(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された基本波をシングルモードで伝搬しながら擬似位相整合により波長変換する第１の領域と、
該第１の領域から伝搬された波長変換波をシングルモードで伝搬して出射する第２の領域と、
を含み、
前記第２の領域と周囲との屈折率差が、前記第１の領域と周囲との屈折率差よりも小さい波長変換素子。
【請求項２】
前記第１の領域及び第２の領域が、非線形結晶基板に形成された直線状の光導波路により構成されている請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記第２の領域の光伝搬方向に沿った長さが０．５ｍｍ以上である請求項１又は２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記非線形結晶がＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）である請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記非線形結晶にＭｇＯ、ＺｎＯ、またはＳｃがドープされた請求項１〜４のいずれか１項に記載の波長変換素子。
【請求項６】
出射側端面が光軸方向に垂直な面に対して光伝搬方向に３°〜７°傾斜した請求項１〜５のいずれか１項に記載の波長変換素子。
【請求項７】
基本波に対する反射率が０．２％以下の反射防止膜を、入射側端面及び出射側端面の少なくとも一方に設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載の波長変換素子。
【請求項８】
請求項１に記載の波長変換素子を製造する波長変換素子の製造方法であって、
前記非線形結晶基板の前記第１の領域に対応する領域に所定深さの第１のプロトン交換領域を形成し、前記第２の領域に対応する領域に前記第１の領域よりも浅い第２のプロトン交換領域を形成し、
前記第１のプロトン交換領域をアニールした後に分極反転構造を形成して、入射された基本波をシングルモードで伝搬可能であると共に、擬似位相整合により基本波を波長変換波に変換可能な第１の領域を形成し、
前記第２のプロトン交換領域をアニールして、前記第１の領域から伝搬された波長変換波をシングルモードで伝搬可能な第２の領域を形成し、
波長変換素子を製造する波長変換素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の波長変換素子と、基本波を出射する半導体レーザとを直接結合した光波長変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換素子、波長変換素子の製造方法、及び波長変換モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、非線形光学材料からなる光導波路を有し、この光導波路を伝搬する基本波を第２高調波等に波長変換する導波路型の光波長変換素子が知られている。また、この種の導波路型の光波長変換素子においては、光導波路に周期ドメイン反転構造を形成して、いわゆる疑似位相整合を取ることが広く行なわれている。この導波路型の光波長変換素子から出射した第２高調波等の波長変換波を、レーザプリンタ等の光走査記録装置の記録光として適用する場合等においては、記録光をより小さなスポットに絞るために、波長変換波はガウシアンビーム、つまりビーム断面内の光強度分布がガウス分布となっているビームであるのが望ましい。また、記録光がガウシアンビームになっていないと、記録濃度にムラが生じやすい。さらに、赤色、緑色、青色の３色の記録光でカラー画像を記録する際に、ある記録光だけがガウシアンビームになっていないと、色ずれが生じてしまう。
【０００３】
上述のように波長変換波をガウシアンビームとするためには、導波路型の光波長変換素子を、その光導波路において０次モードで伝搬する波長変換波と基本波とが位相整合するように構成すればよい。
【０００４】
その一方、本発明者の研究によると、０次モードよりも１次モードで伝搬する第２高調波の方が基本波との重なり積分が大きくなることが分かっている。従って波長変換効率の点からは、１次モードで伝搬する第２高調波と基本波とが位相整合するように導波路型光波長変換素子を構成することが望まれる。しかしながら、光等波路を１次モードで伝搬して光導波路外に出射した第２高調波は、垂直方向（光導波路の基板厚さ方向）にローブが２つ並んだ形の強度分布を有し、ガウシアンビームにはならない。
【０００５】
特開平８−５４６５８号には、光導波路を１次モードで伝搬してから光導波路外に出射した第２高調波を位相補償板に通すことにより、上記２つのローブ間の位相差を補償して、第２高調波をガウシアンビーム化する技術が示されている。しかしながら、その場合には、ビーム端部に位相が安定しないエッジだれが生じたり、光導波路の作製ばらつきが存在することから、２つのビーム間の位相差が安定せず、そのため条件が固定されている位相補償板を用いたのでは、安定したガウシアンビームを得るのは困難となっている。
【０００６】
また、特開平１１−７２８１０号公報には、外部に光学素子を設けることなく通常の光導波路上に高屈折率クラッド層を設けて０次モードで伝搬する第２高調波と基本波とのオーバラップを増大させ、高い変換効率で第２高調波を得る光導波路が記載されている。しかしながら、この光導波路では出射した第２高調波は横方向がマルチモードとなり、安定してガウシアンビームを得ることができない、という問題がある。この光導波路において横方向がマルチモードとなるのは、０次モードで伝搬する第２高調波と基本波の波長分散（導波路の構造分散と材料の分散）のために、縦方向及び横方向が共にシングルモードとなる光導波路を得ることができないからである。
【０００７】
なお、０次モードの第２高調波と基本波とは、通常は横方向の重なりが大きく、光導波路において０次モードで伝搬する波長変換波と基本波とが位相整合するように構成すればガウシアンビームが得られるが、横方向のビームが複数のピークを持つ高次モードとなる場合がある。これは光導波路中の欠陥等によるモード変換が原因と推定されている。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、安定してガウシアンビーム状の波長変換波が得られ、しかも波長変換効率の高い光波長変換素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の波長変換素子は、入射された基本波をシングルモードで伝搬しながら擬似位相整合により波長変換する第１の領域と、該第１の領域から伝搬された波長変換波をシングルモードで伝搬して出射する第２の領域と、を含み、前記第２の領域と周囲との屈折率差が、前記第１の領域と周囲との屈折率差よりも小さいことを特徴とする。
【００１０】
本発明の光波長変換素子では、第１の領域において、入射された基本波をシングルモードで伝搬しながら擬似位相整合により第２高調波に波長変換すると共に、第２の領域において、この第１の領域から伝搬された波長変換波である第２高調波をシングルモードで伝搬して、波長変換波を出射することとしたので、光導波路中に欠陥等がある場合にも、高い波長変換効率で、安定してガウシアンビーム状の波長変換波を得ることができる。
【００１１】
なお、「周囲との屈折率差」とは、各領域と各領域に隣接する領域（但し、第１の領域の場合は第２の領域を除き、第２の領域の場合は第１の領域を除く）との屈折率差のことである。
【００１２】
請求項２に記載の波長変換素子は、請求項１に記載の発明において、前記第１の領域及び第２の領域が、非線形結晶基板に形成された直線状の光導波路により構成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の波長変換素子は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第２の領域の光伝搬方向に沿った長さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。前記第２の領域の光伝搬方向に沿った長さを０．５ｍｍ以上とすることにより、迷光がオフセットするのを防止することができる。
【００１４】
請求項４に記載の波長変換素子は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記非線形結晶がＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の波長変換素子は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記非線形結晶にＭｇＯ、ＺｎＯ、またはＳｃがドープされたことを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の波長変換素子は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、出射側端面が光軸方向に垂直な面に対して光伝搬方向に３°〜７°傾斜したことを特徴とする。出射側端面をこのように斜めに研磨したことにより、基本波が波長変換素子に再入射するのを防止することができる。
【００１７】
請求項７に記載の波長変換素子は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発明において、基本波に対する反射率が０．２％以上の反射防止膜を、入射側端面及び出射側端面の少なくとも一方に設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の波長変換素子の製造方法は、請求項１に記載の波長変換素子を製造する波長変換素子の製造方法であって、前記非線形結晶基板の前記第１の領域に対応する領域に所定深さの第１のプロトン交換領域を形成し、前記第２の領域に対応する領域に前記第１の領域よりも浅い第２のプロトン交換領域を形成し、前記第１のプロトン交換領域をアニールした後に分極反転構造を形成して、入射された基本波をシングルモードで伝搬可能であると共に、擬似位相整合により基本波を波長変換波に変換可能な第１の領域を形成し、前記第２のプロトン交換領域をアニールして、前記第１の領域から伝搬された波長変換波をシングルモードで伝搬可能な第２の領域を形成し、波長変換素子を製造することを特徴とする。本発明の波長変換素子の製造方法では、入射された基本波をシングルモードで伝搬しながら擬似位相整合により波長変換する第１の領域と、この第１の領域から伝搬された波長変換波をシングルモードで伝搬して出射する第２の領域とを、２回のプロトン交換とアニールとにより形成することができ、本発明の波長変換素子を容易に製造することができる。
【００１９】
請求項９に記載の波長変換モジュールは、請求項１〜７のいずれか１項に記載の波長変換素子と、基本波を出射する半導体レーザとを直接結合したことを特徴とする。本発明の光波長変換モジュールは、上記した本発明の光波長変換素子を用いているので、外部に位相補償板等の光学素子を設けることなく、高い波長変換効率で、安定してガウシアンビーム状の波長変換波を得ることができる。また、外部に光学素子を設ける必要がないので、モジュールの信頼性が向上すると共に、コストダウンを図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
まず、本発明の光波長変換素子の実施の形態について詳細に説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本実施の形態の光波長変換素子１０は 、非線形光学結晶からなる基板１２上に、そのｚ軸と平行な自発分極の向きを反転させたドメイン反転部が周期的に形成されてなる周期ドメイン反転構造１４と、この周期ドメイン反転構造１４に沿って延びるチャンネル光導波路１６とが形成されたものである。
【００２１】
基板１２を構成する非線形光学結晶としては、例えば、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）等の非線形光学結晶、及びこの非線形光学結晶にＭｇＯ、ＺｎＯ、またはＳｃがドープされた結晶を用いることができる。
【００２２】
周期ドメイン反転構造１４は、基板１２のｙ軸方向にドメイン反転部が並ぶように所定周期Λで形成されている。その周期Λは、非線形光学結晶の屈折率の波長分散を考慮して、基本波近辺の波長に対して１次の周期となるように決定されている。このような周期ドメイン反転構造１４は、例えば特開平６−２４２４７８号に記載された方法によって形成することができる。
【００２３】
チャンネル光導波路１６は、基本波１８が入射する光入射側が周囲との屈折率差がΔｎ1の第１の領域２０とされ、波長変換波としての第２高調波２２が出射する光出射側が周囲との屈折率差がΔｎ2の第２の領域２４とされている。なお、第１の領域２０の「周囲との屈折率差」とは、第１の領域２０と空気層及び基板１２との屈折率差のことであり、第２の領域２４の「周囲との屈折率差」とは、第２の領域２４と空気層及び基板１２との屈折率差のことである。
【００２４】
ここで、第２の領域２４の周囲との屈折率差Δｎ2は、第１の領域２０の屈折率差Δｎ1よりも小さく、第１の領域２０の周囲との屈折率差Δｎ1は入射された基本波１８をシングルモードで伝搬可能な値とされ、第２の領域２４の周囲との屈折率差Δｎ2は第１の領域２０から伝搬された第２高調波２２をシングルモードで伝搬可能な値とされている。また、第２の領域２４の光の伝搬方向に沿った長さＬは、迷光を低減するためにある程度の長さが必要であり、０．５ｍｍ以上が好ましく、０．７５ｍｍ以上がより好ましい。
【００２５】
また、光波長変換素子１０の両端面は光学研磨されている。特に、光波長変換素子１０の出射側端面２６は斜めに研磨されて、チャンネル光導波路１６が延びる方向に垂直な面に対して、チャンネル光導波路１６が延びる方向に角度θ（３°≦θ）以上傾斜した傾斜面が形成されている。出射側端面２６をこのように斜めに研磨したことにより、基本波がチャンネル光導波路１６に再入射するのを防止することができる。そして、光波長変換素子１０の出射側端面２６には、基本波に対する反射率が０．２％以上のＡＲ（反射防止）コート２８が設けられている。また、入射側端面３０にも、基本波に対する反射率が０．２％以上のＡＲコート３２が設けられている。
【００２６】
次に、上記光波長変換素子１０の製造方法について説明する。まず、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、金属（例えば、Ｃｒ）蒸着、及びリフトオフを用いて、光学結晶基板（例えば８７°ＺカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ3基板）１２に、所定構造の分極反転用電極３４を形成する。なお、分極反転用電極３４の詳細な構造は、特開平９‐２１８４３１号公報に記載されている。
【００２７】
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、分極反転用電極３４が形成された基板１２上に所定幅の直線状の開口３８を有する金属マスク３６を形成する。なお、金属マスク３６は、例えば、下層からＴａ層３６Ａ、Ａｕ層３６Ｂ、及びＴａ層３６Ｃの順に積層された３層構造とされている。また、開口３８の線幅は３〜９μｍの範囲で一定とする。
【００２８】
次に、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク３６を用いて第１回目のプロトン交換処理を行うことにより、プロトン交換部３９Ａを形成する。第１回目のプロトン交換処理の条件は、ピロリン酸中で１４０〜１６０℃の温度範囲で１５〜６０分である。
【００２９】
次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、プロトン交換部３９Ａの出射部近傍のＴａ層３６Ｃ上の所定範囲に金属マスク４０を形成する。図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク４０を用いて第２回目のプロトン交換処理を行うことにより、プロトン交換部３９Ａの光入射側をより深い部分までプロトン交換してプロトン交換部３９Ｂを形成する。第２回目のプロトン交換の条件は、ピロリン酸中で１４０〜１６０℃の温度範囲で６０〜２００分である。
【００３０】
次に、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングによりＴａ層３６Ｃを除去してＡｕ層３６Ｂを露出させた後に大気中でアニール処理を行い、プロトン交換部３９Ａ及び３９Ｂをチャンネル光導波路１６とする。なお、アニール処理は３００〜４００℃の温度範囲で６０分の条件で行う。これにより深いプロトン交換部３９Ｂが形成された光入射側には、周囲との屈折率差Δｎ1の第１の領域２０が形成され、より浅いプロトン交換部３９Ａが形成された光出射側には、周囲との屈折率差Δｎ2（Δｎ1＞Δｎ2）の第２の領域２４が形成される。なお、アニールによりチャンネル光導波路１６の第１の領域２０と第２の領域２４とは略同じ厚さとなる。
【００３１】
なお、上記２回のプロトン交換処理の条件及びアニール処理の条件は、第１の領域２０の周囲との屈折率差Δｎ1が、入射された基本波１８をシングルモードで伝搬可能な値となり、第２の領域２４の周囲との屈折率差Δｎ2が、第１の領域２０から伝搬された第２高調波２２をシングルモードで伝搬可能な値となるように適宜選択される。また、第２高調波への変換効率や半導体レーザとの結合効率が最大となるように、プロトン交換処理の条件及びアニール処理の条件を選択することが好ましい。
【００３２】
次に、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングにより残りの金属マスクを総て除去して分極反転用電極３４を露出させ、分極反転用電極３４に高電圧を印加する。例えば、電極間ギャップが４００μｍのときに２〜４ｋＶの電圧を１〜１０秒印加する。これにより基板１２に周期ドメイン反転構造１４が形成される。
【００３３】
次に、光導波路端面を含む基板１２の両端面を光学研磨する。なお、出射側端面２６は、基本波が再入射するのを防止するために、光軸方向に垂直な面に対して光伝搬方向に所定角度傾斜した傾斜面が形成されるように研磨（以下、「斜めカット」と称する）する。なお、傾斜角度は３〜７°とすることができる。最後に、入射側端面３０及び出射側端面２６に、基本波に対する反射率が０．２％以下となるように、ＳｉＯ2単層からなるＡＲコート２８、３２をそれぞれ形成して、図１に示す光波長変換素子１０が完成する。
【００３４】
上述の光波長変換素子１０のチャンネル光導波路１６の入射側端面３０に、半導体レーザを直接結合して、上記光波長変換素子１０内に、例えば９５０ｎｍのレーザビームを基本波１８として入射させると、基本波１８は第１の領域２０を０次モードで伝搬し、第１の領域２０中の周期ドメイン反転構造１４で位相整合（いわゆる疑似位相整合）されて、例えば波長が約４７５ｎｍの第２高調波２２に変換される。なお、周期ドメイン反転構造１４の周期Λは、基本波１８と０次モードで伝搬する第２高調波２２との間で疑似位相整合が取られるように設定されている。具体的には、チャンネル光導波路１６の基本波１８に対する実効屈折率、第２高調波２２に対する実効屈折率をそれぞれｎω、ｎ2ωとし基本波の波長をλＦとしたとき、下記の式
ｎ2ω−ｎω＝λＦ／２Λ
と満足するように周期Λを決定すればよい。
【００３５】
第１の領域２０から第２の領域２４に伝搬された第２高調波２２は、第２の領域を０次モードで伝搬して、例えば３０ｍＷ以上の波長約４７５ｎｍの青色光が出射側端面２６から発散光状態で出射する。このとき出射した第２高調波２２のＮＦＰ（ニアフィールドパターン）における基板と垂直な方向のビーム形状を図９（Ａ）に実線で示し、基板と水平な方向のビーム形状を破線で示す。また、図９（Ｂ）には、通常のチヤンネル光導波路を１次モードで伝搬した後に出射した第２高調波のＮＦＰにおけるビーム形状を示す。図９（Ａ）と同様に、基板と垂直な方向のビーム形状を実線で示し、基板と水平な方向のビーム形状を破線で示す。図９（Ａ）及び（Ｂ）を比較すれば分かるように、チヤンネル光導波路を１次モードで伝搬した後に出射した第２高調波のＮＦＰはサイドローブを有しているのに対し、第２の領域を０次モードで伝搬した後に出射した本実施の形態の第２高調波のＮＦＰは、サイドローブが無いガウス分布を示した。
【００３６】
また、第１の領域２０での基本波１８（０次モード）から第２高調波２２（０次モード）への変換効率は、基本波１８（０次モード）から第２高調波２２（１次モード）への変換効率の１０〜２０％となる。例えば、第２高調波２２（１次モード）への変換の場合であれば３００％／Ｗｃｍ2となるところが、第２高調波２２（０次モード）への変換の場合は３０〜６０％／Ｗｃｍ2となる。一方、第１の領域２０から第２の領域２４に入射する際に、第２高調波２２を１次モードから０次モードへモード変換する必要があるので１０〜７０％の範囲のモード変換ロスが発生する。即ち、第１の領域２０において、基本波１８（０次モード）から第２高調波２２（１次モード）へ変換し、第２の領域２４において、第２高調波２２を１次モードから０次モードへモード変換する場合には、第１の領域２０に入射した基本波１８（０次モード）を３０〜９０％の変換効率で０次モードの第２高調波にし、第２の領域２４から出射させることになる。従って、基本波１８（０次モード）から直接第２高調波２２（０次モード）へ変換して出射する場合に比べ、全体として１．５倍から９倍の変換効率を得ることができる。
【００３７】
なお、第１の領域２０を伝搬する光のビーム形状を第２の領域２４を伝搬する光のビーム形状と一致させることで、モード変換ロスを約１０％程度まで低減することができる。
【００３８】
以上の通り、本実施の形態の光波長変換素子では、チヤンネル光導波路を第１の領域と第２の領域とに分けて、第１の領域において、入射された基本波をシングルモードで伝搬しながら擬似位相整合により第２高調波に波長変換すると共に、第２の領域において、この第１の領域から伝搬された波長変換波である第２高調波をシングルモードで伝搬して、０次モードの第２高調波を取出すこととしたので、光導波路中に欠陥等がある場合にも、高い変換効率でガウシアンビームを得ることができる。
【００３９】
上記実施の形態では、チャンネル光導波路の幅は、第１の領域及び第２の領域において同じ幅としたが、異なる幅とすることもできる。例えば、図１０（Ａ）に示すように、第２の領域２４の幅を第１の領域２０の幅より狭くする態様、図１０（Ｂ）に示すように、第２の領域２４の幅を第１の領域２０の幅より広くする態様、図１０（Ｃ）に示すように、第２の領域２４の幅を出射側に向けてテーパ状に狭める態様等が挙げられる。しかしながら、異なる幅とする場合にはマスク形成時に正確なアラインメントが必要になり製造工程が煩雑となるため、第１の領域及び第２の領域においてチャンネル光導波路の幅を同じ幅とする態様が好ましい。
（第２の実施の形態）
次に、上記波長変換素子を用いた光波長変換モジュールの実施の形態について説明する。この光波長変換モジュールは、図１１に示すように、後方出射端面とこの端面に対向する前方出射端面とを備えた半導体レーザ１１０と、半導体レーザ１１０の前方出射端面と共に外部共振器を構成する反射部材としてのミラー１１２と、半導体レーザ１１０から出射された基本波を波長変換して第２高調波を出力する上記光波長変換素子１０と、を備えている。
【００４０】
半導体レーザ（ＬＤ）１１０は半導体レーザ用のマウント１１６に保持され、２次高調波発生素子（ＳＨＧ素子）で構成された光波長変換素子１０は光波長変換素子用のマウント１１８に保持されている。半導体レーザ１１０と光波長変換素子１０とは、マウントに保持された状態で、半導体レーザ１１０の出射部分と光波長変換素子１０の導波路部分（入射部分）とが一致するように位置合わせされ、ＬＤ−ＳＨＧユニット１２０が構成されている。これにより半導体レーザ１１０の前方出射端面に光波長変換素子１０が直接結合される。このＬＤ−ＳＨＧユニット１２０は、図１１に示すように、基板１２２上に固定されている。
【００４１】
半導体レーザ１１０は、ファブリペロー型（ＦＰ型）の単峰性の空間モード（横シングルモード）を有する通常の半導体レーザ（レーザダイオード）であり、半導体レーザ１１０の両端面（劈開面）には、発振波長の光に対するＬＲ（低反射率）コートが施されている。
【００４２】
図１１に示すように、ＬＤ−ＳＨＧユニット１２０には、半導体レーザ１１０の後方出射端面から発散光状態で出射したレーザビーム（後方出射光）１３４Ｒを平行光化するコリメータレンズ１３６が取り付けられている。ＬＤ−ＳＨＧユニット１２０及びコリメータレンズ１３６は、気密封止部材としてのパッケージ１３８内にドライ窒素等の不活性ガスまたはドライ空気と共に気密封止され、パッケージ１３８内に固定されている。なお、コリメータレンズ１３６としては、セルフォック（商品名）のような分布屈折率ロッドレンズ、非球面レンズ、及び球面レンズのいずれをも使用することができる。
【００４３】
パッケージ１３８には、半導体レーザ１１０からの後方出射光１３４Ｒが透過する窓孔４１Ａと光波長変換素子１０からの前方出射光６２が透過する窓孔４１Ｂとが形成され、この窓孔４１Ａと窓孔４１Ｂには、それぞれ透明な窓板４２Ａと窓板４２Ｂとが気密状態を保つように被着されている。また、パッケージ１３８には、ワイヤ取出孔に低融点ガラス等を気密状態で嵌合させたワイヤ取出部４４が形成され、半導体レーザ１１０の両電極に結線された２本のワイヤ４６Ａ、４６Ｂがワイヤ取出部４４を貫通して引き出されている。そして、パッケージ１３８は、ＬＤ−ＳＨＧユニット１２０とコリメータレンズ１３６とを気密封止した状態で、ミラー１１２と共に基板４８上に固定されている。
【００４４】
ミラー１１２は、そのレーザビーム入射側の面にはＡＲコート５０が施され、入射側の面と反対側の面にはＨＲコート５２が施されている。レーザビーム入射側の面にＡＲコートが施され、入射側の面と反対側の面にＨＲコートが施されたミラーを用いることにより、ゴミの付着によりミラーの反射率が低下するのを防止することができる。
【００４５】
パッケージ１３８の窓板４２Ａとミラー１１２との間には、ホルダー５４に回転可能に保持された波長選択素子としての狭帯域バンドパスフィルタ５６と、レーザビーム１３４Ｒの光路を略１８０°折り曲げるための一対の全反射プリズム５８Ａ及び５８Ｂと、平行光化されたレーザビーム１３４Ｒをミラー１１２のＨＲコート５２の表面に収束させる集光レンズ６０と、がこの順に配置され、基板４８上に固定されている。ミラー１１２のＨＲコート５２の基本波に対する反射率は９５％とするのが好ましい。
【００４６】
ミラー１１２と半導体レーザ１１０の前方出射端面とによって構成される外部共振器の共振器長（即ち、半導体レーザ１１０の前方出射端面からミラー１１２のＨＲコート５２の表面までの光学長）が、半導体レーザから出射される基本波のコヒーレント長よりも長くなるように、半導体レーザー１１０とミラー１１２とが配置されている。基本波のコヒーレント長Ｌは、そのレーザビーム固有の可干渉距離であり、レーザビームの波長をλ、スペクトル幅をΔλとすると、下記式に従い算出することができる。基本波のコヒーレント長Ｌは、一般には１００ｍｍ程度であるので、外部共振器の共振器長を、例えば１００ｍｍを超える長さとすることができる。
【００４７】
Ｌ＝λ2／２πｎΔλ
また、パッケージ１３８の窓板４２Ｂの外側には、光波長変換素子１０の前方出射端面から出射した第２高調波６２（基本波１３４を含む）を平行光化するコリメータレンズ６４、平行光化された第２高調波６２（基本波１３４を含む）から赤外光成分を除去するＩＲカットフィルタ６６、ハーフミラー６８、及びフォトダイオード７０が配置され、基板４８上に固定されている。コリメータレンズ６４としては、収差の少ない非球面レンズが好ましい。
【００４８】
図１２に示すように、基板４８は設置台７２に固定されている。基板４８と設置台７２との間にはペルチェ素子７４が挿入されて、基板４８に固定された各光学要素がペルチェ素子７４により所定温度に調節される。基板４８に固定された各光学要素は、基板４８及びペルチェ素子７４と共に、レーザビームの出射部分が透明な防塵用カバー７５により覆われている。
【００４９】
また、半導体レーザ１１０は、防塵用カバー７５の外に引出されたワイヤ４６Ａ、４６Ｂを介して駆動回路７８に接続されている。駆動回路７８の概略構成を図１３に示す。この駆動回路７８は、自動出力制御回路（ＡＰＣ）を備えた直流電源回路８０、交流電源８４、及びバイアスＴ８８からなり、バイアスＴ８８はコイル８２とコンデンサ８６とから構成されており、直流電源回路８０から発せられてコイル８２を経た直流電源成分に、交流電源８４から発せられてコンデンサ８６を経た高周波が重畳され、この高周波重畳された電流が半導体レーザ１１０に印加される。出力する第２高調波のノイズを低減するために、重畳される高周波の周波数は１００〜４００ＭＨｚとするのが好ましく、変調度は１００％とするのが好ましい。
【００５０】
フォトダイオード７０の両電極には２本のワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂが結線されており、ワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂは、防塵用カバー７５の外に引出されている。フォトダイオード７０は、防塵用カバー７５の外に引出されたワイヤ７１Ａ、ワイヤ７１Ｂを介してＡＰＣを備えた直流電源回路８０に接続されている。このＡＰＣにより、第２高調波６２の光出力が所定値となるように、半導体レーザ１１０に印加する電流量を制御する。また、ペルチェ素子７４は、温度コントローラ９０に接続されている。さらに、防塵用カバー７５により覆われた装置内部には、装置内の温度を調節するためのサーミスタ（図示せず）が設けられており、このサーミスタも温度コントローラ９０に接続されている。温度コントローラ９０は、サーミスタの出力に基づいて、装置内部が使用環境で光学系が結露しない温度範囲（例えば、使用環境温度が３０℃であれば、３０℃以上）に維持されるようにペルチェ素子７４を制御する。
【００５１】
本実施の形態に係る光波長変換モジュールは、第１の実施の形態に係る上記光波長変換素子を用いているので、外部に位相補償板等の光学素子を設けることなく、高い波長変換効率で、安定してガウシアンビーム状の０次モードの第２高調波を得ることができる。また、外部に光学素子を設ける必要がないので、モジュールの信頼性が向上すると共に、コストダウンを図ることができる。
【００５２】
【実施例】
以下、具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
上述した製造方法に従い、まず、８７°ＺカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ3基板に、フォトリソグラフィー、Ｃｒ蒸着、及びリフトオフを用いて、分極反転用の電極を作成した。電極の詳細な構造は特開平９‐２１８４３１に開示されている。なお、分極反転グレーティングの長さ、即ち電極長は８ｍｍとした。次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとし、開口部の線幅は７μｍとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１４０℃、３２分の条件で１回目のプロトン交換処理を行った。
【００５３】
次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、出射端から光導波路に沿って１ｍｍ内側までの領域に、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１４０℃、１７６分の条件で２回目のプロトン交換処理を行った。
【００５４】
次に、上層のＴａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した後、大気中において３５０℃、６０分間の条件でアニール処理を行った。その後、Ａｕ層をＫＩとＩとＨ2Ｏの混合液でエッチング除去した後、Ｔａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した。
【００５５】
次に、真空中またはフロリナート中で、電極に、電極間ギャップ４００μｍの時３ｋＶの高電圧を１〜１０秒間印加して分極反転を行った。得られた波長変換素子の両端を光学研磨した。特に、出射側端面２６は基本波が再入射するのを防止するために傾斜角度３〜７°の斜めカットとした。最後に、入射側端面３０及び出射側端面２６に、基本波に対する反射率が０．２％以下になるようにＳｉＯ2単層薄膜からなるＡＲコートを形成した。
【００５６】
完成した波長変換素子に、半導体レーザを用いて波長９５０ｎｍのレーザビーム（基本波）を入力すると、１８ｍＷ以上の波長４７５ｎｍの青色光（第２高調波）の出力が得られた。第２高調波への変換効率を調べたところ、第１の領域での第２高調波への変換効率は３００％／Ｗｃｍ2であり、第１の領域から第２の領域に入射する際のモード変換ロスは４０％である。従って、第１の領域及び第２の領域を通しての第２高調波への変換効率は１８０％／Ｗｃｍ2となる。
【００５７】
また、波長変換素子から出射した第２高調波のＮＦＰにおける基板と垂直な方向のビーム形状は、図９（Ａ）に実線で示すように、ガウス分布を示した。
（実施例２）
上述した製造方法に従い、まず、８７°ＺカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ3基板に、フォトリソグラフィー、Ｃｒ蒸着、及びリフトオフを用いて、分極反転用の電極を作成した。電極の詳細な構造は特開平９‐２１８４３１に開示されている。なお、電極長は８ｍｍとした。次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとし、開口部の線幅は６μｍとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１５０℃、３４分の条件で１回目のプロトン交換処理を行った。
【００５８】
次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、出射端から光導波路に沿って１ｍｍ内側までの領域に、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１７０℃、５３分の条件で２回目のプロトン交換処理を行った。
【００５９】
次に、上層のＴａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した後、大気中において３７０℃、６０分間の条件でアニール処理を行った。その後、Ａｕ層をＫＩとＩとＨ2Ｏの混合液でエッチング除去した後、Ｔａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した。
【００６０】
次に、真空中またはフロリナート中で、電極に、電極間ギャップ４００μｍの時３ｋＶの高電圧を１〜１０秒間印加して分極反転を行った。得られた波長変換素子の両端を光学研磨した。特に、出射側端面２６は基本波が再入射するのを防止するために傾斜角度３〜７°の斜めカットとした。最後に、入射側端面３０及び出射側端面２６に、基本波に対する反射率が０．２％以下になるようにＳｉＯ2単層薄膜からなるＡＲコートを形成した。
【００６１】
完成した波長変換素子に、半導体レーザを用いて波長９５０ｎｍのレーザビーム（基本波）を入力すると、２０ｍＷ以上の波長４７５ｎｍの青色光（第２高調波）の出力が得られた。第２高調波への変換効率を調べたところ、第１の領域での第２高調波への変換効率は５００％／Ｗｃｍ2であり、第１の領域から第２の領域に入射する際のモード変換ロスは６０％である。従って、第１の領域及び第２の領域を通しての第２高調波への変換効率は２００％／Ｗｃｍ2となる。
【００６２】
また、波長変換素子から出射した第２高調波のＮＦＰにおける基板と垂直な方向のビーム形状は、図９（Ａ）に実線で示すように、ガウス分布を示した。
（実施例３）
上述した製造方法に従い、まず、８７°ＺカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ3基板に、フォトリソグラフィー、Ｃｒ蒸着、及びリフトオフを用いて、分極反転用の電極を作成した。電極の詳細な構造は特開平９‐２１８４３１に開示されている。なお、電極長は８ｍｍとした。次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとし、開口部の線幅は７μｍとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１５０℃、３２分の条件で１回目のプロトン交換処理を行った。
【００６３】
次に、フォトリソグラフィー、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、出射端から光導波路に沿って１ｍｍ内側までの領域に、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａからなる３層構造の金属マスクを形成した。各層の層厚はそれぞれ３００Å、１０００Å、３００Åとした。この金属マスクを用いて、ピロリン酸中において１５０℃、８４分の条件で２回目のプロトン交換処理を行った。
【００６４】
次に、上層のＴａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した後、大気中において３７０℃、６０分間の条件でアニール処理を行った。その後、Ａｕ層をＫＩとＩとＨ2Ｏの混合液でエッチング除去した後、Ｔａ層をフッ酸と硝酸の混合液（比率１：２）でエッチング除去した。
【００６５】
次に、真空中またはフロリナート中で、電極に、電極間ギャップ４００μｍの時３ｋＶの高電圧を１〜１０秒間印加して分極反転を行った。得られた波長変換素子の両端を光学研磨した。特に、出射側端面２６は基本波が再入射するのを防止するために傾斜角度３〜７°の斜めカットとした。最後に、入射側端面３０及び出射側端面２６に、基本波に対する反射率が０．２％以下になるようにＳｉＯ2単層薄膜からなるＡＲコートを形成した。
【００６６】
完成した波長変換素子に、半導体レーザを用いて波長９５０ｎｍのレーザビーム（基本波）を入力すると、９ｍＷ以上の波長４７５ｎｍの青色光（第２高調波）の出力が得られた。第２高調波への変換効率を調べたところ、第１の領域での第２高調波への変換効率は３００％／Ｗｃｍ2であり、第１の領域から第２の領域に入射する際のモード変換ロスは７０％である。従って、第１の領域及び第２の領域を通しての第２高調波への変換効率は９０％／Ｗｃｍ2となる。
【００６７】
また、波長変換素子から出射した第２高調波のＮＦＰにおける基板と垂直な方向のビーム形状は、図９（Ａ）に実線で示すように、ガウス分布を示した。
（実施例４）
第２の領域の長さＬを種々変えた以外は実施例１と同様の構成の波長変換素子を作製し、図１４に示すように、波長変換素子の光出射側にＮＡ０．５のレンズＡとアパーチャＢとを配置して出射する第２高調波を集光し、各波長変換素子の迷光レベルを計測した。ここでいう迷光レベルとは、図１５（Ｂ）に示す通り、出力光のピーク強度Ｐ１に対するバックグラウンドの光強度Ｐ２のレベルであり、１０×Ｌｏｇ（Ｐ２／Ｐ１）で表される。
【００６８】
図１５（Ａ）に第２の領域の長さＬと迷光レベルとの関係を示す。迷光レベルは実用上−１０ｄＢ以下とすることが必要であり、−１５ｄＢ以下がより好ましい。従って、図１５（Ａ）から第２の領域の長さＬは０．５ｍｍ以上が好ましく、０．７５ｍｍ以上がより好ましいことが分かる。
【００６９】
第２の領域と第１の領域との接合部において、第２の領域から第１の領域に変換されなかった光は、空間または波長変換素子中に放射される。この放射光は迷光となり実際に使用する光に重なってしまう。このため従来は波長変換素子から出射した光をレンズを介して結像させる際に、迷光により生じた不要部分をアパーチャでカットしていた。しかしながら、上記接合部と素子端面とが近すぎると、ビームが分離されず迷光がオフセットする、という問題がある。上記迷光レベルはそのオフセットの程度を表すものであり、迷光レベルが−１０ｄＢより大きいと、即ち、第２の領域の長さＬが０．５ｍｍ未満では、迷光のオフセットが多く実用上好ましくない。なお、実用上問題の無い迷光レベルとなるように、第２の領域の長さＬを選択することによりアパーチャは不要となる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の光波長変換素子は、高い波長変換効率で、安定してガウシアンビーム状の波長変換波を得ることができる、という効果を奏する。
【００７１】
また、本発明の光波長変換素子の製造方法によれば、本発明の光波長変換素子を容易に製造することができる。
【００７２】
また、本発明の光波長変換モジュールは、本発明の光波長変換素子を用いているので、外部に位相補償板等の光学素子を設けることなく、高い波長変換効率で、安定してガウシアンビーム状の波長変換波を得ることができ、モジュールの信頼性が向上する、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る光波長変換素子の概略図であり、（Ａ）は光導波路に沿った断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図２】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図３】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図４】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図５】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図６】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図７】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図８】本実施の形態に係る光波長変換素子の製造工程を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は光導波路に沿った断面図である。
【図９】（Ａ）は本実施の形態に係る光波長変換素子の出力光のニアフィールドパターンを示す線図であり、（Ｂ）は従来の光波長変換素子の出力光のニアフィールドパターンを示す線図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は本実施の形態に係る光波長変換素子の変形例を示す概略図である。
【図１１】本実施の形態に係る光波長変換モジュールの平面図である。
【図１２】本実施の形態に係る光波長変換モジュールの実装形態を示す側面図である。
【図１３】本実施の形態に係る光波長変換モジュールの駆動回路を示す回路図である。
【図１４】迷光レベルを計測するための装置構成を示す概略図である。
【図１５】（Ａ）は光波長変換素子の第２の領域の長さＬと迷光レベルとの関係を示す線図であり、（Ｂ）は迷光レベルを説明するための線図である。
【符号の説明】
１０  光波長変換素子
１２  基板
１４  周期ドメイン反転構造
１６  チャンネル光導波路
１８  基本波
２０  第１の領域
２２  第２高調波
２４  第２の領域
２６  出射側端面
２８、３２  ＡＲコート
３０  入射側端面
【図１】
0004199408.tif 000002
【図２】
0004199408.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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