JP2006339450A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザ素子内のビームモードを外部から制御可能であり、さらに利得分布を所望の基本モードに合わせて形成することができ、プラズマ効果による活性層内の屈折率分布を任意に制御できる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 共振軸に沿ったスリット構造となるように各電極２１ａ〜２１ｅをストライプ方向に複数個並べて半導体レーザ素子１１上に配置し、これら電極２１ａ〜２１ｅに印加する電流強度をそれぞれ調整することにより半導体レーザ素子１１の利得分布を制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体レーザ装置に係り、特にレーザ加工や波長変換装置に用いられてレーザ光の横モードを制御する半導体レーザ装置に関するものである。

縦モード及び横モード単一レーザは、レーザ加工及び波長変換装置等に用いられ、その高出力化が要求されている。半導体レーザ（LD；Laser Diode）励起固体レーザは、モード制御性が高く、単一モードを維持したまま高出力化が望める。しかしながら、量産化を考えた場合、部品点数が多くなるため低コスト化が困難になる。一方、ＬＤは、量産性に優れるため低コスト化が期待できるが、モードが不安定になりやすい課題を有している。

従来のＬＤとしては、ＭＯＰＡ（Master Oscilator Power Amprifier）型や、α−ＤＦＢ（α-Distributed Feadbuck Braggrefrector）型等の開発がなされているが、両者とも構成が複雑で量産化には多くの課題を残している。一方、ブロードエリア型ＬＤでは、構造が比較的簡単であるため低コスト化が期待でき、製品化に最も近いＬＤとして注目されている。

ブロードエリア型ＬＤは、活性層を横方向に拡大することによって出力増加による端面破壊等を抑制しているが、横方向のモード制御が実質的に行われないためにモードが不安定になり、多モード発振が起こりやすい。この課題を克服するためには、外部からモードを制御して安定化させる技術が必要となっている。

上述の不具合を解消する従来の半導体レーザ装置として、例えば特許文献１に開示されるブロードエリアレーザがある。この装置では、接触抵抗の異なる第１電極と第２電極で構成された電流注入部を有し、活性層中心部で比較的高い電流強度をもたせることが可能であり、その両端部で比較的低い電流強度を分布させることができる。これにより、横基本モードが発振し易く、他の高次モードを抑制することができる。

特許第２８８９６２８号公報

特許文献１で代表される従来の半導体レーザ装置では、下記のような課題がある。
先ず、特許文献１の装置について具体的に説明する。図７は、特許文献１に開示される従来の半導体レーザ装置をレーザ光軸方向に垂直な面で切った断面図である。図に示すように、このレーザは、裏面にｎ型電極９を設けたｎ型半導体基板１上にｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型クラッド層４、ｐ型キャップ層５を順番に積層し、この積層構造上のレーザ光軸方向に沿った中央部（図中の領域Ａ及び領域Ｂ）を除いて絶縁層６が積層されている。

そして、この絶縁層６を被覆して前記中央部のレーザ光軸方向に沿った端部である領域Ｂでｐ型キャップ層５に接触するようにｐ型第１電極７が積層される。さらに、このｐ型第１電極７を被覆してレーザ光軸方向に沿った最中央部である領域Ａでｐ型キャップ層５に接触するようにｐ型第２電極８が積層される。なお、ｐ型第１電極７は、ｐ型第２電極８より接触抵抗が高く設定されている。

この構成では、レーザ光軸方向に沿った領域Ａ及び領域Ｂが電流通過領域となるが、第２電極８より第１電極７の方が接触抵抗が高いため、電流密度が第２電極８が被覆した領域Ａ上で高く、第１電極７が被覆する領域Ｂ上では比較的低い分布となる。このため、利得が活性層中心部のみで高くなり、両端では低い形状をもつようになる。これにより、横基本モードが発振し易く、他の高次モードを抑制することができる。

一般に、高出力の基本モード発振を得るには、端面破壊等の問題を回避してストライプ幅を広げる手段が最も有効である。しかしながら、上述した従来の構成における共振器長は、半導体レーザ素子に依存して数ミリ程度であるため、根本的に基本モードが成立し得るモードフィールド径が小さい。このため、ストライプ幅を広げようとして領域Ａ及び領域Ｂを拡大させると高次モードの利得が上昇してしまい、高次モードを抑制したまま高出力化するのは困難である。

また、上記構成では２段階しか電流強度を変化できず、比較的中心部に利得が高い低次モードは抑制が弱くなるという課題があった。また、設計時の素子構造により電流分布が一意的に決定されるため、個々の素子によって状態が異なる局所的なフィラメント発振には対応できないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、半導体レーザ素子内のビームモードを外部から制御可能な外部共振型レーザを構成し、さらに利得分布を所望の基本モードに合わせて形成することができる上、プラズマ効果による活性層内の屈折率分布を任意に制御することができる半導体レーザ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る半導体レーザ装置は、電流注入により発光する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子内の利得分布形状を調節する利得形状調節手段と、半導体レーザ素子を介してその同軸上に各々配置され、半導体レーザ素子から出力された当該軸方向の光を共振させる反射手段と、半導体レーザ素子と同軸上で反射手段間に配置され、これら反射手段間で共振する光のビーム径を調節するビーム径調節手段とを備えるものである。

この発明によれば、電流注入により発光する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子内の利得分布形状を調節する利得形状調節手段と、半導体レーザ素子を介してその同軸上に各々配置され、半導体レーザ素子から出力された当該軸方向の光を共振させる反射手段と、半導体レーザ素子と同軸上で反射手段間に配置され、これら反射手段間で共振する光のビーム径を調節するビーム径調節手段とを備えるので、半導体レーザ素子内のビームモードを外部から制御可能であり、さらに半導体レーザ素子内の利得分布形状を調節することにより利得分布を所望の基本モードに合わせて形成するができ、高次モードを抑制することができるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による半導体レーザ装置の構成を示す図であり、共振器方向をｚ軸、ｚ軸に垂直で紙面の上下方向をｙ軸、ｚ軸及びｙ軸に垂直な方向をｘ軸と定義する。本実施の形態１による半導体レーザ装置は、共振器方向であるｚ軸に沿って半導体レーザ素子１１、第１のシリンドリカルレンズ（ビーム径調節手段）１２、第２のシリンドリカルレンズ（ビーム径調節手段）１３及び平面ミラー（反射手段）１４がｚ軸方向に同軸に設置される。

半導体レーザ素子１１では、誘導放出したレーザ光をほぼ全て反射するコーティングがｚ軸と垂直な面（反射手段）１１ａに施されており、またレーザ光を透過する反射防止コーティングが面１１ｂに施されている。これらのコーティングは、例えば誘電体薄膜を積層して構成される。

第１のシリンドリカルレンズ１２は、ｙ軸方向のビームモードを調節するものであり、第２のシリンドリカルレンズ１３は、ｘ軸方向のビームモードを調節する。平面ミラー１４は、ｚ軸方向に入射するレーザ光強度の一部を反射する。

図２は、図１中の半導体レーザ素子の構成を示す図である。半導体レーザ素子１１には、裏面にｎ型電極１５を形成したｎ型半導体基板１６上にｎ型クラッド層１７、活性層及びガイド層１８、ｐ型クラッド層１９及びキャップ層２０が順次積層される。これは、図２中のｘ軸方向（ストライプ方向）に利得領域を拡大したブロードエリア型構造である。

ｘ軸方向の利得領域は、所望の出力を得るために端面破壊が起きない程度に広げられている。ｙ軸方向は、活性層及びガイド層１８とｎ型クラッド層１７及びｐ型クラッド層１９とで光を閉じこめる導波構造を形成している。なお、半導体レーザ素子１１の組成は、例えば利得をもつ活性層にＩｎＧａＡｓ、ガイド層及びクラッド層１７にＡｌＧａＡｓを用いている。ｐ型電極２１ａ〜２１ｅ（利得形状調節手段）は、ｚ軸方向に伸びたスリット構造を形成し、図示の例ではｐ型電極２１ｃを中心としてｘ軸方向に沿って５個並んで積層されている。

次に動作について説明する。
半導体レーザ素子１１に電流注入すると、半導体レーザ素子１１に光利得が発生する。半導体レーザ素子１１で増幅されたレーザ光は、面１１ａと平面ミラー１４との間で構成される共振器内で発振し、出力光は平面ミラー１４から取り出される。通常、基本モード発振を得るには、基本モードの利得を増加させるとともに、高次モードの利得を閾値以下に減らし、又は高次モードの損失を増加させることが条件としてあげられる。

ｙ軸方向のビームモードは、半導体レーザ素子１１内の導波路構造により基本モードのみが励振するように設計されている。しかしながら、半導体レーザ素子１１内でのモードフィールド径が１μｍ程度であるので、半導体レーザ素子１１の面１１ｂから出力されるレーザ光は、すぐに広がってしまい、それだけでは前記共振器内を周回できない。そこで、本実施の形態１では、第１のシリンドリカルレンズ１２を用いて共振器内を周回可能なビーム径に変換する。

一方、ｘ軸方向のビームモードは、半導体レーザ素子１１のｘ軸方向の利得領域が広いため、それ単体では基本モードのみを励振できない。この場合、基本モード発振を得るには、半導体レーザ素子１１内に分布する利得を基本モードにおいて、できるだけ多く消費することで高次モード利得を抑制する。従って、本実施の形態１では、第２のシリンドリカルレンズ１３を用いて半導体レーザ素子１１内に形成される基本モードビーム径を大きくする。これにより、半導体レーザ素子１１内に発生している利得を基本モード励振に多く寄与させることができる。

しかしながら、電流注入により形成された利得分布がｘ軸方向に一様であった場合、基本ビームモードで利得を消費するとその両端はガウシアンモードの裾にあたるため、誘導放出後の利得分布は中心付近よりも両端の方が高くなり、不必要な高次モードが発振してしまう。この不具合を回避するために、本実施の形態１では、半導体レーザ素子１１を以下のように動作させる。

先ず、ｐ型電極２１ａ〜２１ｅに各々電流を注入する。このときの電流強度は、中心に位置するｐ型電極２１ｃを最大とし、端に配置された電極になるつれて電流強度が小さくなるように設定する。図３は、ｘ軸方向に配置したｐ型電極２１ａ〜２１ｅに注入した電流強度とそれにより生じる光の利得分布との関係を示すグラフである。

図３のグラフで示されるように、光の利得は注入電流強度に応じて変化するため、活性層の中心を最大で端に近づくに伴い減少していく。基本モードは強度が中心付近に集中しているため中心付近の利得寄与が大きく、逆に高次モードは比較的端に分布しているため両端の利得寄与が大きい。従って、本実施の形態１のように中心付近に利得を集中させることにより、発振モードは基本モードが優位になり、高次モードは抑制される。

この実施の形態１によれば、電極構造を共振軸に沿ったスリット構造となるように各電極２１ａ〜２１ｅをストライプ方向（ｘ軸方向）に複数個並べて配置し、これら電極２１ａ〜２１ｅに印加する電流強度をそれぞれ調整することにより半導体レーザ素子１１の利得分布を制御するので、基本モードを発振させ、高次モードを抑制することができる。

また、半導体レーザ素子１１以外に複雑なビームモード調整手段が不要であるため、部品点数が少なく、装置全体を小型化することができ、且つ安価に制作することができる。

なお、上記実施の形態１では、ｐ型電極２１は５個並べて積層したが、得たい利得分布形状によって電極数を変えても良い。例えば９個並べた場合、５個の場合と比べて利得形状を調節する自由度が増えるため、さらに発振モードを調節し易くなる。

また、上記実施の形態１では、ｐ型電極２１をスリット状に複数個並べて積層したが、素子１１を上下逆転し、ｎ型電極１５を同様にスリット状電極として複数個並べた構成にしてもよい。この場合も同様に利得分布を調節できるため、高次モード発振を抑制することができる。

さらに、上記実施の形態１において平面ミラー１４に波長選択性を持たせてもよい。例えば、所望の波長のみを一部反射するボリューム型グレーティング素子を用いた場合、出力波長は単一波長で発振するため、波長変換装置等に有効な高品質のビームが得られる。

さらに、上記実施の形態１では、面１１ａを反射コーティングして共振器の一端を担う構成例を示したが、面１１ａのコーティングをレーザ光に対して全部透過する特性を持たせ、さらに外側に別途反射ミラーを配置して共振器を構成してもよい。この構成によっても同様に第２のシリンドリカルレンズ１２を調節することにより半導体レーザ素子１１内の基本モードビーム径を大きくすることができ、ｐ型電極２１により利得分布を制御可能であるため、基本モードの発振が可能となる。

さらに、上記実施の形態１の構成による共振器内に波長変換素子を新たに設置してもよい。この場合、半導体レーザ素子で誘導放出されるレーザ波長を基本波とし、前記波長変換素子で変換された波長を変換波とする。そして、平面ミラー１４の反射特性が、基本波に対して全て反射、変換波に対して全て透過になるようにコーティングし、波長変換素子の半導体レーザ素子側の端面を基本波に対して全て透過、変換波に対して全て反射になるようにコーティングする。これにより、共振器内部波長変換構造になり、高効率に変換波を得ることができる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による半導体レーザ装置の構成図であり、図１と同様に共振器方向をｚ軸、ｚ軸に垂直で紙面の上下方向をｙ軸、ｚ軸及びｙ軸に垂直な方向をｘ軸と定義する。本実施の形態２による半導体レーザ装置は、共振器方向であるｚ軸に沿って半導体レーザ素子２２、第１のシリンドリカルレンズ（ビーム径調節手段）１２、第２のシリンドリカルレンズ（ビーム径調節手段）１３及び平面ミラー（反射手段）１４がｚ軸方向に同軸に設置される。

半導体レーザ素子２２は、ｚ軸と垂直な面（反射手段）２２ａに対してレーザ光をほぼ全て反射する全反射コーティングを施し、面２２ｂに対してレーザ光がほぼ全て透過する反射防止コーティングを施している。この他の構成要素は、図１と同一或いは同様の機能であり、同一符号を付して重複する説明を省略する。

図５は、図４中の半導体レーザ素子の構成を示す図である。半導体レーザ素子２２は、ストライプ幅が拡大された通常のブロードエリア型半導体レーザに対して、ｙ軸方向に光を閉じこめた導波路構造でｘ軸方向に空間伝播するように形成した半導体スラブ導波路（半導体導波路）がバットジョイントした構造である。以降、ブロードエリア型半導体レーザ部を活性領域と呼び、半導体スラブ導波路部を位相制御領域と呼ぶ。図示の例では、領域Ａが位相制御領域に対応し、領域Ｂが活性領域に対応する。

また、半導体レーザ素子２２は、裏面にｎ型電極１５を形成したｎ型半導体基板１６上にｎ型クラッド層１７、導波路コア層２３、ｐ型クラッド層１９及びキャップ層２０が順次積層される。ｐ型電極２４は、領域Ｂの活性領域上に積層され、ｚ軸方向に沿って領域Ｂのほぼ全長に伸びており、ｘ軸方向には所望の出力に対して端面破壊が生じない程度に活性層幅と同等に広げられている。

ｐ型電極（位相制御手段）２１ａ〜２１ｅは、領域Ａの位相制御領域上に積層されてｚ軸方向に伸びたスリット構造を形成し、図示の例ではｐ型電極２１ｃを中心としてｘ軸方向に沿って５個並んで積層されている。

次に動作について説明する。
ｐ型電極２４に電流注入すると、領域Ｂの活性領域では利得が生じる。ここで、電極２４は一様に広く積層されているため、利得分布も活性層全体に一様に広がっている。一様な利得分布にガウシアンビームが通過すると、ビームの外側、つまり活性層の端側には消費されない利得が残り、局所的な発熱で屈折率分布が生じる。

屈折率分布は、通過するビームの位相分布、つまり波面を乱す要因となる。そこで、本実施の形態２では、これを補償するために位相制御領域を新たに設けている。一般に、半導体導波路に電流を流すとプラズマ効果により屈折率が低くなる。

図６は、ｘ軸方向に配置したｐ型電極２１ａ〜２１ｅに注入した電流強度とそれに伴う屈折率の変動量との関係を示すグラフである。図６に示すように、本実施の形態２では、電流強度を中央のｐ型電極２１ｃで最小とし、電極配置が両端になるにつれて電流強度が大きくなるように調節する。これにより、導波路内のｘ軸方向の屈折率分布が、図６に示されるような形状になる。

上述したように、本実施の形態２では、領域Ｂの活性領域から出力したレーザ光が、領域Ａの位相制御領域を通過することにより、波面が一様になるように制御される。つまり、ｐ型電極２１ａ〜２１ｅに注入する電流強度を適切に調節することにより領域Ｂから出力するレーザ光の位相を任意に制御できる。例えば、フィラメント発振等により位相が乱れたレーザ光が領域Ｂの活性領域から出力されても、領域Ａの位相制御領域で電流制御を行うことにより位相をそろえることができる。

次に共振器内のビームモードについて説明する。
本実施の形態２において、レーザ光は、半導体レーザ素子２２の面２２ａと平面ミラー１４との間で構成される共振器内を周回して発振する。ｙ軸方向のビームモードは、半導体レーザ素子２２内の導波路構造により基本モードのみが励振するように構成する。

しかしながら、半導体レーザ素子２２内でのモードフィールド径が１μｍ程度であるので、半導体レーザ素子２２の面２２ｂから出力されるレーザ光は、すぐに広がってしまい、それだけでは上記共振器内を周回できない。このため、本実施の形態２では、第１のシリンドリカルレンズ１２を用いて共振器内を周回可能なビーム径に変換する。

また、ｘ軸方向のビームモードは、第２のシリンドリカルレンズ１３を用いて半導体レーザ素子２２で生じる利得を基本ビームモードで消費できるように最適化し、領域Ｂの活性層領域で乱れた波面を領域Ａの位相制御領域によって補償することで、平面ミラー１４から基本ビームモードを出力することができる。

この実施の形態２によれば、半導体レーザ素子２２に位相制御領域を新たに設け、電極構造を共振軸に沿ったスリット構造とし、ストライプ方向（ｘ軸方向）に複数個並べて電流注入を制御することにより出力ビームの位相分布を制御するので、基本モードを発振させることができる上、高次モードを抑制できる。

また、この実施の形態２によれば、半導体レーザ素子２２以外に複雑なビームモード調整手段が不要であるので、部品点数を少なくすることができ、装置全体の小型化が図られ、且つ安価に制作することができる。

なお、上記実施の形態２の構成では、ｐ型電極２１は５個並べて積層したが、得たい利得分布形状によって電極数を変えても良い。例えば９個並べた場合、５個の場合と比べて利得形状を調節する自由度が増えるため、さらに発振モードを調節し易くなる。

また、上記実施の形態２の構成では、ｐ型電極２１をスリット状に複数個並べて積層する構成例を示したが、素子を上下逆転し、ｎ型電極を同様にスリット状電極として複数個並べてもよい。この場合も同様に利得分布を調節できるため、高次モード発振を抑制することができる。

さらに、上記実施の形態２の構成において、平面ミラー１４に波長選択性を持たせてもよい。例えば、所望の波長のみを一部反射するボリューム型グレーティング素子を用いた場合、出力波長は単一波長で発振するため波長変換装置等に有効な高品質のビームを得ることができる。

さらに、上記実施の形態２では、面２２ａに施した反射コーティングにより共振器の一端を担う構成例を示したが、レーザ光に対して全部透過する特性のコーティングを面２２ａに施し、さらに外側に別途反射ミラーを配置して共振器を構成してもよい。この構成であっても、第２のシリンドリカルレンズ１２を調節することにより半導体レーザ素子２２内の基本モードビーム径を大きくし、ｐ型電極２１に注入する電流強度を調節することにより位相を制御すれば、基本モードの発振が可能となる。

さらに、上記実施の形態２で示した共振器内に波長変換素子を新たに設置してもよい。この場合、半導体レーザ素子２２で誘導放出されるレーザ波長を基本波とし、波長変換素子で変換された波長を変換波とする。そして、平面ミラー１４の反射特性を、基本波に対しては全て反射とし、変換波に対しては全て透過とする。さらに、波長変換素子の半導体レーザ素子側の端面を、基本波に対しては全て透過で、変換波に対しては全て反射になるようにコーティングする。これにより、共振器内部波長変換構造になり、高効率に変換波を得ることができる。

この発明の実施の形態１による半導体レーザ装置の構成を示す図である。 図１中の半導体レーザ素子の構成を示す図である。 ｘ軸方向に配置したｐ型電極に注入した電流強度とそれにより生じる光の利得分布との関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態２による半導体レーザ装置の構成を示す図である。 図４中の半導体レーザ素子の構成を示す図である。 ｘ軸方向に配置したｐ型電極に注入した電流強度とそれに伴う屈折率の変動量との関係を示すグラフである。 従来の半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１１，２２ 半導体レーザ素子、１１ａ，１１ｂ，２２ａ，２２ｂ 面（反射手段）、１２ 第１のシリンドリカルレンズ（ビーム径調節手段）、１３ 第２のシリンドリカルレンズ（ビーム径調節手段）、１４ 平面ミラー（反射手段）、１５ ｎ型電極、１６ ｎ型半導体基板、１７ ｎ型クラッド層、１８ 活性層及びガイド層、１９ ｐ型クラッド層、２０ キャップ層、２１ａ〜２１ｅ ｐ型電極（利得形状調節手段、位相制御手段）、２３ 導波路コア層、２４ ｐ型電極。

Claims (6)

1. 電流注入により発光する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子内の利得分布形状を調節する利得形状調節手段と、
   前記半導体レーザ素子を介してその同軸上に各々配置され、前記半導体レーザ素子から出力された当該軸方向の光を共振させる反射手段と、
   前記半導体レーザ素子と同軸上で前記反射手段間に配置され、これら反射手段間で共振する光のビーム径を調節するビーム径調節手段とを備えた半導体レーザ装置。
2. 利得形状調節手段は、半導体レーザ素子に電流を注入する電極であって、反射手段により構成される共振器の軸方向に沿った長手方向を有するスリット形状の電極を、前記半導体レーザ素子上にそのストライプ方向に複数個並べて配置してなることを特徴とした請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 利得形状調節手段は、半導体レーザ素子のストライプ方向に複数個並べて配置した電極のうち、前記半導体レーザ素子の中心付近に配置した電極に注入する電流の強度を最大とし、その端部方向に配置されるにつれて前記電極に注入する電流強度が小さくなるように調節することを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
4. 電流注入により発光する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子内の利得分布形状を調節する利得形状調節手段と、
   前記半導体レーザ素子を介してその同軸上に各々配置され、前記半導体レーザ素子から出力された当該軸方向の光を共振させる反射手段と、
   前記半導体レーザ素子と同軸上で前記反射手段間に配置され、これら反射手段間で共振する光のビーム径を調節するビーム径調節手段と、
   前記半導体レーザ素子内にそのストライプ方向の光成分の位相分布を制御する位相制御手段とを備えた半導体レーザ装置。
5. 半導体レーザ素子は、ストライプ幅を拡大したブロードエリア型の半導体レーザ素子に対してその同軸上に前記ストライプ幅に等しいモードフィールド径の導波路構造を有する半導体導波路を接合して構成され、
   位相制御手段は、前記半導体レーザ素子に電流を注入する電極であって、反射手段により構成される共振器の軸方向に沿った長手方向を有するスリット形状の電極を、前記半導体導波路上にストライプ方向に複数個並べて配置してなることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ装置。
6. 位相制御手段は、半導体レーザ素子のストライプ方向に複数個並べて配置した電極のうち、前記半導体レーザ素子の中心付近に配置した電極に注入する電流の強度を最大とし、その端部方向に配置されるにつれて前記電極に注入する電流強度が小さくなるように調節することを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ装置。

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