JP2005326521A - 外部共振器型レーザ装置、およびそれを用いた波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度によらず非線形光学結晶の変換効率がほぼ最大になる波長に発振波長をロックできる外部共振器型レーザ装置、温度が変化しても和周波光あるいは差周波光の出力がほとんど変動しない、低消費電力化や小型化に適した構成を持つ波長変換装置である。
【解決手段】外部共振器型レーザ装置は、第１の反射素子１０３、第１の波長の第１の光を発生する発光素子１０１、第２の波長の第２の光を発生するレーザ１３１、周期分極反転領域１１５と光導波路１１７を持つ非線形光学結晶１１３を有する。周期分極反転領域１１５と光導波路１１７は第１の光と第２の光とが擬似位相整合して第３の波長の第３の光を発生するように設計されている。外部共振器型レーザ装置は、光導波路１１７中を一方向に第１の光と第２の光が伝搬して第３の光を発生するとともにそれとは逆の方向に第２の光と第３の光が伝搬して第１の波長を有する第４の光を発生し、かつ、第４の光が発光素子１０１に帰還するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）などの発光素子からの光を基本光として和周波光あるいは差周波光を発生させる光波長変換装置などに適した外部共振器型レーザ装置、およびその装置を用いた波長変換装置に関するものである。特には、レーザディスプレイや光記録、光計測用の光源などとして利用でき、出力の安定なレーザ光を出射する波長変換装置に関するものである。

非線形光学結晶を利用してＬＤ光を別の波長に変換する試みが様々行われている。この技術によれば、ＬＤとしては実用化に至っていない波長域、例えば緑色域や紫外域のレーザ光を発生させることが可能となり、レーザディスプレイや光記録用の光源としての応用が期待できる。特に、非線形光学結晶中に周期的分極反転領域を形成することで、任意の波長に対して位相整合させることが可能になり、波長に対する自由度が向上する。

しかし、例えば、分極反転領域を設けたＬｉＮｂＯ_３結晶を用いた第２高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ、：ＳＨＧ）の場合、波長および温度に対して敏感であり、半導体レーザからの基本光の波長が１ｎｍ変化しても変換効率はほとんど０になってしまい、また、約１度の温度変化で変換効率は半減してしまう。そのため、変換効率を安定化させる工夫が必要となる。例えば、特許文献１には外部共振器構造による波長安定化技術について開示されている。この例を図１７に示す。半導体レーザ７からのレーザ光は、コリメートレンズ９、偏光板１１、集光レンズ１０を通過して非線形光学結晶からなる基板１に入射される。基板１には、光導波部４、分極反転部３、回折格子５が集積化されている。半導体レーザ７の後ろ側の反射膜８および回折格子５を共振器ミラーとする外部共振器が構成されており、発振波長は回折格子５のブラッグ波長で決定され、そのスペクトル幅は０．１ｎｍ以下にできる。また、基板温度が変化した場合、分極反転部３での位相整合波長の波長シフトと回折格子５のブラッグ波長の波長シフトが生じるが、その温度係数は同符号である。よって、位相整合波長がシフトする方向に発振波長もシフトするため、外部共振器を用いない場合と比べて、温度変化による効率の変動を小さくできる。
特開平０５−２５７１８４号公報

しかしながら、上記のような外部共振器型半導体レーザにおいては、分極反転部の位相整合波長と回折格子のブラッグ波長を予め精度よく一致させておく必要があり、歩留まり低下、コスト高の要因となる。また、位相整合波長とブラッグ波長それぞれの温度に対する波長シフトの傾きは完全には一致していないため、温度が大きく変動した場合には、その波長差は無視できないものとなって第２高調波の出力低下の要因となる。したがって、出力を一定にするためには何らかの温度調節機構が必要とり、消費電力の増大、装置の大型化の要因となる。

上記課題を解決するために、本発明の外部共振器型レーザ装置は、第１の反射素子（本明細書において反射素子という場合、これには、単なるへき開端面の如きものも含まれる）、第１の波長を有する第１の光を発生する発光素子、第２の波長を有する第２の光を発生するレーザ、周期分極反転領域および光導波路を有する非線形光学結晶を有し、周期分極反転領域および光導波路は第１の光と第２の光とが擬似位相整合して第３の波長を有する第３の光を発生するように設計されており、光導波路中を一方向に第１の光と第２の光が伝搬して第３の光を発生するとともにそれとは逆の方向に第２の光と第３の光が伝搬して第１の波長を有する第４の光を発生し、かつ、第４の光が前記発光素子に帰還するように構成されている（より具体的には、光導波路中を一方向に第１の光と第２の光が伝搬して第３の光を発生するとともにそれとは逆の方向に第２の光と第３の光が伝搬して第１の波長を有する第４の光を発生するように集光素子や反射素子を含んだ光学系が設けられており、かつ、該光学系は第４の光が前記発光素子に帰還するように構成されている）ことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の波長変換装置は、上記の外部共振器型レーザ装置を波長変換用光源として用いたことを特徴とする。この用い方としては、前記非線形光学結晶に対して第１の光を入射する側の光路中に第３の波長の光を分離するダイクロイックミラーが挿入されて第３の波長の光を取り出すことが可能な構成としたり、前記非線形光学結晶とは異なる第２の非線形光学結晶を有し、前記外部共振器型レーザ装置から発生した第１の波長の光と、第２の波長を有する第５の光とを第２の非線形光学結晶に入射して第３の波長の光を発生させる構成としたり、前記非線形光学結晶中の光導波路の一部に溝が設けられており、溝の中に、第１の波長の光の各々に対して概略無反射、第２の波長の光に対して一部を透過、第３の波長の光のほとんどを反射する第７の反射素子が挿入されており、前記非線形光学結晶の第１の光を入射する側とは反対側の端面から第３の波長の光を取り出すことが可能な構成としたりする。

本発明によると、温度によらず非線形光学結晶の変換効率がほぼ最大になる波長に発振波長をロックすることが可能な外部共振器型半導体レーザ装置などの外部共振器型レーザ装置を実現できる。さらには、それを和周波発生用光源あるいは差周波発生用光源として用いることで、温度が変化しても和周波光あるいは差周波光の出力がほとんど変動しない、低消費電力化や小型化に適した構成を持つ波長変換装置を実現できる。

本発明による外部共振器型レーザ装置の代表的な形態の構成図を図１に示す。波長λ_１、λ_２の光から、それらの和周波光であるλ_３（＝１／（１／λ_１＋１／λ_２））の光に変換する場合を例に採り説明する。

図１中、１０１は波長λ_１の近傍に利得ピークを持つ光半導体、１０３は波長λ_１の光に対して高反射となる反射膜（第１の反射素子）、１０５は波長λ_１の光に対して概略無反射となる無反射膜（第２の反射素子ないし反射膜）、１０７はコリメートレンズ、１０９は波長板、１１１は集光レンズ、１１３は非線形光学結晶、１１５は非線形光学結晶１１３中に設けられた周期分極反転領域、１１７は非線形光学結晶１１３中に設けられた光導波路、１１９は波長λ_１、λ_２、λ_３の光の各々に対して概略無反射（１％以下）となる無反射膜（第３の反射素子ないし反射膜）、１２１は波長λ_１の光に対して概略無反射（１％以下）、波長λ_２、λ_３の光に対して高反射（この例では９０％以上）となる反射膜（第４の反射素子ないし反射膜）である。

また、１３１は発振波長λ_２の半導体レーザ、１３３はコリメートレンズ、１３５は光アイソレータ、１３７は波長板であり、１３９は波長λ_１の光を透過し、波長λ_２の光を反射するダイクロイックミラーである。

和周波変換が最適に生じるように非線形光学結晶１１３に入射する２つの光の偏光状態は波長板１０９、１３７によって調節されている。また、分極反転領域１１５の周期は、波長λ_１の光と波長λ_２の光とが波長λ_３の光に擬似位相整合するように設計されている。

上記構成において、光導波路１１７を光半導体１０１から発せられた第１の光と半導体レーザ１３１から発せられた第２の光が図中左から右に伝搬する間に波長λ_３の和周波光（第３の光）が発生する。この３つの光のうち第２、第３の光は反射膜１２１で反射され、第１の光は反射されない。反射された２つの光は、右から左に伝搬する間に第２、第３の光から波長λ_１の光（第４の光）へと差周波変換が生じる。この変換は擬似位相整合条件を満たす波長において強く、それから離れた波長の光ではほとんど変換されない。

その結果、非線形光学結晶１１３の左側の端面から出射された第４の光は、波長λ_１をピークとする強度分布を有している。この出射光を光半導体１０１に戻すことで外部共振器を構成し、波長λ_１で発振させることが可能となる。

これを図２の概念図を用いて説明する。図２（ａ）は光半導体１０１の活性層の利得の波長依存を示し、図２（ｂ）は非線形光学結晶１１３に入射した第１の光に対する結晶から出射される第４の光の割合を非線形反射率と定義したときの非線形反射率の波長依存を示す。このように非線形反射率はλ_１にピークを有しているため、この波長においてレーザの発振しきい値が最も小さくなり、この外部共振器型半導体レーザはこの波長で発振する（図２（ｃ））。

非線形反射率の計算結果を図３に示す。この図は、λ_１＝８０８ｎｍ、λ_２＝１５５０ｎｍ、λ_３＝５３１ｎｍとし、非線形光学結晶１１３としてＬｉＮｂＯ_３を用い、分極反転領域周期Λ＝７．１μｍ、光導波路断面積を２５μｍ^２、結晶に入射した第１、第２の光の強度を夫々１００ｍＷ、５０ｍＷ、光導波路損失を０．５ｄＢ／ｃｍ、反射膜１２１の反射率を第１の光に対して０％、第２、第３の光に対して１００％とした場合において非線形反射率を計算した結果を示す。このように設計波長８０８ｎｍに非線形反射率のピークが存在し、この波長でレーザ発振させることができる。また、このとき非線形光学結晶１１３の反射膜１２１から出射される和周波光の強度の波長依存を図４に示す。設計波長８０８ｎｍにおいて最大の和周波光が得られる。

次に、温度が変化した場合に外部共振型半導体レーザの発振波長がシフトする様子を図５の概念図を用いて説明する。図５（ａ）は光半導体１０１の活性層の利得、図５（ｂ）は非線形反射率の波長依存、図５（ｃ）は外部共振型半導体レーザの発振スペクトルを示す。或る温度において波長λ_１で発振している場合を点線で示してある。この状態から温度が上昇すると、実線で示すように、活性層の利得カーブ、非線形反射率のピーク波長はともに長波長側にシフトするが、前者の方が３倍程度温度係数が大きい。非線形反射率は、或る結晶温度における擬似位相整合条件を満たす波長において最大となり、この波長λ_１’で発振する。したがって、本発明による外部共振器型レーザ装置では、温度が変化しても常に擬似位相整合条件を満たすように発振波長がシフトすることになる。

一方、レーザ１３１からの第２の光の波長が変化した場合に外部共振型半導体レーザの発振波長がシフトする様子を図６の概念図を用いて説明する。図６（ａ）は光半導体１０１の活性層の利得、図６（ｂ）は非線形反射率の波長依存、図６（ｃ）は外部共振型半導体レーザの発振スペクトルを示す。設計波長λ_１＝８０８ｎｍ（図中点線）、λ_２＝１５５０ｎｍ（図中不図示）の場合、第２の光の波長が−１ｎｍ変化する（図中不図示）と、擬似位相整合する第１の光の波長は＋０．４ｎｍシフトし、それに追随して非線形反射率のピーク波長および外部共振型半導体レーザの発振波長もシフトする（図中実線）。したがって、本発明による外部共振器型レーザ装置では、レーザからの第２の光の波長が変化しても、常に擬似位相整合条件を満たすように発振波長がシフトすることになる。

したがって、この外部共振器型半導体レーザ装置を波長変換装置の光源に用いた場合、和周波光の出力は温度や第２の光の波長によらず一定にできる。

以上、波長λ_１、λ_２の光からそれらの和周波であるλ_３（＝１／（１／λ_１＋１／λ_２））に変換する場合を例にとり説明したが、λ_３を差周波（＝１／｜１／λ_１−１／λ_２｜）としても同様である。

また、上記構成における光半導体は、電流、光などによるエネルギー注入により所定の波長の第１の光を発生する有機材料などからなる発光素子に置き換えることもできる。さらに、無反射膜１１９は波長λ_１、λ_２、λ_３の光の各々に対して概略無反射となるよう設計されているが、その代わりに、端面を斜め研磨して反射光の光路をずらすことで実質的に無反射とすることも可能である。

また、非線形光学結晶に同じ側から第１の光、第２の光を入射しているが、それぞれ別々の端面から入射する構成も可能である。この構成では、それに応じて、非線形光学結晶の両端面の反射膜の反射率の波長依存を最適な状態に設定しておけばよい。またこの構成では、光半導体などの発光素子と非線形光学結晶の光導波路間の光結合については、レンズを用いる場合の他に、隣接して配置することによる、いわゆるbutt-coupling方式であってもよい。集光光学系としては、単レンズであっても複数のレンズからなるレンズ群であってもよく、凹面鏡や凸面鏡を含んでいてもよい。

本発明のより具体的な実施例を以下に説明する。
（実施例１）
本発明の第１の実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施例における外部共振器型半導体レーザ装置の模式的な構成図である。本実施例では、波長８０８ｎｍ、１５５０ｎｍの光からそれらの和周波である５３１ｎｍの光に変換する場合を示している。

図１において、１０１は、波長８０８ｎｍの近傍に利得ピークを持つＧａＡｓ系の活性層を有する光半導体であり、光半導体１０１の後ろ側の端面には波長８０８ｎｍ近傍の光を９５％以上反射する反射膜（第１の反射素子）１０３が成膜されている。光半導体１０１の前側端面には波長８０８ｎｍ近傍の光に対して概略無反射（反射率が１％以下）である無反射膜（第２の反射素子ないし反射膜）１０５が成膜されている。１１３は素子長１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＺカットＬｉＮｂＯ_３からなる非線形光学結晶であり、非線形光学結晶１１３中には周期分極反転領域１１５および光導波路１１７が設けられている。また、非線形光学結晶１１３の光半導体側端面には、波長８０８ｎｍ、１５５０ｎｍ、５３１ｎｍの光の各々に対して概略無反射となる無反射膜（第３の反射素子ないし反射膜）１１９が成膜され、その反対側の端面には、波長８０８ｎｍの光に対して概略無反射、波長１５５０ｎｍ、５３１ｎｍの光に対して９８％の反射率を有する反射膜（第４の反射素子ないし反射膜）１２１が成膜されている。

また、１３１は発振波長１５５０ｎｍのファブリペロー型の半導体レーザ、１３３はコリメートレンズ、１３５は光アイソレータ、１３７は波長板であり、１３９は波長８０８ｎｍの光を透過、波長１５５０ｎｍの光を反射するダイクロイックミラーである。

ここでの周期分極反転領域１１５は電界印加法を用いて形成されており、その周期Λは、波長８０８ｎｍの光と波長１５５０ｎｍの光とが波長５３１ｎｍの光に擬似位相整合するように設計されており、約７．１μｍである。また、光導波路１１７は、安息香酸中でプロトン交換しその後アニールすることで形成されている。導波モードパターンから推定される光導波路断面積は２８μｍ^２である。また、光半導体１０１から出射された第１の光は、コリメートレンズ１０７、波長板１０９、ダイクロイックミラー１３９、集光レンズ１１１を介して光導波路１１７へと導かれ、半導体レーザ１３１から発せられた第２の光はコリメートレンズ１３３、光アイソレータ１３５、波長板１３７、ダイクロイックミラー１３９、集光レンズ１１１を介して光導波路１１７へ導かれる。これらの光は、光導波路１１７中をＴＭモードで伝搬するように、波長板１０９、１３７によって偏光状態が調節されている。

このように構成された構造において、光導波路１１７を第１、第２の光が図中左から右に伝搬する間に第３の光である和周波光が発生する。この３つの光のうち、第２、第３の光は反射膜１２１で反射され、第１の光は反射されない。そして、反射された２つの光は、右から左に伝搬する間に第２、第３の光から波長８０８ｎｍの光（第４の光）へと差周波変換が生じる。この変換は擬似位相整合条件を満たす波長において強く、それから離れた波長の光ではほとんど変換されない。その結果、非線形光学結晶１１３の左側の端面から出射される第４の光は波長８０８ｎｍをピークとする強度分布を有している。この出射光は、集光レンズ１１１、ダイクロイックミラー１３９、波長板１０９、コリメートレンズ１０７を介して光半導体１０１に戻るので、外部共振器型半導体レーザ装置を波長８０８ｎｍで発振させることが可能となる。このとき、波長１５５０ｎｍの光の一部は半導体レーザ１３１に戻るが、これは光アイソレータ１３５によって減衰されるので半導体レーザ１３１の発振を不安定にすることはない。

本実施例では、半導体レーザ１３１から光導波路１１７にパワー３５ｍＷの第２の光を入力した場合、外部共振器型半導体レーザ装置のしきい値電流は５７ｍＡであり、光半導体１０１の注入電流３００ｍＡの場合に、反射膜１２１を通過したレーザ光パワーは７５ｍＷ、発振波長は結晶温度２５℃の場合で８０７．６ｎｍであった。また、結晶温度を変化させたところそれに追随して外部共振器型半導体レーザ装置の発振波長を変えることができ、その温度係数は０．１０ｎｍ／℃であった。この値は擬似位相整合波長の温度係数と一致していた。また、半導体レーザ１３１の温度を変えて第２の光の波長を−１ｎｍシフトして１５４９ｎｍとしたところ、外部共振器型半導体レーザ装置の発振波長は８０８．１ｎｍとなった。このシフト量は理論値とほぼ一致していた。したがって、結晶温度や第２の光の波長が変動しても、常に発振波長を擬似位相整合波長に合わせることが可能となった。その結果、温度制御が不要な、あるいは非常にラフな温度制御でよい半導体レーザ装置を実現することが可能となり、小型化、低消費電力化が可能となる。

本実施例においても、無反射膜１１９の代わりに、端面を斜め研磨することで実質的に無反射にする構成としてもよい。

（実施例２）
次に、本発明の第２の実施例について図面を用いて説明する。図７は、本発明の第２の実施例における外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。第１の実施例との違いは、反射膜１２１の代わりに結晶の外部に別の反射素子を設けていることである。その他の構成は第１の実施例とほとんど同様であり、詳細の説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。

図７において、非線形光学結晶１１３の光半導体１０１と反対側の端面には波長８０８ｎｍ、１５５０ｎｍ、５３１ｎｍの光の各々に対して概略無反射となる無反射膜２２１が成膜されている。また、２２３はコリメートレンズ、２２５は波長８０８ｎｍの光に対して概略無反射、波長１５５０ｎｍ、５３２ｎｍの光に対して９８％の反射率を有する平面ミラーである。この構成において、光導波路１１７を伝搬した第１、第２の光、および第３の光である和周波光は無反射膜２２１を通過し、平面ミラー２２５によって第１の光は反射されず、第２、第３の光は反射される。

第１の実施例では、非線形光学結晶１１３の両端面に性質の異なる反射膜を成膜する必要があったが、本実施例では同一の無反射膜でよいので、製造工程が簡略化できるという利点がある。また、本実施例において、コリメートレンズ２２３と平面ミラー２２５を用いる代わりに、所望の反射特性を持った凹面鏡構造としてもよい。また、無反射膜２２１の代わりに、端面を斜め研磨することで実質的に無反射とすることも可能である。

（実施例３）
次に、本発明の第３の実施例について図面を用いて説明する。図８は、本発明の第３の実施例における外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。第１の実施例との違いは、第２の光を発生するレーザとしてＤＦＢ型半導体レーザを用いていることである。その他の構成は第１の実施例とほとんど同様であり、詳細の説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。

図８中、３０１は発振波長１５５０ｎｍのＤＦＢ型半導体レーザであり、３０３および３０５はＤＦＢレーザの両端面に設けられた無反射膜、３０７はＤＦＢレーザの活性層近傍に設けられた回折格子である。図８において、ＤＦＢ型半導体レーザ３０１を立体的に描いているが、これは回折格子３０７を分かり易くするためである。

一般に、ＤＦＢレーザは、戻り光がある場合でも発振波長がほとんど変化しないという特性を有している。したがって、本実施例においては、光アイソレータを除去することができるので小型化に有利である。また、第２の光のスペクトル幅が第１の実施例に比べて狭いので、より効率よく波長変換を行うことができる。

本実施例において、ＤＦＢ型半導体レーザ３０１から光導波路１１７にパワー２５ｍＷの第２の光を入力した場合、外部共振器型半導体レーザ装置のしきい値電流は５２ｍＡであり、光半導体１０１の注入電流３００ｍＡの場合に、反射膜１２１を通過したレーザ光パワーは８２ｍＷとなった。また、外部共振器型半導体レーザ装置の結晶温度依存や第２の光波長依存特性は第１の実施例とほぼ同一の結果となった。

本実施例において、ＤＦＢ型半導体レーザの代わりにＤＢＲ型半導体レーザを用いてもよい。

（実施例４）
次に、本発明の第４の実施例について図面を用いて説明する。図９は、本発明の第４の実施例における外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。第１の実施例との違いは、第２の光を発生するレーザとして固体レーザを用いていることである。その他の構成は第１の実施例とほとんど同様であり、詳細の説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。

図９中、４０１は発振波長１０６４ｎｍの固体レーザであり、４０３は励起用半導体レーザ、４０５はＮｄドープＹＶＯ_４からなるレーザ結晶である。本実施例では、第２の光の波長を変えているので、それに応じて、反射膜の構成や非線形光学結晶１１３中の光導波路１１７の形状、周期分極反転領域１１５の周期は最適に設計されている。

本実施例では、第２の光を発生するレーザとして固体レーザ４０１を用いているので、戻り光に強く光アイソレータを不要にできる。また、第２の光のスペクトル幅も非常に狭いので、より効率よく波長変換を行うことができる。

以上の実施例では、非線形光学結晶１１３の一方の端面から第１の光、第２の光を入射する場合を示したが、以下の実施例は第１の光、第２の光を結晶の別々の端面から入射する例を示す。

（実施例５）
以下、本発明の第５の実施例について図面を用いて説明する。図１０は、本発明の第５の実施例における外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。第１の実施例との違いは、第２の光を発生するレーザとしてＤＦＢ型半導体レーザを用いていることと、第１の光、第２の光を非線形光学結晶の別々の端面から入射していることである。その他の構成は第１の実施例とほとんど同様であり、詳細の説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。

図１０中、５０１は発振波長１５５０ｎｍのＤＦＢ型半導体レーザであり、５０３および５０５はＤＦＢレーザの両端面に設けられた無反射膜、５０７はＤＦＢレーザの活性層近傍に設けられた回折格子である。また、５０９はコリメートレンズ、５１１は波長板、５１３は集光レンズである。１１３は素子長１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＺカットＬｉＮｂＯ_３からなる非線形光学結晶であり、非線形光学結晶１１３中には周期分極反転領域１１５および光導波路１１７が設けられている。また、非線形光学結晶１１３の光半導体１０１側の端面には波長８０８ｎｍ、５３１ｎｍの光に対して概略無反射、波長１５５０ｎｍの光に対して９８％の反射率を有する反射膜（第５の反射素子ないし膜）５１９が成膜されており、その反対側の端面には、波長８０８ｎｍ、１５５０ｎｍの光に対して概略無反射、波長５３１ｎｍの光に対して９８％の反射率を有する反射膜（第６の反射素子ないし膜）５２１が成膜されている。５１５は、波長８０８ｎｍの光を反射、波長１５５０ｎｍの光を透過するダイクロイックミラーである。

光半導体１０１から出射された第１の光はコリメートレンズ１０７、波長板１０９、集光レンズ１１１を介して図１０中左側の結晶端面から光導波路１１７へと導かれ、ＤＦＢ型半導体レーザ５０１から発せられた第２の光はコリメートレンズ５０９、波長板５１１、ダイクロイックミラー５１５、集光レンズ５１３を介して右側の結晶端面から光導波路１１７へ導かれる。これらの光は、光導波路１１７中をＴＭモードで伝搬するように波長板１０９、５１１によって偏光状態が調節されている。

上記の構成において、非線形光学結晶１１３に入射した第１の光と反射膜５１９で折り返された第２の光が光導波路１１７中を図中左から右に伝搬する間に第３の光である和周波光が発生する。この３つの光のうち反射膜５２１で反射された第３の光と、結晶に入射した第２の光とが光導波路１１７中を右から左に伝搬する間に、第２、第３の光から波長８０８ｎｍの光（第４の光）へと差周波変換が生じる。この変換は擬似位相整合条件を満たす波長において強く、それから離れた波長の光ではほとんど変換されない。その結果、非線形光学結晶１１３の左側の端面から出射された第４の光は波長８０８ｎｍをピークとする強度分布を有している。この出射光は、集光レンズ１１１、波長板１０９、コリメートレンズ１０７を介して光半導体１０１に戻るので、外部共振器型半導体レーザ装置を波長８０８ｎｍで発振させることが可能となる。発振した波長８０８ｎｍのレーザ光は、ダイクロイックミラー５１５で反射され外部に取り出すことができる。波長１５５０ｎｍの光の一部はＤＦＢ型半導体レーザ５０１に戻るが、これはこのレーザは戻り光に強いので発振を不安定にすることはない。

本実施例において、ＤＦＢ型半導体レーザ５０１から光導波路１１７にパワー２５ｍＷの第２の光を入力した場合、外部共振器型半導体レーザ装置のしきい値電流は５３ｍＡであり、光半導体１０１の注入電流３００ｍＡの場合に、ダイクロイックミラー５１５で反射して得られた光パワーは７８ｍＷとなった。また、外部共振器型半導体レーザ装置の結晶温度依存や第２の光波長依存特性は第１の実施例とほぼ同一の結果となった。本実施例では、光学系を直線状に配置できるという特長がある。

（実施例６）
次に、本発明の第６の実施例について図面を用いて説明する。図１１は、本発明の第６の実施例における外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。第５の実施例との違いは、光半導体１０１と非線形光学結晶１１３の光結合にレンズを用いず、端面を直接隣接させて結合を行う、いわゆるbutt-coupling方式を用いていることである。その他の構成は第５の実施例とほとんど同様であり、詳細の説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。

光導波路１１７を第１の光がＴＥモードで伝搬する場合、ほとんど波長変換が起きないので非線形反射率には波長ピークが存在しない。一方、ＴＭモードで伝搬する場合は波長変換が起きるため、波長ピークを有する非線形反射率となる。すなわち、ＴＭモードの特定波長が強く光半導体１０１に戻ることになる。よって、本実施例の外部共振器型半導体レーザ装置はＴＭモードで発振し、第５の実施例で用いた波長板は不要となる。

本実施例では、第５の実施例に比べ小型軽量化を図ることができる。また、光半導体基板と非線形光学結晶基板の各面が直交するように実装すれば、ＴＥモードで発振したレーザ光が光導波路１１７にＴＭモードで結合するようにもできる。また、ＺカットＬｉＮｂＯ_３の代わりにＸカットＬｉＮｂＯ_３を用いることで、ＴＥモードで伝搬させたときに非線形光学定数が最大になるような構成としてもよい。

以下の実施例では、上で述べた外部共振器型レーザ装置を波長変換装置に応用した例を示す。

（実施例７）
以下、本発明の第７の実施例について図面を用いて説明する。図１２は、本発明の第７の実施例における波長変換装置の模式的な構成図である。外部共振器型半導体レーザ装置は第３の実施例と同様であり、詳細な説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。本実施例では、第３の実施例による外部共振器型半導体レーザ装置に和周波光を取り出すためのダイクロイックミラーを付加した例である。

図１２中、７０１は波長８０８ｎｍの光を透過し、波長５３１ｎｍの光を反射するダイクロイックミラーである。動作原理は第１、第３の実施例と同様である。非線形光学結晶１１３を往復して無反射膜１１９より出射された波長５３１ｎｍを有する和周波光を、ダイクロイックミラー７０１によって共振器の外に取り出すことが可能となる。

本実施例による波長変換装置を駆動したところ、ＤＦＢ型半導体レーザ３０１から光導波路１１７にパワー２５ｍＷの第２の光を入力した場合、外部共振器型半導体レーザ装置のしきい値電流は５４ｍＡであり、光半導体１０１の注入電流３００ｍＡの場合に、反射膜１２１を通過したレーザ光パワーは８０ｍＷ、発振波長は結晶温度２５℃の場合で８０７．８ｎｍであり、ダイクロイックミラー７０１によって取り出された和周波光のパワーは１７ｍＷであった。また、結晶温度を変化させたところそれに追随して発振波長、和周波光の波長もシフトしたが、ダイクロイックミラー７０１で取り出された和周波光のパワーはほぼ一定であり、±２０℃の変化でも和周波光のパワー変動は１ｍＷ以下であった。また、ＤＦＢ型半導体レーザ３０１の温度を変えて第２の光の発振波長を±０．５ｎｍシフトさせたが、ダイクロイックミラー７０１で取り出された和周波光のパワー変動は０．５ｍＷ以下であった。よって、温度制御が不要な、あるいは非常にラフな温度制御で、出力の安定な波長変換装置を実現することが可能となった。

（実施例８）
次に、本発明の第８の実施例について図面を用いて説明する。図１３は、本発明の第８の実施例における波長変換装置の模式的な構成図である。外部共振器型半導体レーザ装置は第３の実施例と同様であり、詳細な説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。本実施例では、第３の実施例による外部共振器型半導体レーザ装置に第２の非線形光学結晶を付加した例である。

図１３中、８０７は反射膜１２１から出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ、８１１は集光レンズである。８１３は素子長１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＺカットＬｉＮｂＯ_３からなる第２の非線形光学結晶であり、第２の非線形光学結晶８１３中には周期分極反転領域８１５および光導波路８１７が設けられている。また、第２の非線形光学結晶８１３の両端面には波長８０８ｎｍ、１５５０ｎｍおよび波長５３１ｎｍの光のそれぞれに対して概略無反射となる無反射膜８１９、８２１が成膜されている。８２３は赤外光を吸収する波長フィルタである。

また、８２５はハーフミラー、８２７は全反射ミラー、８０９は波長１５５０ｎｍの光を反射、波長８０８ｎｍの光を透過するダイクロイックミラーである。ＤＦＢ型半導体レーザ３０１から発生した第２の光のうち一部は、ハーフミラー８２５、全反射ミラー８２７、ダイクロイックミラー８０９を介して、反射膜１２１から出射された第１の光ともに第２の非線形光学結晶８１３に入射する。非線形光学結晶１１３と第２の非線形光学結晶８１３は反射膜を除いて同一プロセスが施されており、周期分極反転領域１１５、８１５の構造および光導波路１１７、８１７の構造はほとんど同一であり、温度依存や波長依存のパラメータもほぼ等しい。また、２つの結晶は比較的近い位置に配置されているので温度差も非常に小さい。よって、外部共振器型半導体レーザ装置の発振波長は結晶温度によらずに第２の非線形光学結晶８１３の擬似位相整合波長と等しくなる。その結果、結晶温度によらず和周波光の出力をほぼ一定にできる。

本実施例による波長変換装置を駆動したところ、ＤＦＢ型半導体レーザ３０１から２つの光導波路１１７、８１７にそれぞれパワー１５ｍＷの第２の光を入力した場合、外部共振器型半導体レーザ装置のしきい値電流は６２ｍＡであり、注入電流３００ｍＡの場合に、反射膜１２１を通過したレーザ光パワーは７０ｍＷ、発振波長は結晶温度２５℃の場合で８０７．８ｎｍであり、波長フィルタ８２３を通過した和周波光のパワーは７ｍＷであった。また、結晶温度を変化させたところそれに追随して発振波長、和周波光波長もシフトしたが、和周波光のパワーはほぼ一定であり、±２０℃の変化でも波長フィルタ８２３を通過した和周波光のパワー変動は０．５ｍＷ以下であった。よって、温度制御が不要な、あるいは非常にラフな温度制御で、出力の安定な波長変換装置を実現することが可能となった。

本実施例において、無反射膜８１９、８２１の代わりに、端面を斜め研磨することで実質的に無反射にする構成としてもよい。

（実施例９）
次に、本発明の第９の実施例について図面を用いて説明する。図１４は、本発明の第９の実施例における波長変換装置の模式的な構成図である。外部共振器型半導体レーザ装置は第３の実施例と同様であり、詳細な説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。本実施例では、第３の実施例による外部共振器型半導体レーザ装置の非線形光学結晶の一部に切り込み溝を設け、その溝に反射素子（第７の反射素子）を挿入して和周波光を取り出すことを可能にした例である。

図１４中、９１３は素子長１５ｍｍ、厚さ１ｍｍのＺカットＬｉＮｂＯ_３からなる非線形光学結晶であり、非線形光学結晶９１３中には周期分極反転領域９１５および光導波路９１７が設けられている。さらに、非線形光学結晶９１３の中央付近に切り込み溝９０１が形成されており、その溝９０１に、波長８０８ｎｍの光に対して概略無反射、波長１５５０ｎｍの光に対して５０％、５３１ｎｍの光に対して９８％の反射率を有する平面ミラー（第７の反射素子）９２１が挿入されている。また、非線形光学結晶９１３の両端面には波長８０８ｎｍ、１５５０ｎｍ、５３１ｎｍの光の各々に対して概略無反射となる無反射膜９１９、９２３が成膜されている。切り込み溝９０１に分断された周期分極反転領域および光導波路には、それぞれ９１５’、９１７’の番号が付されている。図１４において、非線形光学結晶９１３を立体的に描いているが、これは切り込み溝９０１を分かり易くするためである。９２５は、赤外光を吸収する波長フィルタである。

上記構成において、光導波路９１７を第１、第２の光が図１４中左から右に伝搬する間に第３の光である和周波光が発生する。第２の光の一部と第３の光のほとんどが平面ミラー９２１で反射され、光導波路９１７を右から左に伝搬する間に第４の光である差周波光への変換が生じる。この変換は擬似位相整合条件を満たす波長において強く、それから離れた波長の光ではほとんど変換されない。その結果、非線形光学結晶９１３の左側の端面から出射された第４の光は波長８０８ｎｍをピークとする強度分布を有している。この出射光は、集光レンズ１１１、ダイクロイックミラー１３９、波長板１０９、コリメートレンズ１０７を介して光半導体１０１に戻るので、外部共振器型半導体レーザ装置を波長８０８ｎｍで発振させることが可能となる。

平面ミラー９２１を通過した第１、第２の光は光導波路９１７’を伝搬し、和周波光が発生する。発生した和周波光は波長フィルタ９２５を通過して外部に取り出される。本実施例において、周期分極反転領域９１５、９１５’の構造および光導波路９１７、９１７’の構造はほとんど同一であり、温度依存や波長依存のパラメータもほぼ等しい。また、同一結晶上に形成されているので温度差もほとんどない。よって、外部共振器型半導体レーザの発振波長は結晶温度によらずに非線形光学結晶９１３の擬似位相整合波長と等しくなる。その結果、結晶温度によらず、波長フィルタ９２５を通過して取り出される和周波光の出力をほぼ一定にできる。

本実施例では、第８に実施例に比べ、構成部材が少なくてよく小型軽量化を図ることができる。さらに、同一の結晶を２つに分けて一方を非線形反射率形成のために用い、他方を波長変換に用いているので、２つの結晶を用いている場合と比べ、結晶温度による和周波光のパワー変動をより小さくすることができる。

（実施例１０）
次に、本発明の第１０の実施例について図面を用いて説明する。図１５は、本発明の第１０の実施例における波長変換装置の模式的な構成図である。外部共振器型半導体レーザ装置は第５の実施例と同様であり、詳細な説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。本実施例では、第５の実施例による外部共振器型半導体レーザ装置に和周波光を取り出すためのダイクロイックミラーを付加した例である。

図１５中、１０１５は波長８０８ｎｍの光を透過し、波長５３１ｎｍの光を反射するダイクロイックミラーである。また、第５の実施例におけるダイクロイックミラー５１５はここでは不要なので除去してある。

動作原理は第５の実施例と同様である。非線形光学結晶１１３を往復して反射膜５１９より出射された波長５３１ｎｍを有する和周波光をダイクロイックミラー１０１５によって共振器の外に取り出すことが可能となる。

本実施例において、ＤＦＢ型半導体レーザ５０１から光導波路１１７にパワー２５ｍＷの第２の光を入力した場合、外部共振器型半導体レーザ装置のしきい値電流は５３ｍＡであり、光半導体１０１の注入電流３００ｍＡの場合に、ダイクロイックミラー１０１５によって取り出された和周波光のパワーは１６ｍＷであった。また、和周波光パワーの結晶温度依存や第２の光波長依存特性は第７の実施例とほぼ同一の結果となった。本実施例では、光学系を直線状に配置できるという特長がある。

（実施例１１）
次に、本発明の第１１の実施例について図面を用いて説明する。図１６は、本発明の第１１の実施例における波長変換装置の模式的な構成図である。外部共振器型半導体レーザ装置は第５の実施例と同様であり、詳細な説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付する。本実施例では、第５の実施例による外部共振器型半導体レーザ装置に第２の非線形光学結晶を付加した例である。

図１６中、集光レンズ５１３は反射膜５２１から出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズとして働く。１１１１は集光レンズである。１１１３は素子長１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＺカットＬｉＮｂＯ_３からなる第２の非線形光学結晶であり、第２の非線形光学結晶１１１３中には周期分極反転領域１１１５および光導波路１１１７が設けられている。また、第２の非線形光学結晶１１１３の両端面には、波長８０８ｎｍ、１５５０ｎｍおよび波長５３１ｎｍの光のそれぞれに対して概略無反射となる無反射膜１１１９、１１２１が成膜されている。１１２３は赤外光を吸収する波長フィルタである。

また、１１２５はハーフミラー、１１２７、１１２９は全反射ミラー、５１５は波長１５５０ｎｍの光を透過、波長８０８ｎｍの光を反射するダイクロイックミラーである。ＤＦＢ型半導体レーザ５０１から発生した波長１５５０ｎｍの第２の光のうち一部は、ハーフミラー１１２５、全反射ミラー１１２９、ダイクロイックミラー５１５を介して、反射膜５２１から出射された第１の光とともに第２の非線形光学結晶１１１３に入射する。第２の光の残りは、ハーフミラー１１２５、全反射ミラー１１２７、ダイクロイックミラー５１５を介して、非線形光学結晶１１３に入射し非線形反射率を生成するのに用いられる。非線形光学結晶１１３と第２の非線形光学結晶１１１３は反射膜を除いて同一プロセスが施されており、周期分極反転領域１１５、１１１５の構造および光導波路１１７、１１１７の構造はほとんど同一であり、温度依存や波長依存のパラメータもほぼ等しい。また、２つの結晶は比較的近い位置に配置されているので温度差も非常に小さい。よって、外部共振器型半導体レーザの発振波長は、結晶温度によらずに第２の非線形光学結晶１１１３の擬似位相整合波長と等しくなる。その結果、結晶温度によらず、波長フィルタ１１２３を通過して取り出される和周波光の出力をほぼ一定にできる。

本実施例による波長変換装置を駆動したところ、ＤＦＢ型半導体レーザ５０１から２つの光導波路１１７、１１１７にそれぞれパワー１５ｍＷの第２の光を入力した場合、外部共振器型半導体レーザ装置のしきい値電流は６５ｍＡであり、注入電流３００ｍＡの場合に、反射膜５２１を通過したレーザ光パワーは６６ｍＷ、発振波長は結晶温度２５℃の場合で８０７．８ｎｍであり、波長フィルタ１１２３を通過した和周波光のパワーは６．６ｍＷであった。また、結晶温度を変化させたところそれに追随して発振波長、和周波光波長もシフトしたが、波長フィルタ１１２３を通過して取り出される和周波光のパワーはほぼ一定であり、±２０℃の変化でも和周波光のパワー変動は０．５ｍＷ以下であった。よって、温度制御が不要な、あるいは非常にラフな温度制御で、出力の安定な波長変換装置を実現することが可能となった。

（その他の実施例）
上記した複数の実施例では、第１の光、第２の光から和周波光を発生させる例を示したが、これに限ったものではなく、差周波光を発生させてもよい。さらに、上記実施例では、第２の光の波長を１５５０ｎｍ、第１の光（外部共振器型半導体レーザによる光）の波長を８０８ｎｍとした例を中心に述べたが、これらの波長は逆であってもよい。また、第２の光、第１の光は上記の例に限らず、紫外域、可視域、赤外域など様々な波長域を選択することができる。

また、上記した複数の実施例では、非線形光学材料としてＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）を用いた例を示しているがその他の材料、例えば、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）、ＬｉＴａＯ_３（ＬＴ）、ＫＮｂＯ_３（ＫＮ）などの強誘電体結晶や、その他の有機非線形結晶などを用いることができる。光導波路形成についても、プロトン交換によるものだけでなく、物理的あるいは化学的エッチングによるリッジ加工によるものなどであってもよい。

本発明の第１の実施例の外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。 発振波長を説明する図である。 非線形反射率と第１の光の波長の関係を示す図である。 和周波光強度の第１の光の波長の関係を示す図である。 温度が変化した場合の発振波長シフトを説明する図である。 第２の光の波長が変化した場合の発振波長シフトを説明する図である。 本発明の第２の実施例の外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。 本発明の第３の実施例の外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。 本発明の第４の実施例の外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。 本発明の第５の実施例の外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。 本発明の第６の実施例の外部共振器型レーザ装置の模式的な構成図である。 本発明の第７の実施例の波長変換装置の模式的な構成図である。 本発明の第８の実施例の波長変換装置の模式的な構成図である。 本発明の第９の実施例の波長変換装置の模式的な構成図である。 本発明の第１０の実施例の波長変換装置の模式的な構成図である。 本発明の第１１の実施例の波長変換装置の模式的な構成図である。 従来の光波長変換装置の模式的な構成図である。

符号の説明

１０１ 光半導体（発光素子）
１０３ 第１の反射素子（反射膜）
１１３、８１３、９１３、１１１３ 非線形光学結晶（第２の非線形光学結晶）
１１５、８１５、９１５、９１５’、１１１５ 周期分極反転領域
１１７、８１７、９１７、９１７’、１１１７ 光導波路
１３１、３０１、４０１、５０１ レーザ（半導体レーザ、ＤＦＢ型半導体レーザ、固体レーザ）

Claims (15)

1. 第１の反射素子、第１の波長を有する第１の光を発生する発光素子、第２の波長を有する第２の光を発生するレーザ、周期分極反転領域および光導波路を有する非線形光学結晶を有し、前記周期分極反転領域および前記光導波路は第１の光と第２の光とが擬似位相整合して第３の波長を有する第３の光を発生するように設計されており、前記光導波路中を一方向に第１の光と第２の光が伝搬して第３の光を発生するとともにそれとは逆の方向に第２の光と第３の光が伝搬して第１の波長を有する第４の光を発生し、かつ、第４の光が前記発光素子に帰還するように構成されていることを特徴とする外部共振器型レーザ装置。
2. 第３の光は第１の光と第２の光の和周波あるいは差周波となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型レーザ装置。
3. 前記発光素子は光半導体であり、光半導体の非線形光学結晶側の端面には、第２の反射素子として、第１の波長の光に対して概略無反射となる第２の反射膜が形成されており、反対側の端面には、前記第１の反射素子として、第１の波長の光に対して高反射率となる第１の反射膜が形成されており、第１の反射膜が外部共振器の一方のミラーを構成していることを特徴とする請求項２に記載の外部共振器型レーザ装置。
4. 第１の光と第２の光を前記非線形光学結晶の同じ側から光導波路に入射するように構成されており、前記非線形光学結晶の光を入射する側の端面は第１、第２、第３の波長の光の各々に対して概略無反射となる第３の反射膜が形成されているか、あるいは実質無反射となるように斜め研磨されており、かつ、前記非線形光学結晶の光を入射するのと反対側に、第１の波長の光に対しては概略無反射、第２、第３の波長の光に対しては高反射となる反射率を有した第４の反射素子が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の外部共振器型レーザ装置。
5. 前記第４の反射素子は前記非線形光学結晶の端面に形成された第４の反射膜であることを特徴とする請求項４に記載の外部共振器レーザ装置。
6. 第１の光と第２の光を前記非線形光学結晶の別々の端面から光導波路に入射するように構成されており、前記非線形光学結晶の第１の光を入射する側の端面は第１、第３の波長の光の各々に対して概略無反射、第２の波長の光に対して高反射となる第５の反射膜が形成されており、かつ、前記非線形光学結晶の第２の光を入射する側の端面は第１、第２の波長の光の各々に対して概略無反射、第３の波長の光に対して高反射となる第６の反射膜が形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の外部共振器型レーザ装置。
7. 前記非線形光学結晶と前記レーザとの間の光路中に、第１の波長の光と第２の波長の光を分離するダイクロイックミラーが挿入されて第１の波長の光を取り出すことが可能な構成を有していることを特徴とする請求項６に記載の外部共振器型レーザ装置。
8. 第１の光が前記非線形光学結晶に直接光結合するように前記発光素子と前記非線形光学結晶が近接配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載の外部共振器型レーザ装置。
9. 第２の光を発生するレーザは半導体レーザあるいは固体レーザであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の外部共振器型レーザ装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の外部共振器型レーザ装置を波長変換用光源として用いたことを特徴とする波長変換装置。
11. 前記非線形光学結晶に対して第１の光を入射する側の光路中に第３の波長の光を分離するダイクロイックミラーが挿入されて第３の波長の光を取り出すことが可能な構成を有していることを特徴とする請求項１０に記載の波長変換装置。
12. 前記非線形光学結晶とは異なる第２の非線形光学結晶を有し、前記外部共振器型レーザ装置から発生した第１の波長の光と、第２の波長を有する第５の光とを前記第２の非線形光学結晶に入射して第３の波長の光を発生させる構成を有していることを特徴とする請求項１１に記載の波長変換装置。
13. 前記非線形光学結晶および前記第２の非線形光学結晶は同材料で構成されており、それらの中に同形状の周期分極反転領域と光導波路が設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の波長変換装置。
14. 第２の光と第５の光はともに前記レーザから発せられた光であることを特徴とする請求項１２に記載の波長変換装置。
15. 前記非線形光学結晶中の光導波路の一部に溝が設けられており、前記溝の中に、第１の波長の光の各々に対して概略無反射、第２の波長の光に対して一部を透過、第３の波長の光のほとんどを反射する第７の反射素子が挿入されており、前記非線形光学結晶の第１の光を入射する側とは反対側の端面から第３の波長の光を取り出すことが可能な構成を有していることを特徴とする請求項１０に記載の波長変換装置。

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