外部谐振器型发光装置的制造方法
【专利摘要】半导体激光器光源2包括使半导体激光振荡的活性层5。光栅元件包括：脊型光波导18，其具有射入半导体激光的入射面11a和射出所需波长的出射光的出射面11b，布拉格光栅12，其由形成在脊型光波导18内的凹凸构成，以及出射侧传播部20，其设置在布拉格光栅12和出射面11b之间。在布拉格光栅的反射波长域进行激光振荡。布拉格光栅12处的光波导的宽度Wm和出射面处的光波导的宽度Wout不同。
【专利说明】
外部谐振器型发光装置
技术领域
[0001 ]本发明涉及使用光栅元件的外部谐振器型发光装置。
【背景技术】
[0002] 半导体激光器一般采用法布里-珀罗(FP)型半导体激光器，法布里-珀罗(FP)型半 导体激光器构成被形成在活性层的两端面的反射镜夹着的光谐振器。但是，该FP型激光器 因为以使驻波条件成立的波长振荡，因此纵模容易变成多模，尤其是若电流或温度发生变 化，则振荡波长发生变化，由此使光强度发生变化。
[0003]因此，为了实现光通信或气体传感等目的，需要波长稳定性高的单模振荡的激光 器。因此，开发了分布反馈式(DFB)激光器或分布反射式(DBR)激光器。这些激光器在半导体 中设置衍射光栅，利用其波长依赖性，仅使特定的波长振荡。
[0004] 为了实现具有波长稳定性的半导体激光器，可以举出在半导体激光器中以单片形 式形成有光栅的DBR激光器、DFB激光器，另外，在激光器的外部安装有光纤布拉格光栅 (FBG)的外部谐振器型激光器。上述半导体激光器的原理是通过利用布拉格反射的有波长 选择性的反射镜将激光的一部分返回到激光器而实现波长稳定动作。
[0005] DBR激光器是在活性层的波导延长线上的波导面形成凹凸，并构成基于布拉格反 射的反射镜，从而实现谐振器(专利文献1(日本特开昭49-128689);专利文献2(日本特开昭 56-148880))。该激光器在光波导层的两端设置有衍射光栅，因此，从活性层发出的光在光 波导层中传播，并且一部分光在该衍射光栅被反射，而返回到电流注入部，从而实现放大。 因为从衍射光栅向规定的方向反射的只是特定波长的光，因此，激光的波长是固定的。
[0006] 另外，作为其应用，开发了将衍射光栅形成为与半导体不同的部件，并在外部形成 谐振器的外部谐振器型半导体激光器。这种类型的激光器为波长稳定性、温度稳定性、及控 制性良好的激光器。外部谐振器有光纤布拉格光栅(FBG)(非专利文献1 )、或体全息光栅 (VHG)(非专利文献2)。由于衍射光栅与半导体激光器单独构成，因此，具有能够单独设计反 射率、谐振器长度的特点，并且不受基于电流注入的发热所导致的温度上升的影响，因此能 够使波长稳定性更加良好。另外，由于半导体的折射率的温度变化不同，因此，通过配合谐 振器长度进行设计，能够提高温度稳定性。
[0007] 在专利文献6(日本特开2002-134833)中公开了利用形成在石英玻璃波导中的光 栅的外部谐振器型激光器。其旨在提供无需温度控制器即可在室温变化大（例如，30°C以 上）的环境中使用的稳频激光器。另外，公开了如下内容:提供一种跳模被抑制且振荡频率 没有温度依赖性的非温度依赖型激光器。
[0008] 专利文献8(日本特开2010-171252)中公开了以SiC^SiOhxNxU为0.55~0.65)、 或者Si和SiN为芯层的光波导、以及在该光波导上形成有光栅的外部谐振器型激光器。其是 无需进行精密的温度控制就能够将振荡波长保持一定的外部谐振器型激光器，为此，前提 条件是减小衍射光栅的反射波长的温度变化率(布拉格反射波长的温度系数）。而且记载 有:通过使激光振荡为纵模多模，能够实现功率稳定性。
[0009] 在专利文献9(日本特许第3667209)中公开了利用在由石英、InP、GaAs、LiNb〇3、 LiTa03、聚酰亚胺树脂制成的光波导中形成的光栅的外部谐振器型激光器。记载有:在作为 光源的半导体激光器的光射出面的反射率是有效反射率Re(实质为0.1~38.4%)，而且激 光振荡为纵模多模，由此能够实现功率稳定性。
[0010]现有技术文献 [0011]专利文献
[0012] 专利文献1:日本特开昭49-128689
[0013] 专利文献2:日本特开昭56-148880
[0014] 专利文献 3:W02013/034813
[0015] 专利文献4:日本特开2000-082864
[0016] 专利文献5:日本特开2006-222399
[0017] 专利文献6:日本特开2002-134833
[0018] 专利文献7:日本特愿2013-120999
[0019] 专利文献8:日本特开2010-171252
[0020] 专利文献9:日本特许第3667209
[0021]非专利文献
[0022] 非专利文献1:電子情報通信学会論文誌（电子信息通信学会论文杂志）C-II Vol·J81，Νο·7pp·664-665，1998年7月
[0023] 非专利文献2:電子情報通信学会技術研究報告（电子信息通信学会技术研究报 告）LQE，2005年 105 卷 52 号 pp · 17-20
[0024] 非专利文献3:古河電工時報(古河电工时报)平成12年1月第105号p24-29
【发明内容】
[0025] 在非专利文献1中提及了伴随温度上升而损害波长稳定性的跳模机理、和其改善 对策。温度所导致的外部谐振器型激光器的波长变化量3\与半导体的活性层区域的折射 率变化A na、活性层的长度La、FBG区域的折射率变化Δ nf、长度Lf、各温度变化δΤ3、δΤ?之间 的关系，在驻波条件下由下式表示。
[0026] [算式 1]
[0027]
[0028] 此处，λ〇表示在初始状态下的光栅反射波长。
[0029] 另外，光栅反射波长的变化δλ(；由下式表示。
[0030] [算式2]
[0031]
[0032] 跳模在外部谐振器的纵模间隔Α λ与波长变化量δλ3和光栅反射波长的变化量δλ(； 之差相等时发生，因此，满足下式。
[0033] [算式3]
[0034]
[0035] 纵模间隔Δ λ近似地成为下式。
[0036] [算式 4]
[0037]
[0038] 通过算式3和算式4而满足算式5。
[0039] [算式5]
[0040]
[0041] 为了抑制跳模，需要在ATall以下的温度内使用，并且用珀耳帖元件进行温度控 制。算式5中，在活性层和光栅层的折射率变化相同的情况下（An a/na= Anf/nf)，分母变为 零，引起跳模的温度变为无穷大，表示不会发生跳模。但是，在单片DBR激光器中，由于为了 使激光振荡而使电流注入到活性层，从而不能使活性层和光栅层的折射率变化一致，因此 引起跳丰吴。
[0042] 跳模是指，谐振器内的振荡模(纵模)从一种模式移向另一种不同的模式的现象。 若温度或注入的电流发生变化，则增益或谐振器的条件不同，激光振荡波长发生变化，从而 产生被称为拐点(kink)的光功率变动的问题。因此，采用FP型的GaAs半导体激光器的情况 下，通常，波长以〇.3nm/°C的温度系数发生变化，但是，若发生跳模，则产生比这还大的变 动。与此同时，输出会发生5%以上的变动。
[0043] 因此，为了抑制跳模，使用珀耳帖元件进行温度控制。但是，会因此导致部件数增 加，模块变大，成本变高。
[0044] 在专利文献6中，为了具有非温度依赖性，现有的谐振器结构直接向光波导层赋予 应力，从而补偿起因于热膨胀的温度系数，由此实现非温度依赖性。因此，将金属板粘贴在 元件上，进而在波导中增加设置用于调整温度系数的层。从而，存在谐振器结构进一步变大 的问题。
[0045] 本发明的发明人在专利文献7中公开了使用光波导型光栅元件的外部谐振器型的 激光器结构。该申请中，光栅元件的反射特性的半高宽Ah满足特定式的情况下，无需进行 温度控制，就能够实现波长稳定性高、没有功率变动的激光振荡。
[0046] 但是，本发明的发明人进行了进一步研究，结果发现，存在以下问题。即，在环境温 度发生变化而对光栅元件施加了热应力时，有时在布拉格光栅至出射面之间激发了高阶 模。
[0047] 本发明的课题是:在基于光栅元件的外部谐振器型的激光器中，抑制在对光栅元 件施加热应力时，在布拉格光栅和出射面之间激发高阶模。
[0048] 本发明是一种外部谐振器型发光装置，包括:半导体激光器光源及光栅元件，该半 导体激光器光源和所述光栅元件构成外部谐振器，其特征在于，
[0049] 所述半导体激光器光源包括使半导体激光振荡的活性层，
[0050] 所述光栅元件包括:脊型光波导，所述脊型光波导具有射入所述半导体激光的入 射面和射出所需波长的出射光的出射面，布拉格光栅，所述布拉格光栅由形成在该脊型光 波导内的凹凸构成，以及出射侧传播部，所述出射侧传播部设置在所述布拉格光栅和所述 出射面之间；在所述布拉格光栅的反射波长域进行激光振荡，所述布拉格光栅处的所述光 波导的宽度和所述出射面处的所述光波导的宽度不同。
[0051] 本发明的发明人研究了对光栅元件施加热应力时在布拉格光栅和出射面之间激 发高阶模的原因。结果发现，在元件的出射面附近，激光器的近场图形的变形增大，这导致 了高阶模的激发、出射光的耦合效率的降低。
[0052] 即，布拉格光栅处的光波导的宽度设定成与激光器的近场图形同等，以便提高与 半导体激光器元件的耦合效率。半导体激光器的近场的水平方向的大小有时例如为2μπι~7 μπι。在这样的情况下，光栅元件的光波导的宽度设定为2μηι~7μηι。
[0053] 但是，例如图3所示的脊型光波导结构中，基板厚度很薄，例如达到0.5μπι~3μπι的 情况下，产生多模波导化，进而，近场图形的大小在水平方向和垂直方向不同，发生扁平化 的问题。
[0054] 布拉格光栅处的光波导发生多模化的情况下，因为在基模和高阶模中，传播常数 不同，所以以不同的波长进行布拉格反射。但是，通过将激光器的增益特性和光栅的反射特 性对照，能够在基模的反射波段或者高阶模的反射波段选择性地进行激光振荡。即，通过将 增益曲线与基模的反射波段对照，能够以基模进行激光振荡。
[0055] 但是，在这种情况下，已知如果环境温度变化而对光栅元件施加热应力，则在布拉 格光栅和出射面之间激发了高阶模。
[0056]在光栅部中，因凹凸而扰乱了光电场分布(横模形状）。通常，即使出射部为多模， 也会激发基模。但是，如果因环境温度变化而对波导部施加收缩或弯曲应力，则激发高阶 模，从而发生多模化。另外，具有源自端面的反射的情况下，也会发生这种现象。近场图形的 水平方向和垂直方向的大小之比（扁平率)越大，该现象越显著。
[0057]本发明的发明人基于如上发现想到了使出射面处的光波导的宽度相对于布拉格 光栅处的光波导的宽度发生变化，由此，抑制了出射面处的近场图形的变形，从而，抑制了 高阶模的激发，完成本发明。
【附图说明】
[0058]图1是外部谐振器型发光装置的示意图。
[0059] 图2是示意性地示出外部谐振器型发光装置1的俯视图。
[0060] 图3是光栅元件的横截面图。
[0061] 图4是示意性示出光栅元件的立体图。
[0062]图5是其他光栅元件的横截面图。
[0063] 图6是其他实施方式的外部谐振器型发光装置的示意图。
[0064] 图7是说明基于现有例的跳模的形态的图。
[0065] 图8是说明基于现有例的跳模的形态的图。
[0066] 图9示出优选实施方式中的、离散的相位条件例。
[0067]图10示出实施例1中、光源的光量的光谱以及在该光源上附加光栅元件而得到的 装置的光谱。
[0068]图11是激光振荡条件的说明图。
[0069]图12是另一个光栅元件的横截面图。
【具体实施方式】
[0070] 在图1中示意性示出的外部谐振器型发光装置1，具备用于使半导体激光振荡的光 源2、和光栅元件9。光源2和光栅元件9安装在共用基板3上。
[0071] 光源2具备用于使半导体激光振荡的活性层5。在本实施方式中，活性层5设置于基 体4。在基体4的外侧端面设置有反射膜6,在活性层5的光栅元件侧的端面形成有减反射层 7A〇
[0072] 但是，光源2可以是能够单独进行激光振荡的光源。能够单独进行激光振荡是指光 源2即使没有光栅元件也能够以其自身进行激光振荡。
[0073]光源2优选在单独进行激光振荡时纵模为单模振荡。但是，使用光栅元件的外部谐 振器型激光器的情况下，能够使反射特性具有波长依赖性，因此，通过控制其波长特性的形 状，即使光源2单独且纵模进行多模振荡，作为外部谐振器型激光器，也能够进行单模振荡。 由此，在优选的实施方式中，本发明的外部谐振器型发光装置是以纵模进行单模（single mode)振荡。
[0074] 如图1、图4所示，在光栅元件9中设置有光学材料层11，光学材料层11具有射入半 导体激光A的入射面11a和射出所需波长的出射光B的出射面llbX是反射光。在光学材料层 11内，形成有布拉格光栅12。在光波导18的入射面11a和布拉格光栅12之间，设置有不具有 衍射光栅的入射侧传播部13,入射侧传播部13隔着间隙14与活性层5对置。7B是设置在光波 导18的入射面侧的减反射膜，7C是设置在光波导18的出射面侧的减反射膜。光波导18是脊 型光波导，设置于光学材料层11。光波导18可以形成在与布拉格光栅12相同的面，也可以形 成在与布拉格光栅12相对的面。
[0075] 减反射层7A、7B、7C的反射率只要是比光栅反射率更小的值即可，进而优选为 0.1 %以下。但是，如果端面处的反射率是比光栅反射率更小的值，则可以没有减反射层，而 是反射膜。
[0076]如图3所示，在本例中，在基板10上隔着粘接层15、下侧缓冲层16而形成有光学材 料层11，在光学材料层11上形成有上侧缓冲层17。在光学材料层11上，例如形成有一对脊型 沟槽19,在脊型沟槽之间形成有脊型的光波导18。这种情况下，布拉格光栅可以形成在平坦 面11a面，也可以形成在lib面。从减小布拉格光栅及脊型沟槽的形状偏差的观点来看，优选 在11a面上形成布拉格光栅，由此将布拉格光栅和脊型沟槽19设置在基板的相反侧。
[0077]另外，在图5所示的元件9A中，在基板10上隔着粘接层15、下侧缓冲层16形成有光 学材料层11，在光学材料层11上形成有上侧缓冲层17。例如，在光学材料层11的基板10侧形 成有一对脊型沟槽19,在脊型沟槽19之间形成有脊型的光波导18。在该情况下，布拉格光栅 可以形成在平坦面11a侧，也可以形成在有脊型沟槽的lib面。从减小布拉格光栅及脊型沟 槽的形状偏差的观点来看，优选在平坦面11a面侧形成布拉格光栅，由此将布拉格光栅和脊 型沟槽19设置在基板的相反侧。另外，也可以没有上侧缓冲层17,在该情况下，空气层能够 直接与光栅接触。由此，无需具有光栅沟槽，就能够增大折射率差，并以短的光栅长度，就能 够增大反射率。
[0078] 图6示出其他实施方式的装置1A。该装置1A大部分与图1的装置1相同。光源2具备 使激光振荡的活性层5,在活性层5的光栅元件9侧的端面没有设置减反射层7A，代之以形成 反射膜25。这是通常的半导体激光器的形态。
[0079] 激光的振荡波长由被光栅反射的波长决定。光栅的反射光和来自活性层5的光栅 元件侧的端面的反射光只要超过激光器的增益阈值，就满足振荡条件。由此，能够获得波长 稳定性尚的激光。
[0080] 为了进一步提高波长稳定性，只要增大来自光栅的反馈量即可，基于该观点，优选 使光栅的反射率大于在活性层5的端面处的反射率。由此，与原本的半导体激光器的谐振器 中得到的增益相比，基于光栅的谐振器中得到的增益增大，能够使其在基于光栅的谐振器 中稳定地进行激光振荡。
[0081] 此处，在本实施方式中，如图2所示，在入射面11a和布拉格光栅12之间设置有入射 侧传播部13，另外，在布拉格光栅12和出射面1 lb之间设置有出射侧传播部20。在本例中，出 射侧传播部20具备:从布拉格光栅12的末端开始连接的连接部20a、与光波导的出射面1 lb 连接的出射部20c、及设置在连接部和出射部之间的锥形部20b。
[0082] 本例中，出射面11 b处的光波导的宽度WouVj、于布拉格光栅12处的光波导的宽度 Wm。另外，出射侧传播部20包括锥形部20b，该锥形部20b处的光波导的宽度Wt从布拉格光栅 侧向出射面侧变小。应予说明，本例中，连接部20a处的光波导的宽度1是恒定的，出射部处 的光波导的宽度Wcmt也是恒定的。另外，W t在与连接部20a的边界处成为最大值Wm，在与出射 部20c的边界处成为最小值Wout。
[0083] 应予说明，如图3所示，以横截面切割构成光波导的脊部而得到的横截面图中，光 波导的宽度Wm为光波导的横截面的宽度中最窄部分的宽度。图3的例子中，光波导的宽度1 为处于脊部的上表面两端的各边缘的间隔。
[0084] 布拉格光栅处的光波导的宽度1设定成与激光器的近场图形同等，以便提高与半 导体激光器元件2的耦合效率。半导体激光器的近场的水平方向的大小有时例如为2μπι~7μ m。在这种情况下，光波导的宽度Wm设定为2μηι~7μηι。
[0085] 布拉格光栅处的光波导发生多模化的情况下，因为在基模和高阶模中传播常数不 同，所以以不同的波长进行布拉格反射。但是，通过将增益曲线与基模的反射波段对照，能 够以基模进行激光振荡。但是，在这种情况下，已知如果环境温度变化而对光栅元件9施加 热应力，则在布拉格光栅12和出射面lib之间的出射侧传播部内激发高阶模。近场的水平方 向和垂直方向的大小之比（扁平率)越大，该现象越显著。
[0086] 此处，本实施方式中，通过使出射面处的光波导的宽度Wcmt小于Wm，能够抑制出射 面处的近场图形的扁平化，从而，能够抑制高阶模的激发。
[0087] 作为光源，优选为具有高可靠性的基于GaAs系或InP系材料的激光器。作为本申请 结构的应用，例如，利用非线性光学元件使作为第二高次谐波的绿色激光振荡的情况下，使 用在1064nm附近的波长振荡的GaAs系的激光器。由于GaAs系或InP系的激光器的可靠性高， 因此也可以实现以一维形式排列的激光器阵列等光源。
[0088] 如果来自光源的激光的波长变长，则布拉格波长的温度变化变大，因此为了提高 波长稳定性，特别优选激光的振荡波长为990nm以下。另一方面，如果来自光源的激光的波 长变短，则半导体的折射率变化八^变得过大，所以为了提高波长稳定性，激光的振荡波长 特别优选为780nm以上。
[0089] 另外，也可以适当地选择活性层的材质或波长。进而，光源也可以是超级发光二极 管或半导体光放大器(S0A)。另外，也可以适当地选择活性层的材质或波长。
[0090] 应予说明，通过半导体激光器和光栅元件的组合来进行功率稳定化的方法如下所 述。
[0091] (非专利文献3:古河电工时报平成12年1月第105号P24-29)
[0092] 脊型的光波导是例如通过利用外周刃进行切割加工或进行激光烧蚀加工来实施 物理加工，进行成形而得到的。
[0093]布拉格光栅能够如下所述地通过物理蚀刻或化学蚀刻而形成。
[0094]作为具体例，可以在高折射率基板上形成Ni、Ti等的金属膜，通过光刻周期性地形 成窗，并形成蚀刻用掩模。之后，用反应性离子蚀刻等干蚀刻装置形成周期性的光栅沟槽。 最后去除金属掩模而形成。
[0095] 在光波导中，为了进一步提高光波导的耐光损伤性，可以含有从由镁(Mg)、锌 (Zn)、钪(Sc)、及铟（In)构成的组中选择的一种以上金属元素，在该情况下，尤其优选为镁。 另外，在结晶中，可以含有稀土元素作为掺杂成分。作为稀土元素，特别优选Nd、Er、Tm、Ho、 Dy、Pr〇
[0096] 粘接层的材质可以是无机粘接剂，也可以是有机粘接剂，还可以是无机粘接剂和 有机粘接剂的组合。
[0097] 另外，光学材料层11可以通过薄膜形成法在支撑基体上成膜而形成。
[0098]作为这种薄膜形成法，可以举出溅射、蒸镀、CVD。这种情况下，光学材料层11直接 形成于支撑基体，不存在上述粘接层。
[0099]在这种情况下，如图12所示的元件9B那样，支撑基体10上可以不设置粘接层而利 用薄膜形成法直接形成下侧缓冲层16,之后，利用薄膜形成法形成光学材料层11。
[0100]对支撑基体的具体材质没有特别的限定，可以举出铌酸锂、钽酸锂、石英玻璃等玻 璃或水晶、Si等。
[0101]减反射层的反射率须在光栅反射率以下，作为在减反射层上成膜的膜材料，可以 使用以二氧化硅、五氧化二钽、氟化镁、氟化钙等氧化物层叠而成的膜、或金属类膜。
[0102] 另外，为了抑制端面反射，可以将光源元件、光栅元件的各端面分别倾斜地切割。 另外，光栅元件和支撑基板的接合，在图3的示例中是粘接固定，但也可以是直接接合。
[0103] 从使出射侧的传播光单模化的观点考虑，出射面处的光波导的宽度Wout优选为4μπι 以下，进而，从抑制近场图形的扁平化的观点考虑，出射面处的光波导的宽度1_更优选为3 μπι以下，最优选为2μηι以下。
[0104] 另一方面，从抑制在出射侧传播部的光的传播损耗降低的观点考虑，出射面处的 光波导的宽度w?t优选为0 · Ιμπι以上，更优选为0 · 5μηι以上。
[0105] 另外，从与半导体激光器的耦合的观点考虑，布拉格光栅处的光波导的宽度1优 选为2μηι以上，更优选为2.5μηι以上。另外，从同样的理由考虑，布拉格光栅处的光波导的宽 度Wm优选为7μηι以下，更优选为6.5μηι以下。
[0106] 从本发明的效果的观点考虑，Wca^PWm之比Wcmt/Wm优选为1/50以上，更优选为1/10 以上。另外，优选为2/3以下，更优选为1/2以下。
[0107]另外，上述的实施方式中，在出射侧传播部20设置有锥形部20b、宽度恒定的连接 部20a及宽度恒定的出射部20c。但是，出射侧传播部20可以由锥形部20b和宽度恒定的连接 部20a的组合构成，在这样的情况下，出射面位于锥形部20b的出射侧末端。或者，出射侧传 播部20可以由锥形部20b和宽度恒定的出射部20c构成，在这样的情况下，布拉格光栅12的 出射侧末端和锥形部20b的入射侧末端连接。
[0108] 以下，进一步说明本发明装置的优选实施方式。
[0109] 关于光栅元件，一般来说，使用光纤光栅的情况下，因为石英的折射率的温度系数 小，所以此/虹小，|队/仉一(1λΤΜ/(1Τ |变大。因此，有引起跳模的温度域ΛΤ变小的倾向。 [0110]因此，在优选的实施方式中，使用形成光栅的波导基板的折射率为1.8以上的材 料。由此，能够增大折射率的温度系数，dX G/dT能够变大，所以，能够减小| dXG/dT -dATM/dT ，能够增大引起跳模的温度域ΛΤ。
[0111]于是，在优选的实施方式中，以此为前提，与本领域技术人员的常识相反，将布拉 格反射率的峰值的半高宽设定为较大值。而且，为了使跳模不容易发生，必须增大满足 相位条件的波长间隔（纵模间隔）。因此，必须缩短谐振器长度，所以，将布拉格光栅的长度 Lb缩短至300μηι以下。
[0112]而且，通过在20nm~250nm的范围内调节构成布拉格光栅的凹凸的深度td，能够使 Λλ(；为〇. 8nm~6nm，将该Λλ(；的范围内纵模的数目调节为2~5。即，满足相位条件的波长是 离散的，在中纵模的存在数目为2~5时，在八人(；中反复产生跳模，不会超出该范围。因 此，不会发生大幅跳t吴，所以，能够提尚波长稳定性，抑制光功率变动。
[0113] 以下，在图11所示的构成中进一步说明本实施方式的条件的意义。
[0114] 然而，由于算式既抽象又难以理解，因此先直接将现有技术的典型方案和本实施 方式进行比较，并对本实施方式的特点进行说明。接着，对本实施方式的各条件进行说明。
[0115] 首先，半导体激光器的振荡条件如下式所示由增益条件X相位条件来决定。
[0116][算式6]
[0117]
[0118]
[0119]
[0120]
[0121]其中，<^、％、(^;、〇#分别是活性层、半导体激光器和波导间的间隙、输入侧的光栅 未加工波导部、光栅部的损耗系数，1^、1^、1^、1^分别是活性层、半导体激光器和波导间的 间隙、输入侧的光栅未加工波导部、光栅部的长度，ri、r2是反射镜反射率(r2是光栅的反射 率），C? t是光栅元件和光源的耦合损耗，Gtgth是激光介质的增益阈值，Φ1是基于激光器侧反 射镜的相位变化量，#2是在光栅部的相位变化量。
[0122] (2-2)式表示，若激光介质的增益Gtgth(增益阈值)超过损耗，则进行激光振荡。激 光介质的增益曲线(波长依赖性）的半高宽为50nm以上，具有较宽的特性。另外，损耗部(右 边)除了光栅的反射率以外几乎不存在波长依赖性，因此增益条件由光栅决定。从而，在比 较表中，增益条件可以只考虑光栅。
[0123] 另一方面，相位条件根据(2-1)式而成为下式。其中，Φ?成为零。
[0124] [算式 8]
[0125]
[0126]
[0127] 其中，光源2进行激光振荡的情况下，成为复合谐振器，所以，上述的（2-1)式、（2-2)式、（2-3)式成为复杂的算式，可以看作是激光振荡的基准。
[0128] 对外部谐振器型激光器而言，作为外部谐振器，使用了石英系玻璃波导、FBG的外 部谐振器型激光器已被产品化。如图7、图8所示，现有的设计理念是，光栅的反射特性为Δ A G = 〇.2nm左右，反射率为10%。由此，光栅部的长度成为1mm。另一方面，将相位条件设计成 满足条件的波长是离散的，并且在A 内，（2-3)式有2~3个。因此，激光介质的活性层长度 必须要长，使用1mm以上的长度。
[0129] 在使用玻璃波导或FBG的情况下，Ag的温度依赖性非常小，并成为cUG/dT = 0.01nm/°C左右。由此，外部谐振器型激光器具有波长稳定性高的特点。
[0130]但是，与此相比，满足相位条件的波长的温度依赖性大，为cUs/dT = cUTM/dT = 0 · 05nm/°C，差值为0 · 04nm/°C。
[0131] -般而言，根据非专利文献1，认为发生跳模的温度Tmh如下式所示(认为T a = Tf)。
[0132] AG?是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长间隔(纵模间隔）。
[0133] [算式 9]
[0134]
[0135] 由此，现有情况下，Tmh为5 °C左右。因此，容易引起跳模。从而，若引起跳模，则功率 基于光栅的反射特性发生变动，并发生5%以上的变动。
[0136] 由此可知，在实际工作中，现有的利用了玻璃波导或FBG的外部谐振器型激光器利 用珀耳帖元件来进行温度控制。
[0137] 对此，作为本实施方式的前提条件，使用(2-4)式的分母变小的光栅元件。（2-4)式 的分母优选为〇.〇3nm/°C以下，作为具体的光学材料层，优选为砷化镓(GaAs)、铌酸锂(LN)、 钽酸锂(LT)、氧化钽(Ta 2〇5)、氧化锌(ZnO)、氧化铝(A12〇3)。
[0138] 另外，作为缓冲层，优选折射率小于光学材料层且使用波长下透明、损耗低的材 料。可以为与光学材料相同的材料系并改变组成而得到，优选增大了与光学材料层的折射 率差。从该观点来看，优选氧化硅(Si0 2)、氧化铝(Al2〇3)等氧化物，也可以为有机系的材料。
[0139] 满足相位条件的波长如果在Λλ(；内存在5个以下，则即使发生跳模，也能够在稳定 的激光振荡条件下动作。
[0140] 即，本实施方式中，在例如使用铌酸锂的z轴的偏振光的情况下，相对于温度变化， 振荡波长基于光栅的温度特性以〇.lnm/°C变化，但即使发生跳模，也能够使功率变动不易 发生。本申请的结构为了增大Δ 而将光栅长度Lb设定为例如100μπι，为了增大Δ Gtm而将La 设定为例如250μηι。
[0141] 此外，补充说明与专利文献6的不同之处。
[0142] 本申请以光栅波长的温度系数和半导体的增益曲线的温度系数接近为前提。基于 此而使用折射率为1.8以上的材料。进而，使光栅的沟槽深度td为20nm以上、250nm以上，使 反射率为3%~60%，并且使其半高宽AA GS〇.8nm~250nm。由此能够使谐振器结构小型 化，并且无需额外部件就能够实现非温度依赖性。在专利文献6中，各参数以如下方式记载， 且均属于现有技术的范畴。
[0143] Δλ〇 = 0,4nm
[0144] 纵模间隔 AGTM=0.2nm
[0145] 光栅长度Lb = 3mm
[0146] LD 活性层长度 La=600ym [0147]传播部的长度=i.5mm
[0148] 以下，进一步具体说明各条件。
[0149] 0.8nm < Δλ〇 < 6.Onm ---(1)
[0150] 10ym<Lb< 300ym ---(2)
[0151] 20nm < td < 250nm ---(3)
[0152] nb > 1.8 ---(4)
[0153] 式(4)中，构成布拉格光栅的材质的折射率nb为1.8以上。
[0154] 目前，一般使用石英等折射率更低的材料，但在本发明的构思中，提高构成布拉格 光栅的材质的折射率。其理由是，折射率大的材料，其折射率的温度变化大，并且能够增大 (2-4)式的T mh，进而如上所述能够增大光栅的温度系数dAc/dT。从该观点来看，nb更优选为 1.9以上。另外，n b的上限无特别限定，但从光栅间距过小而难以形成的观点来看，优选为4 以下。构成布拉格光栅的材质的折射率n b更优选为3.6以下。另外，基于相同观点，光波导的 等效折射率优选为3.3以下。
[0155] 将布拉格反射率的峰值的半高宽设为〇.8nm以上(式1)AG是布拉格波长。即， 如图7、图8所示，使横轴为基于布拉格光栅的反射波长，并使纵轴为反射率时，以反射率最 大的波长为布拉格波长。另外，在以布拉格波长为中心的峰中，以反射率成为峰值一半的两 个波长之差为半高宽
[0156] 将布拉格反射率的峰值的半高宽Λλ(；设为〇.8nm以上(式（1))。这是因为能够加宽 反射率峰。从该观点来看，半高宽AA G优选设为1.2nm以上，更优选为1.5nm以上。另外，使半 高宽为6nm以下，更优选为3nm以下，优选为2nm以下。
[0157] 布拉格光栅的长度Lb为300μηι以下(式2)。布拉格光栅的长度Lb是在光波导中传播 的光的光轴方向上的光栅长度。本实施方式的设计构思的前提是将布拉格光栅的长度U设 成比现有的长度更短，为300μπι以下。即，为了使跳模不容易发生，必须增大满足相位条件的 波长间隔(纵模间隔）。因此，必须缩短谐振器长度，将光栅元件的长度缩短。从该观点来看， 更优选将布拉格光栅的长度Lb设为200μηι以下。
[0158] 缩短光栅元件的长度，能够减小损耗，从而降低激光振荡的阈值。结果，能够以低 电流、低发热、低能量进行驱动。
[0159] 另外，为了得到3%以上的反射率，光栅的长度Lb优选为5μπι以上，为了得到5%以 上的反射率，光栅的长度 Lb更优选为ΙΟμπι以上。
[0160] 式(3)中，td是构成上述布拉格光栅的凹凸的深度。通过使20nm< td < 250nm，能够 使AAGS〇.8nm~250nm，能够将AAG中纵模的数目调整为2~5。从这样的观点来看，td更优 选为30nm以上，另外，更优选为200nm以下。为了使半高宽为3nm以下，优选td为150nm以下。
[0161] 在优选实施方式中，为了促进激光振荡，优选将光栅元件的反射率设定为3%~ 40%。为了使输出功率更稳定，该反射率更优选为5%以上，另外，为了增大输出功率，该反 射率更优选为25%以下。
[0162] 如图11所示，激光振荡条件取决于增益条件和相位条件。满足相位条件的波长是 离散的，例如图9所示。即，本申请的结构中，通过使增益曲线的温度系数(GaAs的情况下为 0.3nm/°C)和光栅的温度系数dA G/dT接近，能够将振荡波长固定在。进而，在八\(；中存 在的纵模的数目为2~5时，振荡波长在中反复产生跳模，在Λλ(；以外能够降低激光振荡 的概率，所以不会产生大幅的跳模，而且波长稳定，输出功率能够稳定地动作。
[0163] 优选的实施方式中，活性层的长度1^也为500μπι以下。从该观点来看，更优选将活 性层的长度La设为300μπι以下。另外，从增大激光器的输出的观点考虑，优选活性层的长度L a 为150μηι以上。
[0164] [算式 10]
[0165]
* " * (6.)
[0166] 在式(6)中，dXG/dT是布拉格波长的温度系数。
[0167] 另外，dATM/dT是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长的温度系数。
[0168] 此时，λΤΜ是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长，g卩，满足所述(2-3式）的 相位条件的波长。在本说明书中将其称为"纵模"。
[0169] 下面，对纵模进行补充说明。
[0170] (2-3)式中的i3 = 23meff/A，neff是该部分的有效折射率，满足该条件的λ成为λΤΜ(3φ 2 是布拉格光栅的相位变化。
[0171] AG?是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长间隔(纵模间隔）。
[0172] 由于存在多个λΤΜ，因此，是指多个λΤΜ之差。前文使用的Λλ等于AGtm，As等于λ ΤΜ。
[0173] 因此，通过满足式(6)，能够提高引起跳模的温度，实际上抑制跳模。式(6)的数值 更优选为0.025以下。
[0174] 优选的实施方式中，光栅元件的长度Lre也在600μπι以下。Lre优选为400μπι以下，更 优选为300μηι以下。另外，Lwg优选为50μηι以上。
[0175] 从改善半导体激光器与光栅元件的耦合效率的观点考虑，优选光源的出射面和光 波导的入射面的距离Lg接近零。但是，从在较宽的温度区域中使用的观点考虑，必须防止热 膨胀带来的机械干扰，在优选的实施方式中，光源的出射面与光波导的入射面之间的距离 LgSlym~ΙΟμπι。由此可以进行稳定的振荡。其中，可以不设置入射侧传播部。
[0176] 实施例
[0177] (实施例1)
[0178]制作如图2、图5、图6所示的装置。
[0179] 具体而言，在将掺杂MgO的铌酸锂结晶ζ切而成的基板上将Ti成膜，通过光刻技术， 在y轴方向制作光栅图案。之后，以Ti图案为掩模进行氟系的反应性离子蚀刻，由此形成间 距(pitch)间隔Λ为222nm、长度Lb为100μπι的光栅沟槽。光栅的沟槽深度为40nm。另外，为了 形成y轴传播的光波导，利用反应性离子蚀刻装置(RIE)，实施干法蚀刻加工，形成脊型沟 槽。
[0180] 此处，使布拉格光栅12处的光波导宽度Wm为3μπι，高度Tr为0.5μπι。同时，如图2所示， 设置宽度恒定的连接部20a、锥形部20b及宽度恒定的出射部20c。各部分的尺寸如下。
[0181] 连接部20a处的光波导宽度Wm:3ym
[0182] 连接部20a处的光波导高度Tr:0.5ym
[0183] 出射部20c处的光波导宽度Wc^lym
[0184] 出射部20c处的光波导高度Tr:0.5ym
[0185] 锥形部20b处的光波导宽度Wt:l~3μπι
[0186] 锥形部20b处的光波导高度Tr:0.5ym
[0187] 进而，在沟槽形成面，用溅射装置将由Si02形成的缓冲层16以0.5μπι成膜，作为支 撑基板使用黑色LN基板并粘接光栅形成面。
[0188] 接着，将黑色LN基板侧粘贴在研磨平台，对形成有光栅的LN基板的背面进行精密 研磨而成为1.2μπι的厚度(Ts)。之后，从平台取下并对研磨面进行溅射，形成0.5μπι的由Si0 2 形成的缓冲层17。
[0189]之后，用切割装置切断成杆状，对两端面进行光学研磨，使两端面形成0.1 %的AR 涂层，最后进行芯片切割而制作光栅元件。元件尺寸是宽度为1mm、长度Lwg为500μπι。
[0190] 接着，对于光栅元件的光学特性，使用作为宽带波长光源的超级发光二极管 (SLD)，向光栅元件输入光，用光谱分析仪分析输出光，由此，基于其穿透特性，评价反射特 性。结果，对于ΤΕ模，得到中心波长为975nm、最大反射率为20%、半高宽AA GS2nm的特性。
[0191] 接着，如图6所示地安装了激光器模块。光源元件为普通的GaAs系激光器，在出射 端面没有AR涂层。
[0192] 光源元件规格：
[0193] 中心波长:977nm
[0194] 输出：40mW
[0195] 半值宽度:0.1nm
[0196] 激光器元件长度250μπι
[0197] 安装规格：
[0198] Lg： Ιμπι
[0199] Lm：20ym
[0200] 在安装模块后，不使用珀耳帖元件，也不使用监视器用光电二极管，而用电流控制 (ACC)驱动半导体激光器时，在对应于光栅的反射波长的中心波长975nm振荡，输出比没有 光栅元件时小，但为30mW的激光特性。
[0201]对于光栅元件的出射侧端面的近场图形的形状，水平方向为Ιμπι，垂直方向为Ιμπι， 大致为正圆形状。另外，即使将温度由20°C变为70°C，也维持单模。
[0202](比较例）
[0203]实施例1中，在光波导18的整个长度上，使光波导宽度恒定在3μπι，使高度Tr恒定在 0.5μπι。之后，用同样的方法制作光栅元件。
[0204]接着，对于光栅元件的光学特性，使用作为宽带波长光源的超级发光二极管 (SLD)，向光栅元件输入光，用光谱分析仪分析输出光，由此，基于其穿透特性，评价反射特 性。结果，对于ΤΕ模，得到了中心波长为975nm、最大反射率为20%、及半高宽△ AGS2nm的特 性。
[0205]接下来，如图6所示地安装激光器模块。光源元件为普通的GaAs系激光器，在出射 端面没有AR涂层。
[0206]光源元件规格：
[0207] 中心波长:977nm
[0208] 输出：40mW
[0209] 半值宽度：0.1nm
[0210] 激光器元件长度250μπι
[0211]安装规格：
[0212] Lg： Ιμπι
[0213] Lm：20ym
[0214] 在安装模块后，不使用珀耳帖元件，也不使用监视器用光电二极管，而用电流控制 (ACC)驱动半导体激光器时，在对应于光栅的反射波长的中心波长975nm振荡，输出比没有 光栅元件时小，但为30mW的激光器特性。
[0215]对于光栅元件的出射侧端面的近场图形的形状，水平方向为3μπι，垂直方向为Ιμπι， 是纵横尺寸比为3的扁平波导。另外，将温度由20°C变为70°C的情况下，70°C附近激发了多 模。
【主权项】
1. 一种外部谐振器型发光装置，包括:半导体激光器光源及光栅元件，所述半导体激光 器光源和所述光栅元件构成外部谐振器，其特征在于， 所述半导体激光器光源包括使半导体激光振荡的活性层， 所述光栅元件包括： 脊型光波导，所述脊型光波导具有射入所述半导体激光的入射面和射出所需波长的出 射光的出射面， 布拉格光栅，所述布拉格光栅由形成在该脊型光波导内的凹凸构成，以及， 出射侧传播部，所述出射侧传播部设置在所述布拉格光栅和所述出射面之间， 在所述布拉格光栅的反射波长域进行激光振荡，所述布拉格光栅处的所述光波导的宽 度和所述出射面处的所述光波导的宽度不同。2. 根据权利要求1所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于， 所述出射面处的所述光波导的宽度小于所述布拉格光栅处的所述光波导的宽度。3. 根据权利要求1或2所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于， 所述出射侧传播部包括锥形部，所述锥形部的所述光波导的宽度从所述布拉格光栅侧 向所述出射面侧变小。4. 根据权利要求1~3中的任一项所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于， 所述光栅元件包括： 支撑基板，及 光学材料层，所述光学材料层设置在所述支撑基板上，厚度为〇 . 5μπι~3 . ομπι。5. 根据权利要求1~4中的任一项所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于， 构成所述布拉格光栅的材质从由砷化镓、铌酸锂、氧化钽、氧化锌及氧化铝、钽酸锂构 成的组中选择。6. 根据权利要求1~5中的任一项所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于， 满足下述式(1)和式(2)的关系， IOym < Lb < 300μηι · · · (I) 20nm<td< 250nm· · · (2) 式(I)中，U是所述布拉格光栅的长度， 式(2)中，td是构成所述布拉格光栅的凹凸的深度。7. 根据权利要求1~6中的任一项所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于， 满足下述式(3)和式(4)的关系， 0.8nm < Δλ〇 < 6. Onm · · · (3) nb > I ·8 · · · (4) 式(3)中，AAc是布拉格反射率的峰值的半高宽， 式(4)中，nb是构成所述布拉格光栅的材质的折射率。8. 根据权利要求1~7中的任一项所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于， 满足下述式(5)的关系， Lwg < 500μηι · · · (5) 式(5)中，Ltc是所述光栅元件的长度。9. 根据权利要求7或8所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于， 所述半高宽A Xc中，能够满足激光振荡的相位条件的波长存在2~5个。10.根据权利要求1~9中的任一项所述的外部谐振器型发光装置，其特征在于， 满足下述式(6)的关系， [算式11]，* · * ( 6 ) 式(6)中，dAG/dT是布拉格波长的温度系数， dATM/dT是满足外部谐振器型激光器的相位条件的波长的温度系数。
【文档编号】H01S5/14GK105900298SQ201580003751
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月7日
【发明人】近藤顺悟, 山口省郎, 山口省一郎, 吉野隆史, 武内幸久
【申请人】日本碍子株式会社