(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、
前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域と、を有する光導波路素子。
【請求項２】
前記光導波路が、アニールプロトン交換により形成されたアニールプロトン交換光導波路であり、前記第１領域のプロトン濃度を前記第２領域のプロトン濃度よりも高くした請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記第１領域の光の伝搬方向に沿った長さが０．２〜２．０ｍｍである請求項１または２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記非線形光学効果を有する基板は、ＭｇＯドープまたはノンドープのＸカット、ＹカットまたはオフカットのＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）である請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項５】
非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域とを備え、前記光導波路の入射端側から入射した基本波を波長変換して、波長変換波を前記光導波路の出射端側から出射させる波長変換素子と、
該波長変換素子に前記基本波として入射するレーザビームを出射する半導体レーザと、
を備えた光波長変換装置。
【請求項６】
前記光導波路が、アニールプロトン交換により形成されたアニールプロトン交換光導波路であり、前記第１領域のプロトン濃度を前記第２領域のプロトン濃度よりも高くすると共に、前記第１領域の光の伝搬方向に沿った長さが０．２〜２．０ｍｍとした請求項５に記載の光波長変換装置。
【請求項７】
非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域とを備え、前記光導波路の入射端側から入射した基本波を波長変換して、波長変換波を前記光導波路の出射端側から出射させる波長変換素子と、
外部共振器を構成する反射部材側にレーザビームを出射する第１の端面を備えると共に、該第１の端面とは別の第２の端面から前記波長変換素子に前記基本波として入射するレーザビームを出射する半導体レーザと、
外部共振器内に配置された波長選択素子と、
を含む光波長変換装置。
【請求項８】
前記波長変換素子と前記半導体レーザとを直接結合した請求項７に記載の光波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路素子及び光波長変換装置に関し、特に、光導波路を備え、この光導波路を半導体レーザから入射されたレーザビームを導波させる光導波路素子と、半導体レーザ及び光導波路を導波させた基本波を波長変換する光導波路型の光波長変換素子を備えた光波長変換装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光導波路を有し、そこを導波させた基本波を第２高調波等に波長変換する光導波路型の光波長変換素子が知られている。また、この種の光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、いわゆる擬似位相整合を取ることが広く行われている。
【０００３】
上記の周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長変換素子は、半導体レーザから発せられたレーザビームを波長変換するためにも多く用いられている。このような光波長変換素子により半導体レーザから発せられたレーザビームを波長変換する光波長変換装置においては、光波長変換素子と半導体レーザとの光学的な結合効率が高くなると、半導体レーザの励起能力が増大し、波長変換波の出力が増大する。即ち、光波長変換装置の高性能化が図られる。光波長変換素子と半導体レーザとを直接結合する光学系における光学的な結合効率は、両者のビーム径及びビーム・プロファイルが一致するほど高く、完全に一致すると理論上１００％の結合効率となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭｇＯ５モル％ドープのＬｉＮｂＯ3基板にプロトン交換後にアニールを行うことにより形成されたプロトン交換アニール光導波路を有する光波長変換素子では、プロトン交換条件及びアニール条件を最適化して、半導体レーザから発せられたレーザビームと一致するビーム径及びビーム・プロファイルの光導波路を形成しても、十分な出力光量が得られない、という問題がある。このとき光波長変換素子の出力光量から見積もった結合効率は僅か１０〜２０％である。
【０００５】
発明者等が種々検討を行った結果、半導体レーザからプロトン交換アニール光導波路を有する光波長変換素子へレーザビームが入射する際の結合効率は９０％以上と高いが、レーザビームが光導波路を伝搬する際の光伝搬損失が非常に大きいことが分かった。この光伝搬損失の主な原因はモード変換損失であると考えられる。半導体レーザから入射した基本波はＴＥモードでプロトン交換アニール光導波路を伝搬するが、伝搬中にその一部がＴＥモードと直交する偏光成分（ＴＭモード）に変換されることが知られている（J.Ctyroky,J.Opt.Commun.5(1984)1,p16-19、A.C.G.Nutt,J.Opt.Commun.6(1985)1,p8-9）。Ｘ、ＹカットのＬｉＮｂＯ3基板に形成されたプロトン交換アニール光導波路では、ＴＭモード成分を導波することができないため、ＴＭモード成分は基板中に漏洩する。このＴＭモード成分の漏洩量は、光導波路の光閉じ込めが強いほど、即ち光導波路と基板との屈折率差が大きいほど、大きくなる。また、光導波路内部や、基板表面と空気との界面等での散乱光量が大きいほど、ＴＭモードに変換される割合が大きくなり漏洩量が増加する。
【０００６】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、高い結合効率で半導体レーザと結合することができると共に、入射されたレーザビームを少ない伝搬損失で伝搬することができる光導波路素子を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、高い波長変換効率で基本波を波長変換することができる光波長変換装置を提供することにある。
【０００８】
【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の光導波路素子は、非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域と、を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項１の光導波路素子では、非線形光学効果を有する基板に形成される光導波路は、その入射端側に基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域（光閉じ込めが強い強結合部）を有しているので、強結合部においては光導波路を導波するビーム径を半導体レーザの出射端におけるビーム径に応じて小さくすることができ、高い結合効率で半導体レーザと結合することができる。特に、光導波路素子と半導体レーザとを直接結合する光学系において、光学的な結合効率を高めることができる。また、非線形光学効果を有する基板に形成される光導波路は、第１領域の出射端側に第１領域に連続するように形成され且つ基板との屈折率差が第１領域より小さい第２領域（入射された光を低損失で伝搬する伝搬部）を有しているので、半導体レーザから入射されたレーザビームを少ない伝搬損失で伝搬することができる。
【００１０】
本発明はアニールプロトン交換により形成されたアニールプロトン交換光導波路を備えた光導波路素子の場合に特に顕著な効果を発揮する。光導波路がアニールプロトン交換光導波路である場合には、強結合部のプロトン濃度を光導波路の強結合部以外の部分のプロトン濃度よりも高くすることにより、光閉じ込めが強い強結合部を形成することができる。
【００１１】
また、強結合部の光の伝搬方向に沿った長さは、ＴＭモード成分への変換を低減するために短い方が好ましく、具体的には２．０ｍｍ以下が好ましい。一方、短過ぎると、端面を研磨する際に高い加工精度が要求され素子の作製が困難になるので、強結合部の光の伝搬方向に沿った長さは、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．２ｍｍ以上がより好ましい。非線形光学効果を有する基板としては、ＭｇＯドープまたはノンドープのＸカット、ＹカットまたはオフカットのＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）を用いることができる。
【００１２】
請求項５に記載の光波長変換装置は、非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域とを備え、前記光導波路の入射端側から入射した基本波を波長変換して、波長変換波を前記光導波路の出射端側から出射させる波長変換素子と、該波長変換素子に前記基本波として入射するレーザビームを出射する半導体レーザと、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の光波長変換装置では、半導体レーザから出射されたレーザビームが基本波として波長変換素子に入射すると、波長変換素子は光導波路の入射端側から入射した基本波を波長変換して、波長変換波を前記光導波路の出射端側から出射させるが、波長変換素子の光導波路は、その入射端側に光閉じ込めが強い強結合部を有しているので、強結合部においては光導波路を導波するビーム径を半導体レーザの出射端におけるビーム径に応じて小さくすることができ、高い結合効率で半導体レーザと結合することができる。また、この光導波路は強結合部から出射端側まで入射された光を低損失で伝搬する伝搬部を有しているので、半導体レーザから入射されたレーザビームを少ない伝搬損失で伝搬しながら波長変換することができる。これにより光波長変換装置の波長変換効率も向上する。
【００１４】
本発明はアニールプロトン交換により形成されたアニールプロトン交換光導波路を備えた光導波路素子の場合に特に顕著な効果を発揮する。光導波路がアニールプロトン交換光導波路である場合には、強結合部のプロトン濃度を光導波路の強結合部以外の部分のプロトン濃度よりも高くすることにより、光閉じ込めが強い強結合部を形成することができる。また、強結合部の光の伝搬方向に沿った長さは、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲が好ましい。
【００１５】
また、光波長変換装置は、非線形光学効果を有する基板上に光導波路が形成された光導波路素子であって、前記光導波路が、入射端側に形成され且つ前記基板との屈折率差が他の部分より大きい第１領域と、前記第１領域の出射端側に前記第１領域に連続するように形成され且つ前記基板との屈折率差が前記第１領域より小さい第２領域とを備え、前記光導波路の入射端側から入射した基本波を波長変換して、波長変換波を前記光導波路の出射端側から出射させる波長変換素子と、外部共振器を構成する反射部材側にレーザビームを出射する第１の端面を備えると共に、該第１の端面とは別の第２の端面から前記波長変換素子に前記基本波として入射するレーザビームを出射する半導体レーザと、外部共振器内に配置された波長選択素子と、を含んで構成されていてもよい。この場合、波長変換素子と半導体レーザとを直接結合することができる。
【００１６】
【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を詳細に説明する。
【００１７】
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。
【００１８】
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。また、基板１２としては、これらの非線形光学結晶をＸカット、Ｙカットまたはオフカット（分極軸がｙｚ面内でｚ軸側に角度θ（０°＜θ＜９０°）傾くようにカット）した基板を用いることができる。
【００１９】
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や電圧印加法等によって形成することができる。
【００２０】
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、基板との屈折率差がΔｎ1の第１の領域２０（強結合部）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、基板との屈折率差がΔｎ2の第２の領域２４（伝搬部）とされている。光閉じ込めの強さは、チャンネル光導波路１６の基板との屈折率差Δｎとチャンネル光導波路１６の深さとにより決定され、Δｎが大きく光導波路が深いほど光閉じ込めが強くなる。
【００２１】
ここで、第１の領域２０の基板との屈折率差Δｎ1は、第２の領域２４の基板との屈折率差Δｎ2よりも大きく、例えばΔｎ1≒２Δｎ2とすることができる。また、第１の領域２０の基板との屈折率差Δｎ1は、光導波路を導波するビーム径が基本波１８のビーム径と略同じになる値とされる。また、第２の領域２４の基板との屈折率差Δｎ2は、基本波１８及び第２高調波２２をＴＥモード且つ横モードがシングルモードで伝搬可能な値とされる。チャンネル光導波路１６の深さは、第１の領域２０及び第２の領域２４で略同一である。
【００２２】
また、第１の領域２０の光の伝搬方向に沿った長さ（Ｌ）は、ＴＭモード成分への変換を低減するために２ｍｍ以下とすることが好ましく、一方、短過ぎると、端面を研磨する際に高い加工精度が要求され素子の作製が困難になるので、長さ（Ｌ）は０．１ｍｍ以上が好ましく、０．２ｍｍ以上がより好ましい。例えば、第１の領域２０の光の伝搬方向に沿った長さ（Ｌ）を１ｍｍとし、第２の領域２４の光の伝搬方向に沿った長さを９ｍｍとすることができる。
【００２３】
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。
【００２４】
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、スパッタ成膜、及びリフトオフを用いて、光学結晶基板（例えばＸカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ3基板）１２上に、光導波路の入射端部となる領域に所定形状の開口３４を有する金属マスク３６を形成する。金属マスク３６は、例えばＴａ単一層、または下層からＴａ層、Ａｕ層及びＴａ層の順に積層された３層構造とすることができる。なお、開口３４の光伝搬方向と直交する方向の幅（マスク線幅）は６〜７μｍとすることができる。
【００２５】
次に、図３（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、高屈折率のプロトン交換部３８を形成する。第１回目のプロトン交換処理の条件は、例えばピロリン酸中で１８０〜１９０℃の温度範囲で６４分である。
【００２６】
次に、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングにより金属マスク３６を剥離して基板１２の表面を露出させた後、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、露出させた基板１２の表面上に、光伝搬方向となる方向に沿ってプロトン交換部３８と同じ幅の開口４０を有する金属マスク４２を形成する。プロトン交換部３８の上方には金属マスク４２が形成される。金属マスク４２は、金属マスク３６と同様に、例えばＴａ単一層、または下層からＴａ層、Ａｕ層及びＴａ層の順に積層された３層構造とすることができる。
【００２７】
次に、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク４２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、高屈折率のプロトン交換部４４を形成する。第２回目のプロトン交換処理を第１回目のプロトン交換処理よりも低い温度で行うことにより、プロトン交換部４４の厚さをプロトン交換部３８の厚さよりも浅くすることができる。第２回目のプロトン交換の条件は、例えばピロリン酸中で１６０〜１７０℃の温度範囲で６４分である。
【００２８】
次に、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングにより金属マスク４２を剥離して基板１２の表面を露出させた後、大気中でのアニール処理により交換されたプロトンを拡散させて、プロトン交換部３８及び４４を各々第１の領域２０及び第２の領域２４とし、屈折率差Δｎ1の第１の領域２０及び屈折率差Δｎ2の第２の領域２４を備えたチャンネル光導波路１６が形成される。
【００２９】
アニール処理は、例えば３５０〜３９０℃の温度範囲で６０分の条件で行う。この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（約１〜２μｍ）となるが、深いプロトン交換部３８が形成された光入射側には、基板との屈折率差Δｎ1の第１の領域２０が形成され、より浅いプロトン交換部４４が形成された光出射側には、基板との屈折率差Δｎ2（Δｎ1＞Δｎ2、Δｎ1＝０．０１）の第２の領域２４が形成される。このように屈折率差Δｎ1を屈折率差Δｎ2よりも大きくすることで、第１の領域２０の光閉じ込めを第２の領域２４の光閉じ込めよりも強くすることができる。
【００３０】
図１４（Ａ）に第１の領域２０の屈折率分布を示し、図１４（Ｂ）に第２の領域２４の屈折率分布を示す。両領域ではアニール処理によりプロトンが拡散され、基板表面から所定深さまで、即ちチャンネル光導波路の厚さに渡り屈折率がなだらかに減少している。
【００３１】
なお、上記では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の一例を示したが、これらの条件は、所望の屈折率差Δｎ1及びΔｎ2が得られるように適宜選択される。第１の領域２０の基板との屈折率差Δｎ1は、光導波路を導波するビーム径が半導体レーザの出射端における基本波１８のビーム径と略同じ値となる値とする。また、第２の領域２４の基板との屈折率差Δｎ2は、強結合部である第１の領域２０よりも基本波１８を第２高調波へ変換する効率が高く、横モードがシングルモードの伝搬光の伝搬損失が小さくなる値とする。
【００３２】
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。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。
【００３３】
次に、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー、金属蒸着、及びリフトオフを用いて、所定構造の分極反転用電極４６を形成する。なお、分極反転用電極４６の詳細な構造は、特開平９‐２１８４３１号公報等に記載されている。そして、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、分極反転用電極４６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。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、光波長変換素子１０が完成する。
【００３４】
次に、上記の光波長変換素子１０を用いた光波長変換装置について説明する。図１０に示すように、この光波長変換装置は、半導体レーザ（レーザダイオード）５０、この半導体レーザ５０から発散光状態で出射したレーザビーム（後方出射光）１８Ｒを平行光化するコリメーターレンズ５２、平行光化されたレーザビーム１８Ｒを収束させる集光レンズ５３、これらのレンズ５２および５３の間に配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５４、上記集光レンズ５３によるレーザビーム１８Ｒの収束位置に配置されたミラー５６、及び半導体レーザ５０の前方端面に直接結合されたいわゆる擬似位相整合型の光波長変換素子１０を有している。なお、半導体レーザ５０は半導体レーザ用の駆動回路（図示せず）に接続されている。
【００３５】
この光波長変換装置では、半導体レーザ５０から出射した後方出射光１８Ｒがミラー５６で反射され、半導体レーザ５０にフィードバックされる。つまりこの装置では、半導体レーザ５０の前方端面とミラー５６とによって半導体レーザ５０の外部共振器が構成されている。外部共振器長は例えば５０ｍｍである。
【００３６】
そして、この外部共振器の中に配された狭帯域バンドパスフィルタ５４により、狭帯域バンドパスフィルタ５４を透過するレーザビーム１８Ｒの波長が選択される。半導体レーザ５０はこの選択された波長で発振し、選択波長は狭帯域バンドパスフィルタ５４の回転位置（矢印Ａ方向の回転位置）に応じて変化するので、この狭帯域バンドパスフィルタ５４を適宜回転させることにより、半導体レーザ５０の発振波長を、狭帯域バンドパスフィルタ５４の透過波長範囲、即ち、光波長変換素子１０のドメイン反転部の周期Λと位相整合する波長に選択、ロックすることができる。
【００３７】
光波長変換素子１０内に、チャンネル光導波路１６の入射側端面３０から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から第２の領域２４に伝搬される。第１の領域２０から第２の領域２４に伝搬された基本波１８は、第２の領域２４をＴＥモードで導波して、その周期ドメイン反転構造１４で位相整合（いわゆる擬似位相整合）されて、波長が１／２の第２高調波２２に波長変換される。例えば、中心波長９５０ｎｍのレーザビーム１８が入射すると、４７５ｎｍの第２高調波に波長変換される。この第２高調波２２は第２の領域２４を導波モードで伝搬して、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。
【００３８】
出射側端面２６からは、波長変換されなかったレーザビーム１８も発散光状態で出射し、第２高調波２２とともにコリメーターレンズ（図示せず）によって平行光化される。第２高調波２２はバンドパスフィルタやダイクロイックミラー等（図示せず）によってレーザビーム１８と分離され、所定の用途に用いられる。
【００３９】
上記の製造方法に従い、チャンネル光導波路１６の幅が６〜７μｍ、周期ドメイン反転構造１４の反転のピッチ（周期Λ）が５．３μｍ、反転長さが８ｍｍ、第１の領域２０の長さが１ｍｍで且つ第２の領域２４の長さが９ｍｍ、第１の領域２０の基板との屈折率差Δｎ1が約０．０２、第２の領域２４の基板との屈折率差Δｎ2が約０．０１の光波長変換素子（ＳＨＧ素子）を作製し、このＳＨＧ素子と半導体レーザとの結合効率を調べたところ、８５〜９５％の高い結合効率が得られた。一方、強結合部を設けずに半導体レーザを直接結合した場合の結合効率は５０％と低かった。
【００４０】
また、このＳＨＧ素子と半導体レーザとを直接結合して、９５０ｎｍのレーザビームを基本波として入射させ、光導波路の伝搬損失を調べたところ、強結合部である第１の領域では３〜１０ｄＢ／ｃｍの大きな損失が観測されたが、伝搬部である第２の領域では１ｄＢ／ｃｍ程度であった。従って、第１の領域の長さが１ｍｍで且つ第２の領域の長さが９ｍｍの場合には、第１の領域の伝搬損失が１０ｄＢ／ｃｍであっても光導波路全体の伝搬損失は約１９％程度に過ぎない。即ち、長さ１０ｍｍに渡って強結合部と同様の高屈折率差の光導波路を形成した場合には、光導波路全体の伝搬損失は約９０％になるのに対し、入射端部にのみ強結合部を形成した場合には伝搬損失が大幅に低減されることが分かった。
【００４１】
以上の通り、強結合部である第１の領域と伝搬部である第２の領域とからなる光導波路を備えた本実施の形態の光波長変換素子では、半導体レーザとの結合効率は約９０％と高く、伝搬損失は１９％と低かった。この結果、第２高調波の出力光量は３３ｍＷと向上した。強結合部である第１の領域が設けられていない伝搬部のみからなる光導波路を備えた従来の光波長変換素子と比較すると、下記表１に示すように、本実施の形態の光波長変換素子においては、結合効率は従来の光波長変換素子の１．８倍であり、伝搬損失は略同じである。また、半導体レーザの出力光量を１００ｍＷ、発振波長を９５０ｎｍ、光波長変換素子の第２高調波への波長変換効率を５００％／Ｗｃｍ2とすると、第２高調波の出力光量は従来の光波長変換素子の約３倍となる。
【００４２】
【表１】
0004237932.tif 000002
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態の光導波路型の光波長変換素子は、そのチャンネル光導波路が、基本波が入射する光入射側が光閉じ込めが強い第１の領域（強結合部）とされ、波長変換波としての第２高調波が出射する光出射側が強結合部から出射端側まで入射された光を低損失で伝搬する第２の領域（伝搬部）とされているので、強結合部においては光導波路を導波するビーム径を半導体レーザの出射端におけるビーム径に応じて小さくすることができ、高い結合効率で半導体レーザと結合することができると共に、半導体レーザから入射されたレーザビーム及び第２高調波を少ない伝搬損失で伝搬することができる。また、本実施の形態の光波長変換素子を用いた光波長変換装置は、高い変換効率で波長変換を行うことができ、波長変換光の出力光量も増大する。
【００４４】
上記実施の形態では、第１回目のプロトン交換処理により強結合部となる領域についてプロトン交換を行い、第２回目のプロトン交換処理により伝搬部となる領域についてプロトン交換を行ってチャンネル光導波路を形成する例について説明したが、他の方法によりチャンネル光導波路を形成することができる。以下、チャンネル光導波路の他の形成方法を説明する。
【００４５】
例えば、第１回目のプロトン交換処理により強結合部となる領域についてプロトン交換を行い、第２回目のプロトン交換処理により強結合部となる領域及び伝搬部となる領域の両方についてプロトン交換を行うようにしてもよい。
【００４６】
即ち、上記と同様に所定形状の開口３４を有する金属マスク３６を形成した後、この金属マスク３６を用い、プロトン交換処理の条件をピロリン酸中で１６０℃の温度範囲で３０〜６０分とする以外は上記と同様にして、第１回目のプロトン交換処理を行うことにより、高屈折率のプロトン交換部３８を形成する。
【００４７】
次に、上記と同様にエッチングにより金属マスク３６を剥離して基板１２の表面を露出させた後、図１１（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、露出させた基板１２の表面上に、光伝搬方向となる方向に沿ってプロトン交換部３８と同じ幅で長さ９ｍｍの開口４０Ａを有する金属マスク４２Ａを形成する。このときプロトン交換部３８の上方は開口４０Ａとされる。
【００４８】
次に、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク４２Ａ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、高屈折率のプロトン交換部３８及び４４Ａ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１６０〜１７０℃の温度範囲で６４分である。このように、プロトン交換部３８について重ねてプロトン交換処理を行ってプロトン交換部４８とすると共に、第１回目のプロトン交換処理よりも低い温度で第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４４の厚さをプロトン交換部４８の厚さよりも浅くすることができる。また、プロトン交換部４８及び４４の間に未交換部分が生じることがなく、マスク形成時の位置合せが容易になる。
【００４９】
次に、上記と同様にエッチングにより金属マスク４２Ａを剥離して基板１２の表面を露出させた後、大気中でのアニール処理により交換されたプロトンを拡散させて、プロトン交換部４８及び４４を各々第１の領域２０及び第２の領域２４とし、屈折率差Δｎ1の第１の領域２０及び屈折率差Δｎ2の第２の領域２４を備えたチャンネル光導波路１６が形成される。
【００５０】
また、例えば、第１回目のプロトン交換処理により光導波路全般についてプロトン交換を行い、アニール処理後に第２回目のプロトン交換処理により強結合部となる領域を形成するようにしてもよい。
【００５１】
まず、図１５（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、光学結晶基板（例えばＸカットのＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのＬｉＮｂＯ3基板）１２上に、光伝搬方向となる方向に沿って開口３４Ｂを有する金属マスク３６Ｂを形成する。なお、開口３４Ｂの光伝搬方向と直交する方向の幅（マスク線幅）は６〜７μｍとすることができる。
【００５２】
次に、図１６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク３６Ｂ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、高屈折率のプロトン交換部３８Ｂを形成する。第１回目のプロトン交換処理の条件は、例えばピロリン酸中で１６０〜１７０℃の温度範囲で６４分である。
【００５３】
次に、図１７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングにより金属マスク３６Ｂを剥離して基板１２の表面を露出させた後、大気中でのアニール処理により交換されたプロトンを拡散させて、厚さ（約１〜２μｍ）のチャンネル光導波路１６とする。アニール処理は、例えば３５０〜３７０℃の温度範囲で６０分の条件で行う。
【００５４】
次に、図１８（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、露出させた基板１２の表面上に、光導波路の入射端部となる領域にチャンネル光導波路１６と同じ幅の開口４０Ｂを有する金属マスク４２Ｂを形成する。
【００５５】
次に、図１９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この金属マスク４２Ｂ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、高屈折率のプロトン交換部４９を厚さ約１０００オングストロームで形成する。第２回目のプロトン交換の条件は、例えばピロリン酸中で１６０℃の温度範囲で３０分である。チャンネル光導波路１６のうち第２回目のプロトン交換によりプロトン交換部４９が形成された光入射側を基板との屈折率差Δｎ1の第１の領域２０とし、プロトン交換部４９が形成されなかった光出射側を基板との屈折率差Δｎ2（Δｎ1＞Δｎ2、Δｎ1＝０．１）の第２の領域２４とする。このように屈折率差Δｎ1を屈折率差Δｎ2よりも大きくすることで、第１の領域２０の光閉じ込めを第２の領域２４の光閉じ込めよりも強くすることができる。
【００５６】
図２０（Ａ）に第１の領域２０の屈折率分布を示し、図２０（Ｂ）に第２の領域２４の屈折率分布を示す。第２の領域２４では、プロトン交換部３８Ｂのアニール処理によりプロトンが拡散され、基板表面から所定深さまで、即ちチャンネル光導波路の厚さに渡り屈折率がなだらかに減少しているが、第１の領域２０では、プロトン交換部４９のプロトンは未拡散でありこの部分での屈折率差はΔｎは０．１と高く、基板との屈折率差Δｎ1は０．１と高くなる。このように、プロトンが未拡散状態のプロトン交換部４９についてはプロトン濃度が高くなるので、第１の領域２０の屈折率差Δｎ1をより大きくすることができ、より光閉じ込めを強くして、光閉じ込めにより光導波路１６を導波するビーム径を半導体レーザの出射端における基本波１８のビーム径と容易に一致させることができる。
【００５７】
次に、図２１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングにより金属マスク４２Ｂを剥離して基板１２の表面を露出させて、屈折率差Δｎ1の第１の領域２０及び屈折率差Δｎ2の第２の領域２４を備えたチャンネル光導波路１６が形成される。
【００５８】
また、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、図１３（Ａ）に示すように、第１の領域２０の幅を第２の領域２４の幅より狭くすることができる。第１の領域２０はプロトン交換量が多いためマルチモード導波路になり易いが、第１の領域２０の幅を第２の領域２４の幅より狭くすることでマルチモード化するのを回避することができる。なお、図１３（Ｂ）に示すように、第１の領域２０の幅を出射側に向けてテーパ状に広げる態様とすることもできる。
【００５９】
上記実施の形態では、チャンネル光導波路の深さは、第１の領域及び第２の領域において同じ深さとし、第１の領域の基板との屈折率差Δｎ1を第２の領域の基板との屈折率差Δｎ2よりも大きくした例について説明したが、第１の領域及び第２の領域において基板との屈折率差を同じとし、第１の領域を第２の領域より浅く形成するようにしても、第１の領域の光閉じ込めを第２の領域の光閉じ込めよりも強くすることができる。
【００６０】
上記実施の形態では、光導波路素子として光波長変換素子に本発明を適用した例について説明したが、本発明は光導波路を用いた光学デバイス全般に適用することができる。例えば、電気光学変調器等の光導波路を用いた光変調器にも適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の光導波路素子は、高い結合効率で半導体レーザと結合することができると共に、入射されたレーザビームを少ない伝搬損失で伝搬することができる、という効果を奏する。また、本発明の光波長変換装置は、高い波長変換効率で基本波を波長変換することができる、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であり、（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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図９】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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１０】本実施の形態に係る光波長変換素子を用いた光波長変換装置の概略断面図である。
【図１１】本実施の形態に係る光波長変換素子の他の製造方法を説明する図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１２】本実施の形態に係る光波長変換素子の他の製造方法を説明する図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）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１４】（Ａ）及び（Ｂ）はチャンネル光導波路の深さ方向の屈折率分布を示す線図である。
【図１５】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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１６】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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１７】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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１８】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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１９】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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【図２０】（Ａ）及び（Ｂ）はチャンネル光導波路の深さ方向の屈折率分布を示す線図である。
【図２１】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）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。
【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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【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】
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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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