(57)【要約】【課題】固体レーザ光源（ＬＤ）では、小型化を図る方法が検討されている。しかし、この小型ＬＤではＬＤでの変調しかできない。ＬＤの変調ではレーザ結晶の発光寿命が長いことから、高速応答の変調が難しい。誘電体多層膜に電気光学材料を挟みこんだバンドパスフィルタは、単一波長の光源に対しては、透過率を制御する光スイッチとしても機能するが大きな印加電圧が必要となる。低電圧にするためキャビティ型光スイッチをアレイ化すると、光の波面が劣化してしまう。【解決手段】基板１１の上面に直方体状の複数のキャビティ１２が、所定の等間隔ピッチで互いに平行に並んでいる。長手方向で光の透過しない両側面には電極１３、１４が形成されて、光スイッチアレイ１０を構成している。透明な基板２１上に複数のシリンドリカルレンズ２２が、同じ配列ピッチで平行に並んでおり、配列を合わせて重ねられている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換材料と、該波長変換材料の入射側、および出射側に光学フィルタとを一体化してなる光学素子において、前記出射側の光学フィルタは、任意に透過率を制御できるフィルタであることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子において、前記出射側の光学フィルタは電気光学材料を用いたキャビティ型の光スイッチであることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項２に記載の光学素子において、前記電気光学材料のキャビティは、前記波長変換材料から発振する光のスペクトル半値幅をλｍとするとき、λｍは以下の条件を満たすことを特徴とする光学素子。
λｍ＜ＦＳＲ
ただし、
ＦＳＲ＝λ２／（２×ｎ×ｄ）
λ：波長変換材料から発振する光のスペクトル中心波長
ｎ：電気光学材料の屈折率
ｄ：電気光学材料の厚さ
【請求項４】
請求項２または３に記載の光学素子において、前記電気光学材料はＰＬＺＴであり、その厚みを１０μｍ以下にすることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか１つに記載の光学素子において、前記波長変換材料に入射する入射光は直線偏光で、その偏光方向と、前記電気光学材料に印加する電圧の印加方向とが平行であることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれか１つに記載の光学素子において、前記キャビティ型の光スイッチの電極が反射面となることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項２ないし５のいずれか１つに記載の光学素子において、前記キャビティ型の光スイッチをアレイ化し、該アレイに合わせた形にマイクロレンズを配置したことを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタやプリンタなどの光源として利用しうる小型固体レーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザ光源では、素子同士を接合して小型化を図る方法が検討されている（例えば、特許文献１  参照。）。しかし、この小型固体レーザではＬＤでの変調しかできない。ＬＤの変調ではレーザ結晶の発光寿命が長いことから、高速応答の変調が難しい。
そのため、外部に音響光学素子を有する装置を用いて、高速応答を行なう方法が一般的であるが、ＯＦＦの時には光を外に捨てる必要があり、エネルギ的に損失がある。また、外部変調として光学系が大きくなり小型化には向かない。それを解決するにはＱスイッチ機能を有する光源が求められる。Ｑスイッチ機能とは、スイッチ部を固体レーザキャビティの中に入れて、必要な時には光を外部に出射し、不要な時には光をキャビティ内に蓄積することが可能な機能である。Ｑスイッチ機能として、電気光学素子を用いた光学系を検討している例がある（例えば、特許文献２  参照。）。この場合には、電気光学素子によって、光の偏光を制御して、必要な光のみを外部に出る偏光へ変換している。しかし、光学系が複雑になり光学素子が多く含まれることから、エネルギ損失が大きい装置となってしまう。
【０００３】
一方、誘電体多層膜に電気光学材料を挟みこんだバンドパスフィルタが研究されている（例えば、特許文献３  参照。）。誘電体多層膜は屈折率の異なる誘電体を周期的に積層したもので、ＳｉＯ２とＴｉＯ２などの屈折率差が大きいペアが利用されている。この誘電体の厚みをコントロールすることで、任意の波長の光を反射する反射膜として機能させることができる。この誘電体多層膜の間に欠陥層として、周期性を乱す層を入れることで、キャビティを組むことができ、任意の波長だけを透過する光学フィルタとしての機能を持たせることができる。これはバンドパスフィルタなどとして通信分野で利用されている。このキャビティの内部材料として電気光学材料を用い、電圧印加による屈折率変化によって、光学的な厚みをコントロールすることが研究されている。キャビティ長の変化で、単一波長の光源に対しては、透過率を制御する光スイッチとしても機能する。また、導波路などの光学系が不要で自由空間平面型のスイッチであるため空間変調器などの発展性を持っている。また、電気光学材料は非常に速い応答速度が得られ、マッハツェンダ型の変調器では４０ＧＨｚレベルの応答速度を得ている。
【０００４】
光スイッチへの入射光はスペクトルの半値幅にして、約１ｎｍ程度である。光の透過率を０とするＯＦＦ時の状態を実現するためには、透過スペクトルのピークとピークの距離を示すＦＳＲ（フリースペクトルレンジ）が２ｎｍ以上である必要がある。ＦＳＲが２ｎｍ以下であると、スペクトルを移動しても、常に透過率の高いピークに入射光のスペクトルがかかってしまい、透過率を０とすることができない。
一般的に用いられる電気光学材料であるＰＬＺＴはセラミックスであり、多結晶体である。ＰＬＺＴは一般的に電圧を印加した方向の屈折率変化が大きく、垂直方向の屈折率変化が小さい。屈折率変化量を最大限に利用できる方法を検討する必要がある。
【０００５】
電極部分は光スイッチとして機能していない。光スイッチで反射した光はキャビティ内で多重反射を行なうが、この際に金属電極部に光が照射することになる。このときに電極部が透明であったり、光吸収があったりするとそこで光が減衰し、キャビティ内に光をためることができないとともに、光を無駄にすることになる。光を無駄にしない方法が求められる。
ＰＬＺＴの電気光学定数から、印加電圧として、電極間距離が１ｎｍであると、１ｋＶ程度必要である。近年、大きな電圧に対応したトランジスタがあるが、数ｋＶを高速で印加するには多大なるコストがかかる。それに対し、電極間距離を小さくすると、光の通る開口が小さくなってしまう。電極間距離を小さくし、かつ開口を大きく取る方法として、ＰＬＺＴのキャビティ型光スイッチをアレイにする方法が考えられるが、アレイ化すると光の波面が劣化してしまう。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８１９３２号公報
【特許文献２】特開２００２−２０８７４９号公報
【特許文献３】特開２００３−２０７７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は以上の各問題を解決しようとするものであり、ＦＳＲを小さくし、ＰＬＺＴの屈折率変化を最大限に利用できる方法を求め、光損失の少ない電極を提供し、ＰＬＺＴのキャビティ型光スイッチをアレイ化しても波面劣化の少ないデバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明では、波長変換材料と、該波長変換材料の入射側、および出射側に光学フィルタとを一体化してなる光学素子において、前記出射側の光学フィルタは、任意に透過率を制御できるフィルタであることを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光学素子において、前記出射側の光学フィルタは電気光学材料を用いたキャビティ型の光スイッチであることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の光学素子において、前記電気光学材料のキャビティは、前記波長変換材料から発振する光のスペクトル半値幅をλｍとするとき、λｍは以下の条件を満たすことを特徴とする。
λｍ＜ＦＳＲ
ただし、
ＦＳＲ＝λ２／（２×ｎ×ｄ）
λ：波長変換材料から発振する光のスペクトル中心波長
ｎ：電気光学材料の屈折率
ｄ：電気光学材料の厚さ
【０００９】
請求項４に記載の発明では、請求項２または３に記載の光学素子において、前記電気光学材料はＰＬＺＴであり、その厚みを１０μｍ以下にすることを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の光学素子において、前記波長変換材料に入射する入射光は直線偏光で、その偏光方向と、前記電気光学材料に印加する電圧の印加方向とが平行であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項３ないし５のいずれか１つに記載の光学素子において、前記キャビティ型の光スイッチの電極が反射面となることを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項２ないし５のいずれか１つに記載の光学素子において、前記キャビティ型の光スイッチをアレイ化し、該アレイに合わせた形にマイクロレンズを配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、
波長変換材料の光の出射側に任意に透過率を制御できるフィルタを設けたので、ＯＦＦの時にも、光を捨てる必要がなく、その分、光を有効活用でき、光スイッチとしての光利用効率が向上する。
出射側の光学フィルタは電気光学材料を用いたキャビティ型の光スイッチとしたので、透過率制御ができ、透過しない光は反射光となり、反射光は正反射を起こし、入射してきた方向に戻る。また、電気光学材料であるので高速応答であり、任意のタイミングでスイッチングが図れる。
波長変換材料から発振する光のスペクトル半値幅λｍをＦＳＲより小さくなるように設定したので、透過スペクトルが入射光のスペクトルにかかることがなくなり、ＯＦＦのときの透過率を小さくすることが可能となる。
その他の効果は詳細な説明中において述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明の構成の概要を示す図である。
同図において符号１はレーザ結晶、２は入射側光学フィルタ、３は非線型材料、４は出射側光学フィルタ、５はＰＬＺＴ、６は電極、７、８は誘電体多層膜をそれぞれ示す。
光スイッチへの入射光としては、波長変換材料を用いてその出力を利用するのが有利である。ここで、波長可変材料とは、入射光の波長が変換され、異なる波長の出射光を出す材料と定義する。たとえば、レーザ結晶のようにある波長を吸収し、別な波長を発光するような材料を指す。このような材料としては、一般的な直接遷移型の半導体などもそれにあたり、高いエネルギの光を吸収し、低いエネルギレベルのバンドギャップや蛍光体などの不純物準位による発光が得られる。また、第２高調波を出すような材料を用いて、低いエネルギレベルの光を高いエネルギレベルに変換する材料でも構わない。
このような材料であれば、入射光の光学フィルタと出射側の光学フィルタを波長制御することで、入射光を透過し、出射光波長に対してのみキャビティを組むことができる。ここで、キャビティとは２面のミラー面ではさまれ、多重反射を繰り返すことで、内部に光を閉じ込める構造を指す。内部に閉じ込められた光の強度は、入射光の強度に比べ高い状態を維持することができる。
このキャビティに光を閉じ込めた状態で、出射側の光学フィルタの透過率を制御できれば、任意に時間だけ、出射光を取り出すことができる。この透過率制御がつまりはＯＮ−ＯＦＦ制御となる。ＯＦＦの時には、光をキャビティの内部に戻しているので、光を捨てる必要がない。その分、光を有効活用でき、光スイッチとしての光利用効率が向上する。以下理解を容易にするため、数値例を挙げて構成および作用を説明する。
【００１２】
図示しないＬＤ発光源からの８０８ｎｍの光を入射光として、入射側光学フィルタ２を透過してレーザ結晶（Ｎｄ：ＹＡＧ）１を照射する。入射側光学フィルタ２は８０８ｎｍを透過し、５３２ｎｍ、１０６４ｎｍを反射させるように設計してある。レーザ結晶からは１０６４ｎｍの発光があり、この光が非線型材料（ＫＴＰ）３に入射し、５３２ｎｍの第2高調波を出す。非線型材料３の出射側にも出射側光学フィルタ４が形成されており、入射側はパッシブな光学フィルタであるが、出射側はアクティブな光学フィルタである。出射側光学フィルタ４はキャビティ型の光スイッチである。キャビティ型の光スイッチは微細加工されたＰＬＺＴ５、電極６、誘電体多層膜７、８から構成されている。ＰＬＺＴの両面にはそれぞれ誘電体多層膜７、８が形成されており、ここにキャビティが組まれている。このキャビティの光学長が電圧印加によって、共鳴波長を変えて、スイッチングが起きる。キャビティ型の光スイッチの原理については公知なのでここでは説明を割愛する。キャビティ型の光スイッチは任意に透過率を制御でき、これにより、波長変換材料から５３２ｎｍの光が出射される。
このように、キャビティ型の光スイッチは屈折率変化を制御できる材料を入射側出射側ともにミラー面によって挟み込んだ構成をしている。ミラー面で多重反射を起こす波長を任意に選択することで、透過率の制御ができる。キャビティ型の光スイッチは透過率制御ができ、透過しない光は反射光となる。反射光は正反射を起こし、入射してきた方向に戻る。また、電気光学材料であるので高速応答であり、任意のタイミングでスイッチングが図れる。
【００１３】
ＯＦＦ時の透過率を小さくするためには、入射光のスペクトルと透過率のピーク位置とがスペクトル上において、重ならないようにする必要がある。そのためには、透過スペクトルのＦＳＲ（フリースペクトルレンジ）を入射光のスペクトルに比べて広くする必要がある。
これを定式化すると、以下のようになる。
ＦＳＲ＝λ２／（２×ｎ×ｄ）
λ：波長変換材料から発振する光のスペクトル中心波長
ｎ：電気光学材料の屈折率
ｄ：電気光学材料の厚さ
ここで、波長変換材料から発振する光のスペクトル半値幅をλｍとしたとき、
λｍ＜ＦＳＲ
となるようにＦＳＲの値を設定する。
この条件を満たせば、透過スペクトルが入射光のスペクトルにかかることがなくなり、ＯＦＦ時の透過率を小さくすることが可能となる。
【００１４】
入射光の波長を約５００ｎｍとした場合に電気光学材料を屈折率ｎ＝２．５のＰＬＺＴとして、その厚みを１０μｍ以下にすることで、上の式に当てはめると、ＦＳＲは約５ｎｍ程度となる。入射光のスペクトル半値幅は１ｎｍ程度であることから、ＯＦＦ時の透過率を十分に小さくすることができる。また、波長が５００ｎｍ近辺は緑色の波長となる。現在半導体レーザには緑色の波長の光源がないため、固体レーザが利用されている。本発明では、可視光波長の固体レーザ用に小型高速変調器を提供するものである。
【００１５】
図２はアレイ化されたキャビティ型光スイッチとマイクロレンズアレイを示す図である。同図（ａ）はマイクロレンズアレイ、同図（ｂ）は光スイッチ、同図（ｃ）は一部拡大断面をそれぞれ示す図である。
同図において符号１０は光スイッチアレイ、１１は基板、１２はキャビティ、１３，１４は電極、２０はマイクロレンズアレイ、２１は基板、２２はマイクロレンズをそれぞれ示す。
同図（ａ）において、透明な基板２１上に複数のシリンドリカルレンズ２２が、所定の等間隔ピッチで互いに母線を平行にして並んで、マイクロレンズアレイ２０を形成している。
【００１６】
同図（ｂ）において、光の透過方向は基板１１の厚さ方向、同図の下から上に向く方向である。基板１１の上面には、直方体状の複数のキャビティ１２が、上記シリンドリカルレンズ２２の配列ピッチと同じ配列ピッチで平行に並んでおり、長手方向で光の透過しない両側面には電極１３、１４が形成されている。電極１３、１４は基板１１の互いに対向する同図における奥行き方向の両端部から櫛歯状に延びてキャビティ１２の隙間に交互に入り込んで、光スイッチアレイ１０を構成している。なお、上下面の多層膜は表示を省略した。
同図（ｃ）は各キャビティと電極の関係を説明するための図である。上下面に多層膜が形成された２つの直方体状のキャビティの隙間に入った電極（例えば電極１３）は、両側のキャビティの側面に立ち上がって、キャビティに対する一方の電極を構成する。それぞれのキャビティの他方の側面は他方の電極（この例では電極１４）が同様に隣り合う２つのキャビティの側面に立ち上がって、他方の電極を構成する。
波長変換デバイスを構成するためには、光スイッチアレイ１０の上面に、マイクロレンズアレイ２０を密着させ、各マイクロレンズの中心線が直方体状のキャビティの中心線に一致するように位置合わせをして固定する。
本デバイスでは、ＰＬＺＴの電極方向にあわせてシリンドリカルのマイクロレンズを配置した。これによって、ＰＬＺＴ電極間から放出された球面波に近い形の光はレンズによってほぼ平行光へ変換できる。アレイ状に複数の光が混ざり合っても、それぞれが平行光であれば、干渉を起こさない。これにより、アレイ状のピンホールがある場合に起きる回折などの現象を回避することができる。
【００１７】
図３はアレイ型波長変換デバイスの作用模式図である。
入射光束Ｌｉが同図の下から入射し、レーザ結晶１と非線形材料３によって、波長変換された出射光束はＰＬＺＴからなるキャビティ型の光スイッチに入射し、ここでスイッチングされＯＮまたはＯＦＦによって出射光束Ｌｏが制御される。
ＰＬＺＴのキャビティ型の光スイッチはアレイ化されており、各キャビティに対応した形でマイクロレンズが配置されている。このマイクロレンズアレイ２０によって、ＰＬＺＴの狭い開口部から出された光が回折することなく平行光へ変換されている。
【００１８】
図４は本発明の実施形態の一部を示す図である。
同図において符号Ｘ、Ｙ、Ｚは座標軸、Ｐｘは入出射光束の偏光方向をそれぞれ示す。
本実施の形態では、レーザ結晶１としてＮｄ：ＹＡＧを用い、非線形光学素子３としてリンチタン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：以下ＫＴＰ）を用いるが、他の材質によってキャビティを構成しても構わない。Ｎｄ：ＹＡＧおよびＫＴＰは厚さ２００μｍ程度に研磨し、その２枚を直接接合している。入射面にあたる面には入射側光学フィルタ２が形成されている。入射側光学フィルタ２は、８０８ｎｍを透過し、１０６４ｎｍおよび５３２ｎｍを完全に反射するように設計されている。構成はＴｉＯ２やＳｉＯ２などの透明な材料を用いており、その層構成は光学シミュレータによって最適な構成に設計されている。
入射光束はあらかじめ同図の座標ｘ方向に向いた直線偏光Ｐｘに揃えておく
【００１９】
入射側光学フィルタ２の対向面に出射側光学フィルタ４として、キャビティ型の光スイッチ１０が配置されている。下方からのＬＤによる連続光（ＣＷ光）Ｌｉが、本光スイッチによって変調された光Ｌｏとして上方に出る。変調は電圧によって行われ、その電極９が左右に出されている。電気信号が電極９に入ることによって、光スイッチ１０が電気信号を光信号へ変換する。光スイッチ１０はミラー面で挟んだ電気光学材料および側面電極６、６からなっている。ミラー面として今回は誘電体多層膜７、８を利用した。ＰＬＺＴ上に誘電体多層膜として、ＳｉＯ２とＴｉＯ２とを交互に積層した（図示せず）。誘電体多層膜はＳｉＯ２、ＴｉＯ２を６ペアとした。このペア数を変更することで、透過スペクトルの半値幅を変えることが可能である。より狭い半値幅にしたいときには、よりペア数を増やすことで可能である。６ペアとすることで、透過スペクトルの半値幅は約１ｎｍ程度となる。
電気光学材料は電気光学定数が大きいＰＬＺＴを利用した。電気光学材料の膜厚は光路長が入射波長の１／４の偶数倍２Ｎになるようにする。これにより、入射光の波長と透過率スペクトルのピーク位置とが一致することになる。膜厚は１０μｍ程度とした。電極間距離は２００μｍ程度になるようにＰＬＺＴに微細加工を施し、その側面にはＡｌを成膜する。
この構成によれば、電圧の印加方向と光の偏光方向とが一致している（平行である）ので、ＰＬＺＴの屈折率変化量を最大限に利用することができる。
【００２０】
ＫＴＰ基板とNｄ：ＹＡＧ基板とをそれぞれ２００μｍ程度に研磨し、接合する。Ｎｄ：ＹＡＧ面側に入射側の光学フィルタとして、誘電体多層膜を形成する。
ＰＬＺＴはその組成を９：３５：６５として、厚さ５００μｍとして燒結作製される。このＰＬＺＴ基板の両面に光学研磨を施す。基板は研磨冶具に設置して、まず、片面を研磨し、平坦性を高める。この平坦性を高くしておかないと、裏面を研磨し薄くしたときに、ＰＬＺＴ基板がそる原因となる。次の研磨を終えた面に誘電体多層膜を蒸着する。この面を裏返して、冶具に張りつけ、裏面の研磨を行なう。このとき、研磨して残されたＰＬＺＴ基板が約１０μｍになるように測定を行ないながら、徐々に研磨を進める。
【００２１】
この研磨し１０μｍ厚になったＰＬＺＴ基板をＫＴＰ基板へ貼り付ける。このときにはＫＴＰ基板とほぼ同程度の屈折率のＵＶ硬化樹脂を利用し、樹脂の厚さが均一になるようにする。次にこの状態からレジストを塗布する。レジストはスピンコートで約２μｍ程度の厚さにし、８０℃１時間程度のベークを行なう。このレジストを塗布した上からダイシングによって溝を切りこむ。ダイシングはレジンのブレードを利用し、ブレード幅は１００μｍ程度、深さは２０μｍ程度とした。これによって、ダイシング加工した部分のみレジストが剥がされ、他の部分にはレジストが残されている。この状態で電極となる金属薄膜を成膜する。成膜装置にはＤＣスパッタを利用し、電圧をできるだけ小さい値として、側面への成膜が進むように工夫する。成膜する金属は一般的に利用されるＡｌ、Ａｇ等でも構わない。ＰＬＺＴからの酸化を気にする時には、ＰｔやＡｕなども利用できる。今回はＡｌを利用して、膜厚は５００ｎｍ程度とした。この条件であれば、ダイシングした溝側面にもＡｌの成膜していることを光学顕微鏡などで確認できる。
電極として反射率の高い材料を用いれば、ＫＴＰの上面からの光の漏洩を防ぐことができる。すなわち、ＫＰＴ内部から上面の電極部に至った光は、そこで反射されて再度キャビティ方向へ戻ることにより、電極部での光の損失がない。これによって、高い光利用効率の光スイッチとなり、光学素子としての光利用効率が上昇する。
【００２２】
このレジストの上にＡｌを成膜した状態でリフトオフを行なう。リフトオフはアセトンなどの有機溶剤にサンプルを浸し、超音波をかけることでレジストが溶け出すことを促す。レジストが溶けた部分はその上に成膜されたＡｌが剥離する。レジストがないダイシング溝部分のみＡｌ配線が残る事になる。断面図に見られるようにＰＬＺＴの上面にはリフトオフによってＡｌ電極が剥がされ開口となる。誘電多層膜を開口部に成膜する。この開口部は左右の電極から隔離された絶縁領域となるため、両側の電極に電圧を印加することで、開口部に横方向の電界が印加できる。ダイシング溝に接続できるように、パッドを形成し、そのパッドにワイヤーボンディングで配線を行なう。このそれぞれの電極にグランドと信号とを結線させることで、任意に電界をＰＬＺＴにかけることができる。下方から直線偏光にした連続光を入射させる。偏光方向は電界と垂直とすることで、電気光学効果を受けることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の構成の概要を示す図である。
【図２】アレイ化されたキャビティ型光スイッチとマイクロレンズアレイを示す図である。
【図３】アレイ型波長変換デバイスの作用模式図である。
【図４】本発明の実施形態の一部を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１      レーザ結晶
２      入射側光学フィルタ
３      非線型材料
４      出射側光学フィルタ
５      ＰＬＺＴ
６      電極
７、８      誘電体多層膜
１０      光スイッチアレイ
２０      マイクロレンズアレイ
Ｌｉ      入射光束
Ｌｏ      出射光束
【図１】
2007158020.tif 000003
【図２】
2007158020.tif 000004
【図３】
2007158020.tif 000005
【図４】
2007158020.tif 000006