JP2006330661A - 光波長変換素子および光波長変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光波長変換素子において、非点格差の大きな基本波が入射する場合に、非線形光学結晶の周期分極反転構造を有するチャンネル光導波路への光結合量が減少しないようにすることを目的としている。
【解決手段】 光波長変換素子において、非線形光学結晶の周期分極反転構造を有するチャンネル光導波路と、前記チャンネル光導波路に接続され、前記非線形光学結晶の周期分極反転構造に対応する基本波の一方向の横モードを制御するスラブ光導波路と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

この発明は、光情報処理分野等において、例えばレーザディスプレイ装置や光メモリ装置などの光源に使用される光波長変換素子に関するものである。

近年、例えばレーザディスプレイ装置の三原色（青色、緑色、赤色）の光源に使用されるような可視光レーザが求められている。このようなレーザ光源の一種として、基本波としてのレーザ光を、擬似位相整合した周期分極反転構造を有する非線形光学結晶により、基本波に対して半分の波長（２倍の周波数）をもつ第二高調波に波長変換する波長変換素子を用いたものが知られている（例えば特許文献１参照）。

この従来の光波長変換素子は、非線形光学結晶内に周期的に分極を反転させたシングルモード光導波路内で第二高調波を発生させる光導波路型光波長変換素子において、分極反転光導波路に光を容易に結合させるために光入射端面側の光導波路径が大きく分極反転光導波路側が小さいテーパ光導波路により周期分極反転光導波路に結合させるようにしたものである。

特開平７−２７０８３９号公報

特許文献１に開示された従来の光波長変換素子は、テーパ光導波路の光導波路径が、幅・深さともに徐々に小さくなるようにしているので、伝播方向に垂直方向（横方向）の向きによってビーム集光位置に格差ができる現象である非点格差が大きな基本波が入射すると、モード不整合に起因するテーパ光導波路との結合損失が増大し、分極反転光導波路への光結合量が減少してしまうという問題点があった。

また、特許文献１に開示された従来の光波長変換素子は、テーパ光導波路の光導波路径が、幅・深さともに徐々に小さくなるようにしているので、伝播方向に垂直方向（横方向）の向きによってビーム集光位置に格差ができる現象である非点格差の変化が大きな基本波が入射すると、像点に配置されたテーパ光導波路とのモード不整合に起因する結合損失が変化し、分極反転光導波路への光結合量が変化して、第二高調波への変換効率が変動するという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、光波長変換素子において、非点格差が大きな基本波が入射する場合に、非線形光学結晶の周期分極反転構造を有するチャンネル光導波路への光結合量が減少しないようにすることを目的としている。

また、この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、光波長変換素子において、非点格差の変化が大きな基本波が入射する場合に、非線形光学結晶の周期分極反転構造を有する光導波路への光結合量が変化することを抑えることを目的としている。

この発明に係る光波長変換素子は、非線形光学結晶の周期分極反転構造を有するチャンネル光導波路と、前記チャンネル光導波路に接続され、前記非線形光学結晶の周期分極反転構造に対応する基本波の一方向の横モードを制御するスラブ光導波路と、を備えたものである。

また、この発明に係る光波長変換器は、非線形光学結晶の周期分極反転構造を有するスラブ光導波路であって、この非線形光学結晶の周期分極反転構造に対応する基本波の一方向の横モードを制御するスラブ光導波路を有する光波長変換素子と、前記非線形光学結晶の周期分極反転構造に対応する基本波の一方向の横モードを制御する光導波路としてのフレア形状の活性層を有し、このフレア形状の活性層で増幅された基本波を出力する光半導体素子と、前記光半導体素子で出力された基本波を前記光波長変換素子の非線形光学結晶の周期分極反転構造に光学結合させる光学結合手段と、を備え、前記光波長変換素子と前記光半導体素子と前記光学結合手段とは、前記フレア形状の活性層で制御される基本波の一方向の横モードと前記スラブ光導波路で制御される基本波の一方向の横モードとが結合するように配置されたものである。

この発明は、光波長変換素子において、非点格差が大きな基本波が入射する場合に、非線形光学結晶の周期分極反転構造を有するチャンネル光導波路への基本波の光結合量の減少を抑えることができる。

また、この発明は、光波長変換素子において、非点格差の変化が大きな基本波が入射する場合に、非線形光学結晶の周期分極反転構造を有する光導波路への基本波の光結合量の変化を抑えることができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１による光波長変換素子は、非線形光学結晶基板の周期分極反転構造を有するとともに基本波と第二高調波の横モードを基本モードに制御するリッジ型のチャンネル光導波路と、このチャンネル光導波路に結合される基本波における基板に垂直方向の横モードを最低次モードに制御するスラブ光導波路とを基板に一体形成するように構成したので、非点格差が大きな基本波が入射する場合に、スラブ光導波路により非点格差が補償され、チャンネル光導波路への基本波の光結合量の減少を抑制することができるものである。

図１はこの発明の実施の形態１による波長変換素子を用いる光源の構成を示す上面図、図２はその断面図、図３は波長変換素子を第二高調波の出射側から見た側面図である。図において、１は半導体レーザダイオード素子、２は偏波面保存ファイバ、３は半導体光増幅器、４は基本波、５はレンズ、６は波長変換素子、７は第二高調波である。

次に、詳細な構成と動作について説明する。
半導体レーザダイオード素子１は、光導波路１ａを有するファブリペロー共振器型のレーザダイオード素子であり、青色である波長４５０ｎｍの２倍に対応する９００ｎｍ帯に利得の最大値を有し、光の取り出し効率を上げるため裏面に反射率９０％の高反射膜１ｂ、前面に反射率０．５％の低反射膜１ｃが施されており、半導体レーザダイオード素子１の単体では多縦モードで発振するものである。

また、半導体レーザダイオード素子１において、光導波路１ａは厚み方向には単一量子井戸活性層と光ガイド層とクラッド層とから構成され、単一横モードで発振する。一方、光導波路１ａは面方向には信頼性を向上させるために電流密度や光密度を比較的に低く抑える必要があり、幅の広いリッジ型光導波路が採用されている。従って、光導波路としての閉じ込めが緩いため、注入電流値が小さいときには基本モード、つまり単一横モードで励振されるが、注入電流値が大きくなり光密度が高くなると空間的ホールバーニング効果により高次モードが励振されやすいという特徴があり、使用する光出力まで基本モードが維持されるように４〜６μｍ程度の幅とされている。なお、偏波消光比（直交偏波成分の強度比）はレーザ発振の電流閾値以上で、素子の出射位置では２７ｄＢ近くになる。

次に、モードフィールド径６．６μｍの偏波面保存ファイバ２を採用し、そのコア部２ａに位相マスクを介して紫外線を照射することによりブラッグ回折格子２ｂを配設している。偏波面保存ファイバ２は伝搬モードであるＨＥ１１偶数モードとＨＥ１１奇数モードの伝搬速度を変えることで両モードの結合を防いでいるため、直線偏波の光を偏波面保存ファイバ２のスロー軸かファースト軸に一致させると直線偏波が維持される。一方、光導波路２ａの等価屈折率がファースト軸とスロー軸で若干異なることからブラッグ回折格子２ｂの反射ピーク波長がファースト軸とスロー軸でずれるが、ここでは曲げ損失に強くなるように電界方向をスロー軸に合わせており、偏波消光比は偏波面保存ファイバ２の固定時の応力で劣化するものの出射端でも２０ｄＢ以上となっている。

半導体レーザダイオード素子１の出射ビームは光導波路１ａが扁平であることからアスペクト比（ビームの楕円率）が大きく、円形の光導波路２ａを備えた偏波面保存ファイバ２と低損失で光学結合するために、偏波面保存ファイバ２の入射端面２ｃをくさび型レンズ加工しており、非対称レンズ系としてアスペクト比を補正している。

半導体レーザダイオード素子１の利得帯は単一量子井戸構造であるため波長依存性が比較的に緩やかであり、この利得帯の中にブラッグ回折格子２ｂの反射ピーク波長を設定すれば反射ピーク波長付近の利得が最大になり、半導体レーザダイオード素子１の発振波長が制御される。この複合共振器による縦モードは、半導体レーザダイオード素子１とブラッグ回折格子２ｂとの光学長による位相関係と、ブラッグ回折格子２ｂから半導体レーザダイオード１ヘの戻り光量との関係から、その縦モードは単一モード、多モード、コヒーレントコラプスモードなど多彩な状態で発振できる。ここでは、単一モードで発振するように、半導体レーザダイオード素子１の裏面反射率と前面反射率を夫々９０％と０．５％、共振器長を１．８ｍｍ、ブラッグ回折格子２ｂの反射率を３０％、反射帯域幅を０．４ｎｍ、結合効率を８０％として、特にブラッグ回折格子２ｂと半導体レーザダイオード素子１とを１０ｃｍ以下に近接させて配置することで縦モードを安定化させている。

次に、フレア型の半導体光増幅器３は、光導波路３ａの面方向の入射側活性層幅１０μｍ、出射側活性層幅１６０μｍ、フレア角度６度（光軸に対して３度）、チップ長さ１．５ｍｍ、屈折率３．５としている。また、フィラメント現象を防止するため、チップの両端面に反射防止膜３ｂを施している。なお、偏波面保存ファイバ２のコア２ａは円形であるため、出射端面２ｄをくさび型レンズ加工して、厚み方向には光導波路３ａの導波モードのスポット径１μｍと整合させ、面方向にはスポット径２μｍで入射させて空間伝播モードで半導体光増幅器３の活性層内を伝搬させ、光増幅するようにした。従って、この半導体光増幅器３の出力光としての基本波４では、厚み方向のスポット径が１μｍで、面方向のスポット径が２μｍであり、厚み方向と面方向とでビーム集光位置（ビームウエスト位置）に格差ができる現象である非点格差が０．４３ｍｍという大きなものとなる。

なお、光半導体増幅器３の活性層を利得飽和させるには入力部の面方向の光密度は約１ｍＷ／μｍ程度が目安となるが、結合系による損失を考えても光ファイバ端出力は十分である。入射光学系の損失が多少大きい場合でも、出射端面２ｄからのファイバ端出射光約１５０ｍＷ、順電流２．５Ａにおいて、約１Ｗの光出力の基本波４が得られる。半導体光増幅器３は、入力された光ビームが進行波増幅されるので、キャリアや熱によるレンズ効果を防止する工夫や動作条件を適宜に選択することで、回折限界光に近いビーム品質を維持したまま光増幅することができる。光増幅率は通常１０倍〜１００倍に設定されるが、ここでは光導波路３ａ内の電子密度や光子密度を下げて空間的ホールバーニングの発生を低減するために、入射光量や注入電流を調整している。

また、ここでは偏波面保存ファイバ２の直線偏光を、テーパ型の半導体光増幅器３の面方向に一致させて入力しており、出力としての基本波４はそのままの直線偏光として維持されている。ここでは、半導体レーザダイオード素子１から単一縦モードで発振している光を入射しているので、半導体光増幅器３は外部からの反射戻り光による影響を受けやすい状態であるものの、両端面の反射防止膜３ｂの反射率を０．１％以下にすることで、ビーム品質の良い大出力の基本波４が得られている。

次に、光波長変換素子６は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を５％添加したＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）からなる非線形光学結晶のＺカットの基板６ｈに強電界を印加することで、基本波と第二高調波が擬似位相整合する自発的な周期分極反転構造６ａが形成される。その基板６ｈを薄膜化した後、基本波と第２高調波がともに基板の厚み方向（垂直方向）に単一モード（最低次モード）で伝搬できるように、裏面側にＬｉＮｂＯ３よりも屈折率が小さいアルミナまたは二酸化珪素などからなるクラッド層６ｂを設けた上で別基板と接着し、表面側はリッジ型のチャンネル光導波路６ｃを形成するための溝６ｄを加工した後で、薄膜のクラッド層６ｂを配設している。

この溝加工は入射端面に達しておらず、入射端付近には基板の面方向（水平方向）には屈折率の閉じ込めがないスラブ型の導波構造をもつスラブ光導波路６ｅと、このスラブ光導波路６ｅに接続され、水平方向にも屈折率の閉じ込めがあるリッジ型の導波構造をもつチャンネル光導波路６ｃとが基板６ｈに一体形成される。このように、溝加工を入射端面に達しないようにするだけの簡単な工程により、光導波路の位置調整の工程などが不要で、少ない部品点数と少ない製造工程で経済的に作製可能である。

ここで、光波長変換素子６におけるチャンネル光導波路６ｃの長さを８．３ｍｍとしており、基本波や高調波が入射端面や出射端面から戻ると変換効率を落とすことや、基本波光源を不安定にすることがあるため、両端面には基本波と第二高調波とを透過させる反射防止膜６ｆを施している。そして、チャンネル光導波路６ｃに伝搬する基本波４が０．４Ｗの時に約０．１６Ｗの第二高調波７が出力され、波長変換効率は約４４％である。なお、ここではＺカット基板を使用しているので、半導体光増幅器３の偏波方向と波長変換素子６のＺ方向を一致させている。また、フォトリフラクティブ効果や光損傷は、ＬｉＮｂＯ３にＭｇＯを添加することで改善されており、この実施の形態１における光密度では劣化は観測されない。

また、光波長変換素子６におけるチャンネル導波路６ｃの基本横モードのスポット径は垂直方向および水平方向ともに約１．４μｍ、異常光線に対する屈折率は２．２８、スラブ導波路６ｅの長さは約０．９８ｍｍとしたので、非点格差は０．４３ｍｍとなる。

次に、本発明の特徴が発揮される光波長変換素子６における光結合について説明する。図１と図２に示すレンズ５は軸対称レンズであり、物点に配置された半導体光増幅器３の出力ビームとして基本波４は、前述の通り、面方向（ここでは垂直方向）のスポット径が２μｍ、厚み方向（ここでは水平方向）のスポット径が１μｍ、非点格差が０．４３ｍｍである。レンズ５の横倍率は１倍としたので、垂直方向はスラブ光導波路６ｅの入力端に結像し、水平方向はスラブ光導波路６ｅの出力端（すなわち光波長変換素子６内のチャンネル光導波路６ｃの入力端）に結像するので、スラブ光導波路６ｅにより、非点格差０．４３ｍｍが補償され、非点格差に起因するモード不整合が抑制されるという格別の効果が発揮されている。

なお、この実施の形態１においては、このチャンネル光導波路６ｃに結合されたビームのスポット径は１．４μｍなので、チャンネル光導波路６ｃの入射端ではスポット径の比は、垂直方向で２対１．４、水平方向で１対１．４とほぼバランスし、アスペクト比の差異に起因するモード不整合は若干残るものの、軸対称のレンズ５によるアスペクト補正のない簡単な光学系としては高い結合効率が得られる。

なお、実際には、光波長変換素子６のチャンネル光導波路６ｃは多モード伝搬を許容する構造をとる場合もあり、一方、波長変換は基本波と第二高調波が共に基本モードで励振された場合に行われるので、このような場合には、ある程度の輻射モード発生による波長変換効率の低下は致し方ない。結合効率の値はこの輻射モードや、チャンネル光導波路側面の形状やクラッド材での散乱による光導波路損失、Ｇｒｅｅｎ ｉｎｄｕｃｅｄ Ｉｎｆｒａ−ｒｅｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ現象などのために推定値となるが、実施の形態１においては、チャンネル光導波路６ｃからの光出力から予想して半導体光増幅器３の出力光としての基本波４の５０％近くはこのような簡単な光学系で結合している。

ところで、非線形光学結晶の端面には表面準位があるため光損傷を受けやすい。その光損傷に対し、スラブ光導波路６ｅへの入射面では水平方向に光が拡がって光密度を下げることができるので、入射端面の信頼性が向上するという別の効果もある。

以上のように、この発明の実施の形態１による光波長変換素子においては、非線形光学結晶基板の周期分極反転構造を有するリッジ型のチャンネル光導波路と、このチャンネル光導波路に結合される基本波における基板に垂直方向の横モードを最低次モードに保つように制御するスラブ光導波路とを基板に一体形成するように構成した。これにより、フレア型の半導体光増幅器で増幅された大出力で非点格差が大きな基本波が入射する場合に、スラブ光導波路で非点格差が補償され、チャンネル光導波路への基本波の光結合量の減少を抑制することができる。

さらに、この発明の実施の形態１による光波長変換素子においては、スラブ光導波路への入射面では水平方向に光が拡がって光密度を下げることができる。これにより、フレア型の半導体光増幅器で増幅された大出力で非点格差の大きな基本波が入射する場合に、非線形光学結晶端面における光損傷が抑制されて光波長変換素子としての信頼性が向上する。

なお、上述の実施の形態１においては、Ｚ板の非線形光学結晶を使用する例を示したが、Ｘ板やＹ板の非線形光学結晶でも偏波方向を合わせれば良く同様の効果を奏する。

また、上述の実施の形態１においては、対称レンズ系を使用する例を示したが、非対称レンズ系を使用しても良く、スラブ光導波路による非点格差補正の効果によりレンズ系の構成が簡素化され、同様の効果を奏するとともに、非対称レンズ系によるアスペクト補正でさらに高い結合効率が得られる。

また、上述の実施の形態１においては、非点格差の大きな基本波光源としてフレア型半導体光増幅器等を使用する例を示したが、これに限定されるものではなく、例えばフレア型半導体レーザやブロードエリア型半導体レーザなどを使用しても良く、同様の効果を奏する。

実施の形態２．
上述の実施の形態１においては、光波長変換素子６のチャンネル光導波路６ｃとしてはリッジ型光導波路の場合を示したが、光導波路の製造方法をプロトン交換法としても良く同様の効果を奏する。
この場合、リッジ型のチャンネル光導波路６ｃを形成するための基板表面の溝加工に代えて、リン酸中での熱処理によるプロトン交換処理を行うようにする。

なお、チャンネル光導波路６ｃとスラブ光導波路６ｅとは、プロトン交換法で基板６ｈに一体形成することもできる。これにより、プロトン交換処理を１回行うだけの簡単な工程により、光導波路の位置調整の工程などが不要で、少ない部品点数と少ない製造工程で経済的に作製可能である。

実施の形態３．
上述の実施の形態１においては、光波長変換素子６としてチャンネル光導波路６ｃとスラブ光導波路６ｅとを接続したものを示したが、図４に示すように、チャンネル光導波路６ｃとスラブ光導波路６ｅとの間にテーパ光導波路６ｇを入れても良く、同様の効果を奏する。
ここで、テーパ光導波路６ｇ内でビーム形状を徐々に楕円形から円形に変換するように構成すれば、アスペクト補正も可能となり、さらに高い結合効率が得られる。

なお、図４において、チャンネル光導波路６ｃとスラブ光導波路６ｅとテーパ光導波路６ｇとは、プロトン交換法で基板６ｈに一体形成することもできる。これにより、プロトン交換処理を１回行うだけの簡単な工程により、光導波路の位置調整の工程などが不要で、少ない部品点数と少ない製造工程で経済的に作製可能である。

また、光導波路の製造方法は、上述の実施の形態１〜３に示した方法に限定されるものではなく、例えばチタン拡散など、どのような方法でも適用でき、要は部分的に屈折率の高い領域が形成できれば良い。

また、上述の実施の形態１〜３においては、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの光波長変換素子６を示したが、材料はタンタル酸リチウムやタンタル・ニオブ酸リチウムなど他の非線形材料であっても、また、コングレント組成でもストイキオメトリー組成でも良く、同様の効果が得られることは云うまでもない。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４による光波長変換器は、テーパ型の半導体光増幅器から出射する非点格差が大きく、かつアスペクト比が大きい基本波を、非線形光学結晶基板のスラブ光導波路に周期分極反転構造を有する波長変換素子に対し、夫々の光導波路の基本モード同士が結合し、かつ夫々のガウスビームモード同士が結合するように非対称レンズ系で光学結合するように構成したので、前記の半導体光増幅器への電流注入によりキャリア誘起屈折率変動が生じ、出射側から見た面方向の像点位置が大きく変化しても、波長変換素子のスラブ型光導波路との結合効率の変化は小さく、波長変換効率の変動を抑制することができるものである。

図５はこの発明の実施の形態４による波長変換器を用いる光源の構成を示す断面図、図６はその上面図、図７はキャリア誘起屈折率変化による結像関係を説明するための説明図である。図において、１は半導体レーザダイオード素子、２は偏波面保存ファイバ、３は光半導体素子としての半導体光増幅器、４は基本波、５ａは第１のレンズ、５ｂは第２のレンズ、５ｃは第３のレンズ、６は波長変換素子、７は第二高調波である。なお、第１のレンズ５ａと、第２のレンズ５ｂと、第３のレンズ５ｃとで光学結合手段としての非対称レンズ系を構成する。また、少なくとも半導体光増幅器３、レンズ５ａ〜５ｃによる非対称レンズ系、および波長変換素子６は、図示を省略している例えば金属製パッケージといった保持部材により保持されるようにして、光学的に安定に配置されている。

次に、詳細な構成と動作について説明する。
半導体レーザダイオード素子１は、光導波路１ａを有するファブリペロー共振器型のレーザダイオード素子であり、青色である波長４５０ｎｍの２倍に対応する９００ｎｍ帯に利得の最大値を有し、光の取り出し効率を上げるため裏面に反射率９０％の高反射膜１ｂ、前面に反射率０．５％の低反射膜１ｃが施されており、半導体レーザダイオード素子１の単体では多縦モードで発振するものである。

また、半導体レーザダイオード素子１において、光導波路１ａは厚み方向には単一量子井戸活性層と光ガイド層とクラッド層とから構成され、単一横モードで発振する。一方、光導波路１ａは面方向には信頼性を向上させるために電流密度や光密度を比較的に低く抑える必要があり、幅の広いリッジ型光導波路が採用されている。従って、光導波路としての閉じ込めが緩いため、注入電流値が小さいときには基本モード、つまり単一横モードで励振されるが、注入電流値が大きくなり光密度が高くなると空間的ホールバーニング効果により高次モードが励振されやすいという特徴があり、使用する光出力まで基本モードが維持されるように４〜６μｍ程度の幅とされている。なお、偏波消光比はレーザ発振の電流閾値以上で、素子出射位置では２７ｄＢ近くになる。

次に、モードフィールド径６．６μｍの偏波面保存ファイバ２を採用し、そのコア部２ａに位相マスクを介して紫外線を照射することによりブラッグ回折格子２ｂを配設している。偏波面保存ファイバ２は伝搬モードであるＨＥ１１偶数モードとＨＥ１１奇数モードの伝搬速度を変えることで両モードの結合を防いでいるため、直線偏波の光を偏波面保存ファイバ２のスロー軸かファースト軸に一致させると直線偏波が維持される。一方、光導波路２ａの等価屈折率がファースト軸とスロー軸で若干異なることからブラッグ回折格子２ｂの反射ピーク波長がファースト軸とスロー軸でずれるが、ここでは曲げ損失に強くなるように電界方向をスロー軸に合わせており、偏波消光比は偏波面保存ファイバ２の固定時の応力で劣化するものの出射端でも２０ｄＢ以上となっている。

半導体レーザダイオード素子１の出射ビームは光導波路１ａが扁平であることからアスペクト比（ビームの楕円率）が大きく、円形の光導波路２ａを備えた偏波面保存ファイバ２と低損失で光学結合するために、偏波面保存ファイバ２の入射端面２ｃをテーパレンズ加工しており、非対称レンズ系としてアスペクト比を補正している。

半導体レーザダイオード素子１の利得帯は単一量子井戸構造であるため波長依存性が比較的に緩やかであり、この利得帯の中にブラッグ回折格子２ｂの反射ピーク波長を設定すれば反射ピーク波長付近の利得が最大になり、半導体レーザダイオード素子１の発振波長が制御される。この複合共振器による縦モードは、半導体レーザダイオード素子１とブラッグ回折格子２ｂとの光学長による位相関係と、ブラッグ回折格子２ｂから半導体レーザダイオード１ヘの戻り光量との関係から、その縦モードは単一モード、多モード、コヒーレントコラプスモードなど多彩な状態で発振できる。ここでは、単一モードで発振するように、半導体レーザダイオード素子１の裏面反射率と前面反射率を夫々９０％と０．５％、共振器長を１．８ｍｍ、ブラッグ回折格子２ｂの反射率を３０％、反射帯域幅を０．４ｎｍ、結合効率を８０％として、特にブラッグ回折格子２ｂと半導体レーザダイオード素子１とを１０ｃｍ以下に近接させて配置することで縦モードを安定化させている。

次に、フレア型（テーパ型とも言う）の半導体光増幅器３は、光導波路３ａの面方向の入射側活性層幅１０μｍ、出射側活性層幅１６０μｍ、フレア角度６度（光軸に対して３度）、チップ長さ１．５ｍｍ、屈折率３．５としている。また、フィラメント現象を防止するため、チップの両端面に反射防止膜３ｂを施している。なお、偏波面保存ファイバ２のコア２ａは円形であるため、出射端面２ｄをくさび型レンズ加工して、厚み方向には光導波路３ａの導波モードのスポット径１μｍと整合させ、面方向にはスポット径が３．３μｍで入射させてガウスビームモードで半導体光増幅器３の活性層内を伝搬させ、光増幅するようにした。従って、この半導体光増幅器３の出力光としての基本波４では、厚み方向のスポット径が１μｍで、面方向のスポット径が３．３μｍであり、厚み方向と面方向とでビーム集光位置（ビームウエスト位置）に格差ができる現象である非点格差が０．４３ｍｍという大きなものとなる。

なお、半導体光増幅器３の活性層を利得飽和させるには入力部面方向の光密度は約１ｍＷ／μｍ程度が目安となるが、結合系による損失を考えても光ファイバ端出力は十分である。入射光学系の損失が多少大きい場合でも、出射端面２ｄからのファイバ端出射光約１５０ｍＷ、順電流２．５Ａにおいて、約１Ｗの光出力４が得られる。半導体光増幅器３は、入力された光ビームが進行波増幅されるので、キャリアや熱によるレンズ効果を低減する工夫や動作条件を適宜に選択することで、回折限界光に近いビーム品質を維持したまま光増幅することができる。光増幅率は通常１０倍〜１００倍に設定されるが、ここでは光導波路３ａ内の電子密度や光子密度を下げて空間的ホールバーニングの発生を低減するために、入射光量や注入電流を調整している。なお、注入電流は、図示を省略している電源装置を用いて、半導体光増幅器３のチップの表面側と基板側に形成されたオーミック金属電極から注入される。

しかし、この光半導体増幅器３ではキャリアや熱によるレンズ効果を完全に無くすことは不可能であり、例えば、注入電流１Ａにおいて光出射側からみた面方向の発光点位置は図７の物点Ａであるが、注入電流を２Ａまで変化させるとキャリア誘起屈折率変化により発光点位置が約３０μｍ変化して物点Ｂとなる現象が残る。また、発熱によるレンズ効果も同様に残るが、発光点位置の変化量が比較的に小さい。なお、この発光点位置の変化量、つまり非点格差の変化量は反導波係数、材料利得、閉じ込め率、その他、量子井戸の設計や再結合係数、入射光の強度や形状で異なる。

また、ここでは偏波面保存ファイバ２の直線偏光を、テーパ型の半導体光増幅器３の面方向に一致させて入力しており、出力としての基本波４はそのままの直線偏光として維持されている。ここでは、半導体レーザダイオード素子１から単一縦モードで発振している光を入射しているので、半導体光増幅器３は外部からの反射戻り光による影響を受けやすい状態であるものの、両端面の反射防止膜３ｂの反射率を０．１％以下に改善することで、ビーム品質の良い大出力の基本波４が得られている。

次に、光波長変換素子６は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を５％添加したＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）からなる非線形光学結晶のＸカット、またはＹカット基板６ｈに強電界を印加することで、基本波４と第二高調波７が擬似位相整合する自発的な周期分極反転構造６ａが形成される。その基板６ｈを薄膜化した後、基本波４と第２高調波７がともに基板の厚み方向（垂直方向）に単一モード（最低次モード）で伝搬できるよう基板側にＬｉＮｂＯ３よりも屈折率が小さいＡｌ２Ｏ３(アルミナ)やＳｉＯ２(二酸化珪素)などのクラッド層６ｂを真空蒸着法などによって設けた上で別基板６ｉと接着し、表面側も同様に薄膜のクラッド層６ｂを配設している。なお、基板側のクラッド層６ｂと、薄膜化した基板６ｈと、表面側のクラッド層６ｂとでスラブ光導波路６ｅを構成する。

なお、別基板６ｉは放熱のため、熱伝導率が高く、かつ熱膨張係数がＬｉＮｂＯ３と近ければ好ましく、銅などの金属、Ｓｉ(シリコン)などの半導体、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉＣ(炭化シリコン)などのセラミックが利用できる。

ここで、光波長変換素子６のスラブ光導波路６ｅの長さを７．０ｍｍとしており、基本波４や高調波７が入射端面や出射端面から戻ると変換効率を落とすことや、基本波光源を不安定にすることがあるため、両端面には基本波４と第二高調波７とを通過する反射防止膜６ｆを施している。そして、スラブ光導波路６ｅに伝搬する基本波４が４Ｗの時に約０．８Ｗの第二高調波７が出力され、波長変換効率は約２０％であった。また、フォトリフラクティブ効果や光損傷は、ＬｉＮｂＯ３にＭｇＯを添加することで改善されており、この実施の形態４における光密度では劣化は観測されない。また、周期分極反転構造６ａは幅が約１２０μｍであり、スラブ光導波路６ｅの一部分に形成されている。

また、光波長変換素子６におけるスラブ導波路６ｅのコア（薄膜化した基板６ｈ）の厚さは３μｍとし、面方向には周期分極反転構造６ａの全幅を約１２０μｍとし、そこに面方向のスポット径約３９μｍ、厚み方向のスポット径約１．１μｍの基本波４を入射し、かつ像点をスラブ光導波路６ｅの中央付近になるように光軸調整したので、面方向にはほぼコリメートした状態で基本波４が伝搬する。従って、周期分極反転構造６ａの基本波４、および第二高調波７に対する吸収損失が夫々２ｍ^−１、４ｍ^−１程度であり、この光吸収よる発熱が比較的に広い領域で発生するため、周期分極反転構造６ａから別基板６ｉへの廃熱が好適であり、温度分布が小さいので、位相整合がずれ難く、大きな光入力でも高い波長変換効率を維持できる効果がある。なお、小さな光入力に対しては廃熱の問題が小さいため、面方向のスポット径は１５μｍ程度にして光密度を上げた方が良く、高い波長変換効率が得られる。

次に、本発明の特徴が発揮される光波長変換素子６における光結合について説明する。図５と図６に示すレンズ５ａ〜５ｃは非対称レンズ系であり、第１のレンズ５ａは焦点距離０．１５ｍｍの円柱レンズ、第２のレンズ５ｂは直交して配置した焦点距離０．４５ｍｍの非球面レンズ、第３のレンズ５ｃは焦点距離０．１６５ｍｍの円柱レンズであり、ほぼ回折限界に近い性能が得られている。物点に配置された半導体光増幅器３の出力ビームとしての基本波４は、前述の通り、面方向（ここでは水平方向）のスポット径が３．３μｍ、厚み方向（ここでは垂直方向）のスポット径が１μｍ、非点格差が０．４３ｍｍ、注入電流１〜２Ａでの非点格差の変化が３０μｍである。第１のレンズ５ａと第３のレンズ５ｃとの中間の光線をコリメート光線にしたので、非対称レンズ系の厚み方向の横倍率は焦点距離の比率でほぼ決定され、約１．１倍とし、半導体光増幅器３の導波モードと波長変換素子６の導波モードがほぼ整合するようにした。また、半導体光増幅器３の出力ビームの面方向のスポット径が３．３μｍなので、波長９００ｎｍに対するＮＡは０．０８７となり、第２のレンズ５ｂの物点に半導体光増幅器３の発光点を配置すれば、スポット径約３９μｍのコリメート光線が得られる。

以上の配置により、レンズ５ａ〜５ｃによる非対称レンズ系の面方向の横倍率は約１１．８倍、厚み方向は約１．１倍となるので、縦倍率は夫々１３９．２倍と１．２倍となる。半導体光増幅器３への注入電流を１Ａから２Ａとした際の非点格差の変化は面方向に３０μｍも発生するので、注入電流１Ａでは面方向の像点は図７の像点Ａであったものが、注入電流２Ａでは縦倍率分大きくなり、図７の像点Ｂに移り、ＬｉＮｂＯ３の屈折率２．２８とすると約１．８ｍｍもの大きな像点位置の変化となる。ここで、波長変換素子６はスラブ光導波路６ｅで面方向の屈折率閉じ込めがないように構成したので、半導体光増幅器３と波長変換素子６との基本波４の結合効率はほとんど変化せず、像点の位置が変化するだけである。これにより、波長変換効率の変化が２％以下に抑えられるという格別の効果を発揮するのである。一方、厚み方向には半導体光増幅器３も波長変換素子６も屈折率導波構造となっているので、結像関係は変化しない。

なお、ここでは面方向の像点のスポット径を３９μｍとして廃熱に好適な場合を説明したが、高い波長変換効率を小さな基本波入力で達成する場合は、像点のスポット径を約１５μｍとするように第２のレンズ５ｂの配置を変え、面方向の横倍率を４．５倍、縦倍率を２０．２倍とすれば良く、像点の位置変化が０．２７ｍｍで、やはり波長変換効率の変化は２％以下となり、同様の効果を奏する。

ところで、非線形光学結晶の端面には表面準位があるため光損傷を受けやすい。その光損傷に対し、スラブ光導波路６ｅへの入射面では水平方向に光が拡がって光密度を下げることができるので、入射端面の信頼性が向上するという別の効果もある。

以上のように、この発明の実施の形態４による光波長変換器においては、半導体増幅器と、非線形光学結晶基板のスラブ光導波路に周期分極反転構造を有する波長変換素子とを、面方向にはそれぞれのガウスビームモード同士で、厚み方向にはそれぞれの導波モード同士で光学結合するようにレンズ系を配設し構成した。これにより、フレア型の半導体増幅器への注入電流変化によるキャリア誘起屈折率変化で発生する面方向の非点格差の変化に起因して、像点の位置が大きく変化しても、波長変換素子のスラブ光導波路との光結合量の変化は小さく、波長変換効率の変化を抑制することができる。

さらに、この発明の実施の形態４による光波長変換素子においては、スラブ光導波路への入射面や出射面では面方向に光が拡がって光密度を下げることができる。これにより、フレア型の半導体光増幅器で増幅された大出力の基本波が入射する場合に、非線形光学結晶端面における光損傷が抑制されて光波長変換素子の信頼性が向上する。

さらに、この発明の実施の形態４による光波長変換素子においては、スラブ光導波路を面方向に広がった光ビームで伝搬させるので、光吸収損失による廃熱を向上することができる。これにより、フレア型の半導体光増幅器で増幅された大出力が入射しても、周期分極反転構造の温度分布の発生を抑制でき、高い波長変換効率の光波長変換器が提供できる。

また、上述の実施の形態４においては、非対称レンズ系を３つのレンズに分割した例を示したが、１つの非対称非球面レンズで構成しても良く、レンズ系の構成が簡素化され、同様の効果を奏する。

また、上述の実施の形態４においては、非点格差が大きく、かつキャリア誘起屈折率変化が大きな基本波光源の構成要素としてフレア型半導体光増幅器を使用する例を示したが、これに限定されるものではなく、要は非点格差の変化が大きな基本波を出力するものであれば良い。例えば、半導体レーザダイオード素子１においてリッジ型光導波路の替わりに幅がより広いフレア形状の光導波路をもつ活性層を設けたフレア型レーザダイオードを基本波光源として使用しても良く、同様の効果を奏する。

また、上述の実施の形態４においては、真空蒸着法などによって屈折率差が大きいクラッド層６ｂをつけたスラブ光導波路の場合を示したが、光導波路の製造方法をリン酸中での熱処理するプロトン交換法としても良く同様の効果を奏する。すなわち、光導波路の製造方法としては、どのような方法でも適用でき、要は部分的に屈折率の高い領域が形成できれば良い。

また、上述の実施の形態４においては、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの光波長変換素子６を示したが、材料はタンタル酸リチウムやタンタル・ニオブ酸リチウムなど他の非線形材料であっても、また、コングレント組成でもストイキオメトリー組成でも良く、同様の効果が得られることは云うまでもない。

この発明の実施の形態１による光波長変換素子を用いる光源を示す構成図 この発明の実施の形態１による光波長変換素子を用いる光源を示す構成図 この発明の実施の形態１による光波長変換素子を示す構成図 この発明の実施の形態３による光波長変換素子を示す構成図 この発明の実施の形態４による光波長変換器を用いる光源を示す構成図 この発明の実施の形態４による光波長変換器を用いる光源を示す構成図 この発明の実施の形態４による光波長変換器を説明するための説明図

符号の説明

３ 半導体光増幅器
４ 基本波
５ａ、５ｂ、５ｃ レンズ
６ 光波長変換素子
６ａ 周期分極反転構造
６ｃ チャンネル光導波路
６ｅ スラブ光導波路
６ｇ テーパ光導波路
６ｈ 基板

Claims (7)

1. 非線形光学結晶の周期分極反転構造を有するチャンネル光導波路と、
   前記チャンネル光導波路に接続され、前記非線形光学結晶の周期分極反転構造に対応する基本波の一方向の横モードを制御するスラブ光導波路と、
   を備えたことを特徴とする光波長変換素子。
2. 非線形光学結晶の周期分極反転構造を有するチャンネル光導波路と、
   前記チャンネル光導波路に接続され、前記チャンネル光導波路側ほど幅が狭くなるテーパ光導波路と、
   前記テーパ光導波路に接続され、前記非線形光学結晶の周期分極反転構造に対応する基本波の一方向の横モードを制御するスラブ光導波路と、
   を備えたことを特徴とする光波長変換素子。
3. 前記非線形光学結晶の周期分極反転構造を有する基板の一部にリッジを形成することにより、前記チャンネル光導波路としてのリッジ型光導波路と前記スラブ光導波路が、前記非線形光学結晶の周期分極反転構造を有する基板に一体形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光波長変換素子。
4. 前記チャンネル光導波路と前記スラブ光導波路が、プロトン交換法で前記非線形光学結晶の周期分極反転構造を有する基板に一体形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光波長変換素子。
5. 非線形光学結晶の周期分極反転構造を有するスラブ光導波路であって、この非線形光学結晶の周期分極反転構造に対応する基本波の一方向の横モードを制御するスラブ光導波路を有する光波長変換素子と、
   前記非線形光学結晶の周期分極反転構造に対応する基本波の一方向の横モードを制御する光導波路としてのフレア形状の活性層を有し、このフレア形状の活性層で増幅された基本波を出力する光半導体素子と、
   前記光半導体素子で出力された基本波を前記光波長変換素子の非線形光学結晶の周期分極反転構造に光学結合させる光学結合手段と、を備え、
   前記光波長変換素子と前記光半導体素子と前記光学結合手段とは、前記フレア形状の活性層で制御される基本波の一方向の横モードと前記スラブ光導波路で制御される基本波の一方向の横モードとが結合するように配置されたことを特徴とする光波長変換器。
6. 前記光半導体素子が光増幅器であることを特徴とする請求項５に記載の光波長変換器。
7. 前記光半導体素子がレーザダイオードであることを特徴とする請求項５に記載の光波長変換器。

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