JP6018525B2 - 波長変換素子および波長変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子および装置に関するものである。

青色レーザはGaN系の半導体材料により商品化され、ディスプレイ用光源として既に実用化されている。現在は、GaN系半導体レーザで発振波長の長波長化が進められ、緑色帯近くまでレーザ発振が確認されつつある。しかしながら、商品化されている青色レーザを含め、GaN系半導体レーザは消費電力が大きいという課題を有する。
一方、波長変換素子を用いたレーザは、組立の部品点数が多くなるが、消費電力が小さく、また、導波路から出力されるビーム品質も良好なため、GaN系半導体レーザと同一な光出力であっても、光の利用効率が高いという利点を有する。また、波長が安定していることから、計測用途には低雑音の測定ができるという特長を有する。

波長変換素子に使用する非線形効果を有する結晶としては、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶がある。これらの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）デバイスを実現することができる。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、ディスプレイ用途のみならず光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等に適した波長に比較的自由に設計することができ、幅広い応用が可能である。

擬似位相整合による波長変換では、非線形グレーティングにより位相整合条件を擬似的に成立させ、波長変換素子の長さの２乗に比例して高い変換効率を実現できる。しかし、グレーティングの作用長に反比例して、位相整合条件を満足させる波長許容度の幅が減少する。例えば、波長変換素子の長さ１０ｍｍのＬｉＮｂＯ3を用いた擬似位相整合型のＳＨＧ素子において、波長８５０ｎｍの光を波長４２５ｎｍの第２高調波に変換する場合を例にとると、分極反転の周期は約３．２μｍとなる。このとき、擬似位相整合条件を成立させるための基本波の波長許容度は、半値全幅で０．１ｎｍ以下となる。この値は、安定な波長変換を行う場合には非常に厳しい値であり、周辺温度などの環境変化により、出力が不安定になるという問題があった。

この問題を解決するため、特許文献１（特開２０００−３２１６１０）では、分極反転の周期をチャープ状に変化させることで、位相整合波長の許容度を拡大している。具体的には、分極反転の周期を距離に比例して増大させる線形チャープ構造により、位相整合波長の許容幅の増大が可能である。

特開２０００−３２１６１０

本発明者は、固体レーザ発振体に対してファイバグレーティングを光学的に結合して外部共振器とした光源を基本波の光源として用い、高効率で高調波を発振させることを試みていた。この場合には、ファイバグレーティングを用いることで基本波の波長幅を精密に制御して基本波の波長ズレを極力低減した。これと共に、周期分極反転構造の周期の精度を向上させることで、高い波長変換効率を達成することを試みた。基本波の波長ズレが抑制されていることによって、周期の製造精度を向上させて位相整合波長幅を小さくしても、ピークアウトによる高調波発生効率の低下や不安定を抑制できるはずであった。

しかし、実際に試作してみると、やはり高調波の発振出力に経時的に変動が生ずることがあった。本発明者がこの原因を検討した結果、出力変動の原因は、前記した位相整合波長の微細なズレではなく、基本波波長と少し離れた波長の戻り光の発振であった。

本発明の課題は、高効率で波長変換光を発振させたときに、戻り光の帰還に起因する出力変動を抑制することである。

本発明は、固体レーザ発振体およびファイバグレーティングからなる外部共振器から発振された基本波の波長を変換して波長変換光を発振する周期分極反転構造を有する波長変換素子であって、周期分極反転構造が、交互に形成された分極反転部と非反転部とによって構成されており、周期分極反転構造が、周期分極反転構造からの戻り光を抑制するデューティ比変動部分を含み、かつ、前記周期分極反転構造の周期が前記波長変換素子内で同一であることを特徴とする。

また、本発明に係る波長変換装置は、前記波長変換素子、固体レーザ発振体、およびこの固体レーザ発振体と外部共振器を構成し、基本波を発振するファイバグレーティングを備えていることを特徴とする。

本発明者は、例えば、図２に示すように波長９７６ｎｍの基本波Ｔを波長変換素子に入射させたとき、波長約９９２ｎｍの戻り光Ｎが発振して光源側に帰還し、発振出力の変動を引き起こしていることを見いだした。この戻り光の波長は、位相整合波長からは外れており、位相整合波長のピークアウトをもたらすようなものではなく、未知のものであった。本発明者は、この未知な戻り光の発生要因を調べるため、周期構造を持たない素子を使用して波長特性を計測してみた。その結果、ファイバグレーティングで固定化した波長９７６ｎｍのみ観測され、９９２ｎｍの発振は確認されなかった。また、波長９７６ｎｍには位相整合しないが、分極反転周期の異なる別の波長変換素子を使用して同様な計測をしたところ、９９２ｎｍとは別の波長で戻り光が確認された。これらのことから、この戻り光の発生要因は、波長変換素子の分極反転の周期構造によるものと考えた。

本発明者は、この戻り光による出力変動を低減するために種々検討した結果、周期分極反転構造にデューティ比変動部分を設けることによって、例えば図７に示すように戻り光が顕著に低減され、出力変動が抑制させることを見いだし、本発明に到達した。

高調波発生装置を示す模式図である。 一実施形態における基本波Ｔおよび戻り光Ｎを示すチャートである。 周期分極反転構造においてデューティ比が５０％で一定の例を示す模式図である。 周期分極反転構造においてデューティ比が変動する例を示す模式図である。 周期分極反転構造においてデューティ比が変動する例を示す模式図である。 周期分極反転構造においてデューティ比が単純増加する例を示す模式図である。 戻り光Ｎが抑制された例を示すチャートである。 実施例２で得られたチャートである。

図１は、本発明の一実施形態に係る高調波発生装置を模式的に示すブロック図である。光源１は、固体レーザ発振源２とファイバグレーティング３とを備えている。固体レーザ光源２からレーザ光Ａを発振させる。レーザ光Ａは、ファイバ４に入射し、導光し、ファイバグレーティング３に入射する。ここでレーザ光は波長選択を受け、コヒーレント性の極めて高い基本波が出射する。基本波Ｂは光学系５によって集光され、波長変換素子９の波長変換部１０の一方の端面１０ａに入射する。

本例では、波長変換素子９は強誘電体基板からなっており、基板内に周期分極反転構造８が形成されている。本例では、波長変換素子９の変換部１０の一方の端面１０ａから他方の端面１０ｂまで周期分極反転構造８が形成されている。端面１０ａに入射した基本波Ｂは、変換部１０内を伝搬しながら波長変換光を発生させる。そして、基本波Ｃおよび波長変換光Ｄは、出射面１０ｂから外部へと出射される。

ここで、図３に示すように、周期分極反転構造８は、分極反転部分８ａと非反転部分８ｂとが交互に多数形成されている。ここで、光の伝搬方向に見たときに、分極反転部８ａの幅と非反転部８ｂの幅との合計が反転周期Ｐであり、分極反転部８ａの幅をＩとすると、Ｉ／Ｐをデューティ比と呼ぶ。デューティ比Ｉ／Ｐは、５０％であり、一定であった。

ここで、本発明者は、発振効率を高くするために、周期Ｐを一定値に可能な限り近づけることを試みていた。しかし、製造精度が向上すると、図２に示すように、基本波Ｔと少し離れた位置に戻り光Ｎが発生し、これによって高調波Ｄの発振強度が変動することが判明した。

そこで、例えば図４に示すように、周期Ｐは一定としつつ、デューティ比Ｉ／Ｐを滑らかに変化させ、デューティ比変動部分としてみた。この結果、例えば図７に示すように、不要な戻り光Ｎが抑制され、高調波の出力変動が抑制されることを見いだした。

ここで、デューティ比変動部分は、戻り光Ｎを抑制する効果を有していたが、基本波の波長ズレが少ないので、位相整合波長のピークアウトによる出力低下を抑制するものではない。

固体レーザ発振体としては、高い信頼性を有するＧａＡｓ系やＩｎＰ系材料によるレーザが好適である。例えば、緑色レーザの場合は、波長１０６４ｎｍ付近で発振するＧａＡｓ系のレーザを用いることになる。ＧａＡｓ系やＩｎＰ系のレーザは信頼性が高いため、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。

本発明では、一定波長の基本波を発生させる方法は、波長を固定できれば限定されず、固体レーザ発振体にブラッググレーティングが集積されたＤＢＲレーザなどであってもよい。ただし、本発明は、ファイバグレーティングを使用した場合に特に有用である。

ファイバグレーティングとは、光ファイバのコア部に周期的な屈折率変化を形成したものである。本発明で使用しているファイバグレーティングは、固体レーザ発振体の励振波長を安定化するために、その波長光のみを選択的に反射する反射フィルタとして機能するものである。

ファイバグレーティングはグレーティングの設計により、反射率を強めたり、反射させる波長帯域を広げたりするなど調整することができる。反射率を強めれば、外部からの反射による影響を小さくすることができ、固体レーザ発振体の波長を安定化させることができる。しかしながら、反射率を高くすればするほど、取り出しの出力が低下するため、結果として、大きな波長変換光が得られなくなる。従い、大きな波長変換光を得られるようにするには、グレーティングの反射率をあまり高くすることはできない。

本発明では、周期分極反転構造にデューティ比変動部分が設けられている。これについて図３〜図６を参照しつつ説明する。

まず、デューティ比とは、素子中における光の伝搬方向に見たときの、反転周期Ｐに対する分極反転部８ａの幅Ｉの割合（Ｉ／Ｐ）のことである。反転周期Ｐとは、分極反転部８ａの幅Ｉと非反転部８ｂの幅との合計値である。デューティ比変動部分とは、反転周期Ｐに対する反転部の幅の割合Ｉ／Ｐが所定範囲内で変化する部分のことを意味している。

好適な実施形態においては、デューティ比変動部分が、周期が単調増加する単調増加部分と、周期が連続的に減少する単調減少部分とを有しており、両者が交互に配列される。この構造は、前述した戻り光の抑制に特に効果的であり、かつ波長変換光の発振強度も大きくできる。

例えば、図４の素子においては、Ｉ／Ｐには、単調増加部分ＬＵと単調減少部分ＬＤとが交互に設けられている。本例では、単調増加部分Ｕでは、Ｉ／Ｐが長さ方向の位置ｘに対して一次関数的に増加しており、単調減少部分ＬＤでは、Ｉ／Ｐが長さ方向の位置ｘに対して一次関数的に減少している。この結果、Ｉ／Ｐは、最大値Ｍａｘと最小値Ｍｉｎとの間で上下動する。

また、図５の例においては、Ｉ／Ｐには、単調増加部分ＬＵと単調減少部分ＬＤとが交互に設けられている。本例では、単調増加部分ＬＵでは、Ｉ／Ｐが長さ方向の位置ｘに対して正弦関数的に増加しており、単調減少部分ＬＤでは、Ｉ／Ｐが長さ方向の位置ｘに対して正弦関数的に減少している。この結果、Ｉ／Ｐは、最大値Ｍａｘと最小値Ｍｉｎとの間で上下動する。

また、図６の例では、Ｉ／Ｐが、最小値Ｍｉｎから最大値Ｍａｘに向かって単調増加している。Ｉ／Ｐは入射側から出射側へと向かって単調減少していてもよい。

Ｉ／Ｐが単調増加する場合、単調減少する場合、それぞれ、素子の長さ方向の位置ｘに対して、一次関数的に増加、減少したり、正弦関数的に増加、減少していてよい。しかし、この関数は限定はされず、例えば、Ｉ／Ｐが、位置ｘに対して、二次関数的、三次関数的に増加、減少してよく、また円弧状に増加、減少してもよい。さらには、Ｉ／Ｐが、ｘに対して、離散的に増加、減少していてもよいが、波長変換光の発振効率を向上させるという観点からは、Ｉ／Ｐが単調に増加、減少していることが好ましい。

Ｉ／Ｐの最大値をＭａｘとしたとき、戻り光を抑制するという観点からは、Ｍａｘは０．５２以上が好ましく、０．５５以上が更に好ましい。また、Ｍａｘは、波長変換光の発振強度を大きくするという観点からは、０．７以下が好ましく、０．６以下が更に好ましい。同様に、Ｉ／Ｐの最小値をＭｉｎとしたとき、戻り光を抑制するという観点からは、Ｍｉｎは０．４８以下が好ましく、０．４５以下が更に好ましい。また、Ｍｉｎは、波長変換光の発振強度を大きくするという観点からは、０．３以上が好ましく、０．４以上が更に好ましい。

周期Ｐは、目的とする位相整合波長および材質の屈折率によって決定されるものであるので限定されなが、波長８１０ｎｍで位相整合させる場合には周期の平均値ＰＯは２．７〜２．８ｕｍであることが好ましく、波長１０６４ｎｍで位相整合させる周期の平均値ＰＯは６．５〜６．７ｕｍであることが好ましく、波長１５５０ｎｍで位相整合させる場合には周期の平均値ＰＯは１７．４〜１７．８ｕｍであることが好ましい。位相整合波長と周期の平均値ＰＯの関係は略線形増加の関係を有している。

周期分極反転構造は、素子の全長にわたって形成されていてよく、あるいは素子の一部にのみ形成されていてよい。また、デューティ比変動部分は、周期分極反転構造の全長を占めていてよいが、一部を占めるだけであってもよい。デューティ比変動部分が周期分極反転構造の一部を占めている場合、残りはデューティ比一定であることが好ましい。
基本波Ｔの波長と戻り光Ｎの波長との差は、通常は５ｎｍ以上、さらには１０ｎｍ以上である。また、この差は、通常は５０ｎｍ以下であり、好ましくは３０ｎｍ以下であり、さらには２５ｎｍ以下である。導波路の構造に依存するが、基本波Ｔの波長に対して、戻り光Ｎの波長は長波長側となることが多いが、製造上の要因などから、短波長側に発生することもある。

波長変換素子は、好ましくは第二高調波、第三高調波、第四高調波などの高調波発振素子であり、これらには本発明が原理的に適用可能であるが、これに限定されるものではなく、差周波発生、和周波発生用の波長変換素子にも適用可能である。

好適な実施形態においては、周期分極反転構造８が、素子９内のチャンネル型光導波路１０内に設けられている。特に好適な実施形態においては、光導波路がリッジ型の光導波路であり、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。

波長変換素子を構成する材質は、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。

好適な実施形態においては、波長変換素子を別体の支持基板に対して接合する。支持基体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。図示しない接着層の材質は、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。

（比較例）
図１および図３を参照しつつ説明した発振装置を作製した。
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９上に櫛状周期電極をフォトリソグラフィ法によって形成した。基板裏面に全面にわたって電極膜を形成したのち、パルス電圧を印加して周期分極反転構造８を形成した。

基板に周期分極反転構造を形成した後、厚さ０．４μｍのＳｉＯ２アンダークラッドをスパッタ法によって成膜した。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３．５μｍとなるまで研削、研磨した。そして、レーザアブレーション加工法により、リッジ型導波路１０を形成した。レーザアブレーションにより溝加工したリッジ導波路の両端の掘り込み量は２．３umで、リッジ上部の幅5.2umとした。

ただし、長さ8mmの素子内で、周期Ｐを一定周期ＰＯ＝５．０８μｍとした。光導波路の形成後、ダイサーで長さ約１２ｍｍ、幅０．７ｍｍサイズで切断し、さらにこの素子を定盤および治具にセットし、両端面を研磨し、研磨面を形成した。次いで、端面上に反射防止膜を形成した。

また、固体レーザ発振器２およびファイバグレーティング３は、以下のものとした。固体レーザ共振器２には波長９８０ｎｍ付近で発振するＧａＡｓ系の半導体レーザを使用した。ファイバグレーティング３には、反射波長が９７６ｎｍ、反射率が３％のものを使用した。

図１に示す各部品および波長変換素子を光軸調整し、樹脂によって固定した後に装置内に実装した。

ファイバグレーティング３により光源１から波長９７６ｎｍの基本波が安定的に発振するように制御し、波長変換素子に出力約８０ｍＷの光を入射させた結果、位相整合し、波長４８８ｎｍの第二高調波が発振した。この出力は、最大１１ｍＷ程度であったが、経時的に大きく変動し、安定しなかった。

（実施例１）
比較例と同様に発振装置を作製した。
比較例と同じく、分極反転周期Ｐは５．０８μｍとした。しかし、Ｉ／Ｐは、最大値０．６と最小値０．４との間で、図４に示すように三角波状に２ｍｍの間隔で増加、減少させた。

比較例と同様、素子に出力約８０ｍＷの光を入射させた結果、位相整合し、波長４８８ｎｍの第二高調波が発振した。この出力は、平均して９ｍＷ程度であった。比較例に比べて僅かに最大出力は低下したが、出力は安定した。また、この波長変換素子の設計では、素子からの反射が抑制されており、励起光以外の波長の発振が観測されなかった。

（実施例２）
実施例１と同じく、分極反転周期Ｐは５．０８μｍとした。Ｉ／Ｐは、最大値０．５３と最小値０．４７との間で、図４に示すように三角波状に２ｍｍの間隔で増加、減少させた。

実施例１と同様に、素子に出力約８０ｍＷの光を入射させた結果、位相整合し、波長４８８ｎｍの第二高調波が発振し、出力は平均して１０．３ｍＷ程度であった。比較例に比べて僅かに最大出力は低下したのみであり、出力も安定した。但し、この波長変換素子の設計においては、図８に示すように、素子からの反射が僅かに生じている結果が見られた。しかし、反射光量が微小であるため、ほとんどの用途には使用可能である。

（実施例３）
実施例１と同じく、分極反転周期Ｐは５．０８μｍとした。Ｉ／Ｐは、最大値０．７と最小値０．３との間で、図４に示すように三角波状に２ｍｍの間隔で増加、減少させた。

実施例１と同様に、素子に出力約８０ｍＷの光を入射させた結果、位相整合し、波長４８８ｎｍの第二高調波が発振し、出力は平均して５．５ｍＷとなり、比較例に対して半減してしまったが、出力は安定したものが得られた。素子からの反射は全く見られなかった。

デューティ比を深く変調させると、効率が低下するため、ＳＨＧの効率の観点からはＩ／Ｐは最大値０．６と最小値０．４の間とするのが好ましい。

Claims (4)

1. 固体レーザ発振体およびファイバグレーティングからなる外部共振器の前記ファイバグレーティングから発振された基本波の波長を変換して波長変換光を発振する周期分極反転構造を有する波長変換素子であって、前記周期分極反転構造が、交互に形成された分極反転部と非反転部とによって構成されており、前記周期分極反転構造が、戻り光を抑制するデューティ比変動部分を含み、かつ、前記周期分極反転構造の周期が前記波長変換素子内で一定であることを特徴とする、波長変換素子。
2. 前記基本波の波長と前記戻り光の波長との差が５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の素子。
3. 前記デューティ比変動部分が、デューティ比が単調増加する単調増加部と、デューティ比が単調減少する単調減少部とを備えており、前記単調増加部と前記単調減少部とが交互に設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の波長変換素子、
   固体レーザ発振体、および
   この固体レーザ発振体と外部共振器を構成し、前記基本波を発振するファイバグレーティングを備えていることを特徴とする、波長変換装置。
   

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