JPWO2015107960A1 - 外部共振器型発光装置 - Google Patents

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Abstract

半導体レーザ光源２が、半導体レーザ光を発振する活性層５を備える。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１１ａと所望波長の出射光を出射する出射面１１ｂを有するリッジ型光導波路１８、リッジ型光導波路１８内に形成された凹凸からなるブラッググレーティング１２、およびブラッググレーティング１２と出射面１１ｂとの間に設けられた出射側伝搬部２０を備える。ブラッググレーティングによる反射波長域でレーザ発振する。ブラッググレーティング１２における光導波路の幅Ｗｍと出射面における光導波路の幅Ｗｏｕｔとが異なる。【選択図】 図１

Description

本発明は、グレーティング素子を用いた外部共振器型発光装置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）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（特許文献１（特開昭49-128689）：特許文献２（特開昭56-148880））。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６（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８（特開2010-171252）には、ＳｉＯ２、ＳｉＯ１−ｘＮｘ（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９（特許第3667209）には、石英、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ポリイミド樹脂からな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。
特開昭49-128689 特開昭56-148880 WO2013/034813 特開2000-082864 特開2006-222399 特開2002-134833 特願2013-120999 特開2010-171252 特許第3667209
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
非特許文献１には、温度上昇に伴う波長安定性を損なうモードホップのメカニズムと、その改善策について言及している。温度による外部共振器レーザの波長変化量δλｓは、半導体の活性層領域の屈折率変化△ｎa、活性層の長さLa、FBG領域の屈折率変化△ｎf、長さLf、それぞれの温度変化δTa、δTfに対して、定在波条件より下式により表される。
Figure 2015107960
ここで、λ0は初期状態でのグレーティング反射波長を表す。
また、グレーティング反射波長の変化δλGは、下式で表される。
Figure 2015107960
モードホップは、外部共振器の縦モード間隔△λが波長変化量δλsとグレーティング反射波長の変化量δλGの差に等しくなったときに発生するので、次式が成立する。
Figure 2015107960
縦モード間隔△λは、近似的に下式となる。
Figure 2015107960
数式３と数式４より、数式５が成立する。
Figure 2015107960
モードホップを抑制するためには、△Tall以下の温度内で使用する必要があり、ペルチェ素子にて温度制御している。数式５では、活性層とグレーティング層の屈折率変化が同じ場合（△ｎａ／ｎａ＝△ｎｆ／ｎｆ）、分母が零になり、モードホップが生じる温度が無限大になり、モードホップがなくなることを示している。しかしながら、モノリシックＤＢＲレーザでは、レーザ発振させるために、活性層は電流注入がなされるために、活性層とグレーティング層の屈折率変化は一致させることができないので、モードホップが生じてしまう。
モードホップは、共振器内の発振モード（縦モード）が、あるモードから違うモードに移る現象である。温度や注入電流が変化すると、ゲインや共振器の条件が異なり、レーザ発振波長が変化し、キンクといわれる、光パワーが変動するという問題を生じる。したがって、FP型のGaAs半導体レーザの場合、通常、波長が0.3nm／℃の温度係数で変化するが、モードホップが生じると、これよりも大きな変動が起こる。それと同時に、出力が５％以上変動する。
このため、モードホップを抑制するために、ペルチェ素子を用いて温度制御している。しかし、このために部品点数が増え、モジュールが大きくなり、コストが高くなる。
特許文献６では、温度無依存にするために、従来の共振器構造はそのままで光導波路層に応力を与えることで、熱膨張に起因する温度係数を補償することにより、温度無依存性を実現している。このため、素子に金属板を貼りつけ、さらに導波路中に温度係数を調整する層を付加させている。このため共振器構造が、さらに大きくなるという問題がある。
本発明者は、光導波路型グレーティング素子を用いた外部共振器型のレーザ構造を、特許文献７において開示した。この出願では、グレーティング素子の反射特性の半値全幅△λGが特定の式を満足する場合に、温度コントロールなしで波長安定性が高くパワー変動のないレーザ発振が可能としている。
しかし、本発明者が更に検討を進めたところ、以下の問題点が生ずることが判明してきた。すなわち、環境温度が変化してグレーティング素子に熱応力が加わったときに、ブラッググレーティングから出射面の間で高次モードが励振されてしまうことがあった。
本発明の課題は、グレーティング素子による外部共振器型のレーザにおいて、グレーティング素子に熱応力が加わったときに、ブラッググレーティングと出射面との間で高次モードが励振されるのを抑制することである。
本発明は、半導体レーザ光源、およびこの半導体レーザ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、
前記半導体レーザ光源が、半導体レーザ光を発振する活性層を備えており、
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、このリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティング、および前記ブラッググレーティングと前記出射面との間に設けられた出射側伝搬部を備えており、前記ブラッググレーティングによる反射波長域でレーザ発振し、前記ブラッググレーティングにおける前記光導波路の幅と前記出射面における前記光導波路の幅とが異なることを特徴とする。
本発明者は、グレーティング素子に熱応力が加わったときに、ブラッググレーティングと出射面との間で高次モードが励振される理由を検討した。この結果、素子の出射面付近において、レーザのニアフィールドパターンの変形が大きくなっており、これが高次モードの励振や出射光の結合効率の低下をもたらしていることを見いだした。
すなわち、ブラッググレーティングにおける光導波路の幅は、半導体レーザ素子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、グレーティング素子の光導波路の幅は２μｍから７μｍに設定している。
しかし、例えば図３に示すようなリッジ型の光導波路構造では、基板厚みが例えば０．５μｍから３μｍと薄い場合に、マルチモード導波路化し、さらにニアフィールドパターンの大きさが水平方向と垂直方向で異なり、扁平化する問題が生じる。
ブラッググレーティングにおける光導波路がマルチモード化している場合、基本モードと高次モードでは伝搬定数が異なるため、異なる波長でブラッグ反射が起こることになる。しかし、レーザのゲイン特性とグレーティングの反射特性を合わせることにより、基本モードにおける反射波長帯あるいは高次モードにおける反射波長帯で、選択的にレーザ発振が可能となる。つまり、基本モードの反射波長帯にゲインカーブを合わせることにより、基本モードでのレーザ発振が可能となる。
しかし、この場合には、環境温度が変化してグレーティング素子に熱応力が加わると、ブラッググレーティングと出射面の間で高次モードが励振されてしまうことがわかった。
グレーティング部では凹凸によって光電界分布（横モード形状）が乱される。通常、出射部がマルチモードであっても、基本モードが励振される。しかし、環境温度変化により導波路部に収縮や曲げ応力が加わると、高次モードが励振されて、マルチモード化する。また端面からの反射がある場合にも、このような現象がおこる。この現象はニアフィールドパターンの水平方向と垂直方向の大きさの比（扁平率）が大きいほど顕著である。
本発明者は、こうした発見に基づき、出射面における光導波路の幅を、ブラッググレーティングにおける光導波路の幅に対して変更することによって、出射面におけるニアフィールドパターンの変形を抑制し、これによって高次モードの励振を抑制することを想到し、本発明に到達した。
図１は、外部共振器型発光装置の模式図である。 外部共振器型発光装置１を模式的に示す平面図である。 グレーティング素子の横断面図である。 グレーティング素子を模式的に示す斜視図である。 他のグレーティング素子の横断面図である。 他の実施形態に係る外部共振器型発光装置の模式図である。 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。 実施例１において、光源の光量のスペクトルおよびこの光源にグレーティング素子を付加して得た装置のスペクトルを示す。 レーザ発振条件を説明する図である。 更に他のグレーティング素子の横断面図である。
図１に模式的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２と、グレーティング素子９とを備えている。光源２とグレーティング素子９とは、共通基板３上にマウントされている。
光源２は、半導体レーザ光を発振する活性層５を備えている。本実施形態では、活性層５は基体４に設けられている。基体４の外側端面には反射膜６が設けられており、活性層５のグレーティング素子側の端面には無反射層７Ａが形成されている。
しかしながら、光源２は、単独でレーザ発振可能な光源であってよい。これは、光源２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２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２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。 このことから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（シングル）モード発振する。
図１、図４に示すように、グレーティング素子９には、半導体レーザ光Ａが入射する入射面１１ａと所望波長の出射光Ｂを出射する出射面１１ｂを有する光学材料層１１が設けられている。Ｃは反射光である。光学材料層１１内には、ブラッググレーティング１２が形成されている。光導波路１８の入射面１１ａとブラッググレーティング１２との間には、回折格子のない入射側伝搬部１３が設けられており、入射側伝搬部１３が活性層５と間隙１４を介して対向している。７Ｂは、光導波路１８の入射面側に設けられた無反射膜であり、７Ｃは、光導波路１８の出射面側に設けられた無反射膜である。光導波路１８はリッジ型光導波路であり、光学材料層１１に設けられている。光導波路１８は、ブラッググレーティング１２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。
無反射層７Ａ、７Ｂ、７Ｃ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。
図３に示すように、本例では、基板１０上に接着層１５、下側バッファ層１６を介して光学材料層１１が形成されており、光学材料層１１上に上側バッファ層１７が形成されている。光学材料層１１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型の光導波路１８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１１ａ面に形成していてもよく、１１ｂ面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１１ａ面上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とを基板の反対側に設けることが好ましい。
また、図５に示す素子９Ａでは、基板１０上に接着層１５、下側バッファ層１６を介して光学材料層１１が形成されており、光学材料層１１上に上側バッファ層１７が形成されている。光学材料層１１の基板１０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の間にリッジ型の光導波路１８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１１ａ側に形成していてもよく、リッジ溝のある面１１ｂ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１１ａ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１９とを基板の反対側に設けることが好ましい。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６は、他の実施形態に係る装置１Ａを示す。本装置１Ａの大部分は図１の装置１と同様のものである。光源２は、レーザ光を発振する活性層５を備えているが、活性層５のグレーティング素子９側の端面に無反射層７Ａを設けず、その代わりに反射膜２５が形成されている。これは通常の半導体レーザの形態である。
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５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５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。
ここで、本実施形態においては、図２に示すように、入射面１１ａとブラッググレーティング１２との間に入射側伝搬部１３が設けられており、また、ブラッググレーティング１２と出射面１１ｂとの間に出射側伝搬部２０が設けられている。本例では、出射側伝搬部２０は、ブラッググレーティング１２の末端から連続する連結部２０ａ、光導波路の出射面１１ｂに連続する出射部２０ｃ、および連結部と出射部との間に設けられたテーパ部２０ｂを備えている。
本例では、出射面１１ｂにおける光導波路の幅Ｗｏｕｔがブラッググレーティング１２における光導波路の幅Ｗｍよりも小さくなっている。また、出射側伝搬部２０が、光導波路の幅Ｗｔ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小さくなるテーパ部２０ｂを含む。なお、本例では、連結部２０ａにおける光導波路の幅Ｗｍが一定であり、出射部における光導波路の幅Ｗｏｕｔも一定である。また、Ｗｔは、連結部２０ａとの境界で最大値Ｗｍとなり、出射部２０ｃとの境界で最小値Ｗｏｕｔとなる。
なお、光導波路の幅Ｗｍは、図３に示すように、光導波路を構成するリッジ部を横断面で切って得られる横断面図において、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。図３の例では、光導波路の幅Ｗｍは、リッジ部の上面の両端にある各エッジの間隔とする。
ブラッググレーティングにおける光導波路の幅Ｗｍは、半導体レーザ素子２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Ｗｍは２μｍから７μｍに設定している。
ブラッググレーティングにおける光導波路がマルチモード化している場合、基本モードと高次モードでは伝搬定数が異なるため、異なる波長でブラッグ反射が起こることになる。しかし、基本モードの反射波長帯にゲインカーブを合わせることにより、基本モードでのレーザ発振が可能となる。しかし、この場合には、環境温度が変化してグレーティング素子９に熱応力が加わると、ブラッググレーティング１２と出射面１１ｂの間の出射側伝搬部内で高次モードが励振されてしまうことがわかった。この現象はニアフィールドの水平方向と垂直方向の大きさの比（扁平率）が大きいほど顕著である。
ここで、本実施形態では、出射面における光導波路の幅ＷｏｕｔをＷｍよりも小さくすることで、出射面におけるニアフィールドパターンの偏平化を抑制することができ、これによって高次モードの励振を抑制できる。
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。
光源からのレーザの波長が長くなると、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、光源からのレーザの波長が短くなると、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。更に、光源は、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１１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１１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。
この場合、図１２に示す素子９Ｂのように、支持基体１０に薄膜形成法により、接着層を設けることなしに直接下側バッファ層１６を形成し、その後、薄膜形成法により光学材料層１１を形成してもよい。
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、図３の例では接着固定だが、直接接合でもよい。
出射側の伝播光をシングルモード化するという観点からは、出射面における光導波路の幅Ｗｏｕｔは、４μｍ以下が好ましく、更にニアフィールドパターンの扁平化を抑制するという観点からは、出射面における光導波路の幅Ｗｏｕｔは、３μｍ以下が更に好ましく、２μｍ以下が最も好ましい。
一方、出射側伝搬部における光の伝播損失の低下を抑制するという観点からは、出射面における光導波路の幅Ｗｏｕｔは、０．１μｍ以上が好ましく、０．５μｍ以上が更に好ましい。
また、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Ｗｍ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Ｗｍは、７μｍ以下が好ましく、６．５μｍ以下が更に好ましい。
本発明の効果の観点からは、ＷｏｕｔとＷｍとの比Ｗｏｕｔ／Ｗｍは、１／５０以上が好ましく、さらに１／１０以上が好ましい。また、２／３以下が好ましく、さらに１／２以下が好ましい。
また、上述の実施形態では、出射側伝搬部２０に、テーパ部２０ｂ、幅一定の連結部２０ａおよび幅一定の出射部２０ｃを設けた。しかし、出射側伝搬部２０は、テーパ部２０ｂおよび幅一定の連結部２０ａの組み合わせからなっていてよく、この場合にはテーパ部２０ｂの出射側末端に出射面が位置する。あるいは、出射側伝搬部２０は、テーパ部２０ｂおよび幅一定の出射部２０ｃからなっていてよく、この場合にはブラッググレーティング１２の出射側末端とテーパ部２０ｂの入射側末端とが連続している。
以下、本発明装置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１．８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１１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 2015107960
ゲイン条件は、（2-1）式より下式となる。
Figure 2015107960
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、ζtgt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 2015107960
ただし、光源２がレーザ発振している場合は、複合共振器になるために上記の(2-1)式、(2-2)式、(2-3)式は複雑な数式になり、レーザ発振の目安として考えることができる。
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７と図８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＝dλTM/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 2015107960
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。
また、バッファ層としては、光学材料層よりも屈折率が小さく、使用波長において透明で低損失な材料が好ましい。光学材料と同じ材料系で組成を変えたものでもよいが、光学材料層との屈折率差を大きくした方が好ましい。この観点から、酸化ケイ素（SiO2）、酸化アルミナ（Al2O3）、等の酸化物が好ましいが、有機系の材料でもよい。
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６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１．８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６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≧１．８ ・・・（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１．８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１．９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。さらにブラッググレーティングを構成する材質の屈折率ｎｂは、３．６以下であることが好ましい。また、同じ観点で光導波路の等価屈折率は３．３以下になることが好ましい。
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７、図８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。
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１１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９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 2015107960
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。先に用いた△λは△GTMに等しく、λｓはλTMに等しい。
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。
光源の出射面と光導波路の入射面との距離Ｌｇは、半導体レーザとグレーティング素子の結合効率をよくするという観点では、零に近い方が好ましい。しかし、広い温度領域で使用するという観点では、熱膨張による機械的な干渉を防ぐ必要があり、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。
（実施例１）
図２、図５、図６に示すような装置を作製した。
具体的には、ｚ板MgOドープのニオブ酸リチウム結晶基板にＴｉを成膜して、フォトリソグラフィー技術により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Λ222nm、長さLb 100μｍのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さは40nmであった。また、ｙ軸伝搬の光導波路を形成するために、反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ）にて、ドライエッチング加工を実施し、リッジ溝を形成した。
ここで、ブラッググレーティング１２における光導波路幅Ｗｍを３μｍとし、高さＴｒを０．５μｍとした。これと共に、図２に示すように、幅一定の連結部２０ａ、テーパ部２０ｂおよび幅一定の出射部２０ｃを設けた。各部分における寸法は以下のとおりとした。
連結部２０ａにおける光導波路幅Ｗｍ： ３μｍ
連結部２０ａにおける光導波路高さＴｒ： ０．５μｍ
出射部２０ｃにおける光導波路幅Ｗｏｕｔ： １μｍ
出射部２０ｃにおける光導波路高さＴｒ： ０．５μｍ
テーパ部２０ｂにおける光導波路幅Ｗｔ： １〜３μｍ
テーパ部２０ｂにおける光導波路高さＴｒ： ０．５μｍ
さらに、溝形成面にSiO2からなるバッファ層１６をスパッタ装置で0.5μｍ成膜し、支持基板としてブラック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、ブラックＬＮ基板側を研磨定盤に貼り付け、グレーティングを形成したＬＮ基板の裏面を精密研磨して1.2μｍの厚み（Ｔｓ）とした。その後、定盤からはずし研磨面をスパッタにてSiO2からなるバッファ層１７を0.5μｍ成膜した。
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、両端面を0.1％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。素子サイズは幅1mm、長さLwg 500μmとした。
次に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△λGは2nmの特性を得た。
次に、図６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系レーザで出射端面にはARコートなしとした。
光源素子仕様：
中心波長： 977nm
出力： 40mW
半値幅： 0.1nm
レーザ素子長 250μｍ
実装仕様：
Lg： 1μｍ
Lm： 20μｍ
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく、モニター用フォトダイオードを使用することなく、電流制御（ＡＣＣ）で半導体レーザーを駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長975nm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、３０ｍＷのレーザ特性であった。
グレーティング素子の出射側端面のニアフィールドパターンの形状は、水平方向が１μｍ、垂直方向が１μｍとなり、ほぼ真円状であった。また温度を２０℃から７０℃に変化してもシングルモードを維持した。
（比較例）
実施例１において、光導波路１８の全長にわたって、光導波路幅を３μｍと一定とし、高さＴｒを０．５μｍで一定とした。その後、同様な方法でグレーティング素子を作製した。
次に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△λGは2nmの特性を得た。
次に、図６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系レーザで出射端面にはARコートなしとした。
光源素子仕様：
中心波長： 977nm
出力： 40mW
半値幅： 0.1nm
レーザ素子長 250μｍ
実装仕様：
Lg： 1μｍ
Lm： 20μｍ
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく、モニター用フォトダイオードを使用することなく、電流制御（ＡＣＣ）で半導体レーザーを駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長975nm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３０ｍＷのレーザ特性であった。
グレーティング素子の出射側端面のニアフィールドパターンの形状は、水平方向が３μｍ、垂直方向が１μｍとなり、アスペクト比３の扁平導波路であった。また温度を２０℃から７０℃に変化した場合に７０℃付近でマルチモードが励振された。

Claims (10)

  1. 半導体レーザ光源、およびこの半導体レーザ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、
    前記半導体レーザ光源が、半導体レーザ光を発振する活性層を備えており、
    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、このリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティング、および前記ブラッググレーティングと前記出射面との間に設けられた出射側伝搬部を備えており、前記ブラッググレーティングによる反射波長域でレーザ発振し、前記ブラッググレーティングにおける前記光導波路の幅と前記出射面における前記光導波路の幅とが異なることを特徴とする、外部共振器型発光装置。
  2. 前記出射面における前記光導波路の幅が前記ブラッググレーティングにおける前記光導波路の幅よりも小さいことを特徴とする、請求項１記載の装置。
  3. 前記出射側伝搬部が、前記光導波路の幅が前記ブラッググレーティング側から前記出射面側へと向かって小さくなるテーパ部を備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
  4. 前記グレーティング素子が、
    支持基板、および
    前記支持基板上に設けられ、厚さ０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の光学材料層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装置。
  5. 前記ブラッググレーティングを構成する材質が、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム、酸化タンタル、酸化亜鉛および酸化アルミナ、タンタル酸リチウムからなる群より選択されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の装置。
  6. 下記式（１）および式（２）の関係が満足されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の装置。

    １０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ ・・・（１）
    ２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ ・・・（２）

    （式（１）において、Ｌｂは、前記ブラッググレーティングの長さである。
    式（２）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。）
  7. 下記式（３）および式（４）の関係が満足され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。

    ０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（３）
    ｎｂ≧１．８ ・・・（４）

    （式（３）において、△λGは、ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
    式（４）において、ｎｂは、前記ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率である。）
  8. 下記式（５）の関係が満足され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。

    ＬＷＧ ≦５００μｍ ・・・（５）

    （式（５）において、ＬＷＧは、前記グレーティング素子の長さである。）
  9. 前記半値全幅△λGの中に、レーザ発振の位相条件が満足可能な波長が２以上、５以下存在することを特徴とする、請求項７または８記載の装置。
  10. 下記式（６）の関係が満足され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。
    Figure 2015107960
    （式（６）において、dλG／ｄＴは、ブラッグ波長の温度係数である。
    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。）

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