JP3460840B2 - 光素子、レーザ光源及びレーザ装置並びに光素子の製造方法 - Google Patents

光素子、レーザ光源及びレーザ装置並びに光素子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、コヒー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。
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KN
bO3による光波長変換素子25より基本的に構成されてい
る。
図１に示されるように807nmで発振する半導体レーザ2
0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8
00nm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。
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。50
0mW出力の半導体レーザを用いて、1mWの高調波が得られ
る。
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 an
d T.Taniuchi,Applied Physics Letters,Vol 58,2732ペ
ージ,1991年６月号に開示されている。
この光波長変換素子では、図２に示されるように、Li
TaO3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。LiTaO3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。
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に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。
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を基本構成要素をして有してい
る。
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。
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。
より詳細には、まず、LiTaO3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。
次に、Taマスクで主面が覆われたLiTaO3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、LiTaO3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:HNF3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。
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。LiTaO3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。
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。
より詳細には、ステップ２は、大きく、ステップS2
1、ステップS22及びステップS23に分かれる。ステップS
21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。
以下、これらの工程を説明する。
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LiTaO3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LiTaO3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。
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。
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。
上記光波長変換素子によれば、光導波路２の長さを9m
m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％）。
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。
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。
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。
発明の開示 本発明の光素子の製造方法は、LiNbXTa1-XO3（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。
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。
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。
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。
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。
本発明の他の光素子の製造方法は、LiNbXTa1-XO3（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。
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。
本発明の光素子は、LiNbXTa1-XO3（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。
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。
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。
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。
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。
前記光波長変換素子はLiNbXTa1-XO3（０≦Ｘ≦１）基
板に形成されていることが好ましい。
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ポンプ光を受け取り、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。
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。
前記光波長変換素子はLiNbXTa1-XO3（０≦Ｘ≦１）基
板に形成されていることが好ましい。
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。
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。
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。
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。
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。
前記光波長変換素子はLiNbXTa1-XO3（０≦Ｘ≦１）基
板に形成されていることが好ましい。
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。
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40μ
ｍ以上である。
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。
前記光波長変換素子がLiNbXTa1-XO3（０≦Ｘ≦１）基
板に形成されている。
ある実施形態では、前記光導波路がグレーティッド型
である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
本波を生成する固定レーザ結晶と、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ある実施形態では、２つの光路が時間的に切り替わ
る。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図面の簡単な説明 図１は、従来の短波長光源を示す図。
図２は、従来の光波長変換素子の構成図。
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は、従来の光素子の屈折率経時変化を示す図。
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8B、図8C、図8D及び図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15B及び図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は、本発明のレーザ光源の実施例の構造図。
図18A、図18B、図81C及び図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は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。
図21は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。
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は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。
図24は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。
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は、本発明の実施例のレーザ光源の構成図。
図27は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。
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は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。
図31は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。
図32は、本発明の実施例のレーザ装置の構成図。
図33は、本発明の実施例の光ディスク装置の構成図。
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。
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。
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nWにより
決まる。より詳細には、λ＝２（n2W−nW）・Λとな
る。
分極反転相の周期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nWの変化に起因すると考えられる。
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。
本願発明者は、この原因を以下のように考える。
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。
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。
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。
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。
以下に、図面を参照しながら実施例を説明する。
（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。
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LiTaO3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。
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。
図8Aに示されるように、まず、LiTaO3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のストリップが等間隔で配
列されたパターンを持ち、ストリップの配列周期は3.7
μｍ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1
4分間浸すことによって実行される。こうして、LiTaO3
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:HNF3
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。
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。LiTaO3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。
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４
μｍ、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想定することになる。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LiTaO3
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、LiTaO3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:HNF3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。
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SiO2膜（不図示）
を堆積する。
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。
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LiTaO3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。
図９を参照して、上記製造工程のフローを説明する。
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（S
20）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S
23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。
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。
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置整合波
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
要する時間が短いが、その反面、歪みが比較的に大きく
残存することなる。
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。
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。
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。
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。
（実施例２） 次に、本発明の第２の実施例を説明する。
まず、LiTaO3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
トリップ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、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、LiTaO3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:HNF3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。
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。
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。
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。
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SiO2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。
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。
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。
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。
（実施例３） 次に、本発明の第３の実施例として、LiNbO3基板（厚
さ:0.4〜0.5mm）を用いた場合について説明する。
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LiNbO3基板の主面上に形成する。
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。
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、LiNbO3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。
次に、HF:HNF3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４μ
ｍ、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。
この後、保護膜として機能する厚さ300nmのSiO2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）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。
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420
nmの高調内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。
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。
（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。
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、LiNbO3とLiTaO3の混合物膜（LiNb0.5T
a0.5O3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LiTaO3
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。
蒸着法によって厚さ300nmのSiO2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。
上記工程により形成された光導波路の厚さｄは、1.8
μｍ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、LiNb0.5Ta0.5O3に限定されず、LiNbxT
a1-xO3（０＜ｘ）１）や他の光学材料であってもよい。
（実施例５） 次に、本発明の第５の実施例を説明する。
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。
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。
以下に、プロセスの詳細を説明する。
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LiTaO3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:HNF3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A1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2nアニールを行っ
た。200℃以上低くすることで歪み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。
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。
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。
（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。
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YAG
21を励起する。
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LiTaO3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。
図17で１はＺ板のLiTaO3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。
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。
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。
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LiN
bO3基板１の主面上に形成する。
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。
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、LiNbO3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。
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。
次に、図18Dに示されるように、SiO2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。
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。
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。
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。
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。
図19は、光導波路厚み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。
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合において、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。
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
較的に近い電圧の印加で、高調波出力の変調を行うこと
ができる。
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。
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LiTaO3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。
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/
m2、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。
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。
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LiTaO3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。
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。
次にこのDBR半導体レーザにRF重畳（高調波重畳）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。
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。
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LiNbO3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。LiNbO3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2
5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。
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。
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。
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。
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LiTaO3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。
また、全反射ミラー22および23のコーティングを1060
nm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:Y
VO4をファイバーの出力側に張り付いた。LiTaO3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。
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LiTaO3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LiTaO3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。
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。
図26は、固体レーザ結晶を用いない実施例を示してい
る。
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。
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
レーザ光と合成される。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/m2、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。
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。
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。
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の出力信号が常にモ
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。
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
制御可能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。
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。
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。
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。
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。
次に、本発明のレーザ放射装置の更に他の実施例を説
明する。
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LiTaO3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30
0cd/m2、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。
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。この液晶ライトパルプ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。
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。
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/m2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。
なお、前記実施例では、非線形光学結晶として、LiNb
O3及びLiTaO3を用いたが、KNbO3、KTP等の強誘電体、MN
A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,YVO4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。
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。
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。
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ー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ー103に与え
る。
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。
次に、動作を説明する。
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からの反射光は再び同一の光路
を戻り、偏光ビームスプリッター105で反射され、ディ
テクター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。
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。
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。
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。
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れており、光ピックアップからは
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。
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。
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。
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、LiNbXTa1-XO3（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。
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12
0℃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。
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。
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。
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。
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。
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波長器を一体
化できその効果は絶大である。
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。
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。
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。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−194196（ＪＰ，Ａ) Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，1994年 １月15日，Ｖｏｌ．75，Ｎｏ．２，717 −727 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/37 G02F 6/12 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】LiNbXTa1-XO3（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150℃以上の温度で熱処理する高温アニール工
    程と、 該基板を120℃以下の温度で１時間以上熱処理すること
    により、該高温アニール工程によって該プロトン交換層
    内に導入された歪みを緩和する低温アニール工程と を包含する光素子の製造方法。
  2. 【請求項２】前記低温アニール工程は、50℃以上90℃以
    下の温度で行う、請求項１に記載の光素子の製造方法。
  3. 【請求項３】前記低温アニール工程は、100℃から60℃
    まで30時間かけて温度を徐々に低下させる工程を包含す
    る、請求項１に記載の光素子の製造方法。
  4. 【請求項４】前記光素子の製造方法は、 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
    成する工程をさらに包含する、請求項１に記載の光素子
    の製造方法。
  5. 【請求項５】LiNbXTa1-XO3（０≦Ｘ≦１）基板に対して
    プロトン交換処理を行う工程と、 該プロトン交換処理を行った後に、該基板に対して第１
    の温度で第１の熱処理を行う工程と、 該第１の熱処理を行った後に、該基板に対して第２の温
    度で第２の熱処理を行う工程と を包含し、該第２の温度は、該第１の温度よりも200℃
    以上低い、光素子の製造方法。
  6. 【請求項６】前記第２のアニールは、50℃以上90℃以下
    の温度で行う、請求項５に記載の光素子の製造方法。
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