JPWO2004025363A1 - 波長変換モジュール - Google Patents

Abstract

本発明の波長変換モジュールは、外部共振器と、半導体レーザモジュールと、この半導体レーザモジュールからの出射光の波長を出射光よりも短い波長に変換する波長変換デバイスを有する波長変換モジュールである。この波長変換デバイスとしては、和周波（ＳＦＧ）と第２高調波（ＳＨＧ）を発生させる非線形結晶の少なくとも一方からなるようにすることができる。また、波長変換デバイスの和周波（ＳＦＧ）発生素子及び第２高調波（ＳＨＧ）発生素子は、リッジ型光導波路構造でかつ周期分極反転をする場合や、プロトン交換型光導波路構造でかつ周期分極反転をしている場合が考えられる。

Description

本発明は、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）及びＳＦＧ（Ｓｕｍ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）レーザモジュールの出射光強度を安定化させることに関する。

ＧａＡｓ系半導体レーザの出射光は波長１μｍ前後から６００ｎｍ台をカバーし、ＧａＮ系半導体レーザは主用途を次世代ＤＶＤ用光源として出射光の波長を４０５ｎｍで開発が進められている。これらの谷間にあたる４００〜６００ｎｍ帯のレーザとしては、例えば「Ａｒレーザ（４８８ｎｍ／５１５ｎｍ）」や「ＹＡＧ／ＹＬＦとＳＨＧ（５３２ｎｍ）」という組み合わせが主流である。
「ＹＡＧ／ＹＬＦとＳＨＧ（５３２ｎｍ）」は大出力用途（Ｗ級）として、Ｓｉ基板等へのマーカ、ＴＦＴ液晶のトリミングやリペアの市場が急速に拡大している。特にマーカはモバイル機器実装においてＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）の需要が拡大しているため、特に、ＹＡＧと組み合わせたＳＨＧレーザモジュールの適用が活発化している。
また、トリミング、リペア分野では、ＴＦＴ液晶の表示欠陥を修復するリペア需要がＴＦＴ液晶増産を背景に急進している。
一方、低出力用途としては、計測機器、印刷機器、ＤＮＡ分析等に応用されている。
青色（発振波長４７３ｎｍ）又は緑色（発振波長５３２ｎｍ）用のＳＨＧレーザモジュールの従来構造を図４に示す（例えばレーザ研究 １９９８年１２月Ｐ８６１−Ｐ８６６参照。）。
青色波長変換用ＳＨＧレーザモジュール２５は、レーザ結晶としてＹＡＧ結晶２１を、励起光源には発光幅５０μｍ、最大出力５００ｍＷのワイドストライプ型半導体レーザ素子５を用いる。
前記半導体レーザ素子５から出射された半導体レーザ光をレンズ２０を介してＹＡＧ結晶２１内に集光し、該ＹＡＧ結晶２１から波長９４６ｎｍの基本波をレーザ発振させる。ついでＳＨＧデバイス２２（ＰＰＭＧＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ＭｇＯ−ＬｉＮｄＯ_３ ｃｒｙｓｔａｌ）によって波長を変換し、波長４７３ｎｍの青色波長変換光を発生させ、エタロン２３、ミラー２４を経て出射される。
しかし、前述した従来技術では、基本波をレーザ発振させる時にＹＡＧ結晶２１が発熱してしまい、その結果、ＹＡＧ結晶２１から出射される波長が設定波長からシフトするという問題があった。波長がシフトするとＳＨＧレーザモジュールの出力が不安定になる。
また、現在、蛍光顕微鏡及び蛍光分析などのバイオ技術の発展とともに、蛍光励起のための安価な可視光（４００ｎｍから５３２ｎｍ）レーザが必要とされているが、それに適したレーザモジュールは実現されていない。

従って、本発明は、出力が安定なＳＨＧレーザモジュール、または出力を安定して変化させることができるＳＨＧレーザモジュールを提供することを目的とする。また、蛍光励起のための安価な可視光（４００ｎｍから５３２ｎｍ）レーザモジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の波長変換モジュールの第１の態様は、外部共振器と、半導体レーザモジュールと、前記半導体レーザモジュールからの出射光の波長を該出射光よりも短い波長に変換する波長変換デバイスを有する波長変換モジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記波長変換デバイスは和周波（ＳＦＧ）と第２高調波（ＳＨＧ）を発生させる非線形結晶の少なくとも一方からなる波長変換モジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記波長変換デバイスの和周波（ＳＦＧ）発生素子及び第２高調波（ＳＨＧ）発生素子はリッジ型光導波路構造でかつ周期分極反転をしている波長変換モジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記波長変換デバイスの和周波（ＳＦＧ）発生素子及び第２高調波（ＳＨＧ）発生素子はプロトン交換型光導波路構造でかつ周期分極反転をしている波長変換モジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記半導体レーザモジュールと前記波長変換デバイスは光ファイバにより光結合されている波長変換モジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記外部共振器が前記光ファイバの一部に設けられている波長変換モジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記光ファイバが偏波保持ファイバである波長変換モジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記波長変換モジュールの出射光の波長が１６０〜１６２０ｎｍである波長変換モジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記波長変換デバイスから出射される光を第２の光ファイバに入射させる波長変換レーザモジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記半導体レーザモジュールのスペクトル線幅は、０．５ＭＨｚより広く、縦モードは１本以上の光を発振する波長変換モジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記波長変換デバイスの周期分極反転の周期はチャープを付けた構造を有する波長変換モジュールである。
本発明の波長変換モジュールの他の態様は、前記波長変換デバイスと前記光ファイバはレンズを介さずバッティングで接続されている波長変換モジュールである。

図１は、本発明の実施形態１のＳＨＧレーザモジュールを示す。
図２は、実施例１の半導体レーザ素子の構造を示す。
図３は、実施例１の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示す。
図４は、従来のＳＨＧレーザモジュールを示す。
図５は、本発明の実施形態２のＳＨＧレーザモジュールを示す。
図６は、本発明の実施形態３のＳＨＧレーザモジュールを示す。
図７は、外部共振器、半導体レーザモジュール、及び、ＳＦＧ素子から構成される波長逓倍モジュールを示す。
図８は、半導体レーザモジュールとＳＦＧ発生素子から構成される波長逓倍モジュールを示す。
図９は、外部共振器、半導体レーザモジュール、及び、ＳＦＧ発生素子とＳＨＧ発生素子から構成される波長逓倍モジュールを示す。
図１０は、半導体レーザモジュール、及び、ＳＦＧ発生素子とＳＨＧ発生素子から構成される波長逓倍モジュールを示す。
図１１は、ＳＦＧ素子とＳＨＧ素子の間が光ファイバにより光結合されているところを示す。
図１２は、光ファイバが、偏波保存シングルモードファイバファイバである場合を示す。
図１３は、波長逓倍モジュールから出射される光を、第２のファイバに入射させる場合の構成を示している。
図１４は、和周波（ＳＦＧ）発生素子が、リッジ型光導波路構造でかつ周期分極反転をしている場合を示している。
図１５は、ＰＰＬＮの周期分極反転の周期にチャープを付けた場合の、フォトマスク設計の一例を示す。
図１６は、周期階調を施す場合の、フォトマスク設計の一例を示す。
図１７は、高温状態で高電圧を印可して、導波路に分極を作る一例を示す。
図１８は、接着剤を用いてＰＰＬＮと光ファイバを接続した場合の実施形態を示す。
図１９にＳＦＧ、ＳＨＧ理論によって計算した出力波形と実験値を示す。
図２０にＦＢＧ無し４８８ｎｍ Ｂｌｕｅ Ｌａｓｅｒの構成を示す。
図２１は、ＬＤの制御温度を調節し、発振スペクトルをＰＰＬＮの位相整合波長（９７４ｎｍ）にあわせることを示している。（基本波）
図２２は、図２１に示す基本波から、ＳＦＧ理論によって計算した出力スペクトルと実験値の比較を示す。
図２３は、基本波の発信状態の安定さを示している。
図２４は、基本波に同じＬＤを使い、ＦＢＧ有りの場合と無しの場合についての比較を示す。
図２５は、ＦＢＧ無しとＦＢＧ有りの基本波をもとに、ＳＦＧ計算した結果を示す。場合のＬバンドの最長波長
発明を実施するために最良の形態
（実施の形態１）
実施の形態１では、半導体レーザモジュールの発振波長を安定させるために外部共振器としてＦＢＧを用いている。
図１は、本発明の実施形態の波長変換レーザモジュール６を示す。半導体レーザモジュール１と波長変換デバイス３は、ＦＢＧ２を有する偏波保持光ファイバ４で光結合させる。ＦＢＧ２によって半導体レーザモジュール１から出射される光の波長は１つの縦モードで固定される。
波長変換レーザモジュール６の出力を変更するために、半導体レーザモジュール１の駆動電流を変更するが、ＦＢＧ２によって波長が固定されているので、駆動電流を変更しても波長のシフトはない。よって波長変換レーザモジュール６の出力を安定して変更することができる。
波長変換デバイス３は偏波依存性があるので、光ファイバ４としては偏波保持ファイバを用いることが好ましい。
波長変換デバイス３から出射される第２高調波の出力を安定化させるために、ＳＨＧデバイス３はペルチェ素子８によって温度調整されることが望ましい。
波長変換デバイス３から出射される光は、短波長用シングルモード光ファイバ７に入射される。シングルモード光ファイバ７は、波長変換デバイス３から出射された光を効率よく伝播させることが出来る。また、用途がパワー伝送の場合は、波長変換デバイス３から出射される光を入射する光ファイバ７はシングルモードファイバに代えてマルチモードファイバを用いてもよい。

実施例１で用いられる半導体レーザ素子５を図２に示す。半導体レーザ素子５は、ＧａＡｓ基板１０の上に、ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層１５、ＡｌＧａＡｓからなる下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ａ、量子井戸構造の活性層１７、ＡｌＧａＡｓからなる上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ｂ、ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層１８、キャップ層１９を積層した構造からなる。また、符号１２は下部電極、符号１４は上部電極である。なお、量子井戸活性層１７の井戸層としてはＩｎＧａＡｓを用いた。
半導体レーザ素子５から出射される光の波長は９７６ｎｍであった。この半導体レーザ素子５を図１に示す半導体レーザモジュール１に組み込み、波長変換レーザモジュール６を組み立てた。
波長変換デバイス３から出射される光の波長、すなわち波長変換レーザモジュール６から出射される光の波長は４８８ｎｍであった。

実施例２の半導体レーザ素子５は、井戸層の材料であるＩｎＧａＡｓのＩｎ組成を変更し、その他の構造は実施例１と同様の構造でなる。半導体レーザ素子５から出射される光の波長は１０６４ｎｍであった。
実施例２の波長変換レーザモジュール６は、実施例１と同じ構造である。ＳＨＧデバイス３から出射される光の波長、すなわち波長変換レーザモジュール６から出射される光の波長は５３２ｎｍであった。

実施例３の半導体レーザ素子５は、井戸層の材料をＡｌＧａＡｓとしたことを除いては、実施例１と同様の構造からなる。実施例３の半導体レーザ素子５から出射される光の波長は８１０ｎｍであった。
実施例３の波長変換レーザモジュール６は、実施例１と同じ構造である。ＳＨＧデバイス３から出射される光の波長、すなわち波長変換レーザモジュール６から出射される光の波長は４０５ｎｍであった。
このように、半導体レーザ素子５から出射される光の波長は、井戸層の材料、組成を変更することで８００〜１２００ｎｍの範囲で任意に設計することができる。
また、ＦＢＧ２を適宜設計することで、波長変換デバイス３に入射される光の波長を任意に固定することができる。
実施例１において用いた半導体レーザ素子５の電流−光出力特性を図３に示す。光出力は駆動電流が５００ｍＡのとき３００ｍＷであった。図４に示す従来技術では、半導体レーザ素子５の光出力が５００ｍＷで、ＹＡＧ結晶２１からの光出力は数ｍＷであり、波長変換デバイス２２への入力は数ｍＷである。一方、本発明では図３に示すような高出力の光を直接波長変換デバイス３に入力することができるので、投入パワーに対する波長変換レーザモジュール６のエネルギー変換効率がよい。
（実施の形態２）
実施の形態２を図５に示す。半導体レーザ素子５と波長変換デバイス３の両方を温度調整用のペルチェ８の上に設置する。このようにすると、ペルチェ８で半導体レーザ素子５と波長変換デバイス３の両方を同時に温度制御することができ、ペルチェ８への投入電力を低減することができる。
（実施の形態３）
実施の形態３を図６に示す。この波長変換レーザモジュール６は、半導体レーザ素子５専用のペルチェ８と波長変換デバイス専用のペルチェ８を具備する。このようにすると、半導体レーザ素子５と波長変換デバイス３を独立に温度制御することができるため、波長変換レーザモジュール６の出力はより安定する。
（その他の実施形態）
レーザモジュールのその他の実施形態を下記に説明する。
図７に、外部共振器、半導体レーザモジュール、及び、この半導体レーザモジュールからの出射光の波長をこの出射光よりも短い波長に変換する和周波（ＳＦＧ）を発生させる非線形結晶から構成される波長逓倍モジュールを示す。
ここでいうＳＦＧ変換を起こす半導体レーザは、スペクトル線幅０．５ＭＨｚより広く縦モードは１本以上の光源を指す。ただし、縦モード２本以上の場合、縦モード間隔は任意に取ることができる。スペクトル線幅が０．５ＭＨｚより狭く縦モードは１本の場合、ＳＦＧ変換の幅とＳＨＧ変換の幅が変わらない。また、光源としては、半導体レーザに限定されるものではない。
ＳＦＧ素子は非線形光学結晶であり、この非線形結晶はＬＮ、ＫＮ、ＢＢＯなどからなる。また、疑似位相整合によるＳＦＧ発生のために、非線形結晶に周期分極反転構造を施した。
図８は、半導体レーザモジュールと、この半導体レーザモジュールからの出射光の波長を、この出射光よりも短い波長に変換する和周波（ＳＦＧ）を発生させる非線形結晶から構成される波長変換モジュールを示す。この実施形態に用いられる半導体レーザモジュール及びＳＦＧ素子は、図７に示される実施形態のものと原則的に同じものである。
図９は、外部共振器、半導体レーザモジュール、及び、この半導体レーザモジュールからの出射光の波長を、この出射光よりも短い波長に変換する和周波（ＳＦＧ）発生素子と第２次高調波（ＳＨＧ）を発生させる非線形結晶から構成される波長逓倍モジュールを示す。素子については、図９に示されるように、ＳＨＧ素子＋ＳＦＧ素子となる場合と、ＳＦＧ素子＋ＳＨＧ素子となる場合が考えられる。この実施形態に用いられる半導体レーザモジュール及びＳＦＧ、ＳＨＧ素子は、図７に示される実施形態のものと原則的に同じものである。
図１０は、半導体レーザモジュールとこの半導体レーザモジュールからの出射光の波長を、この出射光よりも短い波長に変換する和周波（ＳＦＧ）発生素子と第２次高調波（ＳＨＧ）を発生させる非線形結晶から構成される波長変換モジュールを示す。素子については、図１０に示されるように、ＳＨＧ素子＋ＳＦＧ素子となる場合と、ＳＦＧ素子＋ＳＨＧ素子となる場合が考えられる。この実施形態に用いられる半導体レーザモジュール及びＳＦＧ、ＳＨＧ素子は、図７に示される実施形態のものと原則的に同じものである。
上述の半導体レーザモジュール、和周波（ＳＦＧ）発生素子、第２次高調波（ＳＨＧ）発生素子は、光ファイバにより光結合されて波長変換モジュールとして所定の機能を発揮することができる。図１１に示されるように、ＳＦＧ素子とＳＨＧ素子の間も光ファイバにより光結合されている。
また、他の実施形態としては、上述の外部共振器が光ファイバの一部にもうけられている場合が考えられる。この外部共振器としては、Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇタイプ、ファイバ内部に溝を入れフィルタ埋め込むタイプ、ファイバ端面にフィルタ張り付けるタイプ、ファイバ間にレンズを配置しその中にフィルタを入れるタイプ等の様々なタイプの適用が考えられる。
図１２では、上述の光ファイバが、偏波保存シングルモードファイバファイバである場合を示す。レーザから出射する光の偏光方向を保持するために、偏波保持ファイバの偏波保持方向とレーザからの偏光方向を合わせる。その合わせた方向を、更に、次のデバイスであるＳＨＧ又はＳＦＧ素子又はＳＨＧ＋ＳＦＧ素子の結晶及び変換効率が最大になるための軸方向に合わせた構造をとることができる。
また、波長逓倍モジュールの出射光波長として、ＳＦＧ結晶の透過波長を使うことも考えられる。この場合、主に基本波は、１０６４ｎｍ以下のＬＤ及びＤＢＲレーザを用いる。
図１３は、上述の波長逓倍モジュールから出射される光を、第２のファイバに入射させる場合の構成を示している。
図１４は、和周波（ＳＦＧ）発生素子が、リッジ型光導波路構造でかつ周期分極反転をしている場合の実施形態を示している。図１４に示すように、この素子は、薄く研磨した非線形結晶と接着剤（有機系又は無機系）とベース基板（非線形結晶もしくは線膨張係数が同程度のシリコン、ガラス又は結晶）からなる構造を有している。
上記において説明してきた本発明に係る波長変換モジュールの出力光の波長範囲としては、ＬＢＯ結晶の最小透過波長である１６０ｎｍから通信用で波長変換する場合のＬバンドの最長波長である１６２０ｎｍまでの範囲が考えられる。
次に、波長逓倍素子であるＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ３）について説明する。ＰＰＬＮの周期分極は一定であり、周期が変換する波長を決定するため、効率よく波長変換するには、周期が揃っていることが重要である。しかし、一方で温度と波長のトレランスが非常に厳しくなる。従って、光源のモードホップ、ＰＰＬＮの線膨張係数及び屈折率温度係数の影響があるため、超精密制御をしなければ使えないことになる。実用的には変換効率が若干下がっても問題はないので、温度と波長のトレランスを緩くする方法を採ることができおる。そのため、周期分極にバラツキを持たせることで解決する。
周期分極にバラツキを持たせる方法は、下記に示す３通りの方法が考えられる。第１の方法は、ＰＰＬＮの周期分極反転の周期にチャープを付けた構造を有する場合である。周期チャープマスクを行い、例えば図１５に示すフォトマスク設計を行なうことが考えられる。
また、周期階調を施すことも考えられる。フォトマスク設計を例えば、図１６に示すように行なうことが考えられる。更に、導波路に分極を起こすことも考えられる。高温状態で高電圧を印可して分極を作る条件を操作して、実際の導波路に図１７に示されるような分極を起こすことができる。
次に波長変換素子であるＰＰＬＮと光ファイバの接続について説明する。接続の構造としては、表１に示すようなレンズを使わない場合と、表２に示すようなレンズを使う場合が考えられる。

レンズを使う場合には、入力ファイバのＮＡ（開口角）×コリメートレンズの焦点距離ｆ１と、集光レンズの焦点距離ｆ２×ＰＰＬＮのＮＡが一致するように、入力ファイバとＰＰＬＮのＮＡを測定しｆ１，ｆ２を選択する。同様に、出力ファイバのＮＡ（開口角）×集光レンズの焦点距離ｆ１と、コリメートレンズの焦点距離ｆ２×ＰＰＬＮのＮＡが一致するように、入力ファイバとＰＰＬＮのＮＡを測定しｆ１，ｆ２を選択する。以上により、基本波とＳＨ波のＷＡＲコートにすると出力が安定する。また、ＰＰＬＮの入力側の面に基本波に対してＡＲ、ＳＨ波は反射コートを施し、出力側はＳＨ波に対してＡＲ、基本波は反射コートを施したところ、ＳＨ波が非常に不安定であった。
次に、波長変換素子であるＰＰＬＮの固定方法について説明する。ＰＰＬＮにも、溝加工は可能であるが、脆いため加工は困難である。従って、波長逓倍素子と光ファイバがレンズを介さずバッティングで接続する方法が有効である。また、波長逓倍素子と光ファイバがレンズを介さずバッティングで接続され、かつ光路に接着剤を使用していないこと実施形態も可能である。
次に、図１８を用いて、接着剤を用いて接続した形態を示す。レンズを用いない場合には、キャピラリーに溝を付けて接続し、レンズを用いない場合には、レンズに溝を付ける形態を示す。接着剤は、紫外線硬化もしくは熱効果型が良い。
レンズを用いない場合、キャピラリーは、ガラス類（石英、ホウ珪酸ガラスなど）、セラミックス類（ジルコニアなど）、金属類（ＳＵＳなど）を使用することができる。特に、紫外線硬化接着剤を使う場合は、ガラス類の方が紫外線を透過するため良い。
レンズを用いる場合には、コリメートと集光レンズの固定には接着剤を用いる。但し、コリメートビームに掛からなければ溝を付けて同様な接着方法も可能である。また、他の方法としてパイプの内周とレンズ外周にメタライズし、パイプとレンズをハンダで固定しても良い。
（波長逓倍モジュールの実施例）
半導体モジュールと波長変換素子から構成される波長変換モジュールを用いて、その性能を実験で確認した。具体的には、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を備えず、９７６ＬＤ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）の半導体と、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）を用いたＳＦＧ（Ｓｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子で構成される青色レーザである。
そこで我々は、光増幅器の励起光源であるマルチモード発振する９７６ｎｍＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）と疑似位相整合によるＰＰＬＮを組み合わせて４８８ｎｍ青色レーザを開発した。
縦モードシングルの基本波で波長変換を行う場合、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）理論での計算が一般的であるが、使用した基本波は、光通信用の半導体レーザであるため、波長ロックのためのＦＢＧ付きで半値全幅が約１ｎｍのスペクトル幅がある。そのため、半値全幅が１ｎｍ程度のスペクトル幅においてもＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）光だけでなくＳＦＧ光が発生することが分かった。次に、我々はＦＢＧを用いない半値全幅が約５ｎｍのマルチモード発振する９７６ｎｍＬＤでＳＦＧ理論によるシミュレーションを行い、ＰＰＬＮ設計波長とＦＢＧのロッキング波長のずれによる位相整合条件のミスマッチを防ぎ、かつ実用的な４８８ｎｍ出力パワーが得られることを実験で確認した。
Ｍａｒｔｉｎ Ｍ．Ｆｅｊｅｒ［１］らは−ＱＰＭ（Ｑｕａｓｉ Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）条件での第２次高調波の波長、温度等の特性と許容度を述べたが、彼らの理論は基本波をスペクトル幅の狭いｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅとして計算しているため一般的ではない。スペクトル幅のある基本波を用いる場合にはＳＦＧ理論を利用して計算すると実験値と一致する。入射光を各波長ごとに分割し（λ_１，λ_２，…λ_Ｎ）各々の波長に対応する光強度を（Ｐ_１，Ｐ_２，…Ｐ_Ｎ）とする。ＳＦＧの原理によって任意な波長λ_ｉが全ての波長λ_ｊと結合して、波長λ_ｋが

である光を生じる。生じる光λ_ｋの光強度は基本波λ_ｉとλ_ｊの強度Ｐ_ｉ，Ｐ_ｊとλ_ｉとλ_ｊの位相整合条件ΔＳによって決まる。図１９にＳＦＧ、ＳＨＧ理論によって計算した出力波形と実験値を示す。実験で得たスペクトル（半値全幅０．１１３ｎｍ）に対しＳＨＧ理論による計算では、半値全幅０．００３ｎｍと線幅は狭くなるが、ＳＦＧ理論計算による計算では半値全幅０．０９４ｎｍと実験値に一致する。
基本波にＦＢＧ無しのＬＤを用いる場合、ＦＢＧ有りに比べて、
１）ＬＤチップを温度制御することで波長チューニングを行いＰＰＬＮの設計波長との調整が可能となる。
２）さらに構成する部品の簡素化ができる。
３）位相整合波長のピークパワーは下がるが和周波のため４８８ｎｍ出力はシンク関数ほど低下しない。
などが挙げられる。図２０にＦＢＧ無し４８８ｎｍ Ｂｌｕｅ Ｌａｓｅｒの構成を示す。
（調整）
ＬＤの制御温度を調節し、発振スペクトルをＰＰＬＮの位相整合波長（９７４ｎｍ）にあわせること（図２１参照）で４８８ｎｍ ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒの最適化が可能である。基本波が広帯域であるため、ＰＰＬＮ側の温度制御も必要としない。
基本波（図２１参照）からＳＦＧ理論によって計算した出力スペクトルと実験値を比較する。図２２に示す実験の４８８ｎｍスペクトル結果からＬＤの温度制御により４８８ｎｍ ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒの調整が可能なことがわかる（１２ｄｅｇ最適）。またＳＦＧ理論による計算結果が実験値とスペクトル形状、半値全幅とも一致しＳＦＧ理論計算が正しいことがわかる。

（４８８ｎｍ出力の安定性）
ＦＧＢ無し９７６ｎｍＬＤの場合、その基本波の発信状態は不安定であり、時間と共に変化する。基本波の発信状態の不安定さは、そのまま４８８ｎｍ光出力の不安定さへと直結する。そこで我々はＰＰＬＮ出力後の４８８ｎｍＰｏｗｅｒをモニタし、ＬＤ制御回路へフィードバック処理をかけることで、図２３に示す通り４８８ｎｍ光出力の安定性がプラスマイナス５％以内であることを確認した。また、その時の４８８ｎｍ光出力の波長安定性は０．０７ｎｍ以下であった。
（ＦＢＧ付きとＦＢＧ無しの場合の比較）
基本波（図２４参照）に同じＬＤを使い、ＦＢＧ有りの場合と無しの場合について計算値、実験値とも比較する。
ＰＰＬＮへの入射ＰｏｗｅｒはＦＢＧ有りが１８０ｍＷ、無しが２０８ｍＷであるが、ＦＢＧ無しの基本波ピークＰｏｗｅｒはＦＢＧ有りの１／４程度である。この基本波をもとにＳＦＧ計算した結果を図２５に示す。

表４に示すように、ＳＦＧ理論による計算がＦＢＧ有り、無しの場合とも実験値と一致することが示されている。また、実験での出力Ｐｏｗｅｒ比（ＦＢＧ無し／有り）は２５％、計算では２７％であり、ＳＦＧ理論による計算が実験値と一致する正しい値を与えることがわかる。
従って、ＦＢＧを用いない広帯域な基本波に対してＳＦＧ理論による計算が実験値と一致することを証明した。ＦＢＧを用いない９７６ｎｍＬＤとＰＰＬＮを組み合わせることで、小型で出力４ｍＷ、光出力安定性±０．５％以内、波長安定性０．０７ｎｍの４８８ｎｍ青色レーザを供給できることが証明された。
（パワーモニタ）
ここで、光出力を測定してフィードバックコントロール等に適用できるパワーモニタの具体的な実施形態を説明する。
パワーモニタのひとつの実施形態としては、ＰＰＬＮからの光の漏れを検出するものが考えられる。ＰＰＬＮからは１０％程度の光の漏れが生ずるので、ＰＰＬＤの付近にＰＤ素子を配置して、この漏れ光を測定することによって、出力を検出することができる。
また、パワーモニタのその他の実施形態として、ＰＰＬＮの出射側にカップラー等の分岐部を配置させて、所定の（例えば全体の数パーセント）パワーを分岐させ、この分岐路の終端にＰＤ素子を配置させて出力を検出することもできる。
また、パワーモニタのその他の実施形態として、ＰＰＬＮの出射側にレンズ等が配置された空間結合部分にＰＤ素子を配置させ、その散乱光（レンズ端面による反射光）等を測定することも可能である。
また、上述の実施形態のＰＤ素子の前に、更に、測定対象光のみを透過させる、（もしくは測定対象光以外を反射させる）光フィルタを配置させることも可能である。これは、上述のどの実施形態に適用が可能である。
（フォトニック結晶ファイバの適用）
本発明の波長変換モジュールにおいては、光ファイバとしてフォトニック結晶ファイバ（フォーリーファイバ）を用いることができる。
フォトニック結晶ファイバは、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ Ｃａｐ）の原理を用いて光を閉じ込めて成立させる光ファイバである。より具体的に言えば、フォトニック結晶ファイバは、光の波長と同程度の周期構造を持ち比較的大きな屈折率変化がある媒質においては、特定の波長の光はこの媒質中を経過できるが、異なる波長の光は浸入できずに跳ね返されるというＰＢＧ原理を用いた光ファイバである。
特に、このフォトニック結晶ファイバをＰＰＬＮの入射側と出射側に配置させると、光結合効率がＳＭＦよりも良好になるという効果を有する。それは、ＰＰＬＮ内での光の角度の広がりに対し、フォトニック結晶ファイバの方が受光効率がよいからである。
以上のように、本発明により、半導体レーザ素子の駆動電流を変化させても半導体レーザモジュールの発振波長が安定にすることができ、その結果出力が安定なＳＨＧレーザモジュール、または出力を安定して変化させることができるＳＨＧレーザモジュールを提供することができる。
また、半導体レーザモジュールとＳＦＧ発生素子を組み合わせることにより、出力の安定した波長逓倍モジュールを供給することができる。
更に、この波長逓倍モジュールに、ＳＨＧ発生素子を組み合わせたり、外部共振器としてＦＢＧを組み合わせたり可能であり、様々な機器構成によって安定した出力を得ることができる。

Claims (12)

1. 外部共振器と、半導体レーザモジュールと、前記半導体レーザモジュールからの出射光の波長を該出射光よりも短い波長に変換する波長変換デバイスを有する波長変換モジュール。
2. 前記波長変換デバイスは和周波（ＳＦＧ）と第２高調波（ＳＨＧ）を発生させる非線形結晶の少なくとも一方からなるクレーム１に記載の波長変換モジュール。
3. 前記波長変換デバイスの和周波（ＳＦＧ）発生素子及び第２高調波（ＳＨＧ）発生素子はリッジ型光導波路構造でかつ周期分極反転をしているクレーム２に記載の波長変換モジュール。
4. 前記波長変換デバイスの和周波（ＳＦＧ）発生素子及び第２高調波（ＳＨＧ）発生素子はプロトン交換型光導波路構造でかつ周期分極反転をしているクレーム２に記載の波長変換モジュール。
5. 前記半導体レーザモジュールと前記波長変換デバイスは光ファイバにより光結合されているクレーム１又は２に記載の波長変換モジュール。
6. 前記外部共振器が前記光ファイバの一部に設けられているクレーム１、２又は５の何れか１に記載の波長変換モジュール。
7. 前記光ファイバが偏波保持ファイバであるクレーム１，２，５又は６の何れか１に記載の波長変換モジュール。
8. 前記波長変換モジュールの出射光の波長が１６０〜１６２０ｎｍであるクレーム１，２及び５から７の何れか１に記載の波長変換モジュール。
9. 前記波長変換デバイスから出射される光を第２の光ファイバに入射させるクレーム１，２及び５から８の何れか１に記載の波長変換レーザモジュール。
10. 前記半導体レーザモジュールのスペクトル線幅は、０．５ＭＨｚより広く、縦モードは１本以上の光を発振するクレーム１，２及び５から９の何れか１に記載の波長変換モジュール。
11. 前記波長変換デバイスの周期分極反転の周期はチャープを付けた構造を有するクレーム１，２及び５から１０の何れか１に記載の波長変換モジュール。
12. 前記波長変換デバイスと前記光ファイバはレンズを介さずバッティングで接続されているクレーム１，２及び５から１１の何れか１に記載の波長変換モジュール。

Images