JPWO2014208533A1 - ボリューム・ホログラム・グレーティング素子、光源デバイスおよび接続構造 - Google Patents
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Abstract
ボリューム・ホログラム・グレーティング素子において、コリメートレンズの必要性のない、コンパクトな実装構造を提供可能とする。ボリューム・ホログラム・グレーティング素子は、支持基板、支持基板上に形成された薄層であって、支持基板側の第一の主面と、支持基板とは反対側の第二の主面とを有する薄層、および薄層に形成されているチャンネル型光導波路を備える。光導波路にボリューム・ホログラム・グレーティングが形成されている。
Description
本発明は、ボリューム・ホログラム・グレーティング素子、光源デバイスおよび接続構造に関するものである。
ボリューム・ホログラム・グレーティング（以下、「ＶＨＧ」という）は、光誘起屈折率変化、光熱屈折率変化等を利用して、光干渉パターンをシリカガラスやケイ酸塩ガラスに転写し、周期的に屈折率変化した構造を恒久的に形成したものである。具体例として、Optigrate社が保有する高効率回折光学素子製造技術（特許文献１）では、シリカガラス（組成：Na2O-ZnO-Al2O3-SiO2）にセリウム、銀、フッ素をドープしたガラスに、光熱屈折率プロセス（Photo-Thermo-Refractive process：PTRプロセス）により、線形の感光性に基づいたボリューム・ホログラム・グレーティングを製造している。
ＶＨＧの製造について、前記シリカガラスは、波長355〜2000 nmで透過であり、325nm付近に光熱屈折率効果を誘起する吸収ピークをもつ。この波長帯のレーザとしてHe-Cdレーザがあり、平均出力35mWの干渉パターンをガラス面上に照射すると、銀イオンAg+が銀原子Ag0状態に変化することがプロセスの開始で、この状態は写真製作における『潜像：latent image』と類似している。この後、520℃で熱処理をすると微細結晶層の沈殿により、屈折率変化が生じ、ガラス全体にホログラフィックな位相パターン（屈折率変動パターン）が形成される。
ＶＨＧの応用として、外部共振器型レーザを構成する共振器として使用される。ここで、光源からＶＨＧに光を入射させるときには、コリメート光を入射する必要がある。入射光がコリメート光でないと、ある部分でしか反射しないので、スポットの真中が暗くなり、反射効率が悪くなる。いわゆるＶＨＧ−ＦＡＣレンズのように、コリメートレンズ中にＶＨＧを形成した特殊な構造も提案されている。しかし、レンズのサイズが大きくなり、共振器全体の長さ、幅が大きくなる。さらに、ＶＨＧはバルク結晶であるので、ＶＨＧからの出力光は１０μｍ以上となってしまうので、出力側に光導波路素子や光ファイバを結合する場合には集光する必要がありレンズが必須となる。このため、さらに大きくなるという問題が起こっていた。従って、ＶＨＧ素子において、コリメートレンズの必要性のない、コンパクトな外部共振器型レーザ、さらには、このレーザと光部品を実装したコンパクトなモジュールが望まれる。
本発明の課題は、ボリューム・ホログラム・グレーティング素子において、コリメートレンズの必要性のない、コンパクトな実装構造を提供可能とすることである。
本発明に係るボリューム・ホログラム・グレーティング素子は、
支持基板、
支持基板上に形成された薄層であって、支持基板側の第一の主面と、支持基板とは反対側の第二の主面とを有する薄層、および
薄層に形成されているチャンネル型光導波路を備えており、
チャンネル型光導波路にボリューム・ホログラム・グレーティングが形成されていることを特徴とする。
支持基板、
支持基板上に形成された薄層であって、支持基板側の第一の主面と、支持基板とは反対側の第二の主面とを有する薄層、および
薄層に形成されているチャンネル型光導波路を備えており、
チャンネル型光導波路にボリューム・ホログラム・グレーティングが形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、レーザ光を発振する光源、および前記ボリューム・ホログラム・グレーティング素子を備えており、前記光源と前記ボリューム・ホログラム・グレーティングとが外部共振器を構成することを特徴とする、光源デバイスに係るのである。
また、本発明は、前記ボリューム・ホログラム・グレーティング素子と、チャンネル型光導波路を有する光導波路素子との接続構造であって、
ボリューム・ホログラム・グレーティング素子のチャンネル型光導波路の出射面と、光導波路素子のチャンネル型光導波路とが光学的に結合されていることを特徴とする。
ボリューム・ホログラム・グレーティング素子のチャンネル型光導波路の出射面と、光導波路素子のチャンネル型光導波路とが光学的に結合されていることを特徴とする。
本発明によれば、ＶＨＧを形成する層と支持基板とを分離することで、ＶＨＧを形成する層を薄層とし、これによってＶＨＧを伝搬する光を層の厚み（縦）方向に向かって閉じ込める。これとともに、薄層内で基板水平（横）方向への光の閉じ込めをするためにチャンネル型光導波路を導入し、その中にＶＨＧを形成することで、光源の活性層に対して、コリメートレンズなしに光学結合することが可能となる。これによって、コンパクトで高効率の結合が可能な外部共振器型の光源を提供することができる。
最初に図面を参照しつつ、本発明のＶＨＧ素子の具体的構造を例示し、次いで種々の実施形態について述べる。
ＶＨＧ素子１では、図１〜図３に示すように、支持基板２と薄層５とが互いに接合、一体化している。薄層５の支持基板２と反対側の第二の主面５ｂに例えば一対のリッジ溝８が形成されており、リッジ溝８の間にリッジ型の光導波路６が形成されている。本例では、薄層５の主面５ａ上に下側バッファ層４が形成されており、かつ支持基板２の上面２ａに対して接着層３を介して接合されている。一方、薄層５の支持基板２と反対側の第二の主面５ｂ側にリッジ溝８が形成され、またバッファ層９が形成されている。後述する反射型導波路素子ないし光路変更素子の場合、バッファ層９それ自体が出射光に対する無反射防止膜として機能してもよく、また、バッファ層９上に更に無反射防止膜を設けても良い。
本例では、薄層５の全体にＶＨＧ７Ａ、７Ｂが形成されている。この結果、リッジ型光導波路６内にＶＨＧ７Ａが形成されているとともに、リッジ型光導波路６の両側にもＶＨＧ７Ｂが形成されている。
また、図４に示すＶＨＧ素子１Ａは、図１〜図３の素子と同様のものである。ただし、本例では、薄層５Ａにリッジ型光導波路６が形成されているのとともに、リッジ型光導波路６の両側に、リッジ型光導波路よりも厚さの小さい（薄い）延在部５ｃ、５ｄが形成されている。なお、本例においても、薄層５（すなわち、リッジ型光導波路６および延在部５ｃ、５ｄ）の全体にわたってＶＨＧ７Ａ、７Ｂが形成されている。
図５に示す光源デバイスにおいては、実装基板１０の実装面１０ａに、ＶＨＧ素子１（１Ａ）および光源１１が実装されている。すなわち、ＶＨＧ素子の支持基板２の底面が実装面１０ａに固定されている。光源１１は、基板部１１ｂ、活性層１１ｃ、バッファ層１１ｄを備えており、発光面と反対側に反射膜１１ａが形成されている。
光源１１の活性層１１ｃと、チャンネル型光導波路６とは、距離Ｇのギャップ１２を挟んで対向しており、両者は光軸合わせされている。この結果、活性層１１ｃから発振した光Ａは、光導波路６の入射面６ａに入射し、光導波路６内を矢印Ｂのように伝搬した後、出射面６ｂから矢印Ｃのように出射する。
ここで、チャンネル型光導波路６内に、ＶＨＧ７Ａが形成されている。このＶＨＧと光源とによって、外部共振器を構成し、発振するレーザ光の波長を安定化させる。これによって、波長の安定化されたレーザ光源を提供することが可能になる。
バットジョイントとは、異なる光導波路の端面同士を光軸方向に突き合わせてレンズなどの光学部品を使用せずに直接接合するジョイント構造をいう。本例では、活性層１１ｃから出射した光は、ビーム形を保持しつつチャンネル型光導波路６に入射するので、結合効率が高く、バットジョイントが有効である。これによって、レンズを必要とせず、少ない部品点数で光学結合デバイスを実現できる。
また、本例では、図６に示すように、実装基板１０の実装面１０ａ上に、ＶＨＧ素子１（１Ａ）と光導波路素子１５が固定されている。光導波路素子１５内にチャンネル型光導波路１３が形成されている。そして、光導波路１３の入射面１３ａが光導波路６の出射面６ｂと対向しており、光導波路１３の出射面１３ｂが反対側に設けられている。
光導波路６の出射面６ｂと光導波路１３の入射面１３ａとは、ギャップ１６を挟んで対向しており、両者は光軸合わせされている。この結果、光導波路６から出射した光Ｃは、光導波路１３の入射面１３ａに入射し、光導波路１３内を矢印Ｄのように伝搬した後、出射面１３ｂから出射する。
ここで、ＶＨＧ素子のチャンネル型光導波路の出射面と、光導波路素子のチャンネル型光導波路の入射面とは、上の例のようにバットジョイントされていることが好ましい。しかし、ＶＨＧ素子のチャンネル型光導波路の出射面と、光導波路素子のチャンネル型光導波路の入射面とは、レンズなどの光学系を用いて光学結合されていてもよい。
上述の実施形態では、支持基板上に設けられた薄層でリッジ溝によって輪郭づけられたチャンネル型光導波路（リッジ光導波路）を光源の活性層と結合させている。薄層内に形成されたリッジ型のチャンネル型光導波路は、拡散光導波路と異なり、閉じ込めを強くすることができ光導波路表面での散乱がなく、このため散乱による伝搬損失の低下を防止できる。
また、好適な実施形態においては、本発明を、レーザ光の伝搬方向を変更する光路変更素子に対して適用する。こうした光路変更素子は、支持基板、光学結晶からなり、支持基板上に形成された薄層であって、支持基板側の第一の主面と、支持基板とは反対側の第二の主面とを有する薄層、および薄層に形成されているチャンネル型光導波路を備える。チャンネル型光導波路には、本発明によってＶＨＧが形成されている。また、チャンネル型光導波路は、光の入射面および光導波路を伝搬してきたレーザ光を反射する反射面を有しており、反射面で反射された光を薄層を通して素子の第二の主面側から出射させる。
本実施形態によれば、光源から発振したレーザ光の光路を変化させて光導波路素子に入射させるための光路変更素子において、光源から光導波路素子への光の結合効率を高くし、安定させ得る。
図７〜図１０は、光路変更素子の実施形態を示すものである。
図９、図１０に示すように、図示しない実装装基に光源１１が固定されている。光源１１の活性層１１ｃから、矢印Ａのようにレーザ光が出射する。
図９、図１０に示すように、図示しない実装装基に光源１１が固定されている。光源１１の活性層１１ｃから、矢印Ａのようにレーザ光が出射する。
図７、図８に示すように、支持基板２と薄層５が接着剤３で接合、一体化している。薄層５の支持基板側の第一の主面５ａ側にリッジ溝８が形成されており、リッジ溝８の間にリッジ型の光導波路６が形成されている。本例では、薄層５の平坦な第二の主面５ｂにバッファ層９が形成されており、リッジ溝側の第一の主面５ａには下側バッファ層４が形成されている。この場合、バッファ層９は、出射光に対する無反射防止膜であってもよい。
光路変更素子３１の入射面３１ａは平坦であり、また光路変更素子の上面や底面に対して略垂直をなしている。一方、光路変更素子の反射面３１ｂは、底面に対して角度θ傾斜している。θは、例えば４２〜４８°で選択可能であり、通常４５°である。光源側から発振したレーザ光Ａは、チャンネル型光導波路６の入射面６ａに入射し、光導波路６内を矢印Ｂのように伝搬した後、光路変更素子の出射面に面する反射面３１ｂによって反射される。そして、薄層内を伝搬し、素子の底面側の出射面３１ｃから矢印Ｄのように出射する。
また、図１０に示すように、光導波路素子１５が固定されており、光導波路素子１５内にチャンネル型光導波路１３が形成されている。そして、光導波路１3の入射面１3ａが光路変更素子３１の底面３１ｃと対向しており、光導波路１３の出射面１３ｂが反対側に設けられている。光路変更素子３１の出射面３１ｃは、光導波路素子１５のチャンネル型光導波路１３とバットジョイントされており、両者の間に空隙が設けられている。
本例では、出射面３１ｃに開口する光導波路はないが、反射面３１ｂで反射された光はそのままビーム形を保持しつつ薄層を短い距離だけ伝搬して出射するので、光ビームの形は保持されており、このためバットジョイントが成り立つ。
本発明では、上述の実施形態のように、支持基板上に設けられた薄層内で輪郭づけられたチャンネル型光導波路内を伝搬してきた光を、薄層端面で反射させ、薄層の底面側から出射させる。このとき、薄層内に形成されたチャンネル型光導波路は、閉じ込めを強くすることができ、光導波路表面での散乱がなく、このため光路変更素子の反射面での散乱による結合効率低下を防止できる。更に、光路変更素子の底面から出射させた光を、バットジョイント方式で別体の光導波路素子に結合することができるので、レンズを必要とせず少ない部品点数で、高い結合効率を実現可能である。また薄層を複屈折率材料にすることで光源の偏光を維持することができ、高い偏光クロストークを保持した状態で光導波路素子に結合できる。
また薄層を複屈折率材料にすることで光源の偏光を維持することができ、高い偏光クロストークを保持した状態で、光源や光導波路素子に結合できる。
光路変更素子として使用する場合には、上側バッファ層、下側バッファ層は、出射光に対して無反射防止膜としても機能してもよく、あるいは、各バッファ層の代わりにそれぞれ無反射防止膜を形成してもよい。
また、ＶＨＧ素子において、光導波路の入射面には無反射膜（ＡＲコート）を形成することが好ましい。また、光導波路の出射面側にも無反射膜（ＡＲコート）が形成されることが好ましい。バッファ層は、実質的に光導波路に対してクラッドとして機能しており、出射光に対しては無反射膜として機能していてもよい。出射光に対する無反射膜については、出射面側にバッファ層の上に成膜して形成してもよい。バッファ層は、反射光のスポットサイズが拡がらないという観点で５μｍ以下が好ましい。この観点で光路にはバッファ層はなくてもよい。
ＶＨＧを薄層の全体に形成する場合には、ＶＨＧの形成が比較的容易であるという利点がある。しかし、薄層の全体にＶＨＧを形成する必要はなく、少なくともチャンネル型光導波路にＶＨＧを形成すれば、外部共振器としての作用が得られる。また、チャンネル型光導波路の全長にわたってＶＨＧを形成する必要はない。光導波路の入射面とＶＨＧとの間、光導波路の出射面とＶＨＧとの間には、それぞれ、回折格子のない伝搬部を設けることができる。
また、他の実施形態においては、薄層が、前記ボリューム・ホログラム・グレーティングが形成された領域と、前記ボリューム・ホログラム・グレーティングが形成されていない領域とに分かれており、ボリューム・ホログラム・グレーティングが形成された領域がチャンネル型光導波路を構成する。この場合には、リッジ溝やイオン拡散などの光導波路形成手法を用いる必要はなく、ＶＨＧによって光導波路を形成できる。図１１〜図１３のＶＨＧ素子はこの実施形態に係るものである。
ＶＨＧ素子２１では、図１１〜図１３に示すように、支持基板２と薄層２０とが互いに接合、一体化している。薄層２０の支持基板２と反対側の第二の主面２０ｂ、支持基板側の主面２０ａは、ともに平坦である。主面２０ａ上には下側バッファ層４が形成されており、かつ支持基板２の上面２ａに対して接着層３を介して接合されている。薄層２０の支持基板２と反対側の主面２０ｂ側にもバッファ層を形成できる。
本例では、薄層２０の全体にＶＨＧが形成されていない。その代わりに、薄層２０のうち、所定の光導波路パターンに沿ってＶＨＧ１７を形成している。このＶＨＧでは、一定周期で屈折率の高い場所が形成されており、この作用によって、ＶＨＧ１７の延びる方向に向かってレーザ光が伝搬する。この結果、チャンネル型光導波路１６にＶＨＧ１７が形成されることになる。なお、１６ａは入射面であり、１６ｂは出射面である。
本ＶＨＧ素子２１は、上述の各実施形態と同様に、光源１１の活性層１１ｃと、距離Ｇのギャップ１２を挟んでバットジョイントすることができる。また、このＶＨＧと光源とによって、外部共振器を構成し、発振するレーザ光の波長を安定化させる。これによって、波長の安定化されたレーザ光源を提供することが可能になる。
また、本例のＶＨＧ素子２１は、前述したＶＨＧ素子と同様に、光導波路素子のチャンネル型光導波路に対して光学的に結合することが可能である。
光導波路素子としては、光導波路を設けた素子一般を使用できるが、波長変換素子や光変調器であってもよい。また、本発明のＶＨＧ素子は、光導波路素子の他、光ファイバやフェルールのような光伝送部材に対して結合することも可能である。
薄層の厚さは、光導波路素子のチャンネル型光導波路に対する結合効率の観点から、８μｍ以下が好ましく、５μｍ以下が更に好ましい。また、光導波路の伝搬損失を低減するという理由から、薄層の厚さは０．５μｍ以上が好ましい。
薄層を形成する材質は、光誘起屈折率変化、光熱屈折率変化を有する材料である。
薄層を形成する光学結晶の好適例は、シリカガラスやケイ酸塩ガラスであり、具体的には、シリカガラス（組成：Na2O-ZnO-Al2O3-SiO2）にセリウム、銀、フッ素をドープしたドープガラスが例示できる。
また、薄層は、接合による貼り合わせによって形成することもできるが、支持基板上にスパッタ、蒸着、ＣＶＤによる成膜にて形成することも可能である。
薄層中には光誘起屈折率変化、光熱屈折率変化を高効率に誘起するために、前記のようにセリウム、銀、フッ素がドープされる。
薄層内にＶＨＧを形成する方法について、以下に示す。
前記のドープしたシリカガラスにHe-Cdレーザと外部の回折格子を使用して所望の周期間隔となる干渉パターンをつくり、このパターンを前記ガラス基板上に照射する。すると前述のように、この周期に対応した屈折率変動パターンが形成される。その後、支持基板に貼り合せをして精密研磨加工を実施することにより、ＶＨＧ構造を有した薄層を形成することができる。
前記のドープしたシリカガラスにHe-Cdレーザと外部の回折格子を使用して所望の周期間隔となる干渉パターンをつくり、このパターンを前記ガラス基板上に照射する。すると前述のように、この周期に対応した屈折率変動パターンが形成される。その後、支持基板に貼り合せをして精密研磨加工を実施することにより、ＶＨＧ構造を有した薄層を形成することができる。
リッジ型の光導波路は、光学結晶を加工、例えば機械加工やレーザ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。
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。
支持基体の材質は、ＶＨＧのある薄層よりも屈折率が小さく、使用波長に対して透明な材料が好ましい。具体的には、フッ化カルシウム、弗珪クラウンガラスである。樹脂接着の場合は、屈折率に制約をうけず、Si、水晶、石英ガスなどのガラス、アルミナ、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム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。
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。
また、光源、ＶＨＧ素子、光導波路素子の各端面は、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、薄層と支持基板の接合は、上述の例では接着固定だが、直接接合でもよい。
光導波路素子の構成は、チャンネル型光導波路が形成されている限り、特に限定されない。光導波路素子は例えば一体物の基板であってよいが、好ましくは、支持基板と、この支持基板上に接合された光学結晶からなる薄層を備えており、薄層内にチャンネル型光導波路が形成されている。このチャンネル型光導波路は、リッジ型光導波路が好ましいが、拡散型光導波路でもよい。
光源の出射面とＶＨＧ素子のチャンネル型光導波路の入射面との間の間隙の大きさＧは、設計によるが、1μｍ以上が好ましく、９μｍ以下が好ましい。
（実施例Ａ）
図１〜図６に示す光源デバイスを作製した。
具体的には、厚み0.3mm、25mm角サイズのシリカガラス基板（組成：Na2O-ZnO-Al2O3-SiO2）にセリウム、銀、フッ素をドープした。次いで、このガラス基板の全面にわたって、光熱屈折率プロセスにより、ピッチΛ約318nmのボリューム・ホログラフィック・グレーティングを形成した。次に、0.5mm厚の弗珪クラウンガラスに接着して、研磨定盤に貼り付けた後に、シリカ基板をTs＝２μｍの厚さまで精密研磨した。その後、スパッタにてＮｉを成膜して、フォトリソグラフィーにより幅３μｍのパターン形成した。次にフッ素系の反応性イオンエッチングにより幅Ｗｇ３μｍ、Tr 2μｍの光導波路パターンを形成した。次に、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、研磨端面に0.1％以下のARコートを形成した。最後にチップ切断して素子サイズは幅1mm、長さLwg 3mmとした。
図１〜図６に示す光源デバイスを作製した。
具体的には、厚み0.3mm、25mm角サイズのシリカガラス基板（組成：Na2O-ZnO-Al2O3-SiO2）にセリウム、銀、フッ素をドープした。次いで、このガラス基板の全面にわたって、光熱屈折率プロセスにより、ピッチΛ約318nmのボリューム・ホログラフィック・グレーティングを形成した。次に、0.5mm厚の弗珪クラウンガラスに接着して、研磨定盤に貼り付けた後に、シリカ基板をTs＝２μｍの厚さまで精密研磨した。その後、スパッタにてＮｉを成膜して、フォトリソグラフィーにより幅３μｍのパターン形成した。次にフッ素系の反応性イオンエッチングにより幅Ｗｇ３μｍ、Tr 2μｍの光導波路パターンを形成した。次に、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、研磨端面に0.1％以下のARコートを形成した。最後にチップ切断して素子サイズは幅1mm、長さLwg 3mmとした。
次いで、得られたＶＨＧ素子の特性を評価するために、波長950nm帯のスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）で測定した。その結果、TM波、TE波とも最大反射率10％、半値全幅△λGは0.2nmの反射特性を得た。
さらに、本ＶＨＧ素子、波長950nmＳＬＤ、およびスポットサイズ3×2μｍのPPLN導波路素子を使用して、図５、図６に示すような接続構造を作製した。ＳＬＤの長さは2ｍｍとした。まず、ＶＨＧ素子とＳＬＤを実装基板に配置し光学調芯した。素子間のギャップは3μｍとし調芯後にＵＶ硬化樹脂で固定した。この後、ＳＬＤに電流注入して駆動させたところ、外部共振器型レーザとして発振を確認した。中心波長は950nm、出力50mＷであり、中心波長の温度係数0.01nm／℃となり、ＶＨＧの温度特性に依存する温度係数の小さいレーザが実現できることを確認した。また、レーザ光のニアフィールドパターンを測定したところ、1/e2の水平方向幅が3μｍ、垂直方向高さが2μｍのガウス分布を示した。
次に、長さ8mmのPPLN導波路素子をVHG導波路素子の出力側に光学調芯した。素子間のギャップは3μｍとし、前記同様にＵＶ硬化樹脂にて固定した。実装後にモジュールの特性を評価した。VHG素子とPPLN素子との結合効率は８０％であった。また、ペルチェ素子で温度50℃で制御してSHG特性を測定したところ、出力が約３ｍW、変換効率110％/Wとなり、外部共振器型レーザ構造を有しない通常のコヒーレント光源を用いた場合の結果と同等の変換効率を得た。
（実施例Ｂ）
図１１〜図１３に示すようなＶＨＧ素子を作製した。
具体的には、厚み0.3mm、25mm角サイズのシリカガラス基板（組成：Na2O-ZnO-Al2O3-SiO2）にセリウム、銀、フッ素をドープした。得られたガラス基板の全面に、スパッタにてＮｉを成膜し、フォトリソグラフィーにて幅３μｍ、長さ159nmの長方形形状のパターンをピッチΛ318nm間隔で配置したＮｉマスクを形成した。その後、325nmのHe-Cdを照射して光熱屈折率プロセスにより、幅3μｍ、長さ159nm、ピッチΛ約318nmのボリューム・ホログラフィック・グレーティングを形成した。
図１１〜図１３に示すようなＶＨＧ素子を作製した。
具体的には、厚み0.3mm、25mm角サイズのシリカガラス基板（組成：Na2O-ZnO-Al2O3-SiO2）にセリウム、銀、フッ素をドープした。得られたガラス基板の全面に、スパッタにてＮｉを成膜し、フォトリソグラフィーにて幅３μｍ、長さ159nmの長方形形状のパターンをピッチΛ318nm間隔で配置したＮｉマスクを形成した。その後、325nmのHe-Cdを照射して光熱屈折率プロセスにより、幅3μｍ、長さ159nm、ピッチΛ約318nmのボリューム・ホログラフィック・グレーティングを形成した。
次に、0.5mm厚の弗珪クラウンガラスに接着して、研磨定盤に貼り付けた後にVHG基板をTs＝２μｍの厚さまで精密研磨した。その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、研磨端面に0.1％以下のARコートを形成した。最後にチップ切断して素子サイズは幅1mm、長さLwg 3mmとした。
導波路型VHG素子の特性を評価するために、波長950nm帯のスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）で測定した。その結果、TM波、TE波とも最大反射率10％、半値全幅△λGは0.2nmの反射特性を得た。
さらに、本素子と波長950nmＳＬＤ、スポットサイズ3×2μｍの長さ8mmのPPLN導波路素子を使用して、図５に示すデバイスを作製した。ＳＬＤの長さは2ｍｍとした。まず、VHG導波路素子とＳＬＤを実装基板に配置し光学調芯した。素子間のギャップは3μｍとし調芯後にＵＶ硬化樹脂で固定した。この後、ＳＬＤに電流注入して駆動させたところ、外部共振器型レーザとして発振を確認した。中心波長は950nm、出力40mＷであり、中心波長の温度係数0.01nm／℃となりVHGの温度特性に依存する温度係数の小さいレーザが実現できることを確認した。また、レーザ光のニアフィールドパターンを測定したところ、1/e2の水平方向幅が3μｍ、垂直方向高さが2μｍのガウス分布を示した。
次に、PPLN導波路素子をVHG導波路素子の出力側に光学調芯した。素子間のギャップは3μｍとし、前記同様にＵＶ硬化樹脂にて固定した。実装後にモジュールの特性を評価した。VHG素子とPPLN素子との結合効率は８０％であった。また、ペルチェ素子で温度50℃で制御してSHG特性を測定したところ出力が約２ｍW、変換効率110％/Wとなり、外部共振器型レーザ構造を有しない通常のコヒーレント光源を用いた場合の結果と同等の変換効率を得た。
（比較例）
厚み0.3mm、25mm角サイズのシリカガラス基板（組成：Na2O-ZnO-Al2O3-SiO2）にセリウム、銀、フッ素をドープした。得られたガラス基板の全面にわたって、光熱屈折率プロセスによりピッチΛ約318nmのボリューム・ホログラフィック・グレーティングを形成した。本素子の厚み25mm×0.3mmの両端面を光学研磨した後にＡＲコートを成膜した（バルク型VHG素子）。
厚み0.3mm、25mm角サイズのシリカガラス基板（組成：Na2O-ZnO-Al2O3-SiO2）にセリウム、銀、フッ素をドープした。得られたガラス基板の全面にわたって、光熱屈折率プロセスによりピッチΛ約318nmのボリューム・ホログラフィック・グレーティングを形成した。本素子の厚み25mm×0.3mmの両端面を光学研磨した後にＡＲコートを成膜した（バルク型VHG素子）。
バルク型VHG素子の特性を評価するために、波長950nm帯のスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）で測定した。その結果、TM波、TE波とも最大反射率10％、半値全幅△λGは0.2nmの反射特性を得た。
さらに、本素子と波長950nmＳＬＤを光学調芯し外部共振器型レーザを作製した。ＳＬＤの長さは2ｍｍとした。素子間のギャップは3μｍとした。この後、ＳＬＤに電流注入して駆動させたところ、外部共振器型レーザとして中心波長は950nmにて発振を確認できたが、出力10mＷ以下であった。また、レーザ光のニアフィールドパターンを測定したところ、スポットの中心部が暗いリング状のパターンでガウス分布ではなかった。
Claims (9)
- ボリューム・ホログラム・グレーティング素子であって、
支持基板、
前記支持基板上に形成された薄層であって、前記支持基板側の第一の主面と、前記支持基板とは反対側の第二の主面とを有する薄層、および
前記薄層に形成されているチャンネル型光導波路を備えており、
前記チャンネル型光導波路にボリューム・ホログラム・グレーティングが形成されていることを特徴とする、ボリューム・ホログラム・グレーティング素子。 - 前記チャンネル型光導波路がリッジ型光導波路であることを特徴とする、請求項１記載の素子。
- 前記薄層が、前記ボリューム・ホログラム・グレーティングが形成された領域と、前記ボリューム・ホログラム・グレーティングが形成されていない領域とに分かれており、前記ボリューム・ホログラム・グレーティングが形成された領域が前記チャンネル型光導波路を構成することを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
- 前記薄層の全体にわたって前記ボリューム・ホログラム・グレーティングが形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
- 光を発振する光源、および請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載のボリューム・ホログラム・グレーティング素子を備えており、前記ボリューム・ホログラム・グレーティングと前記光源とが外部共振器を構成することを特徴とする、光源デバイス。
- 前記ボリューム・ホログラム・グレーティング素子と前記光源とを実装するための実装基板を備えていることを特徴とする、請求項５記載の光源デバイス。
- 請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載のボリューム・ホログラム・グレーティング素子と、チャンネル型光導波路を有する光導波路素子との接続構造であって、
前記ボリューム・ホログラム・グレーティング素子の前記チャンネル型光導波路の出射面と、前記光導波路素子の前記チャンネル型光導波路とが光学的に結合されていることを特徴とする、接続構造。 - 前記ボリューム・ホログラム・グレーティング素子と前記光導波路素子とを実装するための実装基板を備えていることを特徴とする、請求項７記載の接続構造。
- レーザ光を発振する光源を備えており、前記ボリューム・ホログラム・グレーティングと前記光源とが外部共振器を構成することを特徴とする、請求項７または８記載の接続構造。
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