(57)【要約】  【課題】  出力パワーまたは動作温度が変化しても、出射されるレーザ光の波長が所定の範囲でのみ変動する外部共振器型半導体レーザを提供する。  【解決手段】  外部共振器型半導体レーザは、半導体レーザ、コリメートレンズ、支持部、グレーティングによって構成される。半導体レーザは、レーザ光を出射する、例えば、レーザ・ダイオードのような半導体レーザ素子を含む。半導体レーザ素子のレーザ光出射方向の長さＬは、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の所望の波長がλであり、レーザ光の波長の許容幅が△λであり、半導体レーザ素子の屈折率がｎである場合に、Ｌ＝（λ＾２）／（２×ｎ×△λ）によって決定される。このように長さＬを決定することによって、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長は、出力パワーあるいは動作温度が上昇しても、△λの範囲内で周期的に変動する。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する半導体レーザと、
前記半導体レーザから受光した前記レーザ光をほぼ平行な光として出射するコリメートレンズと、
前記レーザ光を前記コリメートレンズを経由して受光するグレーティングとを有し、
前記グレーティングからの１次回折光が、前記コリメートレンズを介して前記半導体レーザに入射されることによって単一モード化が実現され、
前記半導体レーザが、前記レーザ光を出射する半導体レーザ素子を含み、
前記レーザ光の出射方向における前記半導体レーザ素子の長さがＬであり、
前記Ｌは、前記半導体レーザ素子から出射される前記レーザ光の所望の波長がλであり、前記レーザ光の波長の許容幅が△λであり、前記半導体レーザ素子の屈折率がｎである場合に、Ｌ≧（λ＾２）／（２×ｎ×△λ）によって決定されることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
前記半導体レーザ素子がレーザ・ダイオードであることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
【請求項３】
レーザ光を出射するとともに、外部から特定の波長のレーザ光を受光する半導体レーザにおいて、
前記半導体レーザが、前記レーザ光を出射する半導体レーザ素子を含み、
前記レーザ光の出射方向における前記半導体レーザ素子の長さがＬであり、
前記Ｌは、前記半導体レーザ素子から出射される前記レーザ光の所望の波長がλであり、前記レーザ光の波長の許容幅が△λであり、前記半導体レーザ素子の屈折率がｎである場合に、Ｌ≧（λ＾２）／（２×ｎ×△λ）によって決定されることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体レーザにおいて、
前記半導体レーザ素子がレーザ・ダイオードであることを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ・ダイオード（ＬＤ：laser diode）を含む外部共振器型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ・ダイオードのような半導体レーザ素子から出射されるレーザ光は、本来、多重モードであるが、半導体レーザと外部共振器とを組み合わせて外部共振器型半導体レーザを構成することにより、一定波長の光のみを出射させること、すなわち単一モード化が可能となる。この外部共振器型半導体レーザは、外部から所定の波長の光を半導体レーザに入射することによって、半導体レーザの発振光の波長を安定化させる。
【０００３】
外部共振器型半導体レーザとしては、Ｌｉｔｔｒｏｗ（リトロー）型の半導体レーザとＬｉｔｔｍａｎ（リットマン）型の半導体レーザが代表的であるが、ここでは、Ｌｉｔｔｒｏｗ型の外部共振器型半導体レーザ５０について、図９を参照して説明する。例えば、レーザ・ダイオードのような半導体レーザ素子を含む半導体レーザ５５から出射された縦多モードのレーザ光（発振光）がレンズ（コリメートレンズ）５６によって平行にされ、グレーティング（回折格子）５４に入射される。グレーティング５４は、各モードの１次回折光を出力し、その配置角度に応じて、特定の１次回折光が、レンズ５６を介して半導体レーザ５５に逆注入される。この結果、半導体レーザ５５が、注入された１次回折光に共振して単一モードの光を出射するようになり、その光の波長は、グレーティング５４から戻った１次回折光の波長と同じになる。さらに、グレーティング５４に入射したレーザ光の残り（０次光）は、入射角と同じ角度で反射され、外部に出射される。
【０００４】
半導体レーザ５５に入射される光の波長は、グレーティング５４の配置角度を変えることによって調整することができる。グレーティング５４は、第１支持部５３に支持された板バネ５２に保持されており、グレーティング５４に接するネジ５１を回転させると、レンズ５６の方向に移動、あるいは、これと逆の方向に移動する。この移動は、グレーティング５４が、板バネ５２が第１支持部５３に支持されている箇所を支点として回転する運動に近似しており、この回転によってグレーティング５４の配置角度が変わる。
【０００５】
グレーティング５４は通常、反射型のものが使用され、半導体レーザ５５から出射されたレーザ光に対して約４５°の角度で配置される。従って、半導体レーザ５５から出射されたレーザ光は、グレーティング５４で、約９０°曲がって反射する。半導体レーザ５５とレンズ５６は、第２支持部５７によって所定間隔を保つように支持される。
【０００６】
これと類似の構造を有するＬｉｔｔｒｏｗ型の外部共振器型半導体レーザが、非特許文献１に記載されている。
【０００７】
【非特許文献１】L. Ricci, et al. :"A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics", Optics Communications, 117 1995, pp541-549
【０００８】
また、半導体レーザ５５から出射されるレーザ光の波長は、出力パワーが変化すると、その変化に応じて微妙に変化するという性質を有している。これは、出力パワーの上昇に伴って、レーザ・ダイオード（レーザ・チップ）の動作温度が上昇するためであり、外部共振器がなければ、図１０に示すように、半導体レーザから出射されるレーザ光の中心波長は、出力パワー（または動作温度）の上昇に対して直線的に長波長側にシフトする。
【０００９】
このような場合に、中心波長を一定に維持したまま出力パワーを変化させたいときは、波長を一定に保つように半導体レーザの出力パワーを調整する素子を配置する。このような出力パワーを調整する素子は、例えば、フィルターである。
【００１０】
一方、レーザ光を用いるアプリケーションの中には、単一モードであれば、多少の波長の変動を許容できるものもある。ホログラフィメモリへの記録等に用いる場合もこのような例の１つである。このアプリケーションにおいては、一旦２本に分けられたレーザ光が、ホログラム（記録媒体）上で再び重ね合わされ、その干渉性を利用してホログラムに回折格子が記録される。この回折格子の記録によってデータが記録されることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、ホログラフィメモリへの記録にレーザ光を適用する場合においても、多少の波長の変動が許されるに過ぎず、レーザ光を、記録方式や記録密度に応じて要求される波長の許容範囲を越えて変動しないように制御する必要がある。また、前述のような波長の制御は、フィルタ等を用いることになるので、部品数が増え、回路が複雑になる。
【００１２】
従って、この発明の目的は、出力パワーまたは動作温度が変化しても、出射されるレーザ光の波長が所定の範囲でのみ変動する外部共振器型半導体レーザを提供することにある。
【００１３】
さらに、この発明の目的は、上記所定の範囲で波長が変動する外部共振器型半導体レーザを、素子の追加や複雑な機構の配置を伴うことなく提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明は、レーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザから受光したレーザ光をほぼ平行な光として出射するコリメートレンズと、レーザ光をコリメートレンズを経由して受光するグレーティングとを有し、グレーティングからの１次回折光が、コリメートレンズを介して半導体レーザに入射されることによって単一モード化が実現され、半導体レーザが、レーザ光を出射する半導体レーザ素子を含み、レーザ光の出射方向における半導体レーザ素子の長さがＬであり、Ｌは、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の所望の波長がλであり、レーザ光の波長の許容幅が△λであり、半導体レーザ素子の屈折率がｎである場合に、Ｌ≧（λ＾２）／（２×ｎ×△λ）によって決定される外部共振器型半導体レーザである。
【００１５】
また、この発明は、レーザ光を出射するとともに、外部から特定の波長のレーザ光を受光する半導体レーザにおいて、半導体レーザが、レーザ光を出射する半導体レーザ素子を含み、レーザ光の出射方向における半導体レーザ素子の長さがＬであり、Ｌは、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の所望の波長がλであり、レーザ光の波長の許容幅が△λであり、半導体レーザ素子の屈折率がｎである場合に、Ｌ≧（λ＾２）／（２×ｎ×△λ）によって決定される半導体レーザである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、外部共振器型半導体レーザに用いられる半導体レーザ素子の長さＬが、所定の式によって好適に算出され、当該算出された長さＬ以上の半導体レーザ素子を作製して外部共振器型半導体レーザを構成することにより、出力パワーまたは動作温度が変化しても、出射されるレーザ光の波長が所定の波長変動幅△λの範囲に抑えられる。
【００１７】
また、この発明によれば、上記のように、半導体レーザ素子の長さを調整するのみで、出射されるレーザ光の波長が所定の波長変動幅△λの範囲に抑えられ、新たな素子や機構を追加する必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明の実施形態に係る外部共振器型半導体レーザは、従来の構成と同様であり、前述した図９に示すような構成である。このような構成の外部共振器型半導体レーザによって、半導体レーザから出射されるレーザ光は単一モード化され、例えば、図１に示すような波長のレーザ光が得られる。ここで、図１は、波長（ｎｍ）ごとのレーザ光の出力パワーを示しており、波長が約４０９．６０９ｎｍである点において良好な単一モード化が実現されている。なお、図１の縦軸は、出射されたレーザ光の相対的な出力パワーを表している。
【００１９】
前述のように、外部共振器を備えていない半導体レーザの中心波長は、半導体レーザの出力パワーの上昇に伴って（あるいは、動作温度の上昇に伴って）直線的に長波長側にシフトする（すなわち、波長は、出力パワーに比例して上昇する）。しかしながら、外部共振器型半導体レーザでは、外部共振器がこうした直線的なシフトを許さず、出射されるレーザ光の波長は、出力パワーの上昇に伴って、図２に示すように周期的に上昇と下降を繰り返すことが分かった。
【００２０】
図２は、図１の半導体レーザとは別の半導体レーザについて、出力パワーと出射されるレーザ光の波長との関係を示すものであり、出力パワーが１５ｍＷから４０ｍＷまで遷移する間の、波長の変化を示している。図２から分かるように、出力パワーが２４ｍＷ付近まで上昇するとき、波長は約４０９．７２４ｎｍ、約４０９．７３４ｎｍ、約４０９．７４４ｎｍ、約４０９．７５４ｎｍと段階的に変化し、２〜３ｍＷの間は、それぞれ一定の波長のレーザ光を出力する。出力パワーが２４ｍＷ付近を過ぎると、波長は急激に降下して約４０９．７１４ｎｍとなる。次に、出力パワーが２４ｍＷ付近から３７ｍＷ付近まで上昇するとき、波長は約４０９．７１４ｎｍから約０．０１ｎｍ幅で増加して約４０９．７５４ｎｍまで再び段階的に上昇し、出力パワーが３７ｍＷ付近を過ぎると、波長は急激に降下して再び、約４０９．７１４ｎｍとなり、こうしたサイクルが繰り返される。
【００２１】
図２の例の場合、レーザ光の波長の変動幅は、約０．０４０ｎｍ（４０９．７５４ｎｍ−４０９．７１４ｎｍ＝０．０４０ｎｍ）であり、これはレーザ・チップのモード・ホップの間隔と一致する。ここで、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長が、このように周期的かつ段階的に変化する原理について、図３ないし図６を参照して説明する。
【００２２】
図３ないし図６は、ある動作温度における外部共振器型半導体レーザの各モードを示すものであり、横軸に波長（ｎｍ）が、縦軸に相対的な出力パワー（ｍＷ）が表されている。外部共振器モードは、グレーティングから半導体レーザに戻る光の存在によって生じる非常に細かい縦モードであり、その間隔は、半導体レーザ（レーザ・ダイオード）とグレーティングとの距離に反比例する。
【００２３】
一方、ＬＤモード（内部モード）は、レーザ・ダイオード自身が有するものであり、これらは、動作温度の上昇と共に長波長側にシフトする。図３の例では、各ＬＤモードの間隔は０．０４０ｎｍである。
【００２４】
また、グレーティングモードは、グレーティングによって提供される光であり、グレーティングは、レーザ・ダイオードから各モードのレーザ光を受光し、特定の１次回折光をレーザ・ダイオードに戻す。グレーティングモードの中心周波数は動作温度によらずほぼ一定である。
【００２５】
上述した多くの外部共振器モードのうち、いずれかのＬＤモードの中心周波数に一致し、かつその波長に対応するグレーティングモードの出力パワーが、グレーティングモードの出力ピークに最も近い波長を有するものが発振し、その結果、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長がその波長となる。
【００２６】
図３に示す場合においては、外部共振器モードのうち、ＬＤモードの中心周波数と一致し、かつグレーティングモードの波長に含まれる波長のものは３つあるが、そのうち最もグレーティングモードの出力ピークに近いものは、波長Ａの外部共振器モードであり、この波長Ａに対応するグレーティングモードの出力パワーはＡ１である。他の２つの外部共振器モードの波長に対応するグレーティングモードの出力パワーはそれぞれＡ２、Ａ３であり、Ａ１より小さいことが分かる。
【００２７】
図３に示す状態となった時点は、図２では、例えば、波長が約４０９．７３４ｎｍとなった時点（すなわち、Ａ≒４０９．７３４ｎｍで、出力パワーが約２９ｍＷ）に対応する。
【００２８】
図４は、図３においてＬＤモードの中心周波数が、動作温度の上昇により、波長Ａから、別の外部共振器モードの波長である波長Ｂにシフトした場合を表している。そうすると、波長Ｂにおけるグレーティングモードの出力パワーはＢ１であり、他の外部共振器モードの波長に対応するグレーティングモードの出力パワーは、Ｂ１より小さいＢ２、Ｂ３である。従って、Ｂ１が最もグレーティングモードの出力ピークに近く、ここで、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長はＢにシフトする。
【００２９】
図４に示す状態となった時点は、図２では、例えば、波長が約４０９．７４４ｎｍとなった時点（すなわち、Ｂ≒４０９．７４４ｎｍで、出力パワーが約３２ｍＷ）に対応する。
【００３０】
図５は、図４においてＬＤモードの中心周波数が、動作温度の上昇により、波長Ｂから、さらに別の外部共振器モードの波長である波長Ｃにシフトした場合を表している。そうすると、波長Ｃにおけるグレーティングモードの出力パワーはＣ１であり、他の外部共振器モードの波長に対応するグレーティングモードの出力パワーは、Ｃ１より小さいＣ２、Ｃ３である。従って、Ｃ１が最もグレーティングモードの出力ピークに近く、ここで、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長はＣにシフトする。
【００３１】
図５に示す状態となった時点は、図２では、例えば、波長が約４０９．７５４ｎｍとなった時点（すなわち、Ｃ≒４０９．７５４ｎｍで、出力パワーが約３４ｍＷ）に対応する。
【００３２】
次に、図６は、図５においてＬＤモードの中心周波数が、動作温度の上昇により、波長Ｃから、さらに別の外部共振器モードの波長である波長Ｄにシフトした場合を表している。そうすると、波長Ｄにおけるグレーティングモードの出力パワーはＤ２である。しかしながら、他の外部共振器モードの波長（他のＬＤモードの中心周波数）Ｅに対応するグレーティングモードの出力パワーＤ１はＤ２よりグレーティングモードの出力ピークに近く、そのため、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長はＤではなくＥにシフトする。
【００３３】
図６に示す状態となった時点は、図２では、例えば、波長が約４０９．７５４ｎｍから約４０９．７１４ｎｍに遷移した時点（すなわち、Ｅ≒４０９．７１４ｎｍで、出力パワーが約３７ｍＷ）に対応する。
【００３４】
このように、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長は、約４０９．７１４ｎｍないし約４０９．７５４ｎｍの範囲で段階的かつ周期的に変動し、ＬＤモードの間隔（中心周波数間の距離）を越えた変動幅て変化することはない。この間隔は、上述のように、モード・ホップの間隔△λと等しく、以下の式１によって表される。
△λ＝（λ＾２）／（２ｎＬ）                    ・・・（式１）
λは、外部共振器型半導体レーザにおいて外部に出射されるレーザ光の波長であり、ｎは半導体レーザ素子の屈折率（実効屈折率）である。また、Ｌは、半導体レーザ素子（例えば、レーザ・ダイオード（レーザ・チップ））の長さである。
【００３５】
ここで、レーザ・チップの長さＬについて、図７および図８を参照して説明する。図７は、この発明の半導体レーザ１の構成を詳細に示すものであり、図９で示した従来の外部共振器型半導体レーザ５０の半導体レーザ５５と同様のものである。
【００３６】
半導体レーザ１は、窓ガラス２、レーザ・ダイオード３、サブマウント４、ヒートシンク５、ＬＤカン６、ステム７、端子ピン８から構成されている。レーザ光９は、レーザ・ダイオード３の発光面から出射され、窓ガラス２を透過して外部に放出される。また、レーザ・ダイオード３は、サブマウント４を介して放熱のためのヒートシンク５に接続される。ヒートシンク５はさらに、半導体レーザ１のステム７に接続される。
【００３７】
レーザ・ダイオード３、サブマウント４、およびヒートシンク５は、窓ガラス２、ＬＤカン６、およびステム７によって取り囲まれ、密閉される。端子ピン８は、レーザ・ダイオード３のｎ電極、ｐ電極等に接続され、所定の電流をレーザ・ダイオード３に提供する。
【００３８】
図８は、図７に示すレーザ・ダイオード３、サブマウント４、およびヒートシンク５等をさらに詳細に示す図である。レーザ光９は、、レーザ・ダイオード３の発光面１４から出射される。レーザ・ダイオード３は、活性層１１、層１２、および層１３を含む。
【００３９】
ここで、長さＬは、図８に示すように、レーザ・ダイオード３のレーザ光の出射方向におけるレーザ・ダイオード３の長さであり、別の表現によれば、活性層１１と他の層１２、１３との境界面の少なくとも１つに対してほぼ平行で、発光面１４に対してほぼ垂直な軸に沿った活性層１１の長さである。
【００４０】
波長λは前述の通り、外部共振器型半導体レーザから外部に出射されるレーザ光の波長で、屈折率ｎは半導体材料によって決まるものであるため、これらを自由に変更することはできない。しかしながら、レーザ・ダイオード３の長さであるＬを変更することは比較的容易である。式１によれば、長さＬを大きくすればするほど、出力パワーの変動による波長の変動幅を小さくすることができる。そのうえ、Ｌを大きくとると、出力パワーが増大するという副次的な効果もあり、特にホログラフィメモリの記録に使用する場合に有利である。
【００４１】
しかしながら、Ｌを大きくするということは、１枚のウエハーから作製できるチップ数が減ることを意味しており、それぞれのレーザ・ダイオードの生産コストを押し上げる結果となる。従って、Ｌの大きさは、こうしたトレード−オフの関係を十分に考慮した上で慎重に決定すべきである。
【００４２】
また、レーザ光の適用分野（アプリケーション）ごとに波長の許容変動幅を求め、それらを考慮することも重要である。
【００４３】
外部に出射されるレーザ光の波長が４０５ｎｍ、屈折率を３．６と仮定すると、それぞれ以下のようにＬを求めることができる。
【００４４】
波長の許容幅を０．０４ｎｍ以内とするには、Ｌを、例えば５７０μｍ以上とすればよい（Ｌ≧（λ＾２）／（２ｎ△λ）＝（４０５ｎｍ＾２）／（０．０４ｎｍ×２×３．６）≒５６９．５μｍ）。
【００４５】
また、波長の許容幅を０．０３ｎｍ以内とするには、Ｌを、例えば７６０μｍ以上とすればよい（Ｌ≧（λ＾２）／（２ｎ△λ）＝（４０５ｎｍ＾２）／（０．０３ｎｍ×２×３．６）≒７５９．４μｍ）。
【００４６】
波長の許容幅を０．０２ｎｍ以内とするには、Ｌを、例えば１１４０μｍ以上とすればよい（Ｌ≧（λ＾２）／（２ｎ△λ）＝（４０５ｎｍ＾２）／（０．０２ｎｍ×２×３．６）≒１１３９．１μｍ）。
【００４７】
すなわち、レーザ・ダイオードの長さＬを、以下の式２から求め、求められた長さＬを有するように半導体レーザ素子を作製すればよい。
Ｌ≧（λ＾２）／（２ｎ△λ）                    ・・・（式２）
【００４８】
これまで説明してきたように、この発明に係る外部共振器型半導体レーザは、出射されるレーザ光の波長変動が所定の範囲となるように外部共振器型半導体レーザに使用される半導体レーザ素子（例えば、レーザ・ダイオード）の長さＬを好適に選択するものであり、これによって、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長は、出力パワーあるいは動作温度の上昇に伴って、△λの範囲で周期的に変動する。従って、この発明は、例えば、青色レーザ・ダイオード、緑色レーザ・ダイオード、および赤色レーザ・ダイオードを含む様々な種類の半導体レーザ素子に適用することができる。
【００４９】
また、ここまでは、Ｌｉｔｔｒｏｗ型の外部共振器型半導体レーザに使用されるレーザ・ダイオードについて説明してきたが、この発明に係るレーザ・ダイオードをＬｉｔｔｍａｎ型の外部共振器型半導体レーザに使用しても、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】半導体レーザから出射されるレーザ光の波長と出力パワーの関係を表す略線図である。
【図２】外部共振器型半導体レーザにおいて、外部に出射されるレーザ光の波長と出力パワーの関係を表す略線図である。
【図３】ある動作温度における、外部共振器型半導体レーザの各モードの波長と出力パワーの関係を表した略線図である。
【図４】異なる動作温度における、外部共振器型半導体レーザの各モードの波長と出力パワーの関係を表した略線図である。
【図５】さらに異なる動作温度における、外部共振器型半導体レーザの各モードの波長と出力パワーの関係を表した略線図である。
【図６】さらに別の動作温度における、外部共振器型半導体レーザの各モードの波長と出力パワーの関係を表した略線図である。
【図７】この発明に係る半導体レーザの構造を表す略線図である。
【図８】図７に示す半導体レーザのレーザ・ダイオード等の部分を詳細に表す略線図である。
【図９】従来の外部共振器型半導体レーザの構造を表す略線図である。
【図１０】従来の外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長と出力パワーの関係を表す略線図である。
【符号の説明】
【００５１】
１・・・半導体レーザ、２・・・窓ガラス、３・・・レーザ・ダイオード、４・・・サブマウント、５・・・ヒートシンク、６・・・ＬＤカン、７・・・ステム、８・・・端子ピン、１１・・・活性層、１２・・・層、１３・・・層、１４・・・発光面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005183426.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005183426.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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