(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記レーザ光の横モードがシングルモードであり、
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た光学材料層、
前記光学材料層に設けられ、レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射端を有するリッジ型光導波路、および
このリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティングを備えており、
前記リッジ型光導波路が、前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている入射部および前記入射部と前記ブラッググレーティングとの間に設けられているテーパ部を含んでおり、
前記リッジ型光導波路において伝搬光がシングルモード伝搬し、
前記テーパ部が、第一の幅を有する第一の端部と、前記第一の幅よりも小さい第二の幅を有する第二の端部とを有しており、前記第一の端部が前記入射部につながっており、
前記入射部における前記リッジ型光導波路の幅が前記ブラッググレーティングにおける前記リッジ型光導波路の幅よりも大きく、
前記テーパ部における前記リッジ型光導波路の幅が前記入射部から前記ブラッググレーティングに向かって小さくなっており、
前記入射部における前記リッジ型光導波路の前記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倍以上であり、
下記式（１）〜式（５）の関係が満足されることを特徴とする、外部共振器型発光装置。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ    ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ    ・・・（３）
ｎｂ≧１．８                  ・・・（４）
ＬＷＧ  ≦５００μｍ        ・・・（５）
（式（１）において、△λGは、前記ブラッググレーティングのブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式（２）において、Ｌｂは、前記ブラッググレーティングの長さである。
式（３）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さである。
式（４）において、ｎｂは、前記光学材料層を構成する材質の屈折率であり、
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２】
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、前記レーザ光の横モードがシングルモードであり、
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た光学材料層、
前記光学材料層に設けられ、レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射端を有するリッジ型光導波路、および
このリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティングを備えており、
前記リッジ型光導波路が、前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている入射部および前記入射部と前記ブラッググレーティングとの間に設けられているテーパ部を含んでおり、
前記光導波路において伝搬光がシングルモード伝搬し、
前記テーパ部が、第一の幅を有する第一の端部と、前記第一の幅よりも小さい第二の幅を有する第二の端部とを有しており、前記第一の端部が前記入射部につながっており、
前記入射部における前記リッジ型光導波路の幅が前記ブラッググレーティングにおける前記リッジ型光導波路の幅よりも大きく、
前記テーパ部における前記リッジ型光導波路の幅が前記入射部から前記ブラッググレーティングに向かって小さくなっており、
前記入射部における前記リッジ型光導波路の前記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倍以上であり、
下記式（１）、式（２）、式（３）および式（５）の関係が満足され、
前記光学材料層を構成する材質が、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、タンタル酸リチウム、酸化マグネシウム、酸化二オブおよび酸化チタンからなる群より選択されることを特徴とする、外部共振器型発光装置。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ    ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ    ・・・（３）
ＬＷＧ  ≦５００μｍ        ・・・（５）
（式（１）において、△λGは、前記ブラッググレーティングのブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式（２）において、Ｌｂは、前記ブラッググレーティングの長さである。
式（３）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さであり、
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３】
前記入射部における前記光学材料層の厚さが前記ブラッググレーティングにおける前記光学材料層の厚さよりも大きく、前記テーパ部における前記光学材料層の厚さが前記入射部から前記ブラッググレーティングに向かって小さくなっていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記レーザ光の波長がλであり、少なくとも前記入射部における前記光学材料層の厚さがＷｉｎｖであり、Ｗｉｎｖ／λが２以上、３以下であり、前記ブラッググレーティングにおける前記リッジ型光導波路の幅が３λ以上、５λ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の装置。
【請求項５】
前記ブラッググレーティングにおける前記光学材料層の厚さＷｇｒｖ／前記レーザ光の波長λが１以上、２以下であることを特徴とする。請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記入射面と前記出射端との少なくとも一方に、前記光学材料層を構成する前記材質の屈折率よりも低い屈折率を有する材質からなる単層膜が形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の装置。
【請求項７】
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１〜６のいずれか一つの請求項に記載の装置。
【請求項８】
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１〜７のいずれか一つの請求項に記載の装置。
【請求項９】
下記式（６）の関係が満足されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の装置。
【数１０】
0006554035.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。
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】
0006554035.tif 000002
【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】
0006554035.tif 000003
【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】
0006554035.tif 000004
【００１５】
縦モード間隔△λは、近似的に下式となる。【００１６】
【数４】
0006554035.tif 000005
【００１７】
数式３と数式４より、数式５が成立する。【００１８】
【数５】
0006554035.tif 000006
【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】
ここで、光源とグレーティング素子の結合効率を保持しつつ、同時に軸ずれトレランスを確保することが望ましい。具体的には、結合効率を５０％以上とし、軸ずれ許容幅を±１μｍ程度とすることが望まれる。【００２５】
本発明者は、結合効率の軸ずれトレランスを向上させるため、入射部における光学材料層の厚さ、リッジ型光導波路の幅を、光源から出射するレーザ光のモードフィールド径（垂直方向、水平方向）よりも大きく設定することを試みた。例えば、リッジ型光導波路の幅がレーザ光の水平方向のモードフィールド径の１．５倍以上となるようにしてみた。さらに、光学材料層の厚さがレーザ光の垂直方向のモードフィールド径の１．５倍以上となるようにしてみた。【００２６】
一般的に光源の横モードはシングルモードであり、そのスポット径は垂直方向で０．５μｍから２μｍであり、水平方向では１μｍから６μｍとなっている。また、たとえば、入射部における光学材料層の厚みはＷｉｎｖ／λが２以上としている。光学材料層はあまり厚いと結合損失が大きくなってしまうので、Ｗｉｎｖ／λは３以下が好ましい。特に、波長０．７μｍから１．１μｍにおいて入射部でのリッジ型光導波路の幅は、軸ずれトレランスを大きくする観点で５μｍ以上が好ましく、結合損失が大きくなってしまうので、１０μｍ以下とすることが好ましい。【００２７】
しかし、このように軸ずれトレランスを大きくするため、リッジ型光導波路の幅を大きくすると、今度はブラッググレーティングにおいてマルチモードが励振され、シングルモード励振されにくくなることが判明してきた。この場合には、出射光がマルチモード光となった。しかも、マルチモード光の場合、複数の反射波長が存在するため、波長不安定性が生ずる。【００２８】
本発明の課題は、光源からのレーザ光と、グレーティング素子の光導波路との軸ずれトレランスを大きくしつつ、ブラッググレーティングによる外部共振器型レーザの波長安定性を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明は、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、前記レーザ光の横モードがシングルモードであり、
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た光学材料層、
前記光学材料層に設けられ、レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射端を有するリッジ型光導波路、および
このリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティングを備えており、
前記リッジ型光導波路が、前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている入射部および前記入射部と前記ブラッググレーティングとの間に設けられているテーパ部を含んでおり、
前記リッジ型光導波路において伝搬光がシングルモード伝搬し、
前記テーパ部が、第一の幅を有する第一の端部と、前記第一の幅よりも小さい第二の幅を有する第二の端部とを有しており、前記第一の端部が前記入射部につながっており、
前記入射部における前記リッジ型光導波路の幅が前記ブラッググレーティングにおける前記リッジ型光導波路の幅よりも大きく、
前記テーパ部における前記リッジ型光導波路の幅が前記入射部から前記ブラッググレーティングに向かって小さくなっており、
前記入射部における前記リッジ型光導波路の前記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倍以上であり、
下記式（１）〜式（５）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）
ＬＷＧ  ≦５００μｍ        ・・・（５）
（式（１）において、△λGは、前記ブラッググレーティングのブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式（２）において、Ｌｂは、前記ブラッググレーティングの長さである。
式（３）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さである。
式（４）において、ｎｂは、前記光学材料層を構成する材質の屈折率であり、
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。）
【００３０】
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、前記レーザ光を発振する活性層を備えており、前記レーザ光の横モードがシングルモードであり、
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た光学材料層、
前記光学材料層に設けられ、レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射端を有するリッジ型光導波路、および
このリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティングを備えており、
前記リッジ型光導波路が、前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている入射部および前記入射部と前記ブラッググレーティングとの間に設けられているテーパ部を含んでおり、
前記光導波路において伝搬光がシングルモード伝搬し、
前記テーパ部が、第一の幅を有する第一の端部と、前記第一の幅よりも小さい第二の幅を有する第二の端部とを有しており、前記第一の端部が前記入射部につながっており、
前記入射部における前記リッジ型光導波路の幅が前記ブラッググレーティングにおける前記リッジ型光導波路の幅よりも大きく、
前記テーパ部における前記リッジ型光導波路の幅が前記入射部から前記ブラッググレーティングに向かって小さくなっており、
前記入射部における前記リッジ型光導波路の前記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倍以上であり、
下記式（１）、式（２）、式（３）および式（５）の関係が満足され、
前記光学材料層を構成する材質が、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、タンタル酸リチウム、酸化マグネシウム、酸化二オブおよび酸化チタンからなる群より選択されることを特徴とする。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌｂ≦３００μｍ    ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ    ・・・（３）
ＬＷＧ  ≦５００μｍ        ・・・（５）

（式（１）において、△λGは、前記ブラッググレーティングのブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式（２）において、Ｌｂは、前記ブラッググレーティングの長さである。
式（３）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さであり、
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。）
【発明の効果】
【００３１】
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。【００３２】
このため、グレーティングが形成される導波路基板の屈折率を高くすることが好ましい。これにより屈折率の温度係数を大きくでき、dλG／dTが大きくできるので、｜dλG／dT―dλTM／dT｜を小さくでき、モードホップがおこる温度域△Tを大きくできる。【００３３】
そして、本発明では、当業者の常識に反して、ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λGを大きめに設定している。その上で、モードホップが起こりにくいようにするために、位相条件を満足する波長間隔（縦モード間隔）を大きくする必要がある。このため、共振器長を短くする必要があるので、グレーティング素子の長さＬｂを３００μｍ以下と短くした。【００３４】
その上で、ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さｔｄを２０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下の範囲内で調節することによって、△λGを０．８ｎｍ以上、６ｎｍ以下にすることができ、この△λGの範囲内に縦モードの数を２〜５に調節できる。すなわち、位相条件を満足する波長は離散的であり、△λGの中に縦モードの数が２以上、５以下存在しているときには、△λGの中でモードホップを繰り返し、この外にはずれることはない。このため大きなモードホップが起きないので、波長安定性を高くし、光パワー変動を抑制できることを見い出した。【００３５】
その上で、入射部におけるリッジ型光導波路幅をレーザ光の水平方向のモードフィールド径よりも大きくし、例えば１．５倍以上とすると、光源との軸ずれトレランスを大きくすることができる。ただし、光導波路幅を大きくすると、ブラッググレーティングにおいて伝搬光がマルチモード化するために、波長安定性が損なわれてしまう。このため、本発明においては、ブラッググレーティングにおけるリッジ型光導波路幅を相対的に小さくし、入射部とブラッググレーティングとの間に、リッジ型光導波路幅が小さくなるテーバ部を設けることとした。これによって、ブラッググレーティングにおいて伝搬光をシングルモードとする条件下において、軸ずれトレランスを改善することに成功した。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】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。
【図２】（ａ）は、グレーティング素子２Ａを模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、グレーティング素子２Ａを模式的に示す側面図である。
【図３】（ａ）は、グレーティング素子２Ｂを模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、グレーティング素子２Ｂを模式的に示す側面図である。
【図４】グレーティング素子の斜視図である。
【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】さらに他のグレーティング素子の横断面図である。
【図８】外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。
【図９】外部共振器型発光装置を模式的に示す側面図である。
【図１０】他の外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。
【図１１】他の外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。
【図１２】更に他の実施形態に係る外部共振器型発光装置を模式的に示す平面図である。
【図１３】図１２の装置を模式的に示す縦断面図である。
【図１４】レーザ発振条件を説明する図である。
【図１５】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１６】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１７】モードフィールドパターンの例である。
【図１８】モードフィールドパターンの例である。
【図１９】リッジ型光導波路の幅と実効屈折率との関係を示すグラフである。
【図２０】リッジ型光導波路の幅と導波路における伝搬高率との関係を示すグラフである。
【図２１】本発明における、離散的な位相条件例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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。
【００３８】
リッジ型光導波路３Ａは、入射部３ａ、テーパ部３ｂ、連結部３ｃ、グレーティング部３ｄ、出射部３ｅを備えており、グレーティング部３ｄにはブラッググレーティング２０が形成されている。出射部３ｅの幅は一定である。リッジ型光導波路３Ｂは、入射部３ａ、テーパ部３ｂ、連結部３ｃ、グレーティング部３ｄ、出射部３ｅ、およびグレーティング部と出射部３ｅとの間の連結部３ｆを備えており、グレーティング部３ｄにはブラッググレーティング２０が形成されている。連結部３ｆの幅は一定であるが、出射部３ｅの幅は、出射面に近づくのにつれて徐々に縮小している。
【００３９】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、グレーティング素子２Ａの場合には、支持基板５上に下部クラッド層４を介して光学材料層１が形成されている。１ｃは上面である。クラッド層は光学材料層よりも屈折率の小さい材料であればよく、接着層であってもよい。接着層の場合には、光学材料層の底面１ｄが支持基板５上に接着されている。
【００４０】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、グレーティング素子２Ｂの場合には、支持基板５上に下側クラッド層４を介して光学材料層１が形成されている。１ｃは上面である。前記下側クラッド層は光学材料層よりも屈折率の小さい材料であればよく、接着層であってもよい。接着層の場合には、光学材料層の底面１ｄが支持基板５上に接着されている。
【００４１】
図４には、グレーティング素子２Ａの斜視図を模式的に示す。グレーティング素子４Ｂもほぼ同様である。
【００４２】
図５、図６、図７は、それぞれ、グレーティング素子をブラッググレーティングで切ってみた横断面を示す。
【００４３】
図５の例では、支持基板５上に接着層７、下側バッファ層４を介して光学材料層１が形成されており、光学材料層１上に上側バッファ層８が形成されている。光学材料層１には、例えば一対のリッジ溝９が形成されており、リッジ溝９の間にリッジ型光導波路のグレーティング部３ｄが形成されている。
【００４４】
この場合、ブラッググレーティングは上面１ｃ側に形成していてもよく、底面１ｄ側に形成していてもよい。ブラッググレーティングおよびリッジ溝の形状ばらつきを低減するという観点からは、ブラッググレーティングを平坦な底面１ｄ側に形成することによって、ブラッググレーティングとリッジ溝９とを基板の反対側に設けることが好ましい。
【００４５】
図６の例は、図５の例と同様である。ただし、光学材料層１は支持基板５の上に下側にバッファ層４を介して形成されている。また光学材料層１の上には上側バッファ層８が形成されている。
【００４６】
図７の例では、支持基板５上に接着層７、下側バッファ層４を介して光学材料層１が形成されており、光学材料層１上に上側バッファ層８が形成されている。光学材料層１の支持基板５側には、例えば一対のリッジ溝９が形成されており、リッジ溝９の間にリッジ型光導波路３ｄが形成されている。この場合、ブラッググレーティングは平坦な上面１ｃ側に形成していてもよく、リッジ溝のある底面１ｄ側に形成していてもよい。ブラッググレーティングおよびリッジ溝の形状ばらつきを低減するという観点では、ブラッググレーティングを平坦な上面１ｃ側に形成することによって、ブラッググレーティングとリッジ溝とを基板の反対側に設けることが好ましい。また、上側バッファ層８はなくてもよく、この場合、空気層が直接グレーティングに接することができる。これによりグレーティング溝が有る無しで屈折率差を大きくすることができ、短いグレーティング長で反射率を大きくすることができる。
【００４７】
しかしながら、支持基板５が光学材料層１よりも屈折率が大きい場合には、上側バッファ層は形成されていた方が導波路の伝搬損失を低減するという観点で好ましい。
【００４８】
図８、図９に模式的に示す発光装置１０は、レーザ光を発振する光源１１と、グレーティング素子２Ａとを備えている。光源１１とグレーティング素子２Ａとは、共通基板１７上にマウントされている。
【００４９】
光源１１は、半導体レーザ光を発振する活性層１２を備えている。本実施形態では、活性層１２は基体１５に設けられている。光源の外側端面には反射膜１６が設けられており、活性層１２のグレーティング素子側の端面には無反射層１３Ａが形成されている。
【００５０】
グレーティング素子の入射部は活性層１２と間隙１４を介して対向している。１３Ｂは、光学材料層１の入射面側に設けられた無反射膜であり、１３Ｃは、光学材料層１の出射面側に設けられた無反射膜である。
【００５１】
無反射層１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの反射率は、グレーティング反射率よりも小さい値であればよく、さらに０．１％以下が好ましい。しかし、端面における反射率がグレーティング反射率よりも小さい値であれば、無反射層はなくてもよく、無反射層の代わりに反射膜を設けることもできる。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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）
【００５７】
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。
【００５８】
ブラッググレーティングは以下のようにして物理的、あるいは化学的なエッチングにより形成することができる。
具体例として、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒなどの金属膜を高屈折率基板に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝を形成する。最後に金属マスクを除去することにより形成できる。
リッジ型光導波路も、グレーティング溝と同じように形成することができる。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
また、光学材料層は、支持基体上に薄膜形成法によって成膜して形成してもよい。こうした薄膜形成法としては、スパッタ、蒸着、ＣＶＤを例示できる。この場合には、光学材料層１１は支持基体に直接形成されている。または、支持基体に下側バッファ層を形成した後に光学材料層を形成することができる
【００６２】
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。
【００６３】
支持基体の屈折率が光学材料層の屈折率よりも大きい場合には下部クラッド層は必須であるが、導波路損失の低減という観点で上部クラッド層を設けることが好ましい。
下部、上部クラッド層は、それぞれ下部、上部バッファ層であってよく、またこれらの屈折率は、光学材料層の屈折率よりも低い。
【００６４】
無反射層の反射率は、グレーティング反射率以下である必要があり、無反射層に成膜する膜材としては、二酸化珪素、五酸化タンタル、フッ化マグネシウムなどの酸化物で積層した膜や、金属類も使用可能である。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
図１０の例では、光源１１に対してグレーティング素子２Ａが光学結合されているとともに、グレーティング素子２Ａの出射部３ｅの出射面に対して、別体の光導波路基板２１の光導波路２２が光学的に結合されている。
【００６８】
図１１の例では、光源１１に対してグレーティング素子２Ｂが光学結合されているとともに、グレーティング素子２Ｂの出射部３ｅの出射面に対して、別体の光導波路基板２１の光導波路２２が光学的に結合されている。
【００６９】
図１２、図１３の例では、光源１１およびグレーティング素子２２が共通基板２４上に実装されている。接着層７、２５を設けることも可能である。
【００７０】
グレーティング素子２２のリッジ型光導波路２３Ａは、入射部２３ａ、テーパ部２３ｂ、グレーティング部２３ｄ、出射部２３ｅを備えており、グレーティング部２３ｄにはブラッググレーティング２０が形成されている。素子の上面から見ると（図１２）、入射部２３ａにおける光導波路幅Ｗｉｎは、ブラッググレーティングにおける光導波路幅Ｗｇｒよりも大きくなっている。テーパ部２３ｂにおける光導波路幅Ｗｔは、ＷｉｎからＷｇｒへと向かって単調減少している。また、本例では、出射部２３ｅにおける光導波路幅Ｗｏｕｔは一定である。
【００７１】
また、素子の側面側から見ると（図１３）、入射部２３ａにおける光学材料層厚さＷｉｎｖは、ブラッググレーティングにおける光学材料層厚さＷｇｒｖよりも大きくなっている。テーパ部２３ｂにおける光学材料層厚さＷｔｖは、ＷｉｎｖからＷｇｒｖへと向かって単調減少している。また、本例では、出射部２３ｅにおける光学材料層厚さＷｏｕｔｖは一定である。
【００７２】
以下、図１４に示すような構成において本発明の条件の意味について更に述べる。
ただし、数式は抽象的で理解しにくいので、最初に、従来技術の典型的な形態と本発明の実施形態とを端的に比較し、本発明の特徴を述べる。次いで、本発明の各条件について述べていくこととする。
【００７３】
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。
【００７４】
【数６】
0006554035.tif 000007
【００７５】
ゲイン条件は、（2-1）式より下式となる。
【数７】
0006554035.tif 000008
【００７６】
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。
【００７７】
（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。
【００７８】
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】
0006554035.tif 000009
【００７９】
外部共振器型レーザは、外部共振器として、石英系ガラス導波路、FBGを用いたものが製品化されている。従来の設計コンセプトは、図１５と図１６に示すように、グレーティングの反射特性は△λG=0.2nm程度、反射率10%となっている。このことから、グレーティング部の長さは１ｍｍとなっている。一方、位相条件については、満足する波長は離散的になり、△λG内に、(2-3)式が2〜3点あるように設計されている。このため、レーザ媒体の活性層長さが長いものが必要になり、１ｍｍ以上のものが使用されている。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
【数９】
0006554035.tif 000010
【００８４】
これより従来の場合、モードホップが起こる温度Tmhは5℃程度となる。このためモードホップが起こりやすい。したがって、モードホップが起こってしまうと、グレーティングの反射特性に基づきパワーが変動し、５％以上変動することになる。
【００８５】
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。
【００８６】
これに対し、本発明は、前提条件として(2-4)式の分母が小さくなるグレーティング素子を使用するものである。(2-4)式の分母は、0.03nm/℃以下にすることが好ましく、具体的な光学材料層としては、ガリウム砒素（GaAs）、ニオブ酸リチウム（LN）、タンタル酸リチウム（LT）、酸化タンタル（Ta2O5）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化アルミニウム（Al2O3）、酸化マグネシウム（MgO）、酸化二オブ（Nb2O5）、酸化チタン（TiO2）が好ましい。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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
【００９０】
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）
【００９１】
ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率ｎｂを１．７以上とすることが好ましく、１．８以上とすることが更に好ましい。
従来は石英などの、より屈折率の低い材料が一般的であったが、本発明の思想では、ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率を高くする。この理由は、屈折率が大きい材料は屈折率の温度変化が大きいからであり、（2-4）式のＴmhを大きくすることができ、さらに前述のようにグレーティングの温度係数dλG/dTを大きくできるからである。この観点からは、ｎｂは１．９以上であることが更に好ましい。また、ｎｂの上限は特にないが、グレーティングピッチが小さくなりすぎて形成が困難になることから４以下が好ましい。
【００９２】
ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λGを０．８ｎｍ以上とする（式１）。λＧはブラッグ波長である。すなわち、図１５、図１６に示すように、横軸にブラッググレーティングによる反射波長をとり、縦軸に反射率をとったとき、反射率が最大となる波長をブラッグ波長とする。またブラッグ波長を中心とするピークにおいて、反射率がピークの半分になる二つの波長の差を半値全幅△λGとする。
【００９３】
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。
【００９４】
ブラッググレーティングの長さＬｂは３００μｍ以下とする（式２：図９参照）。ブラッググレーティングの長さＬｂは、光導波路を伝搬する光の光軸の方向におけるグレーティング長である。ブラッググレーティングの長さＬｂを３００μｍ以下と従来に比べて短くすることは、本発明の設計思想の前提となる。すなわち、モードホップをしにくくするために位相条件を満足する波長間隔（縦モード間隔）を大きくする必要がある。このためには、共振器長を短くする必要がありグレーティング素子の長さを短くする。この観点からは、ブラッググレーティングの長さＬｂを２００μｍ以下とすることがいっそう好ましい。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
式（３）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さである（図４参照）。２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍとすることで、△λGを０．８ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下とすることができ、縦モードの数を△λGの中に２以上、５以下に調整することができる。こうした観点からは、ｔｄは、３０ｎｍ以上が更に好ましく、また、２００ｎｍ以下が更に好ましい。半値全幅を３ｎｍ以下とするには１５０ｎｍ以下が好ましい。
【００９８】
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。
【００９９】
レーザ発振条件は、図１４に示すように、ゲイン条件と位相条件から成立する。位相条件を満足する波長は離散的であり、たとえば図２１に示される。すなわち、本願構造ではゲインカーブの温度係数（GaAsの場合０．３ｎｍ／℃）とグレーティングの温度係数dλG/dTを近づけることにより、発振波長を△λGの中に固定することができる。さらに△λGの中に縦モードの数が２以上、５以下存在するときには、発振波長は△λGの中でモードホップを繰り返し、△λGの外でレーザ発振する確率を低減できることから大きなモードホップが起こることがなく、さらに波長が安定で、出力パワーが安定に動作できる。
【０１００】
好適な実施形態においては、活性層の長さＬａも５００μｍ以下とする（図９）。この観点からは、活性層の長さＬａを３００μｍ以下とすることが更に好ましい。また、レーザの出力を大きくするという観点では活性層の長さＬａは、１５０μｍ以上とすることが好ましい。
【０１０１】
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。
【０１０２】
以下、縦モードについて補足する。
（2.3）式の中のβ＝2πｎeff／λであり、ｎeffはその部の実効屈折率であり、これを満足するλがλTMとなる。φ2は、ブラッググレーティングの位相変化であり、λTMは図１５で示される。
【０１０３】
△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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
好適な実施形態においては、グレーティング素子の長さＬＷＧも６００μｍ以下とする（図９）。ＬＷＧは４００μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下が更に好ましい。また、ＬＷＧは５０μｍ以上が好ましい。
【０１０６】
好適な実施形態においては、光源の出射面と光導波路の入射面との距離Ｌｇは、1μｍ以上、１０μｍ以下とする（図９参照）。これによって安定した発振が可能となる。
【０１０７】
好適な実施形態においては、入射部およびテーパ部の全長Ｌｍは、１００μｍ以下とする。これによって安定した発振が促進される。また、伝搬部の長さＬｍの下限値は特にないが、１０μｍ以上が好ましく、２０μｍ以上が更に好ましい。
【０１０８】
光源との軸ずれトレランスを大きくするという観点からは、入射部におけるリッジ型光導波路の幅Ｗｉｎ（図１０、図１１、図１３参照）は、レーザ光の水平方向のモードフィールド径Ｗｈの１．５倍以上とすることが好ましい。また、入射部におけるリッジ型光導波路の幅Ｗｉｎをレーザ光の水平方向のモードフィールド径Ｗｈの２．５倍以下とすることがさらに好ましい。
【０１０９】
また、光源との軸ずれトレランスを大きくするという観点からは、入射部における光学材料層の厚さＷｉｎｖ（図１３）は、レーザ光の垂直方向のモードフィールド径Ｗｖの１．５倍以上とすることが好ましい。また、入射部における光学材料層の厚さＷｉｎｖは、レーザ光の垂直方向のモードフィールド径Ｗｖの２．５倍以下とすることが好ましい。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
好適な実施形態においては、入射部における光学材料層の厚さをＷｉｎｖとしたとき、Ｗｉｎｖ／λを２以上とする。しかし、光学材料層はあまり厚いと結合損失が大きくなってしまうので、Ｗｉｎｖ／λは３以下が好ましい。
レーザ光の波長が０．８５μｍの場合に、Ｗｉｎｖは１．７μｍ以上、２．５５μｍ以下となる。
【０１１３】
本発明では、入射部におけるリッジ型光導波路幅Ｗｉｎは、グレーティング部におけるリッジ型光導波路幅Ｗｇｒよりも大きい。ただし、リッジ型光導波路の幅とは、光導波路を構成するリッジ部分の上面の横断面の二つのコーナー間の間隔のことを意味する（図５参照）。
【０１１４】
本発明の観点からは、Ｗｉｎ／Ｗｇｒは、１．５以上が好ましく、２以上がさらに好ましい。また、Ｗｉｎ／Ｗｇｒが大きすぎると、ブラッググレーティングにおける基板放射が増加する傾向があるので、Ｗｉｎ／Ｗｇｒは３．５以下が好ましい。
【０１１５】
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。
【０１１６】
入射部とグレーティング部とはテーパ部によって連結されている。テーパ部においては、入射部からグレーティング部へと向かってなめらかにリッジ幅Ｗｔが減少することが好ましく、素子長手方向に対して一次関数的に減少することがさらに好ましい。
【０１１７】
なお、出射部３ｅ、２３ｅの幅Ｗｏｕｔは、グレーティング素子におけるリッジ型光導波路の幅Ｗｇｒと同一であって良いが、Ｗｇｒより小さくなっていてもよい。Ｗｏｕｔ／Ｗｇｒは、１．０以下が好ましく、０．５以下でも良いが、伝搬効率の点からは０．７以上が好ましい。
【０１１８】
グレーティング部のリッジ型光導波路幅を小さくしすぎるとモード形状が歪化して基板モードに放射するだけでなく、グレーティングの反射率が低減することがわかった。
【０１１９】
すなわち、グレーティング部では伝搬光はシングルモード化するために、リッジ幅を小さくすると、図１７のようなスポット形状になる。図１７は、波長０．８５μｍ、リッジ幅２μｍのときのスポット形状である。このとき光電界は基板に漏れ出しており、リッジ上面の光電界は小さくなる。このため、リッジ型導波路の上面にグレーティングを形成する場合には、溝の段差を光電界が感じにくくなり反射率は大きくならない。
【０１２０】
これに対して、図１８は、リッジ型光導波路幅３μｍのときのスポット形状である。この場合、形状は楕円形状で基板モードへの漏れ出しはないことがわかる。
【０１２１】
一方、グレーティング部のリッジ幅を大きくしすぎるとマルチモード化することから、最適なリッジ幅が存在する。
【０１２２】
図１９は、光学材料層の厚みＷｉｎｖ２μｍ、Ｔr 1.2μｍの場合のリッジ幅１から１０μｍにおける導波路の基本モードの実効屈折率の計算値を示す。この結果からリッジ幅１μｍ，２μｍについては実効屈折率の立ち上がり領域であり、カットオフに近い領域である。
【０１２３】
また、図２０は、同じリッジ幅について伝搬効率の計算値である。この結果、リッジ幅１μｍ、２μｍでは基板モードへの放射により伝搬効率が低下していることがわかる。また5μｍ以上では伝搬効率が低下する傾向があるが、これはマルチモードによるものである。
【０１２４】
グレーティング部のシングルモード性をさらに向上するために、グレーティング部３ｄ、２３ｄの光学材料層の厚さを、入射部３ａ、２３ａにおける光学材料層の厚さよりも小さくすることができる（図３（ｂ）、図１３参照）。
【０１２５】
この観点からは、グレーティング部３ｄ、２３ｄの光学材料層の厚さ／入射部３ａ、２３ａにおける光学材料層の厚さ（Ｗｇｒｖ／Ｗｉｎｖ）は、１．０以下であることが好ましく、０．７以下であって良いが、伝搬効率の点からは、０．３以上であることが好ましい。
【実施例】
【０１２６】
（実施例１）
図１（ａ）、図２、図４に示すようなグレーティング素子を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板５にスパッタ装置にてSiO2を１μｍ成膜し、さらにTa2O5を2μｍ成膜して光学材料層１を形成した。次に、光学材料層１上にＴｉを成膜して、フォトリソグラフィ技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Ｔｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ205.4nm、長さLb  ２５μｍのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さｔｄは100nmとした。さらに導波路のパターンをフォトリソグラフィ技術にてパターニングして反応性イオンエッチングにより、入射部の幅Win８μｍ、Tr１μｍ、グレーティング部の幅Wgr3μｍ、Tr１μｍのリッジ溝加工を実施した。入射面からグレーティング部開始点までの長さは２５μｍとした。【０１２７】
その後、ドライエッチングにて素子の入力側、出力側を石英基板までエッチングして端面を鏡面にした。最後にSiO2をスパッタ形成することにより両端面に90nmの単層膜を形成した。このとき端面の反射率は３％となった。素子サイズは幅1mm、長さLwg  100μmとした。【０１２８】
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。【０１２９】
次に、図８、図９に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子は通常のGaAs系レーザを使用した。
光源素子仕様：
中心波長：      ８４７nm
出力：          50mW
半値幅：        0.1nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Ｗｉｎ：        ８μｍ
Ｗｈ：        ３μｍ      
Ｗｉｎ／Ｗｈ：  ２．７              
Ｗｉｎｖ：        ２μｍ
Ｗｖ：          １μｍ      
Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：  ２              【０１３０】
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８５０nmで発振し、出力はグレーティング素子がない場合よりも小さくなるが３０ｍＷのレーザ特性であった。出力の変動は１％以内で安定な出力特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。【０１３１】
（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。【０１３２】
その後、ドライエッチングにて素子の入力側、出力側を石英基板までエッチングして端面を鏡面にした。最後にSiO2をスパッタ形成することにより両端面に90nmの単層膜を形成した。このとき端面の反射率は３％となった。素子サイズは幅1mm、長さLwg  100μmとした。【０１３３】
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。【０１３４】
次に、図９に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子は通常のGaAs系レーザを使用した。
光源素子仕様：
中心波長：      ８４７nm
出力：          50mW
半値幅：        0.1nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Ｗｉｎ：        ８μｍ
Ｗｈ：          ３μｍ      
Ｗｉｎ／Ｗｈ：    ２．７            
Ｗｉｎｖ：        ２μｍ
Ｗｖ：          １μｍ      
Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：    ２            【０１３５】
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８４５nmで発振し、出力はグレーティング素子がない場合よりも小さくなるが実施例１とほぼ同等の出力３０ｍＷのレーザ特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であったが、３０℃付近で８５０．４ｎｍに波長が大きく変化して、出力が大きく変動した。【０１３６】
（実施例２）
実施例１と同様な方法で同様な構造のグレーティング素子を形成した。ただし、光源入力部の幅Win８μｍ、Tr１μｍ、グレーティング部の幅Wgr２μｍ、Tr１μｍのリッジ溝加工を実施した。入力端面からグレーティング部開始点までの長さは２５μｍとした。【０１３７】
その後、ドライエッチングにて素子の入力側、出力側を石英基板までエッチングして端面を鏡面にした。最後にSiO2をスパッタ形成することにより両端面に90nmの単層膜を形成した。このとき端面の反射率は３％となった。素子サイズは幅1mm、長さLwg  100μmとした。【０１３８】
グレーティング素子の光学特性は、広帯域波長光源であるスーパ・ルミネッセンス・ダイオード（SLD）を使用して、グレーティング素子にTEモードの光を入力して出力光を光スペクトルアナライザで分析することにより、その透過特性から反射特性を評価した。
測定した素子の反射中心波長は８４９．５ｎｍであった。【０１３９】
次に、図８、図９に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子は通常のGaAs系レーザを使用した。
光源素子仕様：
中心波長：      ８４７nm
出力：          50mW
半値幅：        0.1nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Ｗｉｎ：          ８μｍ
Ｗｈ：          ３μｍ      
Ｗｉｎ／Ｗｈ：    ２．７            
Ｗｉｎｖ：        ２μｍ
Ｗｖ：          １μｍ      
Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：    ２            【０１４０】
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８４９．５nmで発振し、出力は実施例１よりも小さく１０ｍＷのレーザ特性であった。これは、伝搬損失が大きくなったためであった。しかし出力の変動は１％以内で安定な出力特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、実施例１と同様に変動はなく、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。【０１４１】
（実施例３）
図１（ａ）、図３に示すような素子を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板５にスパッタ装置にてSiO2を2μｍ成膜し、さらにTa2O5を2μｍ成膜して光学材料層１を形成した。次に、光学材料層１上にＴｉを成膜して、フォトリソグラフィ技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Ｔｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ205.4nm、長さLb  ２５μｍのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さｔｄは100nmとした。さらに導波路のパターンをフォトリソグラフィ技術にてパターニングして反応性イオンエッチングにより、入射部の幅Ｗｉｎ８μｍ、Tr１.６μｍ、グレーティング部の幅Ｗｇｒ3μｍ、Tr１.６μｍのリッジ溝加工を実施した。入力端面からグレーティング部開始点までの長さは２５μｍとした。
その後、入力部とテーパ部をマスキングしてグレーティング部を反応性イオンエッチングにて全体にTa2O5の厚みを1μｍエッチングした。これによって、図３（ｂ）に示すように、グレーティング素子における光学材料層厚さを入射部およびテーパ部における光学材料層厚さよりも小さくした。このときグレーティングの溝深さｔｄは40nmになるようにし、リッジ導波路の溝深さは0.6μｍとなるようにした。【０１４２】
次いで、ドライエッチングにて素子の入力側、出力側を石英基板までエッチングして端面を鏡面にした。最後にSiO2をスパッタ形成することにより両端面に90nmの単層膜を形成した。このとき端面の反射率は３％となった。素子サイズは幅1mm、長さLwg  100μmとした。【０１４３】
グレーティング素子の光学特性は、広帯域波長光源であるスーパ・ルミネッセンス・ダイオード（SLD）を使用して、グレーティング素子にTEモードの光を入力して出力光を光スペクトルアナライザで分析することにより、その透過特性から反射特性を評価した。
測定した素子の反射中心波長は８４８ｎｍであった。【０１４４】
次に、図９に示すようにレーザモジュールを実装した。光源素子は通常のGaAs系レーザを使用した。
光源素子仕様：
中心波長：      ８４７nm
出力：          50mW
半値幅：        0.1nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Ｗｉｎ：          ８μｍ
Ｗｈ：            ３μｍ    
Ｗｉｎ／Ｗｈ：      ２．７          
Ｗｉｎｖ：        ２μｍ
Ｗｖ：          １μｍ      
Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：    ２            
Ｗｇｒｖ：          １μｍ
Ｗｉｎｖ／Ｗｇｒｖ：  ２              【０１４５】
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。【０１４６】
追加実験として半導体レーザとグレーティング素子の軸ずれトレランスの測定を行った。まず、光源素子である半導体レーザとグレーティング素子を光学調芯装置に装着して、光軸を調整してグレーティング素子から出力される光量を最大になるようにした。この状態から水平方向のみに軸を０．１μｍ刻みにずらし、光量の変化を測定した。水平方向の軸ずれトレランスは、光量が２５ｍWになる
ときの軸ずれ量と定義する。同じように垂直方向についても測定し軸ずれ量を測定した。
実施例１、３、比較例１について測定した結果を以下に示す。【０１４７】
【表１】
0006554035.tif 000011
【０１４８】
（比較例２）
実施例１と同様にグレーティング素子を形成し、図９に示すようなレーザモジュールを実装した。
光源素子仕様：
中心波長：      ８４７nm
出力：          50mW
半値幅：        0.1nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Ｗｉｎ：          ３μｍ
Ｗｈ：          ３μｍ      
Ｗｉｎ／Ｗｈ：    １            
Ｗｉｎｖ：        ２μｍ
Ｗｖ：          １μｍ      
Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：    ２            【０１４９】
本素子について、軸ずれトレランスを測定した結果、水平方向±１．３μｍ、垂直方向±０．８μｍであった。【０１５０】
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８５０nmで発振し、出力は３０ｍＷのレーザ特性であった。出力の変動は１％以内で安定な出力特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、実施例１と同様に変動はなく、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。【０１５１】
（比較例３）
図１（ａ）、図３に示すような素子を作製し、図９に示すようなレーザモジュールを実装した。
光源素子仕様：
中心波長：      ８４７nm
出力：          50mW
半値幅：        0.1nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Ｗｉｎ：          ３μｍ
Ｗｈ：            ３μｍ    
Ｗｉｎ／Ｗｈ：      １          
Ｗｉｎｖ：        ２μｍ
Ｗｖ：          １μｍ      
Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：    ２                        
Ｗｇｒｖ：          １μｍ
Ｗｉｎｖ／Ｗｇｒｖ：  ２              【０１５２】
本素子について、軸ずれトレランスを測定した結果、水平方向±１．３μｍ、垂直方向±０．８μｍであった。【０１５３】
モジュール実装後、ペルチェ素子を使用することなく電流制御（ＡＣＣ）で駆動したところ、グレーティングの反射波長に対応した中心波長８４８nmで発振し、出力は３０ｍＷのレーザ特性であった。出力の変動は１％以内で安定な出力特性であった。また動作温度が２０℃から４０℃の温度範囲でレーザ発振波長の温度依存性を測定した。その結果、発振波長の温度係数は0.05nm／℃であった。【０１５４】
（比較例４）
実施例１と同様にグレーティング素子を形成し、図９に示すようなレーザモジュールを実装した。
光源素子仕様：
中心波長：      ８４７nm
出力：          50mW
半値幅：        0.1nm
レーザ素子長    250μｍ
実装仕様：
Lg：            1μｍ
Ｗｉｎ：          ３μｍ
Ｗｈ：          ３μｍ      
Ｗｉｎ／Ｗｈ：    １            
Ｗｉｎｖ：        １μｍ
Ｗｖ：          １μｍ      
Ｗｉｎｖ／Ｗｖ：    １            【０１５５】
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。【０１５６】
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。
【図１】
0006554035.tif 000013
【図２】
0006554035.tif 000014
【図３】
0006554035.tif 000015
【図４】
0006554035.tif 000016
【図５】
0006554035.tif 000017
【図６】
0006554035.tif 000018
【図７】
0006554035.tif 000019
【図８】
0006554035.tif 000020
【図９】
0006554035.tif 000021
【図１０】
0006554035.tif 000022
【図１１】
0006554035.tif 000023
【図１２】
0006554035.tif 000024
【図１３】
0006554035.tif 000025
【図１４】
0006554035.tif 000026
【図１５】
0006554035.tif 000027
【図１６】
0006554035.tif 000028
【図１７】
0006554035.tif 000029
【図１８】
0006554035.tif 000030
【図１９】
0006554035.tif 000031
【図２０】
0006554035.tif 000032
【図２１】
0006554035.tif 000033