JP3555414B2 - 短波長光源、光波長変換素子および光波長変換素子の検査方法 - Google Patents
短波長光源、光波長変換素子および光波長変換素子の検査方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザと非線形光学結晶を用いた短波長光源、光波長変換素子、及び光波長変換素子の検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長７８０ｎｍ帯の近赤外半導体レーザや波長６５０ｎｍの赤色半導体レーザを用いた光ディスクシステムの開発が活発である。光ディスクの高密度化を実現するためには、小さなスポット形状を再生することが望まれる。そのためには、集光レンズの高ＮＡ（高開口数）化や光源の短波長化が必要となる。短波長化技術として、近赤外半導体レーザーと擬似位相整合（以下、ＱＰＭと記す）方式の分極反転型光導波路（山本他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．１６， Ｎｏ．１５， １１５６ （１９９１））デバイスを用いた第２高調波発生（以下、ＳＨＧと記す）がある。
【０００３】
分極反転型導波路デバイスを用いた短波長光源の概略構成図を図１３に示す。概略構成図において４２は０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲ（分布ブラッグ反射型）半導体レーザー、４３はＮＡ＝０．５のコリメートレンズ、４４はＮＡ＝０．５のフォーカスレンズである。ＤＢＲ半導体レーザ４２には、発振波長を固定するためのＤＢＲ部および、ＤＢＲ部内には発振波長を可変するための内部ヒータが形成されている。光波長変換素子である分極反転型光導波路デバイスは、ＭｇＯを注入されたＬｉＮｂＯ３基板４５に形成された光導波路４６と周期的な分極反転領域４７より構成されている。コリメートレンズ４３で平行になったレーザー光は、フォーカスレンズ４４で分極反転型光導波路デバイスの光導波路４６の端面に集光され、分極反転領域４７をもつ光導波路４６を伝搬し、光導波路４６の出射端面より高調波と変換されなかった基本波が出射される。分極反転型光導波路デバイスは、高効率に波長変換が行われる位相整合波長許容幅が０．１ｎｍ程度と小さい。そのため、ＤＢＲ半導体レーザ４２のＤＢＲ部への注入電流量を制御し、発振波長を分極反転型光導波路デバイスの位相整合波長許容度内に固定する。光導波路４６内への入射光強度７０ｍＷに対し、波長４２５ｎｍのブルー光が８ｍＷ程度得られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＢＲ領域を有する半導体レーザ（以下ＤＢＲ−ＬＤとする）と光波長変換素子とから構成される短波長光源において、半導体レーザの発振波長を光波長変換素子の位相整合波長に一致させることが必要である。擬似位相整合方式を用いた分極反転型導波路デバイスによる高調波発生を利用した短波長光源を実用化、量産化するにあたり、ＤＢＲ−ＬＤの発振波長のばらつきが問題となる。ＤＢＲ−ＬＤは基本発振波長＋２ｎｍの波長が可変できるが（以下発振波長範囲と呼ぶ）、実際に基本発振波長は８４７〜８５８ｎｍの間でばらついており問題となる。
【０００５】
次に、光導波路の識別がし難く、所望の光導波路を見つけるのも困難である。さらに、位相整合波長の測定においては、従来レーザー光をフォーカスレンズを用いて光導波路と結合させていたため、非常に高精度のアライメントが必要であり非常に時間を費やした。また、１本ずつしか測定できなかった。これも量産化する際には問題となってくる。
【０００６】
本発明は以上示した、半導体レーザ（ＤＢＲ−ＬＤ）及び光波長変換素子を用いた短波長光源と高調波発生素子の検査課程の課題を克服し、短波長光源の量産化、実用化を実現するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、
（１）１枚の光波長変換素子上に複数の光導波路を形成し、それぞれの光導波路の幅、分極反転周期を変化させ、位相整合波長を変えることを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、
（２）各光導波路の位相整合波長がわかるように目印としてマーカーを光導波路の近傍に形成し、マーカーの形や位置や数を変えておくことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
本実施例で使用している半導体レーザは波長可変領域をもち（ＤＢＲ部）、ＭＯＣＶＤ装置を用いたエピタキシャル成長により作製される。ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎーＡｌＧａＡｓを成長させた後、ＡｌＧａＡｓの導波領域と活性領域が形成され、クラッド層としてｐ−ＡｌＧａＡｓが積層される。次に、フォトリソグラフィー技術により、導波路が形成される。レジストがウェハー上にコートされ、干渉露光によりグレーティングパターンが形成された後、導波領域のみエッチングによりグレーティング（ＤＢＲ）が形成される。２回目ＭＯＣＶＤ成長は、接触抵抗を低減するためウエハー上にｐ−ＧａＡｓが形成される。ＤＢＲ領域および活性領域上には、電流注入するための電極が形成される。
【００１２】
得られたＤＢＲ半導体レーザは、しきい値が３０ｍＡで、１００ｍＷ出力時の動作電流は１５０ｍＡであった。基本発振波長（ＤＢＲ部に与える電流が０ｍＡのときの発振波長）は８５０ｎｍで、波長可変範囲（ＤＢＲ部に与える電流が０〜１００ｍＡのときの波長変化幅）は２ｎｍで、８５０〜８５２ｎｍで使用可能であった。
【００１３】
ＤＢＲ−ＬＤは動作電流の調整だけで発振波長を変化させることができ、とても扱いやすい。しかしながら波長可変範囲は約２ｎｍ程度で、しかも、発振波長が大きくなる方向にしか波長を振ることができない。従って、本実施例で用いたＤＢＲ−ＬＤは位相整合波長が８４９ｎｍの光導波路においてブルー光を出力することができないのである。
【００１４】
なお、ＤＢＲ−ＬＤ以外の半導体レーザーで発振波長を変化させる方法としては、
（１）半導体レーザの温度を変える、
（２）グレーティングを外部に用いる（図１ａ参照）、
（３）バンドパスフィルターを用いる（図１ｂ参照）、
などの方法がある。
【００１５】
半導体レーザは、温度を変化させることにより０．３ｎｍ／℃で発振波長を変化させることができる。しかし、微調整が難しく、温度を一定に保つのは困難で波長を所望の値にロックするのは困難である。
【００１６】
グレーティングを用いる際には±１０ｎｍの範囲で波長可変である。すなわち、半導体レーザ１から発光されたレーザー光を、光波長変換素子２の端面とグレーティング３との間で共振させて波長を変化させ、ロックさせることができる。しかし、波長を可変する際には機械的調整が必要であり、外部にグレーティングを用いることは短波長光源の小型化には適していない。
【００１７】
バンドパスフィルターを用いる場合にも±１０ｎｍの範囲で波長可変である。しかし、この手法でも波長を変える場合には、バンドパスフィルター８の角度を変える際に機械的調整が必要であり、小型化には適していない。
【００１８】
以上のように、波長を変化させる際に機械調整が不必要で、動作電流だけで発振波長が可変であることと、短波長光源の小型化に適しているという点でＤＢＲ−ＬＤは非常に優位性がある。
【００１９】
（実施の形態２）
図２ａ、図２ｂは、擬似位相整合方式を用いた光波長変換素子の構成図である。光波長変換素子は半導体プロセスをもちいて形成される。具体的に説明すると、図３のように、まずＭｇＯを注入されたＬｉＮｂＯ３結晶のウェハー１２にＴａ１３もしくはＳｉＯ２をスパッタ蒸着しておき、フォトマスク１５をウェハーにレジスト１４を塗布した後密着させ、紫外線露光して現像処理を行う。現像処理によりマスクのあった部分だけが残る。その後ドライエッチングによりマスクのあった部分以外のＴａ１３がエッチングされる。アセトンに浸すことによってレジスト１４が除去される。その後、ウェハー１２を所定のサイズに切断し、約２００℃に熱したピロリン酸中に７〜１０分程度浸しプロトン交換を行うと光導波路１０が形成される。プロトン交換後熱拡散処理を行い光導波路１０を拡張し、切断された素子の端面を光学研磨した後、無反射コートを蒸着し完成する。光導波路１０の幅は幅方向に３〜６μｍ、深さ方向に１．５〜２．５μｍに条件が振ってある。この条件は、フォトマスクの設計、プロトン交換時間、熱拡散処理時間によって調整可能である。さらに、電界印加法により分極反転構造１１が形成され第２高調波（ＳＨＧ）が発生するようになっている。分極反転周期は２．９〜３．１μｍで作成されている。今回制作した光波長変換素子９の大きさは１０×５×０．７ｍｍであり、光導波路１０が隣の光導波路の影響を受けないように３０μｍ間隔で形成されている。
【００２０】
光導波路の幅を変化させることにより、光導波路内の実行屈折率が変化し、光導波路の位相整合波長を微妙に変化させることが可能である。本実施の形態では、光導波路の幅を０．５μｍ大きくすると、位相整合波長が０．５ｎｍ短くなる。このように光導波路の幅を変えることにより、連続的に位相整合波長を調整できる。また、光導波路の幅を変えることにより、ビームスポットの異なるレーザービームに対して結合効率を最適化することも可能である。
【００２１】
上述したように、光導波路の幅を変化させることにより位相整合波長を変化させることが可能であるが、あまりに光導波路の幅を大きくしてしまうと、光導波路への光の閉じ込めがが弱くなったり、伝搬モードがシングルでなくなったりして、高調波であるブルー光があまり出なくなってしまう。そこで、位相整合波長を大きく変える場合には、分極反転周期を変えると良い。本実施の形態では、分極反転の周期を０．０５μｍ変化させることにより、位相整合波長を約３ｎｍずらすことができる。
【００２２】
光導波路幅、分極反転周期を少しずつ変化させることにより、連続的かつ広範囲で位相整合波長の調整が可能となる。本実施の形態で作成した光波長変換素子は、１枚の素子内で位相整合波長が８４５〜８６０ｎｍの範囲で選択可能になっている（図２ｂ参照）。これにより、ＤＢＲ−ＬＤがプラス方向に２ｎｍしか発振波長を変化できないという欠点をカバーすることができる。
【００２３】
また、本発明の応用として、半導体レーザの製造プロセス上、基本発振波長は各ロット内ではほぼ同じ値となることから、例えば、基本発振波長が８５２ｎｍの半導体レーザが多く製造された場合において、図４の様に位相整合波長が８５２ｎｍ近傍の光導波路を多く作成しておき、その中から最適の光導波路を選び出して結合させるということも可能である。
【００２４】
以上、本発明により、半導体レーザの基本発振波長がばらついても、光導波路の幅、及び／または分極反転周期を変化させ、位相整合波長を少しずつずらすことによって、基本発振波長のばらつきの影響を打ち消すことができる。このことは量産工程において歩留まり向上などの絶大な効果を生み出す。
【００２５】
（実施の形態３）
短波長光源の実用化にあたり光源の小型化を達成するために、例えば図５に示す直接結合方式を用いた直接結合モジュールが考えられる。具体的に説明すると、サブマウント１６上で半導体レーザチップ１７の端面の目前に光波長変換素子１８を配置し、光導波路１９と結合させ高調波を得る。図６に示すように、異なる形状のマーカー２２〜２４を、光波長変換素子２０上に形成された光導波路２１の１０μｍ横に形成した。各マーカーは、それぞれの光導波路の位相整合波長に対応した形状で設計されている。
【００２６】
本実施の形態では、実施の形態２と同じように、光導波路の幅と分極反転周期を変化させることにより位相整合波長をずらしてある光波長変換素子を用いており、位相整合波長が８５０ｎｍの光導波路には四角形のマーカー２２を、位相整合波長が８５１ｎｍの光導波路には丸形のマーカー２３を対応させている。以下同様にして、各光導波路の位相整合波長に対応した異なる形状のマーカーを光導波路に隣接して形成してある。
【００２７】
なお、直接結合モジュールの作製には図７に示すボンディングマシンを用いた。ボンディングマシンはＹ軸ステージ３１およびＸＺθステージ３３、上ＣＣＤカメラ２７、下ＣＣＤカメ３０（光源：同軸落射式白色光源）と、２つのステージの相対位置をキャリブレーションするためのステージキャリブレーションマーカー２９、半導体レーザ素子および光波長変換素子を固定するツール３２からなっている。半導体レーザのチップ２６の基本発振波長が８５０．８ｎｍであったので、ボンディングマシンの上ＣＣＤカメラ２７からの映像を観測しながら、位相整合波長が８５１ｎｍにあたる丸形のマーカー２３を光波長変換素子２０をＺ方向にスライドさせながら画像認識し、光波長変換素子をＳｉのサブマウント２８上にボンディングした。
【００２８】
ボンディングの位置決め調整にあたっては、位置決め用マーカー２５を用いて行った。先ず、ステージキャリブレーションマーカー２９を上ＣＣＤカメラ２７、下ＣＣＤカメラ３０で同時に観測し、ステージ間の相対位置を認識する。次に、下ＣＣＤカメラ３０で光波長変換素子２０上の位置決め用マーカー２５を画像認識し、光波長変換素子のＸＺ位置及び光軸のθずれなどの情報を得る。次に、上ＣＣＤカメラ２７でＳｉサブマウント２８上の位置決め用マーカー２９を画像認識し、Ｓｉサブマウウント２８のＸＺ位置を認識しながら、光軸のθずれが光波長変換素子２０のずれと一致するようにＳｉサブマウント２８の光軸のθずれを合わせる。
【００２９】
次に、光波長変換素子２０とＳｉサブマウント２８の位置とが一致するようにＸＺθ軸ステージ３３をＸＺ方向に移動させ、Ｙ軸ステージを動かし、Ｓｉサブマウント２８の光波長変換素子搭載部に光波長変換素子２０を配置し、紫外線硬化剤を注入し、紫外線を照射して固定した（図８参照）。半導体レーザのチップ２６も同様の工程で半田を用いてボンディングした。ボンディング装置の横方向の精度は０．５μｍ程度であり、本実施の形態で作製した直接結合型短波長光源モジュールは、赤外半導体レーザ１００ｍＷの入力に対し、約５ｍＷの高調波（ブルー光）を出力した。
【００３０】
本実施の形態で形成した異なる形状のマーカーを、位置決め用のマーカーとして用いることも考えられる。例えば、図９に示すように、キャリブレーションマーカー３５を６角形にしておき、位相整合波長認識用のマーカーを３角形、４角形、６角形の３種類形成しておくと、６角形のキャリブレーションマーカー３５の頂点と３角形マーカー３４の頂点を３点で一致させることにより、位置決めと位相整合波長の認識という作業が一回の作業により達成される。４角形、６角形の場合も同様に４点、６点を一致させればよい。
【００３１】
また、同一の形状のマーカーだけで、位相整合波長を識別することも可能である。例えば、図１０に示すように丸形のマーカー３６の数で、位相整合波長を識別することが可能である。
【００３２】
さらに、位相整合波長の識別以外の用途にも用いることができる。第１の例として、図６において光導波路２１の条件が同一である場合、光導波路の検査に用いることができる。丸形マーカーを備えた光導波路は利用できる。三角マーカーを備えた光導波路は光導波路として使えないというように用いると良い。
【００３３】
第２の例として、同様に、同一条件の光導波路の中で最もブルー光の出る光導波路は四角のマーカーの光導波路である、というような選択に用いることもできる。
【００３４】
以上、異なる形状のマーカー及び／またはマーカーの個数を組み合わせることにより、様々な条件を識別することが可能となる。
【００３５】
以上、本発明により、光導波路の位相整合波長、光導波路の検査、選択を容易にできることで、速やかに、かつ正確に光導波路の特性が認識でき、量産化には大きな効果を発揮する。
【００３６】
なお、以上の実施の形態１、２、３において用いている非線型光学結晶としてＬｉＴａＯ３、ＫＴＰなどを用いてもよい。
【００３７】
（実施の形態４）
光波長変換素子の各光導波路の位相整合波長の検査において、従来は高出力波長可変チタン−サファイアレーザーから出射された平行光をフォーカスレンズを用いて集光し、レーザービームを光導波路に結合させた後、チタン−サファイアレーザーの波長を変化させることにより検査していたが、この方法では１本ずつしか測定できないうえ、上下左右に尤度（結合効率が最大値の半分になるときの移動距離：図１１参照）が０．５μｍという非常に高精度のアライメントが必要であるという課題があった。
【００３８】
本発明の検査方法では、レーザーから出射されたビームまたはレンズを用いてある程度絞られたビームを用い、複数の光導波路の位相整合波長を測定した。すなわち、本実施の形態において、スポットサイズは約０．５×０．５ｍｍで行った。
【００３９】
具体的には、図１２に示すように、まず、チタン−サファイアレーザー３７の出力を１Ｗにし、ビームを光波長変換素子３９の入射端面に照射した。光波長変換素子３９の出射端面には、ブルー光だけを通す光学フィルター４０とＣＣＤカメラ４１とが設置されている。なお、光波長変換素子３９は、先の実施の形態１に挙げたものを使用した。チタン−サファイアレーザー３７の発振波長を低波長から高波長へ徐々に上げていくと、各光導波路の位相整合波長で発生した高調波をＣＣＤカメラ４１で順次観測することができた。本実施の形態では、光波長変換素子の端面でのスポットサイズを約０．５×０．５ｍｍにして行ったが、フォーカスレンズ３８としてシリンドリカルレンズを用いビームスポットの形状を楕円にして測定を行ってもよい。また、チタン−サファイアレーザーから出射されたビームを、そのまま光波長変換素子の端面に照射する場合は、レーザーの出力をさらに高出力にして行えばよい。
【００４０】
また、光導波路の位相整合波長を１本ずつ測定する際にも、レーザーの光波長変換素子の端面でのスポットサイズを１０×１０μｍ程度にして測定したところ、先に記述したとおり、光導波路のスポットサイズは５×２μｍであるので、細かな調整無しに位相整合波長の測定が可能であった。スポットサイズを１０μｍ以下にすると尤度が小さくなり、調整が困難になってしまうので１０μｍ以上が良い。
【００４１】
これにより、従来位相整合波長検査課程では約１０分の時間を必要としていたのが約１分で、しかも複数の光導波路の位相整合波長が測定できるようになった。この時間の短縮と、細かなアライメンとが不必要であることは、量産化において大きな効果を発揮する。
【００４２】
なお、以上の実施形態においてチタン−サファイアレーザーの替わりに色素レーザーを用いてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明により、１枚の光波長変換素子上に複数の光導波路を形成し、それぞれの光導波路の位相整合波長を変化させて形成し、半導体レーザの基本発振波長にばらつきがある場合でも、光波長変換素子上のいずれかの光導波路の位相整合波長を半導体レーザの発振波長と一致するように構成することにより、非線形光学結晶を用いた短波長光源の実用化、量産化において半導体レーザーの基本発振波長のばらつきによる影響を無くすことができ、歩留まりの向上が図れる。
【００４４】
また、本発明により、各光導波路の位相整合波長が判別できるように、目印としてマーカーを光導波路の近傍に設置し、マーカーの形や位置や個数によって各導波路の位相整合波長が容易に確認できるようになる。
【００４５】
また、本発明によれば各光導波路の位相整合波長を測定する際に、波長可変レーザの出射光を光波長変換素子の端面の広範囲に照射することにより、高精度のアライメントの必要なしに、複数の光導波路の位相整合波長を一度に測定することを可能にし、光波長変換素子の位相整合波長の検査工程の簡素化、合理化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体レーザの発振波長の変化方法を示す図
（ａ）は外部にグレーティングを用いる方法を示す図
（ｂ）はバンドパスフィルターを用いる方法を示す図
【図２】光波長変換素子の構成図
（ａ）は光波長変換素子の概略図
（ｂ）は光波長変換素子を上部から見た図
【図３】光波長変換素子の製造方法を示す図
【図４】光波長変換素子の構成図
【図５】直接結合方式を用いたモジュールの構成図
【図６】マーカーの説明図
【図７】ボンディングマシンの構成図
【図８】位置あわせの方法を示す図
（ａ）は位置合わせ前の図
（ｂ）は位置合わせ後の図
【図９】位相整合波長識別マーカーの位置合わせへの応用を示す図
（ａ）は位置合わせ前の図
（ｂ）は位置合わせ後の図
【図１０】単一マーカーでの識別を示す図
【図１１】尤度を示す図
【図１２】光波長変換素子の位相整合波長を測定する際の測定系の構成図
【図１３】短波長光源の概略図
【符号の説明】
１ グレーティング
２ 半導体レーザ
３ 活性層
４ コリメートレンズ
５ フォーカスレンズ
６ 光波長変換素子
７ 光導波路
８ バンドパスフィルター
９ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３基板
１０ 光導波路
１１ 周期的分極反転部
１２ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３基板
１３ Ｔａ膜
１４ レジスト膜
１５ フォトマスク
１６ Ｓｉサブマウント
１７ 半導体レーザチップ
１８ 光波長変換素子
１９ 光導波路
２０ 光波長変換素子
２１ 光導波路
２２ マーカー
２３ マーカー
２４ マーカー
２５ 位置決め用マーカー
２６ 半導体レーザチップ
２７ 上ＣＣＤカメラ
２８ Ｓｉサブマウント
２９ キャリブレーションマーカー
３０ 下ＣＣＤカメラ
３１ Ｙ軸ステージ
３２ ツール
３３ ＸＺθ軸ステージ
３４ マーカー
３５ キャリブレーションマーカー
３６ 丸形マーカー
３７ チタン−サファイアレーザー
３８ フォーカスレンズ
３９ 光波長変換素子
４０ 光学フィルター
４１ ＣＣＤカメラ
４２ 半導体レーザ
４３ コリメートレンズ
４４ フォーカスレンズ
４５ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３基板
４６ 光導波路
４７ 周期的分極反転領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザと非線形光学結晶を用いた短波長光源、光波長変換素子、及び光波長変換素子の検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長７８０ｎｍ帯の近赤外半導体レーザや波長６５０ｎｍの赤色半導体レーザを用いた光ディスクシステムの開発が活発である。光ディスクの高密度化を実現するためには、小さなスポット形状を再生することが望まれる。そのためには、集光レンズの高ＮＡ（高開口数）化や光源の短波長化が必要となる。短波長化技術として、近赤外半導体レーザーと擬似位相整合（以下、ＱＰＭと記す）方式の分極反転型光導波路（山本他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．１６， Ｎｏ．１５， １１５６ （１９９１））デバイスを用いた第２高調波発生（以下、ＳＨＧと記す）がある。
【０００３】
分極反転型導波路デバイスを用いた短波長光源の概略構成図を図１３に示す。概略構成図において４２は０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲ（分布ブラッグ反射型）半導体レーザー、４３はＮＡ＝０．５のコリメートレンズ、４４はＮＡ＝０．５のフォーカスレンズである。ＤＢＲ半導体レーザ４２には、発振波長を固定するためのＤＢＲ部および、ＤＢＲ部内には発振波長を可変するための内部ヒータが形成されている。光波長変換素子である分極反転型光導波路デバイスは、ＭｇＯを注入されたＬｉＮｂＯ３基板４５に形成された光導波路４６と周期的な分極反転領域４７より構成されている。コリメートレンズ４３で平行になったレーザー光は、フォーカスレンズ４４で分極反転型光導波路デバイスの光導波路４６の端面に集光され、分極反転領域４７をもつ光導波路４６を伝搬し、光導波路４６の出射端面より高調波と変換されなかった基本波が出射される。分極反転型光導波路デバイスは、高効率に波長変換が行われる位相整合波長許容幅が０．１ｎｍ程度と小さい。そのため、ＤＢＲ半導体レーザ４２のＤＢＲ部への注入電流量を制御し、発振波長を分極反転型光導波路デバイスの位相整合波長許容度内に固定する。光導波路４６内への入射光強度７０ｍＷに対し、波長４２５ｎｍのブルー光が８ｍＷ程度得られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＢＲ領域を有する半導体レーザ（以下ＤＢＲ−ＬＤとする）と光波長変換素子とから構成される短波長光源において、半導体レーザの発振波長を光波長変換素子の位相整合波長に一致させることが必要である。擬似位相整合方式を用いた分極反転型導波路デバイスによる高調波発生を利用した短波長光源を実用化、量産化するにあたり、ＤＢＲ−ＬＤの発振波長のばらつきが問題となる。ＤＢＲ−ＬＤは基本発振波長＋２ｎｍの波長が可変できるが（以下発振波長範囲と呼ぶ）、実際に基本発振波長は８４７〜８５８ｎｍの間でばらついており問題となる。
【０００５】
次に、光導波路の識別がし難く、所望の光導波路を見つけるのも困難である。さらに、位相整合波長の測定においては、従来レーザー光をフォーカスレンズを用いて光導波路と結合させていたため、非常に高精度のアライメントが必要であり非常に時間を費やした。また、１本ずつしか測定できなかった。これも量産化する際には問題となってくる。
【０００６】
本発明は以上示した、半導体レーザ（ＤＢＲ−ＬＤ）及び光波長変換素子を用いた短波長光源と高調波発生素子の検査課程の課題を克服し、短波長光源の量産化、実用化を実現するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、
（１）１枚の光波長変換素子上に複数の光導波路を形成し、それぞれの光導波路の幅、分極反転周期を変化させ、位相整合波長を変えることを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、
（２）各光導波路の位相整合波長がわかるように目印としてマーカーを光導波路の近傍に形成し、マーカーの形や位置や数を変えておくことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
本実施例で使用している半導体レーザは波長可変領域をもち（ＤＢＲ部）、ＭＯＣＶＤ装置を用いたエピタキシャル成長により作製される。ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎーＡｌＧａＡｓを成長させた後、ＡｌＧａＡｓの導波領域と活性領域が形成され、クラッド層としてｐ−ＡｌＧａＡｓが積層される。次に、フォトリソグラフィー技術により、導波路が形成される。レジストがウェハー上にコートされ、干渉露光によりグレーティングパターンが形成された後、導波領域のみエッチングによりグレーティング（ＤＢＲ）が形成される。２回目ＭＯＣＶＤ成長は、接触抵抗を低減するためウエハー上にｐ−ＧａＡｓが形成される。ＤＢＲ領域および活性領域上には、電流注入するための電極が形成される。
【００１２】
得られたＤＢＲ半導体レーザは、しきい値が３０ｍＡで、１００ｍＷ出力時の動作電流は１５０ｍＡであった。基本発振波長（ＤＢＲ部に与える電流が０ｍＡのときの発振波長）は８５０ｎｍで、波長可変範囲（ＤＢＲ部に与える電流が０〜１００ｍＡのときの波長変化幅）は２ｎｍで、８５０〜８５２ｎｍで使用可能であった。
【００１３】
ＤＢＲ−ＬＤは動作電流の調整だけで発振波長を変化させることができ、とても扱いやすい。しかしながら波長可変範囲は約２ｎｍ程度で、しかも、発振波長が大きくなる方向にしか波長を振ることができない。従って、本実施例で用いたＤＢＲ−ＬＤは位相整合波長が８４９ｎｍの光導波路においてブルー光を出力することができないのである。
【００１４】
なお、ＤＢＲ−ＬＤ以外の半導体レーザーで発振波長を変化させる方法としては、
（１）半導体レーザの温度を変える、
（２）グレーティングを外部に用いる（図１ａ参照）、
（３）バンドパスフィルターを用いる（図１ｂ参照）、
などの方法がある。
【００１５】
半導体レーザは、温度を変化させることにより０．３ｎｍ／℃で発振波長を変化させることができる。しかし、微調整が難しく、温度を一定に保つのは困難で波長を所望の値にロックするのは困難である。
【００１６】
グレーティングを用いる際には±１０ｎｍの範囲で波長可変である。すなわち、半導体レーザ１から発光されたレーザー光を、光波長変換素子２の端面とグレーティング３との間で共振させて波長を変化させ、ロックさせることができる。しかし、波長を可変する際には機械的調整が必要であり、外部にグレーティングを用いることは短波長光源の小型化には適していない。
【００１７】
バンドパスフィルターを用いる場合にも±１０ｎｍの範囲で波長可変である。しかし、この手法でも波長を変える場合には、バンドパスフィルター８の角度を変える際に機械的調整が必要であり、小型化には適していない。
【００１８】
以上のように、波長を変化させる際に機械調整が不必要で、動作電流だけで発振波長が可変であることと、短波長光源の小型化に適しているという点でＤＢＲ−ＬＤは非常に優位性がある。
【００１９】
（実施の形態２）
図２ａ、図２ｂは、擬似位相整合方式を用いた光波長変換素子の構成図である。光波長変換素子は半導体プロセスをもちいて形成される。具体的に説明すると、図３のように、まずＭｇＯを注入されたＬｉＮｂＯ３結晶のウェハー１２にＴａ１３もしくはＳｉＯ２をスパッタ蒸着しておき、フォトマスク１５をウェハーにレジスト１４を塗布した後密着させ、紫外線露光して現像処理を行う。現像処理によりマスクのあった部分だけが残る。その後ドライエッチングによりマスクのあった部分以外のＴａ１３がエッチングされる。アセトンに浸すことによってレジスト１４が除去される。その後、ウェハー１２を所定のサイズに切断し、約２００℃に熱したピロリン酸中に７〜１０分程度浸しプロトン交換を行うと光導波路１０が形成される。プロトン交換後熱拡散処理を行い光導波路１０を拡張し、切断された素子の端面を光学研磨した後、無反射コートを蒸着し完成する。光導波路１０の幅は幅方向に３〜６μｍ、深さ方向に１．５〜２．５μｍに条件が振ってある。この条件は、フォトマスクの設計、プロトン交換時間、熱拡散処理時間によって調整可能である。さらに、電界印加法により分極反転構造１１が形成され第２高調波（ＳＨＧ）が発生するようになっている。分極反転周期は２．９〜３．１μｍで作成されている。今回制作した光波長変換素子９の大きさは１０×５×０．７ｍｍであり、光導波路１０が隣の光導波路の影響を受けないように３０μｍ間隔で形成されている。
【００２０】
光導波路の幅を変化させることにより、光導波路内の実行屈折率が変化し、光導波路の位相整合波長を微妙に変化させることが可能である。本実施の形態では、光導波路の幅を０．５μｍ大きくすると、位相整合波長が０．５ｎｍ短くなる。このように光導波路の幅を変えることにより、連続的に位相整合波長を調整できる。また、光導波路の幅を変えることにより、ビームスポットの異なるレーザービームに対して結合効率を最適化することも可能である。
【００２１】
上述したように、光導波路の幅を変化させることにより位相整合波長を変化させることが可能であるが、あまりに光導波路の幅を大きくしてしまうと、光導波路への光の閉じ込めがが弱くなったり、伝搬モードがシングルでなくなったりして、高調波であるブルー光があまり出なくなってしまう。そこで、位相整合波長を大きく変える場合には、分極反転周期を変えると良い。本実施の形態では、分極反転の周期を０．０５μｍ変化させることにより、位相整合波長を約３ｎｍずらすことができる。
【００２２】
光導波路幅、分極反転周期を少しずつ変化させることにより、連続的かつ広範囲で位相整合波長の調整が可能となる。本実施の形態で作成した光波長変換素子は、１枚の素子内で位相整合波長が８４５〜８６０ｎｍの範囲で選択可能になっている（図２ｂ参照）。これにより、ＤＢＲ−ＬＤがプラス方向に２ｎｍしか発振波長を変化できないという欠点をカバーすることができる。
【００２３】
また、本発明の応用として、半導体レーザの製造プロセス上、基本発振波長は各ロット内ではほぼ同じ値となることから、例えば、基本発振波長が８５２ｎｍの半導体レーザが多く製造された場合において、図４の様に位相整合波長が８５２ｎｍ近傍の光導波路を多く作成しておき、その中から最適の光導波路を選び出して結合させるということも可能である。
【００２４】
以上、本発明により、半導体レーザの基本発振波長がばらついても、光導波路の幅、及び／または分極反転周期を変化させ、位相整合波長を少しずつずらすことによって、基本発振波長のばらつきの影響を打ち消すことができる。このことは量産工程において歩留まり向上などの絶大な効果を生み出す。
【００２５】
（実施の形態３）
短波長光源の実用化にあたり光源の小型化を達成するために、例えば図５に示す直接結合方式を用いた直接結合モジュールが考えられる。具体的に説明すると、サブマウント１６上で半導体レーザチップ１７の端面の目前に光波長変換素子１８を配置し、光導波路１９と結合させ高調波を得る。図６に示すように、異なる形状のマーカー２２〜２４を、光波長変換素子２０上に形成された光導波路２１の１０μｍ横に形成した。各マーカーは、それぞれの光導波路の位相整合波長に対応した形状で設計されている。
【００２６】
本実施の形態では、実施の形態２と同じように、光導波路の幅と分極反転周期を変化させることにより位相整合波長をずらしてある光波長変換素子を用いており、位相整合波長が８５０ｎｍの光導波路には四角形のマーカー２２を、位相整合波長が８５１ｎｍの光導波路には丸形のマーカー２３を対応させている。以下同様にして、各光導波路の位相整合波長に対応した異なる形状のマーカーを光導波路に隣接して形成してある。
【００２７】
なお、直接結合モジュールの作製には図７に示すボンディングマシンを用いた。ボンディングマシンはＹ軸ステージ３１およびＸＺθステージ３３、上ＣＣＤカメラ２７、下ＣＣＤカメ３０（光源：同軸落射式白色光源）と、２つのステージの相対位置をキャリブレーションするためのステージキャリブレーションマーカー２９、半導体レーザ素子および光波長変換素子を固定するツール３２からなっている。半導体レーザのチップ２６の基本発振波長が８５０．８ｎｍであったので、ボンディングマシンの上ＣＣＤカメラ２７からの映像を観測しながら、位相整合波長が８５１ｎｍにあたる丸形のマーカー２３を光波長変換素子２０をＺ方向にスライドさせながら画像認識し、光波長変換素子をＳｉのサブマウント２８上にボンディングした。
【００２８】
ボンディングの位置決め調整にあたっては、位置決め用マーカー２５を用いて行った。先ず、ステージキャリブレーションマーカー２９を上ＣＣＤカメラ２７、下ＣＣＤカメラ３０で同時に観測し、ステージ間の相対位置を認識する。次に、下ＣＣＤカメラ３０で光波長変換素子２０上の位置決め用マーカー２５を画像認識し、光波長変換素子のＸＺ位置及び光軸のθずれなどの情報を得る。次に、上ＣＣＤカメラ２７でＳｉサブマウント２８上の位置決め用マーカー２９を画像認識し、Ｓｉサブマウウント２８のＸＺ位置を認識しながら、光軸のθずれが光波長変換素子２０のずれと一致するようにＳｉサブマウント２８の光軸のθずれを合わせる。
【００２９】
次に、光波長変換素子２０とＳｉサブマウント２８の位置とが一致するようにＸＺθ軸ステージ３３をＸＺ方向に移動させ、Ｙ軸ステージを動かし、Ｓｉサブマウント２８の光波長変換素子搭載部に光波長変換素子２０を配置し、紫外線硬化剤を注入し、紫外線を照射して固定した（図８参照）。半導体レーザのチップ２６も同様の工程で半田を用いてボンディングした。ボンディング装置の横方向の精度は０．５μｍ程度であり、本実施の形態で作製した直接結合型短波長光源モジュールは、赤外半導体レーザ１００ｍＷの入力に対し、約５ｍＷの高調波（ブルー光）を出力した。
【００３０】
本実施の形態で形成した異なる形状のマーカーを、位置決め用のマーカーとして用いることも考えられる。例えば、図９に示すように、キャリブレーションマーカー３５を６角形にしておき、位相整合波長認識用のマーカーを３角形、４角形、６角形の３種類形成しておくと、６角形のキャリブレーションマーカー３５の頂点と３角形マーカー３４の頂点を３点で一致させることにより、位置決めと位相整合波長の認識という作業が一回の作業により達成される。４角形、６角形の場合も同様に４点、６点を一致させればよい。
【００３１】
また、同一の形状のマーカーだけで、位相整合波長を識別することも可能である。例えば、図１０に示すように丸形のマーカー３６の数で、位相整合波長を識別することが可能である。
【００３２】
さらに、位相整合波長の識別以外の用途にも用いることができる。第１の例として、図６において光導波路２１の条件が同一である場合、光導波路の検査に用いることができる。丸形マーカーを備えた光導波路は利用できる。三角マーカーを備えた光導波路は光導波路として使えないというように用いると良い。
【００３３】
第２の例として、同様に、同一条件の光導波路の中で最もブルー光の出る光導波路は四角のマーカーの光導波路である、というような選択に用いることもできる。
【００３４】
以上、異なる形状のマーカー及び／またはマーカーの個数を組み合わせることにより、様々な条件を識別することが可能となる。
【００３５】
以上、本発明により、光導波路の位相整合波長、光導波路の検査、選択を容易にできることで、速やかに、かつ正確に光導波路の特性が認識でき、量産化には大きな効果を発揮する。
【００３６】
なお、以上の実施の形態１、２、３において用いている非線型光学結晶としてＬｉＴａＯ３、ＫＴＰなどを用いてもよい。
【００３７】
（実施の形態４）
光波長変換素子の各光導波路の位相整合波長の検査において、従来は高出力波長可変チタン−サファイアレーザーから出射された平行光をフォーカスレンズを用いて集光し、レーザービームを光導波路に結合させた後、チタン−サファイアレーザーの波長を変化させることにより検査していたが、この方法では１本ずつしか測定できないうえ、上下左右に尤度（結合効率が最大値の半分になるときの移動距離：図１１参照）が０．５μｍという非常に高精度のアライメントが必要であるという課題があった。
【００３８】
本発明の検査方法では、レーザーから出射されたビームまたはレンズを用いてある程度絞られたビームを用い、複数の光導波路の位相整合波長を測定した。すなわち、本実施の形態において、スポットサイズは約０．５×０．５ｍｍで行った。
【００３９】
具体的には、図１２に示すように、まず、チタン−サファイアレーザー３７の出力を１Ｗにし、ビームを光波長変換素子３９の入射端面に照射した。光波長変換素子３９の出射端面には、ブルー光だけを通す光学フィルター４０とＣＣＤカメラ４１とが設置されている。なお、光波長変換素子３９は、先の実施の形態１に挙げたものを使用した。チタン−サファイアレーザー３７の発振波長を低波長から高波長へ徐々に上げていくと、各光導波路の位相整合波長で発生した高調波をＣＣＤカメラ４１で順次観測することができた。本実施の形態では、光波長変換素子の端面でのスポットサイズを約０．５×０．５ｍｍにして行ったが、フォーカスレンズ３８としてシリンドリカルレンズを用いビームスポットの形状を楕円にして測定を行ってもよい。また、チタン−サファイアレーザーから出射されたビームを、そのまま光波長変換素子の端面に照射する場合は、レーザーの出力をさらに高出力にして行えばよい。
【００４０】
また、光導波路の位相整合波長を１本ずつ測定する際にも、レーザーの光波長変換素子の端面でのスポットサイズを１０×１０μｍ程度にして測定したところ、先に記述したとおり、光導波路のスポットサイズは５×２μｍであるので、細かな調整無しに位相整合波長の測定が可能であった。スポットサイズを１０μｍ以下にすると尤度が小さくなり、調整が困難になってしまうので１０μｍ以上が良い。
【００４１】
これにより、従来位相整合波長検査課程では約１０分の時間を必要としていたのが約１分で、しかも複数の光導波路の位相整合波長が測定できるようになった。この時間の短縮と、細かなアライメンとが不必要であることは、量産化において大きな効果を発揮する。
【００４２】
なお、以上の実施形態においてチタン−サファイアレーザーの替わりに色素レーザーを用いてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明により、１枚の光波長変換素子上に複数の光導波路を形成し、それぞれの光導波路の位相整合波長を変化させて形成し、半導体レーザの基本発振波長にばらつきがある場合でも、光波長変換素子上のいずれかの光導波路の位相整合波長を半導体レーザの発振波長と一致するように構成することにより、非線形光学結晶を用いた短波長光源の実用化、量産化において半導体レーザーの基本発振波長のばらつきによる影響を無くすことができ、歩留まりの向上が図れる。
【００４４】
また、本発明により、各光導波路の位相整合波長が判別できるように、目印としてマーカーを光導波路の近傍に設置し、マーカーの形や位置や個数によって各導波路の位相整合波長が容易に確認できるようになる。
【００４５】
また、本発明によれば各光導波路の位相整合波長を測定する際に、波長可変レーザの出射光を光波長変換素子の端面の広範囲に照射することにより、高精度のアライメントの必要なしに、複数の光導波路の位相整合波長を一度に測定することを可能にし、光波長変換素子の位相整合波長の検査工程の簡素化、合理化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体レーザの発振波長の変化方法を示す図
（ａ）は外部にグレーティングを用いる方法を示す図
（ｂ）はバンドパスフィルターを用いる方法を示す図
【図２】光波長変換素子の構成図
（ａ）は光波長変換素子の概略図
（ｂ）は光波長変換素子を上部から見た図
【図３】光波長変換素子の製造方法を示す図
【図４】光波長変換素子の構成図
【図５】直接結合方式を用いたモジュールの構成図
【図６】マーカーの説明図
【図７】ボンディングマシンの構成図
【図８】位置あわせの方法を示す図
（ａ）は位置合わせ前の図
（ｂ）は位置合わせ後の図
【図９】位相整合波長識別マーカーの位置合わせへの応用を示す図
（ａ）は位置合わせ前の図
（ｂ）は位置合わせ後の図
【図１０】単一マーカーでの識別を示す図
【図１１】尤度を示す図
【図１２】光波長変換素子の位相整合波長を測定する際の測定系の構成図
【図１３】短波長光源の概略図
【符号の説明】
１ グレーティング
２ 半導体レーザ
３ 活性層
４ コリメートレンズ
５ フォーカスレンズ
６ 光波長変換素子
７ 光導波路
８ バンドパスフィルター
９ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３基板
１０ 光導波路
１１ 周期的分極反転部
１２ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３基板
１３ Ｔａ膜
１４ レジスト膜
１５ フォトマスク
１６ Ｓｉサブマウント
１７ 半導体レーザチップ
１８ 光波長変換素子
１９ 光導波路
２０ 光波長変換素子
２１ 光導波路
２２ マーカー
２３ マーカー
２４ マーカー
２５ 位置決め用マーカー
２６ 半導体レーザチップ
２７ 上ＣＣＤカメラ
２８ Ｓｉサブマウント
２９ キャリブレーションマーカー
３０ 下ＣＣＤカメラ
３１ Ｙ軸ステージ
３２ ツール
３３ ＸＺθ軸ステージ
３４ マーカー
３５ キャリブレーションマーカー
３６ 丸形マーカー
３７ チタン−サファイアレーザー
３８ フォーカスレンズ
３９ 光波長変換素子
４０ 光学フィルター
４１ ＣＣＤカメラ
４２ 半導体レーザ
４３ コリメートレンズ
４４ フォーカスレンズ
４５ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３基板
４６ 光導波路
４７ 周期的分極反転領域
Claims (6)
- 半導体レーザと非線形光学結晶からなる周期的分極反転領域を有する擬似位相整合方式の光波長変換素子において、前記光波長変換素子には位相整合波長がそれぞれ異なる光導波路を少なくとも２本以上備え、前記半導体レーザから発光された光を、前記いずれかの光導波路に結合させ高調波を出力することを特徴とする短波長光源。
- 前記光導波路の幅または分極反転周期の少なくとも一方が異なることを特徴とする請求項１に記載の短波長光源。
- 前記半導体レーザが利得を与えるための活性領域と、発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（DBR）領域とを備えていることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の短波長光源。
- 非線形光学結晶からなる周期的分極反転領域かつ光導波路を複数備えた光波長変換素子において、前記光導波路の位相整合波長がそれぞれ異なり、前記光導波路に対応するマーカーを備えていることを特徴とする光波長変換素子。
- 前記マーカーがそれぞれ異なる形状であることを特徴とする請求項４に記載の光波長変換素子。
- 前記光導波路の幅または分極反転周期の少なくとも一方が異なることを特徴とする請求項４または５の何れかに記載の光波長変換素子。
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