JP2011077076A - 外部共振型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の増加を抑制しながら、出力ビームの整形を可能とすると共に、共振器長を短縮可能な外部共振型半導体レーザを提供する。
【解決手段】同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子１と、出射する該レーザ光の一部を外部共振用レーザ光５とし、その他の該レーザ光を出力用レーザ光６とする外部共振型半導体レーザにおいて、該外部共振用レーザ光と出力用レーザ光との各光路に跨って配置される少なくとも一つ以上のビーム整形素子２，３と、該ビーム整形素子を構成するシリンドリカルレンズ３の該半導体レーザ素子側の一部３０で、該外部共振用レーザ光を反射させ、反射した該レーザ光を該半導体レーザ素子に入射させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、外部共振型半導体レーザに関し、特に、同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子を用いた外部共振型半導体レーザに関する。

従来、半導体レーザは、小型なコヒーレント光源として、光通信技術、光計測技術、さらには光加工技術など多様な用途に利用されている。しかしながら、半導体レーザは一般的に光出力が小さく、温度変化に依存して波長や光量がシフトし易い、さらには、光出力を上げるため半導体レーザの駆動電流を大きくするとスペクトル幅が広がるなどの問題点がある。

これに対して、外部共振型半導体レーザは、半導体レーザ素子から出射するレーザ光の一部（特定波長光）を半導体レーザ素子にフィードバックし、光出力の安定化を図るものとして知られている。例えば、特許文献１に示すように、半導体レーザ素子のバックビームをレンズとホログラフィック回折格子を用いて、ビーム中の特定波長光のみを半導体レーザ素子に帰還させるものが提案されている。

近年では、利得導波路型半導体レーザの高出力特性を利用した外部共振型半導体レーザが提案されている。利得導波路型半導体レーザにおいては、同一端面より出射するレーザ光が、レーザ素子内の導波路の光軸から外れた２方向に出射されるため、一方のレーザ光を半導体レーザ素子にフィードバックし、他方のレーザ光を出力光として利用するものである。

利得導波路型半導体レーザを用いた外部共振型半導体レーザの例としては、特許文献２又は３などの例がある。

特許文献２に記載された外部共振型半導体レーザを図１に示す。利得導波路型半導体レーザ（Gain-guided diode laser）１１と半導体レーザの出射面に形成される回折格子１６により、レーザ素子内の導波路の光軸から外れた２方向にレーザ光が放出される。２つのレーザ光を含む平面に対して垂直な方向にレーザ光をコリメートするためのシリンドリカルレンズ１２が配置されている。また、２つのレーザ光の一方を半導体レーザ１１に帰還し、レーザ発振させるためのミラー１３が設けられている。符号１５は半導体レーザ１１への帰還ビームであり、符号１４は出力ビームである。

特許文献３に記載された外部共振型半導体レーザを図２に示す。２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ２０と、２つのレーザ光をコリメートするため、ビーム整形素子として、速軸用コリメータ（ＦＡＣ）２１と遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）２２が設けられている。ＦＡＣ２１は、２つのビーム（レーザ光）を含む平面に垂直な方向にビームをコリメートするシリンドリカルレンズであり、ＳＡＣ２２は、２つのビームを含む平面に平行な方向にビームをコリメートするシリンドリカルレンズである。

一方のレーザ光２６は、アパーチャ２３を通過し、高反射ミラー２５で反射し、再度、アパーチャ２３，ＳＡＣ２２及びＦＡＣ２１を通過して半導体レーザ２０に帰還し、外部共振用レーザ光２７を形成する。他方、出力用レーザ光２７は、ＦＡＣ２１，ＳＡＣ２２及びアパーチャ２３を通過して出射される。符号２４は、２つのレーザ光の波長を調整するためのバンドパスフィルタである。

図１に示すような外部共振型半導体レーザでは、出力ビーム１４が発散状態であり、ビームの集光及び光ファイバなどの導波路への結合が難しい（結合効率が低い）という問題がある。

図２に示すような外部共振型半導体レーザでは、部品点数が多いためアライメントが難しく、同時に光学系の保持が煩雑化するなどの問題を有する。また、ＳＡＣ２２配置する分だけ、図１のものと比較して、共振部分の長さｄが長くなるという問題も生じる。さらに、ＳＡＣの表面には、多重共振を防止するための反射防止膜をコーティングする必要がありコスト増加の原因ともなっていた。

特開昭５８−７１６８７号公報 国際公開（ＷＯ）０３／０５５０１８ 特開２００６−１２８６５６号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、部品点数の増加を抑制しながら、出力ビームの整形を可能とすると共に、共振器長を短縮可能な外部共振型半導体レーザを提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、出射する該レーザ光の一部を外部共振用レーザ光とし、その他の該レーザ光を出力用レーザ光とする外部共振型半導体レーザにおいて、該外部共振用レーザ光と出力用レーザ光との各光路に跨って配置される少なくとも一つ以上のビーム整形素子と、該ビーム整形素子を構成するシリンドリカルレンズの該半導体レーザ素子側の一部で、該外部共振用レーザ光を反射させ、反射した該レーザ光を該半導体レーザ素子に入射させることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、該シリンドリカルレンズを透過した該外部共振用レーザ光を遮光するため遮光手段が、該シリンドリカルレンズの該半導体レーザ素子と反対側に配置されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、該シリンドリカルレンズと該半導体レーザ素子との間に、該外部共振用レーザ光と該出力用レーザ光との各光路に跨って配置される特定波長透過フィルタを有することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１又は２に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、該シリンドリカルレンズの該外部共振用レーザの反射部分に反射ミラーが形成されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、該反射ミラーが特定波長光を反射するフィルタ機能を備えていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の外部共振型半導体レーザにおいて、該半導体レーザ素子は、利得導波路型半導体レーザであることを特徴とする。

請求項１に係る発明は、同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、出射する該レーザ光の一部を外部共振用レーザ光とし、その他の該レーザ光を出力用レーザ光とする外部共振型半導体レーザにおいて、該外部共振用レーザ光と出力用レーザ光との各光路に跨って配置される少なくとも一つ以上のビーム整形素子と、該ビーム整形素子を構成するシリンドリカルレンズの該半導体レーザ素子側の一部で、該外部共振用レーザ光を反射させ、反射した該レーザ光を該半導体レーザ素子に入射させるため、該シリンドリカルレンズで出力用レーザ光のビーム整形を行いながら、外部共振用レーザ光を反射でき、部品点数の増加を抑制できると共に、共振器長も短縮することが可能となる。特に、部品点数の削減により、製造コストが削減でき、信頼性の高い外部共振型半導体レーザを提供することができる。

請求項２に係る発明により、シリンドリカルレンズを透過した外部共振用レーザ光を遮光するため遮光手段が、該シリンドリカルレンズの該半導体レーザ素子と反対側に配置されているため、外部共振用レーザ光で共振に不要なレーザ光を遮断することができ、多重共振を防止することが可能となる。

請求項３に係る発明により、シリンドリカルレンズと半導体レーザ素子との間に、外部共振用レーザ光と出力用レーザ光との各光路に跨って配置される特定波長透過フィルタを有するため、１枚の特定波長透過フィルタのみで外部共振型半導体レーザから出力光を狭窄化できる。

請求項４に係る発明により、シリンドリカルレンズの外部共振用レーザの反射部分に反射ミラーが形成されているため、より効率的に外部共振用レーザ光を反射でき、外部共振型半導体レーザからの出力強度を増加させることが可能となる。

請求項５に係る発明により、反射ミラーが特定波長光を反射するフィルタ機能を備えているため、外部共振用レーザ光を特定波長に限定するために、バンドパスフィルタを別途設ける必要がなく、部品点数の増加を抑制することが可能となる。

請求項６に係る発明により、半導体レーザ素子は、利得導波路型半導体レーザであるため、高出力なレーザ光を得ることが可能となる。

従来の外部共振型半導体レーザの例を示す図である。 従来の外部共振型半導体レーザの他の例を示す図である。 本発明の外部共振型半導体レーザの第１の実施例を示す図である。 本発明の外部共振型半導体レーザの第２の実施例を示す図である。 本発明の外部共振型半導体レーザの第３の実施例を示す図である。

以下、本発明の外部共振型半導体レーザについて、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図３に示すように、同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子１と、出射する該レーザ光の一部を外部共振用レーザ光５とし、その他の該レーザ光を出力用レーザ光６とする外部共振型半導体レーザにおいて、該外部共振用レーザ光と出力用レーザ光との各光路に跨って配置される少なくとも一つ以上のビーム整形素子（２，３）と、該ビーム整形素子を構成するシリンドリカルレンズ３の該半導体レーザ素子側の一部（３０）で、該外部共振用レーザ光５を反射させ、反射した該レーザ光を該半導体レーザ素子１に入射させることを特徴とする。符号７の一点鎖線は、半導体レーザ素子１内の導波路の光軸であり、２つのレーザ光の中心対称線を示している。

ビーム整形素子は、２つのビーム（レーザ光）を含む平面に垂直な方向にビームをコリメートするシリンドリカルレンズである「速軸用コリメータ（ＦＡＣ）」２と、２つのビームを含む平面に平行な方向にビームをコリメートするシリンドリカルレンズである「遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）」３から構成される。外部共振用レーザ光５を反射させるシリンドリカルレンズは、ＳＡＣ３が好適である。ただし、ＦＡＣ２で反射させることも可能であり、その際には、ＦＡＣ２とＳＡＣ３との配置位置を交換することにより、ＳＡＣのビーム整形機能を生かし、半導体レーザ１に帰還する外部共振用レーザ光を収束させることも可能となる。

本発明の外部共振型半導体レーザは、図３のＳＡＣ３により半導体レーザ素子１へのレーザ光の帰還を行うと共に、出力用レーザ光のビーム整形を同時に行うため、部品点数の増加を抑制できると共に、共振器長も短縮することが可能となる。

半導体レーザ素子１には、同一端面から少なくとも２方向にレーザ光を出射する、利得導波路型半導体レーザを利用する。利得導波路型半導体レーザとは、レーザの活性層がｐ型半導体およびｎ型半導体との接合面に沿って５０μｍ〜４００μｍ程度の広い幅を持つものである。この半導体レーザ素子は、駆動電流の増加に伴い活性層の両端部の屈折率が高くなるため、活性層自身が凹レンズの効果を持ち、出射するレーザ光が２方向に曲げられるという特性を持つ。また、このような半導体レーザ素子１は、ブロードエリア半導体レーザ（ＢＡＬＤ）であり、広帯域の波長光を出射することが可能である。また、半導体レーザ素子は、帰還する外部共振用レーザ光と同じ波長のレーザ光を、高出力で出力用レーザ光として出射する。

図３の第１の実施例では、半導体レーザ素子１から出射するレーザ光５は、ビーム整形素子である速軸用コリメータ（ＦＡＣ）２を通過し、遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）３の半導体レーザ素子側の一部（３０）で反射され、再度、ＦＡＣ２を通過して、半導体レーザ素子１に帰還する。この外部共振用レーザ光５の共振周波数に対応して、半導体レーザ素子１からは出力用レーザ光６は放射され、ＦＡＣ２及びＳＡＣ３によりビーム整形されて出力される。

ＳＡＣ３の角度を調整することで、半導体レーザ素子１への戻り光の方向を調整でき、最適な発振状態を実現することが可能である。また、ＳＡＣ３の光軸方向７の位置を調整することで、ビームのコリメート状態も調整可能である。ただし、これらの調整により、共振器長が変化する場合には出力波長が若干変化することとなる。

図３では、遮光手段４を、シリンドリカルレンズ（ＳＡＣ３）の半導体レーザ素子１と反対側に配置している。遮光手段４は、レーザ光５を吸収するか、あるいは帰還しない方向にレーザ光を反射・散乱させる機能を有している。これにより、不要なレーザ光が、外部共振用レーザ光として半導体レーザ素子１に戻ることを阻止でき、多重共振を防止することが可能となる。なお、遮光手段４は、従来の外部共振型半導体レーザに使用されるミラー１３（図１参照）、２５（図２参照）と比較し、部品の位置調整の精度が低くても良く、装置の組立や調整を容易に行うことが可能である。

図４は、本発明の外部共振型半導体レーザの第２の実施例を説明する図である。図４では、シリンドリカルレンズ（ＳＡＣ３）と半導体レーザ素子１との間に、外部共振用レーザ光と出力用レーザ光との各光路に跨って配置される特定波長透過フィルタ８を配置している。

半導体レーザ素子１から出射するレーザ光５は、ビーム整形素子である速軸用コリメータ（ＦＡＣ）２を通過して、特定波長透過フィルタ８に入射する。特定波長成分のビームのみ該フィルタ８を通過し、さらに遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）３の一部（３０）で反射される。反射したビームは、再度、特定波長透過フィルタ８を通過し、より波長選択性が高まり、さらにＦＡＣ２を通過して、半導体レーザ素子に帰還する。このように、外部共振用レーザ光の波長選択性を高めることにより、半導体レーザ素子が発生するレーザ光のスペクトル幅を狭窄化することができる。

他方、レーザ光６は、出力用レーザ光として、ＦＡＣ２、波長透過フィルタ８、及びＳＡＣ３を通過し、波長選択性がより高められた状態で外部に出力される。図４に示すように、特定波長透過フィルタ８が、外部共振用レーザ光５と出力用レーザ光６との各光路に跨って配置されているため、１枚の特定波長透過フィルタのみで両ビームの狭窄化の向上が実現でき、しかも、両者で選択される波長は同じであることから、複数のフィルタで構成した場合に発生するフィルタ毎の微妙な特性の違いを、フィルタの角度調整などで行う必要も無い。

特定波長透過フィルタ８には、支持体上にＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２などの低屈折率材料と高屈折率材料とによる誘電体膜を複数積層した誘電体多層膜フィルタや、透過型ファブリ・ペロー型エタロンを用いることが可能である。
誘電体多層膜フィルタは、波長選択性が温度変化の影響を受けにくく、しかも部品の製造が容易であり部品自体もコンパクトに形成できるため、装置全体を安価に構成することが可能となる。他方、透過型ファブリ・ペロー型エタロンの場合には、温度変化により透過波長特性が変化し易いという欠点はあるものの、誘電体多層膜フィルタと比較し広い範囲で、特定波長光の波長選択を可変する利点がある。

図５は、本発明の外部共振型半導体レーザに係る第３の実施例を説明する図である。
図５では、シリンドリカルレンズ（ＳＡＣ３）の外部共振用レーザ５の反射部分に、反射ミラー４０を形成している。反射ミラーはアルミなどの金属材料をシリンドリカルレンズの一部に蒸着することにより形成することが可能である。この反射ミラー４０により、より効率的に外部共振用レーザ光５を反射でき、外部共振型半導体レーザからの出力強度を増加させることが可能となる。

また、反射ミラー４０の表面には、多層膜フィルタを形成し、反射ミラーに特定波長光を反射するフィルタ機能を備えるよう構成することも可能である。これにより、外部共振用レーザ光５を特定波長に限定するために、バンドパスフィルタを別途設ける必要がなく、部品点数の増加を抑制することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、部品点数の増加を抑制しながら、出力ビームの整形を可能とすると共に、共振器長を短縮可能な外部共振型半導体レーザを提供することが可能となる。

１ 半導体レーザ素子
２ 速軸用コリメータ（ＦＡＣ）
３ 遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）
４ 遮光手段
５ 外部共振用レーザ光
６ 出力用レーザ光
７ 中心対称軸

Claims (6)

1. 同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、出射する該レーザ光の一部を外部共振用レーザ光とし、その他の該レーザ光を出力用レーザ光とする外部共振型半導体レーザにおいて、
   該外部共振用レーザ光と出力用レーザ光との各光路に跨って配置される少なくとも一つ以上のビーム整形素子と、
   該ビーム整形素子を構成するシリンドリカルレンズの該半導体レーザ素子側の一部で、該外部共振用レーザ光を反射させ、反射した該レーザ光を該半導体レーザ素子に入射させることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
2. 請求項１に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、該シリンドリカルレンズを透過した該外部共振用レーザ光を遮光するため遮光手段が、該シリンドリカルレンズの該半導体レーザ素子と反対側に配置されていることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
3. 請求項１又は２に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、該シリンドリカルレンズと該半導体レーザ素子との間に、該外部共振用レーザ光と該出力用レーザ光との各光路に跨って配置される特定波長透過フィルタを有することを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
4. 請求項１又は２に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、該シリンドリカルレンズの該外部共振用レーザの反射部分に反射ミラーが形成されていることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
5. 請求項４に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、該反射ミラーが特定波長光を反射するフィルタ機能を備えていることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の外部共振型半導体レーザにおいて、該半導体レーザ素子は、利得導波路型半導体レーザであることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。

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