(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の表面に形成された屈折率Ｎ２の光導波路と、前記光導波路の一部に形成された屈折率Ｎ１の光学薄膜とを備え、
前記光導波路には波長λ１の光と前記波長λ１よりも小さい波長λ２の光とが伝播し、前記屈折率Ｎ１、Ｎ２は、
（１）前記波長λ１の導波光に対する前記屈折率はＮ１＜Ｎ２の関係を満たし、前記波長λ２の導波光に対する前記屈折率はＮ１＞Ｎ２の関係を満たす、あるいは、
（２）前記波長λ１の導波光に対する前記屈折率はＮ１＞Ｎ２の関係を満たし、前記波長λ２の導波光に対する前記屈折率はＮ１＜Ｎ２の関係を満たす、
の（１）、（２）いずれかの条件を満たし、
前記光学薄膜の端部の法線が前記導波光の伝搬方向に対し０°よりも大きい角度で傾いていることを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項２】
前記波長λ１の光は基本波、前記波長λ２の光は高調波であり、
前記光学薄膜が前記高調波に対して０．００１以上の吸収係数を有する請求項１に記載の光導波路デバイス。
【請求項３】
前記波長λ１の光は基本波、前記波長λ２の光は高調波であり、
前記光学薄膜の上面又は下面の少なくともいずれかに前記高調波を吸収する層を備えた請求項１又は２に記載の光導波路デバイス。
【請求項４】
前記光学薄膜が多層膜により構成された請求項１〜３のいずれかに記載の光導波路デバイス。
【請求項５】
前記光学薄膜が前記光導波路の表面、裏面又は側面の少なくともいずれかに形成された請求項１〜４のいずれかに記載の光導波路デバイス。
【請求項６】
前記光学薄膜が前記光導波路の入射部近傍に形成された請求項１〜５のいずれかに記載の光導波路デバイス。
【請求項７】
前記光導波路の表面に設けられた屈折率Ｎ３のクラッド層をさらに備え、前記クラッド層と前記光導波路の屈折率がＮ３＞Ｎ２の関係を満たす請求項１〜６のいずれかに記載の光導波路デバイス。
【請求項８】
入射側端面に反射防止膜が設けられた請求項１〜７のいずれかに記載の光導波路デバイス。
【請求項９】
前記反射防止膜が高調波の反射率を１％以下に低減するものである請求項８に記載の光導波路デバイス。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の光導波路デバイスと、前記光導波路デバイスから出射する光を略平行光にするコリメート光学系とを備えた光源であって、前記コリメート光学系が前記光導波路デバイスからの出射光分布の中心に配置されていることを特徴とする光源。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載の光導波路デバイスと、前記光導波路デバイスからの出射光を被観測物体上に集光する集光光学系とを備えた光学装置であって、前記光導波路デバイスと前記被観測物体とが共焦点の関係にあることを特徴とする光学装置。
【請求項１２】
前記被観測物体が光ディスクである請求項１１に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理分野や光応用計測制御分野等で使用される光導波路デバイス、並びにそれを用いた光源及び光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光情報記録再生装置においては、より短波長の光源を用いることによって高密度化を実現することができる。例えば、従来から普及しているコンパクトディスク（ＣＤ）装置においては波長７８０ｎｍの近赤外光が用いられるのに対し、より高密度の情報再生を実現したデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）装置においては波長６５０ｎｍの赤色半導体レーザが用いられている。また、さらに高密度の次世代光ディスク装置を実現するために、さらに短波長の青色レーザ光源の開発が盛んに行われている。例えば、小型でかつ安定な青色レーザ光源として非線形光学材料を用いた光波長変換素子が開発されている。
【０００３】
図８は２次高調波発生素子（以下『ＳＨＧ素子』と記す）を用いたＳＨＧ青色光源の一例を示す概略図である。
【０００４】
まず、図８を参照しながら、ＳＨＧ青色光源について説明する。
【０００５】
図８に示すように、光学材料基板１１４の表面には、プロトン交換法によって幅約３μｍ、深さ約２μｍの高屈折率領域が形成されており、この高屈折率領域が光導波路１１０として機能する。そして、半導体レーザ１１１から出射された波長８５０ｎｍの赤外光は、ＳＨＧ素子１１７の端面に集光され、ＳＨＧ素子１１７上の光導波路１１０内を伝搬して基本波導波光となる。光学材料基板１１４の基板材料であるＬｉＮｂＯ3 結晶は、大きな非線形光学定数を有し、基本波の電界から波長が２分の１に変換された波長４２５ｎｍの高調波導波光が励起される。また、基本波と高調波の伝搬定数差を補償するために、導波路１１０上には周期的な分極反転領域１１２が形成されており、導波路１１０の全域にわたって励起される高調波は、コヒーレントに足し合わされて、光導波路１１０の出射端から出射される。
【０００６】
ここで、基本波と高調波の伝搬定数差を正確に補償するためには、基本波の波長を正確に一定に保つ必要があるので、半導体レーザ１１１としては、分布ブラッグ反射器（以下『ＤＢＲ』と記す）領域を有し、温度等による波長変動が極めて小さいＤＢＲ半導体レーザが用いられている。ＤＢＲ半導体レーザは、波長変動が小さいばかりでなく、単一波長で発振するためにコヒーレンスが高く、かつノイズが低いといった特徴を併せ持っている。
【０００７】
次に、図８を参照しながら、ＳＨＧ素子を用いたＳＨＧ青色光源光ディスクピックアップの動作について説明する。
【０００８】
図８に示すように、ＳＨＧ素子１１７から出射された高調波青色光は、コリメートレンズ１１９、偏光ビームスプリッタ１２０、４分の１波長板１２１及び対物レンズ１２２を順次通過して、光ディスク１２４上に集光される。光ディスク１２４によって変調された光は、偏光ビームスプリッタ１２０で反射された後、集光レンズ１２３によって光検出器１２５に導かれ、これにより再生信号が得られる。このとき、ＳＨＧ素子１１７からは紙面に平行な直線偏光が出射されるが、４分の１波長板１２１を往復して紙面に垂直な偏光となり、光ディスク１２４からの反射光は、偏光ビームスプリッタ１２０で全て反射され、光源側には戻らない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術においては、光ディスク１２４からの反射光が偏光ビームスプリッタ１２０で全て反射され、光源側に戻らない構成について説明したが、現実の光ディスクの基材は複屈折性を有するため、光ディスク１２４で発生した不要偏光成分が偏光ビームスプリッタ１２０を通過し、戻り光１２６となって光源側に戻ることも起こり得る。光ディスク１２４の再生中において、対物レンズ１２２は光ディスク１２４上に正確に焦点が合うように位置制御されるため、ＳＨＧ素子１１７の出射側端面と光ディスク１２４とは共焦点光学系を形成し、光ディスク１２４からの反射光は正確にＳＨＧ素子１１７の出射側端面（光導波路１１０の出射側端面）に集光される。
【００１０】
このように光ディスクから光源側に帰還される反射光は、半導体レーザを光源とする光学系の戻り光誘起雑音となり、従来よりこれを回避する様々な技術が提案されている。例えば、半導体レーザを高周波信号によって変調することにより複数の縦モードを生じさせたり、半導体レーザに自励発振を起こさせて同じく複数の縦モード発振を実現する方法が提案されている。また、光通信の分野においては、半導体レーザからの光を光ファイバに集光する際に、両者の間に磁気光学効果を用いた光アイソレータを挿入するのが一般的である。また、光ファイバや光導波路の入射側端面を斜めにカットすることにより、反射光を斜めに反射させて、反射光が半導体レーザに戻らないようにする方法も提案されている（特開平５−３２３４０４号公報等）。
【００１１】
これらの技術は半導体レーザ内部に帰還される戻り光による雑音を低減するものであるが、本発明者等は、図８に示す光導波路型ＳＨＧ素子を用いた光ピックアップの再生実験を行い、従来の戻り光誘起雑音とは異なるメカニズムで発生するノイズを見い出した。このノイズは、光導波路の出射側端面に集光された戻り光が光導波路の出射側端面で反射され、光導波路内部から出射される光と干渉して生じる干渉ノイズである。この干渉効果により、光ディスク側からは光源の出力光パワーが変化するように見え、光ディスクの再生信号が低周波ノイズによって変調されて劣化してしまう。半導体レーザにおける戻り光誘起雑音が半導体レーザ内部の光と戻り光との相互作用によって発生するのに対し、上記干渉ノイズは光源からの出射光と戻り光との干渉によって発生する。また、本発明者等は、さらに詳細に検討することにより、外部光学系からの戻り光の一部が光導波路デバイスの光導波路内に再度導波光として励起され、これが光導波路の入射側端面で反射されて同様に干渉ノイズの原因となることを見い出した。
【００１２】
以上説明したように、光導波路デバイスを用いた光学系には、２種類の異なるノイズ、すなわち、光源から出射された光が反射されて光源の出射端に戻り、光源の外部の光学系で干渉を起こす低周波の干渉ノイズと、半導体レーザ内部に起因するモードホップノイズとが存在する。後者のモードホップノイズを低減する方法としては種々の技術が提案されているが、前者の光源の外部における干渉ノイズは今まで注目されたことがなく、これを根本的に解決する方法は提案されていない。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、外部における干渉ノイズを低減することのできる光導波路デバイス、並びにそれを用いた光源及び光学装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る光導波路デバイスの構成は、基板と、前記基板の表面に形成された屈折率Ｎ２の光導波路と、前記光導波路の一部に形成された屈折率Ｎ１の光学薄膜とを備え、前記光導波路には波長λ１の光と前記波長λ１よりも小さい波長λ２の光とが伝播し、前記屈折率Ｎ１、Ｎ２は、
（１）前記波長λ１の導波光に対する前記屈折率はＮ１＜Ｎ２の関係を満たし、前記波長λ２の導波光に対する前記屈折率はＮ１＞Ｎ２の関係を満たす、あるいは、
（２）前記波長λ１の導波光に対する前記屈折率はＮ１＞Ｎ２の関係を満たし、前記波長λ２の導波光に対する前記屈折率はＮ１＜Ｎ２の関係を満たす、
の（１）、（２）いずれかの条件を満たし、前記光学薄膜の端部の法線が前記導波光の伝搬方向に対し０°よりも大きい角度で傾いていることを特徴とする。この光導波路デバイスの第１の構成によれば、光導波路を伝搬する光を波長によって分離することが可能となる。すなわち、短波長の光は光学薄膜内に分離し、長波長の光は光導波路を伝搬させることが可能となる。特に、光導波路の一部に光学薄膜を形成するという簡単な構成により、戻り光の影響を効果的に低減することができる。また、前記光学薄膜の端部の法線が前記導波光の伝搬方向に対し０°よりも大きい角度で傾いていることにより、光学薄膜の端部における反射を大幅に低減することができるので、戻り光ノイズを防止することができる。
【００１５】
また、前記本発明の光導波路デバイスの構成においては、前記波長λ１の光は基本波、前記波長λ２の光は高調波であり、前記光学薄膜が前記高調波に対して０．００１以上の吸収係数を有するのが好ましい。この好ましい構成によれば、数１００μｍ長の光学薄膜によってＳＨＧ光を１／１０以下に減衰することができる。
また、前記本発明の光導波路デバイスの構成においては、前記波長λ１の光は基本波、前記波長λ２の光は高調波であり、前記光学薄膜の上面又は下面の少なくともいずれかに前記高調波を吸収する層を備えているのが好ましい。
【００１６】
また、前記本発明の光導波路デバイスの構成においては、前記光学薄膜が多層膜により構成されているのが好ましい。この好ましい構成によれば、膜の分散特性の制御が容易となるため、光導波路と光学薄膜の分散関係を調整することができる。
【００１７】
また、前記本発明の光導波路デバイスの構成においては、前記光学薄膜が前記光導波路の表面、裏面又は側面の少なくともいずれかに形成されているのが好ましい。
【００１８】
また、前記本発明の光導波路デバイスの構成においては、前記光学薄膜が前記光導波路の入射部近傍に形成されているのが好ましい。この好ましい構成によれば、ＳＨＧ素子の高効率化を図ることができる。すなわち、ＳＨＧ光は入射部から出射部に向かって距離の２乗に比例して増大するが、高額薄膜を入射部近傍に形成することにより、距離に依存して増大するＳＨＧ光への影響を抑え、高効率化が可能となる。
【００２０】
また、前記本発明の光導波路デバイスの構成においては、前記光導波路の表面に設けられた屈折率Ｎ３のクラッド層をさらに備え、前記クラッド層と前記光導波路の屈折率がＮ３＞Ｎ２の関係を満たすのが好ましい。この好ましい構成によれば、光導波路の閉じ込めを強化することができるので、光波長変換素子に適用することにより、光導波路の閉じ込めを強化し、高効率変換を実現することができる。
【００２１】
また、前記本発明の光導波路デバイスの構成においては、入射側端面に反射防止膜が設けられているのが好ましい。この好ましい構成によれば、高調波に対する反射率のさらなる低下を図ることができる。また、この場合には、前記反射防止膜が高調波の反射率を１％以下に低減するものであるのが好ましい。
【００２２】
また、本発明に係る光源の構成は、前記本発明の構成を備えた光導波路デバイスと、前記光導波路デバイスから出射する光を略平行光にするコリメート光学系とを備えた光源であって、前記コリメート光学系が前記光導波路デバイスからの出射光分布の中心に配置されていることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る光学装置の構成は、前記本発明の構成を備えた光導波路デバイスと、前記光導波路デバイスからの出射光を被観測物体上に集光する集光光学系とを備えた光学装置であって、前記光導波路デバイスと前記被観測物体とが共焦点の関係にあることを特徴とする。この光学装置の構成によれば、簡単な構成の光学系により、光を被観測物体上に集光することができる。また、共焦点光学系によって、光のスポットが焦点深度の範囲で安定に保たれるため、安定な光学系を構成することができる。さらに、焦点検出等の適用が可能となり、光学系の安定化を図ることができる。
【００２４】
また、前記本発明の光学装置の構成においては、前記被観測物体が光ディスクであるのが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００２６】
本発明は、基板と、前記基板の表面に形成された光導波路と、前記光導波路の一部に形成された光学薄膜とにより構成される光導波路デバイスにおいて、前記光導波路を伝搬する光を、光の波長によって分離又は吸収することを目的としている。そして、本発明によれば、前記光導波路の一部に前記光学薄膜を形成するという簡単な構成により、戻り光の影響を効果的に低減することができる。
【００２７】
原理的には、波長によって光導波路との屈折率の大きさが逆転する光学薄膜を用いることにより、一方の波長の導波光に対しては光学薄膜の影響を抑え、他方の波長の光に対しては光学薄膜の影響を大きく与えることが可能となる。これにより、光導波路を伝搬する導波光を、波長によって効率良く分離することが可能となる。
【００２８】
さらに、光学薄膜の屈折率分散は材料固有のものであるため、その微細な調整は困難である。この問題を解決するためには、光学薄膜を多層構造にし、実効的な屈折率分散を制御すればよい。
【００２９】
本発明の光学装置は、本発明の光導波路デバイスと、前記光導波路デバイスからの出射光を被観測物体上に集光する集光光学系とを備え、前記光導波路デバイスと被観測物体とが共焦点の関係にあることを特徴とする。この構成により、外部光学系からの戻り光が光導波路の端面で反射されて出射光と干渉することが防止され、干渉ノイズの無い安定な光学装置が実現される。また、本発明の光導波路デバイス、すなわち、光導波路の一部に光学薄膜が形成された光導波路デバイスを用いることにより、外部光学系からの戻り光が光導波路の入射側端面まで戻って反射することを防止することもできる。
【００３０】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態における光学装置を示す概略図である。
【００３１】
本実施の形態における光学装置の構成要素である光波長変換素子は、以下のような構成となっている。すなわち、図１に示すように、ＬｉＮｂＯ3 結晶からなる光学材料基板１０の表面には、プロトン交換法によって幅約３μｍ、深さ約２μｍの高屈折率領域が形成されており、この高屈折率領域が光導波路１２として機能する。半導体レーザ１３から出射される基本波（波長８２０ｎｍ）は、光波長変換素子の端面に集光され、光波長変換素子上の光導波路１２内を伝搬して基本波導波光となる。光学材料基板１０の基板材料であるＬｉＮｂＯ3 結晶は、大きな非線形光学定数を有し、基本波の電界から波長が約２分の１に変換された波長４２０ｎｍの高調波導波光が励起される。また、基本波と高調波の伝搬定数差を補償するために、光導波路１２上には周期的な分極反転領域１１が形成されており、光導波路１２の全域にわたって励起される高調波は、コヒーレントに足し合わされて、光導波路１２の出射端面から出射される。また、基本波と高調波の伝搬定数差を正確に補償するためには、基本波の波長を正確に一定に保つ必要があるので、半導体レーザ１３としては、分布ブラッグ反射器（以下『ＤＢＲ』と記す）領域を有し、温度等による波長変動が極めて小さいＤＢＲ半導体レーザが用いられている。さらに、光導波路１２上には光学薄膜１４が形成されている。以上のように、半導体レーザ１３と上記のような構成を有する光波長変換素子とにより短波長光源が構成されている。
【００３２】
次に、図１を参照しながら、ＳＨＧ素子を用いた光ピックアップ光学系の動作について説明する。
【００３３】
図１に示すように、光導波路１２から出射された高調波は、コリメートレンズ２１、偏光ビームスプリッタ２２、４分の１波長板２５及び対物レンズ２３を順次通過して、被観測物体である光ディスク２４上に集光される。コリメートレンズ２１は、光導波路１２からの出射光分布の中心に配置されており、光導波路１２から出射された高調波はコリメートレンズ２１によって略平行光となる。ここで、光ディスク（被観測物体）２４の表面と光波長変換素子（光導波路デバイス）とは共焦点光学系を構成している。光ディスク２４で反射された高調波は、４分の１波長板２５によって偏光を回転させられ、偏光ビームスプリッタ２２で反射された後、集光レンズ２７によって光検出器２８に導かれ、これにより再生信号が得られる。しかし、光ディスク２４の複屈折等のために４分の１波長板２５による偏光が不十分である場合には、高調波の一部が偏光ビームスプリッタ２２を透過し、戻り光２６となって光波長変換素子側に戻ることも起こり得る。光波長変換素子の出射端面を、導波光の伝搬方向に対して斜めにカットすることにより、光導波路１２の出射端面における反射は防止される。また、光導波路１２内に戻った光は光学薄膜１４によって分離又は吸収されるため、共焦点光学系内で干渉する成分はない。従って、共焦点光学系内における干渉ノイズの発生を完全に抑えることが可能となる。さらに、半導体レーザ１３への高調波成分の戻り光も無いため、半導体レーザ１３の安定性も向上する。
【００３４】
次に、本実施の形態における光学装置の構成要素である光波長変換素子としての光導波路デバイスの詳細について、図２〜図５を参照しながら説明する。図２は本発明の第１の実施の形態における光導波路型デバイスを示す概略構成図、図３は光導波路と光学薄膜の屈折率分散を示す図、図４は図３に示す波長Ａ（短波長）の光が光導波路を伝搬する場合の導波モードの形を示す図、図５は図３に示す波長Ｂ（長波長）の光が光導波路を伝搬する場合の導波モードの形を示す図である。
【００３５】
図２に示すように、光学材料基板１の表面には光導波路２が形成されており、光導波路２の表面には光学薄膜３が形成されている。尚、図３に示すように、光導波路２（屈折率：Ｎ２）と光学薄膜３（屈折率：Ｎ１）の屈折率分散は異なっており、波長によって屈折率の大小関係が逆転する。本実施の形態においては、図３のＡで示す波長（短波長）の光に対してはＮ１＞Ｎ２の関係が成立し、図３のＢで示す波長（長波長）の光に対してはＮ２＞Ｎ１の関係が成立する。
【００３６】
図４に示す波長Ａ（短波長）の光が光導波路２を伝搬する場合の導波モードにおいて、（ａ）は光学薄膜３が形成されていない領域における導波モードの電界分布を示しており、（ｂ）は光学薄膜３が形成されている領域における導波モードの電界分布を示している。図４に示すように、光導波路２を伝搬してきた短波長の導波光は、光学薄膜３によって光学薄膜３内に閉じ込められる。そして、この効果を利用すれば、光導波路２内の波長Ａ（短波長）の光を光導波路２内から光学薄膜３内に分離することが可能となる。
【００３７】
また、図５に示す波長Ｂ（長波長）の光が光導波路２を伝搬する場合の導波モードにおいても、（ａ）は光学薄膜３が形成されていない領域における導波モードの電界分布を示しており、（ｂ）は光学薄膜３が形成されている領域における導波モードの電界分布を示している。図５に示すように、波長Ｂ（長波長）の光は光学薄膜３による影響をほとんど受けることがない。
【００３８】
以上のように光導波路２の表面に光学薄膜３を形成することにより、波長Ａ（短波長）の光は光学薄膜３内に分離し、波長Ｂ（長波長）の光は光導波路２を伝搬させることが可能となる。すなわち、光学薄膜３と光導波路２の分散特性の違いを利用して、光導波路２を伝搬する光を波長によって分離することが可能となる。
【００３９】
尚、本実施の形態においては、光学薄膜３の屈折率が短波長領域で光導波路２の屈折率を超える場合を例に挙げて説明したが、光学薄膜３と光導波路２の屈折率の大小関係をこれと逆にしても何ら問題ない。この場合においては、長波長の光が光学薄膜３によって吸収又は散乱される。
【００４０】
また、光学薄膜は、導波光に影響を与える膜として使用することもできる。光学薄膜をグレーティング形状とすることにより、導波光に対する回折効果が得られる。そして、波長によって光学薄膜の屈折率が異なるため、光学薄膜の回折効率を調整することが可能となる。
【００４１】
また、光学薄膜３を有する光導波路部分とそれ以外の光導波路部分では、波長によって導波モードが大きく異なるため、モード結合損失が存在する。この損失を低減するためには、光学薄膜をテーパ状にして厚みを徐々に変えることによって導波光を徐々に光学薄膜に導くことにより、散乱損失を低減すればよい。さらに、光学薄膜部分を３次元光導波路化することにより、異なる波長の光を別の場所に導くことも可能となる。
【００４２】
また、本実施の形態の光波長変換素子においては、２つの波長の光に対して導波光の分離を行っているが、３つ以上の波長の光が伝搬している光導波路から特定の波長の光を分離することも可能である。
【００４３】
また、光学薄膜として多層膜構造のものを用いることも可能である。多層膜構造の光学薄膜を用いることにより、膜の分散特性の制御が容易となるため、光導波路２と光学薄膜の分散関係を調整することができる。また、光学薄膜によって分離した光を吸収させる場合には、多層膜構造の光学薄膜に分離した光に対して吸収係数の大きな膜を挿入することにより、光の吸収が容易となる。
【００４４】
［第２の実施の形態］
本実施の形態においては、光波長変換素子における高調波の戻り光を防止する手段について説明する。上記したように、光波長変換素子を用いて光学装置を構成した場合、光導波路の端面（入射端面及び出射端面）と集光点とは共焦点光学系を構成し、共焦点間における反射戻り光は干渉ノイズの原因となる。光導波路の出射端面に関しては、当該端面を導波光の伝搬方向に対して斜めにカットすること等により、反射を防止して干渉ノイズの低減を図ることが可能であるが、入射端面に関して干渉ノイズの低減を図ることは困難である。これは、図１に示すような半導体レーザ１３と光導波路１２との直接結合を考えた場合、光導波路１２の入射端面が導波光の伝搬方向に対して斜めになると、半導体レーザ１３との結合効率が低下するからである。
【００４５】
光導波路の入射端面に関する反射光を低減するためには、本発明の光学薄膜を用いた構成が有効である。図６に、光学薄膜が形成された光波長変換素子の構成を示す。図６に示すように、この光波長変換素子は、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板１０上に形成された、光導波路１２と周期的な分極反転領域１１とを備えている。光導波路１２の入射端面には、半導体レーザ１３が直接結合されており、半導体レーザ１３から出射された基本波は、光導波路１２内で周期的な分極反転領域１１によって高調波に変換され、光導波路１２の他端（出射端面）から出射される。２次の高調波を利用する場合には、基本波の波長λに対して高調波の波長はλ／２となる。例えば、波長８００ｎｍ程度の赤外の半導体レーザを用いれば、波長４００ｎｍの紫色のＳＨＧ光を得ることができる。光導波路１２の入射端面近傍には、光学薄膜１４が形成されている。光学系で反射し光導波路１２に帰還した高調波は、光学薄膜１４によって散乱又は吸収されるため、光導波路１２の入射端面に到達することはない。このため、共焦点光学系を構成した場合であっても反射戻り光による干渉ノイズが発生することはなく、低ノイズの信号光の検出が可能となる。一方、光学薄膜を形成しない場合には、干渉ノイズが発生し、信号光のノイズ成分が大幅に増大する。
【００４６】
光導波路１２は、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板１０を、ピロリン酸中でプロトン交換することによって形成される。光学薄膜１４としては、光導波路１２と光学薄膜１４の屈折率分散の関係を制御するために、Ｎｂ2 Ｏ5 とＷＯ3 との混合膜が用いられる。図３に示したように、プロトン交換光導波路１２の屈折率（Ｎ２）に対して、波長４００ｎｍ（波長Ａ）の光においては光学薄膜１４の屈折率（Ｎ１）が光導波路１２の屈折率（Ｎ２）を上回り、波長８００ｎｍ（波長Ｂ）においては光学薄膜１４の屈折率（Ｎ１）が光導波路１２の屈折率（Ｎ２）を下回る。波長８００ｎｍ帯の基本波の導波モードは、図５と同様であり、光学薄膜１４による導波モードへの影響はほとんどない。このため、基本波は、光学薄膜１４による散乱、吸収損失の影響を受けることなく、低い伝搬損失で光導波路１２を伝搬することができる。一方、波長４００ｎｍ帯のＳＨＧ光に対しては、光学薄膜１４は光導波路１２よりも高い屈折率を有する。このため、図４に示すように、光学薄膜１４を有する光導波路部分とそれ以外の光導波路部分で導波光の伝搬状態が大きく異なる。光学薄膜１４を有する光導波路部分においては、ＳＨＧ光は光学薄膜部分を伝搬する。このため、光導波路１２の端面に到達するＳＨＧ光は減衰され、ＳＨＧ光の戻り光が大幅に低減される。
【００４７】
ＳＨＧ光の戻り光をさらに低減するためには、膜の吸収を利用するのが効果的である。図４に示したように、ＳＨＧ光は光学薄膜１４内に引き寄せられるために、光学薄膜１４がＳＨＧ光に対して吸収係数を有すると、光学薄膜１４によって高い効率でＳＨＧ光が吸収される。このため、光導波路１２の作製誤差が大きい場合であっても、戻り光が減衰される。例えば、ＳＨＧ光に対する光学薄膜１４の吸収係数の値が０．００１以上であれば、数１００μｍ長の光学薄膜１４によってＳＨＧ光を１／１０以下に減衰することができる。尚、光学薄膜自体の吸収係数が小さい場合には、吸収係数の大きい膜を光学薄膜の上面又は下面の少なくともいずれかに堆積することにより、膜全体としての吸収係数を増大させることも可能である。例えば、Ｓｉ膜を用いれば、吸収係数を何倍にも増大することができるため、非常に有効である。光学薄膜を多層構造等にすることにより、膜の構造を変えることができ、また、光学薄膜によってＳＨＧ光の電界分布が表面に引き寄せられ、吸収膜による吸収が増大するという効果も得られる。
【００４８】
光学薄膜１４を形成すれば、図４に示すように、モードの形を大幅に変えることができる。これは、光学薄膜１４の存否によって光導波路１２の実効屈折率が大きく変化することを示しており、これにより屈折率の差によるフレネル反射が引き起こされる。すなわち、光導波路１２に戻ってきたＳＨＧ光が光学薄膜１４の端部近傍で反射され、これが戻り光ノイズの要因となる。これを防止するために、図６に示す光波長変換素子においては、光学薄膜１４の端部の法線を導波光の伝搬方向（光導波路１２の長手方向）に対して傾けた構成が採用されている。光学薄膜の端部を導波光の伝搬方向に対して傾けることにより、この部分における反射を大幅に低減することができる。
【００４９】
尚、本実施の形態においては、光導波路１２と光学薄膜１４の屈折率分散の関係を制御するために、Ｎｂ2 Ｏ5 とＷＯ3 との混合膜が用いられているが、これらを用いた多層膜とすることによっても同様の効果を得ることができる。また、ＷＯ3 、ＣｒＯ3 、ＴｉＯ2 の混合膜又は多層膜によっても同様の効果を得ることができる。酸化物の膜は吸収係数が小さく、光導波路１２の伝搬損失に与える影響が小さいので望ましい。特に、波長４００ｎｍ近傍の短波長領域で有効である。
【００５０】
本発明においては、光導波路と光学薄膜との屈折率の波長分散特性の差が利用されている。一般に、材料の屈折率の波長分散は緩やかな変化を示し、材料間で屈折率の大きさが逆転し、かつ、その差が大きくなるには、ある程度の波長差が必要である。波長差が数１０ｎｍ程度では、屈折率差を大きく取ることは困難である。従って、波長差で１００ｎｍ以上、波長の絶対値の大きさの差で２０％以上異なるのが望ましい。この観点から、２次の高調波及び３次の高調波は、基本波との波長差が大きく、絶対値の大きさも２倍、３倍と異なるため、屈折率差を大きくとることができるという利点を有する。
【００５１】
屈折率の大きさが逆転する程度に屈折率の波長分散特性が大きく変化するのは材料の吸収端近傍である。従って、光学薄膜として用いる材料は、高調波の波長領域が材料の透過カットオフ近傍にある材料であるのが望ましい。特に、材料の吸収端は短波長領域に存在するため、波長４５０ｎｍ以下の青色光から紫外線の光と赤外光を分離するのに有効である。
【００５２】
また、本実施の形態においては、光学薄膜１４を光導波路１２の表面に形成する場合を例に挙げて説明したが、光学薄膜を光導波路の裏面又は側面に形成しても同様の効果を得ることができる。例えば、図７に示すように、基板１０の上に薄膜状の結晶にリッジ加工を施した光導波路１２を形成した場合には、光導波路１２の裏面又は側面の一部に光学薄膜１４を形成することが可能となり、光導波路１２の表面に光学薄膜１４を形成した場合と同様の効果が得られる。この場合のリッジ構造においては、光導波路１２がシングルモード伝搬となるように、光導波路１２の幅及び厚みが数μｍとなっている。光導波路１２の材料としては、ＫＴＰ、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等の結晶、又は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ等をドープしたＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等の結晶を用いることができる。そして、これらの材料は耐損傷性に優れるため、高出力特性を実現することができる。
【００５３】
また、本実施の形態においては、光学薄膜１４が高調波成分の分離のみに用いられているが、分離した光を利用する光学系への応用も可能である。例えば、複数の波長の異なる光が伝搬する光導波路において、それぞれの波長によって光を分離する波長分離光学系に利用することも可能である。また、波長分散の異なる複数の光学薄膜を形成することにより、光を分離して他の光導波路に分派することも可能である。但し、この場合には、光学薄膜の端部で導波モードが急激に変化し、導波モードのミスマッチによる散乱が生じるのを防止する必要がある。例えば、光学薄膜の端部で、膜厚を徐々に変化させるテーパ構造を採用することによって散乱損失を低減することができる。
【００５４】
また、本実施の形態の構成は、高屈折率クラッド層を用いた光導波路に適用することも可能である。この構造は、光導波路上に光導波路よりも高い屈折率を有する層を堆積することによって光導波路の閉じ込めを強化する構造であり、光波長変換素子に適用することにより、光導波路の閉じ込めを強化し、高効率変換を実現することができる。そして、この光導波路の表面又は裏面に光学薄膜を形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。特に高屈折率クラッド層を有する光導波路の場合には、光導波路の裏面に光学薄膜を形成するのが有効である。高屈折率クラッド層を用いた光波長変換素子において、光導波路を伝搬する基本波は基本モードで伝搬し、高調波は高次モードで伝搬する。尚、高屈折率クラッド層上に光学薄膜を形成した場合、光学薄膜は、基本モードの基本波に対するモード変化へ大きく影響し、高次モードの高調波に対するモード変化にはそれほど影響しない。光学薄膜によって高調波成分を分離する場合には、光導波路の裏面に光学薄膜を形成することにより、高調波成分を効率良く分離することが可能となる。
【００５５】
図６示す光導波路デバイス（光波長変換素子）においては、その入射側端面に高調波と基本波の２つの波長の光に対する反射防止膜（図示せず）が装荷されている。通常のＳＨＧ素子の入射側端面には、基本波の半導体レーザへの戻り光を防止するために、基本波に対する反射防止膜が装荷されるのが一般的である。光学系側からの高調波の戻り光に対しては、光学薄膜による吸収によって戻り光が完全に無くならない場合であっても、光導波路デバイス（光波長変換素子）の入射側端面に高調波に対する反射防止膜を装荷することにより、高調波に対する反射率のさらなる低下を図ることができる。この場合、高調波の反射率を１％以下に低減できる反射防止膜を装荷するのが望ましい。２つの波長の光に対して反射防止膜特性を実現するためには、多層構造の膜が必要となる。膜の設計には屈折率の異なる２つ以上の物質が必要となる。材料としては、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｎｂ2 Ｏ5 、ＨｆＯ2 、ＣｅＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 等を利用することができる。高調波と基本波の２つの波長の光に対する反射防止膜を形成することにより、基本波をも高効率で光導波路へ結合させることが可能となる。さらに、半導体レーザへの戻り光ノイズを低減することもできるため、有効な手段である。
【００５６】
上記したように、光学薄膜を多層膜構造にし、高調波吸収特性を有する膜（高調波吸収手段）を挿入することにより、高調波を効率良く減衰させることが可能となる。また、この場合、多層膜構造の光学薄膜の上面又は下面の少なくともいずれかにも高調波吸収特性を有する膜を堆積することにより、高調波をさらに効率良く減衰させることが可能となる。基本波として波長８２０ｎｍの近赤外光を用い、高調波として波長４１０ｎｍの青色光を用いる場合には、高調波吸収特性を有する膜として、例えば、酸化チタン、Ｓｉ、酸化バリウム、セレン化亜鉛、リン化ガリウム等の材料を用いることができる。これらの材料は、赤外領域の光に対して透明であると共に、青色光を吸収する分光特性を有し、スパッタリング等の技術を用いて光導波路上に薄膜の形で装荷することができる。基本波として赤色光を用い、高調波として紫外光を用いる等、上記の例と異なる波長の光を用いるデバイスに対しては、高調波吸収手段として他の材料を用いることになる。
【００５７】
以上、光導波路デバイスとしてＳＨＧ素子を用いた例を挙げて本発明の実施の形態を説明してきたが、光導波路デバイスは特にＳＨＧ素子に限定されるものではない。例えば、高速変調素子、位相シフタ、周波数シフタ、偏光制御素子等、光導波路デバイスとしては様々な機能、構成のものが考えられ、これらの光導波路デバイスとコヒーレント光源を用いた光学系全てに本発明の光導波路デバイスを応用することが可能である。但し、ＳＨＧ素子を用いた光源においては、半導体レーザとして可干渉性の高い半導体レーザを用いて可干渉性の高い高調波を発生させることが多いために、逆に干渉ノイズも発生し易いが、本発明の光導波路デバイスと組み合わせることにより、特に効果的に干渉ノイズを低減することが可能となる。
【００５８】
また、共焦点光学系として光ピックアップ光学系を例に挙げて本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は、レーザ走査顕微鏡等、他のコヒーレント光学系にも適用可能である。但し、光ピックアップ光学系においては、被観測物体としての光ディスクが高い反射率を有すること、常に光ディスク上に光が集光するように対物レンズが位置制御されて共焦点系を保つこと、光ディスクが上下に運動するために干渉条件が刻々変化し、干渉ノイズを生じ易いこと等から、本発明の光導波路デバイスは光ピックアップ光学系に特に有効である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路上に光導波路と分散特性の大きく異なる光学薄膜を形成することにより、外部光学系からの戻り光が導波路端面で反射されて出射光と干渉することを防止し、干渉ノイズの無い安定な光源をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における光学装置を示す概略図
【図２】本発明の第１の実施の形態における光導波路型デバイスを示す概略構成図
【図３】本発明の第１の実施の形態における光導波路と光学薄膜の屈折率分散を示す図
【図４】図３に示す波長Ａ（短波長）の光が光導波路を伝搬する場合の導波モードの形を示す図
【図５】図３に示す波長Ｂ（長波長）の光が光導波路を伝搬する場合の導波モードの形を示す図
【図６】本発明の第２の実施の形態における光学薄膜が形成された光波長変換素子を示す構成図
【図７】本発明の第２の実施の形態における光波長変換素子の他の例を示す構成図
【図８】２次高調波発生素子を用いたＳＨＧ青色光源の一例を示す概略図
【符号の説明】
１、１０  光学材料基板
１１  分極反転領域
２、１２  光導波路
１３  半導体レーザ
３、１４  光学薄膜
２１  コリメートレンズ
２２  偏光ビームスプリッタ
２３  対物レンズ
２４  光ディスク
２５  ４分の１波長板
２６  戻り光
２７  集光レンズ
２８  光検出器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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