JPWO2015108197A1 - 外部共振器型発光装置 - Google Patents

Abstract

高い波長安定性が確保されるとともに、光出力変動が抑制されてなる外部共振器型発光装置を実現する。外部共振器型発光装置が、レーザ光を発する活性層を有する半導体レーザ光源と、活性層から発せられたレーザ光の光軸方向を長手方向とするリッジ型光導波路を備えるとともに、光導波路の途中に設けられたブラッググレーティング（ＢＧ）を備えており、入射したレーザ光のうち所定の波長成分の光を半導体レーザ光源とＢＧとの間で発振させて装置外部への出射光として出射するグレーティング素子と、を備え、半導体レーザ光源から発せられるレーザ光の波長をλ１とし、ＢＧの反射率プロファイルの中心波長をλＧとし、半値全幅をΔλＧとするときに、少なくとも−１０℃以上３０℃以下においてλ１＜λＧ−ΔλＧ／２であるとともに、出射光の波長域がλＧ−ΔλＧ／２以上λＧ＋ΔλＧ／２以下であるようにした。

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。

一般に、半導体レーザとしては、両端面に形成したミラーで活性層を挟むことにより光共振器を構成してなる、ファブリ−ペロー（ＦＰ）型のものが採用されている。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い。特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という性質がある。

一方、光通信やガスセンシングなどの分野では、波長安定性の高い単一モード発振のレーザが必要とされている。係る要求を満たすべく、波長安定性のある半導体レーザとして、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザや分布反射型（ＤＢＲ）レーザが開発されてなる。これらのレーザは、半導体中にグレーティング（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。

例えば、ＤＢＲレーザとして、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設けた構成の共振器を備えるものが既に公知であり、その一態様として、グレーティングを半導体の中にモノリシックに形成した構成のものが広く知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。係るＤＢＲレーザにおいては、光導波層の両端にグレーティングが設けられているため、活性層で発せられた光は光導波層を伝搬し、その一部が該グレーティングで反射されて電流注入部に戻り、増幅される。係るＤＢＲレーザにおいては、特定の波長の光だけが、グレーティングによって決められた方向に反射されるので、レーザ光の波長は一定になる。すなわち、ブラッグ反射を利用した波長選択性のあるミラーによって、レーザ光の一部を半導体レーザに帰還させることにより、波長安定動作が実現されている。

また、ＤＢＲレーザの応用として、グレーティングを半導体とは異なる部品であるグレーティング素子として設けることで、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。このタイプの半導体レーザは、波長安定性、温度安定性、制御性がよいという特徴がある。外部共振器としては、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（非特許文献１および非特許文献２参照）。これらの半導体レーザは、グレーティングを半導体とは別部材で構成してなるので、反射率、共振器長を個別に設計できるというメリットがあり、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という効果を奏する。また、半導体とは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、という効果も得られる。

例えば、グレーティングを石英ガラスからなる導波路に形成してなる外部共振器型レーザが公知である（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に開示されている外部共振器型レーザは、室温が大きく変化する（例えば３０℃以上）環境においても温度コントローラを使用することなく使える、周波数安定化レーザ（温度無依存レーザ）である。

また、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の安定化を行う方法も既に公知である（例えば、非特許文献３参照）。

また、半導体レーザにおいては、温度が上昇すると最大のゲインが低下し、かつ、発振閾値電流が上昇する、という点も公知である（例えば、非特許文献４および非特許文献５参照）。非特許文献４および非特許文献５には、半導体レーザを電流一定駆動させた場合には、環境温度が変動した場合に光出力が変動することも示唆されている。

また、非特許文献１には、半導体レーザにおいて生じる、温度上昇に伴って波長安定性を損なう現象であるモードホップのメカニズムと、その改善策について言及がある。

さらには、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_１−ｘＮ_ｘ（０．５５≦ｘ≦０．６５）、あるいはＳｉとＳｉＮと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であって、精密な温度制御なしで発振波長を一定に保つことができるものがすでに公知である（例えば、特許文献４参照）。特許文献４に開示されてなる外部共振器型レーザにおいては、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）を小さくすることが前提条件とされてなる。特許文献４にはさらに、係る外部共振器レーザにおいて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も記載されている。

また、石英、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、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レーザもすでに公知である（例えば、特許文献５参照）。特許文献５には、係る態様の外部共振器レーザにおいて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％）となる場合に、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。

半導体レーザにおいては、使用中に温度や注入電流が変化すると、ゲインや共振器の条件が代わることによって発振波長が変化し、キンクといわれる、光パワーが変動する現象が生じる。例えば、ＦＰ型のＧａＡｓ半導体レーザの場合、通常、発振波長が０．３ｎｍ／℃の温度係数で変化する。

また、使用中の温度上昇によって、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、モードホップと呼ばれる現象が生じ得ることも知られている。例えば、ＦＰ型のＧａＡｓ半導体レーザの場合、モードホップが生じると、上述の温度係数に従う変化よりもさらに大きな波長変動が起こり、それと同時に、出力が５％以上変動することが知られている。

このような波長の変化を抑制するには、半導体レーザを所定の温度範囲内（例えば、非特許文献１においてΔＴ_ａｌｌとされている温度範囲）で使用する必要がある。そこで、従来の半導体レーザにおいては、ペルチェ素子を使用して半導体レーザの温度を制御している。ペルチェ素子の使用は、部品点数が多くなるととともにモジュールのサイズが大きくなるため、コスト高の要因となっている。

また、特許文献３に開示された外部共振器型レーザにおいては、温度無依存にするために、従来の共振器構造はそのままに、光導波路層に応力を与えることによって熱膨張に起因する温度係数を補償することにより、温度無依存性およびモードホップの抑制が実現されている。具体的には、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。

特開昭４９−１２８６８９号公報 特開昭５６−１４８８８０号公報 特開２００２−１３４８３３号公報 特開２０１０−１７１２５２号公報 特許第３６６７２０９号公報

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 M.Asada,etal, "Gainand intervalence band absorption in quantum-well lasers", IEEE J. Quantumn Electron, QE-2(7), p.745-753, 1984. Y.Suematsu, A.R.Adams, "Handbook of semiconductor lasers and photonic integrated circuits", Ohmsha Ltd.,p.334-337, 1994.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ペルチェ素子による温度制御を行わずとも、高い波長安定性が確保されるとともに、光出力変動が抑制されてなる外部共振器型発光装置を実現することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様では、外部共振器型発光装置が、レーザ光を発する活性層を有する半導体レーザ光源と、前記活性層から発せられた前記レーザ光の光軸方向を長手方向とするリッジ型光導波路を備えるとともに、前記リッジ型光導波路の途中に設けられたブラッググレーティングを備えており、入射した前記レーザ光のうち所定の波長成分の光を前記半導体レーザ光源と前記ブラッググレーティングとの間で発振させて前記外部共振器型発光装置の外部への出射光として出射するグレーティング素子と、を備え、前記半導体レーザ光源から発せられる前記レーザ光の波長をλ１とし、前記ブラッググレーティングの反射率プロファイルの中心波長をλ_Ｇとし、前記反射率プロファイルの半値全幅をΔλＧとするときに、少なくとも−１０℃以上３０℃以下においてλ１＜λ_Ｇ−ΔλＧ／２であるとともに、前記出射光の波長域がλ_Ｇ−ΔλＧ／２以上λ_Ｇ＋ΔλＧ／２以下である、ようにした。

本発明の第２の態様では、第１の態様に係る外部共振器型発光装置において、５０℃以下においてλ_Ｇ−λ１≧５ｎｍであり、２０℃以下においてλ_Ｇ−λ１≧１０ｎｍである、ようにした。

本発明の第３の態様では、第１または第２の態様に係る外部共振器型発光装置において、前記グレーティング素子が、支持基板と、前記支持基板上に設けられてなり０．５μｍ以上３．０μｍ以下の厚みを有する光学材料層と、前記支持基板と前記光学材料層とを接合する接合層と、を備えており、前記リッジ型光導波路が前記光学材料層に設けられており、前記半導体レーザ光の光軸方向における前記ブラッググレーティングの長さをＬ_ｂとし、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さをｔ_ｄとするときに、１０μｍ≦Ｌ_ｂ≦３００μｍかつ１０ｎｍ≦ｔ_ｄ≦２５０ｎｍであるようにした。

本発明の第４の態様では、第３の態様に係る外部共振器型発光装置において、前記光学材料層の材質が、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム、酸化タンタル、タンタル酸リチウム、酸化亜鉛および酸化アルミナからなる群より選択される、ようにした。

本発明の第５の態様では、第１または第２の態様に係る外部共振器型発光装置において、前記グレーティング素子が、支持基板の上に前記リッジ型光導波路を備える構成を有するものであり、前記リッジ型光導波路が、前記長手方向に垂直な断面が凸図形をなすとともに０．５μｍ以上３．０μｍ以下の厚みを有してなり、前記半導体レーザ光の光軸方向における前記ブラッググレーティングの長さをＬ_ｂとし、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さをｔ_ｄとするときに、１０μｍ≦Ｌ_ｂ≦３００μｍかつ１０ｎｍ≦ｔ_ｄ≦２５０ｎｍである、ようにした。

本発明の第６の態様では、第５の態様に係る外部共振器型発光装置において、前記リッジ型光導波路の材質が、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム、酸化タンタル、タンタル酸リチウム、酸化亜鉛および酸化アルミナからなる群より選択される、ようにした。

本発明の第７の態様では、第１ないし第６の態様のいずれかに係る外部共振器型発光装置であって、前記半導体レーザ光の光軸方向における前記グレーティング素子の長さをＬ_ＷＧとするときに、Ｌ_ＷＧ≦５００μｍであることを特徴とする。

本発明の８の態様では、第７の態様に記載の外部共振器型発光装置において、０．５ｎｍ≦ΔλＧ≦３．０ｎｍであるようにした。

本発明の第９の態様では、第１ないし第８の態様のいずれかに係る外部共振器型発光装置において、前記波長域に、前記出射光の波長となる波長値が２以上５以下存在する、ようにした。

本発明の第１０の態様では、第１ないし第９の態様のいずれかに係る外部共振器型発光装置において、ブラッグ波長の温度係数をｄλ_Ｇ／ｄＴとし、前記出射光の波長の温度係数をｄλ_ＴＭ／ｄＴとするときに、

であるようにした。

本発明の第１ないし第１０の態様によれば、動作想定温度範囲内において環境温度が変化したとしても、波長変動および出力変動の抑制された外部共振器型発光装置１が実現される。

外部共振器型発光装置１のＺＸ断面図である。 グレーティング素子９の概略斜視図である。 グレーティング素子９のＹＺ断面図である。 外部共振器型発光装置１ＡのＺＸ断面図である。 グレーティング素子９ＡのＹＺ断面図である。 活性層５における一次発光のゲインカーブと、グレーティング素子９の反射率プロファイルとの関係を示す図である。 グレーティング素子１０９のＹＺ断面図である。

＜第１の実施の形態＞
＜外部共振器型発光装置の構成＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る外部共振器型発光装置１の構成を模式的に示す側断面図である。外部共振器型発光装置１は、電流の注入によって半導体レーザ光Ａを発する光源素子２と、グレーティング素子９とを主として備える。外部共振器型発光装置１においては、これら光源素子２とグレーティング素子９とが備わることで、共振器構造が実現されてなる。光源素子２とグレーティング素子９とは、平板状の共通基板３の一方主面上にマウントされている。共通基板３は一体であってよいが、複数個の別体の基板を接合したものであってもよい。

なお、図１および以降の図面においては、光源素子２からの半導体レーザ光Ａの出射は水平面内においてなされるものとする。そして、これらの図面においては、係る半導体レーザ光Ａの光軸方向をＸ軸方向とし、水平面内においてＸ軸方向と垂直な方向をＹ軸方向とし、鉛直方向をＺ軸方向とする、右手系のＸＹＺ座標を付している。従って、より詳細にいえば、図１は外部共振器型発光装置１のＺＸ断面図である。

光源素子２とグレーティング素子９とは、光軸方向において間隙１４を設ける態様にて、共通基板３にマウントされる。なお、光源素子２とグレーティング素子９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されていてもよい。

光源素子２は、活性層５と、活性層５の外側（グレーティング素子９とは反対側）の端面に設けられた反射膜６と、活性層５のグレーティング素子９側の端面に設けられた反射膜２０とを備える。反射膜２０の反射率はグレーティングの反射率よりも小さい。

光源素子２は単独で（グレーティング素子９がなくても）レーザ発振するものである。光源素子２としては、縦モードがシングルモード発振するものを用いるのが好ましい。しかし、光源素子２に加えてグレーティング素子９を備えることで外部共振器型レーザとしての構成を有する本実施の形態に係る外部共振器型発光装置１においては、後述するように反射特性に波長依存性を持たせることができることから、その波長特性を制御することにより、光源素子２の縦モードがマルチモード発振する場合であっても、外部共振器型発光装置１としてはシングルモード発振することが可能である。

なお、図１においては活性層５が基体４の一方主面上に設けられるとともに反射膜が基体４の側面にまで形成され、かつ、該基体４の他方主面が共通基板３に対する載置面となる場合を例示しているが、これは必須の態様ではなく、活性層５が直接に共通基板３上に設けられる態様であってもよい。

活性層５としては、ＧａＡｓ系半導体やＩｎＰ系半導体を用いるのが好適である。具体的な材質や波長は適宜選択できる。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であれば、波長１０６４ｎｍ付近で発振するＧａＡｓ系半導体を活性層５に用いることになる。

なお、光源素子２から出射される半導体レーザ光Ａ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傾向がある。波長安定性を高めるという観点からは、半導体レーザ光Ａの発振波長は１１００ｎｍ以下であればよいが、９９０ｎｍ以下であることが特に好ましい。一方、半導体レーザ光Ａの波長が短くなると、半導体の屈折率変化が大きくなりすぎる傾向がある。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、反射膜６の材質としては、金などの金属膜などが例示される。一方、反射膜２０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の積層膜として形成するのが好適である。

図２は、グレーティング素子９の概略斜視図である。図３は、グレーティング素子９のＹＺ断面図である。

図１においては図示を省略しているが、グレーティング素子９は、概略、平板状の支持基板１０の一方主面上に、光学材料層１１を接着層１５によって接合させた構成を有する。なお、支持基板１０の他方主面が共通基板３に対するグレーティング素子９の載置面となっている。支持基板１０の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、石英ガラス等のガラス、水晶、Ｓｉ、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などを例示することができる。

光学材料層１１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とを有する。光学材料層１１の厚みＴｓは、０．５μｍ以上３μｍ以下であるのが好ましい。

また、光学材料層１１の上面１１ｄ側には、Ｘ軸方向に沿って平行に設けられた直線状の溝部である１対のリッジ溝１９が設けられてなり、リッジ溝１９の間の部分が光導波路（リッジ型光導波路）１８とされてなる。そして、係る光導波路１８に、ブラッググレーティング１２が設けられてなる。リッジ溝１９の深さＴ_ｒは、０．２５μｍ以上０．８５μｍ以下であるのが好ましく、光導波路１８の幅（Ｙ軸方向のサイズ）Ｗ_ｍは１．５μｍ以上８μｍ以下であるのが好ましい。なお、光導波路１８の幅Ｗ_ｍとは、光導波路１８の横断面（半導体レーザ光Ａの光軸方向に垂直な面）において最も狭い部分の幅であるとする。

リッジ溝１９は、例えば、反応性イオンエッチングによるドライエッチング、フッ硝酸によるウエットエッチング、外周刃による切削加工やレーザアブレーション加工などによる物理的な加工によって形成が可能である。

ブラッググレーティング１２は、図２において部分拡大図Ｅにて示すように、光軸方向に沿って一定のピッチΛおよび深さｔ_ｄで設けられた周期的な凹凸部である。光軸方向における凸部と凹部の長さは等しくΛ／２である。なお、図１においてはＺＸ平面に沿ってブラッググレーティング１２を示しているがこれはあくまで説明の都合に過ぎず、実際には、ブラッググレーティング１２はＸＹ平面に沿って形成される。

ピッチΛは、外部共振器型発光装置１から出射させたい光の波長に応じて適宜に定められる。一方、深さｔ_ｄは、１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とされるのが好適である。

ブラッググレーティング１２においては、ブラッグ条件のもと、ピッチΛに応じて定まる反射率プロファイルに基づき光が反射される。なお、反射率プロファイルの主ピークの波長λ_Ｇは温度係数ｄλ_Ｇ／ｄＴで変化する温度の関数となる。また、ブラッググレーティング１２における反射率（グレーティング反射率）、特に主ピークの波長λ_Ｇにおける反射率は、光学材料層１１の形成材料（特にその屈折率ｎ_ｂ）や、ブラッググレーティング１２のピッチΛ、長さＬ_ｂ、深さｔ_ｄの値などに応じて定まる値である。

外部共振器型発光装置１における発振を促進するという観点からは、５％以上４０％以下というグレーティング反射率が実現されるのが好ましく、これは、ブラッググレーティング１２の長さＬ_ｂを１０μｍ以上とすることによって実現される。また、グレーティング反射率は反射膜６の反射率よりも大きい方が好ましい。なお、グレーティング反射率が５％以上であれば出力パワーは安定するが、大きな出力パワーを得るという観点からは、グレーティング反射率は２５％以下がより好ましい。

なお、ブラッググレーティング１２は、光学材料層１１の下面１１ｃの側に設けられる態様であってもよい。ブラッググレーティング１２とリッジ溝１９の形状ばらつきを低減するという観点からは、ブラッググレーティング１２を下面１１ｃ上に形成することによって、ブラッググレーティング１２とリッジ溝１９の形成面を違える方が好ましい。

ブラッググレーティング１２は、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。例えば、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属膜を光学材料層１１の上面に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を設けることによってエッチング用マスクを形成する。その後、マスクされていない箇所を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エッチングし、最後に金属マスクを除去することにより、ブラッググレーティング１２が形成される。

ブラッググレーティング１２は、光学材料層１１の入射面１１ａおよび出射面１１ｂのいずれからも離隔して設けられてなる。特に、入射面１１ａとブラッググレーティング１２との間は、グレーティングが存在しない伝搬部１３となっている。伝搬部１３は、間隙１４を介して活性層５と対向配置されてなる。ただし、外部共振器の長さを短くするという観点からは、伝搬部１３はなくてもよい。

なお、図２では図示を省略しているが、図３に示すように、光学材料層１１の上下面に下側バッファ層１６と上側バッファ層１７とが設けられる。従って、より厳密には、光学材料層１１は下側バッファ層１６を介して支持基板１０上に設けられる。

ただし、下側バッファ層１６および上側バッファ層１７はなくてもよい。上側バッファ層１７がない場合、空気層が直接ブラッググレーティング１２に接することになるので、上側バッファ層１７が備わる場合に比して、ブラッググレーティング１２が無いところとの屈折率差がより大きくなることから、ブラッググレーティング１２の長さＬ_ｂを短くしつつ、反射率を大きくすることができる。

下側バッファ層１６と上側バッファ層１７とは、例えば酸化珪素からなるのが好適である。下側バッファ層１６と上側バッファ層１７とは、スパッタ、真空蒸着、ＣＶＤなどの公知の薄膜形成手法によって、光学材料層１１となる基板上に形成することが可能である。

光学材料層１１は、屈折率ｎ_ｂが１．８以上であって、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の物質を用いて構成するのが好ましい。例えば、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム、酸化タンタル、タンタル酸リチウム、酸化亜鉛、および、酸化アルミナからなる群より選択される物質のバルク結晶（基板）などを用いることが好ましい。

屈折率ｎ_ｂが１．８以上の材料にて光学材料層１１を構成することにより、グレーティング素子９の構造をコンパクトなものとしつつ高いグレーティング反射率を得ることができる。さらには、屈折率ｎ_ｂは１．９以上であることがより好ましい。なお、屈折率ｎ_ｂの上限に特段の制限はないが、屈折率ｎ_ｂを大きくする一方でピッチΛを小さくすることによって反射率を確保するような場合において、ピッチΛが小さすぎるとブラッググレーティング１２の形成が困難になることから、実用上は、屈折率ｎ_ｂは４以下で十分であるが、さらに３．６以下であることが好ましい。また、光導波路１８に下側バッファ層１６および上側バッファ層１７までを含んだ領域の等価屈折率についても、同様の理由から３．３以下であることが好ましい。

また、グレーティング素子９をなす支持基板１０や光学材料層１１が上述のようなセラミックスやガラス材料で構成される場合、熱伝導が小さいことから、蓄熱効果を奏する。これにより、半導体レーザの放熱が抑制され、半導体レーザが高温に保持される。係る蓄熱効果は、環境温度の変化に起因した発光波長の変動の抑制に資するものである。係る蓄熱効果を高めるためには、支持基板１０や光学材料層１１を熱伝導率が２５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の物質にて形成するのが好ましく、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の物質にて形成するのがもっとも好ましい。

光学材料層１１中には、光導波路１８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い。係る場合においては、マグネシウムを含有させるのが特に好ましい。また、ドープ成分として、希土類元素を含有させる態様であってもよい。係る場合、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１５は、無機接着剤にて形成する態様であっても、有機接着剤にて形成する態様であってもよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせにて形成する態様であってもよい。あるいは、接着層１５を形成せず、直接接合によって支持基板１０と光学材料層１１とを貼り合わせる態様であってもよい。この場合、常温直接接合法、表面活性化法、原子拡散接合法を採用することができる。あるいはまた、スパッタ、真空蒸着、ＣＶＤなど、公知の薄膜生成手法にて、支持基板１０の上に光学材料層１１となる薄膜層を形成する態様であってもよい。

また、光学材料層１１の入射面１１ａ側の端面には無反射膜７Ｂが設けられており、出射面１１ｂ側の端面には無反射膜７Ｃが設けられている。無反射膜７Ｂ、７Ｃ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の積層膜や、金属膜として形成するのが好適である。なお、実際には、無反射膜７Ｂ、７Ｃはいずれも、ブラッググレーティング１２における反射率（グレーティング反射率）よりも反射率が小さい層として設けられればよい。具体的には、０．１％以下であるのがより好ましい。

以上のような構成を有する外部共振器型発光装置１のレーザ発振の原理について以下に概説する。レーザ発振する初期の過程において、活性層５に注入電流が与えられると該活性層５において自然放出光（一次発光）が生じる。係る自然放出光は、図２の入射光Ａとなってグレーティング素子９の光導波路１８に入射するが、ブラッググレーティング１２においては該一次発光のうちブラッグ条件を満たす所定の波長成分の光のみが反射される（図２の反射光Ｃ）ので、反射膜６からブラッググレーティング１２までの区間において、所定の位相条件をみたす波長（発振波長）の光の発振（レーザ光）が生じる。なお、光学材料層１１の光軸方向両端面には無反射膜７Ｂ、７Ｃが設けられているので、これら両端面で反射が生じることはない。外部共振器型発光装置１においては、概略、このような態様にて波長安定性の確保されたレーザ光を出射することができるようになっている。このとき、反射膜６と反射膜２０の区間においてもファブリペロー型共振器が構成できるが、反射膜２０の反射率がグレーティングの反射率より小さい場合には、反射膜６からブラッググレーティング１２までの間で構成する共振器の方がゲイン閾値を小さくすることができる。このためブラッググレーティング１２の発振モードが支配的になる。

なお、光学材料層１１の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くなる場合は、反射膜に代えて無反射膜を設ける態様であってもよい。図４は、反射膜２０に代えて無反射膜７Ａが設けられた外部共振器型発光装置１ＡのＺＸ断面図である。無反射膜７Ａは、無反射膜７Ｂ、７Ｃと同様の態様にて設けられてよい。反射膜２０と無反射膜７Ａとが相違するほかは、外部共振器型発光装置１と外部共振器型発光装置１Ａの構成と同じである。それゆえ、以降の説明においては、特に断らない限り、外部共振器型発光装置１と外部共振器型発光装置１Ａとを特に区別せずに説明する。

また、図５は、図３に示したグレーティング素子９の変形例であるグレーティング素子９ＡのＹＺ断面図である。グレーティング素子９Ａは、グレーティング素子９と同じ層構成を有しているが、リッジ溝１９および光導波路１８の形成位置が異なっている。具体的には、素子内部である光学材料層１１の支持基板１０側に、リッジ溝１９と光導波路１８とが形成されている。これに伴い、接着層１５がリッジ溝１９の部分に対応して凸部を有してなる。また、光学材料層１１の上面１１ｅは平坦面となっている。

係る場合においては、ブラッググレーティング１２は平坦面である上面１１ｅ側に形成される態様であってもよく、リッジ溝１９のある下面１１ｆ側に形成される態様であってもよい。

あるいは、ブラッググレーティング１２とリッジ溝１９の形状ばらつきを低減するという観点からは、ブラッググレーティング１２を上面１１ｅ上に形成することによって、ブラッググレーティング１２とリッジ溝１９の形成面を違える方が好ましい。

また、グレーティング素子９の場合と同様の理由から、グレーティング素子９Ａにおいても上側バッファ層１７はなくてもよい。

なお、グレーティング素子９とグレーティング素子９Ａとの構成上の差異点は、後述する本実施の形態に係る発明の特徴点と直接には関係しないことから、以降の説明においては、特に断らない限り、グレーティング素子９とグレーティング素子９Ａとを特に区別せずに説明する。また、図４に示した外部共振器型発光装置１Ａがグレーティング素子９Ａを備える態様であってもよい。

＜レーザ光の発振条件とこれに関係する各部のサイズ＞
次に、本実施の形態に係る外部共振器型発光装置１において出射光Ｂが出射されるための条件である、ゲイン条件と位相条件とについて概説する。

まず、ゲイン条件は、以下の式（１）で規定される。

ただし、ξ_ｔｇ_ｔｈは、外部共振器型発光装置１のゲイン閾値であり、α_ａ、α_g、α_ｍ、α_ｂはそれぞれ、活性層５、間隙１４、伝搬部１３、ブラッググレーティング１２の損失係数であり、Ｌ_ａ、Ｌ_g、Ｌ_ｍ、Ｌ_ｂはそれぞれ、光軸方向における活性層５、間隙１４、伝搬部１３、ブラッググレーティング１２の長さであり、ｒ_１、ｒ_２はそれぞれ、反射膜６とブラッググレーティング１２の反射率であり、Ｃ_ｏｕｔは、グレーティング素子９と光源素子２との結合効率である。

式（１）は、反射膜６とブラッググレーティング１２との間の共振器のゲインが、右辺で表される損失を上回れば、レーザ発振し出射光Ｂとなって外部共振器型発光装置１の外部へと出射されることを表している。なお、右辺の各変数は、ブラッググレーティング１２の反射率ｒ２を除いてはほとんど波長依存性がないので、事実上、ゲイン条件はブラッググレーティング１２に応じて定まる。

一方、位相条件は以下の式（２）で表される。

ここで、φ2は、ブラッググレーティング１２での位相変化量であり、β_ａ、β_ｇ、β_ｂはそれぞれ、活性層５、間隙１４、伝搬部１３の実効屈折率ｎ_ａ、ｎ_ｇ、ｎ_ｍとの間でβ_ｉ＝2πｎ_ｉ／λなる関係をみたす値である（ｉは、ａ、ｇ、ｍ）。なお、ブラッググレーティング１２においては、凹凸のピッチΛと値β_ｂとの間に、Λ＝π／β_ｂの関係が成り立つ。式（２）を成立させるλが、外部共振器型発光装置１から外部へと出射される出射光Ｂの波長λ_ＴＭとなる。式（２）より、波長λ_ＴＭとして取り得る値は離散的なものとなる。

活性層５の長さＬ_ａは、出射光Ｂの出力を大きくするという観点から１５０μｍ以上とすることが好ましいが、５００μｍ以下であればよく、３００μｍ以下とすることが好ましい。

間隙１４の長さＬ_ｇは１μｍ以上１０μｍ以下とするのが好ましい。これは、発振の安定のためである。

ブラッググレーティング１２の長さＬ_ｂは、反射率の観点から上述のように１０μｍ以上とするのが好ましいが、一方で、３００μｍ以下とするのが好ましい。これは、式（２）の位相条件をみたす波長λ_ＴＭの間隔（縦モード間隔）ΔＧ_ＴＭが大きくする効果があり、後述する、モードホップ抑制に資するものとなっている。この観点からは、長さＬ_ｂを２００μｍ以下とすることがいっそう好ましい。また、長さＬ_ｂが短い場合、損失が小さくなるので、式（１）のゲイン閾値ξ_ｔｇ_ｔｈを低減できるという効果も得られる。この結果、低電流、低発熱、低エネルギーでの駆動が可能となる。

伝搬部１３の長さＬ_ｍは１００μｍ以下とするのが好ましい。これによって安定した発振が促進される。さらに、長さＬ_ｍは１０μｍ以上とするのが好ましく、２０μｍ以上がより好ましい。

さらに、光軸方向におけるグレーティング素子９の長さＬ_ＷＧは５００μｍ以下とするのが好ましい。長さＬ_ＷＧは４００μｍ以下とするのがより好ましく、３００μｍ以下がさらに好ましい。また、長さＬ_ＷＧは５０μｍ以上が好ましい。

＜グレーティング素子における反射波長の設定＞
次に、本実施の形態に係る外部共振器型発光装置１において特徴的な、温度制御なし、かつ、パワーモニター機能なしでの波長安定動作およびパワー安定動作を実現可能な、ブラッググレーティング１２における反射波長（より詳細には反射プロファイルの中心波長）の設定の仕方について説明する。

図６は、活性層５における一次発光のゲインカーブと、グレーティング素子９の反射率プロファイルとの関係を示す図である。図６（ａ）はある温度Ｔａの場合を示し、図６（ｂ）は温度Ｔａより高い温度Ｔｂの場合を示している。なお、温度Ｔａ、Ｔｂはともに、−１０℃以上７０℃以下の値であるとする。なお、以降の説明において、−１０℃以上７０℃以下という温度範囲を特に、動作想定温度範囲と称する。なお、動作想定温度範囲は、本実施の形態に係る外部共振器型発光装置１の動作する環境の温度範囲として最小限想定されている範囲である。

例えば、非特許文献４および非特許文献５などにも示唆されているように、少なくとも動作想定温度範囲において、一次発光のゲインにはバンドギャップの温度依存性に伴う温度依存性があることが知られており、グレーティング素子９の反射率プロファイルの中心波長も同様に温度依存性を有する。より具体的には、一次発光のゲインは、少なくとも動作想定温度範囲においては、光源素子２（活性層５）の温度が高いほどピーク値が長波長側へとシフトする一方で、ゲインの最大値が低下することが知られている。また、グレーティング素子９の反射プロファイルは、少なくとも動作想定温度範囲においては、グレーティング素子９の温度が高いほど、ピーク値（中心波長λ_Ｇ）が長波長側へとシフトすることが知られている。ただし、反射率プロファイルの形状は温度によらずほぼ一定とみなすことが出来る。

図６においては、このような傾向を示すべく、図６（ａ）に示す温度ＴａにおけるゲインカーブＧＣ１では波長λ１（ａ）でゲインがピーク値Ｇｐ（ａ）をとり、図６（ｂ）に示す温度ＴｂにおけるゲインカーブＧＣ２では、波長λ１（ａ）よりも大きな波長λ１（ｂ）でゲインがＧｐ（ａ）よりも小さいピーク値Ｇｐ（ｂ）をとるものとしている。

また、図６には併せて、温度Ｔａ、Ｔｂの場合についてそれぞれ、従来の外部共振器型発光装置において使用されるブラッググレーティングの反射率プロファイルＰＦ０（ａ）、ＰＦ０（ｂ）を破線にて例示している。係るブラッググレーティングは、通常、室温（２０℃〜３０℃）における中心波長が、当該温度におけるゲインカーブのピーク値を与える波長と略一致するように設定（調整）されてなる。図６においては、図６（ａ）に示す温度Ｔａの場合に、ゲインカーブＧＣ１においてピーク値Ｇｐ（ａ）を与える波長λ１（ａ）が反射率プロファイルＰＦ０（ａ）の中心波長λｇ（ａ）と一致するものとしている。この場合、図６（ｂ）に示す温度Ｔｂにおいては、ゲインカーブＧＣ２においてピーク値Ｇｐ（ｂ）を与える波長λ１（ｂ）と反射率プロファイルＰＦ０（ｂ）の中心波長λｇ（ｂ）とは一致しない。以降、以上のようなブラッググレーティングの設定の仕方を、従来設定と称することとする。

係る従来設定の場合、図６（ａ）に示す温度Ｔａの場合のように、ゲインカーブＧＣ１のピーク位置と反射率プロファイルのピーク位置とが一致する環境温度では、出射光のゲインは大きくなる。しかしながら、使用の継続に伴い環境温度が変化していくと、通常は、ゲインカーブのピークシフトの方が反射率プロファイルのピークシフトよりも大きいために、２つのピーク位置の差は大きくなり、反射率プロファイルに位置におけるゲインの値は、両者が一致していたときよりも大きく低下する。例えば図６に示す場合であれば、ゲインはＧｐ（ａ）からＧｇ（ｂ）まで低下する。すなわち、環境温度の変化に伴って、大きなゲイン変動が生じてしまうことになる。なお、ブラッググレーティングを用いず、光源素子から直接にレーザ光を出射させる場合は、ゲインカーブのピークシフトがそのまま出射光のピークシフトとなることから、ゲインはＧｐ（ａ）からＧｐ（ｂ）まで低下することになる。この場合も、大きなゲイン変動が生じることとなる。

本実施の形態における反射率プロファイルの設定は、上述のような従来設定の場合のゲイン変動を考慮したものとなっている。

具体的には、室温を含む−１０℃以上３０℃以下なる温度範囲においては（好ましくは動作想定温度範囲においては）、λ１＜λ_Ｇ−ΔλＧ／２なる関係をみたすように、ブラッググレーティング１２の反射率プロファイルが設定（調整）される。図６においては、それぞれ実線で示す、温度Ｔａの場合の反射率プロファイルＰＦ１（ａ）と温度Ｔｂの場合の反射率プロファイルＰＦ１（ｂ）とが係る関係をみたすものとなっている。

さらには、位相条件をみたす出射光Ｂの波長域がλ_Ｇ−△λＧ／２以上λ_Ｇ＋△λＧ／２以下の範囲となるようにされてなる。

このように設定することで、動作想定温度範囲内において得られるゲインの最大値こそ、従来設定よりも小さくはなるものの、ゲイン変動が抑制された出射光Ｂを得ることが出来るようになる。

図１のような構成の場合、反射膜６と反射膜２０の区間においてもファブリペロー型共振器が構成できるが、ブラッググレーティング１２の反射率を反射膜２０の反射率よりも大きく設定することにより、反射膜６からブラッググレーティング１２で構成する共振器のゲイン閾値を小さくすることができる。このためにファブリペロー型共振器の発振モードを抑圧することができる。

さらに、無反射膜７Ｂ、７Ｃの無反射透過特性をλ_Ｇ（Ｔmin）−△λＧ／２以上λ_Ｇ（Ｔmax）＋△λＧ／２とすることにより、ファブリペロー型共振器のゲイン閾値をさらに高くすることができる。これによりさらに一層ファブリペロー型共振器の発振モードを抑圧することができる。ここで、λ_Ｇ（Ｔmin）は動作想定温度の最低温度におけるブラッググレーティングの反射波長であり、λ_Ｇ（Ｔmax）は動作想定温度の最高温度におけるブラッググレーティングの反射波長である。

例えば、図６に示す場合であれば、反射率プロファイルＰＦ１（ａ）、ＰＦ１（ｂ）のピーク位置（中心波長）である波長λ_Ｇ（ａ）、λ_Ｇ（ｂ）が位相条件をみたす出射光Ｂの波長であるとすると、温度Ｔａから温度Ｔｂへと変化したときゲインは、Ｇ（ａ）からＧ（ｂ）へと変化する。ブラッググレーティング１２を上述のように構成することで、この差分値Ｇ（ａ）−Ｇ（ｂ）をＧｐ（ａ）−Ｇｇ（ｂ）よりも小さくすることが可能である。

より具体的には、５０℃以下においてλ_Ｇ−λ１≧５ｎｍであり、２０℃以下においてλ_Ｇ−λ１≧１０ｎｍであるようにするのがより好ましい。係る場合、動作想定温度範囲内において、出射光の出力の変動を、室温における出力の３％以下に抑制することが出来る。

また光学材料層１１について、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムのような屈折率の温度依存性が正で大きな材料を使用することによりＧ（ａ）−Ｇ（ｂ）をさらに小さくすることができ、出力変動のより小さい動作が可能となる。

以上のような態様にてグレーティング素子９における反射波長を設定することによって、外部共振器型発光装置１においては、従来の装置において行われていたような、ペルチェ素子などを用いた温度制御を行うことなく、あるいはさらに、パワーモニター機能を備えることなく、波長安定動作およびパワー安定動作が実現される。

＜モードホップとその抑制＞
最後に、本実施の形態に係る外部共振器型発光装置１において実現されてなる、モードホップの抑制について説明する。本実施の形態におけるモードホップの抑制は、モードホップにより取り得る波長を限定的なものとすることと、モードホップが生じない温度域を拡げることの２つの観点から実現されるようになっている。

まず、モードホップに際して取り得る波長を限定的なものとするという点に関して説明する。

外部共振器型発光装置１においては、ブラッググレーティング１２の凹凸の深さｔ_ｄを上述のように１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とすることによって、反射率プロファイルの主ピークの半値全幅ΔλＧを０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下という、従来に比して大きい値としている。つまりは、反射率プロファイルの主ピークを従来に比してブロードなものとしている。

その一方で、ブラッググレーティング１２の長さＬ_ｂを３００μｍ以下とすることによって、式（２）の位相条件をみたす波長λ_ＴＭの間隔（縦モード間隔）ΔＧ_ＴＭを大きくすることで、主ピークの波長λ_Ｇを中心とした半値全幅ΔλＧの範囲に含まれる縦モードの数（波長λ_ＴＭの数）が２以上５以下に設定されてなる。係る場合、安定なレーザ発振条件で、縦モードがシングルモードとなる発振が可能である。このときレーザ発振した出力のスペクトル幅は０．１ｎｍ以下となる。

これにより、モードホップが生じたとしても、波長の変動はΔλＧの範囲内で収まるようになる。すなわち、大きな波長変動は生じないようになっている。

次に、モードホップが生じない温度域を拡げるという点に関して説明する。

モードホップが生じる温度Ｔ_ｍｈは、以下の式（３）のように表される。

なお、式（３）のΔＧ_ＴＭは、上述のように式（２）の位相条件をみたす波長λ_ＴＭの間隔（縦モード間隔）であるが、λ_ＴＭが複数の値を取り得ることから、ΔＧ_ＴＭも複数の値を取り得る。また、ｄλ_Ｇ／ｄＴは、上述のようにグレーティング反射率の反射率プロファイルにおける主ピークの波長λ_Ｇの温度係数であり、ｄλ_ＴＭ／ｄＴは、式（２）の位相条件をみたす出射光Ｂの波長λ_ＴＭの温度係数である。

本実施の形態においては、上述のようにΔＧ_ＴＭの値を大きくすることに加えて、式（３）の右辺の分母｜ｄλ_Ｇ／ｄＴ−ｄλ_ＴＭ／ｄＴ｜が、以下に示す式（４）をみたすようにする。これにより、式（３）の温度Ｔ_ｍｈの値が大きくなるので、モードホップの発生は抑制される。

具体的には、屈折率の大きい材料は屈折率の温度変化が大きいという傾向を利用し、上述のように光学材料層１１の屈折率ｎ_ｂを１．８以上とすることによって、温度係数ｄλ_Ｇ／ｄＴの値を大きくすることで、式（４）をみたすようになっている。なお、式（４）の左辺の値は０．０２５以下であればさらに好ましい。

このように、外部共振器型発光装置１においてはモードホップの抑制もなされていることから、本実施の形態によれば、動作想定温度範囲内において環境温度が変化したとしても、波長変動および出力変動の抑制された外部共振器型発光装置１が実現されるといえる。

＜第２の実施の形態＞
上述した第１の実施の形態に係る外部共振器型発光装置１では、光学材料層１１に一対のリッジ溝１９を設けることによって、グレーティング素子９にリッジ型の光導波路１８が設けられてなる。係る構成では、光導波路１８以外の部分、具体的には、リッジ溝１９の下方および側方にも光学材料層１１が存在する。しかしながら、光導波路をリッジ型光導波路として設ける態様はこれに限られるものではない。本実施の形態では、光学材料層１１を構成する材料と同じく屈折率ｎ_ｂが１．８以上である材料（以下、単に光学材料とも称する）からなるリッジ型の光導波路を、第１の実施の形態とは異なる態様にて具備するグレーティング素子について説明する。

図７は、本実施の形態に係る種々のグレーティング素子１０９（１０９Ａ〜１０９Ｅ）についてのＹＺ断面図である。図７（ａ）〜（ｅ）に示す５通りのグレーティング素子１０９Ａ〜１０９Ｅはいずれも、リッジ型の光導波路１１８が、光学材料からなりＸ軸方向に延在する細長いコアとなっており、該光導波路１１８のＹＺ断面（以下、横断面とも称する）が凸図形をなしている点で共通している。換言すれば、本実施の形態に係る種々のグレーティング素子１０９Ａ〜１０９Ｅにおいて光学材料にて構成されてなるのは、リッジ型光導波路１１８のみとなっている。

ここで、光導波路１１８のＹＺ断面が凸図形をなしているとは、光導波路１１８の横断面の外側輪郭線の任意の二点を結ぶ線分が、当該横断面の外側輪郭線の内側に位置することを意味する。このような凸図形としては、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。なかでも、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。

なお、図示は省略するが、グレーティング素子１０９の光導波路１１８においても、第１の実施の形態に係る外部共振器型発光装置１に備わるグレーティング素子９の光導波路１８の場合と同様の態様にて、ブラッググレーティング１２および伝搬部１３が設けられてなる。加えて、光導波路１１８のＸ軸方向両端部には、グレーティング素子９に備わる無反射膜７Ｂ、７Ｃと同様の無反射膜が設けられてなる。そして、グレーティング素子１０９を用いて構成される外部共振器型発光装置は、第１の実施の形態に係る外部共振器型発光装置１のグレーティング素子９をグレーティング素子１０９にて置き換えたものとして構成される。すなわち、グレーティング素子１０９におけるレーザ光の発振に関する要件は全て、第１の実施の形態に係るグレーティング素子９における要件と同じである。

図７（ａ）に示すグレーティング素子１０９Ａは、支持基板１０上にバッファ層（第１のバッファ層）１１６を備え、該バッファ層１１６上に光導波路１１８（１１８Ａ）を備えた構成を有する。光導波路１１８Ａは、その横断面が上底よりも下底が長い台形形状をなすように設けられてなる。すなわち、光導波路１１８Ａにおいては、バッファ層１１６と接する下側面よりも該下側面に対向する上側面の方が狭くなっている。係る光導波路１１８Ａの幅Ｗ_ｍは１．５μｍ以上８μｍ以下であるのが好ましい。また、光導波路１１８Ａの厚み（Ｚ軸方向の高さ）Ｔ_ｈは、０．５μｍ〜３μｍであるのが好ましい。なお、光導波路１１８Ａの最大幅は０．７μｍ以上９μｍ以下であるのが好ましい。

第１のバッファ層１１６は、例えばＳｉＯ_２、アルミナ、ポリイミド、エポキシ樹脂など、光学材料よりも屈折率の小さい材料から選択された材料にて０．２μｍ〜２μｍ程度の厚みに形成されてなる。

係る構成を有するグレーティング素子１０９Ａにおいては、バッファ層１１６と、光導波路１１８の周りに存在する空気（空気層）とが、コアたる光導波路１１８よりも相対的に屈折率の小さいクラッドとして機能する。

グレーティング素子１０９Ａにおけるバッファ層１１６および光導波路１１８Ａの形成は、スパッタ、真空蒸着、ＣＶＤなどの公知の薄膜形成手法によってバッファ層１１６と光導波路１１８Ａを構成する光学材料からなる薄膜層とを順次に形成した後、後者の不要部分をエッチング除去することによって行える。なお、係るエッチングの際に併せてブラッググレーティング１２を形成する態様であってもよい。

一方、図７（ｂ）に示すグレーティング素子１０９Ｂは、図７（ａ）に示すグレーティング素子１０９Ａに、光導波路１１８Ａを上方および側方から覆うバッファ層（第２のバッファ層）１１７をさらに設けた構成を有する。第２のバッファ層１１７は、第１のバッファ層１１６と同様、例えばＳｉＯ_２、アルミナ、ポリイミド、エポキシ樹脂などから選択された材料にて形成されてよいが、第１のバッファ層１１６とは異なる材料にて形成されてなる。また、第２のバッファ層１１７は、光導波路１１８の上方部分１１７ｂの厚みが０．２μｍ〜２μｍ程度となるように形成される。

グレーティング素子１０９Ｂの形成は、グレーティング素子１０９Ａを形成する場合と同様にバッファ層１１６および光導波路１１８Ａを形成し、さらにはブラッググレーティング１２を形成した後、スパッタ、真空蒸着、ＣＶＤなどの公知の薄膜形成手法によってバッファ層１１７を形成することによって行える。

また、図７（ｃ）に示すグレーティング素子１０９Ｃは、横断面が上底よりも下底が短い台形形状をなすように設けられた光導波路１１８Ｂを備えるほかは、図７（ｂ）に示すグレーティング素子１０９Ｂと同様の構成を有する。光導波路１１８Ｂにおいては、第１のバッファ層１１６と接する下側面が該下側面に対向する上側面よりも狭くなっている。係る光導波路１１８Ｂの配置態様は、換言すれば、光導波路１１８Ａを上下反転させたものに相当する。

グレーティング素子１０９Ｃの形成は、光学材料からなる薄膜層をエッチングする際のエッチング条件を違えるほかは、グレーティング素子１０９Ｂの形成と同様に行える。

なお、図示は省略するが、グレーティング素子１０９が、係る光導波路１１８Ｂを備える一方で第２のバッファ層１１７を具備しない構成を有する態様であってもよい。これは、グレーティング素子１０９Ａの光導波路１１８Ａを上下反転させたものに相当する。

さらには、図７（ｄ）および図７（ｅ）に示すグレーティング素子１０９Ｄおよび１０９Ｅはそれぞれ、光導波路１１８Ａもしくは１１８Ｂの周囲に一の材料からなるバッファ層１２２を設けた構成を有するものである。バッファ層１２２の第１のバッファ層１１６および第２のバッファ層１１７と同様、例えばＳｉＯ_２、アルミナ、ポリイミド、エポキシ樹脂などから選択された材料にて形成されてよい。

これらグレーティング素子１０９Ｄおよび１０９Ｅの形成はそれぞれ、グレーティング素子１０９Ｂおよび１０９Ｃと同様の手順にて、第１のバッファ層１１６に相当する部分についてのバッファ層１２２の形成と、光導波路１１８Ａもしくは１１８Ｂの形成さらにはブラッググレーティング１２の形成とを行った後、引き続きバッファ層１２２の残りの部分を第２のバッファ層１１７と同様に形成することで行える。バッファ層１２２は、光導波路１１８の下方部分１２２ａの厚みがグレーティング素子１０９Ａ〜１０９Ｃの第１のバッファ層１１６と同じ厚みとなるように、かつ、光導波路１１８の上方部分１２２ｂの厚みがグレーティング素子１０９Ａ〜１０９Ｃの第２のバッファ層１１７における光導波路１１８の上方部分１１７ｂと同じ厚みとなるように、形成される。

なお、図７（ａ）〜（ｅ）においてはバッファ層１１６、１１７、あるいは１２２が支持基板１０の略全面を覆う態様にて形成される場合を例示しているが、これは必須の態様ではない。例えば、グレーティング素子１０９Ａにおいては、少なくとも光導波路１１８Ａの下方にバッファ層１１６が存在していれば、支持基板１０が部分的に露出してなる態様であってもよい。同様に、グレーティング素子１０９Ｂ〜１０９Ｅにおいては光導波路１１８Ａあるいは１１８Ｂの周囲が覆われていれば、光導波路１１８の側方部分１１７ｃまたは１２２ｃが支持基板１０の全てを覆うように設けられてなる必要はなく、支持基板１０が部分的に露出してなる態様であってもよい。

また、本実施の形態に係るグレーティング素子１０９の場合も、第１の実施の形態に係るグレーティング素子９と同様、接着層１５による貼り合わせによって形成することは可能である。例えば、グレーティング素子１０９Ａを作製する場合であれば、光導波路１１８Ａとなる光学材料からなる基板にあらかじめバッファ層１１６をスパッタ等で形成しておいたうえで、該バッファ層１１６と下地基板１０とを接着層１５にて貼り合わせ、その後、エッチングによって光導波路１１８を形成すればよい。グレーティング素子１０９Ｂ〜１０９Ｅなど、光導波路１１８の上方にもバッファ層をさらに設ける場合は、係るエッチングおよびブラッググレーティング１２の形成の後にこれを行えばよい。

以上のような構成を有するグレーティング素子１０９を備えた外部共振器型発光装置１においても、第１の実施の形態でのグレーティング素子９における反射波長の設定態様と同様の態様にてグレーティング素子１０９における反射波長を設定することによって、従来の装置において行われていたような、ペルチェ素子などを用いた温度制御を行うことなく、あるいはさらに、パワーモニター機能を備えることなく、波長安定動作およびパワー安定動作が実現される。

また、本実施の形態のように、コアたる光導波路１１８の部分のみを光学材料にて形成し、その周囲をクラッドとする構成を採用することは、第１の実施の形態の構成に比して、光閉じ込め効果が高まるという点や、光の伝搬損失低減、パッシベーションという点で好適である。

＜変形例＞
光学材料層１１は、支持基板１０上に薄膜層として形成してもよい。係る薄膜層の形成手法としては、スパッタ、蒸着、ＣＶＤを例示できる。この場合、光学材料層１１は支持基板１０に直接形成されるので、接着層１５の形成は不要である。

光源素子２およびグレーティング素子９の各端面は、端面反射を抑制する目的で斜めカットされていてもよい。

ＧａＡｓ系半導体やＩｎＰ系半導体のレーザのほか、上述の光源素子２に代えて一次元状に配列したレーザアレイ等の光源を使用することも可能である。あるいは、光源素子２として、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）を用いる態様であってもよい。

（実施例１）
図５に示すグレーティング素子９Ａを作製し、その特性を評価した。

具体的には、まず、グレーティング素子９Ａを形成するために、光学材料層１１の材料として屈折率ｎ_ｂ＝２．１７であるｙ板ＭｇＯドープのニオブ酸リチウム結晶基板（以下、ＬＮ基板）を用意した。該結晶基板の一方主面上にマスクとして金属Ｔｉ膜を形成し、フォトリソグラフィー技術によるパターニングとフッ素系の反応性イオンエッチングとにより、ピッチΛ＝２２５ｎｍ、長さＬ_ｂ＝１５０μｍ、深さｔ_ｄ＝１５ｎｍのブラッググレーティング１２となるグレーティングパターンを形成した。なお、パターニングの際には、伝搬部１３の長さＬ_ｍが２０μｍとなるようにした。

続いて、エキシマレーザを用いて、グレーティングパターンの延在方向に沿ってリッジ溝１９を形成することにより、幅Ｗ_ｍ＝３μｍ、深さＴ_ｒ＝０．６μｍの光導波路１８を設けた。さらに、スパッタ装置によって、リッジ溝１９が形成された側の面にＳｉＯ_２からなる下側バッファ層１６を０．５μｍの厚みに形成した。その後、支持基板１０としてブラックＬＮ基板を用意し、その一方主面と下側バッファ層１６とを接着して積層体を得た。接着層１５はエポキシ系樹脂を使用して形成した。

次に、ブラックＬＮ基板の非接着面側を研磨定盤に貼り付けて、露出しているＬＮ基板の他方主面（ブラッググレーティングの非形成面）を精密研磨し、光学材料層１１の厚みＴｓを１．２μｍとした。その後、積層体を研磨定盤から外し、研磨面に対し、スパッタ装置によってＳｉＯ_２からなる上側バッファ層１７を０．５μｍの厚みに形成した。

続いて、ダイシング装置にて、積層体をブラックグレーティングの延在方向が長手方向となる棒状に切断した。切断面を光学研磨した後、無反射膜７Ｂ、７Ｃとして反射率０．１％のＡＲコートを形成した。最後に、チップ切断を行うことにより、グレーティング素子９Ａを得た。最終的な素子サイズは長さＬ_ＷＧ＝５００μm、幅＝１ｍｍとした。

得られたグレーティング素子９Ａについて室温（２０℃とする）での光学特性を評価した。具体的には、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９ＡにＴＥモードの光を入力し、その出力光を光スペクトルアナライザで分析し、得られた透過特性から、グレーティング素子９Ａの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λ_Ｇ＝９９１ｎｍ、最大反射率＝１０％、半値全幅△λ_Ｇ＝０．５ｎｍという結果を得た。

続いて、このグレーティング素子９Ａを実装して、図１の外部共振器型発光装置１を作製した。

具体的には、光源素子２として、活性層５がＧａＡｓからなり、反射膜６の反射率が９７％で、反射膜２０の反射率が３％であるＧａＡｓ系レーザを用意した。光源素子２の素子長（活性層５の長さ）Ｌ_ａは２５０μｍであった。光源素子２から出射されるレーザ光（一次発光）の室温における中心波長は９８０ｎｍであり、出力は６０ｍＷであった。

実装に際しては、共通基板３としてＳＵＳを使用し、光源素子２とグレーティング素子９との間隔Ｌ_ｇは１μｍとした。

実装後、ペルチェ素子による冷却を行うことなく、外部共振器型発光装置１Ａを電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、室温においては、ブラッググレーティング１２の反射プロファイルの中心波長λ_Ｇに対応した波長９９０．９ｎｍで発振する発振光（出射光Ｂ）が得られた。出力（レーザ出力）は、一次発光の出力よりも小さい４０．１ｍＷであった。

続いて、外部共振器型発光装置１Ａを恒温槽内に設置し、３０℃〜７０℃の温度範囲において１０℃ごとに、一次発光の波長λ１と、発振光の波長λ_ＴＭと、レーザ出力とを測定した。その結果を上述した室温（２０℃）の結果も含めて表１に示す。なお、発振光の温度係数ｄλ_ＴＭ／ｄＴは０．１ｎｍ／℃であり、式（４）はみたされていた。

表１に示す結果からわかるように、本実施例においては、２０℃〜７０℃の間における発振光（出射光Ｂ）のレーザ出力の差は最大で０．５ｍＷであり、発振波長λ_ＴＭの差は最大で５．２ｎｍであった。

（実施例２）
ブラッググレーティング１２を、ピッチΛ＝２２２ｎｍ、長さＬ_ｂ＝１００μｍ、深さｔ_ｄ＝４０ｎｍとなるように形成したほかは、実施例１と同様の手順でグレーティング素子９Ａおよび外部共振器型発光装置１Ａの作製および評価を行った。

ブラッググレーティング１２の評価結果は、中心波長λ_Ｇ＝９９１ｎｍ、最大反射率＝２０％、半値全幅△λ_Ｇ＝２ｎｍであった。

また、２０℃〜７０℃での、外部共振器型発光装置１Ａにおける一次発光の波長λ１と、発振光の波長λ_ＴＭと、レーザ出力とを測定した結果を表２に示す。なお、発振光の温度係数ｄλ_ＴＭ／ｄＴは０．１ｎｍ／℃であり、式（４）はみたされていた。

表２に示す結果からわかるように、本実施例においては、２０℃〜７０℃の間における発振光（出射光Ｂ）のレーザ出力の差は最大で０．５ｍＷであり、発振波長λ_ＴＭの差は最大で５．０ｎｍであった。

（実施例３）
本実施例では、光学材料層１１を薄膜層として備えるグレーティング素子９を形成した。

具体的には、まず、支持基板１０として石英基板を用意し、該石英基板の一方主面に対して、スパッタ装置にて光学材料層１１としてのＴａ_２Ｏ_５層（屈折率ｎ_ｂ＝２．１）を１．２μｍの厚みに形成した。次に、Ｔａ_２Ｏ_５層の上にマスクとして金属Ｎｉ膜を形成し、フォトリソグラフィー技術によるパターニングとフッ素系の反応性イオンエッチングとにより、ピッチΛ＝２４０ｎｍ、長さＬ_ｂ＝１００μｍ、深さｔ_ｄ＝４０ｎｍのブラッググレーティング１２となるグレーティングパターンを形成した。

次に、エキシマレーザにて、グレーティングパターンの延在方向に沿ってリッジ溝１９を形成することにより、幅Ｗ_ｍ＝３μｍ、深さＴ_ｒ＝０．６μｍの光導波路１８を設けた。

続いて、ダイシング装置にて、積層体をブラックグレーティングの延在方向が長手方向となる棒状に切断した。切断面を光学研磨した後、無反射膜７Ｂ、７Ｃとして反射率０．１％のＡＲコートを形成した。最後に、チップ切断を行うことにより、グレーティング素子９を得た。最終的な素子サイズは長さＬ_ＷＧ＝５００μm、幅＝１ｍｍとした。

以降のグレーティング素子９の評価、および、外部共振器型発光装置１の作製および評価は、実施例１と同様に行った。

ブラッググレーティング１２の評価結果は、中心波長λ_Ｇ＝９９３．５ｎｍ、最大反射率＝２０％、半値全幅△λ_Ｇ＝２ｎｍであった。

また、２０℃〜７０℃での、外部共振器型発光装置１における一次発光の波長λ１と、発振光の波長λ_ＴＭと、レーザ出力とを測定した結果を表３に示す。なお、発振光の温度係数ｄλ_ＴＭ／ｄＴは０．０５ｎｍ／℃であり、式（４）はみたされていた。

表２に示す結果からわかるように、本実施例においては、２０℃〜７０℃の間における発振光（出射光Ｂ）のレーザ出力の差は最大で２．２ｍＷであり、発振波長λ_ＴＭの差は最大で２．１ｎｍであった。

（比較例）
ブラッググレーティング１２のピッチΛを２２２ｎｍとしたほかは、実施例１と同様の手順でグレーティング素子９Ａおよび外部共振器型発光装置１Ａの作製および評価を行った。

ブラッググレーティング１２の評価結果は、中心波長λ_Ｇ＝９７７ｎｍ、最大反射率＝１０％、半値全幅△λ_Ｇ＝０．５ｎｍであった。

また、２０℃〜７０℃での、外部共振器型発光装置１Ａにおける一次発光の波長λ１と、発振光の波長λ_ＴＭと、レーザ出力とを測定した結果を表４に示す。なお、発振光の温度係数ｄλ_ＴＭ／ｄＴは０．０５ｎｍ／℃であり、式（４）はみたされていた。

表４に示す結果からわかるように、本比較例においては、２０℃〜７０℃の間における発振光（出射光Ｂ）のレーザ出力の差は最大で９．６ｍＷであり、発振波長λ_ＴＭの差は最大で５．０ｎｍであった。

実施例１〜実施例３の結果と本比較例の結果とを対比すると、前者の方が、レーザ出力の安定性に優れていることがわかる。

Claims (10)

1. 外部共振器型発光装置であって、
   レーザ光を発する活性層を有する半導体レーザ光源と、
   前記活性層から発せられた前記レーザ光の光軸方向を長手方向とするリッジ型光導波路を備えるとともに、前記リッジ型光導波路の途中に設けられたブラッググレーティングを備えており、入射した前記レーザ光のうち所定の波長成分の光を前記半導体レーザ光源と前記ブラッググレーティングとの間で発振させて前記外部共振器型発光装置の外部への出射光として出射するグレーティング素子と、
   を備え、
   前記半導体レーザ光源から発せられる前記レーザ光の波長をλ１とし、
   前記ブラッググレーティングの反射率プロファイルの中心波長をλ_Ｇとし、前記反射率プロファイルの半値全幅をΔλＧとするときに、
   少なくとも−１０℃以上３０℃以下においてλ１＜λ_Ｇ−ΔλＧ／２であるとともに、前記出射光の波長域がλ_Ｇ−ΔλＧ／２以上λ_Ｇ＋ΔλＧ／２以下である、
   ことを特徴とする外部共振器型発光装置。
2. 請求項１に記載の外部共振器型発光装置であって、
   ５０℃以下においてλ_Ｇ−λ１≧５ｎｍであり、
   ２０℃以下においてλ_Ｇ−λ１≧１０ｎｍである、
   ことを特徴とする外部共振器型発光装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の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、
   支持基板と、
   前記支持基板上に設けられてなり０．５μｍ以上３．０μｍ以下の厚みを有する光学材料層と、
   前記支持基板と前記光学材料層とを接合する接合層と、
   を備えており、
   前記リッジ型光導波路が前記光学材料層に設けられており、
   前記半導体レーザ光の光軸方向における前記ブラッググレーティングの長さをＬ_ｂとし、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さをｔ_ｄとするときに、
   １０μｍ≦Ｌ_ｂ≦３００μｍ
   かつ
   １０ｎｍ≦ｔ_ｄ≦２５０ｎｍ
   であることを特徴とする外部共振器型発光装置。
4. 請求項３に記載の外部共振器型発光装置であって、
   前記光学材料層の材質が、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からなる群より選択される、
   ことを特徴とする外部共振器型発光装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の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、支持基板の上に前記リッジ型光導波路を備える構成を有するものであり、
   前記リッジ型光導波路が、前記長手方向に垂直な断面が凸図形をなすとともに０．５μｍ以上３．０μｍ以下の厚みを有してなり、
   前記半導体レーザ光の光軸方向における前記ブラッググレーティングの長さをＬ_ｂとし、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さをｔ_ｄとするときに、
   １０μｍ≦Ｌ_ｂ≦３００μｍ
   かつ
   １０ｎｍ≦ｔ_ｄ≦２５０ｎｍ
   であることを特徴とする外部共振器型発光装置。
6. 請求項５に記載の外部共振器型発光装置であって、
   前記リッジ型光導波路の材質が、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からなる群より選択される、
   ことを特徴とする外部共振器型発光装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の外部共振器型発光装置であって、
   前記半導体レーザ光の光軸方向における前記グレーティング素子の長さをＬ_ＷＧとするときに、
   Ｌ_ＷＧ≦５００μｍ
   であることを特徴とする外部共振器型発光装置。
8. 請求項７に記載の外部共振器型発光装置であって、
   ０．５ｎｍ≦ΔλＧ≦３．０ｎｍ
   であることを特徴とする外部共振器型発光装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の外部共振器型発光装置であって、
   前記波長域に、前記出射光の波長となる波長値が２以上５以下存在する、
   ことを特徴とする外部共振器型発光装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の外部共振器型発光装置であって、
    ブラッグ波長の温度係数をｄλ_Ｇ／ｄＴとし、前記出射光の波長の温度係数をｄλ_ＴＭ／ｄＴとするときに、
    

    

    であることを特徴とする外部共振器型発光装置。

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