JP2004014997A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ素子の温度が上昇することによってレーザ素子の出力波長が変動しても、受光素子によってレーザ素子の出力検知を正確に行え、安定して光出力がなされる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子２１の受光素子２２側の光出射面に、高屈折率と低屈折率の膜が交互に形成された多層膜を設け、もう一方の光出射面に低屈折率の単層膜を設け、単層膜の膜厚をλ／４ｎ_１〜λ／２ｎ_１（ただし、λ／４ｎ_１及びλ／２ｎ_１を含まない、ｎ_１：単層膜の屈折率）とし、多層膜における最外層が高屈折率層の場合には、その層厚を０〜λ／４ｎ_２（ただし、０及びλ／４ｎ_２を含まない、ｎ_２：最外層の屈折率）とし、また多層膜における最外層が低屈折率層の場合には、その層厚をλ／４ｎ_３〜λ／２ｎ_３（ただし、λ／４ｎ_３及びλ／２ｎ_３を含まない、ｎ_３：最外層の屈折率）とする。
【選択図】　図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ装置に関し、より詳細には半導体レーザ素子（以下、「レーザ素子」と記すことがある）からの光出力を受光素子でモニタし、レーザ素子からの光出力を一定に制御する半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ素子は素子の両側面からレーザ出力が取り出せる構造であるので、一方のレーザ出力をモニタビームとして受光素子で受け、これを増幅して励起電流を制御して温度変化などによる出力の変化を抑えることが通常行われている。モニタとして受光素子（フォトダイオード）を装置内に組み込んだ半導体レーザ装置の構造模式図を図８に、そしてその回路図例を図９に示す。ヒートシンク２３の表面に実装されたレーザ素子２１の一方の側面（図８の上側）から出射した光は、キャップ２４の上面開口に装着された光学ガラス窓２５を透過して外部に出射する。一方、レーザ素子２１の他方の側面（図８の下側）から出射した光は、この出射光の進行方向に略垂直に取り付けられた受光素子２２に当たる。受光素子２２では、受光素子２２に当たる出射光の強さに比例して電圧が出力されるので、この光出力電圧を測定して差動増幅器２８および増幅器２９（いずれも図９に図示）を用いてレーザ素子２１への印加電圧を調整し、レーザ素子２１の出力を一定に保つようにしている。
【０００３】
ところで、レーザ素子を高出力化する場合、出射光が装置外へ放射する側の素子側面（以下、「前出射面」と記すことがある）からの光の取り出し効率を高めるために、前出射面での光の反射率を低く、そして前出射面に対向する素子側面（以下、「後出射面」と記すことがある）での反射率を高くする、いわゆる非対称コーティングが一般に行われる。
【０００４】
例えば前出射面に、Ａｌ_２Ｏ_３などの比較的低屈折率の材料からなる薄層（反射膜）を形成して反射率を低くする。反射率は層厚を変えることにより調整できる。Ａｌ_２Ｏ_３からなる薄層の場合には、反射率はおよそ２〜３２％の範囲で変化し、層厚がλ／４ｎ（一般式としてはλ／４ｎ＋（λ／２ｎ）×Ｎ、ここでλ：波長、ｎ：屈折率、Ｎ：整数）のとき最小となる。前出射面の反射率をあまりに小さくすると、特性上の問題が発生する場合があるので、一般的には層厚をλ／４ｎから少しずらして、反射率を例えば６〜１０％程度にすることが多い。一方、後出射面には、Ａｌ_２Ｏ_３などからなる低屈折率の薄層と、ａ−Ｓｉなどからなる高屈折率の薄層とをそれぞれλ／４ｎの層厚で交互に形成した多層膜（反射膜）を設け、反射率を高くする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般的にレーザ素子は温度が上昇すると出力波長が長くなる。反射膜は波長に対して分光特性を有し、レーザ素子の波長が変わると反射率も変化する。図１０に、前出射面にＡｌ_２Ｏ_３層を形成し、後出射面に層厚λ／４ｎのＡｌ_２Ｏ_３層と層厚λ／４ｎのａ−Ｓｉ層とを積層形成した、波長６５５ｎｍのレーザ素子における波長と反射率の関係を示す。図１０（ａ）では波長が長くなるにしたがって反射率が低下する傾向にあるのに対し、同図（ｂ）では波長に関係なく反射率はほぼ一定となっている。このように従来のレーザ装置では、前出射面の反射膜の分光特性は後出射面のそれに比べて波長依存性が大きかった。この結果、温度が上昇し出力波長が変わると前出射面と後出射面とで出射光量比が変化し、受光素子においてレーザ素子の出力を正確に検知できなくなり、レーザ素子の出力を適切に制御できないことがあった。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、温度に起因してレーザ素子の波長が変動しても受光素子によりレーザ素子の出力を正確に検知でき、安定にＡＰＣ（Ａｕｔｏ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）動作を可能とする半導体レーザ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、対向する両側面から光出射する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子の一方の側面から出射された光を受光し、前記半導体レーザ素子の出力制御に用いられる受光素子とを備えた半導体レーザ装置であって、前記半導体レーザ素子の受光素子側の光出射面には、高屈折率と低屈折率の膜が交互に形成された多層膜を設け、もう一方の光出射面には低屈折率の単層膜を設け、前記単層膜の膜厚をλ／４ｎ_１〜λ／２ｎ_１（ただし、λ／４ｎ_１及びλ／２ｎ_１を含まない、ｎ_１：単層膜の屈折率）とし、
前記多層膜における最外層が高屈折率層の場合には、その層厚を０〜λ／４ｎ_２（ただし、０及びλ／４ｎ_２を含まない、ｎ_２：最外層の屈折率）とし、
前記多層膜における最外層が低屈折率層の場合には、その層厚をλ／４ｎ_３〜λ／２ｎ_３（ただし、λ／４ｎ_３及びλ／２ｎ_３を含まない、ｎ_３：最外層の屈折率）とすることを特徴とする半導体レーザ装置が提供される。
【０００８】
また本発明によれば、対向する両側面から光出射する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子の一方の側面から出射された光を受光し、前記半導体レーザ素子の出力制御に用いられる受光素子とを備えた半導体レーザ装置であって、前記半導体レーザ素子の受光素子側の光出射面には、高屈折率と低屈折率の膜が交互に形成された多層膜を設け、もう一方の光出射面には低屈折率の単層膜を設け、前記単層膜の膜厚を０〜λ／４ｎ_１（ただし、０及びλ／４ｎ_１を含まない、ｎ_１：単層膜の屈折率）とし、
前記多層膜における最外層が高屈折率層の場合には、その層厚をλ／４ｎ_２〜λ／２ｎ_２（ただし、λ／４ｎ_２及びλ／２ｎ_２を含まない、ｎ_２：最外層の屈折率）とし、
前記多層膜における最外層が低屈折率層の場合には、その層厚を０〜λ／４ｎ_３又はλ／２ｎ_３〜３λ／４ｎ_３（ただし、０、λ／４ｎ_３、λ／２ｎ_３及び３λ／４ｎ_３を含まない、ｎ_３：最外層の屈折率）とすることを特徴とする半導体レーザ装置が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者は、レーザ素子の温度が上昇してレーザ素子からの波長が変動しても、受光素子によりレーザ素子の出力を正確に検知できレーザ素子の出力を適切に制御できないか鋭意検討を重ねた結果、前出射面の単層膜と後出射面の最外層の層厚を、層厚に対する反射率の変化傾向が同じである範囲から選択決定すればよいことを見出し本発明をなすに至った。すなわち、単層膜における層厚が、層厚に対する反射率の変化傾向が右上がりの範囲（層厚が大きくなると反射率が高くなる範囲）にあれば、後出射面の最外層の層厚も、層厚に対する反射率の変化傾向が右上がりの範囲から選択するのである。同様に、単層膜における層厚が、層厚に対する反射率の変化傾向が右下がりの範囲（層厚が大きくなると反射率が低くなる範囲）にあれば、後出射面の最外層の層厚も、層厚に対する反射率の変化傾向が右下がりの範囲から選択する。このように単層膜と後出射面の最外層の層厚を選択決定することにより、出力波長と反射率との関係が単層膜と後出射面の多層膜とで同じ傾向を示すようになる。これにより、レーザ素子の温度が上昇してレーザ素子からの出力波長が変動しても、受光素子によりレーザ素子の出力を正確に検知できレーザ素子の出力を適切に制御できるようになる。
【００１０】
本発明者によるシミュレーション結果に基づき本発明を以下詳細に説明する。まず、前出射面に低屈折率であるＡｌ_２Ｏ_３層を形成し、後出射面に低屈折率で層厚λ／４ｎのＡｌ_２Ｏ_３層と高屈折率なａ−Ｓｉ層とを積層形成した、波長６５５ｎｍのレーザ素子を用いた場合において、前出射面のＡｌ_２Ｏ_３層の層厚および後出射面の最外層であるａ−Ｓｉ層の層厚を種々変化させて反射率をシミュレーションした。前出射面のＡｌ_２Ｏ_３層の層厚と反射率との関係を図１に、後出射面の最外層であるａ−Ｓｉ層の層厚と反射率との関係を図２に示す。
【００１１】
次に、これらの図からＡｌ_２Ｏ_３層の層厚又はａ−Ｓｉ層の層厚を定めて、そのときの波長と反射率との関係をシミュレーションした。結果を図３〜図６に示す。図３は、図１においてＡｌ_２Ｏ_３層の層厚をλ／４ｎ_１〜λ／２ｎ_１の範囲から定めた場合であって、波長が長くなると反射率が低くなる右下がりの傾向を示した。一方図４は、図１においてＡｌ_２Ｏ_３層の層厚を０〜λ／４ｎ_１の範囲から定めた場合であって、波長が長くなると反射率が高くなる右上がりの傾向を示した。
【００１２】
また図５は、図２においてａ−Ｓｉ層の層厚を０〜λ／４ｎ_２の範囲から定めた場合であって、波長が長くなると反射率が低くなる右下がりの傾向を示した。一方図６は、図２においてａ−Ｓｉ層の層厚をλ／４ｎ_２〜λ／２ｎ_２の範囲から定めた場合であって、波長が長くなると反射率が高くなる右上がりの傾向を示した。
【００１３】
前述のように、出力波長と反射率との関係が前出射面と後出射面とで同じ傾向を示すようにするには、図３〜図６において図３と図５、図４と図６との組み合わせとなる。つまり、Ａｌ_２Ｏ_３層の層厚をλ／４ｎ_１〜λ／２ｎ_１の範囲から定めた場合には、ａ−Ｓｉ層の層厚を０〜λ／４ｎ_２の範囲から定める、またＡｌ_２Ｏ_３層の層厚を０〜λ／４ｎ_１の範囲から定めた場合には、ａ−Ｓｉ層の層厚をλ／４ｎ_２〜λ／２ｎ_２の範囲から定めるのである。
【００１４】
さらに、Ａｌ_２Ｏ_３層の層厚をλ／４ｎ_１〜λ／２ｎ_１の範囲から定め、ａ−Ｓｉ層の層厚を０〜λ／４ｎ_２の範囲から定めた場合における（具体的数値は図１，２に図示）、後出射面からの出力される光出力を具体的に算出したところ、次のような結果となった。前出射面から出力される光出力Ｐｆを３０ｍＷとしたとき、後出射面から出力される光出力Ｐｒは３．７２ｍｗとなる。ここで波長が１０ｎｍ長くなったとすると、光出力Ｐｒは３．６３ｍＷとなり、その変化率は−２．５％であった。一方、Ａｌ_２Ｏ_３層の層厚をλ／４ｎ_１〜λ／２ｎ_１の範囲から定め、ａ−Ｓｉ層の層厚をλ／４ｎ_２とした従来の装置では（具体的数値は図１，２に図示）、前出射面から出力される光出力Ｐｆを同様に３０ｍＷとしたとき、後出射面から出力される光出力Ｐｒは２．４８ｍｗで、波長が１０ｎｍ長くなったときの光出力Ｐｒは２．３５ｍＷとなり、その変化率は−５．３％であった。このように、本発明のレーザ半導体装置によれば波長の変化による光出力変化率を従来に比べ半分にまで抑えることができる。
【００１５】
以上、後出射面に反射膜として低屈折率なＡｌ_２Ｏ_３層と高屈折率なａ−Ｓｉ層とを積層した場合について説明したが、ａ−Ｓｉ層の外側にさらにＡｌ_２Ｏ_３層などの低屈折率層を層厚：λ／４ｎ_３〜λ／２ｎ_３の範囲でさらに設けた場合においても同様の効果が得られ、波長変化による後出射面からの出力される光出力Ｐｒの変化は、上記と同じ条件で３．８０ｍＷから３．７８ｍＷとなり、その光出力変化率はわずか−０．６％であった。
【００１６】
本発明で使用できる半導体レーザ素子としては特に限定はなく、従来公知のものが使用できる。半導体レーザ素子の代表的構成例を図７に示す。図７の半導体レーザ素子は、底面にｐ−電極１１を有するｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＧａＩｎＰからなるバッファ層２、ｎ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなるクラッド層３、歪ＭＱＷ活性層４、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなるクラッド層５、ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層６、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなるクラッド層７、ｐ−ＧａＩｎＰからなるコンタクト層８、ｎ−ＧａＡｓからなる電流ブロック層９、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０、ｎ−電極１１、及びｐ−電極１２の積層構造を備えている。
【００１７】
そして共振器方向（紙面に垂直方向）に対向する半導体素子の側面には、前述の通り反射膜が形成され、一方の反射膜は低屈折率の単層膜であり、もう一方の反射膜は高屈折率と低屈折率の膜が交互に積層された多層膜となっている。このような反射膜を構成する材料としては、例えば低屈折率層としてはＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣａＦ_２、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２などが、高屈折率層としてはａ−Ｓｉ、ＡｌＮ、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ、ＣｄＳ、ＺｎＳなどが挙げられる。反射膜の形成方法としては特に限定はなく従来の公知の方法を用いることができ、例えばＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）やスパッタリング法を用いることができる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子の受光素子側の光出射面に、高屈折率と低屈折率の膜が交互に形成された多層膜を設け、もう一方の光出射面に低屈折率の単層膜を設け、単層膜の膜厚をλ／４ｎ_１〜λ／２ｎ_１（ただし、λ／４ｎ_１及びλ／２ｎ_１を含まない、ｎ_１：単層膜の屈折率）とし、多層膜における最外層が高屈折率層の場合には、その層厚を０〜λ／４ｎ_２（ただし、０及びλ／４ｎ_２を含まない、ｎ_２：最外層の屈折率）とし、また多層膜における最外層が低屈折率層の場合には、その層厚をλ／４ｎ_３〜λ／２ｎ_３（ただし、λ／４ｎ_３及びλ／２ｎ_３を含まない、ｎ_３：最外層の屈折率）とするので、レーザ素子が発熱し温度が上昇することによってレーザ素子の出力波長が変動しても、受光素子によるレーザ素子の出力検知が正確に行え、安定にＡＰＣ動作が可能となる。
【００１９】
またもう一つの本発明の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子の受光素子側の光出射面に、高屈折率と低屈折率の膜が交互に形成された多層膜を設け、もう一方の光出射面に低屈折率の単層膜を設け、単層膜の膜厚を０〜λ／４ｎ_１（ただし、０及びλ／４ｎ_１を含まない、ｎ_１：単層膜の屈折率）とし、多層膜における最外層が高屈折率層の場合には、その層厚を０〜λ／４ｎ_３又はλ／２ｎ_３〜３λ／４ｎ_３（ただし、０、λ／４ｎ_３、λ／２ｎ_３及び３λ／４ｎ_３を含まない、ｎ_３：最外層の屈折率）とするので、前記と同様に、レーザ素子の発熱によりレーザ素子の出力波長が変動しても、受光素子によるレーザ素子の出力検知が正確に行え、安定にＡＰＣ動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単層膜における層厚と反射率との関係を示す図である。
【図２】積層膜の最外層における層厚と反射率との関係を示す図である。
【図３】単層膜の層厚をλ／４ｎ_１〜λ／２ｎ_１の範囲としたときの波長と反射率との関係を示す図である。
【図４】単層膜の層厚を０〜λ／４ｎ_１の範囲としたときの波長と反射率との関係を示す図である。
【図５】積層膜の最外層の層厚を０〜λ／４ｎ_２の範囲としたときの波長と反射率との関係を示す図である。
【図６】積層膜の最外層の層厚をλ／４ｎ_２〜λ／２ｎ_２の範囲としたときの波長と反射率との関係を示す図である。
【図７】半導体レーザ素子の一例を示す断面図である。
【図８】本発明の半導体レーザ装置の一例を示す概略構成図である。
【図９】図８の半導体レーザ装置の回路図の一例を示す図である。
【図１０】従来の半導体レーザ装置における、単層膜および積層膜での波長と反射率との関係を示す図である。
【符号の説明】
２１　レーザ素子
２２　受光素子
２３　ヒートシンク

Claims (4)

1. 対向する両側面から光出射する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子の一方の側面から出射された光を受光し、前記半導体レーザ素子の出力制御に用いられる受光素子とを備えた半導体レーザ装置であって、
   前記半導体レーザ素子の受光素子側の光出射面には、高屈折率と低屈折率の膜が交互に形成された多層膜が設けられ、もう一方の光出射面には低屈折率の単層膜が設けられ、
   前記単層膜の膜厚がλ／４ｎ_１〜λ／２ｎ_１（ただし、λ／４ｎ_１及びλ／２ｎ_１を含まない、ｎ_１：単層膜の屈折率）であり、
   前記多層膜における最外層が高屈折率層であって、その層厚が０〜λ／４ｎ_２（ただし、０及びλ／４ｎ_２を含まない、ｎ_２：最外層の屈折率）であることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 対向する両側面から光出射する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子の一方の側面から出射された光を受光し、前記半導体レーザ素子の出力制御に用いられる受光素子とを備えた半導体レーザ装置であって、
   前記半導体レーザ素子の受光素子側の光出射面には、高屈折率と低屈折率の膜が交互に形成された多層膜が設けられ、もう一方の光出射面には低屈折率の単層膜が設けられ、
   前記単層膜の膜厚がλ／４ｎ_１〜λ／２ｎ_１（ただし、λ／４ｎ_１及びλ／２ｎ_１を含まない、ｎ_１：単層膜の屈折率）であり、
   前記多層膜における最外層が低屈折率層であって、その層厚がλ／４ｎ_３〜λ／２ｎ_３（ただし、λ／４ｎ_３及びλ／２ｎ_３を含まない、ｎ_３：最外層の屈折率）であることを特徴とする半導体レーザ装置。
3. 対向する両側面から光出射する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子の一方の側面から出射された光を受光し、前記半導体レーザ素子の出力制御に用いられる受光素子とを備えた半導体レーザ装置であって、
   前記半導体レーザ素子の受光素子側の光出射面には、高屈折率と低屈折率の膜が交互に形成された多層膜が設けられ、もう一方の光出射面には低屈折率の単層膜が設けられ、
   前記単層膜の膜厚が０〜λ／４ｎ_１（ただし、０及びλ／４ｎ_１を含まない、ｎ_１：単層膜の屈折率）であり、
   前記多層膜における最外層が高屈折率層であって、その層厚がλ／４ｎ_２〜λ／２ｎ_２（ただし、λ／４ｎ_２及びλ／２ｎ_２を含まない、ｎ_２：最外層の屈折率）であることを特徴とする半導体レーザ装置。
4. 対向する両側面から光出射する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子の一方の側面から出射された光を受光し、前記半導体レーザ素子の出力制御に用いられる受光素子とを備えた半導体レーザ装置であって、
   前記半導体レーザ素子の受光素子側の光出射面には、高屈折率と低屈折率の膜が交互に形成された多層膜が設けられ、もう一方の光出射面には低屈折率の単層膜が設けられ、
   前記単層膜の膜厚が０〜λ／４ｎ_１（ただし、０及びλ／４ｎ_１を含まない、ｎ_１：単層膜の屈折率）であり、
   前記多層膜における最外層が低屈折率層であって、その層厚が０〜λ／４ｎ_３又はλ／２ｎ_３〜３λ／４ｎ_３（ただし、０、λ／４ｎ_３、λ／２ｎ_３及び３λ／４ｎ_３を含まない、ｎ_３：最外層の屈折率）であることを特徴とする半導体レーザ装置。

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