WO2004025363A1 - 波長変換モジュール - Google Patents

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WO2004025363A1
WO2004025363A1 PCT/JP2003/011549 JP0311549W WO2004025363A1 WO 2004025363 A1 WO2004025363 A1 WO 2004025363A1 JP 0311549 W JP0311549 W JP 0311549W WO 2004025363 A1 WO2004025363 A1 WO 2004025363A1
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wavelength conversion
wavelength
semiconductor laser
conversion module
sfg
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PCT/JP2003/011549
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Michio Ookubo
Hiroshi Matsuura
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The Furukawa Electric Co., Ltd.
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    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
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    • G—PHYSICS
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    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3544—Particular phase matching techniques
    • G02F1/3548—Quasi phase matching [QPM], e.g. using a periodic domain inverted structure
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/02—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 fibre

Definitions

  • the present invention relates to stabilizing emission light intensity of a SHG (Second Harmonic Generation) and SFG (Sura-frequency Generation) laser module.
  • the emission light of GaAs semiconductor lasers covers the 600 nm range from around 1 ⁇ wavelength, and the development of GaN semiconductor lasers with the emission light wavelength of 405 nm is mainly used for next-generation DVD light sources. Have been.
  • As the laser in the 400 to 600 nm band corresponding to these valleys for example, a combination of “Ar laser (488 nm / 515 nm) j” and “YA GZYLF and SHG (532 nm) j” are mainly used.
  • the “YAG-no-YLF and SHG (532 nm)” market is rapidly expanding as a high-power application (W-class) for markers on Si substrates and the like, and for trimming and repairing TFT liquid crystals.
  • W-class high-power application
  • CSP Chip Size Package
  • SHG laser modules combined with YAG is particularly active.
  • repair demand for repairing display defects in TFT LCDs has been increasing rapidly due to an increase in TFT LCD production.
  • low-power applications are being applied to measuring equipment, printing equipment, DNA analysis, and so on.
  • FIG 4 shows the conventional structure of an SHG laser module for blue (oscillation wavelength 473 nm) or green (oscillation wavelength 532 nm). See P861-P866. ).
  • the blue wavelength conversion SHG laser module 25 uses a YAG crystal 21 as a laser crystal, and a wide stripe type semiconductor laser device 5 having an emission width of 50 / ⁇ and a maximum output of 50 OmW as an excitation light source.
  • the semiconductor laser light emitted from the semiconductor laser element 5 is condensed into the YAG crystal 21 via the lens 20, and the fundamental wave having a wavelength of 946 nm is laser-oscillated from the YAG crystal 21.
  • the wavelength is converted by an SHG device 22 (P PMGLN: Periodically poled MgO-LiNdO 3 crystal) to generate a blue wavelength converted light having a wavelength of 473 nm, which is emitted through an etalon 23 and a mirror 24.
  • an SHG device 22 P PMGLN: Periodically poled MgO-LiNdO 3 crystal
  • the YAG crystal 21 generates heat when the fundamental wave is oscillated by laser, and as a result, the wavelength emitted from the YAG crystal 21 shifts from the set wavelength. .
  • the output of the SHG laser module becomes unstable.
  • an object of the present invention is to provide an SHG laser module having a stable output or an SHG laser module capable of stably changing the output. Another object is to provide an inexpensive visible light (400 nra to 532 nm) laser module for fluorescence excitation.
  • a first aspect of the wavelength conversion module of the present invention includes an external resonator, a semiconductor laser module, and an output from the semiconductor laser module.
  • the wavelength conversion device includes a sum frequency (s)
  • the sum frequency (SFG) generation element and the second harmonic (SHG) generation element of the wavelength conversion device have a ridge-type optical waveguide structure and are periodically poled. It is a wavelength conversion module.
  • the sum frequency (SFG) generation element and the second harmonic (SHG) generation element of the wavelength conversion device have a proton exchange type optical waveguide structure and perform periodic polarization inversion. Wavelength conversion module.
  • wavelength conversion module of the present invention is a wavelength conversion module in which the semiconductor laser module and the wavelength conversion device are optically coupled by an optical fiber.
  • Another aspect of the wavelength conversion module of the present invention is a wavelength conversion module in which the external resonator is provided in a part of the optical fiber.
  • Another aspect of the wavelength conversion module of the present invention is a wavelength conversion module in which the optical fiber is a polarization maintaining fiber.
  • Another embodiment of the wavelength conversion module of the present invention is a wavelength conversion module in which the wavelength of the emitted light of the wavelength conversion module is from 160 to 1620 nm.
  • Another aspect of the wavelength conversion module of the present invention is that the light emitted from the wavelength conversion device is This is a wavelength conversion laser module that causes light to be incident on a second optical fiber.
  • the semiconductor laser module has a spectrum line width wider than 0.5 MHz and a longitudinal mode in which one or more lights are oscillated.
  • Another embodiment of the wavelength conversion module of the present invention is a wavelength conversion module having a structure in which the period of the periodic polarization reversal of the wavelength conversion device is attached.
  • Another aspect of the wavelength conversion module of the present invention is a wavelength conversion module in which the wavelength conversion device and the optical fiber are connected by batting without using a lens.
  • FIG. 1 shows an SHG laser module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 shows the structure of the semiconductor laser device of the first embodiment.
  • FIG. 3 shows a current-light output characteristic of the semiconductor laser device of the first embodiment.
  • FIG. 4 shows a conventional SHG laser module.
  • FIG. 5 shows an SHG laser module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 shows an SHG laser module according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 7 shows a wavelength doubling module including an external resonator, a semiconductor laser module, and an SFG element.
  • Fig. 8 shows a wavelength multiplier with a semiconductor laser module and an SFG generator.
  • FIG. 9 shows an external resonator, a semiconductor laser module, and a wavelength doubling module including an SFG generator and an SHG generator.
  • FIG. 10 shows a semiconductor laser module and a wavelength doubling module including an SFG generation element and an SHG generation element.
  • Figure 11 shows that the SFG element and the SHG element are optically coupled by an optical fiber. Show the rollers.
  • FIG. 12 shows a case where the optical fiber is a polarization-maintaining single-mode fiber.
  • FIG. 13 shows a configuration in which light emitted from the wavelength doubling module is made to enter the second fiber.
  • FIG. 14 shows a case where the sum frequency (SFG) generating element has a ridge-type optical waveguide structure and periodic polarization reversal.
  • Figure 15 shows an example of a photomask design when a period is added to the period of the periodically poled PPLN.
  • FIG. 16 shows an example of a photomask design when periodic gradation is applied.
  • FIG. 17 shows an example of creating a polarization in a waveguide by applying a high voltage at a high temperature.
  • FIG. 18 shows an embodiment in which the PPLN and the optical fiber are connected using an adhesive.
  • Figure 19 shows the output waveforms calculated by SFG and SHG theory and the experimental values.
  • Figure 20 shows the configuration of a 488nm Blue Laser without FBG.
  • Figure 21 shows that the control temperature of the LD is adjusted and the oscillation spectrum is adjusted to the phase matching wavelength (974 nm) of the PPLN. (Fundamental wave)
  • FIG. 22 shows a comparison between the output spectrum calculated from the fundamental wave shown in FIG. 21 by SFG theory and experimental values.
  • Fig. 23 shows the stability of the transmission state of the fundamental wave.
  • Figure 24 shows a comparison between the case with the same LD as the fundamental wave and the case with and without FBG.
  • Figure 25 shows the result of SFG calculation based on the fundamental wave without FBG and with FBG.
  • FIG. 1 shows a wavelength conversion laser module 6 according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor laser module 1 and the wavelength conversion device 3 are optically coupled by a polarization maintaining optical fiber 4 having an FBG 2.
  • the wavelength of light emitted from the semiconductor laser module 1 by the FBG 2 is fixed in one longitudinal mode.
  • the drive current of the semiconductor laser module 1 is changed.
  • the wavelength is fixed by the FBG 2
  • the wavelength conversion device 3 Since the wavelength conversion device 3 has polarization dependence, it is preferable to use a polarization maintaining fiber as the optical fiber 4. It is desirable that the temperature of the SHG device 3 be adjusted by the Peltier element 8 in order to stabilize the output of the second harmonic emitted from the wavelength conversion device 3.
  • the light emitted from the wavelength conversion device 3 enters the short-wavelength single-mode light 7.
  • the single mode optical fiber 7 can efficiently propagate the light emitted from the wavelength conversion device 3.
  • a multi-mode fiber may be used as the optical fiber 7 for receiving the light emitted from the wavelength conversion device 3 instead of the sinal mode fiber.
  • FIG. 2 shows a semiconductor laser device 5 used in the first embodiment.
  • the semiconductor laser device 5 comprises a lower cladding layer 15 made of A1 GaAs, a lower GRIN-SCH layer 16a made of A1 GaAs, an active layer 17 having a quantum well structure, and A1 GaAs on a GaAs substrate 10. It has a structure in which an upper GR IN-SCH layer 16b, an upper cladding layer 18 made of AlGaAs, and a cap layer 19 are laminated.
  • the code 12 is 2003/011549
  • Lower electrode, 14 is an upper electrode. Note that InGaAs was used as the well layer of the quantum well active layer 17.
  • the wavelength of the light emitted from the semiconductor laser device 5 was 976 nm.
  • the semiconductor laser element 5 was incorporated into the semiconductor laser module 1 shown in FIG. 1, and a wavelength conversion laser module 6 was assembled.
  • the wavelength of light emitted from the wavelength conversion device 3, that is, the wavelength of light emitted from the wavelength conversion laser module 6, was 488 nm.
  • the semiconductor laser device 5 of the second embodiment has the same structure as that of the first embodiment except that the In composition of InGaAs as the material of the well layer is changed.
  • the wavelength of the light emitted from the semiconductor laser device 5 was 1064 nm.
  • the wavelength conversion laser module 6 of the second embodiment has the same structure as that of the first embodiment.
  • the wavelength of light emitted from the SHG device 3, that is, the wavelength of light emitted from the wavelength conversion laser module 6 was 532 nm.
  • the semiconductor laser device 5 of the third embodiment has the same structure as that of the first embodiment except that the material of the well layer is A1GaAs.
  • the wavelength of the light emitted from the semiconductor laser device 5 of Example 3 was 810 nm.
  • the wavelength conversion laser module 6 of the third embodiment has the same structure as that of the first embodiment.
  • the wavelength of light emitted from the SHG device 3, that is, the wavelength of light emitted from the wavelength conversion laser module 6, was 405 nm.
  • the wavelength of the light emitted from the semiconductor laser element 5 can be arbitrarily designed in the range of 800 to 1200 nm by changing the material and the composition of the well layer. You. Further, by appropriately designing the FBG 2, the wavelength of light incident on the wavelength conversion device 3 can be arbitrarily fixed.
  • Fig. 3 shows the current-light output characteristics 1 "of the semiconductor laser device 5 used in Example 1.
  • the light output was 30 OmW when the driving current was 500 mA.
  • the optical output of the semiconductor laser element 5 is 50 OmW
  • the optical output from the YAG crystal 21 is several mW
  • the input to the wavelength conversion device 22 is several mW.
  • high-output light as shown in FIG. 3 can be directly input to the wavelength conversion device 3, so that the energy conversion efficiency of the wavelength conversion laser module 6 with respect to the input power is high.
  • Embodiment 2 is shown in FIG. Both the semiconductor laser element 5 and the wavelength conversion device 3 are placed on a Peltier 8 for temperature adjustment. In this way, the temperature of both the semiconductor laser element 5 and the wavelength conversion device 3 can be simultaneously controlled by the Peltier 8, and the power input to the Peltier 8 can be reduced.
  • Embodiment 3 is shown in FIG.
  • the wavelength conversion laser module 6 includes a Peltier 8 dedicated to the semiconductor laser element 5 and a Peltier 8 dedicated to the wavelength conversion device. In this way, the temperature of the semiconductor laser element 5 and the wavelength conversion device 3 can be controlled independently, so that the output of the wavelength conversion laser module 6 is more stable.
  • Figure 7 shows the external resonator, the semiconductor laser module, and the sum frequency (SF) that converts the wavelength of the light emitted from the semiconductor laser module into a shorter wavelength than the emitted light.
  • 2 shows a wavelength doubling module composed of a nonlinear crystal generating G).
  • the semiconductor laser that causes SFG conversion here has a spectral line width wider than 0.5 MHz and the longitudinal mode refers to one or more light sources. However, if there are two or more vertical modes, the vertical mode interval can be set arbitrarily. When the spectrum line width is narrower than 0/5 MHz and there is only one vertical mode, the width of SFG conversion and the width of SHG conversion do not change.
  • the light source is not limited to a semiconductor laser.
  • the SFG element is a nonlinear optical crystal, which consists of LN, KN, BBO, etc.
  • a periodically poled structure to the nonlinear crystal.
  • Figure 8 shows a wavelength conversion module consisting of a semiconductor laser module and a nonlinear crystal that generates a sum frequency (SFG) that converts the wavelength of the light emitted from the semiconductor laser module into a shorter wavelength than the emitted light. Show.
  • the semiconductor laser module and the SFG element used in this embodiment are basically the same as those in the embodiment shown in FIG.
  • Figure 9 shows an external resonator, a semiconductor laser module, a sum frequency (SFG) generator that converts the wavelength of the light emitted from the semiconductor laser module into a shorter wavelength than the emitted light, and a second harmonic.
  • This figure shows a wavelength doubling module composed of a nonlinear crystal that generates (SHG).
  • the element may be an SHG element + SFG element or an SFG element + SHG element.
  • the semiconductor laser module and the SFG and SHG elements used in this embodiment are basically the same as those in the embodiment shown in FIG.
  • Figure 10 shows a semiconductor laser module, a sum frequency (SFG) generator that converts the wavelength of the light emitted from the semiconductor laser module into a shorter wavelength than the emitted light, and a nonlinear element that generates the second harmonic (SHG).
  • Wavelength conversion module composed of crystals
  • the element may be an SHG element + SFG element or an SFG element + SHG element.
  • the semiconductor laser module and the SFG and SHG elements used in this embodiment are basically the same as those in the embodiment shown in FIG.
  • the above-described semiconductor laser module, sum frequency (SFG) generating element, and second harmonic (SHG) generating element are optically coupled by an optical fiber and can perform a predetermined function as a wavelength conversion module.
  • the optical fiber is also optically coupled between the SFG element and the SHG element.
  • the above-described external resonator may be provided in a part of the optical fiber.
  • Examples of the external resonator include a Fiber Bragg Grating type, a type in which a groove is embedded in the fiber and a filter is embedded, a type in which a filter is attached to the end face of the fiber, and a type in which a lens is placed between the fibers and a filter is inserted in it.
  • FIG. 12 shows a case where the optical fiber is a polarization-maintaining single-mode fiber. In order to maintain the polarization direction of the light emitted from the laser, the polarization maintaining direction of the polarization maintaining fiber and the polarization direction from the laser are matched.
  • FIG. 13 shows a configuration in which the light emitted from the above-described wavelength doubling module is incident on the second fiber.
  • FIG. 14 shows an embodiment in which the sum frequency (SFG) generating element has a ridge-type optical waveguide structure and has periodic polarization reversal. As shown in Fig.
  • this device consists of a thinly polished nonlinear crystal, an adhesive (organic or inorganic), and a base substrate (non-linear crystal or silicon, glass or crystal with a similar linear expansion coefficient). It has the following structure.
  • the wavelength range of the output light of the wavelength conversion module according to the present invention described above is the longest L band in the case of wavelength conversion for communication from 160 nm which is the minimum transmission wavelength of the LBO crystal. The range up to the wavelength of 1620 nm is conceivable.
  • PPLN Periodically Poled LiNb03
  • the periodic polarization of PPLN is constant and determines the wavelength at which the period is converted, it is important that the periods are uniform for efficient wavelength conversion.
  • temperature and wavelength tolerances become very tight. Therefore, because of the influence of the mode hop of the light source, the linear expansion coefficient of the PPLN, and the temperature coefficient of the refractive index, it cannot be used without ultra-precise control. In practice, there is no problem even if the conversion efficiency is slightly reduced, so a method of relaxing the tolerance of temperature and wavelength can be adopted. Therefore, the problem can be solved by providing the periodic polarization with variation. The following three methods can be considered to make the periodic polarization uneven.
  • the first method is a case where the PPLN has a structure in which a periodic polarization inversion cycle is provided with a cap. It is conceivable to perform a periodic chirp mask and to design a photomask as shown in FIG. 15 for example. It is also conceivable to apply periodic gradation. It is conceivable to design a photomask, for example, as shown in FIG. In addition, polarization of the waveguide may occur. By manipulating the conditions for creating a polarization by applying a high voltage at a high temperature, polarization as shown in Fig. 17 can be generated in an actual waveguide. Next, the connection between the wavelength conversion element PPLN and the optical fiber will be described. Regarding the connection structure, there are two cases: one that does not use a lens as shown in Table 1 and one that uses a lens as shown in Table 2. When not using a lens
  • the AR SH wave is applied to the fundamental wave on the input side of the PPLN, and the AR wave is applied to the SH wave on the output side.
  • the SH wave is very unstable. Met.
  • a method for fixing the PPLN which is a wavelength conversion element, will be described. Groove processing is possible with PPLN, but processing is difficult due to brittleness. Therefore, it is effective to connect the wavelength doubling element and the optical fiber by batting without using a lens. Further, an embodiment is also possible in which the wavelength multiplication element and the optical fiber are connected by putting without using a lens, and an adhesive is not used in an optical path. Next, referring to FIG. 18, an embodiment in which connection is performed using an adhesive is shown.
  • the capillary is connected with a groove, and when no lens is used, a groove is formed in the lens.
  • the adhesive is preferably of an ultraviolet curing type or a heat effect type. If no lens is used, the glass can be glass (quartz, borosilicate glass, etc.), ceramics (zirconia, etc.), or metals (SUS, etc.). In particular, when using an ultraviolet curing adhesive, glass is better because it transmits ultraviolet light.
  • an adhesive is used to fix the collimator and the condenser lens. However, if the collimated beam does not overlap, a similar bonding method with a groove is also possible.
  • the inner circumference of the pipe and the outer circumference of the lens may be metallized, and the pipe and the lens may be fixed with solder.
  • a wavelength conversion module composed of a semiconductor module and a wavelength conversion element
  • its performance was confirmed by experiments.
  • it is a blue laser that does not have an FBG (Fiber Bragg Grating) and is composed of a 976LD (Semiconductor Laser Diode) semiconductor and an SFG (Sum Frequency Generation) element using PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate).
  • 976LD semiconductor Laser Diode
  • SFG Standard Frequency Generation
  • PPLN Periodically Poled Lithium Niobate
  • Martin M. Fejer [l] et al. Described the characteristics and tolerance of the second harmonic, such as wavelength and temperature, under the QPM (Quasi Phase Matching) condition. It is not general because it is calculated as a single mode with a small torque width.
  • QPM Quadrature Phase Matching
  • the light intensity of the generated light is determined by the intensity of the fundamental wave, and, and the phase matching condition M of / 1 /.
  • Figure 19 shows the output waveforms calculated by SFG and SHG theory and the experimental values. Although the spectrum obtained in the experiment (full width at half maximum 0.113 nm) is narrowed to 0.003 nm by full width at half maximum by SHG theory, it is 0.094 nm at full width at half maximum by calculation by SFG theory calculation. It matches the experimental value.
  • LD without FBG for the fundamental wave
  • Wavelength tuning is performed by controlling the temperature of the LD chip, and adjustment with the design wavelength of the PPLN becomes possible.
  • Figure 20 shows the configuration of a 488nra Blue Laser without FBG.
  • Adjusting the control temperature of the LD and adjusting the oscillation spectrum to the phase matching wavelength (974 nm) of the PPLN enables optimization of the 488 nm output power. Since the fundamental wave is broadband, temperature control on the PPLN side is not required.
  • the same LD is used for the fundamental wave (see Fig. 24), and the calculated and experimental values are compared with and without FBG.
  • the incident power to the PPL is 180 mW with FBG and 208 mW without FBG, but the fundamental wave peak power without FBG is about 1/4 of that with FBG.
  • Figure 25 shows the result of SFG calculation based on this fundamental wave.
  • One embodiment of a power monitor is to detect light leakage from the PPLN. Since about 10% of light leaks from the PPLN, an output can be detected by placing a PD element near the PPLD and measuring the leak light. it can.
  • a branch section such as a coupler is arranged on the emission side of the PPLN to branch a predetermined (for example, a few percent of the total) power, and a PD element is arranged at the end of this branch path. Then, the output can be detected.
  • a PD element can be arranged at a spatial coupling portion where a lens or the like is arranged on the emission side of the PPLN, and the scattered light (reflected light from the lens end face) can be measured. It is.
  • an optical filter that transmits only the light to be measured may be disposed before the PD element according to the above-described embodiment. This can be applied to any of the embodiments described above.
  • a photonic crystal fiber (a foley fiber) can be used as the optical fiber.
  • a photonic crystal fiber is an optical fiber formed by confining light using the principle of the photonic band gap (PBG). More specifically, a photonic crystal fiber has a periodic structure comparable to the wavelength of light, and in a medium with a relatively large change in refractive index, light of a specific wavelength can pass through this medium.
  • PBG photonic band gap
  • this is an optical fiber based on the PBG principle, in which light of different wavelengths is bounced off without being able to enter.
  • placing this photonic crystal fiber on the input side and output side of the PPLN has the effect that the optical coupling efficiency is better than that of the SMF.
  • the photonic crystal fiber has a higher light receiving efficiency than the angular spread of light in the PPLN.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser module can be stabilized even when the drive current of the semiconductor laser element is changed, and as a result, the output is stable. It is possible to provide a simple SHG laser module or an SHG laser module capable of stably changing the output.
  • by combining the semiconductor laser module and the SFG generating element it is possible to supply a wavelength doubler module with a stable output.
  • this wavelength doubling module with an SHG generation element or with an FBG as an external resonator, so that a stable output can be obtained with various equipment configurations.

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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

波長変換モジュール 技術分野
本発明は、 SHG (Second Harmonic Generation) 及ぴ SFG (Sura-frequency Generation) レーザモジュールの出射光強度を安定ィ匕させることに関する。 背景技術
G a A s系半導体レーザの出射光は波長 1 μηι前後から 600 nm台をカバー し、 G a N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 405 nmで開発が進められている。 これらの谷間にあたる 400〜600 nm 帯のレーザとしては、 例えば 「Arレーザ （488 nm/515 nm)j や 「YA GZYLFと SHG (532 nm)j という組み合わせが主流である。
「YAGノ YLFと SHG (532 nm)」 は大出力用途 （W級） として、 S i 基板等へのマーカ、 T FT液晶のトリミングゃリペアの市場が急速に拡大してい る。 特にマーカはモパイル機器実装において CS P (Chip Size Package) の需要 が拡大しているため、 特に、 Y AG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、 T FT液晶の表示欠陥を修復するリペア 需要が T FT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 473 nm) 又は緑色 （発振波長 532 nm) 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 50 /ζπι、 最大出力 50 OmW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 Y AG結晶 21内に集光し、 該 Y AG結晶 21から波長 946 nmの基本波をレ 一ザ発振させる。 ついで SHGデバイス 22 (P PMGLN： Periodically poled MgO-LiNd03 crystal) によって波長を変換し、 波長 473 nm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。 し力 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 Y AG結晶 2 1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レーザモジユー 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。 発明の開示
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 S HG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 （400nra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（s
F G) と第 2高調波 （S H G) 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（S F G) 発生素子及び第 2高調波 （S H G) 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（S F G) 発生素子及ぴ第 2高調波 （S H G) 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 記波長変換デパ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アイ 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 1 6 0〜1 6 2 0 n m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一ルのス ベクトル線幅は、 0 . 5 MH z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 反転の周期はチヤ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、 前記波長変換デバィスと前記光フ アイパ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。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施形態 1の S HG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一光出力特性を示す。
図 4は、 従来の S H Gレーザモジュールを示す。
図 5は、 本発明の実施形態 2の S HGレーザモジュールを示す。
図 6は、 本発明の実施形態 3の S HG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、 S F G素子から構成さ れる波長通倍モジュールを示す。
図 8は、 半導体レーザモジュールと S F G発生素子から構成される波長遞倍モ シューノレを示す。
図 9は、 外部共振器、 半導体レーザモジュール、 及び、 S F G発生素子と S H G発生素子から構成される波長遁倍モジュールを示す。
図 1 0は、 半導体レーザモジュール、 及び、 S F G発生素子と S H G発生素子 から構成される波長通倍モジュールを示す。
図 1 1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 1 2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 1 3は、 波長遁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 1 4は、 和周波 （S F G) 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 1 5は、 PPLNの周期分極反転の周期にチヤープを付けた場合の、 フォトマ スク設計の一例を示す。
図 1 6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 1 7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 1 8は、 接着剤を用いて P P L Nと光ファイバを接続した場合の実施形態を 示す。
図 1 9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 2 0に FBG無し 488nm Blue Laser の構成を示す。
図 2 1は、 LD の制御温度を調節し、 発振スぺクトルを 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 2 2は、図 2 1に示す基本波から、 SFG理論によって計算した出カスペクトル と実験値の比較を示す。
図 2 3は、 基本波の発信状態の安定さを示している。
図 2 4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 2 5は、 FBG無しと F B G有りの基本波をもとに、 SFG計算した結果を示す。 場合の Lパンドの最長波長 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 F B G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、 FBG 2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、 半導体レーザモジユー ル 1の駆動電流を変更するが、 FBG 2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ィ匕させるために、 SHGデバイス 3はベルチェ素子 8によつて温度調整されることが望ましい。 波長変換デバィス 3から出射される光は、 短波長用シングルモード光： 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、 波長変換デバィス 3から出射される光を入射する光ファイバ 7はシンダルモード フア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 )
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、 A 1 GaAsからなる下部クラッド層 15、 A 1 GaAsからなる下部 GR I N— SCH層 16 a、 量子井戸構造の活性層 17、 A 1 GaAsからなる上部 GR I N— SCH層 16 b、 Al GaAs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 2003/011549 下部電極、 符号 14は上部電極である。 なお、 量子井戸活性層 1 7の井戸層とし ては I nG a A s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 976 nm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 一ザモジュール 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 488 nmであった。
(実施例 2)
実施例 2の半導体レーザ素子 5は、 井戸層の材料である I n G a A sの I n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 1064 nm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。 SH G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 532 nmであった。
(実施例 3)
実施例 3の半導体レーザ素子 5は、 井戸層の材料を A 1 G a A s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 810 nm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。 SH G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 405 nm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、 糸且成を変更することで 800〜 1 200 n mの範囲で任意に設計することができ る。 また、 F B G 2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 1"生を図 3に示す。 光出力は駆動電流が 5 0 0 mAのとき 3 0 O mW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 5 0 O mWで、 Y AG結晶 2 1からの光出 力は数 mWであり、 波長変換デバイス 2 2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ィス 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と波長変換デパイス 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と波長変換デバィス 3の両方を同時に温度制御することができ、 ペルチヱ 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 ユ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 （S F G) を発生させる非線形結晶から構成される波長通倍モジュールを示す。 ここでいう S FG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。 スぺクトル線幅が 0 · 5 MH zより狭 く縦モードは 1本の場合、 S FG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ぴ S FG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 ユ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 （S FG) 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 る波長通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
9 ールを示す。素子については、 図 1 0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 S F G、 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 （S F G)発生素子、第 2次高調波 （S HG) 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 1 1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 イブ、 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 ィプ等の様々なタイプの適用が考えられる。 図 1 2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 S HG又は S F G素子又は S HG + S F G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、 波長遁倍モジュールの出射光波長として、 S F G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、 1 0 6 4 n m以下の L D及び D B Rレーザを用いる。 図 1 3は、 上述の波長遁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 1 4は、 和周波 （S F G) 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 1 4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。 上記にぉ 、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、 L B O結晶の最小透過波長である 1 6 0 n m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 1 6 2 0 n mまでの範囲が考えられる。 次に、 波長遁倍素子である P P L N (Periodically Poled LiNb03) について説 明する。 P P L N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。 しカゝし、 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、 P P L N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、 周期分極にパ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ヤープを付けた構造を有する場 合である。 周期チヤープマスクを行い、 例えば図 1 5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 1 6 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 1 7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。 レンズを使わない場合
Figure imgf000014_0001
(表 1 )
レンズを使う場合
Figure imgf000015_0001
(表 2) レンズを使う場合には、 入力ファイバの NA (開口角） Xコリメートレンズの 焦点距離 f 1と、集光レンズの焦点距離 f 2XPPLNの NAが一致するように、 入力ファイバと P P LNの NAを測定し f 1 , f 2を選択する。 同様に、 出カフ アイバの NA (開口角） X集光レンズの焦点距離 f 1と、 コリメートレンズの焦 点距離 f 2 X P P LNの NAがー致するように、 入力ファイバと P P LNの NA を測定し f 1, f 2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 S H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。 P P L N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、 波長遁倍素子と光 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 長遄倍素子と光フアイバがレンズを介さずパ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 1 8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、 キヤ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、 キヤビラリ一は、 ガラス類 （石英、 ホウ珪酸ガラスな ど）、 セラミックス類 （ジルコニァなど）、 金属類 （S U S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。 伹し、 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。
(波長通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 lnmのスぺク トル幅がある。 そのため、 半値全幅が lnm程度のスぺク 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 976nraLDで SFG理論によるシミュレーションを行レ、、 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[l]らは- QPM (Quasi Phase Matching)条件での第 2次高調波の 波長、 温度等の特生と許容度を述べたが、 彼らの理論は基本波をスぺク 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 , … ） 各々の波長に対応する光強度を 、 … pN、 とする。 SFGの原理によって任意な波長 が全ての波長 と結合して、 波長 が
1 1 1
+
2 k, λ ι. λ j. ( 1 ) である光を生じる。 生じる光 の光強度は基本波 ,と の強度 と ,と /1 /の位 相整合条件 Mによって決まる。 図 1 9に SFG、 SHG理論によって計算した出力波形 と実験値を示す。 実験で得たスぺク 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。 TJP2003/011549
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 488nra Blue Laser の構成を示す。
LDの制御温度を調節し、 発振スぺクトルを 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カスペクトルと実験値を 比較する。 図 22に示す実験の 488nmスぺクトル結果から LDの温度制御により 488nra 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ぺクトル形状、 半値全幅とも一致し SFG理論計算が正 しいことがわかる。
FWHM比較表
Figure imgf000018_0001
(表 3)
(488 nm出力の安定' 14)
FGB無し 976 nmLD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 488 nm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 488 nmP o we r 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 488 nm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 488 nm光出力の波長安定 1"生は 0. 07 nm以下であった。 ( F B G付きと F B G無しの場合の比較）
基本波 （図 2 4参照） 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。
PPL 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 F B G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 2 5に示す。
FWHM比較
Figure imgf000019_0001
(表 4 ) 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 —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. 07nraの 488nra青色レ 一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パックコント口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 1 0 %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、 フォトニックパンドギャップ （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 める。 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 SH G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 S FG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遁倍モジュールを供給することができる。
更に、 この波長通倍モジュールに、 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

請 求 の 範 囲
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 一ノレ。
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 （SH G) 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 （S FG) 発生素子及び第 2高調波 （SH G) 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 160〜1620 nmであるク レーム 1 , 2及ぴ 5から 7の何れか 1に記載の波長変換モジュール。
9 . 前記波長変換デバィ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及ぴ 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。
1 0 . 前記半導体レーザモジュールのスペク トル線幅は、 0 . 5 MH z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。
1 1 . 前記波長変換デバイスの周期分極反転の周期はチヤープを付けた構造を 有するクレーム 1 ， 2及び 5から 1 0の何れか 1に記載の波長変換モジュール。
1 2 . 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及ぴ 5から 1 1の何れか 1に記載の波長変換モ シユーノレ。
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