JPH04504930A - 外部キャビティ半導体レーザ - Google Patents
外部キャビティ半導体レーザInfo
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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】
外部キャビティ゛l′、導体レーザ
(発明の背景)
本発明は、単一周波数の広域同調可能な、半導体ダイオード・レーザのtF−空
間モードの高出力動作に関する。。
ダイオード・レーザからのピーク出力電力は、デバイスの放出ファセットの活性
面積に比例し、破局的劣化により制限を受ける。半導体ダイオード・レーザから
の出力電力を増すためには、活性利得領域の面積を増すことが必要である。しか
し、大きな放出領域を持つモノリシック・ダイオード−レーザは、通常は多くの
空間モードおよび(または)フィラメントで動作するため、広いスペクトル出力
を生じる。更に、モノリシック・ダイオード・レーザは、通常利得ピーク付近を
中心とする出力波形を持ち、容易に同調することができない。大きな活性領域の
デバイスは、F −i D 2 /λ/>1により与えられるキャビティを定義
するフレネル(Fresnel)数を持つものである。但し、Dは活性利得領域
の幅であり、jはキャビティ長さ、λはレーザの波長である。活性利得領域の幅
が問題とされるが、大半のモノリシック・ダイオード・レーザにおける活性利得
領域の高さは通常光の波長に比肩され、光波はこの方向に案内されることに注意
されたい、8同じフレネル理論は、光波が案内されないときは、活性利得領域の
高さにあてはまる、。
活性利得領域の幅が増えるに伴い、誘導放出が望ましい方向と比較してこの方向
に沿って太き(なり始める共振キャビティの方向と直角をなす充分な総利得が存
在する。これは更に2つの効果を有する1、第1に、これは望ましい放出方向か
らエネルギを取り去り、第2に、デバイスにおける暗線欠陥の伝播に寄与する3
゜暗線欠陥は、周知であり、自然放出および誘導放出の双方を吸収し得、これに
よリレーザの性能を劣化し得る欠陥である4、これらの暗線欠陥は数が増大して
光線による結晶内に分散されると、デバイスは更に破tHされ、レーザ作用はも
はや生じ得ない。
更に、フィラメント作用と呼ばれるものがある。フィラメント作用においては、
利得領域の多くの部分が、利得領域に対する不均一な電流注入および材料の不良
均一性の如き効果により独立的にレーザ光を発し得る。均一に発光する代わりに
、多くの強いピークを持つ放出パターンが生じる。このような制御されないフィ
ラメント作用が生じると、77セツトにおけるレーザ光の局部フィールド強さは
、破局的劣化の原因となるのに必要な強さを超えるおそれがある。
半導体レーザにおける外部キャビティの使用は、上記の諸問題を克服することが
できる。外部キャビティの使用は、外部キャビティにより規定されるものを除い
て全ての方向における誘導放出を低減することになり、また利得値をモノリシッ
ク・デバイスに通常生じるものより低い値に抑えることにより自然放出を低減す
ることになり、これによりこのような暗線欠陥の生成率を低減する。更に、通常
は半導体レーザにおけるスペクトルも空間ホール・バーニングも生じないため、
出力が外部キャビティを用いて単一空間モードで制御される時、単一周波数でモ
ノリシック・ダイオード・レーザからの多重モード出力電力の略々全てを取出す
ことが可能となる。このような外部キャビティ・デバイスは、広い空間帯域幅に
わたって容易に同調でき、また以下に述べる手法を用いて周波数変換ができる。
(発明の要約)
本発明の特質による外部キャビティ・レーザは、外部共振器の一端部に取付けら
れたモノリシック・ダイオード・レーザを含む。この外部共振器は、レーザの反
対側の共振器の端部に取付けられた光学的に整合された出力結合ミラーと、この
ミラーとレーザとの間に配置されたビーム整形光学系とを有する。光学的要素は
、ただ1つの空間モードが発振するように配置される。
本発明の別の特質は、ある不純物準位を持ち、この不純物準位を生じる放射遷移
が選定されるように外部キャビティに対して取付けられるモノリシック・ダイオ
ード・レーザを含んでいる。
一実施例においては、共振キャビティは、球面レンズと平面ミラーを含む。別の
実施例においては、このキャビティは、円柱レンズと球面ミラーを含む。更に別
の実施例においては、キャビティは、球面レンズと円柱ミラーを含む。更に他の
実施例においては、キャビティは多重球面レンズと、平面ミラーまたは円柱ミラ
ーのいずれか一方を含む。
別の実施例においては、ビーム整形光学系が導波管を含む。この実施例において
は、平面ミラーがレーザと反対側の導波管の端部に取付けられる。別の実施例に
おいては、導波管はレーザと平面ミラーとの間に円柱レンズを含む。更に別の実
施例においては、導波管はミラーとレーザとの間に非線形光学材料を含んでいる
。
本発明による外部キャビティ・レーザは、幾つかの形態を持ち得る外部共振器に
取付けられる半導体レーザを使用する。この構造は、単一の空間モードで動作す
るレーザを生成する。
(図面の簡単な説明)
図1.1は、7球面レンズを持つ光学キャビティの側面の概略図、図1.2は、
図1.1の光学キャビティの平面図、図1.3は、円柱レンズを持つ光学キャビ
ティの側面図、図1.4は、図1.3の光学キャビティの平面図、図1,5は、
球面レンズと円柱ミラーを持つ光学キャビティの側面図、図1.6は、図1,5
の光学キャビティの平面図、図1.7は、平面または円柱(仮想的に示す)を持
つ2つの球面レンズの光学キャビティの側面図、
図1.8は、図L7の光学キャビティの平面図、図2.1は、単一モード導波管
光学キャビティ共振器の側面の概略図、図2.2は、図2.1の導波管光学キャ
ビティの平面図、図2.3は、かすめ入射導波管光学キャビティの側面図、図2
.4は、図2.3の導波管光学キャビティの平面図、図2.5は、非線形要素を
含むかすめ入射導波管光学キャビティ共振器の側面図、
図2.6は、図2.7の導波管光学キャビティの平面図、図3.1は、幾何学キ
ャビティおよび導波管光学キャビティの組合わせの側面の概略図、
図3.2は、図3.1の幾何学キャビティおよび導波管光学キャビティの組合わ
せの平面図、
図4は、レーザ・キャビティの構成要素の分解図、図5.1は、外部キャビティ
内にレーザ・ダイオードを持つ単一モード導波管光学キャビティ共振器の側面の
概略図、図5.2は、図5.1の導波管光学キャビティの平面図、図6.1は、
不純物バンドに対する放射遷移を示すエネルギ図、図6.2は、不純物バンドか
らの放射遷移を示すエネルギ図である。
図1.1において、反射背面11と非反射前面13とを持つ半導体レーザが、球
面レンズ14および平面ミラー16からなる光学共振器に取付けられている。
レーザ光が放出ファセット12の小さな寸法から発散する時、この光はファセッ
ト12から1焦点距離の位置に置かれたレンズ14により収束される。このよう
に収束された光は、モード開口17を通って平面ミラー16上に規準され、レン
ズ14を経てファセット12に対して再び合焦されるように再び反射される。開
口の大きさは、基本的な空間モードのみがレーザ共振器において伝播する如きも
のである。ミラー16は単に部分的に反射するため、レーザ光の一部は通過して
使用される。図1.1におけるレーザ光は、ダイオード・レーザ接合領域の面内
に案内することができるが、必ずしもモノリシック・デバイスにおける生じるも
のと同じ案内領域にあるとは限らない。より広い領域における案内は、モノリシ
ック・デバイスの通常の領域の上方および(または)下方に生じる異なる屈折率
の層内に閉込めることにより行われる。充分に大きな光透過領域を持つデバイス
の場合は、案内は生じず通常のがウス光学モードが妥当する。図2.2において
は、放出領域の幅が高さよりもはるかに大きくなるようにレーザが構成されるた
め、レーザ共振器に対する通常のがウス光学系と一致するように、基本モードが
モード開口17を介してミラー16に焦点をもたらす。このような場合、ダイオ
ードの長さは、外部キャビティの長さと比較して小さい。ダイオード・レーザの
長さが外部キャビティの長さに比較して小さくない時は、光波はダイオード内部
の両次元内で案内されるか、あるいは外部キャビティの基本空間モードがダイオ
ード・レーザ・デバイス内部の両次元内で伝播し得るように、ダイオードは光学
的に透明でなければならない。
主としてダイオード・レーザ自体の自然放出の故に、暗線欠陥が起生じて伝播す
るものと考えられる。もし誘導放出の閾値が外部キャビティの如きダイオード・
レーザ・キャビティのパラメータを制御することにより下げることができるなら
ば、利得はモノリシック・デバイスの場合に通常化じるよりも低いレベルに抑え
られ、これにより自然放出レベルを低下させることになろう。
フィラメント作用を抑えるために、充分に低い反射率の非反射コーティングが外
部キャビティの形状に従って、ダイオード・レーザの片側あるいは両側に塗布さ
れる。このように、外部キャビティ・デバイスは、フィラメント作用と関連する
ホット・スポットなしにダイオード・レーザのファセットにおける充分に規定さ
れたフィールド強さを生じる基本空間モードで動作することができ、これによリ
レーザが破局的劣化の限度付近で駆動することを可能にする。このことは、外部
キャビティの使用によるモノリシック・デバイス以上にダイオード・レーザにお
けるモード領域の大きさを増大することと共に、モノリシック・デバイスよりも
高い電力レベルでのレーザの動作を可能にすることになる。
単一モード・レーザが安定な状態を維持するためには、外部キャビティは堅固に
保持されねばならない。安定した単一空間モード動作を保証するためには、外部
キャビティ構造の横方向の撓みは、外部キャビティ・モードのイメージをダイオ
ード・レーザのファセットにおけるモード・ウェスト幅の略々数パーセントより
大きく変位させるべきでない。安定した単一周波数動作を保証するためには、キ
ャビティの長さは、公知のレーザ技術によれば変化させるべきではない。室温に
おける熱膨張係数が小さいかゼロであるZerodur (商標)およびスーパ
ーInvar(商標)の如き材料が、キャビティ長さを規定する構造の重要部分
に使用される。図4において、外部キャビティ・レーザは、レンズ組立体412
を収容するキャビティ・スペーサ410を含む、、このレンズ組立体412は、
位置決めブラケット418に運動自在に取付けられる位置決めバレル420内に
嵌合する。このバレル420は、キャビティの軸心に沿って運動するように作ら
れ、これによりレーザ・ダイオード426からの光の収束を可能にする。
レーザ・ダイオード426は、銅製のヒート・シンク422内部に取付けられ、
ヒート・シンク422およびダイオード426は、取付はブラケット424に対
して堅固に取付けられる。取付はブラケット424は、位置決めブラケット41
8のタブ440に固定される調整ストッパ428に対して運動自在に取付けられ
る。小さなあるいはゼロの熱膨張を持つセラミック・ブラケット430が、ヒー
ト・シンク422に取付けられて、ダイオード426をキャビティの残部から熱
18およびミラー・ブラケット442をそれぞれ分離している。
ミラー・ブラケット442は、ミラー444をキャビティの一端部に保持する。
このミラー444は、破断可能ガスケット416およびミラー保持ブラケット4
38を使用することによりキャビティに対して運動しないように拘束されている
。
このように設計されたキャビティは、長さが一定であるばかりでなく光学的配置
を変化させる撓みを受けに(くもある。イメージがダイオードに対して軸上に現
れることになるため、キャビティの長さにおける変化が誤整合を結果として生じ
ないことに注意すべきである。
また、レーザのキャビティが同調エタロンあるいは格子を含むことがあることを
述べねばならない。例えば、ダイオード436の利得帯域幅の2倍以上の自由ス
ペクトル・レンジを持つエタロンがエタロン・ブラケット414に保持され、ミ
ラー・ブラケット442内部の所定位置に固定される。このように、外部キャビ
ティ・レーザの全帯域幅にわたるその同調は、このエタロンを傾斜させることに
より達成することができる。
図1.3に示されるのは、円柱レンズ18がレーザのファセット12から1焦点
長さの位置に置かれることを除いて、図1.1の実施例と似た実施例である。
ファセット12からの光は、開口17を経て球面ミラー20に対して規準される
。。
球面ミラー20の焦点は、レーザ10の77セツト12にある11円柱レンズ1
8は、ファセット12が1つの方向に延長され合焦される必要がない故に使用さ
れる1、従って、レンズ18は、ファセット12の線に沿って指向される。1図
1.4において、円柱レンズ18のこのような方向とは合焦しないことは容易に
判るであろう。
図1.5によれば、これは図1.1に示された実施例であるが、円柱ミラー22
がレンズ14から球面レンズ14の焦点長さに円柱ミラー22の焦点長さを加え
たものに等しい距離に漬かれている。このような構成においては、ミラー22が
平坦な反射板として働くように、レンズ14は、開口17と関連して、光をミは
レンズ14の焦点を通る光線の通過により焦点から外され、ファセット12の長
さに沿って規準されるように反射と同時にミラー22により再び合焦される。
図1.7には、幾何学的な光学キャビティの2レンズの実施例が示される1、先
に述べたように、第1の球面レンズ14は、レーザの77セツト12から1焦点
長さの位置に置かれ、発散光を規準する。この規準化された光線は開口17を通
り、また第1のレンズ14の焦点長さに第2のレンズ24の焦点長さを加えたも
のに等しい距離だけ第1のレンズ14から離れて置かれた第2のレンズ24を通
る。この第2のレンズ24は、光線を第2のレンズ16の焦点長さの距離に置か
れた平面ミラー16か、あるいは第2のレンズ24の焦点長さにミラー22の焦
点長さを加えたものに等しい距離だけ第2のレンズ24から離れて置かれた円柱
ミラー22(仮想線で示す)に対して再び合焦する。図1.8においては、1対
のレンズ14および24を通る光線とは逆方向であるが、ファセット12および
ミラー16または22上に規準された光線を生じるように、図1.7の平面図が
レンズ14および24の位置決めを示している。
図2.1では、ダイオード・レーザ10が、かすめ入射あるいは単一モードの導
波730および平坦な出力結合ミラー16からなる導波管光学キャビティに対し
て取付けられている。導波管30は、放出ファセット12に対して対称的になる
ようにレーザに取付けられている。、レーザは、導波管30から離れた面」二に
高度に反射しないコーティング11を有する。ミラー16は、この高度に反射し
ないコーティング11からある距離 に置かれている。図2.2において、Dは
かすめ入射導波管の幅であり、ファセット12の幅と略々等しい。幅の広いダイ
オード・レーザ・デバイスの場合は、かすめ入射導波管のみが適する1、導波管
の長さ および輻りは、下記の関係を満たさねばならない。即ち、D2//λ〜
l但し、λはレーザの波長である。
例えば、8500mの波長および幅が150μmの活性ファセットを持っGaA
lAsレーザの場合は、導波管の長さは約2.6cmである。この大きさの導波
管は、公知の技術を用いて当業者により容易に形成される。例えば、キャビティ
は単結晶シリコン・エツチング金属電鋳法、あるいはプラスチック成型法の後に
金属、例えば金のコーティングにより形成することができる。このようなキャビ
ティは容易に大量生産され、低コストの単一モード・レーザをもたらす、。
図2,3では、かすめ入射導波管の光学キャビティが、ダイオード・レーザ10
に取付けられたかすめ入射導波管32および平坦な出力結合ミラー16で終る円
柱レンズ18から形成することができる。先に述べたように、キャビティの長さ
!および幅りは、次の関係を満たさねばならない。即ち、D′/λ〜Iこの実施
例においては、円柱レンズ18がレーザのファセット12からその焦点長さくr
>の位置に貢かれ、このレンズを通る光が規準される。図1.3および図4に示
された実施例におけるように、円柱レンズ18はファセット12.J−に合焦す
るように指向されている。この構成を用いた別の実施例が、図2.5および図2
.6に示され、これにおいては、ダイオード・レーザ10の周波数の高調波を生
じるように、ニオブ酸カリウムの如き非線形光学物質がキャビティ32内に厘か
れている。非線形物質は、選択された周波数のみを伝達するようにコーティング
することができる。。
図3.1において、ダイオード・レーザ10と出力結合ミラー16との間に置か
れた円柱レンズ18を有し、関係式D′/λ〜lを満たすようにキャビティ34
の輻りおよび長さjを選定するも、Dよりはるかに大きなキャビティ高さを許容
する外部キャビティ34にレーザを取付けることにより、導波管と幾何学光学的
共振キャビティを形成することができる。。
更に別の設計は、ダイオードを外部キャビティの中心に虜くことができる1、こ
の試みは、本文に論述した外部キャビティの全てに適用し得る。一実施例が図5
゜1に示される。非反射コーティングを施した512,584である2つのファ
セットを持つダイオード−レーザ510が、キャビティ内部で2つのレンズ51
6.518間に配置されている。レーザ510からの光は、ミラー520.52
2に当たる前に、開口524により規準される。1つのミラー522は100%
の反射率を有し、レーザ光をダイオード・レーザ510に戻るように反射する。
他のミラー520は、半透明であり、出力カプラとして働く。
この光学キャビティを使用する1つの方法は、不純物準位からの放射を生じるよ
うにレーザの放出を合わせることである。半導体レーザ、例えば、傾斜率分離型
不均質構造(GRIN−3CH)レーザにおいては、バンド・ギャップにある不
純物準位を生じることができる。このような形態は、図6.1および図6.2に
示される。図6,1においては、不純物準位612が、励起状態610に近いエ
ネルギで励起状態610と価電子帯620間に置かれる。非放射遷移622は、
電子を不純物準位612に持込むことができる。その後、放射遷移616が価電
子帯620と不純物準位612間のエネルギ差に等しいエネルギを持つ放射62
8をもたらす結果を生じる。
反対に、図6.2では、不純物準位614が価電子帯620に接近して置かれ、
この場合には放射遷移618が励起状態610と不純物準位614間に生じ得る
1、この時、発射された光子628は、励起状態610と不純物準位614間の
エネルギの差に等しい。導通状態即ち価電子帯における全ての占有されエネルギ
状態が、レーザの遷移状態に参与し得る。
本文に述べたものの1つの如き外部キャビティを用いることにより、不純物準位
を生じる放射遷移を選択することができる。不純物およびキャビティを正当に選
択することにより、通常のバンド間遷移と対応するものより小さな同調可能周だ
+ r−
下しv−−−yJ 、 −’
X、−C”JX:::l:]’
X l ・ 11
、 l 1 1 Φ
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1.11
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19、c
千液作財
区2.1
FIG、 2.2
FIG、 2.3
FIG、 2.5
FIG、 2.6
FIG、 3.1
FIG、 5.1
FIG、 6.2
Claims (28)
- 1.線形ファセットを有し、2つの端部を持つ外部共振器の一端部に取付けられ るモノリシック・ダイオード・レーザを設け、かつ外部共振器の端部間に配置さ れたビーム整形光学系と、前記ダイオード・レーザと反対側の共振器の端部に配 置されて単一空間モードのみが発振するようにダイオード・レーザと光学的に整 合される出力結合ミラーとを設けてなることを特徴とする外部キャビティ・グイ オード・レーザ。
- 2.前記モノリシック・ダイオード・レーザが、一端部に非反射コーティングを 、また他の端部に高反射コーティングを有することを特徴とする請求項1記載の レーザ。
- 3.前記共振器が、非反射コーティングを持つ端部において前記モノリシック・ ダイオード・レーザに対して取付けられることを特徴とする請求項2記載のレー ザ。
- 4.前記ダイオード・レーザがGaAlAsであることを特徴とする請求項1記 載のレーザ。
- 5.前記出力ミラーが平坦であり、前記ビーム整形光学系が、ダイオード・レー ザとミラー間で相互に距離(f)に配置された焦点長さ(f)の球面レンズを含 むことを特徴とする請求項1記載のレーザ。
- 6.前記出力ミラーが、焦点長さ(f)で球状を呈し、ダイオード・レーザから 距離(f)に配置されることを特徴とする請求項1記載のレーザ。
- 7.前記ビーム整形光学系が、焦点長さ(f)であり、前記レーザから距離(f )でレーザとミラー間に配置され、かつ円柱レンズの平坦面がダイオード・レー ザの線形ファセットと同一面にありかつ平行をなすように指向される平坦面を持 つ円柱レンズであることを特徴とする請求項6記載のレーザ。
- 8.前記ビーム整形光学系が、ダイオード・レーザとミラー間でダイオード・レ ーザから距離(f)に配置された焦点長さ(f)の球面レンズを含むことを特徴 とする請求項1記載のレーザ。
- 9.前記出力ミラーが、軸心を持ちかつ焦点長さ(f)を持つ円柱を呈し、該円 柱ミラーの軸心が前記ダイオード・レーザの線形ファセットと同一面にありかつ これと平行であり、前記レンズから距離(f′+f)に配置されるように指向さ れることを特徴とする請求項8記載のレーザ。
- 10.前記ビーム整形光学系が、焦点長さf1の第1のレンズと、焦点長さf2 の第2のレンズとを含み、第1および第2の両方のレンズが距離(f1+f2) だけ隔てられ、かつ前記第1のレンズがダイオード・レーザから距離f1に配置 され、前記第2のレンズがダイオード・レーザから距離(f1+f2)に配置さ れるように、前記ダイオード・レーザとミラー間に配置されることを特徴とする 請求項1記載のレーザ。
- 11.前記ミラーが平坦であり、かつ前記第2のレンズから距離f2に配置され ることを特徴とする請求項10記載のレーザ。
- 12.前記ミラーが、軸心を持ちかつ焦点長さf′を有する円柱を呈し、かつ前 記軸心が前記ダイオード・レーザの線形ファセットと同一面にありかつこれと平 行に指向され、前記第2のレンズから距離(f2+f′)の距離に配置されるこ とを特徴とする請求項10記載のレーザ。
- 13.前記ビーム整形光学系が、前記ダイオード・レーザと出力ミラー間に配置 された導波管であり、該出力ミラーは平坦であり、かつ前記ダイオード・レーザ の高反射端部から距離lに配置されることを特徴とする請求項3記載のレーザ。
- 14.前記導波管が、前記ダイオード・レーザのファセットと平行に測定される 時幅Dを呈することを特徴とする請求項13記載のレーザ。
- 15.長さがl〜D2/λであり、λは前記ダイオード・レーザの波長であるこ とを特徴とする請求項14記載のレーザ。
- 16.前記ファセットが150mmであることを特徴とする請求項15記載のレ ーザ。
- 17.長さQが約2.8cmであることを特徴とする請求項16記載のレーザ。
- 18.前記導波管は、前記ダイオード・レーザのファセットと直角をなして測定 される時高さがDであることを特徴とする請求項14記載のレーザ。
- 19.前記導波管が非線形光学元素を含むことを特徴とする請求項13記載のレ ーザ。
- 20.前記非線形光学元素がニオブ酸カリウムであることを特徴とする請求項1 9記載のレーザ。
- 21.前記ビーム整形光学系が、導波管および円柱レンズを含むことを特徴とす る請求項3記載のレーザ。
- 22.前記導波管が、前記ダイオード・レーザと出力ミラー間に配置され、前記 出力ミラーが平坦であり、かつダイオード・レーザの高反射端部から距離lに配 置されることを特徴とする請求項21記載のレーザ。
- 23.前記導波管が幅Dを有することを特徴とする請求項22記載のレーザ。
- 24.導波管光共振キャビティを単結晶シリコンにエッチングするステップを含 むことを特徴とする導波管光学共振キャビティを作る方法。
- 25.前記キャビティを電鋳するステップを含む導波管光学共振キャビティを作 ることを特徴とする方法。
- 26.前記導波管をプラスチックで成型し、次いで該導波管を導体でコーティン グするステップを含む導波管光学共振キャビティを作ることを特徴とする方法。
- 27.前記導体が金であることを特徴とする請求項26記載の方法。
- 28.ダイオード・レーザを与えられた不純物準位で調製し、遷移状態を強化す るため外部キャビティを該ダイオード・レーザに一致させるステップを含むこと を特徴とするダイオード・レーザにおける不純物準位を伴う放射遷移を強化する ことを特徴とする方法。
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