(57)【要約】【課題】低温での自励動作の安定性を損なわず、高温でも安定的に自励発振する自励発振型半導体レーザを高製造歩留まりで提供する。【解決手段】自励発振型半導体レーザは、第１のクラッド層２、その上に形成され活性層を含むＳＣＨ構造３、その上に形成され第１リッジストライプ構造９を有する第２のクラッド層４〜６を備える。第１リッジストライプ構造９の左・右リッジ底部近傍の活性層が可飽和吸収体として機能する。第２のクラッド層４〜６は、第１リッジストライプ構造９の長手方向に沿い、その左側・右側の少なくとも一方に短く設けられ、電流注入される第２リッジストライプ構造９ａ、９ｂを更に含む。第１リッジストライプ構造９と第２リッジストライプ構造９ａ、９ｂ間のリッジ分離溝の幅Ｓａ、Ｓｂは、第１リッジストライプ構造９の長手方向垂直断面の作り付け屈折率構造で決定される光波モードサイズの水平方向半値幅より広い。【選択図】図２
2010135564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成され、活性層を含むＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造と、
前記ＳＣＨ構造上に形成され、第１リッジストライプ構造を含む第２導電型の第２のクラッド層とを備え、
前記第１リッジストライプ構造の左リッジ底部近傍および右リッジ底部近傍の前記活性層は、可飽和吸収体として機能し、
前記第２のクラッド層は、
レーザ共振器を成す前記第１リッジストライプ構造の長手方向に沿って、前記第１リッジストライプ構造の左側および右側の少なくとも一方に、前記第１リッジストライプ構造よりも短く設けられ、電流注入がなされる第２リッジストライプ構造を更に含み、
前記第１リッジストライプ構造と前記第２リッジストライプ構造との間のリッジ分離溝の幅は、前記第１リッジストライプ構造の長手方向に垂直な断面における作り付けの屈折率構造によって決定される光波モードサイズの水平方向の半値幅よりも広い
自励発振型半導体レーザ。
【請求項２】
前記第２リッジストライプ構造は、端面部を含んでいる
請求項１に記載の自励発振型半導体レーザ。
【請求項３】
前記第２リッジストライプ構造は、端面部を含んでいない
請求項１に記載の自励発振型半導体レーザ。
【請求項４】
前記第２リッジストライプ構造は、前記第１リッジストライプ構造の左側および右側の少なくとも一方で、二箇所以上の複数位置に分布している
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の自励発振型半導体レーザ。
【請求項５】
前記第２リッジストライプ構造は、前記第１リッジストライプ構造の左側および右側の両方に設けられ、
前記リッジ分離溝の幅は、前記第１リッジストライプ構造の左側と右側とで異なる
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の自励発振型半導体レーザ。
【請求項６】
前記第２リッジストライプ構造は、前記第１リッジストライプ構造の左側および右側で、二箇所以上の複数位置に形成され、
前記第２リッジストライプ構造の長手方向の形成パターンが、前記第１リッジストライプ構造の左側と右側とで異なる
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の自励発振型半導体レーザ。
【請求項７】
前記第２リッジストライプ構造の長手方向の断面は、前記第１リッジストライプ構造の長手方向の断面と実質的に同じ形状を有する
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の自励発振型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自励発振型半導体レーザに関し、特に広い温度範囲で安定な自励発振を得ることができる半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスク装置等の光源として用いられる半導体レーザが知られている。その半導体レーザは、使用の際、戻り光ノイズに起因する読み取りエラーの発生を防ぐために、戻り光ノイズを抑制する技術が組み合わされる。戻り光ノイズ抑制技術としてよく知られるものに、高周波重畳技術がある。高周波重畳技術は、駆動電流に数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの高周波振動成分を重畳することにより発振波長をマルチモード化させ、戻り光入射によるノイズ発生に対する耐性を高める技術である。高周波重畳技術は、比較的安価な高周波発振器の追加のみで実現し、半導体レーザ側の構造や製造工程上の制約条件が従来と変わらない。そのために、光源単独でのコスト面で有利である。しかしながら、高周波発振器が発する電磁波が周囲の機器の動作に悪影響を与える不要輻射ノイズの発生が問題となる。そのため、製品の使用環境によっては電磁波シールドの開発や部材等のコストアップを伴う。
【０００３】
上記高周波重畳技術に対して、不要輻射を伴わない戻り光ノイズ抑制技術として、自励発振型半導体レーザが挙げられる。自励発振型半導体レーザにおいては、内部に可飽和吸収体と呼ばれる領域が設けられている。それにより、固定電流駆動においても自動的に数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの光強度振動を生じてマルチモード発振が得られ、戻り光入射によるノイズ発生に対する耐性が高まる。自励発振型半導体レーザは、高周波発振器が不要である。従って、不要輻射に対応するための電磁波シールドの開発や部材のコストアップが伴わない点で有利である。しかしながら、製品が使用される温度範囲で安定な自励発振動作を得るためのレーザ構造および製造工程上の制約条件が厳密となる。従って、従来の半導体レーザと比べて製造歩留まりが低いという点で不利となる。自励発振型レーザの実用化に際しては、自励発振動作に関わる構造パラメータをいかに制御するかや温度環境の変動による自励発振の不安定化をいかに抑制するかが重要となる。
【０００４】
自励発振型半導体レーザの製造歩留まりを高くし、高温における自励動作を安定化させる技術として、例えば、以下の技術が知られている。
【０００５】
特開平１１−２２０２１０号公報（特許文献１）に、自励発振型半導体レーザが開示されている。この自励発振型半導体レーザは、第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２導電型の第２のクラッド層とを備えている。第２のクラッド層はリッジストライプ部を有し、そのリッジストライプ部の両側に電流狭窄構造が設けられている。電流狭窄構造は、第１導電型のＧａＡｓからなっている。導波の横方向の屈折率差Δｎは、０．００３以下０．００１以上である。また、横方向導波の外側での第２のクラッド層の厚さｄは、４００ｎｍ以下である。この場合、常温（２５℃）と高温（６０℃）において、メサ部を通して活性層に注入される電流の横方向の広がりは、メサ部の底部の幅程度に抑えられる。
【０００６】
図１は、特開平１１−２２０２１０号公報に記載の自励発振型半導体レーザの具体的な構成を示す断面図である。この自励発振型半導体レーザ５００は、ｎ型（第１導電型）ＧａＡｓ基板５０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５０２（第１のクラッド層）、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰガイド層５０２ａ、ＧａＩｎＰ活性層５０３（活性層）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５０４（第２のクラッド層）、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層５０５、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層５０６が順次積層されている。そして、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５０４の上層部、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層５０５およびｐ型ＧａＡｓキャップ層５０６から、一方向に延びるメサ型のリッジストライプ部５０７（ストライプ部）が構成されている。このリッジストライプ部５０７の両側の部分にはｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層５０８が埋め込まれ、これにより電流狭窄構造が形成されている。ｐ型ＧａＡｓキャップ層５０６およびｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層５０８の上には、ｐ側電極５０９が設けられている。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板５０１の裏面には、ｎ側電極５１０が設けられている。
【０００７】
この自励発振型半導体レーザ５００においては、自励発振を安定に生じさせるために、以下のような構成としている。まず、電流は活性層横方向に広がらせず光スポットは広がらせ、その差を大きくして可飽和吸収領域を広く確保するように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５０４の電流狭窄層５０８との間の厚さｄが、ｄ≦４００ｎｍに設定される。更に、いわゆる横方向（ｐｎ接合と平行で、かつ、共振器長方向と垂直な方向）の導波に関して、リッジストライプ部５０７に対応する部分とその両側に対応する部分との屈折率差Δｎ（＝ｎ１−ｎ２）を、自励発振を持続して発生可能な０．００１〜０．００３の範囲内の小さな値を維持できるように、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５０２側のガイド層５０２ａの厚みを増やして、ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：分離閉じ込めヘテロ）構造が非対称化されている。
【０００８】
また、関連する技術として、特開平１１−２２０２１１号公報（特許文献２）に自励発振型半導体レーザ、特開２００５−２５２１０６号公報（特許文献３）に半導体発光装置、特開２０００−１７４３８５号公報（特許文献４）に半導体レーザ、および特開２００２−５７４０４号公報（特許文献５）にレーザダイオード、半導体発光装置および製造方法がそれぞれ開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２２０２１０号公報
【特許文献２】特開平１１−２２０２１１号公報
【特許文献３】特開２００５−２５２１０６号公報
【特許文献４】特開２０００−１７４３８５号公報
【特許文献５】特開２００２−５７４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に代表される技術においては、第２のクラッド層の電流狭窄層との間の厚さｄ、およびストライプ部に対応する部分とその両側に対応する部分との屈折率差Δｎによって、ストライプ部の両側への光の広がりと電流狭窄部下方の活性層への電流広がりの釣り合い関係が調整される。さらに、上記の光の広がりと電流広がりの調整と、その他のレーザ構造の主要条件である活性層の電流密度対利得特性（以下Ｊ−Ｇ特性またはＪ−Ｇ曲線と記述することがある）、共振器長、端面ミラー損失などを総合した結果として、自励動作中の可飽和吸収体のボリュームが決定される。そして、製品歩留まりを高くし、高温での自励動作を安定させるために、製品の動作保証温度範囲の中心付近（例えば２５℃〜５０℃）において、好適な可飽和吸収体のボリュームが得られるように調整される。
【００１１】
上記のように調整された自励発振型半導体レーザの高温域の動作においては、電流狭窄部下方への電流広がりが比較的大きくなって光の広がりとの差が小さくなることと、活性層の利得特性（Ｊ−Ｇ曲線）の傾きが小さくなることに起因して励振機能が弱まるために、ある温度にまで温度を上昇させると自励発振は停止することになる。
【００１２】
一方、上記のように調整された自励発振型半導体レーザの低温域の動作においては、電流狭窄部下方への電流広がりが比較的小さくなって光の広がりとの差が大きくなることと、活性層のＪ−Ｇ曲線の傾きが大きくなることに起因して励振機能を構成する上記２つの要素のバランス関係が動作電流に敏感となる傾向が顕著になる。その結果、ある温度まで温度を低下させると実用光出力範囲において安定な自励発振が得られなくなり、戻り光ノイズの発生に対する耐性が失われる。
【００１３】
上記の好適な可飽和吸収体のボリュームとは、製品の動作保証温度範囲が、上記の高温側および低温側において安定な自励発振が損なわれる限界域に入らないように調整されているものである。
【００１４】
しかしながら、このような上述された自励発振型半導体レーザには、戻り光ノイズの発生に対する耐性が保たれるように、安定に自励動作する温度範囲を高温側に拡大しようとすると、いくつかの問題が生じる。
【００１５】
一つの問題は、低温域において実用光出力範囲で安定な自励発振が得られる歩留まりが低下してしまうというものである。その原因は、安定に自励動作する温度範囲を高温側に拡大するためには、高い温度まで可飽和吸収体のボリュームを確保できるように、作り付けの光の広がりと電流の広がりの差を大きくして作り付けの吸収体の体積を増大させるとともに、増大した吸収体を透明化するのに見合ったＪ−Ｇ特性の傾きの増大が図られることにある。その結果、低温域においては、励振機構の２大要素である光の広がりと電流の広がりとの差、および、Ｊ−Ｇ特性の傾きはそれぞれさらに増大することになり、両者のバランス関係の動作電流に対する敏感さが増してしまう。
【００１６】
より詳細には、自励発振型半導体レーザは、レーザ共振器の内部全体におけるキャリア密度分布および光波分布の自励振動の時間・空間的平均値として決まる利得と損失とのバランスポイントを中心にして、バランスポイントと比べて利得過剰の領域と損失過剰の領域とがレーザ共振器長手方向にある程度の幅を持って共存しながら動作している。可飽和吸収体のボリュームが増大し、Ｊ−Ｇ特性の傾きが増大する低温動作においては、レーザ共振器長手方向部位による利得過剰の程度と損失過剰の程度との差異が拡大する傾向となる。この現象により、損失過剰の領域は、利得過剰の領域からの光ポンピングによる可飽和吸収体の透明化促進を受ける傾向が強くなる。上記、軸方向の光ポンピングによる影響は、可飽和吸収体のボリュームとＪ−Ｇ特性のバランス関係や動作電流に敏感となるため、電流−光出力の特性における光出力の立ち上がり部の形状が、素子毎にばらつく傾向が強くなる。その結果、低温域において実用光出力範囲で安定な自励発振が得られる歩留まりが低下してしまう。
【００１７】
したがって、上記の技術による自励発振型レーザを、ポータブル機器、薄型テレビ内蔵型、車載型などの使用温度範囲が高温側に広い光ディスク装置において用いることは困難であった。
【００１８】
本発明の目的は、低温動作時の自励動作の安定性を損なうことなく、従来よりも高い温度においても安定に自励発振する自励発振型半導体レーザを、高い製造歩留まりで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号・図番を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号・図番は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号・図番を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００２０】
本発明の自励発振型半導体レーザ（図２〜図１５、典型例は図２〜図６）は、第１導電型の第１のクラッド層（２）と、上記第１のクラッド層（２）上に形成され、量子井戸活性層、バリア層および光ガイド層を含むＳＣＨ構造（３）と、上記ＳＣＨ構造（３）上に形成され、下部クラッド層（４）、エッチングストップ層（５）および上部クラッド層（６）からなる第１リッジストライプ構造（９）を有する第２導電型の第２のクラッド層（４，５，６）とを備える。上記第１リッジストライプ構造（９）の左リッジ底部近傍および右リッジ底部近傍の活性層（ＳＣＨ構造（３））が可飽和吸収体として機能する。この自励発振型半導体レーザにおいて、第２のクラッド層（４，５，６）は、レーザ共振器を成す第１リッジストライプ構造（９）の長手方向に沿って、第１リッジストライプ構造（９）の左側および右側の少なくとも一方に、第１リッジストライプ構造（９）よりも短く設けられ、電流注入がなされる第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）を更に含んでいる。第１リッジストライプ構造（９）と第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）との間のリッジ分離溝の幅（Ｓａ、Ｓｂ）は、第１リッジストライプ構造（９）の長手方向に垂直な断面における作り付けの屈折率構造によって決定される光波モードサイズの水平方向の半値幅よりも広く設定されている。
【００２１】
また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図７、図９）は、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が、端面部を含んでいても良い。また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図２、図８、図１０、図１３）は、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が、端面部を含んでいなくても良い。
【００２２】
また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図８〜図１０、図１３）は、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が、第１リッジストライプ構造の左側および右側の少なくとも一方で、二箇所以上の複数位置に分布していても良い。
【００２３】
また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図１０〜図１２）は、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）は、第１リッジストライプ構造（９）の左側および右側の両方に設けられていても良い。リッジ分離の幅（Ｓａ、Ｓｂ）が、第１リッジストライプ構造（９）の左側（Ｓａ）と右側（Ｓｂ）とで異なっていても良い。
【００２４】
また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図１１、図１３〜図１５）は、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が、第１リッジストライプ構造の左側および右側で、二箇所以上の複数位置に形成されていても良い。第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）の長手方向の形成パターンが、第１リッジストライプ構造（９）の左側と右側とで異なっていても良い（たとえば９ａ部の長さｌａが９ｂ部の長さｌｂよりも長い）。
【００２５】
また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図２〜図１５）は、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）の長手方向の断面は、第１リッジストライプ構造（９）の長手方向の断面と実質的に同じ形状を有していても良い。ここで、実質的に同じとは、製造上の誤差の範囲以内で同じという意味である。
【００２６】
本発明の自励発振型半導体レーザ（図２〜図１５、典型例は図２〜図６）によれば、レーザ共振器を成す第１リッジストライプ構造（９）の長手方向の一部において、その左側および右側の少なくとも一方に設けられた第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）の上部から注入された電流のうち半分以上は、長手方向の両端に共振器ミラーが形成されていない第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）の直下の活性層に注入される。そのため、レーザ発振には寄与しない無効電流となる。一方、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）の上部から注入された電流の一部は、リッジ分離溝の直下の第２導電型の上部クラッド層（６）へ横方向に流れて活性層に流入する経路、もしくは、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）の直下近傍の活性層に注入されたキャリアが活性層内を横方向に拡散する経路を介して、第１リッジストライプ構造（９）の底部近傍の可飽和吸収体にキャリアを供給する。また、第１リッジストライプ構造（９）と第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）との間のリッジ分離溝の幅（Ｓａ、Ｓｂ）が、第１リッジストライプ構造（９）の長手方向に垂直な断面における作り付けの屈折率構造によって決定される光波モードサイズの水平方向の半値幅よりも広い。そのため、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）の直下の活性層に注入されたキャリアはレーザ発振光による誘導放出の影響を受けない。したがって、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）の直下の活性層に注入されたキャリアは、自励発振するレーザ光の強度振幅に応じた密度の変動を受けることなく、第１リッジストライプ構造（９）のリッジ底部近傍に安定的にキャリアを供給し、可飽和吸収体のボリュームを安定に小さくする働きを有する。すなわち、レーザ共振器の長手方向（第１リッジストライプ構造（９）の長手方向）における第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が設けられた部位は、作り付けの屈折率導波構造としては第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が設けられてない部位と同等であり、第１リッジストライプ構造（９）の底部近傍の可飽和吸収体のボリュームとしては第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が設けられていない部位での値よりも小さい値に安定に制御される。
【００２７】
以上のように、本発明の自励発振型半導体レーザは、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）に注入される電流のうち、第１リッジストライプ構造（９）の底部近傍の可飽和吸収体へのキャリア供給に寄与する成分以外はレーザ発振に全く寄与しない無効電流となるため動作電流が高くなる、という傾向を有するが、その一方で、安定に自励動作する温度範囲を高温側に拡大するためにレーザ構造の調整を行なう際に、以下に示す少なくとも二つの作用を生じさせることが可能となる。
【００２８】
第一の作用とは以下に示すものである。高い温度まで可飽和吸収体のボリュームを確保できるように、レーザ共振器を成す第１リッジストライプ（９）に作り付けの光の広がりと電流の広がりの差を大きくして作り付けの吸収体の体積を増大させるとともに、増大した吸収体を透明化するのに見合ったＪ−Ｇ特性の傾きの増大を図ることができる。この場合、従来の自励発振型半導体レーザの高温動作においては、可飽和吸収体の増大に相応して動作電流密度が増大する。それに対し、本発明の自励発振型半導体レーザの高温動作においては、レーザ共振器の長手方向の一部の可飽和吸収体のボリュームが小さくなるため、レーザ共振器全体での損失の低減により、動作電流密度が低減する方向にシフトさせることが可能となる。その結果、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が設けられていない部位の共振器方向単位長さあたりの可飽和吸収体のボリュームは増大し、かつＪ−Ｇ特性の傾きが増大するために、高温での自励動作の安定性が向上する。
【００２９】
次いで、第二の作用とは以下に示すものである。従来の自励発振型半導体レーザの低温動作においては、レーザ共振器長手方向の部位による利得過剰の程度と損失過剰の程度の差異が拡大する傾向となって、レーザ共振器全体としての利得と損失のバランス関係が動作電流に対して敏感となり、電流−光出力の特性における光出力の立ち上がり部の形状が素子毎にばらつく傾向が強くなる。それに対し、本発明の自励発振型半導体レーザの低温動作においては、レーザ共振器の長手方向において可飽和吸収体として機能する部位は、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が設けられていない部位に限られ短くなるため、利得過剰の程度と損失過剰の程度の差異は、従来の自励発振型半導体レーザと比べて小さくなる。その結果、低温域において実用光出力範囲で安定な自励発振が得られる歩留まりが従来の自励発振型半導体レーザと比べて向上する。
【００３０】
以下、簡単のために、レーザ共振器（第１リッジストライプ構造（９））の長手方向において、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が設けられていない部位を、自励発振の原動力を担う部位という意味で「励振領域」と呼び、第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が設けられている部位を「低損失領域」と呼ぶことにする。
【００３１】
また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図７、図９）によれば、レーザ共振器を成す第１リッジストライプ構造（９）に沿って形成される第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が、端面部を含んで形成されている。本発明の自励発振型半導体レーザにおいては、「励振領域」においては可飽和吸収体のボリュームが大きく発振光の水平方向のスポットサイズが比較的小さいのに対して、「低損失領域」においては可飽和吸収体のボリュームが小さく発振光の水平方向のスポットサイズが比較的大きい。本発明の自励発振型半導体レーザの端面部は第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が形成されている「低損失領域」であり、水平方向のスポットサイズが比較的大きい部位であるため、端面の光摩耗劣化が抑制され信頼性が向上する。
【００３２】
また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図２、図８、図１０、図１３）によれば、レーザ共振器を成す第１リッジストライプ構造（９）に沿って形成される第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が、レーザ共振器内部に形成され、端面部には形成されていない。そのため、本発明の自励発振型半導体レーザの端面における発振光のスポットサイズを、従来の自励発振型半導体レーザのスポットサイズと大きく変わらない値に保持することが可能となる。
【００３３】
また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図８〜図１０、図１３）は、レーザ共振器を成す第１リッジストライプ構造（９）に沿って形成される第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が、上記レーザ共振器の左側もしくは右側の長手方向の二箇所以上の複数位置に分布して形成されている。本発明の自励発振型半導体レーザにおいては、レーザ共振器の長手方向における「励振領域」を比較的小さなスポットサイズで導波する発振光が、「低損失領域」へと接続して引き続き「低損失領域」を導波する間に、光強度増幅を受けながら発振光スポットサイズが拡大する方向に変換される。上記「低損失領域」を比較的大きなスポットサイズで導波する発振光が、再度「励振領域」へと接続し引き続き「励振領域」を導波する間に、発振光スポットサイズは縮小方向に変換される。それと同時に、「励振領域」の接続部近傍においては、「低損失領域」においてリッジ底部の外側に比較的大きく広がった光強度分をもつ光波の吸収により「励振領域」の可飽和吸収体の透明化が局所的に強く引き起こされる。言い換えると、レーザ共振器の長手方向の「励振領域」の両端の「低損失領域」との接続部近傍においては、レーザ共振器の長手方向の光吸収によって透明化する可飽和吸収体が局所的に生じる（以下、共振器軸方向の可飽和吸収体と呼ぶこととする）。本発明の自励発振型半導体レーザにおいて、「励振領域」の導波路スポットサイズと「低損失領域」のスポットサイズとの差が大きい場合には、レーザ共振器全体の可飽和吸収体のボリュームに対する上記局所的に分布する共振器軸方向の可飽和吸収体のボリュームが占める割合が強くなり、電流光出力特性において光出力の立ち上がりが急峻となる傾向が現れる。このことは、「励振領域」を短くすることによって得られる光出力の立ち上がりを緩やかにする効果とは逆の効果である。そのため、低温における戻り光ノイズ耐性の改善を制限する要因となる。本発明の自励発振型半導体レーザ（図７〜図９、図１２）に示すように、「低損失領域」を短い長さに分割してレーザ共振器の長手方向の複数位置の配置した場合には、各々の「低損失領域」を導波する間のスポットサイズの変化量は小さくなるため、「励振領域」の両端部に生ずる共振器軸方向の可飽和吸収体の体積は縮小し、それらがレーザ共振器の長手方向に分散して配置される。これにより、電流光出力特性における光出力立ち上がりの急峻性の原因となる共振器軸方向の可飽和吸収の局所性が緩和され、「励振領域」を短くすることによる低温側の戻り光ノイズ耐性の改善効果を最大限に引き出すことが出来る。その結果、安定に自励動作する温度範囲をより高温側に拡大することが可能となる。
【００３４】
また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図１０〜図１２）は、レーザ共振器とレーザ共振器を成す第１リッジストライプ構造（９）に沿って形成される第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）との間のリッジ分離の幅（Ｓａ、Ｓｂ）が、上記レーザ共振器の左側（Ｓａ）と右側（Ｓｂ）とで異なっている。たとえば、レーザ共振器を成すリッジストライプ構造（９）の左側がメサ緩斜面、右側がメサ急斜面である場合、レーザ共振器の長手方向の「励振領域」においては、メサの左右水平方向の屈折率分布が中心は左右メサ底部の中心と一致するのに対し、利得分布の中心は急斜面側にずれた位置となる。一方、レーザ共振器の長手方向の「低損失領域」においては、第１リッジストライプ構造（９）とそれに沿い左側に形成される第２リッジストライプ構造（９ａ）との間のリッジ分離溝の幅（Ｓａ）が、それに沿い右側に形成される第２リッジストライプ構造（９ｂ）との間のリッジ分離溝の幅（Ｓｂ）よりも小さくなっている。そのため、左右の第２リッジストライプ構造（９ａ，９ｂ）からの電流注入により、第１リッジストライプ構造（９）のメサ底部下部へ供給される電流の大きさを比較すると、メサ緩斜面側の左側でより大きくなる。これにより、「低損失領域」における利得分布の中心は、メサ底部の中心から急斜面側にずれた位置に対して、中心に近い位置または緩斜面側にずれた位置となる。すなわち、屈折率分布の中心と利得分布の中心とのズレの方向は、「励振領域」と「低損失領域」は逆方向となる。その結果、レーザ共振器全体の平均値としての利得分布の中心と屈折率分布中心とのズレは小さくなり、発振光がレーザ共振器の長手方向を進行する際に蛇行を起こしやすくなるのを抑制することができる。
【００３５】
また、本発明の自励発振型半導体レーザ（図１１、図１３〜図１５）は、レーザ共振器を成す第１リッジストライプ構造（９）に沿って形成される第２リッジストライプ構造（９ａ、９ｂ）が、長手方向の二箇所以上の複数位置に分布して形成されてなる構造において、上記のリッジストライプの長手方向の形成パターンが、レーザ共振器の左右で異なっている（たとえば９ａ部の長さｌａが９ｂ部の長さｌｂよりも長い）。たとえば、レーザ共振器を成す第１リッジストライプ構造（９）の左側がメサ緩斜面、右側がメサ急斜面である場合、レーザ共振器の長手方向の「励振領域」においては、メサの左右水平方向の屈折率分布が中心はメサ底部の中心と一致するのに対し、利得分布の中心は急斜面側にずれた位置となる。一方、第１リッジストライプ構造（９）において、左側に第２リッジストライプ構造（９ａ）が設けられた領域においては、第１リッジストライプ構造（９）の左側のメサ底部に電流を側方から供給することにより電流密度のピークが緩斜面側にシフトし、右側に第２リッジストライプ構造（９ｂ）が設けられた領域においては、、第１リッジストライプ構造（９）の右側のメサ底部に電流を側方から供給することにより電流密度のピークを急斜面側にシフトする。左側の第２リッジストライプ構造（９ａ）の長さ（ｌａ）を右側の第２リッジストライプ構造（９ｂ）の長さ（ｌｂ）よりも大きくすることにより、第２リッジストライプ構造（９ａ）または（９ｂ）が設けられた「低損失領域」の平均としての利得分布中心は、メサ底部の中心に対して緩斜面側にずれた位置となる。すなわち、屈折率分布の中心と利得分布の中心とのズレの方向は、「励振領域」と「低損失領域」は逆方向となる。その結果、レーザ共振器全体の平均値としての利得分布の中心と屈折率分布中心とのズレは小さくなることにより、発振光がレーザ共振器の長手方向を進行する際に蛇行を起こしやすくなるのを抑制することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明により、低温動作時の自励動作の安定性を損なうことなく、従来よりも高い温度においても安定に自励発振する自励発振型半導体レーザを、高い製造歩留まりで提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の自励発信型半導体レーザの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００３８】
１．第１の実施の形態
１−１．構造の説明
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す平面図である。図３および図５は、本発明の第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す断面図である。ただし、図３は図２のＡ−Ａ線に、図５は図２のＢ−Ｂ線にそれぞれ沿った断面図である。すなわち、リッジストライプ構造９の長手方向に垂直な断面図である。
【００３９】
図３に示すように、自励発振型半導体レーザは、半導体基板１上に、クラッド層２と、ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：分離閉じ込めヘテロ）構造３、下部クラッド層４、エッチングストップ層５、上部クラッド層６、へテロ中間層７、およびキャップ層８が順次積層されている。半導体基板１およびクラッド層２は、第１導電型である。ＳＣＨ構造３は、量子井戸活性層、バリア層、および光ガイド層を含む。下部クラッド層４、エッチングストップ層５、上部クラッド層６、へテロ中間層７、およびキャップ層８は、第２導電型である。
【００４０】
上記多層構造のうち、エッチングストップ層５よりも上方に積層されている上部クラッド層６、ヘテロ中間層７およびキャップ層８は、共振器の軸方向に沿ってストライプ状に延びるリッジ形状を有するリッジストライプ構造９を形成している。このリッジストライプ構造９の両側には、下部電流ブロック層１０および上部電流ブロック層１１が埋め込まれ、これらの電流ブロック層により、電流がリッジストライプ構造９を経由するものに限定する電流狭窄構造が形成されている。また、下部電流ブロック層１０は、バンドギャップが活性層よりも大きく、屈折率が上部クラッド層６よりも小さい層である。上部電流ブロック層１１は、バンドギャップが活性層よりも小さく、発振光を吸収する層である。上記の電流ブロック層１０、１１は、電流狭窄構造を形成すると同時に、リッジストライプ構造９の長手方向断面の屈折率分布構造において、水平方向の屈折率段差を生ぜしめ、単一横モード発振を安定に保持する光導波を実現する役割も果たす。
【００４１】
更に、リッジストライプ構造９の最上層であるキャップ層８、リッジストライプ構造９の側面上部に表出した下部電流ブロック層１０、および上部電流ブロック層１１の上面は、コンタクト層１２で覆われている。コンタクト層１２は、第２導電型である。また、コンタクト層１２の上面には、電極１３が設けられている。半導体基板１の下面には、電極１４が設けられている。
【００４２】
そして、図２に示すように、レーザ共振器をなすリッジストライプ構造９の左右両側に並行して、共振器の全長に満たない長さに渡ってリッジストライプ構造９ａおよび９ｂがそれぞれ設けられている。図５に示すように、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂは、リッジストライプ構造９と同様の断面構造を有し、リッジ構造の上部から電流注入がなされる構造となっている。そして、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂは、リッジ構造上方からの電流注入量の配分の制御性が損なわれないように、それぞれのメサ底部の幅ＷａおよびＷｂが、リッジストライプ構造９のメサ底部の幅Ｗと同じ値かそれに近い値に設定されている。そして、リッジストライプ構造９、９ａ、９ｂにおける長手方向に垂直な断面（図３、図５）は、互いに同じ形状、概ね同じ形状又は相似形状を有している。また、リッジストライプ構造９とリッジストライプ構造９ａとの間のリッジ分離溝幅Ｓａ、およびリッジストライプ構造９とリッジストライプ構造９ｂとの間のリッジ分離幅Ｓｂは、リッジストライプ構造９の長手方向に垂直な断面における作り付けの屈折率構造によって決定される光波モードサイズの水平方向の半値全幅Ｗｒｇ／２よりも大きい値にそれぞれに設定されている。
【００４３】
以上に示された半導体積層構造によって、本実施の形態に係る自励発振型半導体レーザ素子が構成されている。その発光波長は、例えばＤＶＤ装置などの光ディスク光源として用いられる６５０ｎｍ帯である。そのような半導体レーザを構成する各層の一例が、以下に示される。以下の例において、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である。当然、ｎ型とｐ型は置き換えられてもよい。また、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐは、単にＡｌＧａＩｎＰと記載される場合がある。その場合、Ａｌ組成ｘが括弧内に示される。
【００４４】
・半導体基板１：
ｎ型ＧａＡｓ；基板面方位が（１００）から（０１１）方向に１０度オフ
・クラッド層２：
ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）；厚さ１２００ｎｍ；不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３
・ＳＣＨ層３：
ＡｌＧａＩｎＰガイド層（ｘ＝０．４５）；厚さ３０ｎｍ
量子井戸ＧａＩｎＰ層（七層）；各層厚さ５．０ｎｍ
量子井戸間バリアＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．４５）層（六層）；各層厚さ５．０ｎｍ
ＡｌＧａＩｎＰガイド層（Ｘ＝０．４５）；厚さ３０ｎｍ
・下部クラッド層４：
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）；厚さ３００ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
・エッチングストップ層５：
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．２）；厚さ１０ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
・上部クラッド層６：
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）；厚さ１０００ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
・へテロ中間層７：
ｐ型ＧａＩｎＰ；厚さ４０ｎｍ；不純物濃度４×１０１８ｃｍ−３
・キャップ層８：
ｐ型ＧａＡｓ；厚さ３００ｎｍ；不純物濃度１．５×１０１８ｃｍ−３
・リッジストライプ９：
メサ底部の幅Ｗ３．５μｍ；共振器方向の長さ３５０μｍ
・リッジストライプ９ａ：
メサ底部の幅Ｗａ３．０μｍ；リッジ分離溝の幅Ｓａ５．０μｍ；共振器方向の長さ１００μｍ
・リッジストライプ９ｂ：
メサ底部の幅Ｗｂ３．０μｍ；リッジ分離溝の幅Ｓｂ５．０μｍ；共振器方向の長さ１００μｍ
・下部電流ブロック層１０：
ｎ型またはアンドープＡｌＧａＩｎＰ（Ｘ＝０．８以上が望ましく１でもよい）；厚さ１５０ｎｍ
・上部電流ブロック層１１：
ｎ型ＧａＡｓ；厚さ８５０ｎｍ；不純物濃度３×１０１８ｃｍ−３
・コンタクト層１２：
ｐ型ＧａＡｓ；厚さ３０００ｎｍ；不純物濃度２×１０１８ｃｍ−３
・電極１３：
Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ
・電極１４：
ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ
【００４５】
このように、具体的に示された半導体積層構造のレーザ共振器長手方向（＝リッジストライプ構造９の長手方向）に垂直な面内の屈折率分布構造において、リッジストライプ構造９に対応する部分とその両脇のリッジ底部に対応する部分との間の実効的屈折率の段差Δｎに応じた導波モードの潜在的広がり幅、いわゆる作り付けの光波モードのスポットサイズＷｒｇが決定される。ここで述べた「潜在的広がり」とは、光閉じ込め（ＳＣＨ構造３）における水平方向の実際の利得・損失分布を無視し、利得・損失ゼロを仮定した場合の広がりを差し示すものである。上記Δｎは、リッジ底部のクラッド層４の厚さとエッチングストップ層５の厚さの和である厚さｄとに強く依存している。上述の例で示された構造によれば、Δｎは２．０×１０−３程度となる。この場合、Δｎとメサ底部幅Ｗ（＝３．５μｍ）とで決まる光波モードスポットの半値全幅（Ｗｒｇ／２）は２．７μｍ程度となる。そして、リッジ分離溝の幅ＳａおよびＳｂはそれぞれ５．０μｍであり、上記のＷｒｇ／２の値よりも大きく設定されている。
【００４６】
１−２．動作の説明  
次に、上述の半導体積層構造に順方向電流が印加された場合の動作を説明する。図４および図６は、本発明の第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの動作を説明する断面図である。ただし、図４は図３と同じく図２のＡ−Ａ線に、図６は図５と同じく図２のＢ−Ｂ線にそれぞれ沿った断面図である。すなわち、リッジストライプ構造９の長手方向に垂直な断面図である。
【００４７】
上述の半導体積層構造に順方向電流が印加された場合、ｐ側電極１３を介して印加された電流は、電流ブロック層１０、１１の電流狭窄機構により、まずキャップ層８、８ａ、８ｂに注入されて３つの経路に分岐する。そして、それぞれリッジストライプ構造９、９ａ、９ｂを経由して、エッチングストップ層５、下部クラッド層４およびＳＣＨ層３に流れ込む。
【００４８】
このとき、レーザ共振器の長手方向（＝リッジストライプ構造９の長手方向）においてリッジストライプ構造９のみ備える領域（図４）においては、ＳＣＨ層３に注入される電流の密度分布は、リッジストライプメサの左側底部と右側底部との間の中央付近の直下（リッジストライプ構造９の中央付近の直下）でピークを持ち、そこからリッジストライプメサの左側底部および右側底部の近傍へ向かって低くなり、さらにリッジストライプ構造９から外側に離れるにつれて減衰するプロファイルを有する。そのため、図４に示すように、ＳＣＨ層３には、リッジストライプ構造９直下付近の電流密度の高い利得領域Ｇと、その左右の電流密度の低い領域である損失領域Ｌａおよび損失領域Ｌｂとがそれぞれ形成される。
【００４９】
自励発振型半導体レーザの場合、レーザ共振器断面の屈折率分布における水平方向の屈折率段差Δｎで決まる光の潜在的広がり幅Ｗｒｇ（作り付けモードサイズ）は、利得領域Ｇの幅に対して大きく、利得領域Ｇの外側にはみ出して損失領域ＬａもしくはＬｂに懸かる部分が可飽和吸収体となる。上記可飽和吸収体は、それに見合ったＪ−Ｇ特性との組み合わせによって自励発振を引き起こし、光強度振動に連動したキャリア密度の振動に伴って、吸収係数大の状態と透明状態の間の振動を繰り返す。その結果、時間平均としての光強度分布の広がり幅Ｗｐ（発振モードサイズ）が利得領域Ｇの幅とＷｒｇの中間である導波モードでレーザ発振する。ここで、動作温度が高くなると、リッジストライプ構造９の左右両底部の下部クラッド層４を側方に向って流れる電流成分が増大するため、利得領域Ｇの幅が広くなってＷｒｇとの差が小さくなり可飽和吸収体のボリュームが減少し、自励発振が弱くなる傾向が生ずる。
【００５０】
本実施の形態においては、高い温度まで安定な自励発振動作を得るために、常温（例えば２５℃）でのＷｒｇと利得領域Ｇの幅の差を大きくし、レーザ共振器長手方向の単位長さあたりの可飽和吸収体のボリュームを大きめに確保している。また、上記リッジストライプ構造９のみ備える領域は、後述のストライプ構造９ａ、９ｂを備え可飽和吸収体の単位長さ当たりのボリュームが小さい領域と対比して、レーザ共振器全体において自励振動の原動力の大部分を占めているという意味で、「励振領域」と表現することができる。「励振領域」は、単位長さ当たりの可飽和吸収体のボリュームが大きいため、レーザ共振器内においては、導波損失の大きい導波路でもある。
【００５１】
一方、レーザ共振器長手方向において、リッジストライプ構造９の両側にリッジストライプ構造９ａ、９ｂを備える領域においては、図６に示すようにリッジストライプ構造９の直下近傍に電流密度の高い利得領域Ｇが、その左右のリッジ分離溝直下の電流密度が低い領域に損失領域Ｌａ、Ｌｂが、それぞれ形成される。リッジストライプ構造９ａ、９ｂの上部から注入される電流の大部分は、レーザ共振器とは分離した位置にある利得領域に流入するため、直接的にはレーザ発振には寄与せずに無効電流となってしまう。しかしながら、リッジストライプ構造９ａ、９ｂの上部から注入された電流の一部は、リッジ分離溝直下の下部クラッド層４を横方向に流れてＳＣＨ構造３に流入する経路、もしくは、リッジストライプ構造９ａ、９ｂ直下のＳＣＨ構造３に注入されたキャリアがＳＣＨ構造３内を横方向に拡散する経路を介して、リッジストライプ構造９のメサ底部近傍に向ってキャリアを供給する。
【００５２】
本実施の形態においては、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂは、リッジ分離溝の幅ＳａおよびＳｂが例えば５．０μｍと、リッジストライプ９に十分近接して設けられている。そのため、リッジストライプ構造９の下部の活性領域層（ＳＣＨ構造３）における電流密度のメサ底部から外側に向っての減衰が緩やかになり、リッジ分離溝の中央付近で極小値をとり、リッジストライプ構造９ａもしくは９ｂの下部に向って増大するプロファイルとなる。すなわち、リッジストライプ構造９の左右メサ底部の両側の損失領域ＬａおよびＬｂは、それぞれ、外側の利得領域を挟んで分断されて有限の幅を持ち、リッジ分離溝の幅ＳａもしくはＳｂよりも狭くなる。その結果、リッジストライプ構造９の下部の利得領域Ｇの幅は増大し、Δｎで決まる光の潜在的広がり幅Ｗｒｇに近い幅を持つに至り、リッジストライプ構造９ａ、９ｂを備えない領域においては大きなボリュームであった可飽和吸収体の大部分が消失している。
【００５３】
また、リッジストライプ構造９ａ、９ｂとリッジストライプ構造９との距離Ｓａ、Ｓｂは、Δｎで決まる光波モードの半値全幅（Ｗｒｇ／２）よりも大きいために、リッジストライプ構造９ａもしくは９ｂの直下の活性領域層（ＳＣＨ構造３）に注入されたキャリアはリッジストライプ構造９を導波するレーザ発振光の誘導放出の影響を受けない。したがって、リッジストライプ構造９ａ、９ｂの直下の活性領域層（ＳＣＨ構造３）に注入されたキャリアは、自励発振するレーザ光の強度振幅の干渉を受けることなく安定した速度で、リッジストライプ構造９のメサ底部近傍の活性領域層（ＳＣＨ構造３）へ供給される。そのため、自励振動の時間軸においてキャリア密度が極小となった後のキャリア再注入過程におけるリッジストライプ構造９のメサ底部近傍の活性領域層（ＳＣＨ構造３）のキャリア密度の回復は、リッジストライプ構造９ａ、９ｂを備える部位で確実に早まることとなり、可飽和吸収体のボリュームを安定に小さくさせることができる。
【００５４】
以上のように、レーザ共振器長手方向におけるリッジストライプ構造９ａ、９ｂが設けられている部位は、自励動作の状態にあって光強度が時間的に振動している場合においても、媒質として低損失な状態を保持し、かつ作り付けの屈折率導波構造で決まる光の広がり幅Ｗｒｇを上限とする比較的大きなスポットサイズに光波を導波させようとする機能を有する。上記領域は、前述のリッジストライプ構造９のみを備え可飽和吸収体の単位長さ当たりのボリュームが大きい「励振領域」と対比して導波損失が小さく、レーザ共振器全体において共振器損失を小さくする機能を有するという意味で、「低損失領域」と表現することができる。
【００５５】
本実施の形態の半導体レーザは、以上説明した導波損失が大きい「励振領域」と導波損失が小さい「低損失領域」がレーザ共振器長手方向に共存した構造を有している。たとえば共振器全長３５０μｍのうち２５０μｍは「励振領域」であり、残る１００μｍが「低損失領域」である。本実施の形態の半導体レーザの具体的作用を明らかにするために、共振器全長３５０μｍに渡って、上記実施の形態の半導体レーザの「励振領域」と同じ構造を有し、「低損失領域」がない構造の半導体レーザを、「従来構造のレーザ」と参照して説明を行なう。
【００５６】
本実施の形態の半導体レーザでは、リッジストライプ構造９ａ、９ｂに注入される電流のうち、リッジストライプ構造９の底部近傍の可飽和吸収体へ側方からキャリアを供給するのに寄与する成分以外は、レーザ発振に直接的には寄与しない無効電流となる。そのために、従来構造のレーザと比べて、閾値電流が高くなる、外部微分量子効率が低下してスロープ効率が低下する結果、動作電流が増大するというマイナス面の特性を有することになる。しかしながら、その一方で、以下に示す２つのプラス面の作用を生じさせることが可能となる。
【００５７】
第一の作用とは以下に示すものである。上述のように、本実施の形態の半導体レーザでは、導波損失の大きい「励振領域」の長さは従来構造のレーザの３５０μｍより短い２５０μｍとなっており、残りの１００μｍの長さは導波損失の小さい「低損失領域」に代わっている。そのため、レーザ共振器全体の導波損失は従来構造のレーザのそれよりも小さくなって、動作電流密度が低下する。その結果、動作電流密度の温度特性が改善し、Ｊ−Ｇ特性の傾きがより高温まで保たれるようになる。さらに、「励振領域」全体の可飽和吸収体のボリュームはその長さが短い分、従来構造のそれよりも減少するが、動作電流密度が低下する効果により単位長さ当たりの可飽和吸収体のボリュームは増大し、高温動作における可飽和吸収体のボリューム低下に対する耐性は増大する。したがって、従来構造のレーザと比べて高温動作での自励発振の安定性が向上する。
【００５８】
次いで、第二の作用とは以下に示すものである。従来構造のレーザの低温動作においては、共振器全体の利得と損失のバランスポイントに対するレーザ共振器長手方向の部位による利得過剰側へのズレの程度と損失過剰側へのズレの程度との差異が拡大することにより、共振器軸方向の光ポンピングによる可飽和吸収体の透明化が起こる傾向が強くなる。そのため、電流−光出力特性の立ち上がり形状のバラつきが大きくなる傾向が生じる。その結果、実用光出力範囲において安定な自励発振が得られる歩留まりが低くなる傾向となる。それに対し、本実施の形態の半導体レーザにおいては、「励振領域」の長さは従来構造の３５０μｍより短い２５０μｍとなっており、「励振領域」内での利得と損失の平均的バランスポイントからのズレ幅は小さくなり、「励振領域」内の共振器軸方向の光ポンピングによる可飽和吸収体の透明化が起こる傾向は弱くなって、電流−光出力特性の立ち上がり形状のバラつきを小さくすることができる。そして、「低損失領域」は常に利得過剰領域となっており、「低損失領域内」においては光ポンピングによる可飽和吸収体の透明化は起こらない。また、「励振領域」の「低損失領域」との接続部に近い領域においては、「低損失領域側」から「励振領域側」に進行する光によるポンピングで可飽和吸収体が透明化する部位が存在する。そして、その部位の大きさは「励振領域」での利得と損失のバランスポイントと「低損失領域」での利得と損失のバランスポイントの間の差異でほぼ決まっており、安定している。そのため、電流−光出力特性の立ち上がり形状に一定の影響を与えるものの、大きなバラつきは生じない。その結果、本実施の形態の半導体レーザにおいては、低温域において実用光出力範囲で安定な自励発振が得られる歩留まりが従来構造のレーザと比べて向上する。
【００５９】
１−３．製法の説明
以上に述べた構造および動作を有する自励発振型半導体レーザの製造は、周知の一般的な方法で行なわれる。以下、必要に応じて図２，図３、図５を参照しながら、第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの製造方法を簡単に説明する。
【００６０】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板（半導体基板１）上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）層（クラッド層２）、ＡｌＧａＩｎＰガイド層（ｘ＝０．４５）／量子井戸ＧａＩｎＰ層と量子井戸間バリアＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．４５）層とが交互に積層（それぞれ七層および六層）／ＡｌＧａＩｎＰガイド層（Ｘ＝０．４５）からなるＳＣＨ層（ＳＣＨ構造３）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）層（下部クラッド層４）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．２）層（エッチングストップ層５）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）層（上部クラッド層６）、ｐ型ＧａＩｎＰ層（ヘテロ中間層７）、およびｐ型ＧａＡｓ層（キャップ層８）を、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により順次エピタキシャル成長させる。
【００６１】
次に、熱ＣＶＤによるＳｉＯ２膜の形成、フォトリソグラフィによるレジストパターンの形成、弗酸系エッチングによるＳｉＯ２膜へのパターン転写、およびレジスト除去を通して、図２のストライプパターン（リッジストライプ構造９、９ａ、９ｂ）に対応するＳｉＯ２マスクパターンが形成される。続いて、前述のＳｉＯ２マスクパターンを用いて、燐酸系、臭酸系、もしくは塩酸系エッチャントを用いた周知のウェットエッチング方法およびエッチング停止方法により、ｐ型ＧａＡｓ層（キャップ層８）、ｐ型ＧａＩｎＰ層（ヘテロ中間層７）、およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）層（上部クラッド層６）をエッチングし、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．２）層（エッチングストップ層５）を露出させる。その結果、図３、図５に示されるように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）層（上部クラッド層６）、ｐ型ＧａＩｎＰ層（ヘテロ中間層７）、およびｐ型ＧａＡｓ層（キャップ層８）が、リッジストライプ構造９、９ａ、および９ｂを形成するように残存する。
【００６２】
このとき、リッジストライプ構造９のメサ底部幅Ｗは例えば３．５μｍ、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂのメサ底部幅ＷａおよびＷｂは例えば３．０μｍ、リッジストライプ構造９と９ａの分離溝幅Ｓａ、および９と９ｂの分離溝幅Ｓｂは例えば５．０μｍとなるよう設定されている。また、このときリッジストライプ構造９のみ形成される領域の各々の長さは例えば２５０μｍ、リッジストライプ９ａ、９ｂが形成される領域の各々の長さは例えば１００μｍとなるように設定されている。以上のリッジストライプ構造９、９ａおよび９ｂの各部の設定値は、上記のレジストパターン形成、ＳｉＯ２パターン転写、およびウェットエッチングの各工程を経る間のエッジの後退量を鑑みて、フォトリソグラフィに用いるレチクルパターンの対応する各部のサイズ設定にあらかじめ適切な補正を施すことによって制御されるものである。
【００６３】
次に、リッジストライプ構造９、９ａおよび９ｂの上部に残っているＳｉＯ２マスクパターンを用いた選択エピタキシャル成長を行い、各リッジストライプ構造の両側に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ（例えばｘ＝１）層（下部電流ブロック層１０）、ｎ型ＧａＡｓ層（上部電流ブロック層１１）が形成される。
【００６４】
次に、ＳｉＯ２マスクパターンが除去された後、ｐ型ＧａＡｓ層（コンタクト層１２）が形成される。その後、ｐ型ＧａＡｓ層（コンタクト層１２）の表面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極１３が形成される。その後、適切な温度の高温下での電極アロイによってｐ型ＧａＡｓ層（コンタクト層１２）と電極１３との間にオーミック接触層が形成される。そして、適当な厚さ（例えば１００μｍ）となるようにｎ型ＧａＡｓ基板（半導体基板１）の裏面が研磨された後に、ｎ側ＧａＡｓ基板（半導体基板１）の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１４が形成される。
【００６５】
次に、リッジストライプ構造９のみが形成された長さ２５０μｍの部分の中央に劈開面が出るように、素子長３５０μｍのレーザバーの切り出しが行なわれ、前方端面（光出射端面）の反射率が例えば３０％、後方端面の反射率が例えば７０％となるように反射膜コーティングが行なわれ、最後に素子幅が例えば２５０μｍとなるように切り出される。
【００６６】
このようにして、本発明の第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザ素子の製造が完了する。
【００６７】
２．第２の実施の形態
２−１．構造の説明
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す平面図である。図７のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線にそれぞれ沿った断面は、上述の第１の実施の形態における図３および図５に示す構造と同様である。本実施の形態の半導体レーザは、第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザとまったく同様の縦方向の積層構造を有している。第１の実施の形態との違いは、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂを備える領域、すなわち「低損失領域」に劈開端面が形成されていることにある。
【００６８】
上記のような自励発振型半導体レーザを構成する半導体構造の各層、および各部位の設定値（Ｗ、Ｗａ、Ｗｂ、Ｓａ、Ｓｂ）の具体的例は、第１の実施の形態の一例に示したものと同様のものが挙げられる。異なる部分だけを示すと、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂを備える「低損失領域」の長さが、２つの端面部のそれぞれについて５０μｍに設定されている。すなわち、リッジストライプ構造９ａは、片方の端面部に５０μｍあり、両端面部合わせて１００μｍとなる。同様に、リッジストライプ構造９ｂは、片方の端面部に５０μｍあり、両端面部合わせて１００μｍとなる。
【００６９】
本実施の形態の自励発振型半導体レーザの製造方法は、第１の実施の形態と同様である。異なる部分だけを示すと、レーザ共振器の長手方向にリッジストライプ構造９のみ備えた２５０μｍ長の領域とリッジストライプ構造９ａおよび９ｂを備えた１００μｍ長の領域において、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂを備えた領域の中央に劈開面が出るようにレーザバーが切り出されることである。
【００７０】
２−２．動作の説明
本発明の第２の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザによれば、レーザ共振器の長手方向に、「励振領域」（例えば２５０μｍ）と「低損失領域」（例えば１００μｍ）が共存している点は、第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザと同様である。そのため、第１の実施の形態と同じ効果が得られる。それに加えて、図７に示すように、光出射端面が「低損失領域」に形成されている。ここで、本実施の形態の自励発振型半導体レーザでは、第１の実施の形態の自励発振型半導体レーザと同様に、レーザ共振器を導波する発振光の時間平均値としての水平方向のスポットサイズＷｐは、可飽和吸収体のボリュームが大きい「励振領域」では比較的小さくなり、可飽和吸収体のボリュームが小さい「低損失領域」では比較的大きくなる。従って、本実施の形態の自励発振型半導体レーザは、光出射端面が「低損失領域」に形成されており水平方向のスポットサイズが比較的大きく、同じ光出力で動作させたときに比較的に光密度が小さくなる。その結果、端面の光摩耗劣化が抑制され信頼性が向上する。
【００７１】
ここで、第１の実施の形態の自励発振型半導体レーザの動作について補足すると、上記の第２の実施の形態とは異なり、光出射端面が「励振領域」に形成されているため水平スポットサイズが比較的小さく、同じ光出力で動作させたときに比較的に光密度が大きくなる。そのため、信頼性の観点からは不利とはなる。しかし、その一方で、従来構造のレーザのスポットサイズと大きく変わらない値に保持することができる。そのため、従来構造の半導体レーザと組み合わせて用いられる光学系との整合がよく、光ピックアップ装置全体での開発コストが優先される場合には有利となる。
【００７２】
３．第３の実施の形態
３−１．構造の説明
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す平面図である。図８のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線にそれぞれ沿った断面は、上述の第１の実施の形態における図３および図５に示す構造と同様である。本実施の形態の半導体レーザは、第１の実施の形態の自励発振型半導体レーザとまったく同様の縦方向の積層構造を有している。第１の実施の形態との違いは、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂを備える領域、すなわち「低損失領域」が、レーザ共振器長手方向の二箇所以上の複数位置に分布して形成されていることにある。
【００７３】
上記のような自励発振型半導体レーザを構成する半導体構造の各層、および各部位の設定値（Ｗ、Ｗａ、Ｗｂ、Ｓａ、Ｓｂ）の具体的例は、第１の実施の形態の一例に示したものと同様のものが挙げられる。特に、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂのメサ底部幅Ｗａ、Ｗｂおよびリッジ分離溝幅Ｓａ、Ｓｂは、レーザ共振器内の異なる位置においても共通の設定値を有する。第１の実施の形態と異なる部分だけを具体的に示すと、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂを備える「低損失領域」の各々は、長さが２０μｍに設定されており、レーザ共振器長手方向に等間隔に５箇所に形成されている。隣り合う「低損失領域」の間のリッジストライプ構造９のみ備える「励振領域」の長さは５０μｍであり、レーザ共振器の２つの端面部は、各々の長さが２５μｍの「励振領域」となっている。すなわち、リッジストライプ構造９のみ備える「励振領域」の長さは合わせて２５０μｍとなる。リッジストライプ構造９ａは合わせて１００μｍとなる。同様に、リッジストライプ構造９ｂは合わせて１００μｍとなる。
【００７４】
本実施の形態の自励発振型半導体レーザの製造方法は、リッジストライプ構造９、９ａおよび９ｂを形成する工程におけるフォトリソグラフィによるレジストパターンを、図８に示すパターンに対応するものに変更することを除いて、第１の実施の形態の製造方法と同様である。
【００７５】
３−２．動作の説明
本発明の第３の実施の形態の自励発振型半導体レーザによれば、レーザ共振器の長手方向に、「励振領域」（例えば合計の長さで２５０μｍ）と「低損失領域」（例えば合計の長さで１００μｍ）が共存している点は、第１の実施の形態の半導体レーザと同様である。そのため、第１の実施の形態と同じ効果が得られる。それに加えて、本実施の形態の自励発振型半導体レーザでは、図８に示すようにレーザ共振器を成すリッジストライプ構造９に沿って、２０μｍの長さ「低損失領域」が長手方向の５箇所に均等間隔で形成されている。
【００７６】
本実施の形態の自励発振型半導体レーザの比較対照である第１の実施の形態の自励発振型半導体レーザにおいては、「励振領域」を比較的小さなスポットサイズで導波する発振光が、「低損失領域」へと接続して引き続き「低損失領域」を導波する間に、光強度増幅を受けながら発振光スポットサイズが拡大する方向に変換される。上記「低損失領域」を比較的大きなスポットサイズで導波する発振光が、再度「励振領域」へと接続し引き続き「励振領域」を導波する間に、発振光スポットサイズは縮小方向に変換される。それと同時に、「励振領域」の接続部近傍においては、「低損失領域」においてリッジ底部の外側に比較的大きく広がった光強度分をもつ光波の吸収により「励振領域」の可飽和吸収体の透明化が局所的に強く引き起こされる。その結果、共振器長手方向の「励振領域」の両端の「低損失領域」との接続部近傍においては、レーザ共振器長手方向の光ポンピングによって透明化する、いわゆる共振器軸方向の可飽和吸収体が局所的に生じる。「励振領域」の導波路スポットサイズと「低損失領域」のスポットサイズの差が大きい場合には、レーザ共振器全体の可飽和体のボリュームに対する上記局所的に分布する共振器軸方向の可飽和吸収体のボリュームが占める割合が強くなり、電流光出力特性において光出力の立ち上がりが急峻となって、戻り光ノイズの発生に対する耐性を良好に保持することができる実用光出力の下限値が増大する傾向となる。
【００７７】
それに対して、本実施の形態の自励発振型半導体レーザにおいては、「低損失領域」を短い長さに分割してレーザ共振器長手方向の複数位置の配置しており、各々の「低損失領域」を導波する間のスポットサイズの変換量が小さくなって、再び「励振領域」へと接続する際の発振光のスポットサイズと「励振領域」導波路スポットサイズの差は縮小するために、「励振領域」の両端部に生ずる共振器軸方向可飽和吸収体のボリュームは縮小する。さらに、「励振領域」が複数位置に分布して形成されるのにともない、共振器軸方向可飽和吸収体は、レーザ共振器長手方向に分散して配置されて局所性が緩和される。その結果、電流光出力特性における光出力立ち上がりの急峻性増大が抑制され、戻り光ノイズの発生に対する耐性が保持される実用光出力の下限を増大させることなく、安定に自励動作する温度範囲を高温側に拡大することが可能となる。
【００７８】
なお、上記第３の実施の形態では、劈開端面が「励振領域」の中央部に形成されているため、第１の実施の形態と同様に、スポットサイズを従来レーザのそれと大きく変わらない値に保持することができるという効果が得られる。
【００７９】
更に、上記第３の実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、劈開端面が「低損失領域」の中央部に形成されるように変更してもよい。図９は、本発明の第３の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの他の構成を示す平面図である。劈開端面は、端部にある「低損失領域」の中央部に形成されている。この場合、上記の電流光出力特性における急峻性増大を抑制するという効果を得ると同時に、第２の実施の形態と同様、光出射端面における光密度が比較的に低くなることにより信頼性が向上するという効果が得られる。
【００８０】
４．第４の実施の形態
４−１．構造の説明
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す平面図である。図１１および図１２は、本発明の第４の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの動作を説明する断面図である。ただし、図１１は図１０のＡ−Ａ線に、図１２は図１０のＢ−Ｂ線にそれぞれ沿った断面図である。すなわち、リッジストライプ構造９の長手方向に垂直な断面図である。
【００８１】
図１０のＡ−Ａ線に沿った断面（図１１）の構造およびＢ−Ｂ線にそれぞれ沿った断面（図１２）の構造は、上述の第１の実施の形態における図２および図４に示す構造と同様の縦方向の積層構造を有している。また、上述の第３の実施の形態と同様に、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂを備える領域、すなわち「低損失領域」が、レーザ共振器長手方向の二箇所以上の複数位置に分布して形成されている。第１の実施の形態および第３の実施の形態との第１の違いは、図１１および図１２に示すように、リッジストライプ構造９、９ａおよび９ｂのメサ斜面の傾斜角度が左右で大きくことなっていることである。すなわち、左右非対称なことである。さらに、第２の違いは、例えば左側斜面が緩斜面で、右側の斜面が急斜面である場合には、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂを備える「低損失領域」においてリッジストライプ構造９の緩斜面側のリッジ分離溝幅Ｓａが、同急斜面側のリッジ分離溝幅Ｓｂよりも小さいことである。
【００８２】
上記のような自励発振型半導体レーザを構成する半導体構造の各層、および各部位の設定値の具体的例は、第１の実施の形態の一例および第３の実施の形態の一例に示したものと大部分は共通のものが挙げられる。半導体構造各層の組成、層厚、不純物濃度、リッジストライプ９のメサ底部幅Ｗ、リッジストライプ９ａおよび９ｂのメサ底部幅Ｗａ、Ｗｂは、第１の実施の形態で挙げた例と同じものである。また、「励振領域」の個数や各々の長さおよび配置は、第３の実施の形態で上げた例と同じものである。
【００８３】
第１の実施の形態もしくは第３の実施の形態と異なる部分だけを以下に具体的に示す。用いるｎ型ＧａＡｓ基板（半導体基板１）の面方位が（１００）面から１５．８度だけ（０１１）方向に傾いた、いわゆる（５１１）Ａ面であることを反映して、リッジストライプ構造９、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂの左側のメサ斜面である（１１１）面は、水平面に対して、３９度傾いた緩斜面であり、同上右側のメサ斜面である（１−１−１）面は７０．５度傾いた急斜面となっている。そして、リッジストライプ構造９の緩斜面側のリッジ分離溝幅Ｓａは３．５μｍ、同急斜面側のリッジ分離溝幅Ｓｂが６μｍとなっている。
【００８４】
本実施の形態の自励発振型半導体レーザの製造方法は、リッジストライプ構造９、９ａおよび９ｂを形成する工程におけるフォトリソグラフィによるレジストパターンを、図１０に示すパターンに対応するものに変更することを除いて、第１の実施の形態の製造方法と同様である。
【００８５】
４−２．動作の説明
本発明の第４の実施の形態の自励発振型半導体レーザは、上述のように例えば（５１１）Ａ面のような（１００）面からのオフ角度の大きい基板上に形成され、図１１、図１２に示すようにリッジストライプ構造９、９ａおよび９ｂのメサ斜面の水平面に対する傾斜角が左右で大きく異なっている。本実施の形態の自励発振型半導体レーザの具体的作用を明らかにするために、上記実施の形態の自励発振型半導体レーザと同様に（５１１）Ａ面上に形成され、本実施の形態の自励発振型半導体レーザの「励振領域」と同じ構造、すなわちリッジストライプ構造９の左右のメサ斜面の傾斜角度が大きく異なる構造を共振器の全長３５０μｍに渡って有し、「低損失領域」がない構造の自励発振型半導体レーザを、「従来構造のレーザ」と参照して説明を行なう。
【００８６】
本発明の第４の実施の形態の自励発振型半導体レーザによれば、レーザ共振器の長手方向に、「励振領域」（例えば合計の長さで２５０μｍ）と「低損失領域」（例えば合計の長さで１００μｍ）が共存している点で、第１の実施の形態の自励発振型半導体レーザと同様である。そのため、従来構造のレーザに対して第１の実施の形態と同じ効果が得られる。それに加えて、本実施の形態の自励発振型半導体レーザでは、図１０に示すようにリッジストライプ構造９の緩斜面側のリッジ分離溝幅Ｓａは３．５μｍ、同急斜面側のリッジ分離溝幅Ｓｂが６μｍとなっている。
【００８７】
前述の背景技術で説明した自励発振型半導体レーザには、戻り光ノイズの発生に対する耐性が保たれるように、安定に自励動作する温度範囲を高温側に拡大しようとすると、以下のような問題も生じる。すなわち、例えば（１００）結晶面から（０１１）方向にある一定角度だけ傾斜した基板面を有するいわゆるオフ基板を通常用いて製造されるＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系の赤色半導体レーザのように、導波路となるメサの斜面の傾きが左右非対称である場合には、共振器端面から出射したビームの水平放射パターンの中心方向の共振器の軸方向からのズレが大きくなってしまうという問題である。その原因は、メサ上方から注入された電流の活性層に至るまでの広がり方が左右非対称となり、電流密度のピークとなる位置が左右のメサ底部の中心ではなく、メサ急斜面側にずれた位置になり、メサ底部近傍の電流密度は、急斜面側よりも緩斜面側でより低くなることにある。その結果、水平方向の作り付けの屈折率構造による導波路スポットの中心がほぼメサ底部の中心である（左右のメサ傾斜角度の違いの影響が小さい）のに対し、水平方向の利得分布の中心はメサ底部中心ではなくメサ急斜面側にずれた位置となる。上記、屈折率分布の中心と利得分布中心のずれは、発振光がレーザ共振器長手方向を進行する際に蛇行を起こしやすくする原因となる。安定に自励動作する温度範囲を高温側に拡大するために作り付けの吸収体の体積の増大、Ｊ−Ｇ特性の傾きの増大を施した場合、上記屈折率分布の中心と利得分布中心のずれによる蛇行が顕著になるため、共振器端面から出射したビームの水平放射パターンの中心方向が、共振器の軸方向からのズレが大きくなってしまう。
【００８８】
本実施の形態の自励発振型半導体レーザでは、「励振領域」においては、図１１に示すようにメサの左右水平方向の実効的な屈折率の段差形状による光閉じ込め構造の中心は、左側のメサ底部と右側のメサ底部との間、すなわち左右方向のメサ底部（左右メサ底部）の中心と一致する。一方、電流パスの長さが緩斜面側より急斜面側で短いことを反映してＳＣＨ層（ＳＣＨ構造３）へのキャリア注入が急斜面寄りに効率的になされることにより、利得分布の中心は左右メサ底部の中心から急斜面側にずれた位置となる。一方、「低損失領域」においては、図１２に示すようにリッジストライプ構造９の緩斜面側のリッジ分離溝幅Ｓａが、同急斜面側のリッジ分離溝幅Ｓｂよりも小さくなっている。そのため、左右のリッジストライプ構造９ａ，９ｂからの電流注入により、リッジストライプ構造９のメサ底部下部へ供給される電流の大きさを比較すると、メサ緩斜面側の左側でより大きくなる。これにより、「低損失領域」における利得分布の中心は、左右メサ底部の中心から急斜面側にずれた位置から中心に近い位置引き戻された位置か、または左右メサ底部の中心から緩斜面側にずれた位置となる。すなわち、利得分布の中心の屈折率分布の中心からのズレが、「励振領域」ではメサ急斜面側に大きいのに対し、「低損失領域」ではそのズレが小さいか、または逆方向のズレとなり、レーザ共振器全体の平均値としての利得分布の中心と屈折率分布中心とのズレは、共振器全長に渡ってズレが大きい従来構造のレーザのそれと比べると小さくなる。したがって、発振光がレーザ共振器長手方向を進行する際の蛇行は、従来構造のレーザよりも起こりにくくなる。
【００８９】
５．第５の実施の形態
５−１．構造の説明
図１３は、本発明の第５の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す平面図である。図１１、図１４および図１５は、本発明の第５の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの動作を説明する断面図である。ただし、図１１は図１３のＡ−Ａ線に、図１４は図１３のＢ−Ｂ線に、図１５は図１３のＣ−Ｃ線にそれぞれ沿った断面図である。すなわち、リッジストライプ構造９の長手方向に垂直な断面図である。
【００９０】
図１３のＡ−Ａ線に沿った断面は、上述の第４の実施の形態における図１１に示すものと同様の構造を有している。すなわち、リッジストライプ構造９のメサ斜面の傾斜角度が左右で大きくことなっている。図１３のＢ−Ｂ線に沿った断面は、図１４に示すように、上述の第４の実施の形態における図１２に示す構造と同様にリッジストライプ構造９の両脇にリッジストライプ構造９ａ、９ｂを備え、それぞれメサ斜面の傾斜角度が左右で大きく異なっている。しかし、第４の実施の形態と異なる点は、リッジストライプ９の緩斜面側のリッジ分離溝幅Ｓａと急斜面側のリッジ分離溝幅Ｓｂは等しく設定されている。また、図１３に示すように、上述の第３の実施の形態と同様にリッジストライプ構造９ａおよび９ｂを備える領域、すなわち「低損失領域」がレーザ共振器長手方向の二箇所以上の複数位置に分布して形成されている。しかし、特徴的な違いとしては、例えば左側斜面が緩斜面で、右側の斜面が急斜面である場合には、リッジストライプ構造９ａの各々の長さｌａはリッジストライプ構造９ｂの各々の長さｌｂと比べて長い構造となっている。
【００９１】
上記のような自励発振型半導体レーザを構成する半導体構造の各層、および各部位の設定値の具体的例は、第１の実施の形態の一例に示したものと大部分は共通のものが挙げられる。すなわち、半導体構造各層の組成、層厚、不純物濃度、リッジストライプ構造９のメサ底部幅Ｗ、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂのメサ底部幅Ｗａ、Ｗｂ、リッジストライプ構造９の左右両側のリッジ分離溝幅ＳａおよびＳｂは、第１の実施の形態で挙げた例と同じものである。
【００９２】
第１の実施の形態もしくは第３の実施の形態と異なる部分だけを具体的に示す。用いるｎ型ＧａＡｓ基板（半導体基板１）の面方位が（１００）面から１５．８度だけ（０１１）方向に傾いた、いわゆる（５１１）Ａ面であることを反映して、リッジストライプ構造９、リッジストライプ構造９ａおよび９ｂの左側のメサ斜面である（１１１）面は、水平面に対して、３９度傾いた緩斜面であり、同上右側のメサ斜面である（１−１−１）面は７０．５度傾いた急斜面となっている。そして、リッジストライプ構造９ａは、各々の長さｌａが３０μｍであり、長手方向に４０μｍのリッジストライプ構造のない部分を間に置いて５箇所にわたって形成されている。一方、リッジストライプ構造９ｂは、各々の長さは１０μｍであり、長手方向に６０μｍのリッジストライプ構造のない部分を間において５箇所にわたって形成されている。このように、本実施の形態の半導体レーザは、ｌａがｌｂよりも大きいために、図１３のＣ−Ｃ線に沿った断面に示すように、リッジストライプ構造の左側のリッジストライプ構造９ａのみを備える領域を有している。
【００９３】
本実施の形態の自励発振型半導体レーザの製造方法は、リッジストライプ構造９、９ａおよび９ｂを形成する工程におけるフォトリソグラフィによるレジストパターンを、図１３に示すパターンに対応するものに変更することを除いて、第１の実施の形態の製造方法と同様である。
【００９４】
５−２．動作の説明
本発明の第５の実施の形態の自励発振型半導体レーザは、上述のように例えば（５１１）Ａ面のような（１００）面からのオフ角度の大きい基板上に形成され、図１１、図１４、図１５に示すようにリッジストライプ構造９、９ａおよび９ｂのメサ斜面の水平面に対する傾斜角が左右で大きく異なっている。本実施の形態の半導体レーザの具体的作用を明らかにするために、上記実施の形態の自励発振型半導体レーザと同様に（５１１）Ａ面上に形成され、本実施の形態の自励発振型半導体レーザの「励振領域」と同じ構造、すなわちリッジストライプ構造９の左右のメサ斜面の傾斜角度が大きく異なる構造を共振器の全長３５０μｍに渡って有し、「低損失領域」がない構造の自励発振型半導体レーザを、「従来構造のレーザ」と参照して説明を行なう。
【００９５】
本発明の第５の実施の形態の自励発振型半導体レーザによれば、レーザ共振器の長手方向に、「励振領域」（例えば合計の長さで２００μｍ）とリッジストライプ構造９ａ、９ｂを備える「低損失領域」（例えば合計の長さで５０μｍ）、リッジストライプ構造９ａのみを備える準「低損失領域」（例えば合計１００μ）が共存している点で、第１の実施の形態の自励発振型半導体レーザと同様である、そのため、従来構造のレーザに対して第１の実施の形態と同じ効果が得られる。それに加えて、本実施の形態の自励発振型半導体レーザでは、図１３に示すようにリッジストライプ構造９の緩斜面側のリッジストライプ構造９ａの各々の長さｌａ（＝３０μｍ）は、リッジストライプ構造９の緩斜面側のリッジストライプ構造９ｂの各々の長さｌｂ（＝１０μｍ）よりも長くなっている。
【００９６】
本実施の形態の自励発振型半導体レーザでは、「励振領域」においては、図１１に示すようにメサの左右水平方向の実効的な屈折率の段差形状による光閉じ込め構造の中心は左右メサ底部の中心と一致するのに対し、電流パスの長さが緩斜面側より急斜面側で短いことを反映してＳＣＨ層（ＳＣＨ構造３）へのキャリア注入が急斜面寄りに効率的になされることにより、利得分布の中心は左右メサ底部の中心から急斜面側にずれた位置となる。一方、リッジストライプ構造９において、左側のリッジストライプ構造９ａが設けられた領域においては、リッジストライプ構造９の左側メサ底部に電流が側方から供給されることにより電流密度のピークが緩斜面側にシフトする。右側にリッジストライプ構造９ｂが設けられた領域においては、リッジストライプ構造９の右側メサ底部に電流が側方から供給されることにより電流密度のピークが急斜面側にシフトする。左側のリッジストライプ構造９ａの長さｌａを右側のリッジストライプ構造９ｂの長さｌｂよりも大きくすることにより、ジッリストライプ９ａまたは９ｂが設けられた「低損失領域」の平均としての利得分布中心は、左右メサ底部の中心に対して緩斜面側にずれた位置となる。すなわち、屈折率分布の中心と利得分布の中心とのズレの方向は、「励振領域」と「低損失領域」は逆方向となる。その結果、レーザ共振器全体の平均値としての利得分布の中心と屈折率分布中心とのズレは小さくなることにより、発振光がレーザ共振器長手方向を進行する際の蛇行は、従来構造のレーザよりも起こりにくくなる。
【００９７】
本発明による自励発振型半導体レーザによれば、以上説明したように左右メサ底部の比較的大きな可飽和吸収体を有するレーザ共振器の長手方向に、可飽和吸収体のボリュームが低減された低損失領域を備えることにより、動作電流密度を下げることができ、より高い温度まで安定な自励発振動作を得ることができる。また、可飽和吸収体のボリュームの大きい励振領域を短くすることにより、低温動作における電流−光出力の立ちあがり特性の不安定性を緩和することができる。
【００９８】
さらに、本発明による自励発振型半導体レーザによれば、以上説明したように利得領域の中心と作り付けの導波モードの中心のずれが大きい場合においてもレーザ共振器長手方向に、上記ずれが小さいか、逆方向のずれである領域を備えることにより、平均的なズレ量を小さくすることができ、出射光の水平方向の放射パターンの中心と共振器軸方向とのずれを小さくすることができる。
【００９９】
以上により、本発明の自励発振型半導体レーザによれば、低温動作時の自励動作の安定性を損なうことなく、従来よりも高い温度においても安定に自励発振する自励発振型半導体レーザを、高い製造歩留まりで提供することが可能となる。
【０１００】
本発明の産業上の活用例として、ポータブル機器、薄型テレビ内蔵型、車載型などの使用温度範囲が高温側に広い光ディスク装置において使用される半導体レーザ素子が挙げられる。
【０１０１】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形または変更され得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】図１は、特開平１１−２２０２１０号公報に記載の自励発振型半導体レーザの具体的な構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の第１〜３の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１〜３の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザにおける屈折率分布による作り付けのモードサイズ、利得領域幅、および発振モードサイズの関係を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の第１〜３の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の第１〜３の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザにおける屈折率分布による作り付けのモードサイズ、利得領域幅、および発振モードサイズの関係を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す平面図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す平面図である。
【図９】図９は、本発明の第３の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの他の構成を示す平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す平面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第４および第５の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザにおける屈折率分布による作り付けのモードサイズ、利得領域幅、および発振モードサイズの関係を示す断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第４の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザにおける屈折率分布による作り付けのモードサイズ、利得領域幅、および発振モードサイズの関係を示す断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第５の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構成を示す平面図である。
【図１４】図１４は、本発明の第５の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザにおける屈折率分布による作り付けのモードサイズ、利得領域幅、および発振モードサイズの関係を示す断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の第５の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザにおける屈折率分布による作り付けのモードサイズ、利得領域幅、および発振モードサイズの関係を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１  半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ基板）
２  クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層）
３  ＳＣＨ構造（ＳＣＨ層：ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層、ＧａＩｎＰ層／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸構造、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層）
４  下部クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層）
５  エッチングストップ層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層）
６  上部クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層）
７  ヘテロ中間層（ｐ型ＧａＩｎＰ層）
８  キャップ層（ｐ型ＧａＡｓ層）
９  リッジストライプ構造
９ａ  リッジストライプ構造
９ｂ  リッジストライプ構造
１０  下部電流ブロック層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層）
１１  上部電流ブロック層（ｎ型ＧａＡｓ層）
１２  コンタクト層（ｐ型ＧａＡｓ層）
１３  ｐ側電極
１４  ｎ側電極
５００  自励発振型半導体レーザ
５０１  ｎ型ＧａＡｓ基板
５０２  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
５０２ａ  ガイド層
５０３  ＧａＩｎＰ活性層
５０４  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
５０５  ｐ型ＧａＩｎＰ中間層
５０６  ｐ型ＧａＡｓキャップ層
５０７  ストライプ部
５０８  ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層
５０９  ｐ側電極
５１０  ｎ側電極
【図１】
2010135564.tif 000003
【図２】
2010135564.tif 000004
【図３】
2010135564.tif 000005
【図４】
2010135564.tif 000006
【図５】
2010135564.tif 000007
【図６】
2010135564.tif 000008
【図７】
2010135564.tif 000009
【図８】
2010135564.tif 000010
【図９】
2010135564.tif 000011
【図１０】
2010135564.tif 000012
【図１１】
2010135564.tif 000013
【図１２】
2010135564.tif 000014
【図１３】
2010135564.tif 000015
【図１４】
2010135564.tif 000016
【図１５】
2010135564.tif 000017