JPH05173213A

JPH05173213A - 導波路型第二高調波発生素子

Info

Publication number: JPH05173213A
Application number: JP3342693A
Authority: JP
Inventors: Kazutami Kawamoto; 和民川本; Akitomo Itou; 顕知伊藤; Hiroshi Kaede; 弘志楓; Kohei Ito; 康平伊藤; Satoshi Makio; 諭牧尾; Masazumi Sato; 正純佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1991-12-25
Filing date: 1991-12-25
Publication date: 1993-07-13

Abstract

(57)【要約】【目的】光源の波長が半分になるとレンズで集光した場
合集光径も半分になり、光ディスクに応用した場合記憶
密度が４倍になる。このため、半導体レーザ光の波長を
半分にする第二高調波発生素子が注目されているが、効
率の高い小形の素子の開発が重要な課題である。本発明
の目的は、高効率の導波路型第二高調波発生素子及びそ
の製造方法と、この素子を搭載した光ヘッドと光ディス
クを提供することにある。【構成】擬位相整合方式の導波路型第二高調波発生素子
の高効率化のポイントは、低伝搬損失の光導波路と、短
周期・矩形断面の分極反転格子の実現にある。このよう
な素子として図１にその構成を示す素子がある。矩形断
面の分極反転格子の形成は、周期的に分極反転した基板
の分域をＬＰＥ法で転写して結晶成長する方法で行う。【効果】屈折率が一様であることと分極反転格子の断面
形状が矩形であることにより高い効率で第二高調波が発
生できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導波路型の第二高調波
発生素子とその作製方法、および上記第二高調波発生素
子を用いたバルク型光ヘッドと集積化光ヘッド、ならび
に上記光ヘッドを用いた光ディスク装置およびレーザビ
ームプリンタ等の、光情報処理機器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、小形軽量の青色光源として、波長
約８００ｎｍの半導体レーザ光を導波路型の第二高調波
発生素子で半分の約４００ｎｍに変換したものが注目さ
れている。例えば、早い時期に提案されたものに、図２
に示すように、ニオブ酸リチウム（以下ＬｉＮｂＯ₃と
記す）の単結晶21の表面にチタン（Ｔｉ）を熱拡散する
ことにより形成した光導波路22の一端に、基本波23（パ
ワーＰ₁）を入射させる方式がある。さらに、例えば特
開昭６１−１８９３４公報に記載されているように、Ｌ
ｉＮｂＯ₃単結晶基板上に、プロトン交換法（ＬｉＮｂ
Ｏ₃のＬｉイオンとプロトンを一部置換して光導波路を
形成する方法）により光導波路を形成し、上記光導波路
の一端面に基本波を入射し、チェレンコフ放射により発
生した第二高調波を取り出す方式も提案されている。こ
れを図３に示す。さらに最近では、例えばエレクトロニ
クス・レターズ２５，１１（１９８９年）の第７３１頁
〜第７３２頁(Ｅlectronics Ｌetters，25，11）で論じ
られているように、分極反転を用いて位相整合を行う方
法が提案された。すなわち図４に示すように、ＬｉＮｂ
Ｏ₃結晶基板21上にＴｉ拡散によって回折格子41を作製
し、約１１００℃に加熱して回折格子層だけの分極を反
転させ、その後プロトン交換法によって光導波路42を作
製し、基本波23を入射し第二高調波24を取り出すもので
ある。結晶基板21としてタンタル酸リチウム（以下Ｌｉ
ＴａＯ₃と記す）を用いる場合には、Ｔｉ拡散の替わり
にプロトン交換法によって回折格子41を作製し、約６０
０℃に加熱して回折格子層だけの分極を反転させ、さら
にプロトン交換法によって光導波路42を作製する方法も
試みられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には、つぎに記すような問題があった。図２に示
すような方法は、基本波23としてｚ方向に偏光した常光
線、第二高調波24としてｙ方向に偏光した異常光線を用
い位相整合を行うものであるが、常光の屈折率の温度係
数と、異常光の屈折率の温度係数が大きく異なるため、
０．１℃以下の温度制御が必要であった。

【０００４】一方、図３に示すチェレンコフ放射を用い
る方法は、第二高調波のビーム形状が32のように三日月
型となり、極めて波面収差が大きく、これを回折限界ま
で絞り込むことは、ほとんど不可能である。

【０００５】上記２例に対して新しく提案された図４に
示す分極反転を用いて位相整合を行う方法は、第二高調
波24がコリメートされた光であるため、チェレンコフ放
射光に比較して集光が極めて容易であるという利点を持
つ。しかし、分極犯転格子形成のためにＴｉ拡散した部
分とＴｉ拡散されていない部分、あるいは、プロトン交
換した部分とプロトン交換されていない部分とで屈折率
が異なるため、その境界部のフレネル反射損等で基本波
が損失を受け、効率が低下することは避けられない。ま
た、分極反転格子をＴｉを拡散したりプロトン交換して
作製するため、分極反転格子の断面形状がＴｉ拡散層や
プロトン交換層の形状に依存し、このため矩形断面の分
極反転格子を作製することが本質的に困難である。Ｔｉ
拡散法で作製した分極反転格子の断面形状は略三角形で
あり、プロトン交換法で作製した分極反転格子の断面形
状は略半円形である。このため理想的な矩形断面の分極
反転格子を持つＳＨＧ素子本来の効率で第二高調波が発
生できていない。

【０００６】本発明の第一の目的は、高効率で、かつ波
面収差が小さく集光が容易な第二高調波が発生できる導
波路形の第二高調波発生素子を得ることにある。

【０００７】本発明の第二の目的は、上記第二高調波発
生素子の製造方法を得ることにある。

【０００８】本発明の第三の目的は、上記第二高調波発
生素子を用いた可視光発生用光源、およびそれを用いた
光ヘッド、ならびに前記光ヘッドを用いた光情報記録再
生装置を得ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の目的は、
光学基板と、該基板より屈折率の高い光導波層から成る
光素子において、前記基板の一部および光導波層両者の
非線形光学係数が周期的に反転せしめられている第二高
調波発生素子により、また、前記光学基板はＭｇＯ：Ｌ
ｉＮｂＯ₃であり、光導波層がＬｉＮｂＯ₃又は、基板よ
りマグネシウムのドープ量が少ないＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ
₃である第二高調波発生素子により、また、前記光学基
板は、ＬｉＴａＯ₃であり、光導波層がタンタルニオブ
酸リチウムである第二高調波発生素子によって達成され
る。

【００１０】本発明の第二の目的は、予め周期的に分極
反転したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃もしくはＬｉＴａＯ₃基板
を準備し、光導波層を構成する強誘電体金属酸化物の原
料粉末をフラックス存在下で加熱溶融することにより溶
融体を準備する工程と、前記分極反転した基板の表面を
前記溶融体に接触させ、前記溶融体の温度を結晶析出温
度に降下し、前記基板上に請求項１もしくは３記載の光
導波層を構成する金属酸化膜を液相エピタキシャル成長
させる工程を有する第二高調波発生素子の製造方法、ま
た、前記第二高調波発生素子の製造方法において、用い
るフラックスがバナジウム酸リチウム（ＬｉＶＯ₃）、
もしくはホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₂Ｏ₄）、もしくはフ
ッ化リチウム（ＬｉＦ）、もしくはフッ化カリウム（Ｋ
Ｆ）である第二高調波発生素子の製造方法によって達成
される。

【００１１】本発明の第三の目的は、前記第二高調発生
素子と、波長７８０ｎｍから１１００ｎｍの近赤外半導
体レーザ光源と、レーザ光源から出射するレーザ光を導
波路端面に集光するレンズ系からなる可視光発生用光源
によって、また、前記可視光発生用光源と、光源から出
射する光を光記録媒体の記録、再生面上に集光する集光
手段と、上記光記録媒体の記録、再生面からの反射光を
受光し検出する手段を備えた光ヘッドによって、かつま
た、光記録媒体を回転駆動する回転駆動制御手段と、上
記光記録媒体の半径方向に駆動して光情報の記録、再生
を行う光ヘッドと、該光ヘッドを搭載して走査、駆動す
るアクチュエータとを備えた光情報記録再生装置におい
て、上記アクチュエータに搭載する光ヘッドが、前記光
ヘッドである光情報記録再生装置によって達成される。

【００１２】

【作用】本発明は、つぎに示すような作用により、高い
効率の小形で、波面収差の小さい第二高調波を発生可能
な第二高調波発生素子を提供する。

【００１３】図５（ａ）に示すような三層構造の光導波
路を考える。

【００１４】51は基板、56は前記基板内で分極が反転さ
れている部分、52は光導波層で分極の方向が周期Λで反
転させられている。すなわち、54は分極が上向き、55は
分極が下向きの部分である。53はクラッド層で通常は空
気層である。基板51ならびに光導波層52が例えばＬｉＮ
ｂＯ₃のような空間群Ｒ３Ｃの強誘電体の場合、Ｍ．Ｄi
domenco Ｊr．らの文献、ジャーナル・オブ・アプライ
ド・フィジクス（Ｊournal of Ａpplied Ｐhysics）Ｖo
l.４０，Ｎo.２，pp７２０〜７３４によると、その屈折
率ｎは自発分極の向きによらない。したがって、屈折率
という観点からすれば、図５（ａ）のような構造はすべ
て入射光波長λに対し図５（ｂ）のようになる。一方、
上記文献によれば第二高調波の発生性能を表す係数ｄ
は、自発分極に比例する。したがって図５（ａ）のよう
な構造についてみると、（ａ）と同じく周期Λを持つ構
造（図５（ｃ））となる。特に光導波層に閉じ込められ
た導波光について考えると、基板層の非線形効果はほと
んど無視できるので、充分良い精度で図５（ｃ）の構造
は図５（ｄ）の構造で近似できる。入射光として図５
（ｄ）の座標系における基板に垂直な方向（ｚ方向）に
偏光したＴＭ波を考え、その伝搬方向をｘ方向とする
と、その電場のｚ成分は、数１で表される。

【００１５】

【数１】

【００１６】全く同様に、第二高調波も基板と垂直方向
に偏光したＴＭ波であるとすると、その電場のｚ成分は
数２で表される。

【００１７】

【数２】

【００１８】第二高調波を発生させる非線形分極は数３
で表される。

【００１９】

【数３】

【００２０】一方、非線形分極を考慮したＭａｘｗｅｌ
ｌの方程式は、数４で表される。

【００２１】

【数４】

【００２２】数３を数４へ代入し、数５で表される波動
方程式、

【００２３】

【数５】

【００２４】並びに数６で表される近似

【００２５】

【数６】

【００２６】を用いると数７を得る。

【００２７】

【数７】

【００２８】数７に数８を乗じ、Ｚ＝−∞からＺ＝∞ま
で積分すると、基本波から第二高調波へのパワー移行を
支配する数９を得る。

【００２９】

【数８】

【００３０】

【数９】

【００３１】図５の場合、非線形光学係数ｄ₃₃₃は周期
的に向きを変えているので、数１０のようにフーリエ級
数に展開できる。

【００３２】

【数１０】

【００３３】上記周期Λは、位相整合条件を満足させる
ように数１１のように決定する。

【００３４】

【数１１】

【００３５】これにより、基本波と第二高調波の位相整
合は容易になされ、数９は数１２のように表される。

【００３６】

【数１２】

【００３７】数１２をｘ＝０からｘ＝ｌまで積分し（た
だし、基本波のパワーは殆ど変化せず一定とみなす）、
ｘ＝０で第二高調波の振幅がゼロであるという境界条件
を用いると、基本波から第二高調波への変換効率ηは数
１３で表される。

【００３８】

【数１３】

【００３９】以上により本発明によれば、（１）分極反転格子の周期を数１１を満足するように選
ぶだけで、分極が反転した図５（ｃ）のような構造にお
いて容易に基本波と第二高調波の位相整合が実現でき、
高い効率の第二高調波発生素子が構成できる。

【００４０】（２）発生する第二高調波がコリメートさ
れた導波光であるため、出射した第二高調波の波面収差
が小さく、回折限界まで光を絞り込める。

【００４１】（３）導波光の進行方向に関して屈折率が
一様であるため、光の散乱が小さい。上記各特性を有す
る、高性能の第二高調波発生素子を構成できる。

【００４２】

【実施例】次に本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１は本発明による第二高調波発生素子の一実施例を示
す構成図で（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、図５は本
発明素子の動作説明図、図６は本発明の第二実施例を示
す図、図７は本発明の第二実施例の動作説明図、図８
（ａ）〜（ｆ）は上記第二高調波発生素子の製造工程を
それぞれ示す図、図９は本発明の第二実施例の第二高調
波発生素子の製造工程をそれぞれを示す図、図１０はは
本発明の第二高調波発生素子を搭載した追記型光ヘッド
の概略図、図１１は本発明の第二高調波発生素子を搭載
した光磁気型光ヘッドの概略図、図１２は本発明の第二
高調波発生素子を搭載した光情報記録再生装置の概略図
である。

【００４３】第一実施例図１において、14は表面が＋ｃ面である５ｍｏｌ％Ｍｇ
ＯドープのＺｃｕｔＬｉＮｂＯ₃単結晶基板、16は１ｍ
ｏｌ％ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ₃単結晶薄膜で、通常自
発分極は上向きである。15、17は分極が反転された部分
で、この部分では分極は下向きである。Ｍ．Ｄｉｄｏｍ
ｅｎｉｃｏＪｒ．らの文献、ジャーナル・オブ・アプ
ライド・フィジクス（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌ
ｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２，
７２０頁から７３４頁によると、非線形光学係数の符号
は、ＬｉＮｂＯ₃またはＬｉＴａＯ₃等の空間群Ｒ３ｃの
強誘電体結晶の場合自発分極の向きと一致する。従っ
て、本実施例の基板並びに光導波層の非線形光学係数も
周期的に反転されていると言える。18はリッジ型の光導
波部であり、基本波、第二高調波ともこの部分に閉じ込
められて伝搬する。13は入射基本波で結晶表面に垂直方
向に偏光している。19は分極反転回折格子部17により発
生せしめられた第二高調波で、やはり結晶表面に垂直な
方向に偏光している。

【００４４】次に、液相エピタキシャル成長法を用いた
上記第二高調波発生素子の製造方法を図８を用いて説明
する。

【００４５】まず表面に周期的に分極反転を行った５ｍ
ｏｌ％ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ₃基板を用意する。基板
表面への分極反転格子の形成は次のように行った。＋ｃ
面を使用レーザ光波長λの１／１０程度まで研磨した基
板をアセトン、イソプロピールアルコール、純水中で超
音波洗浄し、これを乾燥させた後＋ｃ面にＴｉ81を３０
Åスパッタリングで成膜した。Ｔｉ81膜上にホトレジス
ト82をスピンナーで塗布し、分極反転17を行う部分が窓
あけされたホトマスクを用い、通常のホトリソグラフィ
技術によりホトレジスト82のパターニングを行った。パ
ターニングしたホトレジスト82をマスクとして、ＣＦ₃
Ｃｌガスを用いたＲＩＥによりＴｉ81をパターニング
し、次にホトレジスト82を除去した。ホトマスクのパタ
ーン周期は、２．５から３．５μｍまで０．１μｍずつ
異なるもの１１種類のものを作製した。次に上記基板を
電気炉に入れ、約８０℃の温水のバブラー中を通して水
蒸気を含ませたＡｒの雰囲気下において、約１１００℃
で約１０分熱処理した。冷却時には雰囲気を水蒸気を含
ませたＯ₂に変えた。これにより基板表面に分域反転域1
5が形成された。

【００４６】次に、上記のように用意された基板の＋ｃ
面に、液相エピタキシャル結晶成長法で基板の分域を転
写したＭｇＯドープＬｉＮｂＯ₃単結晶薄膜を成長させ
る。これは以下のように行った。まずエピタキシャル成
長時の溶融体の調整を行った。光導波層材料である１ｍ
ｏｌ％ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ₃が２０ｍｏｌ％、フラ
ックス材料の硼酸リチウムＬｉ₂Ｂ₂Ｏ₄が８０ｍｏｌ％
となるように、原料として炭酸リチウムＬｉ₂ＣＯ₃、硼
酸Ｈ₃ＢＯ₃、五酸化ニオブＮｂ₂Ｏ₅、酸化マグネシウム
ＭｇＯの各粉末を秤量し、これらの混合物を乳鉢でよく
混合したのち白金るつぼに入れて、電気炉内で空気雰囲
気下において１２００℃の温度で５時間加熱し、均一の
溶融体を作製した。この溶融体を８００℃まで６０℃／
ｈの冷却速度で冷却し、＋ｃ面が周期的に分極反転され
た上記５ｍｏｌ％ＭｇＯドープのＺｃｕｔＬｉＮｂＯ₃
単結晶基板を上記溶融体中に所定時間接触させ、図８
（ｆ）のように、基板上に１ｍｏｌ％ＭｇＯドープＬｉ
ＮｂＯ₃薄膜２を２．５μｍ成長させた。ついで溶融体
と基板とを分離し、基板を電気炉中で室温まで３０℃／
ｈの冷却速度で徐冷した。ＥＰＭＡによってＭｇの含有
率を調べたところ、ほぼ１ｍｏｌ％であった。また、成
長させた単結晶薄膜における分域を、硝酸：ふっ酸＝
１：２のエッチング液でエッチングしエッチング状態の
違いからから観察したところ、分極の方向は下地基板の
分極と同一であって、また薄膜における分域の界面は基
板と薄膜との界面に対してほぼ垂直であった。すなわち
断面形状がほぼ矩形の分極反転格子が形成できた。な
お、上記フラックス材料の添加量は７０から９０ｍｏｌ
％の範囲が望ましい。また、接触時間は薄膜の膜厚によ
って異なるが、膜厚が０．５から３μｍであれば１０か
ら３０分である。また、フラックス材料としては上記硼
酸リチウムのほか、フッ化リチウムＬｉＦ、フッ化カリ
ウムＫＦ、バナジウム酸リチウムＬｉＶＯ₃等を用いて
も良い。

【００４７】その後、図８（ｆ）のように作製した薄膜
をオゾン雰囲気内でアニールし、酸素の欠損を補った。

【００４８】最後に、チャンネル部を作製した。まずチ
ャンネル部のみが光遮蔽部となっているホトマスクを用
いて、ホトレジストをパターニングし、次にこのホトレ
ジストをマスクとして、イオンミリングにより、薄膜を
２μｍエッチングした。チャンネル幅は３μｍである。
その後ホトレジストを除去してチャンネル部を作製し
た。本工程で使用したイオンミリング装置は、プラズマ
室が円錐状の空洞真空容器の外周に複数の永久磁石を配
した構造であり、また、プラズマ生成室で生成したイオ
ンが、加速電極、減速電極、接地電極の三枚組の電極に
よって引きだされる構造である。このため、イオンの空
間密度分布が一様であり、かつ指向性も極めて高く、極
めて高精度のエッチングが可能である。

【００４９】この作製された１ｍｏｌ％ＭｇＯドープＬ
ｉＮｂＯ₃チャンネル薄膜に、波長を８３０ｎｍにチュ
ーニングしたＴｉ−Ｓレーザ光を基板表面と垂直な方向
に偏光させ、プリズムカップラを用いて入射させたとこ
ろ、基板の表面と垂直な方向に電場の主成分を持つ一本
のＴＭモードが励振され、その実効屈折率Ｎ（ω）＝
２．１６８６であった。一方波長を４１５ｎｍにチュー
ニングした色素レーザで同様の測定を行うと、二本のモ
ードが励振され、低次モードの実効屈折率は、Ｎ（２
ω）＝２．３０１６であった。またカットバック法によ
り８３０ｎｍの光に対する光伝搬損失を測定したとこ
ろ、１ｄＢ／ｃｍという良好な値を得た。この理由は、
まず第一に液相エピタキシャル成長により化学量論的組
成にきわてて近い高品質の薄膜が成長できたこと、第二
に指向性の高いイオンミリング装置を用いたエッチング
が行えるため、チャンネル部の側壁が極めて高精度に加
工できたことである。

【００５０】数１１により分極反転周期を求めると（Ｍ
＝１の場合）約３．１μｍであるから、３．１μｍの周
期を持つ試料をチャンネル部に平行な方向の長さを１０
ｍｍ、垂直な方向の長さを５ｍｍとなるように切断し、
５ｍｍの辺を研磨して第二高調波発生実験を行った。レ
ーザ光源としてＴｉ−Ｓレーザを用い、対物レンズによ
りチャンネル部端面に光を集光した。また試料はペルチ
ェ素子に接続した銅ブロック上に乗せ、熱電対で温度を
モニタした。まず温度を２５℃にして第二高調波の発生
効率を測定した。レーザ光源の波長を変えて効率が最大
になる波長を探した。その結果、４０ｍＷの基本波入力
時で得られた第二高調波出力は４ｍＷであり、フレネル
反射損失を考慮した効率は１１．８％である。これは数
１８から計算される理論値４０％に対しては約１／３で
あるが、従来例に比べると充分に高い効率が得られた。
今後出力２００ｍＷの大出力半導体レーザを結合効率５
０％で光導波路へ結合すれば効率は約３０％となり、３
０ｍＷの第二高調波出力が得られて光磁気型光ディスク
や相変化型光ディスクの書き込み、再生用の光源として
使用できる。

【００５１】第二実施例次に、基板としてタンタル酸リチウム（以下ＬｉＴａＯ
₃と略称する）単結晶基板、光導波層としてタンタルニ
オブ酸リチウムをもちいた第二の実施例を示す。

【００５２】図６において、64は表面が＋ｃ面であるＺ
ｃｕｔのタンタル酸リチウム単結晶基板、66はタンタル
ニオブ酸リチウム薄膜でその化学式は化１で表される。
ただし、ＴａとＮｂの組成比ｘは０と０．１の間であ
り、自発分極の向きは通常上向きである。65は分極が反
転された部分であり、この部分の自発分極の向きは下向
きである。68はリッジ型の光導波部であり、基本波、第
二高調波ともこの部分に閉じ込められて伝搬する。13は
入射基本波であり、結晶表面に垂直方向に偏光してい
る。69は光導波部で発生せしめられた第二高調波で、や
はり結晶表面と垂直な方向に偏光している。

【００５３】次に、液相エピタキシャル成長法を用いた
上記第二高調波発生素子の製造方法を説明する。

【００５４】まず表面が周期的に分極反転されたＬｉＴ
ａＯ₃単結晶基板を以下のようにして用意した。図９
（ｂ）に示すように、上記薄膜上にＣｒ膜91を１００ｎ
ｍスパッタリングで成膜し、分極反転を行う部分が窓あ
けされたホトマスクを用い、通常のホトリソグラフィ技
術により、ホトレジスト92のパターニングを図９（ｃ）
のごとく行い、エッチングを行ってＣｒ膜をパターニン
グし、その後ホトレジストを除去した。ホトマスクのパ
ターン周期は、２．５から３．５μｍまで０．１μｍず
つ異なるもの１１種類のものを作製した。次に、石英容
器に安息香酸の粉末を入れて加熱、溶融させ、その中に
上記基板を浸漬してプロトン交換を行った。この時の処
理温度を２００℃、処理時間を１５分とした。その後、
エタノール中で十分に超音波洗浄をしたのちＣｒを除去
し、上記試料を白金の容器中にＬｉＴａＯ₃の粉末とと
もに入れ、熱処理を行った。この時の熱処理温度は５８
０℃であり、熱処理時間は１５分である。これにより、
図９（ｅ）のように、基板表面に分域反転域65が形成さ
れた。

【００５５】次に、上記の用意した基板の＋ｃ面に、液
相エピタキシャル結晶成長法で基板の分域を転写したタ
ンタルニオブ酸リチウム単結晶薄膜を以下のように成長
させた。すなわち、まずエピタキシャル成長時の溶融体
の調整を行った。光導波層材料であるタンタルニオブ酸
リチウムが２０ｍｏｌ％、フラックス材料の硼酸リチウ
ムＬｉ₂Ｂ₂Ｏ₄が８０ｍｏｌ％となるように、原料とし
て炭酸リチウムＬｉ₂ＣＯ₃、硼酸Ｈ₃ＢＯ₃、五酸化ニオ
ブＮｂ₂Ｏ₅、五酸化タンタルＴａ₂Ｏ₅の各粉末を秤量
し、これらの混合物を乳鉢でよく混合したのち白金るつ
ぼに入れて電気炉に入れ、空気雰囲気下において１２０
０℃の温度で３時間加熱して均一の溶融体を作製した。
この溶融体を１０００℃まで６０℃／ｈの冷却速度で冷
却し、上記の表面を周期的に分極反転させたＺｃｕｔＬ
ｉＴａＯ₃単結晶基板を上記溶融体に所定時間接触さ
せ、上記基板上に上記基板の分域を転写させてタンタル
ニオブ酸リチウム薄膜86を５μｍ成長させた。ついで溶
融体と基板とを分離し、基板を電気炉中で室温まで３０
℃／ｈの冷却速度で徐冷した。ＥＰＭＡによってＮｂと
Ｔａの組成比を調べたところ、ほぼ１対９であった。ま
た、成長させた単結晶薄膜における分域を、硝酸：ふっ
酸＝１：２のエッチング液でエッチングしエッチング状
態の違いからから観察したところ、分極の方向は下地基
板の分極と同一であって、また薄膜における分域の界面
は基板と薄膜との界面に対してほぼ垂直であった。すな
わち断面形状がほぼ矩形の分極反転格子が形成できた。
なお、上記フラックス材料の添加量は７０から９０ｍｏ
ｌ％の範囲が望ましい。また、接触時間は薄膜の膜厚に
よって異なるが、膜厚が０．５から５μｍであれば１０
から５０分である。また、フラックス材料としては上記
硼酸リチウムのほか、フッ化リチウムＬｉＦ、フッ化カ
リウムＫＦ、バナジウム酸リチウムＬｉＶＯ₃等を用い
ても良い。

【００５６】その後、作製した薄膜をオゾン雰囲気内で
アニールし、酸素の欠損を補った。

【００５７】最後に、チャンネル部を作製した。まず、
チャンネル部のみが光遮蔽部となっているホトマスクを
用いて、ホトレジストをパターニングし、次にこのホト
レジストをマスクとして、イオンミリングにより、薄膜
を４μｍエッチングした。チャンネル幅は３μｍであ
る。その後ホトレジストを除去してチャンネル部を作製
した。

【００５８】第三実施例図１０に示す第三実施例は、上記第一実施例又は第二実
施例の導波路型第二高調波発生素子を搭載した、小形可
視光光源を用いる光ディスク用ヘッドである。11は高出
力（約１００ｍＷ、波長λ＝８４０ｎｍ）半導体レー
ザ、13は半導体レーザ光を光導波路端面に集束するレン
ズ、101は第一実施例又は第二実施例の導波路型第二高
調波発生素子であり、102は偏光ビームスプリッタであ
る。レーザ光は上記偏光ビームスプリッタ102を透過
し、コリメートレンズ系103に入射する。104は直線偏光
を円偏光に変えるλ／４波長版であり、105はレーザ光
を光ディスク106上に集光する対物レンズである。光デ
ィスク106の反射光は偏光ビームスプリッタ102で反射さ
れ、集束レンズ108で集光されたのち、ハーフミラー109
で二つに分割され、二分割ホトセンサ110及び四分割ホ
トセンサ111上に導かれ、トラッキング信号、フォーカ
シング信号及び再生信号の検出が行われる。

【００５９】第四実施例図１１に示す第四実施例は、上記第一実施例又は第二実
施例の導波路型第二高調波発生素子を搭載した、小形可
視光光源を用いる光磁気ディスク用ヘッドである。図に
おいて、11、13及び101は上記第三実施例の図１０と同
様の高出力半導体レーザ、集束レンズ及び導波路型第二
高調波発生素子で、203はビーム成形用のレンズ系であ
り、レーザ光はこれを通って平行光に成形される。202
はビーム成形用プリズムの機能を兼ねた偏光ビームスプ
リッタであり、レーザ光はこれを通過後反射ミラー205
で立ち上げられ、対物レンズ105で光ディスク面206上に
集光される。207は書き込み消去の際に用いる磁場を与
えるための磁気コイルである。光ディスク面206の反射
光は偏光ビームスプリッタ202で反射され、１／２波長
版204を通り集束レンズ207で集光され、偏光ビームスプ
リッタ102で二つの光束に分割され、二分割ホトセンサ1
00及び四分割ホトセンサ111上に導かれて、トラッキン
グ信号、フォーカシング信号及び再生信号の検出が行わ
れる。

【００６０】また、光学系を変更すれば、再生専用型光
ディスクまたは相変化型書き換え型光ディスクに対して
も、導波路型波長変換素子101を適用することができ
る。

【００６１】第５実施例第1２図は上記第３実施例に示す光ヘッドを、従来の光
情報記録再生装置に応用した場合の光情報記録再生装置
304の概略を示す図である。本実施例の特徴は、アクチ
ュエ−タ302上に光ヘッド301が搭載され、光学系の構成
が簡素化された点である。本装置の動作原理は従来装置
と同じである。すなわち、光記録媒体305は、回転制御
手段でコントロ−ルされたモ−タ303により回転する。
上記回転する光記録媒体305の半径方向にアクチュエ−
タ302に搭載された光ヘッド301が、走査制御手段により
走査駆動し、それと同期して光記録媒体からの光情報30
6が光ヘッド301内で電気信号に変換され、必要な信号処
理手段で処理されるものである。

【００６２】この光情報記録・再生装置は、光ヘッドに
よりレ−ザ光を０.５μmという従来の半分のスポット径
に集束できるため、記録密度を従来ヘッドの４倍にする
ことができ、また、搭載している導波路形波長変換素子
の重量がきわめて小さいため、アクセス時間は従来のも
のと変わらないという特徴を持っている。

【００６３】

【発明の効果】上記のように本発明による導波路形第二
高調波発生素子は、自発分極をもつ基板と該基板より屈
折率が高い光導波層からなる導波路形第二高調波発生素
子において、上記基板および上記光導波層の自発分極が
周期的に反転していることにより位相整合が容易で、し
かも上記光導波層の屈折率が一様で、かつ、分極反転格
子の断面形状を矩形にしたことにより高効率の導波路形
波長変換素子を作製することができる。また、上記素子
を半導体レ−ザおよび集束レンズと組合せることによ
り、小型で軽量な可視光光源を構成することができる。
さらに、上記光源を従来の光情報記録・再生装置に組込
むことにより、記録密度が４倍であってアクセス時間が
従来装置と同等の光情報記録・再生装置を構成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による可視光発生用光源の一実施例を示
す構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

【図２】温度位相整合法を用いた従来の第二高調波発生
素子を示す図である。

【図３】チェレンコフ輻射を用いた従来の第二高調波発
生素子を示す図である。

【図４】分極反転を用いた従来の第二高調波発生素子を
示す図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明素子による第
二高調波発生原理の説明図である。

【図６】本発明による可視光発生用光源の第二の実施例
を示す構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図であ
る。

【図７】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第二の実施例の素子
による第二高調波発生原理の説明図である。

【図８】（ａ）〜（ｆ）は上記第二高調波による可視光
発生用光源の製造工程をそれぞれ示す図である。

【図９】（ａ）〜（ｆ）は上記第二の実施例の第二高調
波による可視光発生用光源の製造工程をそれぞれ示す図
である。

【図１０】本発明の第二高調波発生素子を搭載した追記
型光ヘッドの概略図である。

【図１１】本発明の第二高調波発生素子を搭載した光磁
気型光ヘッドの概略図である。

【図１２】本発明の第二高調波発生素子を搭載した光情
報記録再生装置の構成図である。

【符号の説明】

14…基板（ＬiＮbＯ₃） 64…基板（ＬiＴaＯ₃） 17…薄膜中で分極が反転されている部分 31，42…プロトン交換チャンネル型光導波路 51，71…自発分極をもつ基板 52，72…光導波層 105…収束レンズ系 301…光ヘッド 106,206,305…光記録媒体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者楓弘志神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者伊藤康平東京都千代田区丸ノ内二丁目１番２号日立金属株式会社内 (72)発明者牧尾諭東京都千代田区丸ノ内二丁目１番２号日立金属株式会社内 (72)発明者佐藤正純東京都千代田区丸ノ内二丁目１番２号日立金属株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学基板と、該基板より屈折率の高い光導
波層から成る第二高調波発生素子において、前記基板の
一部および光導波層両者の非線形光学係数が周期的に反
転せしめられていることを特徴とする第二高調波発生素
子
【請求項２】請求項１の光素子において、光導波層にお
ける非線形光学係数の周期的反転境界線が、前記基板と
前記光導波層との境界線となす角度が７５゜〜１０５゜
であることを特徴とする請求項１記載の第二高調波発生
素子
【請求項３】請求項１もしくは２記載の基板は、マグネ
シウムがドープされたニオブ酸リチウムであり、光導波
層がニオブ酸リチウム、又は基板よりマグネシウムのド
ープ量が少ないニオブ酸リチウムであることを特徴とす
る請求項１もしくは２記載の第二高調波発生素子。
【請求項４】請求項１もしくは２記載の基板は、タンタ
ル酸リチウムであり、光導波層がタンタルニオブ酸リチ
ウム（組成式を化１に示す）であることを特徴とする請
求項１もしくは２記載の第二高調波発生素子。【化１】
【請求項５】請求項１もしくは２記載の基板が予め周期
的に分極反転された基板であり、この基板上に光導波層
を作製する方法が、光導波層を構成する強誘電体金属酸
化物の原料粉末をフラックス存在下で加熱溶融すること
により溶融体を準備する工程と、前記基板の分極反転さ
れた表面を前記溶融体に接触させ、前記溶融体の温度を
結晶析出温度に降下し、前記基板上に請求項１もしくは
４記載の光導波層を構成する金属酸化膜を液相エピタキ
シャル成長させる工程を有することを特徴とする請求項
１もしくは２記載の第二高調波発生素子の製造方法。
【請求項６】請求項５記載の第二高調波発生素子の製造
方法において、用いるフラックスがバナジウム酸リチウ
ム（ＬｉＶＯ₃）、もしくはホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₂
Ｏ₄）、もしくはフッ化リチウム（ＬｉＦ）、もしくは
フッ化カリウム（ＫＦ）であることを特徴とする請求項
１もしくは２記載の第二高調波発生素子の製造方法。
【請求項７】請求項１もしくは請求項２記載の第二高調
発生素子と、波長７８０ｎｍから１１００ｎｍの近赤外
半導体レーザ光源と、該レーザ光源から出射するレーザ
光を導波路端面に集光するレンズ系からなる可視光発生
用光源。
【請求項８】上記請求項７記載の可視光発生用光源と、
該光源から出射する光を光記録媒体の記録、再生面上に
集光する集光手段と、上記光記録媒体の記録、再生面か
らの反射光を受光し検出する手段を備えた光ヘッド
【請求項９】光記録媒体を回転駆動する回転駆動制御手
段と、上記光記録媒体の半径方向に所定間隔をへだてて
駆動する光情報の記録、再生を行う光ヘッドと、該光ヘ
ッドを搭載して走査、駆動するアクチュエータとを備え
た光情報記録再生装置において、上記アクチュエータに
搭載する光ヘッドは、請求項８記載の光ヘッドであるこ
とを特徴とする光情報記録再生装置。