(57)【要約】【課題】ペルチェ素子による温度制御を使用することなく、モードホップを抑制し、波長安定性を高くし、光パワー変動を抑制できるようにする。【解決手段】外部共振器型発光装置１は、半導体レーザ光を発振する活性層を有する半導体レーザ光源２；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面を有するリッジ型光導波路、およびリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティングを有するグレーティング素子９；半導体レーザ光源およびグレーティング素子を実装するための実装基板２２；および半導体レーザ光源２と実装基板２２の間およびグレーティング素子９と実装基板２２の間の熱伝導を抑制する熱伝導抑制手段２１を備える。【選択図】        図1
2015115457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ光源とグレーティング素子とによって外部共振器を構成する外部共振器型発光装置であって、
半導体レーザ光を発振する活性層を有する半導体レーザ光源；
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面を有するリッジ型光導波路、およびこのリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティングを有するグレーティング素子；
前記半導体レーザ光源および前記グレーティング素子を実装するための実装基板；および
前記半導体レーザ光源と前記実装基板の間および前記グレーティング素子と前記実装基板の間の熱伝導を抑制する熱伝導抑制手段を備えていることを特徴とする、外部共振器型発光装置。
【請求項２】
前記グレーティング素子が、支持基板、前記支持基板上に設けられ、厚さ０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の光学材料層、および前記支持基板と前記光学材料層とを接合する接合層を備えており、前記リッジ型光導波路が前記光学材料層に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記ブラッググレーティングを構成する材質が、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛および酸化アルミナからなる群より選択されることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
下記式（１）〜式（４）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。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ    ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ    ・・・（３）
ｎｂ≧１．８                  ・・・（４）
（式（１）において、△λGは、ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式（２）において、Ｌｂは、前記ブラッググレーティングの長さである。
式（３）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さである。
式（４）において、ｎｂは、前記ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率である。）
【請求項５】
下記式（５）の関係が満足され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。
ＬＷＧ  ≦５００μｍ        ・・・（５）
（式（５）において、ＬＷＧは、前記グレーティング素子の長さである。）
【請求項６】
前記半値全幅△λGの中に、レーザ発振の位相条件が満足可能な波長が２以上、５以下存在することを特徴とする、請求項４または５記載の装置。
【請求項７】
下記式（６）の関係が満足され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。
【数１１】
2015115457.tif 000013
（式（６）において、dλG／ｄＴは、ブラッグ波長の温度係数である。
dλＴＭ／ｄＴは、外部共振器レーザの位相条件を満足する波長の温度係数である。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グレーティング素子を用いた外部共振器型発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、一般的に、活性層の両端面に形成したミラーで挟まれた光共振器を構成した、ファブリ−ペロー（ＦＰ）型が利用されている。しかしながら、このＦＰ型レーザは、定在波条件が成立する波長で発振するために、縦モードが多モードになりやすく、とくに電流や温度が変化すると発振波長が変化し、それにより光強度が変化する。
【０００３】
このため、光通信やガスセンシングなどの目的では、波長安定性の高い単一モード発振のレーザが必要である。このため、分布帰還型（DFB）レーザや分布反射型（DBR）レーザが開発された。これらのレーザは、半導体中に回折格子を設け、その波長依存性を利用して特定の波長のみを発振させるものである。
【０００４】
波長安定性のある半導体レーザを実現するために、グレーティングを半導体レーザの中にモノリシックに形成したDBRレーザやDFBレーザ、またファイバーグレーティング（FBG）グレーティングをレーザの外部に取り付けた外部共振器型レーザが例示できる。これらは、ブラッグ反射を利用した波長選択性のあるミラーによりレーザ光の一部をレーザに帰還して波長安定動作を実現する原理である。
【０００５】
DBRレーザは、活性層の導波路の延長上の導波路面に凹凸を形成しブラッグ反射によるミラーを構成し、共振器を実現している（特許文献１（特開昭49-128689）：特許文献２（特開昭56-148880））。このレーザは、光導波層の両端に回折格子が設けられているので、活性層で発光した光は光導波層を伝搬し、この回折格子で一部が反射され、電流注入部に戻り、増幅される。回折格子から決められた方向に反射するのは、特定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。
【０００６】
また、この応用として、回折格子を半導体とは異なる部品とし、外部で共振器を形成する、外部共振器型半導体レーザが開発されている。このタイプのレーザは、波長安定性、温度安定性、制御性がよいレーザとなる。外部共振器は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（FBG）（非特許文献１）や、ボリューム・ホログラム・グレーティング（VHG）（非特許文献２）がある。回折格子を半導体レーザとは別部材で構成するので、反射率、共振器長を個別に設計できるという特徴があり、電流注入による発熱による温度上昇の影響を受けないので、波長安定性をさらに良くすることができる。また、半導体の屈折率の温度変化が異なるので共振器長と合わせて設計することにより、温度安定性を高めることができる。
【０００７】
特許文献６（特開2002-134833）には、石英ガラス導波路に形成したグレーティングを利用した外部共振器型レーザが開示されている。これは温度コントローラなしで室温が大きく（例えば30℃以上）変化する環境で使える、周波数安定化レーザを提供しようとするものである。また、モードホッピングが抑圧され、かつ発振周波数の温度依存性がない温度無依存レーザを提供することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭49-128689
【特許文献２】特開昭56-148880
【特許文献３】WO2013/034813
【特許文献４】特開2000-082864
【特許文献５】特開2006-222399
【特許文献６】特開2002-134833
【特許文献７】特願２０１３−１２０９９９
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】電子情報通信学会論文誌  C‐ＩＩ  Vol.J81, No.7 pp.664-665, 1998年7月
【非特許文献２】電子情報通信学会技術研究報告  LQE, 2005年 105巻 52号 pp.17-20
【非特許文献３】古河電工時報  平成12年1月  第105号  p24-29
【非特許文献４】M.Asada,etal, “Gainand intervalence band absorption in quantum-well lasers”, IEEE J. Quantumn Electron, QE-2(7), p.745-753, 1984.
【非特許文献５】Y.Suematsu, A.R.Adams, “Handbook of semiconductor lasers and photonic integrated circuits”, Ohmsha Ltd.,p.334-337, 1994.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献１には、温度上昇に伴う波長安定性を損なうモードホップのメカニズムと、その改善策について言及している。温度による外部共振器レーザの波長変化量δλｓは、半導体の活性層領域の屈折率変化△ｎa、活性層の長さLa、FBG領域の屈折率変化△ｎf、長さLf、それぞれの温度変化δTa、δTfに対して、定在波条件より下式により表される。
【００１１】
【数１】
2015115457.tif 000003
【００１２】
ここで、λ0は初期状態でのグレーティング反射波長を表す。
また、グレーティング反射波長の変化δλGは、下式で表される。
【００１３】
【数２】
2015115457.tif 000004
【００１４】
モードホップは、外部共振器の縦モード間隔△λが波長変化量δλsとグレーティング反射波長の変化量δλGの差に等しくなったときに発生するので、次式が成立する。
【数３】
2015115457.tif 000005
【００１５】
縦モード間隔△λは、近似的に下式となる。
【００１６】
【数４】
2015115457.tif 000006
【００１７】
数式３と数式４より、数式５が成立する。
【００１８】
【数５】
2015115457.tif 000007
【００１９】
モードホップを抑制するためには、△Tall以下の温度内で使用する必要があり、ペルチェ素子にて温度制御している。数式５では、活性層とグレーティング層の屈折率変化が同じ場合（△ｎａ／ｎａ＝△ｎｆ／ｎｆ）、分母が零になり、モードホップが生じる温度が無限大になり、モードホップがなくなることを示している。しかしながら、モノリシックDBRレーザでは、レーザ発振させるために、活性層は電流注入がなされるために、活性層とグレーティング層の屈折率変化は一致させることができないので、モードホップが生じてしまう。
【００２０】
モードホップは、共振器内の発振モード（縦モード）が、あるモードから違うモードに移る現象である。温度や注入電流が変化すると、ゲインや共振器の条件が異なり、レーザ発振波長が変化し、キンクといわれる、光パワーが変動するという問題を生じる。したがって、FP型のGaAs半導体レーザの場合、通常、波長が0.3nm／℃の温度係数で変化するが、モードホップが生じると、これよりも大きな変動が起こる。それと同時に、出力が５％以上変動する。
【００２１】
このため、モードホップを抑制するために、ペルチェ素子を用いて温度制御している。しかし、このために部品点数が増え、モジュールが大きくなり、コストが高くなる。
【００２２】
特許文献６では、温度無依存にするために、従来の共振器構造はそのままで光導波路層に応力を与えることで、熱膨張に起因する温度係数を補償することにより、温度無依存性を実現している。このため、素子に金属板を貼りつけ、さらに導波路中に温度係数を調整する層を付加させている。このため共振器構造が、さらに大きくなるという問題がある。
【００２３】
本発明者は、光導波路型グレーティング素子を用いた外部共振器型のレーザ構造を、特許文献７において開示した。この出願では、グレーティング素子の反射特性の半値全幅△λGが特定の式を満足する場合に、温度コントロールなしで波長安定性が高くパワー変動のないレーザ発振が可能としている。
【００２４】
また、非特許文献４、５に示すように、半導体レーザは温度が上昇すると最大のゲインが低下し、かつ発振閾値電流が上昇することがわかっている。このために半導体レーザを電流一定駆動させた場合には、環境温度が変動した場合に光出力が変動することを示唆している。
【００２５】
本発明の課題は、ペルチェ素子による温度制御を使用することなく、波長安定性を高くし、光出力変動を抑制し、モードホップを抑制できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、半導体レーザ光源とグレーティング素子とによって外部共振器を構成する外部共振器型発光装置であって、
半導体レーザ光を発振する活性層を有する半導体レーザ光源；
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面を有するリッジ型光導波路、およびこのリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティングを有するグレーティング素子；
半導体レーザ光源およびグレーティング素子を実装するための実装基板；および
半導体レーザ光源と実装基板の間およびグレーティング素子と前記実装基板の間の熱伝導を抑制する熱伝導抑制手段を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
発光出力の変動については、我々の実験検討の結果、出力変動が大きい場合と小さい場合があることがわかった。出力変動が大きい場合は、環境温度によって半導体レーザの温度も追従して変化する場合であり、半導体レーザを適正なヒートシンクに実装されて十分に放熱されている場合に相当する。これに対して、出力変動しない場合は、環境温度が変化しても半導体レーザの温度が変化しない場合であり、半導体レーザの放熱が十分でない場合に相当する。
【００２８】
特に環境温度の変化に対して半導体レーザの温度が全く変化しない場合は、温度変動に対して出力変動が全くない動作が可能であることを意味している。
【００２９】
従来は、ヒートシンクによる放熱を良好にすることにより、半導体レーザ光源からの放熱を促進することで、半導体レーザ光源の温度の上昇を抑制していた。しかし、前記の検討結果によると、半導体レーザ光源からの放熱を促進すると、環境温度の変化が大きい場合に、半導体レーザ光源の温度も大きく変化する。通常は半導体レーザを電流一定駆動させているので、環境温度が変動した場合に光出力も大きく変動しやすいことがわかった。すなわち、従来は、半導体レーザは駆動時に発生する熱を十分に放熱する条件下で動作させており、この場合、自動電流駆動によって電流一定条件で半導体レーザを駆動すると、図１０に示すように光出力が低下する。
【００３０】
ここで、従来技術とは反対に、半導体レーザ光源と実装基板との間、およびグレーティング素子と実装基板との間に、熱伝導抑制手段を設けることによって、半導体レーザ光源およびグレーティング素子からの実装基板への放熱を抑制することとした。
【００３１】
半導体レーザ光源とグレーティング素子とを実装した外部共振器型レーザの場合、実装状態においては、グレーティング素子にも半導体レーザからの熱が伝導するので、両者が同時に加熱される。これに加えて、本発明により、半導体レーザ光源およびグレーティング素子から実装基板への放熱を抑制することで、環境温度に対して両者の温度が高い値に維持されることとなる。この結果として、環境温度が比較的大きく変動しても、環境温度変化による半導体レーザのゲイン低下を抑制できるので、発光強度の変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、外部共振器型発光装置の模式図である。
【図２】グレーティング素子の横断面図である。
【図３】グレーティング素子を模式的に示す斜視図である。
【図４】他のグレーティング素子の横断面図である。
【図５】他の実施形態に係る外部共振器型発光装置の模式図である。
【図６】従来例によるモードホップの形態を説明する図である。
【図７】従来例によるモードホップの形態を説明する図である。
【図８】レーザ発振条件を説明する図である。
【図９】好適例における、離散的な位相条件例を示す。
【図１０】駆動電流が一定である場合の、環境温度変化と出力変動との関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１に模式的に示す外部共振器型発光装置１は、半導体レーザ光を発振する光源２と、グレーティング素子９とを備えている。光源２とグレーティング素子９とは、共通基板３上にマウントされている。
【００３４】
光源２は、半導体レーザ光を発振する活性層５を備えている。本実施形態では、活性層５は基体４に設けられている。基体４の外側端面には反射膜６が設けられており、活性層５のグレーティング素子側の端面には無反射層７Ａが形成されている。
【００３５】
図１、図３に示すように、グレーティング素子９には、半導体レーザ光Ａが入射する入射面１１ａと所望波長の出射光Ｂを出射する出射面１１ｂを有する光学材料層１１が設けられている。Ｃは反射光である。光学材料層１１内には、ブラッググレーティング１２が形成されている。光学材料層１１の入射面１１ａとブラッググレーティング１２との間には、回折格子のない伝搬部１３が設けられており、伝搬部１３が活性層５と間隙１４を介して対向している。７Ｂは、光学材料層１１の入射面側に設けられた無反射層であり、７Ｃは、光学材料層１１の出射面側に設けられた無反射層である。リッジ型光導波路１８は光学材料層１１に設けられている。リッジ型光導波路１８は、ブラッググレーティング１２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。
【００３６】
無反射層７Ａ、７Ｂ、７Ｃ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。
【００３７】
図２に示すように、本例では、基板１０上に接着層１５、下側バッファ層１６を介して光学材料層１１が形成されており、光学材料層１１上に上側バッファ層１７が形成されている。光学材料層１１には例えば一対のリッジ溝１９が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型の光導波路１８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１１ｃ面に形成していてもよく、１１ｄ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１１ｃ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１９とを基板の反対側に設けることが好ましい。
【００３８】
また、図４に示す素子９Ａでは、基板１０上に接着層１５、下側バッファ層１６を介して光学材料層１１が形成されており、光学材料層１１上に上側バッファ層１７が形成されている。光学材料層１１の基板１０側には、例えば一対のリッジ溝１９が形成されており、リッジ溝１９の間にリッジ型の光導波路１８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１１ｃ側に形成していてもよく、リッジ溝のある１１ｄ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１１ｃ面側に形成することによって、ブラッググレーティングとリッジ溝１９とを基板の反対側に設けることが好ましい。また、上側バッファ層１７はなくてもよく、この場合、空気層が直接グレーティングに接することができる。これによりグレーティング溝が有る無しで屈折率差を大きくすることができ、短いグレーティング長で反射率を大きくすることができる。
【００３９】
図５は、他の実施形態に係る装置１Ａを示す。本装置１Ａの大部分は図１の装置１と同様のものである。光源２は、レーザ光を発振する活性層５を備えているが、活性層５のグレーティング素子９側の端面に無反射層７Ａを設けず、その代わりに反射膜２０が形成されている。
【００４０】
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と活性層５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。
【００４１】
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５の端面における反射率よりも大きくする方が好ましい。
【００４２】
また、図１、図５の実施形態では、共通基板３の下に更に実装基板２２が設置されており、共通基板３と実装基板２２との間に熱伝導抑制層２１が設けられている。これによって、共通基板と実装基板との間の熱伝導が抑制される。そして、こうした構造により、光源２およびグレーティング素子９から、熱容量の大きい実装基板２２側へと逃げる熱を抑制し、光源２およびグレーティング素子９の両方の温度を高く維持することができる。これと同時に、光源２から発生した熱量の多くは、実装基板２２に逃げることなく、グレーティング素子９へと伝導されることになる。この結果として、環境温度が変化したとき、光源２の温度変化が小さくなり、かつ光源２とグレーティング素子９との温度差が小さくなる。この結果、モードホップがしにくくなり、波長安定性が高く、パワー変動を小さくすることができる。
【００４３】
実装基板とは、光源およびグレーティング素子を実装し、それらの中の電子回路に対して電気的に接続する配線を供給する基板である。
【００４４】
上記の実施形態においては、光源２およびグレーティング素子９を共通基板３上に設け、共通基板３と実装基板２２との間に熱伝導抑制層２１を設ける。これによって、光源２と実装基板２２との間、グレーティング素子９と実装基板２２との間の熱伝導をともに抑制できる。
【００４５】
前述の例において、共通基板３は一体であってよいが、複数個の別体の基板を接合したものであってもよい。また、実装基板２２は一体であってよいが、複数個の別体の基板を接合したものであってもよい。
【００４６】
熱伝導抑制層の材質は、熱伝導性の低い材質が好ましく、具体的には、ガラス、セラミック、樹脂、高分子フィルムが好ましく、グラスウール、ガラスファイバ、炭化コルク、発泡スチロール、多孔質セラミック、発泡ゴムであってもよい。また，熱伝導抑制層を構成する材質の熱伝導率は、５０W・m-1・K-1 以下が好ましい。蓄熱効果を高めるためには、２５W・m-1・K-1以下が好ましく、１０W・m-1・K-1以下がもっとも好ましい。
【００４７】
熱伝導抑制層の厚さは、熱伝導を減らすという観点からは、１０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上が更に好ましい。また、素子全体の小型化、光学的な実装のしやすさという観点からは、熱伝導抑制層の厚さは、５ｍｍ以下が更に好ましい。
【００４８】
また、熱伝導抑制層の一部を空隙とし、空隙を空気層としたり、断熱材を挿入することで、熱伝導を一層抑制できる。こうした空隙は、光源２の直下に設けることが好ましく、またグレーティング素子の直下に設けることが好ましい。また、こうした断熱材としては、グラスウール、ガラスファイバ、炭化コルク、発泡スチロール、多孔質セラミック、発泡ゴムを例示できる。
ただし、放熱が完全に抑制されてしまうと温度上昇が大きくなり、半導体レーザ光源を破損するおそれがあるので、半導体レーザ光源の上限温度は、半導体レーザの動作許容温度以下に設定することが好ましい。
【００４９】
また、グレーティング素子はセラミックやガラス材料で構成される場合には、熱伝導が悪いので蓄熱効果があり半導体レーザの放熱を阻害するので半導体レーザの放熱を抑制して高温に保持できることがわかった。このことから、環境温度による発光波長の変動を更に小さくすることができる。
【００５０】
グレーティング素子を構成するセラミックス、ガラスとしては、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛および酸化アルミナからなる群より選択されることが好ましい。また、こうしたガラス、セラミックスの熱伝導率は、５０W・m-1・K-1 以下であることが好ましい。
【００５１】
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。
【００５２】
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）
【００５３】
リッジ型の光導波路は、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。
【００５４】
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などの金属膜を光学材料層に成膜し、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。
【００５５】
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。
【００５６】
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、接着層を使用せず直接接合による貼り合せであってもよい。この場合、常温直接接合法、表面活性化法、原子拡散接合法を採用することができる。
【００５７】
また、光学材料層１１は、支持基体上に薄膜形成法によって成膜して形成してもよい。こうした薄膜形成法としては、スパッタ、蒸着、ＣＶＤを例示できる。この場合には、光学材料層１１は支持基体に直接形成されており、上述した接着層は存在しない。
【００５８】
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。
【００５９】
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、五酸化タンタルなどの酸化物で積層した膜や、金属類も使用可能である。
【００６０】
また、光源素子、グレーティング素子の各端面は、それぞれ、端面反射を抑制するために斜めカットしていてもよい。また、グレーティング素子と支持基板の接合は、図２の例では接着固定だが、直接接合でもよい。
【００６１】
グレーティング素子に関して、一般的に、ファイバグレーティングを使用する場合に、石英は屈折率の温度係数が小さいのでdλG／dTが小さく、｜dλG／dT―dλTM／dT｜が大きくなる。このためモードホップがおこる温度域△Tが小さくなってしまう傾向がある。
【００６２】
このため、好適な実施形態においては、グレーティングが形成される導波路基板の屈折率が１．８以上の材料を使用する。これにより屈折率の温度係数を大きくでき、dλG／dTが大きくできるので、｜dλG／dT―dλTM／dT｜を小さくでき、モードホップがおこる温度域△Tを大きくできる。
【００６３】
そして、好適な実施形態においては、これを前提として、当業者の常識に反して、ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λGを大きめに設定している。その上で、モードホップが起こりにくいようにするために、位相条件を満足する波長間隔（縦モード間隔）を大きくする必要がある。このため、共振器長を短くする必要があるので、グレーティング素子の長さＬｂを３００μｍ以下と短くした。
【００６４】
その上で、ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さｔｄを２０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下の範囲内で調節することによって、△λGを０．８ｎｍ以上、６ｎｍ以下にすることができ、この△λGの範囲内に縦モードの数を２〜５に調節できる。すなわち、位相条件を満足する波長は離散的であり、△λGの中に縦モードの数が２以上、５以下存在しているときには、△λGの中でモードホップを繰り返し、この外にはずれることはない。このため大きなモードホップが起きないので、波長安定性を高くし、光パワー変動を抑制できる。
【００６５】
以下、図８を参照しつつ、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、本発明の特徴を述べる。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。
【００６６】
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。
【００６７】
【数６】
2015115457.tif 000008
【００６８】
ゲイン条件は、（2-1）式より下式となる。
【数７】
2015115457.tif 000009
【００６９】
ただし、αa、αg、αwg、αgrは、それぞれ、活性層、半導体レーザと導波路間のギャップ、入力側のグレーティング未加工導波路部、グレーティング部の損失係数であり、La、Lg、Lwg Lgrは、それぞれ、活性層、半導体レーザと導波路間のギャップ、入力側のグレーティング未加工導波路部、グレーティング部の長さであり、r1、r2は、ミラー反射率（r2はグレーティングの反射率）であり、Ｃoutは、グレーティング素子と光源との結合損失であり、ξtgtは、レーザ媒体のゲイン閾値であり、φ1は、レーザ側反射ミラーによる位相変化量であり、φ2は、グレーティング部での位相変化量である。
【００７０】
（2-2）式より、レーザ媒体のゲインξtgth（ゲイン閾値）が損失を上回れば、レーザ発振することを表す。レーザ媒体のゲインカーブ（波長依存性）は、半値全幅は50nm以上あり、ブロードな特性をもっている。また、損失部（右辺）は、グレーティングの反射率以外はほとんど波長依存性がないので、ゲイン条件はグレーティングにより決まる。このため、比較表では、ゲイン条件はグレーティングのみで考えることができる。
【００７１】
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。
【数８】
2015115457.tif 000010
【００７２】
外部共振器型レーザは、外部共振器として、石英系ガラス導波路、FBGを用いたものが製品化されている。従来の設計コンセプトは、図６と図７に示すように、グレーティングの反射特性は△λG=0.2nm程度、反射率10%となっている。このことから、グレーティング部の長さは１ｍｍとなっている。一方、位相条件については、満足する波長は離散的になり、△λG内に、(2-3)式が2〜3点あるように設計されている。このため、レーザ媒体の活性層長さが長いものが必要になり、１ｍｍ以上のものが使用されている。
【００７３】
ガラス導波路やFBGの場合、λgの温度依存性は非常に小さく、dλG/dT＝0.01nm/℃程度となる。このことから、外部共振器型レーザは、波長安定性が高いという特徴をもつ。
【００７４】
しかし、位相条件を満足する波長の温度依存性は、これに比してdλs/dT＝0.05nm/℃と大きく、その差は0.04nm/℃となる。
【００７５】
一般的に、モードホップが起こる温度Tmhは、非特許文献１より下式のように考えることができる（Ta=Tfとして考える）。
ΔＧＴＭは、外部共振器レーザの位相条件を満足する波長間隔（縦モード間隔）である。
【００７６】
【数９】
2015115457.tif 000011
【００７７】
これより従来の場合、Tmhは5℃程度となる。このためモードホップが起こりやすい。したがって、モードホップが起こってしまうと、グレーティングの反射特性に基づきパワーが変動し、５％以上変動することになる。
【００７８】
以上から、実動作において、従来のガラス導波路やFBGを利用した外部共振器型レーザは、ペルチェ素子を利用して温度制御を行っていた。
【００７９】
これに対し、本実施形態では、前提条件として(2-4)式の分母が小さくなるグレーティング素子を使用するものである。(2-4)式の分母は、0.03nm/℃以下にすることが好ましく、具体的な光学材料層としては、ガリウム砒素（GaAs）、ニオブ酸リチウム（LN）、酸化タンタル（Ta2O5）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化アルミナ（Al2O3）が好ましい。
【００８０】
位相条件を満足する波長は、△λG内に５点以下存在していれば、モードホップが起こったとしても、安定なレーザ発振条件で動作が可能であることがわかった。
【００８１】
すなわち、本構造は、例えば、ＬＮのｚ軸の偏光を使用する場合に温度変化に対して、発振波長はグレーティングの温度特性に基づき0.１nm／℃で変化するが、モードホップは起こしてもパワー変動が起こりにくくすることが可能である。本願構造は、△λGを大きくするためにグレーティング長Lbは例えば100μｍとし、△ＧTMを大きくするためにLaは例えば250μｍとしている。
【００８２】
なお、特許文献６との相違についても補足する。
本願は、グレーティング波長の温度係数と半導体のゲインカーブの温度係数を近づけることを前提としている。このことから屈折率が１．８以上の材料を使用することとしている。さらにグレーティングの溝深さｔｄを２０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以上とし、反射率を３％以上、６０％以下で、かつその半値全幅△λGを０．８ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下としている。これらにより共振器構造をコンパクトにでき、かつ付加するものをなくして温度無依存性が実現できる。特許文献６では、各パラメータは以下のように記載されており、いずれも従来技術の範疇となっている。
△λG＝0.4nm
縦モード間隔△GTM＝0.2nm
グレーティング長Lb＝3mm
LD活性層長さLa＝600μｍ
伝搬部の長さ＝1.5mm
【００８３】
以下の各条件について更に具体的に述べる。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ    ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ    ・・・（３）
ｎｂ≧１．８                  ・・・（４）
【００８４】
式（４）において、ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率ｎｂは１．８以上とする。
従来は石英などの、より屈折率の低い材料が一般的であったが、本発明の思想では、ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率を高くする。この理由は、屈折率が大きい材料は屈折率の温度変化が大きいからであり、（2-4）式のＴmhを大きくすることができ、さらに前述のようにグレーティングの温度係数dλG/dTを大きくできるからである。この観点からは、ｎｂは１．９以上であることが更に好ましい。また、ｎｂの上限は特にないが、グレーティングピッチが小さくなりすぎて形成が困難になることから４以下が好ましい。
【００８５】
ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λGを０．８ｎｍ以上とする（式１）。λＧはブラッグ波長である。すなわち、図６、図７に示すように、横軸にブラッググレーティングによる反射波長をとり、縦軸に反射率をとったとき、反射率が最大となる波長をブラッグ波長とする。またブラッグ波長を中心とするピークにおいて、反射率がピークの半分になる二つの波長の差を半値全幅△λGとする。
【００８６】
ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λGを０．８ｎｍ以上とする（式（１））。これは、反射率ピークをブロードにするためである。この観点からは、半値全幅△λGを1.２ｎｍ以上とすることが好ましく、１.５ｎｍ以上とすることが更に好ましい。また、半値全幅△λGを５ｎｍ以下とするが、３ｎｍ以下とすることが更に好ましく、２ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００８７】
ブラッググレーティングの長さＬｂは３００μｍ以下とする（式２）。ブラッググレーティングの長さＬｂは、光導波路を伝搬する光の光軸の方向におけるグレーティング長である。ブラッググレーティングの長さＬｂを３００μｍ以下と従来に比べて短くすることは、本発明の設計思想の前提となる。すなわち、モードホップをしにくくするために位相条件を満足する波長間隔（縦モード間隔）を大きくする必要がある。このためには、共振器長を短くする必要がありグレーティング素子の長さを短くする。この観点からは、ブラッググレーティングの長さＬｂを２００μｍ以下とすることがいっそう好ましい。
【００８８】
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。
【００８９】
また、グレーティングの長さＬｂは、３％以上の反射率を得るためには、５μｍ以上が好ましく、５％以上の反射率を得るためには、１０μｍ以上が更に好ましい。
【００９０】
式（３）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さである。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。
【００９１】
好適な実施形態においては、レーザ発振を促進するために、グレーティング素子の反射率は３％以上、４０％以下に設定することが好ましい。この反射率は、より出力パワーを安定させるために５％以上が更に好ましく、また、出力パワーを大きくするためには２５％以下が更に好ましい。
【００９２】
レーザ発振条件は、図８に示すように、ゲイン条件と位相条件から成立する。位相条件を満足する波長は離散的であり、たとえば図９に示される。すなわち、本構造ではゲインカーブの温度係数（GaAsの場合０．３ｎｍ／℃）とグレーティングの温度係数dλG/dTを近づけることにより、発振波長を△λGの中に固定することができる。さらに△λGの中に縦モードの数が２以上、５以下存在するときには、発振波長は△λGの中でモードホップを繰り返し、△λGの外でレーザ発振する確率を低減できることから大きなモードホップが起こることがなく、さらに波長が安定で、出力パワーが安定に動作できる。
【００９３】
好適な実施形態においては、活性層の長さＬａも５００μｍ以下とする。この観点からは、活性層の長さＬａを３００μｍ以下とすることが更に好ましい。また、レーザの出力を大きくするという観点では活性層の長さＬａは、１５０μｍ以上とすることが好ましい。
【００９４】
【数１０】
2015115457.tif 000012
【００９５】
式（６）において、dλG／ｄＴは、ブラッグ波長の温度係数である。
また、dλＴＭ／ｄＴは、外部共振器レーザの位相条件を満足する波長の温度係数である。
ここで、λＴＭは、外部共振器レーザの位相条件を満足する波長であり、つまり前述した（2.3式）の位相条件を満足する波長である。これを本明細書では「縦モード」と呼ぶ。
【００９６】
以下、縦モードについて補足する。
（2.3）式の中のβ＝2πｎeff／λであり、ｎeffはその部の実効屈折率であり、これを満足するλがλTMとなる。φ2は、ブラッググレーティングの位相変化であり、λTMは図９で示される。
【００９７】
△GTMは、外部共振器レーザの位相条件を満足する波長間隔（縦モード間隔）である。λTMは、複数存在するので、複数のλTMの差を意味する。
【００９８】
したがって、式（６）を満足することで、モードホップが起こる温度を高くし、事実上モードホップを抑制することができる。式（６）の数値は、0.０25以下とすることが更に好ましい。
【００９９】
好適な実施形態においては、グレーティング素子の長さＬＷＧも６００μｍ以下とする。ＬＷＧは４００μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下が更に好ましい。また、ＬＷＧは５０μｍ以上が好ましい。
【０１００】
好適な実施形態においては、光源の出射面と光導波路の入射面との距離Ｌｇは、1μｍ以上、１０μｍ以下とする。これによって安定した発振が可能となる。
【実施例】
【０１０１】
（実施例１）
図３、図４、図５に示すような装置を作製した。
具体的には、ｚ板MgOドープのニオブ酸リチウム結晶基板にＴｉを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりy軸方向に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Λ222nm、長さLb 100μｍ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は40nmであった。また、ｙ軸伝搬の光導波路を形成するために、エキシマレーザにて、グレーティング部に、幅Wm3μｍ、Tr0.5μｍの溝加工を実施した。さらに、溝形成面にSiO2からなるバッファ層１６をスパッタ装置で0.5μｍ成膜し、支持基板としてブラックＬＮ基板を使用してグレーティング形成面を接着した。
【０１０２】
次に、ブラックＬＮ基板側を研磨定盤に貼り付け、グレーティングを形成したＬＮ基板の裏面を精密研磨して1.2μｍの厚み（Ｔｓ）とした。その後、定盤からはずし研磨面をスパッタにてSiO2からなるバッファ層１７を0.5μｍ成膜した。
【０１０３】
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Lwg  500μmとした。
【０１０４】
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。その結果、TEモードに対して中心波長945nm、最大反射率は２０％で、半値全幅△λGは2nmの特性を得た。
【０１０５】
次に、図５に示すように、外部共振器型発光装置を実装した。光源素子は、通常のGaAs系レーザで出射端面にはARコートなしとした。光源素子とグレーティング素子とを            製の共通基板上に固定し、断熱層２１を介して実装基板２２に固定した。断熱層２１としては、１００μｍ厚みのエポキシフィルムを使用した。２５℃で駆動させた時の半導体レーザーの温度を測定したところ、７０℃であった。
【０１０６】
光源素子仕様：
中心波長：      977nm
出力：          40mW
半値幅：        0.1nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Lm：          20μｍ
【０１０７】
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく、またモニター用フォトダイオードを使用することなく、電流制御（ＡＣＣ）で半導体レーザーを駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長975nmで発振した。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、40ｍＷのレーザ特性であった。
【０１０８】
また、動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、環境温度を２５℃から７０℃まで変化させた場合、半導体レーザの温度変化は５℃以内であった。このときに発振波長の温度係数は0.05nm／℃、縦モードの温度係数は0.07nm／℃であり（6式の右辺は0.02nm／℃であった）、モード間隔は０．６ｎｍであった。環境温度が変化しても、モジュールの温度は５℃程度しか変化しないのでモードホップすることなく安定で、かつパワー変動も３％以内であった。
【０１０９】
（比較例）
実施例１において、断熱層２１を設けず、共通基板３を実装基板２２に直接備えつけた。他は実施例１と同様とした。自動電流制御（ＡＣＣ）で半導体レーザを駆動させた。この場合、半導体レーザの温度を測定したところ環境温度と同じになった。
【０１１０】
次いで、環境温度を２５℃から７０℃まで変化させた場合、半導体レーザの温度変化はほとんど環境温度と同じであった。このときに発振波長の温度係数は0.05nm／℃、縦モードの温度係数は0.07nm／℃であり（6式の右辺は0.02nm／℃であった）、モード間隔は０．６ｎｍであった。この場合、温度変化３０℃でモードホップが観測された。さらに、半導体レーザーのゲインが低下したために光パワーが１０％低下した。さらに、温度を変化させた場合、さらにレーザゲインが低下するために出力低下がおこった。
【図１】
2015115457.tif 000014
【図２】
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【図３】
2015115457.tif 000016
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2015115457.tif 000021
【図９】
2015115457.tif 000022
【図１０】
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