光波導路徑器件、以及使用該器件的光源及光學裝置的製作方法

2023-05-20 02:58:26

專利名稱：光波導路徑器件、以及使用該器件的光源及光學裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及在光信息處理領域或光應用計測控制領域等中使用的光波導路徑器件，以及使用該光波導路徑器件的光源和光學裝置。
背景技術：
在光信息記錄再現裝置中，通過使用波長更短的光源可以實現高密度化。例如，對於以往普及的小型盤(CD)裝置中使用波長780nm的近紅外光來說，在實現了更高密度的信息再現的數字通用盤(DVD)裝置中使用波長650nm的紅色半導體雷射器。而且，為了實現更高密度的下一代光碟裝置，正在積極開發波長更短的藍色雷射光源。例如，為了獲得小型並且穩定的藍色雷射光源，正在使用非線性光學材料開發二次高次諧波產生(Second-Harmonic-Generation)(以下記為『SHG』)元件。以下，為了簡便，將通過SHG元件獲得的高次諧波記為『SHG光』。
圖22是表示使用了SHG元件的SHG藍色光源一例的示意圖。
首先，參照圖22來說明SHG藍色光源。
如圖22所示，在光學材料基板114的表面上，通過質子交換法來形成寬度約3μm、深度約2μm的高折射率區域，該高折射率區域具有作為光波導路徑110的功能。然後，將從半導體雷射器111射出的波長850nm的紅外光聚光在SHG元件117的入射端面上，在SHG元件117上的光波導路徑110內進行傳播而成為基波波導光。作為光學材料基板114的基板材料的LiNbO3結晶有很大的非線性光學常數，由基波的電場來激勵波長變換了二分之一的425nm波長的高次諧波波導光。此外，為了補償基波和高次諧波的傳播常數差，在波導路徑110上形成周期性的分極反向區域112，將波導路徑110的整個區域中被激勵的高次諧波相干地相加，從光波導路徑110的射出端面射出。
這裡，為了正確地補償基波和高次諧波的傳播常數差，需要正確地保證基波的波長，所以作為半導體雷射器111，使用具有分布黑色反射器(以下記為『DBR』)區域、溫度等造成的波長變動非常小的DBR半導體雷射器。DBR半導體雷射器不僅波長變動小，而且由於以單一波長進行振蕩，所以同時具有相干性高，並且噪聲小的特徵。
下面，一邊參照圖22，一邊說明裝載了使用SHG元件的SHG藍色光源的光拾取器光學系統的工作情況。
如圖22所示，從SHG元件117射出的高次諧波藍色光依次通過準直透鏡119、偏振分光鏡120、四分之一波長板121和物鏡122後，被聚光在光碟124上。由光碟124調製過的光被偏振分光鏡120反射後，通過聚光透鏡123導入到光檢測器125，由此獲得再現信號。此時，從SHG元件117射出平行於紙面的直線偏振光，但在四分之一波長板121上往復而成為與紙面垂直的偏振光，來自光碟124的反射光被偏振分光鏡120全部反射，不返回到光源側。
在上述現有技術中，說明了來自光碟124的反射光被偏振分光鏡120全部反射，而不返回到光源側的結構，但由於光碟的實際基本材料具有雙折射性，所以在光碟124產生的不需要偏振分量通過偏振分光鏡120，成為返回光126而返回到光源側。在光碟124的再現中，物鏡122進行位置控制，以便在光碟124上正確地對著焦點，SHG元件的射出端面和光碟124構成了共焦點光學系，所以來自光碟124的反射光被正確地聚光到SHG元件117的射出端面(光波導路徑110的射出端面)。
於是，從光碟反饋到光源側的反射光成為以半導體雷射器作為光源的光學系統的返回光感應噪聲，以往，提出避免該噪聲的各種技術方案。例如，提出了通過高次諧波信號對半導體雷射器進行調製來產生多個縱模的方法，或者使半導體雷射器產生自激振蕩來實現多個相同的縱模的方法。此外，在光通信領域中，在將來自半導體雷射器的光聚光到光纖上時，一般在兩者之間插入使用磁光學效果的光隔離器。此外，提出通過傾斜地切割光纖或光波導路徑的入射側端面，使反射光傾斜地反射，從而反射光不返回到半導體雷射器的方案((日本)特開平5-323404號公報等)。
這些技術是降低因反饋到半導體雷射器內部的返回光造成的噪聲的技術，但本發明人進行使用了圖22所示的光波導路徑式SHG元件的光拾取器的再現實驗，發現了與以往的返回光感應噪聲不同機構產生的噪聲。該噪聲是聚光在光波導路徑的射出側端面上的返回光被光波導路徑的射出側端面反射，與從高次諧波內部射出的光進行幹擾而產生的幹擾噪聲。通過該幹擾效果，從光碟側可看到光源的輸出功率產生變化，光碟的再現信號因低頻噪聲調製而惡化。對於通過與半導體雷射器內部的光和返回光的相互作用而產生半導體雷射器中的返回光感應噪聲來說，上述幹擾噪聲通過來自光源的射出光和返回光的幹擾而產生。本發明人等通過進一步詳細地研究，發現來自外部光學系統的返回光的一部分在光波導路徑器件的光波導路徑內再次作為波導光被激勵，這部分返回光由光波導路徑的入射側端面發射，同樣成為幹擾噪聲的原因。
如以上說明，在使用了光波導路徑器件的光學系統中，存在兩種不同的噪聲，即從光源射出的光被反射而返回到光源的射出端，在光源的外部光學系統中引起幹擾的低頻噪聲，以及在半導體雷射器內部引起的跳模噪聲。作為降低後者的跳模噪聲的方法，提出各種技術方案，但前者的光源的外部中的幹擾噪聲至今未引起重視，未提出根本上解決該噪聲的方法。
本發明是鑑於這些方面的發明，目的在於提供一種可以降低外部的幹擾噪聲的光波導路徑器件，以及使用該光波導路徑器件的光源和光學裝置。

發明內容
為了實現上述目的，本發明的光波導路徑器件的結構包括基板；光波導路徑，形成在所述基板的表面附近，傳播波長不同的多個波導光；以及光學薄膜，形成在所述光波導路徑的至少一部分上，或相連地設置在所述光波導路徑的至少一部分上；其特徵在於，所述波導光的一部分從所述光波導路徑射出後，再次返回到所述光波導路徑，通過所述光學薄膜來防止返回到所述光波導路徑的光的所述光波導路徑的端面或其附近的反射。
此外，在所述本發明的光波導路徑器件的結構中，在所述光波導路徑中傳播基波和高次諧波，在所述光波導路徑的入射端面附近包含所述光學薄膜，並且包括吸收所述高次諧波的高次諧波吸收區域，所述光波導路徑內的在所述高次諧波吸收區域和不吸收所述高次諧波的高次諧波非吸收區域傳播的所述基波的波導模量大致一致。根據該優選例，與半導體雷射器組合來構成光源，在將該光源例如裝載在光拾取器上的情況下，可以降低因光碟等被觀測物體和光源內部的反射面之間的多重反射造成的幹擾噪聲，並且高效率地進行從基波到高次諧波的波長變換。
這種情況下，所述高次諧波吸收區域和所述高次諧波非吸收區域的有效折射率最好大致一致。根據該優選例，可以使在所述高次諧波吸收區域和所述高次諧波非吸收區域上傳播的基波的波導模量大致一致。
這種情況下，所述基波最好在所述高次諧波吸收區域和所述高次諧波非吸收區域中一起用0次橫模來傳播。
這種情況下，在所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑上，最好裝載作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜。
這種情況下，最好所述高次諧波非吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層，以及裝載在光波導層上的折射率比所述光波導層大的高折射率層；所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括第2光波導層，以及裝載在所述第2光波導層上的折射率比所述第2光波導層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層。
而且，這種情況下，最好所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括其上表面被除去而使得厚度比所述光波導層小的第2光波導層，以及裝載在所述第2光波導層上的折射率比所述第2光波導層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層。
而且，這種情況下，最好所述高次諧波非吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層，所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括有效厚度比所述光波導層小的第2光波導層，以及裝載在所述第2光波導層上的折射率比所述第2光波導層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層。
而且這種情況下，最好所述光學薄膜通過將金屬混入擴散在所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑中而形成。根據該優選例，由於通過成膜高次諧波吸收膜而沒有基板表面上的臺階差，所以適合於將波導路徑面朝向安裝基板的高精度倒裝安裝。這種情況下，作為所述金屬，可以使用鐵。
這種情況下，最好所述基波按0次橫模傳播於所述高次諧波非吸收區域，按1次以上的高次橫模傳播於所述高次諧波吸收區域。
而且，這種情況下，最好所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層，以及裝載在所述光波導層上的折射率比所述光波導層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層。
而且，這種情況下，最好所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層；裝載在所述光波導層上的折射率比所述光波導層大的高折射率層；以及裝載在所述高折射率層上的折射率比所述高折射率層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層；所述高次諧波非吸收區域的所述光波導路徑包括第2光波導層，以及折射率比所述第2光波導層大的第2高折射率層。
而且，這種情況下，最好所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層；裝載在所述光波導層上的折射率比所述光波導層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層；以及裝載在所述高次諧波吸收層上的折射率比所述光波導層大的高折射率層；所述高次諧波非吸收區域的所述光波導路徑包括第2光波導層，以及折射率比所述第2光波導層大的第2高折射率層。
而且，這種情況下，最好所述光學薄膜通過將金屬混入擴散在所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑中而形成。
而且，這種情況下，最好在所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑內傳播的所述基波的波導模量連續地變化，並且所述高次諧波吸收區域的入射端和射出端的所述基波的波導模量與在所述高次諧波非吸收區域的所述光波導路徑內傳播的所述基波的波導模量大致一致。根據該優選例，可以高效率地傳播基波，高效率地獲得高次諧波。
而且，這種情況下，最好所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層，以及裝載在所述光波導層上的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層，所述高次諧波吸收膜的實質膜厚在所述高次諧波吸收區域內連續地變化。
此外，在所述本發明的光波導路徑器件的結構中，最好在所述光波導路徑中傳播基波和高次諧波，在所述光波導路徑的入射端面中，形成吸收所述高次諧波的作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜。根據該優選例，與半導體雷射器組合來構成光源，將該光源裝載在光拾取器上的情況下，可以降低因光碟等被觀測物體和光源內部的反射面之間的多重反射造成的幹擾噪聲，並且高效率地進行從基波到高次諧波的波長變換。
所述高次諧波吸收膜最好是半導體膜或氧化物介質膜。這種情況下，所述半導體膜最好是從Si膜、ZnSe膜和GaP膜組成的各種膜中選擇出的一個，所述氧化物介質膜是TiOx膜。此外，最好TiOx膜滿足1.7＜x＜1.9的關係。
此外，在所述本發明的光波導路徑器件中，在所述光波導路徑的折射率為N2，所述光學薄膜的折射率為N1時，最好所述折射率N1、N2的大小關係因所述波導光的波長而有所不同。根據該優選例，通過波長可分離在光波導路徑上傳播的光。特別是通過在光波導路徑的一部分上形成光學薄膜這樣的簡單結構，可以有效地降低返回光的影響。在原理上，通過根據波長而使用與光波導路徑的折射率大小相反的光學薄膜，相對於一個波長的波導光可抑制光學薄膜的影響，相對於另一個波長的光可增大光學薄膜的影響。由此，可根據波長高效率地分離在光波導路徑上傳播的波導光。
這種情況下，最好至少相對於一個所述波導光的折射率滿足N1＞N2的關係，相對於另一所述波導光的折射率滿足N1＜N2的關係。而且，這種情況下，在所述光波導路徑中傳播波長λ1的基波和波長λ2的高次諧波，所述波長滿足λ1＞λ2的關係，相對於所述波長λ1的所述基波的所述折射率滿足N1＜N2的關係，相對於所述波長λ2的所述高次諧波的所述折射率滿足N1＞N2的關係。根據該優選例，可將短波長的光分離在光學薄膜內，使長波長的光在光波導路徑中傳播。而且，這種情況下，最好所述光學薄膜相對於所述高次諧波具有0.001以上的吸收係數。根據該優選例，利用100微米長的光學薄膜，能夠將SHG光衰減十分之一以下。而且，這種情況下，最好在所述光學薄膜的上表面、下表面或層內的至少一個中還包括吸收所述高次諧波的高次諧波吸收膜。
這種情況下，所述光學薄膜最好由多層膜構成。光學薄膜的分散折射率是材料固有的分散折射率，所以其微細的調整困難，但根據該優選例，由於膜的分散特性控制容易，所以可以調整光波導路徑和光學薄膜的分散關係。
這種情況下，最好所述光學薄膜至少形成在所述光波導路徑的表面、背面或側面的其中一個上。
這種情況下，最好所述光學薄膜形成在所述光波導路徑的入射部附近。根據該優選例，可以實現SHG元件的高效率。即，SHG光與從入射部向射出部的距離的平方成正比增大，但通過在入射部附近形成光學薄膜，抑制依賴於距離增大的對SHG光的影響，可以達到高效率。
這種情況下，最好所述光學薄膜的端部的法線相對於所述波導光的傳播方向以大於0°的角度傾斜。根據該優選例，由於可以大幅度地降低光學薄膜的端部的反射，所以可以防止返回光噪聲。
這種情況下，最好還包括在所述光波導路徑的表面上設置的折射率為N3的包覆層，所述包覆層和所述光波導路徑的折射率滿足N3＞N2的關係。根據該優選例，由於可以強化光波導路徑的關閉，所以通過應用於SHG元件，來強化光波導路徑的關閉，可以實現高效率變換。
這種情況下，最好在入射側端面上設置防反射膜。根據該優選結構，可以進一步降低對高次諧波的反射率。而且，這種情況下，在所述光波導路徑中傳播基波和高次諧波，所述防反射膜是將所述高次諧波的反射率減低至1％以下的防反射膜。
本發明的光源的第1結構包括半導體雷射器和光波導路徑器件，其特徵在於，使用權利要求1所述的光波導路徑器件作為所述光波導路徑器件。
此外，在所述本發明的光源的第1結構中，所述半導體雷射器最好是具有可幹擾性高的可變波長功能的可變波長半導體雷射器。
本發明的光源的第2結構包括波長λ1的半導體雷射器；以及將來自所述半導體雷射器的發射光變換成波長λs的光的光波導路徑器件；其特徵在於，在所述半導體雷射器的射出端面上設置相對於所述波長λs的防反射膜。根據該光源的第2結構，可以有效地降低返回光的影響。在原理上，在從光波導路徑器件射出的波長λs的光因光學系統內的任何反射而返回到光波導路徑的情況下，通過防反射膜可以防止該返回光的波長λs的光的反射。因此，可以防止返回光被再次反射，在光學系統內成為幹擾噪聲。
此外，在所述本發明的光源的第2結構中，最好至少在所述光波導路徑器件的入射端面或射出端面的其中一個上設置相對於所述波長λs的防反射膜、或相對於所述波長λ1的光和所述波長λs的光的防反射膜。
此外，在所述本發明的光源的第2結構中，最好所述光波導路徑器件的射出端面相對于波導光的傳播方向傾斜地形成。
此外，在所述本發明的光源的第2結構中，最好所述半導體雷射器的射出端面附近為吸收所述波長λs的光的物質。
此外，在所述本發明的光源的第2結構中，最好所述半導體雷射器具有格柵構造。
此外，在所述本發明的光源的第2結構中，最好將所述半導體雷射器和所述光波導路徑器件直接耦合。
此外，在所述本發明的光源的第2結構中，最好所述防反射膜是將所述波長λs的光的反射率降低至1％以下的防反射膜。
本發明的光源的第3解僱包括波長不同的多個半導體雷射器；以及將從所述各半導體雷射器發射的波長λ1、λ2、λ3、…、λn的光變換成波長λs1、λs2、λs3、…、λsn的光的光波導路徑器件；其特徵在於，在至少某一個所述半導體雷射器的射出端面上，設置相對於至少某個所述波長λs1、λs2、λs3、…、λsn的光的防反射膜。
本發明的光學裝置的結構包括光源和將來自所述光源的射出光聚光在被觀測物體上的聚光光學系統，其特徵在於，作為光源，使用所述本發明的光源，所述光源的所述光波導路徑器件和所述被觀測物體以具有同焦點的關係來配置。根據該光學裝置的結構，通過簡單結構的光學系統，可以在光碟等被觀測物體上進行聚光。此外，通過共焦點光學系統，由於可穩定地保證光點在焦點深度的範圍內，所以可以構成穩定的光學系統。而且，可應用於焦點檢測等，可實現光學系統的穩定。此外，可以降低因光碟等被觀測物體和光源內部的反射面之間的多重反射造成的幹擾噪聲。此外，不僅可以防止來自外部光學系統的返回光返回並反射到光波導路徑的入射端面，而且還可以降低產生對半導體雷射器的返回光。
此外，在所述本發明的光學裝置的結構中，所述被觀測物體最好是光碟。
此外，在所述本發明的光學裝置的結構中，最好還包括光纖，將來自所述光源的射出光入射到所述光纖上。


圖1表示本發明第1實施例的光學裝置的示意斜視圖。
圖2表示本發明第1實施例的SHG元件的示意剖面圖。
圖3表示本發明第1實施例的光波導路徑和光學薄膜的分散折射率的圖。
圖4表示圖3所示的波長A(短波長)的光在光波導路徑上傳播情況下的波導模的形狀的圖。
圖5表示圖3所示的波長B(長波長)的光在光波導路徑上傳播情況下的波導模的形狀的圖。
圖6表示本發明第2實施例的形成了光學薄膜的SHG元件的示意斜視圖。
圖7表示本發明第2實施例的形成了光學薄膜的SHG元件另一例的示意斜視圖。
圖8表示本發明第3實施例的光學裝置的示意斜視圖。
圖9表示圖8的平面圖。
圖10表示本發明第3實施例的相干光源的示意斜視圖。
圖11表示本發明第3實施例的相干光源的另一例的示意斜視圖。
圖12A表示本發明第4實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件的示意剖面圖，圖12B表示其基波的波導模的電場分布的模式剖面圖。
圖13表示來自本發明第4實施例的鏡面器件的再現信號的圖。
圖14表示本發明第4實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件另一例的示意剖面圖。
圖15表示本發明第4實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件另一例的示意剖面圖。
圖16表示本發明第4實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件另一例的示意剖面圖。
圖17A表示本發明第5實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件的示意剖面圖，圖17B表示其基波的波導模的電場分布的模式剖面圖。
圖18表示本發明第5實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件另一例的示意剖面圖。
圖19表示本發明第5實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件另一例的示意剖面圖。
圖20表示本發明第6實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件的示意剖面圖。
圖21表示本發明第7實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件的示意剖面圖。
圖22表示使用了現有技術的二次高次諧波發生元件的SHG藍色光源的一例的示意斜視圖。
具體實施例方式
以下，用實施例來更具體地說明本發明。
圖1是表示本發明第1實施例的光學裝置的示意斜視圖。
在本實施例中，作為光學裝置的主要結構部件的光波導路徑器件，使用具有以下結構的SHG元件。
如圖1所示，在LiNbO3結晶組成的光學材料基板10的表面上，通過質子交換法來形成寬度約3μm、深度約2μm的高折射率區域，該高折射率區域具有作為光波導路徑12的功能。從半導體雷射器13射出的基波(波長820nm)被聚光在SHG元件的入射端面上，在SHG元件上的光波導路徑12內進行傳播而成為基波波導光。作為光學材料基板10的基板材料的LiNbO3結晶有很大的非線性光學常數，由基波的電場來激勵波長變換了二分之一的420nm波長的高次諧波波導光。此外，為了補償基波和高次諧波的傳播常數差，在波導路徑12上形成周期性的分極反向區域11，將波導路徑12的整個區域中被激勵的高次諧波相干地相加，從光波導路徑12的射出端面射出。此外，為了正確地補償基波和高次諧波的傳播常數差，需要正確地保證基波的恆定的波長，所以作為半導體雷射器13，使用具有DBR區域、溫度等造成的波長變動非常小的DBR半導體雷射器。而且，在光波導路徑12上，為了分離或吸收返回到該光波導路徑12內的光的光學薄膜14被形成。如上所述，通過半導體雷射器13和具有上述結構的SHG元件來構成短波長光源。
下面，一邊參照圖1，一邊說明使用SHG元件裝載的短波長光源的光拾取器光學系統的工作情況。
如圖1所示，從光波導路徑12射出的高次諧波依次通過準直透鏡21、偏振分光鏡22、四分之一波長板25和物鏡23後，被聚光在作為被觀測物體的光碟24上。將準直透鏡21配置在光波導路徑12的射出光分布的中心，從光波導路徑12輸出的高次諧波通過準直透鏡21成為大致的平行光。這裡，光碟(被觀測物體)24的表面和SHG元件(光波導路徑器件)的射出端面構成共焦點光學系統。光碟24反射的高次諧波通過四分之一波長板25使偏振旋轉，在被偏振分光鏡22反射後，通過聚光透鏡27導入到光檢測器28，由此獲得再現信號。但是，由於光碟24的雙折射等，所以在四分之一波長板25產生的偏振不充分的情況下，一部分高次諧波穿過偏振分光鏡22，成為返回光26而返回到SHG元件側。通過相對于波導光的傳播方向傾斜地切割SHG元件的輸出端面，可防止光波導路徑12的輸出端面中的對共焦點光學系統內的反射。此外，返回到光波導路徑12內的光由光學薄膜14分離或吸收，在共焦點光學系統內沒有幹擾分量，所以能夠完全抑制共焦點光學系內的幹擾噪音的發生。而且，由於也沒有對半導體雷射器13的高次諧波分量的返回光，所以還提高了半導體雷射器13的穩定性。
下面，參照圖2～圖5來說明作為本實施例的光學裝置的主要部件的光波導路徑器件的SHG元件的細節。圖2是表示本發明第1實施例的SHG元件的示意剖面圖，圖3是表示光波導路徑和光學薄膜的分散折射率的圖，圖4是表示圖3所示的波長A(短波長)的光在光波導路徑上傳播的情況下的波導模的形狀的圖，圖5是表示圖3所示的波長B(長波長)的光在光波導路徑上傳播的情況下的波導模的形狀的圖。
如圖2所示，在光學材料基板1的表面上形成光波導路徑2，在光波導路徑2的表面上形成光學薄膜3。再者，如圖3所示，光波導路徑2(折射率N2)和光學薄膜3(折射率N1)的分散折射率有所不同，折射率的大小關係因波長而相反。在本實施例中，相對於圖3A所示的波長(短波長)的光，N1＞N2的關係成立，而相對於圖3B所示的波長(長波長)的光，N2＞N1的關係成立。
在圖4所示的波長A(短波長)的光在光波導路徑2上傳播的情況下的波導模中，(I)表示在未形成光學薄膜3的區域中的波導模的電場分布，(II)表示在形成光學薄膜3的區域中的波導模的電場分布。如圖4所示，可在光波導路徑2上傳播的短波長的波導光通過光學薄膜3被封閉在光學薄膜3內。而且，如果利用該效果，那麼可將光波導路徑2內的波長A(短波長)的光從光波導路徑2內分離到光學薄膜3內。
在圖5所示的波長B(長波長)的光在光波導路徑2上傳播的情況下的波導模中，(III)表示在未形成光學薄膜3的區域中的波導模的電場分布，(IV)表示在形成光學薄膜3的區域中的波導模的電場分布。如圖5所示，波長B(長波長)的光幾乎未受到光學薄膜3產生的影響。
如上所述，通過在光波導路徑2的表面上形成光學薄膜3，波長A(短波長)的光分離在光學薄膜3內，而波長B(長波長)的光可在光波導路徑2上傳播。即，利用光學薄膜3和光波導路徑2的分散特性的不同，能夠通過波長來分離在光波導路徑2上傳播的光。
再有，在本實施例中，舉例說明了光學薄膜3的折射率在短波長區域中超過光波導路徑2的折射率的情況，但即使光學薄膜3和光波導路徑2的折射率的大小關係與此相反，也沒有任何問題。在這種情況下，長波長的光由光學薄膜3吸收或散射。
此外，光學薄膜也可以作為對波導光產生影響的膜來使用。通過將光學薄膜形成格柵形狀，可獲得對波導光的衍射效果。而且，由於光學薄膜的折射率因波長而有所不同，所以可以調整光學薄膜的衍射效果。
在具有光學薄膜3的光波導路徑部分和除此以外的光波導路徑部分中，由于波導模因波長而極大地不同，所以存在模耦合損失。為了降低這種損失，通過將光學薄膜形成錐狀，緩慢地改變其厚度，將波導光慢慢導入光學薄膜，就可以降低散射損失。而且，通過將光學薄膜部分進行三維光波導路徑化，可以將不同波長的光導入不同的地方。
在本實施例的SHG元件中，對於兩個波長的光進行波導光的分離，但也可以從傳播三個以上波長的光的光波導路徑中分離指定波長的光。
此外，作為光學薄膜，可使用多層膜構造。通過使用多層膜構造的光學薄膜，使膜的分散特性控制容易，可以調整光波導路徑2和光學薄膜的分散關係。而且，在通過光學薄膜來吸收分離的光的情況下，對於分離到多層膜構造的光學薄膜上的光來說，通過插入吸收係數大的膜，使光的吸收變得容易。
在本實施例中，說明防止光波導路徑器件中的高次諧波的返回光的部件。如上所述，在使用光波導路徑器件來構成光學裝置的情況下，光波導路徑的端面(入射端面和射出端面)和聚光點構成共焦點光學系統，共焦點間的反射返回光成為幹擾噪聲的原因。對於光波導路徑的輸出端面來說，通過相對于波導光的傳播方向傾斜地切割該端面等，可以防止對共焦點光學系統內的反射並可以降低幹擾噪聲，但難以降低與光波導路徑的入射端面有關的幹擾噪聲。這是因為在圖1所示的考慮到半導體雷射器13和光波導路徑12的直接耦合的情況下，光波導路徑12的入射端面相對于波導光的傳播方向傾斜時，與半導體雷射器13的耦合效率下降。
為了降低與光波導路徑的入射端面有關的反射光，使用本發明的光學薄膜的結構是有效的。圖6表示形成了光學薄膜的光波導路徑器件(SHG元件)的結構。如圖6所示，該光波導路徑器件包括在摻雜MgO的LiNbO3基板10上形成的光波導路徑12和周期性分極反向區域11。在光波導路徑12的入射端面上，半導體雷射器13直接耦合，從半導體雷射器13射出的基波在光波導路徑12內通過周期性的分極反向區域11被變換成高次諧波，從光波導路徑12的另一端(射出端面)射出。在利用二次高次諧波的情況下，高次諧波的波長相對於基波的波長λ變為λ/2。例如，如果使用波長800nm左右的紅外半導體雷射器，那麼可以獲得波長400nm的紫色的SHG光。在光波導路徑12的入射端面附近，形成光學薄膜14。由光學系統進行反射並反饋到光波導路徑12上的高次諧波通過光學薄膜14散射或吸收，所以並不是到達光波導路徑12的入射端面。因此，即使在構成共焦點光學系統的情況下，也不發生反射返回光造成的幹擾噪聲，可以進行低噪聲的信號光的檢測。另一方面，在未形成光學薄膜的情況下，產生幹擾噪聲，信號光的噪聲分量大幅度地增大。
光波導路徑12通過將摻雜MgO的LiNbO3基板10在吡咯啉酸中進行質子交換而形成。作為光學薄膜14，為了控制光波導路徑12和光學薄膜14的分散折射率的關係，使用Nb2O5和WO3的混合膜。如圖3所示，對於質子交換光波導路徑12的折射率(N2)來說，在波長400nm(波長A)的光中，光學薄膜14的折射率(N1)超過光波導路徑12的折射率(N2)，在波長800nm(波長B)中，光學薄膜14的折射率(N1)低於光波導路徑12的折射率。波長800nm帶的基波的波導模與圖5同樣，通過光學薄膜14幾乎沒有對波導模的影響。因此，基波通過光學薄膜14未受到散射、吸收損失的影響，可以以低傳播損失在光波導路徑12中傳播。另一方面，對于波長400nm帶的SHG光來說，光學薄膜14有比光波導路徑12高的折射率。因此，如圖4所示，在帶有光學薄膜14的光波導路徑部分和除此以外的光波導路徑部分中波導光的傳播狀態極大不同。在帶有光學薄膜14的光波導路徑部分中，SHG光在光學薄膜部分傳播。因此，使到達光波導路徑12端面的SHG光衰減，SHG光的返回光被大幅度降低。
為了進一步降低SHG光的返回光，利用膜的吸收作用是有效的。如圖4所示，為了將SHG光拉到光學薄膜14內，在光學薄膜14相對於SHG光的吸收係數大的情況下，通過光學薄膜14以高效率吸收SHG光。因此，即使在光波導路徑12的製作誤差大的情況下，也使返回光衰減。例如，如果相對於SHG光的光學薄膜14的吸收係數的值在0.001以上，那麼通過幾百μm長的光學薄膜14可以使SHG光衰減至1/10以下。再有，在光學薄膜自身吸收係數小的情況下，通過將吸收係數大的膜堆積在光學薄膜的上表面或下表面的至少某一個上，可以增大作為膜整體的吸收係數。例如，如果使用Si膜，那麼可以使吸收係數增大若干倍，非常有效。通過將光學薄膜形成多層構造，可以改變膜的構造，而且，通過光學薄膜將SHG光的電場分布拉到表面，還可獲得增大吸收膜的吸收效果。
如果形成光學薄膜14，那麼如圖4所示，可以大幅度改變模的形狀。這表示通過光學薄膜14的存在與否，光波導路徑12的有效折射率極大地變化，由此造成折射率之差產生的菲涅耳反射。即，返回到光波導路徑12的SHG光在光學薄膜14的端部附近反射，這成為返回光噪聲的主要原因。為了防止它，在圖6所示的光波導路徑器件(SHG元件)中，採用光學薄膜14的端部的法線與波導光的傳播方向(光波導路徑12的縱向方向)傾斜的結構。通過使光學薄膜的端部相對于波導光的傳播方向傾斜，可以大幅度降低對該部分的波導光的傳播方向(光波導路徑12的縱向方向)的反射。
在本實施例中，為了控制光波導路徑12和光學薄膜14的分散折射率的關係，使用Nb2O5和WO3的混合膜，但通過形成使用它們的多層膜也可以獲得同樣的效果。通過WO3、CrO3、TiO2的混合膜或多層膜也可以獲得同樣的效果。氧化物的膜的吸收係數小，對光波導路徑12的傳播損失產生的影響小，所以期望採用氧化物的膜。在波長400nm附近的短波長區域中特別有效。
在本實施例中，利用光波導路徑和光學薄膜的折射率的波長分散特性之差。一般地，材料的折射率的波長分散呈現緩慢的變化，在材料間折射率的大小相反，並且在其差變大時，需要程度不同的波長差。在波長差為數十nm左右時，難以獲得大的折射率差。因此，期望波長差在100nm以上，波長的絕對值的大小之差在20％以上。從這樣的觀點來看，由於二次高次諧波和三次高次諧波與基波的波長差大，絕對值的大小也有2倍、3倍的不同，所以具有可以增大折射率差的優點。
在折射率的大小為相反程度時，折射率的波長分散特性極大變化的部位是材料的吸收端附近。因此，期望作為光學薄膜使用的材料是高次諧波的波長區域處於材料的透過截止附近的材料。由於材料的吸收端存在於短波長區域，所以從波長450nm以下的藍色光來分離紫外線光和紅外光特別有效。
在本實施例中，舉例說明了在光波導路徑12的表面上形成光學薄膜14的情況，但在光波導路徑的背面或側面形成光學薄膜也可獲得同樣的效果。例如，如圖7所示，在基板10上形成對薄膜狀的結晶實施脊形加工的光波導路徑12的情況下，在光波導路徑12的背面或側面的一部分上可以形成光學薄膜14，可獲得與在光波導路徑12的表面上形成光學薄膜14情況的同樣的效果。在這種情況的脊形構造中，光波導路徑12的寬度和厚度為幾μm，以便光波導路徑12進行單模傳播。作為光波導路徑12的材料，可以使用KTP、LiNbO3、LiTaO3等結晶，或摻雜了Mg、Zn、In、Sc等的LiNbO3、LiTaO3等結晶。而且，由於這些材料在抗損傷性方面良好，所以可以實現高輸出特性。
在本實施例中，光學薄膜14僅用於高次諧波分量的分離，但也可以應用於利用分離的光的光學系統。例如，在傳播多個波長不同的光的光波導路徑中，也可以應用於通過各個波長來分離光的波長分離光學系統。此外，通過形成波長分散的多個光學薄膜，可以對光進行分離並分派給其他光波導路徑。但是，在這種情況下，在光學薄膜的端部波導模急劇地變化，需要防止波導模的失配產生的散射。例如，在光學薄膜的端部，通過採用膜厚緩慢變化的錐形構造，可以降低散射損失。
本實施例的結構也可以應用於使用了高折射率覆蓋層的光波導路徑。該構造是通過在光波導路徑上堆積折射率比光波導路徑高的層而強化光波導路徑的封閉的構造，通過應用於SHG元件，可以強化光波導路徑的封閉，實現高效率變換。而且，通過在該光波導路徑的表面或背面上形成光學薄膜，可以獲得與上述相同的效果。特別是在帶有高折射率覆蓋層的光波導路徑的情況下，在光波導路徑的背面上形成光學薄膜是有效的。在使用高折射率覆蓋層的SHG元件中，在光波導路徑上傳播的基波以基模來傳播，高次諧波以高次模來傳播。再有，在高折射率覆蓋層上形成光學薄膜的情況下，光學薄膜對於基模的基波的模變化影響大，而對於高次模的高次諧波的模變化幾乎沒有影響。在通過光學薄膜來分離高次諧波分量的情況下，通過在光波導路徑的背面形成光學薄膜，可以高效率地分離高次諧波分量。
在圖6所示的光波導路徑器件(SHG元件)中，在其入射側端面上裝填相對於高次諧波和基波這兩個波長的光的防反射膜(未圖示)。在通常的SHG元件的入射側端面上，為了防止基波對半導體雷射器的返回光，一般裝填相對於基波的防反射膜。對於來自光學系統側的高次諧波的返回光來說，即使在通過光學薄膜的吸收返回光並未完全被消除的情況下，也通過在SHG元件的入射側端面上裝填相對於高次諧波的防反射膜，可以進一步降低相對於高次諧波的反射率。這種情況下，期望裝填可以使高次諧波的反射率降低至1％以下的防反射膜。就實現相對於兩個波長的光的防反射膜特性來說，需要多層構造的膜。在膜的設計中，需要折射率不同的兩種以上的物質。作為材料，可以使用SiO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、HfO2、CeO2、Si3N4等。通過形成相對於高次諧波和基波這兩個波長的光的防反射膜，可以使基波更高效率地與光波導路徑耦合。而且，由於還可以降低對半導體雷射器的返回光噪聲，所以是有效的手段。
如上所述，將光學薄膜形成多層膜構造，通過插入具有高次諧波吸收特性的膜(高次諧波吸收部件)，可以使高次諧波高效率地衰減。這種情況下，通過在多層膜構造的光學薄膜的上表面或下表面的至少一個上堆積具有高次諧波吸收特性的膜，可以進一步高效率地衰減高次諧波。在使用波長820nm的近紅外光作為基波，使用波長410nm的藍色光作為高次諧波的情況下，作為具有高次諧波吸收特性的膜，例如可以使用氧化鈦、Si、氧化鋇、硒化鋅、磷化鉀等材料。這些材料相對於紅外區域的光是透明的，並且具有吸收藍色光的分光特性，可以使用濺射等技術以薄膜狀裝填在光波導路徑上。對於使用紅色光作為基波、使用紫外光作為高次諧波等使用與上述例不同波長的光的器件來說，作為高次諧波吸收部件，使用其他材料。
在上述第1和第2實施例中，舉例說明了使用SHG元件作為光波導路徑器件的情況，但光波導路徑器件不特別限定於SHG元件。例如，作為光波導路徑器件，也可考慮高速調製元件、移相器、移頻器、偏振控制元件等各種各樣功能、結構的器件，在使用了這些光波導路徑器件或包含光波導路徑器件的相干光源的所有光學系統中都可以應用本發明的光波導路徑器件。但是，在使用了SHG元件的光源中，作為半導體雷射器，大多使用可幹擾性高的DBR半導體雷射器以便產生可幹擾性高的高次諧波，但相反也容易產生幹擾噪聲，而通過與本實施例的光波導路徑器件進行組合，可以特別有效地降低幹擾噪聲。
圖8是表示本發明第3實施例的光學裝置的示意斜視圖，圖9是圖8的平面圖，圖10是表示本發明第3實施例的相干光源的示意斜視圖。
在本實施例中，作為光學裝置30的主要結構部件的光波導路徑器件，使用具有以下結構的SHG元件35。
如圖1～圖3所示，在LiNbO3結晶組成的光學材料基板32的表面上，通過質子交換法形成寬度約3μm、深度約2μm的高折射率區域，該高折射率區域具有作為光波導路徑33的功能。從半導體雷射器34射出的基波(波長820nm)被聚光在SHG元件35的入射端面35a上，在SHG元件35上的光波導路徑33內進行傳播而成為基波波導光。作為光學材料基板32的基板材料的LiNbO3結晶有很大的非線性光學常數，由基波的電場來激勵波長變換了二分之一的410nm波長的高次諧波波導光。此外，為了補償基波和高次諧波的傳播常數差，在波導路徑33上形成周期性的分極反向區域36，將波導路徑33的整個區域中被激勵的高次諧波相干地相加，從光波導路徑33的射出端面射出。此外，為了正確地補償基波和高次諧波的傳播常數差，需要正確一定地保證基波的波長，所以作為半導體雷射器34，使用具有DBR區域、溫度等造成的波長變動非常小的DBR半導體雷射器。這裡，將半導體雷射器34和SHG元件35直接耦合。
在半導體雷射器34的射出端面34a上，形成相對於由SHG元件35進行了波長變換所得的光的高次諧波(波長410nm)的防反射膜37。防反射膜37是由折射率高的材料和折射率低的材料組成的多層膜。因此，防反射膜37具有防止從外部返回的高次諧波的反射特性，同時具有用於提高半導體雷射器34的振蕩頻率、控制基波的反射率的特性。將防反射膜37的高次諧波的反射率設定在1％以下。作為折射率高的材料，例如可以使用Si、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、HfO2、ZrO2、ZnO等，作為折射率低的材料，例如可以使用SiO2、MgO、Al2O3等。
將SHG元件35的輸出端面35b相對于波導光的傳播方向傾斜地切割。因此，從SHG元件35輸出的光相對于波導光的傳播方向傾斜地射出。在SHG元件35的入射端面35a上，形成基波和高次諧波各自的多層膜構成的防反射膜38a、38b。作為SHG元件35的入射端面35a上形成的防反射膜38a的材料，期望使用相對於基波的吸收率小的材料。作為SHG元件35的射出端面35b上形成的防反射膜38b的材料，期望使用相對於高次諧波的吸收率小的材料。作為防反射膜38a、38b的材料，例如可以將TiO2、Nb2O5、SiO2、Ta2O5形成單層或多層來使用。
如上所述，通過半導體雷射器34和具有上述結構的SHG元件35來構成相干光源31。
下面，參照圖8、圖9來說明包括相干光源31的光學裝置(光拾取器光學系統)30的工作情況。
如圖8、圖9所示，從半導體雷射器34射出的光依次通過相干光學系統的準直透鏡39、偏振分光鏡40、四分之一波長板41和物鏡42後，被聚光在作為被觀測物體的光碟43上。將準直透鏡39配置在來自SHG元件35的光波導路徑33的射出光分布的中心，從光波導路徑33相對于波導光的傳播方向傾斜射出的高次諧波通過準直透鏡39成為大致的平行光。這裡，光碟(被觀測物體)43的表面和SHG元件(光波導路徑器件)35的射出端面35b構成共焦點光學系統。
從半導體雷射器34射出的波長λ1的基波入射到SHG元件35上時，使波長λ1的基波照射到SHG元件35的入射端面35a上。但是，由於在SHG元件35的入射端面35a上形成防反射膜38a，所以可以防止SHG元件35的入射端面35a中的波長λ1的基波的反射，可以降低該部分的返回光的發生。因此，可以防止波長λ1的基波對半導體雷射器34的有源層的反饋，可以降低該返回光產生的噪聲。
在本實施例中，為了實現相干光源31的小型化，採用將半導體雷射器34和SHG元件35直接耦合的結構。此時，控制半導體雷射器34和SHG元件35的入射端面35a的距離，以便提高半導體雷射器34和SHG元件35的耦合效率。如果該距離在5μm以上，則產生1dB以上的耦合損失。通過在SHG元件35的入射端面35a上形成防反射膜38a，半導體雷射器34和SHG元件35的端面的距離縮小到防反射膜38的膜厚度，使半導體雷射器34和SHG元件35的偶合效率提高。
在波長λ1的基波從SHG元件35射出時，波長λ1的基波照射到SHG元件35的射出端面35b上。但是，由於在SHG元件35的射出端面35b上形成防反射膜38b，所以可以防止SHG元件35的輸出端面35b中的波長λ1的基波的反射，可以降低該部分的返回光的產生。因此，可以防止波長λ1的基波對半導體雷射器34的有源層內的反饋，可以降低該返回光產生的噪聲。而且，由於將SHG元件35的射出端面35b相對于波導光的傳播方向傾斜地切割，所以由SHG元件35的輸出端面35b反射的波長λ1的基波難以進入到光波導路徑33內。
本實施例的相干光源31的另一特徵在於，從共焦點光學系統反饋的波長λ1的基波非常少。由於本實施例的相干光源31是以利用由基波變換所得的波長λs的高次諧波為主要目的的光源，所以共焦點光學系統相對于波長λs的高次諧波來構成。因此，波長λ1的基波從外部反饋到相干光源31的比例非常小。其結果，可以使從光波導路徑33的射出端面反饋到半導體雷射器34的返回光降低至-40dB以下，難以產生該返回光造成的噪聲。
光碟43反射的高次諧波通過四分之一波長板41使偏振旋轉，由偏振分光鏡40反射後，被導入光檢測器44，由此獲得再現信號。
但是，由相干光源31的外部的某個地方反射的光反回到相干光源31的情況是存在的。例如，在因光碟43的雙折射等而使四分之一波長板41的偏振不充分的情況下，高次諧波的一部分穿過偏振分光鏡40，造成返回到SHG元件35側而成為返回光。
在從外部向相干光源31反饋波長λs的高次諧波的情況下，波長λs的高次諧波照射到SHG元件35的射出端面35b。但是，由於在SHG元件35的射出端面35b上形成防反射膜38b，所以可以防止SHG元件35的射出端面35b中的波長λs的高次諧波的反射，可以降低該部分的反射光的產生。因此，可以防止從SHG元件35射出的波長λs的高次諧波和反射光的幹擾，可以降低通過這些幹擾產生的成為噪聲的幹擾噪聲。此外，通過該防反射膜38b，可以提高從基波向高次諧波的波長變換效率。
而且，由於將SHG元件35的射出端面35b相對于波導光的傳播方向傾斜切割，所以由SHG元件35的射出端面35b反射的波長λs的高次諧波難以進入到光波導路徑33內。因此，可以防止從SHG元件35射出的波長λs的高次諧波和反射光的幹擾，可以降低因這些幹擾產生的幹擾噪聲。
從SHG元件35的射出端面35b進入的波長λs的高次諧波照射到SHG元件35的入射端面35a。但是，由於在SHG元件35的入射端面35a上形成防反射膜38a，所以可以防止SHG元件35的入射端面35a中的波長λs的高次諧波的反射，可以降低該部分的反射光的發生。因此，可以防止入射到SHG元件35的波長λ1的基波和反射光的幹擾，可以降低因這些幹擾產生的幹擾噪聲。
而且，波長λs的高次諧波照射到半導體雷射器34的入射端面34a。但是，由於在半導體雷射器34的入射端面34a上形成防反射膜37，所以可以防止半導體雷射器34的入射端面34a中的波長λs的高次諧波的反射，可以降低該部分的反射光的發生。因此，可以防止從半導體雷射器34射出的波長λ1的基波和反射光的幹擾，可以降低因這些幹擾產生的成為噪聲的幹擾噪聲。半導體雷射器34的折射率在3以上，引起大的菲涅耳反射。因此，以往存在因半導體雷射器34的射出端面34a中的反射光和來自半導體雷射器34的射出光的幹擾而產生噪聲的問題。但是，通過在半導體雷射器34的射出端面34a上形成防反射膜37，可以消除該問題。
而且，為了進入到半導體雷射器34內的波長λs的高次諧波在半導體雷射器34內不反射，期望在半導體雷射器34的射出端面34a的附近採用可吸收波長λs的高次諧波的結構。在波長λs比波長λ1小的情況下，半導體雷射器34本身吸收波長λs的高次諧波。即，穿過半導體雷射器34的射出端面34a上形成的防反射膜37的光在半導體雷射器34的射出端面34a附近被迅速地吸收。而且，如三次高次諧波、四次高次諧波等那樣，即使在波長比基波(波長λ1)小的情況下，同樣也可降低返回光噪聲。
作為特別的情況，下面說明高次諧波的波長λs比基波的波長λ1大的情況。例如，在利用頻率差或參數振蕩的情況下，可能產生波長比基波大的高次諧波。在波長λs比波長λ1大的情況下，由于波長λs的光未被半導體雷射器34吸收，所以需要吸收波長λs的光的構造。例如，在半導體雷射器34的射出端面34a和防反射膜37之間，通過設置吸收高次諧波的吸收膜(未圖示)，來吸收透過防反射膜37的高次諧波，可以降低幹擾噪聲的產生。由於高次諧波與從半導體雷射器34射出的光的波長不同，所以可以容易地形成能夠吸收高次諧波而不對來自半導體雷射器34的射出光產生影響的構造。
形成吸收膜的結構也有高次諧波的波長λs比基波的波長λ1小的情況。在波長λs的高次諧波從外部通過防反射膜37直接反饋到半導體雷射器34的射出端面34a的情況下，半導體雷射器34的端部的振蕩狀態變化，可能成為噪聲的原因。為了解決該問題，使用吸收膜，採用吸收反饋的波長λs的高次諧波的結構是有效的。作為防反射膜37的材料，也可以使用不吸收從半導體雷射器34射出的光，而僅吸收高次諧波的材料。例如，可以使用Si、Bi2O3。此外，也可以使用僅使高次諧波散射的材料。
本實施例的結構特徵在於以下兩點。第一點，為了降低對半導體雷射器34產生的返回光引起的噪聲，分別在SHG元件35的入射端面35a和射出端面35b上形成對基波的防反射膜38a、38b。為了降低對高次諧波的幹擾噪聲，分別在SHG元件35的入射端面35a和射出端面35b上形成對高次諧波的防反射膜38a、38b是有效的。因此，在SHG元件35的入射端面35a和輸出端面35b上形成分別對於基波和高次諧波的防反射膜38a、38b是有效的。特別是對於幹擾噪聲來說，還考慮到反射光的光路，需要在以往要形成相對於單一波長的防反射膜的表面上形成相對於兩波長的防反射膜。
第二點，在半導體雷射器34的射出端面34a上形成通過SHG元件35而改變波長的光的相對于波長λs的光的防反射膜37。特別是為了避免半導體雷射器34的振蕩效率等的下降，需要形成同時具備相對於半導體雷射器34的振蕩光的反射條件、以及相對于波長λs的光的反射防止特性的防反射膜37。在半導體雷射器34的射出端面34a上，形成降低相對於半導體雷射器34的射出光的反射率的多層膜，以便提高半導體雷射器34的振蕩效率，防止半導體雷射器34的端面損壞。對於從半導體雷射器34射出的光來說，通過形成具有以往那樣的反射率、相對於來自外部的高次諧波具有防反射效果的多層膜構造，可以不改變製作過程和成本就實現適合於SHG元件35的半導體雷射器34。
本實施例的相干光源31的結構對於將半導體雷射器34和SHG元件35直接耦合的結構特別有效。如果使半導體雷射器34和SHG元件35直接耦合，那麼SHG元件35的光波導路徑33的入射端面和半導體雷射器34的射出端面34a成為靠近狀態。因此，來自外部的返回光被半導體雷射器34的射出端面34a反射，容易與光波導路徑33耦合，成為幹擾噪聲分量。相反，在使用耦合透鏡來使半導體雷射器34和SHG元件35耦合的情況下，半導體雷射器34的射出端面34a中的反射幾乎沒有問題。
例如，考慮通過耦合透鏡系統使來自半導體雷射器34的射出光耦合在SHG元件35的光波導路徑33上的情況。從外部返回的波長變換光在光波導路徑33上傳播後，從SHG元件35的入射端面35a射出，通過偶合透鏡系統到達半導體雷射器34的射出端面34a。所述波長變換光由該射出端面34a反射，通過耦合透鏡系統再次與光波導路徑33耦合後，成為幹擾噪聲分量。但是，實際上，通過該路徑成為幹擾噪聲分量的光量非常小。這是因為來自半導體雷射器34的射出光和波長變換光的波長有所不同，所以在偶合透鏡系統中產生色像差。即，因為對於來自半導體雷射器34的射出光來說，在構成的偶合透鏡系統中，由於相對于波長變換光的像差增大，即使通過與來自半導體雷射器34的射出光相同的光路，波長變換光的聚光特性也惡化，耦合到光波導路徑33上的波長變換光的光量大幅度地降低。
在本實施例中，舉例說明了使用SHG元件作為光波導路徑器件的情況，但光波導路徑器件並不特別限定於SHG元件。例如，也可考慮高速調製元件、移相器、移頻器、偏振控制元件等各種各樣功能、結構的器件，在使用了這些光波導路徑器件和包含光波導路徑器件的相干光源的所有光學系統中都可以應用本發明的光波導路徑器件。
但是，在使用了SHG元件的相干光源中，作為半導體雷射器，大多使用可幹擾性高的DBR半導體雷射器以便產生可幹擾性高的高次諧波，但相反也容易產生幹擾噪聲，而通過使用本發明的光波導路徑器件來構成SHG元件，可以特別有效地降低幹擾噪聲。例如，使用波長不同的多個半導體雷射器，將從各半導體雷射器射出的波長λ1、λ2、λ3、…、λn的基波通過SHG元件變換為波長λs1、λs2、λs3、…、λsn的高次諧波的相干光源中，需要降低對于波長λs1、λs2、λs3、…、λsn的高次諧波的幹擾噪聲。這種情況下，需要在各半導體雷射器的射出端面上形成對于波長λs1、λs2、λs3、…、λsn的高次諧波的防反射膜。再者，如果決定特別需要降低幹擾噪聲的波長，那麼也可以形成對於該波長的防反射膜。
在本實施例中，說明了在半導體雷射器34的射出端面34a上形成防反射膜37，在SHG元件35的入射端面35和射出端面35b上分別形成防反射膜38a、38b的情況，但本發明不一定限於該結構。例如，可以是僅在半導體雷射器34的射出端面34a和SHG元件35的入射端面35a上分別形成防反射膜37、38a的結構，也可以是僅在半導體雷射器34的射出端面34a和SHG元件35的射出端面35b上分別形成防反射膜37、38b的結構。此外，可以是僅在半導體雷射器34的射出端面34a上形成防反射膜37的結構，也可以是僅在SHG元件35的入射端面35a和射出端面35b上分別形成防反射膜38a、38b的結構。
在本實施例中，舉例說明了將SHG元件35的射出端面35b相對于波導光的傳播方向傾斜切割的情況，但本發明不一定限於該結構。例如，如圖11所示，SHG元件35的形狀大致也可以是長方體。
在以下的實施例中，說明即使在光碟的再現時產生的藍色光(高次諧波)返回到光波導路徑器件的光波導路徑內的情況下，通過吸收該藍色光，從而不受到返回光的影響，獲得沒有惡化的穩定的再現信號的方法。同時，說明將基波的導波損失控制到最小，實現從基波到藍色光的變換效率高的光波導路徑器件的方法。
在以下的實施例中，說明使用在X板摻雜MgO的LiNbO3基板上製作的光波導路徑式模擬相位匹配(Quasi-Phase-Matched)的SHG器件(以下記為『光波導路徑式QPM-SHG器件』)作為光波導路徑器件，使用具有可幹擾性高的波長可變功能的波長可變半導體雷射器作為半導體雷射器的SHG藍色光源。
在本實施例中，說明包括吸收高次諧波的高次諧波吸收區域和不吸收高次諧波的高次諧波非吸收區域，基波在高次諧波吸收區域和高次諧波非吸收區域都以0次橫模傳播，並且兩區域中的基波的波導模量一致結構的光波導路徑器件。
圖12A表示本實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件的結構。如圖12A所示，在高次諧波吸收區域50和高次諧波非吸收區域51中，波導路徑構造有所不同。在這樣的光波導路徑器件中，一般地，由於各個區域(高次諧波吸收區域50和高次諧波非吸收區域51)中的波導模量不同，所以在高次諧波吸收區域50和高次諧波非吸收區域51的連接部C中波導光的一部分被發射到X板摻雜MgO的LiNbO3基板52中，會產生波導功率的損失。本實施例通過使兩區域中的基波的波導模量一致，將基波的發射損失抑制到最小限，實現效率高的SHG藍色光源。
具體地說，在質子交換光波導路徑53上，在高次諧波吸收區域50中裝填作為高次諧波吸收膜的Si膜54、在高次諧波非吸收區域51中裝填具有高折射率的Nb2O5膜55所得的波導路徑構造。然後，在高次諧波非吸收區域51中，在波導層(質子交換光波導路徑35)及Nb2O5膜55內傳播波導光，在高次諧波吸收區域50中，在波導層(質子交換光波導路徑53)及Si膜54內傳播波導光。這裡，Si膜54及Nb2O5膜55的基波的波長區域中的折射率分別為3.4、2.4，成為比波導層(質子交換光波導路徑53)的折射率(約2.2)高的值。如圖12B所示，由于波導光有集中於高折射率部分的傾向，所以隨著Nb2O5膜55和Si膜54的膜厚變厚，基波的波導模的電場分布57、58偏靠在X板摻雜MgO的LiNbO3基板52的上部，並且成為非對稱的形狀。在高次諧波非吸收區域51中使用具有高折射率的Nb2O5膜55的原因在於，基波的波導模被拉近到質子交換光波導路徑53的表面，可以獲得基波和高次諧波的大的重疊，由此可以期待高的波長變換效率。在本實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件(光波導路徑器件)中，利用該特性，使Si膜15的膜厚最佳化，以便與高次諧波吸收區域50和高次諧波非吸收區域51中的基波的波導模量一致。即，使Si膜15的膜厚最佳化，以便與高次諧波吸收區域50和高次諧波非吸收區域51中的基波的波導模量一致。這裡，由於使作為高次諧波吸收膜的Si膜54處於基波的入射側端面附近的原因在於，最大限度地確保產生的藍色光的輸出。例如，在作為高次諧波吸收膜的Si膜54處於光波導路徑器件的中心位置的情況下，在其附近產生的藍色光全部被Si膜54吸收，使藍色光的輸出下降。
下面，說明作為本實施例的光波導路徑器件的光波導路徑式QPM-SHG器件的製作方法。首先，在X板摻雜MgO的LiNbO3基板52上，通過質子交換法形成光波導路徑53後，在質子交換光波導路徑53上依次成膜Si膜54和SiO2膜56。接著，通過光刻、腐蝕工序對Si膜54和SiO2膜56構圖後，在整個表面上成膜Nb2O5膜55。這裡，SiO2膜56是低折射率緩衝層，以便裝填了Si膜54的部分(高次諧波吸收區域50)中的波導模量不受其上面的Nb2O5膜55的影響。
通過濺射法成膜的Nb2O5膜和通過電子束鍍敷法成膜的Si膜相對于波長800nm的光(基波)的折射率預先分別測定為2.3和3.0。使用該值，通過計算機模擬來計算基波的波導模量時，可求出Nb2O5膜的膜厚為170nm時的Si膜的最合適的膜厚為20nm。接著，製作Nb2O5膜55的膜厚為170nm、改變Si膜54的膜厚來製作具有上述結構的樣本器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)，觀測基波的波導模量。與上述計算機模擬的情況相同，在Si膜54的膜厚為20nm時裝填了Si膜54的部分(高次諧波吸收區域50)和裝填了Nb2O5膜55的部分(高次諧波非吸收區域51)中的基波的波導模量最一致，兩區域中的基波的波導模量之差在10％以內。此外，在測定Si膜54的波導光的傳播方向的長度為0.2mm的樣本器件的波導光傳播效率時，可確認在裝填了Si膜54的部分(高次諧波吸收區域50)中進行傳播時的基波的波導損失在5％以下，高次諧波的透射率為5％。
在本實施例的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)中，由於在裝填了Si膜54的部分(高次諧波吸收區域50)中進行傳播時的基波的波導損失在5％以下，所以與基波的波導功率的平方成正比產生的藍色光因附加作為高次諧波吸收膜的Si膜54產生的輸出下降被抑制在10％以內。
另一方面，在使Si膜54的膜厚為與最佳值不同的15nm而製作的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)中，裝填了Si膜54的部分(高次諧波吸收區域50)和裝填了Nb2O5膜55的部分(高次諧波非吸收區域51)中的基波的波導模量的差為50％。這種情況下，在測定Si膜54的波導光的傳播方向的長度為0.2mm的樣本器件的波導光傳播效率時，可確認在裝填了Si膜54的部分(高次諧波吸收區域50)中進行傳播時的基波的波導損失為20％。此外，藍色光的輸出與未附加作為高次諧波吸收膜的Si膜54的器件相比下降了約40％。
從以上可知，如本實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件，通過使作為高次諧波吸收膜的Si膜54的膜厚最佳化，使高次諧波吸收區域50和高次諧波非吸收區域51中的基波的波導模量一致，可以實現高輸出的SHG藍色光源。
分別使用本實施例的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)和沒有高次諧波吸收膜(藍色吸收部)的現有的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)，來製作SHG藍色光源，裝載在光拾取器上。然後，使用這些光源，進行來自鏡面盤的再現信號的比較評價。圖13表示觀測出的反射光強度信號(再現信號)的時間變化。來自鏡面盤的再現信號獲得一定值，在使用現有的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)的情況下的再現信號中，觀測到對DC分量比約4％的幹擾噪聲振幅。相反，在使用本實施例的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)的情況下，幹擾噪聲被抑制到0.1％以下，可確認噪聲降低效果。
歸納以上方面，如果使用本實施例的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)，即使在通過波長變換獲得的藍色光由光碟反射而返回到SHG藍色光內的情況下，通過高次諧波吸收膜將該藍色光吸收在SHG藍色光源內，可以不受返回光的影響，在低噪聲下將光碟進行再現。因此，本實施例的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)的實用效果大。而且，在本實施例中，通過在處於質子交換光波導路徑53的基波入射側端面附近的高次諧波吸收區域50中成膜最佳化膜厚的Si膜54，使在高次諧波非吸收區域51中的質子交換光波導路徑53上傳播的基波的波導模量和在高次諧波吸收區域50中的質子交換光波導路徑53上傳播的基波的波導模量一致，可以降低高次諧波吸收區域50和高次諧波非吸收區域51的連接部中的基波的波導損失。其結果，使基波在質子交換光波導路徑53內高效率地傳播，可以高效率地獲得藍色光。因此，本實施例的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)的實用效果大。
在本實施例中，使用Si膜作為高次諧波吸收膜，但作為高次諧波吸收膜的材料，使用高次諧波的波長區域中的衰減係數比基波的波長區域中的衰減係數大的材料就可以。ZnSe膜或GaP膜在基波的波長區域中的衰減係數比Si膜小，並且在高次諧波的波長區域中的衰減係數比Si膜大，效率更高地傳播基波，效率更高地吸收高次諧波，所以可用作高次諧波吸收膜。
此外，高次諧波吸收膜不限定於半導體膜，也可以使用折射率大的介質薄膜。例如，作為氧化物介質膜的TiO2膜是折射率大的膜，但在高次諧波的波長區域中的衰減係數小。但是，通過減少在膜中包含的氧的量，可以增大衰減係數是眾所周知的。通過減小成膜時的氧分壓，可以形成標記為TiOx(x＜2)的氧含量少的膜。在實驗中，通過使用標記為TiOx(x＜1.9)的膜，可確認能夠充分吸收高次諧波。此外，通過使用標記為TiOx(x＜1.8)的膜，衰減係數進一步增大，能夠縮短高次諧波吸收區域的波導光的傳播方向的長度。再有，在使用標記為TiOx(x≤1.7)的膜的情況下，基波的吸收損失增大，所以基波不能高效率地在光波導路徑內傳播。
以上說明了最佳的結構，使得裝填在高次諧波非吸收區域的高折射率膜和高次諧波吸收膜等價。下面，說明在高次諧波非吸收區域中未裝填高折射率膜的情況下，使高次諧波吸收區域和高次諧波非吸收區域中的基波的波導模量一致的結構。在這些情況下，通過裝填高次諧波吸收膜而增加的光封閉作用，但通過預先削弱光波導路徑的光封閉作用來補償。
在圖14所示的光波導路徑式QPM-SHG器件中，高次諧波吸收區域50的質子交換光波導路徑63的上表面被除去，以便厚度比高次諧波非吸收區域61的質子交換光波導路徑63小，在該除去的部分上成膜作為高次諧波吸收膜的Si膜64。再有，在圖14中，62表示X板摻雜MgO的LiNbO3基板。即使形成這樣的結構，由於可以將Si膜64的膜厚最佳化，使在高次諧波非吸收區域61中的質子交換光波導路徑63中傳播的基波的波導模量和在高次諧波吸收區域60中的質子交換光波導路徑63中傳播的波導模量大致一致，使基波在質子交換光波導路徑63內高效率地傳播，所以也可獲得與圖12所示結構的光波導路徑器件的同樣效果。
在圖15所示的光波導路徑式QPM-SHG器件中，將高次諧波吸收區域65的質子交換光波導路徑68的有效厚度設定得比高次諧波非吸收區域66的質子交換光波導路徑68小，在高次諧波吸收區域65的質子交換光波導路徑68的上表面上成膜作為高次諧波吸收膜的Si膜69。通過該結構，由於可以將Si膜69的膜厚最佳化，使在高次諧波非吸收區域66中的質子交換光波導路徑68中傳播的基波的波導模量和在高次諧波吸收區域65中的質子交換光波導路徑68中傳播的波導模量大致一致，使基波在質子交換光波導路徑68內高效率地傳播，所以也可獲得與圖12所示結構的光波導路徑器件的同樣效果。通過分別製作高次諧波吸收區域65和高次諧波非吸收區域66，調整它們的質子交換時間，可以容易地製造圖15所示的深度不同的光波導路徑。
在本實施例中，通過在質子交換光波導路徑的上表面上裝填作為高次諧波吸收膜的Si膜，來形成高次諧波吸收區域，但本發明不一定限定於該結構。例如，如圖16所示，也可以通過在質子交換光波導路徑73內混入擴散鐵等金屬，來形成高次諧波吸收區域70。通過這樣的結構，由於可以使成膜高次諧波吸收膜的基板表面上沒有臺階差，所以適合將波導路徑面朝向封裝基板的高精度的倒裝封裝。在圖16中，71表示高次諧波非吸收區域，72表示X板摻雜MgO的LiNbO3基板，74表示金屬混入擴散層。
在本實施例中，說明基波在高次諧波非吸收區域中以0次橫模傳播，在高次諧波吸收區域以1次以上的高次橫模傳播，並且使兩區域中的基波的波導模量一致的結構的光波導路徑器件。
圖17A表示本實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件的結構。如圖17A所示，在本實施例中，成為在高次諧波吸收區域75的質子交換光波導路徑77上裝填作為高次諧波吸收膜的Si膜79的波導路徑結構。而且，如圖17B所示，基波在高次諧波非吸收區域71的質子交換光波導路徑78內以0次橫模傳播，在裝填了作為高次諧波吸收膜的Si膜79的高次諧波吸收區域75的質子交換光波導路徑78中以1次橫模傳播。在上述第4實施例中，為了以0次橫模來控制裝填了作為高次諧波吸收膜的Si膜的高次諧波吸收區域的質子交換光波導路徑上傳播的基波，需要插入緩衝層，並減小波導層的有效折射率。在本實施例中，由於將Si膜79成膜至期望的厚度，進行構圖而使得波導光的傳播方向的長度成為期望的長度，基波可以在高次諧波吸收區域75的質子交換光波導路徑78上以1次橫模來傳播，所以可以簡化製作過程。而且，在將Si膜79的膜厚最佳化時，Si膜79的膜厚比上述第4實施例厚，以便基波在高次諧波吸收區域75的質子交換光波導路徑78上以1次橫模來傳播，並且使高次諧波吸收區域75和高次諧波非吸收區域76中的基波的波導模量一致。即，由於進入Si膜79內的高次諧波的電場分布增大，所以如果獲得與上述第4實施例相同程度的高次諧波的透射率，那麼可以縮短Si膜79的波導光的傳播方向的長度。而且，與上述第4實施例的Si膜64相比，使用波導光的傳播方向長度短的Si膜79，可以獲得與上述第4實施例相同程度的高次諧波的透射率，所以可以擴大基波和藍色光的相互作用，即擴大藍色光的發生區域。因此，本實施例的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)的實用效果大。
下面，說明作為本實施例的光波導路徑器件的光波導路徑式QPM-SHG器件的製造方法。首先，在X板摻雜MgO的LiNbO3基板77上，通過質子交換法形成光波導路徑78後，在質子交換光波導路徑78成膜作為高次諧波吸收膜的Si膜79。接著，通過光刻、腐蝕工序對Si膜79構圖後，使Si膜79的波導光的傳播方向的長度達到期望的長度。
與上述第4實施例同樣，通過計算機模擬來計算基波的波導模量，將Si膜79的膜厚最佳化(1800nm)。其結果，可確認在Si膜79的波導光的傳播方向的長度為0.1mm時，在裝填了Si膜79的部分(高次諧波吸收區域75)上進行傳播時的基波的波導損失在5％以下，高次諧波的透射率可以降低至1％以下。
使用本實施例的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)來製造SHG藍色光源，裝載於光拾取器。然後，使用該光拾取器，來進行來自鏡面盤的再現信號的評價。其結果，確認未附加高次諧波吸收膜的現有光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)中約4％的來自鏡面盤的再現信號的幹擾噪聲振幅(參照圖13)被抑制到測定界限以下，可以降低幹擾噪聲。
在本實施例中，也與上述第4實施例同樣，使用Si膜作為高次諧波吸收膜，但作為高次諧波吸收膜的材料，如果是高次諧波的波長區域中的衰減係數比基波的波長區域中的衰減係數大的材料就可以。
如圖18所示，在質子交換光波導路徑86上，還通過成膜Nb2O5膜89作為高折射率層，在高次諧波吸收區域82的Nb2O5膜89的上表面上成膜作為高次諧波吸收膜的Si膜87，可以獲得與本實施例同樣的效果。而且，由於使用具有高折射率的Nb2O5膜89，所以將基波的波導模量拉近至質子交換光波導路徑86的表面，可以獲得基波和高次諧波的大重疊，由此可以期待高的波長變換效率。這裡，由於Nb2O5膜89和Si膜87的粘結性差，Si膜87容易剝離，所以在Nb2O5膜89和Si膜87之間插入與Si膜87的粘結性良好的SiO288。再有，在圖18中，84表示高次諧波非吸收區域。
而且，即使是在圖19所示的質子交換光波導路徑93和Nb2O5膜95之間插入作為高次諧波吸收膜的Si膜94的構造中，也可以獲得與本實施例同樣的效果。在該構造中，Si膜94插入在X板摻雜MgO的LiNbO3基板92和Nb2O5膜95之間，並且Si膜94和X板摻雜MgO的LiNbO3基板92的粘結性良好，所以Si膜94不剝離。再有，在圖19中，90表示高次諧波吸收區域。91表示高次諧波非吸收區域。
在本實施例中，通過在質子交換光波導路徑的上部裝填作為高次諧波吸收膜的Si膜，來形成高次諧波吸收區域，但本發明不一定限於高結構。例如，通過在質子交換光波導路徑內混入擴散鐵等金屬，也可以形成高次諧波吸收區域。
圖20是表示作為本發明第6實施例的光波導路徑器件的光波導路徑式QPM-SHG器件的結構剖面圖。
本實施例與上述第4和第5實施例有所不同，具有通過沒有波導模的不連續部，來降低波導模的不匹配產生的基波的發射損失的結構。如圖20所示，在本實施例中，形成在高次諧波吸收區域96的質子交換光波導路徑99上裝填了作為高次諧波吸收膜的Si膜100的波導路徑結構。這裡，Si膜100的實質膜厚在高次諧波吸收區域96的質子交換光波導路徑99內連續改變。因此，在高次諧波吸收區域96的質子交換光波導路徑99內傳播的基波的波導模量連續變化，並且高次諧波吸收區域96的入射端及射出端的波導模量與在高次諧波非吸收區域97的質子交換光波導路徑99內傳播的基波的波導模量一致。因此，在高次諧波吸收區域96和高次諧波非吸收區域97的波導模變換部D、E中高效率地傳播基波，可以高效率地獲得藍色光。
在X板摻雜MgO的LiNbO3基板98上，通過質子交換法形成光波導路徑99後，通過在質子交換光波導路徑99的入射側端面附近成膜作為高次諧波吸收膜的Si膜100來製造作為本實施例的光波導路徑器件的光波導路徑式QPM-SHG器件。這裡，成膜Si膜100，使得其膜厚在入射側的波導模變換部D中從入射側向射出側平緩並且連續地增加，在射出側的波導模變換部E中從入射側向射出側平緩並且連續地減少。如圖20所示，在距X板摻雜MgO的LiNbO3基板98一定距離的位置上設置縫隙102，通過將Si膜100進行成膜，可以容易地平緩並且連續地改變Si膜100的膜厚。Si膜100的膜厚分布、以及其波導光的傳播方向的長度可以通過縫隙102的縫隙寬度、及縫隙102和X板摻雜MgO的LiNbO3基板98的距離來自由地改變。
如果使用本實施例的波導路徑構造，那麼可確認在裝填了Si膜100的部分(高次諧波吸收區域96)上傳播時的藍色光的透射率降低至1％以下。
使用本實施例的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)來製造SHG藍色光源，裝載於光拾取器。然後，使用該光拾取器，來進行來自鏡面盤的再現信號的評價。其結果，確認未附加高次諧波吸收膜的現有光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)中約4％的來自鏡面盤的再現信號的幹擾噪聲振幅(參照圖13)被抑制到測定界限以下，可以降低幹擾噪聲。
根據本實施例，通過沒有波導模的不連續部，降低波導模的不匹配造成的基波的發射損失，高效率地傳播基波，高效率地獲得藍色光，所以其實用效果大。而且，在Si膜100的成膜時使用縫隙102，不需要光刻、腐蝕工序，可以簡化製造過程，所以其實用效果大。
在本實施例中，也與上述第4實施例同樣，使用半導體膜的Si膜作為高次諧波吸收膜，但作為高次諧波吸收膜的材料，使用高次諧波的波長區域中的衰減係數比基波的波長區域中的衰減係數大的材料就可以。
圖21是表示作為本發明第7實施例的光波導路徑器件的光波導路徑式QPM-SHG器件的結構剖面圖。
如圖21所示，在本實施例的光波導路徑式QPM-SHG器件中，形成在質子交換光波導路徑106上裝填了具有高折射率的Nb2O5膜107的波導路徑構造。而且，在入射側端面109上形成作為高次諧波吸收膜的TiO2膜108。
下面，說明作為本實施例的光波導路徑器件的光波導路徑式QPM-SHG器件的製造方法。首先，在X板摻雜MgO的LiNbO3基板105上，通過質子交換法形成光波導路徑106後，在質子交換光波導路徑106上成膜Nb2O5膜107。接著，在入射側端面109上成膜作為高次諧波吸收膜的TiO2膜108。
通過形成以上那樣的結構，使基波高效率地與質子交換光波導路徑106耦合，高次諧波被TiO2膜108吸收。這是因為基波的波長區域中的TiO2膜108的衰減係數小，高次諧波的波長區域中的TiO2膜108的衰減係數比基波的波長區域中的衰減係數大。
使用本實施例的光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)來製造SHG藍色光源，裝載於光拾取器。然後，使用該光拾取器，來進行來自鏡面盤的再現信號的評價。其結果，確認未附加高次諧波吸收膜的現有光波導路徑器件(光波導路徑式QPM-SHG器件)中約4％的來自鏡面盤的再現信號的幹擾噪聲振幅(參照圖13)被抑制到測定界限以下，可以降低幹擾噪聲。
再有，在本實施例中，使用TiO2膜108作為高次諧波吸收膜，但作為高次諧波吸收膜材料，如果是高次諧波的波長區域中的衰減係數比基波的波長區域中的衰減係數大的材料就可以。但是，由於TiO2膜108的折射率接近於質子交換光波導路徑106的折射率，所以如果使用TiO2膜108作為高次諧波吸收膜，那麼可以降低質子交換光波導路徑106和高次諧波吸收膜的界面中的菲涅耳反射。
在使用上述第4～第7實施例所示的光波導路徑式QPM-SHG器件的SHG藍色光源中，通過半導體雷射器和光波導路徑式QPM-SHG器件的直接耦合來進行光耦合。因此，還必須考慮半導體雷射器的射出端面反射的藍色光造成的幹擾噪聲，通過使用上述第4～第7實施例所示結構的光波導路徑式QPM-SHG器件，可以降低半導體雷射器的射出端面反射的藍色光造成的幹擾噪聲。
而且，在上述第4～第7實施例的SHG藍色光源中，作為半導體雷射器，使用具有可幹擾性高的可變波長功能的可變波長半導體雷射器。因此，由于波長變換的高次諧波的可幹擾性高，所以容易產生幹擾噪聲，但通過使用上述第4～第7實施例所示結構的光波導路徑式QPM-SHG器件，可以特別有效地降低幹擾噪聲。
此外，在上述第4～第7實施例中，舉例說明了使用SHG元件作為光波導路徑器件的情況，但光波導路徑器件並不特別限於SHG元件。例如，作為光波導路徑器件，也可考慮高速調製元件、移相器、移頻器、偏振控制元件等各種各樣功能、結構的器件，在使用了這些光波導路徑器件或包含光波導路徑器件的相干光源的所有光學系統中都可以應用本發明的光波導路徑器件。但是，在使用了SHG元件的光源中，作為半導體雷射器，大多使用可幹擾性高的DBR半導體雷射器，以便產生可幹擾性高的高次諧波，所以也容易產生幹擾噪聲，而通過與本發明的光波導路徑器件進行組合，可以特別有效地降低幹擾噪聲。
在上述各實施例中，作為共焦點光學系統，舉例說明了光拾取器光學系統，但本發明也可以應用於雷射掃描顯微鏡或雷射印表機等其他相干光學系統。其中，在光拾取器光學系統中，由於作為被觀測物體的光碟具有高反射率，對物鏡進行位置控制來保證共焦點系統，以便將光經常聚光在光碟上，以及因光碟上下運動使幹擾條件時刻變化，容易產生幹擾噪聲等，所以本發明的光波導路徑器件在光拾取器光學系統中特別有效。而且，即使在使用了光纖的光學系統中，由於產生與共焦點光學系統同樣的幹擾噪聲，所以本發明的光波導路徑器件在使用了光纖的光學系統中也有效。
權利要求
1.一種光波導路徑器件，其特徵在於包括基板；光波導路徑，形成在所述基板的表面附近，傳播波長不同的多個波導光；以及光學薄膜，形成在所述光波導路徑的至少一部分上，或相連地設置在所述光波導路徑的至少一部分上；所述波導光的一部分從所述光波導路徑射出後，再次返回到所述光波導路徑，通過所述光學薄膜來防止返回到所述光波導路徑的光的所述光波導路徑的端面或其附近的反射。
2.如權利要求1所述的光波導路徑器件，其中，在所述光波導路徑中傳播基波和高次諧波，在所述光波導路徑的入射端面附近包含所述光學薄膜，並且包括吸收所述高次諧波的高次諧波吸收區域，所述光波導路徑內的在所述高次諧波吸收區域和不吸收所述高次諧波的高次諧波非吸收區域傳播的所述基波的波導模量大致一致。
3.如權利要求2所述的光波導路徑器件，其中，所述高次諧波吸收區域和所述高次諧波非吸收區域的有效折射率大致一致。
4.如權利要求2所述的光波導路徑器件，其中，所述基波在所述高次諧波吸收區域和所述高次諧波非吸收區域上一起用0次橫模來傳播。
5.如權利要求4所述的光波導路徑器件，其中，在所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑上，裝載作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜。
6.如權利要求4所述的光波導路徑器件，其中，所述高次諧波非吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層，以及裝載在光波導層上的折射率比所述光波導層大的高折射率層；所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括第2光波導層，以及裝載在所述第2光波導層上的折射率比所述第2光波導層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層。
7.如權利要求4所述的光波導路徑器件，其中，所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括其上表面被除去而使得厚度比所述光波導層小的第2光波導層，以及裝載在所述第2光波導層上的折射率比所述第2光波導層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層。
8.如權利要求4所述的光波導路徑器件，其中，所述高次諧波非吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層，所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括有效厚度比所述光波導層小的第2光波導層，以及裝載在所述第2光波導層上的折射率比所述第2光波導層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層。
9.如權利要求4所述的光波導路徑器件，其中，所述光學薄膜通過將金屬混合擴散在所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑中而形成。
10.如權利要求2所述的光波導路徑器件，其中，所述基波按0次橫模傳播於所述高次諧波非吸收區域，按1次以上的高次橫模傳播於所述高次諧波吸收區域。
11.如權利要求10所述的光波導路徑器件，其中，所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層，以及裝載在所述光波導層上的折射率比所述光波導層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層。
12.如權利要求10所述的光波導路徑器件，其中，所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層；裝載在所述光波導層上的折射率比所述光波導層大的高折射率層；以及裝載在所述高折射率層上的折射率比所述高折射率層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層；所述高次諧波非吸收區域的所述光波導路徑包括第2光波導層，以及折射率比所述第2光波導層大的第2高折射率層。
13.如權利要求10所述的光波導路徑器件，其中，所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層；裝載在所述光波導層上的折射率比所述光波導層大的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層；以及裝載在所述高次諧波吸收層上的折射率比所述光波導層大的高折射率層；所述高次諧波非吸收區域的所述光波導路徑包括第2光波導層，以及折射率比所述第2光波導層大的第2高折射率層。
14.如權利要求10所述的光波導路徑器件，其中，所述光學薄膜通過將金屬混入擴散在所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑中而形成。
15.如權利要求2所述的光波導路徑器件，其中，在所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑內傳播的所述基波的波導模量連續地變化，並且所述高次諧波吸收區域的入射端和射出端的所述基波的波導模量與在所述高次諧波非吸收區域的所述光波導路徑內傳播的所述基波的波導模量大致一致。
16.如權利要求15所述的光波導路徑器件，其中，所述高次諧波吸收區域的所述光波導路徑包括光波導層，以及裝載在所述光波導層上的由作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜組成的高次諧波吸收層，所述高次諧波吸收膜的實質膜厚在所述高次諧波吸收區域內連續地變化。
17.如權利要求1所述的光波導路徑器件，其中，在所述光波導路徑中傳播基波和高次諧波，在所述光波導路徑的入射端面中，形成吸收所述高次諧波的作為所述光學薄膜的高次諧波吸收膜。
18.如權利要求5～8、11～13、16或17的任何一項所述的光波導路徑器件，其中，所述高次諧波吸收膜是半導體膜或氧化物介質膜。
19.如權利要求18所述的光波導路徑器件，其中，所述半導體膜是從Si膜、ZnSe膜和GaP膜組成的組中選擇出的一個，所述氧化物介質膜是TiOx膜。
20.如權利要求19所述的光波導路徑器件，其中，TiOx膜滿足1.7＜x＜1.9的關係。
21.如權利要求9或14所述的光波導路徑器件，其中，所述金屬是鐵。
22.如權利要求1所述的光波導路徑器件，其中，在所述光波導路徑的折射率為N2，所述光學薄膜的折射率為N1時，所述折射率N1、N2的大小關係因所述波導光的波長而有所不同。
23.如權利要求22所述的光波導路徑器件，其中，至少相對於一個所述波導光的折射率滿足N1＞N2的關係，相對於另一所述波導光的折射率滿足N1＜N2的關係。
24.如權利要求23所述的光波導路徑器件，其中，在所述光波導路徑中傳播波長λ1的基波和波長λ2的高次諧波，所述波長滿足λ1＞λ2的關係，相對於所述波長λ1的所述基波的所述折射率滿足N1＜N2的關係，相對於所述波長λ2的所述高次諧波的所述折射率滿足N1＞N2的關係。
25.如權利要求24所述的光波導路徑器件，其中，所述光學薄膜相對於所述高次諧波具有0.001以上的吸收係數。
26.如權利要求24所述的光波導路徑器件，其中，在所述光學薄膜的上表面、下表面或層內的至少一個中還包括吸收所述高次諧波的高次諧波吸收膜。
27.如權利要求22所述的光波導路徑器件，其中，所述光學薄膜由多層膜構成。
28.如權利要求22所述的光波導路徑器件，其中，所述光學薄膜至少形成在所述光波導路徑的表面、背面或側面的其中一個上。
29.如權利要求22所述的光波導路徑器件，其中，所述光學薄膜形成在所述光波導路徑的入射部附近。
30.如權利要求22所述的光波導路徑器件，其中，所述光學薄膜的端部的法線相對於所述波導光的傳播方向以大於0°的角度傾斜。
31.如權利要求22所述的光波導路徑器件，其中，還包括在所述光波導路徑的表面上設置的折射率為N3的包覆層，所述包覆層和所述光波導路徑的折射率滿足N3＞N2的關係。
32.如權利要求22所述的光波導路徑器件，其中，在入射側端面上設置防反射膜。
33.如權利要求22所述的光波導路徑器件，其中，在所述光波導路徑中傳播基波和高次諧波，所述防反射膜是將所述高次諧波的反射率減低至1％以下的防反射膜。
34.一種光源，包括半導體雷射器和光波導路徑器件，其特徵在於，使用權利要求1所述的光波導路徑器件作為所述光波導路徑器件。
35.如權利要求34所述的光源，其中，所述半導體雷射器是具有可幹擾性高的可變波長功能的可變波長半導體雷射器。
36.一種光源，其特徵在於，包括波長λ1的半導體雷射器；以及將來自所述半導體雷射器的發射光變換成波長λs的光的光波導路徑器件；在所述半導體雷射器的射出端面上設置相對於所述波長λs的防反射膜。
37.如權利要求36所述的光源，其中，至少在所述光波導路徑器件的入射端面或射出端面的其中一個上設置相對於所述波長λs的防反射膜、或相對於所述波長λ1的光和所述波長λs的光的防反射膜。
38.如權利要求36所述的光源，其中，所述光波導路徑器件的射出端面相對于波導光的傳播方向傾斜地形成。
39.如權利要求36所述的光源，其中，所述半導體雷射器的射出端面附近為吸收所述波長λs的光的物質。
40.如權利要求36所述的光源，其中，所述半導體雷射器具有格柵構造。
41.如權利要求36所述的光源，其中，將所述半導體雷射器和所述光波導路徑器件直接耦合。
42.如權利要求36所述的光源，其中，所述防反射膜是將所述波長λs的光的反射率降低至1％以下的防反射膜。
43.一種光源，其特徵在於，包括波長不同的多個半導體雷射器；以及將從所述各半導體雷射器發射的波長λ1、λ2、λ3、…、λn的光變換成波長λs1、λs2、λs3、…、λsn的光的光波導路徑器件；在至少某一個所述半導體雷射器的射出端面上，設置相對於至少某個所述波長λs1、λs2、λs3、…、λsn的光的防反射膜。
44.一種光學裝置，其特徵在於，包括光源和將來自所述光源的射出光聚光在被觀測物體上的聚光光學系統，作為光源，使用權利要求34、36或43的任何一項所述的光源，所述光源的所述光波導路徑器件和所述被觀測物體以具有同焦點的關係來配置。
45.如權利要求44所述的光學裝置，其中，所述被觀測物體是光碟。
46.如權利要求44所述的光學裝置，其中，還包括光纖，將來自所述光源的射出光入射到所述光纖上。
全文摘要
一種可以降低外部的幹擾噪聲的光波導路徑式器件。該光波導路徑式器件包括:基板(10);在基板(10)的表面上形成的光波導路徑(12);在光波導路徑(12)上形成的周期性的分極反向區域(11);在光波導路徑(12)的一部分上形成的光學薄膜(14)。光波導路徑(12)(折射率:N2)和光學薄膜(14)(折射率:N1)的分散折射率是不同的,折射率的大小關係因波長而相反。相對於短波長的光來說,N1>N2的關係成立,而相對於長波長來說,N2>N1的關係成立。
文檔編號G11B7/125GK1381762SQ0210556
公開日2002年11月27日 申請日期2002年4月17日 優先權日2001年4月17日
發明者森川顯洋, 笠澄研一, 北岡康夫, 水內公典, 山本和久 申請人:松下電器產業株式會社