JPH11121857A - Semiconductor laser device - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To remove the asymmetry of expansion and astigmatism, which a semiconductor laser emitting beam has, by arranging a cylindrical lens in connection to or closely to a beam emitting end face. SOLUTION: The cylindrical lens 2 is placed closely to the emitting face of a laser chip 1. A ball lens 3 is to converge laser light to a point image. The height expansion angle of the beam emitted from the semiconductor laser is reduced by curvature which the cylindrical lens 2 has and the expansion angle is enlarged by emission from a high refractive index medium (lens) to a low refractive index medium (air). Consequently, a difference between the expansion angles of the width direction on the semiconductor laser emitting beam and the height direction is corrected in an opposite direction, the expansion angle of the height direction is approximated to that of the width direction, and astigmatism is corrected. The ball lens 3 is operates as a collimator lens and a focus lens. The point image of the focus point forms laser light to be circular and it is set to be the image converged to a micro part having a uniform brightness.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光ディスク装置や
レーザプリンタ、ならびに光通信、計測器などの光源と
して用いられる半導体レーザ装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical disk device, a laser printer, and a semiconductor laser device used as a light source for optical communication, measuring instruments, and the like.

【０００２】[0002]

【従来の技術】各種のレーザ装置の中で現在最も多用さ
れているのは半導体のｐ−ｎ接合部を用いた半導体レー
ザである。その理由は半導体レーザが他のレーザに比
べ、小型であること（共振器はわずかに数μｍ×数μｍ
×数百μｍでモニタ用ホトダイオード、ヒートシンク、
ウインドゥ、保護ケースを入れても５０ｍｍ³ 程度の大
きさである）、電気→光への変換効率がよいこと（入力
エネルギに対する出力光エネルギの比はＨｅ−Ｎｅレー
ザで２％、半導体レーザで２０％である）、駆動電流の
高い周波数にたいしても応答するため電気信号を光信号
に直接変えられる、等の利点があることによる。2. Description of the Related Art Among various laser devices, a semiconductor laser using a pn junction of a semiconductor is most frequently used at present. The reason is that the semiconductor laser is smaller than other lasers (the cavity is only a few μm × several μm).
× Monitor photodiode, heat sink, several hundred μm
The size is about 50 mm ³ even when a window and a protective case are put in.) The conversion efficiency from electricity to light is good (the ratio of output light energy to input energy is 2% for He-Ne laser and 20% for semiconductor laser). %), And an electrical signal can be directly converted to an optical signal in order to respond to a high frequency of a driving current.

【０００３】しかし一方、他のレーザに比べ欠点といえ
るところもある。その内の一つに射出光の広がりが非対
称であって楕円形のビームとして広がっていくという構
造上から制限される問題がある。[0003] On the other hand, however, there are some disadvantages compared to other lasers. One of them has a problem that the spread of the emitted light is asymmetric and is limited by the structure of spreading as an elliptical beam.

【０００４】図２に典型的なＧａＡｓレーザの単純化し
た構造とその射出ビームを示す。レーザの射出面は活性
層４と呼ばれるＧａＡｓ層を挟むように上ならびに下に
クラッド層５、６と呼ばれるｐ型ＧａＡｌ、Ａｓ層なら
びにｎ型ＧａＡｌ、Ａｓ層があって、活性層４とクラッ
ド層５、６の屈折率が前者で高く、後者で低くなるよう
に選ばれているため、高さ方向については活性層厚さｄ
内に全反射させることによって光は閉じこめられる。一
方、活性層４の幅方向についても流れる電流の幅を制限
することによって、射出光はストライプ幅ｗと呼ばれる
領域に限定される。ストライプ状にする方法としては電
極で形成したり、ストライプ幅両側をクラッド層で囲ん
でしまう等、多種多様なものが開発されている。FIG. 2 shows a simplified structure of a typical GaAs laser and its emission beam. The laser emission surface has a p-type GaAl, As layer and an n-type GaAl, As layer called cladding layers 5 and 6 above and below so as to sandwich a GaAs layer called an active layer 4, and the active layer 4 and the cladding layer. Since the refractive indices 5 and 6 are selected so as to be higher in the former and lower in the latter, the active layer thickness d in the height direction
Light is confined by total internal reflection. On the other hand, by limiting the width of the current flowing also in the width direction of the active layer 4, the emitted light is limited to a region called a stripe width w. A wide variety of stripes have been developed, such as forming with electrodes or cladding layers on both sides of the stripe width.

【０００５】このように射出光をレーザ射出端面でみれ
ば（ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ）幅ｗ、高
さｄのストライプの大きさであるが、射出端面から離れ
たところでは（ｆａｒ ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ）
高さ方向と幅方向のビーム広がり角が異なるため、図の
ようにビームの断面形状は高さ方向に大きく、幅方向に
は小さな、長径と短径をもつ楕円状の大きさになる。ビ
ームの広がり角が高さ方向（半角で１２〜３０度）と幅
方向（高さ方向の１／２〜１／６）に関して異なるの
は、高さ方向についてはストライプの高さ（活性層の厚
さ）ｄは非常に小さく（０．１〜０．３μｍ）、ｄ《ｗ
であって回折による広がりによって決まるのに対して幅
方向についてはレーザ発振理論による共振器内のビーム
ウエストと呼ばれる位置から広がるという別の要因によ
るためである。When the emitted light is viewed at the laser emitting end face (near field pattern), the size of the stripe has a width w and a height d, but at a distance from the emitting end face (far field pattern).
Since the beam divergence angles in the height direction and the width direction are different, the cross-sectional shape of the beam is large in the height direction and small in the width direction, and has an elliptical shape having a major axis and a minor axis as shown in the figure. The difference between the divergence angle of the beam in the height direction (12 to 30 degrees in half angle) and the width direction (1/2 to 1/6 in the height direction) is that the height of the stripe in the height direction (the height of the active layer) is different. Thickness) d is very small (0.1-0.3 μm) and d << w
This is because the width direction is determined by the diffraction, whereas the width direction is due to another factor of expanding from a position called a beam waist in the resonator according to the laser oscillation theory.

【０００６】このように射出光に非点収差があり、かつ
広がり角が高さ方向と幅方向とで異なることは半導体レ
ーザを光源としていろいろな光学装置に使用するために
平行ビームを得ようとしたり、微小点にフォーカスさせ
ようとする場合に非常に障害となる。単純には大きく広
がる方の光をアパーチァでカットしてやればよいという
ことになるが、これでは射出光を全部利用していない。
たとえば書き込み可能光ディスク装置では、ディスク面
上で大きな光出力が要求されるため全ての光を集光させ
ることが必要でそれには半導体レーザが射出する楕円形
のビームを真円に近い形状に整形する必要がある。The fact that the emitted light has astigmatism and the divergence angle differs between the height direction and the width direction tends to obtain a parallel beam in order to use a semiconductor laser as a light source in various optical devices. Or when trying to focus on a minute point. It simply means that the light that spreads wide can be cut with an aperture, but this does not use all the emitted light.
For example, in a writable optical disk device, a large light output is required on the disk surface, so that it is necessary to condense all the light. For this purpose, an elliptical beam emitted by a semiconductor laser is shaped into a shape close to a perfect circle. There is a need.

【０００７】従来、そのための整形光学素子として用い
られているアナモフィックプリズムペアを図３に示す。
これは同じ形状の２個の三角プリズムで構成されてお
り、左からコリメートされた（平行光束化）楕円形状の
ビーム（幅Ｄ１、高さＤ２）が第一プリズム７に入射す
ると、その射出ビーム幅は屈折作用によって入射幅Ｄ１
より拡大され、さらに第二プリズム８においても同様拡
大される。プリズムの高さ方向、即ちビームの高さの方
向には屈折作用が無く、射出ビーム高さはＤ２のままで
ある。従って第二プリズム８の射出幅を入射楕円ビーム
の長径、即ちＤ２になるように各プリズムの頂角ならび
に入射角を選べば、射出ビームの形状はＤ２を直径とす
る円形となる。この方式のビーム整形ではプリズムへの
入射角はブリュスタ角近辺にセットされるが、入射角を
変えることにより入射ビームの楕円率が変わってもある
程度対応できる。FIG. 3 shows an anamorphic prism pair conventionally used as a shaping optical element for this purpose.
This is composed of two triangular prisms of the same shape. When an elliptical beam (width D1 and height D2) collimated (parallel light flux) from the left enters the first prism 7, the emitted beam The width is the incident width D1 due to the refraction effect.
It is further enlarged, and the second prism 8 is similarly enlarged. There is no refraction in the height direction of the prism, ie, in the direction of the beam height, and the height of the exit beam remains at D2. Therefore, if the apex angle and incident angle of each prism are selected so that the emission width of the second prism 8 becomes the major axis of the incident elliptical beam, that is, D2, the shape of the emitted beam becomes a circle having a diameter of D2. In this type of beam shaping, the angle of incidence on the prism is set near the Brewster angle. However, by changing the angle of incidence, even if the ellipticity of the incident beam changes, it can cope to some extent.

【０００８】もう一つの整形光学素子として用いられて
いるのはシリンドリカルレンズペアで、図４に集光光学
系に組み込まれた状態を示している。シリンドリカル凹
レンズ９とシリンドリカル凸レンズ１０がそれである。
シリンドリカルレンズは通常のレンズが球面の一部で形
成され光軸に回転対称であるのに対して、円筒面の一部
で形成され回転対称ではないレンズである。従って紙面
内でのビームに対して入射した平行ビームはシリンドリ
カル凹レンズ９で拡大され、シリンドリカル凸レンズ１
０で再び平行ビームに戻される。紙面に垂直な方向に対
しては屈折力をもたないのでそのままの大きさで射出さ
れる。シリンドリカル凹レンズ９の焦点距離をｆ１と
し、シリンドリカル凸レンズ１０のそれをｆ２とすれ
ば、入射ビーム幅Ｄ１と射出ビーム幅Ｄ２の関係は（Ｄ
２／Ｄ１）＝（ｆ２／ｆ１）であるのでシリンドリカル
レンズペアの焦点距離の比を入射楕円ビームの短径Ｄ１
と長径Ｄ２の比に合わせておけばシリンドリカルレンズ
ペアを射出するビームはＤ２を直径とする円の形状で得
られ、これによって半導体レーザの射出光は光軸に対し
て回転対称な平行ビームや点像への集光が可能となる。[0008] A cylindrical lens pair is used as another shaping optical element, and FIG. 4 shows a state where it is incorporated in a condensing optical system. These are the cylindrical concave lens 9 and the cylindrical convex lens 10.
A cylindrical lens is a lens formed as a part of a cylindrical surface and not rotationally symmetric, whereas a normal lens is formed as a part of a spherical surface and is rotationally symmetric with respect to an optical axis. Therefore, the parallel beam incident on the beam in the plane of the paper is enlarged by the cylindrical concave lens 9 and the cylindrical convex lens 1
At 0, the beam is returned to a parallel beam again. Since it has no refracting power in the direction perpendicular to the paper surface, it is emitted in the same size. Assuming that the focal length of the cylindrical concave lens 9 is f1 and that of the cylindrical convex lens 10 is f2, the relationship between the incident beam width D1 and the exit beam width D2 is (D
2 / D1) = (f2 / f1), so that the ratio of the focal length of the cylindrical lens pair to the minor axis D1 of the incident elliptical beam
If the ratio is set to the ratio of D2 to the major axis D2, the beam emitted from the cylindrical lens pair can be obtained in the form of a circle having the diameter D2. Light can be collected on the image.

【０００９】[0009]

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体レーザ装
置は以上のように整形光学素子を用いてはじめて一般光
学装置への導入が可能となるのであるが、例えばアナモ
フィックプリズムペアの場合、光軸が方向は変わらない
ものの横ずれが生じ、光学系全体の設計、調整に不便で
あり、装置が大きくなるという欠点がある。またシリン
ドリカルレンズペアでは光軸は直線で得られるが波面収
差が発生する、製造コストが高くなるという問題があっ
た。The conventional semiconductor laser device can be introduced into a general optical device only by using the shaping optical element as described above. For example, in the case of an anamorphic prism pair, the optical axis is Although the direction does not change, lateral displacement occurs, which is inconvenient for designing and adjusting the entire optical system, and has the disadvantage that the device becomes large. Further, in the cylindrical lens pair, the optical axis can be obtained as a straight line, but there is a problem that a wavefront aberration occurs and the manufacturing cost is increased.

【００１０】さらに、これらの整形光学素子はいずれも
波面収差を生じさせないために平行ビームの中に置く必
要があり、そのためには別に入射側にコリメータレンズ
１１を配置する必要がある。半導体レーザに用いられる
コリメータレンズ１１は半導体レーザの射出光が図２に
示されるように、上下方向の光はレーザ射出面から射出
されるのに対して左右方向の光は射出面から内側に入っ
たビームウエストから射出される。この射出点の差を非
点収差と呼ぶが、この非点収差を補正したコリメータレ
ンズを用いなければならないという問題があった。Furthermore, all of these shaping optical elements need to be placed in a parallel beam so as not to cause wavefront aberration. For this purpose, it is necessary to separately arrange a collimator lens 11 on the incident side. As shown in FIG. 2, the collimator lens 11 used for the semiconductor laser emits the light of the semiconductor laser in the vertical direction from the laser emission surface while the light in the left and right direction enters the inside from the emission surface. It is emitted from the beam waist. The difference between the exit points is referred to as astigmatism. However, there is a problem that a collimator lens having the astigmatism corrected must be used.

【００１１】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、半導体レーザ射出ビームのもつ広がり
の非対称性と非点収差を簡便に除いた半導体レーザ装置
を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a semiconductor laser device in which the asymmetry and astigmatism of the spread of a semiconductor laser emission beam are easily removed. I do.

【００１２】[0012]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の請求項１の半導体レーザ装置は、ビーム射
出端面に接合または近接して直径１００μｍ〜２ｍｍの
円柱レンズを配置したものである。さらに、請求項２の
半導体レーザ装置は、射出光のフォーカス手段としてボ
ールレンズを配置したものである。In order to achieve the above object, a semiconductor laser device according to a first aspect of the present invention has a cylindrical lens having a diameter of 100 μm to 2 mm disposed at or near a beam emitting end face. is there. Further, in the semiconductor laser device according to the second aspect, a ball lens is disposed as a focus means of the emitted light.

【００１３】[0013]

【発明の実施の形態】本発明の半導体レーザ装置の一実
施例を図１により説明する。図１において１は半導体レ
ーザチップ、２は円柱レンズ、３はボールレンズであ
る。レーザチップ１はステムに固定され、ステムは温度
制御を行うサーモモジュールおよび放熱用ラジエータに
取り付けられている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the semiconductor laser device of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, 1 is a semiconductor laser chip, 2 is a cylindrical lens, and 3 is a ball lens. The laser chip 1 is fixed to a stem, and the stem is attached to a thermo module for controlling temperature and a radiator for heat radiation.

【００１４】このステムに段差加工を行い、直径１００
μｍ〜２ｍｍの円柱レンズ２がレーザチップ１の射出面
に接して置かれている。ボールレンズ３はレーザ光を点
像に集光させるためのものである。The stem is subjected to step machining to have a diameter of 100 mm.
A cylindrical lens 2 of μm to 2 mm is placed in contact with the emission surface of the laser chip 1. The ball lens 3 is for condensing the laser light into a point image.

【００１５】円柱レンズ２はシリンドリカル凸レンズと
同様の働きをするから、半導体レーザから射出されるビ
ームの高さ方向（紙面内）広がり角は円柱レンズ２のも
つ曲率によって低減され、幅方向には曲率をもたないが
レーザ射出面に接合させているので高屈折率媒質（レン
ズ）から低屈折率媒質（空気）中への射出により広がり
角は拡大される。これによって前述した半導体レーザ射
出ビームの幅方向と高さ方向の広がり角の違いを逆方向
に修正し、高さ方向の広がり角を幅方向の広がり角に近
似させると同時に非点収差を補正している。またボール
レンズ３はその入射側面と射出側面とで各々コリメータ
レンズとフォーカスレンズの働きをさせており、ビーム
の幅方向ならびに高さ方向の広がり角を概ね一致された
ビームをフォーカスポイントに集光させているためフォ
ーカスポイントの点像はレーザ光を円形にし、均一な明
るさをもつ微小部に集光された像となる。Since the cylindrical lens 2 functions similarly to the cylindrical convex lens, the divergence angle of the beam emitted from the semiconductor laser in the height direction (in the plane of the paper) is reduced by the curvature of the cylindrical lens 2, and the curvature in the width direction. However, since it is bonded to the laser emission surface, the divergence angle is enlarged by emission from the high refractive index medium (lens) into the low refractive index medium (air). This corrects the difference between the spread angle of the semiconductor laser emission beam in the width direction and the height direction in the opposite direction, thereby approximating the spread angle in the height direction to the spread angle in the width direction and simultaneously correcting astigmatism. ing. The ball lens 3 functions as a collimator lens and a focus lens on the incident side and the exit side, respectively, and converges a beam, whose divergence angles in the width direction and the height direction are almost the same, to a focus point. Therefore, the point image at the focus point is a circular image of the laser light, and is an image focused on a minute portion having uniform brightness.

【００１６】図５および図６に本発明の実施例による場
合と従来法による場合でのフォーカスされたビーム強度
プロファイルを示す。図５は本発明の実施例によるもの
で、半導体レーザはストライプ幅２００μｍの高出力半
導体レーザを用い、レーザ射出端面に直径１ｍｍの円柱
レンズを接して置き、コリメータレンズならびにフォー
カスレンズの焦点距離は、各々９ｍｍのものを用いた場
合のプロファイルである。図６は従来法による場合で、
円柱レンズを用いない以外は同じものを用いている。FIGS. 5 and 6 show focused beam intensity profiles in the case of the embodiment of the present invention and in the case of the conventional method. FIG. 5 shows a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention. A high-power semiconductor laser having a stripe width of 200 μm is used as a semiconductor laser, and a cylindrical lens having a diameter of 1 mm is placed in contact with a laser emitting end face. This is a profile in the case of using each of 9 mm. FIG. 6 shows a case according to the conventional method.
The same thing is used except not using a cylindrical lens.

【００１７】各図では中央にフォーカスポイントでのビ
ーム強度分布が、左右にこの位置から±０．２５ｍｍ焦
点外しさせた位置でのビーム強度分布が示されている。
両図を比較して、円柱レンズを用いることによりビーム
形状がより円形に、かつ、より微小部に収束されてお
り、フォーカス性能が改善されていることが分かる。In each figure, the beam intensity distribution at the focus point is shown at the center, and the beam intensity distribution at the position defocused by ± 0.25 mm from this position is shown at the left and right.
By comparing the two figures, it can be seen that the use of the cylindrical lens allows the beam shape to be converged to a more circular shape and to a finer portion, thereby improving the focusing performance.

【００１８】[0018]

【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置は上記のよう
に構成されており、半導体レーザ射出面に接合または近
接して円柱レンズを置くようにしたので、アナモフィッ
クプリズムペアやシリンドリカルレンズペアのような整
形光学素子を用いずにビームを円形に即ち効果的にビー
ムを絞ることができ、製造コストの低減のみならず装置
の小型化、組み込み装置への設計の自由度が高くなると
いう優れた効果が得られる。The semiconductor laser device according to the present invention is constructed as described above, and a cylindrical lens is placed on or near the semiconductor laser emitting surface, so that it can be used as an anamorphic prism pair or a cylindrical lens pair. Without using a shaping optical element, it is possible to narrow the beam circularly, that is, effectively narrow the beam, and not only reduce the manufacturing cost but also reduce the size of the device and increase the degree of freedom in designing the embedded device. can get.

【００１９】また円柱レンズの使用でビーム広がり角が
抑えられているため、円柱レンズを使わない場合に比
べ、より長い焦点距離のコリメータレンズが利用できる
ことになり（従来法では５ｍｍ前後の焦点距離が使用さ
れているが本発明では１０ｍｍ以上のものが使用でき
る）、このことはフォーカスレンズに対して倍率をより
低くできることになって、縮小光学系を構成しようとす
る場合に、より大きな縮小率とすることができる。Further, since the beam divergence angle is suppressed by using a cylindrical lens, a collimator lens having a longer focal length can be used as compared with a case where a cylindrical lens is not used. Although it is used, in the present invention, a lens having a diameter of 10 mm or more can be used. This means that the magnification can be made lower than that of the focus lens. can do.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の半導体レーザ装置の一実施例を示す図
である。FIG. 1 is a view showing one embodiment of a semiconductor laser device of the present invention.

【図２】半導体レーザの射出ビームを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an emission beam of a semiconductor laser.

【図３】従来法で用いられる整形光学素子の一例を示す
図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a shaping optical element used in a conventional method.

【図４】従来法による半導体レーザ装置を示す図であ
る。FIG. 4 is a diagram showing a semiconductor laser device according to a conventional method.

【図５】本発明の一実施例によるビームプロファイルを
示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a beam profile according to an embodiment of the present invention.

【図６】従来法によるビームプロファイルを示す図であ
る。FIG. 6 is a diagram showing a beam profile according to a conventional method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１…半導体レーザチップ ２…円柱レンズ ３…ボールレンズ ４…活性層 ５…クラッド層 ６…クラッド層 ７…第一プリズム ８…第二プリズム DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser chip 2 ... Cylindrical lens 3 ... Ball lens 4 ... Active layer 5 ... Cladding layer 6 ... Cladding layer 7 ... First prism 8 ... Second prism

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 ストライプ幅の広い半導体レーザの、ビ
ーム射出端面に接合または近接して円柱レンズを配置し
たことを特徴とする半導体レーザ装置。1. A semiconductor laser device comprising: a semiconductor laser having a wide stripe width; and a cylindrical lens arranged at or near a beam emitting end face of the semiconductor laser. 【請求項２】 ストライプ幅の広い半導体レーザのビー
ム射出端面に接合または近接して円柱レンズを配置する
とともに、その射出光のフォーカス手段としてボールレ
ンズを配置したことを特徴とする半導体レーザ装置。2. A semiconductor laser device wherein a cylindrical lens is arranged at or near a beam emitting end face of a semiconductor laser having a wide stripe width, and a ball lens is arranged as a focusing means of the emitted light.