JP2001194694A

JP2001194694A - 光導波路、光波長変換素子及びその製造方法、並びにそれらを使用した短波長光発生装置、光情報処理装置、コヒーレント光発生装置、光学システム

Info

Publication number: JP2001194694A
Application number: JP2000083005A
Authority: JP
Inventors: Kiminori Mizuuchi; 公典水内; Kazuhisa Yamamoto; 和久山本; Yasuo Kitaoka; 康夫北岡; Toshifumi Yokoyama; 敏史横山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2001-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】導波路型の光波長変換素子における高効率化
と耐光損傷強度の向上とを実現して、出力の安定化を図
る。【解決手段】光導波路が、非線形光学結晶と、該非線
形光学結晶の表面の近傍に形成された第１のイオン交換
領域と、該第１のイオン交換領域の表面の近傍に形成さ
れた第２のイオン交換領域と、を備え、該第２のイオン
交換領域は、該第１のイオン交換領域よりも高い屈折率
を有し、該第２のイオン交換領域の屈折率分布がステッ
プライクなグレーディッド形状を有している。

Description

【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
を応用して光情報処理分野や光応用計測分野にて使用さ
れる光導波路とそれを使用した光波長変換素子、及びこ
れらを使用して構成される短波長光発生装置及び光情報
処理装置、並びにこれらの製造方法に関する。本発明
は、さらに、光情報処理分野や光応用計測分野等に利用
される光波長変換素子およびコヒーレント光発生装置、
並びにそのコヒーレント光発生装置を用いた光学システ
ムに関する。

【０００２】

【従来の技術】光導波路は、光波制御技術として、通
信、光情報処理、計測などの広い分野で応用されてい
る。中でも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でき
るために、盛んに研究が行われている。

【０００３】まず最初に、従来の光波長変換素子６００
について、図２４（ａ）及び（ｂ）を参照して説明す
る。図２４（ａ）は、従来の光波長変換素子６００の一
構成例を示す斜視図であり、図２４（ｂ）は、図２４
（ａ）の波長変換素子６００に入射される基本波Ｐ１が
高調波Ｐ２に変換される様子を模式的に示す図である。

【０００４】図２４（ａ）に示される従来の光波長変換
素子６００では、例えば特開平５−２７３６２４号公報
にて教示されているように、光導波路の表面近傍に非線
形劣化層を設けて、光波長変換素子の動作の高効率化及
び安定化を図っている。具体的には、図２４（ａ）にお
いて、６０１はＬｉＴａＯ₃基板、６０２は光導波路、
６０３は分極反転領域、６０５は非線形劣化層である。

【０００５】図２４（ａ）の光波長変換素子６００の光
導波路６０２に入射されたＴＭ００モードの基本波Ｐ１
は、図２４（ｂ）に示すように、分極反転領域６０３が
周期的に形成されている光導波路６０２の内部を伝搬す
る間に、ＴＭ１０モードの高調波Ｐ２に波長変換され
る。なお、典型的には、非線形劣化層６０５の厚さは約
０．４５μｍであり、光導波路６０２の厚さは１．８μ
ｍである。

【０００６】ＴＭ１０モードの高調波Ｐ２は、図２４
（ｂ）に示すように、＋Ｅ側及び−Ｅ側にほぼ同程度の
大きさのピーク出力を持っている。このような強度分布
を有するＴＭ１０モードの高調波Ｐ２と、ＴＭ００モー
ドの基本波Ｐ１との間でオーバラップの増大を図ること
によって、波長変換動作の高効率化が達成されている。
更に、波長変換によって得られる高調波Ｐ２をＴＭ１０
モードにすることで、パワー密度の分散を図ることがで
きる。これによって、高い高調波出力に対しても、光損
傷の発生を抑えることができる。

【０００７】従来技術による他の光波長変換素子の構成
として、光導波路よりも高い屈折率を有する高屈折率層
を光導波路上に形成する構成が、例えば特開平４−２５
４８３４号公報に報告されている。図２５（ａ）は、こ
のような高屈折率層を有する従来の光波長変換素子６４
０の構成を示す斜視図であり、図２５（ｂ）は、図２５
（ａ）の波長変換素子に入射される基本波Ｐ１の光導波
路への閉じ込めの様子を模式的に示す図である。

【０００８】図２５（ａ）に示す光波長変換素子６４０
では、ＬｉＮｂＯ₃基板６４１の上に形成されたプロト
ン交換光導波路６４２の一方の端面６４５に入射された
基本波Ｐ１は、分極反転領域６４４が周期的に設けられ
ている光導波路６４２の中を伝搬する間に波長変換され
て、光導波路６４２の他方の端面６４６からは高調波Ｐ
２が出力される。

【０００９】更に図２５（ａ）の構成では、光導波路６
４２の表面に、ＴｉＯ₂高屈折率層６４３が形成されて
いる。高屈折率層６４３を構成するＴｉＯ₂の屈折率
は、プロトン交換導波路６４２の屈折率よりも大きく、
このように屈折率の高い高屈折率層６４３を光導波路６
４２の上に形成することにより、図２５（ｂ）に示すよ
うに、光導波路６４２（より厳密にはその中の分極反転
領域６４４）への基本波Ｐ１の閉じ込めを強くして、光
波長変換素子の波長変換動作の高効率化を達成してい
る。

【００１０】この他の従来の光波長変換素子の光導波路
の構造として、光導波路の閉じ込めを強化するためにリ
ッジ型の光導波路構造を採用した光波長変換素子が、例
えば特開平１−２３８６３１号公報にて報告されてい
る。

【００１１】或いは、光導波路の表面に光導波路よりも
高い屈折率を有する高屈折率クラッド層を設けて、光導
波路を伝搬する基本モードの基本波と高次モードの高調
波との間で位相整合をとることで導波光間のオーバラッ
プを増大させ、高効率の波長変換を実現する波長変換素
子の構成も提案されている。

【００１２】特開平９−２８１５３６号公報では、プロ
トン交換処理及びアニール処理により形成したプロトン
交換光導波路の表面に更に第２のプロトン交換領域を形
成して、光導波路を伝搬する基本波を高次の導波モード
を有する第２高調波に波長変換する方法が報告されてい
る。

【００１３】また、非線形光学効果を利用した光波長変
換素子は、光の波長変換による第２高調波発生、パラメ
トリック発生、和周波発生および差周波発生等、コヒー
レント光の発生範囲の拡大を図ることが可能となるた
め、多くの分野で応用されている。特に、光導波路を利
用した光波長変換素子では、光の閉じ込め効果により高
いパワー密度を実現することができ、長い相互作用長を
得ることができる等の利点を有している。これらの利点
により高効率の波長変換が可能となるため、光導波路を
利用した光波長変換素子として、多くの光デバイスが提
案されている。

【００１４】光導波路を利用した光波長変換素子におい
ては、光損傷が大きな問題になっていた。ここで述べる
光損傷とは光誘起屈折率変化のことであり、光導波路の
様な光の閉じ込めの強い部分では、光のパワー密度が高
いため、光によって導波路の屈折率が変化するという現
象（光損傷）が発生する。この光損傷が発生すると、屈
折率変化によって位相整合状態が変化するため、光波長
変換素子の出力が変動する。これが光導波路型の光波長
変換素子の高出力化を妨げる問題となっている。特に、
非線形光学定数の大きなＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃等の
基板において、光損傷の発生が顕著であり、数ｍＷ〜数
１０ｍＷの出力に対して光損傷が発生している。この光
損傷の低減のためには、結晶内の不純物の低減、および
光導波路の低損失化が有効である。

【００１５】従来、光損傷の問題を解決する方法として
は、ＬｉＮｂＯ₃基板にＺｎ、Ｍｇ、ＳｃやＩｎ等の金
属元素をドーピングすることで、基板自体の耐光損傷強
度を向上させる方法が提案されている。この方法によれ
ば、基板に５ｍｏｌ程度の金属を添加することにより、
基板を構成する結晶自体の耐光損傷強度が１桁以上向上
する。

【００１６】一方、光導波路を利用した光波長変換素子
（光導波路型の光波長変換素子）において、基本波を高
調波に波長変換する変換効率を向上させるためには、伝
搬する基本波のパワー密度を増大させること、および変
換された高調波と基本波の電界分布のオーバラップを増
大させることが必要不可欠である。

【００１７】光導波路を用いた光波長変換素子におい
て、図２６に示すような複数の光導波路を利用した光波
長変換素子１６０が提案されている。この光波長変換素
子１６０では、ＬｉＮｂｏ₃基板の表面に隣接する２本
の光導波路１５１をプロトン交換により形成し、２本の
光導波路１５１を共に伝搬する基本波Ｐ_w１５２と、チ
ェレンコフ放射する高調波Ｐ２_w１５３との間で位相整
合をとっている。２本の光導波路１５１の間の中央部は
プロトン交換されていないため、高い非線形光学効果を
有しており、これによって高非線形光導波路の形成が可
能となる。その結果、チェレンコフ放射型光波長変換素
子において、変換効率の高効率化を図ることができる。

【００１８】さらに、複数の光導波路間の結合を利用し
た光波長変換素子の構成についても、例えば特開平３−
２６１９２４号公報や特開平５−１８８４２０号公報等
において提案されている。この構成では、基板表面に分
極反転構造と、基本波が伝搬する光導波路と、高調波が
伝搬する光導波路とを形成し、基本波と高調波とで異な
る光導波路を伝搬させることにより、耐光損傷強度と変
換効率の向上を実現している。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の光
波長変換素子における課題を、以下に説明する。

【００２０】従来の光波長変換素子６００として図２４
（ａ）に示した構成では、先に説明したように、光導波
路６０２の表面近傍に非線形劣化層６０５を設けて、Ｔ
Ｍ００モードの基本波Ｐ１とＴＭ１０モードの高調波Ｐ
２との間で位相整合をとり、それによって波長変換動作
の高効率化と耐光損傷強度の向上とを図っている。しか
し、この従来の構成では、図２４（ｂ）に示すように、
出射されるＴＭ１０モードの高調波光Ｐ２が＋Ｅ側及び
−Ｅ側の２つのピークを有する強度分布を持つために、
集光する際に集光特性が劣化するという課題がある。

【００２１】この従来の方式において、出力する高調波
Ｐ２が２つのほぼ等しい大きさのピークを有するのは、
耐光損傷強度を高めるために、高調波Ｐ２を高次モード
のピークに分散させているためである。しかし、このよ
うな強度分布を有する高調波出力を集光するためには特
別な光学系が必要であるため、光学系が複雑化して、そ
の小型化が難しい。また、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課題も存在する。

【００２２】更に、非線形劣化層６０５は、基本波Ｐ１
の閉じこめを高める機能を有さないため、基本波Ｐ１の
パワー密度の増大が図れず、高効率化に限界がある。

【００２３】また、光導波路６４２より高い屈折率の高
屈折率層６４３を形成することにより光導波路６４２の
閉じ込めを強化して、高効率化を図る構成を有する従来
の光波長変換素子６４０に関しては、光導波路６４２の
表面に形成する高屈折率層６４３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る。すなわち、光導波
路６４２の上の高屈折率層６４３は、光導波路６４２の
実効屈折率に与える影響が大きく、光導波路６４２の全
域に渡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、光導波路全長における位相
整合条件は光導波路の実効屈折率に厳しく依存するた
め、光導波路の実効屈折率が伝搬方向に僅かでも変化す
ると、波長変換効率が極端に減少する。このため、高屈
折率層６４３の膜厚制御には、厳しい均一性が要求され
る。

【００２４】また、上記の構成では、基板６４１と異な
る材質を光導波路６４２の表面に堆積するので、光導波
路６４２と高屈折率膜６４３との界面において導波損失
が生じ易い。更に、高屈折率膜６４３と基板６４１との
膨張係数の違いによって光導波路６４２に歪みが与えら
れると、光導波路６４２の実効屈折率が、その伝搬方向
に分布を持つ。

【００２５】更に、光導波路６４２を伝搬する光に対す
る高屈折率層６４３の伝搬損失が大きな問題となること
が、明らかになってきている。

【００２６】一般に、光波長変換素子の特性を劣化させ
る光導波路の伝搬損失は、高調波に対する損失と基本波
に対する損失とがある。誘電体の高屈折率層６４３は、
基本波に与える伝搬損失は比較的小さく、問題は無い
が、波長が短い高調波に対しては、従来の高屈折率膜６
４３はかなり大きな伝搬損失を与えることが明らかにな
ってきている。例えば、具体的な実験により、各種の高
屈折率を有する誘電体膜が、波長４００ｎｍ帯の高調波
に対して−数ｄＢ／ｃｍという大きな伝搬損失を有する
ことが明らかになった。これにより、光波長変換素子の
波長変換効率が１／２以下に低減されていることが分か
った。

【００２７】更に、非線形劣化層を有する従来の構成で
は、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
率化に限界がある。

【００２８】また、先に説明した従来の光波長変換素子
の構成では、光導波路を伝搬する基本モードの基本波と
第２高調波とのオーバラップの向上を目的としている。
しかし、基本波と第２高調波との屈折率分散の違いより
光導波路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、波
長変換効率を大幅に向上させることは困難である。更
に、基本波と第２高調波と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
である。

【００２９】また、リッジ型光導波路を用いて波長変換
効率の向上を図っている従来の光波長変換素子では、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、
波長変換効率の向上を達成している。しかし、基本波に
対するリッジ導波路による閉じ込め効果の増大は横方向
（リッジの幅方向）に限られ、深さ方向の閉じ込めは向
上しない。従って、波長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、波長変換効率の大幅な向上が困難である。

【００３０】更に、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高調波との間のオーバーラッ
プを十分に大きくできない。

【００３１】また、従来の何れの方法においても、耐光
損傷強度の観点から１０ｍＷ程度の青色光の発生は可能
であるが、出力が１０ｍＷ以上になると、長時間の安定
な出力を得るのが難しい。

【００３２】更に、従来の光波長変換素子の構成とし
て、光導波路の表面に高屈折率クラッドを形成すること
で高効率な波長変換特性を実現している構造がある。こ
れは、光導波路の表面に光導波路より高い屈折率のクラ
ッド層を設ける構成であって、クラッド層として、高屈
折率な誘電体の膜、或いはイオン交換により形成された
層が用いられている。この構成では高い波長変換効率と
優れた光損傷特性とが得られるが、この構成において
も、長期間の出力安定性を観測すると、出力が不安定に
なる新たな問題を有することが明らかになった。

【００３３】また、上述したように、従来の光波長変換
素子においては、基板の耐光損傷強度を向上させる方法
として金属元素を添加する方法が提案されている。しか
し、この方法では、プロトン交換等により光導波路を形
成した場合には、導波路の耐光損傷強度を十分向上させ
ることができないという問題があった。

【００３４】図２６に示した従来の光波長変換素子１６
０においては、発生する高調波が放射モードであるため
に集光特性が悪く、回折限界までの集光を必要とするよ
うな光学システム等への応用は困難であった。また、導
波モードで伝搬する基本波と放射モードで伝搬する高調
波との間の位相整合条件が広い範囲で成立するため、高
調波の伝搬モードを制御することが困難であり、高効率
で波長変換可能な位相整合関係を選択することが難しい
という問題があった。

【００３５】さらに、特開平３−２６１９２４号公報や
特開平５−１８８４２０号公報等のように、基本波と高
調波とで異なる光導波路を伝搬させる構成では、それぞ
れの光導波路を伝搬する基本波と高調波とにおいて、電
界分布のオーバラップが小さい。このため、変換効率の
高効率化を図るのが難しいという問題があった。

【００３６】本発明は、以上のような課題を考慮して行
われたものであって、その目的は、（１）優れた耐光損
傷特性を有し、長時間の出力安定性を有する第２高調波
出力が可能であり、且つ基本波と第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の実現を可能にす
る光導波路、（２）その光導波路を利用して構成される
光波長変換素子、（３）その光波長変換素子を利用して
構成されている短波長光発生装置及び光情報処理装置、
並びに（４）それらの製造方法、を提供することであ
る。

【００３７】さらに、本発明は、以上のような従来技術
の課題を解決するためになされたものであり、耐光損傷
強度が優れた光波長変換素子およびコヒーレント光発生
装置並びに光学システムを提供することを目的とする。
また、本発明は、基本波から高調波、パラメトリック、
和周波や差周波等への波長変換を高効率に行うことが可
能であり、ビーム特性を向上して集光特性に優れた変換
波長光を発生させることができる光導波路型の光波長変
換素子およびコヒーレント光発生装置並びに光学システ
ムを提供することを目的とする。

【００３８】

【課題を解決するための手段】本発明の光導波路は、非
線形光学結晶と、該非線形光学結晶の表面の近傍に形成
された第１のイオン交換領域と、該第１のイオン交換領
域の表面の近傍に形成された第２のイオン交換領域と、
を備え、該第２のイオン交換領域は、深さ方向にイオン
交換率が変化している領域が、０．０２〜０．２μｍで
あることにより、上記課題が達成される。

【００３９】前記第２のイオン交換領域はイオン交換率
の変化量が５〜５０μｍ^-1の領域を０．０２〜０．２μ
ｍに渡って有してもよい。

【００４０】前記第１のイオン交換領域はイオン交換率
の変化量が０．０６μｍ^-1以下であってもよい。

【００４１】前記第２のイオン交換領域は深さ方向にイ
オン交換率が変化している領域が、０．０３〜０．１μ
ｍであってもよい。

【００４２】前記第２のイオン交換領域はイオン交換率
の変化量が１０〜３０μｍ^-1であってもよい。

【００４３】前記第１のイオン交換領域の非線形光学定
数が前記結晶の非線形光学定数の９０％以上であり、前
記第２のイオン交換領域の非線形光学定数は該結晶の非
線形光学定数の６０％以下であってもよい。

【００４４】前記第１のイオン交換領域の表面屈折率変
化Δｎは波長６３３nmの光に対し０．０２以下であり、
前記第２のイオン交換領域の表面屈折率変化Δｎは０．
１１以上であってもよい。

【００４５】本発明の光導波路は、非線形光学結晶と、
該非線形光学結晶の表面の近傍に形成された第１のイオ
ン交換領域と、該第１のイオン交換領域の表面の近傍に
形成された第２のイオン交換領域と、を備え、該第２の
イオン交換領域は、該第１のイオン交換領域よりも高い
屈折率を有し、該第２のイオン交換領域の屈折率分布が
ステップライクなグレーディッド形状を有していること
により、上記課題が達成される。

【００４６】本発明の光導波路は、非線形光学結晶と、
該非線形光学結晶の表面の近傍に形成された第１のイオ
ン交換領域と、該第１のイオン交換領域の表面の近傍に
形成された第２のイオン交換領域と、を備え、該第２の
イオン交換領域は、該第１のイオン交換領域よりも高い
イオン濃度を有し、該第２のイオン交換領域のイオン濃
度分布がステップライクなグレーディッド形状を有して
いることにより、上記課題が達成される。

【００４７】前記第１のイオン交換領域と前記第２のイ
オン交換領域とは、異なる温度におけるアニール処理に
より得られた異なるグレーディッドな形状を有していて
もよい。

【００４８】前記第１のイオン交換領域の深さは、アニ
ール処理により、該アニール処理の実施前における値の
８倍以上に拡大していてもよい。

【００４９】前記第２のイオン交換領域の深さは、アニ
ール処理により、該アニール処理の実施前における値の
１．２倍以上に拡大していてもよい。

【００５０】前記第２のイオン交換領域の深さは、アニ
ール処理により、該アニール処理の実施前における値の
２倍以上に拡大していてもよい。

【００５１】前記第２のイオン交換領域の表面屈折率
は、アニール処理の実施前における表面屈折率の値とほ
ぼ等しくてもよい。

【００５２】前記第２のイオン交換領域の表面イオン濃
度は、アニール処理の実施前における表面イオン濃度の
値とほぼ等しくてもよい。

【００５３】前記第２のイオン交換領域の屈折率分布の
前記ステップライクなグレーディッド形状は、以下の
（１）及び（２）の関係：

【００５４】

【数７】

【００５５】（但し、Ｃ（ｋ，ｔ）：イオン交換濃度、
ｋ：深さ（μｍ）、ｔ：アニール時間（時間）、Ｃ０：
初期のイオン交換濃度、Ｅｒｆ［］：エラー関数、ｈ：
初期のイオン交換深さ（μｍ）、及び、Ｄｐ：アニール
処理によるイオンの拡散定数（μｍ²／時間））、

【００５６】

【数８】

【００５７】を満たすアニール処理によって形成されて
もよい。

【００５８】前記第２のイオン交換領域のイオン濃度分
布の前記ステップライクなグレーディッド形状は、以下
の（１）及び（２）の関係：

【００５９】

【数９】

【００６０】（但し、Ｃ（ｋ，ｔ）：イオン交換濃度、
ｋ：深さ（μｍ）、ｔ：アニール時間（時間）、Ｃ０：
初期のイオン交換濃度、Ｅｒｆ［］：エラー関数、ｈ：
初期のイオン交換深さ（μｍ）、及び、Ｄｐ：アニール
処理によるイオンの拡散定数（μｍ²／時間））、

【００６１】

【数１０】

【００６２】を満たすアニール処理によって形成されて
もよい。

【００６３】前記非線形光学結晶がＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ
₃結晶（０≦ｘ≦１）であってもよい。

【００６４】前記第１のイオン交換領域及び前記第２の
イオン交換領域を形成するイオン交換処理が、それぞれ
プロトン交換処理であってもよい。

【００６５】ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）から
なる前記非線形光学結晶の表面にイオン交換により形成
され、該光導波路内のＬｉのｍｏｌ濃度比が４０ｍｏｌ
％以上であってもよい。

【００６６】ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）から
なり、少なくとも表面近傍に金属元素が添加された前記
非線形光学結晶の該表面に、イオン交換により形成さ
れ、該光導波路内のＬｉのｍｏｌ濃度比Ｙと該金属元素
のｍｏｌ濃度ＺがＹ＋Ｚ≧４５ｍｏｌ％であってもよ
い。

【００６７】本発明の光波長変換素子は、上記の何れか
一つに記載の光導波路と、周期状の分極反転構造と、を
備え、該光導波路は、波長λの基本波及び波長λ／２の
第２高調波の導波が可能で、該光導波路に含まれる前
記第２のイオン交換領域の屈折率及び深さは、該第２高
調波に対しては導波条件を満足し、且つ該基本波に対し
てはカットオフ条件を満足していることにより、上記課
題が達成される。

【００６８】前記光導波路において基本モードの基本波
と高次モードの第２高調波とが位相整合していてもよ
い。

【００６９】本発明の光波長変換素子は、非線形光学結
晶の表面に隣接する複数の光導波路から構成される光導
波路群を有し、該光導波路群内で入射された基本波を異
なる波長の光に変換する光波長変換素子であって、該基
本波が該光導波路群をシングルモード伝搬し、かつ、変
換された波長光が該光導波路群を構成する光導波路を導
波モードで伝搬するか、変換された波長光が該光導波路
群をシングルモード伝搬し、かつ、該基本波が該光導波
路群を構成する光導波路を伝搬することにより、上記課
題が達成される。

【００７０】前記光導波路群は、伝搬方向が異なる複数
の光導波路から構成されていてもよい。

【００７１】前記光導波路は、前記基本波および変換さ
れた波長光のうちのいずれか一方の光に対してカットオ
フ条件を満たし、他方の光に対しては導波条件を満たし
てもよい。

【００７２】前記光導波路のうちの少なくとも１本は、
他の光導波路と異なる伝搬定数を有してもよい。

【００７３】前記光導波路群は、前記基本波および変換
された波長光のうちのいずれか一方の光に対してシング
ルモード伝搬条件を満たし、該一方の光と、前記光導波
路のうちのいずれか１本を導波する他方の光との間で位
相整合してもよい。

【００７４】前記光導波路群は奇数本の光導波路から構
成され、中央の光導波路を中心として中心対称の構造を
有してもよい。

【００７５】前記光導波路群は伝搬方向がほぼ等しい３
本の光導波路から構成され、中央の光導波路が両側の光
導波路とは異なる伝搬定数を有し、該光導波路群をシン
グルモード伝搬する基本波および変換された波長光のう
ちのいずれか一方の光と、該光導波路群の中央の光導波
路を伝搬する他方の光との間で位相整合してもよい。

【００７６】前記光導波路群は、前記入射部近傍および
出射部近傍の少なくともいずれか一方において、前記光
導波路の本数が異なってもよい。

【００７７】本発明の光波長変換素子は、ＬｉＮｂ_xＴ
ａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）からなる結晶の表面にイオン交
換により形成した光導波路を有し、該光導波路内のＬｉ
のｍｏｌ濃度比が４０ｍｏｌ％以上であることにより、
上記課題が達成される。

【００７８】本発明の光波長変換素子は、ＬｉＮｂ_xＴ
ａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）からなり、少なくとも表面近傍
に金属元素が添加された結晶の該表面に、イオン交換に
より形成した光導波路を有し、該光導波路内のＬｉのｍ
ｏｌ濃度比Ｙと該金属元素のｍｏｌ濃度ＺがＹ＋Ｚ≧４
５ｍｏｌ％であることにより、上記課題が達成される。

【００７９】前記金属元素がＭｇ、Ｚｎ、ＳｃおよびＩ
ｎのうちのいずれか１種類であるか、または２種類以上
を混合したものであってもよい。

【００８０】本発明の短波長光発生装置は、半導体レー
ザと、上記のいずれかに記載の光波長変換素子と、を備
え、該半導体レーザから出射された光の波長が該光波長
変換素子により所定の高調波に変換されることにより、
上記課題が達成される。

【００８１】前記光波長変換素子による変換で得られる
前記高調波の導波モードが高次モードであり、該高調波
の高次モードの強度分布が有する複数のピークにおい
て、最大強度を有するメインピーク以外のサブピークの
一つの幅が、該高調波に対する回折限界より小さくても
よい。

【００８２】前記高調波の高次モードが１次モードであ
ってもよい。

【００８３】前記高調波の高次モードがＴＥ１０モード
であってもよい。

【００８４】上記の何れか一つに記載の短波長光発生装
置と、集光光学系と、を備え、本発明の光情報処理装置
は、該短波長光発生装置から出射される短波長光を該集
光光学系により集光するように構成されていることによ
り、上記課題が達成される。

【００８５】本発明の光波長変換素子の製造方法は、非
線形光学結晶に周期的な分極反転構造を形成する工程
と、該分極反転構造に第１のイオン交換領域を形成する
工程と、該第１のイオン交換領域に対する第１のアニー
ル処理を行う工程と、該第１のイオン交換領域の表面に
第２のイオン交換領域を形成する工程と、該第２のイオ
ン交換領域に対する第２のアニール処理を行う工程と、
を包含し、該第１のアニール処理を行う第１のアニール
温度と該第２のアニール処理を行う第２のアニール温度
とが異なっていることにより、上記課題が達成される。

【００８６】前記第１のアニール温度が３００℃以上で
あり、前記第２のアニール温度が２５０℃以下であって
もよい。

【００８７】前記分極反転構造を形成する工程は、形成
された分極反転構造を４００℃以上の温度で熱処理する
工程を含んでもよい。

【００８８】前記第２のアニール温度が１３０℃〜２０
０℃の範囲であってもよい。

【００８９】前記第２のアニール処理は、以下の（１）
及び（２）の関係：

【００９０】

【数１１】

【００９１】（但し、Ｃ（ｋ，ｔ）：イオン交換濃度、
ｋ：深さ（μｍ）、ｔ：アニール時間（時間）、Ｃ０：
初期のイオン交換濃度、Ｅｒｆ［］：エラー関数、ｈ：
初期のイオン交換深さ（μｍ）、及び、Ｄｐ：アニール
処理によるイオンの拡散定数（μｍ²／時間））、

【００９２】

【数１２】

【００９３】を満たすアニール処理であり、これによっ
て形成される前記第２のイオン交換領域の屈折率分布が
ステップライクなグレーディッド形状を有していてもよ
い。

【００９４】前記非線形光学結晶がＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ
₃結晶（０≦ｘ≦１）であってもよい。

【００９５】前記第１のイオン交換領域及び前記第２の
イオン交換領域を形成するイオン交換処理が、それぞれ
プロトン交換処理であってもよい。

【００９６】本発明のコヒーレント光発生装置は、上記
のいずれかに記載の光波長変換素子と、半導体レーザと
を備え、該半導体レーザの光を該光波長変換素子によっ
て波長変換することにより、上記課題が達成される。

【００９７】本発明の光学システムは、上記に記載のコ
ヒーレント光発生装置と、集光光学系とを備え、前記光
波長変換素子から出射された光を該集光光学系で集光す
ることにより、上記課題が達成される。

【００９８】以下、本発明の作用について説明する。

【００９９】本発明は、非線形光学効果を利用して光導
波路を伝搬する基本波を高調波、パラメトリック、和周
波や差周波等に波長変換する光波長変換素子において、
耐光損傷強度の向上、波長変換効率の高効率化、および
出射される光のビーム特性の向上を図るために、光波長
変換素子を構成する光導波路を従来とは異なる特別な構
造としたものである。

【０１００】後述する第７の実施形態および第８の実施
形態に示すように、非線形光学結晶の表面に、隣接する
複数の光導波路からなる光導波路群を形成し、この光導
波路群を利用して基本波から高調波、パラメトリック、
和周波や差周波等への波長変換を実現する。この構成に
おいて、位相整合状態を制御することにより、光導波路
群が、基本波と変換された波長光に対して異なる伝搬状
態を与えることが可能となる。例えば、第７の実施形態
に示すように、基本波は光導波路群をシングルモード伝
搬させ、高調波や和周波は光導波路を導波モードで伝搬
させることが可能となる。または、第８の実施形態に示
すように、基本波は光導波路をシングルモード伝搬さ
せ、パラメトリックや差周波は光導波路群をシングルモ
ード伝搬させることが可能となる。この光導波路構造に
より、プロトン交換や金属拡散等の面積を小さくして光
導波路表面の損傷面積を小さくすることが可能であり、
光導波路における吸収散乱が大幅に低減される。このた
め、本発明では基本波および変換された波長光のうち、
波長が短いものの吸収により発生していた光損傷を大幅
に低減することが可能である。また、基本波および変換
された波長光の一方の伝搬モードを導波路で制御し、他
方を導波路群で制御することにより、光導波路内におけ
る基本波と変換された波長光との電界分布のオーバラッ
プを高め、波長変換の高効率化が可能となる。さらに、
変換された波長光の伝搬状態を適切に選択することによ
り、導波モードのアスペクト比を制御して、集光特性に
優れた出射光を実現することが可能である。

【０１０１】光導波路群が、伝搬方向が異なる複数の光
導波路から構成されている場合、導波路群の伝搬定数に
分布を持たせることができ、波長変換素子の許容度を拡
大することができる。また、テーパ導波路（形状が伝搬
方向に対してテーパ状に狭くなったり、広くなったりし
ている導波路）を作製することができる。

【０１０２】変換された光の波長が基本波に対して短い
（例えば高調波や和周波）場合、上記光導波路を、基本
波に対してカットオフ条件を満たすように幅を設定すれ
ば、複数の光導波路からなる光導波路群を１本の導波路
としてシングルモードで伝搬させることが可能である。
カットオフ条件は導波路幅と厚みで設定されるが、ここ
では導波路幅で設定している。このとき、基本波から変
換された波長光に対しては、光導波路が導波条件を満た
すようにすることが可能である。よって、高調波が放射
モードで導波する従来の光波長変換素子に比べて変換さ
れた波長光の伝搬モードを容易に制御可能で、基本波と
変換された波長光の位相整合の制御が容易である。な
お、基本波に対して変換された光の波長が長い（例えば
パラメトリックや差周波）場合、基本波はいずれかの光
導波路を伝搬し、変換された波長光は光導波路群をシン
グルモード伝搬する。この場合、基本波の伝搬モードを
容易に制御可能であり、基本波と変換された波長光の位
相整合の制御が容易である。

【０１０３】また、変換された光の波長が基本波に対し
て短い（例えば高調波や和周波）場合、特に、光導波路
のうちの少なくとも１本の伝搬定数を、他の光導波路と
異なる伝搬定数に設定することにより、その光導波路を
基本波から変換された波長光が選択的に導波するため、
変換効率の向上や出力光の安定化を図ることが可能とな
る。ここで、伝搬定数も導波路幅で設定する。なお、基
本波に対して変換された光の波長が長い（例えばパラメ
トリックや差周波）場合、光導波路を基本波が選択的に
導波し、変換効率の向上や出力光の安定化を図ることが
可能となる。これに対して、通常の導波路では、基本波
に対して変換された光の波長が長い（例えばパラメトリ
ックや差周波）場合、変換光の導波条件に合わせて導波
路を設計すると、基本波に対してマルチモード導波路と
なり、変換効率が大幅に低下する。

【０１０４】光導波路群が左右非対称である場合、出射
光のビーム形状が非対称となって集光特性が劣化するた
め、中央の光導波路を中心として中心対称の構造を有す
るのが好ましい。また、光導波路が奇数本である場合、
基本波および変換された波長光ともに中央の光導波路に
パワー密度の中心が集中し、基本波と変換された波長光
との間でオーバーラップが高くなるので、高い変換効率
が得られるので好ましい。例えば、変換された光の波長
が基本波に対して短い（例えば高調波や和周波）場合、
光導波路群が、伝搬方向がほぼ等しい３本の光導波路か
ら構成され、中央の光導波路が両側の光導波路とは異な
る伝搬定数を有し、光導波路群をシングルモード伝搬す
る基本波と、光導波路群の中央の光導波路を伝搬する変
換された波長光との間で位相整合する構成とすることが
できる。また、基本波に対して変換された光の波長が長
い（例えばパラメトリックや差周波）場合、光導波路群
をシングルモード伝搬する変換された波長光と、光導波
路群の中央の光導波路を伝搬する基本波との間で位相整
合する構成とすることができる。なお、光導波路の本数
が多いと、導波路群のサイズが大きくなり、パワー密度
が低下して変換効率が低下することが考えられる。よっ
て、対称構造の中でも最も本数が少ない３本の光導波路
で光導波路群を構成するのが好ましい。

【０１０５】さらに、光導波路の入射部近傍および出射
部近傍の少なくともいずれか一方において、光導波路群
を構成する光導波路の本数を異ならせることにより、ビ
ーム形状の整形や結合効率の向上を図ることが可能であ
る。

【０１０６】ところで、従来から、ＬｉＮｂＯ₃基板や
ＬｉＴａＯ₃基板にプロトン交換層を形成した場合、プ
ロトン交換層内では耐光損傷強度が向上すると報告され
ていた。しかしながら、本願発明者らの検討によれば、
プロトン交換したＬｉＮｂＯ₃の耐光損傷強度は十分で
はなく、例えばＬｉＮｂＯ₃基板に対しては一桁程度強
い耐光損傷強度を示すが、ＭｇドープしたＬｉＮｂＯ₃
に比べると耐光損傷強度は数分の１に減少することが明
らかになった。この原因は、ドーピング材料によって強
化された耐光損傷強度がプロトン交換により低減されて
いるためと考えられる。そこで、第２の本発明にあって
は、耐光損傷強度とプロトン交換層内におけるＬｉ濃度
の関係に着目し、後述する第９の実施形態に示すよう
に、ＬｉＮｂ _xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）基板の表面に
プロトン交換により形成した光導波路において、Ｌｉの
ｍｏｌ濃度比を４０ｍｏｌ％以上に設定する。または、
少なくとも表面近傍にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ等の金属
元素を添加したＬｉＮｂ_xＴａ₁ _-xＯ₃（０≦ｘ≦１）基
板の表面にプロトン交換により形成した光導波路におい
て、Ｌｉのｍｏｌ濃度比Ｙと金属元素のｍｏｌ濃度Ｚを
Ｙ＋Ｚ≧４５ｍｏｌ％の関係を満たすように設定する。
これにより、プロトン交換層の結晶欠陥を低減して、光
導波路の耐光損傷強度を向上することが可能である。

【０１０７】本発明のコヒーレント光発生装置は、耐光
損傷強度に優れた本発明の光波長変換素子を用いること
により、高出力でかつ安定した出力特性を実現すること
が可能である。

【０１０８】さらに、本発明の光学システムは、出力変
動が小さく、高出力の本発明のコヒーレント光発生装置
を用いることにより、ノイズを低減することが可能であ
る。

【０１０９】

【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）
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への波長変換効率を高めようとする構成にお
いて、耐光損傷性を飛躍的に向上させる構成を新たに提
案するものである。具体的には、イオン交換により形成
した第１のイオン交換領域をアニール処理により拡大
し、更に第１のイオン交換領域の表面近傍に第２のイオ
ン交換領域を形成した構成において、これに特別なアニ
ール処理を加えることで光導波路の伝搬損失を大幅に減
少し、更に耐光損傷特性の向上が可能になる点を、本願
発明者らが見出した。以下に、その原理について説明す
る。

【０１１０】なお、上記の趣旨で本発明に関して行われ
るイオン交換処理として、例えば、プロトン交換処理を
実施することができる。その場合、形成される第１及び
第２のイオン交換領域とは、それぞれ第１及び第２のプ
ロトン交換領域ということになる。本願明細書における
本発明の説明では、具体的なイオン交換処理としてプロ
トン交換処理を説明し、これによってプロトン交換領域
が形成される場合を特に説明する。しかし、本発明はこ
れに限られるものではなく、その他の同様のイオン交換
処理によってプロトン交換領域以外のイオン交換領域を
形成しても、本願明細書の中で説明するものと同様の効
果を得ることができる。

【０１１１】まず、従来より報告されていたプロトン交
換を利用した光導波路を用いて光波長変換素子の動作特
性の向上を図った例と、従来の構造において新たに見つ
かった課題について、説明する。

【０１１２】従来の光波長変換素子３００について、図
１を用いて説明する。

【０１１３】図１において、Ｘ板のＬｉＮｂＯ₃基板３
０１の表面近傍に、ストライプ状の光導波路３０５が形
成されており、光導波路３０５の表面近傍には、高屈折
率層３１０が形成されている。ＬｉＮｂＯ₃基板３０１
には、位相整合のために周期状の分極反転構造３０４が
形成されている。光導波路３０５に入射した基本波３０
６は、第２高調波３０７に変換されて光導波路３０５よ
り出射される。

【０１１４】図２（ａ）は、基板１の上に光導波路２が
形成され、更に光導波路２の表面近傍に高屈折率層４が
形成されている、従来の光導波路素子３００の構成を模
式的に示す図であり、図２（ｂ）及び（ｃ）はそれぞ
れ、（ａ）の構成における深さ方向の屈折率分布、並び
に（ａ）の構成の中を伝搬する基本波及び高調波の深さ
方向の電界分布である。具体的には、波長８５０ｎｍの
基本波がＴＥ００モードで入射され、光導波路２の中で
ＴＥ１０モードの高調波と擬似的に位相整合する。

【０１１５】光導波路２は、プロトン交換領域にアニー
ル処理を施して形成した光導波路であり、このアニール
処理により、プロトン交換領域の形状はステップ形状か
らグレーティッド形状に変化して、プロトン濃度も低下
する。一方、高屈折率層４は、プロトン交換により形成
した高屈折率層であるが、アニール処理は行っていない
ので、そのプロトンの分布形状はステップ状である。

【０１１６】この光波長変換素子３００においては、高
屈折率層４により基本波の閉じ込めが強化され、更に基
本モードの基本波と高次モードの高調波との間でオーバ
ラップの増大が図れるため、高い波長変換効率が達成で
きる。

【０１１７】しかし、この従来の光波長変換素子３００
の出力特性について種々の検討を行った結果、以下に示
す課題の存在が明らかになった。

【０１１８】第１に、位相整合波長が時間とともに変化
する現象が見つかった。これにより、第２高調波の出力
が不安定になるという位相整合波長変動の問題が生じ
る。

【０１１９】第２に、高温試験において光波長変換素子
の特性が劣化するという素子寿命の問題がある。

【０１２０】第３に、光導波路の伝搬損失が大きい。

【０１２１】それぞれの課題について、以下に詳しく説
明する。

【０１２２】第１の課題に関しては、発生する第２高調
波の高出力化によって、位相整合状態がわずかに変化し
ていることが観測された。その原因は後述するが、高屈
折率層４と光導波路２との境界において発生する光損傷
が関係している。

【０１２３】従来から知られている光損傷とは、位相整
合状態が光導波路全体に渡って崩れることで第２高調波
の出力が低下する現象であるが、今回見出されたのは、
位相整合カーブを維持したままで位相整合波長がシフト
する現象である。波長変換効率は低下しないが位相整合
波長が変化するため、基本波の波長を固定すると第２高
調波出力は徐々に減少する。このため、位相整合波長を
常に最適値に合わせないと、安定した出力が得られな
い。位相整合波長が変化すると、光波長変換素子の位相
整合波長許容度が０．１ｎｍ以下と非常に狭いために、
第２高調波の出力は不安定になる。

【０１２４】第２の課題は、光波長変換素子の寿命試験
中に発見された。具体的には、温度８０℃で数１０時間
に渡る高温試験を行うと、光波長変換素子の位相整合波
長が大きく変化したり、波長変換効率が劣化するといっ
た現象が観測された。この原因について検討した結果、
高屈折率層４が高温試験で変化していることが明らかに
なった。高屈折率層４はアニール処理を行わないプロト
ン層であり、高いプロトン濃度を有し且つステップ形状
のプロトン濃度分布を有している。このため、プロトン
濃度が高く且つ周辺部との濃度差が大きいため、熱拡散
定数が大きい。また、高屈折率層４のプロトン交換領域
の熱拡散が光導波路２の特性に与える影響が非常に大き
いため、高温試験に際した高屈折率層４のプロトン交換
領域の変化により、光波長変換素子の特性が劣化するこ
とが明らかになった。

【０１２５】第３の課題は、主に第１のプロトン交換領
域の問題である。表面に高屈折率層４を形成した光導波
路構造では、光の閉じ込めが強化されるため、光導波路
２の伝搬損失が高まる傾向にある。更に、光導波路２の
伝搬損失は、電界分布の存在が最も大きな第１のプロト
ン交換領域の特性に影響する。本願発明者らによる検討
の結果、第１のプロトン交換領域のプロトン濃度と光導
波路の伝搬損失との間に密接な関係が存在することが明
らかになった。

【０１２６】以下では、以上のような検討結果を考慮し
て達成された本発明の具体的な幾つかの実施形態を、添
付の図面を参照しながら説明する。

【０１２７】（第１の実施形態）本実施形態において
は、先述のような検討結果を考慮して、従来のプロトン
交換を利用した光導波路における問題を解決するため
に、新しい光導波路構造を提案する。

【０１２８】上記のように、本願発明者らは、高屈折率
クラッド層を有する光導波路を用いた光波長変換素子に
おける課題について検討を行った結果、光導波路上に形
成した高屈折率な層と光導波路との境界において、問題
が発生していることを発見した。特に、この境界部にお
いて、ステップ形状に屈折率が変化している点が、問題
の原因であることを見出した。

【０１２９】そこで、高屈折率層を形成しているプロト
ン交換領域の形状について種々検討を行った結果、プロ
トン交換処理とアニール処理とにより第１及び第２のプ
ロトン交換領域を形成する場合に、特殊なプロトン交換
領域の屈折率分布形状において、光導波路の特性が大幅
に向上することを見出した。

【０１３０】図３（ａ）は、本実施形態によるプロトン
交換導波路（光導波路）の構成を示す断面図であり、基
板１にプロトン交換及びアニール処理により形成した第
１のプロトン交換領域（光導波路として機能する部分）
５と、第１のプロトン交換領域５の表面近傍に形成した
第２のプロトン交換領域（高屈折率層として機能する部
分）６と、を含む。図３（ｂ）は、図３（ａ）の構成に
おける深さ方向の屈折率分布を表している。図２（ｂ）
と比較すれば明らかなように、本実施形態の光導波路で
は、従来の光導波路とは異なって、第２のプロトン交換
領域６の屈折率分布が、アニール処理により、ステップ
ライクなグレーディッド形状を有している。

【０１３１】従来、高屈折率層（高屈折率クラッド層）
として機能する第２のプロトン交換領域としては、アニ
ールしないプロトン交換領域、或いは高屈折率の誘電体
膜など、ステップ状に屈折率分布を有する膜を用いてい
た。しかし、本願発明者らによる検討によって、高屈折
率層である第２のプロトン交換領域の屈折率分布をステ
ップ状からステップライクなグレーディッド状に変化さ
せることで、光導波路の耐光損傷強度が大幅に増大する
ことが見出された。

【０１３２】その理由について説明する。

【０１３３】高効率の光波長変換素子を実現するには、
第１のプロトン交換領域５を導波層とし、第２のプロト
ン交換領域６を高屈折率クラッド層として用いて、高屈
折率クラッド層を利用した基本波と高調波とのオーバラ
ップの増大を図る。高屈折率クラッド層として効率良く
作用するためには、導波層より高い屈折率を有し、且つ
ステップ形状の屈折率分布を有する層が必要となる。と
ころが、高屈折率クラッド層を有する構造において、光
損傷による位相整合波長シフトが発生することが明らか
になった。我々はこの問題について種々の検討を行い、
その原因を解明した。すなわち、高屈折率層と導波層と
の境界でステップ状に屈折率が変化しているため、先に
図２（ｃ）に示したように、高調波のパワー密度の急激
な変化を生じている。光損傷は、光励起により不純物順
位が励起され内部電界を生じることで、電気光学効果に
よる屈折率変化を生じる現象である。光の強度分布差に
依存して内部電界の強度差が増大し光損傷が生じるの
で、高屈折率層と導波層との境界部で急激に高調波パワ
ー密度が変化すると、その部分で屈折率変化が大きくな
り、光損傷の影響が増大する。更に、物性、屈折率、光
のパワー密度の変化が同時に境界部で発生することも、
光損傷の影響をより大きくする要因となっている。

【０１３４】この状態を緩和するには、屈折率分布の変
化率を低減し、境界の存在する部分を拡大することが有
効であると考えた。そこで、第１のプロトン交換領域５
と第２のプロトン交換領域６との境界部分を拡大したと
ころ、光損傷の発生を大幅に緩和できる構造が存在する
ことが見出された。すなわち、第２のプロトン交換領域
６の屈折率分布をステップ状からステップライクなグレ
ーディッド状にすることで、第１及び第２のプロトン交
換領域５及び６の間の境界部の面積を増大し、光損傷の
発生を大幅に低減できる。但し、プロトン交換領域５及
び６の間の境界部分を拡大しすぎると、光波長変換素子
の波長変換効率が大幅に減少する。すなわち、高効率の
波長変換効率と高い耐光損傷強度とを同時に実現するに
は、第２のプロトン交換領域６の屈折率分布を適切に制
御する必要がある。

【０１３５】次に、ステップライクなグレーディッド形
状について説明する。

【０１３６】プロトン交換領域の屈折率分布は、プロト
ンの拡散分布に依存する。一般に、プロトン交換領域に
おけるプロトンの拡散分布は、プロトン交換処理の終了
時にはステップ形状を有しているが、その後にアニール
処理を行うとグレーディッドな分布に変化する。ここ
で、プロトンの濃度分布とアニール時間との関係は、以
下の式（１）で表される。

【０１３７】

【数１３】

【０１３８】但し、上記の式（１）において、Ｃ（ｋ，
ｔ）：プロトン交換濃度、ｋ：深さ（μｍ）、ｔ：アニ
ール時間（時間）、Ｃ０：初期のプロトン交換濃度、Ｅ
ｒｆ［］：エラー関数、及び、ｈ：初期のプロトン交換
深さ（μｍ）である。また、Ｄｐは、アニールによるプ
ロトンの拡散定数（μｍ²／時間）であり、その温度依
存性を図４に示す。

【０１３９】本願明細書におけるステップライクなグレ
ーディッド形状を有する屈折率分布とは、ステップ状の
プロトン濃度分布によって得られるステップ状の屈折率
分布と、グレーディッド状のプロトン濃度分布によって
得られるグレーディッド状の屈折率分布との中間の状態
であって、表面のプロトン交換濃度の値が初期値Ｃ０と
同程度である範囲、すなわち、Ｃ（０、ｔ）がほぼＣ０
の値をとる範囲で実現される。この条件は、実際には、
式（１）に含まれるｈ／２／（Ｄｐ×ｔ）^1/2の値で規
定できる。具体的には、以下の（２）の不等式の関係を
満たす範囲で、ステップライクなグレーディッド形状を
有する屈折率分布が実現される。

【０１４０】

【数１４】

【０１４１】例えば、初期のプロトン交換深さｈ＝０．
１８μｍである場合、ステップライクなグレーディッド
形状を有する屈折率分布を実現する（２）の範囲は、ア
ニール温度が１４０℃であればアニール時間で約２時間
〜約５０時間の範囲であり、アニール温度が１８０℃で
あればアニール時間で約１０分〜約５時間の範囲であ
る。

【０１４２】先述のように、プロトン交換領域のプロト
ン濃度分布は、一般にプロトン交換後のアニール処理前
ではステップ形状であり、これをアニール処理すると、
プロトンが熱拡散し、ステップ状からガウス分布に近い
グレーディッド形状となる。プロトン交換領域の屈折率
はプロトン濃度に比例するので、アニール処理によるプ
ロトン濃度分布形状の変化に伴って、その屈折率分布形
状も、ステップ形状からグレーディッド形状に変化す
る。

【０１４３】図５（ａ）〜（ｃ）に、アニール処理によ
るプロトン濃度分布の変化に伴った、屈折率分布形状の
変化の様子を示す。

【０１４４】図示されるように、アニール処理によっ
て、プロトン交換領域の屈折率分布形状は、ステップ形
状（ａ）からステップライクなグレーディッド状
（ｂ）、更に、ガウス分布に近いグレーディッド形状
（ｃ）へ変化する。このうちのステップライクなグレー
ディッド形状は、ステップ形状とグレーディッド形状の
中間の形であり、表面のプロトン交換濃度が低下しない
範囲においては、プロトンの拡散分布形状はステップラ
イクな形状をほぼ保っている。

【０１４５】屈折率分布の変化は、より厳密には、アニ
ール前のプロトン交換深さ、アニール処理温度、及びア
ニール処理時間に依存する。アニール処理による屈折率
分布の変化を、図６に示す。図６において、屈折率分布
の広がりを、屈折率変化量が最大値の１／ｅ²になる部
分の幅で規定する。アニールによるプロトン交換領域の
広がりが約２倍以上になると、屈折率分布は、ステップ
ライクな形状からガウス分布に近い形状に変化する。ス
テップライクな屈折率分布を得るには、プロトン交換領
域の深さのアニール処理による広がりを約１．１倍〜約
２倍の間に保つ必要がある。

【０１４６】また、図６より、プロトン交換直後の表面
屈折率は、ステップライクな屈折率形状を有している間
は維持されることがわかる。しかし、屈折率分布がガウ
ス分布に近くなり、屈折率分布の幅が２倍近くなると、
表面屈折率が徐々に低下し始める。ステップライクな屈
折率分布が維持されるプロトン交換領域の表面屈折率の
値は、アニール処理前の値の約９０％以上であった。

【０１４７】以上の点より、第２のプロトン交換領域の
アニール処理を長い時間に渡って行うと光波長変換素子
の波長変換効率が低下する現象は、第２のプロトン交換
領域の表面屈折率の低下に起因していることが明らかに
なった。すなわち、第２のプロトン交換領域の表面屈折
率の低下により、導波光の閉じ込めが弱まって、波長変
換効率の低下を招く。従って、第２のプロトン交換領域
のアニール処理は、表面屈折率の低下を招かない程度に
行うのが望ましい。また、光波長変換素子の高効率化に
は高い表面屈折率が必要であり、高屈折率クラッド層を
有する光導波路における第２のプロトン交換領域６に
は、ステップライクな屈折率分布が要求されるため、第
２のプロトン交換領域６の広がりを２倍以下に抑えるこ
とが好ましい。

【０１４８】本願発明者らによる実験結果より、高い波
長変換効率と良好な耐光損傷強度とを両立させて実現す
るには、第２のプロトン交換領域６の屈折率分布が、ス
テップ形状とガウス分布に近い完全なグレーディッド形
状との間の中間的な屈折率分布（図５（ｂ）参照）をと
る必要があることが分かった。これを、本願明細書では
ステップライクなグレーディッド形状と称する。一方、
第１のプロトン交換領域５は、伝搬損失の小さい導波層
であり、且つ高屈折率クラッド層によるオーバラップの
向上を実現するために、完全なグレーディッド形状（エ
ラー関数形状）をとる必要がある。

【０１４９】すなわち、第１のプロトン交換領域５と第
２のプロトン交換領域６とが、異なる形状のグレーディ
ッドな屈折率分布（すなわち異なる形状のグレーディッ
ドなプロトン濃度分布）を有することが、高効率で且つ
耐光損傷性に優れた光波長変換素子を実現するために、
必要な条件であることが明らかになった。

【０１５０】プロトン交換領域の屈折率分布（プロトン
濃度分布）は、アニール処理により、容易にガウス分布
に近いグレーディッド形状に変化する。第２のプロトン
交換領域６の屈折率分布をステップライクなグレーディ
ッド形状に制御するには、第２のプロトン交換領域６に
対するアニール処理条件を精確に制御する必要がある。
本発明によれば、グレーディッド形状に変化する前のス
テップライクなグレーディッド形状に精確に制御するこ
とで、光波長変換素子の特性向上を実現できることが明
らかになった。

【０１５１】図７に第１と第２のプロトン交換領域にお
けるプロトン交換率の分布を示す。ＬｉＮｂＯ₃結晶は
プロトン交換によりＬｉ_(1-x)Ｈ_xＮｂＯ₃となる。ここ
で示すプロトン交換率Ｘは結晶内のＬｉとＨの交換率を
表し、結晶中のＬｉとＨのモル数に対し、Ｘ＝Ｈ／（Ｌ
ｉ＋Ｈ）で表される。プロトン交換されていない結晶に
おいて、プロトン交換率Ｘは０であり、ＬｉとＨが完全
に交換さるとプロトン交換率Ｘの値は約１となる。実際
のプロトン交換層において、アニール処理しないプロト
ン交換直後のプロトン交換率は、プロトン交換温度、プ
ロトン交換に使用する酸、およびプロトン交換時間によ
り微妙に変化する。代表的には、プロトン交換に使われ
る代表的な酸である安息香酸の場合でＸ＝０．６７±
０．０２、高屈折率のプロトン交換層の形成が可能なピ
ロ燐酸でプロトン交換した場合でＸ＝０．７６±０．０
２程度である。結晶中のＬｉの７０％程度がプロトンと
交換されている。高屈折率なプロトン交換層を形成可能
なため、プロトン交換はピロ燐酸で行うのが望ましい。

【０１５２】図７（ａ）に示したのは第１と第２のプロ
トン交換層からなる導波路におけるプロトン交換率の分
布であり、ピロ燐酸を用いて作製した。第２のプロトン
交換層におけるプロトン交換率は表面近傍で約０．７６
である。一方、第１のプロトン交換層におけるプロトン
交換率は表面近傍で約０．１程度である。プロトン交換
率に大きな差を付けることで、第２のプロトン交換層と
第１のプロトン交換層との屈折率差を十分とっている。
また図からわかるように、第２のプロトン交換層を形成
するには、プロトンの拡散を最小限に押さえる条件でア
ニール処理を施さねば成らない。プロトン濃度分布が崩
れない程度に、かつ第１のプロトン交換層に影響を与え
ない程度に温度および時間の制御を行う必要がある。そ
のために、第２のプロトン交換を形成する温度を２００
℃以下とし、拡散分布を崩さない程度に時間制御を行い
ながら形成した。

【０１５３】第１と第２のプロトン交換率の分布を拡大
したのが、図７（ｂ）、（ｃ）に示すプロトン交換率の
分布図でそれぞれ第１および第２のプロトン交換層の分
布を表している。図に示すように、全く異なった形状を
とっている。第１のプロトン交換層におけるプロトン交
換率の分布は、アニール処理により完全にグレーディッ
ド形状に成っている。これに対し、第２のプロトン交換
層はステップライクなグレーディッド形状になってい
る。また、第１と第２のプロトン交換層の大きな違い
は、プロトン交換率の深さ方向の変化量である。第１の
プロトン交換層においては、表面におけるプロトン濃度
が低減すると共に、プロトン交換率Ｘの深さ方向の変化
量が非常に小さいくなっている。一方、第２のプロトン
交換層においては、プロトン交換率が深さ方向に急激に
変化する。深さ方向のプロトン交換率Ｘの変化量（μｍ
^-1）を以下のように規定する。プロトン交換率の変化量
＝│ΔＸ／Δ深さ│とプロトン交換のアニール状態をプ
ロトン交換率の変化の絶対値で表すことができる。まず
第１のプロトン交換層におけるプロトン交換率の変化量
は約０．０４μｍ^-1程度である。プロトン交換層のプロ
トン濃度を下げて、非線形光学定数を十分回復させるに
は、プロトン交換率の変化量は少なくとも０．１μｍ^-1
以下が必要であり、高効率化を達成するには０．０６μ
ｍ^-1以下が望まれる。

【０１５４】一方、第２のプロトン交換層においては、
プロトン濃度が深さ方向に変化する領域の大きさが重要
に成ってくる。前述したように、第１と第２のプロトン
交換層との境界部分がこのプロトン濃度が変化している
領域であり、この領域をアニール処理により形成するこ
とで耐光損傷性に優れた光導波路の形成が可能となる。
具体的には、図７（ｃ）に示したように、プロトン交換
率が変化している領域は第２のプロトン交換領域におい
て０．０５μｍ程度である。プロトン交換直後はこの領
域が０．０１μｍ以下である。第２のプロトン交換領域
のアニール処理によりプロトン交換率が変化している領
域を０．０２〜０．２μｍの間で拡大することが望まし
い。さらに、高効率変換を実現するには、０．０３〜
０．１μｍ程度の間に押さえることが望ましい。第１の
プロトン交換層との大きな違いは、この領域の大きさで
ある。第１のプロトン交換領域においては、プロトン分
布が完全なグレーディッドとなっているため、プロトン
交換率の変化する領域は数μｍに達する。これに対し、
第２のプロトン交換領域はプロトンの分布がステップラ
イクなグレーディッド形状であるため、プロトン交換率
が変化する領域が０．０２〜０．２μｍと大きく異なっ
ている。さらに、第１と第２のプロトン交換領域の違い
は、そのプロトン交換率の変化量である。第１のプロト
ン交換領域はプロトン交換率が完全なグレーディッド状
態に成っているため、Ｘの変化率は０．０４μｍ^-1程度
である。これに対し、第２のプロトン交換領域は１５μ
ｍ^-1程度と非常に大きい。高効率変換が可能なステップ
ライクなグレーディッド形状を実現するには、プロトン
交換率の変化量を５〜５０μｍ^-1程度に設定するのが望
ましい。さらに耐光損傷強度を高めるには、変化量を１
０〜３０μｍ^-1程度に設定するのがより望ましい。

【０１５５】第１と第２のイオン交換層においては、基
本波とＳＨＧの位相関係が逆転するため（図２参照）、
第２のイオン交換層における非線形光学効果の増大は変
換効率の低減になる。従って、第２のイオン交換層の非
線形光学定数が低いほど変換効率は高くなる。高いプロ
トン交換濃度で非線形定数が６０％以下に低減されてい
ることが望ましい。

【０１５６】次に、耐光損傷強度に優れた光導波路を形
成する第２のプロトン交換領域６のプロトンの濃度分布
形状について、更に詳しく検討した結果を説明する。

【０１５７】まず、第２のプロトン交換領域６における
好ましい屈折率分布を実現可能な作製条件について、検
討した。

【０１５８】図１０及び図１１には、アニール処理を行
ったときに発生する第２のプロトン交換領域６の拡大の
様子を第２のプロトン交換領域６の深さ（プロトン交換
領域の半値全幅の大きさ）の変化によって表し、これを
パラメータ（横軸）にとって、光波長変換素子の波長変
換効率及び表面屈折率（図１０）、並びに耐光損傷強度
（図１１）と第２のプロトン交換層６の深さとの関係を
描いている。但し、横軸は、アニール処理の開始前の第
２のプロトン交換領域６の深さによって規格化された値
を示している。従って、縦軸との交点における光波長変
換素子の波長変換効率及び表面屈折率（図１０）、並び
に耐光損傷強度（図１１）の値は、アニール処理の開始
前の値を示している。

【０１５９】図１１に示されるように、耐光損傷強度
は、第２のプロトン交換領域が、アニール処理により、
アニール処理前の深さの１．２倍以上に拡大するあたり
で急激に増大し、更にアニール処理を行うと、耐光損傷
強度は徐々に増大した。これは、アニール処理の継続に
伴って第２のプロトン交換領域６の屈折率分布がグレー
ディッドな形状に近づくに従って、第１及び第２のプロ
トン交換領域５及び６の間の境界部が拡大するためであ
る。

【０１６０】更に、本検討中に新しい現象を発見した。
すなわち、第２のプロトン交換領域６をアニール処理す
ると、図１０に示されるように、光波長変換素子の波長
変換効率が大幅に拡大することが見いだされた。

【０１６１】具体的には、第２のプロトン交換領域６の
増大（深さの増加）とともに波長変換効率は増加し、ア
ニール前の１．５倍程度の深さになった時点で、最大に
なった。この時点で、波長変換効率はアニール処理前に
得られる値の２倍近い値となり、大幅な波長変換効率の
向上が確認された。しかし、更にアニール処理を続ける
と、第２のプロトン交換領域６の深さがアニール前の値
の２倍程度になるあたりで波長変換効率は減少し始め、
アニール処理の継続とともに減少した。これは、図１０
にあわせて示すように、第２のプロトン交換領域６の表
面屈折率が、このあたりで減少し始めるためである。

【０１６２】第２のプロトン交換領域６をアニール処理
することで波長変換効率が向上する理由は、２つ考えら
れる。

【０１６３】第１に、アニール処理することで第２のプ
ロトン交換領域６の深さが増大するが、屈折率分布がス
テップライクなグレーディッド形状を有して表面屈折率
の低下が少ない範囲では、実効屈折率が増大する。この
ため、光導波路への導波光の閉じ込めが強化されて導波
光のパワー密度が増大することで、波長変換効率が向上
する。

【０１６４】第２に、第２のプロトン交換領域６の均一
性の向上の影響が考えられる。すなわち、第２のプロト
ン交換領域６は、アニール処理を行っていない場合に
は、第１のプロトン交換領域５との境界近傍に結晶的な
歪みを有し、これが光導波路（第１のプロトン交換領域
５）の不均一性の原因となっている。光導波路（第１の
プロトン交換領域５）の不均一性は、波長変換効率に与
える影響が大きく、効率低下の原因となる。これに対し
て、第２のプロトン交換領域６にアニール処理を加える
と結晶歪みが減少し、結果的に光導波路（第１のプロト
ン交換領域５）の均一性が増す。これによって、波長変
換効率の大幅な向上が実現する。

【０１６５】耐光損傷強度の観点からみると、第２のプ
ロトン交換領域６の深さは、アニール前の値の１．２倍
以上であることが望ましい。更にアニール前の値の１．
５倍以上になると、耐光損傷強度がより向上するため、
より好ましい。一方、波長変換効率の向上の観点から
は、第２のプロトン交換領域６の深さは、アニール前の
値の１．２倍〜２．５倍程度が望ましい。更に、アニー
ル前の値の１．５倍〜２倍程度では、波長変換効率が２
倍に増大するため、より好ましい。

【０１６６】更に、第２のプロトン交換領域６の屈折率
分布をステップライクなグレーディッド形状にすること
で、光波長変換素子の経時変化がなくなることが明らか
になった。この点を以下に説明する。

【０１６７】先に述べたように、プロトン交換光導波路
により形成した光波長変換素子は、８０℃程度の高温信
頼性試験により特性劣化を生じる。本願発明者らによる
検討では、第２のプロトン交換領域６の深さが経時変化
により増大することが、上記の特性劣化の主原因である
ことが明らかになった。これは、アニールを行わないプ
ロトン交換領域の厚さが経時変化により容易に変化する
こと、及び、ステップ状の屈折率分布の厚さがわずかに
変化しても光波長変換素子に与える影響が大きいこと
に、起因している。具体的には、本願発明者らによる実
験では、アニールを施さなかったサンプルでは、温度８
０℃で約１００時間の高温信頼性試験により、位相整合
波長が約０．２ｎｍ〜約０．６ｎｍ変化することが分か
った。これに対して、アニールを施したサンプルでは、
温度８０℃で約１０００時間の高温信頼性試験の後で
も、位相整合波長のシフトは約０．０２ｎｍ以下であ
り、実質的な変化を示さなかった。

【０１６８】これに対して、本発明に従って第２のプロ
トン交換領域６をアニール処理してグレーディッド形状
にすると、経時変化がほとんどなくなった。これは、ア
ニール処理を加えて経時変化を加速することで、特性の
経時的な変化、特に高温での屈折率分布の変化が、大幅
に低減されたためである。更に、第２のプロトン交換領
域６の屈折率分布がステップ状からステップライクなグ
レーディッド状に変化したことで、第１及び第２のプロ
トン交換領域５及び６の間の境界部分が一定の領域を有
するようになるために、深さ方向の屈折率分布の変化が
生じた場合の光波長変換素子に与える影響が、大幅に緩
和できると考えられる。

【０１６９】具体的にプロトン交換領域の拡大と特性の
経時変化との関係を調べると、アニール処理によりプロ
トン交換厚さが１．１倍程度に拡大するまでは、経時変
化特性は変化が見られなかったが、１．３倍以上に拡大
すると高温試験特性での劣化は見られなくなった。

【０１７０】一方、第１のプロトン交換領域５は、光導
波路の伝搬損失と密接な関係を持っている。第１のプロ
トン交換領域５をアニール処理により拡大することで、
光導波路の伝搬損失を大幅に低減できる。例えば、３３
０℃で３時間のアニール処理を行ったところ、第１のプ
ロトン交換領域５におけるプロトンの分布（第１のプロ
トン交換領域５の深さ）がアニール前の８倍程度に拡大
した時点で、光導波路の伝搬損失は１ｄＢ／ｃｍ以下に
なり、最低レベルを呈した。但し、それ以上にアニール
処理を継続しても、導波損失の更なる低減は認められな
かった。

【０１７１】これより、低損失の光導波路を形成するに
は、アニール処理により、第１のプロトン交換領域５の
深さを８倍以上に拡大する必要がある。

【０１７２】次に、プロトン交換により光導波路を形成
するためのプロセスについて説明する。

【０１７３】図８（ａ）〜（ｅ）を参照して、光導波路
の作製方法を示す。図８（ａ）〜（ｅ）は、各工程を説
明するための模式的な断面図であり、更に（ｂ）〜
（ｅ）に関しては、各々の工程によって得られる形状に
おける深さ方向の屈折率分布形状も、あわせて示してい
る。

【０１７４】基板１には、例えば、Ｘ板のＭｇＯドープ
のＬｉＮｂＯ₃基板１を用いる。まず、図８（ａ）に示
すように、例えばタンタル（Ｔａ）を用いて、光導波路
用のストライプ状のマスクパターン１１を、基板１の表
面に形成する。次に、図８（ｂ）に示すように、２００
℃のピロ燐酸中で熱処理して、第１のプロトン交換領域
５を、基板１のうちでマスクパターン１１にカバーされ
ていない領域に形成する。続いて、図８（ｃ）に示すよ
うに、Ｔａマスクパターン１１の除去後に、第１のアニ
ール処理により、第１のプロトン交換領域５を熱拡散さ
せる。更に、図８（ｄ）に示すように、２００℃のピロ
燐酸により、第２のプロトン交換領域６を基板１の表面
に形成する。続いて、図８（ｅ）に示すように、第２の
アニール処理を行って、第２のプロトン交換領域６を熱
拡散させる。

【０１７５】第１のプロトン交換領域５の深さ（厚さ）
は、典型的には約０．１７μｍ〜約０．２５μｍであ
り、これは、高屈折率クラッドを堆積した後に、基本波
として８５０ｎｍ近傍の波長をシングルモード条件で伝
搬可能な条件である。

【０１７６】上記のような深さ（厚さ）を有する第１の
プロトン交換領域５をアニール処理する第１のアニール
処理の温度について、検討した。

【０１７７】第１のアニール処理により、光導波路とし
て機能する第１のプロトン交換領域５は、深さ２μｍ以
上に拡大する必要がある。その理由は、第１に、光導波
路部における屈折率分布を完全なグレーディッド形状に
し、伝搬損失を低減するためである。第２は、プロトン
交換により基板１の非線形性が大きく低下しているた
め、これを回復するためである。高効率の光波長変換素
子を実現するには、光導波路の非線形性を十分高い値に
する必要があり、アニール処理によりプロトン交換の比
率を１／８以下に低減することで、プロトン交換領域の
非線形性を基板１に近い値まで回復できる。更に第３の
理由は、高屈折率クラッド層を有する光導波路構造を形
成するためである。第１のプロトン交換領域５の表面屈
折率を低下させ、第２のプロトン交換領域６との屈折率
差を大きくとることで、プロトン交換による高屈折率ク
ラッド層を実現することが可能となる。

【０１７８】以上の条件を満足するには、第１のプロト
ン交換領域５をアニール処理する温度は、３００℃以上
であることが好ましい。アニール温度を３００℃以下に
すると、アニール処理を数１０時間行っても必要な屈折
率分布を形成できないためにプロセス効率が極端に低下
する。更に、アニール処理による光導波路の伝搬損失の
減少が、第１のプロトン交換領域５に対するアニール温
度を３００℃以上にすることで、より効率良く達成でき
る。

【０１７９】また、アニール処理によるプロトン交換領
域の熱拡散及び伝搬損失は、アニール処理温度に依存
し、アニール処理温度が高いほど、同程度のプロトン拡
散に対して低損失の光導波路が実現できる。このため、
より低損失の光導波路を形成するためには、高温のアニ
ール処理が必要となる。アニール温度と伝搬損失の関係
を求めたところ、第１のプロトン交換領域５に対するア
ニール処理の温度を３００℃以上にすることで、伝搬損
失を１ｄＢ／ｃｍ以下にすることができた。

【０１８０】一方、第２のプロトン交換領域６の深さ
（厚さ）は、波長８５０ｎｍ程度の基本波に対して約
０．１５μｍ〜約０．２１μｍ程度であることが好まし
い。これは、基本波の光が第２のプロトン交換領域６で
カットオフとなる領域である。

【０１８１】更に、本願発明者らによる検討により、第
２のプロトン交換領域６の深さは、以下の理由により、
基本波に対してカットオフとなる境界の深さ（導波条件
とカットオフ条件との境界）に対して、９０％以下の深
さとすることがより好ましいことが分かった。

【０１８２】第２のプロトン交換領域６は、アニール処
理によって、その実効屈折率が増大する。この場合、カ
ットオフ条件の境界の近傍に第２のプロトン交換領域６
の深さを設定すると、第２のプロトン交換領域６に対す
るアニール処理によって第２のプロトン交換領域６の実
効屈折率が増大するとともに、第２のプロトン交換領域
６の中を基本波が導波することが可能になる。本願発明
者らによる検討によれば、上記の結果として、波長変換
効率の大幅な減少が発生することが明らかになった。こ
れを防止するためには、第２のプロトン交換領域６の深
さを、カットオフ条件の境界の深さに対して９０％以下
に設定して、アニール処理後においても、第２のプロト
ン交換領域６の深さが基本波に対してカットオフ条件を
保つようにする必要がある。

【０１８３】この第２のプロトン交換領域６をアニール
処理する第２のアニール条件としては、アニール温度を
２５０℃以下に設定する必要があることが分かった。そ
の理由は、屈折率分布の制御性、及び表面屈折率の低下
度の減少の２点である。

【０１８４】第２のアニール処理では、第２のプロトン
交換領域６の屈折率分布をステップライクなグレーディ
ッド形状に制御する必要がある。このために、アニール
処理の時間制御を精密に行う必要がある。同時に、アニ
ール処理後の光導波路（第１のプロトン交換領域５）の
均一性を得るために、光波長変換素子面内におけるアニ
ール処理の分布に対しても、高い均一性が要求される。
アニール処理によるプロトン交換領域の熱拡散速度は温
度とともに増大するため、アニール処理温度が２５０℃
以上になるとアニール処理時間が数秒程度となり、精密
な温度時間制御が困難になる。また、短時間の高温処理
になると、基板内の温度分布により光導波路の伝搬定数
の分布が形成されて、光導波路の均一性が劣化する現象
が観測された。

【０１８５】従って、以上の点より、第２のプロトン交
換領域６に必要とされる均一な屈折率分布を精度良く形
成するには、低温で長時間アニール処理をすることが好
ましい。具体的な第２のプロトン交換領域６に対するア
ニール温度としては、１５０℃で５〜６時間以上、１８
０℃で数時間、２００℃以上では数分になる。

【０１８６】例えば、第２のプロトン交換領域６を１４
０℃でアニール処理した場合、最適なステップライクな
グレーディッド形状の分布が得られる条件は、アニール
時間が２時間〜２０時間の範囲であった。特に、３時間
以上のアニール処理を行うと、耐光損傷強度の大幅な向
上が観測された。一方、１８０℃でアニール処理した場
合は、３時間以下のアニール処理で、良好な分布形状が
得られた。但し、アニール温度１８０℃で１０時間を越
えるアニール処理を行った場合、第２のプロトン交換領
域６が広がり過ぎて完全なグレーディッド形状となり、
波長変換効率が低下するという現象も観測された。

【０１８７】これらのことより、第２のプロトン交換領
域６に対する第２のアニール処理に関して、光導波路に
必要な屈折率分布を制御良く実現するには２５０℃以下
のアニール処理温度が必要であり、光導波路の均一性を
達成するには２００℃以下が好ましい。

【０１８８】同時に、アニール処理による第２のプロト
ン交換領域６の表面屈折率の低下が、アニール温度に比
例して大きくなることが分かった。高効率の光波長変換
素子を実現するには、第２のプロトン交換領域６の表面
屈折率を、できるだけ高い値にする必要がある。具体的
には、アニール前の表面屈折率とほぼ等しい値が望まし
い。ところが、アニール処理温度の上昇により、第２の
プロトン交換領域６を構成する結晶表面の屈折率が減少
する。これは、アニール温度により、プロトン交換領域
の結晶構造が変化するためと考えられる。アニール温度
と表面屈折率との関係をみると、アニール温度が約２５
０℃を越えると、表面屈折率の減少が大きくなることが
明らかになった。

【０１８９】以上の結果より、第２のプロトン交換領域
６のアニール温度（第２のアニール処理の温度）は、２
５０℃以下に設定することが好ましい。

【０１９０】また、第２のプロトン交換領域６のアニー
ル処理温度の下限についても検討したところ、アニール
処理温度が１３０℃以下になると、どれだけアニール処
理しても屈折率分布の変化が小さく、必要とするステッ
プライクなグレーディッド形状を達成できないことが分
かった。従って、第２のプロトン交換領域６に対する第
２のアニール処理温度としては、１３０℃以上が好まし
い。

【０１９１】本実施形態では、基板１としてＸ板のＭｇ
Ｏ：ＬｉＮｂＯ₃基板を用いている。或いは、その他
に、Ｚ板や８7度カットＺ板など結晶方位の異なる基板
を使用しても、同様の効果が得られる。特に、結晶表面
を結晶軸から傾けた基板の使用が、有効である。結晶軸
と基板表面とを傾けた基板を用いる場合、例えばＸ板
（結晶のＸ軸に垂直な面で切り出した基板）に対してＸ
軸を数度だけ傾けた基板では、より深い分極反転構造の
形成が可能となり、より高効率の光波長変換素子の形成
が可能になることが報告されている。

【０１９２】結晶軸を傾けた基板においては、プロトン
交換により形成した光導波路の伝搬損失の低減が重要と
なる。結晶軸を傾けた基板においては、伝搬損失のアニ
ール処理依存性が大きく、通常のＸ板よりも容易に伝搬
損失が増大することが見出されたが、これを解決するに
は、第１のプロトン交換領域５のアニール処理を３００
℃以上で行う必要がある。更に、本実施形態で示したよ
うに、第２のプロトン交換領域６をアニール処理して、
そのプロトン交換濃度の分布形状（屈折率分布の形状）
を、ステップ形状からステップライクなグレーディッド
形状に変化させることが非常に有効であることが分かっ
た。

【０１９３】基板１として、上記で言及したＭｇドープ
のＬｉＴａＯ₃基板に代えて、その他の材料（非線形光
学結晶）からなる基板、例えばＺｎ或いはＩｎドープの
ＬｉＴａＯ₃基板、或いはＬｉＮｂＯ₃基板、ＬｉＴａＯ
₃基板、更には、これらの混晶であるＬｉＮｂ_xＴａ_1-x
Ｏ₃結晶（０≦ｘ≦１）からなる基板、また、これにＭ
ｇ、Ｚｎ、Ｉｎなどをドーピングした材料からなる基板
も、同様に使用可能である。これらの何れの基板におい
てもプロトン交換が可能であり、プロトン交換領域のア
ニール特性も同様であるため、同じ効果が得られる。

【０１９４】（第２の実施形態）次に、本発明の光波長
変換素子について、図９（ａ）及び（ｂ）を参照して説
明する。

【０１９５】図９（ａ）は、本実施形態における光波長
変換素子６０の斜視図であり、（ｂ）は、そこに含まれ
る光導波路の断面図である。また、（ｂ）では、深さ方
向の屈折率分布もあわせて示している。

【０１９６】図９（ａ）において、Ｘ板のＬｉＮｂＯ₃
基板１の表面近傍にストライプ状の第１のプロトン交換
領域５が形成されており、第１のプロトン交換領域５の
表面近傍には、第２のプロトン交換領域６が形成されて
いる。ＬｉＮｂＯ₃基板１には、位相整合のため周期状
の分極反転構造７が形成されている。第１のプロトン交
換領域５は、幅Ｗ１＝約５μｍ、深さＤ１＝約２．５μ
ｍであり、第２のプロトン交換領域６は、深さＤ２＝約
０．２２μｍである。

【０１９７】第１のプロトン交換領域５は、ＬｉＮｂＯ
₃をプロトン交換した後にアニール処理して形成されて
おり、Ｌｉ_1-xＨ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）として示される組
成を有しており、ＬｉＮｂＯ₃結晶内のＬｉの一部がＨ
に交換されている。具体的には、第１のプロトン交換領
域５は、まずプロトン交換領域を深さ０．２μｍ程度形
成し、これを３３０℃で３時間のアニール処理により、
２．５μｍまで拡大した。

【０１９８】第２のプロトン交換領域６も、同様にプロ
トン交換により形成されている。第２のプロトン交換領
域６は、プロトン交換領域を深さ約０．１８μｍに形成
し、これを１８０℃で１時間アニール処理して０．２２
μｍに拡大し、ステップライクな屈折率分布を備えてい
る。

【０１９９】このようにして得られる光波長変換素子６
０の構成において、導波路部分として機能する第１のプ
ロトン交換領域５と、高屈折率クラッド層として機能す
る第２のプロトン交換領域６とは、図９（ｂ）に示され
るように、異なる形状のグレーディッドな屈折率分布を
有している。この光波長変換素子には、波長８５０ｎｍ
の基本波がＴＥ００モードで入射され、導波路内でＴＥ
１０モードの高調波と擬似的に位相整合する。

【０２００】この光波長変換素子６０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。

【０２０１】高屈折率層（第２のプロトン交換領域６）
を有する光導波路においては、基本波と高調波との間で
のオーバラップが増大し、導波光の閉じ込めが強化され
て、高効率の波長変換が可能となる。これは、高屈折率
層により基本波の電界分布が基板１の表面に引き寄せら
れて、光導波路への閉じ込めが強化されるためであり、
あわせて光のパワー密度も増大する。一方、発生する第
２高調波に関しては、その伝搬モードとして高次のＴＥ
１０モードを選択することで、高屈折率クラッド層によ
る光導波路への閉じ込め強化の影響を受けない。これに
よって、閉じ込め強化された基本波と波長変換で得られ
る第２高調波との間で、オーバラップの増大が図られ
る。このような基本波のパワー密度の増大と基本波−第
２高調波間のオーバラップの増大により、波長変換効率
の大幅な向上が実現される。

【０２０２】更に、高屈折率クラッド層を形成している
第２のプロトン交換領域６を、アニール処理によりステ
ップライクなグレーディッドな形状にすることで、耐光
損傷強度を大幅に向上させることが可能になった。この
結果、１０ｍＷ以上の青色光出力を、数１００時間以上
の長時間に渡って安定に出力させることが可能になっ
た。また、光波長変換素子の経時変化もなくなり、室温
では数万時間、６０℃の環境下での数１０００時間の放
置実験でも、特性の変化は観測されなかった。

【０２０３】以上の結果、実用化に耐える光波長変換素
子の実現が可能となった。

【０２０４】なお、高屈折率クラッド構造の使用により
高効率な動作特性（波長変換特性）を実現するために
は、第２のプロトン交換領域６において、光導波路（第
１のプロトン交換領域５）を伝搬する基本波がカットオ
フされる一方、第２高調波は導波可能となる条件を満足
する必要がある。第２のプロトン交換領域６を基本波が
カットオフとなることで、基本波は、導波路部（第１の
プロトン交換領域５）を導波することが可能となる。ま
た、高調波が高屈折率層（第２のプロトン交換領域６）
を導波可能な条件においては、高調波の高次導波モード
を、高効率の波長変換に利用できる。

【０２０５】一方、集光特性の観点からも、高屈折率層
（第２のプロトン交換領域６）と導波路部（第１のプロ
トン交換領域５）との間で、屈折率が所定の関係を満た
すことが要求される。

【０２０６】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。集光スポットをシングルスポットにし、且つ回折限
界と同等或い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。サプピークの幅は高屈折率層（第２
のプロトン交換領域６）の幅及びその屈折率で規定され
るが、実際には、高屈折率層の深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（第２のプロトン交換領域６）の深さＤ２
を、高調波の回折限界以下に抑える必要がある。これよ
り、第２のプロトン交換領域６の深さＤ２のアニール処
理による拡大は、少なくとも、アニール前の値の２倍以
下に抑えなければならない。

【０２０７】第２のプロトン交換領域６の深さＤ２が
０．５μｍ程度の時は、かなり集光特性が改善され、Ｄ
２＜０．４μｍのときは、回折限界以下の集光特性が得
られた。集光レンズの開口数ＮＡ＝１で且つ波長４２５
ｎｍと仮定して回折限界を計算すると、その値は約０．
３４μｍとなり、第２のプロトン交換領域６の深さＤ２
が回折限界より小さければ、集光特性に優れた出射ビー
ムが得られる。

【０２０８】なお、本実施形態では、基板１としてＸ板
の基板を用いたが、他にＹ板、Ｚ板、また結晶軸が表面
から傾いた基板でも良い。例えば、Ｚ板、或いは結晶軸
が基板表面から傾いた基板の使用は、深い分極反転構造
の形成が容易であり、高効率化が図れるために、有望で
ある。

【０２０９】また、本実施形態では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から
出射される光の偏光方向と導波路の偏光方向とを、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。但し、ＴＭモード偏光の光導波
路も利用可能であり、ＴＭモードの光導波路では、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。

【０２１０】更に本実施形態では、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（第
２のプロトン交換領域６）を光導波路（第１のプロトン
交換領域５）の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が表面近傍に強く引き寄せられ
るので、光導波路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、効率の高い変調及び回折効果が得られる。

【０２１１】（第３の実施形態）ここでは、他の光波長
変換素子の構成について述べる。

【０２１２】本発明の光波長変換素子では、Ｘ板のＭｇ
Ｏ：ＬｉＮｂＯ₃基板の上に、周期状分極反転と光導波
路とが形成されている。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃基板は、
結晶のＺ軸が基板の表面に対して３度傾くように基板を
切り出している。このように結晶軸の傾いた基板を用い
ると、深い分極反転構造が形成できるため、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に
形成されるためである。

【０２１３】そこで、この性質を利用して光波長変換素
子を形成した。得られる光波長変換素子では、分極反転
領域は基板内部に形成されており、表面の第１のプロト
ン交換領域と第２のプロトン交換領域との境界近傍部分
から基板内部に向けて周期状の分極反転構造を持ち、第
２のプロトン交換領域の内部には分極反転構造を持たな
いように形成されている。これによって、光波長変換素
子における波長変換動作の高効率化を図れる。

【０２１４】光波長変換素子の波長変換効率は、分極反
転構造と光導波路とを伝搬する導波光（基本波及び高調
波）とのオーバラップに依存する。ところが、一般に高
効率化のために、高調波として高次の導波モード（ＴＥ
１０モード）を用いるため、高調波の電界分布は、高屈
折率層（第２のプロトン交換領域６）と導波路部（第１
のプロトン交換領域５）との境界で、高調波の電界強度
における位相が逆転している。このため、高調波の電界
強度が、高屈折率クラッド層を形成する第２のプロトン
交換領域６と導波路部を構成する第１のプロトン交換領
域５との境界で、０になる。このように両者の境界部分
で高調波の強度が急激に変化すると、高調波のパワー分
布が形成されて、光損傷発生の原因となる。これを防止
するためには、第２のプロトン交換領域６をアニール処
理してグレーディッドな形状にすることで、境界の分布
を拡大することが有効であった。

【０２１５】一方、周期状の分極反転構造内に形成した
光導波路（第１のプロトン交換領域５）は、分極反転構
造を有さない基板上に形成した光導波路に比べ伝搬損失
が高い。これは、電界印加により周期状の分極反転を形
成した際に内部電界が発生し、これによって分極反転部
分に屈折率変化を生じていることが原因と考えられる。
そのため、光導波路が分極反転による周期的な屈折率変
化の影響を受けて、導波損失を増大させていた。

【０２１６】そこで、分極反転構造における伝搬損失を
低減するため、分極反転構造７に内在する内部電界を除
去して、屈折率変化を低減する検討を行った。

【０２１７】内部電界は、不純物順位に電荷がトラップ
された場合に発生する。そこで、熱処理を行うことで、
内部電界を形成している不純物順位を励起して電荷を放
出させ、これによって内部電界を低減することを試み
た。具体的には、光導波路（第１のプロトン交換領域
５）を形成する前に、分極反転構造７を熱処理する検討
を行った。その結果、高い温度で熱処理することで、内
部電界を低減できることを見出した。

【０２１８】熱処理温度を変えて熱処理を行って光導波
路の伝搬損失の変化を観測したところ、熱処理温度が３
５０℃以下では伝搬損失の変化はほとんどなく、伝搬損
失の低減を図るには、４００℃以上の熱処理が必要なこ
とが分かった。熱処理温度が４００℃を越えると、熱処
理時間に比例して伝搬損失は低減した。更に、屈折率変
化を完全に除去するには、５００℃以上の熱処理が好ま
しい。但し、ＬｉＮｂＯ₃基板、或いはＭｇＯ：ＬｉＮ
ｂＯ₃基板の場合、熱処理温度が８００℃を越えると、
分極反転構造が縮小して分極反転の厚さが減少するた
め、光波長変換素子の特性が劣化することが分かった。

【０２１９】以上の点より、上記の目的で行う分極反転
構造に対するアニール処理温度としては４００℃〜８０
０℃が好ましく、光導波路の伝搬損失を更に低減するに
は５００℃〜８００℃がより好ましいことが分かった。

【０２２０】更に、高屈折率クラッド層を有する構造で
は基本波の閉じ込めが強化されているため、屈折率変化
による導波損失の発生が大きくなる。特に、高屈折率層
の部分（第２のプロトン交換領域６）での基本波−高調
波のオーバラップは、高調波への波長変換を低下させ
る。これを防止するには、基本波−高調波の高屈折率層
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。

【０２２１】そこで、第２のプロトン交換領域６におけ
る周期状の分極反転構造を無くすことで、選択的に、高
屈折率層における位相整合条件が成立しないようにする
ことができる。これによって、光波長変換素子の高効率
化が実現される。

【０２２２】本実施形態では結晶軸が３度傾いた結晶を
用いたが、結晶軸の傾きが１０度以下の結晶であれば、
深い分極反転構造が形成できるために使用できる。特
に、結晶軸の傾きが３度〜０．５度の結晶は、分極反転
の傾きが小さく、使用面積が増大するために有望であ
る。

【０２２３】（第４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て構成される短波長光発生装
置（短波長光源）について、添付の図を参照して説明す
る。

【０２２４】図１２に、本実施形態の短波長光発生装置
４００の構成を示す。

【０２２５】この短波長光発生装置４００は、半導体レ
ーザ４２１及び光波長変換素子４２２を含み、半導体レ
ーザ４２１の発光領域４２３より出射された基本波Ｐ１
は、光波長変換素子４２２に形成されている光導波路
（第１のプロトン交換領域）４０２に入射する。光導波
路４０２の表面には、第２のプロトン交換領域４０３が
形成されている。また、それぞれの部品は、Ｓｉマウン
ト４２０に固定されている。

【０２２６】光波長変換素子４２２に入射した基本波Ｐ
１は、その導波路４０２の中を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
れている。この高調波Ｐ２は、光波長変換素子４２２よ
り放射され、短波長レーザビームとして使用される。

【０２２７】ここで注目するのは、光波長変換素子４２
２の光導波路４０２の中を伝搬する高調波Ｐ２のＴＥ１
０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２つの
ピークを有する。ここで、２つのピークの中で大きい方
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。

【０２２８】一般に、サブピークを有するＴＥ１０モー
ドは、集光光学系で集光される、導波モードと同様のサ
ブピークを有する集光スポットとなり、回折限界近傍の
単一ピークの集光光として使用する場合に問題となる。
そこで、本願発明者らは、高調波Ｐ２を集光する際に問
題となるサブピークをほぼ無くす方法を、新たに見い出
した。これによれば、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
て十分に小さな値にする。具体的には、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を無くすことができ
る。

【０２２９】実験では、開口数ＮＡ＝０．９５の集光レ
ンズを用いて、波長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
うに光波長変換素子４２２の光導波路４０２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。すなわち、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
時に集光スポットに与える影響はなく、有効に利用でき
ることが分かった。このため、ビーム整形により低下す
る出力の利用効率を８０％以上に向上させることが可能
となり、有効であった。

【０２３０】更に、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分か
った。ＴＥ００モードの光を集光すると、集光ビームの
幅として、レンズの回折限界（０．８・λ／ＮＡ）に近
い値が得られた。一方、サブピークを有する高次のＴＥ
１０モードの光を集光すると、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って、超
解像効果を有することが分かった。実験によると、サブ
ピークの幅を、波長λの光の空気中での回折限界（＝約
０.８λ）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（０．８λ／
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持つ
導波モードを集光することで、より小さな集光スポット
が得られる。

【０２３１】更に、サブピークの幅と集光スポットとの
関係について詳しく調べたところ、（１）サブピークの幅：＜０.８×λ 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：０.８×λ×（１＋０．２（１
／ＮＡ−１））〜０.８×λ×（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：０.８×λ×（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。

【０２３２】すなわち、サブピークによる集光特性の劣
化を防止するためには、サブピークの幅を、０.８×λ
×（１＋０．５（１／ＮＡ−１））程度以下に抑える必
要がある。更に、サブピークの幅を０.８×λ以下にな
るように導波路を設計すると、集光レンズの回折限界よ
り更に小さな集光スポットが得られて、非常に有効であ
る。また、使用するレンズの回折限界（０．８×λ／Ｎ
Ａ）より集光スポットの幅が大きいと、集光スポットは
導波モードとほぼ等しい形状を有し、サブピークを持つ
２ピークの集光スポットとなって、単一ピークの集光ス
ポットは得られない。

【０２３３】導波光のサブピークの大きさは、第２のプ
ロトン交換領域６の屈折率及び深さに依存し、第２のプ
ロトン交換領域６の深さが大きくなると、サプピークの
幅も増大する。また、第２のプロトン交換領域６の表面
屈折率が減少すると、第１のプロトン交換領域５との屈
折率差が低下し、サプピークの幅が増大する。アニール
処理により第２のプロトン交換領域６をステップライク
なグレーディッド形状にする場合、サプピークの幅の増
大を限定しなければ、上述したように、導波光の集光特
性が劣化する。集光特性を劣化させないためには、第２
のプロトン交換領域６の表面屈折率を、アニール処理に
より低下させないことが好ましい。更に、第２のアニー
ル処理による第２のプロトン交換領域６の広がり（深さ
の増加）を、アニール前の１．８倍以下に抑えること
が、より好ましいことが分かった。

【０２３４】なお、本実施形態では、短波長光源におい
て基本波Ｐ１を高調波Ｐ２に波長変換する際に、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て
いるが、その他に、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路上に設けて、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。

【０２３５】また、上記では、サブピークが一つのＴＥ
１０モードを用いているが、更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、超解像効果は更に強く
なり、より小さなスポット径が得られて有効である。ま
た深さ方向だけでなく、幅方向にサブピークを有するＴ
Ｅ０１モード或いはＴＥ０２モード、及び幅と深さとの
両方向にサブピークを有するＴＥ１１モード或いはＴＥ
２２でも、より小さな集光スポットが得られて、有効で
ある。

【０２３６】更に、上記の本実施形態の説明ではＴＥモ
ードを扱っているが、その他に、ＴＭモードを使用して
も、同様の効果が得られる。

【０２３７】（第５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他の短波長光発生装置（短
波長光源）１５について、図１３を参照しながら説明す
る。

【０２３８】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
能となった。そこで、本光波長変換素子を用いた短波長
光源の作製を試みた。この短波長光源１５は、図１３に
示すように、波長８００ｎｍ帯の半導体レーザ２１、集
光光学系２４及び２５、並びに光波長変換素子２２を含
む。これらの半導体レーザ２１、集光光学系２４及び２
５、並びに光波長変換素子２２は、適切な形状の支持部
材２０に搭載されている。

【０２３９】この構成において、半導体レーザ２１から
出射された光Ｐ１を、集光光学系２４及び２５を介して
光波長変換素子２２の導波路２の端面に集光して、導波
モードを励起する。そして、光波長変換素子２２の導波
路２の他の端面より、波長変換された第２高調波光（Ｓ
ＨＧ光）Ｐ２が出射される。

【０２４０】本発明によって波長変換効率が高い光波長
変換素子２２が実現されているために、図１３の構成に
おいて、出力１００ｍＷ程度の半導体レーザ２１を用い
て、２０ｍＷの青色ＳＨＧ光Ｐ２が得られる。また、用
いた光波長変換素子２２は耐光損傷性に優れ且つ安定な
出力が得られるので、出力変動を２％以下に抑えること
ができて、安定な出力が得られた。この短波長光源１５
によって得られる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、或いは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本実施
形態の短波長光源は、出力特性及び安定性の両方の観点
から、これらの応用分野での要求事項を満たしている。

【０２４１】図１３の構成では、半導体レーザ２１から
の光Ｐ１を、集光光学系２４及び２５を用いて波長変換
素子２２の光導波路２に結合させているが、半導体レー
ザ２１と光導波路２（波長変換素子２２）とを直接結合
させることも可能である。例えば、ＴＥモードを伝搬さ
せる光導波路を用いれば、半導体レーザの導波モードと
光導波路における導波光の電界分布とを等しくすること
が可能となるため、集光レンズなしでも、高効率の結合
が実現される。実験では、結合効率８０％で直接結合が
可能であり、レンズを介した結合と、ほぼ同等の結合特
性が得られることを確認した。直接結合を使用すれば、
小型で且つ低価格の短波長光源が実現できて、有望であ
る。

【０２４２】（第６の実施形態）本実施形態では、本発
明による光情報処理装置について、図１４を参照して説
明する。

【０２４３】図１４に示す光情報処理装置５００の構成
において、第５の実施形態で説明した半導体レーザ５２
１及び光波長変換素子５２２を含む構成を有する短波長
光発生装置（短波長光源）５２０から出た出力１０ｍＷ
のビームＰ１は、コリメータレンズ５４０によってコリ
メートされた後に、ビームスプリッタ５４１を透過し、
レンズ５４２により、情報再生媒体である光ディスク５
４３に照射される。光ディスク５４３からの反射光は、
逆にレンズ５４２によりコリメートされ、ビームスプリ
ッタ５４１でディテクタ５４５の方向に反射されて、レ
ンズ５４４によってディテクタ５４５に集光される。デ
ィテクタ５４５では、集光された光から、信号が読みと
られる。

【０２４４】更に、短波長光発生装置５２０の出力を強
度変調することで、光ディスク５４３に情報を書き込む
ことができる。短波長光発生装置５２０から出力される
のはサブピークを有するＴＥ１０モードの光であるが、
これを集光すると、レンズ５４２の回折限界以下である
小さなスポット径を有する集光ビームが得られる。これ
より、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て、記録密度を従来の１．
２倍に向上させることが可能となる。

【０２４５】このように、本発明の光波長変換素子は、
耐光損傷強度に優れ、高出力の青色光の発生が可能とな
るため、光ディスクからの情報の読み取り（再生）だけ
ではなく、光ディスクへの情報の書き込みのために使用
されることも可能である。更に、長時間の高温試験に対
しても特性の劣化のない素子であるため、光情報処理装
置の温度特性を改善することが可能になる。また、半導
体レーザを基本波の光源として用いることで、全体サイ
ズの大幅な小型化が達成され、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。

【０２４６】（第７の実施形態）図１５は、第７の実施
形態の光波長変換素子１００の構成を示す斜視図であ
る。この光波長変換素子１００は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ
₃（マグネシウムをドーピングしたニオブ酸リチウムか
らなる）基板１０１の表面近傍に、例えば４本の互いに
平行な分極反転領域１０２が一定の間隔で配置され、周
期的な分極反転構造が形成されている。さらに、この基
板１０１の表面近傍には、分極反転領域１０２と交差
（ここでは直交）する方向に配置された、例えば３本の
光導波路１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃからなる光導波
路群１０３が形成されている。この光導波路群１０３に
入射された基本波１０４は、光導波路群１０３内を伝搬
して光導波路１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ内で高調波
または和周波１０５に変換され、入射部とは反対側の出
射部から出射する。

【０２４７】この光波長変換素子１００は、例えば以下
のようにして作製することができる。まず、基板にくし
形電極を形成し、これに高電圧を印加することにより分
極が反転した領域を部分的に有する周期状分極反転構造
を形成する。そして、光導波路形成用のストライプ状マ
スクパターンを形成した後、基板を酸性溶液中で処理す
ることによってプロトン交換を行って光導波路を形成す
る。

【０２４８】このように構成された本実施形態の光波長
変換素子１００では、光導波路の吸収損失を低減して耐
光損傷強度を向上することが可能となり、基本波から高
効率で波長変換が可能となり、さらに、変換された波長
光の集光特性が向上可能である。まず、耐光損傷強度の
向上に関して説明する。

【０２４９】光損傷の発生原因としては、発生した高調
波または和周波により光誘起屈折率変化が生じることが
挙げられる。この光誘起屈折率変化は光導波路の光吸収
性に依存する。一方、プロトン交換により光導波路を形
成する場合、プロトン交換後にアニール処理を行って光
吸収を低減することができるが、初期のプロトン交換に
より基板表面に化学損傷を受けるため、表面近傍の光散
乱や光吸収が生じ易くなる。よって、初期のプロトン交
換面積を小さくすることが望ましい。しかしながら、プ
ロトン交換面積を小さくするために光導波路の幅を狭く
すると、基本波がカットオフされやすく、光導波路内で
基本波と高調波または和周波のオーバラップが最適とな
る条件が得られない。本願発明者らの実験によれば、例
えば波長８５０ｎｍの基本波から波長４２５ｎｍの第２
高調波に変換する場合、最適な光導波路幅は４μｍ〜６
μｍ程度であり、３μｍ以下では変換効率が大幅に低く
なるという結果が得られた。そこで、本実施形態のよう
に、複数の光導波路からなる光導波路群を用いることに
より、光導波路および光導波路群の幅を自由に設計する
ことができ、かつ、プロトン交換面積を小さくすること
ができる。

【０２５０】さらに、プロトン交換による化学損傷は、
プロトン交換体積に比例して増大する。これは結晶歪み
に起因する現象であり、プロトン交換体積が増大する
と、歪みの大きさによって結晶表面にクラックが入る。
これを防ぐため、光導波路を分割して複数の光導波路か
らなる光導波路群とすることにより、プロトン交換面積
および体積を減少させて、結晶の化学損傷を大幅に低減
することができる。

【０２５１】本実施形態では、幅１．４μｍの光導波路
１０３ｂを基板１０１の中央に形成し、その両側に１μ
ｍ間隔を開けて幅１μｍの光導波路１０３ａ、１０３ｃ
を形成した。これにより、波長８５０ｎｍの基本波１０
４は、各光導波路幅ではカットオフ条件となり、３本の
光導波路１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃを１本の光導波
路としてシングルモード伝搬させることができた。ま
た、プロトン交換面積を大幅に小さくして、光導波路の
伝搬損失を１．５ｄＢ／ｃｍから０．８ｄＢ／ｃｍと半
分程度に低減することができた。この結果、光導波路の
光吸収を低減して、耐光損傷強度を約２倍と大幅に増大
することが可能となった。

【０２５２】次に、基本波から高調波または和周波への
変換効率の向上について説明する。ここでは、第２高調
波または和周波を発生させる場合について説明する。

【０２５３】第２高調波を発生させる場合には、波長λ
の基本波に対して波長λ／２の高調波が発生する。ま
た、和周波を発生させる場合には、波長λ１と波長λ２
の光から波長λ３の高調波が発生する。いずれの場合
も、基本波の波長が変換された波長光の波長に対して長
い。これらの場合、光導波路群に要求されるのは、複数
の光導波路を合わせた状態で基本波がシングルモード伝
搬するという特性である。例えば３本の光導波路からな
る光導波路群の場合、光導波路群を構成する光導波路が
１本で、または２本合わせた状態で、基本波に対して導
波条件を満足しないように光導波路を設計する必要があ
る。導波路群が基本波に対してシングルモード伝搬の条
件を満足しない場合には、基本波の導波条件が伝搬中に
変化するおそれがあるため、安定して波長変換を行うこ
とが困難である。すなわち、光導波路群を伝搬する基本
波は、図１６（ａ）に示すように、光導波路群１０３を
１つの光導波路としてシングルモードの電界分布で導波
する。これに対して、変換された高調波または和周波
は、図１６（ｂ）に示すように、例えば中央の光導波路
１０３ｂを選択的に伝搬する導波モードの電界分布で伝
搬する。

【０２５４】従って、本実施形態において、光導波路
は、・基本波は導波路群をシングルモード伝搬し、・変換された波長光は光導波路を伝搬するように設計を
行い、異なる伝搬状態である基本波と変換された波長光
との間で位相整合条件を成立させる。高調波または和周
波の導波モードは、例えば基本波の波長を制御すること
で実現することができる。

【０２５５】このように構成された光導波路を用いるこ
とで、高効率で波長変換可能な光波長変換素子を実現可
能であった。この理由としては、第１に、基本波と変換
された波長光の電界分布のオーバラップを大幅に高める
ことが可能となったことが挙げられる。従来において
は、基本波の導波モードの電界分布と高調波の導波モー
ドの電界分布を独立して制御することは困難であった。
これに対して、本実施形態では、基本波の伝搬モードは
導波路群で制御し、高調波または和周波等の変換された
波長光の伝搬モードは導波路群を構成する光導波路によ
って制御することができる。この結果、基本波と変換さ
れた波長光のオーバラップを高めることが可能となっ
た。第２の理由としては、高調波または和周波等の変換
された波長光の閉じ込めが強化されたことが挙げられ
る。従来の光導波路において、基本波が伝搬可能なもの
は、高調波に対してはマルチモード伝搬となるため、高
調波の閉じ込めを充分行うことが困難であった。これに
対して、本実施形態のような光導波路構造によれば、変
換された波長光に対しても光導波路をシングルモード伝
搬させることができる。これによって、高調波または和
周波のパワー密度を大幅に向上させることが可能となっ
た。このように、基本波および変換された波長光の電界
分布のオーバラップの増大と、高調波または和周波の光
の閉じ込め向上により、変換効率を飛躍的に向上させる
ことができた。

【０２５６】もう一つの特徴として、変換された波長光
の集光特性の向上について説明する。従来の光導波路構
造では、高調波に対してはマルチモード伝搬となるた
め、出射される高調波出力ビームは縦横比が１：３以上
のものになっていた。このような出射光を集光するため
には、ビーム整形を行ってビーム形状を１：１に近い値
にする必要があった。これに対して、本実施形態のよう
な光導波路構造によれば、変換された波長光がシングル
モード伝搬可能であるので、出射ビームの横方向広がり
を抑えることが可能となり、出射ビームの縦横比も１：
１．５まで向上させることが可能となった。これによっ
て、集光特性を大幅に向上させることができた。

【０２５７】さらに集光特性を向上させるためには、図
１７に示すような構造が有効であった。この構造は、光
波長変換素子の光導波路群１０３を構成する光導波路の
本数を出射部１０７近傍で異ならせて、一本の光導波路
にした構成である。光導波路１０３ｂは単独では基本波
１０４に対してカットオフ条件を満たしているため、基
本波１０４は放射モードとなって出射部１０７近傍で放
射される。このため、出射ビームに基本波成分が混在し
ないという特徴があり、さらに、出射端で発射された基
本波が光源に戻って光源の出力を不安定にするという問
題も解決することができた。さらに、出射部１０７近傍
で単一の光導波路にすることで、出射ビームの縦横比を
さらに１：１．３まで向上させることも可能となった。

【０２５８】さらに、本願発明者らが本実施形態の光導
波路構造について実験を行った結果、以下のような点に
注意する必要があることが明確になった。

【０２５９】第１に、光導波路群を構成する各光導波路
の伝搬特性について、注意が必要であることが分かっ
た。各光導波路が共に等しい伝搬定数（＝（２π／λ）
×Ｎ、λ：波長、Ｎ：λに対する実効屈折率）を有する
場合、光導波路群を伝搬する基本波とそれぞれの光導波
路を伝搬する高調波または和周波の位相整合波長が一致
する。このため、特定の光導波路を伝搬する高調波また
は和周波を選択的に発生させることが困難になって、変
換効率が低下し、さらに、出射される高調波または和周
波も複数ビームの出射パターンとなった。また、各光導
波路の伝搬定数が近い場合、光導波路間の結合が発生し
て、ある光導波路を伝搬する高調波または和周波が他の
光導波路に乗り移るという現象も観測された。この場
合、光の伝搬状態が変化することとなり、出力光が安定
しないという問題も生じるので、高調波または和周波を
発生させたい光導波路と他の光導波路との伝搬定数は大
きく異なっていることが望ましい。この問題を解決する
ためには、光導波路の伝搬定数が異なるように導波路を
設計する必要がある。例えば、本実施形態のように、３
本の光導波路からなる場合は、中央の光導波路と両端の
光導波路の伝搬定数が０．１％程度異なるように設計す
るのが望ましい。例えば、光導波路の幅、屈折率や光導
波路の深さを変えることにより、容易に伝搬定数が異な
る光導波路を形成することができる。

【０２６０】第２に、光導波路群を構成する各光導波路
間の間隔を十分開ける必要があることが分かった。光導
波路の形成は、通常、プロトン交換または金属拡散等の
方法で行われ、いずれの方法においてもプロトンや金属
を基板内部に拡散させる方法で光導波路を形成する。こ
のため、フォトリソグラフィ法により光導波路パターン
を形成しても、内部に拡散するに従って互いの光導波路
が接触するという問題が生じる。本願発明者らが光導波
路の間隔として幾つかの値について検討したところ、
０．５μｍ以下では隣接する光導波路が完全にくっつい
て単一の光導波路となってしまうため、光導波路間隔を
０．８μｍ以上にするのが好ましいことが分かった。

【０２６１】以上説明したように、本実施形態の光波長
変換素子によれば、・表面の化学損傷の低減により耐光損傷強度が向上する・光導波路の低損失化が可能である・導波モード間のオーバラップの向上により変換効率が
向上する・出射光のビーム形状を最適化できるため、集光特性が
向上する等の効果が得られる。

【０２６２】なお、変換効率の高効率化を実現するため
には、光導波路群の構造が中心対称であって、光導波路
群を構成する光導波路が奇数本であるのが好ましい。光
導波路を中心対称にするのが好ましい理由は、導波光
（変換された波長光および基本波光）の伝搬モードが左
右対称な構造となるためである。導波光の伝搬モードが
左右非対称な構造であると、出射光のビーム形状が非対
称となり、集光特性が劣化する。また、基本波と変換さ
れた波長光の非対称性が異なるため、オーバラップの低
下を招いて変換効率が低下する。また、光導波路の本数
を奇数にするのが好ましい理由は、光導波路群の中央の
光導波路に高調波または和周波が発生する場合に、高い
変換効率が得られるからである。光導波路群を伝搬する
基本波と光導波路を伝搬する変換された波長光間で最も
オーバラップが高くなるのは、導波路群の中央の光導波
路を高調波または和周波が伝搬する場合である。これ
は、パワー密度の高い部分が基本波および変換された波
長光ともに中央の光導波路に集中するからである。この
ため、奇数本の光導波路を形成して、中央近傍の光導波
路に基本波から変換された波長光を伝搬させる場合が最
も高い変換効率が得られる。

【０２６３】さらに、光導波路の幅または光導波路間の
間隔を、光伝搬方向に対して徐々に変化させることによ
り、伝搬方向が異なる複数の光導波路とすることがで
き、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すようなテー
パ導波路（形状が伝搬方向に対してテーパ状に狭くなっ
たり、広くなったりしている導波路）や、伝搬定数が伝
搬方向に対して分布を有する光導波路を形成することが
可能となる。このように光導波路を伝搬方向に対して分
布を持たせることにより、位相整合波長が伝搬方向に対
して分布を有する光導波路を形成することができる。こ
れにより、例えば光波長変換素子において、位相整合波
長の許容度を拡大する構造を実現することができる。非
線形光学効果を利用した光波長変換素子においては、位
相整合波長の許容度が狭いため、位相整合条件を精密に
制御する必要がある。よって、光導波路の伝搬定数に分
布を持たせて、位相整合波長の許容度を拡大することに
より位相整合条件を緩和し、安定した出力特性を実現可
能であるということは非常に有用である。

【０２６４】なお、本実施形態および後述する第８の実
施形態において、光導波路を形成する方法としては、耐
光損傷強度の向上を実現可能なプロトン交換が有効な手
段である。その他にも、例えばＴｉ拡散、Ｚｎ拡散、Ｉ
ｎ拡散、Ｓｃ拡散等の金属拡散により形成した光導波路
に対しても適用可能である。金属拡散においても、基板
表面荒れの問題は深刻であり、表面荒れによる耐光損傷
強度の低減が問題となる。このような表面荒れは、拡散
面積に比例して大きくなるため、金属拡散される表面積
を小さくすることにより、表面荒れを大幅に低減するこ
とができ、また、表面荒れの面積も小さくすることがで
きる。このため、光損傷の原因である光の吸収を少なく
して、耐光損傷強度を大幅に向上することができる。

【０２６５】なお、本発明の光波長変換素子は、差周波
やパラメトリック等を発生させる光導波路構造について
も適用可能である。この場合、基本波は発生する光に対
して波長が短いため、光導波路の設計が一番の問題とな
る。差周波やパラメトリックを発生させる場合、光導波
路は基本波および変換された波長光が共に伝搬可能な構
造であることが必要である。ところが、この条件を満足
する光導波路は、基本波に対してマルチモードとして働
く。このため、光導波路に励起される基本波は幾つかの
伝搬モード（マルチモード）に分かれて伝搬する状態と
なり、パワーが分散されて変換効率が大幅に低減してし
まう。そこで、以下の第８の実施形態では、本発明をパ
ラメトリックを発生させる光波長変換素子に適用した例
について説明する。

【０２６６】（第８の実施形態）図１９は、第８の実施
形態の光波長変換素子１１０の構成を示す斜視図であ
る。この光波長変換素子１１０は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ
₃からなる基板１０１の表面近傍に、第１０の実施形態
１と同様に周期的な分極反転構造（周期は第７の実施形
態と異なる）が形成されている。さらに、この基板１０
１の表面近傍には、分極反転領域１０２と交差（ここで
は直交）する方向に配置された、例えば３本の光導波路
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃからなる光導波路群１０
３が形成されている。入射部近傍では光導波路１０３ｂ
一本のみが形成され、途中から複数の光導波路１０３
ａ、１０３ｃが形成されている。この光導波路１０３ｂ
に基本波１０４が入射されると、光導波路内１０３ｂを
伝搬して光導波路群１０３を伝搬するパラメトリックま
たは差周波１０５ａに変換され、入射部とは反対側の出
射部から出射する。この光波長変換素子は、第７の実施
形態と同様にして作製することができる。

【０２６７】次に、本実施形態の光波長変換素子１１０
の動作原理について説明する。この光波長変換素子で
は、光導波路１０３ｂにおいて基本波１０４を励起し、
光導波路群１０３を伝搬するパラメトリックまたは差周
波１０５ａに波長変換する。このとき、光導波路１０３
ｂに励起された基本波が導波路１０３ａ、１０３ｃに伝
搬しないように、光導波路１０３ｂと光導波路１０３
ａ、１０３ｃが異なる伝搬定数を有するように設計して
いる。例えば、光導波路の幅を変えることにより、容易
に伝搬定数が異なる光導波路を形成することができる。
本実施形態では、幅１．４μｍの光導波路１０３ｂを基
板１０１の中央に形成し、その両側に１μｍ間隔を開け
て幅１μｍの光導波路１０３ａ、１０３ｃを形成した。
これにより、基本波がシングルモード伝搬で光導波路１
０３ｂを伝搬することが可能となり、光導波路群１０３
において光導波路群１０３を伝搬するパラメトリックま
たは差周波に変換される。光導波路を共にシングルモー
ド伝搬する基本波とパラメトリック間または基本波と差
周波間で位相整合することが可能となるため、高効率で
パラメトリックまたは差周波を発生させることができ
た。さらに、本実施形態においても、第７の実施形態と
同様に、プロトン交換面積を小さくすることができるの
で、表面の化学損傷を低減して耐光損傷強度の向上を図
ることが可能である。なお、本実施形態において、入射
部近傍に光導波路１０３ａ、１０３ｃを形成しない理由
は、光導波路１０３ｂに基本波を励起する場合に、隣接
する光導波路に光が励起されるのを防ぐためである。

【０２６８】さらに、複数の光導波路からなる光導波路
群は、光導波路の入射部および出射部として用いること
で、光導波路の結合効率の向上、および出射ビーム整形
に利用することも可能である。この場合は、入射部近傍
または出射部近傍に光導波路群を形成して、単一の光導
波路と接続することにより、入射部または出射部のビー
ム形状を制御することができる。光導波路の設計によっ
て単一の光導波路と光導波路群との結合効率も大きく取
ることができるため、低損失でビーム整形が可能な光導
波路構造として利用することができる。

【０２６９】例えば、入射部に光導波路群を利用する場
合には、光導波路を伝搬方向に分割することで、入射部
の伝搬モードを広げる入射テーパ構造をとることができ
る。この場合、直線状の光導波路の入射部近傍に複数の
光導波路からなる光導波路群を形成することにより、入
射部を複数の光導波路に分割する。これにより、プロト
ン交換される面積が減少するため、屈折率変化量が低下
し、光導波路がカットオフ条件に近づいてモードの分布
が広がって大きくなる。これを利用して入射部の伝搬モ
ードを拡大し、入射テーパを形成することができる。ま
た、出射部に光導波路群を利用する場合には、上述した
様に光導波路のビームアスペクト比が改善されるため、
導波モードのアスペクト比が改善されて、出射ビーム整
形が可能となる。

【０２７０】さらに、本願発明者らは、耐光損傷強度の
向上を目的としたプロトン交換導波路について、新たな
結晶特性を見出した。そこで、以下の第９の実施形態で
は、耐光損傷強度の向上を図った他の本発明の例につい
て説明する。

【０２７１】（第９の実施形態）ＬｉＮｂＯ₃を用いた
光波長変換素子を用いた場合の光損傷の原因としては、
結晶中の欠陥が挙げられる。すなわち、光により励起さ
れる電界によって電荷が移動し、その電荷が結晶欠陥中
にトラップされることにより内部電界が維持され、これ
が電気光学効果を介して屈折率変化を誘起して、光損傷
を発生させるのである。ＬｉＮｂＯ₃はチョコラルスキ
ー法により結晶育成され、育成条件の安定しているコン
グルエント組成をとっている。コングルエント組成と
は、Ｌｉのｍｏｌ濃度比が４８ｍｏｌ％、Ｎｂのｍｏｌ
濃度比が５２ｍｏｌ％程度であって、完全結晶から僅か
に組成比のずれた結晶組成比の状態のことである。

【０２７２】プロトン交換層におけるプロトン交換層中
のＬｉモル濃度比は結晶中のＨ₂Ｏ，Ｌｉ₂Ｏ、Ｎｂ₂Ｏ₅
のそれぞれのモル数に対して以下の式で表される。Ｌｉのモル濃度比（％）＝Ｌｉ₂Ｏ／（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｈ₂Ｏ
＋Ｎｂ₂Ｏ₅）＊１００（％）の式で表される。

【０２７３】金属添加物をＬｉＮｂＯ₃１ｍｏｌに対し
金属元素Ｚｍｏｌ添加した場合、金属元素のｍｏｌ濃度：Ｚｍｏｌ＊１００（％）となる。

【０２７４】ここで言うｍｏｌ濃度比とは、ＬｉＮｂＯ
₃結晶中に存在するＬｉとＮｂのｍｏｌ濃度の比率を表
し、結晶中ではＬｉのｍｏｌ濃度比とＮｂのｍｏｌ濃度
比を加えた値は１００ｍｏｌ％である。完全な結晶の場
合には、ＬｉとＮｂが同じｍｏｌ数だけ存在するので、
それぞれのｍｏｌ濃度比は５０ｍｏｌ％である。このた
め、コングルエント組成の結晶構造には多くの欠陥が存
在する。ＬｉＮｂＯ₃の結晶欠陥モデルには、幾つかの
説が提唱されているが、特に強く支持されているモデル
にＬｉ欠陥モデルがある。この結晶モデルは、定組成比
からずれたＮｂが結晶中のＬｉサイトに存在し、さらに
Ｌｉサイトの空位欠陥が存在するモデルである。

【０２７５】従来から、ＬｉＮｂＯ₃結晶に特定の金属
元素であるＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ等を添加して、結晶
欠陥を添加金属で埋めることにより耐光損傷強度を向上
させる方法が提案されている。これらの添加金属が結晶
に添加されると、まず、Ｌｉサイトに存在する空位が添
加金属で埋められ、さらに、Ｌｉサイトに存在するＮｂ
が添加金属で置換されることにより、結晶の欠陥（空
位）がなくなって耐光損傷強度が向上する。耐光損傷強
度は、金属元素の添加量が、Ｌｉサイトの空位がなくな
る程度の量を越えた時点から急激に向上する。この値
は、コングルエント組成のＬｉＮｂＯ₃の場合には、５
ｍｏｌ％程度のＭｇ添加量またはＺｎ添加量に相当す
る。

【０２７６】本願発明者らは、このような金属元素を添
加したＬｉＮｂＯ₃結晶に対してプロトン交換を行った
場合に、結晶欠陥が増加することを見出した。すなわ
ち、ＬｉＮｂＯ₃は金属添加によって結晶欠陥が低減さ
れるが、プロトン交換は結晶中のＬｉをプロトンと交換
する方法であるため、Ｌｉサイトの欠陥を大幅に増大さ
せる。これは、プロトン交換によるＬｉの交換量は数１
０％にも達し、Ｌｉサイトの正しい位置にプロトンが交
換される割合がすくないこと、およびＬｉＮｂＯ ₃が３
方晶の結晶構造をとるのに対して、ＨＮｂＯ₃は立方晶
の結晶構造をとるため、プロトン交換層の結晶歪みが大
きいこと、の２点に起因する。よって、プロトン交換層
の耐光損傷を向上させるには、結晶歪みを低減し、か
つ、プロトンを正しいＬｉサイトに落ち着かせる必要が
ある。本願発明者らは種々の実験を行って、アニール処
理によりこれらの問題を解決可能であること、特に、ア
ニール後のプロトン濃度を特定の規定量以下（例えば数
％程度）にすることにより耐光損傷強度が大幅に増大す
ることを見出した。アニール処理を行うと、プロトンの
熱拡散によってプロトン濃度が低下し、結晶歪みが大幅
に低減する。さらに、アニール処理によって、プロトン
を存在すべきＬｉ位置に据え置くことが可能となる。

【０２７７】しかしながら、結晶中のプロトン濃度が高
い場合には結晶歪みが残り、結果的にＬｉサイトの欠陥
が十分除去されないことが判明した。本願発明者らの実
験によれば、アニール処理を行わないプロトン交換層の
場合には、電気光学定数が大幅に減少するため、電気光
学効果による屈折率変化は発生しない。しかし、アニー
ル処理によりプロトン濃度を低くした場合には、アニー
ルにより光損傷が顕著になり、さらにアニールを続ける
と光損傷が低下する。特に、光波長変換素子に利用する
プロトン交換導波路においては、非線形光学効果を高め
るためにアニール処理が必須であるため、光損傷が顕著
となる。プロトン交換により形成した光導波路を非線形
光学素子に適用する場合には、光導波路として使用する
状態で耐光損傷強度を十分に強い状態にする必要があ
る。そこで、本願発明者らは、以下のようにして耐光損
傷強度に優れたプロトン交換光導波路の特性について検
討を行った。

【０２７８】まず、第一に、プロトン交換光導波路にお
けるプロトン交換濃度と耐光損傷強度との関係について
検討を行った。コングルエント組成のＬｉＮｂＯ₃にＭ
ｇを５ｍｏｌ％ドープした基板を用いて、プロトン交換
時間およびアニール時間を制御し、光導波路中のプロト
ン交換濃度と耐光損傷強度の関係を測定した。その結果
を図２０に示す。プロトン交換を行った直後はＬｉのｍ
ｏｌ濃度比が２０ｍｏｌ％前後に低下しているが、この
ときの耐光損傷強度は非常に高い。但し、アニール処理
を全く行わない場合には、非線形定数が低下するため、
変換効率が低下する。そして、アニール処理によりプロ
トン濃度が低下してＬｉ濃度が増大すると、耐光損傷強
度は徐々に低下する。さらに、アニール処理を行ってＬ
ｉ濃度が３０ｍｏｌ％以上になると、再び耐光損傷強度
が増加する。これは、プロトン濃度の低下によって結晶
欠陥が減少した結果と考えられる。よって、耐光損傷強
度を増加させるためには、プロトン濃度を低下させる必
要があり、Ｌｉのｍｏｌ濃度比を４０ｍｏｌ％以上に回
復させるのが好ましいことが分かった。さらに、Ｌｉの
ｍｏｌ濃度比が４３ｍｏｌ％以上であれば、耐光損傷強
度がプロトン交換前の結晶の９０％以上になるので、よ
り好ましい。

【０２７９】以上のように、プロトン交換層をアニール
処理してプロトンの濃度を十分低減させることにより、
耐光損傷強度をプロトン交換前の結晶とほぼ同等まで回
復させることが可能であることが分かった。しかしなが
ら、アニール処理したプロトン交換層は、プロトン濃度
が低いために屈折率変化が小さく、光導波路の閉じ込め
を強くすることが困難であるという問題が残る。この問
題を解決するには、プロトン交換層のプロトン量が多い
場合でも、結晶内の欠陥密度を低減可能な構造が必要に
なる。本願発明者らは、上述した欠陥モデルから考察し
て、プロトン交換層における結晶欠陥を完全に無くすた
めに、プロトン交換により増大する結晶欠陥を十分埋め
ることが可能な量のＬｉまたは添加金属を、予めプロト
ン交換層を形成する結晶内に存在させるようにすれば、
この問題を解決可能であると考えた。従来、添加金属の
量としては、例えばＭｇの場合には、５ｍｏｌ程度が最
適であると考えられており、５ｍｏｌ程度を越えると、
結晶欠陥が増大すると同時に吸収が増大するため、耐光
損傷強度が低下すると報告されていた。しかしながら、
これは、ＬｉＮｂＯ₃結晶自体に対しての量であり、Ｌ
ｉＮｂＯ₃に形成したプロトン交換光導波路に対するも
のではない。本願発明者らの実験により、プロトン交換
光導波路の耐光損傷強度を向上させるためには、ＬｉＮ
ｂＯ₃結晶における最適値よりも高い濃度の添加物を加
えて、プロトン交換層を形成した場合に結晶欠陥が無く
なる構造とする必要があることが明らかになった。

【０２８０】実験では、Ｌｉ濃度および添加金属濃度が
種々異なる結晶を引き上げ、プロトン交換を行った層の
耐光損傷強度を測定した。その結果、プロトン交換層の
耐光損傷強度は、プロトン交換層におけるＬｉのｍｏｌ
濃度比Ｙと添加金属のｍｏｌ濃度Ｚを加えた値Ｙ＋Ｚに
強く依存することを見出した。なお、Ｌｉのｍｏｌ濃度
比とは結晶中におけるＬｉとＮｂとの比率であり、理想
的な結晶の場合にはＬｉとＮｂのｍｏｌ濃度比は５０ｍ
ｏｌ％となる。通常の結晶（コングルエント組成）で
は、Ｌｉのｍｏｌ濃度比は４８ｍｏｌ％、Ｎｂのｍｏｌ
濃度比は５２ｍｏｌ％程度である。添加金属のｍｏｌ濃
度は、ＬｉＮｂＯ₃結晶１ｍｏｌに対して添加金属が何
ｍｏｌ含まれているかを％で示したものである。

【０２８１】図２１は、Ｙ＋Ｚの値と耐光損傷強度の関
係を求めた値である。Ｙ＋Ｚの値が２０ｍｏｌ％以下の
場合には、結晶の電気光学効果が殆どなくなるため、耐
光損傷強度は大幅に増大する。Ｙ＋Ｚが３４ｍｏｌ％〜
４０ｍｏｌ％では耐光損傷強度が低下し、４５ｍｏｌ％
でほぼＭｇを５ｍｏｌ％ドープしたＬｉＮｂＯ₃と等し
い耐光損傷強度を示した。Ｌｉ濃度および添加金属濃度
で耐光損傷強度は僅かに異なるが、Ｙ＋Ｚの値が４８ｍ
ｏｌ％以上の結晶では何れも、Ｍｇを５ｍｏｌ％ドープ
したＬｉＮｂＯ₃基板と同等の耐光損傷強度が得られ、
強い耐性を有していることが確認できた。従って、プロ
トン交換層におけるＹ＋Ｚの値が４８ｍｏｌ％以上にな
ることがより好ましい。これは、プロトン交換により生
じる結晶欠陥が添加金属とＬｉにより補われるためと考
えられる。プロトン交換により結晶中のＬｉがプロトン
に置き換わるため、結晶内のＬｉサイトに欠陥が増大す
る。これを熱処理することにより、交換されたプロトン
は結晶内の最適な位置に移動するが、Ｌｉ結晶欠陥を完
全に埋めることはできない。そこで、プロトン交換層を
熱処理し、プロトンを最適な位置に移動させた状態にお
いて、発生する程度の結晶欠陥を防止できるだけの量の
Ｌｉと添加金属を予めプロトン交換される結晶部分に存
在させることにより、プロトン交換層の結晶欠陥を限り
なく低減することが可能となる。この値がＬｉのｍｏｌ
濃度比Ｙと添加金属のｍｏｌ濃度Ｚの和が４５ｍｏｌ％
〜５０ｍｏｌ％以上になる値である。

【０２８２】ところで、通常の市販されているＭｇＯを
５ｍｏｌ％ドープしたコングルエント組成の結晶から目
的とする結晶を作製するのは難しい。その理由は以下の
通りである。市販されている結晶では、Ｌｉのｍｏｌ濃
度比とＭｇのｍｏｌ濃度を加えた値は５３ｍｏｌ％程度
であり、プロトン交換を行うとこの値が２０ｍｏｌ％程
度に低下する。これをアニール処理しても、周辺の濃度
が５３ｍｏｌ％と低いため、プロトン交換層の濃度が４
８ｍｏｌ％を越えるのは困難であった。これは、Ｌｉの
ｍｏｌ濃度比と添加金属のｍｏｌ濃度の和が４８ｍｏｌ
％以上となる程度までプロトン濃度を低下させると、光
導波路と基板の屈折率差が小さくなるため、断面積が小
さく閉じ込めの強い光導波路を形成が困難になるからで
ある。

【０２８３】これを解決するためには、以下のような方
法が考えられる。第１は、添加金属のｍｏｌ濃度を向上
させる方法である。例えば、コングルエント結晶（Ｌｉ
濃度比４８ｍｏｌ％）にＭｇを７ｍｏｌドープした場
合、Ｌｉのｍｏｌ濃度比とＭｇのｍｏｌ濃度の和は５５
ｍｏｌ％となる。プロトン交換とアニール処理によりプ
ロトン交換層のＬｉのｍｏｌ濃度比とＭｇのｍｏｌ濃度
の和を４８ｍｏｌ％にすると、耐光損傷に優れた光導波
路を形成することができた。第２は、結晶のＬｉ濃度を
増加させる方法である。例えば、完全結晶であるＬｉＮ
ｂＯ₃（Ｌｉのｍｏｌ濃度比が５０ｍｏｌ％）にＭｇを
５ｍｏｌ％添加した結晶である。Ｌｉのｍｏｌ濃度比と
添加金属のｍｏｌ濃度の和は５５ｍｏｌ％である。これ
にプロトン交換を行った後、アニール処理を加えること
で、Ｌｉのｍｏｌ濃度比と添加金属のｍｏｌ濃度の和は
５０ｍｏｌ％を越えることが可能になり、耐光損傷強度
の強いプロトン交換光導波路の形成が可能となった。何
れの場合も、基板自体は最適な組成からのずれが大きく
なるので、耐光損傷強度は最適な値より低下したが、プ
ロトン交換層において最適な構造をとることで、光導波
路自体は耐光損傷強度が大幅に向上した。よって、プロ
トン交換を行った光導波路において、耐光損傷強度の優
れた結晶構造を実現できた。Ｌｉのｍｏｌ濃度比または
添加金属のｍｏｌ濃度をさらに上昇させると、アニール
処理が少ない場合（即ちプロトン濃度が高い場合）で
も、耐光損傷強度の強い光導波路を形成することが可能
となった。この場合、光導波路と基板の屈折率変化を大
きく取ることができるため、さらに閉じ込めの強い光導
波路の形成が可能となり、高効率の光波長変換素子の形
成が可能となった。なお、Ｌｉのｍｏｌ濃度比は５０ｍ
ｏｌ％以下であるのが好ましく、これを超えると結晶欠
陥が増大する。

【０２８４】また、Ｌｉのｍｏｌ濃度比の高い光導波路
を用いると、光導波路の非線形光学定数が増加するた
め、高効率の光波長変換素子が形成できた。この理由
は、以下の通りである。プロトン交換光導波路内におけ
るＬｉのｍｏｌ濃度比は非線形光学定数に影響する。Ｌ
ｉのｍｏｌ濃度比を４５ｍｏｌ％以上にすると、４０ｍ
ｏｌ％以下にした光導波路に比べて、非線形光学定数は
１．０５倍程度となり、変換効率は１．１倍に向上し
た。さらに、金属添加により金属添加物のｍｏｌ濃度と
Ｌｉのｍｏｌ濃度比の和が５０ｍｏｌ％以上になると、
非線形光学定数は１．１倍程度になり、変換効率は１．
２倍に向上した。プロトン交換導波路内のＬｉ濃度比を
制御することは、高効率化においても非常に有効であ
る。

【０２８５】なお、本実施形態では、ＬｉＮｂＯ₃基板
について説明したが、ＬｉＴａＯ₃、またはＬｉＮｂＯ₃
とＬｉＴａＯ₃の混合物であるＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０
≦ｘ≦１）でも、同様の効果が得られた。また、金属添
加物は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃの単体または複数の金
属元素を同時に添加しても有効であった。ＬｉＴａ
Ｏ ₃、およびＬｉＮｂＯ₃とＬｉＴａＯ₃の混合物である
ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）は、ＬｉＮｂＯ₃と
同様のコングルエント組成および耐光損傷特性を有し、
プロトン交換による光損傷特性の変化も同様の特性を有
する。すなわち、結晶欠陥の増大により耐光損傷強度が
低下するという特性である。従って、プロトン交換層に
おけるＬｉ欠陥の防止方法として、Ｌｉまたは金属添加
物を予め多めに添加することで、プロトン交換による結
晶欠陥の増大を防止することができる。

【０２８６】なお、結晶中のＬｉ濃度を増大させる方法
としては、Ｌｉを熱拡散する方法も挙げられる。ＬｉＮ
ｂＯ₃基板を、Ｌｉを含むパウダー中で１０００℃〜１
１００℃程度の温度で熱処理すると、ＬｉがＬｉＮｂＯ
₃表面に拡散し、表面近傍にＬｉ濃度の高い結晶を形成
することができる。光導波路に使用するのは、基板表面
近傍の数μｍであるため、この方法により得られた基板
に形成したプロトン交換層は、強い耐光損傷強度を示し
た。

【０２８７】さらに、結晶中の金属添加物を増大させる
方法としては、結晶を引き上げる際の添加量を増大させ
る以外に、金属を熱拡散させる方法がある。例えば、Ｚ
ｎの場合には、ＬｉＮｂＯ₃上にＺｎＯ膜を堆積し、こ
れを１０００℃程度で熱処理することによりＺｎが結晶
に拡散して、基板の表面近傍に金属添加物濃度が高い層
が形成される。この層中にプロトン交換光導波路を形成
することで、耐光損傷強度に優れた光導波路を形成する
ことができる。

【０２８８】なお、添加する金属は、単一の金属元素で
も、上記金属元素の複数を同時に添加しても、同等の効
果が得られた。

【０２８９】また、上記Ｌｉ濃度や金属添加濃度の検討
は、直線状の単一光導波路に対して行ったが、第７の実
施形態や第８の実施形態で示したような、複数の光導波
路からなる光導波路群を用いた光導波路構造に適用する
ことにより、さらなる耐光損傷強度の向上が確認され
た。すなわち、光導波路群を利用することでプロトン交
換面積を小さくして化学損傷を低減することができ、さ
らに、Ｌｉ濃度や金属添加濃度を制御することで光導波
路自体の耐光損傷強度を向上させることができた。この
結果、低損失で高出力特性を有する光波長変換素子を実
現することができた。

【０２９０】（第１０の実施形態）本実施形態では、半
導体レーザと光波長変換素子を備え、常に安定な出力特
性の実現が可能なコヒーレント光発生装置について説明
する。本発明のコヒーレント光発生装置の特徴は、耐光
損傷強度の優れた本発明の光波長変換素子を用いること
により、安定な出力特性を実現することができるという
点である。

【０２９１】従来の光波長変換素子においては、耐光損
傷強度が十分ではなかった。そのため、波長４２５ｎｍ
程度の青色光を１０ｍＷ程度出力すると、光損傷により
位相整合波長が変動するという現象が観測された。この
ため、コヒーレント光発生装置の出力が徐々に変動する
という問題があった。これを安定化させるためには、半
導体レーザの発振波長を制御して常にＳＨＧ（第２高調
波）出力が一定の値をとるように安定化させる必要があ
り、出力安定化回路が必要であった。これに対して、本
発明の光波長変換素子は耐光損傷強度に優れているた
め、これを用いたコヒーレント光発生装置は、出力安定
化回路を必要とせず、簡単な構成で安定した出力を得る
ことができる。

【０２９２】図２２は本実施形態のコヒーレント光発生
装置１２０の構成を示す斜視図である。このコヒーレン
ト光発生装置１２０は、第７の実施形態において図１５
に示したような光波長変換素子１２１と半導体レーザ１
２２からなり、光波長変換素子１２１は入射部１２３と
出射部１２４を有する。半導体レーザ１２２は、例えば
ＤＢＲグレーティング構造をＬＤ上に集積化したＤＢＲ
半導体レーザ、または温度や外部グレーティングにより
波長を可変する半導体レーザ等、出射波長を可変できる
機能を有する半導体レーザであり、光波長変換素子の位
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、コヒーレント光発生装置の出力安定化を図ってい
る。

【０２９３】このコヒーレント光発生装置１２０は、光
波長変換素子の耐光損傷特性の向上による特性の向上に
加えて、以下の特徴を有している。光波長変換素子１２
１としては、３本の光導波路からなる光導波路群を有
し、波長８５０ｎｍの基本波を波長４２５ｎｍの第２高
調波に変換するものを用いている。この光波長変換素子
１２１において、基本波は光導波路群を伝搬し、第２高
調波（ＳＨＧ）は中央の光導波路を伝搬する。ＳＨＧは
中央の光導波路を伝搬するため、出射ビームのアスペク
ト比は約１：１．５となった。このため、出射光を集光
光学系により集光する場合に９０％以上の光を取り込ん
で集光することが可能となり、光の利用効率が大幅に向
上した。従来の構造では、出射光のアスペクト比が１：
３以上あったため、アスペクト比改善にプリズム光学系
等を必要とし、光の利用効率が低下していた。

【０２９４】さらに、パラメトリック発振を利用した波
長可変コヒーレント光発生装置においては、導波路型デ
バイスが小さいため、図２２に示すように半導体レーザ
と波長変換素子を直接結合することによりコヒーレント
光発生装置の小型化が可能である。例えば、第８の実施
形態と同様の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ることによりパラメトリック発
振が可能である。パラメトリック発振は、基本波λ３を
入力すると、光の波長１／λ３＝１／λ１＋１／λ２の
関係を満足するシグナル光λ２およびアイドラーλ１を
発生し、発生した各光は光導波路群を１つの光導波路と
してシングルモード伝搬する。よって、λ３の基本波か
ら上記条件を満足する波長の光を波長変化させながら出
力することができ、波長可変なコヒーレント光発生装置
を実現することができる。このコヒーレント光発生装置
に高効率で波長変換が可能な本発明の光波長変換素子を
用いることにより、半導体レーザの波長変換によっても
ｍＷオーダの高調波出力が可能となり、半導体レーザと
一体化した波長可変コヒーレント光発生装置を実現する
ことができる。波長変換素子の温度を例えばヒータやペ
ルチェ素子等を用いて調整することで位相整合波長を変
調して、出力波長を変化させることができた。なお、和
周波発生および差周波発生の場合には、外部で２つの光
を合波して光導波路に入射する。

【０２９５】（第１１の実施形態）上述した実施形態に
おいて、高効率で安定した出力が可能な光波長変換素子
を実現することができた。そこで、本実施形態では、本
発明の光波長変換素子を用いて短波長光源の作製を試み
た。波長８５０ｎｍ帯の半導体レーザと集光光学系と第
７の実施形態において図１５に示したような光波長変換
素子を用いて、半導体レーザからの出射光を集光光学系
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。そして、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光を出射する。ここで
は、変換効率が高い光波長変換素子を用いているため、
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。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や、光ディス
ク等、広い応用分野において望まれている。本実施形態
による光波長変換素子を用いた短波長光源は、出力特性
および安定性ともに、これらの応用分野での実用化が可
能である。

【０２９６】なお、本実施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。Ｔ
Ｅモード伝搬（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｉ
ｃ）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することができる。本願発明
者らの実験によれば、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
とが確認できた。直接結合を用いると、小型で低価格の
光源が実現できるので、有望である。

【０２９７】（第１２の実施形態）本実施形態では、本
発明の光学システム１４０について説明する。図２３は
本実施形態の光学システム１４０の構成を示す断面図で
ある。この光学システムは、第１０の実施形態のコヒー
レント光発生装置１４５を備えており、ここから出射し
た出力１０ｍＷのビームはレンズ１４６により集光さ
れ、ビームスプリッタ１４７およびλ／４板１５７を透
過して対物レンズ１４９により情報再生媒体である光デ
ィスク１５０に照射される。反射光は、対物レンズ１４
９によりコリメートされてビームスプリッタ１４７で反
射され、光検出器１４８で信号が読み取られる。さら
に、コヒーレント光発生装置の出力を強度変調すること
により、光ディスク１５０に情報を書き込むことができ
る。

【０２９８】この光学システムにおいては、光波長変換
素子の位相整合条件の許容度が拡大されているため、出
力の安定化を図ることができ、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た。

【０２９９】さらに、高出力の青色光の発生が可能とな
るため、光ディスクの情報を読み取るだけではなく、光
ディスクに情報を書き込むことも可能となった。また、
半導体レーザを基本波光源として用いることで小型化す
ることができるため、民生用として小型の光ディスク読
み取り装置および記録装置にも利用することができる。

【０３００】ところで、光ディスクに情報を書き込むた
めには、コヒーレント光発生装置の出力を変調する必要
がある。本実施形態の光学システムでは、半導体レーザ
の出力強度を変調することにより、コヒーレント光発生
装置からの出力変調を行うことができる。

【０３０１】さらに、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を
行うことができる。例えば、３本の光導波路からなる光
導波路群において高調波を中央の光導波路に伝搬させる
構造とし、特に、出射部近傍では光導波路を中央の一本
として、他の光導波路を途中で伝搬できないように切断
する光導波路構造とすることで、出射ビームのアスペク
ト比を１：１に近づけることができた。これにより、光
ピックアップの集光特性を向上させるためのビーム成形
プリズム等が不要になり、高い伝達効率、優れた集光特
性および低価格化を実現することができた。さらに、ビ
ーム成形時に発生する散乱光のノイズを低減することが
でき、光ピックアップの簡素化を実現することができ
た。

【０３０２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、高屈折率層を有する光導波路構造において、第１の
プロトン交換領域（第１のイオン交換領域）をアニール
処理してグレーディッド形状にした後、第２のプロトン
交換領域（第２のイオン交換領域）を形成し、これをス
テップライクなグレーディッド形状にすることで、耐光
損傷強度の大幅な向上、波長変換効率の向上、高温時の
寿命の大幅な延長、導波路伝搬損失の低減による特性の
向上を実現することが可能となり、その実用効果は大き
い。

【０３０３】また、本発明の短波長光発生装置によれ
ば、半導体レーザの光をステップライクなグレーディッ
ドな屈折率分布を有する高屈折率層を備えた光導波路内
で波長変換することで、高出力且つ高信頼性の短波長光
源が実現され、その実用効果は大きい。

【０３０４】更に、光導波路の製造方法として、高屈折
率なクラッド層を形成するためのアニール処理として、
第１のプロトン交換領域（第１のイオン交換領域）に対
するアニール処理と第２のプロトン交換領域（第２のイ
オン交換領域）に対するアニール処理とを異なる温度で
行うことで、第２のプロトン交換領域（第２のイオン交
換領域）に必要とされるグレーディッドな屈折率分布を
均一に精度良く形成することが可能となり、光波長変換
素子特性を大幅に向上させることが実現され、その実用
効果は大きい。

【０３０５】本発明によれば、光導波路群からなる光導
波路構造を用いることで、光導波路の低損失化を図るこ
とができ、耐光損傷強度の大幅な向上が可能となった。
さらに、光導波路群の構造を最適化することにより、変
換効率の向上および集光特性の向上が可能となり、その
実用効果は非常に大きい。

【０３０６】また、本発明によれば、プロトン交換光導
波路を用いた光波長変換素子において、光導波路中のＬ
ｉ濃度を制御することにより、耐光損傷強度の大幅な向
上が可能となり、その実用効果は非常に大きい。

【０３０７】また、本発明によれば、耐光損傷強度の優
れた本発明の光波長変換素子を用いることで、高出力
で、かつ安定した出力特性を有するコヒーレント光発生
装置を実現することができ、その実用効果は非常に大き
い。

【０３０８】さらに、本発明によれば、高出力で出力変
動が小さい本発明のコヒーレント光発生装置を用いるこ
とで、ノイズの少ない光学システムを実現することがで
き、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光波長変換素子の構成を示す斜視図

【図２】（ａ）従来の光導波路素子の構成を模式的に示
す図（ｂ）（ａ）の構成における深さ方向の屈折率分布を示
す図（ｃ）（ａ）の構成の中を伝搬する基本波及び高調波の
深さ方向の電界分布を示す図

【図３】（ａ）本発明の第１の実施形態によるプロトン
交換導波路（光導波路）の構成を示す断面図（ｂ）は、（ａ）の構成における深さ方向の屈折率分布
を表す図

【図４】アニール処理におけるプロトンの拡散定数のア
ニール温度依存性を示す図

【図５】（ａ）〜（ｃ）に、アニール処理によるプロト
ン濃度分布の変化に伴った屈折率分布形状の変化の様子
を示す図具体的には、（ａ）はステップ形状（ｂ）はステップライクなグレーディッド形状、（ｃ）
はグレーディッド形状

【図６】アニール処理による屈折率分布の変化を表す図

【図７】（ａ）第１と第２のプロトン交換層からなる導
波路におけるプロトン交換率の分布（ｂ）プロトン交換率の分布図で第１のプロトン交換層
の分布の拡大図（ｃ）プロトン交換率の分布図で第２のプロトン交換層
の分布の拡大図

【図８】（ａ）〜（ｅ）本発明による光導波路の作製方
法の各工程を説明するための模式的な断面図（ｂ）〜（ｅ）各々の工程によって得られる形状におけ
る深さ方向の屈折率分布形状

【図９】（ａ）本発明による光波長変換素子の斜視図（ｂ）そこに含まれる光導波路の断面図及び深さ方向の
屈折率分布を示す図

【図１０】光波長変換素子の波長変換効率及び表面屈折
率と第２のプロトン交換層の深さとの関係を示す図

【図１１】光波長変換素子の耐光損傷特性と第２のプロ
トン交換層の深さとの関係を示す図

【図１２】第４の実施形態による短波長光発生装置の構
成を示す図

【図１３】第５の実施形態による短波長光発生装置の構
成を示す図

【図１４】本発明による光情報処理装置の構成を示す図

【図１５】第７の実施形態の光波長変換素子の構成を示
す斜視図

【図１６】第７の実施形態の光波長変換素子における光
導波路の断面図と光導波路を伝搬する光の電界分布を示
す特性要因図（ａ）基本波（ｂ）変換された波長光

【図１７】第７の実施形態の光波長変換素子の他の構成
を示す斜視図

【図１８】（ａ）第７の実施形態の光波長変換素子にお
ける他の光導波路構成を示す平面図（ｂ）第７の実施形態の光波長変換素子における他の光
導波路構成を示す平面図

【図１９】第８の実施形態の光波長変換素子の構成を示
す斜視図

【図２０】第９の実施形態の光波長変換素子における耐
光損傷強度とプロトン交換層内のＬｉｍｏｌ濃度比の関
係を表す特性要因図

【図２１】第９の実施形態の光波長変換素子における耐
光損傷強度と、プロトン交換層内のＬｉｍｏｌ濃度比Ｙ
および添加金属ｍｏｌ濃度Ｚの和Ｙ＋Ｚとの関係を表す
特性要因図

【図２２】第１０の実施形態のコヒーレント光発生装置
の構成を示す斜視図

【図２３】第１２の実施形態の光学システムの構成を示
す断面図

【図２４】（ａ）従来の光波長変換素子の一構成例を示
す斜視図（ｂ）（ａ）の波長変換素子に入射される基本波Ｐ１が
高調波Ｐ２に変換される様子を模式的に示す図

【図２５】（ａ）従来の他の光波長変換素子の構成を示
す斜視図（ｂ）（ａ）の波長変換素子に入射される基本波Ｐ１の
光導波路への閉じ込めの様子を模式的に示す図

【図２６】従来の光波長変換素子の構成を示す斜視図

【符号の説明】

１基板２光導波路４高屈折率層５第１のプロトン交換領域６第２のプロトン交換領域７分極反転領域（分極反転構造）１５短波長光発生装置（短波長光源）２０支持部材２１半導体レーザ２２光波長変換素子２４集光光学系２５集光光学系６０光波長変換素子１０１基板１０２分極反転領域１０３光導波路群１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、
１０３ｆ光導波路１０４、１５２基本波１０５高調波または和周波１０５ａパラメトリックまたは差周波１０６、１２３入射部１０７、１２４出射部１２１光波長変換素子１２２半導体レーザ１４５コヒーレント光発生装置１４６レンズ１４７偏光ビームスプリッタ１４８光検出器１４９対物レンズ１５０光ディスク１５１光導波路１５３高調波３００従来の光波長変換素子３０１基板３０４分極反転領域（分極反転構造）３０５光導波路３０６基本波３０７第２高調波３１０高屈折率層４００短波長光発生装置４２０Ｓｉマウント４０２光導波路４０３第２のプロトン交換領域４２１半導体レーザ４２２光波長変換素子５００光情報処理装置５２０短波長光発生装置５２１半導体レーザ５２２光波長変換素子５４０コリメータレンズ５４１ビームスプリッタ５４２レンズ５４３光ディスク５４４レンズ５４５ディテクタ６００従来の光波長変換素子６４０従来の光波長変換素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北岡康夫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者横山敏史大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA13 LA00 LA02 PA12 PA13 QA03 2K002 AA01 AA04 AB12 CA03 DA06 EA04 FA24 FA28 HA20 5D119 AA01 AA43 HA64 JA29 JA36 NA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非線形光学結晶と、該非線形光学結晶の表面の近傍に形成された第１のイオ
ン交換領域と、該第１のイオン交換領域の表面の近傍に形成された第２
のイオン交換領域と、を備え、該第２のイオン交換領域は、深さ方向にイオン交換率が
変化している領域が、０．０２〜０．２μｍである、光
導波路。
【請求項２】前記第２のイオン交換領域はイオン交換
率の変化量が５〜５０μｍ^-1の領域を０．０２〜０．２
μｍに渡って有する、請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】前記第１のイオン交換領域はイオン交換
率の変化量が０．０６μｍ^-1以下である、請求項１或い
は請求項２に記載の光導波路。
【請求項４】前記第２のイオン交換領域は深さ方向に
イオン交換率が変化している領域が、０．０３〜０．１
μｍである、請求項１に記載の光導波路。
【請求項５】前記第２のイオン交換領域はイオン交換
率の変化量が１０〜３０μｍ^-1である、請求項１に記載
の光導波路。
【請求項６】前記第１のイオン交換領域の非線形光学
定数が前記結晶の非線形光学定数の９０％以上であり、
前記第２のイオン交換領域の非線形光学定数は該結晶の
非線形光学定数の６０％以下である、請求項１に記載の
光導波路。
【請求項７】前記第１のイオン交換領域の表面屈折率
変化Δｎは波長６３３nmの光に対し０．０２以下であ
り、前記第２のイオン交換領域の表面屈折率変化Δｎは
０．１１以上である、請求項１に記載の光導波路。
【請求項８】非線形光学結晶と、該非線形光学結晶の表面の近傍に形成された第１のイオ
ン交換領域と、該第１のイオン交換領域の表面の近傍に形成された第２
のイオン交換領域と、を備え、該第２のイオン交換領域は、該第１のイオン交換領域よ
りも高い屈折率を有し、該第２のイオン交換領域の屈折
率分布がステップライクなグレーディッド形状を有して
いる、光導波路。
【請求項９】非線形光学結晶と、該非線形光学結晶の表面の近傍に形成された第１のイオ
ン交換領域と、該第１のイオン交換領域の表面の近傍に形成された第２
のイオン交換領域と、を備え、該第２のイオン交換領域は、該第１のイオン交換領域よ
りも高いイオン濃度を有し、該第２のイオン交換領域の
イオン濃度分布がステップライクなグレーディッド形状
を有している、光導波路。
【請求項１０】前記第１のイオン交換領域と前記第２
のイオン交換領域とは、異なる温度におけるアニール処
理により得られた異なるグレーディッドな形状を有して
いる、請求項８または９に記載の光導波路。
【請求項１１】前記第１のイオン交換領域の深さは、
アニール処理により、該アニール処理の実施前における
値の８倍以上に拡大している、請求項８から１０のいず
れかに記載の光導波路。
【請求項１２】前記第２のイオン交換領域の深さは、
アニール処理により、該アニール処理の実施前における
値の１．２倍以上に拡大している、請求項８から１１の
何れか一つに記載の光導波路。
【請求項１３】前記第２のイオン交換領域の深さは、
アニール処理により、該アニール処理の実施前における
値の２倍以上に拡大している、請求項８から１１の何れ
か一つに記載の光導波路。
【請求項１４】前記第２のイオン交換領域の表面屈折
率は、アニール処理の実施前における表面屈折率の値と
ほぼ等しい、請求項８または１０から１３の何れか一つ
に記載の光導波路。
【請求項１５】前記第２のイオン交換領域の表面イオ
ン濃度は、アニール処理の実施前における表面イオン濃
度の値とほぼ等しい、請求項９から１３の何れか一つに
記載の光導波路。
【請求項１６】前記第２のイオン交換領域の屈折率分
布の前記ステップライクなグレーディッド形状は、以下
の（１）及び（２）の関係：【数１】（但し、Ｃ（ｋ，ｔ）：イオン交換濃度、ｋ：深さ（μ
ｍ）、ｔ：アニール時間（時間）、Ｃ０：初期のイオン
交換濃度、Ｅｒｆ［］：エラー関数、ｈ：初期のイオン
交換深さ（μｍ）、及び、Ｄｐ：アニール処理によるイ
オンの拡散定数（μｍ²／時間））、【数２】を満たすアニール処理によって形成される、請求項８ま
たは１０から１４の何れか一つに記載の光導波路。
【請求項１７】前記第２のイオン交換領域のイオン濃
度分布の前記ステップライクなグレーディッド形状は、
以下の（１）及び（２）の関係：【数３】（但し、Ｃ（ｋ，ｔ）：イオン交換濃度、ｋ：深さ（μ
ｍ）、ｔ：アニール時間（時間）、Ｃ０：初期のイオン
交換濃度、Ｅｒｆ［］：エラー関数、ｈ：初期のイオン
交換深さ（μｍ）、及び、Ｄｐ：アニール処理によるイ
オンの拡散定数（μｍ²／時間））、【数４】を満たすアニール処理によって形成される、請求項９か
ら１３または１５の何れか一つに記載の光導波路。
【請求項１８】前記非線形光学結晶がＬｉＮｂ_xＴａ
_1-xＯ₃結晶（０≦ｘ≦１）である、請求項８から１７の
何れか一つに記載の光導波路。
【請求項１９】前記第１のイオン交換領域及び前記第
２のイオン交換領域を形成するイオン交換処理が、それ
ぞれプロトン交換処理である、請求項８から１８の何れ
か一つに記載の光導波路。
【請求項２０】ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）
からなる前記非線形光学結晶の表面にイオン交換により
形成され、該光導波路内のＬｉのｍｏｌ濃度比が４０ｍ
ｏｌ％以上である、請求項１、８または９のいずれかに
記載の光導波路。
【請求項２１】ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）
からなり、少なくとも表面近傍に金属元素が添加された
前記非線形光学結晶の該表面に、イオン交換により形成
され、該光導波路内のＬｉのｍｏｌ濃度比Ｙと該金属元
素のｍｏｌ濃度ＺがＹ＋Ｚ≧４５ｍｏｌ％である、請求
項１、８または９のいずれかに記載の光導波路。
【請求項２２】請求項１から２１の何れか一つに記載
の光導波路と、周期状の分極反転構造と、を備え、該光導波路は、波長λの基本波及び波長λ／２の第２高
調波の導波が可能で、該光導波路に含まれる前記第２のイオン交換領域の屈折
率及び深さは、該第２高調波に対しては導波条件を満足
し、且つ該基本波に対してはカットオフ条件を満足して
いる、光波長変換素子。
【請求項２３】前記光導波路において基本モードの基
本波と高次モードの第２高調波とが位相整合している、
請求項２２に記載の光波長変換素子。
【請求項２４】非線形光学結晶の表面に隣接する複数
の光導波路から構成される光導波路群を有し、該光導波
路群内で入射された基本波を異なる波長の光に変換する
光波長変換素子であって、該基本波が該光導波路群をシングルモード伝搬し、か
つ、変換された波長光が該光導波路群を構成する光導波
路を導波モードで伝搬するか、変換された波長光が該光導波路群をシングルモード伝搬
し、かつ、該基本波が該光導波路群を構成する光導波路
を伝搬する光波長変換素子。
【請求項２５】前記光導波路群は、伝搬方向が異なる
複数の光導波路から構成されている請求項２４記載の光
波長変換素子。
【請求項２６】前記光導波路は、前記基本波および変
換された波長光のうちのいずれか一方の光に対してカッ
トオフ条件を満たし、他方の光に対しては導波条件を満
たす請求項２４または請求項２５記載の光波長変換素
子。
【請求項２７】前記光導波路のうちの少なくとも１本
は、他の光導波路と異なる伝搬定数を有する請求項２４
から２６のいずれかに記載の光波長変換素子。
【請求項２８】前記光導波路群は、前記基本波および
変換された波長光のうちのいずれか一方の光に対してシ
ングルモード伝搬条件を満たし、該一方の光と、前記光
導波路のうちのいずれか１本を導波する他方の光との間
で位相整合する請求項２４から２７のいずれかに記載の
光波長変換素子。
【請求項２９】前記光導波路群は奇数本の光導波路か
ら構成され、中央の光導波路を中心として中心対称の構
造を有する請求項２４から２８のいずれかに記載の光波
長変換素子。
【請求項３０】前記光導波路群は伝搬方向がほぼ等し
い３本の光導波路から構成され、中央の光導波路が両側
の光導波路とは異なる伝搬定数を有し、該光導波路群を
シングルモード伝搬する基本波および変換された波長光
のうちのいずれか一方の光と、該光導波路群の中央の光
導波路を伝搬する他方の光との間で位相整合する請求項
２４から２９のいずれかに記載の光波長変換素子。
【請求項３１】前記光導波路群は、前記入射部近傍お
よび出射部近傍の少なくともいずれか一方において、前
記光導波路の本数が異なる請求項２４から３０のいずれ
かに記載の光波長変換素子。
【請求項３２】ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）
からなる結晶の表面にイオン交換により形成した光導波
路を有し、該光導波路内のＬｉのｍｏｌ濃度比が４０ｍ
ｏｌ％以上である光波長変換素子。
【請求項３３】ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）
からなり、少なくとも表面近傍に金属元素が添加された
結晶の該表面に、イオン交換により形成した光導波路を
有し、該光導波路内のＬｉのｍｏｌ濃度比Ｙと該金属元
素のｍｏｌ濃度ＺがＹ＋Ｚ≧４５ｍｏｌ％である光波長
変換素子。
【請求項３４】前記金属元素がＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃおよ
びＩｎのうちのいずれか１種類であるか、または２種類
以上を混合したものである請求項３３に記載の光波長変
換素子。
【請求項３５】半導体レーザと、請求項２２から３４
のいずれかに記載の光波長変換素子と、を備え、該半導体レーザから出射された光の波長が該光波長変換
素子により所定の高調波に変換される、短波長光発生装
置。
【請求項３６】前記光波長変換素子による変換で得ら
れる前記高調波の導波モードが高次モードであり、該高調波の高次モードの強度分布が有する複数のピーク
において、最大強度を有するメインピーク以外のサブピ
ークの一つの幅が、該高調波に対する回折限界より小さ
い、請求項３５に記載の短波長光発生装置。
【請求項３７】前記高調波の高次モードが１次モード
である、請求項３６に記載の短波長光発生装置。
【請求項３８】前記高調波の高次モードがＴＥ１０モ
ードである、請求項３６或いは３７に記載の短波長光発
生装置。
【請求項３９】請求項３５から３８の何れか一つに記
載の短波長光発生装置と、集光光学系と、を備え、該短波長光発生装置から出射される短波長光を該集光光
学系により集光するように構成されている、光情報処理
装置。
【請求項４０】非線形光学結晶に周期的な分極反転構
造を形成する工程と、該分極反転構造に第１のイオン交換領域を形成する工程
と、該第１のイオン交換領域に対する第１のアニール処理を
行う工程と、該第１のイオン交換領域の表面に第２のイオン交換領域
を形成する工程と、該第２のイオン交換領域に対する第２のアニール処理を
行う工程と、を包含し、該第１のアニール処理を行う第１のアニール温度と該第
２のアニール処理を行う第２のアニール温度とが異なっ
ている、光波長変換素子の製造方法。
【請求項４１】前記第１のアニール温度が３００℃以
上であり、前記第２のアニール温度が２５０℃以下であ
る、請求項４０に記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項４２】前記分極反転構造を形成する工程は、
形成された分極反転構造を４００℃以上の温度で熱処理
する工程を含む、請求項４０或いは４１に記載の光波長
変換素子の製造方法。
【請求項４３】前記第２のアニール温度が１３０℃〜
２００℃の範囲である、請求項４０から４２の何れか一
つに記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項４４】前記第２のアニール処理は、以下の
（１）及び（２）の関係：【数５】（但し、Ｃ（ｋ，ｔ）：イオン交換濃度、ｋ：深さ（μ
ｍ）、ｔ：アニール時間（時間）、Ｃ０：初期のイオン
交換濃度、Ｅｒｆ［］：エラー関数、ｈ：初期のイオン
交換深さ（μｍ）、及び、Ｄｐ：アニール処理によるイ
オンの拡散定数（μｍ²／時間））、【数６】を満たすアニール処理であり、これによって形成される
前記第２のイオン交換領域の屈折率分布がステップライ
クなグレーディッド形状を有している、請求項４０から
４３の何れか一つに記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項４５】前記非線形光学結晶がＬｉＮｂ_xＴａ
_1-xＯ₃結晶（０≦ｘ≦１）である、請求項４０から４４
の何れか一つに記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項４６】前記第１のイオン交換領域及び前記第
２のイオン交換領域を形成するイオン交換処理が、それ
ぞれプロトン交換処理である、請求項４０から４５の何
れか一つに記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項４７】請求項２４から３４のいずれかに記載
の光波長変換素子と、半導体レーザとを備え、該半導体
レーザの光を該光波長変換素子によって波長変換するコ
ヒーレント光発生装置。
【請求項４８】請求項４７に記載のコヒーレント光発
生装置と、集光光学系とを備え、前記光波長変換素子か
ら出射された光を該集光光学系で集光する光学システ
ム。