DE112015002094T5

DE112015002094T5 - Gitterelement und lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps

Info

Publication number: DE112015002094T5
Application number: DE112015002094.2T
Authority: DE
Inventors: Jungo Kondo; Shoichiro Yamaguchi; Keiichiro Asai; Tetsuya Ejiri; Naotake Okada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2014-05-01
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-04-14
Also published as: DE112015002094B4; US10074962B2; WO2015166794A1; JPWO2015166794A1; JP6554035B2; CN106233175A; CN106233175B; US20170047711A1

Abstract

Ein Gitterelement umfasst: ein Trägersubstrat, eine optische Materialschicht, einen Furchenlichtwellenleiter, der eine Einfallsfläche, auf die Laserlicht einfällt, und ein Emissionsende aufweist, aus dem Emissionslicht mit einer gewünschten Wellenlänge emittiert wird, und ein Bragg-Gitter, das konkave und konvexe Abschnitte umfasst und das innerhalb des Furchenlichtwellenleiters ausgebildet ist. Der Lichtwellenleiter umfasst einen Einfallsabschnitt, der zwischen der Einfallsfläche und dem Bragg-Gitter angeordnet ist, und einen kegelförmigen Abschnitt, der zwischen dem Einfallsabschnitt und dem Bragg-Gitter angeordnet ist. In dem Bragg-Gitter breitet sich ein Ausbreitungslicht in einem Einzelmodus aus. Die Breite Win des Lichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt ist größer ist als die Breite Wgr des Lichtwellenleiters in dem Bragg-Gitter. Die Breite Wt des Lichtwellenleiters in dem kegelförmigen Abschnitt nimmt von dem Einfallsabschnitt in die Richtung des Bragg-Gitters ab. Die Beziehungen, die durch die nachstehenden Formeln (1) bis (3) dargestellt sind, sind erfüllt: 0,8 nm ≤ ΔλG ≤ 6,0 nm ... (1), 10 μm ≤ Lb ≤ 300 μm ... (2), 20 nm ≤ td ≤ 250 nm ... (3) (ΔλG ist die Halbwertsbreite eines Peaks einer Bragg-Reflexion in dem Bragg-Gitter; Lb ist die Länge des Bragg-Gitters und td ist die Tiefe jedes der konkaven und konvexen Abschnitte, die das Bragg-Gitter bilden.)

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gitterelement und eine lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps, bei der das Gitterelement verwendet wird.
STAND DER TECHNIK
Halbleiterlaser, die allgemein verwendet werden, sind von einem Fabry-Perot(FP)-Typ, der einen optischen Resonator umfasst, der sandwichartig zwischen Spiegeln angeordnet ist, die an beiden Endflächen einer aktiven Schicht ausgebildet sind. Der FP-Laser oszilliert jedoch bei einer Wellenlänge, welche die Bedingung einer stehenden Welle erfüllt, und neigt dadurch dazu, in einem Mehrfachlongitudinalmodus zu arbeiten. Insbesondere wenn sich der Strom oder die Temperatur ändert, variiert die Lasererzeugungswellenlänge des Lasers, was zu einer Veränderung der optischen Intensität führt.
Für den Zweck einer optischen Kommunikation, einer Gaserfassung und dergleichen müssen Laser eine Wellenlängenstabilität aufweisen und in einem Einzelmodus oszillieren. Aus diesem Grund wurden ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) und ein verteilter Bragg-Reflektor-Laser (DBR-Laser) entwickelt. Diese Laser sind so gestaltet, dass sie ein Beugungsgitter umfassen, das in einem Halbleiter ausgebildet ist und mittels der Wellenlängenabhängigkeit des Gitters bei einer spezifischen Wellenlänge oszilliert.
Beispiele für Halbleiterlaser, die eine angemessene Wellenlängenstabilität erreichen, können einen DBR-Laser und einen DFB-Laser, die ein Gitter aufweisen, das monolithisch in einem Halbleiterlaser ausgebildet ist, und einen äußerer Resonator-Laser umfassen, der ein Fasergitter(FBG)-Gitter aufweist, das an der Außenseite des Lasers angebracht ist. Diese beruhen auf dem Prinzip, dass ein Teil des Laserlichts durch Spiegel mit der Wellenlängenselektivität unter Verwendung einer Bragg-Reflexion zu den Lasern zurückgeführt wird, so dass ein Betrieb bei einer stabilen Wellenlänge erreicht wird.
Der DBR-Laser bildet einen Resonator durch Bilden von konvexen und konkaven Abschnitten in einer Wellenleiteroberfläche, die sich auf einer verlängerten Linie eines Wellenleiters in einer aktiven Schicht befindet, wodurch Spiegel gemäß einer Bragg-Reflexion gebildet werden (vgl. das Patentdokument 1 ( japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung S49(1974)-128689 A ) und das Patentdokument 2 ( japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung S56(1981)-148880 A )). In einem solchen Laser sind Beugungsgitter an beiden Enden einer Lichtwellenleiterschicht bereitgestellt, wodurch sich Licht, das von der aktiven Schicht emittiert wird, durch die Lichtwellenleiterschicht ausbreitet, und ein Teil des Lichts durch die Beugungsgitter reflektiert wird, so dass es zu einem Stromeinspeisungsabschnitt zurückkehrt und dann verstärkt wird. Das Licht, das nur eine Wellenlänge aufweist, wird von dem Beugungsgitter in einer vorgegebenen Richtung reflektiert, so dass die Wellenlänge des Laserlichts konstant wird.
Als eine weitere Anwendung dieses Lasers wurde ein Halbleiterlaser des äußeren Resonatortyps entwickelt, der einen Resonator umfasst, der außerhalb eines Halbleiters durch Einbauen eines Beugungsgitters als eine Komponente gebildet wird, die sich von dem Halbleiter unterscheidet. Dieser Typ von Laser ist ein Laser mit einer hervorragenden Wellenlängenstabilität, Temperaturstabilität und Steuerbarkeit. Beispiele für den äußeren Resonator umfassen ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) (Nicht-Patentdokument 1) und ein Volumenhologrammgitter (VHG) (Nicht-Patentdokument 2). Das Beugungsgitter ist getrennt von dem Halbleiterlaser ausgebildet, der das Merkmal aufweist, dass die Reflexion und die Länge des Resonators individuell gestaltet werden können. Folglich wird das Beugungsgitter nicht von Temperaturerhöhungen aufgrund der Wärme beeinflusst, die durch die Stromeinspeisung erzeugt wird, so dass die Wellenlängenstabilität weiter verbessert werden kann. Da die Änderung des Brechungsindex des Halbleiters abhängig von der Temperatur von derjenigen des Beugungsgitters verschieden ist, kann das Beugungsgitter zusammen mit der Länge des Resonators gestaltet werden, wodurch die Temperaturstabilität des Halbleiterlasers verbessert wird.
Das Patentdokument 6 ( japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2002-134833 A ) offenbart einen Laser des äußeren Resonatortyps, der ein Gitter nutzt, das in einem Quarzglaswellenleiter ausgebildet ist. Gemäß dieses Dokuments wird der Laser mit einer angemessenen Frequenzstabilität versehen, so dass der Laser in einer Umgebung, in der sich die Raumtemperatur signifikant ändert (z. B. auf 30°C oder höher), ohne eine Temperatursteuereinrichtung verwendet werden kann. Ferner gibt das Dokument an, dass ein temperaturunabhängiger Laser bereitgestellt wird, der ein Modenspringen unterdrückt und der keine Temperaturabhängigkeit von dessen Lasererzeugungsfrequenz aufweist.
DOKUMENTE DES STANDES DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. S49(1974)-1286894 A
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. S56(1981)-148880 A
Patentdokument 3: WO 2013/034813 A
Patentdokument 4: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2000-082864 A
Patentdokument 5: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2006-222399 A
Patentdokument 6: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2000-134833 A
Patentdokument 7: Japanische Patentanmeldung Nr. 2013-120999 A

NICHT-PATENTDOKUMENTE

Nicht-Patentdokument 1: IEICE Transactions an Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, C-II, Band J81, Nr. 7, Juli 1998, Seiten 664–665
Nicht-Patentdokument 2: IEICE Technical Report LQE, 2005, Band 105, Nr. 52, Seiten 17–20
Nicht-Patentdokument 3: Furukawa Review, Nr. 105, Januar 2000, Seiten 24–29

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Nicht-Patentdokument 1 beschreibt den Mechanismus des Modenspringens, das die Wellenlängenstabilität aufgrund einer Zunahme der Temperatur beeinträchtigt, sowie die Maßnahmen gegen diesen Mechanismus. Eine Änderung δλ_s der Wellenlänge des Lasers des äußeren Resonatortyps aufgrund der Temperatur wird bei der Bedingung einer stehenden Welle durch die folgende Formel dargestellt. [Formel 1]
worin Δn_a eine Änderung des Brechungsindex in einem aktiven Schichtbereich des Halbleiters ist, L_a die Länge der aktiven Schicht ist, Δn_f eine Änderung des Brechungsindex eines FBG-Bereichs ist, L_f die Länge des FBG-Bereichs ist und δT_a und δT_f Änderungen der Temperaturen des aktiven Schichtbereichs bzw. des FBG-Bereichs sind.
Dabei stellt λ₀ die Reflexionswellenlänge des Gitters in einem Anfangszustand dar.
Ferner ist δλ_G eine Änderung der Reflexionswellenlänge des Gitters und ist durch die folgende Formel dargestellt. [Formel 2]
Ein Modenspringen findet statt, wenn ein Longitudinalmodusabstand Δλ des äußeren Resonators gleich der Differenz zwischen der Wellenlängenänderung δλ_s und der Reflexionswellenlängenänderung δλ_G des Gitters ist. Auf diese Weise wird die folgende Formel erhalten. [Formel 3]
Der Longitudinalmodusabstand Δλ ist näherungsweise durch die folgende Formel dargestellt. [Formel 4]
Die Formel 5 ist von den Formeln 3 und 4 abgeleitet. [Formel 5]
Zum Unterdrücken eines Modenspringens muss der Laser innerhalb eines Temperaturbereichs von ΔT_all oder weniger verwendet werden und die Temperatur des Lasers wird durch ein Peltier-Element gesteuert. Wenn in der Formel 5 die Änderung des Brechungsindex der aktiven Schicht im Wesentlichen mit derjenigen der Gitterschicht identisch ist (Δn_a/n_a = Δn_f/n_f) wird der Nenner Null, was zu einer unendlichen Temperatur führt, bei welcher das Modenspringen stattfindet, was zeigt, dass kein Modenspringen stattfinden würde. In dem monolithischen DBR-Laser wird jedoch zum Lasererzeugen ein Strom in die aktive Schicht eingespeist, wodurch die aktive Schicht und die Gitterschicht keine identische Änderung des Brechungsindex aufweisen, was ein Modenspringen verursacht.
Das Modenspringen ist ein Phänomen, bei dem der Lasermodus (Longitudinalmodus) in dem Resonator von einem Modus zum nächsten verschoben wird. Wenn sich die Temperatur oder der Einspeisungsstrom ändert, werden die Bedingungen für die Verstärkung und den Resonator geändert, was die Lasererzeugungswellenlänge ändert, wodurch ein Problem von Fluktuationen bei der optischen Leistung verursacht wird, das als Knick bezeichnet wird. Folglich ändert sich die Wellenlänge von FP GaAs-Halbleiterlasern normalerweise mit einem Temperaturkoeffizienten von 0,3 nm/°C, jedoch fluktuiert die Wellenlänge stärker als dieses Niveau, sobald ein Modenspringen stattfindet. Gleichzeit fluktuiert die Ausgangsleistung des Lasers um 5% oder mehr.
Zum Unterdrücken des Modenspringens wird folglich die Temperatur des Halbleiterlasers durch die Verwendung des Peltier-Elements gesteuert. Dies erhöht jedoch die Anzahl von Komponenten, was zu einem größeren Modul und folglich höheren Kosten führt.
In der Technik, die in dem Patentdokument 6 beschrieben ist, wird, um einen Halbleiterlaser nicht von der Temperatur abhängig zu machen, eine Belastung auf einen Lichtwellenleiter ausgeübt, während die herkömmliche Resonatorstruktur beibehalten wird, wodurch ein Temperaturkoeffizient aufgrund einer Wärmeausdehnung kompensiert wird. Auf diese Weise wird die Temperaturunabhängigkeit erreicht. Folglich wird eine Metallplatte auf dem Element angebracht und eine Schicht zum Einstellen des Temperaturkoeffizienten wird dem Wellenleiter hinzugefügt. Dies verursacht das Problem, dass die Resonatorstruktur noch größer wird.
Die Erfinder haben im Patentdokument 7 eine Laserstruktur des äußeren Resonatortyps offenbart, bei der ein Lichtwellenleitergitterelement verwendet wird. Bei dieser Anmeldung ermöglicht die Laserstruktur, wenn eine Halbwertsbreite δλ_G der Reflexionseigenschaften des Gitterelements eine spezifische Formel erfüllt, eine Lasererzeugung, die eine hohe Wellenlängenstabilität zeigt, während sie ohne irgendeine Temperatursteuerung keine Leistungsschwankung aufweist.
Es ist erwünscht, gleichzeitig die Toleranz einer axialen Fehlausrichtung sicherzustellen, während die Kopplungseffizienz zwischen einer Lichtquelle und dem Gitterelement aufrechterhalten wird. Insbesondere ist es bevorzugt, die Kopplungseffizienz auf 50% oder mehr und den Bereich der Toleranz der axialen Fehlausrichtung auf etwa ±1 μm einzustellen.
Zur Verbesserung der Toleranz der axialen Fehlausrichtung der Kopplungseffizienz haben die Erfinder versucht, die Dicke einer optischen Materialschicht in einem Einfallsabschnitt und die Breite eines Furchenlichtwellenleiters größer einzustellen als ein Modusfelddurchmesser (in der vertikalen oder horizontalen Richtung) von Laserlicht, das von der Lichtquelle emittiert wird. Beispielsweise war die Breite des Furchenlichtwellenleiters 1,5 Mal oder mehr so groß wie der Modusfelddurchmesser in der horizontalen Richtung des Laserlichts. Ferner war die Dicke der optischen Materialschicht 1,5 Mal oder mehr so groß wie der Modusfelddurchmesser in der vertikalen Richtung des Laserlichts.
Im Allgemeinen ist der Transversalmodus einer Lichtquelle ein Einzelmodus und dessen Fleckdurchmesser liegt in einem Bereich von 0,5 μm bis 2 μm in der vertikalen Richtung und von 1 μm bis 6 μm in der horizontalen Richtung. Beispielsweise wird die Dicke der optischen Materialschicht in dem Einfallsabschnitt so eingestellt, dass W_inv/λ von 2 oder mehr erfüllt ist. Eine zu dicke optische Materialschicht führt zu einem signifikanten Kopplungsverlust. Folglich beträgt W_inv/λ vorzugsweise 3 oder weniger. Insbesondere beträgt die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt bei einer Wellenlänge von 0,7 μm bis 1,1 μm im Hinblick auf die Erhöhung der Toleranz der axialen Fehlausrichtung vorzugsweise 5 μm oder mehr und im Hinblick auf die Verhinderung eines signifikanten Kopplungsverlusts vorzugsweise 10 μm oder weniger.
Es wird jedoch gefunden, dass die Vergrößerung der Breite des Furchenlichtwellenleiters zur Erhöhung der Toleranz der axialen Fehlausrichtung den Mehrfachmodus in dem Bragg-Gitter anregt, wodurch es weniger wahrscheinlich wird, dass die Anregung in dem Einzelmodus verursacht wird. In diesem Fall wird das emittierte Licht zu einem Mehrfachmoduslicht. Ferner liegt für das Mehrfachmoduslicht eine Mehrzahl von Reflexionswellenlängen vor, wodurch die Wellenlänge des Lasers instabil wird.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laser des äußeren Resonatortyps mit einem Bragg-Gitter bereitzustellen, der eine verbesserte Wellenlängenstabilität aufweist, während die Toleranz einer axialen Fehlausrichtung zwischen Laserlicht von einer Lichtquelle und einem Lichtwellenleiter eines Gitterelements erhöht ist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Gitterelement bereit, umfassend:
ein Trägersubstrat,
eine optische Materialschicht, die auf dem Trägersubstrat angeordnet ist,
einen Furchenlichtwellenleiter, der in der optischen Materialschicht angeordnet ist, wobei der Furchenlichtwellenleiter eine Einfallsfläche, auf die Laserlicht einfällt, und ein Emissionsende aufweist, aus dem Emissionslicht mit einer gewünschten Wellenlänge emittiert wird, und
ein Bragg-Gitter, das konkave und konvexe Abschnitte umfasst und das innerhalb des Furchenlichtwellenleiters ausgebildet ist,
wobei der Furchenlichtwellenleiter einen Einfallsabschnitt, der zwischen der Einfallsfläche und dem Bragg-Gitter angeordnet ist, und einen kegelförmigen Abschnitt umfasst, der zwischen dem Einfallsabschnitt und dem Bragg-Gitter angeordnet ist,
wobei sich ausbreitendes Licht mindestens in dem Bragg-Gitter in einem Einzelmodus ausbreitet,
wobei die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt größer ist als die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Bragg-Gitter,
wobei die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem kegelförmigen Abschnitt von dem Einfallsabschnitt in die Richtung des Bragg-Gitters abnimmt und
wobei Beziehungen erfüllt sind, die durch die nachstehenden Formeln (1) bis (4) dargestellt sind: 0,8 nm ≤ Δλ_G ≤ 6,0 nm (1) 10 μm ≤ L_b ≤ 300 μm (2) 20 nm ≤ t_d ≤ 250 nm (3) n_b ≥ 1,8 (4) (Δλ_G in der Formel (1) ist die Halbwertsbreite eines Peaks einer Bragg-Reflexion in dem Bragg-Gitter;
L_b in der Formel (2) ist die Länge des Bragg-Gitters,
t_d in der Formel (3) ist die Tiefe jedes der konkaven und konvexen Abschnitte, die das Bragg-Gitter bilden und
n_b in der Formel (4) ist der Brechungsindex eines Materials, das die optische Materialschicht bildet.)
Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Gitterelement bereit, umfassend:
ein Trägersubstrat,
eine optische Materialschicht, die auf dem Trägersubstrat angeordnet ist,
einen Furchenlichtwellenleiter, der in der optischen Materialschicht angeordnet ist, wobei der Furchenlichtwellenleiter eine Einfallsfläche, auf die Laserlicht einfällt, und ein Emissionsende aufweist, aus dem Emissionslicht mit einer gewünschten Wellenlänge emittiert wird, und
ein Bragg-Gitter, das konkave und konvexe Abschnitte umfasst und das innerhalb des Furchenlichtwellenleiters ausgebildet ist,
wobei der Furchenlichtwellenleiter einen Einfallsabschnitt, der zwischen der Einfallsfläche und dem Bragg-Gitter angeordnet ist, und einen kegelförmigen Abschnitt umfasst, der zwischen dem Einfallsabschnitt und dem Bragg-Gitter angeordnet ist, wobei sich ausbreitendes Licht mindestens in dem Bragg-Gitter in einem Einzelmodus ausbreitet,
wobei die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt größer ist als die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Bragg-Gitter,
wobei die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem kegelförmigen Abschnitt von dem Einfallsabschnitt in die Richtung des Bragg-Gitters abnimmt,
wobei Beziehungen erfüllt sind, die durch die nachstehenden Formeln (1) bis (3) dargestellt sind, und
wobei ein Material, das die optische Materialschicht bildet, aus der Gruppe, bestehend aus Galliumarsenid, Lithiumniobat-Einkristall, Tantaloxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Lithiumtantalat, Magnesiumoxid, Nioboxid und Titanoxid, ausgewählt ist, 0,8 nm ≤ Δλ_G ≤ 6,0 nm (1) 10 μm ≤ L_b ≤ 300 μm (2) 20 nm ≤ t_d ≤ 250 nm (3) (wobei Δλ_G in der Formel (1) die Halbwertsbreite eines Peaks einer Bragg-Reflexion in dem Bragg-Gitter ist;
L_b in der Formel (2) die Länge des Bragg-Gitters ist und
t_d in der Formel (3) die Tiefe jedes der konkaven und konvexen Abschnitte ist, die das Bragg-Gitter bilden.)
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps bereit, die eine Lichtquelle, die zum Oszillieren eines Halbleiterlaserlichts angepasst ist, und ein Gitterelement umfasst, das zusammen mit der Lichtquelle einen äußeren Resonator bildet,
wobei die Lichtquelle eine aktive Schicht zum Oszillieren des Halbleiterlaserlichts umfasst und das Gitterelement eines ist, das vorstehend beschrieben ist.
Im Allgemeinen weist bei der Verwendung eines Fasergitters Quarz einen so kleinen Temperaturkoeffizienten des Brechungsindex auf, dass dλ_G/dT klein wird, während |dλ_G/dT – dλ_TM/dT| groß wird. Folglich neigt der Temperaturbereich ΔT, in dem ein Modenspringen stattfindet, dazu, schmaler zu sein.
Aus diesem Grund wird der Brechungsindex eines Wellenleitersubstrats mit dem darin ausgebildeten Gitter vorzugsweise erhöht. Durch diese Anordnung kann der Temperaturkoeffizient des Brechungsindex erhöht werden, so dass dλ_G/dT größer wird und |dλ_G/dT – dλ_TM/dT| kleiner wird und folglich kann der Temperaturbereich ΔT, in dem ein Modenspringen stattfindet, breiter sein.
In der vorliegenden Erfindung wird im Gegensatz zu dem allgemeinen Fachwissen eines Fachmanns die Halbwertsbreite Δλ_G bei dem Peak der Bragg-Reflexion größer eingestellt. Zusätzlich muss zum Unterdrücken des Auftretens eines Modenspringens der Abstand zwischen Wellenlängen, die eine Phasenbedingung erfüllen (Longitudinalmodusabstand) größer sein. Folglich ist es erforderlich, die Länge des Resonators zu vermindern, wodurch die Länge L_b des Gitterelements auf 300 μm oder weniger vermindert wird.
Darüber hinaus ist die Tiefe t_d jedes der konkaven und konvexen Abschnitte, die das Bragg-Gitter bilden, so eingestellt, dass sie nicht weniger als 20 nm und nicht mehr als 250 nm beträgt, wodurch Δλ_G auf nicht weniger als 0,8 nm und nicht mehr als 6 nm eingestellt werden kann, und die Anzahl der Longitudinalmoden innerhalb des Bereichs von Δλ_G auf einen Bereich von 2 bis 5 eingestellt werden kann. D. h., die Wellenlängen, welche die Phasenbedingung erfüllen, sind diskret. Wenn die Anzahl der Longitudinalmoden innerhalb des Bereichs von Δλ_G nicht weniger als 2 und nicht mehr als 5 beträgt, findet innerhalb des Bereichs von Δλ_G wiederholt ein Modenspringen statt und weicht nicht davon ab. Als Folge wird gefunden, dass kein signifikantes Modenspringen stattfindet, so dass die Wellenlängenstabilität erhöht werden kann, wodurch Fluktuationen bei der optischen Leistung unterdrückt werden können.
Zusätzlich ist die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt größer eingestellt als der Modusfelddurchmesser in der horizontalen Richtung des Laserlichts, z. B. auf 1,5 Mal so groß wie der Modusfelddurchmesser, wodurch es möglich wird, die Toleranz der axialen Fehlausrichtung von der Lichtquelle zu erhöhen. Es sollte beachtet werden, dass der Lichtwellenleiter mit der großen Breite ein sich im Mehrfachmodus ausbreitendes Licht in dem Bragg-Gitter erzeugen könnte, wodurch die Wellenlängenstabilität verschlechtert wird. Folglich wird in der vorliegenden Erfindung die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Bragg-Gitter relativ klein eingestellt und ein kegelförmiger Abschnitt, der die Breite des Furchenwellenleiters vermindert, ist zwischen dem Einfallsabschnitt und dem Bragg-Gitter bereitgestellt. Diese Anordnung verbessert erfolgreich die Toleranz der axialen Fehlausrichtung bei einer Bedingung, bei der das sich ausbreitende Licht in dem Bragg-Gitter zu einem Einzelmoduslicht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(a) und 1(b) sind schematische Draufsichten, die Gitterelemente 2A bzw. 2B zeigen.
2(a) ist eine schematische Draufsicht, die das Gitterelement 2A zeigt, und 2(b) ist eine schematische Seitenansicht des Gitterelements 2A.
3(a) ist eine schematische Draufsicht, die das Gitterelement 2B zeigt, und 3(b) ist eine schematische Seitenansicht des Gitterelements 2B.
4 ist eine perspektivische Ansicht des Gitterelements.
5 ist eine Querschnittsansicht des Gitterelements.
6 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Gitterelements.
7 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Gitterelements.
8 ist eine schematische Draufsicht, die eine lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps zeigt.
9 ist eine schematische Seitenansicht, welche die lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps zeigt.
10 ist eine schematische Draufsicht, die eine weitere lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps zeigt.
11 ist eine schematische Draufsicht, die eine weitere lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps zeigt.
12 ist eine schematische Draufsicht, die eine lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt.
13 ist eine schematische Längsschnittansicht der lichtemittierenden Vorrichtung des äußeren Resonatortyps, die in der 12 gezeigt ist.
14 ist ein Diagramm zum Erläutern von Lasererzeugungsbedingungen.
15 ist ein Diagramm zum Erläutern der Form des Modenspringens in einem herkömmlichen Beispiel.
16 ist ein weiteres Diagramm zum Erläutern der Form des Modenspringens in dem herkömmlichen Beispiel.
17 ist ein Beispiel einer Modusfeldstruktur.
18 ist ein weiteres Beispiel einer Modusfeldstruktur.
19 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Breite und dem effektiven Index eines Furchenlichtwellenleiters zeigt.
20 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Breite des Furchenlichtwellenleiters und der Ausbreitungseffizienz in dem Wellenleiter zeigt.
21 zeigt ein Beispiel von diskreten Phasenbedingungen in der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie es in den 1(a) und 1(b) gezeigt ist, umfasst jedes der Gitterelemente 2A und 2B eine optische Materialschicht 1, die eine Einfallsfläche 1a, auf die ein Laserlicht einfällt, und eine Emissionsfläche 1b aufweist, von der Licht mit einer gewünschten Wellenlänge emittiert wird. Ein Furchenlichtwellenleiter 3A ist innerhalb der optischen Materialschicht 1 bereitgestellt und ein Furchenlichtwellenleiter 3B ist innerhalb der optischen Materialschicht 1 bereitgestellt.
Der Furchenlichtwellenleiter 3A umfasst einen Einfallsabschnitt 3a, einen kegelförmigen Abschnitt 3b, einen Kopplungsabschnitt 3c, einen Gitterabschnitt 3d und einen Emissionsabschnitt 3e. Der Gitterabschnitt 3d weist ein darin ausgebildetes Bragg-Gitter 20 auf. Die Breite des Emissionsabschnitts 3e ist konstant eingestellt. Der Furchenlichtwellenleiter 3B umfasst den Einfallsabschnitt 3a, den kegelförmigen Abschnitt 3b, den Kopplungsabschnitt 3c, den Gitterabschnitt 3d, den Emissionsabschnitt 3e und einen Kopplungsabschnitt 3f, der sich zwischen dem Gitterabschnitt und dem Emissionsabschnitt 3e befindet. Der Gitterabschnitt 3d weist das darin ausgebildete Bragg-Gitter 20 auf. Während die Breite des Kopplungsabschnitts 3f konstant eingestellt ist, wird die Breite des Emissionsabschnitts 3e nach und nach vermindert, wenn er sich der Emissionsfläche nähert.
Wie es in den 2(a) und 2(b) für das Gitterelement 2A gezeigt ist, ist die optische Materialschicht 1 auf einem Trägersubstrat 5 ausgebildet, wobei eine untere Beschichtungsschicht 4 dazwischen angeordnet ist. Die optische Materialschicht 1 weist eine obere Fläche 1c auf. Die Beschichtungsschicht kann aus jedwedem Material hergestellt sein, das einen kleineren Brechungsindex aufweist als die optische Materialschicht und folglich kann sie eine Haftmittelschicht sein. Wenn die Beschichtungsschicht aus der Haftmittelschicht hergestellt ist, ist die untere Fläche 1d der optischen Materialschicht auf das Trägersubstrat 5 geklebt.
Wie es in den 3(a) und 3(b) für das Gitterelement 2B gezeigt ist, ist die optische Materialschicht 1 auf dem Trägersubstrat 5 ausgebildet, wobei die untere Beschichtungsschicht 4 dazwischen angeordnet ist. Die optische Materialschicht 1 weist die obere Fläche 1c auf. Die untere Beschichtungsschicht kann aus jedwedem Material hergestellt sein, das einen kleineren Brechungsindex aufweist als die optische Materialschicht und folglich kann sie eine Haftmittelschicht sein. Wenn die Beschichtungsschicht aus der Haftmittelschicht hergestellt ist, ist die untere Fläche 1d der optischen Materialschicht auf das Trägersubstrat 5 geklebt.
Die 4 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht des Gitterelements 2A. Das Gleiche gilt für das Gitterelement 4B.
Die 5, 6 und 7 zeigen jeweils Querschnittsansichten der Gitterelemente entlang der Bragg-Gitter.
In einem Beispiel, das in der 5 gezeigt ist, ist die optische Materialschicht 1 auf dem Trägersubstrat 5 mit einer Haftmittelschicht 7 und der dazwischen angeordneten unteren Pufferschicht 4 angeordnet, und eine obere Pufferschicht 8 ist auf der optischen Materialschicht 1 angeordnet. Beispielsweise ist ein Paar von Furchenrillen 9 in der optischen Materialschicht 1 ausgebildet und der Gitterabschnitt 3d des Furchenlichtwellenleiters ist zwischen den angrenzenden Furchenrillen 9 ausgebildet.
In diesem Fall kann das Bragg-Gitter auf der Seite der oberen Fläche 1c oder auf der Seite der unteren Fläche 1d ausgebildet sein. Zur Verminderung von Variationen der Formen des Bragg-Gitters und der Furchenrille wird das Bragg-Gitter vorzugsweise auf der Seite der flachen unteren Fläche 1d ausgebildet, wodurch die Furchenrillen 9 auf der in Bezug auf das Bragg-Gitter gegenüberliegenden Seite des Substrats angeordnet werden.
Das in der 6 gezeigte Beispiel ist im Wesentlichen mit dem in der 5 gezeigten Beispiel identisch. Es sollte beachtet werden, dass die optische Materialschicht 1 auf dem Trägersubstrat 5 ausgebildet ist, wobei die untere Pufferschicht 4 dazwischen angeordnet ist. Die obere Pufferschicht 8 ist auf der optischen Materialschicht 1 angeordnet.
In einem Beispiel, das in der 7 gezeigt ist, ist die optische Materialschicht 1 auf dem Trägersubstrat 5 mittels der Haftmittelschicht 7 und der unteren Pufferschicht 4 ausgebildet und die obere Pufferschicht 8 ist auf der optischen Materialschicht 1 ausgebildet. Beispielsweise ist ein Paar von Furchenrillen 9 auf der Seite des Trägersubstrats 5 der optischen Materialschicht 1 ausgebildet und der Furchenlichtwellenleiter 3d ist zwischen den angrenzenden Furchenrillen 9 ausgebildet. In diesem Fall kann das Bragg-Gitter auf der Seite der flachen oberen Fläche 1c oder an der Seite der unteren Fläche 1d ausgebildet werden, wobei die Furchenrillen dort ausgebildet sind. Zur Verminderung von Variationen der Formen des Bragg-Gitters und der Furchenrille ist das Bragg-Gitter vorzugsweise auf der Seite der flachen oberen Fläche 10 ausgebildet, wodurch die Furchenrillen auf der Seite des Substrats, die dem Bragg-Gitter gegenüberliegt, angeordnet sind. Ferner muss die obere Pufferschicht 8 nicht ausgebildet sein. In diesem Fall kann eine Luftschicht in einem direkten Kontakt mit dem Gitter stehen. Durch diese Anordnung kann die Gegenwart und das Fehlen der Gitterrillen die Differenz des Brechungsindex erhöhen, so dass die Reflexion mit einer geringen Gitterlänge erhöht werden kann.
Wenn der Brechungsindex des Trägersubstrats 5 jedoch höher ist als der Brechungsindex der optischen Materialschicht 1, wird die obere Pufferschicht jedoch vorzugsweise im Hinblick auf eine Verminderung des Ausbreitungsverlusts des Lichts in dem Wellenleiter ausgebildet.
Eine lichtemittierende Vorrichtung 10, wie sie schematisch in den 8 und 9 gezeigt ist, umfasst eine Lichtquelle 11, die das Laserlicht oszilliert, und das Gitterelement 2A. Die Lichtquelle 11 und das Gitterelement 2A sind auf einem gemeinsamen Substrat 17 montiert.
Die Lichtquelle 11 umfasst eine aktive Schicht 12, die das Halbleiterlaserlicht oszilliert. In dieser Ausführungsform ist die aktive Schicht 12 auf einem Basissubstrat 15 bereitgestellt. Ein reflektierender Film 16 ist an der äußeren Endfläche der Lichtquelle bereitgestellt, während eine Antireflexionsschicht 13A an der Endfläche der aktiven Schicht 12 auf der Seite des Gitterelements ausgebildet ist.
Der Einfallsabschnitt des Gitterelements ist mit einem dazwischen angeordneten Spalt 14 auf die aktive Schicht 12 gerichtet. Ein Antireflexionsfilm 13B ist auf der Seite der Einfallsfläche der optischen Materialschicht 1 angeordnet, während ein Antireflexionsfilm 13C auf der Seite der Emissionsfläche der optischen Materialschicht 1 angeordnet ist.
Die Antireflexionsschichten 13A, 13B und 13C müssen nur eine Reflexion aufweisen, die geringer ist als die Reflexion des Gitters, und sie weisen mehr bevorzugt eine Reflexion von 0,1% oder weniger auf. Wenn die Reflexion der Endfläche der optischen Materialschicht jedoch geringer ist als die Reflexion des Gitters, ist die Antireflexionsschicht gegebenenfalls nicht erforderlich und anstelle der Antireflexionsschicht kann auch ein reflektierender Film bereitgestellt werden.
In diesem Fall ist die Laserwellenlänge des Laserlichts durch die Wellenlänge von Licht festgelegt, die durch das Bragg-Gitter reflektiert wird. Wenn das Licht, das durch das Bragg-Gitter reflektiert wird, und das Licht, das von der Endfläche der aktiven Schicht auf der Seite des Gitterelements reflektiert wird, eine Verstärkungsschwelle des Lasers übersteigt, sind die Oszillationsbedingungen erfüllt. Auf diese Weise kann das Laserlicht mit einer höheren Wellenlängenstabilität erhalten werden.
Zur Erhöhung der Wellenlängenstabilität muss lediglich das Ausmaß der Rückkopplung von dem Gitter erhöht werden. In dieser Hinsicht wird die Reflexion des Gitters vorzugsweise höher eingestellt als die Reflexion der Endfläche der aktiven Schicht.
Als Lichtquelle wird zweckmäßig ein Laser auf GaAs-Basis oder InP-Basis mit einer hohen Zuverlässigkeit verwendet. In einer Anwendung der Struktur in der vorliegenden Anmeldung, z. B. wenn ein grünes Laserlicht als eine zweite harmonische Welle unter Verwendung eines nicht-linearen optischen Elements oszilliert werden soll, wird der Laser auf GaAs-Basis verwendet, der bei einer Wellenlänge von etwa 1064 nm oszilliert. Der Laser auf GaAs-Basis oder InP-Basis weist eine hohe Zuverlässigkeit auf und folglich können Lichtquellen implementiert werden, die einen Laserarray aufweisen, der durch Anordnen solcher Laser in einer Dimension ausgebildet wird. Der Laser kann eine superstrahlende Leuchtdiode oder ein optischer Halbleiterverstärker (SOA) sein.
Wenn die Wellenlänge des Laserlichts größer wird, werden Veränderungen der Bragg-Wellenlänge abhängig von der Temperatur signifikant. Insbesondere zur Erhöhung der Wellenlängenstabilität beträgt die Lasererzeugungswellenlänge des Lasers vorzugsweise 990 nm oder weniger. Wenn andererseits die Wellenlänge des Laserlichts klein wird, werden Änderungen des Brechungsindex Δna des Halbleiters zu signifikant. Insbesondere zur Erhöhung der Wellenlängenstabilität beträgt die Lasererzeugungswellenlänge des Lasers vorzugsweise 780 nm oder mehr. Das Material der aktiven Schicht und die Wellenlänge von Licht für die aktive Schicht können in einer geeigneten Weise ausgewählt werden.
Es sollte beachtet werden, dass ein Verfahren zum Stabilisieren der Leistung durch eine Kombination aus einem Halbleiterlaser und einem Gitterelement in dem folgenden Dokument offenbart ist.
(Nicht-Patentdokument 3: Furukawa Review, Nr. 105, Januar 2000, Seiten 24–29).
Der Furchenlichtwellenleiter kann durch physikalisches Verarbeiten und Bilden z. B. durch ein Schneidverfahren mit einer Umfangsschneidkante oder ein Laserabtragungsverfahren erhalten werden.
Das Bragg-Gitter kann durch physikalisches oder chemisches Ätzen in der folgenden Weise gebildet werden.
Insbesondere wird ein Metallfilm, der aus Ni, Ti, Cr, usw., hergestellt ist, auf einem Substrat mit einem hohen Brechungsindex abgeschieden und Fenster werden mittels Photolithographie periodisch ausgebildet, wodurch eine Ätzmaske gebildet wird. Dann werden periodische Gitterrillen durch eine Trockenätzvorrichtung für ein reaktives Ionenätzen und dergleichen gebildet. Schließlich wird die Metallmaske entfernt, wodurch das Bragg-Gitter gebildet werden kann.
Der Furchenlichtwellenleiter kann auch in der gleichen Weise wie die Gitterrillen ausgebildet werden.
Zur weiteren Verbesserung der optischen Beschädigungsbeständigkeit des Lichtwellenleiters kann die optische Materialschicht eine oder mehrere Art(en) von Metallelementen enthalten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Magnesium (Mg), Zink (Zn), Scandium (Sc) und Indium (In). In diesem Fall ist Magnesium besonders bevorzugt. Kristalle der optischen Materialschicht können ein Seltenerdelement als Dotierkomponente enthalten. Geeignete Seltenerdelemente umfassen insbesondere Nd, Er, Tm, Ho, Dy und Pr.
Das Material für die Haftmittelschicht kann ein anorganisches Haftmittel, ein organisches Haftmittel oder eine Kombination des anorganischen Haftmittels und des organischen Haftmittels sein.
Die optische Materialschicht kann durch ein Dünnfilmbildungsverfahren auf der Trägerbasis abgeschieden und gebildet werden. Geeignete Dünnfilmbildungsvertahren können Sputtern, Gasphasenabscheidung und CVD umfassen. In diesem Fall wird die optische Materialschicht direkt auf der Trägerbasis gebildet. Alternativ kann nach der Bildung einer unteren Pufferschicht auf der Trägerbasis die optische Materialschicht darauf gebildet werden.
Beispiele für ein Material für eine solche Trägerbasis sind nicht speziell beschränkt und umfassen Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Glas, wie z. B. Quarzglas, einen Kristall, Si, usw.
Wenn der Brechungsindex der Trägerbasis höher ist als der Brechungsindex der optischen Materialschicht, ist eine untere Beschichtungsschicht essentiell, jedoch wird im Hinblick auf die Verminderung des Lichtverlusts in dem Wellenleiter vorzugsweise zusätzlich eine obere Beschichtungsschicht bereitgestellt.
Die obere und die untere Beschichtungsschicht können eine obere und eine untere Pufferschicht sein und sie weisen einen niedrigeren Brechungsindex auf als die optische Materialschicht.
Die Reflexion der Antireflexionsschicht muss geringer sein als die Gitterreflexion. Materialien, die zur Verwendung bei der Abscheidung der Antireflexionsschicht geeignet sind, können einen laminierten Film umfassen, der aus Oxiden, wie z. B. Siliziumdioxid, Tantalpentoxid oder einem Oxid von Magnesiumfluorid, und Metallen hergestellt ist.
Die jeweiligen Endflächen des Lichtquellenelements und des Gitterelements können schräg geschnitten werden, so dass die Reflexion der Endfläche vermindert wird. Die Bindung zwischen dem Gitterelement und dem Trägersubstrat wird in dem in der 2 gezeigten Beispiel mit dem Haftmittel fixiert, wobei es sich jedoch auch um ein direktes Binden handeln kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Einschichtfilm auf mindestens einer der Einfallsfläche und der Emissionsfläche ausgebildet, wobei der Einschichtfilm einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der Brechungsindex des Materials, das die optische Materialschicht bildet. Die Dicke eines solchen Einschichtfilms ist anders als bei einer AR-Beschichtung nicht notwendigerweise streng festgelegt. Die bloße Bildung des Einschichtfilms kann die Endflächenreflexion vermindern. Wenn der Film mehrschichtig ist, wird die Verminderung der Reflexion abhängig von der Beziehung des Brechungsindex und der Dicke zwischen Schichten des Mehrschichtfilms verschlechtert oder beseitigt, was die Einstellung der Dicke jeder Schicht in dem Mehrschichtfilm erfordert. Folglich ist der Einschichtfilm überlegen. Aufgrund dessen kann die Reflexion der Endfläche des Gitterelements sicher vermindert werden, und zwar verglichen mit der Reflexion eines Gitterelements ohne den Einschichtfilm. Die Dicke des Einschichtfilms beträgt vorzugsweise 1 μm oder weniger.
In einem Beispiel, das in der 10 gezeigt ist, ist das Gitterelement 2A optisch mit der Lichtquelle 11 gekoppelt, während ein Lichtwellenleiter 22 eines anderen Lichtwellenleitersubstrats 21 optisch mit der Emissionsfläche des Emissionsabschnitts 3e des Gitterelements 2A gekoppelt ist.
In einem Beispiel, das in der 11 gezeigt ist, ist das Gitterelement 2B optisch mit der Lichtquelle 11 gekoppelt, während der Lichtwellenleiter 22 eines anderen Lichtwellenleitersubstrats 21 optisch mit der Emissionsfläche des Emissionsabschnitts 3e des Gitterelements 2B gekoppelt ist.
In den Beispielen, die in den 12 und 13 gezeigt sind, sind die Lichtquelle 11 und das Gitterelement 22 auf einem gemeinsamen Substrat 24 montiert. Es können auch Haftmittelschichten 7 und 25 bereitgestellt werden.
Der Furchenlichtwellenleiter 23A des Gitterelements 22 umfasst einen Einfallsabschnitt 23a, einen kegelförmigen Abschnitt 23b, einen Gitterabschnitt 23d und einen Emissionsabschnitt 23e. Der Gitterabschnitt 23d weist das darin ausgebildete Bragg-Gitter 20 auf. Von der Oberseite des Elements her betrachtet (vgl. die 12) ist die Lichtwellenleiterbreite W_in in dem Einfallsabschnitt 23a größer als die Lichtwellenleiterbreite W_gr in dem Bragg-Gitter. Die Lichtwellenleiterbreite W_t in dem kegelförmigen Abschnitt 23b nimmt von W_in in die Richtung W_gr monoton ab. In diesem Beispiel ist die Lichtwellenleiterbreite W_out in dem Emissionsabschnitt 23e konstant eingestellt.
Betrachtet von der lateralen Seite des Elements (vgl. die 13) ist die Dicke W_inv der optischen Materialschicht in dem Einfallsabschnitt 23a größer eingestellt als die Dicke W_grv der optischen Materialschicht in dem Bragg-Gitter. Die Dicke W_tv der optischen Materialschicht in dem kegelförmigen Abschnitt 23b nimmt von W_inv in die Richtung W_grv monoton ab. In diesem Beispiel ist die Dicke W_outv der optischen Materialschicht in dem Emissionsabschnitt 23e konstant eingestellt.
Nachstehend werden die Bedingungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Konfiguration, die in der 14 gezeigt ist, weiter beschrieben.
Es sollte beachtet werden, dass zuerst der direkte Vergleich zwischen einer typischen Form im Stand der Technik und einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird und dadurch die Merkmale der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, da mathematische Formeln aufgrund der Abstraktheit schwer verständlich sind. Dann werden verschiedene Bedingungen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Als erstes wird die Lasererzeugungsbedingung des Halbleiterlasers durch das Produkt der Verstärkungsbedingung und der Phasenbedingung festgelegt, das durch die folgende Formel angegeben ist.
[Formel 6]

(C 2 / out)⁴|r₁||r₂|exp{(ζ_tg_th – α_a )L_a – α_bL_b} × exp{j(–ϕ₁ – ϕ₂ – 2βL_a)} = 1 Formel (2-1)

Die Verstärkungsbedingung wird durch die folgende Formel dargestellt, die von der Formel (2-1) abgeleitet ist.
Formel (2-2)
Es sollte beachtet werden, dass in den Formeln α_a, α_g, α_wg und α_gr Verlustkoeffizienten in der aktiven Schicht, des Spalts zwischen dem Halbleiterlaser und dem Wellenleiter, des Wellenleiterabschnitts auf der Eingangsseite ohne irgendein Gitter bzw. des Gitterabschnitts sind, L_a, L_g, L_wg und L_gr die Längen der aktiven Schicht, des Spalts zwischen dem Halbleiterlaser und dem Wellenleiter, des Wellenleiterabschnitts auf der Eingangsseite ohne irgendein Gitter bzw. des Gitterabschnitts sind, r₁ und r₂ Spiegelreflexionen sind (wobei r₂ die Reflexion des Gitters ist), C_out ein Kopplungsverlust zwischen dem Gitterelement und der Lichtquelle ist, ξtg_th eine Verstärkungsschwelle des Lasermedium ist, φ₁ eines Phasenänderung eines reflektierenden Spiegels auf der Laserseite ist und φ₂ eine Phasenänderung auf dem Gitterabschnitt ist.
Die Formel (2-2) zeigt, dass dann, wenn die Verstärkung ξ_tg_th des Lasermediums (Verstärkungsschwelle) den Verlust darin übersteigt, eine Lasererzeugung stattfindet. Eine Verstärkungskurve (Wellenlängenabhängigkeit) des Lasermediums weist eine Halbwertsbreite von 50 nm oder mehr auf und zeigt die breiten Eigenschaften. Die Verlustterme (auf der rechten Seite) mit der Ausnahme der Reflexion des Gitters weisen kaum eine Wellenlängenabhängigkeit auf, so dass die Verstärkungsbedingung vorwiegend durch das Gitter festgelegt ist. Aufgrund dessen kann die Verstärkungsbedingung in einer Vergleichstabelle nur durch das Gitter berücksichtigt werden.
Andererseits ist die Phasenbedingung durch die folgende Formel festgelegt, die von der Formel (2-1) abgeleitet ist. Es sollte beachtet werden, dass Φ₁ Null ist. ϕ2 + 2β_aL_a + 2β_gL_g + 2β_wgL_wg = 2pπ Formel (2-3) (p ist eine ganze Zahl)
Der Laser mit äußerem Hohlraum, der einen äußeren Resonator umfasst, der einen Glaswellenleiter auf Quarzbasis und ein FBG nutzt, wurde hergestellt. Wie es in den 15 und 16 gezeigt ist, ist das herkömmliche Gestaltungskonzept derart, dass die Reflexionseigenschaften des Gitters so eingestellt sind, dass Δλ_G = etwa 0,2 nm und eine Reflexion von 10% erfüllt sind. Dies führt zu der Tatsache, dass die Länge des Gitterabschnitts 1 mm beträgt. Andererseits ist die Phasenbedingung so gestaltet, dass die zufriedenstellenden Wellenlängen diskret werden und dass die Anzahl von Wellenlängen, die der Formel (2-3) genügen, innerhalb von Δλ_G auf zwei oder drei eingestellt wird. Aus diesem Grund muss die aktive Schicht in dem Lasermedium eine größere Länge aufweisen. Die aktive Schicht wird mit einer Länge von 1 mm oder mehr verwendet.
Für den Glaswellenleiter oder das FBG ist die Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge λ_G sehr gering und dλ_G/dT beträgt etwa 0,01 nm/°C (dλ_G/dT = etwa 0,01 nm/°C). Dies zeigt, dass der Laser des äußeren Resonatortyps das Merkmal einer hohen Wellenlängenstabilität aufweist.
Verglichen mit diesem Fall ist jedoch die Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge, welche die Phasenbedingung erfüllt, groß, und dλ_s/dT beträgt etwa 0,05 nm/°C (dλ_s/dT = etwa 0,05 nm/°C), wodurch eine Differenz zwischen diesen 0,04 nm/°C beträgt.
Im Allgemeinen kann auf der Basis des Nicht-Patentdokuments 1 (wobei davon ausgegangen wird, dass T_a T_f ist (d. h., T_a = T_f)) davon ausgegangen werden, dass die Temperatur T_mh, bei welcher das Modenspringen stattfindet, durch die folgende Formel dargestellt wird.
ΔG_TM ist ein Abstand zwischen den Wellenlängen (Longitudinalmodusabstand), der die Phasenbedingung des Lasers des äußeren Resonatortyps erfüllt.
Formel (2-4)
Folglich beträgt im Stand der Technik die Temperatur T_mh, bei der das Modenspringen auftritt, etwa 5°C. Dies ist der Grund dafür, warum das Auftreten eines Modenspringens wahrscheinlicher ist. Daher fluktuiert, sobald ein Modenspringen auftritt, die Leistung auf der Basis der Reflexionseigenschaften des Gitters und insbesondere fluktuiert sie um 5% oder mehr.
Wie es aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, wird im tatsächlichen Betrieb bei dem Laser des äußeren Resonatortyps, bei dem der herkömmliche Glaswellenleiter oder das FBG eingesetzt wird, dessen Temperatur unter Verwendung eines Peltier-Elements gesteuert.
Im Gegensatz dazu nutzt die vorliegende Erfindung das Gitterelement, bei dem als Vorbedingung der Nenner der Formel (2-4) so klein wie möglich ist. Der Nenner in der Formel (2-4) wird vorzugsweise auf 0,03 nm/°C oder weniger eingestellt. Insbesondere umfassen Beispiele des Materials für die optische Materialschicht vorzugsweise Galliumarsenid (GaAs), Lithiumniobat (IN), Lithiumtantalat (LT), Tantaloxid (Ta₂O₅), Zinkoxid (ZnO), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Nioboxid (Nb₂O₅) und Titanoxid (TiO₂).
Wenn fünf oder weniger Wellenlängen, welche die Phasenbedingung erfüllen, innerhalb von Δλ_G vorliegen, kann der Laser selbst dann bei den stabilen Lasererzeugungsbedingungen betrieben werden, wenn ein Modenspringen stattfindet.
D. h., in der Konfiguration der vorliegenden Erfindung ändert sich bei der Konfiguration der vorliegenden Erfindung z. B. dann, wenn polarisiertes Licht in der z-Achse von IN verwendet wird, die Lasererzeugungswellenlänge mit einer Rate von 0,1 nm/°C in Bezug auf die Änderung der Temperatur, und zwar auf der Basis der Temperatureigenschaften des Gitters, was es selbst dann, wenn ein Modenspringen stattfindet, weniger wahrscheinlich macht, dass eine Leistungsvariation verursacht wird. In der Konfiguration der vorliegenden Anmeldung wird zum Erhöhen von Δλ_G die Gitterlänge L_b auf z. B. 100 μm eingestellt, wohingegen zur Erhöhung von ΔG_TM L_a auf 250 μm eingestellt wird.
Es sollte beachtet werden, dass die Beschreibung von Unterschieden von dem Patentdokument 6 ebenfalls ergänzt wird.
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der Voraussetzung, dass der Temperaturkoeffizient der Gitterwellenlänge näher an den Temperaturkoeffizienten der Verstärkungskurve des Halbleiters gebracht wird. In dieser Hinsicht wird das Material verwendet, das einen Brechungsindex von 1,8 oder mehr aufweist. Ferner wird die Rillentiefe t_d des Gitters auf nicht weniger als 20 nm und nicht mehr als 250 nm eingestellt, dessen Reflexion wird auf nicht weniger als 3% und nicht mehr als 60% eingestellt und dessen Halbwertsbreite Δλ_G wird auf nicht weniger als 0,8 nm und nicht mehr als 250 nm eingestellt. Diese Anordnung kann die Resonatorstruktur kompakt machen und die Temperaturunabhängigkeit ohne Hinzufügen irgendeines Elements erreichen. Das Patentdokument 6 beschreibt die jeweiligen Parameter wie folgt, wobei alle innerhalb des Standes der Technik liegen.

Δλ_G = 0,4 nm
Longitudinalmodusabstand ΔG_TM = 0,2 nm
Gitterlänge L_b = 3 mm
LD Länge der aktiven Schicht L_a = 600 μm
Ausbreitungsabschnittslänge = 1,5 mm

Die folgenden jeweiligen Bedingungen in der vorliegenden Erfindung werden nachstehend spezifischer beschrieben. 0,8 nm ≤ Δλ_G ≤ 6,0 nm (1) 10 μm ≤ L_b ≤ 300 μm (2) 20 nm ≤ t_d ≤ 250 nm (3)
Der Brechungsindex n_b des Materials, welches das Bragg-Gitter bildet, beträgt vorzugsweise 1,7 oder mehr und mehr bevorzugt 1,8 oder mehr.
Im Stand der Technik wird ein Material, das einen geringeren Brechungsindex aufweist, wie z. B. Quarz, gebräuchlich verwendet. Bei dem Konzept der vorliegenden Erfindung ist der Brechungsindex des Materials, welches das Bragg-Gitter bildet, jedoch erhöht. Der Grund dafür liegt darin, dass das Material, das einen hohen Brechungsindex aufweist, dazu neigt, dessen Brechungsindex abhängig von der Temperatur signifikant zu ändern, wodurch T_mh der Formel (2-4) erhöht werden kann und, wie es vorstehend erwähnt worden ist, der Temperaturkoeffizient dλ_G/dT des Gitters erhöht werden kann. In dieser Hinsicht beträgt n_b mehr bevorzugt 1,9 oder mehr. Die Obergrenze von n_b ist nicht speziell beschränkt. Jedweder übermäßige Brechungsindex n_b führt jedoch bei der Gestaltung zu einem übermäßig geringen Gitterabstand, was die Bildung des Gitters schwierig macht. Folglich beträgt der Brechungsindex n_b vorzugsweise 4 oder weniger.
Die Halbwertsbreite Δλ_G des Peaks der Bragg-Reflexion ist auf 0,8 nm oder mehr eingestellt (Formel 1), wobei λ_G die Bragg-Wellenlänge ist. D. h., wie es in den 15 und 16 gezeigt ist, wird die Wellenlänge, wenn die Längsachse die Reflexion darstellt und die seitliche Achse die Reflexionswellenlänge aufgrund des Bragg-Gitters darstellt, bei der die Reflexion maximiert ist, als die „Bragg-Wellenlänge” bezeichnet. Die Halbwertsbreite Δλ_G ist eine Differenz zwischen zwei Wellenlängen, bei denen deren Reflexion gleich der Hälfte der maximalen Reflexion bei dem Peak ist, wobei die Bragg-Wellenlänge in der Mitte vorliegt.
Die Halbwertsbreite Δλ_G des Peaks der Bragg-Reflexion wird auf 0,8 nm oder mehr eingestellt (Formel 1). Dies dient dazu, den Peak der Reflexion breit zu machen. Im Hinblick darauf wird die Halbwertsbreite Δλ_G vorzugsweise auf 1,2 nm oder mehr und mehr bevorzugt auf 1,5 nm oder mehr eingestellt. Die Halbwertsbreite Δλ_G wird auf 5 nm oder weniger, vorzugsweise 3 nm oder weniger und mehr bevorzugt 2 nm oder weniger eingestellt.
Die Länge L_b des Bragg-Gitters wird auf 300 μm oder weniger eingestellt (vgl. die Formel 2 und die 9). Die Länge L_b des Bragg-Gitters ist eine Gitterlänge in der Richtung der optischen Achse des Lichts, das sich durch den Lichtwellenleiter ausbreitet. Die Länge L_b des Bragg-Gitters wird auf 300 μm oder weniger eingestellt, was kürzer ist als im Stand der Technik. Dies ist die Voraussetzung, auf der das Konzept der vorliegenden Erfindung basiert. D. h., zum Unterdrücken des Auftretens eines Modenspringens muss der Abstand zwischen Wellenlängen, welche die Phasenbedingung erfüllen (Longitudinalmodusabstand), größer sein. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Länge des Resonators so zu vermindern, dass die Länge des Gitterelements vermindert wird. Diesbezüglich beträgt die Länge L_b des Bragg-Gitters mehr bevorzugt 200 μm oder weniger.
Die Verminderung der Länge des Gitterelements führt zu einem vermindertem Verlust desselben, was die Lasererzeugungsschwelle vermindern kann. Folglich kann der Laser mit einem niedrigeren Strom und mit einer geringen Wärmeerzeugung und einer niedrigen Energie betrieben werden.
Die Länge L_b des Gitters beträgt vorzugsweise 5 μm oder mehr, so dass eine Reflexion von 3% oder höher erreicht wird, und mehr bevorzugt 10 μm oder mehr, so dass eine Reflexion von 5% oder höher erreicht wird.
In der Formel (3) ist t_d eine Tiefe von jedem des konkaven und konvexen Abschnitts, die das Bragg-Gitter bilden (vgl. die 4). Durch Einstellen von t_d in einem Bereich von 20 nm bis 250 nm (20 nm ≤ t_d ≤ 250 nm) kann Δλ_G auf nicht weniger als 0,8 nm und nicht mehr als 250 nm eingestellt werden. Die Anzahl der Longitudinalmoden innerhalb des Bereichs Δλ_G kann so eingestellt werden, dass sie nicht weniger als 2 und nicht mehr als 5 beträgt. In dieser Hinsicht wird t_d mehr bevorzugt auf 30 nm oder mehr und mehr bevorzugt auf 200 nm oder weniger eingestellt. Zur Einstellung der Halbwertsbreite auf 3 nm oder weniger beträgt t_d vorzugsweise 150 nm oder weniger.
In den bevorzugten Ausführungsformen wird die Reflexion des Gitterelements im Hinblick auf die Förderung der Lasererzeugung vorzugsweise auf nicht weniger als 3% und nicht mehr als 40% eingestellt. Die Reflexion beträgt zur weiteren Stabilisierung der Ausgangsleistung mehr bevorzugt 5% oder mehr und zur Erhöhung der Ausgangsleistung mehr bevorzugt 25% oder weniger.
Wie es in der 14 gezeigt ist, werden die Lasererzeugungsbedingungen durch die Verstärkungsbedingung und die Phasenbedingung eingestellt. Die Wellenlängen, welche die Phasenbedingung erfüllen, sind diskret und z. B. in der 21 gezeigt. D. h., in der Konfiguration der vorliegenden Anmeldung wird der Temperaturkoeffizient der Verstärkungskurve (0,3 nm/°C für GaAs) näher an den Temperaturkoeffizienten dλ_G/dT des Gitters gebracht, so dass die Lasererzeugungswellenlänge innerhalb des Bereichs von Δλ_G festgelegt werden kann. Ferner zeigt dann, wenn die Anzahl der Longitudinalmoden innerhalb des Bereichs von Δλ_G nicht weniger als 2 und nicht mehr als 5 beträgt, die Lasererzeugungswellenlänge wiederholt ein Modenspringen innerhalb des Bereichs Δλ_G, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Lasererzeugung außerhalb des Bereichs Δλ_G vermindert werden kann. Dies kann das Auftreten eines signifkanten Modenspringens verhindern und der Laser kann mit einer stabilen Wellenlänge und mit einer stabilen Ausgangsleistung betrieben werden.
In den bevorzugten Ausführungsformen wird die Länge L_a der aktiven Schicht auf 500 μm oder weniger eingestellt (vgl. die 9). Diesbezüglich beträgt die Länge L_a der aktiven Schicht mehr bevorzugt 300 μm oder weniger. Die Länge L_a der aktiven Schicht wird im Hinblick auf die Erhöhung der Ausgangsleistung des Lasers vorzugsweise auf 150 μm oder mehr eingestellt.
In der Formel (6) ist dλ_G/dT der Temperaturkoeffizient der Bragg-Wellenlänge. Ferner ist dλ_TM/dT der Temperaturkoeffizient der Wellenlänge, welche die Phasenbedingung des Lasers des äußeren Resonatortyps erfüllt.
Dabei ist λ_TM die Wellenlänge, welche die Phasenbedingung des Lasers des äußeren Resonatoryps erfüllt, d. h., die Wellenlänge, welche die Phasenbedingung der vorstehend beschriebenen Formel (2-3) erfüllt. Dies wird in der vorliegenden Beschreibung als der „Longitudinalmodus” bezeichnet.
Nachstehend wird die Beschreibung des Longitudinalmodus ergänzt.
In der Formel (2-3) ist β 2πn_eff/λ (d. h., β = 2πn_eff/λ), n_eff ist hier ein effektiver Index und λ, welche diese Bedingung erfüllt, ist λ_TM. Φ₂ ist die Änderung der Phase des Bragg-Gitters und λ_TM ist in der 15 gezeigt.
ΔG_TM ist der Abstand zwischen den Wellenlängen (Longitudinalmodusabstand), welche die Phasenbedingung des Lasers des äußeren Resonatortyps erfüllen. Es gibt eine Mehrzahl der Wellenlängen λ_TM, was für die Gegenwart einer Mehrzahl von Differenzen zwischen den Wellenlängen λ_TM steht.
Folglich kann dadurch, dass die Formel (6) erfüllt ist, die Temperatur, bei der ein Modenspringen auftritt, erhöht werden, wodurch das Modenspringen in der Realität unterdrückt wird. Folglich beträgt der Wert der Formel (6) mehr bevorzugt 0,025 nm/°C.
In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Länge L_WG des Gitterelements auf 600 μm oder weniger eingestellt (vgl. die 9). L_WG beträgt vorzugsweise 400 μm oder weniger und mehr bevorzugt 300 μm oder weniger. Ferner beträgt L_WG vorzugsweise 50 μm oder mehr.
In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Länge L_g zwischen der Emissionsfläche der Lichtquelle und der Einfallsfläche des Lichtwellenleiters auf nicht weniger als 1 μm und nicht mehr als 10 μm eingestellt (vgl. die 9). Folglich ist eine stabile Oszillation möglich.
In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Gesamtlänge L_m des Einfallsabschnitts und des kegelförmigen Abschnitts auf 100 μm oder weniger eingestellt. Folglich wird eine stabile Oszillation gefördert. Die Untergrenze der Länge L_m des Ausbreitungsabschnitts beträgt vorzugsweise 10 μm oder mehr und mehr bevorzugt 20 μm oder mehr.
Im Hinblick auf die Erhöhung der Toleranz der axialen Fehlausrichtung in Bezug auf die Lichtquelle ist die Breite W_in des Furchenlichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt (vgl. die 10, 11 und 13) vorzugsweise 1,5 Mal oder mehr so groß wie der Modusfelddurchmesser W_h in der horizontalen Richtung des Laserlichts. Die Breite W_in des Furchenlichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt ist mehr bevorzugt 2,5 Mal oder weniger so groß wie der Modusfelddurchmesser W_h in der horizontalen Richtung des Laserlichts.
Im Hinblick auf die Erhöhung der Toleranz der axialen Fehlausrichtung in Bezug auf die Lichtquelle ist die Dicke W_inv der optischen Materialschicht in dem Einfallsabschnitt (vgl. die 13) vorzugsweise 1,5 Mal oder mehr so groß wie der Modusfelddurchmesser W_v in der vertikalen Richtung des Laserlichts. Die Dicke W_inv der optischen Materialschicht in dem Einfallsabschnitt ist vorzugsweise 2,5 Mal oder weniger so groß wie der Modusfelddurchmesser W_v in der vertikalen Richtung des Laserlichts.
Die Modusfelddurchmesser in der horizontalen Richtung und der vertikalen Richtung des Laserlichts werden in der folgenden Weise gemessen.
Der Begriff „Modusfelddurchmesser”, wie er hier verwendet wird, ist im Allgemeinen als die Breite von 1/e² (wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus ist: 2,71828) des Maximums (entspricht normalerweise der Mitte eines Kerns) in der Lichtintensitätsverteilung des Laserlichts festgelegt, die durch eine Messung erhalten wird. Bezüglich des Laserlichts weist das Modusfeld verschiedene Größen in der jeweiligen horizontalen und vertikalen Richtung des Laserelements auf und folglich ist das Modusfeld für jede der horizontalen und vertikalen Richtung festgelegt. Für eine konzentrische kreisförmige Struktur, wie z. B. eine Lichtleitfaser, ist der Modusfelddurchmesser als der Durchmesser der Struktur definiert.
Bezüglich der Messung der optischen Intensitätverteilung kann im Allgemeinen die Messung eines Strahlprofils unter Verwendung einer Nahinfrarotkamera oder die Messung von optischen Intensitäten durch eine Messerkante die Lichtintensitätsverteilung von Flecken des Laserlichts erzeugen.
In den bevorzugten Ausführungsformen, wenn die Dicke der optischen Materialschicht ist, die sich in dem Einfallsabschnitt befindet, ist W_inv/λ auf 2 oder mehr eingestellt. Eine zu dicke optische Materialschicht führt zu einem signifikanten Kopplungsverlust. Folglich beträgt W_inv/λ vorzugsweise 3 oder weniger.
Wenn die Wellenlänge des Laserlichts 0,85 μm beträgt, beträgt W_inv nicht weniger als 1,7 μm und nicht mehr als 2,55 μm.
In der vorliegenden Erfindung ist die Breite W_in des Furchenlichtwellenleiters, der sich in dem Einfallsabschnitt befindet, größer als die Breite W_gr des Furchenlichtwellenleiters in dem Gitterabschnitt. Es sollte beachtet werden, dass der Ausdruck „Breite des Furchenlichtwellenleiters”, wie er hier verwendet wird, einen Abstand zwischen zwei Ecken auf dem Querschnitt eines Furchenteils an dessen oberer Fläche bedeutet, wobei der Furchenteil den Lichtwellenleiter bildet (vgl. die 5).
Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung beträgt W_in/W_gr vorzugsweise 1,5 oder mehr und mehr bevorzugt 2 oder mehr. Jedwedes übermäßige W_in/W_gr neigt zur Erhöhung der Substratstrahlung in dem Bragg-Gitter. Folglich wird W_in/W_gr vorzugsweise auf 3,5 oder weniger eingestellt.
Beispielsweise wenn die Wellenlänge des Laserlichts 0,85 μm beträgt, beträgt die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt vorzugsweise 5 μm oder mehr und vorzugsweise 10 μm oder weniger. Die Furchenbreite des Gitterabschnitts beträgt vorzugsweise nicht weniger als 3λ und nicht mehr als 5λ. Wenn die Wellenlänge des Laserlichts 0,85 μm beträgt, beträgt die Furchenbreite vorzugsweise 2,55 μm oder mehr und 4,25 μm oder weniger.
Der Einfallsabschnitt und der Gitterabschnitt sind durch den kegelförmigen Abschnitt miteinander gekoppelt. In dem kegelförmigen Abschnitt nimmt die Furchenbreite W_t von dem Einfallsabschnitt in die Richtung des Gitterabschnitts vorzugsweise nach und nach ab und nimmt mehr bevorzugt in der Form einer linearen Funktion in der Längsrichtung des Elements ab.
Es sollte beachtet werden, dass die Breite W_out jedes der Emissionsabschnitte 3e und 23e mit der Breite W_gr des Furchenwellenleiters in dem Gitterelement identisch sein kann, jedoch kleiner als W_gr sein kann. W_out/W_gr beträgt vorzugsweise 1,0 oder weniger und kann 0,5 oder weniger betragen. W_out/W_gr beträgt im Hinblick auf die Ausbreitungseffizienz vorzugsweise 0,7 oder mehr.
Wenn die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Gitterabschnitt zu stark vermindert ist, wird gefunden, dass die Modusform verzerrt wird, was zu einer Substratstrahlung und einer Verminderung der Reflexion des Gitters führt.
D. h., wenn die Furchenbreite vermindert wird, so dass ein Einzelmodus in dem Gitterabschnitt erzeugt wird, bildet das Ausbreitungslicht die Fleckform, wie sie z. B. in der 17 gezeigt ist. Die 17 zeigt die Fleckform, die gebildet wird, wenn die Wellenlänge 0,85 μm beträgt und die Furchenbreite 2 μm beträgt. Dabei tritt das optische elektrische Feld in das Substrat ein, was zu einem vermindertem optischen elektrischen Feld an der oberen Fläche der Furche führt. Wenn das Gitter in der oberen Fläche des Furchenwellenleiters gebildet wird, ist folglich der abgestufte Abschnitt, der durch die Rille gebildet wird, für das optische elektrische Feld weniger sensibel, wodurch die Reflexion nicht hoch sein kann.
Im Gegensatz dazu zeigt die 18 die Fleckform, die gebildet wird, wenn die Breite des Furchenlichtwellenleiters 3 μm beträgt. In diesem Fall zeigt sich, dass die Fleckform elliptisch ist und kein Austreten in das Substrat in dem Substratmodus auftritt.
Wenn die Furchenbreite des Gitterabschnitts zu groß ist, wird der Laser in den Mehrfachmodus gebracht, was bedeutet, dass die optimale Furchenbreite vorliegt.
Die 19 zeigt berechnete Werte der effektiven Indizes des Wellenleiters in dem Fundamentalmodus, die durch Ändern der Furchenbreite von 1 bis 10 μm erhalten wurden, wobei die Dicke W_inv der optischen Materialschicht auf 2 μm eingestellt ist und T_r auf 1,2 μm eingestellt ist. Auf der Basis dieses Ergebnisses ist ein Bereich mit der Furchenbreite von 1 μm oder 2 μm ein anfänglicher Anstiegsbereich des effektiven Index, der nahe an einem Sperrbereich liegt.
Die 20 ist ein berechneter Wert der Ausbreitungseffizienz mit den gleichen Furchenbreiten. Wie es aus dem Ergebnis ersichtlich ist, ist für die Furchenbreiten von 1 μm und 2 μm die Ausbreitungseffizienz aufgrund der Strahlung in das Substrat in dem Substratmodus vermindert. Für die Furchenbreite von 5 μm oder mehr neigt die Ausbreitungseffizienz zu einer Verminderung, was auf den Mehrfachmodus zurückzuführen ist.
Zur weiteren Verbesserung der Einzelmoduseigenschaften des Gitterabschnitts ist die Dicke der optischen Materialschicht in den Gitterabschnitten 3d oder 23d kleiner eingestellt als diejenige der optischen Materialschicht in den Einfallsabschnitten 3a oder 23a (vgl. die 3(b) und die 13).
In dieser Hinsicht beträgt das Verhältnis der Dicke der optischen Materialschicht in den Gitterabschnitten 3d oder 23d zu der Dicke der optischen Materialschicht in den Einfallsabschnitten 3a und 23a (W_grv/W_inv) vorzugsweise 1,0 oder weniger und kann 0,7 oder weniger betragen. Im Hinblick auf die Ausbreitungseffizienz beträgt das Verhältnis vorzugsweise 0,3 oder mehr.
BEISPIELE
(Beispiel 1)
Gitterelemente, die in den 1(a), 2 und 4 gezeigt sind, wurden in der folgenden Weise hergestellt.
Insbesondere wurde SiO₂ in einer Dicke von 1 μm durch eine Sputtervorrichtung auf einem aus Quarz hergestellten Trägersubstrat 5 abgeschieden und Ta₂O₅ wurde darauf in einer Dicke von 2 μm abgeschieden, so dass eine optische Materialschicht 1 gebildet wurde. Dann wurde Ti auf der optischen Materialschicht 1 abgeschieden und eine Gitterstruktur wurde durch eine Photolithographietechnik gebildet.
Danach wurden Gitterrillen in einem Abstand Λ von 205,4 nm mit einer Länge L_b von 25 μm durch reaktives Fluorionenätzen unter Verwendung der Ti-Struktur als Maske gebildet. Die Rillentiefe t_d des Gitters wurde auf 100 nm eingestellt. Ferner wurde ein Wellenleiter durch eine Photolithographietechnik strukturiert, so dass eine Struktur darin gebildet wurde, und ein Furchenrillenbildungsverfahren wurde durch reaktives Ionenätzen durchgeführt, so dass der Einfallsabschnitt mit der Breite W_in von 8 μm und der Dicke T_r von 1 μm sowie der Gitterabschnitt mit der Breite W_gr von 3 μm und der Dicke T_r von 1 μm gebildet wurden. Die Länge von der Einfallsfläche zu dem Ausgangspunkt des Gitterabschnitts wurde auf 25 μm eingestellt.
Danach wurden die Eingangsseite und die Ausgangsseite des Elements bis hinab zu dem Quarzsubstrat durch Trockenätzen geätzt, so dass Spiegelflächen an Endflächen davon hergestellt wurden. Schließlich wurde SiO₂ durch Sputtern zur Bildung eines Einschichtfilms mit einer Dicke von 90 nm an beiden Endflächen gebildet. Dabei betrug die Reflexion der Endfläche 3%. Die Elementgröße wurde auf eine Breite von 1 mm und eine Länge L_wg von 100 μm eingestellt.
Bezüglich der optischen Eigenschaften des Gitterelements wurden die Reflexionseigenschaften des Gitterelements aus den Durchlässigkeitseigenschaften durch Einstrahlen des Lichts in dem TE-Modus in das Gitterelement unter Verwendung der superstrahlenden Leuchtdiode (SLD), bei der es sich um eine Breitbandlichtquelle handelte, und dann Analysieren des davon abgestrahlten Lichts mit einem optischen Spektrumanalysegerät bewertet.
Die gemessene zentrale Reflexionswellenlänge des Gitterelements betrug 850 nm.
Als nächstes wurde, wie es in den 8 und 9 gezeigt ist, ein Lasermodul montiert. Als Lichtquellenelement wurde ein herkömmlicher Laser auf GaAs-Basis verwendet.
Spezifikationen des Lichtquellenelements:

Zentrale Wellenlänge: 847 nm
Ausgangsleistung: 50 mW
Halbwertsbreite: 0,1 nm
Länge des Laserelements: 250 μm

Spezifikationen des Aufbaus:

L_g: 1 μm
W_in: 8 μm
W_h: 3 μm
W_in/W_h: 2,7
W_inv: 2 μm
W_v: 1 μm
W_inv/W_v: 2

Nach der Montage wurde das Lasermodul mit einer Stromsteuerung (automatische Stromsteuerung: ACC) ohne die Verwendung eines Peltier-Elements betrieben. Das Lasermodul wies die Lasereigenschaften auf, dass es bei einer zentralen Wellenlänge von 850 nm oszillierte, was der Reflexionswellenlänge des Gitters entsprach, und dass dessen Ausgangsleistung 30 mW betrug, die kleiner war als ohne die Verwendung eines solchen Gitterelements. Variationen bei der Ausgangsleistung lagen innerhalb von 1%, so dass stabile Ausgangsleistungseigenschaften erhalten worden sind. Anschließend wurde die Temperaturabhängigkeit des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge bei Betriebstemperaturen in einem Temperaturbereich von 20°C bis 40°C gemessen. Als Ergebnis betrug der Temperaturkoeffizient des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge 0,05 nm/°C.
(Vergleichsbeispiel 1)
Ein Gitterelement mit der gleichen Struktur wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 hergestellt. Ein Furchenrillenbildungsverfahren wurde jedoch so durchgeführt, dass ein Lichtquelleneingangsabschnitt mit der Breite W_in von 8 μm und der Dicke T_r von 1 μm sowie der Gitterabschnitt mit der Breite W_gr von 8 μm und der Dicke T_r von 1 μm gebildet wurden. Die Länge von der Eingangsendfläche zu dem Ausgangspunkt des Gitterabschnitts wurde auf 25 um eingestellt.
Danach wurden die Eingangsseite und die Ausgangsseite des Elements bis hinab zu dem Quarzsubstrat durch Trockenätzen geätzt, so dass Spiegelflächen an Endflächen davon hergestellt wurden. Schließlich wurde SiO₂ durch Sputtern zur Bildung eines Einschichtfilms mit einer Dicke von 90 nm an beiden Endflächen gebildet. Dabei betrug die Reflexion der Endfläche 3%. Die Elementgröße wurde auf eine Breite von 1 mm und eine Länge L_wg von 100 μm eingestellt.
Bezüglich der optischen Eigenschaften des Gitterelements wurden die Reflexionseigenschaften des Gitterelements aus den Durchlässigkeitseigenschaften durch Einstrahlen des Lichts in dem TE-Modus in das Gitterelement unter Verwendung der superstrahlenden Leuchtdiode (SLD), bei der es sich um eine Breitbandlichtquelle handelte, und dann Analysieren des davon abgestrahlten Lichts mit einem optischen Spektrumanalysegerät bewertet.
Die gemessene zentrale Reflexionswellenlänge des Gitterelements betrug 850 nm. Die Reflexionswellenlänge wurde jedoch auch bei der kürzeren Wellenlängenseite als diese gemessen, d. h., bei einer Mehrzahl von Wellenlängen von 845 nm, 840 nm und 836 nm.
Als nächstes wurde, wie es in der 9 gezeigt ist, ein Lasermodul montiert. Als Lichtquellenelement wurde ein normaler Laser auf GaAs-Basis verwendet.
Spezifikationen des Lichtquellenelements:

Spezifikationen des Aufbaus:

Nach der Montage wurde das Lasermodul mit einer Stromsteuerung (ACC) ohne die Verwendung eines Peltier-Elements betrieben. Das Lasermodul wies die Lasereigenschaften auf, dass es bei einer zentralen Wellenlänge von 845 nm oszillierte, was der Reflexionswellenlänge des Gitters entsprach, und dass dessen Ausgangsleistung 30 mW betrug, die kleiner war als ohne die Verwendung eines solchen Gitterelements, jedoch im Wesentlichen mit derjenigen im Beispiel 1 identisch war. Anschließend wurde die Temperaturabhängigkeit des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge bei Betriebstemperaturen in einem Temperaturbereich von 20°C bis 40°C gemessen. Als Ergebnis betrug der Temperaturkoeffizient des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge 0,05 nm/°C. Bei etwa 30°C änderte sich die Lasererzeugungswellenlänge jedoch signifikant auf 850,4 nm, was eine große Veränderung der Ausgangsleistung verursachte.
(Beispiel 2)
Ein Gitterelement mit der gleichen Struktur wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 hergestellt. Ein Furchenrillenbildungsverfahren wurde jedoch so durchgeführt, dass ein Lichtquelleneingangsabschnitt mit der Breite W_in von 8 μm und der Dicke T_r von 1 μm sowie der Gitterabschnitt mit der Breite W_gr von 2 μm und der Dicke T_r von 1 μm gebildet wurden. Die Länge von der Eingangsendfläche zu dem Ausgangspunkt des Gitterabschnitts wurde auf 25 μm eingestellt.
Danach wurden die Eingangsseite und die Ausgangsseite des Elements bis hinab zu dem Quarzsubstrat durch Trockenätzen geätzt, so dass Spiegelflächen an Endflächen davon hergestellt wurden. Schließlich wurde SiO₂ durch Sputtern zur Bildung eines Einschichtfilms mit einer Dicke von 90 nm an beiden Endflächen gebildet. Dabei betrug die Reflexion der Endfläche 3%. Die Elementgröße wurde auf eine Breite von 1 mm und eine Länge L_wg von 100 μm eingestellt.
Bezüglich der optischen Eigenschaften des Gitterelements wurden die Reflexionseigenschaften des Gitterelements aus den Durchlässigkeitseigenschaften durch Einstrahlen des Lichts in dem TE-Modus in das Gitterelement unter Verwendung der superstrahlenden Leuchtdiode (SLD), bei der es sich um eine Breitbandlichtquelle handelte, und dann Analysieren des davon abgestrahlten Lichts mit dem optischen Spektrumanalysegerät bewertet. Die gemessene zentrale Reflexionswellenlänge des Gitterelements betrug 849,5 nm.
Als nächstes wurde, wie es in den 8 und 9 gezeigt ist, ein Lasermodul montiert. Als Lichtquellenelement wurde ein normaler Laser auf GaAs-Basis verwendet.
Spezifikationen des Lichtquellenelements:

Spezifikationen des Aufbaus:

Nach der Montage wurde das Lasermodul mit einer Stromsteuerung (ACC) ohne die Verwendung eines Peltier-Elements betrieben. Das Lasermodul wies die Lasereigenschaften auf, dass es bei einer zentralen Wellenlänge von 849,5 nm oszillierte, was der Reflexionswellenlänge des Gitters entsprach, und dass dessen Ausgangsleistung 10 mW betrug, die kleiner war als im Beispiel 1. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Ausbreitungsverlust signifikant wurde. Variationen bei der Ausgangsleistung lagen jedoch innerhalb von 1%, so dass stabile Ausgangsleistungseigenschaften erhalten worden sind. Anschließend wurde die Temperaturabhängigkeit des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge bei Betriebstemperaturen in einem Temperaturbereich von 20°C bis 40°C gemessen. Als Ergebnis variierte der Temperaturkoeffizient des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge wie im Beispiel 1 nicht und betrug 0,05 nm/°C.
(Beispiel 3)
Elemente, die in den 1(a) und 3 gezeigt sind, wurden in der folgenden Weise hergestellt.
Insbesondere wurde SiO₂ in einer Dicke von 2 μm durch eine Sputtervorrichtung auf einem aus Quarz hergestellten Trägersubstrat 5 abgeschieden und Ta₂O₅ wurde darauf in einer Dicke von 2 μm abgeschieden, so dass eine optische Materialschicht 1 gebildet wurde. Dann wurde Ti auf der optischen Materialschicht 1 abgeschieden und eine Gitterstruktur wurde durch eine Photolithographietechnik gebildet. Danach wurden Gitterrillen in einem Abstand Λ von 205,4 nm mit einer Länge L_b von 25 μm durch reaktives Fluorionenätzen unter Verwendung der Ti-Struktur als Maske gebildet. Die Rillentiefe t_d des Gitters wurde auf 100 nm eingestellt. Ferner wurde ein Wellenleiter durch die Photolithographietechnik strukturiert, so dass eine Struktur darin gebildet wurde, und ein Furchenrillenbildungsverfahren wurde durch reaktives Ionenätzen durchgeführt, so dass der Einfallsabschnitt mit der Breite W_in von 8 μm und der Dicke T_r von 1,6 μm sowie der Gitterabschnitt mit der Breite W_gr von 3 μm und der Dicke T_r von 1,6 μm gebildet wurden. Die Länge von der Eingangsendfläche zu dem Ausgangspunkt des Gitterabschnitts wurde auf 25 μm eingestellt.
Danach wurde der Gitterabschnitt dem reaktiven Ionenätzen unterzogen, während der Eingangsabschnitt und der kegelförmige Abschnitt maskiert waren, wodurch die Dicke des Ta₂O₅-Films durch das Ätzen als Ganzes auf 1 μm vermindert wurde. Auf diese Weise war, wie es in der 3(b) gezeigt ist, die Dicke der optischen Materialschicht in dem Gitterelement kleiner als diejenige der optischen Materialschicht in dem Einfallsabschnitt und dem kegelförmigen Abschnitt. Dabei wurde die Rillentiefe t_d des Gitters auf 40 nm eingestellt, während die Rillentiefe des Furchenwellenleiters auf 0,6 μm eingestellt war.
Danach wurden die Eingangsseite und die Ausgangsseite des Elements bis hinab zu dem Quarzsubstrat durch Trockenätzen geätzt, so dass Spiegelflächen an Endflächen des Elements hergestellt wurden. Schließlich wurde SiO₂ durch Sputtern zur Bildung eines Einschichtfilms mit einer Dicke von 90 nm an beiden Endflächen gebildet. Dabei betrug die Reflexion der Endfläche 3%. Die Elementgröße wurde auf eine Breite von 1 mm und eine Länge L_wg von 100 μm eingestellt.
Bezüglich der optischen Eigenschaften des Gitterelements wurden die Reflexionseigenschaften des Gitterelements aus den Durchlässigkeitseigenschaften durch Einstrahlen des Lichts in dem TE-Modus in das Gitterelement unter Verwendung der superstrahlenden Leuchtdiode (SLD), bei der es sich um eine Breitbandlichtquelle handelte, und dann Analysieren des davon abgestrahlten Lichts mit dem optischen Spektrumanalysegerät bewertet.
Die gemessene zentrale Reflexionswellenlänge des Gitterelements betrug 848 nm.
Als nächstes wurde, wie es in der 9 gezeigt ist, ein Lasermodul montiert. Als Lichtquellenelement wurde ein normaler Laser auf GaAs-Basis verwendet.
Spezifikationen des Lichtquellenelements:

Spezifikationen des Aufbaus:

L_g: 1 μm
W_in: 8 μm
W_h: 3 μm
W_in/W_h: 2,7
W_inv: 2 μm
W_v: 1 μm
W_inv/W_v: 2
W_grv: 1 μm
W_inv/W_grv: 2

Nach der Montage wurde das Lasermodul mit einer Stromsteuerung (ACC) ohne die Verwendung eines Peltier-Elements betrieben. Das Lasermodul wies die Lasereigenschaften auf, dass es bei einer zentralen Wellenlänge von 848 nm oszillierte, was der Reflexionswellenlänge des Gitters entsprach, und dass dessen Ausgangsleistung 30 mW betrug, die kleiner war als ohne ein solches Gitterelement. Variationen bei der Ausgangsleistung lagen innerhalb von 1%, so dass stabile Ausgangsleistungseigenschaften erhalten worden sind. Anschließend wurde die Temperaturabhängigkeit des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge bei Betriebstemperaturen in einem Temperaturbereich von 20°C bis 40°C gemessen. Als Ergebnis betrug der Temperaturkoeffizient des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge 0,05 nm/°C.
Als ein zusätzliches Experiment wurde die Toleranz einer axialen Fehlausrichtung zwischen dem Halbleiterlaser und dem Gitterelement gemessen. Als erstes wurden der Halbleiterlaser als ein Lichtquellenelement und das Gitterelement auf einer optischen Ausrichtungsvorrichtung installiert und die optische Achse wurde so eingestellt, dass die Lichtmenge, die von dem Gitterelement abgegeben wird, maximiert wurde. Ausgehend von diesem Zustand wurde die Achse nur in der horizontalen Richtung alle 0,1 μm verschoben, worauf Änderungen der Lichtmenge gemessen wurden. Die Toleranz einer axialen Fehlausrichtung in der horizontalen Richtung wurde als das Ausmaß einer axialen Fehlausrichtung definiert, die erzeugt wurde, wenn die Lichtmenge 25 mW betrug. Die Toleranz einer axialen Fehlausrichtung in der vertikalen Richtung wurde auch in der gleichen Weise gemessen, wodurch das Ausmaß einer axialen Fehlausrichtung gemessen wurde.
Die Messergebnisse in den Beispielen 1 und 3 und dem Vergleichsbeispiel 1 waren wie folgt. Tabelle 1

Toleranz einer axialen Fehlausrichtung

Horizontale Richtung Vertikale Richtung

Beispiel 1 ±2 ±0,8

Beispiel 3 ±2 ±0,8

Vergleichsbeispiel 1 ±2 ±0,8

Einheiten (μm)
Vergleichsbeispiel 2)
Ein Gitterelement wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 gebildet und dann wurde das in der 9 gezeigte Lasermodul montiert.
Spezifikationen des Lichtquellenelements:

Spezifikationen des Aufbaus:

L_g: 1 μm
W_in: 3 μm
W_h: 3 μm
W_in/W_h: 1
W_inv: 2 μm
W_v: 1 μm
W_inv/W_v: 2

Als Ergebnis betrugen die Messungen der Toleranz der axialen Fehlausrichtung für dieses Element ±1,3 μm in der horizontalen Richtung und ±0,8 μm in der vertikalen Richtung.
Nach der Montage wurde das Lasermodul mit einer Stromsteuerung (ACC) ohne die Verwendung eines Peltier-Elements betrieben. Das Lasermodul wies die Lasereigenschaften auf, dass es bei einer zentralen Wellenlänge von 850 nm oszillierte, was der Reflexionswellenlänge des Gitters entsprach, und dass dessen Ausgangsleistung 30 mW betrug. Variationen bei der Ausgangsleistung lagen innerhalb von 1%, so dass stabile Ausgangsleistungseigenschaften erhalten worden sind. Anschließend wurde die Temperaturabhängigkeit des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge bei Betriebstemperaturen in einem Temperaturbereich von 20°C bis 40°C gemessen. Als Ergebnis variierte der Temperaturkoeffizient des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge wie im Beispiel 1 nicht und betrug 0,05 nm/°C.
(Vergleichsbeispiel 3)
Als nächstes wurde ein Element, wie es in den 1(a) und 3 gezeigt ist, hergestellt und dann wurde ein Lasermodul montiert, wie es in der 9 gezeigt ist.
Spezifikationen des Lichtquellenelements:

Spezifikationen des Aufbaus:

L_g: 1 μm
W_in: 3 μm
W_h: 3 μm
W_in/W_h: 1
W_inv: 2 μm
W_v: 1 μm
W_inv/W_v: 2
W_grv: 1 μm
W_inv/W_grv: 2

Als Ergebnis betrugen die Messungen der Toleranz der axialen Fehlausrichtung für dieses Element ±1,3 μm in der horizontalen Richtung und ± 0,8 μm in der vertikalen Richtung.
Nach der Montage wurde das Lasermodul mit einer Stromsteuerung (ACC) ohne die Verwendung eines Peltier-Elements betrieben. Das Lasermodul wies die Lasereigenschaften auf, dass es bei einer zentralen Wellenlänge von 848 nm oszillierte, was der Reflexionswellenlänge des Gitters entsprach, und dass dessen Ausgangsleistung 30 mW betrug. Variationen bei der Ausgangsleistung lagen innerhalb von 1%, so dass stabile Ausgangsleistungseigenschaften erhalten worden sind. Anschließend wurde die Temperaturabhängigkeit des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge bei Betriebstemperaturen in einem Temperaturbereich von 20°C bis 40°C gemessen. Als Ergebnis betrug der Temperaturkoeffizient des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge 0,05 nm/°C.
(Vergleichsbeispiel 4)
Ein Gitterelement wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 gebildet und dann wurde das in der 9 gezeigte Laserelement montiert.
Spezifikationen des Lichtquellenelements:

Spezifikationen des Aufbaus:

L_g: 1 μm
W_in: 3 μm
W_h: 3 μm
W_in/W_h: 1
W_inv: 1 μm
W_v: 1 μm
W_inv/W_v: 1

Als Ergebnis betrugen die Messungen der Toleranz der axialen Fehlausrichtung für dieses Element ±1,3 μm in der horizontalen Richtung und ±0,4 μm in der vertikalen Richtung.
Nach der Montage wurde das Lasermodul mit einer Stromsteuerung (ACC) ohne die Verwendung eines Peltier-Elements betrieben. Das Lasermodul wies die Lasereigenschaften auf, dass es bei einer zentralen Wellenlänge von 848 nm oszillierte, was der Reflexionswellenlänge des Gitters entsprach, und dass dessen Ausgangsleistung 35 mW betrug. Variationen bei der Ausgangsleistung lagen innerhalb von 1%, so dass stabile Ausgangsleistungseigenschaften erhalten worden sind. Anschließend wurde die Temperaturabhängigkeit des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge bei Betriebstemperaturen in einem Temperaturbereich von 20°C bis 40°C gemessen. Als Ergebnis variierte der Temperaturkoeffizient des Lasermoduls bei der Lasererzeugungswellenlänge wie im Beispiel 1 nicht und betrug 0,05 nm/°C.

Claims

Gitterelement, umfassend: ein Trägersubstrat, eine optische Materialschicht, die auf dem Trägersubstrat angeordnet ist, einen Furchenlichtwellenleiter, der in der optischen Materialschicht angeordnet ist, wobei der Furchenlichtwellenleiter eine Einfallsfläche, auf die Laserlicht einfällt, und ein Emissionsende aufweist, aus dem Emissionslicht mit einer gewünschten Wellenlänge emittiert wird, und ein Bragg-Gitter, das konkave und konvexe Abschnitte umfasst und das innerhalb des Furchenlichtwellenleiters ausgebildet ist, wobei der Furchenlichtwellenleiter einen Einfallsabschnitt, der zwischen der Einfallsfläche und dem Bragg-Gitter angeordnet ist, und einen kegelförmigen Abschnitt umfasst, der zwischen dem Einfallsabschnitt und dem Bragg-Gitter angeordnet ist, wobei sich ausbreitendes Licht mindestens in dem Bragg-Gitter in einem Einzelmodus ausbreitet, wobei die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt größer ist als die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Bragg-Gitter, wobei die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem kegelförmigen Abschnitt von dem Einfallsabschnitt in die Richtung des Bragg-Gitters abnimmt und wobei Beziehungen erfüllt sind, die durch die nachstehenden Formeln (1) bis (4) dargestellt sind: 0,8 nm ≤ Δλ_G ≤ 6,0 nm (1) 10 μm ≤ L_b ≤ 300 μm (2) 20 nm ≤ t_d ≤ 250 nm (3) n_b ≥ 1,8(4) (Δλ_G in der Formel (1) ist die Halbwertsbreite eines Peaks einer Bragg-Reflexion in dem Bragg-Gitter; L_b in der Formel (2) ist die Länge des Bragg-Gitters, t_d in der Formel (3) ist die Tiefe jedes der konkaven und konvexen Abschnitte, die das Bragg-Gitter bilden und n_b in der Formel (4) ist der Brechungsindex eines Materials, das die optische Materialschicht bildet.)
Gitterelement, umfassend: ein Trägersubstrat, eine optische Materialschicht, die auf dem Trägersubstrat angeordnet ist, einen Furchenlichtwellenleiter, der in der optischen Materialschicht angeordnet ist, wobei der Furchenlichtwellenleiter eine Einfallsfläche, auf die Laserlicht einfällt, und ein Emissionsende aufweist, aus dem Emissionslicht mit einer gewünschten Wellenlänge emittiert wird, und ein Bragg-Gitter, das konkave und konvexe Abschnitte umfasst und das innerhalb des Furchenlichtwellenleiters ausgebildet ist, wobei der Furchenlichtwellenleiter einen Einfallsabschnitt, der zwischen der Einfallsfläche und dem Bragg-Gitter angeordnet ist, und einen kegelförmigen Abschnitt umfasst, der zwischen dem Einfallsabschnitt und dem Bragg-Gitter angeordnet ist, wobei sich ausbreitendes Licht mindestens in dem Bragg-Gitter in einem Einzelmodus ausbreitet, wobei die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt größer ist als die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Bragg-Gitter, wobei die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem kegelförmigen Abschnitt von dem Einfallsabschnitt in die Richtung des Bragg-Gitters abnimmt, wobei Beziehungen erfüllt sind, die durch die nachstehenden Formeln (1) bis (3) dargestellt sind, und wobei ein Material, das die optische Materialschicht bildet, aus der Gruppe, bestehend aus Galliumarsenid, Lithiumniobat-Einkristall, Tantaloxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Lithiumtantalat, Magnesiumoxid, Nioboxid und Titanoxid, ausgewählt ist, 0,8 nm ≤ Δλ_G ≤ 6,0 nm (1) 10 μm ≤ L_b ≤ 300 μm (2) 20 nm ≤ t_d ≤ 250 nm (3) (wobei Δλ_G in der Formel (1) die Halbwertsbreite eines Peaks einer Bragg-Reflexion in dem Bragg-Gitter ist; L_b in der Formel (2) die Länge des Bragg-Gitters ist und t_d in der Formel (3) die Tiefe jedes der konkaven und konvexen Abschnitte ist, die das Bragg-Gitter bilden.)
Gitterelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Dicke der optischen Materialschicht in dem Einfallsabschnitt größer als die Dicke der optischen Materialschicht in dem Bragg-Gitter und bei dem die Dicke der optischen Materialschicht in dem kegelförmigen Abschnitt von dem Einfallsabschnitt zu dem Bragg-Gitter abnimmt.
Gitterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem W_inv/λ nicht weniger als 2 und nicht mehr als 3 beträgt, wobei λ die Wellenlänge des Laserlichts ist und W_inv die Dicke der optischen Materialschicht mindestens in dem Einfallsabschnitt ist, und bei dem die Breite des Furchenwellenleiters in dem Bragg-Gitter nicht weniger als 3λ und nicht mehr als 5λ beträgt.
Gitterelement nach Anspruch 4, bei dem W_grv/λ nicht weniger als 1 und nicht mehr als 2 beträgt, wobei Wg die Dicke der optischen Materialschicht in dem Bragg-Gitter ist und λ die Wellenlänge des Laserlichts ist.
Gitterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Einschichtfilm auf mindestens einer der Einfallsfläche und dem Emissionsende ausgebildet ist, wobei der Einschichtfilm aus einem Material hergestellt ist, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der Brechungsindex des Materials, das die optische Materialschicht bildet.
Lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps, umfassend: eine Lichtquelle zum Oszillieren eines Laserlichts und ein Gitterelement, das zusammen mit der Lichtquelle einen äußeren Resonator bildet, wobei die Lichtquelle eine aktive Schicht umfasst, die das Laserlicht oszilliert, und wobei das Gitterelement das Gitterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
Lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps nach Anspruch 7, bei der die Breite des Furchenlichtwellenleiters in dem Einfallsabschnitt das 1,5-fache oder mehr eines Modusfelddurchmessers in einer horizontalen Richtung des Laserlichts beträgt.
Lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Dicke der optischen Materialschicht in dem Einfallsabschnitt das 1,5-fache oder mehr eines Modusfelddurchmessers in einer vertikalen Richtung des Laserlichts beträgt.
Lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Beziehung, die durch die nachstehende Formel (5) dargestellt ist, erfüllt ist: L_WG ≤ 500 μm (5) (wobei L_WG in der Formel (5) die Länge des Gitterelements ist.)
Lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Anzahl von Wellenlängen, die eine Phasenbedingung der Lasererzeugung innerhalb einer Halbwertsbreite Δλ_G erfüllen können, nicht weniger als 2 und nicht mehr als 5 beträgt.
Lichtemittierende Vorrichtung des äußeren Resonatortyps nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der die Beziehung, die durch die nachstehende Formel (6) dargestellt ist, erfüllt ist:
(wobei in der Formel (6) dλ_G/dT der Temperaturkoeffizient einer Bragg-Wellenlänge ist und dλ_TM/dT der Temperaturkoeffizient einer Wellenlänge ist, die eine Phasenbedingung eines äußeren Resonator-Lasers erfüllt.)