CN105453352B - 外部谐振器型发光装置 - Google Patents

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Abstract

外部谐振器型发光装置具备使半导体激光振荡的光源、及与该光源构成外部谐振器的光栅元件。光源具备使半导体激光振荡的活性层。光栅元件具备：光波导路，其具有射入半导体激光的入射面和射出所需波长的出射光的出射面；布拉格光栅，其在光波导路内形成；及传播部，其设置在入射面和布拉格光栅之间。该外部谐振器型发光装置满足式(1)～式(4)的关系。

Description

外部谐振器型发光装置
技术领域
本发明涉及一种外部谐振器型发光装置。
背景技术
半导体激光器一般采用法布里-珀罗(FP)型，法布里-珀罗(FP)型半导体激光器构成有被形成在活性层的两端面的反射镜所夹着的光谐振器。但是，该FP型激光器，以使驻波条件成立的波长振荡，因此纵模容易变成多模，尤其是若电流或温度发生变化则振荡波长发生变化，由此使光强度发生变化。
因此，为了实现光通信或气体传感等目的，需要波长稳定性高的单模振荡的激光器。因此，开发了分布反馈式(DFB)激光器或分布布拉格反射式(DBR)激光器。对这些激光器而言，在半导体中设置衍射光栅，利用衍射光栅的波长依赖性仅使特定的波长振荡。
对DBR激光器而言，在活性层的波导路的延长线上的波导路面，形成凹凸并构成基于布拉格反射的反射镜，从而实现谐振器(专利文献1(日本特开昭49-128689)；专利文献2(日本特开昭56-148880))。对该激光器而言，在光波导层的两端设置有衍射光栅，因此，从活性层发出的光在光波导层传播，并且该光的一部分在该衍射光栅反射，并返回到电流注入部，从而实现放大。从衍射光栅向规定的方向反射的只有一种波长的光，因此，激光的波长是固定的。
另外，作为该应用，开发了将衍射光栅形成为与半导体不同的部件，并在外部形成谐振器的外部谐振器型半导体激光器。该类型的激光器为波长稳定性、温度稳定性、及控制性良好的激光器。外部谐振器有，光纤布拉格光栅(FBG)(非专利文献1)、或体全息光栅(VHG)(非专利文献2)。衍射光栅与半导体激光器单独构成，因此，衍射光栅具有能够单独设计反射率、谐振器长度的特征，并且不受基于电流注入的发热而使温度上升的影响，因此能够使波长稳定性更加良好。另外，半导体的折射率的温度变化是不同的，因此，通过配合谐振器长度设计，能够提高温度稳定性。
在专利文献6(日本特开2002-134833)中公开了利用在石英玻璃波导路形成的光栅的外部谐振器型激光器。其旨在提供可以没有温度控制器而在室温变化很大(例如，30℃以上)的环境中使用的稳频激光器。另外，公开了提供一种抑制跳模且振荡频率没有温度依赖性的温度无依赖型激光器的内容。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：电子信息通信学会论文杂志C-II Vol.J81，No.7pp.664-665，1998年7月
非专利文献2：电子信息通信学会技术研究报告LQE，2005年105卷52号pp.17-20
专利文献
专利文献1：日本特开昭49-128689
专利文献2：日本特开昭56-148880
专利文献3：WO2013/034813
专利文献4：日本特开2000-082864
专利文献5：日本特开2006-222399
专利文献6：日本特开2002-134833
发明内容
在非专利文献1中提及了伴随温度上升损害波长稳定性的跳模机理、和其改善对策。基于温度的外部谐振器型激光器的波长变化量δλs，其对于半导体的活性层区域的折射率变化Δna、活性层的长度La、FBG区域的折射率变化Δnf、长度Lf、各个温度变化δTa、δTf之间的关系，在驻波条件下由下式表示。
[数1]
这时，λ0表示在初始状态下的光栅反射波长。
另外，光栅反射波长的变化δλG由下式表示。
[数2]
跳模在外部谐振器的纵模间隔Δλ、与波长变化量δλs和光栅反射波长的变化量δλG之差相等时发生，因此，下式成立。
[数3]
纵模间隔Δλ近似地成为下式。
[数4]
通过式(C)和式(D)满足式(E)。
[数5]
为了抑制跳模，需要在ΔTall以下的温度内使用，并且用珀耳帖元件进行温度控制。式(E)中表示，在活性层和光栅层的折射率变化相同的情况下(Δna/na＝Δnf/nf)，分母变为零，引起跳模的温度变为无穷大，从而不引起跳模。但是，在单片DBR激光器中，由于为了使激光振荡，而使电流注入到活性层，从而不能使活性层和光栅层的折射率变化一致，因此引起跳模。
跳模是指，谐振器内的振荡模(纵模)从一种模式移向另一种模式的现象。若温度或注入的电流发生变化，则增益或谐振器的条件不同，激光器振荡波长发生变化，从而产生称为曲折(kink)的光强度变动这一问题。因此，采用FP型的GaAs半导体激光器的情况下，通常，波长以0.3nm/℃的温度系数发生变化，但是，若引起跳模，则产生比这还大的变动。与此同时，输出会发生5％以上的变动。
因此，为了抑制跳模，使用珀耳帖元件进行温度控制。但是，会因此导致部件数增加，模块变大，成本变高。
在专利文献6中，为了具有温度无依赖性，现有的谐振器结构直接向光波导路层赋予应力，从而补偿基于热膨胀的温度系数，由此实现温度无依赖性。因此，将金属板粘贴在元件，进而在波导路中增加设置用于调整温度系数的层。从而，存在谐振器结构变得更大的问题。
本发明的课题在于，能够不使用珀耳帖元件，抑制跳模，提高波长稳定性，并抑制光强度变动。
本发明的外部谐振器型发光装置，包括：使半导体激光振荡的光源、和光栅元件，且所述使半导体激光振荡的光源和所述光栅元件构成外部谐振器，其特征在于，
所述光源具备使所述半导体激光振荡的活性层，
所述光栅元件包括：光波导路，其具有射入所述半导体激光的入射面和射出期望波长的出射光的出射面；布拉格光栅，其在该光波导路内形成；及传播部，其设置在所述入射面和所述布拉格光栅之间，外部谐振器型发光装置满足下述式(1)-式(4)的关系，
ΔλG≥0.8nm……(1)
Lb≤500μm……(2)
La≤500μm……(3)
nb≥1.8……(4)
(在式(1)中，ΔλG是布拉格反射率的峰值的半高宽。
在式(2)中，Lb是所述布拉格光栅的长度。
在式(3)中，La是所述活性层的长度。
在式(4)中，nb是构成所述布拉格光栅的材质的折射率。)
在优选的实施方案中，进一步满足下述式(5)的关系。
[数6]
(在式(5)中，dλG/dT是布拉格波长的温度系数。
dλTM/dT是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长的温度系数。)
在优选的实施方案中，满足下述式(6)-(8)的关系。
LWG≤600μm……(6)
1μm≤Lg≤10μm……(7)
20μm≤Lm≤100μm……(8)
(在式(6)中，LWG是所述光栅元件的长度。
在式(7)中，Lg是所述光源的所述出射面与所述光波导层的所述入射面之间的距离。
在式(8)中，Lm是所述传播部的长度。)
根据本发明，能够不使用珀耳帖元件，抑制跳模，提高波长稳定性，并抑制光强度变动。
附图说明
图1是示出外部谐振器型发光装置的示意图。
图2是示出光栅元件的横截面图。
图3是示意性示出光栅元件的立体图。
图4是示出其他光栅元件的横截面图。
图5是说明基于现有例的跳模的形态的图。
图6是说明基于现有例的跳模的形态的图。
图7是说明基于本发明例的跳模的形态的图。
图8是示出现有结构的反射特性(增益条件)以及相位条件的图。
图9是示出本发明结构的反射特性(增益条件)以及相位条件的图。
图10(a)、(b)、(c)是分别示出使用细长带状的光波导路20、20A的光栅元件21A、21B、21C的横截面的示意图。
图11(a)、(b)是分别示出使用细长带状的光波导路20、20A的光栅元件21D、21E的横截面的示意图。
具体实施方式
在图1中示意性示出的外部谐振器型发光装置1，其具备使半导体激光振荡的光源2、和光栅元件9。光源2和光栅元件9安装在共用基板3上。
光源2具备用于使半导体激光振荡的活性层5。在本实施方案中，活性层5设置在基体4。在基体4的外侧端面设置有反射膜6，在活性层5的光栅元件侧的端面形成有减反射层7A。
如图1、图3所示，在光栅元件9设置有光波导路11，且光波导路11具有射入半导体激光A的入射面11a和射出期望波长的出射光B的出射面11b。C是反射光。在光波导路11内，形成有布拉格光栅12。在光波导路11的入射面11a和布拉格光栅12之间，设置有不具有衍射光栅的传播部13，传播部13隔着间隙14与活性层5对置。7B是设置在光波导路11的入射面侧的减反射膜，7C是设置在光波导路11的出射面侧的减反射膜。在本例中，光波导路11是脊型光波导路，并设置在基板10。光波导路11可以形成在与布拉格光栅12相同的面，也可以形成在与布拉格光栅12相对的面。
优选实施方式中，布拉格光栅的反射率比光源的出射端的反射率、光栅元件的入射面的反射率、以及光栅元件的出射面的反射率大。从该观点考虑，光源的出射端的反射率、光栅元件的入射面的反射率、以及光栅元件的出射面的反射率优选为0.1％以下。另外，减反射层7A、7B、7C的反射率只要是比光栅反射率小的值即可，进而优选为0.1％以下。
如图2所示，在本例中，在基板10上经由粘接层15、下侧缓冲层16形成有高折射率层11，在高折射率层11上形成有上侧缓冲层17。例如，在高折射率层11形成有一对脊型沟槽19，在脊型沟槽之间形成有脊型的光波导路18。在该情况下，布拉格光栅可以形成在平坦面11a面，也可以形成在11b面。从减小布拉格光栅及脊型沟槽的形状偏差的观点来看，优选地，将布拉格光栅形成在11a面上，由此将布拉格光栅和脊型沟槽19设置在基板的相反两侧。
另外，在图4所示的元件9A中，在基板10上隔着粘接层15、下侧缓冲层16形成有高折射率层11，在高折射率层11上形成有上侧缓冲层17。例如，在高折射率层11的基板10侧形成有一对脊型沟槽19，在脊型沟槽19之间形成有脊型的光波导路18。在该情况下，布拉格光栅可以形成在平坦面11a侧，也可以形成在有脊型沟槽的11b面。从减小布拉格光栅及脊型沟槽的形状偏差的观点来看，优选地，将布拉格光栅形成在平坦面11a面侧，由此将布拉格光栅和脊型沟槽19设置在基板的相反两侧。另外，也可以没有上侧缓冲层17，在该情况下，空气层能够直接与光栅接触。由此，无论有没有光栅沟槽均能够增大折射率差，并能够以短的光栅长度增大反射率。
作为光源，优选为基于具有高可靠性的GaAs系或InP系材料的激光器。作为本申请结构的应用，例如，利用非线性光学元件使作为第二高次谐波的绿色激光振荡的情况下，使用在1064nm附近的波长振荡的GaAs系的激光器。由于GaAs系或InP系的激光器的可靠性高，也可以实现以一维形式排列的激光器阵列等的光源。也可以是超发光二极管或半导体光放大器(SOA)。另外，也可以适当地选择活性层的材质或波长。
脊型的光波导路是，例如通过进行利用外周刃的切割加工或激光烧蚀加工来进行物理加工并成形而得到的。
缓冲层可以作为光波导路的包层起作用。从该观点考虑，缓冲层的折射率优选低于高折射率层的折射率，其折射率差优选为0.2以上，更优选为0.4以上。
布拉格光栅能够通过如下的物理蚀刻或化学蚀刻而形成。
作为具体例，在高折射率基板形成Ni、Ti等的金属膜，通过光刻周期性地形成孔，并形成蚀刻用掩模。之后，用反应性离子蚀刻等干蚀刻装置形成周期性的光栅沟槽。最后去除金属掩模，由此能够形成布拉格光栅。
在高折射率层中，为了更加提高光波导路的耐光损伤性，可以含有选自镁(Mg)、锌(Zn)、钪(Sc)、及铟(In)的一种以上金属元素，在该情况下，尤其优选镁。另外，在结晶中，作为掺杂成分可以含有稀土元素。作为稀土元素，尤其优选为Nd、Er、Tm、Ho、Dy及Pr。
对粘接层的材质而言，可以是无机粘接剂，也可以是有机粘接剂，还可以是无机粘接剂和有机粘接剂的组合。
另外，光学材料层11也可以在支撑基体上通过薄膜形成法成膜而形成。作为这种薄膜形成法，可以举出溅射、蒸镀、CVD。在该情况下，不需要上述粘接层。
对支撑基体的具体材质没有特别的限定，可以举出铌酸锂、钽酸锂、石英玻璃等玻璃或水晶、及Si等。
减反射层的反射率须在光栅反射率以下，作为在减反射层成膜的膜材料，可以使用以二氧化硅、五氧化二钽等氧化物层叠的膜、或金属类膜。
另外，光源元件、光栅元件的各端面也可以为了抑制端面反射而分别倾斜切割。另外，光栅元件和支撑基板的接合，在图2的示例中是粘接固定，但也可以是直接接合。
下面，对式(1)-式(8)的条件的含义进一步说明。
然而，由于数学式既抽象又难以理解，因此，先直接将现有技术的典型方案和本发明的实施方案进行比较，并对本发明的特征进行说明。接着对本发明的各条件进行说明。
首先，对于半导体激光器的振荡条件，如下式所示以增益条件×相位条件来决定。
[数7]
增益条件由(2-1)式成为下式。
[数8]
其中，αa、αb分别是活性层、光栅层的损耗因数，La、Lb分别是活性层、光栅层的长度，r1、r2是反射镜反射率(r2是光栅的反射率)，Cout是光栅元件和光源的耦合损耗，ζtgth是激光介质的增益阈值，φ1是基于激光器侧反射镜的相位变化量，φ2是在光栅部的相位变化量。
由(2-2)式表示，若激光介质的增益ζtgth(增益阈值)超过损耗，则形成激光振荡。激光介质的增益曲线(波长依赖性)具有半高宽为50nm以上、且较宽的特性。另外，损耗部(右边)除了光栅的反射率以外几乎不存在波长依赖性，因此增益条件由光栅决定。从而，在比较表中，增益条件可以只考虑光栅。
另一方面，相位条件由(2-1)式变为下式。其中，φ1成为零。
[数9]
φ2+2βLa＝2pπ(p为整数) (2-3)式
对外部谐振器型激光器而言，作为外部谐振器，使用了石英系玻璃波导路、FBG的外部谐振器已被产品化。如表1及图5、图6所示，现有的设计理念是，光栅的反射特性为ΔλG＝0.2nm左右、反射率为10％。由此，光栅部的长度成为1mm。另一方面，将相位条件设计成所满足的波长为离散型，并在ΔλG内，(2-3)式具有2-3点。因此，需要激光介质的活性层长度长，使用长度在1mm以上的活性层。
[表1]
在使用玻璃波导路或FBG的情况下，λG的温度依赖性非常小，并成为dλG/dT＝0.01nm/℃左右。由此，外部谐振器型激光器具有波长稳定性高的特征。
但是，与此相比，满足相位条件的波长的温度依赖性更大，为dλs/dT＝0.05nm/℃，并相差0.04nm/℃。
一般地，根据非专利文献1，认为引起跳模的温度Tmh如下式所表示(认为Ta＝Tf)。
ΔGTM是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长间隔(纵模间隔)。
[数10]
由此，现有情况下，Tmh为5℃左右。因此，容易引起跳模。从而，若引起跳模，则强度基于光栅的反射特性发生变动，并发生5％以上的变动。
由此可知，在实际工作中，利用了现有的玻璃波导路或FBG的外部谐振器型激光器是利用珀耳帖元件而进行温度控制的。
对此，作为本发明的前提条件，使用了(2-4)式的分母变小的光栅元件。需要使(2-4)式的分母在0.03nm/℃以下，作为具体材料，优选为砷化镓(GaAs)、铌酸锂(LiNbO3)、氧化钽(Ta2O5)、氧化锌(ZnO)、氧化铝(Al2O3)。例如，在利用铌酸锂(LiNbO3)的情况下，如果能够将ΔλG设计成1.3nm左右，并且将活性层的长度设定成250μm以使满足相位条件的波长在ΔλG内存在2点，则例如ΔGTM为1.2nm，Tmh为60℃，使工作温度范围变广。在图7中示出该例。
即，对本发明的结构而言，对于温度变化，振荡波长基于光栅的温度特性以0.05nm/℃变化，但可以使跳模不易发生。对本发明结构而言，为了增大ΔλG而将光栅长度Lb设定为100μm，为了增大ΔGTM而将La设定为250μm。
此外，补充说明与专利文献6的不同之处。
在本申请中，使光栅波长的温度系数和纵模的温度系数接近，由此实现温度无依赖性，因此，能够使谐振器结构成为紧凑型且不需要增加设置其他装置。在专利文献6中，各参数以如下方式记载，且均属于现有技术的范畴。
ΔλG＝0.4nm
纵模间隔ΔGTM＝0.2nm
光栅长度Lb＝3mm
LD活性层长度La＝600μm
传播部的长度＝1.5mm
下面，对本发明的各条件进行说明。
将布拉格反射率的峰值的半高宽ΔλG设为0.8nm以上(式1)。λG是布拉格波长。即，如图5、图6、图7所示，将横轴作为基于布拉格光栅的反射波长，并将纵轴作为反射率时，将反射率为最大的波长作为布拉格波长。另外，在以布拉格波长为中心的峰值中，将反射率成为峰值一半的两个波长之差作为半高宽ΔλG。
如图7所示，将布拉格反射率的峰值的半高宽ΔλG设为0.8nm以上，这是为了使反射率峰值较宽。从该观点来看，半高宽ΔλG优选设为1.2nm以上，更优选为1.5nm以上。另外，半高宽ΔλG优选设为2nm以下。
布拉格光栅的长度Lb为500μm以下(式2)。布拉格光栅的长度Lb是在光波导路传播的光的光轴方向的光栅长度。将布拉格光栅的长度Lb设成比现有长度短，为500μm以下，这是本发明的设计构思的前提。从该观点来看，将布拉格光栅的长度Lb设为300μm以下更优选。
活性层的长度La也设为500μm以下(式3)。将活性层的长度La设成比现有的长度更短也是本发明的设计构思的前提。从该观点来看，将活性层的长度La设为300μm以下更优选。另外，优选将活性层的长度La设为150μm以上。
将构成布拉格光栅的材质的折射率nb设为1.8以上(式4)。现有的一般材料是石英等折射率更低的材料，但在本发明的构思中，提高构成布拉格光栅的材质的折射率。其理由是，折射率大的材料，其折射率的温度变化大，并且能够增大(2-4)式的Tmh。从该观点来看，nb更优选为1.9以上。另外，nb的上限无特别限定，但从光栅间距过小而难以形成的观点来看，优选为4以下。
而且，式(5)所示的条件比较重要。
在式(5)中，dλG/dT是布拉格波长的温度系数。
另外，dλTM/dT是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长的温度系数。
此时，λTM是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长，即，满足所述(2.3式)的相位条件的波长。在本说明书中将λTM称为“纵模”。
下面，对纵模进行补充说明。
(2.3)式是φ2+2βLa＝2pπ，且β＝2π/λ，因此，满足该式的λ为λTM。φ2是布拉格光栅的相位变化，由下式算出。
[数11]
ΔGTM是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长间隔(纵模间隔)。由于存在多个λTM，因此，意味着多个λTM之差。
因此，通过满足式(5)，提高引起跳模的温度，实际上能够抑制跳模。式(5)的数值更优选为0.025以下。
光栅元件的长度LWG也设为600μm以下(式6)。与Lb一样使LWG变短也是本发明的前提。从该观点来看，LWG优选为400μm以下，更优选为300μm以下。另外，LWG优选为50μm以上。
将光源的出射面与光波导层的入射面之间的距离Lg设为1μm以上且10μm以下(式(7))。由此可以进行稳定的振荡。
传播部的长度Lm为20μm以上且100μm以下(式8)。由此可以进行稳定的振荡。
在优选实施方式中，光源和光栅元件直接光学连接，在活性层的外侧端面和布拉格光栅之间形成有谐振器结构，活性层的外侧端面是指与所述活性层的所述光栅元件侧端面相反侧的端面，活性层的外侧端面和布拉格光栅的出射侧终点之间的长度L在900μm以下。在光栅部，光缓慢地被反射，所以无法像反射镜那样观测到明确的反射点。有效的反射点可通过数学方式进行定义，存在于与布拉格光栅的出射侧终点相比更靠近激光侧的位置。因此，本申请中，用出射侧的终点来定义谐振器的长度。根据本发明，即使谐振器长度非常短，也能够高效率地使目标波长的光振荡。从该观点考虑，活性层的外侧端面和布拉格光栅的出射侧终点之间的长度更优选为800μm以下，特别优选为700μm以下。另外，从提高激光输出的观点考虑，该谐振器的长度优选为300μm以上。
上述各例中，光波导路是由脊型部和形成该脊型部的至少一对脊型沟槽构成的脊型光波导路。在该情况下，脊型沟槽下残留有高折射率材料，并且在脊型沟槽的外侧也分别形成有由高折射率材料形成的延伸部。
但是，在脊型光波导路中，也可以通过除去位于脊型沟槽之下的高折射率材料而形成带状的细长芯。该情况下，脊型光波导路由细长芯形成，所述芯由光学材料形成，芯的横截面构成凸形图形。在该芯的周围，存在缓冲层(包层)、空气层，缓冲层、空气层作为包层起作用。
凸形图形是指芯的横截面的外侧轮廓线上连接任意二点的线段位于芯的横截面的外侧轮廓线的内侧。作为这样的图形，可以举出三角形、四边形、六边形、八边形等多边形、圆形、椭圆形等。作为四边形，特别优选具有上边、下边和一对侧边的四边形，特别优选梯形。
图10、图11是该实施方式所涉及的产品。
图10(a)的光栅元件21A中，在支撑基板10上形成有缓冲层16，在缓冲层16上形成有光波导路20。光波导路20由芯形成，所述芯由前述的折射率在1.8以上的高折射率材料形成。光波导路的横截面(与光传播方向垂直的方向的截面)形状为梯形，光波导路细长延伸。本例中，光波导路20的上侧面比下侧面窄。光波导路20内，形成有前述的入射侧传播部、布拉格光栅、出射侧传播部。
图10(b)的光栅元件21B中，在支撑基板10上形成有缓冲层22，在缓冲层22内埋设有光波导路20。光波导路的横截面(与光传播方向垂直的方向的截面)形状为梯形，光波导路细长拉伸。本例中，光波导路20的上侧面比下侧面窄。缓冲层22包含光波导路20上的上侧缓冲22b、下侧缓冲22a以及被覆光波导路20的侧面的侧面缓冲22c。
图10(c)的光栅元件21C中，在支撑基板10上形成有缓冲层22，在缓冲层22内埋设有光波导路20A。光波导路20A由芯形成，所述芯由前述的折射率在1.8以上的高折射率材料形成。光波导路的横截面(与光传播方向垂直的方向的截面)形状为梯形，光波导路细长延伸。本例中，光波导路20A的下侧面比上侧面窄。
图11(a)的光栅元件21D中，在支撑基板10上形成有缓冲层16，在缓冲层16上形成有光波导路20。光波导路20被另一缓冲层23包含并埋设在其中。缓冲层23由上侧缓冲23a以及侧面缓冲23b构成。本例中，光波导路20的上侧面比下侧面窄。
图11(b)的光栅元件21E中，在支撑基板10上形成有缓冲层16，在缓冲层16上形成有光波导路20A。光波导路20A被另一缓冲层23包含并埋设在其中。缓冲层23由上侧缓冲23a以及侧面缓冲23b构成。本例中，光波导路20A的下侧面比上侧面窄。
应予说明，光波导路的宽度Wm是光波导路的横截面中宽度最窄部分的宽度。
实施例
(实施例1)
制作如图1-图3所示的装置。
具体地，在将掺杂MgO的铌酸锂结晶z切而成的基板上形成Ni膜，通过光刻技术在y轴方向制作光栅图案。之后，以Ni图案为掩模，进行反应性离子蚀刻，从而形成间距(pitch)间隔Λ为180nm、长度Lb为100μm的光栅沟槽。光栅的槽深为300nm。另外，为了形成在y轴传播的光波导路，用准分子激光器对光栅部实施了宽度Wm为3μm、Tr为0.5μm的沟槽加工。进一步，在沟槽形成面，用溅射装置形成0.5μm的由SiO2形成的缓冲层17，作为支撑基板使用黑色LN基板并粘接光栅形成面。
接着，将黑色LN基板侧粘贴在研磨平台，对形成有光栅的LN基板的背面进行精密研磨而成为1μm的厚度(Ts)。之后，从平台取下并对研磨面进行溅射，形成0.5μm的由SiO2形成的缓冲层16。
之后，用切割装置切断成杆状，对两端面进行光学研磨，使两端面形成0.1％以下的AR涂层，最后进行芯片切割而制作光栅元件。元件尺寸是宽度为1mm、长度Lwg为500μm。
就光栅元件的光学特性而言，使用作为宽带波长光源的超发光二极管(SLD)，并向光栅元件输入光且用光谱分析仪分析输出光，由此通过光栅元件的穿透特性评价了反射特性。其结果，对于x轴方向的偏振光(寻常光)，得到了中心波长为800nm、最大反射率为3％、及半高宽ΔλG为1.3nm的特性。
接着，为了进行使用该光栅元件的外部谐振器型激光器的特性评价，如图1所示，安装了激光器模块。作为光源元件准备如下元件：具有GaAs系激光器结构，并在其中一个端面形成高反射膜，在另一个端面形成反射率为0.1％的AR涂层。
光源元件规格：
中心波长：800nm
激光器元件长度：250μm
安装规格：
Lg：3μm
Lm：20μm
在安装模块后，不使用珀耳帖元件而用电流控制(ACC)驱动时，具有中心波长为800nm、输出为50mW的激光器特性。另外，为了评价工作温度范围，在恒温槽内设置模块，并测量了激光振荡波长的温度依赖性、引起跳模的温度、及输出变动。其结果，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃、跳模温度为60℃、及强度输出变动为1％以内(图5、图7)。
(比较例)
与实施例1相同，在将掺杂MgO的铌酸锂结晶z切而成的基板上将Ni成膜，通过光刻技术在y轴方向制作了光栅图案。之后，以Ni图案为掩模，通过反应性离子蚀刻，形成了间距间隔Λ为180nm、长度Lb为1000μm的光栅沟槽。光栅的槽深为300nm。另外，为了形成在y轴传播的光波导路，用准分子激光器对光栅部实施了宽度Wm为3μm、Tr为0.5μm的沟槽加工。
进一步地，在沟槽形成面，用溅射装置形成0.5μm的由SiO2形成的缓冲层17，作为支撑基板使用黑色LN基板并粘接光栅形成面。
接着，将黑色LN基板侧粘贴在研磨平台，对形成有光栅的LN基板的背面进行精密研磨而使厚度(Ts)为1μm。之后，从平台取下并对研磨面进行溅射，形成0.5μm的由SiO2形成的缓冲层16。之后，用切割装置切断成杆状，对两端面进行光学研磨，使两端面形成0.1％以下的AR涂层，最后进行芯片切割而制作光栅元件。元件尺寸是宽度为1mm、长度Lwg为1500μm。
就光栅元件的光学特性而言，使用作为宽带波长光源的超发光二极管(SLD)，并向光栅元件输入光且用光谱分析仪分析输出光，由此通过光栅元件的穿透特性评价了反射特性。其结果，对于x轴方向的偏振光(寻常光)，得到了中心波长为800nm、最大反射率为10％、及半高宽ΔλG为0.2nm的特性。
接着，为了进行使用该光栅元件的外部谐振器型激光器的特性评价，安装了如其他图所示的激光器模块。作为光源元件准备如下元件：具有GaAs系激光器结构，并在其中一个端面形成高反射膜，在另一个端面形成反射率为0.1％的AR涂层。
光源元件规格：
中心波长：800nm
激光器元件长度：1000μm
实装规格：
Lg：3μm
Lm：20μm
在实装模块后，不使用珀耳帖元件而用电流控制(ACC)驱动时，具有中心波长为800nm、输出为50mW的激光器特性。另外，为了评价工作温度范围，在恒温槽内设置了模块，并测量了激光振荡波长的温度依赖性、引起跳模的温度、及输出变动。其结果，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃、跳模温度为6℃、及强度输出变动为10％。
(实施例2)
与实施例1同样地制作图1、图3所示的装置。但是，光栅元件21D的横截面形状为图11(a)所示的形状。
具体而言，在由石英形成的支撑基板10上通过溅射装置形成0.5μm的成为下侧包层的SiO2层16，再在其上形成1.2μm Ta2O5膜，形成高折射率层。接下来，在Ta2O5上将Ti成膜，通过EB描绘装置制作光栅图案。之后，以Ti图案为掩模进行氟系的反应性离子蚀刻，从而形成间距(pitch)间隔Λ为238.5nm、长度Lb为100μm的布拉格光栅。光栅的槽深td为40nm。
进而，为了形成光波导路20，通过与上述相同的方法进行反应性离子蚀刻，蚀刻成：宽度为Wm 3μm、两侧面残留光波导路20、完全切入高折射率层。光波导路20的厚度Ts为1.2μm。
最后，通过溅射装置形成2μm成为上侧包层的由SiO2形成的缓冲层23，覆盖光波导路20。
之后，用切割装置切断成杆状，对两端面进行光学研磨，使两端面形成0.1％的AR涂层，最后进行芯片切割而制作光栅元件。元件尺寸是宽度为1mm、长度Lwg为500μm。
就光栅元件的光学特性而言，使用作为宽带波长光源的超发光二极管(SLD)，并向光栅元件输入TE模的光且用光谱分析仪分析输出光，由此通过光栅元件的穿透特性评价了反射特性。
测定的光栅元件的反射中心波长为975nm，取得：反射率为18％、半高宽△λG为2nm的特性。
接下来，如图1所示安装激光组件。光源元件是普通的GaAs系激光器，在出射端面没有设置AR涂层。
光源元件规格：
中心波长：977nm
输出：50mW
半宽度：0.1nm
激光器元件长度：250μm
安装规格：
Lg：1μm
Lm：20μm
在安装模块后，不使用珀耳帖元件而用电流控制(ACC)驱动时，具有：在对应于光栅的反射波长的中心波长975nm处振荡、输出比没有光栅元件时还小、为40mW的激光特性。另外，为了评价工作温度范围，在恒温槽内设置模块，并测量了激光振荡波长的温度依赖性、输出变动。其结果，起振波长的温度系数为0.03nm/℃，跳模导致的输出波动变大的温度域为40℃，即使发生跳模，在该温度域的功率输出波动也在1％以内。

Claims (12)

1.一种外部谐振器型发光装置，其单模振荡，包括：使半导体激光振荡的光源、和光栅元件，且所述光源和所述光栅元件构成外部谐振器，其特征在于，
所述光源包括使所述半导体激光振荡的活性层，
所述光栅元件包括：
光波导路，其具有供所述半导体激光射入的入射面和供期望波长的出射光射出的出射面，
布拉格光栅，其形成在该光波导路内，及
传播部，其设置在所述入射面和所述布拉格光栅之间；
所述光波导路由芯形成，所述芯的横截面构成凸形图形
所述外部谐振器型发光装置满足下述式(1)～式(5)的关系，
ΔλG≥0.8nm……(1)
Lb≤500μm……(2)
La≤500μm……(3)
nb≥1.8……(4)
在式(1)中，ΔλG是布拉格反射率的峰值的半高宽，
在式(2)中，Lb是所述布拉格光栅的长度，
在式(3)中，La是所述活性层的长度，
在式(4)中，nb是构成所述布拉格光栅的材质的折射率，
在式(5)中，dλG/dT是布拉格波长的温度系数，dλTM/dT是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长的温度系数，
所述外部谐振器型发光装置是外部谐振器型激光器。
2.根据权利要求1所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，所述光源和所述光栅元件直接光学连接，在所述活性层的外侧端面和所述布拉格光栅之间形成有所述外部谐振器，所述活性层的所述外侧端面和所述布拉格光栅的出射侧终点之间的长度在900μm以下，所述活性层的外侧端面是指与所述活性层的所述光栅元件侧端面相反侧的端面。
3.根据权利要求2所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，所述活性层的所述外侧端面和所述布拉格光栅的出射侧终点之间的长度在700μm以下。
4.根据权利要求1或2所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，包括与所述芯相接的缓冲层，所述缓冲层的折射率比所述芯的折射率低0.2以上。
5.根据权利要求1或2所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，所述光源和所述光栅元件安装在共用基板上。
6.根据权利要求1或2所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，满足下述式(6)～(8)的关系，
LWG≤600μm……(6)
1μm≤Lg≤10μm……(7)
20μm≤Lm≤100μm……(8)
在式(6)中，LWG是所述光栅元件的长度，
在式(7)中，Lg是所述光源的所述出射端与所述光波导路的所述入射面之间的距离，
在式(8)中，Lm是所述传播部的长度。
7.根据权利要求1或2所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，所述布拉格光栅的反射率比所述光源的出射端的反射率、所述光栅元件的入射面的反射率、以及所述光栅元件的出射面的反射率大。
8.根据权利要求1或2所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，所述布拉格光栅的所述材质选自砷化镓、铌酸锂单晶、氧化钽、氧化锌、及氧化铝。
9.根据权利要求1或2所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，具有设置在所述光波导路上的缓冲层。
10.根据权利要求1或2所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，所述布拉格光栅的长度Lb为300μm以下，所述活性层的长度La为300μm以下。
11.根据权利要求1或2所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，所述光源为GaAs系激光器或InP系激光器。
12.根据权利要求4所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于，所述芯被埋设在所述缓冲层中。
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