(57)【要約】【課題】高出力の第二高調波発生素子とその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明は、少なくとも1つのシングルモード導波路１２ａと、シングルモード導波路１２ａと光学的に結合された、少なくとも1つのマルチモード干渉導波路１２ｂと、を有する周期構造光導波路１２を備える。シングルモード導波路１２ａとマルチモード干渉導波路１２ｂとが、周期Λでｎ（ｎは自然数）周期繰り返す。周期Λは、コヒーレンス長の偶数倍と等しい。【選択図】図１
2010197802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つのシングルモード導波路と、前記シングルモード導波路と光学的に結合された少なくとも1つのマルチモード干渉導波路と、を有する周期構造光導波路を備え、
前記シングルモード導波路と前記マルチモード干渉導波路とが、周期Λでｎ（ｎは自然数）周期繰り返され、
前記周期Λはコヒーレンス長の偶数倍と等しい、
第二高調波発生素子。
【請求項２】
前記光周期構造光導波路は強誘電体基板に形成されていることを特徴とする、
請求項１に記載の第二高調波発生素子。
【請求項３】
前記強誘電体基板は、ニオブ酸リチウムからなることを特徴とする、
請求項２に記載の第二高調波発生素子。
【請求項４】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、クラッド層を含む半導体積層構造体をさらに備え、
前記周期構造光導波路は前記クラッド層に形成されていることを特徴とする、
請求項１に記載の第二高調波発生素子。
【請求項５】
前記半導体基板はサファイアからなり、
前記クラッド層は窒化アルミニウムからなり、
前記半導体基板の主面はサファイアのｃ面（０００１）であることを特徴とする、
請求項４に記載の第二高調波発生素子。
【請求項６】
前記半導体基板は窒化ガリウムからなり、
前記クラッド層は窒化アルミガリウムからなることを特徴とする、
請求項４に記載の第二高調波発生素子。
【請求項７】
前記半導体基板上に、前記周期構造光導波路とモノリシックに形成された半導体レーザをさらに備えることを特徴とする、
請求項４または６に記載の第二高調波発生素子。
【請求項８】
少なくとも1つのシングルモード導波路と、前記シングルモード導波路と光学的に結合された少なくとも1つのマルチモード干渉導波路と、を有する周期構造光導波路を形成する工程を備え、
前記シングルモード導波路と前記マルチモード干渉導波路とが、周期Λでｎ（ｎは自然数）周期繰り返され、
前記周期Λはコヒーレンス長の偶数倍と等しい、
第二高調波発生素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第二高調波発生素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
映像や医療の分野において、高出力のレーザ光源が求められている。しかし、緑色や深紫外の領域では実用的な半導体レーザは未だ実現されておらず、第二高調波発生（以下ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を用いた波長変換によって実用化が図られている。例えば、半導体レーザから出射された波長１０６４ｎｍの基本波をＳＨＧ素子に入射させると、２次の非線形光学効果によって、基本波の２倍の周波数を有する第二高調（以下ＳＨ：Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ）波が誘起され、波長５３２ｎｍの緑色レーザを得ることができる。
【０００３】
ＳＨＧ素子には、位相不整合という問題があるが、現在では周期分極反転構造による擬似位相整合が実証され、高い変換効率および高出力が得られている。位相不整合とは、ＳＨＧ素子を構成する結晶の屈折率に波長分散が存在するため、ＳＨＧ素子内の基本波とＳＨ波の位相にずれが生じることである。このため、素子中の各点で発生したＳＨ波が光導波路を伝搬する過程で互いに弱め合い、高いＳＨ波の出力が得られない。周期分極反転構造では、コヒーレンス長と呼ばれる距離ごとに、結晶の分極を反転させる。分極の反転により、２次の非線形光学定数の符号も反転し、発生するＳＨ波の位相はπだけ変わる。コヒーレンス長は基本波とＳＨ波の位相がπずれる長さであり、コヒーレンス長ごとに分極を反転させることで位相のずれを補償することができる。
【０００４】
ＳＨＧ素子には、通常はニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの強誘電体結晶が用いられる。強誘電体結晶は、電圧の印加により分極方向が制御できるため、周期分極反転構造の作製が可能である。しかし、分極を反転させるために高い電圧を印加する必要があり、また、分極反転領域の幅の精密な制御も難しいため、周期分極反転構造の作製は容易ではない。また、作製プロセスが多いため、素子の製造コストが高くなる。
【０００５】
強誘電体以外に半導体結晶を用いたＳＨＧ素子も、２次の非線形光学定数が比較的高く、実用に向けての研究が行われている（特許文献１及び２）。また、光源素子とのモノリシック集積が可能などのメリットもある（特許文献２）。半導体結晶を用いたＳＨＧ素子では、結晶成長の段階で分極反転構造を作製する必要があり、副格子交換エピタキシーなどの、極性の選択的な結晶成長方法が提案されている（特許文献３）。しかし、現状では極性の異なる結晶の界面で欠陥が発生するなど、高品質な周期分極反転構造の作製には至っていない。また、エピタキシーを行う回数が増えるため、製造コストが高くなる。
【０００６】
一方、半導体結晶を用いた光増幅素子では、導波路の幅を周期的に変化させる構造が知られている（特許文献４）。ＳＨＧ素子においても、導波路の幅を変化させる構造により、擬似位相整合を実現する方法が提案されている（特許文献５）。これによると、ＳＨ波への変換効率が基本波の電界強度に比例することに着目し、基本波の電界強度分布を導波路の幅で周期的に変化させることで、擬似位相整合を成している。上記提案は強誘電体結晶のＳＨＧ素子を対象としているが、半導体結晶にも適用可能な方法である。なお、非特許文献１については、後述する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１８３９４８号公報
【特許文献２】特開昭６３−１６４３７９号公報
【特許文献３】特開２００５−１１５１５０号公報
【特許文献４】特開２００８−３４８８２号公報
【特許文献５】特開平６−２８９４４８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Journal of Lightwave Technology, Vol.13, No.4, 1995, pp.615-627
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献５では、コヒーレンス長の２倍の周期で、できるだけ大きく光導波路幅を変動させることにより変換効率の高いＳＨＧ素子が得られる、と述べられている。ＳＨ波の変換効率は基本波の電界強度に比例するので、導波路幅の変化により基本波の電界強度分布を変化させることで、導波路内の各部で発生するＳＨ波の強度を制御できる。コヒーレンス長の２倍の周期で、基本波の電界強度の強い領域と弱い領域が繰り返すように導波路を形成すれば、発生するＳＨ波の強度が一定でないために位相不整合による打ち消し合いが完全には起こらず、基本波の導波距離とともにＳＨ波強度は増加する。以上のことから、高い変換効率を得るには、基本波の電界強度を大きく変化させることが重要となることがわかる。
【００１０】
しかし、この構造では、実際には、導波路の幅を変動させても、上述の電界強度を充分に変化させられない。特許文献５では導波路における電界強度分布を導波路の幅ごとに独立して計算しているが、連続的に変化する導波路を伝搬する導波光の電界強度分布は、ビーム伝搬法（以下ＢＰＭ：Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）などによって計算する必要がある。発明者は、ＢＰＭにより、特許文献５に記載の実施例の構造に対して、導波光の電界強度分布のシミュレーションを行った。
【００１１】
図５（ａ）に特許文献５の実施例の構造を示す。これは、基本波の波長が８５０ｎｍのＳＨＧ素子である。ニオブ酸リチウム単結晶のＺ板５１の上部に、光導波路５２が形成されている。コヒーレンス長Ｌｃは１．６２μｍである。光導波路５２の幅は３μｍから７μｍまで、周期３．２４μｍで変化している。ニオブ酸リチウム単結晶の基本波に対する屈折率は、２．２５である。導波路の屈折率は明示されていないが、ここでは２．３５とした。
【００１２】
その結果を図５（ｂ）に示す。導波光の電界強度分布は、導波方向に対して周期的な変化がほとんど見られない。これは、コヒーレンス長が短いために、導波路の幅が変動する周期も短く、導波路の幅が広い領域において電界強度分布が広がらないことによると考えられる。加えて、明記されていない導波路の屈折率の値を、多少変更して同様のシミュレーションを行ったが、同様の結果が得られた。従って、特許文献５に記載の実施例の構造では、電界強度を充分に変化させられないことになる。
【００１３】
なお、導波路幅の差や、導波路とクラッド層の屈折率差を大きくしたりすれば、電界強度の差を大きくすることができる。しかし、その場合、幅の広い導波路で広がった基本波及びＳＨ波が、幅の狭い導波路に結合し難く、大きな導波損失が発生することが予測される。通常、擬似位相整合のＳＨＧ素子では、１周期当たりで発生するＳＨ波強度は弱く、数百〜数千周期のＳＨ波を重ね合わせて、所望のＳＨ波出力を得る。そのため、基本波をＳＨＧ素子全体に導波させて、ＳＨ波を励起させる必要がある。また、ＳＨ波の１周期当たりの変換効率が増加したとしても、導波損失が大きければ、素子としての出力は低下する。従って、特許文献５の構成では、実際には充分な電界強度の変動を実現できず、高出力のＳＨＧ素子を得ることができない。
【００１４】
本発明は、高出力の第二高調波発生素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様の第二高調波発生素子は、少なくとも1つのシングルモード導波路と、前記シングルモード導波路と光学的に結合された少なくとも1つのマルチモード干渉導波路と、を有する周期構造光導波路を備え、前記シングルモード導波路と前記マルチモード干渉導波路とが、周期Λでｎ（ｎは自然数）周期繰り返され、前記周期Λはコヒーレンス長の偶数倍と等しいものである。
【００１６】
本発明の一態様の第二高調波発生素子の製造方法は、少なくとも1つのシングルモード導波路と、前記シングルモード導波路と光学的に結合された少なくとも1つのマルチモード干渉導波路と、を有する周期構造光導波路を形成する工程を備え、前記シングルモード導波路と前記マルチモード干渉導波路とが、周期Λでｎ（ｎは自然数）周期繰り返され、前記周期Λはコヒーレンス長の偶数倍と等しいものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、高出力の第二高調波発生素子とその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１にかかる第二高調波発生素子の構造図（ａ）、電界強度分布を表す図（ｂ）である。
【図２】実施の形態２にかかる第二高調波発生素子の上面図（ａ）、断面図（ｂ）及び（ｃ）、電界強度分布を表す図（ｄ）である。
【図３】実施の形態３にかかる第二高調波発生素子の上面図である。
【図４】実施の形態３にかかる第二高調波発生素子の断面図（ａ）〜（ｃ）である。
【図５】特許文献５の第二高調波発生素子の構造図（ａ）、電界強度分布を表す図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１
図１（ａ）を用いて、本発明の一例である、実施の形態１にかかるＳＨＧ素子の構成を説明する。図１（ａ）に示すように、基板１１上に、周期構造光導波路１２が形成されている。基板１１は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）単結晶のＺ板であり、周期構造光導波路１２に対して低い屈折率を有しており、クラッド層として働く。周期構造光導波路１２は、基本波に対するシングルモード導波路１２ａと、マルチモード干渉（以下ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ  Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路１２ｂとが交互に、周期Λで繰り返して構成されている。ＭＭＩ導波路１２ｂは、各周期においてＭＭＩ理論によって、１×１のＭＭＩ導波路として動作するように設計されている。
【００２０】
なお、上述の構成は一例であり、例えば、基板１１はタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）など、ニオブ酸リチウム以外の強誘電体結晶でもよい。また、図１（ａ）では簡略化のため、シングルモード導波路１２ａとＭＭＩ導波路１２ｂの繰返しを２周期のみ表示しているが、任意の周期数にすることができる。また、シングルモード導波路１２ａとＭＭＩ導波路１２ｂの間にテーパ導波路を設けてもよい。さらに、周期構造光導波路１２は、埋め込み構造に限らず、リッジ構造などの他の構造でもよい。
【００２１】
上記のＳＨＧ素子の作製方法について述べる。周期構造光導波路１２を作製する領域以外を、一般的なフォトリソグラフィーと蒸着を用いて、チタン膜で覆う。その後、基板１１を２００℃の安息香酸中で３０分処理した後、３５０℃で５時間アニールする。これにより、深さ２μｍの周期構造光導波路１２が形成される。最後にチタン膜をエッチングにより除去する。以上より、図１（ａ）に示すＳＨＧ素子を作製することができる。
【００２２】
ここで、周期構造光導波路の設計について、数式を用いて詳細に述べる。まず、周期構造光導波路の周期Λを決めるために、位相整合条件について述べる。コヒーレンス長Ｌｃは、式（１）で表される。
Ｌｃ＝λω／４（ｎ２ω−ｎω）    ・・・（１）
ここで、λωは周波数ωの基本波の波長である。ｎω及びｎ２ωは、それぞれ周波数ωの基本波及び周波数２ωのＳＨ波に対する、導波路の屈折率を示す。例えば、ニオブ酸リチウムの単結晶では、波長１０６４ｎｍの基本波を波長５３２ｎｍのＳＨ波に変換する場合、Ｌｃ＝２．９３μｍになる。
【００２３】
シングルモード導波路では、ＭＭＩ導波路よりも基本波の電界強度が強い。よって、シングルモード導波路で発生するＳＨ波の電界強度は、ＭＭＩ導波路で発生するＳＨ波の電界強度よりも強い。このため、位相のずれが存在しても、シングルモード導波路で発生したＳＨ波は、ＭＭＩ導波路で発生したＳＨ波に完全には打ち消されない。
【００２４】
各シングルモード導波路で発生したＳＨ波が強め合うためには、シングルモード導波路が、コヒーレンス長の偶数倍の周期で存在することが必要となる。よって、ｍを自然数として、周期構造光導波路の周期Λは式（２）で表される条件を充足する必要がある。
Λ＝２ｍＬｃ（ｍ＝１，２，３，，，）    ・・・（２）
【００２５】
次に、ＭＭＩ導波路の設計について述べる。ＭＭＩ理論は、１×ＮもしくはＮ×Ｎ等の分岐・合流受動光導波路を設計する理論として良く知られている（非特許文献１）。ここで、Ｎは自然数である。
【００２６】
ＭＭＩ理論によって導かれる、ビート長Ｌπを式（３）及び（４）により示す。
Ｌπ＝４ＮｒＷｅ２／３λ      ・・・（３）
Ｗｅ＝ＷＭＭＩ＋（λ／π）（Ｎｃ／Ｎｒ）２σ（Ｎｒ２−Ｎｃ２）−１／２      ・・・（４）
ここで、Ｗｅは実効導波路幅、ＷＭＭＩはＭＭＩ導波路の幅、λは導波光の波長である。Ｎｒは光導波路の屈折率、Ｎｃはクラッド層の屈折率である。σはＴＥモードのときσ＝０、ＴＭモードのときσ＝１である。ここでは、ＴＥモードを想定して、σ＝０とする。
【００２７】
ＭＭＩ理論によると、式（５）で表わされる条件を満たすとき、１×Ｎの光導波路として動作する。
ＬＭＭＩ＝（３ｑ／４Ｎ）Ｌπ（ｑ＝１，２，３，，，）      ・・・（５）
ＬＭＭＩはＭＭＩ導波路の長さである。ｑは自然数で、ＭＭＩ導波路に入射した基本波が再びシングルモードに結合する回数を表している。ここでは、ｑ＝１とする。また、Ｎ＝１として、ＭＭＩ導波路を１×１のＭＭＩ導波路として動作させる。
【００２８】
シングルモード導波路の長さＬＳＭと、ＭＭＩ導波路の長さＬＭＭＩの和は、周期Λと等しい。よって、ＬＳＭは式（６）で表わされる。
ＬＳＭ＝Λ−ＬＭＭＩ      ・・・（６）
【００２９】
基本波に対してＭＭＩ動作するように、λ＝λωとする。ｍの値は、ＬＳＭがＬｃに近い値になるように選ぶ。実際の設計に当たっては、ＢＰＭによるシミュレーションなどによって導波損失が最小となるよう、ＬＭＭＩなどを微調整することが好ましい。
【００３０】
ＬＭＭＩは、ＷＭＭＩ、Ｎｒ、Ｎｃなどに依存する。従って、ＷＭＭＩを小さくすれば、ＬＭＭＩを短くすることができる。しかし、その場合は電界強度分布が十分に広がらず、シングルモード導波路との電界強度の差が低下するので、１周期当たりの効率が低下する。よって、ｍの値はなるべく大きい方が、ＭＭＩ条件を満たしやすい。
【００３１】
一方、ｍの値を大きくすることによるデメリットも考慮しなければならない。ＭＭＩ導波路では電界強度は弱いものの、ＳＨ波が発生する。このＳＨ波は、擬似位相整合を満たさないので、打ち消しあう。従って、ｍの値が大きく、ＬＭＭＩが長くなると、ＭＭＩ導波路でＳＨ波が発生した分だけ基本波が消費され、損失が大きくなる。よって、ｍの値はなるべく小さい方が低損失であり、ＳＨＧ素子全体での変換効率は高くなる。
【００３２】
そのため、材料、波長、要求性能などに応じ、最適なｍの値を選ぶことが必要である。
【００３３】
さらに、上記では基本波のみを考慮してＭＭＩ導波路を設計しているが、素子内で発生するＳＨ波も考慮した設計を行うことが望ましい。ただし、ＳＨ波は、基本波に対して波長が短いため、基本波に比べれば導波路幅による閉じ込めの影響を受けにくい。そのため、導波路幅の変動が小さければ、ＳＨ波に対してＭＭＩ動作するように設計しなくても、ＳＨ波の導波損失が充分に低い場合もある。ＳＨ波に対してもＭＭＩ動作させる場合、基本波に対するｑの値をｑω、ＳＨ波に対するｑの値をｑ２ωとして、式（７）の条件を充たす必要がある。
ＬＭＭＩ  ＝２ｑωＮｒＷｅ（ω）２／λω＝２ｑ２ωＮｒＷｅ（２ω）２／λ２ω 
・・・（７）
ここで、λ２ωはＳＨ波の波長、Ｗｅ（ω）及びＷｅ（２ω）は、それぞれ基本波及びＳＨ波の実効導波路幅である。
【００３４】
上述の設計方法に基づき、実施の形態１では、ＷＳＭ＝１μｍ、ＷＭＭＩ＝２．３μｍとして、基本波のみを考慮したＭＭＩ導波路１２ｂを設計する。波長１０６４ｎｍの基本波に対する周期構造光導波路１２及びクラッド層の屈折率をそれぞれ、Ｎｒ＝２．３３、Ｎｃ＝２．２３とすると、ＬＭＭＩ＝１７．２μｍとなる。
【００３５】
ここで、ｍの値を選ぶ。Ｌｃ＝２．９３μｍ、ＬＭＭＩ＝１７．２μｍであるので、式（１）より、ｍ≧３である。ここで、最もＬＳＭがＬｃに近い値になるのは、ｍ＝３のときで、ＬＳＭ＝０．３５μｍとなる。従って、この場合はｍ＝３が最適である。よって、周期数を１００とすると、ＳＨＧ素子の導波方向の長さは１．７６ｍｍになる。
【００３６】
図１（ｂ）は、波長１０６４ｎｍの基本波の電界強度分布を示している。図１（ｂ）に示すように、基本波の電界強度分布は、各シングルモード導波路１２ａ付近で最も強くなる。電界強度が強い領域が、周期構造光導波路１２の周期Λと同じ周期で発生するため、位相の揃ったＳＨ波が発生する。
【００３７】
また、基本波及びＳＨ波の導波路の外への散乱成分も少なく、導波損失は小さい。よって、本構成によれば、導波路構造のみの簡易な構造で、高出力のＳＨＧ素子を得ることができる。
【００３８】
本実施の形態１では、波長１０６４ｎｍの基本波から、波長５３２ｎｍのＳＨ波を発生させるＳＨＧ素子について述べたが、他の波長の基本波に対しても、同様の設計を行うことにより所望のＳＨ波を得ることができる。
【００３９】
実施の形態２
図２（ａ）を用いて、実施の形態２にかかるＳＨＧ素子の構成を説明する。図２（ａ）に示すように、このＳＨＧ素子には、周期構造光導波路２２とクラッド層２３が形成されている。周期構造光導波路２２は、シングルモード導波路２２ａとＭＭＩ導波路２２ｂが周期Λで繰り返し配置されている。また、シングルモード導波路２２ａとＭＭＩ導波路２２ｂは光学的に結合されている。なお、図２（ａ）には簡略化のため、シングルモード導波路２２ａとＭＭＩ導波路２２ｂの繰返しを２周期のみ表示しているが、任意の周期数とすることができる。また、シングルモード導波路２２ａとＭＭＩ導波路２２ｂの間にテーパ導波路を設けてもよい。
【００４０】
図２（ｂ）及び（ｃ）は、図２（ａ）のIIＢ−IIＢ断面図及びIIＣ−IIＣ断面図である。図２（ｂ）に示す断面では、基板２１上にクラッド層２３が堆積されている。クラッド層２３には、シングルモード導波路２２ａが形成されている。図２（ｃ）に示す断面では、基板２１上にクラッド層２３が堆積されている。クラッド層２３には、ＭＭＩ導波路２２ｂが形成されている。
【００４１】
基板２１は、例えば、厚さ３００μｍのｃ面（０００１）を主面とするサファイア基板である。シングルモード導波路２２ａ、ＭＭＩ導波路２２ｂ及びクラッド層２３は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。
【００４２】
周期構造光導波路２２は、実施の形態１と同様に、ＭＭＩ条件と位相整合条件を満たすように設計されている。波長１０６４ｎｍの基本波から、波長５３２ｎｍのＳＨ波を発生させる場合、本構成ではコヒーレンス長Ｌｃ＝７．３７μｍとなる。
【００４３】
ＭＭＩ路論を用いて、シングルモード導波路２２ａの幅ＷＳＭ＝１．８μｍ、ＭＭＩ導波路２２ｂの幅ＷＭＭＩ＝３．５μｍとして設計を行う。波長１０６４ｎｍの基本波に対する導波路及びクラッド層の屈折率はそれぞれ、Ｎｒ＝２．１２、Ｎｃ＝２．０８である。よって、ｍ＝３として、ＬＭＭＩ＝３７．０４μｍ、ＬＳＭ＝７．１７μｍとなる。この場合、周期Λ＝４４．２１μｍとなり、周期数を５０とすると、ＳＨＧ素子の導波方向の長さは２．２１ｍｍになる。
【００４４】
上記のＳＨＧ素子の作製方法について述べる。例えば、基板２１に、例えば厚さ５μｍの窒化アルミニウムからなるクラッド層２３を堆積する。そして、一般的なフォトリソグラフィーとエッチングを用いて、周期構造光導波路２２を形成する領域以外のクラッド層２３を、例えば、厚さが１μｍになるまでエッチングして、上記のＳＨＧ素子を作製する。
【００４５】
図２（ｄ）は、波長１０６４ｎｍの基本波の電界強度分布を示している。図２（ｄ）に示すように、基本波の電界強度分布は、各シングルモード導波路２２ａ付近で最も強くなる。電界強度が強い領域が、周期構造光導波路２２の周期Λと同じ周期で発生するため、位相の揃ったＳＨ波が発生する。
【００４６】
また、基本波及びＳＨ波の導波路の外への散乱成分も少なく、導波損失は小さい。よって、本実施の形態２の構成によれば、半導体結晶を用いた、高出力のＳＨＧ素子を得ることができる。
【００４７】
なお、上記構成は一例であり、例えば、基板２１は、ａ面（１１−２０）のサファイア基板や、石英基板などでもよい。また、シングルモード導波路２２ａ、ＭＭＩ導波路２２ｂ及びクラッド層２３は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの他の半導体結晶や、これらの混晶でも良い。
【００４８】
また、図２（ｂ）及び（ｃ）では、基板２１上にはクラッド層２３のみを堆積しているが、クラッド層を含む複数の層からなる、半導体積層構造体を堆積してもよい。
【００４９】
実施の形態３
図３を用いて、実施の形態３にかかるＳＨＧ素子の構成を説明する。図３に示すように、実施の形態３に係るＳＨＧ素子は、基本波を発生させる半導体レーザ３Ａと、基本波をＳＨ波に変換するＳＨＧ素子３Ｂを有する。なお、半導体レーザ３ＡとＳＨＧ素子３Ｂは同一の半導体基板上にモノリシック集積されている。
【００５０】
半導体レーザ３Ａの構造について説明する。半導体レーザ３Ａはリッジストライプ４１、半導体レーザ出力側反射面４３、半導体レーザ反射面４４を有している。
【００５１】
ＳＨＧ素子３Ｂの構造について説明する。このＳＨＧ素子には周期構造光導波路４２が形成されている。周期構造光導波路４２は、シングルモード導波路４２ａとＭＭＩ導波路４２ｂが周期Λで繰り返し配置されている。シングルモード導波路４２ａとＭＭＩ導波路４２ｂは光学的に結合している。また、周期構造光導波路４２の端には、ＳＨＧ素子出力側端面４５とＳＨＧ素子入力側端面４６が形成されている。なお、図３には簡略化のため、シングルモード導波路４２ａとＭＭＩ導波路４２ｂの繰返しを４周期のみ表示しているが、任意の周期数とすることができる。また、シングルモード導波路４２ａとＭＭＩ導波路４２ｂの間にテーパ導波路を設けてもよい。
【００５２】
続けて、図４（ａ）を用いて、半導体レーザ３Ａの断面構造を説明する。図４（ａ）は図３に示したIVＡ−IVＡ断面図である。ｎ型基板３０上に、半導体積層構造体４７が形成されている。半導体積層構造体４７は、ｎ型基板３０側から順に、ｎ型クラッド層３１Ａ、ｎ型ガイド層３２Ａ、活性層３３、ｐ型ガイド層３４Ａ、ｐ型クラッド層３５Ａ、ｐ型コンタクト層３６Ａが積層されて構成されている。
【００５３】
ｐ型クラッド層３５Ａとｐ型コンタクト層３６Ａにはリッジストライプ４１が形成されている。リッジストライプ４１の上部以外の領域は絶縁層３７で被覆され、ｐ電極３８がｐ型コンタクト層３６Ａのみに接するように形成されている。
【００５４】
また、ｎ型基板３０の下部にはｎ電極３９が形成されている。尚、絶縁層３７及びｐ電極３８は、図３では省略されている。
【００５５】
ｎ型基板３０は、例えば、厚さ１００μｍのｎ型窒化ガリウムからなる。ｎ型クラッド層３１Ａは、例えば、厚さ２μｍの窒化アルミガリウムからなる。ｎ型ガイド層３２Ａは、例えば、厚さ０．１μｍの窒化インジウムガリウムからなる。活性層３３は、例えば、厚さ１ｎｍの窒化インジウムガリウムからなる井戸層と、厚さ５ｎｍの窒化インジウムガリウムからなるバリア層により構成される、多重量子井戸構造を有する。ｐ型ガイド層３４Ａは、例えば、厚さ５０ｎｍの窒化インジウムガリウムからなる。ｐ型クラッド層３５Ａは、例えば、厚さ２．５ｎｍの窒化ガリウムと、厚さ２．５ｎｍの窒化アルミガリウムからなる１３０周期の超格子構造で構成される。リッジ部の厚さは、例えば０．６５μｍ、リッジ部以外の領域の厚さは、例えば０．１μｍである。ｐ型コンタクト層３６Ａは、例えば、厚さ０．１μｍの窒化ガリウムからなる。
【００５６】
ｎ型不純物は、例えばシリコンであり、ｐ型不純物は例えばマグネシウムである。
【００５７】
絶縁層３７は、例えば、厚さ０．２μｍの酸化シリコンからなる。ｐ電極３８は、例えば、厚さ５０ｎｍのニッケルと、厚さ２００ｎｍの金からなる。ｎ電極３９は、例えば、厚さ５０ｎｍのチタンと、厚さ２００ｎｍのアルミニウムからなる。
【００５８】
半導体レーザ３Ａの両端には、結晶面による反射面が形成されており、リッジストライプ４１の方向に共振器を形成している。前記反射面には、誘電体膜を堆積し、端面を保護するとともに、ＳＨＧ素子３Ｂ側へのレーザ出力の割合を増大させることが望ましい。
【００５９】
また、半導体レーザ３Ａは、電流注入によりレーザ発振し、その発振波長が所望の波長となるように活性層３３のインジウム組成及び層厚が設計されている。
【００６０】
次に、図４（ｂ）及び（ｃ）を用いて、ＳＨＧ素子３Ｂの断面構造を説明する。図４（ｂ）は、図３のIVＢ−IVＢ断面図である。図４（ｃ）は、図３のIVＣ−IVＣ断面図である。
【００６１】
図４（ｂ）に示す断面では、ｎ型基板３０上に、半導体積層構造体４８が形成されている。半導体積層構造体４８は、ｎ型基板３０側から順に、ｎ型クラッド層３１Ｂ、ガイド層３２Ｂ、クラッド層３５Ｂが積層されて構成されている。クラッド層３５Ｂには、リッジ型状を有するシングルモード導波路４２ａが形成されている。クラッド層３５Ｂ及びシングルモード導波路４２ａの上部は、図３に示す半導体レーザ３Ａと共通の絶縁層３７で被覆されている。
【００６２】
図４（ｃ）に示す断面では、図４（ｂ）に示したシングルモード導波路４２ａが、ＭＭＩ導波路４２ｂに置き換わっている。その他の構成は図４（ｂ）と同様であるので、説明を省略する。
【００６３】
ＳＨＧ素子３Ｂが形成されているｎ型基板３０は、半導体レーザ３Ａと同一の基板である。従って、半導体レーザ３ＡとＳＨＧ素子３Ｂは同一のｎ型基板３０上にモノリシックに集積されている。
【００６４】
ｎ型クラッド層３１Ｂは、例えば厚さ２μｍの窒化アルミガリウムからなる。ガイド層３２Ｂは、例えば、厚さ２００ｎｍの窒化ガリウム層からなる。クラッド層３５Ｂは、例えば、窒化アルミガリウムからなり、リッジ部では、例えば厚さ０．７５μｍ、リッジ以外の領域では、例えば厚さ０．０５μｍである。絶縁層３７は、図３に示す半導体レーザ３Ａと同一である。
【００６５】
ＳＨＧ素子３Ｂは、周期構造光導波路４２に半導体レーザ３Ａから出射されるレーザを導波させて、ＳＨ波を発生する。周期構造光導波路４２は、実施の形態１及び２と同様に、ＭＭＩ条件と擬似位相整合条件を満たすように設計されている。波長１０６４ｎｍの基本波から、波長５３２ｎｍのＳＨ波を発生させるためには、シングルモード導波路４２ａの幅ＷＳＭ＝１．８μｍ、ＭＭＩ導波路４２ｂの幅ＷＭＭＩ＝３．２μｍとする。コヒーレンス長Ｌｃ＝２．７４μｍ、ｍ＝７として、周期Λ＝３８．３μｍ、シングルモード導波路４２ａの長さＬＳＭ＝０．５μｍ、ＭＭＩ導波路４２ｂの長さＬＭＭＩ＝３７．８μｍとなる。
【００６６】
上記素子の作製方法について述べる。まず、図４（ａ）に示すように、ｎ型基板３０に、半導体積層構造体４７を、ｎ型クラッド層３１Ａ、ｎ型ガイド層３２Ａ、活性層３３、ｐ型ガイド層３４Ａ、ｐ型クラッド層３５Ａ、ｐ型コンタクト層３６Ａの順に、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの結晶成長方法によって堆積する。
【００６７】
次に、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）とフォトリソグラフィーによって、半導体レーザ３Ａに酸化シリコンマスクを形成する。続けて、通常のエッチングによって、ＳＨＧ素子３Ｂを形成する領域の半導体積層構造体４７を除去する。
【００６８】
酸化シリコンマスクを残したまま、例えばＭＯＣＶＤにより、選択的に結晶成長を行い、図４（ｂ）及び（ｃ）に示すｎ型クラッド層３１Ｂ、ガイド層３２Ｂ、クラッド層３５Ｂを堆積する。
【００６９】
その後、フォトリソグラフィーとエッチングによって、図３に示すように、半導体レーザ３Ａのリッジストライプ４１と、ＳＨＧ素子３Ｂの周期構造光導波路４２のを形成する。
【００７０】
次に、図４（ａ）に示すように、酸化シリコンからなる絶縁層３７を、例えばＣＶＤによって堆積した後、リソグラフィーとエッチングによって、半導体レーザ３Ａのリッジストライプ４１上部の絶縁層３７を除去する。
【００７１】
その後、例えばフォトリソグラフィーと蒸着によって、ｐ電極３８を形成する。その後、研磨によりｎ型基板３０を薄膜化し、蒸着によってｎ電極３９を形成する。
【００７２】
次に、例えばフォトリソグラフィーとエッチングによって、図３に示すように、半導体レーザ３ＡとＳＨＧ素子３Ｂの境界をエッチングし、半導体レーザ出力側反射面４３と、ＳＨＧ素子入力側端面４６を形成する。続いて、へき開により、半導体レーザ反射面４４と、ＳＨＧ素子出力側端面４５を形成し、上記の素子を作製することができる。
【００７３】
上記の素子では、半導体レーザ３ＡとＳＨＧ素子３Ｂが、同一基板上にモノリシックに集積されており、それぞれの導波路の光軸を容易に合わせることができる。従って、別個の素子として形成された半導体レーザとＳＨＧ素子を、光学的に結合させるための光軸調整が不要であり、より簡易に高出力のＳＨＧ素子を得ることができる。
【００７４】
また、本構成によれば、導波路構造のみの簡単な構造でＳＨＧ素子を作製できる。そのため、通常の分極構造のＳＨＧ素子と比べ、より容易にモノリシック集積することができる。
【００７５】
なお、上記構成は一例であり、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、ｐ型半導体とｎ型半導体の導電型を入れ換えてもよい。
【００７６】
ｎ型基板３０は窒化ガリウム（ＧａＮ）に限られず、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの他の半導体結晶やその混晶でも良い。また、半導体積層構造体４７及び４８についても同様である。
【符号の説明】
【００７７】
３Ａ    半導体レーザ
３Ｂ    ＳＨＧ（第二高調波発生）素子
１１    基板
１２    周期構造光導波路
１２ａ  シングルモード導波路
１２ｂ  ＭＭＩ（マルチモード干渉）導波路
２１  基板
２２  周期構造光導波路
２２ａ  シングルモード導波路
２２ｂ  ＭＭＩ（マルチモード干渉）導波路
２３    クラッド層
３０    ｎ型基板
３１Ａ  ｎ型クラッド層
３１Ｂ  ｎ型クラッド層
３２Ａ  ｎ型ガイド層
３２Ｂ  ガイド層
３３  活性層
３４Ａ  ｐ型ガイド層
３５Ａ  ｐ型クラッド層
３５Ｂ  クラッド層
３６Ａ  ｐ型コンタクト層
３７  絶縁層
３８  ｐ電極
３９  ｎ電極
４１  リッジストライプ
４２  周期構造光導波路
４２ａ  シングルモード導波路
４２ｂ  ＭＭＩ（マルチモード干渉）導波路
４３  半導体レーザ出力側反射面
４４  半導体レーザ反射面
４５  ＳＨＧ（第二高調波発生）素子出力側端面
４６  ＳＨＧ（第二高調波発生）素子入力側端面
４７、４８  半導体積層構造体
５１  Ｚ板
５２  光導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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