JPH10321953A - 第二高調波発生装置 - Google Patents

第二高調波発生装置

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JPH10321953A
JPH10321953A JP10323297A JP10323297A JPH10321953A JP H10321953 A JPH10321953 A JP H10321953A JP 10323297 A JP10323297 A JP 10323297A JP 10323297 A JP10323297 A JP 10323297A JP H10321953 A JPH10321953 A JP H10321953A
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JP
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semiconductor laser
harmonic
phase
waveguide
array
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JP10323297A
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Toshiaki Fukunaga
敏明 福永
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Fuji Photo Film Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 第二高調波発生装置において、高出力を可能
とする。 【解決手段】 位相同期半導体レーザ3の出射端面に近
接して、同一基板上に疑似位相整合ドメイン反転アレイ
導波路6および回折格子7が形成された非線形導波路型
波長変換アレイ素子4が配される。回折格子7からの帰
還光により位相同期半導体レーザ3から発振された基本
波がドメイン反転アレイ導波路6に入射され、ドメイン
反転アレイ導波路6において第二高調波に変換せしめら
れ、第二高調波が出力される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、第二高調波発生装
置に関するものであり、特に詳しくは、半導体レーザと
周期ドメイン反転構造を有する波長変換素子とを備えた
第二高調波発生装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】非線形光学効果を有する強誘電体の自発
分極(ドメイン)を周期的に反転させた領域が設けられ
光波長変換素子を用いて、基本波を第二高調波に波長変
換する方法が既にBleombergen らによって提案されてい
る(Phys.Rev.,vol.127,No.6,1918(1962)参照)。この
方法においては、ドメイン反転部の周期Λを Λc =2π/{β(2ω)−2β(ω)} ただし、β(2ω)は第二高調波の伝搬定数 2β(ω)は基本波の伝搬定数 で与えられるコヒーレント長Λc の整数倍になるように
設定することで、基本波と第二高調波との位相整合(い
わゆる疑似位相整合)を取ることができる。
【0003】そして、例えば特開平6-69582号に示され
るように、非線形光学材料からなる光導波路を有し、そ
こを導波させた基本波を波長変換する光導波路型の光変
換波長素子において、上述のような周期ドメイン反転構
造を形成して効率良く位相整合を取る試みもなされてい
る。
【0004】また、半導体レーザと周期的ドメイン反転
構造による疑似位相整合により第二高調波を発生させる
導波路波長変換素子とを効率的に結合させ、出射面側に
無反射コートが施された半導体レーザに第二高調波発生
素子上に構成された分布反射型回折格子により光を帰還
させ、半導体レーザの発振波長を第二高調波発生素子の
2倍の波長に制御して第二高調波を発生させる素子が米
国特許第5185752号に開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成では、実用上用いられる半導体レーザの光出力は150m
W程度に限定され、高出力の第二高調波を得ることがで
きないという難点がある。
【0006】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であって、高出力の第二高調波を発生することができる
第二高調波発生装置を提供することを目的とするもので
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の第二高調波発生
装置は、それぞれ基本波を発振させる複数の導波路を有
する位相同期半導体レーザアレイと、該位相同期半導体
レーザアレイの出射端面に近接して配置された、前記各
導波路から出射された前記基本波を第二高調波に変換す
る複数の導波路を有する波長変換アレイ素子とを備えて
なることを特徴とするものである。
【0008】前記波長変換アレイ素子が、疑似位相整合
ドメイン反転アレイ導波路と、前記位相同期半導体レー
ザアレイ側に配置された回折格子とからなる非線形導波
路アレイ素子であり、前記回折格子からの帰還光により
前記位相同期半導体レーザアレイから前記基本波を発振
させ、前記ドメイン反転アレイ導波路に入射された前記
基本波を第二高調波に変換せしめ、該第二高調波を出力
するものであることが望ましい。
【0009】また、前記ドメイン反転アレイ導波路と前
記回折格子とは同一基板上に形成され、前記回折格子の
周期および前記ドメイン反転の周期が前記基本波と位相
整合する周期であることが望ましい。
【0010】さらに、前記回折格子は分布ブラック反射
型回折格子であることが望ましい。
【0011】
【発明の効果】本発明の第二高調波発生装置において
は、位相同期半導体レーザアレイを用いて基本波を発生
させ、複数の導波路のそれぞれから発振された基本波が
波長変換アレイ素子の各ドメイン反転導波路に入射さ
れ、各ドメイン反転導波路において基本波が第二高調波
に変換されて出力されるため、総出力は各導波路からの
出力を積算したものとなり高出力の第二高調波を得るこ
とができる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。
【0013】図1は、本発明の第一の実施形態の第二高
調波発生装置の概略上面図を示すものである。図2、図
3および図4はそれぞれ図1におけるII−II線断面図、
III−III 線断面図およびIV−IV線断面図である。
【0014】本第二高調波発生装置は、Y分岐結合する
複数の導波路10を有する位相同期半導体レーザアレイ3
と、該半導体レーザアレイ3の出射端面(前面)側に配
され、回折格子7と周期ドメイン反転アレイ導波路6と
を有する非線形導波路型波長変換アレイ素子4とからな
るものである。
【0015】まず、位相同期半導体レーザアレイ3の作
製について説明する。
【0016】有機金属気相成長法(MOCVD法)によ
りn-GaAs 基板11上に、n-Alx1Ga1−x1Asクラッド
層12、Alx2Ga1−x2As光導波層13、Alx3Ga1−x
3As活性層14、Alx2Ga1−x2As光導波層15、p-Alx
1Ga1−x1Asクラッド層16、p-GaAsキャップ層17を順
次積層する。組成はx3<x2<x1であり、光及びキャリアの
閉じ込めができる値とする。
【0017】さらに、キャップ層17上に絶縁膜を形成し
た後、通常のリソグラフィーにより、幅3μm程度の複
数のストライプ10a と、これらのストライプ10a に連続
し、互いに隣接するストライプ10a にY分岐結合する複
数のY分岐ストライプ10b を絶縁膜にパターニングし、
この絶縁膜をマスクとしてドライあるいはウエットエッ
チングによりp-Alx1Ga1−x1Asクラッド層16の途中
まで除去してY結合するリッジストライプを形成する。
その後、さらに絶縁膜をマスクとしp-Inx4(Ga1−z
4Alz4)1−x4As1−y4Py4 層18の選択埋め込
みを行う。p-Inx4(Ga1−z4Alz4)1−x4As1−
y4Py4層18(0≦z4≦1,x4〜0.49y4)の屈折率は、p-
Alx1Ga1−x1Asクラッド層16の屈折率より小さくな
る組成を用いる。p-Alx1Ga1−x1Asクラッド層16の
残し厚はゼロから300nm 程度の範囲で、リッジ構造から
なる幅の狭いストライプ構造の導波路10で単一横モード
の屈折率導波を達成する厚みとし、ストライプの間隔
は、各ストライプから発振される光の位相が相互に同期
できる程度に結合する値(約1μm程度)とする。引き
続き、絶縁膜を取り除き、p-GaAsコンタクト層19の成長
を行い、n側電極20、p側電極21を形成し、さらに、劈
開によりバー状に切り出し、光が出射する前面は反射防
止膜コート1し、後面は高反射率コート2を行う。その
後、チップに切り出す。
【0018】次に非線形導波路型波長変換アレイ素子4
の作製について説明する。
【0019】例えば、Applied Physics Letters,Vol.69
No,18(1996)pp.2629-2631 、あるいは特開平6−242479
号等に記載の周期ドメイン反転構造作製方法を用いて作
製する。材料にはZ軸に垂直な方向に切り出されたMgO-
LiNbO3を用い、コロナ放電方法によりZ軸方向へ電気
分極するドメインをX軸方向に周期的に反転形成して周
期ドメイン反転構造5とする。ドメイン反転の周期は、
半導体レーザアレイ3により発振される基本波と疑似位
相整合する周期とする。この後、Y軸に垂直な方向に切
り出し、Y面の研磨を行ったあと、通常のリソグラフィ
ー技術と、例えば前述の米国特許第5185752 号に記載さ
れているプロトン交換法によりY面上方からアレイ導波
路6を形成する。導波路の幅及び間隔は半導体レーザア
レイ3の導波路10についてと同程度のサイズとする。分
布ブラッグ反射型(DBR)回折格子7はX軸方向に周
期を持つ一次の回折格子であり、通常のホログラフィッ
ク露光とマスクの選択的除去、およびドライまたはウエ
ットエッチングにより形成する。その周期は基本波の波
長をロックする周期とする。その後、X軸に垂直方向に
切断して切断面の研磨を行い、入射面側に位相同期半導
体レーザの波長に対して無反射コート8を行う。出射面
には第二高調波に対して無反射コート9を行う。
【0020】以上のようにして作製された位相同期半導
体レーザアレイ3の出射側の導波路10b と非線形導波路
型波長変換アレイ素子4の回折格子7側の導波路6とを
直接結合させる。
【0021】レーザ発振原理は以下の通りである。位相
同期半導体レーザアレイ3がMgO-LiNbO3非線形導波路
型波長変換アレイ素子4に形成された回折格子7からの
帰還光によりTE基本単一モード発振し、該基本単一モ
ード発振した基本波が波長変換アレイ素子4に形成され
た周期ドメイン反転アレイ導波路6に入射されて第二高
調波に変換され、該第二高調波が無反射コート9された
出射端面から出射される。Y分岐結合導波路10を有する
位相同期半導体レーザアレイ3により複数の導波路10b
から位相同期された基本波が発振され(Applied Physic
s Letter,Vol.49(1986)pp.1632-1634 参照)、各基本波
を第二高調波に変換して出力するので総出力としては従
来の装置と比較して高出力の第二高調波を得ることがで
きる。
【0022】本発明の第二の実施形態の第二高調波発生
装置の概略上面図を図5に示す。図6、図7および図8
はそれぞれ図5におけるII−II線断面図、III −III 線
断面図およびIV−IV線断面図である。
【0023】本第二高調波発生装置は、Y分岐結合する
複数の導波路40を有する位相同期半導体レーザアレイ33
と、該半導体レーザアレイ33の出射端面(前面)側に配
され、回折格子37と周期ドメイン反転アレイ導波路36と
を有する非線形導波路型波長変換アレイ素子34とからな
るものである。
【0024】まず、位相同期半導体レーザアレイ33の作
製について説明する。
【0025】有機金属気相成長法(MOCVD法)によ
りn-GaAs基板41上に、n-Inx1(Alx2Ga1−x2)1−
x1Pクラッド層42(x1=0.49)、Inx1(Alx3Ga1−
x3)1−x1P光導波層43、Inx4Ga1−x4P引張歪
活性層44、Inx1(Alx3Ga1−x3)1−x1P光導波
層45、p-Inx1(Alx2Ga1−x2)1−x1Pクラッド
層46、p-GaAsキャップ層47を順次積層する。組成はx3<x
2<x1であり、光及びキャリアの閉じ込めができる値とす
る。
【0026】さらに、キャップ層47上に絶縁膜を形成し
た後、通常のリソグラフィーにより、幅3μm程度の複
数のストライプ40a と、このストライプ40a に連続し、
互いに隣接するストライプ40a にY分岐結合する複数の
Y分岐ストライプ40b を絶縁膜にパターニングし、この
絶縁膜をマスクとしてドライあるいはウエットエッチン
グによりp-Inx1(Alx2Ga1−x2)1−x1P クラッ
ド層46の途中まで除去してY結合するリッジストライプ
を形成する。その後、さらに絶縁膜をマスクとしp-Inx
1Al1−x1P 層48の選択埋め込みを行う。p-Inx1(A
lx2Ga1−x2)1−x1Pクラッド層46の残し厚はゼ
ロから300nm程度の範囲で、リッジ構造からなる幅の狭
いストライプ構造の導波路40で単一横モードの屈折率導
波を達成する厚みとし、ストライプの間隔は、各ストラ
イプから発振される光の位相が相互に同期できる程度に
結合する値(約1μm程度)とする。引き続き、絶縁膜
を取り除き、p-GaAsコンタクト層49の成長を行い、n側
電極50、p側電極51を形成し、さらに、劈開によりバー
状に切り出し、光が出射する前面は反射防止膜コート31
し、後面は高反射率コート32を行う。その後、チップに
切り出す。
【0027】次に非線形導波路型波長変換アレイ素子34
の作製について説明する。
【0028】例えば、Applied Physics Letters,Vol.69
No,18(1996)pp.2629-2631 、あるいは特開平6−242479
号等に記載の周期ドメイン反転構造作製方法を用いて作
製する。材料にはZ軸に垂直な方向に切り出されたMgO-
LiNbO3を用い、コロナ放電方法によりZ軸方向へ電気
分極するドメインをX軸方向に周期的に反転形成して周
期ドメイン反転構造35とする。ドメイン反転の周期は、
半導体レーザアレイ33により発振される基本波と疑似位
相整合する周期とする。この後、Z軸に垂直な方向に切
り出し、Z面の研磨を行ったあと、通常のリソグラフィ
ー技術と、例えば前述の米国特許第5185752 号に記載さ
れているプロトン交換法によりZ面上方からアレイ導波
路36を形成する。導波路の幅及び間隔は半導体レーザア
レイ33の導波路40についてと同程度のサイズとする。分
布ブラッグ反射型(DBR)回折格子37はX軸方向に周
期を持つ一次の回折格子であり、通常のホログラフィッ
ク露光とマスクの選択的除去、およびドライまたはウエ
ットエッチングにより形成する。その周期は基本波の波
長をロックする周期とする。その後、X軸に垂直方向へ
の切断と切断面の研磨を行い、入射面側に位相同期半導
体レーザの波長に対して無反射コート38を行う。出射面
には第二高調波に対して無反射コート39を行う。
【0029】以上のようにして作製された位相同期半導
体レーザアレイ33の出射側の導波路40b と非線形導波路
型波長変換アレイ素子34の回折格子37側の導波路36を直
接結合させる。
【0030】レーザ発振原理は以下の通りである。位相
同期半導体レーザアレイ33がMgO-LiNbO3非線形導波路
型波長変換アレイ素子34に形成された回折格子37からの
帰還光によりTM基本単一モード発振し、該基本単一モ
ード発振した基本波が波長変換アレイ素子34に形成され
た周期ドメイン反転アレイ導波路36に入射されて第二高
調波に変換され、該第二高調波が無反射コート39された
出射端面から出射される。Y分岐結合導波路40を有する
位相同期半導体レーザアレイ33により複数の導波路40b
から位相同期された基本波が発振され(Applied Physic
s Letter,Vol.49(1986)pp.1632-1634 参照)、各基本波
を第二高調波に変換して出力するので総出力としては従
来の装置と比較して高出力の第二高調波を得ることがで
きる。
【0031】上記第一および第二の実施形態では、n型
基板を用いているが、p型基板を用いても同様のことが
できる。また、上記実施形態では、量子井戸が単一で光
導波層組成が一定のSQW−SCHと呼ばれる構造を示
したが、SQWの代わりに量子井戸を複数とするMQW
であってもよい。
【0032】第一の実施形態において、TEモードを発
振する材料としては、GaAa基板に格子整合する、AlGaA
s、InAlGaAsP 系でもよいし、InP 基板に格子整合するI
nAlGaAsP 系でもよい。また、GaAs基板及びInP 基板に
対して活性層に圧縮歪を形成するInGaAsP 系材料でもよ
い。
【0033】第二の実施形態において、TMモード発振
する活性層に引張歪を起こす材料としては、GaAs基板に
対して引張歪となるGaAsP 系材料でもよい。
【0034】光導波路をリッジ構造で形成する場合のエ
ッチング深さを制御するために、エッチング阻止層を設
けてもよい。また、リッジを活性層を突き抜けて構成
し、pnpの埋込構造で光導波路ストライプを構成して
もよい。上記構成では、pクラッド層を埋め込む構造に
ついて述べたが、埋込成長を行わなくてもよく、屈折率
導波となるような溝を側面に形成するだけでもよい。
【0035】成長法として、固体あるいはガスを原料と
する分子線エピタキシャル成長法を用いてもよい。ま
た、波長変換素子の材料として、MgO-LiNbO3も用いた
場合について説明したが、LiTaO3を用いてもよい。
【0036】なお、本発明による第二高調波発生装置
は、超高速な情報・画像処理および通信、計測、医療、
および印刷等の分野における光源として応用可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第一の実施形態の第二高調波発生
装置の概略上面図
【図2】図1における第二高調波発生装置のII−II線断
面図
【図3】図1における第二高調波発生装置のIII −III
線断面図
【図4】図1における第二高調波発生装置のIV−IV線断
面図
【図5】本発明に係る第二の実施形態の第二高調波発生
装置の概略上面図
【図6】図5における第二高調波発生装置のII−II線断
面図
【図7】図5における第二高調波発生装置のIII −III
線断面図
【図8】図5における第二高調波発生装置のIV−IV線断
面図
【符号の説明】
1 反射防止膜コート 2 高反射膜コート 3 位相同期半導体レーザアレイ 4 MgO-LiNbO3非線形導波路型波長変換アレイ素子 5 周期ドメイン反転構造 6 周期ドメイン反転アレイ導波路 7 回折格子 8 基本波に対する無反射コート 9 第二高調波に対する無反射コート 10 Y分岐結合導波路 11 n-GaAs基板 12 n-Alx1Ga1−x1Asクラッド層 13 Alx2Ga1−x2As光導波層 14 Alx3Ga1−x3As活性層 15 Alx2Ga1−x2As光導波層 16 p-Alx1Ga1−z1Asクラッド層 17 p-GaAs キャップ層 18 p-Inx4(Ga1−z4Alz4)1−x4As1−y4
Py4 埋込層 19 p-GaAsコンタクト層 20 n側電極 21 p側電極

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 それぞれ基本波を発振させる複数の導波
    路を有する位相同期半導体レーザアレイと、 該位相同期半導体レーザアレイの出射端面に近接して配
    置された、前記各導波路から出射された前記基本波を第
    二高調波に変換する複数の導波路を有する波長変換アレ
    イ素子とを備えてなることを特徴とする第二高調波発生
    装置。
  2. 【請求項2】 前記波長変換アレイ素子が、疑似位相整
    合ドメイン反転アレイ導波路と、前記位相同期半導体レ
    ーザアレイ側に配置された回折格子とからなる非線形導
    波路アレイ素子であり、 前記回折格子からの帰還光により前記位相同期半導体レ
    ーザアレイから前記基本波を発振させ、前記ドメイン反
    転アレイ導波路に入射された前記基本波を第二高調波に
    変換せしめ、該第二高調波を出力するものであることを
    特徴とする請求項1記載の第二高調波発生装置。
  3. 【請求項3】 前記ドメイン反転アレイ導波路と前記回
    折格子とが同一基板上に形成され、前記回折格子の周期
    および前記ドメイン反転の周期が前記基本波と位相整合
    する周期であることを特徴とする請求項2記載の第二高
    調波発生装置。
  4. 【請求項4】 前記回折格子が分布ブラック反射型回折
    格子であることを特徴とする請求項2または3いずれか
    記載の第二高調波発生装置。
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