JPH1195270A - 光波長変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザから発せられたレーザビーム
を、周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長
変換素子により波長変換する装置において、狭帯域バン
ドパスフィルターを利用して、半導体レーザの発振波長
をドメイン反転部の周期と位相整合する波長に正確にロ
ックし、また、装置を小型化する。 【解決手段】 半導体レーザ10から発生せられて光波長
変換素子15に入射するレーザビーム11とは反対側に出射
するレーザビーム11Ｒを、反射型狭帯域ＢＰＦ30で反射
させて半導体レーザ10にフィードバックさせる。この反
射型狭帯域ＢＰＦ30は、半導体レーザ後方端面10ａから
１６μｍ以内の距離に反射面が位置するように配する。
そして、上記反射型狭帯域ＢＰＦ30の温度を変化させる
ペルチェ素子35等の手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基本波を第２高調
波等に変換する光導波路型の光波長変換素子、特に詳細
には、光導波路基板として強誘電体結晶基板を用い、光
導波路に周期ドメイン反転構造を形成してなる光波長変
換素子を利用して、半導体レーザから発せられたレーザ
ビームを波長変換する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】非線形光学効果を有する強誘電体の自発
分極（ドメイン）を周期的に反転させた領域を設けた光
波長変換素子を用いて、基本波を第２高調波に波長変換
する方法が既にＢleombergenらによって提案されている
（Ｐhys.Ｒev.,vol.127,Ｎo.６，1918（1962）参照）。
この方法においては、ドメイン反転部の周期Λを、 Λｃ＝２π／｛β（２ω）−２β（ω）｝ ただしβ（２ω）は第２高調波の伝搬定数 β（ω）は基本波の伝搬定数 で与えられるコヒーレント長Λｃの整数倍になるように
設定することで、基本波と第２高調波との位相整合（い
わゆる疑似位相整合）を取ることができる。

【０００３】そして、例えば特開平７−１５２０５５号
に示されるように、非線形光学材料からなる光導波路を
有し、そこを導波させた基本波を波長変換する光導波路
型の光波長変換素子において、上述のような周期ドメイ
ン反転構造を形成して、効率良く位相整合を取る試みも
なされている。

【０００４】ところで、上記の周期ドメイン反転構造を
有する光導波路型の光波長変換素子は、半導体レーザか
ら発せられたレーザビームを波長変換するためにも多く
用いられている。その場合、半導体レーザの発振波長
が、ドメイン反転部の周期Λと位相整合する波長と一致
していないと、波長変換効率は著しく低いものとなり、
実用性のある短波長光源を得ることは困難となる。

【０００５】このような事情に鑑み、例えば特願平９−
１５５１００号明細書に示されているように、半導体レ
ーザの後方端面、つまり光波長変換素子に入射させるレ
ーザビームが出射する前方端面とは反対側の端面から出
射した後方出射光を狭帯域のバンドパスフィルター（以
下、ＢＰＦと称する）を通してミラーで反射させて半導
体レーザにフィードバックし、半導体レーザの発振波長
を所望値に調整、ロックすることが提案されている。

【０００６】以下、この光波長変換装置について図１０
を参照して説明する。図示のようにこの光波長変換装置
は、半導体レーザ（レーザダイオード）10と、この半導
体レーザ10の前方端面に直接結合された光波長変換素子
15とを有している。

【０００７】光波長変換素子15は、非線形光学効果を有
する強誘電体結晶の基板16に、その自発分極の向きを反
転させたドメイン反転部が周期的に形成されてなる周期
ドメイン反転構造17と、この周期ドメイン反転構造17に
沿って延びるチャンネル光導波路18とが形成されてなる
ものである。半導体レーザ10の前方端面から出射したレ
ーザビーム11は、光波長変換素子15により第２高調波19
に変換される。

【０００８】また半導体レーザ10からは、後方側つまり
図中の左方側にもレーザビーム11Ｒが出射する。一般に
後方出射光と称されるこのレーザビーム11Ｒは、発散光
として半導体レーザ10から出射し、コリメーターレンズ
21によって平行光化された後、狭帯域ＢＰＦ22を透過
し、集光レンズ23により集光されて収束する。この収束
位置に配されたミラー24において反射したレーザビーム
11Ｒは、そこまでの光路と逆向きの光路を辿って、ほぼ
全量が半導体レーザ10にフィードバックされる。

【０００９】この構成において、ＢＰＦ22を図中の矢印
Ａ方向に回転させることにより、所定波長のレーザビー
ム11Ｒのみを半導体レーザ10にフィードバックさせるこ
とができる。こうして、所定波長のレーザビーム11Ｒの
みが半導体レーザ10にフィードバックされれば、半導体
レーザ10がこの波長で発振する。そこで、ＢＰＦ22を適
宜回転させることにより、半導体レーザ10の発振波長を
周期ドメイン反転構造17の周期Λと位相整合する所望波
長に選択、ロックすることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしこの従来装置に
おいては、半導体レーザの発振波長をロックするための
光学系が大きくなりがちで、そのため、装置の小型化が
難しいという問題が認められている。すなわち、一般に
半導体レーザの長さは０．５〜１ｍｍ、周期ドメイン反
転構造を有する光導波路型光波長変換素子の長さは５〜
１０ｍｍ程度であるのに対し、上記波長ロック光学系は
ＢＰＦを通過するレーザビームを平行光化するためにレ
ンズが２枚必要であることから通常３０〜５０ｍｍ程度
の長さとなる。そして容積の点では、半導体レーザを含
む光波長変換装置全体の容積の５０％以上を、波長ロッ
ク光学系が占めるようになる。

【００１１】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、半導体レーザから発せられたレーザビームを、
周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長変換
素子により波長変換する装置において、ＢＰＦを利用し
て半導体レーザの発振波長をドメイン反転部の周期と位
相整合する波長に正確にロック可能とし、その上で装置
を小型化することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による光波長変換
装置は、前述したように周期ドメイン反転構造を有する
光導波路型の光波長変換素子と、基本波としてこの光波
長変換素子に入射されるレーザビームを発する半導体レ
ーザとからなる光波長変換装置において、半導体レーザ
の後方端面から出射する後方出射光を反射させて半導体
レーザにフィードバックさせる反射型狭帯域ＢＰＦが設
けられ、そしてこの反射型狭帯域ＢＰＦは、半導体レー
ザの後方端面から１６μｍ以内の距離に反射面が位置す
るように配され、そして、上記反射型狭帯域ＢＰＦの温
度を変化させる手段が設けられたことを特徴とするもの
である。

【００１３】

【発明の効果】反射型狭帯域ＢＰＦは、基板上に金属ミ
ラー膜あるいは誘電体多層反射膜を形成し、その上に誘
電体多層ＢＰＦ膜を形成してなるものである。このよう
な反射型狭帯域ＢＰＦにより半導体レーザーの後方出射
光を反射させて半導体レーザにフィードバックさせれ
ば、原理的には、従来装置におけるのと同様に半導体レ
ーザの発振波長を所望値にロックできるはずであるが、
そのようにしても発振波長をロックできないことがあ
る。

【００１４】本発明者の研究によると、これは、半導体
レーザから出射するレーザビームが（後方出射光も）大
きな拡がり角を有することに関連していることが分かっ
た。すなわち、半導体レーザから出射する後方出射光が
大きく拡がってから反射型狭帯域ＢＰＦで反射すると、
反射して半導体レーザに戻る光のビームサイズが半導体
レーザの発光点のサイズを大きく上回ってしまう。そう
であると、戻り光と半導体レーザとの結合効率が著しく
低くなって光フィードバックの効果が十分に得られず、
発振波長のロックが不可能になるのである。

【００１５】図７は、波長変換に供されることが多い、
発振波長が980 ｎｍ近辺の半導体レーザについて、半導
体レーザの後方端面と反射型狭帯域ＢＰＦの反射面との
距離を変え、上記結合効率をこの距離毎に測定した結果
を示すものである。また図８は、同じ結果を、結合効率
が比較的低い範囲について詳しく示すものである。

【００１６】これらの図に示されている通り、半導体レ
ーザの後方端面と反射型狭帯域ＢＰＦの反射面との距離
が長くなるのに従って、戻り光と半導体レーザとの結合
効率は急激に低下する。

【００１７】しかしここで、本発明者の研究によれば、
戻り光と半導体レーザとの結合効率が一般に１％以上で
あれば発振波長のロックが可能になり、また、５％以上
であれば発振波長のロックは高度に安定することが分か
った。そこで本発明においては、図８から分かるよう
に、半導体レーザの後方端面と反射型狭帯域ＢＰＦの反
射面との距離を、上記結合効率が１％以上となる１６μ
ｍ以内とし、さらに望ましくは、上記結合効率が５％以
上となる１０μｍ以内とするものである。

【００１８】以上のように反射型狭帯域ＢＰＦを、半導
体レーザに対して間にレンズ光学系を置くことなく近接
配置すれば、光波長変換装置を著しく小型化することが
できる。

【００１９】また、上記のレンズ光学系が不要となるこ
とから、本発明の光波長変換装置は従来装置と比べてよ
り安価に形成可能となる。

【００２０】なお、反射型狭帯域ＢＰＦと半導体レーザ
とを上述のように近接配置すると、反射型狭帯域ＢＰＦ
は回転不可能であるので、従来装置のようにＢＰＦの回
転によって発振波長を調整する手法はとれない。しかし
反射型狭帯域ＢＰＦの反射中心波長はその温度に応じて
変化するので、本発明装置においてはこの温度を変化さ
せることにより、発振波長を調整することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に
よる光波長変換装置を示すものである。図示されるよう
にこの光波長変換装置は、半導体レーザ（レーザダイオ
ード）10と、この半導体レーザ10の前方端面10ｂから発
散光状態で出射したレーザビーム11を平行光化するコリ
メーターレンズ12と、平行光化されたレーザビーム11を
収束させる集光レンズ13と、これらのレンズ12および13
の間に配された偏光制御用のλ／２板14と、光波長変換
素子15とを有している。

【００２２】また半導体レーザ10の後方端面10ａに近接
した位置には、反射型狭帯域ＢＰＦ30が配設されてい
る。そしてこの反射型狭帯域ＢＰＦ30には、その温度を
変化させるペルチェ素子35が固定されている。

【００２３】光波長変換素子15は、図２にその斜視形状
を示す通り、非線形光学効果を有する強誘電体であるＭ
ｇＯ−ＬＮ（ＭｇＯがドープされたＬｉＮＯｂ₃ ）結晶
のｚカット基板16に、そのｚ軸と平行な自発分極の向き
を反転させたドメイン反転部が周期的に形成されてなる
周期ドメイン反転構造17と、この周期ドメイン反転構造
17に沿って延びるチャンネル光導波路18とが形成されて
なるものである。

【００２４】ＭｇＯ−ＬＮ結晶基板16は、例えばＭｇＯ
が５ mol％ドープされたものである。また周期ドメイン
反転構造17は、基板16のｘ軸方向にドメイン反転部が並
ぶように形成され、その周期Λは、ＭｇＯ−ＬＮの屈折
率の波長分散を考慮し、９８０ｎｍ近辺の波長に対して
１次の周期となるように５．３ μｍとされている。ま
た本例において、周期ドメイン反転構造17の長さ（図２
中のａ寸法）は10ｍｍである。このような周期ドメイン
反転構造17は、例えば特開平６−２４２４７８号に示さ
れる種々の方法によって形成することができる。

【００２５】一方チャンネル光導波路18は、周期ドメイ
ン反転構造17を形成した後、基板16の＋ｚ面上に公知の
フォトリソグラフィーとドライエッチングにより金属マ
スクパターンを形成し、この基板16をピロリン酸中に浸
漬してプロトン交換処理を行ない、マスクを除去した後
にアニール処理する、等の方法によって作製することが
できる。その後このチャンネル光導波路18の両端面18
ａ、18ｂをエッジ研磨すると、光波長変換素子15が完成
する。

【００２６】なお上記プロトン交換処理は、例えば温度
を170 ℃とし、プロトン交換時間を68分としてなされ
る。一方アニール処理は、例えばアニール温度を350 〜
370 ℃とし、アニール時間を１〜２時間としてなされ
る。またチャンネル光導波路18の幅（図２中のｂ寸法）
は例えば６〜９μｍとされる。

【００２７】半導体レーザ10としては、一例として波長
が980 ｎｍ近辺のレーザビーム11を発するものが用いら
れている。このレーザビーム11は、コリメーターレンズ
12によって平行光化された後、λ／２板14でチャンネル
光導波路18のｚ軸方向に偏光方向が合わせられ、集光レ
ンズ13により集光されてチャンネル光導波路18の端面18
ａにおいて収束する。それによりレーザビーム11はチャ
ンネル光導波路18内に入射し、そこを導波する。

【００２８】ＴＭ導波モードで進行する基本波としての
レーザビーム11は、チャンネル光導波路18中の周期ドメ
イン反転領域で位相整合（いわゆる疑似位相整合）し
て、波長が490 ｎｍの第２高調波19に波長変換される。
この第２高調波19もチャンネル光導波路18を導波モード
で伝搬し、光導波路端面18ｂから出射する。

【００２９】一方、半導体レーザ10の後方端面10ａから
は、前述したように後方出射光と称されるレーザビーム
11Ｒが出射する。このレーザビーム11Ｒは反射型狭帯域
ＢＰＦ30において反射し、そこまでの光路と逆向きの光
路を辿って半導体レーザ10にフィードバックされる。

【００３０】この反射型狭帯域ＢＰＦ30は図３に示す通
り、例えばガラス基板31上に金属ミラー膜32、誘電体多
層ＢＰＦ膜33がこの順に形成されてなるものである。な
お、金属ミラー膜32の代わりに誘電体多層反射膜を有す
るような、その他の公知の反射型狭帯域ＢＰＦを用いる
ことも可能である。

【００３１】上記反射型狭帯域ＢＰＦ30は、所定波長の
レーザビーム11Ｒのみを反射させる。こうして、所定波
長のレーザビーム11Ｒのみが半導体レーザ10にフィード
バックされれば、半導体レーザ10がこの波長で発振す
る。そして反射型狭帯域ＢＰＦ30の反射中心波長はその
温度に応じて変化するので、ペルチェ素子35によって反
射型狭帯域ＢＰＦ30の温度を適宜変化させることによ
り、半導体レーザ10の発振波長を周期ドメイン反転構造
17の周期Λと位相整合する所望波長に選択、ロックする
ことができる。

【００３２】なおこの場合、半導体レーザ10の前方端面
10ｂと反射型狭帯域ＢＰＦ30の金属ミラー膜32とによ
り、該半導体レーザ10の外部共振器が構成される。

【００３３】ここで反射型狭帯域ＢＰＦ30は、その金属
ミラー膜32が、半導体レーザ10の後方端面10ａから１μ
ｍ離れて位置するように配されている。そのために本装
置においては、半導体レーザ10に戻るレーザビーム11Ｒ
と該半導体レーザ10との結合効率が６３％に達し、光フ
ィードバックによる発振波長ロックの効果が良好に得ら
れるものとなっている。以下、その点について詳しく説
明する。

【００３４】図４は、半導体レーザ10から出射するレー
ザビーム11Ｒの拡がりの様子を示すものであり、
（１）、（２）および（３）にそれぞれ平面形状、側面
形状および正面形状を示してある。なお図中10Ｓ、10Ｐ
はそれぞれ半導体レーザ10の導波路ストライプ、発光点
を示している。

【００３５】ここで用いられているような発振波長が98
0 ｎｍ近辺の半導体レーザ10は、３μｍ×１μｍ程度の
サイズの発光点10Ｐを有する。そして、そこから発せら
れたレーザビーム11Ｒが例えば２μｍの距離伝搬したと
き、その３μｍのビーム径は３．１１μｍに拡がり、１
μｍのビーム径は２．７μｍに拡がる。

【００３６】したがって、上述のように反射型狭帯域Ｂ
ＰＦ30の金属ミラー膜32と半導体レーザ後方端面10ａと
の距離が１μｍであって、レーザビーム11Ｒが往復で２
μｍ伝搬すると、このレーザビーム11Ｒは半導体レーザ
後方端面10ａに３．１１μｍ×２．７μｍのビームサイ
ズとなって戻って来る。図５および６は、このビームサ
イズを説明するものであり、図５が平面形状を、図６が
正面形状をそれぞれ示している。

【００３７】このように戻り光のビームサイズ（図６中
に10Ｑで示す）と発光点10Ｐのサイズとが異なると、レ
ーザビーム11Ｒと半導体レーザ10との結合効率が低下す
る。先に説明した図７および８は、本実施形態に用いら
れた半導体レーザ10および反射型狭帯域ＢＰＦ30につい
て、上記結合効率を、半導体レーザ後方端面と反射型狭
帯域ＢＰＦの反射面との距離毎に測定した結果を示すも
のである。これらの図より、上記距離が大きくなるほ
ど、つまり戻り光ビームサイズと発光点サイズとが大き
く異なるほど、結合効率が低下することが分かる。

【００３８】本実施形態においては、反射型狭帯域ＢＰ
Ｆ30の金属ミラー膜32と半導体レーザ後方端面10ａとの
距離を１μｍと小さく設定したことにより、図７に示さ
れる通り結合効率は６３％と十分に確保され、前述した
光フィードバックによる発振波長ロックの効果が良好に
得られる。

【００３９】なお、反射型狭帯域ＢＰＦ30の金属ミラー
膜32と半導体レーザ後方端面10ａとの距離を例えば１０
μｍに設定した場合、３μｍ×１μｍの発光点10Ｐに対
して、戻り光ビームサイズは８．８μｍ×２５μｍとな
る。このときの結合効率は４．８％となり、その場合も
発振波長ロックの効果は確保される。

【００４０】前述したように、この結合効率が１％以上
であれば発振波長のロックが可能であるので、本発明に
おいては、図８から分かるように、この半導体レーザの
後方端面と反射型狭帯域ＢＰＦの反射面との距離を１６
μｍ以内に設定するものである。

【００４１】次に図９を参照して、本発明の第２の実施
形態について説明する。この図９の光波長変換装置は、
図１のものと比較すると、半導体レーザ10が光波長変換
素子41の光入射端面に直接結合されている点が異なるも
のである。このような構成の光波長変換素子は、光学部
品が少ないので小型軽量に形成でき、また、光学部品の
軸ズレが少ないので光学的な安定性が高いものとなる。

【００４２】上記のように半導体レーザ10を光波長変換
素子41の光入射端面に直接結合させる場合は、それら両
者の間に、図１のλ／２板14等の偏光制御素子を設ける
ことはできない。そのため、図１の装置と同様にｚカッ
トの基板を用いて光波長変換素子を構成し、ＴＭモード
導波を採用しようとするならば、レーザビーム11の偏光
方向をチャンネル光導波路18のｚ軸方向に合わせるため
に、例えば半導体レーザ10を図１の状態から90°回転さ
せて配置することが必要である。しかし、そのようにす
ると、半導体レーザ10とチャンネル光導波路18における
レーザビームパターンが異なるようになり、それら両者
間での光結合効率が悪くなる。

【００４３】このような事情があるので、半導体レーザ
10を光波長変換素子の光入射端面に直接結合させる場合
は、レーザビーム11の偏光方向を90°回転させる必要が
ないＴＥモード導波型の光波長変換素子を用いる方が、
半導体レーザ10とチャンネル光導波路18との間の光結合
効率を高く保つ上で有利である。そこで本実施形態で
は、ｚ軸の向きが基板表面に対して水平なｘカットのＭ
ｇＯ−ＬＮ結晶基板40を用いて、ＴＥモード導波型の光
波長変換素子41を構成している。

【００４４】なお、ｘカットのＭｇＯ−ＬＮ結晶基板40
の代わりに、同様にｚ軸の向きが基板表面に対して水平
となるｙカットの基板を用いても、ＴＥモード導波型の
光波長変換素子を得ることができる。さらには、本出願
人による特願平８−４７５９１号の明細書に示されるよ
うに、自発分極の向きが基板表面に対して垂直とならな
いようにカットされた基板を用い、該基板に直接電場を
印加して周期ドメイン反転構造を形成することにより、
ＴＥモード導波型の光波長変換素子を得ることもでき
る。

【００４５】なお以上説明した各実施形態は、ペルチェ
素子35によって反射型狭帯域ＢＰＦ30のみの温度を変化
させるように構成されているが、反射型狭帯域ＢＰＦに
加えて半導体レーザおよび光波長変換素子を共通のペル
チェ素子によって温度調節するようにしても構わない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態による光波長変換装置を
示す概略側面図

【図２】図１の光波長変換装置に用いられた光波長変換
素子の斜視図

【図３】図１の光波長変換装置に用いられた反射型狭帯
域ＢＰＦの概略側面図

【図４】図１の光波長変換装置に用いられた半導体レー
ザの後方出射光の拡がりを説明する概略図

【図５】図１の光波長変換装置の要部を拡大して示す平
面図

【図６】図１の光波長変換装置の要部を拡大して示す正
面図

【図７】反射型狭帯域バンドパスフィルターの反射面と
半導体レーザ間の距離と、フィードバックされる後方出
射光と半導体レーザの結合効率との関係を示すグラフ

【図８】図７に示された関係の一部を詳しく示すグラフ

【図９】本発明の第２実施形態による光波長変換装置を
示す概略側面図

【図１０】従来の光波長変換装置を示す概略側面図

【符号の説明】

10 半導体レーザ 11 レーザビーム（基本波） 12 コリメーターレンズ 13 集光レンズ 14 λ／２板 15 光波長変換素子 16 ｚカットＭｇＯ−ＬＮ結晶基板 17 周期ドメイン反転構造 18 チャンネル光導波路 19 第２高調波 21 コリメーターレンズ 22 狭帯域バンドパスフィルター 23 集光レンズ 24 ミラー 30 反射型狭帯域ＢＰＦ 35 ペルチェ素子 40 ｘカットＭｇＯ−ＬＮ結晶基板 41 光波長変換素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非線形光学効果を有する強誘電体結晶基
   板に光導波路が形成されるとともに、この光導波路に基
   板の自発分極の向きを反転させたドメイン反転部が周期
   的に形成されてなり、該光導波路においてドメイン反転
   部の並び方向に導波する基本波を波長変換する光波長変
   換素子と、 前記基本波としてこの光波長変換素子に入射されるレー
   ザビームを前方端面から発する半導体レーザと、 この半導体レーザの後方端面から１６μｍ以内の距離に
   反射面が位置するように配され、該後方端面から出射す
   る後方出射光を反射させて前記半導体レーザにフィード
   バックさせる反射型狭帯域バンドパスフィルターと、 この反射型狭帯域バンドパスフィルターの温度を変化さ
   せる手段とからなる光波長変換装置。
2. 【請求項２】 前記反射型狭帯域バンドパスフィルター
   が、前記半導体レーザの後方端面から１０μｍ以内の距
   離に反射面が位置するように配されていることを特徴と
   する請求項１記載の光波長変換装置。