JPWO2015190570A1 - 外部共振器型発光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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部を有する光導波路、およびこの光導波路内に形成された複数の互いに周期の異なるブラッググレーティングを備えており、
前記複数のブラッググレーティングの合成反射率の最大値Rmaxの50%を半値反射率R50としたとき、前記半値反射率R50が前記光源の出射端の反射率R2よりも大きく、前記半値反射率R50が3%以上であり、前記合成反射率が前記半値反射率R50以上となる波長領域△λ50が連続して10nm以上、30nm以下設けられていることを特徴とする。
ここで、単に複数の周期(ピッチ)の異なるブラッググレーティングを直列に接続して動作させる場合には、各グレーティングによる共振器長が大きく異なるために、モードホップ間隔が大きく異なる。このため、短い共振器でレーザ発振する場合には、温度変化があってもモードホップしにくく波長が安定するが、長い共振器の場合には、モードホップ間隔が狭くなるためにモードホップがしやすくなり、波長安定性が悪くなってしまう。
図8の上側には、半導体レーザ光のゲイン(利得)の波長に対する依存性を示し、図8の下側には、三つのブラッググレーティングG1、G2、G3の合成反射率の波長特性例を示す。
これを言い換えると、各ブラッググレーティングの反射率のグラフが、各々のΔλG1、ΔλG2、ΔλG3となる反射率以上で交差している。
半値反射率R50は3%以上とし、これによって安定な発振が可能となる。半値反射率R50は5%以上が好ましく、7%以上が更に好ましい。半値反射率R50の上限は特にないが、60%以下であってもよい。
4nm ≦λG(n+1)−λG(n)≦20nm
ブラッググレーティングの周期(ピッチ)の間隔△Λ{(n+1)−n}は以下のように表すことができる。
△Λ{(n+1)−n}=1/2neff×{λG(n+1)−λG(n)}
ここで、neffは等価屈折率(実効屈折率)である。
1nm ≦ △Λ{(n+1)−n} ≦ 5nm
△λ50≦ 0.7×Σ(△λG(n))
各ブラッググレーティングの長さは3μm以上であることが好ましく、異なる周期のグレーティングの後に同じ周期のグレーティングを配置してもよい。
たとえばGaAs半導体レーザの温度特性は0.3nm/℃であり、10℃温度が上昇すると3nm長波長側に発振波長がシフトする。△λLDgは、半導体レーザによって異なるが一般的に4nmから10nm程度の範囲である。
95nmとして形成したグレーティング素子の場合、合成反射率の特性は、図14(b)に示すようになる。この場合、最大反射率Rmaxは約18%、R50は約9%、半値全幅△λ50は10nmである。また、R70は約12.6%であり、△λ70は約8nmである。
合成反射率は、複数のグレーティングの反射特性を合成したものを現す。グレーティングにより回折する光の反射特性は、グレーティングの構造(深さ、周期、形状、長さ)やこれを形成する材料の屈折率によって決められる。例えば、非特許文献2に示すように数値計算にて求めることができる。また、Coupled-Mode Theoryを利用した電磁界シミュレーションにより計算することができる。
これらによると、グレーティングの反射率は複素数によって表され、複数のグレーティングの場合は、それぞれの位置によって合成される反射特性が変わることになる。つまり、グレーティングの間隔を変えることによって反射特性が変わることになる。
また、図15(b)に示す素子では、光学材料層30上に更に上側バッファ層14が形成されている。
なお、本例では、連結部9aにおける光導波路の幅Wgrが一定であり、出射部9cにおける光導波路の幅Woutも一定である。
なお、Aはグレーティング素子への入射光であり、Bはグレーティング素子からの出射光であり、Cはグレーティング反射光である。
また、La+Lg+Lm+Lbtotalは、1050μm以下が好ましく、800μm以下が更に好ましい。また、La+Lg+Lm+Lbtotalは、300μm以上が好ましい。
(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。
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。
図6に示す外部共振器型レーザモジュールを作製した。グレーティング素子は、図4および図15(b)の構造である。
G1:ピッチ間隔Λ190nm、長さLb 8μm
G2:ピッチ間隔Λ192.5nm、長さLb 8μm
G3:ピッチ間隔Λ195nm、長さLb 8μm
測定したグレーティング素子の反射中心波長は、791nmであり、最大反射率Rmaxは36%であった。また、半値全幅△λ50は21nm、△λ70は20nmであった
光源素子仕様:
中心波長: 790nm
出力 20mW
半値幅: 0.1nm
レーザ素子長 300μm
実装仕様:
Lg: 0.5μm
Lm: 10μm
実施例1と同様な発光装置を作製した。ただし、グレーティング素子については、ピッチ間隔Λ192.5nm、長さLb25μmの一つのブラッググレーティングG1を形成した(図3参照)。グレーティングの溝深さtdは125nmとした。
測定したグレーティング素子の反射中心波長は791nmであり、最大反射率Rmaxは18%であり、半値全幅△λ50は5nm、W70は4nmであった。
光源素子仕様:
中心波長: 790nm
出力 20mW
半値幅: 0.1nm
レーザ素子長 300μm
実装仕様:
Lg: 0.5μm
Lm: 10μm
実施例1と同様な発光装置を作製した。
ただし、グレーティング素子については、以下のブラッググレーティングG1、G2を形成した(図5参照)。グレーティングの溝深さtdは200nmとした。
G1:ピッチ間隔Λ191nm、長さLb6μm
G2:ピッチ間隔Λ193nm、長さLb6μm
測定したグレーティング素子の反射中心波長は、791nmであり、反射率は30%であった。
光源素子仕様:
中心波長: 790nm
出力 20mW
半値幅: 0.1nm
レーザ素子長 300μm
実装仕様:
Lg: 0.5μm
Lm: 10μm
、出力変動を測定した。
実施例2と同様な発光装置を作製した。グレーティング素子については、ピッチ間隔Λ191nm、Lb6μm、ピッチ間隔Λ193nm、長さLb6μmのブラッググレーティングG1、G2であるが、グレーティングG1とG2の間隔は96nmとした。
測定したグレーティング素子の反射特性は、波長780nm、800nmの2つのピークがあり、反射率はそれぞれ18%であった。また、半値全幅△λ50は9nm、△λ70は8nmであった。
光源素子仕様:
中心波長: 780nm
出力 20mW
半値幅: 0.1nm
レーザ素子長 300μm
実装仕様:
Lg: 0.5μm
Lm: 10μm
、出力変動を測定した。
Claims (8)
- 半導体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部を有する光導波路、およびこの光導波路内に形成された複数の互いに周期の異なるブラッググレーティングを備えており、
前記複数のブラッググレーティングの合成反射率の最大値Rmaxの50%を半値反射率R50としたとき、前記半値反射率R50が前記光源の出射端の反射率R2よりも大きく、前記半値反射率R50が3%以上であり、前記合成反射率が前記半値反射率R50以上となる波長領域△λ50が連続して10nm以上、30nm以下で設けられていることを特徴とする、外部共振器型発光装置。 - 前記合成反射率が前記合成反射率の最大値Rmaxの70%以上となる波長領域△λ70が連続して10nm以上、25nm以下設けられていることを特徴とする、請求項1記載の装置。
- 前記光源が単独で前記半導体レーザ光を発振することを特徴とする、請求項1または2記載の装置。
- 前記光源の前記出射端の反対側の反射端と、前記複数のブラッググレーティングの出射側終点との間隔が1mm以下であり、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1〜3のいずれか一つの請求項に記載の装置。
Lbtotal ≦300μm ・・・(1)
La ≦500μm ・・・(2)
(式(1)において、Lbtotalは、前記複数のブラッググレーティングの開始点から前記出射側終点までの長さである。
式(2)において、Laは、前記活性層の長さである。) - 前記複数のブラッググレーティングのうち、隣り合う前記ブラッググレーティングが連続してい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。
- 以下の式(3)を満足す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。
△λ50≦ 0.7×Σ(△λG(n))・・・・(3)
(式(3)において、Σ(△λG(n))は、前記各ブラッググレーティングの各反射率が各最大値の50%となる反射率の半値全幅△λG(n)の合計値である。) - 前記ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率nbが1.7以上であ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。
- 前記光導波路が、前記複数のブラッググレーティングの開始点と前記入射面との間に入射側伝搬部を有しており、前記入射側伝搬部が、前記光導波路の幅が変化するテーパ部を有す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。
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