JPH04105382A

JPH04105382A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPH04105382A
Application number: JP22128490A
Authority: JP
Inventors: Genichi Hatagoshi; 玄一波多腰; Koichi Nitta; 康一新田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-08-24
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1992-04-07
Anticipated expiration: 2015-04-10
Also published as: JP3031976B2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、光情報処理や光計Ｍｊ、光通信等に用いる半
導体レーザ装置に係わり、特にビーム出射角や波長の安
定化をはかった半導体レーザ装置に関する。

（従来の技術）近年、光デイスクシステムや光スキャナ等の先情報処理
装置或いは光計測、光通信等への応用を目的として、様
々な半導体レーザが開発されている。これらの半導体レ
ーザでは、用途に応じて、横モード特性、光スペクトル
特性、雑音特性等に対する様々な要求がある。特に、光
デイスクシステム用光源等の応用では、高出力動作にお
いても安定な横モードで発振することが要求される。

このような目的に対して様々な横モード制御構造の半導
体レーザが開発されているが、いずれも横モード安定化
のために複雑なデバイス構造となり、作成プロセスも複
雑となっている。

また、高出力動作では発熱による屈折率変動やキャリア
の空間的ホールバーニング等によりモードか不安定にな
り易く、安定な横モード発振を実現することは困難であ
る。また、高出力化の手段として、アレイレーザか開発
されているか、アレイレーザでは各アレイの位相を同期
させることは難しく、位相同期か実現しても通常０″モ
ードより　１８０’モードの方か安定のため、遠視野像
は単峰形状とはならず、双峰形状となってしまう。

一方、半導体レーザの外部からモードを制御する方法と
して、第１２図に示すような外部共振器による位相同期
レーザが報告されている（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇ
ｅｓｔ、　１０ｔｈ　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏ
ｎａｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　Ｌａ５ｅｒ　　
Ｃｏｎｒｅｒｅｎｃｅ、ＫａｎａｚａｖａＦ−４（１９
８Ｂ））。図中１は半導体レーザ素子、２はスリット、
３は球面鏡であり、レーザ素子１からの出射光をスリッ
ト２を通して球面鏡３に照射し、この反射光をスリット
２を通してレザ素子１にフィードバックする構成となっ
ている。

しかしなからこの方法では、空間フィルタとしてスリッ
トを用いているために、発振モードの制御としては不完
全である。即ち、スリットは２値的なフィルタであるの
で、そのフーリエ変換としてのＬＤ端面における近視野
像はサイドローブを持ったパターンとなる。従って、例
えばこれをシングルモートスドライプレーサに適用した
場合には、サイトローブに相当する高次モードが発振し
易く、このようなレーザからの出射光は単一スポットに
絞ることはできない。

また、ホログラムスキャナ等に用いる場合は、温度等に
よる波長変動の少ないことが要求される。このような波
長安定化レーザを実現する手段として、外部共振器を設
けた複合共振器構造か各種開発されている。例えば、第
１３図に示したように、半導体レーザ素子１の後方にレ
ンズ４及び反射Ｒ５を設置す、後面出射光を半導体レー
ザ素子１に戻すことにより、複合共振器を形成すること
か可能である。しかしながら、この構造では複合共振器
効果による波長選択性を用いているために、例えば温度
変動に対して、必ずしも広い範囲で波長安定性は得られ
ない。

また、この構造では外部共振器構造が固定されているた
めに、波長を可変とすることはできない。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来のスリット等による外部共振器構造で
は発振モードの制御か不完全であり、安定な横モード発
振を得ることは困難であった。

また、従来の反射鏡による複合共振器構造では広い温度
変動に対して波長安定性を得るのは困難であり、さらに
波長を外部から制御することはできないという問題があ
った。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、高出力動作においても安定な基本横
モードで発振する半導体レーザ装置を提供することにあ
る。

また、本発明の他の目的は、広い温度範囲で波長を安定
化し、且つ外部から波長を制御することを可能とした半
導体レーザ装置を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、前述した問題を解決するために、ビー
ム出射角選択素子や波長選択素子等を含む光フイードバ
ツク光学系を設けたことにある。

即ち本発明は、外部共振器構造を有する半導体レーザ装
置において、半導体レーザ素子と、このレーザ素子から
の出射光の一部を該レーザ素子の光出射端面に戻すため
の光学系と、この光学系の光路中に配置された入射角が
小さいほど透過率の大きいビーム出射角選択素子とを設
けるようにしたものである。

また本発明は、外部共振器構造を有する半導体レーザ装
置において、半導体レーザ素子と、このレーザ素子から
の出射光の一部を該レーザ素子の光出射端面に戻すため
の光学系と、この光学系の光路中に傾けて配置された特
定の波長に対して透過率か大きい波長選択素子とを設け
るようにしたものである。

（作用）本発明（請求項１）によれば、ビーム出射角選択素子を
含む光フイードバツク光学系を設けることにより、出射
角の小さいビームのみをレーザ素子の光出射端面に戻す
ことができ、これにより高出力動作においても安定な基
本横モードでの発振が可能となる。

また本発明（請求項２）によれば、波長選択素子等を含
む光フイードバツク光学系を設けることにより、特定の
波長のみをレーザ素子の光出射端面に戻すことができ、
これにより広い範囲で波長を安定化することが可能とな
る。これに加えて、波長選択素子の光路に対する傾きを
可変することにより、外部から波長を制御することが可
能となる。

さらに、ビーム出射角選択素子及び波長選択素子の双方
を含む光フイードバツク光学系を設けることにより、高
出力動作における安定な基本横モードでの発振と共に、
広い範囲で波長を安定化することが可能となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる半導体レーザ装
置を示す概略構成図である。図中１０は半導体レーザ素
子、１１は光学フィルタ（ビーム出射角選択素子）　　
１２はレンズ、１３はハーフミラ−である。この図にお
いて、半導体レーザ素子１０から出射された光は光学フ
ィルタ１１を通過後、レンズ１２によりコリメートされ
、ハーフミラ−１３に入射する。この光の一部はハーフ
ミラ−１３により反射されて再びレンズ１２により集束
され、光学フィルタ１１を通過して半導体レーザ素子１
０に戻る。

ハーフミラ−１３により光がフィードバックされている
ので、全体として外部共振器が構成されている。

本実施例の特徴は、この外部共振器中にビーム出射角選
択素子として光学フィルタ１１を配置したことにある。

この光学フィルタ１１は、入射光に対する角度選択性を
有し、入射角が小さいほど透過率が高くなるものである
。従って、光学フィルタ１１を光路中に配置することに
より、レーザ素子１０からの出射光のビーム広がり角の
小さい成分はど光学フィルタ１１を良く透過することに
なる。即ち、ビーム広がり角の小さい出射ビーム成分を
持つモードに対しては共振器損失が少なくなり、これに
より安定な横モード発振か得られる。

第１図中の光学フィルタ１１としては、例えば誘電体多
層膜からなる帯域通過フィルタを用いることができる。

第２図に帯域通過フィルタの構造例を示す。図中２０は
ガラス基数、２１は高屈折率層（図中ハツチングで示す
）と低屈折率層の交互層からなる多層膜、２２は反射防
止膜である。多層膜２１の構成としては、例えばＨＬＨ
Ｌ・・・ＨＬ　（２Ｈ）ＬＨ・・・ＬＨＬＨ，或いはＨ
ＬＨＬ・・・ＬＨ（２Ｌ）ＨＬ・・・ＬＨＬＨのような
構成を用いることができる。ここで、Ｈ及びＬは光学的
厚さかλ。／４（λ０は中心波長）の高屈折率層及び低
屈折率層を表わす。

第３図に、このような帯域通過フィルタの透過率の入射
角依存性を示す。ここでは、基板をＢＫ７ガラス（屈折
率１．５１）　、高屈折率層をＴｉＯ２（屈折率ｎ　Ｈ
−２，３）　、低屈折率層をＳｉＯ２（屈折率ｎ　Ｌ　
−１，４５）として、全体の総数が９層〜２３層の場合
の透過率を示した。図から分かるように、層数が増える
ほど入射角依存性は急峻になる。従って、目的に応じて
様々なビーム出射角選択性を持たせることができる。

このように本実施例によれば、レーザ素子１０の出射光
の一部をフィードバックする光学系の光路中にビーム出
射角選択素子としての光学フィルタ１１を配置している
ので、レーザ素子１０からの出射光のうちの出射角の小
さいビームのみをレーザ素子１０の光出射端面に戻すこ
とかできる。従って、レーサ素子Ｉ　Ｌ）は高出力動作
においても安定な基本横モートての発振が可能となる。

第４図（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施例を示す概
略構成図である。なお、第１図と同一部分には同一符号
を付して、その詳しい説明は省略する。

第４図（ａ）の例は、前記レンズ１２の代わりにグレー
ティングレンズ１４を用いたものである。この場合、グ
レーティングレンズ１４は光学フィルタ１１と貼り合わ
せて使用できるため、光学系の小型化が可能となり、さ
らにフィルタ位置の調整が容易となる。なお、この例で
はグレーティングレンズ１４と光学フィルタ１１を貼り
合わせて用いる場合を示したか、多層膜を直接グレーテ
ィングレンズ１４の裏面に形成してもよい。この際、多
層膜か形成されている側が半導体レーザ素子１０の側に
面していればよい。

第４図（ｂ）の例は、ハーフミラ−１３とブレティング
レンズ１４を一体形成したものである。即ち、半導体レ
ーサ素子１０に対し光学フィルタ１１の後方には、クレ
ーテイレグレンスからなる半透鏡１５か配置されている
。この場ａル−サ素子１０から出た光は、光学フィルタ
１１を通過した後、半透鏡１５により一部か反射されて
再び光学フィルタ１１を通過してレーサ素子１０に戻る
。半透鏡１５に入射した光の一部はそのまま通過するた
め、この光をレーサ出射光として使用することかできる
。

第４図（Ｃ）の例は、前記第１２図に示した従来例の改
良であり、従来例のスリ・ソトの代わりに光学フィルタ
１１を設けた構成となっている。

なお、図中１６は球面鏡である。前述したように、スリ
ットは２値的なフィルタであるので、モード選択性は完
全ではないが、本実施例では第３図に示したように角度
に対して連続的に透過率か代わるフィルタとなっている
ので、良好な基本横モードか選択される。

以上の例に示した半導体レーサ素子は、基本的に任意の
構造のものを用いることができる。

即ち、単一スドライブ構造の屈折率導波型レーザ、或い
は利得導波型レーザてあってもよいし、広ストライプレ
ーザやアレイレーザであってもよい。単一スドライブレ
ーザの場合には、高出力動作においても基本横モード発
振が安定に得られ、また広ストライプレーザやアレイレ
ーザの場合には、単峰性の遠視野像プロファイルを持っ
た出射ビームが得られる。また、以上の例で半導体レー
ザ素子の出射端面に反射防止膜を形成しておけば、より
外部共振器の効果が得られる。

第５図は本発明の第３の実施例を示す概略構成図である
９図中１０は半導体レーザ素子、１２はレンズ、３１は
光学フィルタ（波長選択素子）、１３はハーフミラ−で
ある。この図において、半導体レーザ素子１０から出射
された光はレンズ１２によりコリメートされ、光学フィ
ルタ３１を通過し、ハーフミラ−１３に入射する。この
光の一部はハーフミラ−１３により反射されて再び光学
フィルタ３１を通過し、半導体レーサ素子１０に戻る、
ノ＼−フミラー１３により光かフィードバックされるの
で、全体として外部共振器か構成されている。

本実施例の特徴は、この外部共振器中に波長選択素子と
して光学フィルタ３１を配置したことにある。即ち、光
学フィルタ３１の波長選択性により、ある波長に対して
共振器損失か少なくなるため、その波長で安定に発振す
る半導体レーザが得られる。前記第１３図の例では温度
変動によるモードホッピングが有り得るが、本実施例で
は広い範囲で波長を安定化することが可能である。

光学フィルタ３１としては、先の第１の実施例と同様に
、誘電体多層膜からなる帯域通過フィルタを用いること
ができる。第６図に、このような帯域通過フィルタの波
長特性を示す。ここでは、基板をＢＫ７ガラス（屈折率
１．５１）、高屈折率層をＴｉＯ□　（屈折率ｎＨ−”
２．３）、低屈折率層をＳｉＯ□　（屈折率ｎ　Ｌ　−
１，４５）として、全体の総数が９層〜１９層の場合の
透過率を示した。Ｆｆｉ軸はフィルタの中心波長λ。て
規格化した波長である。また、入射角は２５°として設
計したフィルタの場合を示しである。第６図で（ａ）は
ＴＥ偏光、即ち光学フィルタの方線と光軸で作られる入
射平面に対して、偏光方向が平行な場合、（ｂ）はそれ
と垂直の偏光方向であるＴＭ偏光の場合を示している。

この図から分かるように、層数を多くすると通過帯域を
狭くすることができるため、必要に応じて任意の通過帯
域幅を実現することができる。なお、第６図の（ａ）と
（ｂ）とを比較して分かるように、ＴＥ偏光の場合の方
が通過帯域幅は小さい。従って、ＴＥ偏光の構成にした
方か、少ない層数で狭い帯域幅を実現できる。

第５図の構成では、光学フィルタ３１を光路に対して傾
けて配置しである。これは、光学フィルタ３１による反
射光か半導体レーザ素子１０に戻ることを防くためであ
る。さらに、この傾き角を変えることにより、実効的に
フィルタの中心波長を変えることか可能である。従って
、光学フィルタ３１に回転機構を設けておくことにより
、発振波長を可変とすることかできる。第７図に、層数
か１９の帯域通過フィルタにおける入射角と実効的中心
波長との関係を示す。

ここに示したように、入射角を変えることによって、広
い範囲で中心波長を変えることかできる。

このように本実施例によれば、レーザ素子１０の出射光
の一部をフィードハックする光学系の光路中にビーム出
射角選択素子としての光学フィルタ３１を配置している
のて、レーザ素子１０からの出射光のうちの特定の波長
成分のみをレーザ素子１０の光出射端面に戻すことかで
きる。従って、レーザ素子１０は広い範囲で安定した波
長を有する二とになり、さらに光学フィルタ３１の光路
に対する傾きを可変することにより、外部から波長を制
御することか可能となる。

第８図（ａ）〜（（１）は本発明の第４の実施例を示す
概略構成図である。なお、第５図と同一部分には同一符
号を付して、その詳しい説明は省略する。

第５図の例では半導体レーザ素子の前面出射光の光路中
に波長選択素子を含むフィードバック光学系を構成して
いるか、第８図（ａ）のように後面に構成してもよい。

この場合には、ハーフミラ−１３の代わりに反射鏡３３
を配置することにより、選択された全ての光をレーザ素
子１０に戻すことかできる。また、先出力モニタが必要
な場合には、光検出器自体を反射鏡３３の代わりに配置
してもよい。

第８図（ｂ）の例では、ビームスプリッタ３６と反射鏡
３３を用いて光フイードバツク光学系を構成している。

即ち、レーザ素子１０からの出射光はレンズ１２により
コリメートされ、ビームスプリッタ３６により一部が光
学フィルタ３１を通して反射鏡３３に照射される。そし
て、反射鏡３３から反射された光か光学フィルタ３１、
ビームスプリッタ３６及びレンズ１２を通してレーザ素
子１０に戻るようになっている。

この場合は、必要に応して前面出射光の出力をモニタす
ることが可能である。例えば、反射鏡３３の代わりに光
検出器を配置することか可能である。

第８図（Ｃ）の例は同図（ｂ）の改良であり、レンズ１
２の代わりにグレーティングレンズ３４を用いている。

この場合、グレーティングレンズ３４をビームスプリッ
タ３６に貼り付けることにより、光学系の小型化が可能
となる。また、第８図（ｄ）の例は同図（ｅ）の改良で
あり、反射鏡として直角プリズム３７を用いている。こ
の場合には、光学フィルタ３１を直角プリズム３７に貼
り付けて用いており、中心波長を変化させるために、直
角プリズムを回転させるようにしている。このため、光
学系の小型化と共にフィルタ配置の容易化をはかること
ができる。

第９図は本発明の第５の実施例を示す概略構成図である
。なお、第５図と同一部分には同一符号を付して、その
詳しい説明は省略する。この実施例は、第８図（ｂ）の
改良例であり、光学フィルタ３１と反射鏡３３の代わり
に、これらを集積した素子３９を用いたものであり、ビ
ームスプリッタ３６て分岐された光かレンズ３８により
集束されて集積素子３９に入射するようになっている。

集積素子３９の構造を第１０図に示す。図中４０はｎ−
ＧａＡｓ基板、４１は組成の異なるｎ−ＧａＡｌＡｓの
交互層からなる反射鏡、４２はｎ−ＧａＡｌＡｓ層、４
３は組成の異なる２種類のＧａＡ　ＩＡｓの交互層から
なる帯域通過フィルタ、４４はｐ−ＧａＡ　ＩＡｓ層、
４５はｎ側電極、４６はｐ側電極を示している。

この集積素子３９はこれ自体でも波長選択素子として働
くが、電流を流すことにより、キャリア注入による屈折
率変化を利用して、フィルタの中心波長を変えることが
可能である。また、この例では半導体薄膜としてＧａＡ
　ＩＡｓ系の場合を示しているか、使用する半導体レー
ザ素子の波長により、その波長に対して透明な半導体材
料を選択して、同様の集積素子を構成すればよい。

第１１図は本発明の第６の実施例を示す概略構成図であ
る。なお、第１図及び第５図と同一部分には同一符号を
付して、その詳しい説明は省略する。この実施例は、第
１の実施例における出射角選択素子と第３の実施例にお
ける波長選択素子の双方を用いるようにしたものである
。

具体的には、第１図の構成に加え、レンズ１２とハーフ
ミラ−１３との間に光学フィルタ３１が配置されている
。

このような構成であれば、当然のことなから、光学フィ
ルタ１１の作用により良好な基本横モード発振を実現す
ることができ、さらに光学フィルタ３１の作用により広
い範囲で波長を安定化することか可能である。また、光
学フィルタ３１を回転させる機構を設けることにより、
外部から発振波長を制御することも可能である。

なお、出射角選択素子と波長選択素子の双方を用いてフ
ィードバック光学系を構成する場合、第１１図の例に同
等限定されるものではなく、第１　第２の実施例と第３
〜第５の実施例とを適宜組み合わせて実現することか可
能である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

［発明の効果コ以上詳述したように本発明によれば、ビーム出射角選択
素子を含む光フイードバツク光学系を設けることにより
、高出力動作においても安定な基本横モードで発振する
半導体レーザ装置を実現することができる。また、波長
選択素子を含む先フィードバック光学系を設けることに
より、広い温度範囲で波長を安定化し、且つ外部から波
長を制御することを可能とした半導体レーザ装置を実現
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の実施例に係わる半導体レーザ装
置を示す概略構成図、第２図は上記実施例に用いた光学
フィルタの具体的構成を示す断面図、第３図は上記光学
フィルタにおける入射角と透過率との関係を示す特性図
、第４図は本発明の第２の実施例を示す概略構成図、第
５図は本発明の第３の実施例を示す概略構成図、第６図
は上記実施例に用いた光学フィルタにおける規格化波長
と透過率との関係を示す特性図、第７図は上記光学フィ
ルタにおける入射角と中心波長との関係を示す特性図、
第８図は本発明の第４の実施例を示す概略構成図、第９
図は本発明の第５の実施例を示す概略構成図、第１０図
は第５の実施例に用いた集積素子の具体的構成を示す断
面図、第１１図は本発明の第６の実施例を示す概略構成
図、第１２図及び第１３図はそれぞれ従来例を示す概略
構成図である。１１・・・光学フィルタ（出射角選択素子）、１２．３
８・・・レンズ、１３・・・ハーフミラ− １４，３４・・・グレーティングレンズ、１５・・・半
透鏡、１６・・・球面鏡、２０・・・ガラス基板、２１・・・多層膜、２２・・・反射防止膜、３１・・・光学フィルタ（波長選択素子）３３・・・反
射鏡、３６・・・ビームスプリッタ、３７・・・直角プリズム、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体レーザ素子と、このレーザ素子からの出射
光の一部を該レーザ素子の光出射端面に戻すための光学
系と、この光学系の光路中に配置された入射角が小さい
ほど透過率の大きいビーム出射角選択素子とを具備して
なることを特徴とする半導体レーザ装置。
（２）半導体レーザ素子と、このレーザ素子からの出射
光の一部を該レーザ素子の光出射端面に戻すための光学
系と、この光学系の光路中に傾けて配置された特定の波
長に対して透過率が大きい波長選択素子とを具備してな
ることを特徴とする半導体レーザ装置。
（３）前記波長選択素子は、透過率が大きくなる特定波
長が入射角により異なるものであり、この波長選択素子
の傾きを可変する機構を設けたことを特徴とする請求項
２記載の半導体レーザ装置。