JP4237932B2

JP4237932B2 - Optical waveguide device and optical wavelength converter

Info

Publication number: JP4237932B2
Application number: JP2000356420A
Authority: JP
Inventors: 正美羽鳥
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2020-11-22
Also published as: JP2002162658A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路素子及び光波長変換装置に関し、特に、光導波路を備え、この光導波路を半導体レーザから入射されたレーザビームを導波させる光導波路素子と、半導体レーザ及び光導波路を導波させた基本波を波長変換する光導波路型の光波長変換素子を備えた光波長変換装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光導波路を有し、そこを導波させた基本波を第２高調波等に波長変換する光導波路型の光波長変換素子が知られている。また、この種の光導波路型の光波長変換素子においては、光導波路に周期ドメイン反転構造を形成して、いわゆる擬似位相整合を取ることが広く行われている。
【０００３】
上記の周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長変換素子は、半導体レーザから発せられたレーザビームを波長変換するためにも多く用いられている。このような光波長変換素子により半導体レーザから発せられたレーザビームを波長変換する光波長変換装置においては、光波長変換素子と半導体レーザとの光学的な結合効率が高くなると、半導体レーザの励起能力が増大し、波長変換波の出力が増大する。即ち、光波長変換装置の高性能化が図られる。光波長変換素子と半導体レーザとを直接結合する光学系における光学的な結合効率は、両者のビーム径及びビーム・プロファイルが一致するほど高く、完全に一致すると理論上１００％の結合効率となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭｇＯ５モル％ドープのＬｉＮｂＯ₃基板にプロトン交換後にアニールを行うことにより形成されたプロトン交換アニール光導波路を有する光波長変換素子では、プロトン交換条件及びアニール条件を最適化して、半導体レーザから発せられたレーザビームと一致するビーム径及びビーム・プロファイルの光導波路を形成しても、十分な出力光量が得られない、という問題がある。このとき光波長変換素子の出力光量から見積もった結合効率は僅か１０〜２０％である。
【０００５】
発明者等が種々検討を行った結果、半導体レーザからプロトン交換アニール光導波路を有する光波長変換素子へレーザビームが入射する際の結合効率は９０％以上と高いが、レーザビームが光導波路を伝搬する際の光伝搬損失が非常に大きいことが分かった。この光伝搬損失の主な原因はモード変換損失であると考えられる。半導体レーザから入射した基本波はＴＥモードでプロトン交換アニール光導波路を伝搬するが、伝搬中にその一部がＴＥモードと直交する偏光成分（ＴＭモード）に変換されることが知られている（J.Ctyroky,J.Opt.Commun.5(1984)1,p16-19、A.C.G.Nutt,J.Opt.Commun.6(1985)1,p8-9）。Ｘ、ＹカットのＬｉＮｂＯ₃基板に形成されたプロトン交換アニール光導波路では、ＴＭモード成分を導波することができないため、ＴＭモード成分は基板中に漏洩する。このＴＭモード成分の漏洩量は、光導波路の光閉じ込めが強いほど、即ち光導波路と基板との屈折率差が大きいほど、大きくなる。また、光導波路内部や、基板表面と空気との界面等での散乱光量が大きいほど、ＴＭモードに変換される割合が大きくなり漏洩量が増加する。
【０００６】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、高い結合効率で半導体レーザと結合することができると共に、入射されたレーザビームを少ない伝搬損失で伝搬することができる光導波路素子を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、高い波長変換効率で基本波を波長変換することができる光波長変換装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の光導波路素子は、非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域と、を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項１の光導波路素子では、非線形光学効果を有する基板に形成される光導波路は、その入射端側に基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域（光閉じ込めが強い強結合部）を有しているので、強結合部においては光導波路を導波するビーム径を半導体レーザの出射端におけるビーム径に応じて小さくすることができ、高い結合効率で半導体レーザと結合することができる。特に、光導波路素子と半導体レーザとを直接結合する光学系において、光学的な結合効率を高めることができる。また、非線形光学効果を有する基板に形成される光導波路は、第１領域の出射端側に第１領域に連続するように形成され且つ基板との屈折率差が第１領域より小さい第２領域（入射された光を低損失で伝搬する伝搬部）を有しているので、半導体レーザから入射されたレーザビームを少ない伝搬損失で伝搬することができる。
【００１０】
本発明はアニールプロトン交換により形成されたアニールプロトン交換光導波路を備えた光導波路素子の場合に特に顕著な効果を発揮する。光導波路がアニールプロトン交換光導波路である場合には、強結合部のプロトン濃度を光導波路の強結合部以外の部分のプロトン濃度よりも高くすることにより、光閉じ込めが強い強結合部を形成することができる。
【００１１】
また、強結合部の光の伝搬方向に沿った長さは、ＴＭモード成分への変換を低減するために短い方が好ましく、具体的には２．０ｍｍ以下が好ましい。一方、短過ぎると、端面を研磨する際に高い加工精度が要求され素子の作製が困難になるので、強結合部の光の伝搬方向に沿った長さは、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．２ｍｍ以上がより好ましい。非線形光学効果を有する基板としては、ＭｇＯドープまたはノンドープのＸカット、ＹカットまたはオフカットのＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）を用いることができる。
【００１２】
請求項５に記載の光波長変換装置は、非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域とを備え、前記光導波路の入射端側から入射した基本波を波長変換して、波長変換波を前記光導波路の出射端側から出射させる波長変換素子と、該波長変換素子に前記基本波として入射するレーザビームを出射する半導体レーザと、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の光波長変換装置では、半導体レーザから出射されたレーザビームが基本波として波長変換素子に入射すると、波長変換素子は光導波路の入射端側から入射した基本波を波長変換して、波長変換波を前記光導波路の出射端側から出射させるが、波長変換素子の光導波路は、その入射端側に光閉じ込めが強い強結合部を有しているので、強結合部においては光導波路を導波するビーム径を半導体レーザの出射端におけるビーム径に応じて小さくすることができ、高い結合効率で半導体レーザと結合することができる。また、この光導波路は強結合部から出射端側まで入射された光を低損失で伝搬する伝搬部を有しているので、半導体レーザから入射されたレーザビームを少ない伝搬損失で伝搬しながら波長変換することができる。これにより光波長変換装置の波長変換効率も向上する。
【００１４】
本発明はアニールプロトン交換により形成されたアニールプロトン交換光導波路を備えた光導波路素子の場合に特に顕著な効果を発揮する。光導波路がアニールプロトン交換光導波路である場合には、強結合部のプロトン濃度を光導波路の強結合部以外の部分のプロトン濃度よりも高くすることにより、光閉じ込めが強い強結合部を形成することができる。また、強結合部の光の伝搬方向に沿った長さは、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲が好ましい。
【００１５】
また、光波長変換装置は、非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域とを備え、前記光導波路の入射端側から入射した基本波を波長変換して、波長変換波を前記光導波路の出射端側から出射させる波長変換素子と、外部共振器を構成する反射部材側にレーザビームを出射する第１の端面を備えると共に、該第１の端面とは別の第２の端面から前記波長変換素子に前記基本波として入射するレーザビームを出射する半導体レーザと、外部共振器内に配置された波長選択素子と、を含んで構成されていてもよい。この場合、波長変換素子と半導体レーザとを直接結合することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本実施の形態の光波長変換素子１０は、非線形光学結晶からなる基板１２上に、そのｚ軸と平行な自発分極の向きを反転させたドメイン反転部が周期的に形成されてなる周期ドメイン反転構造１４と、この周期ドメイン反転構造１４に沿って延びるチャンネル光導波路１６とが形成されたものである。
【００１８】
基板１２を構成する非線形光学結晶としては、例えば、ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）等の非線形光学結晶、及びこの非線形光学結晶にＭｇＯ、ＺｎＯ、またはＳｃがドープされた結晶を用いることができる。また、基板１２としては、これらの非線形光学結晶をＸカット、Ｙカットまたはオフカット（分極軸がｙｚ面内でｚ軸側に角度θ（０°＜θ＜９０°）傾くようにカット）した基板を用いることができる。
【００１９】
周期ドメイン反転構造１４は、基板１２のｙ軸方向にドメイン反転部が並ぶように所定周期Λで形成されている。その周期Λは、非線形光学結晶の屈折率の波長分散を考慮して、基本波近辺の波長に対して１次の周期となるように決定されている。このような周期ドメイン反転構造１４は、例えば特開平６−２４２４７８号に記載された方法や電圧印加法等によって形成することができる。
【００２０】
チャンネル光導波路１６は、基本波１８が入射する光入射側が、基板との屈折率差がΔｎ₁の第１の領域２０（強結合部）とされ、波長変換波としての第２高調波２２が出射する光出射側が、基板との屈折率差がΔｎ₂の第２の領域２４（伝搬部）とされている。光閉じ込めの強さは、チャンネル光導波路１６の基板との屈折率差Δｎとチャンネル光導波路１６の深さとにより決定され、Δｎが大きく光導波路が深いほど光閉じ込めが強くなる。
【００２１】
ここで、第１の領域２０の基板との屈折率差Δｎ₁は、第２の領域２４の基板との屈折率差Δｎ₂よりも大きく、例えばΔｎ₁≒２Δｎ₂とすることができる。また、第１の領域２０の基板との屈折率差Δｎ₁は、光導波路を導波するビーム径が基本波１８のビーム径と略同じになる値とされる。また、第２の領域２４の基板との屈折率差Δｎ₂は、基本波１８及び第２高調波２２をＴＥモード且つ横モードがシングルモードで伝搬可能な値とされる。チャンネル光導波路１６の深さは、第１の領域２０及び第２の領域２４で略同一である。
【００２２】
また、第１の領域２０の光の伝搬方向に沿った長さ（Ｌ）は、ＴＭモード成分への変換を低減するために２ｍｍ以下とすることが好ましく、一方、短過ぎると、端面を研磨する際に高い加工精度が要求され素子の作製が困難になるので、長さ（Ｌ）は０．１ｍｍ以上が好ましく、０．２ｍｍ以上がより好ましい。例えば、第１の領域２０の光の伝搬方向に沿った長さ（Ｌ）を１ｍｍとし、第２の領域２４の光の伝搬方向に沿った長さを９ｍｍとすることができる。
【００２３】
また、光波長変換素子１０の両端面は光学研磨されている。特に、光波長変換素子１０の出射側端面２６は斜めに研磨されて、チャンネル光導波路１６が延びる方向に垂直な面に対して、チャンネル光導波路１６が延びる方向に角度θ（３°≦θ）以上傾斜した傾斜面が形成されている。出射側端面２６をこのように斜めに研磨したことにより、基本波がチャンネル光導波路１６に再入射するのを防止することができる。そして、光波長変換素子１０の出射側端面２６には、基本波に対する反射率が０．２％以上のＡＲ（反射防止）コート２８が設けられている。また、入射側端面３０にも、基本波に対する反射率が０．２％以上のＡＲコート３２が設けられている。
【００２４】
次に、上記光波長変換素子１０の製造方法について説明する。まず、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、光学結晶基板（例えばＸカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ₃基板）１２上に、光導波路の入射端部となる領域に所定形状の開口３４を有する金属マスク３６を形成する。金属マスク３６は、例えばＴａ単一層、または下層からＴａ層、Ａｕ層及びＴａ層の順に積層された３層構造とすることができる。なお、開口３４の光伝搬方向と直交する方向の幅（マスク線幅）は６〜７μｍとすることができる。
【００２５】
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク３６を用いて第１回目のプロトン交換処理を行うことにより、高屈折率のプロトン交換部３８を形成する。第１回目のプロトン交換処理の条件は、例えばピロリン酸中で１８０〜１９０℃の温度範囲で６４分である。
【００２６】
次に、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングにより金属マスク３６を剥離して基板１２の表面を露出させた後、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、露出させた基板１２の表面上に、光伝搬方向となる方向に沿ってプロトン交換部３８と同じ幅の開口４０を有する金属マスク４２を形成する。プロトン交換部３８の上方には金属マスク４２が形成される。金属マスク４２は、金属マスク３６と同様に、例えばＴａ単一層、または下層からＴａ層、Ａｕ層及びＴａ層の順に積層された３層構造とすることができる。
【００２７】
次に、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク４２を用いて第２回目のプロトン交換処理を行うことにより、高屈折率のプロトン交換部４４を形成する。第２回目のプロトン交換処理を第１回目のプロトン交換処理よりも低い温度で行うことにより、プロトン交換部４４の厚さをプロトン交換部３８の厚さよりも浅くすることができる。第２回目のプロトン交換の条件は、例えばピロリン酸中で１６０〜１７０℃の温度範囲で６４分である。
【００２８】
次に、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングにより金属マスク４２を剥離して基板１２の表面を露出させた後、大気中でのアニール処理により交換されたプロトンを拡散させて、プロトン交換部３８及び４４を各々第１の領域２０及び第２の領域２４とし、屈折率差Δｎ₁の第１の領域２０及び屈折率差Δｎ₂の第２の領域２４を備えたチャンネル光導波路１６が形成される。
【００２９】
アニール処理は、例えば３５０〜３９０℃の温度範囲で６０分の条件で行う。このアニールによりチャンネル光導波路１６の第１の領域２０と第２の領域２４とは略同じ厚さ（約１〜２μｍ）となるが、深いプロトン交換部３８が形成された光入射側には、基板との屈折率差Δｎ₁の第１の領域２０が形成され、より浅いプロトン交換部４４が形成された光出射側には、基板との屈折率差Δｎ₂（Δｎ₁＞Δｎ₂、Δｎ₁＝０．０１）の第２の領域２４が形成される。このように屈折率差Δｎ₁を屈折率差Δｎ₂よりも大きくすることで、第１の領域２０の光閉じ込めを第２の領域２４の光閉じ込めよりも強くすることができる。
【００３０】
図１４（Ａ）に第１の領域２０の屈折率分布を示し、図１４（Ｂ）に第２の領域２４の屈折率分布を示す。両領域ではアニール処理によりプロトンが拡散され、基板表面から所定深さまで、即ちチャンネル光導波路の厚さに渡り屈折率がなだらかに減少している。
【００３１】
なお、上記では２回のプロトン交換処理の条件及びアニール処理の条件の一例を示したが、これらの条件は、所望の屈折率差Δｎ₁及びΔｎ₂が得られるように適宜選択される。第１の領域２０の基板との屈折率差Δｎ₁は、光導波路を導波するビーム径が半導体レーザの出射端における基本波１８のビーム径と略同じ値となる値とする。また、第２の領域２４の基板との屈折率差Δｎ₂は、強結合部である第１の領域２０よりも基本波１８を第２高調波へ変換する効率が高く、横モードがシングルモードの伝搬光の伝搬損失が小さくなる値とする。
【００３２】
次に、光導波路端面を含む基板１２の両端面を光学研磨する。出射側端面２６は、基本波が再入射するのを防止するために、光軸方向に垂直な面に対して光伝搬方向に所定角度傾斜した傾斜面が形成されるように研磨（以下、「斜めカット」と称する）する。なお、傾斜角度は３〜７°とすることができる。
【００３３】
次に、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、金属蒸着、及びリフトオフを用いて、所定構造の分極反転用電極４６を形成する。なお、分極反転用電極４６の詳細な構造は、特開平９‐２１８４３１号公報等に記載されている。そして、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、分極反転用電極４６に高電圧を印加する。例えば、電極間ギャップが４００μｍのときに２〜４ｋＶの電圧を１〜１０秒印加する。これにより基板１２に周期ドメイン反転構造１４が形成される。最後に、入射側端面３０及び出射側端面２６に、基本波に対する反射率が０．２％以下となるように、ＳｉＯ₂単層からなるＡＲコート２８、３２をそれぞれ形成し、光波長変換素子１０が完成する。
【００３４】
次に、上記の光波長変換素子１０を用いた光波長変換装置について説明する。図１０に示すように、この光波長変換装置は、半導体レーザ（レーザダイオード）５０、この半導体レーザ５０から発散光状態で出射したレーザビーム（後方出射光）１８Ｒを平行光化するコリメーターレンズ５２、平行光化されたレーザビーム１８Ｒを収束させる集光レンズ５３、これらのレンズ５２および５３の間に配された波長選択素子としての狭帯域バンドパスフィルタ５４、上記集光レンズ５３によるレーザビーム１８Ｒの収束位置に配置されたミラー５６、及び半導体レーザ５０の前方端面に直接結合されたいわゆる擬似位相整合型の光波長変換素子１０を有している。なお、半導体レーザ５０は半導体レーザ用の駆動回路（図示せず）に接続されている。
【００３５】
この光波長変換装置では、半導体レーザ５０から出射した後方出射光１８Ｒがミラー５６で反射され、半導体レーザ５０にフィードバックされる。つまりこの装置では、半導体レーザ５０の前方端面とミラー５６とによって半導体レーザ５０の外部共振器が構成されている。外部共振器長は例えば５０ｍｍである。
【００３６】
そして、この外部共振器の中に配された狭帯域バンドパスフィルタ５４により、狭帯域バンドパスフィルタ５４を透過するレーザビーム１８Ｒの波長が選択される。半導体レーザ５０はこの選択された波長で発振し、選択波長は狭帯域バンドパスフィルタ５４の回転位置（矢印Ａ方向の回転位置）に応じて変化するので、この狭帯域バンドパスフィルタ５４を適宜回転させることにより、半導体レーザ５０の発振波長を、狭帯域バンドパスフィルタ５４の透過波長範囲、即ち、光波長変換素子１０のドメイン反転部の周期Λと位相整合する波長に選択、ロックすることができる。
【００３７】
光波長変換素子１０内に、チャンネル光導波路１６の入射側端面３０からレーザビームを基本波１８として入射させると、基本波１８は第１の領域２０から第２の領域２４に伝搬される。第１の領域２０から第２の領域２４に伝搬された基本波１８は、第２の領域２４をＴＥモードで導波して、その周期ドメイン反転構造１４で位相整合（いわゆる擬似位相整合）されて、波長が１／２の第２高調波２２に波長変換される。例えば、中心波長９５０ｎｍのレーザビーム１８が入射すると、４７５ｎｍの第２高調波に波長変換される。この第２高調波２２は第２の領域２４を導波モードで伝搬して、波長約４７５ｎｍの青色光が出射側端面２６から発散光状態で出射する。
【００３８】
出射側端面２６からは、波長変換されなかったレーザビーム１８も発散光状態で出射し、第２高調波２２とともにコリメーターレンズ（図示せず）によって平行光化される。第２高調波２２はバンドパスフィルタやダイクロイックミラー等（図示せず）によってレーザビーム１８と分離され、所定の用途に用いられる。
【００３９】
上記の製造方法に従い、チャンネル光導波路１６の幅が６〜７μｍ、周期ドメイン反転構造１４の反転のピッチ（周期Λ）が５．３μｍ、反転長さが８ｍｍ、第１の領域２０の長さが１ｍｍで且つ第２の領域２４の長さが９ｍｍ、第１の領域２０の基板との屈折率差Δｎ₁が約０．０２、第２の領域２４の基板との屈折率差Δｎ₂が約０．０１の光波長変換素子（ＳＨＧ素子）を作製し、このＳＨＧ素子と半導体レーザとの結合効率を調べたところ、８５〜９５％の高い結合効率が得られた。一方、強結合部を設けずに半導体レーザを直接結合した場合の結合効率は５０％と低かった。
【００４０】
また、このＳＨＧ素子と半導体レーザとを直接結合して、９５０ｎｍのレーザビームを基本波として入射させ、光導波路の伝搬損失を調べたところ、強結合部である第１の領域では３〜１０ｄＢ／ｃｍの大きな損失が観測されたが、伝搬部である第２の領域では１ｄＢ／ｃｍ程度であった。従って、第１の領域の長さが１ｍｍで且つ第２の領域の長さが９ｍｍの場合には、第１の領域の伝搬損失が１０ｄＢ／ｃｍであっても光導波路全体の伝搬損失は約１９％程度に過ぎない。即ち、長さ１０ｍｍに渡って強結合部と同様の高屈折率差の光導波路を形成した場合には、光導波路全体の伝搬損失は約９０％になるのに対し、入射端部にのみ強結合部を形成した場合には伝搬損失が大幅に低減されることが分かった。
【００４１】
以上の通り、強結合部である第１の領域と伝搬部である第２の領域とからなる光導波路を備えた本実施の形態の光波長変換素子では、半導体レーザとの結合効率は約９０％と高く、伝搬損失は１９％と低かった。この結果、第２高調波の出力光量は３３ｍＷと向上した。強結合部である第１の領域が設けられていない伝搬部のみからなる光導波路を備えた従来の光波長変換素子と比較すると、下記表１に示すように、本実施の形態の光波長変換素子においては、結合効率は従来の光波長変換素子の１．８倍であり、伝搬損失は略同じである。また、半導体レーザの出力光量を１００ｍＷ、発振波長を９５０ｎｍ、光波長変換素子の第２高調波への波長変換効率を５００％／Ｗｃｍ²とすると、第２高調波の出力光量は従来の光波長変換素子の約３倍となる。
【００４２】
【表１】

【００４３】
以上説明したように、本実施の形態の光導波路型の光波長変換素子は、そのチャンネル光導波路が、基本波が入射する光入射側が光閉じ込めが強い第１の領域（強結合部）とされ、波長変換波としての第２高調波が出射する光出射側が強結合部から出射端側まで入射された光を低損失で伝搬する第２の領域（伝搬部）とされているので、強結合部においては光導波路を導波するビーム径を半導体レーザの出射端におけるビーム径に応じて小さくすることができ、高い結合効率で半導体レーザと結合することができると共に、半導体レーザから入射されたレーザビーム及び第２高調波を少ない伝搬損失で伝搬することができる。また、本実施の形態の光波長変換素子を用いた光波長変換装置は、高い変換効率で波長変換を行うことができ、波長変換光の出力光量も増大する。
【００４４】
上記実施の形態では、第１回目のプロトン交換処理により強結合部となる領域についてプロトン交換を行い、第２回目のプロトン交換処理により伝搬部となる領域についてプロトン交換を行ってチャンネル光導波路を形成する例について説明したが、他の方法によりチャンネル光導波路を形成することができる。以下、チャンネル光導波路の他の形成方法を説明する。
【００４５】
例えば、第１回目のプロトン交換処理により強結合部となる領域についてプロトン交換を行い、第２回目のプロトン交換処理により強結合部となる領域及び伝搬部となる領域の両方についてプロトン交換を行うようにしてもよい。
【００４６】
即ち、上記と同様に所定形状の開口３４を有する金属マスク３６を形成した後、この金属マスク３６を用い、プロトン交換処理の条件をピロリン酸中で１６０℃の温度範囲で３０〜６０分とする以外は上記と同様にして、第１回目のプロトン交換処理を行うことにより、高屈折率のプロトン交換部３８を形成する。
【００４７】
次に、上記と同様にエッチングにより金属マスク３６を剥離して基板１２の表面を露出させた後、図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、露出させた基板１２の表面上に、光伝搬方向となる方向に沿ってプロトン交換部３８と同じ幅で長さ９ｍｍの開口４０Ａを有する金属マスク４２Ａを形成する。このときプロトン交換部３８の上方は開口４０Ａとされる。
【００４８】
次に、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク４２Ａを用いて第２回目のプロトン交換処理を行うことにより、高屈折率のプロトン交換部３８及び４４Ａを形成する。第２回目のプロトン交換の条件は、ピロリン酸中で１６０〜１７０℃の温度範囲で６４分である。このように、プロトン交換部３８について重ねてプロトン交換処理を行ってプロトン交換部４８とすると共に、第１回目のプロトン交換処理よりも低い温度で第２回目のプロトン交換処理を行うことにより、プロトン交換部４４の厚さをプロトン交換部４８の厚さよりも浅くすることができる。また、プロトン交換部４８及び４４の間に未交換部分が生じることがなく、マスク形成時の位置合せが容易になる。
【００４９】
次に、上記と同様にエッチングにより金属マスク４２Ａを剥離して基板１２の表面を露出させた後、大気中でのアニール処理により交換されたプロトンを拡散させて、プロトン交換部４８及び４４を各々第１の領域２０及び第２の領域２４とし、屈折率差Δｎ₁の第１の領域２０及び屈折率差Δｎ₂の第２の領域２４を備えたチャンネル光導波路１６が形成される。
【００５０】
また、例えば、第１回目のプロトン交換処理により光導波路全般についてプロトン交換を行い、アニール処理後に第２回目のプロトン交換処理により強結合部となる領域を形成するようにしてもよい。
【００５１】
まず、図１５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、光学結晶基板（例えばＸカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ₃基板）１２上に、光伝搬方向となる方向に沿って開口３４Ｂを有する金属マスク３６Ｂを形成する。なお、開口３４Ｂの光伝搬方向と直交する方向の幅（マスク線幅）は６〜７μｍとすることができる。
【００５２】
次に、図１６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク３６Ｂを用いて第１回目のプロトン交換処理を行うことにより、高屈折率のプロトン交換部３８Ｂを形成する。第１回目のプロトン交換処理の条件は、例えばピロリン酸中で１６０〜１７０℃の温度範囲で６４分である。
【００５３】
次に、図１７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングにより金属マスク３６Ｂを剥離して基板１２の表面を露出させた後、大気中でのアニール処理により交換されたプロトンを拡散させて、厚さ（約１〜２μｍ）のチャンネル光導波路１６とする。アニール処理は、例えば３５０〜３７０℃の温度範囲で６０分の条件で行う。
【００５４】
次に、図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、露出させた基板１２の表面上に、光導波路の入射端部となる領域にチャンネル光導波路１６と同じ幅の開口４０Ｂを有する金属マスク４２Ｂを形成する。
【００５５】
次に、図１９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク４２Ｂを用いて第２回目のプロトン交換処理を行うことにより、高屈折率のプロトン交換部４９を厚さ約１０００オングストロームで形成する。第２回目のプロトン交換の条件は、例えばピロリン酸中で１６０℃の温度範囲で３０分である。チャンネル光導波路１６のうち第２回目のプロトン交換によりプロトン交換部４９が形成された光入射側を基板との屈折率差Δｎ₁の第１の領域２０とし、プロトン交換部４９が形成されなかった光出射側を基板との屈折率差Δｎ₂（Δｎ₁＞Δｎ₂、Δｎ₁＝０．１）の第２の領域２４とする。このように屈折率差Δｎ₁を屈折率差Δｎ₂よりも大きくすることで、第１の領域２０の光閉じ込めを第２の領域２４の光閉じ込めよりも強くすることができる。
【００５６】
図２０（Ａ）に第１の領域２０の屈折率分布を示し、図２０（Ｂ）に第２の領域２４の屈折率分布を示す。第２の領域２４では、プロトン交換部３８Ｂのアニール処理によりプロトンが拡散され、基板表面から所定深さまで、即ちチャンネル光導波路の厚さに渡り屈折率がなだらかに減少しているが、第１の領域２０では、プロトン交換部４９のプロトンは未拡散でありこの部分での屈折率差はΔｎは０．１と高く、基板との屈折率差Δｎ₁は０．１と高くなる。このように、プロトンが未拡散状態のプロトン交換部４９についてはプロトン濃度が高くなるので、第１の領域２０の屈折率差Δｎ₁をより大きくすることができ、より光閉じ込めを強くして、光閉じ込めにより光導波路１６を導波するビーム径を半導体レーザの出射端における基本波１８のビーム径と容易に一致させることができる。
【００５７】
次に、図２１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングにより金属マスク４２Ｂを剥離して基板１２の表面を露出させて、屈折率差Δｎ₁の第１の領域２０及び屈折率差Δｎ₂の第２の領域２４を備えたチャンネル光導波路１６が形成される。
【００５８】
また、上記実施の形態では、チャンネル光導波路の幅は、第１の領域及び第２の領域において同じ幅としたが、図１３（Ａ）に示すように、第１の領域２０の幅を第２の領域２４の幅より狭くすることができる。第１の領域２０はプロトン交換量が多いためマルチモード導波路になり易いが、第１の領域２０の幅を第２の領域２４の幅より狭くすることでマルチモード化するのを回避することができる。なお、図１３（Ｂ）に示すように、第１の領域２０の幅を出射側に向けてテーパ状に広げる態様とすることもできる。
【００５９】
上記実施の形態では、チャンネル光導波路の深さは、第１の領域及び第２の領域において同じ深さとし、第１の領域の基板との屈折率差Δｎ₁を第２の領域の基板との屈折率差Δｎ₂よりも大きくした例について説明したが、第１の領域及び第２の領域において基板との屈折率差を同じとし、第１の領域を第２の領域より浅く形成するようにしても、第１の領域の光閉じ込めを第２の領域の光閉じ込めよりも強くすることができる。
【００６０】
上記実施の形態では、光導波路素子として光波長変換素子に本発明を適用した例について説明したが、本発明は光導波路を用いた光学デバイス全般に適用することができる。例えば、電気光学変調器等の光導波路を用いた光変調器にも適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の光導波路素子は、高い結合効率で半導体レーザと結合することができると共に、入射されたレーザビームを少ない伝搬損失で伝搬することができる、という効果を奏する。また、本発明の光波長変換装置は、高い波長変換効率で基本波を波長変換することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る光波長変換素子の概略図であり、（Ａ）は光導波路に沿った断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図２】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図３】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図４】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図５】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図６】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図７】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図８】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図９】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１０】本実施の形態に係る光波長変換素子を用いた光波長変換装置の概略断面図である。
【図１１】本実施の形態に係る光波長変換素子の他の製造方法を説明する図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１２】本実施の形態に係る光波長変換素子の他の製造方法を説明する図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は本実施の形態に係る光波長変換素子の変形例を示す概略図である。
【図１４】（Ａ）及び（Ｂ）はチャンネル光導波路の深さ方向の屈折率分布を示す線図である。
【図１５】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１６】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１７】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１８】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１９】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図２０】（Ａ）及び（Ｂ）はチャンネル光導波路の深さ方向の屈折率分布を示す線図である。
【図２１】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【符号の説明】
１０光波長変換素子
１２基板
１４周期ドメイン反転構造
１６チャンネル光導波路
１８基本波
２０第１の領域
２２第２高調波
２４第２の領域
２６出射側端面
２８、３２ＡＲコート
３０入射側端面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide element and an optical wavelength conversion device, and more particularly to an optical waveguide element that includes an optical waveguide, guides a laser beam incident from a semiconductor laser, and guides the semiconductor laser and the optical waveguide. The present invention relates to an optical wavelength conversion device including an optical waveguide type optical wavelength conversion element that converts the wavelength of the fundamental wave.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an optical waveguide type optical wavelength conversion element that has an optical waveguide and converts the wavelength of a fundamental wave guided through the optical waveguide to a second harmonic or the like is known. Further, in this type of optical waveguide type optical wavelength conversion element, it is widely performed to form a periodic domain inversion structure in the optical waveguide to obtain so-called quasi phase matching.
[0003]
An optical waveguide type optical wavelength conversion element having the above periodic domain inversion structure is often used for wavelength conversion of a laser beam emitted from a semiconductor laser. In an optical wavelength conversion device that converts the wavelength of a laser beam emitted from a semiconductor laser by such an optical wavelength conversion element, if the optical coupling efficiency between the optical wavelength conversion element and the semiconductor laser is increased, the pumping capability of the semiconductor laser is increased. Increases, and the output of the wavelength-converted wave increases. That is, the performance of the optical wavelength converter can be improved. The optical coupling efficiency in the optical system that directly couples the optical wavelength conversion element and the semiconductor laser is so high that the beam diameter and beam profile of the two coincide with each other. If they coincide completely, the coupling efficiency is theoretically 100%.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, MgO 5 mol% doped LiNbO _Three In an optical wavelength conversion element having a proton exchange annealed optical waveguide formed by performing annealing after proton exchange on a substrate, the beam diameter coincides with a laser beam emitted from a semiconductor laser by optimizing proton exchange conditions and annealing conditions. In addition, there is a problem that a sufficient output light quantity cannot be obtained even if an optical waveguide having a beam profile is formed. At this time, the coupling efficiency estimated from the output light quantity of the light wavelength conversion element is only 10 to 20%.
[0005]
As a result of various studies by the inventors, the coupling efficiency when a laser beam is incident on a light wavelength conversion element having a proton exchange annealed optical waveguide from a semiconductor laser is as high as 90% or more, but the laser beam propagates through the optical waveguide. It has been found that the optical propagation loss is very large. The main cause of this light propagation loss is considered to be mode conversion loss. It is known that the fundamental wave incident from the semiconductor laser propagates in the proton exchange annealed optical waveguide in the TE mode, but a part thereof is converted into a polarized light component (TM mode) orthogonal to the TE mode during the propagation ( J. Ctyroky, J. Opt. Commun. 5 (1984) 1, p16-19, ACGNutt, J. Opt. Commun. 6 (1985) 1, p8-9). X and Y cut LiNbO _Three In the proton exchange annealed optical waveguide formed on the substrate, the TM mode component cannot be guided, and therefore the TM mode component leaks into the substrate. The amount of leakage of this TM mode component increases as the optical confinement of the optical waveguide is stronger, that is, as the refractive index difference between the optical waveguide and the substrate is larger. Also, the greater the amount of scattered light inside the optical waveguide, the interface between the substrate surface and air, etc., the greater the rate of conversion to the TM mode and the greater the amount of leakage.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to be able to couple with a semiconductor laser with high coupling efficiency and to propagate an incident laser beam with a small propagation loss. An object of the present invention is to provide an optical waveguide device capable of satisfying the requirements.
[0007]
Another object of the present invention is to provide an optical wavelength conversion device capable of converting the wavelength of a fundamental wave with high wavelength conversion efficiency.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical waveguide device according to claim 1 is a substrate having a nonlinear optical effect. An optical waveguide element having an optical waveguide formed thereon, wherein the optical waveguide is formed on an incident end side, and a refractive index difference with respect to the substrate is larger than that of other portions, and the first region A second region formed on the emission end side so as to be continuous with the first region and having a refractive index difference from the substrate smaller than that of the first region; It is characterized by that.
[0009]
According to another aspect of the optical waveguide element of the present invention, the optical waveguide formed on the substrate having a nonlinear optical effect is disposed on the incident end side. The first region where the refractive index difference from the substrate is larger than the other part (strong coupling part with strong optical confinement) Therefore, in the strong coupling portion, the beam diameter guided through the optical waveguide can be reduced according to the beam diameter at the emission end of the semiconductor laser, and can be coupled with the semiconductor laser with high coupling efficiency. . In particular, optical coupling efficiency can be increased in an optical system that directly couples an optical waveguide device and a semiconductor laser. An optical waveguide formed on a substrate having a nonlinear optical effect is A second region that is formed on the emission end side of the first region so as to be continuous with the first region and has a smaller refractive index difference from the substrate than the first region (a propagation unit that propagates incident light with low loss) Therefore, the laser beam incident from the semiconductor laser can be propagated with a small propagation loss.
[0010]
The present invention exhibits a particularly remarkable effect in the case of an optical waveguide device provided with an annealed proton exchange optical waveguide formed by annealing proton exchange. When the optical waveguide is an annealed proton exchange optical waveguide, a strong coupling portion with strong light confinement is formed by making the proton concentration in the strong coupling portion higher than the proton concentration in the portion other than the strong coupling portion of the optical waveguide. be able to.
[0011]
Further, the length of the strong coupling portion along the light propagation direction is preferably shorter in order to reduce the conversion to the TM mode component, and specifically, 2.0 mm or less is preferable. On the other hand, when the end face is too short, high processing accuracy is required when polishing the end face, and it becomes difficult to manufacture the element. Therefore, the length of the strong coupling portion along the light propagation direction is preferably 0.1 mm or more, and 0 .2 mm or more is more preferable. As a substrate having a nonlinear optical effect, MgO-doped or non-doped X-cut, Y-cut or off-cut LiNb _x Ta _1-x O _Three (0 ≦ x ≦ 1) can be used.
[0012]
The optical wavelength converter according to claim 5 is a substrate having a nonlinear optical effect. An optical waveguide element having an optical waveguide formed thereon, wherein the optical waveguide is formed on an incident end side, and a refractive index difference with respect to the substrate is larger than that of other portions, and the first region A second region formed on the emission end side so as to be continuous with the first region and having a refractive index difference from the substrate smaller than the first region, A wavelength conversion element for converting the wavelength of the fundamental wave incident from the incident end side of the optical waveguide and emitting the wavelength converted wave from the emission end side of the optical waveguide; and a laser beam incident on the wavelength conversion element as the fundamental wave And an emitting semiconductor laser.
[0013]
In the optical wavelength conversion device according to claim 6, when the laser beam emitted from the semiconductor laser is incident on the wavelength conversion element as a fundamental wave, the wavelength conversion element converts the wavelength of the fundamental wave incident from the incident end side of the optical waveguide. The wavelength-converted wave is emitted from the exit end side of the optical waveguide, but the optical waveguide of the wavelength conversion element has a strong coupling portion with strong light confinement on the incident end side. The beam diameter guided through the optical waveguide can be reduced according to the beam diameter at the emission end of the semiconductor laser, and can be coupled with the semiconductor laser with high coupling efficiency. In addition, this optical waveguide has a propagation part that propagates the light incident from the strong coupling part to the emission end side with low loss, so that the wavelength of the laser beam incident from the semiconductor laser is propagated with little propagation loss. Can be converted. This also improves the wavelength conversion efficiency of the optical wavelength conversion device.
[0014]
The present invention exhibits a particularly remarkable effect in the case of an optical waveguide device provided with an annealed proton exchange optical waveguide formed by annealing proton exchange. When the optical waveguide is an annealed proton exchange optical waveguide, a strong coupling portion with strong light confinement is formed by making the proton concentration in the strong coupling portion higher than the proton concentration in the portion other than the strong coupling portion of the optical waveguide. be able to. The length of the strong coupling portion along the light propagation direction is preferably in the range of 0.2 mm to 2.0 mm.
[0015]
Further, the optical wavelength conversion device is a substrate having a nonlinear optical effect. An optical waveguide element having an optical waveguide formed thereon, wherein the optical waveguide is formed on an incident end side, and a refractive index difference with respect to the substrate is larger than that of other portions, and the first region A second region formed on the emission end side so as to be continuous with the first region and having a refractive index difference from the substrate smaller than the first region, A wavelength conversion element that converts the wavelength of the fundamental wave incident from the incident end side of the optical waveguide and emits the wavelength-converted wave from the output end side of the optical waveguide, and emits a laser beam to the reflecting member side constituting the external resonator A semiconductor laser that emits a laser beam incident on the wavelength conversion element as the fundamental wave from a second end face different from the first end face, and disposed in an external resonator. And a wavelength selection element. In this case, the wavelength conversion element and the semiconductor laser can be directly coupled.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
As shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B), the optical wavelength conversion element 10 of the present embodiment is obtained by inverting the direction of spontaneous polarization parallel to the z axis on a substrate 12 made of a nonlinear optical crystal. A periodic domain inversion structure 14 in which domain inversion portions are periodically formed, and a channel optical waveguide 16 extending along the periodic domain inversion structure 14 are formed.
[0018]
As a nonlinear optical crystal constituting the substrate 12, for example, LiNb _x Ta _1-x O _Three A nonlinear optical crystal such as (0 ≦ x ≦ 1) or a crystal doped with MgO, ZnO, or Sc can be used. Further, as the substrate 12, these nonlinear optical crystals are cut into X cut, Y cut or off cut (cut so that the polarization axis is inclined at the angle θ (0 ° <θ <90 °) toward the z axis in the yz plane). A substrate can be used.
[0019]
The periodic domain inversion structure 14 is formed with a predetermined period Λ so that domain inversion portions are arranged in the y-axis direction of the substrate 12. The period Λ is determined so as to be a first-order period with respect to the wavelength in the vicinity of the fundamental wave in consideration of the wavelength dispersion of the refractive index of the nonlinear optical crystal. Such a periodic domain inversion structure 14 can be formed by, for example, a method described in JP-A-6-242478, a voltage application method, or the like.
[0020]
The channel optical waveguide 16 has a refractive index difference Δn between the light incident side on which the fundamental wave 18 is incident and the substrate. ₁ The light exit side from which the second harmonic wave 22 as the wavelength conversion wave is emitted has a refractive index difference of Δn from the substrate. ₂ The second region 24 (propagation unit). The strength of the optical confinement is determined by the refractive index difference Δn between the channel optical waveguide 16 and the substrate and the depth of the channel optical waveguide 16, and the greater the Δn is and the deeper the optical waveguide is, the stronger the optical confinement is.
[0021]
Here, the refractive index difference Δn with respect to the substrate of the first region 20 ₁ Is the difference in refractive index Δn from the substrate of the second region 24 ₂ Larger than, for example, Δn ₁ ≒ 2Δn ₂ It can be. Further, the refractive index difference Δn with respect to the substrate of the first region 20 ₁ Is a value at which the beam diameter guided through the optical waveguide is substantially the same as the beam diameter of the fundamental wave 18. Further, the refractive index difference Δn between the second region 24 and the substrate. ₂ Is a value capable of propagating the fundamental wave 18 and the second harmonic wave 22 in the TE mode and the transverse mode in the single mode. The depth of the channel optical waveguide 16 is substantially the same in the first region 20 and the second region 24.
[0022]
In addition, the length (L) along the light propagation direction of the first region 20 is preferably 2 mm or less in order to reduce the conversion to the TM mode component. On the other hand, if it is too short, the end face is polished. In this case, since high processing accuracy is required and it becomes difficult to manufacture the element, the length (L) is preferably 0.1 mm or more, and more preferably 0.2 mm or more. For example, the length (L) along the light propagation direction of the first region 20 can be 1 mm, and the length along the light propagation direction of the second region 24 can be 9 mm.
[0023]
Further, both end faces of the optical wavelength conversion element 10 are optically polished. In particular, the output-side end face 26 of the optical wavelength conversion element 10 is obliquely polished, and an angle θ (3 ° ≦ θ) in the direction in which the channel optical waveguide 16 extends with respect to a plane perpendicular to the direction in which the channel optical waveguide 16 extends. An inclined surface inclined as described above is formed. By polishing the emission-side end face 26 obliquely in this way, it is possible to prevent the fundamental wave from reentering the channel optical waveguide 16. An AR (antireflection) coat 28 having a reflectance with respect to the fundamental wave of 0.2% or more is provided on the emission side end face 26 of the optical wavelength conversion element 10. The incident side end face 30 is also provided with an AR coat 32 having a reflectance with respect to the fundamental wave of 0.2% or more.
[0024]
Next, a method for manufacturing the optical wavelength conversion element 10 will be described. First, as shown in FIGS. 2A and 2B, an optical crystal substrate (for example, X-cut MgO 5 mol% -doped LiNbO is used by photolithography, sputter deposition, and lift-off. _Three On a substrate 12, a metal mask 36 having an opening 34 having a predetermined shape is formed in a region that becomes an incident end of the optical waveguide. The metal mask 36 can be, for example, a Ta single layer or a three-layer structure in which a Ta layer, an Au layer, and a Ta layer are stacked in this order from the lower layer. In addition, the width | variety (mask line width) of the direction orthogonal to the light propagation direction of the opening 34 can be 6-7 micrometers.
[0025]
Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, a high-refractive-index proton exchange portion 38 is formed by performing a first proton exchange treatment using the metal mask 36. The conditions for the first proton exchange treatment are, for example, 64 minutes in a temperature range of 180 to 190 ° C. in pyrophosphoric acid.
[0026]
Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, after the metal mask 36 is peeled off by etching to expose the surface of the substrate 12, as shown in FIGS. 5A and 5B, Using photolithography, sputter deposition, and lift-off, a metal mask 42 having an opening 40 having the same width as the proton exchange portion 38 is formed on the exposed surface of the substrate 12 along the direction of the light propagation direction. . A metal mask 42 is formed above the proton exchange part 38. Similarly to the metal mask 36, the metal mask 42 may have a three-layer structure in which, for example, a Ta single layer or a lower layer, a Ta layer, an Au layer, and a Ta layer are stacked in this order.
[0027]
Next, as shown in FIGS. 6A and 6B, a proton exchange portion 44 having a high refractive index is formed by performing a second proton exchange treatment using the metal mask 42. By performing the second proton exchange process at a temperature lower than that of the first proton exchange process, the thickness of the proton exchange part 44 can be made shallower than the thickness of the proton exchange part 38. The conditions for the second proton exchange are, for example, 64 minutes in a temperature range of 160 to 170 ° C. in pyrophosphoric acid.
[0028]
Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, after the metal mask 42 is peeled off by etching to expose the surface of the substrate 12, the exchanged protons are diffused by annealing in the atmosphere. Thus, the

proton exchange portions

38 and 44 are defined as the first region 20 and the second region 24, respectively, and the refractive index difference Δn ₁ First region 20 and refractive index difference Δn ₂ The channel optical waveguide 16 having the second region 24 is formed.
[0029]
Annealing treatment is performed for 60 minutes in a temperature range of 350 to 390 ° C., for example. By this annealing, the first region 20 and the second region 24 of the channel optical waveguide 16 have substantially the same thickness (about 1 to 2 μm), but on the light incident side where the deep proton exchange portion 38 is formed, Refractive index difference Δn with substrate ₁ The first region 20 is formed, and the shallower proton exchange portion 44 is formed on the light emitting side, where the refractive index difference Δn from the substrate is ₂ (Δn ₁ > Δn ₂ , Δn ₁ = 0.01) second region 24 is formed. Thus, the refractive index difference Δn ₁ The refractive index difference Δn ₂ The optical confinement in the first region 20 can be made stronger than the optical confinement in the second region 24.
[0030]
FIG. 14A shows the refractive index distribution of the first region 20, and FIG. 14B shows the refractive index distribution of the second region 24. In both regions, protons are diffused by annealing, and the refractive index gradually decreases from the substrate surface to a predetermined depth, that is, over the thickness of the channel optical waveguide.
[0031]
In the above, an example of the conditions for the two proton exchange treatments and the conditions for the annealing treatment has been shown. ₁ And Δn ₂ Is appropriately selected so that is obtained. Refractive index difference Δn with the substrate in the first region 20 ₁ Is a value at which the beam diameter guided through the optical waveguide is substantially the same as the beam diameter of the fundamental wave 18 at the emission end of the semiconductor laser. Further, the refractive index difference Δn between the second region 24 and the substrate. ₂ Is higher in efficiency of converting the fundamental wave 18 to the second harmonic than in the first region 20 which is a strong coupling portion, and the propagation loss of the propagation light in which the transverse mode is a single mode is reduced.
[0032]
Next, both end surfaces of the substrate 12 including the optical waveguide end surface are optically polished. In order to prevent the fundamental wave from re-incident, the emission side end face 26 is polished so as to form an inclined surface inclined at a predetermined angle in the light propagation direction with respect to a surface perpendicular to the optical axis direction (hereinafter, “ It is called “oblique cut”. The inclination angle can be 3 to 7 °.
[0033]
Next, as shown in FIGS. 8A and 8B, a polarization inversion electrode 46 having a predetermined structure is formed using photolithography, metal deposition, and lift-off. The detailed structure of the polarization inversion electrode 46 is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-218431. Then, as shown in FIGS. 9A and 9B, a high voltage is applied to the polarization inversion electrode 46. For example, when the gap between the electrodes is 400 μm, a voltage of 2 to 4 kV is applied for 1 to 10 seconds. As a result, the periodic domain inversion structure 14 is formed on the substrate 12. Finally, the incident side end face 30 and the emission side end face 26 have SiO 2 so that the reflectance with respect to the fundamental wave is 0.2% or less. ₂ Single-

layer AR coatings

28 and 32 are formed to complete the optical wavelength conversion element 10.
[0034]
Next, an optical wavelength conversion device using the optical wavelength conversion element 10 will be described. As shown in FIG. 10, this optical wavelength conversion device includes a semiconductor laser (laser diode) 50 and a collimator lens 52 that collimates a laser beam (backward emitted light) 18R emitted from the semiconductor laser 50 in a divergent light state. , A condensing lens 53 for converging the collimated laser beam 18R, a narrow-band bandpass filter 54 as a wavelength selection element disposed between the lenses 52 and 53, and the laser beam 18R by the condensing lens 53 And a so-called quasi-phase matching type optical wavelength conversion element 10 directly coupled to the front end face of the semiconductor laser 50. The semiconductor laser 50 is connected to a driving circuit (not shown) for the semiconductor laser.
[0035]
In this optical wavelength conversion device, the backward emission light 18 </ b> R emitted from the semiconductor laser 50 is reflected by the mirror 56 and fed back to the semiconductor laser 50. That is, in this apparatus, the front end face of the semiconductor laser 50 and the mirror 56 constitute an external resonator of the semiconductor laser 50. The external resonator length is 50 mm, for example.
[0036]
The wavelength of the laser beam 18 </ b> R that passes through the narrowband bandpass filter 54 is selected by the narrowband bandpass filter 54 disposed in the external resonator. The semiconductor laser 50 oscillates at the selected wavelength, and the selected wavelength changes according to the rotation position (rotation position in the direction of arrow A) of the narrowband bandpass filter 54. Therefore, the narrowband bandpass filter 54 is appropriately rotated. By doing so, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 50 can be selected and locked to the transmission wavelength range of the narrow-band bandpass filter 54, that is, the wavelength that matches the phase Λ of the domain inversion portion of the optical wavelength conversion element 10. .
[0037]
When a laser beam is made incident as a fundamental wave 18 from the incident side end face 30 of the channel optical waveguide 16 into the optical wavelength conversion element 10, the fundamental wave 18 is propagated from the first region 20 to the second region 24. The fundamental wave 18 propagated from the first region 20 to the second region 24 is guided through the second region 24 in the TE mode and is phase-matched (so-called quasi-phase matching) by the periodic domain inversion structure 14. Thus, the wavelength is converted to the second harmonic wave 22 having a wavelength of ½. For example, when a laser beam 18 having a center wavelength of 950 nm is incident, the wavelength is converted to a second harmonic of 475 nm. The second harmonic wave 22 propagates in the second region 24 in a guided mode, and blue light having a wavelength of about 475 nm is emitted from the emission side end face 26 in a divergent light state.
[0038]
The laser beam 18 that has not been wavelength-converted also exits in a divergent light state from the exit-side end face 26 and is collimated by a collimator lens (not shown) together with the second harmonic wave 22. The second harmonic wave 22 is separated from the laser beam 18 by a band pass filter, a dichroic mirror or the like (not shown) and used for a predetermined application.
[0039]
According to the above manufacturing method, the width of the channel optical waveguide 16 is 6 to 7 μm, the inversion pitch (period Λ) of the periodic domain inversion structure 14 is 5.3 μm, the inversion length is 8 mm, and the length of the first region 20 is 1 mm, the length of the second region 24 is 9 mm, and the refractive index difference Δn from the substrate of the first region 20 ₁ Is about 0.02 and the refractive index difference Δn from the substrate of the second region 24 ₂ When an optical wavelength conversion element (SHG element) having a thickness of about 0.01 was fabricated and the coupling efficiency between the SHG element and the semiconductor laser was examined, a high coupling efficiency of 85 to 95% was obtained. On the other hand, the coupling efficiency when the semiconductor laser was directly coupled without providing the strong coupling portion was as low as 50%.
[0040]
Further, when the SHG element and the semiconductor laser were directly coupled and a laser beam of 950 nm was made incident as a fundamental wave and the propagation loss of the optical waveguide was examined, it was 3 to 10 dB / in the first region which is a strong coupling portion. Although a large loss of cm was observed, it was about 1 dB / cm in the second region which is a propagation part. Therefore, when the length of the first region is 1 mm and the length of the second region is 9 mm, even if the propagation loss of the first region is 10 dB / cm, the propagation loss of the entire optical waveguide is about Only 19%. That is, when an optical waveguide having a high refractive index difference similar to that of the strong coupling portion is formed over a length of 10 mm, the propagation loss of the entire optical waveguide is about 90%, whereas it is strong only at the incident end. It was found that the propagation loss is greatly reduced when the coupling portion is formed.
[0041]
As described above, in the optical wavelength conversion element according to the present embodiment including the optical waveguide including the first region that is the strong coupling portion and the second region that is the propagation portion, the coupling efficiency with the semiconductor laser is about 90. % And propagation loss was as low as 19%. As a result, the amount of output light of the second harmonic was improved to 33 mW. As shown in Table 1 below, the optical wavelength conversion according to the present embodiment is compared with a conventional optical wavelength conversion element having an optical waveguide composed only of a propagation part in which the first region which is a strong coupling part is not provided. In the device, the coupling efficiency is 1.8 times that of the conventional optical wavelength conversion device, and the propagation loss is substantially the same. Also, the output light quantity of the semiconductor laser is 100 mW, the oscillation wavelength is 950 nm, and the wavelength conversion efficiency to the second harmonic of the optical wavelength conversion element is 500% / Wcm. ² Then, the output light quantity of the second harmonic is about three times that of the conventional optical wavelength conversion element.
[0042]
[Table 1]

[0043]
As described above, in the optical waveguide type optical wavelength conversion element of the present embodiment, the channel optical waveguide is defined as the first region (strong coupling portion) where the light incident side where the fundamental wave is incident is strong in the light confinement. Since the light emission side from which the second harmonic wave as the wavelength conversion wave is emitted is a second region (propagation unit) that propagates light incident from the strong coupling portion to the emission end side with low loss, strong coupling In this section, the beam diameter guided through the optical waveguide can be reduced according to the beam diameter at the emission end of the semiconductor laser, and can be coupled with the semiconductor laser with high coupling efficiency, and the laser incident from the semiconductor laser. The beam and the second harmonic can be propagated with a small propagation loss. In addition, the optical wavelength conversion device using the optical wavelength conversion element of the present embodiment can perform wavelength conversion with high conversion efficiency, and the output light amount of wavelength converted light also increases.
[0044]
In the above embodiment, a channel optical waveguide is formed by exchanging protons in a region that becomes a strong coupling portion by the first proton exchange treatment and exchanging protons in a region that becomes a propagation portion by the second proton exchange treatment. Although the example to do was demonstrated, a channel optical waveguide can be formed by another method. Hereinafter, another method for forming the channel optical waveguide will be described.
[0045]
For example, proton exchange is performed for a region that becomes a strong coupling portion by the first proton exchange treatment, and proton exchange is performed for both a region that becomes a strong coupling portion and a region that becomes a propagation portion by the second proton exchange processing. It may be.
[0046]
That is, after forming a metal mask 36 having an opening 34 having a predetermined shape in the same manner as described above, this metal mask 36 is used and the conditions for proton exchange treatment are set to 30-60 minutes in a temperature range of 160 ° C. in pyrophosphoric acid. Except for the above, the first proton exchange treatment is performed in the same manner as described above to form the proton exchange portion 38 having a high refractive index.
[0047]
Next, after the metal mask 36 is peeled off by etching in the same manner as described above to expose the surface of the substrate 12, as shown in FIGS. 11A and 11B, photolithography, sputter deposition, and lift-off are performed. The metal mask 42A having the opening 40A having the same width as the proton exchange portion 38 and a length of 9 mm is formed on the exposed surface of the substrate 12 along the direction of the light propagation direction. At this time, the upper part of the proton exchange part 38 is an opening 40A.
[0048]
Next, as shown in FIGS. 12A and 12B, the second proton exchange process is performed using the metal mask 42A, thereby forming high-refractive-index proton exchange portions 38 and 44A. The condition for the second proton exchange is 64 minutes in a temperature range of 160 to 170 ° C. in pyrophosphoric acid. As described above, the proton exchange process is repeated for the proton exchange part 38 to form the proton exchange part 48, and the second proton exchange process is performed at a temperature lower than that of the first proton exchange process. The thickness of the exchange part 44 can be made shallower than the thickness of the proton exchange part 48. In addition, an unexchanged portion does not occur between the

proton exchange portions

48 and 44, and alignment during mask formation is facilitated.
[0049]
Next, the metal mask 42A is removed by etching in the same manner as described above to expose the surface of the substrate 12, and then the protons exchanged by the annealing process in the atmosphere are diffused to form the

proton exchange parts

48 and 44, respectively. The first region 20 and the second region 24 are used, and the refractive index difference Δn. ₁ First region 20 and refractive index difference Δn ₂ The channel optical waveguide 16 having the second region 24 is formed.
[0050]
Further, for example, proton exchange may be performed for the entire optical waveguide by the first proton exchange treatment, and a region that becomes a strong coupling portion may be formed by the second proton exchange treatment after the annealing treatment.
[0051]
First, as shown in FIGS. 15A and 15B, an optical crystal substrate (for example, X-cut MgO 5 mol% doped LiNbO) is formed by using photolithography, sputter deposition, and lift-off. _Three On the substrate 12, a metal mask 36 </ b> B having an opening 34 </ b> B is formed along the light propagation direction. The width (mask line width) in the direction orthogonal to the light propagation direction of the opening 34B can be 6 to 7 μm.
[0052]
Next, as shown in FIGS. 16A and 16B, a proton exchange portion 38B having a high refractive index is formed by performing a first proton exchange process using the metal mask 36B. The conditions for the first proton exchange treatment are, for example, 64 minutes in a temperature range of 160 to 170 ° C. in pyrophosphoric acid.
[0053]
Next, as shown in FIGS. 17A and 17B, the metal mask 36B is peeled off by etching to expose the surface of the substrate 12, and then the exchanged protons are diffused by annealing in the atmosphere. Thus, the channel optical waveguide 16 having a thickness (about 1 to 2 μm) is formed. Annealing treatment is performed for 60 minutes in a temperature range of 350 to 370 ° C., for example.
[0054]
Next, as shown in FIGS. 18A and 18B, a region serving as the incident end of the optical waveguide is formed on the exposed surface of the substrate 12 by using photolithography, sputter deposition, and lift-off. A metal mask 42B having an opening 40B having the same width as the channel optical waveguide 16 is formed.
[0055]
Next, as shown in FIGS. 19A and 19B, a second proton exchange treatment is performed using the metal mask 42B, so that the proton exchange portion 49 having a high refractive index is about 1000 angstroms thick. Form with. The conditions for the second proton exchange are, for example, 30 minutes in a temperature range of 160 ° C. in pyrophosphoric acid. The light incident side where the proton exchange part 49 is formed by the second proton exchange in the channel optical waveguide 16 is the refractive index difference Δn from the substrate. ₁ The first region 20 and the light exit side where the proton exchange portion 49 is not formed are the refractive index difference Δn from the substrate. ₂ (Δn ₁ > Δn ₂ , Δn ₁ = 0.1) of the second region 24. Thus, the refractive index difference Δn ₁ The refractive index difference Δn ₂ The optical confinement in the first region 20 can be made stronger than the optical confinement in the second region 24.
[0056]
FIG. 20A shows the refractive index distribution of the first region 20, and FIG. 20B shows the refractive index distribution of the second region 24. In the second region 24, protons are diffused by the annealing treatment of the proton exchange part 38B, and the refractive index gradually decreases from the substrate surface to a predetermined depth, that is, over the thickness of the channel optical waveguide. In the region 20, the protons in the proton exchange part 49 are not diffused, and the refractive index difference in this portion is as high as 0.1, and the refractive index difference Δn from the substrate. ₁ Becomes as high as 0.1. Thus, since the proton concentration is high in the proton exchange part 49 in which protons are not diffused, the refractive index difference Δn of the first region 20 is increased. ₁ Can be made larger, the optical confinement can be made stronger, and the beam diameter guided through the optical waveguide 16 by the optical confinement can be easily matched with the beam diameter of the fundamental wave 18 at the emission end of the semiconductor laser.
[0057]
Next, as shown in FIGS. 21A and 21B, the metal mask 42B is peeled off by etching to expose the surface of the substrate 12, and the refractive index difference Δn. ₁ First region 20 and refractive index difference Δn ₂ The channel optical waveguide 16 having the second region 24 is formed.
[0058]
In the above embodiment, the channel optical waveguide has the same width in the first region and the second region. However, as shown in FIG. The width of the second region 24 can be made narrower. The first region 20 is likely to be a multimode waveguide because of the large amount of proton exchange, but avoiding the multimode by making the width of the first region 20 narrower than the width of the second region 24. Can do. Note that as shown in FIG. 13B, the width of the first region 20 may be increased in a tapered shape toward the emission side.
[0059]
In the above embodiment, the channel optical waveguide has the same depth in the first region and the second region, and the refractive index difference Δn from the substrate in the first region. ₁ The difference in refractive index Δn from the substrate in the second region ₂ Although an example in which the first region and the second region have the same refractive index difference from the substrate and the first region is formed shallower than the second region has been described. The light confinement in the region can be made stronger than the light confinement in the second region.
[0060]
In the above embodiment, an example in which the present invention is applied to an optical wavelength conversion element as an optical waveguide element has been described. However, the present invention can be applied to all optical devices using an optical waveguide. For example, the present invention can be applied to an optical modulator using an optical waveguide such as an electro-optic modulator.
[0061]
【The invention's effect】
The optical waveguide device of the present invention can be coupled to a semiconductor laser with high coupling efficiency, and can produce an effect that an incident laser beam can be propagated with a small propagation loss. Further, the optical wavelength conversion device of the present invention has an effect that the fundamental wave can be wavelength-converted with high wavelength conversion efficiency.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are schematic views of an optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 1A is a cross-sectional view along an optical waveguide, and FIG. 1B is a plan view.
2A and 2B are diagrams showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 2A is a plan view, and FIG.
3A and 3B are diagrams showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 3A is a plan view, and FIG.
4A and 4B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 4A is a plan view, and FIG.
5A and 5B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG.
6A and 6B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AB in FIG.
7A and 7B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 7A is a plan view, and FIG.
8A and 8B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 8A is a plan view, and FIG.
FIGS. 9A and 9B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 9A is a plan view and FIG.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of an optical wavelength conversion device using an optical wavelength conversion element according to the present embodiment.
11A and 11B are diagrams for explaining another method of manufacturing the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, FIG. 11A is a plan view, and FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line AB in FIG. is there.
12A and 12B are diagrams for explaining another method of manufacturing the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, where FIG. 12A is a plan view, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line AB of FIG. is there.
FIGS. 13A and 13B are schematic views showing a modification of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment. FIGS.
14A and 14B are diagrams showing the refractive index distribution in the depth direction of the channel optical waveguide.
FIGS. 15A and 15B are diagrams showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, where FIG. 15A is a plan view and FIG.
16A and 16B are diagrams showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, where FIG. 16A is a plan view, and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG.
17A and 17B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 17A is a plan view, and FIG. 17B is a cross-sectional view taken along line AB in FIG.
18A and 18B are diagrams illustrating a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 18A is a plan view, and FIG. 18B is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG.
19A and 19B are diagrams showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 19A is a plan view, and FIG. 19B is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG.
20A and 20B are diagrams showing the refractive index distribution in the depth direction of the channel optical waveguide.
21A and 21B are diagrams showing a manufacturing process of the optical wavelength conversion element according to the present embodiment, in which FIG. 21A is a plan view, and FIG. 21B is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG.
[Explanation of symbols]
10 Optical wavelength conversion element
12 Substrate
14 Periodic domain inversion structure
16 channel optical waveguide
18 fundamental wave
20 First region
22 Second harmonic
24 Second area
26 Output end face
28, 32 AR coat
30 Incident side end face

Claims

非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、
前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域と、を有する光導波路素子。 An optical waveguide device in which an optical waveguide is formed on a substrate having a nonlinear optical effect ,
The optical waveguide is formed on the incident end side and has a refractive index difference with respect to the substrate larger than that of other portions, and is formed on the emission end side of the first region so as to be continuous with the first region. And an optical waveguide element having a second region having a refractive index difference with respect to the substrate smaller than the first region .

前記光導波路が、アニールプロトン交換により形成されたアニールプロトン交換光導波路であり、前記第１領域のプロトン濃度を前記第２領域のプロトン濃度よりも高くした請求項１に記載の光導波路素子。The optical waveguide device according to claim 1, wherein the optical waveguide is an annealed proton exchange optical waveguide formed by annealing proton exchange, and the proton concentration in the first region is higher than the proton concentration in the second region .

前記第１領域の光の伝搬方向に沿った長さが０．２〜２．０ｍｍである請求項１または２に記載の光導波路素子。3. The optical waveguide device according to claim 1, wherein a length of the first region along a light propagation direction is 0.2 to 2.0 mm.

前記非線形光学効果を有する基板は、ＭｇＯドープまたはノンドープのＸカット、ＹカットまたはオフカットのＬｉＮｂ_xＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）である請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路素子。4. The substrate according to claim 1, wherein the substrate having the nonlinear optical effect is MgO-doped or non-doped X-cut, Y-cut, or off-cut LiNb _x Ta 1- _x O 3 (0 ≦ x ≦ 1). Optical waveguide element.

非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域とを備え、前記光導波路の入射端側から入射した基本波を波長変換して、波長変換波を前記光導波路の出射端側から出射させる波長変換素子と、
該波長変換素子に前記基本波として入射するレーザビームを出射する半導体レーザと、
を備えた光波長変換装置。 An optical waveguide element in which an optical waveguide is formed on a substrate having a nonlinear optical effect , wherein the optical waveguide is formed on an incident end side, and a first region having a refractive index difference with respect to the substrate larger than other portions A second region formed on the emission end side of the first region so as to be continuous with the first region and having a refractive index difference with respect to the substrate smaller than that of the first region. A wavelength conversion element that converts the wavelength of the fundamental wave incident from the wavelength conversion element and emits the wavelength conversion wave from the output end side of the optical waveguide;
A semiconductor laser that emits a laser beam incident on the wavelength conversion element as the fundamental wave;
An optical wavelength conversion device comprising:

前記光導波路が、アニールプロトン交換により形成されたアニールプロトン交換光導波路であり、前記第１領域のプロトン濃度を前記第２領域のプロトン濃度よりも高くすると共に、前記第１領域の光の伝搬方向に沿った長さが０．２〜２．０ｍｍとした請求項５に記載の光波長変換装置。The optical waveguide is an annealed proton exchange optical waveguide formed by annealing proton exchange, the proton concentration in the first region is higher than the proton concentration in the second region , and the light propagation direction in the first region The optical wavelength converter according to claim 5, wherein the length along the line is 0.2 to 2.0 mm.

非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域とを備え、前記光導波路の入射端側から入射した基本波を波長変換して、波長変換波を前記光導波路の出射端側から出射させる波長変換素子と、
外部共振器を構成する反射部材側にレーザビームを出射する第１の端面を備えると共に、該第１の端面とは別の第２の端面から前記波長変換素子に前記基本波として入射するレーザビームを出射する半導体レーザと、
外部共振器内に配置された波長選択素子と、
を含む光波長変換装置。 An optical waveguide element in which an optical waveguide is formed on a substrate having a nonlinear optical effect , wherein the optical waveguide is formed on an incident end side, and a first region having a refractive index difference with respect to the substrate larger than other portions A second region formed on the emission end side of the first region so as to be continuous with the first region and having a refractive index difference with respect to the substrate smaller than that of the first region. A wavelength conversion element that converts the wavelength of the fundamental wave incident from the wavelength conversion element and emits the wavelength conversion wave from the output end side of the optical waveguide;
A laser beam that includes a first end face that emits a laser beam on the reflecting member side that constitutes the external resonator, and that is incident on the wavelength conversion element as the fundamental wave from a second end face that is different from the first end face A semiconductor laser that emits light;
A wavelength selection element disposed in the external resonator;
An optical wavelength conversion device including:

前記波長変換素子と前記半導体レーザとを直接結合した請求項７に記載の光波長変換装置。 The optical wavelength conversion device according to claim 7, wherein the wavelength conversion element and the semiconductor laser are directly coupled.