JP4549313B2

JP4549313B2 - 波長変換レーザ

Info

Publication number: JP4549313B2
Application number: JP2006145847A
Authority: JP
Inventors: 修忠永; 勉柳川; 雅生遊部; 好毅西田; 克明曲; 毅伺梅木; 博之鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2026-05-25
Also published as: JP2007316339A

Description

本発明は、波長変換レーザに関し、より詳細には、非線形光学媒質を用いて、差周波発生または和周波発生により所望の波長のコヒーレント光を出力する波長変換レーザに関する。

近年、環境問題が大きくクローズアップされ環境ガスの計測が重要となっている。環境ガスの多くは、波長２μｍ〜５μｍの中赤外域に基本振動またはその低次の倍音の吸収線を有している。従って、中赤外域において高出力のコヒーレント光を発生する中赤外光光源の需要が高まっている。このような光源として、波長３μｍ以上のレーザ光を出力するＰｂ塩レーザ、波長５μｍ以上のレーザ光を出力する量子カスケードレーザ等が知られている。しかし、低温動作であり、パルス駆動でのみの発振することから、実用性に乏しかった。

一方、細胞組織に蛍光標識で染色して細胞の働きを解析する蛍光顕微鏡が知られている。蛍光顕微鏡は、赤色蛍光たんぱく質の吸収波長帯である波長５００〜６００ｎｍの光源を用いている。しかしながら、この波長帯において、小型でコンパクトな光源、特に半導体レーザが実用化されていない。

近年、２次の非線形光学効果を利用した差周波発生を用いて、中赤外域のレーザ光を発生する波長変換レーザ（例えば、非特許文献１）、または和周波発生を用いて５００〜６００ｎｍのレーザ光を発生する波長変換レーザ（例えば、非特許文献２）の報告がなされている。ここで、差周波発生とは、非線形光学結晶に波長λ１と波長λ２のレーザ光を入射して、１／λ１−１／λ２＝１／λ３の関係を満たす波長λ３の変換光を得ることであり、和周波発生とは、非線形光学結晶に波長λ１と波長λ２のレーザ光を入射し、１／λ１＋１／λ２＝１／λ３の関係を満たす波長λ３の変換光を得ることである。

O. Tadanaga, et al., "Widely tunable 2-micron-band difference-frequency generation in direct-bonded quasi-phase-matched LiNbO3 ridge waveguide", CLEO/QELS CML5 2005 M. Asobe, et al., "Laser diode pumped 560-590 nm light source using sum-frequency generation in direct-bonded quasi-phase-matched LiNbO3 waveguide", CLEO/QELS CML3 2005 A. Keating, et al., "High-temperature optically pumpued 1.55 μm VCSEL operating at 6 Gb/s", IEEE Photon Tech. Lett. Vol.12, No.2, pp.116-118 (2000)

図１に、従来の波長変換レーザの構成を示す。波長変換レーザは、図１（ａ）に示したように、波長λ１のレーザ光を出力するレーザ１１と、波長λ２のレーザ光を出力するレーザ１２と、波長λ１と波長λ２のレーザ光を入射すると、波長λ３のレーザ光を出射する非線形光学結晶１３とから構成されている。

２つのレーザ光を合波する手段は、図１（ｂ）に示したように、レーザ１１，１２からの出力光を、レンズ２１，２２で平行光にし、合波器２４で２波を合波し、レンズ２３を介して非線形光学結晶１３に入射する。また、図１（ｃ）に示したように、レーザ１１，１２からの出力光を、光ファイバと合波器３１とを用いて非線形光学結晶１３に入射する。このような波長変換レーザは、２台のレーザ光源と合波手段とが必要であり、部品点数が多いという問題点があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡易な構成により、非線形光学効果を利用してコヒーレント光を出力する波長変換レーザを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の波長変換レーザは、波長λ１の光を発生するレーザ（５１）と、前記波長λ１の光を透過し、前記波長λ１より長い波長λ２の光を反射する第１のミラー（５４）と、前記波長λ１のレーザ光を透過し、前記波長λ２の光を反射し、前記波長λ２の反射率が前記第１のミラーの反射率より低い第２のミラー（５５）と、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の光軸上に配置され、前記波長λ１の光の一部を吸収し、前記波長λ２において利得を有することにより、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間で前記波長λ２のレーザ発振を励起する利得媒質（５２）と、前記第２のミラーを介して前記利得媒質から出射された前記波長λ１および前記波長λ２の光を入射し、差周波発生または和周波発生により中赤外光または可視光である波長λ３の変換光を出射する非線形光学結晶（５３）とを備え、前記第１のミラー、前記利得媒質および前記第２のミラーは、半導体基板上に順に積層されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長変換レーザにおいて、前記レーザは、前記半導体基板と前記第１のミラーとの間に第３のミラー、活性層および第４のミラーが順に積層されていることを特徴とする。

前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有することもできる。前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することもできる。

前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３、Ｋ_1-ｙＬｉ_ｙＴａ_1-ｘＮｂ_ｘＯ₃（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）、ＫＴｉＯＰＯ_４のいずれかにすることができる。前記非線形光学結晶は、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、第１のミラー（５４）、利得媒質（５２）および第２のミラー（５５）が、光励起型の面発光レーザとして機能して、波長λ１の光と波長λ２の光とを非線形光学結晶（５３）に入射して、差周波発生または和周波発生により波長λ３の変換光を出力するので、簡易な構成により、非線形光学効果を用いた波長変換レーザを構成することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図２に、本発明の一実施形態にかかる波長変換レーザの構成を示す。波長変換レーザは、波長λ１のレーザ光を出力するレーザ５１と非線形光学結晶５３とを備え、レーザ５１からのレーザ光が、非線形光学結晶５３に入射される光軸上に、ミラー５４と利得媒質５２とミラー５４とが順に配置されている。

波長λ１のレーザ光は、ミラー５４を透過し、一部が利得媒質５２に吸収され、残りは利得媒質５２を透過し、ミラー５５を透過して非線形光学結晶５３に入射される。利得媒質５２では、波長λ１のレーザ光の吸収によりキャリアが発生し、ミラー５４とミラー５５とによって形成される発振モードに従って、光励起型のレーザ発振が起こる。この発振波長λ２のレーザ光も、同時に非線形光学結晶５３に入射される。非線形光学結晶５３は、波長λ１と波長λ２の２波のレーザ光により、差周波発生または和周波発生により中赤外光または可視光である波長λ３の変換光を出力する。

図３に、本発明の実施例１にかかる波長変換レーザの構成を示す。波長変換レーザは、波長λ１のレーザ光を出力するレーザ１０１と非線形光学結晶１０３とを備え、レーザ１０１からのレーザ光が、非線形光学結晶１０３に入射される光軸上に、レンズ１０４と利得媒質を含む半導体素子１０２とレンズ１０５とが順に配置されている。レーザ１０１は、波長λ１＝９８０ｎｍのレーザ光を出力する。非線形光学結晶１０３は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：以下、ＬＮという）からなる。

半導体素子１０２は、ＧａＡｓ半導体基板１２１上に結晶成長により、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多層膜からなるＤＢＲミラー１２２と、利得媒質であるＧａＩｎＡｓＮ活性層１２３と、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多層膜からなるＤＢＲミラー１２４とが順に積層されている。ＤＢＲミラー１２２とＤＢＲミラー１２４とは、９８０ｎｍの光を透過し、１．２７μｍの光を反射する。１．２７μｍの光の反射率は、ＤＢＲミラー１２２がＤＢＲミラー１２４よりも高く設定されている。

活性層１２３は、波長λ２＝１．２７μｍに発振波長を有するようにバンドギャップが設計されており、９８０ｎｍに吸収率を有し、１．２７μｍの光の発光を行う。ここで、活性層１２３は、９８０ｎｍの光を全て吸収しない厚さに設定されている。すなわち、半導体素子１０２に入射された９８０ｎｍの光は、ＤＢＲミラー１２２を透過し、一部が活性層１２３に吸収され、残りは活性層１２３を透過し、ＤＢＲミラー１２４を透過して非線形光学結晶１０３に入射される。

９８０ｎｍの光を吸収した活性層１２３は、光励起により１．２７μｍの光を発光し、ＤＢＲミラー１２２とＤＢＲミラー１２４で構成される共振器で発振状態となり、波長λ２＝１．２７μｍのレーザ光を発光する。このように、半導体素子１０２は、光励起型の面発光レーザとして機能する。活性層１２３を透過した９８０ｎｍの光と１．２７μｍのレーザ光とは、レンズ１０５を介して非線形光学結晶１０３に入射される。

非線形光学結晶１０３の出射側から出力された光を、Ｇｅからなるフィルタを介して観測すると、波長λ３＝４．３μｍ、光強度３ｎＷの変換光を観測できる。波長４．３μｍの中赤外光は、ＣＯ_２ガスの検出に有効である。

図４に、本発明の実施例２にかかる波長変換レーザの構成を示す。図３に示した実施例１の構成と異なるところは、ＬＮからなる非線形光学結晶１３１の分極が、周期的に反転した構造を有する点である。反転周期は２６．７μｍである。半導体素子１０２の活性層１２３の組成と、ＤＢＲミラー１２２，１２４の反射特性を制御して、波長λ２＝１．３０μｍの光を出力させる。非線形光学結晶１３１の出射側から出力された光を、Ｇｅからなるフィルタを介して観測すると、波長λ３＝４．０μｍ、光強度１６０ｎＷの変換光を観測できる。波長４．０μｍの中赤外光は、ＳＯ_２ガスの検出に有効である。

次に、非線形光学結晶１３１の反転周期を７．８３μｍに設定する。非線形光学結晶１３１の出射側から出力された光を観測すると、波長λ３＝０．５６μｍ、光強度２．２μＷの変換光を観測できる。波長０．５６μｍの可視光は、蛍光顕微鏡で用いられる色素の励起光源として有効である。

図５に、本発明の実施例３にかかる波長変換レーザの構成を示す。図３に示した実施例１の構成と異なるところは、ＬＮからなる非線形光学結晶１３２の分極が、周期的に反転した構造を有し、導波路１３３が形成されている点である。反転周期は２５．０μｍである。非線形光学結晶１３２の出射側から出力された光を、Ｇｅからなるフィルタを介して観測すると、波長λ３＝４．３μｍ、光強度５μＷの変換光を観測できる。

図６に、周期的な分極反転構造を有し、導波路が形成された非線形光学結晶の製造方法を示す。最初に、予め周期分極反転構造が作製されているＬｉＮｂＯ_３基板１４１と、ＬｉＴａＯ_３基板１４２とを用意する。基板１４１，１４２は、いずれも両面が光学研磨されてある３インチウエハであり、厚さは５００μｍである。基板１４１，１４２の表面を通常の酸洗浄またはアルカリ洗浄によって親水性にした後、２つの基板を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板を電気炉に入れ、５００℃で３時間熱処理することにより接合を行う（第１の工程）。接合された基板はボイドフリーであり、室温に戻してもクラックなどは発生しない。

次に、グラインダなどの研削装置および研磨装置を用いて、基板４１の厚さが１４μｍになるまで薄膜化する。基板１４１の研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより、鏡面の研磨表面を得る（第２の工程）。次に、研磨された薄膜基板をダイシングソーにセットし、粒子径が４ミクロン以下のダイアモンドブレードを用いた精密加工により、コア幅１８μｍのリッジ導波路を作製する（第３の工程）。

図７に、本発明の実施例４にかかる波長変換レーザの構成を示す。図３に示した実施例１の構成と異なるところは、半導体素子１５０の半導体基板１５１にレンズ加工を施してある点である。半導体基板１５１のレーザ１０１と対向する面を凸状に加工し、図３に示したレンズ１０３の役割を持たせた。非線形光学結晶１０３の出射側から出力された光を、Ｇｅからなるフィルタを介して観測すると、波長λ３＝４．３μｍ、光強度２ｎＷの変換光を観測できる。

図８に、本発明の実施例５にかかる波長変換レーザの構成を示す。実施例５は、実施例１に示した波長変換レーザのレーザと半導体素子とを１つの半導体基板上に作製した多波長レーザ１６０を用いる。多波長レーザ１６０には、ＧａＡｓ半導体基板１６１上に結晶成長により、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多層膜からなるＤＢＲミラー１６２と、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ量子井戸からなる活性層１６３と、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多層膜からなるＤＢＲミラー１６４とが順に積層され、面発光レーザを構成している。この面発光レーザは、電流注入により波長λ１＝９８０ｎｍのレーザ光をＤＢＲミラー１６４から出力する。

さらに、ＤＢＲミラー１６４上に結晶成長により、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多層膜からなるＤＢＲミラー１６５と、ＧａＩｎＡｓＮ活性層１６６と、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多層膜からなるＤＢＲミラー１６７とが順に積層され、利得媒質を構成している。ＤＢＲミラー１６５とＤＢＲミラー１６７とは、９８０ｎｍの光を透過し、１．３０μｍの光を反射する。１．３０μｍの光の反射率は、ＤＢＲミラー１６５がＤＢＲミラー１６７よりも高く設定されている。

活性層１６６は、波長２＝１．３０μｍに発振波長を有するようにバンドギャップが設計されており、９８０ｎｍに吸収率を有し、１．３０μｍの光の発光を行う。ここで、活性層１６６は、９８０ｎｍの光を全て吸収しない厚さに設定されている。すなわち、利得媒質に入射された９８０ｎｍの光は、ＤＢＲミラー１６５を透過し、一部が活性層１６６に吸収され、残りは活性層１６６を透過し、ＤＢＲミラー１６７を透過して非線形光学結晶１０３に入射される。

９８０ｎｍの光を吸収した活性層１６６は、光励起により１．３０μｍの光を発光し、ＤＢＲミラー１６５とＤＢＲミラー１６７で構成される共振器で発振状態となり、波長λ２＝１．３０μｍのレーザ光を発光する。このように、利得媒質は、光励起型の面発光レーザとして機能する。活性層１６６を透過した９８０ｎｍの光と１．３０μｍのレーザ光とは、レンズ１０５を介して非線形光学結晶１０３に入射される。

非線形光学結晶１０３の出射側から出力された光を、Ｇｅからなるフィルタを介して観測すると、波長λ３＝４．０μｍ、光強度１２ｎＷの変換光を観測できる。

（波長変換レーザの実装方法）
図９に、実施例５にかかる波長変換レーザの実装方法を示す。多波長レーザ１６０は、例えば、ＴＯ−３８標準システムの金属部材２００に実装されている。さらに、多波長レーザ１６０からのレーザ光の出射方向に窓を有するＣＡＮパッケージ２０１により、多波長レーザ１６０を封止する。ＣＡＮパッケージ２０１の窓を有する面には、レーザ光の光軸上にレンズ１０５が固定されたレンズホルダー２０２を接続する。なお、ＣＡＮパッケージ２０１の窓の部分にレンズ１０５を組み込んでもよい。

レンズホルダー２０２には、レーザ光の光軸上に非線形光学結晶１０３が固定されたホルダー２０３を接続する。さらに、非線形光学結晶１０３から出力される光の光軸上に、ホルダーに固定されたフィルタ等を配置してもよい。このようにして、ＣＡＮパッケージにより多波長レーザを封止することで、波長変換レーザの信頼性を向上するとともに、ホルダーを介してレンズと非線形光学結晶とを固定することにより、波長変換レーザを組立てる際のアライメントを容易にすることができる。さらに、ＣＡＮパッケージとホルダーとを接合することにより、波長変換レーザの小型化を図ることができる。

（その他の実施例）
実施例１〜５において、波長λ１＝９８０ｎｍのレーザと１．３μｍ帯光を発光する利得媒質とを用いたが、例えば、波長λ１＝８５０ｎｍのレーザを用いてもよい。

実施例１〜５において、ＤＢＲミラーを、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多層膜で構成したが、誘電体多層膜を蒸着などにより形成してもよい。また、活性層を、ＧａＩｎＡｓＮで構成したが、III族としてＡｌ、Ｖ族としてＳｂ，Ｐなどの元素を用いたIII−Ｖ族の化合物半導体で構成してもよい。さらに、半導体素子として波長λ２＝１．３μｍ帯の光を発光するが、レーザの波長９８０ｎｍよりも長い波長１．２μｍ帯、１．５５μｍ帯の光を発光するようにしてもよい。さらにまた、活性層を量子井戸、量子箱を構成してもよい。

実施例１〜５において、活性層は、ＧａＡｓ基板上にＤＢＲミラー、活性層の順に結晶成長させて作製されている。例えば、ＧａＡｓ基板上にＤＢＲミラーを結晶成長させた後、別個に結晶成長させたＩｎＧａＡｓＰ活性層などを、ウェーハフュージョン法などにより接合してもよい。

実施例１〜５において、非線形光学結晶としてＬＮを用いたが、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３、Ｋ_1-ｙＬｉ_ｙＴａ_1-ｘＮｂ_ｘＯ₃（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）、ＫＴｉＯＰＯ_４のいずれかを適用することができる。また、これらの結晶は、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有してもよい。

実施例１〜３において、半導体素子１０２をレーザ光の進行方向に対して逆向けに配置し、レーザ１０１からの光をＤＢＲ１２４側から入射してもよい。この場合、光の反射率は、ＤＢＲ１２４がＤＢＲ１２２より高く設定される。

実施例３に示した導波路の作製方法に代えて、Ｔｉなどの金属拡散法またはプロトン交換法を適用することができる。

実施例４，５において、非線形光学結晶に周期的な分極反転構造を導入してもよい。さらに、導波路構造を導入してもよい。

実施例５において、ＤＢＲミラー１６４、ＤＢＲミラー１６５を個別に作製したが、９８０ｎｍ光と１．３μｍ帯光を反射する一体型ＤＢＲミラーとしてもよい。このとき、その反射率は、９８０ｎｍ光に対してＤＢＲミラー１６２よりも低く、１．３μｍ帯光に対してＤＢＲミラー１６６よりも高くなるように設定する。

従来の波長変換レーザの構成を示す図である。本発明の一実施形態にかかる波長変換レーザの構成を示す図である。本発明の実施例１にかかる波長変換レーザの構成を示す図である。本発明の実施例２にかかる波長変換レーザの構成を示す図である。本発明の実施例３にかかる波長変換レーザの構成を示す図である。周期的な分極反転構造を有し、導波路が形成された非線形光学結晶の製造方法を示す図である。本発明の実施例４にかかる波長変換レーザの構成を示す図である。本発明の実施例５にかかる波長変換レーザの構成を示す図である。実施例５にかかる波長変換レーザの実装方法を示す図である。

符号の説明

１１，１２，５１，１０１レーザ
１３，５３，１０３，１３１，１３２非線形光学結晶
２１，２２，２３，１０４，１０５レンズ
２４，３１合波器
２５，５４，５５ミラー
５２，１０２，１５０半導体素子
１２１，１５１，１６１半導体基板
１２２，１２４，１５２，１５４，１６２，１６４，１６５，１６７ＤＢＲミラー
１２３，１５３，１６３，１６６活性層
１３３導波路
１４１ＬｉＮｂＯ_３基板
１４２ＬｉＴａＯ_３基板
１６０多波長レーザ
２００金属部材
２０１ＣＡＮパッケージ
２０２レンズホルダー
２０３ホルダー

Claims

波長λ１の光を発生するレーザと、
前記波長λ１の光を透過し、前記波長λ１より長い波長λ２の光を反射する第１のミラーと、
前記波長λ１のレーザ光を透過し、前記波長λ２の光を反射し、前記波長λ２の反射率が前記第１のミラーの反射率より低い第２のミラーと、
前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の光軸上に配置され、前記波長λ１の光の一部を吸収し、前記波長λ２において利得を有することにより、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間で前記波長λ２のレーザ発振を励起する利得媒質と、
前記第２のミラーを介して前記利得媒質から出射された前記波長λ１および前記波長λ２の光を入射し、差周波発生または和周波発生により中赤外光または可視光である波長λ３の変換光を出射する非線形光学結晶とを備え、
前記第１のミラー、前記利得媒質および前記第２のミラーは、半導体基板上に順に積層されていることを特徴とする波長変換レーザ。
前記レーザは、前記半導体基板と前記第１のミラーとの間に第３のミラー、活性層および第４のミラーが順に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換レーザ。
前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することを特徴とする請求項３に記載の波長変換レーザ。
前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３、Ｋ_1-ｙＬｉ_ｙＴａ_1-ｘＮｂ_ｘＯ₃（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）、ＫＴｉＯＰＯ_４のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の波長変換レーザ。
前記非線形光学結晶は、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有することを特徴とする請求項５に記載の波長変換レーザ。