(57)【要約】  【課題】  従来の外部共振器型半導体レーザより出力が大きく、または良好な単一モード特性が得られる外部共振器型半導体レーザを提供することにある。  【解決手段】  レーザ・ダイオード１１、窓ガラス１６、グレーティング、およびレンズを有する外部共振器型半導体レーザにおいて、いくつかの改良を施す。第１の改良点は、窓ガラス１６をレーザ・ダイオード１１の発光面１９に対し所定の角度だけ傾斜させることである。第２の改良点は、グレーティングに対してＳ波が照射されるようにレーザ・ダイオード１１等の配置を調整することである。第３の改良点は、レーザ・ダイオード１１を、出力パワーが４５ｍＷ以下の場合に、キンクの発生を抑止するよう構成することである。他の改良点は、レーザ・ダイオード１１の発光面の反射率、レンズの開口数、外部共振器長、グレーティングにおける１次光反射率をそれぞれ適切な値に最適化することである。【選択図】  図４
2005167008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を含む複数の層を有する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の発光面に対向して設けられる窓ガラスと、
前記半導体レーザ素子から出射され、前記窓ガラスを通過した光を受光し、当該受光した光のうち特定の波長を前記半導体レーザ素子に戻すように配置されたグレーティングと、
前記半導体レーザ素子と前記グレーティングとの間に配置され、前記半導体レーザ素子からの光を集光するレンズとを有し、
前記窓ガラスが、
前記半導体レーザ素子の前記活性層と他の層との境界面の少なくとも１つと平行な面に対してほぼ垂直な第１の軸に対して平行となり、前記半導体レーザ素子の前記活性層と他の層との前記境界面の少なくとも１つに対してほぼ平行で、前記半導体レーザ素子の前記発光面に対してほぼ平行で、かつ前記第１の軸と直交する第２の軸に対して平行とならない第１の状態、
または前記第１の軸に対して平行とならず、かつ前記第２の軸に対してほぼ平行となる第２の状態で配置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、
前記窓ガラスが、前記第１の状態で配置され、
前記窓ガラスの面と前記第２の軸のなす角度が５°ないし１２°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】
請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
前記窓ガラスが、前記第２の状態で配置され、
前記窓ガラスの面と前記第１の軸のなす角度が１°ないし１．６°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４】
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、前記グレーティングに対してＳ波を提供するように、前記半導体レーザ素子および前記グレーティングの配置が決定されていることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
【請求項５】
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、少なくとも４５ｍＷの出力パワーを備え、少なくとも４５ｍＷ以下の出力パワーで光を出射している場合にキンクを発生しないように構成されていることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
【請求項６】
請求項５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・ダイオードであり、
前記レーザ・ダイオードは、キンクの発生を抑止するために、リッジの側面が２層構造の絶縁膜で埋め込まれており、ストライプ幅Ｗが１．６μｍ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。
【請求項７】
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・ダイオードであり、
前記レーザ・ダイオードの発光面の反射率が３％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。
【請求項８】
請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
前記レンズの開口数が０．３ないし０．７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９】
請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
外部共振器長が、１０ｍｍないし３０ｍｍ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１０】
請求項９に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
外部共振器長が、１０ｍｍないし２０ｍｍ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１１】
請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
前記グレーティングの１次回折光の反射率が、１０％ないし３０％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１２】
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、青色レーザ・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１３】
活性層を含む複数の層を有するレーザ・ダイオードと、
前記レーザ・ダイオードの発光面に対向して設けられる窓ガラスと、
前記レーザ・ダイオードから出射され、前記窓ガラスを通過した光を受光し、当該受光した光のうち特定の波長を前記レーザ・ダイオードに戻すように配置されたグレーティングと、
前記レーザ・ダイオードと前記グレーティングとの間に配置され、前記レーザ・ダイオードからの光を集光するレンズとを有し、
前記窓ガラスが、
前記レーザ・ダイオードの前記活性層と他の層との境界面の少なくとも１つと平行な面に対してほぼ垂直な第１の軸に対して平行となり、前記レーザ・ダイオードの前記活性層と他の層との前記境界面の少なくとも１つに対してほぼ平行で、前記レーザ・ダイオードの前記発光面に対してほぼ平行で、かつ前記第１の軸と直交する第２の軸に対して平行とならない第１の状態、
または前記第１の軸に対して平行とならず、かつ前記第２の軸に対してほぼ平行となる第２の状態で配置され、
前記レーザ・ダイオードが、前記グレーティングに対してＳ波を提供するように、前記レーザ・ダイオードおよび前記グレーティングの配置が決定され、
前記レーザ・ダイオードが、少なくとも４５ｍＷの出力パワーを備え、少なくとも４５ｍＷ以下の出力パワーで光を出射している場合にキンクを発生しないように構成され、
前記レーザ・ダイオードの発光面の反射率が３％以下であり、
前記レンズの開口数が０．３ないし０．７であり、
外部共振器長が、１０ｍｍないし３０ｍｍであり、
前記グレーティングの１次回折光の反射率が、１０％ないし３０％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１４】
請求項１３に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
前記レーザ・ダイオードが、青色レーザ・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１５】
請求項１３に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
前記窓ガラスが、前記第１の状態で配置され、
前記窓ガラスの面と前記第２の軸のなす角度が５°ないし１２°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１６】
請求項１３に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
前記窓ガラスが、前記第２の状態で配置され、
前記窓ガラスの面と前記第１の軸のなす角度が１°ないし１．６°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１７】
請求項１３に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
前記レーザ・ダイオードは、キンクの発生を抑止するために、リッジの側面が２層構造の絶縁膜で埋め込まれており、ストライプ幅Ｗが１．６μｍ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。
【請求項１８】
請求項１３に記載の外部共振器型半導体レーザにおいて、
外部共振器長が、１０ｍｍないし２０ｍｍであることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、青色レーザ・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】
近年、半導体レーザは、小型でかつ低消費電力である等の理由から、情報機器に多く使われるようになってきた。こうした半導体レーザのなかには、外部から所定の波長の光を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する外部共振器型半導体レーザがある。
【０００３】
ここで、代表的なＬｉｔｔｒｏｗ型の半導体レーザについて、図９を参照して説明する。例えば、レーザ・ダイオード１００のような半導体レーザ素子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）１０１によって平行に集められ、グレーティング（回折格子）１０２に入射される。グレーティング１０２は、その配置角度に応じて、入射した光のうち、特定の波長を有する光を１次回折光１０３として出力する。この１次回折光１０３は、レンズ１０１を介してレーザ・ダイオード１００に逆注入される。この結果、レーザ・ダイオード１００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１０２からの１次回折光１０３の波長と同じになる。さらに、グレーティング１０２に入射したレーザ光の残りは、０次光１０４となり、入射角と同じ角度で反射される。
【０００４】
ここで、従来より市販されている代表的な外部共振器型半導体レーザを含むレーザ・システムの構成を、図１０および図１１を参照して説明する。図１０は、レーザ・システム１２０の平面図であり、図１１は、図１０に示す矢印Ｃの方向に沿って見たレーザ・システム１２０の正面図である。このレーザ・システム１２０の構成は、非特許文献１に記載されたレーザ・システムの構成と同様のものである。
【０００５】
【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
【０００６】
図１０および図１１に示すレーザ・システム１２０は、レーザ・ダイオード１２１、レンズ（コリメートレンズ）１２２、グレーティング１２３、第１支持部１２４、第１ネジ１２５、第１溝１２６、第２支持部１２７、第２ネジ１２８、および第２溝１２９を含むレーザ部１３０と、ペルチェ素子１４１、ヒートシンク１４２を含む温度制御部１４３からなる。
【０００７】
図１０および図１１から分かるように、レーザ・システム１２０は、光学部品（レンズ１２２、グレーティング１２３等）をレーザ・システム１２０の設置面に対して水平に配置しており、レーザ光の光路は、当該設置面に対してほぼ水平となる。さらに、温度制御部１４３がレーザ部１３０の下側に配置されている。温度制御部１４３によって温度が制御されているのは、レーザ・ダイオード１２１、レンズ１２２等のレーザ部１３０の各構成要素である。また、温度制御部１４３によりレーザ・ダイオード１２１の温度が一定に保たれることによって光源の安定化が図られる。
【０００８】
レーザ・システム１２０はまた、図９に示したように、グレーティング１２３の配置角度を変えることにより、グレーティング１２３からレーザ・ダイオード１２１へ向かう１次回折光の波長が変化し、その結果、レーザ・ダイオード１２１の発振光の波長が調整される。グレーティング１２３で反射した０次光Ｄは、外部への出射光となる。
【０００９】
グレーティング１２３は、第１支持部１２４に保持されている。第１支持部１２４には第１溝１２６が設けられており、同じく第１支持部１２４に設けられた第１ネジ１２５を回転させることにより、第１溝１２６の間隔が部分的に広がり（あるいは狭まり）、それによってグレーティング１２３の水平方向の配置角度が僅かに変化する。
【００１０】
同様の機構が、グレーティング１２３の垂直方向の角度を調整するために設けられている。グレーティング１２３を保持する第１支持部１２４は、第２支持部１２７に保持されている。第２支持部１２７には第２溝１２９が設けられており、同じく第２支持部１２７に設けられた第２ネジ１２８を回転させることにより、第２溝１２９の間隔が部分的に広がり（あるいは狭まり）、それによって第１支持部１２４およびグレーティング１２３の垂直方向の配置角度が僅かに変化する。
【００１１】
ここで、レーザ・ダイオード１２１として青色レーザ・ダイオードを使用したものが、いくつかのメーカによって開発され、光ディスク等に使用され始めている。また、上記のように、外部共振器を備えたレーザ・システムを構成することによって、シングル性（単一モードのレーザ光）が要求されるホログラフィメモリ用ライタ等の用途にも利用可能となってきた。
【００１２】
また、市販されている同型のレーザ・システムの最大出力は、カタログ上、１５ｍＷまでである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、外部共振器型半導体レーザを実際にホログラフィメモリ用ライタ等の用途に利用するためには、３０ｍＷ以上のレーザ出力が必要とされ、従来の外部共振器型半導体レーザは、このような出力レベルには到達していない。
【００１４】
また、外部共振器型半導体レーザは、外部共振器によって単一モードを実現させているが、様々な要因によって十分な単一モード特性が得られない場合がある。
【００１５】
従って、この発明の目的は、従来の外部共振器型半導体レーザより出力が大きく、または良好な単一モード特性が得られるという２つの特徴を有する外部共振器型半導体レーザ、あるいは上記特徴のうち１つを有する外部共振器型半導体レーザを提供することにある。
【００１６】
さらに、この発明の目的は、外部に射出されるレーザ光の出力が３０ｍＷ以上であり、ホログラフィメモリ用ライタ等の用途に利用可能な外部共振器型半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明は、活性層を含む複数の層を有する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の発光面に対向して設けられる窓ガラスと、半導体レーザ素子から出射され、窓ガラスを通過した光を受光し、受光した光のうち特定の波長を半導体レーザ素子に戻すように配置されたグレーティングと、半導体レーザ素子とグレーティングとの間に配置され、半導体レーザ素子からの光を集光するレンズとを有し、窓ガラスが、半導体レーザ素子の活性層と他の層との境界面の少なくとも１つと平行な面に対してほぼ垂直な第１の軸に対して平行となり、半導体レーザ素子の活性層と他の層との境界面の少なくとも１つに対してほぼ平行で、半導体レーザ素子の発光面に対してほぼ平行で、かつ第１の軸と直交する第２の軸に対して平行とならない第１の状態、または第１の軸に対して平行とならず、かつ第２の軸に対してほぼ平行となる第２の状態で配置されるように構成される外部共振器型半導体レーザである。
【００１８】
この発明は、活性層を含む複数の層を有するレーザ・ダイオードと、レーザ・ダイオードの発光面に対向して設けられる窓ガラスと、レーザ・ダイオードから出射され、窓ガラスを通過した光を受光し、当該受光した光のうち特定の波長をレーザ・ダイオードに戻すように配置されたグレーティングと、レーザ・ダイオードとグレーティングとの間に配置され、レーザ・ダイオードからの光を集光するレンズとを有し、窓ガラスが、レーザ・ダイオードの活性層と他の層との境界面の少なくとも１つと平行な面に対してほぼ垂直な第１の軸に対して平行となり、レーザ・ダイオードの活性層と他の層との境界面の少なくとも１つに対してほぼ平行で、レーザ・ダイオードの発光面に対してほぼ平行で、かつ第１の軸と直交する第２の軸に対して平行とならない第１の状態、または第１の軸に対して平行とならず、かつ第２の軸に対してほぼ平行となる第２の状態で配置され、レーザ・ダイオードが、グレーティングに対してＳ波を提供するように、レーザ・ダイオードおよびグレーティングの配置が決定され、レーザ・ダイオードが、少なくとも４５ｍＷの出力パワーを備え、少なくとも４５ｍＷ以下の出力パワーで光を出射している場合にキンクを発生しないように構成され、レーザ・ダイオードの発光面の反射率が３％以下であり、レンズの開口数が０．３ないし０．７であり、外部共振器長が、１０ｍｍないし３０ｍｍであり、グレーティングの１次回折光の反射率が、１０％ないし３０％であるように構成される外部共振器型半導体レーザである。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、従来の外部共振器型半導体レーザより出力が大きく、良好な単一モード特性が得られるという２つの特徴を備えた外部共振器型半導体レーザ、あるいは、この２つの特徴のうち１つを備えた外部共振器型半導体レーザが提供される。さらに、この発明によれば、外部に射出されるレーザ光の出力が３０ｍＷ以上であり、ホログラフィメモリ用ライタ等の用途に利用可能な外部共振器型半導体レーザが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
この発明は、半導体レーザ素子を含む外部共振器型半導体レーザの構成にいくつかの改良（最適化を含む）を加え、出力の増大、単一モード特性の向上を実現するものである。ここでは、外部共振器型半導体レーザとは、例えば、レーザ・ダイオードといった半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ、レンズ、およびグレーティングが、図９に示すような位置関係に配置されたものを指す。また、レーザ・ダイオードとしては、例えば、波長３９５ｎｍから４１５ｎｍの青色レーザ・ダイオードが用いられる。以降では、この発明に係る上記改良について順に説明する。
【００２１】
［１．窓ガラスの傾斜角度の最適化−多重反射の抑止］
第１の改良点は、半導体レーザの窓ガラスを所定の方向に所定の角度だけ傾斜させることである。図１は、一般的なレーザ・ダイオード（半導体レーザ素子）１と、半導体レーザ内の関連する構成要素を概略的に示したものである。レーザ・ダイオード１は、レーザ光の発光部を含む活性層２と、活性層２の上下にある層３および層４から構成される。層３は、例えば、Ｐ型クラッド層およびコンタクト層等からなり、層４は、Ｎ型クラッド層およびガイド層等からなる。また、半導体レーザ素子の低アスペクト比実現のため、Ｐ型クラッド層と活性層２の間に、電子障壁層および中間層を導入しても良い。
【００２２】
さらに、レーザ・ダイオード１の下側には、レーザ・ダイオード１の動作時の発熱を熱伝導によって拡散させるヒートシンク５が配置されている。ヒートシンク５の材料としては、熱伝導が高く、かつ電気絶縁性、熱膨張性にすぐれた材料が必要となる。
【００２３】
活性層２の発光面８からのレーザ光７は、窓ガラス６を介して外部に放射される。赤等のレーザ・ダイオードを用いた外部共振器型半導体レーザでは、窓ガラス６を外して使用することが可能であるが、青色レーザ・ダイオードをそのようにすると、劣化する恐れがある。そのため、窓ガラス６は、レーザ・ダイオード１を外部の空気から遮断するように、レーザ・ダイオードを密閉する。
【００２４】
図２は、図１で示したレーザ・ダイオード１と、ヒートシンク５、窓ガラス６等を別の角度から示した図である。ここで、図１を正面図とすれば、図２は平面図になる。レーザ・ダイオード１からのレーザ光７は窓ガラス６を介して、外部に放出される。また、図１に示す活性層２の発光面８の形状が長方形の場合は、小さい方の辺の広がり角が大きくなるので、レーザ光７のビームの断面形状は一般的に楕円形となる。
【００２５】
図１および図２に示すように、窓ガラス６と活性層２の発光面８（レーザ端面）が平行であるとき、窓ガラスによる反射が生じ、これらの間の多重反射により、単一モード特性が劣化する。このときの波長とレーザ・ダイオード１の出力パワー（光強度）の関係が、図３に示されている。図３の横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は光強度（出力パワー（μＷ））である。ただし、縦軸の値は、測定器の入力部である光ファイバが受光したパワーであり、レーザが実際に発光している値の数千分の１程度の値である。
【００２６】
図３に示すように、波長が４０８．００ｎｍとなる近辺で出力パワーが一気に上昇しており、この部分だけを見れば良好な単一モード特性を示しているように見える。しかしながら、波長が４０８．００ｎｍから４０８．５０ｎｍの間において、最大で０．１μＷ程度の出力パワーのレーザ光がいくつか計測されており、全体としては単一モードが実現されていないと判断される。
【００２７】
そこで、この窓ガラスによる多重反射を抑止するため、窓ガラスを所定の方向に所定の角度だけ傾斜させる。図４は、このようにして改良された外部共振器型半導体レーザの例を示している。図４は、図１と同じ方向で外部共振器型半導体レーザを現すものである。
【００２８】
図４に示す第１の軸１８Ａは、レーザ・ダイオード１１の活性層１２と他の層との境界面の少なくとも１つと平行な面に対してほぼ垂直であり、第２の軸１８Ｂは、レーザ・ダイオード１１の活性層１２と他の層との境界面の少なくとも１つに対してほぼ平行で、レーザ・ダイオード１１の発光面１９に対してほぼ平行で、かつ第１の軸１８Ａと直交する。
【００２９】
この例では、窓ガラス１６の面を、第２の軸１８Ｂに対しては平行で、かつ第１の軸１８Ａに対しては平行とならないように、レーザ・ダイオード１１の発光面１９に対して傾斜させる。ここで、第１の軸１８Ａと窓ガラス１６の面のなす角をＡとする。この場合Ａは、例えば、１°といった僅かな角度である。
【００３０】
例えば、窓ガラス１６の面を第１の軸１８Ａに対して１．６°傾けると（すなわち、Ａを１．６°にすると）、０．１５λＰ−Ｖとなってしまい実用にならない。その意味では、窓ガラス１６の面の傾斜角度Ａの許容範囲は極めて狭い。また、図４の例では、窓ガラス１６は、上側の方がレーザ・ダイオード１１に近くなるように傾けられているが、逆に、下側の方をレーザ・ダイオード１１に近づけるように傾けることもできる。
【００３１】
一方、図５には、窓ガラスを所定の方向に所定の角度だけ傾斜させる別の例が示されている。図５は、図２と同じ方向で外部共振器型半導体レーザを現すものである。また、図５に示すレーザ・ダイオード２１は、図４に示すレーザ・ダイオード１１と同様、活性層１２、および層１３、１４に対応する複数の層を有する構造となっている。
【００３２】
図５に示す第１の軸２８Ａは、レーザ・ダイオード２１の活性層と他の層との境界面の少なくとも１つと平行な面に対してほぼ垂直であり、第２の軸２８Ｂは、レーザ・ダイオード２１の活性層と他の層との境界面の少なくとも１つに対してほぼ平行で、レーザ・ダイオード２１の発光面２９に対してほぼ平行で、かつ第１の軸２８Ａと直交する。第１の軸２８Ａは、図４の第１の軸１８Ａに対応し、第２の軸２８Ｂは、図４の第２の軸１８Ｂに対応する。
【００３３】
この例では、窓ガラス２６の面を、第１の軸２８Ａに対しては平行で、かつ第２の軸２８Ｂに対しては平行とならないように傾斜させる。ここで、第２の軸２８Ｂと窓ガラス２６の面のなす角をＢとする。
【００３４】
このＢを、例えば、５°以上とすると、多重反射が減少し、良好な単一モード特性が得られる。ただし、窓ガラス２６を傾斜しすぎると、窓ガラス２６による収差が大きくなり、レーザの収差特性が劣化する。
【００３５】
波面収差（Wavefront Quality）が１／ｅ2の領域（すなわち、中心に対して、光強度が１／ｅ2に落ちた周辺の領域）において、０．１５λＰ−Ｖ以下とするには、上記傾斜角度を１２°以下に抑える必要があり、さらに、０．１λＰ−Ｖ以下とするには、８°以下に抑える必要がある。また、図５の例では、窓ガラス２６は、上側の方がレーザ・ダイオード２１に近くなるように傾けられているが、逆に、下側の方をレーザ・ダイオード２１に近づけるように傾けることもできる。
【００３６】
前述のように、青色レーザ・ダイオードは、密封していないとレーザ・ダイオードの劣化を招くので、通常は窓ガラスは必須の構成要素となる。この改良は、そのような構成において、良好な単一モード特性を提供する。
【００３７】
図６は、窓ガラスを図５に示す態様で６°傾斜させた場合（すなわち、Ｂ＝６°）の、波長と出力パワーとの関係を示すグラフである。波長４０６．９４付近を中心に良好な単一モード特性が得られていることが分かる。
【００３８】
［２．グレーティング入射波の最適化−グレーティングの反射率の向上］
レーザ・ダイオードから出射されるレーザ光のうち、グレーティングで反射する０次光は、外部へ出射されるが、この０次光が、ホログラフィメモリ用ライタ等、様々な用途に利用されるので、大きなパワーである方が好ましい。この０次光は、ミラーのように反射するので、これがＳ波かＰ波かによって反射率が大きく異なる。
【００３９】
Ｐ波には、ブリュスターアングルが存在し、上記外部共振器型半導体レーザの構成のように、グレーティングに対して斜めに入射する場合は反射率が低い。これとは逆に、Ｓ波は斜め入射によって反射率が上がる。従って、グレーティングにはＳ波を入射させるようにすることによって、より大きなパワーを得ることができる。このように、Ｓ波をグレーティングに入射させるには、半導体レーザの偏光方向とグレーティングの反射方向を考慮して両者の配置を調整することにより行われる。
【００４０】
［３．レーザ・ダイオードの構造の最適化−キンクの排除］
最終的に得られる単一モードのレーザ光の光源は、図１に示すようなレーザ・ダイオード１であるため、レーザ・ダイオード１には、要求されるレーザ光のパワー以上の出力パワーを求められる。すなわち、レーザ・ダイオード１は単独で（すなわち、フリーランの状態で）、レーザ光のパワー以上の出力パワーで発光している必要がある。
【００４１】
実験によれば、外部に射出されるレーザ光のパワーは、窓ガラス、レンズ（コリメートレンズ）、グレーティングを経由する等の要因により、レーザ・ダイオード１の出力パワーの２／３程度になる。上述のように、ホログラフィメモリ用ライタ等の用途では、単一モードで３０ｍＷ以上のパワーが必要であるから、少なくとも必要とされるレーザ・ダイオード１の出力パワーは、以下の式１によって求めることができる。
３０（ｍＷ）×３／２  ＝  ４５（ｍＷ）                          ・・・（式１）
なお、レーザ・ダイオード１の出力パワーの残りの１／３の大半は、グレーティングの１次回折光となってレーザ・ダイオード１に戻るため、外部に出射されない。
【００４２】
上述のように、最終的に得られる単一モードのレーザ光として３０ｍＷ以上のパワーを得るために、レーザ・ダイオード１は４５ｍＷ以上の出力パワーを必要とする。しかしながら、このパワーの全ての範囲に亘ってキンクが存在してはならない。キンクとは、モードの境界であり、キンク以下のパワーでは横単一モードのみの発光であったものが、キンク以上では、横多モードが混在する。横多モードが混在し始めると、外部共振器によって単一モードを実現するのは難しくなるので、上記レーザ・ダイオード１に求められる４５ｍＷの全ての範囲でキンクが存在しないことが望ましい。
【００４３】
図７は、レーザ・ダイオード１の、電流（ｍＡ）と出力パワー（ｍＷ）との関係を示したグラフであり、この例では、キンクが出力パワー２０ｍＷ付近に存在する。グラフから分かるように、レーザ・ダイオード１は、最初、ある程度電流を上げても出力パワーはゼロのままである。電流が約３０ｍＡになると、出力パワーが上昇し始め、以降は、基本的に、電流の上昇に比例して出力パワーが上昇する。しかしながら、出力パワーが２０ｍＷ付近（電流が約５０ｍＡ）において、電流が上昇しても出力パワーが上昇しない箇所がある。これは、レーザ・ダイオード１が同じ波長のレーザ光を出力しながらも、モードが変化したことを示しており、ここがキンクとなる。
【００４４】
こうしたキンクの存在は、上述のように、単一モード実現のためには好ましくなく、存在を排除するか、または、存在しても出力パワーが４５ｍＷ以上の箇所であるようにする必要がある。
【００４５】
そのために、レーザ・ダイオード３０のチップ構造を図８に示すように構成する。この構成は、「100mWキンクフリー、低アスペクト比青紫色半導体レーザ」、水野  崇  他、Proceedings of the 11th Sony Research Forum (2001)で提案されているものである。
【００４６】
この構成では、サファイア基板３１上に、ＥＬＯにより低欠陥密度領域を有するｎ−ＧａＮ層３３を作製した後、Ｎクラッド層３４、ガイド層３５、活性層３６、中間層３７、電子障壁層３８、Ｐクラッド層３９、コンタクト層４１を連続的に結晶成長する。ここで、例えば、Ｎクラッド層３４は、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ガイド層３５は、ｎ−ＧａＮガイド層、活性層３６は、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層、中間層３７は、ＧａＩｎＮ中間層、電子障壁層３８は、ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層、Ｐクラッド層３９は、ｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層、コンタクト層４１は、ｐ−ＧａＮコンタクト層である。また、Ｐ電極４３には、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕを、Ｎ電極４２には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを採用している。
【００４７】
さらに、この構成では、コンタクト層（リッジ）４１の側面を、例えば、Ｓｉｏ2層とＳｉ層といった２層構造の絶縁膜で埋め込んだ、リッジ側面埋め込み層４０が形成されている。横単一モードのレーザ光は、レーザ・ダイオード３０の各層の境界の方向に沿って拡散する（広がる）ことは少ないが、横多モードのレーザ光は当該方向に拡散する。従って、リッジ側面埋め込み層４０は、横単一モードのレーザ光をほとんど吸収せず、横多モードのレーザ光を選択的に吸収する。その結果、キンクの発生が抑止され、悪くても出力パワーの高い位置で発生するようになる。
【００４８】
また、ここでは、概ねコンタクト層の幅に対応するストライプ幅Ｗは、１．６μｍ以下とすることが好ましい。この幅が狭いと、横多モードのレーザ光が存在し難くなるためである。
【００４９】
［４．レーザ・ダイオード発光端面の反射率の適正化−１次回折光の効率的な受光］
図１に示すようなレーザ・ダイオード１の発光部の材質は屈折率が高いので、発光面８で外部からの光を反射する特性がある。しかしながら、この反射率は表面にコーティングを施すことにより、ほぼ０％にまで下げることもできる。発光面８は、グレーティングからレーザ・ダイオード１に戻ってきた１次回折光を受光する面であり、この発光面８の反射率が高くなるほど、当該１次回折光の受光量が減少する。
【００５０】
実験では、０％ないし１０％の反射率の発光面を用いることによってレーザ光の単一モードが実現された。ただし、この中でも、反射率の高い発光面では、単一モード化するための調整が困難であり、反射によって、グレーティングから戻ってきた１次回折光を無駄にしている部分が多い。一方、あまり低い反射率の発光面を要求すると、コーティングをする際の歩留まりが低下する危険性がある。これらを総合的に考慮すると、レーザ・ダイオード１の発光面の反射率は３％以下が望ましい。
【００５１】
［５．コリメートレンズの開口数の適正化−１次回折光の効率的な受光］
コリメートレンズは、図１０、図１１から分かるように、レーザ・ダイオードとグレーティングの間に配置されるレンズである。コリメートレンズの開口数（N.A：Numerical Aperture）が例えば、０．１９といった小さな値であると、グレーティングから戻った１次回折光が、このコリメートレンズであまり絞られず、ある程度広がった状態でレーザ・ダイオードの発光面８に受光され、１次回折光の一部しかレーザ・ダイオードに戻ってこない。その結果、単一モードの実現が困難になる。
【００５２】
これが、例えば、０．４や０．６といった開口数の場合、単一モード化は容易である。また、より開口数の高いレンズでも単一モード化が容易であると予想できるが、高開口数のレンズは作製が困難である。これらを総合的に考慮すると、コリメートレンズの開口数は、０．３ないし０．７程度が望ましい。
【００５３】
［６．外部共振器長の最適化］
外部共振器長とは、図１０、図１１に示されるような外部共振器型半導体レーザにおいて、例えば、レーザ・ダイオードのような半導体レーザ素子からグレーティングまでの距離のことである。１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍの各距離で実験を行った結果、いずれの距離においても同等の安定性が得られた。このことから、外部共振器長は、１０ｍｍないし３０ｍｍが好ましい。ここで、外部共振器長は、窓ガラス、レンズの屈折率等を考慮した光学距離を表す。
【００５４】
また、理論上は、外部共振器長の短い方がモードホップ（他のモードに変わってしまうこと）が発生し難い。従って、これらを考慮すると、設計上の支障がなければ、外部共振器長を１０ｍｍないし２０ｍｍとすることが、より好ましい。
【００５５】
［７．グレーティングの１次回折光反射率の最適化］
１次回折光の反射率が２０％および４０％のグレーティングについてそれぞれ実験をすると、単一モード化に関してはほぼ同等の特性が得られた。１次回折光は、前述のように、レーザ・ダイオードに戻して単一モード化させるために利用されるので、ある程度の光量は必要だが、多すぎるとレーザ・ダイオードへのダメージや出射光（０次光）の減少につながる。そのため、適切な反射率として１０％ないし３０％を設定する。
【００５６】
これまで、青色レーザ・ダイオードを用いた外部共振器型半導体レーザを例に説明してきたが、第３の改良（レーザ・ダイオードの構造の最適化−キンクの排除）を除く、全ての改良を、他の半導体レーザ素子を用いた外部共振器型半導体レーザに適用することも可能である。
【００５７】
また、これまで説明してきたそれぞれの改良は、従来の外部共振器型半導体レーザより大きな出力を実現すること、および良好な単一モード特性が得られることの両方あるいは一方を目的としたものであり、理想的な外部共振器型半導体レーザを実現するためには、上記全ての改良を全て組み合わせて実施することが望ましい。しかしながら、これらのうち１つを単独で、あるいは、これらのうちいくつかを任意に組み合わせることによっても、上記目的をある程度まで達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】一般的なレーザ・ダイオードおよび関連要素を示す略線図である。
【図２】図１のレーザ・ダイオードおよび関連要素を別の角度から見た略線図である。
【図３】単一モードが実現されていない場合の、波長と出力パワーの関係を示すグラフである。
【図４】この発明の改良を施した外部共振器型半導体レーザの例を示す略線図である。
【図５】この発明の改良を施した外部共振器型半導体レーザの他の例を示す略線図である。
【図６】この発明の改良によって単一モードが実現されている場合の、波長と出力パワーの関係を示すグラフである。
【図７】キンク発生の例を表すグラフである。
【図８】キンクの発生を抑止するためのレーザ・ダイオードの構成例を示す略線図である。
【図９】外部共振器型半導体レーザの動作原理を説明するための略線図である。
【図１０】従来のレーザ・システムの構成を示す略線図である。
【図１１】図１０のレーザ・システムの側面の構成を示す略線図である。
【符号の説明】
【００５９】
１１，２１、３０・・・レーザ・ダイオード、１２，３６・・・活性層、１６，２６・・・窓ガラス、１７，２７・・・レーザ光、４０・・・リッジ側面埋め込み層
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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