WO2015190570A1 - 外部共振器型発光装置 - Google Patents

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近藤　順悟
山口　省一郎
哲也 江尻
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日本碍子株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an external resonator type light emitting device.
  • the DBR laser realizes a resonator by forming irregularities on the waveguide surface on the extension of the waveguide of the active layer and configuring a mirror by Bragg reflection. 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.
  • a diffraction grating is formed on the extension of the waveguide of the active layer, heat generated in the active layer is directly transferred to the diffraction grating portion.
  • the electrons injected with current are injected also into the diffraction grating portion, the refractive index variation becomes large, and there arises a problem that the wavelength varies or the power varies due to the temperature variation. For this reason, the temperature is generally controlled by a Peltier element or the like.
  • 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.
  • External resonators include fiber Bragg grating (FBG) and volume hologram grating (VHG).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2010-171252 discloses an optical waveguide having SiO 2 , SiO 1-x N x (x is 0.55 to 0.65), or Si and SiN as a core layer, and the optical waveguide Discloses an external cavity laser in which a grating is formed.
  • This is an external cavity laser that keeps the oscillation wavelength constant without precise temperature control.
  • it is a precondition that the temperature change rate of the reflection wavelength of the diffraction grating (temperature coefficient of the Bragg reflection wavelength) is reduced.
  • the power stability can be realized by setting the laser oscillation to the longitudinal mode multimode.
  • Patent Document 2 discloses an external cavity laser using a grating formed in an optical waveguide made of quartz, InP, GaAs, LiNbO 3 , LiTaO 3 , or polyimide resin. This is because the reflectivity at the light exit surface of the semiconductor laser as the light source is the effective reflectivity Re (substantially 0.1 to 38.4%), and the laser oscillation is set to the longitudinal mode multimode. It is described that power stability can be realized.
  • Patent Document 3 Patent Document 3
  • Patent Document 4 Patent No. 5641631.
  • the length of the grating element is generally 1 mm or more, and the wavelength width of the reflectance (full width at half maximum FWHM) is set to 1 nm or less.
  • Patent Document 6 discloses a light source that oscillates a semiconductor laser beam and an external resonator type light emitting device that includes a plurality of Bragg gratings having different periods. The reflection characteristics of the Bragg grating are independent from each other, do not cross each other, and do not have continuous wide wavelength reflection characteristics. Further, in this apparatus, a grating and a phase adjustment region are formed on the light source side, and the idea is that wavelength can be varied by the action of the phase adjustment region to realize excellent wavelength stability even when the temperature changes.
  • An object of the present invention is to provide a structure that improves stability against temperature change in an external resonator type light emitting device using a grating element.
  • the present invention is 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;
  • the grating element includes an optical waveguide having an incident surface on which the semiconductor laser light is incident and an emitting portion that emits outgoing light having a desired wavelength, and a plurality of Bragg gratings formed in the optical waveguide and having different periods.
  • 50% of the maximum value R max of the combined reflectance of the plurality of Bragg gratings is a half-value reflectance R 50
  • the half-value reflectance R 50 is larger than the reflectance R 2 at the emission end of the light source, and the half value reflectance R 50 is 3% or more
  • the combined reflectance said half reflectance R 50 or more to become the wavelength region ⁇ lambda 50 is 10nm or more in succession, and being provided 30nm or less.
  • a plurality of Bragg gratings having different periods (pitch) are provided in the grating element.
  • the resonator lengths of the respective gratings are greatly different, so that the mode hop intervals are greatly different.
  • mode hopping occurs because the mode hop interval is narrowed. It becomes easy and wavelength stability will worsen.
  • the present inventor has made various studies on the wavelength characteristics of the reflectance of a plurality of Bragg gratings having different periods (pitch). Such a study has not been sufficiently performed in a conventional external resonator type light emitting device using a grating element.
  • the combined reflectance obtained by combining the reflectances of a plurality of Bragg gratings having different periods (pitch) is larger than the reflectance at the light emitting end of the light source, and the combined reflectance is the maximum value R max of the combined reflectance. Focusing on the fact that the temperature stability is improved by providing a wavelength region ⁇ 50 that is 50% R 50 or more continuously and over a wide area, the inventors have conceived of expanding this wavelength region.
  • the oscillation of an external cavity laser using a Bragg grating oscillates when the gain obtained by the light reflected by the Bragg grating and returned to the light source is greater than the gain obtained by the light reflected by the emission end of the light source and returned to the light source. Occurs at wavelengths above the threshold.
  • the peak wavelength of the light source gain shifts.
  • the wavelength region ⁇ 50 in which the combined reflectance of the plurality of Bragg gratings is 50% (R 50 ) or more of the maximum value R max is continuous and wide, so that the peak wavelength of the light source gain shifts.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram of an external resonator type light emitting device. It is a schematic diagram of another external resonator type light emitting device. It is a schematic diagram of the external resonator type light-emitting device of a comparative example. It is a schematic diagram which shows the other grating element 2B. It is a schematic diagram which shows the other grating element 2C. It is a schematic diagram of another external resonator type light emitting device. It is a schematic diagram which shows laser oscillation conditions. It is a wavelength characteristic figure for demonstrating the concept of this invention. It is a wavelength characteristic figure for demonstrating the concept of this invention. (A), (b) is a graph which shows the example of the reflection characteristic of one Bragg grating, respectively.
  • (A) is a graph which shows the example of the reflective characteristic of one Bragg grating
  • (b) is a graph which shows the example of the characteristic of the synthetic
  • (A), (b) is a graph which shows the example of a characteristic of the composite reflectance of three Bragg gratings, respectively.
  • (A), (b) is a graph which shows the example of the reflection characteristic of one Bragg grating, respectively.
  • (A), (b) is a graph which shows the example of a characteristic of the composite reflectance of two Bragg gratings, respectively.
  • (A), (b), (c) is a schematic diagram which respectively shows the cross section of the grating element which has a ridge type
  • (A), (b), (c) is a schematic diagram which respectively shows the cross section of the grating element which has an optical waveguide whose cross section is trapezoid.
  • (A), (b) is a schematic diagram which respectively shows the cross section of the grating element which has an optical waveguide whose cross section is trapezoid.
  • (A), (b) is a schematic diagram which respectively shows the planar form of the grating element of this invention. It is a perspective view which shows a grating element typically. It is a figure explaining laser oscillation conditions.
  • the external resonator type light emitting device schematically shown in FIG. 1 includes a light source 1 and a grating element 2 that oscillate semiconductor laser light.
  • the light source 1 and the grating element 2 may be mounted on a common substrate (not shown).
  • the light source 1 includes an active layer 3 that oscillates semiconductor laser light.
  • the active layer 3 is provided on the substrate 4.
  • a reflective film 5A is provided on the outer end surface 3a of the active layer 3, and a non-reflective film 5B is formed on the end surface 3b of the active layer 3 on the grating element side.
  • La is the length of the active layer in the optical axis direction.
  • an optical waveguide 7 having an incident surface 7 a on which a semiconductor laser beam is incident and an emission surface 7 b that emits emitted light having a desired wavelength is provided on a support substrate 6.
  • a plurality of Bragg gratings G1, G2, G3, and G4 are formed.
  • the number of Bragg gratings is four, but may be two or more.
  • an intermediate propagation unit 10 without a diffraction grating is provided.
  • Reference numeral 5 ⁇ / b> C denotes a non-reflective film provided on the incident surface side of the optical waveguide 7.
  • an exit side propagation part 9 without a diffraction grating is provided.
  • 5D is a non-reflective film provided on the exit surface side of the optical waveguide 7.
  • the grating element 2A of FIG. 2 is substantially the same as the light emitting device of FIG. However, in the grating element 2A of FIG. 2, two Bragg gratings G1 and G2 are provided between the incident-side propagation part 8 and the emission-side propagation part 9 of the optical waveguide 7, and adjacent Bragg gratings G1 and G2 are provided. The intermediate propagation part 10 without a diffraction grating is provided between the two.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a light emitting device of a control example.
  • an integral Bragg grating RG is provided between the incident side propagation part 8 and the emission side propagation part 9 of the optical waveguide 7.
  • an intermediate propagation part without a diffraction grating is provided between adjacent Bragg gratings.
  • adjacent Bragg gratings can be provided continuously without an intermediate propagation portion.
  • three Bragg gratings G1, G2, G3 are provided between the incident side propagation part 8 and the emission side propagation part 9 of the optical waveguide 7.
  • No intermediate propagation part without a diffraction grating is provided between the adjacent Bragg gratings G1 and G2 and between G2 and G3, and the adjacent Bragg gratings are continuous.
  • two Bragg gratings G1 and G2 are provided between the incident-side propagation part 8 and the emission-side propagation part 9 of the optical waveguide 7. Between the adjacent Bragg gratings G1 and G2, no intermediate propagation part without a diffraction grating is provided, and adjacent Bragg gratings are continuous.
  • the grating element 2B and the light source 1 constitute an external resonator type light emitting device.
  • a plurality of Bragg gratings having different periods are provided.
  • one or more Bragg gratings having the same period as one of the plurality of Bragg gratings may be provided.
  • FIG. 8 shows the dependence of the gain (gain) of the semiconductor laser light on the wavelength
  • the lower side of FIG. 8 shows an example of the wavelength characteristics of the combined reflectance of the three Bragg gratings G1, G2, and G3. .
  • the periods (pitch) of the plurality of Bragg gratings are different from each other.
  • the wavelength characteristic of the reflectance is different for each Bragg grating.
  • the wavelength characteristics of the reflectivities of the three Bragg gratings G1, G2, and G3 are different.
  • the laser oscillation threshold is set to g th and the half width of the gain is set to ⁇ LDg .
  • the central wavelengths of the reflectivities of the Bragg gratings G1, G2, and G3 are ⁇ G1 , ⁇ G2 , and ⁇ G3 (FIG. 9), and the full width at half maximum of the reflectivity of each Bragg grating is ⁇ G1 , ⁇ G2 , ⁇ G3 , And Further, the reflectance at the outgoing end of the light source and R 2.
  • the maximum value of the combined reflectance of the three Bragg gratings is R max, and the reflectance that is 50% is R 50 .
  • the full width of the wavelength region where the reflectance is R 50 or more is ⁇ 50 , and the center wavelength is ⁇ GC .
  • each Bragg grating G1, G2, G3 is an element for obtaining a synthesized reflection characteristic.
  • the individual reflectivity of each Bragg grating may or may not have a wavelength region larger than the reflectivity R 2 at the light emitting end of the light source.
  • each Bragg grating partially overlap.
  • the reflectivity graphs of the Bragg gratings cross each other at or above the reflectivity of ⁇ G1 , ⁇ G2 , and ⁇ G3 .
  • the oscillation wavelength of the laser light is determined by the wavelength reflected by the grating. If the reflected light from the grating exceeds the gain threshold of the laser, the oscillation condition is satisfied, and the laser oscillation can be preferentially maintained by making the gain larger than the reflected light from the end face of the active layer on the grating element side. Thereby, a laser beam with high wavelength stability can be obtained.
  • the reflectance of the grating is made larger than the reflectance at the end face of the active layer.
  • the gain obtained by the resonator using the grating becomes larger than the gain obtained by the resonator of the original semiconductor laser, and stable laser oscillation can be performed by the resonator using the grating.
  • R 50 is larger than the reflectance R 2 at the output end of the light source.
  • R 50 / R 2 is preferably 1.01 or more, and more preferably 1.05 or more.
  • R 50 / R 2 is preferably 1.2 or more from the viewpoint of further improving the wavelength stability and power stability.
  • the difference between the upper and lower wavelength limits of the continuous wavelength region is preferably 10 nm or more, and more preferably 12 nm or more.
  • the wavelength region ⁇ 50 in which the combined reflectance is the half-value reflectance R 50 or more is continuously provided in the range of 10 nm to 30 nm. This is more preferably 12 ⁇ m or more and more preferably 25 nm or less.
  • the half-value reflectance R 50 is set to 3% or more, which enables stable oscillation.
  • the half-value reflectance R 50 is preferably 5% or more, and more preferably 7% or more.
  • the upper limit of the half-value reflectance R 50 is not particularly limited, but may be 60% or less.
  • the wavelength width (full width at half maximum) of the wavelength region that is 50% of the maximum reflectance of each Bragg grating is preferably 5 nm or more, and more preferably 10 nm or more.
  • the upper limit is preferably 30 nm or less, and more preferably 25 nm or less.
  • the minimum value R Gmin of the reflectance of the grating necessary for laser oscillation in the external resonator mode is the minimum reflectance necessary to satisfy the gain threshold value of the external resonator formed by the semiconductor laser and the grating. .
  • the gain threshold of the external resonator is determined by [Equation (2-1)] described later.
  • the minimum reflectance R Gmin for laser oscillation in the external resonator mode is larger than the reflectance R 2 at the emission end of the semiconductor laser.
  • R Gmin R 2 . Therefore, R 50 is preferably equal to or greater than R Gmin .
  • the full width at half maximum ⁇ 50 can be determined in accordance with the gain curve of the semiconductor laser light source.
  • the interval between the reflection center wavelengths of the Bragg gratings is an important parameter. That is, in a preferred embodiment, it is preferable that the interval between adjacent reflection center wavelengths is as follows. 4 nm ⁇ ⁇ G (n + 1) ⁇ G (n) ⁇ 20 nm
  • ( ⁇ G (n + 1) ⁇ G (n) ) is the interval between the center wavelengths of adjacent gratings on the wavelength axis.
  • n eff is an equivalent refractive index (effective refractive index).
  • ⁇ ⁇ (n + 1) ⁇ n ⁇ is preferably as follows. 1 nm ⁇ ⁇ ⁇ (n + 1) ⁇ n ⁇ ⁇ 5 nm
  • the sum ⁇ ( ⁇ G (n) ) of the full width at half maximum of each Bragg grating is greater than the full width at half maximum ⁇ 50 of the combined reflectance. From the viewpoint of temperature stability and power stability of laser oscillation, the following conditions are preferable. ⁇ 50 ⁇ 0.7 ⁇ ⁇ ( ⁇ G (n) )
  • the number n of the plurality of Bragg gratings is 2 or more.
  • the upper limit is not particularly limited. However, when n is large, the length of the Bragg grating becomes long, and the resonator length of the external resonator becomes long.
  • the length of each Bragg grating is preferably 3 ⁇ m or more, and gratings with the same period may be arranged after gratings with different periods.
  • the reflection characteristic of the synthesized Bragg grating is preferably high in peak flatness from the viewpoint of power stability. For this reason, it has been found that it is preferable to widen the wavelength region ⁇ 70 that is 70% or more with respect to the maximum value R max of the reflectance.
  • the width of this wavelength region ⁇ 70 is preferably 10 nm or more. If this wavelength region is too large, mode hops with large wavelength fluctuations occur and power fluctuations increase, so ⁇ 70 is preferably 25 nm or less.
  • the reflection characteristics of the synthesized grating have a plurality of peaks.
  • the laser oscillation wavelength can be fixed to the peak wavelength.
  • the reflectance does not change greatly. Therefore, even if the mode hops, the wavelength fluctuation becomes small, so that the power fluctuation can be suppressed.
  • the number of the peaks is preferably 3 or more.
  • the arrangement of the plurality of gratings is not particularly limited.
  • a grating having a short period can be arranged on the input side of the light source, and gratings having a long period can be arranged sequentially.
  • the external resonator length gradually increases and decreases in response to a temperature change, so that mode hops can be suppressed.
  • each Bragg grating ⁇ G (n)
  • the lengths of the gratings may be different from each other, and any structure may be used as long as the synthesized grating can satisfy the above conditions.
  • the temperature characteristic of a GaAs semiconductor laser is 0.3 nm / ° C., and when the temperature increases by 10 ° C., the oscillation wavelength shifts to the longer wavelength side by 3 nm.
  • ⁇ LDg varies depending on the semiconductor laser, but is generally in the range of about 4 nm to 10 nm.
  • the temperature operating range can be obtained by dividing the difference in the center wavelength of the gain of the semiconductor laser at T min and T max by the temperature characteristic. This wavelength difference is obtained by adding ⁇ low and ⁇ high to the wavelength region ⁇ 50 and the short wavelength side and long wavelength side of the wavelength region, respectively.
  • ⁇ low and ⁇ high are in a numerical range of 2 nm to 3 nm (see FIG. 8 ).
  • each W 50 is 21 nm and the operating temperature range is about 83 ° C. to about 93 ° C.
  • the operating temperature range is 125 ° C. to 140 ° C.
  • FIG. 6 shows a grating element in which three gratings are formed without spacing.
  • the periods of the Bragg gratings G1, G2, and G3 are 190 nm, 192.5 nm, and 195 nm, respectively, and are shifted by 2.5 nm.
  • the reflection characteristics of each Bragg grating are as shown in FIGS. 10 (a), 10 (b), and 11 (a).
  • the maximum reflectance R max is 16% to 17%, and the full width at half maximum ⁇ 50 is about 18 nm.
  • FIG. 12A shows the characteristics of the composite reflectance when the periods of the gratings G1, G2, and G3 are set to 190 nm, 193 nm, and 196 nm and shifted by 3 nm.
  • the maximum reflectance R max is about 37%
  • R 50 is about 18%
  • the full width at half maximum ⁇ 50 is about 22 nm
  • R 70 is about 24%
  • ⁇ 70 is about 7 nm.
  • FIG. 12B shows the characteristics of the combined reflectance when the periods of the gratings G1, G2, and G3 are set to 190 nm, 191 nm, and 192 nm and shifted by 1 nm.
  • the maximum reflectance R max is about 68%
  • R 50 is about 34%
  • the full width at half maximum ⁇ 50 is about 8.5 nm.
  • R 70 is about 47% and ⁇ 70 is about 7 nm.
  • FIG. 5 shows a grating element in which two Bragg gratings are formed without an interval.
  • the periods of the gratings G1 and G2 are 190 nm and 191 nm, respectively, and are changed by 1 nm.
  • the reflection characteristics of each grating in this case are shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b).
  • the maximum reflectance R max is 10% and the full width at half maximum ⁇ 50 is about 23 nm.
  • the maximum reflectance R max is about 30%
  • R 50 is about 13%
  • the full width at half maximum ⁇ 50 is about 13 nm
  • R 70 is about 21% and ⁇ 70 is about 10 nm.
  • the composite reflectance characteristic is as shown in FIG.
  • the maximum reflectance R max is about 18%
  • R 50 is about 9%
  • the full width at half maximum ⁇ 50 is 10 nm
  • R 70 is about 12.6% and ⁇ 70 is about 8 nm.
  • the composite reflectance represents a composite of reflection characteristics of a plurality of gratings.
  • the reflection characteristic of light diffracted by the grating is determined by the structure (depth, period, shape, length) of the grating and the refractive index of the material forming the grating.
  • it can be obtained by numerical calculation. It can also be calculated by electromagnetic field simulation using Coupled-Mode Theory.
  • the reflectance of the grating is represented by a complex number, and in the case of a plurality of gratings, the reflection characteristics synthesized by each position change. That is, the reflection characteristics are changed by changing the grating interval.
  • the optical waveguide 7 is a ridge-type optical waveguide and is provided in the optical material layer.
  • the optical waveguide 7 may be formed on the same surface as the Bragg grating, or may be formed on the opposite surface.
  • the reflectance of the non-reflective layers 5B, 5C, and 5D 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 used. If an antireflection layer is not provided on the end surface of the active layer on the grating element side and a reflective film is formed instead, an ordinary semiconductor laser is obtained. In this case, the light source can oscillate independently.
  • an optical material layer 30 is formed on a substrate 6 via a lower buffer layer 13.
  • a pair of ridge grooves 16 are formed in the optical material layer 30, and a ridge-type optical waveguide 15 is formed between the ridge grooves.
  • the Bragg grating may be formed on a flat surface or may be formed on a ridge groove surface. From the viewpoint of reducing the shape variation of the Bragg grating and the ridge groove, it is preferable to provide the Bragg grating and the ridge groove on the opposite side of the optical material layer 30 by forming the Bragg grating on a flat surface.
  • Reference numeral 17 denotes a thin portion
  • 18 denotes an extending portion.
  • An adhesive layer can be provided between the buffer layer 13 and the support substrate 6.
  • 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 upper buffer layer 14 is further formed on the optical material layer 30.
  • an optical material layer 30 is formed on the substrate 6 via the lower buffer layer 13.
  • a pair of ridge grooves 16 are formed in the optical material layer 30, and a ridge-type optical waveguide 15 is formed between the ridge grooves.
  • a ridge groove is provided on the buffer layer 13 side.
  • the Bragg grating may be formed on the flat surface side, or may be formed on the ridge groove surface. 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 on the opposite side of the substrate by forming the Bragg grating on a flat surface.
  • Reference numeral 17 denotes a thin portion
  • 18 denotes an extending portion.
  • An adhesive layer can be provided between the buffer layer 13 and the support substrate 6.
  • the optical waveguide is composed of a core made of an optical material, and a clad surrounds the core.
  • the cross section of the core (cross section in the direction perpendicular to the light propagation direction) is a convex figure.
  • the convex figure means that a line segment connecting any two points of the outer contour line of the core cross section is located inside the outer contour line of the core cross section.
  • a convex figure is a general geometric term. Examples of such figures include triangles, quadrangles, hexagons, octagons, and other polygons, circles, ellipses, and the like.
  • a quadrangle having an upper side, a lower side, and a pair of side surfaces is particularly preferable, and a trapezoid is particularly preferable.
  • an optical waveguide 21 made of a core made of an optical material is formed on a substrate 6 via a lower buffer layer 13.
  • a lower buffer layer 13 that functions as a clad exists under the optical waveguide 21.
  • the upper buffer layer is not provided on the side surface and the upper surface of the optical waveguide 11. For this reason, the side surface and upper surface of the optical waveguide 21 are exposed to the atmosphere, and the atmosphere functions as a cladding.
  • the cross-sectional shape of the optical waveguide 21 is a trapezoid, and the upper surface 21a is narrower than the lower surface 21b.
  • An adhesive layer can also be formed between the buffer layer 13 and the support substrate 6.
  • the buffer layer 22 is provided on the substrate 6, and an optical waveguide 21 made of a core made of an optical material is embedded in the buffer layer 22.
  • the buffer layer 22 includes an upper surface covering portion 22b that covers the upper surface of the optical waveguide, a side surface covering portion 22c that covers the side surface of the optical waveguide, and a bottom surface covering portion 22a that covers the bottom surface of the optical waveguide.
  • the buffer layer 22 is provided on the substrate 6, and an optical waveguide 21 ⁇ / b> A made of a core made of an optical material is embedded in the buffer layer 22.
  • the buffer layer 22 has an upper surface covering portion 22b that covers the upper surface of the optical waveguide, a side surface covering portion 22c that covers the side surface of the optical waveguide, and a bottom surface coating diagram 22a that covers the bottom surface of the optical waveguide.
  • an optical waveguide 21 made of a core made of an optical material is formed on the substrate 6 via the lower buffer layer 13.
  • An upper buffer layer 23 that also functions as a cladding is formed on the side surface and the upper surface 21 a of the optical waveguide 21 to cover the optical waveguide 21.
  • the upper buffer layer 23 includes a side surface covering portion 23 b that covers the side surface of the optical waveguide 11 and an upper surface covering portion 23 a that covers the upper surface.
  • an optical waveguide 21A made of a core made of an optical material is formed.
  • the cross-sectional shape of the optical waveguide 21A is a trapezoid, and the lower surface is narrower than the upper surface.
  • the upper cladding layer 23 includes a side surface covering portion 23 b that covers the side surface of the optical waveguide 11 and an upper surface covering portion 23 a that covers the upper surface.
  • the width W of the optical waveguide means the minimum value of the width of the optical waveguide in the cross section.
  • the width W of the optical waveguide is the width of the upper surface
  • the width W of the optical waveguide is the width of the lower surface.
  • an incident-side propagation portion is provided between the incident surface 7a of the optical waveguide 7 and the start point of the Bragg grating, and the end point of the Bragg grating is also provided.
  • an exit side propagation part is provided between the exit surface and the exit surface.
  • the incident side propagation part 8 includes an incident part 8a continuous from the incident surface, a narrow part 8c connected to the Bragg grating, and an optical waveguide width. Has a tapered portion 8b that gradually changes.
  • the width Win of the incident part 8a is made larger than the width Wgr of the narrow part 8c.
  • the optical waveguide width Wout in the output side propagation part is the same as Wgr in the example of FIG. However, W out may be larger or smaller than W gr .
  • the emission side propagation part 9 has a connecting part 9a continuous from the Bragg grating and a tapered part 9c toward the emission end. Optical waveguide width at the tapered portion 9c is gradually reduced toward the optical waveguide width W out at the exit end.
  • the output side propagation part 9 includes a connecting part 9a continuous from the Bragg grating, an emitting part 9c connected to the emitting end part, and a tapered part between the connecting part 9a and the emitting part 9c. 9b.
  • Optical waveguide width at the tapered section 9b is gradually decreased toward the optical waveguide width W out at the exit end.
  • the width W gr of the optical waveguide in the connecting portion 9a is constant, and the width W out of the optical waveguide in the emitting portion 9c is also constant.
  • A is incident light to the grating element
  • B is emitted light from the grating element
  • C is reflected grating light.
  • the length L (see FIGS. 1, 2, and 6) from the outer reflection end of the semiconductor laser to the emission side end of the plurality of Bragg gratings is preferably 1 mm or less, and further to suppress mode hops.
  • L is preferably 700 ⁇ m or less, and most preferably 500 ⁇ m or less.
  • the length L btotal from the start point to the end point of the Bragg grating is preferably 500 ⁇ m or less, more preferably 300 ⁇ m or less, and particularly preferably 100 ⁇ m or less. Further, in order to obtain a light feedback rate necessary for laser oscillation, L btotal is preferably 10 ⁇ m or more, and more preferably 20 ⁇ m or more.
  • the length of each Bragg grating is preferably 200 ⁇ m or less. Further, since ⁇ Gn becomes smaller as the length of the grating becomes longer, the length of each Bragg grating is preferably 100 ⁇ m or less in order to increase it. In order to obtain a light feedback rate necessary for laser oscillation, ⁇ Gn is preferably 10 ⁇ m or more.
  • n b is preferably 1.7 or more, and more preferably 1.8 or more.
  • the grating depth t d (see FIG. 19) is preferably 20 nm or more. Further, the grating depth t d is preferably 250nm or less, more preferably 200nm or less.
  • the height (thickness) T s (see FIGS. 16 to 17) of the optical waveguide is preferably 0.5 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less from the viewpoint of improving the coupling efficiency of the semiconductor laser.
  • the width W gr (see FIG. 18) of the optical waveguide in the Bragg grating is preferably 0.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less from the viewpoint of a single mode waveguide.
  • the distance L g (FIGS. 1, 2 and 6) between the light exit surface of the light source and the incident portion of the optical waveguide may be 0, but the stress due to the thermal expansion due to the temperature change of each element. From the viewpoint of relaxation, the thickness is set to 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. As a result, stable oscillation is possible. Further, although the length L m of the entrance-side transmission unit may be 0, preferably 1 ⁇ 100 [mu] m, more preferably 5 ⁇ 20 [mu] m.
  • the length L a of the light source active layer is preferably 500 ⁇ m or less. Further, L a + L g + L m + L btotal is preferably 1050 ⁇ m or less, and more preferably 800 ⁇ m or less. Further, L a + L g + L m + L btotal is preferably 300 ⁇ m or more.
  • 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).
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • 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 optical waveguide can be 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 or Ti is formed on a high refractive index substrate, and windows are periodically formed by photolithography to form an etching mask. Thereafter, 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.
  • one or more metal elements selected from the group consisting of magnesium (Mg), zinc (Zn), scandium (Sc), and indium (In) are provided in order to further improve the optical damage resistance of the optical waveguide.
  • magnesium is particularly preferable.
  • the crystal can contain a rare earth element as a doping component.
  • 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 30 may be formed by forming a film on a support base by a thin film forming method. Examples of such a thin film forming method include sputtering, vapor deposition, and CVD. In this case, the optical material layer 30 is directly formed on the support substrate, and the above-described adhesive layer does not exist.
  • 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 reflectance of the non-reflective layer needs to be less than or equal to the grating reflectivity, and the film material to be formed on the non-reflective layer is laminated with an oxide such as silicon dioxide, tantalum pentoxide, magnesium fluoride, calcium fluoride, etc. Films and 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 may be bonded together by adhesion or direct bonding.
  • 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 and L wg L gr are the active layer, the gap between the semiconductor laser and the waveguide, the length of the grating raw waveguide portion and the grating portion on the input side, and r 1 and r 2 are mirror reflections, respectively.
  • R 2 is the reflectance of the grating
  • C out is the coupling loss between the grating element and the light source
  • ⁇ t g th is the gain threshold of the laser medium
  • ⁇ 1 is the laser side reflecting mirror
  • ⁇ 2 is a phase change amount in the grating portion.
  • 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 length L total of the Bragg grating is as described above. Making the length L total of the Bragg grating shorter than before is a premise of the design concept in the present embodiment. 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.
  • 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 grating length L total is preferably 5 ⁇ m or more in order to obtain a reflectance of 3% or more, and more preferably 10 ⁇ m or more in order to obtain a reflectance of 5% or more.
  • Example 1 An external resonator type laser module shown in FIG. 6 was produced.
  • the grating element has the structure shown in FIGS. 4 and 15B.
  • a SiO 2 layer to be the lower buffer layer 13 is formed to 1 ⁇ m on the support substrate 6 made of quartz by a sputtering apparatus, and Ta 2 O 5 is formed to a thickness of 1.2 ⁇ m on the optical material.
  • Layer 30 was formed.
  • Ti was formed on the optical material layer, and a grating pattern was produced by an EB drawing apparatus. Thereafter, three gratings G1, G2, and G3 were formed by fluorine-based reactive ion etching using the Ti pattern as a mask.
  • the length of the intermediate propagation unit 10 is 0 ⁇ m.
  • the groove depth t d of the grating was 200 nm.
  • G1 Pitch interval ⁇ 190 nm, length L b 8 ⁇ m
  • G2 pitch interval ⁇ 192.5 nm
  • G3 pitch interval ⁇ 195 nm, length L b 8 ⁇ m
  • a SiO 2 layer to be the upper buffer layer 14 was formed by 0.5 ⁇ m sputtering.
  • both ends were optically polished, both ends were formed with a 0.1% AR coat, and finally a chip was cut to produce a grating element.
  • the element size was 1 mm wide and L wg 500 ⁇ 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 measured reflection center wavelength of the grating element was 791 nm, and the maximum reflectance R max was 36%. Further, the full width at half maximum ⁇ 50 was 21 nm, and ⁇ 70 was 20 nm.
  • a laser module was mounted as shown in FIG. 6 in order to evaluate the characteristics of the external resonator type laser using this grating element. It has a GaAs laser structure as a light source element, a highly reflective film on one end face, and a reflectance of 8% on the other exit end face.
  • Light source element specifications Center wavelength: 790nm Output 20mW Half width: 0.1 nm Laser element length 300 ⁇ m
  • the module After mounting the module, it was driven by current control (ACC) without using a Peltier device, and laser oscillation occurred at a temperature of 25 ° C. with a center wavelength of 791 nm, and an output of 13 mW was obtained.
  • ACC current control
  • a module was installed in a thermostat, and the temperature dependence of the laser oscillation wavelength and output fluctuation were measured.
  • the oscillation wavelength was 800 nm at a temperature of 70 ° C., and the power output fluctuation was within 0.5% up to this temperature range.
  • the oscillation wavelength On the low temperature side, the oscillation wavelength was 787 nm at 5 ° C., and the power output fluctuation was within 0.5% up to this temperature range.
  • condensation could occur and measurement could not be performed.
  • Example 1 A light emitting device similar to that in Example 1 was manufactured. However, as for the grating element, one Bragg grating G1 having a pitch interval ⁇ 192.5 nm and a length L b of 25 ⁇ m was formed (see FIG. 3). Groove depth t d of the grating was set to 125 nm.
  • 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 grating element was 791 nm, the maximum reflectance R max was 18%, the full width at half maximum ⁇ 50 was 5 nm, and W 70 was 4 nm.
  • a laser module was mounted as shown in FIGS. 6 and 19 in order to evaluate the characteristics of the external resonator type laser using this grating element. It has a GaAs laser structure as a light source element, a highly reflective film on one end face, and a reflectance of 8% on the other exit end face.
  • Light source element specifications Center wavelength: 790nm Output 20mW Half width: 0.1 nm Laser element length 300 ⁇ m
  • the module After mounting the module, it was driven by current control (ACC) without using a Peltier device. As a result, laser oscillation occurred at a temperature of 25 ° C. with a center wavelength of 791 nm, and an output of 15 mW was obtained.
  • a module was installed in a thermostat, and the temperature dependence of the laser oscillation wavelength and output fluctuation were measured. As a result, on the high temperature side, the oscillation wavelength was 795 nm at a temperature of 45 ° C., and the power output fluctuation was within 1% up to this temperature range. However, when this temperature was exceeded, wavelength fluctuations occurred and power output fluctuations were 3%. On the low temperature side, the oscillation wavelength was 789 nm at 15 ° C., and the power output fluctuation was within 1% up to this temperature range. However, at temperatures below this, wavelength fluctuations occurred and power output fluctuations were 3%.
  • Example 2 A light emitting device similar to that in Example 1 was manufactured. However, the following Bragg gratings G1 and G2 were formed for the grating elements (see FIG. 5). The groove depth t d of the grating was 200 nm.
  • G1 Pitch interval ⁇ 191 nm, length L b 6 ⁇ m
  • G2 pitch interval ⁇ 193 nm, length L b 6 ⁇ m
  • 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 measured reflection center wavelength of the grating element was 791 nm, and the reflectance was 30%.
  • a laser module was mounted as shown in FIGS. 6 and 19 in order to evaluate the characteristics of the external resonator type laser using this grating element. It has a GaAs laser structure as a light source element, a highly reflective film on one end face, and a reflectance of 8% on the other exit end face.
  • Light source element specifications Center wavelength: 790nm Output 20mW Half width: 0.1 nm Laser element length 300 ⁇ m
  • the oscillation wavelength became 797.5 nm at a temperature of 50 ° C. and a temperature of 58 ° C., and the power output fluctuation was within 0.5% in the temperature range up to 50 ° C.
  • the oscillation wavelength was 785 nm at 5 ° C., and the power output fluctuation was within 0.5% up to this temperature range.
  • condensation could occur and measurement could not be performed.
  • Example 2 A light emitting device similar to that of Example 2 was manufactured.
  • the grating elements are Bragg gratings G1 and G2 having a pitch interval of 191 nm, L b of 6 ⁇ m, a pitch interval of ⁇ 193 nm, and a length of L b of 6 ⁇ m, and the interval between the gratings G1 and G2 is set to 96 nm.
  • 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 measured reflection characteristics of the grating element had two peaks at wavelengths of 780 nm and 800 nm, and the reflectance was 18%.
  • the full width at half maximum ⁇ 50 was 9 nm, and ⁇ 70 was 8 nm.
  • a laser module was mounted as shown in FIGS. 6 and 19 in order to evaluate the characteristics of the external resonator type laser using this grating element. It has a GaAs laser structure as a light source element, a highly reflective film on one end face, and a reflectance of 8% on the other exit end face.
  • Light source element specifications Center wavelength: 780 nm
  • Half width 0.1 nm
  • Laser element length 300 ⁇ m
  • the temperature was 784 nm at 45 ° C.
  • the oscillation wavelength was 786 nm at 55 ° C.
  • the power output fluctuation was within 0.5% in the temperature range up to 45 ° C.
  • the power output fluctuation was within 1% up to 55 ° C., but when this temperature was exceeded, the wavelength fluctuation occurred and the power output fluctuation became 3% or more.
  • the oscillation wavelength was 776 nm at 5 ° C., and the power output fluctuation was within 0.5% up to this temperature range. However, at temperatures below this temperature, condensation could occur and measurement could not be performed.

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Abstract

光源１が、半導体レーザ光を発振する活性層３を備える。グレーティング素子２Ｂが、半導体レーザ光が入射する入射面７ａと所望波長の出射光を出射する出射部７ｂを有する光導波路７、および光導波路７内に形成された複数の互いに周期の異なるブラッググレーティングＧ１、Ｇ２、Ｇ３を備える。複数のブラッググレーティングの合成反射率の最大値Ｒｍａｘの５０％を半値反射率Ｒ５０としたとき、半値反射率Ｒ５０が光源の出射端の反射率Ｒ２よりも大きく、半値反射率Ｒ５０が３％以上であり、合成反射率が半値反射率Ｒ５０以上となる波長領域△λ５０が連続して１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下設けられている。

Description

外部共振器型発光装置
　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、ブラッグ反射によるミラーを構成し、共振器を実現している。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）や、ボリューム・ホログラム・グレーティング（VHG）がある。
　特許文献１（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。
　特許文献２（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型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３（ＷＯ　２０１４－１９６５５３）および特許文献４（特許第５６４１６３１）において、温度変化に伴うモードホップ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、特許文献５記載のように、グレーティング素子中に複数個のブラッググレーティングを設けることによって、広い温度範囲で使用可能とすることが考えられる。この場合、一般的にグレーティング素子の長さが１ｍｍ以上であり、反射率の波長幅（半値全幅ＦＷＨＭ）が１ｎｍ以下で設定される。これによって、モードホップを抑制した波長安定性が高い外部共振器型レーザが実現できるとされている。
　特許文献６は、半導体レーザ光を発振する光源、および複数の周期の異なるブラッググレーティングを備える外部共振器型発光装置が開示されている。ブラッググレーティングの反射特性は、各々が独立しており、互いに交差することはなく、連続した広い波長の反射特性を有しない。また、本装置では光源側にグレーティングと位相調整領域が形成されており、この位相調整領域の作用によって波長可変させ、温度が変化しても優れた波長安定性を実現するという思想である。
古河電工時報　平成12年1月　第105号　p24-29 Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic Integrated Circuit, pp.363-374, 1994,  dited by Y,Suematsu and A.R.Adams
特開２０１０―１７１２５２ 特許第３６６７２０９ ＷＯ　２０１４－１９６５５３ 特許第５６４１６３１ 特開２００２―００６１４８ ＵＳ２００３／０１０８０８１Ａ１
　しかし、実際には、外部共振器型発光装置全体の温度安定性を向上させることには限界があり、ペルチェ素子などの温度調節機構が必要なことが多い。特に、幅広い温度変化に対して従来の外部共振器型発光装置によって対応することは難しい。このため、レーザ光源の温度変化に対する安定性を一層改善することが望まれる。
　本発明の課題は、グレーティング素子を利用した外部共振器型の発光装置において、温度変化に対する安定性を改善する構造を提供することである。
　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、前記半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射部を有する光導波路、およびこの光導波路内に形成された複数の互いに周期の異なるブラッググレーティングを備えており、
　前記複数のブラッググレーティングの合成反射率の最大値Ｒｍａｘの５０％を半値反射率Ｒ５０としたとき、前記半値反射率Ｒ５０が前記光源の出射端の反射率Ｒ２よりも大きく、前記半値反射率Ｒ５０が３％以上であり、前記合成反射率が前記半値反射率Ｒ５０以上となる波長領域△λ５０が連続して１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下設けられていることを特徴とする。
　本発明では、グレーティング素子中に複数の互いに周期（ピッチ）の異なるブラッググレーティングを設ける。
　ここで、単に複数の周期（ピッチ）の異なるブラッググレーティングを直列に接続して動作させる場合には、各グレーティングによる共振器長が大きく異なるために、モードホップ間隔が大きく異なる。このため、短い共振器でレーザ発振する場合には、温度変化があってもモードホップしにくく波長が安定するが、長い共振器の場合には、モードホップ間隔が狭くなるためにモードホップがしやすくなり、波長安定性が悪くなってしまう。
　このため、本発明者は、複数の周期（ピッチ）の異なるブラッググレーティングの反射率の波長特性について種々検討した。こうした検討は、従来のグレーティング素子を用いた外部共振器型発光装置では十分に行われていなかったものである。
　この検討の過程で、複数の周期（ピッチ）の異なるブラッググレーティングの反射率を合成した合成反射率が光源の出射端の反射率よりも大きく、合成反射率が合成反射率の最大値Ｒｍａｘの５０％Ｒ５０以上となる波長領域△λ５０を連続かつ広域にわたって設けることによって、温度安定性がよくなることに着目し、この波長領域を拡げることを想到した。
　ブラッググレーティングによる外部共振器型レーザの発振は、ブラッググレーティングで反射して光源に帰還する光が得るゲインが光源の出射端で反射して光源に帰還する光が得るゲインよりも大きく、かつ発振しきい値をこえる波長で起こる。そして、環境温度が変化したときには、光源のゲインのピーク波長がシフトする。このとき、複数のブラッググレーティングの合成反射率が最大値Ｒｍａｘの５０％（Ｒ５０）以上となる波長領域△λ５０が、連続かつ広域にわたることによって、光源のゲインのピーク波長がシフトしても、そのシフトに対応して、複数のブラッググレーティングが全体として機能し、ブラッググレーティングで反射する光のゲインが光源の出射端で反射する光のゲインを常に上回り、外部共振器型のレーザ発振が可能となる。この結果、装置全体としての温度安定性が著しく改善することを見いだし、本発明に到達した。
外部共振器型発光装置の模式図である。 他の外部共振器型発光装置の模式図である。 対照例の外部共振器型発光装置の模式図である。 他のグレーティング素子２Ｂを示す模式図である。 他のグレーティング素子２Ｃを示す模式図である。 他の外部共振器型発光装置の模式図である。 レーザ発振条件を示す模式図である。 本発明の概念を説明するための波長特性図である。 本発明の概念を説明するための波長特性図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、一つのブラッググレーティングの反射特性例を示すグラフである。 （ａ）は、一つのブラッググレーティングの反射特性例を示すグラフであり、（ｂ）は、三つのブラッググレーティングの合成反射率の特性例を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、三つのブラッググレーティングの合成反射率の特性例を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、一つのブラッググレーティングの反射特性例を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、二つのブラッググレーティングの合成反射率の特性例を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、リッジ型光導波路を有するグレーティング素子の横断面を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、横断面が台形の光導波路を有するグレーティング素子の横断面を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、横断面が台形の光導波路を有するグレーティング素子の横断面を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明のグレーティング素子の平面形態を示す模式図である。 グレーティング素子を模式的に示す斜視図である。 レーザ発振条件を説明する図である。
　図１に模式的に示す外部共振器型発光装置は、半導体レーザ光を発振する光源１とグレーティング素子２とを備えている。光源１とグレーティング素子２とは、図示しない共通基板上にマウントしてもよい。
　光源１は、半導体レーザ光を発振する活性層３を備えている。本実施形態では、活性層３は基体４に設けられている。活性層３の外側端面３ａには反射膜５Ａが設けられており、活性層３のグレーティング素子側の端面３ｂには無反射膜５Ｂが形成されている。Ｌａは活性層の光軸方向の長さである。
　グレーティング素子２では、支持基板６上に半導体レーザ光が入射する入射面７ａと所望波長の出射光を出射する出射面７ｂを有する光導波路７が設けられている。光導波路７内には、複数のブラッググレーティングＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４が形成されている。本例ではブラッググレーティングの個数は四個であるが、二個以上であれば良い。隣り合う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１０が設けられている。
　光導波路７の入射面７ａとブラッググレーティングＧ１との間には、回折格子のない入射側伝搬部８が設けられており、入射側伝搬部８が活性層３と間隙１１を介して対向している。５Ｃは、光導波路７の入射面側に設けられた無反射膜である。光導波路７の出射面７ｂとブラッググレーティングＧ４との間には、回折格子のない出射側伝搬部９が設けられている。５Ｄは、光導波路７の出射面側に設けられた無反射膜である。
　図２の発光装置は、図１の発光装置とほぼ同様のものである。ただし、図２のグレーティング素子２Ａにおいては、光導波路７の入射側伝搬部８と出射側伝搬部９との間に二つのブラッググレーティングＧ１、Ｇ２が設けられており、隣り合うブラッググレーティングＧ１とＧ２との間に、回折格子のない中間伝搬部１０が設けられている。
　図３は、対照例の発光装置を示す模式図である。本装置のグレーティング素子では、光導波路７の入射側伝搬部８と出射側伝搬部９との間に一体のブラッググレーティングＲＧが設けられている。
　前述の各例では、隣り合うブラッググレーティングの間に、回折格子のない中間伝搬部を設けた。しかし、隣り合うブラッググレーティングを中間伝搬部なしに連続的に設けることもできる。
　すなわち、図４のグレーティング素子２Ｂにおいては、光導波路７の入射側伝搬部８と出射側伝搬部９との間に三つのブラッググレーティングＧ１、Ｇ２，Ｇ３が設けられている。隣り合うブラッググレーティングＧ１とＧ２との間、Ｇ２とＧ３との間に、回折格子のない中間伝搬部が設けられておらず、隣り合うブラッググレーティングが連続している。
　図５のグレーティング素子２Ｃにおいては、光導波路７の入射側伝搬部８と出射側伝搬部９との間に二つのブラッググレーティングＧ１、Ｇ２が設けられている。隣り合うブラッググレーティングＧ１とＧ２との間に、回折格子のない中間伝搬部が設けられておらず、隣り合うブラッググレーティングが連続している。
　図６においては、図１と同様に、グレーティング素子２Ｂと光源１とによって外部共振器型発光装置を構成している。ただし、図１と同じ部分には同じ符号を付け、その説明は省略する。
　なお、本発明においては、周期が互いに異なるブラッググレーティングを複数設ける。しかし、これらの複数のブラッググレーティングのうちの一つと周期が同一のブラッググレーティングを更に一つまたは複数設けることも可能である。
　以下、本発明の外部共振器型発光装置の動作について更に述べる。
　図８の上側には、半導体レーザ光のゲイン（利得）の波長に対する依存性を示し、図８の下側には、三つのブラッググレーティングＧ１、Ｇ２、Ｇ３の合成反射率の波長特性例を示す。
　本発明においては、複数のブラッググレーティングの周期（ピッチ）が互いに異なっている。この結果、反射率の波長特性がブラッググレーティングごとに異なることになる。例えば、図８、図９の例では、三つのブラッググレーティングＧ１、Ｇ２、Ｇ３の各反射率の波長特性はそれぞれ異なっている。
　すなわち、図７、図８に示すように，レーザの発振閾値をｇｔｈとし、ゲインの半値幅をΔλＬＤｇとする。一方、各ブラッググレーティングＧ１、Ｇ２、Ｇ３の反射率の中心波長をλＧ１、λＧ２、λＧ３とし（図９）、各ブラッググレーティングの反射率の半値全幅をΔλＧ１、ΔλＧ２、ΔλＧ３、とする。また、光源の出射端における反射率をＲ２とする。
　また、三つのブラッググレーティングの合成反射率の最大値をＲｍａｘとし、その５０％となる反射率をＲ５０とする。また、反射率がＲ５０以上となる波長領域の波長全幅を△λ５０とし、その中心波長をλＧＣとする。
　ここで、複数のブラッググレーティングの合成反射率が光源の出射端の反射率Ｒ２より大きい波長領域が存在している。各ブラッググレーティングＧ１、Ｇ２、Ｇ３は、合成された反射特性を得るための要素である。各ブラッググレーティングの個別の反射率は、光源の出射端の反射率Ｒ２より大きい波長領域があってもよく、なくてもよい。
　なお、本例では、各ブラッググレーティングの隣り合う波長領域ΔλＧ１、ΔλＧ２、とΔλＧ３が一部分で重複していると言える。
　これを言い換えると、各ブラッググレーティングの反射率のグラフが、各々のΔλＧ１、ΔλＧ２、ΔλＧ３となる反射率以上で交差している。
　レーザ光の発振波長は、グレーティングにより反射される波長で決定される。グレーティングによる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し、活性層のグレーティング素子側の端面からの反射光よりもゲインを大きくすることにより優先的にレーザ発振を維持することができる。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。
　このためには、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。これによりもともとの半導体レーザの共振器で得られるゲインよりもグレーティングによる共振器で得られるゲインの方が大きくなり、グレーティングによる共振器で安定なレーザ発振が可能となる。
　この結果、光源のゲインピーク波長が温度変化に応じてシフトしたときに、複数のブラッググレーティングの合成反射率の波長領域△λ５０において発振が確保される。この結果、温度変化に対してレーザ発振する波長が変化してもその波長で安定し、同時にパワー安定性を著しく高めることができる。
　本発明では、Ｒ５０が、光源の出力端の反射率Ｒ２よりも大きい。この観点からは、Ｒ５０／Ｒ２は、１．０１以上が好ましく、１．０５以上が更に好ましい。Ｒ５０／Ｒ２は、さらに、波長安定性、パワー安定性を高めるという観点で１．２以上が好ましい。
　合成されたブラッググレーティングの反射特性において、前記Ｒ５０が光源の出射端の反射率Ｒ２以上で連続する波長領域が存在する。この際、この連続する波長領域の波長上限と下限との差は、１０ｎｍ以上あることが好ましく、１２ｎｍ以上であることが更に好ましい。
　また、前記合成反射率が前記半値反射率Ｒ５０以上となる波長領域△λ５０が連続して１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下で設けられていることが好ましい。これは１２μｍ以上連続していることが更に好ましく、また、２５ｎｍ以下連続していることが好ましい。
　半値反射率Ｒ５０は３％以上とし、これによって安定な発振が可能となる。半値反射率Ｒ５０は５％以上が好ましく、７％以上が更に好ましい。半値反射率Ｒ５０の上限は特にないが、６０％以下であってもよい。
　△λ５０を前記の数値範囲とするために、各ブラッググレーティングの反射率の最大値の５０％となる波長領域の波長幅（半値全幅）は、５ｎｍ以上が好ましく、さらに１０ｎｍ以上が一層好ましい。一方、この上限値は３０ｎｍ以下が好ましく、さらに２５ｎｍ以下が一層好ましい。
　レーザ発振の波長安定性、およびパワー安定性の温度許容幅を広げるという観点からは、複数のブラッググレーティングの合成反射率の半値全幅Ｗ５０を大きくすることが好ましい。
　外部共振器モードでレーザ発振するのに必要なグレーティングの反射率の最小値ＲＧｍｉｎは、半導体レーザとグレーティングにより形成される外部共振器のゲイン閾値を満足するために必要な最低の反射率である。外部共振器のゲイン閾値は、後述する［（2-1）式］により決定される。図７に示す半導体レーザのみの場合と比較して、半導体レーザとグレーティグ素子の結合効率やグレーティング素子部等の損失がゲインを小さくする要因となる。このため外部共振器モードでレーザ発振するための最低の反射率ＲＧｍｉｎは、半導体レーザの出射端の反射率Ｒ２よりも大きい。ただし、結合効率が１００％、損失がない場合にはＲＧｍｉｎ＝Ｒ２となる。したがって、Ｒ５０はＲＧｍｉｎ以上であることが好ましい。
　半値全幅△λ５０は、半導体レーザ光源のゲインカーブに対応して決めることができる。
　半値全幅△λ５０を所望の数値にするためには、各ブラッググレーティングの反射中心波長の間隔は重要なパラメータである。すなわち、好適な実施形態においては、となり合う反射中心波長の間隔は、以下のようにすることが好ましい。
 
　４ｎｍ　≦λＧ（ｎ＋１）－λＧ（ｎ）≦２０ｎｍ
 
　ただし、（λＧ（ｎ＋１）－λＧ（ｎ））は、波長軸で隣接するグレーティングの中心波長の間隔である。
　ブラッググレーティングの周期（ピッチ）の間隔△Λ{（ｎ＋１）－ｎ}は以下のように表すことができる。
 
△Λ{（ｎ＋１）－ｎ}＝１／２ｎｅｆｆ×{λＧ（ｎ＋１）－λＧ（ｎ）}
 
　ここで、ｎｅｆｆは等価屈折率（実効屈折率）である。
　ｎｅｆｆが２であるときには、△Λ{（ｎ＋１）－ｎ}は以下のようにすることが好ましい。
 
１ｎｍ　≦　△Λ{（ｎ＋１）－ｎ}　≦　５ｎｍ
　
　このように、複数の周期（ピッチ）の異なるブラッググレーティングでは、構成する各ブラッググレーティングの半値全幅の和Σ（△λＧ（ｎ））は、合成反射率の半値全幅△λ５０より大きくなる。レーザ発振の温度安定性、パワー安定性の観点では、以下の条件であることが好ましい。
 
△λ５０≦　０．７×Σ（△λＧ（ｎ））
 
　複数のブラッググレーティングの個数ｎについては、２以上となる。上限について特に制限はないが、ｎが大きいとブラッググレーティングの長さが長くなり、外部共振器の共振器長が長くなるために１０以下が好ましい。
　各ブラッググレーティングの長さは３μｍ以上であることが好ましく、異なる周期のグレーティングの後に同じ周期のグレーティングを配置してもよい。
　合成されたブラッググレーティングの反射特性は、パワー安定性の観点でピークの平坦性は高いことが好ましい。このために反射率の最大値Ｒｍａｘに対して７０％以上となる波長領域△λ７０を広くすることがよいことがわかった。この波長領域△λ７０の幅は１０ｎｍ以上であることが好ましい。この波長領域が大きすぎると波長変動の大きなモードホップがおきパワー変動が大きくなるので、△λ７０は２５ｎｍ以下とすることが好ましい。
　波長変動の大きなモードホップを抑制するために、合成されたグレーティングの反射特性は複数のピークを持っていることが好ましい。これによりピークの波長にレーザ発振波長を固定させることができる。また、ピークを複数設けることにより、隣りのピークにモードホップするため反射率も大きく変わらないため、モードホップしても波長変動が小さくなるので、パワー変動を抑えることができる。このような観点で前記ピークの数は３個以上が好ましい。
　また、複数のグレーティングの配置は特に限定はされないが、例えば、光源の入力側に周期の短いグレーティングを配置し、順次長い周期のグレーティングを配置することができる。これにより、温度変化に対応し外部共振器長が徐々に増加、減少するので、モードホップを抑制することができる。
　さらに、各ブラッググレーティングの反射率、△λＧ（ｎ）は、同じであってもよく、異なっていてもよい。このためグレーティングの長さは各々異なっていてよく、合成したグレーティングが上記の条件を満足できればどのような構造であってよい。
　以下、本発明の作用について更に補足する。
　たとえばGaAs半導体レーザの温度特性は０．３ｎｍ/℃であり、１０℃温度が上昇すると３ｎｍ長波長側に発振波長がシフトする。△λＬＤｇは、半導体レーザによって異なるが一般的に４ｎｍから１０ｎｍ程度の範囲である。
　温度動作範囲は、ＴminおよびＴmaxにおける半導体レーザのゲインの中心波長の差を温度特性で割ることにより求めることができる。この波長差は、波長領域△λ５０とこの波長領域の短波長側、および長波長側にそれぞれ△λlow、および△λhighを加えたものになる。この場合、温度動作範囲は、グレーティング素子の反射波長の温度シフトが０ｎｍ/℃の場合に、△Ｔ＝ {△λ５０＋△λlow＋△λhigh}／０．３ｎｍ/℃となる。通常のレーザの場合、△λlow、△λhighは、２ｎｍから３ｎｍの数値の範囲である（図８参照）。
　たとえば、図６に示すように３個のグレーティングＧ１、Ｇ２、Ｇ３を直列に接続したものとする。この場合には、Ｗ５０はそれぞれ２１ｎｍであり、動作温度範囲は約８３℃から約９３℃となる。
　さらに、グレーティング素子の反射波長の温度シフトが０．１ｎｍ/℃の場合には、△Ｔ＝{△λ５０＋△λlow＋△λhigh}／（０．３－０．１）ｎｍ/℃となり、図８、図９のときには、動作温度範囲は、１２５℃から１４０℃となる。
　好適な実施形態において、図６に、３個のグレーティングを間隔なしで形成したグレーティング素子を示す。各ブラッググレーティングＧ１、Ｇ２、Ｇ３の周期は、それぞれ１９０ｎｍ、１９２．５ｎｍ、１９５ｎｍとし、２．５ｎｍづつシフトされている。この場合には、各ブラッググレーティングの反射特性は、図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１１（ａ）に示すようになる。そして，各図に示すように、最大反射率Ｒｍａｘは１６％～１７％となり、半値全幅△λ５０は約１８ｎｍとなる。
　これらのブラッググレーティングの合成反射率を図１１（ｂ）に示す。最大反射率Ｒｍａｘは約３７％、Ｒ５０は約１８％、半値全幅△λ５０は約２１ｎｍである。また、Ｒ７０は約２５％であり、△λ７０は約２０ｎｍである。
　また、各グレーティングＧ１、Ｇ２、Ｇ３の各周期を１９０ｎｍ、１９３ｎｍ、１９６ｎｍとし、３ｎｍづつシフトさせた場合について、合成反射率の特性を図１２（ａ）に示す。この場合には、最大反射率Ｒｍａｘは約３７％、Ｒ５０は約１８％、半値全幅△λ５０は約２２ｎｍである。また、Ｒ７０は約２４％であり、△λ７０は約７ｎｍである。
　さらに、各グレーティングＧ１、Ｇ２、Ｇ３の各周期を１９０ｎｍ、１９１ｎｍ、１９２ｎｍとし、１ｎｍづつシフトさせた場合の、合成反射率の特性を図１２（ｂ）に示す。最大反射率Ｒｍａｘは約６８％、Ｒ５０は約３４％、半値全幅△λ５０は約８．５ｎｍである。また、Ｒ７０は約４７％であり、△λ７０は約７ｎｍである。
　次に、ブラッググレーティング２個を間隔なしで形成したグレーティング素子を図５に示す。各グレーティングＧ１、Ｇ２の周期を１９０ｎｍ、１９１ｎｍとし、１ｎｍづつ変えたものとする。この場合の各グレーティングの反射特性を図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示す。この場合、最大反射率Ｒｍａｘ１０％、半値全幅△λ５０約２３ｎｍである。
　これらのブラッググレーティングの合成反射率の特性を図１４（ａ）に示す。この場合、最大反射率Ｒｍａｘは約３０％、Ｒ５０は約１３％、半値全幅△λ５０は約１３ｎｍである。また、Ｒ７０は約２１％であり、△λ７０は約１０ｎｍである。
　一方、前記のグレーティング２個についてグレーティングの間隔を
９５ｎｍとして形成したグレーティング素子の場合、合成反射率の特性は、図１４（ｂ）に示すようになる。この場合、最大反射率Ｒｍａｘは約１８％、Ｒ５０は約９％、半値全幅△λ５０は１０ｎｍである。また、Ｒ７０は約１２．６％であり、△λ７０は約８ｎｍである。
　次に、合成反射率の定義および求め方について述べる。
合成反射率は、複数のグレーティングの反射特性を合成したものを現す。グレーティングにより回折する光の反射特性は、グレーティングの構造（深さ、周期、形状、長さ）やこれを形成する材料の屈折率によって決められる。例えば、非特許文献２に示すように数値計算にて求めることができる。また、Coupled-Mode Theoryを利用した電磁界シミュレーションにより計算することができる。
　これらによると、グレーティングの反射率は複素数によって表され、複数のグレーティングの場合は、それぞれの位置によって合成される反射特性が変わることになる。つまり、グレーティングの間隔を変えることによって反射特性が変わることになる。
　好適な実施形態においては、光導波路７はリッジ型光導波路であり、光学材料層に設けられている。この場合、光導波路７は、ブラッググレーティング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。
　無反射層５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ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、反射膜であってもよい。活性層のグレーティング素子側の端面に無反射層を設けず、その代わりに反射膜を形成すると、通常の半導体レーザの形態になる。この場合は、光源が単独でレーザ発振できるものとなる。
　好適な実施形態においては、図１５（ａ）に示すように、基板６上に下側バッファ層１３を介して光学材料層３０が形成されている。光学材料層３０には例えば一対のリッジ溝１６が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型の光導波路１５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上に形成していてもよく、リッジ溝面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面上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光学材料層３０の反対側に設けることが好ましい。１７は薄肉部であり、１８は延在部である。なお、バッファ層１３と支持基板６との間に接着層を設けることもできる。
　図１５（ａ）のように上側バッファ層を設けない場合、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。
　また、図１５（ｂ）に示す素子では、光学材料層３０上に更に上側バッファ層１４が形成されている。
　また、図１５（ｃ）に示すように、基板６上に下側バッファ層１３を介して光学材料層３０が形成されている。光学材料層３０には例えば一対のリッジ溝１６が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型の光導波路１５が形成されている。本例ではリッジ溝がバッファ層１３側に設けられている。この場合、ブラッググレーティングは平坦面側に形成していてもよく、リッジ溝面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面上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。１７は薄肉部であり、１８は延在部である。なお、バッファ層１３と支持基板６との間に接着層を設けることもできる。
　好適な実施形態においては、光導波路が、光学材料からなるコアからなり、コアの周りをクラッドが包囲している。このコアの横断面（光の伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は凸図形となるようにする。
　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。凸図形は、一般的な幾何学用語である。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。
　たとえば図１６（ａ）に示すように、基板６上に下側バッファ層１３を介して、光学材料よりなるコアからなる光導波路２１が形成されている。この光導波路２１の下側には、クラッドとして機能する下側バッファ層１３が存在している。光導波路１１の側面および上面には上側バッファ層が設けられていない。このため、光導波路２１の側面および上面は雰囲気に露出しており、雰囲気がクラッドとして機能する。光導波路２１の横断面形状は台形であり、上面２１ａが下面２１ｂよりも狭い。なお、バッファ層１３と支持基板６との間に接着層を形成することもできる。
　図１６（ｂ）に示す素子では、基板６上にバッファ層２２内が設けられており、バッファ層２２内に、光学材料よりなるコアからなる光導波路２１が埋設されている。バッファ層２２は、光導波路の上面を被覆する上面被覆部２２ｂ、光導波路の側面を被覆する側面被覆部２２ｃおよび光導波路の底面を被覆する底面被覆部２２ａを有する。
　図１６（ｃ）に示す素子では、基板６上にバッファ層２２内か設けられており、バッファ層２２内に、光学材料よりなるコアからなる光導波路２１Ａが埋設されている。バッファ層２２は、光導波路の上面を被覆する上面被覆部２２ｂ、光導波路の側面を被覆する側面被覆部２２ｃおよび光導波路の底面を被覆する底面被覆図２２ａを有する。
　また、図１７（ａ）に示す素子では、基板６上に下側バッファ層１３を介して、光学材料よりなるコアからなる光導波路２１が形成されている。光導波路２１の側面および上面２１ａには、やはりクラッドとして機能する上側バッファ層２３が形成され、光導波路２１を被覆している。上側バッファ層２３は、光導波路１１の側面を被覆する側面被覆部２３ｂおよび上面を被覆する上面被覆部２３ａを有する。
　また、図１７（ｂ）に示す素子では、光学材料よりなるコアからなる光導波路２１Ａが形成されている。光導波路２１Ａの横断面形状は台形であり、下面が上面よりも狭い。上側クラッド層２３は、光導波路１１の側面を被覆する側面被覆部２３ｂおよび上面を被覆する上面被覆部２３ａを有する。
　なお、光導波路の幅Ｗは、横断面において光導波路の幅の最小値を意味する。光導波路の形状が上面が狭い台形の場合には、光導波路の幅Ｗは上面の幅であり、光導波路の形状が下面が狭い台形の場合には、光導波路の幅Ｗは下面の幅である。なお、Ｗは、Ｗｉｎ、Ｗｏｕｔ、Ｗｇｒを包含する概念である。
　好適な実施形態においては、図１、図２に示すように、光導波路７の入射面７ａとブラッググレーティングの開始点との間に入射側伝搬部が設けられており、また、ブラッググレーティングの終点と出射面との間に出射側伝搬部が設けられている。
　好適な実施形態においては、たとえば図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、入射側伝搬部８は、入射面から連続する入射部８ａ、ブラッググレーティングにつながる狭幅部８ｃおよび光導波路幅が徐々に変化するテーパ部８ｂを有する。入射部８ａの幅Ｗｉｎは、狭幅部８ｃの幅Ｗｇｒよりも大きくする。
　また、出射側伝搬部における光導波路幅Ｗｏｕｔは、図１８（ａ）の例ではＷｇｒと同じになっている。しかし、Ｗｏｕｔは、Ｗｇｒより大きくとも良く、小さくとも良い。図１８（ｂ）の例では、出射側伝搬部９が、ブラッググレーティングから連続する連結部９ａと、出射端部に向かうテーパ部９ｃとを有している。テーパ部９ｃにおける光導波路幅は、出射端部における光導波路幅Ｗｏｕｔに向かって徐々に小さくなっている。
　図１９の斜視図の例では、出射側伝搬部９が、ブラッググレーティングから連続する連結部９ａと、出射端部に連結する出射部９ｃと、連結部９ａと出射部９ｃとの間のテーパ部９ｂとを有している。テーパ部９ｂにおける光導波路幅は、出射端部における光導波路幅Ｗｏｕｔに向かって徐々に小さくなっている。
　なお、本例では、連結部９ａにおける光導波路の幅Ｗｇｒが一定であり、出射部９ｃにおける光導波路の幅Ｗｏｕｔも一定である。
　なお、Ａはグレーティング素子への入射光であり、Ｂはグレーティング素子からの出射光であり、Ｃはグレーティング反射光である。
　モードホップを抑制し、装置の温度安定性を確保するためには、共振器長を短くしてモードホップ間隔を大きくする必要がある。この観点から、半導体レーザの外側反射端から複数ブラッググレーティングの出射側終点までの長さＬ（図１、図２、図６参照）は、１ｍｍ以下が好ましい、さらに、モードホップを抑制するために外部共振器の縦モード間隔を大きくするという観点では、Ｌは７００μｍ以下が好ましく、５００μｍ以下が最も好ましい。
　上記の関係を満足するために、ブラッググレーティングの始点から終点までの長さＬｂtotalは、５００μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下が更に好ましく、１００μｍ以下が特に好ましい。また、レーザ発振するために必要な光の帰還率を得るためにはＬｂtotalは、１０μｍ以上が好ましく、２０μｍ以上が更に好ましい。
　共振器長を短くするという観点からは、各ブラッググレーティングの長さは、それぞれ２００μｍ以下であることが好ましい。また、グレーティングの長さが長くなるほど△λＧｎは小さくなるので、これを大きくするためには各ブラッググレーティングの長さは１００μｍ以下が好ましい。また、レーザ発振するために必要な光の帰還率を得るためには△λＧｎは、１０μｍ以上が好ましい。
　グレーティング素子の長さを短くし、かつ反射率を半導体レーザの出射端の反射率よりも大きくするには、グレーティングを形成する光導波路部の屈折率ｎbとクラッド部ｎｃの屈折率差を大きくすることが好ましく、ｎbは１．７以上が好ましく、１．８以上が更に好ましい。
　また、グレーティング反射率を半導体レーザの出射端面よりも大きくするには、グレーティング深さｔd（図１９参照）は、２０ｎｍ以上が好ましい。また、グレーティング深さｔdは、２５０ｎｍ以下が好ましく、２００ｎｍ以下が更に好ましい。
　光導波路の高さ（厚さ）Ｔｓ（図１６～１７参照）は、半導体レーザの結合効率の向上という観点からは、０．５μｍ以上、３．０μｍ以下であることが好ましい。
　ブラッググレーティングにおける光導波路の幅Ｗｇｒ（図１８参照）は、シングルモード導波路という観点からは、０．５μｍ以上、４μｍ以下が好ましい。
　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部との距離Ｌｇ（図１、図２、図６）は、０でも良いが、各素子の温度変化による熱膨張による応力を緩和するという観点で1μｍ以上、１０μｍ以下とする。これによって安定した発振が可能となる。また、入射側伝搬部の長さＬｍは０でも良いが、１～１００μｍが好ましく、５～２０μｍが更に好ましい。
　光源の活性層の長さＬａは、５００μｍ以下である事が好ましい。
　また、Ｌａ＋Ｌｇ＋Ｌｍ＋Ｌｂtotalは、１０５０μｍ以下が好ましく、８００μｍ以下が更に好ましい。また、Ｌａ＋Ｌｇ＋Ｌｍ＋Ｌｂtotalは、３００μｍ以上が好ましい。
　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。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）
　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３０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３０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。
　支持基板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。
　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、フッ化カル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、接着固定でもよく、直接接合でもよい。
　以下、図２０に示すような構成において、本実施形態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実施形態とを端的に比較し、本実施形態の特徴を述べる。次いで、本実施形態の各条件について述べていくこととする。
　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-M000001
　ゲイン条件は、（2-1）式より下式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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、ζt gth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ζtgth（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-M000003
　ブラッググレーティングの長さＬｂｔｏｔａｌは前述したとおりである。ブラッググレーティングの長さＬｂｔｏｔａｌを従来に比べて短くすることは、本実施形態における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。
　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Ｌｂｔｏｔａｌ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。
（実施例１）
　図６に示す外部共振器型レーザモジュールを作製した。グレーティング素子は、図４および図１５（ｂ）の構造である。
　具体的には、石英からなる支持基板６にスパッタ装置にて下側バッファ層１３になるＳｉＯ２層を１μｍ成膜し、またその上にＴａ２Ｏ５を１．２μｍ成膜して光学材料層３０を形成した。次に、光学材料層上にＴｉを成膜して、ＥＢ描画装置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、三つのグレーティンクＧ１、Ｇ２、Ｇ３を形成した。中間伝搬部１０の長さは０μｍである。グレーティングの溝深さｔｄは２００nmとした。
Ｇ１：ピッチ間隔Λ１９０ｎｍ、長さＬｂ　８μｍ
Ｇ２：ピッチ間隔Λ１９２．５ｎｍ、長さＬｂ　８μｍ
Ｇ３：ピッチ間隔Λ１９５ｎｍ、長さＬｂ　８μｍ
　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、幅Ｗ３μｍ、溝深さ１μｍのリッジ形状を形成した。最後に上側バッファ層１４となるＳｉＯ２層を０．５μｍ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１ｍｍ、長さＬｗｇ５００μｍ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、７９１ｎｍであり、最大反射率Ｒｍａｘは３６％であった。また、半値全幅△λ５０は２１ｎｍ、△λ７０は２０ｎｍであった
　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６に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子としてＧａＡｓ系レーザ構造を有し、片端面には高反射膜、もう一方の出射端面の反射率は８％であった。
光源素子仕様：
　中心波長：　　　７９０ｎｍ
　出力　　　　　　２０ｍＷ
　半値幅：　　　　０．１ｎｍ
　レーザ素子長　　３００μｍ
実装仕様：
　Ｌｇ：　　　　　　０．５μｍ
　Ｌｍ：　　　　　１０μｍ
　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２５℃にて中心波長７９１ｎｍでレーザ発振し、出力１３ｍＷ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、高温側では温度７０℃にて発振波長８００ｎｍとなり、この温度領域までパワー出力変動が０．５％以内であった。また、低温側では５℃にて発振波長７８７ｎｍとなり、この温度領域までパワー出力変動が０．５％以内であった。しかし、これ以下の温度では、結露してしまい測定することができなかった。
（比較例１）
　実施例１と同様な発光装置を作製した。ただし、グレーティング素子については、ピッチ間隔Λ１９２．５ｎｍ、長さＬｂ２５μｍの一つのブラッググレーティングＧ１を形成した（図３参照）。グレーティングの溝深さｔｄは１２５ｎｍとした。
　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７９１ｎｍであり、最大反射率Ｒｍａｘは１８％であり、半値全幅△λ５０は５ｎｍ、Ｗ７０は４ｎｍであった。
　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６、図１９に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子としてGaAs系レーザ構造を有し、片端面には高反射膜、もう一方の出射端面の反射率は８％であった。
光源素子仕様：
中心波長：　　　７９０ｎｍ
　出力　　　　　　２０ｍＷ
　半値幅：　　　　０．１ｎｍ
　レーザ素子長　　３００μｍ
実装仕様：
　Ｌｇ：　　　　　　０．５μｍ
　Ｌｍ：　　　　　１０μｍ
　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２５℃にて中心波長７９１ｎｍでレーザ発振し、出力１５ｍＷ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、高温側では温度４５℃にて発振波長７９５ｎｍとなり、この温度領域までパワー出力変動が１％以内であった。しかし、この温度を超えると波長変動が起こり、パワー出力変動も３％となった。また、低温側では１５℃にて発振波長７８９ｎｍとなり、この温度領域までパワー出力変動が１％以内であった。しかし、これ以下の温度では、波長変動が起こり、パワー出力変動も３％となった。
（実施例２）
　実施例１と同様な発光装置を作製した。
　ただし、グレーティング素子については、以下のブラッググレーティングＧ１、Ｇ２を形成した（図５参照）。グレーティングの溝深さｔｄは２００ｎｍとした。
Ｇ１：ピッチ間隔Λ１９１ｎｍ、長さＬｂ６μｍ
Ｇ２：ピッチ間隔Λ１９３ｎｍ、長さＬｂ６μｍ
　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、７９１ｎｍであり、反射率は３０％であった。
　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６、図１９に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子としてGaAs系レーザ構造を有し、片端面には高反射膜、もう一方の出射端面の反射率は８％であった。
光源素子仕様：
　中心波長：　　　７９０ｎｍ
　出力　　　　　　２０ｍＷ
　半値幅：　　　　０．１ｎｍ
　レーザ素子長　　３００μｍ
実装仕様：
　Ｌｇ：　　　　　　０．５μｍ
　Ｌｍ：　　　　　１０μｍ
　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２５℃にて中心波長７９１ｎｍでレーザ発振し、出力１５ｍＷ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、高温側では温度５０℃にて７９６ｎｍ、温度５８℃にて発振波長７９７．５ｎｍとなり、５０℃までの温度領域でパワー出力変動が０．５％以内であった。しかし、これ５８℃を超える温度では、波長変動が起こり、パワー出力変動も３％となった。また、低温側では５℃にて発振波長７８５ｎｍとなり、この温度領域までパワー出力変動が０．５％以内であった。しかし、これ以下の温度では、結露してしまい測定することができなかった。
（比較例２）
　実施例２と同様な発光装置を作製した。グレーティング素子については、ピッチ間隔Λ１９１ｎｍ、Ｌｂ６μｍ、ピッチ間隔Λ１９３ｎｍ、長さＬｂ６μｍのブラッググレーティングＧ１、Ｇ２であるが、グレーティングＧ１とＧ２の間隔は９６ｎｍとした。
　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特性は、波長７８０ｎｍ、８００ｎｍの２つのピークがあり、反射率はそれぞれ１８％であった。また、半値全幅△λ５０は９ｎｍ、△λ７０は８ｎｍであった。
　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６、図１９に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子としてGaAs系レーザ構造を有し、片端面には高反射膜、もう一方の出射端面の反射率は８％であった。
光源素子仕様：
　中心波長：　　　７８０ｎｍ
　出力　　　　　　２０ｍＷ
　半値幅：　　　　０．１ｎｍ
　レーザ素子長　　３００μｍ
実装仕様：
　Ｌｇ：　　　　　　０．５μｍ
　Ｌｍ：　　　　　１０μｍ
　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２５℃にて中心波長７８０ｎｍでレーザ発振し、出力１７ｍＷ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、高温側では温度４５℃にて７８４ｎｍ、温度５５℃にて発振波長７８６ｎｍとなり、４５℃までの温度領域でパワー出力変動が０．５％以内であった。また、５５℃まではパワー出力変動は１％以内であったが、この温度を超えると波長変動が起こり、パワー出力変動も３％以上となった。一方、低温側では５℃にて発振波長７７６ｎｍとなり、この温度領域までパワー出力変動が０．５％以内であった。しかし、これ以下の温度では、結露してしまい測定することができなかった。

Claims (8)

  1. 　半導体レーザ光を発振する光源、およびこの光源と外部共振器を構成するグレーティング素子を備える外部共振器型発光装置であって、
    　前記光源が、前記半導体レーザ光を発振する活性層を備えており、
    　前記グレーティング素子が、前記半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射部を有する光導波路、およびこの光導波路内に形成された複数の互いに周期の異なるブラッググレーティングを備えており、
    　前記複数のブラッググレーティングの合成反射率の最大値Ｒｍａｘの５０％を半値反射率Ｒ５０としたとき、前記半値反射率Ｒ５０が前記光源の出射端の反射率Ｒ２よりも大きく、前記半値反射率Ｒ５０が３％以上であり、前記合成反射率が前記半値反射率Ｒ５０以上となる波長領域△λ５０が連続して１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下で設けられていることを特徴とする、外部共振器型発光装置。
  2. 　前記合成反射率が前記合成反射率の最大値Ｒｍａｘの７０％以上となる波長領域△λ７０が連続して１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下設けられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
  3. 　前記光源が単独で前記半導体レーザ光を発振することを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
  4. 　前記光源の前記出射端の反対側の反射端と、前記複数のブラッググレーティングの出射側終点との間隔が１ｍｍ以下であり、下記式（１）および式（２）の関係が満足されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一つの請求項に記載の装置。
     
    Ｌｂtotal　　≦３００μｍ　　　　・・・（１）
    Ｌａ　　≦５００μｍ　　　　・・・（２）
     
    （式（１）において、Ｌｂtotalは、前記複数のブラッググレーティングの開始点から前記出射側終点までの長さである。
    　式（２）において、Ｌａは、前記活性層の長さである。）
  5. 　前記複数のブラッググレーティングのうち、隣り合う前記ブラッググレーティングが連続していることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一つの請求項に記載の装置。
  6. 　以下の式（３）を満足することを特徴とする、請求項１～５のいずれか一つの請求項に記載の装置。
     
    △λ５０≦　０．７×Σ（△λＧ（ｎ））・・・・（３）
     
    （式（３）において、Σ（△λＧ（ｎ））は、前記各ブラッググレーティングの各反射率が各最大値の５０％となる反射率の半値全幅△λＧ（ｎ）の合計値である。）
  7. 　前記ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率ｎｂが１．７以上であることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一つの請求項に記載の装置。
  8. 　前記光導波路が、前記複数のブラッググレーティングの開始点と前記入射面との間に入射側伝搬部を有しており、前記入射側伝搬部が、前記光導波路の幅が変化するテーパ部を有することを特徴とする、請求項１～７のいずれか一つの請求項に記載の装置。
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