JPH01175787A - 外部共振器型半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光通信、光計測、光情報処理等に用いられる外
部共振器型半導体レーザ装置の改良に関する。

従来の技術 半導体レーザは小型で容易に電流駆動が可能なことから
多方面の応用分野に於いて用いられている。しかしなが
ら他のガスレーザ、固体レーザ等と比較すると波長安定
度、スベク）Ａ／線幅等のいわゆる時間的コヒーレンス
特性が必ずしもよくない。これは例えば〔文献１）Ｃ，
Ｈ，ヘンリー１セオリー　オプ　ラインウィドウス　オ
プ　セミコンダクター　レーザーズ、アイ　イー　イー
　イー　ジャーナル　オプ　カンタム　エレクトロニク
ス（Ｃ，Ｈ，Ｈｅｎｒｙ、”Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｌｉ
ｎｅｗｉｄｔｈｏｆ　　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　
　１ａｓｅｒｔ’、ＩＥＥＥ　　Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　
Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、ｖｏｌ　
、ＱＥ−１８゜ｐ　、　２５９　（１９８２）に詳しく
説明されているように、線幅増大係数αの存在に起因し
ている。半導体レーザの時間的コヒーレンス特性を改善
するためには、外部共振器構成にするのが効果的である
ことが知られており、理論的には２例えば〔文献２〕Ｈ
，サトー　アンド　エ、オーヤ１セオリー　オプ　スペ
クトル線ラインウィドウス　オブ　エクスターナル　キ
ャビティー　セミコンダクターレーザーズ１．アイ　イ
ー　イー　イー　ジャーナル　　オプ　カンタム　エレ
クトロニクス（Ｈ、５ａｔｏ　ａｎｄ　Ｊ　、　０ｈｙ
ａ、　”Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｓｐｅｃｔｒａｌｌｌｎ
ｅｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｃａｖｉｔｙ
　ｓｅｍｉｃｃｙｎｍｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ＋”　ＩＥ
ＥＥ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏ−ｎｉｃｓ）、ｖｏｌ、ＱＥ−２２、ｐ、　
１０６０（１９８６）に詳しく解析されている。また実
験的には、半導体レーザの外部にハイブリッド的に外部
共振器を付加した構造、あるいは光導波路を外部共振器
として七ノリシックに集積化した構造が実現されておシ
、それぞれは〔文献３〕Ｒ，ソイアット１スペクトラル
　ラインウィドウス　オプ　エクスターナフレキャビテ
ィ　セミコンダクター　レーザースウィズ　ストロング
、フリケンシー　セレクティプフィードバック１．エレ
クトロニクス　レタース（Ｒ、Ｗｙａｔｔ、”５ｐｅｃ
ｔｒａｌ　　ｌｊｎｅｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ｅｘｔｅｒ−
ｎａｌ　ｃａｖｉｔｙ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　
　１ａｓｅｒｓ　ｗｉｔｈｓｔｒｏｎｇ、ｆｒｅｑｕｅ
ｎｃｙ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ”。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）、ｖｏｌ、
２１．ｐ、６５８（１９８５）。

及び〔文献４〕Ｔ、フジタ他、″ナロー　スペクトラｐ
　ラインウィドウス　キャラクタリスティクス　オブ　
モノリシック　インテグレーテッドパッシブ　キャビテ
ィ　ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　セミコンタクタ−レーザ
ーズ、エレクトロニクスレターズ（Ｔ、Ｆｕｊｉｔａ　
ｅｔ　ａｌ、、　　’Ｎａｒｒｏｗｓｐｅｃｔｒａｌ　
ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
　ｏｆｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　
ｐａｓｓｉｖｅ　ｃａｖｉｔｙＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　１ａｓｅｒｓ’。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）、　ｖｏ
ｌ　、２１　、　ｐ　、　３７４（１９８５）に詳しく
記述されている。

半導体レーザのスペクトル線幅を拡げる。主たる要因の
１つとして自然放出光の存在がある。すなわち〔文献１
〕及び〔文献２〕に説明されているように、レーザ光電
場に混入した自然放出光のランダムな位相揺らぎが、レ
ーザの位相揺らぎ、すなわちスペク）／Ｌ／線幅を決定
する要因となっている。

第３図に〔文献３〕で示されている、従来の外部共振器
型半導体レーザの構造図を模式的に示す。

電流注入によシ活性層１２で発光する半導体レーザ（半
導体活性媒質）１０の反射防止膜コーティング１４を施
した端面２８から出射した光はレンズ１８で平行光とな
り、そのレーザ光１８は外部共振器として働く回折格子
２０に入射し、波長選択されたレーザ光２２は再びレン
ズ１６を通して半導体レーザ（半導体活性媒質）１０へ
光帰還される。このような外部共振器型半導体レーザの
共振器面としては、回折格子２０及び半導体レーザ（半
導体活性媒質）１０の端面２４によシ構成されており、
端面２４から出射するレーザ光２ｅは単体レーザと比較
すると非常に狭スペク）／ｌ／線幅で、ある程度高い時
間的コヒーレンスを有している。

一般的に半導体レーザはＴＥモードと呼ばれる。

光電場の振動方向がレーザのｐ−ｎ接合平面内にあるモ
ードで発振している。これは同業者の間では公知の事実
として、レーザの端面の反射率が、ＴＥモードと７Ｍモ
ードで比較すると、ＴＥモードの方が高いためで、従っ
て共振器損失が小さいことに由来している。ここで７Ｍ
モードとは、レーザの光電場の振動方向がレーザのｐ　
−ｎ接合に垂直な平面にあるモードである。ＴＥモード
と７Ｍモードは互いに直交しているモードである。

半導体レーザから出射したレーザ光の強度のうちＴＥモ
ード及び７Ｍモードの占める割合をここで偏光度と呼ぶ
とすれば、レーザへの注入電流に依存してこの偏光度は
変化する。すなわち注入電流を増加するほどＴＥモード
が誘導放出によシ増幅されるため偏光度は大きくなる。

しかしながら完全にＴＥモードのみで発振するのではな
く、注入電流を十分大きくしても約１チ程度のＴＭモー
ドが混入しているので現状である。本来ＴＥモード発振
のレーザ出力を得たい場合にも、自然放出光成分として
はＴＥモード成分のみならずＴＭモード成分も混入して
しまっており、これがスペクトル線幅の最小値を決定す
る要因の１つとなっている。すなわち従来はこのような
自然放出光の存在する条件下でスペク）／し線幅を狭く
する努力がなされているにとどまっている。

また、半導体レーザ端面の反射率の偏光依存性は理論的
に詳しく解析されておシ、例えば文献〔６〕Ｔ、イケガ
ミ、″す７レクテイビテイー　オブモード　アット　フ
ァセット　アンド　オシレーション　モード　イン　ダ
ブル−ヘテロストラフチャ　インジェクタぢン　レーザ
ーズ１．アイイー　イー　イー　ジャーナル　オプ　カ
ンタムエレクトロニクス　（Ｔ　、　Ｉｋｅｇａｍｉ　
、　”Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙｏｆ　Ｍｏｄｅ　ａｔ
　Ｆａｃｅｔ　ａｎｄ　０ｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　Ｍｏ
ｄｅｉｎ　Ｄｏｕｂｌｅ−Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕａｔｕ
ｒｅ　ＩｎｊｅｃｔｉｏｎＬａｓｅｒｓ’、　ＩＥＥＥ
　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅ−
ｃｔｒｏｎｉｃｓ）ｖｏｌ、ＱＥ−８、ｐ　、４７０（
１９７２）に詳しく説明されている。文献〔５〕中の図
を、抜粋して第４図に示す。第４図は、ＴＥモード（実
線）とＴＭモード（破＃）の２つの異なる直交する偏光
が半導体レーザ端面において反射率が全く異なっている
ことを示した図であり、横軸は半導体レーザの活性層の
膜厚で、縦軸はレーザ端面の強度反射率である。横モー
ドは０次の基本モード発振とし、また活性層の屈折率を
３．６．またｄｎはクラッド層と活性層の屈折率差の比
を表わしている。第４図よシわかることは、レーザを構
成する層膜厚、屈折率差等に依存するが、ＴＥモードの
方がＴＭモードよりもかなり端面の反射率が大きいこと
である。これは単体の半導体レーザにおける端面の反射
率を示したものであるが、第３図に示した外部共振器型
半導体レーザの場合にも同様に考えられる。すなわち、
第３図に示した外部共振器型半導体レーザの共振器は端
面２４と回折格子２０によシ構成されるが、端面２４に
おけるＴＥモードの反射率がＴＭモードよりも太きいた
め、結果として、出射されるレーザ光２ｅはＴＥモード
発撮している。

ところで、外部共振器型半導体レーザにおいてスペクト
ル線幅を狭くするには、外部共振器の反射率を最適化す
る必要があり、これは前述した文献〔２〕に詳しく説明
されている。文献〔２〕中の第２図及び第３図によれば
、レーザのスペクトル線幅を狭くするには、外部共振器
をより支配的にする必要がある。第３図を用いて説明す
ると反射防止膜コーティング１４の施こされた端面２８
の反射率を極力小さくし、また回折格子の反射率（−次
回折効率）を極力大きくすることが必要である。端面２
８における反射防止膜コーティング１４は、現実には反
射率をゼロとするのは極めて難しい。この反射率を極力
ゼロに近づけるのが困難であることは多くの論文により
指摘されているところである。従って既存の外部共振器
型半導体レーザは、外部共振器構成によシある程度狭ス
ベク）／ｌ’線幅化されているものの、端面２８におけ
る残留する反射率の存在によりスペクトル線幅の最小値
が制限されている。

発明が解決しようとする問題点 そこで本発明が解決しようとする問題点は、外部共振器
型半導体レーザの狭スペクトル線幅特性を更に改善する
ために、反射防止膜コーティング１４の施こされた端面
２８の反射率を更に低減するように新たに工夫を加える
ものである。

本発明がさらに解決しようとする問題点は、外部共振器
型半導体レーザの狭スペク）Ａ／線幅特性。

すなわち時間的コヒーレンス特性を更に改善するために
、既存のまま放置されている自然放出光の存在という問
題点を極力除去しようとするものである。また、本発明
は反射防止膜コーティングの施された端面２８の反射率
を更に低減する工夫を加えるものである。

問題点を解決するための手段 問題点を解決するための手段として、利得を供給するた
めの半導体活性媒質の第１及び第２の端面のうち、前記
第２の端面に反射防止膜コーティングが施こされ、前記
第２の端面から出射される光を平行光とするレンズ光学
系、前記第２端面から出射される光のＴＥモード成分の
みを通過させる偏光選択素子、前記第２の端面から出射
された光を反射する反射体が順次配置され、前記第１の
端面及び前記反射体により外部共振器を構成したことを
特徴とする外部共振器型半導体レーザ装置である。

また、本発明は、利得を供給するための半導体活性媒質
の第１及び第２の端面のうち、前記第２の端面に反射防
止膜コーティングが施こされ、前記第２の端面から出射
される光を平行光とするレンズ光学系、前記第２端面か
ら出射される光のＴＭモード成分のみを通過させる偏光
選択素子。

前記第２の端面から出射された光を反射する反射体が順
次配置され、前記第１の端面及び前記反射体により外部
共振器を構成したことを特徴とする外部共振器型半導体
レーザ装置である。

作　　用 上記手段を用いれば、外部共振器型半導体レーザのスペ
クトル線幅を決定する主たる要因の１つである自然放出
光の存在を制御、抑圧することが可能であるため、狭ス
ペクトル線幅化をさらに実現することが可能となる。

また、外部共振器型レーザの反射防止膜１４を施された
端面２８の反射率を極力ゼロに近づけることができ、よ
り容易に狭スベク）／Ｌ／線幅化が実現できる。

実施例 以下に本発明の一実施例を図面を用いて説明する。第１
図に本発明の一実施例を示す。なお各手段に用いる番号
は第２図で従来例の説明に用いた手段と同じ場合、同じ
番号を用いて説明する。

電流注入により活性層１２で発光する半導体レーザ（半
導体活性媒質）１ｏの反射防止膜コーティング１４を施
こした端面２８から出射した光はレンズ１６で平行光と
なり、そのレーザ光５０はＴＥモードのみを通過するよ
うに配置された偏光選択素子６２に入射する。この偏光
選択素子５２を通過したレーザ光５４は回折格子２０に
入射し、波長選択されたレーザ光６６は再び偏光選択素
子５２を通過し、その通過したレーザ光５８はレンズ１
６を介して半導体レーザ（半導体活性媒質）１０に光Ｒ
還される。このような外部共振器型半導体レーザの共振
器面としては、回折格子２ｏ及び半導体レーザ（半導体
活性媒質）１０の端面２４により構成されている。偏光
選択素子６２の端面６０及び６２には反射損失を軽減す
るために反射防止膜コーティング６４及び６８が施こさ
れている。

従来例として示した第３図の外部共振器型半導体レーザ
と比較して明らかなように、第１図に示した本発明の一
実施例においては、レーザ共振器内部にＴＦモードのみ
を通過させる偏光選択素子６２が挿入されている。前述
したように、電流注入によシ半導体レーザ（半導体活性
媒質）１０内の活性層１２で発光する光にはあらゆる偏
光成分の光が存在している。すなわち第３図における出
射レーザ光２６を考えてみると、主としてＴＥモードレ
ーザ発振をしているとしても、自然放出光としてはＴＥ
モードのみならずＴＭモードも存在しており、これら自
然放出光の存在が外部共振器型半導体レーザのスペク）
／し線幅の最小値を決定する要因となっている。ところ
が１本発明にて提案される。第１図に示すようにＴＥモ
ードのみを通過させる偏光選択素子６２を内蔵した外部
共振器型半導体レーザにおいては、活性層１２において
発生する。直交する不要なＴＭモード成分を除去するこ
とが可能である。従って、従来の構成の外部共振器型半
導体レーザの出射レーザ光に混入する不要な自然放出光
の成分を抑圧しているためそのスペク）／ｌ／線幅特性
を大幅に狭さく化できる。

第６図に遅延自己ヘテロダイン法により測定される。ヘ
テロダインビートスペクトルを示す。第６図（ａ）は、
従来の外部共振器型半導体レーザのビートスペクトル、
第６図（ｂ）は本発明より提案された偏光素子を内蔵し
た外部共振器型半導体レーザのビートスペクトルを示し
ている。レーザ出力パワー、外部共振器の実効的な光学
長は等しい条件である。第６図ｆａ）及びら）の比較よ
り明らかなように、本発明により提案される改良された
外部共振器型半導体レーザの方が、スペクト／Ｉ／線幅
の狭さく化が十分得られている。

ＴＥモードのみ通過させる偏光選択素子５２としては、
偏光ビームスプリッタ−、グラントムソンプリズム、グ
ランテーラ−プリズム、偏光フィルム等、いかなる構造
のものであってもよく、本発明の主旨である。自然放出
光のうち不要な偏光成分を除去しうる効果を有するもの
であれば本発明に含まれる。

外部に配置する反射体としては回折格子２ｏを用いて説
明したが、これに限られるものではなく、例えば錘であ
ってもよい。

また半導体レーザ（半導体活性媒質）１０として通常の
７アプリーペロー型のレーザのみならず、ＤＦＢ（分布
帰還型）＃ｆ造や、ＤＢＲ（分布反射型）構造、ＩＰＣ
（モノリシック外部共振器型）構造等いかなる構造であ
ってもよい。

また半導体レーザ（半導体活性媒質）の材料として、Ａ
　ｅ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系、ＩｎＰ系のみならずいかなる
材料であってもよい。

つぎに本発明の他の実施例を第２図を用いて説明する。

なお各手段に用いる番号は第３図で従来例の説明に用い
た手段と同じ場合、同じ番号を用いて説明する。

電流注入によシ活性層１２で発光する半導体レーザ（半
導体活性媒質）１０の反射防止膜コーティング１４を施
こした端面２８から出射した光はレンズ１６で平行光と
なり、そのレーザ光５０はＴＭモードのみを通過するよ
うに配置された偏光選択素子６２に入射する。この偏光
選択素子５２を通過したレーザ光５４は回折格子２０に
入射し、波長選択されたレーザ光６６は再び偏光選択素
子５２を通過し、その通過したレーザ光５８はレンズ１
６を介して半導体レーザ（半導体活性媒質）１ｏに光帰
還される。このような外部共振器型半導体レーザの共振
器内としては、回折格子２ｏ及び半導体レーザ（半導体
活性媒質）１ｏの端面２４により構成されている。偏光
選択素子６２の端面６ｏ及び６２には反射損失を軽減す
るために反射防止膜コーティング６４及び６６が施こさ
れている。

従来例として示した第３図の外部共振器型半導体レーザ
と比較して明らかなように、第２図に示した本発明の一
実施例においては、レーザ共振器内部にＴＭモードのみ
を通過させる偏光選択素子５２が挿入されている。すな
わち第３図における出力レーザ光２６はＴＥモード発振
するが、本発明の第２図における出力レーザ光６８はＴ
Ｍモモ−発振している。第２図における半導体レーザ（
半導体活性媒質）１０の活性＃１２ではＴＥモードのみ
ならずＴＭモードも存在しておシ、第４図に示したよう
に、端面反射率が、ＴＥモードの方がＴＭモードよりも
高いために通常レーザはＴＥモード発振するのであるが
１本発明のように、外部共振器内にＴＭモードのみを通
過させる偏光選択素子６２を挿入すると、出力レーザ光
６８は容易にＴＭモモ−発振となる。

さて、以下に第２の実施例のポイントを述べる。

前述したように、狭スペクトル線幅化を目的とした外部
共振器型半導体レーザにおいて、従来実現されているも
のはＴＥモード発振しているのに対し、本発明ではＴＭ
モードのみを通過させる偏光選択素子５２を共振器内に
有することにより、ＴＭモモ−発振している。さらに前
述したように、狭スペクト／Ｌ／ＩＩｊ幅化を更に実現
するには、端４２Ｂの反射率を極力小さくすることが重
要である。そこで第４図に注目すると、レーザ端面の反
射率をＴＥモードとＴＭモードで比較するとＴ　ｂ）モ
ードの方がＴＥモードよりもかなり小さい。従って反射
防止膜コーティング１４を施こした端面２８の反射率を
比較してもＴ　Ｍモードの方がＴＥモードよりも小さく
することが可能である。すなわち同様な反射防止膜コー
ティング１４が施こされたとしても、ＴＭモモ−発振し
た方がＴＥモード発振時よりも端面反射率を低減したこ
とになシ、よシ狭スペクｌ−Ａ／線幅化が可能となるわ
けである。

発明の詳細 な説明したようＫ、本発明における外部共振器型半導体
レーザ装置は、従来の装置と比較すると、レーザ光電場
に混入する不要な自然放出光の成分を制限することが可
能であり、スペク）／し線幅を容易に狭さく化が可能で
あシ、従来にない方法で実現されるものである。

また、本発明における外部共振器型半導体レーザ装置は
、従来の装置と比較すると、ＴＭモード発振させること
によシレーザスペクト／Ｌ／＃幅を更に容易に狭さく化
が可能であり、従来の方法とは異なっている。仁のよう
に高い時間的コヒーレンスを有するレーザは、コヒーレ
ント光通信や光計測等の分野で非常に重要な技術であシ
その効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の一実施例における外部共振器
型半導体レーザ装置の概略構成図、第３図は従来の外部
共振器型半導体レーザ装置の概略構成図、第４図はレー
ザ端面反射率の偏光依存性を示す図、第６図はヘテロダ
インビートスペクトルを示す図である。 １０・・・・・・半導体レーザ（半導体活性媒質）、１
２・・・・・・活性層、１４　、６４　、６６・・・・
・・反射防止膜コーティング、１ｅ・・・・・・レンズ
、２０・・・・・・回折格子、２４．２８，６０．６２
・・・・・・端面、５０゜５４．６６．５８．６８・・
・・・・レーザ光、６２・・・・・・偏光選択素子。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第４
図 シ古材し看月莫、４　Ｃ＜フロン〕 第５図 ）汲秋 周Ｘ＆

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）利得を供給するための半導体活性媒質の第１及び
   第２の端面のうち、前記第２の端面に反射防止膜コーテ
   ィングが施こされ、前記第２の端面から出射される光を
   平行光とするレンズ光学系と、前記第２の端面から出射
   される光のＴＥモード成分のみを通過させる偏光選択素
   子と、前記第２の端面から出射された光を反射する反射
   体が順次配置され、前記第１の端面及び前記反射体によ
   り外部共振器を構成してなる外部共振器型半導体レーザ
   装置。
2. （２）利得を供給するための半導体活性媒質の第１及び
   第２の端面のうち、前記第２の端面に反射防止膜コーテ
   ィングが施こされ、前記第２の端面から出射される光を
   平行光とするレンズ光学系と、前記第２の端面から出射
   される光のＴＭモード成分のみを通過させる偏光選択素
   子と、前記第２の端面から出射された光を反射する反射
   体が順次配置され、前記第１の端面及び前記反射体によ
   り外部共振器を構成してなる外部共振器型半導体レーザ
   装置。