JPS6343389A - 外部共振器型半導体レーザ装置 - 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】 くイ）産業上の利用分野 この発明は、半導体レーザの後方出射光を外部反射部材
（ミラー）によって帰還させる外部共振器形半導体レー
ザ装置に関する。

（ロ）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
３ｑ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ｊａ）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（ω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１ｑ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２〜３人／　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
上にレーザ索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
３人の間隔を保ちながら０．７Ａ　／　ｄｅｇ稈度の割
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Φが軸モードの変化ｍ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。

ソコテ、５ＥＣ１／−ザ（３ｈｏｒｔ　　Ｅ　ｘｔｅｒ
ｎａｌＣａｖｉｔｙ　Ｌ　ａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ）が発
明サレタカ、コレハ半導体レーザの後方出射光を外部ミ
ラーにより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（Ｊ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＜ａＪ　（
ｂｌ　（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（
ｄｌ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
り制御できるため、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（ａｌ　（ｂ）　（Ｃ）に示すが、いずれも
△【という温度範囲では同一の軸モードが維持され、△
Ｔ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に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、６丁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。

ざらに、第９図（ωは、第７図（ｄ＞に示す包４８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αについて、ｄλ／　ｄＴ〈α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、６丁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−αのと
きに△Ｔ＝△【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、ｄ″Ｘ／ｄＴ
＞α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。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 従来のＳＥＣレーザは、Ｇａ　Ａｓ基板上にＧａ　Ａｓ
　−Ｇａ　ＡＩ　Ａｓ　−ＤＨ（ダブルへテロ）構造を
有するＶＳＩＳ型半導体レーザと全反射ミラーとしてＡ
Ｉ　２０３コーテイングを施したＧａ　Ａｓチップとを
、ＣＬＩを材質とする載置台に、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ＳＥＣレーザの外部共
振器長りと、第９図（ａ）山）（Ｃ）に示す温度範囲Δ
下との関係の一例を示したのが第３図（ハ）であるｄま
た、この時スペクトルの包絡線のピーク波長の温度係数
ｄ、Ｒ／ｄＴはＬに対して第４図（ハ）のような特性を
示す。そこで、これらの図からし〉５０）ａとするとΔ
Ｔ〈３５℃となり、また、Ｌ　＜　５Ｌａとすると６丁
〉３５℃となるが、△Ｔ〉３５℃の場合には発振波長の
変化量が第９図（Ｃ）のように大きくなる。そこでこの
場合には、△Ｔを広く、かつ、発振波長の変化量を小さ
く抑えるために、従来は、ｄｌ／ｄＴを軸モードの温度
係数に一致させ、第９図市）の特性になるよう設定して
きた。

従って、ｄΣ／　ｄＴを軸モードの温度係数（０，７人
／ｄｅＱ＞に一致させるためにｌｌ−５０ｐに設定する
と、Δ丁＝３５℃の範囲でモードホップを起こさないよ
うにできるが、△Ｔにおける発振波長の変化は３５℃×
０．７人／’Ｃ−２４．５Ａと大きくなる。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので
、発振波長の変化量を小さく抑えると共に６丁をさらに
大ぎくすることが可能な外部共振器形半導体レーザ装置
を提供するものである。

（ニ）問題点を解決するための手段 第１図はこの発明の構成を示す説明図であり、１０１は
半導体レーザ素子、１０２は半導体レーザ素子の一方の
出射端面１０１ａから出射されたレーザ光を半導体レー
ザ素子１０１に帰還させる反）ｊ面１０２ａを有する反
射部材、１０３は半導体レーザ素子１０１と反射部！３
１０２を載置固定する載置部材、Ｌは出射端面１０１ａ
と反射面１０２ａとの間隔、つまり、外部共振器長、Ｌ
ｌは半導体レーザ素子１０１と反射部材１０２の各中心
間距離、Ｌ２は半導体レーザ素子１０１の中心から出射
端面１０１ａまでの距離、Ｌ３は反射部材１０２の中心
から反射面１．０２ａまでの距離であり、載置部材１０
３の線膨張係数は半導体レーザ素子１０１および反射部
材１０２の線膨張係数よりも小さく、外部共振器長しが
温度上昇にともない短縮されるように構成されている。

（ホ）作　用 第１図の構成において、載置部材１０３の線膨張係数が
、半導体レーザ素子１０１および反射部材１０２の線膨
張係数よりも大きい場合には、温度上昇に対してＬｌの
伸びは（Ｌ２　＋１３　）の伸びよりも大きみなるため
しは増大する。逆に、載置部材１０３の線膨張係数が、
半導体レーザ素子１０１および反射部材１０２の線膨張
係数よりも小さい場合には、温度上昇に対して（Ｌ２　
＋１３　）の伸びかＬｌの伸びよりも大きくなるためＬ
ｔ、ｔＮ少する。

ところで、外部共振器の共振特性（第７図（Ｃ）参照）
のピーク波長λの温度係数ｄλ／　ｄＴは、一般に、 ｄＴ　　　Ｌｏ　　ｄＴ （た９し、Ｌｏはλ０を共振波長とする任意の外部共振
器長） で表わされ、上記のように外部共振器長りが温度上着に
ともなって減少する場合、すなわちｄＬ／ｄＴ〈０の場
合には、（１）式より ｄλ／　ｄＴ＜　Ｏ−−−１２１ となる。第７図（ｄ＋に示す包絡線は、第７図（ａｌに
示す利得分布特性と第７図（Ｃ）に示す外部共振器の共
振特性とが重畳されて決定される。利得分布特性は、前
述のように２〜３人／　ｄｅｇの割り合いで温度上昇に
対して長波長側に移動するため、共振器の共振特性のピ
ーク波長の温度係数ｄλ／　ｄＴ〉０の場合には第７図
＋ｄ＋の包絡線のピーク波長の温度係数ｄΣ／　ｄＴは
例えば第４図（ハ）に示すように外部共振器長りできま
る正の値をとる。しかし、（２）式のようにｄλ／ｄＴ
＜０の場合には、第７図（ｄ）の包絡線の温度に対する
変化の割合が減少するので、ｄΣ／　ｄＴ＝　Ｏとする
ことが可能になる。つまり、第７図（小の包絡線が温度
に対して変化せず、発振軸モードはその包絡線の中で短
波長側に隣接する軸モードに順次移行して、小さなモー
ドホップを生じるが、波長の変動幅は各軸モードの間隔
以内に抑えられ、しかも大きいモードホップを生じる温
度範囲６丁を十分大きくとることができる。

（へ）実施例 以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する
。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図はこの発明の一実施例を示す斜視図であり、１は
Ｇａ　ＡＳ基板上にＧａ　Ａｄ　−Ｇａ　ＡｔＡＳ−Ｄ
Ｈ構造を有するＶＳ＋ＩＳ型半導体レーザ、２はＱａ　
ＡＳチップ、３は半導体レーザ１の後方出射光を半導体
レーザ１へ帰還させるようＱａ　Ａｓチップ２の一つの
面にＡｌ２Ｏ３をコーティングして形成した全反射ミラ
ー、４は半導体レーザ１とＧａ　Ａｓチップ２を設置す
る載置板、５は半導体レーザ１への給電用リード線、Ｌ
ａは半導体レーザ１の長さ、ｌｂはチップ２の長ざ、Ｌ
は半導体レーザ１の出射端面からミラー３の反射面まで
の距離（外部共振器長）である。

このような構成において、載置板４の材料として、半導
体レーザ素子１およびチップ２の構成材ＦＩＧａＡｓの
線膨張係数（５，９Ｘ　１０’　ｄｅｇ　−’　）　Ｊ
：りも小さい線膨張係数＜　　２，４ｘ　１０’　ｄｅ
ａ　’　）を有する３ｉを用い、その寸法を１．５ｍｍ
Ｘ　３．０ｍｍＸ１．０ｍｍ（厚さ）とすると共に、半
導体レーザ素子１　（Ｄｌｃ５１ａ　＝　２５０／Ｊ、
チップ２の長さ１ｂ＝５００、ａとし、外部共振器長し
に対する△Ｔ（第９図）およびｄＡ、、’ｄＴを実測し
た。その測定結果を第３図（イ）および第４図（イ）に
示す。

第４図（イ）から１＝２０．ｉのときにｄ、；ｌ／ｄＴ
−〇、その時、第３図〈イ）から△Ｔ＝５５℃となる。

従って、外部共振器良りを２０−に設定することにより
、この実施例の発振波長の温度特性は第５図（Ｊのよう
になり、波長変動幅が各軸モードの波長間隔（３人）以
内に納まることが確認された。

第３図（ロ）および第４図（ロ）は前記第１の実施例に
おいて、チップ２の長さのみを１ｂ＝２５０虜とした第
２の実施例における測定結果を示す。また、第３図（ハ
）および第４図（ハ）は比較のため、第２の実施例にお
いて載置板４の材料として線膨脹係数が１７．Ｏｘ　１
０’　ｄｅｇ　’のＣＬＩを用いた場合の測定結果を示
している。第２の実施例においては、第４図（ロ）から
１＝４０ｐ７７１のときにｄλ／ｄＴ＝ｏ、その時第４
図（ロ）から△Ｔ＝３１℃となり、発振波長の温度特性
は第５図＋ｂ＋のようになる。

また、第４図（ハ）は６２７６丁−０となる外部発振器
長しは存在しないことを示している。

以上のように、載置台４の線膨脹係数が半導体レーザ索
子１１１３よびチップ２の線膨脹係数よりも小ざい場合
にｄλ／　ｄＴミ０とすることが可能となるが、その場
合チップ２（又は半導体レーザ素子１）の長さくＬａ又
はＬｌ））によっても外部共振器長しの温度に対する変
化率が制御され、それによって温度範囲６丁を広く設定
することができる。

なお、これらの実施例においてはチップ２の材料をＱａ
　Ａｓとしたが、さらに熱膨張係数の大きな材料たとえ
ば金属を用いることにより、上記と同様の効果を１ｑる
ことができる。

また、レーザ共擾器長を長くすると、上記の効果の他に
軸モード間隔が狭くなることにより波長変動幅を前記３
人よりさらに狭くすることも可能である。

（ト）発明の効果 この発明によれば、広い温度範囲において温度変化に対
する発振波長の変動量を軸モードの最小波長間隔以内に
制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を示す側面図、第２図はこの発
明の一実施例を示す斜視図、第３図は外部共振器長りと
大きいモードホップのない温度範囲６丁との関係を示す
グラフ、第４図は外部共振器長しと軸モードスペクトル
の包絡線のピーク波長温度、係数ｄλ／　ｄＴとの関係
を示すグラフ、第５図（ａｌは第１の実施例における発
振波長の温度特性を示すグラフ、第５図＋ｂ＋は第２の
実施例における発振波長の温度特性を示すグラフ、第６
図は従来の半導体レーザの発振軸モードの選択性を示す
説明図、第７図はこの発明に係るＳＥＣ半導体レーザの
発振軸モードの選択性を示す説明図、第８図は従来の半
導体レーザの発振波長の温度特性を示すグラフ、第９図
＋ａ＋　＋ｂ＋　（Ｃ１は一般的なＳＥＣ半導体レーザ
の発ｊ辰波長の温度特性の各種態様を示すグラフである
。 １・・・・・・半導体レーザ素子、２・・・・・・チッ
プ、３・・・・・・ミラー、　　　　　　４・・・・・
・ｌｉ！置板、５・・・・・・給電用リード線。 第１図 第２図 クトｅｌＲ＊Ｓ＆　（、＃ｍ　） タト音ｐ１モＥ振Ｘ＊＜ンにｍ） 第６図 ＝２〜３人／ｄｅｇ 第７図 →２〜３人／ｄｅｇ →０．７人／ｄｅｇ 第８図 第９図（ｂ） 温度 第９図（ａ） 第９１￥］（Ｃ） ｊ温度

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体レーザ素子と、この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、前記半導
   体レーザ素子および反射部材を載置固定する載置部材と
   を備え、かつ、前記載置部材の線膨脹係数が前記半導体
   レーザ素子および前記反射部材の線膨張係数よりも小さ
   く、前記出射端面と前記反射面との間隔が温度上昇にと
   もなつて短縮されるよう構成されてなる外部共振器形半
   導体レーザ装置。