JP2016171219A - 外部共振器型発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源とグレーティング素子とを光学的に結合した外部共振器型発光装置において、グレーティング素子内において伝搬光の光路を変更するとともに、出射光の出力の経時的な変動を抑制する構造を提供する。【解決手段】グレーティング素子１が、ブラッググレーティング４、ブラッググレーティング４が形成されたチャネル型光導波路３、チャネル型光導波路３の端部に連続するスラブ型光導波路６０、およびスラブ型光導波路６０に設けられた光反射部材５Ａ、５Ｂを備える。スラブ型光導波路６０を伝搬するスラブモード光６Ａ、６Ｂを光反射部材５Ａ、５Ｂによって反射させることで光路を変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、外部共振器型発光装置に関するものである。

ＤＢＲレーザは、活性層の導波路の延長上の導波路面に凹凸を形成しブラッグ反射によるミラーを構成し、共振器を実現している。このレーザは、光導波層の両端に回折格子が設けられているので、活性層で発光した光は光導波層を伝搬し、この回折格子で一部が反射され、電流注入部に戻り、増幅される。回折格子から決められた方向に反射するのは、一つの波長の光だけであるので、レーザ光の波長は一定になる。

また、この応用として、回折格子を、半導体とは異なる部品とし、外部で共振器を形成する、外部共振器型半導体レーザが開発されている。このタイプのレーザは、波長安定性、温度安定性、制御性がよいレーザとなる。外部共振器は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（FBG）や、ボリューム・ホログラム・グレーティング（VHG）がある。回折格子を、半導体レーザとは別部材で構成するので、反射率、共振器長を個別に設計できるという特徴があり、電流注入による発熱による温度上昇の影響を受けないので、波長安定性をさらに良くすることができる。また、半導体の屈折率の温度変化が異なるので共振器長と合わせて設計することにより、温度安定性を高めることができる。

特許文献１（特開2002-134833）には、石英ガラス導波路に形成したグレーティングを利用した外部共振器型レーザが開示されている。これは温度コントローラなしで室温が大きく（例えば30℃以上）変化する環境で使える、周波数安定化レーザを提供しようとするものである。また、モードホッピングが抑圧され、かつ発振周波数の温度依存性がない温度無依存レーザを提供することが記載されている。

特許文献２（特開2010-171252）には、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_１−ｘＮ_ｘ（ｘは０．５５乃至０．６５）、あるいはＳｉとＳｉＮをコア層とする光導波路、およびこの光導波路にグレーティングを形成した外部共振器型レーザが開示されている。これは精密な温度制御なしで発振波長を一定に保つ外部共振器レーザで、このために回折格子の反射波長の温度変化率（ブラッグ反射波長の温度係数）を小さくすることを前提条件としている。その上でレーザ発振を縦モードマルチモードとすることでパワー安定性を実現できることが記載されている。

特許文献３（特許第3667209）には、石英、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ポリイミド樹脂とする光導波路に形成したグレーティングを利用した外部共振器がレーザが開示されている。これは、光源である半導体レーザの光射出面における反射率が実効反射率Ｒｅ（実質的に０．１〜３８．４％）であり、その上でレーザ発振を縦モードマルチモードとすることでパワー安定性を実現できることが記載されている。

本出願人は、特許文献４（ＷＯ ２０１４−１９６５５３）および特許文献５（特許第５６４１６３１）において、温度変化に伴うモードホップを抑制するような外部共振器型発光装置の構造を提案した。

また、本出願人は、特許文献６（特願２０１５−０２１０４４）において、温度変化に伴う外部共振器型発光装置のモードホップを抑制しつつ、グレーティング素子内で光路変更する構造を提案した。

特開2002-134833 特開2010-171252 特許第3667209 ＷＯ ２０１４−１９６５５３ 特許第５６４１６３１ 特願２０１５−０２１０４４

本発明者は、特許文献６記載のように、外部共振器型発光装置のグレーティング素子で光路を曲げる構造を更に検討してきた。その過程で、温度変動に伴う出力変動を一層低減することが必要になってきた。

本発明の課題は、光源とグレーティング素子とを光学的に結合した外部共振器型発光装置において、グレーティング素子内において伝搬光の光路を変更するとともに、温度変動に伴う出射光の出力の変動を抑制する構造を提供することである。

本発明は、半導体レーザ光を発振する光源、およびこの光源と外部共振器を構成するグレーティング素子を備える外部共振器型発光装置であって、
グレーティング素子が、ブラッググレーティング、ブラッググレーティングが形成されたチャネル型光導波路、チャネル型光導波路の端部に連続するスラブ型光導波路、およびスラブ型光導波路に設けられた光反射部材を備えており、前記スラブ型光導波路を伝搬するスラブモード光を光反射部材によって反射させることで光路を変更することを特徴とする。

本発明者は、外部共振器型発光装置のグレーティング素子内で光路を変更した場合に経時的な出力変動が見られる原因を検討した。本グレーティング素子では、チャネル型光導波路内にブラッググレーティングを形成し、光源と外部共振器を構成する。この構造では、チャネル型光導波路を伝搬する光をミラーによって反射させて光路を変更すると、ミラーとチャネル型光導波路との境界面において多重反射が生じ、多重反射光が光源に戻り光となって入射することで、温度変動に伴う出力変動を生じさせることを見いだした。

本発明者は、こうした知見に立脚し、チャネル型光導波路の端部に連続するようにスラブ型光導波路を設け、スラブ型光導波路に光反射部材を設け、スラブ型光導波路を伝搬するスラブモード光を光反射部材によって反射させるようにした。この結果、光反射部材からの戻り光が光源に入射する現象が抑制され、温度変動に伴う出力変動が抑制されることを見いだし、本発明に到達した。

外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。 図１の装置を模式的に示す側面図である。 グレーティング素子１のチャネル型光導波路領域を示す横断面図である。 グレーティング素子１のスラブ型光導波路領域を示す横断面図である。 グレーティング素子１Ａを模式的に示す斜視図である。 ブラッググレーティングの一部分を示す図である。 他の外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。 更に他の外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。 図８の装置を模式的に示す側面図である。 更に他の外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。 更に他の外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。 コリメート機能付きのレンズを用いたグレーティング素子を模式的に示す平面図である。 マイクロレンズを用いたグレーティング素子を模式的に示す平面図である。 更に他のグレーティング素子１Ｆのチャネル型光導波路領域を示す横断面図である。 更に他のグレーティング素子１Ｇのチャネル型光導波路領域を示す横断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、細長いストライプ状の光導波路を用いたグレーティング素子１Ｈ、１Ｊ、１Ｋの横断面を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、細長いストライプ状の光導波路を用いたグレーティング素子１Ｌ、１Ｍの横断面を示す模式図である。 細長いストライプ状の光導波路を用いたグレーティング素子１Ｎの横断面を示す模式図である。 細長いストライプ状の光導波路を用いたグレーティング素子１Ｐの横断面を示す模式図である。

図１〜図４に示す外部共振器型発光装置１は、半導体レーザ光を発振する光源１１と、グレーティング素子１とを備えている。光源１１とグレーティング素子１とは、図示しない共通基板上にマウントされていることが好ましい。

光源１１は、半導体レーザ光を発振する活性層１４を備えている。ここで、光源１１は、単独でレーザ発振可能な光源とすることができる。これは、光源１１が、グレーティング素子がなくても、それ自体でレーザ発振することを意味する。

光源１１は、単独でレーザ発振したときに、縦モードがシングルモード発振するものが好ましい。しかし、グレーティング素子を使用した外部共振器型レーザの場合、反射特性に波長依存性を持たせることができるので、その波長特性の形状を制御することにより、光源１１が単独で縦モードがマルチモード発振していても、外部共振器型レーザとしてはシングルモード発振させることが可能である。
この場合、光源１１の外側端面には高反射膜１３が設けられており、グレーティング素子側の端面にはグレーティングの反射率よりも小さい反射率の膜１２が形成されている。

光源１１は、単独ではレーザ発振しないスーパールミネッセンスダイオードや半導体光増幅器（ＳＯＡ）であってもよい。この場合には、光源の基体の外側端面には高反射膜１３が設けられており、グレーティング素子側の端面には無反射膜１２が形成されている。

グレーティング素子１には、光源１１からの光が伝搬するチャネル型光導波路３とブラッググレーティング４とが形成されている。ブラッググレーティングは光導波路内に形成されているが、本例では光導波路の両側にも広がるように形成されている。光源１１とブラッググレーティング４との間で外部共振器を構成しており、グレーティングのブラッグ回折条件を満足する波長でレーザ発振している。

グレーティング素子１には、四つの側面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが形成されており、側面１ａに光源１１および光導波路素子２１が対向するように取り付けられている。７は反射膜または無反射膜である。光導波路３は、入射側伝搬部３ａ、ブラッググレーティング４、およびその下流側の出射側伝搬部３ｂを備えている。伝搬部にはブラッググレーティングが形成されていない。

伝搬部３ｂの末端はスラブ型光導波路６０に連続している。スラブ型光導波路では、それを構成する光学材料層の厚み方向にのみ光の閉じ込めがある。このため、チャネル型光導波路３とスラブ型光導波路との間では、光路の幅が有限から無限に広がることになり、光学的には連続であって、境界はない。このために光の反射などは起こらない。スラブ型光導波路では、平面方向には光の閉じ込め効果がないので、光が拡がりながら伝搬することになる。

チャネル型光導波路３の末端に対向するように光反射部材５Ａが設けられている。光導波路３から出射した光は、スラブモード伝搬光６Ａとなって伝搬し、光反射部材５Ａで反射されて光路を変え、６Ｂのように伝搬する。次いで、この光６Ｂは、二つ目の光反射部材５Ｂで反射され、６Ｃのように伝搬し、グレーティング素子１の出射部９から出射する。本例では、グレーティング素子１の入射部８と出射部９とが同一側面１ａ上にある。

グレーティング素子１の出射部９から出射した光は、別体の光導波路素子２１の光導波路２４に入射させることもできる。２２、２３は無反射膜である。

こうした光導波路素子や光学素子については、特に限定はないが波長変換素子、光変調器、光フィルタ、光アイソレータ、等の光導波路デバイス、または、光ファイバであってもよく、フォトダイオードであってもよい。

好適な実施形態においては、ブラッググレーティングの反射率が、光源の出射端の反射率、グレーティング素子の入射面の反射率、およびグレーティング素子の出射面の反射率よりも大きい。この観点からは、光源の出射端の反射率、グレーティング素子の入射面の反射率、およびグレーティング素子の出射面の反射率は、０．１％以下が好ましい。また、無反射層の反射率は、グレーティング反射率よりも小さい値であればよく、さらに０．１％以下が好ましい。しかし、端面における反射率がグレーティング反射率よりも小さい値であれば、無反射層はなくてもよく、反射膜であってもよい。

光源１１は、レーザ光を発振する活性層１４を備えているが、活性層１４のグレーティング素子側の端面に無反射層を設けず、その代わりに反射膜を形成することができる。この場合、レーザ光の発振波長は、グレーティングにより反射される波長で決定される。グレーティングによる反射光と活性層のグレーティング素子側の端面からの反射光がレーザのゲイン閾値を上回れば、発振条件を満足する。これにより波長安定性の高いレーザ光を得ることができる。

波長安定性をより高くするには、グレーティングからの帰還量を大きくすればよく、この観点からグレーティングの反射率は活性層の端面における反射率よりも大きくする方が好ましい。

グレーティング素子の断面構造やチャネル型光導波路の断面構造は特に限定されないが、以下に一例を示す。
図３には、チャネル型光導波路の横断面の一例を示し、図４はスラブ型光導波路領域を示す。スラブ型光導波路を構成する光学材料層１７が支持基板２６上に設けられている。光学材料層１７は、ブラッググレーティング４と同一面に形成されていてもよく、相対する面に形成されていてもよい。

図３に示す例では、支持基板２６上に下側バッファ層１６を介して光学材料層１７が形成されており、光学材料層１７上に上側バッファ層１８が形成されている。光学材料層１７には例えば一対のリッジ溝１９が形成されており、リッジ溝の間にリッジ部２０が形成され、リッジ型光導波路３が形成されている。この場合、ブラッググレーティングは平坦な下面１７ｂ側に形成していてもよく、上面１７ａ側に形成していてもよい。ブラッググレーティング、およびリッジ溝の形状ばらつきを低減するという観点では、ブラッググレーティングを下面１７ｂ側に形成することによって、ブラッググレーティングとリッジ溝１９とを光学材料層の反対側に設けることが好ましい。
なお、光導波路の幅Ｗ_ｍは、光導波路の横断面における幅のうち最も狭い部分の幅とする。

スラブ型光導波路領域では、図４に示すように、支持基板２６上に下側バッファ層１６を介して光学材料層１７が形成されており、光学材料層１７上に上側バッファ層１８が形成されている。光学材料層１７の厚さＴ_ｓおよび材質を選択することによって、スラブモード伝搬を可能とする。

好適な実施形態においては、グレーティング素子の入射部と光反射部材との間にブラッググレーティング、およびこのブラッググレーティングが形成されたチャネル型光導波路が設けられている。図１、図２の例はこの実施形態に係るものである。

また、好適な実施形態においては、グレーティング素子の入射部と光反射部材との間にブラッググレーティングが設けられており、かつグレーティング素子の出射部と光反射部材との間にも他のチャネル型光導波路が設けられている。図５はこの実施形態に係るものである。

すなわち、図５に示すグレーティング素子１Ａにおいては、光源１１からの光が伝搬するチャネル型光導波路３とブラッググレーティング４とが形成されている。光導波路３は、入射側伝搬部３ａ、ブラッググレーティング４、およびその下流側の出射側伝搬部３ｂを備えている。伝搬部にはブラッググレーティングが形成されていない。

伝搬部３ｂの末端はスラブ型光導波路６０に連続している。チャネル型光導波路３の末端に対向するように光反射部材５Ａが設けられている。光導波路３から出射した光は、スラブモード伝搬光６Ａとなって伝搬し、光反射部材５Ａで反射されて光路を変え、６Ｂのように伝搬する。次いで、この光６Ｂは、二つ目の光反射部材５Ｂで反射され、６Ｃのように伝搬する。本例では、光反射部材５Ｂと出射部９との間にも、リッジ溝１９によって形成されたリッジ型光導波路３５が設けられている。この結果、スラブモード伝搬光６Ｃは、このリッジ型光導波路３５内に入射して伝搬し、グレーティング素子から出射する。

図６は、ブラッググレーティングの形態の一例を示す斜視図である。ｔｄはグレーティング深さであり、Λは周期である。

また好適な実施形態においては、グレーティング素子の出射部と光反射部材との間にブラッググレーティングが設けられている。また好適な実施形態においては、グレーティング素子の入射部と光反射部材との間に、他のチャネル型光導波路が設けられている。図７はこの実施形態に係るものである。

図７には、半導体レーザと光学素子が同一面で実装する場合を示す。グレーティング素子１Ｂの側面１ａに光源１１および光導波路素子２１が対向するように取り付けられている。各素子の端面に設ける反射膜や無反射膜などは図示省略している。グレーティング素子１Ｂには、光源１１からの光が伝搬する他のチャネル型光導波路３Ａが形成されている。光導波路３Ａの末端に対向するように光反射部材５Ａが設けられている。光導波路３Ａから出射した光は、スラブモード伝搬光６Ａとなって伝搬し、光反射部材５Ａで反射されて光路を変え、６Ｂのように伝搬する。次いで、この光６Ｂは、二つ目の光反射部材５Ｂで反射され、６Ｃのように伝搬する。

本例では、光反射部材５Ａ（５Ｂ）と出射部９との間にもチャネル型光導波路１０が形成されており、その一部領域にブラッググレーティング４が形成されている。スラブモード光６Ｃは、光導波路１０の入射側伝搬部１０ａに入射し、ブラッググレーティングを通過し、出射側伝搬部１０ｂを通り、出射部９から出射する。

本実施形態では、ブラッググレーティング４が、光反射部材の下流にある。こうした形態では、横モードの基本モードが効率的に光導波路を伝搬するので、グレーティングを光反射部材の後段に配置することにより、基本モードを選択的にレーザ発振することが可能である。

好適な実施形態においては、グレーティング素子内に凹部を設け、凹部内に光源を設置することができる。図８、図９は、こうした実施形態に係るものである。

図８、図９には、光源と光学素子を同一面で実装する場合を示す。グレーティング素子３１には、半導体レーザ光源１１からの光が伝搬する光導波路３とブラッググレーティング４とが形成されている。グレーティング素子３１内には、エッチングや研磨加工によって凹部３２が形成されており、凹部３２内に光源１１が実装されている。

グレーティング素子３１には、四つの側面３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄが形成されており、側面３１ａに光導波路素子２１が対向するように取り付けられている。凹部３２に面する側面３１ｅに光源が対向している。本例では、グレーティング素子の入射部８が、凹部３２に面する側面３１ｅにあり、出射部９が側面３１ａ上にある。

光導波路３から出射した光は、スラブモード伝搬光６Ａとなって伝搬し、光反射部材５Ａで反射されて光路を変え、６Ｂのように伝搬する。次いで、この光６Ｂは、二つ目の光反射部材５Ｂで反射され、６Ｃのように伝搬し、グレーティング素子３１の出射部９から出射する。

図１０の例では、グレーティング素子３１Ａの凹部３２に光源１１が実装されている。各素子の端面に設ける反射膜や無反射膜などは図示省略している。

本例では、グレーティング素子の入射部８から入射した光は、チャネル型光導波路３Ａを伝搬して出射し、スラブモード光６Ａとなり、光反射部材５Ａで反射されてスラブモード光６Ｂとして伝搬し、更に光反射部材５Ｂで反射され、スラブモード光６Ｃとして伝搬する。このスラブモード光６Ｃは、チャネル型光導波路１０の入射側伝搬部１０ａに入射し、ブラッググレーティング４を通過し、出射側伝搬部１０ｂを伝搬して出射部９から出射され、光導波路素子２１に入射する。

図１１の例では、グレーティング素子１Ｃの側面１ａに光源１１が対向しており、側面１ａと隣接する側面１ｄに光導波路素子２１が対向している。グレーティング素子の入射部８から入射した光は、チャネル型光導波路３Ａを伝搬して出射し、スラブモード光６Ａとなり、光反射部材５Ａで反射されてスラブモード光６Ｂとして伝搬し、更に光反射部材５Ｂで反射され、スラブモード光６Ｃとして伝搬する。このスラブモード光６Ｃは、チャネル型光導波路１０の入射側伝搬部１０ａに入射し、ブラッググレーティング４を通過し、出射側伝搬部１０ｂを伝搬してスラブモード光６Ｄとして伝搬する。

本例では、３個目の光反射部材５Ｃを設置している。スラブモード光６Ｄは、光反射部材５Ｃで反射されて光路変更され、スラブモード光６Ｅとして伝搬する。このスラブモード光６Ｅは、チャネル型光導波路３４に入射し、素子の出射部９から出射する。

本発明において好ましくは、例えば図１１に示すように、各光反射部材がスラブ型光導波路に接しており、各光反射部材がチャネル型光導波路に直接接していないようにする。

好適な実施形態においては、光反射部材が、コリメート機能を有するミラーである。また、好適な実施形態においては、複数の光反射部材の間にマイクロレンズを設ける。

すなわち、チャネル型光導波路からスラブ型光導波路へ伝搬するとき、光は水平方向に拡がる。これを防止するために、例えば図１２に示すように、コリメート機能付きミラーを使用することが好適である。

図１２の素子１Ｄでは、Ｌ１がチャネル型光導波路３の光軸（中心軸）であり、Ｌ２が、光反射部材３５Ａと３５Ｂとの間を伝搬するスラブモード光６Ｂの光軸（中心軸）であり、Ｌ３は、チャネル型光導波路３７の光軸（中心軸）である。本例では、各光反射部材３５Ａ、３５Ｂとして、コリメート機能を有するミラーを使用する。

各ミラー３５Ａ、３５Ｂのミラー面にコリメート機能を付与する。具体的には、各光軸とミラー面との交点をＰとする。また、交点Ｐを通過し、かつミラー面に対して垂直な法線をＣとする。本例では、ミラー面３５ａ、３５ｂを、法線Ｃに対して線対称な形状としている。これにより、ミラー面で反射されたスラブモード光が集光するように伝搬させることができる。

更に、図１２のグレーティング素子１Ｄでは、第一のミラー３５Ａと第二のミラー３５Ｂとの間で焦点があうように、第一のミラー３５Ａが設計されており、その後、再び拡がろうと伝搬する光路の先に第二のミラー３５Ｂを配置している。このミラー３５Ｂにより再び集光された光は、出射側のリッジ型導波路３７に結合するようにミラー面が設計されている。これにより、入射した光が出射側に高効率に結合するように、光路を曲げることを可能としている。

本構造は、図１２の素子構造に限定されることはなく、例えば、図１の素子構造において、受動デバイスである光導波路素子の光導波路に集光するように、各ミラーを設計することができる。

なお、光路中心軸とは、光導波路を伝搬する光電界の最大値を通る軸と定義する。これはリッジ型光導波路の場合には、光導波路の幅方向の幾何学的中心と一致する。

また、スラブ型光導波路における水平方向の拡がりを防止するために、図１３に示すようにマイクロレンズを使用した素子１Ｅを例示できる。図１３も、図１２と同様の素子構造に適用した場合を示す。

本例では、光反射部材３８Ａ、３８Ｂとしてミラーを使用しており、各ミラーのミラー面３８ａにはコリメート機能はない。これら一対の光反射部材の間にマイクロレンズ３９を設けることで、反射した光が集光するように伝搬させることができる。

図１３の例の場合、第一のミラーと第二のミラー間で焦点があうように第一のミラーが設計されており、その後、再び拡がろうと伝搬する光路の先に第二のミラーを配置している。マイクロレンズは、出射側のリッジ導波路に結合するようにレンズ形状、材質が設計されている。これにより、入射した光が出射側に高効率に結合するように光路を曲げることを可能としている。

本構造は、図１３の素子構造に限定されることはなく、例えば、図１の素子構造において受動デバイスである光導波路素子の光導波路に集光するようにレンズを設計することができる。また、マイクロレンズを複数配置することも可能である。

グレーティング素子のチャネル型光導波路の横断面形態は、更に種々変更できる。以下に好適形態を例示する。
図１４に示す素子１Ｆでは、基板２６上に接着層３９、下側バッファ層１６を介して光学材料層１７が形成されており、光学材料層１７上に上側バッファ層１８が形成されている。光学材料層１７の基板２６と反対側には、例えば一対のリッジ溝１９が形成されており、リッジ溝１９の間にリッジ部２０が形成されている。この場合、ブラッググレーティングは平坦面１７ｂ側に形成していてもよく、リッジ溝のある１７ａ面側に形成していてもよい。また、上側バッファ層１７はなくてもよく、この場合、空気層が直接グレーティングに接することができる。これによりグレーティング溝が有る無しで屈折率差を大きくすることができ、短いグレーティング長で反射率を大きくすることができる。

図１５に示す素子１５Ｇでは、光学材料層の支持基板２６側の主面１７ｂに一対のリッジ溝１９が形成されており、一対のリッジ溝間にリッジ部２０が形成されている。

上述の各例では、光導波路が、リッジ部と、このリッジ部を成形する少なくとも一対のリッジ溝からなるリッジ型光導波路である。この場合には、リッジ溝の下に光学材料が残されており、かつリッジ溝の外側にもそれぞれ光学材料からなる延在部が形成されている。

しかし、リッジ型光導波路において、リッジ溝の下にある光学材料を除去してしまうことで、ストライプ状の細長いコアを形成することもできる。この場合には、リッジ型光導波路が、光学材料からなる細長いコアからなり、コアの横断面が凸図形をなしている。このコアの周りには、バッファ層（クラッド層）や空気層が存在しており、バッファ層や空気層がクラッドとして機能する。

凸図形とは、コアの横断面の外側輪郭線の任意の二点を結ぶ線分が、コアの横断面の外側輪郭線の内側に位置することを意味する。このような図形としては、三角形、四角形、六角形、八角形などの多角形、円形、楕円形などを例示できる。四角形としては、特に、上辺と下辺と一対の側面を有する四角形が好ましく、台形が特に好ましい。

図１６〜図１８は、この実施形態に係るものである。
図１６（ａ）のグレーティング素子１Ｈでは、支持基板２６上にバッファ層１６が形成されており、バッファ層１６上に光導波路４０が形成されている。光導波路４０は、好ましくは屈折率１．８以上の光学材料のコアからなる。光導波路の横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、光導波路４０の上側面が下側面よりも狭くなっている。光導波路４０内には、前述したような入射側伝搬部、ブラッググレーティング、出射側伝搬部が形成されている。

図１６（ｂ）のグレーティング素子１Ｊでは、支持基板２６上にバッファ層４６が形成されており、バッファ層４６内に光導波路４０が埋設されている。光導波路の横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、光導波路４０の上側面が下側面よりも狭くなっている。バッファ層４６は、光導波路４０上の上側バッファ４６ａ、下側バッファ４６ｃおよび光導波路４０の側面を被覆する側面バッファ４６ｂを含む。

図１６（ｃ）のグレーティング素子１Ｋでは、支持基板２６上にバッファ層４６が形成されており、バッファ層４６内に光導波路４０Ａが埋設されている。光導波路の横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、光導波路４０Ａの下側面が上側面よりも狭くなっている。

図１７（ａ）のグレーティング素子１Ｌでは、支持基板２６上にバッファ層１６が形成されており、バッファ層１６上に光導波路４０が形成されている。そして、光導波路４０が、別のバッファ層５６によって包含され、埋設されている。バッファ層５６は、上側バッファ５６ａおよび側面バッファ５６ｂからなる。本例では、光導波路４０の上側面が下側面よりも狭くなっている。

図１７（ｂ）のグレーティング素子１Ｍでは、支持基板２６上にバッファ層１６が形成されており、バッファ層１６上に光導波路４０Ａが形成されている。そして、光導波路４０Ａが、別のバッファ層５６によって包含され、埋設されている。バッファ層５６は、上側バッファ５６ａおよび側面バッファ５６ｂからなる。本例では、光導波路４０Ａの下側面が上側面よりも狭くなっている。

図１８の素子１Ｎでは、支持基板２６上にバッファ層４６が形成されており、バッファ層４６上に光導波路（コア）４０が形成されている。光導波路４０は、好ましくは屈折率１．８以上の光学材料からなるコアからなる。光導波路の横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、光導波路４０の上側面が下側面よりも狭くなっている。また、光導波路４０の両側には溝４２が形成されており、溝４２の外側にそれぞれ延在部４４が形成されている。光導波路４０および延在部４４をそれぞれ被覆するように上側クラッド４３が形成されている。

光導波路の形状については、図１９に示すように、ハイメサ構造といわれるものであってもよい。この素子１Ｐでは、支持基板２６の上に下側バッファ層４８を形成し、その上に光学材料層４９を形成し、その上に上側バッファ層５０を形成し、光導波路構造５１とした。この際、下側バッファ層の幅よりも上側バッファ層の幅を狭くすることによって、台形形状にすることもできる。

好適な実施形態においては、本発明の外部共振器型発光装置が縦モードで単一モード発振する。

また、モードホップを抑制し、パワー変動の小さい動作する温度範囲をさらに広くするために、グレーティング回折格子のピッチの異なる複数グレーティングを直列に配置してもよい。

本発明においては、光源としては、高い信頼性を有するＧａＡｓ系やＩｎＰ系材料によるレーザが好適である。本願構造の応用として、例えば、非線形光学素子を利用して第２高調波である緑色レーザを発振させる場合は、波長１０６４ｎｍ付近で発振するＧａＡｓ系のレーザを用いることになる。ＧａＡｓ系やＩｎＰ系のレーザは信頼性が高いため、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。波長が長くなるとブラッグ波長の温度変化が大きくなることから、波長安定性を高めるにはレーザの発振波長は９９０ｎｍ以下が特に好ましい。一方、波長が短くなると半導体の屈折率変化△ｎａが大きくなりすぎるため、波長安定性を高めるためにはレーザの発振波長は７８０ｎｍ以上が特に好ましい。また、活性層の材質や波長も適宜選択できる。

リッジ型の光導波路は、例えば外周刃による切削加工やレーザアブレーション加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。

バッファ層は、光導波路のクラッド層として機能することができる。この観点からは、バッファ層の屈折率は、光学材料層の屈折率よりも低いことが好ましく、その屈折率差は０．２以上が好ましく、０．４以上が更に好ましい。

ブラッググレーティングは以下のようにして物理的、あるいは化学的なエッチングにより形成することができる。
具体例として、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属膜を高屈折率基板に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝を形成する。最後に金属マスクを除去することにより形成できる。

光学材料層中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させてもよく、この場合、マグネシウムが特に好ましい。また結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

接着層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。

また、光学材料層は、支持基体上に薄膜形成法によって成膜して形成してもよい。こうした薄膜形成法としては、スパッタ、蒸着、ＣＶＤを例示できる。この場合には、光学材料層は支持基体に直接形成されており、上述した接着層は存在しない。
また、光学材料層の厚さは０．５〜３．０μｍであることが更に好ましい。

支持基体の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Si、アルミナ、窒化アルミ、サファイアなどを例示することができる。

無反射層の反射率は、グレーティング反射率以下である必要があり、無反射層に成膜する膜材としては、二酸化珪素、五酸化タンタルなどの酸化物で積層した膜や、金属類も使用可能である。

また、光源素子、グレーティング素子の各端面は、それぞれ、端面反射を抑制するために斜めカットしていてもよい。また、グレーティング素子と支持基板の接合は、接着固定でもよく、直接接合でもよい。

ミラーの材質は、反射による損失が小さい金属材料が好ましい。具体的な材料として、金、銀、白金などの貴金属が好ましいが、銅、アルミニウム、モリブデン、タングステン、タンタル、ニッケル、クロムなどの金属でもよい。また、誘電体多層膜であってもよい。
また、ミラーの反射面の形状は平面であってよく、凹面であってもよい。

マイクロレンズの材質は、リッジ導波路、およびスラブ導波路のコア材料（光学材料層）よりも屈折率が大きいことが必要であり、ＳｉＮやＳｉＯＮ、ＡｌＮなどが例示できる

グレーティング素子における光源実装部３２のエッチングの方法については、以下の方法で実施することができる。
まず、グレーティング素子（実際にはウエハの状態）の表面全面にＴｉ、Ｎｉ等の金属を成膜して、レジスト塗布後、マスクアライナーにて半導体レーザの外周エリアをエッチングするためのメタルマスクパターンを形成し、フッ素系ガスのドライエッチングにより支持基板上までエッチングし、光源の実装部を形成することができる。光導波路の入射側端面は、光軸に対して89°以上の角度をなすことが可能であり、かつ鏡面とすることも可能である。その後、入力端面には無反射コートすることも可能である。

（実施例１）
図７、図４、図６、図１２，図１５に示すような装置を作製した。ただし、グレーティング素子において、二つ目の光反射部材３５Ｂと出射部９との間にリッジ型光導波路１０およびブラッググレーティング４を設けた。

具体的には、ｚ板MgOドープのニオブ酸リチウム結晶からなる基板２６にＴｉを成膜して、ＥＢ描画装置によりy軸方向にグレーティングパターンを作製した。その後、Ｔｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ 222nm、長さL_b 100μｍのブラッググレーティング４を形成した。グレーティングの溝深さｔ_ｄ（図６）は４０ｎｍであった。

続いて、ニオブ酸リチウム結晶基板にＣｒを成膜して、フォトリソグラフィー技術により、図７に示すようにリッジ型光導波路３Ａ、１０が形成されるようにパターンを作製した。次いでフッ素系反応性イオンエッチングにて各光導波路を形成し、W_m 3μｍ、T_r 0.5μｍのリッジ溝１９を形成した。

さらに、第一のミラー３５Ａ、第二のミラー３５Ｂを形成するために、同様にＣｒマスクパターンを形成し、フッ素系反応性イオンエッチングにて、溝深さ１．２μｍのパターンを形成した。ミラーパターンは、リッジ導波路幅の中心軸（光路中心軸）がミラー面の凹みの基準点を通るように設計している。凹みの形状は、Ｒ形状にしており、Ｒ＝２０．６μｍ、凹み基準点から±１３°の円弧を描いている。また、凹み基準点においては、光路中心軸と４５°の角度をなしている。

ミラー形成部には、Ｔｉ：20nm、Ｐｔ：200nm、Ａｕ：１．２μｍ成膜してコリメート機能付きミラーを作製した。その後、SiO₂からなるバッファ層をスパッタ装置で０．５μｍ成膜し、支持基板２６としてブラックＬＮ基板を使用してグレーティング形成面を接着した。

次に、支持基板２６を研磨定盤に貼り付け、グレーティング、光導波路、ミラーを形成した層の裏面を精密研磨して、光学材料層の厚み（Ｔ_ｓ）を１．２μｍとした。その後、スパッタにてＳｉＯ₂からなるバッファ層を研磨面に０．５μｍ成膜した。

その後、ダイシング装置にてアセンブリをバー状に切断し、半導体レーザと波長変換素子を実装する端面を光学研磨し、この端面に0.1％以下のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、グレーティング素子を作製した。素子サイズは1mm×1mm角とした。

グレーティング素子の光学特性は、広帯域波長光源であるスーパ・ルミネッセンス・ダイオード（SLD）を使用して、グレーティング素子に光を入力して出力光を光スペクトルアナライザで分析することにより、その透過特性から反射特性を評価した。その結果、ＴＥモードに対して中心波長975nm、最大反射率は２０％で、半値全幅△λ_Gは２nmの特性を得た。

次に、このグレーティング素子を使用した外部共振器型レーザの特性評価のために、図２、図７に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子として、単独で発振するGaAs系レーザを使用した。
光源素子仕様：
中心波長： 977nm
出力： ５０ｍＷ
半値幅： ０．１ｎｍ
レーザ素子長 ３００μｍ
実装仕様：
入射側伝搬部の長さ（Ｌ_ｍ）： ２０μｍ
光源の出射面と光導波路の入射面との距離： １μｍ
活性層の長さ（Ｌ_ａ）： ３００μｍ
ブラッググレーティングの長さ（Ｌ_ｂ）： １００μｍ

モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、中心波長９７５nm、出力３２ｍＷのレーザ特性であった。
また動作温度範囲を評価するために、恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、モードホップが起こる温度、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃、モードホップ温度60℃、パワー出力変動は０．５％以内であった。
本素子では、反射面を少なくできるので複合共振器を抑制できるため波長安定性が向上しパワー変動が十分に低減できると考えられる。

（参考例１）
実施例１と同様の外部共振器型発光装置を作製した。
ただし、実施例１とは異なり、グレーティング素子の入射部８から出射部９までの全長にわたってリッジ型光導波路を連続的に形成した。また、各光反射部材とリッジ型光導波路とが接触するようにした。

グレーティング素子の光学特性は、広帯域波長光源であるスーパ・ルミネッセンス・ダイオード（SLD）を使用して、グレーティング素子に光を入力して出力光を光スペクトルアナライザで分析することにより、その透過特性から反射特性を評価した。その結果、ＴＥモードに対して中心波長975nm、最大反射率は２０％で、半値全幅△λ_Gは２nmの特性を得た。

次に、このグレーティング素子を使用した外部共振器型レーザの特性評価のために、実施例１と同様にしてレーザモジュールを実装した。光源素子として、単独で発振するGaAs系レーザを使用した。
光源素子仕様：
中心波長： 977nm
出力： ５０ｍＷ
半値幅： ０．１ｎｍ
レーザ素子長 ３００μｍ
実装仕様：
入射側伝搬部の長さ（Ｌ_ｍ）： ２０μｍ
光源の出射面と光導波路の入射面との距離： １μｍ
活性層の長さ（Ｌ_ａ）： ３００μｍ
ブラッググレーティングの長さ（Ｌ_ｂ）： １００μｍ

モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、中心波長９７５nm、出力３０ｍＷのレーザ特性であった。また動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、モードホップが起こる温度、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃、モードホップ温度60℃、パワー出力変動は１％以内であった。

（実施例２）
実施例１と同様にして外部共振器型発光装置を作製した。ただし、実施例１とは異なり、光反射部材として、図１３に示すようなミラー３８Ａ、３８Ｂおよびマイクロレンズ３９の組み合わせを採用した。

具体的には、石英からなる支持基板にスパッタ装置にて下側クラッド層１６になるSiＯ2層を0.5μｍ成膜し、またその上にTa₂O₅を1.2μｍ成膜して光学材料層１７を形成した。次に、光学材料層上にＴｉを成膜して、ＥＢ描画装置によりグレーティングパターンを作製した。その後、Ｔｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ239nm、長さL_b １００μｍのブラッググレーティングを形成した。グレーティングの溝深さｔ_ｄは40nmとした。

続いて、上記基板にＣｒを成膜して、フォトリソグラフィー技術により、図７に示すように光導波路３Ａ、１０が形成されるようにパターンを作製した。次いでフッ素系反応性イオンエッチングにて各光導波路を形成し、W_m 3μｍ、T_r 0.5μｍのリッジ溝１９を形成した。

さらに、第一のミラー３８Ａ、第二のミラー３８Ｂを形成するために、同様にＣｒマスクパターンを形成しフッ素系反応性イオンエッチングにて溝深さ１．２μｍのパターンを形成した。ミラーパターンは平面ミラーとし光路中心軸と４５°の角度をなしている。ミラー形成部には、Ｔｉ：20nm、Ｐｔ：200nm、Ａｕ：１．２μｍ成膜してミラーを作製した。

次いで、マイクロレンズ３９を形成するために同様にＣｒマスクパターンを形成しフッ素系反応性イオンエッチングにて溝深さ１．２μｍのパターンを形成した。ミラーパターンは光路中心軸を基準として対称に湾曲した構造としている。マイクロレンズパターン部には、屈折率の高いSiNを１．２μｍ成膜してマイクロレンズを作製した。
その後、SiO₂からなる上側バッファ層１８をスパッタ装置で０．５μｍ成膜した。

次にダイシング装置にてアセンブリをバー状に切断し、半導体レーザと波長変換素子を実装する端面を光学研磨し、この端面に0.1％以下のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、グレーティング素子を作製した。素子サイズは1mm×1mm角とした。

グレーティング素子の光学特性は、広帯域波長光源であるスーパ・ルミネッセンス・ダイオード（SLD）を使用して、グレーティング素子に光を入力して出力光を光スペクトルアナライザで分析することにより、その透過特性から反射特性を評価した。その結果、ＴＥモードに対して中心波長975nm、最大反射率は２０％で、半値全幅△λ_Gは２nmの特性を得た。

次に、このグレーティング素子を使用した外部共振器型レーザの特性評価のために、図１、図２に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子として、単独で発振するGaAs系レーザを使用した。
光源素子仕様：
中心波長： 977nm
出力： ５０ｍＷ
半値幅： ０．１ｎｍ
レーザ素子長 ３００μｍ
実装仕様：
入射側伝搬部の長さ（Ｌ_ｍ）： ２０μｍ
光源の出射面と光導波路の入射面との距離： １μｍ
活性層の長さ（Ｌ_ａ）： ３００μｍ
ブラッググレーティングの長さ（Ｌ_ｂ）： １００μｍ

モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、中心波長９７５nm、出力３１ｍＷのレーザ特性であった。
また、動作温度範囲を評価するために、恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.03nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は45℃、この温度域でのパワー出力変動はモードホップが起こっても０．５％以内であった。

Claims (11)

1. 半導体レーザ光を発振する光源、およびこの光源と外部共振器を構成するグレーティング素子を備える外部共振器型発光装置であって、
   前記グレーティング素子が、ブラッググレーティング、前記ブラッググレーティングが形成されたチャネル型光導波路、前記チャネル型光導波路の端部に連続するスラブ型光導波路、および前記スラブ型光導波路に設けられた光反射部材を備えており、前記スラブ型光導波路を伝搬するスラブモード光を前記光反射部材によって反射させることで光路を変更することを特徴とする、外部共振器型発光装置。
2. 前記グレーティング素子の出射部と前記光反射部材との間に前記ブラッググレーティングが設けられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記グレーティング素子の入射部と前記光反射部材との間に、他のチャネル型光導波路が設けられていることを特徴とする、請求項２記載の装置。
4. 前記グレーティング素子の入射部と前記光反射部材との間に前記ブラッググレーティングが設けられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
5. 前記グレーティング素子の出射部と前記光反射部材との間に、他のチャネル型光導波路が設けられていることを特徴とする、請求項４記載の装置。
6. 前記入射部と前記出射部とが前記グレーティング素子の相対向する側面に設けられていないことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の装置。
7. 前記スラブ型光導波路に複数の前記光反射部材が設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の装置。
8. 複数の前記光反射部材の間に設けられたマイクロレンズを備えることを特徴とする、請求項７記載の装置。
9. 前記光反射部材が、コリメート機能を有するミラーであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の装置。
10. 前記チャネル型光導波路が、リッジ部と、このリッジ部を成形する少なくとも一対のリッジ溝からなることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載の装置。
11. 前記チャネル型光導波路が細長いコアからなり、前記コアの横断面が凸図形をなしており、前記コアに接するクラッドを備えていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載の装置。
    

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