JPH06273817A - 光波長変換素子およびその製造方法および光波長変換素子を用いた短波長コヒーレント光発生装置および分極反転層の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高効率な光波長変換素子を提供する。 【構成】 Ｘ板のLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦x≦１）基板に
周期状の分極反転層を形成する方法である。プロトン交
換層１０をストライプ状に形成し、ストライプ方向を基
板のＣ軸より傾けて形成することにより、分極反転層の
形成な基板の分極分極を反転させる内部電界１３の発生
を可能にし、分極反転層の形成を実現する。ストライプ
状の分極反転層を周期的に形成することにより光波長変
換素子に必要な周期的分極反転層が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光源を応
用した、光情報処理、光応用計測制御分野に使用される
光波長変換素子およびその製造方法、またそれを用いた
短波長コヒーレント光発生装置、ならびに分極反転層の
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】誘電体の分極を強制的に反転させる分極
反転は、誘電体に周期的な分極反転層を形成することに
より、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非線形
分極の分極反転を利用した光波長変換素子などに利用さ
れる。特に非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転
することが可能になれば、非常に変換効率の高い第二高
調波発生素子を作製することができる。これによって半
導体レーザなどの光を変換すると、小型の短波長光源が
実現でき、印刷、光情報処理、光応用計測制御分野など
に応用できるため盛んに研究が行われている。

【０００３】従来のLiTaO₃における、周期的分極反転層
の形成方法については、特願平3-301667号に示されてい
る。これは、選択的プロトン交換により、周期的なプロ
トン交換層を形成し、赤外線加熱を用いた、高速な加熱
方法により、−Ｃ板のLiTaO₃に短周期の分極反転層の形
成を可能にしたというものである。

【０００４】この従来の分極反転層の製造方法を図２６
を用いて説明する。図２６（ａ）−Ｃ板のLiTaO₃基板上
にプロトン交換用のマスクとして、スパッタリング法に
よりＴａ１０７を３０ｎｍ堆積する。（ｂ）フォトリソ
グラフィ法と（ｃ）ドライエッチングにより周期的パタ
ーンを形成する。（ｄ）ピロ燐酸中で熱処理し、非マス
ク部分をプロトン交換１０５する。（ｄ）基板を４５０
℃以上で熱処理する。以上の工程で−ｃ板のLiTaO₃基板
に周期的分極反転層１０６が形成される。（ｄ）の工程
において、熱処理の昇温速度を１０℃／秒以上にするこ
とにより、基板の−Ｃ面に短周期の分極層の形成が可能
になる。

【０００５】また従来の短波長コヒーレント光発生装置
について説明する。1mW以上の高出力が得られる小型の
青色光源を得るには、擬位相整合（以下、ＱＰＭと記
す）方式の光波長変換素子と半導体レーザを一体化し
て、短波長コヒーレント光発生装置を構成するのが有効
な手段である（山本他、オプティクス・レターズ Opti
csLetters Vol.16, No.15, 1156 (1991)）。

【０００６】図２７に、半導体レーザーと分極反転光導
波路を用いた従来の短波長コヒーレント光発生装置の概
略構成図を示す。

【０００７】−Ｃ板のLiTaO₃基板上に周期的分極反転層
と光導波路からなる光波長変換素子を形成する。半導体
レーザー１０１から放射された光は、コリメートレンズ
９８により平行ビームに変換され、λ／２板１９で偏向
方向を回転させ、N.A.=0.6のフォーカシングレンズ９９
により光導波路の入射端面に集光される。半導体レーザ
１０１から出射した光の４８％がプロトン交換光導波路
５に入射した。そして出射面より波長変換されたブルー
光１．３ｍＷが得られた。

【０００８】半導体レーザ１０１の導波光は、一般に発
振効率を上げるために、導波光の偏光はＴＥモードであ
る。一方−Ｃ板の光波長変換素子１０８はプロトン交換
によりＣ軸方向の屈折率が増加するため、ＴＭモードの
光しか伝搬しない。非対称性を有する半導体レーザと光
導波路のそれぞれの導波光を結合を最大にとるために
は、半導体レーザの光をλ／２板でＴＥモードからＴＭ
モードに変換する必要がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】まず、従来の分極反転
層の製造方法についての課題を述べる。

【００１０】従来の分極反転層の製造方法においては、
−Ｃ板のLiTaO₃基板にしか周期的分極反転層が形成でき
なかった。ところが、プロトン交換層を熱処理して、形
成する分極反転層の形成方法においては、−Ｃ板のLiTa
O₃に形成される分極反転層の深さに限界があり、そのた
め作製した周期的分極反転層を用いて、光波長変換素子
を作製する場合、光波長変換素子の変換効率の増大に限
界があった。

【００１１】その理由は、LiTaO₃における、プロトン交
換層の熱拡散の速度はＣ軸方向に比べ、基板のＣ軸に垂
直方向の方が、１．５倍以上早い。そのため、熱処理中
にプロトン交換層の拡散による分極反転層の幅方向の拡
大が起こり、隣接する分極反転層同士がつながってしま
うことがあり、短周期の分極反転層を形成する場合、隣
接する分極反転層同士がつながってしまわないようにす
ることが必要であるため、深い分極反転層の形成が困難
であるという問題があった。

【００１２】これを解決するには、深さ方向のプロトン
交換速度が早い±Ｃ板以外の基板を用いる必要がある。
例えば、ＸＹ板（結晶のＣ軸平行な面で切り出した基
板）を用いれば、深さ方向のプロトン交換速度が最大
（−Ｃ板の約１．５倍）になる。この±Ｃ板以外の基板
を用いれば、プロトン交換層の深さ方向の拡散が早いた
め、深い分極反転層が形成できると考えられる。しかし
ながら、従来の製造方法では−Ｃ板以外のLiTaO₃には周
期的分極反転層の形成ができないという問題があった。

【００１３】そこで本発明は上記の点に鑑み、−Ｃ板以
外のLiTa_(1-x)Nb_xO₃結晶に短周期の分極反転層を形成
し、短波長への変換が可能でかつ高効率に波長変換でき
る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。

【００１４】次に、従来の短波長コヒーレント光発生装
置についての課題を述べる。従来の短波長コヒーレント
光発生装置は−Ｃ板のLiTaO₃結晶を用いて作製した光波
長変換素子に半導体レーザの光を入射し、これを変換す
ることにより、短波長のコヒーレント光を発生してい
た。一般に半導体レーザの光導波路内の光の伝搬はＴＥ
モードで伝搬している。これに対し、−Ｃ板に形成した
光波長変換素子はＴＭモードの光しか伝搬しない。その
ため、半導体レーザの光を光波長変換素子に高効率で結
合させるには、光学系にλ／２板または、プリズムを用
いたビーム整形光学系などが必要となり、複雑な光学系
を必要とするという問題があった。

【００１５】また小型の短波長コヒーレント光発生装置
を実現するには、半導体レーザと光波長変換素子を一体
化する必要がある。ところが、半導体レーザと−Ｃ板に
形成した光波長変換素子を光学系なしで直接結合させる
には、お互いの偏光方向の違いから、大きな結合ロスが
生じるという問題があった。

【００１６】そこで本発明は、−Ｃ板以外のLiTa_(1-x)N
b_xO₃を用いた光波長変換素子により半導体レーザとの高
効率結合を実現し、小型で高出力の短波長コヒーレント
光発生装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明では、 （１）−Ｃ板以外のLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦x≦１）基板
と、前記基板表面に形成したストライプ状の分極反転層
と、光導波路とを備え、前記ストライプ状の分極反転層
が周期的に形成され、かつ前記分極反転層のストライプ
方向が基板のＣ軸に対して０°より大きい角度で傾いて
いる光波長変換素子である。

【００１８】（２）−Ｃ板以外のLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦
x≦１）基板の表面に、前記LiTa_{(1- x)}Nb_xO₃基板のＣ軸
に対し０°より大きく傾けたストライプ状のマスクを形
成する工程と、前記LiTa_(1-x)Nb_xO₃基板本体をプロトン
交換処理により、非マスク部分から前記LiTa_(1-x)Nb_xO₃
基板内のLiとH⁺イオンを交換しプロトン交換層を形成す
る工程と、前記LiTa_(1-x)Nb_xO₃基板を熱処理し分極反転
層を形成する工程とを備えた光波長変換素子の製造方法
である。

【００１９】（３）−Ｃ板以外のLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦
x≦１）基板と、前記基板表面に形成したストライプ状
の分極反転層と光導波路と、前記光導波路の端面に形成
した入射部と、前記光導波路の他の端面に形成した出射
部とを備えた波長変換素子と、半導体レーザとを具備
し、前記ストライプ状の分極反転層周期的に形成され、
前記ストライプの方向が前記LiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦x≦
１）基板のＣ軸に対し、０°より大きい角度で傾いてお
り、前記光導波路の入射部に前記半導体レーザから出射
された基本波が入射し、前記入射した基本波が前記分極
反転層により第２高調波に変換されている短波長コヒー
レント光発生装置である。

【００２０】

【作用】本発明は前述した方法により、−Ｃ板以外のLi
Ta_(1-x)Nb_xO₃基板上に、結晶のＣ軸から僅かに傾けて、
ストライプ状のプロトン交換層を形成し、これを熱処理
することにより、従来実現していなかった−Ｃ板以外の
LiTa_(1-x)Nb_xO₃基板において、周期的な分極反転層の形
成を可能にする。その結果、短周期でかつ深い分極反転
層の形成が可能になる。

【００２１】以下にその理由を述べる。−Ｃ板のLiTaO₃
結晶基板における分極反転層の形成は、この基板表面に
プロトン交換層を形成し、これを熱処理することにより
作製する。これはプロトン交換を行うと、基板にプロト
ン交換LiTaO₃が形成される。このプロトン交換LiTaO₃を
LiTaO₃結晶のキュリー温度近傍で熱処理すると、プロト
ンの拡散が発生し、プロトン交換層周辺に＋電荷を持っ
たプロトンができ、またプロトン交換層内部には−電荷
を持った欠陥（プロトンが抜けた跡）ができる。このた
めＣ板のLiTaO₃基板においては、プロトン交換層周辺に
空間電界が形成される。強誘電体の分極を反転させるに
は、強誘電体の有する自発分極（以下、Ｐsとする）を
反転させる電界ベクトルの発生が必要である。プロトン
交換の熱処理により発生した電界は、−Ｃ面において、
プロトン交換層と基板間にＰsと反対方向の電界が発生
するため、−Ｃ面でのみ分極反転層の核の形成、および
核を中心にした反転層の形成が行われる。

【００２２】−Ｃ板以外でも同様にイオンの偏りによる
電界を発生させれば、分極反転の核が形成され、周期的
分極反転層が形成される。そこで、耐プロトン交換性を
有するマスクを用いて選択的なプロトン交換を行い周期
的なプロトン交換層を形成する。このとき、周期的なパ
ターンを基板のＣ軸方向対し、０゜以上の角度をつけて
形成することにより、Ｐsと反対方向のベクトル成分を
有する電界を発生させることが可能になる。その結果、
分極の核の形成が行われ、分極反転層が形成される。例
えば、ＸＹ板において、基板表面に形成するプロトン交
換層のストライプ方向をＣ軸方向より傾けて形成するこ
とにより、Ｐsに対立する電界ベクトルが基板平面内に
発生する。また、基板のＣ軸方向を基板の水平線より傾
けることにより、同様の電界ベクトル成分が基板内部に
発生する。

【００２３】さらに、−Ｃ板以外のLiTa_(1-x)Nb_xO₃基板
の光波長変換素子を形成すると、半導体レーザと高効率
結合が可能な光波長変換素子を形成することができる。
その理由を以下に述べる。

【００２４】−Ｃ板以外の基板における分極反転層を用
いて光波長変換素子を作製すると、半導体レーザと光導
波路の偏光方向を一致させることができるため、複雑な
光学系を必要とせず、半導体レーザの光を高効率で光波
長変換素子に結合することができる。

【００２５】すなわち、半導体レーザから出る光はＴＥ
モードであり、ＸＹ板に分極反転層を形成した波長変換
素子の光の伝搬もＴＥモードであるので、半導体レーザ
と、この波長変換素子のモードが一致しているため、半
導体レーザの光をそのまま波長変換素子に結合できると
いうのである。このため、高出力の短波長コヒーレント
光発生装置を実現できる。また結晶のＣ軸を基板の水平
線より僅かに傾けた基板を用いた光波長変換素子を形成
した場合、伝搬する光は疑似ＴＥモードであり、半導体
レーザの出射光と高効率で結合できる。

【００２６】

【実施例】図１は、本発明の光波長変換素子の構成斜視
図である。１は−Ｘ板のLiTaO₃基板、４は分極反転層、
５はプロトン交換光導波路、６は波長８６０ｎｍの基本
波、７は波長４３０ｎｍの第二高調波（以下、ＳＨＧ光
と略す）、８は分極反転層の周期Λ、９は分極反転層の
幅Ｗである。また分極反転層のストライプ方向（図中で
はＡ−Ｂ）の方向は基板のＣ軸方向に対し０度より大き
い角度θを有している。このように基板１のＣ軸の結晶
方向に対して分極反転層のストライプ方向（Ａ−Ｂ方
向）が傾いている点（θ度）が本波長変換素子の構成上
のポイントである。

【００２７】導波路の形成方向について説明する。LiTa
O₃基板をプロトン交換するとＣ軸方向の屈折率が増加す
る。そのため、光導波路を形成するには、Ｘ板の場合、
Ｃ軸方向に導波光の電界振幅を取る必要があり、Ｙ伝搬
の光導波路を形成するのが好ましい（ＸＹ板の場合、Ｃ
軸方向に垂直な方向に光導波路を伝搬させるのが好まし
い）。そのため、分極反転層はＣ軸方向にストライプを
形成する必要がある。

【００２８】図１において分極反転層４は、基板の分極
反転に対し、分極の方向が逆転している部分である。Li
TaO₃基板１の場合、分極の方向は＋Ｃ方向であり、それ
に対して分極反転層の分極の方向は−Ｃ方向である。こ
の分極反転層の周期Λは、基本波の波長、光導波路の屈
折率で異なる。光導波路に入射した光は周期的な分極反
転層により波長変換され、入射した基本波６の半分の波
長の光になる。

【００２９】以下、本発明の波長変換素子の製造方法に
ついて説明に入る前に、まず、製造方法の概略を説明す
ると、 （１）LiTaO₃基板に、周期的なプロトン交換層を形成す
る。 （２）プロトン交換層を熱処理により、分極反転層にす
る。

【００３０】以上の２点にまとめられる。また上記
（２）の、LiTaO₃基板における、分極反転層の形成メカ
ニズムについて説明しておく。

【００３１】分極反転層の形成は、 （１）分極反転層の核が形成される。 （２）核を中心として分極反転層が拡大する。

【００３２】発明者らは、LiTaO₃の分極反転層の形成過
程の観測をもとに、内部電界をもとにした分極反転層形
成の核形成のメカニズムを解明した。図２を用いて、こ
の内部電界モデルを説明する。

【００３３】従来の波長変換素子では、−Ｃ板のLiTaO₃
基板をプロトン交換すると、結晶中のLi⁺とＨ⁺が交換さ
れプロトン交換層（H_(1-x)Li_xTaO₃）１０が、基板の＋
Ｃ表面および−Ｃ表面に形成される。

【００３４】これを高温で熱処理するとＨ⁺の拡散がお
こり、Ｈ⁺濃度の高いプロトン交換層１０から基板方向
にＨ⁺の拡散が起こる。Li⁺も同様に基板側からプロトン
交換層内に拡散するが、Ｈ⁺の拡散速度の方が早いた
め、プロトン交換層１０の周辺にＨ⁺による＋(プラス)
チャージが、プロトン交換層内部にはＨ⁺が抜けたあと
の欠陥による−(マイナス)チャージが発生し、プロトン
交換層１０周辺に電界の偏りが発生する。これが図２に
示すプロトン交換層周辺のチャージの分布である。

【００３５】図２に示すように、プロトン交換層周辺に
発生するチャージの分布は−Ｃ面に形成したプロトン交
換層と基板間の境界部においてのみ基板の分極方向ＰS
と反対方向に発生し、これが分極反転層の核１１の形成
を行う。核が発生すると、分極反転層は核を中心に拡大
していく。

【００３６】これに対して基板の＋Ｃ面のプロトン交換
層１０ｂ周辺に発生するチャージの分布は基板の分極方
向Ｐｓ１２と同じ方向であるため分極反転核は発生しな
いので分極反転層は形成しない。

【００３７】以下、図面を参照して本発明の光波長変換
素子について説明する。 （実施例１）周期的分極反転層の製造方法について述べ
る。

【００３８】発明者らは光波長変換素子の作製に必要な
LiTaO₃における周期的な反転層の形成について検討し
た。図２６の従来例に示したように、−Ｃ板のLiTaO₃上
に選択プロトン交換と熱処理により周期的分極反転層を
形成できることは、すでに、従来確認されていた。そこ
で、Ｘ板のLiTaO₃基板表面に選択的にプロトン交換する
ことにより、Ｘ板のLiTaO₃基板に周期的なプロトン交換
層を形成し、これを熱処理することにより周期的分極反
転層の形成を試みた。

【００３９】プロトン交換層のプロトン交換濃度、均一
性は形成される分極反転層の形状、均一性に影響するの
で、プロトン交換率が高く、均一なプロトン交換層の形
成が可能なピロ燐酸（H₄P₂O₇）により、プロトン交換を
行なった。

【００４０】ところが、ピロ燐酸により２６０℃で２０
分間以上プロトン交換を行うとＸ板の表面に荒れが生じ
た。そこでピロ燐酸に燐酸リチウム（Li₃PO₄）を２０％
まぜて、希釈したピロ燐酸でプロトン交換を行うと表面
の荒れを防止することができた。さらに、希釈したピロ
燐酸でプロトン交換を行っても拡散定数等のプロセスの
変化がなく、希釈しないピロ燐酸と同様のプロセス条件
が利用できた。

【００４１】さらに選択的なプロトン交換を行なうには
プロトン阻止効果の大きなマスクが必要である。そこで
選択率（プロトン交換される領域と、されない領域の選
択率）をほぼ無限大にできるＴａによりマスクを形成
し、選択的なプロトン交換層を作製した。

【００４２】図３は、実施例１における光波長変換素子
の製造方法の工程断面図を示すものである。

【００４３】図３において、１は−Ｘ板のLiTaO₃基板、
２はＴａマスク、３プロトン交換層、４は分極反転層、
８はマスクの幅Ｗ、９は分極反転層の周期Λである。

【００４４】以下、その製造方法を図３に従って説明す
る。 （ａ）−Ｘ板のLiTaO₃基板１上にスパッタリング法によ
りTa膜を300A形成する。 （ｂ）Ta膜上にフォトレジストを塗布した後、通常のフ
ォトリソグラフィ法により周期Λごとに幅Ｗのストライ
プを基板のＣ軸の伝搬方向に形成する（周期Λは１〜２
０μｍ、ＷはΛ／２とした）。 （ｃ）ＣＦ₄雰囲気中でドライエッチングでＴａマスク
にレジストのパターンを転写する。 （ｄ）２６０℃の希釈したピロ燐酸中でプロトン交換層
を形成する。 （ｅ）LiTaO₃基板を熱処理する。通常のヒータ加熱によ
る加熱炉を用いたところ昇温速度は約１℃／秒程度であ
った。

【００４５】ところが上記の方法では−Ｘ板のLiTaO₃基
板上に分極反転層は形成されなかった。

【００４６】これは、Ｘ板においては、プロトンの拡散
によって発生する電界１３は図４に示すように、プロト
ン交換層１０のストライプの両側面からストライプの内
側に向かっている。これは、Ｃ軸方向に形成した周期的
な分極反転層では内部電界１３の方向は基板の分極方向
Ｐs１２の方向と垂直になるため、Ｐsを反転させる電界
にならず、核形成が行われないと考えられる。

【００４７】そこで図５に示すように、プロトン交換層
１０のストライプの方向Ａ1−Ａ2をＣ軸方向よりθ＝２
０度傾けて分極反転層の形成を行った。ストライプ方向
をＣ軸に対しθ傾けるとプロトン交換によるプロトン交
換層１０付近の内部電界Ｅの方向は、Ｃ軸すなわち基板
の分極方向Ｐs１２と垂直な方向からθ傾く。そのた
め、基板のＰsの方向にＥ・sinθの大きさ電界ベクトル
が発生する。図５に示す様に、Ｃ軸に対する角度を＋θ
方向に傾けると、プロトン交換層１０のストライプの右
側に、−θ方向に傾けるとストライプの左側に基板の分
極方向（Ｐｓの方向）と逆の電界ベクトル12aが発生す
る。このため、ストライプを傾ける方向によって、スト
ライプのどちらかの側面に分極反転層の核１１が形成さ
れる。

【００４８】これを確認するために、分極反転層の形成
を行った。プロトン交換用のＴａマスクのストライプの
方向をサンプル１はＣ軸に対し、−２２゜、サンプル２
は２２゜傾けて形成した。これを希釈したピロ燐酸中で
２６０℃で４０分間熱処理し、プロトン交換層を形成し
た。これを５３０℃でそれぞれ１０秒間熱処理した。結
果を図６に示す。

【００４９】図６（ａ）はサンプル１の（ｂ）はサンプ
ル２の断面の様子である。サンプルの端面を光学研磨
し、ＨＦ＋ＨＮＯ₃でエッチングして、分極反転層の形
状を顕微鏡で観測した。サンプル１、２においては、熱
処理１０秒でそれぞれ分極反転層の核１１がストライプ
の右と左に形成されているのが観測された。θ＝０°の
サンプルでは分極反転層の核が形成されなかった。

【００５０】以上の結果より、プロトン交換用マスクの
周期的パターンの方向を結晶軸のＣ軸に対し、傾けるこ
とにより、分極反転層の核形成が行われ、分極反転層の
形成を可能にすることが分かった。

【００５１】次に周期的分極反転層の形成を行った。周
期１０μｍ、のプロトン交換層のストライプを基板Ｃ軸
方向から２２°傾けて形成した後、希釈したピロ燐酸中
で２６０℃４０分間熱処理を行い、周期的なプロトン交
換層を形成した。これを加熱炉を用いて４００〜６００
℃の間で熱処理温度を変えて、熱処理した。熱処理装置
には、ＲＴＡ(Rapid Thermal Anealing)を用いた。ＲＴ
Ａは赤外線により試料を高速に加熱する方法で、非常に
低速から５０℃／秒以上の高速の加熱まで制御性よく加
熱できる。分極反転層の形成方法においてプロトン交換
を熱処理するときＲＴＡを用いて周期的な反転層の形成
を試みた。

【００５２】その結果、昇温速度１０℃／秒以上で熱処
理したときのみ、分極反転層が形成されることを発見し
た。熱処理温度は５００℃〜６００℃の間で分極反転層
の形成が確認できた。さらに熱処理時間と分極反転層の
形状の関係を図７に示す。

【００５３】熱処理温度５８０℃のとき熱処理温度を１
０秒（同図（ａ））、６０秒（同図（ｂ））と観測した
が、熱処理時間とともに、分極反転層は横方向に広が
り、短周期の分極反転層の形成が困難になることが分か
った。高速かつ短時間の熱処理により、高効率のＳＨＧ
素子に必要な短周期でかつ深い反転層が形成できること
が分かった。

【００５４】また、同様の条件で結晶のＣ軸方向とスト
ライプのなす角度が０°のマスクを形成したサンプルを
プロトン交換後、熱処理したが、分極反転層は形成され
なかった。これは、既に述べたように、分極反転層の核
形成が行われないためである。｜θ｜の値が５゜以下の
とき分極反転層の形成が行われず、６゜以上ではいずれ
の角度においても、反転層が形成されることが確認され
た。

【００５５】以上の結果、Ｘ板のLiTaO₃基板上に分極反
転層を形成するには、周期の方向を結晶のＣ軸方向より
も傾け、かつ最低でも１０℃／秒以上の昇温速度で加熱
する必要があり、熱処理時間も１分間以内に終了する必
要がある。通常の炉を用いると昇温速度はせいぜい１℃
／秒であるため、周期的分極反転層は形成されなかっ
た。ところがＲＴＡを用いると５０℃／秒以上の高速加
熱が可能なため、Ｘ板のLiTaO₃基板においても分極反転
層を形成することが可能になった。形成された分極反転
層は周期４μｍのとき深さ３μｍに達し、−Ｃ板に形成
した分極反転層の約１．５倍になった。−Ｃ板以外の基
板に形成することにより、深い分極反転層の形成が可能
になった。

【００５６】また、マスクの幅に対する分極反転層の形
成状態について調べた。マスク幅を広げていくと、スラ
ブ状に形成した分極反転層と同様深い反転層が形成でき
なくなる。マスク幅が５０μｍ以上のとき、分極反転層
は局所的な不均一な形状しか形成されなかった。また厚
みが均一な分極反転層を形成するにはマスク幅を１０μ
ｍ以下にする必要があった。

【００５７】以上の条件によりプロトン交換層を形成す
ることによって、LiTaO₃結晶に分極反転層の作製が可能
になるのである。

【００５８】なお、本実施例では基板にＸ板のLiTaO₃を
用いたが、他に−Ｘ板、±Ｙ板等、Ｃ軸に並行な基板な
ら同様な分極反転層が形成できる。

【００５９】なお、本実施例では基板にＸ板のLiTaO₃を
用いたが、他に±Ｘ板、±Ｙ板、−Ｃ軸が基板の法線に
対し、６０度以上８５度以下の角度で傾いているLiNbO₃
でも同様な分極反転層が形成できる。

【００６０】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃、また
はLiNbO₃基板でも同様な分極反転層が作製できる。

【００６１】なお、本実施例では加熱装置として赤外線
加熱装置を用いたが、他にフラッシュランプ加熱装置、
ＣＯ₂レーザ加熱装置など昇温速度の高い加熱装置でも
同様な分極反転層が作製できる。

【００６２】なお、本実施例では、イオン交換にピロ燐
酸（H₄P₂O₇）を用いたが、他にオルト燐酸（H₂PO₄）な
ど他の燐酸も用いることができる。

【００６３】なお、本実施例では燐酸を希釈するのに、
燐酸リチウム（Li₃PO₄）を用いたが、他に安息香酸リチ
ウム（LiCH₃COOH）等、他のLiを含む塩も用いることが
できる。

【００６４】なお、本実施例では耐イオン化のマスクと
して、Ｔａ膜を用いたが、他にTa₂O ₅、Pt、Auなど耐酸
性を有する膜なら用いることができる。

【００６５】なお、本実施例では光導波路としてプロト
ン交換光導波路を用いたが、他にＴｉ拡散光導波路、Ｎ
ｂ拡散光導波路、イオン注入光導波路など他の光導波路
も用いることができる。

【００６６】なお、本実施例では金属膜として、Ｔａを
用いたが、このような金属膜として他にＡｕ、Ｐｔ、Ｔ
ｉ、Ａｇなどでも同様な分極反転層が構成できる。

【００６７】（実施例２）ここではＸＹ板以外の基板を
用いた光波長変換素子の構成について述べる。

【００６８】分極反転層の形成メカニズムより、ＸＹ板
以外の基板への分極反転層の形成が可能であることが考
察される。ＸＹ板においては基板平面内に基板の自発分
極Ｐsに対立する電界成分の発生を行い、分極反転を可
能にしたが、基板の−Ｃ軸方向を基板の平行線より傾け
ることにより、同様の電界成分が基板の内部（プロトン
交換層と基板の低面の境界部分）に発生することができ
る。図８は、本発明の光波長変換素子の構成斜視図であ
る。１はLiTaO₃基板、４は分極反転層、５はプロトン交
換光導波路、６は波長８６０ｎｍの基本波、７は波長４
３０ｎｍの第二高調波（以下、ＳＨＧ光と略す）、８は
分極反転層の周期Λ、９は分極反転層の幅Ｗ、２２は基
板法線、Ａ−Ｂは基板の水平線である。また基板の−Ｃ
軸は基板の法線に対し０度以上８５度以下の角度（θ
度）で傾いている（以下Ｒ板とする）。このように基板
１のＣ軸を結晶の法線に対して傾けることにより、結晶
表面に形成した層状プロトン交換層は結晶のＣ軸に対し
角度θの傾きを、またストライプ状のプロトン交換層を
形成すると、Ｃ軸に対し角度θ以上の傾きを持つこと
が、この構成のポイントである。

【００６９】図９は実施例２における分極反転層の製造
方法の工程図を示すものである。図９において、１はLi
TaO₃基板、３プロトン交換層、４は分極反転層、２２は
基板表面の法線である。但し、LiTaO₃基板１の−Ｃ軸は
基板の法線２２に対し、θ゜の角度で傾いている。

【００７０】以下、その製造方法を図９に従って説明す
る。 （ｂ）２６０℃のピロ燐酸中でプロトン交換層を形成す
る。 （ｃ）LiTaO₃基板を熱処理する（恒温槽を用いたとこ
ろ、昇温速度は１℃/secであった）。

【００７１】以上の工程で分極反転層の形成を行ったと
ころ、熱処理温度が450度〜基板のキュリー温度（使用
した基板のキュリー温度は６０４℃）の範囲で分極反転
層の形成が確認できた。しかしながら、形成された分極
反転層は面内不均一性が大きく１μｍ以下の浅い反転層
しか形成されなかった。これは昇温過程でプロトン交換
層の拡散がおこり、分極反転層が形成される４５０℃近
傍に基板温度が上がるまでにプロトン交換層がかなり広
がってしまい、内部電界の強度が低下したためと、考え
られる。そこで、熱処理にＲＴＡを用いて反転層の形成
を試みた。その結果、１０℃／秒以上の昇温速度で熱処
理を行うと、深い反転層が均一に形成できた。このとき
の角度θと分極反転層深さの関係を図１０に示す。プロ
トン交換は２６０℃で２０分間おこない、熱処理は５８
０℃で３０秒間加熱した（昇温速度：５０℃／秒）。熱
処理温度は５００℃〜６００℃の間で分極反転層の形成
が確認できた。分極反転層はθが８９°以下で形成され
た。分極反転層の深さは角度θが８９°から小さくなる
に従い増加し、８５°で飽和する。また、３０°以下に
なると反転層深さが減少していくことがわかった。これ
はLiTaO₃基板においてＣ軸方向のプロトンの拡散速度が
他の結晶方向の拡散速度に比べて１／１．５程遅いこと
に起因すると考えられる。その結果分極反転層の形成は
０°以上８９°以下で可能となり、３０°以上８５°以
下の角度で形成すると深い分極反転層が形成できること
が分かった。さらに６０°以上８５°以下の角度で形成
すると反転層の均一性も増した。

【００７２】次に分極反転層形成の原理について図１１
を用いて説明する。図１で説明したように、分極反転層
の形成には基板の分極方向と逆方向の内部電界が必要で
ある。プロトン交換層を熱処理するとプロトン交換層と
基板の境界部にプロトンの拡散による電界が発生し、−
Ｃ板の場合（分極は基板平面の法線方向）プロトン交換
層の低面で分極反転核が発生する。ところが、ＸＹ板で
は、基板平面の接線方向に分極が存在するため、その方
向に電界を発生させる必要があり、層状のプロトン交換
層では、内部電界は基板平面方向すなわち分極方向と垂
直となり、電界分極反転層は形成されない。そこで基板
の−Ｃ軸を基板平面からわずかに傾ける方法を提案し
た。−Ｃ軸を基板法線からθ（基板接線から９０−θ）
傾けると、プロトン交換層を熱処理した際、発生する内
部電界Ｅの方向と分極方向が９０−θの角度となるた
め、分極方向に大きさＥ・sin（９０−θ）の内部電界ベ
クトルが発生する。このベクトルはθが９０度以上にな
ると、分極方向と同方向になるため分極反転層は形成さ
れなくなる。以上の結果、基板の−Ｃ軸方向と基板表面
の法線を９０゜以下の角度で傾けることにより分極反転
層の形成が可能になる。

【００７３】さらに熱処理時間と分極反転層の形状の関
係を図１２に示す。熱処理温度５４０℃のとき熱処理温
度を１０秒（図１２（ａ））、６０秒（図１２（ｂ））
と観測したが、熱処理時間とともに、分極反転層は横方
向に広がり、短周期の分極反転層の形成が困難になるこ
とが分かった。周期４μｍの分極反転層を形成した。プ
ロトン交換を２６０℃１０分間行った後、熱処理を５４
０℃１０秒間行った。その結果深さ２．８μｍの分極反
転層の形成を確認した。−Ｃ板に形成した分極反転層に
比べ約１．４倍の深さが得られた。高速かつ短時間の熱
処理により、高効率のＳＨＧ素子に必要な短周期でかつ
深い反転層が形成できることが分かった。

【００７４】なお、本実施例では基板にLiTaO₃基板を用
いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiTaO₃またはL
iNbO₃でも同様な分極反転層が作製できる。

【００７５】なお、本実施例では加熱装置として赤外線
加熱装置を用いたが、他にフラッシュランプ加熱装置、
ＣＯ₂レーザ加熱装置など昇温速度の高い加熱装置でも
同様な分極反転層が作製できる。

【００７６】なお、本実施例では、イオン交換にピロ燐
酸（H₄P₂O₇）を用いたが、他にオルト燐酸（H₂PO₄）な
ど他の燐酸も用いることができる。

【００７７】なお、本実施例では燐酸を希釈するのに、
燐酸リチウム（Li₃PO₄）を用いたが、他に安息香酸リチ
ウム（LiCH₃COOH）等、他のLiを含む塩も用いることが
できる。

【００７８】なお、本実施例では耐イオン化のマスクと
して、Ｔａ膜を用いたが、他にTa₂O ₅、Pt、Auなど耐酸
性を有する膜なら用いることができる。

【００７９】なお、本実施例では光導波路としてプロト
ン交換光導波路を用いたが、他にＴｉ拡散光導波路、Ｎ
ｂ拡散光導波路、イオン注入光導波路など他の光導波路
も用いることができる。

【００８０】なお、本実施例では金属膜として、Ｔａを
用いたが、このような金属膜として他にＡｕ、Ｐｔ、Ｔ
ｉ、Ａｇなどでも同様な分極反転層が構成できる。

【００８１】（実施例３）ここで述べるのは、分極反転
層形成後の、低ロスの光導波路の形成方法である。

【００８２】高効率な光波長変換素子を形成するために
は分極反転層上に、低ロスの光導波路を形成する必要が
ある。実施例１で説明した分極反転層の形成方法は、分
極反転層を形成するためプロトン交換層を熱処理して形
成する。ところがプロトン交換層は基板との間に屈折率
差を有するため、周期的な分極反転層を形成すると、分
極反転層と非反転層の間に屈折率差が存在する。このた
め分極反転層上に光導波路を形成すると、この屈折率変
化によって、導波ロスが発生した。そこでこの導波ロス
を小さくするために、分極反転層上に低ロスの光導波路
を形成する方法を検討した。

【００８３】図１３において、１は−Ｘ板のLiTaO₃基
板、２は耐イオン化マスク材料であるTaマスク、３はプ
ロトン交換層、４は分極反転層、５はTaマスク、６はプ
ロトン交換光導波路、１４は耐イオン化マスク材料であ
るTaマスクである。ただし、アニール処理とは、LiTaO₃
結晶を分極が反転しない温度で熱処理し、LiTaO₃結晶内
の交換処理イオンを拡散させる工程である。

【００８４】実施例１で説明した分極反転層を作製（図
３(a)〜(d)）した後、作製した分極反転層４の屈折率を
プリズムカップラ法で測定すると、基板１との屈折率差
が約0.02存在した。このまま、基板表面に導波路を形成
すると、屈折率差による光の導波ロスがおこる。そこ
で、次の（ｅ）の工程が重要になる。

【００８５】（ｅ）この基板を４５０℃で４時間アニー
ル処理すると分極反転層４と基板１の屈折率差は0.005
以下になった。また分極反転後５５０℃以上でアニール
処理すると、反転した分極が再反転し、分極反転層は消
滅した。したがって５５０℃以上でアニールしないほう
がよい。

【００８６】（ｆ）LiTaO₃基板１上にスパッタリング法
によりTa膜を形成する。このTa膜上にレジストを塗布し
た後、フォトリソグラフィ法により幅４μｍの光導波路
ストライプを基板のＸ伝搬方向に形成する、つぎにＣＦ
₄雰囲気中でドライエッチングを行いTaマスク１４を形
成する。

【００８７】（ｇ）この基板を２３０℃のピロ燐酸で２
０分間熱処理し、非マスク部分のLiTaO₃をプロトン交換
処理し、プロトン交換光導波路６を形成する。

【００８８】（ｈ）Taマスクを除去した後LiTaO₃基板の
両端面を光学研磨すると光波長変換素子を製造できる。

【００８９】次に、作製した光波長変換素子の特性を比
較した。分極反転後に４５０℃で１時間熱処理したもの
（サンプル１）、分極反転後に熱処理を行わなかったも
の（サンプル２）、分極反転後に５５０℃で１時間熱処
理したもの（サンプル３）を作製し、波長８００μｍ、
出力４０ｍＷの半導体レーザの光を集光光学系により集
光した。光導波路より、出射される基本波及びＳＨＧ光
をレンズでコリメートしパワーメータで測定した。結果
を以下の表に示す。

【００９０】

【表１】

【００９１】サンプル１とサンプル２の結果より、サン
プル１は分極反転後のアニール処理（図１３の工程
(e)）により分極反転層の屈折率差が減少し、光波長変
換素子の導波ロスが２ｄＢ／ｃｍ（サンプル２）から
０．４ｄＢ／ｃｍに減少した。これによってサンプル１
の導波ロスが減少し、その結果、基本波の出力が増加し
た。

【００９２】さらに、導波ロスの減少に伴いＳＨＧ光の
出力が増加した。変換効率の非常に高い光波長変換素子
が形成されている。サンプル３は基本波は導波している
が。ＳＨＧ光が発生していない。これは５５０℃の熱処
理により分極反転層が再反転して消滅したためと考えら
れる。

【００９３】以上にように本実施例によれば、部分的に
プロトン交換を行うことにより、周期的な分極反転層を
形成し、その後５５０℃以下でアニール処理することに
より導波ロスを減少させ低ロスの光導波路を形成でき
る。その結果、変換効率の高い光波長変換素子を形成で
きた。

【００９４】なお、本実施例では、イオン交換にピロ燐
酸（H₄P₂O₇）を用いたが、他にオルト燐酸（H₂PO₄）な
ど他の燐酸も用いることができる。

【００９５】なお、本実施例では耐イオン化のマスクと
して、Ｔａ膜を用いたが、他にTa₂O ₅、Ptなど耐酸性を
有する膜なら用いることができる。

【００９６】なお、本実施例では、基板として、LiTaO₃
を用いたが、他にLiNbaO₃、LiTaO₃とLiNbO₃の混合物、M
gOをドーピングした、LiTaO₃またはLiNbO₃基板でも用い
ることができる。LiNbO₃との混合物は非線形光学定数が
大きくかつ、耐光損傷性にも優れているため、より高効
率かつ、高出力の波長変換が可能になる。またMgOをド
ーピングした、LiTaO₃またはLiNbO₃を用いると、耐光損
傷性に優れるため、より高出力の波長変換が行える。

【００９７】なお、本実施例では−Ｘ板の基板を用いた
が、他に＋Ｘ板、±Ｙ板などＣ軸に並行な基板ならば同
様な分極反転層を形成できる。

【００９８】なお、本実施例では、分極反転層を光波長
変換素子に応用したが、その他電気光学効果を利用した
光スイッチにも応用できる。分極反転層により電気光学
効果による屈折率変化の方向を逆転することができるた
め、高速の光スイッチや電気光学効果を利用したグレー
ティングの形成などに応用できる。

【００９９】なお、本実施例では、分極反転層を光波長
変換素子に応用したが、その他圧電効果を利用した、表
面弾性波（ＳＡＷ）デバイスにも応用できる。分極反転
層を用いると櫛形電極を必要とせず、ＳＡＷデバイスを
実現できるため、広い応用が可能である。

【０１００】（実施例４） 光波長変換素子の特性評価について 光波長変換素子の特性について述べる。実施例１で説明
した分極反転層上に実施例３で説明した光導波路を形成
し、３次の周期の光波長変換素子を作製した。作成した
光波長変換素子の構成図を図１４に示す。図１４におい
て、１は−Ｘ板のLiTaO₃基板、４は分極反転層、５はプ
ロトン交換光導波路、６は波長８６０ｎｍの基本波、７
は波長４３０ｎｍの第二高調波（以下、ＳＨＧ光と略
す）である。

【０１０１】光導波路は基板のＹ軸方向に形成され、分
極反転層のストライプ方法は、基板のＣ軸に対し、２０
゜角度を付けて形成した。分極反転層はＣ軸に対して角
度を付けることにより、Ｘ板における形成が可能とな
る。

【０１０２】作製した光波長変換素子はＸ板の基板上
に、周期４μｍ、幅２μｍ深さ３μｍの分極反転層上
に、幅４μｍ深さ１．９μｍのプロトン交換光導波路を
素子長１０ｍｍに渡って結晶のＹ軸方向に形成したもの
である。作製した光波長変換素子のＳＨＧ特性を測定し
た。波長可変なＴｉサファイアレーザを用いて、入射光
の波長を８４０〜８８０ｎｍの間で走査して、位相整合
する波長を求めた。

【０１０３】測定の結果、位相整合は波長８６０ｎｍで
成立し、波長４３０ｎｍのＳＨＧ光が出力された。Ｘ板
のLiTaO₃を用いて作製した１次の分極反転周期の光波長
変換素子のＳＨＧ特性は１１５ｍＷの基本光を入力した
とき、２３ｍＷのＳＨＧ光が得られたこのときの換算効
率は３００％／Ｗで、従来の−Ｃ板に形成した分極反転
型ＳＨＧ素子（２００％／Ｗ）の特性の約１．５倍の変
換効率が得られた。

【０１０４】これは分極反転層の周期構造を結晶のＣ軸
方向より傾けることと、ＲＴＡによりＸ板のLiTaO₃に周
期的な分極反転層の形成が可能になり、かつ反転層深さ
が増し短周期においても深い反転層の形成が可能になっ
たからである。

【０１０５】さらに、Ｘ板のLiTaO₃に分極反転型の光波
長変換素子を構成するとこにより、半導体レーザとの高
効率結合が可能となり、その結果、半導体レーザの高効
率波長変換が可能となった。

【０１０６】さらに、分極反転層を結晶のＣ軸より傾け
た構造にすることにより、分極反転層による散乱ロスが
低下し、光導波路の伝搬ロスを低減することができた。

【０１０７】（実施例５）ここでは、本発明の光波長変
換素子を用いた短波長コヒーレント光発生装置について
説明する。

【０１０８】高効率の光波長変換素子を実現するには次
の３つの条件を満足する必要がある。

【０１０９】１）光導波路の偏光方向 LiTaO₃（LiNbO₃）などの高非線形材料は一般にｄ₃₃方向
に大きな非線形光学定数をもつ（これはＣ軸方向の電界
ベクトルを持った基本光が同じ方向の電界ベクトルを持
ったＳＨＧ光に変換される非線形定数）、そのため、光
導波路を伝搬する光は結晶のＣ軸方向に電界ベクトルを
持つとき最大の変換効率が得られる。

【０１１０】２）光導波路の閉じ込め プロトン交換光導波路は基板との屈折率変化に異方性を
持っており、基板のＣ軸方向の電界ベクトルを持つ光に
対して強い閉じ込め効果をもつ、そのため閉じ込めの強
い光導波路を形成するには、基板のＣ軸方向に電界ベク
トルをもつ光が伝搬する光導波路構造にする必要があ
る。

【０１１１】３）半導体レーザとの高効率結合 半導体レーザと光波長変換素子の高効率結合を行うには
素子の偏光方向が問題となる。半導体レーザは発振効率
を高めるためレーザ媒質中でＴＥモード（基板平面に対
して平行な方向の電界ベクトルを持つ）の偏光を持つた
め、半導体レーザとの直接結合または高効率結合を行う
には、基板平面に平行なＴＥモードの導波光を導波させ
る光導波路構造が必要となる。

【０１１２】上記の３条件を満足させるには、図１４に
示すように分極反転層の周期構造は結晶のＣ軸に垂直な
方向に周期構造が並ぶ様に作製し、光導波路はＴＥモー
ドが伝搬する必要がある。

【０１１３】半導体レーザと波長変換を用いた短波長コ
ヒーレント光発生装置について述べる。図１５に短波長
コヒーレント光発生装置の構成図を示す。図１５におい
て１６は半導体レーザ、１７は集光光学系、６は基本
波、７は第二高調波、１８はＳＨＧ素子、５はプロトン
交換光導波路である。半導体レーザ１６から出射された
光は集光光学系１７で集光され、光波長変換素子１８の
プロトン交換光導波路５に入射する。半導体レーザと光
導波路の偏光方向が等しいため、集光光学系には、従来
必要であったλ／２板（光の偏光制御用、従来例図２７
に示す）の必要が無い。半導体レーザからの出力６は７
０ｍＷ、光導波路へは４２ｍＷの光が結合し、結合効率
は６０％であった。従来の結合効率４５％を上回ってい
る。このときのＳＨＧ出力は３ｍＷで、換算効率は１８
０％／Ｗであった。

【０１１４】波長０．８μｍ帯の半導体レーザと実施例
１で作製した光波長変換素子を組み合わせた短波長コヒ
ーレント光発生装置を図１６（ａ）に示す。

【０１１５】同図（ａ）において１６は半導体レーザ、
１はLiTaO₃基板、４は分極反転層、５はプロトン交換光
導波路である。図１６（ｂ）に半導体レーザの導波光、
Ｃ板上の光導波路の導波光、Ｘ板上の光導波路の導波光
をそれぞれ示す。半導体レーザ１６の光導波路内での発
振はＴＥモード（基板に垂直方向に電界が振動する）発
振である。かつ半導体レーザの導波光の電界分布は基板
の深さ方向に対し、幅方向の広がりが大きな、楕円形状
をしている。そのため、Ｃ板の基板に形成した光導波路
の導波光（伝搬はＴＭモード、電界分布は基板の深さ方
向に対し、幅方向の広がりが大きな、楕円形状）と、直
接結合すると非常に低い結合効率しか得られない。なぜ
ならば、電界分布を一致させると光の偏光方向が直行す
るため結合しない。また、光の偏光方向を一致させる
と、電界分布が直行するため、非常に低い結合しか起こ
らないからである。ところが、Ｘ板に形成した光導波路
は、光の偏光方向、電界分布ともに半導体レーザの光導
波路内を伝搬する光と一致するため、高効率の結合が可
能である。そのため、図に示すような、半導体レーザと
光波長変換素子の直接結合が非常に高い効率で実現し
た。半導体レーザは出力７０ｍＷ、光波長変換素子に３
５ｍＷの光が入射した。従来のＣ板上に作成した光波長
変換素子では半導体レーザとの結合効率は１０％以下で
あったが、Ｘ板に形成することによって結合効率は５０
％になり、飛躍的に結合効率を増やすことができた。ま
た集光光学系を必要としないため、非常に小型の短波長
コヒーレント光発生装置が構成できる。出力は波長４３
０ｎｍ、出力２ｍＷである。

【０１１６】以上のように、ＸＹ板のLiTaO₃基板に形成
した分極反転型ＳＨＧ素子と半導体レーザにより構成さ
れた短波長コヒーレント光発生装置は、半導体レーザと
の高効率結合が光学系を必要とせず可能となったため、
小型で高出力の装置が構成できる。その結果、光ディス
ク、レーザプリンタなどの光源に応用できる。この短波
長光源により、光ディスクの記憶容量を大幅に増大で
き、かつ非常に小型の機器が製造できた。

【０１１７】次に、Ｒ板のLiTaO₃基板を用いた光波長変
換素子による半導体レーザの高効率変換について述べ
る。上記の３条件を満足させるには、図１７に示すよう
に分極反転層の周期構造は結晶のＣ軸に垂直な方向に周
期構造が並ぶ様に作製し、光導波路はＴＥモードが伝搬
する。しかし、−Ｃ軸が基板法線２２に対してθ°傾い
ているため、ＴＥモードの伝搬光に対して、実効的な非
線形光学定数はｄ33＊SIN(θ)、また実効的な光導波路
の屈折率変化はΔｎ＊SIN(θ)となりθが９０°のとき
変換効率、光導波路の屈折率変化共に最大になる。この
ため光波長変換素子の変換効率は、図１８に示すように
θの減少とともに光波長変換素子の変換効率が低下す
る。変換効率を最大値（ＸＹ板の光波長変換素子の変換
効率）の７５％以上にするにはθの値を６０°以上にす
る必要がある。θの値は分極反転層形成が可能な範囲が
８５度以下であるから、有効な範囲は６０°≦θ≦８５
°である。

【０１１８】（実施例６）ここでは、本発明の光波長変
換素子による半導体レーザの安定な波長変換および安定
出力の短波長コヒーレント光発生装置について述べる。
半導体レーザの発振波長は駆動電流、環境温度の変化で
変動する。例えば温度変動は0.2〜0.3nm／℃で変化す
る。しかも波長の変動は連続的に起こるのではなく、
０．２ないし０．３ｎｍのモードホップをともない離散
的に変化する。駆動電流による波長変動も同様であり、
その他、戻り光などによってもモードホップは発生す
る。一方、光波長変換素子の波長許容度は素子長１０ｍ
ｍのとき０．１ないし０．２ｎｍと非常に狭く、半導体
レーザのモードホップが発生すると、位相整合条件から
外れてしまい、ＳＨＧ出力が大幅に低下する。このた
め、光波長変換素子と半導体レーザを一体化した。小型
の短波長コヒーレント光発生装置を実現するためには、
半導体レーザの波長変動を光波長変換素子の位相整合許
容度内に抑えることが必要となる。そこで、波長選択グ
レーティングによる半導体レーザの波長固定および波長
制御を試みた。半導体レーザの活性層内に特定波長コヒ
ーレント光を入射すると発振波長が、この波長に固定さ
れる。グレーティングを用いると、半導体レーザの特定
波長を選択できるため、これを帰還することにより、波
長固定および制御が可能になる。

【０１１９】グレーティングを光波長変換素子上に集積
化し、出力の安定化を図った短波長コヒーレント光発生
装置の構成図を図１９に示す。図１９において、１は−
Ｘ板のLiTaO₃基板、４は分極反転層、５はプロトン交換
光導波路、３１はグレーティングである。

【０１２０】光波長変換素子上にグレーティングを形成
する方法を図２０に示す。ａ）光導波路上に希釈したフ
ォトレジスト（ＡＺ１４００−１７）を塗布する。フォ
トレジスト厚みは０．２μｍとした。ｂ）これをＨｅ−
Ｃｄレーザ（波長0.4416nm）により構成した干渉露光装
置で、周期０．４μｍの周期状パターンを露光した後、
現像し、フォトレジストによるグレーティング層（屈折
率１．５）を形成する。今回使用したレジストはポジ型
レジストであり、光が当たった部分の組成が変化し、現
像を行うとその部分が現像液に溶解する。作製したグレ
ーティング層は周期０．４μｍ、高さ０．２μｍ、デュ
ーティ比３：１、グレーティングの長さは１ｍｍであっ
た。ｃ）作製したグレーティング層にスパッタリング法
でTa₂O₅（屈折率２）を０．３μｍ堆積し回折素子を作
製した。

【０１２１】図２１に光波長変換素子を用いた短波長コ
ヒーレント光発生装置を示す。図２１において１６は半
導体レーザ、１７は集光光学系、６は基本波、７は第二
高調波、５はプロトン交換光導波路、２３はグレーティ
ングである。半導体レーザ１６から出射された光は集光
光学系１７で集光され、光波長変換素子のプロトン交換
光導波路５に入射する。半導体レーザからの基本波出力
は７０ｍで光導波路に結合したのは４２ｍＷ（結合効率
は６０％であった。またグレーティング３１により基本
波は半導体レーザに帰還される。グレーティングの反射
波長は光波長変換素子の位相整合波長と等しくなるよう
８６０ｎｍに設計してある。このときのグレーティング
の周期は２次の周期の０．４μｍ、分極反転層の周期は
３．９μｍである。長さ０．５ｍｍのグレーティング長
に対し、反射率は３０％であり、グレーティングにより
半導体レーザに帰還された基本波により半導体レーザの
波長は８６０ｎｍに固定された。このときのＳＨＧ出力
は３ｍＷであった。

【０１２２】半導体レーザの波長安定性を調べるため、
半導体レーザの温度を変化させてＳＨＧ出力の変動を測
定した結果を図２２に示す。温度１０〜３０℃の間で出
力変動は±５％以内で安定した出力が得られた。Ｘ板に
形成した光波長変換素子により小型、高効率の光波長変
換素子が形成でき、さらに、グレーティングを集積化す
ることにより出力の安定性も得られた。

【０１２３】次に、半導体レーザと光波長変換素子を直
接接合した。結合効率は８０％であった。Ｘ板のLiTaO₃
を用いることで、高効率の結合が可能になった。さらに
半導体レーザと光波長変換素子間にＡＲコート層を設け
ることにより接合部での反射を０．０１％に抑えた。そ
の結果、半導体レーザの後面と光波長変換素子のグレー
ティング間での共振構造が実現され、光波長変換素子内
部の基本波パワーが増加した結果、変換効率が増加しＳ
ＨＧ出力１０ｍＷが得られた。

【０１２４】（実施例７）ここでは、本発明の回折素子
について説明する。周期的分極反転層の形成が可能にな
ると、電界により制御可能な回折格子が形成できる。実
施例１、２で述べた周期的分極反転層と電極により、周
期的な屈折率変化を誘起し回折格子を形成することがで
きる。図２３に回折素子の構成斜視図を示す。図２３に
おいて、１はＸ板のLiTaO₃基板、４は分極反転層、５は
プロトン交換光導波路、２５は電極である。電極に電圧
を印可すると結晶のＺ方向に電界が発生する。結晶の分
極が周期的に反転しているため、電界による屈折率変化
は反転層ではΔｎ、非反転層では−Δｎ変化し、周期的
な屈折率変化によりグレーティングを形成する。

【０１２５】次に、回折素子の特性について述べる。分
極反転層の周期２μｍ、光導波路は幅４μｍ、厚み１．
９μｍであった。基本波として波長８６０ｎｍの半導体
レーザの光を集光光学系を用いて、光導波路に入射させ
ると、グレーティングにより反射される。このときのグ
レーティング次数は１０次である。グレーティング長５
ｍｍのとき印可電圧と回折効率の関係を図２４に示す。
印可電圧１０Ｖで８０％の回折効率が得られた。

【０１２６】なお、本実施例では、基板として、LiTaO₃
を用いたが、他にLiNbaO₃、LiTaO₃とLiNbO₃の混合物、M
gOをドーピングした、LiTaO₃またはLiNbO₃基板でも用い
ることができる。LiNbO₃との混合物は非線形光学定数が
大きくかつ、耐光損傷性にも優れているため、より高効
率かつ、高出力の波長変換が可能になる。またMgOをド
ーピングした、LiTaO₃またはLiNbO₃を用いると、耐光損
傷性に優れるため、より高出力の回折素子構成できる。

【０１２７】なお、本実施例では−Ｘ板の基板を用いた
が、他に＋Ｘ板、±Ｙ板、Ｒ板などＣ軸に並行な基板な
らば同様の回折素子が構成できる。

【０１２８】（実施例８）ここでは、本実施例の光波長
変換素子および短波長コヒーレント光発生装置について
説明する。実施例５で示した光波長変換素子上に実施例
６で示した回折素子を集積化することにより安定動作の
光波長変換素子を構成できる。

【０１２９】図２５に本実施例の短波長コヒーレント光
発生装置の構成斜視図を示す。図２５において、１は−
Ｘ板のLiTaO₃基板、４は分極反転層、５はプロトン交換
光導波路、２５は電極、１６は半導体レーザ、１７は集
光光学系、６は基本波、７は第２高調波である。電極下
の分極反転層の周期は２μｍ、他の分極反転層の周期は
４μｍである。半導体レーザ１６から出射された基本波
６は集光光学系１７により集光され、プロトン光導波路
５に入射する。基本波６は分極反転層により第２高調波
７に変換される。電極２５に電圧を印可すると屈折率変
化を誘起しグレーティングとなり、伝搬する特定波長の
基本波を反射する。反射された基本波は半導体レーザの
発振波長を固定するため、グレーティングの周期により
半導体レーザの発振波長を固定できる。グレーティング
の反射波長を分極反転層の位相整合波長と一致させてお
けば、半導体レーザの発振波長は環境温度、注入電流等
の外乱により変動することなく、一定波長に固定される
ため、光波長変換素子は安定した位相整合により安定な
波長変換が可能になる。またグレーティングに形成した
電極に印可する電圧を変えることにより、グレーティン
グの反射波長を制御することができるため、光波長変換
素子の位相整合波長とグレーティングの反射波長を一致
するように電圧を調整することで、安定で、高効率の変
換が可能になる。

【０１３０】実験では素子長１５ｍｍ電極部は５ｍｍ
で、印可電圧５Ｖのときグレーティングの反射効率は３
０％で半導体レーザの活性層に１０％反射光が戻った。
室温で出力１００ｍＷのとき発振波長８５８ｎｍの半導
体レーザが、グレーティングのフィードバックにより、
発振波長はグレーティングの反射波長８７０ｎｍに固定
された。周期４μｍの分極反転層の位相整合波長は８７
０ｎｍなので、グレーティングにより、反射波長を位相
整合波長に固定することができた。その結果、ＳＨＧ出
力１０ｍＷが得られ、このときの変換効率は１５％であ
った。半導体レーザの温度を１０度から５０度まで変化
させたが、ＳＨＧ出力変動は５％以内におさえることが
できた。また半導体レーザへの注入電流を変えても発振
波長が位相整合波長から外れることはなかった。

【０１３１】また、グレーティングにより第２高調波出
力を変調することができる。発振波長を位相整合波長よ
り外れたレーザを用いる。実験では発振波長８６８ｎｍ
の半導体レーザを用いた。グレーティング部の電極に電
界を印可しない場合、半導体レーザの発振波長は位相整
合条件を満足せず、第２高調波出力は０．０１ｍＷと小
さかった。電極に５Ｖの電圧を印可すると半導体レーザ
の発振波長は８７０ｎｍに固定され、ＳＨＧ出力は１０
ｍＷ、変調は１００ＭＨｚまで可能であった。このとき
のＳ／Ｎ比は２５ｄＢであった。電界により第２高調波
出力の高速変調が可能になり、光ディスクへの書き込み
が可能になる。

【０１３２】

【発明の効果】以上説明したように、−Ｃ板以外のLiTa
O₃基板上に基板のＣ軸方向から傾けてストライプ状のプ
ロトン交換層を形成し、これを熱処理して分極反転層を
形成することにより、分極反転層の形成に必要な分極を
反転させる内部電界の発生を可能にする。さらに熱処理
の昇温速度を上げることにより分極反転処理温度に達す
るまでのプロトン交換層の拡散を防ぎ、プロトン交換層
内に形成される分極反転の横広がりを防止することがで
きた。その結果、−Ｃ板のLiTaO₃では困難であった短周
期で非常に深い分極反転構造が、LiTaO₃に形成がするこ
とができた。これを用いることにより、高効率で短波長
変換が可能な光波長変換素子が製造できるため、その実
用効果は大きい。

【０１３３】さらに、−Ｃ板以外のLiTaO₃基板に結晶の
Ｃ軸に対し傾けた方向に形成した周期的分極反転層と分
極反転層にほぼ垂直方向に形成した光導波路により、高
効率変換が可能な、分極反転型の光波長変換素子が構成
できた。この光波長変換素子は、半導体レーザとの高効
率結合に、従来必要であった複雑な光学系を必要とせ
ず、簡単な光学系により、高効率の結合を可能にするた
め、その実用効果は大きい。

【０１３４】さらに、Ｃ板以外のLiTaO₃基板に結晶のＣ
軸に対し０゜以上の角度で傾けたストライプ有する方向
に形成した周期的分極反転層と分極反転層にほぼ垂直方
向に形成した光導波路により、構成される光波長変換素
子と半導体レーザを一体化することにより、高出力かつ
小型の短波長コヒーレント光発生装置を形成できる。特
に結晶のＣ軸が基板の水平線のほぼ平行な場合、光波長
変換素子は半導体レーザとの偏光方向が等しいため、光
波長変換素子の光導波路と半導体レーザの光導波路の間
で高効率の直接結合が可能になる。このため、光波長変
換素子と半導体レーザを直接結合させた、一体化のモジ
ュールを構成することができた。作製した装置は小型、
高出力であり、光ディスク、レーザプリンタなど広い範
囲で応用ができ、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光波長変換素子の構成図

【図２】Ｃ板のLiTaO₃基板における分極反転層形成メカ
ニズムを表す図

【図３】本発明における分極反転層の作成工程図

【図４】Ｘ板のLiTaO₃基板における内部電界と自発分極
Ｐsの関係を表す図

【図５】Ｘ板のLiTaO₃基板における分極反転層形成メカ
ニズムを表す図

【図６】（ａ）分極反転層の核の形成の様子を示す図 （ｂ）分極反転層の核の形成の様子を示す図

【図７】（ａ）熱処理時間と分極反転層の関係を示す特
性図 （ｂ）熱処理時間と分極反転層の関係を示す特性図

【図８】本発明の光波長変換素子の構成図

【図９】分極反転層の作製工程図

【図１０】結晶のＣ軸と基板の法線ベクトルのなす角度
と基板に形成された分極反転層の深さの関係を表す特性
図

【図１１】Ｒ板のLiTaO₃基板における内部電界と自発分
極Ｐsの関係を表す図

【図１２】（ａ）熱処理時間と分極反転層の関係を示す
特性図 （ｂ）熱処理時間と分極反転層の関係を示す特性図

【図１３】本発明の光導波路の作製方法の工程斜視図

【図１４】本発明の光波長変換素子の構成図

【図１５】光波長変換素子による半導体レーザ光の波長
変換実験の光学系を示す図

【図１６】（ａ）本発明の短波長コヒーレント光発生装
置の構成図 （ｂ）導波モードの電界分布と表す図

【図１７】光波長変換素子の構成斜視図

【図１８】基板の法線ベクトルと結晶のＣ軸のなす角θ
と変換効率の関係を表す特性図

【図１９】グレーティングを集積化した光波長変換素子
の構成図

【図２０】グレーティングの作製工程を表す図

【図２１】短波長コヒーレント光発生装置をの構成図

【図２２】短波長コヒーレント光発生装置の出力の温度
特性を表す図

【図２３】回折素子の構成図

【図２４】印可電圧と回折効率の関係を表す特性図

【図２５】短波長コヒーレント光発生装置の構成斜視図

【図２６】従来の光波長変換素子の製造方法を示す工程
断面図

【図２７】従来の短波長コヒーレント光発生装置の構成
図

【符号の説明】

１ LiTaO₃基板 ２ Ｔａマスク ３ プロトン交換層 ４ 分極反転層 ５ プロトン交換光導波路 ６ 基本波 ７ 第二高調波 ８ 周期Λ ９ マスク幅Ｗ １０ プロトン交換層 １１ 分極反転核 １２ Ｐs（自発分極） １３ 電界 １４ Ｔａマスク １５ フォトレジスト １６ 半導体レーザ １７ 集光光学系 １８ ＳＨＧ素子 １９ λ／２板 ２２ 基板の法線 ２３ グレーティング ２４ Ta₂O₅膜 ２５ 電極 ４２ 第二高調波 ４３ 基本波 ４４ プロトン交換光導波路 ４５ 分極反転層 ９８ コリメートレンズ ９９ フォーカスレンズ １０１ 半導体レーザ １０４ LiTaO₃基板 １０５ プロトン交換層 １０６ 分極反転層 １０７ Ｔａマスク １０８ ＳＨＧ素子

Claims (52)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 −Ｃ板以外のLiTa（_1-x)Nb_xO₃（０≦x≦
   １）基板と、前記基板表面に形成したストライプ状の分
   極反転層と、光導波路とを備え、前記ストライプ状の分
   極反転層が周期的に形成され、かつ前記分極反転層のス
   トライプ方向が基板のＣ軸に対して０°より大きい角度
   で傾いていることを特徴とする光波長変換素子。
2. 【請求項２】 ＸＹ板のLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦x≦１）
   基板を用いる請求項１記載の光波長変換素子。
3. 【請求項３】 分極反転層の周期が１次であることを特
   徴とする請求項２記載の光波長変換素子。
4. 【請求項４】 周期的分極反転層の一部に電極が形成さ
   れていることを特徴とする請求項２記載の光波長変換素
   子。
5. 【請求項５】 光導波路の一部にグレーティングが形成
   されていることを特徴とする請求項２記載の光波長変換
   素子。
6. 【請求項６】 分極反転層のストライプ幅が１０μｍ以
   下であることを特徴とする請求項２記載の光波長変換素
   子。
7. 【請求項７】 ＸＹ板以外のＬiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦x≦
   １）基板を用いる請求項１記載の光波長変換素子。
8. 【請求項８】 基板表面の法線に対し、結晶の−Ｃ軸が
   ６０度以上、８５度以下の角度で傾いているLiTa_(1-x)N
   b_xO₃（０≦x≦１）基板を用いる請求項７記載の光波長
   変換素子。
9. 【請求項９】 分極反転層の周期が１次であることを特
   徴とする請求項７記載の光波長変換素子。
10. 【請求項１０】 周期的分極反転層の一部に電極が形成
    されていることを特徴とする請求項７記載の光波長変換
    素子。
11. 【請求項１１】 光導波路の一部にグレーティングが形
    成されていることを特徴とする請求項７記載の光波長変
    換素子。
12. 【請求項１２】 分極反転層のストライプ幅が１０μｍ
    以下であることを特徴とする請求項７記載の光波長変換
    素子。
13. 【請求項１３】 光導波路の方向が基板のＣ軸に対して
    ほぼ垂直であることを特徴とする請求項１記載の光波長
    変換素子。
14. 【請求項１４】 分極反転層の周期が１次であることを
    特徴とする請求項１３記載の光波長変換素子。
15. 【請求項１５】 周期的分極反転層の一部に電極が形成
    されていることを特徴とする請求項１３記載の光波長変
    換素子。
16. 【請求項１６】 光導波路の一部にグレーティングが形
    成されていることを特徴とする請求項１３記載の光波長
    変換素子。
17. 【請求項１７】 分極反転層のストライプ幅が１０μｍ
    以下であることを特徴とする請求項１３記載の光波長変
    換素子。
18. 【請求項１８】 −Ｃ板以外のLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦x
    ≦１）基板の表面に、前記LiTa_(1-x)Nb_xO₃基板のＣ軸に
    対し０°より大きく傾けたストライプ状のマスクを形成
    する工程と、前記LiTa_(1-x)Nb_xO₃基板本体をプロトン交
    換処理により、非マスク部分から前記LiTa_(1-x)Nb_xO₃基
    板内のLiとH⁺イオンを交換しプロトン交換層を形成する
    工程と、前記LiTa_(1-x)Nb_xO₃基板を熱処理し分極反転層
    を形成する工程とを備えたことを特徴とする光波長変換
    素子の製造方法。
19. 【請求項１９】 ＸＹ板のLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦x≦
    １）基板を用いる請求項１８記載の光波長変換素子の製
    造方法。
20. 【請求項２０】 基板表面にプロトン交換層を形成する
    のに、希釈したピロ燐酸を用いることを特徴とする請求
    項１９記載の光波長変換素子の製造方法。
21. 【請求項２１】 マスクとしてＴａマスクを用いること
    を特徴とする請求項１９記載の光波長変換素子の製造方
    法。
22. 【請求項２２】 周期的分極反転層形成後、基板を５５
    ０℃以下でアニール処理することを特徴とする請求項１
    ９記載の光波長変換素子の製造方法。
23. 【請求項２３】 周期的分極反転層の形成に、ＲＴＡを
    用いて、１０度／秒以上の速度で熱処理することを特徴
    とする請求項１９記載の光波長変換素子の製造方法。
24. 【請求項２４】 マスクのストライプ幅を１０μｍ以下
    にする請求項１９記載の光波長変換素子の製造方法。
25. 【請求項２５】 ＸＹ板以外のLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦x
    ≦１）基板を用いる請求項１８記載の光波長変換素子の
    製造方法。
26. 【請求項２６】 基板表面の法線に対し、結晶の−Ｃ軸
    が６０度以上、８５度以下の角度で傾いているLiTa
    _(1-x)Nb_xO₃（０≦x≦１）基板を用いる請求項２５記載
    の光波長変換素子の製造方法。
27. 【請求項２７】 基板表面にプロトン交換層を形成する
    のに、希釈したピロ燐酸を用いることを特徴とする請求
    項２５記載の光波長変換素子の製造方法。
28. 【請求項２８】 マスクとしてＴａマスクを用いること
    を特徴とする請求項２５記載の光波長変換素子の製造方
    法。
29. 【請求項２９】 周期的分極反転層形成後、基板を５５
    ０℃以下でアニール処理することを特徴とする請求項２
    ５記載の光波長変換素子の製造方法。
30. 【請求項３０】 周期的分極反転層の形成に、ＲＴＡを
    用いて、１０度／秒以上の速度で熱処理することを特徴
    とする請求項２５記載の光波長変換素子の製造方法。
31. 【請求項３１】 マスクのストライプ幅を１０μｍ以下
    にする請求項２５記載の光波長変換素子の製造方法。
32. 【請求項３２】 基板のＣ軸に対してほぼ垂直な方向
    に、光導波路を形成する工程を有することを特徴とする
    請求項１８記載の光波長変換素子の製造方法。
33. 【請求項３３】 基板表面にプロトン交換層を形成する
    のに、希釈したピロ燐酸を用いることを特徴とする請求
    項３２記載の光波長変換素子の製造方法。
34. 【請求項３４】 マスクとしてＴａマスクを用いること
    を特徴とする請求項３２記載の光波長変換素子の製造方
    法。
35. 【請求項３５】 周期的分極反転層の形成後、基板を５
    ５０℃以下でアニール処理することを特徴とする請求項
    ３２記載の光波長変換素子の製造方法。
36. 【請求項３６】 周期的分極反転層の形成に、ＲＴＡを
    用いて、１０度／秒以上の速度で熱処理することを特徴
    とする請求項３２記載の光波長変換素子の製造方法。
37. 【請求項３７】 マスクのストライプ幅を１０μｍ以下
    にする請求項３２記載の光波長変換素子の製造方法。
38. 【請求項３８】 基板表面の法線に対し、結晶の−Ｃ軸
    が０度以上、９０度以下の角度で傾いているLiTa_(1-x)N
    b_xO₃（０≦x≦１）基板の表面に、プロトン交換処理に
    より、前記LiTa_(1-x)Nb_xO₃基板内のLiとH⁺イオンを交換
    しプロトン交換層を形成する工程と、前記LiTa_(1-x)Nb_x
    O₃基板を熱処理し分極反転層を形成する工程とを備えた
    ことを特徴とする分極反転層の製造方法。
39. 【請求項３９】 基板表面の法線に対し、結晶の−Ｃ軸
    が６０度以上、８５度以下の角度で傾いているLiTa
    _(1-x)Nb_xO₃（０≦x≦１）基板を用いる請求項３８記載
    の分極反転層の製造方法。
40. 【請求項４０】 基板表面にプロトン交換層を形成する
    のに、希釈したピロ燐酸を用いることを特徴とする請求
    項２５記載の分極反転層の製造方法。
41. 【請求項４１】 周期的分極反転層形成後、基板を５５
    ０℃以下でアニール処理することを特徴とする請求項３
    ８記載の分極反転層の製造方法。
42. 【請求項４２】 周期的分極反転層の形成に、ＲＴＡを
    用いて、１０度／秒以上の速度で熱処理することを特徴
    とする請求項３８記載の分極反転層の製造方法。
43. 【請求項４３】 −Ｃ板以外のLiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦x
    ≦１）基板と、前記基板表面に形成したストライプ状の
    分極反転層と光導波路と、前記光導波路の端面に形成し
    た入射部と、前記光導波路の他の端面に形成した出射部
    とを備えた光波長変換素子と、半導体レーザとを具備
    し、前記ストライプ状の分極反転層周期的に形成され、
    前記ストライプの方向が前記LiTa_(1-x)Nb_xO₃（０≦x≦
    １）基板のＣ軸に対し、０°より大きい角度で傾いてお
    り、前記光導波路の入射部に前記半導体レーザから出射
    された基本波が入射し、前記入射した基本波が前記分極
    反転層により第２高調波に変換されていることを特徴と
    する短波長コヒーレント光発生装置。
44. 【請求項４４】 前記光導波路の一部にグレーティング
    が形成され、前記基本波の一部が前記グレーティングに
    より反射され、前記半導体レーザの活性層に帰還してい
    ることを特徴とする請求項４３記載の短波長コヒーレン
    ト光発生装置。
45. 【請求項４５】 半導体レーザと、光波長変換素子の入
    射部とが直接結合されていることを特徴とする請求項４
    ４記載の短波長コヒーレント光発生装置。
46. 【請求項４６】 半導体レーザから出射する基本波を、
    レンズを用いて光波長変換素子の入射部に結合している
    ことを特徴とする請求項４４記載の短波長コヒーレント
    光発生装置。
47. 【請求項４７】 前記グレーティングが波長選択性を有
    し、前記活性層内に帰還した光により、前記半導体レー
    ザの発振波長を固定していることを特徴とする請求項４
    ４記載の短波長コヒーレント光発生装置。
48. 【請求項４８】 前記光導波路の一部に電極が形成され
    ていることを特徴とする請求項４３記載の短波長コヒー
    レント光発生装置。
49. 【請求項４９】 半導体レーザと、光波長変換素子の入
    射部とが直接結合されていることを特徴とする請求項４
    ８記載の短波長コヒーレント光発生装置。
50. 【請求項５０】 半導体レーザから出射する基本波を、
    レンズを用いて光波長変換素子の入射部に結合している
    ことを特徴とする請求項４８記載の短波長コヒーレント
    光発生装置。
51. 【請求項５１】 前記電極により前記分極反転層の屈折
    率が制御され、前記入射波の波長が、前記第２高調波の
    位相整合波長と一致していることを特徴とする請求項４
    ８記載の短波長コヒーレント光発生装置。
52. 【請求項５２】 前記基本波が前記電極下の分極反転層
    により反射され、前記半導体レーザの活性層内に帰還し
    て、前記半導体レーザの発振波長を固定していることを
    特徴とする請求項４８記載の短波長コヒーレント光発生
    装置。