JP2002098847A

JP2002098847A - 光導波路素子および半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2002098847A
Application number: JP2000286507A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Fukunaga; 敏明福永; Toshiro Hayakawa; 利郎早川; Toshiaki Kuniyasu; 利明国安
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2000-09-21
Publication date: 2002-04-05

Abstract

(57)【要約】【課題】光導波路素子に半導体発光素子を直接結合さ
せてその発振波長を選択、ロックする半導体レーザ装置
において、その光出力を十分に高める。【解決手段】基板31上に光導波路が形成されてなり、
この光導波路の端面に半導体発光素子が直接結合される
光導波路素子30において、光導波路のコア33の外側にこ
のコア33よりも低屈折率の第１クラッド31、36を形成
し、この第１クラッド31、36とコア33との間に、該第１
クラッド31、36とコア33の各屈折率の間の屈折率を有す
る第２クラッド32、34を形成した上で、コア33の幅を５
μｍ以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光導波路素子に関
し、さらに詳しくは、半導体発光素子と直接結合して用
いられる光導波路素子に関するものである。

【０００２】また本発明は、このような光導波路素子と
半導体発光素子とが直接結合されてなる半導体レーザ装
置に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】従来より、Ｓｉまたは石英からなる基板
上に光導波路が形成されてなる光導波路素子が種々提供
されている。このような光導波路素子に光を入射させる
光源としては、半導体レーザ等の半導体発光素子が用い
られる場合も多く、その場合は特開平１０−１６１１６
５号や同１０−２５４００１号に示されるように、半導
体発光素子を光導波路素子の端面に直接結合させること
が広くなされている。

【０００４】他方、例えば上記特開平１０−２５４００
１号や特願２０００−８５９７３号、さらには特願２０
００−８５９７４号に示されるように、半導体発光素子
の発振波長を所定値に選択、ロックするための手法の１
つとして、いわゆる光フィードバックが知られている。
この光フィードバックは、半導体発光素子から発せられ
たレーザ光をグレーティング素子や狭帯域バンドパスフ
ィルタ等の波長選択素子を介して半導体発光素子に再入
射させ、選択された波長で半導体発光素子を発振させる
技術である。

【０００５】この光フィードバックを行なうための上記
グレーティング素子としては、バルク型のグレーティン
グやファイバーグレーティングが用いられることが多い
が、前述したような光導波路素子において光導波路に沿
ってグレーティングを形成してなるものを用いることも
できる。すなわち、そのような構成の光導波路素子にお
いては、光導波路を伝搬する導波光のうちグレーティン
グ周期から定まる特定波長の光のみがグレーティングで
回折するので、例えばこのグレーティングで反射回折し
た光が半導体発光素子に戻るようにしておけば、半導体
発光素子の発振波長を所定値に選択、ロックすることが
可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来は、上記構成の光
導波路素子に半導体発光素子を直接結合させてその発振
波長を選択、ロックするようにした半導体レーザ装置に
おいては、その光出力を高めるのが困難であるという問
題が認められていた。例えば、基本横モード発振させる
場合において、光出力は最大でも３００ｍＷ程度にとど
まっていた。

【０００７】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、光導波路素子に半導体発光素子を直接結合させ
てその発振波長を選択、ロックするようにした半導体レ
ーザ装置において、その光出力を十分に高めることを目
的とする。

【０００８】また本発明は、そのような高出力の半導体
レーザ装置を実現する光導波路素子を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による光導波路素
子は、前述したように例えばＳｉや石英からなる基板上
に光導波路が形成されてなり、この光導波路の端面に半
導体発光素子が直接結合される光導波路素子において、
光導波路のコアの外側にこのコアよりも低屈折率の第１
クラッドが形成され、この第１クラッドと前記コアとの
間に、該第１クラッドとコアの各屈折率の間の屈折率を
有する第２クラッドが形成され、その上で、上記コアの
幅が５μｍ以上とされていることを特徴とするものであ
る。

【００１０】なお、この本発明による光導波路素子にお
いては、前記コアとなる層の上下にそれぞれ上部第２ク
ラッド層、下部第２クラッド層が形成され、これらの上
部第２クラッド層、下部第２クラッド層の各々の外側に
上部第１クラッド層、下部第１クラッド層が形成される
のが望ましい。

【００１１】また上記コアの屈折率は１．７５〜２．３
の範囲に、上部第２クラッド層および下部第２クラッド
層の屈折率は１．４８〜１．５２の範囲に、上部第１ク
ラッド層および下部第１クラッド層の屈折率は１．４〜
１．４７の範囲にあることが望ましい。

【００１２】また、本発明の光導波路素子を構成するコ
アは、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５およびＺ
ｒＯ_２のうちのいずれかから形成され、第２クラッド
層はＳｉＯＮおよびＳｉＯ_２のうちのいずれかから形成
され、そして第１クラッド層はＳｉＯ_２・ＧｅＯ_２か
ら形成されるのが望ましい。

【００１３】他方、本発明の光導波路素子にあっては、
前記光導波路における導波光の電界分布が、前記半導体
発光素子の光導波路入射側端面における光強度分布と略
等しいことが望ましい。また、上記光導波路の端面に
は、無反射コートが形成されるのが望ましい。

【００１４】また前記上部第２クラッド層には、その表
面において、前記コアの延びる方向に沿って周期的に繰
り返す凹凸からなり、半導体発光素子の発振波長を選択
するグレーティングが形成されることが望ましい。

【００１５】あるいは、そのような凹凸からなるグレー
ティングを形成する代わりに、前記上部第２クラッド層
および下部第２クラッド層に、その屈折率が前記コアの
延びる方向に沿って周期的に変えられてなり、前記半導
体発光素子の発振波長を選択するグレーティングが形成
されてもよい。

【００１６】他方、本発明による半導体レーザ装置は、
上述のようなグレーティングが形成された光導波路素子
と半導体発光素子とが直接結合されてなる半導体レーザ
装置であって、前記半導体発光素子から発せられた後、
前記グレーティングで波長選択された光が該半導体発光
素子にフィードバックされる構成を有することを特徴と
するものである。

【００１７】上記構成を有する本発明の半導体レーザ装
置は、固体レーザの励起用光源や、さらには希土類ドー
プ光ファイバ増幅器の励起用光源として用いられるのが
望ましい。

【００１８】

【発明の効果】本発明による光導波路素子は、光導波路
のコアの外側にこのコアよりも低屈折率の第１クラッド
を形成し、そしてこの第１クラッドとコアとの間に、該
第１クラッドとコアの各屈折率の間の屈折率を有する第
２クラッドを形成したことにより、直接結合された半導
体発光素子と光導波路とのモードマッチングを良好に取
ることも容易となる。

【００１９】その上で、コアの幅を５μｍ以上としたこ
とにより、光導波路において光を横マルチモードで導波
させることが可能となるので、高強度の光を導波させる
ことができ、ひいては、この光導波路素子と半導体発光
素子が直接結合されてなる光半導体レーザ装置の光出力
を、３００ｍＷを上回る程度まで十分に高めることがで
きる。

【００２０】また本発明による光導波路素子のうち特
に、光導波路における導波光の電界分布が、半導体発光
素子の光導波路入射側端面における光強度分布と略等し
くなるように形成されたものにおいては、それら両素子
間の光結合を特に強くすることができ、この点からも該
光導波路素子と半導体発光素子が直接結合されてなる光
半導体レーザ装置の光出力が向上する。

【００２１】また、本発明による光導波路素子のうち特
に、特に第２クラッド等に半導体レーザの発振波長を選
択するグレーティングを形成して、このグレーティング
で波長選択された光が半導体発光素子にフィードバック
される構成としたものを適用した本発明の半導体レーザ
装置においては、フィードバック光量が十分に確保され
ることから、高出力化を実現可能となる。

【００２２】上述の構成を有する本発明の半導体レーザ
装置が希土類ドープ光ファイバ増幅器の励起用光源とし
て用いられた場合は、高出力の励起光が得られることか
ら、増幅率を向上させることが可能になる。

【００２３】また、上述の構成を有する本発明の半導体
レーザ装置が固体レーザの励起用光源として用いられた
場合は、高出力の励起光が得られることから、高強度の
固体レーザビームを発生させることが可能になる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態
による光導波路素子30の平面形状を示すものであり、ま
た図２および図３はそれぞれ、図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ
線に沿った側断面形状、立断面形状を示すものである。
これらの図を参照して、本実施形態の光導波路素子30を
その作製方法とともに説明する。

【００２５】まず、下部第１クラッド層となる石英基板
31の上にプラズマＣＶＤ法により、ＧｅドープのＳｉＯ
_２膜（下部第２クラッド層）32、Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜33、
ＧｅドープのＳｉＯ_２膜（上部第２クラッド層）34を形
成し、さらにその上に図示外のレジストを塗布する。次
いで通常のリソグラフィーによりこのレジストを、１０
０μｍ程度の一定の幅で基板幅方向中央部に残るように
パターニングする。

【００２６】次にこのレジストをマスクとしてドライエ
ッチングにより、下部第２クラッド層32、Ｓｉ_３Ｎ_４コ
ア膜33および上部第２クラッド層34を、石英基板31が露
出するまでエッチングしてストライプ状パターンを形成
する。次いで上記レジストを除去後、プラズマＣＶＤ法
によりストライプ状パターンをＳｉＯ_２膜（上部第１ク
ラッド層）36で埋め込む。

【００２７】引き続き、位相差マスクを利用して、上記
ストライプ状パターンを構成している下部第２クラッド
層32および上部第２クラッド層34の所定領域だけに２光
束のコヒーレントな紫外線による干渉露光を行ない、こ
れらの第２クラッド層32および34に回折格子（グレーテ
ィング）37を形成する。この回折格子37の周期は、所望
の半導体レーザ発振波長を、導波路の等価屈折率を２倍
した値で割った値とする。次いでこの試料を切断した
後、両端面を研磨し、それらの端面に無反射コート38を
形成すると本実施形態の光導波路素子30が完成する。

【００２８】本実施形態では、上述のようにパターニン
グしたレジストをマスクとして、下部第２クラッド層3
2、Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜33および上部第２クラッド層34を
エッチングしているので、Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜33の幅、つ
まり図３における左右方向の寸法は１００μｍ程度とな
っている。

【００２９】以上の説明から明らかなように本実施形態
の光導波路素子30は、Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜33の上下にそれ
ぞれＳｉＯ_２上部第２クラッド層34、ＳｉＯ_２下部第２
クラッド層32が形成され、これらの第２クラッド層34、
32の各々の外側にＳｉＯ_２上部第１クラッド層36、下部
第１クラッド層（石英基板）31が形成されてなるもので
ある。ここで各層の屈折率はＳｉ_３Ｎ_４コア膜33が１．
９、第２クラッド層34および32がそれよりも小さい１．
４８、上部第１クラッド層36および下部第１クラッド層
（石英基板）31がさらに小さい１．４５である。

【００３０】なお本実施形態では、コア膜33をＳｉ_３Ｎ
_４から形成しているが、コア膜の材料はそれに限られ
るものではなく、その他の材料を用いることもできる。
このコア膜の材料として、一般には屈折率が１．７５〜
２．３の範囲にある材料を用いるのが望ましく、具体的
にそのような材料としてはＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５およ
びＺｒＯ_２等が挙げられる。この材料に関する点は、
次に説明する第２実施形態においても同様である。

【００３１】次に、本発明の別の実施形態について説明
する。図４は、本発明の第２の実施形態による光導波路
素子40の平面形状を示すものであり、また図５および図
６はそれぞれ、図４のＣ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に沿った側断
面形状、立断面形状を示すものである。これらの図を参
照して、本実施形態の光導波路素子40をその作製方法と
ともに説明する。

【００３２】まず、下部第１クラッド層となる石英基板
41の上にプラズマＣＶＤ法により、ＧｅドープのＳｉＯ
_２膜（下部第２クラッド層）42、Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜43、
ＧｅドープのＳｉＯ_２膜（上部第２クラッド層）44を形
成し、さらにその上に図示外のレジストを塗布する。

【００３３】その後、通常の干渉露光法により、上記レ
ジストの所定領域に周期パターンを形成し、この周期パ
ターン化したレジストを用いてドライまたはウェットエ
ッチングにより、上部第２クラッド層44の表面部分に回
折格子（グレーティング）47を形成する。この回折格子
47の周期は、所望の半導体レーザ発振波長を、導波路の
等価屈折率を２倍した値で割った値とする。

【００３４】次いで上記周期パターン化したレジストを
除去した後、別の図示外のレジストを第２クラッド層44
の上に塗布する。その後、通常のリソグラフィーにより
このレジストを、１００μｍ程度の一定の幅で基板幅方
向中央部に残るようにパターニングする。

【００３５】次にこのレジストをマスクとしてドライエ
ッチングにより、下部第２クラッド層42、Ｓｉ_３Ｎ_４コ
ア膜43および上部第２クラッド層44を、石英基板41が露
出するまでエッチングする。次いで上記レジストを除去
後、プラズマＣＶＤ法によりストライプ状パターンをＳ
ｉＯ_２膜（上部第１クラッド層）46で埋め込む。次いで
この試料を切断した後、両端面を研磨し、それらの端面
に無反射コート48を形成すると本実施形態の光導波路素
子40が完成する。

【００３６】以上の説明から明らかなように本実施形態
の光導波路素子40は、Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜43の上下にそれ
ぞれＳｉＯ_２上部第２クラッド層44、ＳｉＯ_２下部第２
クラッド層42が形成され、これらの第２クラッド層44、
42の各々の外側にＳｉＯ_２上部第１クラッド層46、下部
第１クラッド層（石英基板）41が形成されてなるもので
ある。なお各層の屈折率は、Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜43が１．
９、第２クラッド層44および42がそれよりも小さい１．
４８、上部第１クラッド層46および下部第１クラッド層
（石英基板）41がさらに小さい１．４５である。

【００３７】本実施形態でも、上述のようにパターニン
グしたレジストをマスクとして、下部第２クラッド層4
2、Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜43および上部第２クラッド層44を
エッチングしているので、Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜43の幅、つ
まり図６における左右方向の寸法は１００μｍ程度とな
っている。

【００３８】次に図７を参照して、本発明の第３の実施
形態による半導体レーザ装置60について説明する。この
半導体レーザ装置60は、一例として図１〜３に示した光
導波路素子30と、マスター光源としての半導体発光素子
10とから構成されたものである。

【００３９】ここで、上記半導体発光素子10の立断面形
状を示す図８を参照して、該半導体発光素子10をその作
製方法とともに説明する。なお、同図の(2)が半導体発
光素子10の完成状態を示しており、同図(1)はその作製
途中の状態を示している。

【００４０】まず有機金属気相成長法によりｎ−ＧａＡ
ｓ基板１上に、ｎ-Ｉｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐ下部ク
ラッド層２、ｎあるいはｉ−Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ
_１− _ｙ２Ｐ_ｙ２下部光導波層３（x2≒0.49ｙ2±0.01、0
≦x2≦0.3）、圧縮歪Ｉｎ_ｘ _３Ｇａ_１−ｘ３Ａｓ
_１−ｙ３Ｐ_ｙ３量子井戸活性層４（0＜x3≦0.4，0≦y３
≦0.1）、ｐあるいはｉ−Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ
_１−ｙ２Ｐ_ｙ２上部光導波層５、ｐ−Ｉｎ_０．４９Ｇａ
_０．５１Ｐ上部第１クラッド層６（厚み：10ｎｍ程
度）、ＧａＡｓエッチング阻止層７（厚み：10ｎｍ程
度）、n−Ｉｎ_０．４９Ｇａ_０ _．５１Ｐ電流狭窄層８
（厚み：1μｍ程度）、ｎ−ＧａＡｓキャップ層９（厚
み：10ｎｍ程度）を積層する。この上にＳｉＯ_２膜11
を形成し、レジストを塗布する。その後通常のリソグラ
フィーによりこのレジストを、〈０１１〉方向に1００
μｍ程度の幅のストライプ領域に亘って除去し、ｎ−Ｇ
ａＡｓキャップ層９を溝底面に露出させた後、レジスト
を除去する。図８(1)は、以上までの状態を示してい
る。

【００４１】次に、上記ＳｉＯ_２膜11をマスクとし
て、硫酸系エッチャントでＧａＡｓキャップ層９をエッ
チングし、引き続き塩酸系エッチャントで、n−Ｉｎ
_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐ電流狭窄層８をエッチングする
ことによりｐ-ＧａＡｓエッチング阻止層７を露出させ
る。

【００４２】引き続き、ＳｉＯ_２膜11をフッ酸系のエ
ッチャントで除去し、次いで硫酸系のエッチャントで、
n−ＧａＡｓキャップ層９と溝の底面部分にあるｐ-Ｇａ
Ａｓエッチング阻止層７を除去する。その後、ｐ−Ａｌ
_０．４８Ｇａ_０．５２Ａｓ上部第２クラッド層12、ｐ-
ＧａＡｓコンタクト層13を形成する。次にｐ側電極14を
形成し、その後基板１の研磨を行なってからｎ側電極１
5を形成する。その後、試料をへき開して形成した共振
器面に低反射コート16、無反射コート17（これらのコー
ト16および17については図７参照）を形成し、次いでチ
ップ化すると半導体発光素子10が完成する。

【００４３】なお、上記の層構成では、ストライプ部と
電流狭窄層８に垂直方向の等価屈折率段差が０．００２
から０．０１５となるように、光導波層３、５の組成と
厚みとを選択する。

【００４４】また上記の例では、ＧａＡｓ基板１はｎ型
の導電性のもので記述しているが、ｐ型の導電性の基板
を用いてもよく、この場合上述したすべての導電性を反
対にすれば良い。また、ｐ−Ａｌ_０．４８Ｇａ_０．５２
Ａｓ上部第２クラッド層12を成長する前に、ｐ−Ｉｎ_ｘ
Ｇａ_１−ｘＰ層を１０ｎｍ程度積層しても良い。n−Ｇ
ａＡｓキャップ層９は積層しなくてもよい。さらに、こ
のn−ＧａＡｓキャップ層９の導電性はｐ型でもよい。

【００４５】以上のようにして作製された半導体発光素
子10は、図７に示す通り、図１に示した光導波路素子30
と直接結合されて、半導体レーザ装置60を構成する。こ
の直接結合は、光導波路素子30のコア膜33の端面と、半
導体発光素子10の量子井戸活性層４を含むストライプ部
分の後端面（図７中の左端面で、無反射コート17が形成
された側の端面）とが密接、あるいは微小距離をおいて
近接する状態にして、両素子30、10を固定することによ
ってなされる。なお半導体発光素子10は、図示外の銅製
のヒートシンクにマウントされ、ペルチェ素子により冷
却されて、所定温度に保たれる。

【００４６】半導体発光素子10の上記後端面からは、い
わゆる後方出射光が出射する。この後方出射光は光導波
路素子30のコア膜33（図２参照）に入射し、そこを導波
モードで伝搬する。このとき回折格子37において、回折
格子周期ΛとΛ＝λ／２ｎ_ｅ _ｆｆ（ｎ_ｅｆｆは光導波
路素子30の光導波路の実効屈折率）の関係を満たす特定
波長λの光のみが選択的に反射回折し、その回折した後
方出射光が半導体発光素子10にフィードバックされる。

【００４７】この光フィードバックがなされることによ
り半導体発光素子10の発振波長は、上記の選択された波
長λにロックされる。そして半導体発光素子10の前端
面、つまり図７中の右端面からは、この波長λのレーザ
光61が出射する。

【００４８】先に述べた通り、光導波路素子30のＳｉ_３
Ｎ_４コア膜33の幅を１００μｍ程度と、５μｍ以上に設
定したことにより、光導波路において光を横マルチモー
ドで導波させることが可能となるので、高強度の光を導
波させることができる。したがって、該光導波路素子30
から半導体発光素子10へのフィードバック光量を十分に
確保して、半導体レーザ装置60の光出力を、３００ｍＷ
を上回る程度まで十分に高めることができる。

【００４９】次に図９を参照して、本発明の第４の実施
形態による半導体レーザ装置60’について説明する。な
おこの図９において、図７中の要素と同等の要素には同
番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の
ない限り省略する（以下、同様）。

【００５０】この半導体レーザ装置60’は、図７に示し
た半導体レーザ装置60と比較すると、用いられている半
導体発光素子10’が異なり、さらに、この半導体発光素
子10’の前端面側に光導波路素子30が直接固定されてい
る点で異なるものである。すなわち、ここで用いられて
いる半導体発光素子10’は、前端面に無反射コート17が
形成される一方、後端面に高反射コート18が形成され、
その他の部分は図７の半導体発光素子10と同様に構成さ
れてなるものである。

【００５１】この半導体レーザ装置60’において、半導
体発光素子10’の前端面から出射した光は光導波路素子
30のコア膜33（図２参照）に入射し、そこを導波モード
で伝搬する。このとき回折格子37において、回折格子周
期ΛとΛ＝λ／２ｎ_ｅｆｆ（ｎ_ｅｆｆは光導波路素子3
0の光導波路の実効屈折率）の関係を満たす特定波長λ
の光のみが選択的に反射回折し、その回折した光が半導
体発光素子10にフィードバックされる。

【００５２】この光フィードバックがなされることによ
り半導体発光素子10’の発振波長は、上記の選択された
波長λにロックされる。そして半導体発光素子10’の前
端面（図９中の右端面）からこの波長λのレーザ光61が
出射し、該レーザ光61は光導波路素子30を導波してその
前端面から出射する。なお、半導体発光素子10’の後端
面側に進行した波長λのレーザ光61は高反射コート18で
反射して折り返し、前端面から出射する。

【００５３】この場合も、光導波路素子30のＳｉ_３Ｎ_４
コア膜33の幅を１００μｍ程度と、５μｍ以上に設定し
たことにより、光導波路において光を横マルチモードで
導波させることが可能となるので、高強度の光を導波さ
せることができる。したがって、該光導波路素子30から
半導体発光素子10’へのフィードバック光量を十分に確
保して、半導体レーザ装置60の光出力を、３００ｍＷを
上回る程度まで十分に高めることができる。

【００５４】次に図１０を参照して、本発明の第５の実
施形態による半導体レーザ装置70と、それを用いた希土
類ドープ光ファイバ増幅器について説明する。この図１
０に概略構成を示す希土類ドープ光ファイバ増幅器は、
本発明による半導体レーザ装置70を、光増幅ファイバ71
の励起用光源として用いたものである。

【００５５】上記半導体レーザ装置70は、基本的には図
９に示した半導体レーザ装置60’と同様に、半導体発光
素子20およびその前端面側に直接固定された光導波路素
子30から構成されたものである。幅広の発振領域を有す
る半導体発光素子20の端面のコートは、図９の半導体発
光素子10’と同様に、前端面が無反射コート、後端面が
高反射コートとされている。

【００５６】一方光増幅ファイバ71は、コア72の外側の
第１クラッド73の外側に第２クラッド74を有するダブル
クラッド構造となっている。そしてコア72には波長λｓ
の信号光を受けて発光する第１元素が添加され、第１ク
ラッド73には、波長λｐの励起光により励起されて上記
第１元素を励起する波長λｂの励起光を発する第２元素
が添加されている。なお、コア72の屈折率は第１クラッ
ド73より高く、第１クラッド73の屈折率は第２クラッド
74の屈折率より高く設定されている。

【００５７】シングルモード光ファイバ75により伝送さ
れる信号光Ｌ１は、コリメータレンズ７6によってほぼ平
行光束とされ、誘電体多層膜を有するビームスプリッタ
77を透過し、集光レンズ78により集光されて、ダブルク
ラッド光増幅ファイバ71のコア72に入射する。

【００５８】一方半導体レーザ装置70からは、光導波路
素子30の作用によって波長がほぼ単一化された励起光Ｌ
２が出射する。この励起光Ｌ２は集光レンズ79で集光さ
れ、誘電体多層膜ミラー80を透過して、コア径の大きな
マルチモード光ファイバ81に入射する。なお誘電体多層
膜ミラー80は、励起光Ｌ２を透過させる一方、光増幅フ
ァイバ71の第１クラッド73の第２元素が発する波長λｂ
の光を反射するように形成されている。

【００５９】マルチモード光ファイバ81から出射した励
起光Ｌ２は、コリメータレンズ82によってほぼ平行光束
とされ、その光路に対して４５°に傾いた上記ビームス
プリッタ77で反射して、集光レンズ78に入射する。励起
光Ｌ２はこの集光レンズ78により集光されて、ダブルク
ラッド光増幅ファイバ71の第１クラッド73に入射し、該
第１クラッド73に添加されている第２元素を励起する。

【００６０】これによって第２元素から発せられた波長
λｂの光は、より屈折率の高いコア72に移行して、この
コア72の第１元素を励起する。この第１元素を励起する
光は、前記誘電体多層膜ミラー80および、ダブルクラッ
ド光増幅ファイバ71の前方側に配された誘電体多層膜ミ
ラー84において反射するので、ダブルクラッド光増幅フ
ァイバ71内に効率的に閉じ込められ、コア72の第１元素
が効率良く励起される。それにより反転分布が形成さ
れ、誘導放出により信号光Ｌ１が増幅される。

【００６１】ここで、上記励起光Ｌ２の波長を、上記第
２元素の励起波長のピークに合うように設定しておくこ
とにより、より効率的に光増幅を行なうことができる。
光増幅された信号光Ｌ１は、コリメータレンズ85によっ
てほぼ平行光束とされ、集光レンズ86により集光されて
シングルモード光ファイバ87のコア88に入射し、伝送さ
れる。

【００６２】半導体レーザ装置70は、前述した通り光導
波路素子30の作用により、十分に高い光出力が得られる
ものである。このような半導体レーザ装置70を用いたこ
とにより、本希土類ドープ光ファイバ増幅器において
は、励起光Ｌ２の出力を十分に高めて、増幅率を向上さ
せることが可能になる。

【００６３】次に図１１を参照して、本発明の第６の実
施形態による半導体レーザ装置100と、それを用いた固
体レーザについて説明する。この図１１に概略構成を示
す固体レーザは、本発明による半導体レーザ装置100を
固体レーザ媒質を励起する励起用光源として用いたもの
である。

【００６４】上記半導体レーザ装置100は、基本的には
図９に示した半導体レーザ装置60’と同様に、半導体発
光素子25およびその前端面側に直接固定された光導波路
素子30から構成されたものである。幅広の発振領域を有
する半導体発光素子25の端面のコートは、図９の半導体
発光素子10’と同様に、前端面が無反射コート、後端面
が高反射コートとされている。

【００６５】この固体レーザは、光導波路素子30の作用
によって波長がほぼ単一化された励起光Ｌ３を出射する
高出力半導体レーザ装置100と、該半導体レーザ装置100
から出射した励起光Ｌ３を集光する集光レンズ102と、
集光された励起光Ｌ３によって励起される固体レーザ媒
質であるＮｄ：ＹＡＧ結晶103と、この固体レーザ結晶1
03の前方側に配された凹面鏡からなる出力ミラー104と
から構成されている。なお半導体レーザ装置100および
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶103は、図示外のペルチェ素子により
所定温度に温度調節されている。

【００６６】上記固体レーザ結晶103は、後端面つまり
半導体レーザ装置100側の端面に、波長809ｎｍの励起光
Ｌ３に対して無反射となり、かつ後述する波長946ｎｍ
の固体レーザ発振光Ｌ４に対して高反射となるコート膜
105を備えている。また出力ミラー104の凹面には、励起
光Ｌ３に対して高反射となり、かつ固体レーザ発振光Ｌ
４に対して無反射となるコート膜109が形成されてい
る。固体レーザの共振器は、これらの固体レーザ結晶10
3と出力ミラー104とによって構成される。

【００６７】半導体レーザ装置100から発せられた波長8
09ｎｍの発振光、つまり励起光Ｌ３は集光レンズ102に
より集光されてＮｄ：ＹＡＧ結晶103の内部で収束し、
該Ｎｄ：ＹＡＧ結晶103を励起する。励起されたＮｄ：
ＹＡＧ結晶103から発せられた波長946ｎｍの光は上記共
振器において共振し、発振した波長946ｎｍの固体レー
ザビームＬ４が得られる。

【００６８】この固体レーザビームＬ４は出力ミラー10
4から出射し、その一部がビームスプリッタ106を透過し
て所定の用途に使用される。また固体レーザビームＬ４
の一部はビームスプリッタ106で反射して分岐され、受
光素子107に受光される。この受光素子107が出力する光
検出信号は、半導体発光素子25への供給電流を制御する
制御回路にフィードバックされ、固体レーザビームＬ４
の光強度が一定となるようにこの供給電流を制御するい
わゆるＡＰＣ（automatic power control)のために利用
される。

【００６９】半導体レーザ装置100は、前述した通り光
導波路素子30の作用により、十分に高い光出力が得られ
るものである。このような半導体レーザ装置100を用い
たことにより、本固体レーザにおいては、励起光Ｌ３の
出力を十分に高めて、高強度の固体レーザビームＬ４を
発生させることが可能になる。

【００７０】次に図１２を参照して、本発明による半導
体レーザ装置を用いた第２高調波発生固体レーザについ
て説明する。この図１２に概略構成を示す第２高調波発
生固体レーザは、図１１の装置で用いられたものと同様
の半導体レーザ装置100を励起用光源として用いたもの
であり、共振器内に非線形光学材料であるＫＮｂＯ_３結
晶110が配設された以外は、基本的に図１１に示した固
体レーザと同様に形成されている。

【００７１】なお半導体レーザ装置100、Ｎｄ：ＹＡＧ
結晶103およびＫＮｂＯ_３結晶110は、図示外のペルチ
ェ素子により所定温度に温度調節されている。

【００７２】固体レーザ結晶103は、後端面つまり半導
体レーザ装置100側の端面に、波長809ｎｍの励起光Ｌ３
に対して無反射となり、かつ波長946ｎｍの固体レーザ
発振光Ｌ４および後述する波長473ｎｍの第２高調波Ｌ
５に対して高反射となるコート膜115を備えている。ま
た出力ミラー104の凹面には、励起光Ｌ３および固体レ
ーザ発振光Ｌ４に対して高反射となり、かつ上記第２高
調波Ｌ５に対して無反射となるコート膜119が形成され
ている。固体レーザの共振器は、これらの固体レーザ結
晶103と出力ミラー104とによって構成される。

【００７３】この第２高調波発生固体レーザにおいて
は、図１１の装置におけるのと同様にして発生した波長
946ｎｍの固体レーザビームＬ４が基本波としてＫＮｂ
Ｏ_３結晶110に入射し、該ＫＮｂＯ_３結晶110により波
長が１／２つまり473ｎｍの第２高調波Ｌ５に変換され
る。

【００７４】この第２高調波Ｌ５は出力ミラー104から
出射し、その一部がビームスプリッタ106を透過して所
定の用途に使用される。また第２高調波Ｌ５の一部はビ
ームスプリッタ106で反射して分岐され、受光素子107に
受光される。この受光素子107が出力する光検出信号
は、半導体発光素子25への供給電流を制御する制御回路
にフィードバックされ、第２高調波Ｌ５の光強度が一定
となるようにこの供給電流を制御するいわゆるＡＰＣ
（automatic power control)のために利用される。

【００７５】半導体レーザ装置100は、前述した通り光
導波路素子30の作用により、十分に高い光出力が得られ
るものである。このような半導体レーザ装置100を用い
たことにより、本第２高調波発生固体レーザにおいて
は、励起光Ｌ３の出力を十分に高めて、高強度の固体レ
ーザビームＬ４を発生させ、ひいては高強度の第２高調
波Ｌ５を発生させることが可能になる。

【００７６】なお本発明の光導波路素子および半導体レ
ーザ装置は、以上説明した実施形態に限らず、その他ア
レイ型半導体レーザや光集積回路等の実装にも対応でき
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による光導波路素子の
概略平面図

【図２】図１の光導波路素子の概略側断面図

【図３】図１の光導波路素子の概略立断面図

【図４】本発明の第２の実施形態による光導波路素子の
概略平面図

【図５】図４の光導波路素子の概略側断面図

【図６】図４の光導波路素子の概略立断面図

【図７】本発明の第３の実施形態による半導体レーザ装
置の概略平面図

【図８】図７の半導体レーザ装置を構成する半導体発光
素子の作製途中の状態(1)と、完成状態(2)を示す概略立
断面図

【図９】本発明の第４の実施形態による半導体レーザ装
置の概略平面図

【図１０】本発明の第５の実施形態による半導体レーザ
装置を用いた希土類ドープ光ファイバ増幅器の概略側面
図

【図１１】本発明の第６の実施形態による半導体レーザ
装置を用いた固体レーザ装置の概略側面図

【図１２】本発明の半導体レーザ装置を用いた第２高調
波発生固体レーザ装置の概略側面図

【符号の説明】

１ｎ−ＧａＡｓ基板２ｎ-Ｉｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐ下部クラッド層３ｎあるいはｉ−Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ
_１−ｙ２Ｐ_ｙ２下部光導波層４圧縮歪Ｉｎ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ａｓ_１−ｙ３Ｐ_ｙ３
量子井戸活性層５ｐあるいはｉ−Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ
_１−ｙ２Ｐ_ｙ２上部光導波層６ｐ−Ｉｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐ上部第１クラッ
ド層７ＧａＡｓエッチング阻止層８ n−Ｉｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐ電流狭窄層９ｎ−ＧａＡｓキャップ層 10、10’、20、25 半導体発光素子 11 ＳｉＯ_２膜 14 ｐ側電極 15 ｎ側電極 16 低反射コート 17 無反射コート 18 高反射コート 30 光導波路素子 31 石英基板（下部第１クラッド層） 32 ＧｅドープのＳｉＯ_２膜（下部第２クラッド層） 33 Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜 34 ＧｅドープのＳｉＯ_２膜（上部第２クラッド層） 36 ＳｉＯ_２膜（上部第１クラッド層） 37 回折格子（グレーティング） 38 無反射コート 40 光導波路素子 41 石英基板（下部第１クラッド層） 42 ＧｅドープのＳｉＯ_２膜（下部第２クラッド層） 43 Ｓｉ_３Ｎ_４コア膜 44 ＧｅドープのＳｉＯ_２膜（上部第２クラッド層） 46 ＳｉＯ_２膜（上部第１クラッド層） 47 回折格子（グレーティング） 48 無反射コート 60、60’、70 半導体レーザ装置 71 ダブルクラッド光増幅ファイバ 72 コア 73 第１クラッド 74 第２クラッド 75 シングルモード光ファイバ 76 コリメータレンズ 77 ビームスプリッタ 78、79、86 集光レンズ 80、84 誘電体多層膜ミラー 81 マルチモード光ファイバ 82、85 コリメータレンズ 87 シングルモード光ファイバ 88 コア 100 半導体レーザ装置 102 集光レンズ 103 Ｎｄ：ＹＡＧ結晶 104 出力ミラー 106 ビームスプリッタ 107 受光素子 110 ＫＮｂＯ_３結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者国安利明神奈川県足柄上郡開成町宮台798番地富士写真フイルム株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA03 MA07 QA02 QA04 RA08 TA17 5F073 AA45 AA67 AA74 AA83 AB25 AB27 AB29 BA09 CA13 FA06 FA14 FA25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に光導波路が形成されてなり、こ
の光導波路の端面に半導体発光素子が直接結合される光
導波路素子において、光導波路のコアの外側にこのコアよりも低屈折率の第１
クラッドが形成され、この第１クラッドと前記コアとの間に、該第１クラッド
とコアの各屈折率の間の屈折率を有する第２クラッドが
形成され、前記コアの幅が５μｍ以上とされていることを特徴とす
る光導波路素子。
【請求項２】前記コアとなる層の上下にそれぞれ上部
第２クラッド層、下部第２クラッド層が形成され、これらの上部第２クラッド層、下部第２クラッド層の各
々の外側に上部第１クラッド層、下部第１クラッド層が
形成されていることを特徴とする請求項１記載の光導波
路素子。
【請求項３】前記コアの屈折率が１．７５〜２．３の
範囲にあり、前記上部第２クラッド層および下部第２クラッド層の屈
折率が１．４８〜１．５２の範囲にあり、前記上部第１クラッド層および下部第１クラッド層の屈
折率が１．４〜１．４７の範囲にあることを特徴とする
請求項２記載の光導波路素子。
【請求項４】前記コアがＳｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、
Ｔａ_２Ｏ_５およびＺｒＯ_２のうちのいずれかからな
り、前記第２クラッド層がＳｉＯＮおよびＳｉＯ_２のうちの
いずれかからなり、前記第１クラッド層がＳｉＯ_２・ＧｅＯ_２からなるこ
とを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光導
波路素子。
【請求項５】前記光導波路における導波光の電界分布
が、前記半導体発光素子の光導波路入射側端面における
光強度分布と略等しいことを特徴とする請求項１から４
いずれか１項記載の光導波路素子。
【請求項６】前記光導波路の端面に無反射コートが形
成されていることを特徴とする請求項１から５いずれか
１項記載の光導波路素子。
【請求項７】前記上部第２クラッド層に、その表面に
おいて、前記コアの延びる方向に沿って周期的に繰り返
す凹凸からなり、前記半導体発光素子の発振波長を選択
するグレーティングが形成されていることを特徴とする
請求項１から６いずれか１項記載の光導波路素子。
【請求項８】前記上部第２クラッド層および下部第２
クラッド層に、その屈折率が前記コアの延びる方向に沿
って周期的に変えられてなり、前記半導体発光素子の発
振波長を選択するグレーティングが形成されていること
を特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の光導波
路素子。
【請求項９】請求項７または８記載の光導波路素子と
半導体発光素子とが直接結合されてなる半導体レーザ装
置であって、前記半導体発光素子から発せられた後、前記グレーティ
ングで波長選択された光が該半導体発光素子にフィード
バックされる構成を有することを特徴とする半導体レー
ザ装置。
【請求項１０】希土類ドープ光ファイバ増幅器の励起
用光源として用いられていることを特徴とする請求項９
記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】固体レーザの励起用光源として用いら
れていることを特徴とする請求項９記載の半導体レーザ
装置。