JPS63229889A - 外部共振器型半導体レ−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、半導体レーザ素子の後方出射光を外部反射部
材（ミラー）によって反射させて半導体レーザ素子内へ
帰還させる外部共振器型半導体レーザ装置に関する。

〈従来の技術〉 従来の半導体レーザの発振軸モードは、レーザ媒質の利
得分布と、レーザ共振器の透過特性によって選択される
。第６図は、従来の半導体レーザの発振軸モード選択性
を表わす図であり、第６図（ａ）は波長（横軸）に対す
るレーザ媒質の利得分布を、同図（ｂ）は波長に対する
各軸モードのスペクトルを、同図（ｃ）は上記ｂ）と（
ｂ）とを重畳させたスーパーラディアント状態のスペク
トルをそれぞれ模式的に・示している。レーザの各軸モ
ードのうち、利得分布のピーク（最大値）に近い波長の
ものが最大の利得を得て発振軸モードとなるが、周囲温
度が変化すると、半導体のバンドギャップが変化するた
め利得分布のピーク波長は２〜３Ａ／ｄｅｇ　　の割合
で長波長側へ変化する。また、媒質の屈折率が変化する
上にレーザ素子自体も熱膨張するため、レーザ共振器の
実効的な光学長が変わり、それによって各軸モードは約
３Ａの間隔を保ちながら０．７Ａ／ｄｅｇ程度の割合で
長波長側へ変化する。

従って、ある状態より温度を上昇させると、利得分布の
変化量が軸モードの変化量よりも大きいため、しばらく
は発振波長は連続変化をするが、やがてモードホッピン
グをおこし、以後、第８図に示すように連続変化とモー
ドホッピングをくり返し、階段状に変化する。また、半
導体レーザを駆動する電流値によっても波長は変化する
ため、将来に期待される波長多重光通信や高分解能の分
光の光源としての応用を妨げてきた。

そこで、ＳＥＣレーザ（Ｓｈｏｒｔ　　Ｅｘｔｅｒｎａ
ｌＣａｖｉｔｙ　Ｌａ５ｅｒ　　ｄｉｏｄｅ）が発明さ
れたが、これは半導体レーザの後方出射光を外部ミラー
によシ反射させ、半導体レーザ本体に帰還させるもので
、この場合の発振軸モードは、通常のレーザの利得分布
とレーザ軸モードと外部共振器による波長選択性の３つ
の要因により選択される。この様子を模式的に第６図に
対応させて示したのが第７図であり、第７図（ａ）は波
長に対するレーザ媒質の利得分布を、同図（ｂ）は波長
に対する各軸モードのスペクトルを、同図（ｃ）は波長
に対する外部共振器の共振特性を、同図（ｄ）は上記（
ａ）（ｂ）（ｃ）を重畳したスーパーラディアント状態
のスペクトルを示している。スーパーラディアント状態
でのスペクトルの包絡線は第６図の場合と異なり、第７
図（ｄ）のようにリップルを有している。この場合、包
絡線のピークの温度特性は、外部共振器長、すなわち、
半導体レーザと外部ミラーとのギャップ長を変えること
によシ制御できるため、モードホップを抑制することが
可能となる。

このＳＥＣレーザの温度に対する発振波長の特性の代表
例を第９図（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すが、いずれもΔｔ
という温度範囲では同一の軸モードが維持され、ΔＴと
いう温度範囲では、第７図（ｄ）に示すスペクトルの包
絡線の同一の山−おいて順次軸モードが最大利得を得て
発振軸モードとなり、ΔＴを越えると発振軸モードが包
絡線の次の山のピークに移行して大きいモードホップを
生じ、る。

さらに、第９図（ａ）は、第７図（ｄ）に示す包絡線の
ピーク波長の温度係数ｄλ／ｄＴと第７図（ｂ）に示す
軸モードの温度係数γについて、ｄλ／ｄＴ＜ｒのとき
に、発振軸モードが短波長側に隣接する軸モードに順次
移行して、ΔＴの範囲内で小さいモードホップを起こす
状態を示し、第９図（ｂ）はｄλ／ｄＴ＝γのときにΔ
Ｔ＝Δｔとなって大きいモードホップのみが生じる状態
を示す。さらに、第９図（ｃ）は、ｄλ／ｄＴ＞ｒのと
きに、発振軸モードが長波長側に隣接する軸モードに順
次移行して、小さいモードホップを生じる状態を示して
いる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 従来のＳＥＣレーザは、例えばＧａＡｓ−ＧａＡｔＡｓ
系の場合、ＧａＡｓ基板上にＡｔＧａＡｓを活性層とす
るＶＳＩＳ構造を積層したダブルへテロ接合型半導体レ
ーザと高反射率をもたせるため骨間端面に誘電体コーテ
ィングを施したＧａＡｓチップの外部反射部材とを銅製
の載置台に所定の外部共振器長（半導体レーザの出射端
面と外部反射部材のミラー反射面との間隔）だけ離して
固定したものである。このとき、反射部材となるＧａＡ
ｓチップのレーザ共振器方向の長さは、半導体レーザの
共振器長と同等もしくはそれ以上に設定されていた。こ
れは主として製造上の制約すなわちＧａＡｓチップの取
扱いの容易さのためである。ＧａＡｓチップの長さが３
００／Ｊｍの場合、ｄλ／ｄＴを軸モードの温度係数（
０，７Ａ／ｄｅｇ　）に一致させ第９図６）のような特
性を得ようとすれば外部共振器長を６５μｍに設定すれ
ばよく、このとき同図に示す４１４２６℃の範囲でモー
ドホップを起こさないようにすることが可能である。と
ころが、モードホップを発生する温度（第９図（ｂ）に
示すΔＴの範囲の両端の温度）を任意釦制御することは
難しく、このような特性を有する半導体レーザ素子でも
利用する上で全くモードホップを発生しない温度範囲を
ある特定の温度領域に限定して使用する場合には歩留低
下をきたし良質素子の選別に手間取ることになる。

この問題を解決するためには、モードホップを起こさな
い温度範囲ΔＴをできるだけ大きくすることが有効であ
る。

本発明は上述のｄＴをさらに大きくするための外部共振
器構造の改良技術を提供することを目的とする。

〈発明の概要〉 第１図は本発明の基本原理の説明に供する説明図であり
、１は半導体レーザ素子、２は半導体レーザ素子１の一
方の出射端面１ａから出射されたレーザ光を半導体レー
ザｌに帰還させるための反射面２ａを有する反射部材、
３は半導体レーザ素子１および反射部材２を載置固定す
る載置部材である。ｔは出射端面１ａと反射面２ａとの
間隔（外部共振器長）、Ｌは半導体レーザ素子１の全共
振器長の１／２の長さ、Ｍは反射部材２の中心から反射
面２ａまでの距離、Ｄは半導体レーザ素子１と反射部材
２の中心間の距離であシ、反射部材２の長さく２Ｍ〕は
半導体レーザ素子１の共振器長（２Ｌ）以下であるよう
に構成されている。

く作　用〉 すでに述べたように外部共振器型半導体レーザの発振モ
ードの振舞いは、レーザの利得分布、レーザの軸モード
、そして外部共振器による波長選択性の３つの要因によ
って決定される。発振モードの温度変化に関しては、こ
れら３つの要因の温度依存性を考慮した上で適正な条件
を設定することにより第９図ら）に示すようにｄＴなる
温度範囲で全くモードホップを発生しない良好な特性を
有する素子が得られる。ｄＴをさらに拡げるためには、
外部共振器長ｔをよシ小さく設定し、第７図（Ｃ）に示
す外部共振器の共振特性における共振間隔を拡げること
が有効であるが、他の条件を変えずに単にｔを小さくし
たのみでは、外部共振器の共振特性のピーク波長λｅの
温度特性ｄ２ｅ／、Ｔが増大し、レーザの発振特性は第
９図（ｅ）のようにｄＴの範囲内で長波長側モードへと
モードホップを発生してしまう。

本発明は、反射部材が熱膨張する領域を小さくすること
によシ付設された外部共振器の熱膨張を低減し、これに
基いた外部モード（外部共振器の共振ピーク波長）の温
度変化をも低減して発振波長の安定温度領域（モードホ
ップしない温度領域）′を拡大しようとするものである
。以下、この点について説明する。

外部モードλｅの温度依存性には主として外部共振器の
熱膨張が作用する。一般に外部モードの温度変化率ｄλ
ｅ／ｄＴは、 ＬＩム、■９９１１２０１１３０９００６９０９００３
９０９２３０１１１０１．７００．（□）ｄＴ　　　　
ｔ　　　ｄＴ （ただしｔはλ０を共振波長とする外部共振器長） で表わされ、外部共振器の熱膨張係数が小さいほど外部
モードの温度変化率が減少する。第１図に示すレーザ装
置の概略構成図において、温度変化に伴い熱変形するも
のは半導体レーザ素子１、反射部材２および載置部材３
であり、これらの熱変形の合成として外部共振器長ｔが
温度変化すると考えられる。半導体レーザ素子１および
反射部材２は融着材により載置部材３に固定されている
が温度変化により、それぞれの中央（ＸおよびＹ）を中
心に熱変形すると考えられる。従って外部共振器長ｔの
温度変化を考える際には、載置部材の熱変形する領域と
して側熱膨張中心（ＸおよびＹ）間の長さＤなる領域に
注目すればよい。このとき、外部共振器長ｔは ｔ＝Ｄ−ＣＬ＋Ｍ）・・・・・−・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（２）である。半導体シー１１１
反射部材２、載置部材３の線膨張係数をそれぞれαｌ、
α２．α３とするとｔの温度変化率は ｔ …＝α３Ｄ−（α＋Ｌ＋α２Ｍ） ＝α３ｔ＋（αｓ−α＋）Ｌ＋（αｓ−α２）Ｍ・・・
・・・・・・（３）であるから（１）式を用いて外部モ
ードの温度変化率は ｉ＝λｏ（（Ｗ３＋−（（Ｉｇ−（Ｉｔ）＋ｙＬ（αｓ
−α２））　”１４）ｄＴ　　　　　　　ｔ　　　　　
　　　ｔと表わされる。

いま半導体レーザーと反射部材２が同じ材料で構成され
ていれば（α１＝α２＝α）、（４）式はｄλｅ　　　
　　Ｌ＋Ｍ −訂＝λ０（αｓ＋　ｔ　（αｓ−α月・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（４）′となる。（４）式はＬ
またはＭが小さいほどｄλｅ／ｄＴが小さくなることを
示している。すなわち載置部材上に固定される半導体レ
ーザ素子の共振器長、もしくは同上に固定される反射部
材の長さく共振器長方向）を減することにより外部モー
ドの温度変化率を低減できる。ここにいう反射部材の長
さは、反射面を有する反射部材で、熱膨張のために反射
面を移動させるのに寄与する領域の共振器長方向の長さ
である。上述のように半導体レーザ素子の共振器長を短
くすることもｄλｅ／ｄＴを低減するのに有効ではある
が、この場合注入電流密度の増大、発振モードの多モー
ド化などを招来し好ましくない。

（４）式の計算結果を第４図に示す。同図から同じｔを
有していても反射部材の長さく２Ｍ）を減じることによ
りｄλｅ／ｄＴは減少し、また２Ｍを減少することによ
り、ｔを短くしても同一のｄλｅ／ｄＴを維持できるこ
とがわかる。

例えばｄλｅ／ｄＴ＝０．５Ａ／℃となるときの外部共
振器長ｔは、反射部材の長さが３００μｍのときには６
５μｍ、１００μｍの反射部材を用いると４０μｍまで
短くできる。

一方反射部材の長さをパラメータとしたΔＴの外部共振
器長依存性（計算値）は第５図のようになる。これによ
れば反射部材の長さが３００μｍ。

４２６５μｍのときΔＴ＝２６℃であるが、反射部材を
１００μｍと短くするとΔＴ＝４２℃とモードホップし
ない温度範囲が広くなる。

〈実施例〉 以下、図面に示す実施例に基いて本発明を詳述する。な
お、これによってこの発明が限定されるものではない。

第２図は本発明の一実施例を示す外部共振器型半導体レ
ーザ装置の斜視図であシ、１はＧａＡｓ基板上のＡｔＧ
ａＡｓを活性層とするＶＳＩＳ型半導体レーザ、１ａは
その一方の出射端面、２はＧａＡｓチップからなる反射
部材で１ａと対向する面２ａは誘電体コーティングによ
り高反射率（９０％以上）を有する。３は半導体レーザ
ｌとＧａＡｓチップ２とを設置する載置部材（Ｃｕヒー
トシンク）、４はＡｔリード線である。２Ｌは半導体レ
ーザの共振器長、２Ｍは反射部材の長さ、ｔは半導体レ
ーザ１の出射端面１ａと反射部材２の反射面２ａとの間
隔（外部共振器長）である。

このような構成において、半導体レーザの共振器長２Ｌ
＝２５０　μｍ、ＧａＡｓチップの長さ２Ｍ＝１５０μ
ｍ１外部共振器長ｔ＝４５μｍとしてそれぞれをＣｕヒ
ートシンク上に実装し発振波長の温度依存性を測定した
。測定結果を第３図に示す〇この外部共振器型半導体レ
ーザは、ΔＴ＝３５℃の範囲で全くモードホップを発生
せず２Ｍ＝３００μｍのとき（ΔＴ＝２６℃）に比べて
さらに９℃広い温度領域にわたって特定の発振モードを
維持して安定に発振した。

半導体レーザの共振器長はレーザチップの取扱い易さ以
外にヒートシンク上へのボンディング強度を確保する必
要があるため短くすることは困難であり実用的には２０
０μｍ以上となるが、ＧａＡｓチップはリードポンドし
ないのでボンディング強度を考慮する必要がなく、長さ
として１００μｍ以下でも実装上の問題はない。上記実
施例のようにΔＴを広くするにばＧａＡｓチップの長さ
を短くすることが有効で、上記半導体レーザ装置では外
部共振器のみを制御するため半導体レーザ自体の良い特
性を保持したままΔＴを拡げることができるＯ 〈発明の効果〉 以上詳説した如く本発明によれば、広い温度範囲にわた
って温度変化に対する発振モードのモードホップを抑制
することができ、動作特性の安定な半導体レーザ装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本原理の説明に供する説明図である
。第２図は本発明の一実施例を示す半導体レーザ装置の
斜視図である。第３図は第２図に示す半導体レーザ装置
の発振波長の温度特性を示す特性図である。第４図は反
射部材の長さをパラメータとして外部共振器長と外部モ
ードの温度変化率の関係を計算値で説明する説明図であ
る。第５図は反射部材の長さをパラメータとして外部共
振器長とΔＴとの関係を計算値で示す説明図である。第
６図は従来の半導体レーザの発振モードの選択性を示す
説明図である。第７図はＳＥＣ半導体レーザの発振モー
ドの選択性を示す説明図である。第８図は従来の半導体
レーザ装置の発振波長の温度特性を示す特性図である。 第９図（ａ）（ｂ）（ｃ）は一般的なＳＥＣ半導体レー
ザにおける発振波長の温度特性の各種態様を示す特性図
である。 １・・・半導体レーザ素子　２・・・反射部材３・・・
載置部材　　　　　４・・・リード線代理人　弁理士　
杉　山　毅　至（他１名）第１図 →２〜３式／ｄｅｇ ｔａ） （ｂ） 第６図 ＝２Ｎ３１ｉ／ｄｅ９ （ｂ） （Ｃ） 第７１！ｙ 第８　【シ 第９　図（ｂ） ：Ｊｈ准 第　９　　’］（ａ） 第９！ｆｒ（ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体レーザ素子と該半導体レーザ素子の一方の出
   射端面から出射されたレーザ光を前記半導体レーザ素子
   に帰還させる反射面を有する反射部材とをそれぞれ載置
   部材上に載置固定した外部共振器型半導体レーザ装置に
   おいて、前記反射部材のレーザ共振方向に平行な方向の
   長さが前記半導体レーザ素子の内部共振器長以下である
   ことを特徴とする外部共振器型半導体レーザ装置。 ２、反射部材の材質が半導体レーザ素子の基板材質と同
   一である特許請求の範囲第１項記載の外部共振器型半導
   体レーザ装置。 ３、反射部材のレーザ共振方向に平行な方向の長さが２
   ５０μｍ以下である特許請求の範囲第２項記載の外部共
   振器型半導体レーザ装置。