JP4646333B2 - 高調波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は高調波発生装置に関するものである。

光情報処理技術全般において、高密度光記録を実現するために、波長４００−４３０ｎｍ程度の青色光を３０ｍＷ以上の出力で安定的に発振する青色光レーザが要望されており、開発競争が行われている。青色光光源としては、赤色光を基本波として発振するレーザと、擬似位相整合方式の第二高調波発生素子とを組み合わせた光導波路型の波長変換素子が期待されている。

ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶のような非線形光学結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Quasi-Phase-Matched ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Second-Harmonic-Generation:SHG）デバイスを実現できる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なSHGデバイスが実現でき、光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。

特許文献１では、ＤＦＢレーザーダイオードからの基本波を集光レンズ系で集光し、ＰＰＬＮ光導波路素子へと向かって照射して高調波（緑色光）を得、この高調波を集光し、発振させている。ＰＰＬＮ光導波路素子は、ＭｇＯをドープしたニオブ酸リチウム単結晶基板に光導波路を形成し、この光導波路内に周期分極反転構造を形成したものである。ニオブ酸リチウム単結晶の光導波路素子の入射側端面および出射側端面は、光導波路に対する垂直面から大きく傾斜するように研磨する。これによって、レーザ発振源への戻り光の入射を防止している。
IQEC/CLEO-PR 2005, Tokyo, Japan,July 11-15, 2005, post-deadline paper PDG-2

また、本出願人は、ニオブ酸リチウム単結晶のＺ板からなるバルク基板に周期分極反転構造を形成し、第二高調波発生素子を作製することを開示した（特許文献２）。更に、ニオブ酸リチウム単結晶の５°オフセットＹ板の薄板にチャンネル型光導波路を形成し、この光導波路内に周期分極反転構造を形成し、第二高調波発生素子とすることを開示した。
特開2005-70192 WO 2006/41172 A1

しかし、本発明者がブロードエリア半導体レーザ光源に対して導波路型高調波発生素子を光学結合し、周期分極反転構造で波長変換を行ったところ、高調波の発振が不安定になることがあった。

本発明の課題は、レーザ光の波長を変換して高調波を発生するための周期分極反転構造を備えている高調波発生素子において、高調波の発振が不安定化するのを防止することである。

本発明は、レーザ光の波長を変換して高調波を発生するための周期分極反転構造を備えている高調波発生素子であって、
支持基板、
強誘電体単結晶のＸ板またはオフセットＸ板からなる強誘電体基板、
この強誘電体板に設けられており、周期分極反転構造が形成されているチャンネル型光導波路、および
強誘電体基板を支持基板に接着する接着層
を備えており、周期分極反転構造の分極反転面とレーザ光の伝搬方向とがなす角θが８２°以上、８９°以下であり、分極反転構造の分極反転方向が強誘電体単結晶のＺ軸の方向であることを特徴とする。

本発明者は、基本波であるレーザ光の発振が不安定になった理由を検討し、次の発見に到達した。図１、図２を参照しつつ述べる。周期分極反転構造８は、多数の分極反転部６と、多数の非分極反転部７とを交互に形成することで得られる。図１の例では、チャンネル型光導波路２を分極反転面Ｐに対して垂直に通し、レーザ光を基本波として矢印Ｌの方向に入射させ、導波路内を伝搬させる。

ところが、この際、周期分極反転構造８内での回折現象により、光導波路に入射した基本波の一部が戻り光となり、レーザ光源に入射することで共振を起こし、基本波の発振が不安定になっていたことを発見した。このような回折現象は、周期分極反転構造の周期構造からもたらされたものである。しかし、従来は、このような回折現象や戻り光は観測されておらず、このため、基本波の発振が不安定になった理由として戻り光を特定したことは本発明者の発見である。

以下、本発明を更に具体的に説明する。
図１、図２（ａ）、（ｂ）は従来例に係るものである。図１は、光導波路基板の表面に周期分極反転構造８を形成している状態を模式的に示す平面図であり、図２（ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であり、図２（ｂ）は、図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。

本例では、光導波路基板３５の底面が別体の支持基板４１の上面に対して接着層４０によって接着されている。多数の分極反転部６と非分極反転部７とが、光の伝搬方向Ｌに向かって交互に形成されており、これによって周期分極反転構造８を形成している。図１には、参考のために、分極反転部６を形成するための櫛形電極の電極片５、給電電極３、対向電極４を形成した状態を示す。給電電極３と対向電極４との間に所定の電圧を印加すると、多数の電極片５の先端部分からそれぞれ分極反転部６が延びていく。

分極反転部と非分極反転部との境界が分極反転面である。そして、従来例では、分極反転面の方向Ｐと光の伝搬方向Ｌとが直角であった。この場合、周期分極反転構造内で回折現象が起こると、レーザ光源へと向かって戻り光があり、レーザ光（基本波）の発振が不安定化する原因となっていた。

図３、図４（ａ）、（ｂ）は本発明例に係るものである。図３は、光導波路基板の表面に周期分極反転構造１８を形成している状態を模式的に示す平面図であり、図４（ａ）は、図３のＩＶａ−ＩＶａ線断面図であり、図４（ｂ）は、図３のＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図である。

本例では、光導波路基板３５の底面が別体の支持基板４１の上面に対して接着層４０によって接着されている。光導波路基板３５の底面にはアンダークラッド層を形成することができ、また，基板３５の上面にはオーバークラッド層ないしバッファ層を形成することができる。更に、基板３５の上面を、オーバークラッド層を介して、図示しない上側基板に対して接合することが可能である。

多数の分極反転部６Ａと非分極反転部７Ａとが、光の伝搬方向Ｌに向かって交互に形成されており、これによって周期分極反転構造１８を形成している。図３には、参考のために、分極反転部６Ａを形成するための櫛形電極の電極片５Ａ、給電電極３、対向電極４を形成した状態を示す。給電電極３と対向電極４との間に所定の電圧を印加すると、多数の電極片５Ａの先端部分からそれぞれ分極反転部６Ａが延びていく。

分極反転部６Ａと非分極反転部７Ａとの境界が分極反転面であり、分極反転面は例えばウエットエッチングによって観測できる。本例では、分極反転面の方向Ｐと光の伝搬方向Ｌとがなす角θが８０〜８９°である。この場合、周期分極反転構造内で回折現象が起こっても、レーザ光源へと向かう戻り光を防止できるので、レーザ光（基本波）の発振が不安定化することを防止できる。

基本波となるレーザ光としては、半導体レーザー、NdドープYAGレーザー、NdドープYVO₄レーザーが好ましい。

周期分極反転構造の分極反転面とレーザ光の伝搬方向とがなす角θは、本発明の観点からは、８９°以下であるが、８７°以下が更に好ましい。また、θは、伝搬光の波面の乱れの抑制という観点からは８２°以上である。

周期分極反転構造は、チャンネル型光導波路内に形成されていている。導波路は、接合層あるいは基板から突出するリッジ型の波長変換素子であってよく、非線形光学結晶を加工、例えば機械加工やレーザ加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。そして、三次元光導波路が、非晶質材料からなる接着層を介して基板に接合されている。あるいは、光導波路が、チタン拡散などの金属拡散法やプロトン交換法によって形成されていてよい。

また、チャンネル型光導波路は、強誘電体単結晶からなるＸ板またはオフセットＸ板（Ｙ板、オフセットＹ板）に設けられている。例えば、図３、図４の例では、分極反転方向Ｐが強誘電体単結晶のＺ軸の方向である。この実施形態においては、Ｘ板のオフセット角は、１０°以下であることが好ましい。

強誘電体単結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。

強誘電体単結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

アンダークラッド層、オーバークラッド層の材質は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナ、五酸化タンタルを例示できる。

接着層４０の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。

支持基体４１の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、強誘電体層と支持基板とを同じ材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。

（実施例１）
図３、図４に示すような高調波発生素子を作製した。具体的には、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットＹ基板上に、電極３、４、５Ａを形成し、周期６．６μｍの周期分極反転構造１８を形成した。厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板４１に接着剤４０を塗布した。次いで、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を、厚さ３．７μｍとなるまで研削、研磨し、薄板の光導波路基板３５を作製した。

次いで、この基板３５に、レーザーアブレーション加工法により、リッジ型光導波路２を形成した。その際、光の伝搬方向Ｌが、結晶のZ軸に対して８５度の角度になるように加工した。光導波路の形成後、厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。ダイサーで長さ９ｍｍ、幅１．０ｍｍで素子を切断した後、端面を研磨し反射防止膜を施した。分極反転面Ｐと光伝搬方向Ｌとがなす角度は８５°である。

この導波路において半導体レーザを使用して光学特性を測定した。レーザ光源からの発振出力を３５０ｍWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に入力し、１１０ｍWのＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は１０６３．５ｎｍであった。半導体レーザ光の発振状態は安定しており、出力変動は観測されなかった。

（比較例１）
実施例１と同様の手順で、図１、図２に示すような素子を作製した。ただし、実施例１とは異なり、リッジ型光導波路２を形成する際、光の伝搬方向Ｐが結晶のZ軸と直角になるように加工した。分極反転面Ｐと光伝搬方向Ｌとがなす角度は直角である。

本素子の光学特性を測定した際、半導体レーザ光源の発振が安定せず、３５０ｍWの入力で５４ｍWの出力しか得られなかった。

（実施例３）
実施例１と同様にして、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットＹ基板上に、周期６．６μｍの周期分極反転構造を形成した。次いで、厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板に接着剤を塗布した後、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ3.７μｍとなるまで研削、研磨した。

レーザーアブレーション加工法により、リッジ導波路を形成した。その際、光の伝搬方向が結晶のZ軸に対して８０度の角度になるように加工した。導波路の形成後、厚さ０．５μｍののＳｉＯ_２オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。ダイサーで長さ１２mm、幅1.４mmで素子を切断した後、端面を研磨し、反射防止膜を施した。

この導波路において半導体レーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を３５０ｍWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に入力し、１６０ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は１０６２．９ｎｍであった。

光導波路基板の表面に周期分極反転構造８を形成している状態を模式的に示す平面図である。 （ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であり、（ｂ）は、図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。 光導波路基板の表面に周期分極反転構造１８を形成している状態を模式的に示す平面図である。 （ａ）は、図３のＩＶａ−ＩＶａ線断面図であり、（ｂ）は、図３のＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図である。

２ チャンネル型光導波路 ３ 給電電極 ４ 対向電極 ５、５Ａ 電極片 ６、６Ａ 分極反転部 ７、７Ａ 非分極反転部 ８、１８ 周期分極反転構造 １０ バルク基板 ３５ 強誘電体層 ４０ 接着層 ４１ 支持基板 Ａ 基本波 Ｌ 光伝搬方向 Ｐ 分極反転面の方向 θ 分極反転面と光伝搬方向とがなす角

Claims (1)

1. レーザ光の波長を変換して高調波を発生するための周期分極反転構造を備えている高調波発生素子であって、
   支持基板、
   強誘電体単結晶のＸ板またはオフセットＸ板からなる強誘電体基板、
   この強誘電体基板に設けられており、前記周期分極反転構造が形成されているチャンネル型光導波路、および
   前記強誘電体基板を前記支持基板に接着する接着層
   を備えており、前記周期分極反転構造の分極反転面と前記レーザ光の伝搬方向とがなす角θが８２°以上、８９°以下であり、前記分極反転構造の分極反転方向が前記強誘電体単結晶のＺ軸の方向であることを特徴とする、高調波発生素子。
   

Images