JP2002190643A - 温度無依存型レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モードホッピングが抑圧され、発振周波数の
温度依存性がない温度無依存型レーザの提供。 【解決手段】 温度無依存型レーザは導波路でレーザキ
ャビティを形成するための反射部となるグレーティング
導波路１５の上側クラッド部１４に、光導波路と逆符号
の屈折率温度係数を有する材料５１を配置している。コ
ア１３を通って導波する光はクラッド１４にもエネルギ
ーの一部がしみだしており、光はコア１３の屈折率とク
ラッド１４の屈折率の両方屈折率を感じ、実効屈折率は
両者の屈折率の中間の値になる。従って、上部クラッド
１４の一部または全部を除去した部分に温度係数調整材
料５１を挿入し、その温度係数が導波路（特にコア１
３）と逆符号になっていれば、実効屈折率の温度係数を
調整してゼロにすることができる。この結果、温度変化
に対してモードホッピングが抑圧され、発振周波数が変
化しないレーザを実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路中のブラ
ッググレーティングと半導体ＬＤ（レーザダイオード）
で構成される外部共振器型の周波数安定化レーザにおい
て、温度変化に対しモードホッピングが抑制され発振周
波数が一定な温度無依存型レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】温度に依存するモードホッピングを抑制
した周波数安定化レーザは、石英系導波路中のブラッグ
グレーティングと半導体ＬＤの間にシリコーン樹脂を挿
入した構成であり、グレーティングの周波数選択性を利
用して単一モード発振をする、温度係数が半導体レーザ
に比較して低い、温度を変えてもモードホッピングをし
ない、発振周波数の制御が容易である等の特徴を有する
ため、光通信、光情報処理、光計測、分光用光源として
様々な応用が期待されている（T.Tanaka, et. al., Ele
ctron. Lett., vol. 35, no. 13, 149, (1999) 、 及び
田中他 1999 年電子情報通信学会総合大会講演論文集、
C-3-7 参照)。

【０００３】なお、上記のブラッググレーティングには
光誘起グレーティングが用いられていることが多く、光
誘起グレーティングの作製技術については、ケニース・
オー・ヒル等により発明されている（特開平７−１４０
３１１号公報参照）。以後、ブラッググレーティング及
び光誘起グレーティングを名称の簡略化のためグレーテ
ィングと言い換える。

【０００４】図１３は従来の技術を用いて作製した上記
のような周波数安定化レーザをななめ上から観察した模
式図である。ここで、１１は半導体ＬＤであり、１２は
石英導波路に交差するように設けた溝中に搭載した温度
係数調整材料であり、１３は石英導波路のコアであり、
１４は石英導波路のクラッドである。１５はグレーティ
ングであり、１６はＳｉの基板であり、１８は半導体Ｌ
Ｄを搭載するために石英ガラスを取り除いた部分であっ
てシリコンテラスと呼ばれている。

【０００５】石英系導波路中のグレーティング１５と半
導体ＬＤ１１で構成される周波数安定化レーザの発振モ
ードを以下に説明する。半導体ＬＤ１１に注入電流を流
して発光させると、グレーティング１５の反射スペクト
ルに対応した周波数の光のみがグレーティング１５で反
射される。従って、半導体ＬＤ１１の後端面からグレー
ティング１５までの区間をレーザキャビティとして発振
する。なお、グレーティング１５および半導体ＬＤ１１
の後端面以外からの半導体ＬＤ１１への反射戻り光が無
いように、半導体ＬＤ１１の出力面には、空気との界面
に対する反射防止膜が施され、ＬＤ側の石英導波路の端
面はコア１３の近傍部がコア１３の光軸に直交する方向
に対して傾いている（特開平６−２３０２３７号公報参
照）。

【０００６】一般に、グレーティングの反射周波数の帯
域は５０ＧＨｚ程度である。一方、レーザキャビティ長
が０．５ｃｍ程度であるので、縦モードの周波数間隔は
２０ＧＨｚ程度となり、縦モードが３本程度存在し得
る。したがって、この中でグレーティングの反射中心周
波数に最も近いものだけが選択されて発振する。

【０００７】また、発振周波数は、温度変化に対してモ
ードホッピングを起こさないが、その理由は、以下のよ
うになっている。グレーティングの中心周波数の温度係
数と縦モードの温度系数が同じ値になっているため、グ
レーティングの反射中心周波数と縦モード周波数の間隔
は変化しない。すなわち、温度変化が生じても常に同じ
縦モードが選択されており、ある縦モードから別の縦モ
ードに変化する（つまり、モードホッピングが生じる）
ことはない。

【０００８】以下、グレーティングの反射中心周波数の
温度係数と縦モードの温度係数が等しい理由を説明す
る。グレーティングの中心周波数の温度係数は石英ガラ
スで作製した共振器の共振周波数の温度係数である。ま
た、図１３に示したように、温度係数調整材料１２を半
導体ＬＤ１１とグレーティング１５の間に挿入してある
ので、縦モードの温度係数は、石英ガラスの温度係数と
温度係数調整材料１２の温度係数と半導体ＬＤ１１の温
度係数にそれぞれの光路長をかけあわせた重み平均の値
になっている。半導体ＬＤ１１の温度係数は石英ガラス
の温度係数と同符号で、大きさが石英ガラスの温度係数
の１０倍程度である。ここで、半導体ＬＤ１１と逆の温
度係数の温度係数調整材料１２を用いて半導体ＬＤ１１
の温度係数を打ち消して、外部共振器レーザ全体の縦モ
ードの温度係数を石英ガラスの温度係数、すなわちグレ
ーティング１５の中心周波数の温度係数に一致させるこ
とができる。

【０００９】従来の周波数安定化レーザの設計を説明す
る。従来の周波数安定化レーザの縦モードの温度係数
は、近似的に下記の式（１）に示される。すなわち、縦
モードの温度係数が、石英導波路の温度係数に等しくな
るように周波数安定化レーザの構造が設計されている。

【００１０】

【数１】

【００１１】ただし、ｍ_LD，ｍ_WG，ｍ_mは、それぞれ半
導体ＬＤ１１の共振器の共振周波数の温度係数、石英導
波路部分１３を共振器とした場合の共振周波数の温度係
数、温度係数調整材料１２の温度係数である。ｎ_LD，ｎ
_WC，ｎ_mは、それぞれ半導体ＬＤ１１の導波層の実効屈
折率、半導体ＬＤ１１とグレーティング１５の間の石英
導波路の実効屈折率、温度係数調整材料１２の屈折率で
ある。また、Ｌ_LD，Ｌ _m，Ｌ_WCは、それぞれ半導体ＬＤ
１１の共振器長、温度係数調整材料１２が搭載された部
分の長さ、半導体ＬＤ１１の出射端からグレーティング
１５の中心までの、温度係数調整材料が封入された領域
を除く、石英導波路部分の長さを表す。式（１）に示し
たように縦モードの温度係数ｍが石英導波路の温度係数
ｍ_WCに等しくなるように温度係数調整材料１２を搭載す
る部分の長さＬ_WCを調節してある。

【００１２】上記のパラメータの具体的な値は以下のよ
うになる。石英導波路の等価屈折率ｎ＝ｎ_WC＝１．４
５、温度係数調整材料１２の屈折率ｎ＝ｎ_m＝１．３
９、半導体ＬＤ１１の導波層の等価屈折率ｎ_LD３．５で
ある。また、半導体ＬＤ１１の長さＬ_LDは０．６０ｍｍ
である。半導体ＬＤ１１の出射端面からグレーティング
１５の手前までの長さは１．５ｍｍであり、グレーティ
ング１５の長さは３．０ｍｍである。従って、半導体Ｌ
Ｄ１１の端からグレーティング１５の中心までの、温度
係数調整材料１２が封入された領域を除く、石英導波路
部分の長さＬ_WCは、（３．０−Ｌ_m）ｍｍである。

【００１３】温度係数の値は以下のようになる。半導体
ＬＤ１１の導波層の温度係数ｍ_LD＝−１２．９（ＧＨｚ
／Ｋ）、石英導波路の温度係数ｍ_WC＝−１．４（ＧＨｚ
／Ｋ）、温度係数調整材料１２の温度係数ｍ_m＝５４
（ＧＨｚ／Ｋ）である。温度係数調整材料としてはシリ
コーン樹脂を用いている。

【００１４】上記のパラメータを上記の（１）式に代入
すると、Ｌ_m＝３００μｍが得られる。このより詳しい
計算は、田中他、「周波数安定化レーザ」特開平１１−
９７７８４号公報中に記載されている。

【００１５】なお、一般にグレーティングの反射率は４
０〜９９％、半導体ＬＤと石英系導波路との光の結合損
失は４ｄＢ±１．５ｄＢ程度、温度係数調整材料での損
失は１ｄＢになっている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の周
波数安定化レーザでは、選択されている縦モードの周波
数の温度係数は石英導波路の温度係数に等しい。また、
発振周波数は選択されている縦モード周波数であるか
ら、発振周波数が、モードホッピングなしに、石英導波
路の温度係数で温度変化と共に変化する。この温度係数
は、ｍ_WC＝−１．４（ＧＨｚ／Ｋ）である。

【００１７】ところで、周波数安定化レーザを温度コン
トローラなしで用いることは、温度コントロールの複雑
な制御系が不要になり、コスト削減の面からも通信シス
テムにとって大変魅力的なことである。

【００１８】しかし、従来の周波数安定化レーザを温度
コントローラを用いずに通信に用いた場合、３０℃の温
度変化で発振周波数が４２ＧＨｚ程度ずれてしまう。こ
こで、ＷＤＭ（波長分割多重方式）伝送の光源は周波数
間隔の±２０％以内に発振波長がＩＴＵ（国際電気通信
連合会）グリッドに制御されていなければならない。１
００ＧＨｚ間隔のＷＤＭ伝送の場合、発振周波数の許容
値は±２０ＧＨｚである。したがって、温度コントロー
ラなしで、室温が３０℃以上変化する環境では、この従
来の周波数安定化レーザを使用することができない。

【００１９】そこで、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
数安定化レーザが望まれていた。すなわち、モードホッ
ピングが抑制されているのみならず、発振周波数が環境
温度に依存しない温度無依存型レーザが望まれていた。

【００２０】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、その目的は、グレーティング
の反射中心周波数の温度依存性を無くし、さらに縦モー
ド周波数の温度依存性を無くして両者の周波数を一致さ
せることにより、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、温度無依存型レーザを提
供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の温度無依存型レーザの発明は、基板上に
搭載された半導体ＬＤと、該基板上に作製された光導波
路と、該光導波路に形成された光誘起グレーティングを
有する集積型外部共振器を用いた周波数安定化レーザに
おいて、前記半導体ＬＤと前記光誘起グレーティングの
間の光導波路において該半導体ＬＤと逆符号の屈折率温
度係数を有する第１の温度係数調整材料が、上部クラッ
ドとコアを除去した部分または上部クラッドとコアと下
部クラッドを除去した部分に搭載されており、かつ前記
光誘起グレーティングの上部のクラッドを一部または全
部除去した部分に前記光導波路と逆符号の屈折率温度係
数を有する第２の温度係数調整材料が搭載されているこ
とを特徴とする。

【００２２】ここで、前記第１の温度係数調整材料が搭
載される溝を複数本有することを特徴とすることができ
る。

【００２３】また、前記温度無依存型レーザを複数集積
してレーザアレイを構成したこと特徴とすることができ
る。

【００２４】また、前記レーザアレイの出力側にアレイ
格子型１×Ｎ波長合分波器または１×Ｎカプラを結合し
て多波長レーザを構成したことを特徴とすることができ
る。

【００２５】また、前記光導波路が石英系ガラスで構成
されていることを特徴とすることができる。

【００２６】また、前記第２の温度係数調整材料が搭載
される前記上部のクラッドの一部除去した部分の厚さ
を、前記光誘起グレーティングの反射中心周波数の温度
係数が０［ＧＨｚ／℃］となるように設定したことを特
徴とすることができる。

【００２７】また、前記第１の温度係数調整材料が搭載
される溝と前記光導波路がなす角度をほぼ８２度に形成
したことを特徴とすることができる。

【００２８】また、前記半導体ＬＤが高温特性に優れた
半導体ＬＤであることを特徴とすることができる。

【００２９】また、前記第１、第２の温度係数調整材料
がシリコン樹脂であることを特徴とすることができる。

【００３０】また、前記レーザアレイに形成された前記
第１の温度係数調整材料が搭載される複数の溝を、該第
１の温度係数調整材料が注入される共通の液ために接続
させたことを特徴とすることができる。

【００３１】（作用）上記構成による本発明によれば、
以下の原理によりモードホッピングを抑制できる。

【００３２】屈折率温度係数が半導体ＬＤと逆の材料
を、グレーティングと半導体ＬＤの間に搭載すること
で、周波数安定化レーザのレーザキャビティ中におい
て、温度変化による半導体ＬＤの光路長変化および光導
波路の光路長変化を打ち消すことができる。

【００３３】屈折率温度係数が半導体ＬＤと逆の材料
を、搭載する領域の大きさを適切に設計することによ
り、その結果上記レーザキャビティの共振周波数（縦モ
ード周波数）の温度係数を０［ＧＨｚ／℃］にすること
ができる。

【００３４】また、その光誘起グレーティングの上部の
クラッドを一部または全部除去した部分に、その光導波
路と逆符号の屈折率温度係数を有する材料が搭載するこ
とで、光導波路の実効屈折率の温度係数を小さくするこ
とができる。

【００３５】適切な搭載材料を選択し、クラッドを除去
する量を適切に選択することで、グレーティングの反射
中心周波数の温度係数を０［ＧＨｚ／℃］にすることが
できる。この方法については、後で詳しく述べており、
さらに詳しくは、 Kokubun,et al,. “Temperature-ind
ependent narrowband optical filter at 1.3 um wavel
ength by an athermal waveguide ”，Electron. Lett,
vol. 32, no.21, pp. 1998-1999,1996、及び Bosc, e
t al., “Temperature and polarization insensitive
Bragg gratings realised on silica waveguide on sil
icon”，Electron. Lett, vol. 33, no.2, pp. 134-13
6,1997、 及び 米田他「石英系アサーマル光導波路の
設計」電子通信情報学会春季大会予稿集 C-3-2, p 187,
1997に述べられている。

【００３６】従って、本発明によれば、縦モードの温度
係数をグレーティングの反射中心周波数に一致させ、両
者の温度係数を０［ＧＨｚ／℃］にすることができる。
つまり、本発明によれば、温度変化に対してモードホッ
ピングが抑圧され、かつ発振周波数が変化しないレーザ
を実現することができる。

【００３７】なお、以後、上記の屈折率温度係数が半導
体ＬＤと逆の材料を、温度係数調整材料と記載する。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００３９】なお、本発明の実施の形態を説明するため
の全図において、同一機能を有するものは同一符号を付
け、その繰り返しの説明は省略することとする。

【００４０】（第１の実施形態）本発明の第１の実施形
態として、その光導波路が石英系ガラスで構成された温
度無依存型レーザを例に挙げて説明する。

【００４１】図１、図２に本発明の第１の実施形態の温
度無依存型レーザの構成を示す。図１は、レーザの断面
図であり、図２は、レーザの上面図である。ここで、１
１は半導体ＬＤ、１２は溝中に搭載したその屈折率温度
係数が半導体ＬＤと逆符号の温度係数調整材料、１３は
石英導波路のコア、１４は石英導波路のクラッド、１５
はグレーティング、１６はＳｉの基板、１８はシリコン
テラスである。５１はグレーティング１５上部のクラッ
ド１４を一部または全部を除去した部分に搭載した温度
係数調整材料であり、その屈折率温度係数が光導波路と
逆符号の材料である。

【００４２】半導体ＬＤ１１の波長は１．５５μｍであ
る。従って、温度無依存型レーザのおおよその光の周波
数νは、次式（２）で表される。

【００４３】

【数２】 ν＝１９３（ＴＨｚ） （２）

【００４４】図１で示す温度無依存型レーザのグレーテ
ィング１５の反射中心周波数の温度依存性について説明
する。

【００４５】グレーティング１５の反射中心周波数ｆ
_Braggは、反射中心波長（ブラッグ波長）λ_Braggを用い
て次式（３）で表わされる。ここで、ｃは光の速さを表
し、ｃ＝３．０×１０⁸（ｍ／ｓ）である。

【００４６】

【数３】

【００４７】ここで、反射中心波長λ_Braggは、石英導
波路の実効屈折率ｎ_WCとグレーティング１５のピッチΛ
を用いて式（４）のように表わされる。

【００４８】

【数４】λ_Bragg＝２ｎ_WCΛ （４）

【００４９】図１で示す温度無依存型レーザのグレーテ
ィング１５の反射中心周波数の温度係数は、グレーティ
ング１５上部のクラッド１４を一部または全部除去した
部分に温度係数調整材料５１を挿入することで、反射中
心周波数の温度依存性を無くしている。

【００５０】以下、その原理を詳しく説明する。コア１
３を通って導波する光はクラッド１４にもエネルギーの
一部がしみだしている。よって、光はコア１３の屈折率
とクラッド１４の屈折率の両方の屈折率を感じるので、
その実効屈折率ｎ_WCは両者の屈折率の中間の値になって
いる。したがって、上部クラッド１４の一部または全部
を除去した部分に、温度係数調整材料５１が挿入され、
その温度係数調整材料５１の温度係数が導波路（特にコ
ア１３）の温度係数と逆符号になっていれば、実効屈折
率ｎ_WCの温度係数を調整することができる。したがっ
て、上記の（３）式と（４）式からグレーティング１５
の反射中心周波数の温度係数を制御することができる。

【００５１】上部クラッドを１４除去していないときの
グレーティング１５の反射中心周波数の温度係数は、従
来技術の欄で既述したように、−1.４［ＧＨｚ／℃］で
あるが、上部クラッド１４を除去して温度係数調整材料
５１を入れることで、その反射中心周波数の温度係数の
値を小さくしていくことができる。

【００５２】図３は図１の温度係数調整材料５１を搭載
した部分の拡大図であり、ｔは除去されずに残った、石
英ガラスの上部クラッドの厚さを表している。また、図
４は温度係数調整材料５１にシリコーン樹脂を用いた場
合の、グレーティング１５の反射中心周波数の温度係数
の石英上部クラッド１４の厚さｔ依存性の実験結果を示
すグラフである。図４から、上記の厚さｔを適切に設計
し、上部クラッドを０．７μｍ残した場合にグレーティ
ングの反射中心周波数の温度係数が０［ＧＨｚ／℃］と
なることがわかる。

【００５３】図１で示した温度無依存型レーザの縦モー
ドの温度係数について説明する。

【００５４】縦モードの温度係数ｍは近似的に次式
（５）で表される。次式（５）の導出においては、グレ
ーティング１５上部の上部クラッド１４を一部または全
部除去した部分に搭載した温度係数材料５１の影響は無
視している。

【００５５】

【数５】

【００５６】ただし、ｍ_LD，ｍ_WC，ｍ_mは、それぞれ半
導体ＬＤ１１の共振器の共振周波数の温度係数、石英導
波路部分を共振器とした場合の共振周波数の温度係数、
温度係数調整材料１２の温度係数である。ｎ_LD，ｎ_WC，
ｎ_mは、それぞれ半導体ＬＤ１１の導波層の実効屈折
率、半導体ＬＤ１１とグレーティング１５の間の石英導
波路の実効屈折率、温度係数調整材料１２の屈折率であ
る。

【００５７】Ｌ_LD，Ｌ_m，Ｌ_WCは、それぞれ半導体ＬＤ
１１の共振器長、温度係数調整材料１２が搭載された部
分の長さ、半導体ＬＤ１１の出射端からグレーティング
１５の中心までの、温度係数調整材料１２が封入された
領域Ｌ_mを除く、石英導波路部分の長さを表す。

【００５８】上式（５）で表される縦モードの温度係数
ｍが

【００５９】

【数６】 ｍ＝０［ＧＨｚ／℃］ （６）

【００６０】のとき、縦モード周波数は温度が変化して
も一定のままである。また、グレーティング１５の反射
中心周波数の温度係数が上述のように、０［ＧＨｚ／
℃］となっているので、グレーティング１５の反射中心
周波数も温度が変化しても一定のままである。ここで、
周波数安定化レーザでは、グレーティングの反射中心周
波数に最も近い周波数の縦モードが選択されて発振す
る。両者の周波数は温度に依存しないので、温度が変化
しても常に同じ縦モードが選択されて発振している。つ
まり、温度に依存したモードホッピングが抑制されてい
る。従って、温度無依存、かつ温度に依存したモードホ
ッピングが抑制された温度無依存型レーザが実現されて
いる。

【００６１】以下、本発明の第１の実施形態において、
縦モード周波数の温度係数が０［ＧＨｚ／℃］となるた
めの温度補償材料封入領域の全長Ｌ_mを求める。

【００６２】式（５）と式（６）から、温度無依存型レ
ーザの条件は式（７）で与えられる。

【００６３】

【数７】

【００６４】以下、（７）式を満たす温度補償材料封入
領域の全長Ｌ_mを求める。ここで、温度係数調整材料１
２としてシリコーン樹脂を用いた。このシリコーン樹脂
が封入された領域を除く、石英導波路部分の温度係数ｍ
_WCの値は、次式（８）のように表わされる。

【００６５】

【数８】

【００６６】シリコーン樹脂搭載部分の温度係数ｍ_mは
次式（９）で表される。

【００６７】

【数９】 ｍ_m＝５４［ＧＨｚ／Ｋ］ （９）

【００６８】式（８）及び式（９）の導出方法は、田中
他「周波数安定化レーザ」特開平１１−９７７８４号公
報に詳しく述べられている。

【００６９】また、半導体ＬＤ１１の長さＬ_LDは０．６
０ｍｍ、半導体ＬＤ１１の導波層の等価屈折率ｎ_LDは
３．５、石英導波路の等価屈折率ｎ_WCは１．４５であ
る。シリコーン樹脂１２の屈折率ｎ_m＝１．３９であ
る。ＬＤ出射端面からグレーティング１５の手前までの
長さは５．０ｍｍであり、グレーティング１５の長さは
３．０ｍｍである。従って、半導体ＬＤ１１端からグレ
ーティング１５中心までの、温度係数調整材料１２が封
入された領域を除く、石英導波路部分の長さＬ_WCは、
（６．５−Ｌ_m）ｍｍである。また、半導体ＬＤ１１の
温度係数はｍ_LD＝−１２．９（ＧＨｚ／Ｋ）である。そ
こで、第１の実施形態の設計においては、式（７）にお
いて上記のパラメータと式（８）、式（９）に基づき、
全長Ｌ_mを０．５２ｍｍと設計した。

【００７０】図１、図２の温度無依存型レーザを上記の
パラメータに従って設計し、作製を行った。その作製工
程を図５に示す。作製工程は、以下の８工程からなる。

【００７１】（１）エッチングにより段差のあるＳｉ基
板１６を作る。

【００７２】（２）光ファイバの作製技術を応用した火
炎堆積法と、ＬＳＩ（大規模集積回路）の作製に用いら
れるフォトリソグラフィ技術とを用いて、石英導波路を
Ｓｉ基板１６上に形成する。１３は石英導波路のコア、
１４は石英導波路のクラッドを示す。

【００７３】（３）フォトリソグラフィ及び反応性イオ
ンエッチングとを用い、石英層を一部エッチングして、
半導体レーザ搭載部１８（Ｓｉテラス）及び溝２１を作
製する。

【００７４】（４）Ｓｉテラス１８上に半導体レーザ搭
載用の半田パターン１９を形成する。

【００７５】（５）エキシマレーザ光（あるいは、アル
ゴンレーザの第２高調波）３１をフェイスマスク３０を
通して導波路に照射することにより、グレーティング１
５を作製する。

【００７６】（６）反応性イオンエッチングにより、グ
レーティング１５上部のクラッド１４の一部または全部
の除去をする。

【００７７】（７）半導体レーザ１１を位置合わせ後、
固定する。

【００７８】（８）上記溝２１に温度係数調整材料（シ
リコーン樹脂）１２および５１を充填し、加熱してシリ
コーン樹脂を硬化させる。

【００７９】図６は本発明の第１の実施形態における温
度無依存型レーザの発振周波数の温度依存性の測定結果
を表すグラフである。温度無依存型レーザの測定の結
果、−１５℃から６５℃までの範囲で、発振周波数が一
定で、かつモードホッピングの抑制が確認できた。ま
た、２５℃における発振のためのしきい値電流は２００
ｍＡであった。

【００８０】（第２の実施形態）図１、図２の本発明の
第１の実施形態の構成において、溝２１と石英導波路が
なす角度を８２度に傾斜させた温度無依存型レーザの例
を図７に示す。図７はこの温度無依存型レーザの上面図
を示している。

【００８１】溝と石英導波路がなす角度を８２度にした
理由を以下に記載する。石英導波路１３との屈折率差
が、シリコーン樹脂１２に比較して、大きな温度係数調
整用材料を用いる場合は、その屈折率差が大きいため石
英導波路１３と温度係数調整用材料１２の界面で光の反
射が大きくなる。大量の反射光が半導体ＬＤ１１に戻っ
た場合、温度無依存型レーザの発振が不安定になる。し
たがって、温度係数調整用材料１２の種類によっては、
温度変化に対するモードホッピングの抑制を困難にする
場合が生じる。ところが、溝２１と石英導波路１３がな
す角度を８２度にすれば、反射光は導波路のコア１３か
らクラッド１４に抜けることで、半導体ＬＤ１１に戻ら
ず、温度無依存型レーザの発振は安定になる。

【００８２】すなわち、温度無依存型レーザのモードホ
ッピングの抑制に石英導波路との屈折率差が大きな温度
係数調整用材料も用いることができるようになる。

【００８３】本実施形態のものは、上述の本発明の第１
の実施形態と同様に、−１５℃から６５℃の範囲で、発
振周波数が一定で、かつモードホッピングの抑制が確認
できた。また、２５℃におけるしきい値電流は２００ｍ
Ａであった。

【００８４】（第３の実施形態）図１、図２の本発明の
第１の実施形態の構成において、上記溝２１を複数本に
した温度無依存型レーザの例を図８及び図９に示す。図
８に温度無依存型レーザの断面図、図９に温度無依存型
レーザの上面図を示す。図８及び図９においては、０．
５２ｍｍの溝を複数本の狭い溝に分割していることを特
徴としている。具体的には、幅２０μｍの溝を２３本作
製している。これら複数本の溝のそれぞれに温度係数調
整材料（シリコーン樹脂）１２が充填される。測定の結
果、モードホッピングの抑制が−１５℃から６５℃まで
確認され、２５℃におけるしきい値電流は、第１の実施
形態に比較して１桁低い１５ｍＡが得られた。

【００８５】以下、狭い複数個の溝を作製しそこに温度
係数調整材料１２を搭載することで、低いしきい値電流
が得られた理由を記載する。

【００８６】はじめに、溝による透過損失について説明
する。

【００８７】導波路中に溝を作製し、導波路構成材料と
別の材料をその溝に搭載すると、導波路を透過する光の
導波モードが変化し、溝がない場合に比較して透過損失
が生じる。すなわち、モード径ω、波長λの光が溝幅ｄ
の溝を透過する場合の透過率ηは、次式（１０）で表わ
される。

【００８８】

【数１０】

【００８９】ここで、λは波長でλ＝１．５５μｍであ
り、ｎはシリコーン樹脂１２の屈折率であり、ｎ＝ｎ_m
＝１．３９であり、ωは導波路中のモードフィールド径
（半径）であり４〜４．５μｍである。

【００９０】（１０）式から、透過率ηは、溝幅ｄが増
加するとともに急激に減少することがわかる。このよう
に、溝幅ｄに対する透過損失の依存性は式（１０）に表
わされている。溝の導波路方向の全長が長くなるほど、
損失が急速に増加することがわかる。

【００９１】したがって、一つの太い溝に一括して上記
温度係数調整材料を搭載する場合に比較して、複数個の
細い溝に分けて上記温度係数調整材料を搭載する場合の
方が透過光のロスが少なくなる。よって、一つの太い溝
に一括する前者に比較して、複数個の細い溝に分ける後
者の手段を用いた方が、レーザキャビティ中の損失を減
少させ、温度無依存型レーザのしきい値電流を減少させ
ることができる。

【００９２】（第４の実施形態）図１、図２の本発明の
第１の実施形態の構成において、高温特性の優れた半導
体ＬＤを搭載した温度無依存型レーザの例を図１０に示
す。図１０にこの温度無依存型レーザの断面図を示す。
５２は高温特性の優れた半導体ＬＤである。

【００９３】本実施形態の温度無依存型レーザは、高温
特性の優れた半導体ＬＤ５２を搭載している点を特徴と
する。すなわち、この半導体ＬＤ５２は、その前端面が
コーティングなしで、その後端面が９５％程度の高反射
コーティングの状態において、８５℃程度の高温領域に
おいても、しきい値電流が２０ｍＡであり、かつ、注入
電流６０ｍＡにおける、出力が２５℃における出力の３
／４程度もある半導体ＬＤである点である。

【００９４】測定の結果、−１５℃から６５℃の温度範
囲で発振波長は、温度無依存であり、しきい値電流は、
２５℃において１５ｍＡが得られた。しきい値電流は６
５℃においても３０ｍＡであった。出力変動は−１５℃
から６５℃の温度範囲で３ｄＢ程度であった。以上のよ
うに、本発明の基本構成に加えて高温特性の優れた半導
体ＬＤを用いることにより、発振周波数が温度に依存し
ないだけでなく、しきい値電流および光出力の温度依存
性が少ない、温度無依存型レーザを実現することができ
たことが確認された。

【００９５】この結果は、温度に対して、前端面がコー
ティングなし後端面９５％程度の高反射コーティングの
状態において、しきい値電流および出力の変動が少ない
半導体ＬＤを用いて温度無依存型レーザを作製している
ため、本温度無依存型レーザのしきい値電流変動および
出力変動も抑制されている。

【００９６】また、本発明の上記の各実施形態において
は、温度係数調整材料１２及び５１にシリコーン樹脂を
用いたが、本発明はこれに限定されることはない。ま
た、グレーティング１５と半導体ＬＤ１１の間に挿入し
た温度係数調整材料１２と上部クラッド１４の一部また
は全部を除去して搭載した温度係数材料５１とは別の材
料であってもよい。

【００９７】また、本発明の上記の各実施形態において
は、合計で長さ５２０μｍの溝を作製し、長さ５２０μ
ｍの溝を１本または幅２０μｍの溝を２３本作製した。
しかし、溝の間隔と本数の設計はこれに限定されること
はない。例えば、幅５〜５０μｍの溝を複数本作製し、
合計の長さが上記実施形態と同様の５００μｍ±８０μ
ｍとなるようにすれば、本発明の上記実施形態の結果と
同様に、発振周波数が温度に無依存となり、また温度に
依存したモードホッピングが抑制される。

【００９８】（第５の実施形態）本発明の上記実施形態
においては、単体の温度無依存型レーザを説明したが、
本発明の効果は単体の温度無依存型レーザに限定される
ことはない。温度無依存型レーザを同一基板上に複数個
集積した構成のレーザにも本発明の効果は有効である。
以下（１）から（６）に詳しくその具体例を記載する。

【００９９】（１）温度無依存型レーザを複数個集積す
ることで作製したレーザアレイにおいても、本発明の効
果は有効である。図１１は本発明の温度無依存型レーザ
を集積したレーザアレイの模式的な上面図である。ここ
で、レーザアレイの出力数は本図のような８に限定され
るものでなく、複数であればよい。また、本図におい
て、温度係数調整用材料１２が充填される複数の溝は連
結されていており、それらの溝は、連結用溝を介して液
だめへとつながっている。注入したシリコン樹脂は液体
であるので、シリコン樹脂を液だめに注入することによ
り一括して効率的に各溝に適量のシリコン樹脂を注入す
ることができる。４１は連結用溝の中の温度係数調整用
材料、４２は液だめの中の温度係数調整用材料を表わし
ている。この液だめは、溝への注入時に、液体である材
料であれば、すべての温度係数調整材料に適用できる。

【０１００】（第６の実施形態） （２）また、（１）の構成においてグレーティング１５
の各々の反射中心周波数（波長）を制御し、アレー格子
型１×Ｎ波長合分波器、または１×Ｎカプラを集積した
多波長レーザにおいても、本発明の効果は有効である。
ただし、ここで用いるアレー格子型１×Ｎ波長合分波器
は、波長分波特性が温度に依存しないタイプの光回路で
ある。

【０１０１】図１２は本発明の温度無依存型レーザを集
積した多波長レーザの模式的な上面図を示す。２０は、
アレー格子型１×Ｎ波長合分波器、または１×Ｎカプラ
である。ここで、上記多波長レーザの波長多重数は８に
限定されるものでなく複数であればよい。なお、周波数
を決定すると同時に波長が決定されるので、周波数およ
び波長の安定化ないし制御は同じ意味で用いることがで
きる。要するに、温度無依存型レーザと波長安定化レー
ザとは同義で用いることができる。

【０１０２】（３）また、（２）の構成において、反射
中心波長が異なるグレーティング１５を一括して作製す
るために、そのグレーティング１５が形成されている部
分の導波路のコア１３の幅が導波路ごとに異なる、また
はそのグレーティング１５が形成されている部分の導波
路の光軸とグレーティングベクトルがなす角がその導波
路ごとに異なることを特徴とする多波長レーザにおいて
も、本発明の効果は有効である（特開平１０−２４２５
９１号公報参照）。

【０１０３】（４）さらに、（２）または（３）の構成
において、合波した出力光を増幅するために半導体増幅
器が集積されていることを特徴とする多波長レーザにお
いても、本発明の効果は有効である。

【０１０４】（５）また、（２）または（３）または
（４）の構成において、各波長出力を高速に変調するた
め、半導体ＬＤ１１にＥＡ変調器（electroabsorption
type modulator）が集積されていることを特徴とする多
波長レーザにおいても、本発明の効果は有効である。

【０１０５】（６）また、（２）または（３）または
（４）の構成において、各波長出力を高速に変調するた
めＬｉＮｂＯ₃変調器またはＥＡ変調器が集積されてい
ることを特徴とする多波長レーザにおいても、本発明の
効果は有効である。

【０１０６】（他の実施形態）本発明の第１の実施形態
では、基板１６上に搭載する半導体ＬＤ１１を発振波長
１．５５μｍの半導体ＬＤとしたが、一般的には他の発
振波長の半導体ＬＤを用いても、温度係数調整材料１
２、５１を適切に選択し、グレーティング１５上部のク
ラッド１４を除去する量、光導波路のサイズ、半導体Ｌ
Ｄ１１とグレーティング１５の間における温度係数調整
材料１２の搭載領域の全長を適切に設計することで、発
振周波数の温度無依存化、及びモードホッピングの抑制
が可能であることは言うまでもない。

【０１０７】また、半導体ＬＤを搭載したデバイスを実
用化するにあたり、ＬＤを樹脂で封止することにより、
半導体ＬＤを湿気にさらさないようにすることで、長期
的信頼性を確保することが一般的に行われている。本発
明の第１の実施形態で述べた温度係数調整材料１２が樹
脂封止材料を兼ねる材料である場合、上記温度係数調整
材料を搭載するための溝から半導体ＬＤ１１までをおお
う全領域に上記温度係数調整材料１２を一括して搭載す
ることにより、モードホッピングの抑制と半導体ＬＤの
信頼性確保が同時に可能になることは言うまでもない。
ただし、この場合、上記温度係数調整材料は上記半導体
ＬＤと石英導波路の間の僅かな隙間にも搭載されている
ので、上記半導体ＬＤの前端面の反射防止膜は、上記温
度係数調整材料の屈折率に対して設計されていることが
必要である。

【０１０８】また、上記の構成において、上記温度係数
調整材料の屈折率が石英導波路の屈折率ｎ＝１．４５に
等しい場合、半導体ＬＤ側の石英導波路端面と上記温度
係数調整材料との間で光の反射が生じない。したがっ
て、半導体ＬＤ側の石英導波路端面は、コアの近傍部が
コアの光軸に対して直交していてもよい。

【０１０９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、光
誘起グレーティング上部のクラッドを一部または全部除
去した部分に、その屈折率温度係数が光導波路と逆符号
の温度係数調整材料を搭載し、グレーティングと半導体
ＬＤの間の溝、すなわち、上部クラッドとコアを除去し
た溝または上部クラッドとコアと下部クラッドを除去し
た溝に、その屈折率温度係数が半導体ＬＤと逆符号の温
度係数調整材料を封入するという簡便な構成で、縦モー
ド周波数の温度係数とグレーティングの反射中心周波数
の温度係数を共に０［ＧＨｚ／℃］に一致させ、従来問
題となっていた発振周波数の温度依存性を無くし、同時
にモードホッピング抑制することが容易にできるという
効果を奏する。

【０１１０】従って、本発明を用いれば、低コストで、
温度依存性が無い、安定した単一モードレーザの実現が
可能となり、光通信等のレーザを用いる分野において多
大な効果が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の温度無依存型レーザ
の構造を示す模式的な縦断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態の温度無依存型レーザ
の構造を示す模式的な上面図である。

【図３】図１においてグレーティング近傍を拡大した模
式的な拡大図である。

【図４】本発明の第１の実施形態の温度無依存型レーザ
における、グレーティングの反射中心周波数の温度係数
の石英上部クラッドの厚さｔ依存性を示す実験結果を示
すグラフである。

【図５】本発明の第１の実施形態の温度無依存型レーザ
の作製工程を説明する模式的な工程図である。

【図６】本発明の第１の実施形態における発振周波数の
温度依存性の測定結果を示すグラフである。

【図７】溝と導波路のなす角を８２度にした本発明の第
２の実施形態の温度無依存型レーザの構造を示す模式的
な上面図である。

【図８】溝を細溝に分割した本発明の第３の実施形態の
温度無依存型レーザの構造を示す模式的な断面図であ
る。

【図９】溝を細溝に分割した本発明の第３の実施形態の
温度無依存型レーザの構造を示す模式的な上面図であ
る。

【図１０】高温特性の優れた半導体ＬＤを搭載した本発
明の第４の実施形態の温度無依存型レーザの構造を示す
模式的な断面図である。

【図１１】本発明の上記実施形態の温度無依存型レーザ
を集積して作製した本発明の第５の実施形態のレーザア
レイの構造を示す模式的な上面図である。

【図１２】本発明の上記実施形態の温度無依存型レーザ
を集積して作製した本発明の第６の実施形態の多波長レ
ーザの構造を示す模式的な上面図である。

【図１３】従来のグレーティングを用いた周波数安定化
レーザをななめ上方から観察した模式的な斜視図であ
る。

【符号の説明】

１１ 半導体ＬＤ １２ 温度係数調整用材料（シリコーン樹脂） １３ 石英導波路のコア層 １４ 石英導波路のクラッド層 １５ グレーティング １６ Ｓｉ基板 １８ シリコンテラス １９ 半導体レーザ搭載用の半田パターン ２０ アレー格子型１×Ｎ波長合分波器あるいは１×Ｎ
カプラ ２１ 溝 ３０ フェイスマスク ３１ エキシマレーザ光あるいはアルゴンレーザの第２
高調波 ４１ 連結用溝の中の温度係数調整用材料 ４２ 液だめの中の温度係数調整用材料 ５１ 温度係数調整材料（シリコーン樹脂） ５２ 高温特性の優れた半導体ＬＤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 淳 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA18 LA19 MA07 NA01 PA03 PA21 PA24 TA18 5F073 AA63 AA67 AB02 AB25 FA06 FA13 FA16

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に搭載された半導体ＬＤと、該基
   板上に作製された光導波路と、該光導波路に形成された
   光誘起グレーティングを有する集積型外部共振器を用い
   た周波数安定化レーザにおいて、 前記半導体ＬＤと前記光誘起グレーティングの間の光導
   波路において該半導体ＬＤと逆符号の屈折率温度係数を
   有する第１の温度係数調整材料が、上部クラッドとコア
   を除去した部分または上部クラッドとコアと下部クラッ
   ドを除去した部分に搭載されており、 かつ前記光誘起グレーティングの上部のクラッドを一部
   または全部除去した部分に前記光導波路と逆符号の屈折
   率温度係数を有する第２の温度係数調整材料が搭載され
   ていることを特徴とする温度無依存型レーザ。
2. 【請求項２】 前記第１の温度係数調整材料が搭載され
   る溝を複数本有することを特徴とする請求項１に記載の
   温度無依存型レーザ。
3. 【請求項３】 前記温度無依存型レーザを複数集積して
   レーザアレイを構成したこと特徴とする請求項１または
   ２に記載の温度無依存型レーザ。
4. 【請求項４】 前記レーザアレイの出力側にアレイ格子
   型１×Ｎ波長合分波器または１×Ｎカプラを結合して多
   波長レーザを構成したことを特徴とする請求項３に記載
   の温度無依存型レーザ。
5. 【請求項５】 前記光導波路が石英系ガラスで構成され
   ていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに
   記載の温度無依存型レーザ。
6. 【請求項６】 前記第２の温度係数調整材料が搭載され
   る前記上部のクラッドの一部除去した部分の厚さを、前
   記光誘起グレーティングの反射中心周波数の温度係数が
   ０［ＧＨｚ／℃］となるように設定したことを特徴とす
   る請求項１ないし５のいずれかに記載の温度無依存型レ
   ーザ。
7. 【請求項７】 前記第１の温度係数調整材料が搭載さ
   れる溝と前記光導波路がなす角度をほぼ８２度に形成し
   たことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載
   の温度無依存型レーザ。
8. 【請求項８】 前記半導体ＬＤが高温特性に優れた半導
   体ＬＤであることを特徴とする請求項１ないし７のいず
   れかに記載の温度無依存型レーザ。
9. 【請求項９】 前記第１、第２の温度係数調整材料がシ
   リコン樹脂であることを特徴とする請求項１ないし８の
   いずれかに記載の温度無依存型レーザ。
10. 【請求項１０】 前記レーザアレイに形成された前記第
    １の温度係数調整材料が搭載される複数の溝を、該第１
    の温度係数調整材料が注入される共通の液ために接続さ
    せたことを特徴とする請求項３または４に記載の温度無
    依存型レーザ。