JP2005175049A - 外部共振器型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 グレーティングを半導体レーザにより近接して配置し、単一モード化を実現しながら、より小さなサイズの外部共振器型半導体レーザを提供する。
【解決手段】 外部共振器型半導体レーザ１は、半導体レーザ２、レンズ３、支持部４、グレーティング５によって構成されるリトロー型の半導体レーザである。半導体レーザ２は、例えば、青色レーザ・ダイオードのような半導体レーザ素子を使用したものである。グレーティング５は透過型のものであり、半導体レーザ２から出射されたレーザ光のほとんどはグレーティング５を透過し、透過０次光として外部に提供される。グレーティング５は、半導体レーザ２からのレーザ光に対して４５°より大きな角度、例えば、約６０°傾斜した状態で支持されて、その結果、より近接した位置に半導体レーザ２とグレーティング５が配置され外部共振器型半導体レーザの小型化が実現される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、レーザ・ダイオード（ＬＤ：laser diode）を含む外部共振器型半導体レーザに関する。

ホログラフィメモリへの記録はレーザ光を使って行われる。より詳細には、一旦２本に分けられたレーザ光が、ホログラム（記録媒体）上で再び重ね合わされ、その干渉性を利用してホログラムに回折格子が記録される。この回折格子の記録によってデータが記録されることになるが、レーザ光が多重モードである場合は干渉性が低く、回折格子を形成し難い。

従って、ホログラフィメモリに利用されるレーザ光については、単一モード性が要求される。このため、従来では、５３２ｎｍの固体レーザ（ＹＡＧの２次高調波）が使われることが多かった。

しかしながら、個体レーザは、例えば、パワー設定値を変更した場合に、実際のパワーがその設定値となるのに時間がかかる等、制御が難しいという欠点を有する。そこで、パワー等の制御が比較的容易なうえに、波長が短く、より高密度の記録が可能な青色レーザ・ダイオードをホログラフィメモリの分野に適用しようとする試みが盛んになされている。

ただし、この青色レーザ・ダイオードは、本来多重モードであって干渉性が低いため、ホログラフィメモリ用に単独で用いることは難しい。そこで、青色レーザ・ダイオードは、外部共振器と組み合わせた外部共振器型半導体レーザとして構成することによって単一モード化を実現している。外部共振器型半導体レーザは、外部から所定の波長の光を入射することによって半導体レーザの発振光の波長を安定化（単一モード化）する。

ここで、外部共振器型半導体レーザの代表的な例であるＬｉｔｔｒｏｗ（リトロー）型の半導体レーザについて、図４を参照して説明する。例えば、レーザ・ダイオードのような半導体レーザ素子を含む半導体レーザ５１から出射された縦多モードのレーザ光（発振光）がレンズ（コリメートレンズ）５２によって平行にされ、グレーティング（回折格子）５４に入射される。グレーティング５４は、各モードの１次回折光を出力し、その配置角度に応じて、特定の１次回折光が、レンズ５２を介して半導体レーザ５１に逆注入される。この結果、半導体レーザ５１が、注入された１次回折光に共振して単一モードの光を出射するようになり、その光の波長は、グレーティング５４から戻った１次回折光の波長と同じになる。さらに、グレーティング５４に入射したレーザ光の残り（０次光）は、入射角と同じ角度で反射され、外部に出射される。

半導体レーザ５１に入射される光の波長は、グレーティング５４の配置角度を変えることによって調整することができる。グレーティング５４は、例えば、所定の支持部に支持された板バネに保持されており、グレーティング５４に接するネジを回転させると、レンズ５２の方向に移動、あるいは、これと逆の方向に移動する。この移動は、グレーティング５４が、板バネが所定の支持部に支持されている箇所を支点として回転する運動に近似しており、この回転によってグレーティング５４の配置角度が変わる。

また、グレーティング５４は通常、反射型のものが使用され、半導体レーザ５１から出射されたレーザ光に対して約４５°の角度で配置される。従って、半導体レーザ５１から出射されたレーザ光は、グレーティング５４で、約９０°曲がって反射する。上記グレーティング５４の配置角度の調整は２°前後であるため、９０°曲げられたレーザ光（すなわち、０次光）の出射方向も２°程度変わる。

グレーティング５４の配置角度が、上記のように約４５°となっているのには大きく２つの理由がある。１つは、グレーティング５４を、半導体レーザ５１から出射されたレーザ光に対して４５°より小さい角度で配置すると、レーザ光をすべて受光するために長いグレーティングが必要となり、結果的に外部共振器型半導体レーザが大きくなってしまうことである。もう１つの理由は、グレーティング５４を、半導体レーザ５１から出射されたレーザ光に対して４５°より大きな角度で配置すると、反射光（０次光）が半導体レーザ５１に近接した方向に進み、極端な場合には、反射光がレンズ５２の縁に当たって、レーザ光を外部に取り出せなくなってしまうことである。

しかしながら、グレーティング５４が、上述のように、半導体レーザから出射されたレーザ光に対して約４５°の角度で配置されると、図４のＤで示すような大きなサイズが必ず必要となり、それ以下のサイズの外部共振器型半導体レーザを作製することができない。また、図４は、Ｌｉｔｔｒｏｗ型の外部共振器型半導体レーザを示したものであるが、Ｌｉｔｔｍａｎ型の外部共振器型半導体レーザについては、さらに、ミラーまたはプリズムを含む構成であるため、小型化が一層困難である。

従って、この発明の目的は、より小さなサイズで構成が可能な外部共振器型半導体レーザを提供することにある。

さらに、この発明の目的は、グレーティングを、半導体レーザから出射されたレーザ光に対して４５°より大きな角度に傾斜させることによって、グレーティングを半導体レーザにより近接して配置しても、単一モードのレーザ光を取り出すことのできる外部共振器型半導体レーザを提供することにある。

さらに、この発明の目的は、透過型グレーティングを用いることによって、波長によらず、同じ方向の外部出射光を提供可能な外部共振器型半導体レーザを提供することにある。

この発明は、レーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザから受光したレーザ光をほぼ平行な光として出射するコリメートレンズと、レーザ光をコリメートレンズを経由して受光する透過型のグレーティングとを有し、レーザ光を受光したグレーティングは、反射１次光および透過０次光を出射し、反射１次光は所定の周波数を有する光であり、反射１次光がコリメートレンズを介して半導体レーザに入射されることにより、半導体レーザから出射されるレーザ光が単一モード化され、グレーティングが、半導体レーザから出射されたレーザ光がグレーティングに向かう方向に対して少なくとも４５°より大きな角度で配置されている外部共振器型半導体レーザである。

この発明によれば、グレーティングを半導体レーザに近接して配置することができ、結果的により小さなサイズの外部共振器型半導体レーザを実現することができる。また、透過０次光の光路の方向が一定であるため、取り出されたレーザ光の光学的調整が容易となる。

最初に、この発明の第１の実施形態に係る外部共振器型半導体レーザの構成を、図１を参照して説明する。図１に示す外部共振器型半導体レーザ１は、半導体レーザ２、レンズ（コリメートレンズ）３、支持部４、およびグレーティング５によって構成される。半導体レーザ２は、例えば、青色レーザ・ダイオードのような半導体レーザ素子を使用したものであり、レンズ３とともに、支持部４によって所定の位置に支持される。

グレーティング５は、透過型のものであり、半導体レーザ２から出射されたレーザ光のほとんどは、グレーティング５を透過して外部に提供される。図１には、レーザ光が半導体レーザ２からレンズ３を経由して、グレーティング５を透過する様子が示されている。なお、ここでは、図を簡潔化するため、グレーティング５からの反射光等については省略している。また、この実施形態において、グレーティング５は、半導体レーザ２からのレーザ光に対して４５°より大きな角度、例えば、約６０°に傾斜した状態で配置され、例えば、２５００本／ｍｍのものが用いられる。

半導体レーザ２の傾斜角度は、より厳密には、半導体レーザ２からグレーティング５に向かうレーザ光の方向に対して６０°ということになる。ここでは、半導体レーザ２からグレーティング５の間のレーザ光の光路の方向を基準としていることに注意すべきである（グレーティング５により屈折した光路等は考慮しない）。また、上記レーザ光の方向（に延長した線）はグレーティング５と交差しているので、レーザ光の方向とグレーティング５のなす角は２つあることになる。しかしながら、ここでは、これらのなす角のうち小さい方の角度を用いて両者の位置関係を現すものとする。従って、傾斜角度が６０°という場合、グレーティング５は、例えば、図１に示すグレーティング５の右端を下げる方向に６０°傾いていても良いし、逆に、左端を下げる方向に６０°傾いていても良い。

図１に示す、こうした構成によって、半導体レーザ２からグレーティング５の最大距離はＤ’となり、その分、外部共振器型半導体レーザ１のサイズをより小さくすることができる。図４に示された、半導体レーザ５１からグレーティング５４までの最大距離Ｄと比べると、外部共振器型半導体レーザ１のサイズを従来のものよりかなり小さくすることができるのが分かる。図４のグレーティング５４は、半導体レーザ５１からのレーザ光に対して約４５°傾斜した状態で配置されている。

次に、図２を参照して、図１に示した第１の実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ１において、グレーティング５で受光されたレーザ光がどのようになるかを説明する。図１の外部共振器型半導体レーザ１と同じ構成要素については同じ符号が付されている。また、図１に示した、半導体レーザ２からグレーティング５へのレーザ光は省略してある。

半導体レーザ２から出射されたレーザ光は、レンズ３を介してグレーティング５に入射すると、一部の光は反射して反射光となり、残りの光はグレーティング５を透過して透過光となる。反射光のうち、反射１次光９は、半導体レーザ２に戻って共振し、単一モード化が実現される。また、透過光のうち、透過０次光６は、外部に取り出されるレーザ光であり、これを用いてホログラフィメモリへの記録等が行われる。透過０次光６は、半導体レーザ２から出射されたレーザ光がグレーティング５に向かう方向と同じ方向に進む。すなわち、半導体レーザ２から出射されたレーザ光がグレーティング５に向かう方向に延びる線と、透過０次光６の進む方向に延びる線とは平行である。この関係は、波長を調整するためにグレーティング５の配置角度を変更した場合も維持される。

反射０次光１０と透過１次光７は、ここでは使用されていない。また、この実施形態では、外部に取り出される透過０次光６の出力パワーをできるだけ強くし、かつ半導体レーザ２の良好な単一モード化のために、反射１次光９を全体の出力パワーの５％以上（より好ましくは１０％以上）という要件を想定すると、完全に透明なグレーティングを使用した場合の反射１次光の出力パワーは全体の４％以下であり、上記要件を満たさない。

そこで、グレーティング５の反射面には、ある程度レーザ光を反射する層を形成することが望ましい。また、本実施形態においては、反射０次光１０の出力パワーは弱くても構わないので、それを減らし、反射１次光９の出力パワーを増大させるためにグレーティング５をブレーズド回折格子とし、さらに、透過１次光７の出力パワーは、全体のほぼ１５％とした。グレーティング５は、例えば、ガラス基板上にコートしたエポキシ樹脂に、格子形状を転写した後、その表面に薄いアルミコートを施すことによって作られる。また、反対側の表面に、無反射コーティングを施して、グレーティング５の裏面からの不要な反射光を軽減させるようにすることもできる。

このような外部共振器型半導体レーザ１の構成によって、グレーティング５を半導体レーザ２に近接して配置することができ、結果的により小さなサイズの外部共振器型半導体レーザ１を実現することができる。また、透過０次光６の光路の方向が一定であるため、取り出されたレーザ光の光学的調整が容易となる。

次に、図３を参照して、この発明の第２の実施形態に係る外部共振器型半導体レーザについて説明する。図３の外部共振器型半導体レーザ２１は、図２の外部共振器型半導体レーザ１に対して、ディテクタ、波長モニタ、および光ファイバを付加した形態となっている。また、図２と同様に、半導体レーザからグレーティングへのレーザ光は省略してある。また、この実施形態においても、グレーティング２５は、半導体レーザ２２からのレーザ光に対して約６０°傾斜した状態で配置され、例えば、２５００本／ｍｍのものが用いられる。

図２に示す第１の実施形態に係る外部共振器型半導体レーザ１では、透過１次光と反射０次光は使われていなかったが、第２の実施形態では、透過１次光２７は、半導体レーザ２２から出射されるレーザ光の出力パワーのモニタ用に、反射０次光３０は、半導体レーザ２２から出射されるレーザ光の波長確認用にそれぞれ用いられている。

透過１次光２７は、まず、ディテクタ３１で受光されて出力パワー（光量）の値が求められ、その値と、外部に取り出されるレーザ光である透過０次光２６の出力パワーの値との比率が求められる。この後、ディテクタ３１で透過１次光２７の出力パワーを所定の間隔で検出すれば、当該検出された値と上記比率とから透過０次光２６の出力パワーを把握することができる。

また、ディテクタ３１によって検出された透過１次光２７の出力パワーの値を使用して、透過０次光２６の出力パワーが常に所望のパワーとなるように、半導体レーザ２２の駆動電流をフィードバック制御することもできる。

一方、反射０次光３０は、光ファイバ３３を介して波長モニタ（光スペクトラムアナライザ）３２に入射され、そこで反射０次光３０の波長がチェックされる。また、光ファイバ３３が介在するため、波長モニタ３２が受光する光のパワーは、反射０次光３０の出力パワーの数千分の１程度である。

また、第１の実施形態の外部共振器型半導体レーザ１と同様に、外部に取り出される透過０次光２６の出力パワーをできるだけ強くし、かつ半導体レーザ２２が良好な単一モードを示すことが望ましい。そこで、この場合も、第１の実施形態と同様の構造のグレーティング２５を使用する。

第２の実施形態では、上記のように、透過１次光２７は出力パワーのモニタ用に、反射０次光３０はレーザ光の波長確認用にそれぞれ用いられているが、透過１次光２７と反射０次光３０をこれらの用途に限る必要はなく、その他の様々な用途に利用することができる。

このような外部共振器型半導体レーザ２１の構成によって、グレーティング２５を半導体レーザ２２に近接して配置することができ、結果的により小さなサイズの外部共振器型半導体レーザ２１を実現することができる。

この発明の第１の実施形態の外部共振器型半導体レーザを表す略線図である。 図１の外部共振器型半導体レーザについて、グレーディングの反射光および透過光を示す略線図である。 この発明の第２の実施形態の外部共振器型半導体レーザを表す略線図である。 従来の外部共振器型半導体レーザの構成を示す略線図である。

符号の説明

１，２１・・・外部共振器型半導体レーザ、２，２２・・・半導体レーザ、３，２３・・・レンズ、４，２４・・・支持部、５，２５・・・グレーティング、６，２６・・・透過０次光、７，２７・・・透過１次光、９，２９・・・反射１次光、１０，３０・・・反射０次光、３１・・・ディテクタ、３２・・・波長モニタ、３３・・・光ファイバ

Claims (11)

1. レーザ光を出射する半導体レーザと、
   前記半導体レーザから受光したレーザ光をほぼ平行な光として出射するコリメートレンズと、
   前記レーザ光を前記コリメートレンズを経由して受光する透過型のグレーティングとを有し、
   前記レーザ光を受光した前記グレーティングは、反射１次光および透過０次光を出射し、
   前記反射１次光は所定の周波数を有する光であり、前記反射１次光が前記コリメートレンズを介して前記半導体レーザに入射されることにより、前記半導体レーザから出射されるレーザ光が単一モード化され、
   前記グレーティングが、前記半導体レーザから出射されたレーザ光が前記グレーティングに向かう方向に対して少なくとも４５°より大きな角度で配置されていることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
2. 請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記透過０次光は、前記半導体レーザから出射されたレーザ光が前記グレーティングに向かう方向と同じ方向に進むことを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
3. 請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記グレーティングは、前記半導体レーザから出射されたレーザ光を受光する側に反射膜が形成されていることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
4. 請求項３に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記反射膜はアルミコートであることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
5. 請求項３に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記グレーティングは、前記半導体レーザから出射されたレーザ光を受光する側とは反対側に無反射コーティングが施されていることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
6. 請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記グレーティングは、ブレーズド回折格子であることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
7. 請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記レーザ光を受光した前記グレーティングはさらに、透過１次光を出射し、
   前記透過１次光が、前記半導体レーザから出射されたレーザ光の出力パワーのフィードバック制御、または前記半導体レーザから出射されたレーザ光の波長のチェックに用いられることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
8. 請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記レーザ光を受光した前記グレーティングはさらに、反射０次光を出射し、
   前記反射０次光が、前記半導体レーザから出射されたレーザ光の出力パワーのフィードバック制御、または前記半導体レーザから出射されたレーザ光の波長のチェックに用いられることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
9. 請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記グレーティングが、前記半導体レーザから出射されたレーザ光が前記グレーティングに向かう方向に対してほぼ６０°の角度で配置されていることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
10. 請求項５に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
    前記グレーティングが、入射したレーザ光の出力パワーの少なくとも１０％を反射１次光として反射するよう構成されることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
11. 請求項６に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
    前記グレーティングが、入射したレーザ光の出力パワーのほぼ１５％を透過１次光として透過するよう構成されることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。

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