(57)【要約】【課題】複数のレーザ素子における偏光角の回転がいずれも小さく、その回転角の大きさの差が小さい光学特性を持つ２波長半導体レーザ装置を得られるようにする。【解決手段】ｎ型クラッド層１２、活性層１３及びｐ型クラッド層１４を有する赤色レーザ素子１００と、赤色レーザ素子と分離溝２０を隔てて形成され、ｎ型クラッド層２２、活性層２３及びｐ型クラッド層２４を有する赤外レーザ素子１１０と、ｐ型クラッド層１４の上の第１のｐ側電極３１と、ｐ型クラッド層２４の上の第２のｐ側電極３２と、各ｐ側電極を固着するサブマウント３８とを有している。第１のｐ側電極の幅をＷ１とし、第２のｐ側電極の幅をＷ２とすると、Ｗ１＞Ｗ２の関係を有し、赤外レーザ素子のｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層２４の格子不整により付加される平均歪みは、赤色レーザ素子のｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４の格子不整により付加される平均歪みよりも大きい。【選択図】図２
2010272721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成され、前記基板側から第１導電型の第１クラッド層、第１活性層及び第２導電型の第２クラッド層を有する第１の半導体レーザ素子と、
前記基板の上に前記第１の半導体レーザ素子と互いの出射光が平行となるように分離溝を隔てて形成され、前記基板側から第１導電型の第３クラッド層、第２活性層及び第２導電型の第４クラッド層を有する第２の半導体レーザ素子と、
前記第２クラッド層の上に形成された第１電極と、
前記第４クラッド層の上に形成された第２電極と、
前記第１電極及び第２電極を固着するサブマウントとを備え、
前記第１電極における光の共振方向に対して垂直な方向の幅をＷ１とし、且つ、前記第２電極における光の共振方向に対して垂直な方向の幅をＷ２とすると、Ｗ１＞Ｗ２の関係を有し、
前記第３クラッド層及び第４クラッド層の格子不整により付加される平均歪みは、前記第１クラッド層及び第２クラッド層の格子不整により付加される平均歪みよりも大きいことを特徴とする２波長半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第４クラッド層の格子不整は、前記第２クラッド層の格子不整よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の２波長半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第３クラッド層及び第４クラッド層の格子不整は、前記第１クラッド層及び第２クラッド層の格子不整よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の２波長半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１クラッド層、第１活性層及び第２クラッド層は、それぞれ、III族元素にアルミニウム、ガリウム及びインジウムのうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にリンを含み、
前記第３クラッド層及び第４クラッド層は、III族元素にアルミニウム、ガリウム及びインジウムのうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にリンを含み、且つ、前記第２活性層は、III族元素にアルミニウム及びガリウムのうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にヒ素を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の２波長半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第１クラッド層、第１活性層及び第２クラッド層は、それぞれ、III族元素にアルミニウム、ガリウム及びインジウムのうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にリンを含み、
前記第３クラッド層及び第２活性層は、それぞれ、III族元素にアルミニウム及びガリウムのうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にヒ素を含み、且つ、前記第４クラッド層は、III族元素にアルミニウム、ガリウム及びインジウムのうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にリンを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の２波長半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記分離溝の中心線から前記第１の半導体レーザ素子の発光点中心までの距離をＬ１とし、前記分離溝の中心線から前記第２の半導体レーザ素子の発光点中心までの距離をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２の関係を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の２波長半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記基板の熱膨張係数をη１とし、前記サブマウントの熱膨張係数をη２とすると、η１＞η２の関係を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の２波長半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記サブマウントは、窒化アルミニウム、シリコン又は炭化シリコンからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の２波長半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記第２の半導体レーザ素子における光の共振方向に平行な領域の幅は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の２波長半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２波長半導体レーザ装置に関し、特に赤色レーザ光及び赤外レーザ光を出力可能な２波長半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、高密度記録が可能で大容量のディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）及びその再生用のＤＶＤ装置が市販されている。ＤＶＤ装置には、発光波長が６５０ｎｍ帯のリン化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）系半導体レーザ素子と、発光波長が７８０ｎｍ帯のヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）系半導体レーザ素子との２つのレーザチップが個々のパッケージに組み込まれて搭載された光学ピックアップ装置が採用されている。しかしながら、このような光学ピックアップ装置は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子とＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子との２つのパッケージが搭載されていることにより、光学ピックアップ装置のサイズが大きく、従ってＤＶＤ装置自体のサイズも大きくなってしまう。そこで、一の基板上に成長した半導体層により発光素子構造が形成された、互いに発光波長が異なる複数の半導体発光素子を有する集積型半導体発光装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
第１の従来例に係る集積型半導体発光装置を図１０に示す。図１０に示すように、第１の従来例に係る集積型半導体レーザ装置は、１つのｎ型ＧａＡｓ基板２０１の上（図面では下側）に、発光波長が７００ｎｍ帯（例えば、７８０ｎｍ）のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子ＬＤ１と、発光波長が６００ｎｍ帯（例えば、６５０ｎｍ）のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子ＬＤ２とが、互いに分離した状態で集積化されている。
【０００４】
ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子ＬＤ１のｐ側電極２１７と、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子ＬＤ２のｐ側電極２２８とは、パッケージベース３００上に互いに電気的に分離された状態で設けられたヒートシンクＨ１、Ｈ２の上にそれぞれはんだ材により固着されている。
【０００５】
このように、第１の従来例に係る集積型半導体発光装置は、発光波長が７００ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子ＬＤ１と発光波長が６００ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子ＬＤ２とを有することにより、ＤＶＤ用のレーザ光とＣＤ（コンパクトディスク）用のレーザ光とを互いに独立に取り出すことができる。このため、集積型半導体発光装置をＤＶＤ装置の光学ピックアップにレーザ光源として搭載することにより、ＤＶＤ及びＣＤの再生又は記録も可能となる。これらのＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子ＬＤ１及びＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子ＬＤ２は、１つのｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に成長された複数の半導体層によりレーザ構造が形成されていることにより、集積型半導体発光装置のパッケージは１つで済む。このため、光学ピックアップ装置の小型化を図ることができるので、ＤＶＤ装置の小型化を図ることができる。
【０００６】
以上のように、第１の従来例に係る集積型半導体発光装置は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子ＬＤ２のチップ幅と、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子ＬＤ１のチップ幅とが同一となるように、分離溝２３０が設けられている。この分離溝２３０により、１つのｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に結晶成長により形成された赤色半導体レーザ部と赤外半導体レーザ部とがエッチングにより電気的に分離されている。
【０００７】
ところで、一般に半導体レーザ素子は、温度上昇に伴って光出力が低下するという特性を有する。従って、半導体レーザ素子の駆動時における半導体レーザ素子自身が発生する熱を十分に放熱させる必要がある。このため、熱伝導率が高いヒートシンク（放熱材）にジャンクションダウン実装、すなわちｐｎ接合部をヒートシンクと対向させて実装される。その際、ヒートシンクと接する半導体レーザ素子の面積が大きいほど放熱性が高くなることは明らかである。しかしながら、２波長半導体レーザ装置の場合は、２つの半導体レーザ素子を単に接触して並べたのでは、２つの半導体レーザ素子同士が電気的に接続されてしまうため、２つの半導体レーザ素子の間には、分離溝を設ける必要がある。従って、２つの半導体レーザ素子を並べた場合と同一寸法の２波長の半導体レーザ装置を作製すると、その分離溝により放熱する面積が低減して、放熱の効率が低下してしまう。
【０００８】
また、放熱性を高めようと各半導体レーザ素子の面積を大きくしてしまうと、小型化が可能であるはずの２波長半導体レーザ装置の特徴が失われてしまう。
【０００９】
特に、分離溝を設けて放熱面積を小さくすることによる放熱効率の低下は、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ素子で顕著となる。これは、赤色レーザ素子では、活性層とｐ型クラッド層との界面における伝導帯のバンドエネルギーのステップ（ΔＥｃ）の大きさがＡｌＧａＡｓ系の赤外レーザ素子と比べて小さいため、活性層に注入されたキャリアが熱的に励起される。このため、ｐ型クラッド層に漏れ出すキャリアのオーバフローの影響が大きくなって、高温で動作させた場合に、熱飽和による最高光出力の飽和が生じやすくなるからである。ＤＶＤの記録を１６倍速以上の高倍速で行うには、８５℃以上の高温において３５０ｍＷ以上の高出力が必要であり、熱飽和による光出力の飽和は重大な支障を来す。
【００１０】
そこで、特許文献２に記載された発明においては、分離溝の形成位置を工夫して、集積された複数の半導体レーザ素子の他の装置との電気的接続部分である接続面積を互いに変えることにより、低コスト化及び小型化を図ると共に、放熱性に優れた２波長半導体レーザ装置を実現している。
【００１１】
図１１に示す第２の従来例に係る２波長半導体レーザ装置は、１つのｎ型ＧａＡｓからなる基板３０２の上に、発振波長が６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる赤色半導体レーザ素子３０３と、発振波長が７８０ｎｍ帯のＧａＡｓ系材料からなる赤外半導体レーザ素子３０４とを有している。赤色半導体レーザ素子３０３と赤外半導体レーザ素子３０４とは、分離溝３０５を隔てて形成されている。
【００１２】
第１部位となる赤色半導体レーザ素子３０３のｐ側電極３１５及び第２部位となる赤外半導体レーザ素子３０４のｐ側電極３１６のそれぞれがヒートシンク（図示せず）と接続される。ここで、第２の従来例においては、ｐ型クラッド層３０８の熱伝導率が相対的に小さく、さらにΔＥｃが相対的に小さい赤色半導体レーザ素子３０３のチップ幅を赤外半導体レーザ素子３０４と比べて大きくすることにより、赤色半導体レーザ素子３０３及び赤外半導体レーザ素子３０４のいずれもが良好な高温特性を有する２波長レーザ装置が実現できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−１８６６５１号公報
【特許文献２】特開２００８−１５３７１３号公報
【特許文献３】特開２００６−３１３８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
第２の従来例において、赤色半導体レーザ素子３０３及び赤外半導体レーザ素子３０４を含む２波長半導体レーザ装置において、ジャンクションダウンによりヒートシンク材に実装する場合、実装時にはんだ材を融かすための高温状態から室温にまで降温すると、各レーザ素子の構成材とヒートシンクの構成材との熱膨張係数の差のために、赤色レーザ部と赤外レーザ部の双方において電流注入のためのストライプ部に応力が生じてしまう。
【００１５】
このため、チップの幅を小さくしすぎると、レーザ光の偏光角の回転が生じ、また偏光比（ＴＥモード光強度とＴＭモード光強度との比）の値が低下することが分かっている。前述したように、２波長半導体レーザ装置をジャンクションダウンで実装した場合、サブマウント材の熱膨張係数とＧａＡｓからなる基板の熱膨張係数との差から生じる応力によって、赤色半導体レーザ素子及び赤外半導体レーザ素子の各リッジ部近傍で且つ導波路を構成する結晶に歪みが生じる。ここで、共振器の長手方向をｚ方向、基板の法線方向をｙ方向、活性層の主面に平行な方向をｘ方向とすると、共振器の端面に平行なｘｙ面内には、基板とサブマウント材との熱膨張係数の差から、赤色半導体レーザ素子及び赤外半導体レーザ素子の各リッジ近傍には互いに逆向きのせん断応力が生じる。この場合、せん断応力による赤色レーザ素子と赤外レーザ素子との各偏光角の回転方向は互いに逆向きとなる。なお、せん断応力による偏光角の回転については後述する。
【００１６】
一般に、光ピックアップの光源に用いられる半導体レーザ素子の出射光に対して、偏光方向が揃った特定の方向の偏光成分のみを利用するため、光学系の素子には偏光フィルタ又は偏光ビームスプリッタが用いられる。偏光角が回転して偏光比が低下すると、光出力が低下して信号成分が小さくなる。その結果、ＳＮ比が低下して実用上、重大な支障を来す。但し、従来の単色レーザ素子の場合は、偏光角の回転に対して半導体レーザ装置を実装する場合に、ｘｙ面内でレーザ素子の回転調整を行うことにより、所望の偏光方向の光のみを抽出することが可能である。しかしながら、２波長半導体レーザ装置の場合は、赤色レーザ素子と赤外レーザ素子との各偏光角が同一でない場合に、一方のレーザ素子の偏光成分を抽出するために最適な半導体レーザ装置の実装角度を回転によって調整しても、他方のレーザ素子の偏光方向に対しては最適値とはならない。
【００１７】
２波長の高出力レーザ装置においては、さらなる低コスト化が要求されており、レーザ装置の製造コストを削減するには、チップの幅を小さくすることが効果的である。ところが、チップの幅を小さくすると、装置の組立時におけるヒートシンク材とレーザチップとの熱膨張係数の差により発生する応力の影響をますます受けやすくなって、偏光角の回転が大きくなるため、良好な偏光特性を維持することが困難となる。
【００１８】
２波長半導体レーザ装置において、偏光角の回転方向の差を小さくすることは、光ピックアップ装置におけるレーザ光の光利用効率の向上に効果的である。光ディスク装置への高倍速での記録を実現するには、各レーザ素子において３５０ｍＷ以上の高出力動作が必要である。このため、光ピックアップ装置におけるレーザ光の光利用効率の向上は必須であり、相対偏光角（赤色レーザ素子の偏光角を基準とした場合の赤外レーザ素子の偏光角との差分）が小さい２波長半導体レーザ装置を実現することは極めて重要である。
【００１９】
これに対し、特許文献２に記載された発明は、赤色レーザ部と比べて単に温度特性上有利な赤外レーザ部の幅を赤色レーザ部の幅よりも小さくすることを開示するのみであり、偏光角の回転を抑制することは何も開示していない。
【００２０】
一方、特許文献３には、２つ以上の発光点のうち一の発光点を、基板の幅方向の中心線に対してより近い位置に配置することにより、中心線に近い位置に発光点を持つレーザ素子の偏光比及び偏光角等の光学特性を向上させる構成が記載されているものの、他の発光点の光学特性についてはなんら考慮されていない。
【００２１】
２波長半導体レーザ装置においては、さらなる低コスト化に伴い、チップ幅を小さくしようとしたときに、温度特性を維持するために赤色レーザ素子の幅を確保しつつ、赤外レーザ素子の幅をさらに小さくする構成が考えられる。しかしながら、例えば赤外レーザ素子の幅を１００μｍ以下にまで小さくした場合に、赤外レーザ素子の偏光角は、赤色レーザ素子の偏光角に対して２倍程度に大きくなるという問題がある。
【００２２】
本発明は、前記従来の問題を解決し、複数のレーザ素子における偏光角の回転がいずれも小さく、その回転角の大きさの差が小さい、良好な光学特性を持つ２波長半導体レーザ装置を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記の目的を達成するため、本発明は、２波長半導体レーザ装置を、第１のレーザ素子の光の共振方向に対して垂直な方向の幅を第２のレーザ素子よりも大きくすると共に、第２のレーザ素子のクラッド層には、第１のレーザ素子のクラッド層よりも大きい格子不整による歪みを付加する構成とする。
【００２４】
具体的に、本発明に係る２波長半導体レーザ装置は、基板の上に形成され、基板側から第１導電型の第１クラッド層、第１活性層及び第２導電型の第２クラッド層を有する第１の半導体レーザ素子と、基板の上に第１の半導体レーザ素子と互いの出射光が平行となるように分離溝を隔てて形成され、基板側から第１導電型の第３クラッド層、第２活性層及び第２導電型の第４クラッド層を有する第２の半導体レーザ素子と、第２クラッド層の上に形成された第１電極と、第４クラッド層の上に形成された第２電極と、第１電極及び第２電極を固着するサブマウントとを備え、第１電極における光の共振方向に対して垂直な方向の幅をＷ１とし、且つ、第２電極における光の共振方向に対して垂直な方向の幅をＷ２とすると、Ｗ１＞Ｗ２の関係を有し、第３クラッド層及び第４クラッド層の格子不整により付加される平均歪みは、第１クラッド層及び第２クラッド層の格子不整により付加される平均歪みよりも大きいことを特徴とする。
【００２５】
本発明の２波長半導体レーザ装置によると、一の基板上に集積化されたチップ幅（チップ上の電極幅）が異なる第１の半導体レーザ素子及び第２の半導体レーザ素子に対し、チップ幅が大きい第１の半導体レーザ素子よりもチップ幅が小さい第２の半導体レーザ素子に圧縮性歪みを大きく加えることにより、実装時の歪みの影響を補償することができる。これにより、偏光角の回転が小さく、且つ両半導体レーザ素子の偏光角の回転角の大きさの差が小さい、良好な光学特性を持つ２波長半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２６】
本発明の２波長半導体レーザ装置において、第４クラッド層の格子不整は、第２クラッド層の格子不整よりも大きいことが好ましい。
【００２７】
また、本発明の２波長半導体レーザ装置において、第３クラッド層及び第４クラッド層の格子不整は、第１クラッド層及び第２クラッド層の格子不整よりも大きいことが好ましい。
【００２８】
本発明の２波長半導体レーザ装置において、第１クラッド層、第１活性層及び第２クラッド層は、それぞれ、III族元素にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にリン（Ｐ）を含み、第３クラッド層及び第４クラッド層は、III族元素にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にリン（Ｐ）を含み、且つ、第２活性層は、III族元素にアルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）のうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にヒ素（Ａｓ）を含んでいてもよい。
【００２９】
このようにすると、第１の半導体レーザ素子の出射光を赤色光とし、第２の半導体レーザ素子の出射光を赤外光とするこができる。
【００３０】
また、本発明の２波長半導体レーザ装置において、第１クラッド層、第１活性層及び第２クラッド層は、それぞれ、III族元素にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にリン（Ｐ）を含み、第３クラッド層及び第２活性層は、それぞれ、III族元素にアルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）のうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にヒ素（Ａｓ）を含み、且つ、第４クラッド層は、III族元素にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１つを含むと共にＶ族元素にリン（Ｐ）を含んでいてもよい。
【００３１】
このようにしても、第１の半導体レーザ素子の出射光を赤色光とし、第２の半導体レーザ素子の出射光を赤外光とするこができる。
【００３２】
本発明の２波長半導体レーザ装置において、分離溝の中心線から第１の半導体レーザ素子の発光点中心までの距離をＬ１とし、分離溝の中心線から第２の半導体レーザ素子の発光点中心までの距離をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２の関係を有していてもよい。
【００３３】
本発明の２波長半導体レーザ装置において、基板の熱膨張係数をη１とし、サブマウントの熱膨張係数をη２とすると、η１＞η２の関係を有していてもよい。
【００３４】
本発明の２波長半導体レーザ装置において、サブマウントには、窒化アルミニウム、シリコン又は炭化シリコンを用いることができる。
【００３５】
本発明の２波長半導体レーザ装置において、第２の半導体レーザ素子における光の共振方向に平行な領域の幅は、１００μｍ以下であってもよい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る２波長半導体レーザ装置によると、互いの発振波長が異なる第１の半導体レーザ素子及び第２の半導体レーザ素子が共に、良好な偏光角の回転が小さく、且つその回転角の大きさの差が小さい、良好な光学特性、すなわち動作特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置をジャンクションダウンでの実装した状態の模式的な断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置における赤色レーザ素子の動作電流値のチップ幅（赤色領域）依存性の測定結果を示すグラフである。（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置における赤外レーザ素子の動作電流値のチップ幅（赤外領域）依存性の測定結果を示すグラフである。
【図４】（ａ）は２つの半導体レーザ素子のチップ幅が同一である場合の各活性層に生じるせん断応力分布の分離溝中心線から発光点中心までの距離依存性の計算結果を示すグラフである。（ｂ）は２つの半導体レーザ素子のチップ幅が異なる場合の各活性層に生じるせん断応力分布の分離溝中心線から発光点中心までの距離依存性の計算結果を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置の各レーザ素子における偏光角の格子不整依存性の測定結果を示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置の各レーザ素子における偏光角のｐ型クラッド層の格子不整依存性の測定結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置におけるサブマウント材料別の赤色レーザ素子の活性層に生じるせん断応力の格子不整依存性の計算結果を示すグラフである。（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置におけるサブマウント材料別の赤外レーザ素子の活性層に生じるせん断応力の格子不整依存性の計算結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置の各レーザ素子における偏光角のｐ型クラッド層の格子不整依存性の測定結果を示すグラフである。
【図１０】第１の従来例に係る２波長半導体レーザ装置を示す模式的な斜視図である。
【図１１】第２の従来例に係る２波長半導体レーザ装置を示す模式的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図１を参照しながら説明する。
【００３９】
図１に示すように、第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置は、面方位の（１００）面から結晶軸の［０１１］方向に１０°だけ傾けた面を主面とするｎ型ＧａＡｓからなる基板１０の主面上に、赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１００とが集積化されて形成されている。
【００４０】
赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１００とは、両者の共振器構造を互いに分離する方向に形成された分離溝２０によって分離されている。
【００４１】
まず、赤色レーザ素子１００の構造を説明する。
【００４２】
赤色レーザ素子１００は、基板１０側から順次形成された、厚さが約０．５μｍのｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層１１、厚さが約２．０μｍのｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ型クラッド層１２、歪量子井戸活性層１３、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ型クラッド層１４、厚さが約５０ｎｍのｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ型保護層１５、及び厚さが約０．４μｍのｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１６を含むエピタキシャル成長層を有している。
【００４３】
ここで、歪量子井戸活性層１３は、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる第１ガイド層１３ｇ１、ＧａＩｎＰからなるウェル層１３ｗ１、１３ｗ２及び１３ｗ３、ＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層１３ｂ１及び１３ｂ２、並びにＡｌＧａＩｎＰからなる第２ガイド層１３ｇ２により構成されている。
【００４４】
ｐ型クラッド層１４は、その上部に共振器（導波路）構造を決定するリッジ部が互いに平行に延びる２本の溝部に挟まれることよって形成されている。ここでは、リッジ部の上面と歪量子井戸活性層１３までの距離を１．４μｍとし、リッジ部の下端と歪量子井戸活性層１３との距離（ｄｐ１）を０．２μｍとしている。
【００４５】
ｐ型コンタクト層１６の上には、リッジ部の上面、すなわちｐ型コンタクト層１６を露出する開口部を有し、且つ該リッジ部の側面及び側方の領域を覆う窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる電流ブロック層１７が形成されている。電流ブロック層１７の上には、リッジ部上の開口部から露出するｐ型コンタクト層１６と接するように第１のｐ側電極３１が形成されている。また、基板１０のバッファ層と反対側の面にはｎ側電極３３が全面的に形成されている。赤色レーザ素子１００を駆動するための駆動電流は、これら第１のｐ側電極３１及びｎ側電極３３を通して流すことができる。なお、第１のｐ側電極３１には、例えば、チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなる積層膜を用いることができる。また、ｎ側電極３３には、例えば、金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）／ニッケル（Ｎｉ）からなる積層膜又はインジウム（Ｉｎ）を用いることができる。
【００４６】
以上のような構成を持つ赤色レーザ素子１００において、ｐ型コンタクト層１６から注入された電流が電流ブロック層１７によってリッジ部にのみ狭窄され、リッジ部の下方に位置する歪量子井戸活性層１３に集中して注入される。その結果、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が数十ｍＡという少ない注入電流により実現される。
【００４７】
歪量子井戸活性層１３に注入されたキャリアの再結合により発光した光は、該歪量子井戸活性層１３と垂直な方向に対しては、ｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４によって垂直方向に閉じ込められる。一方、歪量子井戸活性層１３と平行な方向に対しては、電流ブロック層１７が各クラッド層１２、１４と比べて屈折率が低いため、水平方向の光閉じ込めが生じる。その上、該電流ブロック層１７はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、リッジ部の内部及び外部の実効屈折率差（Δｎ）は、リッジ部の下端と歪量子井戸活性層１３との距離（ｄｐ１）によって、１０−３のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力半導体レーザ素子を得ることができる。
【００４８】
これに対し、赤外レーザ素子１１０は、厚さが約０．５μｍのｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層２１、厚さが約２．０μｍのｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ型クラッド層２２、量子井戸活性層２３、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ型クラッド層２４、厚さが約５０ｎｍのｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ型保護層２５、及び厚さが約０．４μｍのｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層２６を含むエピタキシャル成長層を有している。
【００４９】
ここで、量子井戸活性層２３は、ＡｌＧａＡｓからなる第１ガイド層２３ｇ１、ＧａＡｓからなるウェル層２３ｗ１及び２３ｗ２、ＡｌＧａＡｓからなるバリア層２３ｂ１、並びにＡｌＧａＡｓからなる第２ガイド層２３ｇ２により構成されている。
【００５０】
ｐ型クラッド層２４は、その上部には共振器（導波路）構造を決定するリッジ部が互いに平行に延びる２本の溝部に挟まれることよって形成されている。ここでは、リッジ部の上面と量子井戸活性層２３までの距離を１．４μｍとし、リッジ部の下端と量子井戸活性層２３との距離（ｄｐ２）を０．２４μｍとしている。
【００５１】
ｐ型コンタクト層２６の上には、リッジ部の上面、すなわちｐ型コンタクト層２６を露出する開口部を有し、且つ該リッジ部の側面及び側方の領域を覆うＳｉＮからなる電流ブロック層２７が形成されている。電流ブロック層２７の上には、リッジ部上の開口部から露出するｐ型コンタクト層２６と接するように第２のｐ側電極３２が形成されている。赤外レーザ素子１１０を駆動するための駆動電流は、第２のｐ側電極３２及び基板１０の裏面に形成されたｎ側電極３３を通して流すことができる。なお、第２のｐ側電極３２の組成は、第１のｐ側電極３１と同等でよい。
【００５２】
以上のような構成を持つ赤外レーザ素子１１０において、ｐ型コンタクト層２６から注入された電流が電流ブロック層２７によってリッジ部にのみ狭窄され、リッジの下方に位置する量子井戸活性層２３に集中して注入される。その結果、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が数十ｍＡという少ない注入電流により実現される。
【００５３】
量子井戸活性層２３に注入されたキャリアの再結合により発光した光は、量子井戸活性層２３と垂直な方向に対しては、ｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層２４によって垂直方向に閉じ込められる。一方、量子井戸活性層２３と平行な方向に対しては、電流ブロック層２７が各クラッド層２２、２４と比べて屈折率が低いため、水平方向の光閉じ込めが生じる。その上、該電流ブロック層２７はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、リッジ部の内部及び外部の実効屈折率差（Δｎ）は、リッジ部の下端と量子井戸活性層２３との距離（ｄｐ２）によって、１０−３のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力半導体レーザ素子を得ることができる。
【００５４】
なお、出力が３５０ｍＷ以上の高出力レーザ素子においては、８０℃の高温動作時の放熱性を向上させるために、共振器長を１０００μｍ以上、好ましくは１５００μｍ以上として、動作電流密度を低減している。本実施形態では共振器長を約１５００μｍとしている。
【００５５】
共振器の劈開面からなる前端面及び後端面には、赤外レーザ素子１００及び赤色レーザ素子１１０に対して、反射率が共に約７％及び約９４％となるように誘電体膜によりそれぞれコーティングされている。
【００５６】
図２に、図１に示した第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ素子をサブマウントにジャンクションダウン実装した断面構成を模式的に示す。図２に示すように、いずれのレーザ素子１００、１１０においても、活性層１３、２３に近い第１のｐ側電極３１及び第２のｐ側電極３２が、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるサブマウント３８の上面に形成された第１の接続電極３６及び第２の接続電極３７と、それぞれ金錫（ＡｕＳｎ）からなるはんだ層３４、３５を介して電気的に接続されている。ジャンクションダウン実装の場合は、ヒートシンクとなるサブマウント３８と各活性層１３、２３との間隔を数μｍの距離にまで近づけることができるため、各活性層１３、２３からの発熱を効率良くサブマウント３８に放熱することができる。
【００５７】
各活性層１３、２３における発熱は、各リッジ部近傍の光分布領域で発生し、それぞれ第１のｐ側電極３１及び第２のｐ側電極３２を通じてサブマウント３８に放熱される。このため、各レーザ素子１００、１１０の放熱性は、各ｐ側電極３１、３２の幅寸法に影響される。従って、ｐ側電極３１、３２の幅が小さいと放熱性が低下するため、各レーザ素子１００、１１０の熱抵抗が大きくなって、高温動作時における動作電流値の増大につながる。そこで、放熱性を向上させるために各ｐ側電極３１、３２の幅を大きくすると、素子の面積が増大して、レーザ装置の小型化が達成されず、製造コストが増大してしまう。
【００５８】
ところで、各活性層１３、２３に注入されたキャリアが熱により励起され、クラッド層に漏れだすキャリアオーバフローの発生は、正孔と比較して有効質量が軽い電子のｐ型クラッド層１４、２４へのオーバフローが支配的となる。電子のオーバフローを抑制するには、活性層１３、２３とｐ型クラッド層１４、２４の禁制帯幅のエネルギー差により生じる伝導帯ヘテロ障壁のエネルギー（ΔＥｃ）を大きくすることが有効である。
【００５９】
第１の実施形態では、赤色レーザ素子１００及び赤外レーザ素子１１０において、ｐ型クラッド層１４、２４の構成材料に、同一のＡｌＧａＩｎＰを用いているため、赤外レーザ素子１１０のΔＥｃは赤色レーザ素子１００のΔＥｃに対して数百ｍｅＶだけ大きくなる。このため、赤外レーザ素子１１０は、赤色レーザ素子１００と比較して、高温動作時においてもキャリアのオーバフローの発生を抑制できるので、光出力の低下が生じにくくなる。
【００６０】
前述したように、放熱性はチップの幅寸法ではなく、各ｐ側電極３１、３２の幅寸法に依存するため、赤色レーザ素子１００の電極の幅寸法Ｗ１は、赤外レーザ素子の電極の幅寸法Ｗ２よりも必然的に大きくする必要がある。なお、図１に示すように、各レーザ素子１００、１１０のｐ側電極３１、３２の幅寸法Ｗ１、Ｗ２は、レーザ素子１００、１１０の幅に対してマスク精度及びエッチング精度等の製造プロセスに最小限必要なマージンだけ小さくする必要がある。このため、図１に示すΔＷの大きさは５μｍ以上に設定する必要があり、本実施形態においては、ΔＷは約１０μｍとしている。また、分離溝２０の幅は約３０μｍとしている。分離溝２０の中心線をｘ方向の原点として赤色レーザ素子１００から赤外レーザ素子１１０に向かう方向をｘ軸の正方向としている。また、Ｌ１、Ｌ２は、原点からそれぞれの発光中心点１８、２８までの距離を示す。
【００６１】
図３（ａ）に赤色レーザ素子１００の領域幅（共振器に垂直な方向の幅）を変化させた場合で、動作条件がそれぞれ、温度が８５℃、パルス幅が５０ｎｓ、デューティが３３％、及び出力値が３００ｍＷでの動作電流値を示す。図３（ａ）に示すように、赤色レーザ素子１００においては、高温動作電流値は領域幅が１００μｍよりも小さくなると、放熱性が低下して熱抵抗が増大する結果、動作電流値が増大することが分かる。
【００６２】
同様に、図３（ｂ）に赤外レーザ素子１００の領域幅（共振器に垂直な方向の幅）を変化させた場合で、動作条件がそれぞれ、温度が８５℃、パルス幅が１００ｎｓ、デューティが５０％、及び出力値が３５０ｍＷでの動作電流値を示す。図３（ｂ）に示すように、赤外レーザ素子１１０においては、高温動作電流値は領域幅を５０μｍにまで小さくしても増大しないことが分かる。赤外レーザ素子１１０は、ｐ型クラッド層２４にＡｌＧａＩｎＰを用いているため、ΔＥｃが大きく、キャリアのオーバフローが抑制されるために高温特性が劣化しないと考えられる。
【００６３】
以上から、赤色レーザ素子１００の良好な温度特性を維持するには、赤色レーザ素子１００の領域幅は１００μｍ程度が必要であり、製造コストの低減を図るためチップ幅をより小さくする場合には、高温特性が劣化しない赤外レーザ素子１１０の領域幅を赤色レーザ素子１００の領域幅よりも小さい構成にすることが好ましい。
【００６４】
一方、図２に示すように、ジャンクションダウン実装法を用いた場合、各活性層１３、２３に平行な方向をｘ方向、基板１０の主面の法線方向をｙ方向とすると、サブマウント３８と基板１０との間には熱膨張係数に差があるため、共振器端面に平行なｘｙ面内には、はんだ材の実装時の高温状態と実装後の室温状態との温度差によって、実装後に応力が発生する。このときの熱膨張係数の差により、赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０とのｘｙ面内において各活性層にせん断応力が生じる。赤色領域と赤外領域とは分離溝２０を介して、ｘ方向に対して互いに逆方向に設けられているため、せん断応力の方向は、後述するように、赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０とでは逆方向になる。特に、せん断応力により、結晶構造が持つ屈折率楕円体の主軸が回転するため、偏光角が回転することになる。このため、赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０とをジャンクションダウン実装すると、偏光角の回転の方向が互いに逆向きとなる。すなわち、応力が発生すると、半導体材料の屈折率が変化して屈折率に異方性が生じる結果、偏光特性の低下につながる。
【００６５】
図４（ａ）は赤色レーザ素子１００の領域幅と赤外レーザ素子１１０の領域幅とを等しくした場合、図４（ｂ）は赤色レーザ素子１００の領域幅が赤外レーザ素子１１０の領域幅よりも広い場合の、各活性層に生じるｘｙ面内のせん断応力の分離溝中心線から発光点中心までの距離依存性を示す。ここでは、図２において、各活性層１３に生じる、ｚ軸に対して時計周りのせん断応力を正方向の応力とし、反時計回りのせん断応力を負方向の応力とし、さらに、分離溝２０の中心線をｘ方向の原点として、赤色レーザ素子１００から赤外レーザ素子１１０へ向かう方向をｘ軸の正方向としている。また、測定条件として、ＡｕＳｎからなるはんだ層３４、３５が上面にパターニングされたＡｌＮからなるサブマウント３８を用い、３５０℃の温度で実装した場合を示す。さらに、図１において、ΔＷ＝１０μｍとし、赤色レーザ素子１００及び赤外レーザ素子１１０の各ｐ側電極３１、３２の幅寸法を、それぞれＷ１＝Ｗ２、Ｗ１＝Ｗ２＋１０μｍとなるように設定している。従って、２波長半導体レーザ装置自体のチップ幅は、赤色レーザ素子１００の領域幅と分離溝幅２０と赤外レーザ素子１１０の領域幅と各チップの外側に設けられた劈開分離溝の幅（ここでは５μｍ）の合計であり、この合計値を、それぞれ２００μｍ、２２５μｍ、２５０μｍ及び３００μｍとした場合の計算結果を示している。
【００６６】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、各活性層のｘｙ面内に生じるせん断応力は、各ｐ側電極３１、３２の外周部に向かって増大し、また、チップ幅が小さいほど増大し、且つ赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０とでは、せん断応力の方向が逆方向となることが分かる。
【００６７】
図４（ａ）に示すように、領域幅が同一の場合は、原点から赤色レーザ素子１００の発光点中心までの距離Ｌ１と赤外レーザ素子１１０の発光点中心までの距離Ｌ２とが同一であれば、赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０とのせん断応力の大きさは同一で、且つ互いの向きが逆方向となる。すなわち、赤色領域と赤外領域との領域幅が左右対称であって、せん断応力の大きさが同一となる位置に各リッジ部を配置する従来の２波長半導体レーザ装置においては、偏光角の大きさが同一で、且つ偏光の向きが逆向きとなる特性を持つ。なお、２波長半導体レーザ装置においては、通常の光ピックアップ装置の光学設計により、発光点の間隔に１１０μｍという制限があるため、図４（ａ）に示すように、応力を均等に分配できるＬ１＝Ｌ２＝５５μｍの位置に発光点中心を配置することが考えられる。
【００６８】
これに対し、本実施形態においては、赤色レーザ素子１００の放熱性を向上させるため、赤外レーザ素子１１０の領域幅を小さくする一方、赤色レーザ素子１００の領域幅を大きくしている。このため、図４（ｂ）に示すように、赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０の各活性層には、大きさが非対称なせん断応力が生じ、赤外レーザ素子１１０に生じるせん断応力は赤色レーザ素子１００に生じるせん断応力よりも大きくなる。従って、赤色レーザ素子１００の温度特性の改善のために領域幅の寸法だけを考えてレーザ素子１００、１１０を作製した場合は、赤外レーザ素子１１０の偏光角の回転の大きさが大きくなるという課題が生じる。これは、領域幅が小さい赤外レーザ素子１１０のリッジ部の形成位置が、領域幅がより大きい赤色レーザ素子１００のリッジ部の形成位置と比べてチップ全体の中心位置からの距離が大きくなって、基板１０とサブマウント３８との熱膨張係数の差による応力の影響が大きくなるためである。
【００６９】
このような課題を解決するため、本願発明者らは、種々検討した結果、ジャンクションダウンで実装した場合にせん断応力が生じるｐ型クラッド層１４、２４及びｎ型クラッド層１２、２２の格子不整を制御することによって、せん断応力を補償し、このせん断応力の補償により偏光角の回転の大きさを制御できるという知見を得ており、以下にその知見を説明する。
【００７０】
図５は、図１に示した第１の実施形態に係る赤色レーザ素子１００及び赤外レーザ素子１１０の偏光角の測定結果を示している。チップ幅は２２５μｍとし、Ｗ１＝８０μｍ、Ｗ２＝７０μｍとしている。また、Ｌ１＝６０μｍ、Ｌ２＝５０μｍとしている。図５は赤色レーザ素子１００の偏光角におけるｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４の格子不整との関係と、赤外レーザ素子１１０の偏光角におけるｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層２４の格子不整との関係とをそれぞれ示している。なお、ここでの格子不整は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１０の格子定数を基準として、各ｎ型クラッド層及び各ｐ型クラッド層の格子定数が大きい場合に正値をとり、小さい場合には負値をとる。また、ＧａＡｓの格子定数をａＧａＡｓ、クラッド層の格子定数をａｃｌａｄとすると、格子不整はΔａ／ａ＝（ａｃｌａｄ−ａＧａＡｓ）／ａＧａＡｓで与えられる。
【００７１】
例えば、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ型クラッド層１４において、Ｉｎの組成を０．５１７から０．５２２に増やすと、該ｐ型クラッド層１４の格子不整の値Δａ／ａは０から１．００×１０−３に大きくなる。
【００７２】
図５に示す測定結果から、格子不整が正に大きくなるほど偏光角が０°に近づくことが分かる。これは、各ｎ型クラッド層及び各ｐ型クラッド層に圧縮歪みを加えることによって、実装歪みにより各活性層に生じるせん断応力の大きさを低減できるためである。また、偏光角の回転方向は、赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０とで逆方向となっている。これは、前述したように、赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０とでは、各リッジ部の下方の活性層に生じるｘｙ面内のせん断応力の方向が互いに逆方向となるからである。また、同一量の格子不整で比較した場合は、赤色レーザ素子１００よりも赤外レーザ素子１１０の方が偏光角の回転の大きさは相対的に大きくなっている。これは、図４（ｂ）に示すように、赤外レーザ素子１１０のリッジ部の形成位置が、チップ全体の中心位置からの距離が大きくなるほどせん断応力が大きくなる点、及び分離溝に近くなるほどせん断応力が大きくなる点から、チップ幅が小さく応力の影響を受けやすい赤外レーザ素子１１０は、各クラッド層の屈折率に生じる異方性が大きくなり、屈折率楕円体の主軸の回転が増大する傾向により、偏光角の回転の大きさが大きくなることを示している。なお、赤色レーザ素子１００と同程度の偏光角を得るには、赤外レーザ素子１１０の格子不整は、赤色レーザ素子１００の格子不整よりも大きくする必要があるが、格子不整を大きくしすぎると導波路内に格子欠陥が発生し、発光効率の低下及び長期信頼性が低下してしまう。例えば、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層にΔａ／ａ＝１．３×１０−３より大きな圧縮歪みを加えると信頼性が低下するため、圧縮性の歪みは１．３×１０−３以下が好ましい。
【００７３】
また、図５において、偏光角の基準を±１２°から±２°に抑えることにより、光ピックアップ装置における動作特性の光利用効率が８０％から９５％に改善でき、各レーザ素子１００、１１０の最大光出力の増大を抑制することができる。このため、赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０の各偏光角特性は、±２°以内で制御することが望ましい。
【００７４】
従って、第１の実施形態においては、赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０との偏光角を共に±２°以内の範囲に抑制する場合、赤色レーザ素子１００のｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４の各格子不整Δａ／ａは、＋２．０×１０−４以上に設定し、且つ、赤外レーザ素子１１０のｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層２４の各格子不整Δａ／ａは、＋６．０×１０−４以上に設定することが好ましい。
【００７５】
なお、図５においては、ｎ型クラッド層１２、２２及びｐ型クラッド層１４、２４の格子不整による依存性を示したが、ジャンクションダウン実装の場合に生じるせん断応力は、ｐ型クラッド層１４、２４で主に生じ、さらに各ｐ型クラッド層１４、２４におけるリッジ部の近傍領域に応力が集中する。このため、せん断応力により各クラッド層に生じる屈折率の異方性が偏光特性に与える影響を補償するには、ｐ型クラッド層１４、２４の全体又はその一部に格子不整による歪みを付加しても、同様の効果を得られることを確認している。すなわち、赤色レーザ素子１００の格子不整によって付加されるｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４の平均歪みと、赤外レーザ素子１１０の格子不整によって付加されるｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層２４の平均歪みによっても、各偏光角の回転の大きさをそれぞれ制御することができる。さらに、これらの平均歪みを赤色レーザ素子１００よりも赤外レーザ素子１１０で大きくすることにより、偏光角の回転の大きさの差を小さくすることが可能となる。ここで、例えば、格子不整によって付加されるｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４の平均歪みとは、各クラッド層の膜厚に対する格子不整の総和をいう。
【００７６】
図６は、図１に示した第１の実施形態に係る２波長半導体レーザ素子の偏光角のｐ型クラッド層１４及びｐ型クラッド層２４の格子不整との関係を一例として示している。サブマウント３８に実装される側であって、各活性層１３、２３の近傍に位置するｐ型クラッド層１４、２４に圧縮性の格子不整を加えることにより、偏光角が０°に近づく効果があることを確認している。赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０の偏光角を共に±２°以内の範囲に低減する場合は、赤色レーザ素子１００のｐ型クラッド層１４の格子不整Δａ／ａは＋４．０×１０−４以上に設定し、且つ、赤外レーザ素子１１０のｐ型クラッド層２４の格子不整Δａ／ａは＋９．０×１０−４以上に設定すればよいことが分かる。
【００７７】
図７（ａ）及び図７（ｂ）にサブマウント３８にシリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合の、第１の実施形態に係る赤色レーザ素子１００及び赤外レーザ素子１１０について、各ｎ型クラッド層及び各ｐ型クラッド層の格子不整と活性層におけるせん断応力の大きさとの関係を計算により求めた結果を示す。ここで、図７（ａ）は赤色レーザ素子１００を示し、図７（ｂ）は赤外レーザ素子１１０を示している。また、応力は、ＡｌＮからなるサブマウントに実装した場合の偏光角の大きさを±２°となる格子不整のせん断応力を基準に規格化している。すなわち、図７に示す計算結果によって、せん断応力が１以下であれば、偏光角の大きさが±２°以内であることを示す。なお、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、Ｓｉ、ＡｌＮ及びＳｉＣの各熱膨張係数は、それぞれ、６×１０−６／Ｋ、２．６×１０−６／Ｋ、３×１０−６／Ｋ及び４．７×１０−６／Ｋである。
【００７８】
図５に示す測定結果から、サブマウント３８とｎ型ＧａＡｓからなる基板１０との熱膨張係数の差は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉの順に大きくなるため、実装による応力の発生は、サブマウント３８にＳｉＣを用いると最も小さくなり、Ｓｉを用いると最も大きくなる。また、いずれの材料を用いても、格子不整が小さくなるほど活性層における応力が増大することが分かる。
【００７９】
すなわち、熱膨張係数の差によって生じる応力は、膜厚が厚い層の影響を受けやすく、本実施形態においては、相対的に膜厚が最も厚い、厚さが１００μｍ程度のＧａＡｓ基板１０が、厚さが数μｍのＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層１２、１４等及び厚さが１０ｎｍ程度の超薄膜からなる活性層１３、２３に対して極めて大きい影響を与えるためである。従って、ＧａＡｓ基板１０よりも小さい熱膨張係数を持つサブマウント３８を用いた場合は、各クラッド層に影響する格子不整の関係は、ＧａＡｓ基板１０と同様の傾向を示し、各活性層１３、２３に掛かる応力は熱膨張係数の差に応じて増大する。その結果、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、リッジ部の下方の各活性層１３、２３に生じるせん断応力を補償し、該せん断応力を小さくするために必要な各クラッド層に付加する格子不整は、サブマウント３８にのＳｉを用いる場合が最も大きく、ＳｉＣを用いる場合が最も小さくなる。
【００８０】
例えば、図５に示す測定結果から、ＡｌＮからなるサブマウント３８上に２波長半導体レーザ装置を実装した場合、偏光角を共に±２°以内の範囲にまで低減するには、赤色レーザ素子１００の格子不整Δａ／ａは２．０×１０−４以上が必要となり、また、赤外レーザ素子１１０の格子不整Δａ／ａは６．０×１０−４以上が必要となる。ＡｌＮ以外の材料をサブマウント３８に用いた場合は、各活性層１３、２３に掛かるせん断応力を同一の大きさにしようとすると、Ｓｉを用いた場合は、赤色レーザ素子１００の格子不整Δａ／ａは３．０×１０−４以上が必要となり、赤外レーザ素子１１０の格子不整Δａ／ａは６．５×１０−４以上以上が必要となる。また、ＳｉＣを用いた場合は、赤色レーザ素子１００の格子不整Δａ／ａは０以上が必要となり、赤外レーザ素子１１０の格子不整Δａ／ａは４．５×１０−４以上が必要となる。
【００８１】
図５に示す実験結果と図７の計算結果とを併せて考えると、いずれの場合も、同一の格子不整値で比較した場合、赤色レーザ素子１００よりも赤外レーザ素子１１０の方が偏光角の回転の大きさは大きくなっている。従って、赤外レーザ素子１１０の圧縮性の格子不整は、赤色レーザ素子１００と同程度の偏光角を得るには、赤色レーザ素子１００の圧縮性の格子不整よりも大きくするとよい。
【００８２】
また、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、各活性層１３、２３の発光点の応力は分離溝２０から２５μｍ以内の距離で該分離溝２０に近づくほど増加する。これは、各ｐ側電極３１、３２の端部の近傍は、はんだ層３４、３５により固着されている領域と固着されていない領域との境界となるため大きなせん断応力が生じ、その上、分離溝２０の端部には各ｐ側電極３１、３２の端部が存在するためである。従って、発光点での各活性層１３、２３の応力の増大を防ぐには、光分布の中心点と分離溝２０中心線からの距離が、チップ幅が２００μｍの場合は６０μ以内とし、チップ幅が２２５μｍの場合は７３μｍ以内とし、チップ幅が２５０μｍの場合は９０μｍ以内とし、チップ幅が３００μｍ以内であれば実装歪みによる応力の急激な増大を抑制することができる。
【００８３】
従って、分離溝２０の中心線から赤色レーザ素子１００の発光点中心までの距離をＬ１とし、分離溝２０の中心線から赤外レーザ素子１１０の発光点中心までの距離をＬ２とし、且つ、２５μｍ≦Ｌ１≦６０μｍ、２５μｍ≦Ｌ２≦５０μｍ、Ｌ１≧Ｌ２の２波長レーザ装置において、Ｓｉ、ＡｌＮ又はＳｉＣをサブマウント３８に用いた場合には、以下のように各ｎ型クラッド層１２、２２及び各ｐ型クラッド層１４、２４の格子不整を制御すればよい。
【００８４】
すなわち、サブマウント３８にＡｌＮを用いた場合は、赤色レーザ素子１００の格子不整Δａ／ａを２×１０−４以上とし、赤外レーザ素子１１０の格子不整Δａ／ａを６×１０−４以上とすればよい。サブマウント３８にＳｉを用いた場合は、赤色レーザ素子１００の格子不整Δａ／ａを３×１０−４以上とし、赤外レーザ素子１１０の格子不整Δａ／ａを６．５×１０−４以上とすればよい。また、サブマウント３８にＳｉＣを用いた場合は、赤色レーザ素子１００の格子不整Δａ／ａを０以上とし、赤外レーザ素子１１０の格子不整Δａ／ａを４．５×１０−４以上とすればよい。このようにすると、赤色レーザ素子１００及び赤外レーザ素子１１０における各偏光角の回転の大きさをいずれも±２°の範囲内に制御することが可能となる。
【００８５】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図８を参照しながら説明する。図８において、図１と同一の構成部材には、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００８６】
図８に示すように、第２の実施形態に係る２波長半導体レーザ装置の第１の実施形態との相違点は、赤外レーザ素子１１０におけるｎ型クラッド層４０として、ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐに代えてｎ型Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓを用いていることにある。
【００８７】
また、ｐ型クラッド層２４は、リッジ部の下端と量子井戸活性層２３との距離（ｄｐ２）を０．２４μｍから０．２６μｍとしている。
【００８８】
このように、第２の実施形態では、赤外レーザ素子１１０において、ｎ型クラッド層４０にＡｌＧａＡｓを用いているため、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１０とｎ型クラッド層４０との間の熱膨張係数の差が小さくなる。このため、結晶成長時の高温から室温に降温した場合に、ＧａＡｓ基板１０とｎ型クラッド層４０との界面における格子欠陥の発生を抑制できるので、レーザ素子の信頼性の向上を図ることができる。
【００８９】
すなわち、この構成により、ｐ型クラッド層４０の格子不整量を大きくすることができる。赤外レーザ素子１１０の温度特性を決定するのは、活性層２３からｐ型クラッド層２４への電子のオーバフローであり、活性層２３とｐ型クラッド層２４との界面における伝導帯のバンドエネルギーのステップ（ΔＥｃ）の大きさで決定される。従って、ｎ型クラッド層４０にＡｌＧａＡｓを用いても、ΔＥｃの大きさは活性層２３とｐ型クラッド層２４によって決定されるため、電子のオーバフローには影響せず、良好な温度特性を実現することができる。
【００９０】
このように、第１の実施形態と同様に、赤外レーザ素子１１０において、ｐ型クラッド層２４の格子不整Δａ／ａを赤色レーザ素子１００の格子不整Δａ／ａよりも正に大きくすることにより、良好な偏光角特性を得ることができる。
【００９１】
図９に、第２の実施形態に係る赤色レーザ素子１００及び赤外レーザ素子１１０の偏光角におけるｐ型クラッド層２４の格子不整との関係を示す。赤色レーザ素子１００と赤外レーザ素子１１０の偏光角の回転の大きさを共に±２°以内の範囲にまで低減するには、赤色レーザ素子１００のｐ型クラッド層１４の格子不整は＋４．０×１０−４以上とし、赤外レーザ素子１１０のｐ型クラッド層２４の格子不整は＋９．０×１０−４以上に設定すればよいことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明に係る２波長半導体レーザ装置は、互いの発振波長が異なる２つの半導体レーザ素子が共に良好な偏光角の回転が小さく、且つその回転角の大きさの差が小さい、良好な動作特性を得ることができ、特に赤色レーザ光及び赤外レーザ光を出力可能な２波長半導体レーザ装置等に有用である。
【符号の説明】
【００９３】
１０      基板
１１      バッファ層
１２      ｎ型クラッド層
１３      歪量子井戸活性層
１３ｇ１  第２ガイド層
１３ｗ１  ウェル層
１３ｗ２  ウェル層
１３ｗ３  ウェル層
１３ｂ１  バリア層
１３ｂ２  バリア層
１３ｇ２  第２ガイド層
１４      ｐ型クラッド層
１５      ｐ型保護層
１６      ｐ型コンタクト層
１７      電流ブロック層
１８      発光点中心
２０      分離溝
２１      バッファ層
２２      ｎ型クラッド層
２３      量子井戸活性層
２３ｇ１  第１ガイド層
２３ｗ１  ウェル層
２３ｗ２  ウェル層
２３ｂ１  バリア層
２３ｇ２  第２ガイド層
２４      ｐ型クラッド層
２５      ｐ型保護層
２６      ｐ型コンタクト層
２７      電流ブロック層
２８      発光点中心
３１      第１のｐ側電極
３２      第２のｐ側電極
３３      ｎ型電極
３４      半田層
３５      半田層
３６      第１の接続電極
３７      第２の接続電極
３８      サブマウント
４０      ｎ型クラッド層
１００    赤色レーザ素子
１１０    赤外レーザ素子
【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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