JP2005175050A - 半導体レーザおよび外部共振器型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 窓ガラスとレーザ・ダイオードの発光面との間での多重反射の発生を抑止して、不要な外部共振を起こさないよう構成された半導体レーザ・ユニットを提供する。
【解決手段】 半導体レーザ・ユニット１は、コリメートレンズ２、半導体レーザ３、レンズ支持部４、ＬＤ支持部５、および接合部６からなり、半導体レーザ３は、レーザ・ダイオード１０、ステム１１、および開口部１２を備える。コリメートレンズ２、レンズ支持部４、接合部６、ＬＤ支持部５、および半導体レーザ１０とによって囲まれた空間は密閉空間を形成する。ＬＤカン８は、ステム１１とで、レーザ・ダイオード１０を取り囲むように構成されているが、レーザ・ダイオード１０の発光面から射出されるレーザ光が通過する箇所には、開口部１２が設けられ、レーザ・ダイオード１０の発光面から射出されるレーザ光９は、密閉空間７を通過して直接、コリメートレンズ２に達する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、青色レーザ・ダイオード（ＬＤ：laser diode）を含む半導体レーザおよび外部共振器型半導体レーザに関する。

ホログラフィメモリへの記録はレーザ光を使って行われる。より詳細には、一旦２本に分けられたレーザ光が、ホログラム（記録媒体）上で再び重ね合わされ、その干渉性を利用してホログラムに回折格子が記録される。この回折格子の記録によってデータが記録されることになるが、レーザ光が多重モードである場合は干渉性が低く、回折格子を形成し難い。

従って、ホログラフィメモリに利用されるレーザ光については、単一モード性が要求される。このため、従来では、５３２ｎｍの固体レーザ（ＹＡＧの２次高調波）が使われることが多かった。

しかしながら、固体レーザは、例えば、パワー設定値を変更した場合に、実際のパワーがその設定値となるのに時間がかかる等、制御が難しいという欠点を有する。そこで、パワー等の制御が比較的容易なうえに、波長が短く、より高密度の記録が可能な青色レーザ・ダイオードをホログラフィメモリの分野に適用しようとする試みが盛んになされている。

ただし、この青色レーザ・ダイオードは、本来多重モードであって干渉性が低いため、ホログラフィメモリ用に単独で用いることは難しい。そこで、青色レーザ・ダイオードは、外部共振器と組み合わせた外部共振器型半導体レーザとして構成することによって単一モード化を実現している。外部共振器型半導体レーザは、外部から所定の波長の光を入射することによって半導体レーザの発振光の波長を安定化（単一モード化）する。

ここで、外部共振器型半導体レーザの代表的な例であるＬｉｔｔｒｏｗ型の半導体レーザについて、図４を参照して説明する。例えば、レーザ・ダイオードのような半導体レーザ素子を含む半導体レーザ５５から出射された縦多モードのレーザ光（発振光）がレンズ（コリメートレンズ）５６によって平行にされ、グレーティング（回折格子）５４に入射される。グレーティング５４は、各モードの１次回折光を出力し、その配置角度に応じて、特定の１次回折光が、レンズ５６を介して半導体レーザ５５に逆注入される。この結果、半導体レーザ５５が、注入された１次回折光に共振して単一モードの光を出射するようになり、その光の波長は、グレーティング５４から戻った１次回折光の波長と同じになる。さらに、グレーティング５４に入射したレーザ光の残り（０次光）は、入射角と同じ角度で反射され、外部に出射される。

図４に示す外部共振器型半導体レーザ５０は、ネジ５１、板バネ５２、第１支持部５３、グレーティング５４、半導体レーザ５５、レンズ５６、および第２支持部５７からなる。

前述したように、半導体レーザ５５から出射されたレーザ光は、レンズ５６を経てグレーティング５４に入射し、特定の波長の光が半導体レーザ５５に入射される。半導体レーザ５５に入射される当該光の波長は、グレーティング５４の配置角度を変えることによって調整することができる。

グレーティング５４は、第１支持部５３に支持された板バネ５２に保持されており、ネジ５１を回転させると、レンズ５６方向に移動、あるいは、これと逆の方向に移動する。この移動は、グレーティング５４が、板バネ５２が第１支持部５３に支持されている箇所を支点として回転する運動に近似しており、この回転によってグレーティング５４の配置角度が変わる。このように、グレーティング５４の配置角度を調整することによって、グレーティング５４の反射光（０次光）は特定の波長の単一モードの光となり、これが外部に出射される。

次に、図５を参照して、図４に示した半導体レーザ５５の構成をさらに詳しく説明する。半導体レーザ５５は、窓ガラス６１、レーザ・ダイオード（レーザ・チップ）６２、サブマウント６３、ヒートシンク６４、ＬＤカン６５、ステム６６、および端子ピン６７を含む。ＬＤカン６５は、レーザ光の通過する箇所に窓ガラス６１を配置しており、これらとステム６６によって、レーザ・ダイオード６２を外気から遮断するように密封する。レーザ・ダイオード６２は、サブマウント６３に配置され、さらにヒートシンク６４に配置され、最終的にステム６６上に保持される。端子ピン６７は、レーザ・ダイオード６２のｎ端子、ｐ端子等に接続される。

窓ガラス６１は、レーザ光６８の出射方向に配置され、赤色レーザ・ダイオードや緑色レーザ・ダイオードにおいては、ゴミ、埃の侵入を防ぐということが主な目的である。しかしながら、青色レーザ・ダイオードにおいては、これらの目的の他に、レーザ・チップの劣化を防ぐという目的もある。

このように構成された半導体レーザ５５において、レーザ・ダイオード６２の発光面から出射されたレーザ光６８は、窓ガラス６１を通過して図４に示すレンズ５６に達し、そこでほぼ平行な光となってグレーティング５４へ進む。レーザ光６８は、レーザ・ダイオード６２の発光面からレンズ５６までは拡散して進む。

上述のような従来の半導体レーザでは、無反射コーティングした窓ガラスを使用している。しかしながら、レーザ光の発光パワーが強いために、このような窓ガラスからの微少な反射光が、当該窓ガラスとレーザ・ダイオードの発光面との間で多重反射し、不要な外部共振を引き起こすことになり、結果的に半導体レーザの単一モード性を劣化させる。赤色レーザ・ダイオードを使用するにあたっては、こうした問題を回避するために、窓ガラスをとりはずして単一モード化を確保することが多いが、青色レーザ・ダイオードでこれを行うと、レーザ・ダイオードが短時間のうちに劣化してしまうという新たな問題点を生じる。

従って、この発明の目的は、窓ガラスとレーザ・ダイオードの発光面との間での多重反射の発生を抑止して、不要な外部共振を起こさないよう構成された半導体レーザ・ユニットを提供することにある。

さらに、この発明の目的は、窓ガラスとレーザ・ダイオードの発光面との間での多重反射の発生を抑止して、不要な外部共振を起こさないよう構成された半導体レーザ・ユニットを用いて、好適な単一モード性を示す外部共振器型半導体レーザを提供することにある。

この発明は、レーザ・ダイオードを備える半導体レーザと、レーザ・ダイオードから受光したレーザ光をほぼ平行な光として出射するコリメートレンズと、半導体レーザおよびコリメートレンズに接続して、半導体レーザおよびコリメートレンズが所定の間隔で配置されるよう支持する支持手段とを有し、半導体レーザ、コリメートレンズ、および支持手段とによって囲まれた空間が密閉空間を形成して、レーザ・ダイオードの発光面が外気から遮断され、発光面から出射されたレーザ光は、密閉空間を通過して直接コリメートレンズに入射するよう構成された半導体レーザ・ユニットである。

この発明は、レーザ・ダイオードを備える半導体レーザと、レーザ・ダイオードから受光したレーザ光をほぼ平行な光として出射するコリメートレンズと、レーザ・ダイオードから出射されるレーザ光をコリメートレンズ経由で受光し、レーザ光の受光角度に応じて、特定の周波数の光をレーザ・ダイオードに向けて出射するグレーティングと、半導体レーザおよびコリメートレンズに接続して、半導体レーザおよびコリメートレンズが所定の間隔で配置されるよう支持する支持手段とを有し、グレーティングは、レーザ・ダイオードからのレーザ光を異なる角度で受光できるように、移動可能な態様で支持され、半導体レーザ、コリメートレンズ、および支持手段とによって囲まれた空間が密閉空間を形成して、レーザ・ダイオードの発光面が外気から遮断され、発光面から出射されたレーザ光は、密閉空間を通過して直接コリメートレンズに入射するよう構成された外部共振器型半導体レーザである。

この発明によれば、多重反射を発生させる原因となっていた窓ガラスを除去し、コリメートレンズに、従来の窓ガラスの役割を担わせることにより、レーザ・チップの部分を密閉し、好適な単一モード性を実現しつつ、従来の半導体レーザと同等の寿命を確保可能な半導体レーザ・ユニットが提供される。

この発明の一実施形態に係る半導体レーザ・ユニットの構成を、図１を参照して説明する。図１は、半導体レーザ・ユニットの断面を示す図である。なお、この実施形態は、半導体レーザおよびコリメートレンズ等が一体的に構成されているため、図５に示すような、レーザ・ダイオード、窓ガラス、ＬＤカン、ステム、および端子ピン等から構成される「半導体レーザ」と区別する意味で、「半導体レーザ・ユニット」と称することにする。また、図１に示す半導体レーザ・ユニットは、図５に示す従来の半導体レーザに比べて、窓ガラスを備えず、レーザ・ダイオードの発光部を外気から遮断するための複数の支持部を備えている。

図１に示す半導体レーザ・ユニット１は、コリメートレンズ２、半導体レーザ３、レンズ支持部４、ＬＤ支持部５、および接合部６からなる。また、半導体レーザ３は、レーザ・ダイオード１０、ステム１１、および開口部１２を備える。なお、半導体レーザ３は、上記レーザ・ダイオード１０等の他に、サブマウント、およびヒートシンク等を備えるが、ここでの説明は省略する。

コリメートレンズ２は、金属製のレンズ支持部４によって支持され、レーザ・ダイオード１０は、これも金属製のＬＤ支持部５によって支持される。レンズ支持部４とＬＤ支持部５は、金属製の接合部６によって互いに接続される。

ここで、コリメートレンズ２とレンズ支持部４の間は、例えば、ガラス溶着によって接着される。また、半導体レーザ３のＬＤカンとＬＤ支持部５の間は、例えば、ハンダによって接着される。さらに、レンズ支持部４と接合部６の間、およびＬＤ支持部５と接合部６の間も、例えば、ハンダによって接着される。このような接続（接着）によって、密閉空間７が形成される。従って、これらの接続は、密閉空間７が形成されるかぎり、どのような方法を用いても良いが、各支持部の材質に応じた従来の好適な方法で接着されることが好ましい。

密閉空間７は、図１の斜線で示された空間である。この空間は、例えば、アルゴンや窒素等の不活性ガスで充填されていることが望ましい。また、真空状態にしておくことも可能である。

図１の例では、レンズ支持部４、ＬＤ支持部５、および接合部６の材料として金属を用いているが、これに限られるものではない。互いの部材の接着によって密閉空間７が形成可能である限り、どのような材料を用いても良い。また、密閉空間７は、必ずしも、図１に示したような形状の、レンズ支持部４、ＬＤ支持部５、および接合部６によって囲まれなければならないという訳ではない。他の形状の支持部等で囲まれる、別の形状の密閉空間であってもよい。

また、この実施形態のように、レンズ支持部４、ＬＤ支持部５、および接合部６の３つの部材によって形成される必要もない。コリメートレンズ２とレーザ・ダイオード１０を所定の位置に保持し、コリメートレンズ２とレーザ・ダイオード１０との間に密閉空間を形成できれば、１つあるいは２つの部材（支持部）を用いても良いし、３つ以上の部材を用いてもよい。

半導体レーザ３のＬＤカン８は、図５に示したような従来の構成とは異なり、窓ガラスを配置したものとはなっていない。ＬＤカン８は、ステム１１とで、レーザ・ダイオード１０を取り囲むように構成されているが、レーザ・ダイオード１０の発光面から射出されるレーザ光が通過する箇所には、開口部１２が設けられ、レーザ・ダイオード１０の発光面から射出されるレーザ光９は、密閉空間７を通過して直接、コリメートレンズ２に達する。また、ここでは、密閉空間７は、コリメートレンズ２、レンズ支持部４、接合部６、ＬＤ支持部５、および半導体レーザ１０（より詳しくは、ＬＤカン８とステム１１）とによって囲まれる。

図１のような半導体レーザ・ユニット１の構成により、レーザ・ダイオード１０の発光面から出射されたレーザ光９は、コリメートレンズ２までは拡散して進み、コリメートレンズ２を通過することによってほぼ平行の光となり、（グレーティングで反射して）外部に出射される。このような構成でも、コリメートレンズ２からの反射光が存在するが、従来の窓ガラスとレーザ光発光面との距離に比べて、この実施形態における、コリメートレンズ２とレーザ・ダイオード１０の発光面との距離が格段に長く、その分、拡散して進んだレーザ光９が反射によってレーザ・ダイオード１０に戻ってくる光量が少ない。そのため、この実施形態では、当該反射光による悪影響が少ない。

図２は、従来の半導体レーザを用いたＬｉｔｔｒｏｗ型レーザ（外部共振器型半導体レーザ）における波長毎のレーザ強度を示すグラフであり、図３は、図１に示したような、この発明の半導体レーザを用いた外部共振器型半導体レーザにおける波長毎のレーザ強度を示すグラフである。この発明に係る半導体レーザ・ユニット１は、コリメートレンズ２と、コリメートレンズ２および半導体レーザ３を支持するレンズ支持部４、ＬＤ支持部５、および接合部６を含んでいるので、この発明に係る外部共振器型半導体レーザは、例えば、図４に示した外部共振器型半導体レーザ５０のうち、半導体レーザ５５、レンズ５６、および第２支持部５７を、図１に示す半導体レーザ・ユニット１に置き換えることによって構成される。

なお、図２、図３とも、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は、任意の単位（arbitrary unit）のレーザ強度を表す。

図２から分かるように、従来の半導体レーザでは、レーザ光が窓ガラスで反射することによって、良好な単一モード性が得られていない。例えば、約４０７．７５ｎｍないし約４０８．５０ｎｍにかけて比較的大きなレーザ強度を示す箇所がいくつか見られる。

一方、図３では、約４０３．２７５ｎｍの波長において、レーザ強度の好適なピークが得られており、この発明の実施形態に係る半導体レーザ・ユニット１を用いることによって、単一モード性が実現されることが分かる。

この発明の一実施形態の半導体レーザの断面を表す略線図である。 従来の半導体レーザを用いた外部共振器型半導体レーザにおける波長毎のレーザ強度を示す略線図である。 図１の半導体レーザを用いた外部共振器型半導体レーザにおける波長毎のレーザ強度を示す略線図である。 従来の外部共振器型半導体レーザの構成を示す略線図である。 従来の半導体レーザの構成を示す略線図である。

符号の説明

１・・・半導体レーザ・ユニット、２・・・コリメートレンズ、３・・・半導体レーザ、４・・・レンズ支持部、５・・・ＬＤ支持部、６・・・接合部、７・・・密閉空間、８・・・ＬＤカン、１０・・・レーザ・ダイオード、１１・・・ステム、１２・・・開口部

Claims (8)

1. レーザ・ダイオードを備える半導体レーザと、
   前記レーザ・ダイオードから受光したレーザ光をほぼ平行な光として出射するコリメートレンズと、
   前記半導体レーザおよび前記コリメートレンズに接続して、前記半導体レーザおよび前記コリメートレンズが所定の間隔で配置されるよう支持する支持手段とを有し、
   前記半導体レーザ、前記コリメートレンズ、および前記支持手段とによって囲まれた空間が密閉空間を形成して、前記レーザ・ダイオードの発光面が外気から遮断され、
   前記発光面から出射されたレーザ光は、前記密閉空間を通過して直接前記コリメートレンズに入射することを特徴とする半導体レーザ・ユニット。
2. 請求項１に記載された半導体レーザ・ユニットにおいて、
   前記支持手段が、互いに密着して接続された複数の支持部材から構成されることを特徴とする半導体レーザ・ユニット。
3. 請求項１に記載された半導体レーザ・ユニットにおいて、
   前記密閉空間には、不活性ガスが充填されていることを特徴とする半導体レーザ・ユニット。
4. 請求項１に記載された半導体レーザ・ユニットにおいて、
   前記レーザ・ダイオードが青色レーザ・ダイオードであることを特徴とする半導体レーザ・ユニット。
5. レーザ・ダイオードを備える半導体レーザと、
   前記レーザ・ダイオードから受光したレーザ光をほぼ平行な光として出射するコリメートレンズと、
   前記レーザ・ダイオードから出射されるレーザ光を前記コリメートレンズ経由で受光し、前記レーザ光の受光角度に応じて、特定の周波数の光を前記レーザ・ダイオードに向けて出射するグレーティングと、
   前記半導体レーザおよび前記コリメートレンズに接続して、前記半導体レーザおよび前記コリメートレンズが所定の間隔で配置されるよう支持する支持手段とを有し、
   前記グレーティングは、前記レーザ・ダイオードからのレーザ光を異なる角度で受光できるように、移動可能な態様で支持され、
   前記半導体レーザ、前記コリメートレンズ、および前記支持手段とによって囲まれた空間が密閉空間を形成して、前記レーザ・ダイオードの発光面が外気から遮断され、
   前記発光面から出射されたレーザ光は、前記密閉空間を通過して直接前記コリメートレンズに入射することを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
6. 請求項５に記載された外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記支持手段が、互いに密着して接続された複数の支持部材から構成されることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
7. 請求項５に記載された外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記密閉空間には、不活性ガスが充填されていることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
8. 請求項５に記載された外部共振器型半導体レーザにおいて、
   前記レーザ・ダイオードが青色レーザ・ダイオードであることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。

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