JPH01286488A - 光帰還型発光装置 - 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、光記録、光計測に用いる光帰還型発光
装置に関する。

従来の技術 従来、光通信、光記録装置に於ける光源として半導体レ
ーザが用いられていた。しかし半導体レーザの発振波長
は温度、または注入電流により変動じたり、第２図（ａ
ｌに示されるように複数の波長で発振する。そこで素子
に波長選択性のある外部共振器を付加し、第２図（１）
）に示されるように特定波長で発振するように制御して
いた。この外部共振器には、レンズと回折格子が用いら
れていた。

第３図に従来の光源の構成を示す。半導体レーザ素子ｌ
の片端面より出た光１９は対物レンズ２１によって、コ
リメートされエシェレソト回折格子１２に入射される。

入射光１９はその波長に従い分散され、回折格子１２の
傾きによって決まる特定の波長の光が半導体レーザ素子
１の活性層に帰還される。半導体レーザ素子丁は帰還さ
れた光の波長で発振し、周波数が安定化された出力光２
０を他の端面から出力する。またエシェレソト回折格子
１２を回転することによって半導体レーザ素子１の発振
波長を変えることができる。回折格子からの帰還光を効
率良くの導波路部に結合するために半導体レーザ素子の
端面に結ばれる帰還光のスポットを回折限界近くまでし
ぼらなければならない。このためには収差の少ない高性
能のレンズを用いる必要がある。

また波長設定精度を高めるためにも半導体レーザ素子ｌ
の端面上において各縦モードの光が重ならず分離してい
るのが望ましい。従来の光帰還型発光装置ではカメラレ
ンズや顕微鏡の対物レンズが用いられていた。例えば、
エレクトロニクスレター　（ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ５Ｌ
ＥＴＴＥＲ）　２１巻１５号６８５ペ一ジ１９８５年、
アプライドフィシツクレター（八ｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ
ｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ）　２５巻１２号１９７４年７４
４ページ。

発明が解決しようとする課題 しかし、上記の光帰還型発光装置においてはカメラレン
ズや顕微鏡対物レンズが用いられるために半導体レーザ
素子１とエシェレソト回折格子１２間距離が長くなって
しまう。光通信などにおいては半導体レーザ素子の注入
電流に信号を重畳すること１によって出力光を直接変調
し信号を伝送する。

光帰還型発光装置においては注入電流の変化に対してそ
の出力光がある周波数応答を示す。光帰還効果により周
波数応答は高周波側が大きく低下する。周波数帯域は半
導体レーザ素子と回折格子間距離つまり共振器長に依存
する。第４図に共振器長と周波数帯域の関係を°理論計
算した結果を示す。

第４図から明らかなように高速応答性を良くするには共
振器長をできるだけ短くする必要がある。

このため複数枚の球面レンズにより構成されるカメラレ
ンズや顕微鏡対物レンズでは共振器長が長くなり、変調
できる帯域が太き（制約される。特に通信に用いる場合
数百Ｍ　Ｈｚから数ＧとＨｚの帯域が不可欠になってい
る。

外部共振器長を決めるものはレンズ長と焦点距離である
が、開口数が一定の場合、焦点距離が短くなり過ぎると
半導体レーザ２の端面における帰還光学系の分解能が低
下する。光帰還型発光装置の帰還光学系において配下の
条件を充たす必要がある。

ｄ≦（ｋ２＋０．２５）　ｌ”　　・λ　　　・−−−
−−一・　（１）に＝　ｆ　−Ｎ、　　Ａ、　／２．４
４・ｎ　・１　−−−−−−　　（２１ｄは格子定数、
λは波長、ｆは焦点距離、Ｎ、Ａ。

は開口数、ｎは半導体レーザの屈折率、１は半導体レー
ザの共振器長である。上式かられかるように、焦点距離
を短くするとレンズの開口数を太きくしなければならな
い。コリメートレンズの構成枚数を少な（し、単レンズ
化するのが望ましい。

また単球面レンズを用いた場合、もともと収差が発生し
、開口数が大きくなるとさらに収差が大きくなる。グリ
ンレンズにおいては、開口数の大きいものは得難い。エ
シェレット回折格子１２を回転することによって発振波
長を３０ｎｍから１．００ｎｍにわたって可変できる。

従って、発振波長が変化するためにコリメートレンズに
は色消しをする必要がある。色消しを行うためには材質
の異なるレンズを複数組み合わせる必要がある。しかし
、単レンズの場合、通常のＢＫ７．やＳＦ８のような材
料を用いたとすればアツベ数が３０〜６０のため２０μ
ｍ以上の焦点距離の移動が起こる。焦点距離の移動にと
もない半導体レーザ素子への帰還光スポットが広がり、
良好な結電特性が得られない。従って、波長を変えると
外部共振器と半導体レーザ素子ｌと結合が弱くなり光帰
還型発光装置の性能が低下することになる。発振波長を
変えると光強度が弱まり、不安定になったり、雑音が増
加する。

スペクトル幅も広がってしまう欠点がある。

本発明は上記課題に鑑み、波長変化による焦点移動が小
さく、小型かつ高性能で、安価かつ直接変調帯域が広く
、高速変調のできる光帰還型発光装置を提供するもので
ある。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明の光帰還型発光装置は
高効率のフーリエ回折格子と第一面が正の屈折力を持つ
非球面で構成され、ｄ線に対するアツベ数ν、開ロ数Ｎ
、Ａ、、焦点距離ｒが、ν〉８Ｏ Ｎ、Ａ、≧０．４ ｆ　≦　１０貫鳳 の条件を充たすところの非球面単レンズを用い、回折格
子と半導体レーザ素子間の距離を短くするものである。

作用 本発明は上記した構成によって、波長変化による焦点移
動が小さ（、小型かつ高性能で安価かつ周波数応答特性
を高周波側に伸ばし、変調周波数帯域の広い小型の光帰
還型発光装置を提供するものである。

実施例 以下、本発明の一実施例における光帰還型発光装置につ
いて図面を参照しながら説明する。第１図は本発明の第
一の実施例における光帰還型発光装置の構成図を示すも
のである。１は半導体レーザ素子、２は非球面レンズ、
３はフーリエ回折格子、５は反射防止膜である。半導体
レーザ素子１より出た光１９は、非球面レンズ２により
コリメートされフーリエ回折格子３に入射される。入射
光はその波長に従い分散され、回折格子３の傾きによっ
て決まる特定の波長の光が半導体レーザ素子１の活性層
に帰還される。半導体レーザ素子１は゛帰還された光の
波長で発振し、周波数が安定化される。フーリエ回折格
子３の回転によって半導体レーザ素子１からの出力光２
０の波長が変わる。非球面レンズ２は一枚で数枚の球面
レンズを組み合わせたのと同様の性能を有する。従って
一枚のレンズで半導体レーザ素子１の発振を安定に制御
できうるため、共振器長つまり半導体レーザ素子とフー
リエ回折格子間距離を非常に短くすることができる。共
振器長はレンズ２の焦点距離と厚みによって決まる。レ
ンズの焦点距離は発振波長、回折格子の格子定数および
レンズのＮＡによって必要な最小値が決まる。（１）お
よび（２）式から０．８μｍの半導体レーザ素子の場合
、６ｍ、１．３μｍの半導体レーザ素子の場合、４鶴程
度となり数百Ｍ　Ｈｚ以上の変調が可能になる。またフ
ーリエ回折格子３を回転させて半導体レーザ１の波長を
変えた場合においてもアツベ数が８０より大きいと焦点
距離の変動が小さく、帰還光の半導体レーザ端面上での
結像状態の劣化は小さい。第５図に本発明における光帰
還型発光装置の波長と°しきい値の関係を示す。外部共
振器の光学調整は波長λ。（０，８３μｍ）でおこなっ
たものである。光帰還型発光装置のしきい値は外部共振
器と半導体レーザ素子との結合強度を示すものであり、
本発明の非球面車レンズ２を用いた場合、波長変化によ
る焦点移動が小さいために波長可変範囲が従来に比較し
て広がっている。非球面レンズ２はプラスチック成型ま
たはガラスプレス成型等の手法により安価に大量生産が
可能でコストも低くすることができる。

反射防止膜５は、フーリエ回折格子３からの帰還光と半
導体レーザ素子１との結合効率を高めるためのものであ
る フーリエ回折格子とはその断面が第６図（ａ）、　（ｂ
）。

（Ｃ）に示されるように、−次微分係数に不連続点を持
たない滑らかな形状を有し、基本正弦波及びその有限の
高調波の重ね合わせで表わされるものである。第６図（
ａｌは山を中心に対称な形状をしたもの、第６図（ｂ）
は非対称なものである。これらの違いは高調波成分の位
相差による。第６図［Ｃ）は基本正弦波のみの場合であ
る。

有限フーリエ回折格子の特徴はエシェレソト回折格子で
は得られない効率の偏光特性にある。有限フーリエ回折
格子は偏光依存性が小さく、かつ高い効率を持つ。格子
の溝方向と電解が一致するＰ偏光においてエシェレット
格子に比べて４０％も高い効率を持つ。特に有限フーリ
エ回折格子では、第７図に示されるように使用波長λと
格子の溝間隔ｄとの関係が０．２＜λ／ｄ＜１．７を満
たす場合特に効率が良く、このパラメータを変えること
により効率特性を変えられる。

従って第８図（ａ）に示されるようにフーリエ回折格子
３の分散方向Ｘと、ＰＮ接合面１４、あるいは活性層１
３の長手方向Ｙとを傾けることにより不要モード帰還光
１５を活性層１３から分離し、かつ強い光帰還をするこ
とができる。フーリエ回折格子３の法線方向とレンズ２
の光軸の為す角度をθ、レンズ２の焦点距離をｆ、開口
数をＮＡｍａｘ、モードの波長間隔をδλ、とすれば、
発振波長λの時、ＸとＹのなす角度φが、 ＣＯＳφ−≧−ｄ−ｃｏｓθ・λ／（ｆ−δλ・Ｎ　Ａ
　ｍａｘ）　−（３）を満たせば良い。（３）式を満た
せば、不要モード光１５が半導体レーザ素子１の発振に
寄与しない。特に格子の分散方向ＸとＰＮＮ接合面色を
直交させた場合、第８図（ｂ）に示されるように、不要
モード光１５の分離がもっとも良（、波長設定精度が最
も高い。

半導体レーザ素子１のゲイン中心で発振させる場合、反
射防止膜５は必ずしも必要はない。

有限フーリエ回折格子３として、第６図ｆｃ）の正弦波
溝回折格子８を用いた場合、正弦波溝回折格子８はホロ
グラフィック露光法で容易に精度良く作成でき、かつそ
の形状が滑らかで対称なために、量産する場合のレプリ
カ作成も容易である。よって光帰還型発光装置のコスト
を安（できる利点を有する。

発明の効果 以上のように本発明は高効率のフーリエ回折格子と第一
面が正の屈折力を持つ非球面で構成され、ｄ線に対する
アツベ数ν、開口数Ｎ、Ａ、、焦点距離ｆが、 ν〉８Ｏ Ｎ、Ａ、　≧０．４ ｆ≦１０鶴 の条件を充たすところの非球面単レンズを用いることに
より半導体レーザ素子と回折格子の距離を短くし変調周
波数帯域を広げ高速変調可能でかつ波長変化による焦点
移動が小さく、小型かつ高性能で、安価な光帰還型発光
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の一実施例における光帰還型発光
装置の構成図、第２図は半導体レーザ素子の発振スペク
トル図、第３図は従来の一実施例における光帰還型発光
装置の構成図、第４図は共振器長と変調帯域を理論計算
した特性図、第５図はしきい値と波長の関係を示した特
性図、第６図は有限フーリエ回折格子の断面図、第７図
は有限フーリエ回折格子の効率特性図、第８図は回折光
と活性層との関係を示す模式図である。 １・・・・・・半導体レーザ素子、２・・・・・・非球
面単レンズ、３・・・・・・フーリエ回折格子、５・・
・・・・反射防止膜、１９、２０・・・・・・出力光、
２１・・・・・・対物レンズ、１２・・・・・・エシェ
レット格子、１３・・・・・・活性層、１４・・・・・
・ＰＮ接合面。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第１図 第２図 第３図 第４図 勾　１０　　５　　　　　　　２　　　　　　　　　　
　　　／共振！Ｓ長　［ｃｍ］ 第５図 ０、Ｆｊｌ　　　　　　　　　　　　０．８３　　　　
　　　　　　０８５人Ｏ 遣　　　　具　　　口μｍ］ 第６図 第７図 一一−−−Ｆ４遺ｉ光 込／ｄ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）溝形状の一次微分係数が連続な有限フーリエ回折
   格子と第一面が正の屈折力を持つ非球面で構成され、ｄ
   線に対するアッベ数ν、開口数Ｎ．Ａ．、焦点距離ｆが
   、 ν＞８０ Ｎ．Ａ．≧０．４ ｆ≦１０ｍｍ の条件を充たすところの単レンズおよび半導体レーザ素
   子を具備し、前記非球面単レンズ半導体レーザ素子の出
   力光を前記回折格子に入射し回折光を前記半導体レーザ
   素子に帰還し半導体レーザ素子の他端から単一波長の出
   力を得ることを特徴とした光帰還型発光装置。
2. （２）溝形状の一次微分係数が連続な有限フーリエ回折
   格子において使用波長λに対し格子定数ｄが、０．２＜
   λ／ｄ＜１．７の範囲を有することを特徴とする請求項
   （１）記載の光帰還型発光装置。
3. （３）半導体レーザ素子のＰＮ接合面と有限フーリエ回
   折格子の溝方向とを傾けて配置したことを特徴とする請
   求項（１）または（２）のいずれかに記載の光帰還型発
   光装置。
4. （４）半導体レーザ素子のＰＮ接合面と有限フーリエ回
   折格子の溝方向とを直交させて配置したことを特徴とす
   る請求項（１）または（２）のいずれかに記載の光帰還
   型発光装置。
5. （５）半導体レーザ素子の片端面に反射防止膜を付けた
   ことを特徴とする請求項（１）、（２）、（３）または
   （４）のいずれかに記載の光帰還発光装置。