WO2016167071A1 - 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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近藤　順悟
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日本碍子株式会社
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0239—Combinations of electrical or optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers

Definitions

  • the present invention relates to a grating element and an external resonator type light emitting device.
  • Patent Document 1 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 (eg, 30 ° C. or more) without a temperature controller. It is also described that a temperature-independent laser is provided in which mode hopping is suppressed and the oscillation frequency is not temperature-dependent.
  • optical devices there are the following three types of optical devices in which such an external resonator type light emitting device is further coupled to an optical waveguide element or an optical fiber array.
  • Method 1 the grating element with a built-in semiconductor laser is optically aligned with the optical waveguide element and joined (Patent Document 3).
  • Method 2 a semiconductor laser light source and an optical waveguide element or optical fiber with a built-in grating are coupled and aligned (Patent Documents 4 and 5).
  • Patent Document 1 In method 3, three components, a semiconductor laser light source, a grating element, and an optical waveguide element, are optically coupled (Patent Document 1).
  • method 3 requires alignment with submicron accuracy, takes a tact, and is difficult to commercialize. For this reason, a technique for integrating a grating in a semiconductor laser, a waveguide, or a fiber has been proposed as in methods 1 and 2.
  • JP2002-134833 Japanese Patent Application No. 2013-120999 US Patent Publication 2008 / 0291951A1 WO 2013-034813 JP 2000-082864 A Japanese Patent Application No. 2014-094789
  • the applicant of the present invention determines the thickness of the optical material layer at the incident portion by the mode of the laser light emitted from the light source. It has been proposed to set it larger than the field diameter (vertical direction) (Patent Document 6).
  • the lateral mode of the light source is a single mode, and the spot size 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 in the incident portion is set so that T in / ⁇ is 2 or more. If the optical material layer (core layer) is too thick, the coupling loss increases, so T in / ⁇ is preferably 3 or less.
  • the present inventor has studied to reduce the transverse mode from becoming multimode by reducing the thickness of the optical material layer in the grating portion.
  • the thickness of the optical material layer at the incident portion of the ridge-type optical waveguide is relatively large, a step is generated between the incident portion and the grating element.
  • the patterning of the grating needs to be formed with high accuracy such that the pitch interval is 200 nm and ⁇ 0.5 nm or less.
  • an electron beam exposure apparatus, a stepper exposure apparatus, or a nanoimprint apparatus is used.
  • the object of the present invention is to improve the productivity at the time of mounting and increase the processing accuracy of the Bragg grating by widening the tolerance when mounting the light source and the grating element when mounting the semiconductor laser light source and the grating element. It is to be able to hold.
  • the present invention provides a support substrate, A clad layer provided on a support substrate; A grating element having an optical material layer provided on a cladding layer, and a ridge-type optical waveguide provided on the optical material layer and having an incident surface on which a laser beam is incident and an emitting portion emitting an emitted light of a desired wavelength , A Bragg grating consisting of irregularities is formed at the boundary between the cladding layer and the optical material layer, and the ridge type optical waveguide is provided with an incident portion and a Bragg grating provided between the incident surface and the Bragg grating. And the thickness of the optical material layer in the incident portion is larger than the thickness of the optical material layer in the grating portion.
  • the axial deviation tolerance between the ridge type optical waveguide and the light source can be increased by making the thickness of the optical material layer in the incident part of the ridge type optical waveguide larger than the thickness of the optical material layer in the grating part. Can be increased. As a result, it is possible to improve the productivity at the time of mounting by expanding the tolerance at the time of mounting the light source and the grating element.
  • the Bragg grating composed of irregularities is formed at the boundary between the cladding layer and the optical material layer.
  • the step between the incident part and the grating part can be provided on the surface of the optical material layer opposite to the clad layer, so that a step must be provided at the boundary between the clad layer and the optical material layer. There is no. For this reason, the processing accuracy of the Bragg grating formed at the boundary between the two can be kept high.
  • FIGS. 1A and 1B are plan views schematically showing the grating elements 2A and 2B, respectively. It is a perspective view showing typically grating element 2A. It is a top view which shows typically the external resonator type light-emitting device 21 which mounted the light source 11 and the grating element 2A.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view schematically showing the device 21 of FIG. 3.
  • (A) is an enlarged perspective view showing a part of the Bragg grating 20, and
  • (b) is a front view showing a part of the Bragg grating 20.
  • 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.
  • a Bragg grating is formed in the grating portion 3d, but the Bragg grating is not exposed on the upper surface 1c of the optical material layer.
  • the width of the emission part 3e is constant.
  • the ridge type optical waveguide 3B includes an incident part 3a, a tapered part 3b, a connecting part 3c, a grating part 3d, an emitting part 3e, and a connecting part 3f between the grating part and the emitting part 3e.
  • the Bragg grating 20 is formed in the grating portion 3d, the Bragg grating is not exposed on the upper surface 1c of the optical material layer.
  • 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 clad layer 4 interposed therebetween.
  • 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.
  • the bottom surface 1 d of the optical material layer is bonded onto the support substrate 5. A is incident light and B is outgoing light.
  • the light source 11 is mounted on the support substrate 14 of the grating element 2C. It is also possible to provide the adhesive layer 15.
  • the optical material layer 1 is formed on the support substrate 14 with the clad layer 4 interposed therebetween.
  • a Bragg grating 20 is formed at the boundary I between the bottom surface 1d of the optical material layer 1 and the surface 4c of the cladding layer 4 in the grating portion 3d of the ridge-type optical waveguide.
  • convex portions 4a and concave portions 4b are formed on the surface of the cladding layer 4 according to a predetermined period.
  • the concave portion 4b of the clad layer 4 is filled with the optical material 1f, and a Bragg grating 20 having irregularities is formed at the boundary between the two.
  • the optical waveguide width W in the entrance portion 3a is larger than the optical waveguide width W gr of the grating portion 3d.
  • Optical waveguide width W t of the tapered portion 3b monotonically decreases from W in to W gr.
  • the width of the connection portion 3c is W gr and the optical waveguide width W out of the emission portion 3e is constant.
  • the optical material layer in the entrance portion 3a thickness T in is greater than the optical material layer thickness T gr of the grating portion 3d.
  • the optical material layer thickness T t in the tapered portion 3b monotonously decreases from T in toward T gr .
  • the optical material layer thickness T out at the emitting portion 3e is constant.
  • the optical material layer 1 is formed on the support substrate 5 via the adhesive layer 7 and the cladding 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.
  • optical material layer 1 is formed on the lower side of the support substrate 5 via the cladding 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 cladding 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 support substrate 5 has a refractive index larger than that of 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 thickness T in (FIG. 4) of the optical material layer in the entrance section is not less than 1.5 times the mode field diameter T h in the vertical direction of the laser beam It is preferable.
  • the thickness T in the optical material layer in the entrance section is preferably set to 2.5 times or less in the vertical direction of the mode field diameter T h of the laser beam.
  • the width W in (see FIGS. 1 and 3) of the ridge-type optical waveguide at the incident portion is set to 1.5, which is the mode field diameter W h in the horizontal direction of the laser light. It is preferable to make it more than twice. 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 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.
  • T in / lambda when the thickness of the optical material layer in the entrance section and T in, the T in / lambda and 2 or more. However, if the optical material layer is too thick, the coupling loss becomes large. Therefore, T in / ⁇ is preferably 3 or less. When the wavelength of the laser light is 0.85 .mu.m, T in is 1.7 ⁇ m or more, equal to or less than 2.55 ⁇ m.
  • the thickness of the optical material layer in the grating portion 3d / the thickness of the optical material layer in the incident portion 3a is preferably 0.8 or less, and 0.7 or less. However, from the viewpoint of propagation efficiency, it is preferably 0.3 or more.
  • a tapered portion 3b is provided between the incident portion and the grating portion.
  • the ridge type optical waveguide width W in at the incident portion is larger than the ridge type optical waveguide width W gr at the grating portion.
  • 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. 6).
  • 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 ridge width Wt is smoothly decreased from the incident portion toward the grating portion, and it is further preferable that the ridge width Wt is decreased linearly with respect to the element longitudinal direction.
  • the width W out of the emitting portion 3e may be the same as the width W gr of the ridge type optical waveguide in the grating portion, 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 thickness T out of the exit portion 3e may be the same as the thickness T gr optical material layers in the grating portion, but may be smaller than the T gr.
  • T out / T 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 light source 11 includes an active layer 12 that oscillates semiconductor laser light.
  • the active layer 12 is provided on the substrate 15.
  • a reflection film (not shown) can be provided on the outer end face of the light source.
  • a low reflection layer can be formed on the end face of the active layer 12 on the grating element side.
  • a low reflection layer (not shown) can be provided on each of the entrance surface and the exit surface of the grating element.
  • the reflectance of these low reflection layers may be a value smaller than the grating reflectance, and is preferably 0.1% or less. However, if the reflectance at the end face is smaller than the grating reflectance, the low reflection layer may not be provided, and a reflective film can be provided instead of the low reflection layer.
  • the reflectance of the low reflection layer needs to be less than or equal to the grating reflectance, and as a film material to be deposited on the low reflection layer, a film laminated with an oxide such as silicon dioxide, tantalum pentoxide, magnesium fluoride, Metals can also be used.
  • 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 Bragg grating can be formed by physical or chemical etching as follows.
  • a metal film such as Ni, Ti, or Cr is formed on the clad layer, and windows are periodically formed by photolithography to form an etching mask.
  • periodic grating grooves are formed in the cladding layer by a dry etching apparatus such as reactive ion etching.
  • the metal mask is removed.
  • the Bragg grating can be formed at the boundary between the clad layer and the optical material layer by forming the optical material layer on the clad layer.
  • 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 ridge type optical waveguide can also be formed by dry etching in the same manner as the grating groove on the cladding layer.
  • Specific optical material layers include gallium arsenide (GaAs), lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), zinc oxide (ZnO), and aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and titanium oxide (TiO 2 ) are preferable.
  • 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 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.
  • An upper cladding layer is preferably provided from the viewpoint of reducing 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.
  • 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.
  • 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 reliably 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.
  • ⁇ G can be set to 0.8 nm or more and 250 nm or less by setting 20 nm ⁇ t d ⁇ 250 nm. Can be adjusted to 2 or more and 5 or less in ⁇ G. From this perspective, 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.
  • Example 1 A grating element 2C as shown in FIG. 1A, FIG. 3, FIG. 4, and FIG. 5 was produced. Specifically, 2 ⁇ m of the cladding layer 4 made of SiO 2 was formed on the support substrate 14 made of quartz by a sputtering apparatus. Next, Ti was formed on the clad layer 4, and a grating pattern was produced by a photolithography technique using electron beam exposure. 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 130 nm.
  • an optical material layer 1 made of Ta 2 O 5 was formed to 2 ⁇ m on the clad layer 4. Further, the pattern of the ridge groove of the ridge-type optical waveguide is patterned by photolithography technique, and reactive ion etching is performed, so that the incident portion width W in 8 ⁇ m, T r 1.6 ⁇ m, the grating portion width W gr 3 ⁇ m, Tr 1.6 ⁇ m ridge groove processing was performed. The length from the input end face to the grating part starting point was 20 ⁇ m.
  • the incident portion of the ridge-type optical waveguide was masked, and the tapered portion, the connecting portion, the grating portion, and the emitting portion were etched by reactive ion etching so that the thickness of the optical material layer became 1 ⁇ m.
  • the taper portion is a shadow mask in which the etching mask is lifted from the substrate surface, and the thickness of the taper portion is reduced toward the output side.
  • the groove depth of the ridge waveguide in the grating portion was 0.6 ⁇ m.
  • the input side and the output side of the element were etched to the support substrate by dry etching to make the end surface a mirror surface.
  • an upper clad layer 8 made of SiO 2 was formed by sputtering to form a 90 nm single layer film on both end faces. At this time, the reflectance of the end face was 3%.
  • the element size was 1 mm wide and 100 ⁇ m long.
  • the optical characteristics of the grating element are measured by using a super luminescence diode (SLD), a broadband 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 nm.
  • FIGS. A normal GaAs laser was used as the light source element 11.
  • 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 direction was also measured, and the amount of axial deviation was measured. As a result of measuring the axial deviation tolerance of this element, it was ⁇ 2 ⁇ m in the horizontal direction and ⁇ 0.8 ⁇ m in the vertical direction.
  • 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.
  • an optical material layer was formed on the cladding layer without forming a Bragg grating on the cladding layer.
  • a Bragg grating was formed on the surface of the optical material layer in the same manner as in Example 1, and an upper cladding layer was formed thereon.
  • 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 90 nm single layer film was formed on both end faces by sputtering with 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. This indicates that the processing accuracy of the Bragg grating is deteriorated as compared with Example 1.
  • 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 changed greatly to 850 nm around 30 ° C., and the output fluctuated greatly. Further, as a result of measuring the axial deviation tolerance of this device, it was ⁇ 2 ⁇ m in the horizontal direction and ⁇ 0.8 ⁇ m in the vertical direction.
  • 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 portion width W in of 3 ⁇ m and T r of 0.6 ⁇ m and a grating portion width of W gr of 3 ⁇ m and T r of 0.6 ⁇ m. The length from the input end face to the grating part starting point was 25 ⁇ m.
  • the light source element used was an ordinary GaAs laser.
  • the module When the module was mounted and driven by current control (ACC) without using a Peltier device, 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

【課題】グレーティング素子２Ｃは、支持基板１４、支持基板１４上に設けられたクラッド層４、クラッド層４上に設けられた光学材料層１、および光学材料層１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部を有するリッジ型光導波路３Ａを有する。クラッド層４と光学材料層１との境界に、凹凸からなるブラッググレーティング２０が形成されている。リッジ型光導波路３Ａが、入射面と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３ａおよびブラッググレーティングが設けられているグレーティング部３ｄを備える。入射部３ａにおける光学材料層１の厚さＴｉｎがグレーティング部における光学材料層の厚さＴｇｒよりも大きい。

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外部共振器型発光装置に関するものである。
　特許文献１（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(grating)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(controller)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(mode hopping)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。
　こうした外部共振器型の発光装置を更に光導波路素子や光ファイバアレイに結合した光学デバイスには、以下の３つの方式がある。
　方式１では、半導体レーザ内蔵グレーティング素子を光導波路素子と光軸合わせし、接合する（特許文献３）。
　方式２では、半導体レーザ光源と、グレーティングを内蔵した光導波路素子や光ファイバとを結合し、アライメント(alignment)する（特許文献４、特許文献５）。
　方式３では、半導体レーザ光源と、グレーティング素子と、光導波路素子との三つの部品を光学的に結合する（特許文献１）。
　しかし、方式３では、サブミクロン精度のアライメントが必要であり、タクト(tact)がかかり、製品化が難しい。このため方式１、２のように半導体レーザ、あるいは導波路、ファイバにグレーティングを集積化する技術が提案されている。
特開２００２－１３４８３３ 特願２０１３－１２０９９９ 米国特許公開　２００８／０２９１９５１Ａ１ ＷＯ　２０１３－０３４８１３ 特開２０００－０８２８６４ 特願２０１４－０９４７８９
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
　しかし、半導体レーザをグレーティングにより波長安定化動作するためには、数１００ｎｍのグレーティングピッチで、ウエハ内に１ｎｍ以下の精度で均一に製造する必要がある。このグレーティングパターンを形成するためには、電子ビーム描画装置、ステッパ(stepper)、ナノインプリント(nano imprinting)装置が利用されるが、ウエハの反り、表面凹凸の仕様が厳しい。このため半導体レーザ光源や光導波路にブラッググレーティングを内蔵する場合には、これらの素子形成による反り、凹凸により、グレーティング形成の歩留まりが悪くなる。更に、各素子の微細構造が互いに干渉しあったり、製造プロセスが干渉するために複雑なマスキング(masking)が必要になる。これらのことから、方式３のように、三つの部品を個別実装したいという要求がある。
　本出願人は、光源とグレーティング素子との間での結合効率の軸ずれトレランス(tolerance for imperfect alignment)を向上させるため、入射部における光学材料層の厚さを、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）よりも大きく設定することを提案した（特許文献６）。
　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(spot size)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、入射部の光学材料層の厚みはＴｉｎ／λが２以上としている。光学材料層（コア層）はあまり厚いと結合損失が大きくなってしまうので、Ｔｉｎ／λは３以下が好ましい。
　しかし、このように軸ずれトレランスを大きくするため、光学材料層の厚みを大きくすると、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、複数の反射波長点が存在するため、波長不安定性が生ずる。
　このため、本発明者は、グレーティング部における光学材料層の厚みを小さくすることにより、横モードがマルチモードになりにくいようにすることを検討した。しかし、この場合には、リッジ型光導波路の入射部における光学材料層の厚さが相対的に大きくなるので、入射部とグレーティング素子との間で段差が生ずることになる。
　グレーティングのパターニングは、例えばピッチ間隔が２００ｎｍで±０．５ｎｍ以下といった、高い精度で形成する必要がある。このためには、電子ビーム露光装置、ステッパー露光装置、ナノインプリント装置が使用される。しかしながら、これらの装置を使用する場合に段差がある基板にグレーティングを形成することは難しく、かりにブラッググレーティングを形成しても高い精度を保つことは難しい。
　このため、入射部とグレーティング部との間に段差を設けるためには、段差のある表面にブラッググレーティングを形成することが難しい。このため、光学材料層の表面に段差を形成した後に、ブラッググレーティングを形成する必要が出てくる。しかし、この場合には、グレーティング部の方が入射部よりも薄いため、凹んだ場所に位置しているので、前記の高精度なパターニング装置を使用してもブラッググレーティングの精度を高くすることが難しい。
　本発明の課題は、半導体レーザ光源とグレーティング素子を実装するのに際して、光源とグレーティング素子の実装時の裕度を広げることにより、実装時の生産性を改善すると共に、ブラッググレーティングの加工精度を高く保持できるようにすることである。
　本発明は、支持基板、
　支持基板上に設けられたクラッド層、
　クラッド層上に設けられた光学材料層、および
　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部を有するリッジ型光導波路を有するグレーティング素子であって、
　クラッド層と光学材料層との境界に、凹凸からなるブラッググレーティングが形成されており、リッジ型光導波路が、入射面と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ブラッググレーティングが設けられているグレーティング部を備えており、入射部における光学材料層の厚さがグレーティング部における光学材料層の厚さよりも大きいことを特徴とする。
　本発明によれば、リッジ型光導波路の入射部における光学材料層の厚さをグレーティング部における光学材料層の厚さよりも大きくすることによって、リッジ型光導波路と光源との間での軸ずれトレランスを大きくすることができる。この結果、光源とグレーティング素子の実装時の裕度を広げることにより、実装時の生産性を改善することが可能である。
　また、本発明では、凹凸からなるブラッググレーティングを、クラッド層と光学材料層との境界に形成している。この結果、入射部とグレーティング部との間の段差は、光学材料層のうちクラッド層とは反対側の表面に設けることができるので、クラッド層と光学材料層との境界には段差を設ける必要がない。このため、両者の境界に形成されるブラッググレーティングの加工精度は高く保持できる。
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。 グレーティング素子２Ａを模式的に示す斜視図である。 光源１１とグレーティング素子２Ａとを実装した外部共振器型発光装置２１を模式的に示す平面図である。 図３の装置２１を模式的に示す縦断面図である。 （ａ）は、ブラッググレーティング２０の一部分を示す拡大斜視図であり、（ｂ）は、ブラッググレーティング２０の一部分を示す正面図である。 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。
　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を備えている。グレーティング部３ｄにはブラッググレーティングが形成されているが、ブラッググレーティングは光学材料層の上面１ｃには露出していない。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を備えている。グレーティング部３ｄにはブラッググレーティング２０が形成されているが、ブラッググレーティングは光学材料層の上面１ｃには露出していない。連結部３ｆの幅は一定であるが、出射部３ｅの幅は、出射面に近づくにつれて徐々に縮小している。
　図２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上にクラッド層４を介して光学材料層１が形成されている。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。なお、Ａは入射光であり、Ｂは出射光である。
　図３、図４に示す例では、光源１１が、グレーティング素子２Ｃの支持基板１４上に実装されている。接着層１５を設けることも可能である。
　図４に示すように、支持基板１４上にクラッド層４を介して光学材料層１が成形されている。そして、リッジ型光導波路のグレーティング部３ｄにおいて、光学材料層１の底面１ｄとクラッド層４の表面４ｃとの境界Ｉにブラッググレーティング２０が形成されている。ブラッググレーティング２０を境界に形成するためには、図５に示すように、まずクラッド層４の表面に凸部４ａ、凹部４ｂを所定周期にしたがって形成する。次いで、クラッド層４上に光学材料層１を形成することによって、クラッド層４の凹部４ｂには光学材料１ｆが充填され、両者の境界に凹凸からなるブラッググレーティング２０が形成されることになる。
　素子の上面から見ると（図３）、入射部３ａにおける光導波路幅Ｗｉｎは、グレーティング部３ｄ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３ｂ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、接続部３ｃにおける幅はＷｇｒであり、出射部３ｅ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４）、入射部３ａにおける光学材料層厚さＴｉｎは、グレーティング部３ｄにおける光学材料層厚さＴｇｒよりも大きくなっている。テーパ部３ｂにおける光学材料層厚さＴｔは、ＴｉｎからＴｇｒへと向かって単調減少している。また、本例では、出射部３ｅにおける光学材料層厚さＴｏｕｔは一定である。
　こうした素子では、入射部における光学材料層の厚さを相対的に大きくした場合には、入射部とグレーティング部との間で段差が光学材料層上面１ｃに生ずる。しかし、本発明では、ブラッググレーティング２０をクラッド層と光学材料層との境界Ｉに沿って設けることから、ブラッググレーティングの形成が段差の影響を受けないので、ブラッググレーティングの加工精度を通常どおりに高く保持できる。
　図６、図７、図８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６の例では、支持基板５上に接着層７、クラッド層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。
　図７の例は、図６の例と同様である。ただし、光学材料層１は支持基板５の上に下側にクラッド層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８の例では、支持基板５上に接着層７、クラッド層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。
　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。
　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Ｔｉｎ（図４）は、レーザ光の垂直方向のモードフィールド径Ｔｈ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Ｔｉｎは、レーザ光の垂直方向のモードフィールド径Ｔｈの２．５倍以下とすることが好ましい。
　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１、図３参照）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。
　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Tｉｎとしたとき、Tｉｎ／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、Ｔｉｎ／λは３以下が好ましい。
　レーザ光の波長が０．８５μｍの場合に、Ｔｉｎは１．７μｍ以上、２．５５μｍ以下となる。
　本発明では、グレーティング部３ｄにおける光学材料層の厚さ／入射部３ａにおける光学材料層の厚さ（Ｔｇｒ／Ｔｉｎ）は、０．８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。
　好適な実施形態においては、入射部とグレーティング部との間にテーパ部３ｂが設けられている。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厚さＴｖ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。
　好適な実施形態においては、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６参照）。
　好適な実施形態においては、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。
　テーパ部において、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の幅Ｗｏｕｔは、グレーティング部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。
　なお、出射部３ｅの厚さＴｏｕｔは、グレーティング部における光学材料層の厚さＴｇｒと同一であって良いが、Ｔｇｒより小さくなっていてもよい。Ｔｏｕｔ／Ｔｇｒ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。
　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、図示しない反射膜を設けることができる。活性層１２のグレーティング素子側の端面には、低反射層を形成することができる。更に、グレーティング素子の入射面、出射面には、それぞれ、図示しない低反射層を設けることができる。
　これら低反射層の反射率は、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、低反射層はなくてもよく、低反射層の代わりに反射膜を設けることもできる。
　低反射層の反射率は、グレーティング反射率以下である必要があり、低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。
　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）
　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などの金属膜をクラッド層上に成膜し、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クラッド層に形成する。次いで、金属マスクを除去する。次いで、クラッド層上に光学材料層を形成することによって、クラッド層と光学材料層との境界にブラッググレーティングを形成できる。
　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。あるいは、リッジ型光導波路も、クラッド層上のグレーティング溝と同じように、ドライエッチングによって形成することができる。
　具体的な光学材料層の材質としては、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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さをｔｄとすると（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。
（実施例１）
　図１（ａ）、図３、図４、および図５に示すようなグレーティング素子２Ｃを作製した。
　具体的には、石英からなる支持基板１４に、スパッタ装置にてSiO2からなるクラッド層４を２μｍ成膜した。次に、クラッド層４上にＴｉを成膜して、電子ビーム露光を使用した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130nmとした。
　次いで、クラッド層４上に、Ta2O5からなる光学材料層１を２μｍ成膜した。さらに、リッジ型光導波路のリッジ溝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２０μｍとした。その後、リッジ型光導波路の入射部をマスキングし、テーパ部、連結部、グレーティング部および出射部を反応性イオンエッチングにてエッチングし、光学材料層の厚みが１μｍになるようにした。テーパ部はエッチングマスクを基板表面から浮かせたシャドーマスクとしており、テーパ部の厚みを出力側に向かうにつれて小さくしている。このときグレーティング部のリッジ導波路の溝深さは０．６μｍとなった。
　次いで、ドライエッチングにて素子の入力側、出力側を支持基板までエッチングして端面を鏡面にした。最後にSiO2からなる上側クラッド層８をスパッタリングで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８４９ｎｍであった。
　次に、図３、図４に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子１１としては、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：
　光源１１の出射面とリッジ型光導波路とのギャップ：　１μｍ
　Ｔｉｎ：　　　　　　２μｍ
　Ｔｇｒ：　　　　　　１μｍ
　Ｔｉｎ／Ｔｇｒ：　　　２
　Ｔｈ：　　　　　　　１μｍ
　Ｔｉｎ／Ｔｈ：　　　２　　　　
　Ｗｉｎ：　　　　８μｍ
　Ｗｈ：　　　　３μｍ　　　　
　Ｗｉｎ／Ｗｈ：　　　　２．７　　　　
　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。
　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±２μｍ、垂直方向±０．８μｍ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。
　更に、本例では、クラッド層上にブラッググレーティングを形成することなしに、クラッド層上に光学材料層を形成した。また、光学材料層の表面に、実施例１と同様にしてブラッググレーティングを形成し、その上に上側クラッド層を形成した。
　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からなる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。これは、ブラッググレーティングの加工精度が実施例１に比べて劣化していることを示す。
　次に、図３、図４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：
　光源１１の出射面とリッジ型光導波路とのギャップ：　1μｍ
　Ｔｉｎ：　　　　　　２μｍ
　Ｔｇｒ：　　　　　　２μｍ
　Ｔｉｎ／Ｔｇｒ：　　　１
　Ｔｈ：　　　　　　１μｍ　　
　Ｔｉｎ／Ｔｈ：　　　　２　　　　
　Ｗｉｎ：　　　　８μｍ
　Ｗｈ：　　　　３μｍ　　　　
　Ｗｉｎ／Ｗｈ：　　２．７　　　　　　
　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８５０ｎｍに波長が大きく変化して、出力が大きく変動した。
　また、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±２μｍ、垂直方向±０．８μｍであった。
（比較例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Win３μｍ、Tr０．６μｍ、グレーティング部の幅Wgr３μｍ、Tr０．６μｍ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。
　次に、図３、図４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：
　光源１１の出射面とリッジ型光導波路とのギャップ：　1μｍ
　Ｔｉｎ：　　　　　　１μｍ
　Ｔｇｒ：　　　　　　１μｍ
　Ｔｉｎ／Ｔｇｒ：　　　１
　Ｔｈ：　　　　　　１μｍ　　
　Ｔｉｎ／Ｔｈ：　　　　１　　　　
　Ｗｉｎ：　　　　３μｍ
　Ｗｈ：　　　　３μｍ　　　　
　Ｗｉｎ／Ｗｈ：　　　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 (10)

  1. 　支持基板、
    　前記支持基板上に設けられたクラッド層、
    　前記クラッド層上に設けられた光学材料層、および
    　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部を有するリッジ型光導波路を有するグレーティング素子であって、
    　前記クラッド層と前記光学材料層との境界に、凹凸からなるブラッググレーティングが形成されており、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ブラッググレーティングが設けられているグレーティング部を備えており、前記入射部における前記光学材料層の厚さが前記グレーティング部における前記光学材料層の厚さよりも大きいことを特徴とする、グレーティング素子。
  2. 　前記リッジ型光導波路が、前記入射部と前記グレーティング部との間にテーパ部を備えており、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グレーティング部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記載の素子。
  3. 　前記入射部における前記リッジ型光導波路の幅が前記グレーティング部における前記リッジ型光導波路の幅よりも大きいことを特徴とする、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、前記入射部における前記光学材料層の厚さがＴｉｎであり、Ｔｉｎ／λが２以上、３以下であり、前記グレーティング部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. 　前記グレーティング部における前記光学材料層の厚さ／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３記載の素子。
  6. 　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、請求項１～５のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  7. 　前記入射面と前記出射部との少なくとも一方に、前記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素子。
  8. 　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１～７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。
  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８記載の装置。
  10. 　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８または９記載の装置。
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