JP2016046290A

JP2016046290A - 外部共振器型半導体レーザ用回折格子

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Publication number: JP2016046290A
Application number: JP2014167366A
Authority: JP
Inventors: 中澤　達洋; Tatsuhiro Nakazawa; 達洋中澤
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-04-04
Anticipated expiration: 2034-08-20
Also published as: JP6457215B2

Abstract

【課題】−１次反射光と０次透過光の強度は大きい一方で、０次反射光や−１次透過光などの強度が小さい外部共振器型半導体レーザ用回折格子を提供する。【解決手段】透明基板の表面に高屈折率である第一の誘電体膜と低屈折率である第二の誘電体膜からなる誘電体多層膜を形成し、さらに前記誘電体多層膜の表面に透明材料からなる多数のリッジを所定の高さおよび間隔で設け、さらにまた前記リッジ部の上部の表面、前記リッジの側部の表面および前記リッジの間に露出する前記誘電体多層膜の表面に、第三の誘電体膜を形成した構造を有する、外部共振器型半導体レーザ用回折格子。【選択図】図１

Description

本発明は、外部共振器型半導体レーザ（以下「ＥＣＬＤ」ともいう）に用いられる回折格子に関するものである。

従来、レーザダイオード、コリメータレンズ、反射型回折格子および必要に応じて反射鏡を用いるＥＣＬＤが、広い波長可変領域と非常に狭い発振線幅および高い安定性などの特徴を示すものとして用いられている。ＥＣＬＤはその構造によって主に、外部に反射型回折格子を置き、レーザの１次の回折光をレーザダイオード（以下「ＬＤ」ともいう）素子に直接戻すＬｉｔｔｒｏｗ型と、レーザ光を浅い角度で外部の反射型回折格子に照射させ、回折された１次光をミラーに反射させてＬＤ素子に間接的に戻すＬｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型の二つが用いられている。

しかしながら、これら二つの構造を有するＥＣＬＤは、反射型回折格子（および反射ミラー）を用いて共振器の光学系を形成しているために全体の構造が大きくなりがちであることや、レーザの出力光を所望の方向に向かわせるためにさらに反射ミラーやプリズムを備える必要があることから、例えば前記Ｌｉｔｔｒｏｗ型などと同様に−１次反射光を戻り光とするが、０次の透過光を出力光とする構成によってより小さな構造を実現することが可能なＥＣＬＤが提案されている。（特許文献１）

このような構成のＥＣＬＤを実現するためには、−１次反射光と０次透過光の強度は大きい一方で、０次反射光や−１次透過光などの強度が小さい回折格子が必要である。出願人はこれまでに、回折光の強度を容易に調整できる回折格子として、透明基板表面に長手方向に垂直な断面形状が略矩形であるリッジ状凸部（以下、単に「リッジ」という）を多数平行に周期的に設けた形状の回折格子であって、透明基板の表面に高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜からなる誘電体多層膜を形成し、さらに前記誘電体多層膜の表面に前記リッジを設けてさらに前記リッジの上部にも誘電体膜を形成した構造の透過型回折格子（特許文献２）や、またさらに隣接する前記リッジの間にも誘電体膜を形成した構造の透過型回折格子（特許文献３）を提案している。

特許文献２、特許文献３に開示された構造の回折格子においては、透明基板上の誘電体多層膜の屈折率と膜厚、リッジの屈折率と高さおよび幅、またリッジの上部や隣接するリッジの間に形成される誘電体膜の屈折率と膜厚を適宜調整することにより、−１次反射光と０次透過光の強度は大きい一方で、０次反射光や−１次透過光などの強度が小さい回折格子を設計することが可能であるが、これらの設計パラメータを変更しても、例えば０次反射光と−１次透過光の強度をそれぞれＬＤからの入射光の５％以下かつ１０％以下とすることが困難であったり、可能であっても例えばリッジの上部に形成する誘電体膜の膜厚をリッジの高さと同程度にしなければならない場合があるなど、ＥＣＬＤ用の回折格子として十分な性能を有するものを得ることは困難な場合があった。

特開２００５−１７５０４９号公報特開２００６−０６５３１２号公報特開２０１１−１３８１６９号公報

本発明は、前記の問題点を解決すること、すなわち−１次反射光と０次透過光の強度は大きい（例えばそれぞれ入射光の１５％以上、３０％以上）一方で、０次反射光や−１次透過光などの強度が小さい（例えばそれぞれ入射光の５％以下、２０％以下）である回折格子を容易に得られるようにすることを課題とするものである。

本発明は、透明基板の表面に高屈折率である第一の誘電体膜と低屈折率である第二の誘電体膜からなる誘電体多層膜を形成し、さらに前記誘電体多層膜の表面に透明材料からなる多数のリッジを所定の高さおよび間隔で設け、さらにまた前記リッジの上部の表面、前記リッジの側部の表面および前記リッジの間に露出する前記誘電体多層膜の表面に、第三の誘電体膜を形成した構造を有する、外部共振器型半導体レーザ用回折格子である。本発明の外部共振器型半導体レーザ用回折格子は、かかる構成を有することにより、−１次反射光と０次透過光の強度は大きい一方で、０次反射光や−１次透過光などの強度が小さい回折格子を容易に実現できるものとなる。

また本発明は、前記第一の誘電体膜がＴａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２等から選ばれる一種あるいはその混合物からなる誘電体膜であり、かつ、第二の誘電体膜がＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_５等からなる誘電体膜であり、さらに前記第三の誘電体膜がＴａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２等から選ばれる一種あるいはその混合物からなる屈折率１．７〜２．６の誘電体膜であることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ用回折格子である。本発明の外部共振器型半導体レーザ用回折格子は、かかる構成を有することにより、通常用いられる成膜方法（例えば真空成膜法であるＣＶＤ成膜法やスパッタ成膜法、また湿式成膜法であるディッピング法など）によって容易に誘電体膜を成膜することが可能となる。

また本発明は、前記第一の誘電体膜の屈折率が１．７〜２．６かつ膜厚が１０〜２００ｎｍ、前記第二の誘電体膜の屈折率が１．３〜１．６かつ膜厚が１０〜２００ｎｍおよび前記第三の誘電体膜の屈折率が１．７〜２．６かつ膜厚が１０〜５０ｎｍであること特徴とする外部共振器型半導体レーザ用回折格子である。本発明の外部共振器型半導体レーザ用回折格子は、かかる構成を有することにより、−１次反射光と０次透過光の強度がそれぞれ入射光の１５％以上、３０％以上でありかつ０次反射光や−１次透過光の強度がそれぞれ入射光の５％以下、２０％以下である回折格子を容易に実現するものとなる。

また本発明は、前記透明基板および前記リッジ部を構成する材料が、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_５等から選ばれる一種あるいはその混合物からなることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ用回折格子である。本発明の外部共振器型半導体レーザ用回折格子は、かかる構成を有することにより、前記透明基板が容易に入手できるものとなり、またリッジ部を公知の成膜方法と公知のエッチング方法によって容易に形成できるものとなる。

本発明の外部共振器型半導体レーザ用回折格子は、−１次反射光と０次透過光の強度が大きくかつ０次反射光や−１次透過光の強度が小さいため、レーザダイオードおよびコリメータレンズと組み合わせることにより、小型の外部共振器型半導体レーザを構成できるという利点がある。

図１は本発明の外部共振器型半導体レーザ用回折格子を用いた外部共振器型半導体レーザの構成を略示した概念図である。図２は本発明の外部共振器型半導体レーザ用回折格子のリッジ長手方向に垂直な断面で切断した断面の模式図である。図３はリッジの高さH、幅W、テーパ角度θおよび周期Pを説明するための模式図である。

図１は本発明のＥＣＬＤ用回折格子を用いたＥＣＬＤの模式図である。ＬＤから射出された光はコリメータレンズによって平行光にされ、本発明のＥＣＬＤ用回折格子に照射される。本発明のＥＣＬＤ用回折格子に照射された光は、例えば図１に示すように、−１次の反射光がＬＤへの戻り光となってレーザ光の共振に寄与し、０次の透過光がＥＣＬＤから出力されるレーザ光となる。ここで、０次の反射光と−１次の透過光はそれぞれ−１次の反射光、０次の透過光に比べて小さくなるように本発明の回折格子が設計されており、例えば−１次の反射光の強度は回折格子への入射光の１５％程度、０次の反射光の強度は５％程度に設定され、また同様に０次の透過光の強度は回折格子への入射光の３０％程度、−１次の透過光の強度は２０％程度に設定されている。したがって、０次の反射光と−１次の透過光をモニタ光とすることができる一方で、図１のＥＣＬＤは０次の透過光としてレーザ光を射出することができる。なお、戻り光、レーザ出力光、モニタ光としてその回折次数の光を用いるかは回折格子の設計により適宜選択できるものであることは当然である。

図２は本発明のＥＣＬＤ用回折格子の断面構造の模式図である。本発明のＥＣＬＤ用回折格子は、透明な基板の表面に、透明な高屈折率材料からなる第一の誘電体膜と、透明な低屈折率材料からなる第二の誘電体膜からなる誘電体多層膜（図２は二層膜とした例である）が設けられている。さらに、前記誘電体多層膜の表面に、透明な材料からなる断面が略矩形であるリッジが所定の高さおよび間隔で多数平行に設けられている。そして、リッジの上部と側部および隣接するリッジの間にある前記誘電体多層膜の表面に、透明な材料からなる第三の誘電体膜が設けられている。

前記基板を構成する材料は透明であればよいが、本発明においては透過光を出力光として用いることから、吸収が少ない材料を用いることが望ましい。例えば無機材料の酸化物、窒化物、フッ化物などや有機高分子材料を用いることができる。また耐熱性を考慮すると、無機材料である酸化物などがより好ましく、さらに耐久性や入手の容易さも考慮すれば、酸化物からなるガラス材料、特に可視光の領域で使用する場合には石英ガラスや各種の光学ガラスが最も好ましく用いられる。基板の形状は一般的には平行平板形状であることが設計の容易さや製造時・使用時の取扱いやすさの観点から好ましいが、光路の設計によっては楔形状の基板を用いてプリズムの作用を有するようにするなど、適切に選択することが可能である。

前記誘電体多層膜を構成する第一の誘電体膜（高屈折率膜）および第二の誘電体膜（低屈折率膜）の材料は屈折率と膜厚の設計により適宜選択できるが、基板と同じく吸収が小さい光学材料が好ましく用いられる。高屈折率材料としては酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウムなどを用いることができ、低屈折率材料としては酸化シリコン、フッ化マグネシウムなどを用いることができる。成膜方法としては、光学膜を形成する公知の方法を利用することができ、真空成膜法である蒸着法、スパッタ法や湿式成膜法であるディッピング法、ゾルゲル法など、適宜選択できる。

前記リッジの材料は、基板などと同じく透明な酸化物材料であることが好ましく、酸化シリコンなどを用いることができる。リッジ形状を形成するには、成膜とエッチングによりパターンを形成する方法や、ゾルゲルプレス法により直接にリッジを形成する方法が用いることができ、形状の精度、加工の容易さ、量産時のコストなどを考慮して適宜選択すればよい。設計した性能を発揮させるには、形状の制御がしやすいパターニングの方法がより好ましい。

リッジの高さH、幅W、テーパ角度θおよび周期Pは、レーザ光の動作波長と必要な回折効率に基づいて設計により適宜決定されるが、製造の容易さも勘案するべきであり、例えば可視光を対象とする場合には、リッジの高さHは５０〜２００ｎｍ、幅Wは５０〜１００ｎｍ、テーパ角度θは０°〜２０°、リッジの周期Pは２００〜７００ｎｍの範囲が好ましい。しかし動作波長や要求される回折効率の値によっては、必ずしもこの範囲に限定されるものではない。

前記第三の誘電体膜についても、透明で吸収の小さい酸化物などの光学材料を用いることが好ましい。膜厚は回折格子の設計により定められるが、リッジの上部と側部および隣接するリッジの間にも均一な膜厚で形成するためには、リッジの高さや幅に比べて小さい膜厚とすることが好ましく、例えば１２０ｎｍのリッジ高さに対して１／２以下（１０〜６０ｎｍ）の範囲であるとより好ましい。成膜の方法は、均一な膜厚で精度よく成膜できれば特に限定されないが、ＣＶＤ法や湿式成膜法を用いると膜厚の均一性については好ましい。しかし、真空成膜法である蒸着法やスパッタ法でも、蒸着源やターゲットを複数置いてそれぞれ斜め入射の配置で成膜を行うことにより制御性よく十分な膜厚均一性を確保して成膜することが可能である。

入射光の波長が４５６ｎｍ、入射角度が４５度、入射光の偏光がＳ偏光である条件で使用される、本発明の回折格子を以下のようにして作製した。基板として厚さ２．３ｍｍの合成石英基板を用い、スパッタ法により、前記基板の一方の表面に膜厚１０〜１００ｎｍのＴａ_２Ｏ_５と膜厚１０〜１００ｎｍのＳｉＯ_２とを交互に５層ずつ成膜して誘電体多層膜からなる反射防止膜を形成した。分光光度計を用いて反射防止膜表面の反射率を測定したところ、前記使用条件の入射角度の場合に、４２０〜４９０ｎｍの範囲で反射率は０．５％以下であった。さらに、スパッタ法を用いて、基板のもう一つの表面に第一の誘電体膜として膜厚５８ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜を成膜し、次いで第二の誘電体膜として膜厚６９ｎｍのＳｉＯ膜を成膜した。
さらに、ゾルゲルナノインプリント法を用いて、第二の誘電体膜の表面にＳｉＯ_２からなる周期３２２ｎｍのリッジを形成した。ゾルゲルナノインプリント法は基板上に塗布したゲル膜に格子の型を押し付けて型形状を転写し、さらに焼成して所望の構造を形成する手法である。走査電子顕微鏡を用いてリッジの形状を測定したところ、リッジの高さが１２０ｎｍ、リッジの幅が４０ｎｍ、リッジのテーパ角度が４度であった。
最後に、第三の誘電体膜として、スパッタ法によりリッジ表面に膜厚４１ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜を成膜した。
作製した回折格子の光学特性を分光高度計により評価した。−１次透過光、−１次反射光、０次透過光、０次反射光の強度の入射光強度に対する比はそれぞれ１５％、５５％、２９％、１％であり、−１次反射光と０次透過光を高い効率で取り出すことができた。

第一の誘電体膜を膜厚８０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜とし、第二の誘電体膜を膜厚６０ｎｍのＳｉＯ_２膜とし、第三の誘電体膜を膜厚４０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜とした他は実施例１と同様にして、回折格子を作製した。
作製した回折格子の−１次透過光、−１次反射光、０次透過光、０次反射光の強度の入射光強度に対する比はそれぞれ１８％、５０％、３２％、０．１％以下であり、−１次反射光と０次透過光を高い効率で取り出すことができた。

第一の誘電体膜を膜厚１００ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜とし、第二の誘電体膜を膜厚８０ｎｍのＳｉＯ_２膜とし、第三の誘電体膜を膜厚３０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜とした他は実施例１と同様にして、回折格子を作製した。
作製した回折格子の−１次透過光、−１次反射光、０次透過光、０次反射光の強度の入射光強度に対する比はそれぞれ２０％、３３％、４７％、０．３％であり、−１次反射光と０次透過光を高い効率で取り出すことができた。

第一の誘電体膜を膜厚６０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜とし、第二の誘電体膜を膜厚６０ｎｍのＳｉＯ_２膜とし、第三の誘電体膜を膜厚４０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜とした他は実施例１と同様にして、回折格子を作製した。
作製した回折格子の−１次透過光、−１次反射光、０次透過光、０次反射光の強度の入射光強度に対する比はそれぞれ１８％、４５％、３６％、０．４％以下であり、−１次反射光と０次透過光を高い効率で取り出すことができた。

第一の誘電体膜を膜厚４０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜とし、第二の誘電体膜を膜厚６０ｎｍのＳｉＯ_２膜とし、第三の誘電体膜を膜厚４０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜とした他は実施例１と同様にして、回折格子を作製した。
作製した回折格子の−１次透過光、−１次反射光、０次透過光、０次反射光の強度の入射光強度に対する比はそれぞれ１８％、３０％、４９％、３％以下であり、−１次反射光と０次透過光を高い効率で取り出すことができた。

（比較例１）
第三の誘電体膜としてスパッタ法によりリッジ表面にＴａ_２Ｏ_５膜を成膜する際に、リッジの側部の表面に第三の誘電体膜が堆積しないように、ターゲットと回折格子の間にコリメータを配置してスパッタ粒子が石英基板に対して垂直方向またはほぼ垂直方向から入射するようにした他は実施例１と同様にして回折格子を作製した。
作製した回折格子の−１次透過光、−１次反射光、０次透過光、０次反射光の強度の入射光強度に対する比はそれぞれ６％、１５％、７０％、９％であり、０次透過光の取り出し効率は高いものの、−１次反射光を大きく、０次反射光を小さくすることができなかった。

（比較例２）
第三の誘電体膜を成膜する際に、比較例１と同様にターゲットと回折格子の間にコリメータを配置した他は実施例２と同様にして回折格子を作製した。
作製した回折格子の−１次透過光、−１次反射光、０次透過光、０次反射光の強度の入射光強度に対する比はそれぞれ５％、１１％、７１％、１３％であり、−１次反射光の取り出し効率は高いものではなく、かつ０次反射光を小さくすることができなかった。

本発明の回折格子によれば、−１次反射光と０次透過光の強度は大きい一方で、０次反射光や−１次透過光の強度が小さいである回折格子を容易に得ることができる。

１レーザダイオードとコリメータレンズからなる光源
２本発明の外部共振器型半導体レーザ用回折格子
１１光源からの射出光
１２０次透過光（出力光）
１３０次反射光（出力モニタ用）
１４ −１次透過光（波長モニタ用）
１５ −１次反射光（光源への戻り光）
１００透明基板
１０１リッジ
１１１第一の誘電体膜
１１２第二の誘電体膜
１１３第三の誘電体膜

Claims

透明基板の表面に高屈折率である第一の誘電体膜と低屈折率である第二の誘電体膜からなる誘電体多層膜を形成し、さらに前記誘電体多層膜の表面に透明材料からなる多数のリッジを所定の高さおよび間隔で設け、さらにまた前記リッジ部の上部の表面、前記リッジの側部の表面および前記リッジの間に露出する前記誘電体多層膜の表面に、第三の誘電体膜を形成した構造を有する、外部共振器型半導体レーザ用回折格子。
前記第一の誘電体膜がＴａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２から選ばれる一種あるいはその混合物からなる誘電体膜であり、かつ、第二の誘電体膜がＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_５、から選誘電体膜であり、さらに前記第三の誘電体膜がＴａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２から選ばれる一種あるいはその混合物からなる屈折率１．７〜２．６の誘電体膜であることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ用回折格子。
前記第一の誘電体膜の屈折率が１．７〜２．６かつ膜厚が１０〜２００ｎｍ、前記第二の誘電体膜の屈折率が１．３〜１．６かつ膜厚が１０〜２００ｎｍおよび前記第三の誘電体膜の屈折率が１．７〜２．６かつ膜厚がリッジ高さの１／２以下であること特徴とする外部共振器型半導体レーザ用回折格子。
前記透明基板および前記リッジ部を構成する材料が、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_５から選ばれる一種あるいはその混合物からなることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ用回折格子。