JP2005183426A - External resonance type semiconductor laser and semiconductor laser - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an external resonance type semiconductor laser in which even if output power or an operating temperature changes, the wavelength of an emitted laser beam changes only within a predetermined range. <P>SOLUTION: The external resonance type semiconductor laser is constituted of a semiconductor laser, a collimator lens, a supporting member, and a grating. The semiconductor laser includes, for example, a semiconductor laser element such as a laser diode for emitting the laser beam. The length L of the semiconductor laser element in the laser beam emitting direction is determined by L=(λ<SP>2</SP>)/(2×n×▵λ) when the predetermined wavelength of the laser beam emitted from the semiconductor laser element is λ, the allowable width of the wavelength of the laser beam is ▵λ, and the refraction index of the semiconductor laser element is n. Since the length L is determined as explained above, the wavelength of the laser beam emitted from the external resonance type semiconductor laser changes periodically within a range of ▵λ even if output power or an operating temperature rises. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、レーザ・ダイオード(LD:laser diode)を含む外部共振器型半導体レーザに関する。   The present invention relates to an external resonator type semiconductor laser including a laser diode (LD).

レーザ・ダイオードのような半導体レーザ素子から出射されるレーザ光は、本来、多重モードであるが、半導体レーザと外部共振器とを組み合わせて外部共振器型半導体レーザを構成することにより、一定波長の光のみを出射させること、すなわち単一モード化が可能となる。この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半導体レーザに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させる。   Laser light emitted from a semiconductor laser element such as a laser diode is originally a multimode, but by configuring an external resonator type semiconductor laser by combining a semiconductor laser and an external resonator, a constant wavelength can be obtained. Only light can be emitted, that is, a single mode can be achieved. This external resonator type semiconductor laser stabilizes the wavelength of the oscillation light of the semiconductor laser by making light of a predetermined wavelength incident on the semiconductor laser from the outside.

外部共振器型半導体レーザとしては、Littrow(リトロー)型の半導体レーザとLittman(リットマン)型の半導体レーザが代表的であるが、ここでは、Littrow型の外部共振器型半導体レーザ50について、図9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。   Typical examples of the external resonator type semiconductor laser include a Littrow type semiconductor laser and a Littman type semiconductor laser. Here, for the Littrow type external cavity semiconductor laser 50, FIG. Will be described with reference to FIG. For example, longitudinal multimode laser light (oscillation light) emitted from a semiconductor laser 55 including a semiconductor laser element such as a laser diode is collimated by a lens (collimating lens) 56 and is incident on a grating (diffraction grating) 54. Is done. The grating 54 outputs first-order diffracted light of each mode, and specific first-order diffracted light is back-injected into the semiconductor laser 55 via the lens 56 according to the arrangement angle. As a result, the semiconductor laser 55 resonates with the injected first-order diffracted light and emits single-mode light, and the wavelength of the light is the same as the wavelength of the first-order diffracted light returned from the grating 54. . Furthermore, the remainder of the laser light (zero-order light) incident on the grating 54 is reflected at the same angle as the incident angle and emitted to the outside.

半導体レーザ55に入射される光の波長は、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、グレーティング54に接するネジ51を回転させると、レンズ56の方向に移動、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。   The wavelength of light incident on the semiconductor laser 55 can be adjusted by changing the arrangement angle of the grating 54. The grating 54 is held by a leaf spring 52 supported by the first support portion 53. When the screw 51 in contact with the grating 54 is rotated, the grating 54 moves in the direction of the lens 56 or in the opposite direction. . This movement approximates a movement in which the grating 54 rotates around a place where the plate spring 52 is supported by the first support portion 53, and the rotation angle changes the arrangement angle of the grating 54.

グレーティング54は通常、反射型のものが使用され、半導体レーザ55から出射されたレーザ光に対して約45°の角度で配置される。従って、半導体レーザ55から出射されたレーザ光は、グレーティング54で、約90°曲がって反射する。半導体レーザ55とレンズ56は、第2支持部57によって所定間隔を保つように支持される。   The grating 54 is normally a reflection type and is arranged at an angle of about 45 ° with respect to the laser light emitted from the semiconductor laser 55. Accordingly, the laser light emitted from the semiconductor laser 55 is reflected by the grating 54 with a bend of about 90 °. The semiconductor laser 55 and the lens 56 are supported by the second support part 57 so as to maintain a predetermined interval.

これと類似の構造を有するLittrow型の外部共振器型半導体レーザが、非特許文献1に記載されている。   Non-Patent Document 1 discloses a Littrow type external cavity semiconductor laser having a similar structure.

L. Ricci, et al. :"A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics", Optics Communications, 117 1995, pp541-549L. Ricci, et al .: "A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics", Optics Communications, 117 1995, pp541-549

また、半導体レーザ55から出射されるレーザ光の波長は、出力パワーが変化すると、その変化に応じて微妙に変化するという性質を有している。これは、出力パワーの上昇に伴って、レーザ・ダイオード(レーザ・チップ)の動作温度が上昇するためであり、外部共振器がなければ、図10に示すように、半導体レーザから出射されるレーザ光の中心波長は、出力パワー(または動作温度)の上昇に対して直線的に長波長側にシフトする。   Further, the wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser 55 has a property that when the output power changes, it slightly changes according to the change. This is because the operating temperature of the laser diode (laser chip) increases as the output power increases. If there is no external resonator, the laser emitted from the semiconductor laser as shown in FIG. The center wavelength of the light is linearly shifted to the longer wavelength side as the output power (or operating temperature) increases.

このような場合に、中心波長を一定に維持したまま出力パワーを変化させたいときは、波長を一定に保つように半導体レーザの出力パワーを調整する素子を配置する。このような出力パワーを調整する素子は、例えば、フィルターである。   In such a case, when it is desired to change the output power while keeping the center wavelength constant, an element for adjusting the output power of the semiconductor laser is arranged so as to keep the wavelength constant. Such an element for adjusting the output power is, for example, a filter.

一方、レーザ光を用いるアプリケーションの中には、単一モードであれば、多少の波長の変動を許容できるものもある。ホログラフィメモリへの記録等に用いる場合もこのような例の1つである。このアプリケーションにおいては、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。   On the other hand, some applications using laser light can tolerate some wavelength fluctuations in a single mode. The case of using for recording in a holographic memory is one such example. In this application, the laser light once divided into two is superimposed again on the hologram (recording medium), and the diffraction grating is recorded on the hologram by utilizing the coherence. Data is recorded by recording the diffraction grating.

しかしながら、ホログラフィメモリへの記録にレーザ光を適用する場合においても、多少の波長の変動が許されるに過ぎず、レーザ光を、記録方式や記録密度に応じて要求される波長の許容範囲を越えて変動しないように制御する必要がある。また、前述のような波長の制御は、フィルタ等を用いることになるので、部品数が増え、回路が複雑になる。   However, even when laser light is applied to recording in a holographic memory, only a slight wavelength variation is allowed, and the laser light exceeds the allowable range of wavelengths required according to the recording method and recording density. It is necessary to control so that it does not fluctuate. Further, since the wavelength control as described above uses a filter or the like, the number of parts increases and the circuit becomes complicated.

従って、この発明の目的は、出力パワーまたは動作温度が変化しても、出射されるレーザ光の波長が所定の範囲でのみ変動する外部共振器型半導体レーザを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an external cavity semiconductor laser in which the wavelength of emitted laser light varies only within a predetermined range even when the output power or the operating temperature changes.

さらに、この発明の目的は、上記所定の範囲で波長が変動する外部共振器型半導体レーザを、素子の追加や複雑な機構の配置を伴うことなく提供することにある。   Furthermore, an object of the present invention is to provide an external resonator type semiconductor laser whose wavelength varies within the predetermined range without adding elements or arranging complicated mechanisms.

この発明は、レーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザ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、レーザ光をコリメートレンズを経由して受光するグレーティングとを有し、グレーティングからの1次回折光が、コリメートレンズを介して半導体レーザに入射されることによって単一モード化が実現され、半導体レーザが、レーザ光を出射する半導体レーザ素子を含み、レーザ光の出射方向における半導体レーザ素子の長さがLであり、Lは、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の所望の波長がλであり、レーザ光の波長の許容幅が△λであり、半導体レーザ素子の屈折率がnである場合に、L≧(λ^2)/(2×n×△λ)によって決定される外部共振器型半導体レーザである。   The present invention includes a semiconductor laser that emits laser light, a collimating lens that emits laser light received from the semiconductor laser as substantially parallel light, and a grating that receives the laser light via the collimating lens. The first-order diffracted light from the laser beam is incident on the semiconductor laser through the collimator lens, so that the single mode is realized. The semiconductor laser includes a semiconductor laser element that emits laser light, and the semiconductor in the laser light emitting direction The length of the laser element is L, where L is the desired wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser element, λ is the allowable width of the wavelength of the laser light, and the refractive index of the semiconductor laser element Is an external cavity semiconductor laser determined by L ≧ (λ ^ 2) / (2 × n × Δλ) when n is n.

また、この発明は、レーザ光を出射するとともに、外部から特定の波長のレーザ光を受光する半導体レーザにおいて、半導体レーザが、レーザ光を出射する半導体レーザ素子を含み、レーザ光の出射方向における半導体レーザ素子の長さがLであり、Lは、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の所望の波長がλであり、レーザ光の波長の許容幅が△λであり、半導体レーザ素子の屈折率がnである場合に、L≧(λ^2)/(2×n×△λ)によって決定される半導体レーザである。   The present invention also relates to a semiconductor laser that emits laser light and receives laser light of a specific wavelength from the outside, the semiconductor laser including a semiconductor laser element that emits laser light, and a semiconductor in a laser light emitting direction. The length of the laser element is L, where L is the desired wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser element, λ is the allowable width of the wavelength of the laser light, and the refractive index of the semiconductor laser element Is a semiconductor laser determined by L ≧ (λ 2) / (2 × n × Δλ).

この発明によれば、外部共振器型半導体レーザに用いられる半導体レーザ素子の長さLが、所定の式によって好適に算出され、当該算出された長さL以上の半導体レーザ素子を作製して外部共振器型半導体レーザを構成することにより、出力パワーまたは動作温度が変化しても、出射されるレーザ光の波長が所定の波長変動幅△λの範囲に抑えられる。   According to the present invention, the length L of the semiconductor laser element used in the external resonator type semiconductor laser is suitably calculated by a predetermined formula, and a semiconductor laser element having the calculated length L or more is manufactured to externally By configuring the resonator type semiconductor laser, even if the output power or the operating temperature changes, the wavelength of the emitted laser light can be suppressed within a predetermined wavelength fluctuation range Δλ.

また、この発明によれば、上記のように、半導体レーザ素子の長さを調整するのみで、出射されるレーザ光の波長が所定の波長変動幅△λの範囲に抑えられ、新たな素子や機構を追加する必要がない。   In addition, according to the present invention, as described above, the wavelength of the emitted laser light can be suppressed to the range of the predetermined wavelength fluctuation range Δλ only by adjusting the length of the semiconductor laser element. There is no need to add a mechanism.

この発明の実施形態に係る外部共振器型半導体レーザは、従来の構成と同様であり、前述した図9に示すような構成である。このような構成の外部共振器型半導体レーザによって、半導体レーザから出射されるレーザ光は単一モード化され、例えば、図1に示すような波長のレーザ光が得られる。ここで、図1は、波長(nm)ごとのレーザ光の出力パワーを示しており、波長が約409.609nmである点において良好な単一モード化が実現されている。なお、図1の縦軸は、出射されたレーザ光の相対的な出力パワーを表している。   The external cavity semiconductor laser according to the embodiment of the present invention is the same as the conventional configuration, and has the configuration shown in FIG. The laser light emitted from the semiconductor laser is made into a single mode by the external resonator type semiconductor laser having such a configuration, and for example, laser light having a wavelength as shown in FIG. 1 can be obtained. Here, FIG. 1 shows the output power of laser light for each wavelength (nm), and good single mode is realized in that the wavelength is about 409.609 nm. The vertical axis in FIG. 1 represents the relative output power of the emitted laser light.

前述のように、外部共振器を備えていない半導体レーザの中心波長は、半導体レーザの出力パワーの上昇に伴って(あるいは、動作温度の上昇に伴って)直線的に長波長側にシフトする(すなわち、波長は、出力パワーに比例して上昇する)。しかしながら、外部共振器型半導体レーザでは、外部共振器がこうした直線的なシフトを許さず、出射されるレーザ光の波長は、出力パワーの上昇に伴って、図2に示すように周期的に上昇と下降を繰り返すことが分かった。   As described above, the center wavelength of a semiconductor laser that does not include an external resonator is linearly shifted to the longer wavelength side as the output power of the semiconductor laser increases (or as the operating temperature increases) ( That is, the wavelength increases in proportion to the output power). However, in the external resonator type semiconductor laser, the external resonator does not allow such a linear shift, and the wavelength of the emitted laser light periodically increases as shown in FIG. 2 as the output power increases. It turns out that it repeats descending.

図2は、図1の半導体レーザとは別の半導体レーザについて、出力パワーと出射されるレーザ光の波長との関係を示すものであり、出力パワーが15mWから40mWまで遷移する間の、波長の変化を示している。図2から分かるように、出力パワーが24mW付近まで上昇するとき、波長は約409.724nm、約409.734nm、約409.744nm、約409.754nmと段階的に変化し、2〜3mWの間は、それぞれ一定の波長のレーザ光を出力する。出力パワーが24mW付近を過ぎると、波長は急激に降下して約409.714nmとなる。次に、出力パワーが24mW付近から37mW付近まで上昇するとき、波長は約409.714nmから約0.01nm幅で増加して約409.754nmまで再び段階的に上昇し、出力パワーが37mW付近を過ぎると、波長は急激に降下して再び、約409.714nmとなり、こうしたサイクルが繰り返される。   FIG. 2 shows the relationship between the output power and the wavelength of the emitted laser light for a semiconductor laser different from the semiconductor laser of FIG. 1, and the wavelength of the output power during the transition from 15 mW to 40 mW is shown. It shows a change. As can be seen from FIG. 2, when the output power rises to around 24 mW, the wavelength gradually changes to about 409.724 nm, about 409.734 nm, about 409.744 nm, and about 409.754 nm, and between 2 and 3 mW Respectively output laser light having a constant wavelength. When the output power passes around 24 mW, the wavelength drops rapidly to about 409.714 nm. Next, when the output power increases from around 24 mW to around 37 mW, the wavelength increases from about 409.714 nm to about 0.01 nm width and increases stepwise again to about 409.754 nm, and the output power reaches around 37 mW. After that, the wavelength drops rapidly and again becomes about 409.714 nm, and such a cycle is repeated.

図2の例の場合、レーザ光の波長の変動幅は、約0.040nm(409.754nm−409.714nm=0.040nm)であり、これはレーザ・チップのモード・ホップの間隔と一致する。ここで、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長が、このように周期的かつ段階的に変化する原理について、図3ないし図6を参照して説明する。   In the case of the example in FIG. 2, the fluctuation range of the wavelength of the laser light is about 0.040 nm (409.754 nm−409.714 nm = 0.040 nm), which is consistent with the mode hop interval of the laser chip. . Here, the principle that the wavelength of the laser beam emitted from the external cavity semiconductor laser changes periodically and stepwise will be described with reference to FIGS.

図3ないし図6は、ある動作温度における外部共振器型半導体レーザの各モードを示すものであり、横軸に波長(nm)が、縦軸に相対的な出力パワー(mW)が表されている。外部共振器モードは、グレーティングから半導体レーザに戻る光の存在によって生じる非常に細かい縦モードであり、その間隔は、半導体レーザ(レーザ・ダイオード)とグレーティングとの距離に反比例する。   3 to 6 show the modes of the external cavity semiconductor laser at a certain operating temperature, where the horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents relative output power (mW). Yes. The external cavity mode is a very fine longitudinal mode caused by the presence of light returning from the grating to the semiconductor laser, and the interval is inversely proportional to the distance between the semiconductor laser (laser diode) and the grating.

一方、LDモード(内部モード)は、レーザ・ダイオード自身が有するものであり、これらは、動作温度の上昇と共に長波長側にシフトする。図3の例では、各LDモードの間隔は0.040nmである。   On the other hand, the LD mode (internal mode) is possessed by the laser diode itself, and these shift to the longer wavelength side as the operating temperature increases. In the example of FIG. 3, the interval between the LD modes is 0.040 nm.

また、グレーティングモードは、グレーティングによって提供される光であり、グレーティングは、レーザ・ダイオードから各モードのレーザ光を受光し、特定の1次回折光をレーザ・ダイオードに戻す。グレーティングモードの中心周波数は動作温度によらずほぼ一定である。   The grating mode is light provided by the grating. The grating receives laser light of each mode from the laser diode and returns specific first-order diffracted light to the laser diode. The center frequency of the grating mode is almost constant regardless of the operating temperature.

上述した多くの外部共振器モードのうち、いずれかのLDモードの中心周波数に一致し、かつその波長に対応するグレーティングモードの出力パワーが、グレーティングモードの出力ピークに最も近い波長を有するものが発振し、その結果、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長がその波長となる。   Of the many external resonator modes described above, the one that matches the center frequency of any LD mode and that has the output power of the grating mode corresponding to that wavelength has the wavelength closest to the output peak of the grating mode oscillates As a result, the wavelength of the laser light emitted from the external resonator type semiconductor laser becomes the wavelength.

図3に示す場合においては、外部共振器モードのうち、LDモードの中心周波数と一致し、かつグレーティングモードの波長に含まれる波長のものは3つあるが、そのうち最もグレーティングモードの出力ピークに近いものは、波長Aの外部共振器モードであり、この波長Aに対応するグレーティングモードの出力パワーはA1である。他の2つの外部共振器モードの波長に対応するグレーティングモードの出力パワーはそれぞれA2、A3であり、A1より小さいことが分かる。   In the case shown in FIG. 3, there are three external resonator modes that have the same wavelength as the center frequency of the LD mode and are included in the wavelength of the grating mode, of which the closest to the output peak of the grating mode. The one is an external resonator mode of wavelength A, and the output power of the grating mode corresponding to this wavelength A is A1. It can be seen that the output powers of the grating modes corresponding to the wavelengths of the other two external resonator modes are A2 and A3, respectively, and are smaller than A1.

図3に示す状態となった時点は、図2では、例えば、波長が約409.734nmとなった時点(すなわち、A≒409.734nmで、出力パワーが約29mW)に対応する。   The time when the state shown in FIG. 3 is reached corresponds to, for example, the time when the wavelength becomes about 409.734 nm in FIG. 2 (that is, A≈409.734 nm and the output power is about 29 mW).

図4は、図3においてLDモードの中心周波数が、動作温度の上昇により、波長Aから、別の外部共振器モードの波長である波長Bにシフトした場合を表している。そうすると、波長Bにおけるグレーティングモードの出力パワーはB1であり、他の外部共振器モードの波長に対応するグレーティングモードの出力パワーは、B1より小さいB2、B3である。従って、B1が最もグレーティングモードの出力ピークに近く、ここで、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長はBにシフトする。   FIG. 4 shows a case where the center frequency of the LD mode in FIG. 3 is shifted from the wavelength A to the wavelength B which is the wavelength of another external resonator mode due to the increase of the operating temperature. Then, the output power of the grating mode at the wavelength B is B1, and the output powers of the grating modes corresponding to the wavelengths of the other external resonator modes are B2 and B3 smaller than B1. Therefore, B1 is closest to the output peak of the grating mode, and the wavelength of the laser light emitted from the external cavity semiconductor laser is shifted to B here.

図4に示す状態となった時点は、図2では、例えば、波長が約409.744nmとなった時点(すなわち、B≒409.744nmで、出力パワーが約32mW)に対応する。   The time when the state shown in FIG. 4 is reached corresponds to the time when the wavelength becomes about 409.744 nm in FIG. 2 (that is, B≈409.744 nm and the output power is about 32 mW).

図5は、図4においてLDモードの中心周波数が、動作温度の上昇により、波長Bから、さらに別の外部共振器モードの波長である波長Cにシフトした場合を表している。そうすると、波長Cにおけるグレーティングモードの出力パワーはC1であり、他の外部共振器モードの波長に対応するグレーティングモードの出力パワーは、C1より小さいC2、C3である。従って、C1が最もグレーティングモードの出力ピークに近く、ここで、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長はCにシフトする。   FIG. 5 shows a case where the center frequency of the LD mode in FIG. 4 is shifted from the wavelength B to the wavelength C which is the wavelength of another external resonator mode due to the increase of the operating temperature. Then, the output power of the grating mode at the wavelength C is C1, and the output powers of the grating modes corresponding to the wavelengths of the other external resonator modes are C2 and C3 which are smaller than C1. Accordingly, C1 is closest to the output peak of the grating mode, and the wavelength of the laser light emitted from the external cavity semiconductor laser is shifted to C here.

図5に示す状態となった時点は、図2では、例えば、波長が約409.754nmとなった時点(すなわち、C≒409.754nmで、出力パワーが約34mW)に対応する。   The time when the state shown in FIG. 5 is reached corresponds to the time when the wavelength becomes about 409.754 nm in FIG. 2 (that is, C≈409.754 nm and the output power is about 34 mW).

次に、図6は、図5においてLDモードの中心周波数が、動作温度の上昇により、波長Cから、さらに別の外部共振器モードの波長である波長Dにシフトした場合を表している。そうすると、波長Dにおけるグレーティングモードの出力パワーはD2である。しかしながら、他の外部共振器モードの波長(他のLDモードの中心周波数)Eに対応するグレーティングモードの出力パワーD1はD2よりグレーティングモードの出力ピークに近く、そのため、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長はDではなくEにシフトする。   Next, FIG. 6 shows a case where the center frequency of the LD mode in FIG. 5 is shifted from the wavelength C to the wavelength D, which is a wavelength of another external resonator mode, due to an increase in operating temperature. Then, the output power of the grating mode at the wavelength D is D2. However, the output power D1 of the grating mode corresponding to the wavelength of the other external resonator mode (the center frequency of the other LD mode) E is closer to the output peak of the grating mode than D2, and thus is emitted from the external resonator type semiconductor laser. The wavelength of the emitted laser light is shifted to E instead of D.

図6に示す状態となった時点は、図2では、例えば、波長が約409.754nmから約409.714nmに遷移した時点(すなわち、E≒409.714nmで、出力パワーが約37mW)に対応する。   The time when the state shown in FIG. 6 is reached corresponds to the time when the wavelength transitions from about 409.754 nm to about 409.714 nm in FIG. 2 (ie, E≈409.714 nm and the output power is about 37 mW). To do.

このように、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長は、約409.714nmないし約409.754nmの範囲で段階的かつ周期的に変動し、LDモードの間隔(中心周波数間の距離)を越えた変動幅て変化することはない。この間隔は、上述のように、モード・ホップの間隔△λと等しく、以下の式1によって表される。
△λ=(λ^2)/(2nL) ・・・(式1)
λは、外部共振器型半導体レーザにおいて外部に出射されるレーザ光の波長であり、nは半導体レーザ素子の屈折率(実効屈折率)である。また、Lは、半導体レーザ素子(例えば、レーザ・ダイオード(レーザ・チップ))の長さである。
Thus, the wavelength of the laser light emitted from the external cavity semiconductor laser fluctuates stepwise and periodically in the range of about 409.714 nm to about 409.754 nm, and the LD mode interval (between the center frequencies). It does not change with the fluctuation range exceeding (distance). As described above, this interval is equal to the mode hop interval Δλ, and is expressed by the following Equation 1.
Δλ = (λ ^ 2) / (2nL) (Formula 1)
λ is the wavelength of the laser light emitted to the outside in the external cavity semiconductor laser, and n is the refractive index (effective refractive index) of the semiconductor laser element. L is the length of a semiconductor laser element (for example, a laser diode (laser chip)).

ここで、レーザ・チップの長さLについて、図7および図8を参照して説明する。図7は、この発明の半導体レーザ1の構成を詳細に示すものであり、図9で示した従来の外部共振器型半導体レーザ50の半導体レーザ55と同様のものである。   Here, the length L of the laser chip will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows in detail the configuration of the semiconductor laser 1 of the present invention, which is the same as the semiconductor laser 55 of the conventional external cavity semiconductor laser 50 shown in FIG.

半導体レーザ1は、窓ガラス2、レーザ・ダイオード3、サブマウント4、ヒートシンク5、LDカン6、ステム7、端子ピン8から構成されている。レーザ光9は、レーザ・ダイオード3の発光面から出射され、窓ガラス2を透過して外部に放出される。また、レーザ・ダイオード3は、サブマウント4を介して放熱のためのヒートシンク5に接続される。ヒートシンク5はさらに、半導体レーザ1のステム7に接続される。   The semiconductor laser 1 includes a window glass 2, a laser diode 3, a submount 4, a heat sink 5, an LD can 6, a stem 7, and terminal pins 8. The laser light 9 is emitted from the light emitting surface of the laser diode 3, passes through the window glass 2, and is emitted to the outside. The laser diode 3 is connected to a heat sink 5 for heat dissipation through a submount 4. The heat sink 5 is further connected to the stem 7 of the semiconductor laser 1.

レーザ・ダイオード3、サブマウント4、およびヒートシンク5は、窓ガラス2、LDカン6、およびステム7によって取り囲まれ、密閉される。端子ピン8は、レーザ・ダイオード3のn電極、p電極等に接続され、所定の電流をレーザ・ダイオード3に提供する。   The laser diode 3, the submount 4, and the heat sink 5 are surrounded and sealed by the window glass 2, the LD can 6 and the stem 7. The terminal pin 8 is connected to the n electrode, the p electrode, and the like of the laser diode 3 and provides a predetermined current to the laser diode 3.

図8は、図7に示すレーザ・ダイオード3、サブマウント4、およびヒートシンク5等をさらに詳細に示す図である。レーザ光9は、、レーザ・ダイオード3の発光面14から出射される。レーザ・ダイオード3は、活性層11、層12、および層13を含む。   FIG. 8 is a diagram showing the laser diode 3, the submount 4, the heat sink 5 and the like shown in FIG. 7 in more detail. The laser light 9 is emitted from the light emitting surface 14 of the laser diode 3. The laser diode 3 includes an active layer 11, a layer 12, and a layer 13.

ここで、長さLは、図8に示すように、レーザ・ダイオード3のレーザ光の出射方向におけるレーザ・ダイオード3の長さであり、別の表現によれば、活性層11と他の層12、13との境界面の少なくとも1つに対してほぼ平行で、発光面14に対してほぼ垂直な軸に沿った活性層11の長さである。   Here, the length L is the length of the laser diode 3 in the laser beam emission direction of the laser diode 3, as shown in FIG. 8, and according to another expression, the active layer 11 and other layers This is the length of the active layer 11 along an axis that is substantially parallel to at least one of the boundary surfaces 12 and 13 and substantially perpendicular to the light emitting surface 14.

波長λは前述の通り、外部共振器型半導体レーザから外部に出射されるレーザ光の波長で、屈折率nは半導体材料によって決まるものであるため、これらを自由に変更することはできない。しかしながら、レーザ・ダイオード3の長さであるLを変更することは比較的容易である。式1によれば、長さLを大きくすればするほど、出力パワーの変動による波長の変動幅を小さくすることができる。そのうえ、Lを大きくとると、出力パワーが増大するという副次的な効果もあり、特にホログラフィメモリの記録に使用する場合に有利である。   As described above, the wavelength λ is the wavelength of the laser light emitted from the external resonator type semiconductor laser, and the refractive index n is determined by the semiconductor material, and therefore cannot be freely changed. However, it is relatively easy to change L which is the length of the laser diode 3. According to Equation 1, the greater the length L, the smaller the wavelength variation due to output power variation. In addition, when L is increased, there is a secondary effect that the output power is increased, which is particularly advantageous when used for recording in a holographic memory.

しかしながら、Lを大きくするということは、1枚のウエハーから作製できるチップ数が減ることを意味しており、それぞれのレーザ・ダイオードの生産コストを押し上げる結果となる。従って、Lの大きさは、こうしたトレード−オフの関係を十分に考慮した上で慎重に決定すべきである。   However, increasing L means that the number of chips that can be produced from one wafer is reduced, resulting in an increase in the production cost of each laser diode. Therefore, the magnitude of L should be carefully determined after fully considering such a trade-off relationship.

また、レーザ光の適用分野(アプリケーション)ごとに波長の許容変動幅を求め、それらを考慮することも重要である。   It is also important to determine the allowable fluctuation range of the wavelength for each application field (application) of the laser light and take them into consideration.

外部に出射されるレーザ光の波長が405nm、屈折率を3.6と仮定すると、それぞれ以下のようにLを求めることができる。   Assuming that the wavelength of the laser beam emitted to the outside is 405 nm and the refractive index is 3.6, L can be obtained as follows.

波長の許容幅を0.04nm以内とするには、Lを、例えば570μm以上とすればよい(L≧(λ^2)/(2n△λ)=(405nm^2)/(0.04nm×2×3.6)≒569.5μm)。   In order to make the allowable width of the wavelength within 0.04 nm, L may be set to 570 μm or more, for example (L ≧ (λ ^ 2) / (2nΔλ) = (405 nm ^ 2) / (0.04 nm × 2 × 3.6) ≈569.5 μm).

また、波長の許容幅を0.03nm以内とするには、Lを、例えば760μm以上とすればよい(L≧(λ^2)/(2n△λ)=(405nm^2)/(0.03nm×2×3.6)≒759.4μm)。   Further, in order to make the allowable width of the wavelength within 0.03 nm, L may be set to, for example, 760 μm or more (L ≧ (λ ^ 2) / (2nΔλ) = (405 nm ^ 2) / (0. 03 nm × 2 × 3.6) ≈759.4 μm).

波長の許容幅を0.02nm以内とするには、Lを、例えば1140μm以上とすればよい(L≧(λ^2)/(2n△λ)=(405nm^2)/(0.02nm×2×3.6)≒1139.1μm)。   In order to make the allowable width of the wavelength within 0.02 nm, L may be set to 1140 μm or more, for example (L ≧ (λ ^ 2) / (2nΔλ) = (405 nm ^ 2) / (0.02 nm × 2 × 3.6) ≈1139.1 μm).

すなわち、レーザ・ダイオードの長さLを、以下の式2から求め、求められた長さLを有するように半導体レーザ素子を作製すればよい。
L≧(λ^2)/(2n△λ) ・・・(式2)
That is, the length L of the laser diode is obtained from the following formula 2, and the semiconductor laser element may be manufactured so as to have the obtained length L.
L ≧ (λ ^ 2) / (2nΔλ) (Expression 2)

これまで説明してきたように、この発明に係る外部共振器型半導体レーザは、出射されるレーザ光の波長変動が所定の範囲となるように外部共振器型半導体レーザに使用される半導体レーザ素子(例えば、レーザ・ダイオード)の長さLを好適に選択するものであり、これによって、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長は、出力パワーあるいは動作温度の上昇に伴って、△λの範囲で周期的に変動する。従って、この発明は、例えば、青色レーザ・ダイオード、緑色レーザ・ダイオード、および赤色レーザ・ダイオードを含む様々な種類の半導体レーザ素子に適用することができる。   As described above, the external resonator type semiconductor laser according to the present invention is a semiconductor laser device (used for an external resonator type semiconductor laser) so that the wavelength variation of the emitted laser light falls within a predetermined range. For example, the length L of the laser diode) is preferably selected, whereby the wavelength of the laser light emitted from the external resonator type semiconductor laser is increased as the output power or the operating temperature increases. It varies periodically in the range of λ. Therefore, the present invention can be applied to various types of semiconductor laser elements including, for example, a blue laser diode, a green laser diode, and a red laser diode.

また、ここまでは、Littrow型の外部共振器型半導体レーザに使用されるレーザ・ダイオードについて説明してきたが、この発明に係るレーザ・ダイオードをLittman型の外部共振器型半導体レーザに使用しても、同様の効果を得ることができる。   The laser diode used in the Littrow type external cavity semiconductor laser has been described so far, but the laser diode according to the present invention may be used in the Littman type external cavity semiconductor laser. The same effect can be obtained.

半導体レーザから出射されるレーザ光の波長と出力パワーの関係を表す略線図である。It is a basic diagram showing the relationship between the wavelength of the laser beam radiate | emitted from a semiconductor laser, and output power. 外部共振器型半導体レーザにおいて、外部に出射されるレーザ光の波長と出力パワーの関係を表す略線図である。In an external resonator type semiconductor laser, it is a basic diagram showing the relationship between the wavelength of laser light emitted to the outside and the output power. ある動作温度における、外部共振器型半導体レーザの各モードの波長と出力パワーの関係を表した略線図である。It is a basic diagram showing the relationship between the wavelength of each mode of an external resonator type semiconductor laser and output power at a certain operating temperature. 異なる動作温度における、外部共振器型半導体レーザの各モードの波長と出力パワーの関係を表した略線図である。It is a basic diagram showing the relationship between the wavelength of each mode of the external cavity semiconductor laser and the output power at different operating temperatures. さらに異なる動作温度における、外部共振器型半導体レーザの各モードの波長と出力パワーの関係を表した略線図である。Furthermore, it is a basic diagram showing the relationship between the wavelength of each mode of the external cavity semiconductor laser and the output power at different operating temperatures. さらに別の動作温度における、外部共振器型半導体レーザの各モードの波長と出力パワーの関係を表した略線図である。It is a basic diagram showing the relationship between the wavelength of each mode of the external cavity semiconductor laser and the output power at yet another operating temperature. この発明に係る半導体レーザの構造を表す略線図である。It is a basic diagram showing the structure of the semiconductor laser concerning this invention. 図7に示す半導体レーザのレーザ・ダイオード等の部分を詳細に表す略線図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing in detail a part of the semiconductor laser shown in FIG. 7 such as a laser diode. 従来の外部共振器型半導体レーザの構造を表す略線図である。It is a basic diagram showing the structure of a conventional external cavity semiconductor laser. 従来の外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長と出力パワーの関係を表す略線図である。It is a basic diagram showing the relationship between the wavelength of laser light emitted from a conventional external cavity semiconductor laser and the output power.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・半導体レーザ、2・・・窓ガラス、3・・・レーザ・ダイオード、4・・・サブマウント、5・・・ヒートシンク、6・・・LDカン、7・・・ステム、8・・・端子ピン、11・・・活性層、12・・・層、13・・・層、14・・・発光面 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser, 2 ... Window glass, 3 ... Laser diode, 4 ... Submount, 5 ... Heat sink, 6 ... LD can, 7 ... Stem, 8 ..Terminal pins, 11 ... active layer, 12 ... layer, 13 ... layer, 14 ... light emitting surface

Claims (4)

レーザ光を出射する半導体レーザと、
前記半導体レーザから受光した前記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、
前記レーザ光を前記コリメートレンズを経由して受光するグレーティングとを有し、
前記グレーティングからの1次回折光が、前記コリメートレンズを介して前記半導体レーザに入射されることによって単一モード化が実現され、
前記半導体レーザが、前記レーザ光を出射する半導体レーザ素子を含み、
前記レーザ光の出射方向における前記半導体レーザ素子の長さがLであり、
前記Lは、前記半導体レーザ素子から出射される前記レーザ光の所望の波長がλであり、前記レーザ光の波長の許容幅が△λであり、前記半導体レーザ素子の屈折率がnである場合に、L≧(λ^2)/(2×n×△λ)によって決定されることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
A semiconductor laser that emits laser light;
A collimating lens that emits the laser light received from the semiconductor laser as substantially parallel light;
A grating that receives the laser light via the collimating lens,
The first-order diffracted light from the grating is incident on the semiconductor laser through the collimating lens, thereby realizing a single mode.
The semiconductor laser includes a semiconductor laser element that emits the laser light,
The length of the semiconductor laser element in the emission direction of the laser light is L,
L is a case where the desired wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser element is λ, the allowable width of the wavelength of the laser light is Δλ, and the refractive index of the semiconductor laser element is n And an external cavity semiconductor laser characterized by L ≧ (λ ^ 2) / (2 × n × Δλ).
請求項1に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
前記半導体レーザ素子がレーザ・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。
The external cavity semiconductor laser according to claim 1,
An external cavity semiconductor laser, wherein the semiconductor laser element is a laser diode.
レーザ光を出射するとともに、外部から特定の波長のレーザ光を受光する半導体レーザにおいて、
前記半導体レーザが、前記レーザ光を出射する半導体レーザ素子を含み、
前記レーザ光の出射方向における前記半導体レーザ素子の長さがLであり、
前記Lは、前記半導体レーザ素子から出射される前記レーザ光の所望の波長がλであり、前記レーザ光の波長の許容幅が△λであり、前記半導体レーザ素子の屈折率がnである場合に、L≧(λ^2)/(2×n×△λ)によって決定されることを特徴とする半導体レーザ。
In a semiconductor laser that emits laser light and receives laser light of a specific wavelength from the outside,
The semiconductor laser includes a semiconductor laser element that emits the laser light,
The length of the semiconductor laser element in the emission direction of the laser light is L,
L is a case where the desired wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser element is λ, the allowable width of the wavelength of the laser light is Δλ, and the refractive index of the semiconductor laser element is n In addition, the semiconductor laser is determined by L ≧ (λ ^ 2) / (2 × n × Δλ).
請求項3に記載の半導体レーザにおいて、
前記半導体レーザ素子がレーザ・ダイオードであることを特徴とする半導体レーザ。
The semiconductor laser according to claim 3, wherein
A semiconductor laser, wherein the semiconductor laser element is a laser diode.
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