JP2016200710A - 導波路型の波長変換素子及びレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】界面での反射による損失がなく、微細な加工が不要で、電極同士の短絡も発生しなくなる導波路型の波長変換素子及びレーザ装置を提供する。
【解決手段】本発明は、基本波を高調波に変換する波長変換素子であって、所望の位相整合条件を満たすように形成された周期的な分極反転領域部６を有するコア部４１と、周期的な分極反転領域部６を挟む領域を有し該領域に電圧を印加するための電極２ａ，２ｂ，５ａ，５ｂが形成されたクラッド部４２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、基本波を高調波に変換する導波路型の波長変換素子及びレーザ装置に関する。

周期分極反転構造を形成した波長変換素子からなる疑似位相整合（Quasi Phase Matching）素子（以下ＱＰＭ素子と称する。）は、基本波を第２高調波（ＳＨＧ）に波長変換する。この波長変換を効率的に行うためには、基本波と第２高調波との間で位相整合条件の成立が必要であり、位相整合条件は、基本波の波長や温度に依存する。

例えば、ＱＰＭ素子の作成時の誤差で実効屈折率が狙いからずれ、狙いとする位相整合条件からずれてしまう場合や、基本波の波長のばらつきや、変調が必要な用途の場合には、位相整合条件を調整する必要がある。

このような場合には、コア部の結晶に電圧を印加してポッケルス効果によって屈折率を変化させて、位相整合条件を調整していた（特許文献１〜特許文献５）。

また、特許文献６は、表面にプロトン交換光導波路が形成されたＱＰＭ導波路を開示する。特許文献６の図１では、電極によってコア部に分極反転方向によらずに一様に電圧が印加されている。特許文献６の図６では、分極方向の向きに応じて電圧印加の向きが変わるように電極が形成されている。いずれの例の場合でも周期的分極反転部（コア部）の結晶に電圧が印加されることにより屈折率変化が発生して位相整合条件が調整される。

特開平３−２８３６８６号公報 特開平５−１００２６６号公報 特開平５−１４２６０８号公報 特開平５−２８９１３５号公報 特開平６−２７３８１６号公報 特開平７−２７０６３２号公報

しかしながら、周期的分極反転部（コア部）に一様に電圧が印加されると、分極方向によって屈折率変化が異なるため、分極が変化する界面で反射が生じ、損失が発生する。この損失をなくすためには、分極毎に電圧印加方向を逆転させることが必要であるが、微細な加工が必要であり、電極同士の短絡も発生しやすい。

本発明の課題は、界面での反射による損失がなく、微細な加工が不要で、電極同士の短絡も発生しなくなる導波路型の波長変換素子及びレーザ装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る導波路型の波長変換素子は、基本波を高調波に変換する導波路型の波長変換素子であって、所望の位相整合条件を満たすように形成された周期的分極反転領域を有するコア部と、前記周期的分極反転領域を挟む領域を有し該領域に電圧を印加するための電極が形成されたクラッド部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、周期的分極反転領域をコア部に限定し、周期的分極反転領域が形成されていない領域を有するクラッド部の電極に電圧を印加することにより、クラッド部の屈折率が変化し、その結果、導波路の実効屈折率が変化する。これにより、位相整合条件を調整することができる。また、周期的分極反転領域に電圧が印加されないので、界面での反射による損失は発生しない。また、電極は一様な電極で良いので、微細な加工が不要となり、電極同士の短絡も発生しなくなる。

本発明の実施例１の導波路型の波長変換素子の断面図である。 本発明の実施例１の導波路型の波長変換素子の光進行方向に沿った斜視図である。 本発明の実施例１の導波路型の波長変換素子の左右のクラッド部に挟まれたコア部を光が伝搬する様子を示す図である。 本発明の実施例１の導波路型の波長変換素子の印加電圧とＳＨＧ位相整合波長との関係を示す図である。 本発明の実施例１の導波路型の波長変換素子の印加電圧を基準電圧としたときのＳＨＧ位相整合温度変化を示す図である。 本発明の実施例２の導波路型の波長変換素子の光進行方向に沿った斜視図である。 本発明の実施例２の導波路型の波長変換素子の印加電圧とＴＨＧ位相整合波長との関係を示す図である。 本発明の実施例２の導波路型の波長変換素子の印加電圧を基準電圧としたときのＴＨＧ位相整合温度変化を示す図である。 本発明の実施例２の導波路型の波長変換素子の印加電圧を基準電圧としたときの温度の変化Δ（ＴSHG−ＴTHG）を示す図である。 本発明の実施例３の導波路型の波長変換素子を含むレーザ装置を示す構成図である。

以下、本発明の導波路型の波長変換素子及びレーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１の導波路型の波長変換素子の断面図である。図１に示す導波路型の波長変換素子は、導波路型のＱＰＭ素子であり、基本波を第２高調波に変換する。実施例１の導波路型の波長変換素子は、平板状のコアを平板状のクラッドで挟み込んだスラブ型の波長変換素子である。

導波路型の波長変換素子としては、スラブ型の他に、芯状のコアをクラッドで取り囲んだ埋め込み型、芯状のコアをクラッドで取り囲んだもので、コアの一面が外部に露出している半埋め込み型、板状コアにレール上クラッドを載せて配置したリッジ型の波長変換素子を用いることができる。

図１では、座標軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）のＸ軸に垂直なＹ−Ｚ断面の導波路型の波長変換素子を示している。図２は、本発明の実施例１の導波路型の波長変換素子の光進行方向（Ｘ軸）に沿った斜視図である。

保持基板１は、ＣＬＴからなり、結晶方位は座標軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）と一致している。保持基板１上には、電極２ａと電極２ｂとがＹ軸方向に沿って所定間隔Ｗだけ離れて設けられている。Ｙ軸方向に沿って、電極２ａの一部と上記所定間隔Ｗに有する保持基板１と電極２ｂの一部との上部には、下クラッド層３ａが形成されている。

下クラッド層３ａ上で且つ下クラッド層３ａに対向する位置に、下クラッド層３ａから所定間隔ｔだけ離れて上クラッド層３ｂが形成されている。上クラッド層３ｂの上部には、電極２ａに対向する位置に電極５ａが形成され且つ電極２ｂに対向する位置に電極５ｂが形成されている。

下クラッド層３ａ及び上クラッド層３ｂは、共に屈折率ｎが１．５の樹脂である。下クラッド層３ａの厚みはｔｄであり、上クラッド層３ｂの厚みは、ｔｕである。下クラッド層３ａと上クラッド層３ｂとに挟まれた所定間隔ｔの領域は、薄片層４からなる。薄片層４は、ＭｇＳＬＴからなり、結晶方位は座標軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）と一致する。

Ｙ軸方向に沿って、薄片層４の内の、電極２ａ，２ｂ，５ａ，５ｂが存在しない領域の所定間隔Ｗよりも狭い間隔Ｗｐｐの領域には、図２に示すように、Ｘ軸方向に沿って、所定の周期で分極反転された分極反転領域部６が形成されている。分極反転領域部６は、本発明のコア部４１に対応し、このコア部４１は、ＭｇＳＬＴ又はＭｇＬＮからなり、所望の位相整合条件を満たすように形成され、入射された基本波を第２高調波に変換するＳＨＧ部７を構成する。基本波の波長は、例えばλ＝１．０６４μｍ近辺である。光軸とコア部４１のＸ軸結晶は一致しており、偏光方向は、コア部４１のＺ軸結晶に一致している。

一方、電極２ａと電極５ａとの間、及び電極２ｂと電極５ｂとの間には、電圧が印加されるようになっている。また、電極２ａと電極５ａとの間、及び電極２ｂと電極５ｂとの間の領域は、周期的に分極反転されていない。即ち、分極反転領域部６を挟む領域を有し該領域には分極反転領域部６が形成されず、電圧を印加するための電極２ａ，５ａ，２ｂ，５ｂが形成されたクラッド部４２が設けられている。図３は、実施例１の導波路型の波長変換素子の左右のクラッド部４２に挟まれたコア部４１を光が伝搬する様子を示す図である。

このように実施例１の導波路型の波長変換素子によれば、図１乃至図３に示すように、周期的な分極反転領域部６をコア部４１に限定し、分極反転されていない領域であるクラッド部４２に有する電極２ａ，２ｂ，５ａ５ｂに電圧を印加する。

すると、コア部４１の屈折率はｎ２であるが、クラッド部４２の屈折率が低下してｎ１（ｎ１＜ｎ２）となる。その結果、導波路の実効屈折率が変化する。これにより、コア部４１とクラッド部４２との屈折率差により、光はコア部４１内に閉じ込められながらコア部４１を伝搬していく。また、周期的な分極反転領域部６に電圧が印加されないので、界面での反射による損失は発生しない。また、電極２ａ，２ｂ，５ａ，５ｂは一様な電極で良いので、微細な加工が不要となり、電極同士の短絡も発生しなくなる。

次に、導波路型の波長変換素子の作製方法について説明する。まず、ＭｇＳＬＴ（ｚ板）のＺ＋面にＴａでＸ方向に周期的な櫛形電極を形成し、Ｚ−面にもＴａ電極（櫛形ではなくても良い。）を形成する。櫛形電極の周期は、所望の位相整合条件を満たす周期とする。電極を形成した後に、電極に電圧を印加することにより、デューティ比が約５０％の周期的分極反転構造を作製する。その後、櫛形電極を削除する。周期的分極反転構造が形成される領域は、幅Ｗよりも小さい幅Ｗｐｐの領域に限定する。

次に、ＣＬＴ基板（ｚ板）のＺ−面にＴａ電極２ａとＴａ電極２ｂとをスバッタリングし、フォトリソ、ＲＩＥ等により形成する。

次に、ＣＬＴ基板（ｚ板）のＺ−面と、ＭｇＳＬＴのＺ＋面を紫外線硬化接着剤で接着する。紫外線硬化樹脂の屈折率は約１．５とする。

次に、ＭｇＳＬＴを薄片研磨して厚みをｔにする。さらに、ＭｇＳＬＴのＺ−面に紫外線硬化樹脂を塗布し、硬化する。

次に、フォトレジストを塗布し電極５ａ，５ｂの箇所のフォトレジストをフォトリソグラフィで除去する。その後、Ｔａ電極を成膜し、リフトオフする。次に、ダイシング・研磨により入出端面を作製する。

ここで、Ｗ＝１５μｍ、ｔ＝１５μｍとする。電極２ａ（５ａ），電極２ｂ（５ｂ）に電圧を印加することにより、電極間の薄片層部分に、Ｚ方向（結晶のＺ−面からＺ＋面に向けて）に電界を印加する。このとき、電界が印加された部分の屈折率の減少分は、もともとの屈折率をｎとしたとき、電気光学定数ｒ_３３で１／２×ｎ^３×ｒ_３３×Ｅと表される。ＬＴに対する文献値ｒ_３３ｒ＝３０．４〔ｐｍ／Ｖ〕を用いて各印加電界（ここでは３×１０^７〜５．５×１０^７〔Ｖ／ｍ〕の間で振っている）に対して位相整合波長を計算したものを図４に示した。

ここで、分極反転周期は、ＭｇＳＬＴバルクに対して、温度３５℃、基本波波長λ＝１．０６４〔μｍ〕で位相整合する値とした。図４から、印加電界により位相整合波長が変化することがわかる。また、印加電界４×１０^７〔Ｖ／ｍ〕を基準としてその電界からずれたときに位相整合温度がどのくらい変化するかを計算したものを図５に示した。

なお、実施例１及び以下に説明する実施例２又は３は、以下の変形例にも適用可能である。例えば、上クラッド層３ｂの上にＣＬＴからなるキャップ層を張り付けても良い。また、電極２ａ，２ｂ，５ａ，５ｂは、必ずしも図１に示す位置に無くても良く、上下に移動した箇所にあっても良い。例えば、透明な電極であれば、薄片層４に接触しても良く、或いはキャップ層が十分に薄ければ、電極５ａ，５ｂは、キャップ層の上にあっても良い。

また、例えば、電極２ａと電極２ｂとが繋がってコア部４１の直下にあっても良い。この場合、電極２ａと電極２ｂとは接地し、電極５ａと電極５ｂとに共通の電圧を印加する。また、電圧が印加されない状態で横方向に屈折率をリッジ導波路等により閉じ込めても良い。

なお、上述した実施例１では、コア部４１と同質な結晶に電界を印加して屈折率を下げて位相整合条件を調整していたが、電圧の印加される箇所（左右のクラッドとなる箇所）にコア部と異質の材料、例えば液晶等を用いても良い。

実施例１では、基本波波長λ＝１．０６４μｍ近辺とし、この基本波波長λから第２高調波ＳＨＧ（波長λ／２）を発生させた。実施例２では、基本波波長λと第２高調波ＳＨＧ（波長λ／２）とから第３高調波ＴＨＧ（波長λ／３）を発生させたことを特徴とする。

図６は、本発明の実施例２の導波路型の波長変換素子の光進行方向に沿った斜視図である。図６に示す実施例２の導波路型の波長変換素子は、図２に示す実施例１の導波路型の波長変換素子の構成に、さらに、分極反転領域部８を設けている。分極反転領域部６（本発明の第１波長変換部に対応）と分極反転領域部８（本発明の第２波長変換部に対応）とは、光の進行方向（Ｘ軸方向）に直列にモノリシックに形成されている。

分極反転領域部８は、分極反転周期が分極反転領域部６の分極反転周期よりも小さく、分極反転領域部６で波長変換されなかった基本波波長λと、分極反転領域部６で波長変換された第２高調波ＳＨＧ（波長λ／２）とから和周波である第３高調波ＴＨＧ（波長λ／３）を発生させ、ＴＨＧ部９を構成する。

図７は、本発明の実施例２の導波路型の波長変換素子の印加電圧とＴＨＧ位相整合波長との関係を示す図である。ここで、分極反転周期は、ＭｇＳＬＴバルクに対して、温度３５℃、基本波波長１．０６４〔μｍ〕とそのＳＨＧ（波長０．５３２〔μｍ〕）とで位相整合する値とした。図７から印加電界により位相整合波長が変化することがわかる。また、印加電界４×１０^７〔Ｖ／ｍ〕を基準としてその電界からずれたときに位相整合温度がどのくらい変化するかを計算したものを図８に示した。

また、分極反転領域部６，８の各々の分極反転周期は、印加電界４×１０^７〔Ｖ／ｍ〕で、基本波波長λ＝１．０６４に対して、位相整合温度３５℃、Ｗ＝１５μｍ、ｔ＝１５μｍで、分極反転領域部６，８共に位相整合するように設計されているとする。

実際の加工では、基本波波長λ、薄片層厚みｔ、導波路幅Ｗに誤差Δλ，Δｔ，ΔＷが生ずる。このため、ＳＨＧに対する位相整合温度Ｔ_ＳＨＧ、ＴＨＧに対する位相整合温度Ｔ_ＴＨＧの間に差が生ずる。シミュレーションの結果、

このように、位相整合温度Ｔ_ＳＨＧと位相整合温度Ｔ_ＴＨＧの間にずれが生じても、印加電界を３×１０^７〜５．５×１０^７〔Ｖ／ｍ〕の間で変化させてずれをキャンセルすることができる。図９に、実施例２の導波路型の波長変換素子の印加電圧を基準電圧としたときの温度の変化Δ（ＴSHG−ＴTHG）を示した。

なお、実施例２では、ＳＨＧ部７とＴＨＧ部９とに共通の電界を印加しているが、ＳＨＧ部７とＴＨＧ部９との電極を分離して、独立に電界を印加するように構成しても良い。

図１０は、本発明の実施例３の導波路型の波長変換素子を含むレーザ装置を示す構成図である。図１０に示すレーザ装置は、半導体レーザを有するレーザ光源１１、レンズ１２ａ，１２ｂ、ＱＰＭ素子１０、レンズ１３、光ファイバ１４を備える。

レーザ光源１１に有する半導体レーザは、レーザ光の基本波を発振して出力するもので、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生されたレーザ光を出力する。レンズ１２ａ，１２ｂは、レーザ光源１１からのレーザ光の基本波をＱＰＭ素子１０に導く。

ＱＰＭ素子１０は、実施例１及び実施例２の波長変換素子であり、レンズ１２ｂからのレーザ光の基本波を入射して、基本波を高調波に変換してレンズ１３に出射する。レンズ１３は、ＱＰＭ素子１０で波長変換された高調波のレーザ光を光ファイバ１４に導く。

このように実施例１及び実施例２の導波路型の波長変換素子であるＱＰＭ素子１０をレーザ装置に適用することができるので、実施例３のレーザ装置においても、実施例１及び実施例２の導波路型の波長変換素子の効果を得ることができる。

本発明は、半導体レーザ装置に利用可能である。

１ 保持基板
２ａ，２ｂ，５ａ，５ｂ 電極
３ａ 上クラッド層
３ｂ 下クラッド層
４ 薄片層
６，８ 分極反転領域部
７ ＳＨＧ部
９ ＴＨＧ部
１１ レーザ光源
１２ａ，１２ｂ，１３ レンズ
１０ ＱＰＭ素子
１４ 光ファイバ

Claims (5)

1. 基本波を高調波に変換する導波路型の波長変換素子であって、
   所望の位相整合条件を満たすように形成された周期的分極反転領域を有するコア部と、
   前記周期的分極反転領域を挟む領域を有し該領域に電圧を印加するための電極が形成されたクラッド部と、
   を備えることを特徴とする導波路型の波長変換素子。
2. 前記基本波を第２高調波に変換する第１波長変換部と、
   前記基本波と前記第２高調波とに基づき第３高調波を生成する第２波長変換部と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の導波路型の波長変換素子。
3. 前記コア部は、ＭｇＳＬＴ又はＭｇＬＮからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の導波路型の波長変換素子。
4. 前記第１波長変換部と前記第２波長変換部とは、光の進行方向に直列にモノリシックに形成されてなることを特徴とする請求項２記載の導波路型の波長変換素子。
5. 基本波を発振する半導体レーザと、
   前記半導体レーザからの前記基本波を入射する請求項１乃至４のいずれか１項の導波路型の波長変換素子と、
   を備えることを特徴とするレーザ装置。

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