JP2003043537A - 光導波路デバイス及びコヒーレント光源及び光学装置 - Google Patents

光導波路デバイス及びコヒーレント光源及び光学装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光導波路デバイスの量産工程を簡素化し、コ
ストの低減を図る。また、ノイズの低減を図る。 【解決手段】 光導波路１５の入射端面１５ａとその出
射端面１５ｂとをほぼ平行にする。大きな面積の光学基
板を光学研磨し、その後、切断することにより光導波路
デバイス１３を量産する量産方法を採用して、均一な長
さを有する光導波路デバイス１３の量産することが可能
になる。また、光導波路１５の光軸方向と光導波路１５
の出射端面１５ｂとに９０度でない角度を設け、光導波
路１５の出射端面１５ｂからの戻り光を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光導波路を利用した
光導波路デバイスおよび、これを応用したコヒーレント
光源および、これを利用した光情報処理、光応用計測制
御分野に使用される光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光情報記録、再生装置では、より短波長
の光源を用いることで高密度化が実現できる。例えば、
普及しているコンパクトディスク装置では７８０ｎｍの
近赤外光を用いるのに対し、より高密度の情報再生を実
現したデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）では６
５０ｎｍの赤色半導体レーザが用いられている。またさ
らに高密度な次世代光ディスク装置を実現するため、さ
らに短波長な青色レーザ光源の開発が盛んに行われてい
る。例えば、小型かつ安定な青色レーザ光源として非線
形光学物質を用いた波長変換素子が開発されている。
【０００３】図６は２次高調波発生素子（以下ＳＨＧ素
子と略す）を用いた青色レーザ光源１０１を含む光学装
置１０２の一例の概略図である。まず図６に沿って、青
色レーザ光源１０１について説明する。
【０００４】青色レーザ光源１０１は、ＳＨＧ素子１０
３と半導体レーザ１０４を含む。ＳＨＧ素子１０３は、
基板１０５を有する。基板１０５上にはプロトン交換法
によって幅約３ミクロン、深さ約２ミクロンの高屈折率
領域が形成され、光導波路１０６として働く。半導体レ
ーザ１０４から出射された波長８５０ｎｍの赤外光はＳ
ＨＧ素子１０３上の光導波路１０６の入射端面１０６ａ
に集光され、ＳＨＧ素子１０３上の光導波路１０６内を
伝搬して基本波導波光となる。基板１０５を構成するニ
オブ酸リチウム結晶は、大きな非線形光学定数を持ち、
基本波の電界から波長が２分の１に変換された波長４２
５ｎｍの高調波導波光が励起される。また、基本波と高
調波の伝搬定数差を補償するために光導波路１０６上に
は周期的に分極反転領域１０７が形成され、光導波路１
０６全域にわたって励起される高調波はコヒーレントに
足し合わされて、光導波路１０６の出射端面１０６ｂか
ら出射される。
【０００５】ここで、基本波と高調波の伝搬定数差を正
確に補償するためには、基本波の波長を正確に一定に保
つ必要があり、半導体レーザ１０４は温度等による波長
変動が極めて小さいＤＢＲレーザが用いられる。ＤＢＲ
レーザは波長変動が小さいばかりでなく、単一波長で発
振するためコヒーレンスが高くかつＲＩＮノイズが低い
という特長を併せ持つ。
【０００６】次に図６に示したＳＨＧ素子１０３を用い
た青色光源光ディスクピックアップの概略図に沿ってそ
の動作の様子を説明する。
【０００７】光学装置１０２は、コリメートレンズ１０
８、偏光ビームスプリッタ１０９、１／４波長板１１
０、集光レンズ１１１、光検出器１１２を含む。
【０００８】半導体レーザ１０４はＳＨＧ素子１０３と
直接結合され、半導体レーザ光をＳＨＧ素子１０３の光
導波路１０６に入射し、光導波路１０６内で高調波に変
換される。ＳＨＧ素子１０３から出射された高調波はコ
リメートレンズ１０８、偏光ビームスプリッタ１０９、
１/４波長板１１０、集光レンズ１１１を通過して光デ
ィスク１１３上に集光される。光ディスク１１３によっ
て変調された光は偏光ビームスプリッタ１０９で反射さ
れ、光検出器１１２に導かれ再生信号を得る。このと
き、ＳＨＧ素子１０３からは紙面に平行な直線偏光が出
射されるが、１/４波長板１１０を往復して紙面に垂直
な偏光となり、光ディスク１１３からの反射光は偏光ビ
ームスプリッタ１０９で全て反射され光源１０１側には
戻らない構成となっている。
【０００９】しかし、光ディスク１１３の基材は複屈折
性を持つため、光ディスク１１３で発生した不要偏光成
分が偏光ビームスプリッタ１０９を通過して青色レーザ
光源１０１側に戻る可能性がある。光ディスク１１３の
再生中には、集光レンズ１１１は光ディスク１１３上に
正確に焦点を合わせるように位置制御される。そのた
め、光導波路１０６の出射端面１０６ｂと光ディスク１
１３とは共焦点光学系を形成し、光ディスク１１３から
の反射光は正確に光導波路１０６の出射端面１０６ｂに
集光される。
【００１０】このように反射光が青色レーザ光源１０１
に帰還されると、ノイズが生じる。従来より、ノイズを
回避する様々な技術が提案されている。例えば半導体レ
ーザを高周波信号で変調することで複数の縦モードを生
じさたり、半導体レーザに自励発振を起こさせて同じく
複数縦モード発振を実現する方法である。また、光通信
の分野では半導体レーザからの光を光ファイバに集光す
る際に両者の間に磁気光学効果を用いた光アイソレータ
を挿入するのが一般的である。あるいは光ファイバや光
導波路の入射側端面を斜めに研磨して反射光を斜めに反
射させ、半導体レーザに戻らないようにする方法が特開
平５−３２３４０４号公報などに開示されている。
【００１１】これらの技術は半導体レーザ光源内部に帰
還される戻り光による雑音を低減するものであるが、我
々は図６に示した導波型ＳＨＧ素子１０３を用いた光ピ
ックアップの再生実験を行い、従来の戻り光誘起雑音と
は異なるメカニズムで発生するノイズを見出した。すな
わち、光導波路１０６の出射端面１０６ｂに集光された
戻り光が、光導波路１０６の出射端面１０６ｂで反射さ
れて光導波路１０６の内部から出射される光と干渉して
生じる干渉ノイズである。この干渉効果によって光ディ
スク１１３側からは青色レーザ光源１０１の出力光パワ
が変化するように見え、光ディスク１１３の再生信号が
低周波ノイズで変調されて信号劣化となる。半導体レー
ザ１０４での戻り光誘起雑音が半導体レーザ１０４内部
の光と戻り光の相互作用で発生するのに対して、上述の
干渉ノイズは青色レーザ光源１０１からの出射光と戻り
光の干渉によって発生する点が異なる。
【００１２】以上述べたように、光導波路デバイス１０
６を用いた光学系には２種の異なるノイズ、すなわち、
青色レーザ光源１０１から出射された光が反射されて青
色レーザ光源１０１の出射端面に戻り、光源外部の光学
系で干渉を起こす低周波の干渉ノイズと、半導体レーザ
１０４内部に起因するモードホップノイズが存在する。
後者のモードホップノイズを低減する方法は種々の技術
が提案されていた。また、前者の半導体レーザへの戻り
光低減と共焦点光学系への干渉ノイズ低減する技術が、
特開２０００−１７１６５３号公報に示されている。こ
の技術は、図７、図８、図９に示すように、光導波路１
０６の出射端面１０６ｂを、光導波路１０６の光軸方向
に対し斜めに形成する。すると、光導波路１０６の出射
端面１０６ｂで反射された高調波は、光導波路１０６の
光軸方向に進まない。そのため、ＳＨＧ素子１０３から
出射される光と反射光との干渉を減少でき、ノイズの発
生を減少できる。
【００１３】また青色レーザ光源１０１の小型化を図る
ため、半導体レーザ１０４と光導波路１０６を高効率に
直接結合するには、半導体レーザ１０４とＳＨＧ素子１
０３の入射端面とを数μｍ以下まで接近させ、かつ、光
導波路１０６の光軸方向を、光導波路１０６の入射端面
とほぼ直角になるように形成する必要がある。さらに、
高効率の変換を実現するために、単一の位相整合条件を
長い距離に渡り達成する必要がある。そのため、光導波
路はできるだけ長い距離のあいだ進行方向、伝搬定数の
均一な状態が望ましく、直線導波路が最も高効率化に適
している。
【００１４】また、本発明とは、目的及び効果が異なる
が、周期状の分極反転構造と湾曲した光導波路からなる
光波長変換素子が、特開平５−３２３４０１号公報に記
載されている。この発明においては、光導波路の伝搬方
向を徐々に変えた湾曲した導波路形状を用いることで、
光導波路の位相整合条件を伝搬方向に変化させて、位相
整合波長許容度の拡大を可能にしている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、光導波路１０
６の入射端面１０６ａと出射端面１０６ｂが互いに平行
でないＳＨＧ素子１０３を量産化する際に、大きな問題
が発生した。通常、図１０で示すように、ＳＨＧ素子１
０３を作製するには、基板１１４を光学研磨した後、基
板１１４を切断して微細な形状に切り出す。通常、光学
研磨工程を簡略化し、かつ研磨精度を向上するため、比
較的大きな形状の基板１１４を光学研磨した後、基板１
１４を切断する。ところが、入射端面１０６ａと出射端
面１０６ｂが互いに平行でない光導波路１０６を形成す
るとすると、素子長が異なるＳＨＧ素子１０３が形成さ
れ、均一なＳＨＧ素子１０３の形成ができないという問
題が生じた。
【００１６】また、周期状の分極反転構造と湾曲した光
導波路構造を用いた従来の光波長変換素子の構成、本発
明の構成とは、異なる構成、効果、目的の発明である。
構成としても、湾曲導波路を用いているため、位相整合
波長許容度の拡大が可能となるが、変換効率の大幅な低
下が避けられない。さらに、光導波路の出射端面と入射
端面の関係については記載されいない。また、量産化工
法の容易性における課題に記載されていない。
【００１７】本発明は、上述した問題を解決し、量産工
程が容易な光導波路デバイス構造を提供することを目的
とする。さらに、この光導波路デバイスを用いて、低ノ
イズな光源特性を満足するコヒーレント光源を実現する
ことを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】この発明は、基板と、前
記基板に形成された光導波路と、前記光導波路の端部に
形成された入射端面と出射端面と、を備えた光導波路デ
バイスにおいて、前記光導波路の入射端面と出射端面は
互いにほぼ平行で、前記出射端面における前記光導波路
の光軸方向と前記出射端面のなす角度θが90°でないこ
とを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１９】この発明は、前記光導波路デバイスは、略
直方体状に形成されることを特徴とする光導波路デバイ
スである。
【００２０】この発明は、θが、θ≦８７°またはθ≧
９３°である光導波路デバイスである。
【００２１】この発明は、前記光導波路が、前記入射端
面にほぼ垂直な直線導波路と、前記入射端面から前記出
射端面の間に少なくとも一つの曲がり導波路を有する光
導波路デバイスである。
【００２２】この発明は、前記光導波路には波長の異な
る２つ以上の光が導波し、前記波長の異なる光に対し
て、前記曲がり導波路における放射損失が異なることを
特徴とする光導波路デバイスである。
【００２３】この発明は、前記曲がり導波路が直線部分
と、曲がり部分からなることを特徴とする光導波路デバ
イスである。
【００２４】この発明は、前記基板がＭｇドープＬｉＮ
ｂＯ3結晶であり、前記入出射面が前記結晶のＹ面また
はＸ面とほぼ平行である光導波路デバイスである。
【００２５】この発明は、前記光導波路が周期状の分極
反転構造を有する光導波路デバイスである。
【００２６】この発明は、前記光導波路デバイスが第２
高調波発生デバイスであり、前記波長λ１の半導体レー
ザの光を波長λ２の第２高調波に変換する光導波路デバ
イスである。
【００２７】この発明は、前記光導波路の入射端面と出
射端面の少なくともいずれかに波長λ１または波長λ２
の少なくとも一方に対する反射防止膜を備えた光導波路
デバイスである。
【００２８】この発明は、前記光導波路の入射端面と出
射端面の少なくともいずれかに波長λ１に対する反射防
止膜を備えた光導波路デバイスである。この発明は、前
記光導波路デバイスと、半導体レーザと、を備えるコヒ
ーレント光源である。
【００２９】この発明は、コヒーレント光源と、前記コ
ヒーレント光源からの出射光を被観測物体上に集光する
集光光学系とを少なくとも具備し、前記光導波路デバイ
スと被観測物体とが共焦点の関係にあることを特徴とし
た光学装置である。
【００３０】この発明は、前記被観測物体が光ディスク
であることを特徴とする光学装置である。
【００３１】
【発明の実施の形態】本発明は、基板に光導波路を有す
る光導波路デバイスにおいて、光導波路の出射端面から
の戻り光を低減し、同時に量産化が容易なデバイス構造
を提供することを目的とする。
【００３２】具体的な構造としては、光導波路の入射端
面とその出射端面とをほぼ平行にすることで、量産工程
における、光導波路デバイスの素子長のバラツキを無く
し、研磨後の切断により均一な長さを有する光導波路デ
バイスの製造を可能にする。また、光導波路の出射端面
からの戻り光を低減するため、光導波路の光軸方向と光
導波路の出射端面とに９０度でない角度を設ける。これ
を実現するため、光導波路に曲がり構造を導入する。
【００３３】さらに、光導波路の入射部から光導波路の
出射部近傍にかけて直線導波路を形成することで高効率
の変換を実現し、光導波路の出射部近傍に曲がり導波路
を備えることで、光導波路の光軸方向と光導波路の出射
端面に９０°でない角度を持たせ、光導波路の出射端面
からの戻り光を大幅に低減できる。
【００３４】さらに、光導波路デバイスとして、周期状
分極反転構造を有する第２高調波発生デバイスを適用す
ることで、光出力の安定性が大幅に向上することが見い
出された。これは、非線形光学効果を利用した第２高調
波発生デバイスにおいて、素子内の温度分布による出力
低下を可能にしたからである。
【００３５】本発明の光学装置は、光導波路デバイスと
半導体レーザからなるコヒーレント光源と、光導波路デ
バイスからの出射光を被観測物体上に集光する集光光学
系とを少なくとも具備し、光導波路デバイスと被観測物
体とが共焦点の関係にあることを特徴とした光学装置で
あって、外部光学系からの戻り光が光導波路の出射端面
で反射されて、光導波路デバイスの出射光と干渉するこ
とを防ぎ、干渉ノイズのない安定な光源を提供するとい
う作用を有する。
【００３６】（実施の形態１）図１に本発明の光学装置
の概略図を示す。光学装置１０は、コヒーレント光源１
１を含む。
【００３７】コヒーレント光源１１は、半導体レーザ１
２、第２高調波発生デバイス１３で構成される。第２高
調波発生デバイス１３は、光導波路デバイスである。
【００３８】図２に示すように、第２高調波発生デバイ
ス１３は、略直方体状に形成される。半導体レーザ１２
から出射した基本波（波長８２０ｎｍ）を波長変換し、
高調波（波長４１０ｎｍ）とする。第２高調波発生デバ
イス１３は基板１４を有し、基板１４上にはプロトン交
換法によって高屈折率領域が形成され、光導波路１５と
して働く。光導波路１５の入射端面１５ａと、その出射
端面１５ｂはほぼ平行に形成される。光導波路１５は、
光導波路の１５の入射端面１５ａに対してほぼ垂直状に
伸びる直線導波路１６と、出射部近傍に形成された、光
の伝播方向を変える曲がり導波路１７が形成される。曲
がり導波路１７は、曲がり部分１８と直線部分１９から
なる。直線導波路１６の光軸方向は、光導波路１５の入
射端面１５ａに対してほぼ垂直に形成されているので、
半導体レーザ１２と直接結合する際に、高効率の結合効
率が実現できる。また、曲がり導波路１７の光軸方向
は、光導波路１５の出射端面１５ｂとθの角度をなし、
光導波路１５の出射端面１５ｂに対する法線と、曲がり
導波路１７の光軸方向とは９０度−θの角度をなす。θ
は、９０°でない角度である。出射端部近傍で曲がり導
波路１７は再び直線状に延びているため、光導波路１５
の出射端面１５ｂと曲がり導波路１７の光軸方向の成す
角度は出射部近傍では一定に形成される。ここで、例え
ば、第２高調波発生デバイス１３の素子長を１０．５ｍ
ｍ、直線導波路１６の長さを10mm、曲がり導波路１７を
直線導波路１６方向に投影した長さを0.5mmに設定す
る。そして、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さ
を０．１ｍｍに設定する。θ＝８４度と設定して、直線
導波路１６から曲がり導波路１７の曲がり部分１８を介
して、直線導波路１６に対して、６°傾いた曲がり導波
路の直線部分１９を形成する。
【００３９】基板１４は、ＭｇドープＬｉＮｂＯ3結晶
で構成されており、光導波路１５の入射端面１５ａおよ
びその出射端面１５ｂは、結晶のＸ面またはＹ面とほぼ
平行である。結晶は、大きな非線形光学定数を持ち、基
本波の電界から波長が２分の１に変換された波長の高調
波導波光が励起される。
【００４０】また、基本波と高調波の伝搬定数差を補償
するために、光導波路１５上には周期的に分極反転領域
２０が形成され、光導波路１５全域にわたって励起され
る高調波はコヒーレントに足し合わされて、光導波路１
５の出射端面１５ｂから出射される。
【００４１】また、図１に示す光学装置１０は、コヒー
レント光源１１から出射する光を略平行にするコリメー
ト光学系であるコリメートレンズ２１を含む。また、光
学装置１０は、偏光ビームスプリッタ２２、１／４波長
板２３、集光レンズ２４を含む。また、コリメートレン
ズ２１、集光レンズ２４とは、コヒーレント光源１１か
らの出射光を光ディスク２５上に集光する集光光学系を
いう。
【００４２】第２高調波発生デバイス１３から出射され
る光は光導波路１５の出射端面１５ｂに対して斜めに出
射されるため、コリメートレンズ２１は第２高調波発生
デバイス１３からの出射光分布の中心に配置する。ま
た、光ディスク２５の表面と第２高調波発生デバイス１
３の出射端面１３ｂとは共焦点の関係にある。
【００４３】半導体レーザ１２から出射された光は、第
２高調波発生デバイス１３を介して、コリメートレンズ
２１、偏光ビームスプリッタ２２、１／４波長板２３、
および集光レンズ２４を通って光ディスク２５の表面に
集光される。
【００４４】光ディスク２５で反射された高調波は、１
／４波長板２３で偏光を回転させられ、偏光ビームスプ
リッタ２２で反射されて、信号検出される。しかしなが
ら、光ディスク２５の服屈折等により１／４波長板２３
による偏光が不十分で有った場合、高調波の一部は偏光
ビームスプリッタ２２を透過して第２高調波発生デバイ
ス１３に戻る。
【００４５】しかし、曲がり導波路１７の光軸方向が、
光導波路１５の出射端面１５ｂに対して斜めに形成され
ているため、光導波路１５の出射端面１５ｂでの反射光
は、再び共焦点光学系に戻ることはなく、干渉ノイズを
大幅に低減できる。半導体レーザ１２を安定に動作させ
るには、戻り光0.1%以下に抑える必要がある。光導波路
１５の出射端面１５ｂと曲がり導波路１７の光軸方向の
なす角度θを８７°以下または９３°以上に設定すれ
ば、光導波路１５の出射端面１５ｂからの戻り光は0.1%
以下になる。このため、曲がり導波路１７の光軸方向と
光導波路１５の出射端面１５ｂの法線とのなす角度を±
３°以上にすることが望ましい。特に、実際は端面の状
態や、汚れ等による戻り光も考慮して、光導波路１５の
伝搬方向と出射端面１５ｂの法線は±５°以上が望まし
い。ただし、この角度が±１０°以上になると光導波路
１５で伝搬損失が増大するため、±１０°以下が好まし
い。
【００４６】また、本発明のコヒーレント光源１１は変
換された高調波の利用を主体とするため、共焦点光学系
は高調波に対して構成されている。このため、基本波の
光は光学系の色収差により共焦点系の条件からずれるた
め、外部からコヒーレント光源１１に基本波の光が帰還
する割合は非常に小さくなる。その結果、光導波路１５
の出射端面１５ｂから半導体レーザ１２へ帰還する戻り
光は-40dB以下に低減可能となるので、ノイズは生じに
くい。
【００４７】また、角度θと曲がり導波路１７の曲がり
部分１８の長さを設定することにより、直線導波路１６
と曲がり導波路１７との接合部分での損失である放射損
失を低減できる。実験で確認したところ、曲がり導波路
１７の曲がり部分１８の長さが０でθが６°である場
合、高調波が５０％程度の放射損失をした。曲がり導波
路１７の曲がり部分１８の長さが０．１mm以上でθが６
°である場合、高調波の放射損失は、ほぼ０となった。
曲がり部分１８での放射損失を防ぐには、曲がり部分１
８の距離を０．１ｍｍ以上に設定する必要がある。この
ように設定すると、曲がり部分１８による放射損失はほ
ぼ無い。そのため、直線導波路１６の長さを１０mm、曲
がり導波路１７を直線導波路１６方向に投影した長さを
０.５mmに設定した素子長１０.５mmの第２高調波発生デ
バイス１３の変換効率は、素子長１０mmの直線導波路１
６を備えた第２高調波発生デバイス１３と同じである。
第２高調波発生デバイス１３の素子長を１．０５倍にす
るだけで、高効率変換が可能で、かつ戻り光防止が可能
な構成が実現できた。本実施の形態では、曲がり導波路
１７の曲がり部分１８（θ＝６°の場合）の長さを０．
１mm程度に設定しているが、曲がり導波路１７の曲がり
部分１８の曲率を考慮すると０．０５mm以上の曲がり部
分１８が必要である。また、曲がり部分１８の長さが１
０μｍ以下になると、曲がり部分１８の曲率半径が小さ
くなるため、曲がり部分１８での放射損失が増加する。
また、光導波路１５は、伝搬する基本波に対してはシン
グルモード条件で設計されているが、高調波に対しては
マルチモード条件となる。このため、曲がり導波路１７
の曲がり部分１８の曲率が急激になると、曲がり導波路
１７を伝搬する高調波に対する摂動が大きくなり、直線
導波路１６を伝搬してきた単一モードの高調波が、他の
高次モードに変換される現象が観測された。このため、
曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さは０．０５ｍ
ｍ以上必要であった。
【００４８】また、光導波路１５の入射端面１５ａとそ
の出射端面１５ｂとを互いにほぼ平行とすることで、第
２高調波発生デバイス１３の量産を簡略化できる。
【００４９】第２高調波発生デバイス１３の量産方法と
して、大きな面積の光学基板１４を光学研磨し、その
後、切断することにより第２高調波発生デバイス１３を
量産する方法がある。この量産方法は、大面積の光学基
板１４を一度に研磨することで、量産方法を簡略化で
き、第２高調波発生デバイス１３の量産コストを低減で
き、光学基板１４の研磨精度が向上できる。
【００５０】ところが、従来の光導波路１５の入射端面
１５ａとその出射端面１５ｂとが互いに平行でない第２
高調波発生デバイス１３を量産する場合には、この量産
方法を採用できない。なぜなら、それぞれ素子長が異な
る第２高調波発生デバイス１３が量産されるからであ
る。また、基板１４を切断した後に、光学研磨を行う量
産方法がある。しかし、第２高調波発生デバイス１３を
光学研磨するためには、小さな第２高調波発生デバイス
１３を固定しなければならず第２高調波発生デバイス１
３の光学研磨工程が非常に複雑化し、同時に、精度を向
上することは難しい。特に、素子幅1mm以下の第２高調
波発生デバイス１３を量産する場合、切断後に第２高調
波発生デバイス１３の固定し、これを研磨するのは非常
に難しく、さらに光導波路１５の出射端面１５ｂの角度
を正確に制御するのは困難である。
【００５１】光導波路１５の入射端面１５ａとその出射
端面１５ｂとが互いに平行な本発明の第２高調波発生デ
バイス１３を量産する場合に、従来の大きな面積の光学
基板１４を光学研磨し、その後、切断することにより第
２高調波発生デバイス１３を量産する方法を採用する
と、図３に示すように、素子長が均一な第２高調波発生
デバイス１３が量産できる。また、量産方法を簡略化で
き、第２高調波発生デバイス１３の量産コストを低減で
き、基板１４の研磨精度を向上できる。第２高調波発生
デバイス１３の素子幅が1mm以下の場合でも、容易に第
２高調波発生デバイス１３が量産できる。
【００５２】さらに、非線形光学効果を利用した第２高
調波発生素子１３では、周期状の分極反転構造を利用し
た非線形グレーティングにより基本波と第２高調波の位
相整合条件を擬似的に成立させ、高効率の波長変換を行
う。しかしながら、グレーティングの周期構造により位
相整合条件を取っているため、光導波路１５およびグレ
ーティングの均一性の要求は非常に厳しい。光導波路１
５の伝搬定数およびグレーティング構造の均一性が僅か
に低下すると変換効率は大幅に低下する。光導波路１５
幅および分極反転周期に対するバラツキの許容度は数％
以下である。この様な厳しい均一性が必要な第２高調波
発生素子１３において、発生する第２高調波の出力が高
出力化するに従い、出力の安定性が低下し、変換効率の
飽和現象が生じることが発見された。この原因をさらに
追求していくと、発生した第２高調波の僅かな吸収が光
導波路１５に熱分布を生じ、これが光導波路１５の不均
一性の原因となっていることが判明した。第２高調波発
生デバイス１３の光導波路１５内において、第２高調波
は伝搬距離の２乗に従い増加する。光導波路内１５で
は、第２高調波の強度分布が距離の２乗に従い増加す
る。このため光導波路１５に僅かでも第２高調波に対す
る吸収が存在すれば、光導波路１５は光軸方向に沿って
温度分布を生じることになる。第２高調波の高出力時
に、光導波路１５の特に出射部近傍で光導波路の温度上
昇が発生し、屈折率変化により、出射部近傍の位相整合
波長が増大する。その結果、光導波路１５の出射端面１
５ｂ近傍の位相整合波長が基本波波長からずれること
で、位相整合に寄与しなくなるのが原因と分かった。こ
れを解決するには、高出力時に位相整合波長のずれる光
導波路１５の出射端面１５ｂ近傍の位相整合条件を、高
出力時の温度分布にあわせて設計する必要がある。即
ち、出射端面近傍の光導波路における分極反転周期を他
の部分に比べて僅かに長くすればよい。この条件を成立
させるには、曲がり導波路１７を光導波路１５の出射端
面１５ｂ近傍で曲げる本発明の構成は非常に有効であ
る。例えば、曲がり導波路１７の直線導波路１６方向に
投影した長さを２mmに設定する。光導波路１５を出射端
近傍で曲げることで、光導波路１５の光軸搬方向と、分
極反転領域２０とのなす角度が光導波路１５の出射端近
傍で変わり、曲がり導波路１７に対する分極反転周期は
少し長くする。この結果、高出力時に温度上昇する出射
部分近傍の位相整合条件を満足することが可能となる。
本発明の構成を用いることで、出力20mW以上の第２高調
波に対しても、出力が飽和することなく、安定な出力特
性を得ることが可能となった。光導波路１５の温度変化
による位相整合条件の変化は出射端面から数mm程度のと
ころで顕著となるため、この部分に曲がり導波路１７を
形成することにより、出力を安定にできる。
【００５３】また、光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍
において、光導波路１５は直線状に伸び、光導波路１５
の出射端面１５ｂと曲がり導波路１７の光軸方向とがな
す角度θは、出射部近傍で一定に形成している。そのた
め、光導波路１５の研磨精度を緩和できる。従来技術の
湾曲した光導波路１５では、光導波路１５の出射端面１
５ｂの研磨精度により、光導波路１５の光軸方向と光導
波路１５の出射端面とのなす角度は変わる。LiNbO3基板
１４は、その屈折率は２以上あるので、光導波路１５と
光導波路１５の出射端面１５ｂの交差角度が０．１°変
わると、出射角度は０．２°以上変化する。そのため、
光導波路１５の出射端面１５ｂの研磨精度が非常に厳し
く要求され、製造コストは高くなる。通常、光ディスク
２５等に対して、コヒーレント光源１１を用いるために
は、光導波路１５からの出射光の角度の変化量は±０．
２°以下に制御する必要がある。本発明のように、出射
部近傍での光導波路１５の光軸方向と光導波路１５の出
射端面１５ｂとの角度を一定に保てば、光学研磨によ
り、光導波路１５の出射端面１５ｂと光導波路１５の光
軸方向との交差角度が変化せず、研磨精度は大幅に緩和
でき、製造コストを低減できる。具体的には、研磨の精
度を±0.1mm程度にすることは十分実現できるので、曲
がり導波路１７の直線部分１９の直線導波路１６方向に
投影した長さを0.3mm程度以上に設定すれば良い。
【００５４】さらに、光導波路１５の入射端面１５ａと
その出射端面１５ｂとを、基板１４を構成するMgドープ
のLiNbO3結晶のＸ面またはＹ面とほぼ平行に設定してい
る。つまり、光導波路１５の伝搬方向を結晶のＸ軸また
はＹ軸とをほぼ平行に設定する。その結果、光導波路１
５の伝播損失を低減できる。
【００５５】光導波路１５の伝搬方向と結晶軸との傾き
が増大すると、伝搬損失が増大する。例えば、５°程度
傾けると伝搬損失が0.5dB/cm程度増加する。これは、光
導波路１５の伝播方向を結晶軸に対して傾けることで、
光導波路１５と基板１４の界面で、伝播損失の一つであ
る散乱損失が増大するためである。そのため、光導波路
１５は結晶軸と平行に形成し、結晶軸に対して平行でな
い光導波路１５はできるだけ短い距離とするのが望まし
い。このためには、曲がり導波路１７のような結晶軸と
平行でない光導波路は、光導波路１５の出射部近傍に形
成することが望ましい。曲がり導波路１７を光導波路１
５の出射部近傍に形成することで、光導波路１５の伝搬
損失を低減できる。具体的には、直線導波路１６は結晶
のＸ軸またはＹ軸とほぼ並行に形成する。この構造で、
光導波路１５の伝搬損失を最も小さくできる。光導波路
１５の伝搬損失を低減するためには、曲がり導波路１７
の位置を光導波路１５の出射端部近傍から０．２〜２mm
あたりに形成するのが望ましく、特に、０．２〜1mmあ
たりに形成するのはさらに望ましい。また、光導波路１
５の出射端面１５ｂから０．１ｍｍ以上離れた位置に形
成する理由は、曲がり導波路１７の曲がり部分１８が
０．０５ｍｍ以上の長さを有することが好ましいのと、
研磨精度を緩和できるとの理由からである。
【００５６】さらに、第２高調波発生デバイス１３を本
発明の構成を利用すると、光導波路１３の伝搬損失はさ
らに低減できる。第２高調波発生デバイス１３の場合、
基本波を高調波に波長変換するため、光導波路１５は基
本波を中心に設計されている。このため、波長の短い第
２高調波に対しては光導波路１５はマルチモード条件と
なる。この結果、波長の短い第２高調波は光導波路１５
の内部に閉じ込められ、光導波路１５周辺部の伝搬損失
の影響を受けにくい。従って、結晶軸に対して平行でな
い光導波路１５であっても、高調波の伝搬損失を低減で
きる。さらに、曲がり導波路１７においても同様の理由
で、基本波より高調波は放射損失の影響を受けにくい。
なお、曲がり導波路１７の曲がり部分１８での放射損失
は、曲がり部分１８の曲率に依存する。曲がり部分１８
の放射損失を低減するため、曲率の小さな曲がり部分１
８を分割して形成する。さらに、放射モードとの結合を
最小にする光導波路１５設計を行うことで、曲がり部分
１８の放射損失をさらに低減できる。一方、曲がり導波
路１７による基本波の放射損失は、半導体レーザ１２へ
の戻り光の低減に有効である。半導体レーザ１２は基本
波が活性層に再び帰還することでノイズが増大する。曲
がり導波路１７を用いることで、基本波の戻り光は曲が
り導波路１７の曲がり部分１８で減衰される。さらに外
部から光導波路１５内部に帰還した基本波も減衰され
る。このため、半導体レーザ１２への戻り光が曲がり導
波路１７により低減され、戻り光ノイズの小さな光源が
実現できた。
【００５７】（実施の形態２）ここでは、本発明の光導
波路デバイス１３の他の構成について説明する。
【００５８】第２高調波発生デバイス１３の曲がり導波
路１７における放射損失は、波長に依存し、高調波の方
が、放射損失は大きく、マルチモード化が大きい。
【００５９】図４（Ａ）に本発明の他の第２高調波発生
デバイスの構成を示す。
【００６０】第２高調波発生デバイス１３は、基板１４
の表面に光導波路１５と周期状の分極反転領域２０が形
成されており、光導波路１５の入射端面１５ａと出射端
面１５ｂがほぼ平行に形成されている。光導波路１５
は、光導波路１５の入射端面１５ａにほぼ垂直な直線導
波路２６が形成され、出射端面近傍と出射端面近傍に曲
がり導波路２７、２８が形成され、曲がり導波路２７、
２８をつなぐ直線導波路２９が形成される。光導波路１
５の出射端面１５ｂと曲がり導波路２８の光軸方向とは
角度θで交わっている。θは、９０°でない角度であ
る。光導波路１５の入射端面１５ａ近傍には、曲がり部
３１、３２が形成される。また、光導波路１５の出射端
面１５ｂ近傍には、曲がり部２３が形成される。
【００６１】入射部近傍の曲がり部分３１、３２は、基
本波のロスをなくし、高調波の放射損失が増大するよう
に、例えば、直線導波路２６に対する曲がりの角度を６
°、曲がり部分３１、３２の長さを０．０２ｍｍ以下に
して、高調波のみが散乱するように設計している。光導
波路１５の出射端面１５ｂ近傍には、高調波の放射損失
があると出射する高調波が減衰するため、高調波のロス
を低減するため、曲がり部分２３の距離を０．１ｍｍ程
度と設定している。光導波路１５の入射部近傍に曲がり
導波路２７を形成したのが本実施の形態の特徴である。
次にこの光導波路デバイスの働きについて説明する。
【００６２】光導波路１５の入射端面１５ａから入射し
たした基本波は、第２高調波発生デバイス１３によって
高調波に変換され、光導波路１５の出射端面１５ｂから
出射される。光導波路１５の出射端面１５ｂから出射し
た高調波は、光学系等の第２高調波発生デバイス１３外
部の反射によって、光導波路１５の出射端面１５ｂから
光導波路１５に入射し、曲がり部分３１、３２、２３を
通り、光導波路１５の入射端面１５ａに達する。戻り光
が曲がり導波路３１、３２で放射散乱して、光導波路１
５の入射端面１５ａに達する高調波は１０％以下に低減
でき、干渉ノイズを低減できる。
【００６３】１箇所の曲がり部分でノイズを１／５程度
に低減できる。曲がり部分を例えば２箇所つくれば、ノ
イズを１／２５に低減できる。光は端面で反射して再び
この曲がり導波路を通るので、さらにノイズを低減でき
る。
【００６４】なお、本実施の形態では、３箇所の曲がり
部分を設けているが、これに限定されるものではない。
曲がり部分の数を増やすことにより、戻り光をさらに低
減できる。
【００６５】また、モードの変換にも寄与する高調波の
戻り光が曲がり部分３１、３２を通過することで、放射
損失だけでなく、高次モードへの変換も発生させる。高
次モードに変換された光は、元の光と伝搬定数が異なる
ため干渉しなくなる。このため干渉ノイズをさらに低減
できる。
【００６６】共焦点光学系に第２高調波発生デバイス１
３を使用した場合に、干渉ノイズの発生が生じやすいの
で、本発明は特に有効である。
【００６７】なお、本発明の構成は、図４（Ｂ）で示
す。光導波路１５の出射部近傍に曲がり部分がない、光
導波路１５の出射部近傍が直線導波路３４で、かつ、出
射端面１５ｂがこの直線導波路３４に対して斜めに形成
した光導波路デバイスにも適用できる。光導波路１５の
入射部近傍に曲がり導波路３５を形成することで、曲が
り導波路３５の曲がり部分３６、３７で放射散乱し、干
渉ノイズを大幅に低減できる。また、本発明は光導波路
デバイスにおいて、波長の異なる２つ以上の光が伝搬す
る場合、いずれかの光を減衰または分離できる。例え
ば、非線形光学効果を利用した差周波、和周波、パラメ
トリック発振等の高調波発生デバイス、導波路を用いた
レーザや増幅器においてポンプ光と信号光を分離する場
合等に利用できる。なお、光導波路デバイスとして、第
２高調波発生デバイス１３を用いた場合、本発明は特に
有効である。第２高調波発生デバイス１３においては、
曲がり部分３１、３２、２３、３６、３７における波長
分離が容易になる。従来の光導波路においては、波長の
大きく異なる光（例えば第２高調波発生デバイスでは基
本波の波長は高調波の２倍）に対してシングルモード条
件をともに満足することは難しい。従来は波長の短い光
に対してはマルチモードとなる。その場合は、波長の短
い光に対する伝搬モードが複数存在するため、短波長光
の導波モードが制御できず、曲がり部分３１、３２、２
３、３６、３７における放射損失もモードによって大き
く異なり制御が難しくなる。第２高調波発生デバイス１
３を用いる場合、位相整合を成立する必要があるため、
第２高調波の伝搬定数が一義的に決まるため、導波モー
ドも位相整合条件により選択できる。これによって、曲
がり部分３１、３２、２３、３６、３７における放射損
失が制御できる。
【００６８】（実施の形態３）図５に本発明の他の第２
高調波発生デバイス１３の構成を示す。光導波路１５の
入射端面１５ａと出射端面１５ｂとに、基本波および高
調波のそれぞれに対する多層膜からなる反射防止膜３８
ａ、３８ｂを形成する。光導波路１５の入射端面１５a
に形成される反射防止膜３８aの材料は、基本波の吸収
率が小さいものを用いることが望ましい。また、光導波
路１５の出射端面１５bに形成される反射防止膜３８bの
材料は、高調波に対する吸収率が小さい材料が好まし
い。
【００６９】第２高調波発生デバイス１３を用いた光学
系を構成する場合に、第２高調波発生デバイス１３から
の出射光を集光した場合に光導波路１５の端面（入射部
および出射部）と集光点は共焦点光学系を構成し、共焦
点間における反射戻り光は干渉ノイズの原因となる。
【００７０】本発明の第２高調波発生素子１３を用いた
共焦点光学系においては、光導波路１５の光軸方向と光
導波路１５の出射端面とが９０度でない角度θを持って
交わっているため、光導波路１５の出射端面１５ｂでの
反射光は再び共焦点光学系に戻ることなく、光学系の干
渉ノイズを大幅に低減できる。コリメートレンズ２１の
NAを光導波路１５の出射端面１５ｂでの反射光が戻らな
い程度の設定すれば、干渉ノイズの低減が向上する。さ
らに、反射防止膜３８ｂが高調波の戻り光の反射を防止
し、干渉ノイズを低減できる。また、基本波の戻り光に
より生じる半導体レーザ１２のノイズの低減は、曲がり
導波路１７の光軸方向を光導波路１５の出射端面１５ｂ
に対して９０度でない角度で傾けることで実現可能であ
る。さらに、反射防止膜３８ｂが基本波の反射を防止す
ることで、光導波路１５の出射端面１５ｂでの、基本波
の反射によるノイズを大幅に低減できる。具体的に、反
射防止膜３８ｂにより0.5%以下の反射率に抑えることが
でき、ノイズを大幅に低減できる。
【００７１】また、光導波路１５の入射端面１５ａに形
成した反射防止膜３８ａにより、半導体レーザ１２と光
導波路１５の結合効率の向上と、ノイズを低減できる。
【００７２】半導体レーザ１２と光導波路１５との直接
結合を考えた場合、光導波路１５の入射端面１５ａが光
導波路１５の光軸方向に対して斜めになると、半導体レ
ーザ１２と光導波路１５の結合効率が低下する。そのた
め、半導体レーザ１２から出射された基本波が、光導波
路１５の入射端面１５ａに反射して生じた戻り光により
生じるノイズを低減するために、光導波路１５の入射端
面１５ａを、光導波路１５の光軸方向に対して斜めに形
成するのは難しい。そのため、光導波路１５の入射端面
１５ａに反射防止膜３８ａを形成して、基本波の反射を
防止し、かつ、光導波路１５の光軸方向と、光導波路１
５の入射端面１５ａとを垂直に形成して、半導体レーザ
１２と光導波路１５との結合効率を向上する。反射防止
膜３８ａの形成により、基本波の結合効率を１０％以上
増加すると、高調波出力は２０％以上増加する。また、
反射防止膜３８ａにより、基本波の反射戻り光を１％以
下に低減でき、ノイズを低減できるまた、光導波路１５
の入射端面１５ａで高調波の反射があると、共焦点光学
系における干渉ノイズの原因となる。光導波路１５の入
射端面１５ａに形成した反射防止膜３８ａが高調波の反
射を防止し、ノイズを低減できる。なお、光導波路１５
の入射端面１５ａまたは出射端面１５ｂのいずれか一方
に、基本波と高調波に対する反射防止膜３８を形成して
もよい。
【００７３】また、光導波路１５の入射端面１５ａと出
射端面１５ｂの少なくともいずれかに波長λ１に対する
反射防止膜３８を形成してもよい。
【００７４】なお、本実施の形態では、曲がり導波路１
７、２７、２８を用いたが、その他、方向性結合器、Ｙ
分岐導波路、グレーティングの反射を利用した導波路伝
播方向の曲げ等、導波路の伝播方向を変える構成なら
ば、いずれの構造も利用可能である。
【００７５】なお、本発明の光導波路構造として、単一
の導波路について説明したが、光導波路デバイスとして
は、複数の光導波路、例えば、多分岐導波路を利用し
て、複数の光源の光を単一または他の複数の導波路に入
射する構造、その逆に、単一の光源の光を多数の導波路
に分岐する構成等への利用も可能である。
【００７６】なお、本発明では、光導波路１５の構造に
ついては述べなかったが、イオン交換導波路、金属拡散
導波路等の埋め込み導波路、リッジ、装荷等の導波路、
いずれの導波路構造にも有効である。
【００７７】以上、光導波路デバイスに第２高調波発生
素子１３を用いた例を挙げて本発明の実施の形態を説明
したが、光導波路デバイスは特に第２高調波発生素子に
限らない。例えば高速変調素子や位相シフタ、周波数シ
フタ、偏光制御素子など、光導波路デバイスとして様々
な機能、構成のものが考えられるが、こうした光導波路
デバイスとコヒーレント光源を用いた光学系全てに本発
明の光導波路デバイスを応用可能である。ただし、第２
高調波発生素子を用いたコヒーレント光源１１では、半
導体レーザ１２として可干渉性の高い半導体レーザ１２
を用いて可干渉性の高い高調波を発生することが多いた
め、逆に干渉ノイズも発生しやすく、本発明の光導波路
デバイスと組み合わせることで特に効果的に干渉ノイズ
を低減することができる。
【００７８】また共焦点光学系として光ピックアップ光
学系を例示して説明したが、レーザ走査顕微鏡など、他
のコヒーレント光学系にも適用可能であることは言うま
でもない。ただし、光ピックアップ光学系では、被測定
物の光ディスクが高い反射率を持つこと、常に光ディス
ク上に光を集光するように対物レンズが位置制御されて
共焦点系を保つこと、光ディスクが上下に運動するため
干渉条件が刻々変化し、干渉ノイズを生じやすいことな
どから、本発明の光導波路デバイスは光ディスクピック
アップに、特に有効となる。
【００７９】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の光導波路デ
バイスは、光導波路の入射端面と出射端面を平行にする
ことで、光導波路デバイスの量産が容易となる。
【００８０】さらに、光導波路を出射部近傍で曲げるこ
とで、両端面が平行な構成においても、光導波路の出射
端面の反射戻り光を大幅に低減できる。
【００８１】本発明の光デバイスと半導体レーザを直接
結合することで、小型、高出力、安定なコヒーレント光
源を実現できる。
【００８２】また、光導波路デバイスにおいて、放射損
失や伝播損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学装置を示す構成図
【図２】本発明の第２高調波発生デバイスの構成図
【図３】本発明の基板を示す概略図
【図４】本発明における他の実施の形態を示す構成図
【図５】本発明における他の光学装置の実施の形態を示
す構成図
【図６】従来の光学装置を示す構成図
【図７】従来の光学装置を示す構成図
【図８】従来の光学装置を示す構成図
【図９】従来の第２高調波発生デバイスの構成図
【図１０】従来の基板を示す概略図
【符号の説明】
１０ 光学装置 １１ コヒーレント光源 １２ 半導体レーザ １３ 第２高調波発生デバイス １４ 基板 １５ 光導波路 １６ 直線導波路 １７、２７、２８ 曲がり導波路 １８ 曲がり部分 １９ 直線部分 ２０ 分極反転領域 ２５ 光ディスク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笠澄 研一 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 北岡 康夫 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） 2H047 KA11 KA15 MA07 NA08 RA01 2K002 AA05 AB12 BA01 CA03 DA06 EA02 EA04 EA07 EA30 GA10

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板と、 前記基板に形成された光導波路と、 前記光導波路の端部に形成された入射端面と出射端面
    と、 を備えた光導波路デバイスにおいて、 前記光導波路の入射端面と前記出射端面は互いにほぼ平
    行で、 前記出射端面における前記光導波路の光軸方向と前記出
    射端面のなす角度θが９０°でないことを特徴とする光
    導波路デバイス。
  2. 【請求項２】前記光導波路デバイスは、略直方体状に形
    成されることを特徴とする請求項１記載の光導波路デバ
    イス。
  3. 【請求項３】前記角度θがθ≦８７°またはθ≧９３°
    である請求項１または２記載の光導波路デバイス。
  4. 【請求項４】前記光導波路が、前記入射端面にほぼ垂直
    な直線導波路と、 前記入射端面から前記出射端面の間に少なくとも一つの
    曲がり導波路を有する請求項１から３記載の光導波路デ
    バイス。
  5. 【請求項５】前記光導波路には波長の異なる２つ以上の
    光が導波し、 前記波長の異なる光に対して、前記曲がり導波路におけ
    る放射損失が異なることを特徴とする請求項４記載の光
    導波路デバイス。
  6. 【請求項６】前記曲がり導波路が直線部分と、曲がり部
    分からなることを特徴とする請求項４または５記載の光
    導波路デバイス。
  7. 【請求項７】前記基板がＭｇドープＬｉＮｂＯ3結晶で
    あり、前記入出射面が前記結晶のＹ面またはＸ面とほぼ
    平行である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載
    の光導波路デバイス。
  8. 【請求項８】前記光導波路が周期状の分極反転構造を有
    する請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光導
    波路デバイス。
  9. 【請求項９】前記光導波路デバイスが第２高調波発生デ
    バイスであり、前記波長λ１の半導体レーザの光を波長
    λ２の第２高調波に変換する請求項１から請求項８のい
    ずれか１項に記載の光導波路デバイス。
  10. 【請求項１０】前記光導波路の入射端面と出射端面の少
    なくともいずれかに波長λ１または波長λ２の少なくと
    も一方に対する反射防止膜を備えた請求項１から請求項
    ８のいずれか１項に記載の光導波路デバイス。
  11. 【請求項１１】前記光導波路の入射端面と出射端面の少
    なくともいずれかに波長λ１に対する反射防止膜を備え
    た請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光導波
    路デバイス。
  12. 【請求項１２】請求項１から請求項１１のいずれか１項
    に記載の光導波路デバイスと、 半導体レーザと、を備えるコヒーレント光源。
  13. 【請求項１３】請求項１２記載のコヒーレント光源と、
    前記コヒーレント光源からの出射光を被観測物体上に集
    光する集光光学系とを少なくとも具備し、前記光導波路
    デバイスと被観測物体とが共焦点の関係にあることを特
    徴とした光学装置。
  14. 【請求項１４】前記被観測物体が光ディスクであること
    を特徴とする請求項１３記載の光学装置。
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