JPH03145174A - 外部共振器型レーザ - 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］ 本発明は半導体レーザと該半導体レーザの外部に設けら
れたグレーティングとによって共振増幅が行なわれる外
部共振器型レーザに関する。

【従来の技術］ 第３図Ｃａ）は、波長安定化のために用いられる外部共
振器型レーザの構成を示す図である。図中、１０１は半
導体レーザ、１０２，１０３はレンズ、１０４はブレ−
ズドグレーティングである。半導体レーザ１０１の片端
面にはＡＲココ−ィング１０６が施され、半導体レーザ
端面で形成されるファブリペローモードが抑制されてい
る。

半導体レーザ１０１が定電流駆動され、ＡＲコート１０
６側の端面から出射された光波はレンズ１０２によって
コリメートされた後に、グレーティング１０４で反射回
折され、半導体レーザ１０１に再結合される。グレーテ
ィング１０４への入射角を変化させることによって所望
の波長を選択する光帰還を行うことができる。

第３図（ａ）においては、半導体レーザ１０１を含む半
導体基板平面はグレーティング１０４の入射面と直交す
る配置でおかれ、グレーティング１０４の格子ベクトル
は入射面と平行となるように設定されている。

半導体レーザは通常活性層の垂直方向と水平方向との間
のゲインの差によって半導体基板平面に平行な方向に電
界ベクトルＥを有する偏光モードで発振するのが、−数
的である。グレーティング１０４入射前のＡ−Ａ’断面
の光波の強度分布は第３図（ｂ）１０５に示すようなだ
円となる。出射光パターンの縦横の比は半導体レーザの
拡がり角の差θり、θ工によるものであり、２〜４の値
をとっている。強度分布１０５に示す様に電界Ｅの方向
はビーム幅の狭い短径方向となる。

第４図（ａ）は上記従来例と異なり、半導体レーザ１０
１を含む半導体基板平面がグレーティング１１４の入射
面と平行となる配置とした他の従来例の構成を示す図で
ある。

グレーティング入射前のＢ−Ｂ’断面の光波の強度分布
は第４図（ｂ）の１１５に示すようなだ円となる。

外部共振器型レーザでは （ｉ）グレーティングによる反射回折効率が太きく、か
つ、 （１１）波長選択性が鋭いことが要求・されるが、上記
従来例においてはこれら２つの条件を同時に満足するこ
とが困難であった。

条件（Ｈ）である波長選択性を高めるためにはグレーテ
ィングの格子ベクトルの方向のビーム幅が大きいことが
要求され、第３図（ａ）に示したもののように、光波の
拡がり角が大きい方向が入射平面に平行となるように配
置するとよいが、この場合、電界Ｅの方向は入射面に垂
直となってしまう。ブレーズドグレーティングにおいて
は、入射面に垂直な電界を持つ偏光の光波（Ｓ偏光）は
−般に、回折効率が低いため第３図（ａ）に示したもの
においては、波長選択性は高いものの、帰還に寄与する
実効的な反射率は低くなるという問題点を有していた。

、一方、条件（ｉ）である、反射回折効率を高めるため
には、第４図（ａ）に示したもののように、グレーティ
ングの入射面に平行な電界を持つ偏光の光波（ｐ偏光）
を利用すると良い、ブレーズドグレーティングは偏光依
存性が強く、ブレーズド波長において例えば、Ｓ　ｌ！
！光に対し１０〜２０％、ｐ偏光に対し５ＯＮ６０％な
る回折効率が得られる。しかしながら、ｐ偏光による光
学系の構成はグレーティングの回折効率が高くなるもの
の、半導体レーザから出射する光波の拡がり角が狭い方
向が入射平面に平行となり、有効ビーム径が小さくなる
ためグレーティングの波長選択性は弱くなるという問題
点があった。

第５図（ａ）は上述した２つの条件（ｉ）　、　（ｉｉ
）を同時に満たすため、レンズ１０３とグレーティング
１２４との間に光波のだ円形状を補正するためのアナモ
ルフィックプリズムベア１２８を挿入した従来例の構成
を示す図である。

このような構成をとることにより、第５図（ｂ）（ｃ−
ｃ’断面）に示すようなだ円形状パターン１２７の光波
が第５図（ｃ）　（ｏ−ｏ’断面）に示すよう真円に近
いパターン１２５としてグレーティング１２４に入射さ
れる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した従来の外部共振器型レーザのうち、第３図（ａ
）に示したものにおいては波長選択性は高くなるものの
、回折効率が低く、帰還に寄与する実効的な反射率が低
くなり、発光効率が悪いという欠点がある。第４図（ａ
）に示したものにおいては回折効率は向上するものの有
効ビーム径が小さくなり、波長選択性が弱くなるという
欠点がある。第５図（ａ）に示したものにおいては、こ
れらの欠点は解消されるものの高価なアナモルフィック
プリズムへアを使用するため、価格の上昇を招来してし
まうという欠点があり、また人出射光に光軸ずれが生じ
るため、アライメントを行ないにくく、製造が困難であ
るという欠点がある。

これらのいずれの欠点をも解消するために、半導体レー
ザの偏光方向が従来のものと直交するような配置にする
ことはレーザ構造の工夫などによって達成される可能性
はあるが、実現は困難であり、また、他の特性を劣化さ
せるおそれがある。

本発明は上記従来技術が有する欠点に鑑みてなされたも
のであって、波長選択性と回折効率がともに高く、製造
が容易な外部共振器型レーザを実現することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明の外部共振器型レーザは、 半導体レーザと、該半導体レーザの外部に設置されるグ
レーティングとによって共振器が構成される外部共振器
型レーザにおいて、 半導体レーザとグレーティングとの間に偏光素子が挿入
されている。

この場合、偏光素子が半波長板かまたはファラデー回転
素子であってもよく、 また、半導体レーザの、グレーティングに向けて光波か
出射される側の端面に対しては反射防止膜を形成させた
り、または端面自体を斜めに形成してもよい。

さらには、半導体レーザの上面の一部に、導波路内の光
波と結合し、該結合光波を外部に設置されたグレーティ
ングに向けて出力するグレーティングカップラ部を設け
てもよい。

［作用］ 半導体レーザとグレーティングとの間に挿入した光波の
偏光方向を回転させる偏光素子により、グレーティング
に入射される光波を、電界方向が格子ベクトルと直交し
、かつ、拡がり角が大きな方向をグレーティング入射面
と平行なものとすることができ、波長選択性および回折
効率を高いものとすることかで゛きる。

グレーティングカップラ部を半導体レーザの一部の上面
に設けた場合には、外部に設置されたグレーティングの
回折効果に加えて、グレーティングカップラ部の回折効
果が相乗される。

［実施例］ 第１図（ａ）は本発明の第１の実施例の構成を示す図、
第１図（ｂ）は第１図（ａ）を上側から見た上面図、第
１図（Ｃ）　、　（ｄ）はそれぞれ第１図（ａ）中のＡ
−Ａ’断面、Ｂ−８’断面における光強度分布および電
界方向を示す図である。

第１図（ａ）　、　（ｂ）中、１は半導体レーザ、２．
３は結合用レンズ、４はブレーズドグレーティング、５
は偏光素子である半波長板、６は反射防止膜であり、端
面反射率を下げ、入射効率を向上させるためのＡＲコー
トである。

半導体レーザ１より出射される光波のうち、ＡＲコート
６が施された端面（図面右側部分）より出射されるもの
は結合用レンズ２、半波長板５を通ってブレーズドグレ
ーティング４に入射される。ブレーズドグレーティング
４により回折された光波は、再度半波長板５および結合
用レンズ２を通ってＡＲコート６が施された端面に入射
する。また、ＡＲコート６が施された端面の逆側端面（
図面左側部分）より出射されるものは、結合用レンズ３
によってコリメートされて外部へ出射される。

この半導体レーザ１は、ブレーズドグレーティング４に
入射される光波が入射面の垂直方向に電界を有するもの
となるように、活性層が入射面に対して垂直となるよう
に配置されている。

ＡＲコート６側の端面から出射され、結合用レンズ２を
通過後の半波長板５の手前における光波の光強度分布は
第１図（Ｃ）の符号７に示すように電界Ｅ、がだ円形ビ
ームの短径方向に向いたものとなる。

半波長板通過後の光強度分布は、入射前の光強度分布７
と同一であるが、電界Ｅ２は偏光方向が９０”回転し、
第１図（ｄ）の符号８に示すようにだ円形ビームの長径
方向を向くものとなる。

このようにグレーティング４に対する入射は入射面に対
し入射光の電界が平行となる、いわゆるｐ偏光入射とな
る。ｐ（！光に対するグレーティングの回折効率はＳ偏
光に対するものよりも著しく高く２〜３倍大きな回折効
率が得られる。

ｐ偏光で回折された光波は、半波長板５で再び、９０°
偏光方向が回転して出射時と同一の偏光方向となり、レ
ンズ２を介して半導体レーザ１と再結合される。このよ
うにして外部グレーティングによる、レーザ共振器が形
成される。

本実施例のものにおいては、グレーティングの入射角を
制御し、所望の波長のみ帰還することによって波長が安
定化された外部共振器レーザが構成され、シングルモー
ドの波長可変光源の提供が可能となる。

本実施例の各構成部品について、具体的な数値を示す。

半導体レーザ１として多重量子井戸活性層を備え、８３
０止付近にゲインを有するリッジ型のものを用い、ＡＲ
コート６としては電子ビーム蒸着により　ＡＩ、０３＋
　ＺｒＯ，膜を施した。このＡＲコート６の端面反射率
は、前後端面の光出力比から〜０．５％程度であると測
定された。

結合用レンズ２．３としては顕微鏡対物レンズを用い、
結合効率は約６０％を得た。またブレーズドグレーティ
ング４は１２００１ｉｎｅ／　ｍｍなるグレーティング
本数をもち、８００ｎｍをブレーズド波長とするもので
あり、ｐ偏光入射に対し約６０％の回折効率を示した。

ブレーズドグレーティング４による帰還が行なわれ、ア
ライメントが調整された状態でのＡＲコート６側での実
効的反射率はＲｅｆｆ２１３％でありレーザ発振の閾値
電流は３３ｍＡを得た。（無帰還時のレーザ発振閾値電
流は４４ｍＡである）。

半波長板を挿入しない外部共振器型レーザ（例えば第３
図（ａ）に示したもの）の実効的射率Ｒｅｆｆの値は〜
３％であり、半波長板による効果が認められた。

ちなみに半波長板を挿入しないｐ偏光の場合（例えば第
４図（ａ）に示したもの）は本実施例のものとほぼ同等
の実効反射率を示している。

このように、本実施例のものにおいては実効反射率を低
減することなく、波長選択性が鋭い外部共振器型レーザ
を実現することが可能となった。

波長選択幅については約２７ｎｍの波長範囲で可変であ
ることが示され、この範囲で安定したシングルモード発
振が行なわれることを確認することができた。

また、鋭い波長選択性により、ファブリペローモードの
影響を低減することができ、連続的に波長選択を行なう
ことが可能であることも確認された。

なお、本実施例においては半導体レーザの片端面をＡＲ
コートした例を示したが、ＡＲコートを施す代わりに端
面を斜めにしたものにおいても反射率を下げることが可
能であり、容易に同様の効果を得ることができるため、
このように構成してもよい。

第２図（ａ）は本発明の第２の実施例の構成を示す図、
第２図（ｂ）は第２図（ａ）を上から見た上面図である
。

本実施例は、上面に形成されたグレーティング部分より
レーザ光を外部へ出射する半導体レーザ１８を用いたも
のである。図中、１１は電流を注入しゲインを与える増
幅部、１２は導波路の光を外部に取り出すグレーティン
グカップラ、１３は半波長板、１４はブレーズドグレー
ティング、！５はＡＲコート、１６はシリンドリカルレ
ンズ、１７は結合用レンズである。

半導体レーザ１８の図面左側部分は増幅部１１とされ、
図面右側部分はグレーティングカップラ部１２とされて
いる。また、図面右側端面にはＡＲコート１５が施され
、図面左側端面は外部への出射端面とされている。プレ
ーズドグレーティング１４はグレーティングカップラ部
１２より出射される光波をグレーティングカップラ部１
２へ回折するようにその上部に設けられており、半波長
板１３およびシリンドリカルレンズ１６はグレーティン
グカップラ部１２とブレーズドグレーティング１４の間
に配置されている。

半導体レーザ１８の増幅部１１内の活性層にて発生し、
グレーティングカップラ部１２内の導波路を伝授する光
波は、層面に平行な電界成分をもつ偏光モード（ＴＥ−
１ｉｋｅ）が支配的となり、グレーティングカップラ部
１２より上方へ出射される。

図に示すようなほぼ垂直の方向へ出射される構成のもの
においては層面に垂直な電界成分をもつ偏光モード（Ｔ
Ｍ−１ｉｋｅ）はブリュースター条件に近いものであり
、その出射効率は著しく低下する。

このためＴＥ−１ｉｋｅのモードのみが有効に出射され
ることになる上方に出射された光波は、半波長板１３に
よって偏光方向が９０＠回転されて、ブレーズドグレー
ティング１４に対して回折効率の高い偏光状態に変換さ
れる。

ブレーズドグレーティング１４に入射された光波は、そ
の入射角度に応じて異なる波長が選択され、半波長板１
３によって再度出射時の偏光状態に戻された後にグレー
ティングカップラ部１２によって導波路に再結合される
。このように、外部に設けられるブレーズドグレーティ
ング１４を含む外部共振器レーザが構成される。図面左
端の出射端はへき開端面である。図面右端に設けられた
ＡＲコート１５は、出射端からの反射を除去することを
目的とするものであり、エツチング等で斜めに形成され
た端面に置き換えてもさしつかえない。

本実施例においてはグレーティングカップラ、ブレーズ
ドグレーティングという２つの波長分散素子で構成され
ているため、波長の選択性は鋭く、高い波長安定性の外
部共振器型レーザが実現できた。

また、本実施例のものにおいてはグレーティングカップ
ラ部に対してはＴＥ−１ｉｋｅな偏光が、またブレーズ
ドグレーティングに対してはＴＭ−１ｉｋｅな偏光が用
いられ、それぞれ最適の偏光状態でのカップリングが行
なわれることになる。このため、デバイスの高効率化が
図られている。

なお、以上の各実施例において、偏光素子は半波長板を
用いるものとして説明したが、ファラデー回転素子を用
いてもよい。この場合には、光学系は多少複雑化される
ものの偏光角度を任意に制御することが可能となるので
、光学系の設計の自由度を増すことができる効果がある
。

［発明の効果］ 本発明は以上説明したように構成されているので、以下
に記載するような効果を奏する。

請求項１に記載のものにおいては、グレーティングの回
折効率および波長選択性を同時に高いものとすることが
できる。また、グレーティングの回折効率を高めたこと
により実効的反射率も増大するため、半導体レーザの発
振閾値電流が低減された高効率なものとなり、波長選択
範囲も広いものとなる。さらに、波長選択性を高めたこ
とにより波長の連続可変動作が可能となり、高い波長安
定性を備えたものとすることができる。

請求項２に記載のものにおいては、光学系を容易に構成
することができる効果がある。

請求項３に記載のものにおいては、光学系の設計の自由
度を増すことができる効果がある。

請求項４に記載のものにおいては、グレーティングにて
回折された光波の入射効率が向上するため、半導体レー
ザの発振閾値電流がさらに低減されたものとすることが
できる効果がある。

請求項５に記載のものにおいては、素子作成を容易なも
のとすることができる効果がある。

請求項６に記載のものにおいては、２つのグレーティン
グをそれぞれ最適な偏光状態にて使用可能となり、これ
ら２つのグレーティングの回折効果が相乗されるため、
上記効果に加えて高い波長分数性能および波長選択性を
得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至第１図（ｄ）は本発明の第１の実施例
を説明するための図、第１図（ａ）は本発明の第１の実
施例の構成を示す図、第１゛図（ｂ）は第１図（ａ）を
上側から風た上面図、第１図（Ｃ）　、　（ｄ）はそれ
ぞれ第１図（ａ）中のＡ−Ａ’断面、Ｂ−８’断面にお
ける光強度分布および電界方向を示す図、第２図（ａ）
、第２図（ｂ）は本発明の第２の実施例を説明するため
の図、第２図（ａ）は本発明の第２の実施例の構成を示
す図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）を上側から見た上面
図、第３図（ａ）、第４図（ａ）、第５図（ａ）はそれ
ぞれ従来例の構成を示す図、第３図（ｂ）は第３図（ａ
）中のＡ−Ａ’断面における光波の強度分布を示す図、
第４図（ｂ）は第４図（ａ）中のＢ−８’断面における
光波の強度分布を示す図、第５図（ｂ）　、　（Ｃ）は
それぞれ第５図（ａ）中のｃ−ｃ　’断面、Ｄ−Ｄ’断
面における光波の強度分布を示す図である。 １．１８−・・半導体レーザ、 ２．３．１７・・・結合用レンズ、 ４．１４−・ブレーズドグレーティング、５．１３−・
・半波長板、 ６．１５・・・ＡＲコート、 １１・・・増幅部、 １２・・・グレーティングカップラ部、１６・・・シリ
ンドリカルレンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体レーザと、該半導体レーザの外部に設置され
   るグレーティングとによって共振器が構成される外部共
   振器型レーザにおいて、 前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に偏光素
   子が挿入されていることを特徴とする外部共振器型レー
   ザ。 ２、請求項１記載の外部共振器型レーザにおいて、 偏光素子が半波長板であることを特徴とする外部共振器
   型レーザ。 ３、請求項１記載の外部共振器型レーザにおいて、 偏光素子がファラデー回転素子であることを特徴とする
   外部共振器型レーザ。 ４、請求項１記載の外部共振器型レーザにおいて、 半導体レーザの、グレーティングに向けて光波が出射さ
   れる側の端面には反射防止膜が形成されていることを特
   徴とする外部共振器型レーザ。 ５、請求項１記載の外部共振器型レーザにおいて、 半導体レーザの、グレーティングに向けて光波が出射さ
   れる側の端面が反射防止のために斜めに形成されている
   ことを特徴とする外部共振器型レーザ。 ６、請求項１記載の外部共振器型レーザにおいて、 半導体レーザの上面の一部に、導波路内の光波と結合し
   、該結合光波を外部に設置されたグレーティングに向け
   て出力するグレーティングカップラ部が設けられている
   ことを特徴とする外部共振器型レーザ。