JP2013012708A - レーザ装置および調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】閾値付近の駆動電流で駆動しても安定なマルチモード出力するレーザ装置。
【解決手段】半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の反射面との間で共振器を形成してレーザ発振させて、発振させたレーザ光を出力する波長選択素子と、半導体レーザ素子の出射面と結合効率ηで光学的に結合され、出射面から出力される光を波長選択素子に入力させる光学系と、を備え、光学系は、半導体レーザ素子へ注入する注入電流に対して、光出力が線形となる光出力線形領域における最小光出力と相関する値を結合効率ηが最大の場合における値未満とするレーザ装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置および調整方法に関する。

従来、半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子から出力される光を、光ファイバの先端をレンズ加工したレンズドファイバで集光して、当該半導体レーザモジュールの外部へと当該光ファイバで伝送していた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００１−２３５６３８号公報

しかしながら、このような半導体レーザモジュールは、閾値付近の比較的低い駆動電流で駆動させるとシングルモードで発振し始め、駆動電流を増加させると、シングルモードおよびマルチモードが混在する不安定な光出力で発振し、さらに駆動電流を増加させることで、マルチモードで発振して光出力が安定になる。したがってこのような半導体レーザモジュールは、マルチモードで安定に発振する予め定められた電流値以上の駆動電流範囲で用いられていた。

本発明の第１の態様においては、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の反射面との間で共振器を形成してレーザ発振させて、発振させたレーザ光を出力する波長選択素子と、半導体レーザ素子の出射面と結合効率ηで光学的に結合され、出射面から出力される光を波長選択素子に入力させる光学系と、を備え、光学系は、半導体レーザ素子へ注入する注入電流に対して、光出力が線形となる光出力線形領域における最小光出力と相関する値を結合効率ηが最大の場合における値未満とするレーザ装置を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す。 第１の実施形態に係る半導体レーザ素子およびレンズドファイバの側面図を示す。 第１の実施形態に係る半導体レーザ素子およびレンズドファイバの上面図を示す。 従来のレーザ装置の注入電流に対する光出力強度の関係の一例を示す。 第１の実施形態に係るレーザ装置の注入電流に対する光出力強度の関係のモデル図を示す。 第１の実施形態に係るレーザ装置のＡの値と、光出力線形始点の関係の一例を示す。 第１の実施形態に係るレーザ装置の結合距離Ｌと、Ｍ、Ｎ、およびηの関係の一例を示す。 第１の実施形態に係るレーザ装置の結合距離Ｌと、Ｂの値の関係の一例を示す。 第１の実施形態に係るレーザ装置のレンズ曲率半径と、Ｍ、Ｎ、およびηの関係の一例を示す。 第１の実施形態に係るレーザ装置のレンズ曲率半径と、Ｂの値の関係の一例を示す。 本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子およびレンズドファイバの側面図を示す。 第２の実施形態に係る半導体レーザ素子およびレンズドファイバの上面図を示す。 第１の実施形態に係るレーザ装置の光学系の調整フローを示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置５００の構成例を示す。図１は、レーザ装置５００の筐体５０２を切り欠いて示した側面図の一例である。レーザ装置５００は、半導体レーザ素子１００を搭載して光出力が線形となる光出力線形領域の範囲で用いられ、駆動最小光出力を半導体レーザ素子１００の発振閾値付近に近づけつつ、当該光出力範囲における光出力を安定化させる。

レーザ装置５００は、半導体レーザ素子１００と、筐体５０２と、底板部５０４と、筒状孔部５０６と、温度調節部５１０と、ベース部５２０と、マウント部５２２と、ファイバ固定部５２４と、光ファイバ５３０と、スリーブ部５４０と、受光部５５０と、波長選択素子５６０とを備える。

半導体レーザ素子１００は、一例として、リッジ構造を有するリッジ型半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子１００は、９８０ｎｍ帯域または１４８０ｎｍ帯域のレーザ光を出力する。

筐体５０２、底板部５０４、および筒状孔部５０６は、金属で形成される。筐体５０２、底板部５０４、および筒状孔部５０６は、一例として、銅タングステン（ＣｕＷ）で形成され、内部を密封する。筐体５０２、底板部５０４、および筒状孔部５０６は、バタフライ型のパッケージを形成してよい。

温度調節部５１０は、底板部５０４上に載置され、温度調節部５１０の底板部５０４とは反対側の上面の温度を一定に保つ。温度調節部５１０は、ペルチエ素子等を用いた電子冷却装置であってよい。ベース部５２０は、温度調節部５１０の上面に載置され、ベース部５２０の温度調節部５１０とは反対側の上面に、温度調節部５１０が一定に保つ温度を伝達する。ベース部５２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、銅タングステン（ＣｕＷ）、Ｓｉ、またはダイヤモンドを含む材料から形成されてよい。

マウント部５２２は、ベース部５２０の上面に載置され、半導体レーザ素子１００を固定する。マウント部５２２は、温度調節部５１０が一定に保つ温度を半導体レーザ素子１００に伝達して、半導体レーザ素子１００の周囲温度を一定に保つ。マウント部５２２は、ベース部５２０と同じ材料で形成されてよい。

ファイバ固定部５２４は、ベース部５２０の上面に載置され、光ファイバ５３０を固定する。ファイバ固定部５２４は、半田、樹脂、低融点ガラス、または接着剤等を用いて光ファイバ５３０を固定してよい。

光ファイバ５３０は、筐体５０２の外部より筒状孔部５０６を介して筐体５０２内に挿入される。光ファイバ５３０の先端部には、半導体レーザ素子１００の出射面と予め定められた結合効率ηで光学的に結合され、出射面から出力される光を波長選択素子５６０に入力させる光学系が形成される。光学系は、一端がレンズ状に加工され、半導体レーザ素子１００から出力されるレーザ光を波長選択素子５６０に導くレンズドファイバ５３２である。

これに代えて、光学系は、石英系ガラス等で形成されたボールレンズまたは円柱型レンズであってもよい。このような光学系は、半導体レーザ素子１００の光出力端面の近傍に固定されて半導体レーザ素子１００の光出力を集光する。これによって、光ファイバ５３０は、半導体レーザ素子１００の光出力を、筐体５０２の外部へと伝送することができる。

スリーブ部５４０は、筐体５０２と光ファイバ５３０の間に設けられ、光ファイバ５３０を筐体５０２に固定する。スリーブ部５４０は、半田、樹脂、低融点ガラス、または接着剤等を用いて光ファイバ５３０を固定してよい。

受光部５５０は、半導体レーザ素子１００の光出力を受光して、半導体レーザ素子１００の光出力をモニタする。受光部５５０は、半導体レーザ素子１００の高反射膜側に設けられてよい。受光部５５０は、フォトダイオードでよい。

波長選択素子５６０は、半導体レーザ素子１００の反射面との間で共振器を形成してレーザ発振させて、発振させたレーザ光を出力する。波長選択素子５６０は、半導体レーザ素子１００の光出力の一部を通過させ、残りを反射する波長選択フィルタである。波長選択素子５６０は、一例として、光ファイバ５３０のコア内の周期的な屈折率変調により、波長選択的な反射フィルタとして機能するファイバブラッググレーティングである。

図２は、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１００およびレンズドファイバ５３２の側面図を示す。図３は、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子およびレンズドファイバ５３２の上面図を示す。半導体レーザ素子１００は、高反射膜１０２と、低反射膜１０４とを有する。

高反射膜１０２は、半導体レーザ素子１００のレンズドファイバ５３２とは反対側の端面に形成され、レーザ光を反射させる。高反射膜１０２は、半導体レーザ素子１００の外部に設けられた波長選択素子５６０と光共振器を形成して、当該光共振器内でレーザ光を増幅する。高反射膜１０２は、ウエハを劈開して形成した端面に、複数の誘電体膜を積層することにより形成される。

低反射膜１０４は、半導体レーザ素子１００のレンズドファイバ５３２側の端面に形成され、レーザ光に対する反射率が高反射膜１０２より低く、共振器内で共振するレーザ光の一部を出射光として外部に出射させる。低反射膜１０４は、ウエハを劈開して形成した端面に、複数の誘電体膜を積層することにより形成される。半導体レーザ素子１００の光出力端面は、当該低反射膜１０４が形成され、出射光を出射する端面である。

レンズドファイバ５３２は、先端部が一方向であるＺ方向に凸レンズ状に加工され、Ｙ方向およびＸ方向には加工されないファイバである。半導体レーザ素子１００およびレンズドファイバ５３２は、結合距離Ｌだけ離れた位置に固定される。

図４は、従来のレーザ装置の注入電流に対する光出力強度の関係の一例を示す。ここで、従来のレーザ装置とは、第１の実施形態に係るレーザ装置５００の半導体レーザ素子１００およびレンズドファイバ５３２間の結合距離Ｌを、半導体レーザ素子１００およびレンズドファイバ５３２の光結合効率が最も高くなる位置に調整した装置のことである。図４の横軸は、半導体レーザ素子の発振閾値電流で規格化した、半導体レーザ素子への注入電流を示す。また、図４の縦軸は、レーザ装置の注入電流に対する光出力強度を示す。

図中の一点鎖線で示したグラフは、レーザ装置がシングルモード発振した場合の注入電流と光出力強度の関係を示し、図中の点線で示したグラフは、レーザ装置がマルチモード発振した場合の注入電流と光出力強度の関係を示す。

レーザ装置は、閾値電流以上の注入電流で駆動することでレーザ発振する。ここで、レーザ装置は、閾値付近の比較的低い注入電流の範囲で駆動させるとシングルモードで発振する。レーザ装置は、注入電流を増加させると、シングルモードおよびマルチモードが混在する不安定な光出力で発振し、さらに駆動電流を増加させることで、マルチモードで発振して光出力が安定になる。

即ち、レーザ装置は、閾値付近の比較的低い注入電流の範囲において、シングルモード発振、またはシングルモード発振とマルチモード発振が混在する状態で、光出力が不安定になる。そこで、従来は、レーザ装置の駆動させる最小の光出力を、例えば４０ｍＷ以上といった、マルチモードの発振が開始する光出力以上に設定して、対応する注入電流以上の駆動電流でレーザ装置を駆動していた。このように、レーザ装置は、例えば光出力が４０ｍＷ以上といった、光出力が線形となる光出力線形領域の範囲で用いる。

そこで、第１の実施形態に係るレーザ装置５００は、レーザ装置５００がシングルモード発振、またはシングルモード発振とマルチモード発振が混在する範囲を、より低い光出力強度の範囲に移動させ、レーザ装置５００の駆動最小光出力を低下させる。第１の実施形態に係るレーザ装置５００は、レーザ装置５００の光出力特性をモデル化して、レーザ装置５００の駆動最小光出力を低下させる条件を以下のように定める。

図５は、第１の実施形態に係るレーザ装置５００の注入電流に対する光出力強度の関係のモデル図を示す。図５の横軸は、半導体レーザ素子１００への注入電流を示す。また、図５の縦軸は、レーザ装置５００の注入電流に対する光出力強度を示す。

図中のη×Ｓ．Ｅ．_Ｓで示した点線は、レーザ装置５００が閾値電流Ｉ_ｔｈＳからシングルモード発振する注入電流と光出力強度の関係を示す。また、図中のη×Ｓ．Ｅ．_Ｍで示した点線は、レーザ装置５００が閾値電流Ｉ_ｔｈＭからマルチモード発振した場合の注入電流と光出力強度の関係を示す。

ここで、ηは、半導体レーザ素子１００と、半導体レーザ素子１００から出力される光を波長選択素子５６０に入力させる光学系との結合効率である。また、Ｉ_ｔｈＳは、レーザ装置５００がシングルモードで発振するシングルモード発振閾値であり、Ｓ．Ｅ．_Ｓは、シングルモードで発振する発振効率である。また、Ｉ_ｔｈＭは、レーザ装置５００がマルチモードで発振するマルチモード発振閾値であり、Ｓ．Ｅ．_Ｍは、マルチモードで発振する発振効率である。

レーザ装置５００は、注入電流の増加に伴い、Ｉ_ｔｈＳ近辺からシングルモード発振してレーザ光を出力して、シングルモード発振とマルチモード発振が混在する領域を経て、光出力線形始点よりマルチモード発振する光出力線形領域へと移行する。即ち、レーザ装置５００は、光出力線形始点である駆動最小光出力以上の光出力範囲において、マルチ縦モード発振する。

ここで、Ｉ_ｔｈＭを通り、−η×Ｓ．Ｅ．_Ｍで示す線を図中に引くと、注入電流軸、η×Ｓ．Ｅ．_Ｓ、および−η×Ｓ．Ｅ．_Ｍの各線分によって、面積Ａの三角形が形成される。三角形の面積Ａは、次の（１）式のように計算することができる。

Ａ＝｛Ｉ_ｔｈＳ ^２・Ｓ．Ｅ．_Ｍ・η・（Ｍ＋１）^−１・（Ｎ−１）^２｝／２ ・・・（１）

ここで、Ｍ＝Ｓ．Ｅ．_Ｍ／Ｓ．Ｅ．_Ｓ、Ｎ＝Ｉ_ｔｈＭ／Ｉ_ｔｈＳである。式（１）のＡの値は、半導体レーザ素子１００へ注入する注入電流に対して、光出力が線形となる光出力線形領域における最小光出力である光出力線形始点と相関する。

図６は、第１の実施形態に係るレーザ装置５００のＡの値と、光出力線形始点の関係の一例を示す。図６の横軸は、レーザ装置５００のＡの値の１／２乗（ルート）を示す。また、図６の縦軸は、レーザ装置５００の光出力線形始点を示す。

ここで、図６は、複数のレーザ装置５００を実際に作製した後に、複数のレーザ装置５００の注入電流に対する光出力特性をそれぞれ測定し、式（１）のＡおよび光出力線形始点を求めてプロットした結果である。図６より、式（１）のＡの１／２乗と、光出力線形始点とは、比例の関係にあることがわかる。即ち、レーザ装置５００は、式（１）のＡの値を小さくすることで、光出力線形始点を小さくすることができる。さらに、この相関を用いてＡの値を限りなく小さくすることで、光出力線形始点をゼロに近づけることもできる。この場合、Ａの１／２乗の値は１に近づく。

そこで、第１の実施形態に係るレーザ装置５００は、光出力線形始点と相関する式（１）のＡの値を、駆動最小光出力に対して許容される値未満とする。即ち、式（１）より、Ａの値が駆動最小光出力に対して許容される値未満となるように各パラメータη、Ｉ_ｔｈＳ、Ｉ_ｔｈＭ、Ｓ．Ｅ．_Ｓ、およびＳ．Ｅ．_Ｍを定める。

例えば、レーザ装置５００の駆動最小光出力を１０ｍＷにしたい場合、図６のグラフより、Ａの値として許容される値を１６程度と決めることができる。ここで、Ａの値の単位は、ｍＷ・ｍＡとなる。したがって、式（１）を用いて、Ａの値が１６以下となる各パラメータの値を求め、各パラメータに基づいてレーザ装置５００を形成することで、当該レーザ装置５００の駆動最小光出力を１０ｍＷにすることができる。

レーザ装置５００は、光学系を調整することで、各パラメータの値を調節することができる。また、レーザ装置５００は、半導体レーザ素子１００の設計値を調節して製造することで、各パラメータの値を調節することもできる。例えば、レーザ装置５００は、光学系の配置を調整することで、ηを直接変えることができる。

ここで、Ｉ_ｔｈＳは、実効ミラーロス、内部ロス、内部量子効率、閉じ込め係数、利得、量子井戸数、およびストライプ幅等に依存することが考えられる。ここで、実効ミラーロス以外は、半導体レーザ素子１００の設計パラメータであり、光学系の調整にはほとんど影響されない。また、実効ミラーロスは、半導体レーザ素子１００の素子長、素子端面反射率、波長選択素子５６０の反射率、および結合効率ηに依存することが考えられる。即ち、結合効率η以外は、半導体レーザ素子１００またはレーザ装置５００の設計パラメータであり、光学系の調整にはほとんど影響されない。

このように、Ｉ_ｔｈＳは、光学系の調整ではほとんど変化しないことが予想される。実際に、レーザ装置５００は、光学調整で結合効率ηを８０％から６５％に変えても、Ｉ_ｔｈＳの値を３．５％程度しか変化させない例が実験的に得られた。

また、Ｓ．Ｅ．_Ｍは、実効ミラーロス、内部ロス、および内部量子効率に依存することが考えられ、当該パラメータも光学系の調整ではほとんど変化しないことが予想される。実際に、レーザ装置５００は、光学調整で結合効率ηを８０％から６５％に変えても、Ｓ．Ｅ．_Ｍの値を１％程度しか変化させない例が実験的に得られた。

以上より、レーザ装置５００は、半導体レーザ素子１００の設計により、光学系の調整とはほとんど関係なしにＩ_ｔｈＳおよびＳ．Ｅ．_Ｍの値を調節することができることがわかる。また、Ｉ_ｔｈＳおよびＳ．Ｅ．_Ｍは、Ａを与える式（１）の前半部分であるから、当該部分と定数を除いた式をＢとして定義する。

Ｂ＝η・（Ｍ＋１）^−１・（Ｎ−１）^２ ・・・（２）

即ち、Ｂの値は、Ａの値のうち、光学調整によって変化する部分を与える式となる。そこで、レーザ装置５００が、光学調整によって、Ｂ、Ｍ、Ｎ、およびηがどのように変化するのかを、実験によって次のように明らかにした。

図７は、第１の実施形態に係るレーザ装置５００の結合距離Ｌと、Ｍ、Ｎ、およびηの関係の一例を示す。結合距離Ｌは、半導体レーザ素子１００およびレンズドファイバ５３２間の距離である。本例において、結合距離Ｌが略１０μｍから増加するにつれて、ηの値は小さくなり、実験結果の範囲において結合距離Ｌが略１０μｍの場合に最も結合効率が高くなることがわかる。その一方で、ＭおよびＮは、結合距離Ｌの増加に対して複雑に変化することがわかる。

図８は、第１の実施形態に係るレーザ装置５００の結合距離Ｌと、Ｂの値の関係の一例を示す。Ｂの値は、ＭおよびＮの変化を反映して、結合距離Ｌの増加に対して複雑に変化することがわかる。例えば、Ｂの値は、結合距離Ｌの値が略１１μｍの場合にピークが見られ、当該Ｂの値の変化の傾向は、結合効率の変化の傾向とは異なることがわかる。ここで、Ａの値は、Ｂの値に光学調整ではほとんど変化のないパラメータを乗じた値なので、Ａの値の変化の傾向も、Ｂの値と同様に結合効率の変化の傾向とは異なる。

即ち、レーザ装置５００は、結合効率ηの値を下げても、ＡおよびＢの値を増加させる場合があることがわかる。そこで、レーザ装置５００の光学系は、Ａの値を、結合効率ηが最大の場合におけるＡの値未満とするように調整される。本実施例において、レンズドファイバ５３２は、半導体レーザ素子１００のレーザ光出射端に対して、結合効率ηを最大とする位置より、Ａの値を結合効率ηが最大の場合におけるＡの値未満とする離れた位置に配置される。

このような調整は、Ｂの値についても同様であるので、レーザ装置５００の光学系は、Ｂの値を、結合効率ηが最大の場合におけるＢの値未満とするように調整してよい。即ち、レンズドファイバ５３２は、半導体レーザ素子１００のレーザ光出射端に対して、結合効率ηを最大とする位置より、Ｂの値を結合効率ηが最大の場合におけるＢの値未満とする離れた位置に配置してよい。図中の例において、例えば、レーザ装置５００は、結合距離Ｌを１３μｍ以上離すことで、Ｂの値を結合効率ηが最大の場合におけるＢの値未満にすることができる。

これによって、レーザ装置５００は、Ａの値のうち、光学調整で定められるＢの値を光学系によって調節することができる。また、半導体レーザ素子１００の設計値を調節することで、Ｉ_ｔｈＳおよびＳ．Ｅ．_Ｍを定めることができるので、Ａの値に基づき、光出力線形始点を定めることができる。

図９は、第１の実施形態に係るレーザ装置のレンズ曲率半径と、Ｍ、Ｎ、およびηの関係の一例を示す。本例において、レンズ曲率半径が略５μｍから増加するにつれて、ηの値は小さくなり、実験結果の範囲においてレンズ曲率半径が略５μｍの場合に最も結合効率が高くなることがわかる。また、ＭおよびＮは、実験結果の範囲において、レンズ曲率半径の増加に対して単調に変化することがわかる。

図１０は、第１の実施形態に係るレーザ装置のレンズ曲率半径と、Ｂの値の関係の一例を示す。Ｂの値は、ＭおよびＮの変化を反映して、レンズ曲率半径の増加に対して単調に変化することがわかる。したがって、ＡまたはＢの値を調整すべく、レンズ曲率半径を増加させてもよい。即ち、レーザ装置５００は、レンズドファイバ５３２のレンズ曲率半径を、半導体レーザ素子１００のレーザ光出射端に対して、結合効率を最大とする曲率半径よりも大きくする。これによって、レーザ装置５００は、Ｂの値を結合効率ηが最大の場合におけるＢの値未満にすることができる。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子およびレンズドファイバ５３２の側面図を示す。図１２は、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子およびレンズドファイバ５３２の上面図を示す。

レンズドファイバ５３２は、例えば、先端部にＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート等の処理を施して、先端部の光の反射を低減できる。しかしながら、レンズドファイバ５３２の先端は、このような処理を施しても、半導体レーザ素子１００に向けて微弱な反射光を入射させてしまう場合がある。この反射光は、半導体レーザ素子１００の不安定な発振の原因となり、反射光の強度が大きくなると、レーザ装置５００の光出力線形始点がより高い出力の方向へと移動する。

本発明の第２の実施形態は、レンズドファイバ５３２の先端を加工して、レンズドファイバ５３２の先端からの反射光を低減させる。第２の実施形態において、レンズドファイバ５３２は、一端において２以上の方向にレンズ状に加工される。図１１および図１２の例において、レンズドファイバ５３２は、Ｚ方向およびＹ方向に凸レンズ状に加工され、Ｘ方向には加工されないファイバである。

このように、レンズドファイバ５３２の先端を加工することによって、半導体レーザ素子１００の方向へと伝搬する反射光を低減させることができる。したがって、第２の実施形態におけるレンズドファイバ５３２は、第１の実施形態のレンズドファイバ５３２が半導体レーザ素子１００に対する配置位置よりも、半導体レーザ素子１００側に近づけることができる。

これによって、レンズドファイバ５３２と半導体レーザ素子１００との結合係数ηを調整しつつ、レーザ装置５００の光出力線形始点をより低い出力の方向へと移動させることができる。即ち例えば、第２の実施形態に係るレーザ装置５００は、第１の実施形態に係るレーザ装置５００に比べて、光出力線形始点を変えずに、同一の注入電流に対する光出力をより大きくすることができる。

また、レンズドファイバ５３２の先端で発生する反射光強度が、光出力線形始点を予め定められた位置よりも高出力方向へと変動しない程度に低い場合、レンズドファイバ５３２は、半導体レーザ素子１００との結合効率ηを最大とする位置Ｌにより近づけて配置されてよい。一例として、レンズドファイバ５３２は、光学系を調節する場合に、半導体レーザ素子１００との結合効率ηを極大とする位置Ｌに配置されてよい。これによって、レーザ装置５００は、半導体レーザ素子１００とレンズドファイバ５３２との結合効率ηを高くしつつ、光出力線形始点を低出力方向へと下げることができる。

また、レンズドファイバ５３２のＺ方向に加工する凸レンズの曲率半径を、結合効率が最大となる曲率半径よりも大きく、または小さくしても良い。図９および図１０の結果より、ＡまたはＢの値を調整すべく、レンズ曲率半径を調節してよい。

第２の実施形態において、レンズドファイバ５３２の一端が２方向にレンズ状に加工された例を説明した。これに代えて、レンズドファイバ５３２は、ＹＺ方向にも凸レンズ状に加工された３方向に加工されたファイバであってよい。これに代えて、レンズドファイバ５３２は、より多くの方向に加工されたファイバであってよい。これに代えて、レンズドファイバ５３２は、球面または非球面に加工されたファイバであってよい。

図１３は、第１の実施形態に係るレーザ装置５００の光学系の調整フローを示す。まず、レーザ装置５００の光出力範囲を決定する（Ｓ９００）。即ち、レーザ装置５００の駆動最小光出力を決定する。例えば、レーザ装置５００の光出力範囲を１０ｍＷ以上の範囲で用いると決める。

次に、決定した駆動最小光出力に応じて、半導体レーザ素子１００へ注入する注入電流に対して、レーザ装置５００の光出力が線形となる光出力線形領域における最小光出力となる最小線形光出力である光出力線形始点を決定する（Ｓ９１０）。ここで、光出力線形始点は、駆動最小光出力以下の値の範囲で決定する。例えば、光出力線形始点を８ｍＷと決める。

次に、決定した光出力線形始点に対応するＡの最大値を決定する（Ｓ９２０）。ここで、Ａの最大値は、図６のグラフより得ることができる。例えば、光出力線形始点が８ｍＷ以下となるように、Ａの最大値を１６ｍＷ・ｍＡと決定する。

次に、決定したＡの最大値に基づき、Ｂの最大値を得る（Ｓ９３０）。即ち、用いる半導体レーザ素子１００に応じて、Ｉ_ｔｈＳおよびＳ．Ｅ．_Ｍを定めることができるので、式（１）および式（２）より、決定したＡの最大値に対応するＢの最大値を得ることができる。

ここで、製造した半導体レーザ素子１００のチップ毎に、Ｉ_ｔｈＳおよびＳ．Ｅ．_Ｍを予め測定して、Ａおよび／またはＢの値に基づいて対応するＩ_ｔｈＳおよびＳ．Ｅ．_Ｍを有する半導体レーザ素子１００を選別してよい。また、予め製造する半導体レーザ素子１００の製造パラメータとＩ_ｔｈＳおよびＳ．Ｅ．_Ｍとの相関を記録し、Ｉ_ｔｈＳおよびＳ．Ｅ．_Ｍに応じた半導体レーザ素子１００を製造してよい。

次に、Ｂの最大値に基づき、光学系を調整する（Ｓ９４０）。即ち、Ｂの最大値を超えないように、光学系を調整する。例えば、半導体レーザ素子１００およびレンズドファイバ５３２間の結合距離Ｌまたはレンズドファイバ５３２のレンズ曲率半径を調節して、Ｂの値を半導体レーザ素子１００の出射面との結合効率ηが最大の場合におけるＢの値未満にする。

このように、レーザ装置５００は、予め定めたレーザ装置５００の光出力範囲に基づき、光学系の具体的な調整目標値を得ることができる。レーザ装置５００は、レーザ装置５００内部の光学系を、ＡまたはＢの最大値を超えないように調整することで、予め定めたレーザ装置５００の光出力範囲においてマルチ縦モード発振させて光出力を安定にすることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 半導体レーザ素子、１０２ 高反射膜、１０４ 低反射膜、５００ レーザ装置、５０２ 筐体、５０４ 底板部、５０６ 筒状孔部、５１０ 温度調節部、５２０ ベース部、５２２ マウント部、５２４ ファイバ固定部、５３０ 光ファイバ、５３２ レンズドファイバ、５４０ スリーブ部、５５０ 受光部、５６０ 波長選択素子

Claims (14)

1. 半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子の反射面との間で共振器を形成してレーザ発振させて、発振させたレーザ光を出力する波長選択素子と、
   前記半導体レーザ素子の出射面と結合効率ηで光学的に結合され、前記出射面から出力される光を前記波長選択素子に入力させる光学系と、
   を備え、
   前記光学系は、前記半導体レーザ素子へ注入する注入電流に対して、光出力が線形となる光出力線形領域における最小光出力と相関する次式Ａの値を前記結合効率ηが最大の場合におけるＡの値未満とするレーザ装置。
   Ａ＝｛Ｉ_ｔｈＳ ^２・Ｓ．Ｅ．_Ｍ・η・（Ｍ＋１）^−１・（Ｎ−１）^２｝／２ （１）
   ここで、
   Ｍ＝Ｓ．Ｅ．_Ｍ／Ｓ．Ｅ．_Ｓ、Ｎ＝Ｉ_ｔｈＭ／Ｉ_ｔｈＳ
   Ｉ_ｔｈＳ：シングルモード発振閾値
   Ｉ_ｔｈＭ：マルチモード発振閾値
   Ｓ．Ｅ．_Ｓ：シングルモード効率
   Ｓ．Ｅ．_Ｍ：マルチモード効率
   である。
2. 前記光出力線形領域において、マルチ縦モード発振する請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記光学系は、一端がレンズ状に加工され、前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を前記波長選択素子に導くレンズドファイバである、請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記レンズドファイバは、前記半導体レーザ素子のレーザ光出射端に対して、結合効率を最大とする位置より離れた位置に配置される請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記レンズドファイバのレンズ曲率半径は、前記半導体レーザ素子のレーザ光出射端に対して、結合効率を最大とする曲率半径よりも大きい請求項３に記載のレーザ装置。
6. 前記レンズドファイバは、一端において２以上の方向にレンズ状に加工された請求項３から５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
7. 前記光学系は、前記Ａの値を１６ｍＷ・ｍＡ未満とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
8. 半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子の反射面との間で共振器を形成してレーザ発振させ、発振させたレーザ光を出力する波長選択素子と、
   前記半導体レーザ素子の出射面と結合効率ηで光結合され、前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を前記波長選択素子に導くレンズドファイバと、
   を備え、
   前記レンズドファイバは、光出力が線形となる光出力線形領域における最小光出力と相関する次式Ｂの値を前記結合効率ηが最大の場合におけるＢの値未満とするレーザ装置。
   Ｂ＝η・（Ｍ＋１）^−１・（Ｎ−１）^２ （２）
   ここで、
   Ｍ＝Ｓ．Ｅ．_Ｍ／Ｓ．Ｅ．_Ｓ、Ｎ＝Ｉ_ｔｈＭ／Ｉ_ｔｈＳ
   Ｉ_ｔｈＳ：シングルモード発振閾値
   Ｉ_ｔｈＭ：マルチモード発振閾値
   Ｓ．Ｅ．_Ｓ：シングルモード効率
   Ｓ．Ｅ．_Ｍ：マルチモード効率
   である。
9. 前記レンズドファイバのレンズ曲率半径は、前記半導体レーザ素子のレーザ光出射端に対して、結合効率を最大とする曲率半径よりも大きい請求項８に記載のレーザ装置。
10. 前記光出力線形領域において、マルチ縦モード発振する請求項８または９に記載のレーザ装置。
11. 前記レンズドファイバは、一端において２以上の方向にレンズ状に加工された請求項８から１０のいずれか１項に記載のレーザ装置。
12. 前記波長選択素子は、ファイバブラッググレーティングである請求項１から１１のいずれか１項に記載のレーザ装置。
13. 前記半導体レーザ素子は、９８０ｎｍ帯域または１４８０ｎｍ帯域のレーザ光を出力する請求項１から１２のいずれか１項に記載のレーザ装置。
14. 半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の反射面との間で共振器を形成してレーザ発振させる波長選択部と、前記半導体レーザ素子が出力するレーザ光を前記波長選択部に導く光学系と、を有するレーザ装置の光学系の調整方法であって、
    前記レーザ装置の駆動最小光出力を決定する光出力範囲決定段階と、
    前記半導体レーザ素子へ注入する注入電流に対して、前記レーザ装置の光出力が線形となる光出力線形領域における最小光出力となる最小線形光出力を決定する最小線形光出力決定段階と、
    前記最小線形光出力に相関する次式で定義されるＡ中に含まれる、前記半導体レーザ素子と前記光学系との光結合に相関するＢの値の最大値とを定める最大値決定段階と、
    を備え、
    前記最大値決定段階において、前記Ｂの値を前記半導体レーザ素子の出射面との結合効率ηが最大の場合におけるＢの値未満にする調整方法。
    Ａ＝｛Ｉ_ｔｈＳ ^２・Ｓ．Ｅ．_Ｍ・η（Ｍ＋１）^−１・（Ｎ−１）^２｝／２ （１）
    Ｂ＝η（Ｍ＋１）^−１・（Ｎ−１）^２ （２）
    ここで、
    Ｍ＝Ｓ．Ｅ．_Ｍ／Ｓ．Ｅ．_Ｓ、Ｎ＝Ｉ_ｔｈＭ／Ｉ_ｔｈＳ
    Ｉ_ｔｈＳ：シングルモード発振閾値
    Ｉ_ｔｈＭ：マルチモード発振閾値
    Ｓ．Ｅ．_Ｓ：シングルモード効率
    Ｓ．Ｅ．_Ｍ：マルチモード効率
    である。

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