JPS63213389A - 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、光通信、光計測、光情報処理システム等のコ
ヒーレント光源として主に用いられる高出力半導体レー
ザ装置に関するものである。

〈従来の技術〉 近年高度情報伝送システムとして半導体レーザを利用し
た光応用技術が注目を集めており、これらの技術の実用
化に際し、光フアイバ通信システムや光情報処理システ
ムのコヒーレント光源として発振軸モードが縦単一モー
ドに安定化された半導体レーザ素子が強く要求されてい
る。このような技術的要求に対して、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７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７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（λ）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２〜８Ａ／ｄｅｇの割合で長波長側へ変化する
。

”まだ、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３ｘの間隔を保ちながら
０．７λ／　ｄ　ｅ　ｇ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９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（５ｈｏｒｔ　Ｅｘｔｅｒｎａｌ
Ｃａｖｉｔｙ　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
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７図に対応させて示し
たのが第８図であり、第８図（、）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）ｔｆｉ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７
図の場合と異なり、第８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り制御することができ、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１０図（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すが、いずれもΔ
ｔという温度範囲では同一の軸モードが維持され、ＪＴ
という温度範囲では、第８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、ＪＴ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１０図（ａ）は、第８図（ｄ）に示す包路線
のピーク波長の温度係数ｄλ／ｄＴと第８図（ｂ）　ｆ
’ｌ’：示す軸モードの温度係数αについて、ｄＴ／／
ｄＴ（αのときに１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、ＪＴの範囲内で小さいモード
ホップを起こす状態を示し、第１０図（ｂ）はｄ＾／ｄ
Ｔ＝αのときにΔＴ＝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１０図（Ｃ）は、ｄ
Ｔ／ｄＴ〉αのときに、発振軸モードが長波長側Ｋｙｓ
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、ＧａＡｓ基板上に成長したＡｔ
Ｇ　ａ　Ａ　ｓを活性層とするＶＳＩＳ型半導体レーザ
と高反射率をもたせるために誘電体多層膜が被覆された
外部反射部材より構成されており、さらに、半導体レー
ザの両端面にはレーザ発振波長の半分の厚さに相当する
誘電体保護膜が被覆されていた。この場合、半導体レー
ザ両端面の反射率はレーザ発振波長に対して０．３２に
：設定される。このような反射率の組み合わせの場合で
は、安定なレーザ、駆動が得られる光出力レベルは低く
、最大でもＩＯｍＷ程度までが限界である。それ以上の
出力で駆動した場合、横モードの乱れによる電流−光特
性にキンクが発生し、基本横モードを維持することが困
難であるのみならず、発振軸モードも、多モード発振あ
るいはモード競合等が発生し不安定な状態となる。また
、光出力の増大に伴なう駆動電流の増加が素子内での発
熱を更に増長することになり、特性の経時変化や劣化の
発生が起こり易く、高い信頼性を得Ｚのは極めて困難で
あった。

しかしながら、近年様々な光情報処理システムにおいて
は、信号の高密度化並びに処理時間の高速化、さらには
Ｓハ比の向上を計るために信号光源として使用される波
長安定化レーザの高出力化が強く望′！れできているが
、現状の波長安定化レーザではその実現に自から限界が
あった。

〈発明の目的〉 本発明は、上述した従来の問題に鑑みなされたもので、
半導体レーザ素子の信頼性を損なうことなくかつ特性の
経時変化を引き起こすことなく高出力動作においてもレ
ーザ発振軸モードが安定に制御された外部共振器型半導
体レーザ装置を提供することを目的とするものである。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は、上記目的を達成するために半導体レーザ素子
および該半導体レーザ素子の一方の出射端面から出射さ
れたレーザ光を半導体レーザ素子に帰還させる外部反射
面を有する反射部材より構成される外部共振器型半導体
レーザ装置において、半導体レーザ素子の共握端面反射
率を前面側と裏面側で異なる非対称な組合わせとした構
成を特徴としている。

く作　用〉 すでに述べたように、外部共振器型半導体レーザ装置の
発振軸モードの振舞いは、レーザ素子の利得分布、レー
ザ素子の軸モード、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。発振軸モードの温度
変化に関しては、これら３つの要因の温度依存性を考慮
した上で適正な設計をすることにより第１Ｏ図（ｂ）に
示すようにΔＴ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。上記構成と
することにより、この発振軸モードの良好な温度特性を
高出力動作時にまで、信頼性の低下、特性の経時変化を
引き起こすことなく維持することが可能となる。

〈実施例〉 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳述する。

第１図は本発明の第１の実施例の断面図を示したもので
ある。ＧａＡｓ基板上に成長形成されたＡｔＧａＡｓを
活性層とするＶＳＩＳ型半導体レーザし子ｌと高反射率
を付与するために骨間端面８に誘電体多層膜をコーティ
ングした反射面を有するＧａＡｓチップ２の外部反射部
材がそれぞれ所定の外部共振器長ｄを隔ててＣｕを材質
とする載置台３に固定されている。半導体レーザ素子ｌ
には電流を注入するためのリード線９が連結されている
。

半導体レーザ素子ｌの前面側の共振端面４には、Ａｔ２
０３膜５を単層、裏面側の共振端面６にはＡｔ２０３膜
５　、　ａ−５ｉ膜７．Ａ４２０３膜５の順に３層膜を
被覆することにより、前面側は０．０５の低反射率、裏
面側は０．７の高反射率の非対称な共振端面４，６の組
み合わせを形成する。ＧａＡｓチップ２の弁開端面８上
には、Ａｔ２ｏ３膜５とａ−８１膜７を交互に計５層被
覆することにより、０．９５なるより高い反射率の反射
面としている。また、半導体レーザ素子１およびＧａＡ
ｓチップ２の共振器方向の長さは同じである。

本発明者は、外部共振器長ｄ＝＋２０μｍの時、第１０
図（ｂ）においてΔＴ＝＋３℃の温度範囲にて光出力３
０ｍＷを越す高出力状態までまったくモードホップの発
生しない極めて安定な波長一温度特性が得られることを
実験的に確認した。半導体レーザ素子１の利得分布の温
度変化率は素子ごとにばらつき、本実施例で用いたｖｓ
ｒｓレーザにおいても利得分布の温度変化率（ｄ＾ｇ／
ｄ丁）は、２．０≦ｄλｇ／ａＴ＜　ａ、　ｏ　（久／
℃）なる広い範囲でばらつくことを実験的に確認してい
る。従って、最適なｄの値は特定の範囲をもっており、
１００≦ｄく１２０（μｍ）が最適範囲である。この場
合ΔＴの値もＩＱ＜ΔＴ＜２０　（℃）の範囲に分布す
る。２０℃未満というΔＴの値は、周囲温度の調節を行
ないながら使用するような限られた場合以外、十分に広
い温度範囲であるとは言い難い。即ち周囲温度が僅か１
０℃程度変化したのみで発振軸モードが変化すると応用
システムの機能低下を招く。また、まっンｔくモードホ
ップが発生しない素子でも、大きなモードホップを発生
する温度（第１０図（ｂ）でΔＴの両端の温度）を任意
に制御することは難しく実用上問題となることがある。

即ち、応用上まったくモードホップを発生しない温度範
囲を特定したい場合には歩留りの低下をきたし、特性の
選別に多大の時間を要することになる。この問題を解決
するためには、モードホップを発生しない温度範囲ΔＴ
をできるだけ大きくし、特定の温度範囲がΔτ内に入る
確率を高めることが有効である。

第１の実施例におけるΔＴをより拡大するための手段を
具備した半導体レーザ装置を本発明の第２の実施例とし
て第２図に示す。図中第１図と同−符号は同一構成内容
を示している。

本実施例では半導体レーザ素子１および外部反射部材２
をそれぞれ独立に載置固定する載置部材２３の線膨張係
数がＣｕの線膨張係数よりも小さい値を有する材質の載
置部材２３を用いている。

尚、半導体レーザ素子１およびＧａＡｓチップ２の共振
器長方向の長さは等しいとする。このような代置部材２
３としてＦｅ、Ｂｅｄ、ＧａＡｓ、ＣＢＮ、Ｓｉ。

ＳｉＣ又はダイヤモンド等が使用される。これらの線膨
張係数はそれぞれｌ　＋、７６ＸＩＯ−６，７，６ＸＩ
Ｏ＝　、　５．９刈０＝　、　４ＸＩ０　．２．４ＸＩ
０　．３．７ＸＩＯ（１℃）である。尚、ＣｕＯ線膨張
係数はＩ’７ｘｌｏ　　（１℃）である。今、第１の実
施例に用いられているＣｕを材質とする載置台３を第２
の実施例のＦｅを主成分とする載置台２３に変えた場合
について説明する。

第５図（、）は外部モード即ち第８図（ｃ）に示す外部
共振器の共振ピーク波長の温度変化率（ｄλＣ／ａｒ）
の外部共振器長依存性を示すグラフである。図中ｚｌは
、Ｃｕを載置台３として用いた場合、ｔ２はＦｅを載置
台２３として用いた場合の曲線である。実験的に見出し
たｄλｅ／ｄＴの最適値はｏ、ａ＋Ｘ／℃であるが、こ
の値になる外部共振器長ｄは、載置部材がＣｕのときは
ｄ＝１２０μｍであるがＦｅの場合には５１７ｚｍｉＣ
まで短かくできる。

一方、載置部材がＣｕ、Ｆｅのそれぞれの場合について
ΔＴ（第１０図参照）の外部共振器長依存性を第５図（
ｂ）に曲線ｔ３＋ｔ４で示す。

前述の最適条件下でのΔＴはＣｕの場合１３℃（ｄ　＝
Ｉ　２０７ｚｍ　）であるが、Ｆｅの場合では２９℃（
ｃｌ−＝５　！　Ｉｔｍ　）　Ｋも拡大する。

上述したＦｅ以外の他の材料についてもΔＴの拡大につ
いて同様の効果があることが確認された。

上記第２の実施例ではΔＴを拡大するための手段の一つ
として載置台に用いる材質の線膨張係数について述べて
きた。その場合、前述した通り、半導体レーザ素子１お
よびＧａＡｓチップよりなる外部反射部材２の共振器長
方向の長さ／′ｉ、同じであるという条件を設けた。

一方、載置台の材質を固定した場合、外部反射部材２の
長さを半導体レーザ素子１の共振器長以下とすることに
よってもΔＴを拡大することが可能であることが見出さ
れた。これを本発明の第３の実施例として第３図に示す
。図中第１図と同一符号は同一構成内容を示す。

半導体レーザ素子ｌの共振器長２５０μｍ、長さ１００
μｍのＧａＡｓチップ３２をＣｕを材質とする載置台３
に固定した場合の外部モードの温度変化率（ｄλｅ／ｄ
丁）の外部共振器長依存性を第６図（ａ）に曲線ｔ５で
示す。モードホップが全く発生しなイｃｌλｅ／ｄＴ　
＝　０．３１久／℃の時の外部共振器長ｄは、ｄ＝８５
μｍである。外部共振器長がこのような値をとる場合、
ΔＴは、第６図（ｂ）の曲線ｔ７より、１８℃となり、
半導体レーザ素子ｌと外部反射部材３２が同じ長さの時
に比べΔＴが５℃広がることが分かる。

第８の実施例においてＣｕを材質とする載置台３をＦｅ
を主成分とする載置台２Ｂに変えることによりΔＴを第
３の実施例よりも拡大しようとするのが第４の実施例で
ある。第４図にその断面図を示す。第１および第２の実
施例と同じものについては同じ番号で示す。第６図（、
）の曲線ｔ６より全くモードホップが発生しない外部共
振器長はｄ＝３６μｍである。この時ΔＴは、第６図（
ｂ）の曲線ｔ８よりΔ丁＝４２℃となり、第１の実施例
に比べ２９℃、また第３の実施例に比べ２４℃広くなっ
た０ 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
要があるため短かくすることは困難であり実際上では２
００μｍ以上となるが、ＧａＡｓチクプ２Ｈリードボン
ドがなく従ってポンディング強度を考慮する必要がなく
、長さとして＋００１１ｍ以下でも実装上の問題はない
。

上記各実施例において、半導体レーザ素子ｌの前面側の
共振端面反射率Ｒ１ばＪ＝０．０５としているが、Ｊの
値はこの限りではない。即ち、より高い反射率の例えば
Ｒ（−０，２の場合でも高出力状態゛までまったくモー
ドホップのない安定な単一軸モード発振が得られる。Ｒ
ｆの上限は、閾晴電流、外部微分効率、動作出力を決定
する上において重要なパラメーターである。外部共振器
型半導体レーザ装置において、特定の温度領域１丁の範
囲でまったくモードホップを発生せず、安定な単一軸モ
ード発振を高出力状態まで実現し、かつ、信頼性の低下
、特性の経時変化を抑制するには、Ｒ（は０．３２以下
であることが望ましいことが実験的に確認された。Ｊ＝
０．３２という値は、ＧａＡｓ基板上にＡｔＧａＡｓ層
を活性層として有するＡｔＧａＡｓ系半導体レーザ素子
において端面反射膜をまったく被覆していない時の襞間
端面そのものの反射率である。従って、他の材料を母材
とする半導体レーザ素子の場合においても同様の考え方
が適用でき、前面側端面反射率Ｒｆは襞間端面そのもの
の反射率以下であることが望ましい。

半導体レーザ素子Ｉの裏面側反射率Ｒｒは各実施例にお
いてはＲｒ＝０．７としている。Ｒ（と同様Ｒ４も重要
なパラメータの一つである。筆者らは実験的に０．３２
　＜Ｒｒ＜　０．７であることが望ましいことを確認し
た。通常レーザ単体の場合、高出力化のためにはＲｒは
０．９を越す高反射率とする。

しかしＳＥＣレーザの場合はＲｒが０．７を越すとレー
ザ軸モードと外部共振器の共擾モードとの結合が弱゛ま
る結果、温度変化に対し発振軸モードは特定の軸モード
に維持されにくくなり次々と隣接モードへモードホップ
を発生しやすくなる。また、Ｒｒが０．３２未満の値に
なると、外部微分効率の低下が顕著になり高出力動作は
困難となってくる。

この場合においてもＲｒ＝０．３２は、Ｒｆの場合と同
様ＡｔＧａＡｓ系半導体レーザでは、端面コーテイング
膜を被覆していない状態即ち、襞間端面そのものの反射
率である。したがって材料の異なる半導体レーザの場合
には、当然その値は異なってくるが、構成自体に差異は
ない。

〈発明の効果〉 本発明によれば、高出力動作時においても、特定の温度
範囲でまったくモードホップの発生しない安定な単一軸
モード発振をする外部共振器型半導体レーザ素子を信頼
性を損なうことなく実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図はそれぞれ本発明の実施例を示す断面
図である。第５図および第６図は各実施例における外部
モード温度変化率の外部共振器長依存性ΔＴの外部共振
器長依存性を示す説明図である。第７図は従来の半導体
レーザの発振軸モード選択性を示す説明図である。第８
図は本発明に係るＳＥＣ半導体レーザの発振軸モード選
択性を示す説明図である。第９図は従来の半導体レーザ
の発振波長の温度特性を示す説明図である０第１Ｏ図（
ａ）（ｂ）（Ｃ）は一般的なＳＥＣ半導体レーザの発振
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、２，３２・・・チップ、　
３゜２３・・・載置台、４，６・・・半導体レーザ端面
、５・・Ａｚ２ｏ３膜、７・・・ａ−８ｉ膜、８・・・
チップ臂開面、９・・・給電用リード 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）；；〜３Ａ
／ｄｅｇ □、７　；＋　／ｄｅｇ ｌ　ｗｓＡ 第７図 第８図 羞度 第９■ １度 第　ノＯ図　　　　　（ｂ） Ｋ 第１０図　（ＱＪ 羞嵐 第１Ｏ図　（Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体レーザ素子の一方の出射端面より出射された
   レーザ光を外部反射部材で反射させて前記半導体レーザ
   素子に帰還させる外部共振器の付設された半導体レーザ
   装置において、前記半導体レーザ素子の両出射端面の反
   射率を相互に非対称としたことを特徴とする半導体レー
   ザ装置。