(57)【要約】【課題】マルチストライプ型の半導体レーザ素子において回折限界にまで集光可能な集光特性を得られるようにする。【解決手段】第２の導波路１１２及び第３の導波路１１３は、共振器を構成する第１の導波路１１１のそれぞれの側方に該第１の導波路と間隔をおいて平行に形成される。第２の導波路及び第３の導波路の各両端面は、半導体積層体のへき開端面よりもそれぞれ内側に形成されている。第１の導波路と第２の導波路と第３の導波路とは、その伝播モードが光学的に結合し、伝播モードには、第１の導波路、第２の導波路及び第３の導波路のうち、互いに隣接する導波路同士の間の電界の位相が等しい第１のモードと、電界の位相が１８０°異なる第２のモードとが存在する。第１のモードにおける実効屈折率をｎ１とし、第２のモードにおける実効屈折率をｎ２とし、第２の導波路及び第３の導波路の長さをＬとし、発振中心波長をλとすると、Ｌ＝ｍ・λ／（ｎ１−ｎ２）（但し、ｍは１以上の整数である。）を満たす。【選択図】図１
2011228363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、第１の導波路、第２の導波路及び第３の導波路を有する半導体積層体を備え、
前記第１の導波路は、前記半導体積層体における互いに対向するへき開端面によって共振器を形成し、
前記第２の導波路及び第３の導波路は、前記第１の導波路のそれぞれの側方に該第１の導波路と間隔をおいて平行に形成され、且つ、前記第２の導波路及び第３の導波路の各両端面は、前記半導体積層体の前記へき開端面よりもそれぞれ内側に形成されており、
前記第１の導波路と前記第２の導波路と前記第３の導波路とは、その伝播モードが光学的に結合し、
前記伝播モードには、前記第１の導波路、第２の導波路及び第３の導波路のうち、互いに隣接する導波路同士の間の電界の位相が等しい第１のモードと、前記電界の位相が１８０°異なる第２のモードとが存在し、
前記第１のモードにおける実効屈折率をｎ１とし、前記第２のモードにおける実効屈折率をｎ２とし、前記第２の導波路及び第３の導波路の長さをＬとし、発振中心波長をλとすると、
Ｌ  ＝  ｍ・λ／（ｎ１−ｎ２）  （但し、ｍは１以上の整数である。）
の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記発振中心波長λにおける動作環境下での最大波長のずれ量をΔλとすると、
【数２２】
2011228363.tif 000027
の値が０．８以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第１の導波路、第２の導波路及び第３の導波路は、III族窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記ｍの値は、９以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
基板上に形成され、第１の導波路及び第２の導波路を有する半導体積層体を備え、
前記第１の導波路は、前記半導体積層体における互いに対向するへき開端面によって共振器を形成し、
前記第２の導波路は、前記第１の導波路の一方の側方に該第１の導波路と間隔をおいて平行に形成され、且つ、前記第２の導波路の両端面は、前記半導体積層体の前記へき開端面よりもそれぞれ内側に形成されており、
前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、その伝播モードが光学的に結合し、
前記伝播モードには、前記第１の導波路及び第２の導波路の間の電界の位相が等しい第１のモードと、前記電界の位相が１８０°異なる第２のモードとが存在し、
前記第１のモードにおける実効屈折率をｎ１とし、前記第２のモードにおける実効屈折率をｎ２とし、前記第２の導波路の長さをＬとし、発振中心波長をλとすると、
Ｌ  ＝  ｍ・λ／（ｎ１−ｎ２）  （但し、ｍは１以上の整数である。）
の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記発振中心波長λにおける動作環境下での最大波長のずれ量をΔλとすると、
【数２３】
2011228363.tif 000028
の値が０．８以上であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第１の導波路及び第２の導波路は、III族窒化物半導体からなることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記ｍの値は、９以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
基板上に形成され、第１の導波路及び第２の導波路を有する半導体積層体を備え、
前記第１の導波路は、前記半導体積層体における第１のへき開端面と、該第１のへき開端面と対向する第２のへき開端面よりも内側に位置する端面とを有し、
前記第２の導波路は、前記第２のへき開端面と、前記第１のへき開端面よりも内側に位置する端面とを有し、
前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、その伝播モードが光学的に結合する長さＬの領域を有しており、
前記伝播モードには、前記第１の導波路及び第２の導波路の間の電界の位相が等しい第１のモードと、前記電界の位相が１８０°異なる第２のモードとが存在し、
前記第１のモードにおける実効屈折率をｎ１とし、前記第２のモードにおける実効屈折率をｎ２とし、発振中心波長をλとすると、
Ｌ  ＝  （２ｍ＋１）λ／２（ｎ１−ｎ２）  （但し、ｍは整数である。）
の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記発振中心波長λにおける動作環境下での最大波長のずれ量をΔλとすると、
【数２４】
2011228363.tif 000029
の値が０．８以上であることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記第１の導波路及び第２の導波路は、III族窒化物半導体からなることを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記ｍの値は、９以下であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に高出力型の半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスク等の光情報処理装置の光源として半導体レーザ素子が広く用いられている。光情報処理装置の高速化等の高性能化を図るため、光源の高出力化が望まれている。
【０００３】
半導体レーザ素子の動作を高出力化するには、活性層にキャリア（電子とホール）をより多く供給する必要があり、共振器を構成するストライプ部に大電流を流す必要が生じる。しかしながら、ストライプ部に大電流を流すと、キャリア密度が大きくなって、キャリアが活性層を通り抜ける現象、いわゆるキャリアのオーバフローが発生する。このため、供給する電流に対する光出力の割合である微分量子効率が低下する。特に、キャリアのオーバフローは動作温度が高くなると顕著となるため、高温下での動作の不安定性の原因となる。
【０００４】
このため、高出力レーザ素子は、共振器長を大きくする長共振器化が図られるのが一般的であり、レーザ素子の長さが増すことから、高出力半導体レーザ素子は高価とならざるを得ない。
【０００５】
これに対し、従来、高出力化のために複数のストライプを有するマルチストライプ型の半導体レーザ素子の開発が行われている。
【０００６】
図８に第１の従来例に係るマルチストライプ型の半導体レーザ素子を示す。
【０００７】
図８に示すように、従来のマルチストライプ型の半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板５０１の上に、ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層５０２、ＧａＡｓからなる活性層５０３、ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層５０４及びｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層５０５が順次形成されて構成されている。さらに、クラッド層５０４とコンタクト層５０５とには、その一部がエッチングされてストライプ状に延びる複数の導波路５０６が形成されている。各導波路５０６の両端面は、へき開によってレーザミラーが形成され、それぞれ共振器を構成している。各導波路５０６の導波モードは光学的に結合しており、これにより、各導波路５０６はモード同期をしてレーザ発振をすることができる。
【０００８】
このようなマルチストライプ型の半導体レーザ素子には、互いに隣接する導波路５０６同士間の位相が同相で発振する基本スーパーモードと、逆相で発振する高次スーパーモードとが存在する。一般に、基本スーパーモードと比べて、高次スーパーモードはその利得（ゲイン）が高いため、通常のマルチストライプ型の半導体レーザ素子は、高次スーパーモードで発振する。しかしながら、高次スーパーモードで発振する半導体レーザ素子からの出射光は、回折限界にまで集光することができず、光ディスク装置等の情報処理装置には用いることができなかった。
【０００９】
この問題を解決するため、図９に示す半導体レーザ素子が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【００１０】
図９に示すように、第２の従来例に係る半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板５１０の上に、ｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層５１１、ｎ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰからなる第１クラッド層５１２、活性層５１３、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰからなる第２クラッド層５１４、ｐ型ＧａＩｎＰからなる保護層５１５、及びｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層５１６が順次積層されて形成されている。
【００１１】
このように、従来の半導体レーザ素子は、活性層５１３が、第１クラッド層５１２及び第２のクラッド層５１４によって狭持されたダブルヘテロ構造である。活性層５１３の上に形成された第２クラッド層５１４は順メサ形状に形成されたリッジ部５１４ａを有している。また、第２のクラッド層５１４の上で且つリッジ部５１４ａの両側方には、該リッジ部５１４ａと接するように、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層５１７が形成されている。さらに、リッジ部５１４ａは、共振器の長手方向に設けられた導波路分岐部５１８によって、前端面から後端面に向かって２方向に分岐するように形成されている。すなわち、半導体レーザ素子は、リッジ部５１４ａが少なくとも２本に分岐する導波路領域を有している。 
【００１２】
半導体レーザ素子において、コンタクト層５１６から注入された電流は、電流ブロック層５１７によってリッジ部５１４ａに狭窄されることにより、活性層５１３におけるリッジ部５１４ａの下側及びその近傍の領域に集中して注入される。このため、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が、数十ｍＡ程度の注入電流によって実現できる。このとき、キャリアの再結合によって発光した光は、活性層５１３の主面と垂直な方向に対しては、第１クラッド層５１２及び第２クラッド層５１４によって閉じ込められる。また、活性層５１３の主面と平行な方向に対しては、第２クラッド層５１４よりも屈折率が小さい電流ブロック層９１７によって閉じ込められる。これにより、光の出射面においては発光スポットが１点となるため、回折限界にまで集光可能な出射光を取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２９４９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、前記従来の半導体レーザ素子は、リッジ部５１４ａによって構成される導波路分岐部５１８の屈曲部において光の損失が生じてしまい、発光効率が低下するという問題がある。その上、分岐した２つの導波路５１８ｂ、５１８ｃから１つの導波路５１８ａに結合する際に、１つの導波路５１８ａにおいて導波モードがそのより高次のモードと結合しやすいという問題がある。このため、高出力時にキンクが発生する等の不安定な動作状態が生じることになる。
【００１５】
本発明は、前記の問題を解決し、高出力化を図るマルチストライプ型の半導体レーザ素子に対して回折限界にまで集光可能な集光特性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】
【００１６】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、基板上に形成され、第１の導波路、第２の導波路及び第３の導波路を有する半導体積層体を備え、第１の導波路は、半導体積層体における互いに対向するへき開端面によって共振器を形成し、第２の導波路及び第３の導波路は、第１の導波路のそれぞれの側方に該第１の導波路と間隔をおいて平行に形成され、且つ、第２の導波路及び第３の導波路の各両端面は、半導体積層体のへき開端面よりもそれぞれ内側に形成されており、第１の導波路と第２の導波路と第３の導波路とは、その伝播モードが光学的に結合し、伝播モードには、第１の導波路、第２の導波路及び第３の導波路のうち、互いに隣接する導波路同士の間の電界の位相が等しい第１のモードと、電界の位相が１８０°異なる第２のモードとが存在し、第１のモードにおける実効屈折率をｎ１とし、第２のモードにおける実効屈折率をｎ２とし、第２の導波路及び第３の導波路の長さをＬとし、発振中心波長をλとすると、Ｌ＝ｍ・λ／（ｎ１−ｎ２）（但し、ｍは１以上の整数である。）の関係を満たす。
【００１７】
第１の半導体レーザ素子によると、第２の導波路及び第３の導波路は、第１の導波路のそれぞれの側方に該第１の導波路と間隔をおいて平行に形成され、且つ、第２の導波路及び第３の導波路の各両端面は、半導体積層体のへき開端面よりもそれぞれ内側に形成されている。その上、第１の導波路と第２の導波路と第３の導波路とは、その伝播モードが光学的に結合し、伝播モードには、第１の導波路、第２の導波路及び第３の導波路のうち、互いに隣接する導波路同士の間の電界の位相が等しい第１のモードと、電界の位相が１８０°異なる第２のモードとが存在し、第１のモードにおける実効屈折率をｎ１とし、第２のモードにおける実効屈折率をｎ２とし、第２の導波路及び第３の導波路の長さをＬとし、発振中心波長をλとすると、Ｌ＝ｍ・λ／（ｎ１−ｎ２）（但し、ｍは１以上の整数である。）の関係を満たす。このため、マルチストライプ型の半導体レーザ素子であっても、回折限界にまで集光可能な集光特性を得ることができる。
【００１８】
第１の半導体レーザ素子において、発振中心波長λにおける動作環境下での最大波長のずれ量をΔλとすると、
【００１９】
【数２５】
2011228363.tif 000003
【００２０】
の値が０．８以上であってもよい。
【００２１】
第１の半導体レーザ素子において、第１の導波路、第２の導波路及び第３の導波路は、III族窒化物半導体からなっていてもよい。
【００２２】
この場合に、ｍの値は、９以下であってもよい。
【００２３】
本発明に係る第２の半導体レーザ素子は、基板上に形成され、第１の導波路及び第２の導波路を有する半導体積層体を備え、第１の導波路は、半導体積層体における互いに対向するへき開端面によって共振器を形成し、第２の導波路は、第１の導波路の一方の側方に該第１の導波路と間隔をおいて平行に形成され、且つ、第２の導波路の両端面は、半導体積層体のへき開端面よりもそれぞれ内側に形成されており、第１の導波路と第２の導波路とは、その伝播モードが光学的に結合し、伝播モードには、第１の導波路及び第２の導波路の間の電界の位相が等しい第１のモードと、電界の位相が１８０°異なる第２のモードとが存在し、第１のモードにおける実効屈折率をｎ１とし、第２のモードにおける実効屈折率をｎ２とし、第２の導波路の長さをＬとし、発振中心波長をλとすると、Ｌ＝ｍ・λ／（ｎ１−ｎ２）（但し、ｍは１以上の整数である。）の関係を満たす。
【００２４】
第２の半導体レーザ素子によると、第２の導波路は、第１の導波路の一方の側方に該第１の導波路と間隔をおいて平行に形成され、且つ、第２の導波路の両端面は、半導体積層体のへき開端面よりもそれぞれ内側に形成されている。その上、第１の導波路と第２の導波路とは、その伝播モードが光学的に結合し、伝播モードには、第１の導波路及び第２の導波路の間の電界の位相が等しい第１のモードと、電界の位相が１８０°異なる第２のモードとが存在し、第１のモードにおける実効屈折率をｎ１とし、第２のモードにおける実効屈折率をｎ２とし、第２の導波路の長さをＬとし、発振中心波長をλとすると、Ｌ＝ｍ・λ／（ｎ１−ｎ２）（但し、ｍは１以上の整数である。）の関係を満たす。このため、マルチストライプ型の半導体レーザ素子であっても、回折限界にまで集光可能な集光特性を得ることができる。
【００２５】
第２の半導体レーザ素子において、発振中心波長λにおける動作環境下での最大波長のずれ量をΔλとすると、
【００２６】
【数２６】
2011228363.tif 000004
【００２７】
の値が０．８以上であってもよい。
【００２８】
第２の半導体レーザ素子において、第１の導波路及び第２の導波路は、III族窒化物半導体からなっていてもよい。
【００２９】
この場合に、ｍの値は、９以下であってもよい。
【００３０】
本発明に係る第３の半導体レーザ素子は、基板上に形成され、第１の導波路及び第２の導波路を有する半導体積層体を備え、第１の導波路は、半導体積層体における第１のへき開端面と、該第１のへき開端面と対向する第２のへき開端面よりも内側に位置する端面とによって第１の共振器を形成し、第２の導波路は、第２のへき開端面と、第１のへき開端面よりも内側に位置する端面とによって第２の共振器を形成し、第１の導波路と第２の導波路とは、その伝播モードが光学的に結合する長さＬの領域を有しており、伝播モードには、第１の導波路及び第２の導波路の間の電界の位相が等しい第１のモードと、電界の位相が１８０°異なる第２のモードとが存在し、第１のモードにおける実効屈折率をｎ１とし、第２のモードにおける実効屈折率をｎ２とし、発振中心波長をλとすると、Ｌ＝（２ｍ＋１）λ／２（ｎ１−ｎ２）（但し、ｍは整数である。）の関係を満たす。
【００３１】
第３の半導体レーザ素子によると、第１の導波路は、半導体積層体における第１のへき開端面と、該第１のへき開端面と対向する第２のへき開端面よりも内側に位置する端面とを有し、第２の導波路は、第２のへき開端面と、第１のへき開端面よりも内側に位置する端面とを有している。その上、第１の導波路と第２の導波路とは、その伝播モードが光学的に結合する長さＬの領域を有しており、伝播モードには、第１の導波路及び第２の導波路の間の電界の位相が等しい第１のモードと、電界の位相が１８０°異なる第２のモードとが存在し、第１のモードにおける実効屈折率をｎ１とし、第２のモードにおける実効屈折率をｎ２とし、発振中心波長をλとすると、Ｌ＝（２ｍ＋１）λ／２（ｎ１−ｎ２）（但し、ｍは整数である。）の関係を満たす。このため、マルチストライプ型の半導体レーザ素子であっても、回折限界にまで集光可能な集光特性を得ることができる。
【００３２】
第３の半導体レーザ素子において、発振中心波長λにおける動作環境下での最大波長のずれ量をΔλとすると、
【００３３】
【数２７】
2011228363.tif 000005
【００３４】
の値が０．８以上であってもよい。
【００３５】
第３の半導体レーザ素子において、第１の導波路及び第２の導波路は、III族窒化物半導体からなっていてもよい。
【００３６】
この場合に、ｍの値は、９以下であってもよい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明に係る半導体レーザ素子によると、回折限界にまで集光可能な高出力型の半導体レーザ素子を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子におけるレーザ光の伝搬の様子を示す模式的な平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子における光の結合効率と波長との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子におけるレーザ光の伝搬の様子を示す模式的な平面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子におけるレーザ光の伝搬の様子を示す模式的な平面図である。
【図８】第１の従来例に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図９】第２の従来例に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図１及び図２を参照しながら説明する。
【００４０】
図１に示すように、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子は、ｎ型半導体からなる基板１０１の上に、半導体積層体である、ｎ型半導体からなる第１クラッド層１０２、ｎ型半導体からなる第１ガイド層１０３、活性層１０４、ｐ型半導体からなる第２ガイド層１０５、ｐ型半導体からなる第２クラッド層１０６、及びｐ型半導体からなるコンタクト層１０７が順次積層されて形成されている。ここで、基板１０１に窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた場合には、その上の各半導体層に、III族窒化物半導体である、一般式ＡｌＧａＩｎＮを用いることができ、各半導体層の混晶比は、導波路構造が形成されるように調整される。
【００４１】
第２クラッド層１０６と第２コンタクト層１０７とは、ストライプ状にエッチングされた複数のリッジ部が形成されて、ストライプ状の３本の光導波路を構成している。３本の光導波路は、第１の光導波路１１１を中心にして、それぞれの側方の領域に間隔をおいた第２の光導波路１１２と第３の光導波路１１３とが互いの横モードが結合してスーパーモードを生成可能な位置に形成されている。
【００４２】
第１の光導波路１１１の両端面は、半導体積層体の両端面に形成されている。該半導体積層体の両端面は、へき開によりレーザミラーが形成されて共振器を構成する。ここで、第２の光導波路１１２と第３の光導波路１１３とは、共振器長よりも短い長さＬで形成されている。このため、第２の光導波路１１２と第３の光導波路１１３とは共振器を構成しない。なお、導波路の長さＬの要件は後述する。
【００４３】
第２クラッド層１０６の上で且つ第１の光導波路１１１の両側方並びに第２の光導波路１１２及び第３の光導波路１１３の周囲には、第２クラッド層１０６よりも屈折率が小さい誘電体、例えば酸化シリコンからなる電流ブロック層１０８が形成されている。
【００４４】
以下、前記のように構成された第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の動作について説明する。
【００４５】
第１の実施形態に係る半導体レーザ素子において、コンタクト層１０７から注入された電流は、電流ブロック層１０８によって各光導波路１１１、１１２及び１１３を構成するリッジ部にのみ狭窄される。これにより、注入された電流は、活性層１０４におけるリッジ部の下側及びその近傍の領域に集中する。このため、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が、数十ｍＡ程度の注入電流によって実現できる。このとき、キャリアの再結合により発光した光は、活性層１０４の主面と垂直な方向に対しては、第１クラッド層１０２及び第２クラッド層１０６によって閉じ込められる。また、活性層１０４の主面と平行な方向に対しては、第２クラッド層１０６よりも屈折率が小さい電流ブロック層１０８によって閉じ込められるため、レーザ光は前述した横モードで伝搬する。
【００４６】
以下、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の光導波路におけるレーザ光の伝搬について図２を参照しながら説明する。
【００４７】
図２に示すように、共振器の長手方向に、反射端面側から領域Ａ、領域Ｂ及び領域Ｃに分け、且つ、第２の光導波路１１２及び第３の光導波路１１３が形成されている領域を領域Ｂとし、第２の光導波路１１２及び第３の光導波路１１３が形成されていない領域を領域Ａ及び領域Ｃとする。
【００４８】
図２において、各領域Ａ、Ｂ及びＣにおける横モードの電界強度として、そのうちの横モードｍ０及びｍ３を一点鎖線で表し、横モードｍ１を二点鎖線で表し、横モードｍ２を破線で表している。ここで、図２の右側の方向を正方向とし、図２の左側の方向を負方向としており、各モードの互いのピークが逆向きである場合は、互いの電界が逆向きであることを意味する。
【００４９】
領域Ａを図２の右方向に伝搬する横モードｍ０を持つ光は、領域Ｂに入射する。領域Ｂでは、前述したように、各導波路が互いの横モードが結合する位置に形成されているため、スーパーモードが生成される。図２においては、互いに隣接する導波路における電界の位相が等しいモードｍ１と、互いに隣接する導波路の電界の位相が１８０°異なる伝播モードｍ２として図示している。領域Ｂに入射した横モードｍ０の光は、領域Ａと領域Ｂとの境界位置（以下、境界ＡＢと表記する。）においてモードｍ１とモードｍ２とに結合して伝搬する。
【００５０】
境界ＡＢでは、第２の光導波路１１２と第３の光導波路１１３とにおいて光が存在しない。このため、モードｍ１とモードｍ２との位相は、第１の光導波路１１１部分では互いに同一の方向を向き、また、第２の光導波路１１２及び第３の光導波路１１３部分では互いに逆方向を向いた状態で伝搬を開始する。
【００５１】
以下、この状態を便宜上、位相が０の状態として説明する。
【００５２】
領域Ｂを伝搬するモードｍ１の光とモードｍ２の光とは、それぞれ異なる速度で伝搬する。ここでは、モードｍ１の実効屈折率をｎ１とし、モードｍ２の実効屈折率をｎ２として説明する。領域Ｂを伝搬するモードｍ１及びモードｍ２の光はそれぞれ以下の［数１］及び［数２］で表される。
【００５３】
【数１】
2011228363.tif 000006
【００５４】
【数２】
2011228363.tif 000007
【００５５】
ここで、ｆ１、ｆ２は境界ＡＢにおける電界分布であり、Ｇ１、Ｇ２はゲイン係数であり、λは伝搬する光の波長であり、ｊ２＝−１である。また、ｚ軸は光の伝搬する方向に取り、原点を境界ＡＢとしている。
【００５６】
［数１］及び［数２］より、２つのモードの位相差Δφ（ｚ）は、［数３］で与えられる。
【００５７】
【数３】
2011228363.tif 000008
【００５８】
従って、［数４］を満たすとき、モードｍ１とモードｍ２とは同相となる。すなわち、第１の光導波路１１１における電界は同相となり、第２の光導波路１１２及び第３の光導波路１１３における電界は逆相となる。
【００５９】
【数４】
2011228363.tif 000009
【００６０】
モードｍ１とモードｍ２とのゲイン係数Ｇ１、Ｇ２は、閉じ込め係数がほぼ等しいことから、同一とみなせる。このため、この状態でのモードｍ１とモードｍ２とを合わせた電界分布の形状は、境界ＡＢにおける電界分布の形状が再現される。従って、領域Ｂと領域Ｃとの境界（以下、境界ＢＣと記す。）においてもこの状態とすれば、領域Ｃを伝搬するモードｍ３への結合を最大にすることができる。この条件は、領域Ｂの長さＬを［数５］を満たすように設定すればよい。
【００６１】
【数５】
2011228363.tif 000010
【００６２】
領域Ｃの端面からなるレーザミラーで反射されて領域Ｂへ向かう光は、境界ＢＣにおいて、境界ＡＢと同様にモードｍ１とモードｍ２とに別れて伝搬し且つ増幅される。また、同様に境界ＡＢにおいては、モードｍ１の光とモードｍ２の光とは、モードｍ０と結合して伝搬し、領域Ａの端面からなるレーザミラーで反射されて、再度領域Ｂへ向かう。以上の過程を繰り返すことにより、レーザ発振動作を行うことができる。
【００６３】
このように、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子は、集光（レーザ光）が１点から放射されるため、その出射光は回折限界にまで集光することができる。
【００６４】
また、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子は、境界ＡＢ及び境界ＢＣにおいて、モードｍ１とモードｍ２とを合わせた電界分布は偶対称となっている。このため、モードｍ０及びモードｍ３の高次モードへの結合は小さく、高次横モードでの発振は抑制される。その結果、安定な横モードで発振することができるので、高出力で起きるキンク等の問題も発生しにくい。
【００６５】
以上のように、本実施形態によると、高出力領域まで安定したレーザ動作可能で、且つ集光特性に優れた半導体レーザ素子を実現できる。
【００６６】
なお、ここまでは、波長が単一波長の場合について説明したが、使用環境等で波長が変化する場合は、［数５］におけるｍの値が大きいと、波長選択性によって安定な動作ができない。
【００６７】
図３は、境界ＡＢ及び境界ＢＣの結合効率と波長との関係を示している。設計波長λ０からのずれと透過率ηとは図３のように変化する。透過率ηと波長λとの関係は、設計の中心波長をλ０とすると、［数６］に示す関係がある。
【００６８】
【数６】
2011228363.tif 000011
【００６９】
レーザ素子が安定して動作するには、波長選択性を抑える必要があり、動作環境内での発振波長における透過率ηの低下が２０％以下、さらに望ましくは１０％以下にする必要がある。
【００７０】
ここで、許容透過率の低下量をΔＴとすると、ｍは［数７］の条件を満足する必要がある。
【００７１】
【数７】
2011228363.tif 000012
【００７２】
例えば、温度が２５℃における設計波長が４０５ｎｍの場合、温度が７５℃では約３ｎｍの波長変動がある。従って、許容透過率が２０％の場合は、ｍを９以下とする必要がある。また、許容透過率が１０％の場合は、ｍを６以下とする必要がある。
【００７３】
以上のように、第１の実施形態によると、広い温度範囲で安定に動作し且つ回折限界にまで集光可能な高出力半導体レーザ素子を実現できる。
【００７４】
なお、ここでは、窒化ガリウムを主成分とする半導体レーザ素子を例に採って説明したが、この限りではなく、ＧａＡｓを主成分とする赤外半導体レーザ素子、又はＡｌＧａＩｎＰを主成分とする赤色半導体レーザ素子等、半導体レーザ素子であればその限りではない。
【００７５】
（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４及び図５を参照しながら説明する。図４において、図１に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付し、異なる構成部材を説明する。
【００７６】
第２の実施形態に係る半導体レーザ素子は、第２クラッド層１０６と第２コンタクト層１０７とがストライプ状にエッチングされて、２つのリッジ部が形成されており、ストライプ状の２本の光導波路を構成している。２本の光導波路は、第１の光導波路２１１と、該第１の光導波路２１１の一方の側方に間隔をおいた第２の光導波路２１２とが互いの横モードが結合してスーパーモードを生成可能な位置に形成されている。
【００７７】
第１の光導波路２１１の両端面は、半導体積層体の両端面に形成されている。該半導体積層体の両端面は、へき開によりレーザミラーが形成されて共振器を構成する。ここで、第２の光導波路２１２は、共振器長よりも短い長さＬで形成されている。このため、第２の光導波路２１２は共振器を構成しない。なお、導波路の長さＬの要件は後述する。
【００７８】
第２クラッド層１０６の上で且つ第１の光導波路２１１の両側方及び第２の光導波路２１２の周囲には、第２クラッド層１０６よりも屈折率が小さい誘電体、例えば酸化シリコンからなる電流ブロック層１０８が形成されている。
【００７９】
以下、前記のように構成された第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の動作について説明する。
【００８０】
第２の実施形態に係る半導体レーザ素子において、コンタクト層１０７から注入された電流は、電流ブロック層１０８によって各導波路２１１、２１２を構成するリッジ部にのみ狭窄される。これにより、注入された電流は、活性層１０４におけるリッジ部の下側及びその近傍の領域に集中する。このため、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が、数十ｍＡ程度の注入電流によって実現できる。このとき、キャリアの再結合により発光した光は、活性層１０４の主面と垂直な方向に対しては、第１クラッド層１０２及び第２クラッド層１０６によって閉じ込められる。また、活性層１０４の主面と平行な方向に対しては、第２クラッド層１０６よりも屈折率が小さい電流ブロック層１０８によって閉じ込められるため、レーザ光は前述した横モードで伝搬する。
【００８１】
以下、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の光導波路におけるレーザ光の伝搬について図５を参照しながら説明する。
【００８２】
図５に示すように、共振器の長手方向に、反射端面側から領域Ａ、領域Ｂ及び領域Ｃに分け、且つ、第２の光導波路２１２が形成されている領域を領域Ｂとし、第２の光導波路２１２が形成されていない領域を領域Ａ及び領域Ｃとする。
【００８３】
図５において、各領域Ａ、Ｂ及びＣにおける横モードの電界強度として、そのうちの横モードｍ０及びｍ３を一点鎖線で表し、横モードｍ１を二点鎖線で表し、横モードｍ２を破線で表している。ここで、図５の右側の方向を正方向とし、図５の左側の方向を負方向としており、各モードの互いのピークが逆向きである場合は、互いの電界が逆向きであることを意味する。
【００８４】
領域Ａを図５の右方向に伝搬する横モードｍ０を持つ光は、領域Ｂに入射する。領域Ｂでは、前述したように、各導波路が互いの横モードが結合する位置に形成されて、スーパーモードが生成されている。図５においては、互いに隣接する導波路における電界の位相が等しいモードｍ１と、互いに隣接する導波路の電界の位相が１８０°異なる伝播モードｍ２として図示している。領域Ｂに入射した横モードｍ０の光は、領域Ａと領域Ｂとの境界ＡＢにおいてモードｍ１とモードｍ２とに結合して伝搬をする。
【００８５】
境界ＡＢでは、第２の光導波路２１２に光が存在しない。このため、モードｍ１とモードｍ２との位相は、第１の光導波路２１１部分では互いに同一の方向を向き、また、第２の光導波路２１２部分では互いに逆方向を向いた状態で伝搬を開始する。
【００８６】
以下、この状態を便宜上、位相が０の状態として説明する。
【００８７】
領域Ｂを伝搬するモードｍ１の光とモードｍ２の光とは、それぞれ異なる速度で伝搬する。ここでは、モードｍ１の実効屈折率をｎ１とし、モードｍ２の実効屈折率をｎ２として説明する。領域Ｂを伝搬するモードｍ１の光及びモードｍ２の光はそれぞれ以下の［数８］及び［数９］で表される。
【００８８】
【数８】
2011228363.tif 000013
【００８９】
【数９】
2011228363.tif 000014
【００９０】
ここで、ｆ１、ｆ２は境界ＡＢにおける電界分布であり、Ｇ１、Ｇ２はゲイン係数であり、λは伝搬する光の波長であり、ｊ２＝−１である。また、ｚ軸は光の伝搬する方向に取り、原点を境界ＡＢとしている。
【００９１】
［数８］及び［数９］より、２つのモードの位相差Δφ（ｚ）は、［数１０］で与えられる。
【００９２】
【数１０】
2011228363.tif 000015
【００９３】
従って、［数１１］を満たすとき、モードｍ１とモードｍ２とは同相となる。すなわち、第１の光導波路２１１における電界は同相となり、第２の光導波路２１２における電界は逆相となる。
【００９４】
【数１１】
2011228363.tif 000016
【００９５】
モードｍ１とモードｍ２とのゲイン係数Ｇ１、Ｇ２は、閉じ込め係数がほぼ等しいことから、同一とみなせる。このため、この状態でのモードｍ１とモードｍ２とを合わせた電界分布の形状は、境界ＡＢにおける電界分布の形状が再現される。従って、領域Ｂと領域Ｃとの境界ＢＣにおいてもこの状態とすれば、領域Ｃを伝搬するモードｍ３への結合を最大にすることができる。この条件は、領域Ｂの長さＬを［数１２］を満たすように設定すればよい。
【００９６】
【数１２】
2011228363.tif 000017
【００９７】
領域Ｃの端面からなるレーザミラーで反射されて領域Ｂへ向かう光は、境界ＢＣにおいて、境界ＡＢと同様にモードｍ１とモードｍ２とに別れて伝搬し且つ増幅される。また、同様に境界ＡＢにおいては、モードｍ１の光とモードｍ２の光とは、モードｍ０と結合して伝搬し、領域Ａの端面からなるレーザミラーで反射されて、再度領域Ｂへ向かう。以上の過程を繰り返すことにより、レーザ発振動作を行うことができる。
【００９８】
このように、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子は、集光（レーザ光）が１点から放射されるため、その出射光は回折限界にまで集光することができる。
【００９９】
また、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子は、境界ＡＢ及び境界ＢＣにおいて、モードｍ１とモードｍ２とを合わせた電界分布は、第１の光導波路２１１の中心位置でピークを持つ。このため、モードｍ０及びモードｍ３の高次モードへの結合は小さく、高次横モードでの発振は抑制される。その結果、安定な横モードで発振することができるので、高出力で起きるキンク等の問題も発生しにくい。
【０１００】
以上のように、本実施形態によると、高出力領域まで安定したレーザ動作可能で、且つ集光特性に優れた半導体レーザ素子を実現できる。
【０１０１】
なお、ここまでは、波長が単一波長の場合について説明したが、使用環境等で波長が変化する場合は、［数１２］におけるｍの値が大きいと、波長選択性によって安定な動作ができない。
【０１０２】
透過率ηと波長λとの関係は、設計の中心波長をλ０とすると、［数１３］に示す関係がある。
【０１０３】
【数１３】
2011228363.tif 000018
【０１０４】
レーザ素子が安定して動作するには、波長選択性を抑える必要があり、動作環境内での発振波長における透過率ηの低下が２０％以下、さらに望ましくは１０％以下にする必要がある。
【０１０５】
ここで、許容透過率の低下量をΔＴとすると、ｍは［数１４］の条件を満足する必要がある。
【０１０６】
【数１４】
2011228363.tif 000019
【０１０７】
例えば、温度が２５℃における設計波長が４０５ｎｍの場合、温度が７５℃では約３ｎｍの波長変動がある。従って、許容透過率が２０％の場合は、ｍを９以下とする必要がある。また、許容透過率が１０％の場合は、ｍを６以下とする必要がある。
【０１０８】
以上のように、第２の実施形態によると、広い温度範囲で安定に動作し且つ回折限界にまで集光可能な高出力半導体レーザ素子を実現できる。
【０１０９】
なお、ここでは、窒化ガリウムを主成分とする半導体レーザ素子を例に採って説明したが、この限りではなく、ＧａＡｓを主成分とする赤外半導体レーザ素子、又はＡｌＧａＩｎＰを主成分とする赤色半導体レーザ素子等、半導体レーザ素子であればその限りではない。
【０１１０】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図６及び図７を参照しながら説明する。図６において、図１に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付し、異なる構成部材を説明する。
【０１１１】
第３の実施形態に係る半導体レーザ素子は、第２クラッド層１０６と第２コンタクト層１０７とがストライプ状にエッチングされて、２つのリッジ部が形成されており、ストライプ状の２本の光導波路を構成している。２本の光導波路は、第１の光導波路３１１と、該第１の光導波路３１１の一方の側方に間隔をおいた第２の光導波路３１２とが互いの横モードが結合してスーパーモードを生成可能な位置に形成されている。
【０１１２】
第１の光導波路３１１の一方の端面は、半導体積層体の一方の端面にへき開により形成されて、レーザミラーを構成している。第１の光導波路３１１の他方の端面は、半導体積層体の他方の端部までの途中に形成されている。
【０１１３】
第２の光導波路３１２の一方の端面は、半導体積層体の他方の端面にへき開により形成されて、レーザミラーを構成している。第２の光導波路３１２の他方の端面は、半導体積層体の一方の端部までの途中に形成されている。さらに、第１の光導波路３１１と第２の光導波路３１２とにおける互いに並行して形成される領域の長さをＬとする。なお、導波路長さＬの要件は後述する。
【０１１４】
第２クラッド層１０６の上で且つ第１の光導波路３１１及び第２の光導波路２１２の側方及びその周囲には、第２クラッド層１０６よりも屈折率が小さい誘電体、例えば酸化シリコンからなる電流ブロック層１０８が形成されている。
【０１１５】
以下、前記のように構成された第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の動作について説明する。
【０１１６】
第３の実施形態に係る半導体レーザ素子において、コンタクト層１０７から注入された電流は、電流ブロック層１０８によって各光導波路３１１、３１２を構成するリッジ部にのみ狭窄される。これにより、注入された電流は、活性層１０４におけるリッジ部の下側及びその近傍の領域に集中する。このため、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が、数十ｍＡ程度の注入電流によって実現できる。このとき、キャリアの再結合により発光した光は、活性層１０４の主面と垂直な方向に対しては、第１クラッド層１０２及び第２クラッド層１０６によって閉じ込められる。また、活性層１０４の主面と平行な方向に対しては、第２クラッド層１０６よりも屈折率が小さい電流ブロック層１０８によって閉じ込められるため、レーザ光は前述した横モードで伝搬する。
【０１１７】
以下、第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の光導波路におけるレーザ光の伝搬について図７を参照しながら説明する。
【０１１８】
図７に示すように、共振器の長手方向に、反射端面側から領域Ａ、領域Ｂ及び領域Ｃに分け、且つ、第１の光導波路３１１及び第２の光導波路３１２が並行して形成されている領域（横方向に重なる領域）を領域Ｂとし、第２の光導波路３１２が形成されていない領域を領域Ａとし、第１の光導波路３１１が形成されていない領域を領域Ｃとする。
【０１１９】
図７において、各領域Ａ、Ｂ及びＣにおける横モードの電界強度として、そのうちの横モードｍ０及びｍ３を一点鎖線で表し、横モードｍ１を二点鎖線で表し、横モードｍ２を破線で表している。ここで、図７の右側の方向を正方向とし、図７の左側の方向を負方向としており、各モードの互いのピークが逆向きである場合は、互いの電界が逆向きであることを意味する。
【０１２０】
領域Ａを図７の右方向に伝搬する横モードｍ０を持つ光は、領域Ｂに入射する。領域Ｂでは、前述したように、各導波路が互いの横モードが結合する位置に形成されて、スーパーモードが生成されている。図７においては、互いに隣接する導波路における電界の位相が等しいモードｍ１と、互いに隣接する導波路の電界の位相が１８０°異なる伝播モードｍ２として図示している。領域Ｂに入射した横モードｍ０の光は、領域Ａと領域Ｂとの境界ＡＢにおいてモードｍ１とモードｍ２とに結合して伝搬をする。
【０１２１】
境界ＡＢでは、第２の光導波路３１２に光が存在しない。このため、モードｍ１とモードｍ２との位相は、第１の光導波路３１１部分では互いに同一の方向を向き、また、第２の光導波路３１２部分では互いに逆方向を向いた状態で伝搬を開始する。
【０１２２】
以下、この状態を便宜上、位相が０の状態として説明する。
【０１２３】
領域Ｂを伝搬するモードｍ１の光とモードｍ２の光とは、それぞれ異なる速度で伝搬する。ここでは、モードｍ１の実効屈折率をｎ１とし、モードｍ２の実効屈折率をｎ２として説明する。領域Ｂを伝搬するモードｍ１の光及びモードｍ２の光はそれぞれ以下の［数１５］及び［数１６］で表される。
【０１２４】
【数１５】
2011228363.tif 000020
【０１２５】
【数１６】
2011228363.tif 000021
【０１２６】
ここで、ｆ１、ｆ２は境界ＡＢにおける電界分布であり、Ｇ１、Ｇ２はゲイン係数であり、λは伝搬する光の波長であり、ｊ２＝−１である。また、ｚ軸は光の伝搬する方向に取り、原点を境界ＡＢとしている。
【０１２７】
［数１５］及び［数１６］より、２つのモードの位相差Δφ（ｚ）は、［数１７］で与えられる。
【０１２８】
【数１７】
2011228363.tif 000022
【０１２９】
従って、［数１８］を満たすとき、モードｍ１とモードｍ２とは逆相となる。すなわち、第１の光導波路３１１における電界は逆相となり、第２の光導波路３１２における電界は同相となる。
【０１３０】
【数１８】
2011228363.tif 000023
【０１３１】
モードｍ１とモードｍ２とのゲイン係数Ｇ１、Ｇ２は、閉じ込め係数がほぼ等しいことから、同一とみなせる。このため、この状態でのモードｍ１とモードｍ２とを合わせた電界分布の形状は、境界ＡＢにおける電界分布の形状と逆の形状となる。従って、領域Ｂと領域Ｃとの境界ＢＣにおいてもこの状態とすれば、領域Ｃを伝搬するモードｍ３への結合を最大にすることができる。この条件は、領域Ｂの長さＬを［数１９］を満たすように設定すればよい。
【０１３２】
【数１９】
2011228363.tif 000024
【０１３３】
領域Ｃの端面からなるレーザミラーで反射されて領域Ｂへ向かう光は、境界ＢＣにおいて、境界ＡＢと同様にモードｍ１とモードｍ２とに別れて伝搬し且つ増幅される。また、同様に境界ＡＢにおいては、モードｍ１の光とモードｍ２の光とは、モードｍ０と結合して伝搬し、領域Ａの端面からなるレーザミラーで反射されて、再度領域Ｂへ向かう。以上の過程を繰り返すことにより、レーザ発振動作を行うことができる。
【０１３４】
このように、第３の実施形態に係る半導体レーザ素子は、集光（レーザ光）が１点から放射されるため、その出射光は回折限界にまで集光することができる。
【０１３５】
また、第３の実施形態に係る半導体レーザ素子は、境界ＡＢ及び境界ＢＣにおいて、モードｍ１とモードｍ２とを合わせた電界分布は、第１の光導波路３１１又は第２の光導波路３１２の中心位置でピークを持つ。このため、モードｍ０及びモードｍ３の高次モードへの結合は小さく、高次横モードでの発振は抑制される。その結果、安定な横モードで発振することができるので、高出力で起きるキンク等の問題も発生しにくい。
【０１３６】
以上のように、本実施形態によると、高出力領域まで安定したレーザ動作可能で、且つ集光特性に優れた半導体レーザ素子を実現できる。
【０１３７】
なお、ここまでは、波長が単一波長の場合について説明したが、使用環境等で波長が変化する場合は、［数１９］におけるｍの値が大きいと、波長選択性によって安定な動作ができない。
【０１３８】
透過率ηと波長λとの関係は、設計の中心波長をλ０とすると、［数２０］に示す関係がある。
【０１３９】
【数２０】
2011228363.tif 000025
【０１４０】
レーザ素子が安定して動作するには、波長選択性を抑える必要があり、動作環境内での発振波長における透過率ηの低下が２０％以下、さらに望ましくは１０％以下にする必要がある。
【０１４１】
ここで、許容透過率の低下量をΔＴとすると、ｍは［数２１］の条件を満足する必要がある。
【０１４２】
【数２１】
2011228363.tif 000026
【０１４３】
例えば、温度が２５℃における設計波長が４０５ｎｍの場合、温度が７５℃では約３ｎｍの波長変動がある。従って、許容透過率が２０％の場合は、ｍを９以下とする必要がある。また、許容透過率が１０％の場合は、ｍを６以下とする必要がある。
【０１４４】
以上のように、第３の実施形態によると、広い温度範囲で安定に動作し且つ回折限界にまで集光可能な高出力半導体レーザ素子を実現できる。
【０１４５】
なお、ここでは、窒化ガリウムを主成分とする半導体レーザ素子を例に採って説明したが、この限りではなく、ＧａＡｓを主成分とする赤外半導体レーザ素子、又はＡｌＧａＩｎＰを主成分とする赤色半導体レーザ素子等、半導体レーザ素子であればその限りではない。
【産業上の利用可能性】
【０１４６】
本発明に係る半導体レーザ素子は、回折限界にまで集光可能な高出力型の半導体レーザ素子を容易に実現することができ、例えば光ディスク装置等の光情報処理装置等に有用である。
【符号の説明】
【０１４７】
１０１ 基板
１０２ 第１クラッド層
１０３ 第１ガイド層
１０４ 活性層
１０５   第２ガイド層
１０６   第２クラッド層
１０７   コンタクト層
１０８   電流ブロック層
１１１   第１の光導波路
１１２   第２の光導波路
１１３   第３の光導波路
２１１   第１の光導波路
２１２   第２の光導波路
３１１   第１の光導波路
３１２   第２の光導波路
【図１】
2011228363.tif 000030
【図２】
2011228363.tif 000031
【図３】
2011228363.tif 000032
【図４】
2011228363.tif 000033
【図５】
2011228363.tif 000034
【図６】
2011228363.tif 000035
【図７】
2011228363.tif 000036
【図８】
2011228363.tif 000037
【図９】
2011228363.tif 000038