JP4199408B2

JP4199408B2 - Wavelength conversion element, method for manufacturing wavelength conversion element, and wavelength conversion module

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Publication number: JP4199408B2
Application number: JP2000130795A
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Inventors: 慎一郎園田
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Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2008-12-17
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換素子、波長変換素子の製造方法、及び波長変換モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、非線形光学材料からなる光導波路を有し、この光導波路を伝搬する基本波を第２高調波等に波長変換する導波路型の光波長変換素子が知られている。また、この種の導波路型の光波長変換素子においては、光導波路に周期ドメイン反転構造を形成して、いわゆる疑似位相整合を取ることが広く行なわれている。この導波路型の光波長変換素子から出射した第２高調波等の波長変換波を、レーザプリンタ等の光走査記録装置の記録光として適用する場合等においては、記録光をより小さなスポットに絞るために、波長変換波はガウシアンビーム、つまりビーム断面内の光強度分布がガウス分布となっているビームであるのが望ましい。また、記録光がガウシアンビームになっていないと、記録濃度にムラが生じやすい。さらに、赤色、緑色、青色の３色の記録光でカラー画像を記録する際に、ある記録光だけがガウシアンビームになっていないと、色ずれが生じてしまう。
【０００３】
上述のように波長変換波をガウシアンビームとするためには、導波路型の光波長変換素子を、その光導波路において０次モードで伝搬する波長変換波と基本波とが位相整合するように構成すればよい。
【０００４】
その一方、本発明者の研究によると、０次モードよりも１次モードで伝搬する第２高調波の方が基本波との重なり積分が大きくなることが分かっている。従って波長変換効率の点からは、１次モードで伝搬する第２高調波と基本波とが位相整合するように導波路型光波長変換素子を構成することが望まれる。しかしながら、光等波路を１次モードで伝搬して光導波路外に出射した第２高調波は、垂直方向（光導波路の基板厚さ方向）にローブが２つ並んだ形の強度分布を有し、ガウシアンビームにはならない。
【０００５】
特開平８−５４６５８号には、光導波路を１次モードで伝搬してから光導波路外に出射した第２高調波を位相補償板に通すことにより、上記２つのローブ間の位相差を補償して、第２高調波をガウシアンビーム化する技術が示されている。しかしながら、その場合には、ビーム端部に位相が安定しないエッジだれが生じたり、光導波路の作製ばらつきが存在することから、２つのビーム間の位相差が安定せず、そのため条件が固定されている位相補償板を用いたのでは、安定したガウシアンビームを得るのは困難となっている。
【０００６】
また、特開平１１−７２８１０号公報には、外部に光学素子を設けることなく通常の光導波路上に高屈折率クラッド層を設けて０次モードで伝搬する第２高調波と基本波とのオーバラップを増大させ、高い変換効率で第２高調波を得る光導波路が記載されている。しかしながら、この光導波路では出射した第２高調波は横方向がマルチモードとなり、安定してガウシアンビームを得ることができない、という問題がある。この光導波路において横方向がマルチモードとなるのは、０次モードで伝搬する第２高調波と基本波の波長分散（導波路の構造分散と材料の分散）のために、縦方向及び横方向が共にシングルモードとなる光導波路を得ることができないからである。
【０００７】
なお、０次モードの第２高調波と基本波とは、通常は横方向の重なりが大きく、光導波路において０次モードで伝搬する波長変換波と基本波とが位相整合するように構成すればガウシアンビームが得られるが、横方向のビームが複数のピークを持つ高次モードとなる場合がある。これは光導波路中の欠陥等によるモード変換が原因と推定されている。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、安定してガウシアンビーム状の波長変換波が得られ、しかも波長変換効率の高い光波長変換素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の波長変換素子は、入射された基本波をシングルモードで伝搬しながら擬似位相整合により波長変換する第１の領域と、該第１の領域から伝搬された波長変換波をシングルモードで伝搬して出射する第２の領域と、を含み、前記第２の領域と周囲との屈折率差が、前記第１の領域と周囲との屈折率差よりも小さいことを特徴とする。
【００１０】
本発明の光波長変換素子では、第１の領域において、入射された基本波をシングルモードで伝搬しながら擬似位相整合により第２高調波に波長変換すると共に、第２の領域において、この第１の領域から伝搬された波長変換波である第２高調波をシングルモードで伝搬して、波長変換波を出射することとしたので、光導波路中に欠陥等がある場合にも、高い波長変換効率で、安定してガウシアンビーム状の波長変換波を得ることができる。
【００１１】
なお、「周囲との屈折率差」とは、各領域と各領域に隣接する領域（但し、第１の領域の場合は第２の領域を除き、第２の領域の場合は第１の領域を除く）との屈折率差のことである。
【００１２】
請求項２に記載の波長変換素子は、請求項１に記載の発明において、前記第１の領域及び第２の領域が、非線形結晶基板に形成された直線状の光導波路により構成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の波長変換素子は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第２の領域の光伝搬方向に沿った長さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。前記第２の領域の光伝搬方向に沿った長さを０．５ｍｍ以上とすることにより、迷光がオフセットするのを防止することができる。
【００１４】
請求項４に記載の波長変換素子は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記非線形結晶がＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の波長変換素子は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記非線形結晶にＭｇＯ、ＺｎＯ、またはＳｃがドープされたことを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の波長変換素子は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、出射側端面が光軸方向に垂直な面に対して光伝搬方向に３°〜７°傾斜したことを特徴とする。出射側端面をこのように斜めに研磨したことにより、基本波が波長変換素子に再入射するのを防止することができる。
【００１７】
請求項７に記載の波長変換素子は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発明において、基本波に対する反射率が０．２％以上の反射防止膜を、入射側端面及び出射側端面の少なくとも一方に設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の波長変換素子の製造方法は、請求項１に記載の波長変換素子を製造する波長変換素子の製造方法であって、前記非線形結晶基板の前記第１の領域に対応する領域に所定深さの第１のプロトン交換領域を形成し、前記第２の領域に対応する領域に前記第１の領域よりも浅い第２のプロトン交換領域を形成し、前記第１のプロトン交換領域をアニールした後に分極反転構造を形成して、入射された基本波をシングルモードで伝搬可能であると共に、擬似位相整合により基本波を波長変換波に変換可能な第１の領域を形成し、前記第２のプロトン交換領域をアニールして、前記第１の領域から伝搬された波長変換波をシングルモードで伝搬可能な第２の領域を形成し、波長変換素子を製造することを特徴とする。本発明の波長変換素子の製造方法では、入射された基本波をシングルモードで伝搬しながら擬似位相整合により波長変換する第１の領域と、この第１の領域から伝搬された波長変換波をシングルモードで伝搬して出射する第２の領域とを、２回のプロトン交換とアニールとにより形成することができ、本発明の波長変換素子を容易に製造することができる。
【００１９】
請求項９に記載の波長変換モジュールは、請求項１〜７のいずれか１項に記載の波長変換素子と、基本波を出射する半導体レーザとを直接結合したことを特徴とする。本発明の光波長変換モジュールは、上記した本発明の光波長変換素子を用いているので、外部に位相補償板等の光学素子を設けることなく、高い波長変換効率で、安定してガウシアンビーム状の波長変換波を得ることができる。また、外部に光学素子を設ける必要がないので、モジュールの信頼性が向上すると共に、コストダウンを図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
まず、本発明の光波長変換素子の実施の形態について詳細に説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本実施の形態の光波長変換素子１０は、非線形光学結晶からなる基板１２上に、そのｚ軸と平行な自発分極の向きを反転させたドメイン反転部が周期的に形成されてなる周期ドメイン反転構造１４と、この周期ドメイン反転構造１４に沿って延びるチャンネル光導波路１６とが形成されたものである。
【００２１】
基板１２を構成する非線形光学結晶としては、例えば、ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）等の非線形光学結晶、及びこの非線形光学結晶にＭｇＯ、ＺｎＯ、またはＳｃがドープされた結晶を用いることができる。
【００２２】
周期ドメイン反転構造１４は、基板１２のｙ軸方向にドメイン反転部が並ぶように所定周期Λで形成されている。その周期Λは、非線形光学結晶の屈折率の波長分散を考慮して、基本波近辺の波長に対して１次の周期となるように決定されている。このような周期ドメイン反転構造１４は、例えば特開平６−２４２４７８号に記載された方法によって形成することができる。
【００２３】
チャンネル光導波路１６は、基本波１８が入射する光入射側が周囲との屈折率差がΔｎ₁の第１の領域２０とされ、波長変換波としての第２高調波２２が出射する光出射側が周囲との屈折率差がΔｎ₂の第２の領域２４とされている。なお、第１の領域２０の「周囲との屈折率差」とは、第１の領域２０と空気層及び基板１２との屈折率差のことであり、第２の領域２４の「周囲との屈折率差」とは、第２の領域２４と空気層及び基板１２との屈折率差のことである。
【００２４】
ここで、第２の領域２４の周囲との屈折率差Δｎ₂は、第１の領域２０の屈折率差Δｎ₁よりも小さく、第１の領域２０の周囲との屈折率差Δｎ₁は入射された基本波１８をシングルモードで伝搬可能な値とされ、第２の領域２４の周囲との屈折率差Δｎ₂は第１の領域２０から伝搬された第２高調波２２をシングルモードで伝搬可能な値とされている。また、第２の領域２４の光の伝搬方向に沿った長さＬは、迷光を低減するためにある程度の長さが必要であり、０．５ｍｍ以上が好ましく、０．７５ｍｍ以上がより好ましい。
【００２５】
また、光波長変換素子１０の両端面は光学研磨されている。特に、光波長変換素子１０の出射側端面２６は斜めに研磨されて、チャンネル光導波路１６が延びる方向に垂直な面に対して、チャンネル光導波路１６が延びる方向に角度θ（３°≦θ）以上傾斜した傾斜面が形成されている。出射側端面２６をこのように斜めに研磨したことにより、基本波がチャンネル光導波路１６に再入射するのを防止することができる。そして、光波長変換素子１０の出射側端面２６には、基本波に対する反射率が０．２％以上のＡＲ（反射防止）コート２８が設けられている。また、入射側端面３０にも、基本波に対する反射率が０．２％以上のＡＲコート３２が設けられている。
【００２６】
次に、上記光波長変換素子１０の製造方法について説明する。まず、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、金属（例えば、Ｃｒ）蒸着、及びリフトオフを用いて、光学結晶基板（例えば８７°ＺカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ₃基板）１２に、所定構造の分極反転用電極３４を形成する。なお、分極反転用電極３４の詳細な構造は、特開平９‐２１８４３１号公報に記載されている。
【００２７】
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、分極反転用電極３４が形成された基板１２上に所定幅の直線状の開口３８を有する金属マスク３６を形成する。なお、金属マスク３６は、例えば、下層からＴａ層３６Ａ、Ａｕ層３６Ｂ、及びＴａ層３６Ｃの順に積層された３層構造とされている。また、開口３８の線幅は３〜９μｍの範囲で一定とする。
【００２８】
次に、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク３６を用いて第１回目のプロトン交換処理を行うことにより、プロトン交換部３９Ａを形成する。第１回目のプロトン交換処理の条件は、ピロリン酸中で１４０〜１６０℃の温度範囲で１５〜６０分である。
【００２９】
次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、プロトン交換部３９Ａの出射部近傍のＴａ層３６Ｃ上の所定範囲に金属マスク４０を形成する。図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク４０を用いて第２回目のプロトン交換処理を行うことにより、プロトン交換部３９Ａの光入射側をより深い部分までプロトン交換してプロトン交換部３９Ｂを形成する。第２回目のプロトン交換の条件は、ピロリン酸中で１４０〜１６０℃の温度範囲で６０〜２００分である。
【００３０】
次に、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングによりＴａ層３６Ｃを除去してＡｕ層３６Ｂを露出させた後に大気中でアニール処理を行い、プロトン交換部３９Ａ及び３９Ｂをチャンネル光導波路１６とする。なお、アニール処理は３００〜４００℃の温度範囲で６０分の条件で行う。これにより深いプロトン交換部３９Ｂが形成された光入射側には、周囲との屈折率差Δｎ₁の第１の領域２０が形成され、より浅いプロトン交換部３９Ａが形成された光出射側には、周囲との屈折率差Δｎ₂（Δｎ₁＞Δｎ₂）の第２の領域２４が形成される。なお、アニールによりチャンネル光導波路１６の第１の領域２０と第２の領域２４とは略同じ厚さとなる。
【００３１】
なお、上記２回のプロトン交換処理の条件及びアニール処理の条件は、第１の領域２０の周囲との屈折率差Δｎ₁が、入射された基本波１８をシングルモードで伝搬可能な値となり、第２の領域２４の周囲との屈折率差Δｎ₂が、第１の領域２０から伝搬された第２高調波２２をシングルモードで伝搬可能な値となるように適宜選択される。また、第２高調波への変換効率や半導体レーザとの結合効率が最大となるように、プロトン交換処理の条件及びアニール処理の条件を選択することが好ましい。
【００３２】
次に、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングにより残りの金属マスクを総て除去して分極反転用電極３４を露出させ、分極反転用電極３４に高電圧を印加する。例えば、電極間ギャップが４００μｍのときに２〜４ｋＶの電圧を１〜１０秒印加する。これにより基板１２に周期ドメイン反転構造１４が形成される。
【００３３】
次に、光導波路端面を含む基板１２の両端面を光学研磨する。なお、出射側端面２６は、基本波が再入射するのを防止するために、光軸方向に垂直な面に対して光伝搬方向に所定角度傾斜した傾斜面が形成されるように研磨（以下、「斜めカット」と称する）する。なお、傾斜角度は３〜７°とすることができる。最後に、入射側端面３０及び出射側端面２６に、基本波に対する反射率が０．２％以下となるように、ＳｉＯ₂単層からなるＡＲコート２８、３２をそれぞれ形成して、図１に示す光波長変換素子１０が完成する。
【００３４】
上述の光波長変換素子１０のチャンネル光導波路１６の入射側端面３０に、半導体レーザを直接結合して、上記光波長変換素子１０内に、例えば９５０ｎｍのレーザビームを基本波１８として入射させると、基本波１８は第１の領域２０を０次モードで伝搬し、第１の領域２０中の周期ドメイン反転構造１４で位相整合（いわゆる疑似位相整合）されて、例えば波長が約４７５ｎｍの第２高調波２２に変換される。なお、周期ドメイン反転構造１４の周期Λは、基本波１８と０次モードで伝搬する第２高調波２２との間で疑似位相整合が取られるように設定されている。具体的には、チャンネル光導波路１６の基本波１８に対する実効屈折率、第２高調波２２に対する実効屈折率をそれぞれｎω、ｎ₂ωとし基本波の波長をλＦとしたとき、下記の式
ｎ₂ω−ｎω＝λＦ／２Λ
と満足するように周期Λを決定すればよい。
【００３５】
第１の領域２０から第２の領域２４に伝搬された第２高調波２２は、第２の領域を０次モードで伝搬して、例えば３０ｍＷ以上の波長約４７５ｎｍの青色光が出射側端面２６から発散光状態で出射する。このとき出射した第２高調波２２のＮＦＰ（ニアフィールドパターン）における基板と垂直な方向のビーム形状を図９（Ａ）に実線で示し、基板と水平な方向のビーム形状を破線で示す。また、図９（Ｂ）には、通常のチヤンネル光導波路を１次モードで伝搬した後に出射した第２高調波のＮＦＰにおけるビーム形状を示す。図９（Ａ）と同様に、基板と垂直な方向のビーム形状を実線で示し、基板と水平な方向のビーム形状を破線で示す。図９（Ａ）及び（Ｂ）を比較すれば分かるように、チヤンネル光導波路を１次モードで伝搬した後に出射した第２高調波のＮＦＰはサイドローブを有しているのに対し、第２の領域を０次モードで伝搬した後に出射した本実施の形態の第２高調波のＮＦＰは、サイドローブが無いガウス分布を示した。
【００３６】
また、第１の領域２０での基本波１８（０次モード）から第２高調波２２（０次モード）への変換効率は、基本波１８（０次モード）から第２高調波２２（１次モード）への変換効率の１０〜２０％となる。例えば、第２高調波２２（１次モード）への変換の場合であれば３００％／Ｗｃｍ²となるところが、第２高調波２２（０次モード）への変換の場合は３０〜６０％／Ｗｃｍ²となる。一方、第１の領域２０から第２の領域２４に入射する際に、第２高調波２２を１次モードから０次モードへモード変換する必要があるので１０〜７０％の範囲のモード変換ロスが発生する。即ち、第１の領域２０において、基本波１８（０次モード）から第２高調波２２（１次モード）へ変換し、第２の領域２４において、第２高調波２２を１次モードから０次モードへモード変換する場合には、第１の領域２０に入射した基本波１８（０次モード）を３０〜９０％の変換効率で０次モードの第２高調波にし、第２の領域２４から出射させることになる。従って、基本波１８（０次モード）から直接第２高調波２２（０次モード）へ変換して出射する場合に比べ、全体として１．５倍から９倍の変換効率を得ることができる。
【００３７】
なお、第１の領域２０を伝搬する光のビーム形状を第２の領域２４を伝搬する光のビーム形状と一致させることで、モード変換ロスを約１０％程度まで低減することができる。
【００３８】
以上の通り、本実施の形態の光波長変換素子では、チヤンネル光導波路を第１の領域と第２の領域とに分けて、第１の領域において、入射された基本波をシングルモードで伝搬しながら擬似位相整合により第２高調波に波長変換すると共に、第２の領域において、この第１の領域から伝搬された波長変換波である第２高調波をシングルモードで伝搬して、０次モードの第２高調波を取出すこととしたので、光導波路中に欠陥等がある場合にも、高い変換効率でガウシアンビームを得ることができる。
【００３９】
上記実施の形態では、チャンネル光導波路の幅は、第１の領域及び第２の領域において同じ幅としたが、異なる幅とすることもできる。例えば、図１０（Ａ）に示すように、第２の領域２４の幅を第１の領域２０の幅より狭くする態様、図１０（Ｂ）に示すように、第２の領域２４の幅を第１の領域２０の幅より広くする態様、図１０（Ｃ）に示すように、第２の領域２４の幅を出射側に向けてテーパ状に狭める態様等が挙げられる。しかしながら、異なる幅とする場合にはマスク形成時に正確なアラインメントが必要になり製造工程が煩雑となるため、第１の領域及び第２の領域においてチャンネル光導波路の幅を同じ幅とする態様が好ましい。
（第２の実施の形態）
次に、上記波長変換素子を用いた光波長変換モジュールの実施の形態について説明する。この光波長変換モジュールは、図１１に示すように、後方出射端面とこの端面に対向する前方出射端面とを備えた半導体レーザ１１０と、半導体レーザ１１０の前方出射端面と共に外部共振器を構成する反射部材としてのミラー１１２と、半導体レーザ１１０から出射された基本波を波長変換して第２高調波を出力する上記光波長変換素子１０と、を備えている。
【００４０】
半導体レーザ（ＬＤ）１１０は半導体レーザ用のマウント１１６に保持され、２次高調波発生素子（ＳＨＧ素子）で構成された光波長変換素子１０は光波長変換素子用のマウント１１８に保持されている。半導体レーザ１１０と光波長変換素子１０とは、マウントに保持された状態で、半導体レーザ１１０の出射部分と光波長変換素子１０の導波路部分（入射部分）とが一致するように位置合わせされ、ＬＤ−ＳＨＧユニット１２０が構成されている。これにより半導体レーザ１１０の前方出射端面に光波長変換素子１０が直接結合される。このＬＤ−ＳＨＧユニット１２０は、図１１に示すように、基板１２２上に固定されている。
【００４１】
半導体レーザ１１０は、ファブリペロー型（ＦＰ型）の単峰性の空間モード（横シングルモード）を有する通常の半導体レーザ（レーザダイオード）であり、半導体レーザ１１０の両端面（劈開面）には、発振波長の光に対するＬＲ（低反射率）コートが施されている。
【００４２】
図１１に示すように、ＬＤ−ＳＨＧユニット１２０には、半導体レーザ１１０の後方出射端面から発散光状態で出射したレーザビーム（後方出射光）１３４Ｒを平行光化するコリメータレンズ１３６が取り付けられている。ＬＤ−ＳＨＧユニット１２０及びコリメータレンズ１３６は、気密封止部材としてのパッケージ１３８内にドライ窒素等の不活性ガスまたはドライ空気と共に気密封止され、パッケージ１３８内に固定されている。なお、コリメータレンズ１３６としては、セルフォック（商品名）のような分布屈折率ロッドレンズ、非球面レンズ、及び球面レンズのいずれをも使用することができる。
【００４３】
パッケージ１３８には、半導体レーザ１１０からの後方出射光１３４Ｒが透過する窓孔４１Ａと光波長変換素子１０からの前方出射光６２が透過する窓孔４１Ｂとが形成され、この窓孔４１Ａと窓孔４１Ｂには、それぞれ透明な窓板４２Ａと窓板４２Ｂとが気密状態を保つように被着されている。また、パッケージ１３８には、ワイヤ取出孔に低融点ガラス等を気密状態で嵌合させたワイヤ取出部４４が形成され、半導体レーザ１１０の両電極に結線された２本のワイヤ４６Ａ、４６Ｂがワイヤ取出部４４を貫通して引き出されている。そして、パッケージ１３８は、ＬＤ−ＳＨＧユニット１２０とコリメータレンズ１３６とを気密封止した状態で、ミラー１１２と共に基板４８上に固定されている。
【００４４】
ミラー１１２は、そのレーザビーム入射側の面にはＡＲコート５０が施され、入射側の面と反対側の面にはＨＲコート５２が施されている。レーザビーム入射側の面にＡＲコートが施され、入射側の面と反対側の面にＨＲコートが施されたミラーを用いることにより、ゴミの付着によりミラーの反射率が低下するのを防止することができる。
【００４５】
パッケージ１３８の窓板４２Ａとミラー１１２との間には、ホルダー５４に回転可能に保持された波長選択素子としての狭帯域バンドパスフィルタ５６と、レーザビーム１３４Ｒの光路を略１８０°折り曲げるための一対の全反射プリズム５８Ａ及び５８Ｂと、平行光化されたレーザビーム１３４Ｒをミラー１１２のＨＲコート５２の表面に収束させる集光レンズ６０と、がこの順に配置され、基板４８上に固定されている。ミラー１１２のＨＲコート５２の基本波に対する反射率は９５％とするのが好ましい。
【００４６】
ミラー１１２と半導体レーザ１１０の前方出射端面とによって構成される外部共振器の共振器長（即ち、半導体レーザ１１０の前方出射端面からミラー１１２のＨＲコート５２の表面までの光学長）が、半導体レーザから出射される基本波のコヒーレント長よりも長くなるように、半導体レーザー１１０とミラー１１２とが配置されている。基本波のコヒーレント長Ｌは、そのレーザビーム固有の可干渉距離であり、レーザビームの波長をλ、スペクトル幅をΔλとすると、下記式に従い算出することができる。基本波のコヒーレント長Ｌは、一般には１００ｍｍ程度であるので、外部共振器の共振器長を、例えば１００ｍｍを超える長さとすることができる。
【００４７】
Ｌ＝λ²／２πｎΔλ
また、パッケージ１３８の窓板４２Ｂの外側には、光波長変換素子１０の前方出射端面から出射した第２高調波６２（基本波１３４を含む）を平行光化するコリメータレンズ６４、平行光化された第２高調波６２（基本波１３４を含む）から赤外光成分を除去するＩＲカットフィルタ６６、ハーフミラー６８、及びフォトダイオード７０が配置され、基板４８上に固定されている。コリメータレンズ６４としては、収差の少ない非球面レンズが好ましい。
【００４８】
図１２に示すように、基板４８は設置台７２に固定されている。基板４８と設置台７２との間にはペルチェ素子７４が挿入されて、基板４８に固定された各光学要素がペルチェ素子７４により所定温度に調節される。基板４８に固定された各光学要素は、基板４８及びペルチェ素子７４と共に、レーザビームの出射部分が透明な防塵用カバー７５により覆われている。
【００４９】
また、半導体レーザ１１０は、防塵用カバー７５の外に引出されたワイヤ４６Ａ、４６Ｂを介して駆動回路７８に接続されている。駆動回路７８の概略構成を図１３に示す。この駆動回路７８は、自動出力制御回路（ＡＰＣ）を備えた直流電源回路８０、交流電源８４、及びバイアスＴ８８からなり、バイアスＴ８８はコイル８２とコンデンサ８６とから構成されており、直流電源回路８０から発せられてコイル８２を経た直流電源成分に、交流電源８４から発せられてコンデンサ８６を経た高周波が重畳され、この高周波重畳された電流が半導体レーザ１１０に印加される。出力する第２高調波のノイズを低減するために、重畳される高周波の周波数は１００〜４００ＭＨｚとするのが好ましく、変調度は１００％とするのが好ましい。
【００５０】
フォトダイオード７０の両電極には２本のワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂが結線されており、ワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂは、防塵用カバー７５の外に引出されている。フォトダイオード７０は、防塵用カバー７５の外に引出されたワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂを介してＡＰＣを備えた直流電源回路８０に接続されている。このＡＰＣにより、第２高調波６２の光出力が所定値となるように、半導体レーザ１１０に印加する電流量を制御する。また、ペルチェ素子７４は、温度コントローラ９０に接続されている。さらに、防塵用カバー７５により覆われた装置内部には、装置内の温度を調節するためのサーミスタ（図示せず）が設けられており、このサーミスタも温度コントローラ９０に接続されている。温度コントローラ９０は、サーミスタの出力に基づいて、装置内部が使用環境で光学系が結露しない温度範囲（例えば、使用環境温度が３０℃であれば、３０℃以上）に維持されるようにペルチェ素子７４を制御する。
【００５１】
本実施の形態に係る光波長変換モジュールは、第１の実施の形態に係る上記光波長変換素子を用いているので、外部に位相補償板等の光学素子を設けることなく、高い波長変換効率で、安定してガウシアンビーム状の０次モードの第２高調波を得ることができる。また、外部に光学素子を設ける必要がないので、モジュールの信頼性が向上すると共に、コストダウンを図ることができる。
【００５２】
【実施例】
以下、具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
上述した製造方法に従い、まず、８７°ＺカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ₃基板に、フォトリソグラフィー、Ｃｒ蒸着、及びリフトオフを用いて、分極反転用の電極を作成した。電極の詳細な構造は特開平９‐２１８４３１に開示されている。なお、分極反転グレーティングの長さ、即ち電極長は８ｍｍとした。次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとし、開口部の線幅は７μｍとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１４０℃、３２分の条件で１回目のプロトン交換処理を行った。
【００５３】
次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、出射端から光導波路に沿って１ｍｍ内側までの領域に、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１４０℃、１７６分の条件で２回目のプロトン交換処理を行った。
【００５４】
次に、上層のＴａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した後、大気中において３５０℃、６０分間の条件でアニール処理を行った。その後、Ａｕ層をＫＩとＩとＨ₂Ｏの混合液でエッチング除去した後、Ｔａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した。
【００５５】
次に、真空中またはフロリナート中で、電極に、電極間ギャップ４００μｍの時３ｋＶの高電圧を１〜１０秒間印加して分極反転を行った。得られた波長変換素子の両端を光学研磨した。特に、出射側端面２６は基本波が再入射するのを防止するために傾斜角度３〜７°の斜めカットとした。最後に、入射側端面３０及び出射側端面２６に、基本波に対する反射率が０．２％以下になるようにＳｉＯ₂単層薄膜からなるＡＲコートを形成した。
【００５６】
完成した波長変換素子に、半導体レーザを用いて波長９５０ｎｍのレーザビーム（基本波）を入力すると、１８ｍＷ以上の波長４７５ｎｍの青色光（第２高調波）の出力が得られた。第２高調波への変換効率を調べたところ、第１の領域での第２高調波への変換効率は３００％／Ｗｃｍ²であり、第１の領域から第２の領域に入射する際のモード変換ロスは４０％である。従って、第１の領域及び第２の領域を通しての第２高調波への変換効率は１８０％／Ｗｃｍ²となる。
【００５７】
また、波長変換素子から出射した第２高調波のＮＦＰにおける基板と垂直な方向のビーム形状は、図９（Ａ）に実線で示すように、ガウス分布を示した。
（実施例２）
上述した製造方法に従い、まず、８７°ＺカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ₃基板に、フォトリソグラフィー、Ｃｒ蒸着、及びリフトオフを用いて、分極反転用の電極を作成した。電極の詳細な構造は特開平９‐２１８４３１に開示されている。なお、電極長は８ｍｍとした。次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとし、開口部の線幅は６μｍとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１５０℃、３４分の条件で１回目のプロトン交換処理を行った。
【００５８】
次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、出射端から光導波路に沿って１ｍｍ内側までの領域に、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１７０℃、５３分の条件で２回目のプロトン交換処理を行った。
【００５９】
次に、上層のＴａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した後、大気中において３７０℃、６０分間の条件でアニール処理を行った。その後、Ａｕ層をＫＩとＩとＨ₂Ｏの混合液でエッチング除去した後、Ｔａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した。
【００６０】
次に、真空中またはフロリナート中で、電極に、電極間ギャップ４００μｍの時３ｋＶの高電圧を１〜１０秒間印加して分極反転を行った。得られた波長変換素子の両端を光学研磨した。特に、出射側端面２６は基本波が再入射するのを防止するために傾斜角度３〜７°の斜めカットとした。最後に、入射側端面３０及び出射側端面２６に、基本波に対する反射率が０．２％以下になるようにＳｉＯ₂単層薄膜からなるＡＲコートを形成した。
【００６１】
完成した波長変換素子に、半導体レーザを用いて波長９５０ｎｍのレーザビーム（基本波）を入力すると、２０ｍＷ以上の波長４７５ｎｍの青色光（第２高調波）の出力が得られた。第２高調波への変換効率を調べたところ、第１の領域での第２高調波への変換効率は５００％／Ｗｃｍ²であり、第１の領域から第２の領域に入射する際のモード変換ロスは６０％である。従って、第１の領域及び第２の領域を通しての第２高調波への変換効率は２００％／Ｗｃｍ²となる。
【００６２】
また、波長変換素子から出射した第２高調波のＮＦＰにおける基板と垂直な方向のビーム形状は、図９（Ａ）に実線で示すように、ガウス分布を示した。
（実施例３）
上述した製造方法に従い、まず、８７°ＺカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ₃基板に、フォトリソグラフィー、Ｃｒ蒸着、及びリフトオフを用いて、分極反転用の電極を作成した。電極の詳細な構造は特開平９‐２１８４３１に開示されている。なお、電極長は８ｍｍとした。次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとし、開口部の線幅は７μｍとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１５０℃、３２分の条件で１回目のプロトン交換処理を行った。
【００６３】
次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、出射端から光導波路に沿って１ｍｍ内側までの領域に、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１５０℃、８４分の条件で２回目のプロトン交換処理を行った。
【００６４】
次に、上層のＴａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した後、大気中において３７０℃、６０分間の条件でアニール処理を行った。その後、Ａｕ層をＫＩとＩとＨ₂Ｏの混合液でエッチング除去した後、Ｔａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した。
【００６５】
次に、真空中またはフロリナート中で、電極に、電極間ギャップ４００μｍの時３ｋＶの高電圧を１〜１０秒間印加して分極反転を行った。得られた波長変換素子の両端を光学研磨した。特に、出射側端面２６は基本波が再入射するのを防止するために傾斜角度３〜７°の斜めカットとした。最後に、入射側端面３０及び出射側端面２６に、基本波に対する反射率が０．２％以下になるようにＳｉＯ₂単層薄膜からなるＡＲコートを形成した。
【００６６】
完成した波長変換素子に、半導体レーザを用いて波長９５０ｎｍのレーザビーム（基本波）を入力すると、９ｍＷ以上の波長４７５ｎｍの青色光（第２高調波）の出力が得られた。第２高調波への変換効率を調べたところ、第１の領域での第２高調波への変換効率は３００％／Ｗｃｍ²であり、第１の領域から第２の領域に入射する際のモード変換ロスは７０％である。従って、第１の領域及び第２の領域を通しての第２高調波への変換効率は９０％／Ｗｃｍ²となる。
【００６７】
また、波長変換素子から出射した第２高調波のＮＦＰにおける基板と垂直な方向のビーム形状は、図９（Ａ）に実線で示すように、ガウス分布を示した。
（実施例４）
第２の領域の長さＬを種々変えた以外は実施例１と同様の構成の波長変換素子を作製し、図１４に示すように、波長変換素子の光出射側にＮＡ０．５のレンズＡとアパーチャＢとを配置して出射する第２高調波を集光し、各波長変換素子の迷光レベルを計測した。ここでいう迷光レベルとは、図１５（Ｂ）に示す通り、出力光のピーク強度Ｐ１に対するバックグラウンドの光強度Ｐ２のレベルであり、１０×Ｌｏｇ（Ｐ２／Ｐ１）で表される。
【００６８】
図１５（Ａ）に第２の領域の長さＬと迷光レベルとの関係を示す。迷光レベルは実用上−１０ｄＢ以下とすることが必要であり、−１５ｄＢ以下がより好ましい。従って、図１５（Ａ）から第２の領域の長さＬは０．５ｍｍ以上が好ましく、０．７５ｍｍ以上がより好ましいことが分かる。
【００６９】
第２の領域と第１の領域との接合部において、第２の領域から第１の領域に変換されなかった光は、空間または波長変換素子中に放射される。この放射光は迷光となり実際に使用する光に重なってしまう。このため従来は波長変換素子から出射した光をレンズを介して結像させる際に、迷光により生じた不要部分をアパーチャでカットしていた。しかしながら、上記接合部と素子端面とが近すぎると、ビームが分離されず迷光がオフセットする、という問題がある。上記迷光レベルはそのオフセットの程度を表すものであり、迷光レベルが−１０ｄＢより大きいと、即ち、第２の領域の長さＬが０．５ｍｍ未満では、迷光のオフセットが多く実用上好ましくない。なお、実用上問題の無い迷光レベルとなるように、第２の領域の長さＬを選択することによりアパーチャは不要となる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の光波長変換素子は、高い波長変換効率で、安定してガウシアンビーム状の波長変換波を得ることができる、という効果を奏する。
【００７１】
また、本発明の光波長変換素子の製造方法によれば、本発明の光波長変換素子を容易に製造することができる。
【００７２】
また、本発明の光波長変換モジュールは、本発明の光波長変換素子を用いているので、外部に位相補償板等の光学素子を設けることなく、高い波長変換効率で、安定してガウシアンビーム状の波長変換波を得ることができ、モジュールの信頼性が向上する、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る光波長変換素子の概略図であり、（Ａ）は光導波路に沿った断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図２】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図３】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図４】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図５】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図６】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図７】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図８】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図９】（Ａ）は本実施の形態に係る光波長変換素子の出力光のニアフィールドパターンを示す線図であり、（Ｂ）は従来の光波長変換素子の出力光のニアフィールドパターンを示す線図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は本実施の形態に係る光波長変換素子の変形例を示す概略図である。
【図１１】本実施の形態に係る光波長変換モジュールの平面図である。
【図１２】本実施の形態に係る光波長変換モジュールの実装形態を示す側面図である。
【図１３】本実施の形態に係る光波長変換モジュールの駆動回路を示す回路図である。
【図１４】迷光レベルを計測するための装置構成を示す概略図である。
【図１５】（Ａ）は光波長変換素子の第２の領域の長さＬと迷光レベルとの関係を示す線図であり、（Ｂ）は迷光レベルを説明するための線図である。
【符号の説明】
１０光波長変換素子
１２基板
１４周期ドメイン反転構造
１６チャンネル光導波路
１８基本波
２０第１の領域
２２第２高調波
２４第２の領域
２６出射側端面
２８、３２ＡＲコート
３０入射側端面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength conversion element, a method for manufacturing the wavelength conversion element, and a wavelength conversion module.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
2. Description of the Related Art Conventionally, a waveguide-type optical wavelength conversion element that has an optical waveguide made of a nonlinear optical material and converts the wavelength of a fundamental wave propagating through the optical waveguide to a second harmonic or the like is known. Further, in this type of waveguide type optical wavelength conversion element, it is widely practiced to form a periodic domain inversion structure in an optical waveguide to obtain so-called quasi phase matching. When a wavelength converted wave such as the second harmonic emitted from the waveguide type optical wavelength conversion element is applied as recording light of an optical scanning recording apparatus such as a laser printer, the recording light is narrowed down to a smaller spot. Therefore, the wavelength conversion wave is desirably a Gaussian beam, that is, a beam having a Gaussian distribution of light intensity in the beam cross section. Further, if the recording light is not a Gaussian beam, the recording density tends to be uneven. Further, when a color image is recorded with recording light of three colors of red, green, and blue, color misregistration occurs if only certain recording light is not a Gaussian beam.
[0003]
As described above, in order to use a wavelength-converted wave as a Gaussian beam, a waveguide-type optical wavelength conversion element is configured such that the wavelength-converted wave propagating in the 0th-order mode and the fundamental wave are phase-matched in the optical waveguide. do it.
[0004]
On the other hand, according to the research of the present inventors, it has been found that the second harmonic wave propagating in the first-order mode has a larger overlap integral with the fundamental wave than the zero-order mode. Therefore, from the viewpoint of wavelength conversion efficiency, it is desirable to configure the waveguide type optical wavelength conversion element so that the second harmonic wave propagating in the first-order mode and the fundamental wave are phase-matched. However, the second harmonic wave propagating through the optical waveguide in the first mode and exiting from the optical waveguide has an intensity distribution in which two lobes are arranged in the vertical direction (in the substrate thickness direction of the optical waveguide). It ’s not a Gaussian beam.
[0005]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-54658 compensates for the phase difference between the two lobes by passing the second harmonic wave that has propagated through the optical waveguide in the first-order mode and then exited the optical waveguide through a phase compensator. A technique for converting the second harmonic into a Gaussian beam is shown. However, in that case, the edge of the beam is not stable in phase, or there are variations in the fabrication of the optical waveguide, so the phase difference between the two beams is not stable, so the conditions are fixed. It is difficult to obtain a stable Gaussian beam by using a phase compensation plate.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-72810 discloses that a high refractive index clad layer is provided on a normal optical waveguide without providing an external optical element, and the second harmonic and the fundamental wave that propagates in the 0th order mode are exceeded. An optical waveguide is described that increases the wrap and obtains the second harmonic with high conversion efficiency. However, this optical waveguide has a problem that the emitted second harmonic wave has a multimode in the lateral direction, and a Gaussian beam cannot be stably obtained. In this optical waveguide, the horizontal direction is multimode because of the chromatic dispersion of the second harmonic wave and the fundamental wave propagating in the 0th mode (waveform structural dispersion and material dispersion). This is because it is not possible to obtain an optical waveguide that is single mode.
[0007]
Note that the second harmonic and the fundamental wave of the 0th-order mode usually have a large overlap in the lateral direction, and if the wavelength converted wave propagating in the 0th-order mode and the fundamental wave in the optical waveguide are configured to be phase-matched, Although a Gaussian beam can be obtained, the beam in the horizontal direction may be a higher order mode having a plurality of peaks. This is presumed to be caused by mode conversion due to defects in the optical waveguide.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical wavelength conversion element that can stably obtain a wavelength-converted wave in the form of a Gaussian beam and has high wavelength conversion efficiency. .
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a wavelength conversion element according to claim 1 includes: a first region that performs wavelength conversion by quasi-phase matching while propagating an incident fundamental wave in a single mode; A second region that propagates and emits the propagated wavelength-converted wave in a single mode. The difference in refractive index between the second region and the surrounding area is smaller than the difference in refractive index between the first region and the surrounding area. It is characterized by that.
[0010]
In the optical wavelength conversion element of the present invention, in the first region, the incident fundamental wave is wavelength-converted to the second harmonic by quasi-phase matching while propagating in the single mode, and the first region in the second region. Since the second harmonic wave, which is the wavelength converted wave propagated from the region, is propagated in a single mode and the wavelength converted wave is emitted, high wavelength conversion efficiency can be obtained even when there are defects in the optical waveguide. Thus, a Gaussian beam-like wavelength conversion wave can be obtained stably.
[0011]
In addition, “Refractive index difference from surroundings” means each region and a region adjacent to each region (however, in the case of the first region, the second region is excluded, and in the case of the second region, the first region is excluded) ) And the refractive index difference.
[0012]
Claim 2 The wavelength conversion element described in Claim 1 In the invention described in item 1, the first region and the second region are constituted by linear optical waveguides formed on a nonlinear crystal substrate.
[0013]
Claim 3 The wavelength conversion element described in Claim 1 or 2 In the invention described in item 3, the length of the second region along the light propagation direction is 0.5 mm or more. By setting the length of the second region along the light propagation direction to 0.5 mm or more, stray light can be prevented from being offset.
[0014]
Claim 4 The wavelength conversion element described in Claims 1-3 In the invention according to any one of the above, the non-linear crystal is LiNb. _x Ta _1-x O _Three (0 ≦ x ≦ 1).
[0015]
Claim 5 The wavelength conversion element described in Claims 1-4 The invention according to any one of the above, wherein the nonlinear crystal is doped with MgO, ZnO, or Sc.
[0016]
Claim 6 The wavelength conversion element described in Claims 1-5 In the invention according to any one of the above, the emission side end face is inclined by 3 ° to 7 ° in the light propagation direction with respect to a plane perpendicular to the optical axis direction. By polishing the emission side end face in this manner, it is possible to prevent the fundamental wave from re-entering the wavelength conversion element.
[0017]
Claim 7 The wavelength conversion element described in Claims 1-6 The invention described in any one of the above is characterized in that an antireflection film having a reflectance of 0.2% or more with respect to the fundamental wave is provided on at least one of the incident side end face and the emission side end face.
[0018]
Claim 8 The wavelength conversion element manufacturing method according to claim 1 is a wavelength conversion element manufacturing method for manufacturing the wavelength conversion element according to claim 1, wherein a predetermined depth is provided in a region corresponding to the first region of the nonlinear crystal substrate. Forming a first proton exchange region, forming a second proton exchange region shallower than the first region in a region corresponding to the second region, and annealing the first proton exchange region A polarization inversion structure is formed later to form a first region in which an incident fundamental wave can be propagated in a single mode and a fundamental wave can be converted into a wavelength converted wave by quasi-phase matching. A wavelength conversion element is manufactured by annealing the proton exchange region to form a second region capable of propagating the wavelength converted wave propagated from the first region in a single mode. In the method for manufacturing a wavelength conversion element of the present invention, a first region for wavelength conversion by quasi-phase matching while propagating an incident fundamental wave in a single mode, and a wavelength converted wave propagated from the first region are converted into a single. The second region that propagates and emits in the mode can be formed by two proton exchanges and annealing, and the wavelength conversion element of the present invention can be easily manufactured.
[0019]
Claim 9 The wavelength conversion module described in Claims 1-7 The wavelength conversion element according to any one of the above and a semiconductor laser emitting a fundamental wave are directly coupled. Since the optical wavelength conversion module of the present invention uses the optical wavelength conversion element of the present invention described above, a Gaussian beam can be stably formed with high wavelength conversion efficiency without providing an optical element such as a phase compensation plate outside. Wavelength converted waves can be obtained. In addition, since it is not necessary to provide an optical element outside, the reliability of the module is improved and the cost can be reduced.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
First, an embodiment of the optical wavelength conversion element of the present invention will be described in detail. As shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B), the optical wavelength conversion element 10 of the present embodiment is obtained by inverting the direction of spontaneous polarization parallel to the z axis on a substrate 12 made of a nonlinear optical crystal. A periodic domain inversion structure 14 in which domain inversion portions are periodically formed, and a channel optical waveguide 16 extending along the periodic domain inversion structure 14 are formed.
[0021]
As a nonlinear optical crystal constituting the substrate 12, for example, LiNb _x Ta _1-x O _Three A nonlinear optical crystal such as (0 ≦ x ≦ 1) or a crystal doped with MgO, ZnO, or Sc can be used.
[0022]
The periodic domain inversion structure 14 is formed with a predetermined period Λ so that domain inversion portions are arranged in the y-axis direction of the substrate 12. The period Λ is determined so as to be a first-order period with respect to a wavelength in the vicinity of the fundamental wave in consideration of wavelength dispersion of the refractive index of the nonlinear optical crystal. Such a periodic domain inversion structure 14 can be formed by, for example, a method described in JP-A-6-242478.
[0023]
The channel optical waveguide 16 has a difference in refractive index of Δn from the light incident side on which the fundamental wave 18 is incident. ₁ The difference in refractive index between the light emitting side from which the second harmonic wave 22 as the wavelength converted wave is emitted and the surrounding area is Δn. ₂ The second region 24. The “refractive index difference with the surroundings” of the first region 20 is a refractive index difference between the first region 20 and the air layer and the substrate 12. The “refractive index difference” is a refractive index difference between the second region 24 and the air layer and the substrate 12.
[0024]
Here, the refractive index difference Δn from the periphery of the second region 24 ₂ Is the refractive index difference Δn of the first region 20 ₁ Smaller than the refractive index difference Δn from the periphery of the first region 20. ₁ Is a value capable of propagating the incident fundamental wave 18 in a single mode, and the refractive index difference Δn from the periphery of the second region 24. ₂ Is a value that can propagate the second harmonic wave 22 propagated from the first region 20 in a single mode. In addition, the length L along the light propagation direction of the second region 24 needs a certain length in order to reduce stray light, and is preferably 0.5 mm or more, and more preferably 0.75 mm or more.
[0025]
Further, both end faces of the optical wavelength conversion element 10 are optically polished. In particular, the output-side end face 26 of the optical wavelength conversion element 10 is obliquely polished, and an angle θ (3 ° ≦ θ) in the direction in which the channel optical waveguide 16 extends with respect to a plane perpendicular to the direction in which the channel optical waveguide 16 extends. An inclined surface inclined as described above is formed. By polishing the emission-side end face 26 obliquely in this way, it is possible to prevent the fundamental wave from reentering the channel optical waveguide 16. An AR (antireflection) coat 28 having a reflectance with respect to the fundamental wave of 0.2% or more is provided on the emission side end face 26 of the optical wavelength conversion element 10. The incident side end face 30 is also provided with an AR coat 32 having a reflectance with respect to the fundamental wave of 0.2% or more.
[0026]
Next, a method for manufacturing the optical wavelength conversion element 10 will be described. First, as shown in FIGS. 2A and 2B, an optical crystal substrate (for example, 87 ° Z cut MgO 5 mol% -doped LiNbO is used by photolithography, metal (for example, Cr) deposition, and lift-off). _Three On the substrate 12, a polarization inversion electrode 34 having a predetermined structure is formed. The detailed structure of the polarization inversion electrode 34 is described in JP-A-9-218431.
[0027]
Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, a linear opening having a predetermined width is formed on the substrate 12 on which the domain inversion electrode 34 is formed by using photolithography, sputtering film formation, and lift-off. A metal mask 36 having 38 is formed. The metal mask 36 has, for example, a three-layer structure in which a Ta layer 36A, an Au layer 36B, and a Ta layer 36C are stacked in this order from the lower layer. The line width of the opening 38 is constant in the range of 3 to 9 μm.
[0028]
Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, the proton exchange section 39A is formed by performing the first proton exchange process using the metal mask 36. The conditions for the first proton exchange treatment are 15 to 60 minutes in a temperature range of 140 to 160 ° C. in pyrophosphoric acid.
[0029]
Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, a metal mask 40 is applied to a predetermined range on the Ta layer 36C in the vicinity of the emission part of the proton exchange part 39A by using photolithography, sputtering film formation, and lift-off. Form. As shown in FIGS. 6A and 6B, by performing the second proton exchange process using this metal mask 40, the light incident side of the proton exchange part 39A is exchanged to a deeper part. Proton exchange part 39B is formed. The conditions for the second proton exchange are 60 to 200 minutes in a temperature range of 140 to 160 ° C. in pyrophosphoric acid.
[0030]
Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, the Ta layer 36C is removed by etching to expose the Au layer 36B, and then an annealing process is performed in the atmosphere to connect the proton exchange portions 39A and 39B to the channel. The optical waveguide 16 is used. Note that the annealing treatment is performed in the temperature range of 300 to 400 ° C. for 60 minutes. As a result, on the light incident side where the deep proton exchange part 39B is formed, the difference in refractive index Δn from the surroundings. ₁ The first region 20 is formed, and the shallower proton exchange part 39A is formed on the light exit side. ₂ (Δn ₁ > Δn ₂ ) Second region 24 is formed. Note that the first region 20 and the second region 24 of the channel optical waveguide 16 have substantially the same thickness due to annealing.
[0031]
The conditions for the two proton exchange treatments and the annealing treatment are as follows: the refractive index difference Δn with respect to the periphery of the first region 20. ₁ Becomes a value capable of propagating the incident fundamental wave 18 in a single mode, and the refractive index difference Δn from the periphery of the second region 24. ₂ However, it is appropriately selected so that the second harmonic wave 22 propagated from the first region 20 can be propagated in a single mode. In addition, it is preferable to select the proton exchange treatment condition and the annealing treatment condition so that the conversion efficiency to the second harmonic and the coupling efficiency with the semiconductor laser are maximized.
[0032]
Next, as shown in FIGS. 8A and 8B, all the remaining metal mask is removed by etching to expose the polarization inversion electrode 34, and a high voltage is applied to the polarization inversion electrode 34. For example, when the gap between the electrodes is 400 μm, a voltage of 2 to 4 kV is applied for 1 to 10 seconds. As a result, the periodic domain inversion structure 14 is formed on the substrate 12.
[0033]
Next, both end surfaces of the substrate 12 including the optical waveguide end surface are optically polished. In addition, in order to prevent the fundamental wave from re-incident, the emission side end face 26 is polished so that an inclined surface inclined by a predetermined angle in the light propagation direction is formed with respect to a surface perpendicular to the optical axis direction (hereinafter referred to as “below”). , Called “oblique cut”). The inclination angle can be 3 to 7 °. Finally, the incident side end face 30 and the emission side end face 26 have SiO 2 so that the reflectance with respect to the fundamental wave is 0.2% or less. ₂ The AR coatings 28 and 32 made of a single layer are formed to complete the optical wavelength conversion element 10 shown in FIG.
[0034]
When a semiconductor laser is directly coupled to the incident side end face 30 of the channel optical waveguide 16 of the optical wavelength conversion element 10 and a laser beam of, for example, 950 nm is incident as the fundamental wave 18 into the optical wavelength conversion element 10. The fundamental wave 18 propagates through the first region 20 in the zero-order mode and is phase-matched (so-called quasi-phase matching) by the periodic domain inversion structure 14 in the first region 20, for example, a second harmonic having a wavelength of about 475 nm. It is converted into a wave 22. Note that the period Λ of the periodic domain inversion structure 14 is set so that quasi phase matching is obtained between the fundamental wave 18 and the second harmonic wave 22 propagating in the 0th-order mode. Specifically, the effective refractive index with respect to the fundamental wave 18 and the effective refractive index with respect to the second harmonic wave 22 of the channel optical waveguide 16 are nω and n, respectively. ₂ When ω is the fundamental wavelength and λF is
n ₂ ω-nω = λF / 2Λ
The period Λ may be determined so as to satisfy.
[0035]
The second harmonic wave 22 propagated from the first region 20 to the second region 24 propagates through the second region in the 0th mode, and, for example, blue light having a wavelength of about 475 nm of 30 mW or more is emitted on the emission side end face 26. Is emitted in a divergent light state. The beam shape in the direction perpendicular to the substrate in the NFP (near field pattern) of the second harmonic 22 emitted at this time is shown by a solid line in FIG. 9A, and the beam shape in the direction horizontal to the substrate is shown by a broken line. FIG. 9B shows the beam shape of the second harmonic NFP emitted after propagating through a normal channel optical waveguide in the first-order mode. Similarly to FIG. 9A, the beam shape in a direction perpendicular to the substrate is indicated by a solid line, and the beam shape in a direction horizontal to the substrate is indicated by a broken line. As can be seen by comparing FIGS. 9A and 9B, the second harmonic NFP emitted after propagating through the channel optical waveguide in the first-order mode has side lobes, whereas the second harmonic NFP has side lobes. The second harmonic NFP of the present embodiment emitted after propagating in the zero-order mode showed a Gaussian distribution without side lobes.
[0036]
The conversion efficiency from the fundamental wave 18 (0th order mode) to the second harmonic 22 (0th order mode) in the first region 20 is as follows. 10 to 20% of the conversion efficiency to the next mode). For example, in the case of conversion to the second harmonic 22 (primary mode), 300% / Wcm ² However, in the case of conversion to the second harmonic 22 (0th order mode), 30 to 60% / Wcm ² It becomes. On the other hand, when the second region 22 is incident on the second region 24 from the first region 20, it is necessary to mode-convert the second harmonic 22 from the first-order mode to the zero-order mode. Will occur. That is, in the first region 20, the fundamental wave 18 (0th order mode) is converted to the second harmonic 22 (first order mode), and in the second region 24, the second harmonic 22 is changed from the first mode to 0. In the case of mode conversion to the next mode, the fundamental wave 18 (0th order mode) incident on the first region 20 is converted to the second harmonic of the 0th order mode with a conversion efficiency of 30 to 90%. It will be made to radiate from. Therefore, the conversion efficiency of 1.5 times to 9 times as a whole can be obtained as compared with the case where the fundamental wave 18 (0th order mode) is directly converted to the second harmonic 22 (0th order mode) and emitted.
[0037]
The mode conversion loss can be reduced to about 10% by matching the beam shape of the light propagating through the first region 20 with the beam shape of the light propagating through the second region 24.
[0038]
As described above, in the optical wavelength conversion element of this embodiment, the channel optical waveguide is divided into the first region and the second region, and the incident fundamental wave is propagated in a single mode in the first region. However, the wavelength is converted to the second harmonic by quasi-phase matching, and the second harmonic, which is the wavelength converted wave propagated from the first region, is propagated in the single mode in the second region. Therefore, even when there are defects in the optical waveguide, a Gaussian beam can be obtained with high conversion efficiency.
[0039]
In the above embodiment, the width of the channel optical waveguide is the same in the first region and the second region, but may be different. For example, as shown in FIG. 10A, the width of the second region 24 is narrower than the width of the first region 20, and the width of the second region 24 is set as shown in FIG. Examples include a mode in which the width of the first region 20 is wider than a width of the first region 20 and a mode in which the width of the second region 24 is tapered toward the emission side as shown in FIG. However, when the widths are different, accurate alignment is required at the time of mask formation, and the manufacturing process becomes complicated. Therefore, it is preferable that the widths of the channel optical waveguides be the same in the first region and the second region. .
(Second Embodiment)
Next, an embodiment of an optical wavelength conversion module using the wavelength conversion element will be described. As shown in FIG. 11, the optical wavelength conversion module includes a semiconductor laser 110 having a rear emission end face and a front emission end face facing the end face, and a reflection that forms an external resonator together with the front emission end face of the semiconductor laser 110. The mirror 112 as a member and the optical wavelength conversion element 10 that converts the wavelength of the fundamental wave emitted from the semiconductor laser 110 and outputs the second harmonic are provided.
[0040]
The semiconductor laser (LD) 110 is held by a semiconductor laser mount 116, and the optical wavelength conversion element 10 composed of a second harmonic generation element (SHG element) is held by an optical wavelength conversion element mount 118. . The semiconductor laser 110 and the optical wavelength conversion element 10 are aligned so that the emission part of the semiconductor laser 110 and the waveguide part (incident part) of the optical wavelength conversion element 10 coincide with each other while being held in the mount. An LD-SHG unit 120 is configured. As a result, the optical wavelength conversion element 10 is directly coupled to the front emission end face of the semiconductor laser 110. The LD-SHG unit 120 is fixed on a substrate 122 as shown in FIG.
[0041]
The semiconductor laser 110 is a normal semiconductor laser (laser diode) having a Fabry-Perot type (FP type) unimodal spatial mode (lateral single mode). An LR (low reflectance) coat is applied to light having an oscillation wavelength.
[0042]
As shown in FIG. 11, the LD-SHG unit 120 is attached with a collimator lens 136 that collimates a laser beam (backward outgoing light) 134 R emitted from the rear outgoing end face of the semiconductor laser 110 in a divergent light state. . The LD-SHG unit 120 and the collimator lens 136 are hermetically sealed together with an inert gas such as dry nitrogen or dry air in a package 138 as a hermetic sealing member, and are fixed in the package 138. As the collimator lens 136, any of a distributed refractive index rod lens such as SELFOC (trade name), an aspherical lens, and a spherical lens can be used.
[0043]
The package 138 is formed with a window hole 41A through which the rear emission light 134R from the semiconductor laser 110 is transmitted and a window hole 41B through which the front emission light 62 from the optical wavelength conversion element 10 is transmitted. A transparent window plate 42A and a window plate 42B are attached to 41B so as to maintain an airtight state. Further, the package 138 has a wire extraction portion 44 in which a low melting point glass or the like is fitted in a wire extraction hole in an airtight state, and the two wires 46A and 46B connected to both electrodes of the semiconductor laser 110 are wires. It is pulled out through the take-out portion 44. The package 138 is fixed on the substrate 48 together with the mirror 112 in a state where the LD-SHG unit 120 and the collimator lens 136 are hermetically sealed.
[0044]
The mirror 112 has an AR coat 50 on the laser beam incident side surface and an HR coat 52 on the surface opposite to the incident side surface. By using a mirror having an AR coating on the laser beam incident surface and an HR coating on the surface opposite to the incident surface, it is possible to prevent the reflectivity of the mirror from being reduced due to dust adhesion. be able to.
[0045]
Between the window plate 42A of the package 138 and the mirror 112, a pair of a narrow-band bandpass filter 56 as a wavelength selection element rotatably held by the holder 54 and a pair for bending the optical path of the laser beam 134R by about 180 °. The total reflection prisms 58A and 58B and the condensing lens 60 for converging the collimated laser beam 134R on the surface of the HR coat 52 of the mirror 112 are arranged in this order and fixed on the substrate 48. The reflectance of the mirror 112 with respect to the fundamental wave of the HR coat 52 is preferably 95%.
[0046]
The resonator length of the external resonator constituted by the mirror 112 and the front emission end face of the semiconductor laser 110 (that is, the optical length from the front emission end face of the semiconductor laser 110 to the surface of the HR coat 52 of the mirror 112) is the semiconductor laser. The semiconductor laser 110 and the mirror 112 are arranged so as to be longer than the coherent length of the fundamental wave emitted from. The coherent length L of the fundamental wave is a coherent distance inherent to the laser beam, and can be calculated according to the following equation, where λ is the wavelength of the laser beam and Δλ is the spectrum width. Since the coherent length L of the fundamental wave is generally about 100 mm, the resonator length of the external resonator can be set to a length exceeding 100 mm, for example.
[0047]
L = λ ² / 2πnΔλ
Further, on the outside of the window plate 42B of the package 138, a collimator lens 64 for collimating the second harmonic wave 62 (including the fundamental wave 134) emitted from the front emission end face of the optical wavelength conversion element 10 is converted into parallel light. Further, an IR cut filter 66, a half mirror 68, and a photodiode 70 for removing an infrared light component from the second harmonic wave 62 (including the fundamental wave 134) are disposed and fixed on the substrate 48. The collimator lens 64 is preferably an aspheric lens with little aberration.
[0048]
As shown in FIG. 12, the substrate 48 is fixed to the installation table 72. A Peltier element 74 is inserted between the substrate 48 and the installation base 72, and each optical element fixed to the substrate 48 is adjusted to a predetermined temperature by the Peltier element 74. Each optical element fixed to the substrate 48 is covered with a transparent dustproof cover 75 along with the substrate 48 and the Peltier element 74 at the laser beam emission portion.
[0049]
The semiconductor laser 110 is connected to the drive circuit 78 via wires 46A and 46B drawn out of the dustproof cover 75. A schematic configuration of the drive circuit 78 is shown in FIG. The drive circuit 78 includes a DC power supply circuit 80 having an automatic output control circuit (APC), an AC power supply 84, and a bias T88. The bias T88 includes a coil 82 and a capacitor 86. The high frequency power emitted from the AC power supply 84 and passed through the capacitor 86 is superimposed on the direct current power supply component emitted from the coil 82 and applied to the semiconductor laser 110. In order to reduce the second harmonic noise to be output, the frequency of the high frequency to be superimposed is preferably 100 to 400 MHz, and the modulation factor is preferably 100%.
[0050]
Two wires 71 A and 71 B are connected to both electrodes of the photodiode 70, and the wires 71 A and 71 B are drawn out of the dust-proof cover 75. The photodiode 70 is connected to a DC power supply circuit 80 provided with APC through a wire 71A and a wire 71B drawn out of the dustproof cover 75. By this APC, the amount of current applied to the semiconductor laser 110 is controlled so that the optical output of the second harmonic wave 62 becomes a predetermined value. Further, the Peltier element 74 is connected to the temperature controller 90. Further, a thermistor (not shown) for adjusting the temperature inside the apparatus is provided inside the apparatus covered with the dustproof cover 75, and this thermistor is also connected to the temperature controller 90. The temperature controller 90 is based on the output of the thermistor so that the inside of the apparatus is maintained in a temperature range in which the optical system is not condensed in the usage environment (for example, 30 ° C. or more if the usage environment temperature is 30 ° C.). 74 is controlled.
[0051]
Since the optical wavelength conversion module according to the present embodiment uses the optical wavelength conversion element according to the first embodiment, high wavelength conversion efficiency can be achieved without providing an optical element such as a phase compensation plate outside. The second harmonic of the 0th-order mode in a Gaussian beam shape can be obtained stably. In addition, since it is not necessary to provide an optical element outside, the reliability of the module is improved and the cost can be reduced.
[0052]
【Example】
Specific examples will be described below.
(Example 1)
According to the manufacturing method described above, first, 87 ° Z cut MgO 5 mol% doped LiNbO _Three An electrode for domain inversion was formed on the substrate using photolithography, Cr deposition, and lift-off. The detailed structure of the electrode is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-218431. The length of the polarization reversal grating, that is, the electrode length was 8 mm. Next, a metal mask having a three-layer structure made of Ta / Au / Ta was formed by photolithography, sputter deposition, and lift-off. The thickness of each layer was 300 mm, 1000 mm, and 300 mm, and the line width of the opening was 7 μm. Using this metal mask, the first proton exchange treatment was performed in pyrophosphoric acid under conditions of 140 ° C. and 32 minutes.
[0053]
Next, a metal mask having a three-layer structure made of Ta / Au / Ta was formed in a region from the emission end to 1 mm inside along the optical waveguide using photolithography, sputter deposition, and lift-off. The thickness of each layer was 300 mm, 1000 mm, and 300 mm, respectively. Using this metal mask, a second proton exchange treatment was performed in pyrophosphoric acid at 140 ° C. for 176 minutes.
[0054]
Next, the upper Ta layer was etched away with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid (ratio 1: 2), and then annealed in the atmosphere at 350 ° C. for 60 minutes. After that, Au layer is made KI, I and H ₂ After etching away with a mixed solution of O, the Ta layer was removed by etching with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid (ratio 1: 2).
[0055]
Next, in vacuum or Fluorinert, polarization inversion was performed by applying a high voltage of 3 kV to the electrodes for 1 to 10 seconds when the gap between the electrodes was 400 μm. Both ends of the obtained wavelength conversion element were optically polished. In particular, the exit-side end face 26 has an oblique cut with an inclination angle of 3 to 7 ° in order to prevent the fundamental wave from re-entering. Finally, the incident-side end face 30 and the exit-side end face 26 have SiO 2 so that the reflectance with respect to the fundamental wave is 0.2% or less. ₂ An AR coat consisting of a single layer thin film was formed.
[0056]
When a laser beam (fundamental wave) with a wavelength of 950 nm was input to the completed wavelength conversion element using a semiconductor laser, an output of blue light (second harmonic) with a wavelength of 475 nm of 18 mW or more was obtained. When the conversion efficiency to the second harmonic was examined, the conversion efficiency to the second harmonic in the first region was 300% / Wcm. ² The mode conversion loss when entering the second region from the first region is 40%. Therefore, the conversion efficiency to the second harmonic through the first region and the second region is 180% / Wcm. ² It becomes.
[0057]
Further, the beam shape in the direction perpendicular to the substrate in the second harmonic NFP emitted from the wavelength conversion element showed a Gaussian distribution as shown by a solid line in FIG.
(Example 2)
According to the manufacturing method described above, first, 87 ° Z cut MgO 5 mol% doped LiNbO _Three An electrode for domain inversion was formed on the substrate using photolithography, Cr deposition, and lift-off. The detailed structure of the electrode is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-218431. The electrode length was 8 mm. Next, a metal mask having a three-layer structure made of Ta / Au / Ta was formed by photolithography, sputter deposition, and lift-off. The layer thickness of each layer was 300 mm, 1000 mm, and 300 mm, respectively, and the line width of the opening was 6 μm. Using this metal mask, the first proton exchange treatment was performed in pyrophosphoric acid under conditions of 150 ° C. and 34 minutes.
[0058]
Next, a metal mask having a three-layer structure made of Ta / Au / Ta was formed in a region from the emission end to 1 mm inside along the optical waveguide using photolithography, sputter deposition, and lift-off. The thickness of each layer was 300 mm, 1000 mm, and 300 mm, respectively. Using this metal mask, a second proton exchange treatment was performed in pyrophosphoric acid at 170 ° C. for 53 minutes.
[0059]
Next, after removing the upper Ta layer by etching with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid (ratio 1: 2), annealing treatment was performed in the atmosphere at 370 ° C. for 60 minutes. After that, Au layer is made KI, I and H ₂ After etching away with a mixed solution of O, the Ta layer was removed by etching with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid (ratio 1: 2).
[0060]
Next, in vacuum or Fluorinert, polarization inversion was performed by applying a high voltage of 3 kV to the electrodes for 1 to 10 seconds when the gap between the electrodes was 400 μm. Both ends of the obtained wavelength conversion element were optically polished. In particular, the exit-side end face 26 has an oblique cut with an inclination angle of 3 to 7 ° in order to prevent the fundamental wave from re-entering. Finally, the incident-side end face 30 and the exit-side end face 26 have SiO 2 so that the reflectance with respect to the fundamental wave is 0.2% or less. ₂ An AR coat consisting of a single layer thin film was formed.
[0061]
When a laser beam (fundamental wave) with a wavelength of 950 nm was input to the completed wavelength conversion element using a semiconductor laser, an output of blue light (second harmonic) with a wavelength of 475 nm of 20 mW or more was obtained. When the conversion efficiency to the second harmonic was examined, the conversion efficiency to the second harmonic in the first region was 500% / Wcm. ² The mode conversion loss when entering the second region from the first region is 60%. Therefore, the conversion efficiency to the second harmonic through the first region and the second region is 200% / Wcm. ² It becomes.
[0062]
Further, the beam shape in the direction perpendicular to the substrate in the second harmonic NFP emitted from the wavelength conversion element showed a Gaussian distribution as shown by a solid line in FIG.
(Example 3)
According to the manufacturing method described above, first, 87 ° Z cut MgO 5 mol% doped LiNbO _Three An electrode for domain inversion was formed on the substrate using photolithography, Cr deposition, and lift-off. The detailed structure of the electrode is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-218431. The electrode length was 8 mm. Next, a metal mask having a three-layer structure made of Ta / Au / Ta was formed by photolithography, sputter deposition, and lift-off. The thickness of each layer was 300 mm, 1000 mm, and 300 mm, and the line width of the opening was 7 μm. Using this metal mask, the first proton exchange treatment was performed in pyrophosphoric acid at 150 ° C. for 32 minutes.
[0063]
Next, a metal mask having a three-layer structure made of Ta / Au / Ta was formed in a region from the emission end to 1 mm inside along the optical waveguide using photolithography, sputter deposition, and lift-off. The thickness of each layer was 300 mm, 1000 mm, and 300 mm, respectively. Using this metal mask, a second proton exchange treatment was performed in pyrophosphoric acid at 150 ° C. for 84 minutes.
[0064]
Next, after removing the upper Ta layer by etching with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid (ratio 1: 2), annealing treatment was performed in the atmosphere at 370 ° C. for 60 minutes. After that, Au layer is made KI, I and H ₂ After etching away with a mixed solution of O, the Ta layer was removed by etching with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid (ratio 1: 2).
[0065]
Next, in vacuum or Fluorinert, polarization inversion was performed by applying a high voltage of 3 kV to the electrodes for 1 to 10 seconds when the gap between the electrodes was 400 μm. Both ends of the obtained wavelength conversion element were optically polished. In particular, the exit-side end face 26 has an oblique cut with an inclination angle of 3 to 7 ° in order to prevent the fundamental wave from re-entering. Finally, the incident-side end face 30 and the exit-side end face 26 have SiO 2 so that the reflectance with respect to the fundamental wave is 0.2% or less. ₂ An AR coat consisting of a single layer thin film was formed.
[0066]
When a laser beam (fundamental wave) with a wavelength of 950 nm was input to the completed wavelength conversion element using a semiconductor laser, an output of blue light (second harmonic) with a wavelength of 475 nm of 9 mW or more was obtained. When the conversion efficiency to the second harmonic was examined, the conversion efficiency to the second harmonic in the first region was 300% / Wcm. ² The mode conversion loss when entering the second region from the first region is 70%. Therefore, the conversion efficiency to the second harmonic through the first region and the second region is 90% / Wcm. ² It becomes.
[0067]
Further, the beam shape in the direction perpendicular to the substrate in the second harmonic NFP emitted from the wavelength conversion element showed a Gaussian distribution as shown by a solid line in FIG.
Example 4
A wavelength conversion element having the same configuration as in Example 1 except that the length L of the second region was variously changed was manufactured. As shown in FIG. 14, a lens A having a NA of 0.5 on the light output side of the wavelength conversion element. And the aperture B were arranged, the second harmonics emitted were condensed, and the stray light level of each wavelength conversion element was measured. The stray light level here is a level of the background light intensity P2 with respect to the peak intensity P1 of the output light, as shown in FIG. 15B, and is expressed by 10 × Log (P2 / P1).
[0068]
FIG. 15A shows the relationship between the length L of the second region and the stray light level. The stray light level is practically required to be −10 dB or less, more preferably −15 dB or less. Therefore, FIG. 15A shows that the length L of the second region is preferably 0.5 mm or more, and more preferably 0.75 mm or more.
[0069]
At the junction between the second region and the first region, the light that has not been converted from the second region to the first region is emitted into the space or the wavelength conversion element. This radiated light becomes stray light and overlaps light actually used. For this reason, conventionally, when the light emitted from the wavelength conversion element is imaged through a lens, unnecessary portions generated by stray light are cut by the aperture. However, if the junction and the element end face are too close, there is a problem that the beam is not separated and stray light is offset. The stray light level represents the degree of the offset. If the stray light level is greater than −10 dB, that is, if the length L of the second region is less than 0.5 mm, the stray light offset is large, which is not practically preferable. Note that the aperture is not required by selecting the length L of the second region so that the stray light level has no practical problem.
[0070]
【The invention's effect】
The optical wavelength conversion element of the present invention has an effect that a wavelength conversion wave having a Gaussian beam shape can be stably obtained with high wavelength conversion efficiency.
[0071]
Moreover, according to the manufacturing method of the optical wavelength conversion element of this invention, the optical wavelength conversion element of this invention can be manufactured easily.
[0072]
Further, since the optical wavelength conversion module of the present invention uses the optical wavelength conversion element of the present invention, a Gaussian beam can be stably formed with high wavelength conversion efficiency without providing an optical element such as a phase compensation plate outside. The wavelength-converted wave can be obtained, and the module can be improved in reliability.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are schematic views of an optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 1A is a cross-sectional view along an optical waveguide, and FIG. 1B is a plan view.
2A and 2B are diagrams showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a cross-sectional view along an optical waveguide.
3A and 3B are diagrams showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a cross-sectional view along an optical waveguide.
4A and 4B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view along an optical waveguide.
5A and 5B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 5A is a plan view and FIG. 5B is a cross-sectional view along an optical waveguide.
6A and 6B are diagrams showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, where FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is a cross-sectional view along an optical waveguide.
7A and 7B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a cross-sectional view along an optical waveguide.
8A and 8B are diagrams showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a cross-sectional view along the optical waveguide.
FIG. 9A is a diagram showing a near-field pattern of output light of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, and FIG. 9B shows a near-field pattern of output light of the conventional optical wavelength conversion element. FIG.
FIGS. 10A to 10C are schematic views illustrating modifications of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment.
FIG. 11 is a plan view of the optical wavelength conversion module according to the present embodiment.
FIG. 12 is a side view showing a mounting form of the optical wavelength conversion module according to the present embodiment.
FIG. 13 is a circuit diagram showing a drive circuit of the optical wavelength conversion module according to the present embodiment.
FIG. 14 is a schematic diagram showing a device configuration for measuring a stray light level.
15A is a diagram showing the relationship between the length L of the second region of the optical wavelength conversion element and the stray light level, and FIG. 15B is a diagram for explaining the stray light level.
[Explanation of symbols]
10 Optical wavelength conversion element
12 Substrate
14 Periodic domain inversion structure
16 channel optical waveguide
18 fundamental wave
20 First region
22 Second harmonic
24 Second area
26 Output end face
28, 32 AR coat
30 Incident side end face

Claims

A first region for wavelength conversion by pseudo phase matching while propagating the incident fundamental wave in a single mode;
A second region that propagates and emits the wavelength-converted wave propagated from the first region in a single mode;
It includes,
A wavelength conversion element in which a difference in refractive index between the second region and the periphery is smaller than a difference in refractive index between the first region and the periphery .

The wavelength conversion element according to claim 1 , wherein the first region and the second region are configured by linear optical waveguides formed on a nonlinear crystal substrate.

The wavelength conversion element according to claim 1 or 2 , wherein a length of the second region along the light propagation direction is 0.5 mm or more.

The wavelength conversion element according to claim 1 , wherein the nonlinear crystal is LiNb _x Ta _1-x O ₃ (0 ≦ x ≦ 1).

The wavelength conversion element according to claim 1 , wherein the nonlinear crystal is doped with MgO, ZnO, or Sc.

The wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 5 , wherein the emission side end face is inclined by 3 ° to 7 ° in a light propagation direction with respect to a plane perpendicular to the optical axis direction.

The wavelength conversion element of any one of Claims 1-6 which provided the antireflection film whose reflectance with respect to a fundamental wave is 0.2% or less in at least one of the incident side end surface and the output side end surface.

It is a manufacturing method of the wavelength conversion element which manufactures the wavelength conversion element according to claim 1,
A first proton exchange region having a predetermined depth is formed in a region corresponding to the first region of the nonlinear crystal substrate, and a second region shallower than the first region is formed in a region corresponding to the second region. Forming a proton exchange region,
The first proton exchange region is annealed to form a domain-inverted structure so that the incident fundamental wave can be propagated in a single mode, and the fundamental wave can be converted into a wavelength converted wave by quasi-phase matching. Forming an area of
Annealing the second proton exchange region to form a second region capable of propagating the wavelength converted wave propagated from the first region in a single mode;
The manufacturing method of the wavelength conversion element which manufactures a wavelength conversion element.

An optical wavelength conversion module in which the wavelength conversion element according to claim 1 and a semiconductor laser emitting a fundamental wave are directly coupled.