JP2005352129A - 高調波レーザ装置、その製造方法、およびそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基本波光源である半導体レーザの出射光と高調波発生導波路の結合効率を高くする。
【解決手段】 半導体レーザの出射端と高調波発生導波路の入射端との間に半導体レーザ光の波長には感度を持たず、高調波光の波長に感度を持つ感光性樹脂から形成された光ガイドが設けられている高調波レーザ装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）光の高調波発生を利用して波長変換を行う高調波レーザ光源に関するものである。特に詳細には、レーザディスプレイのような画像表示装置用の光源、光記録、光計測用の光源、さらには電子写真方式の画像形成装置用の光源や記録媒体への書き込み読み出し用光源などとして利用でき、高速変調駆動が可能で、レーザ光を出射する高調波レーザ光源およびその製造方法に関する。

半導体レーザは小型で高速変調可能であるが、現在、可視波長域において、信頼性を含め実用化しているものは、発振波長630nm以上の赤色、および発振波長460nm以下の青色や紫色に限られている。これは、半導体レーザを構成する化合物半導体の材料開発が未解決であることに起因する。現状では、青色と赤色の中間波長領域、即ち、青緑色、緑色、黄緑色、黄色、橙色の半導体レーザは実用レベルまで達するのに多くの課題がある。

そこで、例えば、非特許文献１に解説されるように、半導体レーザを基本波光源として、その出射光を周期分極反転導波路の形成された非線形光学結晶に導入して、直接第２高調波発生を行う構成が開発されている。上記構成では、半導体レーザ波長に合わせて分極反転周期を設計することで、非線形光学定数テンソルの最大成分を利用することができるため、また、導波路を使うことで基本波光のパワー密度を上げることができるため、基本波から第２高調波への波長変換効率の向上がなされる。そのために、半導体レーザの出射光をコリメートレンズ、結合レンズ等を用いて、非線形光学結晶の導波路に結合している。あるいは、特許文献１では、図６に示すように、半導体レーザと導波路とをサブマウント上で近接させて結合する構成と手段が開示されている。

また、半導体レーザと高調波発生導波路の結合に直接係わるものではないが、ファイバ同士、あるいは半導体レーザや光検出器とファイバの結合に関わる従来例として、図７に示す特許文献２がある。これは、感光材料のセルフフォーカス効果を利用して出射光そのもので光導波路の形成を図るものである。
オプトロニクス2000年１月号89頁から93頁 特開平９−１９７４５７号公報 特開平８−３２０４２２号公報

しかしながら、上記従来例のように、結合光学系を利用して0.1μmレベルの位置合わせ作業を行っても、素子固定時あるいは固定後の機械的なあるいは温度変化によるわずかな位置ずれで、結合効率は劣化してしまう課題がある。また、半導体レーザと導波路を近接させる構成では、半導体レーザ出射光を効率よく導波路内へ結合することが難しく、安定に固定するためには接着剤および接着工程の厳密な管理を必要とする。また、セルフフォーカス効果を利用するものでは、使用する光の波長で感光させると、使用時に光吸収が生じて損失となる課題がある。ファイバ等のように後方より別光源の光を導入できる素子では、使用する波長より短波長の光を露光時に適用すればよいが、半導体レーザ等のように他の光を挿入することが困難な素子ではその手法は適用できない課題がある。

本出願に係る第１の発明の目的は、基本波光源である半導体レーザの出射光と高調波発生導波路の結合効率を高くすることにある。本出願に係る第２の発明の目的は、基本波光源である半導体レーザと高調波発生導波路の光結合を長期安定化させることにある。

上記課題を解決するために、本発明の高調波レーザ光源は、半導体レーザと、半導体レーザ光を高調波光に変換する高調波発生導波路とを有する高調波レーザ装置であって、半導体レーザ出射端と高調波発生導波路入射端の間には、前記半導体レーザ光の波長には感度を持たず、前記高調波光の波長に感度を持つ感光性樹脂から形成された光ガイドが設けられており、前記光ガイドによって前記半導体レーザ光が前記高調波発生導波路に導かれる構成を有していることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、前記半導体レーザと、半導体レーザ光を高調波光に変換する高調波発生導波路とを有する高調波レーザ装置であって、前記半導体レーザの出射端と高調波発生導波路の入射端との間に形成される光ガイドにはレンズが設けられており、前記レンズおよび前記光ガイドによって前記半導体レーザ光が前記高調波発生導波路に導かれる構成を有していることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、前記感光性樹脂は高調波光が照射されることで屈折率が増加する材料であることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、前記半導体レーザと、半導体レーザ光を高調波光に変換する高調波発生導波路とを有する高調波レーザ装置の製造方法であって、前記半導体レーザの出射端と高調波発生導波路の入射端との間に感光性樹脂が充填され、前記高調波発生導波路で発生する高調波光が半導体レーザ出射端へ戻る光路でもって、前記感光性樹脂中に光ガイドを形成することを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、前記半導体レーザ出射端と高調波発生導波路入射端との間に形成される光ガイドは、高調波光が照射された屈折率の高いコア領域と未照射の屈折率の比較的低いクラッド領域からなることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、前記感光性樹脂の一部の領域を高調波光によって露光し、現像処理を通して未照射領域を除去し、コア領域を形成した後、前記感光性樹脂に比べ屈折率の低い樹脂でコア領域を覆うことで光ガイドを形成することを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、前記感光性樹脂を高調波光で露光する工程で、前記高調波導波路から出射した高調波光を高調波導波路へ戻す帰還光学系を前記高調波導波路の出射側に一時的に設けておくことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、高調波導波路の出射端に高調波光を高調波導波路へ戻す反射ミラーを一時的に密着させておくことで前記帰還光学系を構成することを特徴とする。

本出願に係る高調波レーザ光源によれば、半導体レーザと高調波発生導波路の間を高効率に光結合させた状態で光の通り道を光ガイドとして自然に形成し、固定することで、光結合効率を高効率に、機械的に安定に保つことができる。また、温度変化による位置ずれも生じない。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る高調波レーザ光源の模式的な構成図である。

図１において、本実施形態に係る高調波レーザ光源は、基本波波長で発振する半導体レーザ１０１と高調波発生導波路１０２との間に感光性樹脂１０３が挿入されている。高調波発生導波路は例えばＬｉＮｂＯ₃、ＫＴｉＯＰＯ₄、ＬｉＴａＯ₃、ＫＮｂＯ₃などの強誘電体結晶、あるいは有機非線形結晶などからなる。波長変換効率を高めるために、周期的な分極反転１０４が施されている。ここでいう感光性樹脂は特定の波長の光照射に対して感度を持ち，照射された領域の屈折率が高くなったり、現像液に対して不溶性となったりするものを意味する。感光性樹脂１０３は基本波波長に対して感度が無く、高調波波長において感度を有する。もし、感光波長帯が短波長寄りである場合は、増感剤を添加して感光波長帯を長波長シフトすればよい。

図１の実施例では、半導体レーザ出射光は感光性樹脂中に設けたレンズ１０５を介して高調波発生導波路１０２に結合される。感光性樹脂１０３は基本波波長に対して感度を有しないため、高調波発生導波路１０２へ伝搬する際に感光性樹脂に変化は生じない。高調波発生導波路１０２中では、非線形光学効果により基本波光１０６は高調波光１０７に変換される。高調波発生導波路１０２の入射端および出射端には各々反射防止膜１０８，１０９が施されているため、そのままでは高調波光は半導体レーザ側には戻ってこない。（ここでいう反射防止膜の反射率は、限定的なものではないが、低反射率においては１％以下、好ましくは０．２％以下である。）そこで、感光性樹脂を露光する工程の間は、高調波光１０７が高調波導波路へ戻るように、高調波導波路出射端にミラー１１０を設ける。戻ってきた高調波光１１１は、高調波導波路入射端からレンズを介して半導体レーザ出射端へ逆行する。この場合、順方向の基本波光と逆方向の高調波光は、感じる屈折率が異なるため，感光性樹脂中において正確には同じ光路をたどらないが、ほぼ高調波光は半導体レーザの出射端へ戻る光路を描く。高調波波長に対して感光性樹脂は感度を持っているため，光路に沿って感光性樹脂は感光される。露光された光路は周辺領域と比較して屈折率が高くなり、光閉じ込めがなされるコア領域１１２が形成される。ミラー１１０を除去後、熱処理を施し周囲の未露光領域とともに固定を行う。

このようにして形成された光ガイドは半導体レーザからの基本波光を効率よく高調波導波路に結合させることが可能となる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明による第２の実施形態である。半導体レーザ２０１は活性層がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる分布帰還型（Distributed Feedback）レーザであり、波長８５０ｎｍで発振する。高調波発生導波路２０２はＬｉＮｂＯ３結晶を周期およそ３μｍで分極反転したＰＰＬＮ（Periodically Poled LiNbO3）導波路である。高調波発生導波路２０２では、第２高調波が発生してその波長は４２５ｎｍである。また、感光性樹脂２０３としては感光性ポリイミド、光硬化樹脂、フォトレジストが好適である。半導体レーザはＤＦＢレーザであるため、単一波長で発振し、レンズ２０４を通して、高調波導波路入射端へ集光する。高調波発生導波路２０２の第２高調波発生許容幅内に設定した波長の基本波光は第２高調波光へ変換されて出射される。高調波導波路出射側には凹面ミラー２０５が設けられ、結合が十分できている時点で、第２高調波光が導波路へ戻るようにする。戻ってきた高調波光１１１は、高調波導波路入射端からレンズを介して半導体レーザ出射端へ逆行する。高調波波長に対して感光性樹脂２０３は感度を持っているため，光路に沿って感光性樹脂は露光され、コア領域２０６が形成される。露光後は、凹面ミラー２０５を除去する。現像処理を経て、未露光領域は除去され、コア領域２０６が残る。その後、残ったコア領域２０６を覆うように比較的屈折率の低いクラッド３０１を成膜することで光ガイド３０２が形成される。その後、熱処理を施し固定を行うことで高調波レーザ装置が完成する。固定した後の高調波レーザ装置の構成図を図３に示す。光ガイド３０２は半導体レーザ波長に対して吸収性を持たないため、伝搬損失はほとんど生じない。また、高調波発生導波路の入出射端には反射防止膜１０８、１０９が施されており第２高調波光が樹脂側に戻ることはないため、樹脂に悪影響がない。

以上のようにして、本実施例によれば、半導体レーザから出射された基本波光１０６は固定された光ガイドに沿って高調波発生導波路２０２に効率よく結合され、安定に第２高調波である４２５ｎｍの発光１０６を得ることができる。高調波出射側には第２高調波光１０７のみを利用するため、半導体レーザ波長に対して高吸収、高反射となる誘電体多層膜付き赤外光吸収フィルタ３０３が設けられている。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る高調波レーザ光源は、図４に概略示すように、半導体レーザ４０１と高調波発生導波路４０２とが、サブマウント４０３上でレンズを介さずに近接して配置される。サブマウント４０３上の調整板４０４は半導体レーザと高調波導波路の高さ合わせに使用する。半導体レーザと高調波導波路との間隔は数μｍに設定され、好ましくは３μｍ以下である。半導体レーザ４０１は活性層にInGaAs歪量子井戸を用いた発振波長１０６０ｎｍのＤＦＢレーザであり、高調波発生導波路４０２はＰＰＬＮ導波路である。分極反転周期はおよそ６.５μｍで、半導体レーザ光４０５の波長に合わせて非線形光学定数が最大となるように設定されている。両端面には反射防止膜４０６が成膜されている。高調波発生導波路の間隙には、感光性ポリイミドが充填されていて、半導体レーザ４０１と高調波導波路４０２は、高調波導波路４０２の出射端から出射される第２高調波光４０７が最大出力となるように位置合わせされる。その高結合効率状態を維持して、第２高調波光を高調波導波路へ戻すため、レンズ４０８とミラー４０９で帰還光学系を組む。高調波導波路４０２を逆行して半導体レーザ出射端へ戻る第２高調波光４１０は波長が５３０ｎｍであるため、感光性樹脂には長波長寄りに感度をシフトするように増感剤が添加されている。無論、感光性樹脂は波長１０６０ｎｍにおいては感度を持たず透明である。高調波導波路から戻る第２高調波光は半導体レーザに向かって広がりながら伝搬する。したがって、感光性樹脂は高調波発生導波路の入射端に向けて窄まる様態で感光され、感光された箇所がコア領域４１１として現像後に残る。クラッド膜４１２を塗膜し、帰還光学系を除去後、サブマウント上の半導体レーザ４０１と高調波発生導波路４０２ごと、感光性樹脂とクラッド膜を熱硬化させることで、光路を確保するとともに、半導体レーザと高調波発生導波路の位置を固定する効果も持つ。クラッド膜４１２が紫外線硬化型のものであれば、紫外線を照射すれば固定される。高調波発生導波路を波長変換されずに透過した半導体レーザ光は、赤外波長カットフィルタ（不図示）で吸収ないし反射され、その結果、５３０ｎｍを中心波長とする緑色の第２高調波光のみが得られる。

（第４の実施の形態）
本発明による高調波レーザ装置を用いた画像表示装置について図５を用いて説明する。青色と緑色の高調波レーザ装置を，それぞれ波長８８０ nmおよび１０６０ nmの半導体レーザを基本波光源とし，周期分極反転と光導波路を形成したＬｉＮｂＯ３基板を高調波発生導波路として用い，それぞれ波長４４０ｎｍ、５３０ｎｍの光を得ている。青色光源に関しては，InGaN系半導体レーザを用い，波長４４０ nm程度のレーザ光出力を直接得ても良い。赤色光源に関しては，InGaAlP系半導体レーザで直接６３５nmの光が得られる。図５に示すように，上記した青，緑，赤，３色の光源５０１，５０２，５０３からの出射光を誘電体多層膜による合波器５０４で合波して，投射レンズ５０５を通して，Si基板を加工して作製したマイクロ共振ミラーからなる光偏向器５０６，５０７へ入射させる。マイクロ共振ミラーは水平方向，垂直方向の２方向に使用しても良いし，または，水平方向のみに使って，低速で構わない垂直方向に関しては，マイクロモーターでガルバノミラーを振動させる構造のものでも良い。被投射面５０８へレーザ光を投射し，各画素スポット５０９の各色ごとにその画素階調に応じてレーザ光の強度ないしパルス幅を制御することで、所望の画像を表示することができる。

本発明の第１の実施形態の高調波レーザ光源の模式図である。 本発明の第２の実施形態の高調波レーザ光源の製造方法に関する模式図である。 本発明の第２の実施形態の高調波レーザ光源の模式図である。 本発明の第３の実施形態の高調波レーザ光源の模式図である。 本発明の高調波レーザ光源を用いた画像表示装置の模式図である。 従来の高調波レーザ光源の構成図である。 従来のセルフフォーカス効果を利用した光結合の構成図である。

符号の説明

１０１，２０１，４０１ 半導体レーザ
１０２，２０２，４０２ 高調波発生導波路
１０３，２０３ 感光性樹脂
１０４ 周期分極反転構造
１０５，２０４，４０８ レンズ
１０６，４０５ 半導体レーザ光
１０７，４０７ 高調波光
１１０，２０５，４０９ ミラー
１１１，４１０ 高調波戻り光
１１２，２０６，４１１ コア領域
３０１，４１２ クラッド膜
３０２ 光ガイド
３０３ 赤外光吸収フィルタ
４０３ サブマウント
４０４ 調整板
１０８，１０９，４０６ 反射防止膜
５０１，５０２，５０３ 光源
５０４ 合波器
５０６，５０７ 光偏向器
５０８ 被投射面
５０９ 画素スポット

Claims (9)

1. 半導体レーザと、半導体レーザ光を高調波光に変換する高調波発生導波路とを有する高調波レーザ装置であって、前記半導体レーザの出射端と前記高調波発生導波路の入射端との間に、前記半導体レーザ光の波長には感度を持たず、前記高調波光の波長に感度を持つ感光性樹脂から形成された光ガイドが設けられており、前記光ガイドによって前記半導体レーザ光が前記高調波発生導波路に導かれる構成を有していることを特徴とする高調波レーザ装置。
2. 前記半導体レーザの出射端と前記高調波発生導波路の入射端との間にレンズが設けられており、前記レンズおよび前記光ガイドによって前記半導体レーザ光が前記高調波発生導波路に導かれる構成を有していることを特徴とする請求項１に記載の高調波レーザ装置。
3. 前記感光性樹脂は高調波光が照射されることで屈折率が増加する材料であることを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の高調波レーザ装置。
4. 請求項１に記載の高調波レーザ装置を製造する高調波レーザ装置の製造方法において、前記半導体レーザと、半導体レーザ光を高調波光に変換する高調波発生導波路とを有する高調波レーザ装置の製造方法であって、半導体レーザの出射端と高調波発生導波路の入射端との間に前記半導体レーザ光の波長には感度を持たず前記高調波光の波長に感度を持つ感光性樹脂が充填され、前記高調波発生導波路で発生する高調波光が半導体レーザ出射端へ戻る光路でもって、前記感光性樹脂中に光ガイドを形成することを特徴とする高調波レーザ装置の製造方法。
5. 前記感光性樹脂の一部の領域は高調波光に照射されることで屈折率が増加しコア領域となり、未照射の領域はクラッド領域となることで、光ガイドを形成することを特徴とする請求項４に記載の高調波レーザ装置の製造方法。
6. 前記感光性樹脂の一部の領域を高調波光によって露光し、現像処理を通して未照射領域を除去して、コア領域を形成した後、前記感光性樹脂に比べ屈折率の低い樹脂でコア領域を覆うことで光ガイドを形成することを特徴とする請求項４に記載の高調波レーザ装置の製造方法。
7. 前記感光性樹脂を高調波光で露光する工程で、前記高調波導波路から出射した高調波光を高調波導波路へ戻す帰還光学系を前記高調波導波路の出射側に一時的に設けておくことを特徴とする前記請求項４ないし６のいずれかに記載の高調波レーザ装置の製造方法。
8. 前記高調波導波路の出射端に、高調波光を高調波導波路へ戻す反射ミラーを一時的に密着させておくことで前記帰還光学系を構成することを特徴とする前記請求項７に記載の高調波レーザ装置の製造方法。
9. 請求項１ないし３のいずれかに記載の高調波レーザ装置を用いたことを特徴とする画像表示装置。

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