CN106233175A - 光栅元件及外部谐振器型发光装置 - Google Patents

Abstract

光栅元件2A包括：支撑基板、光学材料层1、具有射入激光的入射面和射出所需波长的出射光的出射端的脊型光波导3A、以及由形成在光波导内的凹凸构成的布拉格光栅20。光波导包含：设置在入射面1a与布拉格光栅20之间的入射部3a和设置在入射部与布拉格光栅之间的锥形部3b。传播光在布拉格光栅中进行单模传播。入射部处的光波导的宽度W_in大于布拉格光栅处的光波导W_gr的宽度，锥形部处的光波导的宽度W_t自入射部朝向布拉格光栅减小。满足式(1)～式(3)的关系。0.8nm≤△λ_G≤6.0nm···(1)，10μm≤L_b≤300μm···(2)，20nm≤t_d≤250nm···(3)(在式(1)中，△λ_G是所述布拉格光栅的布拉格反射率的峰值的半高宽。在式(2)中，L_b是所述布拉格光栅的长度。在式(3)中，t_d是构成所述布拉格光栅的凹凸的深度)。

Description

光栅元件及外部谐振器型发光装置

技术领域

本发明涉及一种光栅元件、以及使用该光栅元件的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)型半导体激光器，法布里-珀罗(FP)型半导体激光器构成被形成在活性层的两端面的反射镜夹着的光谐振器。但是，该FP型激光器因为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，由此使光功率发生变化。

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)激光器或分布反射式(DBR)激光器。这些激光器在半导体中设置衍射光栅，利用其波长依赖性，仅使特定的波长振荡。

为了实现具有波长稳定性的半导体激光器，可以举出在半导体激光器中以单片形式形成有光栅的DBR激光器、DFB激光器，另外，在激光器的外部安装有光纤布拉格光栅(FBG)的外部谐振器型激光器。上述半导体激光器的原理是通过利用布拉格反射的有波长选择性的反射镜将激光的一部分返回到激光器而实现波长稳定动作。

DBR激光器是在活性层的波导延长线上的波导面形成凹凸，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))。该激光器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，并且一部分光在该衍射光栅被反射，而返回到电流注入部，从而实现放大。因为从衍射光栅向规定的方向反射的只是一种波长的光，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。这种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)。由于衍射光栅与半导体激光器单独构成，因此，具有能够单独设计反射率、谐振器长度的特点，并且不受基于电流注入的发热所导致的温度上升的影响，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不同，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)中公开了利用形成在石英玻璃波导中的光栅的外部谐振器型激光器。其旨在提供无需温度控制器即可在室温变化大(例如，30℃以上)的环境中使用的稳频激光器。另外，公开了如下内容：提供一种跳模被抑制且振荡频率没有温度依赖性的非温度依赖型激光器。

现有技术文献

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:日本特愿2013－120999

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.7pp.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

非专利文献3:古河電工時報(古河电工时报)平成12年1月第105号p24-29

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。温度所导致的外部谐振器型激光器的波长变化量δλ_s与半导体的活性层区域的折射率变化Δn_a、活性层的长度L_a、FBG区域的折射率变化Δn_f、长度L_f、各温度变化δT_a、δT_f之间的关系，在驻波条件下由下式表示。

[算式1]

${\mathrm{\δ\λ}}_s={\mathrm{\λ}}_0\frac{{\mathrm{\Δn}}_a{L}_a}{n_f{L}_f+n_a{L}_a}{\mathrm{\δT}}_a+{\mathrm{\λ}}_0\frac{{\mathrm{\Δn}}_f{L}_f}{n_f{L}_f+n_a{L}_a}{\mathrm{\δT}}_f$

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δλ_G由下式表示。

[算式2]

${\mathrm{\δ\λ}}_G={\mathrm{\λ}}_0\frac{{\mathrm{\Δn}}_f}{n_f}{\mathrm{\δT}}_f$

跳模在外部谐振器的纵模间隔Δλ与波长变化量δλ_s和光栅反射波长的变化量δλ_G之差相等时发生，因此，满足下式。

[算式3]

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}={\mathrm{\δ\λ}}_s-{\mathrm{\λ}}_0\frac{{\mathrm{\Δn}}_f}{n_f}{\mathrm{\δT}}_f$

纵模间隔Δλ近似地成为下式。

[算式4]

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{2(n_f{L}_f+n_a{L}_a)}$

通过算式3和算式4而满足算式5。

[算式5]

${\mathrm{\ΔT}}_{all}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2n_a{L}_a({\mathrm{\Δn}}_a/n_a-{\mathrm{\Δn}}_f/n_f)}$

为了抑制跳模，需要在ΔT_all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(Δn_a/n_a＝Δn_f/n_f)，分母变为零，引起跳模的温度变为无穷大，表示不会发生跳模。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不同的模式的现象。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，激光振荡波长发生变化，从而产生被称为拐点(kink)的光功率变动的问题。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，将金属板粘贴在元件上，进而在波导中增加设置用于调整温度系数的层。从而，存在谐振器结构进一步变大的问题。

本发明的发明人在专利文献7中公开了使用光波导型光栅元件的外部谐振器型的激光器结构。该申请中，光栅元件的反射特性的半高宽△λ_G满足特定式的情况下，无需进行温度控制，就能够实现波长稳定性高、没有功率变动的激光振荡。

在此，理想情况是保持光源与光栅元件的耦合效率，同时确保偏轴容限。具体而言，希望使耦合效率为50％以上，使偏轴容许幅度为±1μm左右。

本发明的发明人尝试：设定入射部处的光学材料层的厚度、脊型光波导的宽度，使其大于由光源射出的激光的模场直径(垂直方向、水平方向)，以便提高耦合效率的偏轴容限。例如尝试了使脊型光波导的宽度为激光的水平方向上的模场直径的1.5倍以上。还尝试了使光学材料层的厚度为激光的垂直方向上的模场直径的1.5倍以上。

一般来说，光源的横模为单模，其光点直径在垂直方向上为0.5μm～2μm，在水平方向上为1μm～6μm。另外，例如入射部处的光学材料层的厚度为W_inv/λ在2以上。若光学材料层过于厚，则耦合损耗变大，因此，W_inv/λ优选为3以下。尤其是从增大偏轴容限的观点考虑，波长为0.7μm～1.1μm时入射部处的脊型光波导的宽度优选为5μm以上，由于耦合损耗变大，所以优选为10μm以下。

但是，如果如上所述为了增大了偏轴容限而增大脊型光波导的宽度，则这次，在布拉格光栅中，多模被激发，而单模不易被激发。在这种情况下，出射光成为多模光。并且，在多模光的情况下，由于存在多个反射波长，因此，产生波长不稳定性。

本发明的课题在于，增大来自光源的激光与光栅元件的光波导的偏轴容限，并且，提高基于布拉格光栅的外部谐振器型激光器的波长稳定性。

本发明所涉及的光栅元件的特征在于，包括：

支撑基板，

光学材料层，所述光学材料层设置在所述支撑基板上，

脊型光波导，所述脊型光波导设置于所述光学材料层，具有射入激光的入射面和射出所需波长的出射光的出射端，以及，

布拉格光栅，所述布拉格光栅由形成在所述脊型光波导内的凹凸构成，

所述脊型光波导包含入射部和锥形部，所述入射部设置在所述入射面与所述布拉格光栅之间，所述锥形部设置在所述入射部与所述布拉格光栅之间，传播光至少在所述布拉格光栅中进行单模传播，所述入射部处的所述脊型光波导的宽度大于所述布拉格光栅处的所述脊型光波导的宽度，所述锥形部处的所述脊型光波导的宽度自所述入射部朝向所述布拉格光栅减小，满足下述式(1)～式(4)的关系。

0.8nm≤△λ_G≤6.0nm···(1)

10μm≤L_b≤300μm···(2)

20nm≤t_d≤250nm···(3)

n_b≥1.8···(4)

(在式(1)中，△λ_G是所述布拉格光栅的布拉格反射率的峰值的半高宽。

在式(2)中，L_b是所述布拉格光栅的长度。

在式(3)中，t_d是构成所述布拉格光栅的凹凸的深度。

在式(4)中，n_b是构成所述光学材料层的材质的折射率。)

另外，本发明的光栅元件的特征在于，包括：

支撑基板，

光学材料层，所述光学材料层设置在所述支撑基板上，

脊型光波导，所述脊型光波导设置于所述光学材料层，具有射入激光的入射面和射出所需波长的出射光的出射端，以及，

布拉格光栅，所述布拉格光栅由形成在所述脊型光波导内的凹凸构成，

所述脊型光波导包含入射部和锥形部，所述入射部设置在所述入射面与所述布拉格光栅之间，所述锥形部设置在所述入射部与所述布拉格光栅之间，传播光至少在所述布拉格光栅中进行单模传播，所述入射部处的所述脊型光波导的宽度大于所述布拉格光栅处的所述脊型光波导的宽度，所述锥形部处的所述脊型光波导的宽度自所述入射部朝向所述布拉格光栅减小，满足下述式(1)～式(3)的关系，构成所述光学材料层的材质从由砷化镓、铌酸锂单晶、氧化钽、氧化锌、氧化铝、钽酸锂、氧化镁、氧化铌以及氧化钛构成的组中进行选择。

0.8nm≤△λ_G≤6.0nm···(1)

10μm≤L_b≤300μm···(2)

20nm≤t_d≤250nm···(3)

(在式(1)中，△λ_G是所述布拉格光栅的布拉格反射率的峰值的半高宽。

在式(2)中，L_b是所述布拉格光栅的长度。

在式(3)中，t_d是构成所述布拉格光栅的凹凸的深度。)

另外，本发明是一种外部谐振器型发光装置，其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，

所述光源包括所述使半导体激光振荡的活性层，所述光栅元件如上所述。

一般来说，使用光纤光栅的情况下，因为石英的折射率的温度系数小，所以dλ_G/dT小，|dλ_G/dT－dλ_TM/dT|变大。因此，有引起跳模的温度域△T变小的倾向。

因此，优选提高形成有光栅的波导基板的折射率。由此，能够增大折射率的温度系数，dλ_G/dT能够变大，所以，能够减小|dλ_G/dT－dλ_TM/dT|，能够增大引起跳模的温度域△T。

于是，本发明中，与本领域技术人员的常识相反，将布拉格反射率的峰值的半高宽△λ_G设定为较大值。并且，为了使跳模不容易发生，必须增大满足相位条件的波长间隔(纵模间隔)。因此，必须缩短谐振器长度，所以，将光栅元件的长度L_b缩短至300μm以下。

并且，通过在20nm～250nm的范围内调节构成布拉格光栅的凹凸的深度t_d，能够使△λ_G为0.8nm～6nm，可将该△λ_G的范围内纵模的数目调节为2～5。即，满足相位条件的波长是离散的，在△λ_G中纵模的存在数目为2～5时，在△λ_G中反复发生跳模，不会超出该范围。因此，发现不会发生大幅跳模，所以，能够提高波长稳定性，抑制光功率变动。

并且，若使入射部处的脊型光波导宽度大于激光的水平方向的模场直径，例如为1.5倍以上，则能够增大与光源的偏轴容限。但是，若增大光波导宽度，则传播光在布拉格光栅中多模化，因此，波长稳定性受损。因此，本发明中，使布拉格光栅处的脊型光波导宽度相对较小，在入射部与布拉格光栅之间设置脊型光波导宽度渐小的锥形部。由此，在布拉格光栅中使传播光为单模的条件下，成功改善了偏轴容限。

附图说明

图1(a)、图1(b)分别是示意性地示出光栅元件2A、2B的俯视图。

图2(a)是示意性地示出光栅元件2A的俯视图，(b)是示意性地示出光栅元件2A的侧视图。

图3(a)是示意性地示出光栅元件2B的俯视图，(b)是示意性地示出光栅元件2B的侧视图。

图4是光栅元件的立体图。

图5是光栅元件的横截面图。

图6是其它光栅元件的横截面图。

图7是其它光栅元件的横截面图。

图8是示意性地示出外部谐振器型发光装置的俯视图。

图9是示意性地示出外部谐振器型发光装置的侧视图。

图10是示意性地示出其它外部谐振器型发光装置的俯视图。

图11是示意性地示出其它外部谐振器型发光装置的俯视图。

图12是示意性地示出其它实施方式所涉及的外部谐振器型发光装置的俯视图。

图13是示意性地示出图12的装置的纵截面图。

图14是激光振荡条件的说明图。

图15是基于现有例的跳模的形态的说明图。

图16是基于现有例的跳模的形态的说明图。

图17是模场图案的例子。

图18是模场图案的例子。

图19是示出脊型光波导的宽度与有效折射率的关系的图表。

图20是示出脊型光波导的宽度与波导处的传播效率的关系的图表。

图21示出本发明中的、离散的相位条件例。

具体实施方式

如图1(a)、(b)所示，光栅元件2A、2B中，设置有具有射入激光的入射面1a和射出所需波长的出射光的出射面1b的光学材料层1。在光学材料层1内设置有脊型光波导3A、3B。

脊型光波导3A包括：入射部3a、锥形部3b、连结部3c、光栅部3d以及出射部3e，在光栅部3d形成有布拉格光栅20。出射部3e的宽度恒定。脊型光波导3B包括：入射部3a、锥形部3b、连结部3c、光栅部3d、出射部3e、以及光栅部与出射部3e之间的连结部3f，在光栅部3d形成有布拉格光栅20。连结部3f的宽度恒定，但是，出射部3e的宽度随着接近出射面而逐渐缩小。

如图2(a)、(b)所示，在光栅元件2A的情况下，在支撑基板5上隔着下部包层4形成有光学材料层1。1c为上表面。包层只要为折射率小于光学材料层的材料即可，还可以是粘接层。在粘接层的情况下，光学材料层的底面1d被粘接在支撑基板5上。

如图3(a)、(b)所示，在光栅元件2B的情况下，在支撑基板5上隔着下部包层4形成有光学材料层1。1c为上表面。上述下部包层只要为折射率小于光学材料层的材料即可，还可以是粘接层。在粘接层的情况下，光学材料层的底面1d被粘接在支撑基板5上。

图4中示意性地示出光栅元件2A的立体图。光栅元件4B也基本相同。

图5、图6、图7分别示出在布拉格光栅处切割光栅元件而观察到的横截面。

图5的例子中，在支撑基板5上隔着粘接层7、下侧缓冲层4形成有光学材料层1，在光学材料层1上形成有上侧缓冲层8。在光学材料层1上形成有例如一对脊型沟槽9，在脊型沟槽9之间形成有脊型光波导的光栅部3d。

在这种情况下，布拉格光栅可以形成在上表面1c侧，也可以形成在底面1d侧。从减小布拉格光栅及脊型沟槽的形状偏差的观点考虑，优选在平坦的底面1d侧形成布拉格光栅，由此，将布拉格光栅和脊型沟槽9设置在基板的相反侧。

图6的例子与图5的例子相同。但是，光学材料层1隔着下侧缓冲层4形成在支撑基板5上。另外，在光学材料层1上形成有上侧缓冲层8。

图7的例子中，在支撑基板5上隔着粘接层7、下侧缓冲层4形成有光学材料层1，在光学材料层1上形成有上侧缓冲层8。在光学材料层1的支撑基板5侧形成有例如一对脊型沟槽9，在脊型沟槽9之间形成有脊型光波导3d。在这种情况下，布拉格光栅可以形成在平坦的上表面1c侧，还可以形成在具有脊型沟槽的底面1d侧。从减小布拉格光栅及脊型沟槽的形状偏差的观点考虑，优选在平坦的上表面1c侧形成布拉格光栅，由此将布拉格光栅和脊型沟槽设置在基板的相反侧。另外，也可以没有上侧缓冲层8，在这种情况下，空气层能够直接与光栅接触。从而，无论有无光栅沟槽，都能够增大折射率差，并以短的光栅长度，就能够增大反射率。

但是，在支撑基板5的折射率大于光学材料层1的情况下，从降低波导的传播损失的观点考虑，优选形成上侧缓冲层。

图8、图9中示意性地示出的发光装置10包括：用于使激光振荡的光源11和光栅元件2A。光源11和光栅元件2A安装在共用基板17上。

光源11具备用于使半导体激光振荡的活性层12。在本实施方式中，活性层12设置于基体15。在光源的外侧端面设置有反射膜16，在活性层12的光栅元件侧的端面形成有减反射层13A。

光栅元件的入射部隔着间隙14与活性层12对置。13B是设置在光学材料层1的入射面侧的减反射膜，13C是设置在光学材料层1的出射面侧的减反射膜。

减反射层13A、13B、13C的反射率只要是比光栅反射率更小的值即可，进而优选为0.1％以下。但是，如果端面处的反射率是比光栅反射率更小的值，则也可以没有减反射层，可以代替减反射层，设置反射膜。

在这种情况下，激光的振荡波长由被布拉格光栅反射的波长决定。布拉格光栅的反射光和来自活性层的光栅元件侧的端面的反射光只要超过激光器的增益阈值，就满足振荡条件。由此，能够得到波长稳定性高的激光。

为了进一步提高波长稳定性，只要增大来自光栅的反馈量即可，基于该观点，优选使光栅的反射率大于在活性层的端面处的反射率。

作为光源，优选为具有高可靠性的基于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，因此也可以实现以一维形式排列的激光器阵列等光源。也可以是超级发光二极管或半导体光放大器(SOA)。

如果激光的波长变长，则布拉格波长的温度变化变大，因此为了提高波长稳定性，特别优选激光器的振荡波长为990nm以下。另一方面，如果波长变短，则半导体的折射率变化△n_a变得过大，所以为了提高波长稳定性，激光器的振荡波长特别优选为780nm以上。另外，也可以适当地选择活性层的材质或波长。

应予说明，通过半导体激光器和光栅元件的组合来进行功率稳定化的方法如下所述。

(非专利文献3：古河電工時報(古河电工时报)平成12年1月第105号p24-29)

脊型光波导是例如通过利用外周刃进行切割加工或进行激光烧蚀加工来实施物理加工，进行成形而得到的。

布拉格光栅能够如下所述地通过物理蚀刻或化学蚀刻而形成。

作为具体例，可以在高折射率基板上形成Ni、Ti、Cr等的金属膜，通过光刻周期性地形成窗，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。最后去除金属掩模而形成。

也可以与光栅沟槽同样地形成脊型光波导。

在光学材料层中，为了进一步提高光波导的耐光损伤性，可以含有从由镁(Mg)、锌(Zn)、钪(Sc)、及铟(In)构成的组中选择的一种以上金属元素，在该情况下，尤其优选为镁。另外，在结晶中，可以含有稀土元素作为掺杂成分。作为稀土元素，特别优选Nd、Er、Tm、Ho、Dy、Pr。

粘接层的材质可以是无机粘接剂，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，光学材料层可以通过薄膜形成法在支撑基体上成膜而形成。作为这种薄膜形成法，可以举出溅射、蒸镀、CVD。在这种情况下，光学材料层11直接形成于支撑基体。或者，可以在支撑基体上形成下侧缓冲层后形成光学材料层。

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、Si等。

在支撑基体的折射率大于光学材料层的折射率的情况下，必须有下部包层，但是，从减少波导损耗的观点考虑，优选设置上部包层。

下部、上部包层可以分别是下部、上部缓冲层，另外，它们的折射率比光学材料层的折射率低。

减反射层的反射率须在光栅反射率以下，作为在减反射层上成膜的膜材料，可以使用以二氧化硅、五氧化二钽、氟化镁等氧化物层叠而成的膜、或金属类膜。

另外，为了抑制端面反射，可以将光源元件、光栅元件的各端面分别倾斜地切割。另外，光栅元件与支撑基板的接合，在图2的例子中是粘接固定，但也可以是直接接合。

在优选的实施方式中，在入射面和出射面中的至少一者上形成有单层膜，该单层膜是由折射率比构成光学材料层的材质的折射率低的材质形成的。这种单层膜的厚度无需像AR涂层那样严格决定，只要通过形成单层膜就能够降低端面反射。此处，如果采用多层膜，则由于因多层膜之间的折射率与厚度的关系，抑制反射的程度有可能降低或者消失，需要控制多层膜的各层的厚度，所以优选单层膜。由此，与没有单层膜的情况相比，也能够确实地降低光栅元件的端面反射率。单层膜的厚度优选为1μm以下。

在图10的例子中，光栅元件2A与光源11光学耦合，并且，另外的光波导基板21的光波导22与光栅元件2A的出射部3e的出射面光学耦合。

在图11的例子中，光栅元件2B与光源11光学耦合，并且，另外的光波导基板21的光波导22与光栅元件2B的出射部3e的出射面光学耦合。

在图12、图13的例子中，光源11及光栅元件22安装在共用基板24上。还可以设置粘接层7、25。

光栅元件22的脊型光波导23A包括：入射部23a、锥形部23b、光栅部23d、以及出射部23e，在光栅部23d形成有布拉格光栅20。当从元件的上表面进行观察时(图12)，入射部23a处的光波导宽度W_in大于布拉格光栅处的光波导宽度W_gr。锥形部23b处的光波导宽度W_t自W_in向W_gr单调减少。另外，本例中，出射部23e处的光波导宽度W_out恒定。

另外，当从元件的侧面侧进行观察时(图13)，入射部23a处的光学材料层厚度W_inv大于布拉格光栅处的光学材料层厚度W_grv。锥形部23b处的光学材料层厚度W_tv自W_inv向W_grv单调减少。另外，本例中，出射部23e处的光学材料层厚度W_outv恒定。

以下，在图14所示的构成中进一步说明本发明的条件的意义。

然而，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方案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由增益条件×相位条件来决定。

[算式6]

增益条件根据(2-1)式而成为下式。

[算式7]

其中，α_a、α_g、α_wg、α_gr分别是活性层、半导体激光器和波导间的间隙、输入侧的光栅未加工波导部、光栅部的损耗系数，L_a、L_g、L_wg、L_gr分别是活性层、半导体激光器和波导间的间隙、输入侧的光栅未加工波导部、光栅部的长度，r₁、r₂是反射镜反射率(r₂是光栅的反射率)，C_out是光栅元件和光源的耦合损耗，ξ_tg_t是激光介质的增益阈值，是基于激光器侧反射镜的相位变化量，是在光栅部的相位变化量。

(2-2)式表示：若激光介质的增益ξ_tg_th(增益阈值)超过损耗，则进行激光振荡。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。从而，在比较表中，增益条件可以只考虑光栅。

另一方面，相位条件根据(2-1)式而成为下式。其中，成为零。

[算式8]

φ₂+2β_aL_a+2β_gL_g+2β_wgL_wg＝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、FBG的外部谐振器型激光器已被产品化。如图15、图16所示，现有的设计理念是：光栅的反射特性为Δλ_G＝0.2nm左右，反射率为10％。由此，光栅部的长度成为1mm。另一方面，将相位条件设计成满足条件的波长是离散的，并且在Δλ_G内，(2-3)式有2～3个。因此，激光介质的活性层长度必须要长，使用1mm以上的长度。

在使用玻璃波导或FBG的情况下，λ_G的温度依赖性非常小，并成为dλ_G/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，与此相比，满足相位条件的波长的温度依赖性大，为dλ_s/dT＝0.05nm/℃，差值为0.04nm/℃。

一般而言，根据非专利文献1，可以认为发生跳模的温度T_mh如下式所示(认为T_a＝T_f)。

ΔG_TM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9]

由此，现有情况下，发生跳模的温度T_mh为5℃左右。因此，容易引起跳模。从而，若引起跳模，则功率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，现有的利用了玻璃波导或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。

对此，作为本发明的前提条件，使用(2-4)式的分母变小的光栅元件。(2-4)式的分母优选为0.03nm/℃以下，作为具体的光学材料层，优选为砷化镓(GaAs)、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、氧化钽(Ta₂O₅)、氧化锌(ZnO)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化铌(Nb₂O₅)、氧化钛(TiO₂)。

满足相位条件的波长如果在△λ_G内存在5个以下，则即使发生跳模，也能够在稳定的激光振荡条件下动作。

即，本发明的结构在例如使用LN的z轴的偏振光的情况下，相对于温度变化，振荡波长基于光栅的温度特性以0.1nm/℃变化，但即使发生跳模，也能够使功率变动不易发生。本发明的结构为了增大Δλ_G而将光栅长度L_b设定为例如100μm，为了增大ΔG_TM而将L_a设定为例如250μm。

此外，补充说明与专利文献6的不同之处。

本申请以光栅波长的温度系数和半导体的增益曲线的温度系数接近为前提。基于此而使用折射率为1.8以上的材料。进而，使光栅的沟槽深度t_d为20nm以上、250nm以上，使反射率为3％以上、60％以下，并且使其半高宽△λ_G为0.8nm以上、250nm以下。由此能够使谐振器结构小型化，并且无需额外部件就能够实现非温度依赖性。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。

△λ_G＝0.4nm

纵模间隔△G_TM＝0.2nm

光栅长度L_b＝3mm

LD活性层长度L_a＝600μm

传播部的长度＝1.5mm

以下，进一步具体说明本发明的以下各条件。

0.8nm≤△λ_G≤6.0nm···(1)

10μm≤L_b≤300μm···(2)

20nm≤t_d≤250nm···(3)

优选将构成布拉格光栅的材质的折射率n_b设为1.7以上，更优选设为1.8以上。

目前，一般使用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T_mh，进而如上所述能够增大光栅的温度系数dλ_G/dT。从该观点来看，n_b更优选为1.9以上。另外，n_b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。

将布拉格反射率的峰值的半高宽△λ_G设为0.8nm以上(式1)。λ_G是布拉格波长。即，如图15、图16所示，使横轴为基于布拉格光栅的反射波长，并使纵轴为反射率时，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中，以反射率成为峰值一半的两个波长之差为半高宽△λ_G。

将布拉格反射率的峰值的半高宽△λ_G设为0.8nm以上(式(1))。这是因为能够加宽反射率峰。从该观点来看，半高宽△λ_G优选设为1.2nm以上，更优选设为1.5nm以上。另外，使半高宽△λ_G为5nm以下，更优选为3nm以下，优选为2nm以下。

将布拉格光栅的长度L_b设为300μm以下(式2：参见图9)。布拉格光栅的长度L_b是在光波导中传播的光的光轴方向上的光栅长度。本发明的设计构思的前提是将布拉格光栅的长度L_b设成比现有的长度更短，为300μm以下。即，为了使跳模不容易发生，必须增大满足相位条件的波长间隔(纵模间隔)。因此，必须缩短谐振器长度，将光栅元件的长度缩短。从该观点来看，更优选将布拉格光栅的长度L_b设为200μm以下。

缩短光栅元件的长度，能够减小损耗，从而降低激光振荡的阈值。结果，能够以低电流、低发热、低能量进行驱动。

另外，为了得到3％以上的反射率，光栅的长度L_b优选为5μm以上，为了得到5％以上的反射率，光栅的长度L_b更优选为10μm以上。

式(3)中，t_d是构成上述布拉格光栅的凹凸的深度(参见图4)。通过使20nm≤t_d≤250nm，能够使△λ_G为0.8nm～250nm，能够将△λ_G中纵模的数目调整为2～5。根据这样的观点考虑，t_d更优选为30nm以上，另外，更优选为200nm以下。为了使半高宽为3nm以下，优选t_d为150nm以下。

在优选的实施方式中，为了促进激光振荡，优选将光栅元件的反射率设定为3％～40％。为了使输出功率更稳定，该反射率更优选为5％以上，另外，为了增大输出功率，该反射率更优选为25％以下。

如图14所示，激光振荡条件取决于增益条件和相位条件。满足相位条件的波长是离散的，例如图21所示。即，本申请的结构中，通过使增益曲线的温度系数(GaAs的情况下为0.3nm/℃)和光栅的温度系数dλ_G/dT接近，能够将振荡波长固定在△λ_G中。进而，在△λ_G中存在的纵模的数目为2～5个时，振荡波长在△λ_G中反复产生跳模，在△λ_G以外能够降低激光振荡的概率，所以不会产生大幅的跳模，并且波长稳定，输出功率能够稳定地动作。

在优选的实施方式中，活性层的长度L_a也为500μm以下(图9)。从该观点来看，更优选将活性层的长度L_a设为300μm以下。另外，从增大激光器的输出的观点考虑，优选活性层的长度L_a为150μm以上。

在式(6)中，dλ_G/dT是布拉格波长的温度系数。

另外，dλ_TM/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。

在此，λ_TM是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长，即，满足前述(2-3式)的相位条件的波长。在本说明书中将其称为“纵模”。

以下，对纵模进行补充说明。

(2-3)式中的β＝2πn_eff/λ，n_eff是该部分的有效折射率，满足该条件的λ成为λ_TM。是布拉格光栅的相位变化，λ_TM如图15所示。

ΔG_TM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λ_TM，因此，意味着多个λ_TM之差。

因此，通过满足式(6)，能够提高引起跳模的温度，实际上抑制跳模。式(6)的数值更优选为0.025以下。

在优选的实施方式中，光栅元件的长度L_WG也在600μm以下(图9)。L_WG优选为400μm以下，更优选为300μm以下。另外，L_WG优选为50μm以上。

在优选的实施方式中，光源的出射面与光波导的入射面之间的距离L_g为1μm～10μm(参见图9)。由此，可以进行稳定的振荡。

在优选的实施方式中，入射部及锥形部的总长度L_m为100μm以下。由此，可以促进稳定的振荡。另外，传播部的长度L_m的下限值没有特别限定，优选为10μm以上，更优选为20μm以上。

从增大与光源的偏轴容限的观点考虑，入射部处的脊型光波导的宽度W_in(参见图10、图11、图13)优选为激光的水平方向上的模场直径W_h的1.5倍以上。另外，更优选使入射部处的脊型光波导的宽度W_in为激光的水平方向上的模场直径W_h的2.5倍以下。

另外，从增大与光源的偏轴容限的观点考虑，入射部处的光学材料层的厚度W_inv(图13)优选为激光的垂直方向上的模场直径W_v的1.5倍以上。另外，入射部处的光学材料层的厚度W_inv优选为激光的垂直方向上的模场直径W_v的2.5倍以下。

如下所述地测定激光的水平方向、垂直方向上的模场直径。

一般情况下，测定激光的光强度分布，将其强度分布相对于最大值(通常相当于核的中心部分)为1/e²(e为自然对数的底数:2.71828)处的宽度定义为模场直径。在激光的情况下，模场的大小在激光器元件的水平方向和垂直方向上是不同的，因此分别进行定义。像光纤那样为同心圆的情况下，定义为直径。

对于光强度分布的测定，一般而言，可以通过利用了近红外相机的束流剖面测定或利用刀口的光强度测定来获得激光光斑的光强度分布。

在优选的实施方式中，当使入射部处的光学材料层的厚度为W_inv时，W_inv/λ为2以上。但是，若光学材料层过厚，则耦合损耗增大，因此，W_inv/λ优选为3以下。

激光的波长为0.85μm的情况下，W_inv为1.7μm～2.55μm。

本发明中，入射部处的脊型光波导宽度W_in大于光栅部处的脊型光波导宽度W_gr。其中，所谓脊型光波导的宽度，是指构成光波导的脊部分的上表面的横截面的二个角之间的间隔(参见图5)。

从本发明的观点考虑，W_in/W_gr优选为1.5以上，更优选为2以上。另外，若W_in/W_gr过大，则存在布拉格光栅处的基板放射增加的倾向，因此，W_in/W_gr优选为3.5以下。

例如激光的波长为0.85μm的情况下，入射部的脊型光波导宽度优选为5μm以上，且优选为10μm以下。另外，光栅部的脊宽度优选为3λ～5λ。波长为0.85μm的情况下，脊宽度优选为2.55μm以上，且优选为4.25μm以下。

入射部和光栅部通过锥形部连结。在锥形部中，优选脊宽度W_t自入射部朝向光栅部逐渐减少，更优选相对于元件长度方向以一次函数的形式减少。

应予说明，出射部3e、23e的宽度W_out可以与光栅元件处的脊型光波导的宽度W_gr相同，也可以比W_gr小。W_out/W_gr优选为1.0以下，可以为0.5以下，从传播效率这一点考虑，优选为0.7以上。

已知：若光栅部的脊型光波导宽度过小，则模式形状畸变而向基板模式辐射，不仅如此，光栅的反射率也降低。

即，如果为了使传播光在光栅部进行单模化而减小脊宽度，则成为像图17那样的光斑形状。图17是波长为0.85μm、脊宽度为2μm时的光斑形状。此时，光电场漏出到基板上，脊上表面的光电场减小。因此，在脊型波导的上表面形成光栅的情况下，光电场不易感觉到沟槽的阶差，反射率不会增大。

相对于此，图18是脊型光波导宽度为3μm时的光斑形状。在这种情况下，可知形状为椭圆形状且光电场不会漏出为基板模式。

另一方面，若过度增大光栅部的脊宽度，则进行多模化，因此，存在最佳的脊宽度。

图19示出光学材料层的厚度W_inv为2μm、T_r为1.2μm时脊宽度为1～10μm处的波导的基模的有效折射率的计算值。由该结果可知：脊宽度为1μm、2μm是有效折射率上升的区域，是接近于截止(cutoff)的区域。

另外，图20是相同脊宽度的传播效率的计算值。结果可知：在脊宽度为1μm、2μm时，因向基板模式辐射而使得传播效率降低。另外，在脊宽度为5μm以上时，存在传播效率降低的倾向，这是多模化所导致的。

为了进一步提高光栅部的单模性，可以使光栅部3d、23d的光学材料层的厚度小于入射部3a、23a处的光学材料层的厚度(参见图3(b)、图13)。

从这一观点来看，光栅部3d、23d的光学材料层的厚度/入射部3a、23a处的光学材料层的厚度(W_grv/W_inv)优选为1.0以下，可以为0.7以下，但是，从传播效率的观点考虑，优选为0.3以上。

实施例

(实施例1)

制作如图1(a)、图2、图4所示的光栅元件。

具体而言，在由石英形成的支撑基板5上通过溅射装置将SiO₂以1μm成膜，进而，将Ta₂O₅以2μm成膜，形成光学材料层1。接下来，在光学材料层1上将Ti成膜，通过光刻技术，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，由此形成间距间隔Λ为205.4nm、长度L_b为25μm的光栅沟槽。光栅的沟槽深度t_d为100nm。进而，通过光刻技术形成波导的图案，由反应性离子蚀刻实施入射部的宽度W_in 8μm、T_r 1μm、光栅部的宽度W_gr 3μm、T_r1μm的脊型沟槽加工。入射面至光栅部起点的长度为25μm。

之后，通过干法蚀刻将元件的输入侧、输出侧蚀刻至石英基板，使端面成为镜面。最后，通过溅射形成SiO₂而在两端面形成90nm的单层膜。此时，端面的反射率为3％。元件尺寸是宽度为1mm、长度L_wg为100μm。

对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)，向光栅元件输入TE模的光，用光谱分析仪分析输出光，由此，基于其穿透特性，评价反射特性。

测定的元件的反射中心波长为850nm。

接下来，如图8、图9所示地安装了激光器模块。光源元件使用普通的GaAs系激光器。

光源元件规格：

安装规格：

在安装模块后，不使用珀耳帖元件，而用电流控制(ACC)进行驱动时，在对应于光栅的反射波长的中心波长850nm处振荡，输出比没有光栅元件时小，但为30mW的激光特性。输出的变动在1％以内，为稳定的输出特性。另外，在工作温度为20℃～40℃的温度范围测定激光振荡波长的温度依赖性。结果，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃。

(比较例1)

用与实施例1同样的方法形成同样结构的光栅元件。但是，实施光源输入部的宽度W_in 8μm、T_r 1μm、光栅部的宽度W_gr 8μm、T_r 1μm的脊型沟槽加工。输入端面至光栅部起点的长度为25μm。

之后，通过干法蚀刻将元件的输入侧、输出侧蚀刻至石英基板，使端面成为镜面。最后，通过溅射形成SiO₂而在两端面形成90nm的单层膜。此时，端面的反射率为3％。元件尺寸是宽度为1mm、长度L_wg为100μm。

对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)，向光栅元件输入TE模的光，用光谱分析仪分析输出光，由此，基于其穿透特性，评价反射特性。

测定的元件的反射中心波长为850nm。但是，在比该反射中心波长短的波长侧，在多个波长845nm、840nm、836nm处测到反射。

接下来，如图9所示地安装了激光器模块。光源元件使用普通的GaAs系激光器。

光源元件规格：

安装规格：

在安装模块后，不使用珀耳帖元件，而用电流控制(ACC)进行驱动时，在对应于光栅的反射波长的中心波长845nm处振荡，输出比没有光栅元件时小，但为与实施例1大致相同的输出30mW的激光特性。另外，在工作温度为20℃～40℃的温度范围测定激光振荡波长的温度依赖性。结果，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃，但在30℃附近，在850.4nm处波长大幅变化，使得输出大幅变动。

(实施例2)

用与实施例1同样的方法形成同样结构的光栅元件。但是，实施光源输入部的宽度W_in 8μm、T_r 1μm、光栅部的宽度W_gr 2μm、T_r 1μm的脊型沟槽加工。输入端面至光栅部起点的长度为25μm。

之后，通过干法蚀刻将元件的输入侧、输出侧蚀刻至石英基板，使端面成为镜面。最后，通过溅射形成SiO₂而在两端面形成90nm的单层膜。此时，端面的反射率为3％。元件尺寸是宽度为1mm、长度L_wg为100μm。

对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)，向光栅元件输入TE模的光，用光谱分析仪分析输出光，由此，基于其穿透特性，评价反射特性。

测定的元件的反射中心波长为849.5nm。

接下来，如图8、图9所示地安装了激光器模块。光源元件使用普通的GaAs系激光器。

光源元件规格：

安装规格：

在安装模块后，不使用珀耳帖元件，而用电流控制(ACC)进行驱动时，在对应于光栅的反射波长的中心波长849.5nm处振荡，输出比实施例1小，为10mW的激光特性。这是因为传播损失变大。但是，输出的变动在1％以内，为稳定的输出特性。另外，在工作温度为20℃～40℃的温度范围测定激光振荡波长的温度依赖性。结果，与实施例1同样，没有变动，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃。

(实施例3)

制作如图1(a)、图3所示的元件。

具体而言，在由石英形成的支撑基板5上通过溅射装置将SiO₂以2μm成膜，进而，将Ta₂O₅以2μm成膜，形成光学材料层1。接下来，在光学材料层1上将Ti成膜，通过光刻技术，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，由此形成间距间隔Λ为205.4nm、长度L_b为25μm的光栅沟槽。光栅的沟槽深度t_d为100nm。进而，通过光刻技术形成波导的图案，由反应性离子蚀刻实施入射部的宽度W_in 8μm、T_r 1.6μm、光栅部的宽度W_gr 3μm、T_r 1.6μm的脊型沟槽加工。输入端面至光栅部起点的长度为25μm。

之后，将输入部和锥形部遮蔽，通过反应性离子蚀刻将光栅部整体蚀刻掉厚度1μm的Ta₂O₅。由此，如图3(b)所示，使光栅元件处的光学材料层厚度小于入射部及锥形部处的光学材料层厚度。此时，光栅的沟槽深度t_d为40nm，脊波导的沟槽深度为0.6μm。

接下来，通过干法蚀刻将元件的输入侧、输出侧蚀刻至石英基板，使端面成为镜面。最后，通过溅射形成SiO₂而在两端面形成90nm的单层膜。此时，端面的反射率为3％。元件尺寸是宽度为1mm、长度L_wg为100μm。

对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)，向光栅元件输入TE模的光，用光谱分析仪分析输出光，由此，基于其穿透特性，评价反射特性。

测定的元件的反射中心波长为848nm。

接下来，如图9所示地安装了激光器模块。光源元件使用普通的GaAs系激光器。

光源元件规格：

安装规格：

在安装模块后，不使用珀耳帖元件，而用电流控制(ACC)进行驱动时，在对应于光栅的反射波长的中心波长848nm处振荡，输出比没有光栅元件时小，但为30mW的激光特性。输出的变动在1％以内，为稳定的输出特性。另外，在工作温度为20℃～40℃的温度范围测定激光振荡波长的温度依赖性。结果，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃。

作为追加实验，测定半导体激光器与光栅元件的偏轴容限。首先，将作为光源元件的半导体激光器和光栅元件安装于光学对准装置，调整光轴，使由光栅元件输出的光量为最大。仅在水平方向上，将轴由该状态每移动0.1μm，测定一次光量的变化。将光量为25mW时的偏轴量定义为水平方向上的偏轴容限。同样地也在垂直方向上进行测定，测定偏轴量。

以下示出对实施例1、3、比较例1进行测定的结果。

[表1]

单位(μm)

(比较例2)

与实施例1同样地形成光栅元件，安装如图9所示的激光器模块。

光源元件规格：

安装规格：

对本元件测定偏轴容限，结果，水平方向为±1.3μm，垂直方向为±0.8μm。

在安装模块后，不使用珀耳帖元件，而用电流控制(ACC)进行驱动时，在对应于光栅的反射波长的中心波长850nm处振荡，输出为30mW的激光特性。输出的变动在1％以内，为稳定的输出特性。另外，在工作温度为20℃～40℃的温度范围测定激光振荡波长的温度依赖性。结果，与实施例1同样，没有变动，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃。

(比较例3)

制作如图1(a)、图3所示的元件，安装如图9所示的激光器模块。

光源元件规格：

安装规格：

对本元件测定偏轴容限，结果，水平方向为±1.3μm，垂直方向为±0.8μm。

在安装模块后，不使用珀耳帖元件，而用电流控制(ACC)进行驱动时，在对应于光栅的反射波长的中心波长848nm处振荡，输出为30mW的激光特性。输出的变动在1％以内，为稳定的输出特性。另外，在工作温度为20℃～40℃的温度范围测定激光振荡波长的温度依赖性。结果，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃。

(比较例4)

与实施例1同样地形成光栅元件，安装如图9所示的激光器模块。

光源元件规格：

安装规格：

对本元件测定偏轴容限，结果，水平方向为±1.3μm，垂直方向为±0.4μm。

在安装模块后，不使用珀耳帖元件，而用电流控制(ACC)进行驱动时，在对应于光栅的反射波长的中心波长848nm处振荡，输出为35mW的激光特性。输出的变动在1％以内，为稳定的输出特性。另外，在工作温度为20℃～40℃的温度范围测定激光振荡波长的温度依赖性。结果，与实施例1同样，没有变动，振荡波长的温度系数为0.05nm/℃。

Claims (12)

1.一种光栅元件，其特征在于，包括：

支撑基板，

光学材料层，所述光学材料层设置在所述支撑基板上，

脊型光波导，所述脊型光波导设置于所述光学材料层，具有射入激光的入射面和射出所需波长的出射光的出射端，以及，

布拉格光栅，所述布拉格光栅由形成在所述脊型光波导内的凹凸构成；

所述脊型光波导包含：

入射部，所述入射部设置在所述入射面与所述布拉格光栅之间，和锥形部，所述锥形部设置在所述入射部与所述布拉格光栅之间；

传播光至少在所述布拉格光栅中进行单模传播，所述入射部处的所述脊型光波导的宽度大于所述布拉格光栅处的所述脊型光波导的宽度，所述锥形部处的所述脊型光波导的宽度自所述入射部朝向所述布拉格光栅减小，

所述光栅元件满足下述式(1)～式(4)的关系，

0.8nm≤△λ_G≤6.0nm…(1)

10μm≤L_b≤300μm…(2)

20nm≤t_d≤250nm…(3)

n_b≥1.8…(4)

在式(1)中，△λ_G是所述布拉格光栅的布拉格反射率的峰值的半高宽，

在式(2)中，L_b是所述布拉格光栅的长度，

在式(3)中，t_d是构成所述布拉格光栅的凹凸的深度，

在式(4)中，n_b是构成所述光学材料层的材质的折射率。

2.一种光栅元件，其特征在于，包括：

支撑基板，

光学材料层，所述光学材料层设置在所述支撑基板上，

脊型光波导，所述脊型光波导设置于所述光学材料层，具有射入激光的入射面和射出所需波长的出射光的出射端，以及，

布拉格光栅，所述布拉格光栅由形成在所述脊型光波导内的凹凸构成；

所述脊型光波导包含：

入射部，所述入射部设置在所述入射面与所述布拉格光栅之间，和

锥形部，所述锥形部设置在所述入射部与所述布拉格光栅之间；

传播光至少在所述布拉格光栅中进行单模传播，所述入射部处的所述脊型光波导的宽度大于所述布拉格光栅处的所述脊型光波导的宽度，所述锥形部处的所述脊型光波导的宽度自所述入射部朝向所述布拉格光栅减小，所述光栅元件满足下述式(1)～式(3)的关系，构成所述光学材料层的材质从由砷化镓、铌酸锂单晶、氧化钽、氧化锌、氧化铝、钽酸锂、氧化镁、氧化铌以及氧化钛构成的组中进行选择，

0.8nm≤△λ_G≤6.0nm…(1)

10μm≤L_b≤300μm…(2)

20nm≤t_d≤250nm…(3)

在式(1)中，△λ_G是所述布拉格光栅的布拉格反射率的峰值的半高宽，

在式(2)中，L_b是所述布拉格光栅的长度，

在式(3)中，t_d是构成所述布拉格光栅的凹凸的深度。

3.根据权利要求1或2所述的元件，其特征在于，

所述入射部处的所述光学材料层的厚度大于所述布拉格光栅处的所述光学材料层的厚度，所述锥形部处的所述光学材料层的厚度自所述入射部朝向所述布拉格光栅减小。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的元件，其特征在于，

所述激光的波长为λ，至少所述入射部处的所述光学材料层的厚度为W_inv，W_inv/λ为2～3，所述布拉格光栅处的所述脊型光波导的宽度为3λ～5λ。

5.根据权利要求4所述的元件，其特征在于，

所述布拉格光栅处的所述光学材料层的厚度W_grv/所述激光的波长λ为1～2。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的元件，其特征在于，

在所述入射面和所述出射端中的至少一者形成有单层膜，所述单层膜是由折射率比构成所述光学材料层的所述材质的折射率低的材质形成的。

7.一种外部谐振器型发光装置，其包括使激光振荡的光源、和光栅元件，且所述使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，

所述光源包括使所述激光振荡的活性层，所述光栅元件是权利要求1～6中的任一项所述的光栅元件。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述入射部处的所述脊型光波导的宽度为所述激光的水平方向上的模场直径的1.5倍以上。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，

所述入射部处的所述光学材料层的厚度为所述激光的垂直方向上的模场直径的1.5倍以上。

10.根据权利要求7～9中的任一项所述的装置，其特征在于，

满足下述式(5)的关系，

L_WG≤500μm…(5)

在式(5)中，L_WG是所述光栅元件的长度。

11.根据权利要求7～10中的任一项所述的装置，其特征在于，

所述半高宽△λ_G中，能够满足激光振荡的相位条件的波长存在2～5个。

12.根据权利要求7～11中的任一项所述的装置，其特征在于，

满足下述式(6)的关系，

[算式10]

在式(6)中，dλ_G/dT是布拉格波长的温度系数，

dλ_TM/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。