導波路型緑色高調波発生システムの 高出力化に関する研究
酒井清秀
電気通信大学大学院 電気通信学研究科 博士（工学）の学位申請論文
2009 年 3 月
導波路型緑色高調波発生システムの 高出力化に関する研究
博士論文審査委員会
主査 木村忠正 教授
委員 渡辺昌良 教授
委員 上野芳康 准教授
委員 西岡 一 准教授
委員 一色秀夫 准教授
著作権所有者
酒井清秀
２００９年
Study on waveguide-type second-harmonic generation for high-power green light emission
Kiyohide Sakai
Abstract
In this dissertation, we discuss the results of the study on high-power second-harmonic generation (SHG) devices consisting of a channel waveguide and a planar waveguide and on a semiconductor laser as a source of the fundamental wave.
This dissertation is divided into five chapters. The first chapter introduces this study by describing its background and purpose.
The second chapter discusses the design of a quasi-phase-matched SHG device
with a channel waveguide and the experiment performed on the device; the
ridge-type channel waveguide consisted of a periodically poled
5-mol%-MgO-doped LiNbO
3(PPMgLN) core and SiO
2claddings. During the
experiments, to prevent higher-mode and leaky-cladding-mode oscillations in
the multimode waveguide, we employed Gaussian-beam impingement on a
right-angled waveguide with an antireflection coating on its surface. A green
light with a power of 360 mW and a conversion efficiency of 38% was obtained
was obtained with a high waveguide loss of 66 m
−1and the observation of a temperature gradient along the waveguide.
To overcome the above drawbacks, we carried out experiments on a quasi-phase-matched SHG device with a planar waveguide; the design and experimental details of this device are described in the third chapter. The use of the Y-cut PPMgLN planar waveguide, which was mounted waveguide-side downward to the heat sink, resulted in a low waveguide loss of 2 m
−1, low heat resistivity, and a wide area of heat radiation. In these experiments, a green light with a power of 1.6 W and a conversion efficiency of 40% was obtained at room temperature by using a 7-mm-long SHG device.
In the fourth chapter, we report the experimental results of a master oscillator power amplifier (MOPA), in which a planar-type tapered semiconductor amplifier was injected with a seed light through a biconical microlens. In these experiments, a 3-mm-long tapered amplifier with an optical confinement factor of 1.2% was found to output a power of 5.5 W with a beam quality factor (M
2) of 1.5.
Finally, the fifth chapter concludes the study.
導波路型緑色高調波発生システムの 高出力化に関する研究
酒井清秀
概要
本論文は、マイクロプロジェクターなどへの応用が期待される導波路型第二高調波 発生（ＳＨＧ）素子の高出力化と、その半導体レーザ基本波光源に関して研究を進め たものである。
まず、本論文は 5 章から構成される。第 1 章は「序章」として、本研究の背景と目 的について述べている。
第 2 章の「チャンネル導波路型第二高調波発生素子の高出力化」は、周期分極反転 した酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム（ＰＰＭｇＬＮ）をコアにした高比屈折 率差導波路を用い、基本波と第二高調波の基本横モード間の電界分布重なりを大きく できること、基本横モードのみを励振し高次モードや漏洩モードを抑圧することが重 要であると述べている。そこで、光軸に垂直な導波路断面にモード整合させたガウス ビームを結合させる方法を提案し、第二高調波出力 360 ｍＷ、波長変換効率 38％が 得られたことを示している。しかし、導波路側面の±Ｚ面に形成された凹凸により大 きな導波路損失 66 ｍ－１が生じること、導波路に沿った温度勾配が発生して変換効率 が低下することを述べている。
第 3 章の「プレーナ光導波路型第二高調波発生素子の高出力化」では、第 2 章で 述べた大きな導波路損失を解決するため、±Ｚ面が導波路表面に出ないＹカット
できたことを述べている。このプレーナ導波路をヒートシンク側に向けて実装するこ とで導波路の温度上昇を低減し、基本波入力 4 Ｗに対して第二高調波出力 1.6 Ｗが 得られたことを示している。
第 4 章の「テーパ型半導体光増幅器を用いた基本波光源」は、第 3 章のプレーナ 導波路型ＳＨＧ素子に最適なテーパ型半導体光増幅器を用いたマスタ発振器パワー 増幅器（ＭＯＰＡ）の試作結果について述べている。マスタ発振器として光ファイバ 回折格子制御半導体レーザを用いて発振波長の変化を低減し、その回折限界光を光フ ァイバ先端に加工したバイコニカルマイクロレンズで像変換し、信頼性が高いプレー ナ構造のテーパ型光増幅器と光学結合する構成を提案し、基本波出力 5.5 Ｗ、ビーム 品質 1.5 を得たこと、その回折限界光成分は 4.6 Ｗであることを示している。また、
4 枚レンズ系を用いたプレーナ導波路型ＳＨＧ素子との第二高調波発生実験により結 合効率 20％に見合った第二高調波出力が得られたことから、アナモルフィック非球面 レンズを用いて結合効率を 80％に改善することで、第二高調波出力を 1.6 Ｗにする 目論見を示している。
最後に、第 5 章として、全体のまとめを述べている。
目次
第 1 章 序論 --- 1
1.1 研究の背景と動機 --- 1
1.2 過去の研究例と本研究の位置づけ --- 5
1.2.1 導波路型第二高調波発生素子 --- 5
1.2.2 半導体レーザ基本波光源 --- 14
1.3 本研究の目的と論文の構成 --- 19
参考文献 --- 21
第２章 チャンネル導波路型第二高調波発生素子の高出力化 -- 27
2.1 はじめに --- 27
2.2 伝播モードと導波路損失 --- 29
2.2.1 高比屈折率差導波路 --- 29
2.2.2 伝播モード解析と結合実験 --- 34
2.2.3 ビーム伝播解析 --- 37
2.2.4 反射防止膜と導波路損失 --- 39
2.3 光吸収による素子温度上昇 --- 43
2.4 第二高調波発生実験 --- 44
2.5 まとめと考察 --- 48
参考文献 --- 50
第３章 プレーナ導波路型第二高調波発生素子の高出力化 -- 52
3.1 はじめに --- 52
3.2.1 分極反転方法と材料選定 --- 53
3.2.2 プレーナ導波路の設計 --- 55
3.3 プレーナ導波路型第二高調波発生素子の作製 --- 59
3.3.1 素子構造 --- 59
3.3.2 周期分極反転の格子間隔 --- 60
3.3.3 導波路の面粗度と導波路損失 --- 61
3.4 第二高調波発生実験 --- 64
3.4.1 導波モード --- 64
3.4.2 ダメージ層の影響 --- 66
3.4.3 光吸収による素子温度上昇 --- 69
3.4.4 非線形光吸収のしきい値 --- 70
3.5 まとめと考察 --- 72
参考文献 --- 73
第４章 テーパ型半導体光増幅器を用いた基本波光源 --- 75
4.1 はじめに --- 75
4.2 ビーム伝播法による光伝播解析 --- 77
4.2.1 テーパ型光増幅器の解析手順 --- 77
4.2.2 テーパ型光増幅器の解析結果 --- 83
4.3 テーパ型光増幅器の作製 --- 85
4.3.1 テーパ型光増幅器 --- 85
4.3.2 バイコニカルマイクロレンズ --- 87
4.3.3 反射防止膜 --- 90
4.4 テーパ型光増幅器の発振 --- 94
4.4.1 基本特性 --- 94
4.4.2 ビーム品質特性 --- 98
4.4.3 トレランス特性 --- 101
4.5 テーパ型光増幅器による第二高調波発生 --- 103
4.6 パッケージ化技術 --- 108
4.7 まとめと考察 --- 113
参考文献 --- 115
第 5 章 結論 --- 117
謝辞 --- 119
関連論文の印刷公表の方法及び時期 --- 121
図目次
1.1 マイクロプロジェクターの利用図 --- 1
1.2 プロジェクター用光学エンジンの構造 --- 2
1.3 ｘｙ色度図に表示したＲＧＢ単色光源の色再現範囲 --- 2
1.4 半導体レーザ基本波光源とチャンネル導波路型ＳＨＧ素子とのバット結合 3 1.5 チ ャ ン ネ ル 導 波 路 型 Ｓ Ｈ Ｇ 素 子 に お け る 高 出 力 化 研 究 の 歴 史 4
1.6 非線形分極による第二高調波発生の仕組み --- 6
1.7 酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの屈折率分散 --- 7
1.8 周期分極反転した非線形光学結晶内での擬似位相整合 --- 7
1.9 ニオブ酸リチウムの分子構造 --- 8
1.10 分極反転領域の成長過程 --- 9
1.11 ＳＨＧ素子の分類 --- 10
1.12 プロトン交換アニール法で作製したチャンネル導波路型ＳＨＧ素子 12
1.13 ドライエッチング法で作製したチャンネル導波路型ＳＨＧ素子 --- 12
1.14 プロトン交換導波路と高比屈折率差導波路の電界分布と重なり積分 13
1.15 チャンネル導波路型ＳＨＧ素子に適した半導体レーザ基本波光源 15
1.16 プレーナ導波路型ＳＨＧ素子に適した半導体レーザ基本波光源 --- 17
1.17 テーパ型半導体光増幅器の構造 --- 18
1.18 本論文の構成と技術テーマ --- 20
2.1 波長変換効率向上への課題 --- 28
2.2 チャンネル導波路型ＳＨＧ素子の第二高調波発生実験 --- 28
2.3 チャンネル導波路型ＳＨＧ素子とプレーナ導波路型ＳＨＧ素子の比較 30
2.4 屈折率の異方性と導波モードの電界ベクトルとの関係 --- 31
2.5 基本波、非線形分極、第二高調波の波数ベクトル --- 31
2.6 基本波と第二高調波の電界閉じ込めのコア厚依存性 --- 33
2.7 リッジ形状チャンネル導波路の構造 --- 34
2.8 リッジ形状チャンネル導波路の等価屈折率 --- 35
2.9 基本波と第二高調波に対する近視野像 --- 35
2.10 チャンネル導波路型ＳＨＧ素子の形状 --- 36
2.11 チャンネル導波路型ＳＨＧ素子の光ファイバ結合実験 --- 37
2.12 傾斜した導波路のビーム伝播法計算モデル --- 38
2.13 光波振幅の光伝播方向への変化 --- 38
2.14 光波振幅の光伝播方向への変化 --- 39
2.15 チャンネル導波路型ＳＨＧ素子の構造 --- 40
2.16 反射防止膜の反射特性 --- 41
2.17 規格化結合効率の導波路長依存性 --- 41
2.18 チャンネル導波路の走査型電子顕微鏡写真 --- 42
2.19 チャンネル導波路の赤外サーモグラフィ写真 --- 43
2.20 チャンネル導波路の温度分布 --- 44
2.21 基本波入力対第二高調波出力特性 --- 45
2.22 規格化第二高調波出力の波長依存性および温度依存性 --- 46
2.23 位相整合時のヒートシンク温度の基本波入力依存性 --- 47
3.1 パルス電界印加法によるＹカットＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の分極反転 -- 53
3.2 プレーナ導波路型ＳＨＧ素子の構造 --- 54
3.3 導波路面内でのガウスビームの広がり --- 54
3.4 プレーナ導波路の基本横モードとガウスビームのモード不整合損失 - 55
3.5 基本波入力対波長変換効率特性 --- 58
3.6 分極反転領域の写真 --- 59
3.7 櫛形電極間隔と位相整合波長の関係 --- 61
3.8 面粗度による導波路損失 --- 62
3.9 原子間力顕微鏡によるＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３ウェハーの面粗度 --- 63
3.10 規格化結合効率の導波路長依存性 --- 63
3.11 測定系の説明図 --- 64
3.12 基本波と第二高調波の近視野像 --- 65
3.13 基本波入力対第二高調波出力 --- 67
3.14 規格化ＳＨＧパワーの位相整合温度依存性 --- 68
3.15 位相整合時のヒートシンク温度の基本波入力依存性 --- 69
3.16 測定系の説明図 --- 70
3.17 基本波入力対第二高調波出力特性 --- 71
4.1 緑色高調波発生システムの構造案 --- 76
4.2 ビーム伝播法のフローチャート --- 80
4.3 ビーム伝播法の計算例 --- 81
4.4 テーパ型光増幅器の出力端面における光波振幅の計算結果 --- 84
4.5 テーパ型光増幅器の構造図 --- 86
4.6 テーパ型光増幅器入力部の結合光学系 --- 86
4.7 バイコニカルマイクロレンズの写真 --- 88
4.8 垂直方向の曲率半径とスポット径の関係 --- 88
4.9 バイコニカルマイクロレンズの遠視野像 --- 89
4.10 バイコニカルマイクロレンズの非点隔差 --- 89
4.11 バイコニカルマイクロレンズ端面の反射防止膜の反射特性 --- 90
4.12 ブロードエリア半導体レーザのダブルパスフィラメント形成 --- 91
4.13 砒化ガリウム基板に蒸着した反射防止膜の反射特性 --- 92
4.14 ブロードエリア半導体レーザのしきい値電流 --- 93
4.15 電流対光出力特性 --- 95
4.16 光入力対光出力特性 --- 96
4.17 シード光入力時のスペクトラム特性 --- 97
4.18 自然発光スペクトラム特性 --- 97
4.19 ビーム品質Ｍ２の測定系 --- 98
4.20 ビーム品質Ｍ２の電流依存性 --- 99
4.21 ビーム品質Ｍ２のスポット径依存性と回折限界光のパワー比 --- 100
4.22 ビーム品質のマイクロレンズトレランス特性 --- 102
4.23 テーパ型光増幅器を用いた第二高調波発生実験の実験系 --- 104
4.24 基本波光入力対第二高調波出力 --- 106
4.25 アナモルフィック非球面レンズの写真 --- 107
4.26 半導体レーザモジュール --- 108
4.27 半導体レーザモジュールの駆動回路 --- 109
4.28 フォトダイオードモジュールの構造 --- 109
4.29 フォトダイオードモジュールの内部構造 --- 110
4.30 40 Ｇｂｐｓ光トランスボンダーの部品配置 --- 111
4.31 40 Ｇｂｐｓ光トランスボンダーの概観 --- 111
4.32 緑色高調波発生システムのモジュール構造案と成果の応用 --- 112
表目次
1.1 代表的な非線形光学結晶の非線形光学定数 --- 5 1.2 代表的な非線形光学結晶の導波路作製方法 --- 11 4.1 ビーム伝播法のパラメータ --- 82
第 1 章 序論
１．１ 研究の背景と動機
近年、図 1.1 に示す手のひらサイズのマイクロプロジェクターが注目されている [1−3]。このマイクロプロジェクターには、図 1.2 に示す光学エンジンが組み込まれ ている。光学エンジンでは、三原色（Red Green Blue）の光をプリズムで合成し、ミ キシングロッドやフライアイレンズ（Fly-eye lens）で輝度分布を均一化した後、デ ジタルミラーデバイス（Digital mirror device）や反射型液晶デバイス（Liquid crystal on silicon）などのライトバルブを照明している。このライトバルブで作ら れた画像は、投射光学系で拡大され、スクリーンに投影される[4], [5]。このマイク ロプロジェクターの三原色光源には、図に示すようにＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ [6], [7]、ＧａＮ系青色半導体レーザ[8], [9]、ＩｎＧａＡｓ系赤外半導体レーザ（以 後、半導体レーザ基本波光源という）と第二高調波発生素子（以後、Second-Harmonic Generation device, ＳＨＧ素子という）を組合せた緑色高調波発生システムが利用 されている[10]。このＲＧＢの各波長を 630 ｎｍ、530 ｎｍ、450 ｎｍとすると、
図 1.3 のｘｙ色度図（国際照明委員会が 1931 年に制定した）に示すとおり、色再現 範囲がテレビ信号（NTSC 規格, National Television System Committee）よりも広く、
鮮やかな色彩を再現できることが分かる。
図 1.1 マイクロプロジェクターの利用図
図 1.3 ｘｙ色度図に表示したＲＧＢ単色光源の色再現範囲：
実線 ＲＧＢコヒーレント光源、破線 ＮＴＳＣ規格
Fig. 1.3 Color space of a RGB monochromatic light source (outer triangle) on CIE1931 color space. RGB color space of NTSC (inner triangle) is also shown.
図 1.2 プロジェクター用光学エンジンの構造
Fig. 1.2 Structure of an optical engine for projection displays.
非線形光学結晶の非線形分極を利用した第二高調波、第三高調波、和周波、差周波 の発生は、半導体レーザや固体レーザとの組合せにより任意波長のコヒーレント光を 発生できる現実的な手段であり、レーザ発振が直接に出来ない波長領域を補完できる ことから盛んに研究されている[11]。その中でも導波路型ＳＨＧ素子は、導波路によ って高い光密度を長く維持できるので、小さな基本波入力でも高い波長変換効率が得 られる特徴がある。図 1.4 に示すとおり、半導体レーザのＴＥモード（Transverse Electric mode）の電界方向とチャンネル導波路型ＳＨＧ素子の結晶軸（Ｚ軸、また はＣ軸）を一致させてバット結合し、小型で安価なものが作製できることから注目さ れている[12］。このチャンネル導波路型ＳＨＧ素子の高出力化の歴史を眺めると、
図 1.5 に示すとおり、青色や緑色で 100 ｍＷ程度の第二高調波出力が得られるように なったこと、第二高調波出力 222 ｍＷが報告された後しばらく記録更新が途切れてい る様子が分かる[13]。一方、緑色半導体レーザの研究も精力的に進められており、
ＧａＮ系半導体では結晶成長の改良が[14], [15]、Ⅱ-Ⅵ族半導体では信頼性の改善 が期待される[16]。しかし、緑色半導体レーザの実用化および高出力化には暫くの時 間が必要と推察される。
図 1.4 半導体レーザ基本波光源とチャンネル導波路型ＳＨＧ素子とのバット結合:
ＳＨＧ素子の座標表示は結晶方位と一致させた。
Fig. 1.4 Butt coupling between semiconductor laser diode and second-harmonic generation (SHG) device with ridge-type channel waveguide.
この緑色高調波発生システムに求められる波長や光出力は、スクリーンサイズ、光 学エンジンの透過効率、視野角や輝度分布を左右するスクリーン利得、白バランスや 緑色の色度選択によって大きく異なる[4]。緑色の波長は、明るさ重視なら 520 ｎｍ、
黄色の発色を重視する場合は 530 ｎｍ付近が選択される。スクリーン面積一平方イン チで規格化した光出力は、ＲＧＢ光が常時ライトバルブ 3 つを照明する方式では 1 ｍＷ、ＲＧＢ光を切り替えながらライトバルブ 1 つを照明する方式ではその三倍が 必要である。スクリーンサイズが 4 対 3 の場合、15 インチなら光出力 110～330 ｍＷ、
40 インチなら 0.8～2.4 Ｗが実用的な光出力の目安になる。
本研究は、マイクロプロジェクターをはじめとする各種ディスプレイ装置への応用 展開が期待される緑色高調波発生システムに対して、実用的な光出力を達成する狙い で進めたものである。
図 1.5 チャンネル導波路型ＳＨＧ素子における高出力化研究の歴史：
◆ 青色高調波（シアン色を含む）、▲ 緑色高調波
Fig. 1.5 History of experimental results of high-power SHG devices with channel waveguides; solid rhombuses: generation of blue light, solid triangle: generation of green light.
１．２ 過去の研究例と本研究の位置づけ
１．２．１ 導波路型第二高調波発生素子
現在、様々な非線形光学結晶の材料開発が行われており[17]、その主役である強誘 電体結晶の非線形光学定数を表 1.1 にまとめる[18], [19]。ニオブ酸リチウム
（Lithium niobate, LiNbO3）は強誘電体結晶の代表格であり、チョクラルスキー法
（Czochralski method）による結晶成長が確立され、安価で品質の良い結晶が供給さ れている。この結晶は、可視帯の高強度光を入射すると光損傷（フォトリフラクティ ブ効果）が発生するため、光損傷を高温で回復させながら利用されてきた[20]。そこ で、光損傷耐性が高い酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム（MgO doped lithium niobate, MgO:LiNbO3）が開発され[21]、この材料を用いた研究開発が盛んになってい る[22]。また、タンタル酸リチウム（Lithium tantalate, LiTaO3）は非線形光学定数 が 低 い も の の 、 光 損 傷 耐 性 の 高 さ や 緑 誘 起 赤 外 吸 収 （ Green induced infrared absorption）や二光子吸収（Two photon absorption）などの非線形光吸収が少ない ことから注目されている[23], [24]。熱伝導が良く温度分布による位相不整合が発生 しにくい利点もあり、最近、バルク結晶を用いた高出力の波長変換実験が報告されて
表 1.１ 代表的な非線形光学結晶の非線形光学定数
Table1 1.1 Nonlinear Optical Constants of Nonlinear Optical Crystals 非線形光学定数(pm/V) 波長 1064 nm 光学結晶
d31 d32 d33 d22 d24 d15 Congruent LiNbO3 4.5 - 27.2 2.1 - - MgO(5 mol%):LiNbO3 4.7 - 27.0 - - - Congruent LiTaO3 1.0 - 15.6 1.7 - - KTiOPO4 3.7 2.2 14.6 - 1.9 3.7
KNbO3 11.9 13.7 20.6 - - 12.5
いる[25], [26]。現在、この 2 種類の材料研究が盛んに行われており、その一致溶解 組成（Congruent melt composition）や定比組成（Stoichiometric composition)、
酸化マグネシウムや酸化亜鉛の添加などの効果が研究されている。なお、チタン酸リ ン酸カリウム（Potassium titanium oxide phosphate, KTiOPO4）は光密度が高くなる とグレートラック（Gray tracking）を形成する問題があり、その耐性向上の努力が 続けられている。また、ニオブ酸カリウム（Potassium niobate, KNbO3）は導波路作 製が困難などの課題がある。
このＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３に基本波が入射すると、リチウム周囲の電子雲の局在に よって非線形分極波が生じる[27]。その非線形分極波をフーリエ解析すると、図 1.6 に示すとおり、分極基本波、分極第二高調波、分極直流成分に分けられる。分極第二 高調波の発生を大きくするには、入射光の電界強度を高める必要がある。この分極第 二高調波は基本波の 2 光子を吸収して第二高調波の 1 光子を放出する遷移過程（エネ ルギー保存則）であり、この第二高調波を増加させるには基本波と第二高調波の位相 を整合（運動量保存則）させる必要がある。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の屈折率には
図 1.6 非線形分極による第二高調波発生の仕組み
Fig. 1.6 Mechanism of second-harmonic generation by nonlinear polarization.
図 1.8 周期分極反転した非線形光学結晶内での擬似位相整合 Fig. 1.8 Quasi-phase matching in a periodically poled nonlinear crystal.
図 1.7 酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウムの屈折率分散：
n(o) 常光屈折率、n(e) 異常光屈折率
Fig. 1.7 Refractive indices of MgO-doped LiNbO3 for ordinary and extraordinary rays at different wavelengths.
図 1.7 に示す波長分散があるため、位相整合の実現には工夫が必要である。例えば、
屈折率に異方性がある一軸性複屈折率材料のＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３は、入射光の偏光 角度を調整して基本波の常光屈折率と第二高調波の異常光屈折率を一致させること ができる。この複屈折整合（タイプⅠ）による波長変換は、非線形光学定数 d31を利 用することになり、表 1.1 に示す最大の非線形光学定数 d33を利用できない。図 1.8 に示すように結晶の分極方向を周期的に 180°反転させた交番構造にすれば、常に第 二高調波の増加が続く擬似位相整合（Quasi-phase matching）ができると 1962 年に Armstrong らが提案した[28]。この周期分極反転による擬似位相整合は、任意の波長 で最大の非線形光学定数 d33を利用できることから、導波路型ＳＨＧ素子の研究では 専らこの方法が用いられている[29]。なお、ＬｉＴａＯ３のように複屈折整合できな い材料でも擬似位相整合は実現できる。
この分極反転を実現する方法は、ニオブ酸リチウムのチタン拡散導波路を開発する 際に、＋Ｚ面にチタンを拡散すると拡散領域のみの分極が反転する現象が見出された ことが起点になった[30]。まもなく、この現象を利用したＳＨＧ素子が報告され、そ の後、プロトン交換法[31]、電子ビーム照射法[32]、電界印加法[33]など様々な分極
図 1.9 ニオブ酸リチウムの分子構造：縦方向が結晶軸、小径の点がリチウム原子、
酸素八面体構造の中がニオブ原子。
Fig. 1.9 Molecular structure of LiNbO3.
反転方法が開発された。現在、厚さ 0.5 ｍｍ程度に加工したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３基 板の＋Ｚ方向と－Ｚ方向に櫛型電極と対向電極を設け、抗電界（約 4.5 ｋＶ／ｍｍ）
を超えるパルス電界を印加することで、図 1.9 に示すように周辺酸素に対するリチウ ムイオン(小径の点)の位置を強制的に変化させるパルス電界印加法が主流になって いる[34]。なお、図 1.9 は三方晶系イルメナイト構造をもつニオブ酸リチウムの分極 反転を説明するため、その結晶構造の一部を筋状に抜き出して作図したものである。
具体的な分極反転方法には、Ｚカット基板を用いる方法と、結晶軸に対して数度（オ フカット角という）傾けて切り出されたＹカット（またはＸカット）基板を用いる方 法の二種類がある。図 1.10 の左側はＺカット基板の分極を側面から見た状態、右側
(a)核の生成
(b) －Ｚ方向への伸張
(c) 反転ドメイン幅の拡大
(d) 反転ドメインの安定化
(a)核の生成
(b) －Ｚ方向への伸張
(c) 反転ドメイン幅の拡大
(d) 反転ドメインの安定化
－Z －Z
Zカット基板（側面） オフYカット基板（正面）
(a)核の生成
(b) －Ｚ方向への伸張
(c) 反転ドメイン幅の拡大
(d) 反転ドメインの安定化
(a)核の生成
(b) －Ｚ方向への伸張
(c) 反転ドメイン幅の拡大
(d) 反転ドメインの安定化
－Z －Z
Zカット基板（側面） オフYカット基板（正面）
図 1.10 分極反転領域の成長過程：櫛型電極側から反転ドメインが成長する。
Fig. 1.10 Stepwise formation of domain-inverted gratings in Z-cut (left) and Y-cut (right) LiNbO3 crystals.
はＹカット（またはＸカット）基板の分極を正面からみた状態であり、それぞれの分 極 反 転 領 域 の 成 長 過 程 を 示 し て い る [ 3 5−3 7 ] 。 い ず れ も 、（ a ） 核 が 形 成 、
（b）分極反転ドメインが－Ｚ方向に伸張、（c）両側に拡大、（d）均一に安定化する 過 程 を と る 。 以 後 、 周 期 分 極 反 転 し た Ｍ ｇ Ｏ : Ｌ ｉ Ｎ ｂ Ｏ３を Ｐ Ｐ Ｍ ｇ Ｌ Ｎ
（Periodically poled MgO-doped lithium niobate）という。
周期分極反転構造を用いたＳＨＧ素子の構造には、図 1.11 に示すとおり、主にバ ルク型、チャンネル導波路型、プレーナ導波路型の三種類がある。バルク型ＳＨＧ素 子では、波長変換効率を上げるために光ビームを収束させると、光の回折効果で直ぐ に光ビームが広がるため、波長変換効率の向上に制限がある[38]。そこで、基本波に 数百ワット級のコリメート光を利用することで光密度を上げて変換効率を高める方 法や、基本波のパワーが小さい場合はレーザ共振器内部にＳＨＧ素子を配置して基本 波の光密度を上げる工夫が行われてきた[39]。チャンネル導波路型ＳＨＧ素子を利用 すれば高い光密度を長く維持できるので、数百ミリワット程度の基本波でも高い波長 変換効率を得ることができる。しかし、チャンネル導波路の断面は数ミクロン四方と
バルク型
チャンネル 導波路型
プレーナ 導波路型
斜視図 水平断面図 垂直断面図
バルク型
チャンネル 導波路型
プレーナ 導波路型
斜視図 水平断面図 垂直断面図
図 1.11 ＳＨＧ素子の分類：
断面図の点線は基本波のビーム広がりを示す。
Fig. 1.11 Classification of SHG devices.
狭いため、光吸収による温度分布が発生しやすく、図 1.5 で示したとおり高出力化の 進歩は捗々しくなかった。プレーナ導波路型ＳＨＧ素子は、本来バルク型とチャンネ ル導波路型の中間的な特徴をもつはずであるが、従来の研究例を見ると第二高調波出 力は高々数十ミリワット程度しか得られていない[40−42]。
ＳＨＧ素子への導波路作製方法には、表 1.2 に示すとおり、非線形光学結晶毎に様々 な方法が研究されている[43]。その中でも、プロトン交換アニール法は最も研究例が 多く、図 1.12 に示すチャンネル導波路型ＳＨＧ素子が実用化されている[12]。この 方法は、ＰＰＭｇＬＮの導波路部分に溝を空けてマスキングをした後、高温の安息香 酸やピロ燐酸溶液に浸すと、基板のリチウムイオンと溶液中のプロトンイオンが交換 し、イオン交換部分の屈折率が上がって導波路になるものである[44]。このイオン交 換で発生する結晶欠陥により非線形光学定数が半減するため、高温アニールで結晶欠 陥の回復とプロトンの拡散を図る。しかし、非線形光学定数はバルク結晶の 70～80％
までの回復に留まる。アニール後のコアとクラッドの比屈折率差は、基本波に対して 0.04 程度、第二高調波に対して 0.1 程度になる。図 1.14（ａ）に、図 1.12 のｚ軸方 向の屈折率分布、基本波と第二高調波に対する基本横モードの電界分布、その重なり 積分を示す。図より、基本波と第二高調波の電界分布の重なりが小さいことが分かる。
表 1.２ 代表的な非線形光学結晶の導波路作製方法[43]
Table1 1.2 Waveguide Fabrication Methods for Nonlinear Optical Crystals[43]
項目 作製方法 LiNbO3 LiTaO3 KTiOPO4
チャンネル導波路 プロトン交換アニール法
イオン交換法（ルビジウム）
メタル拡散法（チタン）
メタル拡散法（亜鉛）
イオン注入
機械研削（リッジ型）
エッチング（リッジ型）
蒸着（層荷型）
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
プレーナ導波路 プロトン交換・アニール法
直接接合 蒸着
○
○
○
○
○ ○
図 1.13 ドライエッチング法で作製したチャンネル導波路型ＳＨＧ素子:
Ｙカット基板を利用したＴＥモード導波路、座標は結晶方位。
Fig. 1.13 SHG device with a ridge-type channel waveguide fabricated by dry etching method.
図 1.12 プロトン交換アニール法で作製したチャンネル導波路型ＳＨＧ素子：
Ｚカット基板を利用したＴＭモード導波路、座標は結晶方位。
Fig. 1.12 Quasi-phase-matched SHG device with a channel waveguide fabricated by annealed proton-exchange method.
分極反転した非線形光学結晶をエッチングや機械研削で加工し、図 1.13 に示すリ ッジ形状の導波路を作る方法がある[13], [45]。この方法は、非線形光学結晶に与え るダメージが小さく、非線形光学定数はバルク結晶と遜色がない。しかし、超精密加 工技術が必要なことから、研究例は比較的に少ない。ｙ軸方向には空気や低屈折率材 料のクラッドを採用しており、図 1.14（b）に示すとおり、基本波と第二高調波の基
（a）プロトン交換アニール法で作製したチャンネル導波路：図 1.12 のｚ軸方向
（b）エッチング法で作製したチャンネル導波路：図 1.13 のｙ軸方向 図 1.14 プロトン交換導波路と高比屈折率差導波路の電界分布と重なり積分 Fig. 1.14 Electrical fields of fundamental and SHG waves and their overlap obtained using annealed proton-exchange and high index difference waveguides.
本横モード間の電界分布重なりが大きい[46]。導波路のｚ軸方向の電界分布は、リッ ジ形状による比屈折率差を 0.3％程度にして基本横モードになっている。これらの導 波路型ＳＨＧ素子には、共通の問題として光吸収による温度分布で位相不整合が発生 することや[29]、出力端面からの反射戻り光で電界の擾乱が生じて波長変換動作が不 安定になるなどの問題がある。
本研究の位置づけは、近年進歩が捗々しくなかった導波路型波長変換素子の高出力 化研究の中で、その導波路構造と基本横モードの励振方法に着目してチャンネル導波 路型ＳＨＧ素子とプレーナ導波路型ＳＨＧ素子の高出力化研究を進めたものである。
１．２．２ 半導体レーザ基本波光源
ＧａＮ系青紫色半導体レーザが実用化する以前の 1995 年頃、ブルーレイディスク への応用を目指し、半導体レーザ基本波光源とチャンネル導波路型ＳＨＧ素子を組合 せた青色高調波発生システム（図 1.4 参照）が精力的に研究された[35]。最近になり、
1.1 章で述べたマイクロプロジェクター用光源として、100 ｍＷ級の緑色高調波発生 システムの開発が進んでいる[10]。半導体レーザ基本波光源を用いた高調波発生シス テムとしては、Maiwald らがマスタ発振器パワー増幅器（Master oscillator power amplifier, MOPA）の基本波出力 4 Ｗをバルク型ＳＨＧ素子でシアン色 600 ｍＷに波 長変換した報告をしている[47]。
緑色高調波発生システムの高出力化のために、半導体レーザ基本波光源に求められ る性能は主に以下の３点にまとめられる。
1. 位相波面が揃った回折限界光(基本横モード)を出力すること。
2. 光スペクトラム(縦モード)が位相整合の許容波長範囲内に入ること。つまり、縦 モードは、単一縦モード、多モード、コヒーレントコラプス（Coherent collapse）
モードのいずれでもかまわない[48]。
3. 高出力であること。
チャンネル導波路型ＳＨＧ素子に適した半導体レーザ基本波光源に要求される主
な性能は、基本横モード発振、スペクトラム幅 0.3 ｎｍ以下、光出力 200～500 ｍＷ である。このような半導体レーザには、図 1.15 に示す（a）分布帰還型半導体レーザ
（ Distributed feedback laser diode, DFB LD ）、（ b ） 分 布 反 射 型 半 導 体 レ ー ザ
（Distributed Bragg reflector laser diode, DBR LD）、（c）光ファイバ回折格子制 御半導体レーザ（Fiber grating stabilized laser diode）がある。（a）に示す分布 帰還型半導体レーザは、安定な単一縦モードが得られる利点があるが、ホールバーニ ング（hole burning）による利得飽和があり、高出力化が難しかった。最近になり、
発光断面積の拡大と長共振器化で高出力化が進み[49]、チャンネル導波路型ＳＨＧ素 子を組合せた第二高調波出力 159 ｍＷ、変換効率 52％が報告されている[50], [51]。
しかし、半導体レーザの発振波長とＳＨＧ素子の位相整合波長はそれぞればらつくた め、温度制御だけで波長差を調整するのは難しく、量産性に課題を残している。
図 1.15 チャンネル導波路型ＳＨＧ素子に適した半導体レーザ基本波光源
Fig. 1.15 High-power semiconductor lasers for fundamental-wave sources suited to channel-waveguide SHG devices.
（b）に示す分布反射型半導体レーザは回折格子領域と分離された利得領域を持ち、
利得飽和レベルを上げる工夫がしやすく光出力 500 ｍＷが得られる。また、回折格子 領域、位相調整領域、利得領域毎の電流注入量を変えることで発振波長を制御できる 利点があり、半導体レーザの発振波長をＳＨＧ素子の位相整合波長に一致させること ができる。現在、この機能を応用した 100 ｍＷ級の緑色高調波発生システムが開発さ れている[52]。しかし、波長調整機能とは裏腹に縦モードの不安定性があり、素子温 度と電流の高精度制御が欠かせない[53]。（c）に示す光ファイバ回折格子制御半導体 レーザは光ファイバ回折格子で発振波長を制御するため、発振波長の温度依存性が小 さく、半導体レーザの温度制御が不要である[54]。しかし、光出力キンクを小さくす るには、ファブリペロー（Fabry-Perot）共振器の縦モードを複数含む広い発振スペ クトラムで動作させる必要があり、ＳＨＧ素子の波長変換効率が低くなる欠点があっ た[55]。本論文では触れないが、筆者らは光ファイバ回折格子の反射波長を半導体レ ーザの利得ピーク波長より長波にすることで、狭いスペクトラムでもキンクを小さく し、ＳＨＧ素子の波長変換効率を改善できることを報告している[56]。
次に、プレーナ導波路型ＳＨＧ素子に適した半導体レーザ基本波光源には、図 1.16 に示すとおり、単一縦モードの半導体レーザとテーパ型半導体光増幅器を組合せた ＭＯＰＡがある。テーパ型光増幅器には動作電流に応じて非点隔差が変化する欠点が あり[57−59] 、プレーナ導波路型ＳＨＧ素子との光学結合は不向きに見える。しかし、
テーパ型光増幅器の導波モードをプレーナ導波路型ＳＨＧ素子の導波モードに結合 させ、テーパ型光増幅器の自由空間伝播はプレーナ導波路型ＳＨＧ素子内でコリメー トした自由空間伝播にすることで、光増幅器の非点隔差が変動してもＳＨＧ素子の波 長変換効率の変化を小さくすることができる。このＭＯＰＡは、従来から、モノリシ ック集積型やハイブリッド型など様々な構成が研究されてきた[60−64]。図 1.16（a）
は、分布反射型半導体レーザとテーパ型光増幅器を集積化したモノリシック型 ＭＯＰＡである[62]。この素子は、反射戻り光による複合共振モードが発生しやすく、
発振スペクトラムの多モード化や緩和振動による雑音増加などの課題がある[65]。
また、集積化のため最適化に制約があり、光出力は 2 Ｗ程度であった。そこで、分布 反射型半導体レーザとテーパ型光増幅器を個別に最適化し、レンズ光学系で結合する
（b）のハイブリット型が最近改めて見直され、Schwertfeger らはこの構成で光出力 7.4 Ｗ(波長 1083 ｎｍ、素子温度 10℃)を報告した[66]。（a）と（b）のいずれもマ スタ発振器に波長温度係数の大きい半導体レーザを用いるため、スペクトラムを ＳＨＧ素子の位相整合の許容波長範囲内に制御する方法に課題がある。マスタ発振器 に光ファイバ回折格子制御半導体レーザを用いる（c）の構成であれば、波長温度係 数が小さくこの課題を解決できる。
このテーパ型光増幅器の最大出力は、出力光の波面が乱れ、発光領域が筋状に輝く 図 1.16 プレーナ導波路型ＳＨＧ素子に適した半導体レーザ基本波光源
Fig. 1.16 High-power semiconductor lasers for fundamental-wave sources suited to planar-waveguide SHG devices.
フィラメント形成（Filament formation）で制限される[67−74]。このフィラメント 形成は、テーパ型光増幅器の活性層内のホールバーニング、キャリア分布や温度分布 が誘起する屈折率変化、入力光の局所的な輝度分布変化や入出力端面に施された反射 防止膜の残留反射など、様々な原因で発生する。このフィラメント形成を抑制するた め、光入力部にリッジ導波路プリアンプとその両脇に反射スポイラーを設ける図 1.17 の構造が主流になっている[64]。しかし、波長 1064 ｎｍに利得ピークを合わせるた めに圧縮歪を大きくした砒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）の量子井戸活性層 では[75]、その周囲でリッジ導波路プリアンプや反射スポイラーを作るための深いエ ッチングを行うと、活性層に貫通転移を発生させて長期的な信頼性を損なう懸念があ る [ 7 6 ] 。 こ の リ ッ ジ 導 波 路 プ リ ア ン プ は 、 導 波 モ ー ド を 安 定 化 す る た め に 0.5～0.75 ｍｍ程度の長さが必要であり[77]、チップサイズの大型化とコスト上昇を 招く原因になる。
本研究は、構造が簡単で信頼性の高いプレーナ構造テーパ型光増幅器の光ビーム制 御方法に着目し、プレーナ導波路型ＳＨＧ素子に最適な半導体レーザ基本波光源の高 出力化研究を進めたものである。
図 1.17 テーパ型半導体光増幅器の構造
Fig. 1.17 Structure of a tapered semiconductor amplifier.
１．３ 本研究の目的と論文の構成
本研究は、1.2.1 章に述べた背景に基づいて、導波路型ＳＨＧ素子の高出力化を制 限する原因調査と考察を踏まえ、その高出力化を進めることを目的にしたものである。
さらに、その研究成果であるプレーナ導波路型ＳＨＧ素子に最適な半導体レーザ基本 波光源を構成するテーパ型半導体光増幅器に対し、1.2.2 章に述べた課題点を解決し、
構造が簡単で高信頼性なものを提供することを目的としたものである。また、図 1.18 に本論文の構成と技術テーマとの関係を示す。この種の光エレクトロニクスに関する 技術テーマとして、「非線形光学材料」、「光導波路」、「光学設計」、「半導体レーザ」
に分類した場合に、各章がどのテーマに関連するかについて示した。
まず、第 2 章の「チャンネル導波路型第二高調波発生素子の高出力化」では、そ の高出力化の鍵が基本波と第二高調波の基本横モード間の電界分布重なりの向上と、
その導波路の基本横モード励振にあると考え、実施した改善への取り組みについて論 じる。
次に、第 3 章の「プレーナ導波路型第二高調波発生素子の高出力化」では、前章で 明らかとなった大きな導波路損失を解決するプレーナ導波路型ＳＨＧ素子の提案し、
高出力化に向けた詳細な設計、作製プロセスの改善、高い第二高調波出力が得られた 実証実験と、結果の考察について論じる。
第 4 章の「テーパ型光半導体増幅器を用いた基本波光源」では、プレーナ導波路型 ＳＨＧ素子の高出力基本波光源として期待されるテーパ型半導体光増幅器を用いた マスタ発振器パワー増幅器において、信頼性が高いプレーナ構造のテーパ型半導体光 増幅器を、光ファイバ先端に加工したバイコニカルマイクロレンズで制御する構成を 提案し、ビーム伝播法を用いた設計とその実証実験、結果の考察について述べる。
最後に、第 5 章の「結論」で、全体のまとめを述べる。
序論（第１章）
テーパ型半導体光増幅器 を用いた基本波光源
（第４章）
チャンネル導波路型 第二高調波発生素子
の高出力化
（第２章）
プレーナ導波路型 第二高調波発生素子
の高出力化
（第３章）
結論
（第５章）
非線形光学材料
半導体レーザ 光導波路
光学設計 技術テーマ 序論（第１章）
テーパ型半導体光増幅器 を用いた基本波光源
（第４章）
チャンネル導波路型 第二高調波発生素子
の高出力化
（第２章）
プレーナ導波路型 第二高調波発生素子
の高出力化
（第３章）
結論
（第５章）
非線形光学材料
半導体レーザ 光導波路
光学設計 技術テーマ
図 1.18 本論文の構成と技術テーマ
Fig. 1.18 Structure of this dissertation and topics covered.
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