JPWO2015166794A1 - グレーティング素子および外部共振器型発光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
支持基板、
前記支持基板上に設けられた光学材料層、
前記光学材料層に設けられ、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端を有するリッジ型光導波路、および
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を備えており、
前記リッジ型光導波路が、前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている入射部および前記入射部と前記ブラッググレーティングとの間に設けられているテーパ部を含んでおり、少なくとも前記ブラッググレーティングにおいて伝搬光がシングルモード伝搬し、前記入射部における前記リッジ型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リッジ型光導波路の幅よりも大きく、前記テーパ部における前記リッジ型光導波路の幅が前記入射部から前記ブラッググレーティングに向かって小さくなっており、下記式(1)〜式(4)の関係が満足されることを特徴とする。
0.8nm≦△λG≦6.0nm・・・(1)
10μm≦Lb≦300μm ・・・(2)
20nm≦td≦250nm ・・・(3)
nb≧1.8 ・・・(4)
(式(1)において、△λGは、前記ブラッググレーティングのブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式(2)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(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。
式(4)において、nbは、前記光学材料層を構成する材質の屈折率である。)
また,本発明は、
支持基板、
前記支持基板上に設けられた光学材料層、
前記光学材料層に設けられ、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端を有するリッジ型光導波路、および
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を備えており、
前記リッジ型光導波路が、前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている入射部および前記入射部と前記ブラッググレーティングとの間に設けられているテーパ部を含んでおり、少なくとも前記ブラッググレーティングにおいて伝搬光がシングルモード伝搬し、前記入射部における前記リッジ型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リッジ型光導波路の幅よりも大きく、前記テーパ部における前記リッジ型光導波路の幅が前記入射部から前記ブラッググレーティングに向かって小さくなっており、下記式(1)〜式(3)の関係が満足され、前記光学材料層を構成する材質が、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、タンタル酸リチウム、酸化マグネシウム、酸化二オブおよび酸化チタンからなる群より選択されることを特徴とする、グレーティング素子。
0.8nm≦△λG≦6.0nm・・・(1)
10μm≦Lb≦300μm ・・・(2)
20nm≦td≦250nm ・・・(3)
(式(1)において、△λGは、前記ブラッググレーティングのブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式(2)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(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。)
前記光源が、前記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のものであることを特徴とする。
(非特許文献3: 古河電工時報 平成12年1月 第105号 p24-29)
具体例として、Ni、Ti、Cr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。
リッジ型光導波路も、グレーティング溝と同じように形成することができる。
下部、上部クラッド層は、それぞれ下部、上部バッファ層であってよく、またこれらの屈折率は、光学材料層の屈折率よりも低い。
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発明の実施形態とを端的に比較し、本発明の特徴を述べる。次いで、本発明の各条件について述べていくこととする。
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。
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
0.8nm≦△λG≦6.0nm・・・(1)
10μm≦Lb≦300μm ・・・(2)
20nm≦td≦250nm ・・・(3)
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。
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。
(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り、λTMは図15で示される。
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、モードフィールド径と定義する。レーザ光の場合、モード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。
レーザ光の波長が0.85μmの場合に、Winvは1.7μm以上、2.55μm以下となる。
図1(a)、図2、図4に示すようなグレーティング素子を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板5にスパッタ装置にてSiO2を1μm成膜し、さらにTa2O5を2μm成膜して光学材料層1を形成した。次に、光学材料層1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のグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。さらに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、入射部の幅Win8μm、Tr1μm、グレーティング部の幅Wgr3μm、Tr1μmのリッジ溝加工を実施した。入射面からグレーティング部開始点までの長さは25μmとした。
測定した素子の反射中心波長は850nmであった。
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
Win: 8μm
Wh: 3μm
Win/Wh: 2.7
Winv: 2μm
Wv: 1μm
Winv/Wv: 2
実施例1と同様な方法で同様な構造のグレーティング素子を形成した。ただし、光源入力部の幅Win8μm、Tr1μm、グレーティング部の幅Wgr8μm、Tr1μmのリッジ溝加工を実施した。入力端面からグレーティング部開始点までの長さは25μmとした。
測定した素子の反射中心波長は850nmであった。しかし、これよりも短波長側に複数の波長845nm、840nm、836nmで反射が測定された。
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
Win: 8μm
Wh: 3μm
Win/Wh: 2.7
Winv: 2μm
Wv: 1μm
Winv/Wv: 2
実施例1と同様な方法で同様な構造のグレーティング素子を形成した。ただし、光源入力部の幅Win8μm、Tr1μm、グレーティング部の幅Wgr2μm、Tr1μmのリッジ溝加工を実施した。入力端面からグレーティング部開始点までの長さは25μmとした。
測定した素子の反射中心波長は849.5nmであった。
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
Win: 8μm
Wh: 3μm
Win/Wh: 2.7
Winv: 2μm
Wv: 1μm
Winv/Wv: 2
図1(a)、図3に示すような素子を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板5にスパッタ装置にてSiO2を2μm成膜し、さらにTa2O5を2μm成膜して光学材料層1を形成した。次に、光学材料層1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のグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。さらに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、入射部の幅Win8μm、Tr1.6μm、グレーティング部の幅Wgr3μm、Tr1.6μmのリッジ溝加工を実施した。入力端面からグレーティング部開始点までの長さは25μmとした。
その後、入力部とテーパ部をマスキングしてグレーティング部を反応性イオンエッチングにて全体にTa2O5の厚みを1μmエッチングした。これによって、図3(b)に示すように、グレーティング素子における光学材料層厚さを入射部およびテーパ部における光学材料層厚さよりも小さくした。このときグレーティングの溝深さtdは40nmになるようにし、リッジ導波路の溝深さは0.6μmとなるようにした。
測定した素子の反射中心波長は848nmであった。
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
Win: 8μm
Wh: 3μm
Win/Wh: 2.7
Winv: 2μm
Wv: 1μm
Winv/Wv: 2
Wgrv: 1μm
Winv/Wgrv: 2
ときの軸ずれ量と定義する。同じように垂直方向についても測定し軸ずれ量を測定した。
実施例1、3、比較例1について測定した結果を以下に示す。
実施例1と同様にグレーティング素子を形成し、図9に示すようなレーザモジュールを実装した。
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
Win: 3μm
Wh: 3μm
Win/Wh: 1
Winv: 2μm
Wv: 1μm
Winv/Wv: 2
図1(a)、図3に示すような素子を作製し、図9に示すようなレーザモジュールを実装した。
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
Win: 3μm
Wh: 3μm
Win/Wh: 1
Winv: 2μm
Wv: 1μm
Winv/Wv: 2
Wgrv: 1μm
Winv/Wgrv: 2
実施例1と同様にグレーティング素子を形成し、図9に示すようなレーザモジュールを実装した。
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
Win: 3μm
Wh: 3μm
Win/Wh: 1
Winv: 1μm
Wv: 1μm
Winv/Wv: 1
Claims (12)
- 支持基板、
前記支持基板上に設けられた光学材料層、
前記光学材料層に設けられ、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端を有するリッジ型光導波路、および
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を備えており、
前記リッジ型光導波路が、前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている入射部および前記入射部と前記ブラッググレーティングとの間に設けられているテーパ部を含んでおり、少なくとも前記ブラッググレーティングにおいて伝搬光がシングルモード伝搬し、前記入射部における前記リッジ型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リッジ型光導波路の幅よりも大きく、前記テーパ部における前記リッジ型光導波路の幅が前記入射部から前記ブラッググレーティングに向かって小さくなっており、下記式(1)〜式(4)の関係が満足されることを特徴とする、グレーティング素子。
0.8nm≦△λG≦6.0nm・・・(1)
10μm≦Lb≦300μm ・・・(2)
20nm≦td≦250nm ・・・(3)
nb≧1.8 ・・・(4)
(式(1)において、△λGは、前記ブラッググレーティングのブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式(2)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(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。
式(4)において、nbは、前記光学材料層を構成する材質の屈折率である。)
- 支持基板、
前記支持基板上に設けられた光学材料層、
前記光学材料層に設けられ、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端を有するリッジ型光導波路、および
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を備えており、
前記リッジ型光導波路が、前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている入射部および前記入射部と前記ブラッググレーティングとの間に設けられているテーパ部を含んでおり、少なくとも前記ブラッググレーティングにおいて伝搬光がシングルモード伝搬し、前記入射部における前記リッジ型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リッジ型光導波路の幅よりも大きく、前記テーパ部における前記リッジ型光導波路の幅が前記入射部から前記ブラッググレーティングに向かって小さくなっており、下記式(1)〜式(3)の関係が満足され、前記光学材料層を構成する材質が、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、タンタル酸リチウム、酸化マグネシウム、酸化二オブおよび酸化チタンからなる群より選択されることを特徴とする、グレーティング素子。
0.8nm≦△λG≦6.0nm・・・(1)
10μm≦Lb≦300μm ・・・(2)
20nm≦td≦250nm ・・・(3)
(式(1)において、△λGは、前記ブラッググレーティングのブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式(2)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(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。)
- 前記入射部における前記光学材料層の厚さが前記ブラッググレーティングにおける前記光学材料層の厚さよりも大きく、前記テーパ部における前記光学材料層の厚さが前記入射部から前記ブラッググレーティングに向かって小さくなっていることを特徴とする、請求項1または2記載の素子。
- 前記レーザ光の波長がλであり、少なくとも前記入射部における前記光学材料層の厚さがWinvであり、Winv/λが2以上、3以下であり、前記ブラッググレーティングにおける前記リッジ型光導波路の幅が3λ以上、5λ以下であ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素子。
- 前記ブラッググレーティングにおける前記光学材料層の厚さWgrv/前記レーザ光の波長λが1以上、2以下であることを特徴とする。請求項4記載の素子。
- 前記入射面と前記出射端との少なくとも一方に、前記光学材料層を構成する前記材質の屈折率よりも低い屈折率を有する材質からなる単層膜が形成されてい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素子。
- 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、
前記光源が、前記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、請求項1〜6のいずれか一つの請求項に記載のグレーティング素子であることを特徴とする、外部共振器型発光装置。 - 前記入射部における前記リッジ型光導波路の幅が前記レーザ光の水平方向のモードフィールド径の1.5倍以上であることを特徴とする、請求項7記載の装置。
- 前記入射部における前記光学材料層の厚さが、前記レーザ光の垂直方向のモードフィールド径の1.5倍以上であることを特徴とする、請求項7または8記載の装置。
- 下記式(5)の関係が満足されることを特徴とする、請求項7〜9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。)
- 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7〜10のいずれか一つの請求項に記載の装置。
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