを持っ
た非分極反転領域４で、高調波のパワーが増幅される。
このようにして、光導波路２の内部で増幅された高調波
Ｐ２は、出射面１２より放射される。

【００６２】高調波が発生する波長（位相整合波長）
は、擬似位相整合により、非線形光学結晶の屈折率と分
極反転領域３の周期とにより決まる。このため、環境温
度が変わると屈折率が変わり、位相整合波長が変化す
る。

【００６３】次に、ＤＢＲ半導体レーザ２１ａについて
説明する。

【００６４】ＤＢＲ半導体レーザ２１ａは、発光部４
２、位相制御部４１、およびＤＢＲ部４０に分かれてい
る。各部分４２、４１及び４０は、それぞれ電極４２
ａ、４１ａ、４０ａにより独立に制御できる。発光部４
２に電極４２ａを介して電流を注入することで、活性層
４４が発光する。注入電流が発振しきい値を越えると、
半導体レーザ２１ａの前面のへき開面４５とＤＢＲ部４
０に設けられている回折格子４３とが起こす反射によっ
て共振が生じ、レーザ発振する。

【００６５】半導体レーザ２１ａのＤＢＲ部４０への注
入電流を変化させることで、屈折率が変化するので、フ
ィードバックされる波長が変わる。これを利用すれば、
ＤＢＲ部４０を波長可変部として動作させることがで
き、これにより、レーザの発振波長を変えることができ
る。

【００６６】さらに、位相制御部４１に電極４１ａを介
して電流を注入することで、発振波長を連続的に変える
ことができる。したがって、この位相制御部４１も、波
長可変部として機能する。

【００６７】次に、高調波出力安定化方法について説明
する。

【００６８】環境温度が変化すると、光波長変換素子２
２ａの位相整合波長が変わる。これに対して、ＤＢＲ半
導体レーザ２１ａの発振波長を変えることで、光波長変
換素子２２ａの変化後の位相整合波長にレーザ２１ａの
発振波長を合わせることができる。

【００６９】このとき、光波長変換素子２２ａからの高
調波出力をビームスプリッタ２７で分岐し、その一部を
Ｓｉディテクタ２８でモニタする構成としても良い。こ
のような構成とすれば、ディテクタ２８における検出結
果を用いて、高調波出力が常に最高値となるように電極
４０ａおよび４１ａに印加する電流値を調整することが
でき、高調波Ｐ２の出力が安定して所期の値に保たれ
る。

【００７０】高調波出力の制御方法としては、例えば、
以下の方法によることができる。まず、電極４０ａ及び
４１ａに注入する電流を＋方向にわずかに変化させ、高
調波Ｐ２の出力を検出する。高調波出力が低下したら、
注入電流値を−方向に変化させて、高調波出力を増加さ
せる。高調波出力が所期の値よりも増加したら、注入電
流を再び＋側に変化させる。これを繰り返すことで、高
調波出力を常にピーク値の周辺に保つことができる。

【００７１】図２に、半導体レーザ２１ａにおける電極
４０ａへの印加電流と発振波長との関係を示す。これよ
り、注入電流が約１５０ｍＡの幅で変化すると、発振波
長は約１０ｎｍ変化する。これより、擬似位相整合波長
が変化しても、注入電流値の制御によって、半導体レー
ザの発振波長を広い範囲で変化させて、位相整合波長の
変化に追随させることが可能である。

【００７２】図３は、環境温度と高調波出力との関係を
示すグラフである。これより、温度が０〜７０℃の範囲
において、高調波出力の変動は±３％以内である。

【００７３】本実施形態における短波長レーザ光源１０
０では、基本波から高調波への変換効率は、入力パワー
４０ｍＷに対して５％である。また、動作時間が経過し
ても、光損傷はなく、例えば５００時間の連続動作中の
高調波出力の変動は、±３％以内と非常に安定してい
る。

【００７４】さらに、光波長変換素子２２ａの入射部１
０及び出射部１２に反射防止のためのコーティングを施
せば、基本波に対する反射を防いで、ＤＢＲ半導体レー
ザの安定した動作を実現できる。好ましくは、基本波に
対する反射率は０．２％以下に設定する。反射率がこれ
よりも大きいと、動作が不安定になる場合がある。

【００７５】次に、高調波出力の変調について説明す
る。

【００７６】上記の短波長レーザ光源１００の構成で
は、ＤＢＲ部４０への印加電流に対して効率的に屈折率
が変化する。これによって、半導体レーザ２１ａの発振
波長の変調が可能となる。例えば、初期状態で位相整合
がとれている場合に、ＤＢＲ部４０に電流を印加する
と、屈折率が大きく変化して、半導体レーザ２１ａの発
振波長が光波長変換素子２２ａの位相整合波長からずれ
る。よって、ＤＢＲ部４０への注入電流の変化によっ
て、高調波出力のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことができ
る。短波長レーザ光源１００の構成では、１０ＭＨｚの
変調信号が印加された注入電流を電極４０ａに印加する
ことによって、高調波出力が対応して変調されることを
確認している。

【００７７】（第２の実施形態）図４は、本発明の第２
の実施形態における短波長レーザ光源２００の構成を示
す断面図である。

【００７８】この短波長レーザ光源２００では、−Ｚ板
（Ｚ軸に垂直に切り出された基板の−側）のLiTaO₃基板
１の表面に周期状の分極反転領域３が形成されている光
波長変換素子２２ｂを用いる。さらに、光波長変換素子
２２ｂの周期状の分極反転領域３が形成されている表面
には、プロトン交換を用いて光導波路２が形成されてい
る。LiTaO₃は、光導波路２や分極反転領域３の形成が容
易であって、使い易い材料である。

【００７９】また、短波長レーザ光源２００は、波長可
変部を有するＤＢＲ半導体レーザ２１ｂを用いている。
ＤＢＲ半導体レーザ２１ｂ及び光波長変換素子２２ｂ
は、Ａｌでできた基材２０の上に固定されている。半導
体レーザ２１ａから出射された基本波Ｐ１は、コリメー
タレンズ２４で平行光にされた後、半波長板２６を介し
てフォーカスレンズ２５で集光され、光波長変換素子２
２ｂの光導波路２に入射面１０から入射する。半波長板
２６は、基本波Ｐ１の偏光方向を９０度回転させ、光導
波路２の偏光方向に一致させるために挿入されている。

【００８０】光導波路２に入った基本波Ｐ１は、位相整
合長Ｌの長さを持った分極反転領域３で高調波Ｐ２に変
換される。さらに、その後に続く同じくＬの長さを持っ
た非分極反転領域４で、高調波のパワーが増幅される。
このようにして、光導波路２の内部で増幅された高調波
Ｐ２は、出射面１２より放射される。

【００８１】次に、ＤＢＲ半導体レーザ２１ｂについて
説明する。

【００８２】ＤＢＲ半導体レーザ２１ｂは、発光部４２
およびＤＢＲ部４０に分かれている。発光部４２に電極
４２ａを介して電流を注入することで、活性層４４が発
光する。注入電流が発振しきい値を越えると、半導体レ
ーザ２１ｂの前面のへき開面４５とＤＢＲ部４０に設け
られている回折格子４３とが起こす反射によって共振が
生じ、レーザ発振する。電極４２ａに一定の電流を注入
することで、発振する基本波Ｐ１のパワーは一定とな
る。

【００８３】次に、短波長レーザ光源２００の安定動作
について説明する。

【００８４】図４に示す短波長レーザ光源２００では、
光波長変換素子２２ｂの光導波路２の上に、薄膜ヒータ
１５が形成されている。LiTaO₃は温度変化により屈折率
が変わり位相整合波長が変化するが、薄膜ヒータ１５の
設置により、光波長変換素子２２ｂの表面温度は一定温
度になっている。一方、ＤＢＲ半導体レーザ２１ｂは、
基材２０の反対側の表面に設けられたペルチエ素子４８
により、一定温度、例えば２０℃に保たれている。

【００８５】ＤＢＲ半導体レーザ２１ｂの発振波長は、
通常のファブリーペロー型に比べて安定である。その理
由は、発振波長がＤＢＲ部４０の回折格子４３の周期と
その部分の実効屈折率とにより決まり、電極４２ａを介
して活性層４４に注入される電流を変えても、発振波長
に対する影響がほとんどないからである。そのため、温
度を一定に保てば、発振波長は変化しない。長期的に
は、屈折率の変化にともなうわずかな波長変動が生じ得
るが、このような変化量は微弱であり、半導体レーザ２
１ｂの駆動電流をわずかに変化させることで対応でき
る。また、発振波長の大きな変化は、光波長変換素子の
薄膜ヒータの温度を変えて安定化できる。

【００８６】次に、この光波長変換素子の製造方法を、
図５（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

【００８７】まず、図５（ａ）に示すように、LiTaO₃基
板１に、通常のフォトプロセスとドライエッチングとを
用いてＴａ膜６ａを周期状の所定のパターンに形成す
る。次に、所定のパターンのＴａ膜６ａが形成されたLi
TaO₃基板１に、ピロ燐酸中で温度２６０℃にて３０分間
のプロトン交換処理を行い、Ｔａ膜６ａで覆われていな
い箇所の基板１の表面に、厚さ０．８μｍのプロトン交
換層を形成する。その後に、温度５５０℃で１分間の熱
処理を行う。これにより、図５（ｂ）に示すような周期
状の分極反転領域３が形成される。Ｔａ膜６ａで覆われ
ていた部分は、非分極反転領域４に相当する。

【００８８】次に、先に形成したＴａ膜６ａを除去し
て、光導波路を形成する工程で使用するプロトン交換用
の保護マスクとして、新たに厚さ３０ｎｍのＴａ膜をス
トライプ状のパターンで基板１の表面に形成する。その
後に、温度２６０℃で１６分間のプロトン交換処理を行
う。その後、温度３８０℃で１０分間のアニールを行
い、図５（ｃ）に示すような光導波路２を形成する。そ
の後に、Ｔａ膜は除去する。

【００８９】さらに、図５（ｄ）に示すように、SiO₂層
１４を保護膜として形成し、さらにそのSiO₂膜１４の上
に、Ｔｉ膜を形成する。Ｔｉ膜の厚さは、典型的には約
２００ｎｍである。次に、フォトリソグラフィとドライ
エッチングとを用いて、Ｔｉ膜を所定の形状にパターニ
ングして、薄膜ヒータ１５とする。

【００９０】最後に、研磨により、基板１の側端面に入
出射面を形成する。

【００９１】以上のプロセスによって形成される光導波
路２は、典型的には、幅が約４μｍで長さは約１ｃｍで
ある。また、分極反転領域３の周期は約３．８μｍで、
分極反転領域３の厚みは約２．０μｍである。なお、図
５（ａ）〜（ｄ）の中の矢印は、各領域における分極の
方向を示している。

【００９２】薄膜ヒータ１５を備える光波長変換素子２
００は、擬似位相整合波長の変化による動作特性への影
響はほとんどなく、広い環境温度範囲で使用可能であ
る。基本波Ｐ１から高調波Ｐ２への変換効率は、波長８
５８ｎｍで４０ｍＷの入力に対して２．５％である。ま
た、光損傷もなく、非常に安定した高調波出力が得られ
る。

【００９３】さらに、また、高調波の光導波路２からの
出射にあたっては、非点収差の無いスポットを簡単に且
つ安定して得ることができる。

【００９４】（第３の実施形態）図６は、本発明の第３
の実施形態における短波長レーザ光源３００の構成を示
す断面図である。

【００９５】短波長レーザ光源３００は、基本的に、Ｓ
ｉサブマウント２０ａの上に固定されたファブリーペロ
ー型半導体レーザ２１ｃ及び光波長変換素子２２ｃより
構成される。

【００９６】半導体レーザ２１ｃから出射された基本波
Ｐ１は、光波長変換素子２２ｃの光導波路２に直接導入
され、光導波路２を伝搬する間に高調波Ｐ２へ変換され
る。ここで、光波長変換素子２２ｃの構成は、第１の実
施形態における光波長変換素子２２ａと同様の分極反転
型である。

【００９７】本実施形態の光波長変換素子２２ｃでは、
ＭｇＯをドープしたLiNbO₃基板１ａに対して温度１１２
０℃で熱処理を施して、分極反転領域３を形成する。さ
らに、光導波路２として、分極反転領域３の形成時の熱
処理温度に比べて低温での処理によって形成することが
できるプロトン交換光導波路を用いる。光導波路２の上
には、薄膜ヒータ１５が形成されている。以上の構成を
有する光波長変換素子２２ｃは、薄膜ヒータ１５がＳｉ
サブマウント２０ａに対向するような向きで、Ｓｉサブ
マウント２０ａの上に配置されている。

【００９８】半導体レーザ２１ｃから出射された基本波
Ｐ１は、光波長変換素子２２ｃに入射後に、回折格子１
７で反射されて波長がロックされる。一方、半導体レー
ザ２１ｃの出射面（光波長変換素子２２ｃに対向してい
る端面）とは逆側の端面からも基本波の一部Ｐ１ａが出
力されるが、その量はＳｉディテクタ２８により検出さ
れる。検出量に基づくフィードバック制御によって、光
波長変換素子２２ｃに供給される基本波Ｐ１の出力が最
大になるように半導体レーザ２１ｃの駆動電流を制御す
れば、結果的に高調波Ｐ２の出力を一定に保つことがで
きる。

【００９９】図７は、半導体レーザ２１ｃの駆動電流と
出射される基本波のパワーとの関係を示すグラフであ
る。

【０１００】光フィードバックがかかっている状態で
は、半導体レーザ２１ｃの発振波長は、フィードバック
波長に近接したモード（半導体レーザ２１ｃの長さと屈
折率で決定される）の内で波長が近い方に固定される。
しかし、温度や駆動電流が変化すると、固定されるモー
ドは入れ替わる。例えば、駆動電流が変化すると、半導
体レーザ２１ｃの出力は、モードホップを生じる電流値
に駆動電流値が一致したときに最小となり、一方、フィ
ードバックされるピーク波長と一致した発振波長を与え
る電流値に駆動電流値が一致したときに、最高値とな
る。そのため、駆動電流値が増加すると、図７に示すよ
うに周期的な出力の増減が認められる。

【０１０１】図６に示す短波長レーザ光源３００の構成
で、半導体レーザ２１ｃから光波長変換素子２２ｃとは
反対側に出射される基本波Ｐ１ａの量は、光波長変換素
子２２ｃに入射される基本波Ｐ１の量と相関がある。し
たがって、基本波出力Ｐ１ａをディテクタ２８で検出し
て、その検出結果をフィードバックして駆動電流を変化
させることで、温度が変化しても、基本波の出力がピー
ク状態にあるように、すなわちモードの安定状態が保た
れるように安定化のための制御を行うことができる。こ
のような安定化制御を行えば、８０ｍＷの基本波入力に
対する高調波への変換効率は４％であり、±３０℃程度
の温度範囲にわたって、非常に安定した出力が得られ
る。

【０１０２】以上のように、本実施形態の短波長レーザ
光源３００では、半導体レーザ２１ｃの発振波長は安定
化されており、また環境温度が変わっても、光波長変換
素子２２ｃの光導波路２の温度は薄膜ヒータ１５により
一定に保たれる。これによって、常に最大の高調波出力
（３ｍＷ）が保たれる。相対雑音強度ノイズは、ー１４
０ｄＢ／Ｈｚと極めて低く、実用的な値である。また、
基本波がモードホップするとノイズが大きくなって光デ
ィスクの読み取りが困難になるが、本実施形態によれ
ば、モードホップの発生が防止されて、短波長レーザ装
置の実用性が向上する。

【０１０３】なお、ディテクタ２８による基本波出力の
モニタは、光導波路２から出射された後の基本波に対し
て行っても良い。

【０１０４】このように、半導体レーザ２１ｃの駆動電
流を変えることにより、その発振波長を調節して安定化
を図ることができる。以上の説明のように、光フィード
バックによって発振波長のロックを実現すると、基本波
が周期的に増減してピーク検出が容易になる。光フィー
ドバックの方法は、上記で説明したＤＢＲ以外のもので
あってもよく、例えば、外部回折格子の利用、共焦点光
学系での反射の利用などを適用することができる。

【０１０５】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施形態における短波長レーザ光源を、以下に説明す
る。

【０１０６】本実施形態における短波長レーザ光源は、
第１の実施形態で図１を参照して説明した短波長レーザ
光源１００と同様の構成を有する。ただし、制御方法
が、第１の実施形態におけるものとは異なっており、微
調整制御及び粗調整制御を併用している。

【０１０７】この短波長レーザ光源１００では、非線形
光学結晶であるLiTaO₃基板１の表面に周期状の分極反転
領域３が形成されている光波長変換素子２２ａを用い
る。さらに、光波長変換素子２２ａの周期状の分極反転
領域３が形成されている表面には、プロトン交換を用い
て光導波路２が形成されている。

【０１０８】また、短波長レーザ光源１００は、波長可
変部を有するＤＢＲ半導体レーザ２１ａを用いている。
ＤＢＲ半導体レーザ２１ａ及び光波長変換素子２２ａ
は、Ａｌでできた基材２０の上に固定されている。半導
体レーザ２１ａから出射された基本波Ｐ１は、コリメー
タレンズ２４で平行光にされた後、半波長板２６を介し
てフォーカスレンズ２５で集光され、光波長変換素子２
２ａの光導波路２に入射面１０から入射する。半波長板
２６は、基本波Ｐ１の偏光方向を９０度回転させ、光導
波路２の偏光方向に一致させるために挿入されている。

【０１０９】光導波路２に入った基本波Ｐ１は、位相整
合長Ｌの長さを持った分極反転領域３で高調波Ｐ２に変
換される。さらに、その後に続く同じくＬの長さを持っ
た非分極反転領域４で、高調波のパワーが増幅される。
このようにして、光導波路２の内部で増幅された高調波
Ｐ２は、出射面１２より放射される。

【０１１０】高調波が発生する波長（位相整合波長）
は、擬似位相整合により、非線形光学結晶の屈折率と分
極反転領域３の周期とにより決まる。このため、環境温
度が変わると屈折率が変わり、位相整合波長が変化す
る。

【０１１１】次に、ＤＢＲ半導体レーザ２１ａについて
説明する。

【０１１２】ＤＢＲ半導体レーザ２１ａは、発光部４
２、位相制御部４１、およびＤＢＲ部４０に分かれてい
る。各部分４２、４１及び４０は、それぞれ電極４２
ａ、４１ａ、４０ａにより独立に制御できる。発光部４
２に電極４２ａを介して電流を注入することで、活性層
４４が発光する。注入電流が発振しきい値を越えると、
半導体レーザ２１ａの前面のへき開面４５とＤＢＲ部４
０に設けられている回折格子４３とが起こす反射によっ
て共振が生じ、レーザ発振する。

【０１１３】半導体レーザ２１ａのＤＢＲ部４０への注
入電流を変化させることで、屈折率が変化するので、フ
ィードバックされる波長が変わる。これを利用して、Ｄ
ＢＲ部４０を第１の波長可変部として動作させることが
でき、これにより、レーザの発振波長を変えることがで
きる。

【０１１４】さらにその後に、位相制御部４１に電極４
１ａを介して電流を注入することで、発振波長を連続的
に変えることができる。したがって、この位相制御部４
１を、第２の波長可変部として機能させることができ
る。

【０１１５】特に、本実施形態では、ＤＢＲ部４０によ
る制御を粗調整制御とし、位相制御部４１による制御を
微調整制御とする。本実施形態におけるこの高調波出力
安定化方法を、短波長レーザ光源１００の立ち上げ時を
例にとって、図８に示されるフローチャートを参照して
説明する。

【０１１６】電源を入れた時点では発振波長と位相整合
波長とがずれていて、高調波が発生しないとする。高調
波出力は、ビームスプリッタ２７で分岐して、その一部
をＳｉディテクタ２８でモニタしている。

【０１１７】まず最初に、ステップ８１０で、ＤＢＲ部
４０の駆動電流を変化させる。図９に示す駆動電流値と
発振波長とのグラフからわかるように、ＤＢＲ部４０の
電極４０ａに流す駆動電流が変化すると、発振波長は、
一部でモードホップしながら変化する。発振波長が位相
整合波長に接近すると、高調波Ｐ２を発生する。この高
調波の発生を検知したら（ステップ８２０）、ＤＢＲ部
４０への電流を固定する（ステップ８３０）。

【０１１８】次に、ステップ８４０で、位相制御部４１
の電極４１ａに流す電流を変化させる。位相制御部４１
への電流が変化する場合、ＤＢＲ部４０の電流の変化に
比べて、モードホップなしに発振波長が変化できる範囲
が広い。そのため、発振周波数を、高調波の出力がピー
クになるような波長に、容易に合わせることができる。
このようにして、高調波の出力が最大になったかどうか
を検知して（ステップ８５０）、出力が最大になったら
位相制御部４１に流す電流を固定する（ステップ８６
０）。

【０１１９】以上の操作によって、最大高調波出力が得
られる発振波長への設定が行われる。

【０１２０】環境温度が変化すると、光波長変換素子２
２ａの位相整合波長が変わる。これに対して、ＤＢＲ半
導体レーザ２１ａの発振波長を変えて、光波長変換素子
２２ａの変化した擬似位相整合波長に発振波長を合わせ
ることができる。

【０１２１】すなわち、上記で説明したものと同様の過
程により、高調波出力が常に最高値となるように電極４
０ａ及び４１ａへの印加電流を調整して、高調波Ｐ２を
安定に保つことができる。また、光波長変換素子の擬似
位相整合波長の変化に対しては、半導体レーザの発振波
長を広い範囲で変化させて、位相整合波長の変化に発振
波長を追随させることができる。

【０１２２】本実施形態によれば、温度０〜７０℃の範
囲において、高調波出力の変動を±２％以内に抑えるこ
とができる。また、基本波から高調波への変換効率は、
４０ｍＷの入力に対して５％である。また、図８のフロ
ーチャートに示すような制御を行っても、半導体レーザ
の立ち上がり時間は０．１秒以内と短時間である。さら
に、５００時間にわたる長期の連続動作中の経時変化に
ついても、光損傷はなく、高周波出力の変動は±２％以
内と非常に安定している。

【０１２３】このような安定した動作は、発振波長に対
する粗調整制御と微調整制御とを組み合わせることで達
成される。すなわち、発振波長の変化における若干のモ
ードホップは生じるものの広い範囲で発振波長を可変で
きるＤＢＲ部４０への電流印加を粗調整制御に使用し、
一方、モードホップは発生しないが発振波長の可変範囲
が狭い位相制御部４１への電流印加を微調整制御に使用
することによって、高速で広範囲な発振波長の制御が可
能である。

【０１２４】なお、図８を参照して説明した上記の一連
の制御において、微調整制御にペルチエ素子による温度
変化を利用することができる。この場合の制御フローチ
ャートを、図１０に示す。具体的には、図８に示す位相
制御部への電流の制御（ステップ８４０及び８６０）の
代わりに、ペルチエ素子に流す電流を制御して温度変化
を生じさせる（ステップ８４５及び８６５）。これによ
って、ＤＢＲ部４０への電流の制御と組み合わせて、発
振波長の制御を行う。なお、図１０の他のステップは図
８と同様であるので、ここではその説明は省略する。

【０１２５】図１０に示すペルチェ素子を使用する制御
方法においても、高調波出力の変動を２％以内におさめ
ることができる。また、この場合には半導体レーザに位
相制御部４１を形成する必要がないので、歩留まり良く
半導体レーザを形成することができるという効果もあ
る。

【０１２６】なお、薄膜ヒータを形成してヒータへの通
電電流を制御することによって、微調整制御を行うこと
もできる。特に、ヒータをＤＢＲ半導体レーザの上に集
積して形成すれば、半導体レーザあるいは短波長レーザ
光源を小型化することができる。

【０１２７】粗調整制御の方法としては、広い範囲にわ
たって発振波長が可変できるものであれば、特定のもの
に限られることはない。また、薄膜ヒータを光波長変換
素子の上に形成して、それへの通電電流を使用して微調
整制御をすることもできる。すなわち、光波長変換素子
に第２の波長可変手段を設けても、発振波長の連続的な
微調整を行うことができる。

【０１２８】（第５の実施形態）次に、本発明の第５の
実施形態による短波長レーザ光源を図１１を参照して説
明する。

【０１２９】本実施形態でも、短波長レーザ光源に含ま
れる光波長変換素子２２ｄとして、LiTaO₃基板１の中に
分極反転領域３を形成して、さらにプロトン交換を用い
て光導波路２を形成した光導波路型の光波長変換素子２
２ｄを使用する。入射面１０から入射された基本波Ｐ１
は、光導波路２を伝搬する間に高調波Ｐ２に変換され
て、出射面１２から出射される。

【０１３０】この出射される高調波Ｐ２の出力を安定さ
せるための制御方法として、光波長変換素子２２ｄでは
差動検出方法を用いる。そのために、光波長変換素子２
２ｄでは、通常の波長変換を行う第１の分極反転領域３
に加えて、それより入射面１０に近い箇所に、周期の短
い（周期Λ１）第２の周期状の分極反転領域３ａ、及び
周期の長い（Λ２）第３の周期状の分極反転領域３ｂが
形成されている。すなわち、周期が異なる３種類の分極
反転領域３ａ、３ｂ及び３が設けられている。周期の関
係は、Λ１＜Λ＜Λ２である。

【０１３１】さらに、分極反転領域３ａ及び３ｂの上に
は、お互いに異なる周期を有する回折格子１７ａ、１７
ｂがそれぞれ形成されている。この回折格子１７ａ、１
７ｂは、入射面１０から入射した基本波Ｐ１は通過させ
る。しかし、第２及び第３の分極反転領域３ａ及び３ｂ
によってそれぞれ基本波から変換された高調波Ｐ２ａ及
びＰ２ｂは、基板１の内部へ向けて回折させる。さら
に、基板１の反対側の表面にはディテクタ２８ａ及び２
８ｂが設けられていて、そのようにして回折された高調
波Ｐ２ａ及びＰ２ｂがそれぞれ入射するように配置され
ている。

【０１３２】図１１には図示していないが、半導体レー
ザとしては、波長可変機能を有するＤＢＲ半導体レーザ
を用いている。半導体レーザから出射された基本波Ｐ１
は、光波長変換素子２２ｄの光導波路２に入射する。光
導波路２に入った基本波Ｐ１は、周期状の分極反転領域
３ａ、３ｂ及び３でそれぞれ高調波Ｐ２ａ、Ｐ２ｂ及び
Ｐ２に変換される。

【０１３３】図１２は、入力される基本波の波長と発生
する高調波出力との関係を示すグラフである。第２の分
極反転領域３ａが周期状に形成されている領域の長さは
１ｍｍであり、この部分の位相整合波長（ピーク波長）
は８６１ｎｍ、波長半値幅は１ｎｍである。また、第３
の分極反転領域３ｂが周期状に形成されている部分の長
さは１ｍｍであり、この部分の位相整合波長は８６２ｎ
ｍ、波長半値幅は１ｎｍである。また、第１の分極反転
領域３が周期状に形成されている部分の長さは９ｍｍで
あり、この部分の位相整合波長は８６１．５ｎｍ、波長
半値幅は０．１ｎｍである。

【０１３４】半導体レーザの発振波長が光波長反転素子
の位相整合波長に一致していれば、第１の分極反転領域
３が反応して高調波Ｐ２が発生し、出射面１２から出射
される。しかし、発振波長が短いと、第２の周期状分極
反転領域３ａが反応して高調波Ｐ２ａが発生する。ある
いは、発振波長が長すぎると、第３の周期状分極反転領
域３ｂが反応して高調波Ｐ２ｂが発生する。それぞれの
部分で発生した高調波Ｐ２ａ及びＰ２ｂは、回折格子１
７ａ及び１７ｂで回折されてディテクタ２８ａ及び２８
ｂに入射し、そこで電気信号に変換される。

【０１３５】ＤＢＲ半導体レーザの波長を変えた場合の
ディテクタ２８ａ及び２８ｂの出力電気信号（出力電流
値）を、図１３（ａ）に示す。ここで、ディテクタ２８
ａの信号をＩ、ディテクタ２８ｂの信号をIIとすれば、
その差動出力はＩ−IIとなる。

【０１３６】図１３（ｂ）には、半導体レーザの発振波
長を印加電流で制御する場合の、差動出力Ｉ−IIを示
す。実際の制御にあたっては、差動出力Ｉ−IIの変動が
±２％の範囲に納まるように、印加電流によって発振波
長を制御する。これにより、高調波出力の値を、常にピ
ーク値の周辺に保つことができる。具体的には、温度が
５〜７０℃の範囲で変動すると、例えば±１％以内の出
力の変動が発生する。

【０１３７】このように、差動検出を用いると高調波出
力を簡単且つ十分に安定させることができる。基本波Ｐ
１から高調波Ｐ２への変換効率は、入力パワーが６０ｍ
Ｗの場合に５％である。実際の高調波出力を得るための
第１の周期状分極反転領域３と差動検出に使う第２及び
第３の周期状分極反転領域３ａ及び３ｂは、同一の基板
１の上に同一マスクを用いて同一プロセスで作製でき
る。そのため、それぞれ分極反転領域３、３ａ及び３ｂ
の位相整合波長の関係は一定であり、差動検出により発
振波長が高周波出力のピークに容易に固定される。

【０１３８】上記の説明では、半導体レーザの発振波長
を変化させているが、温度や電界などに関する条件を制
御して、光波長変換素子の位相整合波長を変化させて
も、同様の効果を得ることができる。

【０１３９】（第６の実施形態）次に、本発明の第６の
実施形態の短波長レーザ光源を説明する。図１４は、本
実施例の短波長レーザ光源に用いられる光波長変換素子
２２ｅの構成を示す平面図である。

【０１４０】本実施形態でも、短波長レーザ光源に含ま
れる光波長変換素子２２ｅとして、LiTaO₃基板１の中に
分極反転領域３を形成して、さらにプロトン交換を用い
て光導波路２を形成した光導波路型の光波長変換素子２
２ｅを使用する。入射面１０から入射された基本波Ｐ１
は、光導波路２を伝搬する間に高調波Ｐ２に変換され
て、出射面１２から出射される。

【０１４１】この出射される高調波Ｐ２の出力を安定さ
せるための制御方法としては、やはり差動検出方法を用
いる。そのために、光波長変換素子２２ｅでは、通常の
波長変換を行う第１の分極反転領域３に加えて、それよ
り入射面１０に近い箇所に、周期の短い（周期Λ１）第
２の周期状の分極反転領域３ａ、及び周期の長い（Λ
２）第３の周期状の分極反転領域３ｂが形成されてい
る。すなわち、周期が異なる３種類の分極反転領域３
ａ、３ｂ及び３が設けられている。周期の関係は、Λ１
＜Λ＜Λ２である。

【０１４２】さらに、第２及び第３の分極反転領域３ａ
及び３ｂの上には、分岐光導波路２ａ及び２ｂが形成さ
れている。基本波Ｐ１は、方向性結合器５０によって分
岐光導波路２ａ及び２ｂに結合されている。分岐光導波
路２ａ及び２ｂを通って伝搬する基本波Ｐ１に基づいて
発生する高調波Ｐ２ａ及びＰ２ｂは、基板１の外に出力
される。さらに、基板１の側面にはディテクタ２８ａ及
び２８ｂが設けられていて、そのようにして回折された
高調波Ｐ２ａ及びＰ２ｂがそれぞれ入射するように配置
されている。

【０１４３】図１４には図示していないが、半導体レー
ザとしては、波長可変機能を有するＤＢＲ半導体レーザ
を用いている。半導体レーザから出射された基本波Ｐ１
は、光波長変換素子２２ｅの光導波路２に入射する。光
導波路２に入った基本波Ｐ１は、周期状の分極反転領域
３で高調波Ｐ２に変換される。変換された高調波Ｐ２
は、そのまま光導波路２を伝搬して、出射面１２から外
部に出射される。

【０１４４】一方、変換されずに残った基本波Ｐ１は、
方向性結合器５０によって分岐光導波路２ａ及び２ｂに
結合される。分岐光導波路２ａ及び２ｂを通って伝搬す
る基本波Ｐ１は、それぞれの光導波路２ａ及び２ｂの先
端に設けられた第２及び第３の分極反転領域３ａ及び３
ｂによって高調波Ｐ２ａ及びＰ２ｂに変換される。

【０１４５】第２の周期状の分極反転領域３ａ（周期Λ
１）が形成されている領域の長さは１ｍｍであり、この
部分の位相整合波長は８６１ｎｍ、波長半値幅は１ｎｍ
である。また、第３の周期状の分極反転領域３ｂ（周期
Λ２）が形成されている部分の長さは１ｍｍであり、こ
の部分の位相整合波長は８６２ｎｍ、波長半値幅は１ｎ
ｍである。また、第１の周期状の分極反転領域３が形成
されている部分の長さは９ｍｍであり、位相整合波長は
８６１．５ｎｍ、波長半値幅は０．１ｎｍである。

【０１４６】先の実施例に関連して述べたように、半導
体レーザの発振波長が光波長反転素子の位相整合波長に
一致していれば、第１の分極反転領域３が反応して高調
波Ｐ２が発生し、出射面１２から出射される。しかし、
発振波長が短いと、第２の周期状分極反転領域３ａが反
応して高調波Ｐ２ａが発生する。あるいは、発振波長が
長すぎると、第３の周期状分極反転領域３ｂが反応して
高調波Ｐ２ｂが発生する。それぞれの部分で発生した高
調波Ｐ２ａ及びＰ２ｂは、ディテクタ２８ａ及び２８ｂ
に入射し、そこで電気信号に変換される。このようにし
てディテクタ２８ａ及び２８ｂで検出される信号から、
先の実施例と同様の原理に基づいて差動信号を得る。そ
して、差動信号の変動が±２％の範囲におさまるよう
に、印加電流によって発振波長を制御することにより、
高調波出力の値を常にピーク値の周辺に保つことができ
る。具体的には、温度が５〜７０℃の範囲で変動する
と、例えば±１％以内の出力の変動が発生する。

【０１４７】基本波Ｐ１から高調波Ｐ２への変換効率
は、入力パワーが６０ｍＷの場合に７％である。なお、
本実施形態のように出射面１２の側に差動検出用の周期
状分極反転領域３ａ及び３ｂを形成すれば、すでに高調
波への変換が終了した「使用済」の基本波を利用するこ
とができるので、変換効率に影響が及ぼされることがな
いという効果も有する。

【０１４８】上記の説明では、半導体レーザの発振波長
を変化させているが、温度や電界などに関する条件を制
御して、光波長変換素子の位相整合波長を変化させて
も、同様の効果を得ることができる。

【０１４９】（第７の実施形態）次に、本発明の第７の
実施形態の短波長レーザ光源を説明する。図１５は、本
実施例の短波長レーザ光源７００の構成を示す断面図で
ある。

【０１５０】この短波長レーザ光源７００では、非線形
光学結晶であるLiTaO₃基板１の内部に周期状の分極反転
領域３が形成されている光波長変換素子２２ｆを用い
る。さらに、本実施形態における光波長変換素子２２ｆ
は、これまでの実施形態の光波長変換素子のように周期
状の分極反転領域が形成されている表面に光導波路を形
成して使用するのではなく、全体をバルクとして使用す
るバルク型の素子である。なお、周期状の分極反転領域
３の形成は、例えば電界印加法によって行うことができ
るが、他の方法を適用してもよい。

【０１５１】また、短波長レーザ光源７００は、波長可
変部を有するＤＢＲ半導体レーザ２１ｆを用いている。
ＤＢＲ半導体レーザ２１ｆ及び光波長変換素子２２ｆ
は、Ａｌでできた基材２０の上に固定されている。半導
体レーザ２１ｆから出射された基本波Ｐ１は、レンズ２
４ａで平行光にされた後、光波長変換素子２２ｆに入射
面１０から入射する。

【０１５２】光波長変換素子２２ｆに入った基本波Ｐ１
は、位相整合長Ｌの長さを持った分極反転領域３で高調
波Ｐ２に変換される。さらに、その後に続く同じくＬの
長さを持った非分極反転領域４で、高調波のパワーが増
幅される。このようにして、光波長変換素子２２ｆの内
部で増幅された高調波Ｐ２は、出射面１２より放射され
る。

【０１５３】高調波が発生する波長（位相整合波長）
は、擬似位相整合により、非線形光学結晶の屈折率と分
極反転領域３の周期とにより決まる。このため、環境温
度が変わると屈折率が変わり、位相整合波長が変化す
る。

【０１５４】次に、ＤＢＲ半導体レーザ２１ｆについて
説明する。

【０１５５】ＤＢＲ半導体レーザ２１ｆは、発光部４２
及びＤＢＲ部４０に分かれている。各部分４２及び４０
は、それぞれ電極４２ａ及び４０ａにより独立に制御で
きる。発光部４２に電極４２ａを介して電流を注入する
ことで、活性層４４が発光する。注入電流が発振しきい
値を越えると、半導体レーザ２１ｆの前面のへき開面４
５とＤＢＲ部４０に設けられている回折格子４３とが起
こす反射によって共振が生じ、レーザ発振する。

【０１５６】半導体レーザ２１ｆのＤＢＲ部４０への注
入電流を変化させることで、屈折率が変化するので、フ
ィードバックされる波長が変わる。これを利用すれば、
ＤＢＲ部４０を波長可変部として動作させることがで
き、これにより、レーザの発振波長を変えることができ
る。

【０１５７】次に、高調波出力安定化方法について説明
する。

【０１５８】短波長レーザ光源７００は、全体がペルチ
ェ素子４８の上にマウントされていて、環境温度の変化
にかかわらずその温度が常に一定に保たれるようになっ
ている。しかし、長時間に渡って短波長レーザ光源７０
０を使用すると、経時変化等により光波長変換素子２２
ｆの擬似位相整合波長または半導体レーザ２１ｆの発振
波長が変化して、疑似位相整合波長と発振波長との間に
ずれが生じるようにななる。これに対して、ＤＢＲ半導
体レーザ２１ｆの発振波長を変えることで、光波長変換
素子２２ｆの変化後の位相整合波長に、半導体レーザ２
１ｆの発振波長を合わせることができる。

【０１５９】このとき、光波長変換素子２２ｆからの高
調波出力Ｐ２をビームスプリッタ２７で分岐し、その一
部をＳｉディテクタ２８でモニタする構成としても良
い。このような構成とすれば、ディテクタ２８における
検出結果を用いて、高調波出力が常に最高値となるよう
に電極４０ａに印加する電流値を調整することができ、
高調波Ｐ２の出力が安定して所期の値に保たれる。

【０１６０】なお、ディテクタ２８は、図１５に示され
るように、出射面１２から得られる高調波出力Ｐ２を検
出する構成に限られるものではない。例えば、光波長変
換素子２２ｆの内部で変換された高調波の一部は、素子
２２ｆの入射面１０から外部に放出される。そこで、半
導体レーザ２１ａと光波長変換素子２２ｆとの間隙の上
方にディテクタ２８を設置して、素子２２ｆの入射面１
０から出てくる高調波を検出する構成とすることもでき
る。

【０１６１】本実施形態によれば、温度０〜６０℃の範
囲において、高調波出力の変動を±３％以内に抑えるこ
とができる。また、基本波から高調波への変換効率は、
３００ｍＷの入力に対して０．５％であり、出力１．５
ｍＷのブルー光が得られる。また、本実施形態の短波長
レーザ光源７００に含まれるようなバルク型の光波長変
換素子２２ｆは、光路のアライメントが簡単に行えると
ともに機械的振動にも強く、実用的である。

【０１６２】次に、図１５の短波長レーザ光源７００の
構成において、ＤＢＲ半導体レーザ２１ｆをＲＦ駆動す
る。具体的には、周波数８００ＭＨｚのサイン波電流を
電極４０ａに印加する。これによって、基本波Ｐ１の平
均パワー１００ｍＷに対して、パワー２ｍＷの高調波Ｐ
２の出力が得られる。

【０１６３】光波長変換素子の変換効率は基本波のパワ
ーに比例するので、上記のように半導体レーザ２１ｆに
ＲＦ駆動を行って基本波Ｐ１をパルス列として光波長変
換素子２２ｆに入力することにより、その変換効率を向
上することができる。ＤＢＲ半導体レーザ２１ｆは、Ｒ
Ｆ駆動においても縦モードが乱れることがなく、有効に
波長変換できる。

【０１６４】なお、半導体レーザのＲＦ駆動は、本実施
形態のようにバルク型の光波長変換素子２２ｆを用いる
場合に限らず、光導波路型の光波長変換素子を含む短波
長レーザ光源の構成に対しても適用できる。一方、第４
の実施形態として説明した粗調整及び微調整制御の手
法、あるいは、第５の実施形態として説明した差動検出
の手法を、本実施形態におけるバルク型の光波長変換素
子２２ｆを含む短波長レーザ光源７００の構成に適用す
ることも可能である。

【０１６５】（第８の実施形態）次に、本発明の第８の
実施形態の短波長レーザ光源を説明する。図１６は、本
実施例の短波長レーザ光源８００の構成を示す断面図で
ある。

【０１６６】図１６に示す短波長レーザ光源８００でも
ペルチェ素子４８を用いて短波長レーザ光源８００の温
度制御を行うが、その配置は、図１５に示した第７の実
施形態の短波長レーザ光源７００とは異なっている。す
なわち、ＤＢＲ半導体レーザ２１ｇと基材２０を挟んで
対向する位置に銅ブロック５９ａが配置されており、同
様に、光波長変換素子２２ｇと基材２０を挟んで対向す
る位置に銅ブロック５９ｂが配置されている。基材２０
は、典型的には真鍮でできていて、厚さは例えば０．５
ｍｍである。このため、ＤＢＲ半導体レーザ２１ｇから
光波長変換素子２２ｇへは、熱が伝達しにくい。

【０１６７】ペルチェ素子４８の第１の面４８ａは銅ブ
ロック５９ａに接触し、第２の面４８ｂは銅ブロック５
９ｂに接触している。ペルチェ素子４８に電流を印加す
ると、第１の面４８ａ及び第２の面４８ｂは、お互いに
逆の温度特性を示す。例えば、第１の面４８ａが発熱し
て加熱作用を示す場合には、第２の面４８ｂは吸熱して
冷却作用を示す。これによって、ペルチェ素子４８の第
１の面４８ａに銅ブロック５９ａを介して接している半
導体レーザ２１ｇの温度、及び第２の面４８ｂに銅ブロ
ック５９ｂを介して接している光波長変換素子２２ｇの
温度を、ペルチェ素子４８への印加電流の制御を通じて
制御することができる。

【０１６８】例えば、銅ブロック５９ａの温度を、室温
３０℃を挟んで約５℃から約５５℃まで変化させると、
銅ブロック５９ｂの温度は、約１０℃から約５０℃まで
変化する。この結果、半導体レーザ２１ｇの発振波長を
例えば２．６ｎｍの範囲で変化させることができ、一
方、光波長変換素子２２ｇの位相整合波長は例えば２．
０ｎｍの範囲で変化させることができる。したがって、
合計では４．６ｎｍの範囲で波長を制御することができ
る。図１５に示す短波長レーザ光源７００の構成では、
全体の構成を基材２０を介してペルチェ素子４８の同一
の面の上に配置しているが、この場合には波長の可変範
囲は約０．６ｎｍである。したがって、本実施形態の構
成にすることによって、約８倍の広い範囲にわたって波
長を制御することが可能になる。

【０１６９】また、ＤＢＲ半導体レーザ２１ｇの発振波
長、及び光波長変換素子２２ｇの位相整合波長のいずれ
もが、温度に対して連続的に変化する。そのため、安定
且つ滑らかな波長のチューニングを行うことができる。

【０１７０】（第９の実施形態）次に、本発明の第９の
実施形態の短波長レーザ光源を説明する。図１７は、本
実施形態の短波長レーザ光源に含まれる半導体レーザの
構成を示す断面図である。

【０１７１】この短波長レーザ光源では、非線形光学結
晶であるKNbO₃基板に周期状の分極反転領域が形成され
ている光波長変換素子を用いる。KNbO₃は、８００ｎｍ
帯の発振波長を有する半導体レーザの波長に対して位相
整合する材料である。なお、周期状の分極反転領域の形
成は、例えばイオン注入法によって行うことができる
が、他の方法を適用してもよい。

【０１７２】また、本実施形態の短波長レーザ光源で
は、波長可変部を有するＤＢＲ半導体レーザ２１ｈを用
いている。ＤＢＲ半導体レーザ２１ｈはＡｌでできた基
材２０の上に固定されていて、半導体レーザ２１ｈから
出射された基本波Ｐ１は、コリメータレンズで平行光に
された後、半波長板を介してフォーカスレンズで集光さ
れ、光波長変換素子（図１７には不図示）の光導波路に
入射面から入射する。半波長板は、基本波Ｐ１の偏光方
向を９０度回転させ、光導波路の偏光方向に一致させる
ために挿入されている。

【０１７３】光導波路に入った基本波Ｐ１は、位相整合
長Ｌの長さを持った分極反転領域で高調波に変換され
る。さらに、その後に続く同じくＬの長さを持った非分
極反転領域で、高調波のパワーが増幅される。このよう
にして、光導波路の内部で増幅された高調波は、出射面
より放射される。

【０１７４】本実施形態では、後述するように、制御を
簡略化するために単独の電流印加により高調波の安定化
を実現している。

【０１７５】次に、ＤＢＲ半導体レーザ２１ｈについて
説明する。

【０１７６】ＤＢＲ半導体レーザ２１ｈは、発光部４
２、ＤＢＲ部４０、及びアンプ部４７に分かれている。
各部分４２、４０及び４７は、それぞれ電極４２ａ、４
０ａ、及び４７ａにより独立に制御できる。発光部４２
に電極４２ａを介して電流を注入することで、活性層４
４が発光する。注入電流が発振しきい値を越えると、半
導体レーザ２１ｈの後面のへき開面４６とＤＢＲ部４０
に設けられている回折格子４３とが起こす反射によって
共振が生じ、レーザ発振する。

【０１７７】半導体レーザ２１ｈのＤＢＲ部４０への注
入電流を変化させることで、屈折率が変化するので、フ
ィードバックされる波長が変わる。これを利用すれば、
ＤＢＲ部４０を波長可変部として動作させることがで
き、これにより、レーザの発振波長を変えることができ
る。

【０１７８】発光部４２で発生した光は、アンプ部４７
で増幅されて出射される。このとき、半導体レーザ２１
ｈの前面のへき開面４５に無反射コーティングを施すこ
とによって、へき開面４５における反射を０．０１％と
極めて小さくすることができる。これによって、複合モ
ードが立たなくなる。

【０１７９】一方、本実施形態では、半導体レーザ２１
ｈの後面のへき開面４６とＤＢＲ部４０の実効反射面と
の間の距離である実効共振器長（キャビティ長）Ｄは１
５０μmに設定されており、縦モードの間隔は０．７ｎ
ｍになっている。そのために、０．７ｎｍの範囲内で
は、電極４０ａへの印加電流の制御のみで、モードホッ
プなしに連続的に波長を制御できる。また、ＤＢＲ部４
０は、１ｎｍと十分な反射波長幅を有している。

【０１８０】図１８に、キャビティ長Ｄと縦モードの間
隔との関係を示す。図１８に示されているように、キャ
ビティ長Ｄと縦モードの間隔とは反比例する。縦モード
間隔以内であれば、モードホップなしに波長を変更して
調整することができ、さらにキャビティ長Ｄを小さくし
て縦モード間隔を広げれば、その調整可能な範囲を広げ
ることができる。

【０１８１】温度範囲２０℃にわたる光波長変換素子の
位相整合波長の変動を補償するためには、一般には０．
５ｎｍの範囲にわたって波長を変更することが望まし
く、そのためには図１８のグラフから、キャビティ長Ｄ
は２００μｍ以下に設定することが望ましい。さらに
は、キャビティ長Ｄを１００μｍ以下に設定すれば、温
度範囲４０℃に対応する波長の調整を行うことが可能に
なり、さらに好ましい。

【０１８２】なお、一般に、キャビティ長Ｄが短くなる
と、発振されるレーザ光のパワーが小さくなる。これに
対して本実施形態の半導体レーザ２１ｈでは、アンプ部
４７を設けることによって、弱い発振レーザ光を増幅し
ている。

【０１８３】次に、高調波出力安定化方法について説明
する。

【０１８４】環境温度が変化すると、光波長変換素子の
位相整合波長が変わる。これに対して、これまでの実施
形態においてと同様に、ＤＢＲ半導体レーザ２１ｈの発
振波長を変えることで、光波長変換素子の変化後の位相
整合波長にレーザ２１ｈの発振波長を合わせることがで
きる。

【０１８５】すなわち、光波長変換素子からの高調波出
力をビームスプリッタで分岐し、その一部をＳｉディテ
クタでモニタする。このような構成において、ディテク
タにおける検出結果を用いて、高調波出力が常に最高値
となるように電極４０ａに印加する電流値を調整するこ
とにより、高調波の出力が安定して所期の値に保たれ
る。

【０１８６】例えば、電極４０ａへの印加電流を４０ｍ
Ａだけ変化させると、発振波長は例えば約０．６ｎｍ変
化する。このようにして、広い範囲で半導体レーザの発
振波長を変化させて、光波長変換素子の擬似位相整合波
長の変化に追随することができる。

【０１８７】また、具体的には、温度が１５〜４５℃の
範囲で変化する際に、高調波出力の変動は±３％以内で
ある。また、本実施形態では、基本波から高調波への変
換効率は、入力パワー４０ｍＷに対して５％である。

【０１８８】図１９には、本実施形態の短波長レーザ光
源の変形例として、ＤＢＲ部４０の上に電極４０ａを形
成していない構成を有するＤＢＲ半導体レーザ２１ｊの
断面図を示す。この構成では、発光部４２の上に設けら
れた電極４２ａに電流を印加してレーザ発振を生じさせ
るとともに、電極４２ａへの印加電流の量を変化させる
ことによって、その発振波長を調整する。つまり、発光
部４２が、電極４２ａへの電流印加にともなう発光機能
に加えて、印加電流量の調整にともなう発振波長の調整
という位相制御機能を兼ね備えている。なお、発振され
るレーザ光の出力レベルは、アンプ部４７の上に設けら
れた電極４７ａへの印加電流量の調整によって調整され
る。

【０１８９】なお、図１７あるいは図１９に示す本実施
形態の半導体レーザの構成において、ＤＢＲ部４０とへ
き開面との間に凹部を設けて反射体を作り、短共振器を
形成することもできる。このような構成とすることによ
って、極めて短いキャビティ長Ｄを有する共振器が実現
される。

【０１９０】（第１０の実施形態）次に、本発明の第１
０の実施形態の短波長レーザ光源を説明する。図２０
は、本実施例の短波長レーザ光源１０００の構成を示す
断面図である。

【０１９１】この短波長レーザ光源１０００では、非線
形光学結晶であるLiTaO₃基板２２の表面に周期状の分極
反転領域（不図示）が形成されている光波長変換素子２
２ｋを用いる。さらに、光波長変換素子２２ｋの周期状
の分極反転領域３が形成されている表面には、プロトン
交換を用いて光導波路２が形成されている。

【０１９２】短波長レーザ光源１０００は、波長可変部
を有するＤＢＲ半導体レーザ２１ｋを用いている。本実
施形態では、光波長変換素子２２ｋの出射面１２に反射
体５８を形成し、そこからの外部反射光を活性層４４に
フィードバックして発振波長の制御を行っている。これ
によって、縦モード間隔を極めて小さくすることができ
る。

【０１９３】ＤＢＲ半導体レーザ２１ｋは基材（不図
示）の上に固定されていて、半導体レーザ２１ｋから出
射された基本波Ｐ１は、レンズ２５ａで平行光にされた
後、光波長変換素子２２ｋに入射面１０から入射する。

【０１９４】光波長変換素子２２ｋに入った基本波Ｐ１
は、位相整合長Ｌの長さを持った分極反転領域で高調波
Ｐ２に変換される。さらに、その後に続く同じくＬの長
さを持った非分極反転領域で、高調波のパワーが増幅さ
れる。このようにして、光導波路２の内部で増幅された
高調波Ｐ２は、出射面１２より放射される。

【０１９５】次に、ＤＢＲ半導体レーザ２１ｋについて
説明する。

【０１９６】ＤＢＲ半導体レーザ２１ｋは、発光部４２
及びＤＢＲ部４０に分かれている。各部分４２及び４０
は、それぞれ電極４２ａ及び４０ａにより独立に制御で
きる。発光部４２に電極４２ａを介して電流を注入する
ことで、活性層４４が発光する。注入電流が発振しきい
値を越えると、光波長変換素子２２ｋに設けられている
反射体５８とＤＢＲ部４０に設けられている回折格子４
３とが起こす反射によって共振が生じ、レーザ発振す
る。

【０１９７】半導体レーザ２１ｋの前面のへき開面４５
には、無反射コーティングが施されている。また、反射
体５８は、８００ｎｍ帯の波長を有する基本波の光は約
９８％反射するが、４００ｎｍ帯の波長を有する高調波
の光は９５％透過する。

【０１９８】半導体レーザ２１ｋのＤＢＲ部４０への注
入電流を変化させることで、屈折率が変化するので、フ
ィードバックされる波長が変わる。これを利用すれば、
ＤＢＲ部４０を波長可変部として動作させることがで
き、これにより、レーザの発振波長を変えることができ
る。

【０１９９】このとき、本実施形態の構成では、反射体
５８とＤＢＲ部４０の実効反射面との間の距離であるキ
ャビティ長Ｄは１１ｍｍに設定されており、縦モードの
間隔は０．０１ｎｍになっている。このように縦モード
の間隔を狭くすることによって、見かけ上は連続的に波
長を変更させることができる。また、光波長変換素子２
２ｋの許容波長半値幅は、０．２ｎｍである。

【０２００】本実施形態における光波長変換素子２２ｋ
は、６０℃の温度範囲にわたって低ノイズで安定した高
調波出力を供給する。なお、上記の説明では、反射体５
８を光波長変換素子２２ｋの出力側に設けている。これ
によって、基本波が光波長変換素子２２ｋの内部を伝搬
した後に反射体５８で反射されるので、基本波から高調
波への変換に際して有効にパワーを使用できる。しか
し、反射体５８は、光波長変換素子２２ｋの入射側に設
けることもできる。

【０２０１】上記で説明した本実施形態のように、光波
長変換素子２２ｋの許容波長半値幅が半導体レーザ２１
ｋの縦モード間隔より広ければ、高調波は常に出力され
る。この点を、図２１を参照して説明する。

【０２０２】図２１は、半導体レーザの縦モードと光波
長変換素子の高調波強度との関係を模式的に示す図であ
り、一例として、許容波長半値幅以内に２本の縦モード
Ａ及びＢが存在している場合を示している。この２本の
縦モードＡ及びＢのどちらを選んでも光波長変換素子の
出力強度は１以上となるが、半導体レーザの出力を制御
することそのレベルを下げることができ、光波長変換素
子からの実際の出力は一定に保たれる。

【０２０３】このように、光波長変換素子の許容波長半
値幅を半導体レーザの縦モード間隔より広くするには、
一般に、半導体レーザのキャビティ長Ｄを長くする方法
が有効である。あるいは、それ以外の方法として、光波
長変換素子の分極反転領域の周期を部分的に変化させる
方法も有効である。後者では、光導波路の長さ方向に対
して分極反転領域の周期を徐々に或いは分割して変化さ
せることで、任意の許容幅を持つ光波長変換素子が実現
できる。

【０２０４】上記の説明に含まれていた半導体レーザで
は、その発光部を光波長変換素子に近い側に、ＤＢＲ部
を光波長変換素子から遠い側に、それぞれ配置すること
が好ましい。これは、そのような配置によって、光波長
変換素子に入射するレーザ光の損失を少なくすることが
できるためである。

【０２０５】レーザ光は発光部でゲインを得るので、発
光部を半導体レーザの出射側の端面に近い側に、すなわ
ち光波長変換素子に近い側に配置すれば、出力されるパ
ワーを最大限に活用することができる。また、発光部か
らＤＢＲ部へ向けて出射されたレーザ光は、ＤＢＲ部の
回折格子でほとんど回折される。このとき、回折格子の
ピッチを適切に設定することによって、回折効率を自由
に設定できる。回折効率は、例えば９０％程度に設定す
る。

【０２０６】一方、ＤＢＲ部を光波長変換素子に近い側
に、発光部を光波長変換素子から遠い側に、それぞれ配
置すると、発光部から発せられたレーザ光は、光波長変
換素子に入射する前に、その大部分、典型的には約９０
％が回折されて発光部に戻る結果となる。したがって、
ＤＢＲ部の側の端面から光波長変換素子へ向けては、レ
ーザ光がほとんど出射しなくなる。

【０２０７】また、半導体レーザ及び光波長変換素子を
光波長変換素子を金属製の基材の上にマウントする際に
は、以下の理由により、半導体レーザの活性層及び光波
長変換素子の光導波路が金属製の基材から遠い側に存在
するような配置にすることが好ましい。

【０２０８】すなわち、半導体レーザには複数の電極を
設ける必要があるので、電極に接続する配線をワイヤボ
ンディングなどで形成する工程を容易にするためには、
電極が半導体レーザの上面に配置されるようにすること
が好ましい。

【０２０９】一方、光波長変換素子を、その光導波路が
金属製の基材に直接的に接触する様な位置に配置する
と、屈折率の大きい金属製の基材へむけて、光損失が発
生する。そのような光損失を防ぐためには、基材と光波
長変換素子（光導波路）との間にＳｉＯ₂膜などによる
保護膜を形成する必要が生じる。しかし、光導波路が上
側に存在するような配置にすることによって、そのよう
な保護膜の形成を省略することができる。

【０２１０】なお、以上の説明では、非線形光学結晶と
してLiTaO₃またはLiNbO₃を用いているが、それ以外に
も、ＫＴＰ(KTiOPO₄)、KNbO₃、またはMgO、Nb、Ndなど
をドープしたLiTaO₃やLiNbO3、あるいは、LiTaO₃とLiNb
O₃との混晶であるLiNb_(1ーx)Ta_XO₃（０≦Ｘ≦１）などの
強誘電体を使用することができる。あるいは、ＭＮＡや
ＤＡＮ等の有機非線形光学結晶などを使用することもで
きる。

【０２１１】また、高調波出力のピークがいくつかある
場合、所定の出力が必要な場合等であっても、本発明が
適用できることは言うまでもない。

【０２１２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の高調波
出力安定化方法によれば、半導体レーザの電流を変えて
レーザの発振波長を制御し、光波長変換素子の擬似位相
整合波長にレーザ発振波長を合わせることによって、簡
単に高調波出力の安定化を行うことができる。

【０２１３】また、本発明の短波長レーザ光源によれ
ば、半導体レーザの印加電流を制御することにより、光
波長変換素子の擬似位相整合波長に半導体レーザの発振
波長を合わせて、簡単且つ安定に高調波を発生すること
ができる。

【０２１４】さらに、本発明の短波長レーザ光源によれ
ば、半導体レーザの波長変動を防止し、低ノイズな高調
波出射を実現できる。特に、分布ブラッグ反射型（ＤＢ
Ｒ）半導体レーザを用いると、波長を広い範囲にわたっ
て安定に調整して安定化することができる。

【０２１５】また、半導体レーザに波長可変部を設ける
ことによって、波長安定化動作の高速化を図ることがで
き、実用上極めて効果がある。

【０２１６】また、本発明の光波長変換素子によれば、
高調波を光導波路から取り出して、非点収差のないスポ
ットを安定に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における短波長レーザ
光源の構造を示す断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態における半導体レーザ
の印加電流と発振波長との関係を示すグラフである。

【図３】環境温度と高調波出力と関係を示すグラフであ
る。

【図４】本発明の第２の実施形態における短波長レーザ
光源の構造を示す断面図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は、図４の短波長レーザ光源に
含まれる光波長変換素子の製造工程を示す断面図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施形態における短波長レーザ
光源の構造を示す断面図である。

【図７】半導体レーザの駆動電流と出射される基本波の
パワーとの関係を示すグラフである。

【図８】本発明の第４の実施形態における高調波出力の
安定化法を示すフローチャートである。

【図９】本発明の第４の実施形態における半導体レーザ
のＤＢＲ部の駆動電流と発振波長との関係を示すグラフ
である。

【図１０】本発明の第４の実施形態において、微調整制
御にペルチェ素子を利用した場合における高調波出力の
安定化法を示すフローチャートである。

【図１１】本発明の第５の実施形態における短波長レー
ザ光源に含まれる光波長変換素子の構成を示す断面図で
ある。

【図１２】図１１の光波長変換素子における入力される
基本波の波長と発生する高調波出力との関係を示すグラ
フである。

【図１３】（ａ）は、本発明の第５の実施形態の短波長
レーザ光源において、半導体レーザの発振波長を変化さ
せたときのディテクタの出力電気信号を示すグラフであ
り、（ｂ）は、そのときの差動出力を示すグラフであ
る。

【図１４】本発明の第６の実施形態における短波長レー
ザ光源に含まれる光波長変換素子の構成を示す平面図で
ある。

【図１５】本発明の第７の実施形態における短波長レー
ザ光源の構造を示す断面図である。

【図１６】本発明の第８の実施形態における短波長レー
ザ光源の構造を示す断面図である。

【図１７】本発明の第９の実施形態における短波長レー
ザ光源に含まれる半導体レーザの構成を示す断面図であ
る。

【図１８】実効共振器長（キャビティ長）と縦モード間
隔との関係を示すグラフである。

【図１９】本発明の第９の実施形態における短波長レー
ザ光源に含まれる半導体レーザの他の構成を示す断面図
である。

【図２０】本発明の第１０の実施形態における短波長レ
ーザ光源の構造を示す断面図である。

【図２１】縦モード間隔と高調波の許容波長幅との関係
を示すグラフである。

【図２２】従来の短波長レーザ光源の構成を示す断面図
である。

【図２３】（ａ）は、従来の光波長変換素子の構成を示
す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の線２３Ｂ−２３Ｂ
における断面図である。

【図２４】（ａ）及び（ｂ）は、光波長変換素子による
波長変換の原理を説明する図である。

【符号の説明】

１、１０１ LiTaO₃基板 １ａ ＭｇＯドープLiNbO₃基板 ２、２ａ、２ｂ、１０２ 光導波路 ３、３ａ、３ｂ、１０３ 分極反転領域 ４、１０４ 非分極反転領域 ６ａ Ｔａ膜 １０ 入射面 １２ 出射面 １４ SiO₂層 １５ 薄膜ヒータ １７ａ、１７ｂ 回折格子 ２０、１２０ 基材 ２０ａ Ｓｉサブマウント ２１ａ、２１ｂ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、２１ｊ、２
１ｋ 分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体レーザ ２１ｃ ファブリーペロー型半導体レーザ ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２
２ｇ、２２ｋ、１２２光波長変換素子 ２４、１２４ コリメータレンズ ２５、１２５ フォーカスレンズ ２６ 半波長板 ２７ ビームスプリッタ ２８、２８ａ、２８ｂ ディテクタ ４０ ＤＢＲ部 ４１ 位相制御部 ４２ 発光部 ４０ａ、４１ａ、４２ａ、４７ａ 電極 ４３ 回折格子 ４４ 活性層 ４５、４６ へき開面 ４７ アンプ部 ４８ ペルチエ素子 ５８ 反射体 ５９ａ、５９ｂ 銅ブロック １００、２００、３００、７００、８００、１０００、
５０００ 短波長レーザ光源 １２１ 半導体レーザ Ｐ１、Ｐ１ａ 基本波 Ｐ２、Ｐ２ａ、Ｐ２ｂ 高調波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｓ 5/14 Ｈ０１Ｓ 5/14 (72)発明者 水内 公典 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 加藤 誠 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2K002 AA05 AB12 BA03 DA01 DA06 EA07 EB15 FA26 FA27 HA20 5F073 AA65 AA83 AB23 EA03 GA13

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 波長可変部を有する分布ブラッグ反射型
   半導体レーザから出射された基本波を光波長変換素子で
   高調波へと変換する工程と、該高調波出力を差動検出
   し、検出結果を用いて該分布ブラッグ反射型半導体レー
   ザの該波長可変部の印加電流を制御して該分布ブラッグ
   反射型半導体レーザの発振波長を変え、それによって、
   該高調波出力の略ピークに該発振波長を合わせる工程と
   を包含する高調波出力安定化方法。
2. 【請求項２】 非線形光学結晶中に形成された少なくと
   も３つ以上の周期状分極反転領域を有する光波長変換素
   子と、半導体レーザと、を備え、該３つ以上の周期状分
   極反転領域は、周期Λの第１の周期状分極反転領域と、
   周期Λ１の第２の周期状分極反転領域と、周期Λ２の第
   ３の周期状分極反転領域と、を含み、周期の関係がΛ１
   ＜Λ＜Λ２であり、周期Λ１の第２の周期状分極反転領
   域で発生した高調波と周期Λ２の該第３の周期状分極反
   転領域で発生した高調波とは、それぞれ異なる検出器で
   検出される短波長レーザ光源。
3. 【請求項３】 前記光波長変換素子が光導波路型である
   請求項１に記載の高調波出力安定化方法。
4. 【請求項４】 前記光波長変換素子が光導波路型である
   請求項２に記載の短波長レーザ光源。
5. 【請求項５】 前記光波長変換素子がバルク型である請
   求項１に記載の高調波出力安定化方法。
6. 【請求項６】 前記光波長変換素子がバルク型である請
   求項２に記載の短波長レーザ光源。
7. 【請求項７】 前記非線形光学結晶がＬｉＮｂ_xＴａ_1-x
   Ｏ₃（０≦Ｘ≦１）基板である請求項２に記載の短波長
   レーザ光源。
8. 【請求項８】 前記光導波路がプロトン交換光導波路で
   ある請求項４に記載の短波長レーザ光源。
9. 【請求項９】 ディテクタおよびビームスプリッタをさ
   らに有する請求項２に記載の短波長レーザ光源。
10. 【請求項１０】 基本波出力をモニタして電流を制御す
    る請求項１に記載の高調波出力安定化方法。
11. 【請求項１１】 基本波出力をモニタして電流を制御す
    る請求項２に記載の短波長レーザ光源。
12. 【請求項１２】 縦モード間隔が１ｎｍ以上である前記
    半導体レーザを用いたことを特徴とする請求項１に記載
    の高調波出力安定化方法。
13. 【請求項１３】 縦モード間隔が１ｎｍ以上である、前
    記半導体レーザを用いたことを特徴とする請求項２に記
    載の短波長レーザ光源。
14. 【請求項１４】 前記光波長変換素子における前記基本
    波の反射戻り光が０．２％以下である請求項２に記載の
    短波長レーザ光源。
15. 【請求項１５】 ペルチエ素子の第１の面にて前記半導
    体レーザの温度を制御し、該ペルチエ素子の第２の面に
    て前記光波長変換素子の温度を制御し、かつ該第１の面
    と該第２の面とでは温度変化がお互いに逆である請求項
    ２に記載の短波長レーザ光源。
16. 【請求項１６】 前記分布ブラッグ反射型半導体レーザ
    において、前記波長可変部が、前記光波長変換素子から
    遠い側に配置されている請求項１に記載の高調波出力安
    定化方法。
17. 【請求項１７】 前記分布ブラッグ反射型半導体レーザ
    及び前記光波長変換素子は基材の上にマウントされてお
    り、該分布ブラッグ反射型半導体レーザの活性層及び該
    光波長変換素子の光導波路が、それぞれ該基材から遠い
    側に配置されている請求項１に記載の高調波出力安定化
    方法。
18. 【請求項１８】 前記半導体レーザ及び前記光波長変換
    素子は基材の上にマウントされており、該半導体レーザ
    の活性層及び該光波長変換素子の光導波路が、それぞれ
    該基材から遠い側に配置されている請求項２に記載の短
    波長レーザ光源。