JPWO2016152730A1 - 外部共振器型発光装置 - Google Patents
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Abstract
光源３が、所望波長の光を発振する出射側端面Ｚおよびグレーティング素子４に対向する対向端面Ｙを有する。グレーティング素子４の光導波路が、光源３に対向する対向端面Ｘとこの対向端面と反対側の外側端面とを有する。ブラッググレーティング６と対向端面Ｘとの間に伝搬部５ｂを有する。光源の対向端面の反射率Ｒ０１が３５％以下である。光源の出射側端面の反射率Ｒ０２が２０％以下である。光導波路の対向端面の反射率ＲＧ２が光源の出射側端面の反射率Ｒ０２よりも低く、ブラッググレーティングの反射率ＲＧＲが９０％以上である。【選択図】 図１
Description
本発明は、外部共振器型発光装置に関するものである。
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(Bragg)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〜特許文献４）。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、一つ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。
半導体基板中にモノリシック(monolithic)に形成されるDBRレーザは、活性層の導波路の延長上に回折格子が形成されるために、活性層で発生した熱が直接的に回折格子部分に伝熱することや、電流注入された電子が回折格子部分にも注入されることによって屈折率変動が大きくなり、温度変動により波長が変動したり、パワーが変動するといった問題がおこる。このため、ペルチェ(Peltier)素子などにより温度制御するのが一般的である。
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：Fiber Bragg Grating）や、ボリューム・ホログラム・グレーティング（VHG：Volume Hologram Grating）がある。
特許文献５（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(core)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 (vertical mode)マルチモード(multi mode)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６（特許第3667209）には、石英、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ポリイミド樹脂とす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。
本出願人は、特許文献７（ＷＯ ２０１４−１９６５５３）および特許文献８（特許第５６４１６３１）において、温度変化に伴うモードホップ(mode hopping)を抑制するような外部共振器型発光装置の構造を提案した。
また、本出願人は、特許文献９（特願２０１５−０２１０４４）において、温度変化に伴う外部共振器型発光装置のモードホップを抑制しつつ、グレーティング素子内で光路変更する構造を提案した。
特許文献７〜９の外部共振器型発光装置は、いずれも光源の下流側にグレーティング素子を設置するものである。そして、ブラッググレーティングの反射率を光源の出射側端面の反射率よりも大きくする必要があるために、ブラッググレーティングにおける反射による光源への帰還率が高くなっており、この点で出力が制限されていた。
更に、グレーティング素子に複数のブラッググレーティングを設けたい場合には、グレーティング素子を長くする必要があり、スペースが必要になる。更に、グレーティング素子に曲がり導波路を入れる場合には、複数の曲がり部が必要になるという問題があった。
本発明の課題は、別体の単独では発振不能な光源とグレーティング素子とを組み合わせたタイプの外部共振器型発光装置において、所望波長の光の出力を一層向上させることである。
本発明は、単独では半導体レーザ光を発振できない光源、および光導波路と少なくともこの光導波路内に形成されたブラッググレーティングを有するグレーティング素子を備えており、光源と前記グレーティング素子とが外部共振器を構成して所望波長の光を発振する外部共振器型発光装置である。光源が、所望波長のレーザ光を出射する出射側端面およびグレーティング素子に対向する対向端面を有しており、グレーティング素子の光導波路が、光源に対向する対向端面を有している。グレーティング素子のブラッググレーティングと前記対向端面との間に伝搬部を有しており、前記光源の前記対向端面の反射率Ｒ０１が３５％以下であり、光源の前記出射側端面の反射率Ｒ０２が２０％以下であり、光導波路の対向端面の反射率ＲＧ２が前記出射側端面の反射率Ｒ０２よりも低く、前記ブラッググレーティングの反射率ＲＧＲが９０％以上である。
本発明によれば、光源から見て上流側に、高い反射率を有するブラッググレーティングを備えた別体のグレーティング素子を設置している。これによって、光源の出射側における反射率を小さく設定できるので、帰還率が低くてもレーザ発振する。そして、光源出射側での反射率が小さいことから、発振した所望波長のレーザ光の出力を高くすることができる。
しかも、ブラッググレーティングにおけるグレーティング反射率を９０％以上に設定したことから、グレーティング反射ピークの波長特性を平坦化できる。この結果、モードホップによるパワー変動を小さくすることができ、パワー安定性および出力の高い外部共振器型レーザを実現できる。
図１に示す本発明例の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３とグレーティング素子４とを備えている。グレーティング素子３は支持基板２上に形成されており、光源４もこの支持基板２上にマウントされている。
光源３の本体３ｃ中には、半導体レーザ光を発振する活性層３ｄを備えている。ここで、光源３は、単独ではレーザ発振しない光源である。これは、光源３が、グレーティング素子がないときにはレーザ発振できず、グレーティング素子と外部共振器を構成することによって、矢印Ａのようにレーザ光を発振することを意味する。
光源３は、具体的には、単独ではレーザ発振しないスーパールミネッセンスダイオードや半導体光増幅器（ＳＯＡ）であってよい。
光源３は、具体的には、単独ではレーザ発振しないスーパールミネッセンスダイオードや半導体光増幅器（ＳＯＡ）であってよい。
グレーティング素子４には、光源３からの光が伝搬するチャネル型光導波路５が形成されている。ブラッググレーティング６は光導波路５内に形成されている。光源３とブラッググレーティング６との間で外部共振器を構成しており、グレーティングのブラッグ回折条件を満足する波長で矢印Ａのようにレーザ発振している。
光源３は、所望波長の光Ａを発振する出射側端面Ｚおよびグレーティング素子４に対向する対向端面Ｙを有する。また、本例では、グレーティング素子４の光導波路５は、光源３に対向する対向端面Ｘおよびこの対向端面と反対側の外側端面Ｗを有する。ここで、光導波路の端面とは、光導波路の末端がスラブに連続することなく形成している表面のことである。
本例では、光導波路５のうち対向端面Ｘとブラッググレーティング６との間に、回折格子のない伝搬部５ｂが設けられている。また、光導波路５のうち外側端面Ｗとブラッググレーティング６との間にも、回折格子のない伝搬部５ａが設けられている。また、光導波路５は支持基板３１上に形成されている。
ここで、光源の出射側端面Ｚの反射率Ｒ０２を２０％以下とする。更に、グレーティング素子の対向端面Ｘの反射率ＲＧ２を反射率Ｒ０２よりも低くする。これと同時に、ブラッググレーティングの反射率ＲＧＲを９０％以上と高くする。
また光源の出射対向端面Ｙの反射率Ｒ０１は、３５％以下とする。
また光源の出射対向端面Ｙの反射率Ｒ０１は、３５％以下とする。
こうした構造では、光源の対向端面側には高反射膜を設けておらず、対向端面側での反射率も低いので、グレーティング素子がないと、レーザ発振条件を満足することは困難である。本例では、光源の対向端面Ｙからグレーティング素子へと入射した光は、やはり比較的反射率の低いグレーティング素子の対向端面Ｘから光導波路５内に入射し、反射率の高いブラッググレーティング６において反射され、光源に帰還する。
ここで、光源の出射側端面Ｚには２０％以下の反射膜７を設けて、対向端面Ｙ、光導波路の対向端面Ｘ、外側端面Ｗには、それぞれ低反射膜８、９、１０を設けることによって、各端面における反射率を調整する。なお、各端面における反射率は、外部共振器型発光装置が発振する所望波長の光に対する反射率である。
ここで、光源の出射側端面の反射率Ｒ０２は、出射光の出力を増大させるという観点からは、２０％以下が好ましく、１５％以下が更に好ましい。また、レーザ発振を安定にするという観点からは、２％以上が好ましい。
光導波路の対向端面の反射率ＲＧ２および外側端面の反射率ＲＧ１は、それぞれ１２％以下が好ましい。これらは、出射光の出力向上および安定性という観点からは、３％以下が更に好ましく、１％以下が特に好ましい。
光導波路の対向端面の反射率ＲＧ２および外側端面の反射率ＲＧ１は、それぞれ１２％以下が好ましい。これらは、出射光の出力向上および安定性という観点からは、３％以下が更に好ましく、１％以下が特に好ましい。
また、光源の出射側端面の反射率Ｒ０２と、光源の対向端面の反射率Ｒ０１、光導波路の対向端面の反射率ＲＧ２および前記外側端面の反射率ＲＧ１との差は、それぞれ、２％以上とすることができる。
ブラッググレーティングの反射率ＲＧＲは９０％以上であるが、９５％以上であることが好ましく，９８％以上であることが更に好ましい。
光源の対向端面の反射率Ｒ０１は、３５％以下とする。このため光源の対向端面には、低反射膜や無反射膜を形成しなくてよく、へき開面とすることができる。しかし、レーザ光の光出力を大きくし、かつパワーを安定化する観点では、反射率Ｒ０１を小さくした方がよく、この場合には３％以下が好ましく、さらに１％以下が特に好ましい。
ブラッググレーティングの反射率ＲＧＲは９０％以上であるが、９５％以上であることが好ましく，９８％以上であることが更に好ましい。
光源の対向端面の反射率Ｒ０１は、３５％以下とする。このため光源の対向端面には、低反射膜や無反射膜を形成しなくてよく、へき開面とすることができる。しかし、レーザ光の光出力を大きくし、かつパワーを安定化する観点では、反射率Ｒ０１を小さくした方がよく、この場合には３％以下が好ましく、さらに１％以下が特に好ましい。
図１の例では、グレーティング素子の端面と光源の端面との間にギャップＧが設けられている。しかし、グレーティング素子と光源とが接していても良い。
図２は参考例の外部共振器型発光装置１１に係るものである。
本装置１１は、半導体レーザ光を発振する光源１３とグレーティング素子１４とを備えている。光源１３とグレーティング素子１４とは共通の支持基板２上に形成されている。
本装置１１は、半導体レーザ光を発振する光源１３とグレーティング素子１４とを備えている。光源１３とグレーティング素子１４とは共通の支持基板２上に形成されている。
光源１３の本体１３ｃ中には、半導体レーザ光を発振する活性層１３ｄを備えている。ここで、光源１３は、単独ではレーザ発振しない光源である。グレーティング素子１４には、光源１３からの光が伝搬するチャネル型光導波路１５が形成されている。ブラッググレーティング６は光導波路１５内に形成されている。光源１３とブラッググレーティング６との間で外部共振器を構成しており、グレーティングのブラッグ回折条件を満足する所望波長で矢印Ａのようにレーザ発振している。
ここで、所望波長は下式で定義される波長である。
所望波長λＧ＝２×ｎｅｆｆ×Λ／Ｐ
ｎｅｆｆ：チャネル型光導波路の実効屈折率
Λ：グレーティングの周期（ピッチ）
Ｐ：グレーティング次数
ここで、所望波長は下式で定義される波長である。
所望波長λＧ＝２×ｎｅｆｆ×Λ／Ｐ
ｎｅｆｆ：チャネル型光導波路の実効屈折率
Λ：グレーティングの周期（ピッチ）
Ｐ：グレーティング次数
光源１３は、グレーティング素子に対向する出射側端面１３ｂを有する。出射側端面１３ｂの反対側には外側端面１３ａが設けられている。また、グレーティング素子１４は、光源１３に対向する対向端面１４ａおよびこの対向端面と反対側の出射側端面１４ｂを有する。
本例では、光導波路１５のうち対向端面１４ａとブラッググレーティング６との間に、回折格子のない伝搬部１５ｂが設けられている。また、光導波路１５のうち出射側端面１４ｂとブラッググレーティング６との間にも、回折格子のない伝搬部１５ａが設けられている。
本参考例では、光源の下流側にグレーティング素子を設置するものであり、グレーティング素子１１の出射側端面１４ｂから所望波長のレーザ光を出射させる。そして、ブラッググレーティングの反射率ＲＧＲを光源の出射側端面の反射率Ｒ０２よりも高くする必要があるために、ブラッググレーティング６における反射による光源１３への帰還率が高くなっており、この点で出力が制限されていた。
グレーティング素子の断面構造やチャネル型光導波路の断面構造は特に限定されないが、以下に一例を示す。
図３には、グレーティング素子４の一例を示し、図４にはブラッググレーティングの形態を示し、図５には、チャネル型光導波路の横断面の一例を示す。
図３には、グレーティング素子４の一例を示し、図４にはブラッググレーティングの形態を示し、図５には、チャネル型光導波路の横断面の一例を示す。
光学材料層３３が支持基板３１上に設けられている。光学材料層３３は、ブラッググレーティング６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。図５の例では、支持基板３１上に下側バッファ層３４を介して光学材料層３３が形成されており、光学材料層３３上に上側バッファ層３５が形成されている。光学材料層３３には例えば一対のリッジ溝３２が形成されており、リッジ溝の間にリッジ部３３ｃが形成され、リッジ型光導波路５が形成されている。リッジ溝３２の外側には延在部３３ｄが形成されている。
ブラッググレーティングは、光学材料層の平坦な下面３３ｂ側に形成していてもよく、上面３３ａ側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下面３３ｂ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３２とを光学材料層の反対側に設けることが好ましい。
なお、光導波路の幅Ｗｍは、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。
なお、光導波路の幅Ｗｍは、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４は、ブラッググレーティングの形態の一例を示す斜視図である。ｔｄはグレーティング深さであり、Λは周期（ピッチ）である。
上述の例では、光源およびグレーティング素子は支持基板の同一面上に形成している。しかし、グレーティング素子に実装用凹部を形成し、この実装用凹部に光源を実装することもできる。
図６には、光源とグレーティング素子２４とを有する外部共振器型発光装置２１を示す。グレーティング素子２４には、光源２３からの光が伝搬するチャネル型光導波路２５とブラッググレーティング６とが形成されている。グレーティング素子２４内には、エッチングや研磨加工によって凹部２６が形成されており、凹部２６内に光源２３が実装されている。
この実施形態において、好ましくは、光源の長さをＬＬＤ、光源の幅をＷＬＤとし、グレーティング素子の長さをＬＳ、グレーティング素子の幅をＷＳとし、ブラッググレーティングの開始端から終端までの長さをＬＧとしたときに、
ＬＳ＜（ＬＬＤ＋ＬＧ）、かつ ＷＳ≦ＬＬＤ
の関係が成立しており、光源の長手方向とブラッググレーティングの長手方向とが交差している。
ＬＳ＜（ＬＬＤ＋ＬＧ）、かつ ＷＳ≦ＬＬＤ
の関係が成立しており、光源の長手方向とブラッググレーティングの長手方向とが交差している。
グレーティング素子２４には、主面２４ａと例えば四つの側面２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅが形成されている。光導波路２５は、ブラッググレーティング６が形成されている領域、曲がり部２５ａ、およびまっすぐな出射部２５ｂを有している。出射部２５ｂは，光源の対向端面２３ａに対向している。また、本例では、グレーティング６の末端Ｐが端面を形成しておらず、スラブ型光導波路４０に連続している。
光源２３とブラッググレーティング６との間で外部共振器を構成しており、グレーティングのブラッグ回折条件を満足する波長で矢印Ａのようにレーザ光を出射する。光源２３は、所望波長の光Ａを発振する出射側端面Ｚおよびグレーティング素子２４に対向する対向端面Ｙを有する。また、グレーティング素子２４は、光源２３に対向する対向端面Ｘを有する。
本例では、光導波路２５のうち対向端面Ｘとブラッググレーティング６との間に、回折格子のない伝搬部２５ａ、２５ｂが設けられている。
ここで、光源の対向端面Ｙの反射率Ｒ０１およびグレーティング素子の対向端面Ｘの反射率ＲＧ２、光源の出射側端面Ｚの反射率Ｒ０２を、本発明にしたがって調整する。なお、７は２０％以下の反射膜、８は３５％以下の低反射膜または無反射膜であるが、膜がなくてもよい。ただし、本例では、光導波路の対向端面と反対側の末端Ｐはスラブ光導波路４０に連続しているので、光導波路の中でブラッググレーティングを伝搬してきた伝搬光はスラブ光導波路内に拡散していき、反射して戻ってきた光がチャネル型光導波路２５に再結合しにくい。
本例では、グレーティング素子の長手方向ＤＧが側面２４ｂ、２４ｄと平行であり、光源２３の長手方向ＤＬに対して交差している。これによって、両者の長手方向が同じである場合に比べて、グレーティング素子２４の長さＬｓを小さくしても、光源を実装可能である。しかも、チャネル型光導波路には、ＤＧとＤＬとの交差角度θのぶんだけ湾曲する湾曲部分２５ａを設ければ光学的な接続が可能となるので、湾曲部分の光伝搬に伴う光損失が少ない。
グレーティング素子の長手方向ＤＧと光源の長手方向ＤＬとの交差角度θは、一般に、グレーティング素子の長さＬｓを小さくするという観点からは、４５°以上が好ましく、６０°以上が更に好ましい。また、交差角度θは略垂直であって良い。
好ましくは、光源の長さをＬＬＤ、光源の幅をＷＬＤとし、グレーティング素子の長さをＬＳ、グレーティング素子の幅をＷＳとし、ブラッググレーティングの開始端から終端までの長さをＬＧとしたときに、
ＬＳ＜（ＬＬＤ＋ＬＧ）、かつ ＷＳ≦ＬＬＤ
の関係が成立する。
ＬＳ＜（ＬＬＤ＋ＬＧ）、かつ ＷＳ≦ＬＬＤ
の関係が成立する。
ブラッググレーティングと光源との長手方向を同じにした場合の全長は（ＬＬＤ＋ＬＧ）となるので、この場合にはＬＳが（ＬＬＤ＋ＬＧ）以上でなければならない。したがって、ＬＳ＜（ＬＬＤ＋ＬＧ）という条件では、ブラッググレーティングの長手方向と光源の長手方向との交差角度が０°よりも大きいことになる。また、ブラッググレーティングの幅ＷＳが光源の長さＬＬＤよりも大きい場合には、光源をブラッググレーティング素子上で幅方向に向けて実装できる。しかし、ＷＳ≦ＬＬＤの条件では、光源をブラッググレーティング上で幅方向に向けて実装することができない。こうした場合、光源の長手方向とブラッググレーティングの長手方向とが交差するように設置することによって、素子を小型化し、かつ光導波路の湾曲部分における損失を最小限とできる。
図７は参考例の外部共振器型発光装置６０に係るものである。
本装置６０は、光源２３とグレーティング素子３４とを備えている。グレーティング素子３４には、光源２３からの光が伝搬するチャネル型光導波路２７とブラッググレーティング６とが形成されている。グレーティング素子３４内には凹部２６が形成されており、凹部２６内に光源２３が実装されている。
本装置６０は、光源２３とグレーティング素子３４とを備えている。グレーティング素子３４には、光源２３からの光が伝搬するチャネル型光導波路２７とブラッググレーティング６とが形成されている。グレーティング素子３４内には凹部２６が形成されており、凹部２６内に光源２３が実装されている。
グレーティング素子３４の基板３４には、主面３４ａと例えば四つの側面３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅが形成されている。光導波路２７は、出射部２７ａ、ブラッググレーティング６が形成されている領域、伝搬部２７ｂ、湾曲部２７ｃ、伝搬部２７ｄ、湾曲部２７ｅ、伝搬部２ｆを備えている。
光源２３とブラッググレーティング６との間で外部共振器を構成しており、出射部２７ａから所望波長の光を矢印Ａのように出射する。
光源２３とブラッググレーティング６との間で外部共振器を構成しており、出射部２７ａから所望波長の光を矢印Ａのように出射する。
こうした参考例においては、ＬＳ＜（ＬＬＤ＋ＬＧ）、かつＷＳ≦ＬＬＤの関係が成立する場合には、湾曲部分２７ｃ、２７ｅを２箇所に設ける必要がある。あるいは、湾曲角度を全体で１８０°とする必要がある。このため、湾曲部分における光の伝搬損失が大きくなる。
図８に示す外部共振器型発光装置２１Ａは、図６の装置２１と同様のものである。また、図９は、図８の装置２１Ａの縦断面図である。
本装置２１Ａでは、凹部２６に面するグレーティング素子の対向端面Ｘに低反射膜９を図示している。また、グレーティング素子の対向端面Ｘと光源の対向端面Ｙとの間にギャップＧを設けている。
本装置２１Ａでは、凹部２６に面するグレーティング素子の対向端面Ｘに低反射膜９を図示している。また、グレーティング素子の対向端面Ｘと光源の対向端面Ｙとの間にギャップＧを設けている。
図１０に示す本発明例の装置２１Ｂは、図６の装置２１と同様のものである。ただし、装置２１Ｂのグレーティング素子２４Ｂにおいては、チャネル型光導波路２５Ｂに複数のブラッググレーティングが形成されている。具体的には、ブラッググレーティング６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅが直列に光導波路内に形成されている。また、隣接するブラッググレーティングの間には、それぞれ、回折格子のない中間伝搬部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが形成されている。そして、末端のブラッググレーティング６Ｅと対向端面Ｘとの間に、テーパ部２５ｅ、湾曲部２５ｆおよび出射部２５ｇが形成されている。なお、ＬＧは、両方の末端にあるブラッググレーティング６Ａと６Ｅとの間の間隔である。
図１１の装置６０Ａは、図７の装置３１と同様のものである。ただし、装置６０Ａのグレーティング素子３４Ａにおいては、チャネル型光導波路２７に複数のブラッググレーティングが形成されている。具体的には、ブラッググレーティング６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅが直列に光導波路内に形成されている。また、隣接するブラッググレーティングの間には、それぞれ、回折格子のない中間伝搬部が形成されている。そして、末端のブラッググレーティング６Ｅと対向端面との間に、伝搬部２７ｂ、湾曲部２７ｃ、伝搬部２７ｄ、湾曲部２７ｅおよび伝搬部２７ｆが形成されている。
図１の例では、グレーティング素子４のチャネル型光導波路５に外側端面が設けられており、外側端面における反射率を１２％以下とした。しかし、図１の素子において、図６に示すように、チャネル型光導波路５の外側末端Ｐをスラブ光導波路４０に連続させることができる。このような構造とすることにより、チャネル型光導波路から入射する光は、スラブ導波路中を拡がりながら伝搬するので、端面によって反射した光はさらに拡がり、再びチャネル導波路に結合する割合を低減できる。
同様に、図６、図８、図１０の各例では、チャネル型光導波路の対向端面と反対側の末端Ｐがスラブ光導波路４０に連続している。しかし、チャネル型光導波路の対向端面と反対側の末端に、図１に示すような外側端面を設け、外側端面の反射率を前述のように調整することもできる。
グレーティング素子のチャネル型光導波路の横断面形態は、更に種々変更できる。以下に好適形態を例示する。
図１２に示す素子４Ａでは、基板３１上に接着層３９、下側バッファ層３４を介して光学材料層３３が形成されており、光学材料層３３上に上側バッファ層３５が形成されている。光学材料層３３の基板３１と反対側には、例えば一対のリッジ溝３２が形成されており、リッジ溝３２の間にリッジ部３３ｃが形成されている。また、各リッジ溝３２の外側にはそれぞれ延在部３３ａが形成されている。
図１２に示す素子４Ａでは、基板３１上に接着層３９、下側バッファ層３４を介して光学材料層３３が形成されており、光学材料層３３上に上側バッファ層３５が形成されている。光学材料層３３の基板３１と反対側には、例えば一対のリッジ溝３２が形成されており、リッジ溝３２の間にリッジ部３３ｃが形成されている。また、各リッジ溝３２の外側にはそれぞれ延在部３３ａ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３３ｂ側に形成していてもよく、リッジ溝のある３３ａ面側に形成していてもよい。また、上側バッファ層３５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。
図１３の素子４Ｂは、図１２の素子４Ａと同様のものである。ただし、素子４Ｂにおいては、リッジ溝３２の横幅が大きくなっており、リッジ溝の底に略平坦面が形成されている。
図１４に示す素子４Ｃでは、光学材料層の支持基板３１側の主面３３ｂに一対のリッジ溝３２が形成されており、一対のリッジ溝間にリッジ部３３ｃが形成されている。
上述の各例では、光導波路が、リッジ部と、このリッジ部を成形する少なくとも一対のリッジ溝からなるリッジ型光導波路である。この場合には、リッジ溝の下に光学材料が残されており、かつリッジ溝の外側にもそれぞれ光学材料からなる延在部が形成されている。
しかし、リッジ型光導波路において、リッジ溝の下にある光学材料を除去してしまうことで、ストライプ状の細長いコアを形成することもできる。この場合には、リッジ型光導波路が、光学材料からなる細長いコアからなり、コアの横断面が凸図形をなしている。このコアの周りには、バッファ層（クラッド層）や空気層が存在しており、バッファ層や空気層がクラッドとして機能する。
凸図形とは、コアの横断面の外側輪郭線の任意の二点を結ぶ線分が、コアの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。四角形としては、特に、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。
図１５〜図１８は、この実施形態に係るものである。
図１５（ａ）のグレーティング素子４Ｄでは、支持基板３１上にバッファ層３４が形成されており、バッファ層３４上に光導波路４０が形成されている。光導波路の横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、光導波路４０の上側面が下側面よりも狭くなっている。光導波路４０内には、前述したような入射側伝搬部、ブラッググレーティング、出射側伝搬部が形成されている。
図１５（ａ）のグレーティング素子４Ｄでは、支持基板３１上にバッファ層３４が形成されており、バッファ層３４上に光導波路４０が形成されている。光導波路の横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、光導波路４０の上側面が下側面よりも狭くなっている。光導波路４０内には、前述したような入射側伝搬部、ブラッググレーティング、出射側伝搬部が形成されている。
図１５（ｂ）のグレーティング素子４Ｅでは、支持基板３１上にバッファ層４６が形成されており、バッファ層４６内に光導波路４０が埋設されている。光導波路の横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、光導波路４０の上側面が下側面よりも狭くなっている。バッファ層４６は、光導波路４０上の上側バッファ４６ａ、下側バッファ４６ｃおよび光導波路４０の側面を被覆する側面バッファ４６ｂを含む。
図１５（ｃ）のグレーティング素子４Ｆでは、支持基板３１上にバッファ層４６が形成されており、バッファ層４６内に光導波路４０Ａが埋設されている。光導波路の横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、光導波路４０Ａの下側面が上側面よりも狭くなっている。
図１６（ａ）のグレーティング素子４Ｇでは、支持基板３１上にバッファ層３４が形成されており、バッファ層３４上に光導波路４０が形成されている。そして、光導波路４０が、別のバッファ層５６によって包含され、埋設されている。バッファ層５６は、上側バッファ５６ａおよび側面バッファ５６ｂからなる。本例では、光導波路４０の上側面が下側面よりも狭くなっている。
図１６（ｂ）のグレーティング素子４Ｈでは、支持基板３１上にバッファ層３４が形成されており、バッファ層３４上に光導波路４０Ａが形成されている。そして、光導波路４０Ａが、別のバッファ層５６によって包含され、埋設されている。バッファ層５６は、上側バッファ５６ａおよび側面バッファ５６ｂからなる。本例では、光導波路４０Ａの下側面が上側面よりも狭くなっている。
図１７の素子４Ｊでは、支持基板３１上にバッファ層４６が形成されており、バッファ層４６上に光導波路（コア）４０が形成されている。光導波路の横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、光導波路４０の上側面が下側面よりも狭くなっている。また、光導波路４０の両側には溝４２が形成されており、溝４２の外側にそれぞれ延在部４４が形成されている。光導波路４０および延在部４４をそれぞれ被覆するように上側クラッド４３が形成されている。
光導波路の形状については、図１８に示すように、ハイメサ構造といわれるものであってもよい。この素子４Ｋでは、支持基板３１の上に下側バッファ層４８を形成し、その上に光学材料層４９を形成し、その上に上側バッファ層５０を形成し、光導波路構造５１とした。この際、下側バッファ層の幅よりも上側バッファ層の幅を狭くすることによって、台形形状にすることもできる。
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モード発振する。
好適な実施形態においては、条件（１）、（２）、（３）、（４）を満足する。
ΔλＧ ≧０．８ｎｍ ・・・（１）
ＬＧ ≦５００μｍ ・・・（２）
Ｌａ ≦６００μｍ ・・・（３）
１．７≦ ｎｂ ≦ ３．５ ・・・（４）
ΔλＧ ≧０．８ｎｍ ・・・（１）
ＬＧ ≦５００μｍ ・・・（２）
Ｌａ ≦６００μｍ ・・・（３）
１．７≦ ｎｂ ≦ ３．５ ・・・（４）
式（１）において、ΔλＧは、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。ΔλＧを０．８ｎｍ以上とすると、モードホップを抑制できる上で有用である。この観点からは、ΔλＧを１．５ｎｍ以上とすることが更に好ましい。ΔλＧの上限は特にないが、５ｎｍ以下とすることができる。
式（２）において、ＬＧは、ブラッググレーティングの開始端から終端までの長さである。ＬＧは、複数のピッチの異なるブラッググレーティングから構成されていてもよく。この場合、一つのブラッググレーティングの長さＬｂは、５００μｍ以下でよいが外部共振器を短く構成するという観点で３００μｍが好ましく、１５０μｍ以下が一層好ましい。一方、所望の反射率を得るという観点でＬｂは、５μｍ以上が好ましい。
ブラッググレーティングの開始端から終端までの長さＬＧで考えた場合、外部共振器を短く構成し、モードホップを抑制するという観点で５００μｍ以下がよく、さらに３００μｍが好ましく、１５０μｍ以下が一層好ましい。
ブラッググレーティングの開始端から終端までの長さＬＧで考えた場合、外部共振器を短く構成し、モードホップを抑制するという観点で５００μｍ以下がよく、さらに３００μｍが好ましく、１５０μｍ以下が一層好ましい。
式（３）において、Ｌａは、光源の活性層の長さである。ここで、Ｌａは、６００μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下が更に好ましい。
好適な実施形態においては、光源とグレーティング素子が直接光学的に接続されており、光源の活性層の出射側端面とブラッググレーティングの開始端との間の長さが９１０μｍ以下である。
また、好適な実施形態においては、Ｌｍ（対向端面とブラッググレーティングとの間の回折格子の無い伝搬部の長さ）（図１参照）は、１μｍ ≦Ｌｍ ≦１００μｍとすることが好ましい。
また、好適な実施形態においては、以下の条件を満足する。
光源の長さＬＬＤ≦６００μｍ
支持基板の長さＬＳ≦７００μｍ
支持基板の幅ＷＳ≦６００μｍ
光源の長さＬＬＤ≦６００μｍ
支持基板の長さＬＳ≦７００μｍ
支持基板の幅ＷＳ≦６００μｍ
本外部共振器型発光装置から出射する発振波長は、波長安定性を高めるという観点からは、９９０ｎｍ以下が特に好ましい。一方、波長が短くなると半導体の屈折率変化が大きくなる傾向があるので、この観点からは、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。
チャネル光導波路は、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。
バッファ層は、光導波路のクラッド層として機能することができる。この観点からは、バッファ層の屈折率は、光学材料層の屈折率よりも低いことが好ましく、その屈折率差は０．２以上が好ましく、０．４以上が更に好ましい。
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。
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（光学材料層）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。
また、光学材料層は、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。
また、光学材料層の厚さは０．５〜３．０μｍであることが更に好ましい。
また、光学材料層の厚さは０．５〜３．０μｍであることが更に好ましい。
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、アルミナ、窒化アルミ、サファイアなどを例示することができる。
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、接着固定でもよく、直接接合でもよい。
グレーティング素子における光源実装用凹部のエッチングの方法については、以下の方法で実施することができる。
まず、グレーティング素子（実際にはウエハの状態）の表面全面にＴｉ、Ｎｉ等の金属を成膜して、レジスト塗布後、マスクアライナーにて半導体レーザの外周エリアをエッチングするためのメタルマスクパターンを形成し、フッ素系ガスのドライエッチングにより支持基板上までエッチングし、光源の実装部を形成することができる。光導波路の入射側端面は、光軸に対して89°以上の角度をなすことが可能であり、かつ鏡面とすることも可能である。その後、入力端面には無反射コートすることも可能である。
まず、グレーティング素子（実際にはウエハの状態）の表面全面にＴｉ、Ｎｉ等の金属を成膜して、レジスト塗布後、マスクアライナーにて半導体レーザの外周エリアをエッチングするためのメタルマスクパターンを形成し、フッ素系ガスのドライエッチングにより支持基板上までエッチングし、光源の実装部を形成することができる。光導波路の入射側端面は、光軸に対して89°以上の角度をなすことが可能であり、かつ鏡面とすることも可能である。その後、入力端面には無反射コートすることも可能である。
（実施例１）
図１、３、４、５に示すような外部共振器型発光装置を試作し、特性を評価した。
具体的には、石英からなる支持基板３１にスパッタ装置にてSiO2からなるバッファ層３４を１μｍ、Ｔａ２Ｏ５からなる光学材料層３３を１．２μｍ成膜した。次に、光学材料層３３上にＴｉを成膜して、電子ビーム描画装置により露光して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Λ197nm、長さＬｂ200μｍ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130nmとした。次に、上記と同様にして反応性イオンエッチングにより、図１に示す形状の光導波路を形成した。
図１、３、４、５に示すような外部共振器型発光装置を試作し、特性を評価した。
具体的には、石英からなる支持基板３１にスパッタ装置にてSiO2からなるバッファ層３４を１μｍ、Ｔａ２Ｏ５からなる光学材料層３３を１．２μｍ成膜した。次に、光学材料層３３上にＴｉを成膜して、電子ビーム描画装置により露光して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Λ197nm、長さＬｂ200μｍ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130nmとした。次に、上記と同様にして反応性イオンエッチングにより、図１に示す形状の光導波路を形成した。
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、図１９に示すように、TEモードに対して中心波長830nm、最大反射率は９０％で、半値全幅△λGは３nmの特性を得た。
次に、図１に示すようなレーザモジュールを実装した。光源素子は単独ではレーザ発振できないGaAs系の半導体光アンプでグレーティング側の出射端面には0.1％ARコート、反対の出射端面には反射率８％となるように誘電体膜を形成した。
光源素子仕様：
中心波長： 830nm
出力： 30mW
半値幅： 50nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
光源素子仕様：
中心波長： 830nm
出力： 30mW
半値幅： 50nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長830nmで発振し、出力は50ｍＷであった。また動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.03nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は50℃、その温度域でのパワー出力変動は、モードホップが起こっても、０．５％以内であった。
（実施例２）
実施例１と同じグレーティング素子を使用して、図１に示すようなレーザモジュールを実装した。ただし、使用した光源素子は、単独ではレーザ発振できないGaAs系の半導体光アンプとした。光源のグレーティング側の対向端面には反射膜は成膜せずにへき開面のままとした。光源の対向端面の反射率は３０％であった。光源の出射端面には、反射率８％となるように誘電体膜を形成した。
光源素子仕様：
中心波長： 830nm
出力： 35mW
半値幅： 40nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
実施例１と同じグレーティング素子を使用して、図１に示すようなレーザモジュールを実装した。ただし、使用した光源素子は、単独ではレーザ発振できないGaAs系の半導体光アンプとした。光源のグレーティング側の対向端面には反射膜は成膜せずにへき開面のままとした。光源の対向端面の反射率は３０％であった。光源の出射端面には、反射率８％となるように誘電体膜を形成した。
光源素子仕様：
中心波長： 830nm
出力： 35mW
半値幅： 40nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長830nmで発振し、出力は45ｍＷであった。また動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.03nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は50℃、その温度域でのパワー出力変動は、モードホップが起こっても、０．５％以内であった。
（比較例１）
図２に示すようなレーザモジュールを作製した。実施例１と構成に合わせるようにし、光源素子は、単独ではレーザ発振できないGaAs系の半導体光アンプで上流側端面の反射率は９０％、グレーティング側の出射端面には0.1％無反射コートした。
またグレーティングは実施例１と同様の方法で作製し、その反射率は１０％、半値幅△λGは３nmになるようにグレーティング深さと長さを調整した。
図２に示すようなレーザモジュールを作製した。実施例１と構成に合わせるようにし、光源素子は、単独ではレーザ発振できないGaAs系の半導体光アンプで上流側端面の反射率は９０％、グレーティング側の出射端面には0.1％無反射コートした。
またグレーティングは実施例１と同様の方法で作製し、その反射率は１０％、半値幅△λGは３nmになるようにグレーティング深さと長さを調整した。
光源素子仕様：
中心波長： 830nm
出力： 30mW
半値幅： 50nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
中心波長： 830nm
出力： 30mW
半値幅： 50nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長830nmで発振し、出力は40ｍＷであった。また動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.03nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は50℃、その温度域でのパワー出力変動はモードホップが起こっても１％以内であった。
図２０は、比較例１におけるグレーティング反射率の波長依存性を示す。
実施例１と比較例１のパワー出力変動の差異を考察するために、反射ピーク値を規格化したグレーティングの反射特性を図２１に示す。この結果から、実施例で使用するグレーティングの場合、反射ピーク付近での反射率の変動が小さく温度が変動してもゲインの変動が小さいために出力変動が小さくなったと考えられる。
実施例１と比較例１のパワー出力変動の差異を考察するために、反射ピーク値を規格化したグレーティングの反射特性を図２１に示す。この結果から、実施例で使用するグレーティングの場合、反射ピーク付近での反射率の変動が小さく温度が変動してもゲインの変動が小さいために出力変動が小さくなったと考えられる。
（比較例２）
比較例１と同じ素子を作製した。次に、図２に示すようなレーザモジュールを実装した。ただし、比較例１とは異なり、光源素子は単独でレーザ発振するGaAs系の半導体レーザを使用し、グレーティングの反対側の端面には反射率90％、グレーティング側の出射端面には８％の反射率の誘電体膜を形成した。
比較例１と同じ素子を作製した。次に、図２に示すようなレーザモジュールを実装した。ただし、比較例１とは異なり、光源素子は単独でレーザ発振するGaAs系の半導体レーザを使用し、グレーティングの反対側の端面には反射率90％、グレーティング側の出射端面には８％の反射率の誘電体膜を形成した。
光源素子仕様：
中心波長： 830nm
出力： 30mW
半値幅： 0.1nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
中心波長： 830nm
出力： 30mW
半値幅： 0.1nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長830nmで発振し、出力は25ｍＷであった。また動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.03nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は50℃、その温度域でのパワー出力変動はモードホップが起こっても１％以内であった。
（実施例３）
図３、４、５、１０に示すような外部共振器型発光装置を作製した。
具体的には、実施例１と同様のグレーティング素子を作製した。ただし、実施例１とグレーティング素子とは異なり、図１０に示すように、ブラッググレーティング６Ａ〜６Ｅを形成した。各ブラッググレーティングの設計は以下のとおりである。各中間伝搬部２５ａ〜２５ｄの長さは５μｍとし、グレーティングの溝深さｔｄはそれぞれ130nmとした。
６Ａ： ピッチ間隔Λ １９６nm 長さ １００μｍ
６Ｂ： ピッチ間隔Λ １９６．５nm 長さ １００μｍ
６Ｃ： ピッチ間隔Λ １９７nm 長さ １００μｍ
６Ｄ： ピッチ間隔Λ １９７．５nm 長さ １００μｍ
６Ｅ： ピッチ間隔Λ １９８nm 長さ １００μｍ
図３、４、５、１０に示すような外部共振器型発光装置を作製した。
具体的には、実施例１と同様のグレーティング素子を作製した。ただし、実施例１とグレーティング素子とは異なり、図１０に示すように、ブラッググレーティング６Ａ〜６Ｅを形成した。各ブラッググレーティングの設計は以下のとおりである。各中間伝搬部２５ａ〜２５ｄの長さは５μｍとし、グレーティングの溝深さｔｄはそれぞれ130nmとした。
６Ａ： ピッチ間隔Λ １９６nm 長さ １００μｍ
６Ｂ： ピッチ間隔Λ １９６．５nm 長さ １００μｍ
６Ｃ： ピッチ間隔Λ １９７nm 長さ １００μｍ
６Ｄ： ピッチ間隔Λ １９７．５nm 長さ １００μｍ
６Ｅ： ピッチ間隔Λ １９８nm 長さ １００μｍ
さらに光導波路を形成するために、上記と同様な方法で反応性イオンエッチングし、直線部は幅Wm３μｍ、深さTr１μｍ、曲がり部は幅Wm０．５μｍ、深さTr１μｍのリッジ形状を形成した。曲がり部の曲率半径は１０μｍとし、直線部と曲がり部は長さ５μｍのテーパ構造によって接続した。最後に上側バッファ層となるSiO2層を１μｍスパッタにて形成した。
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Ｗｓ600mm、長さＬｓ700μmとした。
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TEモードの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。
測定したグレーティング素子の反射中心波長は、それぞれ825.8ｎｍ、827.9ｎｍ、830ｎｍ、832.1ｎｍ、834.2ｎｍであり、反射率は９０％であった。また反射率７５％で両者の反射特性が交差しており、５０％以上の波長領域が８２４ｎｍから８３５ｎｍの１１ｎｍあることを確認した。
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TEモードの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。
測定したグレーティング素子の反射中心波長は、それぞれ825.8ｎｍ、827.9ｎｍ、830ｎｍ、832.1ｎｍ、834.2ｎｍであり、反射率は９０％であった。また反射率７５％で両者の反射特性が交差しており、５０％以上の波長領域が８２４ｎｍから８３５ｎｍの１１ｎｍあることを確認した。
次に、このグレーティング素子を使用した外部共振器型レーザの特性評価のために、図１０に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子は単独ではレーザ発振できないGaAs系の半導体光アンプを使用し、グレーティングの反対側の端面には反射率９０％、グレーティング側の出射端面には0.1％無反射コートした。
光源素子仕様：
中心波長： 830nm
出力： 30mW
半値幅： 50nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
中心波長： 830nm
出力： 30mW
半値幅： 50nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、温度０℃にて中心波長824nmでレーザ発振し、出力35ｍＷが得られた。次に動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、温度６０℃、発振波長836nmまで安定にレーザ発振した。この温度域内ではモードホップが起こるもののパワー出力変動は０．５％以内であった。
（実施例４）
実施例３と同じグレーティング素子を使用して、図１０に示すようなレーザモジュールを実装した。ただし、使用した光源素子は、単独ではレーザ発振できないGaAs系の半導体光アンプとした。光源のグレーティング側の対向端面には反射膜は成膜せずにへき開面のままとした。光源の対向端面の反射率は３０％であった。光源の出射端面には、反射率８％となるように誘電体膜を形成した。
光源素子仕様：
中心波長： 830nm
出力： 35mW
半値幅： 40nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
実施例３と同じグレーティング素子を使用して、図１０に示すようなレーザモジュールを実装した。ただし、使用した光源素子は、単独ではレーザ発振できないGaAs系の半導体光アンプとした。光源のグレーティング側の対向端面には反射膜は成膜せずにへき開面のままとした。光源の対向端面の反射率は３０％であった。光源の出射端面には、反射率８％となるように誘電体膜を形成した。
光源素子仕様：
中心波長： 830nm
出力： 35mW
半値幅： 40nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、温度０℃にて中心波長824nmでレーザ発振し、出力25ｍＷが得られた。次に動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、温度６０℃、発振波長836nmまで安定にレーザ発振した。この温度域内ではモードホップが起こるもののパワー出力変動は０．５％以内であった。
（比較例３）
実施例２と同様にして外部共振器型発光装置を作製した。ただし、装置の構成は、図１１に示すようにした。
具体的には、実施例２と同様にしてグレーティング素子を作製した。ただし、グレーティング素子におけるブラッググレーティングのパターンは、図１１に示すようにし、設計値は以下のとおりである。
６Ａ： ピッチ間隔Λ１９６nm 長さ ６０μｍ
６Ｂ： ピッチ間隔Λ１９６．５nm 長さ ６０μｍ
６Ｃ： ピッチ間隔Λ１９７nm 長さ ６０μｍ
６Ｄ： ピッチ間隔Λ１９７．５nm 長さ ６０μｍ
６Ｅ： ピッチ間隔Λ１９８nm 長さ ６０μｍ
実施例２と同様にして外部共振器型発光装置を作製した。ただし、装置の構成は、図１１に示すようにした。
具体的には、実施例２と同様にしてグレーティング素子を作製した。ただし、グレーティング素子におけるブラッググレーティングのパターンは、図１１に示すようにし、設計値は以下のとおりである。
６Ａ： ピッチ間隔Λ１９６nm 長さ ６０μｍ
６Ｂ： ピッチ間隔Λ１９６．５nm 長さ ６０μｍ
６Ｃ： ピッチ間隔Λ１９７nm 長さ ６０μｍ
６Ｄ： ピッチ間隔Λ１９７．５nm 長さ ６０μｍ
６Ｅ： ピッチ間隔Λ１９８nm 長さ ６０μｍ
さらに図１１に示すような光導波路２７を形成するために、上記と同様な方法で反応性イオンエッチングし、直線部は幅Wm３μｍ、深さTr１μｍ、曲がり部は幅Wm０．５μｍ、深さTr１μｍのリッジ形状を形成した。曲がり部の曲率半径は１０μｍとし、直線部と曲がり部は長さ５μｍのテーパ構造によって接続した。最後に上側バッファ層となるSiO2層を１μｍスパッタにて形成した。
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600mm、長さLwg 700μmとした。
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TEモードの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。
測定したグレーティング素子の反射中心波長は、それぞれ825.8ｎｍ、827.9ｎｍ、830ｎｍ、832.1ｎｍ、834.2ｎｍであり、反射率は１０％であった。また反射率６％で両者の反射特性が交差しており、５％以上の波長領域が８２４ｎｍから８３５ｎｍの１１ｎｍあることを確認した。
測定したグレーティング素子の反射中心波長は、それぞれ825.8ｎｍ、827.9ｎｍ、830ｎｍ、832.1ｎｍ、834.2ｎｍであり、反射率は１０％であった。また反射率６％で両者の反射特性が交差しており、５％以上の波長領域が８２４ｎｍから８３５ｎｍの１１ｎｍあることを確認した。
次に、このグレーティング素子を使用した外部共振器型レーザの特性評価のために、図１１に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子は単独ではレーザ発振できないGaAs系の半導体光アンプを使用し、グレーティングの反対側の端面には反射率９０％、グレーティング側の出射端面には５％の反射率の誘電体膜を形成した。
光源素子仕様：
中心波長： 830nm
出力： 30mW
半値幅： 0.1nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
中心波長： 830nm
出力： 30mW
半値幅： 0.1nm
レーザ素子長 300μｍ
実装仕様：
Lg： 0.5μｍ
Lm： 5μｍ
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、温度０℃にて中心波長824nmでレーザ発振し、出力20ｍＷが得られた。次に動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、温度６０℃、発振波長836nmまで安定にレーザ発振した。この温度域内ではモードホップが起こるもののパワー出力変動は１％以内であった。
Claims (11)
- 単独では半導体レーザ光を発振できない光源、および光導波路と少なくともこの光導波路内に形成されたブラッググレーティングを有するグレーティング素子を備えており、前記光源と前記グレーティング素子とが外部共振器を構成して所望波長の光を発振する外部共振器型発光装置であって、
前記光源が、前記所望波長の光を発振する出射側端面および前記グレーティング素子に対向する対向端面を有しており、前記グレーティング素子の前記光導波路が前記光源に対向する対向端面を有しており、前記グレーティング素子の前記ブラッググレーティングと前記対向端面との間に伝搬部を有しており、前記光源の前記対向端面の反射率Ｒ０１が３５％以下であり、前記光源の前記出射側端面の反射率Ｒ０２が２０％以下であり、前記光導波路の前記対向端面の反射率ＲＧ２が前記光源の前記出射側端面の反射率Ｒ０２よりも低く、前記ブラッググレーティングの反射率ＲＧＲが９０％以上であることを特徴とする、外部共振器型発光装置。 - 前記光導波路に前記対向端面と反対側の外側端面が設けられており、前記光導波路の前記外側端面の反射率ＲＧ１が前記光源の前記出射側端面の反射率Ｒ０２よりも低いことを特徴とする、請求項１記載の装置。
- 前記グレーティング素子が、前記光導波路の前記対向端面と反対側に連続するスラブ光導波路を備えていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
- 前記グレーティング素子に実装用凹部が形成されており、この実装用凹部に前記光源が実装され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。
- 前記光源の長さをＬＬＤ、前記光源の幅をＷＬＤとし、前記グレーティング素子の長さをＬＳ、前記グレーティング素子の幅をＷＳとし、前記ブラッググレーティングの開始端から終端までの長さをＬＧとしたときに、
ＬＳ＜（ＬＬＤ＋ＬＧ）、かつ ＷＳ≦ＬＬＤ
の関係が成立しており、前記光源の長手方向と前記ブラッググレーティングの長手方向とが交差していることを特徴とする、請求項４記載の装置。 - 前記光源および前記グレーティング素子が支持基板上に形成され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。
- 以下の条件（１）、（２）、（３）および（４）を満足す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。
ΔλＧ ≧０．８ｎｍ ・・・（１）
ＬＧ ≦５００μｍ ・・・（２）
Ｌａ ≦６００μｍ ・・・（３）
１．７≦ ｎｂ ≦ ３．５ ・・・（４）
（式（１）において、ΔλＧ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、ＬＧは、前記ブラッググレーティングの開始端から終端までの長さである。
式（３）において、Ｌａは、前記光源の活性層の長さである。
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。）
- 前記光源と前記グレーティング素子が直接光学的に接続されており、前記光源の活性層の出射側端面と前記ブラッググレーティングの開始端との間の長さが９１０μｍ以下であ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。
- 前記光導波路が、リッジ部と、このリッジ部を成形する少なくとも一対のリッジ溝からなることを特徴とする。請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の装置。
- 前記光導波路が細長いコアからなり、前記コアの横断面が凸図形をなしていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の装置。
- 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、ニオブ酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛および酸化アルミニ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１〜１０のいずれか一つの請求項に記載の装置。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20200309 |