JP3031976B2

JP3031976B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP3031976B2
Application number: JP2221284A
Authority: JP
Inventors: 玄一波多腰; 康一新田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-08-24
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 2000-04-10
Anticipated expiration: 2015-04-10
Also published as: JPH04105382A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、光情報処理や光計測，光通信等に用いる半
導体レーザ装置に係わり、特にビーム出射角や波長の安
定化をはかった半導体レーザ装置に関する。

（従来の技術）近年、光ディスクシステムや光スキャナ等の光情報処
理装置或いは光計測，光通信等への応用を目的として、
様々な半導体レーザが開発されている。これらの半導体
レーザでは、用途に応じて、横モード特性，光スペクト
ル特性，雑音特性等に対する様々な要求がある。特に、
光ディスクシステム用光源等の応用では、高出力動作に
おいても安定な横モードで発振することが要求される。

このような目的に対して様々な横モード制御構造の半
導体レーザが開発されているが、いずれも横モード安定
化のために複雑なデバイス構造となり、作成プロセスも
複雑となっている。また、高出力動作では発熱による屈
折率変動やキャリアの空間的ホールバーニング等により
モードが不安定になり易く、安定な横モード発振を実現
することは困難である。また、高出力化の手段として、
アレイレーザが開発されているが、アレイレーザでは各
アレイの位相を同期させることは難しく、位相同期が実
現しても通常０゜モードより180゜モードの方が安定の
ため、遠視野像は単峰形状とはならず、双峰形状となっ
てしまう。

一方、半導体レーザの外部からモードを制御する方法
として、第12図に示すような外部共振器による位相同期
レーザが報告されている（Technical Digest,10th IEEE
International Semiconductor Laser Conference,Kana
zawa,F−４（1986））。図中１は半導体レーザ素子、２
はスリット、３は球面鏡であり、レーザ素子１からの出
射光をスリット２を通して球面鏡３に照射し、この反射
光をスリット２を通してレーザ素子１にフィードバック
する構成となっている。

しかしながらこの方法では、空間フィルタとしてスリ
ットを用いているために、発振モードの制御としては不
完全である。即ち、スリットは２値的なフィルタである
ので、そのフーリエ変換としてのLD端面における近視野
像はサイドローブを持ったパターンとなる。従って、例
えばこれをシングルモードストライプレーザに適用した
場合には、サイドローブに相当する高次モードが発振し
易く、このようなレーザからの出射光は単一スポットに
絞ることはできない。

また、ホログラムスキャナ等に用いる場合は、温度等
による波形変動の少ないことが要求される。このような
波長安定化レーザを実現する手段として、外部共振器を
設けた複合共振器構造が各種開発されている。例えば、
第13図に示したように、半導体レーザ素子１の後方にレ
ンズ４及び反射鏡５を設け、後面出射光を半導体レーザ
素子１に戻すことにより、複合共振器を形成することが
可能である。しかしながら、この構造では複合共振器効
果による波長選択性を用いているために、例えば温度変
動に対して、必ずしも広い範囲で波長安定性は得られな
い。また、この構造では外部共振器構造が固定されてい
るために、波長を可変とすることはできない。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来のスリット等による外部共振器構造
では発振モードの制御が不完全であり、安定な横モード
発振を得ることは困難であった。また、従来の反射鏡に
よる複合共振器構造では広い温度変動に対して波長安定
性を得るのは困難であり、さらに波長を外部から制御す
ることはできないという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、高出力動作においても安定な基本
横モードで発振する半導体レーザ装置を提供することに
ある。

また、本発明の他の目的は、広い温度範囲で波長を安
定化し、且つ外部から波長を制御することを可能とした
半導体レーザ装置を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、前述した問題を解決するために、ビ
ーム出射角選択素子や波長選択素子等を含む光フィード
バック光学系を設けたことにある。

即ち本発明は、外部共振器構造を有する半導体レーザ
装置においては、半導体レーザ素子と、このレーザ素子
からの出射光の一部を該レーザ素子の光出射端面に戻す
ための光学系と、この光学系の光路中に配置された入射
角が小さいほど透過率の大きいビーム出射角選択素子と
を設けるようにしたものである。

また本発明は、半導体レーザ素子と、このレーザ素子
からの出射光の一部を該レーザ素子の光出射端面に戻す
ための光学系とを備えた半導体レーザ装置であって、前
記光学系は、透過率が大きくなる波長が入射角により異
なる光学フィルタと直角プリズムとを一体に形成してな
り、特定の波長に対して反射率を高くしたものであるこ
とを特徴とする。

また本発明は、半導体レーザ素子と、このレーザ素子
からの出射光の一部を該レーザ素子の光出射端面に戻す
ための光学系とを備えた半導体レーザ装置であって、前
記光学系は、組成の異なる複数の半導体層を積層した半
導体多層構造からなり、特定の波長に対して反射率を高
くしたものであることを特徴とする。

（作用）本発明によれば、ビーム出射角選択素子を含む光フィ
ードバック光学系を設けることにより、出射角の小さい
ビームのみをレーザ素子の光出射端面に戻すことがで
き、これにより高出力動作においても安定な基本横モー
ドでの発振が可能となる。

また本発明によれば、波長選択素子等を含む光フィー
ルドバック光学系を設けることにより、特定の波長のみ
をレーザ素子の光出射端面に戻すことができ、これによ
り広い範囲で波長を安定化することが可能となる。これ
に加えて、波長選択素子の光路に対する傾きを可変する
ことにより、外部から波長を制御することが可能とな
る。

さらに、ビーム出射角選択素子及び波長選択素子の双
方を含む光フィードバック光学系を設けることにより、
高出力動作における安定な基本横モードでの発振と共
に、広い範囲で波長を安定化することが可能となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる半導体レーザ
装置を示す概略構成図である。図中10は半導体レーザ素
子、11は光学フィルタ（ビーム出射角選択素子）、12は
レンズ、13はハーフミラーである。この図において、半
導体レーザ素子10から出射された光は光学フィルタ11を
通過後、レンズ12によりコリメートされ、ハーフミラー
13に入射する。この光の一部はハーフミラー13により反
射されて再びレンズ12により集束され、光学フィルタ11
を通過して半導体レーザ素子10に戻る。ハーフミラー13
により光がフィードバックされているので、全体として
外部共振器が構成されている。

本実施例の特徴は、この外部共振器中にビーム出射角
選択素子として光学フィルタ11を配置したことにある。
この光学フィルタ11は、入射光に対する角度選択性を有
し、入射角が小さいほど透過率が高くなるものである。
従って、光学フィルタ11を光路中に配置することによ
り、レーザ素子10からの出射光のビーム広がり角の小さ
い成分ほど光学フィルタ11を良く透過することになる。
即ち、ビーム広がり角の小さい出射ビーム成分を持つモ
ードに対しては共振器損失が少なくなり、これにより安
定な横モード発振が得られる。

第１図中の光学フィルタ11としては、例えば誘電体多
層膜からなる帯域通過フィルタを用いることができる。
第２図に帯域通過フィルタの構造例を示す。図中20はガ
ラス基板、21は高屈折率層（図中ハッチングで示す）と
低屈折率層の交互層からなる多層膜、22は反射防止膜で
ある。多層膜21の構成としては、例えばHLHL…HL（2H）
LH…LHLH、或いはHLHL…LH（2L）HL…LHLHのような構成
を用いることができる。ここで、Ｈ及びＬは光学的厚さ
がλ₀/4（λ_０は中心波長）の高屈折率層及び低屈折率
層を表わす。

第３図に、このような帯域通過フィルタの透過率の入
射角依存性を示す。ここでは、基板をBK7ガラス（屈折
率1.51）、高屈折率層をTiO₂（屈折率n_H＝2.3）、低屈
折率層をSiO₂（屈折率n_L＝1.45）として、全体の総数が
９層〜23層の場合の透過率を示した。図から分かるよう
に、層数が増えるほど入射角依存性は急峻になる。従っ
て、目的に応じて様々なビーム出射角選択性を持たせる
ことができる。

このように本実施例によれば、レーザ素子10の出射光
の一部をフィードバックする光学系の光路中にビーム出
射角選択素子としての光学フィルタ11を配置しているの
で、レーザ素子10からの出射光のうちの出射角の小さい
ビームのみをレーザ素子10の光出射端面に戻すことがで
きる。従って、レーザ素子10は高出力動作においても安
定な基本横モードでの発振が可能となる。

第４図（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施例を示す
概略構成図である。なお、第１図と同一部分には同一符
号を付して、その詳しい説明は省略する。

第４図（ａ）の例は、前記レンズ12の代わりにグレー
ティングレンズ14を用いたものである。この場合、グレ
ーティングレンズ14は光学フィルタ11と貼り合わせて使
用できるため、光学系の小型化が可能となり、さらにフ
ィルタ位置の調整が容易となる。なお、この例ではグレ
ーティングレンズ14と光学フィルタ11を貼り合わせて用
いる場合を示したが、多層膜を直接グレーティングレン
ズ14の裏面に形成してもよい。この際、多層膜が形成さ
れている側が半導体レーザ素子10の側に面していればよ
い。

第４図（ｂ）の例は、ハーフミラー13とグレーティン
グレンズ14を一体形成したものである。即ち、半導体レ
ーザ素子10に対し光学フィルタ11の後方には、グレーテ
ィングレンズからなる半透鏡15が配置されている。この
場合、レーザ素子10から出た光は、光学フィルタ11を通
過した後、半透鏡15により一部が反射されて再び光学フ
ィルタ11を通過してレーザ素子10に戻る。半透鏡15に入
射した光の一部はそのまま通過するため、この光をレー
ザ出射光として使用することができる。

第４図（ｃ）の例は、前記第12図に示した従来例の改
良であり、従来例のスリットの代わりに光学フィルタ11
を設けた構成となっている。なお、図中16は球面鏡であ
る。前述したように、スリットは２値的なフィルタであ
るので、モード選択性は完全ではないが、本実施例では
第３図に示したように角度に対して連続的に透過率が代
わるフィルタとなっているので、良好な基本横モードが
選択される。

以上の例に示した半導体レーザ素子は、基本的に任意
の構造のものを用いることができる。即ち、単一ストラ
イプ構造の屈折率導波型レーザ、或いは利得導波型レー
ザであってもよいし、広ストライプレーザやアレイレー
ザであってもよい。単一ストライプレーザの場合には、
高出力動作においても基本横モード発振が安定に得ら
れ、また広ストライプレーザやアレイレーザの場合に
は、単峰性の遠視野像プロファイルを持った出射ビーム
が得られる。また、以上の例で半導体レーザ素子の出射
端面に反射防止膜を形成しておけば、より外部共振器の
効果が得られる。

第５図は本発明の第３の実施例を示す概略構成図であ
る。図中10は半導体レーザ素子、12はレンズ、31は光学
フィルタ（波長選択素子）、13はハーフミラーである。
この図において、半導体レーザ素子10から出射された光
はレンズ12によりコリメートされ、光学フィルタ31を通
過し、ハーフミラー13に入射する。この光の一部はハー
フミラー13により反射されて再び光学フィルタ31を通過
し、半導体レーザ素子10に戻る、ハーフミラー13により
光がフィードバックされるので、全体として外部共振器
が構成されている。

本実施例の特徴は、この外部共振器中に波長選択素子
として光学フィルタ31を配置したことにある。即ち、光
学フィルタ31の波長選択性により、ある波長に対して共
振器損失が少なくなるため、その波長で安定に発振する
半導体レーザが得られる。前記第13図の例では温度変動
によるモードホッピングが有り得るが、本実施例では広
い範囲で波長を安定化することが可能である。

光学フィルタ31としては、先の第１の実施例と同様
に、誘電体多層膜からなる帯域通過フィルタを用いるこ
とができる。第６図に、このような帯域通過フィルタの
波長特性を示す。ここでは、基板をBK7ガラス（屈折率
1.51）、高屈折率層をTiO₂（屈折率n_H＝2.3）、低屈折
率層をSiO₂（屈折率n_L＝1.45）として、全体の総数が９
層〜19層の場合の透過率を示した。横軸はフィルタの中
心波長λ_０で規格化した波長である。また、入射角は25
゜として設計したフィルタの場合を示してある。第６図
で（ａ）はTE偏光、即ち光学フィルタの方線と光軸で作
られる入射平面に対して、偏光方向が平行な場合、
（ｂ）はそれと垂直の偏光方向であるTM偏光の場合を示
している。

この図から分かるように、層数を多くすると通過帯域
を狭くすることができるため、必要に応じて任意の通過
帯域幅を実現することができる。なお、第６図の（ａ）
と（ｂ）とを比較して分かるように、TE偏光の場合の方
が通過帯域幅は小さい。従って、TE偏光の構成にした方
が、少ない層数で狭い帯域幅を実現できる。

第５図の構成では、光学フィルタ31を光路に対して傾
けて配置してある。これは、光学フィルタ31による反射
光が半導体レーザ素子10に戻ることを防ぐためである。
さらに、この傾き角を変えることにより、実効的にフィ
ルタの中心波長を変えることが可能である。従って、光
学フィルタ31に回転機構を設けておくことにより、発振
波長を可変とすることができる。第７図に、層数が19の
帯域通過フィルタにおける入射角と実効的中心波長との
関係を示す。ここに示したように、入射角を変えること
によって、広い範囲で中心波長を変えることができる。

このように本実施例によれば、レーザ素子10の出射光
の一部をフィードバックする光学系の光路中にビーム出
射角選択素子としての光学フィルタ31を配置しているの
で、レーザ素子10からの出射光のうちの特定の波長成分
のみをレーザ素子10の光出射端面に戻すことができる。
従って、レーザ素子10は広い範囲で安定した波長を有す
ることになり、さらに光学フィルタ31の光路に対する傾
きを可変することにより、外部から波長を制御すること
が可能となる。

第８図（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施例を示す
概略構成図である。なお、第５図と同一部分には同一符
号を付して、その詳しい説明は省略する。

第５図の例では半導体レーザ素子の前面出射光の光路
中に波長選択素子を含むフィードバック光学系を構成し
ているが、第８図（ａ）のように後面に構成してもよ
い。この場合には、ハーフミラー13の代わりに反射鏡33
を配置することにより、選択された全ての光をレーザ素
子10に戻すことができる。また、光出力モニタが必要な
場合には、光検出器自体を反射鏡33の代わりに配置して
もよい。

第８図（ｂ）の例では、ビームスプリッタ36と反射鏡
33を用いて光フィードバック光学系を構成している。即
ち、レーザ素子10からの出射光はレンズ12によりコリメ
ートされ、ビームスプリッタ36により一部が光学フィル
タ31を通して反射鏡33に照射される。そして、反射鏡33
から反射された光が光学フィルタ31,ビームスプリッタ3
6及びレンズ12を通してレーザ素子10に戻るようになっ
ている。この場合は、必要に応じて前面出射光の出力を
モニタすることが可能である。例えば、反射鏡33の代わ
りに光検出器を配置することが可能である。

第８図（ｃ）の例は同図（ｂ）の改良であり、レンズ
12の代わりにグレーティングレンズ34を用いている。こ
の場合、グレーティングレンズ34をビームスプリッタ36
に貼り付けることにより、光学系の小型化が可能とな
る。また、第８図（ｄ）の例は同図（ｃ）の改良であ
り、反射鏡として直角プリズム37を用いている。この場
合には、光学フィルタ31を直角プリズム37に貼り付けて
用いており、中心波長を変化させるために、直角プリズ
ムを回転させるようにしている。このため、光学系の小
型化と共にフィルタ配置の容易化をはかることができ
る。

第９図は本発明の第５の実施例を示す概略構成図であ
る。なお、第５図と同一部分には同一符号を付して、そ
の詳しい説明は省略する。この実施例は、第８図（ｂ）
の改良例であり、光学フィルタ31と反射鏡33の代わり
に、これらを集積した素子39を用いたものであり、ビー
ムスプリッタ36で分岐された光がレンズ38により集束さ
れて集積素子39に入射するようになっている。

集積素子39の構造を第10図に示す。図中40はｎ−GaAs
基板、41は組成の異なるｎ−GaAlAsの交互層からなる反
射鏡、42はｎ−GaAlAs層、43は組成の異なる２種類のGa
AlAsの交互層からなる帯域通過フィルタ、44はｐ−GaAl
As層、45はｎ側電極、46はｐ側電極を示している。この
集積素子39はこれ自体でも波長選択素子として働くが、
電流を流すことにより、キャリア注入による屈折率変化
を利用して、フィルタの中心波長を変えることが可能で
ある。また、この例では半導体薄膜としてGaAlAs系の場
合を示しているが、使用する半導体レーザ素子の波長に
より、その波長に対して透明な半導体材料を選択して、
同様の集積素子を構成すればよい。

第11図は本発明の第６の実施例を示す概略構成図であ
る。なお、第１図及び第５図と同一部分には同一符号を
付して、その詳しい説明は省略する。この実施例は、第
１の実施例における出射角選択素子と第３の実施例にお
ける波長選択素子の双方を用いるようにしたものであ
る。具体的には、第１図の構成に加え、レンズ12とハー
フミラー13との間に光学フィルタ31が配置されている。

このような構成であれば、当然のことながら、光学フ
ィルタ11の作用により良好な基本横モード発振を実現す
ることができ、さらに光学フィルタ31の作用により広い
範囲で波長を安定化することが可能である。また、光学
フィルタ31を回転させる機構を設けることにより、外部
から発振波長を制御することも可能である。

なお、出射角選択素子と波長選択素子の双方を用いて
フィードバック光学系を構成する場合、第11図の例に何
等限定されるものではなく、第1,第２の実施例と第３〜
第５の実施例とを適宜組み合わせて実現することが可能
である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々変形して実現することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、ビーム出射角選
択素子を含む光フィードバック光学系を設けることによ
り、高出力動作においても安定な基本横モードで発振す
る半導体レーザ装置を実現することができる。また、波
長選択素子を含む光フィードバック光学系を設けること
により、広い温度範囲で波長を安定化し、且つ外部から
波長を制御することを可能とした半導体レーザ装置を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる半導体レーザ装
置を示す概略構成図、第２図は上記実施例に用いた光学
フィルタの具体的構成を示す断面図、第３図は上記光学
フィルタにおける入射角と透過率との関係を示す特性
図、第４図は本発明の第２の実施例を示す概略構成図、
第５図は本発明の第３の実施例を示す概略構成図、第６
図は上記実施例に用いた光学フィルタにおける規格化波
長と透過率との関係を示す特性図、第７図は上記光学フ
ィルタにおける入射角と中心波長との関係を示す特性
図、第８図は本発明の第４の実施例を示す概略構成図、
第９図は本発明の第５の実施例を示す概略構成図、第10
図は第５の実施例に用いた集積素子の具体的構成を示す
断面図、第11図は本発明の第６の実施例を示す概略構成
図、第12図及び第13図はそれぞれ従来例を示す概略構成
図である。 11……光学フィルタ（出射角選択素子）、 12,38……レンズ、 13……ハーフミラー、 14,34……グレーティングレンズ、 15……半透鏡、 16……球面鏡、 20……ガラス基板、 21……多層膜、 22……反射防止膜、 31……光学フィルタ（波長選択素子）、 33……反射鏡、 36……ビームスプリッタ、 37……直角プリズム、 39……集積素子（波長選択素子）、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−69987（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−58788（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−285488（ＪＰ，Ａ) 特開平３−116992（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザ素子と、このレーザ素子から
の出射光の一部を該レーザ素子の光出射端面に戻すため
の光学系と、この光学系の光路中に配置された入射角が
小さいほど透過率の大きいビーム出射角選択素子とを具
備してなることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】半導体レーザ素子と、このレーザ素子から
の出射光の一部を該レーザ素子の光出射端面に戻すため
の光学系とを備えた半導体レーザ装置であって、前記光学系は、透過率が大きくなる波長が入射角により
異なる光学フィルタと直角プリズムとを一体に形成して
なり、特定の波長に対して反射率を高くしたものである
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】半導体レーザ素子と、このレーザ素子から
の出射光の一部を該レーザ素子の光出射端面に戻すため
の光学系とを備えた半導体レーザ装置であって、前記光学系は、組成の異なる複数の半導体層を積層した
半導体多層構造からなり、特定の波長に対して反射率を
高くしたものであることを特徴とする半導体レーザ装
置。