JP4799911B2 - 半導体レーザ装置及び半導体増幅装置 - Google Patents

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及び半導体増幅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 Oscillator Power Amplifier）型や、α−ＤＦＢ（α-Distributed Feedback Braggreflector）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。

従来の半導体レーザ装置としては、例えば非特許文献１に記載されるブロードエリアレーザがある。このレーザでは、ブロードエリア型半導体レーザ素子、レンズ及び平面ミラーが、ブロードエリア型半導体レーザ素子のストライプ方向に並べて配置される。また、共振器方向に垂直でレンズと反対側のブロードエリア型半導体レーザ素子端面には反射コーティングが施されており、平面ミラーとの間で共振器を構成する。

この構成において、ブロードエリア型半導体レーザ素子を利得媒体とし、平面ミラーからレーザビームが出力される。レンズでブロードエリア型半導体レーザ素子内のビーム径を調節することによって発振光として基本モードを選択することができる。

W. F. Sharfin et al., "High-power, diffraction-limited, narrow-band, external-cavity diode laser", Appl. Phys. Lett., Vol.54, No.18, 1 May(1989).

従来の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子内のビーム径を外部のレンズで調節することにより比較的基本モードを選択しやすい構成であるが、半導体レーザ素子に入射するビームがガウシアン形状である。このため、ガウシアン形状の中心部は多く利得を消費し、その裾周辺では中心部より利得が残ってしまう結果、ビームが通過した後の利得分布が端部に強くなり、高次モードが発振しやす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、半導体レーザ素子内のビームモードを調節するレンズにおいてガウシアン形状のビームをトップハット形状に変換することで、均一利得分布を一様に消費し、高次モードの発振を抑制することができる半導体レーザ装置及び半導体増幅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ブロードエリア型の半導体レーザ素子と、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形状を変換するビーム形状変換手段とを備え、ビーム形状変換手段は、入力光の位相分布を維持したまま、そのビーム形状を半導体レーザ素子のストライブ方向でガウシアン形状からトップハット形状に変換する、又はトップハット形状からガウシアン形状に変換することを特徴とする。

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形状を変換するビーム形状変換手段とを備えるので、均一利得分布を一様に消費し、高次モードの発振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１２、第２のシリンドリカルレンズ（ビーム形状変換手段）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にＡｌＧａＡｓを用い、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を有する。ｙ軸方向は、活性層とクラッド層とにより構成された導波構造を有する。クラッド層の外側には、電極がｚ軸方向にほぼ素子長全体に積層され、ｘ軸方向には数百μｍ広がって積層されている。

ｚ軸と垂直な面（反射手段）１１ａには、誘導放出したレーザ光をほぼ全て反射するようなコーティングが施されており、面１１ｂにはレーザ光に対して低い反射率となるようなコーティングが施されている。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。また、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。

次に動作について説明する。
先ず、半導体レーザ素子１１に電流を注入すると、その組成に対応した波長の光利得を発生する。本素子１１では、上述したような形状で活性層上に広く一様に電極が積層されているため、利得領域もその形状に応じて一様に広がる。このようにして半導体レーザ素子１１で発生した利得により、レーザ光が半導体レーザ素子１１の面１１ａと平面ミラー１４との間で発振する。

ビームモードについて説明する。
ｙ軸方向のビームモードは、半導体レーザ素子１１の上記導波構造によりモードフィールド径が約１μｍ程度の基本モードが確保されるため、第１のシリンドリカルレンズ１２でビーム径が調節された後、平面ミラー１４から基本モードで出力される。

一方、ｘ軸方向は、利得領域が数百μｍと広いため、半導体レーザ素子１１単体では基本モードのみを発振することはできない。そこで、本実施の形態１では、通過するビームモード形状をトップハット形状からガウシアン形状に変換する第２のシリンドリカルレンズ１３を用いてモード制御を行う。

ここで、第２のシリンドリカルレンズ１３での動作を詳しく説明する。
図２は、図１中の第２のシリンドリカルレンズを通過するビームを光線で示す概略図である。図において、ビームは、第２のシリンドリカルレンズ１３の第１の面１３ａ側からその第２の面１３ｂ側へ進行する。つまり、紙面に向かって左方向から右方向に進行するものとする。また、図示の例では、代表的な３光線ＬＡ、ＬＢ、ＬＣを示している。

トップハット形状で波面が一様なビーム（光線ＬＡ１，ＬＢ１，ＬＣ１）が第１の面１３ａに入射すると、スネルの法則により屈折し、第２のシリンドリカルレンズ１３の媒質内を通過（光線ＬＡ２，ＬＢ２，ＬＣ２）した後、第２の面１３ｂから再度スネルの法則に従って光線ＬＡ３，ＬＢ３，ＬＣ３として出射する。

第２のシリンドリカルレンズ１３の第１の面１３ａ及び第２の面１３ｂは、中心部の光線ＬＢより外側の光線ＬＡ及びＬＣが中心部に傾き、且つ各光線ＬＡ，ＬＢ，ＬＣの光路長の和が下記式（１）に従って一定となるような形状を有している。

ＬＡ１＋ＬＡ２＋ＬＡ３＝ＬＢ１＋ＬＢ２＋ＬＢ３＝ＬＣ１＋ＬＣ２＋ＬＣ３
・・・（１）

これにより、第２のシリンドリカルレンズ１３を通過したトップハット形状のビームは、波面が揃った状態でガウシアンビームに変換される。反対に、紙面上の向かって右方向からガウシアンビームを入射すると、第２のシリンドリカルレンズ１３は、ガウシアンビームをトップハット形状のビームに変換して出力する。

平面ミラー１４で反射されたガウシアンビームが、第２のシリンドリカルレンズ１３を通過すると、当該ビームはトップハット形状のビームに変換されて半導体レーザ素子１１に入射する。このようにして、トップハット形状のビームは、半導体レーザ素子１１内の均一な利得分布を消費しながら往復する。このとき、均一な利得分布内を波面が一様なトップハット形状ビームが通過するため、利得の消費もｘｚ平面内では一様で、さらに出力ビームもトップハット形状が維持される。

また、上述したように、第２のシリンドリカルレンズ１３は、任意のビーム径を持つトップハット形状ビームに変換することができる。このため、ブロードエリア型半導体レーザ素子の拡大されたストライプ幅にトップハットビーム径を合わせることで、ビームを利得分布全域で一様にカバーできる。これにより、半導体レーザ素子１１を出力したトップハット形状のビームは、第２のシリンドリカルレンズ１３で再度ガウシアンビームに変換され平面ミラー１４に入射し、一部が透過してガウシアンビームとして出力される。

この実施の形態１によれば、第２のシリンドリカルレンズ１３によってトップハットビームをガウシアンビームに変換するので、半導体レーザ素子１１内の均一な利得を一様に消費することができ、且つ平面ミラー１４からの基本モードビームとして出力できる。

また、第２のシリンドリカルレンズ１３以外の複雑なビームモード調整手段が不要であるので、部品点数を少なく抑えることができ、装置全体の小型化を図ることができ、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。

また、上記実施の形態１の構成では、面１１ａにコーティングされた反射手段により共振器の一端を担っていたが、面１１ａのコーティングをレーザ光に対してほぼ全て透過する特性を持たせ、更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。その場合でも同様に第２のシリンドリカルレンズ１３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る。

なお、本実施の形態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１１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。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。また、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し、変換波に対して全て反射す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と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３は、この発明の実施の形態２による半導体増幅装置の構成を示す図であり、ファイバで伝送されたレーザ出力を半導体素子で高効率に増幅する装置を例としてあげている。
また、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による半導体増幅装置では、共振器方向であるｚ軸に沿ってシングルモードファイバ１５、球面レンズ１６、第３のシリンドリカルレンズ（ビーム形状変換手段）１７、第４のシリンドリカルレンズ１８、半導体増幅素子１９、第１のシリンドリカルレンズ１２及び第２のシリンドリカルレンズ（ビーム形状変換手段）１３がｚ軸方向に同軸に設置される。

シングルモードファイバ１５は、光源からのレーザ光を本装置まで伝送する。第３のシリンドリカルレンズ１７は、球面レンズ１６により対称ビームに成形されたレーザ光のｘ軸方向のビーム形状をガウシアンからトップハットに変換する。第４のシリンドリカルレンズ１８は、ｙ軸方向のビームモードを調節する。半導体増幅素子１９は、上記実施の形態１で示した半導体レーザ素子１１と同様の素子構造を有しているが、端面のコーティングが下記のように異なる。

面１９ｃ及び面１９ｄは、半導体増幅素子１９の共振方向（ｚ軸方向）に垂直な面であり、レーザ光に対して低い反射率となるようにコーティングされている。その他の構成要素は、図１で示したものと同一或いは同様なものであるので同一符号を付して重複する説明を省略する。

次に動作について説明する。
シングルモードファイバ１５を介して伝送されてきたレーザ光は、基本モードであり、球面レンズ１６によって数百μｍ程度の対称ビームに成形される。第３のシリンドリカルレンズ１７では、ｘ軸方向のビーム形状をガウシアンからトップハットに変換する。これにより、第３のシリンドリカルレンズ１７からの出力ビームのｘ軸方向はトップハットビームとなり、さらに半導体増幅素子１９のｙ軸方向のストライプ幅にほぼ等しいビーム径に変換される。

第４のシリンドリカルレンズ１８では、ｙ軸方向のビームを、ガウシアン形状を維持したまま、半導体増幅素子１９のｙ軸の導波モードに対応してビーム径を１μｍ程度のビームに集光して半導体増幅素子１９に入射する。電流を注入した半導体増幅素子１９では、ｘ−ｚ平面に一様な利得分布を有している。

この半導体増幅素子１９に波面の揃ったトップハット形状のレーザ光を種火として面１９ｃから入力することにより、局所的なフィラメント発振が抑制され、且つ均一な波面のトップハットビームが面１９ｄから出力される。このあと、半導体増幅素子１９からの出力ビームは、第１のシリンドリカルレンズ１２でｙ軸方向のビームを数百μｍまで拡大された後、第２のシリンドリカルレンズ１３に入射される。第２のシリンドリカルレンズ１３では、上述した通りトップハットビームをガウシアンビームに変換して平面ミラー１４に入射し、一部が透過してガウシアンビームとして出力される。

この実施の形態２によれば、半導体増幅素子１９に入射する基本モードビームをｙ軸方向に関してトップハット形状に変換するシリンドリカルレンズを備えたので、均一な利得分布を一様に消費することができ、フィラメント発振を抑制することができる。

また、上記実施の形態２では、第１、第２、第３及び第４のシリンドリカルレンズ１２，１３，１７，１８以外に複雑なビーム形状変換手段を要さず、本実施の形態２を適用するにあたりその部品点数を少なく抑えることができ、装置全体の小型化も図られ、且つ安価に制作することが可能である。

なお、上記実施の形態２では、光源としてのレーザ光をシングルモードファイバ１５により伝送し、球面レンズ１６によりビーム径を拡大した後、第３のシリンドリカルレンズ１７に入力する構成例を示したが、基本モード出力のレーザ（例えば、シングルチャネル半導体レーザや、固体レーザ）を直接用いてもよい。

この場合でも、当該基本モード出力のレーザのｙ軸方向のストライプ幅に対応したビーム径を第３のシリンドリカルレンズ１７によってガウシアンビームからトップハットビームに変換することで、半導体増幅素子１９においても同じ動作をし、第２のシリンドリカルレンズ１３において基本モードのレーザ出力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中の第２のシリンドリカルレンズを通過するビームを光線で示す概略図である。 この発明の実施の形態２による半導体増幅装置の構成を示す図である。

符号の説明

１１ 半導体レーザ素子、１１ａ，１１ｂ 面（反射手段）、１２ 第１のシリンドリカルレンズ、１３ 第２のシリンドリカルレンズ（ビーム形状変換手段）、１３ａ，１３ｂ 面、１４ 平面ミラー（反射手段）、１５ シングルモードファイバ、１６ 球面レンズ、１７ 第３のシリンドリカルレンズ（ビーム形状変換手段）、１８ 第４のシリンドリカルレンズ、１９ 半導体増幅素子、１９ｃ，１９ｄ 面。

Claims (2)

1. 電流注入により発光するブロードエリア型の半導体レーザ素子と、
   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形状を変換するビーム形状変換手段とを備え、
   前記ビーム形状変換手段は、入力光の位相分布を維持したまま、そのビーム形状を前記半導体レーザ素子のストライブ方向でガウシアン形状からトップハット形状に変換する、又はトップハット形状からガウシアン形状に変換することを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 電流注入により発光するブロードエリア型の半導体増幅素子と、
   前記半導体増幅素子の同軸上にその入力側及び出力側に各々配置され、入力した光のビーム形状を変換するビーム形状変換手段とを備え、
   入力側のビーム形状変換手段は、入力した光の位相分布を維持したまま、そのビーム形状を前記半導体増幅素子のストライブ方向でガウシアン形状からトップハット形状に、又はトップハット形状からガウシアン形状に変換し、
   出力側のビーム形状変換手段は、入力した光の位相分布を維持したまま、そのビーム形状を前記半導体増幅素子のストライブ方向でトップハット形状からガウシアン形状に、又はガウシアン形状からトップハット形状に変換することを特徴とする半導体増幅装置。

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