CN1400503A - 光波导器件，使用了光波导器件的相干光源及光学装置 - Google Patents

光波导器件，使用了光波导器件的相干光源及光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明简化光波导器件的批量生产工艺，谋求降低成本的同时，谋求降低噪声，使光波导15的入射端面15a与出射端面15b大致平行，通过采用把大面积的光学材料基板14进行光学研磨后切断，批量生产SHG元件13的批量生产方法，由此，能够进行具有均匀元件长度的光波导器件的批量生产，另外，使光波导15的光轴方向与光波导15的出射端面15b之间具有不是90°的角度，降低来自光波导15的出射端面15b的回光。

Description

光波导器件，使用了光波导器件的相干光源及光学装置
技术领域
本发明涉及在光信息处理领域或者光应用计测控制领域中使用的光波导器件，使用了该光波导器件的相干光源以及光学装置。
背景技术
在光信息记录再生装置中，通过使用极短波长的光源能够实现高密度化。例如，在以往就已经普及的紧凑盘(CD)装置中使用波长780nm的近红外线光，对此，在实现了更高密度的记录再生的数字万用盘(DVD)装置中，使用波长650nm的红色半导体激光器。另外，为了进一步实现高密度的下一代光盘装置，正在大力地进行短波长的蓝色激光光源的开发。例如，为了获得小型而且稳定的蓝色激光光源，正在开发使用了非线性光学材料的第2高次谐波发生(Second-Harmonic-Generation)(以下记为「SHG」)元件。
图6是示出使用了SHG元件的包括SHG蓝色光源的光学装置一例的概略结构图。
首先，参照图6，说明SHG蓝色光源。
如图6所示，SHG蓝色光源101包括SHG元件103和半导体激光器104，半导体激光器104与SHG元件103直接耦合。
SHG元件(光波导器件)103具有光学材料基板105。在光学材料基板105的表面，通过质子交换法形成宽度约3μm，深度约2μm的高折射率区，该高折射率区起到光波导106的功能。而且，从半导体激光器104出射的波长850nm的红外光在SHG元件103上的光波导106的入射端面106a上聚光，沿着SHG元件103上的光波导106内传输，成为基波导波光。作为光学材料基板105的基板材料的LiNbO3晶体具有相当大的非线性光学常数，从基波的电场激励波长被变换为二分之一的波长425nm的高次谐波导波光。另外，为了补偿基波与高次谐波的传输常数差，在光波导106上形成周期形的分极翻转区107，遍及光波导106的整个区域激励的高次谐波，？？相干，从光波导106的出射端面106b出射。
这里，由于为了正确地补偿基波与高次谐波的传输常数差，需要正确地把基波的波长保持恒定，所以作为半导体激光器104，使用具有分布布雷格反射器(以下记为「DBR」)区，并且由温度等引起的波长变动极小的DBR半导体激光器。
其次，参照图6，说明搭载了使用SHG元件的SHG蓝色光源的拾光器光学***的动作。
如图6所示，光学装置102具备包括SHG元件103以及半导体激光器104的SHG蓝色光源(相干光源)101，包括准直透镜108、偏振光束***器109、1/4波长板110以及物镜111的聚光光学***和光检测器。
从SHG元件103出射的高次谐波蓝色光顺序通过准直透镜108，偏振光束***器109，1/4波长板110以及物镜111，在光盘113上聚光。由光盘113调制了的光用偏振光束***器109反射了以后，由聚光透镜(未图示)导向光检测器112，由此可以得到再生信号。这时，从SHG元件103出射平行于纸面的直线偏振光，在1/4波长板110内往复，成为垂直于纸面的偏振光，来自光盘113的反射光用偏振光束***器109全部反射，不返回到SHG蓝色光源101一侧。
但是，由于当前的光盘113的基体材料具有复折射性，因此在光盘113中发生的无用偏振光成分通过偏振光束***器109，成为回光，返回到SHG蓝色光源101一侧。为了在光盘113的再生过程中，进行位置控制使得物镜111在光盘113上正确地与焦点相吻合，因此光波导106的出射端面106b与光盘113构成共焦点光学***，来自光盘113的反射光正确地在光波导106的出射端面106b上聚光。
如果来自光盘113的反射光像这样返回到SHG蓝色光源101一侧，则将发生噪声。以往，提出了避免该噪声的各种技术。例如，提出了用高频信号把半导体激光器进行调制使其产生多个纵模式的方法，或者使半导体激光器引起自激振荡相同地实现多个纵模式振荡的方法。另外，在光通信的领域中，在把来自半导体激光器的光在光纤中聚光时，一般是在两者之间***使用了磁光效果的光隔离器。另外，还提出了通过倾斜地截断光纤或者光波导的输入一侧端面，使反射光倾斜地反射，使得反射光不返回到半导体激光器的方法(特开平5-323404号公报等)。
这些技术是为了降低返回到半导体激光器内部的回光引起的噪声，本发明者们进行使用了图6所示的光波导SHG元件103的拾光器的再生实验，发现了以与以往的回光感应噪声不同的机理产生的噪声。该噪声是由光波导106的出射端面106b反射在光波导106的出射端面106b聚光的回光，与从光波导106内部出射的光相干涉产生的干涉噪声。根据该干涉效果，从光纤113一侧可以看到SHG蓝色光源101的输出光功率发生变化，由低频噪声调制光盘113的再生信号，使再生信号恶化。半导体激光器104中的回光感应噪声通过半导体激光器104内部的光与回光的相互作用而发生，与此不同，上述干涉噪声通过来自SHG蓝色光源101的出射光与回光的干涉而发生。
如以上说明的那样，在使用了光波导器件(SHG元件103)的光学***中，存在2种不同的噪声，即，反射从SHG蓝色光源101出射的光并且返回到SHG蓝色光源101的出射端面，在SHG蓝色光源101的外部的光学***中引起干涉的低频的干涉噪声，以及在半导体激光器104的内部产生的模式反射噪声。作为降低后者的模式反射噪声的方法已经提出了种种技术。另外，降低前者的向SHG蓝色光源101的回光和共焦点光学***中的干涉噪声的技术公开在特开2000-171653号公报中。该技术如图7，图8，图9所示，对于光波导106的光轴方向(导波光的传输方向)倾斜地形成光波导106的出射端面106b。由此，由光波导106的出射端面106b反射的高次谐波不向光波导106的光轴方向前进。因此，降低从SHG元件103出射的光与反射光的干涉，能够防止发生干涉噪声。
另外，为了谋求SHG蓝色光源101的小型化，在高效地使半导体激光器104与光波导106直接耦合方面，需要使半导体激光器104与SHG元件103的入射端面接近到数μm以下，而且，使光波导106的光轴方向对于光波导106的入射端面106a几乎为垂直那样形成光波导106。进而，为了实现高效率的波长变换，需要遍及很长的距离满足单一的相位匹配条件。从而，最好沿着尽可能长的距离光波导的行进方向和传输常数都处于均匀的状态，直线波导最适于高效化。
另外，虽然与本发明的目的以及效果不同，但是具备周期形的分极翻转构造和弯曲的光波导的光波长变换器件公开在特开平5-323401号公报中。在该公报中所记载的发明中，通过使用能够使导波光的传输方向渐渐变化的弯曲的光波导，使光波导的相位匹配条件朝向导波光的传输方向变化，能够扩大相位匹配波长的允许度。
但是，在批量生产光波导106的入射端面106a与出射端面106b不是相互平行的SHG元件103时，具有很大的问题。即，如图10所示，通常，在制做SHG元件103时，在把光学材料基板114进行了光学研磨以后，切断光学材料基板114，切割出微细的形状。而且，通常为了简化光学研磨工艺而且提高研磨精度，在把比较大形状的光学材料基板114进行了光学研磨以后，切断光学材料基板114。然而，如果使用该方法，批量生产光波导106的入射端面106a与出射端面106b不是相互平行的SHG元件103，则将产生得到元件长度不同的SHG元件103，不能够批量生产均匀的SHG元件103的问题。
另外，具备周期形的分极翻转构造和弯曲的光波导的以往的光波长变换元件与本发明的目的以及效果不同。另外，作为构成要素，由于使用弯曲的光波导，因此虽然能够扩大相位匹配波长允许度，但是不能避免波长变换效率的大幅度降低。进而，在上述特开平5-323401号公报中，并没有记述有关光波导的输入端面与输出端面的关系。另外，关于批量化工艺的容易程度方面的课题也没有任何记述。
发明内容
本发明是为解决以往技术中的上述课题而产生的，目的在于提供容易批量生产的光波导器件。另外，本发明的目的在于提供使用该光波导器件，满足低噪声的光源特性的相干光源。进而，本发明的目的在于提供使用该相干光源，能够降低光源外部的干涉噪声的光学装置。
为了达到上述目的，本发明的光波导器件具备基板；形成在上述基板上的光波导；形成在上述光波的端面的入射端面以及出射端面，其特征在于
上述光波导的上述入射端面与上述出射端面几乎相互平行，
上述出射端面中的上述光波导的光轴方向与上述出射端面构成的角度θ不是90°。
在上述本发明的光波导器件中，上述光波导器件最好形成为大致正方体形。
在上述本发明的光波导器件中，上述角度θ最好满足θ≤87°或者θ≥93°。
在上述本发明的光波导器件中，上述角度θ最好满足80°≤θ≤87°或者100°≥θ≥93°。
在上述本发明的光波导器件中，上述光波导最好具备从上述入射端面对于该入射端面几乎垂直延伸的直线波导，以及形成在上述入射端面与上述出射端面之间的至少一个弯曲波导。另外，在这种情况下，在上述光波导中传输波长不同的多个导波光，对于上述波长不同的导波光，最好上述弯曲波导中的放射损失不同。另外，这种情况下，上述弯曲波导最好由直线部分和弯曲部分构成。
在上述本发明的光波导器件中，上述基板由MgO掺杂LiNbO3晶体构成，上述入射出射端面最好与上述晶体的X面或者Y面大致平行。
在上述本发明的光波导器件中，上述光波导最好具有周期形的分极翻转构造。
另外，本发明的相干光源的结构具有半导体激光器和光波导器件，其特征在于
作为上述光波导器件使用上述本发明的光波导器件。
在上述本发明的相干光源的结构中，上述光波导器件是第2高次谐波发生器件，最好把从上述半导体激光器出射的波长λ1的基波变换为波长λ2的第2高次谐波。另外，在这种情况下，在上述光波导的上述入射端面与上述出射端面的至少一方，最好具备对于波长λ1的上述基波和波长λ2的上述第2高次谐波的至少一方的防反射膜。另外，在这种情况下，在上述光波导的上述入射端面与上述出射端面的至少一个上，最好具备对于波长λ1的上述基波的防反射膜。
另外，本发明的光学装置的结构具备相干光源和把来自上述相干光源的出射光在被观测物体上聚光的聚光光学***，其特征在于
作为上述相干光源使用方案12所述的相干光源，
上述相干光源的上述光波导器件与上述被观测物体处于共焦点的关系。
在上述本发明的光学装置的结构中，上述被观测物体最好是光纤。
附图的简单说明：
图1是示出本发明第1实施形态中的光学装置的概略结构图。
图2是示出作为本发明第1实施形态中的光学装置的构成要素的光波导器件的平面图。
图3是示出用于批量生产本发明第1实施形态中的光波导器件的光学材料基板的平面图。
图4A是示出本发明第2实施形态中的光波导器件的平面图，B是示出本发明第2实施形态中的光波导器件的其它结构的平面图。
图5是示出本发明第3实施形态中的光学装置的概略结构图。
图6是示出包括使用了以往技术中的SHG元件的SHG蓝色光源的光学装置的一例的概略斜视图。
图7是示出以往技术中的光学装置的其它例示的概略结构图。
图8是示出以往技术中的光学装置的其它例子的概略结构图。
图9是示出作为以往技术中的光学装置的其它例子的构成要素的光波导器件的平面图。
图10是示出用于批量生产以往技术中的光波导器件的光学材料基板的平面图。
发明的具体实施形态
本发明是具备基板和形成在上述基板上的光波导的光波导器件，目的在于提供能够降低来自上述光波导的出射端面的回光，而且，容易进行批量生产的器件构造。
具体地讲，通过使光波导的入射端面与出射端面几乎平行，能够去除批量生产工艺中的光波导器件的元件长度的分散性。而且，由此即使在使用了把比较大的形状的光学材料基板进行了光学研磨以后切断光学材料基板的批量生产方法的情况下，也能够制造具有均匀元件长度的光波导器件。
另外，为了降低来自光波导的出射端面的回光，把出射端面附近的光波导形成为使得其光轴方向(导波光的传播方向)对于光波导的出射端面具有不是90°的角度。而且，为了实现该结构，在光波导中导入「弯曲构造」。
进而，通过从光波导的入射端面到光波导的出射端面附近形成直线波导，实现高效率波长变换，进而，通过在光波导的出射端面附近形成弯曲波导，使得光波导的光轴方向与光波导的出射端面之间具有不是90°的角度，能够大幅度地降低来自光波导的出射端面的回光。
进而，作为光波导器件，通过使用光波导具有周期形的分极翻转构造的第2高次谐波发生元件，能够使光输出的稳定性大幅度地提高。这是因为在利用了非线性光学效果的第2高次谐波发生元件中，能够降低由于元件内的温度分布引起的输出下降。
本发明的光学装置具备由半导体激光器和本发明的光波导器件构成的相干光源，以及把来自上述光波导器件的出射光在被观测物体上聚光的聚光光学***，特征在于上述光波导器件与上述被观测物体处于共焦点的关系。如果依据该光学装置的结构，则用光波导的出射端面反射来自外部光学***的回光，防止与来自光波导器件的出射光相互干涉，能够提供没有干涉噪声的稳定的光源。
第1实施形态
图1是示出本发明第1实施形态中的光学装置的概略结构图，图2是示出作为其构成要素的光波导器件的平面图。
如图1，图2所示，光学装置10具备相干光源11。该相干光源11具备半导体激光器12和光波导器件，作为光波导器件，使用具有以下结构的第2高次谐波发生元件(SHG元件)13。
SHG元件13形成为大致正方体形。另外，SHG元件13具有由MgO掺杂LiNbO3晶体构成的光学材料基板14。在光学材料基板14的表面上，通过质子交换法形成宽度约3μm，深度约2μm的高折射率区，该高折射率区起到光波导15的作用。而且，从半导体激光器12出射波长820nm的基波在SHG元件13上的光波导15的入射端面15a上聚光，沿着SHG元件13上的光波导15内传输成为基波导波光。作为光学材料基板14的基板材料的MgO掺杂LiNbO3晶体具有大的非线性光学常数，从基波的电场激励波长被变换为二分之一的波长410nm的高次谐波导波光。另外，为了补偿基波与高次谐波的传输常数差，在光波导15上形成周期形的分极翻转区20，遍及光波导15的整个区激励起的高次谐波，满足相干，从光波导15的出射端面15b出射。
这里，由于为了正确地补偿基波与高次谐波的传输常数差，需要正确地把基波的波长保持为恒定，因此作为半导体激光器12具有DBR区，使用由温度等引起的波长变动极小的DBR半导体激光器。DBR半导体激光器不仅波长变动小，而且由于以单一波长振荡，因此兼有相干性高，而且噪声小的特征。
光波导15的入射端面15a与出射端面15b形成为大致平行。光波导15由从光波导15的入射端面15a对于该入射端面15a几乎垂直延伸的直线波导16，以及形成在光波导15的出射端面15b附近，改变导波光的传输方向的弯曲波导17构成。
这里，直线波导16与弯曲波导17平滑连接，弯曲波导17由作为与直线波导16的连接部分的弯曲部分18和直线部分19构成。由于对于光波导15的入射端面15a几乎垂直地形成直线波导16，因此在与半导体激光器12直接耦合时，能够实现很高的耦合效率。另外，弯曲波导17的直线部分19的光轴方向(导波光的传输方向)与光波导15的出射端面15b构成θ的角度，光波导15的出射端面15b的法线与弯曲波导17的直线部分19的光轴方向构成(90°-θ)的角度。这里，θ是90°以外的角度。由于弯曲波导17在光波导15的出射端面15b附近直线地延伸，因此光波导15的出射端面15b与弯曲波导17的光轴方向构成的角度θ在光波导15的出射端面15b附近成为恒定。这里，例如，设定SHG元件13的元件长度为10.5mm，直线波导16的长度为10mm，弯曲波导17在直线波导16的延长线上投影的长度为0.5mm，弯曲波导17的弯曲部分18的长度为0.1mm，弯曲波导17的光轴方向与光波导15的出射端面15b构成的角度θ为84°，则形成对于直线波导16的光轴方向，具有6°倾斜的弯曲波导17的直线部分19的光波导15。
如上述那样，光学材料基板14由MgO掺杂LiNbO3晶体构成，光波导15的入射端面15a以及出射端面15b几乎与晶体的X面或者Y面平行。
如图1所示，控制装置10具备作为使从相干光源11出射的光成为大致平行光的准直光学***的准直透镜21。另外，光源装置10具备偏振光束***器22，1/4波长板23以及物镜24。这里，准直透镜21和物镜24构成把来自相干光源11的出射光在光盘25上聚光的聚光光学***。
由于来自SHG元件13的光对于光波导15的出射端面15b倾斜出射，因此准直透镜21配置在SHG元件13的来自光波导15的出射光分布的中心。另外，光盘(被观测物体)25的表面与SHG元件(光波导器件)13的出射端面(光波导15的出射端面15b)构成共焦点光学***。
其次，参照图1，说明搭载了使用SHG元件的相干光源的光学系装置(拾光器光学***)的动作。
如图1所示，从半导体激光器12出射的光经过SHG元件13，顺序通过准直透镜21，偏振光束***器22，1/4波长板23以及物镜24，在光盘25上聚光。用光盘25反射了的高次谐波由1/4波长板23使偏振光旋转，用偏振光束***器22反射了以后，由聚光透镜(未图示)导入到光检测器(未图示)，由此可以得到再生信号。这里，由于光盘25的复折射性等，因此在由1/4波长板23产生的偏置光不充分的情况下，还能够引起高次谐波的一部分透过偏振光束***器22，成为回光，返回到SHG元件13一侧。
但是，在本实施形态的SHG元件13中，光波导15由从光波导15的入射端面15a对于该入射端面15a几乎垂直延伸的直线波导16，以及形成在光波导15的出射端面15b附近的弯曲波导17构成，弯曲波导17的光轴方向对于光波导15的出射端面15b倾斜。从而，由于光波导15的出射端面15b中的反射光不会再次返回到共焦点光学***，因此能够大幅度地降低干涉噪声。
为了使半导体激光器12稳定地动作，需要把来自光波导15的出射端面15b的回光对于出射光抑制为0.1％以下。如果把光波导15的出射端面15b与弯曲波导17的光轴方向构成的角度θ设定为87°以下或者93°以上，则来自光波导15的出射端面15b的回光被抑制为0.1％以下。从而，光波导15的出射端面15b的法线与弯曲波导17的光轴方向构成的角度最好是±3°以上。
特别是，考核到光波导15的出射端面15b的状态或者由于污染等引起的回光，光波导15的出射端面15b的法线与弯曲波导17的光轴方向构成的角度更理想的是±5°以上。但是，如果超过该角度±10°，则由于加大光波导15中的传输损失，因此该角度最好是±10°以下。
另外，本实施形态的相干光源11由于主要目的是利用从基波变换了的高次谐波，因此对于高次谐波构成共焦点光学***。从而，基波由于光学***的色像差而偏离共焦点光学***的条件，因此基波从外部返回到相干光源11的比例非常小。其结果，能够把从光波导15的输出端面15b返回到光半导体激光器12的回光降低到-40dB以下，使得难以产生由该回光引起的噪声。
另外，通过适当地设定光波导15的出射端面15b与弯曲波导17的光轴方向构成的角度θ以及弯曲波导17的弯曲部分18的长度，能够降低作为直线波导16与弯曲波导17的连接部分(弯曲部分)中的损失的放射损失。在实验中确认，当弯曲波导17的弯曲部分18的长度为0，θ为6°时，高次谐波的放射损失是50％左右。另一方面，当弯曲波导17的弯曲部分18的长度是0.1mm以上，θ为6°时，高次谐波的放射损失几乎为0。为了防止弯曲部分18中的放射损失，需要把弯曲部分18的长度设定为0.1mm以上。如果这样设定，则能够使弯曲部分18中的放射损失几乎为0。即，把直线波导16的长度设定为10mm，把弯曲波导17在直线波导16的延长线上投影的长度设定为0.5mm的元件长度10.5mm的SHG元件13的波长变换效率与具备元件长度10mm的直线波导的SHG元件相同。这样，只是把元件长度取为1.05倍，就能够进行高效率的波长变换，而且能够实现可防止回光的SHG元件13。
在本实施形态中，弯曲波导17的弯曲部分18(θ＝6度时)的长度设定为0.1mm左右。如果弯曲部分18的长度成为10μm以下，则由于弯曲部分18的曲率半径减小，因此增加弯曲部分18中的放射损失。另外，光波导15虽然对于传输的基波按照单模条件进行设计，但是对于高次谐波成为多模条件。因此，如果急剧地加大弯曲波导17的弯曲部分18的曲率，则加大对于沿着弯曲波导17传输的高次谐波的扰动，观测到沿着直线波导16传输来的单一模式的高次谐波变换为其它的高次模式的现象。从而，弯曲波导17的弯曲部分18的长度最好是0.1mm以上。
另外，通过使光波导15的入射端面15a与出射端面15b几乎相互平行，能够简化SHG元件13的批量生产方法。
作为SHG元件的批量生产方法，有把大面积的光学材料基板进行光学研磨，然后，通过把其切割，批量生产SHG元件的方法。该批量生产方法由于一次研磨大面积的光学材料基板，因此具有能够简化批量生产方法，降低SHG元件的批量生产成本，提高光学材料基板的研磨精度的优点。
然而，在批量生产以往的光波导的入射端面与出射端面不是相互平行的SHG元件的情况下，不能够采用该批量生产方法。这是因为将批量生产出元件长度分别不同的SHG元件。
另外，作为SHG元件的批量生产方法，有在切断了光学材料基板以后，进行光学研磨的方法。但是，由于为了把SHG元件进行光学研磨，必须固定小的SHG元件，因此SHG元件的光学研磨工艺非常繁杂，同时，还难以提高研磨精度。特别是，在批量生产元件宽度1mm以下的SHG元件时，在把光学材料基板切断了以后固定SHG元件并且把其研磨是非常困难的。另外，这种情况下，还难以正确地控制光波导的出射端面的角度。
在批量生产光波导15的出射端面15a与出射端面15b相互平行的本实施形态的SHG元件13时，如果采用通过把大面积的光学材料基板14进行光学研磨，然后把其切断，批量生产SHG元件13的方法，则如图3所示，能够批量生产元件长度均匀的SHG元件13。
进而，在利用了非线性光学效果的SHG元件13中，根据利用了周期形的分极翻转构造的非线性光栅，使基波与第2高次谐波的相位匹配条件近似成立，进行高效率的波长变换。但是，为了根据光栅的周期构造使相位匹配条件成立，对于光波导15的传输常数以及光栅的周期构造的均匀性的要求非常严格。如果稍微降低光波导15的传输常数以及光栅周期构造的均匀性，则变换效率将大幅度地下降。对于光波导15的宽度以及分极翻转周期分散性的允许度是数％以下。在要求这样严格的均匀性的SHG元件13中，发现了伴随着所发生的第2高次谐波的输出的高输出化，输出的稳定性降低，产生波长变换效率的饱和现象。追究其原因，探明了所发生的第2高次谐波的微少的吸收使得在光波导15中产生温度分布，该温度分布成为光波导15不均匀性的原因。即，在SHG元件13的光波导15内，第2高次谐波按照传输距离的平方增加。另外，在光波导15内，第2高次谐波的强度分布按照元件长度的平方增加。因此，如果在光波导15中存在对于第2高次谐波的极微少的吸收，在光波导15上沿着光轴方向也将产生温度分布。在第2高次谐波的高输出时，在光波导15的特别是输出端子15b附近发生光波导的温度上升，根据由此而引起的折射率变化，出射端面15b附近的相位匹配波长增大。其结果，光波导15的出射端面15b附近的相位匹配波长偏离基波的波长，对于相位匹配不产生贡献。这是光波导15的不均匀性的原因。为了解决这一点，需要与高输出时的温度分布相吻合，设计在高输出时相位匹配波长偏离的光波导15的输出端面15b附近的相位匹配条件。即，与其它的部分相比较可以稍微加长出射端面15b附近的光波导15中的分极翻转周期。为了使该条件成立，在出射端面15b附近把光波导15弯曲的本发明的结构是非常有效的。
例如，把弯曲波导17在直线波导16的延长线上投影的长度设定为2mm。通过在出射端面15b附近把光波导15弯曲，光波导15的光轴方向与分极翻转区20构成的角度在光波导15的输出端面15b附近变化，对于弯曲波导17的分极翻转周期稍微加长。其结果，能够满足高输出时温度上升的出射端面15b附近的相位匹配条件。通过使用本发明的结构，即使对于输出20mW以上的第2高次谐波，输出也不会饱和，能够得到稳定的输出特性。由于光波导15的随着温度变化产生的相位匹配条件的变化在距出射端面15b数mm左右的位置最显著，因此通过在该部分形成弯曲波导17，能够使输出稳定。
另外，在光波导15的输出端面15b附近，直线形地延长弯曲波导17，光波导15的输出端面15b与弯曲波导17的光轴方向构成的角度θ在输出端面15b附近成为恒定。因此，能够缓和光波导15的研磨精度。在以往技术的弯曲了的光波导中，根据光波导的出射端面的研磨精度，光波导的光轴方向与光波导的出射端面构成的角度发生变化。由MgO掺杂LiNbO3晶体构成的光学材料基板14由于其折射率是2以上，因此如果光波导与光波导的出射端面构成的交叉角度变化0.1°，则出射角度变化0.2°以上。为此，光波导的出射端面的研磨精度要求非常严格，制造成本升高。通常，对于光盘25等，由于使用相干光源11，因此需要把来自光波导15的出射光的角度变化量控制为±0.2°以下。如本发明这样，如果出射端面15b附近的光波导15的光轴方向与光波导15的出射端面15b构成的角度为恒定，则由于光波导15的出射端面15b与光波导15的光轴方向的交叉角度不随着光学研磨而变化，因此能够大幅度地缓和研磨精度，其结果，能够降低制造成本。具体地讲，由于把研磨精度取为±0.1mm左右就很充分，因此可以把弯曲波导17的直线部分19在直线波导16的延长线上投影的长度设定为0.3mm左右以上。
进而，在本实施形态中，光波导15的入射端面15a与出射端面15b设定成与构成光学材料基板14的MgO掺杂LiNbO3晶体的X面或者Y面几乎平行。即，光波导15内的导波光的传输方向设定为与晶体的X轴或者Y轴几乎平行。因此，能够降低光波导15的传输损失。
如果加大对于晶体轴的光波导15内的导波光的传输方向倾斜，则将增大传输损失。例如，如果倾斜5°左右，则传输损失增加0.5dB/cm。这是由于通过使光波导15内的导波光的传输方向对于晶体轴倾斜，在光波导15与基板14的边界，作为传输损失之一的散射损失增大。从而，最好与晶体轴平行地形成光波导15，对于晶体轴不是平行的光波导15采用尽可能短的距离。为此，像弯曲波导17那样与晶体轴不平行的光波导最好形成在光波导15的出射端面15b附近。通过把弯曲波导17形成在光波导15的出射端面15b附近，能够降低光波导15的传输损失。具体地讲，直线波导16形成为与晶体的X轴或者Y轴几乎平行。根据该构造，能够把光波导15的传输损失降低到最小。为了降低光波导15的传输损失，最好把弯曲波导17形成在距光波导15的出射端面15b的0.2～2mm附近，更理想的是形成在0.2～1mm附近。另外，在距光波导15的出射端面15b的0.1mm以上距离的位置形成弯曲波导17是由于弯曲波导17的弯曲部分18最好具有0.05mm以上长度，以及能够缓和研磨精度的原因。
进而，如果在本发明的结构中利用SHG元件13，则能够进一步降低光波导15的传输损失。由于SHG元件13是为了把基波波长变换为高次谐波的器件，因此以基波为中心设计其光波导15。从而，对于波长短的第2高次谐波，光波导15成为多模条件。
其结果，波长短的第2高次谐波被封闭在光波导15的内部，难以受到光波导15周边部分的传输损失的影响。因此，即使是对于晶体轴不平行的光波导15，也能够降低高次谐波的传输损失。进而，在弯曲波导17中也根据同样的理由，与基波相比较，高次谐波难以受到放射损失的影响。另外，弯曲波导17的弯曲部分18中的放射损失依赖于弯曲部分18的曲率。通过分割并形成曲率小的弯曲部分18，能够降低弯曲部分18中的放射损失。进而，通过进行与放射模式的耦合为最小的光波导15的设计，能够进一步降低弯曲部分18中的放射损失。另一方面，由弯曲波导17引起的基波的放射损失在降低对于半导体激光器12的回光方面是有效的。半导体激光器12通过基波再次返回到激活层，增大噪声。通过使用弯曲波导17，基波的回光在弯曲波导17的弯曲部分18中衰减。进而，从外部返回到光波导15内部的基波也衰减。根据以上所述，通过弯曲波导17降低对于半导体激光器12的回光，实现回光噪声小的光源。
第2实施形态
在本实施形态中，说明本发明的光波导器件的其它结构。
SHG元件13的弯曲波导17中的放射损失依赖于导波光的波长，高次谐波比基波的放射损失大，多模化程度高。
图4(A)是示出本发明第2实施形态中的光波导器件的平面图。作为光波导器件，使用具有以下结构的第2高次谐波发生元件(SHG元件)13。
SHG元件13形成为大致正方体形。另外，SHG元件13具有由MgO掺杂LiNbO3晶体构成的光学材料基板14。在光学材料基板14的表面，通过质子交换法形成宽度约3μm，深度约2μm的高折射率区，该高折射率区起到光波导15的作用。另外，为了补偿基波与高次谐波的传输常数差，在光波导15上形成周期形的分极翻转区20。光波导15的入射端面15a与出射端面15b形成为几乎平行。以上的结构与上述第1实施形态的结构相同。
光波导15由从光波导15的入射端面15a对于该入射端面15a几乎垂直延伸的直线波导26，分别形成在光波导15的入射端面15a附近和出射端面15b附近改变导波光的传输方向的弯曲波导27、28，连接弯曲波导27与弯曲波导28并且对于光波导15的入射端面15a几乎垂直延伸的直线波导29构成。这里，弯曲波导27与直线波导26以及29平滑连接，弯曲波导27由作为与直线波导26以及29的连接部分的弯曲部分31以及32和直线部分33构成。另外，弯曲波导28与直线波导29平滑连接，弯曲波导28由作为与直线波导29的连接部分的弯曲部分23和直线部分39构成。由于对于光波导15的入射端面15a几乎垂直地形成直线波导26，因此在与半导体激光器直接耦合时，能够实现高耦合效率。另外，弯曲波导28的直线部分39的光轴方向(导波光的传输方向)与光波导15的出射端面15b形成θ的角度。这里，θ是90°以外的角度。
按照没有基波损失，增大高次谐波的放射损失那样设计光波导15的入射端面15b附近的弯曲波导27，例如，对于直线波导26以及29的光轴方向倾斜6°，把弯曲部分31、32的长度取为0.02mm以下，使得仅散射高次谐波。在光波导15的出射端面15b附近，如果存在高次谐波的放射损失则由于出射的高次谐波衰减，因此降低高次谐波的损失，从而弯曲部分23的长度设定为0.1mm左右。在光波导15的入射端面15a附近形成了弯曲波导27，这是本实施形态的特征。以下，说明该光波导器件(SHG元件13)的作用。
从光波导15的入射端面15a入射的基波由SHG元件13变换为高次谐波，从光波导15的出射端面15b出射。从光波导15的出射端面15b出射的高次谐波由SHG元件13的外部光学***的反射，成为回光，从光波导15的出射端面15b进入到光波导15。而且，进入了光波导15的高次谐波通过弯曲部分23、32、31，到达光波导15的入射端面15a。这时，作为回光的高次谐波在弯曲波导27的弯曲部分32、31中进行放射散射。因此，到达光波导15的入射端面15a的高次谐波被抑制为10％以下，减少干涉噪声。
通过1个弯曲部分，干涉噪声降低到1/5左右，如果例如形成2个弯曲部分，则能够把干涉噪声降低到1/25左右。作为回光的高次谐波由于用光波导15的入射端面15a反射，再次通过弯曲波导27，因此能够进一步降低干涉噪声。
另外，在本实施形态中，形成3个弯曲部分，但是弯曲部分的数量并不限定于3个。通过增加弯曲部分的数量，能够进一步降低由回光引起的干涉噪声。
另外，对模式变换有贡献的高次谐波的回光通过弯曲部分31、32，由此高次谐波不仅是放射散射，还被变换为高次模式。被变换为高次模式的高次谐波由于传输常数与原来的光不同因此不发生干涉。其结果，能够进一步降低干涉噪声。
由于在共焦点光学***中使用了SHG元件13的情况下，易于发生干涉噪声，因此本发明特别有效。
另外，本发明的结构还能够适用在如图4(B)所示的在光波导15的出射端面15b附近没有弯曲部分，而且倾斜地形成出射端面15b的光波导器件(SHG元件)中。该SHG元件的光波导15由从光波导15的入射端面15a对于该入射端面15a几乎垂直延伸的直线波导40，形成在光波导15的入射端面15b附近改变导波光的传输方向的弯曲波导35，连接弯曲波导35与光波导15的出射端面15b的直线波导34构成。这里，弯曲波导35与直线波导40以及34平滑连接，弯曲波导35由作为与直线波导40以及34的连接部分的弯曲部分36以及37和直线部分41构成。而且，对于直线波导34倾斜地形成光波导15的出射端面15b。
通过在光波导15的入射端面15a附近形成弯曲波导35，成为回光的从光波导15的出射端面15b进入到光波导15的高次谐波由于在弯曲波导35的弯曲部分36、37中放射散射，因此能够大幅度地降低干涉噪声。
另外，在本发明的光波导器件中，在波长不同的多个导波光传输的情况下，能够使任一个导波光衰减或者分离。例如，在利用了非线性光学效果的差频、和频、参量振荡等的高次谐波发生器件，利用了光波导的激光器或者放大器中，能够在把泵光和信号光分离时利用。另外，作为光波导器件使用了SHG元件13的情况下，本发明特别有效。在SHG元件13中，容易进行弯曲部分31、32、23、36、37中的波长分离。在以往的光波导中，对于波长极大不同的导波光(例如，在SHG元件中，基波的波长是高次谐波的波长的2倍)难以同时满足单模条件。在以往的光波导中，对于波长短的导波光成为多模。在该情况下，由于存在多个对于波长短的导波光的传输模式，因此不能够控制短波长光的导波模式，弯曲部分31、32、23、36、37中的放射损失也随着模式而极大地不同，难以进行控制。在使用SHG元件13的情况下，由于需要使相位匹配成立，因此一义地定第2高次谐波的传输常数，导波模式也能够根据相位匹配条件进行选择。由此，能够控制弯曲部分31、32、23、36、37中的放射损失。
第3实施形态
图5是示出本发明第3实施形态中的光学装置的概略结构图。另外，在本实施形态中，作为光波导器件，使用具有与上述第1实施形态相同结构的SHG元件13。
如图5所示，在本实施形态的相干光源11中，在光波导15的入射端面15a和出射端面15b上，分别形成由对于基波和高次谐波的每一个的多层膜构成的防反射膜38a，38b。作为形成在光波导15的入射端面15a的防反射膜38a的材料，最好使用对于基波的吸收率小，对于高次谐波的吸收率大的材料。例如，能够使用Si，GaP，Bi2O3，SiO。作为防反射膜38a，最好对于基波和高次谐波都成为防反射条件。另外，作为形成在光波导15的出射端面15b的防反射膜38b的材料，最好使用对于高次谐波和基波的吸收率都小的材料。如果在出射端面15b使用吸收率大的材料，则随着由吸收引起的温升，有可能产生端面破坏。例如，能够使用SiO2，Ta2O5，Nb2O5，TiO2。
在使用了SHG元件13的光学***中，如果把来自SHG元件13的出射光聚光，则光波导15的端面(入射端面15a以及出射端面15b)与聚光点构成共焦点光学***，共焦点之间的反射回光成为干涉噪声的原因。
在使用了本实施形态的SHG元件13的共焦点光学***中，由于光波导15的光轴方向(导波光的传输方向)与光波导15的出射端面以不是90°的角度θ交叉，因此光波导15的出射端面15b中的反射光不会再次返回到共焦点光学***。由此，能够大幅度地降低共焦点光学***中的干涉噪声的发生。如果把准直透镜21的数字孔径(NA)设定为光波导15的出射端面15b中的回光不返回到共焦点光学***中的程度，则能够进一步降低共焦点光学***中的干涉噪声的发生。另外，由于通过形成在光波导15的出射端面15b的防反射膜38b防止高次谐波的回光的反射，因此能够进一步降低共焦点光学***中的干涉噪声的发生。另外，通过把弯曲波导17的光轴方向对于光波导15的出射端面15b以不是90°的角度倾斜，能够降低由基波的回光产生的半导体激光器12的噪声。进而，由于通过防反射膜38b防止基波的反射，因此能够大幅度地降低光波导15的出射端面15b中的由基波的反射引起的共焦点光学***中的干涉噪声的发生。具体地讲，通过防反射膜38b能够把基波的反射率抑制到0.5％以下，其结果，能够大幅度地降低共焦点光学***中的干涉噪声的发生。
另外，根据形成在光波导15的入射端面15a的防反射膜38a，能够把从半导体激光器12出射的基波高效地耦合到光波导15，同时，能够降低对于半导体激光器12的回光噪声。
在考虑了半导体激光器12与光波导15的直接耦合时，如果光波导15的入射端面15a对于光波导15的光轴方向倾斜，则半导体激光器12与光波导15的耦合效率降低。从而，通过使光波导15的入射端面15a对于光波导15的光轴方向倾斜，降低由从半导体激光器12出射的基波在光波导15的入射端面15a反射并生成的回光发生的干涉噪声是不现实的。
为此，在本实施形态中，通过在光波导15的入射端面15a形成防反射膜38a，防止基波的反射，降低干涉噪声，同时，通过对于光波导15的光轴方向垂直地形成光波导15的入射端面15a，使半导体激光器12与光波导15的耦合效率提高。通过形成防反射膜38a，如果把半导体激光器12与光波导15的耦合效率增加10％以上，则高次谐波输出增加20％以上。另外，通过形成防反射膜38a，能够把基波的反射回光抑制到1％以下，能够降低干涉噪声。
另外，如果用光波导15的入射端面15a反射高次谐波，则成为共焦点光学***中的干涉噪声的原因。
为此，在本实施形态中，在光波导15的入射端面15a形成防反射膜38a，防止高次谐波的反射，谋求共焦点光学***中干涉噪声的降低。
另外，在本实施形态中，在光波导15的入射端面15a和出射端面15b的双方形成对于基波和高次谐波的每一个的防反射膜38a、38b，而也可以在光波导15的入射端面15a和出射端面15b的某一方形成对于基波和高次谐波的每一个的防反射膜38。另外，也可以在光波导15的入射端面15a和出射端面15b的至少某一方形成仅对于基波的防反射膜38。
另外，在上述实施形态中，作为改变导波光的传输方向的装置使用了弯曲波导17、27、28、35，而除此以外，方向性耦合器，Y分支波导，利用了光栅的反射的波导的传输方向的弯曲等，只要是可以改变导波光的传输方向的结构，则就可以使用任一种结构。
另外，在上述实施形态中，作为光波导构造以由单一光波长构成的情况为例进行说明，而本发明的光波导器件也能够在利用多个光波导，例如多分支波导，把多个光源的光入射到单一或者其它多个波导中的结构，或者反之，把单一光源的光分支到多个光波导中的结构等中应用。
另外，在上述实施形态中，以通过质子交换法形成的光波导15为例进行了说明，而本发明在具备了具有除此以外的离子交换法光波导，金属扩散光波导等埋入光波导，脊形、加载等的光波导等任一种构造的光波导的光波导器件中也有效。
另外，在上述实施形态中，作为光波导器件以使用SHG元件(第2高次谐波发生元件)13的情况为例进行说明，而光波导器件并不特别地限定于SHG元件13。例如，作为光波导器件可以考虑高速调制元件，相移器，频移器，偏振光控制元件等各种功能、构造的情况，在所有使用了这些光波导器件或者包括这些光波导器件的相干光源的光学***中都能够应用本发明的光波导器件。但是，在使用了SHG元件13的相干光源11中，由于作为半导体激光器12使用可干涉性高的DBR半导体激光器，大多发生可干涉性高的高次谐波，反之还易于发生干涉噪声，而通过与本发明的半导体器件相组合，能够特别有效地降低干涉噪声。
另外，在上述实施形态中，作为共焦点光学***以拾光器光学***为例进行说明，而本发明也能够在激光扫描显微镜或者激光打印机等其它相干光学***中使用。其中，在拾光器光学***中，由于作为被观测物体的光盘具有高反射率，调整控制物镜使得始终在光盘上聚光保持共焦点***，为了使光盘上下运动干涉条件时刻发生变化易于发生干涉噪声等，因此本发明的光波导器件在光盘拾光器光学***中特别有效。
如以上说明的那样如果依据本发明的光波导器件，则通过使光波导的入射端面与出射端面几乎相互平行，能够容易地进行光波导器件的批量生产。
进而，通过在出射端面附近弯曲光波导，则即使在2个端面平行的结构中，也能够大幅度地降低来自光波导的出射端面的反射回光。
通过把本发明的光波导器件与半导体激光器直接耦合，能够实现小型、高输出、稳定的相干光源。
另外，在光波导器件中，能够降低放射损失或者传输损失。

Claims (15)

1.一种光波导器件，该光波导器件具备
基板；
形成在上述基板上的光波导；
形成在上述光波导的端部的入射端面以及出射端面，
其特征在于：
上述光波导的上述入射端面与上述出射端面大致相互平行，
上述出射端面中的上述光波导的光轴方向与上述出射端面所成的角度θ不是90°。
2.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于：
上述光波导器件形成为大致正方体形。
3.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于：
上述角度θ满足θ≤87°，或者θ≥93°。
4.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于：
上述角度θ满足80°≤θ≤87°或者100°≥θ≥93°。
5.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于：
上述光波导具备从上述入射端面对于该入射端面几乎垂直延伸的直线波导，以及形成在上述入射端面与上述出射端面之间的至少一个弯曲波导。
6.根据权利要求5所述的光波导器件，其特征在于：
在上述光波导中传输波长不同的多个导波光，对于上述波长不同的导波光，上述弯曲波导中的放射损失不同。
7.根据权利要求5所述的光波导器件，其特征在于：
上述弯曲波导由直线部分和弯曲部分构成。
8.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于：
上述基板由MgO掺杂LiNbO3晶体构成，上述入射出射端面与上述晶体的X面或者Y面大致平行。
9.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于：
上述光波导具有周期形的分极翻转构造。
10.一种相干光源，该相干光源具有半导体激光器和光波导器件，其特征在于：
作为上述光波导器件使用权利要求1所述的光波导器件。
11.根据权利要求10所述的相干光源，其特征在于：
上述光波导器件是第2高次谐波发生器件，把从上述半导体激光器出射的波长λ1的基波变换为波长λ2的第2高次谐波。
12.根据权利要求11所述的相干光源，其特征在于：
在上述光波导的上述入射端面与上述出射端面的至少一方，具备对于波长λ1的上述基波和波长λ2的上述第2高次谐波的至少一方的防反射膜。
13.根据权利要求11所述的相干光源，其特征在于：
在上述光波导的上述入射端面与上述出射端面的至少一方，具备对于波长λ1的上述基波的防反射膜。
14.一种光学装置，该光学装置具备相干光源，把来自上述相干光源的出射光在被观测物体上聚光的聚光光学***，其特征在于：
作为上述相干光源使用权利要求10所述的相干光源，
上述相干光源的上述光波导器件与上述被观测物体处于共焦点的关系。
15.根据权利要求14所述的光学装置，其特征在于：
上述被观测物体是光纤。
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