(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶基板と、前記結晶基板の表面に形成された導波路と、前記導波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前記導波路を伝播する基本波は前記イオン交換層内を伝播できないが前記基本波の高調波は前記イオン交換層内を伝播しうる厚さとを備えており、
前記イオン交換層の厚さが、前記高調波の回折限界以下であることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記イオン交換層の幅が、前記導波路の幅よりも狭い請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
基本モードの前記基本波と高次モードの前記高調波とが前記導波路内において位相結合しうる請求項１に記載の光導波路。
【請求項４】
前記イオン交換層の屈折率が、前記導波路の屈折率の１．０１倍よりも大きい請求項１に記載の光導波路。
【請求項５】
前記導波路がイオン交換により形成された層であり、前記導波路のイオン交換率が前記イオン交換層のイオン交換率の５０％以下である請求項１に記載の光導波路。
【請求項６】
前記結晶基板において、結晶の分極方向と前記表面とが０．５°〜５°の角度をなす請求項１に記載の光導波路。
【請求項７】
前記導波路の端部において、前記高屈折率層の幅がテーパー状に狭められている請求項１に記載の光導波路。
【請求項８】
前記結晶基板が非線形光学効果を有する請求項１に記載の光導波路。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の光導波路を含み、さらに前記導波路を周期的に横断するように形成された２以上の分極反転部を含むことを特徴とする光波長変換素子。
【請求項１０】
非線形光学効果を有する結晶と、前記結晶の表面に形成された導波路と、前記導波路を周期的に横断するように形成された２以上の分極反転部と、前記導波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前記導波路を伝播する基本波は前記イオン交換層を伝播できないが前記基本波の高調波は伝播しうる厚さとを備えており、
前記イオン交換層の厚さが、前記高調波の回折限界以下であることを特徴とする光波長変換素子。
【請求項１１】
前記分極反転部が、前記導波路には形成されているが前記イオン交換層には形成されていない請求項１０に記載の光波長変換素子。
【請求項１２】
前記イオン交換層の深さが、前記導波路の幅中央における前記結晶の表面から前記分極反転部の上端までの深さよりも深い請求項１０に記載の光波長変換素子。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれかに記載の光波長変換素子と半導体レーザとを含み、前記半導体レーザから出射された光を前記光波長変換素子により波長変換することを特徴とする光発生装置。
【請求項１４】
ピーク強度分布の幅が０．８λ以下のサブピークを含む高次モードの高調波へと波長変換する請求項１３に記載の光発生装置。ただし、λは前記高調波の波長である。
【請求項１５】
波長変換された高調波を集光する集光光学系を含み、前記集光光学系の開口数ＮＡと、前記イオン交換層または前記高屈折率層の厚さＬＤとが、下記関係式を満たす請求項１３に記載の光発生装置。
ＬＤ＜０．８λ／ＮＡただし、λは前記高調波の波長である。
【請求項１６】
請求項１３に記載の光発生装置と集光光学系と記録メディアとを含む光ピックアップであって、前記光発生装置から出射された光を前記集光光学系により前記記録メディア上に集光することを特徴とする光ピックアップ。
【請求項１７】
結晶基板と、前記結晶基板の表面に形成された導波路と、前記導波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前記導波路を伝播する基本波は前記イオン交換層内を伝播できないが前記基本波の高調波は前記イオン交換層内を伝播しうる厚さとを備えた光導波路と、
前記導波路を周期的に横断するように形成された２以上の分極反転部を含む光波長変換素子と、
前記光導波路内で波長変換された高調波を集光する集光光学系を含み、前記集光光学系の開口数ＮＡと、前記イオン交換層または前記高屈折率層の厚さＬＤとが、下記関係式を満たす光発生装置。
ＬＤ＜０．８λ／ＮＡ
ただし、λは前記高調波の波長である。
【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、光応用計測の分野に使用される光導波路および波長変換素子に関するものである。また、本発明は、このような光波長変換素子を用いた光発生装置および光ピックアップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路は、光波制御のために通信、光情報処理、計測等広い分野で利用されている。特に光導波路の光波長変換素子への適用は、半導体レーザの波長変換による小型の短波長光源を実現するために盛んに研究が行われている。
【０００３】
例えば、特開平５−２７３６２４号公報には、図２０に示すように、光導波路の表面近傍に非線形劣化層を設けて、高効率化、安定化を図った光波長変換素子が開示されている。図２０において、２０１はＬｉＴａＯ3基板、２０２は導波層、２０３は分極反転層、２０４は非線形劣化層である。光波長変換素子の導波層２０２内に入射されたＴＭ００モードの基本波２０５は、導波層２０２内でＴＭ１０モードの高調波２０６に波長変換されている。非線形劣化層２０４の厚みは約０．４５μｍで、導波層２０２の厚みは１．８μｍである。ＴＭ１０モードの高調波は、図２１に示すように、ＴＭ００モ−ドの基本波とほぼ同程度のピーク出力を有する。即ち、ＴＭ００モードの基本波とＴＭ１０モードの高調波との間でオーバラップの増大が図られ、高効率化が達成されている。
【０００４】
また、例えば特開平４−２５４８３４号公報には、導波層より屈折率の高い高屈折率層を導波層上に形成する構成が報告されている。この光波長変換素子の構成図を図２２に示す。この光波長変換素子は、ＬｉＮｂＯ3基板３０１上に形成されたプロトン交換による光導波層３０２の表面に、分極反転層３０３とＴｉＯ2からなる高屈折率層３０４とが形成されている。ＴｉＯ2の屈折率はプロトン交換による導波層３０２の屈折率よりも大きく、屈折率の高い高屈折率層３０４を導波層３０２上に形成することにより、基本波の閉じ込めを強くし、光波長変換素子の高効率化を達成している。
【０００５】
さらに、特開平１−２３８６３１号公報には、光導波路の閉じ込めを強化するためリッジ型の光導波路構造を採用した光波長変換素子が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平５−２３７６２４号公報に記載の光波長変換素子には、出射されるＴＭ１０モードの光が２ピークの強度分布を有し、集光する際に集光特性が劣化するという問題があった。また、この方式では、耐光損傷強度を高めるために高調波を高次モードのピークに分散させているため、出力する高調波が２つのほぼ等しい大きさのピークを有している。そのため、高調波出力を集光し、特別な光学系が必要であるため、光学系が複雑化し、小型化が難しいという問題があった。さらに、回折限界まで集光するにはビームをかなり整形する必要があり、出力光の利用効率が５０％以下に低下するという問題があった。また、非線形劣化層は、基本波の閉じこめを高める機能を有さないため、基本波のパワー密度の増大が図れず、高効率化に限界があった。
【０００７】
また、上記特開平４−２５４８３４号公報に記載の光波長変換素子には、高屈折率層として、高屈折率の誘電体膜を使用している点に問題があった。導波層上の高屈折率層は導波層の実効屈折率に与える影響が大きく、導波層全域にわたる膜厚の均一性に高い精度が要求される。例えば、光波長変換素子の場合、導波層全長における位相整合条件は導波層の実効屈折率に厳しく依存するため、導波層の実効屈折率が伝搬方向に渡りわずかに変化すると、変換効率が極端に減少する。このため、高屈折率層の膜厚制御には厳しい均一性が要求されていた。また、基板と異なる材質を導波層の表面に堆積することで、導波層と高屈折率層との界面において導波損失が生じやすいという問題があった。さらに、基板との膨張係数の違いによって、導波層に歪みを与え、導波層の実効屈折率が導波層の伝搬方向に分布を有するという問題が生じていた。
【０００８】
さらに、導波層を伝搬する光に対する、高屈折率層の伝搬損失が大きな問題となることが明らかになってきた。光波長変換素子の特性を劣化させる導波層の伝搬損失は、高調波に対するものと、基本波に対するものがある。誘電体の高屈折率層は基本波に対する伝搬損失は比較的小さく問題はないが、高調波は波長が短いため従来の高屈折率膜が与える伝搬損失がかなり大きいことが明らかになった。本発明者らの実験では、各種の高屈折率を有する誘電体膜を試みたが、波長４００ｎｍ帯の高調波に対してはいずれも−数ｄＢ／ｃｍという大きな伝搬損失が認められ、これにより光波長変換素子の変換効率が１／２以下に低減されていることがわかった。さらに、高屈折率層は、基本波の閉じこめを高める機能を有さないために基本波のパワー密度の増大が図れず、高効率化に限界があった。
【０００９】
また、この光波長変換素子は、導波層を伝搬する基本モードの基本波と第２高調波におけるオーバラップの向上を目的としている。このため、基本波と第２高調波の屈折率分散の違いより、導波層内での導波モードの分布が大きく異なるため、両モード間でのオーバラップの増大には制限があり、変換効率を大幅に向上させることは困難であった。さらに、基本波と第２高調波がオーバラップしない部分が大きいため、耐光損傷強度の向上を達成することは困難であった。
【００１０】
また、特開平１−２３８６３１号公報に記載の光波長変換素子は、リッジ型光導波路を用いて変換効率の向上が図られている。この場合、光導波路の閉じ込め効果によるパワー密度の増大により変換効率が向上する。しかしながら、基本波は、リッジ導波路による閉じ込め効果の増大は横方向に限られているため、深さ方向の閉じ込めが向上しない。したがって、変換効率への影響が最も大きな基本波と第２高調波のオーバラップの増大（特に深さ方向のオーバラップの増大）はリッジ構造では達成できず、変換効率の大幅な向上が困難であった。また装荷型光導波路についても、リッジ型と同様に基本波と第２高調波とのオーバーラップを大きくできなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、優れた集光特性を有する第２高調波出力が可能で、かつ基本波と第２高調波とのオーバーラップを大きくした光波長変換素子を提供することを目的とする。また、この光波長変換素子に用いられる光導波路とその製造方法、さらにはこの光波長変換素子を用いた光発生装置および光ピックアップを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光導波路は、結晶基板と、前記結晶基板の表面に形成された導波路と、前記導波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前記導波路を伝播する基本波は前記イオン交換層内を伝播できないが前記基本波の高調波は前記イオン交換層内を伝播しうる厚さとを備えており、前記イオン交換層の厚さが、前記高調波の回折限界以下であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の光波長変換素子は、上記光導波路を含み、さらに前記導波路を周期的に横断するように形成された２以上の分極反転部を含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明の光波長変換素子は、非線形光学効果を有する結晶と、前記結晶の表面に形成された導波路と、前記導波路を周期的に横断するように形成された２以上の分極反転部と、前記導波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前記導波路を伝播する基本波は前記イオン交換層を伝播できないが前記基本波の高調波は伝播しうる厚さとを備えており、前記イオン交換層の厚さが、前記高調波の回折限界以下であることを特徴とする。
【００２０】
また本発明の第１番目の光発生装置は、上記光波長変換素子と半導体レーザとを含み、前記半導体レーザから出射された光を前記光波長変換素子により波長変換することを特徴とする。
本発明の第２番目の光発生装置は、結晶基板と、前記結晶基板の表面に形成された導波路と、前記導波路の表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、前記導波路の屈折率よりも大きい屈折率と、前記導波路を伝播する基本波は前記イオン交換層内を伝播できないが前記基本波の高調波は前記イオン交換層内を伝播しうる厚さとを備えた光導波路と、前記導波路を周期的に横断するように形成された２以上の分極反転部を含む光波長変換素子と、前記光導波路内で波長変換された高調波を集光する集光光学系を含み、前記集光光学系の開口数ＮＡと、前記イオン交換層または前記高屈折率層の厚さＬＤとが、下記関係式を満たす。
ＬＤ＜０．８λ／ＮＡ
ただし、λは前記高調波の波長である。
【００２１】
また本発明の光ピックアップは、上記光発生装置と集光光学系と記録メディアとを含む光ピックアップであって、前記光発生装置から出射された光を前記集光光学系により前記記録メディア上に集光することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明は、非線形光学効果による第２高調波発生を利用した光波長変換素子において、基本モードの基本波と高次モードの第２高調波（ＳＨＧ波）との位相整合を利用することでオーバラップを大きくし、ＳＨＧ波への変換効率を向上させるものである。
【００２３】
以下にそのオーバラップの増大の原理について説明する。ここでは、基本モードの基本波と高次モードのＳＨＧ波との間で位相整合を図ることで、両モード間のオーバラップを大きくし、変換効率の向上を図る原理について説明する。
【００２４】
まず最初に、一般の光導波路における光波長変換について説明する。通常、光導波路の断面は図１(ａ)に示すように、基板５１（屈折率：ｎｓ）と、導波層５２（屈折率：ｎｆ）と、外層（図１では省略）（屈折率：ｎｃ）とからなり、屈折率はｎｆ＞ｎｓ＞ｎｃで、導波するモードの電界分布は、基本モードの基本波５３に対する、１次モード５４および２次モード５５のＳＨＧ波は図１(ｂ)に示すような状態になる。
【００２５】
基本波５３とＳＨＧ波５４，５５との電界のオーバラップは、図１(ｂ)に示したように、基本モード間が最も大きく、ＳＨＧ波の導波モードの次数が高くなるに従って低下する傾向にある。即ち、ＳＨＧ波の変換効率はモードのオーバラップに比例するため、基本モード間の位相整合が最も変換効率の高い変換となる。
【００２６】
次に、ｎｆより高い屈折率の外層を形成した場合について説明する。屈折率の高い外層を設けると、基本波のモード分布は高屈折率層側に偏り、導波路の表面近傍に強く閉じ込められる。従来の光波長変換素子では、このような基本波の強い閉じ込めを利用して、変換効率の向上が図られていた。
【００２７】
しかしながら、基本波と高調波とでは波長が異なり、屈折率分散も存在するため、導波モードの分散はそれぞれ異なり（例えば基本波に比べて第２高調波はより強く高屈折率層に引きつけられる）、モード間のオーバラップの増大には限界があった。確かに、導波層より高い屈折率の高屈折率層を外層として用いると基本波の閉じ込めを強化することができるが、高屈折率層の厚みを厚くして基本波の閉じ込めを強化しようとすると、波長の短いＳＨＧ波は高屈折率層の内部に閉じ込められて素子の変換効率が極端に低下してしまうためである。
【００２８】
ところが、同じＳＨＧ波でも、高次のモードを利用するとこの問題が解決される。この方法を、導波層の断面の深さ方向の電界分布を表した図２に基づいて説明する。図２は、基板６１上に形成された導波層６３において、高屈折率層６３の厚みを変化させた場合の導波モードの様子を表したものである。
【００２９】
図２(ａ)は高屈折率層が形成されていない場合であり、図１と基本的には同じ状態を示す。図２(ｂ)は高屈折率層６３が比較的薄い場合を示す。図２(ｂ)において、高屈折率層６３は、基本波６４、ＳＨＧ波６５に対するカットオフ条件（その層内に閉じこもる導波モードが存在しない条件）を満足している。このとき基本波６４、ＳＨＧ波６５は、ともに高屈折率層６３のみを導波することができないため、導波層６２内を伝搬することになる。ただし、高屈折率層６３により基本波６４とＳＨＧ波６５の電界分布は表面近傍に引き寄せられている。図２(ｂ)は、従来の高屈折率層を用いた光導波路の導波状態を示している。
【００３０】
図２(ｃ)は高屈折率層６３が同図(ｂ)に示したよりも厚く形成されている状態を示す。この状態では、高屈折率層６３は、基本波６４に対してはカットオフ条件を満たすがＳＨＧ波６６に対しては低次のモード（この場合は基本モードのＳＨＧ波６５）の伝搬が可能となっている。このとき、基本波６４の閉じ込めは図２(ｂ)と比べてさらに強くなる。しかし、基本モードのＳＨＧ波６５は、高屈折率層６３内部に閉じこもってしまうため、基本波６４から基本モードのＳＨＧ波６５への変換効率は極端に低下してしまう。
【００３１】
ところが、図２(ｃ)に示したように、高屈折率層６３に導波可能なモードの次数より一つ高い次数のモードのＳＨＧ波（ここでは１次モードのＳＨＧ波６６）は、大部分が導波層６２を伝搬する。注目すべきことに、ＳＨＧ波６６の導波層６２の電界分布（図２(ｃ)）が高屈折率層６３がない場合の基本モードのＳＨＧ波の電界分布（図２(ａ)）とほとんど変わらないことである。一方、基本波６４の導波モードは強く高屈折率層６３に引きつけられている（図２(ｃ)）。即ち、基本モードの基本波６４は閉じ込めの強い導波モードになるのに対し、高次モードのＳＨＧ波６６は、高屈折率層６３が存在しない場合とほとんど変化しないため、図２(ｃ)に示したように、両モード間のオーバラップが飛躍的に増大する。これを利用することにより基本波からＳＨＧ波への変換効率を大幅に改善できる。
【００３２】
図２(ｄ)は高屈折率層６３が同図(ｃ)に比べてさらに厚く、基本波６４が高屈折率層６３を導波可能となった状態を示す。基本波６４が高屈折率層６３を導波可能となると、図２(ｄ)に示したように、導波層６２内での基本波６４とＳＨＧ波６５のオーバラップが極端に減少するため、変換効率は大幅に低減してしまう。
【００３３】
即ち、高屈折率の高屈折率層６３を有する導波層６２においては、図２(ｃ)の状態となるように高屈折率層の厚さを調整することにより、基本モードの基本波６４と高次モードのＳＨＧ波６６との間でオーバラップが増大し、高効率の波長変換が可能となる。
【００３４】
しかしながら、図２(ｃ)の状態を実現するには、いくつかの条件を満足する必要がある。
【００３５】
まず第１は、基本波６４が高屈折率層６３を導波不可能な状態となっていることが必要である。即ち、高屈折率層６３の厚みと屈折率が、基本波６４に対しカットオフ条件を満足していることである。高屈折率層６３が基本波６４の導波条件を満足すると、図２(ｄ)の状態に至って波長変換の効率が低下する。
【００３６】
第２は、高次モードのＳＨＧ波が高屈折率層６３を導波可能な状態となっていることである。高次モードにおいて、ＳＨＧ波の電界分布の主ピークが導波層６２を伝搬し、サブピークが高屈折率層６３を伝搬する条件を満足することである。高屈折率層６３においてＳＨＧ波６５がカットオフ条件を満たす場合、図２(ｂ)の状態に至って波長変換の効率が低下する。図２(ｃ)の状態を実現するには、高屈折率層６３においてＳＨＧ波の導波条件が満足されなければならない。この条件を満足した状態で、高屈折率層６３において、導波可能な次数のモードより一つ高い次数のモードのＳＨＧ波６６を選択的に導波させれば、導波層６２に主ピークを有する導波モードになることが確認された。
【００３７】
このように、高屈折率層６３を有する導波層６２における高効率の波長変換素子を実現するためには、高屈折率層６３の厚みと屈折率を、基本波６４に対してはカットオフ条件、ＳＨＧ波６６に対しては導波条件を満足するように選択すればよい。
【００３８】
さらに、高効率化を図るために、高屈折率層６３の屈折率について調査した。素子の変換効率を高めるには、ＳＨＧ波の電界分布を導波層６２に集中させる必要がある。即ち、高屈折率層６３の電界分布をできるだけ小さくしたい。ＳＨＧ波の電界分布において、高屈折率層（クラッド）と導波層（コア）の電界分布の比は、それぞれの屈折率の比に依存する。例えば、導波層に対して高屈折率層の屈折率が増大するに従い、高屈折率層の電界分布が小さくなる。
【００３９】
従って、高屈折率層の電界強度を導波層における電界強度の例えば１／１０以下にするためには、高屈折率層の屈折率ｎｃを導波層の屈折率ｎｆ（グレーティッド状の屈折率分布を有する場合は導波層の最大の屈折率ｎｆmax）に対し、ｎｃ＞１．０１ｎｆとすればよい。
【００４０】
なお、ここでは、単層の高屈折率層について説明したが、多層膜からなる高屈折率層についても同様の効果が得られる。多層膜を用いると、高屈折率層における屈折率分布の制御が可能になるため、素子設計の自由度が増し、作製許容度の高い素子の作製が可能となる。
【００４１】
また、導波層を伝搬するＳＨＧ波のモードは、基本波の波長を選択することにより一義的に選択できるため、オーバラップの大きな、高次モードとの位相整合を選択的に行え、高効率な波長変換が可能となる。
【００４２】
また、上記の導波層の構造が、耐光損傷強度の向上に非常に有効となることが確認された。導波層内での基本波とＳＨＧ波とのオーバラップが増大することにより、ＳＨＧ波と基本波とが重ならない部分における電界が減少する。光損傷は、短波長光（ＳＨＧ光）により結晶内の不純物が励起されて内部電界を生じることにより発生するが、基本波が介在すると不純物をトラップする準位を励起し、光損傷による内部電界が固定化する傾向にある。これは、ＳＨＧ波の電界分布近傍の基本波が単独で存在する部分で顕著となる。ところが、上記構成を採用すれば、基本波とＳＨＧ波とが重ならない部分が極端に減少するため、光損傷の発生が大幅に低減できる。
【００４３】
以上の導波層の構造は、光波長変換素子のみならず、波長の異なる２以上の光を同時に導波させる光導波路について有効である。即ち、光導波路を伝搬する異なる波長の光のオーバラップを高めて相互作用を増大させるために有効な構造である。
【００４４】
さらに、光の分布が表面近傍に引き寄せられるため、例えば光導波路上に集積化した電極等の素子による導波光への影響を高めることが可能となって効率の高い光集積回路素子を実現できる。
【００４５】
光導波路の具体的な構造としては、高屈折率層を導波路の表面近傍に設けた埋め込み型導波路構造が好ましい。このような構造を有する光導波路は、
・回折限界以下の集光特性を有し、
・横方向の光の閉じ込めが強化され、
・導波層の伝搬損失が小さく高効率化が可能で、
・光導波路形状誤差に対する許容度が大きい、
という効果を奏することができる。さらにイオン交換を利用すれば、作製プロセスが容易になるという製造上の利点が得られる。
【００４６】
以下、このような光導波路、この光導波路を有する光波長変換素子、光発生装置および光ピックアップについて具体的に説明する。
【００４７】
（実施の形態１）
本実施形態では、短波長光発生装置の構成の例について説明する。図３に示したように、この短波長光発生装置は、半導体レーザ７１と光波長変換素子７２とを含み、半導体レーザ７１より出射された基本波Ｐ1は、レンズ７３、７４を介して光波長変換素子７２に形成されている導波層７２ａに入射する。また、それぞれの部品は、マウント７５に固定されている。
【００４８】
入射した基本波Ｐ1は導波層７２ａ中をＴＥ００モードで伝搬し、高調波の高次モードであるＴＥ１０モードに変換される。この高調波は光波長変換素子７２より放射され、短波長レーザビームとして使用される。ここで注目されるのは、導波層７２ａ内を伝搬する高調波ＴＥ１０モードのモードプロファイルである。ＴＥ１０モードは高次の導波モードであるため、強度分布として例えば図４(ｂ)に示すように２つのピークを有する。以下、２つのピークのうち大きい方をメインピーク、小さい方をサブピークと呼ぶことにする。
【００４９】
サブピークを有するＴＥ１０モードは、集光光学系で集光すると、導波モードと同様のサブピークを有する集光スポットを形成し、回折限界近傍の単一ピークの集光として使用する場合に問題となる。
【００５０】
そこで、高調波を集光する際に問題となるサブピークをほぼ解消する方法が新たに見い出された。それは、導波モードの状態におけるサブピークの幅を、集光に用いる集光光学系の回折限界に対し、十分小さな値にすることである。即ち、集光光学系の分解能以下の幅にサブピークを抑えることにより、集光スポットにサブピークが与える影響が解消される。
【００５１】
ここでは、ＮＡ＝０．９５の集光レンズを用いて、波長λ＝４２５ｎｍの高調波を集光した。このときの空気中での光の回折限界は約０．３４μｍである。サブピークの幅として、０．３２μｍ以下になるように導波層７２ａを設計したところ、得られた集光スポットにおいてサブピークは全く観測されなかった。サブピークを有する高次の導波モードは、サブピークの幅が空気中での光の回折限界（０．８×λ／ＮＡ）程度以下であれば、集光する際に、集光スポットに与える影響はなく、有効に利用できることが確認された。このためビーム整形により低下する出力の利用効率は、８０％以上に向上させることが可能となった。
【００５２】
さらに、回折限界以下の幅を有するサブピークを有する導波光を利用すると、レンズの回折限界以下にビームを集光できる超解像効果が得られることがわかった。図４(ａ)にＴＥ００モードを集光した場合と、同図(ｂ)にＴＥ１０モードを集光した場合の集光スポットの形状を示す。ＴＥ００モードを集光すると、レンズの回折限界に近い値（０．８×λ／ＮＡ）が得られた。一方、サブピークを有する高次のＴＥ１０モードを集光すると、サブピークを有する側のビーム形状が切り立った形になり、集光スポットの幅として回折限界の９０％程度まで集光が可能となり、超解像効果を有することが確認された。
【００５３】
実験によると、サブピークの幅ｗを空気中における波長λの光の回折限界（〜０．８×λ）以下にすることで、集光スポットの幅が使用するレンズ（開口数：ＮＡ）の回折限界（０．８×λ／ＮＡ）より小さくなっていることが明らかになった。このように、回折限界以下の幅を有するサブピークを有する導波モードを集光することにより、より小さな集光スポットが得られることが明らかになった。
【００５４】
さらに、サブピークの幅と集光スポットとの関係についてさらに詳しく調査したところ、
1)サブピークの幅：≦0.8λ
回折限界以下の集光特性（超解像効果）が得られる。
2)サブピークの幅：0.8λ（1+0.2(1/NA−１)）〜0.8λ（1+0.5(1/NA−１)）
回折限界とほぼ同等の集光スポットが得られ、サブピークによる集光特性の劣化は観測されない。
3)サブピークの幅：＞0.8λ（1+0.7(1/NA−１)）
集光スポットにサブピークが現れ、集光特性が劣化する。
という結果が得られた。即ち、サブピークによる集光特性の劣化を防止するにはサブピークの幅を少なくとも０．８×λ（１＋０．５（１／ＮＡ−１））程度以下に抑えることが好ましい。
【００５５】
さらに、サブピークの幅を０．８λ以下になるように導波層を設計すると、集光レンズの回折限界よりさらに小さな集光スポットが得られて非常に有効である。一方、集光スポットの幅が用いたレンズの回折限界（０．８×λ／ＮＡ）程度より大きいと、集光スポットは導波モードとほぼ等しい形状を有し、サブピークを有する２ピークの集光スポットとなり、単一ピークの集光スポットは得られない。
【００５６】
なお、本実施の形態では短波長光源として、基本波を高調波に波長変換する際に、導波モードを回折限界以下の幅のサブピークを有する高次モードに変換したが、他にサブピークを有する導波光を集光すれば、同様の効果が得られる。例えば、周期状のグレーティング構造を導波層上に設け、ＴＥ００モード導波光をＴＥ１０モードの導波光に変換し、これを集光することで超解像効果による回折限界以下の集光スポットを得ることができる。
【００５７】
なお、本実施の形態では、サブピークが一つのＴＥ１０モードを用いたが、さらに高次の導波モードでもサブピークの幅が回折限界であれば、同様の効果が得られる。例えば、メインピークの両側にサブピークを有するＴＥ２０モードであれば超解像効果はさらに強くなり、より小さなスポット径が得られて有効である。
【００５８】
また、深さ方向だけでなく、幅方向にサブピークを有するＴＥ０１、ＴＥ０２モード、および幅深さ両方向にサブピークを有するＴＥ１１、ＴＥ２２でもより小さな集光スポットが得られて有効である。なお、本実施の形態ではＴＥモードを扱ったが、他にＴＭモードでも同様の効果が得られる。
【００５９】
（実施の形態２）
次に、短波長光発生装置の基本構成要素である光波長変換素子について説明する。図５に示したように、この短波長光発生装置には、Ｘ板のＬｉＮｂＯ3基板７６の表面近傍にストライプ状の導波路７７が形成されている。このＬｉＮｂＯ3７６基板には、位相整合のために分極反転部７９が導波路７７を周期的に横断するように形成されている。また、導波路７７の表面近傍には高屈折率層７８が形成されている。導波路７７の幅Ｗ1は４μｍ、深さＤ1は２．５μｍであり、高屈折率層７８は幅Ｗ2は３μｍ、深さＤ2は０．２μｍである。図５(ａ)に示したように、高屈折率層７８は導波層７７に沿って、またそのほぼ中央部に形成されている。
【００６０】
導波路７７は、ＬｉＮｂＯ3結晶をプロトン交換した後アニール処理して形成され、ＬｉＮｂＯ3内のＬｉの一部がＨに交換されて、Ｌｉ(1-x)ＨxＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で示される組成を有する。ここで、ｘはプロトン交換の交換率である。アニール処理により、ｘの値は０．３以下にまで低下していることが好ましい。
【００６１】
高屈折率層７８も同様にプロトン交換により形成されている。導波路７７より高い屈折率を得るため、高屈折率層７８は、導波路７７より高いプロトン交換率ｘを有している。具体的には、ｘは０．６以上であることが好ましい。この光波長変換素子では、例えば波長８５０ｎｍの基本波がＴＥ００モードで入射され、導波路７７内でＴＥ１０モードの高調波と擬似的に位相整合する。
【００６２】
この光波長変換素子において、高調波へ高効率で波長変換できる原理について説明する。前述のように、高屈折率層を有する導波層においては、基本波と高調波間でのオーバラップが増大し、導波光の閉じ込めが強化され高効率の波長変換が可能となることを示したが、本実施形態の構成によりさらにこの効果が強調されより高い変換効率が得られる。
【００６３】
図６に本実施の形態の光波長変換素子における導波モードの分布を示す。同図(ａ)に、表面にスラブ状の高屈折率層８２を有する導波路８１におけるモード分布を比較のため示し、同図(ｂ)にストライプ状の高屈折率層７８を有する導波路７７における導波モードの分布を示す。深さ方向の電界分布は同図(ａ)，(ｂ)ともにほぼ等しいが、導波路の幅方向の電界分布は、(ｂ)において電界分布の幅が小さくなり、より強い閉じ込めが達成されている。
【００６４】
さらに、閉じ込めが強化された結果、同図(ｂ)の基本波、高調波間のオーバラップも向上し、変換効率は、同図(ａ)に示すスラブ状の高屈折率層を有する導波路の１．５倍程度になった。この結果、スラブ状の高屈折率層を有する光波長変換素子に比べ、変換効率が２倍以上に向上した。
【００６５】
次に、高次の高調波のモードプロファイルについて述べる。ＴＥ１０モードは導波路の深さ方向に２つの強度ピークを持ち、高屈折率層側にサブピークを有する。高屈折率層内はプロトン交換率が高く非線形性が小さいため、サブピークにおける電界分布は基本波から高調波への変換に寄与しない。そのためサブピークにおける電界分布の存在はできるだけ制限するのが好ましい。このため、前述したように、高屈折率層の屈折率ｎｃの大きさを導波路の屈折率ｎｆの１．０１倍以上とすることが好ましい。
【００６６】
次に、高屈折率層の厚みについて述べる。高屈折率層の膜厚の増加とともに、高屈折率層における電界分布の量が増大するため、高屈折率層の膜厚Ｄ2を制限することが好ましい。高効率化を図るためには、少なくとも導波路の厚みＤ1は高屈折率層の厚みＤ2の２倍以上であることが好ましい。Ｄ1＜２×Ｄ2になると変換効率は最大値の１／２以下に減少してしまう。
【００６７】
次に、集光特性の観点から高屈折率層と導波路との屈折率の関係について説明する。サブピークを有する導波光をレンズ系で集光する際、サブピークの大きさにより集光特性が劣化する。前述のように、集光スポットをシングルスポットにし、回折限界と同等またはそれ以下の集光スポットを得るには、導波モードのサブピークを集光レンズの回折限界以下に低減する必要がある。そのため、高屈折率層の厚みＤ2を規定することが好ましい。サプピークの幅は、高屈折率層の厚さと屈折率により規定されるが、高屈折率層の厚さとほぼ等しくなる。従って、サブピークの幅を回折限界以下に抑えるには、高屈折率層の厚みを高調波の回折限界以下に抑える必要がある。
【００６８】
具体的には、波長４２５ｎｍの高調波に対し、高屈折率層の厚みが０．６〜０．７μｍよりも大きい（Ｄ2＞０．７μｍ〜０．６μｍ）時、ＮＡ＝０．６程度のレンズを用いると集光特性が劣化した。Ｄ2＝０．５μｍ程度の時はかなり集光特性が改善され、Ｄ2＜０．４μｍのときは、回折限界以下の集光特性が得られた。ＮＡ＝１、波長４２５ｎｍと仮定して回折限界を計算すると約０．３４μｍなので、ほぼ回折限界より小さなＤ2であれば、集光特性に優れた出射ビームが得られることがわかる。
【００６９】
次に、高屈折率層の幅Ｗ2について説明する。導波モード間のオーバラップの向上ならびに閉じ込め効果の向上により高効率化が図れるが、さらに高効率化を図るには、高屈折率層の幅Ｗ2は導波層の幅Ｗ1より小さいことが望ましい。導波路の横方向の閉じ込めが強化され高効率化が図れるからである。Ｗ2がＷ1以上のときは、導波路を伝搬する導波モードの電界分布はスラブ状の高屈折率を有する導波路とほぼ等しく、効率の向上は見られなかった。Ｗ2＜０．９×Ｗ1のとき変換効率向上が確認され、Ｗ2＜０．８×Ｗ1のとき変換効率は１．５倍以上に向上した。
【００７０】
また、高屈折率層の幅を導波路の幅より狭くする構造は、プロトン交換による導波路内にプロトン交換による高屈折率層を形成する方法のみならず、導波路の表面に高屈折率の誘電体を堆積する構造においても有効に作用することが確認できた。
【００７１】
次に、高屈折率層の屈折率について説明する。プロトン交換部分はＬｉ(1-x)ＨxＯ3（０＜ｘ＜１）となっており、ＬｉＮｂＯ3結晶内のＬｉの一部がＨに交換されている。ｘはプロトン交換の交換率である。
【００７２】
導波路および高屈折率層は共にプロトン交換により形成されているが、プロトン交換率は相違する。プロトン交換直後のｘ値は、０．９程度と非常に高い。アニール処理によりｘの値は調整可能であり、非線形性を回復させるには、０．５以下の交換率まで低下させる必要がある。また、交換率はプロトン交換層の屈折率と比例関係にあり、交換率が低下すると屈折率も低下する。
【００７３】
光波長変換素子の導波路は強い閉じ込めと高い非線形性を必要とするが、アニール処理により非線形性の回復を図ると屈折率が低下し、閉じ込めが弱くなる。非線形性を基板の８０％程度まで回復するには、ｘの値を０．３程度まで低下させる必要があり、この状態では導波路の屈折率が低くなり、基本波を十分閉じ込めるのが難しくなる。ところが導波層の上部に高屈折率層を形成すると、導波層の閉じ込めが強化され、閉じ込めが強く、非線形性の高い光導波路の形成が可能となった。導波層の閉じ込め強化を図るには、高屈折率層のイオン交換濃度を高める必要があり、導波層の２倍以上（ｘ＞０．６）のイオン濃度とすることが好ましい。
【００７４】
なお、本実施の形態では、高屈折率層としてプロトン交換層を用いたが、他に高屈折率の誘電体でも同様の効果が得られる。プロトン交換の場合、導波層の内部に高屈折率層を形成したが、誘電体膜を堆積して高屈折率層とする場合にも、導波層の表面に選択的に堆積して導波層を形成することが好ましい。
【００７５】
誘電体として、ＬｉＮｂＯ3よりも屈折率の高いＮｂ2Ｏ5を用いた。導波路表面に２００ｎｍの厚みのＮｂ2Ｏ5をスパッタリング法により堆積し、導波路に沿ってその中央部に形成した。ただし、導波路表面にパターニングして、高屈折率層をリッジ形状に加工する際にリッジ形状の側面にわずかな凹凸が形成された。これによって、光導波路の伝搬損失が増加したため、イオン交換で形成した導波層の方が導波光の伝搬損失が小さいという点では優れていることがわかった。
【００７６】
なお、本実施の形態ではＸ板の基板を用いたが、他にＹ板、Ｚ板、また結晶軸が表面から傾いた基板を用いてもよい。Ｚ板または結晶軸が基板表面から傾いた基板を用いると深い分極反転構造の形成が容易であり、高効率化が図れる。
【００７７】
また、本実施の形態でＴＥモードの偏光方向を利用したのは、通常の半導体レーザの導波路の偏光方向と一致させるためである。半導体レーザと同じ偏光方向を有する光導波路にすることで、導波路同士を低損失で結合させることが可能となる。ただし、ＴＭモード偏光の光導波路も利用可能である。ＴＭモードの光導波路は、偏光方向をλ／２板により制御することで結合損失を低減することが可能である。
【００７８】
さらに、本実施の形態では、光導波路を用いた光波長変換素子について説明したが、本実施形態の光導波路は、他の光導波路素子にも有効である。高屈折率層を光導波路上に形成することにより、光導波路を伝搬する導波光の電界分布は表面近傍に強く引き寄せられる。このため、導波路上に形成するプレーナー電極や、グレーティング素子の影響を導波光に強く与えることが可能となり、効率の高い変調および回折効果を得ることができる。
【００７９】
なお、本実施の形態では基板にＬｉＮｂＯ3基板を用いたが、他にＭｇＯ、Ｎｂ、Ｎｄ等をドープしたＬｉＮｂＯ3、またはＬｉＴａＯ3またはその混合物であるＬｉＴａ(1-x)ＮｂxＯ3（０≦ｘ≦１）基板、そのほかＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）でも同様な素子が作製できる。ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3、ＫＴＰはともに高い非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作製できる。
【００８０】
（実施の形態３）
次に、本発明の光波長変換素子の構成の他の例として、高屈折率層をイオン交換により形成した場合について述べる。本実施形態の光波長変換素子の構成図を図７に示す。図７に示したように、Ｘ板のＬｉＮｂＯ3基板８３の表面近傍に、ストライプ状の導波路８４が形成されており、導波路８４の表面近傍には、プロトン交換による高屈折率層８５が形成されている。ＬｉＮｂＯ3基板８３には、位相整合のために導波路を周期的に横切るように分極反転部８６が形成されている。
【００８１】
イオン交換により形成した高屈折率層８５は、
・面内における膜厚の均一性に優れており、面内バラツキを±０．１％以下に抑えることができ、
・膜厚の制御性に優れ±０．０１μｍ以下で膜厚を制御でき、
・高調波、基本波に対する伝搬損失がともに小さく、
・導波層との境界部における歪み等が小さく伝搬損失や面内分布を与えない点で優れている。
【００８２】
高屈折率層には基板よりも高い屈折率を有していることが求められるが、基本波、高調波に対する伝搬損失が低いことも求められる。特に高調波は４００ｎｍ程度と短波長なので、伝搬損失の増大が著しい。例えば、高屈折率の誘電体としてはＮｂ2Ｏ5、ＴｉＯ2等が通常用いられるが、誘電体の吸収端に近づくこともあり、短波長の光に対する伝搬損失が増大する傾向にある。そこで、高屈折率層をイオン交換により形成することを試みた。イオン交換層は基板の透過特性とほぼ等しく短波長光に対する伝搬損失の増大が小さい点で有利である。
【００８３】
イオン交換は本実施の形態に用いられる強誘電体結晶に容易に適用できる。例えばＬｉＮｂＯ3にイオン交換の一種であるプロトン交換を施すと、屈折率変化が０．１程度と非常に大きな値が得られ、高屈折率の層が容易に形成できる。
【００８４】
これに加え、イオン交換は深さの制御が容易であり、均一性の高い層が形成できるという特徴を有する。例えばスパッタリング法等により誘電体を成膜して高屈折率層を形成する場合、通常の装置では面内均一性は±１〜３％程度である。これに対して、イオン交換は拡散により形成するため、拡散温度と時間の制御により厚みのバラツキは０．０１μｍ以下とすることができる。さらに、面内の均一性も厚みの制御と同等の制御が可能であり、スパッタリング等の成膜による方法に比べ２桁以上高い精度が達成される。具体的にはＮｂ2Ｏ5スパッタ膜を用いた素子とプロトン交換による光波長変換素子の特性を比較したところ、プロトン交換により形成した素子は、Ｎｂ2Ｏ5のスパッタ膜を用いた素子に比べ、均一性が一桁以上高い値を示し、ＳＨＧの変換効率が２倍以上高いことがわかった。
【００８５】
次に、前述した導波モードのサブピークを導波光の回折限界以下にする方法について述べる。導波モードのサブピークの幅は、高屈折率層の厚みと屈折率により決定される。ただし、サブピークの幅は高屈折率層の厚み程度か、それ以上にしかならないので、高屈折率層の幅は少なくとも、導波光の回折限界の幅以下に抑える必要がある。さらに、高屈折率層の屈折率を導波層の屈折率の１．０１倍以上とすることが好ましい。
【００８６】
高屈折率層の幅が導波層の幅より狭い場合、高屈折率層の屈折率が導波層の１．０１倍未満になると、サプピークの幅が高屈折率層の厚みより大幅に増大し、高調波出力の集光特性が劣化し、回折限界までの集光が難しくなった。
【００８７】
さらに、高屈折率層の屈折率と厚みを制御し、サブピークの幅と集光特性の関係を調べた。その結果、実施の形態１で示したと同じ結果が得られ、同様にサブピークの幅を導波光の回折限界以下に設定することにより、集光特性の優れたビームが得られることが確認された。
【００８８】
以上より、高屈折率層の膜厚を導波光の回折限界以下にすることで、集光特性に優れた出射ビームを得られることがわかった。
【００８９】
次に、本発明の光波長変換素子が作製誤差に対する許容度に優れている点について説明する。光波長変換素子は、導波路内で基本波から高調波へ変換する際に基本波と高調波との位相整合条件の成立が必要である。位相整合条件とは、基本波と高調波との位相速度をそろえる条件で、基本波・高調波間での実効屈折率制御が必要となる。
【００９０】
光導波路を用いた場合、光導波路の全長に渡り位相整合条件を成立させなければならない。ところが、位相整合条件に対する許容度はかなり狭く、実際の光導波路型の光波長変換素子を形成する際には、導波路幅、屈折率変動等を極限まで管理する必要があった。例えば、ＬｉＮｂＯ3を用いた擬似位相整合型の光波長変換素子の場合、導波路長１０ｍｍに渡り、導波路幅を４μｍで±０．１μｍ以下に制御する必要があり、作製歩留まりを低下させる原因になっていた。
【００９１】
この原因は、図８の(ａ)に示すように、導波路の幅に対する位相整合波長の変動が大きいことである。光波長変換素子の位相整合波長の許容度は、素子長１０ｍｍの場合０．１μｍ程度であり、例えば、導波路の幅が０．１μｍずれると、位相整合波長の許容度からはずれてしまう。導波路の幅が伝搬方向でわずかに変化したとき、その各部分で位相整合波長が異なることになり、特定の波長の基本波を入射した場合、一部の位相整合条件が成立する幅の導波路の部分でしか高調波が発生しない。このため、導波路長全域にわたり形成した分極反転構造はその一部しか光波長変換に寄与しなくなり、変換効率が低下する。また、高屈折率層を導波路表面にスラブ状に形成した光導波路においても、同様の特性を示し、光導波路の作製誤差は±０．１μｍ以下と厳しかった。
【００９２】
ところが、本実施形態の光導波路構造を有する光波長変換素子においては、図８の(ｂ)に示すように、導波路の幅に対する位相整合波長の変動が非常に小さいことが見出された。即ち、位相整合波長の許容度を満足する導波層の幅の許容度が±０．５μｍまで増大し、従来の５倍の許容度まで拡大されることがわかった。このため、従来、光導波路の作製誤差により特性を落としていた光波長変換素子の変換効率を、２倍以上に向上させることができた。
【００９３】
なお、本実施の形態ではＸ板の基板を用いたが、他にＹ板、Ｚ板、また結晶軸が表面から傾いた基板を用いてもよい。Ｚ板または結晶軸が基板表面から傾いた基板を用いると深い分極反転構造の形成が容易であり、高効率化を図ることができる。
【００９４】
また、本実施の形態ではＴＥモードの偏光方向を利用したが、その理由は、通常の半導体レーザの導波層の偏光方向と一致させるためである。半導体レーザと同じ偏光方向を有する導波層にすることで、導波層同士を低損失で結合させることが可能となる。ただし、ＴＭモード偏光の導波層も利用可能である。ＴＭモードの導波層は、偏光方向をλ／２板により制御することで結合損失を低減することが可能である。
【００９５】
さらに、本実施の形態では、光導波路を用いた光波長変換素子について説明したが、本発明の光導波路は、他の光導波路素子にも有効である。高屈折率層を光導波路上に形成することにより、光導波路を伝搬する導波光の電界分布は表面近傍に強く引き寄せられる。このため、導波層上に形成するプレーナ電極や、グレーティング素子の影響を導波光に強く与えることが可能となり、効率の高い変調および回折効果が得られた。
【００９６】
また、本実施の形態では基板にＬｉＮｂＯ3基板を用いたが、他にＭｇＯ、Ｎｂ、Ｎｄ等をドープしたＬｉＮｂＯ3、またはＬｉＴａＯ3またはその混合物であるＬｉＴａ(1-x)ＮｂxＯ3（０≦ｘ≦１）基板、そのほかＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）でも同様な素子が作製できる。ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3、ＫＴＰはともに高い非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作製できる。
【００９７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、光波長変換素子の別の構成について述べる。この光波長変換素子は、図９(ａ)に示すように、Ｘ板のＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3基板９１上に周期状に形成された分極反転部９４と導波路９２とが形成されている。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3基板９１は、結晶のＺ軸が基板の表面に対して３°傾くように基板を切り出している。結晶軸の傾いた基板を用いると、深い分極反転部９４を形成できるため、高効率の光波長変換素子が構成できる。これは分極反転部９４が結晶のＺ軸に沿って形成されるため、基板表面から基板内部へと成長するためである。そこでこの性質を利用して図９に示したような光波長変換素子を作製した。
【００９８】
図９(ｂ)には、導波層９２に沿って基板を切断した断面図を示す。図９(ｂ)に示すように、分極反転部９４は基板内部に形成されており、表面の高屈折率層９３と導波層９２との境界近傍部分から基板内部へと形成されており、高屈折率層９３の内部には分極反転構造が存在しないように形成されている。これによって、光波長変換素子の高効率化が図れる。以下、その理由について説明する。
【００９９】
光波長変換素子の変換効率は、前述したように、分極反転部９４の構造と導波路９２とを伝搬する導波光（基本波、高調波）とのオーバラップに依存する。ところが、高効率化のため、高調波は高次の導波モード（ＴＥ１０モード）を用いるため、電界分布としては、高調波は高屈折率層９３と導波路９２とで電界の位相が逆転している。このため、高屈折率層でのオーバラップは高調波への変換を低下させる。
【０１００】
これを防止するには、高屈折率層９３でのオーバラップが、波長変換に影響を与えないようにする必要がある。そこで、図９に示すように、高屈折率層９３における周期状の分極反転構造をなくすことで、高屈折率層９３のみを選択的に位相整合条件が成立しないようにできる。これによって、光波長変換素子の高効率化を図ることができた。
【０１０１】
なお、本実施の形態では結晶軸が３°傾いた結晶を用いたが、結晶の傾きは５°以下ならば、深い分極反転構造が形成できるため使用できる。特に０．５°〜３°の傾きは分極反転の傾きが小さく、使用面積が増大するために好ましい。
【０１０２】
（実施の形態５）
次に、光波長変換素子における光導波路の作製方法について述べる。ここでは、イオン交換の一種であるプロトン交換を用いた光導波路形成について図１０を用いて説明する。
【０１０３】
図１０(ａ)は、ＬｉＮｂＯ3基板９５の表面に耐イオン交換マスクとしてＴａ膜９６を堆積し、フォトリソグラフィ法とドライエッチングとを用いて、幅４μｍの導波路パターンを形成する工程である。この工程の後、同図(ｂ)に示すように、基板９５を２００℃のピロ燐酸中で熱処理し、非マスク部分の結晶のＬｉと酸中のプロトン（Ｈ+）を交換し、第１のプロトン交換部９７を形成する。次に、同図(ｃ)に示すように、プロトン交換部をアニール処理し、イオン交換部の体積を増大させて導波路とする。同図(ｄ)に示すように、再度ピロ燐酸中で熱処理し、非マスク部分に第２のプロトン交換部９８、即ち高屈折率層を形成する。さらに、１６０℃以下の低温でアニール処理することにより高屈折率層の厚みを微調整し、最適な導波層構造を形成した。
【０１０４】
第１のプロトン交換部９７は、２００℃で６分程度プロトン交換を行うことにより、０．２μｍ程度の厚さとした。これを３００℃で６０分間程度アニール処理することにより、交換層深さは約２．５μｍに、幅は５μｍ以上に拡大した。このようにして形成された導波路のプロトン交換率は、アニール処理により低減され、非線形性が回復した。
【０１０５】
また、耐酸化性に優れたＴａをマスクに用いることにより、プロトン交換はもとより、その後のアニール処理による膜質の変化は観測されなかった。そこで同じマスクを使って再度プロトン交換を行うと、導波路の内部に高屈折率層が形成される。
【０１０６】
導波路はアニール処理により幅、深さともに広がっているため、第２のイオン交換により形成される高屈折率層は、光導波路より幅の小さな層とすることができる。
【０１０７】
さらに、形成した導波層を、１６０℃以下の低温でアニール処理することにより、導波路の特性を変えることなく、伝搬損失を大幅に低減できることがわかった。低温でアニール処理することにより、第１および第２のイオン交換部の拡散をわずかに抑え、同時にアニールによる導波路の伝搬損失の低減が図れた。
【０１０８】
次に、作製した光導波路の特性を調べた。波長８５０ｎｍの基本波を入射し、導波する光のモード分布を調べた。導波路幅４μｍ、深さ２μｍとし、導波光のＮＦＰ（近視野像）を観測することで、導波モードの分布を測定した。測定は、前述の方法により作製した(１)ストライプ状（線状）の高屈折率層を有する光導波路、(２)高屈折率層を有さない光導波路、(３)スラブ状の高屈折率層を有する光導波路についてそれぞれ測定した。結果を以下の表に示す。但し、表中のモードの幅は、強度分布が１／ｅ2になる幅を示している。
【０１０９】
0004084460.tif 000002
【０１１０】
上記結果から、ストライプ状の高屈折率を設けることにより、光導波路の閉じ込めが深さ方向および幅方向に強まり、パワー密度の高い光導波路が形成できることがわかった。
【０１１１】
さらに、ストライプ状の高屈折率層を用いると、導波モードの電界分布を導波路の伝搬方向に従い変形できるという特性を有する。例えば、
・光導波路の入射部においてレーザ光の光導波路結合効率を向上させる入射テーパの形成、
・出射ビームのアスペクト比を１：１に整形するモード整形、
を行うことができる。
【０１１２】
まず、最初に、入射テーパについて図１１を用いて説明する。図１１において、ＬｉＮｂＯ3基板１０１に導波層１０２が形成され、導波層１０２の表面近傍に線条の高屈折率層１０３が形成されている。高屈折率層１０３は入射部近傍でテーパ状にその幅が狭くなっている。高屈折率層１０３を有する導波層１０２は、上記表に示すように高屈折率層１０３により閉じこめが強化され、導波モードの分布は小さくなっている。そこで、導波層１０２の入射部に近傍で高屈折率層をテーパ状に加工し、入射部に行くに従いテーパ部の幅を減少させてやれば、入射部に近づくに従い、導波層１０２の閉じこめが弱くなって導波モードの断面積を大きくすることができる。
【０１１３】
具体的には、高屈折率層１０３の幅を４μｍ以上から０．５μｍまで絞り込んだところ、導波モードの電界分布は高屈折率層１０３がない場合と等しくなり拡大した。導波モードの大きさは、導波部で深さ１．７μｍ、幅３μｍであったのが、入射部では深さ２．５μｍ、幅４μｍまで拡大することができた。これによって、半導体レーザとの結合効率を従来の１．３倍に向上させることが可能となり、結合精度の許容度も１．５倍に向上した。
【０１１４】
上記の効果を得る方法は他にもある。例えば、入射部近傍では、ストライプ状の高屈折率層を、分断して島状に形成する方法である。入射部での高屈折率層の形成部分と非形成部分との比率を変化させることにより、導波路の実効的な閉じこめを変えることができる。具体的には、矩形状の周期を２μｍとし、有り無しの比率を１００％〜１０％まで、導波路の入射部に近づくに従って徐々に矩形の高屈折率層の割合を減らしていった。これによっても、テーパ形状と同様の効果が得られ、結合効率の高いテーパ導波路が形成できた。このように光導波路においては、高屈折率層を、導波方向単位長さ当たりの高屈折率層の割合が端部に近づくに従って小さくなるように形成することが好ましい。
【０１１５】
同様に、出射ビームの形状を変えることもできる。出射部で高屈折率層１０３の幅を変えて、出射ビームのアスペクト比を１：１に近づけることができた。
【０１１６】
なお、本実施の形態ではＸ板の基板を用いたが、他にＺ、Ｙ板の基板または、結晶軸から傾いた表面を持った基板等、結晶軸に関係なく使用できる。また、本実施の形態では基板にＬｉＮｂＯ3基板を用いたが、他にＭｇＯ、Ｎｂ、Ｎｄ等をドープしたＬｉＮｂＯ3、またはＬｉＴａＯ3またはその混合物であるＬｉＴａ(1-x)ＮｂxＯ3（０≦ｘ≦１）基板、そのほかＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）でも同様な素子が作製できる。ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3、ＫＴＰはともに高い非線形性を有するため、高効率の光波長変換素子が作製できる。
【０１１７】
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の光波長変換素子を用いた短波長光発生装置の別の例について説明する。構成としては、波長８００ｎｍ帯の半導体レーザ、集光光学系および光波長変換素子より構成され、半導体レーザから出射した光を集光光学系により光波長変換素子の導波路短面に集光し、導波モードを励起する。
【０１１８】
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。変換効率が高い光波長変換素子が実現したため、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、用いた光波長変換素子は耐光損傷性に優れ、安定な出力が得られたため、出力変動が２％以下である安定な出力が得られた。４００ｎｍ帯の波長は、印刷製版、バイオ、蛍光分光特性等の特殊計測に、光ディスク等、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、安定性ともにこれらの応用分野での実用化が可能である。
【０１１９】
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。ＴＥモード伝搬の光導波路を用いると、半導体レーザの導波モードと電界分布を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る。
【０１２０】
（実施の形態７）
本実施の形態では、光ピックアップについて説明する。図１２に本発明の光ピックアップの例を示す。図１２においては、実施の形態１に示した短波長光発生装置１０５から出た出力１０ｍＷのビームは、ビームスプリッタ１０６を透過し、レンズ１０７により光情報記録媒体である光ディスク１０８に照射される。光ディスク１０８からの反射光は、逆にレンズ１０７によりコリメートされ、ビームスプリッタ１０６で反射され、ディテクタ１０９で信号が読みとられる。なお、短波長光発生装置の出力を強度変調することで、光ディスク１０８が記録も可能である場合には、情報を書き込むこともできる。
【０１２１】
短波長光発生装置１０５から出力されるのは、サブピークを有するＴＥ１０モードであるが、これを集光するとレンズの回折限界以下の小さなスポット径の集光ビームが得られた。これによって、短波長光による集光特性に加え、超解像効果による小さなスポット径が得られた結果、記録密度を従来の１．２倍に向上させることが可能となった。
【０１２２】
さらに、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、光情報記録媒体へ情報を書き込むことも可能となった。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。
【０１２３】
さらに、光波長変換素子は、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、光導波路上に導波層幅より狭い高屈折率層を有する導波層構造をとることで、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。
【０１２４】
光ピックアップの集光特性を向上させるため、ビーム成形プリズム等が不要になり、高い伝達効率、優れた集光特性、低価格化が実現できた。さらに、ビーム成形時に発生する散乱光のノイズが低減でき、ピックアップの簡素化が実現できた。
【０１２５】
（実施の形態８）
本実施形態では、イオン交換層を用いた別の光波長変換素子について説明する。図１３に示したように、非線形光学効果を有する結晶の基板３１の表面に、イオン交換層３４と導波層３３とが形成されている。イオン交換層３４は、上記と同様、プロトン交換により形成しうるものであって基板３１よりも高い屈折率を有する高屈折率層である。また、基板の表面には、導波層３３を周期的に横断するように分極反転部３２が形成されている。この基板３１では、分極方向と基板表面とが１°〜５°の角度を有しているため、分極反転部３２も基板表面とこの範囲の角度を有している。
【０１２６】
このような光波長変換素子において光導波路内の分極反転部の深さと、波長変換効率との関係について調査した。図１４に示したように、分極反転部の深さは導波層３３の幅の中央における、基板表面と分極反転部３２の上端との間の距離ｄにより示すこととする。また。高屈折率層は、プロトン交換により形成した。分極反転部の厚さは約２μｍ、導波層の厚さは約３μｍとした。なお基板３１としては、分極方向が基板表面と約３°傾いた、ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ3を用いた。
【０１２７】
その結果、ｄ＝０の場合と比較して、ｄが０．２〜０．５μｍのときの変換効率は、約２倍となった。ｄを０．２〜０．３μｍとすると変換効率はさらに向上した。一方、ｄ＞１μｍとすると変換効率はｄ＝０の場合とほぼ同じとなった。もっとも、ｄの好ましい範囲は光導波路の深さに依存するため、ｄは光導波路の深さに応じて光導波路と分極反転部とのオーバーラップが大きくなるように定めることが好ましい。
【０１２８】
さらに、この光波長変換素子における光損傷について調査した。上記調査において、ｄを好ましい値とすると、変換効率は向上するものの光損傷強度が低下する場合があったからである。光損傷は、分極反転部が存在しない、光導波路の表面で生じたものと考えられる。そこで、ｄと高屈折率層の厚みＤとの関係を調整したところ、Ｄ＞ｄのときに光損傷が改善することが見出された。一方Ｄ＜ｄでは高屈折率層の効果は顕著には認められなかった。これはプロトン交換層である高屈折率層が、電気光学定数の劣化および電気伝導度の向上により、光損傷の発生を抑制したためと考えられる。また、高屈折率層を光導波路の表面に形成することにより導波光のオーバーラップも大きくなり、変換効率も向上させることができた。
【０１２９】
なお、高屈折率層は、図示したように、基板表面全体に形成されていてもよいが、光導波路の表面近傍の基板表面のみに形成されていても構わない。
【０１３０】
以下、図示したように、基板表面に対して一定の角度を有するように分極反転部を形成する方法について説明する。このような分極反転部は、結晶の分極方向が表面に対して傾いている基板（例えば強誘電体結晶基板（ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ3））を用い、この結晶の表面に離間して配置した２つの電極間に絶縁膜を配置して電圧を印加することにより、形成することができる。
【０１３１】
この場合、通常の分極反転部の形成方法に従い、図１５に示したように、基板１９１の表面に櫛形電極１９２と棒状電極１９３とを形成し、両電極間に電圧を印加して櫛形電極から分極反転部を伸長させる方法を採用することもできる。しかし、分極反転部を均一にかつ一定以上の深さに形成するためには、基板表面に形成した絶縁膜１９５を利用することが好ましい。
【０１３２】
その場合、図１６〜図１８に示す方法を採用することができるが、図１７および図１８に示したように、棒状電極１９３を絶縁膜１９５の上に形成することが好ましい。このようにすれば部分極反転構造の均一性を改善することができる。また、図１７に示したように分極反転の起点となる棒状電極１９２を絶縁膜１９５により覆うことがさらに好ましい。
【０１３３】
絶縁膜１９５としては、特に限定されないが、例えばスパッタリング法により形成したＳｉＯ2膜を用いることができる。図１７に示したような方法を採用する場合の膜厚は１００ｎｍ未満では効果がほとんどなく、２００ｎｍ以上とすると、図１９に示したように均一で深い分極反転部１９４の形成が可能となる。しかし、１μｍ以上堆積しても反転特性に大きな変化はなく、これほどまでに厚くするのは生産効率上好ましくはない。従って、絶縁膜の膜厚は２００ｎｍ〜１μｍとすることが好ましい。
【０１３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、優れた集光特性を有する第２高調波出力が可能で、かつ基本波と第２高調波とのオーバーラップを大きくした光波長変換素子を提供することができる。特に、高屈折率層を有する導波層構造において、イオン交換により高屈折率層を形成することにより、高屈折率層の低損失化、均一化の大幅な改善が可能となった。さらに、高次の導波モードのサブピークの幅を光の回折限界以下に抑えることにより、出力される高次モードの高調波は超解像効果を有し、集光特性が飛躍的に向上するため、その実用効果は大きい。
【０１３５】
また、屈折率の高い高屈折率層を、導波層の幅より狭いストライプ構造にすることにより、導波層の幅方向の閉じ込めも強くすることができ、これによって、光波長変換素子の効率をさらに向上させることが可能となった。
【０１３６】
また、本発明の光発生装置によれば、出力するビームの集光特性を大幅に向上させることができる。同時に、高い変換効率の光波長変換素子により高出力の短波長光が得られるため、その実用効果は大きい。また、高屈折率層により電界分布の制御が可能となり、導波層を伝搬するモードプロファイルの制御性が向上する。これによって第２高調波出力の放射パターンのアスペクト比を１に近づけることが可能となり、光の利用効率が大幅に向上するため、その実用効果は大きい。この光発生装置は、例えば光ピックアップに好適である。
【０１３７】
さらに、導波層と高屈折率層の形成に用いる耐イオン交換性マスクを同じものとしてイオン交換することにより、セルフアライメントによって導波層の表面にストライプ状の高屈折率層を形成することができるため、その実用効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  光導波路の断面図(ａ)と、光導波路内の基本波とＳＨＧ波とのオーバラップを示す図(ｂ)である。
【図２】  光導波路の構造と導波モードの電界分布の関係を示す図であり、クラッド層がない場合の電界分布図(ａ)、高屈折率層が薄い場合の電界分布図(ｂ)、高屈折率層が適当な厚さを有する場合の電界分布図(ｃ)、高屈折率層が厚い場合の電界分布図(ｄ)である。
【図３】  本発明の短波長光発生装置の構成例を示す断面図である。
【図４】  出射ビームの集光スポットの強度分布図であり、ＴＥ００モードの集光スポット強度分布図(ａ)、ＴＥ１０モードの集光スポット強度分布図(ｂ)である。
【図５】  本発明の光波長変換素子の構成例の斜視図(ａ)と、この光波長変換素子の要部断面における導波モ−ドの電界分布図(ｂ)である。
【図６】  光波長変換素子の導波モ−ドを説明する図で、表面にスラブ状の高屈折率層を有する導波層のモ−ド分布図(ａ)と、表面にストライプ状の高屈折率層を有する導波層のモ−ド分布図(ｂ)である。
【図７】  本発明の他の光波長変換素子の構成例を示す斜視図である。
【図８】  光導波路幅と位相整合波長との関係を示す図である。
【図９】  本発明の光波長変換素子の構成例を示す図で、斜視図(ａ)および要部断面図(ｂ)である。
【図１０】  本発明の光波長変換素子の製造工程を示す図で、基板にパタ−ンを形成する工程(ａ)、第１のプロトン交換工程(ｂ)、アニール工程(ｃ)、第２のプロトン交換工程（ｄ）をそれぞれ示す図である。
【図１１】  本発明の光導波路の構成例を示す斜視図である。
【図１２】  本発明の光情報処理装置の構成例を示す斜視図である。
【図１３】  本発明の光波長変換素子の構成例を示す斜視図である。
【図１４】  本発明の光波長変換素子の別の構成例を示す要部断面図である。
【図１５】  分極反転部を形成するための一対の電極の配置例を示す断面図である。
【図１６】  分極反転部を形成するための一対の電極と絶縁膜との位置関係を示す断面図である。
【図１７】  分極反転部を形成するための一対の電極と絶縁膜との位置関係を示す断面図である。
【図１８】  分極反転部を形成するための一対の電極と絶縁膜との位置関係を示す断面図である。
【図１９】  図１７に示した方法により形成された分極反転部を示す断面図である。
【図２０】  従来の光波長変換素子の構成を示す図である。
【図２１】  図２０の光波長変換素子の要部断面を基本波および高調波の電界分布とともに示す図である。
【図２２】  従来の他の光波長変換素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
６１    基板
６２    導波層
６３    高屈折率層
６４    基本波
６５    ＳＨＧ波
７１    半導体レーザ
７２    光波長変換素子
７２ａ  導波層
７３，７４  レンズ
７６    LiNbO3基板（Ｘ板）
７７    導波層
７８    高屈折率層
７９    分極反転部
９５    LiNbO3基板
９６    Ta膜
９７    第１のプロトン交換部
９８    第２のプロトン交換部
１０５  短波長光発生装置
１０６  ビームスプリッタ
１０７  レンズ
１０８  光ディスク
１０９  ディテクタ
【図１】
0004084460.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004084460.tif 000010
【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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【図１６】
0004084460.tif 000018
【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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