JP4907357B2

JP4907357B2 - 光波長変換光源

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Publication number: JP4907357B2
Application number: JP2006546557A
Authority: JP
Inventors: 清秀酒井; 康晴小矢田; 正雄今城; 浩平寺本; 重教渋江
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: US20080049796A1; WO2006059389A1; US7605973B2; JPWO2006059389A1

Description

この発明は、照明装置、印刷装置、ディスプレイ装置、光メモリ装置などに使用される光波長変換光源に関するものである。

半導体レーザダイオード素子は半導体結晶の組成と構造を変えることで、赤外から青紫に至る広い帯域で発振する。しかし、化合物半導体の結晶性の良い組成で無ければ長寿命や良い特性が得られないことから、実際に発振できる波長帯は限られており、色度の良い青色や緑色のものは開発途上である。また、青色や緑色の波長帯域ではＷ級の大出力のものが得られる見込みは得られておらず、高輝度が必要とされるレーザディスプレイなどの応用に適したものがない。そこで、現実的な方法として、半導体レーザダイオード素子から出射する基本波を、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶（以後、波長変換素子という）により高調波と位相整合して波長を変換する波長変換光源が注目され、その研究開発が続けられている。

従来の波長変換光源として、高反射膜と反射防止膜とを両端面に施した半導体レーザダイオード素子と、コア部にブラッグ回折格子を配した偏波面保存光ファイバとで構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献では、その高反射膜とブラッグ回折格子とで共振器を構成し、前記半導体レーザが狭線幅の安定単一モードハイブリッドレーザとして発振すること、このレーザの基本波を波長変換素子で波長変換することが記載されている。また、半導体レーザダイオード素子はレーザであることは重要ではなく、利得媒体であればよいことが記載されている。さらに、光ファイバとして偏波面保存型のものを使用する例や波長変換素子に導波路を備えるものも記載されている。

特表平１１−５０９９３３号公報（第６−１２頁、図１、図２、図３）

しかしながら、非線形光学素子からなる波長変換光源において、位相整合条件を満足させるための許容温度範囲が狭いなどの課題があった。

例えば、特表平１１−５０９９３３号公報に示された波長変換光源は、半導体レーザダイオード素子の背面の高反射膜と、光ファイバのコア内に配設されたブラッグ回折格子により構成された外部共振にて狭線幅の単一モードの基本波を発振させ、その基本波を波長変換素子で波長変換するものである。このような狭線幅の単一モードの基本波を波長変換するものは、例えば、Applied Physics Letter （Vol.83, No.18, pp. 3659-3661,2003）に詳しく開示されおり、固体レーザから出射する単一縦モードの光を周期分極反転構造を有する非線形光学結晶で波長変換している。その波長変換効率がピーク値の半分となる許容温度は、半値全幅で高々２．３℃と非常に狭く、高精度の温度制御が必要とされるという課題があった。

この発明は上記のような点に鑑みてなされたもので、許容温度幅を広げると共に、波長変換効率が高く、かつ簡単に構成できる波長変換光源を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明に係る波長変換光源は、反射防止膜が施され、コヒーレントコラプスモードで発振する半導体レーザダイオード素子と、前記半導体レーザダイオード素子に対向して配置されたレンズと、光入射面に反射手段が設けられ、かつ、第１の反射帯域幅を有した第１のブラッグ回折格子がコアに配設され、さらに、前記光入射面付近の前記コアに前記第１の反射帯域幅よりも広い第２の反射帯域幅を有した第２のブラッグ回折格子が配設された光ファイバと、前記半導体レーザダイオード素子の光を入射する非線形光学結晶からなる波長変換素子とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、半導体レーザダイオード素子と、ブラッグ回折格子がコアに配設された光ファイバと、半導体レーザダイオード素子の光を入射する非線形光学結晶からなる波長変換素子を備え、半導体レーザダイオード素子が多縦モードまたはコヒーレントコラプスモードで発振するようにしたので、波長変換素子の位相整合条件を満足する許容温度範囲を拡大することができ、また、環境条件に対して安定な波長変換光源を提供することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る波長変換光源の構成図である。この発明の実施の形態２に係る波長変換光源の構成図である。この発明の実施の形態２に係る基本波入力に対する２次高調波出力特性を示す図である。この発明の実施の形態２に係る波長変換素子の温度に対する２次高調波の出力特性を示す図である。この発明の実施の形態３に係る波長変換光源の構成図である。この発明の実施の形態５に係る波長変換光源の構成図である。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る波長変換光源の好適な実施の形態を詳細に説明する。この発明の実施の形態に係る波長変換光源は、例えば、照明装置内、印刷装置内、ディスプレイ装置内、光メモリ装置内に配置された光源に使用されるものである。

実施の形態１．
まず、光学結晶を用いた２次高調波発生による波長変換の動作から説明する。結晶に基本波を入射すると、その電界に誘起されて線形の分極が生じる。ところが、非対称中心を持つ光学結晶にレーザ光など強い電界を入力した場合、３階のテンソルをもつ電気感受率が無視できなくなり、角周波数ωの基本波に対し角周波数２ωと角周波数０の誘電分極が生じる現象があり、前者が２次高調波発生、後者が光整流と呼ばれる。

この非線形分極によって発生する２次高調波発生の効率を上げるためには、基本波と２次高調波の位相整合条件を満足させる必要があり、屈折率波長分散特性や常光線と異常光線に対する屈折率差を利用する方法など幾つかの方法が知られている。その中で、非線形光学結晶の自発分極の方向を１８０°交互に反転する擬似位相整合法は、交番の周期によって任意の動作波長を選べる、また非線形定数の大きな結晶軸を選択できるなどの特徴があり、この周期分極反転構造に光導波路を形成して２次高調波を効率よく発生させる目的で、最近、盛んに研究されている。

この周期分極反転構造で基本波を２次高調波に変換する現象は、モード結合理論で解析でき、例えば、栖原らがJournal of Quantum Electronics, Vol. 26, pp. 1265-1276にその変換効率の計算方法を詳細に示している。その計算方法によれば、例えば、波長９００〜１０００ｎｍ帯、長さ１０ｍｍのリチウムナイオベートの波長変換素子が位相整合する波長幅は０．１ｎｍ程度と大変に狭くなることが分かる。

一方、ファブリペロー共振器を有する半導体レーザダイオードの縦モード間隔Δλは、共振器間隔Ｌ、屈折率ｎ、波長λとすると、式（１）で決定され、例えば、波長９８０ｎｍ、長さ９００μｍ、屈折率ｎ_eが３．２から３．５の縦モード間隔は、半導体レーザダイオードの構造にもよるが実効屈折率ｎ_gが４から４．５程度になることから０．１３ｎｍ程度となり、波長変換素子における位相整合の許容波長幅内に複数の縦モードを入れることが難しいことが分かる。

従って、基本波光源として多縦モードの半導体レーザダイオード素子は殆ど利用されず、特表平１１−５０９９３３号公報に示されたように単一縦モード化が実施されてきた。なお、単一縦モードを得る構成は、半導体レーザダイオード素子と回折格子を利用した外部共振器によるもの、ＤＦＢ（Distributed Feedback）構造によるもの、ＤＢＲ（Distributed Bragg grating Reflector）構造によるものなど、多彩な報告例がある。

一方、長い共振器のガスレーザや、チタンサファイヤレーザなどで基本波を作ったときには、この波長変換素子の位相整合条件を満足する狭い許容波長幅の中に多くの縦モードの基本波が入射する。この場合は、基本波の角周波数ωの縦モードは角周波数２ωの２次高調波に変換され、同時に角周波数ω−δωと角周波数ω＋δωの縦モードは角周波数２ωの和周波として位相整合する（なお、δωは基本波の縦モード間隔を示す）。従って、位相整合条件を満足する多縦モードの基本波の変換効率は、単一波長による２次高調波の変換効率よりも最大２倍の変換効率が得られることが知られている。

この現象は、理論的にはHelmfrid等がJournal of Optical Society America B, Vol.8, pp.2326-2329で、実験的にはQu等がPhysical Review, Vol.47, pp.3259-3263で報告している。しかし、上記のような大型のレーザ装置は適用範囲が限られ、また、ファイバレーザなどで構成することは可能ではあるものの、実用性の高い半導体レーザダイオード素子では構成しにくいため、あまり注目されて来なかった。なお、特開２００１−２４２５００号公報に示される外部共振器を構成する方法があるものの、光学長が長いために環境温度の変化や機械的な変動に対して動作が不安定になりやすく、安定動作させるためには構造が複雑となり実用的ではなかった。

この発明の実施の形態１は、上述の半導体レーザダイオード素子による多縦モード発振を可能とし、かつ環境温度の変化や機械的な変動に対しても動作を安定させたものである。図１は、この発明の実施の形態１に係る波長変換光源の構成図である。図１に示す波長変換光源は、裏面に高反射膜２が蒸着され、前面に反射防止膜３が蒸着された半導体レーザダイオード素子１と、前記半導体レーザダイオード素子１と対向して配置された第一のレンズ４と、コアにブラック回折格子６が配設され、半導体レーザダイオード素子１からの出射光がレンズ４を介して光学的に結合する偏波面保存型の光ファイバ５と、前記光ファイバ５からの拡散光を収束させる第二のレンズ７と、前記光ファイバ５から光出力を第二のレンズ７を介して入射する非線形光学結晶からなる波長変換素子８とを備えている。なお、９は光線軌跡であり、図中で高反射膜２とブラッグ回折格子６とでファブリペロー共振器を構成している。

次に、動作について説明する。半導体レーザダイオード素子１は、前面に蒸着された反射防止膜３の反射率が０．１％以下に制御されており、単体でのレーザ発振を抑圧して、利得媒体として機能させている。また、高反射膜２の反射率を９０％、ブラッグ回折格子６の反射率を５〜１０％にしてファブリペロー共振器を構成すると共に、光の取り出し効率を改善している。なお、半導体レーザダイオード素子１とブラッグ回折格子６との距離は、波長変換素子８の位相整合条件を満足する許容波長幅の中に複数本の縦モードが入るように設定している。

この縦モードをＮ本とすると、単一モードと多縦モードとの波長変換効率の比は２−１／Ｎと近似することができ、多くの縦モードが入ったほうが良い。特に、縦モードの本数が極端に少ない場合は、特開２００１−２４２５００号公報に説明のあるモードホップ現象による光出力変化が発生するなどの課題がある。ここでは、波長変換効率を維持しながら許容温度幅が拡大する目的で、ブラッグ回折格子６の反射帯域の半値全幅を０．３ｎｍとして、多数の縦モードが許容されるようにしている。前述のHelmfrid 等の計算で予想されるとおり、位相整合条件を満足する許容温度の半値全幅が約２倍となり、格別の効果が得られた。なお、モード分配雑音で知られる縦モードの不安定性と非対称性があり、Helmfrid等の計算による和周波成分はかなり小さい状態であった。

実施の形態２．
次に、実施の形態２では、この波長変換素子８の狭い許容波長幅の中に位相整合する多くの縦モードを発生する方法として、半導体レーザダイオード素子１のコヒーレントコラプスモードを利用する。このコヒーレントコラプスモードは、半導体レーザダイオード素子１と光ファイバ部５に構成したブラッグ回折格子６とで発振できることはかなり古くから知られており、一時は波長可変光源用に研究されたが実用にはならず、相対強度雑音が大きいため信号光源には使用できないことから殆ど利用されなかった。

ところが、Giles等が、IEEE Photonics Technology Letter, Vol.6, pp.907-909等で光ファイバ通信用のエルビウム添加光ファイバ増幅器用のポンプ光源として使用できることを示すに至って、広く活用されるようになった。また、その光源の構成は、Ventrudo等がElectronics Letters, vol.30, pp.2147-2149により詳しく解説している。しかし、このコヒーレントコラプスモードは、それぞれのスペクトラムの線幅は１０〜５０ＧＨｚに拡大することが知られており、実際にそのようなスペクトラムが多数重なり合った基本波が波長変換素子で位相整合して効率よく変換できるか否かは公知文献が見当たらず、また不明な点が多い。

図２は、この発明の実施の形態２に係る波長変換光源の構成図である。図２に示す実施の形態２において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図２に示す実施の形態２に係る波長変換光源において、半導体レーザダイオード素子１の前面に反射防止膜３の代わりに低反射膜１０が蒸着されている他は図１とほぼ同一である。図中において、高反射膜２と低反射膜１０とで構成する第一の共振器の長さをＬ１、低反射膜１０とブラッグ回折格子６とで構成する第二の共振器の長さをＬ２としている。

前述の通り、コヒーレントコラプスモードの基本波を波長変換する変換効率については不明な点が多いことから、発明人らは実験と計算値とを比較することとした。実験系は図２に示すとおりであり、波長９８０ｎｍ、共振器長Ｌ１が１．８ｍｍの半導体レーザダイオード素子１の裏面に反射率９０％の高反射膜２を、前面に反射率０．５％の低反射膜１０を蒸着し、ファブリペロー型のレーザ共振器を構成した。

次に、前面からの出力光９が第一のレンズ４を介し、近端反射を防止するため入射面を斜め研磨した偏波面保存型の光ファイバ５と光学的に結合させ、結合効率７０％を得た。この光ファイバ５のコア部には位相マスク（図示せず）を介しては紫外線を照射することでピーク反射率と反射帯域の半値全幅がそれぞれ５％、０．４ｎｍのブラッグ回折格子６が設けられており、かつ、低反射膜１０とブラッグ回折格子６とで構成される共振器長Ｌ２をコヒーレント長よりも長い１．５ｍとしている。

その結果、コヒーレントコラプスモードのスペクトラム全体の包絡線の半値全幅が０．３ｎｍとなる波長９８０ｎｍの基本波光源が完成し、この基本波を第二のレンズ７を介して長さ１０ｍｍの５％酸化マグネシウム添加リチウムナイオベートに波長９８０ｎｍに対応する周期分極反転構造を形成した波長変換素子８に入力した。

図３は、その実験結果、並びに、スペクラム幅０．３ｎｍを包絡線するスペクトラムの２次高調波成分のみの計算結果（図３に実験値及び計算値と表示した）を示す。実験値と計算値はほぼ一致していることから、和周波による波長変換は非常に少ないと考えられる。これは、コヒーレントコラプスモードが、ファブリペロー共振器に対してコヒーレント長よりも長い位置に配置されたブラッグ回折格子６からの反射戻り光で縦モードの位相に擾乱を与えているものであり、基本波に含まれる角周波数ω−δωと角周波数ω＋δωの夫々のスペクトラムの位相がランダムに変動し、夫々の和周波を光軸方向に積分しても位相成分のランダム性のために和周波が増加しないものと考えられる。そのため、変換効率の局所的な変動が少なく制御性が改善するという効果が確認された。

さらに、図４に示す波長変換効率の温度特性を測定では、許容温度整合幅が５℃に広がっているという格別の効果が確認された。

従って、外部反射に対する基本波のスペクトラムや光強度の変化が少ないコヒーレントコラプスモードの特徴に加えて、光ファイバ５内に備えられたブラッグ回折格子６の反射波長帯を調整することで基本波のスペクトラムの包絡線を適宜に設計することにより、波長変換素子の位相整合条件を満足する許容温度幅を拡大することが可能である。更に、半導体レーザダイオード素子１とブラッグ回折格子６を有する光ファイバ５と波長変換素子８とを組合せることで、簡単で実用的な構成を提供できる。

実施の形態３．
ところで、上述の実施の形態２においては、半導体レーザダイオード１の共振器長Ｌ１を１．８ｍｍとしたので、素子単体でファブリペローレーザとして発振させたときの縦モード間隔は０．０８ｎｍである。ブラッグ回折格子６を利用して複合共振器を構成し、コヒーレントコラプスモードを発振させた場合のスペクトラムの包絡線の半値全幅は０．３ｎｍであり、計算上は３本のファブリペローモードが内在していると考えられる。このように複数のファブリペローモードを利用することでコヒーレントコラプスモードの光出力電流特性の直線性が改善することは以前から知られており、例えば、特開平９−２８３８４７号公報等にも記載がある。

しかし、波長変換効率を向上させようとすると、波長９８０ｎｍ、長さ１０ｍｍの波長変換素子８の位相整合の許容波長幅は０．１ｎｍと狭いので、コヒーレントコラプスモードのスペクトラム内に複数のファブリペローモードを入れるためには半導体レーザダイオード素子１の共振器長Ｌ１を著しく長くする必要があり、実際には困難か、可能であっても不要なコストが発生する課題が新たに発生する。そこで、短い半導体レーザダイオード素子を利用し、ファブリペローモードの間隔を狭める実用的な構造が必要である。

図５は、この発明の実施の形態３に係る波長変換光源の構成図である。図５において、図１または図２に示す実施の形態１または２と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図５に示す実施の形態３に係る波長変換光源において、コアにはブラック回折格子６が配設された光ファイバ５の光入射面には低反射膜１０が配設され、半導体レーザダイオード素子１は、コヒーレントコラプスモードで発振する以外は、図１に示す実施の形態１と同様である。

この実施の形態３によれば、図５に示すとおり、第一の共振器は、高反射膜２と低反射膜１０との間で構成されるので、結合光学系を長く設計することで第一の共振器の長さＬ１を長くすることが可能である。従って、ファブリペローモードの間隔を狭くすることができ、波長変換素子８の位相整合条件の許容波長幅に合わせて最適化されたブラッグ回折格子６の反射帯域の中に複数のファブリペローモードを配置することが可能となり、狭線幅、かつ光出力電流特性のキンクの少ないコヒーレントコラプスモードが得られる。また、半導体レーザダイオード素子１を小型化でき、コストの安いものが構成できる。

実施の形態４．
上述した実施の形態３においては、光ファイバ５の光入射面に低反射膜１０を使用したものを示したが、光ファイバ５の入射部に、斜め研磨などの反射対策を設けると共に、その付近のコア部に低反射率の第２のブラッグ回折格子を配置してもよく、この第２のブラッグ回折格子の反射帯域幅は第一のブラッグ回折格子６の反射帯域幅よりも広くするのが良く、上述のものと同様の効果が得られることは云うまでもない。

実施の形態５．
以上、上述した実施の形態１〜４において、半導体レーザダイオード素子１は、単一横モードの光導波路を有するものであり、連続波の最大光出力は１Ｗ程度が端面の光損傷の限度となっており、高出力化には課題があった。そこで、光の進行方向に沿って活性層及び光導波路が広がったフレア型の半導体レーザダイオード素子を利用することが考えられる。フレア型の半導体レーザダイオード素子を使用すれば、基本波の最大出力を３Ｗ以上に増加させることができ、かつ前記の実施の形態と同様の効果を奏する。

なお、上記実施の形態１〜５において、波長変換素子８として、周期分極反転構造による擬似位相整合法で位相整合する波長変換素子を示したが、位相整合の方法は屈折率波長分散と複屈折率を利用した方法でも良い。

また、上記実施の形態１〜５において、波長変換素子８は空間光を利用するバルク型のものを示したが、半導体レーザダイオード素子１の光を導波モードとして伝播する光導波路を備えても良く、基本波の輝度を高く維持できるため、２次高調波への波長変換効率が向上する。

この発明によれば、波長変換素子の位相整合条件を満足する許容温度範囲を拡大することができ、また、環境条件に対して安定な波長変換光源を提供することが可能となり、例えば、照明装置内、印刷装置内、ディスプレイ装置内、光メモリ装置内に配置された光源として用いて好適なものとなる。

Claims

反射防止膜が施され、コヒーレントコラプスモードで発振する半導体レーザダイオード素子と、
前記半導体レーザダイオード素子に対向して配置されたレンズと、
光入射面に反射手段が設けられ、かつ、第１の反射帯域幅を有した第１のブラッグ回折格子がコアに配設され、さらに、前記光入射面付近の前記コアに前記第１の反射帯域幅よりも広い第２の反射帯域幅を有した第２のブラッグ回折格子が配設された光ファイバと、
前記半導体レーザダイオード素子の光を入射する非線形光学結晶からなる波長変換素子と
を備えることを特徴とする波長変換光源。
請求項１に記載の波長変換光源において、
前記半導体レーザダイオード素子は、フレア型の半導体レーザダイオード素子である
ことを特徴とする波長変換光源。
請求項１に記載の波長変換光源において、
前記光ファイバは、偏波面保存型の光ファイバである
ことを特徴とする波長変換光源。
請求項１に記載の波長変換光源において、
前記波長変換素子は、擬似位相整合する周期分極反転構造を有する
ことを特徴とする波長変換光源。
請求項１に記載の波長変換光源において、
前記波長変換素子は、少なくとも前記半導体レーザダイオード素子の光を導波モードとして伝播する光導波路を有する
ことを特徴とする波長変換光源。