JPH05273624A

JPH05273624A - 光波長変換素子およびそれを用いた短波長レーザ光源および短波長レーザ光源を用いた光情報処理装置および光波長変換素子の製造方法

Info

Publication number: JPH05273624A
Application number: JP4252439A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Yamamoto; 和久山本; Kiminori Mizuuchi; 公典水内
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-01-27
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1993-10-22
Anticipated expiration: 2015-04-24
Also published as: DE69312110T2; US5515471A; DE69312110D1; EP0556599B1; US5373575A; EP0556599A1; JP3036255B2

Abstract

(57)【要約】【目的】非線形光学効果を用いた光波長変換素子等に
関するもので光導波路の表面に非線形性劣化層を設け基
本波のＴＭ₀₀モードより高調波のＴＭ₁₀モードへの変換
を高効率で行う。また光損傷の影響を低減し高調波を安
定に出力する。【構成】 LiTaO₃基板１に周期状分極反転層３を形成し
た後、プロトン交換により表面にスラブ状の非線形性劣
化層を形成する。その後アニール処理により光導波路２
を製造する。このようにして基本波Ｐ１のＴＭ₀₀モード
から高調波Ｐ２のＴＭ₁₀モードへ高効率変換を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コヒ−レント光を利用
する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野に使
用する光波長変換素子および短波長レーザ光源および光
情報処理装置および光波長変換素子の製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図１７に従来の短波長レーザ光源の構成
を示す。半導体レーザ２１と光波長変換素子２２により
構成されており、半導体レーザ２１より出射された基本
波Ｐ１はレンズ２４，２５および半波長板２６を介して
光波長変換素子２２に形成されている光導波路２に入射
する。入射した基本波Ｐ１は光導波路中を最低次モード
であるＴＭ₀₀モードで伝搬し、高調波の最低次モードで
あるＴＭ₀₀モードに変換される。この高調波は光波長変
換素子より放射され短波長レーザビームとして使用され
る。

【０００３】図１８に従来の光導波路を基本とした光波
長変換素子の構成図を示す。以下0.84μｍの波長の基本
波に対する高調波発生（波長0.42μｍ）について図１８
を用いて詳しく述べる（K.Yamamoto, K.Mizuuchi, and
T.Taniuchi, Optics Letters, Vol 16, No15, 1156ペ
ージ, 1991年８月号、参照）。

【０００４】図１８に示されるようにLiTaO₃基板１に光
導波路２が形成され、さらに光導波路２には周期的に分
極の反転した層３（分極反転層）が形成されている。基
本波Ｐ１と発生する高調波Ｐ２の伝搬定数の不整合を分
極反転層３および非分極反転層４の周期構造で補償する
ことにより高効率に高調波Ｐ２を出すことができる。光
導波路２の入射面１０に基本波Ｐ１を入射すると、光導
波路２から高調波Ｐ２が効率良く発生され、光波長変換
素子として動作する。

【０００５】この従来の光波長変換素子の製造方法につ
いて図１９を用いて詳しく説明する。

【０００６】まず図１９(a)でLiTaO₃基板１に通常のフ
ォトプロセスとドライエッチングを用いてＴａ６を周期
状にパターニングした後、Ｔａ６のパターンが形成され
たLiTaO₃基板１に２６０℃、５０分間プロトン交換を行
いＴａ６で覆われていないスリット直下に厚み０．８μ
ｍのプロトン交換層７を形成する。次に同図（ｂ）で６
００℃の温度で１０分間熱処理する。熱処理の上昇レー
トは５０℃／分である。これにより周期状に分極反転層
３が形成される。プロトン交換層７はＬｉが減少してお
りキュリー温度がLiTaO₃基板１に比べて低下するため部
分的に分極反転を行うことができるからである。次にＨ
Ｆ：ＨＮＦ₃の１：１混合液にて２分間エッチングしＴ
ａ６を除去する。さらに上記分極反転層中にプロトン交
換を用いて光導波路を形成した後、同図（ｃ）で光導波
路用マスクとしてＴａをストライプ状にパターニングを
行うことでＴａマスクに幅４μｍ、長さ１２ｍｍのスリ
ットを形成する。このＴａマスクで覆われた基板に２６
０℃、１６分間プロトン交換を行い０．５μｍのプロト
ン交換層５を形成する。次に同図（ｄ）でＴａマスクを
除去した後３８０℃で１０分間熱処理を行う。プロトン
交換された保護マスクのスリット直下の領域は屈折率が
０．０３程度上昇した光導波路２となる。この場合光導
波路を作製するためのプロトン交換時にLiTaO₃の結晶性
が損なわれ非線形光学効果がなくなっていた。つまり最
初にプロトン交換された高屈折率層５が非線形光学効果
を失っていた。しかしながら、熱処理によりプロトン交
換層５は広がり光導波路２となり、その状態で非線形性
はほとんど回復する。

【０００７】この従来の方法により作製される光波長変
換素子は光導波路２中を伝搬する波長0.84μｍの基本波
Ｐ１の最低次モードであるＴＭ₀₀モードに対して、光導
波路２の長さを９ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを９９ｍＷ
にしたとき高調波Ｐ２の最低次モードであるＴＭ₀₀モー
ドが出力２．４ｍＷ、変換効率２．４％で得られてい
た。この場合１Ｗ当りの換算変換効率は２４％／Ｗであ
る。

【０００８】図で上記光波長変換素子を用いて構成され
ている短波長レーザ光源として１００ｍＷの半導体レー
ザを用い７０ｍＷが光波長変換素子に入射し１．２ｍＷ
のブルー光が短波長レーザビームとして取り出された。

【０００９】次に、従来の他の実施例について図を用い
て説明する。この実施例では光導波路中で基本波のＴＭ
₀₀モードと高調波のＴＭ₁₀モードをカップリングさせる
ものである（光導波エレクトロニクス、日本学術振興
会、８８ページ参照）。

【００１０】図２０に光導波路断面の拡大図および基本
波と高調波のモードの電界強度分布を示す。また、同図
（ｂ）に光波長変換素子の光導波路での断面図を示す。

【００１１】図２０（ａ）に示すようにＴＭ₀₀モードは
厚み方向に電界のピークが一つである。これに対して、
ＴＭ₁₀モードは厚み方向に電界のピークが２つあり、な
おかつこのピークの位相が反転している。ガラス基板１
ｂ上に非線形光学結晶であるＺｎＳ２ａを形成した後、
スパッタ蒸着により非線形光学効果を有さないＴｉＯ ₂
による線形層９を装荷する。これにより基本波のＴＭ₀₀
モードと高調波のＴＭ₁ ₀モードへの変換が高効率で行う
ことができる。つまり線形層９がなく非線形光学結晶中
のみで基本波のＴＭ₀₀モードと高調波のＴＭ₁₀モードへ
の変換を行う場合、電界の＋Ｅ側と−Ｅ側で発生した高
調波のエネルギーの打ち消しが生じほとんど高調波はで
ないからである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のような非線形光
学結晶中に形成された光導波路を基本とした光波長変換
素子では基本波と高調波の最低次モード間の変換、つま
り具体的には基本波のＴＭ₀₀モードから高調波のＴＭ₀₀
モードへの変換を行う場合、光損傷により生じた屈折率
ゆらぎが引き起こす高調波出力の変動が生じるという問
題が見いだされた。図２１に光導波路断面での基本波の
ＴＭ₀₀モードおよび高調波のＴＭ₀₀モードの電界強度分
布および屈折率分布を示す。光損傷がない場合の通常の
状態では図２１（ａ）に示すように光導波路の部分の屈
折率はLiTaO₃基板に対して一様に高い。実際の屈折率分
布はグレーディドであるがここでは説明が簡単な区形分
布としている。光損傷は例えば０．４μｍ帯の短波長領
域で生じ易く、光の強度が高いところほど大きな屈折率
の低下が生じる現象である。高調波のＴＭ₀₀モードが発
生するとＴＭ₀₀モードの電界のピークを中心として屈折
率は低下する。逆に高調波のＴＭ₀₀モードの周辺の屈折
率は上昇する。そのため基本波のＴＭ₀₀モードが基板側
にずれて基本波と高調波のモードの重なりが低下し、そ
の結果として高調波出力が低下する。高調波出力が低下
すると徐々に光損傷は回復し元の状態に戻る。その後、
この関係を繰り返すため高調波出力は不安定になると考
えられる。具体的には３．５ｍＷの高調波が発生した場
合５０％の出力変動を生じた。

【００１３】また、従来のようにスパッタ等により非線
形光学結晶上に線形層を付加しＴＭ ₀₀モードより高調波
のＴＭ₁₀モードへの変換を行う場合スパッタにより形成
された層の膜厚が100nm程度ばらつき素子の膜厚に対す
る許容度10〜20nmをはるかに上回っていた。そのため高
い効率は得られていない。この例のように線形層を蒸
着、エピ等により堆積するものは一般的に不均一であり
同様の結果となる。

【００１４】そこで本発明では高出力な高調波を出力変
動なく安定に得ることが可能な光波長変換素子およびそ
の製造方法を提供することを目的とするものである。

【００１５】また、本発明では高出力な短波長レーザ光
を出力変動なく安定に得ることが可能な短波長レーザ光
源およびそれを用いた高性能な光情報処理装置を提供す
ることを目的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するため光波長変換素子の構造に新たな工夫を加え
ることにより高効率でなおかつ安定に高調波を出射する
光波長変換素子を提供するものである。つまり、本発明
は非線形光学結晶中に周期状に形成された分極反転層と
非線形性劣化層または再反転層と光導波路とを有し、前
記光導波路中に励起された基本波の最低次モードを高調
波の高次モードへと変換するという手段を有するもので
ある。

【００１７】また本発明は非線形光学結晶中に周期状分
極反転層を形成する工程と、プロトン交換法またはイオ
ン注入法により非線形性劣化層を形成する工程と、光導
波路を形成する工程と、を有することを特徴とする光波
長変換素子の製造方法という手段を有するものである。

【００１８】また、本発明は、短波長レーザ光源の構成
に新たな工夫を加えることにより高効率でなおかつ安定
に高調波を出射する短波長レーザ光源を提供するもので
ある。つまり、本発明の短波長レーザ光源は半導体レー
ザと光波長変換素子を備え前記半導体レーザからの基本
波を前記光波長変換素子中に形成された光導波路に入射
させ導波した基本波の最低次モードを光導波路中で高調
波の高次モードに変換し光導波路端面より出射させると
いう手段を有するものである。

【００１９】また本発明の光情報処理装置は半導体レー
ザと光波長変換素子を備えた短波長レーザ光源と情報記
録または再生媒体を有し前記光波長変換素子素子中に形
成された光導波路に半導体レーザからの基本波が入射し
光導波路中で発生した高調波の高次モードを光導波路端
面より出射させ空間中に放射された高調波を前記記録ま
たは再生媒体に入射させるという手段を有するものであ
る。

【００２０】

【作用】本発明の光波長変換素子によれば非線形光学結
晶表面に非線形性劣化層または再反転層を設けることで
高調波のＴＭ₁₀モードの＋Ｅ側と−Ｅ側の電界の打ち消
しを防ぎ、ＴＭ₁₀モードを高効率でなおかつ簡単に作り
出すことができる。高調波のＴＭ₁₀モードにより発生す
る屈折率変化はこのＴＭ₁₀モードの電界のピークが２つ
に分散しているためにＴＭ₀₀モードに比べて大幅に小さ
いことおよび屈折率の増減が基本波のＴＭ₀₀モードに対
して一様に分布することのため基本波の受ける影響は極
めて小さくなる。そのため、このような構成となる光波
長変換素子は高い高調波出力を保ったまま、光損傷によ
る変動を大幅に低減でき安定な高調波出力を得ることが
できる。

【００２１】また、本発明の短波長レーザ光源によれば
半導体レーザからの基本波を光波長変換素子中で最低次
モードから高調波の高次モードへと変換させることで高
調波のＴＭ₁₀モードにより発生する屈折率変化はこのＴ
Ｍ₁₀モードの電界のピークが２つに分散しているために
ＴＭ₀₀モードに比べて大幅に小さいことおよび屈折率の
増減が基本波のＴＭ₀₀モードに対して一様に分布するこ
とのため基本波の受ける影響は極めて小さくなる。その
ため、このような構成となる短波長レーザ光源は高い高
調波出力を保ったまま、光損傷による変動を大幅に低減
でき安定な短波長レーザ光を得ることができる。

【００２２】

【実施例】実施例の一つとして本発明の短波長レーザ光
源の構成について図を用いて説明する。図１に実施例の
短波長レーザ光源の構成を示す。半導体レーザ２１と光
波長変換素子２２により構成されており、半導体レーザ
２１より出射された基本波Ｐ１はレンズ２４，２５およ
び半波長板２６を介して光波長変換素子２２に形成され
ている光導波路２に入射する。また、それぞれの部品は
マウント２０に固定されている。入射した基本波Ｐ１は
光導波路２中を最低次モードであるＴＭ₀₀モードで伝搬
し、高調波の高次モードであるＴＭ₁₀モードに変換され
る。この高調波は光波長変換素子２２より放射され短波
長レーザビームとして使用される。このビームの一部を
ビームカット板３０を用いてカットしている。図２にビ
ームカット板３０の役割を説明するため短波長レーザ光
源の正面図およびビームの強度分布を示す。高調波Ｐ２
のビームは光導波路中で２つの強度に対するピークを持
ち、同じく空間に放射された後も図２に示すようにビー
ム１側と位相が反転しているビーム２側にそれぞれ強度
のピークを持つ。通常のシングルビームを得るためにパ
ワーの小さいビーム２をマウント２０に固定されたビー
ムカット板を入れることにより位相反転部でカットして
いる。この実施例のようにビームをカットするという光
学系を入れるというような簡単な構成でシングルビーム
化が可能である。また、ビームカット板の他にピンホー
ルでも同様の効果がある。

【００２３】次に短波長レーザ光源の基本構成要素であ
る光波長変換素子の構成について図を用いて説明を行
う。図３に本発明による光波長変換素子の構造図を示
す。非線形光学結晶であるLiTaO₃基板１上に光導波路２
および分極反転層３が形成されている。図３（ａ）が斜
視図、（ｂ）が光導波路２の中心で切った断面図であ
る。LiTaO₃基板１には非線形性がLiTaO₃に比べて低い非
線形性劣化層５が形成されている。この非線形性劣化層
５はプロトン交換により形成されている。これは酸中の
Ｈと基板のＬｉが交換してプロトン交換層である非線形
性劣化層５が形成されているため、このプロトン交換層
の大部分が非線形光学効果を有するLiTaO₃から非線形光
学効果を有さないHTaO₃に変化するため非線形性は劣化
している。光導波路２に入射した基本波Ｐ１は光導波路
２中で高調波Ｐ２へと変換される。高調波Ｐ２は周期状
に形成された分極反転層３と非分極反転層４により増大
しLiTaO₃基板１より放射される。図４に光導波路２の断
面の拡大図を示す。基本波Ｐ１は最低次モードであるＴ
Ｍ₀₀モードで光導波路２中を伝搬する。基本波の波長が
λ１のときに基本波のＴＭ₀₀モードと高調波のＴＭ₀₀モ
ードと擬似的に位相整合する。また、図中に示されるよ
うに波長λ２のとき基本波Ｐ１は高調波のＴＭ₁₀モード
へと変換される。これは位相整合する波長が実効屈折率
により決っており、高調波の実効屈折率がモードにより
異なるためである。

【００２４】この光波長変換素子において、ＴＭ₀₀モー
ドとＴＭ₁₀モードの高調波が出力する原理について説明
する。分極反転で基本波Ｐ１に対して高調波Ｐ２の出力
が得られるのは、擬似位相整合が成立するときである。
この擬似位相整合が成立するのは、分極反転層の周期Λ
がλ／（２（Ｎ２ω−Ｎω）に一致するときに限られ
る。つまり、 Λ＝λ／（２（Ｎ２ω−Ｎω））・・・・式１が成立するときである。ここでＮωは基本波（波長λ）
の実効屈折率、Ｎ２ωは高調波（波長λ／２）の実効屈
折率である。式１において、光波長変換素子の分極反転
層の周期Λは一定であれば、図４に示すＴＭ₀₀モードと
ＴＭ₁₀モードの実効屈折率（Ｎω、Ｎ２ω、Ｎ’ω、
Ｎ’２ω）は異なるため、式１を満たす基本波の波長λ
は高調波のモードがＴＭ₀₀モードとＴＭ₁₀モードとでは
異なる。したがって、ＴＭ₀₀モードの高調波を出力する
基本波の波長λ１と、ＴＭ₁₀モードの高調波を出力する
基本波の波長λ２とは、それぞれ一義的に決定される。
よって、ＴＭ₁₀モードの高調波を出力するためには式１
を満たす基本波（波長λ２）を入射すればよい。このよ
うに入射する基本波の波長によってＴＭ₀₀モードの高調
波も出力できるし、ＴＭ₁₀モードの高調波も出力できる
のである。

【００２５】図５中に基本波のＴＭ₀₀モードと高調波の
ＴＭ₁₀モードの電界プロファイルを示す。高調波のＴＭ
₁₀モードは位相反転点を境として＋側の電界（＋Ｅ）と
−側の電界（−Ｅ）の位相が反転している。この位相反
転点は非線形劣化層５と非線形光学結晶との境界がほぼ
一致している。この＋Ｅ側では非線形性は損なわれてい
るため基本波から高調波へのエネルギーのやりとりはほ
とんどない。このため＋Ｅ側では高調波はほとんど発生
しない。そのため−Ｅ側での基本波と高調波の重なりの
みをかんがえることができ、簡単に最適化による高効率
化が図れる。非線形性劣化層がない場合は＋Ｅ側と−Ｅ
側で発生する高調波のエネルギーの打ち消しが生じ高調
波への変換はほとんど行われない。

【００２６】次に光損傷のもたらす影響について述べ
る。図６に基本波のＴＭ₀₀モードと高調波のＴＭ₀₀モー
ドおよびＴＭ₁₀モードの電界分布および光損傷が生じた
場合の屈折率変化を示す。光損傷は短波長領域（例えば
０．４μｍ帯）で生じ易く、光の強度が高いところほど
大きな屈折率の低下が生じる現象である。高調波のＴＭ
₀₀モードが発生した場合は光損傷により高調波ＴＭ₀₀モ
ードの電界ピークを中心に屈折率が低下し周辺で屈折率
が上昇するため基本波のＴＭ₀₀モードは内側に移動す
る。これに対してＴＭ₁₀モードが発生した場合は屈折率
低下部分および上昇部分が細かく繰り返すため基本波は
全体として平均屈折率を感じ変動は少ない。さらにパワ
ーが２つのピークに分散されていることが屈折率変化を
少なくしており、結果として基本波の基板側への移動は
ほとんどない。

【００２７】次に上述の光波長変換素子の製造方法につ
いて図を使って説明する。図７はその製造工程図であ
る。同図（ａ）でまずLiTaO₃基板１に通常のフォトプロ
セスとドライエッチングを用いてＴａを周期状にパター
ニングする。次にＴａによるパターンが形成されたLiTa
O₃基板１にピロ燐酸中で２６０℃、３０分間プロトン交
換を行いスリット直下に厚み０．６５μｍのプロトン交
換層を形成した後、５５０℃の温度で１分間熱処理す
る。熱処理の上昇レートは５０℃／秒である。これによ
り分極反転層３が形成される。冷却レートが遅いと不均
一反転が生じるので３０℃／分以上が望ましい。プロト
ン交換層はＬｉが減少しておりキュリー温度が低下する
ため部分的に分極反転ができる。次にＨＦ：ＨＮＦ₃の
１：１混合液にて２分間エッチングしＴａを除去する。
次に同図（ｂ）で上記分極反転層３に対してプロトン交
換を用いて非線形性劣化層５を形成する。プロトン交換
用マスクとしてＴａをストライプ状にパターニングを行
った後、Ｔａマスクに幅４μｍ、長さ１２ｍｍのスリッ
トが形成されたものに２６０℃、１２分間ピロ燐酸中で
プロトン交換を行った。これにより厚み０．４５μｍの
非線形性劣化層５が形成される。この層は非線形性が損
なわれLiTaO₃の非線形光学定数は１／５に低下してい
る。次に同図（ｃ）でＴａマスクを除去した後、赤外線
加熱装置を用いて４２０℃で３０秒熱処理を行った。熱
処理により非線形性劣化層５の一部は広がり屈折率が
０．０３程度上昇した光導波路２となる。この条件では
非線形性劣化層は残っている。このようにして作製され
た光導波路２および非線形性劣化層５の厚みばらつきは
１０ｎｍ以下と小さい。これは拡散現象を利用している
ためである。最後に蒸着により保護膜としてSiO₂を０．
３μｍ付加した。上記のような工程により光導波路２が
製造された。この光導波路２の厚みｄは１．８μｍであ
り分極反転層３の厚み２．０μｍに比べ小さく有効に波
長変換される。分極反転層３の周期は３．８μｍであり
波長０．８４ｎｍに対して動作し、高調波のＴＭ₁₀モー
ドが発生する。なおこの周期にてＴＭ₀₀モードは０．８
１μｍにて発生する。光導波路２に垂直な面を光学研磨
し入射部および出射部を形成した。このようにして光波
長変換素子が製造できる。また、この素子の長さは１０
ｍｍである。

【００２８】次に上述の光波長変換素子を基本構成要素
とした短波長レーザ光源の特性について述べる。８０ｍ
Ｗの半導体レーザより出射された基本波Ｐ１は５０％が
光波長変換素子に入射する。基本波の波長は０．８４μ
ｍであり、入射部より導波しシングルモード伝搬し、波
長０．４２μｍの高調波Ｐ２が出射部より基板外部に取
り出された。基本波４０ｍＷの入力で４ｍＷの高調波
（波長０．４２μｍ）を得た。この場合の変換効率は１
０％であり従来のＴＭ₀₀モードにくらべて２倍の高効率
化が図られている。図８に基本波に対する高調波出力の
関係を示す。ＴＭ ₁₀モードはＴＭ₀₀モードに比べ２倍出
力が高い。完全に基本波のＴＭ₀₀モードと高調波のＴＭ
₀₀モードが重なった場合の変換効率は大きいが実際には
最低次モードどうしを重ねるのは困難であるため効率が
低くなる。図９に短波長レーザ光源より出射される高調
波出力の時間依存性を示す。従来の高調波のＴＭ₀₀モー
ド発生を行う短波長レーザ光源においては５０％程度の
変動を生じているのに対してＴＭ₁₀モード発生ではほと
んど変動はみられなかった。

【００２９】なお本実施例では基本波の最低次モードと
してＴＭ₀₀モード、高調波の高次モードとしてＴＭ₁₀モ
ードを用いたが、この組合せが最も重なりが大きく変換
効率が高く有効である。

【００３０】図１０にプロトン交換時間と変換効率の関
係を示す。プロトン交換温度260℃ではプロトン交換時
間12分が最適である。これは非線形性劣化層と非線形性
が劣化していない基板との境界がＴＭ₁₀モードの位相反
転点と一致しているためである。なお本実施例では基本
波の最低次モードとしてＴＭ₀₀モード、高調波の高次モ
ードとしてＴＭ₁₀モードを用いたが、この組合せが最も
重なりが大きく変換効率が高く有効である。

【００３１】次に本発明の光波長変換素子の製造方法を
用いた第２の実施例について説明する。光波長変換素子
の構成は実施例１と同様である。この例では実施例１で
非線形性劣化層を用いた代わりに再反転層を用いて構成
した。図１１に本実施例の光波長変換素子の製造工程図
を示す。図１１（ａ）でLiTaO₃基板１上にプロトン交換
と熱処理により分極反転層３を形成した。次に同図
（ｂ）でスラブ状のプロトン交換層を厚み0.1μｍ形成
した後540℃で１分熱処理し厚み0.8μｍの再反転層５ａ
を形成した。この再反転層５ａの分極は分極反転層３と
反対向きでありLiTaO₃基板１の分極方向と一致してい
る。次に同図（ｃ）で光導波路２は燐酸中でのプロトン
交換により作製した後、赤外線加熱装置を用いて４００
℃で３分間熱処理を行った。赤外線加熱装置を用いると
短時間加熱が制御よく行うことができる。その厚みは
１．９μｍ、幅４μｍ、長さは１ｃｍである。分極反転
の周期は３．８μｍ、分極反転層の厚みは１．７μｍで
ある。波長０．８４μｍに対してこの実施例での変換効
率は１次の分極反転周期を用いているため高く基本波４
０ｍＷ入力で高調波３ｍＷであり、変換効率は７．５％
である。光損傷による変動はなく高調波出力は非常に安
定していた。

【００３２】次に本発明の光波長変換素子の製造方法を
用いた第３の実施例について説明する。光波長変換素子
の構成は実施例１と同様である。この例では実施例１と
同様に非線形性劣化層を用いて構成した。図１２に本実
施例の光波長変換素子の製造工程図を示す。図１２
（ａ）でLiNbO₃基板１ａ上にSiO₂を形成し1080℃、90分
の熱処理により分極反転層３を形成しその後SiO₂を除去
した。次に同図（ｂ）で光導波路２はピロ燐酸中でのプ
ロトン交換（２３０℃、２分）により作製した後、３５
０℃で６０分間酸素中で熱処理を行った。作製された光
導波路厚みは２μｍ、幅４μｍ、長さは１ｃｍである。
さらに同図（ｃ）でピロ燐酸中２３０℃、１０分熱処理
でスラブ状のプロトン交換層を形成した。これが非線形
性劣化層５となる。この層はLiNbO₃基板に対して非線形
性が１／７に低下している。分極反転の周期は９μｍ、
分極反転層の厚みは１．５μｍである。波長０．８４μ
ｍに対してこの実施例での変換効率は３次の分極反転周
期を用いているため高く４０ｍＷ入力で１％である。光
損傷はなく高調波出力は非常に安定していた。この例の
ように光導波路作製後非線形性劣化層を形成すると非線
形光学効果はさらに失われ効率は高い。

【００３３】また、イオン注入法を用いＨｅ、Ａｒ等を
非線形光学結晶表面に打ち込むことでも同様に非線形性
劣化層を形成することができる。また、基本波の最低次
モードとしてＴＥ₀₀モード、高調波の高次モードとして
ＴＥ₁₀モード等を用いることもできる。

【００３４】次に実施例４として本発明の光情報処理装
置について説明を行う。図１３に本発明の短波長レーザ
光源の構成を示す。半導体レーザ２１と光波長変換素子
２２により構成されており、半導体レーザ２１より出射
された基本波Ｐ１はレンズ２４，２５および半波長板２
６を介して光波長変換素子２２に形成されている光導波
路２に入射する。入射した基本波Ｐ１は光導波路２中を
最低次モードであるＴＭ₀₀モードで伝搬し、高調波の最
低次モードであるＴＭ₁₀モードに変換される。この高調
波は光波長変換素子２２より放射され短波長レーザビー
ムとして使用される。この実施例では実施例１と異なり
ビームの一部をカットするための光学系は入っていな
い。図１４に光情報処理装置の構成を示す。上述の短波
長レーザ光源４０から出た出力３ｍＷのビームはビーム
スプリッタ４１を通過しレンズ４２により情報再生媒体
である光ディスク４３に照射される。反射光は逆にレン
ズ４２によりコリメートされビームスプリッタ４１で反
射されＳｉによるディテクタ４４で信号が読み取られ
る。図１５にレンズ４２部分の拡大図を示す。短波長レ
ーザ光源４０から出たビームは２ビームとなっているた
めこのままでは回折限界まで集光できない。そのためビ
ーム２はレンズ４２でカットしビーム１のみをレンズ４
２で取り込み光ディスク４３上に集光している。レンズ
４２のＮＡは０．６であり集光スポットサイズは０．６
μｍであった。高調波によるビームは安定であり、これ
により高密度読み取り装置が実現できた。記録密度は従
来の０．７８μｍの半導体レーザを用いた場合の４倍で
あった。

【００３５】次に実施例５として本発明の短波長レーザ
光源およびそれを用いた光情報処理装置について説明を
行う。図１６に本発明の光情報処理装置の構成を示す。
短波長レーザ光源４０の構成は実施例２と同様である。
短波長レーザ光源４０から出たビームはポリゴンミラー
４７で反射されレンズ４８を通過後、情報記録媒体であ
る感光体５０が塗布されているＡｌ膜４９に照射され
る。ポリゴンミラー４７が回転することで感光体５０上
を高速でスキャンできる。レンズ４８の焦点距離は３０
ｍｍであり、ビームの集光スポットサイズは２０μｍで
ある。また、半導体レーザは１０ＭＨｚの変調周波数で
変調されており記録媒体がこれにより部分的に露光され
る。その後現像により印刷用原版が作製できる。この装
置では１ｍｍ当り５０本の分解能のある高精度印刷が実
現できている。また、高調波の安定度は１％以内であ
り、むらの少ない印刷用原板が作製できる。

【００３６】なおこの実施例のように集光スポットの形
状にとらわれない応用に関してはビームをカットする必
要はない。

【００３７】なお実施例では非線形光学結晶としてLiTa
O₃およびLiNbO₃を用いたがKNbO₃、ＫＴＰ等の強誘電体
にも適用可能である。また、基本波の最低次モードとし
てＴＥ₀₀モード、高調波の高次モードとしてＴＥ₁₀モー
ド等を用いることもできる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光波長変換
素子によれば、基本波の最低次モードであるＴＭ₀₀モー
ドより高調波の高次モードであるＴＭ₁₀モードへの変換
を周期状分極反転層が形成された非線形光学結晶の表面
に非線形性劣化層または再反転層を設けるという単純な
構成で高効率に行うことできる。これにより高調波発生
時の光損傷を生じにくくし、また屈折率変化を分散でき
るため高出力光波長変換素子から出射される高調波の安
定化が図れる。また、本発明の光波長変換素子の製造方
法によれば簡単な工程でなおかつ均一に非線形性劣化層
または再反転層を形成できるため高効率で安定な光波長
変換素子を提供できその実用的価値は極めて大きい。

【００３９】また、本発明の短波長レーザ光源によれ
ば、基本波のＴＭ₀₀モードより高調波のＴＭ₁₀モードへ
の変換を行うことにより高調波発生時の光損傷を生じに
くくし、また屈折率変化を分散できるため高出力光波長
変換素子から出射される高調波の安定化が図れる。ま
た、本発明の光情報処理装置によれば高効率で安定な光
波長変換素子を用いて高精度な光情報処理装置を提供で
きその実用的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の短波長レーザ光源の構
成図

【図２】実施例１の短波長レーザ光源の正面図

【図３】本発明の第１の実施例の短波長レーザ光源に使
用する光波長変換素子の構成図

【図４】基本波と高調波の特性を示す図

【図５】実施例１に使用する光導波路の断面拡大図

【図６】基本波のＴＭ₀₀モードと高調波のＴＭ₀₀モード
およびＴＭ₁₀モードの電界分布図、屈折率分布図

【図７】本発明の第１の実施例の光波長変換素子の製造
方法の工程図

【図８】基本波と高調波出力の関係を示す特性図

【図９】短波長レーザ光源より出射される高調波出力の
時間依存性を示す特性図

【図１０】プロトン交換時間と高調波への変換効率の関
係を示す特性図

【図１１】本発明の第２の実施例の光波長変換素子の製
造方法の工程図

【図１２】本発明の第３の実施例の光波長変換素子の製
造方法の工程図

【図１３】本発明の第４の実施例の短波長レーザ光源の
構成図

【図１４】本発明の第４の実施例の光情報処理装置の構
成図

【図１５】本発明の第４の実施例の光情報処理装置のビ
ームカットの説明図

【図１６】本発明の第５の実施例の光情報処理装置の構
成図

【図１７】従来の短波長レーザ光源の構成図

【図１８】従来の光波長変換素子の構成図

【図１９】従来の方法の光波長変換素子の製造工程図

【図２０】従来の方法により製造された光波長変換素子
の光導波路の断面図

【図２１】従来の基本波のＴＭ₀₀モードから高調波のＴ
Ｍ₀₀モードへの変換を行う光波長変換素子の光導波路の
断面図および屈折率分布図

【符号の説明】

１ LiTaO₃基板２光導波路３分極反転層５非線形性劣化層Ｐ１基本波Ｐ２高調波２１半導体レーザ２２光波長変換素子２４、２５レンズ２６半波長板３０ナイフエッジ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非線形光学結晶中に、周期状に分極反転層
と、非線形性劣化層または再反転層と、光導波路とを有
し、前記光導波路中に励起された基本波の最低次モード
を高調波の高次モードへと変換することを特徴とする光
波長変換素子。
【請求項２】半導体レーザと、光波長変換素子とを備
え、前記半導体レーザからの基本波を前記光波長変換素
子中に形成された光導波路に入射させ導波した基本波の
最低次モードを光導波路中で高調波の高次モードに変換
し光導波路端面より出射させることを特徴とする短波長
レーザ光源。
【請求項３】半導体レーザと、光波長変換素子とを備え
た短波長レーザ光源と、情報記録または情報再生媒体を
有し、前記光波長変換素子中に形成された光導波路に半
導体レーザからの基本波が入射し、光導波路中で発生し
た高調波の高次モードを光導波路端面より出射させ空間
中に放射された高調波のビームを前記記録媒体または再
生媒体に照射することを特徴とする光情報処理装置。
【請求項４】基本波の最低次モードとしてＴＭ₀₀モード
を、高調波の高次モードとしてＴＭ₁₀モードを使用する
請求項１記載の光波長変換素子。
【請求項５】基本波の最低次モードとしてＴＭ₀₀モード
を、高調波の高次モードとしてＴＭ₁₀モードを使用する
請求項２記載の短波長レーザ光源。
【請求項６】基本波の最低次モードとしてＴＭ₀₀モード
を、高調波の高次モードとしてＴＭ₁₀モードを使用する
請求項３記載の光情報処理装置。
【請求項７】高調波のビームの一部をカットするための
光学系を有する請求項２記載の短波長レーザ光源。
【請求項８】高調波のビームの一部をカットするための
光学系を有する請求項３記載の光情報処理装置。
【請求項９】高調波のビームの一部をカットするような
配置となる集光またはコリメータレンズを備えた請求項
２記載の短波長レーザ光源。
【請求項１０】高調波のビームの一部をカットするよう
な配置となる集光またはコリメータレンズを備えた請求
項３記載の光情報処理装置。
【請求項１１】高調波のビームの一部をカットするため
の光学系としてピンホールまたはビームカット板を有す
るとを特徴とする請求項２記載の短波長レーザ光源。
【請求項１２】高調波のビームの一部をカットするため
の光学系としてピンホールまたはビームカット板を有す
るとを特徴とする請求項３記載の光情報処理装置。
【請求項１３】高調波のビームをカットする領域が位相
反転部までであることを特徴とする請求項２記載の短波
長レーザ光源。
【請求項１４】高調波のビームをカットする領域が位相
反転部までであることを特徴とする請求項３記載の光情
報処理装置。
【請求項１５】非線形光学結晶中に周期状に分極反転層
を形成する工程と、プロトン交換法またはイオン注入法
により非線形性劣化層を形成する工程と、光導波路を形
成する工程とを有することを特徴とする光波長変換素子
の製造方法。
【請求項１６】非線形光学結晶中に周期状に分極反転層
を形成する工程を行った後、前記周期状に形成された分
極反転層表面に再反転層を形成する工程と、光導波路を
形成する工程とを有することを特徴とする光波長変換素
子の製造方法。
【請求項１７】非線形光学結晶がＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃
（０≦Ｘ≦１）基板である請求項１記載の光波長変換素
子。
【請求項１８】非線形光学結晶がＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃
（０≦Ｘ≦１）基板である請求項１５または１６記載の
光波長変換素子の製造方法
【請求項１９】非線形性劣化層または再反転層と非線形
光学結晶との境界が高調波のＴＭ₁₀モードの位相反転点
と一致している請求項１記載の光波長変換素子。
【請求項２０】非線形性劣化層または再反転層と非線形
光学結晶との境界が高調波のＴＭ₁₀モードの位相反転点
と一致している請求項１５または１６記載の光波長変換
素子の製造方法。
【請求項２１】プロトン交換法を用いて光導波路を作製
する請求項１記載の光波長変換素子。
【請求項２２】プロトン交換法を用いて光導波路を作製
する請求項１５または１６記載の光波長変換素子の製造
方法。
【請求項２３】分極反転層または光導波路の作製に赤外
線加熱装置を用いて熱処理することを特徴とする請求項
１記載の光波長変換素子。
【請求項２４】分極反転層または光導波路の作製に赤外
線加熱装置を用いて熱処理することを特徴とする請求項
１５または１６記載の光波長変換素子の製造方法。