JPH1172810A - Optical waveguide and its production, optical wavelength conversion element using this optical waveguide, short wavelength light emitting device and optical pickup - Google Patents

Optical waveguide and its production, optical wavelength conversion element using this optical waveguide, short wavelength light emitting device and optical pickup

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JPH1172810A
JPH1172810A JP14872998A JP14872998A JPH1172810A JP H1172810 A JPH1172810 A JP H1172810A JP 14872998 A JP14872998 A JP 14872998A JP 14872998 A JP14872998 A JP 14872998A JP H1172810 A JPH1172810 A JP H1172810A
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optical
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ion exchange
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable the output of a second harmonic wave having an excellent light condensing characteristic and to increase the overlap of a basic wave on the second harmonic wave by providing an ion exchange layer with a refractive index larger than the refractive index of a waveguide and specific thickness. SOLUTION: The ion exchange layer (high-refractive index layer) 63 formed on the surface of the waveguide 62 on the surface of a crystalline substrate 61 has the refractive index larger than the refractive index of the waveguide 62 and the thickness at which the basic wave 64 propagating in the waveguide 62 cannot propagate the inside of the ion exchange layer 63 but the harmonic wave of the basic wave 64 can propagate the ion exchange layer 63. Namely, the thickness and refractive index of the high-refractive index layer 63 satisfy a cut-off condition for the basic wave 64. The thickness and refractive index of the high-refractive index layer 63 are merely so selected as to satisfy the cut-off condition for the basic wave 64 and a waveguide condition for the SHG wave in order to embody the wavelength conversion element of the high refractive index in the waveguide 62 having such high-refractive index layer 63.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、コヒーレント光源
を応用した、光情報処理、光応用計測の分野に使用され
る光導波路および波長変換素子に関するものである。ま
た、本発明は、このような光波長変換素子を用いた光発
生装置および光ピックアップに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical waveguide and a wavelength conversion element using a coherent light source and used in the fields of optical information processing and optical applied measurement. Further, the present invention relates to a light generating device and an optical pickup using such an optical wavelength conversion element.

【0002】[0002]

【従来の技術】光導波路は、光波制御のために通信、光
情報処理、計測等広い分野で利用されている。特に光導
波路の光波長変換素子への適用は、半導体レーザの波長
変換による小型の短波長光源を実現するために盛んに研
究が行われている。
2. Description of the Related Art Optical waveguides are used in a wide range of fields such as communication, optical information processing, and measurement for controlling light waves. Particularly, application of an optical waveguide to an optical wavelength conversion element has been actively studied in order to realize a small-sized short-wavelength light source by wavelength conversion of a semiconductor laser.

【0003】例えば、特開平5−273624号公報に
は、図20に示すように、光導波路の表面近傍に非線形
劣化層を設けて、高効率化、安定化を図った光波長変換
素子が開示されている。図20において、201はLi
TaO3基板、202は導波層、203は分極反転層、
204は非線形劣化層である。光波長変換素子の導波層
202内に入射されたTM00モードの基本波205
は、導波層202内でTM10モードの高調波206に
波長変換されている。非線形劣化層204の厚みは約
0.45μmで、導波層202の厚みは1.8μmであ
る。TM10モードの高調波は、図21に示すように、
TM00モ−ドの基本波とほぼ同程度のピーク出力を有
する。即ち、TM00モードの基本波とTM10モード
の高調波との間でオーバラップの増大が図られ、高効率
化が達成されている。
For example, Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 5-273624 discloses an optical wavelength conversion element in which a nonlinear deterioration layer is provided near the surface of an optical waveguide to achieve high efficiency and stability, as shown in FIG. Have been. In FIG. 20, 201 is Li
TaO 3 substrate, 202 is a waveguide layer, 203 is a domain-inverted layer,
204 is a nonlinear deterioration layer. Fundamental wave 205 of TM00 mode incident on waveguide layer 202 of the optical wavelength conversion element
Is converted into a TM10 mode harmonic 206 in the waveguide layer 202. The thickness of the nonlinear deterioration layer 204 is about 0.45 μm, and the thickness of the waveguide layer 202 is 1.8 μm. As shown in FIG. 21, the harmonics of the TM10 mode
It has almost the same peak output as the fundamental wave of the TM00 mode. That is, the overlap between the fundamental wave of the TM00 mode and the harmonic wave of the TM10 mode is increased, and high efficiency is achieved.

【0004】また、例えば特開平4−254834号公
報には、導波層より屈折率の高い高屈折率層を導波層上
に形成する構成が報告されている。この光波長変換素子
の構成図を図22に示す。この光波長変換素子は、Li
NbO3基板301上に形成されたプロトン交換による
光導波層302の表面に、分極反転層303とTiO 2
からなる高屈折率層304とが形成されている。TiO
2の屈折率はプロトン交換による導波層302の屈折率
よりも大きく、屈折率の高い高屈折率層304を導波層
302上に形成することにより、基本波の閉じ込めを強
くし、光波長変換素子の高効率化を達成している。
[0004] For example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-254834
According to the report, a high refractive index layer with a higher refractive index than the waveguide layer
Has been reported. This optical wavelength conversion element
22 is shown in FIG. This light wavelength conversion element is composed of Li
NbOThreeBy proton exchange formed on the substrate 301
On the surface of the optical waveguide layer 302, a polarization inversion layer 303 and TiO Two
Is formed. TiO
TwoIs the refractive index of the waveguide layer 302 due to proton exchange.
The higher refractive index layer 304, which is larger than the
By forming it on 302, the confinement of the fundamental wave is enhanced.
Thus, the efficiency of the optical wavelength conversion element is improved.

【0005】さらに、特開平1−238631号公報に
は、光導波路の閉じ込めを強化するためリッジ型の光導
波路構造を採用した光波長変換素子が記載されている。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-238631 discloses an optical wavelength conversion element employing a ridge type optical waveguide structure in order to enhance the confinement of the optical waveguide.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記特開平5−237
624号公報に記載の光波長変換素子には、出射される
TM10モードの光が2ピークの強度分布を有し、集光
する際に集光特性が劣化するという問題があった。ま
た、この方式では、耐光損傷強度を高めるために高調波
を高次モードのピークに分散させているため、出力する
高調波が2つのほぼ等しい大きさのピークを有してい
る。そのため、高調波出力を集光し、特別な光学系が必
要であるため、光学系が複雑化し、小型化が難しいとい
う問題があった。さらに、回折限界まで集光するにはビ
ームをかなり整形する必要があり、出力光の利用効率が
50%以下に低下するという問題があった。また、非線
形劣化層は、基本波の閉じこめを高める機能を有さない
ため、基本波のパワー密度の増大が図れず、高効率化に
限界があった。
SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-237.
The light wavelength conversion element described in Japanese Patent No. 624 has a problem that the emitted TM10 mode light has a two-peak intensity distribution, and the light-collecting characteristics deteriorate when the light is collected. Further, in this method, since the harmonics are dispersed into the peaks of the higher-order modes in order to increase the light damage resistance, the output harmonic has two peaks of almost equal magnitude. Therefore, there is a problem that a special optical system is required to condense the harmonic output, and the optical system becomes complicated and miniaturization is difficult. Further, in order to converge the light to the diffraction limit, it is necessary to considerably shape the beam, and there is a problem that the utilization efficiency of the output light is reduced to 50% or less. In addition, since the nonlinear deterioration layer does not have a function of enhancing the confinement of the fundamental wave, the power density of the fundamental wave cannot be increased, and there is a limit to high efficiency.

【0007】また、上記特開平4−254834号公報
に記載の光波長変換素子には、高屈折率層として、高屈
折率の誘電体膜を使用している点に問題があった。導波
層上の高屈折率層は導波層の実効屈折率に与える影響が
大きく、導波層全域にわたる膜厚の均一性に高い精度が
要求される。例えば、光波長変換素子の場合、導波層全
長における位相整合条件は導波層の実効屈折率に厳しく
依存するため、導波層の実効屈折率が伝搬方向に渡りわ
ずかに変化すると、変換効率が極端に減少する。このた
め、高屈折率層の膜厚制御には厳しい均一性が要求され
ていた。また、基板と異なる材質を導波層の表面に堆積
することで、導波層と高屈折率層との界面において導波
損失が生じやすいという問題があった。さらに、基板と
の膨張係数の違いによって、導波層に歪みを与え、導波
層の実効屈折率が導波層の伝搬方向に分布を有するとい
う問題が生じていた。
In addition, the optical wavelength conversion element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-254834 has a problem in that a dielectric film having a high refractive index is used as a high refractive index layer. The high refractive index layer on the waveguide layer has a large effect on the effective refractive index of the waveguide layer, and high accuracy is required for the uniformity of the film thickness over the entire waveguide layer. For example, in the case of an optical wavelength conversion element, the phase matching condition over the entire length of the waveguide layer is strictly dependent on the effective refractive index of the waveguide layer. Therefore, if the effective refractive index of the waveguide layer changes slightly in the propagation direction, the conversion efficiency will increase. Is extremely reduced. Therefore, strict uniformity has been required for controlling the thickness of the high refractive index layer. In addition, when a material different from that of the substrate is deposited on the surface of the waveguide layer, there is a problem that waveguide loss easily occurs at the interface between the waveguide layer and the high refractive index layer. Further, there is a problem that the waveguide layer is distorted due to a difference in expansion coefficient from the substrate, and the effective refractive index of the waveguide layer has a distribution in the propagation direction of the waveguide layer.

【0008】さらに、導波層を伝搬する光に対する、高
屈折率層の伝搬損失が大きな問題となることが明らかに
なってきた。光波長変換素子の特性を劣化させる導波層
の伝搬損失は、高調波に対するものと、基本波に対する
ものがある。誘電体の高屈折率層は基本波に対する伝搬
損失は比較的小さく問題はないが、高調波は波長が短い
ため従来の高屈折率膜が与える伝搬損失がかなり大きい
ことが明らかになった。本発明者らの実験では、各種の
高屈折率を有する誘電体膜を試みたが、波長400nm
帯の高調波に対してはいずれも−数dB/cmという大
きな伝搬損失が認められ、これにより光波長変換素子の
変換効率が1/2以下に低減されていることがわかっ
た。さらに、高屈折率層は、基本波の閉じこめを高める
機能を有さないために基本波のパワー密度の増大が図れ
ず、高効率化に限界があった。
Further, it has been found that the propagation loss of the high refractive index layer to light propagating through the waveguide layer becomes a serious problem. The propagation loss of the waveguide layer, which deteriorates the characteristics of the optical wavelength conversion element, is classified into a harmonic wave and a fundamental wave. The high-refractive-index layer made of a dielectric material has a relatively small propagation loss with respect to the fundamental wave, and there is no problem. However, since the wavelength of the higher harmonic wave is short, the propagation loss provided by the conventional high-refractive-index film is considerably large. In the experiments of the present inventors, various kinds of dielectric films having a high refractive index were tried.
For each of the higher harmonics in the band, a large propagation loss of −several dB / cm was observed, and it was found that the conversion efficiency of the optical wavelength conversion element was reduced to 以下 or less. Furthermore, since the high refractive index layer does not have a function of enhancing the confinement of the fundamental wave, the power density of the fundamental wave cannot be increased, and there has been a limit in improving the efficiency.

【0009】また、この光波長変換素子は、導波層を伝
搬する基本モードの基本波と第2高調波におけるオーバ
ラップの向上を目的としている。このため、基本波と第
2高調波の屈折率分散の違いより、導波層内での導波モ
ードの分布が大きく異なるため、両モード間でのオーバ
ラップの増大には制限があり、変換効率を大幅に向上さ
せることは困難であった。さらに、基本波と第2高調波
がオーバラップしない部分が大きいため、耐光損傷強度
の向上を達成することは困難であった。
Further, this optical wavelength conversion element aims at improving the overlap between the fundamental wave of the fundamental mode propagating in the waveguide layer and the second harmonic. For this reason, since the distribution of the waveguide modes in the waveguide layer is greatly different due to the difference in the refractive index dispersion between the fundamental wave and the second harmonic, there is a limit to the increase in the overlap between the two modes. It has been difficult to significantly improve efficiency. Further, since the portion where the fundamental wave and the second harmonic do not overlap is large, it has been difficult to achieve an improvement in the light damage resistance.

【0010】また、特開平1−238631号公報に記
載の光波長変換素子は、リッジ型光導波路を用いて変換
効率の向上が図られている。この場合、光導波路の閉じ
込め効果によるパワー密度の増大により変換効率が向上
する。しかしながら、基本波は、リッジ導波路による閉
じ込め効果の増大は横方向に限られているため、深さ方
向の閉じ込めが向上しない。したがって、変換効率への
影響が最も大きな基本波と第2高調波のオーバラップの
増大(特に深さ方向のオーバラップの増大)はリッジ構
造では達成できず、変換効率の大幅な向上が困難であっ
た。また装荷型光導波路についても、リッジ型と同様に
基本波と第2高調波とのオーバーラップを大きくできな
かった。
In the optical wavelength conversion device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-238631, the conversion efficiency is improved by using a ridge-type optical waveguide. In this case, the conversion efficiency is improved by the increase in power density due to the confinement effect of the optical waveguide. However, for the fundamental wave, the increase in the confinement effect by the ridge waveguide is limited to the lateral direction, and confinement in the depth direction is not improved. Accordingly, an increase in the overlap between the fundamental wave and the second harmonic having the greatest effect on the conversion efficiency (particularly, an increase in the depth direction) cannot be achieved by the ridge structure, and it is difficult to greatly improve the conversion efficiency. there were. Also, for the loaded optical waveguide, the overlap between the fundamental wave and the second harmonic could not be increased as in the ridge type.

【0011】そこで、本発明は、優れた集光特性を有す
る第2高調波出力が可能で、かつ基本波と第2高調波と
のオーバーラップを大きくした光波長変換素子を提供す
ることを目的とする。また、この光波長変換素子に用い
られる光導波路とその製造方法、さらにはこの光波長変
換素子を用いた光発生装置および光ピックアップを提供
することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical wavelength conversion element capable of outputting a second harmonic having excellent light condensing characteristics and having a large overlap between a fundamental wave and a second harmonic. And It is another object of the present invention to provide an optical waveguide used for the optical wavelength conversion element and a method of manufacturing the same, and a light generating device and an optical pickup using the optical wavelength conversion element.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第1の光導波路は、結晶基板と、前記結晶
基板の表面に形成された導波路と、前記導波路の表面に
形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層
が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前記導
波路を伝播する基本波は前記イオン交換層内を伝播でき
ないが前記基本波の高調波は前記イオン交換層内を伝播
しうる厚さとを備えていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a first optical waveguide of the present invention comprises a crystal substrate, a waveguide formed on the surface of the crystal substrate, and a waveguide formed on the surface of the waveguide. Wherein the ion exchange layer has a refractive index greater than the refractive index of the waveguide, and the fundamental wave propagating in the waveguide cannot propagate in the ion exchange layer, but the fundamental wave The harmonic is characterized by having a thickness capable of propagating in the ion exchange layer.

【0013】また本発明の第2の光導波路は、結晶基板
と、前記結晶基板の表面に形成された導波路と、前記導
波路の表面に形成され、前記導波路よりも屈折率が高い
高屈折率層とを含み、前記高屈折率層が、前記導波路を
伝播する基本波は前記高屈折率層内を伝播できないが前
記基本波の高調波は前記高屈折率層内を伝播しうる厚さ
を備えていることを特徴とする。
Further, a second optical waveguide of the present invention comprises a crystal substrate, a waveguide formed on the surface of the crystal substrate, and a waveguide formed on the surface of the waveguide and having a higher refractive index than the waveguide. A high-refractive-index layer, wherein a fundamental wave propagating through the waveguide cannot propagate in the high-refractive-index layer, but a harmonic of the fundamental wave can propagate in the high-refractive-index layer. It is characterized by having a thickness.

【0014】また本発明の第3の光導波路は、結晶基板
と、前記結晶基板の表面に形成された導波路と、前記導
波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イ
オン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率
と、前記導波路の幅よりも狭い幅と、前記導波路の深さ
の半分以下の深さとを備えていることを特徴とする。
A third optical waveguide according to the present invention includes a crystal substrate, a waveguide formed on a surface of the crystal substrate, and an ion exchange layer formed on a surface of the waveguide. The layer has a refractive index larger than the refractive index of the waveguide, a width smaller than the width of the waveguide, and a depth not more than half the depth of the waveguide.

【0015】また、本発明の光導波路の製造方法は、結
晶基板の表面に線条の非マスク部分が確保されるように
耐イオン交換マスクを形成する工程と、前記表面の非マ
スク部分を通じてイオン交換することにより前記結晶基
板内に第1のイオン交換部を形成する工程と、前記基板
を熱処理することにより前記第1のイオン交換部を拡張
して導波路とする工程と、前記非マスク部分を通じてイ
オン交換することにより前記導波路内に前記導波路より
も屈折率が高い第2のイオン交換部を形成することを特
徴とする。
Further, in the method of manufacturing an optical waveguide according to the present invention, a step of forming an ion-exchange resistant mask so as to secure a non-masked portion of a line on a surface of a crystal substrate; Forming a first ion-exchange part in the crystal substrate by exchanging; expanding the first ion-exchange part into a waveguide by heat-treating the substrate; A second ion-exchange portion having a higher refractive index than the waveguide is formed in the waveguide by performing ion exchange.

【0016】本発明の光波長変換素子は、上記光導波路
を含み、さらに前記導波路を周期的に横断するように形
成された2以上の分極反転部を含むことを特徴とする。
An optical wavelength conversion element according to the present invention includes the optical waveguide described above, and further includes two or more domain-inverted portions formed so as to periodically cross the waveguide.

【0017】具体的には、本発明の第1の光波長変換素
子は、非線形光学効果を有する結晶と、前記結晶の表面
に形成された導波路と、前記導波路を周期的に横断する
ように形成された2以上の分極反転部と、前記導波路の
表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交
換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前
記導波路を伝播する基本波は前記イオン交換層を伝播で
きないが前記基本波の高調波は伝播しうる厚さとを備え
ていることを特徴とする。
Specifically, a first optical wavelength conversion element according to the present invention comprises a crystal having a non-linear optical effect, a waveguide formed on a surface of the crystal, and a waveguide which periodically crosses the waveguide. And two or more domain-inverted portions formed on the waveguide, and an ion exchange layer formed on the surface of the waveguide, wherein the ion exchange layer has a refractive index larger than the refractive index of the waveguide; A fundamental wave having a thickness that cannot propagate through the ion exchange layer but has a thickness that allows a harmonic of the fundamental wave to propagate.

【0018】また本発明の第2の光波長変換素子は、非
線形光学効果を有する結晶と、前記結晶の表面に形成さ
れた導波路と、前記導波路を周期的に横断するように形
成された2以上の分極反転部と、前記導波路の表面に形
成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、
前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前記導波路
の幅よりも狭い幅と、前記導波路の深さの半分以下の深
さとを備えていることを特徴とする。
Further, the second optical wavelength conversion element of the present invention is formed of a crystal having a non-linear optical effect, a waveguide formed on the surface of the crystal, and formed so as to periodically cross the waveguide. Including two or more domain-inverted portions and an ion exchange layer formed on the surface of the waveguide, wherein the ion exchange layer is
It is characterized by having a refractive index larger than the refractive index of the waveguide, a width smaller than the width of the waveguide, and a depth equal to or less than half the depth of the waveguide.

【0019】また本発明の第3の光波長変換素子は、非
線形光学効果を有する結晶と、前記結晶の表面に形成さ
れた導波路と、前記導波路を周期的に横断するように形
成された2以上の分極反転部と、前記導波路の表面に形
成され、前記導波路よりも屈折率が高い高屈折率層とを
含み、前記高屈折率層が、前記導波路を伝播する基本波
は前記高屈折率層内を伝播できないが前記基本波の高調
波は前記高屈折率層内を伝播しうる厚さとを備えている
ことを特徴とする。
The third optical wavelength conversion element of the present invention is formed such that a crystal having a nonlinear optical effect, a waveguide formed on the surface of the crystal, and a periodic crossing of the waveguide. Two or more domain-inverted portions, and a high refractive index layer formed on the surface of the waveguide and having a higher refractive index than the waveguide, wherein the high refractive index layer has a fundamental wave propagating through the waveguide. It is characterized in that it has such a thickness that it cannot propagate in the high refractive index layer but a harmonic of the fundamental wave can propagate in the high refractive index layer.

【0020】また本発明の光発生装置は、上記光波長変
換素子と半導体レーザとを含み、前記半導体レーザから
出射された光を前記光波長変換素子により波長変換する
ことを特徴とする。
Further, a light generating apparatus according to the present invention includes the above-described light wavelength conversion element and a semiconductor laser, and the wavelength of light emitted from the semiconductor laser is converted by the light wavelength conversion element.

【0021】また本発明の光ピックアップは、上記光発
生装置と集光光学系と記録メディアとを含む光ピックア
ップであって、前記光発生装置から出射された光を前記
集光光学系により前記記録メディア上に集光することを
特徴とする。
An optical pickup according to the present invention is an optical pickup including the above-described light generating device, a condensing optical system, and a recording medium, wherein the light emitted from the light generating device is recorded by the condensing optical system. Light is condensed on a medium.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】本発明は、非線形光学効果による
第2高調波発生を利用した光波長変換素子において、基
本モードの基本波と高次モードの第2高調波(SHG
波)との位相整合を利用することでオーバラップを大き
くし、SHG波への変換効率を向上させるものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention relates to an optical wavelength conversion element utilizing the second harmonic generation due to a nonlinear optical effect, in a fundamental mode fundamental wave and a higher mode second harmonic (SHG).
By using the phase matching with the wave, the overlap is increased, and the conversion efficiency to the SHG wave is improved.

【0023】以下にそのオーバラップの増大の原理につ
いて説明する。ここでは、基本モードの基本波と高次モ
ードのSHG波との間で位相整合を図ることで、両モー
ド間のオーバラップを大きくし、変換効率の向上を図る
原理について説明する。
The principle of the increase of the overlap will be described below. Here, the principle of achieving phase matching between the fundamental wave of the fundamental mode and the SHG wave of the higher-order mode to increase the overlap between the two modes and improve the conversion efficiency will be described.

【0024】まず最初に、一般の光導波路における光波
長変換について説明する。通常、光導波路の断面は図1
(a)に示すように、基板51(屈折率:ns)と、導波
層52(屈折率:nf)と、外層(図1では省略)(屈
折率:nc)とからなり、屈折率はnf>ns>nc
で、導波するモードの電界分布は、基本モードの基本波
53に対する、1次モード54および2次モード55の
SHG波は図1(b)に示すような状態になる。
First, light wavelength conversion in a general optical waveguide will be described. Usually, the cross section of the optical waveguide is shown in FIG.
As shown in (a), the substrate 51 (refractive index: ns), the waveguide layer 52 (refractive index: nf), and an outer layer (omitted in FIG. 1) (refractive index: nc) have a refractive index of nf>ns> nc
The electric field distribution of the guided mode is such that the SHG waves of the first-order mode 54 and the second-order mode 55 with respect to the fundamental wave 53 of the fundamental mode are as shown in FIG.

【0025】基本波53とSHG波54,55との電界
のオーバラップは、図1(b)に示したように、基本モー
ド間が最も大きく、SHG波の導波モードの次数が高く
なるに従って低下する傾向にある。即ち、SHG波の変
換効率はモードのオーバラップに比例するため、基本モ
ード間の位相整合が最も変換効率の高い変換となる。
As shown in FIG. 1B, the electric field overlap between the fundamental wave 53 and the SHG waves 54 and 55 is greatest between the fundamental modes, and increases as the order of the SHG wave guided mode increases. It tends to decrease. That is, since the conversion efficiency of the SHG wave is proportional to the mode overlap, the phase matching between the fundamental modes is the conversion with the highest conversion efficiency.

【0026】次に、nfより高い屈折率の外層を形成し
た場合について説明する。屈折率の高い外層を設ける
と、基本波のモード分布は高屈折率層側に偏り、導波路
の表面近傍に強く閉じ込められる。従来の光波長変換素
子では、このような基本波の強い閉じ込めを利用して、
変換効率の向上が図られていた。
Next, a case where an outer layer having a refractive index higher than nf is formed will be described. When an outer layer having a high refractive index is provided, the mode distribution of the fundamental wave is biased toward the high refractive index layer, and is strongly confined in the vicinity of the surface of the waveguide. Conventional optical wavelength conversion elements utilize such strong confinement of fundamental waves,
The conversion efficiency was improved.

【0027】しかしながら、基本波と高調波とでは波長
が異なり、屈折率分散も存在するため、導波モードの分
散はそれぞれ異なり(例えば基本波に比べて第2高調波
はより強く高屈折率層に引きつけられる)、モード間の
オーバラップの増大には限界があった。確かに、導波層
より高い屈折率の高屈折率層を外層として用いると基本
波の閉じ込めを強化することができるが、高屈折率層の
厚みを厚くして基本波の閉じ込めを強化しようとする
と、波長の短いSHG波は高屈折率層の内部に閉じ込め
られて素子の変換効率が極端に低下してしまうためであ
る。
However, since the fundamental wave and the harmonic have different wavelengths and the refractive index dispersion also exists, the dispersion of the guided mode differs (for example, the second harmonic is stronger than the fundamental wave and has a higher refractive index layer). The increase in overlap between modes was limited. Certainly, if a high refractive index layer with a higher refractive index than the waveguide layer is used as the outer layer, the confinement of the fundamental wave can be strengthened.However, it is necessary to increase the thickness of the high refractive index layer to strengthen the confinement of the fundamental wave. Then, the SHG wave having a short wavelength is confined inside the high refractive index layer, and the conversion efficiency of the element is extremely reduced.

【0028】ところが、同じSHG波でも、高次のモー
ドを利用するとこの問題が解決される。この方法を、導
波層の断面の深さ方向の電界分布を表した図2に基づい
て説明する。図2は、基板61上に形成された導波層6
3において、高屈折率層63の厚みを変化させた場合の
導波モードの様子を表したものである。
However, even with the same SHG wave, this problem can be solved by using a higher-order mode. This method will be described with reference to FIG. 2 showing the electric field distribution in the depth direction of the cross section of the waveguide layer. FIG. 2 shows a waveguide layer 6 formed on a substrate 61.
3 shows a state of a waveguide mode when the thickness of the high refractive index layer 63 is changed.

【0029】図2(a)は高屈折率層が形成されていない
場合であり、図1と基本的には同じ状態を示す。図2
(b)は高屈折率層63が比較的薄い場合を示す。図2
(b)において、高屈折率層63は、基本波64、SHG
波65に対するカットオフ条件(その層内に閉じこもる
導波モードが存在しない条件)を満足している。このと
き基本波64、SHG波65は、ともに高屈折率層63
のみを導波することができないため、導波層62内を伝
搬することになる。ただし、高屈折率層63により基本
波64とSHG波65の電界分布は表面近傍に引き寄せ
られている。図2(b)は、従来の高屈折率層を用いた光
導波路の導波状態を示している。
FIG. 2A shows a case where the high refractive index layer is not formed, and shows basically the same state as FIG. FIG.
(b) shows the case where the high refractive index layer 63 is relatively thin. FIG.
In (b), the high refractive index layer 63 has a fundamental wave 64, SHG
The cut-off condition for the wave 65 (the condition that there is no trapped waveguide mode in the layer) is satisfied. At this time, both the fundamental wave 64 and the SHG wave 65
Since only light cannot be guided, the light propagates in the waveguide layer 62. However, the electric field distribution of the fundamental wave 64 and the SHG wave 65 is drawn to the vicinity of the surface by the high refractive index layer 63. FIG. 2B shows a waveguide state of an optical waveguide using a conventional high refractive index layer.

【0030】図2(c)は高屈折率層63が同図(b)に示
したよりも厚く形成されている状態を示す。この状態で
は、高屈折率層63は、基本波64に対してはカットオ
フ条件を満たすがSHG波66に対しては低次のモード
(この場合は基本モードのSHG波65)の伝搬が可能
となっている。このとき、基本波64の閉じ込めは図2
(b)と比べてさらに強くなる。しかし、基本モードのS
HG波65は、高屈折率層63内部に閉じこもってしま
うため、基本波64から基本モードのSHG波65への
変換効率は極端に低下してしまう。
FIG. 2C shows a state in which the high refractive index layer 63 is formed thicker than that shown in FIG. In this state, the high-refractive-index layer 63 satisfies the cutoff condition for the fundamental wave 64, but can propagate a low-order mode (in this case, the fundamental mode SHG wave 65) for the SHG wave 66. It has become. At this time, the confinement of the fundamental wave 64 is shown in FIG.
It becomes stronger than (b). However, the basic mode S
Since the HG wave 65 is confined inside the high refractive index layer 63, the conversion efficiency from the fundamental wave 64 to the fundamental mode SHG wave 65 is extremely reduced.

【0031】ところが、図2(c)に示したように、高屈
折率層63に導波可能なモードの次数より一つ高い次数
のモードのSHG波(ここでは1次モードのSHG波6
6)は、大部分が導波層62を伝搬する。注目すべきこ
とに、SHG波66の導波層62の電界分布(図2
(c))が高屈折率層63がない場合の基本モードのSH
G波の電界分布(図2(a))とほとんど変わらないこと
である。一方、基本波64の導波モードは強く高屈折率
層63に引きつけられている(図2(c))。即ち、基本
モードの基本波64は閉じ込めの強い導波モードになる
のに対し、高次モードのSHG波66は、高屈折率層6
3が存在しない場合とほとんど変化しないため、図2
(c)に示したように、両モード間のオーバラップが飛躍
的に増大する。これを利用することにより基本波からS
HG波への変換効率を大幅に改善できる。
However, as shown in FIG. 2C, the SHG wave of a mode whose order is one higher than the mode of the mode that can be guided to the high refractive index layer 63 (here, the SHG wave 6 of the first order mode).
6) mostly propagates through the waveguide layer 62. Notably, the electric field distribution of the SHG wave 66 in the waveguide layer 62 (FIG. 2)
(c)) SH in the basic mode when the high refractive index layer 63 is not provided
This is almost the same as the electric field distribution of the G wave (FIG. 2A). On the other hand, the guided mode of the fundamental wave 64 is strongly attracted to the high refractive index layer 63 (FIG. 2C). That is, while the fundamental wave 64 of the fundamental mode becomes a guided mode with strong confinement, the SHG wave 66 of the higher-order mode forms the high refractive index layer 6.
2 is almost the same as the case in which No. 3 does not exist.
As shown in (c), the overlap between the two modes dramatically increases. By using this, the fundamental wave
The conversion efficiency to HG waves can be greatly improved.

【0032】図2(d)は高屈折率層63が同図(c)に比
べてさらに厚く、基本波64が高屈折率層63を導波可
能となった状態を示す。基本波64が高屈折率層63を
導波可能となると、図2(d)に示したように、導波層6
2内での基本波64とSHG波65のオーバラップが極
端に減少するため、変換効率は大幅に低減してしまう。
FIG. 2D shows a state in which the high refractive index layer 63 is thicker than that of FIG. 2C, and the fundamental wave 64 can be guided through the high refractive index layer 63. When the fundamental wave 64 can be guided through the high refractive index layer 63, as shown in FIG.
Since the overlap between the fundamental wave 64 and the SHG wave 65 within 2 is extremely reduced, the conversion efficiency is greatly reduced.

【0033】即ち、高屈折率の高屈折率層63を有する
導波層62においては、図2(c)の状態となるように高
屈折率層の厚さを調整することにより、基本モードの基
本波64と高次モードのSHG波66との間でオーバラ
ップが増大し、高効率の波長変換が可能となる。
That is, in the waveguide layer 62 having the high refractive index layer 63 having a high refractive index, by adjusting the thickness of the high refractive index layer so as to obtain the state shown in FIG. The overlap between the fundamental wave 64 and the higher-order mode SHG wave 66 increases, and highly efficient wavelength conversion becomes possible.

【0034】しかしながら、図2(c)の状態を実現する
には、いくつかの条件を満足する必要がある。
However, in order to realize the state shown in FIG. 2C, it is necessary to satisfy some conditions.

【0035】まず第1は、基本波64が高屈折率層63
を導波不可能な状態となっていることが必要である。即
ち、高屈折率層63の厚みと屈折率が、基本波64に対
しカットオフ条件を満足していることである。高屈折率
層63が基本波64の導波条件を満足すると、図2(d)
の状態に至って波長変換の効率が低下する。
First, the fundamental wave 64 is applied to the high refractive index layer 63.
Must be in a state in which the light cannot be guided. That is, the thickness and the refractive index of the high refractive index layer 63 satisfy the cutoff condition with respect to the fundamental wave 64. When the high refractive index layer 63 satisfies the waveguide condition of the fundamental wave 64, FIG.
And the efficiency of wavelength conversion is reduced.

【0036】第2は、高次モードのSHG波が高屈折率
層63を導波可能な状態となっていることである。高次
モードにおいて、SHG波の電界分布の主ピークが導波
層62を伝搬し、サブピークが高屈折率層63を伝搬す
る条件を満足することである。高屈折率層63において
SHG波65がカットオフ条件を満たす場合、図2(b)
の状態に至って波長変換の効率が低下する。図2(c)の
状態を実現するには、高屈折率層63においてSHG波
の導波条件が満足されなければならない。この条件を満
足した状態で、高屈折率層63において、導波可能な次
数のモードより一つ高い次数のモードのSHG波66を
選択的に導波させれば、導波層62に主ピークを有する
導波モードになることが確認された。
Second, the high-order mode SHG wave can be guided through the high refractive index layer 63. In the higher-order mode, the main peak of the electric field distribution of the SHG wave propagates through the waveguide layer 62, and the sub-peak satisfies the condition that it propagates through the high refractive index layer 63. When the SHG wave 65 satisfies the cut-off condition in the high refractive index layer 63, FIG.
And the efficiency of wavelength conversion is reduced. In order to realize the state shown in FIG. 2C, the condition for guiding the SHG wave in the high refractive index layer 63 must be satisfied. In a state where the condition is satisfied, if the SHG wave 66 of the higher order mode than the order mode in which the light can be guided is selectively guided in the high refractive index layer 63, the main peak of the waveguide layer 62 is generated. It has been confirmed that the waveguide mode has the following.

【0037】このように、高屈折率層63を有する導波
層62における高効率の波長変換素子を実現するために
は、高屈折率層63の厚みと屈折率を、基本波64に対
してはカットオフ条件、SHG波66に対しては導波条
件を満足するように選択すればよい。
As described above, in order to realize a highly efficient wavelength conversion element in the waveguide layer 62 having the high refractive index layer 63, the thickness and the refractive index of the high refractive index May be selected so as to satisfy the cutoff condition and the waveguide condition for the SHG wave 66.

【0038】さらに、高効率化を図るために、高屈折率
層63の屈折率について調査した。素子の変換効率を高
めるには、SHG波の電界分布を導波層62に集中させ
る必要がある。即ち、高屈折率層63の電界分布をでき
るだけ小さくしたい。SHG波の電界分布において、高
屈折率層(クラッド)と導波層(コア)の電界分布の比
は、それぞれの屈折率の比に依存する。例えば、導波層
に対して高屈折率層の屈折率が増大するに従い、高屈折
率層の電界分布が小さくなる。
Further, in order to increase the efficiency, the refractive index of the high refractive index layer 63 was examined. In order to increase the conversion efficiency of the element, it is necessary to concentrate the electric field distribution of the SHG wave on the waveguide layer 62. That is, it is desired to reduce the electric field distribution of the high refractive index layer 63 as much as possible. In the electric field distribution of the SHG wave, the ratio of the electric field distribution of the high refractive index layer (cladding) to the electric field distribution of the waveguide layer (core) depends on the ratio of the respective refractive indexes. For example, as the refractive index of the high refractive index layer with respect to the waveguide layer increases, the electric field distribution of the high refractive index layer decreases.

【0039】従って、高屈折率層の電界強度を導波層に
おける電界強度の例えば1/10以下にするためには、
高屈折率層の屈折率ncを導波層の屈折率nf(グレー
ティッド状の屈折率分布を有する場合は導波層の最大の
屈折率nfmax)に対し、nc>1.01nfとすれば
よい。
Therefore, in order to make the electric field strength of the high refractive index layer less than, for example, 1/10 of the electric field strength in the waveguide layer,
The refractive index nc of the high refractive index layer may be set to nc> 1.01 nf with respect to the refractive index nf of the waveguide layer (the maximum refractive index nfmax of the waveguide layer in the case of having a graded refractive index distribution). .

【0040】なお、ここでは、単層の高屈折率層につい
て説明したが、多層膜からなる高屈折率層についても同
様の効果が得られる。多層膜を用いると、高屈折率層に
おける屈折率分布の制御が可能になるため、素子設計の
自由度が増し、作製許容度の高い素子の作製が可能とな
る。
Although a single high refractive index layer has been described here, the same effect can be obtained with a high refractive index layer formed of a multilayer film. When a multilayer film is used, the refractive index distribution in the high-refractive-index layer can be controlled, so that the degree of freedom in element design is increased and an element with a high manufacturing tolerance can be manufactured.

【0041】また、導波層を伝搬するSHG波のモード
は、基本波の波長を選択することにより一義的に選択で
きるため、オーバラップの大きな、高次モードとの位相
整合を選択的に行え、高効率な波長変換が可能となる。
Since the mode of the SHG wave propagating in the waveguide layer can be uniquely selected by selecting the wavelength of the fundamental wave, phase matching with a higher-order mode having a large overlap can be selectively performed. Thus, highly efficient wavelength conversion can be performed.

【0042】また、上記の導波層の構造が、耐光損傷強
度の向上に非常に有効となることが確認された。導波層
内での基本波とSHG波とのオーバラップが増大するこ
とにより、SHG波と基本波とが重ならない部分におけ
る電界が減少する。光損傷は、短波長光(SHG光)に
より結晶内の不純物が励起されて内部電界を生じること
により発生するが、基本波が介在すると不純物をトラッ
プする準位を励起し、光損傷による内部電界が固定化す
る傾向にある。これは、SHG波の電界分布近傍の基本
波が単独で存在する部分で顕著となる。ところが、上記
構成を採用すれば、基本波とSHG波とが重ならない部
分が極端に減少するため、光損傷の発生が大幅に低減で
きる。
Further, it was confirmed that the above-mentioned structure of the waveguide layer was very effective in improving the light damage resistance. As the overlap between the fundamental wave and the SHG wave in the waveguide layer increases, the electric field in the portion where the SHG wave and the fundamental wave do not overlap decreases. Optical damage is caused by the excitation of impurities in the crystal by short-wavelength light (SHG light) to generate an internal electric field. When a fundamental wave is interposed, a level for trapping impurities is excited, and the internal electric field due to the optical damage is generated. Tend to be fixed. This is remarkable in a portion where the fundamental wave near the electric field distribution of the SHG wave exists alone. However, if the above configuration is adopted, the portion where the fundamental wave and the SHG wave do not overlap is extremely reduced, so that the occurrence of optical damage can be greatly reduced.

【0043】以上の導波層の構造は、光波長変換素子の
みならず、波長の異なる2以上の光を同時に導波させる
光導波路について有効である。即ち、光導波路を伝搬す
る異なる波長の光のオーバラップを高めて相互作用を増
大させるために有効な構造である。
The structure of the waveguide layer described above is effective not only for an optical wavelength conversion element but also for an optical waveguide that simultaneously guides two or more lights having different wavelengths. That is, the structure is effective for increasing the overlap of the light of different wavelengths propagating through the optical waveguide to increase the interaction.

【0044】さらに、光の分布が表面近傍に引き寄せら
れるため、例えば光導波路上に集積化した電極等の素子
による導波光への影響を高めることが可能となって効率
の高い光集積回路素子を実現できる。
Further, since the light distribution is attracted to the vicinity of the surface, it is possible to increase the influence of the elements such as electrodes integrated on the optical waveguide on the guided light, thereby providing an optical integrated circuit element with high efficiency. realizable.

【0045】光導波路の具体的な構造としては、高屈折
率層を導波路の表面近傍に設けた埋め込み型導波路構造
が好ましい。このような構造を有する光導波路は、 ・回折限界以下の集光特性を有し、 ・横方向の光の閉じ込めが強化され、 ・導波層の伝搬損失が小さく高効率化が可能で、 ・光導波路形状誤差に対する許容度が大きい、という効
果を奏することができる。さらにイオン交換を利用すれ
ば、作製プロセスが容易になるという製造上の利点が得
られる。
As a specific structure of the optical waveguide, an embedded waveguide structure in which a high refractive index layer is provided near the surface of the waveguide is preferable. The optical waveguide having such a structure has a light-collecting property equal to or less than the diffraction limit, enhances lateral light confinement, reduces the propagation loss of the waveguide layer, and enables higher efficiency. The effect that the tolerance for the optical waveguide shape error is large can be obtained. Further, the use of ion exchange provides a manufacturing advantage that the manufacturing process is facilitated.

【0046】以下、このような光導波路、この光導波路
を有する光波長変換素子、光発生装置および光ピックア
ップについて具体的に説明する。
Hereinafter, such an optical waveguide, an optical wavelength conversion element having the optical waveguide, a light generator, and an optical pickup will be described in detail.

【0047】(実施の形態1)本実施形態では、短波長
光発生装置の構成の例について説明する。図3に示した
ように、この短波長光発生装置は、半導体レーザ71と
光波長変換素子72とを含み、半導体レーザ71より出
射された基本波P1は、レンズ73、74を介して光波
長変換素子72に形成されている導波層72aに入射す
る。また、それぞれの部品は、マウント75に固定され
ている。
(Embodiment 1) In this embodiment, an example of the configuration of a short wavelength light generating device will be described. As shown in FIG. 3, this short-wavelength light generating apparatus includes a semiconductor laser 71 and the optical wavelength conversion element 72, the fundamental wave P 1 emitted from the semiconductor laser 71 through the lenses 73 and 74 light The light enters the waveguide layer 72a formed on the wavelength conversion element 72. Each component is fixed to the mount 75.

【0048】入射した基本波P1は導波層72a中をT
E00モードで伝搬し、高調波の高次モードであるTE
10モードに変換される。この高調波は光波長変換素子
72より放射され、短波長レーザビームとして使用され
る。ここで注目されるのは、導波層72a内を伝搬する
高調波TE10モードのモードプロファイルである。T
E10モードは高次の導波モードであるため、強度分布
として例えば図4(b)に示すように2つのピークを有す
る。以下、2つのピークのうち大きい方をメインピー
ク、小さい方をサブピークと呼ぶことにする。
The incident fundamental wave P 1 is transmitted through the waveguide layer 72a by T
TE that propagates in E00 mode and is a higher-order mode of higher harmonics
Converted to 10 modes. These harmonics are radiated from the light wavelength conversion element 72 and used as a short wavelength laser beam. Attention here is a mode profile of the harmonic TE10 mode propagating in the waveguide layer 72a. T
Since the E10 mode is a higher-order waveguide mode, the intensity distribution has two peaks as shown in FIG. 4B, for example. Hereinafter, the larger one of the two peaks is called a main peak, and the smaller one is called a sub-peak.

【0049】サブピークを有するTE10モードは、集
光光学系で集光すると、導波モードと同様のサブピーク
を有する集光スポットを形成し、回折限界近傍の単一ピ
ークの集光として使用する場合に問題となる。
When the TE10 mode having a sub-peak is condensed by the condensing optical system, a condensed spot having the same sub-peak as that of the waveguide mode is formed. It becomes a problem.

【0050】そこで、高調波を集光する際に問題となる
サブピークをほぼ解消する方法が新たに見い出された。
それは、導波モードの状態におけるサブピークの幅を、
集光に用いる集光光学系の回折限界に対し、十分小さな
値にすることである。即ち、集光光学系の分解能以下の
幅にサブピークを抑えることにより、集光スポットにサ
ブピークが与える影響が解消される。
Therefore, a new method has been found for substantially eliminating the sub-peak which is a problem when collecting harmonics.
It is the width of the sub-peak in the state of the guided mode,
The value is set to a value sufficiently smaller than the diffraction limit of the light collecting optical system used for light collection. That is, by suppressing the sub-peak to a width smaller than the resolution of the condensing optical system, the influence of the sub-peak on the condensed spot is eliminated.

【0051】ここでは、NA=0.95の集光レンズを
用いて、波長λ=425nmの高調波を集光した。この
ときの空気中での光の回折限界は約0.34μmであ
る。サブピークの幅として、0.32μm以下になるよ
うに導波層72aを設計したところ、得られた集光スポ
ットにおいてサブピークは全く観測されなかった。サブ
ピークを有する高次の導波モードは、サブピークの幅が
空気中での光の回折限界(0.8×λ/NA)程度以下
であれば、集光する際に、集光スポットに与える影響は
なく、有効に利用できることが確認された。このためビ
ーム整形により低下する出力の利用効率は、80%以上
に向上させることが可能となった。
Here, harmonics having a wavelength of λ = 425 nm were condensed using a condensing lens with NA = 0.95. At this time, the diffraction limit of light in air is about 0.34 μm. When the waveguide layer 72a was designed to have a subpeak width of 0.32 μm or less, no subpeak was observed in the obtained condensed spot. The higher-order guided mode having a sub-peak has an effect on a condensed spot when condensing if the width of the sub-peak is less than the diffraction limit of light in air (0.8 × λ / NA). It was confirmed that it could be used effectively. For this reason, the utilization efficiency of the output, which is reduced by the beam shaping, can be improved to 80% or more.

【0052】さらに、回折限界以下の幅を有するサブピ
ークを有する導波光を利用すると、レンズの回折限界以
下にビームを集光できる超解像効果が得られることがわ
かった。図4(a)にTE00モードを集光した場合と、
同図(b)にTE10モードを集光した場合の集光スポッ
トの形状を示す。TE00モードを集光すると、レンズ
の回折限界に近い値(0.8×λ/NA)が得られた。
一方、サブピークを有する高次のTE10モードを集光
すると、サブピークを有する側のビーム形状が切り立っ
た形になり、集光スポットの幅として回折限界の90%
程度まで集光が可能となり、超解像効果を有することが
確認された。
Further, it was found that the use of guided light having a subpeak having a width equal to or less than the diffraction limit can provide a super-resolution effect capable of converging a beam below the diffraction limit of the lens. FIG. 4A shows a case where the light is focused in the TE00 mode.
FIG. 2B shows the shape of the converging spot when the TE10 mode is converged. When the light was focused in the TE00 mode, a value (0.8 × λ / NA) close to the diffraction limit of the lens was obtained.
On the other hand, when a higher-order TE10 mode having a sub-peak is converged, the beam shape on the side having the sub-peak becomes steep, and the width of the converged spot is 90% of the diffraction limit.
It was possible to condense light to a certain extent, and it was confirmed that it had a super-resolution effect.

【0053】実験によると、サブピークの幅wを空気中
における波長λの光の回折限界(〜0.8×λ)以下に
することで、集光スポットの幅が使用するレンズ(開口
数:NA)の回折限界(0.8×λ/NA)より小さく
なっていることが明らかになった。このように、回折限
界以下の幅を有するサブピークを有する導波モードを集
光することにより、より小さな集光スポットが得られる
ことが明らかになった。
According to experiments, by setting the width w of the sub-peak to be equal to or less than the diffraction limit (up to 0.8 × λ) of the light having the wavelength λ in the air, the width of the condensed spot is changed to the lens used (numerical aperture: NA). ) Is smaller than the diffraction limit (0.8 × λ / NA). As described above, it has been clarified that a smaller focused spot can be obtained by focusing a waveguide mode having a subpeak having a width equal to or smaller than the diffraction limit.

【0054】さらに、サブピークの幅と集光スポットと
の関係についてさらに詳しく調査したところ、 1)サブピークの幅:≦0.8λ 回折限界以下の集光特性(超解像効果)が得られる。 2)サブピークの幅:0.8λ(1+0.2(1/NA−1))〜0.8λ
(1+0.5(1/NA−1)) 回折限界とほぼ同等の集光スポットが得られ、サブピー
クによる集光特性の劣化は観測されない。 3)サブピークの幅:>0.8λ(1+0.7(1/NA−1)) 集光スポットにサブピークが現れ、集光特性が劣化す
る。 という結果が得られた。即ち、サブピークによる集光特
性の劣化を防止するにはサブピークの幅を少なくとも
0.8×λ(1+0.5(1/NA−1))程度以下に
抑えることが好ましい。
Further, the relationship between the width of the sub-peak and the focused spot was investigated in more detail. 1) The width of the sub-peak: ≤0.8λ Light-collecting characteristics (super-resolution effect) less than the diffraction limit can be obtained. 2) Subpeak width: 0.8λ (1 + 0.2 (1 / NA-1)) to 0.8λ
(1 + 0.5 (1 / NA-1)) A light-collecting spot almost equivalent to the diffraction limit is obtained, and deterioration of the light-collecting characteristics due to the sub-peak is not observed. 3) Subpeak width:> 0.8λ (1 + 0.7 (1 / NA-1)) A subpeak appears in the converging spot, and the condensing characteristics deteriorate. The result was obtained. That is, in order to prevent deterioration of the light-collecting characteristics due to the sub-peak, it is preferable to suppress the width of the sub-peak to at least about 0.8 × λ (1 + 0.5 (1 / NA−1)) or less.

【0055】さらに、サブピークの幅を0.8λ以下に
なるように導波層を設計すると、集光レンズの回折限界
よりさらに小さな集光スポットが得られて非常に有効で
ある。一方、集光スポットの幅が用いたレンズの回折限
界(0.8×λ/NA)程度より大きいと、集光スポッ
トは導波モードとほぼ等しい形状を有し、サブピークを
有する2ピークの集光スポットとなり、単一ピークの集
光スポットは得られない。
Further, if the waveguide layer is designed so that the width of the sub-peak is 0.8λ or less, a condensed spot smaller than the diffraction limit of the converging lens can be obtained, which is very effective. On the other hand, if the width of the converging spot is larger than the diffraction limit (0.8 × λ / NA) of the lens used, the converging spot has a shape substantially equal to the waveguide mode, and is a collection of two peaks having sub-peaks. It becomes a light spot, and a converged spot with a single peak cannot be obtained.

【0056】なお、本実施の形態では短波長光源とし
て、基本波を高調波に波長変換する際に、導波モードを
回折限界以下の幅のサブピークを有する高次モードに変
換したが、他にサブピークを有する導波光を集光すれ
ば、同様の効果が得られる。例えば、周期状のグレーテ
ィング構造を導波層上に設け、TE00モード導波光を
TE10モードの導波光に変換し、これを集光すること
で超解像効果による回折限界以下の集光スポットを得る
ことができる。
In the present embodiment, as a short-wavelength light source, when the wavelength of the fundamental wave is converted to a higher harmonic, the guided mode is converted to a higher-order mode having a subpeak having a width smaller than the diffraction limit. The same effect can be obtained by condensing the guided light having the sub-peak. For example, by providing a periodic grating structure on a waveguide layer, converting TE00 mode guided light into TE10 mode guided light, and condensing this, a condensed spot below the diffraction limit due to the super-resolution effect is obtained. be able to.

【0057】なお、本実施の形態では、サブピークが一
つのTE10モードを用いたが、さらに高次の導波モー
ドでもサブピークの幅が回折限界であれば、同様の効果
が得られる。例えば、メインピークの両側にサブピーク
を有するTE20モードであれば超解像効果はさらに強
くなり、より小さなスポット径が得られて有効である。
In this embodiment, the TE10 mode having one sub-peak is used. However, a similar effect can be obtained even in a higher-order waveguide mode if the width of the sub-peak is diffraction-limited. For example, in the case of the TE20 mode having sub-peaks on both sides of the main peak, the super-resolution effect is further enhanced, and a smaller spot diameter is obtained, which is effective.

【0058】また、深さ方向だけでなく、幅方向にサブ
ピークを有するTE01、TE02モード、および幅深
さ両方向にサブピークを有するTE11、TE22でも
より小さな集光スポットが得られて有効である。なお、
本実施の形態ではTEモードを扱ったが、他にTMモー
ドでも同様の効果が得られる。
In addition to the depth direction, the TE01 and TE02 modes having subpeaks in the width direction and the TE11 and TE22 having subpeaks in both the width and depth directions are effective because smaller condensed spots can be obtained. In addition,
Although the present embodiment deals with the TE mode, a similar effect can be obtained in the TM mode.

【0059】(実施の形態2)次に、短波長光発生装置
の基本構成要素である光波長変換素子について説明す
る。図5に示したように、この短波長光発生装置には、
X板のLiNbO3基板76の表面近傍にストライプ状
の導波路77が形成されている。このLiNbO 376
基板には、位相整合のために分極反転部79が導波路7
7を周期的に横断するように形成されている。また、導
波路77の表面近傍には高屈折率層78が形成されてい
る。導波路77の幅W1は4μm、深さD1は2.5μm
であり、高屈折率層78は幅W2は3μm、深さD2
0.2μmである。図5(a)に示したように、高屈折率
層78は導波層77に沿って、またそのほぼ中央部に形
成されている。
(Embodiment 2) Next, a short wavelength light generator
The optical wavelength conversion element, which is a basic component of
You. As shown in FIG. 5, this short-wavelength light generator includes:
X-plate LiNbOThreeStriped near the surface of substrate 76
Waveguide 77 is formed. This LiNbO Three76
A polarization inversion section 79 is provided on the substrate for phase matching.
7 are formed so as to periodically cross the same. In addition,
A high refractive index layer 78 is formed near the surface of the wave path 77.
You. The width W of the waveguide 771Is 4 μm, depth D1Is 2.5 μm
And the high refractive index layer 78 has a width WTwoIs 3 μm, depth DTwoIs
0.2 μm. As shown in FIG. 5A, a high refractive index
Layer 78 is formed along and approximately in the center of waveguide layer 77.
Has been established.

【0060】導波路77は、LiNbO3結晶をプロト
ン交換した後アニール処理して形成され、LiNbO3
内のLiの一部がHに交換されて、Li(1-x)xNbO
3(0<x<1)で示される組成を有する。ここで、x
はプロトン交換の交換率である。アニール処理により、
xの値は0.3以下にまで低下していることが好まし
い。
[0060] waveguide 77 is formed by annealing after proton exchange LiNbO 3 crystal, LiNbO 3
Some of the Li in the metal is exchanged for H, and Li (1-x) H x NbO
3 (0 <x <1). Where x
Is the exchange rate of proton exchange. By annealing treatment,
Preferably, the value of x is reduced to 0.3 or less.

【0061】高屈折率層78も同様にプロトン交換によ
り形成されている。導波路77より高い屈折率を得るた
め、高屈折率層78は、導波路77より高いプロトン交
換率xを有している。具体的には、xは0.6以上であ
ることが好ましい。この光波長変換素子では、例えば波
長850nmの基本波がTE00モードで入射され、導
波路77内でTE10モードの高調波と擬似的に位相整
合する。
The high refractive index layer 78 is also formed by proton exchange. In order to obtain a higher refractive index than the waveguide 77, the high refractive index layer 78 has a higher proton exchange rate x than the waveguide 77. Specifically, it is preferable that x is 0.6 or more. In this optical wavelength conversion element, for example, a fundamental wave having a wavelength of 850 nm is incident in the TE00 mode, and quasi-phase-matched in the waveguide 77 with a harmonic in the TE10 mode.

【0062】この光波長変換素子において、高調波へ高
効率で波長変換できる原理について説明する。前述のよ
うに、高屈折率層を有する導波層においては、基本波と
高調波間でのオーバラップが増大し、導波光の閉じ込め
が強化され高効率の波長変換が可能となることを示した
が、本実施形態の構成によりさらにこの効果が強調され
より高い変換効率が得られる。
The principle by which the wavelength can be converted to a harmonic with high efficiency in this optical wavelength conversion element will be described. As described above, in the waveguide layer having the high-refractive-index layer, the overlap between the fundamental wave and the harmonic wave is increased, the confinement of the guided light is enhanced, and the wavelength conversion with high efficiency can be performed. However, according to the configuration of the present embodiment, this effect is further emphasized, and higher conversion efficiency can be obtained.

【0063】図6に本実施の形態の光波長変換素子にお
ける導波モードの分布を示す。同図(a)に、表面にスラ
ブ状の高屈折率層82を有する導波路81におけるモー
ド分布を比較のため示し、同図(b)にストライプ状の高
屈折率層78を有する導波路77における導波モードの
分布を示す。深さ方向の電界分布は同図(a),(b)とも
にほぼ等しいが、導波路の幅方向の電界分布は、(b)に
おいて電界分布の幅が小さくなり、より強い閉じ込めが
達成されている。
FIG. 6 shows the distribution of the waveguide mode in the optical wavelength conversion device of the present embodiment. FIG. 7A shows, for comparison, a mode distribution in a waveguide 81 having a slab-like high refractive index layer 82 on the surface, and FIG. 7B shows a waveguide 77 having a stripe-like high refractive index layer 78. 5 shows the distribution of the guided mode in FIG. Although the electric field distribution in the depth direction is almost the same in both FIGS. 7A and 7B, the electric field distribution in the width direction of the waveguide has a smaller electric field distribution in FIG. I have.

【0064】さらに、閉じ込めが強化された結果、同図
(b)の基本波、高調波間のオーバラップも向上し、変換
効率は、同図(a)に示すスラブ状の高屈折率層を有する
導波路の1.5倍程度になった。この結果、スラブ状の
高屈折率層を有する光波長変換素子に比べ、変換効率が
2倍以上に向上した。
Further, as a result of the enhanced confinement, FIG.
The overlap between the fundamental wave and the higher harmonic wave in (b) is also improved, and the conversion efficiency is about 1.5 times that of the waveguide having the slab-like high refractive index layer shown in FIG. As a result, the conversion efficiency was more than doubled as compared with the optical wavelength conversion element having a slab-like high refractive index layer.

【0065】次に、高次の高調波のモードプロファイル
について述べる。TE10モードは導波路の深さ方向に
2つの強度ピークを持ち、高屈折率層側にサブピークを
有する。高屈折率層内はプロトン交換率が高く非線形性
が小さいため、サブピークにおける電界分布は基本波か
ら高調波への変換に寄与しない。そのためサブピークに
おける電界分布の存在はできるだけ制限するのが好まし
い。このため、前述したように、高屈折率層の屈折率n
cの大きさを導波路の屈折率nfの1.01倍以上とす
ることが好ましい。
Next, the mode profile of higher harmonics will be described. The TE10 mode has two intensity peaks in the depth direction of the waveguide, and has a subpeak on the high refractive index layer side. In the high refractive index layer, since the proton exchange rate is high and the nonlinearity is small, the electric field distribution at the subpeak does not contribute to the conversion from the fundamental wave to the harmonic. Therefore, it is preferable to restrict the existence of the electric field distribution at the sub-peak as much as possible. Therefore, as described above, the refractive index n of the high refractive index layer
It is preferable that the magnitude of c is 1.01 times or more the refractive index nf of the waveguide.

【0066】次に、高屈折率層の厚みについて述べる。
高屈折率層の膜厚の増加とともに、高屈折率層における
電界分布の量が増大するため、高屈折率層の膜厚D2
制限することが好ましい。高効率化を図るためには、少
なくとも導波路の厚みD1は高屈折率層の厚みD2の2倍
以上であることが好ましい。D1<2×D2になると変換
効率は最大値の1/2以下に減少してしまう。
Next, the thickness of the high refractive index layer will be described.
With increasing thickness of the high refractive index layer, the amount of the electric field distribution in the high refractive index layer is increased, it is preferable to limit the thickness D 2 of the high refractive index layer. In order to achieve high efficiency, it is preferable that the thickness D 1 of the waveguide is at least twice the thickness D 2 of the high refractive index layer. When D 1 <2 × D 2 , the conversion efficiency decreases to 1 / or less of the maximum value.

【0067】次に、集光特性の観点から高屈折率層と導
波路との屈折率の関係について説明する。サブピークを
有する導波光をレンズ系で集光する際、サブピークの大
きさにより集光特性が劣化する。前述のように、集光ス
ポットをシングルスポットにし、回折限界と同等または
それ以下の集光スポットを得るには、導波モードのサブ
ピークを集光レンズの回折限界以下に低減する必要があ
る。そのため、高屈折率層の厚みD2を規定することが
好ましい。サプピークの幅は、高屈折率層の厚さと屈折
率により規定されるが、高屈折率層の厚さとほぼ等しく
なる。従って、サブピークの幅を回折限界以下に抑える
には、高屈折率層の厚みを高調波の回折限界以下に抑え
る必要がある。
Next, the relationship between the refractive index of the high refractive index layer and the refractive index of the waveguide will be described from the viewpoint of the light-collecting characteristics. When condensing guided light having a sub-peak with a lens system, the light condensing characteristic is degraded due to the size of the sub-peak. As described above, in order to make the condensed spot a single spot and obtain a condensed spot equal to or less than the diffraction limit, it is necessary to reduce the sub-peak of the guided mode to the diffraction limit of the condensing lens or less. Therefore, it is preferable to define the thickness D 2 of the high refractive index layer. The width of the sub-peak is determined by the thickness and the refractive index of the high refractive index layer, and is substantially equal to the thickness of the high refractive index layer. Therefore, in order to keep the width of the sub-peak below the diffraction limit, it is necessary to keep the thickness of the high refractive index layer below the diffraction limit of harmonics.

【0068】具体的には、波長425nmの高調波に対
し、高屈折率層の厚みが0.6〜0.7μmよりも大き
い(D2>0.7μm〜0.6μm)時、NA=0.6
程度のレンズを用いると集光特性が劣化した。D2
0.5μm程度の時はかなり集光特性が改善され、D2
<0.4μmのときは、回折限界以下の集光特性が得ら
れた。NA=1、波長425nmと仮定して回折限界を
計算すると約0.34μmなので、ほぼ回折限界より小
さなD2であれば、集光特性に優れた出射ビームが得ら
れることがわかる。
Specifically, when the thickness of the high refractive index layer is larger than 0.6 to 0.7 μm (D 2 > 0.7 μm to 0.6 μm) with respect to a harmonic having a wavelength of 425 nm, NA = 0. .6
The use of a lens having a certain degree deteriorated the light collecting characteristics. D 2 =
At about 0.5 μm, the light-collecting characteristics are considerably improved, and D 2
In the case of <0.4 μm, light-collecting characteristics below the diffraction limit were obtained. When the diffraction limit is calculated on the assumption that NA = 1 and the wavelength is 425 nm, the diffraction limit is about 0.34 μm. Therefore, it can be seen that an emission beam having excellent light-collecting characteristics can be obtained if D 2 is smaller than the diffraction limit.

【0069】次に、高屈折率層の幅W2について説明す
る。導波モード間のオーバラップの向上ならびに閉じ込
め効果の向上により高効率化が図れるが、さらに高効率
化を図るには、高屈折率層の幅W2は導波層の幅W1より
小さいことが望ましい。導波路の横方向の閉じ込めが強
化され高効率化が図れるからである。W2がW1以上のと
きは、導波路を伝搬する導波モードの電界分布はスラブ
状の高屈折率を有する導波路とほぼ等しく、効率の向上
は見られなかった。W2<0.9×W1のとき変換効率向
上が確認され、W2<0.8×W1のとき変換効率は1.
5倍以上に向上した。
Next, the width W 2 of the high refractive index layer will be described. Higher efficiency can be achieved by improving the overlap between the waveguide modes and the confinement effect. However, in order to achieve higher efficiency, the width W 2 of the high refractive index layer must be smaller than the width W 1 of the waveguide layer. Is desirable. This is because the confinement of the waveguide in the lateral direction is strengthened, and high efficiency can be achieved. When W 2 is equal to or larger than W 1, the electric field distribution of the waveguide mode propagating through the waveguide is almost equal to that of the slab-shaped waveguide having a high refractive index, and the efficiency is not improved. When W 2 <0.9 × W 1, an improvement in the conversion efficiency is confirmed. When W 2 <0.8 × W 1 , the conversion efficiency is 1.
It has improved more than 5 times.

【0070】また、高屈折率層の幅を導波路の幅より狭
くする構造は、プロトン交換による導波路内にプロトン
交換による高屈折率層を形成する方法のみならず、導波
路の表面に高屈折率の誘電体を堆積する構造においても
有効に作用することが確認できた。
The structure in which the width of the high-refractive-index layer is smaller than the width of the waveguide is not limited to the method of forming the high-refractive-index layer by proton exchange in the waveguide by proton exchange, but also the method of forming the high-refractive-index layer on the surface of the waveguide. It has been confirmed that it works effectively even in a structure in which a dielectric material having a refractive index is deposited.

【0071】次に、高屈折率層の屈折率について説明す
る。プロトン交換部分はLi(1-x)x3(0<x<
1)となっており、LiNbO3結晶内のLiの一部が
Hに交換されている。xはプロトン交換の交換率であ
る。
Next, the refractive index of the high refractive index layer will be described. The proton exchange moiety is Li (1-x) H x O 3 (0 <x <
1), and part of Li in the LiNbO 3 crystal has been exchanged for H. x is the exchange rate of proton exchange.

【0072】導波路および高屈折率層は共にプロトン交
換により形成されているが、プロトン交換率は相違す
る。プロトン交換直後のx値は、0.9程度と非常に高
い。アニール処理によりxの値は調整可能であり、非線
形性を回復させるには、0.5以下の交換率まで低下さ
せる必要がある。また、交換率はプロトン交換層の屈折
率と比例関係にあり、交換率が低下すると屈折率も低下
する。
The waveguide and the high refractive index layer are both formed by proton exchange, but have different proton exchange rates. The x value immediately after proton exchange is as high as about 0.9. The value of x can be adjusted by annealing, and it is necessary to reduce the exchange rate to 0.5 or less in order to recover the nonlinearity. The exchange rate is proportional to the refractive index of the proton exchange layer, and the lower the exchange rate, the lower the refractive index.

【0073】光波長変換素子の導波路は強い閉じ込めと
高い非線形性を必要とするが、アニール処理により非線
形性の回復を図ると屈折率が低下し、閉じ込めが弱くな
る。非線形性を基板の80%程度まで回復するには、x
の値を0.3程度まで低下させる必要があり、この状態
では導波路の屈折率が低くなり、基本波を十分閉じ込め
るのが難しくなる。ところが導波層の上部に高屈折率層
を形成すると、導波層の閉じ込めが強化され、閉じ込め
が強く、非線形性の高い光導波路の形成が可能となっ
た。導波層の閉じ込め強化を図るには、高屈折率層のイ
オン交換濃度を高める必要があり、導波層の2倍以上
(x>0.6)のイオン濃度とすることが好ましい。
The waveguide of the optical wavelength conversion element requires strong confinement and high nonlinearity. However, if the nonlinearity is recovered by annealing, the refractive index decreases and the confinement is weakened. To recover nonlinearity to about 80% of the substrate, x
Must be reduced to about 0.3. In this state, the refractive index of the waveguide decreases, and it becomes difficult to sufficiently confine the fundamental wave. However, when the high refractive index layer is formed on the waveguide layer, the confinement of the waveguide layer is strengthened, and it is possible to form an optical waveguide with strong confinement and high nonlinearity. In order to enhance the confinement of the waveguide layer, it is necessary to increase the ion exchange concentration of the high refractive index layer, and it is preferable that the ion concentration be twice or more (x> 0.6) that of the waveguide layer.

【0074】なお、本実施の形態では、高屈折率層とし
てプロトン交換層を用いたが、他に高屈折率の誘電体で
も同様の効果が得られる。プロトン交換の場合、導波層
の内部に高屈折率層を形成したが、誘電体膜を堆積して
高屈折率層とする場合にも、導波層の表面に選択的に堆
積して導波層を形成することが好ましい。
In this embodiment, the proton exchange layer is used as the high refractive index layer. However, the same effect can be obtained by using a dielectric material having a high refractive index. In the case of proton exchange, a high-refractive-index layer was formed inside the waveguide layer. However, even when a dielectric film is deposited to form a high-refractive-index layer, the layer is selectively deposited on the surface of the waveguide layer to be guided. Preferably, a corrugated layer is formed.

【0075】誘電体として、LiNbO3よりも屈折率
の高いNb25を用いた。導波路表面に200nmの厚
みのNb25をスパッタリング法により堆積し、導波路
に沿ってその中央部に形成した。ただし、導波路表面に
パターニングして、高屈折率層をリッジ形状に加工する
際にリッジ形状の側面にわずかな凹凸が形成された。こ
れによって、光導波路の伝搬損失が増加したため、イオ
ン交換で形成した導波層の方が導波光の伝搬損失が小さ
いという点では優れていることがわかった。
As a dielectric, Nb 2 O 5 having a higher refractive index than LiNbO 3 was used. Nb 2 O 5 having a thickness of 200 nm was deposited on the surface of the waveguide by a sputtering method, and formed at the center of the waveguide along the waveguide. However, when the high refractive index layer was processed into the ridge shape by patterning the waveguide surface, slight irregularities were formed on the side surfaces of the ridge shape. As a result, since the propagation loss of the optical waveguide was increased, it was found that the waveguide layer formed by ion exchange was superior in that the propagation loss of the guided light was smaller.

【0076】なお、本実施の形態ではX板の基板を用い
たが、他にY板、Z板、また結晶軸が表面から傾いた基
板を用いてもよい。Z板または結晶軸が基板表面から傾
いた基板を用いると深い分極反転構造の形成が容易であ
り、高効率化が図れる。
In this embodiment, an X-plate substrate is used, but a Y-plate, a Z-plate, or a substrate whose crystal axis is inclined from the surface may be used instead. When a Z plate or a substrate whose crystal axis is inclined from the substrate surface is used, a deep domain-inverted structure can be easily formed, and high efficiency can be achieved.

【0077】また、本実施の形態でTEモードの偏光方
向を利用したのは、通常の半導体レーザの導波路の偏光
方向と一致させるためである。半導体レーザと同じ偏光
方向を有する光導波路にすることで、導波路同士を低損
失で結合させることが可能となる。ただし、TMモード
偏光の光導波路も利用可能である。TMモードの光導波
路は、偏光方向をλ/2板により制御することで結合損
失を低減することが可能である。
The reason why the polarization direction of the TE mode is used in the present embodiment is to make it coincide with the polarization direction of the waveguide of an ordinary semiconductor laser. By using an optical waveguide having the same polarization direction as the semiconductor laser, the waveguides can be coupled with low loss. However, an optical waveguide of TM mode polarization can also be used. In the TM mode optical waveguide, the coupling loss can be reduced by controlling the polarization direction by a λ / 2 plate.

【0078】さらに、本実施の形態では、光導波路を用
いた光波長変換素子について説明したが、本実施形態の
光導波路は、他の光導波路素子にも有効である。高屈折
率層を光導波路上に形成することにより、光導波路を伝
搬する導波光の電界分布は表面近傍に強く引き寄せられ
る。このため、導波路上に形成するプレーナー電極や、
グレーティング素子の影響を導波光に強く与えることが
可能となり、効率の高い変調および回折効果を得ること
ができる。
Further, in this embodiment, the optical wavelength conversion device using the optical waveguide has been described, but the optical waveguide of this embodiment is also effective for other optical waveguide devices. By forming the high refractive index layer on the optical waveguide, the electric field distribution of the guided light propagating through the optical waveguide is strongly attracted to the vicinity of the surface. For this reason, a planar electrode formed on the waveguide,
The effect of the grating element can be strongly exerted on the guided light, and a highly efficient modulation and diffraction effect can be obtained.

【0079】なお、本実施の形態では基板にLiNbO
3基板を用いたが、他にMgO、Nb、Nd等をドープ
したLiNbO3、またはLiTaO3またはその混合物
であるLiTa(1-x)Nbx3(0≦x≦1)基板、そ
のほかKTP(KTiOPO4)でも同様な素子が作製
できる。LiTaO3、LiNbO3、KTPはともに高
い非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作
製できる。
In this embodiment, LiNbO is used as the substrate.
Three substrates were used, but LiNbO 3 doped with MgO, Nb, Nd or the like, or LiTaO 3 or a mixture thereof, LiTa (1-x) Nb x O 3 (0 ≦ x ≦ 1) substrate, and KTP (KTiOPO 4 ) can produce a similar device. Since LiTaO 3 , LiNbO 3 , and KTP all have high nonlinearity, a highly efficient optical wavelength conversion element can be manufactured.

【0080】(実施の形態3)次に、本発明の光波長変
換素子の構成の他の例として、高屈折率層をイオン交換
により形成した場合について述べる。本実施形態の光波
長変換素子の構成図を図7に示す。図7に示したよう
に、X板のLiNbO3基板83の表面近傍に、ストラ
イプ状の導波路84が形成されており、導波路84の表
面近傍には、プロトン交換による高屈折率層85が形成
されている。LiNbO3基板83には、位相整合のた
めに導波路を周期的に横切るように分極反転部86が形
成されている。
(Embodiment 3) Next, as another example of the configuration of the optical wavelength conversion element of the present invention, a case where a high refractive index layer is formed by ion exchange will be described. FIG. 7 shows a configuration diagram of the optical wavelength conversion element of the present embodiment. As shown in FIG. 7, a striped waveguide 84 is formed near the surface of an X-plate LiNbO 3 substrate 83, and a high refractive index layer 85 formed by proton exchange is formed near the surface of the waveguide 84. Is formed. On the LiNbO 3 substrate 83, a domain inversion portion 86 is formed so as to periodically cross the waveguide for phase matching.

【0081】イオン交換により形成した高屈折率層85
は、 ・面内における膜厚の均一性に優れており、面内バラツ
キを±0.1%以下に抑えることができ、 ・膜厚の制御性に優れ±0.01μm以下で膜厚を制御
でき、 ・高調波、基本波に対する伝搬損失がともに小さく、 ・導波層との境界部における歪み等が小さく伝搬損失や
面内分布を与えない点で優れている。
High refractive index layer 85 formed by ion exchange
Has excellent in-plane uniformity of film thickness and can suppress in-plane variation to ± 0.1% or less. ・ Excellent in film thickness controllability and control of film thickness to ± 0.01 μm or less. It is excellent in that: ・ Propagation loss with respect to harmonics and fundamental wave are both small; ・ Distortion at the boundary with the waveguide layer is small and propagation loss and in-plane distribution are not given.

【0082】高屈折率層には基板よりも高い屈折率を有
していることが求められるが、基本波、高調波に対する
伝搬損失が低いことも求められる。特に高調波は400
nm程度と短波長なので、伝搬損失の増大が著しい。例
えば、高屈折率の誘電体としてはNb25、TiO2
が通常用いられるが、誘電体の吸収端に近づくこともあ
り、短波長の光に対する伝搬損失が増大する傾向にあ
る。そこで、高屈折率層をイオン交換により形成するこ
とを試みた。イオン交換層は基板の透過特性とほぼ等し
く短波長光に対する伝搬損失の増大が小さい点で有利で
ある。
The high-refractive-index layer is required to have a higher refractive index than the substrate, but is also required to have low propagation loss with respect to fundamental waves and harmonics. Especially, the harmonic is 400
Since the wavelength is as short as about nm, the propagation loss significantly increases. For example, Nb 2 O 5 , TiO 2, or the like is usually used as a high-refractive-index dielectric, but it may approach the absorption edge of the dielectric, and the propagation loss for short-wavelength light tends to increase. Therefore, an attempt was made to form a high refractive index layer by ion exchange. The ion-exchange layer is advantageous in that propagation loss for short-wavelength light is substantially equal to the transmission characteristics of the substrate and is small.

【0083】イオン交換は本実施の形態に用いられる強
誘電体結晶に容易に適用できる。例えばLiNbO3
イオン交換の一種であるプロトン交換を施すと、屈折率
変化が0.1程度と非常に大きな値が得られ、高屈折率
の層が容易に形成できる。
The ion exchange can be easily applied to the ferroelectric crystal used in the present embodiment. For example, when proton exchange, which is a kind of ion exchange, is performed on LiNbO 3 , a change in the refractive index is as large as about 0.1, so that a layer having a high refractive index can be easily formed.

【0084】これに加え、イオン交換は深さの制御が容
易であり、均一性の高い層が形成できるという特徴を有
する。例えばスパッタリング法等により誘電体を成膜し
て高屈折率層を形成する場合、通常の装置では面内均一
性は±1〜3%程度である。これに対して、イオン交換
は拡散により形成するため、拡散温度と時間の制御によ
り厚みのバラツキは0.01μm以下とすることができ
る。さらに、面内の均一性も厚みの制御と同等の制御が
可能であり、スパッタリング等の成膜による方法に比べ
2桁以上高い精度が達成される。具体的にはNb25
パッタ膜を用いた素子とプロトン交換による光波長変換
素子の特性を比較したところ、プロトン交換により形成
した素子は、Nb25のスパッタ膜を用いた素子に比
べ、均一性が一桁以上高い値を示し、SHGの変換効率
が2倍以上高いことがわかった。
In addition, ion exchange is characterized in that the depth can be easily controlled and a highly uniform layer can be formed. For example, when a high refractive index layer is formed by depositing a dielectric material by a sputtering method or the like, the in-plane uniformity is about ± 1 to 3% in an ordinary apparatus. On the other hand, since the ion exchange is formed by diffusion, the thickness variation can be reduced to 0.01 μm or less by controlling the diffusion temperature and time. Further, the uniformity in the plane can be controlled equivalent to the control of the thickness, and an accuracy higher by two digits or more can be achieved as compared with a method of film formation such as sputtering. Specifically, when the characteristics of the device using the Nb 2 O 5 sputtered film and the characteristics of the optical wavelength conversion device by proton exchange were compared, the device formed by the proton exchange was compared with the device using the Nb 2 O 5 sputtered film. , The uniformity was higher by one digit or more, indicating that the SHG conversion efficiency was more than twice as high.

【0085】次に、前述した導波モードのサブピークを
導波光の回折限界以下にする方法について述べる。導波
モードのサブピークの幅は、高屈折率層の厚みと屈折率
により決定される。ただし、サブピークの幅は高屈折率
層の厚み程度か、それ以上にしかならないので、高屈折
率層の幅は少なくとも、導波光の回折限界の幅以下に抑
える必要がある。さらに、高屈折率層の屈折率を導波層
の屈折率の1.01倍以上とすることが好ましい。
Next, a method for making the above-mentioned sub-peak of the waveguide mode equal to or less than the diffraction limit of the guided light will be described. The width of the sub-peak of the waveguide mode is determined by the thickness and the refractive index of the high refractive index layer. However, since the width of the sub-peak is only about the thickness of the high-refractive-index layer or more, the width of the high-refractive-index layer must be suppressed at least to the width of the diffraction limit of the guided light. Further, it is preferable that the refractive index of the high refractive index layer be 1.01 times or more the refractive index of the waveguide layer.

【0086】高屈折率層の幅が導波層の幅より狭い場
合、高屈折率層の屈折率が導波層の1.01倍未満にな
ると、サプピークの幅が高屈折率層の厚みより大幅に増
大し、高調波出力の集光特性が劣化し、回折限界までの
集光が難しくなった。
When the width of the high-refractive-index layer is smaller than the width of the waveguide layer, and when the refractive index of the high-refractive-index layer is less than 1.01 times that of the waveguide layer, the width of the subpeak becomes larger than the thickness of the high-refractive-index layer. This greatly increased the light-condensing characteristics of the harmonic output, and made it difficult to condense light to the diffraction limit.

【0087】さらに、高屈折率層の屈折率と厚みを制御
し、サブピークの幅と集光特性の関係を調べた。その結
果、実施の形態1で示したと同じ結果が得られ、同様に
サブピークの幅を導波光の回折限界以下に設定すること
により、集光特性の優れたビームが得られることが確認
された。
Further, the relationship between the width of the sub-peak and the light condensing property was examined by controlling the refractive index and the thickness of the high refractive index layer. As a result, the same result as that described in Embodiment 1 was obtained. Similarly, it was confirmed that a beam having excellent light-collecting characteristics was obtained by setting the width of the sub-peak to be equal to or less than the diffraction limit of the guided light.

【0088】以上より、高屈折率層の膜厚を導波光の回
折限界以下にすることで、集光特性に優れた出射ビーム
を得られることがわかった。
From the above, it was found that by setting the thickness of the high refractive index layer to be equal to or less than the diffraction limit of the guided light, it is possible to obtain an outgoing beam having excellent light-collecting characteristics.

【0089】次に、本発明の光波長変換素子が作製誤差
に対する許容度に優れている点について説明する。光波
長変換素子は、導波路内で基本波から高調波へ変換する
際に基本波と高調波との位相整合条件の成立が必要であ
る。位相整合条件とは、基本波と高調波との位相速度を
そろえる条件で、基本波・高調波間での実効屈折率制御
が必要となる。
Next, the point that the optical wavelength conversion element of the present invention is excellent in tolerance for manufacturing errors will be described. The optical wavelength conversion element needs to satisfy a phase matching condition between the fundamental wave and the harmonic when converting the fundamental wave into the harmonic in the waveguide. The phase matching condition is a condition in which the phase velocities of the fundamental wave and the harmonic wave are made uniform, and it is necessary to control the effective refractive index between the fundamental wave and the harmonic wave.

【0090】光導波路を用いた場合、光導波路の全長に
渡り位相整合条件を成立させなければならない。ところ
が、位相整合条件に対する許容度はかなり狭く、実際の
光導波路型の光波長変換素子を形成する際には、導波路
幅、屈折率変動等を極限まで管理する必要があった。例
えば、LiNbO3を用いた擬似位相整合型の光波長変
換素子の場合、導波路長10mmに渡り、導波路幅を4
μmで±0.1μm以下に制御する必要があり、作製歩
留まりを低下させる原因になっていた。
When an optical waveguide is used, a phase matching condition must be satisfied over the entire length of the optical waveguide. However, the tolerance for the phase matching condition is quite narrow, and when forming an actual optical waveguide type optical wavelength conversion element, it is necessary to manage the waveguide width, refractive index fluctuation, and the like to the utmost. For example, in the case of a quasi phase matching type optical wavelength conversion element using LiNbO 3 , the waveguide width is 4 mm over a waveguide length of 10 mm.
It is necessary to control the thickness in μm to ± 0.1 μm or less, which causes a reduction in the production yield.

【0091】この原因は、図8の(a)に示すように、導
波路の幅に対する位相整合波長の変動が大きいことであ
る。光波長変換素子の位相整合波長の許容度は、素子長
10mmの場合0.1μm程度であり、例えば、導波路
の幅が0.1μmずれると、位相整合波長の許容度から
はずれてしまう。導波路の幅が伝搬方向でわずかに変化
したとき、その各部分で位相整合波長が異なることにな
り、特定の波長の基本波を入射した場合、一部の位相整
合条件が成立する幅の導波路の部分でしか高調波が発生
しない。このため、導波路長全域にわたり形成した分極
反転構造はその一部しか光波長変換に寄与しなくなり、
変換効率が低下する。また、高屈折率層を導波路表面に
スラブ状に形成した光導波路においても、同様の特性を
示し、光導波路の作製誤差は±0.1μm以下と厳しか
った。
The reason for this is that, as shown in FIG. 8A, the fluctuation of the phase matching wavelength with respect to the width of the waveguide is large. The tolerance of the phase matching wavelength of the optical wavelength conversion element is about 0.1 μm when the element length is 10 mm. For example, when the width of the waveguide shifts by 0.1 μm, the tolerance of the phase matching wavelength deviates from the tolerance. When the width of the waveguide changes slightly in the propagation direction, the phase matching wavelength differs in each part, and when a fundamental wave of a specific wavelength is incident, the waveguide having a width that satisfies some phase matching conditions is obtained. Harmonics are generated only in the part of the wave path. For this reason, the domain-inverted structure formed over the entire waveguide length only partially contributes to optical wavelength conversion,
Conversion efficiency decreases. Also, the optical waveguide in which the high-refractive-index layer was formed in a slab shape on the waveguide surface exhibited the same characteristics, and the fabrication error of the optical waveguide was as severe as ± 0.1 μm or less.

【0092】ところが、本実施形態の光導波路構造を有
する光波長変換素子においては、図8の(b)に示すよう
に、導波路の幅に対する位相整合波長の変動が非常に小
さいことが見出された。即ち、位相整合波長の許容度を
満足する導波層の幅の許容度が±0.5μmまで増大
し、従来の5倍の許容度まで拡大されることがわかっ
た。このため、従来、光導波路の作製誤差により特性を
落としていた光波長変換素子の変換効率を、2倍以上に
向上させることができた。
However, in the optical wavelength conversion device having the optical waveguide structure of the present embodiment, as shown in FIG. 8B, it was found that the variation of the phase matching wavelength with respect to the width of the waveguide was very small. Was done. That is, it was found that the tolerance of the width of the waveguide layer satisfying the tolerance of the phase matching wavelength was increased to ± 0.5 μm, which was expanded to five times the tolerance of the related art. For this reason, the conversion efficiency of the optical wavelength conversion element, whose characteristics have been deteriorated due to the manufacturing error of the optical waveguide, can be improved to twice or more.

【0093】なお、本実施の形態ではX板の基板を用い
たが、他にY板、Z板、また結晶軸が表面から傾いた基
板を用いてもよい。Z板または結晶軸が基板表面から傾
いた基板を用いると深い分極反転構造の形成が容易であ
り、高効率化を図ることができる。
In this embodiment, an X-plate substrate is used. Alternatively, a Y-plate, a Z-plate, or a substrate whose crystal axis is inclined from the surface may be used. When a Z plate or a substrate whose crystal axis is inclined from the substrate surface is used, a deep domain-inverted structure can be easily formed, and high efficiency can be achieved.

【0094】また、本実施の形態ではTEモードの偏光
方向を利用したが、その理由は、通常の半導体レーザの
導波層の偏光方向と一致させるためである。半導体レー
ザと同じ偏光方向を有する導波層にすることで、導波層
同士を低損失で結合させることが可能となる。ただし、
TMモード偏光の導波層も利用可能である。TMモード
の導波層は、偏光方向をλ/2板により制御することで
結合損失を低減することが可能である。
In this embodiment, the polarization direction of the TE mode is used, because the polarization direction of the waveguide layer of the ordinary semiconductor laser is matched. By using a waveguide layer having the same polarization direction as the semiconductor laser, the waveguide layers can be coupled with low loss. However,
Waveguide layers for TM mode polarization are also available. The coupling loss of the waveguide layer in the TM mode can be reduced by controlling the polarization direction using a λ / 2 plate.

【0095】さらに、本実施の形態では、光導波路を用
いた光波長変換素子について説明したが、本発明の光導
波路は、他の光導波路素子にも有効である。高屈折率層
を光導波路上に形成することにより、光導波路を伝搬す
る導波光の電界分布は表面近傍に強く引き寄せられる。
このため、導波層上に形成するプレーナ電極や、グレー
ティング素子の影響を導波光に強く与えることが可能と
なり、効率の高い変調および回折効果が得られた。
Further, in this embodiment, the optical wavelength conversion device using the optical waveguide has been described, but the optical waveguide of the present invention is also effective for other optical waveguide devices. By forming the high refractive index layer on the optical waveguide, the electric field distribution of the guided light propagating through the optical waveguide is strongly attracted to the vicinity of the surface.
For this reason, the influence of the planar electrode formed on the waveguide layer and the grating element can be strongly given to the guided light, and a highly efficient modulation and diffraction effect can be obtained.

【0096】また、本実施の形態では基板にLiNbO
3基板を用いたが、他にMgO、Nb、Nd等をドープ
したLiNbO3、またはLiTaO3またはその混合物
であるLiTa(1-x)Nbx3(0≦x≦1)基板、そ
のほかKTP(KTiOPO4)でも同様な素子が作製
できる。LiTaO3、LiNbO3、KTPはともに高
い非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作
製できる。
In this embodiment, the substrate is LiNbO
Although three substrates were used, LiNbO 3 doped with MgO, Nb, Nd, or the like, or LiTaO 3 or a mixture thereof, a LiTa (1-x) Nb x O 3 (0 ≦ x ≦ 1) substrate, and KTP (KTiOPO 4 ) can produce a similar device. Since LiTaO 3 , LiNbO 3 , and KTP all have high nonlinearity, a highly efficient optical wavelength conversion element can be manufactured.

【0097】(実施の形態4)本実施の形態では、光波
長変換素子の別の構成について述べる。この光波長変換
素子は、図9(a)に示すように、X板のMgO:LiN
bO3基板91上に周期状に形成された分極反転部94
と導波路92とが形成されている。MgO:LiNbO
3基板91は、結晶のZ軸が基板の表面に対して3°傾
くように基板を切り出している。結晶軸の傾いた基板を
用いると、深い分極反転部94を形成できるため、高効
率の光波長変換素子が構成できる。これは分極反転部9
4が結晶のZ軸に沿って形成されるため、基板表面から
基板内部へと成長するためである。そこでこの性質を利
用して図9に示したような光波長変換素子を作製した。
(Embodiment 4) In this embodiment, another configuration of the optical wavelength conversion element will be described. As shown in FIG. 9A, this optical wavelength conversion element is composed of an X-plate MgO: LiN
domain-inverted portions 94 formed periodically on a bO 3 substrate 91
And a waveguide 92 are formed. MgO: LiNbO
The three substrates 91 are cut out such that the Z axis of the crystal is inclined by 3 ° with respect to the surface of the substrate. When a substrate having an inclined crystal axis is used, a deep polarization inversion portion 94 can be formed, so that a highly efficient optical wavelength conversion element can be configured. This is the polarization inversion unit 9
This is because 4 is formed along the Z axis of the crystal and grows from the substrate surface to the inside of the substrate. Therefore, an optical wavelength conversion element as shown in FIG. 9 was manufactured by utilizing this property.

【0098】図9(b)には、導波層92に沿って基板を
切断した断面図を示す。図9(b)に示すように、分極反
転部94は基板内部に形成されており、表面の高屈折率
層93と導波層92との境界近傍部分から基板内部へと
形成されており、高屈折率層93の内部には分極反転構
造が存在しないように形成されている。これによって、
光波長変換素子の高効率化が図れる。以下、その理由に
ついて説明する。
FIG. 9B is a sectional view of the substrate cut along the waveguide layer 92. As shown in FIG. 9B, the domain-inverted portions 94 are formed inside the substrate, and are formed from the vicinity of the boundary between the high refractive index layer 93 and the waveguide layer 92 on the surface to the inside of the substrate. The inside of the high refractive index layer 93 is formed so that the domain inversion structure does not exist. by this,
High efficiency of the optical wavelength conversion element can be achieved. Hereinafter, the reason will be described.

【0099】光波長変換素子の変換効率は、前述したよ
うに、分極反転部94の構造と導波路92とを伝搬する
導波光(基本波、高調波)とのオーバラップに依存す
る。ところが、高効率化のため、高調波は高次の導波モ
ード(TE10モード)を用いるため、電界分布として
は、高調波は高屈折率層93と導波路92とで電界の位
相が逆転している。このため、高屈折率層でのオーバラ
ップは高調波への変換を低下させる。
As described above, the conversion efficiency of the optical wavelength conversion element depends on the overlap between the structure of the domain inversion section 94 and the guided light (fundamental wave, harmonic) propagating through the waveguide 92. However, in order to improve the efficiency, the higher harmonic wave uses a higher-order waveguide mode (TE10 mode). Therefore, as the electric field distribution, the higher harmonic wave has an inverted electric field phase between the high refractive index layer 93 and the waveguide 92. ing. For this reason, the overlap in the high refractive index layer reduces the conversion to harmonics.

【0100】これを防止するには、高屈折率層93での
オーバラップが、波長変換に影響を与えないようにする
必要がある。そこで、図9に示すように、高屈折率層9
3における周期状の分極反転構造をなくすことで、高屈
折率層93のみを選択的に位相整合条件が成立しないよ
うにできる。これによって、光波長変換素子の高効率化
を図ることができた。
To prevent this, it is necessary to prevent the overlap in the high refractive index layer 93 from affecting the wavelength conversion. Therefore, as shown in FIG.
By eliminating the periodic polarization inversion structure in 3, it is possible to selectively prevent the phase matching condition from being satisfied only in the high refractive index layer 93. As a result, the efficiency of the optical wavelength conversion element could be improved.

【0101】なお、本実施の形態では結晶軸が3°傾い
た結晶を用いたが、結晶の傾きは5°以下ならば、深い
分極反転構造が形成できるため使用できる。特に0.5
°〜3°の傾きは分極反転の傾きが小さく、使用面積が
増大するために好ましい。
In this embodiment, a crystal whose crystal axis is inclined by 3 ° is used. However, a crystal whose inclination is 5 ° or less can be used because a deep domain-inverted structure can be formed. Especially 0.5
The inclination of from 3 ° to 3 ° is preferable because the inclination of polarization inversion is small and the used area increases.

【0102】(実施の形態5)次に、光波長変換素子に
おける光導波路の作製方法について述べる。ここでは、
イオン交換の一種であるプロトン交換を用いた光導波路
形成について図10を用いて説明する。
(Embodiment 5) Next, a method of manufacturing an optical waveguide in an optical wavelength conversion element will be described. here,
The formation of an optical waveguide using proton exchange, which is a type of ion exchange, will be described with reference to FIG.

【0103】図10(a)は、LiNbO3基板95の表
面に耐イオン交換マスクとしてTa膜96を堆積し、フ
ォトリソグラフィ法とドライエッチングとを用いて、幅
4μmの導波路パターンを形成する工程である。この工
程の後、同図(b)に示すように、基板95を200℃の
ピロ燐酸中で熱処理し、非マスク部分の結晶のLiと酸
中のプロトン(H+)を交換し、第1のプロトン交換部
97を形成する。次に、同図(c)に示すように、プロト
ン交換部をアニール処理し、イオン交換部の体積を増大
させて導波路とする。同図(d)に示すように、再度ピロ
燐酸中で熱処理し、非マスク部分に第2のプロトン交換
部98、即ち高屈折率層を形成する。さらに、160℃
以下の低温でアニール処理することにより高屈折率層の
厚みを微調整し、最適な導波層構造を形成した。
FIG. 10A shows a step of depositing a Ta film 96 as an ion-exchange resistant mask on the surface of a LiNbO 3 substrate 95 and forming a 4 μm-wide waveguide pattern using photolithography and dry etching. It is. After this step, as shown in FIG. (B), heat treating the substrate 95 of 200 ° C. in a pyrophosphoric acid, replacing the protons (H +) in Li and acid unmasked partially crystalline, first Is formed. Next, as shown in FIG. 3C, the proton exchange section is annealed to increase the volume of the ion exchange section to form a waveguide. As shown in FIG. 3D, heat treatment is again performed in pyrophosphoric acid to form a second proton exchange portion 98, that is, a high refractive index layer in the non-mask portion. In addition, 160 ° C
The thickness of the high-refractive-index layer was finely adjusted by annealing at the following low temperature to form an optimal waveguide layer structure.

【0104】第1のプロトン交換部97は、200℃で
6分程度プロトン交換を行うことにより、0.2μm程
度の厚さとした。これを300℃で60分間程度アニー
ル処理することにより、交換層深さは約2.5μmに、
幅は5μm以上に拡大した。このようにして形成された
導波路のプロトン交換率は、アニール処理により低減さ
れ、非線形性が回復した。
The first proton exchange unit 97 was made to have a thickness of about 0.2 μm by performing proton exchange at 200 ° C. for about 6 minutes. By annealing this at 300 ° C. for about 60 minutes, the exchange layer depth becomes about 2.5 μm,
The width expanded to 5 μm or more. The proton exchange rate of the waveguide thus formed was reduced by the annealing treatment, and the nonlinearity was restored.

【0105】また、耐酸化性に優れたTaをマスクに用
いることにより、プロトン交換はもとより、その後のア
ニール処理による膜質の変化は観測されなかった。そこ
で同じマスクを使って再度プロトン交換を行うと、導波
路の内部に高屈折率層が形成される。
Further, by using Ta, which has excellent oxidation resistance, as a mask, a change in film quality due to the subsequent annealing as well as the proton exchange was not observed. Therefore, when proton exchange is performed again using the same mask, a high refractive index layer is formed inside the waveguide.

【0106】導波路はアニール処理により幅、深さとも
に広がっているため、第2のイオン交換により形成され
る高屈折率層は、光導波路より幅の小さな層とすること
ができる。
Since the width and depth of the waveguide are widened by the annealing process, the high refractive index layer formed by the second ion exchange can be a layer smaller in width than the optical waveguide.

【0107】さらに、形成した導波層を、160℃以下
の低温でアニール処理することにより、導波路の特性を
変えることなく、伝搬損失を大幅に低減できることがわ
かった。低温でアニール処理することにより、第1およ
び第2のイオン交換部の拡散をわずかに抑え、同時にア
ニールによる導波路の伝搬損失の低減が図れた。
Further, it has been found that by annealing the formed waveguide layer at a low temperature of 160 ° C. or lower, the propagation loss can be significantly reduced without changing the characteristics of the waveguide. By annealing at a low temperature, diffusion of the first and second ion exchange portions was slightly suppressed, and at the same time, propagation loss of the waveguide due to annealing was reduced.

【0108】次に、作製した光導波路の特性を調べた。
波長850nmの基本波を入射し、導波する光のモード
分布を調べた。導波路幅4μm、深さ2μmとし、導波
光のNFP(近視野像)を観測することで、導波モード
の分布を測定した。測定は、前述の方法により作製した
(1)ストライプ状(線状)の高屈折率層を有する光導波
路、(2)高屈折率層を有さない光導波路、(3)スラブ状
の高屈折率層を有する光導波路についてそれぞれ測定し
た。結果を以下の表に示す。但し、表中のモードの幅
は、強度分布が1/e2になる幅を示している。
Next, the characteristics of the manufactured optical waveguide were examined.
A fundamental wave having a wavelength of 850 nm was incident, and the mode distribution of light guided was examined. The waveguide mode was measured by observing the NFP (near field image) of the guided light with the waveguide width being 4 μm and the depth being 2 μm. The measurement was made by the method described above.
(1) An optical waveguide having a striped (linear) high refractive index layer, (2) an optical waveguide having no high refractive index layer, and (3) an optical waveguide having a slab-shaped high refractive index layer, respectively. did. The results are shown in the table below. However, the width of the mode in the table indicates the width at which the intensity distribution becomes 1 / e 2 .

【0109】 [μm] −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 高屈折率層の形状 (1)ストライフ゜状 (2)なし (3)スラブ状 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 導波モードの厚さ 1.7 2.5 1.8 導波モードの幅 3 4 3.5 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−[Μm] Shape of High Refractive Index Layer (1) Strife ゜2) None (3) Slab-shape --- --- --- --- --- --- --- -------- The thickness of the waveguide mode 1.7 2 3.5 1.8 Waveguide mode width 3 4 3.5 3.5 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

【0110】上記結果から、ストライプ状の高屈折率を
設けることにより、光導波路の閉じ込めが深さ方向およ
び幅方向に強まり、パワー密度の高い光導波路が形成で
きることがわかった。
From the above results, it was found that, by providing a stripe-shaped high refractive index, confinement of the optical waveguide was enhanced in the depth direction and the width direction, and an optical waveguide having a high power density could be formed.

【0111】さらに、ストライプ状の高屈折率層を用い
ると、導波モードの電界分布を導波路の伝搬方向に従い
変形できるという特性を有する。例えば、 ・光導波路の入射部においてレーザ光の光導波路結合効
率を向上させる入射テーパの形成、 ・出射ビームのアスペクト比を1:1に整形するモード
整形、を行うことができる。
Further, when a stripe-shaped high refractive index layer is used, there is a characteristic that the electric field distribution of the waveguide mode can be changed according to the propagation direction of the waveguide. For example, it is possible to form an incident taper for improving the coupling efficiency of the optical waveguide of the laser light at the entrance of the optical waveguide, and to perform mode shaping for shaping the aspect ratio of the output beam to 1: 1.

【0112】まず、最初に、入射テーパについて図11
を用いて説明する。図11において、LiNbO3基板
101に導波層102が形成され、導波層102の表面
近傍に線条の高屈折率層103が形成されている。高屈
折率層103は入射部近傍でテーパ状にその幅が狭くな
っている。高屈折率層103を有する導波層102は、
上記表に示すように高屈折率層103により閉じこめが
強化され、導波モードの分布は小さくなっている。そこ
で、導波層102の入射部に近傍で高屈折率層をテーパ
状に加工し、入射部に行くに従いテーパ部の幅を減少さ
せてやれば、入射部に近づくに従い、導波層102の閉
じこめが弱くなって導波モードの断面積を大きくするこ
とができる。
First, the incident taper is shown in FIG.
This will be described with reference to FIG. In FIG. 11, a waveguide layer 102 is formed on a LiNbO 3 substrate 101, and a linear high refractive index layer 103 is formed near the surface of the waveguide layer 102. The width of the high-refractive-index layer 103 is tapered in the vicinity of the incident portion. The waveguide layer 102 having the high refractive index layer 103 is
As shown in the above table, confinement is strengthened by the high refractive index layer 103, and the distribution of the guided mode is reduced. Therefore, the high refractive index layer is processed into a tapered shape in the vicinity of the incident portion of the waveguide layer 102, and the width of the tapered portion is reduced toward the incident portion. The confinement is weakened, and the sectional area of the waveguide mode can be increased.

【0113】具体的には、高屈折率層103の幅を4μ
m以上から0.5μmまで絞り込んだところ、導波モー
ドの電界分布は高屈折率層103がない場合と等しくな
り拡大した。導波モードの大きさは、導波部で深さ1.
7μm、幅3μmであったのが、入射部では深さ2.5
μm、幅4μmまで拡大することができた。これによっ
て、半導体レーザとの結合効率を従来の1.3倍に向上
させることが可能となり、結合精度の許容度も1.5倍
に向上した。
More specifically, the width of the high refractive index layer 103 is set to 4 μm.
When the aperture was narrowed down from 0.5 m to 0.5 μm, the electric field distribution of the waveguide mode became equal to the case where the high refractive index layer 103 was not provided and expanded. The size of the waveguide mode is 1.
7 μm and a width of 3 μm, but the incident part has a depth of 2.5 μm.
μm and 4 μm in width. As a result, the coupling efficiency with the semiconductor laser can be improved to 1.3 times that of the related art, and the tolerance of the coupling accuracy has been improved to 1.5 times.

【0114】上記の効果を得る方法は他にもある。例え
ば、入射部近傍では、ストライプ状の高屈折率層を、分
断して島状に形成する方法である。入射部での高屈折率
層の形成部分と非形成部分との比率を変化させることに
より、導波路の実効的な閉じこめを変えることができ
る。具体的には、矩形状の周期を2μmとし、有り無し
の比率を100%〜10%まで、導波路の入射部に近づ
くに従って徐々に矩形の高屈折率層の割合を減らしてい
った。これによっても、テーパ形状と同様の効果が得ら
れ、結合効率の高いテーパ導波路が形成できた。このよ
うに光導波路においては、高屈折率層を、導波方向単位
長さ当たりの高屈折率層の割合が端部に近づくに従って
小さくなるように形成することが好ましい。
There are other methods for obtaining the above effects. For example, there is a method in which a stripe-shaped high-refractive-index layer is divided into islands in the vicinity of the incident portion. The effective confinement of the waveguide can be changed by changing the ratio between the portion where the high refractive index layer is formed and the portion where the high refractive index layer is not formed at the incident portion. Specifically, the rectangular period was set to 2 μm, and the ratio of presence / absence was reduced to 100% to 10%, and the ratio of the rectangular high refractive index layer was gradually reduced as approaching the incident part of the waveguide. Also in this case, the same effect as in the tapered shape was obtained, and a tapered waveguide having high coupling efficiency could be formed. As described above, in the optical waveguide, it is preferable that the high refractive index layer be formed such that the ratio of the high refractive index layer per unit length in the waveguide direction decreases as approaching the end.

【0115】同様に、出射ビームの形状を変えることも
できる。出射部で高屈折率層103の幅を変えて、出射
ビームのアスペクト比を1:1に近づけることができ
た。
Similarly, the shape of the output beam can be changed. By changing the width of the high-refractive-index layer 103 at the emission part, the aspect ratio of the emission beam could be made closer to 1: 1.

【0116】なお、本実施の形態ではX板の基板を用い
たが、他にZ、Y板の基板または、結晶軸から傾いた表
面を持った基板等、結晶軸に関係なく使用できる。ま
た、本実施の形態では基板にLiNbO3基板を用いた
が、他にMgO、Nb、Nd等をドープしたLiNbO
3、またはLiTaO3またはその混合物であるLiTa
(1-x)Nbx3(0≦x≦1)基板、そのほかKTP
(KTiOPO4)でも同様な素子が作製できる。Li
TaO3、LiNbO3、KTPはともに高い非線形性を
有するため、高効率の光波長変換素子が作製できる。
In this embodiment, an X-plate substrate is used.
However, in addition to the above, a table inclined from the Z or Y plate substrate or crystal axis
It can be used regardless of the crystal axis, such as a substrate with a plane. Ma
In this embodiment, the substrate is LiNbOThreeUsing a substrate
But LiNbO doped with MgO, Nb, Nd, etc.
ThreeOr LiTaOThreeOr a mixture thereof, LiTa
(1-x)NbxOThree(0 ≦ x ≦ 1) Substrate, other KTP
(KTiOPOFour) Can produce a similar device. Li
TaOThree, LiNbOThree, KTP both have high nonlinearity
Therefore, a highly efficient optical wavelength conversion element can be manufactured.

【0117】(実施の形態6)本実施の形態では、本発
明の光波長変換素子を用いた短波長光発生装置の別の例
について説明する。構成としては、波長800nm帯の
半導体レーザ、集光光学系および光波長変換素子より構
成され、半導体レーザから出射した光を集光光学系によ
り光波長変換素子の導波路短面に集光し、導波モードを
励起する。
(Embodiment 6) In this embodiment, another example of a short wavelength light generator using the optical wavelength conversion element of the present invention will be described. The configuration includes a semiconductor laser in a wavelength band of 800 nm, a condensing optical system, and a light wavelength conversion element. Excitation of the guided mode.

【0118】光波長変換素子の他の導波路端面より、波
長変換されたSHG光が出射する。変換効率が高い光波
長変換素子が実現したため、出力100mW程度の半導
体レーザを用いて、10mWの青色SHG光が得られ
た。また、用いた光波長変換素子は耐光損傷性に優れ、
安定な出力が得られたため、出力変動が2%以下である
安定な出力が得られた。400nm帯の波長は、印刷製
版、バイオ、蛍光分光特性等の特殊計測に、光ディスク
等、広い応用分野において望まれている。本発明の光波
長変換素子を用いた短波長光源は、出力特性、安定性と
もにこれらの応用分野での実用化が可能である。
The wavelength-converted SHG light is emitted from the other waveguide end face of the light wavelength conversion element. Since an optical wavelength conversion element having high conversion efficiency was realized, 10 mW blue SHG light was obtained using a semiconductor laser having an output of about 100 mW. In addition, the used optical wavelength conversion element has excellent light damage resistance,
Since a stable output was obtained, a stable output having an output fluctuation of 2% or less was obtained. A wavelength in the 400 nm band is desired in a wide range of application fields such as optical disks for special measurement of printing plate making, biotechnology, fluorescence spectral characteristics, and the like. The short-wavelength light source using the optical wavelength conversion element of the present invention can be put to practical use in these application fields in terms of both output characteristics and stability.

【0119】なお、本実施の形態では半導体レーザの光
を集光光学系を用いて光導波路に結合させたが、半導体
レーザと光導波路を直接結合させることも可能である。
TEモード伝搬の光導波路を用いると、半導体レーザの
導波モードと電界分布を等しくすることが可能となるた
め、集光レンズなしでも高効率で結合できる。実験では
結合効率80%で直接結合が可能であり、レンズ結合と
ほぼ同等の結合特性が得られることを確認した。直接結
合を用いると小型で、低価格の光源が実現できる。
In this embodiment, the light of the semiconductor laser is coupled to the optical waveguide by using the focusing optical system. However, the semiconductor laser and the optical waveguide can be directly coupled.
When an optical waveguide for propagating the TE mode is used, the waveguide mode of the semiconductor laser and the electric field distribution can be made equal, so that coupling can be performed with high efficiency without a condenser lens. In experiments, it was confirmed that direct coupling was possible with a coupling efficiency of 80%, and that coupling characteristics almost equivalent to lens coupling were obtained. With direct coupling, a small, inexpensive light source can be realized.

【0120】(実施の形態7)本実施の形態では、光ピ
ックアップについて説明する。図12に本発明の光ピッ
クアップの例を示す。図12においては、実施の形態1
に示した短波長光発生装置105から出た出力10mW
のビームは、ビームスプリッタ106を透過し、レンズ
107により光情報記録媒体である光ディスク108に
照射される。光ディスク108からの反射光は、逆にレ
ンズ107によりコリメートされ、ビームスプリッタ1
06で反射され、ディテクタ109で信号が読みとられ
る。なお、短波長光発生装置の出力を強度変調すること
で、光ディスク108が記録も可能である場合には、情
報を書き込むこともできる。
(Embodiment 7) In this embodiment, an optical pickup will be described. FIG. 12 shows an example of the optical pickup of the present invention. In FIG. 12, Embodiment 1
10 mW output from the short wavelength light generator 105 shown in FIG.
Is transmitted through a beam splitter 106 and is irradiated by a lens 107 onto an optical disk 108 as an optical information recording medium. The reflected light from the optical disk 108 is conversely collimated by the lens 107, and the beam splitter 1
The signal is reflected at 06 and the signal is read by the detector 109. If the optical disc 108 can record data by intensity-modulating the output of the short-wavelength light generator, information can be written.

【0121】短波長光発生装置105から出力されるの
は、サブピークを有するTE10モードであるが、これ
を集光するとレンズの回折限界以下の小さなスポット径
の集光ビームが得られた。これによって、短波長光によ
る集光特性に加え、超解像効果による小さなスポット径
が得られた結果、記録密度を従来の1.2倍に向上させ
ることが可能となった。
The output from the short-wavelength light generator 105 is a TE10 mode having a sub-peak. When this is condensed, a condensed beam having a small spot diameter smaller than the diffraction limit of the lens is obtained. As a result, a small spot diameter due to the super-resolution effect was obtained in addition to the light condensing characteristic with the short wavelength light, so that it was possible to improve the recording density to 1.2 times that of the related art.

【0122】さらに、高出力の青色光の発生が可能とな
るため、読み取りだけでなく、光情報記録媒体へ情報を
書き込むことも可能となった。半導体レーザを基本波光
源として用いることで、非常に小型になるため、民生用
の小型の光ディスク読み取り、記録装置にも利用でき
る。
Furthermore, since high-output blue light can be generated, not only reading but also writing of information on an optical information recording medium is possible. By using a semiconductor laser as a fundamental wave light source, the semiconductor laser becomes very small, so that it can also be used for a small consumer optical disk reading and recording device.

【0123】さらに、光波長変換素子は、光導波路幅を
最適化することで、出力ビームのアスペクト比の最適化
が行える。例えば、光導波路上に導波層幅より狭い高屈
折率層を有する導波層構造をとることで、出射ビームの
アスペクト比を1:1に近づけることが可能となる。
Further, the optical wavelength conversion element can optimize the aspect ratio of the output beam by optimizing the optical waveguide width. For example, by adopting a waveguide layer structure having a high refractive index layer narrower than the waveguide layer width on the optical waveguide, it becomes possible to make the aspect ratio of the output beam close to 1: 1.

【0124】光ピックアップの集光特性を向上させるた
め、ビーム成形プリズム等が不要になり、高い伝達効
率、優れた集光特性、低価格化が実現できた。さらに、
ビーム成形時に発生する散乱光のノイズが低減でき、ピ
ックアップの簡素化が実現できた。
In order to improve the light-collecting characteristics of the optical pickup, a beam shaping prism and the like are not required, and high transmission efficiency, excellent light-collecting characteristics, and low cost can be realized. further,
The noise of the scattered light generated during beam shaping can be reduced, and the pickup can be simplified.

【0125】(実施の形態8)本実施形態では、イオン
交換層を用いた別の光波長変換素子について説明する。
図13に示したように、非線形光学効果を有する結晶の
基板31の表面に、イオン交換層34と導波層33とが
形成されている。イオン交換層34は、上記と同様、プ
ロトン交換により形成しうるものであって基板31より
も高い屈折率を有する高屈折率層である。また、基板の
表面には、導波層33を周期的に横断するように分極反
転部32が形成されている。この基板31では、分極方
向と基板表面とが1°〜5°の角度を有しているため、
分極反転部32も基板表面とこの範囲の角度を有してい
る。
(Embodiment 8) In this embodiment, another optical wavelength conversion element using an ion exchange layer will be described.
As shown in FIG. 13, an ion exchange layer 34 and a waveguide layer 33 are formed on a surface of a crystal substrate 31 having a nonlinear optical effect. As described above, the ion exchange layer 34 can be formed by proton exchange and is a high refractive index layer having a higher refractive index than the substrate 31. Further, a domain-inverted portion 32 is formed on the surface of the substrate so as to periodically cross the waveguide layer 33. In this substrate 31, since the polarization direction and the substrate surface have an angle of 1 ° to 5 °,
The domain inversion section 32 also has an angle with the substrate surface in this range.

【0126】このような光波長変換素子において光導波
路内の分極反転部の深さと、波長変換効率との関係につ
いて調査した。図14に示したように、分極反転部の深
さは導波層33の幅の中央における、基板表面と分極反
転部32の上端との間の距離dにより示すこととする。
また。高屈折率層は、プロトン交換により形成した。分
極反転部の厚さは約2μm、導波層の厚さは約3μmと
した。なお基板31としては、分極方向が基板表面と約
3°傾いた、MgOをドープしたLiNbO3を用い
た。
In such an optical wavelength conversion element, the relationship between the depth of the domain-inverted portion in the optical waveguide and the wavelength conversion efficiency was investigated. As shown in FIG. 14, the depth of the domain-inverted portion is indicated by the distance d between the substrate surface and the upper end of the domain-inverted portion 32 at the center of the width of the waveguide layer 33.
Also. The high refractive index layer was formed by proton exchange. The thickness of the domain-inverted portion was about 2 μm, and the thickness of the waveguide layer was about 3 μm. The substrate 31 used was MgO-doped LiNbO 3 whose polarization direction was inclined about 3 ° with respect to the substrate surface.

【0127】その結果、d=0の場合と比較して、dが
0.2〜0.5μmのときの変換効率は、約2倍となっ
た。dを0.2〜0.3μmとすると変換効率はさらに
向上した。一方、d>1μmとすると変換効率はd=0
の場合とほぼ同じとなった。もっとも、dの好ましい範
囲は光導波路の深さに依存するため、dは光導波路の深
さに応じて光導波路と分極反転部とのオーバーラップが
大きくなるように定めることが好ましい。
As a result, as compared with the case where d = 0, the conversion efficiency when d was 0.2 to 0.5 μm was approximately doubled. When d was 0.2 to 0.3 μm, the conversion efficiency was further improved. On the other hand, if d> 1 μm, the conversion efficiency is d = 0.
It was almost the same as in the case of However, since the preferable range of d depends on the depth of the optical waveguide, it is preferable that d is determined so that the overlap between the optical waveguide and the domain-inverted portion increases according to the depth of the optical waveguide.

【0128】さらに、この光波長変換素子における光損
傷について調査した。上記調査において、dを好ましい
値とすると、変換効率は向上するものの光損傷強度が低
下する場合があったからである。光損傷は、分極反転部
が存在しない、光導波路の表面で生じたものと考えられ
る。そこで、dと高屈折率層の厚みDとの関係を調整し
たところ、D>dのときに光損傷が改善することが見出
された。一方D<dでは高屈折率層の効果は顕著には認
められなかった。これはプロトン交換層である高屈折率
層が、電気光学定数の劣化および電気伝導度の向上によ
り、光損傷の発生を抑制したためと考えられる。また、
高屈折率層を光導波路の表面に形成することにより導波
光のオーバーラップも大きくなり、変換効率も向上させ
ることができた。
Further, optical damage in the optical wavelength conversion device was investigated. This is because, in the above investigation, when d is a preferable value, the conversion efficiency is improved, but the optical damage intensity is sometimes reduced. It is considered that the optical damage occurred on the surface of the optical waveguide where no domain-inverted portion was present. Then, when the relationship between d and the thickness D of the high refractive index layer was adjusted, it was found that the optical damage was improved when D> d. On the other hand, when D <d, the effect of the high refractive index layer was not remarkably recognized. This is probably because the high refractive index layer, which is a proton exchange layer, suppressed the occurrence of optical damage due to the deterioration of the electro-optic constant and the improvement of the electric conductivity. Also,
By forming the high refractive index layer on the surface of the optical waveguide, the overlap of the guided light was increased, and the conversion efficiency was improved.

【0129】なお、高屈折率層は、図示したように、基
板表面全体に形成されていてもよいが、光導波路の表面
近傍の基板表面のみに形成されていても構わない。
The high refractive index layer may be formed on the entire substrate surface as shown in the figure, but may be formed only on the substrate surface near the surface of the optical waveguide.

【0130】以下、図示したように、基板表面に対して
一定の角度を有するように分極反転部を形成する方法に
ついて説明する。このような分極反転部は、結晶の分極
方向が表面に対して傾いている基板(例えば強誘電体結
晶基板(MgOをドープしたLiNbO3))を用い、
この結晶の表面に離間して配置した2つの電極間に絶縁
膜を配置して電圧を印加することにより、形成すること
ができる。
Hereinafter, a method for forming a domain-inverted portion so as to have a certain angle with respect to the substrate surface as shown in the figure will be described. Such a domain-inverted portion uses a substrate (for example, a ferroelectric crystal substrate (LiNbO 3 doped with MgO)) in which the polarization direction of the crystal is inclined with respect to the surface,
The crystal can be formed by arranging an insulating film between two electrodes spaced apart on the surface of the crystal and applying a voltage.

【0131】この場合、通常の分極反転部の形成方法に
従い、図15に示したように、基板191の表面に櫛形
電極192と棒状電極193とを形成し、両電極間に電
圧を印加して櫛形電極から分極反転部を伸長させる方法
を採用することもできる。しかし、分極反転部を均一に
かつ一定以上の深さに形成するためには、基板表面に形
成した絶縁膜195を利用することが好ましい。
In this case, a comb-shaped electrode 192 and a rod-shaped electrode 193 are formed on the surface of the substrate 191 and a voltage is applied between both electrodes as shown in FIG. A method of extending the domain-inverted portion from the comb-shaped electrode can also be employed. However, it is preferable to use the insulating film 195 formed on the substrate surface in order to form the domain-inverted portions uniformly and at a depth equal to or greater than a certain value.

【0132】その場合、図16〜図18に示す方法を採
用することができるが、図17および図18に示したよ
うに、棒状電極193を絶縁膜195の上に形成するこ
とが好ましい。このようにすれば部分極反転構造の均一
性を改善することができる。また、図17に示したよう
に分極反転の起点となる棒状電極192を絶縁膜195
により覆うことがさらに好ましい。
In this case, the method shown in FIGS. 16 to 18 can be employed, but it is preferable to form the rod-shaped electrode 193 on the insulating film 195 as shown in FIGS. By doing so, the uniformity of the partial pole reversal structure can be improved. Further, as shown in FIG. 17, the rod-shaped electrode 192 serving as a starting point of polarization inversion is
It is more preferable to cover with.

【0133】絶縁膜195としては、特に限定されない
が、例えばスパッタリング法により形成したSiO2
を用いることができる。図17に示したような方法を採
用する場合の膜厚は100nm未満では効果がほとんど
なく、200nm以上とすると、図19に示したように
均一で深い分極反転部194の形成が可能となる。しか
し、1μm以上堆積しても反転特性に大きな変化はな
く、これほどまでに厚くするのは生産効率上好ましくは
ない。従って、絶縁膜の膜厚は200nm〜1μmとす
ることが好ましい。
The insulating film 195 is not particularly limited. For example, an SiO 2 film formed by a sputtering method can be used. When the method as shown in FIG. 17 is adopted, there is almost no effect when the film thickness is less than 100 nm, and when it is 200 nm or more, a uniform and deep domain-inverted portion 194 can be formed as shown in FIG. However, there is no significant change in the reversal characteristics even when the thickness is 1 μm or more. Therefore, it is preferable that the thickness of the insulating film be 200 nm to 1 μm.

【0134】[0134]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
優れた集光特性を有する第2高調波出力が可能で、かつ
基本波と第2高調波とのオーバーラップを大きくした光
波長変換素子を提供することができる。特に、高屈折率
層を有する導波層構造において、イオン交換により高屈
折率層を形成することにより、高屈折率層の低損失化、
均一化の大幅な改善が可能となった。さらに、高次の導
波モードのサブピークの幅を光の回折限界以下に抑える
ことにより、出力される高次モードの高調波は超解像効
果を有し、集光特性が飛躍的に向上するため、その実用
効果は大きい。
As described above, according to the present invention,
It is possible to provide an optical wavelength conversion element capable of outputting a second harmonic having excellent light condensing characteristics and having a large overlap between a fundamental wave and a second harmonic. Particularly, in a waveguide layer structure having a high refractive index layer, by forming the high refractive index layer by ion exchange, the loss of the high refractive index layer can be reduced,
Significant improvement in uniformity has become possible. Further, by suppressing the width of the sub-peak of the higher-order guided mode to the diffraction limit of light or less, the output higher-order mode harmonics have a super-resolution effect, and the light-collecting characteristics are dramatically improved. Therefore, its practical effect is great.

【0135】また、屈折率の高い高屈折率層を、導波層
の幅より狭いストライプ構造にすることにより、導波層
の幅方向の閉じ込めも強くすることができ、これによっ
て、光波長変換素子の効率をさらに向上させることが可
能となった。
Further, by forming the high refractive index layer having a high refractive index into a stripe structure narrower than the width of the waveguide layer, the confinement of the waveguide layer in the width direction can be strengthened. The efficiency of the device can be further improved.

【0136】また、本発明の光発生装置によれば、出力
するビームの集光特性を大幅に向上させることができ
る。同時に、高い変換効率の光波長変換素子により高出
力の短波長光が得られるため、その実用効果は大きい。
また、高屈折率層により電界分布の制御が可能となり、
導波層を伝搬するモードプロファイルの制御性が向上す
る。これによって第2高調波出力の放射パターンのアス
ペクト比を1に近づけることが可能となり、光の利用効
率が大幅に向上するため、その実用効果は大きい。この
光発生装置は、例えば光ピックアップに好適である。
Further, according to the light generating device of the present invention, the light-collecting characteristics of the output beam can be greatly improved. At the same time, short wavelength light with high output can be obtained by the optical wavelength conversion element with high conversion efficiency, so that its practical effect is great.
In addition, the electric field distribution can be controlled by the high refractive index layer,
The controllability of the mode profile propagating in the waveguide layer is improved. As a result, the aspect ratio of the radiation pattern of the second harmonic output can be made close to 1, and the light use efficiency is greatly improved, so that the practical effect is large. This light generation device is suitable for an optical pickup, for example.

【0137】さらに、導波層と高屈折率層の形成に用い
る耐イオン交換性マスクを同じものとしてイオン交換す
ることにより、セルフアライメントによって導波層の表
面にストライプ状の高屈折率層を形成することができる
ため、その実用効果は大きい。
Further, by performing ion exchange using the same ion-exchange resistant mask used for forming the waveguide layer and the high refractive index layer, a stripe-like high refractive index layer is formed on the surface of the waveguide layer by self-alignment. Therefore, the practical effect is great.

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

【図1】 光導波路の断面図(a)と、光導波路内の基本
波とSHG波とのオーバラップを示す図(b)である。
FIG. 1A is a cross-sectional view of an optical waveguide, and FIG. 1B is a diagram showing an overlap between a fundamental wave and an SHG wave in the optical waveguide.

【図2】 光導波路の構造と導波モードの電界分布の関
係を示す図であり、クラッド層がない場合の電界分布図
(a)、高屈折率層が薄い場合の電界分布図(b)、高屈折
率層が適当な厚さを有する場合の電界分布図(c)、高屈
折率層が厚い場合の電界分布図(d)である。
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between the structure of an optical waveguide and an electric field distribution of a waveguide mode, and an electric field distribution diagram without a cladding layer.
(a), electric field distribution diagram when the high refractive index layer is thin (b), electric field distribution diagram when the high refractive index layer has an appropriate thickness (c), electric field distribution diagram when the high refractive index layer is thick (d).

【図3】 本発明の短波長光発生装置の構成例を示す断
面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a short-wavelength light generation device according to the present invention.

【図4】 出射ビームの集光スポットの強度分布図であ
り、TE00モードの集光スポット強度分布図(a)、T
E10モードの集光スポット強度分布図(b)である。
FIG. 4 is an intensity distribution diagram of a converging spot of an output beam, and FIG.
FIG. 7B is a focused spot intensity distribution diagram (b) of the E10 mode.

【図5】 本発明の光波長変換素子の構成例の斜視図
(a)と、この光波長変換素子の要部断面における導波モ
−ドの電界分布図(b)である。
FIG. 5 is a perspective view of a configuration example of an optical wavelength conversion element of the present invention.
FIG. 3A is an electric field distribution diagram of a waveguide mode in a cross section of a main part of the optical wavelength conversion element.

【図6】 光波長変換素子の導波モ−ドを説明する図
で、表面にスラブ状の高屈折率層を有する導波層のモ−
ド分布図(a)と、表面にストライプ状の高屈折率層を有
する導波層のモ−ド分布図(b)である。
FIG. 6 is a view for explaining the waveguide mode of the optical wavelength conversion element, and shows the mode of the waveguide layer having a slab-like high refractive index layer on the surface.
FIG. 3A is a mode distribution diagram and FIG. 3B is a mode distribution diagram of a waveguide layer having a stripe-like high refractive index layer on the surface.

【図7】 本発明の他の光波長変換素子の構成例を示す
斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration example of another optical wavelength conversion element of the present invention.

【図8】 光導波路幅と位相整合波長との関係を示す図
である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between an optical waveguide width and a phase matching wavelength.

【図9】 本発明の光波長変換素子の構成例を示す図
で、斜視図(a)および要部断面図(b)である。
FIG. 9 is a perspective view (a) and a cross-sectional view (b) of a main part of a configuration example of an optical wavelength conversion element of the present invention.

【図10】 本発明の光波長変換素子の製造工程を示す
図で、基板にパタ−ンを形成する工程(a)、第1のプロ
トン交換工程(b)、アニール工程(c)、第2のプロトン
交換工程(d)をそれぞれ示す図である。
FIG. 10 is a view showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion device of the present invention, wherein a process of forming a pattern on a substrate (a), a first proton exchange process (b), an annealing process (c), and a second process are performed. It is a figure which shows each proton exchange process (d).

【図11】 本発明の光導波路の構成例を示す斜視図で
ある。
FIG. 11 is a perspective view illustrating a configuration example of an optical waveguide of the present invention.

【図12】 本発明の光情報処理装置の構成例を示す斜
視図である。
FIG. 12 is a perspective view illustrating a configuration example of an optical information processing apparatus according to the present invention.

【図13】 本発明の光波長変換素子の構成例を示す斜
視図である。
FIG. 13 is a perspective view showing a configuration example of a light wavelength conversion element of the present invention.

【図14】 本発明の光波長変換素子の別の構成例を示
す要部断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view of a main part showing another configuration example of the optical wavelength conversion element of the present invention.

【図15】 分極反転部を形成するための一対の電極の
配置例を示す断面図である。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of arrangement of a pair of electrodes for forming a domain-inverted portion.

【図16】 分極反転部を形成するための一対の電極と
絶縁膜との位置関係を示す断面図である。
FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a positional relationship between a pair of electrodes and an insulating film for forming a domain-inverted portion.

【図17】 分極反転部を形成するための一対の電極と
絶縁膜との位置関係を示す断面図である。
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a positional relationship between a pair of electrodes and an insulating film for forming a domain-inverted portion.

【図18】 分極反転部を形成するための一対の電極と
絶縁膜との位置関係を示す断面図である。
FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a positional relationship between a pair of electrodes and an insulating film for forming a domain-inverted portion.

【図19】 図17に示した方法により形成された分極
反転部を示す断面図である。
FIG. 19 is a sectional view showing a domain-inverted portion formed by the method shown in FIG. 17;

【図20】 従来の光波長変換素子の構成を示す図であ
る。
FIG. 20 is a diagram showing a configuration of a conventional light wavelength conversion element.

【図21】 図20の光波長変換素子の要部断面を基本
波および高調波の電界分布とともに示す図である。
21 is a diagram illustrating a cross section of a main part of the optical wavelength conversion element in FIG. 20 together with electric field distributions of a fundamental wave and a harmonic.

【図22】 従来の他の光波長変換素子の構成を示す図
である。
FIG. 22 is a diagram illustrating a configuration of another conventional optical wavelength conversion element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

61 基板 62 導波層 63 高屈折率層 64 基本波 65 SHG波 71 半導体レーザ 72 光波長変換素子 72a 導波層 73,74 レンズ 76 LiNbO3基板(X板) 77 導波層 78 高屈折率層 79 分極反転部 95 LiNbO3基板 96 Ta膜 97 第1のプロトン交換部 98 第2のプロトン交換部 105 短波長光発生装置 106 ビームスプリッタ 107 レンズ 108 光ディスク 109 ディテクタReference Signs List 61 substrate 62 waveguide layer 63 high refractive index layer 64 fundamental wave 65 SHG wave 71 semiconductor laser 72 optical wavelength conversion element 72a waveguide layer 73, 74 lens 76 LiNbO 3 substrate (X plate) 77 waveguide layer 78 high refractive index layer 79 Polarization inversion part 95 LiNbO 3 substrate 96 Ta film 97 First proton exchange part 98 Second proton exchange part 105 Short wavelength light generator 106 Beam splitter 107 Lens 108 Optical disk 109 Detector

Claims (23)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 結晶基板と、前記結晶基板の表面に形成
された導波路と、前記導波路の表面に形成されたイオン
交換層とを含み、 前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい
屈折率と、前記導波路を伝播する基本波は前記イオン交
換層内を伝播できないが前記基本波の高調波は前記イオ
ン交換層内を伝播しうる厚さとを備えていることを特徴
とする光導波路。
1. A crystal substrate, a waveguide formed on a surface of the crystal substrate, and an ion exchange layer formed on a surface of the waveguide, wherein the ion exchange layer has a refractive index of the waveguide. And a thickness such that a fundamental wave propagating in the waveguide cannot propagate in the ion exchange layer but a harmonic of the fundamental wave can propagate in the ion exchange layer. An optical waveguide.
【請求項2】 前記イオン交換層の厚さが、前記高調波
の回折限界以下である請求項1に記載の光導波路。
2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the thickness of the ion exchange layer is equal to or less than a diffraction limit of the harmonic.
【請求項3】 前記イオン交換層の幅が、前記導波路の
幅よりも狭い請求項1に記載の光導波路。
3. The optical waveguide according to claim 1, wherein the width of the ion exchange layer is smaller than the width of the waveguide.
【請求項4】 基本モードの前記基本波と高次モードの
前記高調波とが前記導波路内において位相結合しうる請
求項1に記載の光導波路。
4. The optical waveguide according to claim 1, wherein the fundamental wave of a fundamental mode and the higher harmonic wave can be phase-coupled in the waveguide.
【請求項5】 前記イオン交換層の屈折率が、前記導波
路の屈折率の1.01倍よりも大きい請求項1に記載の
光導波路。
5. The optical waveguide according to claim 1, wherein a refractive index of the ion exchange layer is larger than 1.01 times a refractive index of the waveguide.
【請求項6】 前記導波路がイオン交換により形成され
た層であり、前記導波路のイオン交換率が前記イオン交
換層のイオン交換率の50%以下である請求項1に記載
の光導波路。
6. The optical waveguide according to claim 1, wherein the waveguide is a layer formed by ion exchange, and an ion exchange rate of the waveguide is 50% or less of an ion exchange rate of the ion exchange layer.
【請求項7】 前記結晶基板において、結晶の分極方向
と前記表面とが0.5°〜5°の角度をなす請求項1に
記載の光導波路。
7. The optical waveguide according to claim 1, wherein in the crystal substrate, the polarization direction of the crystal and the surface form an angle of 0.5 ° to 5 °.
【請求項8】 前記導波路の端部において、前記高屈折
率層の幅がテーパー状に狭められている請求項1に記載
の光導波路。
8. The optical waveguide according to claim 1, wherein a width of the high refractive index layer is tapered at an end of the waveguide.
【請求項9】 前記結晶基板が非線形光学効果を有する
請求項1に記載の光導波路。
9. The optical waveguide according to claim 1, wherein the crystal substrate has a nonlinear optical effect.
【請求項10】 結晶基板と、前記結晶基板の表面に形
成された導波路と、前記導波路の表面に形成され、前記
導波路よりも屈折率が高い高屈折率層とを含み、 前記高屈折率層が、前記導波路を伝播する基本波は前記
高屈折率層内を伝播できないが前記基本波の高調波は前
記高屈折率層内を伝播しうる厚さを備えていることを特
徴とする光導波路。
10. A crystal substrate, a waveguide formed on the surface of the crystal substrate, and a high refractive index layer formed on the surface of the waveguide and having a higher refractive index than the waveguide, The refractive index layer has a thickness such that a fundamental wave propagating in the waveguide cannot propagate in the high refractive index layer, but a harmonic of the fundamental wave can propagate in the high refractive index layer. An optical waveguide.
【請求項11】 結晶基板と、前記結晶基板の表面に形
成された導波路と、前記導波路の表面に形成されたイオ
ン交換層とを含み、 前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい
屈折率と、前記導波路の幅よりも狭い幅と、前記導波路
の深さの半分以下の深さとを備えていることを特徴とす
る光導波路。
11. A crystal substrate, comprising: a waveguide formed on a surface of the crystal substrate; and an ion exchange layer formed on a surface of the waveguide, wherein the ion exchange layer has a refractive index of the waveguide. An optical waveguide, comprising: a refractive index larger than the optical waveguide, a width smaller than the width of the waveguide, and a depth equal to or less than half the depth of the waveguide.
【請求項12】 結晶基板の表面に線条の非マスク部分
が確保されるように耐イオン交換マスクを形成する工程
と、前記表面の非マスク部分を通じてイオン交換するこ
とにより前記結晶基板内に第1のイオン交換部を形成す
る工程と、前記基板を熱処理することにより前記第1の
イオン交換部を拡張して導波路とする工程と、前記非マ
スク部分を通じてイオン交換することにより前記導波路
内に前記導波路よりも屈折率が高い第2のイオン交換部
を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
12. A step of forming an ion-exchange resistant mask so that a non-masked portion of a line is secured on the surface of the crystal substrate, and ion-exchanged through the non-masked portion of the surface to form a second ion-exchange mask in the crystal substrate. A step of forming the first ion-exchange section, a step of expanding the first ion-exchange section into a waveguide by heat-treating the substrate, and a step of ion-exchanging through the non-mask portion to form the inside of the waveguide. Forming a second ion exchange portion having a higher refractive index than the waveguide.
【請求項13】 請求項1〜11のいずれかに記載の光
導波路を含み、さらに前記導波路を周期的に横断するよ
うに形成された2以上の分極反転部を含むことを特徴と
する光波長変換素子。
13. A light comprising: the optical waveguide according to claim 1; and two or more domain-inverted portions formed so as to periodically cross the waveguide. Wavelength conversion element.
【請求項14】 非線形光学効果を有する結晶と、前記
結晶の表面に形成された導波路と、前記導波路を周期的
に横断するように形成された2以上の分極反転部と、前
記導波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、 前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい
屈折率と、前記導波路を伝播する基本波は前記イオン交
換層を伝播できないが前記基本波の高調波は伝播しうる
厚さとを備えていることを特徴とする光波長変換素子。
14. A crystal having a non-linear optical effect, a waveguide formed on a surface of the crystal, two or more domain-inverted portions formed so as to periodically cross the waveguide, and the waveguide. An ion exchange layer formed on the surface of the, the ion exchange layer has a refractive index larger than the refractive index of the waveguide, the fundamental wave propagating in the waveguide can not propagate in the ion exchange layer, but the An optical wavelength conversion element, wherein a harmonic of a fundamental wave has a thickness capable of propagating.
【請求項15】 非線形光学効果を有する結晶と、前記
結晶の表面に形成された導波路と、前記導波路を周期的
に横断するように形成された2以上の分極反転部と、前
記導波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、 前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい
屈折率と、前記導波路の幅よりも狭い幅と、前記導波路
の深さの半分以下の深さとを備えていることを特徴とす
る光波長変換素子。
15. A crystal having a non-linear optical effect, a waveguide formed on a surface of the crystal, two or more domain-inverted portions formed so as to periodically cross the waveguide, and the waveguide. An ion exchange layer formed on the surface of the waveguide, wherein the ion exchange layer has a refractive index larger than the refractive index of the waveguide, a width smaller than the width of the waveguide, and a depth of the waveguide. An optical wavelength conversion element having a depth of less than half.
【請求項16】 前記分極反転部が、前記導波路には形
成されているが前記イオン交換層には形成されていない
請求項14または15に記載の光波長変換素子。
16. The optical wavelength conversion device according to claim 14, wherein the domain-inverted portion is formed in the waveguide but is not formed in the ion exchange layer.
【請求項17】 前記イオン交換層の深さが、前記導波
路の幅中央における前記結晶の表面から前記分極反転部
の上端までの深さよりも深い請求項14または15に記
載の光波長変換素子。
17. The optical wavelength conversion element according to claim 14, wherein a depth of the ion exchange layer is deeper than a depth from a surface of the crystal at a center of a width of the waveguide to an upper end of the domain-inverted portion. .
【請求項18】 非線形光学効果を有する結晶と、前記
結晶の表面に形成された導波路と、前記導波路を周期的
に横断するように形成された2以上の分極反転部と、前
記導波路の表面に形成され、前記導波路よりも屈折率が
高い高屈折率層とを含み、 前記高屈折率層が、前記導波路を伝播する基本波は前記
高屈折率層内を伝播できないが前記基本波の高調波は前
記高屈折率層内を伝播しうる厚さとを備えていることを
特徴とする光波長変換素子。
18. A crystal having a non-linear optical effect, a waveguide formed on a surface of the crystal, two or more domain-inverted portions formed so as to periodically cross the waveguide, and the waveguide. A high-refractive-index layer having a higher refractive index than the waveguide, the fundamental wave propagating through the waveguide cannot propagate through the high-refractive-index layer, An optical wavelength conversion element, wherein a harmonic of a fundamental wave has a thickness capable of propagating in the high refractive index layer.
【請求項19】 前記分極反転部が、前記導波路には形
成されているが前記高屈折率層には形成されていない請
求項18に記載の光波長変換素子。
19. The optical wavelength conversion device according to claim 18, wherein the domain-inverted portion is formed in the waveguide but is not formed in the high refractive index layer.
【請求項20】 請求項13〜19のいずれかに記載の
光波長変換素子と半導体レーザとを含み、前記半導体レ
ーザから出射された光を前記光波長変換素子により波長
変換することを特徴とする光発生装置。
20. An optical wavelength conversion device according to claim 13 and a semiconductor laser, wherein light emitted from said semiconductor laser is wavelength-converted by said optical wavelength conversion device. Light generator.
【請求項21】 0.8λ以下のサブピークを含む高次
モードの高調波へと波長変換する請求項20に記載の光
発生装置。ただし、λは前記高調波の波長である。
21. The light generator according to claim 20, wherein wavelength conversion is performed to a higher-order mode harmonic including a subpeak of 0.8λ or less. Here, λ is the wavelength of the harmonic.
【請求項22】 波長変換された高調波を集光する集光
光学系を含み、前記集光光学系の開口数NAと、前記イ
オン交換層または前記高屈折率層の厚さLDとが、下記
関係式を満たす請求項20に記載の光発生装置。 LD<0.8λ/NA ただし、λは前記高調波の波長である。
22. A light-collecting optical system that collects wavelength-converted harmonics, wherein the numerical aperture NA of the light-collecting optical system and the thickness LD of the ion exchange layer or the high refractive index layer are: The light generator according to claim 20, wherein the following relational expression is satisfied. LD <0.8λ / NA where λ is the wavelength of the harmonic.
【請求項23】 請求項20に記載の光発生装置と集光
光学系と記録メディアとを含む光ピックアップであっ
て、前記光発生装置から出射された光を前記集光光学系
により前記記録メディア上に集光することを特徴とする
光ピックアップ。
23. An optical pickup including the light generating device according to claim 20, a light collecting optical system, and a recording medium, wherein the light emitted from the light generating device is recorded on the recording medium by the light collecting optical system. An optical pickup characterized by focusing light on the top.
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