JPH0667234A - Waveguide internal resonance type shg light source - Google Patents

Waveguide internal resonance type shg light source

Info

Publication number
JPH0667234A
JPH0667234A JP22406392A JP22406392A JPH0667234A JP H0667234 A JPH0667234 A JP H0667234A JP 22406392 A JP22406392 A JP 22406392A JP 22406392 A JP22406392 A JP 22406392A JP H0667234 A JPH0667234 A JP H0667234A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light source
semiconductor laser
waveguide
diffraction grating
resonance type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP22406392A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akitomo Itou
顕知 伊藤
Kazutami Kawamoto
和民 川本
Hiroshi Kaede
弘志 楓
Migaku Komoda
琢 薦田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP22406392A priority Critical patent/JPH0667234A/en
Priority to US08/027,724 priority patent/US5854870A/en
Publication of JPH0667234A publication Critical patent/JPH0667234A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PURPOSE:To increase the 2nd higher harmonic conversion efficiency of a waveguide internal resonance type 2nd higher harmonic generating element which converts infrared laser light into visible light and to stabilize oscillation wavelength. CONSTITUTION:An optical waveguide 4 is formed in an epitaxial thin film on a substrate and a polarization inversion part 3 and a diffraction grating 5 are installed adjacently in the optical waveguide 4; and light from a semiconductor laser 7 is made incident on the polarization inversion part 3 and converted into a 2nd higher harmonic, the following diffraction grating 5 reflects the fundamental wave to the side of the semiconductor laser 7, and only the 2nd higher harmonic is outputted. Further, a voltage is impressed to electrodes provided on the diffraction grating 5 to adjust the semiconductor laser wavelength.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、波長が約800nmの
半導体レ−ザ光を波長が約400nmの青色光に変換で
きるように、短波長化された光源に関し、特に光ディス
ク装置、レ−ザプリンタ、その他の光応用装置における
導波路型の第2高調波発生素子(SHG:Second Ha
rmonic Generator)とそれを用いたバルク型光ヘッ
ド、集積化光ヘッド、ディスク装置、あるいはレ−ザビ
−ムプリンタ等および発生素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light source having a short wavelength so that a semiconductor laser light having a wavelength of about 800 nm can be converted into a blue light having a wavelength of about 400 nm, and in particular, an optical disk device and a laser. Waveguide type second harmonic generation element (SHG: Second Ha) in printers and other optical applications
rmonic Generator), a bulk type optical head using the same, an integrated optical head, a disk device, a laser beam printer or the like and a generating element.

【0002】[0002]

【従来の技術】長波長帯の半導体光源としては、GaA
s,InP,AlSb,AlSb,GaP等のIII−V族半導体が使
用されている。これらの半導体材料は、500nm〜1
000nmの波長で発光させることができる。しかし、
光記録再生装置の記録密度を向上し、またレ−ザビ−ム
プリンタを高精彩化するためには、半導体レ−ザ波長を
従来の500〜1000nmから500nm以下に短縮
することが望まれている。しかしそのためには、レ−ザ
半導体を従来のIII−V族半導体からII−VI族半導体
に変更する必要があるが、未だ見通しがついていない。
従って、現状では、例えば波長800nmの半導体レ−
ザ光(赤外光)を波長400nmの第2高調波に変換す
る方法が注目されている。上記波長変換においては、誘
電体の非線形性が利用される。すなわち、誘電分極P
は、+と−を分極するが、下式のように電界に比例する
項と、電界の二乗に比例する項とからなる。
2. Description of the Related Art As a semiconductor light source in the long wavelength band, GaA
III-V group semiconductors such as s, InP, AlSb, AlSb and GaP are used. These semiconductor materials are 500 nm to 1
It can emit light at a wavelength of 000 nm. But,
In order to improve the recording density of the optical recording / reproducing apparatus and to enhance the definition of the laser beam printer, it is desired to shorten the semiconductor laser wavelength from the conventional 500 to 1000 nm to 500 nm or less. . However, for that purpose, it is necessary to change the laser semiconductor from the conventional III-V group semiconductor to the II-VI group semiconductor, but there is no prospect yet.
Therefore, under the present circumstances, for example, a semiconductor laser with a wavelength of 800 nm is used.
A method of converting the light (infrared light) into a second harmonic having a wavelength of 400 nm is drawing attention. In the above wavelength conversion, the non-linearity of the dielectric is used. That is, the dielectric polarization P
Polarizes + and-, but consists of a term proportional to the electric field and a term proportional to the square of the electric field as in the following equation.

【数1】 本発明では、第2高調波に変換するために、上式(1)
の二乗に比例する項を利用する。しかし、光学材料の屈
折率は一般に波長により変化するため、エネルギ−保存
則を満足すると運動量保存法則が成立しなくなるという
問題があり、単純に第2高調波を取り出すことができな
かった。すなわち、上式(1)の電界Eは下式で表わさ
れる。
[Equation 1] In the present invention, in order to convert to the second harmonic, the above formula (1)
Use a term proportional to the square of. However, since the refractive index of the optical material generally changes depending on the wavelength, there is a problem that the law of conservation of momentum cannot be satisfied if the energy-conservation law is satisfied, and the second harmonic cannot be simply extracted. That is, the electric field E in the above equation (1) is expressed by the following equation.

【数2】 上式(2)のωは下式で表わされる。 ω=2πν=2πc/λ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3) ここで、ωは角周波数、νは周波数、cは光速、λは波
長である。そして、上記(3)のλは下式で表わされ
る。 λ=λ0/n(λ) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4) ここで、λ0は空気内における波長、λは物質内におけ
る波長、n(λ)は屈折率である。そこで、基本波と第
2高調波間の位相整合、つまり第2高調波発生素子内で
発生した無数の第2高調波成分を光導波路内で同位相で
合波させることが検討されている。
[Equation 2] Ω in the above equation (2) is expressed by the following equation. ω = 2πν = 2πc / λ ... (3) where ω is the angular frequency, ν is the frequency, c is the speed of light, and λ is the wavelength. is there. Then, λ in the above (3) is expressed by the following equation. λ = λ 0 / n (λ) (4) where λ 0 is the wavelength in air, λ is the wavelength in the substance, and n (Λ) is a refractive index. Therefore, studies have been conducted on phase matching between the fundamental wave and the second harmonic, that is, combining the innumerable second harmonic components generated in the second harmonic generating element with the same phase in the optical waveguide.

【0003】例えば、『1989年電子情報通信学会秋季全
国大会予稿集C−249』には、図3に示すような第2
高調波成分を出射する複屈折位相整合型素子が開示され
ている。図3では、タンタル酸リチウム(LiTa
3)基板31上にマグネシウムをド−プしたニオブ酸
リチウムを液相成長させて光導波路32を形成し、その
一端より基板表面に対して水平に偏光した基本波33
(TE偏光)を入射し、他端面から垂直偏光の(TM偏
光)第2高調波34を出射させている。また、特開昭6
1−18964号公報には、図4に示すようなチェレン
コフ位相整合型素子が開示されている。図4では、Li
NbO3単結晶基板41上にプロトン交換法(LiNb
3のLiイオンとプロトンを一部置換する方法)によ
り光導波路42を形成し、その一端より基板表面に対し
て垂直に偏光した基本波43を入射し、光導波路内でチ
ェレンコフ放射により発生した垂直偏光の第2高調波4
4を取り出している。また、『エレクトロニクス、レタ
−ズ(Elctronics,Letters)』第25巻,第731〜932頁に
は、図5に示すような分極反転格子を用いたSHG素子
が開示されている。図5では、例えば、LiNbO3
板51等の自発分極を持つ強誘電体上に自発分極方向を
等ピッチで反転させた分極反転層53と、プロトン交換
法により形成された光導波路52を設けて、光導波路5
2の一端よりz方向に偏光した基板波54を入射し、他
端よりz方向に偏光した第2高調波55を取り出してい
る。図2は、位相整合動作の原理を示す図である。図2
(a)のように、光導波路を矢印の方向に光が伝搬され
る場合、A点においては図2(b)の実線のような第2
高調波が発生され、B点においては図2(b)の破線の
ような第2高調波が発生される。図2(c)は、基本波
の波形である。このように、光導波路の異なる点では、
発生する第2高調波の波形にずれが生じてしまう。
[0003] For example, in the 1989 IEICE Autumn National Convention Proceedings C-249, the second as shown in FIG.
A birefringent phase matching element that emits a harmonic component is disclosed. In FIG. 3, lithium tantalate (LiTa
O 3 ) Lithium niobate doped with magnesium is liquid-phase-grown on a substrate 31 to form an optical waveguide 32, and a fundamental wave 33 polarized horizontally from one end thereof to the substrate surface.
(TE polarized light) is incident, and vertically polarized (TM polarized) second harmonic wave 34 is emitted from the other end surface. In addition, JP-A-6
Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-18964 discloses a Cherenkov phase matching element as shown in FIG. In FIG. 4, Li
On the NbO 3 single crystal substrate 41, a proton exchange method (LiNb
An optical waveguide 42 is formed by a method of partially replacing the protons with Li ions of O 3 ), and a fundamental wave 43 polarized perpendicularly to the substrate surface is incident from one end of the optical waveguide 42 and generated by Cherenkov radiation in the optical waveguide. Vertically polarized second harmonic 4
Taking out 4. Also, "Electronics, Letters", Vol. 25, pp. 731-932 discloses an SHG element using a polarization inversion grating as shown in FIG. In FIG. 5, for example, a polarization inversion layer 53 in which the spontaneous polarization direction is inverted at an equal pitch and an optical waveguide 52 formed by a proton exchange method are provided on a ferroelectric material having spontaneous polarization such as a LiNbO 3 substrate 51. , Optical waveguide 5
The substrate wave 54 polarized in the z direction is incident from one end of the second wave 2, and the second harmonic wave 55 polarized in the z direction is extracted from the other end. FIG. 2 is a diagram showing the principle of the phase matching operation. Figure 2
When light propagates through the optical waveguide in the direction of the arrow as shown in (a), at the point A, the second line as shown by the solid line in FIG.
A higher harmonic wave is generated, and at point B, a second higher harmonic wave is generated as indicated by the broken line in FIG. FIG. 2C shows the waveform of the fundamental wave. Thus, in terms of different optical waveguides,
A shift occurs in the waveform of the generated second harmonic.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】このように、従来、光
導波路内で第2高調波成分を取り出す方法がいくつか提
案されていた。しかしながら、図3に示す方法では、L
iNbO3の屈折率の波長分散が過大なため、第2高調
波34の波長が500nm以下になると十分に位相整合
することができず、純粋な青色光が得られないという問
題があった。また、基本波33と第2高調波34の各偏
光方向における屈折率の温度係数が大きく異なるため、
温度により伝播速度が変化して位相整合条件が崩れるた
め、許容温度幅は0.2℃程度と挟くなり、さらに光導
波路32の膜厚精度にも0.01μm以下というよう
に、非現実的な値が要求される問題もあった。次に、図
4に示す方法では、第2高調波出力44が三日月型とな
り、波面収差が大きいために、これを光ディスク装置用
等の微小光スポットに絞り込むことができないという問
題があった。次に、図5に示す方法では、第2高調波が
光導波路52に閉じ込められるため、出射光を容易に絞
り込むことができ、また基本波54と第2高調波55の
偏光方向が同じになるので、偏光方向の差異による屈折
率やその温度係数の差異は発生せず、許容温度幅は緩和
される。しかし、実用的には未だ不十分である上に、波
長選択性が厳しく、半導体レ−ザの波長が僅か1nm変
化しただけでも、効率が殆んどゼロになるという問題も
あった。すなわち、図8に示すように、半導体レ−ザ波
長の変化ΔNが±4×(1/105)のときには、SH
Gの効率は約0.6であり、ΔNが±6×(1/1
5)のときには、約0.1の効率になる。
As described above, there have heretofore been proposed some methods for extracting the second harmonic component in the optical waveguide. However, in the method shown in FIG.
Since the wavelength dispersion of the refractive index of iNbO 3 is too large, there is a problem that the phase matching cannot be sufficiently performed and the pure blue light cannot be obtained when the wavelength of the second harmonic 34 is 500 nm or less. In addition, since the temperature coefficient of the refractive index in each polarization direction of the fundamental wave 33 and the second harmonic 34 is significantly different,
Since the propagation velocity changes depending on the temperature and the phase matching condition is broken, the allowable temperature range is narrowed to about 0.2 ° C., and the film thickness accuracy of the optical waveguide 32 is 0.01 μm or less, which is unrealistic. There was also a problem that a large value was required. Next, the method shown in FIG. 4 has a problem that the second harmonic wave output 44 is of a crescent type and has a large wavefront aberration, so that it cannot be narrowed down to a minute light spot for an optical disk device or the like. Next, in the method shown in FIG. 5, since the second harmonic is confined in the optical waveguide 52, the emitted light can be easily narrowed down, and the fundamental wave 54 and the second harmonic 55 have the same polarization direction. Therefore, the difference in the refractive index and the temperature coefficient due to the difference in the polarization direction does not occur, and the allowable temperature range is relaxed. However, there is a problem that the efficiency is almost zero even if the wavelength of the semiconductor laser is changed by only 1 nm, in addition to being still insufficient for practical use. That is, as shown in FIG. 8, when the change ΔN in the semiconductor laser wavelength is ± 4 × (1/10 5 ), SH
The efficiency of G is about 0.6, and ΔN is ± 6 × (1/1
0 5 ), the efficiency is about 0.1.

【0005】そこで、上記波長変動の低減策として、
『応用物理学会1991年周期学術講演会予稿集』11
p−ZN−9に、半導体レ−ザの温度を±0.5℃以下
に制御して、狭い部分で使用することが報告されてい
る。また、他の対策として、『IEEEジャ−ナル・オ
ブ・カンタム・エレクトロニクス』第26巻,第7号、
pp.1265〜1276には、分極反転格子の周期Λを除々に変
化させて、波長選択性を広帯域化することが提案されて
いる。しかしながら、上記方法では、長い分極反転格子
内の周期を数ミクロンオ−ダの1/100以下ずつずら
していくので、実際には作製困難であり、また第2高調
波の発生に寄与するのは分極反転格子の極く短い部分で
あって、他の部分では位相ずれが発生して効率が低下す
るという問題があった。さらに、特開平2−63026
号公報には、図6に示すような導波路の幅を変調した分
極反転型SHG素子が開示されている。すなわち、図6
では、上記分極反転周期を変化させる代りに、光導波路
の幅、深さを変化させることにより波長選択性を緩和さ
せている。なお、図6において、53は分極反転格子、
51はLiNbO3基板、61は幅および深さが変化さ
れた光導波路である。しかし、この方法でも、やはり光
導波路の短い部分のみしか第2高調波の発生に寄与しな
いため、効率が大幅に低下してしまうという問題があっ
た。
Therefore, as a measure for reducing the above wavelength fluctuation,
"Proceedings of the 1991 Periodical Lecture Meeting of the Society of Applied Physics" 11
It has been reported in p-ZN-9 that the temperature of the semiconductor laser is controlled to ± 0.5 ° C. or less to use it in a narrow portion. As another measure, "IEEE Journal of Quantum Electronics" Vol. 26, No. 7,
pp.1265-1276, it is proposed to gradually change the period Λ of the polarization inversion grating to broaden the wavelength selectivity. However, in the above method, the period in the long polarization inversion grating is shifted by 1/100 or less of the order of several microns, which is difficult to manufacture in practice, and it is the polarization that contributes to the generation of the second harmonic. There is a problem in that the efficiency is lowered due to the occurrence of phase shift in the other part, which is a very short part of the inversion grating. Furthermore, JP-A-2-63026
The publication discloses a domain-inverted SHG element in which the width of the waveguide is modulated as shown in FIG. That is, FIG.
In the above, the wavelength selectivity is relaxed by changing the width and depth of the optical waveguide instead of changing the polarization inversion period. In FIG. 6, 53 is a polarization inversion lattice,
51 is a LiNbO 3 substrate, and 61 is an optical waveguide whose width and depth are changed. However, even with this method, only the short portion of the optical waveguide contributes to the generation of the second harmonic, and there is a problem in that the efficiency is significantly reduced.

【0006】最近では、『電子情報通信学会技術報告』
OQE91−23、pp.31〜36には、図7に示すような
分極反転格子を外部共振器として用いたSHG光源が開
示されている。図7において、71は半導体レ−ザ、7
2は光ファイバ、73はレンズ系、その右側の外部共振
器は図5に示した分極反転格子を用いたSHG素子であ
る。SHG素子のうち、51はLiNbO3基板、52
は光導波路、53は分極反転層である。第2高調波発生
素子と半導体レ−ザ71との間に、レンズ系73と光フ
ァイバ72を配置して、これらにより両者を結合する。
そして、光ファイバ72と第2高調波発生素子を、半導
体レ−ザ71の出力側反射ミラ−の機能を兼ねたレ−ザ
共振器として利用することにより、レ−ザ発振波長を第
2高調波発生可能な波長に引き込むのである。しかし、
この方法では、レ−ザ波長は安定化するが、レ−ザ波長
に対する分極反転格子の反射率を高めることは、すなわ
ち導波路の損失を増加させることであるため、第2高調
波発生効率が大きく低下してしまうという問題がある。
また、素子作製時に生じる種々の誤差により、例えば設
計波長と実際の動作波長との間にずれが生じ、半導体レ
−ザを特別に選択するか、あるいは結晶の温度を調節し
て、設計波長と実際の動作波長とを一致させなければな
らないという二次的な問題がある。本発明の目的は、こ
のような従来の課題を解決し、レ−ザ波長λの変化に対
する効率ηの劣化が僅かであり、集光が容易で波面収差
が小さく、作製が容易な導波路内部共振型SHG光源を
提供することにある。
Recently, "Technical Report of IEICE"
OQE91-23, pp.31-36 discloses an SHG light source using a polarization inversion grating as an external resonator as shown in FIG. In FIG. 7, 71 is a semiconductor laser, 7
2 is an optical fiber, 73 is a lens system, and the external resonator on the right side is an SHG element using the polarization inversion grating shown in FIG. Among the SHG elements, 51 is a LiNbO 3 substrate, 52
Is an optical waveguide, and 53 is a domain inversion layer. A lens system 73 and an optical fiber 72 are arranged between the second harmonic generating element and the semiconductor laser 71, and they are coupled together.
Then, by using the optical fiber 72 and the second harmonic generation element as a laser resonator which also has the function of the output side reflection mirror of the semiconductor laser 71, the laser oscillation wavelength is changed to the second harmonic. It pulls in a wavelength that can generate waves. But,
In this method, the laser wavelength is stabilized, but increasing the reflectance of the polarization inversion grating with respect to the laser wavelength means increasing the loss of the waveguide, so that the second harmonic generation efficiency is improved. There is a problem that it will drop significantly.
Also, due to various errors that occur during device fabrication, for example, there is a gap between the design wavelength and the actual operating wavelength, and a semiconductor laser is selected specially or the temperature of the crystal is adjusted to obtain the design wavelength. There is a secondary problem of having to match the actual operating wavelength. The object of the present invention is to solve such a conventional problem, to reduce the deterioration of the efficiency η with respect to the change of the laser wavelength λ, to easily collect light, to reduce the wavefront aberration, and to easily manufacture the inside of the waveguide. It is to provide a resonant SHG light source.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の導波路内部共振型SHG光源は、(イ)自
発分極を有する光学基板内に自発分極の向きが周期的に
反転された分極反転部を備えた光導波路に対し、半導体
レ−ザ光の基本波成分を入射して第2高調波に変換する
SHG光源において、分極反転部の第2高調波出力側の
光導波路に、半導体レ−ザ光の基本波成分を半導体レ−
ザに反射させるための回折格子を設けるとともに、回折
格子上に、光学的に透明な薄膜を介して直流電圧を印加
することにより光導波路の屈折率を調整するための1対
の電極を設けることを特徴としている。また、(ロ)さ
らに、光学基板の半導体レ−ザ光を入射させる端面また
は光学基板と半導体レ−ザの間に、半導体レ−ザ光の基
本波のみを透過し、半導体レ−ザ光の第2高調波を反射
する手段を設け、また光学基板の半導体レ−ザ光を入射
させる端面とは反対側の端面に、半導体レ−ザ光の基本
波を反射する手段を設けたことも特徴としている。ま
た、(ハ)回折格子は、分極反転部の第2高調波出力側
の光導波路の代りに、光学基板内に屈折率の異なる複数
の領域が周期的に繰り返された屈折率変調部の第2高調
波出力側の光導波路に設けられることも特徴としてい
る。また、(ニ)回折格子は、分極反転部の第2高調波
出力側の光導波路の代りに、自発分極の大きさが周期的
に変調された自発分極変調部の第2高調波出力側の光導
波路に設けられることも特徴としている。また、(ホ)
光学基板は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、マグ
ネシウムがド−プされたニオブ酸リチウム(MgO:L
iNbO3)、タンタルニオブ酸リチウム(LiTaN
bO3)、あるいはタンタル酸リチウム(LiTaO3
のいずれかを用いて形成されることも特徴としている。
また、(ヘ)光導波路は、光学基板と自発分極方向が同
一な強誘電体薄膜内に設けられるとともに、回折格子
は、周期的にエッチングされた構造を有することも特徴
としている。また、(ト)半導体レ−ザの光学基板とは
反対側の端面には、半導体レ−ザ光を反射する手段を設
けたことも特徴としている。また、(チ)分極反転部と
回折格子の格子周期を同一にするとともに、回折格子上
に配置された1対の電極は、光導波路の光の伝搬方向に
並行して配置されていることも特徴としている。また、
(リ)1対の電極間に電圧を印加して得られる電界は、
電極下の回折格子の屈折率を制御して、回折格子のブラ
ッグ波長を分極反転格子で発振されたSH光の波長と一
致させることも特徴としている。さらに、(ヌ)1対の
電極間に電圧を印加して得られる電界は、電極下の回折
格子の屈折率を制御して、回折格子のブラッグ波長を分
極反転格子で発振されたSH光の波長とずらすことによ
り、出力第2高調波の強度を変調することも特徴として
いる。
In order to achieve the above object, in the waveguide internal resonance type SHG light source of the present invention, (a) the direction of the spontaneous polarization is periodically inverted in the optical substrate having the spontaneous polarization. In the SHG light source that converts the fundamental wave component of the semiconductor laser light into the second harmonic wave in the optical waveguide having the polarization inversion section, in the optical waveguide on the second harmonic wave output side of the polarization inversion section, Semiconductor laser
A diffraction grating for reflecting the light is provided on the diffraction grating, and a pair of electrodes for adjusting the refractive index of the optical waveguide by applying a DC voltage through the optically transparent thin film is provided on the diffraction grating. Is characterized by. Further, (b) Furthermore, only the fundamental wave of the semiconductor laser light is transmitted between the end face of the optical substrate on which the semiconductor laser light is incident or between the optical substrate and the semiconductor laser, and the semiconductor laser light It is also characterized in that means for reflecting the second harmonic wave is provided, and means for reflecting the fundamental wave of the semiconductor laser light is provided on the end surface of the optical substrate opposite to the end surface on which the semiconductor laser light is incident. I am trying. In addition, (c) the diffraction grating is provided in the refractive index modulation section in which a plurality of regions having different refractive indexes are periodically repeated in the optical substrate instead of the optical waveguide on the second harmonic output side of the polarization inversion section. It is also characterized in that it is provided in the optical waveguide on the second harmonic output side. Further, (d) the diffraction grating is provided on the second harmonic wave output side of the spontaneous polarization modulator in which the magnitude of the spontaneous polarization is periodically modulated, instead of the optical waveguide on the second harmonic wave output side of the polarization inversion section. It is also characterized in that it is provided in the optical waveguide. Also (e)
The optical substrate includes lithium niobate (LiNbO 3 ), magnesium doped lithium niobate (MgO: L).
iNbO 3 ), lithium tantalum niobate (LiTaN
bO 3 ) or lithium tantalate (LiTaO 3 )
It is also characterized in that it is formed using any of the above.
In addition, (f) the optical waveguide is provided in a ferroelectric thin film having the same spontaneous polarization direction as that of the optical substrate, and the diffraction grating is characterized by having a periodically etched structure. Another feature is that a means for reflecting the semiconductor laser light is provided on the end surface of the (g) semiconductor laser opposite to the optical substrate. Further, (h) the polarization inversion part and the diffraction grating have the same grating period, and the pair of electrodes arranged on the diffraction grating may be arranged in parallel with the light propagation direction of the optical waveguide. It has a feature. Also,
(I) The electric field obtained by applying a voltage between the pair of electrodes is
It is also characterized in that the Bragg wavelength of the diffraction grating is made to coincide with the wavelength of the SH light oscillated by the polarization inversion grating by controlling the refractive index of the diffraction grating below the electrodes. Further, an electric field obtained by applying a voltage between a pair of (nu) electrodes controls the refractive index of the diffraction grating below the electrodes to change the Bragg wavelength of the diffraction grating to that of SH light oscillated by the polarization inversion grating. It is also characterized in that the intensity of the output second harmonic is modulated by shifting the wavelength.

【0008】[0008]

【作用】本発明においては、例えば波長750〜110
0nmの近赤外半導体レ−ザ光を光学基板の光導波路に
入射して、その光導波路に沿って自発分極の向きが周期
的に反転する分極反転部と回折格子とを隣合わせに配置
し、さらに回折格子上に光学的に透明な薄膜を介して1
対の電極を配置する。光学基板に入射された半導体レ−
ザ光は、光導波部の分極反転部または光学基板内に設け
た屈折率の異なる複数の領域が周期的に繰り返された光
導波部、あるいは自発分極を有する光学基板内に設けた
自発分極の大きさが周期的に変調された光導波部にて第
2高調波に変換され、残余の半導体レ−ザ光は隣合わせ
の回折格子により半導体レ−ザ光側に反射される。ま
た、光学基板はニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ま
たはマグネシウムがド−プされたニオブ酸リチウム(M
gO:LiNbO3)、またはタンタルニオブ酸リチウ
ム(LiTaNbO3)、またはタンタル酸リチウム
(LiTaO3)等の強誘電体材基板上の片側に自発分
極部の核を配置し、他側に周期的にエッチングした構造
を配置し、さらにその上に屈折率が光学基板より高い強
誘電体薄膜を配置して、その中に自発分極の向きが強誘
電体材基板の自発分極部の核と同一な矩形形状のアスペ
クト比の高い分極反転部を形成し、その周期的エッチン
グ構造部を回折格子として形成する。また、上記光学基
板の半導体レ−ザ光入射部に配置した反射手段は、半導
体レ−ザの第2高調波成分を反射して基本波成分を通過
し、半導体レ−ザ端面の反射手段は半導体レ−ザ光を例
えば90%以上反射する。このような構成であるため、
第2高調波発生部と基本波の反射部とを分離できるの
で、それぞれを最適に設計可能である。また、半導体レ
−ザの出力向上とともに、第2高調波の発生効率を格段
に大きくすることができる。
In the present invention, for example, wavelengths of 750 to 110
A near-infrared semiconductor laser light of 0 nm is incident on an optical waveguide of an optical substrate, and a polarization inversion part in which the direction of spontaneous polarization is periodically inverted along the optical waveguide and a diffraction grating are arranged next to each other. Furthermore, through an optically transparent thin film on the diffraction grating 1
Place a pair of electrodes. Semiconductor ray incident on the optical substrate
The light may be a polarization inversion part of the optical waveguide part, an optical waveguide part in which a plurality of regions having different refractive indexes provided in the optical substrate are periodically repeated, or a spontaneous polarization part provided in the optical substrate having spontaneous polarization. It is converted into the second harmonic by the optical waveguide whose size is periodically modulated, and the remaining semiconductor laser light is reflected to the semiconductor laser light side by the adjacent diffraction grating. The optical substrate is made of lithium niobate (LiNbO 3 ) or magnesium doped lithium niobate (M
gO: LiNbO 3 ), lithium tantalum niobate (LiTaNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), or the like, and the nucleus of the spontaneous polarization part is arranged on one side of the ferroelectric material substrate, and periodically on the other side. The etched structure is placed, and the ferroelectric thin film whose refractive index is higher than that of the optical substrate is placed on the etched structure, and the direction of the spontaneous polarization is the same as the nucleus of the spontaneous polarization part of the ferroelectric material substrate. A domain-inverted portion having a high aspect ratio is formed, and the periodic etching structure portion is formed as a diffraction grating. The reflecting means arranged at the semiconductor laser light incident part of the optical substrate reflects the second harmonic component of the semiconductor laser and passes the fundamental wave component, and the reflecting means at the end face of the semiconductor laser is The semiconductor laser light is reflected by 90% or more, for example. With such a configuration,
Since the second harmonic wave generating portion and the fundamental wave reflecting portion can be separated, each can be optimally designed. In addition, the output efficiency of the semiconductor laser can be improved and the generation efficiency of the second harmonic can be significantly increased.

【0009】[0009]

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面により詳細に
説明する。図1(a)(b)は、本発明の一実施例を示
す導波路内部共振型SHG光源の断面図、および素子部
分を上から見た上面図である。図1(a)において、7
は半導体レ−ザ、9はコリメ−トレンズ系、11は偏光
板、10は集光レンズ系、12はコ−ティング膜、3は
分極反転部、2はLiNbO3単結晶薄膜、5は回折格
子、6は保護膜、1は基板、17は電極、13はコ−テ
ィング膜、14はコリメ−トレンズ、15は第2高調波
成分、16はホルダである。半導体レ−ザ7からの光
は、コリメ−トレンス系9、偏光板11、集光レンズ系
10を介して基板1内に設けられた光導波部4の端面に
入射される。図1のSHG光源と図7の従来のSHG光
源とを比較すると、図1(a)のコリメ−トレンズ系
9、偏光板11、集光レンズ系10が、図7の光ファイ
バ72に相当し、図1の基板1内の光導波部4が、図7
の外部共振器に相当する。なお、コリメ−トレンズ系
9、偏光板11、集光レンズ系10等を光ファイバに置
き換えても、本発明の作用および効果は変わらない。一
方、図1(a)の基板1には、分極反転部3と回折格子
5が光導波部4に沿って設置され、分極反転部3により
レ−ザ光(基本波)を第2高調波に変換し、回折格子5
により上記基本波側に反射する。従って、半導体レ−ザ
7と回折格子5間の伝播特性により、半導体レ−ザ7の
発振波長(基本波波長)λが決定される。つまり、この
部分が半導体レ−ザ7の共振器として動作する。これに
対して、図7の従来構造では、分極反転格子53が回折
格子5の役割を兼ねている。従って、図7の素子の方が
構造は簡単化されているが、第2高調波変換効率ηと、
基本波に対する反射率とを同時に高めることは困難とい
う問題がある。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. 1 (a) and 1 (b) are a cross-sectional view of a waveguide internal resonance type SHG light source showing an embodiment of the present invention and a top view of an element portion viewed from above. In FIG. 1A, 7
Is a semiconductor laser, 9 is a collimating lens system, 11 is a polarizing plate, 10 is a condenser lens system, 12 is a coating film, 3 is a polarization inversion part, 2 is a LiNbO 3 single crystal thin film, and 5 is a diffraction grating. , 6 is a protective film, 1 is a substrate, 17 is an electrode, 13 is a coating film, 14 is a collimating lens, 15 is a second harmonic component, and 16 is a holder. Light from the semiconductor laser 7 is incident on the end face of the optical waveguide portion 4 provided in the substrate 1 via the collimation lens system 9, the polarizing plate 11 and the condenser lens system 10. Comparing the SHG light source of FIG. 1 with the conventional SHG light source of FIG. 7, the collimating lens system 9, the polarizing plate 11, and the condenser lens system 10 of FIG. 1A correspond to the optical fiber 72 of FIG. , The optical waveguide portion 4 in the substrate 1 of FIG.
Corresponding to the external resonator of. Even if the collimating lens system 9, the polarizing plate 11, the condenser lens system 10 and the like are replaced with optical fibers, the action and effect of the present invention do not change. On the other hand, on the substrate 1 of FIG. 1A, a polarization inversion part 3 and a diffraction grating 5 are installed along the optical waveguide part 4, and the polarization inversion part 3 transmits laser light (fundamental wave) to the second harmonic wave. Converted to the diffraction grating 5
Is reflected to the fundamental wave side. Therefore, the oscillation wavelength (fundamental wavelength) λ of the semiconductor laser 7 is determined by the propagation characteristics between the semiconductor laser 7 and the diffraction grating 5. That is, this portion operates as a resonator of the semiconductor laser 7. On the other hand, in the conventional structure shown in FIG. 7, the polarization inversion grating 53 also serves as the diffraction grating 5. Therefore, although the structure of the element of FIG. 7 is simplified, the second harmonic conversion efficiency η and
There is a problem that it is difficult to increase the reflectance for the fundamental wave at the same time.

【0010】一方、図1に示す本発明の構造では、分極
反転部3に回折格子5を付加することにより、第2高調
波発生部と基本波の反射部とを分離できるため、それぞ
れを最適に設計することが可能である。また、半導体レ
−ザ7の発振周波数が分極反転部3に回折格子5の温度
変動に追随して変化するので、周波数の許容偏位幅を広
げることが可能である。周波数の許容偏位幅を広げるこ
とができるのは、図7の素子においても同じであるが、
図7の素子では、基本波に対する反射率が低いために半
導体レ−ザ71と分極反転格子53間の結合度が弱くな
り、その結果、レ−ザ発振周波数の温度変動追随性が悪
い。また、図7の素子では、光ファイバ72の温度は分
極反転格子53の温度に従随しないため、光ファイバ7
2の温度変動によりレ−ザ発振周波数の温度変動追随性
が劣化するという問題がある。図1のSHG光源では、
(b)に示すように、回折格子5上に光学的に透明な薄
膜を介して、光導波路4に並行に1対の電極17が配置
されている。この電極17に電界を印加することによ
り、回折格子5上を伝搬する導波光の実効屈折率を変化
させることができ、回折格子5のブラッグ波長(回折格
子に最も反射する波長)を変えることができる。これに
より、素子作製誤差により第2高調波発生波長とレ−ザ
発振波長がずれた場合でも、電圧印加により両者を一致
させることが可能である。
On the other hand, in the structure of the present invention shown in FIG. 1, by adding the diffraction grating 5 to the polarization inversion section 3, the second harmonic generation section and the reflection section of the fundamental wave can be separated from each other, so that each is optimal. It is possible to design Further, since the oscillation frequency of the semiconductor laser 7 changes in the domain-inverted portion 3 according to the temperature change of the diffraction grating 5, it is possible to widen the allowable deviation range of the frequency. Although it is the same in the element of FIG. 7 that the allowable deviation width of the frequency can be widened,
In the element shown in FIG. 7, since the reflectance for the fundamental wave is low, the degree of coupling between the semiconductor laser 71 and the polarization inversion grating 53 becomes weak, and as a result, the temperature fluctuation followability of the laser oscillation frequency is poor. Further, in the element of FIG. 7, the temperature of the optical fiber 72 does not follow the temperature of the polarization inversion grating 53.
There is a problem that the temperature fluctuation followability of the laser oscillation frequency is deteriorated by the temperature fluctuation of No. 2. In the SHG light source of FIG. 1,
As shown in (b), a pair of electrodes 17 are arranged in parallel with the optical waveguide 4 via an optically transparent thin film on the diffraction grating 5. By applying an electric field to the electrode 17, the effective refractive index of the guided light propagating on the diffraction grating 5 can be changed, and the Bragg wavelength of the diffraction grating 5 (the wavelength most reflected by the diffraction grating) can be changed. it can. As a result, even if the second harmonic generation wavelength and the laser oscillation wavelength deviate due to an element manufacturing error, it is possible to make them coincide with each other by applying a voltage.

【0011】図1の構造について、さらに詳述する。基
板1は1mol%MgOド−プのZcutLiNbO3単結
晶板であり、その表面は+c面になっている。基板1上
には、通常自発分極が上向きのLiNbO3単結晶薄膜
2を設けて、その中に分極方向が下向きの分極反転部3
と回折格子5を設ける。そして、上部を保護膜6により
保護する。また、光導波部4は、プロトン交換により作
製される。LiNbO3やLiTaO3単結晶は、空間群
3Cに属する強誘電体結晶であり、その非線形光学係
数の符号は上記自発分極の向きに一致して周期的に反転
する(これに関しては、例えば『Lournal of Appli
ed Physics』Vol.40.No.2,pp.720〜734に記載
がある)。なお、分極反転部3の周期をΛ、回折格子5
の周期をΛrとする。半導体レ−ザ7は一端に反射膜8
を具備し、この反射膜8に反射させることにより一方向
に光を伝搬させ、偏光板11により偏光方向を90度回
転されて分極反転部3に入射される。分極反転部3にお
いて、レ−ザ光(基本波)は第2高調波に変換される。
コ−ティング膜12は、基本波を通過させて第2高調波
光を反射させる。分極反転部3から出射した基本波成分
は、回折格子5により反射されて半導体レ−ザ7側にフ
ィ−ドバックされ、半導体レ−ザ7を例えば波長830
nmで発振させる。また、分極反転部3から出射した第
2高調波成分15は、その反射を防止するためのコ−テ
ィング膜13とコリメ−トレンズ14を通過して出射さ
れる。上記の各光学素子は、ホルダ16により位置決め
されて、コンパクトにマウントされる。なお、分極反転
部3と回折格子5の格子周期を同一にすることも可能で
ある。
The structure of FIG. 1 will be described in more detail. Substrate 1 is a ZcutLiNbO 3 single crystal plate of 1 mol% MgO doping, and its surface is + c plane. On the substrate 1, a LiNbO 3 single crystal thin film 2 whose spontaneous polarization is generally upward is provided, and a polarization inversion part 3 whose polarization direction is downward is provided therein.
And a diffraction grating 5 are provided. Then, the upper portion is protected by the protective film 6. Further, the optical waveguide section 4 is manufactured by proton exchange. The LiNbO 3 or LiTaO 3 single crystal is a ferroelectric crystal belonging to the space group R 3 C, and the sign of the nonlinear optical coefficient thereof is periodically inverted in accordance with the direction of the spontaneous polarization (for this, for example, 『Lournal of Appli
ed Physics ”Vol. 40. No. 2, pp. 720-734). In addition, the period of the polarization inversion unit 3 is Λ, and the diffraction grating 5 is
Let be the period of Λr. The semiconductor laser 7 has a reflection film 8 at one end.
The light is propagated in one direction by being reflected by the reflection film 8, the polarization direction is rotated by 90 degrees by the polarizing plate 11, and the light is incident on the polarization inversion unit 3. In the polarization inversion unit 3, the laser light (fundamental wave) is converted into the second harmonic wave.
The coating film 12 transmits the fundamental wave and reflects the second harmonic light. The fundamental wave component emitted from the domain-inverted portion 3 is reflected by the diffraction grating 5 and fed back to the semiconductor laser 7 side, so that the semiconductor laser 7 has a wavelength of, for example, 830.
Oscillate at nm. The second harmonic component 15 emitted from the polarization inversion unit 3 passes through the coating film 13 and the collimating lens 14 for preventing its reflection and is emitted. The above optical elements are positioned by the holder 16 and mounted compactly. The polarization inversion unit 3 and the diffraction grating 5 may have the same grating period.

【0012】以下、本発明の装置の特性を、論理的に説
明する。分極反転部3の実効屈折率の変化ΔNは、波長
の変化によって生じる。この場合、可視光領域では物質
の屈折率nの波長依存性はSellmeinerの式に従う。一
例として、5%MgOド−プのLiNbO3では、次式
(5)のようになる。 n2=A1+A2/(λ2−A3)−A4λ2 (λ:nm)・・・・・・(5) ここで、A1=4.57 A2=9.10×1043=2.14×1024=3.0×(1/108) なお、A1〜A4等の値は、Ti−サファイアレ−ザ、色
素レ−ザ、アルゴンレ−ザを用いた測定により求めた基
板1(図1)の屈折率nsに対する値である。上式
(5)の値を用いて、設計波長λ0=830(nm)か
らのずれΔλに対するΔNを求めると、下式(6)が得
られる。 ΔN=−4.24×(1/104)Δλ ・・・・・・・・・・・・(6) (Δλ:nm) 長さ10mmのSHG素子で、効率を最大値の80%以
上に保つためには、ΔNを2.5×(1/105)以下
にする必要がある。上式(6)よりこれをΔλに換算す
ると、0.043nm以下に抑える必要があることが判
る。しかし、半導体レ−ザの波長は通常1nmのオ−ダ
−で変化するので、このような条件を満たすことは殆ん
ど不可能である。
The characteristics of the device of the present invention will be logically described below. The change ΔN in the effective refractive index of the domain-inverted portion 3 is caused by the change in wavelength. In this case, the wavelength dependence of the refractive index n of the substance in the visible light region follows the Sellmeiner equation. As an example, for 5% MgO-doped LiNbO 3 , the following formula (5) is obtained. n 2 = A 1 + A 2 / (λ 2 −A 3 ) −A 4 λ 2 (λ: nm) (5) where A 1 = 4.57 A 2 = 9.10 × 10 4 A 3 = 2.14 × 10 2 A 4 = 3.0 × (1/10 8 ) In addition, values such as A 1 to A 4 are Ti-sapphire laser, dye laser, argon laser. It is a value with respect to the refractive index ns of the substrate 1 (FIG. 1) obtained by measurement using a square. When the value ΔN with respect to the deviation Δλ from the design wavelength λ 0 = 830 (nm) is obtained using the value of the above expression (5), the following expression (6) is obtained. ΔN = −4.24 × (1/10 4 ) Δλ ······· (6) (Δλ: nm) An SHG element with a length of 10 mm and an efficiency of 80% or more of the maximum value. In order to keep the above value, it is necessary to make ΔN 2.5 × (1/10 5 ) or less. From the above equation (6), it can be seen that when converted into Δλ, it is necessary to suppress it to 0.043 nm or less. However, since the wavelength of the semiconductor laser usually changes in the order of 1 nm, it is almost impossible to satisfy such a condition.

【0013】そこで、本発明においては、前述のよう
に、回折格子5を用いて半導体レ−ザ7の発振波長をロ
ックし、同時に半導体レ−ザ7の注入電流値の変化や縦
モ−ドホッピングを防止するようにしている。図9は、
半導体レ−ザの発振波長λと分極反転部の周期Λおよび
回折格子の周期Λrの関係を示す図である。図9の上実
線が回折格子の周期Λr、下実線が分極反転部の周期Λ
であり、両実線は1点で交差する。回折格子5の周期Λ
rは、下式(7)で表わされる。ここで、qは回折次数
を示す整数である。 Λr=λ/(2N)×q ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7) なお、Nは導波光の実効屈折率である。いま、q=1と
すると、λ=0.83(μm)に対してΛrは0.19
μmという作製困難な値になる。従って、本実施例では
q=17に設定し、Λ=Λr=3.2(μm)にした。
次に、回折格子5の複素反射率rは、下式(8)で与え
られる。ただし、δはブラッグ回折波数からのずれであ
る。 r=〔−iktanh(γLb)〕/〔γ+(α/2+iδ)tanh(γLb)〕 ・・・・・・・・・・・・・・・・(8) ただし、k:結合係数 α:光導波路の光損失係数 Lb:回折格子の長さ δ:ブラッグ波数からのずれ γ=〔(α/2)+iδ〕2+k2
Therefore, in the present invention, as described above, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 7 is locked by using the diffraction grating 5, and at the same time, the change of the injection current value of the semiconductor laser 7 and the longitudinal mode are controlled. I try to prevent hopping. Figure 9
It is a figure which shows the relationship of the oscillation wavelength (lambda) of a semiconductor laser, the period (lambda) of a polarization inversion part, and the period (lambda) r of a diffraction grating. The upper solid line in FIG. 9 is the period Λr of the diffraction grating, and the lower solid line is the period Λ of the polarization inversion part.
And both solid lines intersect at one point. Period Λ of diffraction grating 5
r is represented by the following formula (7). Here, q is an integer indicating the diffraction order. Λr = λ / (2N) × q (7) where N is the effective refractive index of the guided light. Now, if q = 1, then Λr is 0.19 for λ = 0.83 (μm).
The value is μm, which is difficult to manufacture. Therefore, in this embodiment, q = 17 and Λ = Λr = 3.2 (μm) are set.
Next, the complex reflectance r of the diffraction grating 5 is given by the following equation (8). However, δ is a deviation from the Bragg diffraction wave number. r = [-iktanh (γLb)] / [γ + (α / 2 + iδ) tanh (γLb)] (8) where k: coupling coefficient α: optical Optical loss coefficient of waveguide Lb: Length of diffraction grating δ: Deviation from Bragg wave number γ = [(α / 2) + iδ] 2 + k 2

【0014】次に、回折格子5の反射係数はR=|r|
2で表わされ、ブラッグ条件を満足するδ=0の場合に
は、下式(9)に示す最大値R0をとる。
Next, the reflection coefficient of the diffraction grating 5 is R = | r |
When δ = 0, which is represented by 2 , and satisfies the Bragg condition, the maximum value R 0 shown in the following equation (9) is taken.

【数3】 また、結合係数kは下式(10)のようになり、q=1
7、h=0.1(μm)の場合には、k=7.05×
(1/104)(1/μm)となる(例えば、『光集積
回路』西原、春名、栖原共著、(オ−ム社発行)pp.77
参照 )。 k=0.1199(h/q) (1/μm) ・・・・・・・・・・(10) (h:μm) 図10は、反射率とブラッグ回折からの波数のずれの関
係を示す図である。図1(b)における光導波路4の光
伝搬損失を約0.8(dB/cm)とし、回折格子の長
さLb=2600μmとして、その反射率Rを求める
と、図10のようになる。図10において、ブラッグ条
件が満足されるとき、δ=0の反射率Rは0.875で
あり、反射率Rの値が80%以上の値に保たれるδの範
囲は±0.001である。
[Equation 3] Further, the coupling coefficient k is expressed by the following equation (10), and q = 1
7, when h = 0.1 (μm), k = 7.05 ×
(1/10 4 ) (1 / μm) (for example, "Optical Integrated Circuit", Nishihara, Haruna, and Suhara, published by Ohmsha, pp.77.
See). k = 0.1199 (h / q) (1 / μm) (10) (h: μm) FIG. 10 shows the relationship between the reflectance and the deviation of the wave number from Bragg diffraction. FIG. When the light propagation loss of the optical waveguide 4 in FIG. 1B is set to about 0.8 (dB / cm) and the length Lb of the diffraction grating is set to Lb = 2600 μm, the reflectance R thereof is obtained as shown in FIG. In FIG. 10, when the Bragg condition is satisfied, the reflectance R at δ = 0 is 0.875, and the range of δ at which the value of the reflectance R is kept at 80% or more is ± 0.001. is there.

【0015】上記Rの半値幅よりレ−ザ波長の許容変動
幅Δλを求めると、約±0.1nmとなり、良好な波長
選択性を持つ。従って、半導体レ−ザの発振波長はほぼ
この範囲に引き込まれ、安定な第2高調波の発振を実現
することができる。また、第2高調波の発生効率ηも、
図7の従来の装置に比べて格段に大きくすることが可能
である。その理由の第1は、半導体レ−ザ7の外部共振
器として必要な回折格子5を分極反転部3から分離した
ため、光伝搬損失を小さくするように分極反転部3を製
作することができるようになったことである。また、理
由の第2は、基本波に対する反射率を度外視して、第2
高調波発生率を高めるように分極反転部3を製作するこ
とができるからである。その結果、液層エピタキシャル
成長法により矩形形状のアスペクト比の高い分極反転格
子を用いることができる。さらに、理由の第3は、分極
反転部3を半導体レ−ザ7と回折格子5の中間に配置し
たため、基本波の往路と帰路で第2高調波が発生される
ことである。さらに、理由の第4は、第2高調波がコ−
ティング膜12により反射され、ほぼ完全にコ−ティン
グ膜13より出射されることが、第2高調波の発生効率
ηに寄与するからである。
When the permissible fluctuation range Δλ of the laser wavelength is calculated from the half-value width of R, it is about ± 0.1 nm, which shows good wavelength selectivity. Therefore, the oscillation wavelength of the semiconductor laser is pulled into this range, and stable second harmonic oscillation can be realized. Also, the generation efficiency η of the second harmonic is
It can be made significantly larger than the conventional device of FIG. The first reason is that the diffraction grating 5 required as an external resonator of the semiconductor laser 7 is separated from the polarization inversion section 3, so that the polarization inversion section 3 can be manufactured so as to reduce the optical propagation loss. It has become. The second reason is that the reflectance for the fundamental wave is disregarded, and the second
This is because the polarization inversion part 3 can be manufactured so as to increase the harmonic generation rate. As a result, a rectangular domain-inverted lattice with a high aspect ratio can be used by the liquid layer epitaxial growth method. Furthermore, the third reason is that the polarization inversion portion 3 is arranged between the semiconductor laser 7 and the diffraction grating 5, so that the second harmonic wave is generated in the forward path and the return path of the fundamental wave. Furthermore, the fourth reason is that the second harmonic is
This is because the fact that the light is reflected by the coating film 12 and is almost completely emitted from the coating film 13 contributes to the generation efficiency η of the second harmonic.

【0016】以上の検討結果に基づいて、本発明の導波
路内部共振型SHG光源の発振特性を実験した結果は次
のようになった。出力ミラ−の反射率を10%、後方反
射ミラ−の反射率を90%としたとき、最高出力が入力
電流200mAで100mWのストライプ形のGaAl
As系半導体レ−ザを用い、後方ミラ−8(図1参照)
の反射率をやはり90%、出力側を反射防止膜でコ−テ
ィングした場合、閾値が約50mA、200mAで40
mWという極めて強い波長410nm(青色)の第2高
調波出力を得た。従来のSHG素子の出力は同程度の入
力に対して2.0mWレベルであったのに比べると、本
発明では、第2高調波出力レベルを約20倍に高めるこ
とが可能になった。この出力レベルは、反射膜8、コ−
ティング膜12、および外部共振器等の構造を最適化す
ることにより、さらに向上することができる。なお、図
1の場合には、回折格子5を基板1に直接加工した構
造、いわゆるレリ−フ型構造の回折格子としたが、これ
を導波路4の屈折率を周期的に変調する屈折率変調型の
回折格子にしても、その効果は全く同じである。次に、
図1(b)に示す電極17による引込み波長の補正効果
について述べる。前述の式(6)で述べたように、分極
反転格子3による第2高調波発生の基本波波長帯域は±
0.043nmと極めて狭いので、例えば素子製作工程
において種々の製作誤差が発生した場合には、回折格子
により引き込まれた半導体レ−ザの引込み波長と、第2
高調波発生の波長がずれてしまうことが起り得る。そこ
で、電極17に直流電圧を印加することにより、回折格
子5上を伝搬する導波光の実効屈折率を補正し、引き込
み波長を調整することができる。
Based on the above-mentioned examination results, the experimental results of the oscillation characteristics of the waveguide internal resonance type SHG light source of the present invention are as follows. When the reflectance of the output mirror is 10% and the reflectance of the back reflection mirror is 90%, the maximum output is 100 mW of stripe type GaAl at an input current of 200 mA.
Rear mirror-8 using an As semiconductor laser (see Fig. 1)
When the output side is coated with an antireflection film, the threshold value is about 50 mA and 40 mA at 200 mA.
An extremely strong second harmonic wave output of wavelength 410 nm (blue) of mW was obtained. The output of the conventional SHG element was 2.0 mW level for the same level of input, but in the present invention, the second harmonic output level can be increased about 20 times. This output level is
This can be further improved by optimizing the structures of the coating film 12, the external resonator, and the like. In the case of FIG. 1, the diffraction grating 5 has a structure in which the substrate 1 is directly processed, that is, a diffraction grating having a so-called relief type structure. However, this is a refractive index for periodically modulating the refractive index of the waveguide 4. Even if it is a modulation type diffraction grating, the effect is exactly the same. next,
The effect of correcting the pull-in wavelength by the electrode 17 shown in FIG. 1B will be described. As described in the above formula (6), the fundamental wavelength band of the second harmonic generation by the polarization inversion grating 3 is ±
Since it is as extremely narrow as 0.043 nm, for example, when various manufacturing errors occur in the device manufacturing process, the drawing wavelength of the semiconductor laser drawn by the diffraction grating and the second
It is possible that the wavelength of harmonic generation may shift. Therefore, by applying a DC voltage to the electrode 17, it is possible to correct the effective refractive index of the guided light propagating on the diffraction grating 5 and adjust the pull-in wavelength.

【0017】電極17への電圧印加による実効屈折率の
変化ΔNは、次式(11)で表わすことができる。 ΔN=−(1/2)n3ΓrV/g ・・・・・・・・・・・・(11) ここで、rは電気光学係数で、例えばLiNbO3の場
合には30.8(pm/V)の値を持つ。nは光導波路
4の屈折率、Vは印加電圧、gは電極の距離、Γは導波
光の電場と印加電界の電場との重なりを表わす係数であ
って、その電極17と光導波路4の配置にもよるが、そ
の値は0.3〜0.7である。従って、TTLレベルの
電圧±5Vの印加により、例えば発振波長を0.5nm
ほど補正することができる。50V程度の電圧を印加す
れば、±5nmという大幅な補正も可能である。逆に、
半導体レ−ザの引き込み波長と第2高調波発生の波長が
一致している場合には、電圧印加によって出力第2高調
波の強度を変調することができる。すなわち、前述のよ
うに、第2高調波の出力は、半導体レ−ザの波長が所定
の波長から僅か0.15nmずれただけで殆んどゼロと
なってしまう。そこで、上記TTLレベルの±5Vの電
圧印加により半導体レ−ザ波長を0.5nmだけずらせ
ば、第2高調波の出力をゼロにすることができる。ま
た、電圧値を調整して、基本波の屈折率を変化させるこ
とにより、前式(6)に従って任意の第2高調波強度を
得ることができる。
The change ΔN in the effective refractive index due to the voltage application to the electrode 17 can be expressed by the following equation (11). ΔN = − (1/2) n 3 ΓrV / g ··········································· (11) where r is an electro-optic coefficient, for example, in the case of LiNbO 3 / V). n is the refractive index of the optical waveguide 4, V is the applied voltage, g is the distance between the electrodes, and Γ is a coefficient representing the overlap between the electric field of the guided light and the electric field of the applied electric field. Depending on the value, the value is 0.3 to 0.7. Therefore, by applying a TTL level voltage of ± 5 V, for example, the oscillation wavelength is 0.5 nm.
Can be corrected. If a voltage of about 50 V is applied, a large correction of ± 5 nm is possible. vice versa,
When the pull-in wavelength of the semiconductor laser and the wavelength of the second harmonic generation coincide with each other, the intensity of the output second harmonic can be modulated by applying a voltage. That is, as described above, the output of the second harmonic becomes almost zero when the wavelength of the semiconductor laser deviates from the predetermined wavelength by only 0.15 nm. Therefore, if the semiconductor laser wavelength is shifted by 0.5 nm by applying a voltage of ± 5 V at the TTL level, the output of the second harmonic can be made zero. Further, by adjusting the voltage value and changing the refractive index of the fundamental wave, it is possible to obtain an arbitrary second harmonic intensity according to the above equation (6).

【0018】以下、本発明による導波路内部共振型SH
G光源の製造方法について説明する。図11は、本発明
の一実施例を示すSHG光源の製造工程図である。先
ず、図11(a)では、MgOlmo1%ド−プLiN
bO3の基板1上に、5nmのTi膜111と100n
mのCr膜112を順次スパッタリング成膜し、その上
に通常のホトリソグラフィ技術によりホトレジストパタ
−ン113を生成し、Cr膜112とTi膜111を順
次エッチングして、ホトレジストを除去する。このCr
/Tiパタ−ンの左側が分極反転部3に対応し、その周
期は3.2μm、ライン/スペ−ス比は拡散によるボケ
を考慮して2:8とした。また、右側は回折格子5に対
応しており、その周期は3.1μm、ライン/スペ−ス
比は1:1である。次に、図11(b)に示すように、
分極反転部3を再びホトレジスト113で覆った後、イ
オンミリングによりLiNbO3基板1を0.1μmエ
ッチングして回折格子5を形成する。次に、図11
(c)に示すように、分極反転部3のCr膜112とT
i膜111をエッチングで除去し、次いで分極反転部3
をホトレジストで覆って分極反転部3のTi膜111を
生成し、エッチングによりホトレジストを除去する。
Hereinafter, a waveguide internal resonance type SH according to the present invention will be described.
A method of manufacturing the G light source will be described. FIG. 11 is a manufacturing process diagram of an SHG light source showing an embodiment of the present invention. First, in FIG. 11A, MgOlmo 1% doped LiN
On the substrate 1 of bO 3 , 5 nm Ti film 111 and 100 n
A Cr film 112 of m is sequentially sputtered, a photoresist pattern 113 is formed on it by a normal photolithography technique, and the Cr film 112 and the Ti film 111 are sequentially etched to remove the photoresist. This Cr
The left side of the / Ti pattern corresponds to the domain-inverted part 3, its period is 3.2 μm, and the line / space ratio is set to 2: 8 in consideration of blurring due to diffusion. The right side corresponds to the diffraction grating 5, which has a period of 3.1 μm and a line / space ratio of 1: 1. Next, as shown in FIG.
After the domain inversion part 3 is covered again with the photoresist 113, the LiNbO 3 substrate 1 is etched by 0.1 μm by ion milling to form the diffraction grating 5. Next, FIG.
As shown in (c), the Cr film 112 and T
The i film 111 is removed by etching, and then the polarization inversion part 3 is removed.
Is covered with a photoresist to form a Ti film 111 of the domain inversion portion 3, and the photoresist is removed by etching.

【0019】次に、図11(d)に示すように、拡散炉
114内で熱処理を実施し、深さ約0.5μmの分極反
転部3を形成する。熱処理中のLi2Oの外拡散を防止
するために、拡散炉114の雰囲気に80℃に加熱した
温水中を通したアルゴンガスAr、および酸素ガスO2
を用いるとともに熱処理条件を1070℃、45分とし
た。また、Ti膜111を室温でイオン注入して形成
し、その後、熱処理を行うことにより、分極反転部3の
精度をさらに向上することができる。また、Tiの他
に、Ta,Cr等の遷移金属を用いても同じ効果が得ら
れる。また、分極反転部3は、LiNbO3中のリチウ
ムイオンをH,Na,K,Rb,Cs等のアルカリイオ
ンに置換するイオン交換法により製作することも可能で
ある。
Next, as shown in FIG. 11D, heat treatment is carried out in the diffusion furnace 114 to form the polarization inversion portion 3 having a depth of about 0.5 μm. In order to prevent outdiffusion of Li 2 O during the heat treatment, argon gas Ar and oxygen gas O 2 which have been passed through warm water heated to 80 ° C. in the atmosphere of the diffusion furnace 114
And heat treatment conditions were 1070 ° C. and 45 minutes. Further, the Ti film 111 is formed by ion implantation at room temperature, and then heat treatment is performed, whereby the precision of the domain inversion portion 3 can be further improved. The same effect can be obtained by using a transition metal such as Ta or Cr in addition to Ti. The polarization inversion part 3 can also be manufactured by an ion exchange method in which lithium ions in LiNbO 3 are replaced with alkali ions such as H, Na, K, Rb and Cs.

【0020】さらに、分極反転部3をプロトン交換法に
より製作することも可能である。プロトン交換法では、
基板1上に100nmのCr膜をスパッタリング成膜し
て、通常のホトリソグラフィ技術とエッチング技術によ
りCr膜をパタ−ニングする。次に、回折格子5の領域
にCr膜を100nm成膜して、そのプロトン交換を防
止する。そして、安息香酸粉末を加熱、溶融した石英容
器中に基板1を浸漬してプロトン交換処理を行い、深さ
約0.1μmのプロトン交換層を形成する。このときの
処理温度は200℃、処理時間は15分としたが、15
0℃から220℃の間であれば問題はなく、かつ200
〜220℃ではプロトン交換速度を早めることができ
る。また、220℃以上では、その後の熱処理工程で基
板表面が荒れるので好ましくない。また、安息香酸中に
0.1〜5mol%の安息香酸リチウムを加えると、プ
ロトン交換速度を自由に変更することができる。次に、
基板を冷却した後、エタノ−ル中で超音波洗浄を行って
Cr膜を除去する。次に、図11(b)と同じように、
分極反転部3をホトマスクで覆ってLiNbO3基板を
0.1μmイオンミリングによりエッチングする。最後
に上記ホトレジストを除去して、Cr膜をエッチングに
より除去し、熱処理炉中で1030℃で15分間の熱処
理を行い、深さ約1μmの分極反転部3を形成する。
Further, the polarization inversion part 3 can be manufactured by the proton exchange method. In the proton exchange method,
A 100 nm Cr film is formed on the substrate 1 by sputtering, and the Cr film is patterned by the usual photolithography technique and etching technique. Next, a 100 nm Cr film is formed in the region of the diffraction grating 5 to prevent its proton exchange. Then, the substrate 1 is immersed in a quartz container obtained by heating and melting the benzoic acid powder, and a proton exchange treatment is performed to form a proton exchange layer having a depth of about 0.1 μm. The treatment temperature at this time was 200 ° C. and the treatment time was 15 minutes.
There is no problem if it is between 0 ℃ and 220 ℃, and 200
At 220 ° C, the proton exchange rate can be increased. Further, if the temperature is 220 ° C. or higher, the substrate surface is roughened in the subsequent heat treatment step, which is not preferable. Moreover, the proton exchange rate can be freely changed by adding 0.1 to 5 mol% of lithium benzoate to benzoic acid. next,
After cooling the substrate, ultrasonic cleaning is performed in ethanol to remove the Cr film. Next, as in FIG. 11 (b),
The domain-inverted portion 3 is covered with a photomask, and the LiNbO 3 substrate is etched by 0.1 μm ion milling. Finally, the photoresist is removed, the Cr film is removed by etching, and heat treatment is performed at 1030 ° C. for 15 minutes in a heat treatment furnace to form a domain-inverted portion 3 having a depth of about 1 μm.

【0021】上記各方法、つまり図11(a)〜(d)
の方法、あるいはイオン交換法、またはプロトン交換法
により基板1上に分極反転格子3を形成した後、図11
(e)の工程に移る。図11(e)においては、分極反
転格子3が形成された基板1上に単結晶薄膜液層2をエ
ピタキシャル成長する。この液層エピタキシャル成長用
の溶融体は、光導波路4の材料である20mol%のL
iNbO3と80mol%の硼酸リチウムLi224
フラックス材料を原料として、これに炭酸リチウムLi
2CO3、硼酸H3BO3、五酸化ニオブNb25、酸化マ
グネシウムMgO等の粉末を混合し、十分に混合した後
に白金のるつぼに入れて、酸素と水蒸気雰囲気の電気炉
内で1200℃、3時間加熱して製作する。次に、この
溶融体を30℃/hの冷却速度で800℃に冷却し、そ
の中に+c面を光学研磨した5mol%MgOド−プの
ZcutLiNbO3単結晶の基板1を浸漬する。次
に、基板1を取り出して、電気炉中で30℃/hの冷却
速度で室温まで徐々に冷却すると、基板1上には1mo
l%MgOド−プLiNbO3薄膜2が2.5μmの厚
みでエピタキシャル成長される。薄膜2には、図11
(d)により形成されている分極反転方向が転写され、
アスペクト比の高い矩形の分極反転部3が形成される。
なお、上記フラックス材料の添加量は70〜90mol
%の範囲が望ましく、浸漬時間は膜厚が0.5〜3μm
であれば、10〜30分である。また、フラックス材料
としては、硼酸リチウムの他に、フッ化リチウムLi
F、フッ化カリウムKF、五酸化バナジウムV25等を
用いることも可能である。次に、薄膜2を水蒸気を含ん
だ酸素雰囲気内でアニ−ルして、酸素の欠損を補う。
Each of the above methods, that is, FIGS. 11A to 11D.
11 or after the polarization inversion grating 3 is formed on the substrate 1 by the above method, the ion exchange method, or the proton exchange method.
Go to step (e). In FIG. 11E, the single crystal thin film liquid layer 2 is epitaxially grown on the substrate 1 on which the domain inversion lattice 3 is formed. The melt for the liquid layer epitaxial growth is 20 mol% L which is the material of the optical waveguide 4.
A flux material of iNbO 3 and 80 mol% lithium borate Li 2 B 2 O 4 was used as a raw material, and lithium carbonate Li
2 CO 3 , boric acid H 3 BO 3 , niobium pentoxide Nb 2 O 5 , magnesium oxide MgO, and other powders were mixed, mixed thoroughly, and then placed in a platinum crucible, and heated in an electric furnace in an atmosphere of oxygen and water vapor for 1,200. It is manufactured by heating at ℃ for 3 hours. Next, this melt is cooled to 800 ° C. at a cooling rate of 30 ° C./h, and a 5 mol% MgO-doped ZcutLiNbO 3 single crystal substrate 1 having a + c plane optically polished is immersed therein. Next, the substrate 1 is taken out and gradually cooled to room temperature in an electric furnace at a cooling rate of 30 ° C./h, and 1 mo is left on the substrate 1.
A 1% MgO doped LiNbO 3 thin film 2 is epitaxially grown to a thickness of 2.5 μm. As shown in FIG.
The polarization inversion direction formed in (d) is transferred,
A rectangular domain inversion part 3 having a high aspect ratio is formed.
The amount of the flux material added is 70 to 90 mol.
%, The film thickness is 0.5 to 3 μm for the immersion time.
Then, it is 10 to 30 minutes. Further, as the flux material, in addition to lithium borate, lithium fluoride Li
It is also possible to use F, potassium fluoride KF, vanadium pentoxide V 2 O 5 or the like. Next, the thin film 2 is annealed in an oxygen atmosphere containing water vapor to compensate for the oxygen deficiency.

【0022】次に、光導波路4を製造する。先ず、図1
1(f)に示すように、薄膜2の上に100nmのTa
膜115をスパッタリング成膜し、その上にホトレジス
ト116を塗布し、光導波路4の部分が開口しているホ
トマスク117によりホトレジスト116をパタ−ニン
グする。次に、図11(g)に示すように、ホトレジス
ト116をマスクにして反応性イオンエッチングにより
Ta膜115をエッチングし、幅3μmの溝を形成す
る。次に、ホトレジスト116を除去して、上述と同じ
プロトン交換法により光導波路4を形成する。ただし、
安息香酸には1mol%の安息香酸リチウムを添加し
て、熱処理温度220℃、時間15分で熱処理を行う。
次に、基板1を冷却した後、水酸化ナトリウム中の超音
波洗浄によりTa115を除去し、大気中で45分間、
400℃でアニ−リングして光導波路4を製作する。な
お、アニ−リング温度が425℃以上になると、熱分解
によりプロトン交換導波路4が消滅し、また370℃以
下では熱処理時間が長くなるとともに、光伝搬損失が増
加するので、アニ−リング条件としては370〜425
℃、30〜60分の範囲が望ましい。
Next, the optical waveguide 4 is manufactured. First, Fig. 1
As shown in FIG. 1 (f), Ta of 100 nm is formed on the thin film 2.
A film 115 is formed by sputtering, a photoresist 116 is applied on the film 115, and the photoresist 116 is patterned by a photomask 117 having an opening in the optical waveguide 4. Next, as shown in FIG. 11G, the Ta film 115 is etched by reactive ion etching using the photoresist 116 as a mask to form a groove having a width of 3 μm. Next, the photoresist 116 is removed, and the optical waveguide 4 is formed by the same proton exchange method as described above. However,
1 mol% of lithium benzoate is added to benzoic acid, and heat treatment is performed at a heat treatment temperature of 220 ° C. for 15 minutes.
Next, after cooling the substrate 1, Ta115 is removed by ultrasonic cleaning in sodium hydroxide, and 45 minutes in the atmosphere.
The optical waveguide 4 is manufactured by annealing at 400 ° C. It should be noted that when the annealing temperature is 425 ° C. or higher, the proton exchange waveguide 4 disappears due to thermal decomposition, and when the annealing temperature is 370 ° C. or lower, the heat treatment time becomes long and the light propagation loss increases. Is 370-425
The temperature is preferably in the range of 30 to 60 minutes.

【0023】最後に、図11(h)に示すように、保護
層6として約0.1μmのSiO2薄膜をプラズマCV
D法により堆積する。このようにして製作した光導波路
4に対して、基板表面と垂直な方向に偏光した波長83
0nmのTi:サファイアレ−ザ光を入射して光伝搬損
失を測定したところ、0.5dB/cmという良好な値
が得られた。この理由としては、液相エピタキシャル成
長により化学量論的組成に極めて近い品質の薄膜2を成
長できたこと、およびプロトン交換法により光導波路4
の伝搬損失が低くなったこと、にそれぞれ基づいてい
る。次に、蒸着法またはスパッタリング法により所定の
膜厚のAl膜を形成し、ホトリソグラフィ技術およびエ
ッチング技術により電極17を形成して、素子を切り出
し、光導波路4に垂直な面を光学研磨する。最後に、分
極反転部3の端面に基本波のみを通過させ、第2高調波
を反射させるコ−ティング膜12を設けるとともに、回
折格子5の端面に第2高調波を透過させるコ−ティング
膜13を設けて、ホルダ−16に搭載し、同じように半
導体レ−ザ7を搭載して配線し、他の部品も搭載して光
軸調整を行い、コリメ−タレンズ14を取り付けて導波
路内部共振型SHG光源を完了する。
Finally, as shown in FIG. 11 (h), a SiO 2 thin film of about 0.1 μm is formed as a protective layer 6 by plasma CV.
Deposit by the D method. For the optical waveguide 4 manufactured in this manner, a wavelength 83 polarized in a direction perpendicular to the substrate surface is obtained.
When a 0 nm Ti: sapphire laser beam was incident and the optical propagation loss was measured, a good value of 0.5 dB / cm was obtained. The reason for this is that the thin film 2 having a quality very close to the stoichiometric composition could be grown by liquid phase epitaxial growth, and the optical waveguide 4 was formed by the proton exchange method.
It is based on the reduction of the propagation loss of each. Next, an Al film having a predetermined thickness is formed by the vapor deposition method or the sputtering method, the electrode 17 is formed by the photolithography technique and the etching technique, the element is cut out, and the surface perpendicular to the optical waveguide 4 is optically polished. Finally, a coating film 12 that allows only the fundamental wave to pass therethrough and reflects the second harmonic wave is provided on the end face of the polarization inverting portion 3, and a coating film that transmits the second harmonic wave to the end face of the diffraction grating 5. 13 is provided and mounted on the holder-16, the semiconductor laser 7 is similarly mounted and wired, other parts are also mounted to adjust the optical axis, and the collimator lens 14 is attached to the inside of the waveguide. Complete the resonant SHG light source.

【0024】図12は、本発明の第2の実施例を示す導
波路内部共振型SHG光源の側断面図である。この実施
例では、位相整合法としてバランス位相整合を用いる。
図12において、121は例えばKTP基板、122,
123はRb(ルビジウム)イオン拡散法により形成さ
れ、互いに屈折率の異なる屈折率セグメント導波路であ
る。その他の部分は、全て図1に示した第1の実施例と
同一である。本実施例では、屈折率セグメントからの反
射を抑制するために、屈折率の異なる導波路122,1
23の部分の屈折率差を小さくする必要がある。図13
は、本発明の第3の実施例を示す導波路内部共振型SH
G光源の側断面図である。この実施例では、位相整合と
して非線形光学係数を周期的に小さくすることにより達
成している。図13において、131は例えばLiNb
3基板であり、132,133はそれぞれプロトン交
換された部分、およびプロトン交換されていない部分を
示す。その他の部分は、全て図1に示した第1の実施例
と同一である。プロトン交換された部分132の非線形
光学係数は、プロトン交換されていない部分の非線形光
学係数の約半分であり、これにより擬位相整合を達成す
ることができる。
FIG. 12 is a side sectional view of a waveguide internal resonance type SHG light source showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, balanced phase matching is used as the phase matching method.
In FIG. 12, 121 is a KTP substrate, 122,
Reference numeral 123 is a refractive index segmented waveguide formed by the Rb (rubidium) ion diffusion method and having different refractive indexes. All other parts are the same as in the first embodiment shown in FIG. In this embodiment, in order to suppress reflection from the refractive index segment, the waveguides 122 and 1 having different refractive indexes are used.
It is necessary to reduce the difference in the refractive index of the portion 23. FIG.
Is a waveguide internal resonance type SH showing a third embodiment of the present invention.
It is a sectional side view of a G light source. In this embodiment, phase matching is achieved by periodically reducing the nonlinear optical coefficient. In FIG. 13, 131 is, for example, LiNb
This is an O 3 substrate, and 132 and 133 respectively indicate a proton-exchanged portion and a non-proton-exchanged portion. All other parts are the same as in the first embodiment shown in FIG. The nonlinear optical coefficient of the proton-exchanged portion 132 is about half that of the non-proton-exchanged portion, which allows quasi phase matching to be achieved.

【0025】図14は、本発明の一応用例を示すもの
で、第1〜第3の実施例の光源を光ディスクの記録また
は再生に用いた場合の応用である。図14において、1
41は直流電圧印加手段、142は本発明による光源、
143は第2高調波コリメ−トレンズ、144はビ−ム
スプリッタ、145はミラ−、146は対物レンズ、1
47は光ディスク、148は光検出器である。光ディス
ク147に記録されるべき信号、つまり直流電圧印加手
段141により加えられた信号により、本発明の光源1
42は変調される。変調の方法は、第1の実施例に示し
たように、信号に従って電極17に所定の電圧を印加
し、レ−ザ光源の発振周波数を変化させ、位相整合条件
を強制的に崩すことにより行う。導波路4の端面から発
射され、変調された光ビ−ムは、第2高調波コリメ−ト
レンズ143、ビ−ムスプリッタ144、ミラ−14
5、および対物レンズ146を経由してスポットとして
形成され、変調信号に応じて光ディスク147の上にピ
ットの列を形成する。これを再生するときには、記録時
よりも低い光パワ−として、ディスク147からの反射
光をビ−ムスプリッタ144で分岐し、光検出器148
で受光して元の変調信号を復調する。図15は、本発明
の他の応用例を示すもので、第1〜第3の実施例の光源
をレ−ザビ−ムプリンタ用の光源として使用する場合の
応用である。図15において、151は回転多面鏡、1
52は感光ドラム、141は直流電圧印加手段、142
は本発明による光源、143は第2高調波コリメ−トレ
ンズ、146は対物レンズである。変調された光は、コ
リメ−トレンズ143で集光され、回転多面鏡151で
光ビ−ムが左右に振られて、走査レンズ146により感
光ドラム152上にスポットが形成される。変調信号に
より、感光ドラム152上に形成された潜像にトナ−が
かぶせられ、用紙に転写されて記録される。
FIG. 14 shows an application example of the present invention, which is an application when the light sources of the first to third embodiments are used for recording or reproduction of an optical disk. In FIG. 14, 1
41 is a DC voltage applying means, 142 is a light source according to the present invention,
143 is a second harmonic collimating lens, 144 is a beam splitter, 145 is a mirror, 146 is an objective lens, 1
Reference numeral 47 is an optical disk, and 148 is a photodetector. With the signal to be recorded on the optical disk 147, that is, the signal applied by the DC voltage applying means 141, the light source 1 of the present invention
42 is modulated. The modulation method is performed by applying a predetermined voltage to the electrode 17 according to the signal, changing the oscillation frequency of the laser light source, and forcibly breaking the phase matching condition, as shown in the first embodiment. . The modulated optical beam emitted from the end face of the waveguide 4 is a second harmonic collimating lens 143, a beam splitter 144, and a mirror 14.
5 and the objective lens 146 to form a spot, and a row of pits is formed on the optical disc 147 according to the modulation signal. When reproducing this, the reflected light from the disk 147 is branched by the beam splitter 144 as an optical power lower than that at the time of recording, and the photodetector 148 is used.
The light is received by and the original modulated signal is demodulated. FIG. 15 shows another application example of the present invention, which is an application when the light sources of the first to third embodiments are used as a light source for a laser beam printer. In FIG. 15, reference numeral 151 denotes a rotary polygon mirror, and 1
52 is a photosensitive drum, 141 is a DC voltage applying means, 142
Is a light source according to the present invention, 143 is a second harmonic collimating lens, and 146 is an objective lens. The modulated light is condensed by the collimating lens 143, the light beam is swung left and right by the rotary polygon mirror 151, and a spot is formed on the photosensitive drum 152 by the scanning lens 146. A toner is applied to the latent image formed on the photosensitive drum 152 by the modulation signal, and the toner is transferred to a sheet and recorded.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
分極反転部に回折格子を付加して、第2高調波発生部と
基本波の反射部とを分離できるので、それぞれを最適に
設計することが可能となる。また、半導体レ−ザの発振
周波数が電極に印加される電圧により制御されるので、
半導体レ−ザの発振周波数を第2高調波発生周波数にチ
ュ−ニングしたり、逆に第2高調波光の強度を直接変調
することが可能である。さらに、半導体レ−ザの出力向
上に伴って第2高調波の発生効率を従来方法に比べ格段
に大きくすることが可能である。
As described above, according to the present invention,
Since a diffraction grating can be added to the polarization inversion section to separate the second harmonic wave generating section and the fundamental wave reflecting section, it is possible to design each of them optimally. Moreover, since the oscillation frequency of the semiconductor laser is controlled by the voltage applied to the electrodes,
It is possible to tune the oscillation frequency of the semiconductor laser to the second harmonic generation frequency or, conversely, directly modulate the intensity of the second harmonic light. Further, as the output of the semiconductor laser is improved, the generation efficiency of the second harmonic can be significantly increased as compared with the conventional method.

【0027】[0027]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例を示す導波路内部共振型SH
G光源の側断面図および上面図である。
FIG. 1 is a waveguide internal resonance type SH showing an embodiment of the present invention.
It is a sectional side view and a top view of a G light source.

【図2】位相整合の原理説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of phase matching.

【図3】従来の複屈折位相整合法を用いた第2高調波発
生素子の斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view of a second harmonic generation element using a conventional birefringence phase matching method.

【図4】従来のチェレンコフ位相整合法を用いた第2高
調波発生素子の斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view of a second harmonic generation element using a conventional Cherenkov phase matching method.

【図5】従来の分極反転子を用いた第2高調波発生素子
の斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view of a second harmonic generation element using a conventional polarization inverter.

【図6】従来の導波路の幅が変調された第2高調波発生
素子の斜視図である。
FIG. 6 is a perspective view of a conventional second harmonic generation element in which the width of a waveguide is modulated.

【図7】従来の分極反転格子共振型第2高調波発生素子
の構成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional polarization inversion grating resonance type second harmonic generation element.

【図8】図5における実効屈折率の変化と効率の関係を
示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a change in effective refractive index and efficiency in FIG.

【図9】図1における分極反転周期、回折格子周期と半
導体レ−ザ波長の関係を示す図である。
9 is a diagram showing the relationship between the polarization inversion period, the diffraction grating period and the semiconductor laser wavelength in FIG.

【図10】図1における回折格子の反射率とブラッグ条
件からのずれの関係を示す図である。
10 is a diagram showing the relationship between the reflectance of the diffraction grating in FIG. 1 and the deviation from the Bragg condition.

【図11】本発明の一実施例を示す導波路内部共振型S
HG光源の製造工程図である。
FIG. 11 is a waveguide internal resonance type S showing an embodiment of the present invention.
It is a manufacturing-process figure of a HG light source.

【図12】本発明の第2の実施例を示す導波路内部共振
型SHG光源の側断面図である。
FIG. 12 is a side sectional view of a waveguide internal resonance type SHG light source showing a second embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第3の実施例を示す導波路内部共振
型SHG光源の側断面図である。
FIG. 13 is a side sectional view of a waveguide internal resonance type SHG light source showing a third embodiment of the present invention.

【図14】本発明の一応用例を示すもので、光源を光デ
ィスクに使用した場合の斜視図である。
FIG. 14 is a perspective view showing an application example of the present invention when a light source is used for an optical disc.

【図15】本発明の他の応用例を示すもので、光源をレ
−ザビ−ムプリンタに適用した場合の構成図である。
FIG. 15 shows another application example of the present invention, and is a configuration diagram when a light source is applied to a laser beam printer.

【符号の説明】 1 基板 2 LiNbO3単結晶薄膜 3 分極反転部 4 光導波路 5 回折格子 6 保護膜 7 半導体レ−ザ 8 反射板 9 コリメ−トレンズ系 10 集光レンズ系 11 偏光板 12,13 コ−ティング膜 14 コリメ−トレンズ 15 第2高調波成分 17 電極 111 Ti膜 112 Cr膜 113 ホトレジスト 115 Ta膜 117 ホトマスク 121 KTP基板 122,123 互いに屈折率の異なる屈折率セグメン
ト導波路 131 LiNbO3基板 132,133 プロトン交換された部分とされていな
い部分 141 直流電圧印加手段 142 本発明の光源 143 第2高調波コリメ−トレンズ 144 ビ−ムスプリッタ 145 ミラ− 146 対物レンズ 147 光ディスク 148 光検出器 151 回転多面鏡 152 感光ドラム
[Explanation of reference numerals] 1 substrate 2 LiNbO 3 single crystal thin film 3 polarization inversion part 4 optical waveguide 5 diffraction grating 6 protective film 7 semiconductor laser 8 reflector 9 collimating lens system 10 condensing lens system 11 polarizing plates 12, 13 Coating film 14 Collimating lens 15 Second harmonic component 17 Electrode 111 Ti film 112 Cr film 113 Photoresist 115 Ta film 117 Photomask 121 KTP substrate 122, 123 Refractive index segmented waveguides 131 LiNbO 3 substrate 132 , 133 Proton-exchanged part and non-proton-exchanged part 141 DC voltage applying means 142 Light source of the present invention 143 Second harmonic collimating lens 144 Beam splitter 145 Miller 146 Objective lens 147 Optical disc 148 Photodetector 151 Rotation polyhedral Mirror 152 photosensitive drum

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 薦田 琢 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Takumi Tada 1-280, Higashi Koigokubo, Kokubunji, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 自発分極を有する光学基板内に自発分極
の向きが周期的に反転された分極反転部を備えた光導波
路に対し、半導体レ−ザ光の基本波成分を入射して第2
高調波に変換するSHG光源において、上記分極反転部
の第2高調波出力側の光導波路に、上記半導体レ−ザ光
の基本波成分を該半導体レ−ザに反射させるための回折
格子を設けるとともに、該回折格子上に、光学的に透明
な薄膜を介して直流電圧を印加することにより上記光導
波路の屈折率を調整するための1対の電極を設けること
を特徴とする導波路内部共振型SHG光源。
1. A fundamental wave component of semiconductor laser light is incident on an optical waveguide having a polarization inversion section in which the direction of spontaneous polarization is periodically inverted in an optical substrate having spontaneous polarization.
In the SHG light source for converting into a harmonic, a diffraction grating for reflecting the fundamental wave component of the semiconductor laser light to the semiconductor laser is provided in the optical waveguide on the second harmonic output side of the polarization inversion section. At the same time, a pair of electrodes for adjusting the refractive index of the optical waveguide by providing a direct current voltage through an optically transparent thin film is provided on the diffraction grating. Type SHG light source.
【請求項2】 自発分極を有する光学基板内に自発分極
の向きが周期的に反転された分極反転部を備えた光導波
路に対し、半導体レ−ザ光の基本波成分を入射して第2
高調波に変換するSHG光源において、上記分極反転部
の第2高調波出力側の光導波路に、上記半導体レ−ザ光
の基本波成分を該半導体レ−ザに反射させるための回折
格子を設けるとともに、該回折格子上に、光学的に透明
な薄膜を介して直流電圧を印加することにより上記光導
波路の屈折率を調整するための1対の電極を設け、かつ
上記光学基板の上記半導体レ−ザ光を入射させる端面ま
たは該光学基板と上記半導体レ−ザの間に、上記半導体
レ−ザ光の基本波のみを透過し、該半導体レ−ザ光の第
2高調波を反射する手段を設け、また上記光学基板の該
半導体レ−ザ光を入射させる端面とは反対側の端面に、
該半導体レ−ザ光の基本波を反射する手段を設けたこと
を特徴とする導波路内部共振型SHG光源。
2. A fundamental wave component of semiconductor laser light is incident on an optical waveguide having a polarization inversion part in which the direction of spontaneous polarization is periodically inverted in an optical substrate having spontaneous polarization.
In the SHG light source for converting into a harmonic, a diffraction grating for reflecting the fundamental wave component of the semiconductor laser light to the semiconductor laser is provided in the optical waveguide on the second harmonic output side of the polarization inversion section. At the same time, a pair of electrodes for adjusting the refractive index of the optical waveguide by applying a DC voltage through an optically transparent thin film is provided on the diffraction grating, and the semiconductor substrate of the optical substrate is provided. Means for transmitting only the fundamental wave of the semiconductor laser light and reflecting the second harmonic of the semiconductor laser light between the end face on which the laser light is incident or between the optical substrate and the semiconductor laser. And an end surface of the optical substrate opposite to the end surface on which the semiconductor laser light is incident,
A waveguide internal resonance type SHG light source, characterized in that means for reflecting the fundamental wave of the semiconductor laser light is provided.
【請求項3】 請求項1または2に記載の導波路内部共
振型SHG光源において、上記回折格子は、分極反転部
の第2高調波出力側の光導波路の代りに、光学基板内に
屈折率の異なる複数の領域が周期的に繰り返された屈折
率変調部の第2高調波出力側の光導波路に設けられるこ
とを特徴とする導波路内部共振型SHG光源。
3. The waveguide internal resonance type SHG light source according to claim 1 or 2, wherein the diffraction grating has a refractive index in an optical substrate instead of the optical waveguide on the second harmonic output side of the polarization inversion section. Is provided in the optical waveguide on the second harmonic output side of the refractive index modulation section in which a plurality of different regions are periodically repeated.
【請求項4】 請求項1または2に記載の導波路内部共
振型SHG光源において、上記回折格子は、分極反転部
の第2高調波出力側の光導波路の代りに、自発分極の大
きさが周期的に変調された自発分極変調部の第2高調波
出力側の光導波路に設けられることを特徴とする導波路
内部共振型SHG光源。
4. The waveguide internal resonance type SHG light source according to claim 1, wherein the diffraction grating has a spontaneous polarization in place of the optical waveguide on the second harmonic output side of the polarization inversion section. A waveguide internal resonance type SHG light source, which is provided in an optical waveguide on a second harmonic output side of a periodically-polarized spontaneous polarization modulator.
【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の導波路
内部共振型SHG光源において、上記光学基板は、ニオ
ブ酸リチウム(LiNbO3)、マグネシウムがド−プ
されたニオブ酸リチウム(MgO:LiNbO3)、タ
ンタルニオブ酸リチウム(LiTaNbO3)、あるい
はタンタル酸リチウム(LiTaO3)のいずれかを用
いて形成されることを特徴とする導波路内部共振型SH
G光源。
5. The waveguide internal resonance type SHG light source according to claim 1, wherein the optical substrate comprises lithium niobate (LiNbO 3 ), and magnesium doped lithium niobate (MgO). : LiNbO 3 ), lithium tantalum niobate (LiTaNbO 3 ), or lithium tantalate (LiTaO 3 ), which is characterized by being formed in the waveguide internal resonance type SH.
G light source.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載の導波路
内部共振型SHG光源において、上記光導波路は、光学
基板と自発分極方向が同一な強誘電体薄膜内に設けられ
るとともに、上記回折格子は、周期的にエッチングされ
た構造を有することを特徴とする導波路内部共振型SH
G光源。
6. The waveguide internal resonance type SHG light source according to claim 1, wherein the optical waveguide is provided in a ferroelectric thin film having the same spontaneous polarization direction as the optical substrate, and The diffraction grating has a periodically etched structure, and the waveguide internal resonance type SH is characterized.
G light source.
【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載の導波路
内部共振型SHG光源において、上記半導体レ−ザの上
記光学基板とは反対側の端面には、該半導体レ−ザ光を
反射する手段を設けたことを特徴とする導波路内部共振
型SHG光源。
7. The waveguide internal resonance type SHG light source according to claim 1, wherein the semiconductor laser light is applied to an end surface of the semiconductor laser opposite to the optical substrate. A waveguide internal resonance type SHG light source, characterized in that a reflection means is provided.
【請求項8】 請求項1〜7のいずれかに記載の導波路
内部共振型SHG光源において、上記分極反転部と上記
回折格子の格子周期を同一にするとともに、該回折格子
上に配置された1対の電極は、光導波路の光の伝搬方向
に並行して配置されていることを特徴とする導波路内部
共振型SHG光源。
8. The waveguide internal resonance type SHG light source according to claim 1, wherein the polarization inversion section and the diffraction grating have the same grating period and are arranged on the diffraction grating. The waveguide internal resonance type SHG light source, wherein the pair of electrodes are arranged in parallel with the light propagation direction of the optical waveguide.
【請求項9】 請求項1〜8のいずれかに記載の導波路
内部共振型SHG光源において、上記1対の電極間に電
圧を印加して得られる電界は、上記電極下の回折格子の
屈折率を制御して、該回折格子のブラッグ波長を分極反
転格子で発振されたSH光の波長と一致させることを特
徴とする導波路内部共振型SHG光源。
9. The waveguide internal resonance type SHG light source according to claim 1, wherein an electric field obtained by applying a voltage between the pair of electrodes is a refraction of a diffraction grating below the electrodes. A waveguide internal resonance type SHG light source, characterized in that the Bragg wavelength of the diffraction grating is matched with the wavelength of the SH light oscillated by the polarization inversion grating by controlling the index.
【請求項10】 請求項1〜9のいずれかに記載の導波
路内部共振型SHG光源において、上記1対の電極間に
電圧を印加して得られる電界は、上記電極下の回折格子
の屈折率を制御して、該回折格子のブラッグ波長を分極
反転格子で発振されたSH光の波長とずらすことによ
り、出力第2高調波の強度を変調することを特徴とする
導波路内部共振型SHG光源。
10. The waveguide internal resonance type SHG light source according to claim 1, wherein an electric field obtained by applying a voltage between the pair of electrodes is a refraction of a diffraction grating below the electrodes. The waveguide internal resonance type SHG characterized in that the intensity of the output second harmonic is modulated by shifting the Bragg wavelength of the diffraction grating with respect to the wavelength of the SH light oscillated by the polarization inversion grating by controlling the ratio. light source.
JP22406392A 1990-05-25 1992-08-24 Waveguide internal resonance type shg light source Pending JPH0667234A (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP22406392A JPH0667234A (en) 1992-08-24 1992-08-24 Waveguide internal resonance type shg light source
US08/027,724 US5854870A (en) 1990-05-25 1993-03-04 Short-wavelength laser light source

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP22406392A JPH0667234A (en) 1992-08-24 1992-08-24 Waveguide internal resonance type shg light source

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0667234A true JPH0667234A (en) 1994-03-11

Family

ID=16807993

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP22406392A Pending JPH0667234A (en) 1990-05-25 1992-08-24 Waveguide internal resonance type shg light source

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0667234A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0664474A1 (en) * 1994-01-21 1995-07-26 Sharp Kabushiki Kaisha Electrically controllable grating, and optical elements having an electrically controllable grating
US5610760A (en) * 1994-03-11 1997-03-11 U.S. Philips Corporation Device for raising the frequency of electromagnetic radiation
USRE37809E1 (en) 1994-09-09 2002-07-30 Gemfire Corporation Laser with electrically-controlled grating reflector

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0664474A1 (en) * 1994-01-21 1995-07-26 Sharp Kabushiki Kaisha Electrically controllable grating, and optical elements having an electrically controllable grating
US6356674B1 (en) 1994-01-21 2002-03-12 Sharp Kabushiki Kaisha Electrically controllable grating, and optical elements having an electrically controllable grating
US5610760A (en) * 1994-03-11 1997-03-11 U.S. Philips Corporation Device for raising the frequency of electromagnetic radiation
USRE37809E1 (en) 1994-09-09 2002-07-30 Gemfire Corporation Laser with electrically-controlled grating reflector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5854870A (en) Short-wavelength laser light source
JP4545380B2 (en) Optical waveguide device, coherent light source using the same, and optical apparatus provided with the same
JP3036255B2 (en) Optical wavelength conversion element, short wavelength laser light source using the same, optical information processing apparatus using the short wavelength laser light source, and method of manufacturing optical wavelength conversion element
US5274727A (en) Second harmonic generator and method of fabrication thereof
JP3156444B2 (en) Short wavelength laser light source and method of manufacturing the same
EP0676060B1 (en) Doped ktp and its isomorphs with increased birefringence for type ii phase matching
JP3050333B2 (en) Method for manufacturing second harmonic generation element
JPH0667234A (en) Waveguide internal resonance type shg light source
JP2725302B2 (en) Waveguide type wavelength conversion element
US6519077B1 (en) Optical waveguide, optical wavelength conversion device, method for producing the same, short wavelength light generation apparatus using the same, optical information processing apparatus using the same, coherent light generation apparatus using the same, and optical system using the same
JP4084460B2 (en) Optical waveguide, optical wavelength conversion element, short wavelength light generator and optical pickup using the optical waveguide
JP2822778B2 (en) Wavelength conversion element
JPH08304864A (en) Self-stabilized compact light source by depletion of pump based on frequency doubling of laser
JPH05257184A (en) Waveguide resonance type shg light source and its manufacture
JPH0728112A (en) Second harmonic generating light source of waveguide path type
JP3006309B2 (en) Optical wavelength conversion element and short wavelength laser light source
JP3111786B2 (en) Short wavelength laser light source
JPH0566440A (en) Laser light source
JPH0627427A (en) Optical function element
JPH0651359A (en) Wavelength conversion element, short wavelength laser device and wavelength variable laser device
JP2658381B2 (en) Waveguide type wavelength conversion element
JPH05173213A (en) Guidewave type second harmonic generating element
JPH0719004B2 (en) Optical wavelength conversion element and manufacturing method thereof
JPH04335329A (en) Production of second harmonic generating element having dielectric polarization inversion grating
JP2001194694A (en) Optical waveguide, optical wavelength conversion element and method for manufacturing the same as well as short wavelength generator, optical information processor, coherent light generator and optical system using the same