JP3616138B2 - 導波路型波長変換素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光情報処理分野や光応用計測制御分野において使用する集光光学系、光導波路及び導波路型波長変換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路デバイスは、偏光制御やスイッチ等のいろいろな機能を集積化できるので、光情報処理分野で使用するデバイスとして有望である。また、光ディスク、レーザープリンター、医用などで要望されているブルーグリーンの短波長光源を得る有望な方法である第２高調波発生（ＳＨＧ）においても、導波路型波長変換素子では、相互作用長を長くでき、また光を閉じ込め高いパワー密度が得られるため、数ｍＷのブルーグリーン光を近赤外半導体レーザーの波長変換により容易に得られる。
【０００３】
光導波路より得られた光をいろいろな応用に対して使用する際、その集光スポットがガウス分布に近い形状（以下、１ビームと定義する）であることが望ましく、さらに光ディスクの記録再生に応用する場合には、回折限界近くまで集光できることが必要である。
【０００４】
光導波路デバイスの一例として、強誘電体材料ＬｉＴａＯ_３を基板とする分極反転構造を有する導波路型波長変換素子を挙げる。図１６にＬｉＴａＯ_３結晶を基板とした周期的な分極反転領域をもつ導波路型波長変換素子の構成図を示す。以下０．８７μｍの波長の基本波に対する高調波発生（波長０．４３５μｍ）について述べる。（Ｋ．Ｍｉｚｕｕｃｈｉ， Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ ａｎｄ Ｔ．Ｔａｎｉｕｃｈｉ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ ５８， ２７３２ページ， １９９１年６月号、参照）図１６に示されるようにＬｉＴａＯ_３基板１１に光導波路３が形成され、さらに光導波路３には周期的に分極の反転した領域（分極反転領域１２）が形成されている。この素子の製造方法について説明する。まずＬｉＴａＯ_３基板１１に通常のフォトプロセスとドライエッチングを用いてＴａを周期状（周期４．０μｍ）にパターニングする。次にＴａパターンが形成されたＬｉＴａＯ_３基板１１に２６０℃、３０分間プロトン交換を行いＴａで覆われていないスリット直下に厚み０．８７μｍのプロトン交換層を形成する。次に５９０℃の温度で１０分間熱処理する。熱処理の上昇レートは１０℃／分、冷却レートは５０℃／分である。これにより分極反転領域１２が形成される。プロトン交換層直下はＬｉが減少しておりキュリー温度が低下するため部分的に分極反転を行うことができる。次にＨＦ：ＨＮＦ_３の１：１混合液にて２分間エッチングしＴａを除去する。さらに上記分極反転層領域１２にプロトン交換を用いて光導波路３を形成する。光導波路用マスクとしてＴａをストライプ状にパターニングを行うことでＴａマスクに幅４．０μｍ、長さ１２ｍｍのスリットを形成する。このＴａマスクで覆われたＬｉＴａＯ_３基板１１に２６０℃、１６分間プロトン交換を行い深さ０．５μｍの高屈折率層を形成する。Ｔａマスクを除去した後３８０℃で１０分間熱処理を行う。プロトン交換された保護マスクのスリット直下の領域は屈折率が０．０２程度上昇した光導波路３となる。
【０００５】
基本波Ｐ１と発生する第２高調波Ｐ２の伝播定数の不整合を分極反転領域１２および非分極反転領域１３の周期構造で補償することにより高効率に第２高調波Ｐ２を出すことができる。Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３レーザーを基本波として光導波路３の入射端面１４に基本波Ｐ１を入射すると、光導波路３の出射端面１５から波長変換された第２高調波Ｐ２が効率良く発生される。光導波路３内への入射強度１００ｍＷに対して、２０ｍＷの第２高調波（変換効率：２００％／Ｗ）であるブルー光が得られた。
【０００６】
一般に、光導波路には導波モードが０次から高次モードまで存在し、各導波モードの伝播定数（実効屈折率）が異なる。そのため、Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３レーザーの発振波長を短波側に可変すると１次、２次・・・の導波モードと基本波Ｐ１が位相整合し、ブルー光に波長変換される。この時、出射端面１５より得られるビームの空間強度分布（以下、横モードと定義する）は１次導波モードに対し１次横モード、２次導波モードに対して２次横モード、すなわち高次横モードをもつ光である。このように、光導波路デバイスでは、波長変換によって得られる第２高調波Ｐ２の導波モードおよび光導波路端面から得られるビーム形状を任意に制御することができる。
【０００７】
ＬｉＴａＯ_３基板のような強誘電体材料は、光照射によって結晶の屈折率が変化する光誘起屈折率変化の影響を受ける。光誘起屈折率変化が生じると、基本波Ｐ１と第２高調波Ｐ２の位相整合状態が変化するため、得られるブルー光の出力が変動する。ＬｉＴａＯ_３基板上に作製されたプロトン交換導波路は、光導波路表面に非線形劣化層をもち、そのため１次導波モードで伝播する第２高調波と基本波が位相整合する場合、光損傷に対して非常に強くなる。（特開平５ー２７３６２４）
ところが、１次導波モードで伝播し、光導波路端面より得られた第２高調波の遠視野像は１次横モードであり、このビームをコリメートし集光しようとすると、２つのピークをもつスポット形状（以下、２ビームと定義する）となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
光導波路より得られた光は、いろいろな応用に対して使用する際、集光スポットがガウス分布に近い１ビームであり、回折限界近くまで集光できることが望ましい。しかしながら、光導波路中の導波モードは、光導波路の形状により異なり必ずしも０次導波モードではない。特に、ＳＨＧ素子のような導波路型波長変換素子の場合、その入射基本波の波長により得られる高調波の導波モードを任意に選択でき、１次導波モードで得られる高調波は、光誘起屈折率変化に対しても強く、安定して高出力の高調波光を得ることができる。このような高次導波モードを持つ導波光は、電界分布のぞれぞれ山と谷の位相がちょうどπずれていて、そのため遠視野像が０次横モードでなく、また集光スポットも所望の１ビームとならない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、導波路型波長変換素子中に形成された光導波路中を伝播する高次導波モードに対して、光導波路の内部、表面部または端面部に一体化した位相補償部を設けることにより、光導波路の端面より出射したビームの遠視野像が１ビームである導波路型波長変換素子を提供するものである。
【００１１】
【作用】
本発明は、光導波路を高次導波モードで伝播する光に対して、光導波路内部に位相補償部を設けたり、近視野領域及び遠視野領域に位相補償板を挿入することで、光の位相状態を同位相にし、ガウス分布に近い１ビームに集光可能な光導波路からの光を実現するものである。
【００１２】
【実施例】
（実施例１）
本実施例では、光導波路デバイスとして強誘電体材料ＬｉＴａＯ_３を基板とする分極反転構造を有する導波路型波長変換素子を例に挙げて説明する。作製方法については、従来例で述べた通りである。（参照 図１６）
得られた導波路型波長変換素子において、基本波を入射すると、基本波と発生する第２高調波の伝播定数の不整合が分極反転領域および非分極反転領域の周期構造で補償され、高効率に第２高調波を出すことができる。Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３レーザーを基本波（８７０ｎｍ）として、導波路内への基本波入射強度１００ｍＷに対して、２０ｍＷの第２高調波（変換効率：２００％／Ｗ）であるブルー光が得られた。
【００１３】
この時、Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３レーザーの発振波長を短波側に可変すると、１次、２次・・・それぞれの導波モードと基本波が位相整合し、ブルー光に波長変換され得られ、第２高調波の導波モードを任意に制御することができる。
【００１４】
ＬｉＴａＯ_３基板のような強誘電体材料は、光照射によって結晶の屈折率が変化する光誘起屈折率変化の影響を受ける。ＬｉＴａＯ_３基板上に作製されたプロトン交換導波路は、導波路表面に非線形劣化層をもち、そのため１次導波モードで伝播する第２高調波と基本波が位相整合する場合、光損傷に対して非常に強くなる。また、高次導波モードの方が、より短波長の光を得ることができる。本実施例では、１次導波モードとして得られた高調波光に関する集光特性について説明する。
【００１５】
１次導波モードを図１に示す。図１において、縦軸は電界強度（Ｅ）、横軸は基板表面からの距離（ｄ）を示している。領域Ｉと領域ＩＩは、位相がπだけ反転している。図１のような導波モードを有する光が、光導波路の端面から出射される様子を、図２に示すδ離れた２つのスリットから出た光と仮定する。Ｉ、ＩＩの光の複素振幅はそれぞれ
Ｕ_１＝Ａ・ｅｘｐ（ｉ・（２π／λ）・（ｓｉｎθ）・ｘ） （１）
Ｕ_２＝Ａ・ｅｘｐ（−ｉ・（２π／λ）・（ｓｉｎθ）・ｘ） （２）
と表される。λ：波長、ｆ：焦点距離、ｆ・ｓｉｎθ＝δである。
【００１６】
Ｕ_２の光はＵ_１に対して位相がπずれているので
Ｕ_２＝Ａ・ｅｘｐ（−ｉ・（２π／λ）・（ｓｉｎθ）・ｘ＋ｉπ）
＝−Ａ・ｅｘｐ（−ｉ・（２π／λ）・（ｓｉｎθ）・ｘ） （３）
と書き換えられる。そこで２つのスリットから出た２つの波の合成の複素振幅は
Ｕ_１＋Ｕ_２＝２ｉ・Ａ・ｓｉｎ（（２π／λ）・（ｓｉｎθ）・ｘ） （４）
となる。本実施例の光導波路では、δが１ミクロン以下と領域Ｉ、ＩＩが近接していて、また光の広がり角が全角で７０度程度であるため、Ｎ．Ａ．＝０．６のレンズでコリメートした時の得られるビームの横モードは、（４）式を考慮して図示すると図３のようなと１次横モードとなる。また、領域Ｉと領域ＩＩの位相は互いにπだけずれている。図３の横軸は光軸からの距離である。そのため、この光をコリメートし集光すると、図４のような２ビームの集光スポット形状が得られる。
【００１７】
本発明の位相補償板をもつ集光光学系について構成図５を用いて説明する。導波路型波長変換素子２中の光導波路３を１次導波モードで伝播し、光導波路３の端面からビームとして出射し、コリメートレンズ１によりコリメートされる。平行光学系に０−πの位相補償板４が挿入されている。このため図３の領域Ｉと領域ＩＩの位相が同位相となり、集光されたビームは、図６のような１ビームの集光スポット形状となる。Ｎ．Ａ．＝０．６のレンズを用いた結果、回折限界近くの半値全幅で０．４μｍの集光スポットを得ることができた。
【００１８】
０ーπの位相補償板の作製方法について述べる。石英ガラス基板上に３μｍ程度のレジストをスピンコートし、基板の半分だけマスクで覆い、露光、現像する。その後、基板をドライエッチングする。ドライエッチングする量（Ｌ）は、
λ／２＝（ｎ−１）・Ｌ （５）
で表され、ｎ＝１．５とすると、Ｌ＝λであり、約０．４３５μｍエッチングすればよいことになる。エッチング後、残ったレジストを洗浄して、位相補償板が作製された。構成図５のように、コリメートされたビームに位相補償板を挿入する場合、位相補償板の位置合わせが簡単である。
【００１９】
図５の構成図では、コリメートされた領域に位相補償板を挿入したが、構成図７のようにレンズ６と導波路型波長変換素子２の間、またはレンズ６と集光点の間に挿入しても、同様の効果が得られ、集光スポットは図６のような１ビームが得られた。
【００２０】
また、構成図８に示すように、片面に位相補償部８を集積化した非球面レンズ７を設計することでより１ビームに集光できるよりコンパクトな集光光学系が実現できる。この非球面レンズ７はプレス加工で作製することができる。
【００２１】
（実施例２）
実施例１同様、光導波路デバイスとして強誘電体材料ＬｉＴａＯ_３を基板とする分極反転構造を有する導波路型波長変換素子を例に挙げて説明する。
【００２２】
実施例１では、光導波路から出射した光の遠視野像領域に位相補償板を挿入し、１ビームの集光スポットを得たが、本実施例は、導波路内部あるいは導波路出射端面に位相補償部を設け、遠視野領域で０次横モードを得ようとするものである。実施例１と同様、高調波の１次導波モードと基本波が位相整合しているものとする。
【００２３】
図９では、導波路型波長変換素子２中の光導波路３の端面に０ーπの位相補償板４が接着されている。光導波路３を図１に示す電界強度分布を持った１次導波モードが伝播している。光導波路３から外部に出射したビームの近視野像も、図１の電界強度分布に似た分布を持っている。そのため、図９のように光導波路３の端面に０ーπの位相補償板４が付加されていると、近視野領域でその位相が同位相となり、得られる遠視野像は図１０のような０次横モードになる。このビームを集光する時、図６のような１ビームの集光スポットが得られた。
【００２４】
図１１は、位相補償板４が位相補償部９として光導波路３の出射端面近傍に集積化されている構成図を示している。０ーπの位相補償板の機能を有する構造を設けることで、構成図９と同様の効果が得られ、０次横モードの遠視野像が得られた。作製方法について述べる。レジストをスピンコートし、位相補償部を作製する領域だけ開いたマスクで覆い、露光、現像する。光導波路３の上部半分だけをドライエッチングし、その後ＳｉＯ_２（屈折率：１．５）でエッチング部を埋める。ＬｉＴａＯ_３基板の屈折率は２．３程度であり、光導波路方向に対し約０．２７μｍの領域にこの構造を設けることで、０ーπの位相補償が行え、図１０のような０次横モードの遠視野像が得られた。
【００２５】
構成図１１では、光導波路３を伝播してきた１次導波モードは、位相補償部９でカットオフとなり、より効果的に０次横モードの遠視野像を得ることができた。
【００２６】
また、構成図１１ではドライエッチングした後、ＳｉＯ_２で埋めたが、ＴｉＯ_２等の基板ＬｉＴａＯ_３よりも大きな屈折率を有する材料で埋めても、０次横モードのの遠視野像を得ることができた。
【００２７】
さらに、光導波路３の上部半分だけをステップ状にプロトン交換しても、基板より屈折率の高い層が得られ、０次横モードの遠視野像を得ることができる。
【００２８】
（実施例３）
実施例１及び２では、ＬｉＴａＯ_３を基板とした導波路型波長変換素子中の光導波路について説明した。ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）を基板とした導波路型波長変換素子中の光導波路から得られるビームにおいても、実施例１と同じように位相補償板を挿入することにより１ビームの集光スポットを、また実施例２と同じように位相補償部を光導波路中に設けることで０次横モードの遠視野像を得ることができる。
【００２９】
ファイバーレーザーなどのように光ファイバー中に形成された光導波路の端面より得られる高次導波モードのビームに対しても、位相補償板により同様の効果が得られる。
【００３０】
また、Ｎｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ_４などの固体レーザーや、Ｈｅ−Ｎｅ、ＡｒやＨｅ−Ｃｄなどの気体レーザーなどのように共振器構造を有する光源においても、共振器から得られた高次横モード光に対して、その位相状態を位相補償板により同位相にすることで、そのビームを集光した時、１ビームの集光スポットが得られた。図１７においてＮｄ：ＹＡＧ１８はランプ１９により励起され、ミラー１６とミラー１７により構成された共振器で波長１０６４ｎｍの光が発振し、ミラー１７より得られた１次横モードのビームの位相状態を位相補償板２０で同位相にし、フォーカシングレンズ２１で集光した。得られた集光スポット形状は１ビームであった。
【００３１】
（実施例４）
実施例１及び２では、１次導波モードに対する０ーπ位相補償板の効果について説明した。１次以外の高次導波モードに対しても位相補償板を挿入することで同様の効果が得られる。例えば２次の位相補償板に対しては、図１２のように光導波路３から外部に出射したビームに、０ーπー０の位相補償板１０を挿入することで、そのビームを集光したときの集光スポットが１ビームをなった。
【００３２】
（実施例５）
実施例１から４において、導波路型波長変換素子２中の光導波路３の屈折率分布はステップ型に近い。そのため、導波モードの電界強度分布は、図１に示すような領域ＩとＩＩがほぼ同じである形状となる。一方、グレーディッドな屈折率分布をもつ光導波路における導波モードの形状は図１３のようになる。この場合、光導波路端面から出射され得られるビームの横モードは図１４のようになり、中心部分が少し０より上がった形をしている。このビームに位相補償板を挿入し得られた集光スポットの形状を図１５にしめす。ステップ型光導波路から得られたビームの集光スポットである図６に比べ、少しサイドモードが大きい形状であるが、ガウス分布に近い１ビームに集光された。
【００３３】
（実施例６）
実施例１から４では、高次導波モードに対して、位相補償板を挿入し、１ビームの集光スポットや遠視野像が得られることについて説明したが、光導波路中を０次導波モードで伝播している光が、光導波路端面に形成された０ーπの位相補償部を伝播することで、光導波路端面から１次横モードのビームが得られ、さらにその集光スポットを２ビームにすることができる。さらに、０ーπー０の位相補償部を形成することで、３ビームの集光スポットも得られる。これらのビームは、光ディスク等の応用分野において有効な方法である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、光導波路を高次導波モードで伝播する光の位相を、光導波路内部及び近視野像や光の遠視野像で、位相補償板または位相補償部により同位相にし、１ビームに集光可能な光導波路からの光を実現するものである。そのため、光導波路の導波モードに関係なく、１ビームに集光することが可能である。分極反転方式の導波路型波長変換素子の場合、光誘起屈折率変化に強く、より短波長である１次導波モードの高調波光を、波長変換により発生させても、位相を補償し回折限界近くまでの１ビームの集光スポットを得ることができ、光ディスク、レーザープリンターや医用などのアプリケーションに対しても有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１次の導波モードの電界強度分布の図
【図２】１次の導波モードで光導波路から出射する光を２つのスリットから出た光と仮定し、その様子を表した図
【図３】１次の導波モードで光導波路から出射した光の遠視野像を示す図
【図４】１次の導波モードで光導波路から出射した光の集光スポットを示す図
【図５】本発明の０ーπ位相補償板を備えた集光光学系を示す図
【図６】本発明の０ーπ位相補償板を備えた集光光学系より得られた集光スポットを示す図
【図７】本発明の０ーπ位相補償板を備えた集光光学系を示す図
【図８】本発明の０ーπ位相補償板を非球面レンズに集積化されている集光光学系を示す図
【図９】本発明の０ーπ位相補償板を光導波路端面に備えた導波路型波長変換素子を示す図
【図１０】本発明の０ーπ位相補償板を光導波路端面に備えた導波路型波長変換素子より得られた光の遠視野像を示す図
【図１１】本発明の０ーπ位相補償板を光導波路内部に備えた導波路型波長変換素子を示す図
【図１２】本発明の０ーπー０位相補償板を備えた集光光学系を示す図
【図１３】グレーディッド型光導波路における１次導波モードの電界強度分布の図
【図１４】グレーディッド型光導波路における１次導波モードで光導波路から出射し た光の遠視野像を示す図
【図１５】本発明の０ーπ位相補償板を備えた集光光学系より得られた集光スポットを示す図
【図１６】分極反転方式の導波路型波長変換素子の構造図
【図１７】本発明の０ーπ位相補償板を備えた集光光学系を示す図
【符号の説明】
１ コリメートレンズ
２ 導波路型波長変換素子
３ 光導波路
４ 位相補償板
５ フォーカシングレンズ
６ レンズ
７ 非球面レンズ
８ 位相補償部
９ 位相補償部（ＳｉＯ２）
１０ 位相補償板
１１ ＬｉＴａＯ_３基板
１２ 分極反転領域
１３ 非分極反転領域
１４ 入射端面
１５ 出射端面
Ｐ１ 基本波
Ｐ２ 高調波
１６ ミラー
１７ ミラー
１８ Ｎｄ：ＹＡＧ
１９ ランプ
２０ 位相補償板
２１ フォーカシングレンズ

Claims (4)

1. 少なくとも基本波である半導体レーザと第２高調波を発生する光導波路型波長変換素子から構成され、前記導波路型波長変換素子中において、高次横モードである第２高調波に波長変換する光源であって、前記光導波路型波長変換素子中の光導波路内部又は端面に位相補償手段が集積化され、前記位相補償手段により高次横モードである第２高調波が、０次横モードの第２高調波に変換されることを特徴とする導波路型波長変換素子。
2. 導波路型波長変換素子の位相整合方法が擬似位相整合方法であることを特徴とする請求項１に記載の導波路型波長変換素子。
3. 導波路型波長変換素子の基板がＬｉＮｂ_ｘＴａ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）であることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型波長変換素子。
4. 波長変換された前記第２高調波の横モードが１次導波モードのみを有する光であり、且つ位相補償手段が０−πの位相補償機能を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の導波路型波長変換素子。

Images