CN105765802B - 外部谐振器型发光装置 - Google Patents

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Abstract

不使用珀耳帖元件就能够抑制跳模，提高波长稳定性，抑制光强度变动。外部谐振器型发光装置具备单独使半导体激光振荡的光源、以及与该光源构成外部谐振器的进行单模振荡的光栅元件。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，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，其形成在光波导内；以及传播部，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(5)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)型激光器，法布里-珀罗(FP)型激光器构成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型激光器由于在驻波条件成立的波长下发生振荡，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，需要波长稳定性高的单模振荡的激光器。因此，人们开发了分布反馈式(DFB)激光器和分布反射式(DBR)激光器。这些激光器在半导体中设置有衍射光栅，利用其波长依赖性来只使特定波长振荡。
对于DBR激光器而言，在活性层的波导的延长线上的波导面上形成凹凸，构成进行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))。对于该激光器而言，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中传播，并且该光的一部分被该衍射光栅反射，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光只有一种波长的光，因此，激光的波长是固定的。
另外，作为其应用，开发出了使衍射光栅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)、体全息光栅(VHG)(非专利文献2)。由于以与半导体激光器不同的部件构成衍射光栅，因此，具有能够分开设计反射率、谐振器长度的特点，并且不受电流注入引起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，由于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进行设计，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中形成的光栅的外部谐振器型激光器。其旨在提供没有温度控制器就能在室温变化很大的(例如30℃以上)环境下使用的稳频激光器。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非温度依赖型激光器。
专利文献7(日本特开2010-171252)中公开了一种光波导和在该光波导中形成有光栅的外部谐振器型激光器，该光波导以SiO2、SiO1-xNx(x为0.55～0.65)、或者Si和SiN为芯层。其是不进行精密的温度控制就能将振荡波长保持恒定的外部谐振器型激光器，所以其是以减小衍射光栅的反射波长的温度变化率(布拉格反射波长的温度系数)为前提的。而且，还记载了通过使激光振荡为纵模：多模，能够实现强度稳定性。
专利文献8(日本专利第3667209)中公开了一种利用在光波导中形成的光栅的外部谐振器型激光器，该光波导使用石英、InP、GaAs、LiNbO3、LiTaO3、聚酰亚胺树脂。其中，作为光源的半导体激光器的光出射面的反射率为有效反射率Re(实质上为0.1～38.4％)，而且，还记载了通过使激光振荡为纵模：多模，能够实现强度稳定性。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1：電子情報通信学会論文誌(电子信息通信学会论文杂志)C-IIVol.J81，No.7 pp.664-665，1998年7月
非专利文献2：電子情報通信学会技術研究報告(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
专利文献7：日本特开2010-171252
专利文献8：日本专利第3667209
发明内容
在非专利文献1中提及了伴随温度上升而损害波长稳定性的跳模机理和其改善对策。温度所致的外部谐振器型激光器的波长变化量δλs与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，根据驻波条件由下式表示。
[算式1]
Figure GDA0001766793310000031
在此，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。
[算式2]
Figure GDA0001766793310000032
在外部谐振器的纵模间隔Δλ等于波长变化量δλs与光栅反射波长的变化量δλG之差时发生跳模，因此，满足下式。
[算式3]
Figure GDA0001766793310000033
纵模间隔Δλ近似地成为下式。
[算式4]
Figure GDA0001766793310000034
根据算式3和算式4，算式5成立。
[算式5]
Figure GDA0001766793310000041
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。算式5中，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，产生跳模的温度变为无穷大，表示不会产生跳模。但是，对于单片DBR激光器而言，为了使之产生激光振荡，活性层被注入电流，因此活性层和光栅层的折射率变化无法一致，所以会产生跳模。
跳模是指谐振器内的振荡模(纵模)从某一种模式移向另一种不同模式的现象。若温度或注入电流发生变化，则增益或谐振器的条件将不同，激光振荡波长发生变化，从而产生被称为拐点(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，若发生跳模，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，为了具有非温度依赖性，现有的谐振器结构直接向光波导层赋予应力，从而补偿起因于热膨胀的温度系数，由此实现非温度依赖性。因此，将金属板贴于元件，进一步在波导中附加调整温度系数的层。因此，存在谐振器结构进一步变大的问题。
本发明的课题在于：不使用珀耳帖元件就能够抑制跳模，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：单独使半导体激光振荡的光源、和光栅元件，且所述光源与所述光栅元件构成外部谐振器，该外部谐振器型发光装置进行单模振荡，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，其具有射入所述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，其形成在该光波导内；以及传播部，其设置在所述入射面与所述布拉格光栅之间，并且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)
[算式6]
Figure GDA0001766793310000051
(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。)
一般情况下，在使用光纤光栅的情况下，石英的折射率的温度系数小，所以dλG/dT小，|dλG/dT-dλTM/dT|大。因此，发生跳模的温度域△T小，容易发生跳模。
因此，本发明中，使用形成光栅的波导基板的折射率为1.8以上的材料。由此，能够增大折射率的温度系数，并能够增大dλG/dT，因此，能够减小|dλG/dT-dλTM/dT|，并能够增大发生跳模的温度域△T。
在优选的实施方式中，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，不使用珀耳帖元件就能够抑制跳模，提高波长稳定性，并抑制光强度变动。
附图说明
图1是外部谐振器型发光装置的示意图。
图2是光栅元件的横截面图。
图3是示意表示光栅元件的立体图。
图4是另一光栅元件的横截面图。
图5是说明现有例的跳模的形态的图。
图6是说明现有例的跳模的形态的图。
图7是说明本发明例的跳模的形态的图。
图8是表示实施例2中光源光量的光谱和在该光源上附加光栅元件而得到的装置的光谱。
图9示出了现有结构中的反射特性(增益条件)和相位条件。
图10示出了本发明结构中的反射特性(增益条件)和相位条件。
图11(a)、(b)、(c)分别是表示使用了细长带状的光波导30、30A的光栅元件21A、21B、21C的横截面的示意图。
图12(a)、(b)分别是表示使用了细长带状的光波导30、30A的光栅元件21D、21E的横截面的示意图。
具体实施方式
图1中示意性示出的外部谐振器型发光装置1，其具备用于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。在本实施方式中，活性层5设置于基体4。
在此，光源2采用能够单独进行激光振荡的光源。这意味着光源2即使没有光栅元件，其本身也会进行激光振荡。
光源2在单独进行激光振荡时，优选以纵模进行单模振荡。但是，在是使用光栅元件的外部谐振器型激光器的情况下，由于能够使反射特性具有波长依赖性，所以通过对其波长特性的形状进行控制，即使光源2单独以纵模进行多模振荡，作为外部谐振器型激光器也能够进行单模振荡。
在基体4的外侧端面上设置有高反射膜6，在光栅元件侧的端面上形成有反射膜7A。
如图1、图3所示，在光栅元件7上设置有光学材料层11，光学材料层11具有射入半导体激光A的入射面11a和射出所需波长的出射光B的出射面11b。C是反射光。在光学材料层11内形成有布拉格光栅12。在光学材料层11的入射面11a与布拉格光栅12之间，设置有无衍射光栅的传播部13，传播部13与活性层5隔着间隙14相对。7B是设置于光学材料层11的入射面侧的减反射膜，7C是设置于光学材料层11的出射面侧的减反射膜。在本例中，光学材料层11是脊型光波导，设置于基板10。光学材料层11可以形成于与布拉格光栅12相同的面，也可以形成于与之相对的面。
在优选实施方式中，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。从这个观点来看，优选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在0.1％以下。因此，优选在光栅元件的入射面和出射面上形成减反射层7B、7C。减反射层的反射率只要是比光栅反射率小的值即可，进一步优选在0.1％以下。但是，如果端面的反射率是比光栅反射率小的值，则也可以没有减反射层，也可以是反射膜。
如图2所示，在本例中，在基板10上间隔着粘接层15、下侧缓冲层16而形成有光学材料层11，在光学材料层11上形成有上侧缓冲层17。在光学材料层11上形成有例如一对脊型沟槽19，在脊型沟槽之间形成有脊型光波导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，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设置在基板的相反侧。
另外，在图4所示的元件9A中，基板10上间隔着粘接层15、下侧缓冲层16而形成有光学材料层11，在光学材料层11上形成有上侧缓冲层17。在光学材料层11的基板10侧，形成有例如一对脊型沟槽19，在脊型沟槽19之间形成有脊型光波导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，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。
此时，激光的振荡波长由被光栅反射的波长决定。如果光栅的反射光和来自活性层5的光栅元件侧的端面的反射光大于激光器的增益阈值，则满足振荡条件。由此能够获得波长稳定性高的激光。
为了进一步提高波长稳定性，只要进一步增大来自光栅的反馈量即可，从此观点来看，优选光栅的反射率大于活性层5的端面的反射率。
作为光源，优选具有高可靠性的由GaAs系或InP系材料构成的激光器。作为本申请结构的应用，例如，在利用非线性光学元件来使作为第二高次谐波的绿色激光振荡的情况下，使用在波长1064nm附近振荡的GaAs系激光器。由于GaAs系或InP系的激光器的可靠性高，因此，也可以实现以一维形式排列的激光器阵列等光源。由于波长长时，布拉格波长的温度变化增大，因此，为了提高波长稳定性，激光器的振荡波长特别优选在990nm以下。另外，由于波长短时，半导体的折射率变化△na过度增大，因此，为了提高波长稳定性，激光器的振荡波长特别优选在780nm以上。另外，也可以适当地选择活性层的材质或波长。
脊型光波导是例如通过进行利用外周刃的切削加工或激光烧蚀加工来进行物理加工、成形而得到的。
缓冲层可以作为光波导的包层起作用。从此观点来看，缓冲层的折射率优选低于光学材料层的折射率，其折射率差优选在0.2以上，进一步优选在0.4以上。
布拉格光栅能够如下这样通过物理蚀刻或化学蚀刻形成。
作为具体示例，在高折射率基板上形成Ni、Ti等的金属膜，通过光刻周期性地形成窗，从而形成蚀刻用掩模。之后，用反应性离子蚀刻等干蚀刻装置周期性地形成光栅沟槽。最后去除金属掩模，由此能够形成布拉格光栅。
在光学材料层中，为了进一步提高光波导的耐光损伤性，可以含有选自镁(Mg)、锌(Zn)、钪(Sc)、及铟(In)的一种以上的金属元素，在该情况下，尤其优选为镁。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，特别优选Nd、Er、Tm、Ho、Dy、及Pr。
对于粘接层的材质而言，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也可以通过在支撑基体上利用薄膜形成法成膜来形成。作为这种薄膜形成法，可以举例示出溅射、蒸镀、及CVD。在此情况下，光学材料层11直接形成在支撑基体上，没有上述粘接层。
另外，光学材料层的厚度进一步优选0.5～3.0μm。
对支撑基体的具体材质没有特别的限定，可以举例示出铌酸锂、钽酸锂、及石英玻璃等玻璃或水晶、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，也可以使用以二氧化硅、五氧化二钽等氧化物进行层叠而形成的膜、或金属类膜。
另外，对于光源元件、光栅元件的各端面而言，为了抑制端面反射，也可以分别进行倾斜切割。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进行说明。
由于算式既抽象又难以理解，因此，先直接将现有技术的典型形态和本发明的实施方式进行比较，并对本发明的特点进行说明。接着对本发明的各条件进行说明。
首先，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。
[算式7]
增益条件根据式(2-1)成为下式。
[算式8]
Figure GDA0001766793310000101
其中，αa、αb分别是活性层、光栅层的损耗系数，La、Lb分别是活性层、光栅层的长度，r1、r2是镜面反射率(r2是光栅的反射率)，Cout是光栅元件与光源的耦合损耗，ζtgth是激光介质的增益阈值，φ1是激光器侧反射镜所致的相位变化量，φ2是在光栅部的相位变化量。
根据式(2-2)，如果激光介质的增益ζtgth(增益阈值)超过损耗，则表示进行激光振荡。激光介质的增益曲线(波长依赖性)的半高宽为50nm以上，具有较宽的特性。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。因此，在比较表中，增益条件可以只考虑光栅。
另一方面，相位条件由式(2-1)变为下式。其中，φ1为零。
[算式9]
φ2+2βLa＝2pπ (p是整数) 式(2-3)
在光源2进行激光振荡的情况下，为了成为复合谐振器，上述式(2-1)、式(2-2)、式(2-3)变成复杂的算式，可以看作激光振荡的基准。
对于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、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，并且在Δλg内，式(2-3)具有2-3点。因此，需要激光介质的活性层长度较长，使用1mm以上的长度。
[表1]
Figure GDA0001766793310000111
在使用玻璃波导或FBG的情况下，λg的温度依赖性非常小，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点。
但是，满足相位条件的波长的温度依赖性比其大，dλs/dT＝dλTM/dT＝0.05nm/℃，其差为0.04nm/℃。
此外，在使用SiO2、SiO(1-x)Nx作为芯层的情况下，折射率的温度变化率△nf为1×10-5/℃，较小，在波长1.3μm下，λg的温度依赖性非常小，dλG/dT＝0.01nm/℃。另一方面，关于外部谐振器的相位条件成立的波长(振荡波长)的温度系数，在使用InGaAsP系激光器的情况下，光源的等效折射率为3.6，折射率的温度变化为3×10-4/℃，长度为La＝400μm，衍射光栅的等效折射率为1.54，折射率的温度变化为1×10-5/℃，长度为155μm时，dλG/dT＝dλTM/dT＝0.09nm/℃。因此，其差为0.08nm/℃。
如此，激光振荡而形成的激光的光谱波形的线宽为0.2nm以下。为了以较宽的温度范围进行激光振荡，进而为了使不发生跳模的温度范围更宽，优选室温25℃下外部谐振器所致的激光振荡波长与光栅反射率的中心波长相比，靠短波长侧。此时，随着温度的上升，激光振荡波长向长波长侧移动，在与光栅反射率的中心波长相比靠长波长侧的位置进行激光振荡。
另外，为了以较宽的温度范围进行激光振荡，进而为了使不发生跳模的温度范围更宽，室温25℃下外部谐振器所致的激光振荡波长优选在比光源2的相同温度下的振荡波长靠长波长侧的位置进行振荡。此时，随着温度的上升，外部谐振器所致的激光振荡波长在比光源2的振荡波长靠短波长侧的位置进行激光振荡。
室温下外部谐振器所致的激光振荡波长与光源2的振荡波长之差从加大激光振荡的温度允许范围的观点来看，优选在0.5nm以上，进一步优选在2nm以上。但是，如果过度加大波长差，则强度的温度变动变大，因此，从此观点来看，优选在10nm以下，进一步优选在6nm以下。
一般而言，根据非专利文献1，可以认为发生跳模的温度Tmh以下式表示(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)。
[算式10]
Figure GDA0001766793310000121
由此，现有情况下，Tmh为5℃左右。因此，容易发生跳模。因此，若发生跳模，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。
由上可知，在实际工作中，利用了现有的玻璃波导或FBG的外部谐振器型激光器利用珀耳帖元件来进行温度控制。
与此相对，作为本发明的前提条件，使用了式(2-4)的分母变小的光栅元件。需要使式(2-4)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)、及氧化铝(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℃，能够使工作温度范围变宽。在图7中示出该示例。
满足相位条件的波长如果在△λG以内存在5点以下，则难以发生跳模，能够以稳定的激光振荡条件且纵模为单模的方式发生振荡。以这样的条件发生了激光振荡的输出的光谱宽度为0.1nm以下。
即、对于本发明的结构而言，针对温度变化，振荡波长基于光栅的温度特性以0.05nm/℃发生变化，但能够使跳模不易发生。对于本发明结构而言，为了增大ΔλG而使光栅长度Lb为100μm，为了增大ΔGTM而使La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，由此实现非温度依赖性，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。
使布拉格反射率的峰值的半高宽ΔλG为0.8nm以上(式1)。λG是布拉格波长。也就是，如图5、图6、图7所示，横轴取布拉格光栅所致的反射波长，纵轴取反射率时，以反射率最大的波长为布拉格波长。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。
使布拉格反射率的峰值的半高宽ΔλG为0.8nm以上，是为了如图7所示那样使反射率峰较宽。从该观点来看，优选使半高宽ΔλG为1.2nm以上，更优选为1.5nm以上。此外，优选使半高宽ΔλG为5nm以下，更优选为3nm以下，进一步优选为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是在光波导中传播的光的光轴方向上的光栅长度。使布拉格光栅的长度Lb为500μm以下，比现有的长度短，这是本发明的设计构思的前提。从该观点来看，进一步优选使布拉格光栅的长度Lb为300μm以下。另外，更优选Lb为200μm以下。
活性层的长度La也为500μm以下(式3)。使活性层的长度La为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，进一步优选使活性层的长度La为300μm以下。另外，优选活性层的长度La为150μm以上。
使构成布拉格光栅的材质的折射率nb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。其原因是：折射率大的材料其折射率的温度变化大，可以增大式(2-4)的Tmh，还可以增大光栅的温度系数dλG/dT。从该观点来看，nb更优选为1.9以上。此外，nb的上限没有特别限定，但是，光栅间距过小会难以形成，因此，优选4以下，进一步优选3.6以下。另外，基于同样的观点，优选光波导的等效折射率为3.3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。
式(2.3)中，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。
[算式11]
Figure GDA0001766793310000141
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，意味着是多个λTM之差。之前使用的△λ等于△GTM，λs等于λTM。
因此，通过满足式(5)，能够提高发生跳模的温度，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。
使光源的出射面与光波导的入射面之间的距离Lg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，在活性层的与出射面相反侧的外侧端面和布拉格光栅之间形成有谐振器结构，活性层的外侧端面和布拉格光栅的出射侧终点之间的长度在900μm以下。在光栅部，光被逐渐反射，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器侧的位置。由此，在本申请中，以出射侧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。此外，从提高激光器的输出的观点来看，优选为300μm以上。
上述各例中，光波导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。此时，在脊型沟槽之下留有光学材料，且脊型沟槽的外侧也分别形成有由光学材料构成的延伸部。
但是，在脊型光波导中，还可以通过除去位于脊型沟槽之下的光学材料，形成带状的细长芯。在该情况下，脊型光波导由细长芯形成，所述芯由光学材料形成，芯的横截面呈凸形图形。在该芯的周围，存在缓冲层(包层)或空气层，缓冲层或空气层作为包层起作用。
凸形图形是指连结芯的横截面的外侧轮廓线上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11、图12是该实施方式所涉及的产品。
图11(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30。光波导30由芯构成，该芯由上述那样的折射率1.8以上的光学材料构成。光波导的横截面(与光传播方向垂直的方向的截面)形状为梯形，光波导细长延伸。本例中，光波导30的上侧面比下侧面窄。在光波导30内，形成有上述那样的入射侧传播部、布拉格光栅、出射侧传播部。
图11(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30。光波导的横截面(与光传播方向垂直的方向的截面)形状为梯形，光波导细长延伸。本例中，光波导30的上侧面比下侧面窄。缓冲层22包含光波导30上的上侧缓冲22b、下侧缓冲22a以及被覆光波导30的侧面的侧面缓冲22c。
图11(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20A。光波导30A由芯构成，该芯由上述那样的折射率1.8以上的光学材料构成。光波导的横截面(与光传播方向垂直的方向的截面)形状为梯形，光波导细长延伸。本例中，光波导30A的下侧面比上侧面窄。
图12(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30。光波导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30的上侧面比下侧面窄。
图12(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30A。光波导30A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30A的下侧面比上侧面窄。
应予说明，光波导的宽度Wm是光波导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Ti膜，通过光刻技术在y轴方向制作光栅图案。之后，以Ti图案为掩模，通过氟系的反应性离子蚀刻形成间距间隔Λ为180nm、长度Lb为100μm的光栅沟槽。光栅的沟槽深度为300nm。另外，为了形成y轴传播的光波导，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以0.5μm形成由SiO2构成的缓冲层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基板侧粘贴于研磨平台，对形成有光栅的LN基板的背面进行精密研磨而形成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。
然后，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出光栅元件。元件尺寸是宽度1mm、长度Lwg 500μm。
关于光栅元件的光学特性，通过使用作为宽带波长光源的超级发光二极管(SLD)，使光输入到光栅元件，并利用光谱分析仪来分析输出光，由此根据其透射特性来评价反射特性。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，在不使用珀耳帖元件而用电流控制(ACC)进行驱动时，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，将模块设置在恒温槽内，并测量了激光振荡波长的温度依赖性、发生跳模的温度、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℃、强度输出变动为1％以内(图5、图7)。
(比较例1)
与实施例1一样，在将掺杂MgO的铌酸锂结晶z切而成的基板上形成Ti膜，通过光刻技术在y轴方向制作了光栅图案。之后,以Ti图案为掩模，通过氟系的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。光栅的沟槽深度为300nm。另外，为了形成y轴传播的光波导，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以0.5μm形成由SiO2构成的缓冲层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基板侧粘贴于研磨平台，对形成有光栅的LN基板的背面进行精密研磨而形成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出光栅元件。元件尺寸为宽1mm、长Lwg1500μm。
关于光栅元件的光学特性，使用作为宽带波长光源的超级发光二极管(SLD)，使光输入到光栅元件，利用光谱分析仪来分析输出光，由此根据其透射特性来评价反射特性。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
安装规格：
Lg：3μm
Lm：20μm
在安装模块后，在不使用珀耳帖元件而利用电流控制(ACC)进行驱动时，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，将模块设置在恒温槽内，并测量了激光振荡波长的温度依赖性、发生跳模的温度、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℃、强度输出变动为10％。
(实施例2)
制作了图1和图4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Ti膜，通过光刻技术在y轴方向制作光栅图案。之后，以Ti图案为掩模，通过氟系的反应性离子蚀刻，形成了间距间隔Λ为214nm、长度Lb为100μm的光栅沟槽。光栅的沟槽深度为40nm。另外，为了形成y轴传播的光波导，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以0.5μm形成由SiO2构成的缓冲层17，作为支撑基板使用黑色LN基板并粘接光栅形成面。所谓黑色LN是指处于缺氧状态的铌酸锂，能够抑制因焦电而产生电荷。由此，能够防止在有温度变动时耐浪涌所致的基板开裂。
接下来，将支撑基板侧粘贴于研磨平台，对形成了光栅的支撑基板的背面进行精密研磨而形成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％的AR涂层，最后进行芯片切割而制作出光栅元件。元件尺寸为宽1mm、长Lwg 500μm。
对于光栅元件的光学特性而言，使用作为宽带波长光源的超级发光二极管(SLD)，使光输入到光栅元件，利用光谱分析仪来分析输出光，由此根据其透射特性来评价反射特性。其结果，对于TE模，得到中心波长945nm、最大反射率为20％、半高宽△λG为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，如图1所示地安装激光器模块。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：950nm
输出：20mW
半值宽度：50nm
激光器元件长度：250μm
安装规格：
Lg：1μm
Lm：20μm
在安装模块后，在不使用珀耳帖元件而用电流控制(ACC)进行驱动时，具有中心波长为945nm、输出为50mW的激光器特性。激光器的光谱特性示于图8。另外，为了评价工作温度范围，将模块设置在恒温槽内，并测量了激光振荡波长的温度依赖性、输出变动。其结果，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃，跳模导致的输出变动变大的温度域为80℃，即使发生跳模，该温度域的强度输出变动也在1％以内。
(实施例3)
以与实施例2一样的方法，形成了间距间隔Λ为222nm、长度Lb为100μm的光栅沟槽。光栅的沟槽深度为40nm。关于光栅元件的光学特性，使用作为宽带波长光源的超级发光二极管(SLD)，使光输入到光栅元件，利用光谱分析仪来分析输出光，由此根据其透射特性来评价反射特性。其结果，对于TE模，得到了中心波长975nm、最大反射率为20％、半高宽△λG为2nm的特性。
接下来，如图1所示安装激光模块。光源元件为普通的GaAs系激光器，在出射端面没有AR涂层。
光源元件规格：
中心波长：977nm
输出：50mW
半值宽度：0.1nm
激光元件长度：250μm
安装规格：
Lg：1μm
Lm：20μm
在安装模块后，在不使用珀耳帖元件而用电流控制(ACC)进行驱动时，具有在对应于光栅的反射波长的中心波长975nm下发生振荡、且输出比没有光栅元件时小的40mW的激光器特性。另外，为了评价工作温度范围，将模块设置在恒温槽内，并测量了激光振荡波长的温度依赖性、输出变动。其结果，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃，跳模导致的输出变动变大的温度域为80℃，即使发生跳模，该温度域的强度输出变动也在1％以内。
(比较例2)
在实施例3中，在没有光栅元件时，激光振荡波长的温度系数为0.3nm/℃，比较大，跳模温度为10℃左右。如果在10℃以上，则强度变动变大，输出变动为10％以上。
(实施例4)
利用溅射装置在石英基板上形成1.2μm的Ta2O5膜，形成光学材料层。接下来，在Ta2O5上形成Ti膜，利用光刻技术在y轴向制作了光栅图案。之后，以Ti图案为掩模，通过氟系的反应性离子蚀刻，形成间距间隔Λ为232nm、长度Lb为100μm的光栅沟槽。光栅的沟槽深度为40nm。接下来，与上述一样，通过反应性离子蚀刻，形成说明书图2、3所示的形状的光波导。关于光栅元件的光学特性，使用作为宽带波长光源的超级发光二极管(SLD)，使光输入到光栅元件，利用光谱分析仪来分析输出光，由此，根据其透射特性来评价反射特性。其结果，对于TE模，得到中心波长945nm、最大反射率为20％、半高宽△λG为2nm的特性。
接下来，如图1所示安装激光器模块。光源元件是通常的GaAs系激光器，在出射端面上形成了0.1％AR涂层。
光源元件规格：
中心波长：950nm
输出：20mW
半值宽度：50nm
激光器元件长度：250μm
安装规格：
Lg：1μm
Lm：20μm
在安装模块后，在不使用珀耳帖元件而用电流控制(ACC)进行驱动时，具有在对应于光栅的反射波长的中心波长945nm下发生振荡、输出比没有光栅元件时小的40mW的激光器特性。另外，为了评价工作温度范围，将模块设置在恒温槽内，并测量了激光振荡波长的温度依赖性、输出变动。其结果，振荡波长的温度系数为0.03nm/℃，跳模导致的输出变动变大的温度域为50℃，即使发生跳模，该温度域的强度输出变动也在1％以内。
(实施例5)
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12(a)所示的形状。
具体地，在由石英构成的支撑基板10上，利用溅射装置形成0.5μm的作为下侧包层的SiO2层16，并在其上形成1.2μm的Ta2O5膜而形成光学材料层。
接下来，在Ta2O5上形成Ti膜，通过EB描绘装置制作光栅图案。之后，以Ti图案为掩模，通过氟系反应性离子蚀刻，形成间距间隔Λ为238.5nm、长度Lb为100μm的布拉格光栅。光栅的沟槽深度td为40nm。
另外，为了形成光波导30，利用与上述一样的方法进行反应性离子蚀刻，蚀刻成宽Wm 3μm、两侧留下光波导30并且完全切透光学材料层。光波导30的厚度Ts为1.2μm。
最后，通过溅射形成2μm的作为上侧包层的由SiO2形成的缓冲层23，使得覆盖光波导30。
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出光栅元件。元件尺寸为宽度1mm、长度Lwg 500μm。
关于光栅元件的光学特性，使用作为宽带波长光源的超级发光二极管(SLD)，使TE模的光输入到光栅元件，利用光谱分析仪来分析输出光，由此根据其透射特性来评价反射特性。测定的光栅元件的反射中心波长为975nm，得到反射率为18％、半高宽△λG为2nm的特性。
接下来，如图1所示安装激光器模块。光源元件是普通的GaAs系激光器，在出射端面没有AR涂层。
光源元件规格：
中心波长：977nm
输出：50mW
半值宽度：0.1nm
激光器元件长度：250μm
安装规格：
Lg：1μm
Lm：20μm
在安装模块后，在不使用珀耳帖元件而用电流控制(ACC)进行驱动时，具有在对应于光栅的反射波长的中心波长975nm下发生振荡、输出比没有光栅元件时小的40mW的激光器特性。另外，为了评价工作温度范围，将模块设置在恒温槽内，并测量了激光振荡波长的温度依赖性、输出变动。其结果，振荡波长的温度系数为0.03nm/℃，跳模导致的输出变动变大的温度域为40℃，即使发生跳模，在该温度域的强度输出变动也在1％以内。

Claims (5)

1.一种外部谐振器型发光装置，包括：单独使波长780nm以上且990nm以下的半导体激光振荡的光源、和光栅元件，且所述光源与所述光栅元件构成外部复合谐振器，该外部谐振器型发光装置不包括珀耳帖元件，该外部谐振器型发光装置以纵模为单模发出外部谐振器型激光，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和形成在所述活性层的所述光栅元件侧的端面上的反射膜，
所述光源在单独使所述半导体激光振荡时，以纵模进行单模振荡，
所述光栅元件包括：光波导，其具有射入所述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，其形成在该光波导内；以及传播部，其设置在所述入射面与所述布拉格光栅之间；
所述布拉格光栅的材质选自砷化镓、铌酸锂单晶、氧化钽、氧化锌、及氧化铝，
所述光源与所述光栅元件直接光学连接，
在所述活性层的与出射面相反一侧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与所述布拉格光栅的出射侧终点之间的长度在700μm以下，
所述光波导由芯构成，所述芯的横截面呈凸形图形，
在所述光波导连接有包层，
所述包层的折射率比所述光波导的折射率低0.2以上，
满足相位条件的波长在△λG以内存在5点以下，
所述光波导的厚度为0.5～3.0μm，
并且，所述外部谐振器型发光装置满足下述式(1)～式(6)的关系，
ΔλG≥0.8nm……(1)
Lb≤500μm……(2)
La≤500μm……(3)
nb≥1.8……(4)
Figure FDA0002256859620000021
LWG≤600μm……(6)
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，
在式(6)中，LWG是所述光栅元件的长度。
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：满足下述式(7)～(8)的关系，
1μm≤Lg≤10μm……(7)
20μm≤Lm≤100μm……(8)
在式(7)中，Lg是所述光源的出射面与所述光波导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。
3.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。
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：
具有设置在所述光波导上的缓冲层。
5.根据权利要求3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上的缓冲层。
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