JP4449316B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の活性領域を備えた半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザ装置は高集光化が望まれ、その手段として活性領域間の位相同期化（コヒーレント化）が提案され、その半導体レーザ装置が公知である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、従来の位相同期半導体レーザ装置の概念図を示しており、１０１は図示しない活性領域が２次元的に配列された半導体レーザダイオード、１０２は部分反射鏡、１０６は集光レンズ、１０７はＣＣＤカメラである。
【０００４】
ＣＣＤカメラ１０７は図示しない光強度分布測定装置に接続されており、光強度分布を計測でき、半導体レーザダイオード１０１と部分反射鏡１０２の距離は、（１／４）タルボット長である。ここで、図示しない活性領域間隔をｄ、発振波長をλとすると、タルボット長Ｚｔは、Ｚｔ＝（２ｄ²）/λで与えられる。
【０００５】
以上のように構成された半導体レーザ装置について、その動作を説明する。半導体レーザダイオード１０１から放出されたレーザ光１０４は大部分が部分反射鏡１０２を透過するが、一部は半導体レーザダイオード１０１に帰還する。この帰還するレーザ光１０４の光路長は（１／２）タルボット長となり、帰還したレーザ光の一部は２次元的に配列された活性領域に入射する。そして、活性領域に入射したレーザ光は、そのレーザ光と同位相のレーザ光を引き起こす。
【０００６】
このようにして活性領域間をコヒーレント化し、コヒーレント化したレーザ光の大部分は部分反射鏡１０２を透過し、位相同期レーザ光１０５となる。位相同期レーザ光１０５は集光レンズ１０６により集光し、ＣＣＤカメラ１０７に入射する。
【０００７】
レーザ光の位相を同期させるには、この光強度分布が単峰となるように半導体レーザダイオード１０１と部分反射鏡１０２の距離を調整する。
【０００８】
【非特許文献１】
Ａｐｏｌｌｏｎｏｖ Ｖ.Ｖ.ら（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２８（１９９８））
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の半導体レーザ装置では、各活性領域に入射するレーザ光は、複数の活性領域から放出したレーザ光であるため、各活性領域の位相の交じり合ったレーザ光となり、高集光化を阻害するという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、高集光が可能な位相同期半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、レーザ光を放出する活性領域が活性層に平行な方向に複数個配置されたレーザ光放出手段と、前記複数の活性領域から放出されたレーザ光のビーム発散性を抑制するコリメートレンズとを備え、前記コリメートレンズの前記活性領域に相対する面に部分反射コーティングを施し、前記活性領域から放出された各レーザ光の一部を前記活性領域に隣り合う活性領域の一方に反射させ、かつ、前記レーザ光を放出する活性領域から前記部分反射コーティングを施した面で反射され前記隣り合う活性領域に入射するまでの光路長が（１／４）＊タルボット長の整数倍とし、前記部分反射コーティングを施したコリメートレンズの面を非軸放物面形状として反射光を前記隣り合う活性領域の一方に入射する収束光とした半導体レーザ装置であって、前記コリメートレンズとしてコリメート層と充填層からなる多層結合コリメートレンズを用い、真空中若しくは空気中を伝播する場合に比較して長くなる前記充填層中を伝播するレーザ光の光路長も考慮して前記光路長を（１／４）＊タルボット長の整数倍とした構成によって、位相同期化でき、高集光な半導体レーザ装置を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて詳細に説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１に、実施の形態１における概念図を示す。図１において、１はアレイ化レーザダイオードであり、望ましくはストライプ型二重へテロ構造であり、ヒートシンク２０上に半田付けされている。アレイ化レーザダイオード１は複数の活性領域で構成しており、本実施の形態では、水平方向に５個の場合を示している。２，３，４，５，６はそれぞれ活性領域である。活性領域２から６は、各々レーザ光２１から２５を放出する。
【００１５】
１１は結合コリメートレンズであり、活性領域２から６に相対する面をＳ１とし、面Ｓ１に対応した反対側の内面をＳ２とすると、面Ｓ１には部分反射コーティングを施し、望ましくは１０％反射として、面Ｓ２には無反射コーティングを施している。
【００１６】
面Ｓ１は、活性領域２から５に相対する位置に非軸放物面が形成され、面Ｓ２は、活性領域２から６に相対する位置に非球面形状が形成されている。結合コリメートレンズ１１は、活性領域２から５より放出されたレーザ光２１から２４一部が反射して、それらの反射光が各々隣接する活性領域３から６に入射され、かつ、その光路長が（１／４）タルボット長の整数倍、望ましくは２倍、となるように配置する。なお、タルボット長Ｚｔは、活性領域間隔をｄ、発振波長をλとする場合、Ｚｔ＝（２ｄ²）/λで与えられる。
【００１７】
以上のように構成された半導体レーザ装置について、その動作を説明する。まず、活性領域２より放出されたレーザ光２１は、結合コリメートレンズ１１の面Ｓ１に入射する。入射したレーザ光２１のうち約９０％はレーザ光２１ａとして、結合コリメートレンズ１１を透過し面Ｓ２まで達し、そのレンズ形状により、発散性を抑制されて放出する。
【００１８】
また、面Ｓ１に入射したレーザ光２１の残り約１０％はレーザ光２１ｂとして、面Ｓ１の非軸放物面形状により光路を曲げられ、隣接する活性領域３に入射する。このときのレーザ光２１の光路長は（１／２）タルボット長である。
【００１９】
また、このレーザ光は収束光であり、そのＮＡは、活性領域と、図示しないクラッド層の屈折率により定まるが、半導体レーザのＮＡより小さい。活性領域３では、活性領域３が放出するレーザ光２２の位相と、面Ｓ１の非軸放物面形状により光路を曲げられ、隣接する活性領域３に入射したレーザ光２１の位相が同期する。
【００２０】
同様に、活性領域３，４，５からそれぞれ放出されるレーザ光２２，２３，２４の各約１０％はそれぞれレーザ光２２ｂ，２３ｂ，２４ｂとして、それぞれ隣接する活性領域４，５，６に入射し、その結果、レーザ光２２とレーザ光２１ｂ，レーザ光２３とレーザ光２２ｂ，レーザ光２４とレーザ光２３ｂ，レーザ光２５とレーザ光２４ｂはそれぞれ位相が同期し、コヒーレント化する。
【００２１】
なお、面Ｓ１の非軸放物面形状は平面形状であってもよい。
【００２２】
また、面Ｓ２は非球面だけでなく、球面や平面としてもよい。
【００２３】
また、本実施の形態では、面Ｓ１にてレーザ光が部分反射する構成としたが、面Ｓ２において部分反射する構成にしてもよい。
【００２４】
以上のように、各活性領域のレーザ光を、光路長が（１／４）タルボット長の整数倍となるように、隣接する活性領域に入射することによりコヒーレント化でき、それによって、高集光な半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２５】
（実施の形態２）
本実施の形態において、実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。図２は、実施の形態２の概念図であり、７は、その他の活性領域３から６に比較して開口寸法が小さい活性領域であり、レーザ光２６を放出する。
【００２６】
ここで、実施の形態１と異なるのは、レーザ光２６の光強度分布は、レーザ光２２から２５に比較して低次光強度分布、望ましくは単一光強度分布（ガウス光強度分布）、となる点である。
【００２７】
以上のように構成された半導体レーザ装置について、その動作を説明する。実施の形態１と同様な動作をするが、異なる点は、レーザ光２６の光強度分布が単一光強度分布であるため、レーザ光２２から２５の光強度分布次数が低下する点である。
【００２８】
なお、面Ｓ１の非軸放物面形状は平面形状であってもよい。また、面Ｓ２は非球面だけでなく、球面，平面としてもよい。
【００２９】
また、本実施の形態では、面Ｓ１にてレーザ光が部分反射する構成としたが、面Ｓ２において部分反射する構成にしてもよい。
【００３０】
また、本実施の形態では言及しなかったが、活性領域３から７の開口寸法がそれぞれ異なっていてもよい。
【００３１】
また、その開口寸法に対応して、結合コリメートレンズの反射率を位置によって可変してもよい。
【００３２】
以上のように、単一光強度分布のレーザ光を、光路長が（１／４）タルボット長の整数倍となるように、隣接する活性領域に入射することによりコヒーレント化した低次光強度分布レーザ光を放出することができ、それによって、高集光な半導体レーザ装置を得ることができる。
【００３３】
（実施の形態３）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。図３は実施の形態３の概念図であり、図３において、１４は多層結合コリメートレンズであり、コリメート層１２と充填層１３から構成されている。
【００３４】
実施の形態１の結合コリメートレンズ１１と異なる点は、コリメート層１２の形状は実施の形態１の結合コリメートレンズ１１と同一であるが、コーティングが異なる点と、充填層１３は高屈折率材料、望ましくは、高屈折率光学ガラスで形成し、コリメート層１２と光学接着剤で貼り合わせた点である。また、要求する光路長が、充填層１３中を伝搬するレーザ光の光路長も考慮して（１／４）タルボット長の整数倍、望ましくは２倍、となるように設置する。
【００３５】
以上のように構成された半導体レーザ装置について、その動作を説明する。実施の形態１と同様な動作をするが、異なる点は、充填層１３中を伝搬するレーザ光の光路長は真空、若しくは空気中を伝搬する場合に比較して長くなる。そのため、実施の形態１と比較すると、多層結合コリメートレンズ１４をアレイ化レーザダイオード１の近傍に設置できる。
【００３６】
なお、本実施の形態ではコリメート層１２と充填層１３を貼り合わせたが、貼り合わせず、空隙を設けて構成もよい。
【００３７】
また、充填層の形状は、コリメート層１２を反転した形状ではなく、平板形状としてもよい。
【００３８】
以上のように、レーザ光を、光路長が（１／４）タルボット長の整数倍となるように、光路中に高屈折率材料を配置したため、コヒーレント化した光強度分布レーザ光を放出する小型な半導体レーザ装置を得ることができる。
【００３９】
（実施の形態４）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。図４は実施の形態４の概念図を示しており、図４（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示している。実施の形態１の半導体レーザ装置を鉛直上方に積み上げ、結合プリズム１５を設けている点が実施の形態１と異なる。本実施の形態では３段積み上げた場合を示す。結合プリズム１５の、活性領域２や結合コリメートレンズ１１に相対する面をＳ１とし、面Ｓ１に対応した反対側の内面をＳ２とする。面Ｓ１には無反射コーティングを施し、面Ｓ２には部分反射コーティング、望ましくは１０％反射、を施している。
【００４０】
結合プリズム１５は、ある活性領域から放出するレーザ光をその活性領域の上下段に位置する活性領域に入射し、かつ、その光路長が（１／４）タルボット長の整数倍、望ましくは２倍、となるように設置する。
【００４１】
以上のように構成された半導体レーザ装置について、その動作を説明する。各段は実施の形態１と同様な動作をする。異なる点は、活性領域２から６からそれぞれ放出されるレーザ光２１から２５が結合コリメートレンズ１１を通過した後、活性領域２からの放出されたレーザ光２１ａのみが結合プリズム１５に入射する。そして、結合プリズム１５に入射したレーザ光の約９０％は結合プリズム１５の面Ｓ１を透過し、残り約１０％は光路を曲げられ、レーザ光２１ｃとして鉛直上方、若しくは下方の活性領域に入射する（図４（ｂ）参照）。このときのレーザ光の光路長は（１／２）タルボット長である。
【００４２】
これにより、鉛直上方、若しくは下方の活性領域が放出するレーザ光２１ｃの位相とレーザ光２１ａの位相が同期する。この同期したレーザ光が、実施の形態１の動作と同様に、水平方向に伝搬して、その結果、２次元的に配列した各活性領域から放出するレーザ光がコヒーレント化する。
【００４３】
なお、本実施の形態では、結合プリズム１５を1個としたが、複数個としてもよい。
【００４４】
また、面４を部分反射コーティングとしたが、全反射コーティング、もしくは、一部分のみ部分反射コーティングを施してもよい。
【００４５】
以上のように、各段のレーザ光を、光路長が（１／４）タルボット長の整数倍となるように、鉛直上方、若しくは、下方に位置する活性領域に入射することによりコヒーレント化したレーザ光を放出する２次元配列の半導体レーザ装置を提供することができる。
【００４６】
（実施の形態５）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。図５（ａ），（ｂ）は実施の形態５の概念図を示し、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は実施の形態５の説明図で、図７は実施の形態５の調整フローチャートを示している。
【００４７】
図５（ａ）に示すように、活性領域２，３，４，５，６に相対する位置にそれぞれの部分反射鏡２８，２９，３０，３１を設ける。各反射鏡は、個別に調整できる。各部分反射鏡を透過したレーザ光の波長をファイバ付き波長計（図示せず）で計測する。計測した結果を図５（ｂ）に示す。図において、横軸は波長、縦軸は光の強度（相対値）を表している。
【００４８】
以上の構成において、半導体レーザ装置の調整方法を図７に沿って説明する。本実施の形態では、図５において、部分反射鏡２８を調整し、活性領域２より放出するレーザ光の一部を隣接する活性領域３に入射させる場合を考える。
【００４９】
最初に、活性領域２より放出されるレーザ光の一部を活性領域３に導かない状態、即ち、非位相結合状態とする。ファイバ付き波長計を用いて活性領域３のレーザ光の波長を計測し、図６（ａ）に示す波長の中心値λ０を求める。図において、横軸は波長、縦軸は光の強度（相対値）を表している。
【００５０】
次に、部分反射鏡２８を調整し、ファイバ付き波長計により計測する波長の中心値λｃが、所定の波長以上にずれるまで調整する（図６（ｂ）のずれΔλｃ参照）。このずれは、レーザ光が活性領域３に入射することで活性領域の温度が上昇するために発生する。
【００５１】
このとき、波長の中心幅δλ１も計測する。図７では、一例として、所定のずれΔλｃを１０ｎｍとしたが、これは使用する半導体レーザにより変化する。この調整により、活性領域２より放出するレーザ光の一部が活性領域３に入射したことが確認でき、即ち、光路が調整できたことがわかる。
【００５２】
続いて、ファイバ付き波長計により計測する波長の中心幅δλ２と前述した波長の中心幅δλ１のずれΔδλ（Δδλ＝δλ１―δλ２）が、所定値以下になるように部分反射鏡２８を調整する。
【００５３】
この変化は、活性領域２と活性領域３のレーザ光の位相が同期し、本来、多峰型光強度分布であるものが、単峰型光強度分布に変るために発生する。図７では、一例として、所定のずれΔδλを５ｎｍとしたが、これは使用する半導体レーザにより変化する。この調整により、活性領域２より放出するレーザ光の一部が活性領域３に入射した時の光路長が（１／４）＊タルボット長の整数倍であることがわかる。
【００５４】
以上のように調整すれば、位相が同期し、それによって、高集光な位相同期半導体レーザを得ることができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、活性領域からの放出するレーザ光の一部を隣り合う活性領域に入射させるコリメートレンズを備えることにより活性領域間の位相同期をすることができ、それによって、高集光な半導体レーザ装置を得ることができる。
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における概念図
【図２】同実施の形態２における概念図
【図３】同実施の形態３における概念図
【図４】（ａ），（ｂ）は同実施の形態４における概念図
【図５】（ａ）同実施の形態５における概念図
（ｂ）計測結果の説明図
【図６】（ａ），（ｂ），（ｃ）は同実施の形態５における説明図
【図７】同実施の形態５における調整フローチャート
【図８】従来の位相同期半導体レーザ装置概念図
【符号の説明】
１ アレイ化レーザダイオード
２，３，４，５，６，７ 活性領域Ｆ
１１ 結合コリメートレンズ
１２ コリメート層
１３ 充填層
１４ 多層結合コリメートレンズ
１５ 結合プリズム
２０ ヒートシンク
２１，２２，２３，２４，２５，２６ レーザ光
２７ ファイバ付き波長計
２８，２９，３０，３１ 部分反射鏡

Claims (3)

1. レーザ光を放出する活性領域が活性層に平行な方向に複数個配置されたレーザ光放出手段と、前記複数の活性領域から放出されたレーザ光のビーム発散性を抑制するコリメートレンズとを備え、前記コリメートレンズの前記活性領域に相対する面に部分反射コーティングを施し、前記活性領域から放出された各レーザ光の一部を前記活性領域に隣り合う活性領域の一方に反射させ、かつ、前記レーザ光を放出する活性領域から前記部分反射コーティングを施した面で反射され前記隣り合う活性領域に入射するまでの光路長が（１／４）＊タルボット長の整数倍とし、前記部分反射コーティングを施したコリメートレンズの面を非軸放物面形状として反射光を前記隣り合う活性領域の一方に入射する収束光とした半導体レーザ装置であって、前記コリメートレンズとしてコリメート層と充填層からなる多層結合コリメートレンズを用い、真空中若しくは空気中を伝播する場合に比較して長くなる前記充填層中を伝播するレーザ光の光路長も考慮して前記光路長を（１／４）＊タルボット長の整数倍とした半導体レーザ装置。
2. 収束光のＮＡが、活性層とクラッド層の屈折率より定まるレーザ光のＮＡ以下である請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 活性領域を活性層の厚さ方向に積み重ね、前記活性領域からのレーザ光の一部を前記活性層の厚さ方向に隣り合う上または下の活性領域に反射させた請求項１記載の半導体レーザ装置。

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