JP4545380B2

JP4545380B2 - 光導波路デバイスならびにそれを用いたコヒーレント光源およびそれを備えた光学装置

Info

Publication number: JP4545380B2
Application number: JP2003008780A
Authority: JP
Inventors: 公典水内; 和久山本; 隆史吉野; 竜生川口; 美能留今枝
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: WO2004063809A1; DE60321723D1; AU2003289498A8; EP1586940B1; ATE398850T1; CN1739061A; JP2004219845A; US20060257084A1; EP1586940A1; AU2003289498A1; CN100409098C; US7236674B2; EP1586940A4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光情報処理、光応用計測制御分野に使用される光導波路デバイスならびにそれを用いたコヒーレント光源およびそれを備えた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光情報記録、再生装置ではより短波長の光源を用いることで高密度化が実現できる。例えば、普及しているコンパクトディスク装置では７８０ｎｍの近赤外光を用いるのに対し、より高密度の情報再生を実現したデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）では６５０ｎｍの赤色半導体レーザが用いられている。さらに、高密度な次世代光ディスク装置を実現するため、より短波長な青色レーザ光源の開発が盛んに行われている。例えば、小型かつ安定な青色レーザ光源として非線形光学物質を用いた波長変換素子が開発されている。
【０００３】
例えば、周期状の分極反転構造を利用したＱＰＭ（擬似位相整合）−ＳＨＧ（第２高調波発生）素子は、高効率な波長変換が可能である。しかしながら変換波長の許容度が非常に狭いため、安定した光源特性を得るには、励起光源の波長を位相整合波長に固定する工夫が必要となる。光源の小型化を実現するには、基本波光源として半導体レーザを利用する必要がある。しかし、半導体レーザは、広いゲインを有し、発振波長が容易に変動するため、波長を安定化する技術が重要となる。なお、位相整合波長は、分極反転構造中を伝搬させた基本波が高調波に波長変換される場合における基本波の波長のことである。
【０００４】
ＱＰＭ−ＳＨＧ素子と半導体レーザを用いて安定な光源を実現する方法として、ＱＰＭ−ＳＨＧ素子にＤＢＲ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）グレーティングを集積化する方法がある。これは、波長選択性をもつＤＢＲグレーティングを利用して半導体レーザの発振波長を光帰還によりＤＢＲグレーティングの反射波長に固定するものである。
【０００５】
具体的には、光導波路型のＱＰＭ−ＳＨＧ素子において、光導波路上にＤＢＲグレーティング構造を形成する。ＤＢＲグレーティングはエッチングや、レジストグレーティング等の方法を用いて、光導波路上に形成すればよい。このような構成において、ＤＢＲグレーティングからの反射光を半導体レーザに帰還することで、この反射波長に半導体レーザの発振波長を固定することができる。
【０００６】
また、ＳＨＧ素子にＤＢＲグレーティングを形成する方法として、擬似位相整合用の周期状の分極反転構造をＤＢＲグレーティングとして使用することが提案されている。分極反転構造としてはＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ₃を用いる。ＬｉＮｂＯ₃結晶Ｔｉを熱拡散すると、拡散部分の分極が反転することが知られている。この拡散部分は同時に屈折率が増大するので、周期的な屈折率変化を有する屈折率グレーティングとしても作用する。このため、分極反転構造をＤＢＲグレーティングとして使用することが可能となり、ＤＢＲ反射波長と位相整合波長とを一致させることで、半導体レーザの発振波長を固定することができる。それにより、安定な出力の波長変換素子を実現できる。つまり、半導体レーザとＳＨＧ素子を一体化した短波長光源が実現される。
【０００７】
同様の方法がＫＴＰ結晶でも行われている。ＫＴＰ結晶をＲｂでイオン交換すると分極が反転し、同時にイオン交換部分の屈折率が増大する。これを利用して分極反転構造を形成し、ＱＰＭ構造とＤＢＲグレーティングを形成することができる。それにより、短波長光源が実現されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
しかしながら、上記の分極反転構造は、結晶の組成変化を伴うことで分極反転構造と同時に屈折率変化を実現している。これは、分極反転構造の形成方法が、イオン交換や金属拡散を利用した方法だったからである。しかしながら、このように、結晶の組成変化が発生すると結晶自体の劣化要因となり、結晶の劣化および耐光損傷強度の低下と言った問題が発生し、高効率で高出力の光を伝搬させることが可能な光導波路デバイスには適用できないといった問題が生じていた。
【０００９】
例えば、ＬｉＮｂＯ₃結晶にＴｉ拡散により形成した分極反転構造は、屈折率増加を伴うことでＤＢＲグレーティングとしての利用が可能である。しかし、ＬｉＮｂＯ₃基板におけるＴｉ拡散による分極反転は分極反転の深さが十分でなく、特に４００ｎｍ近傍以下の波長に必要な周期３μｍ以下の分極反転構造を形成するのが難しいという問題がある。またＴｉを拡散すると光導波路中の不純物濃度が増大して耐光損傷強度が低下するという問題がある。このため数ｍＷ以上の高出力化時には出力が不安定になるという問題があった。
【００１０】
またＫＴＰ結晶をＲｂでイオン交換する方法においては、Ｒｂのイオン交換によって分極反転構造と屈折率変化を生じさせることができるが、Ｒｂが不純物となって結晶内に入るため、Ｔｉ拡散と同様に高出力化が難しいという問題が生じる。また、Ｒｂとイオン交換されることでイオン交換部と非交換部での格子定数に大きな差ができるため反転部分の結晶に歪み等が入り、光導波路伝搬損失の増大が生じるという問題もあった。
【００１１】
また、近年は、非線形光学結晶における分極反転技術がさらに改良されている。上述したような初期のイオン交換や、金属拡散を利用した分極反転の形成方法から、パターン電極により高電界のパルス印加によって分極反転構造を製造する方法に変わりつつある。具体的には、強誘電体にパターン電極を介して高電圧パルスを印加する方法で、結晶の組成を変えることなく均一な分極反転構造が形成でき、さらにアスペクト比の高い分極反転形状が形成可能である。この方法で分極反転構造を形成すると、結晶内の原子の分布をわずかに変えることで、非線形分極の方向を反転させ、結晶の組成、構造の変化を伴わない。不純物の混入がないため、結晶の劣化や耐光損傷強度の劣化といった問題もなく、高い非線形性と耐光損傷強度を実現でき、高効率、高出力の光導波路デバイスが実現可能となる。しかしながら、結晶組成の変化が無いため屈折率の変化が発生せずＤＢＲグレーティングとしては使用できない。
【００１２】
しかしながら、分極反転構造に結晶組成の変化を伴わないため、光学的な変化が現れず分極反転構造を従来のような屈折率グレーティング構造として併用できないという問題がある。すなわち、分極反転部と非反転部は結晶構造的には何ら差がないので、それぞれ光学的な差が発生しない。そのため、屈折率グレーティング構造が形成されない。
【００１３】
【特許文献１】
特開平６−１９４７０８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の光導波路デバイスならびにそれを用いたコヒーレント光源およびそれを備えた光学装置は、上記問題点に鑑み、高効率で安定した短波長光源を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光導波路デバイスは、ＭｇドープしたＬｉＮｂ_(1-x)Ｔａ_xＯ₃（０≦ｘ≦１）基板と、前記基板と同一の組成からなる周期的な分極反転構造とを備え、前記基板は、前記基板のＣ軸が前記基板の表面に対し１°〜１０°の範囲で傾いているオフカット基板であり、前記分極反転構造は、前記基板表面に対し斜め深さ方向に針状の形状であり、当該構造に依存した屈折率分布を有すると共に、波長変換部とＤＢＲ部で構成されており、前記波長変換部の位相整合波長は、前記ＤＢＲ部のブラッグ反射波長と等しく、かつ、前記波長変換部の位相整合波長と、前記波長変換部のブラッグ反射波長との差が、５ｎｍ以上である。それにより、高い非線形性と耐光損傷強度を実現でき、高効率、高出力のＤＢＲグレーティング構造が実現でき、波長変換素子として用いることができる。また、前記基板がオフカット基板であることにより、電界印加で形成した分極反転構造を有するにも関わらず、屈折率変化によるＤＢＲグレーティング構造が形成されている。また、前記基板のＣ軸が前記基板の表面に対し１°〜１０°の範囲で傾いていることにより、ＤＢＲグレーティングからの反射率が増大する。また、前記分極反転構造が、波長変換部とＤＢＲ部で構成されており、前記波長変換部の位相整合波長が、前記ＤＢＲ部のブラッグ反射波長と等しく、かつ、前記波長変換部の位相整合波長と、前記波長変換部のブラッグ反射波長との差が、５ｎｍ以上であることにより、ブラッグ反射波長λと位相整合波長が一致するため、高調波を発生することができる。
【００１６】
また、好ましくは、前記分極反転構造は、前記基板の分極方向に電圧が印加されることにより形成される。それにより、結晶の組成変化が発生しないため、高効率で高出力の光導波路デバイスを実現できる。
【００１８】
また、好ましくは、前記基板は、薄膜であり、前記基板の一方の面に接合層を介して接合された光学基板とを有する。それにより、ＤＢＲグレーティングからの反射率が増大する。
【００１９】
また、好ましくは、前記基板の表面または裏面の少なくともいずれかに凸部を有し、前記凸部の表面に前記分極反転構造がストライプ状に形成されている。それにより、リッジ型の光導波路デバイスとなるため、分極反転により形成された結晶歪みが影響を受けることがなく、屈折率変化を維持できる。そのため、高いＤＢＲ反射が実現でき、ＤＢＲグレーティングの効率が高い。
【００２５】
また、本発明のコヒーレント光源は、半導体レーザおよび上記の光導波路デバイスを備え、前記半導体レーザからの出射光が前記光導波路デバイスに入射する。それにより、高効率で安定した短波長光が出射するコヒーレント光源を実現できる。
【００２６】
また、本発明の光学装置は、上述のコヒーレント光源を備えている。それにより、高出力のコヒーレント光源を備えた光学装置が実現できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
一般的に、強誘電体における分極の反転は、結晶中の結晶構造の変化によって生じるが、分極反転構造は結晶構造が反転するのみで、構造的、組成的には変化がないため、屈折率等の変化は生じない。また、電界印加による分極反転を行った場合、内部電界が残留することで一時的に電気光学効果による屈折率変化が発生することが報告されているが、この屈折率変化は一時的なもので、時間と共に消滅する。また、１００℃程度の比較的低温のプロセスにおいて屈折率変化が消滅するという不安定なものであった。
【００２８】
しかし、発明者らは、非線形光学材料に分極反転構造を形成したときに、その構造に依存する周期的な屈折率変化が永久的に維持される場合があることを発見し、これに基づいて本発明にかかる光導波路デバイス等を完成させた。
【００２９】
以下にさらに具体的な実施形態について説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る光導波路デバイスおよびそれを用いたコヒーレント光源について説明する。図１は実施の形態１に係る光導波路デバイスを用いたコヒーレント光源の構成図である。実施の形態１のコヒーレント光源１００は、半導体レーザ１０１と光波長変換素子である光導波路デバイス１０８を備えている。
【００３１】
光導波路デバイス１０８は、ＬＮ基板１０２上にオフカットのＭｇドープＬｉＮｂＯ₃結晶の薄膜層１０３が接合層１０４を介して接着されて構成されている。薄膜層１０３には、ストライプ状の凸部１０６が形成されている。光導波路デバイス１０８は、この凸部１０６をリッジ導波路とする、いわゆるリッジ型光導波路構造である。薄膜層１０３には周期状の分極反転領域１０５が形成されている。薄膜層１０３にオフカット基板を用いているので、この分極反転領域１０５の分極方向１０７は、薄膜層１０３の表面に対して傾いている。半導体レーザ１０１としては、例えば、ファブリペロー型のＡｌＧａＡｓ半導体レーザを用いる。分極反転領域１０５の分極反転周期は約２．８μｍで、位相整合波長は約８２０ｎｍとする。分極反転領域１０５は周期的な屈折率分布を有し、ＤＢＲグレーティング特性を示している。
【００３２】
半導体レーザ１０１から出射された光は、光導波路デバイス１０８に入射され、分極反転領域１０５により波長選択されて半導体レーザ１０１に帰還する。それにより、半導体レーザ１０１の出射光は、分極反転領域１０５のＤＢＲ反射波長の一つで、かつ半導体レーザ１０１の発振ゲイン近傍の波長８２０ｎｍに固定される。このように、コヒーレント光源１００からは、高効率で安定した短波長光が出射される。以上のように、ＤＢＲグレーティング特性を示す分極反転領域１０５において、位相整合波長とＤＢＲ反射波長を一致させることで、半導体レーザ１０１の出射光の安定した波長変換が可能となる。
【００３３】
次に、光導波路デバイス１０８の製造方法の一例について、図２および図３を用いて説明する。図２は、周期状の分極反転構造を形成する工程を示す図であり、図３は、リッジ型光導波路構造を形成する工程を示す図である。
【００３４】
まず、図２（ａ）に示しているように、５°オフカット基板であるＭｇドープＬｉＮｂＯ₃基板２０１の表面にＴａ等の金属膜２０２を成膜する。均一な屈折率変化を得るためには、ＬｉＮｂＯ₃基板におけるＭｇのモル濃度が４．８〜６ｍｏｌ％であることが好ましいが、このＭｇドープＬｉＮｂＯ₃基板２０１においては、Ｍｇのモル濃度は例えば、５ｍｏｌ％である。また、５°オフカット基板とは、Ｃ軸が結晶表面に対して５°傾いている基板のことである。
【００３５】
次に、図２（ｂ）に示しているように、ＭｇドープＬｉＮｂＯ₃基板２０１上に形成された金属膜２０２をフォトドライエッチングにより成形して、周期状パターンを有する櫛形電極２０３、および、櫛形電極２０３と対をなすストライプ電極２０４を、基板２０１上に形成する。
【００３６】
次に、図２（ｃ）に示しているように、ＭｇドープＬｉＮｂＯ₃基板２０１およびその上に形成された櫛形電極２０３とストライプ電極２０４上に、例えばＳｉＯ₂膜である絶縁膜２０５を形成する。
【００３７】
次に、図２（ｄ）に示しているように、櫛形電極２０３とストライプ電極２０４の両電極間にＭｇドープＬｉＮｂＯ₃基板２０１の分極方向にパルス電圧を印加することで、ＭｇドープＬｉＮｂＯ₃基板２０１には、櫛形電極２０３のパターンに従って周期状の分極反転構造２０６が形成される。以上で、分極反転構造を有する基板２００が形成される。
【００３８】
次に、この基板２００を用いて、図１のリッジ型光導波路構造の光導波路デバイス１０８を製造する方法について、図３を用いて説明する。なお、図３は、図２（ｄ）のＡ方向から基板２００を見た断面図である。まず、図３（ａ）に示しているように、図２（ｄ）に示した構造における絶縁膜２０５側の表面に、ＬＮ基板（=ＬｉＮｂＯ₃基板）２０７を接着する。
【００３９】
次に、図３（ｂ）に示しているように、ＭｇドープＬｉＮｂＯ₃基板２０１を研磨して、数μｍの厚みに薄膜化する。これによって、分極反転構造２０６が表面に露呈する。
【００４０】
次に、図３（ｃ）に示しているように、分極反転構造２０６をさらにリッジ加工してリッジ型光導波路を形成する。このようにして、図１の光導波路デバイス１０８が作製される。なお、図３（ｃ）において、図１に示した各構成部材との対応関係を、参照符号により括弧内に示した。
【００４１】
光導波路型のＳＨＧ素子である光導波路デバイス１０８は、高い変換効率と優れた耐光損傷強度を有する。その理由は以下に示す。
【００４２】
まず、光導波路デバイス１０８は、通常の光導波路形成のように光導波路部の屈折率を増加させるために不純物を注入していない。光導波路デバイス１０８のリッジ型導波路は、バルクのＭｇドープＬｉＮｂＯ₃結晶であり不純物を含まない。このため、光導波路デバイス１０８は、高い非線形性と耐光損傷性を有し、高効率で高出力の光波長変換素子となる。
【００４３】
また、上記の製造方法で作製した周期状の分極反転構造を有する光導波路デバイス１０８は、実際の測定において、波長８１５ｎｍ近傍の光で、選択性を有する反射が観測された。さらに詳しく調べると波長４０ｎｍ間隔で同様の反射が観測され、その波長は分極反転周期に依存することが見いだされた。
【００４４】
さらに光導波路デバイス１０８は、電界印加で形成した分極反転構造２０６を有するにも関わらず、屈折率変化を生じるＤＢＲグレーティング構造が形成されている。その要因の一つとしては、基板２０１にオフカット基板を用いた点にある。オフカット基板とは上述したように結晶のＣ軸が基板表面に対し傾いている基板である。結晶のＣ軸が基板表面に対してなす角をオフカット角という。従来はＺまたはＸカットの結晶方位である基板を用いて光導波路デバイスを形成していたが、実施の形態１では、ＭｇドープＬｉＮｂＯ₃のオフカット基板を用いて光導波路デバイス１０８を作製した。オフカット基板に電界を印加させて、分極反転領域１０５を形成した場合、形成される分極反転領域１０５は、分極方向に沿って、光導波路デバイス１０８の表面に対して、斜め深さ方向に針状に成長する。分極反転が斜め方向に成長する際に、結晶に非対称な歪みが発生するため、反転部と非反転部の境界において歪みが残留し、これによって屈折率変化が生じたと考えられる。すなわち、分極反転部と非反転部の境界において何らかの結晶歪みが残留し屈折率差が生じ、屈折率グレーティング構造が形成されたと考えられる。一方、実際にＺカット、Ｘカットの基板に対して、同様の方法で分極反転を形成したが、周期的な屈折率分布はほとんど形成されなかった。
【００４５】
また、オフカット角が１〜１０°のとき大きなＤＢＲ反射が観測された。オフカット角が１０〜３０°でも屈折率変化は観測されたのでＤＢＲグレーティング構造として使用可能である。従って、可能なオフカット角は１〜３０°の範囲であるが、１〜１０°とすることが特に好ましい。
【００４６】
用いるオフカット基板としては、オフカットＸ基板、オフカットＹ基板およびオフカットＸＹ基板がある。オフカットＸ基板は、ほぼＸカット基板で、基板表面がＹ軸と平行でＣ軸が基板平面と角度θで傾いている。また、オフカットＹ基板は、基板平面とＸ軸が平行で基板表面とＣ軸が角度θで傾いている。オフカットＸＹ基板は、これら以外の基板（基板平面がＸ、Ｙいずれとも平行でない）である。これらの基板のうち、分極反転構造としたときに、屈折率変化が大きくブラッグ反射の大きかったのは、オフカットＹ基板、オフカットＸＹ基板、オフカットＸ基板の順である。特にオフカットＸＹ基板は、基板の表面がＸ、Ｙ軸から５°以上傾いた位置で、光導波路デバイス１０８の伝搬損失が小さくなる傾向が見られ、より好ましかった。
【００４７】
また上記の製造方法で作製した光導波路デバイス１０８におけるＤＢＲグレーティング構造は熱的にも安定である。例えば、５°オフカット基板に、周期２．８μｍの分極反転構造を素子長１０ｍｍに渡り形成した光導波路デバイス１０８に基本波を入射すると、波長８２０ｎｍの基本波に対して９０％以上の反射率が観測された。
【００４８】
さらに、この光導波路デバイス１０８を熱処理して反射率の変化を観測した。アニール温度は４００℃、６００℃とし、５時間以上熱処理した後、反射率を測定した。その結果、ＤＢＲ反射波長および反射率のいずれかのサンプルにおいても、熱処理の前後で反射率に全く変化が無かった。このことから、分極反転領域１０５に形成された屈折率グレーティングは非常に安定であることが分かった。また数ヶ月放置した後も、光導波路デバイス１０８の、反射波長および反射率特性の変化は見られず、永久的に安定な屈折率グレーティングが形成されていることが確認された。
【００４９】
また、分極反転領域１０５が屈折率グレーティングとして機能する要因としては、図１に示したような光導波路構造としたこともあげられる。すなわち、上述のように、分極反転領域１０５は、光導波路として用いるために、薄膜化されている。具体的には、薄膜層１０３を厚さ３〜４μｍ程度に薄膜化することにより、光導波路デバイスとしての機能がより良好に発揮される。薄膜化により、ＤＢＲグレーティングからの反射率が増大した。これは、薄膜化することで分極反転部の境界における結晶の歪みが強化され、屈折率変化が大きくなったためと考えられる。薄膜の厚さとしては、１０μｍ以下が好ましい。さらに、５μｍ以下とすると分極反転領域１０５の屈折率変化が大きくなって、さらに好ましい。
【００５０】
また、光導波路デバイス１０８をリッジ加工導波路とすることで、分極反転構造に形成したプロトン交換導波路の場合に比較して、ＤＢＲグレーティングからの反射率が高くなる。通常、低損失で均一な導波路形成が可能であることから、分極反転構造の光導波路にはプロトン交換導波路が利用される。しかしながら、形成した分極反転構造にプロトン交換を施すとＤＢＲグレーティングの反射率が大幅に低下するのが観測されている。これはプロトン交換を施す際に、分極反転により形成された結晶歪みが緩和されるためと考えられる。
【００５１】
光導波路デバイス１０８は、研磨とリッジ加工により得られるため、化学的な処理を分極反転領域１０５が受けていない。このため、分極反転により形成された結晶歪みが影響を受けることがなく、屈折率変化を維持できる。そのため、高いＤＢＲ反射が実現でき、ＤＢＲグレーティングの効率が高いため好ましい。
【００５２】
なお、プロトン交換導波路においても、オフカット基板を用いて形成することでＤＢＲ反射は観測される。したがって、プロトン交換によりＤＢＲ反射が大幅に低下するが、プロトン交換導波路においても上記の製造方法のように、ＤＢＲグレーティングを分極反転構造で形成することは可能である。
【００５３】
また、ＤＢＲグレーティングを形成する基板（薄膜層１０３）には、非線形光学結晶としてＭｇドープＬｉＮｂＯ₃を用いることが望ましい。通常、用いるＬｉＮｂＯ₃基板では、オフカット基板であった場合に、均一なグレーティングを形成されることが難しく、分極反転構造とした場合に、ＤＢＲグレーティングの形成が難しかった。また、非線形光学結晶として、ＭｇドープしたＬｉＮｂ_(1-x)Ｔａ_xＯ₃ （０≦ｘ≦１）を用いてもよい。例えば、ＭｇをドープしたＬｉＴａＯ₃またはＬｉＮｂＯ₃とＬｉＴａＯ₃の混晶、または、ＭｇをドープしたストイキオＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃およびＬｉＮｂＯ₃とＬｉＴａＯ₃の混晶も同様に使用できる。
【００５４】
なお、Ｍｇのドープ量としてはコングルエントのＬｉＮｂＯ₃結晶で４．８ｍｏｌ〜６ｍｏｌ％程度のドープ量が好ましい。ドープ量が６ｍｏｌ％を越えると分極反転の形成が困難になり、４．８ｍｏｌ％を下回ると基板２０１の光損傷の耐性が大幅に劣化する。また、ストイキオメトリックＬｉＮｂＯ₃の場合ではＭｇのドープ量は１．５ｍｏｌ％以上が好ましい。
【００５５】
コヒーレント光源１００から出力する場合は、半導体レーザ１０１の出射光を光導波路デバイス１０８に入射して、半導体レーザ１０１の出射光のゲインピーク波長と分極反転領域１０５からのＤＢＲ反射波長がほぼ等しいことが望まれる。この波長が大きく異なると、半導体レーザの発振波長がＤＢＲ波長に固定されなくなる。実験では波長差は５ｎｍ以下の条件が必要であった。さらに２ｎｍ以下になると出力が安定してより好ましい。
【００５６】
なお、光導波路デバイス１０８を形成する場合に、薄膜の非線形光学材料を接着剤によりＬＮ基板１０２に接着しても良いが、その他、直接接合等の技術を利用してもよい。
【００５７】
以上、光導波路デバイス１０８が周期状の分極反転構造を利用したＤＢＲグレーティング構造を有する場合について説明したが、分極反転構造による屈折率変化は他のデバイスにも適用できる。例えば各種のグレーティングデバイス、位相変調器、スイッチ、波長選択グレーティング、波長分波、合波器等、偏光器、等導波路に部分的な屈折率分布を持たせた構造による光導波路デバイス等に利用できる。なお、分極反転構造は任意の形に形成できるため、有効である。
【００５８】
また、実施の形態１のコヒーレント光源１００は、光導波路デバイス１０８を半導体レーザ１０１と直接接合した構成であるが、光導波路デバイス１０８と半導体レーザ１０１以外にレンズ光学系を用いた構成としてもよい。このような構成とすることで、光導波路デバイス１０８と半導体レーザ１０１との光結合がさらに容易になる。
【００５９】
次に、半導体レーザ１０１と光導波路デバイス１０８からなるコヒーレント光源１００において、高調波出力を得る場合の、波長の条件について説明する。ファブリペロー型の半導体レーザ１０１は分極反転構造によるＤＢＲ反射波長に固定され安定に発振する。また、温度制御によりＤＢＲ波長と位相整合波長を一致させることで安定な高調波出力を得ることができる。
【００６０】
これら半導体レーザ１０１と光導波路デバイス１０８によって高効率のコヒーレント光源を形成するには、光導波路デバイス１０８の位相整合波長と、ＤＢＲ反射波長を一致させる必要がある。位相整合波長およびＤＢＲ反射波長は、それぞれ分極反転構造の周期構造に依存する値であるため、光導波路デバイス１０８の位相整合波長とＤＢＲ反射波長が一致するためには一定の法則性がある。具体的には、結晶の有する分散特性からの条件から計算されるＤＢＲ反射波長と位相整合波長の一致点からずれた条件が最適となることが見いだされた。
【００６１】
これは、光導波路デバイス１０８が、従来と異なり、結晶自体をリッジ導波路状に加工した構造であるため、光導波路におけるＤＢＲ条件と位相整合条件が異なったためと考えられる。
【００６２】
以下に室温近傍（０〜１００℃）における最適なコヒーレント光源１００の出力波長を実験的に求めた結果を示す。まず、ＤＢＲグレーティングが奇数次のＤＢＲ反射波長と位相整合波長が一致する場合のＤＢＲ反射波長λは以下の条件を満たす。
【００６３】
ＤＢＲ反射波長λは、λ₁＜λ＜λ₂の関係を満足する。なお、λ₁＝６３５＋４８×ｎ（ｎｍ）、λ₂＝１．０２×λ₁（ｎｍ）（ｎ＝０，１，２）である。また、ＤＢＲ反射波長λがこれよりも大きい場合には、λ₁＝７７４＋４０×ｎ（ｎｍ）、λ₂＝１．０２×λ₁（ｎｍ）（ｎ＝０，１，２，３，４…）である。λがλ₁とλ₂との間のどの値を取るかは、光導波路デバイス１０８のリッジ部分の幅と厚さによって決まる。
【００６４】
つまり、約４０ｎｍごとにＤＢＲ反射波長λと位相整合波長が一致する波長が現れる。ＤＢＲグレーティングの次数としては１５次であり、奇数の次数ごとに反射が得られている。これは分極反転構造が基本波から２次の高調波に変換する非線形グレーティングとしては１次の周期構造を有しているため、変換効率が最大になる点では、分極反転部と非反転部のデューティ比は５０：５０となっているからである。精度としては１〜２％の誤差で正確に決定できた。その他の、光導波路デバイス１０８の条件としては基本波に対してほぼシングルモードの条件であり、導波路の形状にはあまり依存しなかった。
【００６５】
また、光導波路デバイス１０８の温度を変えることで、ＤＢＲ反射波長と位相整合波長を正確に一致させることができる。位相整合波長およびＤＢＲ反射波長は、温度依存性を有し、例えば、位相整合波長の温度依存性は、０．０６ｎｍ／℃であり、ＤＢＲ反射波長の温度依存性は０．０２６ｎｍ／℃である。したがって、温度変化による波長変動を利用すれば、位相整合波長とＤＢＲ反射波長を精密に一致させることが可能となる。なお、電極構造を光導波路デバイス１０８上に形成して、電圧を印加し、光導波路デバイス１０８の実行屈折率を変化させてＤＢＲ反射波長と位相整合波長を一致させる方法もある。
【００６６】
光導波路デバイス１０８は素子長１２ｍｍ分極反転周期約２．８μｍ、位相整合波長約８２０ｎｍで、位相整合波長とＤＢＲ反射波長がほぼ一致した。しかし、ＤＢＲグレーティングの反射率は約９０％であり、ほぼ総ての光が反射された。光波長変換素子としては、ＤＢＲグレーティングの反射が大きいと変換効率が低下する。また、半導体レーザ１０１への帰還パワーが大きすぎると半導体レーザ１０１が端面破壊で壊れるといった現象も生じるため、ＤＢＲグレーティングによる反射率は１０％以下に押さえることが望ましい。
【００６７】
そこで、分極反転領域１０５のデューティ比を制御することで、ＤＢＲグレーティングによる反射率を制御する。つまり、分極反転領域１０５の幅を０．１μｍ程度ずらすことでＤＢＲグレーティングの反射率を制御できるので、光波長変換素子としての変換効率低下を起こすことなく、ＤＢＲグレーティングの反射率を調整できる。
【００６８】
上述したのと同様に、偶数次のＤＢＲ波長に対してもＤＢＲ波長と位相整合波長を一致させることができる。この場合のＤＢＲ反射波長λがλ₁＜λ＜λ₂の関係を満足し、λ₁＝６１３＋４８×ｎ（ｎｍ）、λ₂＝１．０２×λ₁（ｎｍ）（ｎ＝０，１，２）である。または、ＤＢＲ反射波長λがλ₁＜λ＜λ₂の関係を満足し、λ₁＝７５４＋４０×ｎ（ｎｍ）、λ₂＝１．０２×λ₁（ｎｍ）（ｎ＝０，１，２，３，４…）である。
【００６９】
ただしこの場合は分極反転領域１０５のデューティ比が５０：５０の場合には反射が起こらないので、デューティ比が５０：５０からずれていることが必須である。ＳＨＧへの変換効率を考慮するとデューティ比を４０〜４９％程度にして、反射率を１０％以下に抑えることで、高効率化が図れる。この場合、ブラッグ反射の反射量が制限されるのと、デューティ比が５０％からずれることによる変換効率の低下を防ぐことができる。また、ＳＨＧの出力を抑えてもより安定な特性を実現したい場合には、デューティ比を３０〜４０％にして、反射率を増大させてもよい。変換効率は低下するが、半導体レーザ１０１への帰還光を増やして、外乱による半導体レーザ１０１の発振波長の変動を抑えることができる。
【００７０】
なお、実施の形態１の光導波路デバイス１０８は、薄膜層１０３の凸部１０６がＬＮ基板１０２側すなわち、接合層１０４に接するように形成されていてもよい。その具体例を図４に示す。図４は、実施の形態１に係る光導波路デバイスを用いたコヒーレント光源の他の構成例を示す構成図である。光導波路デバイス３０８は、ＬＮ基板３０２上にオフカットのＭｇドープＬｉＮｂＯ₃結晶の薄膜層３０３が接合層３０４を介して接着されて構成されている。薄膜層３０３は、ストライプ状の凸部３０６を有し、周期状の分極反転領域３０５が形成されている。ＬＮ基板３０２と薄膜層３０３とは、凸部３０６がＬＮ基板３０２側にあり、光導波路デバイス３０８の内部にあるように配置されている。また、この光導波路デバイス３０８と、光導波路デバイス３０８に光を入射する半導体レーザ３０８とでコヒーレント光源３００を形成している。このような構成である光導波路デバイス３０８は、図１の光導波路デバイス１０８と同様に光導波路高効率、高出力のＤＢＲグレーティング構造が実現でき、波長変換素子として用いることができる。また、コヒーレント光源３００は、図１のコヒーレント光源１００と同様に、高効率で安定した短波長光を出射することができる。
【００７１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る光導波路デバイスおよびこれを用いたコヒーレント光源について説明する。図５は実施の形態２に係る光導波路デバイスを用いたコヒーレント光源の構成図である。
【００７２】
図５に示す実施の形態２に係るコヒーレント光源１００ａは、図１の実施の形態１のコヒーレント光源の光導波路デバイス１０８の代わりに光導波路デバイス１０８ａを備え、この光導波路デバイス１０８ａの分極反転領域１０５が、ＤＢＲ部１１２と波長変換部１１１とに分けられた構成である。半導体レーザ１０１は、実施の形態１と同様に、ファブリペロー型のＡｌＧａＡｓ半導体レーザである。ただし、実施の形態１とは異なり、分極反転周期は約２．７μｍ、位相整合波長は約８１０ｎｍである。
【００７３】
ＤＢＲ部１１２と波長変換部１１１は、どちらも周期状の分極反転構造であるが、その周期は異なっている。波長変換部１１１は、基本波と高調波が位相整合するような周期構造が選択されていて、分極反転構造による非線形グレーティングにより波長変換を行なうものである。一方、ＤＢＲ部１１２は、屈折率のグレーティングにより、特定波長の基本波を反射（ブラッグ反射）するものである。
【００７４】
このような構成で、実施の形態１に示したような条件を用いて、位相整合波長とＤＢＲ反射波長を一致させることで、安定出力のコヒーレント光源を実現できる。
【００７５】
また、他にＤＢＲグレーティング用の分極反転構造と波長変換用の分極反転構造を分離してもよい。ＤＢＲグレーティングの１次周期は０．２μｍ程度と小さいため、分極反転グレーティングをＤＢＲグレーティングとして使用すると高次のグレーティングとなる。このためＤＢＲ用と波長変換用の分極反転を別に設計することでそれぞれの設計の最適化を図ることができる。この場合、注意しなければならないのが、半導体レーザ１０１のゲインピーク波長、ＤＢＲ反射波長、位相整合波長、それぞれの波長の関係は、以下に示す通りである。
【００７６】
ＤＢＲ部１１２のＤＢＲ反射波長と波長変換部１１１の位相整合波長が一致していて、かつ、波長変換部１１１のＤＢＲ反射波長はＤＢＲ部１１２のＤＢＲ反射波長より５ｎｍ以上離れていて、かつ、ＤＢＲ部１１２のＤＢＲ反射波長と半導体レーザ１０１のゲインピーク波長がほぼ一致している。
【００７７】
以上の条件を満たすように設計することで、設計の最適化が図れる。前述したように分極反転領域１０５は屈折率変化を伴っているため、波長変換部１１１の分極反転グレーティングからもＤＢＲ反射が生じる。半導体レーザ１０１の出射光が波長変換部１１１からのＤＢＲ反射波長に固定されれば、位相整合波長と異なるため、波長変換されなくなる。ＤＢＲ部１１２からのＤＢＲ反射波長が半導体レーザ１０１のゲインピークと一致し、なおかつ波長変換部１１１からのＤＢＲ反射波長と５ｎｍ以上離れることで、半導体レーザ１０１はＤＢＲ部１１２からのＤＢＲ反射波長に固定される。ＤＢＲ部１１２と波長変換部１１１のＤＢＲ反射波長が近接すると半導体レーザ１０１の出射光は、どちらの波長に固定されるかわからなくなり、両方の波長でマルチモード発振する可能性もある。この場合ノイズが大幅に増大するという問題が生じる。以上の結果、波長変換部１１１の位相整合波長とＤＢＲ反射波長は５ｎｍ以上離れていることが望ましい。したがって、実施の形態１で示した位相整合波長とＤＢＲ波長が一致する条件の波長より、さらに５ｎｍ以上はなれた波長に位相整合波長を設定することが望ましい。
【００７８】
また半導体レーザ１０１のゲインピークが波長変換部のＤＢＲ反射波長に近いと、こちらの波長に固定されてしまい。波長変換されなくなるという問題が生じた。したがって、ＤＢＲ部１１２のＤＢＲ反射波長と半導体レーザ１０１のゲインピーク波長の差は５ｎｍ以下が好ましい。また、ＤＢＲ部１１２のＤＢＲ反射波長と半導体レーザ１０１のゲインピーク波長の差が、２ｎｍ以下とすると、発振がより安定するため、さらに好ましい。
【００７９】
また、ＤＢＲ部１１２を光導波路デバイス１０８ａの入射部近傍に設置したのは、半導体レーザ１０１との距離をできるだけ短くするためである。半導体レーザ１０１がＤＢＲ部１１２からの反射光により固定される場合、半導体レーザ１０１にＤＢＲ部１１２からの光が帰還するが、通常、半導体レーザ１０１は外部からの戻り光によりノイズが大幅に増大する。それにより、半導体レーザ１０１に戻り光があると、レーザ本来の共振器構造に加えて、外部にも共振器構造が存在することになり、複合共振器構造となる。
【００８０】
したがって、ＤＢＲ部１１２を光導波路デバイス１０８ａの出口近傍（半導体レーザ１０１の反対側）に作製すると、共振器長が大きく異なる複合共振器となり、かつ外部の温度変化等の影響により実質的に共振器長が変化する。このため不安定な共振器構造となり、発振ノイズが増大する。
【００８１】
これに対し、半導体レーザ１０１と光導波路デバイス１０８ａを直接接合し、ＤＢＲ部１１２を光導波路デバイス１０８ａの入射端側（半導体レーザ１０１側）に設置すれば、半導体レーザ１０１の出射端面とＤＢＲグレーティングの反射端面をほぼ一致させることが可能となり、複合共振器構造によるノイズを防止することができる。
【００８２】
以上のように、ＤＢＲ部１１２は光導波路デバイス１０８ａの入射端近傍に設置し、かつＤＢＲグレーティングは入射端面まで形成されている必要がある。なお、実施の形態１についても適用できる。また、位相整合用のグレーティングをＤＢＲグレーティングとして使用する場合も同様に半導体レーザ１０１は直接接合されていることが好ましい。また分極反転領域１０５も光導波路デバイス１０８ａの入射端面まで形成されていることが好ましい。
【００８３】
なお、半導体レーザ１０１の駆動電流を変調して出力を変調することで、コヒーレント光源１００ａの出力に乱れが生じることがある。これは、駆動電流による半導体レーザ１０１内の温度変化が生じると、半導体レーザ１０１の共振器長が変化し、半導体レーザ１０１の発振波長が変化するためである。すなわち、半導体レーザ１０１の出力を変調すると、発振波長も同時に変調される。
【００８４】
光導波路デバイス１０８ａは狭い波長許容度を有する０．１ｎｍ以下の波長変動でも変換効率が大きく変化する。そのため、半導体レーザ１０１の出力変調で、高調波出力は、半導体レーザ１０１の出力と波長の両方の変調により変化し、複雑な出力波形となる。このため、光波長変換素子の出力を安定に必要な波形で変調することが難しくなる。これを防ぐためには、半導体レーザ１０１として通常のファブリペロー型の半導体レーザを用いたが、他に位相変調部を有する半導体レーザを用いればよい。半導体レーザ１０１に位相変調部（図示せず）を追加することで、位相変調部への印加電流を変調することで、半導体レーザの出力変調時に生じる波長変動を抑圧し、波長変換素子の出力変調を容易にすることが可能となる。なお、実施の形態１においても、半導体レーザ１０１に位相変調部を追加することで同様の効果を奏する。
【００８５】
（実施の形態３）
本発明の光学装置の一実施形態について説明する。光学装置としては、例えば、光ピックアップ光学系装置がある。光ピックアップ光学系装置は、コヒーレント光源と、集光光学系（図示せず）より構成される。コヒーレント光源は、図１、図４、図５に示している実施の形態１および２のコヒーレント光源１００、３００、１００ａとする。
【００８６】
集光光学系は、コヒーレント光源１００、３００、１００ａより出射された光を集光し、光ディスクの表面に集光する。光ディスクで反射された光を検出することで、光ディスクの情報を読み書きできる。コヒーレント光源１００、３００、１００ａは、前述したように波長４１０ｎｍの短波長光を出力することができるため、高密度の光情報記録が可能となる。
【００８７】
また、コヒーレント光源１００、３００、１００ａは、数μｍの幅と厚みの光導波路中に光を閉じ込めているため、光導波路は非常に強いパワー密度になる。そのため、光導波路には伝搬方向に温度分布が発生する。この温度分布により、基本波を高調波に変換するための位相整合条件の分布が発生し、位相整合条件の成立が難しくなり、コヒーレント光源１００、３００、１００ａの出力が低下してしまう。しかし、熱伝導率の高い金属の接合層１０４、３０４、１０４ａを用いることで、光導波路の熱伝導率を向上させ、光導波路の温度分布を低減することができる。それにより、高出力のコヒーレント光源１００、３００、１００ａが実現できた。５０ｍＷ以上の短波長光が実現でき、低出力では実現の難しい２層ディスクへの書き込みが可能である。さらに、高倍速の書き込みも実現できる。
【００８８】
なお、光学装置としては、光ピックアップ光学系装置以外に、例えばレーザ走査顕微鏡等のコヒーレント光学系光学装置があげられる。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の光導波路デバイスならびにそれを用いたコヒーレント光源およびそれを備えた光学装置によれば、半導体レーザの波長安定化が図れ、安定出力のコヒーレント光源が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る光導波路デバイスを用いたコヒーレント光源の構成図
【図２】周期状の分極反転構造を形成する工程図
【図３】リッジ型光導波路構造を形成する工程図
【図４】実施の形態１に係る光導波路デバイスを用いたコヒーレント光源の他の構成例を示す構成図
【図５】実施の形態２に係る光導波路デバイスを用いたコヒーレント光源の構成図
【符号の説明】
１００、１００ａ、３００コヒーレント光源
１０１、３００半導体レーザ
１０２、３０２ＬＮ基板
１０３、３０３薄膜層
１０４、３０４接合層
１０５、３０５分極反転領域
１０６、３０６凸部
１０７分極方向
１０８、１０８ａ、３０８光導波路デバイス
１１１波長変換部
１１２ＤＢＲ部
２００、２０１基板
２０２金属膜
２０３櫛形電極
２０４ストライプ電極
２０５絶縁膜
２０６分極反転構造
２０７ＬＮ基板

Claims

ＭｇドープしたＬｉＮｂ_(1-x)Ｔａ_xＯ₃（０≦ｘ≦１）基板と、
前記基板と同一の組成からなる周期的な分極反転構造とを備え、
前記基板は、前記基板のＣ軸が前記基板の表面に対し１°〜１０°の範囲で傾いているオフカット基板であり、
前記分極反転構造は、前記基板表面に対し斜め深さ方向に針状の形状であり、当該構造に依存した屈折率分布を有すると共に、波長変換部とＤＢＲ部で構成されており、
前記波長変換部の位相整合波長は、前記ＤＢＲ部のブラッグ反射波長と等しく、かつ、前記波長変換部の位相整合波長と、前記波長変換部のブラッグ反射波長との差が、５ｎｍ以上である、光導波路デバイス。
前記分極反転構造は、前記基板の分極方向に電圧が印加されることにより形成された、請求項１に記載の光導波路デバイス。
前記基板は、薄膜であり、
前記基板の一方の面に接合層を介して接合された光学基板を有する、請求項１または２に記載の光導波路デバイス。
前記基板の表面または裏面の少なくともいずれかに凸部を有し、前記凸部の表面に前記分極反転構造がストライプ状に形成されている、請求項３に記載の光導波路デバイス。
半導体レーザおよび請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光導波路デバイスを備え、前記半導体レーザからの出射光が前記光導波路デバイスに入射する、コヒーレント光源。
請求項５に記載のコヒーレント光源を備えた光学装置。