JP5724489B2

JP5724489B2 - ハイブリッド光デバイス

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Publication number: JP5724489B2
Application number: JP2011057452A
Authority: JP
Inventors: 秋山　知之; 知之秋山; 山本　剛之; 剛之山本
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: JP2012195395A

Description

本発明はハイブリッド光デバイスに関するものであり、例えば、半導体レーザと非線形光学結晶導波路を高効率で方向性結合するための構造に関する。

様々な波長の半導体レーザが開発されている中、未だ実現できていない、あるいは十分な特性が得られない波長がある。例えば、可視領域では緑色、黄色或いはオレンジ色などがそれに該当する。これらの波長を実現するためには、既に実現されている赤外領域で発振する半導体レーザを用いて、その発振光（基本光）の波長を、ＳＨＧ（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｏｒ）素子で半分に変換する方法を取っている。

特に、緑色の半導体レーザはレーザプロジェクタの実現に必要なため、今後市場の伸びが期待される。レーザプロジェクタは、ビデオ信号で変調可能なＲＧＢ（赤、緑、青）レーザ光源とＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）ミラーのみで実現可能なため小型化に向いており、モバイル機器への導入が期待されている。このような用途に適用する半導体レーザには、特に、小型・低コスト化、高効率・高出力・高速変調の性能が求められている。

ＳＨＧ素子（二次高調波発生素子）を利用した光源としては、単一波長で発振するレーザの発振光を非線形光学結晶（ＮｏｎｌｉｎｅａｒＣｒｙｓｔａｌ：ＮＬＣ）に入れ二次高調波に変換する方法が知られている。図１４は、従来のＳＨＧ素子を用いた光源の構成図であり、単一波長半導体レーザ８１からの基本光８２をレンズ８３を介して非線形光学結晶８４に入射して、他方の端面から二次高調波８５を取り出している。

しかし、この場合、基本光８２は１回しか非線形光学結晶８４を通過しないため、変換効率が低く、それを補うためには非線形光学結晶８４を導波路型にして基本光８２の空間密度を上げるとともに、導波路を長くして相互作用長を稼ぐ必要がある。

また、非線形光学結晶８４が導波路型であるため、導波される小さな面積に基本光８２を集光する必要があり、そのために、レンズ８３の使用およびそのアライメントが必要となり、材料・アセンブリコストと素子サイズの増大が避けられないという問題がある。

また、１対のミラーにより構成される共振器内に半導体利得媒質と非線形光学結晶とを入れて、レーザ発振を行う共振器内で非線形光学結晶によって二次高調波に変換する方法も知られている。図１５は１対のミラーにより構成される共振器を用いた従来例の構成図であり、凹面鏡９１とミラー付き半導体利得媒質９２のミラー９３により形成される共振器内に非線形光学結晶９４を配置する。

一方、共振器外には励起用レーザ９５が配置され、励起用レーザ光はレンズ９６を介してミラー付き半導体利得媒質９２に照射される。なお、ミラー付き半導体利得媒質９２は、例えば、ＩｎＧａＡｓからなる半導体利得媒質にＧａＡs／ＡｌＧａＡｓ多層膜からなるミラー９３を設けたものを用いる。

ミラー付き半導体利得媒質９２で発振した基本光は帯域通過フィルタ９７を介してハーフミラーを兼ねるフィルタ９８で反射されて非線形光学結晶９４に入射して二次高調波に変換されて、変換された二次高調波はフィルタ９８から出射される。

この場合、共振器内に非線形光学結晶９４が入っているため、共振器内で基本光が往復し、図１４のような共振器外に非線形光学結晶を配置した場合よりも基本光のパワーが増大され、二次高調波変換効率を高めることができる。

半導体利得媒質に電流を注入することが難しく、図１５に示すように、通常は光励起が用いられるため、励起用レーザ９５が必要である。また、基本光をPM（ＰｈａｓｅＭａｔｃｈｉｎｎｇ：位相整合）波長範囲内に収める必要があり、帯域通過フィルタ９７を共振器内に入れる必要がある。さらに、共振器を構成する凹面鏡９１やミラー９３が必要になるとともに、これらの部品の光学アライメントを取る必要があり、材料・アセンブリコストと素子サイズの増大が問題になる。

そこで、これらの問題を解決するために、利得を持った半導体導波路（ＳＷＧ：ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＷａｖｅＧｕｉｄｅ）と非線形光学結晶導波路（ＮＬＷＧ：ＮｏｎｌｉｎｅａｒＷａｖｅｇｕｉｄｅ）を方向性結合（ＤＣ：ＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＣｏｕｐｌｉｎｇ）により結合することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１６は、方向性結合を用いた従来例の概念的構成図であり、治具１０１に載置された非線形光学結晶導波路１０２と半導体導波路となる半導体レーザ１０８とを回折格子１０７を介して方向性結合させている。なお、非線形光学結晶導波路１０２は基板１０３上に非線形光学結晶からなる導波路１０４が設けられており、その両端面には誘電体多層膜１０５，１０６が設けられている。

半導体レーザ１０８は、基板を兼ねる下部クラッド層１０９、活性層１１０、上部クラッド層１１１からなり、その端面には誘電体多層膜１１２，１１３が設けられている。また、上部クラッド層１１１の利得領域と波長制御領域にはそれぞれ電極１１４，１１５が設けられており、一方、下部クラッド層１０９の裏面にも電極１１６が設けられている。この場合、半導体レーザ１０８と非線形光学結晶導波路１０２の端面反射によりレーザ共振器を構成している。

特開２００５−３４５９４９号公報

しかし、図１６の場合、半導体レーザに電気伝導性のない非線形光学結晶導波路を重ね合わせるため、非線形光学結晶導波路と重なった部分の半導体レーザに効率良く電流注入することが不可能になり、レーザの発振効率を著しく低下させるという問題がある。その結果、図１４或いは図１５の構成に匹敵する電力変換効率（ＷＰＥ：Ｗａｌｌ−ＰｌｕｇＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を実現することが不可能である。

したがって、利得半導体導波路と非線形光学結晶導波路を方向性結合させる際に、高効率なレーザ発振を実現することを目的とする。

開示する一観点からは、下部に半導体多層膜からなる分布ブラッグ反射鏡を有する利得半導体導波路と前記利得半導体導波路の上部に近接配置されて方向性結合する非線形光学結晶導波路とを有し、前記分布ブラッグ反射鏡の法線方向が前記非線形光学結晶導波路における光の伝搬方向と直交する方向であり、且つ、前記分布ブラッグ反射鏡により前記利得半導体導波路の伝搬定数βを小さくして前記非線形光学結晶導波路との伝搬定数整合を行い、前記利得半導体導波路の一方の端面と前記非線形光学結晶導波路の一方の端面とをレーザ共振器用反射面とするとともに、前記非線形光学結晶導波路の他方の端面を前記非線形光学結晶導波路で発生した二次高調波の出射面としたことを特徴とするハイブリッド光デバイスが提供される。

開示のハイブリッド光デバイスによれば、利得半導体導波路と非線形光学結晶導波路を方向性結合させる際に、高効率なレーザ発振を実現することが可能になる。

本発明の実施の形態のハイブリッド光デバイスの概念的構成図である。導波路中の多重反射角θと伝搬定数βの関係の説明図である。発振基本光の伝搬モードと二次高調波の強度の説明図である。伝搬定数整合構造に伴う発振基本光モードの説明図である。ｐ型クラッド層の抵抗値とｐ型クラッド層による内部損失のトレードオフ関係説明図である。本発明の実施例１のハイブリッド二次高調波光源の途中までの製造工程の説明図である。本発明の実施例１のハイブリッド二次高調波光源の図６以降の途中までの製造工程の説明図である。本発明の実施例１のハイブリッド二次高調波光源の図７以降の途中までの製造工程の説明図である。本発明の実施例１のハイブリッド二次高調波光源の図８以降の途中までの製造工程の説明図である。本発明の実施例１のハイブリッド二次高調波光源の図９以降の製造工程の説明図である。非線形光学結晶導波路と利得半導体導波路とを結合させる場合の端面コーティングの変形例の説明図である。非線形光学結晶導波路と利得半導体導波路とを結合させる場合の端面コーティングの他の変形例の説明図である。本発明の実施例２のハイブリッド二次高調波光源の構成説明図である。従来のＳＨＧ素子を用いた光源の構成図である。１対のミラーにより構成される共振器を用いた従来例の構成図である。方向性結合を用いた従来例の概念的構成図である。

ここで、図１乃至図５を参照して、本発明の実施の形態のハイブリッド光デバイスを説明する。図１は本発明の実施の形態のハイブリッド光デバイスの概念的構成図であり、図１（ａ）は側断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。本発明の実施の形態のハイブリッド光デバイスは、利得半導体導波路１０と非線形光学結晶導波路３０と、両者を方向性結合するストライプ状の透明部材４０からなる。

利得半導体導波路１０は、基板１１上に、分布ブラッグ反射鏡１２、ドープ領域１３、活性層１４、周辺部に自己酸化物領域１６を備えた電流狭窄構造形成層１５、電極形成用半導体層１７を積層してスラブ導波路を形成している。活性層１４は典型的には多重量井戸構造活性層からなり、電極形成用半導体層１７は、後述するように、周期的に高濃度ドーピングされている。また、電極形成用半導体層１７及び活性層１４はストライプ状メサ構造に加工されている。

ドープ領域１３の表面の両側の周辺部にはストライプ状メサ構造に沿った電極１８が形成され、一方、電流狭窄構造形成層１５の表面の両側には絶縁膜１９を介してストライプ状メサ構造に沿った電極２０が形成されている。また、利得半導体導波路１０の一方の端面には誘電体多層膜からなる高反射率膜２１が形成され、他方の端面には誘電体多層膜からなる反射防止膜２２が形成されている。

非線形光学結晶導波路３０は、基板３１上に薄層化された非線形光学結晶３２が接着されてスラブ導波路を形成しており、一方の端面には誘電体多層膜からなる高反射率膜３３が形成され、他方の端面には誘電体多層膜からなる反射防止膜３４が形成されている。なお、非線形光学結晶導波路３０の他方の端面は、斜め端面としても良いし或いは窓構造としても良く、それによって、非線形光学結晶導波路３０に結合しない導波モードの発振を抑制することができる。

また、非線形光学結晶３２は位相整合のために、疑似位相整合（ＱＰＭ：ＱｕａｓｉＰｈａｓｅＭａｔｃｈｉｎｇ）用分極反転されている。その分極反転周期Λは、ｍを次数（通常は１）、λを真空中の発振基本光の波長、ｎ_２ωを二次高調波に対する屈折率，ｎ_ωを発振基本光に対する屈折率とすると、
Λ＝ｍλ／２（ｎ_２ω−ｎ_ω）
で表わされる。

なお、非線形光学結晶導３２に設けた疑似位相整合用の分極反転周期Λを非線形光学結晶導波路３０のスラブ導波路面内において、光の進行方向に垂直な方向に変化させても良い。非線形光学結晶導波路３０をストライプ状の透明部材４０に密着させるときに、非線形光学結晶導波路３０の位置を調整することにより、ストライプ位置における分極反転周期Λを調整することができ、それによって、位相整合波長を調節することができる。

利得半導体導波路１０と非線形光学結晶導波路３０とを方向性結合するストライプ状の透明部材４０は、ストライプ部分とその両脇部分の間に生じる屈折率差によって、面内の光閉込を可能にする。利得半導体導波路１０による導波モードと非線形光学結晶導波路３０による導波モードは、このストライプ部分を介して結合しており、導波光が一定距離だけ一方の導波路を進行すると、方向性結合により他方の導波路へ移行する。

一般的に、半導体からなる利得半導体導波路１０の屈折率は、強誘電体からなる非線形光学結晶導波路３０の屈折率より高く、伝搬定数βは利得半導体導波路１０の方が大きくなる。図２は導波路中の多重反射角θと伝搬定数βの関係の説明図であり、真空中の導波光の波長をλ_０、導波路の屈折率をｎとすると、真空中の導波光の波数ｋ_０は、ｋ_０＝ｎ（２π／λ_０）となる。波数ベクトルｋはｋ＝ｎｋ_０であり、伝搬係数βは、β＝ｋ・ｃｏｓθで定義される。

したがって、多重反射角θが利得半導体導波路１０と非線形光学結晶導波路３０で同程度であれば、屈折率ｎの差により、伝搬定数βは利得半導体導波路１０の方が大きくなる。方向性結合が起こるのは、伝搬定数が両導波路で一致する場合のみであるため、これらを一致させる必要がある。

利得半導体導波路１０のθを大きくすることで利得半導体導波路１０の伝搬定数βが小さくなるため、非線形光学結晶導波路３０の伝搬定数βに近付けることができる。しかし、多重反射角θは、ｎ_１をコアの屈折率、ｎ_２をクラッド層の屈折率とすると、全反射の臨界角であるπ／２−ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）を超えることが不可能なため、利得半導体導波路１０の伝搬定数βを低減するのには限界がある。特に、従来の利得半導体導波路の下側のクラッドには半導体を使う必要があり、ｎ_２／ｎ_１を小さくすることが難しく、その結果、臨界角が小さくなる。

本発明の実施の形態においては、利得半導体導波路１０の下部に分布ブラッグ反射鏡１２を設けることにより多重反射角θを大きくしているので、全反射臨界角を超えることにより生じる、コア／クラッド界面反射時の損失を低減することができる。このように、利得半導体導波路１０の下部に分布ブラッグ反射鏡１２を設けることにより、伝搬定数βを小さくすることができ、非線形光学結晶導波路３０と利得半導体導波路１０との間の伝搬定数を一致させることが可能になり、方向性結合が可能になる。この際、伝搬定数βの波長係数が利得半導体導波路１０と非線形光学結晶導波路３０との間で異なるために、特定波長でのみ伝搬定数βを一致させることが可能になる。これにより、方向性結合に波長選択性を与えることが可能になる。

また、図１（ａ）に示すように、利得半導体導波路１０の左端面及び非線形光学結晶導波路３０の右端面に高反射率膜２１，３３を設けている。したがって、利得半導体導波路１０の左端面で反射された光が方向性結合によって非線形光学結晶導波路３０に結合後、非線形光学結晶導波路３０の右端面で反射され、利得半導体導波路１０に再度結合し利得半導体導波路１０の左端面に戻すことができる。

このフィードバックと利得半導体導波路１０の利得によりレーザ発振が可能となり、これを発振基本光として用いる。発振基本光が非線形光学結晶導波路３０を導波する際に二次高調波変換が起こり、二次高調波が非線形光学結晶導波路３０の左端の反射防止膜３４を通して外部に出射される。

図３は、発振基本光の伝搬モードと二次高調波の強度の説明図である。発振基本光が高反射率膜２１から高反射率３３まで伝搬する間に、利得半導体導波路１０との非線形光学結晶導波路３０との間で発振基本光のやり取りが２回以上行われるように導波路の長さを調整する。なお、図においては、導波路の長さを２ｍｍにしているが、より長くすることにより利得半導体導波路１０の出力レーザ光の強度を高めることが可能である。また、発振基本光のやり取りは１回でも良い。

図４は、伝搬定数整合構造に伴う発振基本光モードの説明図であり、図４（ａ）は本発明の実施の形態における伝搬定数整合構造に伴う発振基本光モードの説明図であり、図４（ｂ）は回折格子による従来の伝搬定数整合構造に伴う発振基本光モードの説明図である。

図４（ａ）に示すように、活性層１４に電流を注入するためにはストライプ両脇に電極２０を設け、両脇から中央への電気伝導を利用して導波部分の活性層１４に電流を注入する必要がある。一般的に、電極２０に接する半導体部分はオーミックコンタクトの抵抗を低減する必要性からドープ濃度を高める必要がある。

特に、本発明の実施の形態のように、ストライプ両脇から電流注入する構造では、脇から注入されたキャリアを中央に導く目的のためにも、ドープ濃度を高めた層を用いる必要がある。しかし、ドープ濃度を高めて抵抗を低減しようとすると光の吸収損失が高くなり、レーザの効率が悪くなるという問題がある。

そこで、本発明においては、分布ブラッグ反射鏡１２による反射を伝搬定数整合に用いるため、干渉により利得半導体導波路１０を伝搬するモードに節と腹が生じる。そのため、高濃度ドープ層２３をモードの節に配置することにより、高濃度ドープ層２３の吸収を抑えつつ、抵抗を低減することが可能になる。なお、ドープ領域１３もモードの節に配置するように膜厚を調整する。

一方で、図４（ｂ）に示す従来の回折格子を用いた構造では、モードに節が存在しないため、高濃度ドープ層２３による吸収を避けることが不可能である。この結果として、本発明と従来例との間にはｐ型クラッド層の抵抗値と内部損失のトレードオフ関係に著しい違いが生じる。

図５は、ｐ型クラッド層の抵抗値とｐ型クラッド層による内部損失のトレードオフ関係説明図であり、図５（ａ）は本発明の実施の形態におけるトレードオフ関係の説明図であり、図５（ｂ）は従来の回折格子を用いた場合のトレードオフ関係の説明図である。なお、ここでは、素子長を２ｍｍとし、光閉込係数を１．４％、左右の電極２０の間隔を６μｍ、高濃度ドープ層としてのｐ^＋型クラッド層の濃度を１×１０^２０ｃｍ^−３とし、ｐ^＋型クラッド層の膜厚を１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍの３つの例を示している。また、プロットした点は、ｐ^＋型クラッド層の間のｐ⁻型クラッド層の不純物濃度を１，２，３，・・・１０×１０^１７ｃｍ^−３と変化させた場合を示している。

図５（ａ）に示すように、本発明の実施の形態においては、図５（ｂ）に示す従来例に比べてクラッド層の抵抗値を低くしても内部損失が大幅に低減していることがわかる。したがって、ＤＢＲを用いた本発明の実施の形態において、電極形成用半導体層１７に設ける高濃度ドープ層２３の位置を発振基本光のモードの節に一致させることによって、発振基本光の発生の際の効率に大きな効果を及ぼすことが分かる。

なお、透明部材４０は積層構造とすることが望ましく、少なくともその主要部を、Ａｌ_２Ｏ_３の熱抵抗率と同じか或いはそれより小さな熱抵抗率の部材により形成することが望ましい。それによって、注入電流の変化に伴う利得半導体導波路１０の温度変化に非線形光学結晶導波路３０の温度変化を追随させることができ、両者の温度差発生による発振基本光の波長と二次高調波の位相整合波長に差が発生することを回避することができる。

また、透明部材４０の少なくとも一部は、利得半導体導波路１０の屈折率温度係数より小さな屈折率温度係数の部材とすることが望ましく、発振基本光の波長の温度係数を非線形光学結晶導波路３０の位相整合波長の温度係数と一致させることが可能になる。典型的には、利得半導体導波路１０側からＴｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＮ構造とする。

また、非線形光学結晶導波路３０はストライプ状の透明部材４０の両脇から離れた位置に設けた接着剤により利得半導体導波路１０に対して接着されることによって、透明部材４０に対して密着している。

本発明の実施の形態の伝搬定数整合構造により、利得半導体導波路と非線形光学結晶導波路とを重ね合わせた構造のコストメリット、サイズメリットを持ちながら、高速な直接変調が可能で高い電力変換効率を持つ二次高調波光源を実現することが可能となる。その結果、緑色レーザにより制限されていた、モバイルプロジェクタの実現が可能になる。

以上を前提として、次に、図６乃至図１２を参照して、本発明の実施例１のハイブリッド二次高調波光源を説明する。まず、図６（ａ）に示すように、厚さが３５０μｍのｎ型ＧａＡｓ基板５１上にアンドープのＡｌ_０．９Ｇａ_０．１ＡｓとアンドープのＧａＡｓを交互に３０対積層して厚さが６．４μｍのＤＢＲ５２を形成する。次いで、下部電極形成層となる不純物濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＧａＡｓ層５３を１００ｎｍの厚さに堆積させる。

次いで、厚さが４３ｎｍのｎ型ＧａＡｓ光閉込層５４を積層したのち、バリア層となるＧａＡｓとウエル層となるＩｎ_０．２４Ｇａ_０．７６Ａｓとをウエル層が３層になるように交互に堆積して多重量子井戸活性層５５を形成する。この時、緑色である５３０ｎｍの２倍の波長である１０６０ｎｍの基本光発振が可能な圧縮量子井戸となるように、膜厚を調整する。

次いで、厚さが９３ｎｍのｐ型ＧａＡｓ光閉込層５６を形成したのち、不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３のｐ⁻型ＧａＡｓ層５７を介して厚さが１０ｎｍで、不純物濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３のｐ^＋型Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層５８を堆積する。次いで、不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３のｐ⁻型ＧａＡｓ層６０と不純物濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３で厚さが１０ｎｍのｐ^＋型ＧａＡｓ層６１を交互に３層ずつ積層して上部電極形成層５９を形成する。

この時、干渉により利得半導体導波路を伝搬するモードに生ずる節の位置にｐ^＋型ＧａＡｓ層６１が位置するようにｐ⁻型ＧａＡｓ層６０等の膜厚を調整する。また、ｎ型ＧａＡｓ層５３も利得半導体導波路を伝搬するモードの節に配置するように膜厚を調整する。

次いで、図６（ｂ）に示すように、上部電極形成層５９乃至ｎ型ＧａＡｓ光閉込層５４を幅が１２μｍになるようにストライプ状にエッチングしてストライプ状メサを形成する。

次いで、図７（ｃ）に示すように、Ｎ_２ガスをキャリアガスとして水蒸気を導入して４００℃で１０分間熱処理することによって、ｐ^＋型Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層５８の露出側面から内部に向けて５μｍ程度酸化することによって自己酸化膜６２を形成する。

次いで、図７（ｄ）に示すように、リフトオフ法を用いてｎ型ＧａＡｓ層５３の両側に間隔が１６μｍになるようにｎ側電極６３を形成する。

次いで、図８（ｅ）に示すように、スパッタ法を用いて厚さが１５０ｎｍのＴｉＯ_２膜６５、厚さが１．２μｍのＡｌ_２Ｏ_３膜６６及び厚さが５０ｎｍのＳｉＮ膜６７を順次堆積させた後、幅が２μｍのストライプ状に加工して光結合部材６４を形成する。ＴｉＯ_２は屈折率の温度係数が小さく、利得半導体導波路の屈折率の温度係数を非線形光学結晶導波路の屈折率の温度係数に近付けるために有効である。また、Ａｌ_２Ｏ_３は屈折率が小さく、クラッド材料として適している上に、熱伝導係数が高く、利得半導体導波路と非線形光学結晶導波路の間の温度差を低減するのに有効である。また、ＳｉＮはＡｌ_２Ｏ_３より屈折率が高く、ＬｉＮｂＯ_３より屈折率が低いので、非線形光学結晶導波路を伝搬するモードの面内の閉じ込めを行うリッジ材料として有効である。

次いで、図８（ｆ）に示すように、ＳｉＯ_２膜６８を堆積したのちエッチングにより上部電極形成層５９を露出させ、次いで、リフトオフ法を用いて上部電極形成層５９の表面の両側に間隔が６μｍになるようにｐ側電極６９を形成する。

次いで、ｎ型ＧａＡｓ基板５１を１００μｍまで研磨したのち、へき開により端面を形成し、図９（ｇ）に示すように、一方の端面に誘電体多層膜からなる反射膜７０を形成するとともに、他方の端面に誘電体多層膜からなる反射防止膜７１を形成することで、光結合部材６４を備えた利得半導体導波路が完成する。なお、図９（ｇ）は光軸方向に沿った側断面図である。

一方、図９（ｈ）に示すように、ＹカットＬｉＮｂＯ_３平板７３の一方の面に厚さが０．５μｍのＳｉＯ_２膜７４をコーティングしたのち、厚さが５００μｍのＬｉＮｂＯ_３基板７２に厚さが１μｍの接着剤７５により貼り付ける。次いで、研磨することにより、ＹカットＬｉＮｂＯ_３平板７３の厚さを０．３μｍにする。なお、この場合のＳｉＯ_２膜７４は接着剤７５により、ＹカットＬｉＮｂＯ_３平板７３の導波モードに損失を与えることを防止するために設ける。

次いで、一方の端面に誘電体多層膜からなる反射膜７６を形成するとともに、他方の端面に誘電体多層膜からなる反射防止膜７７を形成することで非線形光学結晶導波路が完成する。なお、ＹカットＬｉＮｂＯ_３平板７３は分極反転を施して１μｍ帯にて疑似位相整合がなされたものであり、ＴＥ偏光で発振する基本光に対する二次高調波変換を可能とする。

次いで、図１０に示すように、紫外線硬化樹脂を接着剤７８として用いて非線形光学結晶導波路のＹカットＬｉＮｂＯ_３平板７３側を下側にして、利得半導体導波路に接着する。この時、非線形光学結晶導波路の反射防止膜７７が、利得半導体導波路の反射膜７０の端面から５０μｍだけ張り出すように位置合わせする。このように、出射端面側を張り出すようにすることで、張り出した部分には光閉じ込め構造とはならないので、窓構造が形成されて端面反射はより低減される。なお、図１０（ｉ）は光軸方向に沿った側断面図である。

本発明の実施例１においては、ストライプ状の光結合部材を介して利得半導体導波路と非線形光学結晶導波路を方向性結合する際に、利得半導体導波路の基板側にＤＢＲを設けているので、活性層への電流注入を高効率で行う構造を形成することができる。

この本発明の実施例１においては、図３で示したように、基本光は方向性結合により利得半導体導波路と非線形光学結晶導波路との間を１周回の間に３往復し、その間に変換された二次元高調波は、非線形光学結晶導波路の反射防止膜を形成した端面から出射される。実施例１においては、半導体上面にｐ側電極及びｎ側電極を形成しているが、ｎ型のＧａＡｓ基板を使用しているので、その上のＤＢＲをｎ型にドープして、ｎ側電極を基板の裏面から取り出すようにしても良い。

図１１乃至図１２は、非線形光学結晶導波路と利得半導体導波路とを結合させる場合の端面コーティングの変形例の説明図である。図１１（ａ）乃至図１２（ｄ）のいずれの変形例でも同様な効果が期待できる。例えば、全ての利得半導体導波路の少なくとも片端面を基本光に対して反射防止構造（ＡＲコート及びそれ相当の構造）とすることで、非線形光学結晶導波路に結合しない波長での発振を抑制する。なお、図におけるＨＲ及びＡＲはそれぞれ反射膜及び反射防止膜（及び、それ相当の構造）を表す。

また、図１１（ａ）或いは図１２（ｄ）に示すように、非線形光学結晶導波路の端面が利得半導体導波路の端面より引込む構造は、非線形光学結晶導波路の端面を二次高調波に対して高反射率膜にしたい場合に適する。

図１２（ｃ）の場合には、非線形光学結晶導波路の左端を基本光に対する反射膜としているので、図１０の場合には、非線形光学結晶導波路の左端から放出されていた基本光がフィードバックされて、発振に対する波長条件がより緩和される。特に、方向性結合の結合波長に分布がある場合に、波長を安定化する効果がある。

次に、図１３を参照して、本発明の実施例２のハイブリッド二次高調波光源を説明するが、ＹカットＬｉＮｂＯ_３平板に対する分極反転の状態が異なるだけで、他の構造は上記の実施例１と全く同じであるので、分極反転の状態のみを説明する。

図１３は本発明の実施例２のハイブリッド二次高調波光源の構成説明図であり、図１３（ａ）は分極反転パターンの説明図であり、図１３（ｂ）は接着固定状態の断面図である。図１３（ａ）に示すように、図の上下に切った断面では分極反転が周期的になっているが、その周期が左から右に行くに従って徐々に大きくなる。

このパターンを用いれば、図１３（ｂ）に示すように、非線形光学結晶導波路を接着固定する際に、図の左右方向に位置をずらすことによって、位相調整波長を調節することが可能になる。これは、基本光の発振波長ばらつきが存在する際に、その波長に位相調整波長を合わせてばらつきを補償することを可能にする。

なお、ＹカットＬｉＮｂＯ_３平板７３の位置調整は、利得半導体導波路に電流注入をして基本光発振をさせながら非線形光学結晶導波路で緑色に変換された光パワーをモニタし、モニタした光パワーが最大化するように合わせることにより実現ができる。

ここで、実施例１及び実施例２を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）下部に分布ブラッグ反射鏡を有するとともに利得半導体導波路と前記利得半導体導波路に近接配置されて方向性結合する非線形光学結晶導波路とを有し、前記利得半導体導波路の一方の端面と前記非線形光学結晶導波路の一方の端面とをレーザ共振器用反射面とするとともに、前記非線形光学結晶導波路の他方の端面を前記非線形光学結晶導波路で発生した二次高調波の出射面としたことを特徴とするハイブリッド光デバイス。
（付記２）前記非線形光学結晶導波路の他方の端面を、低反射膜コーティング、斜め端面、或いは、窓構造の少なくとも一つを施したことを特徴とする付記１に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記３）前記利得半導体導波路及び前記非線形光学結晶導波路がスラブ導波路構造であり、前記利得半導体導波路及び前記非線形光学結晶導波路との間に前記利得半導体導波路及び前記非線形光学結晶導波路とを方向性結合するストライプ状の透明部材を有することを特徴とする付記１または付記２に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記４）前記透明部材の少なくとも主要部が、Ａｌ_２Ｏ_３の熱抵抗率と同じか或いはそれより小さな熱抵抗率の部材からなることを特徴とする付記３に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記５）前記透明部材の少なくとも一部が、前記利得半導体導波路の屈折率温度係数より小さな屈折率温度係数の部材からなることを特徴とする付記３または付記４に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記６）前記透明部材は、前記利得半導体導波路の表面に直接成膜した薄膜からなるとともに、前記非線形光学結晶導波路の表面とは、前記透明材料の両脇から離れた位置に設けた接着材による接着力により密着していることを特徴とする付記３乃至付記５のいずれか１に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記７）前記ストライプ状の透明部材の両脇の前記利得半導体導波路の表面の電極形成用半導体層に一導電型側の電極を設け、前記分布ブラッグ反射鏡の反射による干渉で生じる発振基本光の節の位置と前記利得半導体導波路の表面とが一致していることを特徴とする付記３乃至付記６のいずれか１に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記８）前記分布ブラッグ反射鏡の反射による干渉で生じる発振基本光の複数の節の中の前記利得半導体導波路の表面に位置するもの以外の位置における前記電極形成用半導体層のドープ濃度を高くしたことを特徴とする付記７に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記９）少なくとも前記電極形成用半導体層と前記利得半導体導波路の活性層とをストライプ状メサ構造とし、前記電極形成用半導体層と前記活性層との間にメサ側面から一定距離までを酸化させた電流狭窄電構造形成層を有することを特徴とする付記８に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記１０）前記非線形光学結晶導波路に設けた疑似位相整合用分極反転周期が、前記非線形光学結晶導波路のスラブ導波路面内において、光の進行方向に垂直な方向に変化させた構造であることを特徴とする付記３乃至付記９のいずれか１に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記１１）前記利得半導体導波路の一方の端面と前記非線形光学結晶導波路の一方の端面との間の共振器長さにおいて、前記利得半導体導波路と前記非線形光学結晶導波路との間で方向性結合による前記発振基本光のやりとりが複数回起こることを特徴とする付記１乃至付記１０のいずれか１に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記１２）前記分布ブラッグ反射鏡と前記活性層との間にドープ領域を設け、前記ドープ領域に逆導電型側の電極を接続したことを特徴とする付記１乃至付記１１のいずれか１に記載のハイブリッド光デバイス。
（付記１３）前記ドープ領域の位置が、分布ブラッグ反射鏡の反射による干渉で生じる発振基本光の節の位置と一致していることを特徴とする付記１２に記載のハイブリッド光デバイス。

１０利得半導体導波路
１１基板
１２分布ブラッグ反射鏡
１３ドープ領域
１４活性層
１５電流狭窄構造形成層
１６自己酸化物領域
１７電極形成用半導体層
１８電極
１９絶縁膜
２０電極
２１高反射率膜
２２反射防止膜
２３高濃度ドープ層
３０非線形光学結晶導波路
３１基板
３２非線形光学結晶
３３高反射率膜
３４反射防止膜
４０透明部材
５１ｎ型ＧａＡｓ基板
５２ＤＢＲ
５３ｎ型ＧａＡｓ層
５４ｎ型ＧａＡｓ光閉込層
５５多重量子井戸活性層
５６ｐ型ＧａＡｓ光閉込層
５７ｐ⁻型ＧａＡｓ層
５８ｐ^＋型Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層
５９上部電極形成層
６０ｐ⁻型ＧａＡｓ層
６１ｐ^＋型ＧａＡｓ層
６２自己酸化膜
６３ｎ側電極
６４光結合部材
６５ＴｉＯ_２膜
６６Ａｌ_２Ｏ_３膜
６７ＳｉＮ膜
６８ＳｉＯ_２膜
６９ｐ側電極
７０，７６反射膜
７１，７７反射防止膜
７２ＬｉＮｂＯ_３基板
７３ＹカットＬｉＮｂＯ_３平板
７４ＳｉＯ_２膜
７５，７８接着剤
８１単一波長半導体レーザ
８２基本光
８３レンズ
８４非線形光学結晶
８５二次高調波
９１凹面鏡
９２ミラー付き半導体利得媒質
９３ミラー
９４非線形光学結晶
９５励起用レーザ
９６レンズ
９７帯域通過フィルタ
９８フィルタ
１０１治具
１０２非線形光学結晶導波路
１０３基板
１０４導波路
１０５，１０６誘電体多層膜
１０７回折格子
１０８半導体レーザ
１０９下部クラッド層
１１０活性層
１１１上部クラッド層
１１２，１１３誘電体多層膜
１１４，１１５，１１６電極

Claims

下部に半導体多層膜からなる分布ブラッグ反射鏡を有する利得半導体導波路と
前記利得半導体導波路の上部に近接配置されて方向性結合する非線形光学結晶導波路と
を有し、
前記分布ブラッグ反射鏡の法線方向が前記非線形光学結晶導波路における光の伝搬方向と直交する方向であり、且つ、前記分布ブラッグ反射鏡により前記利得半導体導波路の伝搬定数βを小さくして前記非線形光学結晶導波路との伝搬定数整合を行い、
前記利得半導体導波路の一方の端面と前記非線形光学結晶導波路の一方の端面とをレーザ共振器用反射面とするとともに、
前記非線形光学結晶導波路の他方の端面を前記非線形光学結晶導波路で発生した二次高調波の出射面としたことを特徴とするハイブリッド光デバイス。
前記利得半導体導波路及び前記非線形光学結晶導波路がスラブ導波路構造であり、
前記利得半導体導波路及び前記非線形光学結晶導波路との間に前記利得半導体導波路及び前記非線形光学結晶導波路とを方向性結合するストライプ状の透明部材を有することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド光デバイス。
前記ストライプ状の透明部材の両脇の前記利得半導体導波路の表面の電極形成用半導体層に一導電型側の電極を設け、
前記分布ブラッグ反射鏡の反射による干渉で生じる発振基本光の節の位置と前記利得半導体導波路の表面の位置とが一致していることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド光デバイス。
前記分布ブラッグ反射鏡の反射による干渉で生じる発振基本光の複数の節の中の前記利得半導体導波路の表面に位置するもの以外の位置における前記電極形成用半導体層のドープ濃度を高くしたことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド光デバイス。
前記非線形光学結晶導波路に設けた疑似位相整合用分極反転周期が、前記非線形光学結晶導波路のスラブ導波路面内において、光の進行方向に垂直な方向に変化させた構造であることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のハイブリッド光デバイス。