JPH1172810A - 光導波路とその製造方法、この光導波路を用いた光波長変換素子、短波長光発生装置および光ピックアップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた集光特性を有する第２高調波出力が可
能で、かつ基本波と第２高調波とのオーバーラップを大
きくした光波長変換素子を提供する。 【解決手段】 結晶基板６１の表面に形成された導波路
６２の表面に、この導波路６２よりも屈折率が高いイオ
ン交換層６３を形成する。このイオン交換層６３の厚さ
を、基本波６４はイオン交換層内を伝播できないが高調
波６５はイオン交換層内を伝播しうる厚さとする。導波
路内において、基本波６４と高次モードの高調波６６と
を位相結合させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コヒーレント光源
を応用した、光情報処理、光応用計測の分野に使用され
る光導波路および波長変換素子に関するものである。ま
た、本発明は、このような光波長変換素子を用いた光発
生装置および光ピックアップに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光導波路は、光波制御のために通信、光
情報処理、計測等広い分野で利用されている。特に光導
波路の光波長変換素子への適用は、半導体レーザの波長
変換による小型の短波長光源を実現するために盛んに研
究が行われている。

【０００３】例えば、特開平５−２７３６２４号公報に
は、図２０に示すように、光導波路の表面近傍に非線形
劣化層を設けて、高効率化、安定化を図った光波長変換
素子が開示されている。図２０において、２０１はＬｉ
ＴａＯ₃基板、２０２は導波層、２０３は分極反転層、
２０４は非線形劣化層である。光波長変換素子の導波層
２０２内に入射されたＴＭ００モードの基本波２０５
は、導波層２０２内でＴＭ１０モードの高調波２０６に
波長変換されている。非線形劣化層２０４の厚みは約
０．４５μｍで、導波層２０２の厚みは１．８μｍであ
る。ＴＭ１０モードの高調波は、図２１に示すように、
ＴＭ００モ−ドの基本波とほぼ同程度のピーク出力を有
する。即ち、ＴＭ００モードの基本波とＴＭ１０モード
の高調波との間でオーバラップの増大が図られ、高効率
化が達成されている。

【０００４】また、例えば特開平４−２５４８３４号公
報には、導波層より屈折率の高い高屈折率層を導波層上
に形成する構成が報告されている。この光波長変換素子
の構成図を図２２に示す。この光波長変換素子は、Ｌｉ
ＮｂＯ₃基板３０１上に形成されたプロトン交換による
光導波層３０２の表面に、分極反転層３０３とＴｉＯ ₂
からなる高屈折率層３０４とが形成されている。ＴｉＯ
₂の屈折率はプロトン交換による導波層３０２の屈折率
よりも大きく、屈折率の高い高屈折率層３０４を導波層
３０２上に形成することにより、基本波の閉じ込めを強
くし、光波長変換素子の高効率化を達成している。

【０００５】さらに、特開平１−２３８６３１号公報に
は、光導波路の閉じ込めを強化するためリッジ型の光導
波路構造を採用した光波長変換素子が記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平５−２３７
６２４号公報に記載の光波長変換素子には、出射される
ＴＭ１０モードの光が２ピークの強度分布を有し、集光
する際に集光特性が劣化するという問題があった。ま
た、この方式では、耐光損傷強度を高めるために高調波
を高次モードのピークに分散させているため、出力する
高調波が２つのほぼ等しい大きさのピークを有してい
る。そのため、高調波出力を集光し、特別な光学系が必
要であるため、光学系が複雑化し、小型化が難しいとい
う問題があった。さらに、回折限界まで集光するにはビ
ームをかなり整形する必要があり、出力光の利用効率が
５０％以下に低下するという問題があった。また、非線
形劣化層は、基本波の閉じこめを高める機能を有さない
ため、基本波のパワー密度の増大が図れず、高効率化に
限界があった。

【０００７】また、上記特開平４−２５４８３４号公報
に記載の光波長変換素子には、高屈折率層として、高屈
折率の誘電体膜を使用している点に問題があった。導波
層上の高屈折率層は導波層の実効屈折率に与える影響が
大きく、導波層全域にわたる膜厚の均一性に高い精度が
要求される。例えば、光波長変換素子の場合、導波層全
長における位相整合条件は導波層の実効屈折率に厳しく
依存するため、導波層の実効屈折率が伝搬方向に渡りわ
ずかに変化すると、変換効率が極端に減少する。このた
め、高屈折率層の膜厚制御には厳しい均一性が要求され
ていた。また、基板と異なる材質を導波層の表面に堆積
することで、導波層と高屈折率層との界面において導波
損失が生じやすいという問題があった。さらに、基板と
の膨張係数の違いによって、導波層に歪みを与え、導波
層の実効屈折率が導波層の伝搬方向に分布を有するとい
う問題が生じていた。

【０００８】さらに、導波層を伝搬する光に対する、高
屈折率層の伝搬損失が大きな問題となることが明らかに
なってきた。光波長変換素子の特性を劣化させる導波層
の伝搬損失は、高調波に対するものと、基本波に対する
ものがある。誘電体の高屈折率層は基本波に対する伝搬
損失は比較的小さく問題はないが、高調波は波長が短い
ため従来の高屈折率膜が与える伝搬損失がかなり大きい
ことが明らかになった。本発明者らの実験では、各種の
高屈折率を有する誘電体膜を試みたが、波長４００ｎｍ
帯の高調波に対してはいずれも−数ｄＢ／ｃｍという大
きな伝搬損失が認められ、これにより光波長変換素子の
変換効率が１／２以下に低減されていることがわかっ
た。さらに、高屈折率層は、基本波の閉じこめを高める
機能を有さないために基本波のパワー密度の増大が図れ
ず、高効率化に限界があった。

【０００９】また、この光波長変換素子は、導波層を伝
搬する基本モードの基本波と第２高調波におけるオーバ
ラップの向上を目的としている。このため、基本波と第
２高調波の屈折率分散の違いより、導波層内での導波モ
ードの分布が大きく異なるため、両モード間でのオーバ
ラップの増大には制限があり、変換効率を大幅に向上さ
せることは困難であった。さらに、基本波と第２高調波
がオーバラップしない部分が大きいため、耐光損傷強度
の向上を達成することは困難であった。

【００１０】また、特開平１−２３８６３１号公報に記
載の光波長変換素子は、リッジ型光導波路を用いて変換
効率の向上が図られている。この場合、光導波路の閉じ
込め効果によるパワー密度の増大により変換効率が向上
する。しかしながら、基本波は、リッジ導波路による閉
じ込め効果の増大は横方向に限られているため、深さ方
向の閉じ込めが向上しない。したがって、変換効率への
影響が最も大きな基本波と第２高調波のオーバラップの
増大（特に深さ方向のオーバラップの増大）はリッジ構
造では達成できず、変換効率の大幅な向上が困難であっ
た。また装荷型光導波路についても、リッジ型と同様に
基本波と第２高調波とのオーバーラップを大きくできな
かった。

【００１１】そこで、本発明は、優れた集光特性を有す
る第２高調波出力が可能で、かつ基本波と第２高調波と
のオーバーラップを大きくした光波長変換素子を提供す
ることを目的とする。また、この光波長変換素子に用い
られる光導波路とその製造方法、さらにはこの光波長変
換素子を用いた光発生装置および光ピックアップを提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第１の光導波路は、結晶基板と、前記結晶
基板の表面に形成された導波路と、前記導波路の表面に
形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層
が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前記導
波路を伝播する基本波は前記イオン交換層内を伝播でき
ないが前記基本波の高調波は前記イオン交換層内を伝播
しうる厚さとを備えていることを特徴とする。

【００１３】また本発明の第２の光導波路は、結晶基板
と、前記結晶基板の表面に形成された導波路と、前記導
波路の表面に形成され、前記導波路よりも屈折率が高い
高屈折率層とを含み、前記高屈折率層が、前記導波路を
伝播する基本波は前記高屈折率層内を伝播できないが前
記基本波の高調波は前記高屈折率層内を伝播しうる厚さ
を備えていることを特徴とする。

【００１４】また本発明の第３の光導波路は、結晶基板
と、前記結晶基板の表面に形成された導波路と、前記導
波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イ
オン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率
と、前記導波路の幅よりも狭い幅と、前記導波路の深さ
の半分以下の深さとを備えていることを特徴とする。

【００１５】また、本発明の光導波路の製造方法は、結
晶基板の表面に線条の非マスク部分が確保されるように
耐イオン交換マスクを形成する工程と、前記表面の非マ
スク部分を通じてイオン交換することにより前記結晶基
板内に第１のイオン交換部を形成する工程と、前記基板
を熱処理することにより前記第１のイオン交換部を拡張
して導波路とする工程と、前記非マスク部分を通じてイ
オン交換することにより前記導波路内に前記導波路より
も屈折率が高い第２のイオン交換部を形成することを特
徴とする。

【００１６】本発明の光波長変換素子は、上記光導波路
を含み、さらに前記導波路を周期的に横断するように形
成された２以上の分極反転部を含むことを特徴とする。

【００１７】具体的には、本発明の第１の光波長変換素
子は、非線形光学効果を有する結晶と、前記結晶の表面
に形成された導波路と、前記導波路を周期的に横断する
ように形成された２以上の分極反転部と、前記導波路の
表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交
換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前
記導波路を伝播する基本波は前記イオン交換層を伝播で
きないが前記基本波の高調波は伝播しうる厚さとを備え
ていることを特徴とする。

【００１８】また本発明の第２の光波長変換素子は、非
線形光学効果を有する結晶と、前記結晶の表面に形成さ
れた導波路と、前記導波路を周期的に横断するように形
成された２以上の分極反転部と、前記導波路の表面に形
成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、
前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前記導波路
の幅よりも狭い幅と、前記導波路の深さの半分以下の深
さとを備えていることを特徴とする。

【００１９】また本発明の第３の光波長変換素子は、非
線形光学効果を有する結晶と、前記結晶の表面に形成さ
れた導波路と、前記導波路を周期的に横断するように形
成された２以上の分極反転部と、前記導波路の表面に形
成され、前記導波路よりも屈折率が高い高屈折率層とを
含み、前記高屈折率層が、前記導波路を伝播する基本波
は前記高屈折率層内を伝播できないが前記基本波の高調
波は前記高屈折率層内を伝播しうる厚さとを備えている
ことを特徴とする。

【００２０】また本発明の光発生装置は、上記光波長変
換素子と半導体レーザとを含み、前記半導体レーザから
出射された光を前記光波長変換素子により波長変換する
ことを特徴とする。

【００２１】また本発明の光ピックアップは、上記光発
生装置と集光光学系と記録メディアとを含む光ピックア
ップであって、前記光発生装置から出射された光を前記
集光光学系により前記記録メディア上に集光することを
特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明は、非線形光学効果による
第２高調波発生を利用した光波長変換素子において、基
本モードの基本波と高次モードの第２高調波（ＳＨＧ
波）との位相整合を利用することでオーバラップを大き
くし、ＳＨＧ波への変換効率を向上させるものである。

【００２３】以下にそのオーバラップの増大の原理につ
いて説明する。ここでは、基本モードの基本波と高次モ
ードのＳＨＧ波との間で位相整合を図ることで、両モー
ド間のオーバラップを大きくし、変換効率の向上を図る
原理について説明する。

【００２４】まず最初に、一般の光導波路における光波
長変換について説明する。通常、光導波路の断面は図１
(ａ)に示すように、基板５１（屈折率：ｎｓ）と、導波
層５２（屈折率：ｎｆ）と、外層（図１では省略）（屈
折率：ｎｃ）とからなり、屈折率はｎｆ＞ｎｓ＞ｎｃ
で、導波するモードの電界分布は、基本モードの基本波
５３に対する、１次モード５４および２次モード５５の
ＳＨＧ波は図１(ｂ)に示すような状態になる。

【００２５】基本波５３とＳＨＧ波５４，５５との電界
のオーバラップは、図１(ｂ)に示したように、基本モー
ド間が最も大きく、ＳＨＧ波の導波モードの次数が高く
なるに従って低下する傾向にある。即ち、ＳＨＧ波の変
換効率はモードのオーバラップに比例するため、基本モ
ード間の位相整合が最も変換効率の高い変換となる。

【００２６】次に、ｎｆより高い屈折率の外層を形成し
た場合について説明する。屈折率の高い外層を設ける
と、基本波のモード分布は高屈折率層側に偏り、導波路
の表面近傍に強く閉じ込められる。従来の光波長変換素
子では、このような基本波の強い閉じ込めを利用して、
変換効率の向上が図られていた。

【００２７】しかしながら、基本波と高調波とでは波長
が異なり、屈折率分散も存在するため、導波モードの分
散はそれぞれ異なり（例えば基本波に比べて第２高調波
はより強く高屈折率層に引きつけられる）、モード間の
オーバラップの増大には限界があった。確かに、導波層
より高い屈折率の高屈折率層を外層として用いると基本
波の閉じ込めを強化することができるが、高屈折率層の
厚みを厚くして基本波の閉じ込めを強化しようとする
と、波長の短いＳＨＧ波は高屈折率層の内部に閉じ込め
られて素子の変換効率が極端に低下してしまうためであ
る。

【００２８】ところが、同じＳＨＧ波でも、高次のモー
ドを利用するとこの問題が解決される。この方法を、導
波層の断面の深さ方向の電界分布を表した図２に基づい
て説明する。図２は、基板６１上に形成された導波層６
３において、高屈折率層６３の厚みを変化させた場合の
導波モードの様子を表したものである。

【００２９】図２(ａ)は高屈折率層が形成されていない
場合であり、図１と基本的には同じ状態を示す。図２
(ｂ)は高屈折率層６３が比較的薄い場合を示す。図２
(ｂ)において、高屈折率層６３は、基本波６４、ＳＨＧ
波６５に対するカットオフ条件（その層内に閉じこもる
導波モードが存在しない条件）を満足している。このと
き基本波６４、ＳＨＧ波６５は、ともに高屈折率層６３
のみを導波することができないため、導波層６２内を伝
搬することになる。ただし、高屈折率層６３により基本
波６４とＳＨＧ波６５の電界分布は表面近傍に引き寄せ
られている。図２(ｂ)は、従来の高屈折率層を用いた光
導波路の導波状態を示している。

【００３０】図２(ｃ)は高屈折率層６３が同図(ｂ)に示
したよりも厚く形成されている状態を示す。この状態で
は、高屈折率層６３は、基本波６４に対してはカットオ
フ条件を満たすがＳＨＧ波６６に対しては低次のモード
（この場合は基本モードのＳＨＧ波６５）の伝搬が可能
となっている。このとき、基本波６４の閉じ込めは図２
(ｂ)と比べてさらに強くなる。しかし、基本モードのＳ
ＨＧ波６５は、高屈折率層６３内部に閉じこもってしま
うため、基本波６４から基本モードのＳＨＧ波６５への
変換効率は極端に低下してしまう。

【００３１】ところが、図２(ｃ)に示したように、高屈
折率層６３に導波可能なモードの次数より一つ高い次数
のモードのＳＨＧ波（ここでは１次モードのＳＨＧ波６
６）は、大部分が導波層６２を伝搬する。注目すべきこ
とに、ＳＨＧ波６６の導波層６２の電界分布（図２
(ｃ)）が高屈折率層６３がない場合の基本モードのＳＨ
Ｇ波の電界分布（図２(ａ)）とほとんど変わらないこと
である。一方、基本波６４の導波モードは強く高屈折率
層６３に引きつけられている（図２(ｃ)）。即ち、基本
モードの基本波６４は閉じ込めの強い導波モードになる
のに対し、高次モードのＳＨＧ波６６は、高屈折率層６
３が存在しない場合とほとんど変化しないため、図２
(ｃ)に示したように、両モード間のオーバラップが飛躍
的に増大する。これを利用することにより基本波からＳ
ＨＧ波への変換効率を大幅に改善できる。

【００３２】図２(ｄ)は高屈折率層６３が同図(ｃ)に比
べてさらに厚く、基本波６４が高屈折率層６３を導波可
能となった状態を示す。基本波６４が高屈折率層６３を
導波可能となると、図２(ｄ)に示したように、導波層６
２内での基本波６４とＳＨＧ波６５のオーバラップが極
端に減少するため、変換効率は大幅に低減してしまう。

【００３３】即ち、高屈折率の高屈折率層６３を有する
導波層６２においては、図２(ｃ)の状態となるように高
屈折率層の厚さを調整することにより、基本モードの基
本波６４と高次モードのＳＨＧ波６６との間でオーバラ
ップが増大し、高効率の波長変換が可能となる。

【００３４】しかしながら、図２(ｃ)の状態を実現する
には、いくつかの条件を満足する必要がある。

【００３５】まず第１は、基本波６４が高屈折率層６３
を導波不可能な状態となっていることが必要である。即
ち、高屈折率層６３の厚みと屈折率が、基本波６４に対
しカットオフ条件を満足していることである。高屈折率
層６３が基本波６４の導波条件を満足すると、図２(ｄ)
の状態に至って波長変換の効率が低下する。

【００３６】第２は、高次モードのＳＨＧ波が高屈折率
層６３を導波可能な状態となっていることである。高次
モードにおいて、ＳＨＧ波の電界分布の主ピークが導波
層６２を伝搬し、サブピークが高屈折率層６３を伝搬す
る条件を満足することである。高屈折率層６３において
ＳＨＧ波６５がカットオフ条件を満たす場合、図２(ｂ)
の状態に至って波長変換の効率が低下する。図２(ｃ)の
状態を実現するには、高屈折率層６３においてＳＨＧ波
の導波条件が満足されなければならない。この条件を満
足した状態で、高屈折率層６３において、導波可能な次
数のモードより一つ高い次数のモードのＳＨＧ波６６を
選択的に導波させれば、導波層６２に主ピークを有する
導波モードになることが確認された。

【００３７】このように、高屈折率層６３を有する導波
層６２における高効率の波長変換素子を実現するために
は、高屈折率層６３の厚みと屈折率を、基本波６４に対
してはカットオフ条件、ＳＨＧ波６６に対しては導波条
件を満足するように選択すればよい。

【００３８】さらに、高効率化を図るために、高屈折率
層６３の屈折率について調査した。素子の変換効率を高
めるには、ＳＨＧ波の電界分布を導波層６２に集中させ
る必要がある。即ち、高屈折率層６３の電界分布をでき
るだけ小さくしたい。ＳＨＧ波の電界分布において、高
屈折率層（クラッド）と導波層（コア）の電界分布の比
は、それぞれの屈折率の比に依存する。例えば、導波層
に対して高屈折率層の屈折率が増大するに従い、高屈折
率層の電界分布が小さくなる。

【００３９】従って、高屈折率層の電界強度を導波層に
おける電界強度の例えば１／１０以下にするためには、
高屈折率層の屈折率ｎｃを導波層の屈折率ｎｆ（グレー
ティッド状の屈折率分布を有する場合は導波層の最大の
屈折率ｎｆmax）に対し、ｎｃ＞１．０１ｎｆとすれば
よい。

【００４０】なお、ここでは、単層の高屈折率層につい
て説明したが、多層膜からなる高屈折率層についても同
様の効果が得られる。多層膜を用いると、高屈折率層に
おける屈折率分布の制御が可能になるため、素子設計の
自由度が増し、作製許容度の高い素子の作製が可能とな
る。

【００４１】また、導波層を伝搬するＳＨＧ波のモード
は、基本波の波長を選択することにより一義的に選択で
きるため、オーバラップの大きな、高次モードとの位相
整合を選択的に行え、高効率な波長変換が可能となる。

【００４２】また、上記の導波層の構造が、耐光損傷強
度の向上に非常に有効となることが確認された。導波層
内での基本波とＳＨＧ波とのオーバラップが増大するこ
とにより、ＳＨＧ波と基本波とが重ならない部分におけ
る電界が減少する。光損傷は、短波長光（ＳＨＧ光）に
より結晶内の不純物が励起されて内部電界を生じること
により発生するが、基本波が介在すると不純物をトラッ
プする準位を励起し、光損傷による内部電界が固定化す
る傾向にある。これは、ＳＨＧ波の電界分布近傍の基本
波が単独で存在する部分で顕著となる。ところが、上記
構成を採用すれば、基本波とＳＨＧ波とが重ならない部
分が極端に減少するため、光損傷の発生が大幅に低減で
きる。

【００４３】以上の導波層の構造は、光波長変換素子の
みならず、波長の異なる２以上の光を同時に導波させる
光導波路について有効である。即ち、光導波路を伝搬す
る異なる波長の光のオーバラップを高めて相互作用を増
大させるために有効な構造である。

【００４４】さらに、光の分布が表面近傍に引き寄せら
れるため、例えば光導波路上に集積化した電極等の素子
による導波光への影響を高めることが可能となって効率
の高い光集積回路素子を実現できる。

【００４５】光導波路の具体的な構造としては、高屈折
率層を導波路の表面近傍に設けた埋め込み型導波路構造
が好ましい。このような構造を有する光導波路は、 ・回折限界以下の集光特性を有し、 ・横方向の光の閉じ込めが強化され、 ・導波層の伝搬損失が小さく高効率化が可能で、 ・光導波路形状誤差に対する許容度が大きい、という効
果を奏することができる。さらにイオン交換を利用すれ
ば、作製プロセスが容易になるという製造上の利点が得
られる。

【００４６】以下、このような光導波路、この光導波路
を有する光波長変換素子、光発生装置および光ピックア
ップについて具体的に説明する。

【００４７】（実施の形態１）本実施形態では、短波長
光発生装置の構成の例について説明する。図３に示した
ように、この短波長光発生装置は、半導体レーザ７１と
光波長変換素子７２とを含み、半導体レーザ７１より出
射された基本波Ｐ₁は、レンズ７３、７４を介して光波
長変換素子７２に形成されている導波層７２ａに入射す
る。また、それぞれの部品は、マウント７５に固定され
ている。

【００４８】入射した基本波Ｐ₁は導波層７２ａ中をＴ
Ｅ００モードで伝搬し、高調波の高次モードであるＴＥ
１０モードに変換される。この高調波は光波長変換素子
７２より放射され、短波長レーザビームとして使用され
る。ここで注目されるのは、導波層７２ａ内を伝搬する
高調波ＴＥ１０モードのモードプロファイルである。Ｔ
Ｅ１０モードは高次の導波モードであるため、強度分布
として例えば図４(ｂ)に示すように２つのピークを有す
る。以下、２つのピークのうち大きい方をメインピー
ク、小さい方をサブピークと呼ぶことにする。

【００４９】サブピークを有するＴＥ１０モードは、集
光光学系で集光すると、導波モードと同様のサブピーク
を有する集光スポットを形成し、回折限界近傍の単一ピ
ークの集光として使用する場合に問題となる。

【００５０】そこで、高調波を集光する際に問題となる
サブピークをほぼ解消する方法が新たに見い出された。
それは、導波モードの状態におけるサブピークの幅を、
集光に用いる集光光学系の回折限界に対し、十分小さな
値にすることである。即ち、集光光学系の分解能以下の
幅にサブピークを抑えることにより、集光スポットにサ
ブピークが与える影響が解消される。

【００５１】ここでは、ＮＡ＝０．９５の集光レンズを
用いて、波長λ＝４２５ｎｍの高調波を集光した。この
ときの空気中での光の回折限界は約０．３４μｍであ
る。サブピークの幅として、０．３２μｍ以下になるよ
うに導波層７２ａを設計したところ、得られた集光スポ
ットにおいてサブピークは全く観測されなかった。サブ
ピークを有する高次の導波モードは、サブピークの幅が
空気中での光の回折限界（０．８×λ／ＮＡ）程度以下
であれば、集光する際に、集光スポットに与える影響は
なく、有効に利用できることが確認された。このためビ
ーム整形により低下する出力の利用効率は、８０％以上
に向上させることが可能となった。

【００５２】さらに、回折限界以下の幅を有するサブピ
ークを有する導波光を利用すると、レンズの回折限界以
下にビームを集光できる超解像効果が得られることがわ
かった。図４(ａ)にＴＥ００モードを集光した場合と、
同図(ｂ)にＴＥ１０モードを集光した場合の集光スポッ
トの形状を示す。ＴＥ００モードを集光すると、レンズ
の回折限界に近い値（０．８×λ／ＮＡ）が得られた。
一方、サブピークを有する高次のＴＥ１０モードを集光
すると、サブピークを有する側のビーム形状が切り立っ
た形になり、集光スポットの幅として回折限界の９０％
程度まで集光が可能となり、超解像効果を有することが
確認された。

【００５３】実験によると、サブピークの幅ｗを空気中
における波長λの光の回折限界（〜０．８×λ）以下に
することで、集光スポットの幅が使用するレンズ（開口
数：ＮＡ）の回折限界（０．８×λ／ＮＡ）より小さく
なっていることが明らかになった。このように、回折限
界以下の幅を有するサブピークを有する導波モードを集
光することにより、より小さな集光スポットが得られる
ことが明らかになった。

【００５４】さらに、サブピークの幅と集光スポットと
の関係についてさらに詳しく調査したところ、 1)サブピークの幅：≦0.8λ 回折限界以下の集光特性（超解像効果）が得られる。 2)サブピークの幅：0.8λ（1+0.2(1/NA−１)）〜0.8λ
（1+0.5(1/NA−１)） 回折限界とほぼ同等の集光スポットが得られ、サブピー
クによる集光特性の劣化は観測されない。 3)サブピークの幅：＞0.8λ（1+0.7(1/NA−１)） 集光スポットにサブピークが現れ、集光特性が劣化す
る。 という結果が得られた。即ち、サブピークによる集光特
性の劣化を防止するにはサブピークの幅を少なくとも
０．８×λ（１＋０．５（１／ＮＡ−１））程度以下に
抑えることが好ましい。

【００５５】さらに、サブピークの幅を０．８λ以下に
なるように導波層を設計すると、集光レンズの回折限界
よりさらに小さな集光スポットが得られて非常に有効で
ある。一方、集光スポットの幅が用いたレンズの回折限
界（０．８×λ／ＮＡ）程度より大きいと、集光スポッ
トは導波モードとほぼ等しい形状を有し、サブピークを
有する２ピークの集光スポットとなり、単一ピークの集
光スポットは得られない。

【００５６】なお、本実施の形態では短波長光源とし
て、基本波を高調波に波長変換する際に、導波モードを
回折限界以下の幅のサブピークを有する高次モードに変
換したが、他にサブピークを有する導波光を集光すれ
ば、同様の効果が得られる。例えば、周期状のグレーテ
ィング構造を導波層上に設け、ＴＥ００モード導波光を
ＴＥ１０モードの導波光に変換し、これを集光すること
で超解像効果による回折限界以下の集光スポットを得る
ことができる。

【００５７】なお、本実施の形態では、サブピークが一
つのＴＥ１０モードを用いたが、さらに高次の導波モー
ドでもサブピークの幅が回折限界であれば、同様の効果
が得られる。例えば、メインピークの両側にサブピーク
を有するＴＥ２０モードであれば超解像効果はさらに強
くなり、より小さなスポット径が得られて有効である。

【００５８】また、深さ方向だけでなく、幅方向にサブ
ピークを有するＴＥ０１、ＴＥ０２モード、および幅深
さ両方向にサブピークを有するＴＥ１１、ＴＥ２２でも
より小さな集光スポットが得られて有効である。なお、
本実施の形態ではＴＥモードを扱ったが、他にＴＭモー
ドでも同様の効果が得られる。

【００５９】（実施の形態２）次に、短波長光発生装置
の基本構成要素である光波長変換素子について説明す
る。図５に示したように、この短波長光発生装置には、
Ｘ板のＬｉＮｂＯ₃基板７６の表面近傍にストライプ状
の導波路７７が形成されている。このＬｉＮｂＯ ₃７６
基板には、位相整合のために分極反転部７９が導波路７
７を周期的に横断するように形成されている。また、導
波路７７の表面近傍には高屈折率層７８が形成されてい
る。導波路７７の幅Ｗ₁は４μｍ、深さＤ₁は２．５μｍ
であり、高屈折率層７８は幅Ｗ₂は３μｍ、深さＤ₂は
０．２μｍである。図５(ａ)に示したように、高屈折率
層７８は導波層７７に沿って、またそのほぼ中央部に形
成されている。

【００６０】導波路７７は、ＬｉＮｂＯ₃結晶をプロト
ン交換した後アニール処理して形成され、ＬｉＮｂＯ₃
内のＬｉの一部がＨに交換されて、Ｌｉ_(1-x)Ｈ_xＮｂＯ
₃（０＜ｘ＜１）で示される組成を有する。ここで、ｘ
はプロトン交換の交換率である。アニール処理により、
ｘの値は０．３以下にまで低下していることが好まし
い。

【００６１】高屈折率層７８も同様にプロトン交換によ
り形成されている。導波路７７より高い屈折率を得るた
め、高屈折率層７８は、導波路７７より高いプロトン交
換率ｘを有している。具体的には、ｘは０．６以上であ
ることが好ましい。この光波長変換素子では、例えば波
長８５０ｎｍの基本波がＴＥ００モードで入射され、導
波路７７内でＴＥ１０モードの高調波と擬似的に位相整
合する。

【００６２】この光波長変換素子において、高調波へ高
効率で波長変換できる原理について説明する。前述のよ
うに、高屈折率層を有する導波層においては、基本波と
高調波間でのオーバラップが増大し、導波光の閉じ込め
が強化され高効率の波長変換が可能となることを示した
が、本実施形態の構成によりさらにこの効果が強調され
より高い変換効率が得られる。

【００６３】図６に本実施の形態の光波長変換素子にお
ける導波モードの分布を示す。同図(ａ)に、表面にスラ
ブ状の高屈折率層８２を有する導波路８１におけるモー
ド分布を比較のため示し、同図(ｂ)にストライプ状の高
屈折率層７８を有する導波路７７における導波モードの
分布を示す。深さ方向の電界分布は同図(ａ)，(ｂ)とも
にほぼ等しいが、導波路の幅方向の電界分布は、(ｂ)に
おいて電界分布の幅が小さくなり、より強い閉じ込めが
達成されている。

【００６４】さらに、閉じ込めが強化された結果、同図
(ｂ)の基本波、高調波間のオーバラップも向上し、変換
効率は、同図(ａ)に示すスラブ状の高屈折率層を有する
導波路の１．５倍程度になった。この結果、スラブ状の
高屈折率層を有する光波長変換素子に比べ、変換効率が
２倍以上に向上した。

【００６５】次に、高次の高調波のモードプロファイル
について述べる。ＴＥ１０モードは導波路の深さ方向に
２つの強度ピークを持ち、高屈折率層側にサブピークを
有する。高屈折率層内はプロトン交換率が高く非線形性
が小さいため、サブピークにおける電界分布は基本波か
ら高調波への変換に寄与しない。そのためサブピークに
おける電界分布の存在はできるだけ制限するのが好まし
い。このため、前述したように、高屈折率層の屈折率ｎ
ｃの大きさを導波路の屈折率ｎｆの１．０１倍以上とす
ることが好ましい。

【００６６】次に、高屈折率層の厚みについて述べる。
高屈折率層の膜厚の増加とともに、高屈折率層における
電界分布の量が増大するため、高屈折率層の膜厚Ｄ₂を
制限することが好ましい。高効率化を図るためには、少
なくとも導波路の厚みＤ₁は高屈折率層の厚みＤ₂の２倍
以上であることが好ましい。Ｄ₁＜２×Ｄ₂になると変換
効率は最大値の１／２以下に減少してしまう。

【００６７】次に、集光特性の観点から高屈折率層と導
波路との屈折率の関係について説明する。サブピークを
有する導波光をレンズ系で集光する際、サブピークの大
きさにより集光特性が劣化する。前述のように、集光ス
ポットをシングルスポットにし、回折限界と同等または
それ以下の集光スポットを得るには、導波モードのサブ
ピークを集光レンズの回折限界以下に低減する必要があ
る。そのため、高屈折率層の厚みＤ₂を規定することが
好ましい。サプピークの幅は、高屈折率層の厚さと屈折
率により規定されるが、高屈折率層の厚さとほぼ等しく
なる。従って、サブピークの幅を回折限界以下に抑える
には、高屈折率層の厚みを高調波の回折限界以下に抑え
る必要がある。

【００６８】具体的には、波長４２５ｎｍの高調波に対
し、高屈折率層の厚みが０．６〜０．７μｍよりも大き
い（Ｄ₂＞０．７μｍ〜０．６μｍ）時、ＮＡ＝０．６
程度のレンズを用いると集光特性が劣化した。Ｄ₂＝
０．５μｍ程度の時はかなり集光特性が改善され、Ｄ₂
＜０．４μｍのときは、回折限界以下の集光特性が得ら
れた。ＮＡ＝１、波長４２５ｎｍと仮定して回折限界を
計算すると約０．３４μｍなので、ほぼ回折限界より小
さなＤ₂であれば、集光特性に優れた出射ビームが得ら
れることがわかる。

【００６９】次に、高屈折率層の幅Ｗ₂について説明す
る。導波モード間のオーバラップの向上ならびに閉じ込
め効果の向上により高効率化が図れるが、さらに高効率
化を図るには、高屈折率層の幅Ｗ₂は導波層の幅Ｗ₁より
小さいことが望ましい。導波路の横方向の閉じ込めが強
化され高効率化が図れるからである。Ｗ₂がＷ₁以上のと
きは、導波路を伝搬する導波モードの電界分布はスラブ
状の高屈折率を有する導波路とほぼ等しく、効率の向上
は見られなかった。Ｗ₂＜０．９×Ｗ₁のとき変換効率向
上が確認され、Ｗ₂＜０．８×Ｗ₁のとき変換効率は１．
５倍以上に向上した。

【００７０】また、高屈折率層の幅を導波路の幅より狭
くする構造は、プロトン交換による導波路内にプロトン
交換による高屈折率層を形成する方法のみならず、導波
路の表面に高屈折率の誘電体を堆積する構造においても
有効に作用することが確認できた。

【００７１】次に、高屈折率層の屈折率について説明す
る。プロトン交換部分はＬｉ_(1-x)Ｈ_xＯ₃（０＜ｘ＜
１）となっており、ＬｉＮｂＯ₃結晶内のＬｉの一部が
Ｈに交換されている。ｘはプロトン交換の交換率であ
る。

【００７２】導波路および高屈折率層は共にプロトン交
換により形成されているが、プロトン交換率は相違す
る。プロトン交換直後のｘ値は、０．９程度と非常に高
い。アニール処理によりｘの値は調整可能であり、非線
形性を回復させるには、０．５以下の交換率まで低下さ
せる必要がある。また、交換率はプロトン交換層の屈折
率と比例関係にあり、交換率が低下すると屈折率も低下
する。

【００７３】光波長変換素子の導波路は強い閉じ込めと
高い非線形性を必要とするが、アニール処理により非線
形性の回復を図ると屈折率が低下し、閉じ込めが弱くな
る。非線形性を基板の８０％程度まで回復するには、ｘ
の値を０．３程度まで低下させる必要があり、この状態
では導波路の屈折率が低くなり、基本波を十分閉じ込め
るのが難しくなる。ところが導波層の上部に高屈折率層
を形成すると、導波層の閉じ込めが強化され、閉じ込め
が強く、非線形性の高い光導波路の形成が可能となっ
た。導波層の閉じ込め強化を図るには、高屈折率層のイ
オン交換濃度を高める必要があり、導波層の２倍以上
（ｘ＞０．６）のイオン濃度とすることが好ましい。

【００７４】なお、本実施の形態では、高屈折率層とし
てプロトン交換層を用いたが、他に高屈折率の誘電体で
も同様の効果が得られる。プロトン交換の場合、導波層
の内部に高屈折率層を形成したが、誘電体膜を堆積して
高屈折率層とする場合にも、導波層の表面に選択的に堆
積して導波層を形成することが好ましい。

【００７５】誘電体として、ＬｉＮｂＯ₃よりも屈折率
の高いＮｂ₂Ｏ₅を用いた。導波路表面に２００ｎｍの厚
みのＮｂ₂Ｏ₅をスパッタリング法により堆積し、導波路
に沿ってその中央部に形成した。ただし、導波路表面に
パターニングして、高屈折率層をリッジ形状に加工する
際にリッジ形状の側面にわずかな凹凸が形成された。こ
れによって、光導波路の伝搬損失が増加したため、イオ
ン交換で形成した導波層の方が導波光の伝搬損失が小さ
いという点では優れていることがわかった。

【００７６】なお、本実施の形態ではＸ板の基板を用い
たが、他にＹ板、Ｚ板、また結晶軸が表面から傾いた基
板を用いてもよい。Ｚ板または結晶軸が基板表面から傾
いた基板を用いると深い分極反転構造の形成が容易であ
り、高効率化が図れる。

【００７７】また、本実施の形態でＴＥモードの偏光方
向を利用したのは、通常の半導体レーザの導波路の偏光
方向と一致させるためである。半導体レーザと同じ偏光
方向を有する光導波路にすることで、導波路同士を低損
失で結合させることが可能となる。ただし、ＴＭモード
偏光の光導波路も利用可能である。ＴＭモードの光導波
路は、偏光方向をλ／２板により制御することで結合損
失を低減することが可能である。

【００７８】さらに、本実施の形態では、光導波路を用
いた光波長変換素子について説明したが、本実施形態の
光導波路は、他の光導波路素子にも有効である。高屈折
率層を光導波路上に形成することにより、光導波路を伝
搬する導波光の電界分布は表面近傍に強く引き寄せられ
る。このため、導波路上に形成するプレーナー電極や、
グレーティング素子の影響を導波光に強く与えることが
可能となり、効率の高い変調および回折効果を得ること
ができる。

【００７９】なお、本実施の形態では基板にＬｉＮｂＯ
₃基板を用いたが、他にＭｇＯ、Ｎｂ、Ｎｄ等をドープ
したＬｉＮｂＯ₃、またはＬｉＴａＯ₃またはその混合物
であるＬｉＴａ_(1-x)Ｎｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１）基板、そ
のほかＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）でも同様な素子が作製
できる。ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＴＰはともに高
い非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作
製できる。

【００８０】（実施の形態３）次に、本発明の光波長変
換素子の構成の他の例として、高屈折率層をイオン交換
により形成した場合について述べる。本実施形態の光波
長変換素子の構成図を図７に示す。図７に示したよう
に、Ｘ板のＬｉＮｂＯ₃基板８３の表面近傍に、ストラ
イプ状の導波路８４が形成されており、導波路８４の表
面近傍には、プロトン交換による高屈折率層８５が形成
されている。ＬｉＮｂＯ₃基板８３には、位相整合のた
めに導波路を周期的に横切るように分極反転部８６が形
成されている。

【００８１】イオン交換により形成した高屈折率層８５
は、 ・面内における膜厚の均一性に優れており、面内バラツ
キを±０．１％以下に抑えることができ、 ・膜厚の制御性に優れ±０．０１μｍ以下で膜厚を制御
でき、 ・高調波、基本波に対する伝搬損失がともに小さく、 ・導波層との境界部における歪み等が小さく伝搬損失や
面内分布を与えない点で優れている。

【００８２】高屈折率層には基板よりも高い屈折率を有
していることが求められるが、基本波、高調波に対する
伝搬損失が低いことも求められる。特に高調波は４００
ｎｍ程度と短波長なので、伝搬損失の増大が著しい。例
えば、高屈折率の誘電体としてはＮｂ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂等
が通常用いられるが、誘電体の吸収端に近づくこともあ
り、短波長の光に対する伝搬損失が増大する傾向にあ
る。そこで、高屈折率層をイオン交換により形成するこ
とを試みた。イオン交換層は基板の透過特性とほぼ等し
く短波長光に対する伝搬損失の増大が小さい点で有利で
ある。

【００８３】イオン交換は本実施の形態に用いられる強
誘電体結晶に容易に適用できる。例えばＬｉＮｂＯ₃に
イオン交換の一種であるプロトン交換を施すと、屈折率
変化が０．１程度と非常に大きな値が得られ、高屈折率
の層が容易に形成できる。

【００８４】これに加え、イオン交換は深さの制御が容
易であり、均一性の高い層が形成できるという特徴を有
する。例えばスパッタリング法等により誘電体を成膜し
て高屈折率層を形成する場合、通常の装置では面内均一
性は±１〜３％程度である。これに対して、イオン交換
は拡散により形成するため、拡散温度と時間の制御によ
り厚みのバラツキは０．０１μｍ以下とすることができ
る。さらに、面内の均一性も厚みの制御と同等の制御が
可能であり、スパッタリング等の成膜による方法に比べ
２桁以上高い精度が達成される。具体的にはＮｂ₂Ｏ₅ス
パッタ膜を用いた素子とプロトン交換による光波長変換
素子の特性を比較したところ、プロトン交換により形成
した素子は、Ｎｂ₂Ｏ₅のスパッタ膜を用いた素子に比
べ、均一性が一桁以上高い値を示し、ＳＨＧの変換効率
が２倍以上高いことがわかった。

【００８５】次に、前述した導波モードのサブピークを
導波光の回折限界以下にする方法について述べる。導波
モードのサブピークの幅は、高屈折率層の厚みと屈折率
により決定される。ただし、サブピークの幅は高屈折率
層の厚み程度か、それ以上にしかならないので、高屈折
率層の幅は少なくとも、導波光の回折限界の幅以下に抑
える必要がある。さらに、高屈折率層の屈折率を導波層
の屈折率の１．０１倍以上とすることが好ましい。

【００８６】高屈折率層の幅が導波層の幅より狭い場
合、高屈折率層の屈折率が導波層の１．０１倍未満にな
ると、サプピークの幅が高屈折率層の厚みより大幅に増
大し、高調波出力の集光特性が劣化し、回折限界までの
集光が難しくなった。

【００８７】さらに、高屈折率層の屈折率と厚みを制御
し、サブピークの幅と集光特性の関係を調べた。その結
果、実施の形態１で示したと同じ結果が得られ、同様に
サブピークの幅を導波光の回折限界以下に設定すること
により、集光特性の優れたビームが得られることが確認
された。

【００８８】以上より、高屈折率層の膜厚を導波光の回
折限界以下にすることで、集光特性に優れた出射ビーム
を得られることがわかった。

【００８９】次に、本発明の光波長変換素子が作製誤差
に対する許容度に優れている点について説明する。光波
長変換素子は、導波路内で基本波から高調波へ変換する
際に基本波と高調波との位相整合条件の成立が必要であ
る。位相整合条件とは、基本波と高調波との位相速度を
そろえる条件で、基本波・高調波間での実効屈折率制御
が必要となる。

【００９０】光導波路を用いた場合、光導波路の全長に
渡り位相整合条件を成立させなければならない。ところ
が、位相整合条件に対する許容度はかなり狭く、実際の
光導波路型の光波長変換素子を形成する際には、導波路
幅、屈折率変動等を極限まで管理する必要があった。例
えば、ＬｉＮｂＯ₃を用いた擬似位相整合型の光波長変
換素子の場合、導波路長１０ｍｍに渡り、導波路幅を４
μｍで±０．１μｍ以下に制御する必要があり、作製歩
留まりを低下させる原因になっていた。

【００９１】この原因は、図８の(ａ)に示すように、導
波路の幅に対する位相整合波長の変動が大きいことであ
る。光波長変換素子の位相整合波長の許容度は、素子長
１０ｍｍの場合０．１μｍ程度であり、例えば、導波路
の幅が０．１μｍずれると、位相整合波長の許容度から
はずれてしまう。導波路の幅が伝搬方向でわずかに変化
したとき、その各部分で位相整合波長が異なることにな
り、特定の波長の基本波を入射した場合、一部の位相整
合条件が成立する幅の導波路の部分でしか高調波が発生
しない。このため、導波路長全域にわたり形成した分極
反転構造はその一部しか光波長変換に寄与しなくなり、
変換効率が低下する。また、高屈折率層を導波路表面に
スラブ状に形成した光導波路においても、同様の特性を
示し、光導波路の作製誤差は±０．１μｍ以下と厳しか
った。

【００９２】ところが、本実施形態の光導波路構造を有
する光波長変換素子においては、図８の(ｂ)に示すよう
に、導波路の幅に対する位相整合波長の変動が非常に小
さいことが見出された。即ち、位相整合波長の許容度を
満足する導波層の幅の許容度が±０．５μｍまで増大
し、従来の５倍の許容度まで拡大されることがわかっ
た。このため、従来、光導波路の作製誤差により特性を
落としていた光波長変換素子の変換効率を、２倍以上に
向上させることができた。

【００９３】なお、本実施の形態ではＸ板の基板を用い
たが、他にＹ板、Ｚ板、また結晶軸が表面から傾いた基
板を用いてもよい。Ｚ板または結晶軸が基板表面から傾
いた基板を用いると深い分極反転構造の形成が容易であ
り、高効率化を図ることができる。

【００９４】また、本実施の形態ではＴＥモードの偏光
方向を利用したが、その理由は、通常の半導体レーザの
導波層の偏光方向と一致させるためである。半導体レー
ザと同じ偏光方向を有する導波層にすることで、導波層
同士を低損失で結合させることが可能となる。ただし、
ＴＭモード偏光の導波層も利用可能である。ＴＭモード
の導波層は、偏光方向をλ／２板により制御することで
結合損失を低減することが可能である。

【００９５】さらに、本実施の形態では、光導波路を用
いた光波長変換素子について説明したが、本発明の光導
波路は、他の光導波路素子にも有効である。高屈折率層
を光導波路上に形成することにより、光導波路を伝搬す
る導波光の電界分布は表面近傍に強く引き寄せられる。
このため、導波層上に形成するプレーナ電極や、グレー
ティング素子の影響を導波光に強く与えることが可能と
なり、効率の高い変調および回折効果が得られた。

【００９６】また、本実施の形態では基板にＬｉＮｂＯ
₃基板を用いたが、他にＭｇＯ、Ｎｂ、Ｎｄ等をドープ
したＬｉＮｂＯ₃、またはＬｉＴａＯ₃またはその混合物
であるＬｉＴａ_(1-x)Ｎｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１）基板、そ
のほかＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）でも同様な素子が作製
できる。ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＴＰはともに高
い非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作
製できる。

【００９７】（実施の形態４）本実施の形態では、光波
長変換素子の別の構成について述べる。この光波長変換
素子は、図９(ａ)に示すように、Ｘ板のＭｇＯ：ＬｉＮ
ｂＯ₃基板９１上に周期状に形成された分極反転部９４
と導波路９２とが形成されている。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ
₃基板９１は、結晶のＺ軸が基板の表面に対して３°傾
くように基板を切り出している。結晶軸の傾いた基板を
用いると、深い分極反転部９４を形成できるため、高効
率の光波長変換素子が構成できる。これは分極反転部９
４が結晶のＺ軸に沿って形成されるため、基板表面から
基板内部へと成長するためである。そこでこの性質を利
用して図９に示したような光波長変換素子を作製した。

【００９８】図９(ｂ)には、導波層９２に沿って基板を
切断した断面図を示す。図９(ｂ)に示すように、分極反
転部９４は基板内部に形成されており、表面の高屈折率
層９３と導波層９２との境界近傍部分から基板内部へと
形成されており、高屈折率層９３の内部には分極反転構
造が存在しないように形成されている。これによって、
光波長変換素子の高効率化が図れる。以下、その理由に
ついて説明する。

【００９９】光波長変換素子の変換効率は、前述したよ
うに、分極反転部９４の構造と導波路９２とを伝搬する
導波光（基本波、高調波）とのオーバラップに依存す
る。ところが、高効率化のため、高調波は高次の導波モ
ード（ＴＥ１０モード）を用いるため、電界分布として
は、高調波は高屈折率層９３と導波路９２とで電界の位
相が逆転している。このため、高屈折率層でのオーバラ
ップは高調波への変換を低下させる。

【０１００】これを防止するには、高屈折率層９３での
オーバラップが、波長変換に影響を与えないようにする
必要がある。そこで、図９に示すように、高屈折率層９
３における周期状の分極反転構造をなくすことで、高屈
折率層９３のみを選択的に位相整合条件が成立しないよ
うにできる。これによって、光波長変換素子の高効率化
を図ることができた。

【０１０１】なお、本実施の形態では結晶軸が３°傾い
た結晶を用いたが、結晶の傾きは５°以下ならば、深い
分極反転構造が形成できるため使用できる。特に０．５
°〜３°の傾きは分極反転の傾きが小さく、使用面積が
増大するために好ましい。

【０１０２】（実施の形態５）次に、光波長変換素子に
おける光導波路の作製方法について述べる。ここでは、
イオン交換の一種であるプロトン交換を用いた光導波路
形成について図１０を用いて説明する。

【０１０３】図１０(ａ)は、ＬｉＮｂＯ₃基板９５の表
面に耐イオン交換マスクとしてＴａ膜９６を堆積し、フ
ォトリソグラフィ法とドライエッチングとを用いて、幅
４μｍの導波路パターンを形成する工程である。この工
程の後、同図(ｂ)に示すように、基板９５を２００℃の
ピロ燐酸中で熱処理し、非マスク部分の結晶のＬｉと酸
中のプロトン（Ｈ⁺）を交換し、第１のプロトン交換部
９７を形成する。次に、同図(ｃ)に示すように、プロト
ン交換部をアニール処理し、イオン交換部の体積を増大
させて導波路とする。同図(ｄ)に示すように、再度ピロ
燐酸中で熱処理し、非マスク部分に第２のプロトン交換
部９８、即ち高屈折率層を形成する。さらに、１６０℃
以下の低温でアニール処理することにより高屈折率層の
厚みを微調整し、最適な導波層構造を形成した。

【０１０４】第１のプロトン交換部９７は、２００℃で
６分程度プロトン交換を行うことにより、０．２μｍ程
度の厚さとした。これを３００℃で６０分間程度アニー
ル処理することにより、交換層深さは約２．５μｍに、
幅は５μｍ以上に拡大した。このようにして形成された
導波路のプロトン交換率は、アニール処理により低減さ
れ、非線形性が回復した。

【０１０５】また、耐酸化性に優れたＴａをマスクに用
いることにより、プロトン交換はもとより、その後のア
ニール処理による膜質の変化は観測されなかった。そこ
で同じマスクを使って再度プロトン交換を行うと、導波
路の内部に高屈折率層が形成される。

【０１０６】導波路はアニール処理により幅、深さとも
に広がっているため、第２のイオン交換により形成され
る高屈折率層は、光導波路より幅の小さな層とすること
ができる。

【０１０７】さらに、形成した導波層を、１６０℃以下
の低温でアニール処理することにより、導波路の特性を
変えることなく、伝搬損失を大幅に低減できることがわ
かった。低温でアニール処理することにより、第１およ
び第２のイオン交換部の拡散をわずかに抑え、同時にア
ニールによる導波路の伝搬損失の低減が図れた。

【０１０８】次に、作製した光導波路の特性を調べた。
波長８５０ｎｍの基本波を入射し、導波する光のモード
分布を調べた。導波路幅４μｍ、深さ２μｍとし、導波
光のＮＦＰ（近視野像）を観測することで、導波モード
の分布を測定した。測定は、前述の方法により作製した
(１)ストライプ状（線状）の高屈折率層を有する光導波
路、(２)高屈折率層を有さない光導波路、(３)スラブ状
の高屈折率層を有する光導波路についてそれぞれ測定し
た。結果を以下の表に示す。但し、表中のモードの幅
は、強度分布が１／ｅ²になる幅を示している。

【０１０９】 [μｍ] −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 高屈折率層の形状 (1)ストライフ゜状 (2)なし (3)スラブ状 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 導波モードの厚さ １．７ ２．５ １．８ 導波モードの幅 ３ ４ ３．５ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

【０１１０】上記結果から、ストライプ状の高屈折率を
設けることにより、光導波路の閉じ込めが深さ方向およ
び幅方向に強まり、パワー密度の高い光導波路が形成で
きることがわかった。

【０１１１】さらに、ストライプ状の高屈折率層を用い
ると、導波モードの電界分布を導波路の伝搬方向に従い
変形できるという特性を有する。例えば、 ・光導波路の入射部においてレーザ光の光導波路結合効
率を向上させる入射テーパの形成、 ・出射ビームのアスペクト比を１：１に整形するモード
整形、を行うことができる。

【０１１２】まず、最初に、入射テーパについて図１１
を用いて説明する。図１１において、ＬｉＮｂＯ₃基板
１０１に導波層１０２が形成され、導波層１０２の表面
近傍に線条の高屈折率層１０３が形成されている。高屈
折率層１０３は入射部近傍でテーパ状にその幅が狭くな
っている。高屈折率層１０３を有する導波層１０２は、
上記表に示すように高屈折率層１０３により閉じこめが
強化され、導波モードの分布は小さくなっている。そこ
で、導波層１０２の入射部に近傍で高屈折率層をテーパ
状に加工し、入射部に行くに従いテーパ部の幅を減少さ
せてやれば、入射部に近づくに従い、導波層１０２の閉
じこめが弱くなって導波モードの断面積を大きくするこ
とができる。

【０１１３】具体的には、高屈折率層１０３の幅を４μ
ｍ以上から０．５μｍまで絞り込んだところ、導波モー
ドの電界分布は高屈折率層１０３がない場合と等しくな
り拡大した。導波モードの大きさは、導波部で深さ１．
７μｍ、幅３μｍであったのが、入射部では深さ２．５
μｍ、幅４μｍまで拡大することができた。これによっ
て、半導体レーザとの結合効率を従来の１．３倍に向上
させることが可能となり、結合精度の許容度も１．５倍
に向上した。

【０１１４】上記の効果を得る方法は他にもある。例え
ば、入射部近傍では、ストライプ状の高屈折率層を、分
断して島状に形成する方法である。入射部での高屈折率
層の形成部分と非形成部分との比率を変化させることに
より、導波路の実効的な閉じこめを変えることができ
る。具体的には、矩形状の周期を２μｍとし、有り無し
の比率を１００％〜１０％まで、導波路の入射部に近づ
くに従って徐々に矩形の高屈折率層の割合を減らしてい
った。これによっても、テーパ形状と同様の効果が得ら
れ、結合効率の高いテーパ導波路が形成できた。このよ
うに光導波路においては、高屈折率層を、導波方向単位
長さ当たりの高屈折率層の割合が端部に近づくに従って
小さくなるように形成することが好ましい。

【０１１５】同様に、出射ビームの形状を変えることも
できる。出射部で高屈折率層１０３の幅を変えて、出射
ビームのアスペクト比を１：１に近づけることができ
た。

【０１１６】なお、本実施の形態ではＸ板の基板を用い
たが、他にＺ、Ｙ板の基板または、結晶軸から傾いた表
面を持った基板等、結晶軸に関係なく使用できる。ま
た、本実施の形態では基板にＬｉＮｂＯ₃基板を用いた
が、他にＭｇＯ、Ｎｂ、Ｎｄ等をドープしたＬｉＮｂＯ
₃、またはＬｉＴａＯ₃またはその混合物であるＬｉＴａ
_(1-x)Ｎｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１）基板、そのほかＫＴＰ
（ＫＴｉＯＰＯ₄）でも同様な素子が作製できる。Ｌｉ
ＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＴＰはともに高い非線形性を
有するため、高効率の光波長変換素子が作製できる。

【０１１７】（実施の形態６）本実施の形態では、本発
明の光波長変換素子を用いた短波長光発生装置の別の例
について説明する。構成としては、波長８００ｎｍ帯の
半導体レーザ、集光光学系および光波長変換素子より構
成され、半導体レーザから出射した光を集光光学系によ
り光波長変換素子の導波路短面に集光し、導波モードを
励起する。

【０１１８】光波長変換素子の他の導波路端面より、波
長変換されたＳＨＧ光が出射する。変換効率が高い光波
長変換素子が実現したため、出力１００ｍＷ程度の半導
体レーザを用いて、１０ｍＷの青色ＳＨＧ光が得られ
た。また、用いた光波長変換素子は耐光損傷性に優れ、
安定な出力が得られたため、出力変動が２％以下である
安定な出力が得られた。４００ｎｍ帯の波長は、印刷製
版、バイオ、蛍光分光特性等の特殊計測に、光ディスク
等、広い応用分野において望まれている。本発明の光波
長変換素子を用いた短波長光源は、出力特性、安定性と
もにこれらの応用分野での実用化が可能である。

【０１１９】なお、本実施の形態では半導体レーザの光
を集光光学系を用いて光導波路に結合させたが、半導体
レーザと光導波路を直接結合させることも可能である。
ＴＥモード伝搬の光導波路を用いると、半導体レーザの
導波モードと電界分布を等しくすることが可能となるた
め、集光レンズなしでも高効率で結合できる。実験では
結合効率８０％で直接結合が可能であり、レンズ結合と
ほぼ同等の結合特性が得られることを確認した。直接結
合を用いると小型で、低価格の光源が実現できる。

【０１２０】（実施の形態７）本実施の形態では、光ピ
ックアップについて説明する。図１２に本発明の光ピッ
クアップの例を示す。図１２においては、実施の形態１
に示した短波長光発生装置１０５から出た出力１０ｍＷ
のビームは、ビームスプリッタ１０６を透過し、レンズ
１０７により光情報記録媒体である光ディスク１０８に
照射される。光ディスク１０８からの反射光は、逆にレ
ンズ１０７によりコリメートされ、ビームスプリッタ１
０６で反射され、ディテクタ１０９で信号が読みとられ
る。なお、短波長光発生装置の出力を強度変調すること
で、光ディスク１０８が記録も可能である場合には、情
報を書き込むこともできる。

【０１２１】短波長光発生装置１０５から出力されるの
は、サブピークを有するＴＥ１０モードであるが、これ
を集光するとレンズの回折限界以下の小さなスポット径
の集光ビームが得られた。これによって、短波長光によ
る集光特性に加え、超解像効果による小さなスポット径
が得られた結果、記録密度を従来の１．２倍に向上させ
ることが可能となった。

【０１２２】さらに、高出力の青色光の発生が可能とな
るため、読み取りだけでなく、光情報記録媒体へ情報を
書き込むことも可能となった。半導体レーザを基本波光
源として用いることで、非常に小型になるため、民生用
の小型の光ディスク読み取り、記録装置にも利用でき
る。

【０１２３】さらに、光波長変換素子は、光導波路幅を
最適化することで、出力ビームのアスペクト比の最適化
が行える。例えば、光導波路上に導波層幅より狭い高屈
折率層を有する導波層構造をとることで、出射ビームの
アスペクト比を１：１に近づけることが可能となる。

【０１２４】光ピックアップの集光特性を向上させるた
め、ビーム成形プリズム等が不要になり、高い伝達効
率、優れた集光特性、低価格化が実現できた。さらに、
ビーム成形時に発生する散乱光のノイズが低減でき、ピ
ックアップの簡素化が実現できた。

【０１２５】（実施の形態８）本実施形態では、イオン
交換層を用いた別の光波長変換素子について説明する。
図１３に示したように、非線形光学効果を有する結晶の
基板３１の表面に、イオン交換層３４と導波層３３とが
形成されている。イオン交換層３４は、上記と同様、プ
ロトン交換により形成しうるものであって基板３１より
も高い屈折率を有する高屈折率層である。また、基板の
表面には、導波層３３を周期的に横断するように分極反
転部３２が形成されている。この基板３１では、分極方
向と基板表面とが１°〜５°の角度を有しているため、
分極反転部３２も基板表面とこの範囲の角度を有してい
る。

【０１２６】このような光波長変換素子において光導波
路内の分極反転部の深さと、波長変換効率との関係につ
いて調査した。図１４に示したように、分極反転部の深
さは導波層３３の幅の中央における、基板表面と分極反
転部３２の上端との間の距離ｄにより示すこととする。
また。高屈折率層は、プロトン交換により形成した。分
極反転部の厚さは約２μｍ、導波層の厚さは約３μｍと
した。なお基板３１としては、分極方向が基板表面と約
３°傾いた、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ₃を用い
た。

【０１２７】その結果、ｄ＝０の場合と比較して、ｄが
０．２〜０．５μｍのときの変換効率は、約２倍となっ
た。ｄを０．２〜０．３μｍとすると変換効率はさらに
向上した。一方、ｄ＞１μｍとすると変換効率はｄ＝０
の場合とほぼ同じとなった。もっとも、ｄの好ましい範
囲は光導波路の深さに依存するため、ｄは光導波路の深
さに応じて光導波路と分極反転部とのオーバーラップが
大きくなるように定めることが好ましい。

【０１２８】さらに、この光波長変換素子における光損
傷について調査した。上記調査において、ｄを好ましい
値とすると、変換効率は向上するものの光損傷強度が低
下する場合があったからである。光損傷は、分極反転部
が存在しない、光導波路の表面で生じたものと考えられ
る。そこで、ｄと高屈折率層の厚みＤとの関係を調整し
たところ、Ｄ＞ｄのときに光損傷が改善することが見出
された。一方Ｄ＜ｄでは高屈折率層の効果は顕著には認
められなかった。これはプロトン交換層である高屈折率
層が、電気光学定数の劣化および電気伝導度の向上によ
り、光損傷の発生を抑制したためと考えられる。また、
高屈折率層を光導波路の表面に形成することにより導波
光のオーバーラップも大きくなり、変換効率も向上させ
ることができた。

【０１２９】なお、高屈折率層は、図示したように、基
板表面全体に形成されていてもよいが、光導波路の表面
近傍の基板表面のみに形成されていても構わない。

【０１３０】以下、図示したように、基板表面に対して
一定の角度を有するように分極反転部を形成する方法に
ついて説明する。このような分極反転部は、結晶の分極
方向が表面に対して傾いている基板（例えば強誘電体結
晶基板（ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ₃））を用い、
この結晶の表面に離間して配置した２つの電極間に絶縁
膜を配置して電圧を印加することにより、形成すること
ができる。

【０１３１】この場合、通常の分極反転部の形成方法に
従い、図１５に示したように、基板１９１の表面に櫛形
電極１９２と棒状電極１９３とを形成し、両電極間に電
圧を印加して櫛形電極から分極反転部を伸長させる方法
を採用することもできる。しかし、分極反転部を均一に
かつ一定以上の深さに形成するためには、基板表面に形
成した絶縁膜１９５を利用することが好ましい。

【０１３２】その場合、図１６〜図１８に示す方法を採
用することができるが、図１７および図１８に示したよ
うに、棒状電極１９３を絶縁膜１９５の上に形成するこ
とが好ましい。このようにすれば部分極反転構造の均一
性を改善することができる。また、図１７に示したよう
に分極反転の起点となる棒状電極１９２を絶縁膜１９５
により覆うことがさらに好ましい。

【０１３３】絶縁膜１９５としては、特に限定されない
が、例えばスパッタリング法により形成したＳｉＯ₂膜
を用いることができる。図１７に示したような方法を採
用する場合の膜厚は１００ｎｍ未満では効果がほとんど
なく、２００ｎｍ以上とすると、図１９に示したように
均一で深い分極反転部１９４の形成が可能となる。しか
し、１μｍ以上堆積しても反転特性に大きな変化はな
く、これほどまでに厚くするのは生産効率上好ましくは
ない。従って、絶縁膜の膜厚は２００ｎｍ〜１μｍとす
ることが好ましい。

【０１３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
優れた集光特性を有する第２高調波出力が可能で、かつ
基本波と第２高調波とのオーバーラップを大きくした光
波長変換素子を提供することができる。特に、高屈折率
層を有する導波層構造において、イオン交換により高屈
折率層を形成することにより、高屈折率層の低損失化、
均一化の大幅な改善が可能となった。さらに、高次の導
波モードのサブピークの幅を光の回折限界以下に抑える
ことにより、出力される高次モードの高調波は超解像効
果を有し、集光特性が飛躍的に向上するため、その実用
効果は大きい。

【０１３５】また、屈折率の高い高屈折率層を、導波層
の幅より狭いストライプ構造にすることにより、導波層
の幅方向の閉じ込めも強くすることができ、これによっ
て、光波長変換素子の効率をさらに向上させることが可
能となった。

【０１３６】また、本発明の光発生装置によれば、出力
するビームの集光特性を大幅に向上させることができ
る。同時に、高い変換効率の光波長変換素子により高出
力の短波長光が得られるため、その実用効果は大きい。
また、高屈折率層により電界分布の制御が可能となり、
導波層を伝搬するモードプロファイルの制御性が向上す
る。これによって第２高調波出力の放射パターンのアス
ペクト比を１に近づけることが可能となり、光の利用効
率が大幅に向上するため、その実用効果は大きい。この
光発生装置は、例えば光ピックアップに好適である。

【０１３７】さらに、導波層と高屈折率層の形成に用い
る耐イオン交換性マスクを同じものとしてイオン交換す
ることにより、セルフアライメントによって導波層の表
面にストライプ状の高屈折率層を形成することができる
ため、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 光導波路の断面図(ａ)と、光導波路内の基本
波とＳＨＧ波とのオーバラップを示す図(ｂ)である。

【図２】 光導波路の構造と導波モードの電界分布の関
係を示す図であり、クラッド層がない場合の電界分布図
(ａ)、高屈折率層が薄い場合の電界分布図(ｂ)、高屈折
率層が適当な厚さを有する場合の電界分布図(ｃ)、高屈
折率層が厚い場合の電界分布図(ｄ)である。

【図３】 本発明の短波長光発生装置の構成例を示す断
面図である。

【図４】 出射ビームの集光スポットの強度分布図であ
り、ＴＥ００モードの集光スポット強度分布図(ａ)、Ｔ
Ｅ１０モードの集光スポット強度分布図(ｂ)である。

【図５】 本発明の光波長変換素子の構成例の斜視図
(ａ)と、この光波長変換素子の要部断面における導波モ
−ドの電界分布図(ｂ)である。

【図６】 光波長変換素子の導波モ−ドを説明する図
で、表面にスラブ状の高屈折率層を有する導波層のモ−
ド分布図(ａ)と、表面にストライプ状の高屈折率層を有
する導波層のモ−ド分布図(ｂ)である。

【図７】 本発明の他の光波長変換素子の構成例を示す
斜視図である。

【図８】 光導波路幅と位相整合波長との関係を示す図
である。

【図９】 本発明の光波長変換素子の構成例を示す図
で、斜視図(ａ)および要部断面図(ｂ)である。

【図１０】 本発明の光波長変換素子の製造工程を示す
図で、基板にパタ−ンを形成する工程(ａ)、第１のプロ
トン交換工程(ｂ)、アニール工程(ｃ)、第２のプロトン
交換工程（ｄ）をそれぞれ示す図である。

【図１１】 本発明の光導波路の構成例を示す斜視図で
ある。

【図１２】 本発明の光情報処理装置の構成例を示す斜
視図である。

【図１３】 本発明の光波長変換素子の構成例を示す斜
視図である。

【図１４】 本発明の光波長変換素子の別の構成例を示
す要部断面図である。

【図１５】 分極反転部を形成するための一対の電極の
配置例を示す断面図である。

【図１６】 分極反転部を形成するための一対の電極と
絶縁膜との位置関係を示す断面図である。

【図１７】 分極反転部を形成するための一対の電極と
絶縁膜との位置関係を示す断面図である。

【図１８】 分極反転部を形成するための一対の電極と
絶縁膜との位置関係を示す断面図である。

【図１９】 図１７に示した方法により形成された分極
反転部を示す断面図である。

【図２０】 従来の光波長変換素子の構成を示す図であ
る。

【図２１】 図２０の光波長変換素子の要部断面を基本
波および高調波の電界分布とともに示す図である。

【図２２】 従来の他の光波長変換素子の構成を示す図
である。

【符号の説明】

６１ 基板 ６２ 導波層 ６３ 高屈折率層 ６４ 基本波 ６５ ＳＨＧ波 ７１ 半導体レーザ ７２ 光波長変換素子 ７２ａ 導波層 ７３，７４ レンズ ７６ LiNbO₃基板（Ｘ板） ７７ 導波層 ７８ 高屈折率層 ７９ 分極反転部 ９５ LiNbO₃基板 ９６ Ta膜 ９７ 第１のプロトン交換部 ９８ 第２のプロトン交換部 １０５ 短波長光発生装置 １０６ ビームスプリッタ １０７ レンズ １０８ 光ディスク １０９ ディテクタ

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶基板と、前記結晶基板の表面に形成
   された導波路と、前記導波路の表面に形成されたイオン
   交換層とを含み、 前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい
   屈折率と、前記導波路を伝播する基本波は前記イオン交
   換層内を伝播できないが前記基本波の高調波は前記イオ
   ン交換層内を伝播しうる厚さとを備えていることを特徴
   とする光導波路。
2. 【請求項２】 前記イオン交換層の厚さが、前記高調波
   の回折限界以下である請求項１に記載の光導波路。
3. 【請求項３】 前記イオン交換層の幅が、前記導波路の
   幅よりも狭い請求項１に記載の光導波路。
4. 【請求項４】 基本モードの前記基本波と高次モードの
   前記高調波とが前記導波路内において位相結合しうる請
   求項１に記載の光導波路。
5. 【請求項５】 前記イオン交換層の屈折率が、前記導波
   路の屈折率の１．０１倍よりも大きい請求項１に記載の
   光導波路。
6. 【請求項６】 前記導波路がイオン交換により形成され
   た層であり、前記導波路のイオン交換率が前記イオン交
   換層のイオン交換率の５０％以下である請求項１に記載
   の光導波路。
7. 【請求項７】 前記結晶基板において、結晶の分極方向
   と前記表面とが０．５°〜５°の角度をなす請求項１に
   記載の光導波路。
8. 【請求項８】 前記導波路の端部において、前記高屈折
   率層の幅がテーパー状に狭められている請求項１に記載
   の光導波路。
9. 【請求項９】 前記結晶基板が非線形光学効果を有する
   請求項１に記載の光導波路。
10. 【請求項１０】 結晶基板と、前記結晶基板の表面に形
    成された導波路と、前記導波路の表面に形成され、前記
    導波路よりも屈折率が高い高屈折率層とを含み、 前記高屈折率層が、前記導波路を伝播する基本波は前記
    高屈折率層内を伝播できないが前記基本波の高調波は前
    記高屈折率層内を伝播しうる厚さを備えていることを特
    徴とする光導波路。
11. 【請求項１１】 結晶基板と、前記結晶基板の表面に形
    成された導波路と、前記導波路の表面に形成されたイオ
    ン交換層とを含み、 前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい
    屈折率と、前記導波路の幅よりも狭い幅と、前記導波路
    の深さの半分以下の深さとを備えていることを特徴とす
    る光導波路。
12. 【請求項１２】 結晶基板の表面に線条の非マスク部分
    が確保されるように耐イオン交換マスクを形成する工程
    と、前記表面の非マスク部分を通じてイオン交換するこ
    とにより前記結晶基板内に第１のイオン交換部を形成す
    る工程と、前記基板を熱処理することにより前記第１の
    イオン交換部を拡張して導波路とする工程と、前記非マ
    スク部分を通じてイオン交換することにより前記導波路
    内に前記導波路よりも屈折率が高い第２のイオン交換部
    を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
13. 【請求項１３】 請求項１〜１１のいずれかに記載の光
    導波路を含み、さらに前記導波路を周期的に横断するよ
    うに形成された２以上の分極反転部を含むことを特徴と
    する光波長変換素子。
14. 【請求項１４】 非線形光学効果を有する結晶と、前記
    結晶の表面に形成された導波路と、前記導波路を周期的
    に横断するように形成された２以上の分極反転部と、前
    記導波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、 前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい
    屈折率と、前記導波路を伝播する基本波は前記イオン交
    換層を伝播できないが前記基本波の高調波は伝播しうる
    厚さとを備えていることを特徴とする光波長変換素子。
15. 【請求項１５】 非線形光学効果を有する結晶と、前記
    結晶の表面に形成された導波路と、前記導波路を周期的
    に横断するように形成された２以上の分極反転部と、前
    記導波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、 前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい
    屈折率と、前記導波路の幅よりも狭い幅と、前記導波路
    の深さの半分以下の深さとを備えていることを特徴とす
    る光波長変換素子。
16. 【請求項１６】 前記分極反転部が、前記導波路には形
    成されているが前記イオン交換層には形成されていない
    請求項１４または１５に記載の光波長変換素子。
17. 【請求項１７】 前記イオン交換層の深さが、前記導波
    路の幅中央における前記結晶の表面から前記分極反転部
    の上端までの深さよりも深い請求項１４または１５に記
    載の光波長変換素子。
18. 【請求項１８】 非線形光学効果を有する結晶と、前記
    結晶の表面に形成された導波路と、前記導波路を周期的
    に横断するように形成された２以上の分極反転部と、前
    記導波路の表面に形成され、前記導波路よりも屈折率が
    高い高屈折率層とを含み、 前記高屈折率層が、前記導波路を伝播する基本波は前記
    高屈折率層内を伝播できないが前記基本波の高調波は前
    記高屈折率層内を伝播しうる厚さとを備えていることを
    特徴とする光波長変換素子。
19. 【請求項１９】 前記分極反転部が、前記導波路には形
    成されているが前記高屈折率層には形成されていない請
    求項１８に記載の光波長変換素子。
20. 【請求項２０】 請求項１３〜１９のいずれかに記載の
    光波長変換素子と半導体レーザとを含み、前記半導体レ
    ーザから出射された光を前記光波長変換素子により波長
    変換することを特徴とする光発生装置。
21. 【請求項２１】 ０．８λ以下のサブピークを含む高次
    モードの高調波へと波長変換する請求項２０に記載の光
    発生装置。ただし、λは前記高調波の波長である。
22. 【請求項２２】 波長変換された高調波を集光する集光
    光学系を含み、前記集光光学系の開口数ＮＡと、前記イ
    オン交換層または前記高屈折率層の厚さＬＤとが、下記
    関係式を満たす請求項２０に記載の光発生装置。 ＬＤ＜０．８λ／ＮＡ ただし、λは前記高調波の波長である。
23. 【請求項２３】 請求項２０に記載の光発生装置と集光
    光学系と記録メディアとを含む光ピックアップであっ
    て、前記光発生装置から出射された光を前記集光光学系
    により前記記録メディア上に集光することを特徴とする
    光ピックアップ。