(57)【要約】【課題】狭透過波長帯域特性のバンドパスフィルタによって発光波長を選択する半導体発光装置において、電流変化や温度変化等に対する許容度を高め、単一モードで安定に発振可能にする。【解決手段】テーパストライプ型の半導体光増幅器10の端面10ｂから出射した光ビーム11を狭透過波長帯域特性の干渉フィルタ14に通して波長選択し、その光ビーム11をミラー13で反射させて半導体光増幅器10に戻す半導体発光装置において、半導体光増幅器10のファブリ・ペロ内部モードの間隔をｄλｏ  （単位はｎｍ）としたとき、干渉フィルタ14として、透過帯域幅ＢＷ（２回透過時の半値全幅：単位はｎｍ）が（ｄλｏ  −0.025 ）／ 0.214なる値よりも小さいものを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テーパストライプ型の半導体光増幅器と、この半導体光増幅器の一端面から出射した光を反射させて前記一端面に戻すミラーと、前記光の光路に挿入された狭透過波長帯域特性のバンドパスフィルタとからなる半導体発光装置において、
前記半導体光増幅器のファブリ・ペロ内部モードの間隔をｄλｏ  （単位はｎｍ）としたとき、前記バンドパスフィルタとして、透過帯域幅ＢＷ（２回透過時の半値全幅：単位はｎｍ）が（ｄλｏ  −0.025 ）／ 0.214なる値よりも小さいものが用いられていることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
半導体光増幅器の前記一端面と反対側の端面の反射率が１％以上とされていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光装置に関し、特に詳細には、発光源として半導体光増幅器を備え、この半導体光増幅器から出射した光を波長選択した上で該半導体光増幅器に戻すことにより、発光波長を所望値に制御するようにした半導体発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体を利用して単一波長の高出力の光ビームを得る試みが種々なされている。非特許文献１には、そのような半導体発光装置の一つが示されている。
【０００３】
この半導体発光装置は、図１２に示すように発光源として半導体光増幅器１を有し、この半導体光増幅器１の後方端面１ａから出射した光をレンズ２によって平行光化した後、反射型回折格子３で反射させて半導体光増幅器１に戻すようにしたものである。この構成においては、回折格子３によって波長選択された光４が半導体光増幅器１に戻されることにより、その前方端面１ｂから出射する光４Ｆの波長が単一波長にロックされる。またこの半導体発光装置においては、回折格子３における光入射角が変化するようにその設置角度を調整することにより、発光波長をある程度の範囲内で変化させることもできる。
【０００４】
この外部光学系によって発光波長を選択する従来の半導体発光装置は、回折格子における回折角度が波長に応じて変化することを利用しているので、波長選択するためには、回折格子で反射後に所定の光路から外れて進行する光ビームをカットする空間的アパーチャが必要となる。そのために従来は、図１２にも示される通り、半導体光増幅器１として外部光学系側のストライプ幅Ｗｉを例えば４μｍと狭くしたテーパストライプ増幅器を用いて、この狭いストライプを実質上の空間的アパーチャとしていたが、そのような狭いストライプ幅の半導体光増幅器を使用しなければならないという制限があると、高出力化等の要求に応えることが難しくなる。
【０００５】
また、上記従来の半導体発光装置においては、所望の発光波長を得るために回折格子の角度を高精度で所定角度に設定する必要があり、その調整作業が非常に面倒かつ困難なものとなる。さらに、回折格子は一般にかなり高価であることから、上記半導体発光装置は安価に作製することが難しいものとなっている。
【０００６】
このような問題を解決するために、本出願人は先に、外部光学系により発光波長を選択可能で、半導体光増幅器の選択の自由度が高く、低コスト化の要求に応えることができ、また調整も容易な半導体発光装置を提案した（特許文献１参照）。
【０００７】
この半導体発光装置は、上述した回折格子の代りにバンドパスフィルタによって発光波長を選択するものであり、すなわち、半導体光増幅器と、この半導体光増幅器の一端面から出射した光を反射させて前記一端面に戻すミラーと、前記光の光路に挿入された狭透過波長帯域特性のバンドパスフィルタとから構成されたことを特徴とするものである。
【０００８】
この半導体発光装置において、半導体光増幅器の一端面から出射した光は、バンドパスフィルタによって狭い波長帯域に波長選択され、その光が半導体光増幅器に戻されるので、前述の回折格子を用いる場合と同様に、半導体光増幅器の発光波長が単一波長に制御される。
【０００９】
またこの半導体発光装置においては、波長選択がバンドパスフィルタのみによって行なわれるので、特に空間的アパーチャは必要ではない。したがって、半導体光増幅器としてストライプ幅が狭いものを限定使用する必要がなくなり、高出力タイプのものも含めて多様な半導体光増幅器を選択可能となる。
【００１０】
また一般にバンドパスフィルタは、回折格子と比べれば安価に作製できるので、この半導体発光装置は、回折格子を用いる従来の半導体発光装置よりも低コストで形成可能となる。
【００１１】
そして、バンドパスフィルタは回折格子と異なって、角度分散によって波長選択性を得るものではないので、発光波長選択のために該バンドパスフィルタを厳密に角度調整する必要はない。したがってこの半導体発光装置は、調整も容易なものとなる。
【特許文献１】特開平８−３２１６１号公報
【非特許文献１】ELECTRONICS LETTERS （エレクトロニクス・レターズ）  Vol.29，No.14,(1993) pp.1254〜1255
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上の通り特許文献１の半導体発光装置は、前述した種々の問題を解決できるものであるが、その半面、電流変化や温度変化等によって発振モードが変化するので、単一モードで安定に発振させるために精密な電流制御や温度制御が必要となっていた。
【００１３】
以下、狭透過波長帯域特性のバンドパスフィルタを用いて発光波長を選択する従来の半導体発光装置において、発振モードが変化する様子について詳しく説明する。図２は、バンドパスフィルタを用いた従来の半導体発光装置の一例を示すものであり、この半導体発光装置はテーパストライプ10ａを有する半導体光増幅器10と、この半導体光増幅器10の後方端面10ｂから出射した光ビーム11を平行光化するコリメータレンズ12と、平行光となった上記光ビーム11を元の光路を戻るように反射させる、例えばＡｌからなるミラー13と、このミラー13とコリメータレンズ12との間において光ビーム11の光路に挿入された狭帯域干渉フィルタ14と、上記コリメータレンズ12と共焦点光学系を構成し、平行光となった光ビーム11をミラー13上で収束させる集光レンズ15とで構成されている。
【００１４】
上記半導体光増幅器10は図３に示すように、例えばテーパストライプ10ａの後方端面10ｂ側の幅Ｗｒが４μｍ、前方端面10ｃ側の幅Ｗｆが160 μｍ、後方端面10ｂおよび前方端面10ｃの反射率が共に0.1 ％以下、長さ（共振器長）Ｌが1500μｍのものである。
【００１５】
上記の半導体発光装置において、狭帯域干渉フィルタ14として図４のＦ２の分光透過特性を有する狭帯域透過フィルタを用いた場合の、発振波長の駆動電流依存性を図５に示す。ここに示される通り、駆動電流が増大すると半導体接合部の温度上昇により発振波長は長波長側ヘシフトするが、狭帯域干渉フィルタ14の効果によりほぼ単一のスペクトルで発振する。
【００１６】
この際、外部共振器において光が１往復したとき、つまり光がフィルタ14を２回通過したときの透過波長帯域の半値全幅より狭い範囲で、波長がジグザグ状に変化する。これは、半導体光増幅器10の両端面10ｂおよび10ｃを反射率0.1 ％以下に形成したとはいえ、半導体光増幅器内部のファブリ・ペロ・モードの残留があり、フィルタ14の規制を受けながら短波長側の次の内部モードヘモードホップすることに起因している。
【００１７】
上記従来の半導体発光装置は、単一波長で発振する際のスペクトルの半値全幅が例えば0.01ｎｍ以上と広く、スペクトル純度が良くない。また、図４のＦ１のフィルタを用いて更に発振スペクトルを安定化した場合においても、単一モードで発振する電流およびデバイス温度の範囲が狭く、遠視野像も電流変化に伴って例えば図６に示すように大きく変化する。
【００１８】
特に遠視野像の変化は、レーザビームプリンタやレーザビームスキャナ等において重大な支障を及ぼす欠点である。それらの機器に用いられる半導体光増幅器は、高出力用として形成されてビーム出射幅が一般に50μｍ以上と広いため、回折限界に近いビームの遠視野は、図６のように１度以下の拡がり角の強ビームとなる。実際には、一旦スリットなどに集光して周辺のサイドローブをカットして使用することが多いが、この際にビーム変形が生じると、スリットのような空間フィルタを透過する光量が変動する。このように、ビーム形状の変形と同時に強度変動が生じると、半導体発光装置の応用上大きな問題となる。
【００１９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、狭透過波長帯域特性のバンドパスフィルタによって発光波長を選択し、そして、電流変化や温度変化等に対する許容度が高くて単一モードで安定に発振する半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００２０】
また本発明は、上記の要求を満たした上でさらに、発振ビームの遠視野像の変化も少い半導体発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明による第１の半導体発光装置は、前述したようにテーパストライプ型の半導体光増幅器と、この半導体光増幅器の一端面から出射した光を反射させて前記一端面に戻すミラーと、前記光の光路に挿入された狭透過波長帯域特性のバンドパスフィルタとから構成されて、このバンドパスフィルタによって発光波長を選択する半導体発光装置において、
半導体光増幅器のファブリ・ペロ内部モードの間隔をｄλｏ  （単位はｎｍ）としたとき、バンドパスフィルタとして、透過帯域幅ＢＷ（２回透過時の半値全幅：単位はｎｍ）が（ｄλｏ  −0.025 ）／ 0.214なる値よりも小さいものが用いられたことを特徴とするものである。
【００２２】
また本発明による第２の半導体発光装置は、上記構成の半導体発光装置において、半導体光増幅器の上記一端面と反対側の端面の反射率が１％以上とされたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による第１の半導体発光装置は、半導体光増幅器のファブリ・ペロ内部モードの間隔をｄλｏ  （ｎｍ）としたとき、バンドパスフィルタとして、透過帯域幅ＢＷ（ｎｍ）が（ｄλｏ  −0.025 ）／ 0.214なる値よりも小さいものを用いたことにより、単一モードで安定に発振可能なものとなっている。
【００２４】
また本発明による第２の半導体発光装置は、上記の効果を奏した上で、半導体光増幅器の前端面反射率を１％以上としたことにより、単一スペクトルの領域が広がり、また単一モード発振時のスペクトル線幅が十分に狭いものとなる。そのため、外部の温度変動や電流変化に対する許容度が増し、駆動回路や温度制御回路としてより簡便なものを用いることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による半導体発光装置を示すものである。図示されるようにこの半導体発光装置は、テーパストライプ10ａを有する半導体光増幅器10と、この半導体光増幅器10の後方端面10ｂから出射した光ビーム11を平行光化するコリメータレンズ12と、平行光となった上記光ビーム11を元の光路を戻るように反射させる、Ａｌからなるミラー13と、このミラー13とコリメータレンズ12との間において光ビーム11の光路に挿入された干渉フィルタ14と、上記コリメータレンズ12と共焦点光学系を構成し、平行光となった光ビーム11をミラー13上で収束させる集光レンズ15とで構成されている。
【００２６】
半導体光増幅器10の平面形状は先に図３に示したものと同様であり、テーパストライプ10ａの後方端面10ｂ側の幅Ｗｒ＝４μｍ、前方端面10ｃ側の幅Ｗｆ＝160 μｍ、長さ（共振器長）Ｌ＝1.5 ｍｍのものである。またコリメータレンズ12は開口数ＮＡ＝0.6 、焦点距離ｆ＝６ｍｍのものである。一方、集光レンズ15の焦点距離ｆ＝25.6ｍｍである。干渉フィルタ14としては、図４のＦ１、Ｆ２のものを比較使用する。そしてこの干渉フィルタ14は、その表面からの直接反射光が半導体光増幅器10へ戻るのを防止するために、光路に対して垂直に置かずに、数度傾けてある。この角度は適当に選ぶことができる。
【００２７】
また半導体光増幅器10としては、一例として、ｎ−ＧａＡｓ基板（Ｓｉ＝２×10１８ｃｍ−３ドープ）上にｎ−ＧａＡｓバッファ層（Ｓｉ＝１×10１８ｃｍ−３ドープ、層厚0.5 μｍ）、ｎ−Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  Ａｓクラッド層（Ｓｉ＝１×10１８ｃｍ−３ドープ、層厚2.5 μｍ）、ｎ−Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ光ガイド層（アンドープ、層厚0.05μｍ）、ｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓ量子井戸層（アンドープ、層厚８ｎｍ）、ｎ−Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ光ガイド層（アンドープ、層厚0.05μｍ）、ｐ−Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  Ａｓクラッド層（Ｚｎ＝１×10１８ｃｍ−３ドープ、層厚２μｍ）、ｐ−ＧａＡｓキャップ層（Ｚｎ＝５×10１８ｃｍ−３ドープ、層厚0.3 μｍ）を減圧ＭＯＣＶＤ法により作成してなる層構成のものが用いられる。
【００２８】
またテーパストライプ10ａとしては、例えば上記キャップ層の上にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ２  膜を形成し、ストライプとなるテーパ状領域においてフォトリソグラフィとエッチングにより上記ＳｉＯ２  膜を除去し、ｐ−側にはＡｕＺｎ／Ａｕにより、ｎ−側にはＡｕＧｅ／Ａｕによりそれぞれオーミック電極を形成してなる構造を用いることができる。
【００２９】
また本実施形態において半導体光増幅器10の端面10ｂ、10ｃには低反射率コーティングが施され、それにより端面10ｂの反射率Ｒｒ、端面10ｃの反射率Ｒｆはそれぞれ0.1 ％以下とされている。
【００３０】
ここで、図５に示すような発振波長の駆動電流依存性を測定して、同じ縦モードが維持される波長幅（ジグザグ状変化の振幅）を測定した。図７にこの変化波長幅Δλと、干渉フィルタ14の透過帯域幅ＢＷ（１往復＝２回透過時の半値全幅）との関係を示す。この関係から、変化波長幅Δλは干渉フィルタ14の透過帯域幅ＢＷより小さいことを見い出した。つまりΔλはＢＷの１次関数で表され、図７において直線Ａで示した変化波長幅Δλの上限は、
Δλ＝0.025 ＋0.214 ×ＢＷ（ｎｍ）……（ａ）となる。
【００３１】
一方、半導体発光装置が単一モードで有効に動作するためには、半導体光増幅器10のファブリ・ペロ内部モードの間隔をｄλｏ  （単位はｎｍ）とすると、
Δλ＜ｄλｏ                      ……（ｂ）の関係が必要である。
【００３２】
上記（１）および（２）の関係から、
ＢＷ＜（ｄλｏ  −0.025 ）／ 0.214  ……（ｃ）
であれば、半導体発光装置が単一モードで有効に動作することになる。
【００３３】
さらに詳しく説明すると、ファブリ・ペロ内部モードの間隔ｄλｏ  は、よく知られているように、
【数１】
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【００３４】
で表される（例えば、H.C.Casey,Jr.and M.B.Panish“Heterostructure Lasers，PART A",Academic Press,New York,p.167(1978) 参照）。ここで、λｏ  は発振波長、ｎは光増幅器内伝搬モードの等価屈折率、ｄｎ／ｄλｏ  は等価屈折率の波長分散である。したがって、上記（ｃ）の必要条件は、
【数２】
2006339674.tif 000004
【００３５】
となる。したがって、この（数２）式を満足するように半導体光増幅器10の共振器長Ｌおよび干渉フィルタ14の透過帯域幅ＢＷを設定すれば、半導体発光装置が単一モードで有効に動作することになる。一例として、ＢＷ＝ 0.072ｎｍ、ｎ＝3.4 、λｏ  ＝800 ｎｍ、ｄｎ／ｄλｏ  ＝6.0 ｎｍ−１のとき、前述したＬ＝1.5 ｍｍの値は上記（数２）式を満足する。
【００３６】
次に本発明のさらに好ましい実施形態として、半導体光増幅器10の前端面10ｃの反射率Ｒｆを最適化し、Ｒｆ＝3.7 ％と通常の半導体光増幅器より高い値を設定した。一方干渉フィルタ14としては、図４のＦ１の特性のものを用いた。
【００３７】
ここで比較のために、この好ましい実施形態のものと、前端面反射率Ｒｆ≦0.1 ％（0.02〜0.09％）とした半導体発光装置の、スペクトルの駆動電流依存特性を比較した。その結果を図８の（ａ）、（ｂ）に比較して示す。ここから、前端面反射率Ｒｆを増大させることにより単一スペクトルの領域が広がるとともに、単一モード発振時のスペクトル線幅が狭くなることを見い出した。
【００３８】
また図９には、この好ましい実施形態の半導体発光装置における遠視野像の駆動電流依存性を示す。ここに示される通り、遠視野像の駆動電流に依存した変化がなく極めて安定な光ビームが得られた。
【００３９】
次に、半導体発光装置の前端面反射率Ｒｆとスペクトル線幅Δνとの関係について詳しく説明する。図１０は、上記好ましい実施形態における単一モード発振時のスペクトル線幅Δνを前端面反射率Ｒｆの関数として示すものである。一般の半導体レーザのスペクトル線幅Δνは、次のように表される（伊賀健一編、応用物理学会シリーズ「半導体レーザ」オーム社、ｐ．307 （1994）参照）。
【００４０】
Δν＝Ｒｓｐｏｎ（１＋α２  ）／４πＳ……（ｄ）
ここで、Ｒｓｐｏｎは自然放出率、Ｓは共振器内の平均光子数、αはスペクトル線幅増大係数である。ＲｓｐｏｎとＳはそれぞれ
【数３】
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【００４１】
で表される。ここでｖg は群速度、ｎｓｐは自然放出光係数、αｍ  はミラー損失、αＬ  は内部損失、Ｐｏ  は片端面からの光出力、ｈνは発振モードのフォトンエネルギーを表す。したがって（ｄ）式はミラー損失αｍ  を用いて、
【数４】
2006339674.tif 000006
【００４２】
ミラー損失αｍ  は１ｏｇｅ  （１／Ｒｆ・Ｒｒ）／２Ｌで表されるので、ｈνは端面反射率の関数となっている。本実施形態の半導体光増幅器の内部損失αＬ  は、半導体レーザとして作製した素子の共振器長依存性の測定よりαＬ  ＝５ｃｍ−１である。（数４）式より
【数５】
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【００４３】
の関係が得られるので、Ｒｒをパラメータとして、αｍ  （αｍ  ＋５）をＲｒの関数として図１０にプロットした。ここで測定したΔνの値（●印）に合致するように縦軸の目盛りを選択した。図１０と計算との比較より、外部共振器としての等価的な後端面の反射率は１％以下と低いことが分かる。これは、レンズ系の効率が往復で25〜30％程度であり、図４に示すように干渉フィルタ14の透過率も高くないためである。この結果から、発振時の平均的なラウンドトリップは２回程度と見積もられる（なぜならば（0.3 ×0.3 ）１．９１＝0.01）。
【００４４】
そしてスペクトル線幅Δνは、前端面反射率Ｒｆに対して緩やかに変化し、おおよそ対数的な変化をする。この図１０に示される傾向および実験結果より、スペクトル線幅Δνが0.007 ｎｍ程度以下では発振モードが安定化すると考えられるので、発振モードの安定化のためには、前端面反射率Ｒｆは１％以上とするのが好ましい。
【００４５】
なお以上の例では、半導体光増幅器として利得導波型の光増幅器を用いているが、ストライプ両側面の境界に屈折率段差を持たせた屈折率導波型構造の光増幅器を用いることもできる。また、単純なテーパ型光増幅器以外にも、複数のストライプを並べてなるアレイ型等の他形式の半導体光増幅器を用いることも可能である。
【００４６】
一方、外部共振器の光学系も、図１の共焦点系光学系に限られるものではない。例えば図１１に示すように、コリメートビーム位置に外部ミラーを配置する等の光学系の変更も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態である半導体発光装置の概略平面図
【図２】従来の半導体発光装置の一例を示す概略平面図
【図３】図２の半導体発光装置に用いられた半導体光増幅器の拡大平面図
【図４】図１の半導体発光装置に用いられる干渉型狭帯域透過フィルタの分光透過率特性を示すグラフ
【図５】半導体発光装置における発振波長の駆動電流依存性を示す説明図
【図６】従来の半導体発光装置における遠視野像の駆動電流依存性を示す説明図
【図７】本発明の半導体発光装置における変化波長幅Δλと干渉フィルタの透過帯域幅ＢＷとの関係を示すグラフ
【図８】半導体発光装置の発振スペクトルの駆動電流依存性を示す説明図
【図９】本発明の半導体発光装置における遠視野像の駆動電流依存性を示す説明図
【図１０】半導体光増幅器の前端面反射率と発振スペクトル線幅との関係を示す説明図
【図１１】本発明による別の半導体発光装置を示す概略平面図
【図１２】従来の別の半導体発光装置を示す概略平面図
【符号の説明】
【００４８】
10    半導体光増幅器
11    光ビーム
12    コリメータレンズ
13    ミラー
14    干渉フィルタ
【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】
2006339674.tif 000016
【図１０】
2006339674.tif 000017
【図１１】
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【図１２】
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