特許 5936777 グレーティング素子および外部共振器型発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5936777

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月22日

(54)【発明の名称】グレーティング素子および外部共振器型発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/14 20060101AFI20160609BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20160609BHJP

   G02B 6/124 20060101ALI20160609BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/14

   G02B5/18

   G02B6/124

【請求項の数】8

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2015-528735(P2015-528735)

(86)(22)【出願日】2014年11月18日

(86)【国際出願番号】JP2014080478

(87)【国際公開番号】WO2015079974

(87)【国際公開日】20150604

【審査請求日】2015年6月8日

(31)【優先権主張番号】特願2013-244538(P2013-244538)

(32)【優先日】2013年11月27日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100097490

【弁理士】

【氏名又は名称】細田 益稔

(74)【代理人】

【識別番号】100097504

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 純雄

(72)【発明者】

【氏名】近藤 順悟

(72)【発明者】

【氏名】山口 省一郎

(72)【発明者】

【氏名】江尻 哲也

(72)【発明者】

【氏名】浅井 圭一郎

(72)【発明者】

【氏名】岡田 直剛

【審査官】 佐藤 秀樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１４２４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３６６７２０９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開平０２−１５４４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２１９７５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０９８２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４０２２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０２Ｂ ６／１２−６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体レーザ光を発振する光源、およびこの光源と外部共振器を構成するグレーティング素子を備える外部共振器型発光装置であって、
前記光源が、前記半導体レーザ光を発振する活性層を備えており、前記外部共振器型発光装置から発振される出射光の横モードが基本モードであり、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、厚さが０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の光学材料層、
前記光学材料層に一対のリッジ溝によって形成されているリッジ型光導波路であって、半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の前記出射光を出射する出射面を有するリッジ型光導波路、
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、および
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伝搬部を備えており、前記リッジ型光導波路の横モードが前記基本モードと高次モ―ドを含むマルチモードであり、前記基本モードの反射波長と前記高次モードの反射波長との間隔が３ｎｍ以上であり、前記高次モードの反射波長が前記基本モードの反射波長よりも短波長側にあり、前記リッジ溝の深さＴ_ｒの前記光学材料層の厚さＴ_ｓに対する比率（Ｔ_ｒ／Ｔ_ｓ）が０．５５以上、０．９以下であり、下記式（１）〜式（４）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≦△λ_G≦５．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌ_ｂ≦３００μｍ ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ ・・・（３）
ｎ_ｂ≧１．８ ・・・（４）

（式（１）において、△λ_G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、Ｌ_ｂ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、ｎ_ｂ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、酸化タンタル、酸化亜鉛および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記載の装置。

【請求項3】

前記光源が前記半導体レーザ光を単独で発振することを特徴とする、請求項１または２記載の装置。

【請求項4】

前記外部共振器型発光装置から前記出射光が単一モード発振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。

【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。

Ｌ_ＷＧ ≦５００μｍ ・・・（５）

（式（５）において、Ｌ_ＷＧ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△λ_G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１〜５のいずれか一つの請求項に記載の装置。

【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】

（式（６）において、dλ_G／ｄＴは、ブラッグ波長の温度係数である。
dλ_ＴＭ／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。）

【請求項8】

前記光源が発振する前記半導体レーザ光の波長が７８０ｎｍ以上、９９０ｎｍ以下であ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。

【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。

【0008】

特許文献８（特開2010-171252）には、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_１−ｘＮ_ｘ（ｘは０．５５乃至０．６５）、あるいはＳｉとＳｉＮをコア層とする光導波路、およびこの光導波路にグレーティングを形成した外部共振器型レーザが開示されている。これは精密な温度制御なしで発振波長を一定に保つ外部共振器レーザで、回折格子の反射波長の温度変化率（ブラッグ反射波長の温度係数）を小さくすることを前提条件としている。その上でレーザ発振を縦モード：マルチモードとすることでパワー安定性を実現できることが記載されている。

【0009】

特許文献９（特許第3667209）には、石英、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ポリイミド樹脂とする光導波路に形成したグレーティングを利用した外部共振器レーザが開示されている。これは、光源である半導体レーザの光射出面における反射率が実効反射率Ｒ_ｅ（実質的に０．１〜３８．４％）であり、その上でレーザ発振を縦モード：マルチモードとすることでパワー安定性を実現できることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【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

【特許文献8】特開2010-171252

【特許文献9】特許第3667209

【非特許文献】

【0011】

【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】

【0012】

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。

【0013】

【数1】

【0014】

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。

【数2】

【0015】

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】

【0016】

縦モード間隔△λは、近似的に下式となる。

【数4】

【0017】

数式３と数式４より、数式５が成立する。

【0018】

【数5】

【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△λ_G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に係るものである。

【0026】

ここで、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、前記外部共振器型発光装置から発振される出射光の横モードが前記基本モードであり、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、厚さが０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の光学材料層、
前記光学材料層に一対のリッジ溝によって形成されているリッジ型光導波路であって、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、
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、および
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伝搬部を備えており、前記リッジ型光導波路の横モードが基本モードと高次モ―ドを含むマルチモードであり、前記基本モードの反射波長と前記高次モードの反射波長との間隔が３ｎｍ以上であり、前記高次モードの反射波長が前記基本モードの反射波長よりも短波長側にあり、前記リッジ溝の深さＴ_ｒの前記光学材料層の厚さＴ_ｓに対する比率（Ｔ_ｒ／Ｔ_ｓ）が０．５５以上、０．９以下であり、下記式（１）〜式（４）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≦△λ_G≦５．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌ_ｂ≦３００μｍ ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ ・・・（３）
ｎ_ｂ≧１．８ ・・・（４）

（式（１）において、△λ_G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、Ｌ_ｂ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、ｎ_ｂ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。）

【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dλ_G／dTが小さく、｜dλ_G／dT―dλ_TM／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、dλ_G／dTが大きくできるので、｜dλ_G／dT―dλ_TM／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△λ_G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、△λ_Gを０．８ｎｍ以上、５ｎｍ以下にすることができ、この△λ_G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、△λ_G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、△λ_G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、本発明に到達した。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【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】実施例１における反射特性結果を示す。

【図9】実施例１における、グレーティング長が10μｍ〜1000μｍまでの反射率と反射半値幅の結果を示す。

【図10】実施例１における、グレーティング溝深さが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11】実施例１における、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12】実施例３における反射特性を示す。

【図13】本発明における、離散的な位相条件例を示す。

【図14】実施例４において、光源の光量のスペクトルおよびこの光源にグレーティング素子を付加して得た装置のスペクトルを示す。

【図15】レーザ発振条件を説明する図である。

【図16】リッジ溝の深さＴ_ｒを０．１μｍから１．２μｍにしたときの、光導波路の横モード：基本モードの実効屈折率（等価屈折率）の計算結果である。

【図17】図１６で計算した光導波路の基本モードの水平方向と垂直方向のスポットサイズの計算結果である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

また、光源２は、単独でレーザ発振するものであってよい。ここで、単独でレーザ発振するとは、グレーティング素子と外部共振器を構成することなしにレーザ発振できることを意味する。この場合、光源２は、縦モードがシングルモード発振するものが好ましい。しかし、グレーティング素子を使用した外部共振器型レーザの場合、反射特性に波長依存性を持たせることができる。このため、反射特性の波長依存性の形状を制御することにより、光源２は縦モードがマルチモード発振していても、外部共振器からはシングルモード発振させることが可能である。

【0035】

この場合、基体４の外側端面には高反射膜６が設けられており、グレーティング素子側の端面７Ａにはグレーティングの反射率よりも小さい反射率の膜が形成されている。

【0036】

図１、図３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。光学材料層１８はリッジ型光導波路であり、光学材料層１１に設けられている。光学材料層１１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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

また、リッジ溝１９は光学材料層１１を完全に切り込まない構造になっている。すなわち、各リッジ溝１９下にはそれぞれ肉薄部１１ｅが形成されており、各肉薄部１１ｅの外側に延在部１１ｆが形成されている。本発明においては、リッジ溝１９は光学材料層１１を完全に切り込まず、リッジ溝１９の底面とバッファ層との間に肉薄部１１ｅを残留させる。
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。

【0040】

このようなリッジ型の光導波路は、リッジ溝を完全に切り込んだ構造（肉薄部１１ｅが設けられておらず、延在部１１ｄが形成されている構造）と比較して、光の閉じ込めを弱くすることができる。このため光のスポット形状が大きくなっても横モード：マルチモードが励振することなく、基本モードを励振することができる。

【0041】

これまでのグレーティング素子は、光学材料層を完全に切り込んだコア層を光導波路としている。特許文献８で開示される光導波路はこの切り込み型のコア層を形成している。コア層としてＳｉＯ_ｘＮ_１−ｘ、クラッド層にＳｉＯ_２の場合には、コアの幅１．２μｍ、厚み０．４μｍとなっている。
またコア層としてこれより屈折率の大きいＳｉ／ＳｉＮとクラッド層にＳｉＯ_２を使用する場合には、コアの幅が０．２８μｍ、厚みが０．２５５μｍとなっており、サイズが小さくなっている。この場合、光導波路の光閉じ込めが強いために、横モードが基本モードの光のみを励振するために、サイズを小さくしていると考えられる。

【0042】

特許文献９には、拡散導波路やプロトン交換導波路が開示されている。これらの光導波路の場合、スポット形状はドーピングしたＴｉやプロトンの拡散分布に依存するために、コア部とクラッド部の屈折率差を大きくすることができず、光の閉じ込めは、リッジ光導波路よりもさらに小さくなる。このためスポット形状の水平方向／垂直方向のアスペクト比を大きくできず、形状の制御も難しい。

【0043】

光閉じ込めを大きくするために、高濃度ドーピングすると伝搬損失が大きくなることや光損傷により劣化するといった問題も生じる。

【0044】

グレーティング素子を外部共振器レーザに使用する場合には、出力光がガウス分布の光スポット形状が必要であり、横モードが基本モードとなることが望まれる。したがって、グレーティング素子の光導波路はレーザ光によってマルチモードが励振されないように基本モード導波路であることが好ましい。

【0045】

図１６は、光学材料層をＴａ_２Ｏ_５として屈折率２．０８、厚みＴ_ｓ＝１．２μｍ、リッジ幅Ｗｍ＝３μｍの場合に溝深さＴ_ｒを０．１μｍから１．２μｍにしたとき、波長８００ｎｍにおける光導波路の横モード：基本モードの実効屈折率（等価屈折率）の計算結果である。

【0046】

この結果から、Ｔ_ｒが０．１から０．４μｍまでは基板に光が漏れ、基板モードで光伝搬している。Ｔ_ｒが０．５から１．１μｍまでは、実効屈折率が変化せず、リッジ導波モードで伝搬する。しかし、完全に切り込まれたＴ_ｒが１．２μｍでは実効屈折率が増加して閉じ込めが強くなることがわかる。

【0047】

図１７は、図１６で計算した光導波路の基本モードの水平方向と垂直方向のスポットサイズの計算結果である。この結果から、Ｔ_ｒを大きくすると水平方向のスポットサイズは小さくなり閉じ込めが強くなることがわかる。その後、Ｔ_ｒが０．５μｍから完全に切り込まれた１．２μｍまで水平方向のスポット形状はほとんど変化しない。また、垂直方向はＴ_ｒに依存せずほぼ一定値になることがわかる。

【0048】

外部共振器レーザの場合、レーザ光がグレーティング素子の基本モードを効率よく励振するために、グレーティング素子の光スポット形状はレーザ光のスポット形状よりも大きくすることが好ましく、光学材料層の厚みＴｓは０．５μｍ以上が好ましい。また、厚みＴｓが大きいとマルチモードの影響を抑えることが難しくなり、この観点で光学材料層の厚みＴｓは３μｍ以下が好ましく、さらに２．５μｍ以下が好ましい。

【0049】

溝深さＴ_ｒは、前述した観点からは、光学材料層の材質を変更した場合にも、光学材料層の厚みＴ_ｓで規格化することができることを確認した。すなわち、Ｔ_ｒ／Ｔ_ｓは０．５５以上が好ましく、０．９以下であることが好ましい。

【0050】

外部共振器レーザにグレーティング素子を使用する場合には、前述のように横モード：基本モードが好ましい。しかし、レーザ光の導波路への結合を高効率にするためには光学材料層の厚みは０．５μｍ以上が好ましく、導波路はマルチモード化しやすくなる。

【0051】

光導波路から出射する光の横モードがマルチモードであるときに、それぞれの導波モードの実効屈折率に対応して複数のグレーティング反射波長が存在する。このためマルチモードに対応したレーザ発振が起こってしまう。しかし、基本モードと高次モードの実効屈折率の差を大きくし、高次モードの反射波長をレーザのゲイン範囲外にシフトできれば高次モードでレーザ発振することなく基本モード光を得ることができる。この観点で基本モードと高次モードの反射波長の差は３ｎｍ以上とする。

【0052】

光源２として半導体レーザを使用する場合には、レーザのゲイン範囲が小さく発振波長範囲が狭いので基本モード光をさらに容易に得ることができる。

【0053】

本発明では、マルチモードが発生しても基本モードとの波長差を大きくでき、発振装置からのマルチモードの励振を抑えることができる。この観点において、Ｔ_ｒ／Ｔ_ｓは下限値として０．４以上が好ましく、さらに０．５５が好ましい。上限値については０．９以下が好ましく、さらに０．７５以下であることが好ましい。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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、光源２の中心波長は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光源２の中心波長は、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。

【0060】

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）

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

高屈折率層中には、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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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、サファイア、窒化アルミニウム、ＳｉＣなどを例示することができる。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

以下、図１５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。

【0070】

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。

【0071】

【数6】

【0072】

ゲイン条件は、（2-1）式より下式となる。

【数7】

【0073】

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、ξ_tg_t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。

【0074】

（2-2）式より、レーザ媒体のゲインξ_tg_th（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。

【0075】

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】

光源２がレーザ発振している場合は、複合共振器になるために上記の（2-1）、（2-2）、（2-3）式は複雑な数式になり、レーザ発振の目安として考えることができる。

【0076】

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△λ_G=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、△λ_G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。

【0077】

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、dλ_G/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。

【0078】

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dλ_s/dT＝dλ_TM/dT ＝0.05nm/℃と大きく、その差は0.04nm/℃となる。
また、コア層としてSi02やSiO(1-x)Nxを使用する場合、屈折率の温度変化率△ｎｆは 1×10^-5／℃と小さく、波長1.3μｍではλgの温度依存性は非常に小さくdλ_G/dT＝0.01nm/℃となる。一方、外部共振器の位相条件が成り立つ波長（発振波長）の温度係数について、InGaAsP系レーザを使用した場合、光源の等価屈折率3.6、屈折率の温度変化3×10-4／℃、長さＬａ＝400μｍ、回折格子の等価屈折率1.54、1×10-5／℃、長さ155μｍとするとdλ_G/dT＝dλ_TM/dT＝ 0.09nm/℃となる。したがって、その差は0.08 nm/℃となる。

【0079】

このようにしてレーザ発振したレーザ光のスペクトル波形は、線幅は０．２ｎｍ以下となる。広い温度範囲でレーザ発振するために、さらにモードホップしない温度範囲をより広くするために、室温２５℃における外部共振器によるレーザ発振波長はグレーティング反射率の中心波長よりも短波長側であることが好ましい。この場合、温度が上昇するにつれてレーザ発振波長は長波長側にシフトしてグレーティング反射率の中心波長よりも長波長側でレーザ発振することになる。

【0080】

また広い温度範囲でレーザ発振するために、さらにモードホップしない温度範囲をより広くするために、室温２５℃における外部共振器によるレーザ発振波長は光源２の同じ温度での発振波長よりも長波長側で発振することが好ましい。この場合、温度が上昇するにつれて、外部共振器によるレーザ発振波長は、光源２の発振波長に対して短波長側でレーザ発振することになる。

【0081】

室温での外部共振器によるレーザ発振波長と光源２の発振波長の差は、レーザ発振の温度許容範囲を広くする観点において、０．５ｎｍ以上が好ましく、さらに２ｎｍ以上であってもよい。しかし、波長差を大きくしすぎると、パワーの温度変動が大きくなるので、この観点から１０ｎｍ以下が好ましく、さらに６ｎｍ以下が好ましい。

【0082】

一般的に、モードホップが起こる温度T_mh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）。
ΔＧ_ＴＭ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。先に用いた△λは△G_TMに等しく、λ_ｓはλ_TMに等しい。

【0083】

【数9】

【0084】

これより従来の場合、T_mh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）、酸化タンタル（Ta₂O₅）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化アルミナ（Al₂O₃）が好ましい。

【0087】

位相条件を満足する波長は、△λ_G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、△λ_G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、△Ｇ_TM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△λ_G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。
△λ_G＝0.4nm
縦モード間隔△G_TM＝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≦△λ_G≦５．０ｎｍ・・・（１）
１０μｍ≦Ｌ_ｂ≦３００μｍ ・・・（２）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ ・・・（３）
ｎ_ｂ≧１．８ ・・・（４）

【0091】

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ｎ_ｂ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Ｔ_mh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dλ_G/dTを大きくできるからである。この観点からは、ｎ_ｂは１．９以上であることが更に好ましい。また、ｎ_ｂ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以下であるが、さらに３．６以下であることが好ましい。また、同じ観点で光導波路の等価屈折率は３．３以下であることが好ましい。

【0092】

ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λ_Gを０．８ｎｍ以上とする（式１）。λ_Ｇ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△λ_Gとする。

【0093】

ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λ_G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△λ_G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△λ_G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Ｌ_ｂは３００μｍ以下とする（式２）。ブラッググレーティングの長さＬ_ｂ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Ｌ_ｂ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Ｌ_ｂ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Ｌ_ｂ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。２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍとすることで、△λ_Gを０．８ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下とすることができ、縦モードの数を△λ_G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１５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１３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dλ_G/dTを近づけることにより、発振波長を△λ_Gの中に固定することができる。さらに△λ_G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△λ_Gの中でモードホップを繰り返し、△λ_G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Ｌ_ａも５００μｍ以下とする。この観点からは、活性層の長さＬ_ａ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Ｌ_ａは、１５０μｍ以上とすることが好ましい。

【0101】

【数10】

【0102】

式（６）において、dλ_G／ｄＴは、ブラッグ波長の温度係数である。
また、dλ_ＴＭ／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、λ_ＴＭ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。

【0103】

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λ_TMとなる。φ2は、ブラッググレーティングの位相変化であり、λ_TMは図１３で示される。

【0104】

△G_TM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。λ_TMは、複数存在するので、複数のλ_TMの差を意味する。

【0105】

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。

【0106】

好適な実施形態においては、グレーティング素子の長さＬ_ＷＧも６００μｍ以下とする。Ｌ_ＷＧは４００μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下が更に好ましい。また、Ｌ_ＷＧは５０μｍ以上が好ましい。

【0107】

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Ｌ_ｇ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。

【0108】

好適な実施形態においては、伝搬部の長さＬ_ｍは、１００μｍ以下とする。さらに外部共振器の長さを短くするという観点で４０μｍ以下が好ましい。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Ｌ_ｍ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。

【実施例】

【0109】

（実施例１）
図１、図２に示すような素子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。

【0110】

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L_wg 500μmとした。

【0111】

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。

【0112】

溝深さｔｄ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８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。

【0113】

さらにグレーティング長が10μｍ〜1000μｍまでの反射率と反射半値幅の結果を図９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。

【0114】

グレーティング溝深さが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１０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。

【0115】

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１１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。

【0116】

（実施例２）
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20、40、60nmとした。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１７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。

【0117】

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１6を0.5μｍ成膜した。

【0118】

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。

【0119】

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L_wg 500μmとした。

【0120】

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。結果を図１１に示す。

【0121】

この結果から、LN、Ta205はほぼ同じことがわかる。
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△λ_Gは2nmの特性を得た。

【0122】

（実施例３）
y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ｘ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Λ224nm、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20、40、60nmとした。また、x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１７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。

【0123】

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１6を0.5μｍ成膜した。

【0124】

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L_wg 500μmとした。

【0125】

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。結果を図１２に示す。

【0126】

この結果から、素子実施例１から３の反射率と半値幅は同じとなり、LN、TA205の反射率と半値幅も同じ結果になる。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△λ_Gは2nmの特性を得た。

【0127】

また波長が変わっても600nm〜1.55μｍの波長領域ではほとんど同じ反射率、半値幅が得られることがわかった。

【0128】

（実施例４）
図４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。

【0129】

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。

【0130】

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L_wg 500μmとした。

【0131】

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△λ_Gは2nmの特性を得た。

【0132】

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１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。

【0133】

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

【0134】

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１４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、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。

【0135】

また、TM光を素子に入射させた場合にも同様な実験を行った結果、波長907nmでレーザ発振をして、その発振波長の温度係数は0.1nm／℃であった。さらに、モードホップによる出力変動が大きくなる温度域は100℃まで広がることを確認でき、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。
これは、ＬＮ結晶の場合、ｙ軸、ｘ軸よりもｚ軸方向の屈折率の温度変動が大きいことに起因する。

【0136】

（実施例５）
実施例４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△λ_Gは2nmの特性を得た。

【0137】

次に、図５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。

【0138】

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

【0139】

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80℃、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。

【0140】

（比較例）
実施例５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。

【0141】

（実施例６）
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Ｎｉ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、Ｎｉ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２、図３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△λ_Gは2nmの特性を得た。

【0142】

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。

【0143】

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

【0144】

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50℃、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。

【0145】

（実施例７）
石英からなる支持基板１０にスパッタ装置にてTa2O5を２μｍ成膜して導波路層１１を形成した。次に、Ta2O5からなる導波路層１１上にＮｉ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、Ｎｉ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Λ228nm、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140nmとした。

【0146】

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２、図３に示す形状の光導波路１８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975nm、最大反射率は２０％で、半値全幅△λ_Gは2nmの特性を得た。
また、これとは別に短波長側で複数の波長で反射ピークが観察された。

【0147】

この原因を確かめるためにシミュレーションを実施した結果、光導波路から出射する光の横モードがマルチモードになることがわかった。つまり、マルチモードの場合、実効屈折率、等価屈折率が基本モードのそれよりも小さくなり、このために短波長側にマルチモードに起因する反射ピークが出現することが推察できる。これを実験的に確認するために光導波路のニアフィールドパターンを観察した。この結果、基本モードが励振されるが、軸ずれさせるとマルチモードが励振されることがわかりマルチモード導波路と確認できた。

【0148】

次に、図５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。

【0149】

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

【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975nmで発振した。このモジュールから発振したレーザ光の横モードが基本モードであった。レーザ光の出力は、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0.03nm／℃、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】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】