JP2001194694A - Optical waveguide, optical wavelength conversion element and method for manufacturing the same as well as short wavelength generator, optical information processor, coherent light generator and optical system using the same - Google Patents
Optical waveguide, optical wavelength conversion element and method for manufacturing the same as well as short wavelength generator, optical information processor, coherent light generator and optical system using the sameInfo
- Publication number
- JP2001194694A JP2001194694A JP2000083005A JP2000083005A JP2001194694A JP 2001194694 A JP2001194694 A JP 2001194694A JP 2000083005 A JP2000083005 A JP 2000083005A JP 2000083005 A JP2000083005 A JP 2000083005A JP 2001194694 A JP2001194694 A JP 2001194694A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical
- optical waveguide
- ion exchange
- light
- exchange region
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Head (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、コヒーレント光源
を応用して光情報処理分野や光応用計測分野にて使用さ
れる光導波路とそれを使用した光波長変換素子、及びこ
れらを使用して構成される短波長光発生装置及び光情報
処理装置、並びにこれらの製造方法に関する。本発明
は、さらに、光情報処理分野や光応用計測分野等に利用
される光波長変換素子およびコヒーレント光発生装置、
並びにそのコヒーレント光発生装置を用いた光学システ
ムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical waveguide used in the field of optical information processing and applied optical measurement using a coherent light source, an optical wavelength conversion element using the same, and a structure using the same. The present invention relates to a short-wavelength light generation device and an optical information processing device to be used, and a manufacturing method thereof. The present invention further provides an optical wavelength conversion element and a coherent light generator used in the optical information processing field and the optical applied measurement field,
And an optical system using the coherent light generator.
【0002】[0002]
【従来の技術】光導波路は、光波制御技術として、通
信、光情報処理、計測などの広い分野で応用されてい
る。中でも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でき
るために、盛んに研究が行われている。2. Description of the Related Art Optical waveguides have been applied in a wide range of fields such as communication, optical information processing, and measurement as light wave control techniques. Above all, studies on application of an optical waveguide to an optical wavelength conversion element have been actively conducted in order to realize a small-sized short-wavelength light source by wavelength conversion of a semiconductor laser.
【0003】まず最初に、従来の光波長変換素子600
について、図24(a)及び(b)を参照して説明す
る。図24(a)は、従来の光波長変換素子600の一
構成例を示す斜視図であり、図24(b)は、図24
(a)の波長変換素子600に入射される基本波P1が
高調波P2に変換される様子を模式的に示す図である。First, a conventional optical wavelength conversion element 600
Will be described with reference to FIGS. 24 (a) and 24 (b). FIG. 24A is a perspective view showing a configuration example of a conventional optical wavelength conversion element 600, and FIG.
FIG. 6A is a diagram schematically illustrating a state in which a fundamental wave P1 incident on the wavelength conversion element 600 in FIG.
【0004】図24(a)に示される従来の光波長変換
素子600では、例えば特開平5−273624号公報
にて教示されているように、光導波路の表面近傍に非線
形劣化層を設けて、光波長変換素子の動作の高効率化及
び安定化を図っている。具体的には、図24(a)にお
いて、601はLiTaO3基板、602は光導波路、
603は分極反転領域、605は非線形劣化層である。In the conventional optical wavelength conversion element 600 shown in FIG. 24A, a non-linear deterioration layer is provided near the surface of an optical waveguide as taught in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-273624. High efficiency and stabilization of the operation of the optical wavelength conversion element are achieved. Specifically, in FIG. 24A, 601 is a LiTaO 3 substrate, 602 is an optical waveguide,
603 is a domain-inverted region, and 605 is a nonlinear deterioration layer.
【0005】図24(a)の光波長変換素子600の光
導波路602に入射されたTM00モードの基本波P1
は、図24(b)に示すように、分極反転領域603が
周期的に形成されている光導波路602の内部を伝搬す
る間に、TM10モードの高調波P2に波長変換され
る。なお、典型的には、非線形劣化層605の厚さは約
0.45μmであり、光導波路602の厚さは1.8μ
mである。The fundamental wave P1 of the TM00 mode incident on the optical waveguide 602 of the optical wavelength conversion element 600 shown in FIG.
As shown in FIG. 24B, while propagating inside the optical waveguide 602 in which the domain-inverted regions 603 are periodically formed, the wavelength is converted to the harmonic P2 of the TM10 mode. Typically, the thickness of the nonlinear degradation layer 605 is about 0.45 μm, and the thickness of the optical waveguide 602 is 1.8 μm.
m.
【0006】TM10モードの高調波P2は、図24
(b)に示すように、+E側及び−E側にほぼ同程度の
大きさのピーク出力を持っている。このような強度分布
を有するTM10モードの高調波P2と、TM00モー
ドの基本波P1との間でオーバラップの増大を図ること
によって、波長変換動作の高効率化が達成されている。
更に、波長変換によって得られる高調波P2をTM10
モードにすることで、パワー密度の分散を図ることがで
きる。これによって、高い高調波出力に対しても、光損
傷の発生を抑えることができる。The harmonic P2 in the TM10 mode is shown in FIG.
As shown in (b), the peak output has substantially the same magnitude on the + E side and the −E side. By increasing the overlap between the harmonic wave P2 of the TM10 mode having such an intensity distribution and the fundamental wave P1 of the TM00 mode, higher efficiency of the wavelength conversion operation is achieved.
Further, the harmonic P2 obtained by the wavelength conversion is converted to TM10
By setting the mode, the power density can be dispersed. As a result, the occurrence of optical damage can be suppressed even for a high harmonic output.
【0007】従来技術による他の光波長変換素子の構成
として、光導波路よりも高い屈折率を有する高屈折率層
を光導波路上に形成する構成が、例えば特開平4−25
4834号公報に報告されている。図25(a)は、こ
のような高屈折率層を有する従来の光波長変換素子64
0の構成を示す斜視図であり、図25(b)は、図25
(a)の波長変換素子に入射される基本波P1の光導波
路への閉じ込めの様子を模式的に示す図である。As another configuration of the conventional optical wavelength conversion element, a configuration in which a high refractive index layer having a higher refractive index than the optical waveguide is formed on the optical waveguide is disclosed in, for example, JP-A-4-25.
4834. FIG. 25A shows a conventional optical wavelength conversion element 64 having such a high refractive index layer.
FIG. 25B is a perspective view showing the configuration of FIG.
It is a figure which shows typically the mode of confining in the optical waveguide the fundamental wave P1 which injects into the wavelength conversion element of (a).
【0008】図25(a)に示す光波長変換素子640
では、LiNbO3基板641の上に形成されたプロト
ン交換光導波路642の一方の端面645に入射された
基本波P1は、分極反転領域644が周期的に設けられ
ている光導波路642の中を伝搬する間に波長変換され
て、光導波路642の他方の端面646からは高調波P
2が出力される。An optical wavelength conversion element 640 shown in FIG.
The fundamental wave P1 incident on one end face 645 of the proton exchange optical waveguide 642 formed on the LiNbO 3 substrate 641 propagates in the optical waveguide 642 in which the domain-inverted regions 644 are periodically provided. The wavelength is converted during the operation, and the harmonic P is output from the other end face 646 of the optical waveguide 642.
2 is output.
【0009】更に図25(a)の構成では、光導波路6
42の表面に、TiO2高屈折率層643が形成されて
いる。高屈折率層643を構成するTiO2の屈折率
は、プロトン交換導波路642の屈折率よりも大きく、
このように屈折率の高い高屈折率層643を光導波路6
42の上に形成することにより、図25(b)に示すよ
うに、光導波路642(より厳密にはその中の分極反転
領域644)への基本波P1の閉じ込めを強くして、光
波長変換素子の波長変換動作の高効率化を達成してい
る。Further, in the configuration of FIG.
42, a TiO 2 high refractive index layer 643 is formed. The refractive index of TiO 2 constituting the high refractive index layer 643 is larger than the refractive index of the proton exchange waveguide 642,
Thus, the high refractive index layer 643 having a high refractive index is
As shown in FIG. 25B, by confining the fundamental wave P1 in the optical waveguide 642 (more strictly, the domain-inverted region 644 therein) as shown in FIG. High efficiency of the wavelength conversion operation of the device has been achieved.
【0010】この他の従来の光波長変換素子の光導波路
の構造として、光導波路の閉じ込めを強化するためにリ
ッジ型の光導波路構造を採用した光波長変換素子が、例
えば特開平1−238631号公報にて報告されてい
る。As another conventional optical waveguide structure of an optical wavelength conversion element, an optical wavelength conversion element employing a ridge-type optical waveguide structure for enhancing confinement of the optical waveguide is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-238631. It is reported in the gazette.
【0011】或いは、光導波路の表面に光導波路よりも
高い屈折率を有する高屈折率クラッド層を設けて、光導
波路を伝搬する基本モードの基本波と高次モードの高調
波との間で位相整合をとることで導波光間のオーバラッ
プを増大させ、高効率の波長変換を実現する波長変換素
子の構成も提案されている。Alternatively, a high-refractive-index cladding layer having a higher refractive index than the optical waveguide is provided on the surface of the optical waveguide, and the phase between the fundamental wave of the fundamental mode propagating in the optical waveguide and the higher-order mode harmonics is increased. A configuration of a wavelength conversion element that achieves high-efficiency wavelength conversion by increasing the overlap between guided lights by matching has been proposed.
【0012】特開平9−281536号公報では、プロ
トン交換処理及びアニール処理により形成したプロトン
交換光導波路の表面に更に第2のプロトン交換領域を形
成して、光導波路を伝搬する基本波を高次の導波モード
を有する第2高調波に波長変換する方法が報告されてい
る。In Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-281536, a second proton exchange region is further formed on the surface of a proton exchange optical waveguide formed by a proton exchange treatment and an annealing treatment, so that a fundamental wave propagating through the optical waveguide is converted to a higher order. A method of converting the wavelength to a second harmonic having a guided mode has been reported.
【0013】また、非線形光学効果を利用した光波長変
換素子は、光の波長変換による第2高調波発生、パラメ
トリック発生、和周波発生および差周波発生等、コヒー
レント光の発生範囲の拡大を図ることが可能となるた
め、多くの分野で応用されている。特に、光導波路を利
用した光波長変換素子では、光の閉じ込め効果により高
いパワー密度を実現することができ、長い相互作用長を
得ることができる等の利点を有している。これらの利点
により高効率の波長変換が可能となるため、光導波路を
利用した光波長変換素子として、多くの光デバイスが提
案されている。The optical wavelength conversion element utilizing the nonlinear optical effect is intended to expand the range of generation of coherent light, such as second harmonic generation, parametric generation, sum frequency generation and difference frequency generation by wavelength conversion of light. It is applied in many fields because it becomes possible. In particular, an optical wavelength conversion element using an optical waveguide has advantages such that a high power density can be realized by a light confinement effect and a long interaction length can be obtained. Because these advantages enable highly efficient wavelength conversion, many optical devices have been proposed as optical wavelength conversion elements using optical waveguides.
【0014】光導波路を利用した光波長変換素子におい
ては、光損傷が大きな問題になっていた。ここで述べる
光損傷とは光誘起屈折率変化のことであり、光導波路の
様な光の閉じ込めの強い部分では、光のパワー密度が高
いため、光によって導波路の屈折率が変化するという現
象(光損傷)が発生する。この光損傷が発生すると、屈
折率変化によって位相整合状態が変化するため、光波長
変換素子の出力が変動する。これが光導波路型の光波長
変換素子の高出力化を妨げる問題となっている。特に、
非線形光学定数の大きなLiNbO3やLiTaO3等の
基板において、光損傷の発生が顕著であり、数mW〜数
10mWの出力に対して光損傷が発生している。この光
損傷の低減のためには、結晶内の不純物の低減、および
光導波路の低損失化が有効である。In an optical wavelength conversion device using an optical waveguide, optical damage has been a serious problem. The optical damage described here is a change in the refractive index induced by light. In a part where light is strongly confined, such as an optical waveguide, the refractive index of the waveguide is changed by light due to the high power density of light. (Light damage) occurs. When this optical damage occurs, the phase matching state changes due to a change in the refractive index, and the output of the optical wavelength conversion element fluctuates. This is a problem that hinders an increase in the output of the optical waveguide type optical wavelength conversion element. In particular,
In a substrate such as LiNbO 3 or LiTaO 3 having a large nonlinear optical constant, occurrence of optical damage is remarkable, and optical damage occurs for an output of several mW to several tens mW. In order to reduce the optical damage, it is effective to reduce impurities in the crystal and reduce the loss of the optical waveguide.
【0015】従来、光損傷の問題を解決する方法として
は、LiNbO3基板にZn、Mg、ScやIn等の金
属元素をドーピングすることで、基板自体の耐光損傷強
度を向上させる方法が提案されている。この方法によれ
ば、基板に5mol程度の金属を添加することにより、
基板を構成する結晶自体の耐光損傷強度が1桁以上向上
する。Conventionally, as a method for solving the problem of optical damage, a method has been proposed in which a LiNbO 3 substrate is doped with a metal element such as Zn, Mg, Sc or In to improve the light damage resistance of the substrate itself. ing. According to this method, by adding about 5 mol of metal to the substrate,
The light damage resistance of the crystal itself constituting the substrate is improved by one digit or more.
【0016】一方、光導波路を利用した光波長変換素子
(光導波路型の光波長変換素子)において、基本波を高
調波に波長変換する変換効率を向上させるためには、伝
搬する基本波のパワー密度を増大させること、および変
換された高調波と基本波の電界分布のオーバラップを増
大させることが必要不可欠である。On the other hand, in an optical wavelength conversion element using an optical waveguide (optical waveguide type optical wavelength conversion element), in order to improve the conversion efficiency of wavelength conversion of a fundamental wave to a harmonic, the power of the propagating fundamental wave is required. It is essential to increase the density and increase the overlap between the converted harmonic and the electric field distribution of the fundamental wave.
【0017】光導波路を用いた光波長変換素子におい
て、図26に示すような複数の光導波路を利用した光波
長変換素子160が提案されている。この光波長変換素
子160では、LiNbo3基板の表面に隣接する2本
の光導波路151をプロトン交換により形成し、2本の
光導波路151を共に伝搬する基本波Pw152と、チ
ェレンコフ放射する高調波P2w153との間で位相整
合をとっている。2本の光導波路151の間の中央部は
プロトン交換されていないため、高い非線形光学効果を
有しており、これによって高非線形光導波路の形成が可
能となる。その結果、チェレンコフ放射型光波長変換素
子において、変換効率の高効率化を図ることができる。As an optical wavelength conversion element using an optical waveguide, an optical wavelength conversion element 160 using a plurality of optical waveguides as shown in FIG. 26 has been proposed. In this optical wavelength conversion element 160, two optical waveguides 151 adjacent to the surface of the LiNbo 3 substrate are formed by proton exchange, and a fundamental wave P w 152 that propagates through the two optical waveguides 151 and a harmonic that emits Cherenkov radiation. The phase is matched with the wave P2 w 153. Since the central portion between the two optical waveguides 151 is not proton-exchanged, it has a high non-linear optical effect, which makes it possible to form a highly non-linear optical waveguide. As a result, the conversion efficiency can be increased in the Cherenkov radiation type optical wavelength conversion element.
【0018】さらに、複数の光導波路間の結合を利用し
た光波長変換素子の構成についても、例えば特開平3−
261924号公報や特開平5−188420号公報等
において提案されている。この構成では、基板表面に分
極反転構造と、基本波が伝搬する光導波路と、高調波が
伝搬する光導波路とを形成し、基本波と高調波とで異な
る光導波路を伝搬させることにより、耐光損傷強度と変
換効率の向上を実現している。Furthermore, the configuration of an optical wavelength conversion element utilizing the coupling between a plurality of optical waveguides is disclosed in, for example,
No. 261924 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-188420. In this configuration, a polarization-reversed structure, an optical waveguide through which a fundamental wave propagates, and an optical waveguide through which a harmonic propagates are formed on the substrate surface, and light propagation that is different between the fundamental wave and the harmonics is performed, so that light resistance is improved. It has improved damage strength and conversion efficiency.
【0019】[0019]
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の光
波長変換素子における課題を、以下に説明する。Problems to be solved by the conventional optical wavelength conversion element as described above will be described below.
【0020】従来の光波長変換素子600として図24
(a)に示した構成では、先に説明したように、光導波
路602の表面近傍に非線形劣化層605を設けて、T
M00モードの基本波P1とTM10モードの高調波P
2との間で位相整合をとり、それによって波長変換動作
の高効率化と耐光損傷強度の向上とを図っている。しか
し、この従来の構成では、図24(b)に示すように、
出射されるTM10モードの高調波光P2が+E側及び
−E側の2つのピークを有する強度分布を持つために、
集光する際に集光特性が劣化するという課題がある。FIG. 24 shows a conventional optical wavelength conversion element 600.
In the configuration shown in (a), as described above, the nonlinear degradation layer 605 is provided near the surface of the optical waveguide 602, and
Fundamental wave P1 of M00 mode and harmonic wave P of TM10 mode
2 to achieve a high efficiency of the wavelength conversion operation and an improvement of the light damage resistance. However, in this conventional configuration, as shown in FIG.
Since the emitted harmonic light P2 of the TM10 mode has an intensity distribution having two peaks on the + E side and the -E side,
There is a problem that the light-collecting characteristic deteriorates when the light is collected.
【0021】この従来の方式において、出力する高調波
P2が2つのほぼ等しい大きさのピークを有するのは、
耐光損傷強度を高めるために、高調波P2を高次モード
のピークに分散させているためである。しかし、このよ
うな強度分布を有する高調波出力を集光するためには特
別な光学系が必要であるため、光学系が複雑化して、そ
の小型化が難しい。また、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課題も存在する。In this conventional method, the output harmonic P2 has two peaks of substantially equal magnitude because:
This is because the harmonic P2 is dispersed in the peak of the higher-order mode in order to increase the light damage resistance. However, since a special optical system is required to collect the harmonic output having such an intensity distribution, the optical system is complicated, and it is difficult to reduce the size of the optical system. Further, in order to converge to the diffraction limit, it is necessary to considerably shape the beam, and there is also a problem that the utilization efficiency of output light is reduced to 50% or less.
【0022】更に、非線形劣化層605は、基本波P1
の閉じこめを高める機能を有さないため、基本波P1の
パワー密度の増大が図れず、高効率化に限界がある。Further, the nonlinear deterioration layer 605 includes the fundamental wave P1
Since there is no function to increase the confinement of the fundamental wave P1, the power density of the fundamental wave P1 cannot be increased, and there is a limit to high efficiency.
【0023】また、光導波路642より高い屈折率の高
屈折率層643を形成することにより光導波路642の
閉じ込めを強化して、高効率化を図る構成を有する従来
の光波長変換素子640に関しては、光導波路642の
表面に形成する高屈折率層643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る。すなわち、光導波
路642の上の高屈折率層643は、光導波路642の
実効屈折率に与える影響が大きく、光導波路642の全
域に渡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、光導波路全長における位相
整合条件は光導波路の実効屈折率に厳しく依存するた
め、光導波路の実効屈折率が伝搬方向に僅かでも変化す
ると、波長変換効率が極端に減少する。このため、高屈
折率層643の膜厚制御には、厳しい均一性が要求され
る。The conventional optical wavelength conversion element 640 having a configuration in which the high refractive index layer 643 having a higher refractive index than the optical waveguide 642 is formed to enhance the confinement of the optical waveguide 642 and improve the efficiency. There is a problem in that a high-refractive-index dielectric film is used as the high-refractive-index layer 643 formed on the surface of the optical waveguide 642. That is, the high refractive index layer 643 on the optical waveguide 642 has a large effect on the effective refractive index of the optical waveguide 642, and high accuracy is required for the uniformity of the film thickness over the entire area of the optical waveguide 642. For example, in the case of an optical wavelength conversion element, since the phase matching condition over the entire length of the optical waveguide is strictly dependent on the effective refractive index of the optical waveguide, if the effective refractive index of the optical waveguide changes even slightly in the propagation direction, the wavelength conversion efficiency becomes extremely high. Decrease. Therefore, strict uniformity is required for controlling the thickness of the high refractive index layer 643.
【0024】また、上記の構成では、基板641と異な
る材質を光導波路642の表面に堆積するので、光導波
路642と高屈折率膜643との界面において導波損失
が生じ易い。更に、高屈折率膜643と基板641との
膨張係数の違いによって光導波路642に歪みが与えら
れると、光導波路642の実効屈折率が、その伝搬方向
に分布を持つ。In the above configuration, since a material different from that of the substrate 641 is deposited on the surface of the optical waveguide 642, a waveguide loss easily occurs at the interface between the optical waveguide 642 and the high refractive index film 643. Further, when the optical waveguide 642 is distorted due to a difference in expansion coefficient between the high refractive index film 643 and the substrate 641, the effective refractive index of the optical waveguide 642 has a distribution in the propagation direction.
【0025】更に、光導波路642を伝搬する光に対す
る高屈折率層643の伝搬損失が大きな問題となること
が、明らかになってきている。Further, it is becoming clear that the propagation loss of the high refractive index layer 643 to the light propagating through the optical waveguide 642 becomes a serious problem.
【0026】一般に、光波長変換素子の特性を劣化させ
る光導波路の伝搬損失は、高調波に対する損失と基本波
に対する損失とがある。誘電体の高屈折率層643は、
基本波に与える伝搬損失は比較的小さく、問題は無い
が、波長が短い高調波に対しては、従来の高屈折率膜6
43はかなり大きな伝搬損失を与えることが明らかにな
ってきている。例えば、具体的な実験により、各種の高
屈折率を有する誘電体膜が、波長400nm帯の高調波
に対して−数dB/cmという大きな伝搬損失を有する
ことが明らかになった。これにより、光波長変換素子の
波長変換効率が1/2以下に低減されていることが分か
った。In general, the propagation loss of an optical waveguide that deteriorates the characteristics of an optical wavelength conversion element includes a loss for a harmonic and a loss for a fundamental wave. The dielectric high refractive index layer 643 is
Although the propagation loss given to the fundamental wave is relatively small and there is no problem, the conventional high refractive index film 6 is used for harmonics having a short wavelength.
It has become clear that 43 gives a rather large propagation loss. For example, specific experiments have revealed that various dielectric films having a high refractive index have a large propagation loss of −several dB / cm with respect to harmonics in a wavelength band of 400 nm. Thereby, it was found that the wavelength conversion efficiency of the optical wavelength conversion element was reduced to 以下 or less.
【0027】更に、非線形劣化層を有する従来の構成で
は、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
率化に限界がある。Further, in the conventional configuration having the nonlinear deterioration layer, the nonlinear deterioration layer does not have a function of enhancing the confinement of the fundamental wave, so that the power density of the fundamental wave cannot be increased, and the efficiency is limited. .
【0028】また、先に説明した従来の光波長変換素子
の構成では、光導波路を伝搬する基本モードの基本波と
第2高調波とのオーバラップの向上を目的としている。
しかし、基本波と第2高調波との屈折率分散の違いより
光導波路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、波
長変換効率を大幅に向上させることは困難である。更
に、基本波と第2高調波と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
である。The configuration of the conventional optical wavelength conversion element described above aims at improving the overlap between the fundamental wave of the fundamental mode propagating in the optical waveguide and the second harmonic.
However, the distribution of the guided modes in the optical waveguide is significantly different from 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, and it is difficult to greatly improve the wavelength conversion efficiency. Furthermore, since there is a large portion where the fundamental wave and the second harmonic do not overlap, it is difficult to achieve an improvement in the light damage resistance.
【0029】また、リッジ型光導波路を用いて波長変換
効率の向上を図っている従来の光波長変換素子では、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、
波長変換効率の向上を達成している。しかし、基本波に
対するリッジ導波路による閉じ込め効果の増大は横方向
(リッジの幅方向)に限られ、深さ方向の閉じ込めは向
上しない。従って、波長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、波長変換効率の大幅な向上が困難である。In a conventional optical wavelength conversion element which uses a ridge type optical waveguide to improve the wavelength conversion efficiency, the power density is increased due to the confinement effect of the optical waveguide.
The wavelength conversion efficiency has been improved. However, the increase in the confinement effect of the ridge waveguide with respect to the fundamental wave is limited to the lateral direction (the width direction of the ridge), and confinement in the depth direction is not improved. Therefore, an increase in the overlap between the fundamental wave and the second harmonic having the greatest influence on the wavelength conversion efficiency (particularly, an increase in the depth direction) cannot be achieved by the ridge structure, and the wavelength conversion efficiency is greatly improved. Have difficulty.
【0030】更に、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高調波との間のオーバーラッ
プを十分に大きくできない。Further, in the loaded optical waveguide, as in the ridge type, the overlap between the fundamental wave and the second harmonic cannot be sufficiently increased.
【0031】また、従来の何れの方法においても、耐光
損傷強度の観点から10mW程度の青色光の発生は可能
であるが、出力が10mW以上になると、長時間の安定
な出力を得るのが難しい。In any of the conventional methods, blue light of about 10 mW can be generated from the viewpoint of light damage resistance. However, when the output is 10 mW or more, it is difficult to obtain a stable output for a long time. .
【0032】更に、従来の光波長変換素子の構成とし
て、光導波路の表面に高屈折率クラッドを形成すること
で高効率な波長変換特性を実現している構造がある。こ
れは、光導波路の表面に光導波路より高い屈折率のクラ
ッド層を設ける構成であって、クラッド層として、高屈
折率な誘電体の膜、或いはイオン交換により形成された
層が用いられている。この構成では高い波長変換効率と
優れた光損傷特性とが得られるが、この構成において
も、長期間の出力安定性を観測すると、出力が不安定に
なる新たな問題を有することが明らかになった。Further, as a configuration of a conventional optical wavelength conversion element, there is a structure that realizes highly efficient wavelength conversion characteristics by forming a high refractive index cladding on the surface of an optical waveguide. This is a configuration in which a cladding layer having a higher refractive index than that of the optical waveguide is provided on the surface of the optical waveguide. As the cladding layer, a dielectric film having a high refractive index or a layer formed by ion exchange is used. . Although high wavelength conversion efficiency and excellent optical damage characteristics can be obtained with this configuration, observation of long-term output stability also reveals that this configuration has a new problem of unstable output. Was.
【0033】また、上述したように、従来の光波長変換
素子においては、基板の耐光損傷強度を向上させる方法
として金属元素を添加する方法が提案されている。しか
し、この方法では、プロトン交換等により光導波路を形
成した場合には、導波路の耐光損傷強度を十分向上させ
ることができないという問題があった。As described above, in the conventional light wavelength conversion element, a method of adding a metal element has been proposed as a method for improving the light damage resistance of a substrate. However, in this method, when the optical waveguide is formed by proton exchange or the like, there is a problem that the optical damage resistance of the waveguide cannot be sufficiently improved.
【0034】図26に示した従来の光波長変換素子16
0においては、発生する高調波が放射モードであるため
に集光特性が悪く、回折限界までの集光を必要とするよ
うな光学システム等への応用は困難であった。また、導
波モードで伝搬する基本波と放射モードで伝搬する高調
波との間の位相整合条件が広い範囲で成立するため、高
調波の伝搬モードを制御することが困難であり、高効率
で波長変換可能な位相整合関係を選択することが難しい
という問題があった。The conventional optical wavelength conversion element 16 shown in FIG.
In the case of No. 0, since the generated harmonics are in the radiation mode, the light-gathering characteristics are poor, and it has been difficult to apply them to an optical system or the like that requires light-gathering to the diffraction limit. In addition, since the phase matching condition between the fundamental wave propagating in the guided mode and the harmonic propagating in the radiation mode is satisfied in a wide range, it is difficult to control the propagation mode of the harmonic, and high efficiency is obtained. There is a problem that it is difficult to select a phase matching relationship that allows wavelength conversion.
【0035】さらに、特開平3−261924号公報や
特開平5−188420号公報等のように、基本波と高
調波とで異なる光導波路を伝搬させる構成では、それぞ
れの光導波路を伝搬する基本波と高調波とにおいて、電
界分布のオーバラップが小さい。このため、変換効率の
高効率化を図るのが難しいという問題があった。Further, in a configuration in which a fundamental wave and a higher harmonic wave propagate in different optical waveguides as disclosed in JP-A-3-261924 and JP-A-5-188420, the fundamental wave propagating through each optical waveguide is And the harmonics, the overlap of the electric field distribution is small. For this reason, there has been a problem that it is difficult to increase the conversion efficiency.
【0036】本発明は、以上のような課題を考慮して行
われたものであって、その目的は、(1)優れた耐光損
傷特性を有し、長時間の出力安定性を有する第2高調波
出力が可能であり、且つ基本波と第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の実現を可能にす
る光導波路、(2)その光導波路を利用して構成される
光波長変換素子、(3)その光波長変換素子を利用して
構成されている短波長光発生装置及び光情報処理装置、
並びに(4)それらの製造方法、を提供することであ
る。The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and has the following objects. (1) A second light-emitting device having excellent light damage resistance and long-term output stability. An optical waveguide capable of outputting a higher harmonic wave and realizing an optical wavelength conversion element in which an overlap between a fundamental wave and a second harmonic wave is increased. (2) Light configured using the optical waveguide. A wavelength conversion element, (3) a short wavelength light generation device and an optical information processing device configured by using the light wavelength conversion device,
And (4) a method for producing the same.
【0037】さらに、本発明は、以上のような従来技術
の課題を解決するためになされたものであり、耐光損傷
強度が優れた光波長変換素子およびコヒーレント光発生
装置並びに光学システムを提供することを目的とする。
また、本発明は、基本波から高調波、パラメトリック、
和周波や差周波等への波長変換を高効率に行うことが可
能であり、ビーム特性を向上して集光特性に優れた変換
波長光を発生させることができる光導波路型の光波長変
換素子およびコヒーレント光発生装置並びに光学システ
ムを提供することを目的とする。Further, the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides an optical wavelength conversion element, a coherent light generating device, and an optical system having excellent light damage resistance. With the goal.
In addition, the present invention also provides a
An optical waveguide-type optical wavelength conversion element that can convert wavelengths to sum frequency, difference frequency, etc. with high efficiency, improve beam characteristics, and generate converted wavelength light with excellent light collection characteristics And a coherent light generator and an optical system.
【0038】[0038]
【課題を解決するための手段】本発明の光導波路は、非
線形光学結晶と、該非線形光学結晶の表面の近傍に形成
された第1のイオン交換領域と、該第1のイオン交換領
域の表面の近傍に形成された第2のイオン交換領域と、
を備え、該第2のイオン交換領域は、深さ方向にイオン
交換率が変化している領域が、0.02〜0.2μmで
あることにより、上記課題が達成される。An optical waveguide according to the present invention comprises a nonlinear optical crystal, a first ion exchange region formed near the surface of the nonlinear optical crystal, and a surface of the first ion exchange region. A second ion exchange region formed in the vicinity of
In the second ion exchange region, the region in which the ion exchange rate changes in the depth direction is 0.02 to 0.2 μm, thereby achieving the above object.
【0039】前記第2のイオン交換領域はイオン交換率
の変化量が5〜50μm-1の領域を0.02〜0.2μ
mに渡って有してもよい。In the second ion exchange region, the region where the amount of change in the ion exchange rate is 5 to 50 μm −1 is 0.02 to 0.2 μm.
m.
【0040】前記第1のイオン交換領域はイオン交換率
の変化量が0.06μm-1以下であってもよい。[0040] In the first ion exchange region, the amount of change in the ion exchange rate may be 0.06 µm -1 or less.
【0041】前記第2のイオン交換領域は深さ方向にイ
オン交換率が変化している領域が、0.03〜0.1μ
mであってもよい。In the second ion exchange region, the region where the ion exchange rate changes in the depth direction is 0.03-0.1 μm.
m.
【0042】前記第2のイオン交換領域はイオン交換率
の変化量が10〜30μm-1であってもよい。The second ion exchange region may have an ion exchange rate change of 10 to 30 μm −1 .
【0043】前記第1のイオン交換領域の非線形光学定
数が前記結晶の非線形光学定数の90%以上であり、前
記第2のイオン交換領域の非線形光学定数は該結晶の非
線形光学定数の60%以下であってもよい。The nonlinear optical constant of the first ion exchange region is 90% or more of the nonlinear optical constant of the crystal, and the nonlinear optical constant of the second ion exchange region is 60% or less of the nonlinear optical constant of the crystal. It may be.
【0044】前記第1のイオン交換領域の表面屈折率変
化Δnは波長633nmの光に対し0.02以下であり、
前記第2のイオン交換領域の表面屈折率変化Δnは0.
11以上であってもよい。The surface refractive index change Δn of the first ion exchange region is 0.02 or less for light having a wavelength of 633 nm.
The change in the surface refractive index Δn of the second ion exchange region is 0.
It may be 11 or more.
【0045】本発明の光導波路は、非線形光学結晶と、
該非線形光学結晶の表面の近傍に形成された第1のイオ
ン交換領域と、該第1のイオン交換領域の表面の近傍に
形成された第2のイオン交換領域と、を備え、該第2の
イオン交換領域は、該第1のイオン交換領域よりも高い
屈折率を有し、該第2のイオン交換領域の屈折率分布が
ステップライクなグレーディッド形状を有していること
により、上記課題が達成される。The optical waveguide of the present invention comprises a nonlinear optical crystal,
A first ion exchange region formed near a surface of the nonlinear optical crystal; and a second ion exchange region formed near a surface of the first ion exchange region; The ion exchange region has a higher refractive index than the first ion exchange region, and the refractive index distribution of the second ion exchange region has a step-like graded shape. Achieved.
【0046】本発明の光導波路は、非線形光学結晶と、
該非線形光学結晶の表面の近傍に形成された第1のイオ
ン交換領域と、該第1のイオン交換領域の表面の近傍に
形成された第2のイオン交換領域と、を備え、該第2の
イオン交換領域は、該第1のイオン交換領域よりも高い
イオン濃度を有し、該第2のイオン交換領域のイオン濃
度分布がステップライクなグレーディッド形状を有して
いることにより、上記課題が達成される。The optical waveguide of the present invention comprises a nonlinear optical crystal,
A first ion exchange region formed near a surface of the nonlinear optical crystal; and a second ion exchange region formed near a surface of the first ion exchange region; The ion exchange region has a higher ion concentration than the first ion exchange region, and the ion concentration distribution in the second ion exchange region has a step-like graded shape. Achieved.
【0047】前記第1のイオン交換領域と前記第2のイ
オン交換領域とは、異なる温度におけるアニール処理に
より得られた異なるグレーディッドな形状を有していて
もよい。The first ion exchange region and the second ion exchange region may have different graded shapes obtained by annealing at different temperatures.
【0048】前記第1のイオン交換領域の深さは、アニ
ール処理により、該アニール処理の実施前における値の
8倍以上に拡大していてもよい。[0048] The depth of the first ion exchange region may be increased by an annealing process to eight times or more the value before the annealing process is performed.
【0049】前記第2のイオン交換領域の深さは、アニ
ール処理により、該アニール処理の実施前における値の
1.2倍以上に拡大していてもよい。[0049] The depth of the second ion exchange region may be increased to 1.2 times or more the value before the execution of the annealing process by the annealing process.
【0050】前記第2のイオン交換領域の深さは、アニ
ール処理により、該アニール処理の実施前における値の
2倍以上に拡大していてもよい。[0050] The depth of the second ion exchange region may be increased by annealing to more than twice the value before the annealing.
【0051】前記第2のイオン交換領域の表面屈折率
は、アニール処理の実施前における表面屈折率の値とほ
ぼ等しくてもよい。The surface refractive index of the second ion exchange region may be substantially equal to the value of the surface refractive index before the annealing.
【0052】前記第2のイオン交換領域の表面イオン濃
度は、アニール処理の実施前における表面イオン濃度の
値とほぼ等しくてもよい。The surface ion concentration in the second ion exchange region may be substantially equal to the value of the surface ion concentration before performing the annealing.
【0053】前記第2のイオン交換領域の屈折率分布の
前記ステップライクなグレーディッド形状は、以下の
(1)及び(2)の関係:The step-like graded shape of the refractive index distribution of the second ion-exchange region has the following relationship (1) and (2):
【0054】[0054]
【数7】 (Equation 7)
【0055】(但し、C(k,t):イオン交換濃度、
k:深さ(μm)、t:アニール時間(時間)、C0:
初期のイオン交換濃度、Erf[]:エラー関数、h:
初期のイオン交換深さ(μm)、及び、Dp:アニール
処理によるイオンの拡散定数(μm2/時間))、(However, C (k, t): ion exchange concentration,
k: depth (μm), t: annealing time (hour), C0:
Initial ion exchange concentration, Erf []: error function, h:
Initial ion exchange depth (μm), and Dp: diffusion constant of ion by annealing (μm 2 / hour))
【0056】[0056]
【数8】 (Equation 8)
【0057】を満たすアニール処理によって形成されて
もよい。It may be formed by an annealing process that satisfies the conditions.
【0058】前記第2のイオン交換領域のイオン濃度分
布の前記ステップライクなグレーディッド形状は、以下
の(1)及び(2)の関係:The step-like graded shape of the ion concentration distribution in the second ion exchange region has the following relationship (1) and (2):
【0059】[0059]
【数9】 (Equation 9)
【0060】(但し、C(k,t):イオン交換濃度、
k:深さ(μm)、t:アニール時間(時間)、C0:
初期のイオン交換濃度、Erf[]:エラー関数、h:
初期のイオン交換深さ(μm)、及び、Dp:アニール
処理によるイオンの拡散定数(μm2/時間))、(However, C (k, t): ion exchange concentration,
k: depth (μm), t: annealing time (hour), C0:
Initial ion exchange concentration, Erf []: error function, h:
Initial ion exchange depth (μm), and Dp: diffusion constant of ion by annealing (μm 2 / hour))
【0061】[0061]
【数10】 (Equation 10)
【0062】を満たすアニール処理によって形成されて
もよい。It may be formed by an annealing process that satisfies the conditions.
【0063】前記非線形光学結晶がLiNbxTa1-xO
3結晶(0≦x≦1)であってもよい。The nonlinear optical crystal is LiNb x Ta 1-x O
It may be three crystals (0 ≦ x ≦ 1).
【0064】前記第1のイオン交換領域及び前記第2の
イオン交換領域を形成するイオン交換処理が、それぞれ
プロトン交換処理であってもよい。The ion exchange processing for forming the first ion exchange region and the second ion exchange region may be a proton exchange treatment, respectively.
【0065】LiNbxTa1-xO3(0≦x≦1)から
なる前記非線形光学結晶の表面にイオン交換により形成
され、該光導波路内のLiのmol濃度比が40mol
%以上であってもよい。The surface of the nonlinear optical crystal made of LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1) is formed by ion exchange, and the molar concentration ratio of Li in the optical waveguide is 40 mol.
% Or more.
【0066】LiNbxTa1-xO3(0≦x≦1)から
なり、少なくとも表面近傍に金属元素が添加された前記
非線形光学結晶の該表面に、イオン交換により形成さ
れ、該光導波路内のLiのmol濃度比Yと該金属元素
のmol濃度ZがY+Z≧45mol%であってもよ
い。The non-linear optical crystal is made of LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1) and has a metal element added at least in the vicinity of the surface. The molar concentration ratio Y of Li and the molar concentration Z of the metal element may be Y + Z ≧ 45 mol%.
【0067】本発明の光波長変換素子は、上記の何れか
一つに記載の光導波路と、周期状の分極反転構造と、を
備え、該光導波路は、波長λの基本波及び波長λ/2の
第2高調波の導波が可能で、 該光導波路に含まれる前
記第2のイオン交換領域の屈折率及び深さは、該第2高
調波に対しては導波条件を満足し、且つ該基本波に対し
てはカットオフ条件を満足していることにより、上記課
題が達成される。An optical wavelength conversion element according to the present invention includes the optical waveguide according to any one of the above, and a periodic polarization inversion structure, wherein the optical waveguide comprises a fundamental wave having a wavelength λ and a wavelength λ / 2. The second harmonic can be guided, and the refractive index and the depth of the second ion exchange region included in the optical waveguide satisfy the waveguide condition for the second harmonic. In addition, the above problem is achieved by satisfying the cutoff condition for the fundamental wave.
【0068】前記光導波路において基本モードの基本波
と高次モードの第2高調波とが位相整合していてもよ
い。In the optical waveguide, a fundamental wave of a fundamental mode and a second harmonic of a higher-order mode may be phase-matched.
【0069】本発明の光波長変換素子は、非線形光学結
晶の表面に隣接する複数の光導波路から構成される光導
波路群を有し、該光導波路群内で入射された基本波を異
なる波長の光に変換する光波長変換素子であって、該基
本波が該光導波路群をシングルモード伝搬し、かつ、変
換された波長光が該光導波路群を構成する光導波路を導
波モードで伝搬するか、変換された波長光が該光導波路
群をシングルモード伝搬し、かつ、該基本波が該光導波
路群を構成する光導波路を伝搬することにより、上記課
題が達成される。The optical wavelength conversion element of the present invention has an optical waveguide group composed of a plurality of optical waveguides adjacent to the surface of a nonlinear optical crystal, and converts a fundamental wave incident in the optical waveguide group to a different wavelength. An optical wavelength conversion element for converting light into light, wherein the fundamental wave propagates in the optical waveguide group in a single mode, and the converted wavelength light propagates in an optical waveguide constituting the optical waveguide group in a waveguide mode. Alternatively, the above problem is achieved by the single-mode propagation of the converted wavelength light through the optical waveguide group and the fundamental wave propagating through the optical waveguides constituting the optical waveguide group.
【0070】前記光導波路群は、伝搬方向が異なる複数
の光導波路から構成されていてもよい。The group of optical waveguides may be composed of a plurality of optical waveguides having different propagation directions.
【0071】前記光導波路は、前記基本波および変換さ
れた波長光のうちのいずれか一方の光に対してカットオ
フ条件を満たし、他方の光に対しては導波条件を満たし
てもよい。The optical waveguide may satisfy a cutoff condition for one of the fundamental wave and the converted wavelength light, and may satisfy a waveguide condition for the other light.
【0072】前記光導波路のうちの少なくとも1本は、
他の光導波路と異なる伝搬定数を有してもよい。At least one of the optical waveguides is
It may have a different propagation constant from other optical waveguides.
【0073】前記光導波路群は、前記基本波および変換
された波長光のうちのいずれか一方の光に対してシング
ルモード伝搬条件を満たし、該一方の光と、前記光導波
路のうちのいずれか1本を導波する他方の光との間で位
相整合してもよい。The optical waveguide group satisfies a single-mode propagation condition with respect to one of the fundamental wave and the converted wavelength light, and the one of the optical waveguide and the one of the optical waveguides. The phase may be matched with the other light guided through one line.
【0074】前記光導波路群は奇数本の光導波路から構
成され、中央の光導波路を中心として中心対称の構造を
有してもよい。The optical waveguide group may be composed of an odd number of optical waveguides, and may have a structure symmetric with respect to the center optical waveguide.
【0075】前記光導波路群は伝搬方向がほぼ等しい3
本の光導波路から構成され、中央の光導波路が両側の光
導波路とは異なる伝搬定数を有し、該光導波路群をシン
グルモード伝搬する基本波および変換された波長光のう
ちのいずれか一方の光と、該光導波路群の中央の光導波
路を伝搬する他方の光との間で位相整合してもよい。The optical waveguide groups have substantially the same propagation direction.
The optical waveguide in the center has a different propagation constant from the optical waveguides on both sides, and one of the fundamental wave and the converted wavelength light propagating through the optical waveguide group in a single mode. Phase matching may be performed between the light and the other light propagating through the central optical waveguide of the optical waveguide group.
【0076】前記光導波路群は、前記入射部近傍および
出射部近傍の少なくともいずれか一方において、前記光
導波路の本数が異なってもよい。In the optical waveguide group, the number of the optical waveguides may be different in at least one of the vicinity of the entrance and the exit.
【0077】本発明の光波長変換素子は、LiNbxT
a1-xO3(0≦x≦1)からなる結晶の表面にイオン交
換により形成した光導波路を有し、該光導波路内のLi
のmol濃度比が40mol%以上であることにより、
上記課題が達成される。The light wavelength conversion element of the present invention is composed of LiNb x T
an optical waveguide formed by ion exchange on the surface of a crystal made of a 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1), and Li in the optical waveguide
Is 40 mol% or more,
The above object is achieved.
【0078】本発明の光波長変換素子は、LiNbxT
a1-xO3(0≦x≦1)からなり、少なくとも表面近傍
に金属元素が添加された結晶の該表面に、イオン交換に
より形成した光導波路を有し、該光導波路内のLiのm
ol濃度比Yと該金属元素のmol濃度ZがY+Z≧4
5mol%であることにより、上記課題が達成される。The light wavelength conversion element of the present invention is a LiNb x T
a 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1), having an optical waveguide formed by ion exchange on the surface of a crystal to which a metal element is added at least in the vicinity of the surface; m
ol concentration ratio Y and mol concentration Z of the metal element are Y + Z ≧ 4
When the content is 5 mol%, the above object is achieved.
【0079】前記金属元素がMg、Zn、ScおよびI
nのうちのいずれか1種類であるか、または2種類以上
を混合したものであってもよい。The metal elements are Mg, Zn, Sc and I
Any one of n may be used, or a mixture of two or more of n may be used.
【0080】本発明の短波長光発生装置は、半導体レー
ザと、上記のいずれかに記載の光波長変換素子と、を備
え、該半導体レーザから出射された光の波長が該光波長
変換素子により所定の高調波に変換されることにより、
上記課題が達成される。A short-wavelength light generating device according to the present invention includes a semiconductor laser and any one of the above-described light wavelength conversion elements, and the wavelength of light emitted from the semiconductor laser is controlled by the light wavelength conversion element. By being converted to a predetermined harmonic,
The above object is achieved.
【0081】前記光波長変換素子による変換で得られる
前記高調波の導波モードが高次モードであり、該高調波
の高次モードの強度分布が有する複数のピークにおい
て、最大強度を有するメインピーク以外のサブピークの
一つの幅が、該高調波に対する回折限界より小さくても
よい。The waveguide mode of the harmonic obtained by the conversion by the optical wavelength conversion element is a higher-order mode, and a main peak having the maximum intensity is included among a plurality of peaks in the intensity distribution of the higher-order mode of the harmonic. The width of one of the other sub-peaks may be smaller than the diffraction limit for the harmonic.
【0082】前記高調波の高次モードが1次モードであ
ってもよい。The higher-order mode of the harmonic may be a first-order mode.
【0083】前記高調波の高次モードがTE10モード
であってもよい。The higher-order mode of the harmonic may be a TE10 mode.
【0084】上記の何れか一つに記載の短波長光発生装
置と、集光光学系と、を備え、本発明の光情報処理装置
は、該短波長光発生装置から出射される短波長光を該集
光光学系により集光するように構成されていることによ
り、上記課題が達成される。The optical information processing apparatus according to the present invention includes the short-wavelength light generator according to any one of the above, and a light-converging optical system, and the short-wavelength light emitted from the short-wavelength light generator is provided. The above object is achieved by being configured to condense light by the light condensing optical system.
【0085】本発明の光波長変換素子の製造方法は、非
線形光学結晶に周期的な分極反転構造を形成する工程
と、該分極反転構造に第1のイオン交換領域を形成する
工程と、該第1のイオン交換領域に対する第1のアニー
ル処理を行う工程と、該第1のイオン交換領域の表面に
第2のイオン交換領域を形成する工程と、該第2のイオ
ン交換領域に対する第2のアニール処理を行う工程と、
を包含し、該第1のアニール処理を行う第1のアニール
温度と該第2のアニール処理を行う第2のアニール温度
とが異なっていることにより、上記課題が達成される。The method for manufacturing an optical wavelength conversion element according to the present invention comprises the steps of: forming a periodic domain-inverted structure in the nonlinear optical crystal; forming a first ion-exchange region in the domain-inverted structure; Performing a first annealing process on the first ion exchange region, forming a second ion exchange region on the surface of the first ion exchange region, and performing a second annealing on the second ion exchange region Performing a process;
The above object is achieved when the first annealing temperature at which the first annealing process is performed is different from the second annealing temperature at which the second annealing process is performed.
【0086】前記第1のアニール温度が300℃以上で
あり、前記第2のアニール温度が250℃以下であって
もよい。[0086] The first annealing temperature may be 300 ° C or higher, and the second annealing temperature may be 250 ° C or lower.
【0087】前記分極反転構造を形成する工程は、形成
された分極反転構造を400℃以上の温度で熱処理する
工程を含んでもよい。The step of forming the domain-inverted structure may include a step of heat-treating the formed domain-inverted structure at a temperature of 400 ° C. or higher.
【0088】前記第2のアニール温度が130℃〜20
0℃の範囲であってもよい。The second annealing temperature is 130 ° C. to 20 ° C.
It may be in the range of 0 ° C.
【0089】前記第2のアニール処理は、以下の(1)
及び(2)の関係:The second annealing is performed by the following (1)
And the relationship of (2):
【0090】[0090]
【数11】 [Equation 11]
【0091】(但し、C(k,t):イオン交換濃度、
k:深さ(μm)、t:アニール時間(時間)、C0:
初期のイオン交換濃度、Erf[]:エラー関数、h:
初期のイオン交換深さ(μm)、及び、Dp:アニール
処理によるイオンの拡散定数(μm2/時間))、(However, C (k, t): ion exchange concentration,
k: depth (μm), t: annealing time (hour), C0:
Initial ion exchange concentration, Erf []: error function, h:
Initial ion exchange depth (μm), and Dp: diffusion constant of ion by annealing (μm 2 / hour))
【0092】[0092]
【数12】 (Equation 12)
【0093】を満たすアニール処理であり、これによっ
て形成される前記第2のイオン交換領域の屈折率分布が
ステップライクなグレーディッド形状を有していてもよ
い。[0093] This is an annealing process that satisfies the above conditions, and the refractive index distribution of the second ion exchange region formed by the annealing process may have a step-like graded shape.
【0094】前記非線形光学結晶がLiNbxTa1-xO
3結晶(0≦x≦1)であってもよい。The nonlinear optical crystal is LiNb x Ta 1-x O
It may be three crystals (0 ≦ x ≦ 1).
【0095】前記第1のイオン交換領域及び前記第2の
イオン交換領域を形成するイオン交換処理が、それぞれ
プロトン交換処理であってもよい。The ion exchange processing for forming the first ion exchange area and the second ion exchange area may each be a proton exchange treatment.
【0096】本発明のコヒーレント光発生装置は、上記
のいずれかに記載の光波長変換素子と、半導体レーザと
を備え、該半導体レーザの光を該光波長変換素子によっ
て波長変換することにより、上記課題が達成される。A coherent light generating apparatus according to the present invention includes any one of the above-described light wavelength conversion elements and a semiconductor laser, and converts the wavelength of the light of the semiconductor laser by the light wavelength conversion element. The task is achieved.
【0097】本発明の光学システムは、上記に記載のコ
ヒーレント光発生装置と、集光光学系とを備え、前記光
波長変換素子から出射された光を該集光光学系で集光す
ることにより、上記課題が達成される。An optical system according to the present invention includes the above-described coherent light generator and a condensing optical system, and converges light emitted from the light wavelength conversion element by the condensing optical system. The above object is achieved.
【0098】以下、本発明の作用について説明する。The operation of the present invention will be described below.
【0099】本発明は、非線形光学効果を利用して光導
波路を伝搬する基本波を高調波、パラメトリック、和周
波や差周波等に波長変換する光波長変換素子において、
耐光損傷強度の向上、波長変換効率の高効率化、および
出射される光のビーム特性の向上を図るために、光波長
変換素子を構成する光導波路を従来とは異なる特別な構
造としたものである。The present invention relates to an optical wavelength conversion element for converting a fundamental wave propagating through an optical waveguide using a nonlinear optical effect into a harmonic, parametric, sum frequency, difference frequency or the like.
In order to improve the light damage resistance, increase the wavelength conversion efficiency, and improve the beam characteristics of the emitted light, the optical waveguide constituting the optical wavelength conversion element has a special structure different from the conventional one. is there.
【0100】後述する第7の実施形態および第8の実施
形態に示すように、非線形光学結晶の表面に、隣接する
複数の光導波路からなる光導波路群を形成し、この光導
波路群を利用して基本波から高調波、パラメトリック、
和周波や差周波等への波長変換を実現する。この構成に
おいて、位相整合状態を制御することにより、光導波路
群が、基本波と変換された波長光に対して異なる伝搬状
態を与えることが可能となる。例えば、第7の実施形態
に示すように、基本波は光導波路群をシングルモード伝
搬させ、高調波や和周波は光導波路を導波モードで伝搬
させることが可能となる。または、第8の実施形態に示
すように、基本波は光導波路をシングルモード伝搬さ
せ、パラメトリックや差周波は光導波路群をシングルモ
ード伝搬させることが可能となる。この光導波路構造に
より、プロトン交換や金属拡散等の面積を小さくして光
導波路表面の損傷面積を小さくすることが可能であり、
光導波路における吸収散乱が大幅に低減される。このた
め、本発明では基本波および変換された波長光のうち、
波長が短いものの吸収により発生していた光損傷を大幅
に低減することが可能である。また、基本波および変換
された波長光の一方の伝搬モードを導波路で制御し、他
方を導波路群で制御することにより、光導波路内におけ
る基本波と変換された波長光との電界分布のオーバラッ
プを高め、波長変換の高効率化が可能となる。さらに、
変換された波長光の伝搬状態を適切に選択することによ
り、導波モードのアスペクト比を制御して、集光特性に
優れた出射光を実現することが可能である。As will be described later in a seventh embodiment and an eighth embodiment, an optical waveguide group composed of a plurality of adjacent optical waveguides is formed on the surface of a nonlinear optical crystal, and this optical waveguide group is used. From fundamental to harmonic, parametric,
A wavelength conversion to a sum frequency or a difference frequency is realized. In this configuration, by controlling the phase matching state, it becomes possible for the optical waveguide group to give different propagation states to the fundamental wave and the converted wavelength light. For example, as shown in the seventh embodiment, a fundamental wave can be propagated in a group of optical waveguides in a single mode, and a harmonic and a sum frequency can be propagated in a waveguide mode in a waveguide mode. Alternatively, as shown in the eighth embodiment, the fundamental wave can be propagated in the optical waveguide in single mode, and the parametric or difference frequency can be propagated in the optical waveguide group in single mode. With this optical waveguide structure, it is possible to reduce the area of the surface of the optical waveguide by reducing the area for proton exchange, metal diffusion, and the like,
Absorption and scattering in the optical waveguide are greatly reduced. Therefore, in the present invention, of the fundamental wave and the converted wavelength light,
Although the wavelength is short, optical damage caused by absorption can be significantly reduced. In addition, by controlling one propagation mode of the fundamental wave and the converted wavelength light by the waveguide and controlling the other by the waveguide group, the electric field distribution of the fundamental wave and the converted wavelength light in the optical waveguide is controlled. It is possible to increase the overlap and increase the efficiency of wavelength conversion. further,
By appropriately selecting the propagation state of the converted wavelength light, it is possible to control the aspect ratio of the waveguide mode and realize emission light having excellent light-collecting characteristics.
【0101】光導波路群が、伝搬方向が異なる複数の光
導波路から構成されている場合、導波路群の伝搬定数に
分布を持たせることができ、波長変換素子の許容度を拡
大することができる。また、テーパ導波路(形状が伝搬
方向に対してテーパ状に狭くなったり、広くなったりし
ている導波路)を作製することができる。When the group of optical waveguides is composed of a plurality of optical waveguides having different propagation directions, the propagation constant of the group of waveguides can have a distribution, and the tolerance of the wavelength conversion element can be increased. . In addition, a tapered waveguide (a waveguide whose shape becomes narrower or wider in a tapered shape with respect to the propagation direction) can be manufactured.
【0102】変換された光の波長が基本波に対して短い
(例えば高調波や和周波)場合、上記光導波路を、基本
波に対してカットオフ条件を満たすように幅を設定すれ
ば、複数の光導波路からなる光導波路群を1本の導波路
としてシングルモードで伝搬させることが可能である。
カットオフ条件は導波路幅と厚みで設定されるが、ここ
では導波路幅で設定している。このとき、基本波から変
換された波長光に対しては、光導波路が導波条件を満た
すようにすることが可能である。よって、高調波が放射
モードで導波する従来の光波長変換素子に比べて変換さ
れた波長光の伝搬モードを容易に制御可能で、基本波と
変換された波長光の位相整合の制御が容易である。な
お、基本波に対して変換された光の波長が長い(例えば
パラメトリックや差周波)場合、基本波はいずれかの光
導波路を伝搬し、変換された波長光は光導波路群をシン
グルモード伝搬する。この場合、基本波の伝搬モードを
容易に制御可能であり、基本波と変換された波長光の位
相整合の制御が容易である。When the wavelength of the converted light is shorter than the fundamental wave (for example, a harmonic or a sum frequency), if the width of the optical waveguide is set so as to satisfy the cutoff condition with respect to the fundamental wave, a plurality of wavelengths can be obtained. Can be propagated in a single mode as a single waveguide.
The cut-off condition is set by the waveguide width and the thickness. Here, the cut-off condition is set by the waveguide width. At this time, for the wavelength light converted from the fundamental wave, the optical waveguide can satisfy the waveguide condition. Therefore, it is possible to easily control the propagation mode of the converted wavelength light as compared with the conventional optical wavelength conversion element in which the harmonics are guided in the radiation mode, and to easily control the phase matching between the fundamental wave and the converted wavelength light. It is. When the wavelength of light converted with respect to the fundamental wave is long (for example, parametric or difference frequency), the fundamental wave propagates through any one of the optical waveguides, and the converted wavelength light propagates in the optical waveguide group in a single mode. . In this case, the propagation mode of the fundamental wave can be easily controlled, and the phase matching between the fundamental wave and the converted wavelength light can be easily controlled.
【0103】また、変換された光の波長が基本波に対し
て短い(例えば高調波や和周波)場合、特に、光導波路
のうちの少なくとも1本の伝搬定数を、他の光導波路と
異なる伝搬定数に設定することにより、その光導波路を
基本波から変換された波長光が選択的に導波するため、
変換効率の向上や出力光の安定化を図ることが可能とな
る。ここで、伝搬定数も導波路幅で設定する。なお、基
本波に対して変換された光の波長が長い(例えばパラメ
トリックや差周波)場合、光導波路を基本波が選択的に
導波し、変換効率の向上や出力光の安定化を図ることが
可能となる。これに対して、通常の導波路では、基本波
に対して変換された光の波長が長い(例えばパラメトリ
ックや差周波)場合、変換光の導波条件に合わせて導波
路を設計すると、基本波に対してマルチモード導波路と
なり、変換効率が大幅に低下する。When the wavelength of the converted light is shorter than the fundamental wave (for example, a harmonic or a sum frequency), the propagation constant of at least one of the optical waveguides is set to be different from that of the other optical waveguides. By setting to a constant, the wavelength light converted from the fundamental wave selectively guides the optical waveguide,
It is possible to improve conversion efficiency and stabilize output light. Here, the propagation constant is also set by the waveguide width. When the wavelength of the light converted from the fundamental wave is long (for example, parametric or difference frequency), the fundamental wave is selectively guided in the optical waveguide to improve the conversion efficiency and stabilize the output light. Becomes possible. On the other hand, in a normal waveguide, when the wavelength of light converted with respect to the fundamental wave is long (for example, parametric or difference frequency), if the waveguide is designed according to the waveguide condition of the converted light, the fundamental wave , It becomes a multimode waveguide, and the conversion efficiency is greatly reduced.
【0104】光導波路群が左右非対称である場合、出射
光のビーム形状が非対称となって集光特性が劣化するた
め、中央の光導波路を中心として中心対称の構造を有す
るのが好ましい。また、光導波路が奇数本である場合、
基本波および変換された波長光ともに中央の光導波路に
パワー密度の中心が集中し、基本波と変換された波長光
との間でオーバーラップが高くなるので、高い変換効率
が得られるので好ましい。例えば、変換された光の波長
が基本波に対して短い(例えば高調波や和周波)場合、
光導波路群が、伝搬方向がほぼ等しい3本の光導波路か
ら構成され、中央の光導波路が両側の光導波路とは異な
る伝搬定数を有し、光導波路群をシングルモード伝搬す
る基本波と、光導波路群の中央の光導波路を伝搬する変
換された波長光との間で位相整合する構成とすることが
できる。また、基本波に対して変換された光の波長が長
い(例えばパラメトリックや差周波)場合、光導波路群
をシングルモード伝搬する変換された波長光と、光導波
路群の中央の光導波路を伝搬する基本波との間で位相整
合する構成とすることができる。なお、光導波路の本数
が多いと、導波路群のサイズが大きくなり、パワー密度
が低下して変換効率が低下することが考えられる。よっ
て、対称構造の中でも最も本数が少ない3本の光導波路
で光導波路群を構成するのが好ましい。If the group of optical waveguides is asymmetrical, the beam shape of the emitted light becomes asymmetrical and the light-collecting characteristics deteriorate, so that it is preferable to have a structure symmetrical about the center optical waveguide. When the number of optical waveguides is odd,
The center of the power density is concentrated on the central optical waveguide for both the fundamental wave and the converted wavelength light, and the overlap between the fundamental wave and the converted wavelength light becomes high, so that high conversion efficiency can be obtained, which is preferable. For example, if the wavelength of the converted light is shorter than the fundamental wave (for example, a harmonic or a sum frequency),
The group of optical waveguides is composed of three optical waveguides whose propagation directions are substantially equal, the central optical waveguide has a different propagation constant from the optical waveguides on both sides, and a fundamental wave that propagates the optical waveguide group in a single mode and an optical waveguide. A configuration may be adopted in which phase matching is performed between the converted wavelength light propagating through the optical waveguide at the center of the group of waveguides. When the wavelength of the light converted with respect to the fundamental wave is long (for example, parametric or difference frequency), the converted wavelength light that propagates in the optical waveguide group in a single mode and the light that propagates in the central optical waveguide of the optical waveguide group. A configuration in which the phase is matched with the fundamental wave can be adopted. When the number of optical waveguides is large, it is conceivable that the size of the group of waveguides increases, the power density decreases, and the conversion efficiency decreases. Therefore, it is preferable to form the optical waveguide group with the three optical waveguides having the least number of the symmetrical structures.
【0105】さらに、光導波路の入射部近傍および出射
部近傍の少なくともいずれか一方において、光導波路群
を構成する光導波路の本数を異ならせることにより、ビ
ーム形状の整形や結合効率の向上を図ることが可能であ
る。Furthermore, by changing the number of optical waveguides constituting the optical waveguide group in at least one of the vicinity of the entrance and the exit of the optical waveguide, shaping of the beam shape and improvement of the coupling efficiency are achieved. Is possible.
【0106】ところで、従来から、LiNbO3基板や
LiTaO3基板にプロトン交換層を形成した場合、プ
ロトン交換層内では耐光損傷強度が向上すると報告され
ていた。しかしながら、本願発明者らの検討によれば、
プロトン交換したLiNbO3の耐光損傷強度は十分で
はなく、例えばLiNbO3基板に対しては一桁程度強
い耐光損傷強度を示すが、MgドープしたLiNbO3
に比べると耐光損傷強度は数分の1に減少することが明
らかになった。この原因は、ドーピング材料によって強
化された耐光損傷強度がプロトン交換により低減されて
いるためと考えられる。そこで、第2の本発明にあって
は、耐光損傷強度とプロトン交換層内におけるLi濃度
の関係に着目し、後述する第9の実施形態に示すよう
に、LiNb xTa1-xO3(0≦x≦1)基板の表面に
プロトン交換により形成した光導波路において、Liの
mol濃度比を40mol%以上に設定する。または、
少なくとも表面近傍にMg、Zn、Sc、In等の金属
元素を添加したLiNbxTa1 -xO3(0≦x≦1)基
板の表面にプロトン交換により形成した光導波路におい
て、Liのmol濃度比Yと金属元素のmol濃度Zを
Y+Z≧45mol%の関係を満たすように設定する。
これにより、プロトン交換層の結晶欠陥を低減して、光
導波路の耐光損傷強度を向上することが可能である。By the way, conventionally, LiNbOThreeBoards and
LiTaOThreeIf a proton exchange layer is formed on the substrate,
It is reported that the light damage resistance is improved in the Roton exchange layer.
I was However, according to the study of the present inventors,
Proton exchanged LiNbOThreeThe light damage resistance is sufficient
No, for example, LiNbOThreeAbout an order of magnitude higher for substrates
High light damage resistance, but Mg-doped LiNbOThree
It is clear that the light damage resistance is reduced by a factor of
It became clear. This is caused by the doping material.
Light damage resistance is reduced by proton exchange
It is thought that there is. Therefore, in the second invention,
Is the light damage resistance and the Li concentration in the proton exchange layer
Focusing on the relationship, as shown in a ninth embodiment described later
And LiNb xTa1-xOThree(0 ≦ x ≦ 1) on the surface of the substrate
In an optical waveguide formed by proton exchange, Li
The molar concentration ratio is set to 40 mol% or more. Or
Metal such as Mg, Zn, Sc, In, etc. at least near the surface
LiNb with element addedxTa1 -xOThree(0 ≦ x ≦ 1) groups
Optical waveguide formed by proton exchange on plate surface
And the molar concentration ratio Y of Li and the molar concentration Z of the metal element
It is set so as to satisfy the relationship of Y + Z ≧ 45 mol%.
This reduces crystal defects in the proton exchange layer and reduces light
It is possible to improve the light damage resistance of the waveguide.
【0107】本発明のコヒーレント光発生装置は、耐光
損傷強度に優れた本発明の光波長変換素子を用いること
により、高出力でかつ安定した出力特性を実現すること
が可能である。The coherent light generating device of the present invention can realize high output and stable output characteristics by using the optical wavelength conversion element of the present invention having excellent light damage resistance.
【0108】さらに、本発明の光学システムは、出力変
動が小さく、高出力の本発明のコヒーレント光発生装置
を用いることにより、ノイズを低減することが可能であ
る。Further, the optical system of the present invention can reduce noise by using the coherent light generator of the present invention which has a small output fluctuation and a high output.
【0109】[0109]
【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)
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への波長変換効率を高めようとする構成にお
いて、耐光損傷性を飛躍的に向上させる構成を新たに提
案するものである。具体的には、イオン交換により形成
した第1のイオン交換領域をアニール処理により拡大
し、更に第1のイオン交換領域の表面近傍に第2のイオ
ン交換領域を形成した構成において、これに特別なアニ
ール処理を加えることで光導波路の伝搬損失を大幅に減
少し、更に耐光損傷特性の向上が可能になる点を、本願
発明者らが見出した。以下に、その原理について説明す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an optical wavelength conversion element utilizing the second harmonic generation by a nonlinear optical effect, in a fundamental mode fundamental wave and a higher mode second harmonic (SHG).
The present invention proposes a new configuration in which the overlap is increased by utilizing the phase matching with the above to increase the wavelength conversion efficiency to SHG, and the light damage resistance is dramatically improved. Specifically, in a configuration in which a first ion exchange region formed by ion exchange is enlarged by annealing and a second ion exchange region is formed near the surface of the first ion exchange region, The inventors of the present application have found that the addition of the annealing treatment significantly reduces the propagation loss of the optical waveguide and further improves the light damage resistance. The principle will be described below.
【0110】なお、上記の趣旨で本発明に関して行われ
るイオン交換処理として、例えば、プロトン交換処理を
実施することができる。その場合、形成される第1及び
第2のイオン交換領域とは、それぞれ第1及び第2のプ
ロトン交換領域ということになる。本願明細書における
本発明の説明では、具体的なイオン交換処理としてプロ
トン交換処理を説明し、これによってプロトン交換領域
が形成される場合を特に説明する。しかし、本発明はこ
れに限られるものではなく、その他の同様のイオン交換
処理によってプロトン交換領域以外のイオン交換領域を
形成しても、本願明細書の中で説明するものと同様の効
果を得ることができる。[0110] As the ion exchange treatment performed in the present invention with the above-mentioned meaning, for example, a proton exchange treatment can be carried out. In that case, the formed first and second ion exchange regions are the first and second proton exchange regions, respectively. In the description of the present invention in the present specification, a proton exchange process is described as a specific ion exchange process, and a case where a proton exchange region is formed by the proton exchange process is particularly described. However, the present invention is not limited to this, and even if an ion exchange region other than the proton exchange region is formed by other similar ion exchange treatments, the same effect as that described in the present specification is obtained. be able to.
【0111】まず、従来より報告されていたプロトン交
換を利用した光導波路を用いて光波長変換素子の動作特
性の向上を図った例と、従来の構造において新たに見つ
かった課題について、説明する。First, an example in which the operation characteristics of an optical wavelength conversion element have been improved by using an optical waveguide utilizing proton exchange, which has been conventionally reported, and a problem newly found in the conventional structure will be described.
【0112】従来の光波長変換素子300について、図
1を用いて説明する。A conventional optical wavelength conversion element 300 will be described with reference to FIG.
【0113】図1において、X板のLiNbO3基板3
01の表面近傍に、ストライプ状の光導波路305が形
成されており、光導波路305の表面近傍には、高屈折
率層310が形成されている。LiNbO3基板301
には、位相整合のために周期状の分極反転構造304が
形成されている。光導波路305に入射した基本波30
6は、第2高調波307に変換されて光導波路305よ
り出射される。In FIG. 1, an X-plate LiNbO 3 substrate 3
An optical waveguide 305 in the form of a stripe is formed near the surface of the optical waveguide 01, and a high refractive index layer 310 is formed near the surface of the optical waveguide 305. LiNbO 3 substrate 301
Has a periodically poled structure 304 for phase matching. Fundamental wave 30 incident on optical waveguide 305
6 is converted into a second harmonic 307 and emitted from the optical waveguide 305.
【0114】図2(a)は、基板1の上に光導波路2が
形成され、更に光導波路2の表面近傍に高屈折率層4が
形成されている、従来の光導波路素子300の構成を模
式的に示す図であり、図2(b)及び(c)はそれぞ
れ、(a)の構成における深さ方向の屈折率分布、並び
に(a)の構成の中を伝搬する基本波及び高調波の深さ
方向の電界分布である。具体的には、波長850nmの
基本波がTE00モードで入射され、光導波路2の中で
TE10モードの高調波と擬似的に位相整合する。FIG. 2A shows the structure of a conventional optical waveguide device 300 in which an optical waveguide 2 is formed on a substrate 1 and a high refractive index layer 4 is formed near the surface of the optical waveguide 2. FIGS. 2B and 2C are diagrams schematically showing refractive index distributions in the depth direction in the configuration of FIG. 2A, and fundamental waves and harmonics propagating in the configuration of FIG. Is an electric field distribution in the depth direction. Specifically, a fundamental wave having a wavelength of 850 nm is incident in the TE00 mode, and quasi-phase-matches with the TE10 mode harmonic in the optical waveguide 2.
【0115】光導波路2は、プロトン交換領域にアニー
ル処理を施して形成した光導波路であり、このアニール
処理により、プロトン交換領域の形状はステップ形状か
らグレーティッド形状に変化して、プロトン濃度も低下
する。一方、高屈折率層4は、プロトン交換により形成
した高屈折率層であるが、アニール処理は行っていない
ので、そのプロトンの分布形状はステップ状である。The optical waveguide 2 is an optical waveguide formed by performing an annealing process on a proton exchange region. By this annealing process, the shape of the proton exchange region changes from a step shape to a graded shape, and the proton concentration also decreases. I do. On the other hand, the high-refractive-index layer 4 is a high-refractive-index layer formed by proton exchange, but has not been subjected to annealing treatment, so that the distribution of protons is step-shaped.
【0116】この光波長変換素子300においては、高
屈折率層4により基本波の閉じ込めが強化され、更に基
本モードの基本波と高次モードの高調波との間でオーバ
ラップの増大が図れるため、高い波長変換効率が達成で
きる。In the optical wavelength conversion element 300, the confinement of the fundamental wave is strengthened by the high refractive index layer 4, and the overlap between the fundamental wave of the fundamental mode and the harmonic of the higher order mode can be increased. And high wavelength conversion efficiency can be achieved.
【0117】しかし、この従来の光波長変換素子300
の出力特性について種々の検討を行った結果、以下に示
す課題の存在が明らかになった。However, the conventional optical wavelength conversion device 300
As a result of various investigations on the output characteristics of the above, the following problems were clarified.
【0118】第1に、位相整合波長が時間とともに変化
する現象が見つかった。これにより、第2高調波の出力
が不安定になるという位相整合波長変動の問題が生じ
る。First, a phenomenon in which the phase matching wavelength changes with time was found. As a result, there arises a problem of fluctuation of the phase matching wavelength that the output of the second harmonic becomes unstable.
【0119】第2に、高温試験において光波長変換素子
の特性が劣化するという素子寿命の問題がある。Second, there is a problem with the life of the device that the characteristics of the optical wavelength conversion device are deteriorated in the high temperature test.
【0120】第3に、光導波路の伝搬損失が大きい。Third, the propagation loss of the optical waveguide is large.
【0121】それぞれの課題について、以下に詳しく説
明する。Each problem will be described in detail below.
【0122】第1の課題に関しては、発生する第2高調
波の高出力化によって、位相整合状態がわずかに変化し
ていることが観測された。その原因は後述するが、高屈
折率層4と光導波路2との境界において発生する光損傷
が関係している。Regarding the first problem, it has been observed that the phase matching state is slightly changed by increasing the output of the generated second harmonic. Although the cause will be described later, optical damage occurring at the boundary between the high refractive index layer 4 and the optical waveguide 2 is related.
【0123】従来から知られている光損傷とは、位相整
合状態が光導波路全体に渡って崩れることで第2高調波
の出力が低下する現象であるが、今回見出されたのは、
位相整合カーブを維持したままで位相整合波長がシフト
する現象である。波長変換効率は低下しないが位相整合
波長が変化するため、基本波の波長を固定すると第2高
調波出力は徐々に減少する。このため、位相整合波長を
常に最適値に合わせないと、安定した出力が得られな
い。位相整合波長が変化すると、光波長変換素子の位相
整合波長許容度が0.1nm以下と非常に狭いために、
第2高調波の出力は不安定になる。Conventionally known optical damage is a phenomenon in which the output of the second harmonic is reduced due to the collapse of the phase matching state over the entire optical waveguide.
This is a phenomenon in which the phase matching wavelength shifts while maintaining the phase matching curve. Since the wavelength conversion efficiency does not decrease, but the phase matching wavelength changes, if the wavelength of the fundamental wave is fixed, the output of the second harmonic gradually decreases. Therefore, unless the phase matching wavelength is always adjusted to the optimum value, a stable output cannot be obtained. When the phase matching wavelength changes, the phase matching wavelength tolerance of the optical wavelength conversion element is very narrow at 0.1 nm or less.
The output of the second harmonic becomes unstable.
【0124】第2の課題は、光波長変換素子の寿命試験
中に発見された。具体的には、温度80℃で数10時間
に渡る高温試験を行うと、光波長変換素子の位相整合波
長が大きく変化したり、波長変換効率が劣化するといっ
た現象が観測された。この原因について検討した結果、
高屈折率層4が高温試験で変化していることが明らかに
なった。高屈折率層4はアニール処理を行わないプロト
ン層であり、高いプロトン濃度を有し且つステップ形状
のプロトン濃度分布を有している。このため、プロトン
濃度が高く且つ周辺部との濃度差が大きいため、熱拡散
定数が大きい。また、高屈折率層4のプロトン交換領域
の熱拡散が光導波路2の特性に与える影響が非常に大き
いため、高温試験に際した高屈折率層4のプロトン交換
領域の変化により、光波長変換素子の特性が劣化するこ
とが明らかになった。The second problem was discovered during the life test of the optical wavelength conversion device. Specifically, when a high-temperature test was performed at a temperature of 80 ° C. for several tens of hours, phenomena such as a large change in the phase matching wavelength of the optical wavelength conversion element and a deterioration in wavelength conversion efficiency were observed. After examining the cause,
It became clear that the high refractive index layer 4 changed in the high temperature test. The high refractive index layer 4 is a proton layer that is not subjected to an annealing process, has a high proton concentration, and has a step-shaped proton concentration distribution. Therefore, since the proton concentration is high and the concentration difference from the peripheral portion is large, the thermal diffusion constant is large. Further, since the thermal diffusion of the proton exchange region of the high refractive index layer 4 greatly affects the characteristics of the optical waveguide 2, the change in the proton exchange region of the high refractive index layer 4 during the high temperature test causes It has been clarified that the characteristics of the above deteriorate.
【0125】第3の課題は、主に第1のプロトン交換領
域の問題である。表面に高屈折率層4を形成した光導波
路構造では、光の閉じ込めが強化されるため、光導波路
2の伝搬損失が高まる傾向にある。更に、光導波路2の
伝搬損失は、電界分布の存在が最も大きな第1のプロト
ン交換領域の特性に影響する。本願発明者らによる検討
の結果、第1のプロトン交換領域のプロトン濃度と光導
波路の伝搬損失との間に密接な関係が存在することが明
らかになった。[0125] The third problem is mainly a problem of the first proton exchange region. In the optical waveguide structure in which the high refractive index layer 4 is formed on the surface, since the confinement of light is strengthened, the propagation loss of the optical waveguide 2 tends to increase. Further, the propagation loss of the optical waveguide 2 affects the characteristics of the first proton exchange region where the presence of the electric field distribution is greatest. As a result of the study by the present inventors, it has been clarified that there is a close relationship between the proton concentration in the first proton exchange region and the propagation loss of the optical waveguide.
【0126】以下では、以上のような検討結果を考慮し
て達成された本発明の具体的な幾つかの実施形態を、添
付の図面を参照しながら説明する。Hereinafter, some specific embodiments of the present invention achieved in consideration of the above-described study results will be described with reference to the accompanying drawings.
【0127】(第1の実施形態)本実施形態において
は、先述のような検討結果を考慮して、従来のプロトン
交換を利用した光導波路における問題を解決するため
に、新しい光導波路構造を提案する。(First Embodiment) In this embodiment, a new optical waveguide structure is proposed in order to solve the problem in the conventional optical waveguide using proton exchange, in consideration of the above-described results of the study. I do.
【0128】上記のように、本願発明者らは、高屈折率
クラッド層を有する光導波路を用いた光波長変換素子に
おける課題について検討を行った結果、光導波路上に形
成した高屈折率な層と光導波路との境界において、問題
が発生していることを発見した。特に、この境界部にお
いて、ステップ形状に屈折率が変化している点が、問題
の原因であることを見出した。As described above, the inventors of the present application have examined the problems in the optical wavelength conversion device using the optical waveguide having the high refractive index cladding layer, and as a result, have found that the high refractive index layer formed on the optical waveguide has a high refractive index. A problem has been found at the boundary between the waveguide and the optical waveguide. In particular, it has been found that the problem is that the refractive index changes in a step shape at this boundary.
【0129】そこで、高屈折率層を形成しているプロト
ン交換領域の形状について種々検討を行った結果、プロ
トン交換処理とアニール処理とにより第1及び第2のプ
ロトン交換領域を形成する場合に、特殊なプロトン交換
領域の屈折率分布形状において、光導波路の特性が大幅
に向上することを見出した。Therefore, as a result of various studies on the shape of the proton exchange region forming the high refractive index layer, it was found that the first and second proton exchange regions were formed by the proton exchange treatment and the annealing treatment. It has been found that the characteristics of the optical waveguide are significantly improved in the special refractive index distribution shape of the proton exchange region.
【0130】図3(a)は、本実施形態によるプロトン
交換導波路(光導波路)の構成を示す断面図であり、基
板1にプロトン交換及びアニール処理により形成した第
1のプロトン交換領域(光導波路として機能する部分)
5と、第1のプロトン交換領域5の表面近傍に形成した
第2のプロトン交換領域(高屈折率層として機能する部
分)6と、を含む。図3(b)は、図3(a)の構成に
おける深さ方向の屈折率分布を表している。図2(b)
と比較すれば明らかなように、本実施形態の光導波路で
は、従来の光導波路とは異なって、第2のプロトン交換
領域6の屈折率分布が、アニール処理により、ステップ
ライクなグレーディッド形状を有している。FIG. 3A is a cross-sectional view showing the structure of a proton exchange waveguide (optical waveguide) according to the present embodiment, and shows a first proton exchange region (optical waveguide) formed on the substrate 1 by proton exchange and annealing. Part that functions as a wave path)
5 and a second proton exchange region (a portion functioning as a high refractive index layer) 6 formed near the surface of the first proton exchange region 5. FIG. 3B shows the refractive index distribution in the depth direction in the configuration of FIG. FIG. 2 (b)
As apparent from comparison with the optical waveguide of the present embodiment, unlike the conventional optical waveguide, the refractive index distribution of the second proton exchange region 6 has a step-like graded shape due to annealing. Have.
【0131】従来、高屈折率層(高屈折率クラッド層)
として機能する第2のプロトン交換領域としては、アニ
ールしないプロトン交換領域、或いは高屈折率の誘電体
膜など、ステップ状に屈折率分布を有する膜を用いてい
た。しかし、本願発明者らによる検討によって、高屈折
率層である第2のプロトン交換領域の屈折率分布をステ
ップ状からステップライクなグレーディッド状に変化さ
せることで、光導波路の耐光損傷強度が大幅に増大する
ことが見出された。Conventionally, high refractive index layer (high refractive index cladding layer)
A film having a step-like refractive index distribution, such as a non-annealed proton exchange region or a dielectric film having a high refractive index, has been used as the second proton exchange region functioning as the second proton exchange region. However, according to the study by the inventors of the present application, by changing the refractive index distribution of the second proton exchange region, which is a high refractive index layer, from a stepped shape to a step-like graded shape, the light damage resistance of the optical waveguide is significantly increased. Was found to increase.
【0132】その理由について説明する。The reason will be described.
【0133】高効率の光波長変換素子を実現するには、
第1のプロトン交換領域5を導波層とし、第2のプロト
ン交換領域6を高屈折率クラッド層として用いて、高屈
折率クラッド層を利用した基本波と高調波とのオーバラ
ップの増大を図る。高屈折率クラッド層として効率良く
作用するためには、導波層より高い屈折率を有し、且つ
ステップ形状の屈折率分布を有する層が必要となる。と
ころが、高屈折率クラッド層を有する構造において、光
損傷による位相整合波長シフトが発生することが明らか
になった。我々はこの問題について種々の検討を行い、
その原因を解明した。すなわち、高屈折率層と導波層と
の境界でステップ状に屈折率が変化しているため、先に
図2(c)に示したように、高調波のパワー密度の急激
な変化を生じている。光損傷は、光励起により不純物順
位が励起され内部電界を生じることで、電気光学効果に
よる屈折率変化を生じる現象である。光の強度分布差に
依存して内部電界の強度差が増大し光損傷が生じるの
で、高屈折率層と導波層との境界部で急激に高調波パワ
ー密度が変化すると、その部分で屈折率変化が大きくな
り、光損傷の影響が増大する。更に、物性、屈折率、光
のパワー密度の変化が同時に境界部で発生することも、
光損傷の影響をより大きくする要因となっている。To realize a highly efficient optical wavelength conversion element,
Using the first proton exchange region 5 as a waveguide layer and the second proton exchange region 6 as a high-refractive-index cladding layer, an increase in the overlap between a fundamental wave and a harmonic using the high-refractive-index cladding layer is reduced. Aim. In order to function effectively as a high refractive index cladding layer, a layer having a higher refractive index than the waveguide layer and having a step-shaped refractive index distribution is required. However, it has been clarified that a phase matching wavelength shift occurs due to optical damage in a structure having a high refractive index cladding layer. We conducted various studies on this issue,
The cause was clarified. That is, since the refractive index changes stepwise at the boundary between the high refractive index layer and the waveguide layer, a sharp change in the power density of the harmonic occurs, as shown in FIG. ing. Optical damage is a phenomenon in which an impurity order is excited by light excitation to generate an internal electric field, thereby causing a change in refractive index due to an electro-optic effect. The difference in the intensity of the internal electric field increases depending on the difference in the intensity distribution of the light, causing optical damage. If the harmonic power density changes rapidly at the boundary between the high refractive index layer and the waveguide layer, refraction occurs at that portion. The rate change is greater and the effect of photodamage is increased. Furthermore, changes in physical properties, refractive index, and power density of light may occur simultaneously at the boundary,
This is a factor that further increases the effect of light damage.
【0134】この状態を緩和するには、屈折率分布の変
化率を低減し、境界の存在する部分を拡大することが有
効であると考えた。そこで、第1のプロトン交換領域5
と第2のプロトン交換領域6との境界部分を拡大したと
ころ、光損傷の発生を大幅に緩和できる構造が存在する
ことが見出された。すなわち、第2のプロトン交換領域
6の屈折率分布をステップ状からステップライクなグレ
ーディッド状にすることで、第1及び第2のプロトン交
換領域5及び6の間の境界部の面積を増大し、光損傷の
発生を大幅に低減できる。但し、プロトン交換領域5及
び6の間の境界部分を拡大しすぎると、光波長変換素子
の波長変換効率が大幅に減少する。すなわち、高効率の
波長変換効率と高い耐光損傷強度とを同時に実現するに
は、第2のプロトン交換領域6の屈折率分布を適切に制
御する必要がある。In order to alleviate this state, it was considered effective to reduce the rate of change of the refractive index distribution and enlarge the portion where the boundary exists. Therefore, the first proton exchange region 5
When the boundary between the first and second proton exchange regions 6 was enlarged, it was found that there was a structure capable of greatly reducing the occurrence of optical damage. That is, the area of the boundary between the first and second proton exchange regions 5 and 6 is increased by changing the refractive index distribution of the second proton exchange region 6 from stepwise to step-like graded. In addition, the occurrence of optical damage can be greatly reduced. However, if the boundary between the proton exchange regions 5 and 6 is too large, the wavelength conversion efficiency of the optical wavelength conversion device will be greatly reduced. That is, in order to simultaneously achieve high efficiency of wavelength conversion efficiency and high light damage resistance, it is necessary to appropriately control the refractive index distribution of the second proton exchange region 6.
【0135】次に、ステップライクなグレーディッド形
状について説明する。Next, a step-like graded shape will be described.
【0136】プロトン交換領域の屈折率分布は、プロト
ンの拡散分布に依存する。一般に、プロトン交換領域に
おけるプロトンの拡散分布は、プロトン交換処理の終了
時にはステップ形状を有しているが、その後にアニール
処理を行うとグレーディッドな分布に変化する。ここ
で、プロトンの濃度分布とアニール時間との関係は、以
下の式(1)で表される。The refractive index distribution in the proton exchange region depends on the proton diffusion distribution. Generally, the diffusion distribution of protons in the proton exchange region has a stepped shape at the end of the proton exchange process, but changes to a graded distribution when annealing is performed thereafter. Here, the relationship between the proton concentration distribution and the annealing time is represented by the following equation (1).
【0137】[0137]
【数13】 (Equation 13)
【0138】但し、上記の式(1)において、C(k,
t):プロトン交換濃度、k:深さ(μm)、t:アニ
ール時間(時間)、C0:初期のプロトン交換濃度、E
rf[]:エラー関数、及び、h:初期のプロトン交換
深さ(μm)である。また、Dpは、アニールによるプ
ロトンの拡散定数(μm2/時間)であり、その温度依
存性を図4に示す。However, in the above equation (1), C (k,
t): proton exchange concentration, k: depth (μm), t: annealing time (hour), C0: initial proton exchange concentration, E
rf []: error function and h: initial proton exchange depth (μm). Dp is the diffusion constant (μm 2 / hour) of protons due to annealing, and its temperature dependence is shown in FIG.
【0139】本願明細書におけるステップライクなグレ
ーディッド形状を有する屈折率分布とは、ステップ状の
プロトン濃度分布によって得られるステップ状の屈折率
分布と、グレーディッド状のプロトン濃度分布によって
得られるグレーディッド状の屈折率分布との中間の状態
であって、表面のプロトン交換濃度の値が初期値C0と
同程度である範囲、すなわち、C(0、t)がほぼC0
の値をとる範囲で実現される。この条件は、実際には、
式(1)に含まれるh/2/(Dp×t)1/2の値で規
定できる。具体的には、以下の(2)の不等式の関係を
満たす範囲で、ステップライクなグレーディッド形状を
有する屈折率分布が実現される。The refractive index distribution having a step-like graded shape in the present specification means a step-like refractive index distribution obtained by a step-like proton concentration distribution and a graded refractive index distribution obtained by a graded-like proton concentration distribution. In a state intermediate with the refractive index distribution in the shape of a circle, in which the value of the proton exchange concentration on the surface is almost the same as the initial value C0, that is, C (0, t) is almost C0.
Is realized in the range where the value of This condition is actually
It can be defined by the value of h / 2 / (Dp × t) 1/2 included in equation (1). Specifically, a refractive index distribution having a step-like graded shape is realized within a range satisfying the following inequality expression (2).
【0140】[0140]
【数14】 [Equation 14]
【0141】例えば、初期のプロトン交換深さh=0.
18μmである場合、ステップライクなグレーディッド
形状を有する屈折率分布を実現する(2)の範囲は、ア
ニール温度が140℃であればアニール時間で約2時間
〜約50時間の範囲であり、アニール温度が180℃で
あればアニール時間で約10分〜約5時間の範囲であ
る。For example, the initial proton exchange depth h = 0.
In the case of 18 μm, the range of (2) for realizing a refractive index distribution having a step-like graded shape is a range of about 2 hours to about 50 hours as an annealing time when the annealing temperature is 140 ° C. If the temperature is 180 ° C., the annealing time ranges from about 10 minutes to about 5 hours.
【0142】先述のように、プロトン交換領域のプロト
ン濃度分布は、一般にプロトン交換後のアニール処理前
ではステップ形状であり、これをアニール処理すると、
プロトンが熱拡散し、ステップ状からガウス分布に近い
グレーディッド形状となる。プロトン交換領域の屈折率
はプロトン濃度に比例するので、アニール処理によるプ
ロトン濃度分布形状の変化に伴って、その屈折率分布形
状も、ステップ形状からグレーディッド形状に変化す
る。As described above, the proton concentration distribution in the proton exchange region generally has a step shape before annealing treatment after proton exchange.
Protons are thermally diffused and become graded from step-like to Gaussian-like distribution. Since the refractive index of the proton exchange region is proportional to the proton concentration, the refractive index distribution shape changes from a step shape to a graded shape as the proton concentration distribution shape changes due to the annealing treatment.
【0143】図5(a)〜(c)に、アニール処理によ
るプロトン濃度分布の変化に伴った、屈折率分布形状の
変化の様子を示す。FIGS. 5A to 5C show how the shape of the refractive index distribution changes as the proton concentration distribution changes due to the annealing treatment.
【0144】図示されるように、アニール処理によっ
て、プロトン交換領域の屈折率分布形状は、ステップ形
状(a)からステップライクなグレーディッド状
(b)、更に、ガウス分布に近いグレーディッド形状
(c)へ変化する。このうちのステップライクなグレー
ディッド形状は、ステップ形状とグレーディッド形状の
中間の形であり、表面のプロトン交換濃度が低下しない
範囲においては、プロトンの拡散分布形状はステップラ
イクな形状をほぼ保っている。As shown in the figure, the annealing treatment changes the refractive index distribution shape of the proton exchange region from the step shape (a) to the step-like graded shape (b), and further to the graded shape (c) close to the Gaussian distribution. ). Among these, the step-like graded shape is an intermediate shape between the step shape and the graded shape, and the proton diffusion distribution shape almost maintains the step-like shape as long as the proton exchange concentration on the surface does not decrease. I have.
【0145】屈折率分布の変化は、より厳密には、アニ
ール前のプロトン交換深さ、アニール処理温度、及びア
ニール処理時間に依存する。アニール処理による屈折率
分布の変化を、図6に示す。図6において、屈折率分布
の広がりを、屈折率変化量が最大値の1/e2になる部
分の幅で規定する。アニールによるプロトン交換領域の
広がりが約2倍以上になると、屈折率分布は、ステップ
ライクな形状からガウス分布に近い形状に変化する。ス
テップライクな屈折率分布を得るには、プロトン交換領
域の深さのアニール処理による広がりを約1.1倍〜約
2倍の間に保つ必要がある。The change in the refractive index distribution more strictly depends on the proton exchange depth before annealing, the annealing temperature, and the annealing time. FIG. 6 shows a change in the refractive index distribution due to the annealing treatment. In FIG. 6, the spread of the refractive index distribution is defined by the width of the portion where the amount of change in the refractive index is 1 / e 2 of the maximum value. When the expansion of the proton exchange region by annealing becomes about twice or more, the refractive index distribution changes from a step-like shape to a shape close to a Gaussian distribution. In order to obtain a step-like refractive index distribution, it is necessary to keep the depth of the proton exchange region from being expanded by about 1.1 times to about 2 times by the annealing process.
【0146】また、図6より、プロトン交換直後の表面
屈折率は、ステップライクな屈折率形状を有している間
は維持されることがわかる。しかし、屈折率分布がガウ
ス分布に近くなり、屈折率分布の幅が2倍近くなると、
表面屈折率が徐々に低下し始める。ステップライクな屈
折率分布が維持されるプロトン交換領域の表面屈折率の
値は、アニール処理前の値の約90%以上であった。FIG. 6 shows that the surface refractive index immediately after proton exchange is maintained while having a step-like refractive index shape. However, when the refractive index distribution approaches a Gaussian distribution and the width of the refractive index distribution approaches twice,
The surface refractive index starts to decrease gradually. The value of the surface refractive index in the proton exchange region where the step-like refractive index distribution was maintained was about 90% or more of the value before the annealing treatment.
【0147】以上の点より、第2のプロトン交換領域の
アニール処理を長い時間に渡って行うと光波長変換素子
の波長変換効率が低下する現象は、第2のプロトン交換
領域の表面屈折率の低下に起因していることが明らかに
なった。すなわち、第2のプロトン交換領域の表面屈折
率の低下により、導波光の閉じ込めが弱まって、波長変
換効率の低下を招く。従って、第2のプロトン交換領域
のアニール処理は、表面屈折率の低下を招かない程度に
行うのが望ましい。また、光波長変換素子の高効率化に
は高い表面屈折率が必要であり、高屈折率クラッド層を
有する光導波路における第2のプロトン交換領域6に
は、ステップライクな屈折率分布が要求されるため、第
2のプロトン交換領域6の広がりを2倍以下に抑えるこ
とが好ましい。From the above points, the phenomenon that the wavelength conversion efficiency of the light wavelength conversion element decreases when the annealing treatment of the second proton exchange region is performed for a long time is caused by the decrease in the surface refractive index of the second proton exchange region. It became clear that this was due to the decline. That is, the reduction in the surface refractive index of the second proton exchange region weakens the confinement of the guided light, resulting in a decrease in the wavelength conversion efficiency. Therefore, it is desirable to perform the annealing of the second proton exchange region to such an extent that the surface refractive index does not decrease. In addition, a high surface refractive index is required for increasing the efficiency of the optical wavelength conversion element, and a step-like refractive index distribution is required for the second proton exchange region 6 in the optical waveguide having the high refractive index cladding layer. Therefore, it is preferable that the spread of the second proton exchange region 6 be suppressed to twice or less.
【0148】本願発明者らによる実験結果より、高い波
長変換効率と良好な耐光損傷強度とを両立させて実現す
るには、第2のプロトン交換領域6の屈折率分布が、ス
テップ形状とガウス分布に近い完全なグレーディッド形
状との間の中間的な屈折率分布(図5(b)参照)をと
る必要があることが分かった。これを、本願明細書では
ステップライクなグレーディッド形状と称する。一方、
第1のプロトン交換領域5は、伝搬損失の小さい導波層
であり、且つ高屈折率クラッド層によるオーバラップの
向上を実現するために、完全なグレーディッド形状(エ
ラー関数形状)をとる必要がある。According to the experimental results by the present inventors, in order to achieve both high wavelength conversion efficiency and good light damage resistance, the refractive index distribution of the second proton exchange region 6 must have a step shape and a Gaussian distribution. It has been found that it is necessary to take an intermediate refractive index distribution (see FIG. 5 (b)) between a perfect graded shape close to. This is referred to as a step-like graded shape in the present specification. on the other hand,
The first proton exchange region 5 is a waveguide layer having a small propagation loss, and needs to have a completely graded shape (error function shape) in order to realize the improvement of the overlap by the high refractive index cladding layer. is there.
【0149】すなわち、第1のプロトン交換領域5と第
2のプロトン交換領域6とが、異なる形状のグレーディ
ッドな屈折率分布(すなわち異なる形状のグレーディッ
ドなプロトン濃度分布)を有することが、高効率で且つ
耐光損傷性に優れた光波長変換素子を実現するために、
必要な条件であることが明らかになった。That is, it is highly likely that the first proton exchange region 5 and the second proton exchange region 6 have graded refractive index distributions of different shapes (ie, graded proton concentration distributions of different shapes). To realize an optical wavelength conversion device that is efficient and has excellent light damage resistance,
It turned out to be a necessary condition.
【0150】プロトン交換領域の屈折率分布(プロトン
濃度分布)は、アニール処理により、容易にガウス分布
に近いグレーディッド形状に変化する。第2のプロトン
交換領域6の屈折率分布をステップライクなグレーディ
ッド形状に制御するには、第2のプロトン交換領域6に
対するアニール処理条件を精確に制御する必要がある。
本発明によれば、グレーディッド形状に変化する前のス
テップライクなグレーディッド形状に精確に制御するこ
とで、光波長変換素子の特性向上を実現できることが明
らかになった。The refractive index distribution (proton concentration distribution) in the proton exchange region easily changes to a graded shape close to a Gaussian distribution by annealing. In order to control the refractive index distribution of the second proton exchange region 6 to have a step-like graded shape, it is necessary to precisely control the annealing conditions for the second proton exchange region 6.
According to the present invention, it has been clarified that the characteristics of the optical wavelength conversion element can be improved by accurately controlling the step-like graded shape before changing to the graded shape.
【0151】図7に第1と第2のプロトン交換領域にお
けるプロトン交換率の分布を示す。LiNbO3結晶は
プロトン交換によりLi(1-x)HxNbO3となる。ここ
で示すプロトン交換率Xは結晶内のLiとHの交換率を
表し、結晶中のLiとHのモル数に対し、X=H/(L
i+H)で表される。プロトン交換されていない結晶に
おいて、プロトン交換率Xは0であり、LiとHが完全
に交換さるとプロトン交換率Xの値は約1となる。実際
のプロトン交換層において、アニール処理しないプロト
ン交換直後のプロトン交換率は、プロトン交換温度、プ
ロトン交換に使用する酸、およびプロトン交換時間によ
り微妙に変化する。代表的には、プロトン交換に使われ
る代表的な酸である安息香酸の場合でX=0.67±
0.02、高屈折率のプロトン交換層の形成が可能なピ
ロ燐酸でプロトン交換した場合でX=0.76±0.0
2程度である。結晶中のLiの70%程度がプロトンと
交換されている。高屈折率なプロトン交換層を形成可能
なため、プロトン交換はピロ燐酸で行うのが望ましい。FIG. 7 shows the distribution of the proton exchange rates in the first and second proton exchange regions. The LiNbO 3 crystal becomes Li (1-x) H x NbO 3 by proton exchange. The proton exchange rate X shown here indicates the exchange rate between Li and H in the crystal, and X = H / (L
i + H). In a crystal that has not undergone proton exchange, the proton exchange rate X is 0, and the value of the proton exchange rate X becomes about 1 when Li and H are completely exchanged. In an actual proton exchange layer, the proton exchange rate immediately after proton exchange without annealing treatment slightly changes depending on the proton exchange temperature, the acid used for proton exchange, and the proton exchange time. Typically, X = 0.67 ± in the case of benzoic acid, which is a typical acid used for proton exchange.
0.02, X = 0.76 ± 0.0 when proton exchanged with pyrophosphoric acid capable of forming a proton exchange layer having a high refractive index.
About 2. About 70% of Li in the crystal is exchanged with protons. Since a proton exchange layer having a high refractive index can be formed, proton exchange is preferably performed with pyrophosphoric acid.
【0152】図7(a)に示したのは第1と第2のプロ
トン交換層からなる導波路におけるプロトン交換率の分
布であり、ピロ燐酸を用いて作製した。第2のプロトン
交換層におけるプロトン交換率は表面近傍で約0.76
である。一方、第1のプロトン交換層におけるプロトン
交換率は表面近傍で約0.1程度である。プロトン交換
率に大きな差を付けることで、第2のプロトン交換層と
第1のプロトン交換層との屈折率差を十分とっている。
また図からわかるように、第2のプロトン交換層を形成
するには、プロトンの拡散を最小限に押さえる条件でア
ニール処理を施さねば成らない。プロトン濃度分布が崩
れない程度に、かつ第1のプロトン交換層に影響を与え
ない程度に温度および時間の制御を行う必要がある。そ
のために、第2のプロトン交換を形成する温度を200
℃以下とし、拡散分布を崩さない程度に時間制御を行い
ながら形成した。FIG. 7A shows the distribution of the proton exchange rate in the waveguide composed of the first and second proton exchange layers, which was produced using pyrophosphoric acid. The proton exchange rate in the second proton exchange layer is about 0.76 near the surface.
It is. On the other hand, the proton exchange rate in the first proton exchange layer is about 0.1 near the surface. By providing a large difference in the proton exchange rates, a sufficient difference in the refractive index between the second proton exchange layer and the first proton exchange layer is obtained.
Further, as can be seen from the figure, in order to form the second proton exchange layer, an annealing process must be performed under conditions that minimize the diffusion of protons. It is necessary to control the temperature and time so that the proton concentration distribution does not collapse and does not affect the first proton exchange layer. Therefore, the temperature for forming the second proton exchange is set to 200
C. or lower, and formed while controlling the time so that the diffusion distribution was not lost.
【0153】第1と第2のプロトン交換率の分布を拡大
したのが、図7(b)、(c)に示すプロトン交換率の
分布図でそれぞれ第1および第2のプロトン交換層の分
布を表している。図に示すように、全く異なった形状を
とっている。第1のプロトン交換層におけるプロトン交
換率の分布は、アニール処理により完全にグレーディッ
ド形状に成っている。これに対し、第2のプロトン交換
層はステップライクなグレーディッド形状になってい
る。また、第1と第2のプロトン交換層の大きな違い
は、プロトン交換率の深さ方向の変化量である。第1の
プロトン交換層においては、表面におけるプロトン濃度
が低減すると共に、プロトン交換率Xの深さ方向の変化
量が非常に小さいくなっている。一方、第2のプロトン
交換層においては、プロトン交換率が深さ方向に急激に
変化する。深さ方向のプロトン交換率Xの変化量(μm
-1)を以下のように規定する。プロトン交換率の変化量
=│ΔX/Δ深さ│とプロトン交換のアニール状態をプ
ロトン交換率の変化の絶対値で表すことができる。まず
第1のプロトン交換層におけるプロトン交換率の変化量
は約0.04μm-1程度である。プロトン交換層のプロ
トン濃度を下げて、非線形光学定数を十分回復させるに
は、プロトン交換率の変化量は少なくとも0.1μm-1
以下が必要であり、高効率化を達成するには0.06μ
m-1以下が望まれる。The distributions of the first and second proton exchange rates are enlarged in the distribution diagrams of the proton exchange rates shown in FIGS. 7B and 7C, respectively. Is represented. As shown in the figure, it has a completely different shape. The distribution of the proton exchange rate in the first proton exchange layer is completely graded by the annealing treatment. On the other hand, the second proton exchange layer has a step-like graded shape. The major difference between the first and second proton exchange layers is the amount of change in the proton exchange rate in the depth direction. In the first proton exchange layer, the proton concentration on the surface is reduced, and the amount of change in the proton exchange rate X in the depth direction is very small. On the other hand, in the second proton exchange layer, the proton exchange rate changes rapidly in the depth direction. Change in the proton exchange rate X in the depth direction (μm
-1 ) is defined as follows. The amount of change in the proton exchange rate = | ΔX / Δdepth | and the annealing state of the proton exchange can be represented by the absolute value of the change in the proton exchange rate. First, the amount of change in the proton exchange rate in the first proton exchange layer is about 0.04 μm −1 . To lower the proton concentration of the proton exchange layer and sufficiently recover the nonlinear optical constant, the amount of change in the proton exchange rate should be at least 0.1 μm −1.
The following is required, and 0.06μ
m -1 or less is desired.
【0154】一方、第2のプロトン交換層においては、
プロトン濃度が深さ方向に変化する領域の大きさが重要
に成ってくる。前述したように、第1と第2のプロトン
交換層との境界部分がこのプロトン濃度が変化している
領域であり、この領域をアニール処理により形成するこ
とで耐光損傷性に優れた光導波路の形成が可能となる。
具体的には、図7(c)に示したように、プロトン交換
率が変化している領域は第2のプロトン交換領域におい
て0.05μm程度である。プロトン交換直後はこの領
域が0.01μm以下である。第2のプロトン交換領域
のアニール処理によりプロトン交換率が変化している領
域を0.02〜0.2μmの間で拡大することが望まし
い。さらに、高効率変換を実現するには、0.03〜
0.1μm程度の間に押さえることが望ましい。第1の
プロトン交換層との大きな違いは、この領域の大きさで
ある。第1のプロトン交換領域においては、プロトン分
布が完全なグレーディッドとなっているため、プロトン
交換率の変化する領域は数μmに達する。これに対し、
第2のプロトン交換領域はプロトンの分布がステップラ
イクなグレーディッド形状であるため、プロトン交換率
が変化する領域が0.02〜0.2μmと大きく異なっ
ている。さらに、第1と第2のプロトン交換領域の違い
は、そのプロトン交換率の変化量である。第1のプロト
ン交換領域はプロトン交換率が完全なグレーディッド状
態に成っているため、Xの変化率は0.04μm-1程度
である。これに対し、第2のプロトン交換領域は15μ
m-1程度と非常に大きい。高効率変換が可能なステップ
ライクなグレーディッド形状を実現するには、プロトン
交換率の変化量を5〜50μm-1程度に設定するのが望
ましい。さらに耐光損傷強度を高めるには、変化量を1
0〜30μm-1程度に設定するのがより望ましい。On the other hand, in the second proton exchange layer,
The size of the region where the proton concentration changes in the depth direction becomes important. As described above, the boundary between the first and second proton exchange layers is a region where the proton concentration is changed, and by forming this region by annealing, an optical waveguide having excellent light damage resistance is formed. Formation is possible.
Specifically, as shown in FIG. 7C, the area where the proton exchange rate changes is about 0.05 μm in the second proton exchange area. Immediately after proton exchange, this region is 0.01 μm or less. It is desirable that the region where the proton exchange rate is changed by the annealing treatment of the second proton exchange region is expanded to 0.02 to 0.2 μm. Furthermore, in order to realize high-efficiency conversion, 0.03-
It is desirable to keep the thickness within about 0.1 μm. The major difference from the first proton exchange layer is the size of this region. In the first proton exchange region, since the proton distribution is completely graded, the region where the proton exchange rate changes reaches several μm. In contrast,
Since the second proton exchange region has a graded shape in which the distribution of protons is step-like, the region where the proton exchange rate changes is significantly different from 0.02 to 0.2 μm. Further, the difference between the first and second proton exchange regions is the amount of change in the proton exchange rate. Since the first proton exchange region has a completely graded proton exchange rate, the rate of change of X is about 0.04 μm −1 . On the other hand, the second proton exchange region is 15 μm.
It is as large as about m -1 . In order to realize a step-like graded shape capable of high-efficiency conversion, it is desirable to set the amount of change in the proton exchange rate to about 5 to 50 μm −1 . To further increase the light damage resistance, the amount of change is 1
It is more desirable to set it to about 0 to 30 μm −1 .
【0155】第1と第2のイオン交換層においては、基
本波とSHGの位相関係が逆転するため(図2参照)、
第2のイオン交換層における非線形光学効果の増大は変
換効率の低減になる。従って、第2のイオン交換層の非
線形光学定数が低いほど変換効率は高くなる。高いプロ
トン交換濃度で非線形定数が60%以下に低減されてい
ることが望ましい。In the first and second ion exchange layers, the phase relationship between the fundamental wave and SHG is reversed (see FIG. 2).
An increase in the nonlinear optical effect in the second ion exchange layer results in a decrease in the conversion efficiency. Therefore, the lower the nonlinear optical constant of the second ion exchange layer, the higher the conversion efficiency. It is desirable that the nonlinear constant be reduced to 60% or less at a high proton exchange concentration.
【0156】次に、耐光損傷強度に優れた光導波路を形
成する第2のプロトン交換領域6のプロトンの濃度分布
形状について、更に詳しく検討した結果を説明する。Next, the results of a more detailed study of the proton concentration distribution shape of the second proton exchange region 6 forming the optical waveguide having excellent light damage resistance will be described.
【0157】まず、第2のプロトン交換領域6における
好ましい屈折率分布を実現可能な作製条件について、検
討した。First, the manufacturing conditions under which a preferable refractive index distribution in the second proton exchange region 6 can be realized were studied.
【0158】図10及び図11には、アニール処理を行
ったときに発生する第2のプロトン交換領域6の拡大の
様子を第2のプロトン交換領域6の深さ(プロトン交換
領域の半値全幅の大きさ)の変化によって表し、これを
パラメータ(横軸)にとって、光波長変換素子の波長変
換効率及び表面屈折率(図10)、並びに耐光損傷強度
(図11)と第2のプロトン交換層6の深さとの関係を
描いている。但し、横軸は、アニール処理の開始前の第
2のプロトン交換領域6の深さによって規格化された値
を示している。従って、縦軸との交点における光波長変
換素子の波長変換効率及び表面屈折率(図10)、並び
に耐光損傷強度(図11)の値は、アニール処理の開始
前の値を示している。FIGS. 10 and 11 show the manner in which the second proton exchange region 6 is enlarged when the annealing process is performed, and the depth of the second proton exchange region 6 (the full width at half maximum of the proton exchange region). The wavelength conversion efficiency and the surface refractive index of the optical wavelength conversion element (FIG. 10), the light damage resistance (FIG. 11), and the second proton exchange layer 6 are represented by parameters (horizontal axis). The relationship between the depth and the depth. However, the horizontal axis indicates a value standardized by the depth of the second proton exchange region 6 before the start of the annealing process. Therefore, the values of the wavelength conversion efficiency and the surface refractive index (FIG. 10) of the optical wavelength conversion element and the light damage resistance (FIG. 11) at the intersection with the vertical axis indicate values before the start of the annealing process.
【0159】図11に示されるように、耐光損傷強度
は、第2のプロトン交換領域が、アニール処理により、
アニール処理前の深さの1.2倍以上に拡大するあたり
で急激に増大し、更にアニール処理を行うと、耐光損傷
強度は徐々に増大した。これは、アニール処理の継続に
伴って第2のプロトン交換領域6の屈折率分布がグレー
ディッドな形状に近づくに従って、第1及び第2のプロ
トン交換領域5及び6の間の境界部が拡大するためであ
る。As shown in FIG. 11, the light damage resistance shows that the second proton exchange region
When the depth was increased to 1.2 times or more the depth before the annealing treatment, it rapidly increased, and when the annealing treatment was further performed, the light damage resistance gradually increased. This is because the boundary between the first and second proton exchange regions 5 and 6 expands as the refractive index distribution of the second proton exchange region 6 approaches a graded shape with the continuation of the annealing process. That's why.
【0160】更に、本検討中に新しい現象を発見した。
すなわち、第2のプロトン交換領域6をアニール処理す
ると、図10に示されるように、光波長変換素子の波長
変換効率が大幅に拡大することが見いだされた。Further, a new phenomenon was discovered during this study.
That is, it has been found that when the second proton exchange region 6 is annealed, the wavelength conversion efficiency of the light wavelength conversion element is greatly increased as shown in FIG.
【0161】具体的には、第2のプロトン交換領域6の
増大(深さの増加)とともに波長変換効率は増加し、ア
ニール前の1.5倍程度の深さになった時点で、最大に
なった。この時点で、波長変換効率はアニール処理前に
得られる値の2倍近い値となり、大幅な波長変換効率の
向上が確認された。しかし、更にアニール処理を続ける
と、第2のプロトン交換領域6の深さがアニール前の値
の2倍程度になるあたりで波長変換効率は減少し始め、
アニール処理の継続とともに減少した。これは、図10
にあわせて示すように、第2のプロトン交換領域6の表
面屈折率が、このあたりで減少し始めるためである。Specifically, the wavelength conversion efficiency increases with an increase in the second proton exchange region 6 (an increase in the depth), and reaches a maximum when the depth becomes approximately 1.5 times that before annealing. became. At this point, the wavelength conversion efficiency was close to twice the value obtained before the annealing treatment, and a significant improvement in the wavelength conversion efficiency was confirmed. However, when the annealing treatment is further continued, the wavelength conversion efficiency starts to decrease when the depth of the second proton exchange region 6 becomes about twice the value before annealing, and
It decreased with continued annealing. This is shown in FIG.
This is because the surface refractive index of the second proton exchange region 6 starts to decrease around this point.
【0162】第2のプロトン交換領域6をアニール処理
することで波長変換効率が向上する理由は、2つ考えら
れる。There are two possible reasons why the wavelength conversion efficiency is improved by annealing the second proton exchange region 6.
【0163】第1に、アニール処理することで第2のプ
ロトン交換領域6の深さが増大するが、屈折率分布がス
テップライクなグレーディッド形状を有して表面屈折率
の低下が少ない範囲では、実効屈折率が増大する。この
ため、光導波路への導波光の閉じ込めが強化されて導波
光のパワー密度が増大することで、波長変換効率が向上
する。First, the annealing process increases the depth of the second proton exchange region 6, but in a range where the refractive index distribution has a step-like graded shape and the decrease in the surface refractive index is small. , The effective refractive index increases. For this reason, the confinement of the guided light in the optical waveguide is strengthened and the power density of the guided light is increased, so that the wavelength conversion efficiency is improved.
【0164】第2に、第2のプロトン交換領域6の均一
性の向上の影響が考えられる。すなわち、第2のプロト
ン交換領域6は、アニール処理を行っていない場合に
は、第1のプロトン交換領域5との境界近傍に結晶的な
歪みを有し、これが光導波路(第1のプロトン交換領域
5)の不均一性の原因となっている。光導波路(第1の
プロトン交換領域5)の不均一性は、波長変換効率に与
える影響が大きく、効率低下の原因となる。これに対し
て、第2のプロトン交換領域6にアニール処理を加える
と結晶歪みが減少し、結果的に光導波路(第1のプロト
ン交換領域5)の均一性が増す。これによって、波長変
換効率の大幅な向上が実現する。Second, the effect of improving the uniformity of the second proton exchange region 6 can be considered. That is, when the annealing process is not performed, the second proton exchange region 6 has a crystal distortion near the boundary with the first proton exchange region 5, and this crystal distortion occurs in the optical waveguide (first proton exchange region). This causes the non-uniformity of the region 5). The non-uniformity of the optical waveguide (the first proton exchange region 5) has a large effect on the wavelength conversion efficiency and causes a reduction in efficiency. On the other hand, when annealing is applied to the second proton exchange region 6, crystal distortion is reduced, and as a result, the uniformity of the optical waveguide (first proton exchange region 5) is increased. Thereby, the wavelength conversion efficiency is significantly improved.
【0165】耐光損傷強度の観点からみると、第2のプ
ロトン交換領域6の深さは、アニール前の値の1.2倍
以上であることが望ましい。更にアニール前の値の1.
5倍以上になると、耐光損傷強度がより向上するため、
より好ましい。一方、波長変換効率の向上の観点から
は、第2のプロトン交換領域6の深さは、アニール前の
値の1.2倍〜2.5倍程度が望ましい。更に、アニー
ル前の値の1.5倍〜2倍程度では、波長変換効率が2
倍に増大するため、より好ましい。From the viewpoint of the light damage resistance, the depth of the second proton exchange region 6 is desirably 1.2 times or more the value before annealing. Furthermore, the value of 1.
When it is 5 times or more, the light damage resistance is further improved.
More preferred. On the other hand, from the viewpoint of improving the wavelength conversion efficiency, the depth of the second proton exchange region 6 is desirably about 1.2 to 2.5 times the value before annealing. Further, when the value before annealing is about 1.5 times to 2 times, the wavelength conversion efficiency is 2 times.
It is more preferable to increase by a factor of two.
【0166】更に、第2のプロトン交換領域6の屈折率
分布をステップライクなグレーディッド形状にすること
で、光波長変換素子の経時変化がなくなることが明らか
になった。この点を以下に説明する。Further, it has been clarified that the time-dependent change of the light wavelength conversion element is eliminated by making the refractive index distribution of the second proton exchange region 6 into a step-like graded shape. This will be described below.
【0167】先に述べたように、プロトン交換光導波路
により形成した光波長変換素子は、80℃程度の高温信
頼性試験により特性劣化を生じる。本願発明者らによる
検討では、第2のプロトン交換領域6の深さが経時変化
により増大することが、上記の特性劣化の主原因である
ことが明らかになった。これは、アニールを行わないプ
ロトン交換領域の厚さが経時変化により容易に変化する
こと、及び、ステップ状の屈折率分布の厚さがわずかに
変化しても光波長変換素子に与える影響が大きいこと
に、起因している。具体的には、本願発明者らによる実
験では、アニールを施さなかったサンプルでは、温度8
0℃で約100時間の高温信頼性試験により、位相整合
波長が約0.2nm〜約0.6nm変化することが分か
った。これに対して、アニールを施したサンプルでは、
温度80℃で約1000時間の高温信頼性試験の後で
も、位相整合波長のシフトは約0.02nm以下であ
り、実質的な変化を示さなかった。As described above, the characteristics of the optical wavelength conversion element formed by the proton exchange optical waveguide are deteriorated by a high-temperature reliability test at about 80 ° C. Investigations by the inventors of the present application have revealed that an increase in the depth of the second proton exchange region 6 with the passage of time is a main cause of the above-described characteristic deterioration. This is because the thickness of the proton exchange region where the annealing is not performed is easily changed due to aging, and even if the thickness of the step-like refractive index distribution is slightly changed, the effect on the light wavelength conversion element is large. In particular, it is caused. Specifically, in the experiment conducted by the inventors of the present invention, the temperature of the sample not annealed was 8 ° C.
A high temperature reliability test at 0 ° C. for about 100 hours showed that the phase matching wavelength changed by about 0.2 nm to about 0.6 nm. In contrast, for the annealed sample,
Even after a high-temperature reliability test at a temperature of 80 ° C. for about 1000 hours, the shift of the phase matching wavelength was about 0.02 nm or less, and showed no substantial change.
【0168】これに対して、本発明に従って第2のプロ
トン交換領域6をアニール処理してグレーディッド形状
にすると、経時変化がほとんどなくなった。これは、ア
ニール処理を加えて経時変化を加速することで、特性の
経時的な変化、特に高温での屈折率分布の変化が、大幅
に低減されたためである。更に、第2のプロトン交換領
域6の屈折率分布がステップ状からステップライクなグ
レーディッド状に変化したことで、第1及び第2のプロ
トン交換領域5及び6の間の境界部分が一定の領域を有
するようになるために、深さ方向の屈折率分布の変化が
生じた場合の光波長変換素子に与える影響が、大幅に緩
和できると考えられる。On the other hand, when the second proton exchange region 6 was annealed to have a graded shape according to the present invention, there was almost no change with time. This is because the change with time in the characteristics, particularly the change in the refractive index distribution at a high temperature, is significantly reduced by accelerating the change with time by adding the annealing treatment. Further, since the refractive index distribution of the second proton exchange region 6 changes from step-like to step-like graded, the boundary between the first and second proton exchange regions 5 and 6 is a constant region. Therefore, it is considered that the effect on the optical wavelength conversion element when the refractive index distribution changes in the depth direction can be significantly reduced.
【0169】具体的にプロトン交換領域の拡大と特性の
経時変化との関係を調べると、アニール処理によりプロ
トン交換厚さが1.1倍程度に拡大するまでは、経時変
化特性は変化が見られなかったが、1.3倍以上に拡大
すると高温試験特性での劣化は見られなくなった。Specifically, the relationship between the expansion of the proton exchange region and the change with time of the characteristics is examined. As a result, the change with time is observed until the thickness of the proton exchange is increased to about 1.1 times by the annealing treatment. However, when the magnification was increased to 1.3 times or more, deterioration in the high-temperature test characteristics was not observed.
【0170】一方、第1のプロトン交換領域5は、光導
波路の伝搬損失と密接な関係を持っている。第1のプロ
トン交換領域5をアニール処理により拡大することで、
光導波路の伝搬損失を大幅に低減できる。例えば、33
0℃で3時間のアニール処理を行ったところ、第1のプ
ロトン交換領域5におけるプロトンの分布(第1のプロ
トン交換領域5の深さ)がアニール前の8倍程度に拡大
した時点で、光導波路の伝搬損失は1dB/cm以下に
なり、最低レベルを呈した。但し、それ以上にアニール
処理を継続しても、導波損失の更なる低減は認められな
かった。On the other hand, the first proton exchange region 5 has a close relationship with the propagation loss of the optical waveguide. By expanding the first proton exchange region 5 by annealing,
The propagation loss of the optical waveguide can be greatly reduced. For example, 33
When the annealing treatment was performed at 0 ° C. for 3 hours, when the distribution of protons in the first proton exchange region 5 (depth of the first proton exchange region 5) was expanded to about eight times that before the annealing, the photoconduction was started. The propagation loss of the waveguide was 1 dB / cm or less, and exhibited the lowest level. However, even if the annealing treatment was further continued, further reduction of the waveguide loss was not recognized.
【0171】これより、低損失の光導波路を形成するに
は、アニール処理により、第1のプロトン交換領域5の
深さを8倍以上に拡大する必要がある。Thus, in order to form a low-loss optical waveguide, it is necessary to increase the depth of the first proton exchange region 5 to at least eight times by annealing.
【0172】次に、プロトン交換により光導波路を形成
するためのプロセスについて説明する。Next, a process for forming an optical waveguide by proton exchange will be described.
【0173】図8(a)〜(e)を参照して、光導波路
の作製方法を示す。図8(a)〜(e)は、各工程を説
明するための模式的な断面図であり、更に(b)〜
(e)に関しては、各々の工程によって得られる形状に
おける深さ方向の屈折率分布形状も、あわせて示してい
る。Referring to FIGS. 8A to 8E, a method for manufacturing an optical waveguide will be described. FIGS. 8A to 8E are schematic cross-sectional views for explaining each step, and further, FIGS.
Regarding (e), the refractive index distribution shape in the depth direction in the shape obtained by each step is also shown.
【0174】基板1には、例えば、X板のMgOドープ
のLiNbO3基板1を用いる。まず、図8(a)に示
すように、例えばタンタル(Ta)を用いて、光導波路
用のストライプ状のマスクパターン11を、基板1の表
面に形成する。次に、図8(b)に示すように、200
℃のピロ燐酸中で熱処理して、第1のプロトン交換領域
5を、基板1のうちでマスクパターン11にカバーされ
ていない領域に形成する。続いて、図8(c)に示すよ
うに、Taマスクパターン11の除去後に、第1のアニ
ール処理により、第1のプロトン交換領域5を熱拡散さ
せる。更に、図8(d)に示すように、200℃のピロ
燐酸により、第2のプロトン交換領域6を基板1の表面
に形成する。続いて、図8(e)に示すように、第2の
アニール処理を行って、第2のプロトン交換領域6を熱
拡散させる。As the substrate 1, for example, an X-plate MgO-doped LiNbO 3 substrate 1 is used. First, as shown in FIG. 8A, a stripe-shaped mask pattern 11 for an optical waveguide is formed on the surface of the substrate 1 using, for example, tantalum (Ta). Next, as shown in FIG.
The first proton exchange region 5 is formed in a region of the substrate 1 which is not covered by the mask pattern 11 by performing a heat treatment in pyrophosphoric acid at a temperature of ℃. Subsequently, as shown in FIG. 8C, after removing the Ta mask pattern 11, the first proton exchange region 5 is thermally diffused by a first annealing process. Further, as shown in FIG. 8D, a second proton exchange region 6 is formed on the surface of the substrate 1 by using pyrophosphoric acid at 200 ° C. Subsequently, as shown in FIG. 8E, a second annealing process is performed to thermally diffuse the second proton exchange region 6.
【0175】第1のプロトン交換領域5の深さ(厚さ)
は、典型的には約0.17μm〜約0.25μmであ
り、これは、高屈折率クラッドを堆積した後に、基本波
として850nm近傍の波長をシングルモード条件で伝
搬可能な条件である。Depth (thickness) of first proton exchange region 5
Is typically about 0.17 μm to about 0.25 μm, which is a condition under which a wavelength near 850 nm can be propagated as a fundamental wave in a single mode condition after a high refractive index cladding is deposited.
【0176】上記のような深さ(厚さ)を有する第1の
プロトン交換領域5をアニール処理する第1のアニール
処理の温度について、検討した。The temperature of the first annealing treatment for annealing the first proton exchange region 5 having the depth (thickness) as described above was studied.
【0177】第1のアニール処理により、光導波路とし
て機能する第1のプロトン交換領域5は、深さ2μm以
上に拡大する必要がある。その理由は、第1に、光導波
路部における屈折率分布を完全なグレーディッド形状に
し、伝搬損失を低減するためである。第2は、プロトン
交換により基板1の非線形性が大きく低下しているた
め、これを回復するためである。高効率の光波長変換素
子を実現するには、光導波路の非線形性を十分高い値に
する必要があり、アニール処理によりプロトン交換の比
率を1/8以下に低減することで、プロトン交換領域の
非線形性を基板1に近い値まで回復できる。更に第3の
理由は、高屈折率クラッド層を有する光導波路構造を形
成するためである。第1のプロトン交換領域5の表面屈
折率を低下させ、第2のプロトン交換領域6との屈折率
差を大きくとることで、プロトン交換による高屈折率ク
ラッド層を実現することが可能となる。By the first annealing, the first proton exchange region 5 functioning as an optical waveguide needs to be expanded to a depth of 2 μm or more. The first reason is that the refractive index distribution in the optical waveguide section is completely graded to reduce the propagation loss. Second, since the nonlinearity of the substrate 1 is greatly reduced due to the proton exchange, the nonlinearity is recovered. In order to realize a high-efficiency optical wavelength conversion element, it is necessary to make the nonlinearity of the optical waveguide sufficiently high. By reducing the proton exchange ratio to 1/8 or less by annealing, the proton exchange region is reduced. The nonlinearity can be restored to a value close to that of the substrate 1. A third reason is to form an optical waveguide structure having a high refractive index cladding layer. By reducing the surface refractive index of the first proton exchange region 5 and increasing the refractive index difference between the first proton exchange region 5 and the second proton exchange region 6, a high refractive index clad layer by proton exchange can be realized.
【0178】以上の条件を満足するには、第1のプロト
ン交換領域5をアニール処理する温度は、300℃以上
であることが好ましい。アニール温度を300℃以下に
すると、アニール処理を数10時間行っても必要な屈折
率分布を形成できないためにプロセス効率が極端に低下
する。更に、アニール処理による光導波路の伝搬損失の
減少が、第1のプロトン交換領域5に対するアニール温
度を300℃以上にすることで、より効率良く達成でき
る。To satisfy the above conditions, the temperature at which the first proton exchange region 5 is annealed is preferably 300 ° C. or higher. If the annealing temperature is set to 300 ° C. or lower, the required refractive index distribution cannot be formed even if the annealing is performed for several tens of hours, so that the process efficiency is extremely reduced. Further, the reduction of the propagation loss of the optical waveguide due to the annealing can be more efficiently achieved by setting the annealing temperature for the first proton exchange region 5 to 300 ° C. or higher.
【0179】また、アニール処理によるプロトン交換領
域の熱拡散及び伝搬損失は、アニール処理温度に依存
し、アニール処理温度が高いほど、同程度のプロトン拡
散に対して低損失の光導波路が実現できる。このため、
より低損失の光導波路を形成するためには、高温のアニ
ール処理が必要となる。アニール温度と伝搬損失の関係
を求めたところ、第1のプロトン交換領域5に対するア
ニール処理の温度を300℃以上にすることで、伝搬損
失を1dB/cm以下にすることができた。The thermal diffusion and the propagation loss of the proton exchange region due to the annealing process depend on the annealing temperature, and the higher the annealing temperature, the lower the loss of the same level of proton diffusion can be realized. For this reason,
In order to form a lower loss optical waveguide, high-temperature annealing is required. When the relationship between the annealing temperature and the propagation loss was determined, the propagation loss could be reduced to 1 dB / cm or less by setting the temperature of the annealing treatment for the first proton exchange region 5 to 300 ° C. or higher.
【0180】一方、第2のプロトン交換領域6の深さ
(厚さ)は、波長850nm程度の基本波に対して約
0.15μm〜約0.21μm程度であることが好まし
い。これは、基本波の光が第2のプロトン交換領域6で
カットオフとなる領域である。On the other hand, the depth (thickness) of the second proton exchange region 6 is preferably about 0.15 μm to about 0.21 μm for a fundamental wave having a wavelength of about 850 nm. This is a region where the light of the fundamental wave is cut off in the second proton exchange region 6.
【0181】更に、本願発明者らによる検討により、第
2のプロトン交換領域6の深さは、以下の理由により、
基本波に対してカットオフとなる境界の深さ(導波条件
とカットオフ条件との境界)に対して、90%以下の深
さとすることがより好ましいことが分かった。Further, according to the study by the inventors of the present application, the depth of the second proton exchange region 6 is determined by the following reason.
It has been found that it is more preferable to set the depth to 90% or less with respect to the depth of the boundary that is cutoff with respect to the fundamental wave (the boundary between the waveguide condition and the cutoff condition).
【0182】第2のプロトン交換領域6は、アニール処
理によって、その実効屈折率が増大する。この場合、カ
ットオフ条件の境界の近傍に第2のプロトン交換領域6
の深さを設定すると、第2のプロトン交換領域6に対す
るアニール処理によって第2のプロトン交換領域6の実
効屈折率が増大するとともに、第2のプロトン交換領域
6の中を基本波が導波することが可能になる。本願発明
者らによる検討によれば、上記の結果として、波長変換
効率の大幅な減少が発生することが明らかになった。こ
れを防止するためには、第2のプロトン交換領域6の深
さを、カットオフ条件の境界の深さに対して90%以下
に設定して、アニール処理後においても、第2のプロト
ン交換領域6の深さが基本波に対してカットオフ条件を
保つようにする必要がある。The effective refractive index of the second proton exchange region 6 is increased by the annealing. In this case, the second proton exchange region 6 is located near the boundary of the cutoff condition.
Is set, the effective refractive index of the second proton exchange region 6 is increased by the annealing treatment on the second proton exchange region 6, and the fundamental wave is guided in the second proton exchange region 6. It becomes possible. According to the study by the inventors of the present application, it has become clear that as a result of the above, a significant decrease in the wavelength conversion efficiency occurs. In order to prevent this, the depth of the second proton exchange region 6 is set to 90% or less with respect to the depth of the boundary of the cutoff condition, so that the second proton exchange region 6 can be formed even after annealing. It is necessary that the depth of the region 6 keeps the cutoff condition with respect to the fundamental wave.
【0183】この第2のプロトン交換領域6をアニール
処理する第2のアニール条件としては、アニール温度を
250℃以下に設定する必要があることが分かった。そ
の理由は、屈折率分布の制御性、及び表面屈折率の低下
度の減少の2点である。As a second annealing condition for annealing the second proton exchange region 6, it was found that the annealing temperature had to be set to 250 ° C. or less. The two reasons are controllability of the refractive index distribution and reduction of the degree of decrease in the surface refractive index.
【0184】第2のアニール処理では、第2のプロトン
交換領域6の屈折率分布をステップライクなグレーディ
ッド形状に制御する必要がある。このために、アニール
処理の時間制御を精密に行う必要がある。同時に、アニ
ール処理後の光導波路(第1のプロトン交換領域5)の
均一性を得るために、光波長変換素子面内におけるアニ
ール処理の分布に対しても、高い均一性が要求される。
アニール処理によるプロトン交換領域の熱拡散速度は温
度とともに増大するため、アニール処理温度が250℃
以上になるとアニール処理時間が数秒程度となり、精密
な温度時間制御が困難になる。また、短時間の高温処理
になると、基板内の温度分布により光導波路の伝搬定数
の分布が形成されて、光導波路の均一性が劣化する現象
が観測された。In the second annealing process, it is necessary to control the refractive index distribution of the second proton exchange region 6 into a step-like graded shape. For this reason, it is necessary to precisely control the time of the annealing process. At the same time, in order to obtain the uniformity of the optical waveguide (first proton exchange region 5) after the annealing, high uniformity is also required for the distribution of the annealing in the surface of the light wavelength conversion element.
Since the thermal diffusion rate of the proton exchange region due to the annealing increases with the temperature, the annealing temperature is set to 250 ° C.
Above this, the annealing time is about several seconds, and precise temperature time control becomes difficult. In addition, when the high-temperature processing was performed for a short time, a phenomenon was observed in which the distribution of the propagation constant of the optical waveguide was formed due to the temperature distribution in the substrate, and the uniformity of the optical waveguide was deteriorated.
【0185】従って、以上の点より、第2のプロトン交
換領域6に必要とされる均一な屈折率分布を精度良く形
成するには、低温で長時間アニール処理をすることが好
ましい。具体的な第2のプロトン交換領域6に対するア
ニール温度としては、150℃で5〜6時間以上、18
0℃で数時間、200℃以上では数分になる。Therefore, in view of the above, in order to accurately form a uniform refractive index distribution required for the second proton exchange region 6, it is preferable to perform annealing at a low temperature for a long time. Specific annealing temperature for the second proton exchange region 6 is 150 ° C. for 5 to 6 hours or more,
It takes several hours at 0 ° C. and several minutes at 200 ° C. or higher.
【0186】例えば、第2のプロトン交換領域6を14
0℃でアニール処理した場合、最適なステップライクな
グレーディッド形状の分布が得られる条件は、アニール
時間が2時間〜20時間の範囲であった。特に、3時間
以上のアニール処理を行うと、耐光損傷強度の大幅な向
上が観測された。一方、180℃でアニール処理した場
合は、3時間以下のアニール処理で、良好な分布形状が
得られた。但し、アニール温度180℃で10時間を越
えるアニール処理を行った場合、第2のプロトン交換領
域6が広がり過ぎて完全なグレーディッド形状となり、
波長変換効率が低下するという現象も観測された。For example, the second proton exchange region 6
When annealing was performed at 0 ° C., the conditions under which the optimum step-like graded distribution was obtained were that the annealing time ranged from 2 hours to 20 hours. In particular, when the annealing treatment was performed for 3 hours or more, a great improvement in the light damage resistance was observed. On the other hand, when annealing was performed at 180 ° C., a good distribution shape was obtained by annealing for 3 hours or less. However, if the annealing treatment is performed at an annealing temperature of 180 ° C. for more than 10 hours, the second proton exchange region 6 becomes too wide and becomes a completely graded shape,
A phenomenon in which the wavelength conversion efficiency was reduced was also observed.
【0187】これらのことより、第2のプロトン交換領
域6に対する第2のアニール処理に関して、光導波路に
必要な屈折率分布を制御良く実現するには250℃以下
のアニール処理温度が必要であり、光導波路の均一性を
達成するには200℃以下が好ましい。From these facts, regarding the second annealing treatment for the second proton exchange region 6, an annealing treatment temperature of 250 ° C. or less is required in order to control the refractive index distribution required for the optical waveguide with good control. In order to achieve the uniformity of the optical waveguide, the temperature is preferably 200 ° C. or less.
【0188】同時に、アニール処理による第2のプロト
ン交換領域6の表面屈折率の低下が、アニール温度に比
例して大きくなることが分かった。高効率の光波長変換
素子を実現するには、第2のプロトン交換領域6の表面
屈折率を、できるだけ高い値にする必要がある。具体的
には、アニール前の表面屈折率とほぼ等しい値が望まし
い。ところが、アニール処理温度の上昇により、第2の
プロトン交換領域6を構成する結晶表面の屈折率が減少
する。これは、アニール温度により、プロトン交換領域
の結晶構造が変化するためと考えられる。アニール温度
と表面屈折率との関係をみると、アニール温度が約25
0℃を越えると、表面屈折率の減少が大きくなることが
明らかになった。At the same time, it was found that the decrease in the surface refractive index of the second proton exchange region 6 due to the annealing treatment increased in proportion to the annealing temperature. In order to realize a highly efficient light wavelength conversion element, it is necessary to make the surface refractive index of the second proton exchange region 6 as high as possible. Specifically, a value substantially equal to the surface refractive index before annealing is desirable. However, as the annealing temperature rises, the refractive index of the crystal surface constituting the second proton exchange region 6 decreases. This is presumably because the annealing temperature changes the crystal structure of the proton exchange region. Looking at the relationship between the annealing temperature and the surface refractive index, the annealing temperature is about 25%.
It was found that when the temperature exceeds 0 ° C., the decrease in the surface refractive index becomes large.
【0189】以上の結果より、第2のプロトン交換領域
6のアニール温度(第2のアニール処理の温度)は、2
50℃以下に設定することが好ましい。From the above results, the annealing temperature of the second proton exchange region 6 (the temperature of the second annealing process) is 2
It is preferable to set the temperature to 50 ° C. or lower.
【0190】また、第2のプロトン交換領域6のアニー
ル処理温度の下限についても検討したところ、アニール
処理温度が130℃以下になると、どれだけアニール処
理しても屈折率分布の変化が小さく、必要とするステッ
プライクなグレーディッド形状を達成できないことが分
かった。従って、第2のプロトン交換領域6に対する第
2のアニール処理温度としては、130℃以上が好まし
い。The lower limit of the annealing temperature of the second proton exchange region 6 was also examined. When the annealing temperature was 130 ° C. or lower, the change in the refractive index distribution was small no matter how much annealing was performed. It was found that a step-like graded shape could not be achieved. Therefore, the second annealing temperature for the second proton exchange region 6 is preferably 130 ° C. or higher.
【0191】本実施形態では、基板1としてX板のMg
O:LiNbO3基板を用いている。或いは、その他
に、Z板や87度カットZ板など結晶方位の異なる基板
を使用しても、同様の効果が得られる。特に、結晶表面
を結晶軸から傾けた基板の使用が、有効である。結晶軸
と基板表面とを傾けた基板を用いる場合、例えばX板
(結晶のX軸に垂直な面で切り出した基板)に対してX
軸を数度だけ傾けた基板では、より深い分極反転構造の
形成が可能となり、より高効率の光波長変換素子の形成
が可能になることが報告されている。In this embodiment, an X-plate Mg
O: LiNbO 3 substrate is used. Alternatively, the same effect can be obtained by using a substrate having a different crystal orientation such as a Z plate or an 87-degree cut Z plate. In particular, the use of a substrate whose crystal surface is inclined from the crystal axis is effective. In the case of using a substrate in which the crystal axis and the substrate surface are tilted, for example, an X plate (a substrate cut out on a plane perpendicular to the X axis of the crystal) is
It has been reported that a substrate whose axis is tilted by several degrees allows a deeper domain-inverted structure to be formed and a more efficient optical wavelength conversion element to be formed.
【0192】結晶軸を傾けた基板においては、プロトン
交換により形成した光導波路の伝搬損失の低減が重要と
なる。結晶軸を傾けた基板においては、伝搬損失のアニ
ール処理依存性が大きく、通常のX板よりも容易に伝搬
損失が増大することが見出されたが、これを解決するに
は、第1のプロトン交換領域5のアニール処理を300
℃以上で行う必要がある。更に、本実施形態で示したよ
うに、第2のプロトン交換領域6をアニール処理して、
そのプロトン交換濃度の分布形状(屈折率分布の形状)
を、ステップ形状からステップライクなグレーディッド
形状に変化させることが非常に有効であることが分かっ
た。In a substrate having a tilted crystal axis, it is important to reduce the propagation loss of an optical waveguide formed by proton exchange. It has been found that in a substrate with a tilted crystal axis, the propagation loss greatly depends on the annealing treatment, and the propagation loss increases more easily than in a normal X-plate. Anneal the proton exchange region 5 by 300
It must be performed at a temperature of at least ℃. Further, as shown in the present embodiment, the second proton exchange region 6 is annealed,
Proton exchange concentration distribution shape (refractive index distribution shape)
Has been found to be very effective to change from a step shape to a step-like graded shape.
【0193】基板1として、上記で言及したMgドープ
のLiTaO3基板に代えて、その他の材料(非線形光
学結晶)からなる基板、例えばZn或いはInドープの
LiTaO3基板、或いはLiNbO3基板、LiTaO
3基板、更には、これらの混晶であるLiNbxTa1-x
O3結晶(0≦x≦1)からなる基板、また、これにM
g、Zn、Inなどをドーピングした材料からなる基板
も、同様に使用可能である。これらの何れの基板におい
てもプロトン交換が可能であり、プロトン交換領域のア
ニール特性も同様であるため、同じ効果が得られる。As the substrate 1, instead of the Mg-doped LiTaO 3 substrate mentioned above, a substrate made of another material (non-linear optical crystal), for example, a Zn or In-doped LiTaO 3 substrate, a LiNbO 3 substrate, a LiTaO 3 substrate,
3 Substrate, and further, LiNb x Ta 1-x
Substrate made of O 3 crystal (0 ≦ x ≦ 1)
A substrate made of a material doped with g, Zn, In, or the like can be used similarly. Proton exchange is possible in any of these substrates, and the same effect is obtained because the proton exchange region has the same annealing characteristics.
【0194】(第2の実施形態)次に、本発明の光波長
変換素子について、図9(a)及び(b)を参照して説
明する。(Second Embodiment) Next, an optical wavelength conversion element of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 (a) and 9 (b).
【0195】図9(a)は、本実施形態における光波長
変換素子60の斜視図であり、(b)は、そこに含まれ
る光導波路の断面図である。また、(b)では、深さ方
向の屈折率分布もあわせて示している。FIG. 9A is a perspective view of an optical wavelength conversion element 60 according to the present embodiment, and FIG. 9B is a cross-sectional view of an optical waveguide included therein. FIG. 2B also shows the refractive index distribution in the depth direction.
【0196】図9(a)において、X板のLiNbO3
基板1の表面近傍にストライプ状の第1のプロトン交換
領域5が形成されており、第1のプロトン交換領域5の
表面近傍には、第2のプロトン交換領域6が形成されて
いる。LiNbO3基板1には、位相整合のため周期状
の分極反転構造7が形成されている。第1のプロトン交
換領域5は、幅W1=約5μm、深さD1=約2.5μ
mであり、第2のプロトン交換領域6は、深さD2=約
0.22μmである。In FIG. 9A, the LiNbO 3 of the X plate was used.
A first proton exchange region 5 in the form of a stripe is formed near the surface of the substrate 1, and a second proton exchange region 6 is formed near the surface of the first proton exchange region 5. On the LiNbO 3 substrate 1, a periodically poled structure 7 is formed for phase matching. The first proton exchange region 5 has a width W1 = about 5 μm and a depth D1 = about 2.5 μm.
m, and the second proton exchange region 6 has a depth D2 of about 0.22 μm.
【0197】第1のプロトン交換領域5は、LiNbO
3をプロトン交換した後にアニール処理して形成されて
おり、Li1-xHxO3(0<x<1)として示される組
成を有しており、LiNbO3結晶内のLiの一部がH
に交換されている。具体的には、第1のプロトン交換領
域5は、まずプロトン交換領域を深さ0.2μm程度形
成し、これを330℃で3時間のアニール処理により、
2.5μmまで拡大した。The first proton exchange region 5 is made of LiNbO
3 is formed by annealing after proton exchange, has a composition represented by Li 1-x H x O 3 (0 <x <1), and a part of Li in the LiNbO 3 crystal is H
Has been replaced. Specifically, in the first proton exchange region 5, first, a proton exchange region is formed with a depth of about 0.2 μm, and this is annealed at 330 ° C. for 3 hours.
Enlarged to 2.5 μm.
【0198】第2のプロトン交換領域6も、同様にプロ
トン交換により形成されている。第2のプロトン交換領
域6は、プロトン交換領域を深さ約0.18μmに形成
し、これを180℃で1時間アニール処理して0.22
μmに拡大し、ステップライクな屈折率分布を備えてい
る。The second proton exchange region 6 is also formed by proton exchange. In the second proton exchange region 6, a proton exchange region is formed at a depth of about 0.18 μm, which is annealed at 180 ° C. for 1 hour to produce a 0.22 μm.
It is enlarged to μm and has a step-like refractive index distribution.
【0199】このようにして得られる光波長変換素子6
0の構成において、導波路部分として機能する第1のプ
ロトン交換領域5と、高屈折率クラッド層として機能す
る第2のプロトン交換領域6とは、図9(b)に示され
るように、異なる形状のグレーディッドな屈折率分布を
有している。この光波長変換素子には、波長850nm
の基本波がTE00モードで入射され、導波路内でTE
10モードの高調波と擬似的に位相整合する。The light wavelength conversion element 6 thus obtained
In the configuration of No. 0, the first proton exchange region 5 functioning as a waveguide portion and the second proton exchange region 6 functioning as a high refractive index cladding layer are different from each other as shown in FIG. The shape has a graded refractive index distribution. This optical wavelength conversion element has a wavelength of 850 nm.
Is incident in the TE00 mode, and TE
The phase is quasi-matched with the harmonics of 10 modes.
【0200】この光波長変換素子60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。A description will be given of the principle that the optical wavelength conversion element 60 can convert a wavelength into a harmonic with high efficiency.
【0201】高屈折率層(第2のプロトン交換領域6)
を有する光導波路においては、基本波と高調波との間で
のオーバラップが増大し、導波光の閉じ込めが強化され
て、高効率の波長変換が可能となる。これは、高屈折率
層により基本波の電界分布が基板1の表面に引き寄せら
れて、光導波路への閉じ込めが強化されるためであり、
あわせて光のパワー密度も増大する。一方、発生する第
2高調波に関しては、その伝搬モードとして高次のTE
10モードを選択することで、高屈折率クラッド層によ
る光導波路への閉じ込め強化の影響を受けない。これに
よって、閉じ込め強化された基本波と波長変換で得られ
る第2高調波との間で、オーバラップの増大が図られ
る。このような基本波のパワー密度の増大と基本波−第
2高調波間のオーバラップの増大により、波長変換効率
の大幅な向上が実現される。High refractive index layer (second proton exchange region 6)
In the optical waveguide having the above, the overlap between the fundamental wave and the harmonic wave increases, the confinement of the guided light is strengthened, and highly efficient wavelength conversion becomes possible. This is because the electric field distribution of the fundamental wave is drawn to the surface of the substrate 1 by the high refractive index layer, and confinement in the optical waveguide is strengthened.
At the same time, the power density of light also increases. On the other hand, as for the generated second harmonic, a higher-order TE
By selecting 10 modes, there is no influence of the enhancement of confinement in the optical waveguide by the high refractive index cladding layer. As a result, the overlap between the fundamental wave with enhanced confinement and the second harmonic obtained by wavelength conversion is increased. Due to such an increase in the power density of the fundamental wave and an increase in the overlap between the fundamental wave and the second harmonic, a great improvement in the wavelength conversion efficiency is realized.
【0202】更に、高屈折率クラッド層を形成している
第2のプロトン交換領域6を、アニール処理によりステ
ップライクなグレーディッドな形状にすることで、耐光
損傷強度を大幅に向上させることが可能になった。この
結果、10mW以上の青色光出力を、数100時間以上
の長時間に渡って安定に出力させることが可能になっ
た。また、光波長変換素子の経時変化もなくなり、室温
では数万時間、60℃の環境下での数1000時間の放
置実験でも、特性の変化は観測されなかった。Furthermore, by forming the second proton exchange region 6 forming the high refractive index cladding layer into a step-like graded shape by annealing, the light damage resistance can be greatly improved. Became. As a result, a blue light output of 10 mW or more can be stably output for a long time of several hundred hours or more. Further, there was no change with time of the light wavelength conversion element, and no change in the characteristics was observed even in a standing experiment for several tens of thousands hours at room temperature and for several thousand hours in an environment of 60 ° C.
【0203】以上の結果、実用化に耐える光波長変換素
子の実現が可能となった。As a result, it has become possible to realize an optical wavelength conversion element that can be put to practical use.
【0204】なお、高屈折率クラッド構造の使用により
高効率な動作特性(波長変換特性)を実現するために
は、第2のプロトン交換領域6において、光導波路(第
1のプロトン交換領域5)を伝搬する基本波がカットオ
フされる一方、第2高調波は導波可能となる条件を満足
する必要がある。第2のプロトン交換領域6を基本波が
カットオフとなることで、基本波は、導波路部(第1の
プロトン交換領域5)を導波することが可能となる。ま
た、高調波が高屈折率層(第2のプロトン交換領域6)
を導波可能な条件においては、高調波の高次導波モード
を、高効率の波長変換に利用できる。In order to realize highly efficient operation characteristics (wavelength conversion characteristics) by using a high refractive index clad structure, an optical waveguide (first proton exchange region 5) must be provided in the second proton exchange region 6. Is cut off, while the second harmonic needs to satisfy the condition that enables the waveguide. Since the fundamental wave is cut off in the second proton exchange region 6, the fundamental wave can be guided through the waveguide portion (the first proton exchange region 5). In addition, the harmonic wave is a high refractive index layer (second proton exchange region 6).
Under the condition that the light can be guided, the higher-order guided mode of the harmonic can be used for highly efficient wavelength conversion.
【0205】一方、集光特性の観点からも、高屈折率層
(第2のプロトン交換領域6)と導波路部(第1のプロ
トン交換領域5)との間で、屈折率が所定の関係を満た
すことが要求される。On the other hand, also from the viewpoint of the light-collecting characteristics, the refractive index between the high refractive index layer (second proton exchange region 6) and the waveguide portion (first proton exchange region 5) has a predetermined relationship. Must be satisfied.
【0206】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。集光スポットをシングルスポットにし、且つ回折限
界と同等或い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。サプピークの幅は高屈折率層(第2
のプロトン交換領域6)の幅及びその屈折率で規定され
るが、実際には、高屈折率層の深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(第2のプロトン交換領域6)の深さD2
を、高調波の回折限界以下に抑える必要がある。これよ
り、第2のプロトン交換領域6の深さD2のアニール処
理による拡大は、少なくとも、アニール前の値の2倍以
下に抑えなければならない。When condensing guided light having a subpeak with a lens system, the light condensing characteristics are degraded due to the size of the subpeak. In order to make the converging spot a single spot and obtain a converging spot equal to or less than the diffraction limit, it is necessary to reduce the sub-peak of the waveguide mode to the diffraction limit of the converging lens or less. The width of the sub-peak is the high refractive index layer (second
Is defined by the width of the proton exchange region 6) and the refractive index thereof, but is practically substantially equal to the depth of the high refractive index layer.
Therefore, to keep the width of the subpeak below the diffraction limit,
Depth D2 of high refractive index layer (second proton exchange region 6)
Must be suppressed below the diffraction limit of harmonics. Thus, the expansion of the depth D2 of the second proton exchange region 6 by the annealing process must be suppressed to at least twice the value before annealing.
【0207】第2のプロトン交換領域6の深さD2が
0.5μm程度の時は、かなり集光特性が改善され、D
2<0.4μmのときは、回折限界以下の集光特性が得
られた。集光レンズの開口数NA=1で且つ波長425
nmと仮定して回折限界を計算すると、その値は約0.
34μmとなり、第2のプロトン交換領域6の深さD2
が回折限界より小さければ、集光特性に優れた出射ビー
ムが得られる。When the depth D2 of the second proton exchange region 6 is about 0.5 μm, the light-collecting characteristics are considerably improved,
When 2 <0.4 μm, light-collecting characteristics below the diffraction limit were obtained. The numerical aperture NA of the condenser lens is 1 and the wavelength is 425.
When the diffraction limit is calculated assuming the value of nm, the value is about 0.
34 μm, and the depth D2 of the second proton exchange region 6
Is smaller than the diffraction limit, it is possible to obtain an outgoing beam having excellent focusing characteristics.
【0208】なお、本実施形態では、基板1としてX板
の基板を用いたが、他にY板、Z板、また結晶軸が表面
から傾いた基板でも良い。例えば、Z板、或いは結晶軸
が基板表面から傾いた基板の使用は、深い分極反転構造
の形成が容易であり、高効率化が図れるために、有望で
ある。In this embodiment, an X-plate substrate is used as the substrate 1, but a Y-plate, a Z-plate, or a substrate whose crystal axis is inclined from the surface may be used instead. For example, the use of a Z plate or a substrate whose crystal axis is inclined from the substrate surface is promising because a deep domain-inverted structure can be easily formed and high efficiency can be achieved.
【0209】また、本実施形態では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から
出射される光の偏光方向と導波路の偏光方向とを、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。但し、TMモード偏光の光導波
路も利用可能であり、TMモードの光導波路では、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. This is because the polarization direction of light emitted from a normal semiconductor laser and the polarization direction of the waveguide are matched. 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, and in the optical waveguide of TM mode, the coupling loss can be reduced by controlling the polarization direction by a λ / 2 plate.
【0210】更に本実施形態では、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(第
2のプロトン交換領域6)を光導波路(第1のプロトン
交換領域5)の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が表面近傍に強く引き寄せられ
るので、光導波路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、効率の高い変調及び回折効果が得られる。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 (second proton exchange region 6) on the optical waveguide (first proton exchange region 5), the electric field distribution of the guided light propagating through the optical waveguide is strongly attracted to the vicinity of the surface. Therefore, the effect of the planar electrode and the grating element formed on the optical waveguide can be strongly given to the guided light, and a highly efficient modulation and diffraction effect can be obtained.
【0211】(第3の実施形態)ここでは、他の光波長
変換素子の構成について述べる。(Third Embodiment) Here, the configuration of another optical wavelength conversion element will be described.
【0212】本発明の光波長変換素子では、X板のMg
O:LiNbO3基板の上に、周期状分極反転と光導波
路とが形成されている。MgO:LiNbO3基板は、
結晶のZ軸が基板の表面に対して3度傾くように基板を
切り出している。このように結晶軸の傾いた基板を用い
ると、深い分極反転構造が形成できるため、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に
形成されるためである。In the optical wavelength conversion element of the present invention, the X plate
O: On a LiNbO 3 substrate, a periodic polarization inversion and an optical waveguide are formed. MgO: LiNbO 3 substrate
The substrate is cut out so that the Z axis of the crystal is tilted 3 degrees with respect to the surface of the substrate. When a substrate having an inclined crystal axis is used, a deep domain-inverted structure can be formed, so that a highly efficient optical wavelength conversion element can be formed. This is because the polarization inversion is formed along the Z axis of the crystal, and is thus formed from the substrate surface to the inside of the substrate.
【0213】そこで、この性質を利用して光波長変換素
子を形成した。得られる光波長変換素子では、分極反転
領域は基板内部に形成されており、表面の第1のプロト
ン交換領域と第2のプロトン交換領域との境界近傍部分
から基板内部に向けて周期状の分極反転構造を持ち、第
2のプロトン交換領域の内部には分極反転構造を持たな
いように形成されている。これによって、光波長変換素
子における波長変換動作の高効率化を図れる。Therefore, an optical wavelength conversion element was formed utilizing this property. In the obtained optical wavelength conversion element, the domain-inverted region is formed inside the substrate, and a periodic polarization is formed from the portion of the surface near the boundary between the first proton exchange region and the second proton exchange region toward the inside of the substrate. The second proton exchange region has an inversion structure and is formed so as not to have a polarization inversion structure. Thereby, the efficiency of the wavelength conversion operation in the optical wavelength conversion element can be improved.
【0214】光波長変換素子の波長変換効率は、分極反
転構造と光導波路とを伝搬する導波光(基本波及び高調
波)とのオーバラップに依存する。ところが、一般に高
効率化のために、高調波として高次の導波モード(TE
10モード)を用いるため、高調波の電界分布は、高屈
折率層(第2のプロトン交換領域6)と導波路部(第1
のプロトン交換領域5)との境界で、高調波の電界強度
における位相が逆転している。このため、高調波の電界
強度が、高屈折率クラッド層を形成する第2のプロトン
交換領域6と導波路部を構成する第1のプロトン交換領
域5との境界で、0になる。このように両者の境界部分
で高調波の強度が急激に変化すると、高調波のパワー分
布が形成されて、光損傷発生の原因となる。これを防止
するためには、第2のプロトン交換領域6をアニール処
理してグレーディッドな形状にすることで、境界の分布
を拡大することが有効であった。[0214] The wavelength conversion efficiency of the optical wavelength conversion element depends on the overlap between the domain-inverted structure and the guided light (fundamental and harmonic) propagating through the optical waveguide. However, in order to improve the efficiency, generally a higher-order guided mode (TE
10 mode), the electric field distribution of the harmonic wave is determined by the high refractive index layer (second proton exchange region 6) and the waveguide portion (first proton exchange region 6).
At the boundary with the proton exchange region 5), the phase of the harmonic in the electric field strength is reversed. Therefore, the electric field intensity of the harmonic becomes zero at the boundary between the second proton exchange region 6 forming the high refractive index cladding layer and the first proton exchange region 5 forming the waveguide portion. When the intensity of the harmonic wave suddenly changes at the boundary between the two, a power distribution of the harmonic wave is formed, which causes optical damage. In order to prevent this, it has been effective to expand the boundary distribution by annealing the second proton exchange region 6 to form a graded shape.
【0215】一方、周期状の分極反転構造内に形成した
光導波路(第1のプロトン交換領域5)は、分極反転構
造を有さない基板上に形成した光導波路に比べ伝搬損失
が高い。これは、電界印加により周期状の分極反転を形
成した際に内部電界が発生し、これによって分極反転部
分に屈折率変化を生じていることが原因と考えられる。
そのため、光導波路が分極反転による周期的な屈折率変
化の影響を受けて、導波損失を増大させていた。On the other hand, an optical waveguide (first proton exchange region 5) formed in a periodically poled structure has a higher propagation loss than an optical waveguide formed on a substrate having no poled structure. This is considered to be because an internal electric field is generated when a periodic polarization inversion is formed by the application of an electric field, thereby causing a change in the refractive index in the domain-inverted portion.
Therefore, the optical waveguide is affected by the periodic change in the refractive index due to the polarization reversal, thereby increasing the waveguide loss.
【0216】そこで、分極反転構造における伝搬損失を
低減するため、分極反転構造7に内在する内部電界を除
去して、屈折率変化を低減する検討を行った。Therefore, in order to reduce the propagation loss in the domain-inverted structure, a study was made to remove the internal electric field existing in the domain-inverted structure 7 and reduce the change in the refractive index.
【0217】内部電界は、不純物順位に電荷がトラップ
された場合に発生する。そこで、熱処理を行うことで、
内部電界を形成している不純物順位を励起して電荷を放
出させ、これによって内部電界を低減することを試み
た。具体的には、光導波路(第1のプロトン交換領域
5)を形成する前に、分極反転構造7を熱処理する検討
を行った。その結果、高い温度で熱処理することで、内
部電界を低減できることを見出した。An internal electric field is generated when charges are trapped in the order of impurities. Therefore, by performing heat treatment,
An attempt was made to reduce the internal electric field by exciting the impurity order forming the internal electric field to release charges. Specifically, before forming the optical waveguide (the first proton exchange region 5), the heat treatment of the domain-inverted structure 7 was studied. As a result, they found that the internal electric field can be reduced by performing heat treatment at a high temperature.
【0218】熱処理温度を変えて熱処理を行って光導波
路の伝搬損失の変化を観測したところ、熱処理温度が3
50℃以下では伝搬損失の変化はほとんどなく、伝搬損
失の低減を図るには、400℃以上の熱処理が必要なこ
とが分かった。熱処理温度が400℃を越えると、熱処
理時間に比例して伝搬損失は低減した。更に、屈折率変
化を完全に除去するには、500℃以上の熱処理が好ま
しい。但し、LiNbO3基板、或いはMgO:LiN
bO3基板の場合、熱処理温度が800℃を越えると、
分極反転構造が縮小して分極反転の厚さが減少するた
め、光波長変換素子の特性が劣化することが分かった。A change in the propagation loss of the optical waveguide was observed by performing the heat treatment while changing the heat treatment temperature.
At 50 ° C. or lower, there was almost no change in the propagation loss, and it was found that heat treatment at 400 ° C. or higher was necessary to reduce the propagation loss. When the heat treatment temperature exceeded 400 ° C., the propagation loss was reduced in proportion to the heat treatment time. Further, in order to completely remove the change in the refractive index, a heat treatment at 500 ° C. or more is preferable. However, LiNbO 3 substrate or MgO: LiN
In the case of a bO 3 substrate, if the heat treatment temperature exceeds 800 ° C.,
It was found that the characteristics of the optical wavelength conversion element deteriorated because the domain-inverted structure was reduced and the domain-inverted thickness was reduced.
【0219】以上の点より、上記の目的で行う分極反転
構造に対するアニール処理温度としては400℃〜80
0℃が好ましく、光導波路の伝搬損失を更に低減するに
は500℃〜800℃がより好ましいことが分かった。From the above points, the annealing temperature for the domain-inverted structure performed for the above purpose is 400 ° C. to 80 ° C.
It has been found that 0 ° C. is preferable, and 500 ° C. to 800 ° C. is more preferable to further reduce the propagation loss of the optical waveguide.
【0220】更に、高屈折率クラッド層を有する構造で
は基本波の閉じ込めが強化されているため、屈折率変化
による導波損失の発生が大きくなる。特に、高屈折率層
の部分(第2のプロトン交換領域6)での基本波−高調
波のオーバラップは、高調波への波長変換を低下させ
る。これを防止するには、基本波−高調波の高屈折率層
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。Further, in the structure having the high refractive index cladding layer, since the confinement of the fundamental wave is strengthened, the occurrence of waveguide loss due to the change in the refractive index increases. In particular, the fundamental-harmonic overlap at the high refractive index layer portion (second proton exchange region 6) reduces the wavelength conversion to harmonics. To prevent this, it is necessary to prevent the overlap between the fundamental wave and the higher harmonic wave in the high refractive index layer from affecting the wavelength conversion.
【0221】そこで、第2のプロトン交換領域6におけ
る周期状の分極反転構造を無くすことで、選択的に、高
屈折率層における位相整合条件が成立しないようにする
ことができる。これによって、光波長変換素子の高効率
化が実現される。Therefore, by eliminating the periodic domain-inverted structure in the second proton exchange region 6, it is possible to selectively prevent the phase matching condition in the high refractive index layer from being satisfied. Thereby, high efficiency of the optical wavelength conversion element is realized.
【0222】本実施形態では結晶軸が3度傾いた結晶を
用いたが、結晶軸の傾きが10度以下の結晶であれば、
深い分極反転構造が形成できるために使用できる。特
に、結晶軸の傾きが3度〜0.5度の結晶は、分極反転
の傾きが小さく、使用面積が増大するために有望であ
る。In this embodiment, a crystal whose crystal axis is inclined by 3 degrees is used.
It can be used because a deep domain-inverted structure can be formed. In particular, a crystal having a crystal axis inclination of 3 degrees to 0.5 degrees is promising because the polarization inversion inclination is small and the used area increases.
【0223】(第4の実施形態)本実施形態では、本発
明の光波長変換素子を用いて構成される短波長光発生装
置(短波長光源)について、添付の図を参照して説明す
る。(Fourth Embodiment) In this embodiment, a short-wavelength light generator (short-wavelength light source) constituted by using the optical wavelength conversion element of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
【0224】図12に、本実施形態の短波長光発生装置
400の構成を示す。FIG. 12 shows the configuration of a short-wavelength light generating device 400 according to this embodiment.
【0225】この短波長光発生装置400は、半導体レ
ーザ421及び光波長変換素子422を含み、半導体レ
ーザ421の発光領域423より出射された基本波P1
は、光波長変換素子422に形成されている光導波路
(第1のプロトン交換領域)402に入射する。光導波
路402の表面には、第2のプロトン交換領域403が
形成されている。また、それぞれの部品は、Siマウン
ト420に固定されている。This short-wavelength light generating device 400 includes a semiconductor laser 421 and a light wavelength conversion element 422, and a fundamental wave P1 emitted from a light emitting region 423 of the semiconductor laser 421.
Is incident on an optical waveguide (first proton exchange region) 402 formed in the optical wavelength conversion element 422. On the surface of the optical waveguide 402, a second proton exchange region 403 is formed. Each component is fixed to the Si mount 420.
【0226】光波長変換素子422に入射した基本波P
1は、その導波路402の中をTE00モードで伝搬
し、高調波の高次モードであるTE10モードに変換さ
れている。この高調波P2は、光波長変換素子422よ
り放射され、短波長レーザビームとして使用される。The fundamental wave P incident on the light wavelength conversion element 422
1 propagates in the waveguide 402 in the TE00 mode and is converted to the TE10 mode, which is a higher-order mode of higher harmonics. This harmonic P2 is emitted from the light wavelength conversion element 422 and is used as a short wavelength laser beam.
【0227】ここで注目するのは、光波長変換素子42
2の光導波路402の中を伝搬する高調波P2のTE1
0モードのモードプロファイルである。TE10モード
は高次の導波モードであるため、強度分布として2つの
ピークを有する。ここで、2つのピークの中で大きい方
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。Attention is paid here to the optical wavelength conversion element 42.
Of the harmonic P2 propagating in the second optical waveguide 402
This is a mode profile of the 0 mode. Since the TE10 mode is a higher-order guided mode, it has two peaks as an intensity distribution. Here, the larger one of the two peaks is called a main peak, and the smaller one is called a sub-peak.
【0228】一般に、サブピークを有するTE10モー
ドは、集光光学系で集光される、導波モードと同様のサ
ブピークを有する集光スポットとなり、回折限界近傍の
単一ピークの集光光として使用する場合に問題となる。
そこで、本願発明者らは、高調波P2を集光する際に問
題となるサブピークをほぼ無くす方法を、新たに見い出
した。これによれば、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
て十分に小さな値にする。具体的には、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を無くすことができ
る。In general, the TE10 mode having a sub-peak becomes a condensed spot having the same sub-peak as that of the waveguide mode, which is condensed by the condensing optical system, and is used as condensed light of a single peak near the diffraction limit. It becomes a problem in cases.
Therefore, the inventors of the present application have newly found a method of substantially eliminating a sub-peak which is a problem when focusing the harmonic P2. According to this, the width of the sub-peak in the state of the waveguide mode is set to a value sufficiently smaller than the diffraction limit of the condensing optical system used for condensing. Specifically, by suppressing the sub-peak to a width equal to or less than the resolution of the condensing optical system, the influence of the sub-peak on the condensed spot can be eliminated.
【0229】実験では、開口数NA=0.95の集光レ
ンズを用いて、波長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
うに光波長変換素子422の光導波路402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。すなわち、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
時に集光スポットに与える影響はなく、有効に利用でき
ることが分かった。このため、ビーム整形により低下す
る出力の利用効率を80%以上に向上させることが可能
となり、有効であった。In the experiment, harmonics having a wavelength of 425 nm were collected using a condenser lens having a numerical aperture of NA = 0.95. At this time, the diffraction limit of light in the air is about 0.34 μm. When the optical waveguide 402 of the optical wavelength conversion element 422 was designed so that the width of the sub-peak was 0.32 μm or less, no sub-peak was observed in the obtained condensed spot. That is, if the width of the sub-peak is not more than the diffraction limit of light in air (0.8 · λ / NA), the effect of the higher-order guided mode having the sub-peak on the condensed spot at the time of condensing is small. It turned out that it could be used effectively. For this reason, it is possible to improve the utilization efficiency of the output that is reduced by the beam shaping to 80% or more, which is effective.
【0230】更に、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分か
った。TE00モードの光を集光すると、集光ビームの
幅として、レンズの回折限界(0.8・λ/NA)に近
い値が得られた。一方、サブピークを有する高次のTE
10モードの光を集光すると、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って、超
解像効果を有することが分かった。実験によると、サブ
ピークの幅を、波長λの光の空気中での回折限界(=約
0.8λ)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(0.8λ/
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持つ
導波モードを集光することで、より小さな集光スポット
が得られる。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. When light in the TE00 mode was condensed, a value close to the diffraction limit (0.8 · λ / NA) of the lens was obtained as the width of the condensed beam. On the other hand, a higher-order TE having a sub-peak
When the light of 10 modes is condensed, the beam shape on the side having the sub-peak becomes steep, and the light can be condensed up to about 90% of the diffraction limit as the width of the condensed spot, and has a super-resolution effect. I understood that. According to experiments, by setting the width of the sub-peak to be equal to or less than the diffraction limit (= about 0.8λ) of the light having the wavelength λ in the air, the width of the condensed spot can be reduced by the lens (numerical aperture: NA) used Diffraction limit (0.8λ /
NA). As described above, by condensing a guided mode having a subpeak having a width equal to or smaller than the diffraction limit, a smaller condensed spot can be obtained.
【0231】更に、サブピークの幅と集光スポットとの
関係について詳しく調べたところ、 (1)サブピークの幅:<0.8×λ 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:0.8×λ×(1+0.2(1
/NA−1))〜0.8×λ×(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:0.8×λ×(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。Further, the relationship between the width of the sub-peak and the converging spot was examined in detail. (1) The width of the sub-peak: <0.8 × λ The condensing characteristics (super-resolution effect) below the diffraction limit can be obtained. (2) Subpeak width: 0.8 × λ × (1 + 0.2 (1
/ NA-1)) to 0.8 × λ × (1 + 0.5 (1 / NA)
-1)) A condensed spot almost equivalent to the diffraction limit is obtained, and no deterioration of the condensing property due to the subpeak is observed. (3) Subpeak width: 0.8 × λ × (1 + 0.7 (1
/ NA-1))-A result was obtained in which a sub-peak appeared in the condensed spot and the condensing property was deteriorated.
【0232】すなわち、サブピークによる集光特性の劣
化を防止するためには、サブピークの幅を、0.8×λ
×(1+0.5(1/NA−1))程度以下に抑える必
要がある。更に、サブピークの幅を0.8×λ以下にな
るように導波路を設計すると、集光レンズの回折限界よ
り更に小さな集光スポットが得られて、非常に有効であ
る。また、使用するレンズの回折限界(0.8×λ/N
A)より集光スポットの幅が大きいと、集光スポットは
導波モードとほぼ等しい形状を有し、サブピークを持つ
2ピークの集光スポットとなって、単一ピークの集光ス
ポットは得られない。That is, in order to prevent deterioration of the light condensing characteristic due to the sub-peak, the width of the sub-peak is set to 0.8 × λ
X (1 + 0.5 (1 / NA-1)). Further, when the waveguide is designed so that the width of the sub-peak is 0.8 × λ or less, a condensed spot smaller than the diffraction limit of the condensing lens is obtained, which is very effective. Also, the diffraction limit of the lens used (0.8 × λ / N
If the width of the converging spot is larger than A), the converging spot has substantially the same shape as the waveguide mode, becomes a two-peak converging spot having a subpeak, and a single-peak converging spot is obtained. Absent.
【0233】導波光のサブピークの大きさは、第2のプ
ロトン交換領域6の屈折率及び深さに依存し、第2のプ
ロトン交換領域6の深さが大きくなると、サプピークの
幅も増大する。また、第2のプロトン交換領域6の表面
屈折率が減少すると、第1のプロトン交換領域5との屈
折率差が低下し、サプピークの幅が増大する。アニール
処理により第2のプロトン交換領域6をステップライク
なグレーディッド形状にする場合、サプピークの幅の増
大を限定しなければ、上述したように、導波光の集光特
性が劣化する。集光特性を劣化させないためには、第2
のプロトン交換領域6の表面屈折率を、アニール処理に
より低下させないことが好ましい。更に、第2のアニー
ル処理による第2のプロトン交換領域6の広がり(深さ
の増加)を、アニール前の1.8倍以下に抑えること
が、より好ましいことが分かった。The size of the sub-peak of the guided light depends on the refractive index and the depth of the second proton exchange region 6, and as the depth of the second proton exchange region 6 increases, the width of the sub-peak also increases. Further, when the surface refractive index of the second proton exchange region 6 decreases, the difference in the refractive index from the first proton exchange region 5 decreases, and the width of the subpeak increases. In the case where the second proton exchange region 6 is made to have a step-like graded shape by the annealing process, unless the increase in the width of the subpeak is limited, the light-collecting characteristic of the guided light deteriorates as described above. In order not to deteriorate the light collection characteristics,
It is preferable that the surface refractive index of the proton exchange region 6 is not reduced by the annealing treatment. Furthermore, it was found that it is more preferable to suppress the expansion (increase in depth) of the second proton exchange region 6 due to the second annealing treatment to 1.8 times or less of that before annealing.
【0234】なお、本実施形態では、短波長光源におい
て基本波P1を高調波P2に波長変換する際に、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て
いるが、その他に、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路上に設けて、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, when the short-wavelength light source converts the wavelength of the fundamental wave P1 into a higher harmonic wave P2, the fundamental wave P1 is converted into 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, 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. Obtainable.
【0235】また、上記では、サブピークが一つのTE
10モードを用いているが、更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、超解像効果は更に強く
なり、より小さなスポット径が得られて有効である。ま
た深さ方向だけでなく、幅方向にサブピークを有するT
E01モード或いはTE02モード、及び幅と深さとの
両方向にサブピークを有するTE11モード或いはTE
22でも、より小さな集光スポットが得られて、有効で
ある。In the above description, the sub-peak is one TE
Although ten modes are used, the same effect can be obtained even in a higher-order waveguide mode if the width of the sub-peak is the diffraction limit. 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. In addition, T having a subpeak not only in the depth direction but also in the width direction
E01 mode or TE02 mode, and TE11 mode or TE having subpeaks in both the width and depth directions
22 is also effective because a smaller focused spot is obtained.
【0236】更に、上記の本実施形態の説明ではTEモ
ードを扱っているが、その他に、TMモードを使用して
も、同様の効果が得られる。Further, in the above description of the present embodiment, the TE mode is dealt with. However, similar effects can be obtained by using the TM mode.
【0237】(第5の実施形態)本実施形態では、本発
明の光波長変換素子を用いた他の短波長光発生装置(短
波長光源)15について、図13を参照しながら説明す
る。(Fifth Embodiment) In this embodiment, another short-wavelength light generator (short-wavelength light source) 15 using the optical wavelength conversion element of the present invention will be described with reference to FIG.
【0238】前述した実施形態による光波長変換素子の
構成により、高効率で安定な光波長変換素子の実現が可
能となった。そこで、本光波長変換素子を用いた短波長
光源の作製を試みた。この短波長光源15は、図13に
示すように、波長800nm帯の半導体レーザ21、集
光光学系24及び25、並びに光波長変換素子22を含
む。これらの半導体レーザ21、集光光学系24及び2
5、並びに光波長変換素子22は、適切な形状の支持部
材20に搭載されている。With the configuration of the optical wavelength conversion device according to the above-described embodiment, a highly efficient and stable optical wavelength conversion device can be realized. Therefore, an attempt was made to produce a short wavelength light source using the present optical wavelength conversion device. As shown in FIG. 13, the short-wavelength light source 15 includes a semiconductor laser 21 having a wavelength of 800 nm, condensing optical systems 24 and 25, and a light wavelength conversion element 22. These semiconductor lasers 21, condensing optical systems 24 and 2
5 and the light wavelength conversion element 22 are mounted on a support member 20 having an appropriate shape.
【0239】この構成において、半導体レーザ21から
出射された光P1を、集光光学系24及び25を介して
光波長変換素子22の導波路2の端面に集光して、導波
モードを励起する。そして、光波長変換素子22の導波
路2の他の端面より、波長変換された第2高調波光(S
HG光)P2が出射される。In this configuration, the light P1 emitted from the semiconductor laser 21 is condensed on the end face of the waveguide 2 of the light wavelength conversion element 22 via the condensing optical systems 24 and 25 to excite the waveguide mode. I do. Then, the wavelength-converted second harmonic light (S) is input from the other end face of the waveguide 2 of the optical wavelength conversion element 22.
HG light) P2 is emitted.
【0240】本発明によって波長変換効率が高い光波長
変換素子22が実現されているために、図13の構成に
おいて、出力100mW程度の半導体レーザ21を用い
て、20mWの青色SHG光P2が得られる。また、用
いた光波長変換素子22は耐光損傷性に優れ且つ安定な
出力が得られるので、出力変動を2%以下に抑えること
ができて、安定な出力が得られた。この短波長光源15
によって得られる400nm帯の波長は、印刷製版、バ
イオエンジニアリング、蛍光分光特性などの特殊計測分
野、或いは光ディスク分野など、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本実施
形態の短波長光源は、出力特性及び安定性の両方の観点
から、これらの応用分野での要求事項を満たしている。Since the optical wavelength conversion element 22 having high wavelength conversion efficiency is realized by the present invention, 20 mW blue SHG light P2 of 20 mW can be obtained by using the semiconductor laser 21 having an output of about 100 mW in the configuration of FIG. . Further, the used optical wavelength conversion element 22 was excellent in light damage resistance and obtained a stable output, so that the output fluctuation could be suppressed to 2% or less, and a stable output was obtained. This short wavelength light source 15
The wavelength in the 400 nm band obtained by the method is desired in a wide range of application fields such as printing plate making, bioengineering, special measurement fields such as fluorescence spectroscopy, and optical disc fields. The short wavelength light source of the present embodiment using the optical wavelength conversion element of the present invention satisfies the requirements in these application fields from the viewpoint of both output characteristics and stability.
【0241】図13の構成では、半導体レーザ21から
の光P1を、集光光学系24及び25を用いて波長変換
素子22の光導波路2に結合させているが、半導体レー
ザ21と光導波路2(波長変換素子22)とを直接結合
させることも可能である。例えば、TEモードを伝搬さ
せる光導波路を用いれば、半導体レーザの導波モードと
光導波路における導波光の電界分布とを等しくすること
が可能となるため、集光レンズなしでも、高効率の結合
が実現される。実験では、結合効率80%で直接結合が
可能であり、レンズを介した結合と、ほぼ同等の結合特
性が得られることを確認した。直接結合を使用すれば、
小型で且つ低価格の短波長光源が実現できて、有望であ
る。In the configuration shown in FIG. 13, the light P1 from the semiconductor laser 21 is coupled to the optical waveguide 2 of the wavelength conversion element 22 using the focusing optical systems 24 and 25. (Wavelength conversion element 22). For example, if an optical waveguide that propagates the TE mode is used, the waveguide mode of the semiconductor laser and the electric field distribution of the guided light in the optical waveguide can be equalized, so that high-efficiency coupling can be achieved without a condenser lens. Is achieved. In experiments, it was confirmed that direct coupling was possible with a coupling efficiency of 80%, and that coupling characteristics almost equivalent to coupling via a lens were obtained. With direct joins,
A small and inexpensive short wavelength light source can be realized and is promising.
【0242】(第6の実施形態)本実施形態では、本発
明による光情報処理装置について、図14を参照して説
明する。(Sixth Embodiment) In the present embodiment, an optical information processing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
【0243】図14に示す光情報処理装置500の構成
において、第5の実施形態で説明した半導体レーザ52
1及び光波長変換素子522を含む構成を有する短波長
光発生装置(短波長光源)520から出た出力10mW
のビームP1は、コリメータレンズ540によってコリ
メートされた後に、ビームスプリッタ541を透過し、
レンズ542により、情報再生媒体である光ディスク5
43に照射される。光ディスク543からの反射光は、
逆にレンズ542によりコリメートされ、ビームスプリ
ッタ541でディテクタ545の方向に反射されて、レ
ンズ544によってディテクタ545に集光される。デ
ィテクタ545では、集光された光から、信号が読みと
られる。In the configuration of the optical information processing apparatus 500 shown in FIG. 14, the semiconductor laser 52 described in the fifth embodiment is used.
1 and an output of 10 mW from a short wavelength light generator (short wavelength light source) 520 having a configuration including the optical wavelength conversion element 522.
Is collimated by the collimator lens 540, and then passes through the beam splitter 541.
The optical disk 5 which is an information reproducing medium by the lens 542
43. The reflected light from the optical disk 543 is
Conversely, the light is collimated by the lens 542, is reflected by the beam splitter 541 in the direction of the detector 545, and is condensed on the detector 545 by the lens 544. In the detector 545, a signal is read from the collected light.
【0244】更に、短波長光発生装置520の出力を強
度変調することで、光ディスク543に情報を書き込む
ことができる。短波長光発生装置520から出力される
のはサブピークを有するTE10モードの光であるが、
これを集光すると、レンズ542の回折限界以下である
小さなスポット径を有する集光ビームが得られる。これ
より、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て、記録密度を従来の1.
2倍に向上させることが可能となる。Further, information can be written to the optical disk 543 by intensity-modulating the output of the short-wavelength light generator 520. The output from the short-wavelength light generator 520 is TE10 mode light having a sub-peak,
When this light is condensed, a condensed beam having a small spot diameter smaller than the diffraction limit of the lens 542 is obtained. As a result, a small spot diameter due to the super-resolution effect can be obtained in addition to the light-collecting characteristics of short-wavelength light.
It is possible to improve it twice.
【0245】このように、本発明の光波長変換素子は、
耐光損傷強度に優れ、高出力の青色光の発生が可能とな
るため、光ディスクからの情報の読み取り(再生)だけ
ではなく、光ディスクへの情報の書き込みのために使用
されることも可能である。更に、長時間の高温試験に対
しても特性の劣化のない素子であるため、光情報処理装
置の温度特性を改善することが可能になる。また、半導
体レーザを基本波の光源として用いることで、全体サイ
ズの大幅な小型化が達成され、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。As described above, the optical wavelength conversion device of the present invention
Since it is excellent in light damage resistance and can generate high-output blue light, it can be used not only for reading (reproducing) information from an optical disk but also for writing information to the optical disk. Furthermore, since the element does not deteriorate in characteristics even in a long-time high-temperature test, the temperature characteristics of the optical information processing device can be improved. In addition, by using a semiconductor laser as a light source for a fundamental wave, the overall size is significantly reduced, and the semiconductor laser can be used in a small-sized consumer optical disk reading / recording device.
【0246】(第7の実施形態)図15は、第7の実施
形態の光波長変換素子100の構成を示す斜視図であ
る。この光波長変換素子100は、MgO:LiNbO
3(マグネシウムをドーピングしたニオブ酸リチウムか
らなる)基板101の表面近傍に、例えば4本の互いに
平行な分極反転領域102が一定の間隔で配置され、周
期的な分極反転構造が形成されている。さらに、この基
板101の表面近傍には、分極反転領域102と交差
(ここでは直交)する方向に配置された、例えば3本の
光導波路103a、103b、103cからなる光導波
路群103が形成されている。この光導波路群103に
入射された基本波104は、光導波路群103内を伝搬
して光導波路103a、103b、103c内で高調波
または和周波105に変換され、入射部とは反対側の出
射部から出射する。(Seventh Embodiment) FIG. 15 is a perspective view showing the configuration of an optical wavelength conversion device 100 according to a seventh embodiment. This optical wavelength conversion element 100 is made of MgO: LiNbO.
3. In the vicinity of the surface of the substrate 101 (made of magnesium-doped lithium niobate), for example, four parallel domain-inverted regions 102 are arranged at regular intervals to form a periodic domain-inverted structure. Further, in the vicinity of the surface of the substrate 101, an optical waveguide group 103 composed of, for example, three optical waveguides 103a, 103b, and 103c arranged in a direction crossing (here, orthogonal to) the domain-inverted region 102 is formed. I have. The fundamental wave 104 incident on the optical waveguide group 103 propagates through the optical waveguide group 103 and is converted into a harmonic or a sum frequency 105 in the optical waveguides 103a, 103b, and 103c. Emitted from the part.
【0247】この光波長変換素子100は、例えば以下
のようにして作製することができる。まず、基板にくし
形電極を形成し、これに高電圧を印加することにより分
極が反転した領域を部分的に有する周期状分極反転構造
を形成する。そして、光導波路形成用のストライプ状マ
スクパターンを形成した後、基板を酸性溶液中で処理す
ることによってプロトン交換を行って光導波路を形成す
る。This light wavelength conversion element 100 can be manufactured, for example, as follows. First, a comb-shaped electrode is formed on a substrate, and a high-voltage is applied to the comb-shaped electrode to form a periodic domain-inverted structure partially having a domain where the domain is inverted. Then, after forming a stripe-shaped mask pattern for forming an optical waveguide, the substrate is treated in an acidic solution to perform proton exchange to form an optical waveguide.
【0248】このように構成された本実施形態の光波長
変換素子100では、光導波路の吸収損失を低減して耐
光損傷強度を向上することが可能となり、基本波から高
効率で波長変換が可能となり、さらに、変換された波長
光の集光特性が向上可能である。まず、耐光損傷強度の
向上に関して説明する。In the optical wavelength conversion element 100 of the present embodiment thus configured, it is possible to reduce the absorption loss of the optical waveguide and to improve the light damage resistance, and to convert the wavelength from the fundamental wave with high efficiency. , And the light collection characteristics of the converted wavelength light can be improved. First, the improvement of the light damage resistance will be described.
【0249】光損傷の発生原因としては、発生した高調
波または和周波により光誘起屈折率変化が生じることが
挙げられる。この光誘起屈折率変化は光導波路の光吸収
性に依存する。一方、プロトン交換により光導波路を形
成する場合、プロトン交換後にアニール処理を行って光
吸収を低減することができるが、初期のプロトン交換に
より基板表面に化学損傷を受けるため、表面近傍の光散
乱や光吸収が生じ易くなる。よって、初期のプロトン交
換面積を小さくすることが望ましい。しかしながら、プ
ロトン交換面積を小さくするために光導波路の幅を狭く
すると、基本波がカットオフされやすく、光導波路内で
基本波と高調波または和周波のオーバラップが最適とな
る条件が得られない。本願発明者らの実験によれば、例
えば波長850nmの基本波から波長425nmの第2
高調波に変換する場合、最適な光導波路幅は4μm〜6
μm程度であり、3μm以下では変換効率が大幅に低く
なるという結果が得られた。そこで、本実施形態のよう
に、複数の光導波路からなる光導波路群を用いることに
より、光導波路および光導波路群の幅を自由に設計する
ことができ、かつ、プロトン交換面積を小さくすること
ができる。The cause of the optical damage is that the generated harmonic or sum frequency causes a change in the refractive index induced by light. This change in the light-induced refractive index depends on the light absorption of the optical waveguide. On the other hand, when an optical waveguide is formed by proton exchange, annealing can be performed after proton exchange to reduce light absorption.However, since the initial proton exchange causes chemical damage to the substrate surface, light scattering near the surface and light scattering Light absorption is likely to occur. Therefore, it is desirable to reduce the initial proton exchange area. However, when the width of the optical waveguide is narrowed to reduce the proton exchange area, the fundamental wave is easily cut off, and the condition in which the overlap of the fundamental wave and the harmonic or the sum frequency in the optical waveguide is optimal cannot be obtained. . According to the experiments performed by the inventors of the present application, for example, from the fundamental wave having a wavelength of 850 nm to the second wave having a wavelength of 425 nm,
When converting to a harmonic, the optimum optical waveguide width is 4 μm to 6 μm.
The result was that the conversion efficiency was significantly reduced at 3 μm or less. Thus, as in the present embodiment, by using an optical waveguide group including a plurality of optical waveguides, the width of the optical waveguide and the optical waveguide group can be freely designed, and the proton exchange area can be reduced. it can.
【0250】さらに、プロトン交換による化学損傷は、
プロトン交換体積に比例して増大する。これは結晶歪み
に起因する現象であり、プロトン交換体積が増大する
と、歪みの大きさによって結晶表面にクラックが入る。
これを防ぐため、光導波路を分割して複数の光導波路か
らなる光導波路群とすることにより、プロトン交換面積
および体積を減少させて、結晶の化学損傷を大幅に低減
することができる。Further, chemical damage due to proton exchange is:
It increases in proportion to the proton exchange volume. This is a phenomenon caused by crystal distortion. When the proton exchange volume increases, cracks occur on the crystal surface due to the magnitude of the distortion.
To prevent this, by dividing the optical waveguide into an optical waveguide group including a plurality of optical waveguides, the proton exchange area and volume can be reduced, and chemical damage to the crystal can be significantly reduced.
【0251】本実施形態では、幅1.4μmの光導波路
103bを基板101の中央に形成し、その両側に1μ
m間隔を開けて幅1μmの光導波路103a、103c
を形成した。これにより、波長850nmの基本波10
4は、各光導波路幅ではカットオフ条件となり、3本の
光導波路103a、103b、103cを1本の光導波
路としてシングルモード伝搬させることができた。ま
た、プロトン交換面積を大幅に小さくして、光導波路の
伝搬損失を1.5dB/cmから0.8dB/cmと半
分程度に低減することができた。この結果、光導波路の
光吸収を低減して、耐光損傷強度を約2倍と大幅に増大
することが可能となった。In this embodiment, an optical waveguide 103b having a width of 1.4 μm is formed at the center of the substrate 101, and 1 μm is formed on both sides thereof.
Optical waveguides 103a and 103c having a width of 1 μm with an interval of m
Was formed. Thereby, the fundamental wave 10 having a wavelength of 850 nm can be obtained.
In No. 4, the cut-off condition was satisfied for each optical waveguide width, and the three optical waveguides 103a, 103b, and 103c could be propagated in a single mode as one optical waveguide. Further, the proton exchange area was significantly reduced, and the propagation loss of the optical waveguide was reduced to about half from 1.5 dB / cm to 0.8 dB / cm. As a result, the light absorption of the optical waveguide is reduced, and the light damage resistance can be greatly increased to about twice.
【0252】次に、基本波から高調波または和周波への
変換効率の向上について説明する。ここでは、第2高調
波または和周波を発生させる場合について説明する。Next, the improvement of the conversion efficiency from a fundamental wave to a harmonic or a sum frequency will be described. Here, the case where the second harmonic or the sum frequency is generated will be described.
【0253】第2高調波を発生させる場合には、波長λ
の基本波に対して波長λ/2の高調波が発生する。ま
た、和周波を発生させる場合には、波長λ1と波長λ2
の光から波長λ3の高調波が発生する。いずれの場合
も、基本波の波長が変換された波長光の波長に対して長
い。これらの場合、光導波路群に要求されるのは、複数
の光導波路を合わせた状態で基本波がシングルモード伝
搬するという特性である。例えば3本の光導波路からな
る光導波路群の場合、光導波路群を構成する光導波路が
1本で、または2本合わせた状態で、基本波に対して導
波条件を満足しないように光導波路を設計する必要があ
る。導波路群が基本波に対してシングルモード伝搬の条
件を満足しない場合には、基本波の導波条件が伝搬中に
変化するおそれがあるため、安定して波長変換を行うこ
とが困難である。すなわち、光導波路群を伝搬する基本
波は、図16(a)に示すように、光導波路群103を
1つの光導波路としてシングルモードの電界分布で導波
する。これに対して、変換された高調波または和周波
は、図16(b)に示すように、例えば中央の光導波路
103bを選択的に伝搬する導波モードの電界分布で伝
搬する。When generating the second harmonic, the wavelength λ
A harmonic having a wavelength λ / 2 is generated with respect to the fundamental wave. When a sum frequency is generated, the wavelength λ1 and the wavelength λ2
A harmonic having a wavelength of λ3 is generated from this light. In any case, the wavelength of the fundamental wave is longer than the wavelength of the converted wavelength light. In these cases, what is required of the optical waveguide group is a characteristic that a fundamental wave propagates in a single mode in a state where a plurality of optical waveguides are combined. For example, in the case of an optical waveguide group including three optical waveguides, the optical waveguides constituting the optical waveguide group may be configured such that one or two optical waveguides do not satisfy the waveguide condition with respect to the fundamental wave. Need to be designed. If the waveguide group does not satisfy the condition of single mode propagation with respect to the fundamental wave, it is difficult to perform stable wavelength conversion because the waveguide condition of the fundamental wave may change during propagation. . That is, as shown in FIG. 16A, the fundamental wave propagating through the optical waveguide group is guided by a single mode electric field distribution using the optical waveguide group 103 as one optical waveguide. On the other hand, the converted harmonic or sum frequency propagates, for example, in a waveguide mode electric field distribution that selectively propagates through the central optical waveguide 103b, as shown in FIG.
【0254】従って、本実施形態において、光導波路
は、 ・基本波は導波路群をシングルモード伝搬し、 ・変換された波長光は光導波路を伝搬するように設計を
行い、異なる伝搬状態である基本波と変換された波長光
との間で位相整合条件を成立させる。高調波または和周
波の導波モードは、例えば基本波の波長を制御すること
で実現することができる。Therefore, in the present embodiment, the optical waveguides are designed so that: a fundamental wave propagates in a group of waveguides in a single mode; and the converted wavelength light is designed to propagate through the optical waveguide. A phase matching condition is established between the fundamental wave and the converted wavelength light. The harmonic or sum frequency guided mode can be realized, for example, by controlling the wavelength of the fundamental wave.
【0255】このように構成された光導波路を用いるこ
とで、高効率で波長変換可能な光波長変換素子を実現可
能であった。この理由としては、第1に、基本波と変換
された波長光の電界分布のオーバラップを大幅に高める
ことが可能となったことが挙げられる。従来において
は、基本波の導波モードの電界分布と高調波の導波モー
ドの電界分布を独立して制御することは困難であった。
これに対して、本実施形態では、基本波の伝搬モードは
導波路群で制御し、高調波または和周波等の変換された
波長光の伝搬モードは導波路群を構成する光導波路によ
って制御することができる。この結果、基本波と変換さ
れた波長光のオーバラップを高めることが可能となっ
た。第2の理由としては、高調波または和周波等の変換
された波長光の閉じ込めが強化されたことが挙げられ
る。従来の光導波路において、基本波が伝搬可能なもの
は、高調波に対してはマルチモード伝搬となるため、高
調波の閉じ込めを充分行うことが困難であった。これに
対して、本実施形態のような光導波路構造によれば、変
換された波長光に対しても光導波路をシングルモード伝
搬させることができる。これによって、高調波または和
周波のパワー密度を大幅に向上させることが可能となっ
た。このように、基本波および変換された波長光の電界
分布のオーバラップの増大と、高調波または和周波の光
の閉じ込め向上により、変換効率を飛躍的に向上させる
ことができた。By using the optical waveguide configured as described above, it was possible to realize an optical wavelength conversion element capable of wavelength conversion with high efficiency. The first reason is that the overlap between the electric field distribution of the fundamental wave and the converted wavelength light can be greatly increased. Conventionally, it has been difficult to independently control the electric field distribution of the fundamental wave guided mode and the harmonic guided mode electric field distribution.
On the other hand, in the present embodiment, the propagation mode of the fundamental wave is controlled by the waveguide group, and the propagation mode of the converted wavelength light such as the harmonic or the sum frequency is controlled by the optical waveguides constituting the waveguide group. be able to. As a result, it has become possible to increase the overlap between the fundamental wave and the converted wavelength light. The second reason is that the confinement of the converted wavelength light such as a harmonic or a sum frequency is enhanced. In a conventional optical waveguide, a waveguide through which a fundamental wave can propagate has a multi-mode propagation with respect to a harmonic, so that it is difficult to sufficiently confine the harmonic. On the other hand, according to the optical waveguide structure as in the present embodiment, single mode propagation of the optical waveguide can be performed even for the converted wavelength light. As a result, the power density of the harmonics or the sum frequency can be greatly improved. As described above, the conversion efficiency can be significantly improved by increasing the overlap between the electric field distributions of the fundamental wave and the converted wavelength light and improving the confinement of the light of the harmonic or the sum frequency.
【0256】もう一つの特徴として、変換された波長光
の集光特性の向上について説明する。従来の光導波路構
造では、高調波に対してはマルチモード伝搬となるた
め、出射される高調波出力ビームは縦横比が1:3以上
のものになっていた。このような出射光を集光するため
には、ビーム整形を行ってビーム形状を1:1に近い値
にする必要があった。これに対して、本実施形態のよう
な光導波路構造によれば、変換された波長光がシングル
モード伝搬可能であるので、出射ビームの横方向広がり
を抑えることが可能となり、出射ビームの縦横比も1:
1.5まで向上させることが可能となった。これによっ
て、集光特性を大幅に向上させることができた。As another feature, improvement of the light-collecting characteristics of the converted wavelength light will be described. In the conventional optical waveguide structure, multi-mode propagation is performed for higher harmonics, so that the output harmonic output beam has an aspect ratio of 1: 3 or more. In order to condense such outgoing light, it was necessary to perform beam shaping to make the beam shape close to 1: 1. On the other hand, according to the optical waveguide structure of the present embodiment, the converted wavelength light can be propagated in the single mode, so that the lateral spread of the output beam can be suppressed, and the aspect ratio of the output beam can be reduced. Also 1:
It became possible to improve to 1.5. As a result, the light-collecting characteristics could be significantly improved.
【0257】さらに集光特性を向上させるためには、図
17に示すような構造が有効であった。この構造は、光
波長変換素子の光導波路群103を構成する光導波路の
本数を出射部107近傍で異ならせて、一本の光導波路
にした構成である。光導波路103bは単独では基本波
104に対してカットオフ条件を満たしているため、基
本波104は放射モードとなって出射部107近傍で放
射される。このため、出射ビームに基本波成分が混在し
ないという特徴があり、さらに、出射端で発射された基
本波が光源に戻って光源の出力を不安定にするという問
題も解決することができた。さらに、出射部107近傍
で単一の光導波路にすることで、出射ビームの縦横比を
さらに1:1.3まで向上させることも可能となった。In order to further improve the light collecting characteristics, a structure as shown in FIG. 17 was effective. This structure has a configuration in which the number of optical waveguides constituting the optical waveguide group 103 of the optical wavelength conversion element is made different in the vicinity of the emission section 107 to form one optical waveguide. Since the optical waveguide 103b alone satisfies the cutoff condition with respect to the fundamental wave 104, the fundamental wave 104 is radiated in a radiation mode near the emission unit 107. For this reason, the fundamental wave component is not mixed in the emitted beam, and the problem that the fundamental wave emitted from the emission end returns to the light source and the output of the light source becomes unstable can be solved. Further, by using a single optical waveguide in the vicinity of the emission part 107, it is possible to further improve the aspect ratio of the emission beam to 1: 1.3.
【0258】さらに、本願発明者らが本実施形態の光導
波路構造について実験を行った結果、以下のような点に
注意する必要があることが明確になった。Further, as a result of the inventors of the present invention conducting experiments on the optical waveguide structure of this embodiment, it became clear that the following points need to be noted.
【0259】第1に、光導波路群を構成する各光導波路
の伝搬特性について、注意が必要であることが分かっ
た。各光導波路が共に等しい伝搬定数(=(2π/λ)
×N、λ:波長、N:λに対する実効屈折率)を有する
場合、光導波路群を伝搬する基本波とそれぞれの光導波
路を伝搬する高調波または和周波の位相整合波長が一致
する。このため、特定の光導波路を伝搬する高調波また
は和周波を選択的に発生させることが困難になって、変
換効率が低下し、さらに、出射される高調波または和周
波も複数ビームの出射パターンとなった。また、各光導
波路の伝搬定数が近い場合、光導波路間の結合が発生し
て、ある光導波路を伝搬する高調波または和周波が他の
光導波路に乗り移るという現象も観測された。この場
合、光の伝搬状態が変化することとなり、出力光が安定
しないという問題も生じるので、高調波または和周波を
発生させたい光導波路と他の光導波路との伝搬定数は大
きく異なっていることが望ましい。この問題を解決する
ためには、光導波路の伝搬定数が異なるように導波路を
設計する必要がある。例えば、本実施形態のように、3
本の光導波路からなる場合は、中央の光導波路と両端の
光導波路の伝搬定数が0.1%程度異なるように設計す
るのが望ましい。例えば、光導波路の幅、屈折率や光導
波路の深さを変えることにより、容易に伝搬定数が異な
る光導波路を形成することができる。First, it has been found that attention must be paid to the propagation characteristics of each optical waveguide constituting the optical waveguide group. Propagation constants (= (2π / λ) where both optical waveguides are equal)
(× N, λ: wavelength, N: effective refractive index with respect to λ), the phase matching wavelength of the fundamental wave propagating through the optical waveguide group and the harmonic or sum frequency propagating through each optical waveguide coincide. For this reason, it is difficult to selectively generate a harmonic or a sum frequency propagating through a specific optical waveguide, and the conversion efficiency is reduced. It became. In addition, when the propagation constants of the respective optical waveguides are close to each other, a phenomenon was observed in which coupling between the optical waveguides occurred, and a harmonic or a sum frequency propagating in one optical waveguide was transferred to another optical waveguide. In this case, the propagation state of light changes, and there is a problem that the output light is not stable.Therefore, the propagation constant of the optical waveguide for generating a harmonic or a sum frequency is greatly different from that of another optical waveguide. Is desirable. In order to solve this problem, it is necessary to design the waveguide so that the propagation constant of the optical waveguide is different. For example, as in the present embodiment, 3
In the case where the optical waveguides are composed of two optical waveguides, it is desirable to design the optical waveguides at the center and the optical waveguides at both ends so that the propagation constants are different by about 0.1%. For example, by changing the width, the refractive index, and the depth of the optical waveguide, optical waveguides having different propagation constants can be easily formed.
【0260】第2に、光導波路群を構成する各光導波路
間の間隔を十分開ける必要があることが分かった。光導
波路の形成は、通常、プロトン交換または金属拡散等の
方法で行われ、いずれの方法においてもプロトンや金属
を基板内部に拡散させる方法で光導波路を形成する。こ
のため、フォトリソグラフィ法により光導波路パターン
を形成しても、内部に拡散するに従って互いの光導波路
が接触するという問題が生じる。本願発明者らが光導波
路の間隔として幾つかの値について検討したところ、
0.5μm以下では隣接する光導波路が完全にくっつい
て単一の光導波路となってしまうため、光導波路間隔を
0.8μm以上にするのが好ましいことが分かった。Second, it has been found that it is necessary to provide a sufficient space between the optical waveguides constituting the optical waveguide group. The formation of the optical waveguide is generally performed by a method such as proton exchange or metal diffusion. In any of the methods, the optical waveguide is formed by a method of diffusing protons or metals into the inside of the substrate. For this reason, even if an optical waveguide pattern is formed by the photolithography method, there is a problem that the optical waveguides come into contact with each other as they diffuse inside. When the present inventors examined several values as the spacing of the optical waveguide,
When the thickness is 0.5 μm or less, the adjacent optical waveguides are completely adhered to each other to form a single optical waveguide.
【0261】以上説明したように、本実施形態の光波長
変換素子によれば、 ・表面の化学損傷の低減により耐光損傷強度が向上する ・光導波路の低損失化が可能である ・導波モード間のオーバラップの向上により変換効率が
向上する ・出射光のビーム形状を最適化できるため、集光特性が
向上する 等の効果が得られる。As described above, according to the optical wavelength conversion device of the present embodiment, the resistance to light damage is improved by the reduction of chemical damage on the surface. The loss of the optical waveguide can be reduced. The conversion efficiency is improved by the improvement of the overlap between them. ・ Because the beam shape of the emitted light can be optimized, effects such as improvement of the light condensing characteristics can be obtained.
【0262】なお、変換効率の高効率化を実現するため
には、光導波路群の構造が中心対称であって、光導波路
群を構成する光導波路が奇数本であるのが好ましい。光
導波路を中心対称にするのが好ましい理由は、導波光
(変換された波長光および基本波光)の伝搬モードが左
右対称な構造となるためである。導波光の伝搬モードが
左右非対称な構造であると、出射光のビーム形状が非対
称となり、集光特性が劣化する。また、基本波と変換さ
れた波長光の非対称性が異なるため、オーバラップの低
下を招いて変換効率が低下する。また、光導波路の本数
を奇数にするのが好ましい理由は、光導波路群の中央の
光導波路に高調波または和周波が発生する場合に、高い
変換効率が得られるからである。光導波路群を伝搬する
基本波と光導波路を伝搬する変換された波長光間で最も
オーバラップが高くなるのは、導波路群の中央の光導波
路を高調波または和周波が伝搬する場合である。これ
は、パワー密度の高い部分が基本波および変換された波
長光ともに中央の光導波路に集中するからである。この
ため、奇数本の光導波路を形成して、中央近傍の光導波
路に基本波から変換された波長光を伝搬させる場合が最
も高い変換効率が得られる。In order to realize a high conversion efficiency, it is preferable that the structure of the optical waveguide group is symmetric with respect to the center and that the number of the optical waveguides constituting the optical waveguide group is an odd number. The reason why it is preferable to make the optical waveguide centrally symmetric is because the propagation mode of the guided light (converted wavelength light and fundamental wave light) has a left-right symmetric structure. If the propagation mode of the guided light has an asymmetric structure, the beam shape of the emitted light becomes asymmetric, and the light condensing characteristics deteriorate. In addition, since the asymmetry between the fundamental wave and the converted wavelength light is different, the overlap is reduced, and the conversion efficiency is reduced. The reason why the number of optical waveguides is preferably odd is that high conversion efficiency can be obtained when a harmonic or a sum frequency is generated in the central optical waveguide of the optical waveguide group. The highest overlap between the fundamental wave propagating through the group of optical waveguides and the converted wavelength light propagating through the optical waveguide is when a harmonic or sum frequency propagates through the optical waveguide at the center of the group of waveguides. . This is because a portion having a high power density is concentrated on the central optical waveguide together with the fundamental wave and the converted wavelength light. For this reason, the highest conversion efficiency is obtained when an odd number of optical waveguides are formed and the wavelength light converted from the fundamental wave is propagated to the optical waveguide near the center.
【0263】さらに、光導波路の幅または光導波路間の
間隔を、光伝搬方向に対して徐々に変化させることによ
り、伝搬方向が異なる複数の光導波路とすることがで
き、図18(a)および図18(b)に示すようなテー
パ導波路(形状が伝搬方向に対してテーパ状に狭くなっ
たり、広くなったりしている導波路)や、伝搬定数が伝
搬方向に対して分布を有する光導波路を形成することが
可能となる。このように光導波路を伝搬方向に対して分
布を持たせることにより、位相整合波長が伝搬方向に対
して分布を有する光導波路を形成することができる。こ
れにより、例えば光波長変換素子において、位相整合波
長の許容度を拡大する構造を実現することができる。非
線形光学効果を利用した光波長変換素子においては、位
相整合波長の許容度が狭いため、位相整合条件を精密に
制御する必要がある。よって、光導波路の伝搬定数に分
布を持たせて、位相整合波長の許容度を拡大することに
より位相整合条件を緩和し、安定した出力特性を実現可
能であるということは非常に有用である。Further, by gradually changing the width of the optical waveguide or the interval between the optical waveguides with respect to the light propagation direction, a plurality of optical waveguides having different propagation directions can be obtained. A tapered waveguide as shown in FIG. 18B (a waveguide whose shape narrows or widens in a tapered shape with respect to the propagation direction) or an optical waveguide whose propagation constant has a distribution in the propagation direction. A wave path can be formed. By giving the optical waveguide a distribution in the propagation direction in this way, it is possible to form an optical waveguide in which the phase matching wavelength has a distribution in the propagation direction. Thereby, for example, in the optical wavelength conversion element, it is possible to realize a structure that expands the tolerance of the phase matching wavelength. In an optical wavelength conversion element utilizing the nonlinear optical effect, the tolerance of the phase matching wavelength is narrow, so that it is necessary to precisely control the phase matching conditions. Therefore, it is very useful that the propagation constant of the optical waveguide has a distribution and the tolerance of the phase matching wavelength is expanded to relax the phase matching condition and realize stable output characteristics.
【0264】なお、本実施形態および後述する第8の実
施形態において、光導波路を形成する方法としては、耐
光損傷強度の向上を実現可能なプロトン交換が有効な手
段である。その他にも、例えばTi拡散、Zn拡散、I
n拡散、Sc拡散等の金属拡散により形成した光導波路
に対しても適用可能である。金属拡散においても、基板
表面荒れの問題は深刻であり、表面荒れによる耐光損傷
強度の低減が問題となる。このような表面荒れは、拡散
面積に比例して大きくなるため、金属拡散される表面積
を小さくすることにより、表面荒れを大幅に低減するこ
とができ、また、表面荒れの面積も小さくすることがで
きる。このため、光損傷の原因である光の吸収を少なく
して、耐光損傷強度を大幅に向上することができる。In this embodiment and an eighth embodiment to be described later, as a method of forming an optical waveguide, proton exchange capable of realizing an improvement in light damage resistance is an effective means. In addition, for example, Ti diffusion, Zn diffusion, I diffusion
The present invention is also applicable to optical waveguides formed by metal diffusion such as n diffusion and Sc diffusion. Also in metal diffusion, the problem of substrate surface roughness is serious, and reduction of light damage resistance due to surface roughness is a problem. Since such surface roughness increases in proportion to the diffusion area, it is possible to greatly reduce the surface roughness by reducing the surface area on which metal is diffused, and also to reduce the surface roughness area. it can. For this reason, light absorption, which causes light damage, can be reduced, and the light damage resistance can be greatly improved.
【0265】なお、本発明の光波長変換素子は、差周波
やパラメトリック等を発生させる光導波路構造について
も適用可能である。この場合、基本波は発生する光に対
して波長が短いため、光導波路の設計が一番の問題とな
る。差周波やパラメトリックを発生させる場合、光導波
路は基本波および変換された波長光が共に伝搬可能な構
造であることが必要である。ところが、この条件を満足
する光導波路は、基本波に対してマルチモードとして働
く。このため、光導波路に励起される基本波は幾つかの
伝搬モード(マルチモード)に分かれて伝搬する状態と
なり、パワーが分散されて変換効率が大幅に低減してし
まう。そこで、以下の第8の実施形態では、本発明をパ
ラメトリックを発生させる光波長変換素子に適用した例
について説明する。The optical wavelength conversion element of the present invention is applicable to an optical waveguide structure that generates a difference frequency, parametric, and the like. In this case, since the wavelength of the fundamental wave is shorter than that of the generated light, the design of the optical waveguide is the most important problem. When a difference frequency or a parametric is generated, the optical waveguide needs to have a structure capable of transmitting both the fundamental wave and the converted wavelength light. However, an optical waveguide that satisfies this condition works as a multimode with respect to the fundamental wave. For this reason, the fundamental wave excited in the optical waveguide is divided into several propagation modes (multi-modes) and propagates, and the power is dispersed and the conversion efficiency is greatly reduced. Therefore, in the following eighth embodiment, an example in which the present invention is applied to an optical wavelength conversion element that generates parametrics will be described.
【0266】(第8の実施形態)図19は、第8の実施
形態の光波長変換素子110の構成を示す斜視図であ
る。この光波長変換素子110は、MgO:LiNbO
3からなる基板101の表面近傍に、第10の実施形態
1と同様に周期的な分極反転構造(周期は第7の実施形
態と異なる)が形成されている。さらに、この基板10
1の表面近傍には、分極反転領域102と交差(ここで
は直交)する方向に配置された、例えば3本の光導波路
103a、103b、103cからなる光導波路群10
3が形成されている。入射部近傍では光導波路103b
一本のみが形成され、途中から複数の光導波路103
a、103cが形成されている。この光導波路103b
に基本波104が入射されると、光導波路内103bを
伝搬して光導波路群103を伝搬するパラメトリックま
たは差周波105aに変換され、入射部とは反対側の出
射部から出射する。この光波長変換素子は、第7の実施
形態と同様にして作製することができる。(Eighth Embodiment) FIG. 19 is a perspective view showing a configuration of an optical wavelength conversion element 110 according to an eighth embodiment. This light wavelength conversion element 110 is made of MgO: LiNbO.
In the vicinity of the surface of the substrate 101 made of 3 , a periodic domain-inverted structure (having a period different from that of the seventh embodiment) is formed as in the tenth embodiment. Further, the substrate 10
In the vicinity of the surface of the optical waveguide 1, an optical waveguide group 10 including, for example, three optical waveguides 103 a, 103 b, and 103 c disposed in a direction intersecting (here, orthogonal to) the domain-inverted region 102.
3 are formed. In the vicinity of the incident part, the optical waveguide 103b
Only one optical waveguide 103 is formed in the middle.
a and 103c are formed. This optical waveguide 103b
When the fundamental wave 104 enters the optical waveguide 103, the fundamental wave 104 propagates through the optical waveguide 103b, is converted into a parametric or difference frequency 105a that propagates through the optical waveguide group 103, and is emitted from the emission portion opposite to the incidence portion. This light wavelength conversion element can be manufactured in the same manner as in the seventh embodiment.
【0267】次に、本実施形態の光波長変換素子110
の動作原理について説明する。この光波長変換素子で
は、光導波路103bにおいて基本波104を励起し、
光導波路群103を伝搬するパラメトリックまたは差周
波105aに波長変換する。このとき、光導波路103
bに励起された基本波が導波路103a、103cに伝
搬しないように、光導波路103bと光導波路103
a、103cが異なる伝搬定数を有するように設計して
いる。例えば、光導波路の幅を変えることにより、容易
に伝搬定数が異なる光導波路を形成することができる。
本実施形態では、幅1.4μmの光導波路103bを基
板101の中央に形成し、その両側に1μm間隔を開け
て幅1μmの光導波路103a、103cを形成した。
これにより、基本波がシングルモード伝搬で光導波路1
03bを伝搬することが可能となり、光導波路群103
において光導波路群103を伝搬するパラメトリックま
たは差周波に変換される。光導波路を共にシングルモー
ド伝搬する基本波とパラメトリック間または基本波と差
周波間で位相整合することが可能となるため、高効率で
パラメトリックまたは差周波を発生させることができ
た。さらに、本実施形態においても、第7の実施形態と
同様に、プロトン交換面積を小さくすることができるの
で、表面の化学損傷を低減して耐光損傷強度の向上を図
ることが可能である。なお、本実施形態において、入射
部近傍に光導波路103a、103cを形成しない理由
は、光導波路103bに基本波を励起する場合に、隣接
する光導波路に光が励起されるのを防ぐためである。Next, the optical wavelength conversion element 110 of this embodiment
Will be described. In this optical wavelength conversion element, the fundamental wave 104 is excited in the optical waveguide 103b,
The wavelength is converted into a parametric or difference frequency 105a propagating through the optical waveguide group 103. At this time, the optical waveguide 103
b so that the fundamental wave excited by b does not propagate to the waveguides 103a and 103c.
a and 103c are designed to have different propagation constants. For example, by changing the width of the optical waveguide, optical waveguides having different propagation constants can be easily formed.
In this embodiment, the optical waveguide 103b having a width of 1.4 μm is formed in the center of the substrate 101, and the optical waveguides 103a and 103c having a width of 1 μm are formed on both sides of the optical waveguide 103 with an interval of 1 μm.
As a result, the fundamental wave is propagated in the single-mode
03b, and the optical waveguide group 103
Is converted into a parametric or difference frequency that propagates through the optical waveguide group 103. Since the phase matching between the fundamental wave and the parametric wave or the fundamental wave and the difference frequency that propagate together in the optical waveguide in the single mode can be performed, the parametric or difference frequency can be generated with high efficiency. Further, also in the present embodiment, similarly to the seventh embodiment, since the proton exchange area can be reduced, it is possible to reduce the surface chemical damage and improve the light damage resistance. In the present embodiment, the reason why the optical waveguides 103a and 103c are not formed in the vicinity of the incident portion is to prevent the light from being excited in the adjacent optical waveguide when the fundamental wave is excited in the optical waveguide 103b. .
【0268】さらに、複数の光導波路からなる光導波路
群は、光導波路の入射部および出射部として用いること
で、光導波路の結合効率の向上、および出射ビーム整形
に利用することも可能である。この場合は、入射部近傍
または出射部近傍に光導波路群を形成して、単一の光導
波路と接続することにより、入射部または出射部のビー
ム形状を制御することができる。光導波路の設計によっ
て単一の光導波路と光導波路群との結合効率も大きく取
ることができるため、低損失でビーム整形が可能な光導
波路構造として利用することができる。Furthermore, by using an optical waveguide group composed of a plurality of optical waveguides as an entrance and an exit of the optical waveguide, it is possible to use the optical waveguide for improving the coupling efficiency of the optical waveguide and shaping the exit beam. In this case, by forming an optical waveguide group in the vicinity of the entrance or the exit, and connecting the optical waveguide to a single optical waveguide, the beam shape of the entrance or the exit can be controlled. Since the coupling efficiency between a single optical waveguide and a group of optical waveguides can be increased by designing the optical waveguide, it can be used as an optical waveguide structure capable of performing beam shaping with low loss.
【0269】例えば、入射部に光導波路群を利用する場
合には、光導波路を伝搬方向に分割することで、入射部
の伝搬モードを広げる入射テーパ構造をとることができ
る。この場合、直線状の光導波路の入射部近傍に複数の
光導波路からなる光導波路群を形成することにより、入
射部を複数の光導波路に分割する。これにより、プロト
ン交換される面積が減少するため、屈折率変化量が低下
し、光導波路がカットオフ条件に近づいてモードの分布
が広がって大きくなる。これを利用して入射部の伝搬モ
ードを拡大し、入射テーパを形成することができる。ま
た、出射部に光導波路群を利用する場合には、上述した
様に光導波路のビームアスペクト比が改善されるため、
導波モードのアスペクト比が改善されて、出射ビーム整
形が可能となる。For example, in the case where an optical waveguide group is used for the incident part, an incident taper structure that expands the propagation mode of the incident part can be obtained by dividing the optical waveguide in the propagation direction. In this case, the incident part is divided into a plurality of optical waveguides by forming an optical waveguide group including a plurality of optical waveguides near the incident part of the linear optical waveguide. As a result, the area where proton exchange is performed is reduced, so that the amount of change in the refractive index is reduced, and the mode distribution is broadened and increased as the optical waveguide approaches the cutoff condition. By utilizing this, the propagation mode of the incident portion can be expanded, and the incident taper can be formed. In addition, when the optical waveguide group is used for the emission unit, the beam aspect ratio of the optical waveguide is improved as described above,
The aspect ratio of the guided mode is improved, and the output beam can be shaped.
【0270】さらに、本願発明者らは、耐光損傷強度の
向上を目的としたプロトン交換導波路について、新たな
結晶特性を見出した。そこで、以下の第9の実施形態で
は、耐光損傷強度の向上を図った他の本発明の例につい
て説明する。Further, the present inventors have found new crystal characteristics of a proton exchange waveguide for the purpose of improving the light damage resistance. Therefore, in the following ninth embodiment, another example of the present invention in which the light damage resistance is improved will be described.
【0271】(第9の実施形態)LiNbO3を用いた
光波長変換素子を用いた場合の光損傷の原因としては、
結晶中の欠陥が挙げられる。すなわち、光により励起さ
れる電界によって電荷が移動し、その電荷が結晶欠陥中
にトラップされることにより内部電界が維持され、これ
が電気光学効果を介して屈折率変化を誘起して、光損傷
を発生させるのである。LiNbO3はチョコラルスキ
ー法により結晶育成され、育成条件の安定しているコン
グルエント組成をとっている。コングルエント組成と
は、Liのmol濃度比が48mol%、Nbのmol
濃度比が52mol%程度であって、完全結晶から僅か
に組成比のずれた結晶組成比の状態のことである。(Ninth Embodiment) The cause of optical damage when an optical wavelength conversion element using LiNbO 3 is used is as follows.
Defects in the crystal. That is, electric charges are moved by an electric field excited by light, and the electric charges are trapped in crystal defects to maintain an internal electric field, which induces a change in the refractive index through the electro-optic effect and causes optical damage. To cause it to occur. LiNbO 3 is crystal-grown by the Czochralski method and has a congruent composition with stable growth conditions. The congruent composition means that the mol concentration ratio of Li is 48 mol% and the mol of Nb is mol
This is a state in which the concentration ratio is about 52 mol%, and the crystal composition ratio slightly deviates from the perfect crystal.
【0272】プロトン交換層におけるプロトン交換層中
のLiモル濃度比は結晶中のH2O,Li2O、Nb2O5
のそれぞれのモル数に対して以下の式で表される。 Liのモル濃度比(%)=Li2O/(Li2O+H2O
+Nb2O5) *100(%) の式で表される。In the proton exchange layer, the molar ratio of Li in the proton exchange layer is determined by the concentration of H 2 O, Li 2 O, and Nb 2 O 5 in the crystal.
Is represented by the following formula for each mole number of Li molar concentration ratio (%) = Li 2 O / (Li 2 O + H 2 O)
+ Nb 2 O 5 ) * 100 (%).
【0273】金属添加物をLiNbO3 1molに対し
金属元素Zmol添加した場合、 金属元素のmol濃度:Zmol *100 (%) となる。When a metal additive is added in an amount of Zmol to 1 mol of LiNbO 3 , the molar concentration of the metal element becomes Zmol * 100 (%).
【0274】ここで言うmol濃度比とは、LiNbO
3結晶中に存在するLiとNbのmol濃度の比率を表
し、結晶中ではLiのmol濃度比とNbのmol濃度
比を加えた値は100mol%である。完全な結晶の場
合には、LiとNbが同じmol数だけ存在するので、
それぞれのmol濃度比は50mol%である。このた
め、コングルエント組成の結晶構造には多くの欠陥が存
在する。LiNbO3の結晶欠陥モデルには、幾つかの
説が提唱されているが、特に強く支持されているモデル
にLi欠陥モデルがある。この結晶モデルは、定組成比
からずれたNbが結晶中のLiサイトに存在し、さらに
Liサイトの空位欠陥が存在するモデルである。The term “mol concentration ratio” used herein means LiNbO
3 represents the ratio of the molar concentration of Li and Nb present in the crystal, and the value obtained by adding the molar concentration ratio of Li and the molar concentration of Nb in the crystal is 100 mol%. In the case of a perfect crystal, since Li and Nb exist in the same mole number,
Each mol concentration ratio is 50 mol%. For this reason, many defects exist in the crystal structure of the congruent composition. Although several theories have been proposed for the crystal defect model of LiNbO 3 , a Li defect model is a particularly strongly supported model. This crystal model is a model in which Nb deviating from the stoichiometric composition exists at the Li site in the crystal, and further, vacancy defects at the Li site exist.
【0275】従来から、LiNbO3結晶に特定の金属
元素であるMg、Zn、Sc、In等を添加して、結晶
欠陥を添加金属で埋めることにより耐光損傷強度を向上
させる方法が提案されている。これらの添加金属が結晶
に添加されると、まず、Liサイトに存在する空位が添
加金属で埋められ、さらに、Liサイトに存在するNb
が添加金属で置換されることにより、結晶の欠陥(空
位)がなくなって耐光損傷強度が向上する。耐光損傷強
度は、金属元素の添加量が、Liサイトの空位がなくな
る程度の量を越えた時点から急激に向上する。この値
は、コングルエント組成のLiNbO3の場合には、5
mol%程度のMg添加量またはZn添加量に相当す
る。Conventionally, there has been proposed a method in which a specific metal element such as Mg, Zn, Sc, In or the like is added to LiNbO 3 crystal to fill crystal defects with the added metal, thereby improving the light damage resistance. . When these additional metals are added to the crystal, the vacancies existing at the Li site are first filled with the additional metal, and the Nb existing at the Li site
Is replaced with an additional metal, thereby eliminating crystal defects (vacancies) and improving the light damage resistance. The light damage resistance sharply increases from the point in time when the amount of the metal element added exceeds the amount that eliminates the vacancy of the Li site. This value is 5 for LiNbO 3 having a congruent composition.
This corresponds to an amount of Mg or Zn added of about mol%.
【0276】本願発明者らは、このような金属元素を添
加したLiNbO3結晶に対してプロトン交換を行った
場合に、結晶欠陥が増加することを見出した。すなわ
ち、LiNbO3は金属添加によって結晶欠陥が低減さ
れるが、プロトン交換は結晶中のLiをプロトンと交換
する方法であるため、Liサイトの欠陥を大幅に増大さ
せる。これは、プロトン交換によるLiの交換量は数1
0%にも達し、Liサイトの正しい位置にプロトンが交
換される割合がすくないこと、およびLiNbO 3が3
方晶の結晶構造をとるのに対して、HNbO3は立方晶
の結晶構造をとるため、プロトン交換層の結晶歪みが大
きいこと、の2点に起因する。よって、プロトン交換層
の耐光損傷を向上させるには、結晶歪みを低減し、か
つ、プロトンを正しいLiサイトに落ち着かせる必要が
ある。本願発明者らは種々の実験を行って、アニール処
理によりこれらの問題を解決可能であること、特に、ア
ニール後のプロトン濃度を特定の規定量以下(例えば数
%程度)にすることにより耐光損傷強度が大幅に増大す
ることを見出した。アニール処理を行うと、プロトンの
熱拡散によってプロトン濃度が低下し、結晶歪みが大幅
に低減する。さらに、アニール処理によって、プロトン
を存在すべきLi位置に据え置くことが可能となる。The present inventors have added such a metal element.
LiNbO addedThreeProton exchange was performed on the crystal
In some cases, it has been found that crystal defects increase. Sand
And LiNbOThreeReduces crystal defects by adding metal
However, proton exchange exchanges Li in the crystal with protons.
Method greatly increases the number of defects at the Li site.
Let This is because the exchange amount of Li by proton exchange is
0%, protons are exchanged at the correct position on the Li site.
Conversion rate is low, and LiNbO ThreeIs 3
While having a tetragonal crystal structure, HNbOThreeIs cubic
Crystal structure of the proton exchange layer
It is due to two points. Therefore, the proton exchange layer
In order to improve the light resistance of the
Need to calm protons to the correct Li site
is there. The present inventors performed various experiments and performed annealing treatment.
That these problems can be solved
Proton concentration after Neal is less than a specified amount (for example,
%) Significantly increases the light damage resistance.
I found that. When the annealing process is performed, the proton
Thermal diffusion lowers proton concentration, resulting in significant crystal distortion
To be reduced. In addition, proton treatment
Can be left at the Li position where it should exist.
【0277】しかしながら、結晶中のプロトン濃度が高
い場合には結晶歪みが残り、結果的にLiサイトの欠陥
が十分除去されないことが判明した。本願発明者らの実
験によれば、アニール処理を行わないプロトン交換層の
場合には、電気光学定数が大幅に減少するため、電気光
学効果による屈折率変化は発生しない。しかし、アニー
ル処理によりプロトン濃度を低くした場合には、アニー
ルにより光損傷が顕著になり、さらにアニールを続ける
と光損傷が低下する。特に、光波長変換素子に利用する
プロトン交換導波路においては、非線形光学効果を高め
るためにアニール処理が必須であるため、光損傷が顕著
となる。プロトン交換により形成した光導波路を非線形
光学素子に適用する場合には、光導波路として使用する
状態で耐光損傷強度を十分に強い状態にする必要があ
る。そこで、本願発明者らは、以下のようにして耐光損
傷強度に優れたプロトン交換光導波路の特性について検
討を行った。However, it was found that when the proton concentration in the crystal was high, crystal distortion remained, and as a result, defects at the Li site were not sufficiently removed. According to the experiments performed by the inventors of the present application, in the case of a proton exchange layer that is not subjected to the annealing treatment, the electro-optic constant is greatly reduced, so that the refractive index does not change due to the electro-optic effect. However, when the proton concentration is lowered by the annealing treatment, the optical damage becomes remarkable by the annealing, and the optical damage is reduced by continuing the annealing. In particular, in a proton exchange waveguide used for an optical wavelength conversion element, annealing is indispensable in order to enhance the nonlinear optical effect, so that optical damage is remarkable. When an optical waveguide formed by proton exchange is applied to a nonlinear optical element, it is necessary to ensure that the optical damage resistance is sufficiently high when used as an optical waveguide. Then, the inventors of the present application examined characteristics of a proton exchange optical waveguide having excellent light damage resistance as follows.
【0278】まず、第一に、プロトン交換光導波路にお
けるプロトン交換濃度と耐光損傷強度との関係について
検討を行った。コングルエント組成のLiNbO3にM
gを5mol%ドープした基板を用いて、プロトン交換
時間およびアニール時間を制御し、光導波路中のプロト
ン交換濃度と耐光損傷強度の関係を測定した。その結果
を図20に示す。プロトン交換を行った直後はLiのm
ol濃度比が20mol%前後に低下しているが、この
ときの耐光損傷強度は非常に高い。但し、アニール処理
を全く行わない場合には、非線形定数が低下するため、
変換効率が低下する。そして、アニール処理によりプロ
トン濃度が低下してLi濃度が増大すると、耐光損傷強
度は徐々に低下する。さらに、アニール処理を行ってL
i濃度が30mol%以上になると、再び耐光損傷強度
が増加する。これは、プロトン濃度の低下によって結晶
欠陥が減少した結果と考えられる。よって、耐光損傷強
度を増加させるためには、プロトン濃度を低下させる必
要があり、Liのmol濃度比を40mol%以上に回
復させるのが好ましいことが分かった。さらに、Liの
mol濃度比が43mol%以上であれば、耐光損傷強
度がプロトン交換前の結晶の90%以上になるので、よ
り好ましい。First, the relationship between the proton exchange concentration in the proton exchange optical waveguide and the light damage resistance was examined. M to LiNbO 3 of congruent composition
Using a substrate doped with 5 mol% of g, the proton exchange time and the annealing time were controlled, and the relationship between the proton exchange concentration in the optical waveguide and the light damage resistance was measured. FIG. 20 shows the result. Immediately after the proton exchange, m
Although the ol concentration ratio has dropped to around 20 mol%, the light damage resistance at this time is very high. However, if no annealing treatment is performed, the nonlinear constant is reduced.
Conversion efficiency decreases. Then, when the Li concentration increases due to the decrease in the proton concentration due to the annealing treatment, the light damage resistance gradually decreases. Further, an annealing process is performed to
When the i concentration is 30 mol% or more, the light damage resistance increases again. This is considered to be a result of a decrease in crystal defects due to a decrease in proton concentration. Therefore, it was found that it is necessary to reduce the proton concentration in order to increase the light damage resistance, and it is preferable to restore the mol concentration ratio of Li to 40 mol% or more. Further, when the molar concentration ratio of Li is 43 mol% or more, the light damage resistance becomes 90% or more of the crystal before proton exchange, and therefore, it is more preferable.
【0279】以上のように、プロトン交換層をアニール
処理してプロトンの濃度を十分低減させることにより、
耐光損傷強度をプロトン交換前の結晶とほぼ同等まで回
復させることが可能であることが分かった。しかしなが
ら、アニール処理したプロトン交換層は、プロトン濃度
が低いために屈折率変化が小さく、光導波路の閉じ込め
を強くすることが困難であるという問題が残る。この問
題を解決するには、プロトン交換層のプロトン量が多い
場合でも、結晶内の欠陥密度を低減可能な構造が必要に
なる。本願発明者らは、上述した欠陥モデルから考察し
て、プロトン交換層における結晶欠陥を完全に無くすた
めに、プロトン交換により増大する結晶欠陥を十分埋め
ることが可能な量のLiまたは添加金属を、予めプロト
ン交換層を形成する結晶内に存在させるようにすれば、
この問題を解決可能であると考えた。従来、添加金属の
量としては、例えばMgの場合には、5mol程度が最
適であると考えられており、5mol程度を越えると、
結晶欠陥が増大すると同時に吸収が増大するため、耐光
損傷強度が低下すると報告されていた。しかしながら、
これは、LiNbO3結晶自体に対しての量であり、L
iNbO3に形成したプロトン交換光導波路に対するも
のではない。本願発明者らの実験により、プロトン交換
光導波路の耐光損傷強度を向上させるためには、LiN
bO3結晶における最適値よりも高い濃度の添加物を加
えて、プロトン交換層を形成した場合に結晶欠陥が無く
なる構造とする必要があることが明らかになった。As described above, by annealing the proton exchange layer to sufficiently reduce the concentration of protons,
It was found that the light damage resistance could be restored to almost the same level as the crystal before proton exchange. However, the annealed proton exchange layer has a small change in the refractive index due to the low proton concentration, and the problem remains that it is difficult to increase the confinement of the optical waveguide. In order to solve this problem, a structure that can reduce the defect density in the crystal is required even when the amount of protons in the proton exchange layer is large. The present inventors consider from the defect model described above, in order to completely eliminate the crystal defects in the proton exchange layer, Li or an amount of additive metal capable of sufficiently filling crystal defects increased by proton exchange, By pre-existing in the crystal forming the proton exchange layer,
We thought that this problem could be solved. Conventionally, the amount of the added metal is considered to be optimally about 5 mol in the case of, for example, Mg.
It has been reported that the absorption resistance increases at the same time as the crystal defects increase, so that the light damage resistance decreases. However,
This is the amount relative to the LiNbO 3 crystal itself,
It is not for a proton exchange optical waveguide formed in iNbO 3 . According to experiments performed by the present inventors, in order to improve the light damage resistance of the proton exchange optical waveguide, it is necessary to use LiN.
It has been clarified that it is necessary to add an additive at a concentration higher than the optimum value in the bO 3 crystal to form a structure free from crystal defects when the proton exchange layer is formed.
【0280】実験では、Li濃度および添加金属濃度が
種々異なる結晶を引き上げ、プロトン交換を行った層の
耐光損傷強度を測定した。その結果、プロトン交換層の
耐光損傷強度は、プロトン交換層におけるLiのmol
濃度比Yと添加金属のmol濃度Zを加えた値Y+Zに
強く依存することを見出した。なお、Liのmol濃度
比とは結晶中におけるLiとNbとの比率であり、理想
的な結晶の場合にはLiとNbのmol濃度比は50m
ol%となる。通常の結晶(コングルエント組成)で
は、Liのmol濃度比は48mol%、Nbのmol
濃度比は52mol%程度である。添加金属のmol濃
度は、LiNbO3結晶1molに対して添加金属が何
mol含まれているかを%で示したものである。In the experiment, crystals having different Li concentrations and added metal concentrations were pulled up, and the light damage resistance of the layer subjected to proton exchange was measured. As a result, the light damage resistance of the proton exchange layer is expressed as mol of Li in the proton exchange layer.
It was found that the value strongly depends on the value Y + Z obtained by adding the concentration ratio Y and the molar concentration Z of the added metal. The molar concentration ratio of Li is the ratio of Li and Nb in the crystal. In the case of an ideal crystal, the molar concentration ratio of Li and Nb is 50 m
ol%. In a normal crystal (congruent composition), the mol concentration ratio of Li is 48 mol% and the mol of Nb is mol.
The concentration ratio is about 52 mol%. The mol concentration of the added metal is a percentage of the mol of the added metal contained in 1 mol of LiNbO 3 crystal.
【0281】図21は、Y+Zの値と耐光損傷強度の関
係を求めた値である。Y+Zの値が20mol%以下の
場合には、結晶の電気光学効果が殆どなくなるため、耐
光損傷強度は大幅に増大する。Y+Zが34mol%〜
40mol%では耐光損傷強度が低下し、45mol%
でほぼMgを5mol%ドープしたLiNbO3と等し
い耐光損傷強度を示した。Li濃度および添加金属濃度
で耐光損傷強度は僅かに異なるが、Y+Zの値が48m
ol%以上の結晶では何れも、Mgを5mol%ドープ
したLiNbO3基板と同等の耐光損傷強度が得られ、
強い耐性を有していることが確認できた。従って、プロ
トン交換層におけるY+Zの値が48mol%以上にな
ることがより好ましい。これは、プロトン交換により生
じる結晶欠陥が添加金属とLiにより補われるためと考
えられる。プロトン交換により結晶中のLiがプロトン
に置き換わるため、結晶内のLiサイトに欠陥が増大す
る。これを熱処理することにより、交換されたプロトン
は結晶内の最適な位置に移動するが、Li結晶欠陥を完
全に埋めることはできない。そこで、プロトン交換層を
熱処理し、プロトンを最適な位置に移動させた状態にお
いて、発生する程度の結晶欠陥を防止できるだけの量の
Liと添加金属を予めプロトン交換される結晶部分に存
在させることにより、プロトン交換層の結晶欠陥を限り
なく低減することが可能となる。この値がLiのmol
濃度比Yと添加金属のmol濃度Zの和が45mol%
〜50mol%以上になる値である。FIG. 21 is a graph showing the relationship between the value of Y + Z and the light damage resistance. When the value of Y + Z is 20 mol% or less, the electro-optic effect of the crystal is almost eliminated, so that the light damage resistance greatly increases. Y + Z is 34 mol% or more
At 40 mol%, the light damage resistance decreases, and 45 mol%
Showed almost the same light damage resistance as LiNbO 3 doped with 5 mol% of Mg. Although the light damage resistance slightly differs depending on the Li concentration and the added metal concentration, the value of Y + Z is 48 m.
ol% or more of the crystals, all have the same light damage resistance as a LiNbO 3 substrate doped with 5 mol% of Mg,
It was confirmed that it had strong resistance. Therefore, it is more preferable that the value of Y + Z in the proton exchange layer is 48 mol% or more. This is presumably because crystal defects caused by proton exchange are supplemented by the added metal and Li. Since Li in the crystal is replaced by protons by proton exchange, defects increase at Li sites in the crystal. By heat-treating this, the exchanged protons move to the optimal position in the crystal, but cannot completely fill the Li crystal defects. Therefore, in a state where the proton exchange layer is heat-treated and protons are moved to the optimal position, Li and an additional metal are present in the proton-exchanged crystal portion in advance in an amount sufficient to prevent the occurrence of crystal defects. In addition, crystal defects of the proton exchange layer can be reduced as much as possible. This value is Li mol
The sum of the concentration ratio Y and the molar concentration Z of the added metal is 45 mol%.
It is a value that is 〜50 mol% or more.
【0282】ところで、通常の市販されているMgOを
5mol%ドープしたコングルエント組成の結晶から目
的とする結晶を作製するのは難しい。その理由は以下の
通りである。市販されている結晶では、Liのmol濃
度比とMgのmol濃度を加えた値は53mol%程度
であり、プロトン交換を行うとこの値が20mol%程
度に低下する。これをアニール処理しても、周辺の濃度
が53mol%と低いため、プロトン交換層の濃度が4
8mol%を越えるのは困難であった。これは、Liの
mol濃度比と添加金属のmol濃度の和が48mol
%以上となる程度までプロトン濃度を低下させると、光
導波路と基板の屈折率差が小さくなるため、断面積が小
さく閉じ込めの強い光導波路を形成が困難になるからで
ある。By the way, it is difficult to produce a target crystal from a commercially available crystal having a congruent composition doped with 5 mol% of MgO. The reason is as follows. In commercially available crystals, the value obtained by adding the mol concentration ratio of Li and the mol concentration of Mg is about 53 mol%, and this value is reduced to about 20 mol% when proton exchange is performed. Even if this is annealed, the concentration of the proton exchange layer is 4% because the peripheral concentration is as low as 53 mol%.
It was difficult to exceed 8 mol%. This is because the sum of the molar concentration ratio of Li and the molar concentration of the added metal is 48 mol.
%, The refractive index difference between the optical waveguide and the substrate is reduced, so that it is difficult to form an optical waveguide having a small cross-sectional area and strong confinement.
【0283】これを解決するためには、以下のような方
法が考えられる。第1は、添加金属のmol濃度を向上
させる方法である。例えば、コングルエント結晶(Li
濃度比48mol%)にMgを7molドープした場
合、Liのmol濃度比とMgのmol濃度の和は55
mol%となる。プロトン交換とアニール処理によりプ
ロトン交換層のLiのmol濃度比とMgのmol濃度
の和を48mol%にすると、耐光損傷に優れた光導波
路を形成することができた。第2は、結晶のLi濃度を
増加させる方法である。例えば、完全結晶であるLiN
bO3(Liのmol濃度比が50mol%)にMgを
5mol%添加した結晶である。Liのmol濃度比と
添加金属のmol濃度の和は55mol%である。これ
にプロトン交換を行った後、アニール処理を加えること
で、Liのmol濃度比と添加金属のmol濃度の和は
50mol%を越えることが可能になり、耐光損傷強度
の強いプロトン交換光導波路の形成が可能となった。何
れの場合も、基板自体は最適な組成からのずれが大きく
なるので、耐光損傷強度は最適な値より低下したが、プ
ロトン交換層において最適な構造をとることで、光導波
路自体は耐光損傷強度が大幅に向上した。よって、プロ
トン交換を行った光導波路において、耐光損傷強度の優
れた結晶構造を実現できた。Liのmol濃度比または
添加金属のmol濃度をさらに上昇させると、アニール
処理が少ない場合(即ちプロトン濃度が高い場合)で
も、耐光損傷強度の強い光導波路を形成することが可能
となった。この場合、光導波路と基板の屈折率変化を大
きく取ることができるため、さらに閉じ込めの強い光導
波路の形成が可能となり、高効率の光波長変換素子の形
成が可能となった。なお、Liのmol濃度比は50m
ol%以下であるのが好ましく、これを超えると結晶欠
陥が増大する。In order to solve this, the following method can be considered. The first is a method for improving the molar concentration of the added metal. For example, a congruent crystal (Li
In the case where 7 mol of Mg is doped to a concentration ratio of 48 mol%, the sum of the mol concentration ratio of Li and the mol concentration of Mg is 55.
mol%. When the sum of the mol concentration ratio of Li and the mol concentration of Mg in the proton exchange layer was set to 48 mol% by proton exchange and annealing, an optical waveguide excellent in light resistance damage could be formed. A second method is to increase the Li concentration of the crystal. For example, LiN which is a perfect crystal
This is a crystal obtained by adding 5 mol% of Mg to bO 3 (the mol concentration ratio of Li is 50 mol%). The sum of the mol concentration ratio of Li and the mol concentration of the added metal is 55 mol%. By performing an annealing process after performing the proton exchange, the sum of the molar concentration ratio of Li and the molar concentration of the added metal can exceed 50 mol%, and a proton exchange optical waveguide having a strong light damage resistance can be obtained. Forming became possible. In either case, the substrate itself has a large deviation from the optimum composition, so the light damage resistance is lower than the optimum value.However, by taking the optimum structure in the proton exchange layer, the optical waveguide itself has the light damage resistance. Has improved significantly. Therefore, in the optical waveguide subjected to the proton exchange, it was possible to realize a crystal structure having excellent light damage resistance. By further increasing the molar concentration ratio of Li or the molar concentration of the added metal, it was possible to form an optical waveguide having high light damage resistance even when the annealing treatment was small (that is, when the proton concentration was high). In this case, since the change in the refractive index between the optical waveguide and the substrate can be made large, it is possible to form an optical waveguide with further confinement, and to form a highly efficient optical wavelength conversion element. The molar concentration ratio of Li is 50 m
ol% or less, and if it exceeds this, crystal defects increase.
【0284】また、Liのmol濃度比の高い光導波路
を用いると、光導波路の非線形光学定数が増加するた
め、高効率の光波長変換素子が形成できた。この理由
は、以下の通りである。プロトン交換光導波路内におけ
るLiのmol濃度比は非線形光学定数に影響する。L
iのmol濃度比を45mol%以上にすると、40m
ol%以下にした光導波路に比べて、非線形光学定数は
1.05倍程度となり、変換効率は1.1倍に向上し
た。さらに、金属添加により金属添加物のmol濃度と
Liのmol濃度比の和が50mol%以上になると、
非線形光学定数は1.1倍程度になり、変換効率は1.
2倍に向上した。プロトン交換導波路内のLi濃度比を
制御することは、高効率化においても非常に有効であ
る。When an optical waveguide having a high Li mole concentration ratio was used, the nonlinear optical constant of the optical waveguide was increased, so that a highly efficient optical wavelength conversion element could be formed. The reason is as follows. The molar concentration ratio of Li in the proton exchange optical waveguide affects the nonlinear optical constant. L
When the mol concentration ratio of i is 45 mol% or more, 40 m
The nonlinear optical constant was about 1.05 times and the conversion efficiency was 1.1 times higher than that of the optical waveguide set to be less than ol%. Furthermore, when the sum of the molar concentration of the metal additive and the molar concentration of Li becomes 50 mol% or more due to the addition of the metal,
The nonlinear optical constant is about 1.1 times, and the conversion efficiency is 1.
Improved by a factor of two. Controlling the Li concentration ratio in the proton exchange waveguide is very effective in increasing the efficiency.
【0285】なお、本実施形態では、LiNbO3基板
について説明したが、LiTaO3、またはLiNbO3
とLiTaO3の混合物であるLiNbxTa1-xO3(0
≦x≦1)でも、同様の効果が得られた。また、金属添
加物は、Mg、Zn、In、Scの単体または複数の金
属元素を同時に添加しても有効であった。LiTa
O 3、およびLiNbO3とLiTaO3の混合物である
LiNbxTa1-xO3(0≦x≦1)は、LiNbO3と
同様のコングルエント組成および耐光損傷特性を有し、
プロトン交換による光損傷特性の変化も同様の特性を有
する。すなわち、結晶欠陥の増大により耐光損傷強度が
低下するという特性である。従って、プロトン交換層に
おけるLi欠陥の防止方法として、Liまたは金属添加
物を予め多めに添加することで、プロトン交換による結
晶欠陥の増大を防止することができる。In the present embodiment, LiNbOThreesubstrate
Has been described, but LiTaOThreeOr LiNbOThree
And LiTaOThreeLiNb is a mixture ofxTa1-xOThree(0
≦ x ≦ 1), the same effect was obtained. In addition, metal addition
Additives may be Mg, Zn, In, Sc, or a plurality of gold
It was effective to add the genus elements at the same time. LiTa
O ThreeAnd LiNbOThreeAnd LiTaOThreeIs a mixture of
LiNbxTa1-xOThree(0 ≦ x ≦ 1) is LiNbOThreeWhen
Has similar congruent composition and light damage resistance properties,
Changes in photodamage characteristics due to proton exchange have similar characteristics.
I do. In other words, the light damage resistance is increased due to the increase in crystal defects.
It is a characteristic that it decreases. Therefore, the proton exchange layer
Li or metal addition to prevent Li defects
By adding a large amount of material in advance,
An increase in crystal defects can be prevented.
【0286】なお、結晶中のLi濃度を増大させる方法
としては、Liを熱拡散する方法も挙げられる。LiN
bO3基板を、Liを含むパウダー中で1000℃〜1
100℃程度の温度で熱処理すると、LiがLiNbO
3表面に拡散し、表面近傍にLi濃度の高い結晶を形成
することができる。光導波路に使用するのは、基板表面
近傍の数μmであるため、この方法により得られた基板
に形成したプロトン交換層は、強い耐光損傷強度を示し
た。As a method for increasing the Li concentration in the crystal, there is a method for thermally diffusing Li. LiN
The bO 3 substrate was placed in a powder containing Li at 1000 ° C. to 1 ° C.
When heat-treated at a temperature of about 100 ° C., Li becomes LiNbO
3 diffuse to the surface, it is possible to form a high Li concentrations crystals near the surface. Since the area used for the optical waveguide is several μm in the vicinity of the substrate surface, the proton exchange layer formed on the substrate obtained by this method exhibited strong light damage resistance.
【0287】さらに、結晶中の金属添加物を増大させる
方法としては、結晶を引き上げる際の添加量を増大させ
る以外に、金属を熱拡散させる方法がある。例えば、Z
nの場合には、LiNbO3上にZnO膜を堆積し、こ
れを1000℃程度で熱処理することによりZnが結晶
に拡散して、基板の表面近傍に金属添加物濃度が高い層
が形成される。この層中にプロトン交換光導波路を形成
することで、耐光損傷強度に優れた光導波路を形成する
ことができる。Further, as a method of increasing the amount of metal additive in the crystal, there is a method of thermally diffusing the metal in addition to increasing the amount of addition when pulling the crystal. For example, Z
In the case of n, a ZnO film is deposited on LiNbO 3 and heat-treated at about 1000 ° C., whereby Zn diffuses into the crystal, and a layer having a high metal additive concentration is formed near the surface of the substrate. . By forming a proton exchange optical waveguide in this layer, an optical waveguide having excellent light damage resistance can be formed.
【0288】なお、添加する金属は、単一の金属元素で
も、上記金属元素の複数を同時に添加しても、同等の効
果が得られた。The same effect can be obtained by adding a single metal element or by simultaneously adding a plurality of the above metal elements.
【0289】また、上記Li濃度や金属添加濃度の検討
は、直線状の単一光導波路に対して行ったが、第7の実
施形態や第8の実施形態で示したような、複数の光導波
路からなる光導波路群を用いた光導波路構造に適用する
ことにより、さらなる耐光損傷強度の向上が確認され
た。すなわち、光導波路群を利用することでプロトン交
換面積を小さくして化学損傷を低減することができ、さ
らに、Li濃度や金属添加濃度を制御することで光導波
路自体の耐光損傷強度を向上させることができた。この
結果、低損失で高出力特性を有する光波長変換素子を実
現することができた。Although the above-described examination of the Li concentration and the metal addition concentration was performed on a single linear optical waveguide, a plurality of optical waveguides as described in the seventh and eighth embodiments were used. By applying the present invention to an optical waveguide structure using an optical waveguide group composed of waveguides, it was confirmed that the light damage resistance was further improved. That is, by using the optical waveguide group, the proton exchange area can be reduced to reduce chemical damage, and further, by controlling the Li concentration and the metal addition concentration, the light damage resistance of the optical waveguide itself can be improved. Was completed. As a result, an optical wavelength conversion element having low loss and high output characteristics was realized.
【0290】(第10の実施形態)本実施形態では、半
導体レーザと光波長変換素子を備え、常に安定な出力特
性の実現が可能なコヒーレント光発生装置について説明
する。本発明のコヒーレント光発生装置の特徴は、耐光
損傷強度の優れた本発明の光波長変換素子を用いること
により、安定な出力特性を実現することができるという
点である。(Tenth Embodiment) In the present embodiment, a coherent light generation device including a semiconductor laser and an optical wavelength conversion element and capable of always achieving stable output characteristics will be described. A feature of the coherent light generation device of the present invention is that stable output characteristics can be realized by using the optical wavelength conversion element of the present invention having excellent light damage resistance.
【0291】従来の光波長変換素子においては、耐光損
傷強度が十分ではなかった。そのため、波長425nm
程度の青色光を10mW程度出力すると、光損傷により
位相整合波長が変動するという現象が観測された。この
ため、コヒーレント光発生装置の出力が徐々に変動する
という問題があった。これを安定化させるためには、半
導体レーザの発振波長を制御して常にSHG(第2高調
波)出力が一定の値をとるように安定化させる必要があ
り、出力安定化回路が必要であった。これに対して、本
発明の光波長変換素子は耐光損傷強度に優れているた
め、これを用いたコヒーレント光発生装置は、出力安定
化回路を必要とせず、簡単な構成で安定した出力を得る
ことができる。In the conventional light wavelength conversion device, the light damage resistance was not sufficient. Therefore, the wavelength of 425 nm
When about 10 mW of blue light was output, a phenomenon that the phase matching wavelength fluctuated due to optical damage was observed. For this reason, there has been a problem that the output of the coherent light generator fluctuates gradually. In order to stabilize this, it is necessary to control the oscillation wavelength of the semiconductor laser so that the SHG (second harmonic) output always takes a constant value, and an output stabilizing circuit is required. Was. On the other hand, since the optical wavelength conversion element of the present invention has excellent light damage resistance, a coherent light generation device using the same does not require an output stabilizing circuit and can obtain a stable output with a simple configuration. be able to.
【0292】図22は本実施形態のコヒーレント光発生
装置120の構成を示す斜視図である。このコヒーレン
ト光発生装置120は、第7の実施形態において図15
に示したような光波長変換素子121と半導体レーザ1
22からなり、光波長変換素子121は入射部123と
出射部124を有する。半導体レーザ122は、例えば
DBRグレーティング構造をLD上に集積化したDBR
半導体レーザ、または温度や外部グレーティングにより
波長を可変する半導体レーザ等、出射波長を可変できる
機能を有する半導体レーザであり、光波長変換素子の位
相整合条件を満足する波長に出射波長を合わせること
で、コヒーレント光発生装置の出力安定化を図ってい
る。FIG. 22 is a perspective view showing the configuration of the coherent light generation device 120 of the present embodiment. This coherent light generation device 120 is different from the coherent light generation device 120 in FIG.
The optical wavelength conversion element 121 and the semiconductor laser 1 as shown in FIG.
The light wavelength conversion element 121 has an incident part 123 and an output part 124. The semiconductor laser 122 is, for example, a DBR having a DBR grating structure integrated on an LD.
A semiconductor laser having a function of changing the emission wavelength, such as a semiconductor laser or a semiconductor laser whose wavelength is changed by a temperature or an external grating.By adjusting the emission wavelength to a wavelength that satisfies the phase matching condition of the optical wavelength conversion element, The output of the coherent light generator is stabilized.
【0293】このコヒーレント光発生装置120は、光
波長変換素子の耐光損傷特性の向上による特性の向上に
加えて、以下の特徴を有している。光波長変換素子12
1としては、3本の光導波路からなる光導波路群を有
し、波長850nmの基本波を波長425nmの第2高
調波に変換するものを用いている。この光波長変換素子
121において、基本波は光導波路群を伝搬し、第2高
調波(SHG)は中央の光導波路を伝搬する。SHGは
中央の光導波路を伝搬するため、出射ビームのアスペク
ト比は約1:1.5となった。このため、出射光を集光
光学系により集光する場合に90%以上の光を取り込ん
で集光することが可能となり、光の利用効率が大幅に向
上した。従来の構造では、出射光のアスペクト比が1:
3以上あったため、アスペクト比改善にプリズム光学系
等を必要とし、光の利用効率が低下していた。The coherent light generator 120 has the following characteristics in addition to the improvement of the light damage resistance of the optical wavelength conversion element. Optical wavelength conversion element 12
As 1, an optical waveguide group having three optical waveguides and converting a fundamental wave having a wavelength of 850 nm into a second harmonic having a wavelength of 425 nm is used. In the optical wavelength conversion element 121, the fundamental wave propagates through the optical waveguide group, and the second harmonic (SHG) propagates through the central optical waveguide. Since the SHG propagates through the central optical waveguide, the aspect ratio of the output beam was about 1: 1.5. Therefore, when the emitted light is condensed by the condensing optical system, 90% or more of the light can be captured and condensed, and the light use efficiency has been greatly improved. In the conventional structure, the aspect ratio of the emitted light is 1:
Since there were three or more, a prism optical system or the like was required to improve the aspect ratio, and the light use efficiency was reduced.
【0294】さらに、パラメトリック発振を利用した波
長可変コヒーレント光発生装置においては、導波路型デ
バイスが小さいため、図22に示すように半導体レーザ
と波長変換素子を直接結合することによりコヒーレント
光発生装置の小型化が可能である。例えば、第8の実施
形態と同様の周期状の分極反転構造を有する光波長変換
素子とレーザ光源を用いることによりパラメトリック発
振が可能である。パラメトリック発振は、基本波λ3を
入力すると、光の波長1/λ3=1/λ1+1/λ2の
関係を満足するシグナル光λ2およびアイドラーλ1を
発生し、発生した各光は光導波路群を1つの光導波路と
してシングルモード伝搬する。よって、λ3の基本波か
ら上記条件を満足する波長の光を波長変化させながら出
力することができ、波長可変なコヒーレント光発生装置
を実現することができる。このコヒーレント光発生装置
に高効率で波長変換が可能な本発明の光波長変換素子を
用いることにより、半導体レーザの波長変換によっても
mWオーダの高調波出力が可能となり、半導体レーザと
一体化した波長可変コヒーレント光発生装置を実現する
ことができる。波長変換素子の温度を例えばヒータやペ
ルチェ素子等を用いて調整することで位相整合波長を変
調して、出力波長を変化させることができた。なお、和
周波発生および差周波発生の場合には、外部で2つの光
を合波して光導波路に入射する。Further, in the wavelength tunable coherent light generator utilizing parametric oscillation, since the waveguide type device is small, the semiconductor laser and the wavelength conversion element are directly coupled as shown in FIG. Miniaturization is possible. For example, parametric oscillation is possible by using an optical wavelength conversion element having the same periodic domain-inverted structure and a laser light source as in the eighth embodiment. In the parametric oscillation, when a fundamental wave λ3 is input, a signal light λ2 and an idler λ1 satisfying a relationship of light wavelength 1 / λ3 = 1 / λ1 + 1 / λ2 are generated, and each generated light guides one group of optical waveguides. Single mode propagation as a wave path. Therefore, light having a wavelength satisfying the above conditions can be output from the fundamental wave of λ3 while changing the wavelength, and a coherent light generation device with variable wavelength can be realized. By using the optical wavelength conversion element of the present invention capable of wavelength conversion with high efficiency in this coherent light generation device, it is possible to output harmonics on the order of mW even by wavelength conversion of a semiconductor laser, and to obtain a wavelength integrated with the semiconductor laser. A variable coherent light generator can be realized. By adjusting the temperature of the wavelength conversion element using, for example, a heater, a Peltier element, or the like, the phase matching wavelength was modulated, and the output wavelength could be changed. In addition, in the case of the generation of the sum frequency and the generation of the difference frequency, two lights are multiplexed outside and are incident on the optical waveguide.
【0295】(第11の実施形態)上述した実施形態に
おいて、高効率で安定した出力が可能な光波長変換素子
を実現することができた。そこで、本実施形態では、本
発明の光波長変換素子を用いて短波長光源の作製を試み
た。波長850nm帯の半導体レーザと集光光学系と第
7の実施形態において図15に示したような光波長変換
素子を用いて、半導体レーザからの出射光を集光光学系
により光波長変換素子の導波路端面に集光し、導波モー
ドを励起する。そして、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光を出射する。ここで
は、変換効率が高い光波長変換素子を用いているため、
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。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や、光ディス
ク等、広い応用分野において望まれている。本実施形態
による光波長変換素子を用いた短波長光源は、出力特性
および安定性ともに、これらの応用分野での実用化が可
能である。(Eleventh Embodiment) In the above-described embodiment, an optical wavelength conversion element capable of high efficiency and stable output can be realized. Thus, in the present embodiment, an attempt was made to produce a short wavelength light source using the optical wavelength conversion element of the present invention. Using a semiconductor laser having a wavelength of 850 nm, a condensing optical system, and an optical wavelength conversion element as shown in FIG. 15 in the seventh embodiment, the light emitted from the semiconductor laser is condensed by the condensing optical system. Light is condensed on the end face of the waveguide to excite the waveguide mode. Then, the wavelength-converted SHG light is emitted from the other waveguide end face of the optical wavelength conversion element. Here, since an optical wavelength conversion element having high conversion efficiency is used,
Blue SHG light of 10 mW was obtained using a semiconductor laser with an output of about 100 mW. The wavelength in the 400 nm band is desired in a wide range of application fields such as printing plate making, special measurement such as bio and fluorescence spectroscopy, and optical disks. The short-wavelength light source using the optical wavelength conversion element according to the present embodiment can be put to practical use in these application fields in both output characteristics and stability.
【0296】なお、本実施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。T
Eモード伝搬(Transverse Electri
c)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することができる。本願発明
者らの実験によれば、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
とが確認できた。直接結合を用いると、小型で低価格の
光源が実現できるので、有望である。In this embodiment, the light of the semiconductor laser is coupled to the optical waveguide by using the condensing optical system. However, the semiconductor laser and the optical waveguide can be directly coupled. T
E-mode propagation (Transverse Electric
When the optical waveguide of c) is used, the waveguide mode of the semiconductor laser can be made equal to the electric field distribution, so that coupling can be performed with high efficiency without a condenser lens. According to experiments performed by the inventors of the present application, it was confirmed that direct coupling was possible with a coupling efficiency of 80%, and coupling characteristics almost equivalent to lens coupling were obtained. The use of direct coupling is promising because a small and inexpensive light source can be realized.
【0297】(第12の実施形態)本実施形態では、本
発明の光学システム140について説明する。図23は
本実施形態の光学システム140の構成を示す断面図で
ある。この光学システムは、第10の実施形態のコヒー
レント光発生装置145を備えており、ここから出射し
た出力10mWのビームはレンズ146により集光さ
れ、ビームスプリッタ147およびλ/4板157を透
過して対物レンズ149により情報再生媒体である光デ
ィスク150に照射される。反射光は、対物レンズ14
9によりコリメートされてビームスプリッタ147で反
射され、光検出器148で信号が読み取られる。さら
に、コヒーレント光発生装置の出力を強度変調すること
により、光ディスク150に情報を書き込むことができ
る。(Twelfth Embodiment) In the present embodiment, an optical system 140 of the present invention will be described. FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an optical system 140 according to the present embodiment. This optical system includes the coherent light generator 145 according to the tenth embodiment. A beam having an output of 10 mW emitted from the optical system is condensed by a lens 146 and transmitted through a beam splitter 147 and a λ / 4 plate 157. The light is irradiated on the optical disc 150 as the information reproducing medium by the objective lens 149. The reflected light passes through the objective lens 14
9, reflected by the beam splitter 147, and read by the photodetector 148. Further, by modulating the intensity of the output of the coherent light generator, information can be written on the optical disk 150.
【0298】この光学システムにおいては、光波長変換
素子の位相整合条件の許容度が拡大されているため、出
力の安定化を図ることができ、外部の温度変化に対して
も5%以下の出力変動に抑えることができた。In this optical system, the tolerance of the phase matching condition of the optical wavelength conversion element is expanded, so that the output can be stabilized, and the output can be reduced to 5% or less against external temperature change. It was possible to suppress the fluctuation.
【0299】さらに、高出力の青色光の発生が可能とな
るため、光ディスクの情報を読み取るだけではなく、光
ディスクに情報を書き込むことも可能となった。また、
半導体レーザを基本波光源として用いることで小型化す
ることができるため、民生用として小型の光ディスク読
み取り装置および記録装置にも利用することができる。Further, since high-output blue light can be generated, it is possible to not only read information on an optical disk but also write information on the optical disk. Also,
By using a semiconductor laser as a fundamental light source, the size can be reduced, so that it can also be used for small optical disc readers and recording devices for consumer use.
【0300】ところで、光ディスクに情報を書き込むた
めには、コヒーレント光発生装置の出力を変調する必要
がある。本実施形態の光学システムでは、半導体レーザ
の出力強度を変調することにより、コヒーレント光発生
装置からの出力変調を行うことができる。By the way, in order to write information on the optical disk, it is necessary to modulate the output of the coherent light generator. In the optical system of the present embodiment, the output from the coherent light generator can be modulated by modulating the output intensity of the semiconductor laser.
【0301】さらに、光波長変換素子の光導波路幅を最
適化することで、出力ビームのアスペクト比の最適化を
行うことができる。例えば、3本の光導波路からなる光
導波路群において高調波を中央の光導波路に伝搬させる
構造とし、特に、出射部近傍では光導波路を中央の一本
として、他の光導波路を途中で伝搬できないように切断
する光導波路構造とすることで、出射ビームのアスペク
ト比を1:1に近づけることができた。これにより、光
ピックアップの集光特性を向上させるためのビーム成形
プリズム等が不要になり、高い伝達効率、優れた集光特
性および低価格化を実現することができた。さらに、ビ
ーム成形時に発生する散乱光のノイズを低減することが
でき、光ピックアップの簡素化を実現することができ
た。Furthermore, by optimizing the width of the optical waveguide of the optical wavelength conversion element, the aspect ratio of the output beam can be optimized. For example, in a group of optical waveguides composed of three optical waveguides, a structure is adopted in which harmonics are propagated to the central optical waveguide. The aspect ratio of the output beam can be made close to 1: 1 by employing the optical waveguide structure that is cut as described above. This eliminates the need for a beam shaping prism or the like for improving the light-collecting characteristics of the optical pickup, thereby achieving high transmission efficiency, excellent light-collecting characteristics, and low cost. Further, noise of scattered light generated during beam shaping can be reduced, and simplification of the optical pickup can be realized.
【0302】[0302]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、高屈折率層を有する光導波路構造において、第1の
プロトン交換領域(第1のイオン交換領域)をアニール
処理してグレーディッド形状にした後、第2のプロトン
交換領域(第2のイオン交換領域)を形成し、これをス
テップライクなグレーディッド形状にすることで、耐光
損傷強度の大幅な向上、波長変換効率の向上、高温時の
寿命の大幅な延長、導波路伝搬損失の低減による特性の
向上を実現することが可能となり、その実用効果は大き
い。As described above, according to the present invention, in the optical waveguide structure having the high refractive index layer, the first proton exchange region (first ion exchange region) is annealed to perform a graded process. After the shape, a second proton exchange region (second ion exchange region) is formed, and by forming this into a step-like graded shape, the light damage resistance is greatly improved, the wavelength conversion efficiency is improved, This makes it possible to greatly extend the life at high temperatures and to improve the characteristics by reducing the waveguide propagation loss, and the practical effect is great.
【0303】また、本発明の短波長光発生装置によれ
ば、半導体レーザの光をステップライクなグレーディッ
ドな屈折率分布を有する高屈折率層を備えた光導波路内
で波長変換することで、高出力且つ高信頼性の短波長光
源が実現され、その実用効果は大きい。Further, according to the short wavelength light generating device of the present invention, the wavelength of the light of the semiconductor laser is converted in the optical waveguide having the high refractive index layer having a step-like graded refractive index distribution. A short-wavelength light source with high output and high reliability is realized, and its practical effect is great.
【0304】更に、光導波路の製造方法として、高屈折
率なクラッド層を形成するためのアニール処理として、
第1のプロトン交換領域(第1のイオン交換領域)に対
するアニール処理と第2のプロトン交換領域(第2のイ
オン交換領域)に対するアニール処理とを異なる温度で
行うことで、第2のプロトン交換領域(第2のイオン交
換領域)に必要とされるグレーディッドな屈折率分布を
均一に精度良く形成することが可能となり、光波長変換
素子特性を大幅に向上させることが実現され、その実用
効果は大きい。Further, as an optical waveguide manufacturing method, an annealing process for forming a high refractive index cladding layer is performed.
By performing the annealing process on the first proton exchange region (first ion exchange region) and the annealing process on the second proton exchange region (second ion exchange region) at different temperatures, the second proton exchange region is obtained. The graded refractive index distribution required for the (second ion exchange region) can be uniformly and accurately formed, and the characteristics of the optical wavelength conversion element can be greatly improved. large.
【0305】本発明によれば、光導波路群からなる光導
波路構造を用いることで、光導波路の低損失化を図るこ
とができ、耐光損傷強度の大幅な向上が可能となった。
さらに、光導波路群の構造を最適化することにより、変
換効率の向上および集光特性の向上が可能となり、その
実用効果は非常に大きい。According to the present invention, by using the optical waveguide structure composed of the optical waveguide group, the loss of the optical waveguide can be reduced, and the light damage resistance can be greatly improved.
Further, by optimizing the structure of the optical waveguide group, it is possible to improve the conversion efficiency and the light-collecting characteristics, and the practical effect is extremely large.
【0306】また、本発明によれば、プロトン交換光導
波路を用いた光波長変換素子において、光導波路中のL
i濃度を制御することにより、耐光損傷強度の大幅な向
上が可能となり、その実用効果は非常に大きい。Further, according to the present invention, in an optical wavelength conversion device using a proton exchange optical waveguide, L
By controlling the i-concentration, the light damage resistance can be greatly improved, and its practical effect is very large.
【0307】また、本発明によれば、耐光損傷強度の優
れた本発明の光波長変換素子を用いることで、高出力
で、かつ安定した出力特性を有するコヒーレント光発生
装置を実現することができ、その実用効果は非常に大き
い。Further, according to the present invention, a coherent light generating device having high output and stable output characteristics can be realized by using the optical wavelength conversion element of the present invention having excellent light damage resistance. , Its practical effect is very large.
【0308】さらに、本発明によれば、高出力で出力変
動が小さい本発明のコヒーレント光発生装置を用いるこ
とで、ノイズの少ない光学システムを実現することがで
き、その実用効果は大きい。Further, according to the present invention, an optical system with less noise can be realized by using the coherent light generating device of the present invention with high output and small output fluctuation, and its practical effect is great.
【図1】従来の光波長変換素子の構成を示す斜視図FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a conventional optical wavelength conversion element.
【図2】(a)従来の光導波路素子の構成を模式的に示
す図 (b)(a)の構成における深さ方向の屈折率分布を示
す図 (c)(a)の構成の中を伝搬する基本波及び高調波の
深さ方向の電界分布を示す図2A is a diagram schematically showing a configuration of a conventional optical waveguide element. FIG. 2B is a diagram showing a refractive index distribution in a depth direction in the configuration of FIG. Diagram showing electric field distribution in the depth direction of propagating fundamental wave and harmonic wave
【図3】(a)本発明の第1の実施形態によるプロトン
交換導波路(光導波路)の構成を示す断面図 (b)は、(a)の構成における深さ方向の屈折率分布
を表す図FIG. 3A is a sectional view showing a configuration of a proton exchange waveguide (optical waveguide) according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3B shows a refractive index distribution in a depth direction in the configuration of FIG. Figure
【図4】アニール処理におけるプロトンの拡散定数のア
ニール温度依存性を示す図FIG. 4 is a diagram showing the annealing temperature dependence of the diffusion constant of protons in the annealing process.
【図5】(a)〜(c)に、アニール処理によるプロト
ン濃度分布の変化に伴った屈折率分布形状の変化の様子
を示す図具体的には、(a)はステップ形状 (b)はステップライクなグレーディッド形状、(c)
はグレーディッド形状5 (a) to 5 (c) are views showing a state of a change in a refractive index distribution shape accompanying a change in a proton concentration distribution due to an annealing treatment. Specifically, FIG. 5 (a) is a step shape, and FIG. Step-like graded shape, (c)
Is graded shape
【図6】アニール処理による屈折率分布の変化を表す図FIG. 6 is a diagram showing a change in a refractive index distribution due to an annealing process.
【図7】(a)第1と第2のプロトン交換層からなる導
波路におけるプロトン交換率の分布 (b)プロトン交換率の分布図で第1のプロトン交換層
の分布の拡大図 (c)プロトン交換率の分布図で第2のプロトン交換層
の分布の拡大図FIG. 7 (a) Distribution of proton exchange rate in a waveguide composed of first and second proton exchange layers (b) Enlarged view of distribution of first proton exchange layer in a distribution diagram of proton exchange rate (c) Enlarged view of the distribution of the second proton exchange layer in the distribution diagram of the proton exchange rate
【図8】(a)〜(e)本発明による光導波路の作製方
法の各工程を説明するための模式的な断面図 (b)〜(e)各々の工程によって得られる形状におけ
る深さ方向の屈折率分布形状FIGS. 8A to 8E are schematic cross-sectional views for explaining each step of a method for manufacturing an optical waveguide according to the present invention. FIGS. 8B to 8E show depth directions in shapes obtained by the respective steps. Refractive index profile
【図9】(a)本発明による光波長変換素子の斜視図 (b)そこに含まれる光導波路の断面図及び深さ方向の
屈折率分布を示す図9A is a perspective view of an optical wavelength conversion element according to the present invention, and FIG. 9B is a cross-sectional view of an optical waveguide included therein and a diagram showing a refractive index distribution in a depth direction.
【図10】光波長変換素子の波長変換効率及び表面屈折
率と第2のプロトン交換層の深さとの関係を示す図FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the wavelength conversion efficiency and the surface refractive index of the light wavelength conversion element, and the depth of the second proton exchange layer.
【図11】光波長変換素子の耐光損傷特性と第2のプロ
トン交換層の深さとの関係を示す図FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the light damage resistance of the optical wavelength conversion element and the depth of the second proton exchange layer.
【図12】第4の実施形態による短波長光発生装置の構
成を示す図FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a short wavelength light generation device according to a fourth embodiment.
【図13】第5の実施形態による短波長光発生装置の構
成を示す図FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a short wavelength light generation device according to a fifth embodiment.
【図14】本発明による光情報処理装置の構成を示す図FIG. 14 is a diagram showing a configuration of an optical information processing apparatus according to the present invention.
【図15】第7の実施形態の光波長変換素子の構成を示
す斜視図FIG. 15 is a perspective view illustrating a configuration of an optical wavelength conversion element according to a seventh embodiment.
【図16】第7の実施形態の光波長変換素子における光
導波路の断面図と光導波路を伝搬する光の電界分布を示
す特性要因図 (a)基本波 (b)変換された波長光FIG. 16 is a cross-sectional view of an optical waveguide and a characteristic factor diagram showing an electric field distribution of light propagating through the optical waveguide in the optical wavelength conversion element according to the seventh embodiment. (A) Fundamental wave (b) Converted wavelength light
【図17】第7の実施形態の光波長変換素子の他の構成
を示す斜視図FIG. 17 is a perspective view showing another configuration of the optical wavelength conversion element according to the seventh embodiment.
【図18】(a)第7の実施形態の光波長変換素子にお
ける他の光導波路構成を示す平面図 (b)第7の実施形態の光波長変換素子における他の光
導波路構成を示す平面図FIG. 18A is a plan view showing another optical waveguide configuration in the optical wavelength conversion device according to the seventh embodiment. FIG. 18B is a plan view showing another optical waveguide configuration in the optical wavelength conversion device according to the seventh embodiment.
【図19】第8の実施形態の光波長変換素子の構成を示
す斜視図FIG. 19 is a perspective view showing a configuration of an optical wavelength conversion element according to an eighth embodiment.
【図20】第9の実施形態の光波長変換素子における耐
光損傷強度とプロトン交換層内のLimol濃度比の関
係を表す特性要因図FIG. 20 is a characteristic factor diagram showing the relationship between the light damage resistance and the Limol concentration ratio in the proton exchange layer in the optical wavelength conversion device according to the ninth embodiment.
【図21】第9の実施形態の光波長変換素子における耐
光損傷強度と、プロトン交換層内のLimol濃度比Y
および添加金属mol濃度Zの和Y+Zとの関係を表す
特性要因図FIG. 21 shows the light damage resistance of the optical wavelength conversion device according to the ninth embodiment and the Limol concentration ratio Y in the proton exchange layer.
And characteristic factor diagram showing the relationship between the additive metal mole concentration Z and the sum Y + Z
【図22】第10の実施形態のコヒーレント光発生装置
の構成を示す斜視図FIG. 22 is a perspective view showing a configuration of a coherent light generation device according to a tenth embodiment.
【図23】第12の実施形態の光学システムの構成を示
す断面図FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an optical system according to a twelfth embodiment.
【図24】(a)従来の光波長変換素子の一構成例を示
す斜視図 (b)(a)の波長変換素子に入射される基本波P1が
高調波P2に変換される様子を模式的に示す図24A is a perspective view showing an example of the configuration of a conventional optical wavelength conversion element. FIG. 24B is a schematic view showing how a fundamental wave P1 incident on the wavelength conversion element shown in FIG. Figure shown
【図25】(a)従来の他の光波長変換素子の構成を示
す斜視図 (b)(a)の波長変換素子に入射される基本波P1の
光導波路への閉じ込めの様子を模式的に示す図FIG. 25 (a) is a perspective view showing the configuration of another conventional optical wavelength conversion element. FIG. 25 (b) schematically shows how the fundamental wave P1 incident on the wavelength conversion element shown in FIG. Diagram shown
【図26】従来の光波長変換素子の構成を示す斜視図FIG. 26 is a perspective view showing a configuration of a conventional optical wavelength conversion element.
1 基板 2 光導波路 4 高屈折率層 5 第1のプロトン交換領域 6 第2のプロトン交換領域 7 分極反転領域(分極反転構造) 15 短波長光発生装置(短波長光源) 20 支持部材 21 半導体レーザ 22 光波長変換素子 24 集光光学系 25 集光光学系 60 光波長変換素子 101 基板 102 分極反転領域 103 光導波路群 103a、103b、103c、103d、103e、
103f 光導波路 104、152 基本波 105 高調波または和周波 105a パラメトリックまたは差周波 106、123 入射部 107、124 出射部 121 光波長変換素子 122 半導体レーザ 145 コヒーレント光発生装置 146 レンズ 147 偏光ビームスプリッタ 148 光検出器 149 対物レンズ 150 光ディスク 151 光導波路 153 高調波 300 従来の光波長変換素子 301 基板 304 分極反転領域(分極反転構造) 305 光導波路 306 基本波 307 第2高調波 310 高屈折率層 400 短波長光発生装置 420 Siマウント 402 光導波路 403 第2のプロトン交換領域 421 半導体レーザ 422 光波長変換素子 500 光情報処理装置 520 短波長光発生装置 521 半導体レーザ 522 光波長変換素子 540 コリメータレンズ 541 ビームスプリッタ 542 レンズ 543 光ディスク 544 レンズ 545 ディテクタ 600 従来の光波長変換素子 640 従来の光波長変換素子Reference Signs List 1 substrate 2 optical waveguide 4 high refractive index layer 5 first proton exchange region 6 second proton exchange region 7 domain-inverted region (domain-inverted structure) 15 short-wavelength light generator (short-wavelength light source) 20 support member 21 semiconductor laser Reference Signs List 22 light wavelength conversion element 24 light collection optical system 25 light collection optical system 60 light wavelength conversion element 101 substrate 102 domain-inverted region 103 optical waveguide group 103a, 103b, 103c, 103d, 103e,
103f Optical waveguide 104, 152 Fundamental wave 105 Harmonic or sum frequency 105a Parametric or difference frequency 106, 123 Incident part 107, 124 Emitting part 121 Optical wavelength conversion element 122 Semiconductor laser 145 Coherent light generator 146 Lens 147 Polarizing beam splitter 148 Light Detector 149 Objective lens 150 Optical disk 151 Optical waveguide 153 Harmonic wave 300 Conventional optical wavelength conversion element 301 Substrate 304 Polarized inversion region (polarized inversion structure) 305 Optical waveguide 306 Fundamental wave 307 Second harmonic 310 High refractive index layer 400 Short wavelength Light generating device 420 Si mount 402 Optical waveguide 403 Second proton exchange region 421 Semiconductor laser 422 Optical wavelength conversion device 500 Optical information processing device 520 Short wavelength light generating device 521 Semiconductor laser 522 Light wavelength conversion element 540 Collimator lens 541 Beam splitter 542 Lens 543 Optical disk 544 Lens 545 Detector 600 Conventional light wavelength conversion element 640 Conventional light wavelength conversion element
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北岡 康夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 横山 敏史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2H047 KA04 KA13 LA00 LA02 PA12 PA13 QA03 2K002 AA01 AA04 AB12 CA03 DA06 EA04 FA24 FA28 HA20 5D119 AA01 AA43 HA64 JA29 JA36 NA05 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yasuo Kitaoka 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Terms (reference) 2H047 KA04 KA13 LA00 LA02 PA12 PA13 QA03 2K002 AA01 AA04 AB12 CA03 DA06 EA04 FA24 FA28 HA20 5D119 AA01 AA43 HA64 JA29 JA36 NA05
Claims (48)
ン交換領域と、 該第1のイオン交換領域の表面の近傍に形成された第2
のイオン交換領域と、を備え、 該第2のイオン交換領域は、深さ方向にイオン交換率が
変化している領域が、0.02〜0.2μmである、光
導波路。1. A nonlinear optical crystal, a first ion exchange region formed near a surface of the nonlinear optical crystal, and a second ion exchange region formed near a surface of the first ion exchange region.
The optical waveguide, wherein the second ion exchange region has a region where the ion exchange rate changes in the depth direction is 0.02 to 0.2 μm.
率の変化量が5〜50μm-1の領域を0.02〜0.2
μmに渡って有する、請求項1に記載の光導波路。2. The method according to claim 1, wherein the second ion-exchange region has a change in the ion-exchange rate of 5 to 50 μm −1 in a range of 0.02 to 0.2.
The optical waveguide according to claim 1, wherein the optical waveguide has a length of μm.
率の変化量が0.06μm-1以下である、請求項1或い
は請求項2に記載の光導波路。3. The optical waveguide according to claim 1, wherein the amount of change in the ion exchange rate of the first ion exchange region is 0.06 μm −1 or less.
イオン交換率が変化している領域が、0.03〜0.1
μmである、請求項1に記載の光導波路。4. The second ion-exchange region has a region where the ion-exchange rate changes in the depth direction, from 0.03 to 0.1.
The optical waveguide according to claim 1, wherein the optical waveguide is μm.
率の変化量が10〜30μm-1である、請求項1に記載
の光導波路。5. The optical waveguide according to claim 1, wherein the second ion exchange region has an ion exchange rate change of 10 to 30 μm −1 .
定数が前記結晶の非線形光学定数の90%以上であり、
前記第2のイオン交換領域の非線形光学定数は該結晶の
非線形光学定数の60%以下である、請求項1に記載の
光導波路。6. The nonlinear optical constant of the first ion exchange region is 90% or more of the nonlinear optical constant of the crystal,
The optical waveguide according to claim 1, wherein a nonlinear optical constant of the second ion exchange region is 60% or less of a nonlinear optical constant of the crystal.
変化Δnは波長633nmの光に対し0.02以下であ
り、前記第2のイオン交換領域の表面屈折率変化Δnは
0.11以上である、請求項1に記載の光導波路。7. The change in surface refractive index Δn of the first ion exchange region is 0.02 or less for light having a wavelength of 633 nm, and the change in surface refractive index Δn of the second ion exchange region is 0.11 or more. The optical waveguide according to claim 1, wherein
ン交換領域と、 該第1のイオン交換領域の表面の近傍に形成された第2
のイオン交換領域と、を備え、 該第2のイオン交換領域は、該第1のイオン交換領域よ
りも高い屈折率を有し、該第2のイオン交換領域の屈折
率分布がステップライクなグレーディッド形状を有して
いる、光導波路。8. A nonlinear optical crystal, a first ion exchange region formed near a surface of the nonlinear optical crystal, and a second ion exchange region formed near a surface of the first ion exchange region.
Wherein the second ion exchange region has a higher refractive index than the first ion exchange region, and the second ion exchange region has a step-like gray refractive index distribution. An optical waveguide having a did shape.
ン交換領域と、 該第1のイオン交換領域の表面の近傍に形成された第2
のイオン交換領域と、を備え、 該第2のイオン交換領域は、該第1のイオン交換領域よ
りも高いイオン濃度を有し、該第2のイオン交換領域の
イオン濃度分布がステップライクなグレーディッド形状
を有している、光導波路。9. A nonlinear optical crystal, a first ion exchange region formed near a surface of the nonlinear optical crystal, and a second ion exchange region formed near a surface of the first ion exchange region.
Wherein the second ion exchange region has a higher ion concentration than the first ion exchange region, and the ion concentration distribution of the second ion exchange region is a step-like gray. An optical waveguide having a did shape.
のイオン交換領域とは、異なる温度におけるアニール処
理により得られた異なるグレーディッドな形状を有して
いる、請求項8または9に記載の光導波路。10. The first ion exchange region and the second ion exchange region.
10. The optical waveguide according to claim 8, wherein the ion exchange region has a different graded shape obtained by annealing at different temperatures. 11.
アニール処理により、該アニール処理の実施前における
値の8倍以上に拡大している、請求項8から10のいず
れかに記載の光導波路。11. The depth of the first ion exchange region is:
The optical waveguide according to any one of claims 8 to 10, wherein the value of the optical waveguide is increased to eight times or more the value before the annealing process is performed by the annealing process.
アニール処理により、該アニール処理の実施前における
値の1.2倍以上に拡大している、請求項8から11の
何れか一つに記載の光導波路。12. The depth of the second ion exchange region is:
The optical waveguide according to any one of claims 8 to 11, wherein the value of the optical waveguide is increased to at least 1.2 times the value before the annealing process is performed by the annealing process.
アニール処理により、該アニール処理の実施前における
値の2倍以上に拡大している、請求項8から11の何れ
か一つに記載の光導波路。13. The depth of the second ion exchange region,
The optical waveguide according to any one of claims 8 to 11, wherein the value of the optical waveguide is increased to twice or more the value before performing the annealing process by the annealing process.
率は、アニール処理の実施前における表面屈折率の値と
ほぼ等しい、請求項8または10から13の何れか一つ
に記載の光導波路。14. The optical waveguide according to claim 8, wherein a surface refractive index of the second ion exchange region is substantially equal to a value of a surface refractive index before performing an annealing process. .
ン濃度は、アニール処理の実施前における表面イオン濃
度の値とほぼ等しい、請求項9から13の何れか一つに
記載の光導波路。15. The optical waveguide according to claim 9, wherein a surface ion concentration of the second ion exchange region is substantially equal to a value of the surface ion concentration before performing an annealing process.
布の前記ステップライクなグレーディッド形状は、以下
の(1)及び(2)の関係: 【数1】 (但し、C(k,t):イオン交換濃度、k:深さ(μ
m)、t:アニール時間(時間)、C0:初期のイオン
交換濃度、Erf[]:エラー関数、h:初期のイオン
交換深さ(μm)、及び、Dp:アニール処理によるイ
オンの拡散定数(μm2/時間))、 【数2】 を満たすアニール処理によって形成される、請求項8ま
たは10から14の何れか一つに記載の光導波路。16. The step-like graded shape of the refractive index distribution of the second ion exchange region has the following relationship (1) and (2): (However, C (k, t): ion exchange concentration, k: depth (μ
m), t: annealing time (hour), C0: initial ion exchange concentration, Erf []: error function, h: initial ion exchange depth (μm), and Dp: ion diffusion constant by annealing treatment ( μm 2 / hour)), The optical waveguide according to claim 8, wherein the optical waveguide is formed by an annealing process that satisfies the following conditions.
度分布の前記ステップライクなグレーディッド形状は、
以下の(1)及び(2)の関係: 【数3】 (但し、C(k,t):イオン交換濃度、k:深さ(μ
m)、t:アニール時間(時間)、C0:初期のイオン
交換濃度、Erf[]:エラー関数、h:初期のイオン
交換深さ(μm)、及び、Dp:アニール処理によるイ
オンの拡散定数(μm2/時間))、 【数4】 を満たすアニール処理によって形成される、請求項9か
ら13または15の何れか一つに記載の光導波路。17. The step-like graded shape of the ion concentration distribution in the second ion-exchange region,
The relationship between the following (1) and (2): (However, C (k, t): ion exchange concentration, k: depth (μ
m), t: annealing time (hour), C0: initial ion exchange concentration, Erf []: error function, h: initial ion exchange depth (μm), and Dp: ion diffusion constant by annealing treatment ( μm 2 / hour)), The optical waveguide according to claim 9, wherein the optical waveguide is formed by an annealing process that satisfies the following conditions.
1-xO3結晶(0≦x≦1)である、請求項8から17の
何れか一つに記載の光導波路。18. The method according to claim 18, wherein the nonlinear optical crystal is LiNb x Ta.
The optical waveguide according to claim 8, wherein the optical waveguide is a 1-x O 3 crystal (0 ≦ x ≦ 1).
2のイオン交換領域を形成するイオン交換処理が、それ
ぞれプロトン交換処理である、請求項8から18の何れ
か一つに記載の光導波路。19. The optical waveguide according to claim 8, wherein each of the ion exchange processes forming the first ion exchange region and the second ion exchange region is a proton exchange process. .
からなる前記非線形光学結晶の表面にイオン交換により
形成され、該光導波路内のLiのmol濃度比が40m
ol%以上である、請求項1、8または9のいずれかに
記載の光導波路。20. LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1)
Is formed by ion exchange on the surface of the nonlinear optical crystal made of, and the molar concentration ratio of Li in the optical waveguide is 40 m.
The optical waveguide according to claim 1, wherein the optical waveguide is at least ol%.
からなり、少なくとも表面近傍に金属元素が添加された
前記非線形光学結晶の該表面に、イオン交換により形成
され、該光導波路内のLiのmol濃度比Yと該金属元
素のmol濃度ZがY+Z≧45mol%である、請求
項1、8または9のいずれかに記載の光導波路。21. LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1)
And formed on the surface of the nonlinear optical crystal to which a metal element is added at least in the vicinity of the surface by ion exchange, wherein the molar concentration ratio Y of Li and the molar concentration Z of the metal element in the optical waveguide are Y + Z ≧ The optical waveguide according to claim 1, wherein the amount is 45 mol%.
の光導波路と、周期状の分極反転構造と、を備え、 該光導波路は、波長λの基本波及び波長λ/2の第2高
調波の導波が可能で、 該光導波路に含まれる前記第2のイオン交換領域の屈折
率及び深さは、該第2高調波に対しては導波条件を満足
し、且つ該基本波に対してはカットオフ条件を満足して
いる、光波長変換素子。22. An optical waveguide according to claim 1, comprising a periodically poled structure, wherein the optical waveguide comprises a fundamental wave having a wavelength λ and a second wave having a wavelength λ / 2. The waveguide of the second harmonic is possible, the refractive index and the depth of the second ion exchange region included in the optical waveguide satisfy the waveguide condition for the second harmonic, and An optical wavelength conversion element that satisfies the cutoff condition for waves.
本波と高次モードの第2高調波とが位相整合している、
請求項22に記載の光波長変換素子。23. A phase matching between a fundamental wave of a fundamental mode and a second harmonic of a higher-order mode in the optical waveguide.
An optical wavelength conversion element according to claim 22.
の光導波路から構成される光導波路群を有し、該光導波
路群内で入射された基本波を異なる波長の光に変換する
光波長変換素子であって、 該基本波が該光導波路群をシングルモード伝搬し、か
つ、変換された波長光が該光導波路群を構成する光導波
路を導波モードで伝搬するか、 変換された波長光が該光導波路群をシングルモード伝搬
し、かつ、該基本波が該光導波路群を構成する光導波路
を伝搬する光波長変換素子。24. An optical wavelength converter having an optical waveguide group composed of a plurality of optical waveguides adjacent to the surface of a nonlinear optical crystal, and converting a fundamental wave incident in the optical waveguide group into light of a different wavelength. An element, wherein the fundamental wave propagates in the optical waveguide group in a single mode, and the converted wavelength light propagates in an optical waveguide constituting the optical waveguide group in a waveguide mode, or the converted wavelength light Is an optical wavelength conversion element that propagates in a single mode through the group of optical waveguides and the fundamental wave propagates through the optical waveguides that constitute the group of optical waveguides.
複数の光導波路から構成されている請求項24記載の光
波長変換素子。25. The optical wavelength conversion device according to claim 24, wherein the optical waveguide group is composed of a plurality of optical waveguides having different propagation directions.
換された波長光のうちのいずれか一方の光に対してカッ
トオフ条件を満たし、他方の光に対しては導波条件を満
たす請求項24または請求項25記載の光波長変換素
子。26. The optical waveguide, wherein one of the fundamental wave and the converted wavelength light satisfies a cutoff condition, and the other wave satisfies a waveguide condition. The optical wavelength conversion element according to claim 24 or 25.
は、他の光導波路と異なる伝搬定数を有する請求項24
から26のいずれかに記載の光波長変換素子。27. The optical waveguide according to claim 24, wherein at least one of the optical waveguides has a different propagation constant from other optical waveguides.
27. The optical wavelength conversion device according to any one of items 26 to 26.
変換された波長光のうちのいずれか一方の光に対してシ
ングルモード伝搬条件を満たし、該一方の光と、前記光
導波路のうちのいずれか1本を導波する他方の光との間
で位相整合する請求項24から27のいずれかに記載の
光波長変換素子。28. The optical waveguide group satisfies a single mode propagation condition with respect to one of the fundamental wave and the converted wavelength light, and the one of the optical waveguides 28. The optical wavelength conversion element according to claim 24, wherein phase matching is performed between the other light guided through one of the light and the other light.
ら構成され、中央の光導波路を中心として中心対称の構
造を有する請求項24から28のいずれかに記載の光波
長変換素子。29. The optical wavelength conversion device according to claim 24, wherein the optical waveguide group is composed of an odd number of optical waveguides, and has a structure symmetric with respect to a center optical waveguide.
い3本の光導波路から構成され、中央の光導波路が両側
の光導波路とは異なる伝搬定数を有し、該光導波路群を
シングルモード伝搬する基本波および変換された波長光
のうちのいずれか一方の光と、該光導波路群の中央の光
導波路を伝搬する他方の光との間で位相整合する請求項
24から29のいずれかに記載の光波長変換素子。30. The group of optical waveguides is composed of three optical waveguides whose propagation directions are substantially equal, the central optical waveguide has a different propagation constant from the optical waveguides on both sides, and the optical waveguide group is transmitted in a single mode. 30. The phase matching between any one of the fundamental wave and the converted wavelength light and the other light propagating through the central optical waveguide of the group of optical waveguides. An optical wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 7.
よび出射部近傍の少なくともいずれか一方において、前
記光導波路の本数が異なる請求項24から30のいずれ
かに記載の光波長変換素子。31. The optical wavelength conversion element according to claim 24, wherein the number of the optical waveguides in the group of optical waveguides is different in at least one of the vicinity of the incident part and the vicinity of the emission part.
からなる結晶の表面にイオン交換により形成した光導波
路を有し、該光導波路内のLiのmol濃度比が40m
ol%以上である光波長変換素子。32. LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1)
Having an optical waveguide formed by ion exchange on the surface of a crystal made of, wherein the molar concentration ratio of Li in the optical waveguide is 40 m.
ol% or more.
からなり、少なくとも表面近傍に金属元素が添加された
結晶の該表面に、イオン交換により形成した光導波路を
有し、該光導波路内のLiのmol濃度比Yと該金属元
素のmol濃度ZがY+Z≧45mol%である光波長
変換素子。33. LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1)
And an optical waveguide formed by ion exchange on the surface of the crystal to which the metal element is added at least in the vicinity of the surface, wherein the molar concentration ratio Y of Li and the molar concentration Z of the metal element in the optical waveguide are An optical wavelength conversion element in which Y + Z ≧ 45 mol%.
びInのうちのいずれか1種類であるか、または2種類
以上を混合したものである請求項33に記載の光波長変
換素子。34. The optical wavelength conversion device according to claim 33, wherein the metal element is one of Mg, Zn, Sc, and In, or a mixture of two or more thereof.
のいずれかに記載の光波長変換素子と、を備え、 該半導体レーザから出射された光の波長が該光波長変換
素子により所定の高調波に変換される、短波長光発生装
置。35. A semiconductor laser and a semiconductor laser according to claim 22.
And a light wavelength conversion element according to any one of the above, wherein the wavelength of light emitted from the semiconductor laser is converted into a predetermined harmonic by the light wavelength conversion element.
れる前記高調波の導波モードが高次モードであり、 該高調波の高次モードの強度分布が有する複数のピーク
において、最大強度を有するメインピーク以外のサブピ
ークの一つの幅が、該高調波に対する回折限界より小さ
い、請求項35に記載の短波長光発生装置。36. A waveguide mode of the harmonic obtained by the conversion by the optical wavelength conversion element is a higher-order mode, and has a maximum intensity at a plurality of peaks in an intensity distribution of the higher-order mode of the harmonic. 36. The short-wavelength light generation device according to claim 35, wherein a width of one of the sub-peaks other than the main peak is smaller than a diffraction limit for the harmonic.
である、請求項36に記載の短波長光発生装置。37. The short-wavelength light generator according to claim 36, wherein the higher-order mode of the harmonic is a first-order mode.
ードである、請求項36或いは37に記載の短波長光発
生装置。38. The short-wavelength light generator according to claim 36, wherein the higher-order mode of the harmonic is a TE10 mode.
載の短波長光発生装置と、集光光学系と、を備え、 該短波長光発生装置から出射される短波長光を該集光光
学系により集光するように構成されている、光情報処理
装置。39. A short-wavelength light generator according to claim 35, and a condensing optical system, wherein the short-wavelength light emitted from the short-wavelength light generator is collected. An optical information processing device configured to collect light by an optical optical system.
造を形成する工程と、 該分極反転構造に第1のイオン交換領域を形成する工程
と、 該第1のイオン交換領域に対する第1のアニール処理を
行う工程と、 該第1のイオン交換領域の表面に第2のイオン交換領域
を形成する工程と、 該第2のイオン交換領域に対する第2のアニール処理を
行う工程と、を包含し、 該第1のアニール処理を行う第1のアニール温度と該第
2のアニール処理を行う第2のアニール温度とが異なっ
ている、光波長変換素子の製造方法。40. A step of forming a periodically poled structure in the nonlinear optical crystal, a step of forming a first ion exchange region in the poled structure, and a first annealing for the first ion exchange region. Performing a process; forming a second ion exchange region on the surface of the first ion exchange region; and performing a second annealing process on the second ion exchange region. A method for manufacturing a light wavelength conversion element, wherein a first annealing temperature for performing the first annealing process is different from a second annealing temperature for performing the second annealing process.
上であり、前記第2のアニール温度が250℃以下であ
る、請求項40に記載の光波長変換素子の製造方法。41. The method according to claim 40, wherein the first annealing temperature is 300 ° C. or higher and the second annealing temperature is 250 ° C. or lower.
形成された分極反転構造を400℃以上の温度で熱処理
する工程を含む、請求項40或いは41に記載の光波長
変換素子の製造方法。42. The step of forming the domain-inverted structure,
42. The method for manufacturing an optical wavelength conversion device according to claim 40, further comprising a step of heat-treating the formed domain-inverted structure at a temperature of 400 ° C or higher.
200℃の範囲である、請求項40から42の何れか一
つに記載の光波長変換素子の製造方法。43. The second annealing temperature is from 130 ° C.
43. The method according to claim 40, wherein the temperature is in a range of 200C.
(1)及び(2)の関係: 【数5】 (但し、C(k,t):イオン交換濃度、k:深さ(μ
m)、t:アニール時間(時間)、C0:初期のイオン
交換濃度、Erf[]:エラー関数、h:初期のイオン
交換深さ(μm)、及び、Dp:アニール処理によるイ
オンの拡散定数(μm2/時間))、 【数6】 を満たすアニール処理であり、これによって形成される
前記第2のイオン交換領域の屈折率分布がステップライ
クなグレーディッド形状を有している、請求項40から
43の何れか一つに記載の光波長変換素子の製造方法。44. The second annealing treatment includes the following relationship (1) and (2): (However, C (k, t): ion exchange concentration, k: depth (μ
m), t: annealing time (hour), C0: initial ion exchange concentration, Erf []: error function, h: initial ion exchange depth (μm), and Dp: ion diffusion constant by annealing treatment ( μm 2 / hour)), 44. The light according to claim 40, wherein the annealing process satisfies the following condition, and the refractive index distribution of the second ion exchange region formed by the annealing process has a step-like graded shape. A method for manufacturing a wavelength conversion element.
1-xO3結晶(0≦x≦1)である、請求項40から44
の何れか一つに記載の光波長変換素子の製造方法。45. The non-linear optical crystal is made of LiNb x Ta.
45. A 1-x O 3 crystal (0 ≦ x ≦ 1).
The method for manufacturing an optical wavelength conversion element according to any one of the above.
2のイオン交換領域を形成するイオン交換処理が、それ
ぞれプロトン交換処理である、請求項40から45の何
れか一つに記載の光波長変換素子の製造方法。46. The light wavelength according to claim 40, wherein each of the ion exchange processes forming the first ion exchange region and the second ion exchange region is a proton exchange process. A method for manufacturing a conversion element.
の光波長変換素子と、半導体レーザとを備え、該半導体
レーザの光を該光波長変換素子によって波長変換するコ
ヒーレント光発生装置。47. A coherent light generation device comprising: the optical wavelength conversion element according to claim 24; and a semiconductor laser, wherein light of the semiconductor laser is wavelength-converted by the optical wavelength conversion element.
生装置と、集光光学系とを備え、前記光波長変換素子か
ら出射された光を該集光光学系で集光する光学システ
ム。48. An optical system comprising: the coherent light generating device according to claim 47; and a condensing optical system, wherein the light emitted from the light wavelength conversion element is condensed by the condensing optical system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000083005A JP2001194694A (en) | 1999-03-23 | 2000-03-23 | Optical waveguide, optical wavelength conversion element and method for manufacturing the same as well as short wavelength generator, optical information processor, coherent light generator and optical system using the same |
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7870699 | 1999-03-23 | ||
JP30317799 | 1999-10-25 | ||
JP11-303177 | 1999-10-25 | ||
JP11-78706 | 1999-10-25 | ||
JP2000083005A JP2001194694A (en) | 1999-03-23 | 2000-03-23 | Optical waveguide, optical wavelength conversion element and method for manufacturing the same as well as short wavelength generator, optical information processor, coherent light generator and optical system using the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001194694A true JP2001194694A (en) | 2001-07-19 |
JP2001194694A5 JP2001194694A5 (en) | 2007-04-05 |
Family
ID=27302788
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000083005A Pending JP2001194694A (en) | 1999-03-23 | 2000-03-23 | Optical waveguide, optical wavelength conversion element and method for manufacturing the same as well as short wavelength generator, optical information processor, coherent light generator and optical system using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001194694A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006104051A1 (en) * | 2005-03-25 | 2006-10-05 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Wavelength converting element |
WO2007013513A1 (en) * | 2005-07-28 | 2007-02-01 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Wavelength conversion element, laser light source, two-dimensional image display and laser processing system |
JP2009025399A (en) * | 2007-07-17 | 2009-02-05 | Oki Electric Ind Co Ltd | Waveguide element and wavelength conversion element |
US7550701B2 (en) | 2003-02-25 | 2009-06-23 | Omnivision Cdm Optics, Inc. | Non-linear wavefront coding systems and methods |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1172810A (en) * | 1997-06-19 | 1999-03-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical waveguide and its production, optical wavelength conversion element using this optical waveguide, short wavelength light emitting device and optical pickup |
-
2000
- 2000-03-23 JP JP2000083005A patent/JP2001194694A/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1172810A (en) * | 1997-06-19 | 1999-03-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical waveguide and its production, optical wavelength conversion element using this optical waveguide, short wavelength light emitting device and optical pickup |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7550701B2 (en) | 2003-02-25 | 2009-06-23 | Omnivision Cdm Optics, Inc. | Non-linear wavefront coding systems and methods |
WO2006104051A1 (en) * | 2005-03-25 | 2006-10-05 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Wavelength converting element |
US7848011B2 (en) | 2005-03-25 | 2010-12-07 | Panasonic Corporation | Wavelength converting element |
JP4860605B2 (en) * | 2005-03-25 | 2012-01-25 | パナソニック株式会社 | Wavelength conversion element |
WO2007013513A1 (en) * | 2005-07-28 | 2007-02-01 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Wavelength conversion element, laser light source, two-dimensional image display and laser processing system |
US8018646B2 (en) | 2005-07-28 | 2011-09-13 | Panasonic Corporation | Wavelength conversion element, laser light source, two-dimensional image display and laser processing system |
JP4855401B2 (en) * | 2005-07-28 | 2012-01-18 | パナソニック株式会社 | Wavelength conversion element, laser light source device, two-dimensional image display device, and laser processing device |
JP2009025399A (en) * | 2007-07-17 | 2009-02-05 | Oki Electric Ind Co Ltd | Waveguide element and wavelength conversion element |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6002515A (en) | Method for producing polarization inversion part, optical wavelength conversion element using the same, and optical waveguide | |
US5991490A (en) | Optical waveguide and optical wavelength conversion device | |
JP4545380B2 (en) | Optical waveguide device, coherent light source using the same, and optical apparatus provided with the same | |
JP3460840B2 (en) | Optical element, laser light source, laser device, and method for manufacturing optical element | |
EP0753767B1 (en) | Diffracting optical apparatus | |
US5373575A (en) | Frequency doubler and short wave laser source using the same and optical data processing apparatus using the short wave laser source | |
JP3907762B2 (en) | Optical wavelength conversion element, short wavelength light generator and optical pickup | |
JP4706403B2 (en) | Optical wavelength conversion element and optical wavelength converter | |
JP2002250949A (en) | Optical waveguide element, optical wavelength converting element and method for manufacturing optical waveguide element | |
US6519077B1 (en) | Optical waveguide, optical wavelength conversion device, method for producing the same, short wavelength light generation apparatus using the same, optical information processing apparatus using the same, coherent light generation apparatus using the same, and optical system using the same | |
JP4660999B2 (en) | Optical waveguide device, coherent light source and optical apparatus | |
JPH1172809A (en) | Optical wavelength conversion element and its production, optical generator using this element and optical pickup, diffraction element as well as production of plural polarization inversion part | |
JP4084460B2 (en) | Optical waveguide, optical wavelength conversion element, short wavelength light generator and optical pickup using the optical waveguide | |
JP2001194694A (en) | Optical waveguide, optical wavelength conversion element and method for manufacturing the same as well as short wavelength generator, optical information processor, coherent light generator and optical system using the same | |
JP2002258340A (en) | Optical wavelength conversion element, method of manufacturing for the same, short wavelength light source and optical system | |
JPH04335328A (en) | Second harmonic generating element and production thereof and light source device formed by using second harmonic generating element | |
US20120075690A1 (en) | Wavelength conversion element and apparatus for generating short wavelength light using same | |
Grisard et al. | Ferroelectric integrated optics: recent developments | |
JPH05341344A (en) | Wavelength conversion element | |
JP3052693B2 (en) | Optical wavelength conversion element, method of manufacturing the same, short wavelength coherent light generator using optical wavelength conversion element, and method of manufacturing optical wavelength conversion element | |
Roussev et al. | Reverse-proton-exchanged waveguide frequency doublers for green light generation | |
JP2658381B2 (en) | Waveguide type wavelength conversion element | |
JPH0820655B2 (en) | Optical wavelength conversion element | |
JP4156644B2 (en) | Laser equipment | |
JPH0719004B2 (en) | Optical wavelength conversion element and manufacturing method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20060901 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20060901 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20060911 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070216 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070216 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20091102 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091201 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100330 |