JP6572209B2 - 光学デバイスおよび光学デバイスの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、グレーティング素子を用いた光学デバイスおよび光学デバイスの製造方法に関するものである。
半導体レーザは、一般的に、活性層の両端面に形成したミラーで挟まれた光共振器を構成した、ファブリ−ペロー（ＦＰ）型が利用されている。しかしながら、このＦＰ型レーザは、定在波条件が成立する波長で発振するために、縦モードが多モードになりやすく、とくに電流や温度が変化すると発振波長が変化し、それにより光強度が変化する。
このため、光通信やガスセンシングなどの目的では、波長安定性の高い単一モード発振のレーザが必要である。このため、分布帰還型（DFB）レーザや分布反射型（DBR）レーザが開発された。これらのレーザは、半導体中に回折格子を設け、その波長依存性を利用して特定の波長のみを発振させるものである。
波長安定性のある半導体レーザを実現するために、グレーティングを半導体レーザの中にモノリシックに形成したDBRレーザやDFBレーザ、またファイバーグレーティング（FBG）グレーティングをレーザの外部に取り付けた外部共振器型レーザが例示できる。これらは、ブラッグ反射を利用した波長選択性のあるミラーによりレーザ光の一部をレーザに帰還して波長安定動作を実現する原理である。
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、特定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）（非特許文献１）や、ボリューム・ホログラム・グレーティング（VHG）（非特許文献２）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。
こうした外部共振器型の発光装置を更に光導波路素子や光ファイバアレイに結合した光学デバイスには、以下の３つの方式がある。
方式１では、半導体レーザ内蔵グレーティング素子を光導波路素子と光軸合わせし、接合する（特許文献３）。
方式２では、半導体レーザ光源と、グレーティングを内蔵した光導波路素子や光ファイバとを結合し、アライメントする（特許文献４、特許文献５）。
方式３では、半導体レーザ光源と、グレーティング素子と、光導波路素子との三つの部品を光学的に結合する（特許文献１）。
しかし、方式３では、サブミクロン精度のアライメントが必要であり、タクトがかかり、製品化が難しい。このため方式１、２のように半導体レーザ、あるいは導波路、ファイバにグレーティングを集積化する技術が提案されている。
特開2002-134833 特願２０１３−１２０９９９ 米国特許公開 ２００８／０２９１９５１Ａ１ ＷＯ ２０１３−０３４８１３ 特開２０００−０８２８６４
電子情報通信学会論文誌 C‐ＩＩ Vol.J81, No.7 pp.664-665, 1998年7月 電子情報通信学会技術研究報告 LQE, 2005年 105巻 52号 pp.17-20 古河電工時報 平成12年1月 第105号 p24-29
しかし、半導体レーザをグレーティングにより波長安定化動作するためには、数１００ｎｍのグレーティングピッチで、ウエハ内に１ｎｍ以下の精度で均一に製造する必要がある。このグレーティングパターンを形成するためには、電子ビーム描画装置、ステッパ、ナノインプリント装置が利用されるが、ウエハの反り、表面凹凸の仕様が厳しい。このため半導体レーザ光源や光導波路にブラッググレーティングを内蔵する場合には、これらの素子形成による反り、凹凸により、グレーティング形成の歩留まりが悪くなる。更に、各素子の微細構造が互いに干渉しあったり、製造プロセスが干渉するために複雑なマスキングが必要になる。これらのことから、方式３のように、三つの部品を個別実装したいという要求がある。
本発明の課題は、半導体レーザ光源、グレーティング素子および光伝送素子を個別実装するのに際して、グレーティング素子と光伝送素子との実装時の裕度を広げることにより、実装時の生産性を改善することである。
また、本発明の課題は、半導体レーザ光源、グレーティング素子および光伝送素子を個別実装するのに際して、グレーティング素子と光伝送素子との実装時のアライメントの生産性を改善することである。
本発明は、半導体レーザ光源、グレーティング素子および光伝送素子を備える光学デバイスであって、
前記グレーティング素子が、半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射面を有するリッジ型光導波路、および前記リッジ型光導波路内に形成されたブラッググレーティングを備えており、
前記光伝送素子が、前記リッジ型光導波路からの出射光が入射する入射面を有する光伝送部を備えており、
前記光伝送部の前記入射面における水平方向のニアフィールド径が、前記リッジ型光導波路の前記出射面における水平方向のニアフィールド径よりも大きいことを特徴とする。
また、本発明は、半導体レーザ光源、グレーティング素子および光伝送素子を備える光学デバイスであって、
前記グレーティング素子が、半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射面を有するリッジ型光導波路、および前記リッジ型光導波路内に形成されたブラッググレーティングを備えており、
前記光伝送素子が、前記リッジ型光導波路からの出射光が入射する入射面を有する光伝送部を備えており、
前記リッジ型光導波路が、前記ブラッググレーティングと前記出射面との間に出射側伝搬部を備えており、前記リッジ型光導波路の前記出射面における幅が前記ブラッググレーティングにおける幅よりも大きいことを特徴とする。
また、本発明は、半導体レーザ光源、グレーティング素子および光伝送素子を備える光学デバイスを製造する方法であって、
前記グレーティング素子が、前記半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射面を有するリッジ型光導波路、および前記リッジ型光導波路内に形成されたブラッググレーティングを備えており、
前記光伝送素子が、前記リッジ型光導波路からの出射光が入射する入射面を有する光伝送部を備えており、
複数の前記光伝送部を有する第一の母材を製造する工程、
複数の前記リッジ型光導波路を有する第二の母材を製造する工程、
前記第一の母材を加工することによって、前記第二の母材を実装するための実装面を形成する工程、
前記第二の母材を前記実装面に実装して複合体を得、この際前記リッジ型光導波路の前記出射面を前記光伝送部の前記入射面にアライメントする工程、および
前記複合体を切断することによって前記光学デバイスを得る工程
を有する。
また、本発明は、半導体レーザ光源、グレーティング素子および光伝送素子を備える光学デバイスを製造する方法であって、
前記グレーティング素子が、前記半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射面を有するリッジ型光導波路、および前記リッジ型光導波路内に形成されたブラッググレーティングを備えており、
前記光伝送素子が、前記リッジ型光導波路からの出射光が入射する入射面を有する光伝送部を備えており、
複数の前記光伝送部を有する第一の母材を製造する工程、
複数の前記リッジ型光導波路を有する第二の母材を製造する工程、
前記第一の母材と前記第二の母材とを接合して複合体を得、この際前記リッジ型光導波路の前記出射面を前記光伝送部の前記入射面にアライメントする工程、および
前記複合体を切断することによって前記光学デバイスを得る工程を有する。
本発明によれば、半導体レーザ光源、グレーティング素子および光伝送素子を個別実装するのに際して、グレーティング素子と光伝送素子との実装時の裕度を広げることにより、実装時の生産性を改善することができる。
また、本発明によれば、半導体レーザ光源、グレーティング素子および光伝送素子を個別実装するのに際して、グレーティング素子と光伝送素子との実装時のアライメントの生産性を改善することができる。
光学デバイスを模式的に示す平面図である。 光学デバイスを模式的に示す平面図である。 光学デバイスを模式的に示す平面図である。 光学デバイスを模式的に示す平面図である。 図１の光学デバイスのうち光源とグレーティング素子とを模式的に示す側面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、グレーティング素子の模式的断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、グレーティング素子の横断面形状を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、グレーティング素子の横断面形状を示す模式図である。 従来例によるモードホップの形態を説明する図である。 従来例によるモードホップの形態を説明する図である。 好適な実施形態における、離散的な位相条件例を示す。 好適な形態におけるレーザ発振条件を説明するための概念図である。 （ａ）は、好適例の光学デバイス３０Ａを模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、光学デバイス３０Ａを模式的に示す側面図である。 （ａ）は、好適例の光学デバイス３０Ｂを模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、光学デバイス３０Ｂを模式的に示す側面図である。 （ａ）は、好適例の光学デバイスを模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、光学デバイスを模式的に示す側面図である。 （ａ）は、複数の光導波路１１を形成した母材を示し、（ｂ）は、母材を加工した状態を示す。 複数のリッジ型光導波路およびブラッググレーティングを形成した母材を示す。 第二の母材を第一の母材の実装面に実装して複合体を得た状態を示す。 図１８の複合体を切断して得られた光学デバイスチップを示す。 （ａ）は、複数の光導波路１１を有する母材を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、複数のリッジ型光導波路５を有する母材を模式的に示す斜視図である。 母材を接合して得られた複合体を示す斜視図である。 図２１の複合体を切断して得られた光学デバイスチップを示す。
図１，図５に模式的に示す光学デバイスは、半導体レーザ光を発振する光源１と、グレーティング素子３と、光伝送素子１０とを備えている。本例では、光伝送素子１０として光導波路素子を使用していきるが、光伝送素子の光導波路を光ファイバに変更できる。
光源１とグレーティング素子３とは、図示しない共通基板上に実装されていてよい。また、グレーティング素子３と光伝送素子１０とは、図示しない別体の基板上に実装されていてよい。
光源１は、半導体レーザ光を発振する活性層２を備えている。活性層２の外側端面２ａには、図５に示す反射膜１４を設けることもできる。活性層２のグレーティング素子側の端面には、図５に示す無反射膜または反射膜１５Ａを形成することもできる。
グレーティング素子３には、半導体レーザ光Ａが入射する入射面５ａと所望波長の出射光Ｂを出射する出射面５ｂを有するリッジ型光導波路５が設けられている。光導波路５内には、ブラッググレーティング６が形成されている。光導波路５の入射面５ａとブラッググレーティング６との間には、回折格子のない入射側伝搬部７が設けられており、入射側伝搬部７が活性層５と間隙１７を介して対向している。光導波路５の入射面５ａ側には、無反射膜または反射膜１５Ｂが設けられていてよく、出射面５ｂ側に
は、無反射膜または反射膜１５Ｃが設けられていて良い。
無反射層１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ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。この場合、光源１は単独でレーザ発振ができるものといえる。
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２の端面における反射率よりも大きくする方が好ましい。これによりもともとの半導体レーザの共振器で得られるゲインよりもグレーティングによる共振器で得られるゲインの方が大きくなり、グレーティングによる共振器で安定なレーザ発振が可能となる。
本例では、光導波路５の出射面５ｂとブラッググレーティング６との間に、回折格子のない出射側伝搬部８が設けられている。出射側伝搬部８は、光伝送素子１０の光導波路１１の入射面１２と対向している。１３は、光導波路１１の出射面である。
本例では、出射側伝搬部８は、ブラッググレーティング６の末端から連続する連結部８ａ、光導波路の出射面に連続する出射部８ｃ、および連結部と出射部との間に設けられたテーパ部８ｂを備えている。そして、出射面５ｂにおける光導波路の幅Ｗｏｕｔが、ブラッググレーティング６における光導波路の幅Ｗｇｒよりも大きくなっている。また、出射側伝搬部８が、光導波路の幅Ｗｍがブラッググレーティング側から出射面側へと向かって大きくなるテーパ部８ｂを含む。なお、本例では、連結部８ａにおける光導波路の幅はＷｇｒであってかつ一定であり、出射部８ｃにおける光導波路の幅Ｗｏｕｔも一定である。また、Ｗｍは、連結部８ａとの境界で最小値Ｗｇｒとなり、出射部８ｃとの境界で最大値Ｗｏｕｔとなる。
ブラッググレーティングにおける光導波路の幅Ｗｇｒは、半導体レーザ光源との結合効率を高めるために、レーザのニアフィールドパターンと同等になるように設定する。半導体レーザのニアフィールドの水平方向の大きさは、例えば２μｍから７μｍになっていることがある。この場合、光導波路の幅Ｗｇｒは２μｍから７μｍに設定している。
ここで、本実施形態では、出射側伝搬部の出射面における光導波路幅Ｗｏｕｔを相対的に大きくすることによって、出射面における光ビームのモードフィールドのニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔを大きくすることができる。この結果、グレーティング素子から出射する光ビーム密度を下げ、この出射光が光伝送素子に結合する際の水平方向の寸法の裕度を向上させることができる。これによって、グレーティング素子と光伝送素子とを光学的に組み付ける際の生産性が著しく向上する。
本例では、光伝送素子の光伝送部、例えば光導波路１１の入射面１２におけるモードフィールドパターンのニアフィールド径（水平方向（Ｄｉｎ）を、光導波路５の出射面における光ビームのモードフィールドのニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔよりも大きくしている。これによって、アライメント時の光軸ズレに対する裕度が一層向上する。
ただし、光伝送部１１の入射部１１ａにおけるニアフィールド径Ｄｉｎを大きくしてアライメント時の光軸ズレに対する裕度を向上させた場合、光伝送素子から外部に出射するときのニアフィールド径が大きくなりすぎることがある。この場合には、本例のように、よりニアフィールド径Ｄｏｕｔの小さい出射部１１ｃを設けることができる。この場合、入射部１１ａと出射部１１ｃとの間に、ニアフィールド径が徐々に小さくなるテーパ部１１ｂを設けることが、損失低減の観点からは好ましい。
図２の光学デバイスは、図１の光学デバイスとほぼ同様のものであるが、ただしリッジ型光導波路５Ａの形態が異なる。
すなわち、光導波路５Ａ内には、ブラッググレーティング６が形成されている。光導波路５Ａの入射面５ａとブラッググレーティング６との間には、回折格子のない入射側伝搬部７Ａが設けられており、入射側伝搬部７Ａが活性層２と間隙１７を介して対向している。光導波路５の出射面５ｂとブラッググレーティング６との間に、回折格子のない出射側伝搬部８Ａが設けられている。出射側伝搬部８Ａは、光伝送素子１０の光導波路１１の入射面１２と対向している。
本例では、出射側伝搬部８Ａは、ブラッググレーティング６の末端から連続する連結部８ａ、光導波路の出射面に連続する出射部８ｄを備えている。そして、出射面５ｂにおける光導波路の幅Ｗｏｕｔが、ブラッググレーティング６における光導波路の幅Ｗｇｒよりも大きくなっている。また、出射部８ｄにおいては、光導波路の幅Ｗｍがブラッググレーティング側から出射面側へと向かって大きくなる。本例では、連結部８ａにおける光導波路の幅はＷｇｒであってかつ一定である。Ｗｍは、連結部８ａとの境界で最小値Ｗｇｒとなり、出射面において最大値Ｗｏｕｔとなる。
ここで、本実施形態では、出射側伝搬部の出射面５ｂにおける光導波路幅Ｗｏｕｔを相対的に大きくすることによって、出射面における光ビームのモードフィールドのニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔを大きくする。同時に、光伝送素子の光伝送部、例えば光導波路１１の入射面１２におけるモードフィールドパターンのニアフィールド径（水平方向）Ｄｉｎを、出射面における光ビームのモードフィールドのニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔよりも大きくしている。
また、本例では、入射側伝搬部７Ａは、ブラッググレーティング６の末端から連続する連結部７ｃ、光源と対向する入射部７ａ、および連結部と入射部との間に設けられたテーパ部７ｂを備えている。そして、入射面５ａにおける光導波路の幅Ｗｉｎが、ブラッググレーティング６における光導波路の幅Ｗｇｒよりも大きくなっている。また、テーパ部７ｂにおいては、光導波路の幅が、入射部７ａから連結部７ｃへと向かって徐々に小さくなっている。
こうした構造の入射側伝搬部によって、ブラッググレーティングにおけるシングルモード伝搬を確保しつつ、光源の活性層とグレーティング素子の入射面５ａとの間のアライメント時の光軸ずれに対する裕度を改善することができる。
図３の光学デバイスは、図１の光学デバイスとほぼ同様のものであるが、ただしリッジ型光導波路５Ｂおよび光伝送部１１Ａの形態が異なる。
すなわち、光導波路５Ｂ内には、ブラッググレーティング６が形成されている。光導波路５の入射面５ａとブラッググレーティング６との間には、回折格子のない入射側伝搬部７が設けられている。光導波路５の出射面５ｂとブラッググレーティング６との間に、回折格子のない出射側伝搬部８Ｂが設けられている。
本例では、出射側伝搬部８Ｂは、ブラッググレーティング６の末端から連続する連結部８ａ、出射面５ｂを有する出射部８ｆ、および連結部８ａと出射部８ｆとの間の連結部８ｅを備えている。そして、出射面５ｂにおける光導波路の幅Ｗｏｕｔが、ブラッググレーティング６における光導波路の幅Ｗｇｒよりも小さくなっている。また、テーパ部８ｅにおいては、光導波路の幅Ｗｍがブラッググレーティング側から出射面側へと向かって徐々に小さくなっている。本例では、連結部８ａにおける光導波路の幅はＷｇｒであってかつ一定である。Ｗｍは、連結部８ａとの境界で最大値Ｗｇｒとなり、出射部８ｆとの境界において最小値Ｗｏｕｔとなる。
また、本例では、光伝送素子の光伝送部１１Ａの入射面１２におけるモードフィールドパターンのニアフィールド径（水平方向）Ｄｉｎを、光導波路５Ｂの出射面における光ビームのモードフィールドのニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔよりも大きくしている。これによって、アライメント時の光軸ズレに対する裕度が一層向上する。更に、よりニアフィールド径Ｄｏｕｔの小さい出射部１１ｃを設けることができる。この場合、入射部１１ａと出射部１１ｃとの間に、ニアフィールド径が徐々に小さくなるテーパ部１１ｂを設けることが、損失低減の観点からは好ましい。
図４の光学デバイスは、図１に示したデバイスと同様のものであるが、入射側伝搬部７Ａおよび出射側伝搬部８Ａの形態が異なる。入射側伝搬部７Ａの形態は、図２に示したものと同じである。一方、出射側伝搬部８Ａの形態は、図２に示したものと同じである。
また、光伝送素子１０の光伝送部１１Ａの形態は、図３に示したものと同様である。ただし、本例では、光伝送素子の光伝送部１１Ａの入射面１２におけるモードフィールドパターンのニアフィールド径（水平方向）Ｄｉｎを、光導波路５Ｃの出射面における光ビームのモードフィールドのニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔよりも小さくしている。しかし、この場合にも、Ｂｏｕｔを十分に大きくすれば、アライメント時の光軸ズレに対する裕度を向上させることができる。
以下、リッジ型光導波路の断面構造について例示する。
図６（ａ）に示す例では、基板２９上に下側バッファ層２０を介して光学材料層４が形成されている。光学材料層４には例えば一対のリッジ溝２２が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型の光導波路５が形成されている。下側バッファ層２０および雰囲気がクラッドとして機能する。この場合、ブラッググレーティングは光学材料層の平坦面側に形成していてもよく、リッジ溝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平坦面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とを光学材料層の反対側に設けることが好ましい。
本例のように、雰囲気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６（ｂ）の例では、光学材料層４上に、クラッドとして機能する上側バッファ層２６を形成している。
また、図６（ｃ）の例では、基板２９上に下側バッファ層２０を介して光学材料層４が形成されている。光学材料層４には例えば一対のリッジ溝２２が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型の光導波路５が形成されている。本例ではリッジ溝２２が下側バッファ層側に形成されている。そして、光学材料層４上に上側バッファ層２６が形成されている。
下側バッファ層と基板との間には接着層を設けることができる。
好適な実施形態においては、リッジ型光導波路が、光学材料からなるコアからなり、コアの周りをクラッドが包囲している。このコアの横断面（光の伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は凸図形となるようにする。
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。凸図形は、一般的な幾何学用語である。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。
たとえば図７（ａ）に示す素子３９Ａでは、基板２９上に下側バッファ層２０を介して、光学材料よりなるコアからなる光導波路３１が形成されている。この光導波路３１の下側には、クラッドとして機能する下側バッファ層２０が存在している。光導波路３１の側面および上面には上側バッファ層が設けられていない。このため、光導波路３１の側面および上面は雰囲気に露出しており、雰囲気がクラッドとして機能する。光導波路３１の横断面形状は台形であり、上面３１ａが下面３１ｂよりも狭い。なお、バッファ層２０と支持基板２９との間に接着層を形成することもできる。
図７（ｂ）に示す素子３９Ｂでは、基板２９上にバッファ層３２内が設けられており、バッファ層３２内に、光学材料よりなるコアからなる光導波路３２が埋設されている。バッファ層３２は、光導波路の上面を被覆する上面被覆部３２ｂ、光導波路の側面を被覆する側面被覆部３２ｃおよび光導波路の底面を被覆する底面被覆部３２ａを有する。
図７（ｃ）に示す素子３９Ｃでは、基板２９上にバッファ層３２内が設けられており、バッファ層３２内に、光学材料よりなるコアからなる光導波路３１Ａが埋設されている。バッファ層３２は、光導波路の上面を被覆する上面被覆部３２ｂ、光導波路の側面を被覆する側面被覆部３２ｃおよび光導波路の底面を被覆する底面被覆部３２ａを有する。
また、図８（ａ）に示す素子３９Ｄでは、基板２９上に下側バッファ層２０を介して、光学材料よりなるコアからなる光導波路３１が形成されている。光導波路３１の側面および上面３１ａには、やはりクラッドとして機能する上側バッファ層３３が形成され、光導波路３１を被覆している。上側バッファ層３３は、光導波路３１の側面を被覆する側面被覆部３１ｂおよび上面を被覆する上面被覆部３１ａを有する。
また、図８（ｂ）に示す素子３９Ｅでは、光学材料よりなるコアからなる光導波路３１Ａが形成されている。光導波路３１Ａの横断面形状は台形であり、下面が上面よりも狭い。上側クラッド層３３は、光導波路３１Ａの側面を被覆する側面被覆部３３ｂおよび上面を被覆する上面被覆部３３ａを有する。
なお、例えば図６〜図８に示すように、光導波路の幅Ｗは、横断面において光導波路の幅の最小値を意味する。光導波路の形状が上面が狭い台形の場合には、光導波路の幅Ｗは上面の幅であり、光導波路の形状が下面が狭い台形の場合には、光導波路の幅Ｗは下面の幅である。なお、Ｗは、Ｗｉｎ、Ｗｏｕｔ、Ｗｇｒを包含する概念である。また、Ｔｓは光導波路（層）の厚さである。
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。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ（ＳＯＡ）であってもよい。また、活性層の材質や波長も適宜選択できる。
なお、半導体レーザとグレーティング素子との組み合わせでパワー安定化を行う方法は、下記に開示されている。
（非特許文献３： 古河電工時報 平成12年1月 第105号 p24-29）
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。
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。
光導波路中には、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４は、支持基板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４は支持基板に直接形成されており、上述した接着層は存在しない。
支持基板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、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム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、接着固定でも直接接合でもよく、支持基板上に成膜して形成してもよい。
本発明の観点からは、出射面における光導波路の幅Ｗｏｕｔは、５μｍ以上が好ましく、７μｍ以上が更に好ましく、１０μｍ以上が最もよい。また、Ｗｏｕｔは、２０μｍ以下が好ましい。また、Ｗｏｕｔ／Ｗｇｒは、１．６以上が好ましく、２．５以上が更に好ましい。一方、Ｗｏｕｔ／Ｗｇｒは、７以下が好ましい。
本発明の観点からは、出射面におけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔは、５μｍ以上が好ましく、７μｍ以上が更に好ましく、１０μｍ以上が最もよい。また、Ｂｏｕｔは、２０μｍ以下が好ましい。
本発明の観点からは、光伝送部におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｉｎは、５μｍ以上が好ましく、７μｍ以上が更に好ましい。
Ｄｉｎ／Ｗｏｕｔは、グレーティング素子からの出射光を光伝送素子１０に結合させるという観点からは、１．１以上が好ましく、１．２以上が更に好ましい。
一方、たとえば図４に示すように、出射側伝搬部８Ａの出射面５ｂにおける光導波路幅Ｗｏｕｔをブラッググレーティングにおける光導波路幅Ｗｇｒよりも大きくする実施形態においては、Ｄｉｎ／Ｗｏｕｔは、０．９以下が好ましく、また、０．８３以上が好ましい。
本発明の観点からは、グレーティング素子の出射面におけるニアフィールド径（垂直方向）は、大きいほど好ましく、０．５μｍ以上が好ましく、１μｍ以上が更に好ましい。また、グレーティング素子の出射面におけるニアフィールド径（垂直方向）は、５μｍ以下が好ましい。
本発明の観点からは、光伝送部におけるニアフィールド径（垂直方向）は、０．１μｍ以上が好ましく、０．５μｍ以上が更に好ましい。光伝送部におけるニアフィールド径（垂直方向）／グレーティング素子の出射面におけるニアフィールド径（垂直方向）は、１．１以上が好ましく、１．２以上が更に好ましい。
レーザ光の水平方向、垂直方向のニアフィールド径は、以下のようにして測定する。
レーザ光の光強度分布を測定して、その強度分布が最大値（通常はコアの中心部分に相当）に対して1/e2（eは自然対数の底: 2.71828）になるところの幅のことを、一般的に、ニアフィールド径と定義する。レーザ光の場合、ニアフィールドはレーザ素子の水平方向と垂直方向で大きさが異なるために、それぞれ定義する。光ファイバのように同心円である場合には直径として定義される。
光強度分布の測定は、一般的に近赤外カメラを利用したビームプロファイル測定やナイフエッジによる光強度測定によりレーザ光のスポットの光強度分布を得ることができる。
光源とグレーティング素子との光軸合わせ時の位置ズレに対する裕度を向上させるという観点からは、グレーティング素子のリッジ型光導波路の入射面におけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｉｎは、４μｍ以上とすることが好ましく、６μｍ以上とすることが更に好ましい。
半導体レーザとの結合の観点からは、ブラッググレーティングにおける光導波路の幅Ｗｇｒは、２μｍ以上が好ましく、２．５μｍ以上が更に好ましい。また、同様の理由から、ブラッググレーティングにおける光導波路の幅Ｗｇｒは、７μｍ以下が好ましく、６．５μｍ以下が更に好ましい。
半導体レーザとの結合トレランスを向上するために、グレーティング素子の光導波路の入力部にテーパ構造を設けることで光導波路の入射部における幅を広げることができる。この場合には、グレーティングにおける光導波路幅を更に小さくしても、光源との結合効率を保持することができるので、ブラッググレーティングにおける光導波路の幅Ｗｇｒはシングルモード性の観点で１μｍ以上としてもよい。このようにすることにより、波長安定性が向上しパワー安定性を向上させることが可能となる。
光伝送素子は、光導波路素子であってよく、光ファイバアレイであってよい。この光伝送素子は、第二高調波発生素子などの高調波発生素子であってよく、また光変調素子、偏光素子、光増幅器、光遅延素子、光メモリ、等の光制御素子であってよい。
以下、本発明のデバイスの好適な実施形態について更に述べる。
グレーティング素子に関して、一般的に、ファイバグレーティングを使用する場合に、石英は屈折率の温度係数が小さいのでdλG／dTが小さく、｜dλG／dT―dλTM／dT｜が大きくなる。このためモードホップがおこる温度域△Tが小さくなってしまう傾向がある。
このため、好適な実施形態においては、グレーティングが形成される導波路基板の屈折率が１．７以上、好ましくは１．８以上の材料を使用する。これにより屈折率の温度係数を大きくでき、dλG／dTが大きくできるので、｜dλG／dT―dλTM／dT｜を小さくでき、モードホップがおこる温度域△Tを大きくできる。
そして、好適な実施形態においては、これを前提として、当業者の常識に反して、ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λGを大きめに設定する。その上で、モードホップが起こりにくいようにするために、位相条件を満足する波長間隔（縦モード間隔）を大きくする必要がある。このため、共振器長を短くする必要があるので、ブラッググレーティングの長さＬｂを３００μｍ以下と短くした。
その上で、ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さｔｄを２０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下の範囲内で調節することによって、△λGを０．８ｎｍ以上、６ｎｍ以下にすることができ、この△λGの範囲内に縦モードの数を２〜５に調節できる。すなわち、位相条件を満足する波長は離散的であり、△λGの中に縦モードの数が２以上、５以下存在しているときには、△λGの中でモードホップを繰り返し、この外にはずれることはない。このため大きなモードホップが起きないので、波長安定性を高くし、光パワー変動を抑制できる。
以下、図１２に示すような構成において、本実施形態の条件の意味について更に述べる。
ただし、数式は抽象的で理解しにくいので、最初に、従来技術の典型的な形態と本実施形態とを端的に比較し、本実施形態の特徴を述べる。次いで、本実施形態の各条件について述べていくこととする。
まず、半導体レーザの発振条件は、下式のようにゲイン条件×位相条件で決まる。
Figure 0006572209
ゲイン条件は、（2-1）式より下式となる。
Figure 0006572209
ただし、αa、αg、αwg、αgrは、それぞれ、活性層、半導体レーザと導波路間のギャップ、入力側のグレーティング未加工導波路部、グレーティング部の損失係数であり、La、Lg、Lwg、Lgrは、それぞれ、活性層、半導体レーザと導波路間のギャップ、入力側のグレーティング未加工導波路部、グレーティング部の長さであり、r1、r2は、ミラー反射率（r2はグレーティングの反射率）であり、Ｃoutは、グレーティング素子と光源との結合損失であり、ζt gthは、レーザ媒体のゲイン閾値であり、φ1は、レーザ側反射ミラーによる位相変化量であり、φ2は、グレーティング部での位相変化量である。
（2-2）式より、レーザ媒体のゲインζtgth（ゲイン閾値）が損失を上回れば、レーザ発振することを表す。レーザ媒体のゲインカーブ（波長依存性）は、半値全幅は50nm以上あり、ブロードな特性をもっている。また、損失部（右辺）は、グレーティングの反射率以外はほとんど波長依存性がないので、ゲイン条件はグレーティングにより決まる。このため、比較表では、ゲイン条件はグレーティングのみで考えることができる。
一方、位相条件は（2-1）式から、下式のようになる。ただし、φ1については零となる。
Figure 0006572209
外部共振器型レーザは、外部共振器として、石英系ガラス導波路、FBGを用いたものが製品化されている。従来の設計コンセプトは、図９と図１０に示すように、グレーティングの反射特性は△λG=0.2nm程度、反射率10%となっている。このことから、グレーティング部の長さは１ｍｍとなっている。一方、位相条件については、満足する波長は離散的になり、△λG内に、(2-3)式が2〜3点あるように設計されている。このため、レーザ媒体の活性層長さが長いものが必要になり、１ｍｍ以上のものが使用されている。
ガラス導波路やFBGの場合、λgの温度依存性は非常に小さく、dλG/dT＝0.01nm/℃程度となる。このことから、外部共振器型レーザは、波長安定性が高いという特徴をもつ。
しかし、位相条件を満足する波長の温度依存性は、これに比してdλs/dT＝0.05nm/℃と大きく、その差は0.04nm/℃となる。
一般的に、モードホップが起こる温度Tmhは、非特許文献１より下式のように考えることができる（Ta=Tfとして考える）。
ΔＧＴＭは、外部共振器レーザの位相条件を満足する波長間隔（縦モード間隔）である。
Figure 0006572209
これより従来の場合、Tmhは5℃程度となる。このためモードホップが起こりやすい。したがって、モードホップが起こってしまうと、グレーティングの反射特性に基づきパワーが変動し、５％以上変動することになる。
以上から、実動作において、従来のガラス導波路やFBGを利用した外部共振器型レーザは、ペルチェ素子を利用して温度制御を行っていた。
これに対し、本実施形態では、前提条件として(2-4)式の分母が小さくなるグレーティング素子を使用するものである。(2-4)式の分母は、0.03nm/℃以下にすることが好ましく、具体的な光学材料層としては、ガリウム砒素（GaAs）、ニオブ酸リチウム（LN）、タンタル酸リチウム（LT）、酸化タンタル（Ta2O5）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化アルミナ（Al2O3）が好ましい。
位相条件を満足する波長は、△λG内に５点以下存在していれば、モードホップが起こったとしても、安定なレーザ発振条件で動作が可能であることがわかった。
すなわち、本実施形態では、例えば、ニオブ酸リチウムのｚ軸の偏光を使用する場合に温度変化に対して、発振波長はグレーティングの温度特性に基づき0.１nm／℃で変化するが、モードホップは起こしてもパワー変動が起こりにくくすることが可能である。本願構造は、△λGを大きくするためにグレーティング長Lbは例えば100μｍとし、△ＧTMを大きくするためにLaは例えば250μｍとしている。
なお、特許文献１との相違についても補足する。
本願は、グレーティング波長の温度係数と半導体のゲインカーブの温度係数を近づけることを前提としている。このことから屈折率が１．７以上（好ましくは１．８以上）の材料を使用することとしている。さらにグレーティングの溝深さｔｄを２０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以上とし、反射率を３％以上、６０％以下で、かつその半値全幅△λGを０．８ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下としている。これらにより共振器構造をコンパクトにでき、かつ付加するものをなくして温度無依存性が実現できる。特許文献１では、各パラメータは以下のように記載されており、いずれも従来技術の範疇となっている。
△λG＝0.4nm
縦モード間隔△GTM＝0.2nm
グレーティング長Lb＝3mm
LD活性層長さLa＝600μｍ
伝搬部の長さ＝1.5mm
以下各条件について更に具体的に述べる。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ ・・・（３）
ｎｂ≧１．７ ・・・（４）
式（４）において、ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率ｎｂは１．７以上とする。
従来は石英などの、より屈折率の低い材料が一般的であったが、本発明の思想では、ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率を高くする。この理由は、屈折率が大きい材料は屈折率の温度変化が大きいからであり、（2-4）式のＴmhを大きくすることができ、さらに前述のようにグレーティングの温度係数dλG/dTを大きくできるからである。この観点からは、ｎｂは、１．８以上であることが好ましく、１．９以上であることが更に好ましい。また、ｎｂの上限は特にないが、グレーティングピッチが小さくなりすぎて形成が困難になることから４以下が好ましい。
ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λGを０．８ｎｍ以上とする（式１）。λＧはブラッグ波長である。すなわち、図９、図１０に示すように、横軸にブラッググレーティングによる反射波長をとり、縦軸に反射率をとったとき、反射率が最大となる波長をブラッグ波長とする。またブラッグ波長を中心とするピークにおいて、反射率がピークの半分になる二つの波長の差を半値全幅△λGとする。
ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λGを０．８ｎｍ以上とする（式（１））。これは、反射率ピークをブロードにするためである。この観点からは、半値全幅△λGを1.２ｎｍ以上とすることが好ましく、１.５ｎｍ以上とすることが更に好ましい。また、半値全幅△λGを６ｎｍ以下とするが、３ｎｍ以下とすることが更に好ましく、２ｎｍ以下とすることが好ましい。
複数の周期の異なるグレーティングを形成する場合は、合成したグレーティング反射特性の半値全幅△λＧｎが、２０ｎｍ以下であることが好ましい。
ブラッググレーティングの長さＬｂは３００μｍ以下とする（式２）。ブラッググレーティングの長さＬｂは、光導波路を伝搬する光の光軸の方向におけるグレーティング長である。ブラッググレーティングの長さＬｂを３００μｍ以下と従来に比べて短くすることは、本実施形態における設計思想の前提となる。すなわち、モードホップをしにくくするために位相条件を満足する波長間隔（縦モード間隔）を大きくする必要がある。このためには、共振器長を短くする必要がありグレーティング素子の長さを短くする。この観点からは、ブラッググレーティングの長さＬｂを２００μｍ以下とすることがいっそう好ましい。
グレーティング素子の長さを短くすることは、損失を小さくすることになりレーザ発振の閾値を低減できる。この結果、低電流、低発熱、低エネルギーで駆動が可能となる。
また、グレーティングの長さＬｂは、３％以上の反射率を得るためには、５μｍ以上が好ましく、５％以上の反射率を得るためには、１０μｍ以上が更に好ましい。
式（３）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さである。２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍとすることで、△λGを０．８ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下とすることができ、縦モードの数を△λGの中に２以上、５以下に調整することができる。こうした観点からは、ｔｄは、３０ｎｍ以上が更に好ましく、また、２００ｎｍ以下が更に好ましい。半値全幅を３ｎｍ以下とするには１５０ｎｍ以下が好ましい。
好適な実施形態においては、レーザ発振を促進するために、グレーティング素子の反射率は３％以上、４０％以下に設定することが好ましい。この反射率は、より出力パワーを安定させるために５％以上が更に好ましく、また、出力パワーを大きくするためには２５％以下が更に好ましい。
レーザ発振条件は、図１２に示すように、ゲイン条件と位相条件から成立する。位相条件を満足する波長は離散的であり、たとえば図１１に示される。すなわち、本構造ではゲインカーブの温度係数（GaAsの場合０．３ｎｍ／℃）とグレーティングの温度係数dλG/dTを近づけることにより、発振波長を△λGの中に固定することができる。さらに△λGの中に縦モードの数が２以上、５以下存在するときには、発振波長は△λGの中でモードホップを繰り返し、△λGの外でレーザ発振する確率を低減できることから大きなモードホップが起こることがなく、さらに波長が安定で、出力パワーが安定に動作できる。
好適な実施形態においては、活性層の長さＬａも５００μｍ以下とする。この観点からは、活性層の長さＬａを３００μｍ以下とすることが更に好ましい。また、レーザの出力を大きくするという観点では活性層の長さＬａは、１５０μｍ以上とすることが好ましい。
Figure 0006572209
 式（６）において、dλG／ｄＴは、ブラッグ波長の温度係数である。
また、dλＴＭ／ｄＴは、外部共振器レーザの位相条件を満足する波長の温度係数である。
ここで、λＴＭは、外部共振器レーザの位相条件を満足する波長であり、つまり前述した（2.3式）の位相条件を満足する波長である。これを本明細書では「縦モード」と呼ぶ。
以下、縦モードについて補足する。
（2.3）式の中のβ＝2πｎeff／λであり、ｎeffはその部の実効屈折率であり、これを満足するλがλTMとなる。φ2は、ブラッググレーティングの位相変化である。
△GTMは、外部共振器レーザの位相条件を満足する波長間隔（縦モード間隔）である。λTMは、複数存在するので、複数のλTMの差を意味する。
したがって、式（６）を満足することで、モードホップが起こる温度を高くし、事実上モードホップを抑制することができる。式（６）の数値は、0.０25以下とすることが更に好ましい。
好適な実施形態においては、グレーティング素子の長さＬＷＧも６００μｍ以下とする。ＬＷＧは４００μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下が更に好ましい。また、ＬＷＧは５０μｍ以上が好ましい。
好適な実施形態においては、光源の出射面と光導波路の入射面との距離Ｌｇは、1μｍ以上、１０μｍ以下とする。これによって安定した発振が可能となる。ただし、入射側伝搬部は設けなくとも良い。
次いで、光学デバイスの製造方法について更に述べる。
好適な実施形態においては、グレーティング素子および光伝送素子を実装する共通基板を備えている。図１３のデバイスは、この実施形態に係るものである。図１３（ａ）は、デバイス３０Ａを模式的に示す平面図であり、図１３（ｂ）は、デバイス３０Ａを示す側面図である。
光源１は実装基板３１上に実装されている。また、別体の実装基板３２上には、光伝送素子１０が実装されている。これと共に、実装基板３２には加工によって段差部Ｓおよび実装面３２ａが形成されており、この実装面３２ａ上にグレーティング素子３が実装されている。実装基板３１と実装基板３２とは接着、はんだ等によって一体化されている。２４、３６は上側バッファ層である。
また、好適な実施形態においては、グレーティング素子を実装する基板と光伝送素子を実装する基板とが別体である。図１４のデバイスは、この実施形態に係るものである。図１４（ａ）は、デバイス３０Ｂを模式的に示す平面図であり、図１４（ｂ）は、デバイス３０Ｂを示す側面図である。
光源１は実装基板３１上に実装されている。また、別体の実装基板３５上には、光伝送素子１０が実装されている。これと共に、別体の実装基板２９上にはグレーティング素子３が実装されている。本例の実装基板２９は支持基板を兼ねている。実装基板３１と実装基板２９とは接着、はんだ等によって一体化されており、実装基板２９と３５とは接着等によって一体化されている。
図１５（ａ）は、他の光学デバイス３０Ｃを模式的に示す平面図であり、図１５（ｂ）は光学デバイス３０Ｃの側面図である。光源１は実装基板３１上に実装されている。また、別体の実装基板４３上には、光伝送素子４０が実装されている。本例の光伝送素子４０には光ファイバ４１が固定されている。また、実装基板４３には加工によって段差部Ｓおよび実装面４３ａが形成されており、この実装面４３ａ上にグレーティング素子３が実装されている。光ファイバ４２はリッジ型光導波路に対して光軸合わせされている。実装基板４３上には上側クラッド基板５０が更に接合されている。また、実装基板４３と実装基板３２とは接着、はんだ等によって一体化されている。
好適な実施形態においては、光伝送素子を実装する基板の幅とグレーティング素子の幅とが同じである。これによって、光伝送素子を実装する実装基板の外形に対してグレーティング素子の外形を合わせてアライメントすることが可能となる。
好適な実施形態においては、グレーティング素子と光伝送素子とをアライメントするためのマーキングがされている。すなわち、図１３〜図１５においては、グレーティング素子側のマーキング３３と光伝送素子側のマーキング３４とが形成されており、各マーキングを位置合わせすることによってアライメントを行う。
図１６〜図１９は、本発明製法の第一実施形態に係るものである。
まず、図１６（ａ）に示すように、複数の光伝送部１１を有する第一の母材５５を製造する。本例では、支持基板４５上に基板４６Ａを形成しており、基板４６Ａ上に所定の光伝送部１１が形成されている。また、本例では上側クラッド３６Ａによって光伝送部１１を被覆している。図１６（ａ）では、複数の光伝送部１１が一列配列されているが、複数の光伝送部１１を縦横に二次元的に配列したウエハーであってもよい。
第一の母材を加工することによって、第二の母材を実装するための実装面を形成する。すなわち、図１６（ｂ）に示すように、母材を加工することによって、母材５５Ａに段差部Ｓおよび実装面３２ａを形成する。
また、複数のリッジ型光導波路を有する第二の母材を製造する。すなわち、図１７に示す例では、支持基板２９Ａ上に複数のリッジ型光導波路５およびリッジ溝２２が形成されている。このリッジ型光導波路内には所定のブラッググレーティングが形成されている。なお、本例では、第二の母材には、複数のリッジ型光導波路５が一列に配列されている。２４Ａは上側バッファ層である。
次いで、第二の母材５６を第一の母材５５Ａの実装面に実装して複合体６１Ａを得る。すなわち、図１８に示すように、第二の母材を第一の母材Ｓの段差部に収容し、実装面上に実装して一体化する。この際、リッジ型光導波路５の出射面を光伝送部の入射面にアライメントする。こうして得られた複合体を点線Ｘに沿って切断し、図１９に示すような光学デバイスのチップ３０Ａを得ることができる。
なお、本例では、第二の母材５６においてはリッジ型光導波路が一列に一次元的に配列されている。一方、第一の母材５５Ａにおいては、光伝送部が一列に一次元的に配列されていてよい。あるいは、一つの第一の母材５５Ａに複数個の段差部および実装面を加工によって形成したあと、複数個の段差部および実装面にそれぞれ別体の第二の母材５６を実装することもできる。
図２０〜図２２は、本発明製法の第二形態に係るものである。
まず、複数の光伝送部を有する第一の母材を製造する。すなわち、図２０（ａ）に示すように、基板３５Ａ上に複数の光伝送部１１を有する第一の母材５５Ｂを製造する。この時点では、最初にウエハーに多数の光伝送部１１を縦横に二次元的に形成したあと、ウエハーを切断することで、複数の光伝送部１１が一列に一次元的に配列された母材を得る。３６Ａは上側バッファ層であるが、上側バッファ層は設けなくともよい。
また、複数のリッジ型光導波路を有する第二の母材を製造する。すなわち、図２０（ｂ）に示すように、支持基板２９Ａ上に複数のリッジ型光導波路５を一列、一次元的に配列する。この時点では、最初にウエハーに多数の光導波路５を縦横に二次元的に形成したあと、ウエハーを切断することで、複数の光導波路５が一列に一次元的に配列された母材５６Ａを得る。
次いで、第一の母材と第二の母材とを接合して複合体を得る。この際、リッジ型光導波路の出射面を光伝送部の入射面にアライメントする。すなわち、図２１に示すように、第一の母材５５Ｂの支持基板３５Ａと第二の母材５６Ａの支持基板２９Ａとを接合し、一体化する。このとき、各リッジ型光導波路の出射面と各光伝送部の入射面とのアライメントを行う。次いで、点線Ｘに沿って複合体６１Ｂを切断することによって、図２２に示すような光学デバイスチップ３０Ｂを得る。
（実施例１）
図１および図５を参照しつつ説明した光学デバイスを製造した。デバイスの横断面構造は図６（ａ）に示すものとした。
具体的には、石英からなる支持基板２９にスパッタ装置にてＳｉＯ２からなる下側バッファ層２０を１μｍ成膜し、さらにTa2O5からなる光学材料層４を２μｍ成膜した。次いで、光学材料層４上にＴｉを成膜して、フォトリソグラフィ技術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Λ205.4nm、長さLb ２５μｍのブラッググレーティング６を形成した。グレーティングの溝深さｔｄは１００ｎｍとした。
次いで、光導波路のパターンをフォトリソグラフィ技術にてパターニングして反応性イオンエッチングにより、リッジ溝およびリッジ型光導波路を形成した。光導波路の入射面からブラッググレーティング６までの長さＬｍは２５μｍとした。リッジ溝の深さは１．２μｍである。その後、切断して端面を鏡面加工して、素子サイズを幅1mm、長さＬＷＧ100μmとした。両端面には単層のARコートを成膜した。
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TEモードの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。測定した素子の反射中心波長は８５０ｎｍであった。
次に、光導波路素子としてPPLN波長変換素子を下記のように製造した。
具体的には、ＭｇＯドープした５°オフカットのｙニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造を形成した。その後、周期ドメイン反転したニオブ酸リチウム基板表面に、SiO2からなる下側バッファ層をスパッタ成膜し、ブラックＬＮ基板に貼り合わせを行い、精密研磨加工により1μｍ厚とした。次に、光導波路を形成するために、Ta2O5上にＴｉを成膜して、ＥＢ描画装置により導波路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、上記と同様な方法で反応性イオンエッチングし、光導波路を形成した。エッチング溝の両サイドは光導波路を残してニオブ酸リチウムを完全に切り込むようにエッチングした。光導波路の厚さは１μｍである。最後に、上側クラッドとなるSiO2を光導波路を覆うように２μｍスパッタにて形成した。
ただし、グレーティング素子および波長変換素子の各パラメーターは以下のとおりとする。
光源活性層の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）： ５．０μｍ
入射面５ａにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｉｎ： ２．９μｍ
光導波路の入射面５ａにおける光導波路幅Ｗｉｎ： ３μｍ
グレーティング６における光導波路幅Ｗｇｒ： ３μｍ
光導波路の出射面５ｂにおける光導波路幅Ｗｏｕｔ： １５μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔ： １４．８μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（垂直方向）：１．９μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｉｎ：１９μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（垂直方向）：
０．９μｍ
光伝送部の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｏｕｔ： ２．９μｍ
上記のグレーティング素子と波長変換素子の軸ずれによる結合効率を評価するために別途波長変換素子を切断して、両端面を鏡面加工、ARコートを成膜した。結合効率は波長８５０ｎｍにて水平方向、垂直方向それぞれ調芯装置にて光量変動を測定した。
その結果、結合効率５０％以上を確保できる領域は水平方向にて±４．５μｍ、垂直方向では±０．４μｍであった。
次いで、図１、図５に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子は通常のＧａＡｓ系レーザを使用した。
光源素子仕様：
中心波長： ８４７nm
出力： 50mW
半値幅： 0.1nm
レーザ素子長 250μｍ
実装仕様：
Lg： 1μｍ
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、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８５０nmで発振し、出力はグレーティング素子がない場合よりも小さくなるが２７ｍＷのレーザ特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性とパワー変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。また導波路素子からの出力光のパワー変動は±１%以下であった。
また軸ずれトレランスが広いことは温度変化によって軸がずれても光量変化を抑制でき、パワー変動の小さい光源モジュールを実現することができる。
（実施例２）
実施例１と同様にして光学デバイスを作製した。
ただし、実施例１において、以下のパラメーターを採用した。
光源活性層の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）： ５．0μｍ
入射面５ａにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｉｎ：２．９μｍ
光導波路の入射面５ａにおける光導波路幅Ｗｉｎ： ３μｍ
グレーティング６における光導波路幅Ｗｇｒ： ３μｍ
光導波路の出射面５ｂにおける光導波路幅Ｗｏｕｔ： ６μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔ： ５．８μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（垂直方向）： １．９μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｉｎ： ９μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（垂直方向）：０．９μｍ
光伝送部の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｏｕｔ： ２．９μｍ
実施例１と同様にして、波長８５０ｎｍにて水平方向、垂直方向それぞれ調芯装置にて光量変動を測定した。
その結果、結合効率５０％以上を確保できる領域は水平方向にて±２μｍ、垂直方向では±０．３μｍであった。
次いで、実施例１と同様にして、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、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８５０nmで発振し、出力はグレーティング素子がない場合よりも小さくなるが２５ｍＷのレ
ーザ特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性とパワー変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。また導波路素子からの出力光のパワー変動は±３％以下であった。
（比較例１）
実施例１と同様にして光学デバイスを作製した。
ただし、実施例１において、以下のパラメーターを採用した。
光源活性層の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）： ５．０μｍ
入射面５ａにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｉｎ：２．９μｍ
光導波路の入射面５ａにおける光導波路幅Ｗｉｎ： ３μｍ
グレーティング６における光導波路幅Ｗｇｒ： ３μｍ
光導波路の出射面５ｂにおける光導波路幅Ｗｏｕｔ： ３μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔ： ２．９μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（垂直方向）： １．９μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｉｎ： １．９μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（垂直方向）： ０．９μｍ
光伝送部の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｏｕｔ： ２．９μｍ
実施例１と同様にして、波長８５０ｎｍにて水平方向、垂直方向それぞれ調芯装置にて光量変動を測定した。
その結果、結合効率５０％以上を確保できる領域は水平方向にて±1μｍ、垂直方向では±０．３μｍであった。
次いで、実施例１と同様にして、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、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８５０nmで発振し、出力は３０ｍＷであった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性とパワー変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。また導波路素子からの出力光のパワー変動は±１０％以下であった。
（実施例３）
実施例１と同様にして光学デバイスを作製した。
ただし、実施例１において、以下のパラメーターを採用した。
光源活性層の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）： ５．0μｍ
入射面５ａにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｉｎ： ２．９μｍ
光導波路の入射面５ａにおける光導波路幅Ｗｉｎ： ３μｍ
グレーティング６における光導波路幅Ｗｇｒ： ３μｍ
光導波路の出射面５ｂにおける光導波路幅Ｗｏｕｔ： ２０μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔ： １８．５μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（垂直方向）： １．９μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｉｎ： １４．７μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（垂直方向）：０．９μｍ
光伝送部の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｏｕｔ： ２．９μｍ
実施例１と同様にして、波長８５０ｎｍにて水平方向、垂直方向それぞれ調芯装置にて光量変動を測定した。
その結果、結合効率５０％以上を確保できる領域は水平方向にて±４．５μｍ、垂直方向では±０．４μｍであった。
次いで、実施例１と同様にして、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、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８５０nmで発振し、出力はグレーティング素子がない場合よりも小さくなるが２５ｍＷのレーザ特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性とパワー変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05ｎｍ／℃であった。また導波路素子からの出力光のパワー変動は±１％以下であった。
（実施例４）
実施例１と同様にして光学デバイスを作製した。
ただし、実施例１において、以下のパラメーターを採用した。
光源活性層の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）： ５．0μｍ
入射面５ａにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｉｎ： ２．９μｍ
光導波路の入射面５ａにおける光導波路幅Ｗｉｎ： ３μｍ
グレーティング６における光導波路幅Ｗｇｒ： ３μｍ
光導波路の出射面５ｂにおける光導波路幅Ｗｏｕｔ： ３μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔ： ２．９μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（垂直方向）： １．９μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｉｎ： ６．５μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（垂直方向）：０．９μｍ
光伝送部の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｏｕｔ： ２．９μｍ
実施例１と同様にして、波長８５０ｎｍにて水平方向、垂直方向にそれぞれ調芯装置にて光量変動を測定した。
その結果、結合効率５０％以上を確保できる領域は水平方向にて±１．３μｍ、垂直方向では±０．３μｍであった。
次いで、実施例１と同様にして、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、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８５０nmで発振し、出力はグレーティング素子がない場合よりも小さくなるが２５ｍＷのレーザ特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性とパワー変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05ｎｍ／℃であった。また導波路素子からの出力光のパワー変動は±６％以下であった。
（実施例５）
実施例１と同様にして、図４に示す光学デバイスを作製した。
ただし、実施例１において、以下のパラメーターを採用した。
光源活性層の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）： ５．0μｍ
入射面５ａにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｉｎ：６．５μｍ
光導波路の入射面５ａにおける光導波路幅Ｗｉｎ： ７μｍ
グレーティング６における光導波路幅Ｗｇｒ： ３μｍ
光導波路の出射面５ｂにおける光導波路幅Ｗｏｕｔ： ６μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（水平方向）Ｂｏｕｔ： ５．８μｍ
光導波路の出射面５ｂにおけるニアフィールド径（垂直方向）： １．９μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｉｎ： ３μｍ
光伝送部の入射面１２におけるニアフィールド径（垂直方向）：０．９μｍ
光伝送部の出射面におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄｏｕｔ： ２．９μｍ
実施例１と同様にして、波長８５０ｎｍにて水平方向、垂直方向それぞれ調芯装置にて光量変動を測定した。
その結果、グレーティング素子の光源側、光伝送部側それぞれに対して、結合効率５０％以上を確保できる領域は水平方向にて±２μｍ、垂直方向では±０．３μｍであった。
次いで、実施例１と同様にして、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、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８５０nmで発振し、出力はグレーティング素子がない場合よりも小さくなるが２５ｍＷのレーザ特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性とパワー変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。また導波路素子からの出力光のパワー変動は±１％以下であった。

Claims (9)

  1. 半導体レーザ光源、グレーティング素子および光伝送素子を備える光学デバイスであって、
    前記グレーティング素子が、半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射面を有するリッジ型光導波路、および前記リッジ型光導波路内に形成されたブラッググレーティングを備えており、
    前記光伝送素子が、前記リッジ型光導波路からの出射光が入射する入射面を有する光伝送部を備えており、
    前記リッジ型光導波路が、前記ブラッググレーティングと前記出射面との間に出射側伝搬部を備えており、前記リッジ型光導波路の前記出射面における幅が前記ブラッググレーティングにおける幅よりも大きく、
    前記光伝送部の前記入射面における水平方向のニアフィールド径が、前記リッジ型光導波路の前記出射面における水平方向のニアフィールド径よりも小さいことを特徴とする、光学デバイス。
  2. 前記リッジ型光導波路の前記出射面における前記出射光の波長が１μｍ以下であり、前記リッジ型光導波路の前記出射面における水平方向のニアフィールド径が１０μｍ以上である、請求項１記載のデバイス。
  3. 前記リッジ型光導波路の前記出射面における垂直方向のニアフィールド径が、前記光伝送部の前記入射面における垂直方向のニアフィールド径と異なる、請求項１または２記載のデバイス。
  4. 前記グレーティング素子および前記光伝送素子を実装する共通基板を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載のデバイス。
  5. 前記グレーティング素子を実装する基板と前記光伝送素子を実装する基板とを備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載のデバイス。
  6. 前記光伝送素子を実装する基板の幅と前記グレーティング素子の幅とが同じであることを特徴とする、請求項５記載のデバイス。
  7. 前記リッジ型光導波路の前記入射面における水平方向のニアフィールド径が前記光源の出射面における水平方向のニアフィールド径よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載のデバイス。
  8. 前記リッジ型光導波路の前記入射面における水平方向のリッジ幅Ｗｉｎが前記光源の出射面における水平方向のニアフィールド径よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載のデバイス。
  9. 前記グレーティング素子と前記光伝送素子とをアライメントするためのマーキングが、前記グレーティング素子および前記光伝送素子にそれぞれ設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載のデバイス。
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