(57)【要約】【課題】ペルチェ素子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】  グレーティング素子９は、支持基板１０、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１１、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１２を備える。光導波路において入射面とブラッググレーティング１２との間に入射側伝搬部が設けられておらず、式（１）〜式（４）の関係が満足される。  ０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）：  １０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ・・・（２）：  ２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ・・・（３）：  ｎｂ≧１．８・・・（４）【選択図】        図1
2015103732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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備えており、前記リッジ型光導波路において前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に入射側伝搬部が設けられておらず、下記式（１）〜式（４）の関係が満足されることを特徴とする、グレーティング素子。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ    ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ    ・・・（３）
ｎｂ≧１．８                  ・・・（４）
（式（１）において、△λGは、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２】
前記リッジ型光導波路において前記出射面と前記ブラッググレーティングとの間に出射側伝搬部が設けられていないことを特徴とする、請求項１記載の素子。
【請求項３】
前記リッジ型光導波路において前記出射面と前記ブラッググレーティングとの間に出射側伝搬部が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の素子。
【請求項４】
前記ブラッググレーティングを構成する前記材質が、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化ニオブ、リン化インジウム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１〜３のいずれか一つの請求項に記載のグレーティング素子。
【請求項５】
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、請求項１〜４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。
【請求項６】
下記式（５）の関係が満足されることを特徴とする、請求項５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７】
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５または６記載の装置。
【請求項８】
下記式（６）の関係が満足されることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一つの請求項に記載の装置。
【数１１】
2015103732.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、およびこれを用いた外部共振器型発光装置に関するものである。
【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、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。
【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
【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】
2015103732.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】
2015103732.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】
2015103732.tif 000005
【００１５】
縦モード間隔△λは、近似的に下式となる。
【００１６】
【数４】
2015103732.tif 000006
【００１７】
数式３と数式４より、数式５が成立する。
【００１８】
【数５】
2015103732.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】
本発明の課題は、ペルチェ素子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ことである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明に係るグレーティング素子は、
支持基板、
前記支持基板上に設けられ、厚さ０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の光学材料層、
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備えており、前記リッジ型光導波路において前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に入射側伝搬部が設けられておらず、下記式（１）〜式（４）の関係が満足されることを特徴とする。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ    ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ    ・・・（３）
ｎｂ≧１．８                  ・・・（４）
（式（１）において、△λGは、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。）
【００２６】
また、本発明は、半導体レーザ光を発振する光源、およびこの光源と外部共振器を構成するグレーティング素子を備える外部共振器型発光装置であって、
前記光源が、前記半導体レーザ光を発振する活性層を備えており、前記グレーティング素子が前記のものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
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。
【００２８】
このため本発明では、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。
【００２９】
そして、本発明では、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。
【００３０】
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を２〜５に調節できる。すなわち、位相条件を満足する波長は離散的であり、△λGの中に縦モードの数が２以上、５以下存在しているときには、△λGの中でモードホップを繰り返し、この外にはずれることはない。このため大きなモードホップが起きないので、波長安定性を高くし、光パワー変動を抑制できることを見いだした。
【００３１】
一方、光ファイバや光導波路にグレーティングが形成されたデバイスは、入力端から通常１０μｍから１００μｍ程度以上の入射側伝搬部を設け、この入射側伝搬部を伝搬させた後にグレーティング部が始まる構造となっている。入力端近傍では、光ファイバや光導波路を伝搬する光電界分布（伝搬モード）が不安定となるからである。不安定領域にグレーティング構造があるとグレーティング部での反射率や半値幅が不安定になるだけでなく、光の散乱による過剰損失が発生する。このため入射側伝搬部を設けることが設計上の常識となっていた。
【００３２】
これに対して、本願発明では、波長安定化のために縦モード間隔を大きくする必要があり、共振器長を短くするという観点では入射側伝搬部をなくしたいという要求があった。このため、実際に入射側伝搬部を除いたところ、本願構造では、予想に反して、反射率、半値幅のばらつきもなく、過剰損失もほとんど観測されないことが判明した。
【００３３】
例えば、図１０は、入射側伝搬部を無くした場合の縦モードの計算値であり、図１１は、入射側伝搬部の長さＬｍを１０μｍとした場合の縦モードの計算値である。レーザの長さは２５０μｍ、ギャップは３μｍ、グレーティング長は１００μｍとしている。
【００３４】
この結果、入射側伝搬部の長さＬｍが１０μｍの場合には、グレーティング反射特性の半値幅の中に縦モードが３本含まれていたが（図１１参照）、Ｌｍ＝０（入射側伝搬部が存在しない）場合は、縦モードの数が２本に減少していた（図１０参照）。これによりモードホップがしにくくなり波長安定性が増し、出力変動のないレーザ光を得ることが可能となる。すなわち、入射側伝搬部を設けない場合にも、入射側伝搬部が存在する場合と同等以上の効果が得られることを見いだし、本発明に到達した。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】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を模式的に示す斜視図である。
【図３】他の外部共振器型発光装置の模式図である。
【図４】他のグレーティング素子を模式的に示す斜視図である。
【図５】グレーティング素子の横断面図である。
【図６】他のグレーティング素子の横断面図である。
【図７】更に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８】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９】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１０】入射側伝搬部を無くした場合の縦モードの計算値である。
【図１１】入射側伝搬部の長さＬｍを１０μｍとした場合の縦モードの計算値である。
【図１２】実施例１における反射特性を示す。
【図１３】実施例１において、グレーティング長10μｍ〜1000μｍまでの反射率と反射半値幅の結果を示す。
【図１４】実施例１において、グレーティング溝深さｔｄが200nmと350nmのグレーティング長100μｍ以上での反射率と半値幅の結果を示す。
【図１５】実施例１において、グレーティング溝深さ２０、４０、６０nmにした場合のグレーティング長50〜1000μｍの反射率と半値幅の結果を示す。
【図１６】実施例２におけるレーザのスペクトル特性を図１６に示す。
【図１７】レーザ発振条件を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
図１、図５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が設けられていない。この結果、ブラッググレーティング１２の入射側末端に無反射膜７Ｂが直接設けられており、このブラッググレーティングが伝搬部なしで活性層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膜であり、７Ｃは、光学材料層１１の出射面側に設けられた無反射膜である。なお、本例では、光導波路の出射側に回折格子のない出射側伝搬部が設けられておらず、光導波路の出射側端面に無反射層７Ｃが直接形成されている。
【００３９】
光導波路１８はリッジ型光導波路であり、支持基板１０上に設けられている。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。
【００４０】
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。
【００４１】
図５に示すように、本例では、支持基板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１１ａ面に形成していてもよく、１１ｂ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１１ａ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。
【００４２】
また、図６に示す素子９Ｂ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の支持基板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１１ａ側に形成していてもよく、リッジ溝のある１１ｂ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１１ａ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。
【００４３】
図３、図４は、他の実施形態に係る外部共振器型発光装置１Ａを示すものである。外部共振器型発光装置１Ａ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９Ａとを備えている。光源２とグレーティング素子９Ａとは、共通基板３上にマウントされている。
【００４４】
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。
【００４５】
図３、図５に示すように、グレーティング素子７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が設けられていない。この結果、ブラッググレーティング１２の入射側末端に無反射膜７Ｂが直接設けられており、このブラッググレーティングが伝搬部なしで活性層５と間隙１４を介して対向している。一方、本例では、光導波路の出射側に、回折格子のない出射側伝搬部２１が設けられており、出射側伝搬部２１の端面に無反射層７Ｃが直接形成されている。
【００４６】
グレーティング素子１Ａの横断面形状は、図５に示すものでよく、図６に示すものでもよい。
【００４７】
図７は、他の実施形態に係る装置１Ｃを示す。本装置１Ｃ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、通常の半導体レーザのように反射膜２０が形成されている。
【００４８】
この場合、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。
【００４９】
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。
【００５０】
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）
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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５の例では接着固定だが、直接接合でもよい。
【００５９】
以下、図１７に示すような構成において本発明の条件の意味について更に述べる。
ただし、数式は抽象的で理解しにくいので、最初に、従来技術の典型的な形態と本発明の実施形態とを端的に比較し、本発明の特徴を述べる。次いで、本発明の各条件について述べていくこととする。
【００６０】
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。
【００６１】
【数６】
2015103732.tif 000008
【００６２】
ゲイン条件は、（2-1）式より下式となる。
【数７】
2015103732.tif 000009
【００６３】
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。
【００６４】
（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。
【００６５】
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】
2015103732.tif 000010
【００６６】
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８と図９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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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）。
【００７０】
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。
【００７１】
【数９】
2015103732.tif 000011
【００７２】
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。
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。
【００７３】
これに対し、本発明は、前提条件として(2-4)式の分母が小さくなるグレーティング素子を使用するものである。(2-4)式の分母は、0.03nm/℃以下にすることが好ましく、具体的な光学材料層としては、ガリウム砒素（GaAs）、ニオブ酸リチウム（LN）、酸化タンタル（Ta2O5）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化アルミナ（Al2O3）が好ましい。
【００７４】
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。
【００７５】
すなわち、本発明構造は、例えば、ＬＮのｚ軸の偏光を使用する場合に温度変化に対して、発振波長はグレーティングの温度特性に基づき0.１nm／℃で変化するが、モードホップは起こしてもパワー変動が起こりにくくすることが可能である。本願構造は、△λGを大きくするためにグレーティング長Lbは例えば100μｍとし、△ＧTMを大きくするためにLaは例えば250μｍとしている。
【００７６】
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
【００７７】
以下、本発明の以下の各条件について更に具体的に述べる。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ    ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ    ・・・（３）
ｎｂ≧１．８                  ・・・（４）
【００７８】
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。
【００７９】
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８、図９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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
本発明においては、入射側伝搬部を設けないが、安定した発振が可能である。
【００８６】
一方、出射側伝搬部２１を設ける場合には、出射側伝搬部２１の長さＬｍ−ｏｕｔは限定されないが、本発明の観点からは、２０μｍ以下が好ましく、１００μｍ以下が好ましい。出射側伝搬部は設けなくとも良い。
【００８７】
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。
【００８８】
レーザ発振条件は、図１６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１０、図１１に示される。すなわち、本願構造ではゲインカーブの温度係数（GaAsの場合０．３ｎｍ／℃）とグレーティングの温度係数dλG/dTを近づけることにより、発振波長を△λGの中に固定することができる。さらに△λGの中に縦モードの数が２以上、５以下存在するときには、発振波長は、△λGの中でモードホップを繰り返し、△λGの外でレーザ発振する確率を低減できることから大きなモードホップが起こることがなく、さらに波長が安定で、出力パワーが安定に動作できる。
【００８９】
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。
【００９０】
【数１０】
2015103732.tif 000012
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。
【００９１】
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１３で示される。。
【００９２】
△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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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】
【００９６】
（実施例１）
図１、図２、図５に示すようなグレーティング素子９を作製した。
具体的には、石英基板にスパッタ装置にてTa2O5を1.2μｍ成膜して導波路層を形成した。次に、Ta2O5上に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Λ232nm、長さLb  5〜 100μｍ、300μｍ、500μｍ、1000μｍ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20、40、60、100、160、200、350nmとした。さらにｙ軸伝搬の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により、幅Wm3μｍ、Tr0.5μｍの溝加工を実施した。
【００９７】
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、Lm  ０μｍとした（図１０参照）。すなわち、入射側伝搬部、出射側伝搬部は、ともに設けていない。
【００９８】
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全て９４５±１ｎｍであった。
【００９９】
溝深さが200nmの場合、グレーティング長30μｍ〜70μｍまでの反射特性結果を図１２に示す。この結果からグレーティング長が短くなるにつれ、反射率が小さくなることがわかった。
【０１００】
さらにグレーティング長10μｍ〜1000μｍまでの反射率と反射半値幅の結果を図１３に示す。この結果から、グレーティング長9μｍでは、反射率２％、半値幅７nmとなるが、10μｍ（17μｍ）以上では、反射率３％（２０％）以上となり、半値幅は6nm（5nm）以下となる。
【０１０１】
グレーティング溝深さｔｄが200nmと350nmのグレーティング長100μｍ以上での反射率と半値幅の結果を図１４に示す。この結果から、この深さ、長さでは反射率、半値幅は変化がなく制御できない。
【０１０２】
また、グレーティング溝深さ２０、４０、６０nmにした場合のグレーティング長50〜1000μｍの反射率と半値幅の結果を図１５に示す。この溝深さの領域では、グレーティング長によって大きく反射率を制御できることがわかる。半値幅はグレーティング長が400μｍ以下では単調増加する傾向がある。深さ２０ｎｍではグレーティング長200μｍ以上になると半値幅が0.8nmよりも小さくなる。
【０１０３】
（参考例１）
実施例１と同様な方法でLm＝10μｍ、100μｍ、1000μｍのグレーティング素子を作製した（図１１参照）。すなわち、入射側伝搬部を設けた。いずれの素子においても、Lm＝０μｍの場合と同じ反射率、半値幅であった。
【０１０４】
（実施例２）
図３、図４、図６に示すようなグレーティング素子および装置を作製した。
【０１０５】
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Λ214nm、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。
【０１０６】
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。
ブラックＬＮとは、酸素欠損状態にしたニオブ酸リチウムのことであり、焦電による電荷発生を抑制できる。これにより温度変動があった場合の耐サージによる基板クラックを防止できる。
【０１０７】
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、Lm  ０μｍとした。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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３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、もう一方の端面は反射率0.1％のARコートを成膜したものを用意した。
【０１１０】
光源素子仕様：
中心波長：      950nm
出力            20mW
半値幅：        50nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Lm：          20μｍ
【０１１１】
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、中心波長945nm、出力50ｍＷのレーザ特性であった。レーザのスペクトル特性を図１６に示す。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、モードホップが起こる温度、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は85℃、この温度域内でのパワー出力変動は１％以内であった。
【０１１２】
（参考例２）
実施例２と同様にLm＝１０μｍになるグレーティング素子を作製し、同じ光源を利用してモジュール化してレーザ発振波長の温度依存性、モードホップが起こる温度、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は80℃、この温度域内でのパワー出力変動は１％以内であった。
【０１１３】
（実施例３）
実施例２と同じ方法でピッチ間隔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975nm、最大反射率は２０％で、半値全幅△λGは2nmの特性を得た。
【０１１４】
次に、図７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系レーザで出射端面にはARコートなしとした。
【０１１５】
光源素子仕様：
中心波長：      977nm
出力：          50mW
半値幅：        0.1nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Lm：          20μｍ
【０１１６】
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975nm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40ｍＷのレーザ特性であった。また動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は85℃、この温度域でのパワー出力変動はモードホップが起こっても１％以内であった。
【０１１７】
（参考例３）
実施例３と同様にLm＝１０μｍになるグレーティング素子を作製し、同じ光源を利用してモジュール化してレーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は80℃、この温度域内でのパワー出力変動はモードホップが起こっても１％以内であった。
【０１１８】
（比較例）
実施例３において、グレーティング素子がない場合には、レーザ発振波長の温度係数は0.3nm／℃で大きく、モードホップ温度は10℃程度とであった。10℃以上ではパワー変動が大きくなり、出力変動は１０％以上となった。
【０１１９】
（実施例４）
石英基板にスパッタ装置にてTa2O5を1.2μｍ成膜して導波路層を形成した。次に、Ta2O5上に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Λ232nm、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とした。次に、上記と同様にして反応性イオンエッチングにより、図１、２、５に示す形状の光導波路を形成した。グレーティング素子の光学特性は、広帯域波長光源であるスーパ・ルミネッセンス・ダイオード（SLD）を使用して、グレーティング素子に光を入力して出力光を光スペクトルアナライザで分析することにより、その透過特性から反射特性を評価した。その結果、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。
【０１２０】
次に、図１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系レーザで出射端面には0.1％ARコートを成膜した。
【０１２１】
光源素子仕様：
中心波長：      950nm
出力：          20mW
半値幅：        50nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Lm：          20μｍ
【０１２２】
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945nmで発振し、出力は50ｍＷであった。また動作温度範囲を評価するために恒温槽内にモジュールを設置し、レーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.03nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は55℃、その温度域でのパワー出力変動はモードホップが起こっても１％以内であった。
【０１２３】
（参考例４）
実施例３と同様にLm＝１０μｍになるグレーティング素子を作製し、同じ光源を利用してモジュール化してレーザ発振波長の温度依存性、出力変動を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.03nm／℃、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は50℃、この温度域内でのパワー出力変動はモードホップが起こっても１％以内であった。
【図１】
2015103732.tif 000014
【図２】
2015103732.tif 000015
【図３】
2015103732.tif 000016
【図４】
2015103732.tif 000017
【図５】
2015103732.tif 000018
【図６】
2015103732.tif 000019
【図７】
2015103732.tif 000020
【図８】
2015103732.tif 000021
【図９】
2015103732.tif 000022
【図１０】
2015103732.tif 000023
【図１１】
2015103732.tif 000024
【図１２】
2015103732.tif 000025
【図１３】
2015103732.tif 000026
【図１４】
2015103732.tif 000027
【図１５】
2015103732.tif 000028
【図１６】
2015103732.tif 000029
【図１７】
2015103732.tif 000030