JPH0680862B2 - 半導体レ−ザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、外部共振器型の半導体レーザ装置において、
所定の凹部と単一モード導波路領域とを設けた複屈折性
の基板を用いて共振器を構成し、この共振器内に半導体
レーザを組込んだことにより、上記装置の組立及び調整
を簡略化すると共に、経年変化の可能性を低減し、しか
も共振器効率の向上をも実現したものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は２周波光源として用いられる半導体レーザ装置
に係り、特に全ての構成部品を集積化してなる外部共振
器型の半導体レーザ装置に関する。

光通信技術の発展に伴って各種の光回路ディバイスを集
積化する技術が急速度で進歩しており、その技術は光通
信システムを構成するディバイスのみならず、光通信以
外の分野で利用される各種の光ディバイスにまで波及し
ている。例えば光計測分野において２周波光源として用
いられる半導体レーザ装置も例外では無く、1/2波長
板、1/4波長板等の偏光面制御素子と反射鏡で構成され
た共振器、及び半導体レーザ等の光源を集積化すること
によって、装置の組立、調整を容易にすると共に特性の
安定化を実現することが要求されている。

〔従来の技術〕

最近、距離計測、速度計測等の計測分野においてレーザ
光を応用した光計測装置が増加しているが、その一方式
である光ヘテロダイン法を用いてかかる計測を効率良く
行うには、安定した周波数差を持つ２つの光が必要とさ
れている。

従来の外部共振器型の半導体レーザ装置は、単一周波数
（ω）の光を出力する半導体レーザを、これとは別体の
共振器内に配置することによって構成されている。上記
共振器は、1/4波長板等の複数の偏光面制御素子や、そ
の偏光面制御素子の外側にそれぞれ配設された反射鏡、
それにレンズ等の各種光学部品を具えており、これらの
部品は全て接着剤で１つの基板上に固定されている。

かかる外部共振器型の半導体レーザ装置は半導体レーザ
と共振器の作用によって、わずかな周波数差を持つ２つ
の光を出力することができる。例えば半導体レーザから
出力される光の周波数をωとすると、外部共振器型の半
導体レーザ装置からは周波数がω＋Δωの光と、周波数
がω−Δωの光が出力され、２つの光の周波数差は２Δ
ωになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし従来の半導体レーザ装置では、共振器を構成する
部品、すなわちレンズ、1/4波長板、反射鏡等が、上述
したように半導体レンズと共に空間に配置され接着剤等
で基板に固定されている。そのため、それぞれの部品の
間隔や光軸の調整が困難で精度の“ばらつき”が大き
く、しかも組立、調整に著しい時間と人手を必要とし
た。その上、接着剤の特性を経年変化によって時間の経
過と共に変化する可能性があり、組立、調整の直後は高
精度さを有する半導体レーザ装置も、時間の経過と共に
精度が徐々に低下する場合があるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、装置の組立及び調整が簡
単で、経年変化の可能性も少なく、しかも共振器効率の
良好な外部共振器型の半導体レーザ装置を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、複屈折性の基板であって、光学軸がレーザ
光軸に垂直な平面内で半導体レーザのTE偏光面に対し45
度傾いている基板を用いている。この基板には、半導体
レーザを積載し固定する凹部と、半導体レーザの活性層
面に対向して上記の凹部から両側に向かって延びその一
方が1/4波長板として作用する単一モード導波路領域と
を設けてある。そして更に、上記単一モード導波路領域
の外側の両端面のそれぞれに反射面を設けることによっ
て、この反射面の間に上記凹部及び単一モード導波路領
域を含む共振器を構成したものである。

〔作用〕

上述したように１つの基板内で共振器を構成したことに
よって、全ての部品が集積化され、半導体レーザ装置の
組立、調整が容易になると共に、精度の安定化が図れ
る。また、接着剤等の経年変化の可能性がある材料を用
いていないため、組立後の高精度さを長期に亘って維持
することができる。しかも、半導体レーザの出射光は単
一モード導波路領域内に閉じ込められて、周囲に広がる
ことがないので、多くの反射光を半導体レーザに戻すこ
とができ、よって、非常に良好な共振器効率が得られ
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ本発明の一
実施例を示す斜視図、側面図、正面図である。本実施例
は、複屈折性の基板１の上面に凹部２及び単一モード導
波路領域3,4を形成し、更にこの単一モード導波路領域
3,4のそれぞれの外側の端面に反射面5,6を設けることに
よって共振器を一体的に構成し、この共振器の上記凹部
２内に半導体レーザ７を組込むことによって、外部共振
器型の半導体レーザ装置を構成したものである。以下
に、更に具体的に説明する。

基板１は、レーザ光に対し透過率の良い単軸性の複屈折
物質（例えば水晶等）でできている。しかも第１図
（ｃ）に示すように、その光学軸1aは、レーザ光軸7a
（同図（ｂ））に垂直な平面内において、半導体レーザ
７のTE偏光面7bに対して45度傾いている。

凹部２は、半導体レーザ７を固定できるように、その形
状に合せて形成してあり、しかもその深さは、半導体レ
ーザ７を嵌め込んだ際にその活性層面に単一モード導波
路領域3,4,が対向する位置（例えば数μｍの深さ）に設
定してある。

単一モード導波路領域3,4は、リッジ型の導波路構造と
なっており、それぞれ凹部２から両側に向けて、すなわ
ち半導体レーザ７の活性層の延長上を、長方体状に延び
ている。これらの断面形状の大きさは、TE及びTMモード
がカットオフにならないように、基板１の屈折率に応じ
て決定する。例えば、基板１として水晶を用いた場合
は、約５μｍ角の断面形状とする。また、一方の単一モ
ード導波路領域３は1/4波長板として作用し、その長さ
ｌは次式で決定される。

上記式中、λは半導体レーザ７の波長、n_oは基板１の常
光線に対する屈折率、n_eは基板１の異常光線に対する屈
折率である。もう一方の単一モード導波路領域４の長さ
ｌ′は、上記式を満たさない範囲で、必要な周波数差に
応じて変えることができる。

また、上記単一モード導波路領域3,4の外側の端面には
それぞれ反射面5,6が形成されていると共に、内側の端
面（すなわち半導体レーザ７と接する面）には境界面で
の反射を無くすための無反射面8,9が形成されている。

次に、上記構成からなる半導体レーザ装置の作成方法に
ついて、第２図に基づいて述べる。

まず、スラブ型導波路である、上述したような軸方位を
持つ複屈折物質（例えば水晶等）の基板１に対して、化
学エッチング、プラズマエッチング、機械的研削等を併
用することにより、第２図に示すように、数μｍ程度の
深さの凹部２と、それぞれ長さｌ、ｌ′で断面形状が５
μｍ×５μｍ程度の単一モード導波路領域3,4とを形成
する。

続いて、高反射率の誘電体多層膜（例えばシリコンとア
ルミナとを多数層重ねた膜）等を単一モード導波路領域
3,4の外側の端面にコーティングすることにより、反射
面5,6を形成する。一方、低反射率の誘電体膜（例えば
窒化シリコンとアルミナとを一層もしくは二層程度重ね
た膜）等を単一モード導波路領域3,4の内側の端面にコ
ーティングすることにより、無反射面8,9を形成する。
以上で共振器が完成する。

そして次に、凹部２の底面に蒸着によって金属層（不図
示）を形成し、これを半導体レーザ７への電流注入用の
電極とする。最後に、上述したと同様な無反射面を端面
に施した半導体レーザ７を上記凹部２に嵌め込み、単一
モード導波路領域3,4との位置合わせを行った後、上記
金属層に半導体レーザ７の電極を溶着することによって
固定する。なお、実際上は、放熱効果を良くするため
に、全体をダイヤモンド等の高熱伝導性物質からなるヒ
ートシンク（不図示）上にマウントした後、半導体レー
ザ７の逆側電極にワイヤボンディングを行うことで終了
する。

このように構成された半導体レーザ装置において、半導
体レーザ７から反射面５側に出射した光は、1/4波長板
としての長さｌの単一モード導波路領域３を通過した
後、反射面５によって反射され再び単一モード導波路領
域３を通過して、半導体レーザ７内部に入射する。ま
た、同様に半導体レーザ７から反射面６側に出射した光
は、長さｌ′（≠ｌ）の単一モード導波路領域４を通過
した後、反射面６によって反射され、再び単一モード導
波路領域４を通過して、半導体レーザ７内部に入射す
る。

この時、初め半導体レーザ７から反射面５側にTE偏光で
出射した光は、そのTE偏光面に対して45度傾いた光学軸
を持つ1/4波長板（単一モード導波路領域３）を往復す
ることにより偏光面がきれいに90度回転され、上記TE偏
光に直交するTM偏光に変換される。逆に、TM偏光で出射
した光はTE偏光に変換される。よって、半導体レーザ７
及び単一モード導波路領域３を含む側では、上記出射光
が1/4波長板を往復することにより、偏光面に関する異
方性は全て打ち消され、すなわち、各種の偏光成分に対
して等方的な媒質となる。一方、単一モード導波領域４
の側では、その長さｌ′がｌと異なり、1/4波長板とし
ては作用しないため、上述した２つの直交偏光に対する
実効的な共振器長をわずかに異ならせることができる。
これらの結果、周波数のわずかに異なる２つの直交偏光
（TE,TMよりわずかにずれる）が発振し、よって２周波
光源が実現される。なお、これらの周波数差は、単一モ
ード導波路領域４の長さｌ′によって決定される。

また、発振の際、半導体レーザ７の出射光は単一モード
導波路領域3,4によって縦方向と横方向が制限され、す
なわちこの中に閉じ込められ、周囲に広がることがな
い。従って、反射面5,6からの反射光をほとんど半導体
レーザ７内部に戻すことができ、よって非常に良好な共
振器効率を得ることができる。

更に本実施例では、半導体レーザ７を埋め込んだ複屈折
性の基板１と、その両端に形成された反射面5,6とで共
振器を構成したことによって、全ての部品が集積化され
ている。このことにより、装置の組立、調整が容易にな
ると共に、精度の安定化が図れる。しかも、接着剤等の
経年変化の可能性がある材料を用いていないため、組立
後の高精度さを長期に亘って維持することができる。

〔発明の効果〕

本発明の半導体レーザ装置によれば、装置の組立及び調
整が簡単になると共に、経年変化による特性の劣化もな
くなり、しかも良好な共振器効率が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ本発明の一実
施例に係る半導体レーザ装置を示す斜視図、側面図、正
面図、 第２図（ａ），（ｂ）はそれぞれ上記実施例に係る半導
体レーザ装置の作成方法を説明するための側面図、正面
図である。 １……基板、 1a……光学軸、 ２……凹部、 3,4……単一モード導波路領域、 5,6……反射面、 ７……半導体レーザ、 7a……レーザ光軸、 7b……TE偏光面、 8,9……無反射面。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】共振器内に半導体レーザ（７）を組込んで
   構成した外部共振器型の半導体レーザ装置において、 光学軸（1a）がレーザ光軸（7a）に垂直な平面内で前記
   半導体レーザのTE偏光面（7b）に対し45度傾いた複屈折
   性の基板（１）に対して、前記半導体レーザを積載し固
   定する凹部（２）と、前記半導体レーザの活性層面に対
   向して前記凹部から両側に延びその一方が1/4波長板と
   して作用する単一モード導波路領域（3,4）とを設ける
   とともに、該単一モード導波路領域の外側の両端面のそ
   れぞれに反射面（5,6）を設けて、前記共振器を構成し
   たことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】前記凹部の深さは数μｍであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】前記単一モード導波路領域の断面形状の大
   きさは、TE及びTMモードがカットオフにならないよう
   に、前記基板の屈折率に応じて決定されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の半導
   体レーザ装置。
4. 【請求項４】前記単一モード導波路領域の前記半導体レ
   ーザ側の端面を無反射面（8,9）としたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１つに記
   載の半導体レーザ装置。