JP2006269990A - 外部共振型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光の拡がり角を一定にし、非点収差を取り除いたレーザ光を出力することが可能である外部共振型半導体レーザを提供する。
【解決手段】 同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子１と、出射する一方のレーザ光を外部共振用レーザ光８とし、他方のレーザ光を出力用レーザ光９とする外部共振型半導体レーザであり、外部共振用レーザ光８と出力用レーザ光９との各光路に跨って、前記半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を含む面に垂直な第一の方向にレーザ光を絞り込む第一のレーザ光拡がり角調整部２と、前記２方向のレーザ光の光軸を二等分する中心軸７方向と前記第一の方向とに垂直な方向を第二の方向とした場合に、第一の方向と第二の方向の両方向にレーザ光を絞り込む第二のレーザ光拡がり角調整部３とから構成されるビーム整形素子を配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部共振型半導体レーザに関し、特に、同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子を用いた外部共振型半導体レーザに関する。

従来、半導体レーザは、小型なコヒーレント光源として、光通信技術、光計測技術、さらには光加工技術など多様な用途に利用されている。しかしながら、半導体レーザは一般的に光出力が小さく、温度変化に依存して波長や光量がシフトし易い。さらには、光出力を上げるため半導体レーザの駆動電流を大きくするとスペクトル幅が広がるなどの問題点がある。

これに対して、外部共振型半導体レーザは、半導体レーザ素子から出射するレーザ光の一部（特定波長光）を半導体レーザ素子にフィードバックし、光出力の安定化を図るものとして知られている。例えば、特許文献１に示すように、半導体レーザ素子のバックビームをレンズとホログラフィック回折格子を用いて、ビーム中の特定波長光のみを半導体レーザ素子に帰還させるものが提案されている。

近年では、利得導波路型半導体レーザの高出力特性を利用した外部共振型半導体レーザが提案されている。利得導波路型半導体レーザにおいては、同一端面より出射するレーザ光が、レーザ素子内の導波路の光軸から外れた２方向に出射されるため、一方のレーザ光を半導体レーザ素子にフィードバックし、他方のレーザ光を出力光として利用するものである。

利得導波路型半導体レーザを用いた外部共振型半導体レーザの例としては、非特許文献１，２及び特許文献２などの例がある。

非特許文献１に記載された外部共振型半導体レーザを図６に示す。利得導波路型半導体レーザ（Gain-guided diode laser） からは半導体レーザ素子１０１内の導波路の光軸１０７から外れた２方向に出射光１０８，１０９は放出される。これらの出射光をコリメートするため、速軸用コリメータ（ＦＡＣ）１０２と遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）１０３が設けられている。レーザ光の一部は、アパーチャ１０５を通過し、高反射（ＨＲ）ミラー４で反射し、再度、アパーチャ１０５、遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）１０３及び速軸用コリメータ（ＦＡＣ）１０２を通過して半導体レーザ素子１０１に帰還し、外部共振型半導体レーザ光１０８を形成する。他方、出力用レーザ光１０９は、速軸用コリメータ（ＦＡＣ）１０２、遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）１０３及びアパーチャ１０６を通過して出射される。

非特許文献２は、外部共振型半導体レーザから出射されるレーザ光のスペクトル幅の狭窄化を図るものであり、図７に示すように、外部共振型半導体レーザからは半導体レーザ素子１１０内の導波路の光軸から外れた２方向に出射光１１８，１１９は放出される。外部共振型半導体レーザ光１１８に関しては、半導体レーザ素子１１０から出射したレーザ光の一部を、速軸用コリメータ（ＦＡＣ）１１１とレンズ１１２及びアパーチャ１１３を通過させると共に、レンズ１１４で平行光に修正してエタロン１１５並びに回折格子１１６により、特定波長光に関する共振用の光学系を構成している。図７では、エタロン１１５の調整及び回折格子１１６の角度調整を行うことで、波長選択性を高める工夫がなされている。なお、図７中の符号１１７は、出力用レーザ光１１９を外部に導出する反射手段である。

特許文献２の外部共振型半導体レーザも基本的には、図７に示すものと類似の構成であり、図８に示すように、半導体レーザ１２０から出射するレーザ光の一部１２４をシリンダーレンズ１２１及びエタロン１２２を介して回折格子１２３に入射し、反射光１２５を半導体レーザ１２０に帰還させるものである。そして、半導体レーザ１２０からの他のレーザ光を出力用レーザ光１２６として放出するよう構成されている。

しかしながら、上述のような利得導波路型半導体レーザを用いた外部共振型半導体レーザにおいては、速軸用コリメータ（ＦＡＣ）の焦点距離ｘ（図９参照）と遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）の焦点距離ｙ（図６または図７参照）とが、たとえば１：１０以上の比率で大きく異なるため、出力用レーザ光の拡がり角が水平方向と垂直方向とで異なり、レーザ光をレンズで絞った際に非点収差が生じる。このような現象は、光導波路への結合において損失が生じる（結合損失）などの悪影響が生じる虞がある。
特開昭５８−７１６８７号公報 ＷＯ０３／０５５０１８ Ａ１ Volker Raab, etal., "External resonator design for high-power laser diodes that yield 400 mW of TEM00 power", p167-169, vol.27, No.3, OPTICS LETTERS, February 1, 2002 Volker Raab, etal., "Tuning high-power laser diodes with as much as 0.38 W of power and M2=1.2 over a range of 32 nm with 3-GHz bandwidth, p1995-1997, Vol.27, No.22, OPTICS LETTERS, November 15, 2002

本発明が解決しようとする課題は、上述した課題を解決し、外部共振器内でのレーザ光形状を、水平方向と垂直方向で一致させることで、あるいは可能な限り形状を近づけることで、レーザ光の拡がり角を一定にし、非点収差を取り除いたレーザ光を出力することが可能であり、かつ構成を複雑化させず部品点数の少ない外部共振型半導体レーザを提供することである。

本発明の請求項１に係る外部共振型半導体レーザは、同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、出射する一方のレーザ光を外部共振用レーザ光とし、他方のレーザ光を出力用レーザ光とする外部共振型半導体レーザにおいて、前記外部共振用レーザ光と前記出力用レーザ光との各光路に跨って配置されるビーム整形素子と、該外部共振用レーザ光のみを反射する反射手段とを有し、前記ビーム整形素子は、前記半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を含む面に垂直な第一の方向にレーザ光を絞り込む第一のレーザ光拡がり角調整部と、前記半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を二等分する中心軸方向と前記第一の方向とに垂直な方向を第二の方向とした場合に、第一の方向と第二の方向の両方向にレーザ光を絞り込む第二のレーザ光拡がり角調整部とから構成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る外部共振型半導体レーザは、請求項１において、前記第一のレーザ光拡がり角調整部は速軸用コリメータであり、前記第二のレーザ光拡がり角調整部は遅軸用コリメータであることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る外部共振型半導体レーザは、請求項１または２において、前記反射手段は、外部共振用レーザ光が照射される領域のみに反射面が形成されている部分反射ミラーであることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る外部共振型半導体レーザは、請求項１または２において、前記反射手段は、外部共振用レーザ光の反射面に特定波長光のみを反射するフィルタ膜が形成されていることを特徴とする。

本発明の外部共振型半導体レーザにあっては、半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を含む面に垂直な第一の方向にレーザ光を絞り込む第一のレーザ光拡がり角調整部と、前記半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を二等分する中心軸方向と前記第一の方向とに垂直な方向を第二の方向とした場合に、第一の方向と第二の方向の両方向にレーザ光を絞り込む第二のレーザ光拡がり角調整部とから構成されているビーム整形素子が存在するため、半導体レーザ素子より出射されたレーザ光は、最初に半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を含む面に垂直な第一の方向にレーザ光の拡がりが絞り込まれてレーザ光拡がり角が調整され、引き続き、前記半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を二等分する中心軸方向と前記第一の方向とに垂直な方向を第二の方向とした場合に、第一の方向と第二の方向の両方向にレーザ光の拡がりが絞り込まれてレーザ光拡がり角が調整される。すなわち、第一の方向は二段階でコリメートし、第二の方向は一段階でコリメートすることにより、両者のレーザ光拡がり角を調整しレーザ光の断面形状を整形することができた。

これにより、第一の方向（たとえば垂直方向）と第二の方向（たとえば水平方向）におけるレーザ光の拡がり角が一致し、両者の焦点距離が見かけ上同じものとなり、レーザ光の形状が垂直方向と水平方向とで一致あるいは可能な限り近づけられたものとなる。したがって、非点収差が取り除かれたレーザ光を出力することが可能となり、かつ構成を複雑化させず部品点数の少ない外部共振型半導体レーザを提供することが可能となる。

本発明に係る外部共振型半導体レーザについて、以下に詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明に係る外部共振型半導体レーザの概略を示す図であり、図１は、半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を含む面に垂直な第一の方向（以下、この方向を「垂直方向」という。）から見た状態を示し、図２は、半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を二等分する中心軸方向と前記第一の方向とに垂直な方向を第二の方向（以下、この方向を「水平方向」という。）から見た状態を示す。
本発明の外部共振型半導体レーザは、図１及び図２に示すように、半導体レーザ素子１と、ビーム整形素子２，３と、反射する反射手段４とを有している。

半導体レーザ素子１は、同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射するものであり、たとえば、本発明においては、利得導波路型半導体レーザを利用することができる。利得導波路型半導体レーザとは、レーザの活性層がｐ型半導体およびｎ型半導体との接合面に沿って５０μｍ〜４００μｍ程度の広い幅を持つものである。この利得導波路型半導体レーザは、駆動電流の増加に伴い活性層の両端部の屈折率が高くなるため、活性層自身が凹レンズの効果を持ち、出射するレーザ光が２方向に曲げられるという特性を持つ。

半導体レーザ素子１から２方向に出射するレーザ光８，９は、ビーム整形素子２，３を通過して、中心軸７に沿う平行ビームにコリメートされる。一方のレーザ光８は、半導体レーザ素子１の励起光となる外部共振用レーザ光として利用される。コリメートされたレーザ光８は、反射手段４で反射され、反射されたビームは、再度、ビーム整形素子２，３を通過して、半導体レーザ素子１に帰還する。
他方のレーザ光９は、出力用レーザ光として、ビーム整形素子２，３を通過した後、外部に出力される。

ビーム整形素子は、外部共振用レーザ光８と出力用レーザ光９との各光路に跨って配置されるものであり、半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を含む面に垂直な第一の方向（図１において紙面と垂直をなす方向）にレーザ光を絞り込む第一のレーザ光拡がり角調整部２と、前記半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を二等分する中心軸７方向と前記第一の方向とに垂直な方向を第二の方向（図２において紙面と垂直をなす方向）とした場合に、第一の方向と第二の方向の両方向にレーザ光を絞り込む第二のレーザ光拡がり角調整部３とから構成されている。たとえば、本発明においては、第一のレーザ光拡がり角調整部２は、円筒形レンズよりなる速軸用コリメータ（以下、「ＦＡＣ」という場合がある。）とし、第二のレーザ光拡がり角調整部３は、球レンズよりなる遅軸用コリメータ（以下、「ＳＡＣ」という場合がある。）３とから構成することができる。これにより、外部共振用レーザ光８及び出力用レーザ光９を、共通の光学系で効率良くコリメートすることが可能となる。

反射手段４は、反射ミラーとすることができる。この反射ミラーは、外部共振用レーザ光８が照射される領域にのみ鏡面状の反射面５が形成されている部分反射ミラーを利用することが好ましい。また、反射面５の形成領域を調整することにより、ビーム形状を調整することも可能となる。形成領域の調整はダイシングにより非反射領域を削ってもよいし、さらに、反射面５以外の領域に光吸収膜や反射防止膜などを形成することで、より効果的にビーム形状の調整が可能となる。

また、反射手段４は、本発明においては、図３に示すように、外部共振用レーザ光８の反射面に特定波長光のみを反射するフィルタ膜６が形成されたものとすることもできる。これにより、波長選択性を高め、出力用レーザ光９のスペクトル幅の狭窄化を行うことが可能となる。

以上のように構成された外部共振型半導体レーザにより、共振器内のビーム形状を、たとえば垂直方向と水平方向とで一致させることが可能となり、このとき共振器からの出力ビームの２つの方向での拡がり角は一致し、非点収差は取り除かれることができる。

以下、本発明の外部共振型半導体レーザによってレーザ光の拡がり角が調整され、共振器内のビーム形状が水平方向と垂直方向とで一致あるいは可能な限り近づけられたものとなることを確認するため、図２に示す光学系において、ビーム整形素子２，３によりコリメートされた出力用レーザ光９の所定位置での断面形状を観察した。
半導体レーザ素子１は、イーグルヤード・フォトニクス(Eagleyard Photonics) 社製の利得導波路型半導体レーザを用い、直径１２５μｍ，屈折率１．４５であり、焦点距離０．０８ｍｍの円筒形レンズ（光ファイバ片）からなるＦＡＣ２と、焦点距離２０ｍｍの軸対象球面レンズからなるＳＡＣ３、さらに反射手段４として、縦３ｍｍ×横３ｍｍの面を鏡面仕上げした反射ミラーを利用して、外部共振型半導体レーザを構成した。

そして、半導体レーザを３５０ｍＷ（駆動電圧１．２１Ｖ、駆動電流８００ｍＡ）で駆動するとともに、オフィール(Ophir) 社製のビームプロファイル分析器で出力用レーザ光９の所定位置での断面形状を得た。なお、出力用レーザ光９の断面形状を確認した所定位置は、半導体レーザ素子１の背面（図中左端面）を原点Ｏとし、原点より５０ｍｍの位置をＡ点、原点より２００ｍｍの位置をＢ点、原点より５００ｍｍの位置をＣ点とした。その結果を、図４及び図５に示す。図４は、原点Ｏでの出力用レーザ光の断面形状を示す図である。また、図５は、原点Ｏより５０ｍｍのＡ点位置、原点より２００ｍｍのＢ点位置、及び原点より５００ｍｍのＣ点位置での断面形状を、図４に示す原点Ｏでの出力用レーザ光の断面形状を示す図の１０倍スケールでそれぞれ示す図である。

また、比較例として、半導体レーザ素子１０１は、イーグルヤード・フォトニクス(Eagleyard Photonics) 社製の利得導波路型半導体レーザを用い、焦点距離０．９ｍｍの円筒形レンズからなるＦＡＣ１０２と、焦点距離２０ｍｍの円筒形レンズからなるＳＡＣ１０３、さらに反射手段１０４を備えた、図９に示す従来の外部共振型半導体レーザを構成し、本発明と同様に、原点ｏでの出力用レーザ光の断面形状、及び原点ｏより５０ｍｍのａ点位置、原点より２００ｍｍのｂ点位置、及び原点より５００ｍｍのｃ点位置での断面形状をそれぞれ確認し、その結果を、図４及び図１０に示す。図１０もまた、図４に示す原点ｏでの出力用レーザ光の断面形状を示す図の１０倍スケールでそれぞれ示す図である。

図５（本発明）と図１０（従来）を比較することにより、以下の点が明らかとなった。
（１）従来の外部共振型半導体レーザの場合、原点Ｏ（ｏ）において５０μｍ（水平方向）×４μｍ（垂直方向）の断面形状であったレーザ光（図４参照）は、ａ点では５７０μｍ×３６０μｍ、ｂ点では５８０μｍ×８２０μｍ、さらにｃ点では１１６０μｍ×２０５０μｍとなっており、水平方向と垂直方向ではレーザ光の調整具合に差が残存し、水平方向と垂直方向との断面形状を一致させることは困難であった。
（２）これに対し、本発明の外部共振型半導体レーザの場合、原点Ｏ（ｏ）において５０μｍ（水平方向）×４μｍ（垂直方向）の断面形状であったレーザ光（図４参照）は、Ａ点では５７０μｍ×７００μｍ、Ｂ点では５６０μｍ×７１０μｍ、Ｃ点では１１７０μｍ×１０４０μｍとなっていた。この結果より、本発明によれば、ビーム形状を水平方向と垂直方向とで一致させるように整形することができることが確認された。

本発明の外部共振型半導体レーザは、小型なコヒーレント光源として、光通信技術、光計測技術、さらには光加工技術など多様な用途に適用できる。

本発明に係る外部共振型半導体レーザの一例を示す概略図であり、垂直方向から見た状態を表している。 図１に示した外部共振型半導体レーザを、水平方向から見た状態を表している。 本発明に係る外部共振型半導体レーザの他の一例を示す概略図であり、垂直方向から見た状態を示す。 原点Ｏにおけるレーザ光の断面形状を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、本発明に係る外部共振型半導体レーザのＡ点〜Ｃ点におけるレーザ光の断面形状を表す図である。 従来の外部共振型半導体レーザの一例を示す概略図であり、垂直方向から見た状態を表している。 従来の外部共振型半導体レーザの他の一例を示す概略図であり、垂直方向から見た状態を表している。 従来の外部共振型半導体レーザの他の一例を示す概略図であり、垂直方向から見た状態を表している。 図６に示した外部共振型半導体レーザを、水平方向から見た状態を表している。 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、本発明に係る外部共振型半導体レーザのａ点〜ｃ点におけるレーザ光の断面形状を表す図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ素子、２ ビーム整形素子(速軸用コリメータ：ＦＡＣ)、３ ビーム整形素子(遅軸用コリメータ：ＳＡＣ)、４ 反射手段（反射ミラー）、５ 反射面、６ フィルタ膜、７ 中心軸、８ 外部共振用レーザ光、９ 出力用レーザ光。

Claims (4)

1. 同一端面より少なくとも２方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、出射する一方のレーザ光を外部共振用レーザ光とし、他方のレーザ光を出力用レーザ光とする外部共振型半導体レーザにおいて、
   前記外部共振用レーザ光と前記出力用レーザ光との各光路に跨って配置されるビーム整形素子と、該外部共振用レーザ光のみを反射する反射手段とを有し、
   前記ビーム整形素子は、前記半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を含む面に垂直な第一の方向にレーザ光を絞り込む第一のレーザ光拡がり角調整部と、前記半導体レーザから出射された２方向のレーザ光の光軸を二等分する中心軸方向と前記第一の方向とに垂直な方向を第二の方向とした場合に、第一の方向と第二の方向の両方向にレーザ光を絞り込む第二のレーザ光拡がり角調整部とから構成されていることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
2. 前記第一のレーザ光拡がり角調整部は速軸用コリメータであり、前記第二のレーザ光拡がり角調整部は遅軸用コリメータであることを特徴とする請求項１記載の外部共振型半導体レーザ。
3. 前記反射手段は、外部共振用レーザ光が照射される領域のみに反射面が形成されている部分反射ミラーであることを特徴とする請求項１または２記載の外部共振型半導体レーザ。
4. 前記反射手段は、外部共振用レーザ光の反射面に特定波長光のみを反射するフィルタ膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の外部共振型半導体レーザ。
   

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