JP2004094200A - Laser device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make a laser device small-sized and lightweight while stabilizing a laser light source and making its output high. <P>SOLUTION: After a polarization reversal layer 3 is formed on an LiTaO<SB>3</SB>substrate 1, an optical waveguide is formed. An optical wavelength conversion element which is thus formed is annealed at low temperature to form a stable proton exchange layer 8a whose refractive index increase caused in a high-temperature heat treatment is lowered, thereby obtaining the stable optical wavelength conversion element. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

(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あるいは光応用計測制御分野における使用に適した光波長変換素子等の光素子、レーザ光源及びレーザ装置、ならびに光素子の製造方法に関するものである。
【0001】
(背景技術)
図1を参照しながら、光波長変換素子を用いた従来のレーザ光源を説明する。
このレーザ光源は、半導体レーザ20と固体レーザ結晶21および非線形光学結晶であるKNbOによる光波長変換素子25より基本的に構成されている。
【0002】
図1に示されるように807nmで発振する半導体レーザ20より出たポンプ光P1aをレンズ30にて集光し、固体レーザ結晶21であるYAGを励起する。固体レーザ結晶21の入射面には全反射ミラー22が形成されている。この全反射ミラーは、波長947nmの光の99%を反射するが、波長が800nm帯の光は透過する。このため、ポンプ光P1aは、効率良く固体レーザ結晶21内に導入されるが、固体レーザ結晶21で生成された波長947nmの光は半導体レーザ20の側へは出射されることなく、光波長変換素子25の側に反射される。更に、光波長変換素子25の出力側にも、波長947nmの光の99%を反射し、400nm帯の光は透過するミラー23が配置されている。これらのミラー22及び23は、波長947nmの光のとって共振器(キャビィティ)を形成しており、この共振器内で、基本波P1となる947nmの発振を生じさせることができる。
【0003】
ミラー22および23で規定される共振器の中に光波長変換素子25が挿入され、それによって高調波P2が発生することになる。共振器の内部における基本波P1のパワーは1W以上に達する。このため、基本波P1から高調波P2への変換が増大し、高いパワーを持つ高調波が得られる。500mW出力の半導体レーザを用いて、1mWの高調波が得られる。
【0004】
次に、図2を参照しながら、光導波路を有する従来の光波長変換素子を説明する。図示されている光波長変換素子は、波長840nmの基本波が入射されると、その基本波に対する第二次高調波(波長420nm)を発生する。このような光波長変換素子は、K.Mizuuchi, K.Yamamoto and T.Taniuchi, Applied Physics Letters,
Vol 58, 2732ページ, 1991年6月号に開示されている。
【0005】
この光波長変換素子では、図2に示されるように、LiTaO基板1に光導波路2が形成されており、光導波路2に沿って分極の反転した層(分極反転層)3が周期的に配列されている。LiTaO基板1のうち、分極反転層3が形成されていない部分は、非分極反転層4となる。
【0006】
基本波P1が光導波路2の一端(入射面10)に入射すると、高調波P2が光波長変換素子の内部で生成され、光導波路2の他端から出力される。このとき、光導波路2を伝搬する光は、分極反転層3と非分極反転層4とが作る周期構造の影響を受けるため、発生する高調波P2と基本波P1との間にある伝搬定数の不整合が、分極反転層3および非分極反転層4の周期構造によって補償される。その結果、この光波長変換素子は高い効率で高調波P2を出力することができる。
【0007】
このような光波長変換素子は、プロトン交換法により作製された光導波路2を基本構成要素として有している。
【0008】
以下に、図3を参照しながら、このような光波長変換素子の製造方法を説明する。
【0009】
まず、図3のステップS10において、分極反転層形成工程を行う。
【0010】
より詳細には、まず、LiTaO基板1の主面を覆うようにTa膜を堆積した後、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いてTa膜をストライプ状にパターニングして、Taマスクを形成する。
【0011】
次に、Taマスクで主面が覆われたLiTaO基板1に対して、260℃で20分間、プロトン交換の処理を行う。こうして、LiTaO基板1のうち、Taマスクで覆われていない部分に厚さ0.5μmのプロトン交換層を形成する。この後、HF:HNFの1:1混合液を用いた2分間のエッチングによって、Taマスクを除去する。
【0012】
次に、550℃の温度で1分間の熱処理を行うことにより、各プロトン交換層内に分極反転層を形成する。熱処理の温度上昇レートは50℃/秒、冷却レートは10℃/秒とする。LiTaO基板1のうちプロトン交換がなされていない部分にくらべて、プロトン交換がなされた部分ではLiの量が減少している。そのために、プロトン交換層のキュリー温度は低下し、550℃の温度でプロトン交換層内に部分的に分極反転層を形成することができる。この熱処理によって、Taマスクのパターンを反映したパターンを持つプロトン交換層を形成することができる。
【0013】
次に、図3のステップ2において、光導波路形成工程を行う。
【0014】
より詳細には、ステップ2は、大きく、ステップS21、ステップS22及びステップS23に分かれる。ステップS21でマスクパターンを形成し、ステップS22でプロトン交換処理を行い、ステップS23で高温アニールを行う。
【0015】
以下、これらの工程を説明する。
【0016】
ステップS21で、光導波路を形成するためのTaマスクを形成する。このTaマスクは、Ta膜にスリット状の開口部(幅4μm、長さ12mm)を形成したものである。ステップS22では、このTaマスクで覆われたLiTaO基板1に対して、260℃、16分間のプロトン交換処理を行うことによって、一方向に直線的に延びる高屈折率層(厚さ0.5μm)をLiTaO基板1内に形成する。この高屈折率層が最終的には導波路として機能することになる。しかし、このままではプロトン交換された部分(高屈折率層)の非線形性が劣化している。この非線形性を回復するため、Taマスクを除去した後、ステップS22で420℃の1分間アニールを行う。このアニールによって、高屈折率層を縦方向及び横方向に拡大し、Liを高屈折率層中に拡散させる。こうして、高屈折率層のプロトン交換濃度を低下することによって、非線形性を回復することができる。結果的に、Taマスクのスリット直下に位置する領域(高屈折率層)の屈折率は、他の領域の屈折率よりも0.03程度上昇し、高屈折率層は光導波路として機能する。
【0017】
次に、保護膜形成工程(ステップS30)、端面研磨工程(ステップS40)、及びARコート工程(ステップS50)を行うことによって、光波長変換素子が完成する。
【0018】
ここで、導波路に沿って周期的に配列された分極反転層の配列周期を10.8μmとすれば、3次の擬似位相整合構造を形成することができる。
【0019】
上記光波長変換素子によれば、光導波路2の長さを9mmにした場合、波長840nmの基本波P1(パワー27mW)に対して、パワー0.13mWの高調波P2が得られる(変換効率0.5%)。
【0020】
1次の擬似位相整合構造を形成する場合は、分極反転層の配列周期を3.6μmにすればよい。この場合、27mWの基本波P1に対して、0.3mWの高調波P2が得られる(変換効率1%)。本願発明者らは、このような光波長変換素子と半導体レーザを組み合わせることによって、青色レーザ光を出力するレーザ光源を試作している。
【0021】
このような光波長変換素子には、時間が経過すると位相整合波長が変化し、その結果、高調波が得られなくなるといった問題がある。半導体レーザから出射される基本波の波長は一定に維持されるのに、光波長変換素子の位相整合波長がシフトすると、高調波の出力が徐々に低下し、ついにはゼロになってしまうことになる。
【0022】
本発明の目的は、レーザ光源の安定化、高出力化を図り、また、高出力のレーザ光源をレーザ装置や光ディスク装置に組み込むことにより、これらの装置を小型・軽量化することを目的としている。
【0023】
(発明の開示)
本発明の光素子の製造方法は、LiNbTa1−x(0≦X≦1)基板にプロトン交換層を形成する工程と、該基板を120℃以下の温度で1時間以上熱処理するアニール工程とを包含する。
【0024】
前記アニール工程は、50℃以上90℃以下の温度で行うことが好ましい。
【0025】
前記アニール工程は、温度を徐々に低下させる工程を包含してもよい。
【0026】
ある実施形態では、前記プロトン交換層を形成する工程は、該基板に対してプロトン交換処理を行う工程と、該基板を150℃以上の温度で熱処理する工程とを包含する。
【0027】
ある実施例形態では、前記プロトン交換層を形成する工程は、周期的に配列された複数の分極反転層を前記基板内に形成する工程と、光導波路を該基板の表面に形成する工程とを包含する。
【0028】
本発明の他の光素子の製造方法は、LiNbTa1−x(0≦X≦1)基板に対してプロトン交換処理を行う工程と、該基板に対して、少なくとも第1及び第2の熱処理を含む複数の熱処理を行うアニール工程と、を包含しており、該第2のアニールの温度は、該第1のアニールの温度よりも200℃以上低い。
【0029】
前記第2のアニールは、50℃以上90℃以下の温度で行うことが好ましい。
【0030】
本発明の光素子は、LiNbTa1−x(0≦X≦1)基板と、該基板内に形成されたプロトン交換層と、を備えた光素子であって、使用時において該プロトン交換層の屈折率が経時的に変化しない安定プロトン交換層から形成されている。
【0031】
ある実施形態では、前記プロトン交換層の少なくとも一部は、光導波路を構成している。
【0032】
本発明のレーザ光源は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を受け取り、該レーザ光を高調波に変換する光波長変換素子とを備えた光源であって、該光波長変換素子は、該レーザ光をガイドする光導波路と、該光導波路に沿って周期的に配列された分極反転構造とを備えており、該光導波路及び該分極反転構造は、使用時において屈折率が経時的に変化しない安定プロトン交換層から形成されている。
【0033】
本発明の他のレーザ光源は、基本波を出射する半導体レーザと、該基本波を伝えるシングルモードファイバーと、 該ファイバーから出た基本波を受け取り、高調波を生成する光波長変換素子であって、周期状分極反転構造を有している光波長変換素子を備えている。
【0034】
ある実施形態では、前記光波長変換素子が変調機能を有する。
【0035】
前記光波長変換素子はLiNbTa1−x(0≦X≦1)基板に形成されていることが好ましい。
【0036】
本発明の更に他のレーザ光源は、ポンプ光を出射する半導体レーザと、該ポンプ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たホンプ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波を受け取り、高調波を生成する光波長変換素子であって、周期状分極反転構造を有している光波長変換素子を備えている。
【0037】
前記光波長変換素子は変調機能を有することが好ましい。
【0038】
前記光波長変換素子はLiNbTa1−x(0≦X≦1)基板に形成されていることが好ましい。
【0039】
ある実施形態では、固体レーザ結晶と光波長変換素子が一体化されている。
【0040】
本発明の更に他のレーザ光源は、ポンプ光を出射する半導体レーザと、該ホンプ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波を伝えるシングルモードファイバーと、該ファイバーから該基本波を受け取り、高調波を生成する光波長変換素子であって、周期状分極反転構造を有している光波長変換素子を備えている。
【0041】
前記光波長変換素子が変調機能を有することが好ましい。
【0042】
本発明の更に他のレーザ光源は、レーザ光を出射する分布帰還型半導体レーザと、該レーザ光を増幅する半導体レーザアンプと、該増幅されたレーザ光を受け取り、高調波を生成する光波長変換素子であって、周期状分極反転構造を有している光波長変換素子を備えている。
【0043】
前記光波長変換素子が変調機能を有することが好ましい。
【0044】
前記光波長変換素子はLiNbTa1−x(0≦X≦1)基板に形成されていることが好ましい。
【0045】
ある実施形態では、半導体レーザが波長ロックされている。
【0046】
本発明の更に他のレーザ光源はでは、レーザ光を出射する半導体レーザと、周期状分極反転構造と光導波路とが形成されている光波長変換素子とを備えたレーザ光源であって、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ40μm以上である。
【0047】
前記光波長変換素子が変調機能を有する請求項26に記載のレーザ光源。
【0048】
前記光波長変換素子がLiNbTa1−x(0≦X≦1)基板に形成されている。
【0049】
ある実施形態では、前記光導波路がグレーディッド型である。
【0050】
本発明のレーザ装置は、レーザ光を放射する半導体レーザ、及び該レーザ光に基づいて高調波を発生する光波長変換素子を有するレーザ光源と、該高調波の出力強度を変調する変調器と、該レーザ光源から出射された該高調波の方向を変化させる偏向器と、を備えたレーザ装置であって、該光波長変換素子には周期状分極反転構造が形成されている。
【0051】
ある実施形態では、動作時に、前記半導体レーザに対して高周波が重畳される。
【0052】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。
【0053】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、を備えている。
【0054】
ある実施形態では、前記半導体レーザ素子は、分布帰還型半導体レーザであり、前記レーザ光源は、分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている。
【0055】
ある実施形態では、前記光波長変換素子には、光導波路が形成されており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ40μm以上である。
【0056】
本発明の他のレーザ装置は、変調された紫外レーザ光を放射するレーザ光源と、該紫外レーザ光の方向を変える偏向器とを備えたレーザ装置であって、該偏光器は該紫外レーザ光をスクリーンに照射し、それによって該スクリーン上に塗布された蛍光体から赤、緑または青色の光を発生させる。
【0057】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、高調波を生成する光波長変換素子と、該半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。
【0058】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、を備えている。
【0059】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプとを更に備えている。
【0060】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、レーザ光を出射する半導体レーザと、該レーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ40μm以上である。
【0061】
本発明の更に他のレーザ装置は、赤、緑及び青色のレーザ光を発生する3つのレーザ光源と、各レーザ光の強度を変化させる変調器と、各レーザ光の方向を変化させる偏向器と、を備えたレーザ装置であって、前記レーザ光源が半導体レーザにより構成されている。
【0062】
ある実施形態では、動作時に、前記半導体レーザに対して高周波が重畳される。
【0063】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、高調波を生成する光波長変換素子と、該半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。
【0064】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、を備えている。
【0065】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、半導体レーザと、分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプとを更に備えている。
【0066】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、レーザ光を出射する半導体レーザと、該レーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ40μm以上である。
【0067】
本発明の更に他のレーザ装置は、半導体レーザを含んだ少なくとも1つ以上のレーザ光源と、サブの半導体レーザと、該レーザ光源からの光の強度を変化させる変調器と、スクリーンと、該レーザ光源からの光の方向を変化させ、該光で該スクリーンを走査させる偏向器と、を備えたレーザ装置であって、該サブの半導体レーザから出た光は該スクリーンの周辺部を走査し、該サブの半導体レーザから出た光の光路がさえぎられた場合、該レーザ光源からのレーザ光の照射を停止する。
【0068】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、高調波を生成する光波長変換素子と、前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。
【0069】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子とを備えている。
【0070】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザは分布帰還型半導体レーザであり、該分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている。
【0071】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ40μm以上である。
【0072】
本発明のレーザ装置は、半導体レーザを含んだ少なくとも1つ以上のレーザ光源と、該レーザ光源から放射されたレーザ光の方向を変化させ、スクリーン上を該レーザ光で走査する偏向器と、を備えたレーザ装置であって、該レーザの一部を受光すると信号を発生する2つ以上のディテクターを更に備えており、該偏向器が該レーザ光で該スクリーンを走査する間に、該ディテクターが一定時間内に信号が発生しない場合、該レーザ光源からのレーザ光の発生を停止する。
【0073】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、高調波を生成する光波長変換素子と、前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。
【0074】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、を備えている。
【0075】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザは分布帰還型半導体レーザであり、該分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている。
【0076】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ40μm以上である。
【0077】
本発明の更に他のレーザ装置は、半導体レーザを含んだ少なくとも1つ以上のレーザ光源と、各レーザ光の強度を変化させる変調器と、各レーザ光の方向を変化させる偏向器と、とを備え、該レーザ光源から出たレーザ光を2つ以上の光路に分割し、2方向よりスクリーンを照射する。
【0078】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、高調波を生成する光波長変換素子と、前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。
【0079】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、を備えている。
【0080】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザは分布帰還型半導体レーザであり、該分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている。
【0081】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ40μm以上である。
【0082】
ある実施形態では、2つのレーザ光源により2つの光路を形成し、かつそれぞれのレーザ光源が別々の変調を受けている。
【0083】
ある実施形態では、2つの光路が時間的に切り替わる。
【0084】
本発明の更に他のレーザ装置は、半導体レーザを含んだ少なくとも1つ以上のレーザ光源と、該レーザ光源から出たレーザ光を平行ビームにする第1の光学系と、該平行ビームを空間変調する液晶セルと、該液晶セルから出た光をスクリーンに照射する第2の光学系とを備えている。
【0085】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、高調波を生成する光波長変換素子と、前記半導体レーザからのレーザ光を前記光波長変換素子伝えるシングルモードファイバーを備えている。
【0086】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、を備えている。
【0087】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザは分布帰還型半導体レーザであり、該分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている。
【0088】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光をガイドする光導波路及び周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子を備えており、該光導波路の幅および厚みが、それぞれ40μm以上であることを特徴とする。
【0089】
ある実施形態では、前記サブの半導体レーザが赤外半導体レーザである。
【0090】
ある実施形態では、光波長変換素子の位相整合波長をずらすことでレーザ光照射を止める。
【0091】
本発明の光ディスク装置は、レーザ光を生成するレーザ光源と、基本波を高調波に変換する光波長変換素子と、該光波長変換素子を内蔵した光ピックアップと、該光ピックアップを移動させるアクチュエータとを備えた光ディスク装置であって、該レーザ光源から放射された該レーザ光は、光ファイバを介して、該光ピックアップに入射される。
【0092】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記光ピックアップの外部に配置された半導体レーザを含む。
【0093】
ある実施形態では、前記レーザ光源は、前記半導体レーザから出射されたレーザ光をポンプ光として前記基本波を生成する固体レーザ結晶を更に備えている。
【0094】
ある実施形態では、前記固体レーザ結晶は、前記光ピックアップの外部に配置され、該固体レーザ媒体によって生成された基本波が、前記光ファイバを介して前記光波長変換素子に入射される。
【0095】
ある実施形態では、前記固体レーザ結晶は、前記光ピックアップの内部に配置され、該半導体レーザから出射された前記レーザ光が、前記光ファイバを介して該固体レーザに入射される。
【0096】
(発明を実施するための最良の形態)
本願発明者らは、光導波路を有する前述の光波長変換素子について、時間が経過すると位相整合波長が短くなり、高調波が出なくなる原因を考察した。
【0097】
図4は、従来の光波長変換素子について、その素子の作製直後からの経過時間と高調波の出力との関係を示している。時間の経過に伴って、高調波出力は急減に低下してゆくことがわかる。
【0098】
図5は、経過時間と位相整合波長との関係を示している。高調波出力は、素子の作製直後から3日後には半分になる。このとき、位相整合波長が短波長側にシフトしていることがわかる。位相整合波長λは分極反転周期Λと高調波、基本波に対する実効屈折率n2W及びnにより決まる。より詳細には、λ=2(n2W−n)・Λとなる。
【0099】
分極反転層の周期Λは経時的に変化することなく、一定に維持されるので、位相整合波長λの低下は、実効屈折率n2W及びnの変化に起因すると考えられる。
【0100】
図6は、実効屈折率n2Wと経過時間との関係を示す。図6から、実効屈折率n2Wは、素子作製日から日が経つにつれ低下していることがわかる。
【0101】
本願発明者は、この原因を以下のように考える。
【0102】
光導波路を形成する場合に行う400℃程度の高温処理が、プロトン交換層に歪等を導入し、その結果、プロトン交換層内に屈折率の上昇した層(変化層)が形成される。この歪が時間の経過とともに徐々に解放され、変化層の屈折率は本来の屈折率に近づいて行く。
【0103】
高温アニール時に発生した歪等によって、屈折率の上昇した変化層が形成されるが、その変化層の屈折率は時間の経過とともに元の大きさに戻り、最終的に、変化層は安定したプロトン交換層になる。しかしながら、変化層がこのような安定プロトン交換層になるには何年もかかる。なお、本願明細書では、常温(約0℃〜約50℃)での使用によっては、実効屈折率が経時的に低下しない状態にあるプロトン交換層を、「安定プロトン交換層」と称することとする。
【0104】
以上が、本願発明者の考える経時変化のメカニズムである。このことを確認するために、経時変化により屈折率が低下したサンプルに対して、300℃1分間のアニールを施した。この程度のアニール温度及び時間では、プロトン等の拡散をほとんど生じないため、導波路は広がらない。このため、従来の考え方によれば、プロトン交換層の屈折率は何も変化しないはずである。ところが、発明者の実験によると、300℃1分間のアニールによって屈折率が再び上昇した。さらに、このアニールの後、時間の経過とともに、屈折率は再び低下するという現象が観測された。
【0105】
本願発明は、比較的に高い温度の熱処理によってプロトン交換層内に生じた歪を緩和し、それによって、光波長変換素子の経時変化を防止することができる。
【0106】
以下に、図面を参照しながら実施例を説明する。
【0107】
(実施例1)
図7を参照しながら、本発明の第1の実施例を説明する。
【0108】
本実施例の光波長変換素子では、安定プロトン交換層からなる光導波路がLiTaO基板1に形成され、光導波路に沿って複数の分極反転層3が周期的に配列されている。光導波路の入力端に基本波P1を入射することで、その出力端から高調波P2が出射される。本実施例の光波長変換素子の長さ(導波路の長さ)は、9mmである。また、波長850nmに対して動作するように、分極反転層3の一周期の長さを3.7μmに設定している。
【0109】
以下に、図8Aから図8Eを参照しながら、光波長変換素子の製造方法を説明する。
【0110】
図8Aに示されるように、まず、LiTaO基板1の主面を覆うようにTa膜を堆積した後、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いてTa膜(厚さ:約200〜300nm)をストライプ状にパターニングして、Taマスク6を形成する。本実施例で使用するTaマスク6は、幅1.2μmで長さが10mmのストリッブが等間隔で配列されたパターンを持ち、ストリップの配列周期は3.7μmである。Taマスク6で主面が覆われたLiTaO3基板1に対して、プロトン交換処理を行う。このプロトン交換処理は、230℃に加熱したピロ燐酸中に基板1の表面を14分間浸すことによって実行される。
こうして、LiTaO基板1のうち、Taマスクで覆われていない部分に厚さ0.5μmのプロトン交換層7を形成する。この後、HF:HNFの1:1混合液を用いた2分間のエッチングによって、Taマスクを除去する。
【0111】
次に、図8Bに示されるように、550℃の温度で15秒間の熱処理を行うことにより、各プロトン交換層7内に分極反転層を形成する。熱処理の温度上昇レートは50〜80℃/秒、冷却レートは1〜50℃/秒とする。LiTaO基板1のうちプロトン交換がなされていない部分にくらべて、プロトン交換がなされた部分ではLiの量(濃度)が減少している。そのために、プロトン交換層7のキュリー温度は他の部分よりも低下し、550℃の熱処理でプロトン交換層7内に部分的に分極反転層3を形成することができる。この熱処理によって、Taマスク6の周期パターンを反映した周期的パターンを持つ分極反転層3を形成することができる。
【0112】
次に、光導波路を形成するためのTaマスク(不図示)を形成する。このTaマスクは、基板1の上に堆積したTa膜(厚さ:約200〜300nm)にスリット状の開口部(幅4μm、長さ12mm)を形成したものである。この開口部が、導波路の平面レイアウトを規定することになる。導波路の形状は、直線的なものに限定されないことは言うまでもない。形成すべき導波路の形状に応じて、Taマスクのパターンが決定される。Taマスクで覆われたLiTaO基板1に対して、260℃、16分間のプロトン交換処理を行うことによって、図8Cに示されるように、LiTaO基板1のうちTaマスクの開口部の下に位置する領域に、直線的に延びるプロトン交換層(厚さ0.5μm、幅5μm、長さ10mm)5を形成する。この直線状に延びるプロトン交換層5が、最終的には導波路として機能することになる。この後、HF:HNFの1:1混合液を用いた2分間のエッチングによってTaマスクを除去する。
【0113】
次に、赤外線加熱装置を用いて420℃で1分間のアニールを行う。このアニールによって、プロトン交換層5の非線形性が回復するとともに、図8Dに示されるように、屈折率の0.03程度上昇した変化層8bが形成される。このアニールは、前述のように、基板1内でLi及びプロトンを拡散させ、プロトン交換層5のプロトン交換濃度を低下させる機能を果たす。このあと、基板1の主面上に保護膜として機能する厚さ300nmのSiO膜(不図示)を堆積する。
【0114】
次に、変化層8bに対して垂直な基板1の面を光学的に研磨し、光波長変換素子の入射部および出射部を形成したあと、図8Eに示されるように、入射部及び出射部の研磨面に、無反射(AR)コート15を形成する。
【0115】
次に、経時変化を防止するための低温アニールを行う。本願明細書では、「低温アニール」は、プロトン交換層のプロトン濃度を実質的に低下させないような温度で行う熱処理を意味する。例えばLiTaO基板の場合、「低温アニール」は、約130℃以下の温度で行う熱処理を意味する。本実施例では、オーブンを用いて大気雰囲気下で60℃、40時間の熱処理を行う。このような低温アニールによって、安定プロトン交換層8aが形成される。この安定プロトン交換層8aが光導波路を構成する。
【0116】
図9を参照して、上記製造工程のフローを説明する。
【0117】
基板への分極反転層形成工程(ステップS10)の後、光導波路形成工程(S20)を行う。光導波路形成工程(S20)は、大きく、ステップS21、ステップS22及びステップS23に分かれる。ステップS21でマスクパターンを形成し、ステップS22でプロトン交換処理を行い、ステップS23で高温アニールを行う。その後保護膜形成工程(ステップS30)、端面研磨工程(ステップS40)、ARコート工程(ステップS50)を施す。このままでは波長変換素子の経時変化があるので、ステップS60で低温アニールを施し、安定プロトン交換層を形成する。
【0118】
図10は低温アニールの温度をが60℃の場合と120℃の場合について、アニール時間ととの関係を示している。位相整合波長シフト量は、120℃のアニールによれば、数時間でほぼ一定になるが、60℃のアニールによれば、ほぼ一定になるのに数十時間かかる。
【0119】
図10から、低温アニールの温度が高いほど、短いアニール時間で安定状態になることがわかる。また、アニール温度が低い程、安定状態に変化したときの位相整合波長シフト量はゼロに近い値を示す。このように、低温アニールの温度を高くすれば、シフト量のゼロへの戻りに要する時間は短いが、その反面、歪みが比較的に大きく残存することなる。
【0120】
図11は、安定状態に復帰したときの位相整合波長シフト量と低温アニールの温度との関係を示す。図11から、120℃のアニールを行えば、位相整合波長が0.5nm程度シフトした状態で安定することがわかる。150℃以上のアニールを行えば、安定化後の位相整合波長のシフト量は0.8nm以上になる。このような大きさの位相整合波長のシフトが残っていると、光波長変換素子の長期的な使用は困難になる。もし位相整合波長のシフトの許容範囲を0.5nm以下とした場合、120℃を越える温度でアニールを行っても許容範囲内にシフト量を縮小することができなくなる。位相整合波長シフトの許容範囲を広げると、変換効率が低下する。位相整合波長のシフト量が0.5nmを越えると、シフト量がゼロの場合の1/4程度の出力しか得られなくなる。低温アニール温度を60℃で行えば、アニール時間は長くなるが、シフト量は0.1nm以下に低減できるので、変換効率低下の問題はなくなる。位相整合波長のシフト量は、約0.2nm以下に抑えることが好ましい。
【0121】
本実施例によれば、光導波路2における非分極反転層4及び分極反転層3の屈折率に経時変化がなく、また、光が導かれるときの伝搬損失は小さい。半導体レーザからのレーザ光(波長850nm)を、基本波P1として入射部に入射し、光導波路を伝搬させたところ、光はシングルモードで伝搬し、波長425nmの高調波P2が出射部から基板外部へ取り出された。光導波路2の伝搬損失は1dB/cmと小さく、高調波P2が有効に得られた。基本波27mWの入力で1.2mWの高調波(波長425nm)を得た。この場合の変換効率は4.5%である。
【0122】
図12は、経過日数と高調波出力との関係を示す。図13は、経過日数と位相整合波長との関係、及び経過日数と屈折率変化との関係を示す。
【0123】
これらの図から、屈折率変化および位相整合波長は、素子の作製直後から一定となっていることがわかる。本発明の光波長変換素子の製造方法によれば、屈折率変化が時間経過に対して生じないため位相整合波長が一定な光波長変換素子が実現できた。この素子を半導体レーザと組み合わせると安定な短波長レーザが製造できる。60℃程度の温度では40時間以上の低温アニールが特に有効である。
【0124】
(実施例2)
次に、本発明の第2の実施例を説明する。
【0125】
まず、LiTaO基板の主面を覆うようにTa膜を堆積した後、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いてTa膜(厚さ:約200〜300nm)をストライプ状にパターニングして、Taマスクを形成する。本実施例で使用するTaマスクは、幅1.2μmで長さが10mmのストリッブが等間隔で配列されたパターンを持ち、ストリップの配列周期は3.6μmである。Taマスクで主面が覆われたLiTaO基板1に対して、プロトン交換処理を行う。このプロトン交換処理は、260℃に加熱したピロ燐酸中に基板の表面を20分間浸すことによって実行される。こうして、LiTaO基板のうち、Taマスクで覆われていない部分に厚さ0.5μmのプロトン交換層を形成する。この後、HF:HNFの1:1混合液を用いた2分間のエッチングによって、Taマスクを除去する。
【0126】
次に、550℃の温度で15秒間の熱処理を行うことにより、各プロトン交換層7内に分極反転層を形成する。熱処理の温度上昇レートは50℃/秒、冷却レートは10℃/秒とする。この熱処理によって、Taマスクの周期パターンを反映した周期的パターンを持つ分極反転層を形成することができる。
【0127】
図14を参照しながら、上記工程のの後に続く工程のフローを説明する。
【0128】
まず、基板の分極反転層が配列された面に対してプロトン交換処理を施し、それによって光導波路を形成する(ステップS100)。光導波路形成用のマスクとしては、Ta膜に幅4μm、長さ12mmのスリットを形成したものを用いる。
【0129】
次に、260℃、16分間のピロ燐酸中でプロトン交換を行った(ステップS110)後、Taマスクを除去する。厚さ300nmのSiO膜で基板の主面を覆った後に、低温アニール(ステップS120)を行い、光導波路の形成を完了する。低温アニールは、屈折率上昇を防止するため、空気中で120℃の熱処理を200時間行った。この低温アニールによって、安定プロトン交換層が形成される。
【0130】
以上の工程によって、基板に分極反転層および光導波路が形成される。分極反転層の厚さを2.2μmとした場合、波長変換を有効に行うために、光導波路の厚みdを分極反転層の厚さより薄く、例えば1.8μmに設定する。波長840nmに対して動作させるには、分極反転層の周期は3.6μmに設定される。
【0131】
上記製造方法によれば、非分極反転層及び分極反転層に屈折率の経時的変化は生じず、光の伝搬損失は小さい。光導波路に垂直な面を光学研磨し入射部および出射部を形成した。このようにして光波長変換素子が製造できる。また、この素子の長さは9mmである。
【0132】
基本波P1として半導体レーザ光(波長840nm)を導波路の入射部に入射させたところ、波長420nmの高調波P2が出射部から基板外部に取り出された。出力80mWの基本波の入力に対して、出力10mWの高調波(波長420nm)が得られた。この場合の変換効率は12%である。光損傷はなくまた、経時変化もまったくなく高調波出力は非常に安定していた。この実施例のようにプロセスの途中で高温アニール工程を入れないようにすると経時変化が防止できる。
【0133】
(実施例3)
次に、本発明の第3の実施例として、LiNbO基板(厚さ:0.4〜0.5mm)を用いた場合について説明する。
【0134】
まず、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、上記各実施例で使用したTaマスクのパターンと同様のパターンを有するTa電極(第1のTa電極)をLiNbO基板の主面上に形成する。
【0135】
この後、基板の裏面全体にTa膜(第2のTa電極)を堆積する。基板の主面に形成した第1のTa電極と、基板の裏面に形成した第2のTa電極とによって、基板に電界を印加するための電極構造が構成される。
【0136】
次に、第1のTa電極と第2のTa電極との間に電圧(例えば10キロボルト)を与えて、LiNbO基板内に電界を形成する。この電圧印加によって、基板の表面のうち第1のTa電極に接触している部分から基板の裏面にまで延びた分極反転層が形成される。
【0137】
次に、HF:HNFの1:1混合液にて2分間エッチングし、Ta電極を除去する。次に、スリット状の開口部(幅4μm、長さ12mm)を持つTaマスクを基板上に形成した後、ピロ燐酸を用いたプロトン交換処理(230℃、10分間)を施して光導波路を形成する。このTaマスクを除去した後、赤外線加熱装置を用いて420℃2分間のアニールを行う。このアニールによって、光導波路における非線形性は回復するが、屈折率が0.02程度上昇した変化層が形成される。
【0138】
この後、保護膜として機能する厚さ300nmのSiO膜を基板上に堆積する。次に、屈折率上昇の原因でる歪みを緩和するため、空気中で100℃20時間のアニール(第1段低温アニール)を行った後、引き続き、60℃10時間のアニール(第2段低温アニール)を行う。このように、本実施例では2段階の低温アニールを行う。低温アニールを2段階にわけて行うのは、低温アニールに要するトータルの時間を短縮するためである。100℃でのアニールによれば、60℃でのアニールに比べて歪が早く緩和されるが、図11に示されるような100℃における位相整合波長シフト量に対応する歪が残留する。そのため、さらに60℃での低温アニールを追加的に行い、歪を完全に消失させる。この2段階アニールによって、早くかつ完全に、経時変化の生じにくい「安定プロトン交換層」を形成できる。
【0139】
上記のような工程により形成された光導波路の厚みdは、1.8μmである。
分極反転層の配列周期は3μmであり、波長840nmに対して動作する。光導波路に垂直な面を光学研磨し、入射部および出射部を形成した。このようにして光波長変換素子が製造できる。また、この素子の長さは10mmである。基本波P1として半導体レーザ光(波長840nm)を入射部より導波させたところ、波長420nmの高調波P2が出射部より基板外部に取り出された。基本波80mWの入力で13mWの高調波(波長420nm)を得た。経時変化はまったくなく高調波出力は非常に安定していた。
【0140】
なお、この実施例では、異なる温度で2種類の低温アニール(2段アニール)を行ったが、例えば、100℃から60℃まで30時間かけて徐々に温度を低下させるような低温アニールを行っても良い。
【0141】
(実施例4)
次に、図15Aから図15Cを参照しながら、本発明による第4の実施例を説明する。
【0142】
まず、液層エピタキシャル成長法によって、図15Aに示されるように、LiNbOとLiTaOの混合物膜(LiNb0.5Ta0.5膜)16’をLiTaO3基板1上に成長させる。この時、成長温度は1000℃を越え、歪が混合物膜16とLiTaO基板1との境界面に残る。次に、図15Bに示されるように、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、混合物膜16’上にレジストマスク17を形成する。次に、図15Cに示されるように、イオンビームエッチングによって、混合物膜16のうちレジストマスク17で覆われていない部分を除去し、例えば幅が4μmの光導波路16を残置する。
【0143】
蒸着法によって厚さ300nmのSiOを基板1上に堆積した後、屈折率上昇を緩和するための低温アニールを行う。このアニールは、100℃で30時間で行う第1段低温アニールと、これに引き続く70℃で60時間行う第段低温アニールとからなる。この低温アニールによって、屈折率変化のない安定な光導波路層16が得られる。
【0144】
上記工程により形成された光導波路の厚さdは、1.8μmである。また、この素子の長さは9mmである。光導波路に垂直な面を光学研磨し入射部および出射部を形成した。半導体レーザ光(波長840nm)を入射部より導波させたところ、導波ロスは非常に少なかった。屈折率の経時変化も測定限界以下であり非常に安定していた。混合物膜の材料は、LiNb0.5Ta0.5に限定されず、LiNbTa1−x(0<x<1)や他の光学材料であってもよい。
【0145】
(実施例5)
次に、本発明の第5の実施例を説明する。
【0146】
図16を参照しながら、本実施例のプロセスフローの概略を説明する。
【0147】
まず、光導波路形成工程を行う。光導波路形成工程は、大きく、ステップS200、ステップS210及びステップS220に分かれる。ステップS200でマスクパターンを形成し、ステップS210でプロトン交換処理を行い、ステップS220で高温アニールを行う。その後、電極形成工程(ステップS230)、低温アニール工程(ステップS240)、端面研磨工程(ステップS250)、ARコート工程(ステップS260)を施す。
【0148】
以下に、プロセスの詳細を説明する。
【0149】
まず、通常のフォトプロセスとドライエッチングを用いてTaをスリットにパターニングする。次にTaによるパターンが形成されたLiTaO基板1に230℃、10分間プロトン交換を行いスリット直下に厚み0.5μmのプロトン交換層を形成する。次にHF:HNFの1:1混合液にて2分間エッチングしTaを除去する。拡散炉を用いて400℃で1時間アニール(第1のアニール)を行い屈折率が0.01程度上昇した変化層が形成される。次に電極形成工程として、蒸着によりSiO2を300nm付加した。そして電極マスクとしてAlをストライプ状に蒸着した後パターニングを行った。次に屈折率上昇を緩和するため低温アニールを施した。空気中で70℃、10時間アニールを行った。これにより安定プロトン交換層が形成される。ここでは第1のアニールより330℃低い温度で第2のアニールを行った。200℃以上低くすることで歪を大きく緩和でき有効である。最後に研磨、ARコートを施した。
【0150】
上記のような工程により電極付きの光導波路が製造された。これは、光変調器として機能する。この光導波路の厚みは8μmである。光導波路に垂直な面を光学研磨し入射部および出射部を形成した。このようにして光素子が製造できる。
また、この素子の長さは9mmである。電極に変調信号を加え、基本波として半導体レーザ光(波長1.56μm)を入射部より導波させたところ、出射部より変調された光が取り出された。経時変化はなくバイアス電圧は2000時間以上安定していた。
【0151】
なお上記実施例では、何れも、光素子の一例として光波長変換素子及び光変調器に関して本願発明を説明してきたが、本願発明はこれに限定されることなく、平面デバイスであるフレネルレンズやホログラム等にも適用可能である。プロトン交換処理に伴う屈折率の時間変化が防止でき特性の劣化が抑えられる。
【0152】
(実施例6)
次に、図17を参照しながら、本発明の第6の実施例を説明する。本実施例は、半導体レーザと光波長変換素子とを備えた短波長光源である。
【0153】
図17に示されるように、半導体レーザ20より出たポンプ光P1aはレンズ30で集光され固体レーザ結晶であるYAG21を励起する。
【0154】
YAG21には947nmに対する全反射ミラー22が形成されており波長947nmでレーザ発振し、基本波P1が放射される。一方光波長変換素子25の出射側に基本波P1の全反射ミラー23が形成されており、レーザ発振はこの間で生じていることになる。基本波P1はレンズ31により集光され光波長変換素子25により基本波P1は高調波P2へと変換される。この実施例では周期構造が形成された周期状分極反転構造を持つ光波長変換素子としてLiTaO基板1中にプロトン交換を用いて作製した光導波路2を用いたものである。
【0155】
図17で1はZ板のLiTaO基板、2は形成された光導波路、3は分極反転層、10は基本波P1の入射部、12は高調波P2の出射部である。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層3で高調波P2に変換され、次の同じくLの長さを持った非分極反転層4で高調波パワーは増す事になる。
【0156】
このようにして光導波路2内でパワーを増した高調波P2は出射部12より放射される。発散された高調波P2はレンズ32で平行光にされる。
【0157】
また、光波長変換素子25には電極14が保護膜13を介して形成されている。次にこの光波長変換素子25の製造方法について図を使って簡単に説明する。
【0158】
まず、図18Aに示されるように、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、上記各実施例で使用したTaマスクのパターンと同様のパターンを有するTa電極(第1のTa電極)6を、厚さ0.3mmのLiNbO基板1の主面上に形成する。
【0159】
この後、基板1の裏面全体にTa膜(第2のTa電極)6bを堆積する。基板1の主面に形成した第1のTa電極6と、基板1の裏面に形成した第2のTa電極6bとによって、基板1に電界を印加するための電極構造が構成される。
【0160】
次に、第1のTa電極6と第2のTa電極6bとの間に電圧(例えば10キロボルト)を与えて、LiNbO基板1内に電界を形成する。この電圧印加によって、図18Bに示されるように、基板1の表面のうち第1のTa電極6に接触している部分から基板1の裏面にまで延びた分極反転層3が形成される。光が伝搬する方向に沿った分極反転層3の長さLは2.5μmである。この後、HF:HNF3の1:1混合液にて20分間エッチングし、Ta電極6及び6bを除去する。
【0161】
次に、スリット状の開口部(幅4μm、長さ12mm)を持つTaマスク(不図示)を基板1上に形成した後、ピロ燐酸を用いたプロトン交換処理(260℃、40分間)を施して、図18Cに示されるように、光導波路2を形成する。Taマスクは、スリット(幅6μm、長さ10mm)を有しており、このスリットが光導波路2の平面レイアウトを規定する。Taマスクを除去した後、赤外線加熱装置を用いて460℃で5時間ののアニールを行う。このアニールによって、プロトン交換された光導波路は非線形性を回復し、その部分の屈折率は0.002程度上昇する。光は、この屈折率の高い光導波路2に沿ってを伝搬する。この光導波路2の厚みdは50μm、幅70μmである。導波路2が延びる方向に沿った分極反転層3の配列周期は5μmであり、この光波長変換素子は波長947nmの基本波に対して動作する。
【0162】
次に、図18Dに示されるように、SiOから形成された保護膜(厚さ300〜400nm)13を基板1上に形成した後、Al膜(厚さ200nm)を蒸着によって保護膜13上に形成する。Al膜をフォトリソグラフイ技術によってパターニングし、Al電極14を形成する。Al電極14は、出力光の強度変調のための用いられる。
【0163】
光導波路2の延びる方向に対して垂直な面を光学的に研磨し、図17に示される入射部10および出射部12を形成する。さらに入射部10には基本波P1に対する無反射コートを施す。出射部12には基本波P1に対する反射コート(99%)、高調波P2に対する無反射コートを施す。
【0164】
このようにして図17に示される光波長変換素子25(素子長さ10mm)を製造できる。
【0165】
図17で基本波P1として波長947nmを入射部10より導波させたところシングルモード伝搬し、波長473nmの高調波P2が出射部12より基板外部に取り出された。光導波路2の伝搬損失は0.1dB/cmと小さく、共振器の性能は向上し、基本波P1のパワー密度が増大し、そして高調波P2が高効率で発生した。
【0166】
低損失化の原因としては、燐酸により均一な光導波路を形成できたこと、および導波路の閉じ込めを小さくしたが考えられる。また、この閉じ込めの弱い光導波路により、高調波の密度は小さくなり、光損傷が大幅に改善された。従来の面積の100倍にすることで、100倍の光損傷に耐えることができるからである。
【0167】
図19は、光導波路厚みと耐光損傷パワーとの関係を示す。耐光損傷パワーとは、いくらまでの青色の高調波に耐えるか、つまり光変動を生じないかのパワーである。光導波路の厚みを広げると、同時に拡散により幅も広がるため、耐光損傷パワーは光導波路厚みのほぼ2乗に対して向上することがわかる。レーザ投射に必要なパワーは最低2Wなので光導波路厚みは40μm以上であることが望ましい。
【0168】
また、導波路とその周辺部における屈折率の分布が、ステップ状に変化する場において、導波路の断面を拡大すると、マルチモード伝搬現象が生じる。これを避けるため、本実施例では、グレーディッド型屈折率分布を持つ導波路を形成している。
【0169】
半導体レーザ20の出力光P1aの出力が10Wのとき、出力3Wの高調波P3を得た。この場合の変換効率は30%である。光波長変換素子の波長変動に対する許容度は0.4nmである。波長が0.4nmずれても固体レーザの発振波長は一定であり、高調波出力は安定していた。変調用Al電極14に電圧を印加することで、導波路及びその近傍の屈折率が変化し、光波長変換素子の位相整合波長がシフトする。電圧の印加によって位相整合波長が大きくシフトするという現象を利用することによって、約100Vという比較的に低い電圧の印加で、高調波出力の変調を行うことができる。
【0170】
このように本実施例で用いる周期状分極反転構造を用いた光波長変換素子によれば、電圧を印加することで簡単に高調波出力を変調することができ、必要な印加電圧も低く、産業上の利用価値が高い。
【0171】
これにより変調器を一体化することができ、小型、軽量、低コスト化が図れる。また、本発明で用いた非線形光学結晶であるLiTaOは大型結晶が入手でき光ICプロセスを用いた光波長変換素子の量産化も容易であるという特徴もある。なお基本波に対してマルチモード伝搬では高調波の出力が不安定で実用的ではなくシングルモードが有効である。この実施例のように、光波長変換素子として周期状分極反転構造を有するものを用いると、高効率化が図れ、また光変調器を一体化でき、また、周期を変えると青だけでなく、赤、緑色のレーザ光も取り出せ、その価値は大きい。なお、光変調器は分離しても良い。
【0172】
次に、図20を参照しながら、本発明のレーザ投射装置の実施例を説明する。
図20に示されるように、このレーザ投射装置の光源には、図17に示される青色のレーザ光源を用いた。45は青色である波長473nm帯のレーザ光源である。また変調用電極に変調信号を入力することで青色光は変調されている。変調された青色レーザ光は偏向器に入射する。56は垂直偏向器、57は水平偏向器であり、ともに回転多面鏡を用いている。ゲイン3のスクリーン70を用いて、画面サイズ4m×3mにおいて輝度300cd/m、コントラスト比100:1、水平解像度1000TVを得た。従来に比べこのように解像度は大幅に向上した。また、ガスレーザを用いた構成に比べ重量が1000分の1、容量が1000分の1、消費電力が100分の1と大幅に改善することができた。これは、用いたレーザ光源が小型、低消費電力であること、さらに光変調器が一体となっていることが大きく寄与している。つまり、半導体レーザと光波長変換素子を用いた構成は超小型が図れること、また電気からの変換効率がガスレーザの2桁程度高いことによる。特に光波長変換素子として周期状分極反転構造を有するものを用いると、高効率化が図れ、また光変調器を一体化できその効果は絶大である。本実施例ではスクリーン後方から、レーザ光を照射したが、前方から照射することもできる。
【0173】
次に、図21を参照しながら、本発明のレーザ光源の他の実施例を説明する。
【0174】
図21に示されるように、半導体レーザ20から出た基本波P1はレンズ30、半波長板37、集光レンズ31を介して光波長変換素子25に導かれ高調波P2に変換される。つまりこの例では固体レーザを使わず青色光を得ている。光波長変換素子25の構成は実施例1とほぼ同様である。本実施例でもLiTaO基板、光導波路型の光波長変換素子を用いている。また、光変調を行うため電極14および保護膜13が形成されている。ただし、本実施例では共振器構造にはしていない。
【0175】
図22は、半導体レーザ20の内部構成を示す。半導体レーザ20は分布帰還型(以下DBRと略す)半導体レーザ20aと半導体レーザアンプ20bより構成されている。DBR半導体レーザ20aにはグレーティングによるDBR部27が形成されており一定の波長で安定に発振する。このDBR半導体レーザ20aより出た安定化された基本波P0をレンズ30aにより半導体レーザアンプ20bに導く。この半導体レーザアンプ20bの活性層26bでパワーが増幅され、安定な基本波P1となる。これを、光波長変換素子25に入れることで変換効率および高調波出力が大幅に向上する。分極反転の周期は3μm、光導波路長は7mmである。この実施例での半導体レーザの発振波長は960nmで、発生した高調波P2の波長は480nm、色は青色であった。変換効率は10W入力で10%である。光損傷はなく高調波出力は非常に安定していた。DBR半導体レーザは発振波長が安定で、高調波出力の安定化には好都合である。
【0176】
次にこのDBR半導体レーザにRF重畳(高周波重畳)を行った。800MHzのサイン状電気波形をDBR半導体に印加し、緩和振動を利用し半導体レーザをパルス列の光出力化を行った。DBR半導体レーザをこのようにRF重畳すると、発振波長は一定のまま、基本波のピーク出力が大幅に向上する。基本波の平均出力10Wより変換効率50%の高調波、5Wが得られた。RF重畳しないときの5倍変換効率が向上した。
【0177】
なお、本実施例ではDBR半導体レーザと半導体レーザアンプを分離したが、集積化するとより小型化が図れる。
【0178】
次に、図23の断面図を参照しながら、本発明のレーザ光源の更に他の実施例を説明する。半導体レーザ20からの基本波P1はレンズ30で緩やかに光波長変換素子25に集光される。本実施例ではLiTaO3基板の代わりにLiNbOを基板として用いた。またバルク型の光波長変換素子25を用いている。LiNbO基板1aは非線形性が大きいという特徴がある。半導体レーザ20をRF駆動することでピークパワーが向上し、光波長変換素子の変換効率が大幅に向上する。分極反転層3の周期は3.5μm、光波長変換素子25の長さは7mmである。この実施例では光フィードバック法を用いて高調波P2出力を安定化している。光波長変換素子25の波長許容度は0.1nm程度と狭いからである。光波長変換素子25で変換されなかった基本波P1はレンズ32で平行化され、グレーティング36で反射し半導体レーザ20に戻る。これにより半導体レーザ20の発振波長はグレーティング36の反射波長にロックされる。光波長変換素子25の位相整合波長に発振波長を合わせるにはグレーティング36の角度を変えてやれば良い。
【0179】
一方、高調波P2はダイクロイックミラー35で反射され別方向に取り出される。この実施例では半導体レーザの発振波長は980nmで取り出された高調波P2は490nmの青色であった。このときRF周波数は810MHz、出力は5Wの電気波形を入れた。また、基本波の平均出力15Wで3Wの高調波が得られた。光損傷はなく高調波出力は非常に安定していた。光損傷がないのは基本波を100μm程度にしか集光していないため、高調波も同程度と密度の点では大きくないためである。
【0180】
なお、本実施例ではグレーティングによる光フィードバックによる波長ロックを行ったが、フィルターで波長を選択し光フィードバックを行う等これに限ることはない。また、本実施例のレーザ光源を用いてレーザ投射装置を構成すると、小型、軽量、低コスト化が図れる。また、本実施例では半導体レーザを直接変調することで高調波も変調でき、構成が簡単であり低コスト化が図れる。
【0181】
次に、図24を参照しながら、本発明のレーザ光源の他の実施例を説明する。
図24において、光波長変換素子(バルク型)25の断面が示されている。
【0182】
波長806nmの半導体レーザ20より出たポンプ光P1aはファイバー40に入射し、ファイバー40中を伝搬する。ファイバー40から出たポンプ光P1aは光波長変換素子25に入る。光波長変換素子25の材料は希土類であるNdがドープされたLiTaO基板1bであり、周期5.1μmの分極反転構造が形成されている。Ndのドープ量は1mol%である。22は全反射ミラーで波長947nmの光を99%全反射し800nm帯の光は透過する。また、23も全反射ミラーで波長947nmの光を99%全反射し470nm帯の光は透過する。また、この全反射ミラー23の部分は球面状に加工されている。つまり球面ミラーの役割を果たしている。光波長変換素子25は半導体レーザ20より励起された947nmの波長で発振し、さらに分極反転層3による周期状分極反転構造により高調波P2に変換され外部に出射される。ポンプ光P1が20Wにて2Wの高調波が得られた。また、光波長変換素子の温度が大きく変化しないようにペルチエ素子にて温度安定化が図られている。この実施例のレーザ光源の変換部の長さは10mmであり、光波長変換素子に希土類をドープすることおよびファイバーでポンプ光を伝搬させることで非常にコンパクトにできる。また、半導体レーザからの発熱から光波長変換素子を遠ざけることで温度変化を防止することができる。
【0183】
また、全反射ミラー22および23のコーティングを1060nm帯の反射に、分極反転層3の周期を1060nm用に変えることで、1060nmが発振し、高調波P2として緑色レーザ光(波長530nm)が得られた。さらに、全反射ミラー22および23のコーティングを1300nm帯の反射に、分極反転層3の周期を1300nm用に変えることで、1300nmが発振し、高調波P2として赤色レーザ光(波長650nm)が得られた。この構成では簡単に青、緑、赤色の三原色レーザ光が得られる。次に固体レーザ結晶と光波長変換素子を分離した構成を図25に示す。固体レーザ結晶21としてNd:YVOをファイバーの出力側に張り付けた。LiTaO基板1の光波長変換素子25には周期状に分極反転構造が形成されている。この構成のレーザ光源においても安定に2Wの青色レーザ光を得ることができた。
【0184】
本発明の更に他の実施例について図面を用いて説明する。図26に本実施例のレーザ光源の構成図を示す。波長806nmの半導体レーザ20より出たポンプ光P1aは固体レーザ結晶21で基本波P1に変換されファイバー40に入射し、ファイバー40中を伝搬する。このファイバー40はシングルモードファイバーである。ファイバー40から出た基本波P1は光波長変換素子25に入る。この実施例では周期状分極反転構造を持つ光波長変換素子25としてLiTaO基板1中にプロトン交換を用いて作製した光導波路2を用いたものである。同図で1はZ板のLiTaO基板、2は形成された光導波路、3は分極反転層、10は基本波P1の入射部、12は高調波P2の出射部である。光導波路2に入った基本波P1は分極反転層3で高調波P2に変換される。このようにして、光導波路2内でパワーを増した高調波P2は出射部12より放射される。発散された高調波P2はレンズ32で平行光にされる。
【0185】
また、素子には電極14が保護膜13を介して形成されている。ポンプ光P1aが30Wにて10Wの高調波P2が得られた。光波長変換素子25に形成されている電極14に変調信号を入れることで青色レーザ光は30MHzで変調された。この実施例のレーザ光源の変換部の長さは10mmであり、ファイバーで基本波P1を伝搬させることで非常にコンパクトにできる。また、半導体レーザから光波長変換素子を遠ざけることで温度上昇を防ぐことができる。
【0186】
図26は、固体レーザ結晶を用いない実施例を示している。
【0187】
半導体レーザは980nm、出力10Wのものを用いる。これを光波長変換素子25にファイバー40を通して結合し、直接変換を行う。490nmの波長で、出力2Wが得られた。
【0188】
次に、図27を参照しながら、本発明のレーザ投射装置を説明する。光源には実施例5の青色レーザ光源および緑色レーザ光源および赤色レーザ光源の3色を用いた。45は青色である波長473nm帯のレーザ光源である。46は波長530nmの緑色のレーザ光源、47は波長650nmの赤色のレーザ光源である。それぞれの光波長変換素子には変調用の電極が付けられている。この変調用電極に変調信号を入力することでそれぞれの光源出力は変調されている。緑色レーザ光はダイクロイックミラー61により青色レーザ光と合波される。また、ダイクロイックミラー62により赤色レーザ光と他の2色が合波される。56は垂直偏向器、57は水平偏向器であり、ともに回転多面鏡を用いている。ゲイン3のスクリーン70を用いて、画面サイズ2m×1mにおいて輝度2000cd/m、コントラスト比100:1、水平解像度1000TV本、垂直解像度1000TV本を得た。このように本発明のレーザ投射装置は明るく、高解像度であり、また消費電力は極めて小さく、その効果は絶大である。
【0189】
本実施例では分極反転型の光波長変換素子を用いたがこれに限ることはない。
また、レーザ光源のうち、赤色を半導体レーザ直接発振のものを使用すると、さらに低コスト化が図れる。そのほか、青色、緑色レーザとして半導体レーザ直接発振のものを用いることもできる。その組み合わせは自由である。
【0190】
また、本実施例では安全のために以下の工夫がこらされている。レーザ光のスキャンが停止した時にレーザの電源が自動的に切れるようになっている。また、投射されるレーザ光のまわりには出力の弱いサブの半導体レーザである赤外レーザ光が周囲をスキャンしており、この光に物体が触れるとレーザ光は自動に切れるようになっている。赤外半導体レーザは低コスト、高寿命という特徴がある。
【0191】
次に、これらについて図28を用いて説明する。3原色である3本のレーザ光はスクリーン70において描画範囲71内を偏向器によりスキャンされている。
このレーザ光は描画範囲71の周辺に位置するセンサーAおよびB上を通過する。このセンサーAおよびBの出力信号は常にモニターされている。一方赤外半導体レーザによる赤外レーザ光源からのレーザ光は偏向器58によりスクリーン70の周辺を常にスキャンされている。この反射光はセンサーCに入る。つまり、周辺部のあらゆる点での反射光はセンサーCに入るようになっている。
【0192】
次に、制御について図29を用いて説明する。図29においてセンサーAおよびBのいずれかの信号が一定時間に制御回路に入らないときはレーザ光源の主電源が切れ、青、赤、緑色レーザ光源は停止する。つまりスキャンが停止することで、ある特定の部分に集中的にレーザ光が照射されることが防げる。また、センサーCの信号が一瞬でも途切れると制御回路によりレーザ光源の電源は切られることになる。つまり高出力の短波長レーザ光に人間等が触れることはなく、安全である。以上によりこのレーザ投射装置の安全は保たれることになる。
【0193】
なお、実施例ではレーザ光源の電源を切ったが、レーザの光路を遮断しても良い。また、光波長変換素子の位相整合波長を電圧等でずらしたり、基本波光源である半導体レーザの発振波長を変えて、短波長レーザ光の発生を停止しても良い。この方法では再復帰までの時間を大幅に短縮できる。
【0194】
次に、図30を参照しながら、本発明の3次元レーザ投射装置の実施例を説明する。
【0195】
つまり見る側からすると立体的に見える装置である。図30に本実施例のレーザ投射装置の構成図を示す。図30に示すように3色レーザ光にプリズム型光路変換器66を入れることで2方向にレーザ光は分割される。この分割されたレーザ光はそれぞれのミラー64、65で反射され、変調器5aおよび5bで変調されスクリーン70に入る。変調器5a、5bによりそれぞれ右方向から見た画像、左方向から見た画像情報が乗せられ、スクリーン70に異なる方向から光が入り立体的に見える。また、一定時間で光路1と光路2が入れ替わり、人間にとって2つの方向から別方向の像が来たように感じ立体像がさらにクリアになる。この実施例のように立体視用メガネなしに、簡単に立体像を見ることができる。
【0196】
なお、光をハーフミラー等で2分割して、立体化しても良い。また、1つの光源を分割したが同色のレーザ光源を2つ用い別方向よりスクリーンに照射しても良い。この場合1つの光源出力は半分で済む。
【0197】
次に、本発明のレーザ投射装置の更に他の実施例を説明する。
【0198】
図31は、本実施例のレーザ投射装置の構成図を示す。光源には光波長変換素子を基本とした紫外のレーザ光源が用いられている。これを蛍光体が塗布されたスクリーン70に照射することで、赤、緑、青色のRGB光が発光する。レーザ光源の構成は半導体レーザの直接発振である赤色レーザ光650nmをLiTaOの光波長変換素子にて半分の波長325nmにした。この光波長変換素子はバルク型で分極反転構造が形成されたものである。48はこのレーザ光源である。ここでは赤色の半導体レーザを直接変調することで、紫外の変調信号を得ている。変調された紫外レーザ光は偏向器に入る。56は垂直偏向器、57は水平偏向器であり、ともに回転多面鏡を用いている。スクリーン70には赤、緑、青を発生させる蛍光体が塗布されており、蛍光を生じる。画面サイズ1m×0.5mにおいて輝度300cd/m、コントラスト比100:1、水平解像度600TVを得た。この実施例のように1つのレーザ光源で赤、緑、青の3原色光を発生することができ、小型、低コスト化が図れる。この時合波のためのダイクロイックミラーを省けることも有効に作用している。
【0199】
次に、図32を参照しながら、本発明のレーザ投射装置の実施例を説明する。
図32に示されるように、光源には光波長変換素子を基本とした青色のレーザ光源45が用いられている。レーザ光源45から出たレーザ光はレンズ30で平行化される。この平行化されたレーザ光に液晶ライトバブル68が挿入されている。この液晶ライトバルブ68に信号を加えることで空間的に変調され、この光をレンズ31で拡大しスクリーンに投射することで映像をみることができる。なお、3原色のレーザ光源を使うとカラー化できる。
【0200】
従来に比べて効率が大幅に向上し、消費電力が低減された。また、発熱が小さく有効である。
【0201】
次に、図32を参照しながら、本発明のレーザ投射装置を説明する。外観構成は図20に示されるレーザ投射装置の実施例と同じである。光源には、図23の青色のレーザ光源を用い、ここでの半導体レーザはRF重畳されている。また、RF重畳に加えて変調信号を入力することで青色光は変調されている。変調された青色レーザ光は偏向器に入射する。ゲイン2のスクリーンを用いて、画面サイズ2m×1mにおいて輝度200cd/mを得た。スクリーン上にレーザ光の干渉によって生じるスペックルノイズは観測されなかった。これはRF重畳によりレーザ光のコヒーレント性を落としているためであり、半導体レーザのRF重畳がスペックルノイズ対策に重要な貢献をはたしている。本実施例では図23のレーザ光源の構成を用いたが、半導体レーザの直接波長変換によるレーザ光源を用いたレーザ投射装置にはRF重畳は有効である。また、半導体レーザ光で直接赤、または緑、青色レーザ光を発生させる場合もスペックルノイズは防止できる。また、カラーのレーザ投射装置に有効であることは言うまでもない。
【0202】
なお、前記実施例では、非線形光学結晶として、LiNbO及びLiTaOを用いたが、KNbO、KTP等の強誘電体、MNA等の有機材料およびそれらの材料に希土類をドープしたものにも適用可能である。また、希土類は実施例で用いたNdだけでなくErやTlも有望である。なお、固体レーザ結晶としてYAGを用いたが他にYLF,YVO等の結晶も効果がある。LiSAFやLiCAFも固体レーザとしては効果がある。
【0203】
次に、図33を参照しながら、本発明のレーザ光源を光ディスク装置に応用した例を説明する。
【0204】
この光ディスク装置は、周期状反転構造を有する光波長変換素子25を有する光ピックアップ104内に備えており、半導体レーザ20から出射されたレーザ光はファイパー40を介して光ピックアップ104内の光波長変換素子25に与えれる。
【0205】
光ピックアップ104は、光波長変換素子25の他に、光波長変換素子25から出た高調波を平行光に変換するコリメーターレンズ32と、コリメートされた光を光ディスクに向けて透過させる偏光ビームスプリッター105と、その光を光ディスク上に集める集光レンズ106と、光ディスクからの反射光を検出するディテクタ一103とを備えている。偏光ビームスプリッター105は、光ディスクからの反射光を選択的に反射してディテクタ一103に与える。
【0206】
光ピックアップ104は、アクチュエーターにより駆動されるが、半導体レーザ20は、光ディスク装置内に固定されている。光ピックアップ104は、光ディスク装置内に固定された半導体レーザ20からのレーザ光をフレキシブルな光ファイバによって確実に受け取ることができる。
【0207】
次に、動作を税明する。
【0208】
半導体レーザ20から出射された光(ポンプ光)は、固体レーザ21で基本波P1に変換され、光ファイバー40を通して、光波長変換素子25に照射される。光波長変換素子25は、前述の実施例と同様の構成を持ち、基本波P1を高調波P2に変換する。この高調波P2はコリメートレンズ32で平行化され、偏光ピームスプッリター105を通過後、集光レンズ106を介して光ディスク媒体102に集光される。光ディスク媒件102からの反射光は再ぴ同一の光路を戻り、偏光ビームスプリッター105で反射され、ディテククー103で検出される.
こうして、光ディスク媒体に対して信号が記録され、または記録されていた信号を再生することかできる。
【0209】
4分の1波長板108が偏光ピームスプッリター105と集光レンズ106との間に挿入されており、高調波の往路と復路でその偏光方向を90度だけ回転させる。
【0210】
半導体レーザ20として、出力が1Wのものを用いた場合、200mWの高調波P2を得た。固体レーザ21から出射される光の波長は947nmであり、高調波の波長は473nmである。
【0211】
出カ200mWというハイパワーのレーザ光を用いることで、従来の20mWの出力光を用いていた光ディスク装置によるときの記録速度の10倍の速度で記録することができる。転送レートは60Mbpsであった。
【0212】
また、動作時に発熱する半導体レーザ20は、光ディスク装置の筐体に固定さてれており、光ピックアッブからは離れている。このため、光ピックアップ内から半導体レーザが取り除かれた結果、半導体レーザのための特別の放熟構造を設ける必要が無くなる。このため、超小型、軽量の光ピックアップを構成することができる。その結果、光ピックアップをアクチュエーターを高速で駆動することができるので、高い転送レートの高速記録が達成される。
【0213】
なお、本実施例では、固体レーザを半導体レーザ側に配置したが、光波長変換素子側に配置しても良い。また、固体レーザを用いず、半導体レーザからの光を基本波として直接に高調波に変換しても良い。
【0214】
なお、光ピックアップ104の内部構成は、本実施例のものに限定されない。
例えば、偏光分離ホログラムを用いることによって、レンズおよび偏光ビームスプリッターを省くこが可能となる。そうすれば、光ピックアップをさらに小型化することができる。
【0215】
(産業上の利用の可能性)
以上説明したように、本発明の光波長変換素子によれば、LiNbTa1−x(0≦X≦1)基板に光素子作製後、低温アニールすることで高温アニール等の熱処理時に生じた屈折率上昇を戻し、安定プロトン交換層を形成し、これにより安定な光素子を形成することができる。特に、屈折率変化に伴い位相整合波長が変化する光波長変換素子の実用化には本発明が不可欠である。
【0216】
また、低温アニールとして温度を2段にする2段アニールにより早くかつ完全に経時変化がない状態である安定プロトン交換層に戻すことができ有効である。
また、第1のアニールより200℃低い温度で第2のアニールを行うことで歪を大きく緩和でき安定プロトン交換層が形成でき有効である。また、低温アニール温度としては120℃以下で、少なくとも1時間以上行えば経時変化0.5nm以下であり有効であり、特に、90℃以下では位相整合変化は小さく特に有効である。50℃以下になるとアニール時間が極端にかかり問題となるのでそれ以上で行う必要がある。
【0217】
また、本発明のレーザ光源によれば分布帰還型半導体レーザと光波長変換素子の間に半導体レーザアンプを介することにより、半導体レーザの発振波長を安定化し、かつ基本波出力を増大させること、および高効率である分極反転構造を有する光波長変換素子を用いることで、最高の高調波出力が安定に得られる。
【0218】
また、本発明のレーザ光源ではファイバーでポンプ光または基本波を伝搬させることで光波長変換素子部分が非常にコンパクトにできる。また、半導体レーザからの発熱から光波長変換素子を遠ざけることができ、温度変化を防止することができ、高出力半導体レーザを用いることができる。
【0219】
また、光波長変換素子として、周期状分極反転構造を用いると、変換効率が大幅に向上するだけでなく、電圧を印加することで簡単に変調することができ、また電圧も低く工業的である。これにより変調器を一体化することができ、小型、軽量、低コスト化が図れる。また光波長変換素子として閉じ込めの弱い光導波路を採用することで、高調波の密度は小さくなり、光損傷が大幅に改善された。例えば、従来の面積の100倍にすることで、100倍の光損傷に耐えることができるからである。また、本発明のレーザ光源によれば、固体レーザ結晶によるポンプ光から基本波への変換により、マルチストライプやワイドストライプの高出力半導体レーザを用いることができ高出力の高調波を得ることができる。
【0220】
これらより、例えば半導体レーザの電気−光間の変換効率30%の光波長変換素子の変換効率70%をかけ、20%のトータル変換効率を得ることが可能となる。また、本発明のレーザ光源において半導体レーザをRF重畳することでRF重畳しないときの例えば5倍変換効率が向上する。
【0221】
また、本発明のレーザ投射装置によれば半導体レーザをベースとしているため大幅な小型、軽量化、さらに低コスト化が図れる。また、半導体レーザおよび光波長変換素子を基本とした高出力レーザ光源を用いることにより装置の小型、軽量、低コスト化を一挙に図るものである。また、消費電力も極めて小さくできる。この装置は別にレーザ光の変調器を有さず、光波長変換素子と一体化することもその要因の一つである。また、従来に比べ解像度も大幅に向上する。例えば、ガスレーザを用いた構成に比べ重量が1000分の1、容量が1000分の1、消費電力が100分の1と大幅に改善することができた。これは、用いたレーザ光源が小型、低消費電力であること、さらに光変調器が一体となっていることが大きく寄与している。つまり、半導体レーザと光波長変換素子を用いた構成は超小型が図れること、また電気からの変換効率がガスレーザの2桁程度高いことによる。特に光波長変換素子として周期状分極反転構造を有するものを用いると、高効率化が図れ、また低電圧駆動の光変調器を一体化できその効果は絶大である。
【0222】
また、紫外のレーザ光源で蛍光体をたたき3原色を出せるのでさらなる小型、低コスト化が図れその工業的価値は大きい。このように1つのレーザ光源で赤、緑、青の3原色光を発生することができる。この時合波のためのダイクロイックミラーを省けることも有効に作用している。
【0223】
また、本発明のレーザ投射装置によればスキャンが停止すると、ある特定の部分に集中的にレーザ光が照射されることが防ぐため、レーザ光停止またはカット機能がある。また、センサーの信号が一瞬でも途切れると制御回路によりレーザ光源の電源は切られることになる。つまり高出力の短波長レーザ光に人間等が触れることはなく、安全である。以上によりこのレーザ投射装置の安全は保たれることになる。
【0224】
また、半導体レーザの直接波長変換によるレーザ光源を用いたレーザ投射装置にはRF重畳は有効である。これはスペックルノイズを防止でき、きれいな映像を再生できるからである。また、半導体レーザ光で直接赤、または緑、青色レーザ光を発生させる場合もスペックルノイズは防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、従来の短波長光源を示す図。
【図2】図2は、従来の光波長変換素子の構成図。
【図3】図3は、従来の方法による光波長変換素子の製造方法の工程フローチャート。
【図4】図4は、従来の光波長変換素子の高調波出力の時間変化を示す図。
【図5】図5は、従来の光波長変換素子の位相整合波長の経時変化を示す図。
【図6】図6は、従来の光素子の屈折率経時変化を示す図。
【図7】図7は、本発明の第1の実施例の光波長変換素子の構成図。
【図8A】図8Aは、本発明の第1の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程図。
【図8B】図8Bは、本発明の第1の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程図。
【図8C】図8Cは、本発明の第1の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程図。
【図8D】図8Dは、本発明の第1の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程図。
【図8E】図8Eは、本発明の第1の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程図。
【図9】図9は、本発明の第1の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程フローチャート。
【図10】図10は、アニール温度をパラメーターにした位相整合波長のアニール時間に対する変化を示す特性図。
【図11】図11は、アニール温度と位相整合波長変化量との関係を示す特性図。
【図12】図12は、本発明の第1の実施例の光波長変換素子の出力時間特性を示す図。
【図13】図13は、本発明の第1の実施例の光波長変換素子の位相整合波長および実効屈折率の時間特性を示す図。
【図14】図14は、本発明の第2の実施例の光波長変換素子の製造方法の工程フローチャート。
【図15A】図15Aは、本発明の第4の実施例の光素子の製造方法の工程図。
【図15B】図15Bは、本発明の第4の実施例の光素子の製造方法の工程図。
【図15C】図15Cは、本発明の第4の実施例の光素子の製造方法の工程図。
【図16】図16は、本発明の第5の実施例の光素子の製造方法の工程フローチャート。
【図17】図17は、本発明のレーザ光源の実施例の構造図。
【図18A】図18Aは、本発明のレーザ光源における光波長変換素子の製造工程図。
【図18B】図18Bは、本発明のレーザ光源における光波長変換素子の製造工程図。
【図18C】図81Cは、本発明のレーザ光源における光波長変換素子の製造工程図。
【図18D】図18Dは、本発明のレーザ光源における光波長変換素子の製造工程図。
【図19】図19は、本発明のレーザ光源に使用する光波長変換素子の光導波路厚みと耐光損傷性の関係を示す特性図。
【図20】図20は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。
【図21】図21は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。
【図22】図22は、本発明の実施例のレーザ光源に使用する半導体レーザの構成図。
【図23】図23は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。
【図24】図24は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。
【図25】図25は、本発明の実施例のレーザ光源で分離タイプの構成図。
【図26】図26は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。
【図27】図27は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。
【図28】図28は、本発明の実施例のレーザ装置の自動停止装置の構成図。
【図29】図29は、本発明の実施例のレーザ装置の自動停止装置の制御系の図。
【図30】図30は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。
【図31】図31は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。
【図32】図32は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。
【図33】図33は、本発明の実施例の光ディスク装置の構成図。
(Technical field)
The present invention relates to an optical element such as an optical wavelength conversion element suitable for use in the field of optical information processing using coherent light or the field of optical measurement and control, a laser light source and a laser device, and a method of manufacturing an optical element. is there.
[0001]
(Background technology)
A conventional laser light source using an optical wavelength conversion element will be described with reference to FIG.
This laser light source includes a semiconductor laser 20, a solid-state laser crystal 21, and a nonlinear optical crystal of KNbO. 3 Is basically composed of a light wavelength conversion element 25 according to.
[0002]
As shown in FIG. 1, a pump light P1a emitted from a semiconductor laser 20 oscillating at 807 nm is condensed by a lens 30 to excite a solid laser crystal 21 YAG. On the incident surface of the solid-state laser crystal 21, a total reflection mirror 22 is formed. The total reflection mirror reflects 99% of light having a wavelength of 947 nm, but transmits light having a wavelength of 800 nm. Therefore, the pump light P1a is efficiently introduced into the solid-state laser crystal 21, but the light having a wavelength of 947 nm generated by the solid-state laser crystal 21 is not emitted to the semiconductor laser 20 side, and the light wavelength conversion is performed. The light is reflected toward the element 25. Further, a mirror 23 that reflects 99% of the light having the wavelength of 947 nm and transmits the light in the 400 nm band is disposed on the output side of the light wavelength conversion element 25. These mirrors 22 and 23 form a resonator (cavity) by taking light having a wavelength of 947 nm, and can generate oscillation of 947 nm serving as a fundamental wave P1 in this resonator.
[0003]
The optical wavelength conversion element 25 is inserted into the resonator defined by the mirrors 22 and 23, thereby generating a harmonic P2. The power of the fundamental wave P1 inside the resonator reaches 1 W or more. For this reason, the conversion from the fundamental wave P1 to the harmonic wave P2 increases, and a harmonic having a high power can be obtained. Using a semiconductor laser with a power of 500 mW, a harmonic of 1 mW can be obtained.
[0004]
Next, a conventional optical wavelength conversion device having an optical waveguide will be described with reference to FIG. The illustrated optical wavelength conversion element generates a second harmonic (wavelength 420 nm) with respect to a fundamental wave having a wavelength of 840 nm when the fundamental wave is incident. Such an optical wavelength conversion element is disclosed in Mizuuchi, K .; Yamamoto and T.M. Taniuchi, Applied Physics Letters,
Vol 58, page 2732, June 1991.
[0005]
In this optical wavelength conversion element, as shown in FIG. 3 An optical waveguide 2 is formed on a substrate 1, and a layer 3 (a domain-inverted layer) whose polarization is inverted is periodically arranged along the optical waveguide 2. LiTaO 3 The portion of the substrate 1 where the domain-inverted layer 3 is not formed becomes the non-domain-inverted layer 4.
[0006]
When the fundamental wave P1 is incident on one end (incident surface 10) of the optical waveguide 2, a harmonic P2 is generated inside the optical wavelength conversion element and output from the other end of the optical waveguide 2. At this time, since the light propagating through the optical waveguide 2 is affected by the periodic structure formed by the domain-inverted layer 3 and the non-domain-inverted layer 4, the propagation constant between the generated harmonic P2 and the fundamental wave P1 is reduced. The mismatch is compensated for by the periodic structure of the domain-inverted layer 3 and the non-domain-inverted layer 4. As a result, this optical wavelength conversion element can output the harmonic P2 with high efficiency.
[0007]
Such an optical wavelength conversion element has, as a basic component, an optical waveguide 2 manufactured by a proton exchange method.
[0008]
Hereinafter, a method for manufacturing such an optical wavelength conversion element will be described with reference to FIG.
[0009]
First, in step S10 of FIG. 3, a domain-inverted layer forming step is performed.
[0010]
More specifically, first, LiTaO 3 After depositing a Ta film so as to cover the main surface of the substrate 1, the Ta film is patterned in a stripe shape using a normal photolithography technique and a dry etching technique to form a Ta mask.
[0011]
Next, LiTaO whose main surface is covered with a Ta mask 3 The substrate 1 is subjected to a proton exchange treatment at 260 ° C. for 20 minutes. Thus, LiTaO 3 A proton exchange layer having a thickness of 0.5 μm is formed on a portion of the substrate 1 that is not covered with the Ta mask. After this, HF: HNF 3 The Ta mask is removed by etching for 2 minutes using a 1: 1 mixture of the above.
[0012]
Next, a heat treatment is performed at a temperature of 550 ° C. for 1 minute to form a domain-inverted layer in each proton exchange layer. The temperature rise rate of the heat treatment is 50 ° C./sec, and the cooling rate is 10 ° C./sec. LiTaO 3 The amount of Li is reduced in the portion where the proton exchange is performed as compared with the portion where the proton exchange is not performed in the substrate 1. Therefore, the Curie temperature of the proton exchange layer decreases, and a domain-inverted layer can be partially formed in the proton exchange layer at a temperature of 550 ° C. By this heat treatment, a proton exchange layer having a pattern reflecting the pattern of the Ta mask can be formed.
[0013]
Next, in step 2 of FIG. 3, an optical waveguide forming step is performed.
[0014]
More specifically, Step 2 is largely divided into Step S21, Step S22, and Step S23. A mask pattern is formed in step S21, a proton exchange process is performed in step S22, and high-temperature annealing is performed in step S23.
[0015]
Hereinafter, these steps will be described.
[0016]
In step S21, a Ta mask for forming an optical waveguide is formed. In this Ta mask, a slit-shaped opening (width 4 μm, length 12 mm) is formed in a Ta film. In step S22, the LiTaO covered with this Ta mask 3 By subjecting the substrate 1 to a proton exchange treatment at 260 ° C. for 16 minutes, a high refractive index layer (thickness 0.5 μm) linearly extending in one direction is made of LiTaO. 3 It is formed in the substrate 1. This high refractive index layer will eventually function as a waveguide. However, in this state, the nonlinearity of the proton-exchanged portion (high-refractive-index layer) is deteriorated. In order to recover this nonlinearity, after removing the Ta mask, annealing is performed at 420 ° C. for 1 minute in step S22. This annealing expands the high refractive index layer in the vertical and horizontal directions, and diffuses Li into the high refractive index layer. Thus, the nonlinearity can be recovered by lowering the proton exchange concentration of the high refractive index layer. As a result, the refractive index of the region (high refractive index layer) located immediately below the slit of the Ta mask is increased by about 0.03 from the refractive index of the other regions, and the high refractive index layer functions as an optical waveguide.
[0017]
Next, by performing a protective film forming step (Step S30), an end face polishing step (Step S40), and an AR coating step (Step S50), the optical wavelength conversion element is completed.
[0018]
Here, if the arrangement period of the domain-inverted layers periodically arranged along the waveguide is 10.8 μm, a tertiary quasi-phase matching structure can be formed.
[0019]
According to the optical wavelength conversion element, when the length of the optical waveguide 2 is set to 9 mm, a harmonic P2 having a power of 0.13 mW can be obtained with respect to a fundamental wave P1 having a wavelength of 840 nm (power 27 mW) (conversion efficiency 0). .5%).
[0020]
When forming a first-order quasi-phase matching structure, the arrangement period of the domain-inverted layers may be set to 3.6 μm. In this case, a harmonic P2 of 0.3 mW is obtained with respect to the fundamental wave P1 of 27 mW (conversion efficiency 1%). The present inventors have prototyped a laser light source that outputs blue laser light by combining such an optical wavelength conversion element and a semiconductor laser.
[0021]
Such an optical wavelength conversion element has a problem that the phase matching wavelength changes over time, and as a result, harmonics cannot be obtained. Although the wavelength of the fundamental wave emitted from the semiconductor laser is kept constant, if the phase matching wavelength of the optical wavelength conversion element shifts, the output of the harmonic wave gradually decreases and eventually becomes zero. Become.
[0022]
An object of the present invention is to stabilize a laser light source and to increase the output thereof, and to reduce the size and weight of the laser light source by incorporating the high-output laser light source into a laser device or an optical disk device. .
[0023]
(Disclosure of the Invention)
The method for manufacturing an optical element according to the present invention uses LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ X ≦ 1) a step of forming a proton exchange layer on a substrate and an annealing step of heat-treating the substrate at a temperature of 120 ° C. or lower for 1 hour or more.
[0024]
The annealing step is preferably performed at a temperature of 50 ° C. or more and 90 ° C. or less.
[0025]
The annealing step may include a step of gradually lowering the temperature.
[0026]
In one embodiment, the step of forming the proton exchange layer includes a step of performing a proton exchange treatment on the substrate and a step of heat-treating the substrate at a temperature of 150 ° C. or higher.
[0027]
In one embodiment, the step of forming the proton exchange layer includes a step of forming a plurality of periodically poled layers in the substrate, and a step of forming an optical waveguide on a surface of the substrate. Include.
[0028]
Another method for manufacturing an optical element according to the present invention is directed to a method for manufacturing LiNb. x Ta 1-x O 3 (0 ≦ X ≦ 1) a step of performing a proton exchange treatment on the substrate; and an annealing step of performing a plurality of heat treatments including at least the first and second heat treatments on the substrate. The temperature of the second anneal is at least 200 ° C. lower than the temperature of the first anneal.
[0029]
The second annealing is preferably performed at a temperature of 50 ° C. or more and 90 ° C. or less.
[0030]
The optical element of the present invention is composed of LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ X ≦ 1) An optical device comprising a substrate and a proton exchange layer formed in the substrate, wherein stable proton exchange in which the refractive index of the proton exchange layer does not change with time during use. It is formed from layers.
[0031]
In one embodiment, at least a part of the proton exchange layer forms an optical waveguide.
[0032]
The laser light source of the present invention is a light source including a semiconductor laser, and a light wavelength conversion element that receives laser light emitted from the semiconductor laser and converts the laser light into a harmonic, and the light wavelength conversion element Has an optical waveguide for guiding the laser light, and a domain-inverted structure periodically arranged along the optical waveguide, and the refractive index of the optical waveguide and the domain-inverted structure with the passage of time when used. It is formed from a stable proton exchange layer that does not change in nature.
[0033]
Another laser light source of the present invention is a semiconductor laser that emits a fundamental wave, a single mode fiber that transmits the fundamental wave, and an optical wavelength conversion element that receives the fundamental wave emitted from the fiber and generates a harmonic. , A light wavelength conversion element having a periodically poled structure.
[0034]
In one embodiment, the light wavelength conversion element has a modulation function.
[0035]
The light wavelength conversion element is LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ X ≦ 1) It is preferable that it is formed on a substrate.
[0036]
Still another laser light source according to the present invention is a semiconductor laser that emits pump light, a fiber that transmits the pump light, a solid-state laser crystal that receives pump light emitted from the fiber and generates a fundamental wave, And generating a harmonic wave, comprising an optical wavelength conversion element having a periodically poled structure.
[0037]
It is preferable that the light wavelength conversion element has a modulation function.
[0038]
The light wavelength conversion element is LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ X ≦ 1) It is preferable that it is formed on a substrate.
[0039]
In one embodiment, the solid-state laser crystal and the optical wavelength conversion element are integrated.
[0040]
Still another laser light source of the present invention is a semiconductor laser that emits pump light, a solid-state laser crystal that receives the pump light and generates a fundamental wave, a single mode fiber that transmits the fundamental wave, An optical wavelength conversion element that receives a wave and generates a harmonic, comprising an optical wavelength conversion element having a periodically poled structure.
[0041]
It is preferable that the light wavelength conversion element has a modulation function.
[0042]
Still another laser light source according to the present invention is a distributed feedback semiconductor laser that emits laser light, a semiconductor laser amplifier that amplifies the laser light, and a light wavelength converter that receives the amplified laser light and generates a harmonic. An optical wavelength conversion element having a periodically poled structure is provided.
[0043]
It is preferable that the light wavelength conversion element has a modulation function.
[0044]
The light wavelength conversion element is LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ X ≦ 1) It is preferable that it is formed on a substrate.
[0045]
In some embodiments, the semiconductor laser is wavelength locked.
[0046]
Still another laser light source according to the present invention is a laser light source including a semiconductor laser that emits laser light, and an optical wavelength conversion element in which a periodically poled structure and an optical waveguide are formed. The width and the thickness of the wave path are each 40 μm or more.
[0047]
The laser light source according to claim 26, wherein the light wavelength conversion element has a modulation function.
[0048]
The light wavelength conversion element is LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ X ≦ 1) Formed on a substrate.
[0049]
In one embodiment, the optical waveguide is of a graded type.
[0050]
A laser device of the present invention includes a semiconductor laser that emits laser light, a laser light source having an optical wavelength conversion element that generates a harmonic based on the laser light, a modulator that modulates the output intensity of the harmonic, A deflector for changing the direction of the harmonic emitted from the laser light source, wherein the optical wavelength conversion element has a periodically poled structure.
[0051]
In one embodiment, a high frequency is superimposed on the semiconductor laser during operation.
[0052]
In one embodiment, the laser light source includes a single mode fiber that transmits laser light from the semiconductor laser to the optical wavelength conversion device.
[0053]
In one embodiment, the laser light source includes a fiber that transmits laser light from the semiconductor laser, and a solid-state laser crystal that receives the laser light emitted from the fiber and generates a fundamental wave.
[0054]
In one embodiment, the semiconductor laser device is a distributed feedback semiconductor laser, and the laser light source further includes a semiconductor laser amplifier that amplifies laser light from the distributed feedback semiconductor laser.
[0055]
In one embodiment, an optical waveguide is formed in the optical wavelength conversion element, and each of the optical waveguide has a width and a thickness of 40 μm or more.
[0056]
Another laser device according to the present invention is a laser device including a laser light source that emits modulated ultraviolet laser light, and a deflector that changes the direction of the ultraviolet laser light, wherein the polarizer includes the ultraviolet laser light. To the screen, thereby generating red, green or blue light from the phosphor applied on the screen.
[0057]
In one embodiment, the laser light source includes a semiconductor laser, an optical wavelength conversion element that generates a harmonic, and a single mode fiber that transmits laser light from the semiconductor laser to the optical wavelength conversion element.
[0058]
In one embodiment, the laser light source includes a semiconductor laser, a fiber that transmits laser light from the semiconductor laser, a solid-state laser crystal that receives laser light emitted from the fiber and generates a fundamental wave, and An optical wavelength conversion element for generating a harmonic.
[0059]
In one embodiment, the laser light source further includes a semiconductor laser and a semiconductor laser amplifier that amplifies laser light from the distributed feedback semiconductor laser.
[0060]
In one embodiment, the laser light source includes a semiconductor laser that emits laser light, an optical waveguide that guides the laser light, and an optical wavelength conversion element in which a periodically poled structure is formed. The width and thickness are each 40 μm or more.
[0061]
Still another laser device according to the present invention includes three laser light sources that generate red, green, and blue laser lights, a modulator that changes the intensity of each laser light, and a deflector that changes the direction of each laser light. , Wherein the laser light source is constituted by a semiconductor laser.
[0062]
In one embodiment, a high frequency is superimposed on the semiconductor laser during operation.
[0063]
In one embodiment, the laser light source includes a semiconductor laser, an optical wavelength conversion element that generates a harmonic, and a single mode fiber that transmits laser light from the semiconductor laser to the optical wavelength conversion element.
[0064]
In one embodiment, the laser light source includes a semiconductor laser, a fiber that transmits laser light from the semiconductor laser, a solid-state laser crystal that receives laser light emitted from the fiber and generates a fundamental wave, and An optical wavelength conversion element for generating a harmonic.
[0065]
In one embodiment, the laser light source further includes a semiconductor laser and a semiconductor laser amplifier that amplifies laser light from the distributed feedback semiconductor laser.
[0066]
In one embodiment, the laser light source includes a semiconductor laser that emits laser light, an optical waveguide that guides the laser light, and an optical wavelength conversion element in which a periodically poled structure is formed. The width and thickness are each 40 μm or more.
[0067]
Still another laser device according to the present invention includes at least one or more laser light sources including a semiconductor laser, a sub-semiconductor laser, a modulator for changing the intensity of light from the laser light source, a screen, and the laser. A deflector that changes the direction of light from the light source and scans the screen with the light, and a light emitted from the sub semiconductor laser scans a peripheral portion of the screen, When the optical path of the light emitted from the sub semiconductor laser is interrupted, the irradiation of the laser light from the laser light source is stopped.
[0068]
In one embodiment, the laser light source includes an optical wavelength conversion element that generates a harmonic, and a single mode fiber that transmits laser light from the semiconductor laser to the optical wavelength conversion element.
[0069]
In one embodiment, the laser light source includes: the semiconductor laser; a fiber that transmits laser light from the semiconductor laser; a solid-state laser crystal that receives laser light emitted from the fiber and generates a fundamental wave; And a light wavelength conversion element for generating harmonics from the light.
[0070]
In one embodiment, the laser light source is a distributed feedback semiconductor laser, and the laser light source further includes a semiconductor laser amplifier that amplifies laser light from the distributed feedback semiconductor laser.
[0071]
In one embodiment, the laser light source includes an optical waveguide for guiding laser light from the semiconductor laser and an optical wavelength conversion element formed with a periodically poled structure, and the width and the thickness of the optical waveguide are Each is 40 μm or more.
[0072]
The laser device of the present invention includes at least one or more laser light sources including a semiconductor laser, and a deflector that changes a direction of laser light emitted from the laser light source and scans a screen with the laser light. A laser device, further comprising two or more detectors that generate a signal when a part of the laser is received, while the deflector scans the screen with the laser light. If no signal is generated within a certain period of time, generation of laser light from the laser light source is stopped.
[0073]
In one embodiment, the laser light source includes an optical wavelength conversion element that generates a harmonic, and a single mode fiber that transmits laser light from the semiconductor laser to the optical wavelength conversion element.
[0074]
In one embodiment, the laser light source includes: the semiconductor laser; a fiber that transmits laser light from the semiconductor laser; a solid-state laser crystal that receives laser light emitted from the fiber and generates a fundamental wave; And a light wavelength conversion element for generating a harmonic from the light.
[0075]
In one embodiment, the laser light source is a distributed feedback semiconductor laser, and the laser light source further includes a semiconductor laser amplifier that amplifies laser light from the distributed feedback semiconductor laser.
[0076]
In one embodiment, the laser light source includes an optical waveguide for guiding laser light from the semiconductor laser and an optical wavelength conversion element formed with a periodically poled structure, and the width and the thickness of the optical waveguide are Each is 40 μm or more.
[0077]
Still another laser device of the present invention includes at least one or more laser light sources including a semiconductor laser, a modulator that changes the intensity of each laser light, and a deflector that changes the direction of each laser light. And divides the laser light emitted from the laser light source into two or more optical paths and irradiates the screen from two directions.
[0078]
In one embodiment, the laser light source includes an optical wavelength conversion element that generates a harmonic, and a single mode fiber that transmits laser light from the semiconductor laser to the optical wavelength conversion element.
[0079]
In one embodiment, the laser light source includes: the semiconductor laser; a fiber that transmits laser light from the semiconductor laser; a solid-state laser crystal that receives laser light emitted from the fiber and generates a fundamental wave; And a light wavelength conversion element for generating a harmonic from the light.
[0080]
In one embodiment, the laser light source is a distributed feedback semiconductor laser, and the laser light source further includes a semiconductor laser amplifier that amplifies laser light from the distributed feedback semiconductor laser.
[0081]
In one embodiment, the laser light source includes an optical waveguide for guiding laser light from the semiconductor laser and an optical wavelength conversion element formed with a periodically poled structure, and the width and the thickness of the optical waveguide are Each is 40 μm or more.
[0082]
In some embodiments, two laser light sources form two light paths, and each laser light source is separately modulated.
[0083]
In some embodiments, the two optical paths switch in time.
[0084]
Still another laser device according to the present invention includes at least one or more laser light sources including a semiconductor laser, a first optical system for converting a laser beam emitted from the laser light source into a parallel beam, and spatially modulating the parallel beam. And a second optical system for irradiating the screen with light emitted from the liquid crystal cell.
[0085]
In one embodiment, the laser light source includes an optical wavelength conversion element that generates a harmonic, and a single mode fiber that transmits laser light from the semiconductor laser to the optical wavelength conversion element.
[0086]
In one embodiment, the laser light source includes: the semiconductor laser; a fiber that transmits laser light from the semiconductor laser; a solid-state laser crystal that receives laser light emitted from the fiber and generates a fundamental wave; And a light wavelength conversion element for generating a harmonic from the light.
[0087]
In one embodiment, the laser light source is a distributed feedback semiconductor laser, and the laser light source further includes a semiconductor laser amplifier that amplifies laser light from the distributed feedback semiconductor laser.
[0088]
In one embodiment, the laser light source includes an optical waveguide for guiding laser light from the semiconductor laser and an optical wavelength conversion element formed with a periodically poled structure, and the width and the thickness of the optical waveguide are Each is characterized by being at least 40 μm.
[0089]
In one embodiment, the sub semiconductor laser is an infrared semiconductor laser.
[0090]
In one embodiment, laser light irradiation is stopped by shifting the phase matching wavelength of the light wavelength conversion element.
[0091]
An optical disc device of the present invention includes a laser light source that generates a laser beam, an optical wavelength conversion element that converts a fundamental wave into a harmonic, an optical pickup that incorporates the optical wavelength conversion element, and an actuator that moves the optical pickup. Wherein the laser light emitted from the laser light source is incident on the optical pickup via an optical fiber.
[0092]
In one embodiment, the laser light source includes a semiconductor laser disposed outside the optical pickup.
[0093]
In one embodiment, the laser light source further includes a solid-state laser crystal that generates the fundamental wave using laser light emitted from the semiconductor laser as pump light.
[0094]
In one embodiment, the solid-state laser crystal is disposed outside the optical pickup, and a fundamental wave generated by the solid-state laser medium is incident on the optical wavelength conversion element via the optical fiber.
[0095]
In one embodiment, the solid-state laser crystal is disposed inside the optical pickup, and the laser light emitted from the semiconductor laser is incident on the solid-state laser via the optical fiber.
[0096]
(Best Mode for Carrying Out the Invention)
The inventors of the present application have considered the cause of the above-mentioned optical wavelength conversion element having an optical waveguide, in which the phase matching wavelength is shortened with the passage of time and harmonics are not generated.
[0097]
FIG. 4 shows the relationship between the time elapsed from immediately after the fabrication of the conventional optical wavelength conversion device and the output of harmonics. It can be seen that the harmonic output decreases rapidly with the passage of time.
[0098]
FIG. 5 shows the relationship between the elapsed time and the phase matching wavelength. The harmonic output is reduced by half three days after the device is manufactured. At this time, it can be seen that the phase matching wavelength has shifted to the shorter wavelength side. The phase matching wavelength λ is the polarization inversion period Λ and the effective refractive index n for the harmonics and the fundamental wave 2W And n W Is determined by More specifically, λ = 2 (n 2W -N W ) ・ Λ
[0099]
Since the period Λ of the domain-inverted layer is kept constant without changing over time, the decrease in the phase matching wavelength λ is caused by the effective refractive index n 2W And n W Is thought to be due to the change in
[0100]
FIG. 6 shows the effective refractive index n 2W And the elapsed time. From FIG. 6, the effective refractive index n 2W It can be seen that the value decreases with the passage of time from the device fabrication date.
[0101]
The inventor of the present application considers this cause as follows.
[0102]
The high-temperature treatment of about 400 ° C. performed when forming the optical waveguide introduces strain or the like into the proton exchange layer, and as a result, a layer (change layer) having an increased refractive index is formed in the proton exchange layer. This distortion is gradually released with the passage of time, and the refractive index of the variable layer approaches the original refractive index.
[0103]
A deformed layer with an increased refractive index is formed due to strain and the like generated during high-temperature annealing, but the refractive index of the changed layer returns to its original size over time, and finally, the changed layer becomes a stable proton. Become an exchange layer. However, it takes many years for the variable layer to become such a stable proton exchange layer. In the specification of the present application, a proton exchange layer whose effective refractive index does not decrease with time depending on use at normal temperature (about 0 ° C. to about 50 ° C.) is referred to as “stable proton exchange layer”. I do.
[0104]
The above is the mechanism of the change with time considered by the present inventor. In order to confirm this, the sample whose refractive index decreased due to aging was subjected to annealing at 300 ° C. for 1 minute. At such an annealing temperature and time, diffusion of protons and the like hardly occurs, so that the waveguide does not spread. Therefore, according to the conventional concept, the refractive index of the proton exchange layer should not change at all. However, according to an experiment by the inventor, the refractive index increased again by annealing at 300 ° C. for 1 minute. Further, after the annealing, a phenomenon was observed that the refractive index decreased again with the passage of time.
[0105]
The present invention alleviates the strain generated in the proton exchange layer by the heat treatment at a relatively high temperature, thereby preventing the light wavelength conversion element from changing with time.
[0106]
Embodiments will be described below with reference to the drawings.
[0107]
(Example 1)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0108]
In the optical wavelength conversion device of the present embodiment, the optical waveguide composed of the stable proton exchange layer is made of LiTaO. 3 The plurality of domain-inverted layers 3 are formed on the substrate 1 and arranged periodically along the optical waveguide. When the fundamental wave P1 enters the input end of the optical waveguide, the harmonic P2 is emitted from the output end. The length of the light wavelength conversion element (the length of the waveguide) of this embodiment is 9 mm. Further, the length of one period of the domain-inverted layer 3 is set to 3.7 μm so as to operate at a wavelength of 850 nm.
[0109]
Hereinafter, a method for manufacturing the optical wavelength conversion element will be described with reference to FIGS. 8A to 8E.
[0110]
As shown in FIG. 8A, first, LiTaO 3 After depositing a Ta film so as to cover the main surface of the substrate 1, the Ta film (thickness: about 200 to 300 nm) is patterned in a stripe shape using a normal photolithography technique and a dry etching technique, and a Ta mask 6 is formed. To form The Ta mask 6 used in this embodiment has a pattern in which strips having a width of 1.2 μm and a length of 10 mm are arranged at equal intervals, and the arrangement cycle of the strips is 3.7 μm. A proton exchange treatment is performed on the LiTaO 3 substrate 1 whose main surface is covered with the Ta mask 6. This proton exchange treatment is performed by immersing the surface of the substrate 1 in pyrophosphoric acid heated to 230 ° C. for 14 minutes.
Thus, LiTaO 3 A proton exchange layer 7 having a thickness of 0.5 μm is formed on a portion of the substrate 1 not covered with the Ta mask. After this, HF: HNF 3 The Ta mask is removed by etching for 2 minutes using a 1: 1 mixture of the above.
[0111]
Next, as shown in FIG. 8B, a domain-inverted layer is formed in each proton exchange layer 7 by performing a heat treatment at a temperature of 550 ° C. for 15 seconds. The temperature rise rate of the heat treatment is 50 to 80 ° C./sec, and the cooling rate is 1 to 50 ° C./sec. LiTaO 3 The amount (concentration) of Li is lower in the portion where the proton exchange is performed than in the portion where the proton exchange is not performed in the substrate 1. Therefore, the Curie temperature of the proton exchange layer 7 is lower than that of the other portions, and the domain-inverted layer 3 can be partially formed in the proton exchange layer 7 by the heat treatment at 550 ° C. By this heat treatment, the domain-inverted layer 3 having a periodic pattern reflecting the periodic pattern of the Ta mask 6 can be formed.
[0112]
Next, a Ta mask (not shown) for forming an optical waveguide is formed. This Ta mask is formed by forming a slit-shaped opening (width 4 μm, length 12 mm) in a Ta film (thickness: about 200 to 300 nm) deposited on the substrate 1. This opening defines the planar layout of the waveguide. It goes without saying that the shape of the waveguide is not limited to a linear one. The pattern of the Ta mask is determined according to the shape of the waveguide to be formed. LiTaO covered with Ta mask 3 By performing a proton exchange treatment on the substrate 1 at 260 ° C. for 16 minutes, as shown in FIG. 3 A proton exchange layer (thickness 0.5 μm, width 5 μm, length 10 mm) 5 extending linearly is formed in a region of the substrate 1 located below the opening of the Ta mask. The linearly extending proton exchange layer 5 eventually functions as a waveguide. After this, HF: HNF 3 The Ta mask is removed by etching for 2 minutes using a 1: 1 mixture of the above.
[0113]
Next, annealing is performed at 420 ° C. for 1 minute using an infrared heating device. By this annealing, the nonlinearity of the proton exchange layer 5 is restored, and as shown in FIG. 8D, a variable layer 8b whose refractive index is increased by about 0.03 is formed. This annealing has a function of diffusing Li and protons in the substrate 1 and lowering the proton exchange concentration of the proton exchange layer 5 as described above. Thereafter, a 300 nm thick SiO 2 serving as a protective film is formed on the main surface of the substrate 1. 2 Deposit a film (not shown).
[0114]
Next, the surface of the substrate 1 perpendicular to the variable layer 8b is optically polished to form an incident portion and an exit portion of the light wavelength conversion element, and then, as shown in FIG. An anti-reflection (AR) coat 15 is formed on the polished surface of.
[0115]
Next, low-temperature annealing is performed to prevent a temporal change. As used herein, "low temperature annealing" refers to a heat treatment performed at a temperature that does not substantially reduce the proton concentration of the proton exchange layer. For example, LiTaO 3 In the case of a substrate, "low temperature annealing" refers to a heat treatment performed at a temperature of about 130C or lower. In this embodiment, heat treatment is performed in an air atmosphere at 60 ° C. for 40 hours using an oven. By such low-temperature annealing, a stable proton exchange layer 8a is formed. This stable proton exchange layer 8a forms an optical waveguide.
[0116]
With reference to FIG. 9, the flow of the above manufacturing process will be described.
[0117]
After the step of forming the domain-inverted layer on the substrate (step S10), the step of forming an optical waveguide (S20) is performed. The optical waveguide forming step (S20) is roughly divided into step S21, step S22, and step S23. A mask pattern is formed in step S21, a proton exchange process is performed in step S22, and high-temperature annealing is performed in step S23. Thereafter, a protective film forming step (Step S30), an end face polishing step (Step S40), and an AR coating step (Step S50) are performed. Since the wavelength conversion element changes with time in this state, low-temperature annealing is performed in step S60 to form a stable proton exchange layer.
[0118]
FIG. 10 shows the relationship between the annealing time when the low-temperature annealing temperature is 60 ° C. and 120 ° C. The phase matching wavelength shift amount becomes almost constant in several hours by annealing at 120 ° C., but takes several tens of hours to become almost constant by annealing at 60 ° C.
[0119]
From FIG. 10, it can be seen that the higher the temperature of the low-temperature annealing, the sooner the annealing time becomes a stable state. Further, the lower the annealing temperature, the closer the phase matching wavelength shift amount to zero when the state changes to the stable state. As described above, when the temperature of the low-temperature annealing is increased, the time required for returning the shift amount to zero is short, but on the other hand, a relatively large amount of distortion remains.
[0120]
FIG. 11 shows the relationship between the amount of phase matching wavelength shift when returning to a stable state and the temperature of low-temperature annealing. From FIG. 11, it can be seen that annealing at 120 ° C. stabilizes the phase matching wavelength shifted by about 0.5 nm. If annealing is performed at 150 ° C. or more, the amount of shift of the phase matching wavelength after stabilization becomes 0.8 nm or more. If such a large shift of the phase matching wavelength remains, it becomes difficult to use the optical wavelength conversion element for a long time. If the allowable range of the shift of the phase matching wavelength is 0.5 nm or less, the amount of shift cannot be reduced within the allowable range even if annealing is performed at a temperature exceeding 120 ° C. If the allowable range of the phase matching wavelength shift is widened, the conversion efficiency decreases. When the shift amount of the phase matching wavelength exceeds 0.5 nm, only about 1 / of the output when the shift amount is zero can be obtained. If the low-temperature annealing temperature is set to 60 ° C., the annealing time becomes longer, but the shift amount can be reduced to 0.1 nm or less, so that the problem of lowering the conversion efficiency is eliminated. It is preferable that the shift amount of the phase matching wavelength be suppressed to about 0.2 nm or less.
[0121]
According to this embodiment, the refractive indices of the non-polarization inversion layer 4 and the polarization inversion layer 3 in the optical waveguide 2 do not change with time, and the propagation loss when light is guided is small. When a laser beam (850 nm in wavelength) from a semiconductor laser is incident on the incident portion as a fundamental wave P1 and propagates through the optical waveguide, the light propagates in a single mode, and a harmonic P2 having a wavelength of 425 nm is emitted from the emission portion to the outside of the substrate. Was taken out. The propagation loss of the optical waveguide 2 was as small as 1 dB / cm, and the harmonic P2 was effectively obtained. A harmonic of 1.2 mW (wavelength 425 nm) was obtained by inputting a fundamental wave of 27 mW. The conversion efficiency in this case is 4.5%.
[0122]
FIG. 12 shows the relationship between the elapsed days and the harmonic output. FIG. 13 shows the relationship between the elapsed days and the phase matching wavelength, and the relationship between the elapsed days and the change in the refractive index.
[0123]
From these figures, it can be seen that the change in the refractive index and the phase matching wavelength are constant immediately after the fabrication of the device. According to the method for manufacturing an optical wavelength conversion device of the present invention, an optical wavelength conversion device having a constant phase matching wavelength can be realized because a change in refractive index does not occur over time. When this element is combined with a semiconductor laser, a stable short-wavelength laser can be manufactured. At a temperature of about 60 ° C., low-temperature annealing for 40 hours or more is particularly effective.
[0124]
(Example 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0125]
First, LiTaO 3 After depositing a Ta film so as to cover the main surface of the substrate, the Ta film (thickness: about 200 to 300 nm) is patterned in a stripe shape using a normal photolithography technique and a dry etching technique to form a Ta mask. I do. The Ta mask used in this embodiment has a pattern in which strips having a width of 1.2 μm and a length of 10 mm are arranged at equal intervals, and the arrangement cycle of the strips is 3.6 μm. LiTaO whose main surface is covered with Ta mask 3 The substrate 1 is subjected to a proton exchange treatment. This proton exchange treatment is performed by immersing the surface of the substrate in pyrophosphoric acid heated to 260 ° C. for 20 minutes. Thus, LiTaO 3 A proton exchange layer having a thickness of 0.5 μm is formed on a portion of the substrate that is not covered with the Ta mask. After this, HF: HNF 3 The Ta mask is removed by etching for 2 minutes using a 1: 1 mixture of the above.
[0126]
Next, a heat treatment is performed at a temperature of 550 ° C. for 15 seconds to form a domain-inverted layer in each proton exchange layer 7. The temperature rise rate of the heat treatment is 50 ° C./sec, and the cooling rate is 10 ° C./sec. By this heat treatment, a domain-inverted layer having a periodic pattern reflecting the periodic pattern of the Ta mask can be formed.
[0127]
With reference to FIG. 14, a flow of a process following the above process will be described.
[0128]
First, a proton exchange treatment is performed on the surface of the substrate on which the domain-inverted layers are arranged, thereby forming an optical waveguide (step S100). As a mask for forming an optical waveguide, a mask in which a slit having a width of 4 μm and a length of 12 mm is formed on a Ta film is used.
[0129]
Next, after performing proton exchange in pyrophosphoric acid at 260 ° C. for 16 minutes (Step S110), the Ta mask is removed. 300nm thick SiO 2 After covering the main surface of the substrate with the film, low-temperature annealing (step S120) is performed to complete the formation of the optical waveguide. In the low-temperature annealing, a heat treatment at 120 ° C. was performed for 200 hours in air in order to prevent an increase in the refractive index. By this low-temperature annealing, a stable proton exchange layer is formed.
[0130]
Through the above steps, the domain-inverted layer and the optical waveguide are formed on the substrate. When the thickness of the domain-inverted layer is 2.2 μm, the thickness d of the optical waveguide is set smaller than the thickness of the domain-inverted layer, for example, 1.8 μm in order to perform wavelength conversion effectively. To operate at a wavelength of 840 nm, the period of the domain-inverted layer is set to 3.6 μm.
[0131]
According to the above manufacturing method, the refractive index does not change with time in the non-polarized layer and the domain-inverted layer, and the light propagation loss is small. The plane perpendicular to the optical waveguide was optically polished to form an entrance and an exit. Thus, an optical wavelength conversion element can be manufactured. The length of this element is 9 mm.
[0132]
When a semiconductor laser beam (wavelength 840 nm) was made incident on the incident part of the waveguide as the fundamental wave P1, a harmonic P2 having a wavelength of 420 nm was extracted from the emission part to the outside of the substrate. A harmonic (wavelength: 420 nm) having an output of 10 mW was obtained with respect to the input of the fundamental wave having an output of 80 mW. The conversion efficiency in this case is 12%. The harmonic output was very stable with no light damage and no change over time. If the high-temperature annealing step is not inserted in the middle of the process as in this embodiment, the change with time can be prevented.
[0133]
(Example 3)
Next, as a third embodiment of the present invention, LiNbO 3 The case where a substrate (thickness: 0.4 to 0.5 mm) is used will be described.
[0134]
First, using a normal photolithography technique and a dry etching technique, a Ta electrode (first Ta electrode) having a pattern similar to the pattern of the Ta mask used in each of the above-described embodiments is used for LiNbO. 3 It is formed on the main surface of the substrate.
[0135]
Thereafter, a Ta film (second Ta electrode) is deposited on the entire back surface of the substrate. An electrode structure for applying an electric field to the substrate is constituted by the first Ta electrode formed on the main surface of the substrate and the second Ta electrode formed on the back surface of the substrate.
[0136]
Next, a voltage (for example, 10 kV) is applied between the first Ta electrode and the second Ta electrode, and LiNbO 3 An electric field is formed in the substrate. This voltage application forms a domain-inverted layer extending from a portion of the front surface of the substrate that is in contact with the first Ta electrode to a back surface of the substrate.
[0137]
Next, HF: HNF 3 Etching is performed for 2 minutes with a 1: 1 mixture of the above to remove the Ta electrode. Next, after forming a Ta mask having a slit-shaped opening (width 4 μm, length 12 mm) on the substrate, a proton exchange treatment using pyrophosphoric acid (230 ° C., 10 minutes) is performed to form an optical waveguide. I do. After removing the Ta mask, annealing is performed at 420 ° C. for 2 minutes using an infrared heating device. By this annealing, the nonlinearity in the optical waveguide is recovered, but a variable layer whose refractive index is increased by about 0.02 is formed.
[0138]
Thereafter, a 300 nm thick SiO 2 serving as a protective film is formed. 2 A film is deposited on the substrate. Next, in order to alleviate the distortion caused by the increase in the refractive index, annealing at 100 ° C. for 20 hours (first-stage low-temperature annealing) is performed in air, followed by annealing at 60 ° C. for 10 hours (second-stage low-temperature annealing). )I do. Thus, in this embodiment, two-stage low-temperature annealing is performed. The low-temperature annealing is performed in two stages in order to reduce the total time required for the low-temperature annealing. According to the annealing at 100 ° C., the strain is relieved faster than the annealing at 60 ° C., but the strain corresponding to the amount of phase matching wavelength shift at 100 ° C. as shown in FIG. 11 remains. Therefore, low-temperature annealing at 60 ° C. is additionally performed to completely eliminate the strain. By this two-step annealing, it is possible to quickly and completely form a “stable proton exchange layer” that is unlikely to change with time.
[0139]
The thickness d of the optical waveguide formed by the above steps is 1.8 μm.
The arrangement period of the domain-inverted layers is 3 μm, and operates at a wavelength of 840 nm. The surface perpendicular to the optical waveguide was optically polished to form an incident part and an outgoing part. Thus, an optical wavelength conversion element can be manufactured. The length of this element is 10 mm. When a semiconductor laser beam (wavelength 840 nm) was guided from the incident part as the fundamental wave P1, a harmonic P2 having a wavelength of 420 nm was extracted outside the substrate from the emission part. A harmonic of 13 mW (wavelength 420 nm) was obtained by inputting a fundamental wave of 80 mW. The harmonic output was very stable with no change over time.
[0140]
In this embodiment, two types of low-temperature annealing (two-step annealing) are performed at different temperatures. For example, low-temperature annealing is performed by gradually lowering the temperature from 100 ° C. to 60 ° C. over 30 hours. Is also good.
[0141]
(Example 4)
Next, a fourth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 15A to 15C.
[0142]
First, as shown in FIG. 15A, LiNbO 3 And LiTaO 3 Mixture film (LiNb 0.5 Ta 0.5 O 3 A film 16 ′ is grown on the LiTaO 3 substrate 1. At this time, the growth temperature exceeds 1000 ° C., and the strain is increased with the mixture film 16 and LiTaO. 3 It remains at the interface with the substrate 1. Next, as shown in FIG. 15B, a resist mask 17 is formed on the mixture film 16 'by using a normal photolithography technique. Next, as shown in FIG. 15C, a portion of the mixture film 16 that is not covered with the resist mask 17 is removed by ion beam etching, and the optical waveguide 16 having a width of, for example, 4 μm is left.
[0143]
300 nm thick SiO by evaporation method 2 Is deposited on the substrate 1 and then low-temperature annealing is performed to alleviate a rise in the refractive index. This annealing includes a first-stage low-temperature annealing performed at 100 ° C. for 30 hours, and a subsequent first-stage low-temperature annealing performed at 70 ° C. for 60 hours. By this low-temperature annealing, a stable optical waveguide layer 16 having no change in refractive index can be obtained.
[0144]
The thickness d of the optical waveguide formed by the above process is 1.8 μm. The length of this element is 9 mm. The plane perpendicular to the optical waveguide was optically polished to form an entrance and an exit. When semiconductor laser light (wavelength 840 nm) was guided from the incident part, the waveguide loss was very small. The change over time in the refractive index was below the measurement limit and was very stable. The material of the mixture film is LiNb 0.5 Ta 0.5 O 3 Not limited to LiNb x Ta 1-x O 3 (0 <x <1) or another optical material.
[0145]
(Example 5)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
[0146]
The outline of the process flow of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0147]
First, an optical waveguide forming step is performed. The optical waveguide forming process is roughly divided into step S200, step S210 and step S220. A mask pattern is formed in step S200, proton exchange processing is performed in step S210, and high-temperature annealing is performed in step S220. Thereafter, an electrode forming step (Step S230), a low-temperature annealing step (Step S240), an end face polishing step (Step S250), and an AR coating step (Step S260) are performed.
[0148]
The details of the process will be described below.
[0149]
First, Ta is patterned into slits using a normal photo process and dry etching. Next, LiTaO on which a pattern of Ta is formed 3 Proton exchange is performed on the substrate 1 at 230 ° C. for 10 minutes to form a 0.5 μm-thick proton exchange layer immediately below the slit. Next, HF: HNF 3 Etching is performed for 2 minutes with a 1: 1 mixture of the above to remove Ta. Annealing (first annealing) is performed at 400 ° C. for 1 hour using a diffusion furnace to form a variable layer having a refractive index increased by about 0.01. Next, as an electrode forming step, 300 nm of SiO2 was added by vapor deposition. Then, patterning was performed after Al was deposited in a stripe shape as an electrode mask. Next, low-temperature annealing was performed to alleviate the increase in the refractive index. Annealing was performed in air at 70 ° C. for 10 hours. Thereby, a stable proton exchange layer is formed. Here, the second annealing was performed at a temperature lower by 330 ° C. than the first annealing. By lowering the temperature by 200 ° C. or more, distortion can be greatly reduced, which is effective. Finally, polishing and AR coating were performed.
[0150]
An optical waveguide with electrodes was manufactured by the above-described steps. This functions as an optical modulator. The thickness of this optical waveguide is 8 μm. The plane perpendicular to the optical waveguide was optically polished to form an entrance and an exit. Thus, an optical element can be manufactured.
The length of this element is 9 mm. A modulation signal was applied to the electrode, and a semiconductor laser beam (wavelength: 1.56 μm) was guided as a fundamental wave from the incident portion. The modulated light was extracted from the emitting portion. There was no change with time and the bias voltage was stable for 2000 hours or more.
[0151]
In each of the above embodiments, the present invention has been described with respect to an optical wavelength conversion element and an optical modulator as an example of an optical element. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this. And so on. The change in refractive index with time due to the proton exchange treatment can be prevented, and the deterioration of characteristics can be suppressed.
[0152]
(Example 6)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment is a short wavelength light source including a semiconductor laser and an optical wavelength conversion element.
[0153]
As shown in FIG. 17, the pump light P1a emitted from the semiconductor laser 20 is condensed by the lens 30 and excites the YAG 21 which is a solid-state laser crystal.
[0154]
The YAG 21 has a total reflection mirror 22 for 947 nm, oscillates at a wavelength of 947 nm, and emits a fundamental wave P1. On the other hand, the total reflection mirror 23 for the fundamental wave P1 is formed on the emission side of the optical wavelength conversion element 25, and the laser oscillation occurs during this period. The fundamental wave P1 is condensed by the lens 31, and the fundamental wave P1 is converted by the optical wavelength conversion element 25 into a harmonic P2. In this embodiment, LiTaO is used as an optical wavelength conversion element having a periodically poled structure in which a periodic structure is formed. 3 An optical waveguide 2 manufactured using proton exchange in a substrate 1 is used.
[0155]
In FIG. 17, 1 is LiTaO of Z plate. 3 The substrate 2 is the formed optical waveguide, 3 is the domain-inverted layer, 10 is the incidence part of the fundamental wave P1, and 12 is the emission part of the harmonic P2. The fundamental wave P1 entering the optical waveguide 2 is converted into a harmonic P2 by the domain-inverted layer 3 having the length of the phase matching length L, and then converted into a harmonic by the non-domain-inverted layer 4 having the same length L. Power will increase.
[0156]
The harmonic P2 having increased power in the optical waveguide 2 is radiated from the emission unit 12. The divergent harmonic P2 is made parallel by the lens 32.
[0157]
Further, the electrode 14 is formed on the light wavelength conversion element 25 via the protective film 13. Next, a method for manufacturing the optical wavelength conversion element 25 will be briefly described with reference to the drawings.
[0158]
First, as shown in FIG. 18A, using a normal photolithography technique and a dry etching technique, a Ta electrode (first Ta electrode) 6 having a pattern similar to the pattern of the Ta mask used in each of the above embodiments. With a 0.3 mm thick LiNbO 3 It is formed on the main surface of the substrate 1.
[0159]
Thereafter, a Ta film (second Ta electrode) 6b is deposited on the entire back surface of the substrate 1. The first Ta electrode 6 formed on the main surface of the substrate 1 and the second Ta electrode 6b formed on the back surface of the substrate 1 form an electrode structure for applying an electric field to the substrate 1.
[0160]
Next, a voltage (for example, 10 kV) is applied between the first Ta electrode 6 and the second Ta electrode 6b, and LiNbO 3 An electric field is formed in the substrate 1. By this voltage application, as shown in FIG. 18B, the domain-inverted layer 3 extending from the portion of the front surface of the substrate 1 that is in contact with the first Ta electrode 6 to the back surface of the substrate 1 is formed. The length L of the domain-inverted layer 3 along the direction in which light propagates is 2.5 μm. Thereafter, etching is performed for 20 minutes with a 1: 1 mixed solution of HF: HNF3 to remove the Ta electrodes 6 and 6b.
[0161]
Next, after forming a Ta mask (not shown) having a slit-shaped opening (width 4 μm, length 12 mm) on the substrate 1, a proton exchange treatment (260 ° C., 40 minutes) using pyrophosphoric acid is performed. Thus, the optical waveguide 2 is formed as shown in FIG. 18C. The Ta mask has a slit (width 6 μm, length 10 mm), and this slit defines a planar layout of the optical waveguide 2. After removing the Ta mask, annealing is performed at 460 ° C. for 5 hours using an infrared heating device. By this annealing, the nonlinearity of the proton-exchanged optical waveguide is restored, and the refractive index of that portion is increased by about 0.002. Light propagates along the optical waveguide 2 having a high refractive index. The thickness d of the optical waveguide 2 is 50 μm and the width is 70 μm. The arrangement period of the domain-inverted layers 3 along the direction in which the waveguide 2 extends is 5 μm, and this optical wavelength conversion element operates with respect to a fundamental wave having a wavelength of 947 nm.
[0162]
Next, as shown in FIG. 2 After forming a protective film (thickness 300 to 400 nm) 13 formed on the substrate 1, an Al film (thickness 200 nm) is formed on the protective film 13 by vapor deposition. The Al film is patterned by photolithography to form an Al electrode 14. The Al electrode 14 is used for intensity modulation of output light.
[0163]
A plane perpendicular to the direction in which the optical waveguide 2 extends is optically polished to form the entrance 10 and the exit 12 shown in FIG. Further, the incident portion 10 is provided with a non-reflection coating for the fundamental wave P1. The emission section 12 is provided with a reflection coat (99%) for the fundamental wave P1 and a non-reflection coat for the harmonic wave P2.
[0164]
Thus, the light wavelength conversion element 25 (element length 10 mm) shown in FIG. 17 can be manufactured.
[0165]
In FIG. 17, when a wavelength of 947 nm was guided from the incident part 10 as the fundamental wave P1, the single-mode propagation was performed, and a harmonic P2 having a wavelength of 473 nm was extracted from the emission part 12 to the outside of the substrate. The propagation loss of the optical waveguide 2 was as small as 0.1 dB / cm, the performance of the resonator was improved, the power density of the fundamental wave P1 was increased, and the harmonic wave P2 was generated with high efficiency.
[0166]
Possible causes of the low loss are that a uniform optical waveguide was formed by phosphoric acid and that the confinement of the waveguide was reduced. In addition, due to the weakly confined optical waveguide, the harmonic density was reduced, and the optical damage was greatly improved. This is because by making the area 100 times the conventional area, it is possible to withstand 100 times the optical damage.
[0167]
FIG. 19 shows the relationship between the optical waveguide thickness and the light damage resistance power. The light-tolerant damage power is a power of how much the blue harmonics can withstand, that is, does not cause light fluctuation. It can be seen that when the thickness of the optical waveguide is increased, the width is also increased by diffusion, so that the light damage resistance power is improved with respect to almost the square of the optical waveguide thickness. Since the power required for laser projection is at least 2 W, the thickness of the optical waveguide is desirably 40 μm or more.
[0168]
Further, in a case where the distribution of the refractive index in the waveguide and its peripheral portion changes stepwise, if the cross section of the waveguide is enlarged, a multi-mode propagation phenomenon occurs. In order to avoid this, in the present embodiment, a waveguide having a graded refractive index distribution is formed.
[0169]
When the output of the output light P1a of the semiconductor laser 20 was 10W, a harmonic P3 having an output of 3W was obtained. The conversion efficiency in this case is 30%. The tolerance of the optical wavelength conversion element to wavelength fluctuation is 0.4 nm. Even when the wavelength was shifted by 0.4 nm, the oscillation wavelength of the solid-state laser was constant, and the harmonic output was stable. By applying a voltage to the modulation Al electrode 14, the refractive index of the waveguide and the vicinity thereof changes, and the phase matching wavelength of the optical wavelength conversion element shifts. By utilizing the phenomenon that the phase matching wavelength is largely shifted by the application of a voltage, it is possible to modulate the harmonic output by applying a relatively low voltage of about 100 V.
[0170]
As described above, according to the optical wavelength conversion device using the periodically poled structure used in the present embodiment, it is possible to easily modulate the harmonic output by applying a voltage, and the required applied voltage is low. High utility value.
[0171]
Thus, the modulator can be integrated, and the size, weight, and cost can be reduced. Further, the non-linear optical crystal used in the present invention, LiTaO 3 Is characterized in that a large crystal can be obtained, and mass production of an optical wavelength conversion element using an optical IC process is easy. In multi-mode propagation with respect to the fundamental wave, the output of the harmonic is unstable and impractical, and the single mode is effective. When an optical wavelength conversion element having a periodically poled structure is used as in this embodiment, high efficiency can be achieved, and an optical modulator can be integrated. Red and green laser light can be extracted, and its value is great. Note that the optical modulator may be separated.
[0172]
Next, an embodiment of the laser projection apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 20, a blue laser light source shown in FIG. 17 was used as a light source of the laser projection device. Reference numeral 45 denotes a blue 473 nm laser light source. The blue light is modulated by inputting a modulation signal to the modulation electrode. The modulated blue laser light enters the deflector. 56 is a vertical deflector, 57 is a horizontal deflector, and both use a rotating polygon mirror. Using a screen 70 with a gain of 3 and a luminance of 300 cd / m2 at a screen size of 4 m × 3 m 2 A contrast ratio of 100: 1 and a horizontal resolution of 1000 TV were obtained. In this way, the resolution is greatly improved as compared with the conventional case. Further, as compared with the configuration using a gas laser, the weight was reduced to 1/1000, the capacity was reduced to 1/1000, and the power consumption was significantly improved to 1/100. This largely contributes to the fact that the laser light source used is small in size and low in power consumption, and that the optical modulator is integrated. That is, the configuration using the semiconductor laser and the optical wavelength conversion element can be made ultra-small, and the conversion efficiency from electricity is about two orders of magnitude higher than that of the gas laser. In particular, when an optical wavelength conversion element having a periodic polarization inversion structure is used, high efficiency can be achieved, and an optical modulator can be integrated, so that the effect is enormous. In this embodiment, the laser beam is irradiated from the back of the screen, but the laser beam may be irradiated from the front.
[0173]
Next, another embodiment of the laser light source of the present invention will be described with reference to FIG.
[0174]
As shown in FIG. 21, the fundamental wave P1 emitted from the semiconductor laser 20 is guided to the optical wavelength conversion element 25 via the lens 30, the half-wave plate 37, and the condenser lens 31, and is converted into a harmonic wave P2. That is, in this example, blue light is obtained without using a solid-state laser. The configuration of the light wavelength conversion element 25 is almost the same as that of the first embodiment. Also in this embodiment, LiTaO 3 A substrate and an optical waveguide type optical wavelength conversion element are used. Further, an electrode 14 and a protective film 13 are formed for performing light modulation. However, the present embodiment does not have a resonator structure.
[0175]
FIG. 22 shows an internal configuration of the semiconductor laser 20. The semiconductor laser 20 comprises a distributed feedback (hereinafter abbreviated as DBR) semiconductor laser 20a and a semiconductor laser amplifier 20b. The DBR semiconductor laser 20a has a DBR portion 27 formed by a grating and oscillates stably at a constant wavelength. The stabilized fundamental wave P0 emitted from the DBR semiconductor laser 20a is guided to the semiconductor laser amplifier 20b by the lens 30a. The power is amplified by the active layer 26b of the semiconductor laser amplifier 20b, and a stable fundamental wave P1 is obtained. By introducing this into the optical wavelength conversion element 25, the conversion efficiency and the harmonic output are greatly improved. The period of the polarization inversion is 3 μm, and the optical waveguide length is 7 mm. The oscillation wavelength of the semiconductor laser in this example was 960 nm, the wavelength of the generated harmonic P2 was 480 nm, and the color was blue. The conversion efficiency is 10% at 10 W input. There was no light damage and the harmonic output was very stable. The DBR semiconductor laser has a stable oscillation wavelength, which is advantageous for stabilizing the output of harmonics.
[0176]
Next, RF superposition (high frequency superposition) was performed on this DBR semiconductor laser. An 800 MHz sinusoidal electric waveform was applied to the DBR semiconductor, and the semiconductor laser was converted to a pulse train light output using relaxation oscillation. When the DBR semiconductor laser is RF-superimposed in this way, the peak output of the fundamental wave is greatly improved while the oscillation wavelength is kept constant. A harmonic with a conversion efficiency of 50% and 5 W were obtained from an average output of 10 W of the fundamental wave. The 5-fold conversion efficiency when no RF superposition was performed was improved.
[0177]
In the present embodiment, the DBR semiconductor laser and the semiconductor laser amplifier are separated from each other.
[0178]
Next, still another embodiment of the laser light source of the present invention will be described with reference to the sectional view of FIG. The fundamental wave P1 from the semiconductor laser 20 is gradually focused on the optical wavelength conversion element 25 by the lens 30. In this embodiment, LiNbO 3 is used instead of the LiTaO 3 substrate. 3 Was used as a substrate. Further, a bulk type optical wavelength conversion element 25 is used. LiNbO 3 The substrate 1a is characterized by a large nonlinearity. By driving the semiconductor laser 20 by RF, the peak power is improved, and the conversion efficiency of the optical wavelength conversion device is greatly improved. The period of the domain-inverted layer 3 is 3.5 μm, and the length of the light wavelength conversion element 25 is 7 mm. In this embodiment, the output of the harmonic P2 is stabilized using the optical feedback method. This is because the wavelength tolerance of the light wavelength conversion element 25 is as narrow as about 0.1 nm. The fundamental wave P1 not converted by the light wavelength conversion element 25 is collimated by the lens 32, reflected by the grating 36, and returns to the semiconductor laser 20. As a result, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 20 is locked to the reflection wavelength of the grating 36. To adjust the oscillation wavelength to the phase matching wavelength of the optical wavelength conversion element 25, the angle of the grating 36 may be changed.
[0179]
On the other hand, the harmonic P2 is reflected by the dichroic mirror 35 and taken out in another direction. In this example, the oscillation wavelength of the semiconductor laser was 980 nm, and the harmonic P2 extracted was 490 nm blue. At this time, an electric waveform having an RF frequency of 810 MHz and an output of 5 W was applied. In addition, a harmonic of 3 W was obtained with an average output of 15 W of the fundamental wave. There was no light damage and the harmonic output was very stable. There is no optical damage because the fundamental wave is focused only to about 100 μm, and the harmonics are not so large in terms of density.
[0180]
In the present embodiment, the wavelength is locked by optical feedback using a grating. However, the present invention is not limited to this, such as selecting a wavelength with a filter and performing optical feedback. In addition, when the laser projection device is configured using the laser light source of the present embodiment, the size, weight, and cost can be reduced. Further, in this embodiment, the harmonic can be modulated by directly modulating the semiconductor laser, so that the configuration is simple and the cost can be reduced.
[0181]
Next, another embodiment of the laser light source of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 24 shows a cross section of a light wavelength conversion element (bulk type) 25.
[0182]
Pump light P1a emitted from the semiconductor laser 20 having a wavelength of 806 nm enters the fiber 40 and propagates through the fiber 40. The pump light P1a emitted from the fiber 40 enters the optical wavelength conversion element 25. The material of the light wavelength conversion element 25 is LiTaO doped with Nd which is a rare earth element. 3 The substrate 1b has a domain-inverted structure with a period of 5.1 μm. The doping amount of Nd is 1 mol%. Reference numeral 22 denotes a total reflection mirror that totally reflects 99% of light having a wavelength of 947 nm and transmits light in the 800 nm band. Also, 23 is a total reflection mirror that totally reflects 99% of light having a wavelength of 947 nm and transmits light in the 470 nm band. The portion of the total reflection mirror 23 is processed into a spherical shape. That is, it plays the role of a spherical mirror. The optical wavelength conversion element 25 oscillates at a wavelength of 947 nm excited by the semiconductor laser 20, is further converted into a harmonic P2 by a periodic domain inversion structure by the domain inversion layer 3, and is emitted to the outside. When the pump light P1 was 20 W, a harmonic of 2 W was obtained. Further, the temperature is stabilized by a Peltier element so that the temperature of the light wavelength conversion element does not greatly change. The length of the conversion part of the laser light source of this embodiment is 10 mm, and it can be made very compact by doping the optical wavelength conversion element with a rare earth element and propagating the pump light through a fiber. Further, by keeping the optical wavelength conversion element away from heat generated by the semiconductor laser, a temperature change can be prevented.
[0183]
Also, by changing the coating of the total reflection mirrors 22 and 23 to reflect in the 1060 nm band and changing the period of the domain-inverted layer 3 to 1060 nm, 1060 nm oscillates and green laser light (wavelength 530 nm) is obtained as the harmonic P2. Was. Further, by changing the coating of the total reflection mirrors 22 and 23 to reflect in the 1300 nm band and changing the period of the domain-inverted layer 3 to 1300 nm, 1300 nm oscillates and red laser light (wavelength 650 nm) is obtained as the harmonic P2. Was. With this configuration, three primary color laser beams of blue, green, and red can be easily obtained. Next, FIG. 25 shows a configuration in which the solid-state laser crystal and the light wavelength conversion element are separated. Nd: YVO as solid-state laser crystal 21 4 Was attached to the output side of the fiber. LiTaO 3 The optical wavelength conversion element 25 of the substrate 1 has a periodically domain-inverted structure. Even with the laser light source having this configuration, a 2 W blue laser beam could be stably obtained.
[0184]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 26 shows a configuration diagram of the laser light source of this embodiment. The pump light P1a emitted from the semiconductor laser 20 having a wavelength of 806 nm is converted into a fundamental wave P1 by the solid-state laser crystal 21, enters the fiber 40, and propagates through the fiber 40. This fiber 40 is a single mode fiber. The fundamental wave P1 emitted from the fiber 40 enters the optical wavelength conversion element 25. In this embodiment, LiTaO is used as the optical wavelength conversion element 25 having a periodically poled structure. 3 An optical waveguide 2 manufactured using proton exchange in a substrate 1 is used. In the figure, reference numeral 1 denotes a Z plate LiTaO. 3 The substrate 2 is the formed optical waveguide, 3 is the domain-inverted layer, 10 is the incidence part of the fundamental wave P1, and 12 is the emission part of the harmonic P2. The fundamental wave P1 entering the optical waveguide 2 is converted into a harmonic P2 by the domain-inverted layer 3. In this way, the harmonic P2 having increased power in the optical waveguide 2 is radiated from the emission unit 12. The divergent harmonic P2 is made parallel by the lens 32.
[0185]
Further, an electrode 14 is formed on the element via a protective film 13. When the pump light P1a was 30W, a harmonic P2 of 10W was obtained. By applying a modulation signal to the electrode 14 formed on the light wavelength conversion element 25, the blue laser light was modulated at 30 MHz. The length of the conversion part of the laser light source of this embodiment is 10 mm, and it can be made very compact by propagating the fundamental wave P1 through a fiber. Further, the temperature rise can be prevented by moving the optical wavelength conversion element away from the semiconductor laser.
[0186]
FIG. 26 shows an embodiment in which no solid-state laser crystal is used.
[0187]
A semiconductor laser having a wavelength of 980 nm and an output of 10 W is used. This is coupled to the optical wavelength conversion element 25 through the fiber 40 to perform direct conversion. At a wavelength of 490 nm, an output of 2 W was obtained.
[0188]
Next, the laser projection device of the present invention will be described with reference to FIG. As the light source, three colors of the blue laser light source, the green laser light source, and the red laser light source of Example 5 were used. Reference numeral 45 denotes a blue 473 nm laser light source. 46 is a green laser light source with a wavelength of 530 nm, and 47 is a red laser light source with a wavelength of 650 nm. Each light wavelength conversion element is provided with a modulation electrode. By inputting a modulation signal to the modulation electrode, each light source output is modulated. The green laser light is combined with the blue laser light by the dichroic mirror 61. The dichroic mirror 62 combines the red laser beam and the other two colors. 56 is a vertical deflector, 57 is a horizontal deflector, and both use a rotating polygon mirror. Using a screen 70 with a gain of 3 and a luminance of 2000 cd / m2 at a screen size of 2 m × 1 m 2 , A contrast ratio of 100: 1, a horizontal resolution of 1000 TV lines, and a vertical resolution of 1000 TV lines. As described above, the laser projection device of the present invention is bright, has high resolution, consumes very little power, and has a great effect.
[0189]
In this embodiment, a polarization inversion type optical wavelength conversion element is used, but the invention is not limited to this.
Further, by using a laser light source that emits red light from a semiconductor laser directly, the cost can be further reduced. In addition, a semiconductor laser directly oscillating can be used as the blue and green lasers. The combination is free.
[0190]
In this embodiment, the following measures are taken for safety. When the scanning of the laser beam is stopped, the power of the laser is automatically turned off. In addition, an infrared laser beam, which is a sub-semiconductor laser having a weak output, scans around the projected laser beam, and the laser beam is automatically cut off when an object touches this beam. . Infrared semiconductor lasers are characterized by low cost and long life.
[0191]
Next, these will be described with reference to FIG. The three laser beams of the three primary colors are scanned by the deflector in the drawing area 71 on the screen 70.
This laser light passes over sensors A and B located around the drawing area 71. The output signals of the sensors A and B are constantly monitored. On the other hand, the laser light from the infrared laser light source by the infrared semiconductor laser is constantly scanned around the screen 70 by the deflector 58. This reflected light enters the sensor C. That is, the reflected light at all points in the peripheral portion enters the sensor C.
[0192]
Next, control will be described with reference to FIG. In FIG. 29, when any of the signals from the sensors A and B does not enter the control circuit for a predetermined time, the main power supply of the laser light source is turned off, and the blue, red, and green laser light sources are stopped. In other words, by stopping the scanning, it is possible to prevent a specific portion from being intensively irradiated with laser light. If the signal of the sensor C is interrupted even for a moment, the power of the laser light source is turned off by the control circuit. In other words, humans and the like do not touch the high-output short-wavelength laser light, which is safe. As described above, the safety of the laser projection device is maintained.
[0193]
In the embodiment, the power of the laser light source is turned off, but the optical path of the laser may be cut off. Further, the generation of short-wavelength laser light may be stopped by shifting the phase matching wavelength of the optical wavelength conversion element by a voltage or the like, or by changing the oscillation wavelength of the semiconductor laser that is the fundamental wave light source. According to this method, the time until re-return can be greatly reduced.
[0194]
Next, an embodiment of the three-dimensional laser projection apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
[0195]
In other words, it is a device that looks three-dimensional from the viewer's side. FIG. 30 shows a configuration diagram of the laser projection apparatus of the present embodiment. As shown in FIG. 30, the laser light is split in two directions by putting the prism type optical path converter 66 into the three-color laser light. The split laser light is reflected by respective mirrors 64 and 65, modulated by modulators 5a and 5b, and enters screen 70. The images viewed from the right direction and the image information viewed from the left direction are loaded by the modulators 5a and 5b, respectively, and light enters the screen 70 from different directions and looks three-dimensionally. In addition, the optical path 1 and the optical path 2 are switched at a certain time, and a human feels as if images in different directions come from two directions, and the stereoscopic image is further cleared. A stereoscopic image can be easily viewed without stereoscopic glasses as in this embodiment.
[0196]
Note that the light may be divided into two by a half mirror or the like to be three-dimensional. Although one light source is divided, two laser light sources of the same color may be used to irradiate the screen from different directions. In this case, the output of one light source can be reduced to half.
[0197]
Next, still another embodiment of the laser projection apparatus of the present invention will be described.
[0198]
FIG. 31 shows a configuration diagram of the laser projection device of the present embodiment. An ultraviolet laser light source based on a light wavelength conversion element is used as a light source. By irradiating this on the screen 70 coated with the phosphor, red, green and blue RGB light is emitted. The configuration of the laser light source is such that red laser light 650 nm, which is a direct oscillation of a semiconductor laser, is used for LiTaO 3 The wavelength was halved to 325 nm by the optical wavelength conversion element of No. This optical wavelength conversion element is a bulk type in which a domain-inverted structure is formed. Reference numeral 48 denotes this laser light source. Here, an ultraviolet modulation signal is obtained by directly modulating the red semiconductor laser. The modulated ultraviolet laser light enters the deflector. 56 is a vertical deflector, 57 is a horizontal deflector, and both use a rotating polygon mirror. The screen 70 is coated with a phosphor that generates red, green, and blue, and generates fluorescent light. Brightness 300 cd / m at screen size 1m × 0.5m 2 And a horizontal resolution of 600 TV with a contrast ratio of 100: 1. As in this embodiment, three primary color lights of red, green, and blue can be generated by one laser light source, and the size and cost can be reduced. At this time, it is also effective to omit the dichroic mirror for multiplexing.
[0199]
Next, an embodiment of the laser projection apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 32, a blue laser light source 45 based on a light wavelength conversion element is used as a light source. Laser light emitted from the laser light source 45 is collimated by the lens 30. A liquid crystal light bubble 68 is inserted into the collimated laser light. The signal is spatially modulated by applying a signal to the liquid crystal light valve 68, and the light can be enlarged by the lens 31 and projected on a screen so that an image can be viewed. The use of laser light sources of three primary colors enables colorization.
[0200]
The efficiency has been greatly improved and the power consumption has been reduced as compared with the conventional case. In addition, heat generation is small and effective.
[0201]
Next, the laser projection device of the present invention will be described with reference to FIG. The external configuration is the same as that of the embodiment of the laser projection apparatus shown in FIG. As the light source, a blue laser light source shown in FIG. 23 is used, and the semiconductor laser here is RF-superimposed. The blue light is modulated by inputting a modulation signal in addition to the RF superposition. The modulated blue laser light enters the deflector. Using a screen with a gain of 2 and a luminance of 200 cd / m2 at a screen size of 2 m × 1 m 2 Got. No speckle noise caused by laser light interference was observed on the screen. This is because the coherence of the laser light is reduced by the RF superposition, and the RF superposition of the semiconductor laser plays an important contribution to the countermeasures against speckle noise. In this embodiment, the configuration of the laser light source shown in FIG. 23 is used. However, RF superposition is effective for a laser projection apparatus using a laser light source by direct wavelength conversion of a semiconductor laser. Speckle noise can also be prevented when red, green, or blue laser light is directly generated by semiconductor laser light. Needless to say, the present invention is effective for a color laser projector.
[0202]
In the above embodiment, LiNbO was used as the nonlinear optical crystal. 3 And LiTaO 3 Was used, but KNbO 3 , KTP, etc., organic materials such as MNA, and those materials doped with rare earth elements. Also, rare earths are promising not only for Nd used in the examples but also for Er and Tl. Although YAG was used as the solid-state laser crystal, other than YLF, YVO 4 Are effective. LiSAF and LiCAF are also effective as solid-state lasers.
[0203]
Next, an example in which the laser light source of the present invention is applied to an optical disk device will be described with reference to FIG.
[0204]
This optical disk device is provided in an optical pickup 104 having an optical wavelength conversion element 25 having a periodic inversion structure. The laser light emitted from the semiconductor laser 20 is converted into an optical wavelength in the optical pickup 104 via a fiber 40. It is provided to element 25.
[0205]
The optical pickup 104 includes, in addition to the optical wavelength conversion element 25, a collimator lens 32 that converts harmonics emitted from the optical wavelength conversion element 25 into parallel light, and a polarization beam splitter that transmits the collimated light toward the optical disc. 105, a condenser lens 106 for collecting the light on the optical disk, and a detector 103 for detecting the reflected light from the optical disk. The polarization beam splitter 105 selectively reflects the reflected light from the optical disk and supplies the reflected light to the detector 103.
[0206]
The optical pickup 104 is driven by an actuator, and the semiconductor laser 20 is fixed in the optical disk device. The optical pickup 104 can reliably receive laser light from the semiconductor laser 20 fixed in the optical disk device by a flexible optical fiber.
[0207]
Next, the operation will be described.
[0208]
The light (pump light) emitted from the semiconductor laser 20 is converted into a fundamental wave P <b> 1 by the solid-state laser 21, and is applied to the light wavelength conversion element 25 through the optical fiber 40. The optical wavelength conversion element 25 has a configuration similar to that of the above-described embodiment, and converts the fundamental wave P1 into a harmonic P2. The harmonic P2 is collimated by the collimator lens 32, passes through the polarizing beam splitter 105, and is condensed on the optical disc medium 102 via the condensing lens 106. The reflected light from the optical disk medium 102 returns to the same optical path again, is reflected by the polarization beam splitter 105, and is detected by the detector 103.
Thus, a signal is recorded on the optical disk medium, or the recorded signal can be reproduced.
[0209]
A quarter-wave plate 108 is inserted between the polarization beam splitter 105 and the condenser lens 106, and rotates the polarization direction by 90 degrees in the forward and backward paths of the harmonic.
[0210]
When a semiconductor laser 20 having an output of 1 W was used, a harmonic P2 of 200 mW was obtained. The wavelength of light emitted from the solid-state laser 21 is 947 nm, and the wavelength of a harmonic is 473 nm.
[0211]
By using a high-power laser beam with an output of 200 mW, recording can be performed at a speed that is 10 times faster than the recording speed of an optical disk device using a conventional 20 mW output light. The transfer rate was 60 Mbps.
[0212]
The semiconductor laser 20, which generates heat during operation, is fixed to the housing of the optical disk device and is separated from the optical pickup. Therefore, as a result of removing the semiconductor laser from the inside of the optical pickup, it is not necessary to provide a special ripening structure for the semiconductor laser. Therefore, an ultra-small and lightweight optical pickup can be configured. As a result, the actuator of the optical pickup can be driven at a high speed, and high-speed recording at a high transfer rate is achieved.
[0213]
Although the solid-state laser is arranged on the semiconductor laser side in this embodiment, it may be arranged on the optical wavelength conversion element side. Instead of using a solid-state laser, light from a semiconductor laser may be directly converted into a harmonic as a fundamental wave.
[0214]
Note that the internal configuration of the optical pickup 104 is not limited to that of the present embodiment.
For example, by using a polarization separation hologram, a lens and a polarization beam splitter can be omitted. Then, the size of the optical pickup can be further reduced.
[0215]
(Possibility of industrial use)
As described above, according to the optical wavelength conversion device of the present invention, LiNb x Ta 1-x O 3 (0.ltoreq.X.ltoreq.1) After fabricating an optical device on a substrate, low-temperature annealing restores the increase in refractive index caused during heat treatment such as high-temperature annealing, and forms a stable proton exchange layer, thereby forming a stable optical device. be able to. In particular, the present invention is indispensable for practical use of an optical wavelength conversion element whose phase matching wavelength changes with a change in the refractive index.
[0216]
In addition, a two-step annealing in which the temperature is set to two steps as a low-temperature annealing can quickly and completely return to a stable proton exchange layer in which there is no change with time, which is effective.
Further, by performing the second annealing at a temperature lower by 200 ° C. than the first annealing, the strain can be greatly reduced and a stable proton exchange layer can be formed, which is effective. The low-temperature annealing temperature is 120 ° C. or less, and if it is performed for at least 1 hour, the change with the passage of time is 0.5 nm or less, which is effective. If the temperature is lower than 50 ° C., the annealing time becomes extremely long and causes a problem.
[0217]
Further, according to the laser light source of the present invention, by interposing a semiconductor laser amplifier between the distributed feedback semiconductor laser and the optical wavelength conversion element, to stabilize the oscillation wavelength of the semiconductor laser and increase the fundamental wave output, and By using an optical wavelength conversion element having a highly efficient domain-inverted structure, the highest harmonic output can be stably obtained.
[0218]
Further, in the laser light source of the present invention, by propagating the pump light or the fundamental wave through the fiber, the optical wavelength conversion element can be made very compact. Further, the optical wavelength conversion element can be kept away from heat generated by the semiconductor laser, a temperature change can be prevented, and a high-power semiconductor laser can be used.
[0219]
When a periodically poled structure is used as an optical wavelength conversion element, not only conversion efficiency is greatly improved, but also modulation can be easily performed by applying a voltage, and the voltage is low and industrial. . Thus, the modulator can be integrated, and the size, weight, and cost can be reduced. In addition, by using an optical waveguide with weak confinement as an optical wavelength conversion element, the density of harmonics was reduced, and optical damage was greatly improved. For example, by making the area 100 times the conventional area, it is possible to withstand 100 times the optical damage. Further, according to the laser light source of the present invention, by converting the pump light into the fundamental wave by the solid-state laser crystal, a multi-stripe or wide-stripe high-power semiconductor laser can be used, and a high-power harmonic can be obtained. .
[0220]
Thus, for example, the conversion efficiency of the optical wavelength conversion element having the conversion efficiency of 30% between the light and the light of the semiconductor laser is multiplied by 70%, and a total conversion efficiency of 20% can be obtained. In addition, by performing the RF superposition of the semiconductor laser in the laser light source of the present invention, for example, the 5-fold conversion efficiency when the RF superposition is not performed is improved.
[0221]
Further, according to the laser projector of the present invention, since it is based on a semiconductor laser, it is possible to significantly reduce its size, weight, and cost. Further, by using a high-power laser light source based on a semiconductor laser and an optical wavelength conversion element, the size, weight and cost of the device can be reduced at once. Further, power consumption can be extremely reduced. One of the factors is that this device does not have a laser light modulator and is integrated with a light wavelength conversion element. Further, the resolution is greatly improved as compared with the conventional case. For example, as compared with the configuration using a gas laser, the weight was reduced to 1/1000, the capacity was reduced to 1/1000, and the power consumption was significantly improved to 1/100. This largely contributes to the fact that the laser light source used is small in size and low in power consumption, and that the optical modulator is integrated. That is, the configuration using the semiconductor laser and the optical wavelength conversion element can be made ultra-small, and the conversion efficiency from electricity is about two orders of magnitude higher than that of the gas laser. In particular, when an optical wavelength conversion element having a periodic polarization inversion structure is used, high efficiency can be achieved, and an optical modulator driven by low voltage can be integrated, so that the effect is remarkable.
[0222]
Further, since the three primary colors can be emitted by hitting the phosphor with an ultraviolet laser light source, the size and cost can be further reduced and the industrial value is great. In this way, three primary color lights of red, green and blue can be generated by one laser light source. At this time, it is also effective to omit the dichroic mirror for multiplexing.
[0223]
Further, according to the laser projection apparatus of the present invention, when scanning is stopped, a laser beam stop or cut function is provided in order to prevent a specific portion from being intensively irradiated with laser light. If the signal of the sensor is interrupted even for a moment, the power of the laser light source is turned off by the control circuit. In other words, humans and the like do not touch the high-output short-wavelength laser light, which is safe. As described above, the safety of the laser projection device is maintained.
[0224]
RF superposition is effective for a laser projection apparatus using a laser light source by direct wavelength conversion of a semiconductor laser. This is because speckle noise can be prevented and a clear image can be reproduced. Speckle noise can also be prevented when red, green, or blue laser light is directly generated by semiconductor laser light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a conventional short wavelength light source.
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional optical wavelength conversion element.
FIG. 3 is a process flowchart of a method for manufacturing an optical wavelength conversion element according to a conventional method.
FIG. 4 is a diagram showing a temporal change of a harmonic output of a conventional optical wavelength conversion element.
FIG. 5 is a diagram showing a change over time of a phase matching wavelength of a conventional optical wavelength conversion element.
FIG. 6 is a diagram showing a change with time of the refractive index of a conventional optical element.
FIG. 7 is a configuration diagram of an optical wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8A is a view showing a step of the method for manufacturing an optical wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 8B is a view showing a step of the method for manufacturing an optical wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8C is a view showing a step of the method for manufacturing an optical wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 8D is a view showing the step of the method for manufacturing the optical wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8E is a view showing a step of the method for manufacturing an optical wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a process flowchart of a method for manufacturing an optical wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing a change in a phase matching wavelength with respect to an annealing time when an annealing temperature is used as a parameter.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing a relationship between an annealing temperature and a phase matching wavelength change amount.
FIG. 12 is a diagram showing output time characteristics of the optical wavelength conversion device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing the time characteristics of the phase matching wavelength and the effective refractive index of the optical wavelength conversion device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a process flowchart of a method of manufacturing an optical wavelength conversion device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 15A is a view showing a step of the method for producing an optical element according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 15B is a view showing a step of the method for manufacturing an optical element according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 15C is a view showing a step of the method for producing an optical element according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 16 is a process flowchart of a method of manufacturing an optical device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a structural view of an embodiment of a laser light source according to the present invention.
FIG. 18A is a manufacturing process diagram of the optical wavelength conversion element in the laser light source of the present invention.
FIG. 18B is a manufacturing step diagram of the optical wavelength conversion element in the laser light source of the present invention.
FIG. 81C is a view showing the manufacturing process of the optical wavelength conversion element in the laser light source of the present invention.
FIG. 18D is a view showing the manufacturing process of the optical wavelength conversion element in the laser light source of the present invention.
FIG. 19 is a characteristic diagram showing a relationship between an optical waveguide thickness and light damage resistance of an optical wavelength conversion element used in the laser light source of the present invention.
FIG. 20 is a configuration diagram of a laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a configuration diagram of a laser light source according to an embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a configuration diagram of a semiconductor laser used for a laser light source according to an embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a configuration diagram of a laser light source according to an embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a configuration diagram of a laser light source according to an embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a configuration diagram of a separation type laser light source according to an embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a configuration diagram of a laser light source according to an embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a configuration diagram of a laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a configuration diagram of an automatic stop device of the laser device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a diagram of a control system of an automatic stop device of the laser device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 30 is a configuration diagram of a laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a configuration diagram of a laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a configuration diagram of a laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 33 is a configuration diagram of an optical disc device according to an embodiment of the present invention.

Claims (7)

半導体レーザを含んだ少なくとも1つ以上のレーザ光源と、
該レーザ光源から出たレーザ光を空間変調素子に照射する第1の光学系と、
該空間変調素子から出た光をスクリーンに照射する第2の光学系と
を備えたレーザ装置であって、
該レーザ光源は、
高調波を生成する光波長変換素子と、
該半導体レーザからのレーザ光を該光波長変換素子に伝えるシングルモードファイバーと、
をさらに備えている、レーザ装置。
At least one or more laser light sources including a semiconductor laser,
A first optical system that irradiates a laser beam emitted from the laser light source to a spatial modulation element;
A second optical system for irradiating the screen with light emitted from the spatial modulation element,
The laser light source is
An optical wavelength conversion element for generating a harmonic,
A single mode fiber for transmitting laser light from the semiconductor laser to the optical wavelength conversion element,
A laser device, further comprising:
半導体レーザを含んだ少なくとも1つ以上のレーザ光源と、
該レーザ光源から出たレーザ光を空間変調素子に照射する第1の光学系と、
該空間変調素子から出た光をスクリーンに照射する第2の光学系と
を備えたレーザ装置であって、
該レーザ光源は、
該半導体レーザからのレーザ光を伝えるファイバーと、
該ファイバーから出たレーザ光を受け取り、基本波を生成する固体レーザ結晶と、
該基本波から高調波を生成する光波長変換素子と、
をさらに備えている、レーザ装置。
At least one or more laser light sources including a semiconductor laser,
A first optical system that irradiates a laser beam emitted from the laser light source to a spatial modulation element;
A second optical system for irradiating the screen with light emitted from the spatial modulation element,
The laser light source is
A fiber for transmitting laser light from the semiconductor laser,
A solid-state laser crystal that receives a laser beam emitted from the fiber and generates a fundamental wave;
An optical wavelength conversion element that generates a harmonic from the fundamental wave,
A laser device, further comprising:
半導体レーザを含んだ少なくとも1つ以上のレーザ光源と、
該レーザ光源から出たレーザ光を空間変調素子に照射する第1の光学系と、
該空間変調素子から出た光をスクリーンに照射する第2の光学系と
を備えたレーザ装置であって、
該半導体レーザは分布帰還型半導体レーザであり、該レーザ光源は、該分布帰還型半導体レーザからのレーザ光を増幅する半導体レーザアンプを更に備えている、レーザ装置。
At least one or more laser light sources including a semiconductor laser,
A first optical system that irradiates a laser beam emitted from the laser light source to a spatial modulation element;
A second optical system for irradiating the screen with light emitted from the spatial modulation element,
The laser device, wherein the semiconductor laser is a distributed feedback semiconductor laser, and the laser light source further includes a semiconductor laser amplifier that amplifies a laser beam from the distributed feedback semiconductor laser.
半導体レーザを含んだ少なくとも1つ以上のレーザ光源と、
該レーザ光源から出たレーザ光を空間変調素子に照射する第1の光学系と、
該空間変調素子から出た光をスクリーンに照射する第2の光学系と
を備えたレーザ装置であって、
該レーザ光源は、
周期的分極反転構造が形成された光波長変換素子をさらに備えていることを特徴とする、レーザ装置。
At least one or more laser light sources including a semiconductor laser,
A first optical system that irradiates a laser beam emitted from the laser light source to a spatial modulation element;
A second optical system for irradiating the screen with light emitted from the spatial modulation element,
The laser light source is
A laser device further comprising an optical wavelength conversion element having a periodically poled structure.
前記空間変調素子は、液晶セルである、請求項1〜4のいずれかに記載のレーザ装置。The laser device according to claim 1, wherein the spatial modulation element is a liquid crystal cell. 前記レーザ光源は、前記半導体レーザからのレーザ光をガイドする光導波路をさらに備えている、請求項4に記載のレーザ装置。The laser device according to claim 4, wherein the laser light source further includes an optical waveguide that guides laser light from the semiconductor laser. 前記半導体レーザは、波長ロックされている、請求項1〜4のいずれかに記載のレーザ装置。The laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser is wavelength-locked.
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