WO2015166794A1 - グレーティング素子および外部共振器型発光装置 - Google Patents

グレーティング素子および外部共振器型発光装置 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a grating element and an external resonator type light emitting device using the same.
  • a Fabry-Perot (FP) type is generally used in which an optical resonator is sandwiched between mirrors formed on both end faces of an active layer.
  • FP Fabry-Perot
  • DBR lasers and DFB lasers with monolithic gratings in semiconductor lasers, and external cavity lasers with fiber gratings (FBG) gratings attached to the outside of lasers are used. It can be illustrated. These are the principles of realizing wavelength stable operation by feeding back part of the laser light to the laser by a wavelength selective mirror using Bragg reflection.
  • FBG fiber gratings
  • the DBR laser realizes a resonator by forming irregularities on the waveguide surface on the extension of the waveguide of the active layer to form a mirror by Bragg reflection (Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 49-128689): Patent) Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 56-148880). Since this laser is provided with diffraction gratings at both ends of the optical waveguide layer, the light emitted from the active layer propagates through the optical waveguide layer, a part of which is reflected by this diffraction grating, returns to the current injection part, and is amplified. Is done. Since only one wavelength of light reflects in the direction determined from the diffraction grating, the wavelength of the laser light is constant.
  • an external resonator type semiconductor laser has been developed in which a diffraction grating is a component different from a semiconductor and a resonator is formed externally.
  • This type of laser is a laser with good wavelength stability, temperature stability, and controllability.
  • the external resonator includes a fiber Bragg grating (FBG) (Non-patent Document 1) and a volume hologram grating (VHG) (Non-patent Document 2). Since the diffraction grating is composed of a separate member from the semiconductor laser, it has the feature that the reflectance and resonator length can be individually designed, and it is not affected by the temperature rise due to heat generation due to current injection. Can be better. Moreover, since the temperature change of the refractive index of the semiconductor is different, the temperature stability can be improved by designing it together with the resonator length.
  • Patent Document 6 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-134833 discloses an external resonator type laser using a grating formed in a quartz glass waveguide. This is to provide a frequency stabilized laser that can be used in an environment where the room temperature changes greatly (for example, 30 ° C. or more) without a temperature controller. Further, it is described that a temperature-independent laser in which mode hopping is suppressed and the oscillation frequency is not temperature-dependent is provided.
  • Non-Patent Document 1 mentions a mode hop mechanism that impairs the wavelength stability associated with a temperature rise, and an improvement measure thereof.
  • Each temperature change ⁇ T a and ⁇ T f is expressed by the following equation from the standing wave condition.
  • ⁇ 0 represents the grating reflection wavelength in the initial state.
  • ⁇ G in the grating reflection wavelength is expressed by the following equation.
  • the longitudinal mode interval ⁇ is approximately expressed by the following equation.
  • Mathematical formula 5 is established from mathematical formulas 3 and 4.
  • Mode hop is a phenomenon in which the oscillation mode (longitudinal mode) in the resonator changes from one mode to another.
  • the gain and resonator conditions change, the laser oscillation wavelength changes, and the problem arises that optical power fluctuates, which is called kink. Therefore, in the case of an FP type GaAs semiconductor laser, the wavelength usually changes with a temperature coefficient of 0.3 nm / ° C., but when a mode hop occurs, a larger fluctuation occurs. At the same time, the output fluctuates by 5% or more.
  • Patent Document 6 in order to make the temperature independent, the conventional resonator structure is left as it is, and stress is applied to the optical waveguide layer to compensate for the temperature coefficient due to thermal expansion, thereby realizing temperature independence. is doing. For this reason, a metal plate is attached to the element, and a layer for adjusting the temperature coefficient is added to the waveguide. For this reason, there exists a problem that a resonator structure becomes still larger.
  • the present inventor has disclosed an external resonator type laser structure using an optical waveguide grating element in Patent Document 7.
  • Patent Document 7 when the full width at half maximum ⁇ G of the reflection characteristic of the grating element satisfies a specific equation, laser oscillation with high wavelength stability and no power fluctuation is possible without temperature control.
  • the coupling efficiency is 50% or more and the allowable axis deviation is about ⁇ 1 ⁇ m.
  • the inventor determines the thickness of the optical material layer in the incident portion and the width of the ridge-type optical waveguide by the mode field diameter of the laser light emitted from the light source (vertical direction, horizontal direction). ) Tried to set larger than.
  • the width of the ridge-type optical waveguide was tried to be 1.5 times or more the mode field diameter in the horizontal direction of the laser light.
  • the thickness of the optical material layer was tried to be 1.5 times or more the mode field diameter in the vertical direction of the laser beam.
  • the lateral mode of the light source is a single mode, and the spot diameter is 0.5 ⁇ m to 2 ⁇ m in the vertical direction and 1 ⁇ m to 6 ⁇ m in the horizontal direction.
  • the thickness of the optical material layer at the incident portion is such that W inv / ⁇ is 2 or more. If the optical material layer is too thick, the coupling loss increases, so W inv / ⁇ is preferably 3 or less.
  • the width of the ridge-type optical waveguide at the incident portion in the wavelength range of 0.7 ⁇ m to 1.1 ⁇ m is preferably 5 ⁇ m or more from the viewpoint of increasing the axial deviation tolerance, and the coupling loss increases. Is preferred.
  • An object of the present invention is to improve the wavelength stability of an external resonator type laser using a Bragg grating while increasing the axial deviation tolerance between the laser light from the light source and the optical waveguide of the grating element.
  • the grating element according to the present invention is Support substrate, An optical material layer provided on the support substrate; A ridge type optical waveguide provided on the optical material layer and having an incident surface on which laser light is incident and an output end for emitting outgoing light of a desired wavelength, and a Bragg grating made of irregularities formed in the ridge type optical waveguide
  • the ridge-type optical waveguide includes an incident portion provided between the incident surface and the Bragg grating, and a tapered portion provided between the incident portion and the Bragg grating, and at least the Bragg grating Propagating light propagates in a single mode in the grating, the width of the ridge-type optical waveguide in the incident part is larger than the width of the ridge-type optical waveguide in the Bragg grating, and the width of the ridge-type optical waveguide in the tapered part is It is characterized by being smaller from the incident part toward the Bragg grating, and satisfying the following expressions (1) to (4).
  • n b 0.8 nm ⁇ ⁇ G ⁇ 6.0 nm (1) 10 ⁇ m ⁇ L b ⁇ 300 ⁇ m (2) 20 nm ⁇ td ⁇ 250 nm (3) n b ⁇ 1.8 (4)
  • ⁇ G is the full width at half maximum at the Bragg reflectivity peak of the Bragg grating.
  • L b is the length of the Bragg grating.
  • t d is the depth of the irregularities constituting the Bragg grating.
  • n b is the refractive index of the material constituting the optical material layer.
  • the present invention also provides: Support substrate, An optical material layer provided on the support substrate; A ridge type optical waveguide provided on the optical material layer and having an incident surface on which laser light is incident and an output end for emitting outgoing light of a desired wavelength, and a Bragg grating made of irregularities formed in the ridge type optical waveguide
  • the ridge-type optical waveguide includes an incident portion provided between the incident surface and the Bragg grating, and a tapered portion provided between the incident portion and the Bragg grating, and at least the Bragg grating Propagating light propagates in a single mode in the grating, the width of the ridge-type optical waveguide in the incident part is larger than the width of the ridge-type optical waveguide in the Bragg grating, and the width of the ridge-type optical waveguide in the tapered part is It is reduced from the incident part toward the Bragg grating, and the relations of the following formulas (1) to (3) are satisfied, and the material constituting the optical material layer is gallium arsenide, lithium
  • ⁇ G is the full width at half maximum at the Bragg reflectivity peak of the Bragg grating.
  • L b is the length of the Bragg grating.
  • t d is the depth of the irregularities constituting the Bragg grating.
  • the present invention also relates to an external resonator type light emitting device including a light source that oscillates a semiconductor laser beam and a grating element that constitutes the light source and an external resonator,
  • the light source includes an active layer that oscillates the semiconductor laser light, and the grating element is the above-described one.
  • quartz has a small temperature coefficient of refractive index, so d ⁇ G / dT is small and
  • DELTA temperature range
  • the temperature coefficient of the refractive index can be increased and d ⁇ G / dT can be increased. Therefore,
  • the full width at half maximum ⁇ G at the peak of the Bragg reflectivity is set larger.
  • ⁇ G can be set to 0.8 nm or more and 6 nm or less.
  • the number of longitudinal modes can be adjusted to 2-5. That is, the wavelengths satisfying the phase condition are discrete, and when the number of longitudinal modes in ⁇ G is 2 or more and 5 or less, mode hops are repeated in ⁇ G , and It will not come off. For this reason, it has been found that a large mode hop does not occur, so that the wavelength stability can be increased and the optical power fluctuation can be suppressed.
  • the width of the ridge-type optical waveguide at the incident portion is made larger than the horizontal mode field diameter of the laser light, for example, 1.5 times or more, the tolerance of the axis deviation with the light source can be increased.
  • the width of the optical waveguide is increased, the propagation light becomes multimode in the Bragg grating, so that the wavelength stability is impaired.
  • the ridge type optical waveguide width in the Bragg grating is relatively reduced, and a taber portion having a small ridge type optical waveguide width is provided between the incident portion and the Bragg grating. This has succeeded in improving the off-axis tolerance under the condition that the propagating light is single mode in the Bragg grating.
  • FIGS. 1A and 1B are plan views schematically showing the grating elements 2A and 2B, respectively.
  • (A) is a plan view schematically showing the grating element 2A
  • (b) is a side view schematically showing the grating element 2A.
  • (A) is a plan view schematically showing the grating element 2B
  • (b) is a side view schematically showing the grating element 2B.
  • It is a perspective view of a grating element.
  • It is a cross-sectional view of a grating element.
  • It is a cross-sectional view of another grating element.
  • the grating elements 2A and 2B are provided with an optical material layer 1 having an incident surface 1a on which laser light is incident and an emission surface 1b that emits emitted light of a desired wavelength. It has been.
  • the optical material layer 1 ridge type optical waveguides 3A and 3B are provided.
  • the ridge type optical waveguide 3A includes an incident portion 3a, a tapered portion 3b, a connecting portion 3c, a grating portion 3d, and an emitting portion 3e, and a Bragg grating 20 is formed in the grating portion 3d.
  • the width of the emission part 3e is constant.
  • the ridge-type optical waveguide 3B includes an incident portion 3a, a tapered portion 3b, a connecting portion 3c, a grating portion 3d, an emitting portion 3e, and a connecting portion 3f between the grating portion and the emitting portion 3e.
  • the Bragg grating 20 is formed.
  • the width of the connecting portion 3f is constant, but the width of the emitting portion 3e is gradually reduced as it approaches the emitting surface.
  • the optical material layer 1 is formed on the support substrate 5 with the lower clad layer 4 interposed therebetween. 1c is an upper surface.
  • the clad layer may be a material having a refractive index smaller than that of the optical material layer, and may be an adhesive layer. In the case of the adhesive layer, the bottom surface 1 d of the optical material layer is bonded onto the support substrate 5.
  • the optical material layer 1 is formed on the support substrate 5 with the lower clad layer 4 interposed therebetween. 1c is an upper surface.
  • the lower clad layer may be a material having a refractive index smaller than that of the optical material layer, and may be an adhesive layer. In the case of the adhesive layer, the bottom surface 1 d of the optical material layer is bonded onto the support substrate 5.
  • FIG. 4 schematically shows a perspective view of the grating element 2A.
  • the grating element 4B is substantially the same.
  • FIG. 5, FIG. 6, and FIG. 7 show cross sections obtained by cutting the grating element with a Bragg grating, respectively.
  • the optical material layer 1 is formed on the support substrate 5 via the adhesive layer 7 and the lower buffer layer 4, and the upper buffer layer 8 is formed on the optical material layer 1.
  • a pair of ridge grooves 9 are formed in the optical material layer 1, and a grating portion 3 d of a ridge type optical waveguide is formed between the ridge grooves 9.
  • the Bragg grating may be formed on the upper surface 1c side, or may be formed on the bottom surface 1d side. From the viewpoint of reducing variations in the shapes of the Bragg grating and the ridge groove, it is preferable to provide the Bragg grating and the ridge groove 9 on the opposite side of the substrate by forming the Bragg grating on the flat bottom surface 1d side.
  • optical material layer 1 is formed on the lower side of the support substrate 5 via the buffer layer 4.
  • An upper buffer layer 8 is formed on the optical material layer 1.
  • the optical material layer 1 is formed on the support substrate 5 via the adhesive layer 7 and the lower buffer layer 4, and the upper buffer layer 8 is formed on the optical material layer 1.
  • a pair of ridge grooves 9 are formed on the support substrate 5 side of the optical material layer 1, and a ridge type optical waveguide 3 d is formed between the ridge grooves 9.
  • the Bragg grating may be formed on the flat top surface 1c side, or may be formed on the bottom surface 1d side having the ridge groove.
  • the Bragg grating and the ridge groove are provided on the opposite side of the substrate by forming the Bragg grating on the flat upper surface 1c side.
  • the upper buffer layer 8 may be omitted, and in this case, the air layer can directly contact the grating.
  • the difference in refractive index can be increased without the presence of a grating groove, and the reflectance can be increased with a short grating length.
  • the support substrate 5 has a higher refractive index than the optical material layer 1, it is preferable that the upper buffer layer is formed from the viewpoint of reducing the propagation loss of the waveguide.
  • the 8 and 9 includes a light source 11 that oscillates laser light and a grating element 2A.
  • the light source 11 and the grating element 2 ⁇ / b> A are mounted on the common substrate 17.
  • the light source 11 includes an active layer 12 that oscillates semiconductor laser light.
  • the active layer 12 is provided on the substrate 15.
  • a reflective film 16 is provided on the outer end face of the light source, and an antireflective layer 13A is formed on the end face of the active layer 12 on the grating element side.
  • Reference numeral 13B denotes an antireflective film provided on the incident surface side of the optical material layer 1
  • reference numeral 13C denotes an antireflective film provided on the output surface side of the optical material layer 1.
  • the reflectance of the non-reflective layers 13A, 13B, and 13C may be a value smaller than the grating reflectance, and is preferably 0.1% or less. However, as long as the reflectance at the end face is smaller than the grating reflectance, the non-reflective layer may be omitted, and a reflective film may be provided instead of the non-reflective layer.
  • the oscillation wavelength of the laser light is determined by the wavelength reflected by the Bragg grating. If the reflected light from the Bragg grating and the reflected light from the end face of the active layer on the grating element side exceed the laser gain threshold, the oscillation condition is satisfied. Thereby, a laser beam with high wavelength stability can be obtained.
  • the feedback amount from the grating may be increased.
  • the reflectance of the grating is preferably larger than the reflectance at the end face of the active layer.
  • a laser with a highly reliable GaAs-based or InP-based material is suitable.
  • a GaAs laser that oscillates near a wavelength of 1064 nm is used. Since GaAs-based and InP-based lasers have high reliability, a light source such as a one-dimensionally arranged laser array can be realized. It may be a super luminescence diode or a semiconductor optical amplifier (SOA).
  • the oscillation wavelength of the laser is particularly preferably 990 nm or less in order to improve wavelength stability.
  • the wavelength is shortened, the refractive index change ⁇ na of the semiconductor becomes too large. Therefore, in order to improve the wavelength stability, the laser oscillation wavelength is particularly preferably 780 nm or more.
  • the material and wavelength of the active layer can be selected as appropriate.
  • Non-Patent Document 3 Furukawa Electric Times, January 2000, No. 105, p24-29
  • the ridge-type optical waveguide is obtained by, for example, physical processing and molding by cutting with an outer peripheral blade or laser ablation processing.
  • the Bragg grating can be formed by physical or chemical etching as follows.
  • a metal film such as Ni, Ti, or Cr is formed on a high refractive index substrate, and windows are periodically formed by photolithography to form an etching mask.
  • periodic grating grooves are formed by a dry etching apparatus such as reactive ion etching. Finally, it can be formed by removing the metal mask.
  • the ridge type optical waveguide can also be formed in the same manner as the grating groove.
  • one or more metals selected from the group consisting of magnesium (Mg), zinc (Zn), scandium (Sc), and indium (In) are used to further improve the optical damage resistance of the optical waveguide. Elements may be included, in which case magnesium is particularly preferred.
  • the crystal can contain a rare earth element as a doping component. As the rare earth element, Nd, Er, Tm, Ho, Dy, and Pr are particularly preferable.
  • the material of the adhesive layer may be an inorganic adhesive, an organic adhesive, or a combination of an inorganic adhesive and an organic adhesive.
  • the optical material layer may be formed by forming a film on the support substrate by a thin film forming method.
  • a thin film forming method include sputtering, vapor deposition, and CVD.
  • the optical material layer 11 is directly formed on the support base.
  • the optical material layer can be formed after the lower buffer layer is formed on the support substrate.
  • the specific material of the support substrate is not particularly limited, and examples thereof include glass such as lithium niobate, lithium tantalate, and quartz glass, quartz, and Si.
  • the lower cladding layer is essential, but it is preferable to provide the upper cladding layer from the viewpoint of reducing the waveguide loss.
  • the lower and upper cladding layers may be the lower and upper buffer layers, respectively, and their refractive indices are lower than the refractive index of the optical material layer.
  • the reflectance of the non-reflective layer needs to be equal to or lower than the grating reflectivity, and as a film material to be formed on the non-reflective layer, a film laminated with an oxide such as silicon dioxide, tantalum pentoxide, magnesium fluoride, Metals can also be used.
  • each end face of the light source element and the grating element may be cut obliquely in order to suppress the end face reflection.
  • the grating element and the support substrate are bonded and fixed in the example of FIG. 2, they may be directly bonded.
  • a single layer film made of a material having a refractive index lower than that of the material constituting the optical material layer is formed on at least one of the entrance surface and the exit surface.
  • the thickness of such a single layer film does not need to be determined exactly as in the AR coating, and end face reflection can be reduced simply by forming a single layer film.
  • the degree of reflection suppression may be reduced or eliminated depending on the relationship between the refractive index and the thickness between the multilayer films, and it is necessary to control the thickness of each layer of the multilayer film. Therefore, the single layer film is superior. Thereby, the end surface reflectance of the grating element can be surely reduced as compared with the case where there is no single layer film.
  • the thickness of the single layer film is preferably 1 ⁇ m or less.
  • the grating element 2A is optically coupled to the light source 11, and the optical waveguide 22 of the separate optical waveguide substrate 21 is optically coupled to the emission surface of the emission part 3e of the grating element 2A. Is bound to.
  • the grating element 2B is optically coupled to the light source 11, and the optical waveguide 22 of the separate optical waveguide substrate 21 is optically coupled to the emission surface of the emission part 3e of the grating element 2B. Is bound to.
  • the light source 11 and the grating element 22 are mounted on a common substrate 24. It is also possible to provide the adhesive layers 7 and 25.
  • the ridge type optical waveguide 23A of the grating element 22 includes an incident portion 23a, a tapered portion 23b, a grating portion 23d, and an emitting portion 23e, and a Bragg grating 20 is formed in the grating portion 23d.
  • the optical waveguide width W in the entrance portion 23a is larger than the optical waveguide width W gr in a Bragg grating.
  • Optical waveguide width W t of the tapered portion 23b is monotonically decreases from W in to W gr. Further, in the present embodiment, the optical waveguide width W out of the exit portion 23e is constant.
  • the optical material layer thickness W inv at the incident portion 23a is larger than the optical material layer thickness W grv at the Bragg grating.
  • the optical material layer thickness W tv at the tapered portion 23b monotonously decreases from W inv toward W grv .
  • the optical material layer thickness W outv at the emitting portion 23e is constant.
  • the oscillation condition of the semiconductor laser is determined by gain condition ⁇ phase condition as shown in the following equation.
  • ⁇ a , ⁇ g , ⁇ wg , ⁇ gr are the active layer, the gap between the semiconductor laser and the waveguide, the unprocessed waveguide portion on the input side, and the loss factor of the grating portion, respectively
  • L a , L g , L wg , and L gr are the length of the active layer, the gap between the semiconductor laser and the waveguide, the unprocessed waveguide portion on the input side, and the grating portion, respectively
  • r 1 and r 2 are mirrors
  • C out is the coupling loss between the grating element and the light source
  • ⁇ t g t is the gain threshold of the laser medium
  • ⁇ 1 is the laser side reflection
  • the phase change amount by the mirror, and ⁇ 2 is the phase change amount in the grating section.
  • the gain condition when the gain ⁇ t g th (gain threshold value) of the laser medium exceeds the loss, it indicates that laser oscillation occurs.
  • the gain curve (wavelength dependence) of the laser medium has a full width at half maximum of 50 nm or more and has broad characteristics. Further, since the loss part (right side) has almost no wavelength dependence other than the reflectance of the grating, the gain condition is determined by the grating. For this reason, in the comparison table, the gain condition can be considered only by the grating.
  • phase condition is expressed by the following equation from the equation (2-1). However, ⁇ 1 is zero.
  • the external resonator type laser a product using a quartz glass waveguide or FBG as an external resonator has been commercialized.
  • the length of the grating portion is 1 mm.
  • the phase condition, the wavelength which satisfies become discrete, in ⁇ lambda G, are designed to be (2-3) equation points 2-3. For this reason, the thing with a long active layer length of a laser medium is needed, and the thing of 1 mm or more is used.
  • the external cavity laser has a feature of high wavelength stability.
  • ⁇ G TM is a wavelength interval (longitudinal mode interval) that satisfies the phase condition of the external cavity laser.
  • the temperature T mh at which the mode hop occurs is about 5 ° C. For this reason, mode hops are likely to occur. Therefore, when a mode hop occurs, the power fluctuates based on the reflection characteristics of the grating and fluctuates by 5% or more.
  • the conventional external cavity laser using the glass waveguide or FBG performs temperature control using the Peltier element.
  • the present invention uses a grating element having a small denominator of the equation (2-4) as a precondition.
  • the denominator of the formula (2-4) is preferably 0.03 nm / ° C. or less, and specific optical material layers include gallium arsenide (GaAs), lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), Tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), zinc oxide (ZnO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and titanium oxide (TiO 2 ) are preferable.
  • ⁇ lambda grating length in order to increase the G L b is a 100 ⁇ m example
  • ⁇ G TM to be increased L a is a 250 ⁇ m example.
  • FIG. 6 The present application presupposes that the temperature coefficient of the grating wavelength and the temperature coefficient of the gain curve of the semiconductor are close to each other. For this reason, a material having a refractive index of 1.8 or more is used. Further grating groove depth t d of 20nm or more, and 250nm or more, the reflectance of 3% or more, 60% or less, and 0.8nm over the full width at half maximum ⁇ lambda G, is set to 250nm or less. As a result, the resonator structure can be made compact and temperature-independence can be realized without any additional components.
  • each parameter is described as follows, and each is in the category of the prior art.
  • L b 3mm
  • a material having a lower refractive index such as quartz, has been generally used.
  • the refractive index of the material constituting the Bragg grating is increased. This is because a material with a large refractive index has a large temperature change in the refractive index, so that T mh in equation (2-4) can be increased, and the temperature coefficient d ⁇ G / dT of the grating as described above. It is because it can enlarge.
  • nb is more preferably 1.9 or more.
  • the upper limit of n b is not particularly preferably 4 or less since the formed grating pitch becomes too small it is difficult.
  • the full width at half maximum ⁇ G at the peak of the Bragg reflectivity is set to 0.8 nm or more (Formula 1).
  • ⁇ G is the Bragg wavelength. That is, as shown in FIGS. 15 and 16, when the reflection wavelength by the Bragg grating is taken on the horizontal axis and the reflectance is taken on the vertical axis, the wavelength at which the reflectance becomes maximum is the Bragg wavelength. In the peak centered on the Bragg wavelength, the difference between the two wavelengths at which the reflectance is half of the peak is defined as the full width at half maximum ⁇ G.
  • the full width at half maximum ⁇ G at the peak of the Bragg reflectance is set to 0.8 nm or more (formula (1)). This is to make the reflectance peak broad. From this viewpoint, the full width at half maximum ⁇ G is preferably set to 1.2 nm or more, and more preferably set to 1.5 nm or more. The full width at half maximum ⁇ G is 5 nm or less, more preferably 3 nm or less, and preferably 2 nm or less.
  • the length L b of the Bragg grating to 300 ⁇ m or less (formula 2: see FIG. 9).
  • the length L b of the Bragg grating is a grating length in the direction of the optical axis of the light propagating through the optical waveguide. Be shorter than the Bragg grating length L b below the conventional 300 ⁇ m is a premise of the design concept of the present invention. That is, it is necessary to increase the wavelength interval (longitudinal mode interval) that satisfies the phase condition in order to make mode hopping difficult. For this purpose, it is necessary to shorten the resonator length, and to shorten the length of the grating element. From this viewpoint, it is more preferable that the Bragg grating length L b and 200 ⁇ m or less.
  • Reducing the length of the grating element reduces the loss and can reduce the laser oscillation threshold. As a result, driving with low current, low heat generation, and low energy is possible.
  • the length L b of the grating, in order to obtain a reflectance of 3% or more is preferably at least 5 [mu] m, in order to obtain a reflectance of 5% or more, more preferably more than 10 [mu] m.
  • t d is the depth of the irregularities constituting the Bragg grating (see FIG. 4).
  • ⁇ G can be set to 0.8 nm or more and 250 nm or less, and the number of longitudinal modes can be adjusted to 2 or more and 5 or less in ⁇ G.
  • t d is more preferably not less than 30 nm, also more preferably 200nm or less. In order to set the full width at half maximum to 3 nm or less, 150 nm or less is preferable.
  • the reflectance of the grating element is preferably set to 3% or more and 40% or less in order to promote laser oscillation. This reflectivity is more preferably 5% or more in order to further stabilize the output power, and more preferably 25% or less in order to increase the output power.
  • the laser oscillation condition is established from a gain condition and a phase condition. Wavelengths satisfying the phase condition are discrete and are shown in FIG. 21, for example. That is, in the structure of the present application, the oscillation wavelength can be fixed within ⁇ G by bringing the temperature coefficient of the gain curve (0.3 nm / ° C. in the case of GaAs) close to the temperature coefficient d ⁇ G / dT of the grating.
  • ⁇ lambda G number of longitudinal modes are two or more in, when present 5 or less, the oscillation wavelength repeats mode hopping in the ⁇ lambda G, large because it can reduce the probability of laser oscillation outside the ⁇ lambda G There is no mode hop, the wavelength is stable, and the output power can operate stably.
  • length L a of the active layer also to 500 ⁇ m or less length L a of the active layer (Fig. 9). From this viewpoint, it is more preferable to set the length L a of the active layer and 300 ⁇ m or less.
  • the length L a of the active layer with a view to increasing the output of the laser it is preferable that the 150 ⁇ m or more.
  • d ⁇ G / dT is the temperature coefficient of the Bragg wavelength.
  • D ⁇ TM / dT is a temperature coefficient of the wavelength that satisfies the phase condition of the external cavity laser.
  • ⁇ TM is a wavelength that satisfies the phase condition of the external cavity laser, that is, a wavelength that satisfies the above-described phase condition of (Equation 2.3). This is called “vertical mode” in this specification.
  • ⁇ 2 ⁇ n eff / ⁇ , where n eff is the effective refractive index of the portion, and ⁇ satisfying this is ⁇ TM .
  • ⁇ 2 is the phase change of the Bragg grating, lambda TM is shown in Figure 15.
  • ⁇ G TM is a wavelength interval (longitudinal mode interval) that satisfies the phase condition of the external cavity laser.
  • the numerical value of the formula (6) is more preferably 0.025 or less.
  • the length L WG grating element also to 600 ⁇ m or less (Fig. 9).
  • LWG is preferably 400 ⁇ m or less, and more preferably 300 ⁇ m or less. Further, LWG is preferably 50 ⁇ m or more.
  • the distance L g between the light exit surface of the light source and the light entrance surface of the optical waveguide is 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less (see FIG. 9). As a result, stable oscillation is possible.
  • the length L m of the entrance portion and the tapered portion and 100 ⁇ m or less. This promotes stable oscillation.
  • the lower limit is not particularly length L m of the propagating portion is preferably not less than 10 [mu] m, more preferably more than 20 [mu] m.
  • the width W in (see FIGS. 10, 11, and 13) of the ridge-type optical waveguide at the incident portion is the mode field diameter W h in the horizontal direction of the laser light. It is preferably 1.5 times or more. Moreover, it is further preferable that the width W in the ridge type optical waveguide or less 2.5 times the horizontal direction of the mode field diameter W h of the laser beam at the incident portion.
  • the thickness W inv (FIG. 13) of the optical material layer at the incident portion is 1.5 times or more the mode field diameter W v in the vertical direction of the laser light. It is preferable that Further, it is preferable that the thickness W inv of the optical material layer at the incident portion is 2.5 times or less of the mode field diameter W v in the vertical direction of the laser light.
  • the horizontal and vertical mode field diameters of the laser light are measured as follows. Measure the light intensity distribution of the laser beam and measure the width where the intensity distribution is 1 / e 2 (e is the base of natural logarithm: 2.71828) with respect to the maximum value (usually equivalent to the center of the core). This is generally defined as a mode field diameter.
  • the mode field is defined because the size differs between the horizontal direction and the vertical direction of the laser element. When it is concentric like an optical fiber, it is defined as a diameter.
  • the light intensity distribution of the spot of the laser beam can be generally obtained by beam profile measurement using a near infrared camera or light intensity measurement by a knife edge.
  • W inv / ⁇ is preferably 3 or less.
  • W inv is 1.7 ⁇ m or more and 2.55 ⁇ m or less.
  • the ridge type optical waveguide width Win in the incident part is larger than the ridge type optical waveguide width Wgr in the grating part.
  • the width of the ridge-type optical waveguide means a distance between two corners of the cross section of the upper surface of the ridge portion constituting the optical waveguide (see FIG. 5).
  • W in / W gr is preferably 1.5 or more, and more preferably 2 or more. Further, if W in / W gr is too large, the substrate radiation in the Bragg grating tends to increase, so that W in / W gr is preferably 3.5 or less.
  • the width of the ridge type optical waveguide at the incident portion is preferably 5 ⁇ m or more, and preferably 10 ⁇ m or less.
  • the ridge width of the grating portion is preferably 3 ⁇ or more and 5 ⁇ or less.
  • the ridge width is preferably 2.55 ⁇ m or more, and preferably 4.25 ⁇ m or less.
  • the incident part and the grating part are connected by a taper part.
  • the tapered portion preferably be smoothly ridge width W t is reduced towards the grating portion from the incident portion, it is more preferable to reduce a linear function with respect to longitudinal direction of the element.
  • the width W out of the emitting portions 3e and 23e may be the same as the width W gr of the ridge-type optical waveguide in the grating element, but may be smaller than W gr .
  • W out / W gr is preferably 1.0 or less, and may be 0.5 or less, but is preferably 0.7 or more from the viewpoint of propagation efficiency.
  • the propagation light is converted into a single mode, so that the spot shape as shown in FIG. FIG. 17 shows a spot shape when the wavelength is 0.85 ⁇ m and the ridge width is 2 ⁇ m.
  • the optical electric field leaks to the substrate, and the optical electric field on the top surface of the ridge becomes small.
  • the optical electric field hardly perceives the step of the groove, and the reflectance does not increase.
  • FIG. 18 shows a spot shape when the ridge type optical waveguide width is 3 ⁇ m. In this case, it can be seen that the shape is elliptical and does not leak into the substrate mode.
  • the ridge width of the grating part is made too large, it will be multimoded, so there is an optimum ridge width.
  • FIG. 19 shows the calculated value of the effective refractive index of the fundamental mode of the waveguide at the ridge width of 1 to 10 ⁇ m when the optical material layer thickness W inv is 2 ⁇ m and T r is 1.2 ⁇ m. From this result, the ridge widths of 1 ⁇ m and 2 ⁇ m are the rising regions of the effective refractive index and are regions close to the cutoff.
  • FIG. 20 is a calculated value of propagation efficiency for the same ridge width. As a result, it can be seen that the propagation efficiency is lowered by the radiation to the substrate mode when the ridge width is 1 ⁇ m and 2 ⁇ m. In addition, the propagation efficiency tends to decrease at 5 ⁇ m or more, but this is due to the multimode.
  • the thickness of the optical material layer of the grating parts 3d and 23d can be made smaller than the thickness of the optical material layer in the incident parts 3a and 23a (FIG. 3B). ), See FIG.
  • the thickness of the optical material layer in the grating portions 3d and 23d / the thickness of the optical material layer in the incident portions 3a and 23a is preferably 1.0 or less. 0.7 or less, but from the viewpoint of propagation efficiency, it is preferably 0.3 or more.
  • Example 1 A grating element as shown in FIGS. 1A, 2 and 4 was produced. Specifically, the optical material layer 1 was formed by depositing 1 ⁇ m of SiO 2 on the support substrate 5 made of quartz by a sputtering apparatus and further depositing 2 ⁇ m of Ta 2 O 5 . Next, Ti was formed on the optical material layer 1, and a grating pattern was produced by a photolithography technique. Thereafter, a grating groove having a pitch interval of ⁇ 205.4 nm and a length of L b of 25 ⁇ m was formed by fluorine-based reactive ion etching using the Ti pattern as a mask. Groove depth t d of the grating was set to 100 nm.
  • the waveguide pattern was patterned by photolithography and reactive ion etching was performed to form a ridge groove with an incident width W in 8 ⁇ m, Tr 1 ⁇ m, a grating width W gr 3 ⁇ m, and Tr 1 ⁇ m. .
  • the length from the incident surface to the grating portion start point was 25 ⁇ m.
  • the input side and the output side of the element were etched to the quartz substrate by dry etching to make the end face a mirror surface.
  • a single layer film of 90 nm was formed on both end surfaces by sputtering of SiO 2 .
  • the reflectance of the end face was 3%.
  • the element size was 1 mm wide and L wg 100 ⁇ m long.
  • Optical characteristics of the grating element are measured by using a super luminescence diode (SLD), which is a broadband wavelength light source, and inputting TE mode light into the grating element and analyzing the output light with an optical spectrum analyzer. The reflection characteristics were evaluated from the characteristics.
  • the reflection center wavelength of the measured element was 850 nm.
  • the light source element used was an ordinary GaAs laser.
  • the module After mounting the module, when driven by current control (ACC) without using a Peltier element, it oscillates at a center wavelength of 850 nm corresponding to the reflection wavelength of the grating, and the output is smaller than that without the grating element, but a 30 mW laser It was a characteristic. The fluctuation of output was stable within 1%. Further, the temperature dependence of the laser oscillation wavelength was measured in the temperature range of 20 ° C. to 40 ° C. As a result, the temperature coefficient of the oscillation wavelength was 0.05 nm / ° C.
  • Example 1 A grating element having the same structure was formed by the same method as in Example 1. However, ridge groove processing was performed with a light source input portion width W in of 8 ⁇ m and T r of 1 ⁇ m and a grating portion width of W gr of 8 ⁇ m and T r of 1 ⁇ m. The length from the input end face to the grating part starting point was 25 ⁇ m.
  • the input side and the output side of the element were etched to the quartz substrate by dry etching to make the end face a mirror surface.
  • a single layer film of 90 nm was formed on both end surfaces by sputtering of SiO 2 .
  • the reflectance of the end face was 3%.
  • the element size was 1 mm wide and L wg 100 ⁇ m long.
  • Optical characteristics of the grating element are measured by using a super luminescence diode (SLD), which is a broadband wavelength light source, and inputting TE mode light into the grating element and analyzing the output light with an optical spectrum analyzer.
  • SLD super luminescence diode
  • the reflection characteristics were evaluated from the characteristics.
  • the reflection center wavelength of the measured element was 850 nm. However, reflection was measured at a plurality of wavelengths 845 nm, 840 nm, and 836 nm on the shorter wavelength side than this.
  • the light source element used was an ordinary GaAs laser.
  • the module When the module is mounted and driven by current control (ACC) without using a Peltier element, it oscillates at a center wavelength of 845 nm corresponding to the reflection wavelength of the grating, and the output is smaller than in the case where there is no grating element.
  • the laser characteristic was 30 mW, which was almost equivalent to Further, the temperature dependence of the laser oscillation wavelength was measured in the temperature range of 20 ° C. to 40 ° C. As a result, the temperature coefficient of the oscillation wavelength was 0.05 nm / ° C., but the wavelength greatly changed to 850.4 nm around 30 ° C., and the output greatly fluctuated.
  • Example 2 A grating element having the same structure was formed by the same method as in Example 1. However, ridge groove processing was performed with a light source input width W in 8 ⁇ m, Tr 1 ⁇ m, and a grating width W gr 2 ⁇ m, Tr 1 ⁇ m. The length from the input end face to the grating part starting point was 25 ⁇ m.
  • the input side and the output side of the element were etched to the quartz substrate by dry etching to make the end face a mirror surface.
  • a single layer film of 90 nm was formed on both end surfaces by sputtering of SiO 2 .
  • the reflectance of the end face was 3%.
  • the element size was 1 mm wide and L wg 100 ⁇ m long.
  • Optical characteristics of the grating element are measured by using a super luminescence diode (SLD), which is a broadband wavelength light source, and inputting TE mode light into the grating element and analyzing the output light with an optical spectrum analyzer.
  • SLD super luminescence diode
  • the reflection characteristics were evaluated from the characteristics.
  • the reflection center wavelength of the measured element was 849.5 nm.
  • the light source element used was an ordinary GaAs laser.
  • the module After mounting the module, when driven by current control (ACC) without using a Peltier device, it oscillates at a center wavelength of 849.5 nm corresponding to the reflection wavelength of the grating, and the output is smaller than that of Example 1 and has a laser characteristic of 10 mW there were. This was due to an increase in propagation loss. However, the fluctuation of the output was stable within 1%. Further, the temperature dependence of the laser oscillation wavelength was measured in the temperature range of 20 ° C. to 40 ° C. As a result, there was no change as in Example 1, and the temperature coefficient of the oscillation wavelength was 0.05 nm / ° C.
  • Example 3 Elements as shown in FIGS. 1A and 3 were produced.
  • the optical material layer 1 was formed by forming 2 ⁇ m of SiO 2 on the support substrate 5 made of quartz by a sputtering apparatus and further forming 2 ⁇ m of Ta 2 O 5 .
  • Ti was formed on the optical material layer 1, and a grating pattern was produced by a photolithography technique. Thereafter, a grating groove having a pitch interval of ⁇ 205.4 nm and a length of L b of 25 ⁇ m was formed by fluorine-based reactive ion etching using the Ti pattern as a mask. Groove depth t d of the grating was set to 100 nm.
  • the length from the input end face to the grating part starting point was 25 ⁇ m.
  • the input portion and the taper portion were masked, and the thickness of the Ta 2 O 5 was etched by 1 ⁇ m on the entire grating portion by reactive ion etching. As a result, as shown in FIG.
  • the optical material layer thickness in the grating element was made smaller than the optical material layer thickness in the incident portion and the tapered portion.
  • Groove depth t d of this time the grating was set to be in 40 nm
  • groove depth of the ridge waveguide was set to be 0.6 .mu.m.
  • the input side and the output side of the element were etched up to the quartz substrate by dry etching to make the end face a mirror surface.
  • a single layer film of 90 nm was formed on both end surfaces by sputtering of SiO 2 .
  • the reflectance of the end face was 3%.
  • the element size was 1 mm wide and L wg 100 ⁇ m long.
  • Optical characteristics of the grating element are measured by using a super luminescence diode (SLD), which is a broadband wavelength light source, and inputting TE mode light into the grating element and analyzing the output light with an optical spectrum analyzer. The reflection characteristics were evaluated from the characteristics.
  • the reflection center wavelength of the measured element was 848 nm.
  • the light source element used was an ordinary GaAs laser.
  • the module After mounting the module, when driven by current control (ACC) without using a Peltier element, it oscillates at a center wavelength of 848 nm corresponding to the reflection wavelength of the grating, and the output is smaller than that without the grating element, but a 30 mW laser It was a characteristic. The fluctuation of output was stable within 1%. Further, the temperature dependence of the laser oscillation wavelength was measured in the temperature range of 20 ° C. to 40 ° C. As a result, the temperature coefficient of the oscillation wavelength was 0.05 nm / ° C.
  • the tolerance of the misalignment between the semiconductor laser and the grating element was measured.
  • a semiconductor laser which is a light source element, and a grating element were mounted on an optical alignment device, and the optical axis was adjusted to maximize the amount of light output from the grating element. From this state, the axis was shifted in increments of 0.1 ⁇ m only in the horizontal direction, and the change in the amount of light was measured.
  • the horizontal axis tolerance is defined as the amount of axis deviation when the amount of light is 25 mW.
  • the vertical deviation was measured to measure the amount of axial deviation. The results measured for Examples 1 and 3 and Comparative Example 1 are shown below.
  • Example 2 A grating element was formed in the same manner as in Example 1, and a laser module as shown in FIG. 9 was mounted.
  • the module When the module was mounted and driven by current control (ACC) without using a Peltier element, it oscillated at a center wavelength of 850 nm corresponding to the reflection wavelength of the grating, and the output was a laser characteristic of 30 mW. The fluctuation of output was stable within 1%. Further, the temperature dependence of the laser oscillation wavelength was measured in the temperature range of 20 ° C. to 40 ° C. As a result, there was no change as in Example 1, and the temperature coefficient of the oscillation wavelength was 0.05 nm / ° C.
  • the module When the module was mounted and driven by current control (ACC) without using a Peltier element, it oscillated at a center wavelength of 848 nm corresponding to the reflection wavelength of the grating, and the output was a laser characteristic of 30 mW. The fluctuation of output was stable within 1%. Further, the temperature dependence of the laser oscillation wavelength was measured in the temperature range of 20 ° C. to 40 ° C. As a result, the temperature coefficient of the oscillation wavelength was 0.05 nm / ° C.
  • Example 4 A grating element was formed in the same manner as in Example 1, and a laser module as shown in FIG. 9 was mounted.
  • the module When the module was mounted and driven by current control (ACC) without using a Peltier element, it oscillated at a center wavelength of 848 nm corresponding to the reflection wavelength of the grating, and the output was a laser characteristic of 35 mW. The fluctuation of output was stable within 1%. Further, the temperature dependence of the laser oscillation wavelength was measured in the temperature range of 20 ° C. to 40 ° C. As a result, there was no change as in Example 1, and the temperature coefficient of the oscillation wavelength was 0.05 nm / ° C.

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Abstract

グレーティング素子２Ａは、支持基板、光学材料層１、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３Ａ、および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２０を備える。光導波路が、入射面１ａとブラッググレーティング２０との間に設けられる入射部３ａ、および入射部と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３ｂを含む。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する。入射部における光導波路の幅Ｗｉｎがブラッググレーティングにおける光導波路Ｗｇｒの幅よりも大きく、テーパ部における光導波路の幅Ｗｔが入射部からブラッググレーティングに向かって小さくなっている。式（１）～式（３）の関係が満足される。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。）

Description

グレーティング素子および外部共振器型発光装置
　本発明は、グレーティング素子、およびこれ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）グレーティング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、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。
　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
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 JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000003
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000004
　縦モード間隔△λは、近似的に下式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　数式３と数式４より、数式５が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　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。
　ここで、光源とグレーティング素子の結合効率を保持しつつ、同時に軸ずれトレランスを確保することが望ましい。具体的には、結合効率を５０％以上とし、軸ずれ許容幅を±１μｍ程度とすることが望まれる。
　本発明者は、結合効率の軸ずれトレランスを向上させるため、入射部における光学材料層の厚さ、リッジ型光導波路の幅を、光源から出射するレーザ光のモードフィールド径（垂直方向、水平方向）よりも大きく設定することを試みた。例えば、リッジ型光導波路の幅がレーザ光の水平方向のモードフィールド径の１．５倍以上となるようにしてみた。さらに、光学材料層の厚さがレーザ光の垂直方向のモードフィールド径の１．５倍以上となるようにしてみた。
　一般的に光源の横モードはシングルモードであり、そのスポット径は垂直方向で０．５μｍから２μｍであり、水平方向では１μｍから６μｍとなっている。また、たとえば、入射部における光学材料層の厚みはＷｉｎｖ／λが２以上としている。光学材料層はあまり厚いと結合損失が大きくなってしまうので、Ｗｉｎｖ／λは３以下が好ましい。特に、波長０．７μｍから１．１μｍにおいて入射部でのリッジ型光導波路の幅は、軸ずれトレランスを大きくする観点で５μｍ以上が好ましく、結合損失が大きくなってしまうので、１０μｍ以下とすることが好ましい。
　しかし、このように軸ずれトレランスを大きくするため、リッジ型光導波路の幅を大きくすると、今度はブラッググレーティングにおいてマルチモードが励振され、シングルモード励振されにくくなることが判明してきた。この場合には、出射光がマルチモード光となった。しかも、マルチモード光の場合、複数の反射波長が存在するため、波長不安定性が生ずる。
　本発明の課題は、光源からのレーザ光と、グレーティング素子の光導波路との軸ずれトレランスを大きくしつつ、ブラッググレーティングによる外部共振器型レーザの波長安定性を向上することである。
　本発明に係るグレーティング素子は、
　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（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。）
 
　また、本発明は、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のものであることを特徴とする。
　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、グレーティングが形成される導波路基板の屈折率を高くすることが好ましい。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、本発明では、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を大きめに設定している。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、グレーティング素子の長さ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ことを見い出した。
　その上で、入射部におけるリッジ型光導波路幅をレーザ光の水平方向のモードフィールド径よりも大きくし、例えば１．５倍以上とすると、光源との軸ずれトレランスを大きくすることができる。ただし、光導波路幅を大きくすると、ブラッググレーティングにおいて伝搬光がマルチモード化するために、波長安定性が損なわれてしまう。このため、本発明においては、ブラッググレーティングにおけるリッジ型光導波路幅を相対的に小さくし、入射部とブラッググレーティングとの間に、リッジ型光導波路幅が小さくなるテーバ部を設けることとした。これによって、ブラッググレーティングにおいて伝搬光をシングルモードとする条件下において、軸ずれトレランスを改善することに成功した。
図１（ａ）、図１（ｂ）は、それぞれ、グレーティング素子２Ａ、２Ｂを模式的に示す平面図である。 （ａ）は、グレーティング素子２Ａを模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、グレーティング素子２Ａを模式的に示す側面図である。 （ａ）は、グレーティング素子２Ｂを模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、グレーティング素子２Ｂを模式的に示す側面図である。 グレーティング素子の斜視図である。 グレーティング素子の横断面図である。 他のグレーティング素子の横断面図である。 さらに他のグレーティング素子の横断面図である。 外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。 外部共振器型発光装置を模式的に示す側面図である。 他の外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。 他の外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。 更に他の実施形態に係る外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。 図１２の装置を模式的に示す縦断面図である。 レーザ発振条件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。 従来例によるモードホップの形態を説明する図である。 モードフィールドパターンの例である。 モードフィールドパターンの例である。 リッジ型光導波路の幅と実効屈折率との関係を示すグラフである。 リッジ型光導波路の幅と導波路における伝搬高率との関係を示すグラフである。 本発明における、離散的な位相条件例を示す。
　図１（ａ）、（ｂ）に示すように、グレーティング素子２Ａ、２Ｂには、レーザ光が入射する入射面１ａと所望波長の出射光を出射する出射面１ｂを有する光学材料層１が設けられている。光学材料層１内には、リッジ型光導波路３Ａ、３Ｂが設けられている。
　リッジ型光導波路３Ａは、入射部３ａ、テーパ部３ｂ、連結部３ｃ、グレーティング部３ｄ、出射部３ｅを備えており、グレーティング部３ｄにはブラッググレーティング２０が形成されている。出射部３ｅの幅は一定である。リッジ型光導波路３Ｂは、入射部３ａ、テーパ部３ｂ、連結部３ｃ、グレーティング部３ｄ、出射部３ｅ、およびグレーティング部と出射部３ｅとの間の連結部３ｆを備えており、グレーティング部３ｄにはブラッググレーティング２０が形成されている。連結部３ｆの幅は一定であるが、出射部３ｅの幅は、出射面に近づくのにつれて徐々に縮小している。
　図２（ａ）、（ｂ）に示すように、グレーティング素子２Ａの場合には、支持基板５上に下部クラッド層４を介して光学材料層１が形成されている。１ｃは上面である。クラッド層は光学材料層よりも屈折率の小さい材料であればよく、接着層であってもよい。接着層の場合には、光学材料層の底面１ｄが支持基板５上に接着されている。
　図３（ａ）、（ｂ）に示すように、グレーティング素子２Ｂの場合には、支持基板５上に下側クラッド層４を介して光学材料層１が形成されている。１ｃは上面である。前記下側クラッド層は光学材料層よりも屈折率の小さい材料であればよく、接着層であってもよい。接着層の場合には、光学材料層の底面１ｄが支持基板５上に接着されている。
　図４には、グレーティング素子２Ａの斜視図を模式的に示す。グレーティング素子４Ｂもほぼ同様である。
　図５、図６、図７は、それぞれ、グレーティング素子をブラッググレーティングで切ってみた横断面を示す。
　図５の例では、支持基板５上に接着層７、下側バッファ層４を介して光学材料層１が形成されており、光学材料層１上に上側バッファ層８が形成されている。光学材料層１には、例えば一対のリッジ溝９が形成されており、リッジ溝９の間にリッジ型光導波路のグレーティング部３ｄが形成されている。
　この場合、ブラッググレーティングは上面１ｃ側に形成していてもよく、底面１ｄ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からは、ブラッググレーティングを平坦な底面１ｄ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９とを基板の反対側に設けることが好ましい。
　図６の例は、図５の例と同様である。ただし、光学材料層１は支持基板５の上に下側にバッファ層４を介して形成されている。また光学材料層１の上には上側バッファ層８が形成されている。
　図７の例では、支持基板５上に接着層７、下側バッファ層４を介して光学材料層１が形成されており、光学材料層１上に上側バッファ層８が形成されている。光学材料層１の支持基板５側には、例えば一対のリッジ溝９が形成されており、リッジ溝９の間にリッジ型光導波路３ｄ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な上面１ｃ側に形成していてもよく、リッジ溝のある底面１ｄ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平坦な上面１ｃ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８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。
　しかしながら、支持基板５が光学材料層１よりも屈折率が大きい場合には、上側バッファ層は形成されていた方が導波路の伝搬損失を低減するという観点で好ましい。
　図８、図９に模式的に示す発光装置１０は、レーザ光を発振する光源１１と、グレーティング素子２Ａとを備えている。光源１１とグレーティング素子２Ａとは、共通基板１７上にマウントされている。
　光源１１は、半導体レーザ光を発振する活性層１２を備えている。本実施形態では、活性層１２は基体１５に設けられている。光源の外側端面には反射膜１６が設けられており、活性層１２のグレーティング素子側の端面には無反射層１３Ａが形成されている。
　グレーティング素子の入射部は活性層１２と間隙１４を介して対向している。１３Ｂは、光学材料層１の入射面側に設けられた無反射膜であり、１３Ｃは、光学材料層１の出射面側に設けられた無反射膜である。
　無反射層１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ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、無反射層の代わりに反射膜を設けることもできる。
　この場合、レーザ光の発振波長は、ブラッググレーティングにより反射される波長で決定される。ブラッググレーティングによる反射光と活性層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の端面における反射率よりも大きくする方が好ましい。
　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。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。
　レーザ光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、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。
　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、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。
　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。
　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いる。または、支持基体に下側バッファ層を形成した後に光学材料層を形成することができる
　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。
　支持基体の屈折率が光学材料層の屈折率よりも大きい場合には下部クラッド層は必須であるが、導波路損失の低減という観点で上部クラッド層を設けることが好ましい。
　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。
　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２の例では接着固定だが、直接接合でもよい。
　好適な実施形態においては、入射面と出射面との少なくとも一方に、光学材料層を構成する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。こうした単層膜の厚さは、ＡＲコートのように厳密に決定する必要はなく、単に単層膜を形成することによって端面反射を低減することができる。ここで、多層膜にすると、多層膜間の屈折率と厚さの関係によっては、反射抑制の度合いが低下したり、無くなったりする可能性があり、多層膜の各層の厚さを制御する必要があるので、単層膜の方が優れている。これによりグレーティング素子の端面反射率は単層膜がない場合よりも確実に低減することができる。単層膜の厚みは、好適には１μｍ以下である。
　図１０の例では、光源１１に対してグレーティング素子２Ａが光学結合されているとともに、グレーティング素子２Ａの出射部３ｅの出射面に対して、別体の光導波路基板２１の光導波路２２が光学的に結合されている。
　図１１の例では、光源１１に対してグレーティング素子２Ｂが光学結合されているとともに、グレーティング素子２Ｂの出射部３ｅの出射面に対して、別体の光導波路基板２１の光導波路２２が光学的に結合されている。
　図１２、図１３の例では、光源１１およびグレーティング素子２２が共通基板２４上に実装されている。接着層７、２５を設けることも可能である。
　グレーティング素子２２のリッジ型光導波路２３Ａは、入射部２３ａ、テーパ部２３ｂ、グレーティング部２３ｄ、出射部２３ｅを備えており、グレーティング部２３ｄにはブラッググレーティング２０が形成されている。素子の上面から見ると（図１２）、入射部２３ａにおける光導波路幅Ｗｉｎは、ブラッググレーティングにおける光導波路幅Ｗｇｒよりも大きくなっている。テーパ部２３ｂにおける光導波路幅Ｗｔは、ＷｉｎからＷｇｒへと向かって単調減少している。また、本例では、出射部２３ｅにおける光導波路幅Ｗｏｕｔは一定である。
　また、素子の側面側から見ると（図１３）、入射部２３ａにおける光学材料層厚さＷｉｎｖは、ブラッググレーティングにおける光学材料層厚さＷｇｒｖよりも大きくなっている。テーパ部２３ｂにおける光学材料層厚さＷｔｖは、ＷｉｎｖからＷｇｒｖへと向かって単調減少している。また、本例では、出射部２３ｅにおける光学材料層厚さＷｏｕｔｖは一定である。
　以下、図１４に示すような構成において本発明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。
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ゲイン条件は、（2-1）式より下式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　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、ξtgt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ξtgth（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 JPOXMLDOC01-appb-M000009
　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１５と図１６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＝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 JPOXMLDOC01-appb-M000010
　これより従来の場合、モードホップが起こる温度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、本発明は、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）、酸化アルミニウム（Al2O3）、酸化マグネシウム（MgO）、酸化二オブ（Nb2O5）、酸化チタン（TiO2）が好ましい。
　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、本発明構造は、例えば、ＬＮ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、本発明の以下の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）
　ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率ｎｂを１．７以上とすることが好ましく、１．８以上とすることが更に好ましい。
　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。
　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１５、図１６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５ｎｍ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：図９参照）。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、本発明の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（図４参照）。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１４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２１に示される。すなわち、本願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（図９）。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。
　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り、λTMは図１５で示される。
　△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。
　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（図９）。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。
　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（図９参照）。これによって安定した発振が可能となる。
　好適な実施形態においては、入射部およびテーパ部の全長Ｌｍは、１００μｍ以下とする。これによって安定した発振が促進される。また、伝搬部の長さＬｍの下限値は特にないが、１０μｍ以上が好ましく、２０μｍ以上が更に好ましい。
　光源との軸ずれトレランスを大きくするという観点からは、入射部におけるリッジ型光導波路の幅Ｗｉｎ（図１０、図１１、図１３参照）は、レーザ光の水平方向のモードフィールド径Ｗｈの１．５倍以上とすることが好ましい。また、入射部におけるリッジ型光導波路の幅Ｗｉｎをレーザ光の水平方向のモードフィールド径Ｗｈの２．５倍以下とすることがさらに好ましい。
　また、光源との軸ずれトレランスを大きくするという観点からは、入射部における光学材料層の厚さＷｉｎｖ（図１３）は、レーザ光の垂直方向のモードフィールド径Ｗｖの１．５倍以上とすることが好ましい。また、入射部における光学材料層の厚さＷｉｎｖは、レーザ光の垂直方向のモードフィールド径Ｗｖの２．５倍以下とすることが好ましい。
　レーザ光の水平方向、垂直方向のモードフィールド径は、以下のようにして測定する。
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。
　光強度分布の測定は、一般的に近赤外カメラを利用したビームプロファイル測定やナイフエッジによる光強度測定により、レーザ光のスポットの光強度分布を得ることができる。
　好適な実施形態においては、入射部における光学材料層の厚さをＷｉｎｖとしたとき、Ｗｉｎｖ／λを２以上とする。しかし、光学材料層はあまり厚いと結合損失が大きくなってしまうので、Ｗｉｎｖ／λは３以下が好ましい。
　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。
　本発明では、入射部におけるリッジ型光導波路幅Ｗｉｎは、グレーティング部におけるリッジ型光導波路幅Ｗｇｒよりも大きい。ただし、リッジ型光導波路の幅とは、光導波路を構成するリッジ部分の上面の横断面の二つのコーナー間の間隔のことを意味する（図５参照）。
　本発明の観点からは、Ｗｉｎ／Ｗｇｒは、１．５以上が好ましく、２以上がさらに好ましい。また、Ｗｉｎ／Ｗｇｒが大きすぎると、ブラッググレーティングにおける基板放射が増加する傾向があるので、Ｗｉｎ／Ｗｇｒは３．５以下が好ましい。
　たとえばレーザ光の波長が０．８５μｍの場合には、入射部のリッジ型光導波路幅は５μｍ以上が好ましく、１０μｍ以下にすることが好ましい。また、グレーティング部のリッジ幅は３λ以上、５λ以下であることが好ましい。波長が０．８５μｍの場合に、リッジ幅は２．５５μｍ以上が好ましく、４．２５μｍ以下にすることが好ましい。
　入射部とグレーティング部とはテーパ部によって連結されている。テーパ部においては、入射部からグレーティング部へと向かってなめらかにリッジ幅Ｗｔが減少することが好ましく、素子長手方向に対して一次関数的に減少することがさらに好ましい。
　なお、出射部３ｅ、２３ｅの幅Ｗｏｕｔは、グレーティング素子におけるリッジ型光導波路の幅Ｗｇｒと同一であって良いが、Ｗｇｒより小さくなっていてもよい。Ｗｏｕｔ／Ｗｇｒは、１．０以下が好ましく、０．５以下でも良いが、伝搬効率の点からは０．７以上が好ましい。
　グレーティング部のリッジ型光導波路幅を小さくしすぎるとモード形状が歪化して基板モードに放射するだけでなく、グレーティングの反射率が低減することがわかった。
　すなわち、グレーティング部では伝搬光はシングルモード化するために、リッジ幅を小さくすると、図１７のようなスポット形状になる。図１７は、波長０．８５μｍ、リッジ幅２μｍのときのスポット形状である。このとき光電界は基板に漏れ出しており、リッジ上面の光電界は小さくなる。このため、リッジ型導波路の上面にグレーティングを形成する場合には、溝の段差を光電界が感じにくくなり反射率は大きくならない。
　これに対して、図１８は、リッジ型光導波路幅３μｍのときのスポット形状である。この場合、形状は楕円形状で基板モードへの漏れ出しはないことがわかる。
　一方、グレーティング部のリッジ幅を大きくしすぎるとマルチモード化することから、最適なリッジ幅が存在する。
　図１９は、光学材料層の厚みＷｉｎｖ２μｍ、Ｔr 1.2μｍの場合のリッジ幅１から１０μｍにおける導波路の基本モードの実効屈折率の計算値を示す。この結果からリッジ幅１μｍ，２μｍについては実効屈折率の立ち上がり領域であり、カットオフに近い領域である。
　また、図２０は、同じリッジ幅について伝搬効率の計算値である。この結果、リッジ幅１μｍ、２μｍでは基板モードへの放射により伝搬効率が低下していることがわかる。また5μｍ以上では伝搬効率が低下する傾向があるが、これはマルチモードによるものである。
　グレーティング部のシングルモード性をさらに向上するために、グレーティング部３ｄ、２３ｄの光学材料層の厚さを、入射部３ａ、２３ａにおける光学材料層の厚さよりも小さくすることができる（図３（ｂ）、図１３参照）。
　この観点からは、グレーティング部３ｄ、２３ｄの光学材料層の厚さ／入射部３ａ、２３ａにおける光学材料層の厚さ（Ｗｇｒｖ／Ｗｉｎｖ）は、１．０以下であることが好ましく、０．７以下であって良いが、伝搬効率の点からは、０．３以上であることが好ましい。
（実施例１）
　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。
　その後、ドライエッチングにて素子の入力側、出力側を石英基板までエッチングして端面を鏡面にした。最後にSiO2をスパッタ形成することにより両端面に90nmの単層膜を形成した。このとき端面の反射率は３％となった。素子サイズは幅1mm、長さLwg　100μm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。
測定した素子の反射中心波長は８５０ｎｍであった。
　次に、図８、図９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系レーザを使用した。
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：　　　　８μｍ
　Ｗｈ：　　　　３μｍ　　　
　Ｗｉｎ／Ｗｈ：　２．７　　　　　　　
　Ｗｉｎｖ：　　　　２μｍ
　Ｗｖ：　　　　　１μｍ　　　
　Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：　２　　　　　　　
　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８５０nm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。出力の変動は１％以内で安定な出力特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。
（比較例１）
　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。
　その後、ドライエッチングにて素子の入力側、出力側を石英基板までエッチングして端面を鏡面にした。最後にSiO2をスパッタ形成することにより両端面に90nmの単層膜を形成した。このとき端面の反射率は３％となった。素子サイズは幅1mm、長さLwg　100μm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。
　次に、図９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系レーザを使用した。
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：　　　　８μｍ
　Ｗｈ：　　　　　３μｍ　　　
　Ｗｉｎ／Ｗｈ：　　２．７　　　　　　
　Ｗｉｎｖ：　　　　２μｍ
　Ｗｖ：　　　　　１μｍ　　　
　Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：　　２　　　　　　
　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８４５nm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実施例１とほぼ同等の出力３０ｍＷのレーザ特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であったが、３０℃付近で８５０．４ｎｍに波長が大きく変化して、出力が大きく変動した。
（実施例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。
　その後、ドライエッチングにて素子の入力側、出力側を石英基板までエッチングして端面を鏡面にした。最後にSiO2をスパッタ形成することにより両端面に90nmの単層膜を形成した。このとき端面の反射率は３％となった。素子サイズは幅1mm、長さLwg　100μm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。
測定した素子の反射中心波長は８４９．５ｎｍであった。
　次に、図８、図９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系レーザを使用した。
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：　　　　　８μｍ
　Ｗｈ：　　　　　３μｍ　　　
　Ｗｉｎ／Ｗｈ：　　２．７　　　　　　
　Ｗｉｎｖ：　　　　２μｍ
　Ｗｖ：　　　　　１μｍ　　　
　Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：　　２　　　　　　
　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８４９．５nmで発振し、出力は実施例１よりも小さく１０ｍＷのレーザ特性であった。これは、伝搬損失が大きくなったためであった。しかし出力の変動は１％以内で安定な出力特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、実施例１と同様に変動はなく、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。
（実施例３）
　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。
　次いで、ドライエッチングにて素子の入力側、出力側を石英基板までエッチングして端面を鏡面にした。最後にSiO2をスパッタ形成することにより両端面に90nmの単層膜を形成した。このとき端面の反射率は３％となった。素子サイズは幅1mm、長さLwg　100μm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。
測定した素子の反射中心波長は８４８ｎｍであった。
　次に、図９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系レーザを使用した。
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：　　　　　８μｍ
　Ｗｈ：　　　　　　３μｍ　　
　Ｗｉｎ／Ｗｈ：　　　２．７　　　　　
　Ｗｉｎｖ：　　　　２μｍ
　Ｗｖ：　　　　　１μｍ　　　
　Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：　　２　　　　　　
　　　　　　　　
　Ｗｇｒｖ：　　　　　１μｍ
　Ｗｉｎｖ／Ｗｇｒｖ：　２　　　　　　　
　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８４８nm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。出力の変動は１％以内で安定な出力特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。
　追加実験として半導体レーザとグレーティング素子の軸ずれトレランスの測定を行った。まず、光源素子である半導体レーザとグレーティング素子を光学調芯装置に装着して、光軸を調整してグレーティング素子から出力される光量を最大になるようにした。この状態から水平方向のみに軸を０．１μｍ刻みにずらし、光量の変化を測定した。水平方向の軸ずれトレランスは、光量が２５ｍWになる
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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
（比較例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：　　　　２μｍ
　Ｗｖ：　　　　　１μｍ　　　
　Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：　　２　　　　　　
　本素子について、軸ずれトレランスを測定した結果、水平方向±１．３μｍ、垂直方向±０．８μｍであった。
　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８５０nmで発振し、出力は３０ｍＷのレーザ特性であった。出力の変動は１％以内で安定な出力特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、実施例１と同様に変動はなく、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。
（比較例３）
　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　　　　　　　
　本素子について、軸ずれトレランスを測定した結果、水平方向±１．３μｍ、垂直方向±０．８μｍであった。
　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８４８nmで発振し、出力は３０ｍＷのレーザ特性であった。出力の変動は１％以内で安定な出力特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。
（比較例４）
　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　　　　　　
　本素子について、軸ずれトレランスを測定した結果、水平方向±１．３μｍ、垂直方向±０．４μｍであった。
　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８４８nmで発振し、出力は３５ｍＷのレーザ特性であった。出力の変動は１％以内で安定な出力特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、実施例１と同様に変動はなく、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。

Claims (12)

  1. 　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。）
     
  2. 　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。）
     
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。）
     
  11. 　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。
  12. 　下記式（６）の関係が満足されることを特徴とする、請求項７～１１のいずれか一つの請求項に記載の装置。
     
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     （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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