JPH04361584A - 位相同期型半導体レーザ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザ光を用いて
情報の伝送を行う光通信や情報の記録・読出しを行う光
記録分野に係わるものであり、特に波長が安定しかつ高
出力の半導体レーザに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは光通信分野や光記録分野
における小型の光源として重要な役割を果たしているが
、さらに高出力の半導体レーザの開発が要求されている
。特に記録消去の可能な光ディスク用の光源として用い
られる際には、回折限界に集光可能でかつ高出力な半導
体レーザは不可欠である。

【０００３】従来、半導体レーザの高出力化を実現する
ために、通常の単一横モードの半導体レーザの導波路構
造を改善する方法。また、活性層のストライプ幅を広く
することにより発光面積を増加させる方法、いわゆるブ
ロードエリア型の半導体レーザを作製する方法。そして
、互いにモード結合する複数のレーザをアレイ化する方
法、いわゆる位相同期レーザを作製する方法の大きく三
つのアプローチがなされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、通常構造の
単一ストライプ構造の半導体レーザは優れた集光特性を
有するものの発振出力には限界があり、数１０ｍＷ程度
であった。また注入電流により波長が変化し、光ディス
クシステムに使用する際には光学レンズの波長分散によ
り収差が発生するので、波長変動が極力小さな半導体レ
ーザが望まれている。

【０００５】また、ブロードエリア型の半導体レーザは
横モードが多モードであり、回折限界に集光することは
不可能であり、光ディスクに用いることは不可能である
。位相同期型の半導体レーザの構成を図７に示すが、こ
の位相同期型半導体レーザは導波路構造を有する複数の
線状の活性層１ａ，１ｂ………が平行して配置され、か
つ互いに導波モードが結合されるアレイ状で、一つ一つ
の活性層の端面から出射する光の位相Ａがすべて合って
いると、出力Ｂを高出力にすることができる。位相Ａが
合っていないと弱め合ってしまう。

【０００６】現実にはすべての位相Ａが完全に位相同期
する０次結合を実現させることは困難であり、特により
高出力化のためにアレイ数を増加させるとより０次結合
が困難になるという問題点がある。一定の条件で０次結
合が実現されても注入電流や周辺温度の変動により各導
波路の伝搬定数などが変化し、そのためにモードの結合
状態が０次結合から変化し、回折限界に集光することは
不可能になる。

【０００７】したがって、光ディスク用の光源として充
分な特性を有する半導体レーザは実現されていなかった
。本発明はこのような従来の高出力半導体レーザの課題
を克服し、高出力でかつ波長が安定し、さらに回折限界
に集光可能な半導体レーザを提供することを目的とする
。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の位相同
期型半導体レーザは、導波路構造を有する複数の線状の
活性層が平行して配置され、かつ互いに導波モードが結
合されるアレイ状の半導体レーザ本体と、半導体レーザ
本体の片端面を線光源として放射する結合モードの放射
光のうち特定の波長の光だけを、半導体レーザ本体の前
記片端面に線状に直線集光して光帰還を行う反射型の光
回折素子とを設けたことを特徴とする。

【０００９】請求項２に記載の位相同期型半導体レーザ
は、請求項１の光回折素子を、平面基板に回折格子を形
成して構成したことを特徴とする。請求項３に記載の位
相同期型半導体レーザは、請求項２の光回折素子を、回
折格子の周期が連続的に変化するように構成したことを
特徴とする。

【００１０】請求項４に記載の位相同期型半導体レーザ
は、請求項３記載の光回折素子を、回折格子の形状が下
記式で表されるＸ方向の直線群であることを特徴とする
。 　　（ｙ−ｆ・ｓｉｎ　θ）２　＝（Ｍ・（ｍλ／２）
＋ｆ）２　−（ｆ・ｃｏｓ　θ）２　ここでｙは回折格
子の形成される平面基板の上の直交軸Ｘ，ＹのＹ軸の座
標ｆは活性層の端面と前記座標系の原点との設定距離θ
は活性層の端面と原点を結ぶ軸と回折格子の形成された
平面基板のＹ軸とのなす角λは帰還される特定の波長 Ｍ，ｍは整数 請求項５に記載の位相同期型半導体レーザは、請求項１
記載の光回折素子を、半導体レーザ本体の片端面の活性
層から放射するレーザ光のうちの特定の波長に対して隣
接した発振波長の光が前記活性層の外部に集光されるよ
うに構成したことを特徴とする。

【００１１】請求項６に記載の位相同期型半導体レーザ
は、請求項１記載の位相同期型半導体レーザにおいて、
光が放射されかつ光回折素子により光が集光される半導
体レーザ本体の片端面に無反射膜を形成したことを特徴
とする。

【００１２】請求項７に記載の位相同期型半導体レーザ
は、導波路構造を有する複数の線状の活性層が平行して
配置され、かつ互いに導波モードが結合されるアレイ状
の半導体レーザ本体と、平面基板に直線状の回折格子を
形成した反射型の光回折素子とを設け、光回折素子は、
半導体レーザ本体の片端面を線光源として放射する結合
モードの放射光のうち特定の波長の光だけを、２次の回
折効果により半導体レーザ本体の前記片端面に線状に直
接集光して光帰還を行うとともに、１次回折光が外部に
放射されるように構成したことを特徴とする。

【００１３】請求項８に記載の位相同期型半導体レーザ
は、請求項３記載の光回折素子の回折格子の形状が下記
式で表されることを特徴とする。 　　（ｙ−ｆ・ｓｉｎ　θ）２　＝（ｍλ＋ｆ）２　−
（ｆ・ｃｏｓ　θ）２　ここでｙは回折格子の形成され
る平面基板の上の直交軸Ｘ，ＹのＹ軸の座標 ｆは活性層の端面と前記座標系の原点との設定距離θは
前記活性層の端面と前記原点を結ぶ軸と回折格子の形成
された平面基板のＹ軸とのなす角 λは半導体レーザ本体に帰還される特定の波長ｍは整数

【００１４】

【作用】本発明は、半導体レーザ本体における０次結合
の位相同期モード光の端面からの放射波面が、線光源か
らの放射波面であることを応用し、特殊形状の回折格子
による回折効果により線光源から放射された波面でかつ
特定の波長を有する光のみを前記端面上に線上に集光さ
せることにより、この波面を有するモードのみに光帰還
を与え、０次結合の位相同期モードがレーザ発振するこ
とに基づくものである。すなわち、図６に示すように光
回折素子４で反射された光のうち、波長の異なる光Ｃは
端面における非活性部Ｄの点Ｅに集光されるので光帰還
されず、また０字結合の位相同期モード以外のモードは
放射波面が異なるので回折素子の収差のために活性層端
面に充分に集光されず、光帰還効率が低下する。その結
果、特定波長でかつ０次結合モードのレーザ発振が可能
となるものである。

【００１５】また、本発明は２次回折現象を光帰還に用
いることにより、特定波長の０次結合モードのレーザ発
振が可能となるのみならず、その１次回折光が平行ビー
ムとして外部に放射されるので平行ビーム光源が実現さ
れる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。 第１の実施例の位相同期型半導体レーザは図１〜図４に
示すように構成されている。半導体レーザ本体１はガリ
ウム砒素基板を用い活性層としてアルミニウム・ガリウ
ム・砒素を用いた０．８　μｍ帯のファブリーペロー型
半導体レーザアレイであり、１ａ〜１ｊはストライプ状
の活性領域（レーザストライプ）を示す。レーザストラ
イプのそれぞれの間隔は５μｍでありその横モードが相
互に結合している。反射型の光回折素子４は、平面基板
５の表面に周期が連続的に徐々に変化した回折格子を形
成して構成されており、半導体レーザ本体１の端面２，
３のうちの片端面３から放射され、かつ設定した０．８
　μｍの波長を有する光は、この光回折素子４の光回折
効果により直接線状に集光されて半導体レーザ本体１に
光帰還される。半導体レーザ本体１の端面３には反射防
止膜が付設されており、両端面で形成される半導体レー
ザ本体自体のファブリーペロー共振器による発振は抑圧
されている。

【００１７】なお、光回折素子４は、半導体レーザ本体
１自体のファブリーペローモードにより発振しやすい隣
接した副モードの波長の光が、図５に示すように活性性
層から約２μｍの離れた位置Ｅに集光されるように設計
されている。

【００１８】半導体レーザ本体１のもう一方の端面２か
ら放射される光５は、シリンドリカルレンズなどを用い
て平行ビームに変換し、さらに凸レンズなどにより光デ
ィスク表面に集光することにより光記録などに用いるこ
とが可能である。

【００１９】光回折素子４の設計原理を図２を用いて説
明する。ここでは線光源を仮定するので、Ｘ方向には均
一であり、設計はＺ−Ｙ平面を考慮すればよい。そして
回折素子の形成される平面基板上にｙ座標を仮定し、光
発散点および集光点となる活性層端面Ｐが前記座標の原
点から垂直方向に対しＹ軸方向にθの角をなす線上に存
在し、しかも原点からｆの距離に設定されていると仮定
する。Ｐから放射され回折格子の一点Ｇに到達し、反射
されて再度Ｐに戻る光の位相が揃うように回折格子の形
状が設定されているとき、この回折格子は外部共振器鏡
として作用することになる。

【００２０】すなわち、点Ｇを回折格子の等位相点と考
えると、回折格子の形状は次式で与えられる。 ２ＰＧ＝ｍλ＋（定数） ここで、λは半導体レーザ本体の複数の設定発振波長、
ｍは整数で、原点から何本目の回折格子であるかを示し
ている。

【００２１】また、 （ｙ−ｆ・ｓｉｎ　θ）２　＝（Ｍ・（ｍλ／２）＋ｆ
）２　−（ｆ・ｃｏｓ　θ）２　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
………（１）ここでｆは活性層の端面と前記座標系の原
点との設定距離、θは活性層の端面と原点を結ぶ軸と回
折格子の形成された平面基板のＹ軸とのなす角、Ｍは整
数で何次の回折光を半導体レーザ本体１に戻すかを示す
。

【００２２】半導体レーザ本体１に１次回折光を戻す場
合を考えると、“Ｍ＝１”で上記の第１式は、　　（ｙ
−ｆ・ｓｉｎ　θ）２　＝（（ｍλ／２）＋ｆ）２　−
（ｆ・ｃｏｓ　θ）２　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　………（
２）図３，図４に光回折素子４の概略を示す。

【００２３】光回折素子４はシリコン基板３１の上に形
成された約０．６　μｍの電子線レジスト６に電子ビー
ムを照射し、現像液に浸すことにより電子ビームの照射
された部分を除去して図３に示すような凹凸構造が形成
されている。その凹凸構造の電子ビーム線レジストの表
面に金属薄膜７を形成し、高い反射率の回折格子８が形
成されている。図４は電子ビームで形成された回折格子
の形状の概略を示す。回折素子の形成されている領域の
大きさは０．０５×０．１ｃｍ２である。“Ｍ＝１”の
場合の設定パラメータはｆ＝２ｍｍ、θ＝４８．２°、
λ＝　０．８μｍとすると、上記の第２式は下記の第３
式のように表せ、ｙ＝ｆ（ｍ）　　　　　　　　………
（３）ｍをパラメータとして各回折格子の位置が決まる
。

【００２４】上記のように形成した光回折格子４を外部
共振器鏡として図１に示した位相同期型半導体レーザを
構成した結果、約　０．８μｍの０次結合モードで発振
した。しかも注入電流を変化させても発振波長の変化や
発振モードの変化が生じず、１００ｍＷ　以上の出力を
容易に実現することが可能であった。

【００２５】また、発振波長は半導体レーザ本体１の基
板と光回折素子４とのなす角を変化させることにより　
０．８μｍを中心に約０．０２μｍの波長範囲において
連続的に制御することが可能であった。

【００２６】図５は別の実施例を示す。この実施例では
光回折素子４に形成されている回折格子が前記の実施例
とは異なっており、２次の回折光を半導体レーザ本体１
に戻すよう回折格子の形状は次式で表せる。２次の回折
光を半導体レーザ本体１に戻すため“Ｍ＝２”とすると
、上記の第１式は下記の第４式のようになる。

【００２７】 　　（ｙ−ｆ・ｓｉｎ　θ）２　＝（（ｍλ／２）＋ｆ
）２　−（ｆ・ｃｏｓ　θ）２　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
………（４）そしてこの回折素子の２次の光回折効果に
よりレーザの片端面３から放射され、かつ設定した　０
．８μｍの波長を有する光が直接線状に集光されて光帰
還される。また、半導体レーザ本体１自体のファブリー
ペローモードにより発振しやすい隣接した副モードの波
長の光は活性領域から約２μｍの離れた位置Ｅに集光さ
れるように設計されている。

【００２８】そして、１次の回折光は光回折素子４の基
板の垂直方向に平行ビーム９として放射される。この平
行ビーム９は凸レンズなどにより容易に回折限界に絞る
ことが可能であり、光記録装置などにも応用することが
可能である。

【００２９】上記の各実施例では半導体レーザ本体とし
て、ガリウム砒素基板を用いた活性層としてアルミニウ
ム・ガリウム・砒素を用いた　０．８μｍ帯のものを用
いたが、アルミニウム・ガリウム・インジウム・りんを
活性層として用いた　０．６μｍ帯、あるいはインジウ
ム・りん基板を用いインジウム・ガリウム・砒素・りん
を活性層として用いた　１．３μｍ、あるいは　１．５
μｍ帯の半導体レーザ本体を用いても全く同様の効果が
得られることは自明である。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によると、光回折格
子に形成された特殊形状の回折格子のよる回折効果によ
り、半導体レーザ本体の線光源から放射された波面でか
つ特定の波長を有する光だけを半導体レーザ本体の端面
上に線上に集光させることにより、この波面を有するモ
ードのみに光帰還を与え、０次結合の位相同期モードが
レーザ発振させるため、特定波長でかつ０次結合モード
の高出力のレーザ発振が可能となるものである。

【００３１】また、本発明は２次回折現象を光帰還に用
いることにより、特定波長の０次結合モードのレーザ発
振が可能となるのみならず、その１次回折光が平行ビー
ムとして外部に放射されるので平行ビーム光源が実現さ
れる。

【００３２】よって、従来の高出力化半導体レーザの課
題を克服し、回折限界に集光可能な半導体レーザを容易
に実現することができ、大きな価値を有するものである
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の位相同期型半導体レーザの構成図であ
る。

【図２】同装置に用いた光回折素子の原理および形状の
説明図である。

【図３】光回折素子の断面図である。

【図４】光回折素子の平面図である。

【図５】別の実施例の構成図である。

【図６】本発明の作用の説明図である。

【図７】アレイ状の半導体レーザ本体の構成図である。

【符号の説明】

１　　　　半導体レーザ本体 １ａ，１ｂ………１ｊ　　　　活性層 ２，３　　　　半導体レーザ本体の端面４　　　　光回
折素子 ８　　　　回折格子

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　導波路構造を有する複数の線状の活性
   層が平行して配置され、かつ互いに導波モードが結合さ
   れるアレイ状の半導体レーザ本体と、半導体レーザ本体
   の片端面を線光源として放射する結合モードの放射光の
   うち特定の波長の光だけを、半導体レーザ本体の前記片
   端面に線状に直線集光して光帰還を行う反射型の光回折
   素子とを設けた位相同期型半導体レーザ。
2. 【請求項２】　　光回折素子は、平面基板に回折格子を
   形成して構成した請求項１記載の位相同期型半導体レー
   ザ。
3. 【請求項３】　　光回折素子の回折格子の周期が連続的
   に変化する請求項２記載の位相同期型半導体レーザ。
4. 【請求項４】　　回折格子の形状が下記式で表されるＸ
   方向の直線群である請求項３記載の位相同期型半導体レ
   ーザ。 　　（ｙ−ｆ・ｓｉｎ　θ）２　＝（Ｍ・（ｍλ／２）
   ＋ｆ）２　−（ｆ・ｃｏｓ　θ）２　ここでｙは回折格
   子の形成される平面基板の上の直交軸Ｘ，ＹのＹ軸の座
   標であり、ｆは活性層の端面と前記座標系の原点との設
   定距離、θは活性層の端面と原点を結ぶ軸と回折格子の
   形成された平面基板のＹ軸とのなす角、λは帰還される
   特定の波長、Ｍおよびｍは整数である。
5. 【請求項５】　　光回折素子は、半導体レーザ本体の片
   端面の活性層から放射するレーザ光のうちの特定の波長
   に対して隣接した発振波長の光が前記活性層の外部に集
   光されるように構成した請求項１記載の位相同期型半導
   体レーザ。
6. 【請求項６】　　光が放射されかつ光回折素子により光
   が集光される半導体レーザ本体の片端面に無反射膜を形
   成した請求項１記載の位相同期型半導体レーザ。
7. 【請求項７】　　導波路構造を有する複数の線状の活性
   層が平行して配置され、かつ互いに導波モードが結合さ
   れるアレイ状の半導体レーザ本体と、平面基板に直線状
   の回折格子を形成した反射型の光回折素子とを設け、光
   回折素子は、半導体レーザ本体の片端面を線光源として
   放射する結合モードの放射光のうち特定の波長の光だけ
   を、２次の回折効果により半導体レーザ本体の前記片端
   面に線状に直接集光して光帰還を行うとともに、１次回
   折光が外部に放射されるように構成した位相同期型半導
   体レーザ。
8. 【請求項８】　　回折格子の形状が下記式で表される請
   求項７記載の位相同期型半導体レーザ。 　　（ｙ−ｆ・ｓｉｎ　θ）２　＝（ｍλ＋ｆ）２　−
   （ｆ・ｃｏｓ　θ）２　ここでｙは回折格子の形成され
   る平面基板の上の直交軸Ｘ，ＹのＹ軸の座標であり、ｆ
   は活性層の端面と前記座標系の原点との設定距離、θは
   前記活性層の端面と前記原点を結ぶ軸と回折格子の形成
   された平面基板のＹ軸とのなす角、λは半導体レーザ本
   体に帰還される特定の波長、ｍは整数である。