JP3036254B2 - 短波長光源 - Google Patents
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Description
テム等に使用する半導体レーザーと、分極反転型導波路
や固体レーザーを組み合わせた短波長光源の出力安定化
及び高効率化に関するものである。
波長変換によりグリーン、ブルー光源を得ることが、光
ディスクの高密度記録や画像処理等で要求されている。
ここで得られる出力光は横モードがガウシアンで回折限
界近くまで集光でき、且つ出力が数mW程度で周波数的に
も時間的にも安定であることが必要である。
力短波長光源を得るには、波長変換素子として擬位相整
合(以下、QPMと記す。)方式の分極反転導波路(山
本他、オプティクス・レターズ Optics Letters Vol.1
6, No.15, 1156 (1991))を用いたり、半導体レーザー
を励起光源として固体レーザーの共振器内部に波長変換
素子を挿入して高調波を得る内部共振器型が有力であ
る。
転導波路を用いた短波長光源の概略構成図を示す。半導
体レーザーI01から放射された光は、コリメートレン
ズI02により平行ビームに変換され、λ/2板I03
で偏向方向を回転させ、N.A.=0.6のフォーカシングレン
ズI04により導波路の入射端面I05に集光される。
そして波長変換されたブルー光が得られる。半導体レー
ザーへの戻り光を避けるため入射端面I05には無反射
コートを施してあるが、端面I05から約1%の戻り光が
生じる。
ーの内部共振器型短波長光源の概略構成図を示す。半導
体レーザーJ01から放射された光は、コリメートレン
ズJ02により平行ビームに変換され、フォーカシング
レンズJ03によりレーザー材料(Nd:YVO4)J04に集
光される。Nd:YVO4J04の端面J05には半導体レー
ザーの波長(809nm)に対し無反射(AR)コート、発振波長
(1.064μm)及び高調波の波長(532nm)に対し高反射(HR)
コートが施してある。端面J06には1.064μm及び532n
mに対しARコートが施してある。出力ミラーJ07には
波長1.064μmに対しHRコートが施してあり、出力ミラー
J07とレーザー材料J04の端面J05で基本波1.06
4μmの共振器を構成し、非線形光学材料KTP(KTiOP
O4)J08で波長変換された高調波が出力ミラーJ07
から得られる。
安定に単一波長で単一縦モード発振する半導体レーザー
が要求されている。半導体レーザーを安定に発振させる
方法として外部共振器型半導体レーザーが有力視されて
いる(朝倉他、昭和62年度電子情報通信学会全国大
会)。
略構成図を示す。K01は1.3μm帯のファブリペロー型
半導体レーザー、K02はN.A.=0.6のコリメートレン
ズ、K03は半導体レーザーの光軸に対して傾斜して配
置された外部共振器鏡であり、その表面の一部には反射
型直線形状の回折格子K04が形成されている。
れた光は回折格子K04の波長分散効果によりある特定
の波長λだけが半導体レーザーの片端面K05に集光さ
れ活性層K06に光帰還する。他の波長λ’の光は活性
層K06の周辺部に集光されるように設計してある。特
定の波長λは、回折格子のピッチと基板の傾斜角に因っ
て決まる。片端面K05には無反射コートが施してあ
る。
る。反射型回折格子はSi基板上に電子線レジストを形成
し、電子ビームを照射しその部分を除去することで形成
している。その表面には高反射を得るためAuの薄膜を形
成してある。
振器型半導体レーザーの概略構成図を示す。回折格子L
03の形状が図20とは違い円群の一部となっている以
外は、図20と同じ構成になっている。コリメートレン
ズを省くことで共振器長を短くでき変調周波数が向上で
きる。(特願平1−30547 外部共振型半導体レー
ザ及び波長多重光伝送装置)
ード発振が実現できる。
図において、半導体レーザーの導波路内への入射光強度
35mWに対し1.1mWのブルー光を得た。しかし、QPM分
極反転導波路素子は波長許容度が0.2nmしかなく、また
半導体レーザーの温度の変化に対する発振波長の揺らぎ
が0.2nm/℃あり、戻り光によるモードホップが1nm程度
あるため、出力は数秒しか安定しない。そのため、半導
体レーザーの波長安定化が不可欠となる。
従来までは半導体レーザーは縦モードがマルチモードの
高出力レーザーを励起光源として用いていた。しかし、
最近になって縦モードシングルの半導体レーザーの高出
力化が進んできた。シングルモード半導体レーザーのN
d:YVO4への励起強度が50mWに対し3mW程度のグリーン光
を得ている。同等のグリーン光をマルチモードの半導体
レーザーで得るには約3倍の入射強度が必要であると報
告されている。(第39回応用物理学会 1992年
春季 31a-E-7)Nd:YVO4の端面J05に施してある半導
体レーザーの波長に対するARコートが透過率T=93%程度
しか無いため半導体レーザーへの戻り光が生じる。半導
体レーザーの縦モードががマルチモードである場合には
戻り光の影響が大きくはなかった。しかし高効率化を図
るため縦モードシングルのものを使用した場合、戻り光
が生じるとモードホップや縦モードのマルチ化が起こ
る。レーザー材料の吸収スペクトルの半値幅はNd:YVO4
の場合数nmであり、モードホップや縦モードのマルチ化
は出力ノイズの原因となる。そのため、半導体レーザー
の波長安定化が不可欠となる。
としては、アイソレータを用いるか入射端面のARコート
の向上が考えられる。しかし、アイソレータは高価で大
きなものしかないため素子の小型化が難しく、さらに半
導体レーザー自身の温度変化に対する波長の揺らぎを防
ぐことができないため、実用的でない。また、ARコート
の向上は現状の技術では難しい状態である。
半導体レーザーを用いる場合、波長をロックさせると共
に高効率に出力を取り出さねばならない。
と分極反転型導波路や固体レーザーを組み合わせた短波
長光源の課題を克服し、小型で高効率且つ安定な高調波
出力を提供することを目的とする。
ドバックをかけるための外部共振器鏡と、波長変換のた
めの擬位相整合方式(QPM)分極反転導波路とを備
え、外部共振器鏡が半導体レーザーとQPM分極反転導
波路の間に位置し、前記外部共振器鏡により前記半導体
レーザーの発振波長を前記QPM分極反転導波路の位相
整合波長許容幅内に安定化され、なおかつ前記半導体レ
ーザーの出射光が前記導波路に導かれることにより小型
で高効率且つ安定に高調波出力を得ようとするものであ
る。
たフィードバックをかけるための外部共振器鏡と、レー
ザー発振材料及び出力ミラーからなる共振器構造を備
え、前記共振器構造内部に波長変換用の非線形光学材料
を有し、前記外部共振器鏡を前記半導体レーザーと前記
レーザー発振材料の間に位置し、前記外部共振器鏡によ
り前記半導体レーザーの発振波長を前記レーザー発振材
料の吸収スペクトル波長内に安定化され、なおかつ前記
半導体レーザーの出射光が前記レーザー発振材料の端面
に導かれること高効率且つ安定に高調波出力を得ようと
するものである。
与えるか、円、楕円或いは方形の開口を空けることによ
り、半導体レーザーの活性層の片端面から放射する発散
光のうち特定波長の光だけを活性層に集光して光帰還す
る機能を有するものである。
率を低くすることで、その反射光(0次回折光)をレー
ザー出力として利用し、また開口を持つ外部共振器鏡に
対してはその開口からレーザー光を取り出す機能を有す
るものである。
体レーザーの活性層に集光して光帰還させることがで
き、1次回折光をコリメートされた出力光として取り出
せるコリメートレンズの機能を有するものである。
をかけるための外部共振器鏡と半導体レーザーを組み合
わせ、回折格子からの回折光を半導体レーザーに帰還し
て半導体レーザーの縦モードをシングルモードに固定で
き、波長変換素子やレーザー材料端面からの戻り光によ
るモードホップ、マルチモード化を抑制できるため、安
定なグリーンやブルーの高調波光が実現されるものであ
る。
の出射側に設置する。外部共振器鏡を半導体レーザーの
後端面側に設置する場合、回折格子の回折効率を高くし
ないと全て共振器のロスとなってしまうが、出射側に設
置する場合回折効率を低くしても有効に出力光として取
り出せるため、高効率な高調波光が実現されるものであ
る。
M分極反転導波路を用いた短波長光源の概略構成図を図
1及び図2に示す。
図で、101は0.83μm帯の50mW級AlGaAs半導体レーザ
ー、102はN.A.=0.6のコリメートレンズ、103は半
導体レーザーの光軸に対してθだけ傾斜して設置された
外部共振器鏡であり、その上には反射型の回折格子10
4が形成されている。
たレーザー光はN.A.=0.6のコリメートレンズ102によ
り平行光にされ回折格子104の波長分散効果によりあ
る特定の波長だけが半導体レーザーの後端面105に集
光され活性層106に光帰還して半導体レーザーの波長
が安定化する。回折格子104は、次式ピッチdを持つ
直線形状の回折格子である。
に対し、d=0.83μm、θ=30゜とした。後端面105
には無反射コートが施してあり、後端面105と出射端
面107で形成される共振器による発振は抑圧されてい
る。この場合、外部共振器鏡からのフィードバック効率
は90%以上が得られ、40mWのレーザー光が端面107よ
り得られた。
ザー光は、コリメートレンズ108で平行光にしλ/2
板109で偏向方向を回転させ、N.A.=0.6のフォーカシ
ングレンズ110で導波路端面111に集光され、周期
3.7μmの分極反転層と光導波路を持つ分極反転導波路1
13を伝ぱんした光は波長415nmに波長変換され、高調
波光が導波路端面112より出射される。
図である。図1と異なる点はコリメートレンズ102を
省くことにより発散光を直接フィードバックするための
回折格子202をもつことである。回折格子202の形
状は図1の直線形状でなく円群の一部からなる。この場
合部品点数が1つ減り、共振器長も短くなりコンパクト
な構成となる。
す。回折格子の形成される平面基板上にx,yの直交座
標系を仮定し、光の発散点及び集光点となる活性層端面
Pが前記座標の原点からの垂線に対し、y軸方向にθの
角をなす線上に存在し、且つ距離fの位置に存在すると
する。Pから放射した光は回折格子上の点Gに到達し反
射されてP点に戻る時、その光の位相が揃うように回折
格子が形成されているとき外部共振器鏡として働く。即
ち、 2PG=mλ+(定数) (2) ここでPGは点Pと点Gの距離、λは半導体レーザーの
波長、mは整数である。原点における前記定数を零とす
ると次式のようになる。
座標であり、fは活性層端面と直交座標の原点との距
離、θは活性層端面と原点を結ぶ軸と回折格子の形成さ
れた平面基板の垂線とのなす角、λは半導体レーザーの
発振波長、mは整数である。λ=0.809μm、f=2mm、
θ=45゜を用いて外部共振器鏡を作製したところ、電子
ビームの描画可能領域が1mm角程度であるのでフィード
バック効率は30%程度で、得られたレーザー光も10mW程
度であった。
ザーと内部共振器型固体レーザーを用いた短波長光源の
概略構成図を図4及び図5に示す。
図で、401は809nm帯の60mW級AlGaAs半導体レーザ
ー、402はN.A.=0.6のコリメートレンズ、403は半
導体レーザーの光軸に対してθだけ傾斜して設置された
外部共振器鏡であり、その上には反射型の回折格子40
4が形成されている。
たレーザー光はN.A.=0.55のコリメートレンズ402に
より平行光にされ回折格子404の波長分散効果により
ある特定の波長だけが半導体レーザーの後端面405に
集光され活性層406に光帰還して半導体レーザーの波
長が安定化する。回折格子404は、概略構成図1と同
じピッチdを持つ直線形状の回折格子である。本参考例
においては、λ(LDの発振波長)=809nmに対し、d
=809nm、θ=30゜とした。後端面405には無反射コ
ートが施してあり、後端面405と出射端面407で形
成される共振器による発振は抑圧されている。この場
合、外部共振器鏡からのフィードバック効率は90%以上
が得られ、45mWのレーザー光が端面407より得られ
た。
ザー光は、コリメートレンズ408で平行光にし、焦点
距離f=12.5mmのフォーカシングレンズ409でレーザー
材料Nd:YVO4410に集光される。Nd:YVO4410の端面
411には半導体レーザーの波長(809nm)に対しARコー
ト、発振波長(1.064μm)及び高調波の波長(532nm)に対
しHRコートが施してある。端面412には1.064μm及び
532nmに対しARコートが施してある。出力ミラー413
には波長1.064μmに対しHRコートが施してあり、出力ミ
ラー413とNd:YVO4の端面411で基本波1.064μmの
共振器を構成し、非線形光学材料(KTP)414で波長変
換された高調波が出力ミラー413から得られる。
図である。図4と異なる点はコリメートレンズ402を
省くことにより発散光を直接フィードバックするための
回折格子502をもつことである。回折格子502の形
状は図1の直線形状でなく図3を用いて説明した円群の
一部からなる。この場合部品点数が1つ減り、共振器長
も短くなりコンパクトな構成となる。
鏡を設置し半導体レーザーと分極反転型導波路を組み合
わせた短波長光源の概略構成図を図6に、内部共振器型
固体レーザーを用いた短波長光源の概略構成図を図7に
示す。
レーザー、602はコリメートレンズ、603はλ/2
板、604はN.A.=0.6のフォーカシングレンズ、605
は半導体レーザーの光軸に対してθだけ傾斜して設置さ
れた外部共振器鏡であり、その上には反射型の回折格子
606が形成されている。回折格子606の形状は
(1)式で与えられるピッチをもつ直線形状である。半
導体レーザーの後面側に外部共振器鏡を置く場合、コリ
メートレンズを設置することで光軸調整が困難になった
り、電子ビーム描画可能領域の制限によりフィードバッ
ク効率上限があったりした。ところが出力側に置く場合
には、10%程度が回折格子606により半導体レーザー
の活性層609に帰還されれば波長安定化が図れ、それ
以外の帰還しない光は全て反射光として取り出すことが
できるので、90%近くをレーザー出力として取り出すこ
とが出来る。半導体レーザー601の後端面607には
高反射率コートが、また出射端面608には無反射コー
トが施してある。外部共振器鏡で反射した波長830nmの
レーザー光は、N.A.=0.55のコリメートレンズ602で
平行光にしλ/2板603で偏向方向を回転させフォー
カシングレンズ604で導波路端面610に集光され、
周期3.7μmの分極反転層をもつ分極反転導型波路612
を伝ぱんした光は波長415nmに波長変換され、導波路端
面611より出射される。
9nm帯の60mW級AlGaAs半導体レーザー、702はコリメ
ートレンズ、703はf=12.5mmのフォーカシングレン
ズ、707は半導体レーザーの光軸に対してθだけ傾斜
して設置された外部共振器鏡であり、その上には反射型
の回折格子704が形成されている。回折格子704の
形状は(1)式で与えられるピッチを持つ直線形状であ
る。入射角30゜に対し深さ0.29μm、ピッチ0.83μmの
時、回折効率は10%程度が得られ、安定な単一モード発
振が得られた。この時の半導体レーザーの縦モードスペ
クトルを図8に示す。半導体レーザーの端面705から
放射された光はコリメートレンズ702により平行光に
され回折格子704が形成された外部共振器鏡707に
より一部が半導体レーザーの活性層706に帰還し、残
りは反射光(0次回折光)として、f=12.5mmのフォーカ
シングレンズ703によりNd:YVO4708の端面709
に集光される。出力ミラー710とNd:YVO4の端面70
9で共振した基本波は非線形光学結晶711により波長
変換され出力ミラー710より出射される。
ら出射された高調波出力の時間特性を示す。図9は図8
のように半導体レーザーの縦モードがシングルモードの
時の出力特性を示し、図10は半導体レーザーの縦モー
ドがマルチ状態になったときの出力特性を示す。図から
も半導体レーザーの縦モードシングル化が出力の安定化
に於て絶対条件であることが分かる。同様に図6の分極
反転型波長変換素子においても半導体レーザーの波長を
縦モードシングルに保ち、波長の揺らぎを素子の波長許
容幅0.2nm以内に抑えることができ安定に高調波出力を
得ることができた。
る外部共振器鏡は回折効率が10%程度で直線形状の回折
格子であるため作製が容易で、実用的な構成である。
振器鏡上全体に回折格子が形成されているが、図11の
ようにフィードバック効率が10%程度になるように、外
部共振器鏡B04の一部に円、楕円及び方形等の回折格
子B05を形成して、波長安定化を図ることもできる。
に円、楕円或いは方形の開口を空けることによっても出
力光を取り出せ、開口部周辺の回折格子C05により波
長安定化を図ることが出来る。この場合、個々の部品を
直線状に並べることができる。
と半導体レーザーの間に設置した概略構成図を表してい
る。D01は809nm帯の60mW級AlGaAs半導体レーザー、
D02はコリメートレンズ、D03はf=12.5mmのフォー
カシングレンズ、D04は半導体レーザーの光軸に対し
てθだけ傾斜して設置された外部共振器鏡であり、その
上には反射型の回折格子D05が形成されている。回折
格子の形状は(3)式で与えられる円群の一部である。
半導体レーザーの光をコリメートする前に外部共振器鏡
により活性層に帰還する方法では外部共振器鏡の回折効
率が低く効率が上がらなかったが、図13の概略構成図
においては10%以下の回折効率でよいので高効率にレー
ザー光を利用することができる。
の反射光を出力光として取り出しているが、図14や図
15のような概略構成図のように外部共振器鏡E04、
F04に円、楕円或いは方形の開口を空けることによっ
ても出力光を取り出せ、開口部周辺の回折格子E05,
F05により波長安定化を図ることが出来る。この場
合、個々の部品を直線状に並べることができる。
部共振器鏡G03上の回折格子G04が、2次回折光を
半導体レーザーG01の活性層に集光して光帰還させる
ことができ、1次回折光をコリメートされた出力光とし
て取り出せるコリメートレンズの機能を有するため、コ
リメートレンズを省略することができ小型化を図れる。
図16において、2次回折光が光帰還し1次回折光がコ
リメートさせることができる回折格子G04は、同じ波
長λと同じ入射角θに対し2倍のピッチdを有するもの
である。波長809nmの半導体レーザーに対し、回折格子
はピッチ(d)1.51μm、深さ0.56μm、入射角(θ)3
3.4゜に設計した。この時、1次の回折効率は50%以
上、2次の回折効率は20%程度が得られた。コリメート
された1次回折光はフォーカシングレンズG02でNd:Y
VO4G05の端面G06に集光され、出力ミラーG07
とNd:YVO4G05の端面G06で共振した基本波は非線
形光学結晶G08により波長変換され出力ミラーG07
より出射される。
9、10を除く)までの概略構成図は半導体レーザーの
偏光方向と回折格子の溝の方向が平行になるように外部
共振器鏡を設置しているが、図17のように偏光方向と
溝の方向を垂直にしてもよい。
器型半導体レーザーと内部共振器型固体レーザーを組合
せた短波長光源を用いて説明したが、QPM分極反転導
波路を用いても同じように安定で高効率の高調波出力を
得ることができる。
ては分極反転の周期にあった波長830nmに、またレーザ
ー材料にNd:YVO4を用いた固体レーザーにおいては半導
体レーザーの波長をNd:YVO4の吸収スペクトルの中心波
長809nmに固定したが、外部共振器鏡と光軸の角度θを
変えることによりレーザーの波長は任意に選択すること
ができるため、分極反転の周期を変化させ他の他の波長
帯の半導体レーザーを用いたり、他の固体レーザー材
料、例えば希土類をドープしたYAG,LiSrF,LiCaF,YLF,NA
B,KNP,LNP,NYAB,NPP,GGGのような材料にも用いることも
でき、近赤外光や波長変換により他の可視光(赤色や青
色 etc.)を得ることができる。内部共振器型の場合、
波長変換材料として本実施例ではKTP(KTiPO4)を用いた
が、有機非線形光学材料や他の無機非線形光学材料、例
えばKN(KNbO3),KAP(KAsPO4),BBO,LBOや、バルク型の分
極反転素子(LiNbO3,LiTaO3等)を使用することもでき
る。
したフッ化物ファイバーを用いたアップコンバージョン
によるレーザーの励起光源用半導体レーザーにも用いる
ことができる。
ドバックをかけるための外部共振器鏡を半導体レーザー
の出射側に設置した半導体レーザーと、分極反転型導波
路や内部共振器型固体レーザーを組み合わせることで安
定なグリーンやブルーの短波長光源が実現されるので、
出力が低ノイズで安定であることが必要とされる光ディ
スク用の光源を実現できその実用的効果は大きい。
分極反転導波路の組み合せによる短波長光源の概略構成
図
分極反転導波路の組み合せによる短波長光源の概略構成
図
振器型固体レーザーの組み合せによる短波長光源の概略
構成図
振器型固体レーザーの組み合せによる短波長光源の概略
構成図
分極反転導波路の組み合せによる短波長光源の概略構成
図
振器型固体レーザーの組み合せによる短波長光源の概略
構成図
ペクトルを示す図
り安定にシングルモード化されたときの出力の時間特性
を示す図
の出力の時間特性を示す図
共振器型固体レーザーの組み合せによる短波長光源の概
略構成図
共振器型固体レーザーの組み合せによる短波長光源の概
略構成図
共振器型固体レーザーの組み合せによる短波長光源の概
略構成図
共振器型固体レーザーの組み合せによる短波長光源の概
略構成図
共振器型固体レーザーの組み合せによる短波長光源の概
略構成図
共振器型固体レーザーの組み合せによる短波長光源の概
略構成図
共振器型固体レーザーの組み合せによる短波長光源の概
略構成図
路の組み合せによる短波長光源の概略構成図
ーザーの組み合せによる短波長光源の概略構成図
成図
成図
Claims (8)
- 【請求項1】 半導体レーザーと、回折格子が形成され
たフィードバックをかけるための外部共振器鏡と、波長
変換のための擬位相整合方式(QPM)分極反転導波路
とを備え、前記外部共振器鏡が前記半導体レーザーと前
記QPM分極反転導波路の間に位置し、前記外部共振器
鏡により前記半導体レーザーの発振波長を前記QPM分
極反転導波路の位相整合波長許容幅内に安定化し、なお
かつ前記半導体レーザーの出射光が前記導波路に導かれ
ることを特徴とする短波長光源。 - 【請求項2】 半導体レーザーと、回折格子が形成され
たフィードバックをかけるための外部共振器鏡と、レー
ザー発振材料及び出力ミラーからなる共振器構造を備
え、前記共振器構造内部に波長変換用の非線形光学材料
を有し、前記外部共振器鏡を前記半導体レーザーと前記
レーザー発振材料の間に位置し、前記外部共振器鏡によ
り前記半導体レーザーの発振波長を前記レーザー発振材
料の吸収スペクトル波長内に安定化し、なおかつ前記半
導体レーザーの出射光が前記レーザー発振材料の端面に
導かれることを特徴とする短波長光源。 - 【請求項3】 外部共振器型半導体レーザーの外部共振
器鏡において、外部共振器鏡上の回折格子により帰還さ
れない光を反射光(0次回折光)とし、前記QPM分極
反転導波路に導くことを特徴とする請求項1に記載の短
波長光源。 - 【請求項4】 外部共振器型半導体レーザーの外部共振
器鏡において、外部共振器鏡上に円、楕円或いは方形の
開口を空けることによって、前記半導体レーザ光を前記
QPM分極反転導波路に導くことを特徴とする請求項1
に記載の短波長光源。 - 【請求項5】 外部共振器鏡上の回折格子が、2次回折
光を半導体レーザーの活性層に集光して光帰還させるこ
とができ、1次回折光を前記QPM分極反転導波路に導
くことを特徴とする請求項1に記載の短波長光源。 - 【請求項6】 外部共振器型半導体レーザーの外部共振
器鏡において、外部共振器鏡上の回折格子により帰還さ
れない光を反射光(0次回折光)とし、前記レーザー発
振材料に導くことを特徴とする請求項2に記載の短波長
光源。 - 【請求項7】 外部共振器型半導体レーザーの外部共振
器鏡において、外部共振器鏡上に円、楕円或いは方形の
開口を空けることによって、前記半導体レーザ 光を前記
レーザー発振材料に導くことを特徴とする請求項2に記
載の短波長光源。 - 【請求項8】 外部共振器鏡上の回折格子が、2次回折
光を半導体レーザーの活性層に集光して光帰還させるこ
とができ、1次回折光を前記レーザー発振材料に導くこ
とを特徴とする請求項2に記載の短波長光源。
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JP18203092 | 1992-07-09 | ||
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