JP4660999B2 - 光導波路デバイス及びコヒーレント光源及び光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路を利用した光導波路デバイスおよび、これを応用したコヒーレント光源および、これを利用した光情報処理、光応用計測制御分野に使用される光学装置に関する。
【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。またさらに高密度な次世代光ディスク装置を実現するため、さらに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】
図６は２次高調波発生素子（以下ＳＨＧ素子と略す）を用いた青色レーザ光源１０１を含む光学装置１０２の一例の概略図である。まず図６に沿って、青色レーザ光源１０１について説明する。
【０００４】
青色レーザ光源１０１は、ＳＨＧ素子１０３と半導体レーザ１０４を含む。
ＳＨＧ素子１０３は、基板１０５を有する。基板１０５上にはプロトン交換法によって幅約３ミクロン、深さ約２ミクロンの高屈折率領域が形成され、光導波路１０６として働く。半導体レーザ１０４から出射された波長８５０ｎｍの赤外光はＳＨＧ素子１０３上の光導波路１０６の入射端面１０６ａに集光され、ＳＨＧ素子１０３上の光導波路１０６内を伝搬して基本波導波光となる。基板１０５を構成するニオブ酸リチウム結晶は、大きな非線形光学定数を持ち、基本波の電界から波長が２分の１に変換された波長４２５ｎｍの高調波導波光が励起される。また、基本波と高調波の伝搬定数差を補償するために光導波路１０６上には周期的に分極反転領域１０７が形成され、光導波路１０６全域にわたって励起される高調波はコヒーレントに足し合わされて、光導波路１０６の出射端面１０６ｂから出射される。
【０００５】
ここで、基本波と高調波の伝搬定数差を正確に補償するためには、基本波の波長を正確に一定に保つ必要があり、半導体レーザ１０４は温度等による波長変動が極めて小さいＤＢＲレーザが用いられる。ＤＢＲレーザは波長変動が小さいばかりでなく、単一波長で発振するためコヒーレンスが高くかつＲＩＮノイズが低いという特長を併せ持つ。
【０００６】
次に図６に示したＳＨＧ素子１０３を用いた青色光源光ディスクピックアップの概略図に沿ってその動作の様子を説明する。
【０００７】
光学装置１０２は、コリメートレンズ１０８、偏光ビームスプリッタ１０９、１／４波長板１１０、集光レンズ１１１、光検出器１１２を含む。
【０００８】
半導体レーザ１０４はＳＨＧ素子１０３と直接結合され、半導体レーザ光をＳＨＧ素子１０３の光導波路１０６に入射し、光導波路１０６内で高調波に変換される。ＳＨＧ素子１０３から出射された高調波はコリメートレンズ１０８、偏光ビームスプリッタ１０９、１/４波長板１１０、集光レンズ１１１を通過して光ディスク１１３上に集光される。光ディスク１１３によって変調された光は偏光ビームスプリッタ１０９で反射され、光検出器１１２に導かれ再生信号を得る。このとき、ＳＨＧ素子１０３からは紙面に平行な直線偏光が出射されるが、１/４波長板１１０を往復して紙面に垂直な偏光となり、光ディスク１１３からの反射光は偏光ビームスプリッタ１０９で全て反射され光源１０１側には戻らない構成となっている。
【０００９】
しかし、光ディスク１１３の基材は複屈折性を持つため、光ディスク１１３で発生した不要偏光成分が偏光ビームスプリッタ１０９を通過して青色レーザ光源１０１側に戻る可能性がある。光ディスク１１３の再生中には、集光レンズ１１１は光ディスク１１３上に正確に焦点を合わせるように位置制御される。そのため、光導波路１０６の出射端面１０６ｂと光ディスク１１３とは共焦点光学系を形成し、光ディスク１１３からの反射光は正確に光導波路１０６の出射端面１０６ｂに集光される。
【００１０】
このように反射光が青色レーザ光源１０１に帰還されると、ノイズが生じる。
従来より、ノイズを回避する様々な技術が提案されている。例えば半導体レーザを高周波信号で変調することで複数の縦モードを生じさたり、半導体レーザに自励発振を起こさせて同じく複数縦モード発振を実現する方法である。また、光通信の分野では半導体レーザからの光を光ファイバに集光する際に両者の間に磁気光学効果を用いた光アイソレータを挿入するのが一般的である。あるいは光ファイバや光導波路の入射側端面を斜めに研磨して反射光を斜めに反射させ、半導体レーザに戻らないようにする方法が特開平５−３２３４０４号公報などに開示されている。
【００１１】
これらの技術は半導体レーザ光源内部に帰還される戻り光による雑音を低減するものであるが、我々は図６に示した導波型ＳＨＧ素子１０３を用いた光ピックアップの再生実験を行い、従来の戻り光誘起雑音とは異なるメカニズムで発生するノイズを見出した。すなわち、光導波路１０６の出射端面１０６ｂに集光された戻り光が、光導波路１０６の出射端面１０６ｂで反射されて光導波路１０６の内部から出射される光と干渉して生じる干渉ノイズである。この干渉効果によって光ディスク１１３側からは青色レーザ光源１０１の出力光パワが変化するように見え、光ディスク１１３の再生信号が低周波ノイズで変調されて信号劣化となる。半導体レーザ１０４での戻り光誘起雑音が半導体レーザ１０４内部の光と戻り光の相互作用で発生するのに対して、上述の干渉ノイズは青色レーザ光源１０１からの出射光と戻り光の干渉によって発生する点が異なる。
【００１２】
以上述べたように、光導波路デバイス１０６を用いた光学系には２種の異なるノイズ、すなわち、青色レーザ光源１０１から出射された光が反射されて青色レーザ光源１０１の出射端面に戻り、光源外部の光学系で干渉を起こす低周波の干渉ノイズと、半導体レーザ１０４内部に起因するモードホップノイズが存在する。後者のモードホップノイズを低減する方法は種々の技術が提案されていた。また、前者の半導体レーザへの戻り光低減と共焦点光学系への干渉ノイズ低減する技術が、特開２０００−１７１６５３号公報に示されている。この技術は、図７、図８、図９に示すように、光導波路１０６の出射端面１０６ｂを、光導波路１０６の光軸方向に対し斜めに形成する。すると、光導波路１０６の出射端面１０６ｂで反射された高調波は、光導波路１０６の光軸方向に進まない。そのため、ＳＨＧ素子１０３から出射される光と反射光との干渉を減少でき、ノイズの発生を減少できる。
【００１３】
また青色レーザ光源１０１の小型化を図るため、半導体レーザ１０４と光導波路１０６を高効率に直接結合するには、半導体レーザ１０４とＳＨＧ素子１０３の入射端面とを数μｍ以下まで接近させ、かつ、光導波路１０６の光軸方向を、光導波路１０６の入射端面とほぼ直角になるように形成する必要がある。
さらに、高効率の変換を実現するために、単一の位相整合条件を長い距離に渡り達成する必要がある。そのため、光導波路はできるだけ長い距離のあいだ進行方向、伝搬定数の均一な状態が望ましく、直線導波路が最も高効率化に適している。
【００１４】
また、本発明とは、目的及び効果が異なるが、周期状の分極反転構造と湾曲した光導波路からなる光波長変換素子が、特開平５−３２３４０１号公報に記載されている。この発明においては、光導波路の伝搬方向を徐々に変えた湾曲した導波路形状を用いることで、光導波路の位相整合条件を伝搬方向に変化させて、位相整合波長許容度の拡大を可能にしている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光導波路１０６の入射端面１０６ａと出射端面１０６ｂが互いに平行でないＳＨＧ素子１０３を量産化する際に、大きな問題が発生した。通常、図１０で示すように、ＳＨＧ素子１０３を作製するには、基板１１４を光学研磨した後、基板１１４を切断して微細な形状に切り出す。通常、光学研磨工程を簡略化し、かつ研磨精度を向上するため、比較的大きな形状の基板１１４を光学研磨した後、基板１１４を切断する。ところが、入射端面１０６ａと出射端面１０６ｂが互いに平行でない光導波路１０６を形成するとすると、素子長が異なるＳＨＧ素子１０３が形成され、均一なＳＨＧ素子１０３の形成ができないという問題が生じた。
【００１６】
また、周期状の分極反転構造と湾曲した光導波路構造を用いた従来の光波長変換素子の構成、本発明の構成とは、異なる構成、効果、目的の発明である。構成としても、湾曲導波路を用いているため、位相整合波長許容度の拡大が可能となるが、変換効率の大幅な低下が避けられない。さらに、光導波路の出射端面と入射端面の関係については記載されいない。また、量産化工法の容易性における課題に記載されていない。
【００１７】
本発明は、上述した問題を解決し、量産工程が容易な光導波路デバイス構造を提供することを目的とする。さらに、この光導波路デバイスを用いて、低ノイズな光源特性を満足するコヒーレント光源を実現することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基板と、前記基板に形成された光導波路と、前記光導波路の端部に形成された入射端面と出射端面と、を備えた光導波路デバイスにおいて、前記光導波路の入射端面と出射端面は互いにほぼ平行で、前記出射端面における前記光導波路の光軸方向と前記出射端面のなす角度θが90°でないことを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１９】
この発明は、前記光導波路デバイスは、略直方体状に形成されることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００２０】
この発明は、θが、θ≦８７°またはθ≧９３°である光導波路デバイスである。
【００２１】
この発明は、前記光導波路が、前記入射端面にほぼ垂直な直線導波路と、前記入射端面から前記出射端面の間に少なくとも一つの曲がり導波路を有する光導波路デバイスである。
【００２２】
この発明は、前記光導波路には波長の異なる２つ以上の光が導波し、前記波長の異なる光に対して、前記曲がり導波路における放射損失が異なることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００２３】
この発明は、前記曲がり導波路が直線部分と、曲がり部分からなることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００２４】
この発明は、前記基板がＭｇドープＬｉＮｂＯ3結晶であり、前記入出射面が前記結晶のＹ面またはＸ面とほぼ平行である光導波路デバイスである。
【００２５】
この発明は、前記光導波路が周期状の分極反転構造を有する光導波路デバイスである。
【００２６】
この発明は、前記光導波路デバイスが第２高調波発生デバイスであり、前記波長λ１の半導体レーザの光を波長λ２の第２高調波に変換する光導波路デバイスである。
【００２７】
この発明は、前記光導波路の入射端面と出射端面の少なくともいずれかに波長λ１または波長λ２の少なくとも一方に対する反射防止膜を備えた光導波路デバイスである。
【００２８】
この発明は、前記光導波路の入射端面と出射端面の少なくともいずれかに波長λ１に対する反射防止膜を備えた光導波路デバイスである。
この発明は、前記光導波路デバイスと、半導体レーザと、を備えるコヒーレント光源である。
【００２９】
この発明は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの出射光を被観測物体上に集光する集光光学系とを少なくとも具備し、前記光導波路デバイスと被観測物体とが共焦点の関係にあることを特徴とした光学装置である。
【００３０】
この発明は、前記被観測物体が光ディスクであることを特徴とする光学装置である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明は、基板に光導波路を有する光導波路デバイスにおいて、光導波路の出射端面からの戻り光を低減し、同時に量産化が容易なデバイス構造を提供することを目的とする。
【００３２】
具体的な構造としては、光導波路の入射端面とその出射端面とをほぼ平行にすることで、量産工程における、光導波路デバイスの素子長のバラツキを無くし、研磨後の切断により均一な長さを有する光導波路デバイスの製造を可能にする。また、光導波路の出射端面からの戻り光を低減するため、光導波路の光軸方向と光導波路の出射端面とに９０度でない角度を設ける。これを実現するため、光導波路に曲がり構造を導入する。
【００３３】
さらに、光導波路の入射部から光導波路の出射部近傍にかけて直線導波路を形成することで高効率の変換を実現し、光導波路の出射部近傍に曲がり導波路を備えることで、光導波路の光軸方向と光導波路の出射端面に９０°でない角度を持たせ、光導波路の出射端面からの戻り光を大幅に低減できる。
【００３４】
さらに、光導波路デバイスとして、周期状分極反転構造を有する第２高調波発生デバイスを適用することで、光出力の安定性が大幅に向上することが見い出された。これは、非線形光学効果を利用した第２高調波発生デバイスにおいて、素子内の温度分布による出力低下を可能にしたからである。
【００３５】
本発明の光学装置は、光導波路デバイスと半導体レーザからなるコヒーレント光源と、光導波路デバイスからの出射光を被観測物体上に集光する集光光学系とを少なくとも具備し、光導波路デバイスと被観測物体とが共焦点の関係にあることを特徴とした光学装置であって、外部光学系からの戻り光が光導波路の出射端面で反射されて、光導波路デバイスの出射光と干渉することを防ぎ、干渉ノイズのない安定な光源を提供するという作用を有する。
【００３６】
（実施の形態１）
図１に本発明の光学装置の概略図を示す。光学装置１０は、コヒーレント光源１１を含む。
【００３７】
コヒーレント光源１１は、半導体レーザ１２、第２高調波発生デバイス１３で構成される。第２高調波発生デバイス１３は、光導波路デバイスである。
【００３８】
図２に示すように、第２高調波発生デバイス１３は、略直方体状に形成される。半導体レーザ１２から出射した基本波（波長８２０ｎｍ）を波長変換し、高調波（波長４１０ｎｍ）とする。第２高調波発生デバイス１３は基板１４を有し、基板１４上にはプロトン交換法によって高屈折率領域が形成され、光導波路１５として働く。光導波路１５の入射端面１５ａと、その出射端面１５ｂはほぼ平行に形成される。光導波路１５は、光導波路の１５の入射端面１５ａに対してほぼ垂直状に伸びる直線導波路１６と、出射部近傍に形成された、光の伝播方向を変える曲がり導波路１７が形成される。曲がり導波路１７は、曲がり部分１８と直線部分１９からなる。直線導波路１６の光軸方向は、光導波路１５の入射端面１５ａに対してほぼ垂直に形成されているので、半導体レーザ１２と直接結合する際に、高効率の結合効率が実現できる。また、曲がり導波路１７の光軸方向は、光導波路１５の出射端面１５ｂとθの角度をなし、光導波路１５の出射端面１５ｂに対する法線と、曲がり導波路１７の光軸方向とは９０度−θの角度をなす。θは、９０°でない角度である。出射端部近傍で曲がり導波路１７は再び直線状に延びているため、光導波路１５の出射端面１５ｂと曲がり導波路１７の光軸方向の成す角度は出射部近傍では一定に形成される。ここで、例えば、第２高調波発生デバイス１３の素子長を１０．５ｍｍ、直線導波路１６の長さを10mm、曲がり導波路１７を直線導波路１６方向に投影した長さを0.5mmに設定する。そして、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さを０．１ｍｍに設定する。θ＝８４度と設定して、直線導波路１６から曲がり導波路１７の曲がり部分１８を介して、直線導波路１６に対して、６°傾いた曲がり導波路の直線部分１９を形成する。
【００３９】
基板１４は、ＭｇドープＬｉＮｂＯ3結晶で構成されており、光導波路１５の入射端面１５ａおよびその出射端面１５ｂは、結晶のＸ面またはＹ面とほぼ平行である。結晶は、大きな非線形光学定数を持ち、基本波の電界から波長が２分の１に変換された波長の高調波導波光が励起される。
【００４０】
また、基本波と高調波の伝搬定数差を補償するために、光導波路１５上には周期的に分極反転領域２０が形成され、光導波路１５全域にわたって励起される高調波はコヒーレントに足し合わされて、光導波路１５の出射端面１５ｂから出射される。
【００４１】
また、図１に示す光学装置１０は、コヒーレント光源１１から出射する光を略平行にするコリメート光学系であるコリメートレンズ２１を含む。また、光学装置１０は、偏光ビームスプリッタ２２、１／４波長板２３、集光レンズ２４を含む。また、コリメートレンズ２１、集光レンズ２４とは、コヒーレント光源１１からの出射光を光ディスク２５上に集光する集光光学系をいう。
【００４２】
第２高調波発生デバイス１３から出射される光は光導波路１５の出射端面１５ｂに対して斜めに出射されるため、コリメートレンズ２１は第２高調波発生デバイス１３からの出射光分布の中心に配置する。また、光ディスク２５の表面と第２高調波発生デバイス１３の出射端面１３ｂとは共焦点の関係にある。
【００４３】
半導体レーザ１２から出射された光は、第２高調波発生デバイス１３を介して、コリメートレンズ２１、偏光ビームスプリッタ２２、１／４波長板２３、および集光レンズ２４を通って光ディスク２５の表面に集光される。
【００４４】
光ディスク２５で反射された高調波は、１／４波長板２３で偏光を回転させられ、偏光ビームスプリッタ２２で反射されて、信号検出される。しかしながら、光ディスク２５の服屈折等により１／４波長板２３による偏光が不十分で有った場合、高調波の一部は偏光ビームスプリッタ２２を透過して第２高調波発生デバイス１３に戻る。
【００４５】
しかし、曲がり導波路１７の光軸方向が、光導波路１５の出射端面１５ｂに対して斜めに形成されているため、光導波路１５の出射端面１５ｂでの反射光は、再び共焦点光学系に戻ることはなく、干渉ノイズを大幅に低減できる。半導体レーザ１２を安定に動作させるには、戻り光0.1%以下に抑える必要がある。光導波路１５の出射端面１５ｂと曲がり導波路１７の光軸方向のなす角度θを８７°以下または９３°以上に設定すれば、光導波路１５の出射端面１５ｂからの戻り光は0.1%以下になる。このため、曲がり導波路１７の光軸方向と光導波路１５の出射端面１５ｂの法線とのなす角度を±３°以上にすることが望ましい。特に、実際は端面の状態や、汚れ等による戻り光も考慮して、光導波路１５の伝搬方向と出射端面１５ｂの法線は±５°以上が望ましい。ただし、この角度が±１０°以上になると光導波路１５で伝搬損失が増大するため、±１０°以下が好ましい。
【００４６】
また、本発明のコヒーレント光源１１は変換された高調波の利用を主体とするため、共焦点光学系は高調波に対して構成されている。このため、基本波の光は光学系の色収差により共焦点系の条件からずれるため、外部からコヒーレント光源１１に基本波の光が帰還する割合は非常に小さくなる。その結果、光導波路１５の出射端面１５ｂから半導体レーザ１２へ帰還する戻り光は-40dB以下に低減可能となるので、ノイズは生じにくい。
【００４７】
また、角度θと曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さを設定することにより、直線導波路１６と曲がり導波路１７との接合部分での損失である放射損失を低減できる。実験で確認したところ、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さが０でθが６°である場合、高調波が５０％程度の放射損失をした。曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さが０．１mm以上でθが６°である場合、高調波の放射損失は、ほぼ０となった。曲がり部分１８での放射損失を防ぐには、曲がり部分１８の距離を０．１ｍｍ以上に設定する必要がある。このように設定すると、曲がり部分１８による放射損失はほぼ無い。そのため、直線導波路１６の長さを１０mm、曲がり導波路１７を直線導波路１６方向に投影した長さを０.５mmに設定した素子長１０.５mmの第２高調波発生デバイス１３の変換効率は、素子長１０mmの直線導波路１６を備えた第２高調波発生デバイス１３と同じである。第２高調波発生デバイス１３の素子長を１．０５倍にするだけで、高効率変換が可能で、かつ戻り光防止が可能な構成が実現できた。本実施の形態では、曲がり導波路１７の曲がり部分１８（θ＝６°の場合）の長さを０．１mm程度に設定しているが、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の曲率を考慮すると０．０５mm以上の曲がり部分１８が必要である。また、曲がり部分１８の長さが１０μｍ以下になると、曲がり部分１８の曲率半径が小さくなるため、曲がり部分１８での放射損失が増加する。また、光導波路１５は、伝搬する基本波に対してはシングルモード条件で設計されているが、高調波に対してはマルチモード条件となる。このため、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の曲率が急激になると、曲がり導波路１７を伝搬する高調波に対する摂動が大きくなり、直線導波路１６を伝搬してきた単一モードの高調波が、他の高次モードに変換される現象が観測された。このため、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さは０．０５ｍｍ以上必要であった。
【００４８】
また、光導波路１５の入射端面１５ａとその出射端面１５ｂとを互いにほぼ平行とすることで、第２高調波発生デバイス１３の量産を簡略化できる。
【００４９】
第２高調波発生デバイス１３の量産方法として、大きな面積の光学基板１４を光学研磨し、その後、切断することにより第２高調波発生デバイス１３を量産する方法がある。この量産方法は、大面積の光学基板１４を一度に研磨することで、量産方法を簡略化でき、第２高調波発生デバイス１３の量産コストを低減でき、光学基板１４の研磨精度が向上できる。
【００５０】
ところが、従来の光導波路１５の入射端面１５ａとその出射端面１５ｂとが互いに平行でない第２高調波発生デバイス１３を量産する場合には、この量産方法を採用できない。なぜなら、それぞれ素子長が異なる第２高調波発生デバイス１３が量産されるからである。また、基板１４を切断した後に、光学研磨を行う量産方法がある。しかし、第２高調波発生デバイス１３を光学研磨するためには、小さな第２高調波発生デバイス１３を固定しなければならず第２高調波発生デバイス１３の光学研磨工程が非常に複雑化し、同時に、精度を向上することは難しい。特に、素子幅1mm以下の第２高調波発生デバイス１３を量産する場合、切断後に第２高調波発生デバイス１３の固定し、これを研磨するのは非常に難しく、さらに光導波路１５の出射端面１５ｂの角度を正確に制御するのは困難である。
【００５１】
光導波路１５の入射端面１５ａとその出射端面１５ｂとが互いに平行な本発明の第２高調波発生デバイス１３を量産する場合に、従来の大きな面積の光学基板１４を光学研磨し、その後、切断することにより第２高調波発生デバイス１３を量産する方法を採用すると、図３に示すように、素子長が均一な第２高調波発生デバイス１３が量産できる。また、量産方法を簡略化でき、第２高調波発生デバイス１３の量産コストを低減でき、基板１４の研磨精度を向上できる。第２高調波発生デバイス１３の素子幅が1mm以下の場合でも、容易に第２高調波発生デバイス１３が量産できる。
【００５２】
さらに、非線形光学効果を利用した第２高調波発生素子１３では、周期状の分極反転構造を利用した非線形グレーティングにより基本波と第２高調波の位相整合条件を擬似的に成立させ、高効率の波長変換を行う。しかしながら、グレーティングの周期構造により位相整合条件を取っているため、光導波路１５およびグレーティングの均一性の要求は非常に厳しい。光導波路１５の伝搬定数およびグレーティング構造の均一性が僅かに低下すると変換効率は大幅に低下する。光導波路１５幅および分極反転周期に対するバラツキの許容度は数％以下である。この様な厳しい均一性が必要な第２高調波発生素子１３において、発生する第２高調波の出力が高出力化するに従い、出力の安定性が低下し、変換効率の飽和現象が生じることが発見された。この原因をさらに追求していくと、発生した第２高調波の僅かな吸収が光導波路１５に熱分布を生じ、これが光導波路１５の不均一性の原因となっていることが判明した。第２高調波発生デバイス１３の光導波路１５内において、第２高調波は伝搬距離の２乗に従い増加する。光導波路内１５では、第２高調波の強度分布が距離の２乗に従い増加する。このため光導波路１５に僅かでも第２高調波に対する吸収が存在すれば、光導波路１５は光軸方向に沿って温度分布を生じることになる。第２高調波の高出力時に、光導波路１５の特に出射部近傍で光導波路の温度上昇が発生し、屈折率変化により、出射部近傍の位相整合波長が増大する。その結果、光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍の位相整合波長が基本波波長からずれることで、位相整合に寄与しなくなるのが原因と分かった。これを解決するには、高出力時に位相整合波長のずれる光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍の位相整合条件を、高出力時の温度分布にあわせて設計する必要がある。即ち、出射端面近傍の光導波路における分極反転周期を他の部分に比べて僅かに長くすればよい。この条件を成立させるには、曲がり導波路１７を光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍で曲げる本発明の構成は非常に有効である。例えば、曲がり導波路１７の直線導波路１６方向に投影した長さを２mmに設定する。光導波路１５を出射端近傍で曲げることで、光導波路１５の光軸搬方向と、分極反転領域２０とのなす角度が光導波路１５の出射端近傍で変わり、曲がり導波路１７に対する分極反転周期は少し長くする。この結果、高出力時に温度上昇する出射部分近傍の位相整合条件を満足することが可能となる。本発明の構成を用いることで、出力20mW以上の第２高調波に対しても、出力が飽和することなく、安定な出力特性を得ることが可能となった。光導波路１５の温度変化による位相整合条件の変化は出射端面から数mm程度のところで顕著となるため、この部分に曲がり導波路１７を形成することにより、出力を安定にできる。
【００５３】
また、光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍において、光導波路１５は直線状に伸び、光導波路１５の出射端面１５ｂと曲がり導波路１７の光軸方向とがなす角度θは、出射部近傍で一定に形成している。そのため、光導波路１５の研磨精度を緩和できる。従来技術の湾曲した光導波路１５では、光導波路１５の出射端面１５ｂの研磨精度により、光導波路１５の光軸方向と光導波路１５の出射端面とのなす角度は変わる。LiNbO3基板１４は、その屈折率は２以上あるので、光導波路１５と光導波路１５の出射端面１５ｂの交差角度が０．１°変わると、出射角度は０．２°以上変化する。そのため、光導波路１５の出射端面１５ｂの研磨精度が非常に厳しく要求され、製造コストは高くなる。通常、光ディスク２５等に対して、コヒーレント光源１１を用いるためには、光導波路１５からの出射光の角度の変化量は±０．２°以下に制御する必要がある。本発明のように、出射部近傍での光導波路１５の光軸方向と光導波路１５の出射端面１５ｂとの角度を一定に保てば、光学研磨により、光導波路１５の出射端面１５ｂと光導波路１５の光軸方向との交差角度が変化せず、研磨精度は大幅に緩和でき、製造コストを低減できる。具体的には、研磨の精度を±0.1mm程度にすることは十分実現できるので、曲がり導波路１７の直線部分１９の直線導波路１６方向に投影した長さを0.3mm程度以上に設定すれば良い。
【００５４】
さらに、光導波路１５の入射端面１５ａとその出射端面１５ｂとを、基板１４を構成するMgドープのLiNbO3結晶のＸ面またはＹ面とほぼ平行に設定している。つまり、光導波路１５の伝搬方向を結晶のＸ軸またはＹ軸とをほぼ平行に設定する。その結果、光導波路１５の伝播損失を低減できる。
【００５５】
光導波路１５の伝搬方向と結晶軸との傾きが増大すると、伝搬損失が増大する。例えば、５°程度傾けると伝搬損失が0.5dB/cm程度増加する。これは、光導波路１５の伝播方向を結晶軸に対して傾けることで、光導波路１５と基板１４の界面で、伝播損失の一つである散乱損失が増大するためである。そのため、光導波路１５は結晶軸と平行に形成し、結晶軸に対して平行でない光導波路１５はできるだけ短い距離とするのが望ましい。このためには、曲がり導波路１７のような結晶軸と平行でない光導波路は、光導波路１５の出射部近傍に形成することが望ましい。曲がり導波路１７を光導波路１５の出射部近傍に形成することで、光導波路１５の伝搬損失を低減できる。具体的には、直線導波路１６は結晶のＸ軸またはＹ軸とほぼ並行に形成する。この構造で、光導波路１５の伝搬損失を最も小さくできる。光導波路１５の伝搬損失を低減するためには、曲がり導波路１７の位置を光導波路１５の出射端部近傍から０．２〜２mmあたりに形成するのが望ましく、特に、０．２〜1mmあたりに形成するのはさらに望ましい。また、光導波路１５の出射端面１５ｂから０．１ｍｍ以上離れた位置に形成する理由は、曲がり導波路１７の曲がり部分１８が０．０５ｍｍ以上の長さを有することが好ましいのと、研磨精度を緩和できるとの理由からである。
【００５６】
さらに、第２高調波発生デバイス１３を本発明の構成を利用すると、光導波路１３の伝搬損失はさらに低減できる。第２高調波発生デバイス１３の場合、基本波を高調波に波長変換するため、光導波路１５は基本波を中心に設計されている。このため、波長の短い第２高調波に対しては光導波路１５はマルチモード条件となる。この結果、波長の短い第２高調波は光導波路１５の内部に閉じ込められ、光導波路１５周辺部の伝搬損失の影響を受けにくい。従って、結晶軸に対して平行でない光導波路１５であっても、高調波の伝搬損失を低減できる。さらに、曲がり導波路１７においても同様の理由で、基本波より高調波は放射損失の影響を受けにくい。なお、曲がり導波路１７の曲がり部分１８での放射損失は、曲がり部分１８の曲率に依存する。曲がり部分１８の放射損失を低減するため、曲率の小さな曲がり部分１８を分割して形成する。さらに、放射モードとの結合を最小にする光導波路１５設計を行うことで、曲がり部分１８の放射損失をさらに低減できる。一方、曲がり導波路１７による基本波の放射損失は、半導体レーザ１２への戻り光の低減に有効である。半導体レーザ１２は基本波が活性層に再び帰還することでノイズが増大する。曲がり導波路１７を用いることで、基本波の戻り光は曲がり導波路１７の曲がり部分１８で減衰される。さらに外部から光導波路１５内部に帰還した基本波も減衰される。このため、半導体レーザ１２への戻り光が曲がり導波路１７により低減され、戻り光ノイズの小さな光源が実現できた。
【００５７】
（実施の形態２）
ここでは、本発明の光導波路デバイス１３の他の構成について説明する。
【００５８】
第２高調波発生デバイス１３の曲がり導波路１７における放射損失は、波長に依存し、高調波の方が、放射損失は大きく、マルチモード化が大きい。
【００５９】
図４（Ａ）に本発明の他の第２高調波発生デバイスの構成を示す。
【００６０】
第２高調波発生デバイス１３は、基板１４の表面に光導波路１５と周期状の分極反転領域２０が形成されており、光導波路１５の入射端面１５ａと出射端面１５ｂがほぼ平行に形成されている。光導波路１５は、光導波路１５の入射端面１５ａにほぼ垂直な直線導波路２６が形成され、出射端面近傍と出射端面近傍に曲がり導波路２７、２８が形成され、曲がり導波路２７、２８をつなぐ直線導波路２９が形成される。光導波路１５の出射端面１５ｂと曲がり導波路２８の光軸方向とは角度θで交わっている。θは、９０°でない角度である。光導波路１５の入射端面１５ａ近傍には、曲がり部３１、３２が形成される。また、光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍には、曲がり部２３が形成される。
【００６１】
入射部近傍の曲がり部分３１、３２は、基本波のロスをなくし、高調波の放射損失が増大するように、例えば、直線導波路２６に対する曲がりの角度を６°、曲がり部分３１、３２の長さを０．０２ｍｍ以下にして、高調波のみが散乱するように設計している。光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍には、高調波の放射損失があると出射する高調波が減衰するため、高調波のロスを低減するため、曲がり部分２３の距離を０．１ｍｍ程度と設定している。光導波路１５の入射部近傍に曲がり導波路２７を形成したのが本実施の形態の特徴である。次にこの光導波路デバイスの働きについて説明する。
【００６２】
光導波路１５の入射端面１５ａから入射したした基本波は、第２高調波発生デバイス１３によって高調波に変換され、光導波路１５の出射端面１５ｂから出射される。光導波路１５の出射端面１５ｂから出射した高調波は、光学系等の第２高調波発生デバイス１３外部の反射によって、光導波路１５の出射端面１５ｂから光導波路１５に入射し、曲がり部分３１、３２、２３を通り、光導波路１５の入射端面１５ａに達する。戻り光が曲がり導波路３１、３２で放射散乱して、光導波路１５の入射端面１５ａに達する高調波は１０％以下に低減でき、干渉ノイズを低減できる。
【００６３】
１箇所の曲がり部分でノイズを１／５程度に低減できる。曲がり部分を例えば２箇所つくれば、ノイズを１／２５に低減できる。光は端面で反射して再びこの曲がり導波路を通るので、さらにノイズを低減できる。
【００６４】
なお、本実施の形態では、３箇所の曲がり部分を設けているが、これに限定されるものではない。曲がり部分の数を増やすことにより、戻り光をさらに低減できる。
【００６５】
また、モードの変換にも寄与する高調波の戻り光が曲がり部分３１、３２を通過することで、放射損失だけでなく、高次モードへの変換も発生させる。高次モードに変換された光は、元の光と伝搬定数が異なるため干渉しなくなる。このため干渉ノイズをさらに低減できる。
【００６６】
共焦点光学系に第２高調波発生デバイス１３を使用した場合に、干渉ノイズの発生が生じやすいので、本発明は特に有効である。
【００６７】
なお、本発明の構成は、図４（Ｂ）で示す。光導波路１５の出射部近傍に曲がり部分がない、光導波路１５の出射部近傍が直線導波路３４で、かつ、出射端面１５ｂがこの直線導波路３４に対して斜めに形成した光導波路デバイスにも適用できる。光導波路１５の入射部近傍に曲がり導波路３５を形成することで、曲がり導波路３５の曲がり部分３６、３７で放射散乱し、干渉ノイズを大幅に低減できる。また、本発明は光導波路デバイスにおいて、波長の異なる２つ以上の光が伝搬する場合、いずれかの光を減衰または分離できる。例えば、非線形光学効果を利用した差周波、和周波、パラメトリック発振等の高調波発生デバイス、導波路を用いたレーザや増幅器においてポンプ光と信号光を分離する場合等に利用できる。なお、光導波路デバイスとして、第２高調波発生デバイス１３を用いた場合、本発明は特に有効である。第２高調波発生デバイス１３においては、曲がり部分３１、３２、２３、３６、３７における波長分離が容易になる。従来の光導波路においては、波長の大きく異なる光（例えば第２高調波発生デバイスでは基本波の波長は高調波の２倍）に対してシングルモード条件をともに満足することは難しい。従来は波長の短い光に対してはマルチモードとなる。その場合は、波長の短い光に対する伝搬モードが複数存在するため、短波長光の導波モードが制御できず、曲がり部分３１、３２、２３、３６、３７における放射損失もモードによって大きく異なり制御が難しくなる。第２高調波発生デバイス１３を用いる場合、位相整合を成立する必要があるため、第２高調波の伝搬定数が一義的に決まるため、導波モードも位相整合条件により選択できる。これによって、曲がり部分３１、３２、２３、３６、３７における放射損失が制御できる。
【００６８】
（実施の形態３）
図５に本発明の他の第２高調波発生デバイス１３の構成を示す。光導波路１５の入射端面１５ａと出射端面１５ｂとに、基本波および高調波のそれぞれに対する多層膜からなる反射防止膜３８ａ、３８ｂを形成する。光導波路１５の入射端面１５aに形成される反射防止膜３８aの材料は、基本波の吸収率が小さいものを用いることが望ましい。また、光導波路１５の出射端面１５bに形成される反射防止膜３８bの材料は、高調波に対する吸収率が小さい材料が好ましい。
【００６９】
第２高調波発生デバイス１３を用いた光学系を構成する場合に、第２高調波発生デバイス１３からの出射光を集光した場合に光導波路１５の端面（入射部および出射部）と集光点は共焦点光学系を構成し、共焦点間における反射戻り光は干渉ノイズの原因となる。
【００７０】
本発明の第２高調波発生素子１３を用いた共焦点光学系においては、光導波路１５の光軸方向と光導波路１５の出射端面とが９０度でない角度θを持って交わっているため、光導波路１５の出射端面１５ｂでの反射光は再び共焦点光学系に戻ることなく、光学系の干渉ノイズを大幅に低減できる。コリメートレンズ２１のNAを光導波路１５の出射端面１５ｂでの反射光が戻らない程度の設定すれば、干渉ノイズの低減が向上する。さらに、反射防止膜３８ｂが高調波の戻り光の反射を防止し、干渉ノイズを低減できる。また、基本波の戻り光により生じる半導体レーザ１２のノイズの低減は、曲がり導波路１７の光軸方向を光導波路１５の出射端面１５ｂに対して９０度でない角度で傾けることで実現可能である。さらに、反射防止膜３８ｂが基本波の反射を防止することで、光導波路１５の出射端面１５ｂでの、基本波の反射によるノイズを大幅に低減できる。具体的に、反射防止膜３８ｂにより0.5%以下の反射率に抑えることができ、ノイズを大幅に低減できる。
【００７１】
また、光導波路１５の入射端面１５ａに形成した反射防止膜３８ａにより、半導体レーザ１２と光導波路１５の結合効率の向上と、ノイズを低減できる。
【００７２】
半導体レーザ１２と光導波路１５との直接結合を考えた場合、光導波路１５の入射端面１５ａが光導波路１５の光軸方向に対して斜めになると、半導体レーザ１２と光導波路１５の結合効率が低下する。そのため、半導体レーザ１２から出射された基本波が、光導波路１５の入射端面１５ａに反射して生じた戻り光により生じるノイズを低減するために、光導波路１５の入射端面１５ａを、光導波路１５の光軸方向に対して斜めに形成するのは難しい。そのため、光導波路１５の入射端面１５ａに反射防止膜３８ａを形成して、基本波の反射を防止し、かつ、光導波路１５の光軸方向と、光導波路１５の入射端面１５ａとを垂直に形成して、半導体レーザ１２と光導波路１５との結合効率を向上する。反射防止膜３８ａの形成により、基本波の結合効率を１０％以上増加すると、高調波出力は２０％以上増加する。また、反射防止膜３８ａにより、基本波の反射戻り光を１％以下に低減でき、ノイズを低減できる
また、光導波路１５の入射端面１５ａで高調波の反射があると、共焦点光学系における干渉ノイズの原因となる。光導波路１５の入射端面１５ａに形成した反射防止膜３８ａが高調波の反射を防止し、ノイズを低減できる。なお、光導波路１５の入射端面１５ａまたは出射端面１５ｂのいずれか一方に、基本波と高調波に対する反射防止膜３８を形成してもよい。
【００７３】
また、光導波路１５の入射端面１５ａと出射端面１５ｂの少なくともいずれかに波長λ１に対する反射防止膜３８を形成してもよい。
【００７４】
なお、本実施の形態では、曲がり導波路１７、２７、２８を用いたが、その他、方向性結合器、Ｙ分岐導波路、グレーティングの反射を利用した導波路伝播方向の曲げ等、導波路の伝播方向を変える構成ならば、いずれの構造も利用可能である。
【００７５】
なお、本発明の光導波路構造として、単一の導波路について説明したが、光導波路デバイスとしては、複数の光導波路、例えば、多分岐導波路を利用して、複数の光源の光を単一または他の複数の導波路に入射する構造、その逆に、単一の光源の光を多数の導波路に分岐する構成等への利用も可能である。
【００７６】
なお、本発明では、光導波路１５の構造については述べなかったが、イオン交換導波路、金属拡散導波路等の埋め込み導波路、リッジ、装荷等の導波路、いずれの導波路構造にも有効である。
【００７７】
以上、光導波路デバイスに第２高調波発生素子１３を用いた例を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、光導波路デバイスは特に第２高調波発生素子に限らない。例えば高速変調素子や位相シフタ、周波数シフタ、偏光制御素子など、光導波路デバイスとして様々な機能、構成のものが考えられるが、こうした光導波路デバイスとコヒーレント光源を用いた光学系全てに本発明の光導波路デバイスを応用可能である。ただし、第２高調波発生素子を用いたコヒーレント光源１１では、半導体レーザ１２として可干渉性の高い半導体レーザ１２を用いて可干渉性の高い高調波を発生することが多いため、逆に干渉ノイズも発生しやすく、本発明の光導波路デバイスと組み合わせることで特に効果的に干渉ノイズを低減することができる。
【００７８】
また共焦点光学系として光ピックアップ光学系を例示して説明したが、レーザ走査顕微鏡など、他のコヒーレント光学系にも適用可能であることは言うまでもない。ただし、光ピックアップ光学系では、被測定物の光ディスクが高い反射率を持つこと、常に光ディスク上に光を集光するように対物レンズが位置制御されて共焦点系を保つこと、光ディスクが上下に運動するため干渉条件が刻々変化し、干渉ノイズを生じやすいことなどから、本発明の光導波路デバイスは光ディスクピックアップに、特に有効となる。
【００７９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の光導波路デバイスは、光導波路の入射端面と出射端面を平行にすることで、光導波路デバイスの量産が容易となる。
【００８０】
さらに、光導波路を出射部近傍で曲げることで、両端面が平行な構成においても、光導波路の出射端面の反射戻り光を大幅に低減できる。
【００８１】
本発明の光デバイスと半導体レーザを直接結合することで、小型、高出力、安定なコヒーレント光源を実現できる。
【００８２】
また、光導波路デバイスにおいて、放射損失や伝播損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学装置を示す構成図
【図２】本発明の第２高調波発生デバイスの構成図
【図３】本発明の基板を示す概略図
【図４】本発明における他の実施の形態を示す構成図
【図５】本発明における他の光学装置の実施の形態を示す構成図
【図６】従来の光学装置を示す構成図
【図７】従来の光学装置を示す構成図
【図８】従来の光学装置を示す構成図
【図９】従来の第２高調波発生デバイスの構成図
【図１０】従来の基板を示す概略図
【符号の説明】
１０ 光学装置
１１ コヒーレント光源
１２ 半導体レーザ
１３ 第２高調波発生デバイス
１４ 基板
１５ 光導波路
１６ 直線導波路
１７、２７、２８ 曲がり導波路
１８ 曲がり部分
１９ 直線部分
２０ 分極反転領域
２５ 光ディスク
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路を利用した光導波路デバイスおよび、これを応用したコヒーレント光源および、これを利用した光情報処理、光応用計測制御分野に使用される光学装置に関する。
【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。またさらに高密度な次世代光ディスク装置を実現するため、さらに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】
図６は２次高調波発生素子（以下ＳＨＧ素子と略す）を用いた青色レーザ光源１０１を含む光学装置１０２の一例の概略図である。まず図６に沿って、青色レーザ光源１０１について説明する。
【０００４】
青色レーザ光源１０１は、ＳＨＧ素子１０３と半導体レーザ１０４を含む。
ＳＨＧ素子１０３は、基板１０５を有する。基板１０５上にはプロトン交換法によって幅約３ミクロン、深さ約２ミクロンの高屈折率領域が形成され、光導波路１０６として働く。半導体レーザ１０４から出射された波長８５０ｎｍの赤外光はＳＨＧ素子１０３上の光導波路１０６の入射端面１０６ａに集光され、ＳＨＧ素子１０３上の光導波路１０６内を伝搬して基本波導波光となる。基板１０５を構成するニオブ酸リチウム結晶は、大きな非線形光学定数を持ち、基本波の電界から波長が２分の１に変換された波長４２５ｎｍの高調波導波光が励起される。また、基本波と高調波の伝搬定数差を補償するために光導波路１０６上には周期的に分極反転領域１０７が形成され、光導波路１０６全域にわたって励起される高調波はコヒーレントに足し合わされて、光導波路１０６の出射端面１０６ｂから出射される。
【０００５】
ここで、基本波と高調波の伝搬定数差を正確に補償するためには、基本波の波長を正確に一定に保つ必要があり、半導体レーザ１０４は温度等による波長変動が極めて小さいＤＢＲレーザが用いられる。ＤＢＲレーザは波長変動が小さいばかりでなく、単一波長で発振するためコヒーレンスが高くかつＲＩＮノイズが低いという特長を併せ持つ。
【０００６】
次に図６に示したＳＨＧ素子１０３を用いた青色光源光ディスクピックアップの概略図に沿ってその動作の様子を説明する。
【０００７】
光学装置１０２は、コリメートレンズ１０８、偏光ビームスプリッタ１０９、１／４波長板１１０、集光レンズ１１１、光検出器１１２を含む。
【０００８】
半導体レーザ１０４はＳＨＧ素子１０３と直接結合され、半導体レーザ光をＳＨＧ素子１０３の光導波路１０６に入射し、光導波路１０６内で高調波に変換される。ＳＨＧ素子１０３から出射された高調波はコリメートレンズ１０８、偏光ビームスプリッタ１０９、１/４波長板１１０、集光レンズ１１１を通過して光ディスク１１３上に集光される。光ディスク１１３によって変調された光は偏光ビームスプリッタ１０９で反射され、光検出器１１２に導かれ再生信号を得る。このとき、ＳＨＧ素子１０３からは紙面に平行な直線偏光が出射されるが、１/４波長板１１０を往復して紙面に垂直な偏光となり、光ディスク１１３からの反射光は偏光ビームスプリッタ１０９で全て反射され光源１０１側には戻らない構成となっている。
【０００９】
しかし、光ディスク１１３の基材は複屈折性を持つため、光ディスク１１３で発生した不要偏光成分が偏光ビームスプリッタ１０９を通過して青色レーザ光源１０１側に戻る可能性がある。光ディスク１１３の再生中には、集光レンズ１１１は光ディスク１１３上に正確に焦点を合わせるように位置制御される。そのため、光導波路１０６の出射端面１０６ｂと光ディスク１１３とは共焦点光学系を形成し、光ディスク１１３からの反射光は正確に光導波路１０６の出射端面１０６ｂに集光される。
【００１０】
このように反射光が青色レーザ光源１０１に帰還されると、ノイズが生じる。
従来より、ノイズを回避する様々な技術が提案されている。例えば半導体レーザを高周波信号で変調することで複数の縦モードを生じさたり、半導体レーザに自励発振を起こさせて同じく複数縦モード発振を実現する方法である。また、光通信の分野では半導体レーザからの光を光ファイバに集光する際に両者の間に磁気光学効果を用いた光アイソレータを挿入するのが一般的である。あるいは光ファイバや光導波路の入射側端面を斜めに研磨して反射光を斜めに反射させ、半導体レーザに戻らないようにする方法が特開平５−３２３４０４号公報などに開示されている。
【００１１】
これらの技術は半導体レーザ光源内部に帰還される戻り光による雑音を低減するものであるが、我々は図６に示した導波型ＳＨＧ素子１０３を用いた光ピックアップの再生実験を行い、従来の戻り光誘起雑音とは異なるメカニズムで発生するノイズを見出した。すなわち、光導波路１０６の出射端面１０６ｂに集光された戻り光が、光導波路１０６の出射端面１０６ｂで反射されて光導波路１０６の内部から出射される光と干渉して生じる干渉ノイズである。この干渉効果によって光ディスク１１３側からは青色レーザ光源１０１の出力光パワが変化するように見え、光ディスク１１３の再生信号が低周波ノイズで変調されて信号劣化となる。半導体レーザ１０４での戻り光誘起雑音が半導体レーザ１０４内部の光と戻り光の相互作用で発生するのに対して、上述の干渉ノイズは青色レーザ光源１０１からの出射光と戻り光の干渉によって発生する点が異なる。
【００１２】
以上述べたように、光導波路デバイス１０６を用いた光学系には２種の異なるノイズ、すなわち、青色レーザ光源１０１から出射された光が反射されて青色レーザ光源１０１の出射端面に戻り、光源外部の光学系で干渉を起こす低周波の干渉ノイズと、半導体レーザ１０４内部に起因するモードホップノイズが存在する。後者のモードホップノイズを低減する方法は種々の技術が提案されていた。また、前者の半導体レーザへの戻り光低減と共焦点光学系への干渉ノイズ低減する技術が、特開２０００−１７１６５３号公報に示されている。この技術は、図７、図８、図９に示すように、光導波路１０６の出射端面１０６ｂを、光導波路１０６の光軸方向に対し斜めに形成する。すると、光導波路１０６の出射端面１０６ｂで反射された高調波は、光導波路１０６の光軸方向に進まない。そのため、ＳＨＧ素子１０３から出射される光と反射光との干渉を減少でき、ノイズの発生を減少できる。
【００１３】
また青色レーザ光源１０１の小型化を図るため、半導体レーザ１０４と光導波路１０６を高効率に直接結合するには、半導体レーザ１０４とＳＨＧ素子１０３の入射端面とを数μｍ以下まで接近させ、かつ、光導波路１０６の光軸方向を、光導波路１０６の入射端面とほぼ直角になるように形成する必要がある。
さらに、高効率の変換を実現するために、単一の位相整合条件を長い距離に渡り達成する必要がある。そのため、光導波路はできるだけ長い距離のあいだ進行方向、伝搬定数の均一な状態が望ましく、直線導波路が最も高効率化に適している。
【００１４】
また、本発明とは、目的及び効果が異なるが、周期状の分極反転構造と湾曲した光導波路からなる光波長変換素子が、特開平５−３２３４０１号公報に記載されている。この発明においては、光導波路の伝搬方向を徐々に変えた湾曲した導波路形状を用いることで、光導波路の位相整合条件を伝搬方向に変化させて、位相整合波長許容度の拡大を可能にしている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光導波路１０６の入射端面１０６ａと出射端面１０６ｂが互いに平行でないＳＨＧ素子１０３を量産化する際に、大きな問題が発生した。通常、図１０で示すように、ＳＨＧ素子１０３を作製するには、基板１１４を光学研磨した後、基板１１４を切断して微細な形状に切り出す。通常、光学研磨工程を簡略化し、かつ研磨精度を向上するため、比較的大きな形状の基板１１４を光学研磨した後、基板１１４を切断する。ところが、入射端面１０６ａと出射端面１０６ｂが互いに平行でない光導波路１０６を形成するとすると、素子長が異なるＳＨＧ素子１０３が形成され、均一なＳＨＧ素子１０３の形成ができないという問題が生じた。
【００１６】
また、周期状の分極反転構造と湾曲した光導波路構造を用いた従来の光波長変換素子の構成、本発明の構成とは、異なる構成、効果、目的の発明である。構成としても、湾曲導波路を用いているため、位相整合波長許容度の拡大が可能となるが、変換効率の大幅な低下が避けられない。さらに、光導波路の出射端面と入射端面の関係については記載されいない。また、量産化工法の容易性における課題に記載されていない。
【００１７】
本発明は、上述した問題を解決し、量産工程が容易な光導波路デバイス構造を提供することを目的とする。さらに、この光導波路デバイスを用いて、低ノイズな光源特性を満足するコヒーレント光源を実現することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基板と、前記基板に形成された光導波路と、前記光導波路の端部に形成された入射端面と出射端面と、を備えた光導波路デバイスにおいて、前記光導波路の入射端面と出射端面は互いにほぼ平行で、前記出射端面における前記光導波路の光軸方向と前記出射端面のなす角度θが90°でないことを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１９】
この発明は、前記光導波路デバイスは、略直方体状に形成されることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００２０】
この発明は、θが、θ≦８７°またはθ≧９３°である光導波路デバイスである。
【００２１】
この発明は、前記光導波路が、前記入射端面にほぼ垂直な直線導波路と、前記入射端面から前記出射端面の間に少なくとも一つの曲がり導波路を有する光導波路デバイスである。
【００２２】
この発明は、前記光導波路には波長の異なる２つ以上の光が導波し、前記波長の異なる光に対して、前記曲がり導波路における放射損失が異なることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００２３】
この発明は、前記曲がり導波路が直線部分と、曲がり部分からなることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００２４】
この発明は、前記基板がＭｇドープＬｉＮｂＯ3結晶であり、前記入出射面が前記結晶のＹ面またはＸ面とほぼ平行である光導波路デバイスである。
【００２５】
この発明は、前記光導波路が周期状の分極反転構造を有する光導波路デバイスである。
【００２６】
この発明は、前記光導波路デバイスが第２高調波発生デバイスであり、前記波長λ１の半導体レーザの光を波長λ２の第２高調波に変換する光導波路デバイスである。
【００２７】
この発明は、前記光導波路の入射端面と出射端面の少なくともいずれかに波長λ１または波長λ２の少なくとも一方に対する反射防止膜を備えた光導波路デバイスである。
【００２８】
この発明は、前記光導波路の入射端面と出射端面の少なくともいずれかに波長λ１に対する反射防止膜を備えた光導波路デバイスである。
この発明は、前記光導波路デバイスと、半導体レーザと、を備えるコヒーレント光源である。
【００２９】
この発明は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの出射光を被観測物体上に集光する集光光学系とを少なくとも具備し、前記光導波路デバイスと被観測物体とが共焦点の関係にあることを特徴とした光学装置である。
【００３０】
この発明は、前記被観測物体が光ディスクであることを特徴とする光学装置である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明は、基板に光導波路を有する光導波路デバイスにおいて、光導波路の出射端面からの戻り光を低減し、同時に量産化が容易なデバイス構造を提供することを目的とする。
【００３２】
具体的な構造としては、光導波路の入射端面とその出射端面とをほぼ平行にすることで、量産工程における、光導波路デバイスの素子長のバラツキを無くし、研磨後の切断により均一な長さを有する光導波路デバイスの製造を可能にする。また、光導波路の出射端面からの戻り光を低減するため、光導波路の光軸方向と光導波路の出射端面とに９０度でない角度を設ける。これを実現するため、光導波路に曲がり構造を導入する。
【００３３】
さらに、光導波路の入射部から光導波路の出射部近傍にかけて直線導波路を形成することで高効率の変換を実現し、光導波路の出射部近傍に曲がり導波路を備えることで、光導波路の光軸方向と光導波路の出射端面に９０°でない角度を持たせ、光導波路の出射端面からの戻り光を大幅に低減できる。
【００３４】
さらに、光導波路デバイスとして、周期状分極反転構造を有する第２高調波発生デバイスを適用することで、光出力の安定性が大幅に向上することが見い出された。これは、非線形光学効果を利用した第２高調波発生デバイスにおいて、素子内の温度分布による出力低下を可能にしたからである。
【００３５】
本発明の光学装置は、光導波路デバイスと半導体レーザからなるコヒーレント光源と、光導波路デバイスからの出射光を被観測物体上に集光する集光光学系とを少なくとも具備し、光導波路デバイスと被観測物体とが共焦点の関係にあることを特徴とした光学装置であって、外部光学系からの戻り光が光導波路の出射端面で反射されて、光導波路デバイスの出射光と干渉することを防ぎ、干渉ノイズのない安定な光源を提供するという作用を有する。
【００３６】
（実施の形態１）
図１に本発明の光学装置の概略図を示す。光学装置１０は、コヒーレント光源１１を含む。
【００３７】
コヒーレント光源１１は、半導体レーザ１２、第２高調波発生デバイス１３で構成される。第２高調波発生デバイス１３は、光導波路デバイスである。
【００３８】
図２に示すように、第２高調波発生デバイス１３は、略直方体状に形成される。半導体レーザ１２から出射した基本波（波長８２０ｎｍ）を波長変換し、高調波（波長４１０ｎｍ）とする。第２高調波発生デバイス１３は基板１４を有し、基板１４上にはプロトン交換法によって高屈折率領域が形成され、光導波路１５として働く。光導波路１５の入射端面１５ａと、その出射端面１５ｂはほぼ平行に形成される。光導波路１５は、光導波路の１５の入射端面１５ａに対してほぼ垂直状に伸びる直線導波路１６と、出射部近傍に形成された、光の伝播方向を変える曲がり導波路１７が形成される。曲がり導波路１７は、曲がり部分１８と直線部分１９からなる。直線導波路１６の光軸方向は、光導波路１５の入射端面１５ａに対してほぼ垂直に形成されているので、半導体レーザ１２と直接結合する際に、高効率の結合効率が実現できる。また、曲がり導波路１７の光軸方向は、光導波路１５の出射端面１５ｂとθの角度をなし、光導波路１５の出射端面１５ｂに対する法線と、曲がり導波路１７の光軸方向とは９０度−θの角度をなす。θは、９０°でない角度である。出射端部近傍で曲がり導波路１７は再び直線状に延びているため、光導波路１５の出射端面１５ｂと曲がり導波路１７の光軸方向の成す角度は出射部近傍では一定に形成される。ここで、例えば、第２高調波発生デバイス１３の素子長を１０．５ｍｍ、直線導波路１６の長さを10mm、曲がり導波路１７を直線導波路１６方向に投影した長さを0.5mmに設定する。そして、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さを０．１ｍｍに設定する。θ＝８４度と設定して、直線導波路１６から曲がり導波路１７の曲がり部分１８を介して、直線導波路１６に対して、６°傾いた曲がり導波路の直線部分１９を形成する。
【００３９】
基板１４は、ＭｇドープＬｉＮｂＯ3結晶で構成されており、光導波路１５の入射端面１５ａおよびその出射端面１５ｂは、結晶のＸ面またはＹ面とほぼ平行である。結晶は、大きな非線形光学定数を持ち、基本波の電界から波長が２分の１に変換された波長の高調波導波光が励起される。
【００４０】
また、基本波と高調波の伝搬定数差を補償するために、光導波路１５上には周期的に分極反転領域２０が形成され、光導波路１５全域にわたって励起される高調波はコヒーレントに足し合わされて、光導波路１５の出射端面１５ｂから出射される。
【００４１】
また、図１に示す光学装置１０は、コヒーレント光源１１から出射する光を略平行にするコリメート光学系であるコリメートレンズ２１を含む。また、光学装置１０は、偏光ビームスプリッタ２２、１／４波長板２３、集光レンズ２４を含む。また、コリメートレンズ２１、集光レンズ２４とは、コヒーレント光源１１からの出射光を光ディスク２５上に集光する集光光学系をいう。
【００４２】
第２高調波発生デバイス１３から出射される光は光導波路１５の出射端面１５ｂに対して斜めに出射されるため、コリメートレンズ２１は第２高調波発生デバイス１３からの出射光分布の中心に配置する。また、光ディスク２５の表面と第２高調波発生デバイス１３の出射端面１３ｂとは共焦点の関係にある。
【００４３】
半導体レーザ１２から出射された光は、第２高調波発生デバイス１３を介して、コリメートレンズ２１、偏光ビームスプリッタ２２、１／４波長板２３、および集光レンズ２４を通って光ディスク２５の表面に集光される。
【００４４】
光ディスク２５で反射された高調波は、１／４波長板２３で偏光を回転させられ、偏光ビームスプリッタ２２で反射されて、信号検出される。しかしながら、光ディスク２５の服屈折等により１／４波長板２３による偏光が不十分で有った場合、高調波の一部は偏光ビームスプリッタ２２を透過して第２高調波発生デバイス１３に戻る。
【００４５】
しかし、曲がり導波路１７の光軸方向が、光導波路１５の出射端面１５ｂに対して斜めに形成されているため、光導波路１５の出射端面１５ｂでの反射光は、再び共焦点光学系に戻ることはなく、干渉ノイズを大幅に低減できる。半導体レーザ１２を安定に動作させるには、戻り光0.1%以下に抑える必要がある。光導波路１５の出射端面１５ｂと曲がり導波路１７の光軸方向のなす角度θを８７°以下または９３°以上に設定すれば、光導波路１５の出射端面１５ｂからの戻り光は0.1%以下になる。このため、曲がり導波路１７の光軸方向と光導波路１５の出射端面１５ｂの法線とのなす角度を±３°以上にすることが望ましい。特に、実際は端面の状態や、汚れ等による戻り光も考慮して、光導波路１５の伝搬方向と出射端面１５ｂの法線は±５°以上が望ましい。ただし、この角度が±１０°以上になると光導波路１５で伝搬損失が増大するため、±１０°以下が好ましい。
【００４６】
また、本発明のコヒーレント光源１１は変換された高調波の利用を主体とするため、共焦点光学系は高調波に対して構成されている。このため、基本波の光は光学系の色収差により共焦点系の条件からずれるため、外部からコヒーレント光源１１に基本波の光が帰還する割合は非常に小さくなる。その結果、光導波路１５の出射端面１５ｂから半導体レーザ１２へ帰還する戻り光は-40dB以下に低減可能となるので、ノイズは生じにくい。
【００４７】
また、角度θと曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さを設定することにより、直線導波路１６と曲がり導波路１７との接合部分での損失である放射損失を低減できる。実験で確認したところ、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さが０でθが６°である場合、高調波が５０％程度の放射損失をした。曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さが０．１mm以上でθが６°である場合、高調波の放射損失は、ほぼ０となった。曲がり部分１８での放射損失を防ぐには、曲がり部分１８の距離を０．１ｍｍ以上に設定する必要がある。このように設定すると、曲がり部分１８による放射損失はほぼ無い。そのため、直線導波路１６の長さを１０mm、曲がり導波路１７を直線導波路１６方向に投影した長さを０.５mmに設定した素子長１０.５mmの第２高調波発生デバイス１３の変換効率は、素子長１０mmの直線導波路１６を備えた第２高調波発生デバイス１３と同じである。第２高調波発生デバイス１３の素子長を１．０５倍にするだけで、高効率変換が可能で、かつ戻り光防止が可能な構成が実現できた。本実施の形態では、曲がり導波路１７の曲がり部分１８（θ＝６°の場合）の長さを０．１mm程度に設定しているが、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の曲率を考慮すると０．０５mm以上の曲がり部分１８が必要である。また、曲がり部分１８の長さが１０μｍ以下になると、曲がり部分１８の曲率半径が小さくなるため、曲がり部分１８での放射損失が増加する。また、光導波路１５は、伝搬する基本波に対してはシングルモード条件で設計されているが、高調波に対してはマルチモード条件となる。このため、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の曲率が急激になると、曲がり導波路１７を伝搬する高調波に対する摂動が大きくなり、直線導波路１６を伝搬してきた単一モードの高調波が、他の高次モードに変換される現象が観測された。このため、曲がり導波路１７の曲がり部分１８の長さは０．０５ｍｍ以上必要であった。
【００４８】
また、光導波路１５の入射端面１５ａとその出射端面１５ｂとを互いにほぼ平行とすることで、第２高調波発生デバイス１３の量産を簡略化できる。
【００４９】
第２高調波発生デバイス１３の量産方法として、大きな面積の光学基板１４を光学研磨し、その後、切断することにより第２高調波発生デバイス１３を量産する方法がある。この量産方法は、大面積の光学基板１４を一度に研磨することで、量産方法を簡略化でき、第２高調波発生デバイス１３の量産コストを低減でき、光学基板１４の研磨精度が向上できる。
【００５０】
ところが、従来の光導波路１５の入射端面１５ａとその出射端面１５ｂとが互いに平行でない第２高調波発生デバイス１３を量産する場合には、この量産方法を採用できない。なぜなら、それぞれ素子長が異なる第２高調波発生デバイス１３が量産されるからである。また、基板１４を切断した後に、光学研磨を行う量産方法がある。しかし、第２高調波発生デバイス１３を光学研磨するためには、小さな第２高調波発生デバイス１３を固定しなければならず第２高調波発生デバイス１３の光学研磨工程が非常に複雑化し、同時に、精度を向上することは難しい。特に、素子幅1mm以下の第２高調波発生デバイス１３を量産する場合、切断後に第２高調波発生デバイス１３の固定し、これを研磨するのは非常に難しく、さらに光導波路１５の出射端面１５ｂの角度を正確に制御するのは困難である。
【００５１】
光導波路１５の入射端面１５ａとその出射端面１５ｂとが互いに平行な本発明の第２高調波発生デバイス１３を量産する場合に、従来の大きな面積の光学基板１４を光学研磨し、その後、切断することにより第２高調波発生デバイス１３を量産する方法を採用すると、図３に示すように、素子長が均一な第２高調波発生デバイス１３が量産できる。また、量産方法を簡略化でき、第２高調波発生デバイス１３の量産コストを低減でき、基板１４の研磨精度を向上できる。第２高調波発生デバイス１３の素子幅が1mm以下の場合でも、容易に第２高調波発生デバイス１３が量産できる。
【００５２】
さらに、非線形光学効果を利用した第２高調波発生素子１３では、周期状の分極反転構造を利用した非線形グレーティングにより基本波と第２高調波の位相整合条件を擬似的に成立させ、高効率の波長変換を行う。しかしながら、グレーティングの周期構造により位相整合条件を取っているため、光導波路１５およびグレーティングの均一性の要求は非常に厳しい。光導波路１５の伝搬定数およびグレーティング構造の均一性が僅かに低下すると変換効率は大幅に低下する。光導波路１５幅および分極反転周期に対するバラツキの許容度は数％以下である。この様な厳しい均一性が必要な第２高調波発生素子１３において、発生する第２高調波の出力が高出力化するに従い、出力の安定性が低下し、変換効率の飽和現象が生じることが発見された。この原因をさらに追求していくと、発生した第２高調波の僅かな吸収が光導波路１５に熱分布を生じ、これが光導波路１５の不均一性の原因となっていることが判明した。第２高調波発生デバイス１３の光導波路１５内において、第２高調波は伝搬距離の２乗に従い増加する。光導波路内１５では、第２高調波の強度分布が距離の２乗に従い増加する。このため光導波路１５に僅かでも第２高調波に対する吸収が存在すれば、光導波路１５は光軸方向に沿って温度分布を生じることになる。第２高調波の高出力時に、光導波路１５の特に出射部近傍で光導波路の温度上昇が発生し、屈折率変化により、出射部近傍の位相整合波長が増大する。その結果、光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍の位相整合波長が基本波波長からずれることで、位相整合に寄与しなくなるのが原因と分かった。これを解決するには、高出力時に位相整合波長のずれる光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍の位相整合条件を、高出力時の温度分布にあわせて設計する必要がある。即ち、出射端面近傍の光導波路における分極反転周期を他の部分に比べて僅かに長くすればよい。この条件を成立させるには、曲がり導波路１７を光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍で曲げる本発明の構成は非常に有効である。例えば、曲がり導波路１７の直線導波路１６方向に投影した長さを２mmに設定する。光導波路１５を出射端近傍で曲げることで、光導波路１５の光軸搬方向と、分極反転領域２０とのなす角度が光導波路１５の出射端近傍で変わり、曲がり導波路１７に対する分極反転周期は少し長くする。この結果、高出力時に温度上昇する出射部分近傍の位相整合条件を満足することが可能となる。本発明の構成を用いることで、出力20mW以上の第２高調波に対しても、出力が飽和することなく、安定な出力特性を得ることが可能となった。光導波路１５の温度変化による位相整合条件の変化は出射端面から数mm程度のところで顕著となるため、この部分に曲がり導波路１７を形成することにより、出力を安定にできる。
【００５３】
また、光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍において、光導波路１５は直線状に伸び、光導波路１５の出射端面１５ｂと曲がり導波路１７の光軸方向とがなす角度θは、出射部近傍で一定に形成している。そのため、光導波路１５の研磨精度を緩和できる。従来技術の湾曲した光導波路１５では、光導波路１５の出射端面１５ｂの研磨精度により、光導波路１５の光軸方向と光導波路１５の出射端面とのなす角度は変わる。LiNbO3基板１４は、その屈折率は２以上あるので、光導波路１５と光導波路１５の出射端面１５ｂの交差角度が０．１°変わると、出射角度は０．２°以上変化する。そのため、光導波路１５の出射端面１５ｂの研磨精度が非常に厳しく要求され、製造コストは高くなる。通常、光ディスク２５等に対して、コヒーレント光源１１を用いるためには、光導波路１５からの出射光の角度の変化量は±０．２°以下に制御する必要がある。本発明のように、出射部近傍での光導波路１５の光軸方向と光導波路１５の出射端面１５ｂとの角度を一定に保てば、光学研磨により、光導波路１５の出射端面１５ｂと光導波路１５の光軸方向との交差角度が変化せず、研磨精度は大幅に緩和でき、製造コストを低減できる。具体的には、研磨の精度を±0.1mm程度にすることは十分実現できるので、曲がり導波路１７の直線部分１９の直線導波路１６方向に投影した長さを0.3mm程度以上に設定すれば良い。
【００５４】
さらに、光導波路１５の入射端面１５ａとその出射端面１５ｂとを、基板１４を構成するMgドープのLiNbO3結晶のＸ面またはＹ面とほぼ平行に設定している。つまり、光導波路１５の伝搬方向を結晶のＸ軸またはＹ軸とをほぼ平行に設定する。その結果、光導波路１５の伝播損失を低減できる。
【００５５】
光導波路１５の伝搬方向と結晶軸との傾きが増大すると、伝搬損失が増大する。例えば、５°程度傾けると伝搬損失が0.5dB/cm程度増加する。これは、光導波路１５の伝播方向を結晶軸に対して傾けることで、光導波路１５と基板１４の界面で、伝播損失の一つである散乱損失が増大するためである。そのため、光導波路１５は結晶軸と平行に形成し、結晶軸に対して平行でない光導波路１５はできるだけ短い距離とするのが望ましい。このためには、曲がり導波路１７のような結晶軸と平行でない光導波路は、光導波路１５の出射部近傍に形成することが望ましい。曲がり導波路１７を光導波路１５の出射部近傍に形成することで、光導波路１５の伝搬損失を低減できる。具体的には、直線導波路１６は結晶のＸ軸またはＹ軸とほぼ並行に形成する。この構造で、光導波路１５の伝搬損失を最も小さくできる。光導波路１５の伝搬損失を低減するためには、曲がり導波路１７の位置を光導波路１５の出射端部近傍から０．２〜２mmあたりに形成するのが望ましく、特に、０．２〜1mmあたりに形成するのはさらに望ましい。また、光導波路１５の出射端面１５ｂから０．１ｍｍ以上離れた位置に形成する理由は、曲がり導波路１７の曲がり部分１８が０．０５ｍｍ以上の長さを有することが好ましいのと、研磨精度を緩和できるとの理由からである。
【００５６】
さらに、第２高調波発生デバイス１３を本発明の構成を利用すると、光導波路１３の伝搬損失はさらに低減できる。第２高調波発生デバイス１３の場合、基本波を高調波に波長変換するため、光導波路１５は基本波を中心に設計されている。このため、波長の短い第２高調波に対しては光導波路１５はマルチモード条件となる。この結果、波長の短い第２高調波は光導波路１５の内部に閉じ込められ、光導波路１５周辺部の伝搬損失の影響を受けにくい。従って、結晶軸に対して平行でない光導波路１５であっても、高調波の伝搬損失を低減できる。さらに、曲がり導波路１７においても同様の理由で、基本波より高調波は放射損失の影響を受けにくい。なお、曲がり導波路１７の曲がり部分１８での放射損失は、曲がり部分１８の曲率に依存する。曲がり部分１８の放射損失を低減するため、曲率の小さな曲がり部分１８を分割して形成する。さらに、放射モードとの結合を最小にする光導波路１５設計を行うことで、曲がり部分１８の放射損失をさらに低減できる。一方、曲がり導波路１７による基本波の放射損失は、半導体レーザ１２への戻り光の低減に有効である。半導体レーザ１２は基本波が活性層に再び帰還することでノイズが増大する。曲がり導波路１７を用いることで、基本波の戻り光は曲がり導波路１７の曲がり部分１８で減衰される。さらに外部から光導波路１５内部に帰還した基本波も減衰される。このため、半導体レーザ１２への戻り光が曲がり導波路１７により低減され、戻り光ノイズの小さな光源が実現できた。
【００５７】
（実施の形態２）
ここでは、本発明の光導波路デバイス１３の他の構成について説明する。
【００５８】
第２高調波発生デバイス１３の曲がり導波路１７における放射損失は、波長に依存し、高調波の方が、放射損失は大きく、マルチモード化が大きい。
【００５９】
図４（Ａ）に本発明の他の第２高調波発生デバイスの構成を示す。
【００６０】
第２高調波発生デバイス１３は、基板１４の表面に光導波路１５と周期状の分極反転領域２０が形成されており、光導波路１５の入射端面１５ａと出射端面１５ｂがほぼ平行に形成されている。光導波路１５は、光導波路１５の入射端面１５ａにほぼ垂直な直線導波路２６が形成され、出射端面近傍と出射端面近傍に曲がり導波路２７、２８が形成され、曲がり導波路２７、２８をつなぐ直線導波路２９が形成される。光導波路１５の出射端面１５ｂと曲がり導波路２８の光軸方向とは角度θで交わっている。θは、９０°でない角度である。光導波路１５の入射端面１５ａ近傍には、曲がり部３１、３２が形成される。また、光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍には、曲がり部２３が形成される。
【００６１】
入射部近傍の曲がり部分３１、３２は、基本波のロスをなくし、高調波の放射損失が増大するように、例えば、直線導波路２６に対する曲がりの角度を６°、曲がり部分３１、３２の長さを０．０２ｍｍ以下にして、高調波のみが散乱するように設計している。光導波路１５の出射端面１５ｂ近傍には、高調波の放射損失があると出射する高調波が減衰するため、高調波のロスを低減するため、曲がり部分２３の距離を０．１ｍｍ程度と設定している。光導波路１５の入射部近傍に曲がり導波路２７を形成したのが本実施の形態の特徴である。次にこの光導波路デバイスの働きについて説明する。
【００６２】
光導波路１５の入射端面１５ａから入射したした基本波は、第２高調波発生デバイス１３によって高調波に変換され、光導波路１５の出射端面１５ｂから出射される。光導波路１５の出射端面１５ｂから出射した高調波は、光学系等の第２高調波発生デバイス１３外部の反射によって、光導波路１５の出射端面１５ｂから光導波路１５に入射し、曲がり部分３１、３２、２３を通り、光導波路１５の入射端面１５ａに達する。戻り光が曲がり導波路３１、３２で放射散乱して、光導波路１５の入射端面１５ａに達する高調波は１０％以下に低減でき、干渉ノイズを低減できる。
【００６３】
１箇所の曲がり部分でノイズを１／５程度に低減できる。曲がり部分を例えば２箇所つくれば、ノイズを１／２５に低減できる。光は端面で反射して再びこの曲がり導波路を通るので、さらにノイズを低減できる。
【００６４】
なお、本実施の形態では、３箇所の曲がり部分を設けているが、これに限定されるものではない。曲がり部分の数を増やすことにより、戻り光をさらに低減できる。
【００６５】
また、モードの変換にも寄与する高調波の戻り光が曲がり部分３１、３２を通過することで、放射損失だけでなく、高次モードへの変換も発生させる。高次モードに変換された光は、元の光と伝搬定数が異なるため干渉しなくなる。このため干渉ノイズをさらに低減できる。
【００６６】
共焦点光学系に第２高調波発生デバイス１３を使用した場合に、干渉ノイズの発生が生じやすいので、本発明は特に有効である。
【００６７】
なお、本発明の構成は、図４（Ｂ）で示す。光導波路１５の出射部近傍に曲がり部分がない、光導波路１５の出射部近傍が直線導波路３４で、かつ、出射端面１５ｂがこの直線導波路３４に対して斜めに形成した光導波路デバイスにも適用できる。光導波路１５の入射部近傍に曲がり導波路３５を形成することで、曲がり導波路３５の曲がり部分３６、３７で放射散乱し、干渉ノイズを大幅に低減できる。また、本発明は光導波路デバイスにおいて、波長の異なる２つ以上の光が伝搬する場合、いずれかの光を減衰または分離できる。例えば、非線形光学効果を利用した差周波、和周波、パラメトリック発振等の高調波発生デバイス、導波路を用いたレーザや増幅器においてポンプ光と信号光を分離する場合等に利用できる。なお、光導波路デバイスとして、第２高調波発生デバイス１３を用いた場合、本発明は特に有効である。第２高調波発生デバイス１３においては、曲がり部分３１、３２、２３、３６、３７における波長分離が容易になる。従来の光導波路においては、波長の大きく異なる光（例えば第２高調波発生デバイスでは基本波の波長は高調波の２倍）に対してシングルモード条件をともに満足することは難しい。従来は波長の短い光に対してはマルチモードとなる。その場合は、波長の短い光に対する伝搬モードが複数存在するため、短波長光の導波モードが制御できず、曲がり部分３１、３２、２３、３６、３７における放射損失もモードによって大きく異なり制御が難しくなる。第２高調波発生デバイス１３を用いる場合、位相整合を成立する必要があるため、第２高調波の伝搬定数が一義的に決まるため、導波モードも位相整合条件により選択できる。これによって、曲がり部分３１、３２、２３、３６、３７における放射損失が制御できる。
【００６８】
（実施の形態３）
図５に本発明の他の第２高調波発生デバイス１３の構成を示す。光導波路１５の入射端面１５ａと出射端面１５ｂとに、基本波および高調波のそれぞれに対する多層膜からなる反射防止膜３８ａ、３８ｂを形成する。光導波路１５の入射端面１５aに形成される反射防止膜３８aの材料は、基本波の吸収率が小さいものを用いることが望ましい。また、光導波路１５の出射端面１５bに形成される反射防止膜３８bの材料は、高調波に対する吸収率が小さい材料が好ましい。
【００６９】
第２高調波発生デバイス１３を用いた光学系を構成する場合に、第２高調波発生デバイス１３からの出射光を集光した場合に光導波路１５の端面（入射部および出射部）と集光点は共焦点光学系を構成し、共焦点間における反射戻り光は干渉ノイズの原因となる。
【００７０】
本発明の第２高調波発生素子１３を用いた共焦点光学系においては、光導波路１５の光軸方向と光導波路１５の出射端面とが９０度でない角度θを持って交わっているため、光導波路１５の出射端面１５ｂでの反射光は再び共焦点光学系に戻ることなく、光学系の干渉ノイズを大幅に低減できる。コリメートレンズ２１のNAを光導波路１５の出射端面１５ｂでの反射光が戻らない程度の設定すれば、干渉ノイズの低減が向上する。さらに、反射防止膜３８ｂが高調波の戻り光の反射を防止し、干渉ノイズを低減できる。また、基本波の戻り光により生じる半導体レーザ１２のノイズの低減は、曲がり導波路１７の光軸方向を光導波路１５の出射端面１５ｂに対して９０度でない角度で傾けることで実現可能である。さらに、反射防止膜３８ｂが基本波の反射を防止することで、光導波路１５の出射端面１５ｂでの、基本波の反射によるノイズを大幅に低減できる。具体的に、反射防止膜３８ｂにより0.5%以下の反射率に抑えることができ、ノイズを大幅に低減できる。
【００７１】
また、光導波路１５の入射端面１５ａに形成した反射防止膜３８ａにより、半導体レーザ１２と光導波路１５の結合効率の向上と、ノイズを低減できる。
【００７２】
半導体レーザ１２と光導波路１５との直接結合を考えた場合、光導波路１５の入射端面１５ａが光導波路１５の光軸方向に対して斜めになると、半導体レーザ１２と光導波路１５の結合効率が低下する。そのため、半導体レーザ１２から出射された基本波が、光導波路１５の入射端面１５ａに反射して生じた戻り光により生じるノイズを低減するために、光導波路１５の入射端面１５ａを、光導波路１５の光軸方向に対して斜めに形成するのは難しい。そのため、光導波路１５の入射端面１５ａに反射防止膜３８ａを形成して、基本波の反射を防止し、かつ、光導波路１５の光軸方向と、光導波路１５の入射端面１５ａとを垂直に形成して、半導体レーザ１２と光導波路１５との結合効率を向上する。反射防止膜３８ａの形成により、基本波の結合効率を１０％以上増加すると、高調波出力は２０％以上増加する。また、反射防止膜３８ａにより、基本波の反射戻り光を１％以下に低減でき、ノイズを低減できる
また、光導波路１５の入射端面１５ａで高調波の反射があると、共焦点光学系における干渉ノイズの原因となる。光導波路１５の入射端面１５ａに形成した反射防止膜３８ａが高調波の反射を防止し、ノイズを低減できる。なお、光導波路１５の入射端面１５ａまたは出射端面１５ｂのいずれか一方に、基本波と高調波に対する反射防止膜３８を形成してもよい。
【００７３】
また、光導波路１５の入射端面１５ａと出射端面１５ｂの少なくともいずれかに波長λ１に対する反射防止膜３８を形成してもよい。
【００７４】
なお、本実施の形態では、曲がり導波路１７、２７、２８を用いたが、その他、方向性結合器、Ｙ分岐導波路、グレーティングの反射を利用した導波路伝播方向の曲げ等、導波路の伝播方向を変える構成ならば、いずれの構造も利用可能である。
【００７５】
なお、本発明の光導波路構造として、単一の導波路について説明したが、光導波路デバイスとしては、複数の光導波路、例えば、多分岐導波路を利用して、複数の光源の光を単一または他の複数の導波路に入射する構造、その逆に、単一の光源の光を多数の導波路に分岐する構成等への利用も可能である。
【００７６】
なお、本発明では、光導波路１５の構造については述べなかったが、イオン交換導波路、金属拡散導波路等の埋め込み導波路、リッジ、装荷等の導波路、いずれの導波路構造にも有効である。
【００７７】
以上、光導波路デバイスに第２高調波発生素子１３を用いた例を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、光導波路デバイスは特に第２高調波発生素子に限らない。例えば高速変調素子や位相シフタ、周波数シフタ、偏光制御素子など、光導波路デバイスとして様々な機能、構成のものが考えられるが、こうした光導波路デバイスとコヒーレント光源を用いた光学系全てに本発明の光導波路デバイスを応用可能である。ただし、第２高調波発生素子を用いたコヒーレント光源１１では、半導体レーザ１２として可干渉性の高い半導体レーザ１２を用いて可干渉性の高い高調波を発生することが多いため、逆に干渉ノイズも発生しやすく、本発明の光導波路デバイスと組み合わせることで特に効果的に干渉ノイズを低減することができる。
【００７８】
また共焦点光学系として光ピックアップ光学系を例示して説明したが、レーザ走査顕微鏡など、他のコヒーレント光学系にも適用可能であることは言うまでもない。ただし、光ピックアップ光学系では、被測定物の光ディスクが高い反射率を持つこと、常に光ディスク上に光を集光するように対物レンズが位置制御されて共焦点系を保つこと、光ディスクが上下に運動するため干渉条件が刻々変化し、干渉ノイズを生じやすいことなどから、本発明の光導波路デバイスは光ディスクピックアップに、特に有効となる。
【００７９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の光導波路デバイスは、光導波路の入射端面と出射端面を平行にすることで、光導波路デバイスの量産が容易となる。
【００８０】
さらに、光導波路を出射部近傍で曲げることで、両端面が平行な構成においても、光導波路の出射端面の反射戻り光を大幅に低減できる。
【００８１】
本発明の光デバイスと半導体レーザを直接結合することで、小型、高出力、安定なコヒーレント光源を実現できる。
【００８２】
また、光導波路デバイスにおいて、放射損失や伝播損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学装置を示す構成図
【図２】本発明の第２高調波発生デバイスの構成図
【図３】本発明の基板を示す概略図
【図４】本発明における他の実施の形態を示す構成図
【図５】本発明における他の光学装置の実施の形態を示す構成図
【図６】従来の光学装置を示す構成図
【図７】従来の光学装置を示す構成図
【図８】従来の光学装置を示す構成図
【図９】従来の第２高調波発生デバイスの構成図
【図１０】従来の基板を示す概略図
【符号の説明】
１０ 光学装置
１１ コヒーレント光源
１２ 半導体レーザ
１３ 第２高調波発生デバイス
１４ 基板
１５ 光導波路
１６ 直線導波路
１７、２７、２８ 曲がり導波路
１８ 曲がり部分
１９ 直線部分
２０ 分極反転領域
２５ 光ディスク
Claims (11)
- 基板と、
前記基板に形成された光導波路と、
前記光導波路の端部に形成された入射端面と出射端面と、
を備えた光導波路デバイスにおいて、
前記光導波路デバイスは、波長λ１の基本波を波長λ２の第２高調波に変換する第２高調波発生デバイスであり、
前記光導波路の入射端面と前記出射端面は互いにほぼ平行で、
前記出射端面における前記光導波路の光軸方向と前記出射端面のなす角度θが９０°でなく、
前記光導波路は、前記入射端面にほぼ垂直な直線導波路と、前記入射端面から前記出射端面の間に少なくとも二つの曲がり導波路を有し、
前記曲がり導波路は、直線部分と、曲がり部分から構成され、前記出射端面側に位置する曲がり導波路の曲がり部分の長さが、前記入射端面側に位置する曲がり導波路の曲がり部分の長さよりも長く、
前記出射端面側に位置する曲がり導波路の曲がり部分の曲率半径が、前記入射端面側に位置する曲がり導波路の曲がり部分の曲率半径よりも大きいことを特徴とする光導波路デバイス。 - 前記光導波路デバイスは、略直方体状に形成されることを特徴とする請求項１記載の光導波路デバイス。
- 前記角度θが
θ≦８７°またはθ≧９３°である請求項１または２記載の光導波路デバイス。 - 前記出射端面における前記光導波路の光軸方向と前記出射端面のなす角度θが３°より大きいことを特徴とする請求項１乃至３に記載の光導波路デバイス。
- 前記基板がＭｇドープＬｉＮｂＯ３結晶であり、前記入出射面が
前記結晶のＹ面またはＸ面とほぼ平行である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光導波路デバイス。 - 前記光導波路が周期状の分極反転構造を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光導波路デバイス。
- 前記光導波路の入射端面と出射端面の少なくともいずれかに波長λ１または波長λ２の少なくとも一方に対する反射防止膜を備えた請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 前記光導波路の入射端面と出射端面の少なくともいずれかに波長λ１に対する反射防止膜を備えた請求項１に記載の光導波路デバイス。
- 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光導波路デバイスと、
半導体レーザと、を備えるコヒーレント光源。 - 請求項９記載のコヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの出射光を被観測物体上に集光する集光光学系とを少なくとも具備し、前記光導波路デバイスと被観測物体とが共焦点の関係にあることを特徴とした光学装置。
- 前記被観測物体が光ディスクであることを特徴とする請求項１０記載の光学装置。
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