(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波光と高調波光とに対してほぼ等しい位相整合条件を有する少なくとも２つの非線形光学結晶と、
前記２つの非線形光学結晶の間に、前記２つの非線形光学結晶に隣接して配置された位相調整部と、を備え、
前記一方の非線形光学結晶の長さをＬ１、他方の非線形光学結晶の長さをＬ２としたとき、
Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）が１３％〜１７％であり、
該位相調整部の長さｔが、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β２ω−２・βω）
但し、α＝０．９〜１．１
ｎ＝０、１、２、……、
β２ω：該位相調整部における前記高調波光の伝搬定数
βω  ：該位相調整部における前記基本波光の伝搬定数
なる関係を満足している光波長変換素子。
【請求項２】
基本波と高調波とに対してほぼ等しい位相整合条件を有する少なくとも第１ないし第３の３つの非線形光学結晶と、
前記３つの非線形光学結晶における隣接する非線形光学結晶の間にそれぞれ配置された２つの位相調整部と、を備え、
前記第１の非線形光学結晶の長さをＬ１、該第１の非線形光学結晶と第３の非線形光学結晶との間に配された前記第２の非線形光学結晶の長さをＬ２、前記第３の非線形光学結晶の長さをＬ３としたとき、
Ｌ１≒Ｌ３
Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が１３％〜１５％であり、
前記位相調整部の長さｔが、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β２ω−２・βω）
但し、α＝０．７〜０．９
ｎ＝０、１、２、……、
β２ω：該位相調整部における前記高調波光の伝搬定数
βω  ：該位相調整部における前記基本波光の伝搬定数
なる関係を満足している光波長変換素子。
【請求項３】
前記位相調整部の両端は、それぞれ前記非線形光学結晶と接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波長変換素子。
【請求項４】
前記各非線形光学結晶が、ほぼ等しい分極反転周期構造を有することを特徴とする請求
項１または２に記載の光波長変換素子。
【請求項５】
前記位相調整部は、該非線形光学結晶とは異なる分散特性を有し、且つその屈折率または長さの少なくとも一方が変調可能であるように構成されている、請求項１または２に記載の光波長変換素子。
【請求項６】
前記非線形光学結晶が光導波路を有し、該光導波路内で前記基本波光の波長が変換されている、請求項１または２に記載の光波長変換素子。
【請求項７】
前記非線形光学結晶が共振器構造内に配置されている、請求項１または２に記載の光波長変換素子。
【請求項８】
少なくとも請求項１または請求項２に記載の光波長変換素子と、
波長可変型半導体レーザと、を含み、
前記光波長変換素子は、該波長可変型半導体レーザの出力光を基本波光として受け取り、該基本波光の波長に対する波長変換によって得られる高調波光を出力し、且つ、該光波長変換素子の該高調波光の出力特性は、最大出力の近傍で平坦部を有しており、該波長可変型半導体レーザの発振波長が、該光波長変換素子の該出力特性の該平坦部に固定されている短波長光源。
【請求項９】
前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長が前記光波長変換素子の前記出力特性の前記平坦部に固定されている間は、前記高調波光の出力レベルが一定値になるように、該波長可変型半導体レーザの駆動電流が制御される、請求項８に記載の短波長光源。
【請求項１０】
前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長を制御する制御回路と、前記高調波光の出力を検出する光検出器と、を更に備え、
前記制御回路は、該光検出器が検出する該高調波光の出力が前記出力特性における前記平坦部での出力レベルに保持されるように、該波長可変型半導体レーザの該発振波長を制御する、請求項８に記載の短波長光源。
【請求項１１】
前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長を制御する制御回路と、前記高調波光の出力を検出する第１の光検出器と、前記波長可変型半導体レーザの出力光を検出する第２の光検出器と、を更に備え、
前記制御回路は、該第２の光検出器が検出する該波長可変型半導体レーザの出力光が所定の一定値に保持されるように、該波長可変型半導体レーザの駆動電流を制御し、且つ、該第１の光検出器が検出する該高調波光の出力が前記出力特性における前記平坦部での出力レベルに保持されるように、該波長可変型半導体レーザの該発振波長を制御する、請求項８に記載の短波長光源。
【請求項１２】
前記波長可変型半導体レーザは、活性領域と分布ブラッグ反射領域とを含み、
前記高調波光の出力を検出する光検出器と、
前記活性領域及び分布ブラッグ反射領域への各注入電流を制御することによって、前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長を制御する制御回路と、を更に備え、
前記制御回路は、前記活性領域を、所定の値の電流によって定電流駆動すると共に、前記分布ブラッグ反射領域への注入電流を、前記光検出器が検出する前記高調波光の出力が前記出力特性における前記平坦部での出力レベルに保持され、且つ、該高調波光の出力が所定の一定値に保持されるように、制御する、請求項８に記載の短波長光源。
【請求項１３】
前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長が前記光波長変換素子の前記出力特性の前記平坦部に固定されている間は、前記波長可変型半導体レーザの前記駆動電流の増加時には前記高調波光の出力が増加し、且つ該波長可変型半導体レーザの該駆動電流の減少時には該高調波光の出力が減少する、請求項８に記載の短波長光源。
【請求項１４】
前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長の制御のために注入される注入電流の異なるレベルＩN及びＩN+1（但し、ＩN+1＞ＩN）に対して、波長変換により得られる前記高調波光の出力をそれぞれＰN及びＰN+1とすれば、前記制御回路は、該注入電流の増加時に、
（ＰN+1−ＰN）＞０であり且つ（ＰN+1−ＰN）の絶対値が最大値となる該注入電流の異なるレベルＩN及びＩN+1に対して、該注入電流をＩｄｂｒ＝ＩN+1＋ΔＩとなる値に設定し、これによって該波長可変型半導体レーザの該発振波長を所定の値に固定する、請求項９に記載の短波長光源。
【請求項１５】
前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長の制御のために注入される注入電流の異なるレベルＩN及びＩN+1（但し、ＩN+1＞ＩN）に対して、波長変換により得られる前記高調波光の出力をそれぞれＰN及びＰN+1とすれば、前記制御回路は、該注入電流の減少時に、（ＰN+1−ＰN）＜０であり且つ（ＰN+1−ＰN）の絶対値が最大値となる該注入電流の異なるレベルＩN及びＩN+1に対して、該注入電流をＩｄｂｒ＝ＩN−ΔＩとなる値に設定し、これによって該波長可変型半導体レーザの該発振波長を所定の値に固定する、請求項９に記載の短波長光源。
【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或いは光応用計測分野に使用される波長変換素子、並びにそれを使用したコヒーレント光発生装置、及びそのコヒーレント光発生装置を用いた光情報処理装置に関する。
【０００２】
本発明はまた、半導体レーザと光波長変換素子とが組み合わされて構成されている短波長光源、並びにそのような短波長光源を使用する光ディスクシステムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
非線形光学効果を利用した光波長変換素子は、波長変換により光の波長を変換することでレーザ光源の使用波長の拡大が図れるため、多くの分野で利用されている。例えば、第２高調波を利用した波長変換では、レーザ光を、半分の波長の第２高調波に波長変換し、従来は難しかった短波長の光の実現を可能にする。更に、パラメトリック発振を利用すると、単一波長の光源から連続的に波長の異なる光を発生することが可能となり、波長可変光源を実現できる。また、和周波数を利用すれば、波長の異なる２つの光を第３の波長の光に変換することができる。
【０００４】
このような非線形光学効果を利用した光の波長変換には、変換する前の基本波と変換後の高調波との間で、位相整合条件が成立する必要がある。このための手法としては、例えば、結晶の複屈折を利用して基本波と高調波との間で結晶中の伝搬速度を揃える複屈折率法、非線形グレーティングを利用して位相整合をとる擬似位相整合法などがある。
【０００５】
ところが、実際には、これらの位相整合条件を満足する波長の許容度が極端に狭いため、基本波の波長を非常に高い精度で制御する必要があり、出力を安定させることが困難である。
【０００６】
そこで、これらの波長許容度を広げて、光波長変換の安定性を増す検討が行われた。図３３には、波長許容度の拡大を目的とした従来の光波長変換素子の構成図を示す（特願平３−１６１９８号参照）。以下には、０．８４μｍの波長の基本波Ｐ１に対する波長０．４２μｍの２次高調波Ｐ２の発生について、図３３を参照して詳しく述べる。
【０００７】
図３３の構成では、ＬｉＮｂＯ3基板１１０１に光導波路１１０２が形成され、更に光導波路１１０２には、周期的に分極の反転した層１１０３（分極反転層）が形成されている。基本波Ｐ１と発生する高調波Ｐ２との伝搬定数の不整合を分極反転層１１０３の周期構造で補償することにより、高効率に第２高調波Ｐ２を発生することができる。
【０００８】
このように周期的な分極反転層１１０３により波長変換を行う光波長変換素子は、高い変換効率を持つ反面で、波長変換が可能となる位相整合波長許容度が非常に狭い。そこで、図３３の構成では、光導波路１１０２の伝搬定数を部分的に変えることにより、光波長変換素子の波長許容度の拡大を図っている。光導波路１１０２の伝搬定数を変えると、光導波路１１０２における位相整合波長が変化する。位相整合条件とは、波長変換素子において波長変換が可能となる条件のことで、この条件が成立する入射光の波長のことを位相整合波長という。そこで、光導波路１１０２の幅を領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと部分的に変化させると、それぞれの領域における光導波路１１０２の幅に応じて、位相整合波長が異なってくる。そのため、入射光の波長が変わっても、異なる光導波路幅を有する領域Ａ〜Ｄの何れかで位相整合条件が成立するため、素子全体の位相整合波長が増大する。その結果、光波長変換素子の波長許容度が増加し、安定な波長変換素子が作製できる。各領域Ａ〜Ｄの間の位相整合条件は、各領域Ａ〜Ｄのにおける光導波路１１０２の深さ、或いは、各領域Ａ〜Ｄの間の分極反転層１１０３の周期を変えても実現できて、これらの場合でも同様に、波長許容度の大きな光波長変換素子が得られる。
【０００９】
更に、周期状の分極反転構造と位相制御部とを組み合わせた構成についても、報告されている（特願平４−０７０７２６号）。図３４には、そのような手法によって許容度拡大を実現した従来の光波長変換素子の構成を示す。
【００１０】
図３４に示された光波長変換素子は、非線形光学結晶１１０１の上に、複数の分極反転領域１１０５と、分極反転領域１１０５の間に形成された位相制御部１１０６と、を備える。各分極反転領域１１０５における位相整合条件の差を利用し、位相整合波長許容度の拡大を図るとともに、各分極反転領域１１０５の間で発生する位相不整合を位相制御部１１０６により調整することで、基本波Ｐ１の波長変動に対する高調波Ｐ２の出力変動の低減を図っている。
【００１１】
更に、分極反転領域１１０５の数を増大させることで、更に広い波長範囲に渡って、位相整合波長許容度の拡大が可能である。例えば、分極反転領域１１０５が３分割構造（ｎ＝３）及び４分割構造（ｎ＝４）を有する場合の基本波波長と第２高調波（ＳＨＧ）出力との関係を示したチューニングカーブを、図３５（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。これより、分割数を増すことで、波長許容度を大幅に拡大できることがわかる。
【００１２】
更に、分極反転の周期構造を変調することで位相整合波長許容度の拡大を可能にする試みも、報告されている。
【００１３】
例えば、栖原らによりIEEE Journal of Quantum Electronics、ｖｏｌ．２６、ｐｐ．１２６５−１２７６、１９９０に報告されているように、分極反転の周期構造をチャープ状に変化させることで、位相整合波長の許容度を拡大する方法が報告されている。具体的には、ここでは、分極反転の周期を距離に比例して増大させる線形チャープ構造による位相整合波長許容度の拡大方法が、提案されている。この場合には、位相ズレが線形に変化する分極反転構造により、位相整合カーブの大幅な増大が可能である。
【００１４】
一方、近年、波長７８０ｎｍ帯の近赤外半導体レーザや波長６７０ｎｍの赤色半導体レーザを用いた光ディスクシステムの開発が活発である。光ディスクの高密度化を実現するためには、小さなスポット形状を再生することが望まれる。そのためには、集光レンズの高ＮＡ（開口数）化や光源の短波長化が必要となる。
【００１５】
光源の短波長化技術として、近赤外半導体レーザと擬似位相整合（以下、「ＱＰＭ」と記す）方式の分極反転型光導波路デバイス（山本、他：Optics Letters、Vol.16、No.15、第1156頁、1991）とを用いた第２高調波発生（以下、「ＳＨＧ」と記す）技術がある。
【００１６】
分極反転型光波長変換素子を用いた短波長光源（ＳＨＧブルーレーザ）の概略構成図を、図１５に示す。
【００１７】
図１５において、３８は、０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系波長可変型ＤＢＲ（分布ブラッグ反射型：distributed Bragg reflector）半導体レーザ、３９は、ＮＡ＝０．５のコリメートレンズ、４０は、ＮＡ＝０．５のフォーカシングレンズ、４１は光波長変換素子である。波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ３８は、発振波長を固定するためのＤＢＲ部と実際にレーザ発振を起こす活性部とを含み、ＤＢＲ部には、発振波長を可変するために内部ヒータが形成されている。ＤＢＲ部に対する電流注入を行うことにより、発振波長を可変することができる。典型的には、注入電流１００ｍＡに対して２ｎｍの波長可変領域が得られる。
【００１８】
次に、光波長変換素子４１の構成について説明する。
【００１９】
光波長変換素子４１は、ｘカットＭｇドープＬｉＮｂＯ3基板４２の上に形成されたプロトン交換光導波路４３と、２次元電界印加法により作製された周期的分極反転領域４４とを含む。周期的分極反転領域４４を形成するためには、まず周期３．２μｍの櫛形電極及び平行電極を＋Ｘ基板４２の上面に形成し、また、＋Ｘ基板４２の裏面にボトム電極としてＴａ膜を蒸着する。そして、基板４２の上面及び裏面の間に４Ｖの電圧を印加しながら、パルス幅１００ｍｓで０．４Ｖのパルス電圧を＋Ｘ基板４２の上面に印加し、これによって周期的分極反転領域４４を形成する。
【００２０】
次に、電極をエッチング除去した後にストライプ状のマスクを形成し、ピロリン酸中でプロトン交換して光導波路４３を形成する。光導波路４３は、典型的には幅４μｍ、深さ２μｍ、長さ１０ｍｍである。光導波路４３の端面には、無反射コートが施されている。
【００２１】
上記の構成を有する光導波路素子４１の基本波波長に対する波長変換特性を評価したところ、典型的には、ブルー光（高調波光）の出力レベルが半分になる半値全幅が０．０８ｎｍとなる。
【００２２】
波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ３８から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ３９とフォーカシングレンズ４０とにより、光波長変換素子４１の光導波路４３に結合される。典型的には、１００ｍＷのレーザ出力に対して、７０ｍＷのレーザ光が光導波路４３に結合する。波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ３８のＤＢＲ部への注入電流量を制御し、発振波長を光波長変換素子４１の位相整合波長の許容波長範囲内に固定することにより、約１５ｍＷのブルー光（高調波光）が得られる。
【００２３】
ブルー光（高調波光）出力を安定化させるために、上記の構成に更に制御回路を付加することがある。その場合には、まず、出力されるレーザ光強度が設定値（例えば１００ｍＷ）になるように、制御回路から活性部に対して電流注入を行う。その後に、波長変換により得られた高調波光出力を光検出器により検出し、高調波光出力を安定化する。光検出器としては、Ｓｉ−ＰＩＮフォトダイオードが用いられ得る。
【００２４】
より具体的には、ＤＢＲ部へ注入する電流を変化させて波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を可変すると、その発振波長は、モードホップを繰り返しながら注入電流の増加に対して長波長側に波長シフトする。そこで、注入電流を０ｍＡ〜１００ｍＡの範囲で可変して発振波長をスキャンしながら、光検出器から出力される信号を検出し、ブルー光（高調波光）出力が最大になるＤＢＲ注入電流Ｉｄｂｒを制御回路に記憶する。例えば、注入電流Ｉｄｂｒ＝５０ｍＡであるときに高調波光の最大出力５ｍＷが得られたとすると、次に、注入電流Ｉｄｂｒを５０ｍＡよりも１０ｍＡ低い４０ｍＡまで下げた後に、再び記憶された電流値（５０ｍＡ）までＤＢＲ電流Ｉｄｂｒを上昇させて、レーザ光の発振波長を波長変換素子の位相整合波長に固定する。
【００２５】
以上のような操作によって、５ｍＷの最大ブルー光（高調波光）出力５ｍＷが安定して得られる。
【００２６】
このように、半導体レーザから出力されるレーザ光を基本波光として光波長変換素子に入力して高調波光に波長変換する短波長光源では、高効率波長変換を実現するためには位相整合条件を満たす必要があり、一般にその許容波長幅は小さい。そのため、半導体レーザと光波長変換素子とを組み合わせて構成されている短波長光源においては、基本波を供給する半導体レーザとして、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザが用いられる。波長可変型ＤＢＲ半導体レーザには、波長を固定して可変するためのＤＢＲ領域が形成されており、このＤＢＲ領域へ電流注入を行うことにより、２ｎｍ程度の波長可変範囲を実現できる。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、分極反転層を基本とした光波長変換素子において、素子を２つ以上の領域に分割し、各領域間の位相整合条件を変えることにより波長変換素子変換素子の波長許容度を増大させる方法では、各領域における位相整合波長が異なるため、広い波長範囲において第２高調波が発生する。しかし、従来の光波長変換素子では、比較的広い範囲に波長許容範囲を拡大するのは容易であるが、それに伴う波長変換素子の変換効率の低下が激しい。例えば、位相整合波長許容度を１０倍に拡大すれば、変換効率は１／１０に低下し、高効率の出力特性を有したまま安定な高調波出力を得ることができない。
【００２８】
また、従来の光波長変換素子における光導波路全体に電圧を印加する構成においては、高効率の変換特性を実現するには、印加電圧分布に高い均一性が要求される。このため、高効率な変換特性を達成したままで、位相整合波長を変化させることが難しい。更に、光波長変換素子の全体を一定の温度にするには、広い面積の温度を制御する必要があり、消費電力が大きくなる。
【００２９】
更に、光波長変換素子の位相整合波長を可変して安定な出力を得るには、印加電圧により波長を制御し、特定の波長を選択した後に、印加電圧を固定する必要がある。ところが、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3などの電気光学効果を有する材料においては、ＤＣドリフトの問題があり、一定の電圧を印加すると電極間に印加電圧を打ち消す電荷が発生して、印加電圧が徐々に変化するという問題が発生する。このため、一定のＤＣ電圧を導波路全体に安定に印加するのが難しいとともに、均一な電界分布を光導波路全体に渡って形成することも困難である。
【００３０】
更に、電気光学効果により変化可能な屈折率は１０-4程度であるために、これによって得られる変調可能な位相整合波長の範囲が、０．１ｎｍ程度以下に限定される。
【００３１】
一方、短波長光源に関して、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ及び分極反転型光波長変換素子が組み合わされている短波長光源において、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザは、モードホップ（モード間隔：０．１１ｎｍ）を繰り返しながら長波長側に発振波長が変化する。一方、分極反転型光波長変換素子は、１０ｎｍの素子長に対して、その動作特性（チューニングカーブ特性）における位相整合波長の許容波長幅が、半値全幅で０．０８ｎｍであり、出力レベルがピーク出力レベルの９５％となる波長幅が０．０２ｎｍと小さい。
【００３２】
図１６（ａ）及び（ｂ）では、このような波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの各モードの発振波長Ａと分極反転型光波長変換素子のチューニングカーブ特性Ｂとの関係を、横軸に波長、縦軸に高調波光出力をとった図に模式的に示している。
【００３３】
図１６（ａ）のように、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザのある発振モードの波長が分極反転型光波長変換素子のチューニングカーブ特性のピークの近傍にある場合には、ＤＢＲ領域への注入電流を制御することにより、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を、最大変換効率が得られる位相整合波長（図中の特性Ｂのピークに相当する）に固定することが可能である。しかし、図１６（ｂ）のように両者が大きくずれている場合には、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの縦モード間隔が例えば０．１１ｎｍであるために、最大変換効率の５０％程度の変換効率しか得られない。このような場合には、何らかの方法で、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を最大変換効率が得られる位相整合波長に調整する必要がある。
【００３４】
上記の目的のための一つの方法として、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザにおける駆動電流（活性部への注入電流）を変換させると、その発振波長は０．０１ｎｍオーダで変化する。例えば、ＡｌＧａＡｓ系の波長可変型ＤＢＲ半導体レーザでは、０．０２ｎｍ／１０ｍＡで変化する。
【００３５】
しかし、図１６（ａ）及び（ｂ）を参照して上記で説明したように、従来の光波長変換素子では、出力レベルがピーク出力の９５％となる波長幅が±０．０１ｎｍであるので、基本波光や高調波光の出力を一定にするために駆動電流を定出力駆動（Auto Power Control：ＡＰＣ駆動）させると、発振波長も変化する。すなわち、制御ループは発散方向にあって、収束できない。例えば、基本波光出力を５％変化させることによって高調波光出力を１０％程度変化させようとすると、発振波長は０．０２ｎｍ程度変化して、変換効率が２０％程度低下する。その結果として、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザと分極反転型光波長変換素子との組合せとして構成される従来の短波長光源においては、ＡＰＣ駆動による制御の実施は、実際には非常に困難である。
【００３６】
或いは、電子冷却素子などにより、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ及び分極反転型光波長変換素子が搭載されているモジュール全体の温度を制御して、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を最大変換効率が得られる位相整合波長に調整することも可能である。
【００３７】
これに関して、図１７には、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ及び分極反転型光波長変換素子の動作特性の温度依存性を示す。典型的には、温度上昇と共に波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長は０．０６８ｎｍ／℃で長波長側にシフトし、一方、Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3基板の上の分極反転型光波長変換素子の位相整合波長は、０．０５５ｎｍ／℃で長波長側にシフトする。そのため、モジュールの温度を変化させると、発振波長と位相整合波長との相対関係は０．０１３ｎｍ／℃の関係で変化する。この関係を利用すると、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長と分極反転型光波長変換素子の位相整合波長とが図１６（ｂ）のような関係にあるときであっても、モジュール温度を例えば３℃程度上昇させることにより、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を分極反転型光波長変換素子の位相整合波長のピークに固定することが可能となる。
【００３８】
しかし、ＤＢＲ領域への電流注入による波長可変速度がミリ秒オーダであるのに対して、上記のようなペルチエ素子による温度制御速度は、秒オーダである。光ディスクやディスプレイなどの機器への応用時に、光源の立ち上げ時間は短いことが望まれることを考慮すれば、上記の応答速度特性は満足いくものではない。更に、ペルチエ素子を動作させるためには数Ｖオーダ及び数Ａオーダのパワー印加する必要であり、光源の消費電力が大きくなる。これも、民生での応用を考えると望ましいことではない。
【００３９】
また、分極反転型光波長変換デバイスの基本波波長に対する高調波光出力の関係（位相整合波長カーブ、すなわちチューニングカーブ）は、一般にｓｉｎｃ関数の形状を有しており、位相整合波長のピーク近傍においても、そのチューニングカーブ特性には平坦部が存在しない。このため、モジュールの僅かな温度変化に対して高調波の出力変動が生じるので、常にモジュール温度を制御する必要がある。
【００４０】
このように、光波長変換素子と波長可変型ＤＢＲ半導体レーザとを組み合わせて構成されている短波長光源において、一般の波長可変型ＤＢＲ半導体レーザではその波長可変特性が不連続であり、０．１ｎｍ程度のモードホップを繰り返しながら波長可変することから、得られる高調波光出力を常時安定化することは極めて困難である。特に、ＡＰＣ駆動により高調波光出力光を安定化することは、非常に困難である。
【００４１】
これに対して、位相部を形成した３電極（活性部、位相部、ＤＢＲ部）タイプの波長可変型ＤＢＲ半導体レーザも開発されているが、その出力と波長を安定に制御することも、やはり困難である。
【００４２】
更に、光波長変換素子の素子長を短くすることによる位相整合の許容波長幅の拡大も検討されているが、半導体レーザのモードホップ間隔まで許容波長幅を拡大するためには素子長を数ｍｍ程度まで短くする必要があり、変換効率の大幅な低減につながることから、実用的ではない。
【００４３】
上記に加えて、更に、出力安定化におけるもう一つの課題として、基本波波長及び位相整合波長の安定化の問題がある。
【００４４】
具体的には、温度変化等の変動要因に対して基本波の波長及び光波長変換素子の位相整合波長が変動する場合、この変動量をモニターし、基本波の波長にフィードバックをかけて出力を安定化する必要がある。しかし、従来の光波長変換素子には、位相整合状態を最適化するためのモニター機能を搭載するという概念が与えられていなかった。また、従来の構造では、この機能を搭載することが難しいという構造上の問題があった。
【００４５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、（１）チューニングカーブの最大値近傍に広い平坦部を有する位相整合特性（ピークフラットな位相整合特性）を有する光波長変換素子を提供すること、（２）位相整合波長の波長許容度を広い範囲に渡って安定して可変できる光波長変換素子を提供すること、（３）上記のような光波長変換素子と半導体レーザとを用いてコヒーレント光発生装置を構成することで、半導体レーザにおける発振波長の変動を安定化し、安定な出力特性を有するコヒーレント光発生装置を提供すること、（４）光ディスクシステムやディスプレイシステムなどの機器に応用可能な、任意の環境温度或いは動作状態において安定した高調波光出力特性を実現する、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザと分極反転型光波長変換素子とを組み合わせて構成される短波長光源を提供すること、並びに、（５）上記のようなコヒーレント光発生装置或いは短波長光源を用いた光情報処理装置を提供すること、を目的とする。
【００４６】
【課題を解決するための手段】
本発明の短波長光源は、少なくとも光波長変換素子と波長可変型半導体レーザとを含み、該光波長変換素子は、該波長可変型半導体レーザの出力光を基本波光として受け取り、該基本波光の波長に対する波長変換によって得られる高調波光を出力し、且つ、該光波長変換素子の該高調波光の出力特性は、最大出力の近傍で平坦部を有しており、該波長可変型半導体レーザの発振波長が、該光波長変換素子の該出力特性の該平坦部に固定されていて、そのことによって、上記の目的が達成される。
【００４７】
ある実施形態では、前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長が前記光波長変換素子の前記出力特性の前記平坦部に固定されている間は、前記高調波光の出力レベルが一定値になるように、該波長可変型半導体レーザの駆動電流が制御される。
【００４８】
ある実施形態では、上記の短波長光源は、前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長を制御する制御回路と、前記高調波光の出力を検出する光検出器と、を更に備えており、該制御回路は、該光検出器が検出する該高調波光の出力が前記出力特性における前記平坦部での出力レベルに保持されるように、該波長可変型半導体レーザの該発振波長を制御する。
【００４９】
ある実施形態では、上記の短波長光源は、前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長を制御する制御回路と、前記高調波光の出力を検出する第１の光検出器と、前記波長可変型半導体レーザの出力光を検出する第２の光検出器と、を更に備えており、該制御回路は、該第２の光検出器が検出する該波長可変型半導体レーザの出力光が所定の一定値に保持されるように、該波長可変型半導体レーザの駆動電流を制御し、且つ、該第１の光検出器が検出する該高調波光の出力が前記出力特性における前記平坦部での出力レベルに保持されるように、該波長可変型半導体レーザの該発振波長を制御する。
【００５０】
ある実施形態では、上記の短波長光源は、前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長を制御する制御回路と、前記高調波光の出力を検出する光検出器と、を更に備えており、該波長可変型半導体レーザは、所定の値の電流によって定電流駆動され、該光検出器が検出する前記高調波光の出力が、前記出力特性における前記平坦部での出力レベルに保持され、且つ、該高調波光の出力が所定の一定値に保持されるように、該波長可変型半導体レーザの駆動電流が制御される。
【００５１】
ある実施形態では、前記出力特性における前記平坦部が、前記波長可変型半導体レーザの前記駆動電流の増加時には前記高調波光の出力が増加し、且つ該波長可変型半導体レーザの該駆動電流の減少時には該高調波光の出力が減少する範囲である。
【００５２】
例えば、前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長の制御のために注入される注入電流の異なるレベルＩN及びＩN+1（但し、ＩN+1＞ＩN）に対して、波長変換により得られる前記高調波光の出力をそれぞれＰN及びＰN+1とすれば、前記制御回路は、該注入電流の増加時に、（ＰN+1−ＰN）＞０であり且つ（ＰN+1−ＰN）の絶対値が最大値となる該注入電流の異なるレベルＩN及びＩN+1に対して、該注入電流をＩｄｂｒ＝ＩN+1＋ΔＩとなる値に設定し得て、これによって該波長可変型半導体レーザの該発振波長を所定の値に固定することができる。或いは、前記制御回路は、該注入電流の減少時に、（ＰN+1−ＰN）＜０であり且つ（ＰN+1−ＰN）の絶対値が最大値となる該注入電流の異なるレベルＩN及びＩN+1に対して、該注入電流をＩｄｂｒ＝ＩN−ΔＩとなる値に設定し得て、これによって該波長可変型半導体レーザの該発振波長を所定の値に固定することができる。
【００５３】
好ましくは、前記光波長変換素子は、２つ以上の非線形光学結晶と、隣接する該非線形光学結晶の間に配置された位相調整部と、を備える。その場合には、前記基本波光が、該光波長変換素子の該非線形光学結晶により前記高調波光に波長変換され、該非線形光学結晶の各々の位相整合条件が互いにほぼ等しい。
【００５４】
ある実施形態では、前記光波長変換素子には、２つの前記非線形光学結晶と１つの前記位相調整部とが設けられており、該位相調整部の長さｔが、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β２ω−２・βω）
但し、α＝０.５〜１.５
ｎ＝０、１、２、……、
β２ω：該位相調整部における前記高調波光の伝搬定数
βω  ：該位相調整部における前記基本波の伝搬定数
なる関係を満足している。
【００５５】
他の実施形態では、前記光波長変換素子には、３つの前記非線形光学結晶と２つの前記位相調整部とが設けられており、該位相調整部の各々の長さｔ１及びｔ２が、
ｔ１＝（２ｎ＋α１）π／（β２ω−２・βω）
ｔ２＝（２ｍ＋α２）π／（β２ω−２・βω）
但し、α１＋α２＝２
ｎ＝０、１、２、３、……、
ｍ＝０、１、２、３、……、
ｔ１＋ｔ２＝２Ｊπ／（β２ω−２・βω）
Ｊ＝０、１、２、３、……、
β２ω：該位相調整部における前記高調波光の伝搬定数
βω  ：該位相調整部における前記基本波の伝搬定数
なる関係を満足している。
【００５６】
好ましくは、前記出力特性の前記平坦部の波長幅が、前記波長可変型半導体レーザの前記発振波長の縦モード間隔よりも広い。
【００５７】
前記波長可変型半導体レーザは、少なくとも活性領域と分布ブラッグ反射（distributed Bragg reflector:ＤＢＲ）領域とを含み、該活性領域及び該ＤＢＲ領域の各々に独立した電極が設けられている半導体レーザであり得る。
【００５８】
例えば、前記光波長変換素子が、周期的分極反転構造を有する擬似位相整合方式の光波長変換素子であり得る。
【００５９】
前記光波長変換素子は、光導波路を有し得る。
【００６０】
前記光波長変換素子は、ＬｉＴａxＮｂ1-xＯ3基板（０≦ｘ≦１）の上に作製され得る。
【００６１】
前記波長可変型半導体レーザの駆動電流が変調されていてもよい。
【００６２】
前記波長可変型半導体レーザは、外部反射鏡から特定波長の光が光帰還するように構成され得て、該特定波長の光を可変することによって、該波長可変型半導体レーザの発振波長が可変されてもよい。
【００６３】
本発明の他の局面によれば、上記のような本発明の短波長光源と、集光光学系と、を備え、該短波長光源から出射されるコヒーレント光を該集光光学系により集光している光情報処理装置が、提供される。
【００６４】
本発明の光波長変換素子は、基本波と高調波とに対してほぼ等しい位相整合条件を有する２つ以上の非線形光学結晶と、各々の該非線形光学結晶の間に配置された位相調整部と、を備え、該位相調整部は、該非線形光学結晶とは異なる分散特性を有し、且つその屈折率或いは長さの少なくとも一方が変調可能であるように構成されていて、そのことによって、前述の目的が達成される。
【００６５】
本発明の他の光波長変換素子は、非線形光学結晶と、該非線形光学結晶の一部に形成した屈折率変調部と、を備え、該屈折率変調部は、該非線形光学結晶の全長の１／２以下の長さの領域に形成されていて、そのことによって、前述の目的が達成される。
【００６６】
ある実施形態では、前記屈折率変調部とその他の部分の境界近傍に設けられた位相調整部を更に有し、該屈折率変調部の長さが前記非線形光学結晶の全長の１５％〜４０％である。
【００６７】
ある実施形態では、前記非線形光学結晶として２つ以上の非線形光学結晶を有し、該２つ以上の非線形光学結晶の間に位相調整部が配置されており、前記屈折率変調部は該２つ以上の非線形光学結晶の何れかに設けられていて、該２つ以上の非線形光学結晶が互いにほぼ等しい位相整合条件を満足している。
【００６８】
前記非線形光学結晶が周期状の分極反転構造を有していてもよい。
【００６９】
例えば、前期非線形光学結晶の個数が３つ以上であって、該３つ以上の非線形光学結晶の互いの長さの差が４０％以下である。
【００７０】
前記位相調整部が液晶から構成されていてもよい。
【００７１】
或いは、前記位相調整部が可塑性の材料により形成されており、該位相調整部の長さが微動台により調整されていてもよい。
【００７２】
前記非線形光学結晶が光導波路を有し、該光導波路内で前記光の波長が変換されていてもよい。
【００７３】
前記非線形光学結晶が共振器構造内に配置されていてもよい。
【００７４】
本発明の他の局面によれば、上記のような本発明の光波長変換素子と、レーザ光源と、を備え、該レーザ光源の光が該光波長変換素子により波長変換されているコヒーレント光発生装置が、提供される。
【００７５】
前記レーザ光源は波長可変機能を有していてもよい。
【００７６】
好ましくは、前記光波長変換素子の位相整合波長の可変範囲が、前記レーザ光源の縦モード間隔より広い。
【００７７】
例えば、前記レーザ光源は半導体レーザである。
【００７８】
本発明の他の局面によれば、上記のような本発明のコヒーレント光発生装置と、集光光学系と、を備え、該コヒーレント光発生装置から出射されるコヒーレント光を該集光光学系により集光している光情報処理装置が、提供される。
【００７９】
本発明の光波長変換素子は、２つ以上の非線形光学結晶と、隣接する該非線形光学結晶の間に配置された位相調整部と、を備えており、該非線形光学結晶の各々の位相整合条件が互いにほぼ等しく、そのことによって、前述の目的が達成される。
【００８０】
好ましくは、前記非線形光学結晶の内部で基本波が高調波に変換され、該基本波の波長と該高調波の出力との間の関係を示す特性曲線において、該高調波の出力の最大値近傍で、該特性曲線が平坦部を有している。
【００８１】
ある実施形態では、前記非線形光学結晶の内部で波長λの基本波が波長λ／２の高調波に変換され、前記位相調整部の長さｔが、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β２ω−２・βω）
但し、α＝０.５〜１.５
ｎ＝０、１、２、……、
β２ω：該位相調整部における該高調波の伝搬定数
βω  ：該位相調整部における該基本波の伝搬定数
なる関係を満足している。
【００８２】
ある実施形態では、前記非線形光学結晶の内部で波長λ１の第１の光及び波長λ２の第２の光と波長λ３の第３の光との間での波長変換が行われ、該各々の波長は、
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２
なる関係を満たし、且つ、前記位相調整部の長さｔが、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β３−β２−β１）
但し、α＝０.５〜１.５
ｎ＝０、１、２、……、
β１：該位相調整部における該第１の光の伝搬定数
β２：該位相調整部における該第２の光の伝搬定数
β３：該位相調整部における該第３の光の伝搬定数
なる関係を満足している。
【００８３】
例えば、前記非線形光学結晶の数が２つで、前記αの値がα＝０．９〜１．１の範囲にある。
【００８４】
好ましくは、記非線形光学結晶の数が２つで、前記αの値がα＝０．９５〜１．０５の範囲にある。
【００８５】
ある実施形態では、３つの前記非線形光学結晶と２つの前記位相調整部とが設けられており、該位相調整部の各々の長さｔ１及びｔ２が、
ｔ１＋ｔ２＝（２ｎ＋α）π／（β３−β２−β１）
ｎ＝０、１、２、……、
なる関係を満足している。
【００８６】
ある実施形態では、３つの前記非線形光学結晶と２つの前記位相調整部とが設けられており、該位相調整部の各々の長さｔ１及びｔ２が、
ｔ１＋ｔ２＝２ｎπ／（β２ω−２・βω）
ｎ＝０、１、２、……、
なる関係を満足している。
【００８７】
例えば、前記位相調整部の各々の長さｔ１及びｔ２が、
ｔ１＝（２ｎ＋α１）π／（β２ω−２・βω）
ｔ２＝（２ｎ＋α２）π／（β２ω−２・βω）
但し、α１＋α２＝２
ｎ＝０、１、２、３、……、
なる関係を満足している。
【００８８】
好ましくは、前記α１の値がα１＝０．７〜１．３の範囲である。
【００８９】
ある実施形態では、前記位相調整部の各々の長さｔ１及びｔ２が、
ｔ１＝（２ｎ＋α１）π／（β３−β２−β１）
ｔ２＝（２ｎ＋α２）π／（β３−β２−β１）
但し、α１＋α２＝２
ｎ＝０、１、２、３、……、
なる関係を満足している。
【００９０】
好ましくは、前記α１の値がα１＝０．７〜１．３の範囲である。
【００９１】
前記非線形光学結晶が単一の結晶からなっており、前記位相調整部が該結晶の内部に設けられていてもよい。
【００９２】
或いは、前記非線形光学結晶と前記位相調整部とがお互いに接着されていてもよい。
【００９３】
本発明の光波長変換素子は、非線形光学結晶と、該非線形光学結晶に形成され且つ２つ以上の領域に分割されている周期状分極反転構造と、該周期状分極反転構造の該分割された領域の間に配置されている位相調整部と、を備えており、
該周期状分極反転構造の周期が、該分割された領域の間でお互いにほぼ等しく、そのことによって、前述の目的が達成される。
【００９４】
好ましくは、前記周期状分極反転構造の内部で基本波が高調波に変換され、該基本波の波長と該高調波の出力との間の関係を示す特性曲線において、該高調波の出力の最大値近傍で、該特性曲線が平坦部を有している。
【００９５】
ある実施形態では、前記非線形光学結晶の内部で波長λの基本波が波長λ／２の高調波に変換され、前記周期状分極反転構造の前記周期Λが、
Λ＝２ｍπ／（β２ω−２・βω）
ｍ＝１、２、３、……、
なる関係をほぼ満たし、前記位相調整部の長さｔが、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β２ω−２・βω）
但し、α＝０.５〜１.５
ｎ＝０、１、２、……、
β２ω：該位相調整部における該高調波の伝搬定数
βω  ：該位相調整部における該基本波の伝搬定数
なる関係を満足している。
【００９６】
ある実施形態では、前記非線形光学結晶の内部で波長λ１の第１の光及び波長λ２の第２の光と波長λ３の第３の光との間での波長変換が行われ、該各々の波長は、
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２
なる関係を満たし、且つ、前記周期状分極反転構造の前記周期Λが、
Λ＝２ｍπ／（β２ω−２・βω）
ｍ＝１、２、３、……、
なる関係をほぼ満たし、且つ、前記位相調整部の長さｔが、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β３−β２−β１）
但し、α＝０.５〜１.５
ｎ＝０、１、２、……、
β１：該位相調整部における該第１の光の伝搬定数
β２：該位相調整部における該第２の光の伝搬定数
β３：該位相調整部における該第３の光の伝搬定数
なる関係を満足している。
【００９７】
例えば、前記非線形光学結晶の数が２つで、前記αの値がα＝０．９〜１．１の範囲にある。
【００９８】
ある実施形態では、３つの前記非線形光学結晶と２つの前記位相調整部とが設けられており、該位相調整部の各々の長さｔ１及びｔ２が、
ｔ１＋ｔ２＝（２ｎ＋α）π／（β３−β２−β１）
ｎ＝０、１、２、……、
なる関係を満足している。
【００９９】
ある実施形態では、３つの前記非線形光学結晶と２つの前記位相調整部とが設けられており、
該位相調整部の各々の長さｔ１及びｔ２が、
ｔ１＋ｔ２＝２ｎπ／（β２ω−２・βω）
ｎ＝０、１、２、……、
なる関係を満足している。
【０１００】
例えば、前記位相調整部の各々の長さｔ１及びｔ２が、
ｔ１＝（２ｎ＋α１）π／（β２ω−２・βω）
ｔ２＝（２ｎ＋α２）π／（β２ω−２・βω）
但し、α１＋α２＝２
ｎ＝０、１、２、３、……、
なる関係を満足している。
【０１０１】
好ましくは、前記α１の値がα１＝０．７〜１．３の範囲である。
【０１０２】
ある実施形態では、前記位相調整部の各々の長さｔ１及びｔ２が、
ｔ１＝（２ｎ＋α１）π／（β３−β２−β１）
ｔ２＝（２ｎ＋α２）π／（β３−β２−β１）
但し、α１＋α２＝２
ｎ＝０、１、２、３、……、
なる関係を満足している。
【０１０３】
好ましくは、前記α１の値がα１＝０．７〜１．３の範囲である。
【０１０４】
前記基本波の伝搬損失が前記高調波の伝搬損失のほぼ半分であってもよい。
【０１０５】
前記第１、第２、及び第３の光の伝搬損失がお互いにほぼ等しくてもよい。
【０１０６】
前記非線形光学結晶が光導波路を有し、該光導波路内で光の波長変換が行われてもよい。
【０１０７】
本発明の光波長変換素子は、非線形光学結晶を有し、該非線形光学結晶の内部で、波長λの基本波が波長λ／２の高調波に変換され、該非線形光学結晶における該基本波の伝搬損失が該高調波の伝搬損失のほぼ半分であって、そのことによって、前述の目的が達成される。
【０１０８】
ある実施形態では、前記非線形光学結晶が光導波路を有し、該光導波路内で前記基本波から前記高調波への波長変換が行われ、前記伝搬損失は、該光導波路内における伝搬損失である。
【０１０９】
本発明の光波長変換素子は、非線形光学結晶を有し、該非線形光学結晶の内部で、波長λ１の第１の光及び波長λ２の第２の光と波長λ３の第３の光との間での波長変換が行われ、該各々の波長は、
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２
なる関係を満たし、且つ、該非線形光学結晶における該第１、第２、及び第３の光の伝搬損失がお互いにほぼ等しく、そのことによって、前述の目的が達成される。
【０１１０】
ある実施形態では、前記非線形光学結晶が光導波路を有し、該光導波路内で前記波長変換が行われ、前記伝搬損失は、該光導波路内における伝搬損失である。
【０１１１】
前記非線形光学結晶が光入射部と光出射部とを有しており、該光入射部及び光出射部の少なくとも一方に反射防止膜が設けられていてもよい。
【０１１２】
本発明のコヒーレント光発生装置は、発振波長を可変する機能を有する半導体レーザと、該半導体レーザの出射光を基本波として受け取って、該基本波に対する波長変換を行って高調波を出力する光波長変換素子と、を備え、該基本波の波長と該高調波の出力との間の関係を示す特性曲線において、該高調波の出力の最大値近傍で該特性曲線が平坦部を有し、該平坦部の幅が、該半導体レーザの縦モード間隔よりも広く設定されていて、そのことによって、前述の目的が達成される。
【０１１３】
或いは、本発明のコヒーレント光発生装置は、発振波長を可変する機能を有する半導体レーザと、該半導体レーザの出射光を基本波として受け取って、該基本波に対する波長変換を行って高調波を出力する、本発明による光波長変換素子と、を備え、該基本波の波長と該高調波の出力との間の関係を示す特性曲線において、該高調波の出力の最大値近傍で該特性曲線が平坦部を有し、該平坦部の幅が、該半導体レーザの縦モード間隔よりも広く設定されていて、そのことによって、前述の目的が達成される。
【０１１４】
或いは、本発明のコヒーレント光発生装置は、本発明の光波長変換素子と、レーザ光源と、を備え、該レーザ光源の出射光が該光波長変換素子によって波長変換されるように構成されていて、そのことによって、前述の目的が達成される。
【０１１５】
前記レーザ光源が、発振波長を可変する機能を有する半導体レーザであってもよい。
【０１１６】
前記半導体レーザが高周波重畳されていてもよい。
【０１１７】
好ましくは、前記光波長変換素子の位相整合波長許容度が、前記レーザ光源の縦モード間隔よりも広く設定されている。
【０１１８】
本発明のコヒーレント光発生装置は、非線形光学結晶と、波長可変レーザ光源と、第１及び第２の光検出器と、を備え、該非線形光学結晶の内部で、該波長可変レーザ光源からの第１の光が第２の光に波長変換され、該第１の光検出器は、該第１或いは第２の光のうちの選択された光について、該非線形光学結晶から散乱される散乱光の強度を測定し、該第２の光検出器は、該非線形光学結晶の出射部近傍における該選択された光の強度を測定し、該第１及び第２の光検出器の測定結果に基づいて、該波長可変レーザ光源の発振波長を制御し、そのことによって、前述の目的が達成される。
【０１１９】
ある実施形態では、前記非線形光学結晶は光波長変換素子に含まれており、該光波長変換素子には位相調整部が設けられていて、前記第１の光検出器が該位相調整部の近傍に設けられている。
【０１２０】
本発明の光情報処理装置は、本発明によるコヒーレント光発生装置と、集光光学系と、備え、該コヒーレント光発生装置から出射されるコヒーレント光を、該集光光学系により集光しており、そのことによって、前述の目的が達成される。
【０１２１】
【発明の実施の形態】
非線形光学結晶を用いて光波長変換を行う場合、結晶の複屈折率を利用する複屈折位相整合以外に、非線形分極の方向を周期的に反転させた周期的分極反転を利用して、非線形グレーティングにより基本波と高調波との間の位相速度の差を擬似的に補償する方法がある。この方法を擬似位相整合方式という。擬似位相整合は、分極反転周期により、位相整合条件を任意に制御できる。
【０１２２】
本発明では、この分極反転型光波長変換素子の一部分に位相調整部を形成することで、基本波波長に対する高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）において、ピーク出力レベルの近傍が平坦である（すなわち、平坦部を有する）特性を実現する。
【０１２３】
光導波路型擬似位相整合方式の分極反転型光波長変換素子の特徴として、
（１）光導波路型であるので、長い相互作用長を実現でき、分割構造の光波長変換に有効である。
（２）分極反転領域は、半導体プロセスにより均一且つ高精度に形成できるとともに、同時に位相調整部も形成できるので、デバイスの設計及び形成が容易に達成される。
などの点が挙げられる。
【０１２４】
（第１の実施形態）
本実施形態では、基本波波長に対する高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）においてピーク出力近傍が平坦部を有する光波長変換素子と、２電極（活性部及びＤＢＲ部）を有する波長可変型ＤＢＲ半導体レーザを組み合わせて構成される短波長光源について、その構成と動作方法を説明する。
【０１２５】
まずはじめに、基本波波長に対する高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）においてピーク出力近傍が平坦部を有する光波長変換素子の構成、及びその作製方法について説明する。
【０１２６】
非線形光学効果による光波長変換では、基本波を波長変換して高調波を発生する。基本波から高調波への高効率の波長変換を可能にするには、２つの光の位相速度が一致する位相整合条件を満足する必要がある。ところが、位相整合条件を満足する基本波波長の許容範囲は、一般に非常に狭い。
【０１２７】
これを解決する方法として、本実施形態の光波長変換素子では、同一の位相整合条件を有する非線形光学結晶の間に位相調整部を設けることで、位相整合波長の許容度を拡大する構造を有している。これによって、広い許容波長幅を有し、且つチューニングカーブ特性においてピーク出力近傍で平坦部を有することができる。更に、許容波長幅の拡大による波長変換効率の低下を最小限に抑え、許容波長幅の拡大と高効率特性とを同時に達成できる。
【０１２８】
本実施形態の光波長変換素子１００の具体的な構造を、図１を参照して説明する。
【０１２９】
図１に示すように、光波長変換素子１００は、互いにほぼ等しい位相整合条件を満足する複数の非線形光学結晶、ここでは例えば３つの非線形光学結晶１、２、及び３を含む。更に、各々の非線形光学結晶１、２、及び３の間には、位相調整部４及び５が挿入されている。
【０１３０】
このような構造を有する光波長変換素子１００に基本波光６を入射すると、光波長変換素子１００により波長変換されて高調波光７が出射する。非線形光学結晶１、２、及び３の内部で基本波光６と高調波光７との位相整合条件が成立している場合には、
β２ω＝２・βω
（但し、β２ω：高調波の伝搬定数、βω：基本波の伝搬定数）となり、基本波光６と高調波光７とは等しい位相速度で伝搬している。
【０１３１】
光波長変換素子が、従来のように、位相整合条件を満足する単一の非線形光学結晶から構成される場合、すなわち位相調整部を有さない場合には、基本波光波長に対する高調波光（ＳＨＧ）出力特性は、図２（ａ）に示されるようになる。具体的には、光波長変換素子の位相整合状態を示すチューニングカーブ特性はｓｉｎｃ関数となり、そのピーク部分はかなり狭く、許容波長幅が極端に狭い。
【０１３２】
これに対して、図１に示す本発明の光波長変換素子１００の基本波光波長に対する高調波（ＳＨＧ）光出力特性は、図２（ｂ）に示されるようになる。これより、チューニングカーブ特性の最大値近傍のピークにおいて、高調波（ＳＨＧ）光の出力強度は非常に平坦で、その出力変動は数％以内である。なお、図２（ｂ）の縦軸に示す高調波（ＳＨＧ）光の出力強度の目盛りは、図２（ａ）における従来例での高調波（ＳＨＧ）光のピーク出力強度を１として、規格化されている。
【０１３３】
更に、基本波光波長に対する高調波光出力レベルがピークレベルから５％低下する波長範囲（許容波長幅）は、図２（ａ）に比べて図２（ｂ）では約６倍に拡大されている。また、図２（ｂ）において、許容波長幅拡大に伴って変換効率が低下するものの、依然として図２（ａ）で得られる変換効率の２９％のレベルが達成可能であり、高効率波長変換が実現される。
【０１３４】
このように、光波長変換素子において、互いに等しい位相整合条件を有する非線形光学結晶１、２及び３の間に位相調整部４及び５を設けることで、平坦なピークを有するチューニングカーブ特性が得られ、且つ比較的高い変換効率を実現することができる。
【０１３５】
具体的には、本発明によれば、基本波波長に対する高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）におけるピーク出力近傍に平坦部を有する光波長変換素子として、２分割及び３分割の光導波路型擬似位相整合方式光波長変換素子とを形成する。図３（ａ）には、２分割構造の光波長変換素子１１０、図３（ｂ）には３分割構造の光波長変換素子１２０を示す。
【０１３６】
図３（ａ）の２分割構造の光波長変換素子１１０においては、基板内に分極反転領域８及び９が形成されており、分極反転領域８及び９の間には位相調整部１０が形成されている。一方、図３（ｂ）の３分割構造の光波長変換素子１２０においては、基板内に分極反転領域１１、１２、及び１３が形成されており、分極反転領域１１、１２、及び１３の間には位相調整部１４及び１５が形成されている。なお、ここでいう分極反転領域８〜１３とは、複数の個別の分極反転領域が所定の間隔（分極反転周期Λ）で周期的に形成されている領域を、総称的に指すものとする。
【０１３７】
それぞれの場合において、分極反転周期Λは、
Λ＝２ｍπ／（β２ω−２・βω）                  （１）
なる関係を満足している。但し、ｍ＝０、１、２、３、……、であり、β２ωは位相調整部における高調波光の伝搬定数、βωは位相調整部における基本波光の伝搬定数である。
【０１３８】
各分極反転領域８〜１３における位相整合条件を等しくするためには、各領域８〜１３における分極反転周期を同じに設定する。
【０１３９】
更に、位相調整部の距離ｔは、図３（ａ）に含まれる２分割構造の光波長変換素子１１０においては式（２）で表される関係を満足するように設定する。
【０１４０】
ｔ＝（２ｎ＋１）π／（β２ω−２・βω）          （２）
但し、ｎ＝０、１、２、３、……、である。
【０１４１】
式（２）において、チューニングカーブ特性の対称性が５％以内に収まるのはα＝０．９５〜１．０５の範囲であり、αがこの範囲に設定されている限りは、使用上は問題ない。好ましくは、α＝１とする。αが上記の範囲を外れてチューニングカーブ特性の対称性が劣化すると、そのピーク近傍における平坦部が傾きを有するようになり、ＡＰＣ動作が不可能になったり高調波光出力の変動が大きくなったりするなど、好ましくない影響が発生する。
【０１４２】
また、位相調整部１０の両側に位置する分極反転領域８及び９の長さを、分極反転領域８の長さＬ１の素子全体長Ｌに対する比率Ｌ１／Ｌ（％）が約１７％になるように設定する（従って、分極反転領域９の長さはＬ−Ｌ１−ｔに設定される）場合に、チューニングカーブ特性におけるピーク出力近傍の平坦部が、最もフラットになる。
【０１４３】
一方、図３（ｂ）に含まれる３分割構造の光波長変換素子１２０においては、各位相調整部１４及び１５の距離ｔ１及びｔ２は、式（３）及び式（４）で表される関係を満足するように設定する。
【０１４４】
ｔ１＝（２ｎ＋α１）π／（β２ω−２・βω）          （３）
ｔ２＝（２ｍ＋α２）π／（β２ω−２・βω）          （４）
但し、ｎ及びｍ＝０、１、２、３、……、である。
【０１４５】
ここで、α１＋α２＝２であるので、上記の式（３）及び式（４）は、Ｊ＝０、１、２、３、……、とすれば、
ｔ１＋ｔ２＝２Ｊπ／（β２ω−２・βω）            （５）
となる。
【０１４６】
α１＝０．７９及びα２＝１．２１近傍で、チューニングカーブ特性におけるピーク出力近傍の平坦部が、ほぼフラットな特性を示す。また、対称性が５％以内に収まるのは、α１＝０．７〜０．９の範囲であり、このときα２＝２−α１に設定する。
【０１４７】
また、上記の条件が満たされる場合に、分極反転領域１１及び１３が同じ長さＬ１を有するようにし、更に素子全体長Ｌに対する比率Ｌ１／Ｌ（％）が約１３．８％である場合に、チューニングカーブ特性におけるピーク出力近傍の平坦部が、最もフラットになる。
【０１４８】
以上の設計指針に基づいて、実際に光波長変換素子を設計・作成した。
【０１４９】
素子全体長はＬ＝１０ｍｍに設定し、位相整合波長の中心波長は８５２ｎｍに設定した。また、分極反転周期は３．２μｍとした。２分割構造に関しては、ｔ＝１．６μｍ及びＬ１＝１．７ｍｍとし、３分割構造に関しては、ｔ１＝１．３μｍ、ｔ２＝１．９μｍ、及びＬ２＝１．３８ｍｍとした。
【０１５０】
上記の設計値を有する２分割構造及び３分割構造の光波長変換素子１１０及び１２０における、基本波光波長に対する高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）のシミュレーション結果を、図４（ａ）及び（ｂ）に示す。但し、図４（ａ）及び（ｂ）における縦軸の高調波光出力の目盛りは、位相調整部を有さない従来の光波長変換素子で得られる高調波光出力のピーク強度の値を１として、規格化されている。
【０１５１】
位相調整部を有さない従来の光波長変換素子では、チューニングカーブ特性における平坦部の許容波長幅（ピーク出力レベルから出力レベルが５％低下する波長幅）が、典型的には０．０２ｎｍであるのに対して、２分割構造では、図４（ａ）に示すように、チューニングカーブ特性における平坦部の許容波長幅が０．０６ｎｍであり、ピーク出力は、位相調整部がない場合と同じ１０ｍｍ長の光波長変換素子で得られる値の４５％の値が得られた。また、３分割構造では、図４（ｂ）に示すように、チューニングカーブ特性における平坦部の許容波長幅が０．１２ｎｍであり、ピーク出力は、位相調整部がない場合と同じ１０ｍｍ長の光波長変換素子で得られる値の２９％の値が得られた。なお、上記では、高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）における平坦部を、「出力レベルがピーク出力レベルから５％低下する波長幅」と定義しているが、これは、一般的な光ディスクシステムなどの応用を考えた場合に光源に許されるパワー変動が数％以内、大きく見積もっても５％以内であるためである。
【０１５２】
本実施形態における光波長変換素子は、従来の分極反転型光波長変換素子と同様の方法で作製される。
【０１５３】
具体的には、図５に示される構成を有する短波長光源に含まれる光波長変換素子１８は、ｘカットＭｇドープＬｉＮｂＯ3基板の上に形成されたプロトン交換光導波路と、２次元電界印加法により作製された周期的分極反転領域とを含む。周期的分極反転領域を形成するためには、周期３．２μｍの櫛形電極及び平行電極を＋Ｘ基板の上面に形成し、また、＋Ｘ基板の裏面にボトム電極としてＴａ膜を蒸着する。そして、基板の上面と裏面との間に４Ｖの電圧を印加しながら、パルス幅１００ｍｓで０．４Ｖのパルス電圧を＋Ｘ基板の上面に印加し、分極反転領域を形成する。次に、電極をエッチング除去した後にストライプ状のマスクを形成し、ピロリン酸中でプロトン交換して光導波路を形成する。光導波路は、典型的には幅４μｍ、深さ２μｍ、長さ１０ｍｍである。光導波路の端面には、無反射コートが施されている。
【０１５４】
このようにして作製された光波長変換素子１８について、基本波波長に対する高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）をＴｉ：Ａｌ2Ｏ3レーザを用いて測定したところ、高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）におけるピーク近傍の平坦部の波長幅は、２分割構造では０．０６ｎｍ、３分割構造では０．１３ｎｍであり、図４（ａ）及び（ｂ）を参照して説明したシミュレーション結果にほぼ一致する結果が得られた。また、光導波路への入射パワー５０ｍＷに対して、２分割構造では２．５ｍＷ、３分割構造では１．５ｍＷの高調波光（波長：４２６ｎｍ）の出力が、それぞれが得られた。
【０１５５】
次に、高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）における平坦部の波長幅が０．１３ｎｍであるような上記の位相調整部を有する３分割の分極反転型光波長変換素子と、２電極タイプ（活性部とＤＢＲ部）の波長可変型ＤＢＲ半導体レーザとを組み合わせて構成される短波長光源について、図５を参照して説明する。図５は、そのような短波長光源１５０の概略構成図である。
【０１５６】
光波長変換素子１８と波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ１９とは、電子冷却素子２０とサーミスタ２０１とにより一定温度に保持されたモジュール２１に固定されている。波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ１９から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ２２とフォーカスレンズ２３とにより、光波長変換素子１８の上の光導波路に結合される。光波長変換素子１８はｘカット基板上に形成されているため、半導体レーザ１９と同じＴＥモードの光を伝搬することができるので、半波長板を使用せずに光結合することができる。
【０１５７】
光波長変換素子１８に結合されたレーザ光は、周期的分極反転領域により高調波光に波長変換され、光導波路の出射端面より高調波（ＳＨＧ）光が出射される。具体的には、波長８５１ｎｍで出力１００ｍＷの波長可変半導体レーザ１９に対して、７０ｍＷの光が光導波路内に結合した。
【０１５８】
動作時には、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ１９のＤＢＲ部に電流注入を行って、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ１９の発振波長を、光波長変換素子１８の位相整合波長８５２ｎｍに一致させる。具体的には、ＤＢＲ部への注入電流が５０ｍＡの場合に、発振波長は８５２ｎｍに可変されて、５ｍＷのブルー光（４２６ｎｍ）が得られた。
【０１５９】
波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの波長可変特性は、一般に不連続である。例えば、本実施形態で用いられた波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ１９では、その活性領域の長さが約１ｍｍ程度あることから、その発振波長は、０．１１ｎｍの間隔でモードホップを繰り返しながら変化する。
【０１６０】
ここで、ＤＢＲ部への注入電流と発振波長との関係を、図６に示す。具体的には、ＤＢＲ部への注入電流が増加するにつれて、波長幅０．０１ｎｍに相当する連続部と波長幅０．１ｎｍに相当する不連続部とを繰り返しながら、長波長側にシフトしていく。更に、ＤＢＲ部への注入電流の増加時と減少時とでは、異なる波長特性（ヒステリシス特性）を示す。
【０１６１】
次に、図７（ａ）及び（ｂ）、並びに図８（ａ）及び（ｂ）を参照して、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の基本波光波長に対する高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）との関係を説明する。
【０１６２】
図７（ａ）及び（ｂ）は従来の光波長変換素子における特性を示す図であり、図８（ａ）及び（ｂ）は本発明の光波長変換素子における特性を示す図である。各図は、横軸に波長、縦軸に高調波光出力をとって特性を模式的に示している。
【０１６３】
従来の光波長変換素子では、チューニングカーブ特性のピーク出力近傍での平坦部の幅が０．０２ｎｍと小さい。このため、図７（ａ）のように、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザのある発振モードの波長が分極反転型光波長変換素子の位相整合波長範囲のピークの近傍にある場合には、ピーク出力１５ｍＷが得られるが、図７（ｂ）のように両者が大きくずれている場合には、例えば８ｍＷの出力しか得られず、同じ基本波光出力（半導体レーザ出力）に対して常に同じ高調波光出力を安定に得ることは、困難である。安定してピーク出力を得るためには、モジュール全体の温度或いは活性部への注入電流を制御する必要があり、その結果として、制御系の複雑化や、温度制御に伴う応答速度（立ち上がり速度）の遅れが発生して、実用上の大きな問題となる。
【０１６４】
一方、本実施形態による３分割構造の分極反転型光波長変換素子では、チューニングカーブ特性において、出力レベルがピークレベルから５％だけ低下する平坦部の波長幅が約０．１３ｎｍであって、この幅は、組み合わせて使用される波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの縦モード間隔よりも大きい。従って、図８（ａ）のように波長可変型ＤＢＲ半導体レーザのある発振モードの波長が分極反転型光波長変換素子の位相整合波長範囲のピークの近傍にある場合だけではなく、図８（ｂ）のように両者が大きくずれている場合においても、ほぼ同じ５ｍＷの高調波光出力が得られる。
【０１６５】
これにより、本発明によれば、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの出力が一定になるように定電流駆動（Auto Current Control：ＡＣＣ駆動）させてＤＢＲ部への注入電流を制御するだけで、基本波の波長を光波長変換素子のピーク位相整合波長に固定することが可能となり、高調波光出力の安定化制御を著しく簡素化することができる。また、温度制御による出力制御を必要としないので、高速の立ち上がり制御が可能となる。
【０１６６】
次に、制御方法について簡単に説明する。
【０１６７】
図９は、短波長光源２４に制御回路２６が付加された構成のブロック図であり、図１０は、図９の構成に対する制御方法のフローチャート図である。
【０１６８】
図９において、短波長光源２４から出射された高調波光Ｐ２ωは、光検出器２５により検出され、制御回路２６にフィードバックされる。制御回路２６は、短波長光源２４に含まれる波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの活性部及びＤＢＲ部への注入電流（Ｉｄｂｒ及びＩｏｐ）を制御する。
【０１６９】
まず、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの活性部への注入電流（すなわち駆動電流）Ｉｏｐを、一定の値に設定する。次に、ＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒを０〜１００ｍＡの範囲でスキャニングする。このとき、同時にブルー光出力（高調波光出力）Ｐ２ωを光検出器で検出して、最大のブルー光（高調波光）出力が得られる注入電流値Ｉ’ｄｂｒが得られたら、その値を制御回路中のメモリ部に記憶する。次に、再びＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒを０ｍＡに戻し、この後にＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒを、先に得られたＩ’ｄｂｒの値に設定する。
【０１７０】
これにより、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を、光波長変換素子の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）における出力ピーク近傍の平坦部に安定に固定することができて、１００ｍＷの半導体レーザ出力に対して安定に高調波光出力５ｍＷを得ることができる。なお、ＤＢＲ部への注入電流を０ｍＡに戻すのは、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの波長可変時のヒステリシス特性を回避するためである。
【０１７１】
或いは、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの出力が一定になるようにＡＣＣ駆動させる代わりに、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの後部にフォトダイオードを設置してＡＰＣ駆動させることにより、更に高調波光出力を安定化することができる。この点を、以下に更に説明する。
【０１７２】
一般に、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザは、活性部への注入電流の変化に対して発振波長が０.０２ｎｍ／１０ｍＡで波長シフトする。そのため、従来の短波長光源の構成では、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザをＡＰＣ駆動することが不可能である。これに対して、本実施形態のようにチューニングカーブ特性におけるピーク出力近傍の平坦部が０.１３ｎｍの波長幅を有する光波長変換素子を用いる場合には、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザをＡＰＣ駆動しても、その発振波長は光波長変換素子の出力特性（チューニングカーブ特性）の平坦部に存在する。従って、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザのＡＰＣ駆動が可能となり、高調波光出力を安定化できる。
【０１７３】
更に、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長が光波長変換素子の出力特性（チューニングカーブ特性）の平坦部に固定されているときには、高調波光出力に対するＡＰＣ駆動も可能である。
【０１７４】
第２高調波発生時には、位相整合関係が維持されていれば、基本波光出力の２乗の関係で高調波光出力が変化する。本実施形態では、チューニングカーブ特性の平坦部を、ピーク出力からの出力レベルの低下が５％である波長幅と定義したが、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長が光波長変換素子のチューニングカーブ特性の平坦部に存在する状態では、基本波光出力の増加に対して高調波光出力が増加する一方で、基本波出力の低下に対しては高調波光出力が低下する。従って、基本波光となるレーザ光を出射する波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの駆動電流（活性領域への注入電流）を制御することによって、高調波光出力が一定値になるように制御できる。これにより、高調波光出力が更に安定化される。
【０１７５】
高調波光出力をＡＰＣ駆動できるのは、光波長変換素子のチューニングカーブ特性の平坦部の波長幅が、半導体レーザの発振波長における縦モード間隔よりも大きいことによるものであり、本発明の大きな効果の一つである。これは、特に光ディスクなどのシステムへの応用時には、サーボシステムなどを安定に動作させることが可能になるために非常に都合がよく、その実用的効果は大きい。
【０１７６】
本実施形態によれば、短波長光源を構成する分極反転型光波長変換素子が、その基本波波長に対する高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）のピーク出力近傍において平坦部を有し、その出力レベルがピーク出力レベルに対して９５％以上である部分の波長幅（許容波長幅）が、典型的には０.１３ｎｍである。この値は、短波長光源を構成する波長可変型ＤＢＲ半導体レーザのモードホップ間隔（典型的には０．１１ｎｍ）より大きいため、ＤＢＲ部への注入電流量を調整することにより、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を常に上記平坦部に固定することが可能である。従って、あらゆる条件においても安定した高調波光出力を得ることができ、その実用的効果は大きい。
【０１７７】
上記では、２つの位相調整部を有する３分割構造の分極反転型光波長変換素子を用いたケースを説明してきたが、１つの位相調整部を有する２分割構造の分極反転型光波長変換素子を用いる場合には、チューニングカーブ特性の平坦部において、出力レベルがピーク出力レベルから５％低下する波長幅（許容波長幅）が０.０６ｎｍである。しかし、先述のように、活性領域長が約１ｍｍである波長可変型ＤＢＲ半導体レーザでは、発振縦モードの間隔が約０.１１ｎｍあり、発振波長を常に０.０６ｎｍの許容波長幅内に固定することは、困難である。
【０１７８】
そのような場合には、チューニングカーブ特性におけるピーク出力近傍の平坦部の定義を、上記のように「出力レベルがピーク出力レベルから５％低下する部分」とする代わりに、システムの要求条件に応じて適切に変更すればよい。例えば、システムが２０％程度の出力変動を許容する場合には、上記の特性の平坦部を、「出力レベルがピーク出力レベルから２０％低下する部分」とすればよい。或いは、トレランスを考慮して、出力レベルの低下分をやや小さい値に設定し、例えば「出力レベルがピーク出力レベルから１５％低下する部分」と、上記の特性の平坦部を定義してもよい。２分割構造の分極反転型光波長変換素子の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）において、ピーク出力に対して出力レベルが１５％程度低下する平坦部の波長幅（許容波長幅）は０.１１ｎｍ以上あり、先述の発振縦モードの間隔よりも大きいので、出力変動が比較的大きくてもよいシステムに対しては有効に利用することができる。
【０１７９】
或いは、活性領域の長さを長くすることにより、縦モード間隔を小さくすることができる。例えば、活性領域の長さが１．５ｍｍである波長可変型ＤＢＲ半導体レーザでは、その縦モード間隔が０.０７ｎｍとなり、分極反転型光波長変換素子の出力特性において、ピーク出力に対して出力レベルが５％低下する許容波長幅０.０６ｎｍとほぼ同程度となる。これにより、高調波光出力を安定化することができる。
【０１８０】
（第２の実施形態）
本実施形態では、より安定に高調波光出力を得るための制御回路による制御方法について説明する。
【０１８１】
前述のように、活性領域の長さが１ｍｍである波長可変型ＤＢＲ半導体レーザでは、図６に実線で示すように、ＤＢＲ部への注入電流の増加に伴って、その発振波長が波長幅０.０１ｎｍの連続部と波長幅０.１ｎｍの不連続部とを繰り返しながら、長波長側にシフトしていく。また、注入電流の減少時には、図６に点線で示すように、発振波長は同様の繰り返しを含みながら短波長側にシフトし、結果として、図６に示すようなヒステリシス特性を生じる。この場合、例えば図６の中のＡ点（ＤＢＲ部への注入電流の増加時及び減少時にモードホップが生じた直後の点）がモードホップを生じ難い安定点となり、電流増加時のＢ点や電流減少時のＣ点が、モードホップを生じ易い不安定点となる。上記の点を、図１１（ａ）〜（ｄ）に示すような波長可変型ＤＢＲ半導体レーザのＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒに対する高調波光出力の変化を示す図で考察する。
【０１８２】
図１１（ａ）〜（ｄ）は、注入電流Ｉｄｂｒを変化させたときの高調波光出力の変化を示す。図中の点線部は、モードホップが生じる注入電流Ｉｄｂｒの値を示す。また、隣接する点線の間隔は、注入電流Ｉｄｂｒの可変時に連続的に変化する波長変化分に相当し、具体的には０．０１ｎｍである。
【０１８３】
モードホップ後の注入電流Ｉｄｂｒの値が安定点になるので、注入電流Ｉｄｂｒの上昇時には、図中のＡ点、Ｃ点、Ｅ点、及びＧ点が安定点となり、注入電流Ｉｄｂｒの下降時には、図中のＢ点、Ｄ点、Ｆ点、及びＨ点が安定点となる。
【０１８４】
安定動作を実現するＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒの設定は、具体的には以下のように行う。すなわち、ＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒの異なるレベルＩN及びＩN+1（但し、ＩN+1＞ＩN）に対して、異なるレベルの高調波光出力ＰN及びＰN+1が得られるものとして、注入電流の増加時及び減少時の各々について、以下の条件を満足する注入電流Ｉｄｂｒを求める。
【０１８５】
まず、電流上昇時においては、
（１）ＰN+1−ＰN＞０
（２）ＰN+1−ＰNが最大
（３）Ｉｄｂｒ＝ＩN+1＋ΔＩ
の３つの条件を満たすように、注入電流Ｉｄｂｒを設定する。このとき、実際には、図１１（ａ）ではＡ’点、図１１（ｂ）ではＣ’点、図１１（ｃ）ではＥ’点、図１１（ｄ）ではＧ’点に、注入電流Ｉｄｂｒが固定される。
【０１８６】
一方、電流上昇時においては、
（１）ＰN+1−ＰN＜０
（２）ＰN−ＰN+1が最大
（３）Ｉｄｂｒ＝ＩN−ΔＩ
の３つの条件を満たすように、注入電流Ｉｄｂｒを設定する。このとき、実際には、図１１（ａ）ではＢ’点、図１１（ｂ）ではＤ’点、図１１（ｃ）ではＦ’点、図１１（ｄ）ではＨ’点に、注入電流Ｉｄｂｒが固定される。
【０１８７】
ここで、上記の関係に含まれるΔＩは、図１１（ａ）〜（ｄ）に示されているように、本来の安定点（例えば点Ａ）と実際に注入電流Ｉｄｂｒが固定される点（例えば点Ａ’）との間の間隔を示す。この間隔ΔＩは、確実な動作を実現するために設けられるものであって、モードホップを生じる電流値の半分以下に設定されることが望ましい。例えば、本実施形態では５ｍＡ毎にモードホップを繰り返すので、ΔＩ＝２ｍＡ程度のときに安定な動作が実現される。
【０１８８】
安定な動作を可能にする注入電流Ｉｄｂｒの値が求められた後には、ヒステリシスを回避するために、注入電流Ｉｄｂｒを、注入電流上昇時には０ｍＡに、注入電流減少時には１００ｍＡに一旦戻し、その後に再び求められた値まで注入電流Ｉｄｂｒの値を増加或いは減少させて、最終的に安定点に固定する。
【０１８９】
波長可変型ＤＢＲ半導体レーザと光波長変換素子とが組み合わされて構成されている短波長光源において、光波長変換素子の出力特性におけるピーク出力近傍の平坦部の波長幅（許容波長幅）が波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの縦モード間隔と同程度であるような場合に上記の制御を行うことにより、高調波光出力の安定化が図れて、より実用的な短波長光源が供給される。
【０１９０】
（第３の実施形態）
本実施形態では、基本波波長に対する高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）においてピーク出力近傍が平坦部を有する３分割構造の分極反転型光波長変換素子と、２電極（活性部及びＤＢＲ部）を有する波長可変型ＤＢＲ半導体レーザを組み合わせて構成され、モジュール温度を一定にするための電子冷却素子を必要としない短波長光源について、その構成と動作方法を説明する。
【０１９１】
ＭｇドープＬｉＮｂＯ3基板の上に形成された分極反転型光波長変換素子と長さ約１ｍｍのＡｌＧａＡｓ系活性領域を有する波長可変型ＤＢＲ半導体レーザとを組み合わせて構成される短波長光源は、一般に先に図１７に示したような動作特性の温度依存性を示し、モジュール温度の上昇に伴って、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長と分極反転型光波長変換素子の位相整合波長とが、何れも長波長側にシフトする。従って、一般には、電子冷却素子によりモジュール温度を一定に保持していない場合には、環境温度変化に伴って位相整合波長と発振波長との間にずれが発生して、波長変換により得られる高調波光出力も大きく変動する。
【０１９２】
これに対して本実施形態では、高調波光出力を検出し、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長が光波長変換素子の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）における平坦部に固定されるように、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を制御して、高調波光出力を安定化する。
【０１９３】
図１２Ａには、本実施形態における電子冷却素子を有しない短波長光源３００の概略構成図を示す。
【０１９４】
光波長変換素子２８と波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７とは、モジュール２９に固定されている。モジュール２９には、更に温度検出用のサーミスタ３７が設置されている。光波長変換素子２８は、３分割構造の分極反転領域と光導波路とを有しており、ＡｌＧａＡｓ系（発振波長：８５１ｎｍ及び出力１００ｍＷ）の波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ３０とフォーカスレンズ３１とにより、基本波光として光波長変換素子２８の上の光導波路に結合される。光波長変換素子２８はｘカット基板上に形成されているため、半導体レーザ２７と同じＴＥモードの光を伝搬することができるので、半波長板を使用せずに光結合することができる。
【０１９５】
光波長変換素子２８に結合されたレーザ光（基本波光）は、周期的分極反転領域により高調波光に波長変換されて、光導波路の出射端面から出射される。
【０１９６】
出射された高調波光Ｐ２ωは、ビームスプリッタ３３で反射して光検出器３５に導かれる。光検出器３５からは、高調波光成分Ｐ２ωの検出レベルを示す信号が、制御回路３６にフィードバックされる。制御回路３６は、この光検出器３５からの信号に基づいて、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の発振波長を制御する目的で、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の活性部及びＤＢＲ部への注入電流（Ｉｏｐ及びＩｄｂｒ）を制御する。
【０１９７】
上記のような構成を有する本実施形態の短波長光源２００では、具体的には、波長８５１ｎｍで出力１００ｍＷの波長可変半導体レーザ２８に対して、７０ｍＷの光が光導波路内に結合した。
【０１９８】
動作時には、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７のＤＢＲ部に電流注入を行って、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の発振波長を、光波長変換素子２８の位相整合波長８５２ｎｍに一致させる。具体的には、ＤＢＲ部への注入電流が５０ｍＡの場合に、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の発振波長は８５２ｎｍに可変されて、光波長変換素子２８の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）の平坦部に固定され、５ｍＷのブルー光（４２６ｎｍ）が得られた。
【０１９９】
図１３は、本実施形態の短波長光源３００の構成について、サーミスタ２９にて温度をモニタしながら高調波光出力を安定化する制御方法のフローチャートを示す図である。
【０２００】
まず、第２の実施形態と同様の制御方法により、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の発振波長を、光波長変換素子２８の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）の平坦部（出力レベルがピーク出力レベルから５％だけ低下する波長幅＝許容波長幅）に固定する。その後に環境温度変化によって発振波長と位相整合波長との関係がずれると、高調波光出力が低下する。このとき、環境温度（モジュール温度）の変化（例えばＴからＴ’への変化）を検出すれば、ＤＢＲ部への注入電流を増加させるべきか或いは減少させるべきかが判定できる。例えば、温度が上昇した場合（すなわち、Ｔ＜Ｔ’）には、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長が長波長側にシフトし、発振波長が平坦部の許容波長幅から外れた時点で高調波光出力が低下する。そこで、ＤＢＲ部の温度を低下させるようにＤＢＲ部への注入電流を減少することにより、発振波長を再び平坦部に位置するように制御することが可能となる。一方、温度が低下した場合（すなわち、Ｔ＞Ｔ’）には、ＤＢＲ部の温度を増加させるようにＤＢＲ部への注入電流を増加させればよい。
【０２０１】
光波長変換素子の高調波光出力特性における平坦部の波長幅が０.１３ｎｍである場合には、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長が平坦部に固定されている温度範囲は±５℃程度である。このような関係を予測するとともに、更に環境温度を検出することにより、発振波長を出力特性の平坦部に固定することができる。例えば、環境温度が増加した場合には発振波長が位相整合波長よりも大きくなるが、ＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒを減少させると、再び特性の平坦部に発振波長を固定することができる。
【０２０２】
これにより、０℃〜６０℃の環境温度範囲において、出力変動±１０％以内で高調波光出力５ｍＷを得ることができた。なお、本実施形態では、図６のモードホップ間隔に相当する注入電流Ｉｄｂｒの値が５ｍＡであるので、図１１（ａ）〜（ｄ）を参照して先に説明した△Ｉに相当する△Ｉ'を、５ｍＡに設定している。
【０２０３】
或いは、温度モニタが設けられていない場合においても、第２の実施形態と同様の制御方法を高調波光出力の低下時に繰り返すことにより、高調波光出力の安定化が同様に実現できる。この場合には、図１３に示すフローチャートに従った制御方法と比較して、高調波光出力の低下時に制御によって再び特性の平坦部に発振波長を固定するまでに必要とする時間が長くなるが、制御回路の簡素化が図れる。従って、この制御方法は、出力変動時の調整時間を比較的長くしても問題が生じないようなシステムに含まれる装置に対して、適している。
【０２０４】
上記では、２つの位相調整部を有する３分割構造の分極反転型光波長変換素子を用いたケースを説明してきたが、１つの位相調整部を有する２分割構造の分極反転型光波長変換素子を用いても、光波長変換素子の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）のピーク出力近傍の平坦部を「出力レベルがピーク出力レベルから２０％低下する部分」と考えた上で図１３に示した制御方法を適用することによって、上記で説明したものと同様に高調波光出力の安定化を図ることができる。この制御方法は、出力変動が比較的大きくてもよいシステムに対して、有効に利用することができる。
【０２０５】
或いは、活性領域の長さを長くすることにより、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振縦モード間隔を小さくすることができる。例えば、活性領域の長さが１．５ｍｍである波長可変型ＤＢＲ半導体レーザでは、その縦モード間隔が０.０７ｎｍとなり、分極反転型光波長変換素子の出力特性において、ピーク出力に対して出力レベルが５％低下する許容波長幅０.０６ｎｍとほぼ同程度となる。これにより、高調波光出力を安定化することができる。
【０２０６】
本実施形態では、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの出力が一定になるようにＡＣＣ駆動させているが、その代わりに、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの後部にフォトダイオードを設置してＡＰＣ駆動させることにより、更に高調波光出力を安定化することができる。すなわち、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長が光波長変換素子の高調波光出力特性の平坦部に固定されて高調波光出力が安定化されているときに、更に高調波光出力を安定化するために、ある一定値に収束するように半導体レーザの駆動電流をＡＰＣ駆動すれば、高調波光出力のより一層の安定化が達成される。第２高調波の発生では、基本波光出力変動の２乗の関係で高調波光出力を制御することができ、基本波光出力が変動しても発振波長は上記特性の平坦部に存在するため、高調波光出力が一定になるように基本波光出力を制御できる。これにより、高調波光出力が更に安定化される。
【０２０７】
高調波光出力をＡＰＣ駆動できるのは、光波長変換素子のチューニングカーブ特性の平坦部の波長幅が、半導体レーザの発振波長における縦モード間隔よりも大きいことによるものであり、本発明の大きな効果の一つである。これは、特に光ディスクなどのシステムへの応用時には、サーボシステムなどを安定に動作させることが可能になるために非常に都合がよく、その実用的効果は大きい。
【０２０８】
（第４の実施形態）
上記で説明した本発明の第１及び第２の実施形態では、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ及び光波長変換素子が搭載されているモジュールの温度が電子冷却素子により一定に保持されているので、半導体レーザをＡＣＣ駆動する場合でも、基本波である半導体レーザ出力はほぼ一定に保持される。これに対して、本発明の第３の実施形態のように、モジュール温度の制御が行われずに環境温度の変化に伴って変化する場合には、半導体レーザ出力も環境温度の変化に伴って大きく変化する。このような場合に半導体レーザをＡＣＣ駆動すると、高温では半導体レーザ出力が低下する一方で、低温ではその出力が向上する。更に、温度変化に伴ってモジュールの形状が変化することの影響で、半導体レーザから光波長変換素子の光導波路への光結合効率が変化する。
【０２０９】
本実施形態では、上記のようなモジュール温度の制御を行わない場合における課題を解決するために、光波長変換素子において変換されず光導波路から出射される基本波光成分を光検出器で検出して、その検出レベルが一定になるように、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザをＡＰＣ駆動させる。更に、これにあわせて、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザのＤＢＲ部への注入電流を制御することによって、その発振波長を分極反転型光波長変換素子の位相整合波長内に固定して、高調波光出力を安定化させる。
【０２１０】
本実施形態で用いられる波長可変型ＤＢＲ半導体レーザは、活性部への注入電流の変化に対して、発振波長が０.０２ｎｍ／１０ｍＡでシフトする。そのため、従来はＡＰＣ駆動することが不可能であった。これに対して、本実施形態では、チューニングカーブ特性におけるピーク出力近傍の平坦部が０.１３ｎｍの波長幅を有する光波長変換素子を用いる。この場合には、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザをＡＰＣ駆動しても、その発振波長は光波長変換素子の出力特性（チューニングカーブ特性）の平坦部に存在する。従って、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザのＡＰＣ駆動が可能となり、高調波光出力を安定化できる。
【０２１１】
更に、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長が光波長変換素子の高調波光出力特性の平坦部に固定されて高調波光出力が安定化されているときに、更に高調波光出力を安定化するために、ある一定値に収束するように半導体レーザの駆動電流をＡＰＣ駆動すれば、高調波光出力のより一層の安定化が達成される。第２高調波の発生では、基本波光出力変動の２乗の関係で高調波光出力を制御することができ、基本波光出力が変動しても発振波長は上記特性の平坦部に存在するため、高調波光出力が一定になるように基本波光出力を制御できる。これにより、高調波光出力が更に安定化される。
【０２１２】
高調波光出力をＡＰＣ駆動できるのは、光波長変換素子のチューニングカーブ特性の平坦部の波長幅が、半導体レーザの発振波長における縦モード間隔よりも大きいことによるものであり、本発明の大きな効果の一つである。これは、特に光ディスクなどのシステムへの応用時には、サーボシステムなどを安定に動作させることが可能になるために非常に都合がよく、その実用的効果は大きい。
【０２１３】
図１２Ｂには、本実施形態における短波長光源４００の概略構成図を示す。
【０２１４】
光波長変換素子２８と波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７とは、モジュール２９に固定されている。光波長変換素子２８は、３分割構造の分極反転領域と光導波路とを有しており、ＡｌＧａＡｓ系（発振波長：８５１ｎｍ及び出力１００ｍＷ）の波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ３０とフォーカスレンズ３１とにより、基本波光として光波長変換素子２８の上の光導波路に結合される。光波長変換素子２８はｘカット基板上に形成されているため、半導体レーザ２７と同じＴＥモードの光を伝搬することができるので、半波長板を使用せずに光結合することができる。
【０２１５】
光波長変換素子２８に結合されたレーザ光（基本波光）は、周期的分極反転領域により高調波光に波長変換される。変換された高調波（ＳＨＧ）光Ｐ２ωは、光導波路の出射端面から、変換されなかった基本波光成分Ｐωと共に出射される。
【０２１６】
出射された基本波光Ｐω及び高調波光Ｐ２ωは、誘電体多層膜から構成される波長選択ミラー３２によって、分離される。これにより、基本波光成分Ｐωは光検出器３４に導かれ、光検出器３４からは、基本波光成分Ｐωの検出レベルを示す信号が、制御回路３６にフィードバックされる。一方、高調波光成分Ｐ２ωは、ビームスプリッタ３３で反射して光検出器３５に導かれる。光検出器３５からは、高調波光成分Ｐ２ωの検出レベルを示す信号が、制御回路３６にフィードバックされる。制御回路３６は、これらの光検出器３４及び３５からの信号に基づいて、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の発振波長を制御する目的で、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の活性部及びＤＢＲ部への注入電流（Ｉｏｐ及びＩｄｂｒ）を制御する。
【０２１７】
但し、本実施形態では、上記の制御にあたってサーミスタ３７からの信号は使用しない。
【０２１８】
図１４は、本実施形態の短波長光源４００の構成について、高調波光出力を安定化する制御方法のフローチャートを、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの出力（基本波光の出力）を５０ｍＷに設定した場合を例にとって示す図である。
【０２１９】
まず、光波長変換素子の光導波路に結合する波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの出力を一定にするために、光導波路からの基本波光出力Ｐωを検出する光検出器３４での検出信号が一定レベルに維持されるように、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの活性部への注入電流（すなわち駆動電流）Ｉｏｐを制御する。この制御は、一般にミリ秒オーダで行われる。
【０２２０】
次に、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を、光波長変換素子の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）における出力ピーク近傍の平坦部に固定するために、ＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒを制御する。具体的には、注入電流Ｉｄｂｒを０〜１００ｍＡの範囲でスキャニングする。このとき、同時にブルー光（高調波光）出力Ｐ２ωを光検出器３５で検出して、最大のブルー光（高調波光）出力が得られる注入電流値Ｉ’ｄｂｒが得られたら、その値を制御回路中のメモリ部に記憶する。次に、再びＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒを０ｍＡに戻し、この後にＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒを、先に得られたＩ’ｄｂｒの値に設定する。
【０２２１】
これにより、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を、光波長変換素子の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）における出力ピーク近傍の平坦部に安定に固定することができて、５０ｍＷの半導体レーザ出力に対して安定に高調波光出力１．５ｍＷを得ることができる。なお、ＤＢＲ部への注入電流を０ｍＡに戻すのは、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの波長可変時のヒステリシス特性を回避するためである。
【０２２２】
本実施形態の短波長光源４００で使用している波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７では、その発振縦モードの間隔は典型的には０.１１ｎｍである。これに対して、光波長変換素子２８の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）の平坦部の波長幅は、典型的には０.１３ｎｍである。この点を考慮して、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の発振波長を、光波長変換素子２８の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）における出力ピーク近傍の平坦部に固定するためのＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒの制御にあたっては、基本波光の検出周期よりも長い周期で（具体的には数秒毎に）高調波光出力を検出して、高調波光出力のレベルがピーク出力よりも３％低下したときに、実施する。
【０２２３】
以上のような制御方法によって、０〜６０℃までの温度範囲に対して、安定して１．５ｍＷのブルー光（高調波光）出力を得ることができる。
【０２２４】
本実施形態のように、光波長変換素子２８の光導波路に結合する波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７からの出力光（基本波光）を一定に制御することにより、環境温度変化に伴って半導体レーザ２７の出力光のレベルやその光導波路への結合効率が変化しても、光波長変換素子２８から得られる高調波光出力を一定に保持することが可能であり、その実用的効果は大きい。
【０２２５】
本実施形態において、電子冷却素子などを使用したモジュール２９の温度制御を行わない短波長光源４００にて光波長変換素子２８からの高調波光出力を安定化できるのは、光波長変換素子２８として、その高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）のピーク近傍の平坦部の波長幅が波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の発振縦モードの間隔よりも大きい光波長変換素子を使用しているためであり、本発明の大きな効果の一つである。
【０２２６】
更に、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の発振波長が光波長変換素子２８の出力特性（チューニングカーブ特性）の平坦部に固定されているときには、高調波光出力に対するＡＰＣ駆動も可能である。
【０２２７】
図１４のフローチャートで（Ｉ）として示している箇所では、高調波光出力Ｐ２ωを検出している。第２高調波発生時には、基本波光出力の２乗の関係で高調波光出力を制御することが可能で、基本波光出力が変動しても発振波長は上記特性の平坦部に存在するため、高調波光出力が一定になるように基本波光出力を制御できる。これにより、高調波光出力が更に安定化される。高調波光出力をＡＰＣ駆動できることは、特に光ディスクなどのシステムへの応用時に、サーボシステムなどを安定に動作させることが可能になるために非常に都合がよく、その実用的効果は大きい。
【０２２８】
なお、本実施形態の上記の説明では、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の発振波長を光波長変換素子２８の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）における出力ピーク近傍の平坦部に固定するためのＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒの制御を、高調波光出力のレベルがピーク出力よりも３％低下したときに実施しているが、このしきいレベルはシステム上の条件を考慮して設定すればよい、例えば、１０％程度までの出力変動が許されるシステムにおいては、高調波光出力のレベルがピーク出力よりも１０％低下したときに上記の制御を実施するように設定しても、上記で説明したものと同様の出力安定化が実施できる。
【０２２９】
また、ＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒの制御を、第２の実施形態にて説明した制御方法を用いて実施することによって、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２８の発振波長を光波長変換素子２８の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）の平坦部に固定しても、上記と同様の出力安定化が実現できる。
【０２３０】
以上の各実施形態では、周期的分極反転領域と光導波路とを有する分極反転型光波長変換素子と波長可変型ＤＢＲ半導体レーザとを組み合わせて構成されている短波長光源を例にとって、本発明を説明してきている。分極反転型光波長変換素子では、半導体プロセスによって、位相調整部を精度良く設計且つ作製できる。また、光導波路内の素子長方向において、均一な位相整合条件を容易に維持できる。これらより、高調波光出力特性におけるチューニングカーブのピーク出力近傍に平坦部を有する本発明の光波長変換素子を、容易に精度良く作製することができる。また、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3などの誘電体結晶（これらは、ＬｉＴａxＮｂ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）と総称的に表記され得る）は、直径が２インチや３インチである結晶がＣＺ法により容易に作製できることから、上記の半導体プロセスによって本発明の光波長変換素子を形成するために適した材料である。
【０２３１】
また、以上の各実施形態では、光導波路型擬似位相整合方式の分極反転型光波長変換素子を例にとって本発明を説明してきている。しかしながら、更に高出力の高調波光出力光を得る目的で、出力がワット級である半導体レーザの出力を基本波として光導波路型光波長変換素子に結合させると、結合される光のパワー密度が大きすぎるために素子の光学的損傷が生じる可能性がある。これに対して、バルク型擬似位相整合方式の分極反転型光波長変換素子を使用すれば、上記のような場合でもパワー密度を低減することができて、ワット級の高調波光出力の発生を実現できる。バルク型擬似位相整合方式の分極反転型光波長変換素子においても、上記の各実施形態での設計と同様に、高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）におけるピーク出力近傍に平坦部を有するような光波長変換素子を設計・作製することが可能であり、上記の各実施形態で説明したような制御を行うことにより、高調波光出力の安定化が実現できる。
【０２３２】
また、屈折率分散を有する膜を非線形光学結晶の間に形成することで位相調整部を形成しても、高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）のピーク出力近傍に平坦部を有する光波長変換素子を実現することができる。この場合には、ＫＴＰ結晶やＫＮｂＯ3結晶など屈折率分散を利用して位相整合を実現する結晶を用いて光波長変換素子を作製しても、上記で説明した本発明の効果が得られる。これより、波長可変半導体レーザの出力を基本波光として利用する、安定な短波長光源を実現できる。
【０２３３】
（第５の実施形態）
第１〜第４の実施形態で説明したような、高調波出力が一定になるようにＡＰＣ駆動される短波長光源（青色光源）は、光源が変調動作される場合においても、上記と同様の効果を奏する。本実施形態では、この点を、基本波波長に対する高調波出力特性がピークフラットな特性を示す３分割構造の分極反転型光波長変換素子と、２電極型（活性部及びＤＢＲ部を有する）の波長可変型ＤＢＲ半導体レーザとから構成される短波長光源を例にとって、以下に説明する。
【０２３４】
図１８には、図１２Ｂに示した本実施形態の短波長光源４００の構成について、上記の手法に従って高調波光出力を安定化する制御方法のフローチャートを、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの出力（基本波光の出力）を１００ｍＷに設定した場合を例にとって示す。
【０２３５】
まず、光波長変換素子の光導波路に結合する波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの出力を一定にするために、光導波路からの基本波光出力Ｐωを検出する光検出器３４での検出信号が一定レベルに維持されるように、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの活性部への注入電流（すなわち駆動電流）Ｉｏｐを制御する（第１の制御）。この制御は、一般にミリ秒オーダで行われて、光導波路からの基本波光出力Ｐωが一定になるように調整される。これによって、基本波出力に対するＡＰＣ駆動を行う。
【０２３６】
次に、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を、光波長変換素子の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）における出力ピーク近傍の平坦部に固定するために、ＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒを制御する（第２の制御）。具体的には、注入電流Ｉｄｂｒを０〜１００ｍＡの範囲でスキャニングする。このとき、同時にブルー光（高調波光）出力Ｐ２ωを光検出器３５で検出して、最大のブルー光（高調波光）出力が得られる注入電流値Ｉ’ｄｂｒが得られたら、その値を制御回路中のメモリ部に記憶する。次に、再びＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒを０ｍＡに戻し、この後にＤＢＲ部への注入電流Ｉｄｂｒを、先に得られたＩ’ｄｂｒの値に設定する。
【０２３７】
これにより、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を、光波長変換素子の高調波光出力特性（チューニングカーブ特性）における出力ピーク近傍の平坦部に安定に固定することができて、例えば、１００ｍＷの半導体レーザ出力に対して、安定に高調波光ピーク出力１４ｍＷ（duty％＝３３％、平均光出力４．７ｍＷ）を得ることができる。なお、ＤＢＲ部への注入電流を０ｍＡに戻すのは、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの波長可変時のヒステリシス特性を回避するためである。なお、本実施形態の短波長光源４００で使用している波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７では、その発振縦モードの間隔は典型的には０.１１ｎｍである。
【０２３８】
次に、ブルー光（高調波光）出力Ｐ２ωが所望の設定値Ｐ２ω（０）になるように、駆動電流Ｉｏｐを再び調整する（第３の制御）。先に述べた第１の制御では、基本波光出力Ｐωを光検出器３４で検出したが、この第３の制御では、ブルー光（高調波光）出力Ｐ２ωを光検出器３４で検出し、フィードバックして出力制御を行う。なお、図１８のフローチャートで（ＩＩ）として示している箇所では、高調波光出力の検出値を設定値Ｐ２ω（０）と比較している。設定値Ｐ２ω（０）としては、例えば、高調波光ピーク出力が１５ｍＷ（duty％＝３３％、平均光出力５ｍＷ）になるように、ＡＰＣ制御を行う。
【０２３９】
上記の制御方法によっても、光波長変換素子２８の光導波路に結合する波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ２７の発振波長が、光波長変換素子２８の波長整合特性カーブにおけるピーク近傍の平坦部に固定されているので、動作電流の増加に対してブルー光（高調波光）出力も増加し、ＡＰＣ動作が実現される。以上のような制御の結果、ブルー光（高調波光）の平均出力を５ｍＷに制御し、そのピーク出力を１５ｍＷに安定して制御できる。
【０２４０】
このように、基本波波長に対する高調波出力特性がピークフラットな特性を示す光波長変換素子と波長可変型ＤＢＲ半導体レーザとから構成される短波長光源は、変調動作時であってもブルー光（高調波光）のピーク出力を安定化させることが可能であり、その実用的効果は大きい。
【０２４１】
なお、本実施形態では、第３の制御として、ブルー光（高調波光）出力に対するＡＰＣ駆動を行っているが、ピーク出力を高精度に制御する必要がない場合には、第１及び第２の制御によってピーク出力を安定化させても良い。但し、この場合には、基本波光出力がどの程度のレベルであるかを、あらかじめ認識しておく必要がある。
【０２４２】
上記で説明したように変調ピーク光出力が制御された短波長光源は、光ディスクドライブやフォトプリンタなどの光情報処理装置に搭載されると、特に大きな効果を発揮する。
【０２４３】
図１９には、本実施形態の短波長光源を利用して構成された、相変化型光ディスクを用いた情報記録再生システムの構成を、模式的に示す。
【０２４４】
図１９の構成では、本実施形態の特徴を有する短波長光源４５から出た光は、レンズ４６によってコリメートされ、偏光ビームスプリッタ４７及びλ／４板５７を透過後に、対物レンズ４９により、光ディスク５０の上に集光される。光ディスク５０からの反射光は、対物レンズ４９でコリメートされ、更にλ／４板５７を透過後に、偏光ビームスプリッタ４７反射されて光検出器４８に導かれて、ここで信号が読みとられる。
【０２４５】
相変化型光ディスクでは、記録層を構成する材料のアモルファス状態と結晶状態との屈折率の差によって、情報（マーク）を記録する。このとき、記録マークは、結晶状態の記録層をレーザで照射して、照射部分の温度を融点以上に上昇させ、その後に急冷することによってアモルファス状態に変化させて、形成される。また、記録マークの消去は、レーザ照射によって、アモルファス部が結晶状態に変化する温度（融点以下）まで記録層の温度を上昇させて、行われる。
【０２４６】
このように、相変化型光ディスクでは記録層の熱現象によって記録マークの形成が行われるので、均一な記録マークを形成するためには、記録時及び消去時に照射されるレーザ出力を高精度に制御する必要がある。図１８に示すフローチャートに従ってブルー光ピーク出力が制御された本実施形態の短波長光源を用いれば、均一な記録マークの形成及び消去が可能になって、安定した記録再生システムを実現することができる。
【０２４７】
これに対して、高調波光出力特性がピークフラットな特性を有さない光波長変換素子を用いて構成される短波長光源では、変調時のピーク出力を制御することが困難であり、２０ｄＢ以上の信号強度でマーク消去を行うことができないが、本実施形態の短波長光源を使用すれば、マーク長０．３μｍの単一信号記録において、約３０ｄＢの消去率、及び５０ｄＢ以上の信号強度での均一なマーク形成を、実現できる。
【０２４８】
一方、図２０には、本実施形態の短波長光源を利用して構成された、フォトプリンタシステムの構成を、模式的に示す。
【０２４９】
この構成では、赤色レーザ光源５１、緑色コヒーレント光源５２、及び本実施形態に従って変調時の出力が安定化されたブルー光源（短波長光源）５３が、光源として使用されている。各光源５１〜５３から出射された光は、ポリゴンミラー５４によって、その方向が制御され、更にＦθレンズ５５によってカラーペーパ５６の上に集光される。これによって、デジタル画像データが、カラーペーパ５６の上に描かれる。このとき、各光源５１〜５３の出力は、高精度に制御される必要があるが、図１８に示すフローチャートに従ってブルー光ピーク出力が安定化された本実施形態の短波長光源をブルー光源５３として用いれば、高精細の画像をカラーペーパ５６の上に描くことができる。
【０２５０】
なお、以上の本実施形態の説明では、光源変調時に得られる効果を説明しているが、第１〜第４の実施形態で説明したように連続光において出力安定化制御が行われている短波長光源は、光源を変調する必要がない用途、例えば、光ディスクの再生や外部変調器を用いて構成されているフォトプリンタにおいて、大きな実用的効果を発揮する。
【０２５１】
上記の第１〜第５の実施形態では、波長可変型半導体レーザとして、２電極を有する波長可変型ＤＢＲ半導体レーザを例にとって説明しているが、これに代えて、ある特定波長の光を外部共振器ミラーから帰還させるように構成されている波長可変型半導体レーザの出射光を基本波光として用いて、短波長光源を構成する場合においても、上記と同様の効果を得ることができる。その場合には、反射型グレーティング、狭帯域バンドパスフィルタ、或いはエタロンなどが、波長選択性光学素子として、用いられる。
【０２５２】
更に本発明は、非線形光学効果を利用した光波長変換素子における出力の安定化を目的とし、高効率特性を維持したまま位相整合波長を安定に可変する素子構造を提案するものである。ポイントは等しい位相整合条件を有する非線形光学結晶間に位相調整部を設け、位相調整部の屈折率或いは長さを可変することで位相整合波長を安定に変化させる機能を持たせた点である。実施の形態を用いてそれぞれ説明する。
【０２５３】
（第６の実施形態）
まず最初に、波長変換素子における位相整合波長可変の原理について、説明する。
【０２５４】
図２１（ａ）に、本発明の光波長変換素子の構成を示す。図２１（ｂ）は、本発明の光波長変換素子の位相整合特性を表している。
【０２５５】
本発明の光波長変換素子は、位相整合条件の等しい２つの結晶１００１及び１００２とこれらの２つの結晶１００１及び１００２の間に設けた位相調整部１００３とから、構成される。非線形光学結晶１００１の側から入射された基本波Ｐ１は、非線形光学結晶１００１、位相調整部１００３、及び非線形光学結晶１００２の順に通過し、この間に高調波Ｐ２に変換される。
【０２５６】
ここで、基本波Ｐ１と高調波Ｐ２との波長をそれぞれλ及びλ／２とし、第２高調波Ｐ２の発生を例にとって考える。
【０２５７】
位相整合条件が成立している場合、非線形光学結晶１００１及び１００２の内部において、基本波及び高調波が感じる屈折率Ｎｗ及びＮ２ｗは等しい。位相調整部１００３において、同様にＮｗ＝Ｎ２ｗの関係が満足された場合は、位相調整部１００３の存在に関係なく、結晶１００１で発生した基本波と高調波の関係が維持されたまま、非線形光学結晶１００２内でも位相整合し、位相整合波長の可変は発生しない。ところが、位相調整部１００３に非線形光学結晶１００１及び１００２とは異なる分散関係を有する材料を設けると、非線形光学結晶１００２で発生する基本波と高調波の位相関係は、非線形光学結晶１００１におけるものとは異なり、干渉効果を生じる。
【０２５８】
このときの位相整合特性の計算結果を、図２２に示す。位相調整部１００３における位相関係Ｐｈ＝λ／２（Ｎ２ｗ−Ｎｗ）の変化量をΔＰｈとしたとき、ΔＰｈの変化とともに、図２２に示されるように、位相整合特性（位相整合カーブ）のピーク値が変化（シフト）する。ΔＰｈ／Ｐｈの変化が約０．５で、変換効率は約半分に低下する。
【０２５９】
これより、本願発明者らは、位相調整部１００３のΔＰｈを可変することで、変換効率は低下するが、位相整合波長を変化させることができることを、新たに見出した。
【０２６０】
なお、非線形光学結晶として周期状分極反転構造を有する、擬似位相整合型の光波長変換素子を用いることも可能である。このような場合には、位相整合条件の等しい条件は、分極反転構造の周期を等しくすることで達成できる。
【０２６１】
次に、位相整合波長の可変範囲の拡大について検討した。
【０２６２】
前述したように、位相調整部１００３のΔＰｈを可変することで位相整合波長を変化させることができるが、得られる位相整合波長の変化量が限られている。これに関して、変化量の拡大について検討した結果、光波長変換素子の波長可変範囲は、位相調整部１００３の数を増やすことで拡大可能なことを見出した。この点を、ＬｉＮｂＯ3結晶に周期状分極反転構造を形成した光波長変換素子を例にとって、説明する。
【０２６３】
図２３に、本発明の光波長変換素子の構成図を示す。
【０２６４】
この素子では、ＬｉＮｂＯ3結晶に周期状の分極反転構造を形成した結晶１００１及び１００２の間に、位相調整部として液晶１００６を設けている。液晶１００６に電圧を印加することで、その屈折率を可変することができる。分極反転構造の周期は約３．２μｍで、位相整合波長の中心は約８５２．５ｎｍである。液晶１００６の屈折率を変化させることにより、ΔＰｈが生じて、位相整合波長を可変することができる。
【０２６５】
更に、非線形光学結晶の分割数を増やして位相調整部を複数設けて、位相整合波長可変の範囲と結晶の分割数との関係について、検討した。図２４は、位相調整部を複数設けた場合の、位相整合波長と変換効率との関係である。
【０２６６】
これより、分割数を増加させると、波長可変な位相整合波長範囲が拡大する。素子長が１０ｍｍの場合、波長可変な範囲（半値全幅）は、２分割構造で約０．１４ｎｍ、３分割構造で約０．２ｎｍ、５分割構造で約０．３４ｎｍとなり、結晶の分割数に比例して増大する。
【０２６７】
ＬｉＮｂＯ3結晶の場合、波長可変範囲は、以上の結果より容易に決定できる。すなわち、ＬｉＮｂＯ3結晶を用いた素子長１０ｍｍの素子において、波長可変範囲として半値全幅でΔλだけ必要な場合、分割数をΔλ／０．０７ｎｍとすればよい。また、素子長がＬの場合には、分割数は（Δλ／０．０７ｎｍ）×（１０ｍｍ／Ｌ）で概算できる。このように、分割数を増加させることで、容易に波長可変範囲が増大できる。
【０２６８】
また、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ3結晶の場合も、ほぼ同様の結果が得られた。
【０２６９】
次に、複数の結晶のそれぞれの長さについて検討した。
【０２７０】
２分割構造において、位相調整部の両端の結晶長の長さが異なる場合の波長可変特性について検討したところ、位相調整部に位置は、あまり波長可変特性に影響を与えないことが分かった。一方、位相調整部の数が増大すると、各結晶長の長さの差が、位相整合波長の可変特性に影響を与えることが分かった。具体的には、３分割以上の構造においては、各結晶の長さのバラツキが増大すると、位相整合波長の可変範囲が縮小する。例えば、各結晶の長さのバラツキが１０％以内ならば、位相整合波長の可変特性に影響を与えないが、４０％以上のバラツキがあると、位相整合波長の可変範囲が１０％程度減少することが分かった。更にバラツキが増大すると、波長可変範囲は、より小さくなる。
【０２７１】
これより、分割された各結晶の長さのバラツキは、４０％以内に抑制することが望ましい。更に高効率な特性を達成するには、上記のバラツキを１０％以内に抑制することが、より好ましい。
【０２７２】
また、位相整合波長可変な波長変換素子の構成として、微動ステージを用いた構成も可能である。
【０２７３】
ピエゾ素子を用いた微動台を用いて結晶間距離を精密に制御したところ、位相整合波長を精密にコントロールできた。このときに重要な点は、結晶間に、分散特性を有する材料を挿入することである。気体中では基本波と高調波との間の分散の差がほとんどないため、位相調整部の距離を変えても、ΔＰｈが発生しない。これに対して、マッチングオイル等の液体や可塑性の材料を用いれば、ΔＰｈを生じさせて位相整合波長を可変することができる。
【０２７４】
分割数を増加させたときのΔＰｈと変換効率との関係を求めると、分割数に関係なく、ΔＰｈ／Ｐｈの値が約０．５程度になると、変換効率は約５０％まで低下する。これより、位相調整部によるΔＰｈの値の可変範囲は、ΔＰｈ／Ｐｈの値が約０．５程度までの範囲になるようにすることが好ましい。位相調整部における可変範囲がこの値を越えると、変換効率の低下が激しくなる。
【０２７５】
このように、位相調整部の可変範囲を増大させることは、変換効率の低下を招くので、好ましくない。従って、波長可変範囲の増大は、結晶の分割数を増やして位相調整部の数を多くすることによって達成することが好ましい。
【０２７６】
位相整合波長可変な波長変換素子は、第２高調波発生のほか、パラメトリック発生等に応用可能である。周期状分極反転構造によりパラメトリック発生を行う波長変換素子は波長可変光源として応用されているが、従来は、発生波長を可変するために異なる分極反転周期構造の素子が必要であり、連続的な波長可変を行うことが難しい。第２高調波は、パラメトリック発生の一種であり、同様の素子構造で位相整合波長を可変できる。本発明をパラメトリック発生に利用すると、連続波長可変の素子が構成できるため、有用である。更に、本発明は、パラメトリック発生の応用として、和周波発生や差周波発生などの波長変換にも、同様に適用可能である。
【０２７７】
なお、本実施形態では、光波長変換が、基本波のシングルパス（単一通過）の場合について説明したが、共振器内に光波長変換素子を挿入して高効率化を図る場合に、より効果的である。
【０２７８】
例えば、２つの共振器ミラーにより構成された共振器内に、非線形光学結晶或いは周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶を挿入し、共振器内で基本波を共振させることで共振器内の基本波のパワーを増大させて、変換効率の向上が図れる。しかし、この構成において、基本波の共振条件と位相整合条件とを同時に満足するように、共振器長、結晶の長さ、結晶の位置、屈折率などを制御することは難しい。これに対して、本実施形態の構造を用いた光波長変換素子を共振器内に挿入すれば、これらの問題が解決できる。具体的には、基本波の共振条件を満足させるように共振器のミラー間隔を調整した状態で、位相整合条件が満たされるように位相調整部を調整することで、高効率の波長変換が容易に実現できる。
【０２７９】
更に、共振器内で基本波と高調波とを同時に共振させるダブル共振構造も、容易に実現できる。ダブル共振構造では、共振器内で基本波及び高調波が同時に共振条件を満足し、且つ位相整合条件も達成しなければならない。このため、非常に厳しい屈折率、共振器長、波長安定性が要求される。本発明の光波長変換素子を用いれば、共振器内で基本波と高調波の位相関係を制御できるため、ダブル共振条件も容易に満足することが可能である。
【０２８０】
このように、共振器構造内に本発明の光波長変換素子を挿入することは、実用上、効果的である。
【０２８１】
なお、位相調整部は、屈折率分散の異なる材料から構成されていればよいが、更に光波長変換素子の特性を高めるためには、その屈折率、特に基本波に対する屈折率が、非線形光学材料にほぼ等しい材料を用いることが望まれる。結晶間に屈折率の異なる材料を挿入すると、その屈折率差からフレネル反射が生じ、基本波或いは第２高調波の伝搬損失となる。従って、屈折率の近い材料を用いることで、位相制御におけるフレネル損失を低減することができる。
【０２８２】
なお、位相調整部を非線形光学材料と等しい屈折率を有する材料で構成することが難しい場合（適当な材料が無い場合）には、位相調整部と非線形光学結晶との界面に、反射防止膜を堆積することが望ましい。
【０２８３】
例えば、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3などの高非線形材料は、屈折率が２以上と高い値を有する。このため、位相調整部を、これらと等しい屈折率を有する材料で構成することが難しい。そこで、反射防止膜として、厚さ約１４０ｎｍのＳｉＯ2膜を堆積することで、界面における基本波の反射率を０．１％以下に抑えることが可能となる。このような反射防止膜を用いれば、位相調整部におけるフレネル損失を低減し、光波長変換素子の変換効率を増大することができる。
【０２８４】
反射防止膜として単層膜を用いる場合は、基本波或いは高調波の一方にしか機能しない。フレネル反射による損失の影響は、基本波の減衰による影響が、高調波による影響より大きいため、単層の反射膜を用いる場合は、基本波に対する反射防止膜を形成することが好ましい。一方、多層膜の反射防止膜を用いれば、基本波及び高調波の両方に反射防止膜機能を有することが可能である。従って、反射防止膜として多層膜を用いて、基本波及び高調波の両方に対する反射防止機能を有する方が、好ましい。
【０２８５】
なお、上記の説明では、バルク状の結晶における波長変換素子について述べたが、非線形光学結晶に光導波路を構成する場合も、同様の構成が実現できる。光導波路は、導波光間で光波長変換を行うことで光の閉じ込めを強化し且つ長い相互作用長を実現できるため、高効率の波長変換が可能であり、有効である。
【０２８６】
次に、分極反転周期が各領域間で異なる場合に、位相整合波長の可変特性に与える影響について解析した。
【０２８７】
位相調整部で隔てられた第１の分極反転領域と第２の分極反転領域との間で分極反転周期がわずかに異なる場合を仮定して、計算を行った。その結果、０．０２％以上の分極反転周期の差がある場合には、波長可変範囲はあまり変化しないが、変換効率の最大値が低下する事が分かった。これより、変換効率を高めるには、分極反転周期の差を０．０２％以下に抑える必要がある。
【０２８８】
これと同様に、位相整合条件の等しい２つの結晶における位相整合波長の差が与える影響についても、同様の精度が要求される。すなわち、位相整合波長がほぼ等しい結晶としては、位相整合波長の差が０．０２％以下であることが望ましい。
【０２８９】
（第７の実施形態）
本実施形態では、本発明の光波長変換素子を用いた位相整合波長の許容度拡大について、述べる。
【０２９０】
位相整合波長のほぼ等しい結晶間に位相調整部を挿入する構造により、位相整合波長の許容幅を大幅に拡大することができる。例えば、結晶を３分割して位相調整部を２カ所に挿入するとき、各々の位相調整部の厚みをｔ１及びｔ２とし、位相調整部における基本波と高調波の伝搬定数をそれぞれβω及びβ２ωとすると、位相調整部の厚みがｔ１＋ｔ２＝２ｎπ／（β２ω−２・βω）、（但し、ｎ＝０、１、２、３、．．．）の値をほぼ満足するときに、波長変換素子の位相整合特性は、図２５に示すように、ピークフラットな特性（ピークフラットな位相整合カーブ）を示す。位相整合波長がピークフラット化すれば、基本波の波長変動が生じても、安定な出力特性が得られる。
【０２９１】
しかし、設計に従って実際に分極反転構造を形成し、光波長変換素子の位相整合特性を測定すると、図２５に示すようなピークフラットな位相整合特性を有する光波長変換素子を得ることが非常に難しく、歩留まりが悪いことが判明した。実際に光波長変換素子を作製すると、図２６（ａ）及び（ｂ）に示すように、ピークフラットな部分が傾いたり、複数のピークが存在したりするなど、設計と異なる特性が得られる場合がほとんどであり、歩留まりは数％であった。この原因は、設計通りの位相整合特性を実現するには、伝搬定数の均一性及び分極反転周期の均一性に対して、非常に高い値が、素子長全域に渡って要求されるからである。設計値に近い値を実現するには、屈折率変動で０．０１％以下の均一性が必要であり。例えば、導波路型の素子でこの条件を実現しようとすると、光導波路の線幅を０．０５μｍ以下の精度で、光導波路の厚みに換算すると数オングストローム以下の精度で制御する必要である。素子長１０ｍｍに渡ってこの精度を達成することは、現実的に難しい。
【０２９２】
そこで、本願発明者らは、位相調整部における基本波と高調波の位相関係を調整することで、この問題の解決を図った。即ち、作製誤差による位相整合特性の位相整合カーブ（チューニングカーブ）の不均一性を、位相調整部によって調整することで補償した。その結果、ピークフラットな位相整合特性を有する素子の歩留まりを、数％から５０％以上に大幅に向上させることに成功した。位相調整部の特性が固定されている場合には、作製精度のみで歩留まりが決定してしまうが、位相調整部の屈折率或いは長さを変化させることで、チューニングカーブを制御することが可能であり、歩留まりが向上した。
【０２９３】
更に、位相調整部により、出力変調も可能になる。具体的には、チューニングカーブの形を変えることが可能であるから、基本波の波長を固定した状態で位相調整部を変化させることで、出力を１００％〜０％まで、自由に調整することができる。
【０２９４】
なお、本実施形態では、非線形光学結晶について説明したが、非線形光学結晶に光導波路を形成した場合も、同様の効果が得られる。光導波路を用いれば、更なる高効率化が可能であるとともに、位相調整部を光導波路上に集積化できる。この場合には、電気光学効果を利用して印加電界により位相調整部の屈折率を変化させたり、温度により位相調整部の屈折率を変化させたりすることが、可能である。また、液晶を光導波路の一部のクラッド層として用いて、この部分を位相調整部とし、液晶の屈折率を変えることで、位相調整部の実効屈折率を変化させることも可能である。
【０２９５】
更に、本実施形態では、位相整合条件を満足する非線形光学結晶を用いているが、周期状の分極反転構造を有する結晶、或いは光導波路も、同様に使用できる。分極反転構造を用いる場合、位相整合条件は擬似位相整合条件になるが、上記と同様の特性を得ることができる。分極反転を用いれば、任意の波長に位相整合可能であり、高効率の特性を実現できるため、有用である。
【０２９６】
（第８の実施形態）
ここでは、光波長変換素子の位相整合状態を制御する方法として、非線形光学結晶の一部の位相整合状態を変化させる方法について、説明する。
【０２９７】
本実施形態における光波長変換素子の構成を、図２７に示す。基板１００７は、ＸカットのＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3基板であり、周期３．２μｍの分極反転構造１００８が、素子長１０ｍｍに渡って形成されている。更に、プロトン交換処理及びアニール処理により、分極反転構造１００８の上に光導波路１００９が形成されている。例えば、光導波路１００９の幅は５μｍ、深さは２．５μｍである。位相整合波長は８５０ｎｍであり、高調波として、第２高調波の光（波長４２５ｎｍ）を出射する。変換効率は、１０００％／Ｗであった。
【０２９８】
更に、図２７の構成では、光導波路１００９の入射部の近傍に、長さ３．３ｍｍに渡って薄膜ヒータ１０１０を形成し、屈折率変調部としている。ヒータ１０１０により、光導波路１００９の温度分布を変えて、屈折率を変化させることが可能となる。
【０２９９】
温度を変えたときの位相整合特性の変化を、図２８（ａ）及び（ｂ）を参照して説明すると、図２８（ａ）は、ヒータ１０１０に電流を流さない場合、即ち温度を変化させない場合の位相整合特性であり、図２８（ｂ）は、ヒータ１０１０の温度を約１０℃変えた時の位相整合特性である。このように温度を変えることで、変換効率は４００％／Ｗ程度に低下したが、位相整合波長の許容度が増大して、ピークフラットな位相整合特性が実現できた。
【０３００】
次に、ヒータ１０１０の長さを変えて、位相整合特性とヒータ１０１０の長さとの関係を観測したところ、位相整合波長許容度を拡大するには、ヒータ１０１０の長さを素子全長の１５％〜４０％にする必要があった。更に、ピークフラットな位相整合波長特性を実現するには、ヒータ１０１０の長さを素子全長の約３０％とし、これを±５％程度の精度で実現する必要である。
【０３０１】
また、ヒータ１０１０の作製位置に注意する必要がある。具体的には、ヒータ１０１０は、素子の両端近傍に形成する必要がある。ヒータ１０１０を素子の中心近傍に形成しても、位相整合波長許容度の拡大は効率よく行われない。但し、ヒータ１０１０は、光導波路１００９の端面近傍からは、数μｍ程度離す必要がある。ヒータ１０１０を光導波路１００９の端面に形成すると、光導波路１００９に光を結合する際に、ヒータ１０１０を構成する端面近傍の金属部分に基本波が吸収されて、温度上昇により端面が破壊される。従って、ヒータ１０１０は、端面から僅かに離れた部分に形成しなければならない。
【０３０２】
次に、屈折率変調を用いた他の光波長変換素子の構成について述べる。
【０３０３】
第７の実施形態で述べたように、位相整合特性の等しい結晶と位相調整部とにより光波長変換素子の波長許容度の拡大が可能であるが、その作製には、高い精度が要求される。これを解決する方法として、位相調整部を変調することで位相整合特性をコントロールする方法を述べたが、それに代えて、結晶の一部に屈折率変調部を形成することで、同様に位相整合特性を制御できる。
【０３０４】
図２９は、上記の手法に従って構成される本発明の光波長変換素子の構成を示す斜視図である。具体的には、２分割構造によって波長許容度が拡大された素子を形成している。
【０３０５】
図２９の構成では、ＭｇＯドープしたＸ板のＬｉＮｂＯ3基板１００７の上に、周期３．２μｍの分極反転構造１００８が、１０ｍｍに渡って形成されている。素子端部から約１．６ｍｍ離れた部分には、１．６μｍに渡って分極反転構造１００８を設けずに、ここを位相調整部１０１１とする。更に、端部と位相調整部１０１１との間の基板表面には、長さ約１．６ｍｍの薄膜ヒータ１０が形成されている。
【０３０６】
このような構成で、ヒータ１０１０の温度を上げないときの位相整合特性は、僅かにピークフラットな特性からずれているが、ヒータ１０１０の温度を約３℃程度上昇させると、理想的なピークフラットな特性を実現できる。これより、位相調整部１０１１を有さない構造に比べて、約１／３の温度変化で、所望の制御が可能である。このように、位相調整部１０１１を有する構造は、屈折率の僅かな変化でピークフラットな位相整合特性に制御できるため、有効である。
【０３０７】
上記のように、薄膜ヒータ等による屈折率変調により光波長変換素子の位相整合特性を変調する構成は、半導体レーザと光波長変換素子の直接結合により短波長光源を実現した場合に、特に有効である。この場合には、基台上にて、光導波路型の光波長変換素子と半導体レーザとを直接結合させて固定することで、小型のコヒーレント光源が実現できる。更に、本発明に従って光波長変換素子の波長許容度を拡大することで、安定な出力特性が実現できる。
【０３０８】
但し、光源として高出力の半導体レーザを用いると、基台を通じて半導体レーザからの熱が光波長変換素子に伝わり、光波長変換素子の入射部近傍に熱の分布が形成される。この熱分布により、光波長変換素子の位相整合特性が変化して、設計した位相整合特性が得られないことがある。
【０３０９】
この問題を解決するために、光波長変換素子の入射部近傍に光導波路の屈折率を調整するヒータ（調整ヒータ）を堆積し、これを用いて位相整合特性を調整した結果、半導体レーザから熱が伝達される場合でも、上記の調整ヒータの温度を調整することで、ピークフラットな波長許容度特性が実現されて、安定な出力特性が得られた。また、形成した調整ヒータは、光波長変換素子の１／２以下の領域を占める程度の小さいものであり、占有面積が小さいために、消費電力を従来の１／２以下に低減できる。
【０３１０】
上記のようなヒータを用いる方法を、位相調整部の屈折率を変化させる方法と併用しても、位相整合特性を変調できる。
【０３１１】
なお、本実施形態では、屈折率変調部として薄膜ヒータ１０１０を用いているが、他に、液晶を用いたクラッド層も利用できる。液晶によりクラッド部を形成し、電界により液晶部の屈折率を変化させることで、光導波路の実効屈折率を変えることができる。液晶を用いると、消費電力が少なくなるので有効である。その他に、電気光学効果を利用して結晶に電界を印加することで、光導波路の実効屈折率を変えることができる。
【０３１２】
なお、上記では、非線形光学結晶の分割数が２である光波長変換素子を用いたが、更に分割数の多い素子にも、本発明は適用できる。分割数を増やせば、許容度のより広い素子が形成できるため、有効である。
【０３１３】
（第９の実施形態）
ここでは、半導体レーザと光波長変換素子からなるコヒーレント光発生装置（コヒーレント光源とも称する）において、常に安定な出力特性の実現が可能な構造について述べる。
【０３１４】
具体的には、本実施形態では、半導体レーザと光波長変換素子によりコヒーレント光源を構成する場合に、光波長変換素子から出射する高調波出力を安定化させるために、最低不可欠な光波長変換素子の位相整合波長の可変範囲を明らかにしている。
【０３１５】
図３０に、本実施形態によるコヒーレント光源の構造を示す。この構成は、光波長変換素子１０２１と半導体レーザ１０２２とから構成されて、光波長変換素子１０２１は、本発明による位相調整部１００３で分離された入射部１０２３と出射部１０２４とを有する。半導体レーザ１０２２は、出射波長を可変できる機能を有しており、光波長変換素子１０２１の位相整合条件を満足する波長に出射波長を合わせることで、出力の安定化を図っている。
【０３１６】
この様な構成において、光波長変換素子１０２１から出射される高調波の出力安定化のために必要な特性について、検討した。
【０３１７】
半導体レーザの発振波長は、グレーティングフィードバックや波長フィルターを利用した光フィードバックにより、可変できる。また、半導体レーザにおける光導波路の一部にＤＢＲグレーティングを集積化し、ＤＢＲグレーティングの反射波長を温度やプラズマ効果を利用して可変することによっても、半導体レーザの発振波長を可変することが可能である。しかし、半導体レーザは、半導体レーザの共振器構造に起因する縦モード間隔でしか発振しないため、その発振波長は、飛び飛びの発振波長でのみ可変となる。例えば、０．１ｎｍ程度の間隔で、発振波長を制御できる。
【０３１８】
一方、光波長変換素子は、通常、波長許容度の非常に狭い特性を有する。例えば、素子長１０ｍｍのＬｉＮｂＯ3で作製した導波路型光波長変換素子などでは、０．１ｎｍ以下の半値全幅を有する。このときの光波長変換素子の位相整合特性と、半導体レーザの発振波長との関係を、図３１（ａ）及び（ｂ）に模式的に示す。図３１（ａ）及び（ｂ）において、１６２５は半導体レーザの発振モード（縦モード）であり、１６２６が光波長変換素子のチューニングカーブである。
【０３１９】
図３１（ａ）においては、チューニングカーブ１６２６のピークと半導体レーザの発振モード１６２５が重なっている。この場合、半導体レーザの縦モード１６２５をチューニングカーブ１６２６のピークの位置に調整することで、最大の高調波出力が得られる。ところが、図３１（ｂ）に示すように、チューニングカーブ１６２６のピークが半導体レーザの縦モード１６２５の中央近傍に位置する場合、半導体レーザの発振波長を調整しても、高調波の出力を最大にすることができなくなる。従って、このようなコヒーレント光源においては、半導体レーザの波長を調整しても、安定な高調波出力が得られない。
【０３２０】
これを解決するには、光波長変換素子の位相整合波長をチューニングして、半導体レーザの発振波長の中心に、位相整合波長を調整する必要がある。即ち、光波長変換素子には、用いる半導体レーザの発振波長の縦モード間隔より広い波長範囲に渡って、位相整合波長を可変できる特性が要求される。
【０３２１】
この点を、周期状分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ3結晶を５分割した構造（位相調整部を４ヶ所有する構造）からなる光波長変換素子で、確認した。この構造における位相整合波長の可変範囲は、半値全幅で０．３４ｎｍであるが、半導体レーザの縦モード間隔である０．１ｎｍの範囲で位相整合波長を可変させた場合は、中心の位相整合波長から±０．０５ｎｍだけ位相整合波長が変化しても、出力の低下は５％程度であった。従って、環境温度の変化により位相整合波長が大きく変化した場合においても、半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の位相整合波長とを同時に制御することで、出力を５％の変動以内に安定化させることができる。この結果、出力の安定なコヒーレント光源が実現できる。
【０３２２】
更に、パラメトリック発振を利用しても、波長可変レーザの可変波長領域の拡大が可能である。
【０３２３】
周期状の分極反転構造を有する光波長変換素子とレーザ光源を用いれば、パラメトリック発振が可能である。パラメトリック発振によれば、波長λ３の基本波を入力すると、１／λ３＝１／λ１＋１／λ２の関係を満足する波長λ２のシグナル光及び波長λ１のアイドラー光を発生することが可能である。これより、波長λ３の基本波を用いて、上記の条件を満足する波長を有する光を、波長可変しながら出力することができて、波長可変なレーザ光源が実現できる。
【０３２４】
このようなパラメトリック発振を可能にする構成としては、従来より、周期状分極反転構造を有する光波長変換素子によって高効率の波長変換が可能であり、例えばＬｉＮｂＯ3を用いた光波長変換素子が商品化されている。しかし、従来のパラメトリック発生を利用したコヒーレント光源では、周期の異なる分極反転構造を複数形成し、分極反転周期を変えることで発振波長を可変しているために、発振波長は離散的に可変であり、連続的に波長変換を行うことは難しかった。これに対して、本発明の光波長変換素子を用いれば、位相整合波長を連続的に可変させることが可能となるため、連続的に発振波長を変えることが可能なコヒーレント光源を実現できる。更に、周期の異なる複数の分極反転構造と組み合わせることにより、広い範囲に渡って連続的に位相整合波長を連続可変できるコヒーレント光源が実現できる。また、高効率で且つ変換効率の変動が小さい安定な出力特性も、実現できる。
【０３２５】
（第１０の実施形態）
ここでは、本発明によって構成される光情報処理装置について、説明を行う。
【０３２６】
図３２に、本発明の光情報処理装置の構成を示す。図３２において、第９の実施形態に示した特徴を有するコヒーレント光発生装置１６４０から出た出力１０ｍＷのビームは、ビームスプリッタ１６４１を透過し、レンズ１６４２により、情報再生媒体である光ディスク１６４３に照射される。光ディスク１６４３からの反射光は、逆にレンズ１６４２によりコリメートされ、ビームスプリッタ１６４１で反射されて、光検出器１６４４で信号が読みとられる。更に、コヒーレント光発生装置１６４０の出力を強度変調することで、光ディスク１６４３に情報を書き込むことができる。
【０３２７】
本発明によれば、コヒーレント光発生装置１６４０を構成する光波長変換素子の位相整合波長を安定して可変することで、出力の安定化が図れて、外部の温度変化に対しても５％以下の出力変動に抑えることができる。
【０３２８】
更に、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、上記のように、光ディスク１６４３へ情報を書き込むことも可能となる。また、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。
【０３２９】
続いて、以下では、本発明に従って構成される、非線形光学効果を利用した光波長変換素子における出力の安定化を目的とした素子構造、並びにそれを用いたコヒーレント光源及び光情報処理装置を説明する。
【０３３０】
（第１１の実施形態）
以下ではまず、広い波長領域において第２高調波の発生が可能な本発明による光波長変換素子の構造を、説明する。
【０３３１】
第１の実施形態で説明したように、本発明の光波長変換素子は、広い許容波長幅を有し、且つチューニングカーブ特性においてピーク出力近傍で平坦部を有する。これによって、基本波の波長変動に対する出力変化が非常に小さい。更に、許容波長幅の拡大による波長変換効率の低下を最小限に抑え、許容波長幅の拡大と高効率特性とを同時に達成できる。
【０３３２】
本発明による光波長変換素子の具体的な構造を、図３６を参照して説明する。ここに示される構成は、第１の実施形態の構成（図１参照）と同じであり、対応する構成要素には同じ参照符号を付しているので、その詳細な説明は、ここでは省略することがある。
【０３３３】
図３６に示すように、光波長変換素子は、互いにほぼ等しい位相整合条件を満足する複数の非線形光学結晶、例えば３つの非線形光学結晶１、２、及び３を含み、各々の非線形光学結晶１、２、及び３の間には、厚さがそれぞれｔ１及びｔ２である位相調整部４及び５が挿入されている。
【０３３４】
従来技術において、位相整合条件の異なる結晶を組み合わせる方法が提案されている。これは、位相整合条件の異なる結晶を組み合わせて、それぞれの結晶における位相整合波長を足し合わせて、波長許容度の拡大を図る方法である。しかし、位相整合条件の異なる結晶を組み合わせると、互いに異なる位相整合条件をそれぞれの結晶が有しているため、結晶の長さや光の波長がわずかに変動した場合に、それぞれの結晶で発生した基本波と高調波の位相関係が大きく変動する。これが干渉効果となって、高調波の出力が基本波の波長変化により大きく変動する。これを解決するには、各結晶における基本波と高調波の位相関係が、等しく変化する構成が望まれる。すなわち、位相整合条件の等しい結晶を用いて、位相整合波長許容度を拡大する必要がある。
【０３３５】
そこで、本願発明者らは、位相整合条件の等しい結晶からなる構造で位相整合波長を拡大する方法について種々検討した結果、各結晶長の長さを最適化し、同時に結晶間に位相調整部を設ける構成により、これを実現できることを見出した。
【０３３６】
同一の位相整合条件を有する結晶において、位相調整部が無い場合には、結晶内で全域にわたり基本波と高調波の位相は整合しているが、位相整合波長許容度は極端に狭くなる。これに対して、結晶間に位相調整部を設けると、この部分で基本波と高調波の間に位相差が生じる。しかし、位相調整部で発生した基本波と高調波の位相差は、次の結晶を伝搬する間に、大きさが保たれる。更に、基本波の波長変動に対しても、それぞれの結晶における位相整合状態は等しく変化し、位相調整部における位相差もほとんど変化しない。これは、位相調整部の前後の結晶において位相整合条件が等しく、基本波と高調波間の位相速度の関係が等しいからである。従って、位相調整部で発生した位相差は、結晶の長さに関係なく保たれ、基本波の波長変動に対する位相整合条件のズレも同時に起こる。これより、各結晶で発生した高調波には、それぞれ位相調整部により位相差が生じているが、その関係は基本波の波長が変化しても常に一定となり、それぞれの結晶で発生する高調波間の干渉効果の変動が、端に低減される。その結果、基本波の波長に対する高調波の出力変動を大幅に低減でき、位相整合特性を非常に平坦な特性にすることが可能となる。
【０３３７】
以上の説明は、本願の第１の実施形態の構成にも適用される。
【０３３８】
図３７（ａ）は、図２（ａ）としても示した、位相調整部を有さない従来の構成における位相整合特性（チューニングカーブ特性）、すなわち、基本波光の波長に対する高調波光（ＳＨＧ）の出力特性であり、第１の実施形態で図２（ａ）を参照して説明した特徴を有する。
【０３３９】
次に、図３７（ｂ）は、位相整合条件が異なる結晶を複数組み合わせて位相整合波長の許容度を拡大を図った従来の光波長変換素子におけるチューニングカーブ特性である。これは３つの位相整合波長の異なる結晶を組み合わせた場合であり、波長許容度は図３７（ａ）に比べかなり広がっているものの、高調波出力が基本波の波長変動に対して大きく変動する。特に、出力のピーク近傍での出力変動が大きく、ピークの最大値に比較して１０％以上の出力変動が見られる。これは、各結晶の位相整合波長が異なるためである。
【０３４０】
これに対して、図３７（ｃ）は、本発明の光波長変換素子で得られる位相整合特性（チューニングカーブ特性）であり、第１の実施形態で説明した図２（ｂ）と同じ特徴を有する特性である。第１の実施形態でも説明したように、本発明の構成によれば、チューニングカーブ特性の最大値近傍のピークにおいて、高調波（ＳＨＧ）光の出力強度は非常に平坦で、その出力変動は数％以内である。更に、基本波光波長に対する高調波光出力レベルがピークレベルから５％低下する波長範囲（許容波長幅）は、図３７（ａ）に比べて図３７（ｃ）では約６倍に拡大されている。また、図３７（ｃ）においても、許容波長幅拡大に伴って変換効率が低下するものの、依然として図２（ａ）で得られる変換効率の２９％のレベルが達成可能である（図３７（ｂ）では約１２％のレベルまで低下する）。
【０３４１】
このように、本発明によれば、互いに等しい位相整合条件を有する結晶間に位相調整部を設けることで、平坦なピークを有するチューニングカーブが得られ、かつ従来より高い波長変換効率を実現することができる。
【０３４２】
次に、光波長変換素子を構成する非線形光学結晶の位相整合条件について述べる。
【０３４３】
図１や図３６に示す本発明の光波長変換素子は、位相整合条件の等しい非線形光学結晶を、位相調整部を介して接合することで構成されている。そこで、各結晶の位相整合条件の差がどれほど許容されるか、検討した。
【０３４４】
各結晶間の位相整合条件の差は、各結晶における位相整合波長の差で表せる。そこで、位相整合条件の異なる結晶を組み合わせた場合のチューニングカーブの変化を、観測した。その結果、位相整合波長が０．１％異なる結晶を組み合わせて光波長変換素子を作製すると、チューニングカーブの対称性が得られず、ピークフラットなチューニングカーブを得るのは困難になった。位相整合波長の差が増大するに従って、この傾向は顕著になった。
【０３４５】
上記のような検討の結果、ピークフラットなチューニングカーブが実現できる位相整合波長の誤差は、各結晶間で０．０２％以下と非常に厳しいことが明らかになった。すなわち、広い波長許容度を有し且つピークフラットなチューニングカーブを実現するには、非線形光学結晶間の位相整合波長の誤差は、０．０２％以下に低減することが望ましい。
【０３４６】
次に、本発明の光波長変換素子の設計について、あらためて説明する。
【０３４７】
結晶内で基本波と第２高調波に対する伝搬損失が無視できるほど小さく、２つの伝搬ビームがほぼ等しい形状で伝搬していると仮定したときに、図３８（ａ）に示される２分割構造の光波長変換素子における位相調整部の距離ｔが、第１の実施形態に関連して説明した以下の式（２）を満たすとき、チューニングカーブ特性がピークフラットな特性を有する。
【０３４８】
ｔ＝（２ｎ＋１）π／（β２ω−２・βω）          （２）
但し、β２ωは位相調整部における高調波光の伝搬定数、βωは位相調整部における基本波光の伝搬定数、ｎ＝０、１、２、３、……、である。
【０３４９】
上記の式（２）をより一般的に表せば、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β２ω−２・βω）          （２ａ）
となる。図３８（ｂ）には、上記の式（２ａ）におけるαの値を変化させた場合のチューニングカーブを描いている。これより、２分割構造の場合にはα＝１が最適であり、αの値がこれより増加しても減少しても、位相整合特性の波長依存性の対称性が崩れていく。第１の実施形態において説明したように、チューニングカーブの対称性の差が５％以内に収まるのはα＝０．９５〜１．０５の範囲であり、この範囲であれば使用上、問題無い。更に、位相調整部の長さを最適化すると、α＝０．９〜１．１の範囲でチューニングカーブの対称性が５％以内におさまり、ほぼフラットなピークを有するようになる。
【０３５０】
次に、結晶の長さについて検討した。
【０３５１】
２つの結晶の長さについて、全長に対する一方の長さを変えた場合の位相整合特性の関係を、図３９（ａ）及び（ｂ）を参照して説明すると、図３９（ａ）は、素子全長に対する一方の結晶の長さの割合とチューニングカーブのピーク近傍部分の凹部の大きさ及び波長許容度（チューニングカーブにおいて、ＳＨＧ出力が最大値から５％低下する波長の幅に設定する）の関係を示す。結晶長の値が素子全長の約１７％より大きくなると、凹部が増大し始め、波長許容度も、この近傍で大きく増大する。従って、チューニングカーブのピーク近傍での凹部の発生を極力抑えるには、結晶長の長さを素子全長の約１７％程度以下にする必要がある。その一方で、許容度を２倍以上に拡大するには、結晶長の長さを素子全長の１３％以上にする必要がある。
【０３５２】
これより、結晶長の長さを素子全長の約１３％〜約１７％に設定して、チューニングカーブのピーク近傍での凹部の発生を抑えることが好ましい。この範囲を外れると、チューニングカーブにピークが２つ以上存在することになるが、この場合、出力特性をフィードバックして基本波波長を制御し第２高調波の安定化を図る場合のピーク検出において、２つのピーク間での位相整合波長の特定が難しくなり、出力の安定化が難しくなる場合が有るからである。
【０３５３】
更に、ピークの凹部の影響を考えない場合には、第２高調波の最大値が９５％以下に低下しないように、図３９（ｂ）から、結晶長の長さを全体の約１３％〜約１８％に設定することが好ましい。
【０３５４】
図３９（ｂ）には、素子全長に対する素子長の割合をパラメータとして、幾つかのチューニングカーブを描いている。これより、結晶長が増大すると、ピーク近傍の凹部が増大する。結晶長が素子全長の１７％になると、チューニングカーブのピーク近傍がほぼフラットになり、安定で広い位相整合特性が実現できることが示されている。２分割構造において、伝搬損失が無視できる場合には、位相調整部の位置は、短い結晶と長い結晶との位置関係には依存せず、良好なチューニングカーブが得られる。
【０３５５】
以上の結果、互いに位相整合条件のほぼ等しい２つ以上の結晶を位相調整部を介して接合して位相整合波長許容度の拡大を図るにあたっては、それぞれの結晶の長さの一方が、素子全長の１３〜１８％にすることが好ましい。
【０３５６】
但し、上記の検討は、基本波と高調波の伝搬損失があまり大きくないとの仮定の下に計算した値であり、実際の素子に適用して伝搬損失が大きい場合の実験を行った結果、結晶の長さが素子全長に対して５〜３０％の間の値を取るときに、ピークフラットなチューニングカーブが得られた。従って、一方の結晶長の長さは、素子全長の５〜３０％の範囲に設定することが好ましい。
【０３５７】
以上の結果、２分割構造では、結晶間に設ける位相調整部の厚さｔが、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β２ω−２・βω）        （２ａ）
の関係を満足し、且つα＝０．９〜１．１の範囲であるときに、ピークフラットな位相整合特性を有する構造が実現できる。但し、上記のαの範囲は、結晶における伝搬損失の値が比較的小さい場合に適用できる範囲であり、結晶の伝搬損失が大きい場合、或いは伝搬光のパワー密度が場所により異なる場合には、α＝０．５〜１．５の範囲が有効である。
【０３５８】
次に、３つの非線形光学結晶と２つの位相調整部（厚さｔ１及びｔ２）とが組み合わされている３分割構造では、各位相調整部の距離ｔ１及びｔ２が、先に第１の実施形態に関連して説明した以下の式（３）及び式（４）：
ｔ１＝（２ｎ＋α１）π／（β２ω−２・βω）          （３）
ｔ２＝（２ｍ＋α２）π／（β２ω−２・βω）          （４）
但し、ｎ及びｍ＝０、１、２、３、……、
を満たし、更にα１＋α２＝２であるのでＪ＝０、１、２、３、……、としたときに、
ｔ１＋ｔ２＝２Ｊπ／（β２ω−２・βω）            （５）
が成立するときに、チューニングカーブ特性がピークフラットな特性を有する。
【０３５９】
上記の式（３）〜式（５）の関係から外れると、チューニングカーブが左右非対称になり、ピークフラット部の傾斜がきつくなって、平坦な出力特性を得るのが難しい。また、第１の実施形態にて説明したように、α１＝０．７９及びα２＝１．２１近傍で、チューニングカーブ特性におけるピーク出力近傍の平坦部が、ほぼフラットな特性を示す。また、対称性が５％以内に収まるのは、α１＝０．７〜０．９の範囲であり、このときα２＝２−α１に設定する。α１及びα２の値が入れ替わっても、同様の特性を示す。
【０３６０】
次に、結晶の長さについて検討した。
【０３６１】
３分割構造では、ピークフラットなチューニングカーブが得られるのは、中心の結晶に対して、両側の結晶の長さが等しい場合であった。そこで、結晶の全長に対する両側の結晶の長さの割合と位相整合特性との関係を図４０（ａ）及び（ｂ）を参照して説明すると、図４０（ａ）は、素子全長に対する一方の結晶の長さの割合とチューニングカーブのピーク近傍部分の凹部の大きさ及び波長許容度の関係を示す。結晶長の値が素子全長の約１３％より大きくなると、凹部が増大し始め、波長許容度も、この近傍で大きく増大する。従って、チューニングカーブのピーク近傍での凹部の発生を極力抑えるには、結晶長の長さを素子全長の約１４％程度以下にする必要がある。その一方で、許容度を２倍以上に拡大するには、結晶長の長さを素子全長の１０％以上にする必要がある。
【０３６２】
これより、結晶長の長さを素子全長の約１０％〜約１４％に設定して、チューニングカーブのピーク近傍での凹部の発生を抑えることが好ましい。この範囲を外れると、チューニングカーブにピークが２つ以上存在することになるが、これに伴う問題点は２分割構造に関して前述した通りである。
【０３６３】
更に、ピークの凹部の影響を考えない場合には、第２高調波の最大値が９５％以下に低下しないように、図４０（ｂ）から、結晶長の長さを全体の約１３％〜約１５％に設定することが好ましい。
【０３６４】
図４０（ｂ）には、素子全長に対する素子長の割合をパラメータとして、幾つかのチューニングカーブを描いている。これより、結晶長が増大すると、ピーク近傍の凹部が増大する。結晶長が素子全長の１３．８％になると、チューニングカーブのピーク近傍がほぼフラットになり、安定で広い位相整合特性が実現できることが示されている。
【０３６５】
以上の結果、３分割構造では、結晶間に設ける位相調整部の厚さｔ１及びｔ２が前述の式（３）〜式（５）の関係を満たし、且つα１＝０．７〜０．９の範囲の位相調整部を介した接合として、両端の各結晶の長さが素子全長の約１３％〜約１５％であるときに、ピークフラットな位相整合特性を有する構造が実現できる。
【０３６６】
但し、上記の検討は、基本波と高調波の伝搬損失があまり大きくないとの仮定の下に計算した値であり、実際の素子に適用して伝搬損失が大きい場合の実験を行った結果、結晶の長さが素子全長に対して８〜２５％の間の値を取るときに、ピークフラットなチューニングカーブが得られた。従って、一方の結晶長の長さは、素子全長の８〜２５％の範囲に設定することが好ましい。また、上記のα１の範囲は、結晶における伝搬損失の値が比較的小さい場合に適用できる範囲であり、結晶の伝搬損失が大きい場合、或いは伝搬光のパワー密度が場所により異なる場合には、α１＝０．５〜１．５の範囲が有効である。
【０３６７】
以上の検討により得られた、本発明によって２分割構造及び３分割構造を用いて光波長変換素子を形成した場合の位相整合特性、具体的にはＳＨＧ出力の大きさ及び位相整合波長許容度を、分割なしの場合の値を１として、以下の表１にまとめる（非線形光学素子の全長が等しいとする）。
【０３６８】
【表１】
0004485617.tif 000002
【０３６９】
このように、本発明の構成により、ＳＨＧ出力の低下を抑えながら、位相整合波長許容度を大幅に拡大できる。
【０３７０】
以上、非線形光学効果による第２高調波の場合の位相調整部による波長許容度の設計について述べたが、上記の設計は、第２高調波以外の高調波発生、例えば、和周波を発生する場合やパラメトリック発振の場合にも、同様の設計が適用できる。第２高調波発生が和周波発生及びパラメトリック発振の一種であることは、これまでの実施形態に関連して説明した通りであり、第２高調波における関係は、和周波及びパラメトリック発振に適用可能である。
【０３７１】
従って、第２高調波の発生における位相調整部の厚みｔの式：
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β２ω−２・βω）                  （２ａ）
において、β２ωの代わりにβ３、βωの代わりにβ１、βωの代わりにβ２を代入すると、上記の式（２ａ）は、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β３−β１−β２）                  （２ｂ）
となり、この式（２ｂ）を式（２）と同じ条件で満足することで、同様の波長許容度拡大特性が得られる。但し、ｎ＝０、１、２、３、・・・、であり、β１は位相調整部における波長λ１の光の伝搬定数、β２は位相調整部における波長λ２の光の伝搬定数、β３は位相調整部における波長λ３の光の伝搬定数である。
【０３７２】
αの値及び結晶の長さｔが満たすべき条件も、第２高調波の場合に関して上述した条件と全く同じであり、同様の設計により、位相整合波長許容度の拡大が可能となる。これによって、和周波発生或いはパラメトリック発振における波長許容度の拡大が可能な光波長変換素子の構造が、実現される。
【０３７３】
また、差周波発生にも、本発明の同様の構造が適用できる。差周波発生においては、λ３の波長の光とλ２の波長の光とを非線形光学結晶に入射して、λ１の波長の光を出射する。このときのλ１、λ２、λ３の関係は、和周波発生での光の波長の関係と等しく、従って、上記に示した位相調整部の設計を適用して、位相整合波長許容度を拡大することができる。
【０３７４】
なお、位相調整部は、先述の、
ｔ＝（２ｎ＋α）π／（β２ω−２・βω）                    （２ａ）
なる関係を満足する厚さ及び屈折率分散を有する膜であればよいが、更に光波長変換素子の特性を高めるためには、非線形光学材料の屈折率にほぼ等しい屈折率を有する材料を用いることが望ましい。すなわち、結晶間に屈折率の異なる材料を挿入すると、その屈折率差から界面でフレネル反射が生じて、基本波或いは第２高調波の伝搬損失となる。従って、位相調整部を、非線形光学結晶に近い屈折率を有する材料で構成すれば、位相調整部におけるフレネル損失を低減することができる。
【０３７５】
更に、位相調整部と非線形光学結晶とは、接着固定することが望ましい。非線形光学結晶を波長変換素子に用いるには、高い精度の安定性が必要であり、温度や振動による変動が発生すると、結晶間での光の位相状態が変化して、特性が劣化する。非線形光学結晶と位相調整部とを接着固定することで、これらの問題を回避できる。
【０３７６】
また、同一の結晶内に位相調整部を形成することが、更に望ましい。従来の構造は、位相整合条件の異なる結晶を組み合わせて形成されているため、同一の結晶上に位相整合条件の異なる部分を形成することは困難であるが、本発明の構成では、位相調整部を部分的に形成することで、光波長変換素子を構成することができる。例えば、拡散やイオン変換によって結晶の一部の組成を変えて、位相調整部を形成することができる。
【０３７７】
更に、非線形光学結晶上に光導波路を形成し、その光導波路の一部にイオン交換、金属拡散、或いはクラッド部の付加などによって、位相調整部を容易に形成することができる。光導波路は基板表面に存在するために、位相調整部の形成が容易であるとともに、光導波路内の光パワー密度が高いので、高効率の波長変換が実現できる。
【０３７８】
なお、位相調整部を、非線形光学材料と等しい屈折率を有する材料で構成することが困難である場合に、位相調整部と非線形光学材料との界面に反射防止膜を堆積することが望ましいことは、第６の実施形態に関連して既に説明したが、このように反射防止膜を挿入する場合は、反射防止膜における基本波と第２高調波の伝搬定数の差を、考慮する必要がある。具体的には、位相調整部の両側に反射防止膜を堆積する場合、反射防止膜の厚みをｔ１２、そこにおける基本波と第２高調波の伝搬定数をβａ及びβ２ａ、位相調整部の厚さをｔ１１、そこにおける基本波と第２高調波の伝搬定数をβω及びβ２ωとすると、
２×ｔ１２×（β２ａ−２×βａ）＋ｔ１（β２ω−２×βω）
＝（２ｎ＋α）×π
なる関係を満足しなければならない。反射防止膜が多層膜からなる場合には、上記のβａ及びβ２ａの値は、各膜の平均値でよい。
【０３７９】
上記の説明では、バルク状の結晶における波長変換素子について述べたが、非線形光学結晶に光導波路を構成する場合も、同様の構成が実現できる。光導波路では、導波光間で光波長変換を行うことで光の閉じ込めを強化し、かつ長い相互作用長を実現できるため、高効率の波長変換が可能であり、有効である。
【０３８０】
なお、以上の説明では、分割構造の設計として２分割構造及び３分割構造における最適化について詳細に述べたが、分割数を更に増やすと、許容度をさらに拡大することが可能となる。但し、位相整合波長許容度を拡大すると、許容度の拡大に比例して変換効率が低下する結果となるので、高効率で且つ広い許容度を得るには、２分割構造或いは３分割構造が適当である。
【０３８１】
更に、本願発明者らは、前述した位相調整部の概念を、擬似位相整合に適用できることを見出した。
【０３８２】
すなわち、図４１に示すように、基板内に分極反転領域１１、１２、及び１３が形成され、分極反転領域１１、１２、及び１３の間に位相調整部１４及び１５が形成されている構成において、分極反転周期Λが、
Λ＝２ｍπ／（β２ω−２・βω）                  （１）
なる関係を満足するように構成する。但し、ｍ＝０、１、２、３、……、であり、β２ωは位相調整部における高調波光の伝搬定数、βωは位相調整部における基本波光の伝搬定数である。
【０３８３】
各分極反転構造における位相整合条件を等しくするため、分極反転周期を等しく設定する。更に、位相調整部の距離ｔの設計には、結晶を組み合わせた構造と同じく、式（２）で表される関係を満たすような設計の適用が可能である。
【０３８４】
擬似位相整合では、分極反転構造及び位相調整部が、分極反転周期構造を変えるだけで容易に実現できる。すなわち、フォトリソグラフィ法によるパターニング技術を利用して周期状分極反転構造が製造できて、分極反転周期構造の間に位相調整部を有する構造を、容易に作製できる。更に、位相調整部の距離についても、精確に制御が可能である等の利点を有する。加えて、位相調整部における伝搬損失がほとんど発生しないため、高効率の光波長変換素子の作製が容易である。結晶を組み合わせて光波長変換素子を構成する場合、位相整合特性の異なる材料を位相調整部として結晶間に設ける必要があるため、位相調整部の厚みを精密に制御する必要があり、結晶接合間での損失が生じる。ところが、擬似位相整合の場合、位相調整部も分極反転部も同じ結晶からなるため、接合による損失や屈折率の違いからくるフレネル反射が全くない。
【０３８５】
次に、分極反転周期が各領域間で異なる場合に、チューニングカーブに与える影響について解析した。
【０３８６】
第１の分極反転領域と第２の分極反転領域の間で分極反転周期がわずかに異なる場合を仮定し、計算を行った結果、０．０２％以上の分極反転周期の差がある場合は、チューニングカーブの対称性は大きく崩れ、ピーク近傍での平坦性が得られない事が分かった。ピークが平坦なチューニングカーブを実現するには、分極反転周期の差を０．０２％以下に抑える必要がある。
【０３８７】
以上のように本実施形態では、等しい分極反転周期構造を有する複数の分極反転領域の間に位相調整部を設けることで、従来の光波長変換素子と異なり、基本波の波長変動に対する高調波の出力変動が極端に小さく、かつ広い波長許容度を有する特性が実現できた。更に、実際の分極反転領域の長さの関係、及び位相調整部の距離等の最適設計の値についても、明らかになった。
【０３８８】
（第１２の実施形態）
ここでは、光波長変換素子内部における欠陥、或いは位相整合を利用したチューニング等に対して、安定な位相整合波長特性を有する光波長変換素子の構造を、説明する。
【０３８９】
具体的には、本願発明者は、光波長変換素子内部における基本波と高調波の伝搬損失が光波長変換素子の特性に大きな影響を与えることを発見し、基本波と高調波の伝搬損失が適当な関係を有するときに、この影響を飛躍的に低減できることを見出した。
【０３９０】
まず最初に、伝搬損失がある場合の光波長変換素子の位相整合特性について、検討した。
【０３９１】
これまでに示した検討では、光波長変換素子における基本波及び高調波の伝搬損失がほとんど無視できる程小さい場合を想定しているが、実際の光波長変換素子の構成、特に光導波路を利用する構成では、比較的に大きな伝搬損失が存在する。そこで、伝搬損失が存在する場合における光波長変換素子のチューニングカーブについて検討を行った。
【０３９２】
図４２（ａ）には、基本波の伝搬損失のみが存在する場合の計算結果、図４２（ｂ）には、高調波の伝搬損失のみが存在する場合の計算結果を、それぞれ示す。これより、基本波の伝搬損失に対しては右肩下がりのチューニングカーブになり、高調波の伝搬損失に対しては右肩上がりのチューニングカーブになる。
【０３９３】
更に、基本波の伝搬損失が多いと、出射部の近傍における位相調整部の影響が小さくなってくる。これは、伝搬するに従って基本波が減衰し、出射部近傍において発生する高調波の強度が小さくなるためである。例えば、２分割構造では、一方の結晶の長さが素子全長の約１７％である場合が適切であり、位相調整部は、出射部或いは入射部の何れかの近傍に形成される。例えば、基本波の伝搬損失が多い場合には、位相調整部を入射部の近傍に形成することが、伝搬損失の影響をうけ難いために、望ましい。
【０３９４】
本願発明者らは、図４２（ａ）及び（ｂ）に示すように、基本波の伝搬損失ｂ１によるチューニングカーブの非対称性の発生と、高調波の伝搬損失ｂ２によるチューニングカーブの非対称性の発生とが、逆の効果を示すことに着目した。すなわち、伝搬損失を基本は及び高調波の間で最適化すれば、チューニングカーブの対称性を補正できると考えた。そこで、基本波及び高調波の伝搬損失とチューニングカーブとの関係を様々に検討した結果を、図４３に示す。これより、基本波及び高調波の伝搬損失ｂ１及びｂ２がｂ２＝２×ｂ１なる関係を満足するときに、基本波及び高調波の伝搬損失に関係なく、基本波の波長に対して対称な形状を有するチューニングカーブが実現できることを見いだした。このように、基本波及び高調波の伝搬損失の関係を最適化することで、伝搬損失に起因して発生するチューニングカーブの非対称性を、ほとんど無視し得る程度まで小さくすることができる。
【０３９５】
実際には、高調波の伝搬損失ｂ２が６ｄＢ／ｃｍ以下と小さい場合には、ｂ２＝０．５×ｂ１〜１．５×ｂ１の範囲で、ほぼ対称なチューニングカーブが得られることが確認され、この範囲の伝搬損失を有する光波長変換素子を製作することが好ましいことが分かった。
【０３９６】
更に、上述したｂ２＝２×ｂ１なる関係は、光波長変換素子における位相整合波長許容度の拡大を目的としてピークフラットなチューニングカーブを得るために見いだした条件であるが、位相整合条件を満足する光波長変換素子においては、非常に重要な意味がある。
【０３９７】
光波長変換素子の位相整合特性は、伝搬損失によって大きな影響を受け、変換効率の低下の他に、チューニングカーブの非対称性の発生など、素子設計が複雑化する。例えば、上記の位相整合波長許容度の拡大においても、設けるべき位相調整部の位置や大きさが、伝搬損失の影響を受ける。その他に、光波長変換素子において、光の伝搬方向に機能素子を集積化する場合、例えば、電極を集積化して光の強度を変調する場合やグレーティング素子を集積化して高調波或いは基本波の一部の回折を利用する場合には、得られる集積化素子の特性は、基本波及び高調波の伝搬損失の影響を受ける。これは、光波長変換素子のどの位置に他の素子を集積化するかによって、伝搬損失による基本波及び高調波の光強度の関係が異なるからである。
【０３９８】
また、結晶欠陥や屈折率の不均一性が存在して伝搬定数が部分的に異なる部分が存在する場合や、疑似位相整合型の素子において分極反転周期の欠陥や乱れが存在する場合には、チューニングカーブが理論的な形状を外れるが、この場合に見、基本波を入射部側から入れる場合と出射部側から入れる場合とで、位相整合特性が大きく異なる。この非可逆的な特性により、逆伝搬時の素子特性は、性伝搬時の素子特性から大きく異なる。例えば、共振構造内に光波長変換素子を挿入して高効率の波長変換を行う共振器型の光波長変換素子や反射型の光波長変換素子では、正方向と逆方向とでチューニングカーブ特性が異なるために、変換効率の低下の大きな原因となっていた。
【０３９９】
これに対して、本発明に従って、光波長変換素子の基本波及び高調波の伝搬損失ｂ１及びｂ２が、前述のｂ２＝ｂ１×２なる関係を満たせば、光波長変換素子に機能素子を集積化する際に伝搬損失の影響を無視することが可能になり、素子設計が非常に容易になる。これは、基本波の伝搬損失が光波長変換特性に与える入射光伝搬方向に沿った変化と、高調波の伝搬損失による変化とが、お互いに相殺するためである。これによって、光波長変換素子は、入射光の伝搬方向に対して可逆的な特性を有して、逆方向の伝搬光を利用する場合でも、欠陥や不均一性の影響をほとんど受けない光波長変換素子が実現される。
【０４００】
以上の説明では、波長λの基本波を波長λ／２の第２高調波に波長変換する構成において、伝搬損失の最適関係を説明したが、同様に、３つの波長λ１、λ２、及びλ３の光が関与するパラメトリック変換、和周波発生や差周波発生においても、光の伝搬損失に最適な関係が存在する。具体的には、各波長λ１、λ２、及びλ３の伝搬損失がお互いに等しい場合に、伝搬損失による素子特性の伝搬距離依存性が無視できる。従って、３波長間の波長変換時には、各波長における伝搬損失を等しくすることが好ましい。但し、各伝搬損失が６ｄＢ／ｃｍ以下と比較的小さい場合には、各伝搬損失の間の差が２０％以内であれば、良好な特性が得られる。
【０４０１】
（第１３の実施形態）
ここでは、半導体レーザと光波長変換素子からなるコヒーレント光発生装置（コヒーレント光源とも称する）において、常に安定な出力特性の実現が可能な構造について述べる。
【０４０２】
具体的には、本実施形態では、半導体レーザと光波長変換素子によりコヒーレント光源を構成する場合に、光波長変換素子から出射する高調波出力を安定化させるために、最低不可欠な光波長変換素子の波長許容度及びチューニングカーブ特性を明らかにしている。
【０４０３】
図４４に、本実施形態によるコヒーレント光源の構造を示す。この構成は、光波長変換素子６２１と半導体レーザ６２２とから構成されて、光波長変換素子６２１は、入射部６２３と出射部６２４を有する。半導体レーザ６２２は、出射波長を可変できる機能を有しており、光波長変換素子６２１の位相整合条件を満足する波長に出射波長を合わせることで、出力の安定化を図っている。
【０４０４】
この様な構成において、光波長変換素子６２１から出射される高調波の出力安定化のために必要な特性について、検討した。
【０４０５】
半導体レーザの発振波長は、グレーティングフィードバックや波長フィルターを利用した光フィードバックにより、可変できる。また、半導体レーザにおける光導波路の一部にＤＢＲグレーティングを集積化し、ＤＢＲグレーティングの反射波長を温度やプラズマ効果を利用して可変することによっても、半導体レーザの発振波長を可変することが可能である。しかし、半導体レーザは、半導体レーザの共振器構造に起因する縦モード間隔でしか発振しないため、その発振波長は、飛び飛びの発振波長でのみ可変となる。例えば、０．１ｎｍ程度の間隔で、発振波長を制御できる。
【０４０６】
一方、光波長変換素子は、通常、波長許容度の非常に狭い特性を有する。例えば、素子長１０ｍｍのＬｉＮｂＯ3で作製した導波路型光波長変換素子などでは、０．１ｎｍ以下の半値全幅を有する。このときの光波長変換素子の位相整合特性と、半導体レーザの発振波長との関係を、図４５（ａ）及び（ｂ）に模式的に示す。図４５（ａ）及び（ｂ）において、６２５は半導体レーザの発振モード（縦モード）であり、６２６が光波長変換素子のチューニングカーブである。
【０４０７】
図４５（ａ）においては、チューニングカーブ６２６のピークと半導体レーザの発振モード６２５が重なっている。この場合、半導体レーザの縦モード６２５をチューニングカーブ６２６のピークの位置に調整することで、最大の高調波出力が得られる。ところが、図４５（ｂ）に示すように、チューニングカーブ６２６のピークが半導体レーザの縦モード６２５の中央近傍に位置する場合、半導体レーザの発振波長を調整しても、高調波の出力を最大にすることができなくなる。従って、このようなコヒーレント光源においては、半導体レーザの波長を調整しても、安定な高調波出力が得られない。
【０４０８】
これを解決するには、光波長変換素子のチューニングカーブの平坦部分が、少なくとも半導体レーザの縦モード６２５の間隔より広いことが要求される。チューニングカーブの平坦部分が半導体レーザの縦モード６２５の間隔より広い場合、すなわち、図４６（ａ）及び（ｂ）に示すチューニングカーブ６３６の場合には、チューニングカーブ６３６のピークと半導体レーザの縦モード６２５との位置関係に関わらず、高調波の最大出力が得られる。これによって、半導体レーザの波長を可変することで、出力の安定化を図ることができる。
【０４０９】
次に、半導体レーザからの出力を変調し、コヒーレント光源から出射する高調波出力を変調することを試みた。その結果、半導体レーザの発振波長のチャーピングの問題が明らかになった。半導体レーザのチャーピングとは、半導体レーザの出力を変調すると、出力強度に比例して半導体レーザの活性層の温度が変化し、これによって、半導体レーザの発振波長が変動する現象である。
【０４１０】
例えば、図４７（ａ）に示すように、半導体レーザの出力を一定の状態Ａから特定の周波数で変調する状態Ｂにすると、状態Ａと状態Ｂでは、平均の光強度が異なる。これによって、状態Ａ及びＢで、半導体レーザ活性層の温度が異なり、発振波長は、状態Ａから状態Ｂに変わった瞬間に、数１０μｓオーダで変化する。このときのコヒーレント光源からの高調波出力をモニターすると、図４７（ｂ）に示すように、出力が徐々に変化する。
【０４１１】
これに対して、先に図４６（ｂ）に示したように半導体レーザの縦モード間隔より広い波長許容度を有する光波長変換素子を用いて半導体レーザの変調特性を測定したところ、図４７（ｃ）に示すように、安定な変調特性が得られた。この特性を更に分析すると、半導体レーザの発振波長のチャーピング波長は、最大で、半導体レーザの縦モード間隔だけ変化することを見出した。すなわち、光フィードバックで半導体レーザの発振波長を安定化させても、半導体レーザの活性層の温度が変化することで、発振モードの波長が変動する。このために、発振波長が、最大で縦モード間隔だけ変動する。これを安定化させるためには、光波長変換素子のチューニングカーブがピーク近傍で平坦部を有し、かつ平坦部が半導体レーザの縦モード間隔より大きいことが重要であることが分かった。
【０４１２】
ここで注意しなければならないのは、光波長変換素子における波長許容度と変換効率とが、トレードオフの関係にあることである。すなわち、波長許容度を増大させるに従って、光波長変換素子の変換効率は低下する。従って、光波長変換素子の波長許容度の拡大は、必要最小限にとどめる必要がある。
【０４１３】
以上の結果、半導体レーザの波長を制御してコヒーレント光源を安定化させるには、光波長変換素子のチューニングカーブがピーク近傍で平坦であり、かつ平坦な部分が半導体レーザの縦モード間隔より大きい必要がある。チューニングカーブの平坦性は、コヒーレント光源に要求される出力変動の範囲に依存する。通常のレーザ光源では５％程度の出力変動が許されるが、このような場合には、半導体レーザの縦モード間隔に相当する波長範囲におけるチューニングカーブの平坦度は、５％以下であればよい。一方、更に厳しい特性が要求される用途においては、より平坦なチューニングカーブが要求される。
【０４１４】
上記の検討結果に基づいて、先の実施形態に示した光波長変換素子と半導体レーザによりコヒーレント光源を構成し、出力の安定化実験を行った。しかし、半導体レーザの波長調整することで光波長変換素子の位相整合波長に一致させ、高調波出力の安定化を図ったところ、出力が大きく変動し、設計通りの安定化が得られない場合があることが明らかになった。そこで、高調波出力変動の要因について更に検討を行うため、図４８に示すように、基本波の波長を連続的に変化させて、高調波出力の変化を観測した。
【０４１５】
その結果、光波長変換素子の許容度の範囲で、高調波出力が細かく変動していることが明らかになった。この原因を検討したところ、基本波及び高調波が光波長変換素子の入射部端面及び出射部端面でフレネル反射し、この光が互いに干渉することで、高調波出力を不安定にしていることが明らかになった。すなわち、入射部及び出射部における端面反射光が互いに干渉し、かつ波長の変化により光波長変換素子の光路長が変化することで、端面反射光の干渉度合いが変化して、出力を不安定にしている。更に、基本波出力を変調して高調波の出力を変調する場合にも、同様の出力変動が観測された。
【０４１６】
このように、半導体レーザを変調すると、半導体レーザの波長が変化するため、波長許容度を拡大した光波長変換素子を用いても出力の安定化が難しく、高調波の雑音レベルを大幅に増大させる。この問題を解決するためには、端面反射による干渉を防止する方法として、入射部または出射部の少なくとも何れか一方に、高調波及び基本波に対する反射防止膜を形成する。端面に反射防止膜を堆積することでフレネル反射を防止し、端面反射による干渉効果を低減できる。その結果、非常に安定な出力特性を有するコヒーレント光源を実現できる。
【０４１７】
更に、基本波に対する反射防止膜は、入射部及び出射部ともに形成するのが望ましい。半導体レーザでは、外部に出射した光が再び活性層内に戻ることで、雑音の増大や出力の変動などの問題が発生する。これを防止するために、基本波に対する反射防止膜は、出射部及び入射部の両方に形成することが望ましい。一方、高調波に対する反射防止膜は、入射部または出射部のどちらか一方でよいが、出射部に形成するのが望ましい。これは、出射部に高調波の反射防止膜を形成することで、端面のフレネル反射による損失を防止し、より高出力の高調波を得ることができるためである。
【０４１８】
従って、望ましい構成としては、出射部には、基本波及び高調波ともに反射防止効果を有する反射防止膜を形成し、入射部には、基本波に対する反射防止膜を形成する。
【０４１９】
入射部及び出射部における端面反射の干渉効果により高調波出力が不安定になる問題を解決する他の方法として、半導体レーザの駆動電流に高周波を重畳する方法がある。
【０４２０】
端面反射光が干渉を起こす原因として、光のコヒーレンスが高いために、互いに光が干渉しあうことがある。そこで、この点を克服するために、コヒーレンスを低下させて、干渉度を低減させることが考えられる。これは、半導体レーザの駆動電流を高い周波数で変調することでコヒーレンスを低下させる方法であって、数１００ＭＨｚ以上の高い周波数で変調を加える。このとき、半導体レーザの発振波長がシングルモードからマルチモードになって広がるが、このようなマルチモード化は、ＤＢＲグレーティング等を用いて強い光フィードバックを活性層内に帰還することで、防止できる。
【０４２１】
このように、半導体レーザに高周波を重畳することで、端面干渉を低減して、高調波出力の安定性を確保することができる。
【０４２２】
更に、高周波重畳には、光波長変換素子の効率を大幅に増大させるという特徴がある。光波長変換素子の効率は、基本波のパワーに比例して増大する。半導体レーザを高周波重畳で駆動すると、尖塔値の高いパルス列発振となり、各ピークの値が数倍から１０倍以上に増加する。このため、高強度のパルス光の波長変換となり、変換効率が大幅に増大する。実験では、２〜３倍以上の変換効率向上が観測された。この点からも、高周波重畳した半導体レーザを用いることは、有効である。
【０４２３】
更に、高周波重畳によって半導体レーザの発振波長の幅がわずかに広がる場合にも、波長許容度を拡大した光波長変換素子においては、半導体レーザの発振波長より広い波長許容度を実現することができるため、全ての光を効率よく波長変換することが可能となり、高効率で光波長変換が行える。
【０４２４】
（第１４の実施形態）
ここでは、半導体レーザと光波長変換素子とから構成されるコヒーレント光源において、半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の位相整合波長との間のずれを検出するための構成を説明する。具体的には、光波長変換素子からの高調波出力の散乱光を検出して、光波長変換素子の位相整合状態を検出する。
【０４２５】
波長可変型半導体レーザと光波長変換素子とを用いてコヒーレント光源を構成し、安定した出力を得るためには、半導体レーザの発振波長が、光波長変換素子の位相整合波長に一致している必要がある。更に、出力の安定化のためには、半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の位相整合波長との間のずれを常にモニタして、検出結果を半導体レーザの発振波長にフィードバックし、ずれを低減する必要がある。更に、両者のずれが大きくなって高調波出力がほとんど０になった場合には、位相整合波長を探して、半導体レーザの発振波長を再び位相整合波長に固定する必要がある。本実施形態では、上記のような半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の位相整合波長との間のずれを検出する構成を、説明する。
【０４２６】
図４９には、本発明によるコヒーレント光源の構成を示す。波長可変半導体レーザ６３１の光（基本波）６０６は光波長変換素子６３２に入射して、高調波６３３に変換される。高調波６３３の出力の強度は、出射部近傍に配置された光検出器６３４で検出され、一方、光波長変換素子６３２からの高調波の散乱光は、フィルタ６３５を介して光検出器６３９で検出される。
【０４２７】
光波長変換素子の内部における光伝搬距離と高調波強度との関係を図５０を、参照して説明する。図５０の曲線ａは、半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の位相整合波長とが一致している場合、曲線ｂは、両者がわずかにずれた場合、曲線ｃは、両者が大きくずれた場合の特性である。図４９の構成では、光検出器６３４及び６３９のそれぞれにおける検出レベルの差分から、光波長変換素子の位相整合状態を知ることできる。更に、光波長変換素子６３２からの高調波の散乱光を検出する光検出器６３９を複数設ければ、位相整合状態を更に正確に精確に測定できる。位相整合状態を測定して、その結果を半導体レーザの発振波長にフィードバックすることで、図５０に曲線ａにて示される最適な位相整合状態を常に実現して、コヒーレント光源の出力の安定化を実現することができる。
【０４２８】
次に、先の実施形態で説明した位相調整部を有する光波長変換素子の用いたコヒーレント光源において、出力安定化を達成できる構成について、図５１を参照して説明する。図５１の構成では、半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の位相整合波長との間のずれの大きさと方向とを、同時に検出することができる。
【０４２９】
この構成では、波長可変半導体レーザ６３１の光（基本波）６０６は光波長変換素子６３２に入射して、高調波６３３に変換される。高調波６３３の出力の強度は、出射部近傍に配置された光検出器６３４で検出され、一方、光波長変換素子６３２からの高調波の散乱光は、フィルタ６３５を介して光検出器６３９で検出される。
【０４３０】
図５１の構成が、図４９の構成から異なっている点は、光波長変換素子６３２が位相調整部６３７を有し、散乱光を検出するための光検出器６３９が位相調整部６３７の近傍に配置されている点である。
【０４３１】
図４９の構成では、図５０に曲線ｂで示されるように、半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の位相整合波長とが最適状態（曲線ａ）からわずかにずれたときに、最適状態（曲線ａ）に戻すために、半導体レーザの発振波長を長波長側に調整すればよいのか或いは短波長側に調整すればよいのかが、決定できない。このため、ずれが発生したときに瞬時に調整することができないので、半導体レーザの発振波長を長波長側及び短波長側の両方に変化させて、得られる高調波出力が大きくなる方を選択して調整していく必要があり、調整に時間を有するという問題点がある。
【０４３２】
これに対して、図５１の構成に含まれる光波長変換素子の位相整合特性（チューニングカーブ）を図５２（ａ）に、また、図５２（ａ）にＡ〜Ｅとして示した各波長における光伝搬距離と高調波強度との関係を、図５２（ｂ）に示す。これより、チューニングカーブのピークフラット部分においても、図５２（ｂ）の特性が大きく異なっている。そこで、例えば出射端近傍での高調波強度Ｐ２１と、それより手前に位置する位相調整部近傍での高調波強度Ｐ２２とを測定し、両者を比較すれば、位相整合波長ではＰ２１＝Ｐ２２となり、Ｐ２１＞Ｐ２２であれば基本波波長＞高調波波長であり、Ｐ２１＜Ｐ２２であれば基本波波長＜高調波波長である。これより、位相調整部に光検出器を接地することによって、半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の位相整合波長との間のずれの大きさと、その方向（どちらが大きくなっているか）とを、同時に且つ精確に検出することができる。従って、この結果を半導体レーザにフィードバックして、その発振波長（出射光の波長）を制御すれば、常に最適な位相整合状態を保つことができる。
【０４３３】
なお、上記の説明における出射部近傍での光検出器６３４での高調波の検出は、光波長変換素子から出射される高調波を直接に測定しても、或いはその散乱光を検出しても、どちらでも良い。
【０４３４】
また、上記の説明では、高調波成分に関する測定（散乱光の検出）を行っているが、これに代えて基本波成分に関する測定を行っても、位相整合状態を同様に観察することができる。基本波成分による測定時には、上記の高調波成分に関する場合とは逆の傾向が見られ、高調波出力が増大する部分では基本波は減衰し、高調波出力が減衰する部分では基本波は増大する。基本波は高調波に比べて出力レベルが大きいので、観測が容易である。
【０４３５】
なお、上記の説明では、バルク型光学結晶を使用して光波長変換素子を構成しているが、周期状分極反転構造が形成されている光波長変換素子を用いても、同様の特性が得られる。
【０４３６】
（第１５の実施形態）
ここでは、光波長変換素子を用いたコヒーレント光発生装置について述べる。
【０４３７】
前述した実施形態による光波長変換素子の構成により、高効率で安定な光波長変換素子の実現が可能となる。そこで、本光波長変換素子を用いたコヒーレント光発生装置として、短波長光源の作製を試みた。この短波長光源は、波長８５０ｎｍ帯の半導体レーザと、集光光学系と、光波長変換素子より構成され、半導体レーザから出射された光を、集光光学系により光波長変換素子の導波路端面に集光し、導波モードを励起する。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。
【０４３８】
本発明によって変換効率が高い光波長変換素子が実現したため、上記のような構成を有する本実施形態の短波長光源（コヒーレント光発生装置）では、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、用いた波長変換素子は波長許容度が拡大されており、かつフラットなチューニング特性を有するため、波長変動に対して安定な出力特性が得られる。この結果、出力変動を５％以下に抑えることができる。
【０４３９】
４００ｎｍ帯の波長は、印刷製版、バイオエンジニアリング、蛍光分光特性などの特殊計測分野や、光ディスク分野など、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、出力特性及び動作安定性の両面から、これらの応用分野での実用化が可能である。
【０４４０】
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。具体的には、ＴＥモード伝搬の光導波路を用いると、光導波路内の電界分布を、半導体レーザの導波モードと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、有望である。
【０４４１】
更に、パラメトリック発振を利用しても、波長可変レーザの可変波長領域の拡大が可能である。
【０４４２】
周期状の分極反転構造を有する光波長変換素子とレーザ光源を用いれば、パラメトリック発振が可能である。パラメトリック発振によれば、波長λ３の基本波を入力すると、１／λ３＝１／λ１＋１／λ２の関係を満足する波長λ２のシグナル光及び波長λ１のアイドラー光を発生することが可能である。これより、波長λ３の基本波を用いて、上記の条件を満足する波長を有する光を、波長可変しながら出力することができて、波長可変なレーザ光源が実現できる。
【０４４３】
このようなパラメトリック発振を可能にする構成において、本発明の光波長変換素子を用いれば、広い波長許容度を有する光波長変換素子が実現できるため、安定な出力を得ることができる。
【０４４４】
更に、従来のパラメトリック発振で問題となっていた波長可変範囲の拡大を、実現できる。
【０４４５】
周期Λの分極反転構造を用いてパラメトリック発振を行った場合、Λ＝２ｍπ／（β３−β１−β２）の関係を満足する波長λ１の光と波長λ２の光が発生可能である。しかし、従来技術では、Λの条件を満足する波長許容度が狭いため、同一の周期構造内で発生条件を満足する波長の条件が狭く、波長可変の範囲が極端に狭いという問題があった。これに対して、本発明の光波長変換素子を用いると、位相整合波長許容度の拡大が、ピークフラットなチューニングカーブで実現する。これによって基本波の波長変動に対する許容度が拡大されるが、パラメトリック発振の場合は、シグナル光及びアイドラー光に対する波長許容をも、拡大することが可能となる。従って、従来の光波長変換素子では難しかった出力波長の可変波長範囲を、大幅に拡大できる。
【０４４６】
更に、ピークフラットなチューニングカーブを有しているため、出力強度をほぼ一定に保ったままで、発振波長を可変できる。
【０４４７】
（第１６の実施形態）
ここでは、本発明によって構成される光情報処理装置について、説明を行う。
【０４４８】
図５３に、本発明の光情報処理装置の構成を示す。図５３において、先の実施形態に示した特徴を有するコヒーレント光発生装置６４０から出た出力１０ｍＷのビームは、ビームスプリッタ６４１を透過し、レンズ６４２により、情報再生媒体である光ディスク６４３に照射される。光ディスク６４３からの反射光は、逆にレンズ６４２によりコリメートされ、ビームスプリッタ６４１で反射されて、光検出器６４４で信号が読みとられる。更に、コヒーレント光発生装置６４０の出力を強度変調することで、光ディスク６４３に情報を書き込むことができる。
【０４４９】
本発明によれば、コヒーレント光発生装置６４０を構成する光波長変換素子の許容度が拡大されているので、出力の安定化が図れて、外部の温度変化に対しても５％以下の出力変動に抑えることができる。
【０４５０】
更に、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、上記のように、光ディスク６４３へ情報を書き込むことも可能となる。また、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。
【０４５１】
光ディスク６４３への書き込みには出力を変調する必要があるが、本発明の光情報処理装置では、半導体レーザの出力強度を変調することで、コヒーレント光発生装置６４０からの出力変調を行っている。半導体レーザの波長を変調すると発振波長が変動するが、前述のように、光波長変換素子がフラットピークな位相整合特性を有するために、半導体レーザの変調による高調波出力の不安定性は発生しない。その結果、安定な変調出力特性が得られて、低ノイズの特性が実現される。
【０４５２】
更に、光波長変換素子の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、光導波路上に光導波路幅より狭い高屈折率層を有する導波路構造を設けることで、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。これによって、ビーム成形プリズムなどを用いずに光ピックアップの集光特性を向上させることが可能になって、高い伝達効率、優れた集光特性、低価格化が実現できる。更に、ビーム成形時に発生する散乱光のノイズが低減できて、ピックアップの簡素化が実現される。
【０４５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光波長変換素子と波長可変型半導体レーザとを組み合わせて構成される短波長光源において、光波長変換素子は波長可変型半導体レーザの出力光を基本波光として受け取り、基本波光の波長に対する波長変換によって得られる高調波光を出力し、且つ、光波長変換素子の高調波光の出力特性は、最大出力の近傍で平坦部を有しており、波長可変型半導体レーザの発振波長が光波長変換素子の該出力特性の平坦部に固定されるように、波長可変型半導体レーザの発振波長を可変するための注入電流を制御する。これによって、得られる高調波光出力を一定に保持することができる。
【０４５４】
また、波長可変半導体レーザの発振波長が上記特性の平坦部に固定されているので、高調波光出力が一定になるように波長可変型半導体レーザの駆動電流を制御する定出力駆動（ＡＰＣ駆動）が可能となる。
【０４５５】
更に、光導波路に結合する基本波光出力を一定になるように制御し、且つ波長可変型半導体レーザの発振波長が上記特性の平坦部に固定されるように波長可変するための注入電流を制御することにより、環境温度の変化に伴う温度変化を補償するための温度制御が実施されない場合でも安定な高調波光出力が得られる短波長光源が実現される。これによって、様々な分野への適用が可能になり、大きな実用的効果が得られる。
【０４５６】
また、本発明によれば、複数の非線形光学結晶と各結晶間に設けた位相調整部とからなる光波長変換素子において、位相調整部における基本波と高調波との間の位相差を変調することで、変換効率の低下を抑えて、広い波長範囲において位相整合波長を可変することが可能となる。これによって、光波長変換素子の出力安定化を図ることができるため、その実用効果は大きい。
【０４５７】
また、本発明によれば、複数の非線形光学結晶と各結晶間に設けた位相調整部とからなる光波長変換素子において、各非線形光学結晶の位相整合条件をお互いに等しくすることで、光波長変換素子の位相整合波長許容度を大幅に拡大し、且つピークフラットな位相整合特性（チューニングカーブ）を実現できる。これによって、光波長変換素子の出力安定化を図ることができるため、その実用効果は大きい。
【０４５８】
光波長変換素子が周期状分極反転構造を有する場合には、周期状分極反転構造をお互いに等しい周期を有する複数の領域に分割し、その分割された領域の間に位相調整部を挿入することで、光波長変換素子の位相整合波長許容度を大幅に拡大し、且つピークフラットな位相整合特性（チューニングカーブ）を実現できる。これによって、光波長変換素子の出力安定化を図ることができるため、その実用効果は大きい。
【０４５９】
また、本願発明では、光波長変換素子における基本波の伝搬損失と高調波の伝搬損失との関係を最適化することで、伝搬損失によって発生していた伝搬長に対する光波長変換素子の位相整合特性（チューニングカーブ）の変動を、大幅に低減できることを見いだした。これによって、光波長変換素子の設計が容易になるとともに、光波長変換素子に集積化される機能素子の特性に対する伝搬損失の影響を、大きく低減させる。更に、光波長変換素子の入出力特性における伝搬方向可逆性が実現されるので、可逆特性を利用した共振器型光波長変換素子や反射型光波長変換素子における効率を、大きく改善することができる。
【０４６０】
更に、光波長変換素子と半導体レーザとにより構成するコヒーレント光発生装置（コヒーレント光源）における出力安定化が、実現される。光波長変換素子の位相整合波長を可変して、半導体レーザの発振波長に合わせることが可能となるので、高出力のコヒーレント光源が得られて、その実用効果は大きい。
【０４６１】
或いは、光波長変換素子の位相整合波長許容度を半導体レーザの縦モード間隔よりも広く設定し、且つ位相整合波長許容度内でチューニングカーブがピークフラットな形状を有するように構成することで、半導体レーザの発振波長を光波長変換素子の位相整合波長許容度内に常に安定して設定することが可能になる。この結果、コヒーレント光の出力変動が抑制されて、安定して出力特性を有するコヒーレント光源が提供される。
【０４６２】
また、本発明によれば、光波長変換素子と半導体レーザとにより構成するコヒーレント光発生装置（コヒーレント光源）において、光波長変換素子による高調波の散乱光を検出して、これに基づいて、半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の位相整合波長との間のずれを検出することができる。この検出されたずれを半導体レーザにフィードバックして、半導体レーザの発振波長を光波長変換素子の位相整合波長に一致させることで、コヒーレント光源の出力を常に安定させることが可能になる。
【０４６３】
更に、本発明に従って構成される位相調整部を有する光波長変換素子を用いれば、半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の位相整合波長との間のずれの大きさ及び方向を、同時に検出できる。従って、フィードバックによる波長安定化が更に容易になって、短時間での波長安定化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における光波長変換素子の構成を模式的に示す図である。
【図２】（ａ）は、位相調整部を有さない従来の光波長変換素子における高調波光出力特性のシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）は、図１に示す本発明の光波長変換素子における高調波光出力特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】（ａ）は、２分割構造を有する本発明の分極反転型光波長変換素子の構成を模式的に示す図であり、（ｂ）は、３分割構造を有する本発明の分極反転型光波長変換素子の構成を模式的に示す図である。
【図４】（ａ）は、２分割構造を有する本発明の分極反転型光波長変換素子における高調波光出力特性のある測定結果を示す図であり、（ｂ）は、３分割構造を有する本発明の分極反転型光波長変換素子における高調波光出力特性のある測定結果を図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における短波長光源の構成を模式的に示す図である。
【図６】波長可変型ＤＢＲ半導体レーザのＤＢＲ部への注入電流と発振波長との関係を示す図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長と従来の光波長変換素子の高調波光出力特性との関係を示す図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長と本発明の光波長変換素子の高調波光出力特性との関係を示す図である。
【図９】制御回路が付加された本発明の短波長光源の構成を説明するためのブロック図である。
【図１０】図９の構成に対して高調波光出力の安定化のために実施される制御方法を説明するフローチャート図である。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）は、波長可変型ＤＢＲ半導体レーザのＤＢＲ部への注入電流に対する高調波光出力特性を示す図である。
【図１２Ａ】本発明の第３の実施形態における短波長光源の構成を模式的に示す図である。
【図１２Ｂ】本発明の第４の実施形態における短波長光源の構成を模式的に示す図である。
【図１３】図１２Ａの構成に対して高調波光出力の安定化のために実施される制御方法を説明するフローチャート図である。
【図１４】図１２Ｂの構成に対して高調波光出力の安定化のために実施される制御方法を説明するフローチャート図である。
【図１５】従来のある短波長光源の構成を模式的に示す図である。
【図１６】（ａ）及び（ｂ）は、従来技術における波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の高調波光出力特性との関係を示す図である。
【図１７】波長可変型ＤＢＲ半導体レーザの発振波長及び光波長変換素子の位相整合波長の温度依存性を表す図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態において、図１２Ｂの構成に対して高調波光出力の安定化のために実施される制御方法を説明するフローチャート図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態の短波長光源を利用して構成された、相変化型光ディスクを用いた情報記録再生システムの構成を模式的に示す図である。
【図２０】本発明の第５の実施形態の短波長光源を利用して構成された、フォトプリンタシステムの構成を模式的に示す図である。
【図２１】（ａ）は、本発明の第６の実施形態における光波長変換素子の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の光波長変換素子における位相整合特性を表す図である。
【図２２】図２１（ａ）の光波長変換素子における位相整合特性の変化を示す図である。
【図２３】本発明の第６の実施形態における光波長変換素子の構成を示す斜視図である。
【図２４】本発明の第６の実施形態の光波長変換素子における、位相調整部の数の変化に伴う位相整合特性の変化を示す図である。
【図２５】位相シフト構造の光波長変換素子における位相整合特性を表す図である。
【図２６】（ａ）は、位相シフト構造の光波長変換素子における不均一な位相整合特性として、ピークフラット部が傾いている場合を表す図であり、（ｂ）は、位相シフト構造の光波長変換素子における不均一な位相整合特性として、ピークフラット部に２つのピークが存在している場合を表す図である。
【図２７】本発明の第８の実施形態における光波長変換素子の構成を示す斜視図である。
【図２８】（ａ）は、図２７の構成でヒータに温度を加えない場合の位相整合特性を表す図であり、（ｂ）は、図２７の構成でヒータの温度を調節する場合の位相整合特性を表す図である。
【図２９】本発明の第８の実施形態における他の光波長変換素子の構成を示す斜視図である。
【図３０】本発明のコヒーレント光発生装置の構造を示す図である。
【図３１】（ａ）は、光波長変換素子のチューニングカーブの最大値と半導体レーザの発振波長とが一致している場合の、半導体レーザの発振波長と位相整合特性の関係を表す図であり、（ｂ）は、発振波長がチューニングカーブの最大値近傍からずれた場合における、半導体レーザの発振波長と位相整合特性の関係を表す図である。
【図３２】本発明の光情報処理装置の構成図である。
【図３３】従来の光波長変換素子の構成図である。
【図３４】従来の光波長変換素子の構成図である。
【図３５】（ａ）は、従来の２分割構造光波長変換素子における位相整合特性を表す図であり、（ｂ）は、従来の３分割構造光波長変換素子における位相整合特性を表す図である。
【図３６】本発明による光波長変換素子の具体的な構造を示す図である。
【図３７】（ａ）は、位相調整部を有さない従来の光波長変換素子における高調波光出力特性のシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）は、位相整合条件が異なる結晶を組み合わせて構成した従来の光波長変換素子における高調波光出力特性のシミュレーション結果を示す図であり、（ｃ）は、図３６に示す本発明の光波長変換素子における高調波光出力特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３８】（ａ）は、２分割構造の光波長変換素子を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の素子で得られるチューニングカーブを描いた図である。
【図３９】（ａ）は、２分割構造の光波長変換素子における素子全長に対する一方の結晶の長さの割合とチューニングカーブのピーク近傍部分の凹部の大きさ及び波長許容度の関係を示し、（ｂ）は、２分割構造の光波長変換素子における素子全長に対する素子長の割合をパラメータとした幾つかのチューニングカーブを示す図である。
【図４０】（ａ）は、３分割構造の光波長変換素子における素子全長に対する一方の結晶の長さの割合とチューニングカーブのピーク近傍部分の凹部の大きさ及び波長許容度の関係を示し、（ｂ）は、３分割構造の光波長変換素子における素子全長に対する素子長の割合をパラメータとした幾つかのチューニングカーブを示す図である。
【図４１】疑似位相整合型の本発明の光波長変換素子の構成を示す図である。
【図４２】（ａ）は、基本波の伝搬損失のみが存在する場合の光波長変換素子のチューニングカーブの計算結果を示す図であり、（ｂ）は、高調波の伝搬損失のみが存在する場合の光波長変換素子のチューニングカーブの計算結果を示す図である。
【図４３】基本波及び高調波の伝搬損失とチューニングカーブとの関係を示す図である。
【図４４】本発明のコヒーレント光発生装置の構造図である。
【図４５】（ａ）は、光波長変換素子のチューニングカーブの最大値と半導体レーザの発振波長とが一致している場合の、半導体レーザの発振波長と位相整合特性の関係を表す図であり、（ｂ）は、発振波長がチューニングカーブの最大値近傍からずれた場合における、半導体レーザの発振波長と位相整合特性の関係を表す図である。
【図４６】（ａ）は、本発明のコヒーレント光発生装置において、光波長変換素子のチューニングカーブの最大値と半導体レーザの発振波長とが一致している場合の、半導体レーザの発振波長と位相整合特性の関係を表す図であり、（ｂ）は、本発明のコヒーレント光発生装置において、発振波長がチューニングカーブの最大値近傍からずれた場合における、半導体レーザの発振波長と位相整合特性の関係を表す図である。
【図４７】（ａ）は、コヒーレント光発生装置における基本波の変調出力を示す図であり、（ｂ）は、従来の光波長変換素子を用いたコヒーレント光発生装置の出力変動を示す図であり、（ｃ）は、本発明の光波長変換素子を用いたコヒーレント光発生装置の出力変動を示す図である。
【図４８】コヒーレント光発生装置の基本波波長を変化させた場合の出力特性を表す図である。
【図４９】本発明の第１４の実施形態におけるコヒーレント光源の構成を示す図である。
【図５０】光波長変換素子の内部における光伝搬距離と高調波強度との関係を示す図である。
【図５１】本発明の第１４の実施形態におけるコヒーレント光源の他の構成を示す図である。
【図５２】（ａ）は、図５１の構成に含まれる光波長変換素子の位相整合特性を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す複数の波長における光伝搬距離と高調波強度との関係を示す図である。
【図５３】本発明の光情報処理装置の構成図である。
【符号の説明】
１、２、３  非線形光学結晶
４、５  位相調整部
６  基本波光
７  高調波光
１００  光波長変換素子
８、９  分極反転領域
１０  位相調整部
１１、１２、１３  分極反転領域
１４、１５  位相調整部
１６、１７  光導波路
１１０、１２０  光波長変換素子
１８  光波長変換素子
１９  波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ
２０  電子冷却素子
２１  モジュール
２２  コリメートレンズ
２３  フォーカスレンズ
２０１  サーミスタ
１５０  短波長光源
２４  短波長光源
２５  光検出器
２６  制御回路
２７  波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ
２８  光波長変換素子
２９  モジュール
３０  コリメートレンズ
３１  フォーカスレンズ
３２  波長選択ミラー
３３  ビームスプリッタ
３４  光検出器
３５  光検出器
３６  制御回路
３７  サーミスタ
３００、４００  短波長光源
３８  波長可変型ＤＢＲ半導体レーザ
３９  コリメートレンズ
４０  フォーカシングレンズ
４１  光波長変換素子
４２  ＭｇドープＬｉＮｂＯ3基板
４３  プロトン交換光導波路
４４  周期的分極反転領域
４５  短波長光源
４６  レンズ
４７  偏光ビームスプリッタ
４８  光検出器
４９  対物レンズ
５０  光ディスク
５７  λ／４板
５１  赤色レーザ光源
５２  緑色コヒーレント光源
５３  短波長ブルー光源
５４  ポリゴンミラー
５５  Ｆθレンズ
５６  カラーペーパ
６２１  光波長変換素子
６２２  半導体レーザ
６２３  入射部
６２４  出射部
６２５  半導体レーザの発振モード（縦モード）
６２６  光波長変換素子のチューニングカーブ
６３６  本発明による光波長変換素子のチューニングカーブ
６０６  基本波
６３１  半導体レーザ
６３２  光波長変換素子
６３３  高調波
６３４  光検出器
６３５  フィルタ
６３９  光検出器
６４０  コヒーレント光発生装置
６４１  ビームスプリッタ
６４２  レンズ
６４３  光ディスク
６４４  光検出器
１００１  非線形光学結晶
１００２  非線形光学結晶
１００３  位相調整部
１００６  液晶
１００７  ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3基板
１００８  分極反転構造
１００９  光導波路
１０１０  ヒータ
１０１１  位相調整部
１０２１  光波長変換素子
１０２２  半導体レーザ
１０２３  入射部
１０２４  出射部
１０２５  半導体レーザの縦モード
１０２６  光波長変換素子のチューニングカーブ
１６４０  コヒーレント光発生装置
１６４１  ビームスプリッタ
１６４２  レンズ
１６４３  光ディスク
１６４４  光検出器
１１０１  ＬｉＮｂＯ3基板（非線形光学結晶）
１１０２  光導波路
１１０３  分極反転層
１１０５  分極反転領域
１１０６  位相調整部
【図１】
0004485617.tif 000003
【図２】
0004485617.tif 000004
【図３】
0004485617.tif 000005
【図４】
0004485617.tif 000006
【図５】
0004485617.tif 000007
【図６】
0004485617.tif 000008
【図７】
0004485617.tif 000009
【図８】
0004485617.tif 000010
【図９】
0004485617.tif 000011
【図１０】
0004485617.tif 000012
【図１１】
0004485617.tif 000013
【図１２Ａ】
0004485617.tif 000014
【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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