(57)【要約】  活性層を有する半導体積層部を備え、レーザ光をマルチモード発振する半導体レーザ素子であって、前記半導体積層部は、第１領域と、該第１領域よりレーザ光出射側の端面の近傍に位置する第２領域と、を有し、前記第１領域および前記第２領域は、前記レーザ光が導波するストライプ領域を含み、前記第２領域は、前記第１領域よりも前記ストライプ領域への前記レーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さい半導体レーザ素子である。これにより、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子を提供する。
2016129618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を有する半導体積層部を備え、レーザ光をマルチモード発振する半導体レーザ素子であって、
前記半導体積層部は、
第１領域と、該第１領域よりレーザ光出射側の端面の近傍に位置する第２領域と、を有し、
前記第１領域および前記第２領域は、前記レーザ光が導波するストライプ領域を含み、
前記第２領域は、前記第１領域よりも前記ストライプ領域への前記レーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さいことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第２領域は、前記レーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がない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】
前記半導体積層部は、前記レーザ光出射側の前記端面から前記レーザ光出射方向に沿って電流が注入されない電流非注入領域を備え、
該電流非注入領域の長さは、前記第２領域の長さより短いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第２領域の長さは、１００μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第２領域の長さは、１５０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記半導体積層部は、前記レーザ光出射側の前記端面とは反対側の端面から前記レーザ光出射方向に沿って電流が注入されない電流非注入領域を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第２領域は、前記レーザ光出射側の前記端面を含むように形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記第２領域は、前記レーザ光出射側の前記端面と離間して形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子を備えることを特徴とするレーザ光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子およびレーザ光照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、活性層を有する半導体積層部と、半導体積層部の上面に形成された電極と、を備え、電極の直下に形成したリッジ構造により光の水平方向の閉じ込めを実現した半導体レーザ素子が開示されている（たとえば特許文献１参照）。【０００３】
このような半導体レーザ素子は、出力用の光ファイバと、半導体レーザ素子の出力光を光ファイバに結合するためのレンズ、ミラー等の光学素子とともにパッケージ内に載置され、半導体レーザ装置として利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１４６９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体レーザ装置は、光通信用レーザや加工などに用いられる産業用レーザなどとして活用されている。光通信用レーザでは、光ファイバ中に光を長距離（例えば数百キロメートル）伝搬させる必要があり、信号品質の劣化を抑制するためにシングルモードのレーザが使用されることが一般的である。一方、産業用レーザでは、光通信用レーザ以上の高出力が必要とされ、かつ長距離を伝搬させる必要がないため、高出力に特化したマルチモードのレーザが使用される。マルチモードレーザでは、レーザの導波路の幅を広くして、導波路内で複数のモードを許容する（つまり、マルチモード）ことによって、高出力が達成される。ここで高出力とは、半導体レーザ素子の出力として、例えば３Ｗ〜２０Ｗ、半導体レーザ装置の出力として、例えば数十〜２００Ｗ（ともに室温、ＣＷ駆動）程度の出力のことである。産業用レーザでは、電気変換効率（ＷＰＥ：Ｗａｌｌ  Ｐｌｕｇ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が高いことが求められる。ＷＰＥは、投入電力（電流×電圧）に対する半導体レーザ装置の最終的な光出力の割合として定義される。【０００６】
半導体レーザ装置のＷＰＥを高くするためには、半導体レーザ素子の出力光の光ファイバへの結合効率を高くすることが有効である。特に、高出力なファイバレーザの励起光源として用いられる、多数の半導体レーザ素子を備える半導体レーザ装置では、個々の半導体レーザ素子の光ファイバへの結合効率の改善が、当該半導体レーザ装置のＷＰＥの改善に大きく影響する。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子およびこれを備えたレーザ光照射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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、活性層を有する半導体積層部を備え、レーザ光をマルチモード発振する半導体レーザ素子であって、前記半導体積層部は、第１領域と、該第１領域よりレーザ光出射側の端面の近傍に位置する第２領域と、を有し、前記第１領域および前記第２領域は、前記レーザ光が導波するストライプ領域を含み、前記第２領域は、前記第１領域よりも前記ストライプ領域への前記レーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さいことを特徴とする。【０００９】
また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第２領域は、前記レーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がないことを特徴とする。【００１０】
また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記半導体積層部は、前記レーザ光出射側の前記端面から前記レーザ光出射方向に沿って電流が注入されない電流非注入領域を備え、該電流非注入領域の長さは、前記第２領域の長さより短いことを特徴とする。【００１１】
また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第２領域の長さは、１００μｍ以上であることを特徴とする。【００１２】
また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第２領域の長さは、１５０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする。【００１３】
また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記半導体積層部は、前記レーザ光出射側の前記端面とは反対側の端面から前記レーザ光出射方向に沿って電流が注入されない電流非注入領域を備えることを特徴とする。【００１４】
また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第２領域は、前記レーザ光出射側の前記端面を含むように形成されていることを特徴とする。【００１５】
また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第２領域は、前記レーザ光出射側の前記端面と離間して形成されていることを特徴とする。【００１６】
また、本発明の一態様に係るレーザ光照射装置は、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す半導体レーザ素子の上面図である。
【図３】図３は、図２に示す半導体レーザ素子のＩ−Ｉ線断面図の一例である。
【図４】図４は、図２に示す半導体レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面図の一例である。
【図５】図５は、ＦＦＰｈ変化量と導波路幅との関係を表す図である。
【図６】図６は、ＦＦＰｈ変化量と第２領域の長さとの関係を表す図である。
【図７】図７は、パワー劣化率と第２領域の長さとの関係を表す図である。
【図８】図８は、変形例１の半導体レーザ素子の上面図である。
【図９】図９は、変形例２の半導体レーザ素子の上面図である。
【図１０】図１０は、変形例３の半導体レーザ素子の上面図である。
【図１１】図１１は、変形例４の半導体レーザ素子の上面図である。
【図１２】図１２は、変形例５の半導体レーザ素子の上面図である。
【図１３】図１３は、変形例６の半導体レーザ素子の上面図である。
【図１４】図１４は、公知の半導体レーザ素子の一例の上面図である。
【図１５】図１５は、公知の半導体レーザ素子の一例の上面図である。
【図１６】図１６は、構造例１の半導体レーザ素子の上面図である。
【図１７】図１７は、構造例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｉ線断面図の一例である。
【図１８】図１８は、構造例２の半導体レーザ素子の上面図である。
【図１９】図１９は、構造例２の半導体レーザ素子のＩ−Ｉ線断面図の一例である。
【図２０】図２０は、構造例２の半導体レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図２１】図２１は、構造例３の半導体レーザ素子の上面図である。
【図２２】図２２は、構造例３の半導体レーザ素子のＩ−Ｉ線断面図の一例である。
【図２３】図２３は、構造例３の半導体レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図２４】図２４は、従来技術による半導体レーザ素子から得られたＮＦＰの水平方向光強度分布を示す図である。
【図２５】図２５は、本発明の実施の形態の構造を有する半導体レーザ素子から得られたＮＦＰの水平方向光強度分布を示す図である。
【図２６】図２６は、本発明の実施の形態に係るレーザ光照射装置の模式的な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ素子およびレーザ光照射装置の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００２０】
（実施の形態）
まず、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、レーザ光をマルチモード発振する端面発光型の半導体レーザ素子であって、トレンチ溝によるリッジ構造を有しており、これによって光の水平方向の閉じ込めと電流狭窄構造とを実現するものである。なお、ここでマルチモード発振するとは、複数の導波モードを許容する幅の広い導波路を有することを意味する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。以下では、図１に示すように、半導体の積層方向をｙ軸、レーザ光出射方向をｚ軸、ｙ軸およびｚ軸に直交する水平方向をｘ軸とする。図１に示すように、この半導体レーザ素子１は、活性層を有する半導体積層部２と、半導体積層部２のレーザ光出射側の端面Ｅ１に形成された反射率がたとえば１０％以下の低反射率膜３と、端面Ｅ１と対向する後端面側の端面Ｅ２に形成された反射率がたとえば９０％以上の高反射率膜４とを有している。そして、半導体レーザ素子１は、ストライプ領域Ｓにてレーザ光Ｌを導波し、低反射率膜３を介してレーザ光Ｌを出射する。
【００２２】
図２は、図１に示す半導体レーザ素子の上面図である。図２に示すように、半導体レーザ素子１は、半導体積層部２の上面に形成された上部電極５を備える。上部電極５は、開口部Ａの外部の領域では、後述するパッシベーション膜で絶縁されており、開口部Ａの内側で半導体積層部２に接している。
【００２３】
半導体積層部２は、端面Ｅ１の近傍に位置する第２領域２ａｂおよび端面Ｅ２の近傍に位置する第３領域２ａｃと、第２領域２ａｂと第３領域２ａｃとの間に位置する第１領域２ａａを有する。
第１領域２ａａの半導体積層部２の上面には、レーザ光出射方向（ｚ方向）に延伸するトレンチ溝Ｔｒ１が形成され、トレンチ溝Ｔｒ１の間にはストライプ領域Ｓが形成されている。トレンチ溝Ｔｒ１は、後述するように水平方向（ｘ方向）の光導波構造を形成する。一方、第２領域２ａｂおよび第３領域２ａｃには、トレンチ溝Ｔｒ１は形成されておらず、半導体積層部２の上面は一定の高さとなっている。
したがって、第２領域２ａｂ、第３領域２ａｃは、ストライプ領域Ｓへのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がなく、第１領域２ａａよりもストライプ領域Ｓへのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
【００２４】
半導体レーザ素子１の素子長Ｌｄは、たとえば１ｍｍ〜６ｍｍ、さらに好ましくは３ｍｍ〜５ｍｍ程度である。第２領域２ａｂのｚ方向の長さＬ２ａｂは、たとえば２００μｍである。第３領域２ａｃのｚ方向の長さＬ２ａｃは、たとえば１５０μｍである。
【００２５】
図３は、図２に示す半導体レーザ素子のＩ−Ｉ線断面図の一例である。図３に示すように、この半導体レーザ素子１は、上部電極５と、下面に形成された下部電極６と、ｎ型のＧａＡｓからなる基板７と、基板７上に形成された半導体積層部２と、パッシベーション膜１５とを備える。
【００２６】
半導体積層部２は、基板７上に順次形成された、ｎ型バッファ層８、ｎ型クラッド層９、ｎ型ガイド層１０、活性層１１、ｐ型ガイド層１２、ｐ型クラッド層１３、ｐ型コンタクト層１４を備える。
【００２７】
ｎ型バッファ層８は、ＧａＡｓからなり、基板７上に高品質のエピタキシャル層の積層構造を成長するための緩衝層である。ｎ型クラッド層９とｎ型ガイド層１０とは、積層方向に対する所望の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さとが設定されたＡｌＧａＡｓからなる。なお、ｎ型ガイド層１０のＡｌ組成は、例えば２０％以上４０％未満である。また、ｎ型クラッド層９は、ｎ型ガイド層１０よりも屈折率が小さくなっている。また、ｎ型ガイド層１０の厚さは、５０ｎｍ以上、たとえば１０００ｎｍ程度であることが好ましい。ｎ型クラッド層９の厚さは、１μｍ〜３μｍ程度が好ましい。また、これらのｎ型半導体層は、ｎ型ドーパントとしてたとえば珪素（Ｓｉ）を含む。
【００２８】
活性層１１は、下部バリア層、量子井戸層、上部バリア層を備え、単一の量子井戸（ＳＱＷ）構造を有する。下部バリア層および上部バリア層は、量子井戸層にキャリアを閉じ込める障壁の機能を有し、故意にドーピングをしない高純度のＡｌＧａＡｓからなる。量子井戸層は、故意にドーピングをしない高純度のＩｎＧａＡｓからなる。量子井戸層のＩｎ組成および膜厚、下部バリア層および上部バリア層の組成は、所望の発光中心波長（たとえば９００ｎｍ〜１０８０ｎｍ）に応じて設定される。なお、活性層１１の構造は、量子井戸層とその上下に形成されたバリア層の積層構造を所望の数だけ繰り返した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造でもよいし、単一量子井戸構造でもよい。また、上記では、故意にドーピングをしない高純度層での構成を説明したが、量子井戸層、下部バリア層および上部バリア層に故意にドナーやアクセプタが添加される場合もある。
【００２９】
ｐ型ガイド層１２およびｐ型クラッド層１３は、上述のｎ型クラッド層９およびｎ型ガイド層１０と対になり、積層方向に対する所望の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さとが設定されたＡｌＧａＡｓからなる。ｐ型ガイド層１２のＡｌ組成は、例えば２０％以上４０％未満である。ｐ型クラッド層１３は、ｐ型ガイド層１２よりも屈折率が小さくなっている。層中の光のフィールドをｎ型クラッド層９の方向にずらして導波路損失を小さくするために、ｐ型クラッド層１３のＡｌ組成はｎ型クラッド層９に比べて若干大きめに設定される。そして、ｐ型ガイド層１２のＡｌ組成は、ｐ型クラッド層１３のＡｌ組成に比べ小さく設定される。また、ｐ型ガイド層１２の厚さは、５０ｎｍ以上、たとえば１０００ｎｍ程度であることが好ましい。ｐ型クラッド層１３の厚さは、１μｍ〜３μｍ程度が好ましい。また、これらのｐ型半導体層は、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を含む。ｐ型ガイド層１２のＣ濃度は、たとえば０．１〜１．０×１０１７ｃｍ−３に設定され、０．５〜１．０×１０１７ｃｍ−３程度が好適である。ｐ型クラッド層１３のＣ濃度は、たとえば１．０×１０１７ｃｍ−３以上に設定される。また、ｐ型コンタクト層１４は、ＺｎまたはＣが高濃度にドーピングされたＧａＡｓからなる。
【００３０】
パッシベーション膜１５は、たとえばＳｉＮｘからなる絶縁膜であり、開口部Ａを有する。
【００３１】
図３に示すように、半導体積層部２の開口部Ａの直下の領域は、トレンチ溝Ｔｒ１が形成されていることにより、ｘ方向において光を閉じ込めるためのリッジ構造が形成されている。さらに、この半導体レーザ素子１では、パッシベーション膜１５により上部電極５と半導体積層部２との接触面積を制限することによって電流狭窄構造が実現されている。
【００３２】
図３において、導波路幅Ｗｓは、たとえば８０μｍ以上５００μｍ以下である。ここで、導波路幅Ｗｓは、リッジ構造の底部の幅であり、ここでは２つのトレンチ溝Ｔｒ１の間隔と一致する。半導体レーザ素子１からの出力を光ファイバに結合させる場合、導波路幅Ｗｓは、光ファイバのコア径とほぼ同じ寸法とすると結合効率の観点から好適である。トレンチ溝Ｔｒ１の幅に対応するトレンチ幅Ｗｔは、たとえば５〜数１０μｍである。トレンチ溝の深さＤは、半導体積層部２の最上面からトレンチ溝Ｔｒ１の底までの深さである。活性層１１の上面からトレンチ溝Ｔｒ１の底までの厚さであるリッジ残し厚Ｔは、たとえば５００〜１５００ｎｍである。水平方向の十分な光の閉じ込めと良好な電気光学特性を実現するため残し厚Ｔは、例えば６００〜１１００ｎｍであることが好ましい。
【００３３】
これに対して、図４は、図２に示す半導体レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面図の一例である。図４に示すように、第２領域２ａｂにおいて、半導体積層部２には、トレンチ溝が形成されていない。
【００３４】
また、図２に示すように、半導体レーザ素子１の半導体積層部２は、電流が注入されない電流非注入領域２ｂを有する。電流非注入領域２ｂは例えばＳｉＮｘ、ＳｉＯ２などの絶縁膜等で電流注入が阻害されている。電流非注入領域２ｂは、ｚ方向に沿って、端面Ｅ１側に形成された第１電流非注入領域２ｂａと、端面Ｅ２側に形成された第２電流非注入領域２ｂｂとを有する。ここで、半導体レーザ素子において、光出力が増加すると、端面においてレーザ光の吸収により熱が発生する場合がある。この場合、発熱によって端面が溶融し、レーザ素子の機能が停止してしまうＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ）と呼ばれる現象が発生するおそれがあり、信頼性上問題となる。この問題を解決するため、半導体レーザ素子１の半導体積層部２には、両端面の近傍に電流を注入しない電流非注入領域２ｂが設けられている。
【００３５】
第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａ、第２電流非注入領域２ｂｂの長さＬ２ｂｂは、たとえばそれぞれ１００μｍであるが、第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａと第２電流非注入領域２ｂｂの長さＬ２ｂｂとが異なる値であってもよく、第１電流非注入領域２ｂａのみに電流非注入領域が形成されていてもよい。
【００３６】
つぎに、この半導体レーザ素子１の動作について説明する。まず、下部電極６と上部電極５の間に電圧を印加して、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とから活性層１１にキャリアを注入する。このとき、上部電極５からｐ型半導体層を介して注入されるホールキャリアは、その電流経路がパッシベーション膜１５により狭窄されて、電流密度が高められた状態で効率よく活性層１１に注入される。このとき、電流が注入される幅が電流注入幅である。電流を注入された活性層１１は所定の発光中心波長を有する光を発光する。発光した光は、ｘ軸方向はリッジ構造によって、ｙ軸方向はガイド層とクラッド層との屈折率差によって、活性層１１の近傍に閉じ込められてｚ軸方向に導波しながら、活性層１１の光増幅作用と、低反射率膜３と高反射率膜４とが形成する光共振器とによってレーザ発振する。これによって、半導体レーザ素子１は、図１に示すようにレーザ光Ｌを出射する。
【００３７】
ここで、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子を実現することを検討する。半導体レーザ素子１の出力したレーザ光Ｌを光ファイバに高効率に結合させるためには、ＦＦＰｈ（水平方向の遠視野像：Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）の角度が小さく、かつＮＦＰ（水平方向の近視野像：Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）の幅が狭いことが好ましい。ＦＦＰｈの角度が大きい場合、光ファイバのクラッドにレーザ光Ｌが結合し、結合効率が低下するとともに、クラッドから漏れた光が熱となり光ファイバの被覆等を損傷させる場合があるという問題が生じる。また、ＮＦＰの幅が広い場合にも、同様の問題が生じる。なお、本明細書においてＦＦＰｈの角度とは、半導体レーザ素子１の出力したレーザ光Ｌのピーク光強度に対して光強度が１／ｅ２となる全角度であり、ＮＦＰの幅とは、半導体レーザ素子１の出力したレーザ光Ｌのピーク光強度に対して光強度が１／ｅ２となる全幅である。また、水平方向とは、図１におけるｘ軸方向を指す。
【００３８】
まず、ＮＦＰの幅を狭くするには、導波路幅Ｗｓを狭くすればよい。導波路幅Ｗｓを狭くすると、発振されるレーザ光Ｌの水平方向の幅が狭くなるためである。しかしながら、導波路幅Ｗｓを単純に狭くしても半導体レーザ素子１の光ファイバへの結合効率が改善されない。
【００３９】
図５は、ＦＦＰｈ変化量と導波路幅との関係を表す図である。図５に示すように、導波路幅Ｗｓが１００μｍの場合を基準として導波路幅Ｗｓを狭くするとＦＦＰｈの角度は大きくなる。つまり、導波路幅Ｗｓを狭くすると、ＮＦＰの幅は狭くなるものの、ＦＦＰｈの角度は大きくなり、半導体レーザ素子１の光ファイバへの結合効率を十分に改善することができない。
【００４０】
導波路幅Ｗｓを狭くするとＦＦＰｈの角度が大きくなる理由は以下のように推定される。まず、導波路幅Ｗｓが狭いと、上部電極５と半導体積層部２とのコンタクト面積が狭くなり、抵抗が増加する。抵抗が増加すると、同一の電流を注入した場合であっても発熱が増加する。そして、発熱が増加して温度が上昇すると、発振したレーザ光Ｌが導波する領域とそれ以外の領域との屈折率差が増大する。この屈折率差の増大により、レーザ光Ｌが導波する領域に、より高次の水平横モードが閉じ込められるようになる。
【００４１】
以上で説明したように、ＮＦＰの幅とＦＦＰｈの角度とは、一方を小さくすると他方が大きくなるトレードオフの関係にある。
【００４２】
ここで、半導体レーザ素子１と対比するため、公知の半導体レーザ素子について説明する。図１４、図１５は、公知の半導体レーザ素子の一例の上面図である。図１４に示すように、公知の半導体レーザ素子１０１は、活性層を有する半導体積層部１０２と、低反射率膜１０３と、高反射率膜１０４と、活性層に電流を注入する上部電極１０５とを備える。そして、半導体積層部１０２は、両端面を含んでｚ方向に連続して形成されたトレンチ溝Ｔｒ１０１を有し、これにより水平方向の光の閉じ込めが強くされている。同様に、図１５に示す公知の半導体レーザ素子１１１は、活性層を有する半導体積層部１１２と、低反射率膜１１３と、高反射率膜１１４と、活性層に電流を注入する上部電極１１５とを備える。そして、半導体積層部１１２は、両端面を含んでｚ方向に連続して形成されたトレンチ溝Ｔｒ１１１を有し、これにより水平方向の光の閉じ込めが強くされている。また、半導体積層部１１２は、第１電流非注入領域１１２ｂａと第２電流非注入領域１１２ｂｂとからなる電流が注入されない電流非注入領域１１２ｂを備え、ＣＯＤの発生が抑制されている。
【００４３】
半導体レーザ素子１０１、半導体レーザ素子１１１において、半導体積層部１０２、半導体積層部１１２は、両端面を含んでｚ方向に連続して形成されたトレンチ溝Ｔｒ１０１、トレンチ溝Ｔｒ１１１を有する。その結果、半導体レーザ素子１０１、半導体レーザ素子１１１で励振された高次の水平横モードの光は、トレンチ溝Ｔｒ１０１、トレンチ溝Ｔｒ１１１により形成されたリッジ構造により閉じ込められたまま、低反射率膜１０３、低反射率膜１１３を介してレーザ光として出力される。
【００４４】
これに対し、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１は、図２に示すように、端面Ｅ１側の第２領域２ａｂにトレンチ溝が形成されていない。この第２領域２ａｂでは、トレンチ溝がなくリッジ構造を有しないため、高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子１では、出力するレーザ光Ｌに含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子１の出力するレーザ光Ｌは、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。このとき、導波路幅Ｗｓを変化させる場合と異なり、ＮＦＰの幅はほとんど変化しないので、結果として半導体レーザ素子１の光ファイバへの結合効率が改善される。
【００４５】
以上で説明したように、ＮＦＰの幅とＦＦＰｈの角度とはトレードオフの関係にあるものの、半導体レーザ素子１は、ＦＦＰｈの角度を小さくし、かつＮＦＰの幅を増大させることがない構成とされている。
【００４６】
図６は、ＦＦＰｈ変化量と第２領域の長さとの関係を表す図である。図６に示すように、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂを大きくすると、高次の水平横モードの閉じ込めを低減する効果が大きくなるため、ＦＦＰｈが小さくなる。図６より、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂは、たとえば１００μｍ以上でＦＦＰｈを小さくする効果があるが、１５０μｍ以上とするとＦＦＰｈが１度以上小さくなるためより好適である。このように、半導体レーザ素子１は、ＦＦＰｈの角度が小さく光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子であることが実証された。
【００４７】
図７は、パワー劣化率と第２領域の長さとの関係を表す図である。図７に示すように、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂを大きくすると、半導体レーザ素子１の出力光強度が劣化する。これは、半導体レーザ素子１は、第２領域２ａｂにおいてトレンチ溝がなくリッジ構造を有しないため、この領域で水平方向の光の閉じ込めが弱くなるためである。すなわち、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂを大きくしすぎると、半導体レーザ素子１の出力光強度が劣化し好ましくない。図７より、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂを２５０μｍ以下とすると出力光強度の劣化率は１％以内に抑えられる。
【００４８】
したがって、図６および図７に示した測定結果から、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂの長さは、１００μｍ以上２５０μｍ以下であることが好適である。以上のように、半導体レーザ素子１の一部にのみ水平方向の光の閉じ込めが弱い領域を設けることによって、光強度の低下を適切な範囲に抑えつつ、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子を提供することができる。また、図６、図７を見ても分かるように長さＬ２ａｂに対して、光出力とＦＦＰｈとがトレードオフの関係にある。シングルモードレーザでは、長さＬ２ａｂを長くすると光出力が急激に低下し、好適な長さＬ２ａｂを設定することが難しい。一方、半導体レーザ素子１は、マルチモードレーザであるので、工業的に実現可能な範囲をもって長さＬ２ａｂを設定することができる。
【００４９】
なお、図６および図７の測定において、第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａは、１００μｍに固定したが、第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａは、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂに応じて最適な値に設定することが好ましい。特に、第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａが、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂより長い場合、電流が注入されない、かつトレンチ溝がなく、更に水平方向の光の閉じ込めが弱い領域がより長くなり、半導体レーザ素子１の出力光強度の劣化が著しい。したがって、第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａは、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂより短いことが好ましい。長さＬ２ｂａは、長さＬ２ａｂに応じて、例えば長さＬ２ａｂより１０μｍ〜１００μｍ短いと好適である。（この場合、長さＬ２ｂａが長さＬ２ａｂより長いか略等しい場合に比べて、出力光強度が数％程度大きくなる。）同様に、第２電流非注入領域２ｂｂの長さＬ２ｂｂは、第３領域２ａｃの長さＬ２ａｃより短いことが好ましい。長さＬ２ｂｂは、長さＬ２ａｃに応じて、例えば長さＬ２ａｃより１０μｍ〜１００μｍ短いと好適である。
【００５０】
図２４は、従来技術による半導体レーザ素子から得られたＮＦＰの水平方向光強度分布である。図２４では、ＮＦＰに含まれるＴＥモード成分、ＴＭモード成分、およびこれらの成分を合わせたものを示している。なお、導波路幅Ｗｓは１００μｍである。図２４に示すように、導波路のへりに相当する領域に光強度の大きなピークが見られる。このような局所的な光強度の集中は、ＣＯＤの原因となり、信頼性上好ましくない。また、導波路のへりに見られる局所的な光強度のピークにはＴＭモード成分が多く含まれていることが分かった。ここで、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を一つの光学系に合わせる技術として、偏波合成技術があるが、この技術を用いる際、レーザ光にＴＭモード成分が多く含まれているのは好ましくない。
【００５１】
図２５は、図１に示す本発明の実施の形態の構造を有する半導体レーザ素子から得られたＮＦＰの水平方向光強度分布である。図２４では、ＮＦＰに含まれるＴＥモード成分、ＴＭモード成分、およびこれらの成分を合わせたものを示している。なお、導波路幅Ｗｓは１００μｍである。図２５に示すように、図２４で見られた、導波路のへりに相当する領域に光強度の大きなピークは見られず、位置に対して光強度がより均一となっている。したがって、局所的な光強度の集中によるＣＯＤが抑制され、信頼性上好ましい。また、図２５から解るように、ＮＦＰに含まれるＴＭモード成分が小さいので、偏波合成技術を用いる上で好ましい。
【００５２】
また、半導体レーザ素子１の半導体積層部２は、第２領域２ａｂだけでなく第３領域２ａｃにおいてもトレンチ溝が形成されていない。しかしながら、ＦＦＰｈの角度を小さくするためには、レーザ光出射側の端面近傍にトレンチ溝が形成されていない領域があればよく、第３領域２ａｃにトレンチ溝が形成されていてもよい。半導体レーザ素子１においては、製造過程において基板７をへき開する際のへき開面の連続性の観点から第３領域２ａｃにトレンチ溝を形成していない。
【００５３】
また、トレンチ溝の深さＤ（図３参照）が深くリッジ残し厚Ｔが小さいほど、レーザ光Ｌが導波する領域とそれ以外の領域との屈折率差が増大し、より高次の水平横モードが閉じ込められる。したがって、このような場合に本発明のＦＦＰｈを小さくする効果が顕著に発揮される。
【００５４】
以上で説明したように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
【００５５】
なお、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１は、公知の有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いて成長させた半導体積層部２に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を用いて半導体積層部２の第１領域２ａａに選択的にトレンチ溝Ｔｒ１を形成することにより製造される。
【００５６】
（変形例１）
つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例１について説明する。図８は、変形例１の半導体レーザ素子の上面図である。図８に示すように、変形例１の半導体レーザ素子２１は、活性層を有する半導体積層部２２と、半導体積層部２２のレーザ光出射側の端面Ｅ２１に形成された低反射率膜２３と、端面Ｅ２１と対向する後端面側の端面Ｅ２２に形成された高反射率膜２４とを有している。
【００５７】
さらに、半導体レーザ素子２１は、半導体積層部２２の上面に形成された上部電極２５を備える。上部電極２５は、開口部Ａの内側で半導体積層部２２に接している。
【００５８】
半導体積層部２２は、端面Ｅ２１の近傍に位置する第２領域２２ａｂおよび端面Ｅ２２の近傍に位置する第３領域２２ａｃと、第２領域２２ａｂと第３領域２２ａｃとの間に位置する第１領域２２ａａを有する。
第１領域２２ａａの半導体積層部２２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ２が形成され、トレンチ溝Ｔｒ２の間にはストライプ領域（図１参照）が形成されている。一方、第２領域２２ａｂおよび第３領域２２ａｃには、トレンチ溝Ｔｒ２は形成されておらず、半導体積層部２２の上面は一定の高さとなっている。
したがって、第２領域２２ａｂ、第３領域２２ａｃは、ストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がなく、第１領域２２ａａよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
【００５９】
ここで、半導体レーザ素子２１の半導体積層部２２は、端面Ｅ２１側の第２領域２２ａｂにトレンチ溝が形成されていない。この第２領域２２ａｂでは、トレンチ溝がなくリッジ構造を有しないため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子２１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子２１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例１の半導体レーザ素子２１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
【００６０】
（変形例２）
つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例２について説明する。図９は、変形例２の半導体レーザ素子の上面図である。図９に示すように、変形例２の半導体レーザ素子３１は、活性層を有する半導体積層部３２と、半導体積層部３２のレーザ光出射側の端面Ｅ３１に形成された低反射率膜３３と、レーザ光出射側の端面と対向する後端面側の端面Ｅ３２に形成された高反射率膜３４とを有している。
【００６１】
さらに、半導体レーザ素子３１は、半導体積層部３２の上面に形成された上部電極３５を備える。上部電極３５は、開口部Ａの内側で半導体積層部３２に接している。
【００６２】
半導体積層部３２は、端面Ｅ３１の近傍に位置する第２領域３２ａｂおよび端面Ｅ３２の近傍に位置する第３領域３２ａｃと、第２領域３２ａｂと第３領域３２ａｃとの間に位置する第１領域３２ａａを有する。
第１領域３２ａａの半導体積層部３２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ３１が形成されている。一方、第２領域３２ａｂおよび第３領域３２ａｃの半導体積層部３２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ３２およびトレンチ溝Ｔｒ３３が形成されている。トレンチ溝Ｔｒ３１、トレンチ溝Ｔｒ３２、トレンチ溝Ｔｒ３３の間にはストライプ領域が形成されている。
トレンチ溝Ｔｒ３２、トレンチ溝Ｔｒ３３は、トレンチ溝Ｔｒ３１よりも半導体積層部３２の最上面からトレンチ溝の底までの深さが浅い。
したがって、第２領域３２ａｂ、第３領域３２ａｃは、第１領域３２ａａよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
トレンチ溝Ｔｒ３１の深さは、たとえば１０００ｎｍである。トレンチ溝Ｔｒ３２、トレンチ溝Ｔｒ３３の深さは、たとえば２００ｎｍである。
【００６３】
ここで、半導体レーザ素子３１の半導体積層部３２は、端面Ｅ３１側の第２領域３２ａｂにトレンチ溝の深さが浅いトレンチ溝Ｔｒ３２を有する。この第２領域３２ａｂでは、トレンチ溝の深さが浅いため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子３１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子３１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例２の半導体レーザ素子３１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
【００６４】
変形例２の半導体レーザ素子３１のように、第２領域には、トレンチ溝が形成されていてもよい。第１領域のトレンチ溝の深さより第２領域のトレンチ溝の深さが浅く、第２領域の水平方向の光の閉じ込めが弱い構成であれば本発明の効果が発揮される。また、トレンチ溝Ｔｒ３２の深さとトレンチ溝Ｔｒ３３の深さとが異なる構成であってもよい。
【００６５】
また、変形例２として半導体積層部２２が電流非注入領域を有さない例を示したが、電流非注入領域を設けてもよい。
【００６６】
（変形例３）
つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例３について説明する。図１０は、変形例３の半導体レーザ素子の上面図である。図１０に示すように、変形例３の半導体レーザ素子４１は、活性層を有する半導体積層部４２と、半導体積層部４２のレーザ光出射側の端面Ｅ４１に形成された低反射率膜４３と、端面Ｅ４１と対向する後端面側の端面Ｅ４２に形成された高反射率膜４４とを有している。
【００６７】
さらに、半導体レーザ素子４１は、半導体積層部４２の上面に形成された上部電極４５を備える。上部電極４５は、開口部Ａの内側で半導体積層部４２に接している。また、半導体積層部４２は、電流が注入されない電流非注入領域４２ｂを備える。電流非注入領域４２ｂは、ｚ方向に沿って、端面Ｅ４１側に形成された第１電流非注入領域４２ｂａと、端面Ｅ４２側に形成された第２電流非注入領域４２ｂｂとを有する。このように、半導体レーザ素子４１は、電流非注入領域４２ｂによりＣＯＤの発生が防止された半導体レーザ素子である。
【００６８】
半導体積層部４２は、端面Ｅ４１の近傍に位置する第２領域４２ａｂおよび端面Ｅ４２の近傍に位置する第３領域４２ａｃと、第２領域４２ａｂと第３領域４２ａｃとの間に位置する第１領域４２ａａを有する。
第１領域４２ａａの半導体積層部４２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ４１が形成されている。一方、第２領域４２ａｂおよび第３領域４２ａｃの半導体積層部４２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ４２およびトレンチ溝Ｔｒ４３が形成されているトレンチ溝Ｔｒ４１、トレンチ溝Ｔｒ４２、トレンチ溝Ｔｒ４３の間にはストライプ領域が形成されている。
トレンチ溝Ｔｒ４２、トレンチ溝Ｔｒ４３は、トレンチ溝Ｔｒ４１よりも半導体積層部４２の最上面からトレンチ溝の底までの深さが浅い。
したがって、第２領域４２ａｂ、第３領域４２ａｃは、第１領域４２ａａよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
トレンチ溝Ｔｒ４１の深さは、たとえば１０００ｎｍである。トレンチ溝Ｔｒ４２、トレンチ溝Ｔｒ４３の深さは、たとえば２００ｎｍである。
【００６９】
なお、この場合も、第１電流非注入領域４２ｂａの長さＬ４２ｂａは、第２領域４２ａｂのｚ方向の長さＬ４２ａｂより短いことが好ましい。同様に、第２電流非注入領域４２ｂｂの長さＬ４２ｂｂは、第３領域４２ａｃのｚ方向の長さＬ４２ａｃより短いことが好ましい。
【００７０】
ここで、半導体レーザ素子４１の半導体積層部４２は、端面Ｅ４１側の第２領域４２ａｂにトレンチ溝の深さが浅いトレンチ溝Ｔｒ４２を有する。この第２領域４２ａｂでは、トレンチ溝の深さが浅いため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子４１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子４１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例３の半導体レーザ素子４１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
【００７１】
（変形例４）
つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例４について説明する。図１１は、変形例４の半導体レーザ素子の上面図である。図１１に示すように、変形例４の半導体レーザ素子５１は、活性層を有する半導体積層部５２と、半導体積層部５２のレーザ光出射側の端面Ｅ５１に形成された低反射率膜５３と、端面Ｅ５１と対向する後端面側の端面Ｅ５２に形成された高反射率膜５４とを有している。
【００７２】
さらに、半導体レーザ素子５１は、半導体積層部５２の上面に形成された上部電極５５を備える。上部電極５５は、開口部Ａの内側で半導体積層部５２に接している。
【００７３】
半導体積層部５２は、端面Ｅ５１の近傍に位置する第２領域５２ａｂおよび端面Ｅ５２の近傍に位置する第３領域５２ａｃと、第２領域５２ａｂと第３領域５２ａｃとの間に位置する第１領域５２ａａを有する。
第１領域５２ａａの半導体積層部５２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ５１が形成されている。一方、第２領域５２ａｂおよび第３領域５２ａｃの半導体積層部５２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ５２およびトレンチ溝Ｔｒ５３が形成されている。トレンチ溝Ｔｒ５１、トレンチ溝Ｔｒ５２、トレンチ溝Ｔｒ５３の間にはストライプ領域が形成されている。
また、トレンチ溝Ｔｒ５１とトレンチ溝Ｔｒ５２との境界およびトレンチ溝Ｔｒ５１とトレンチ溝Ｔｒ５３との境界は、ｚ方向に沿った両端面に向かって、トレンチ溝Ｔｒ５１の幅が狭くなるとともにトレンチ溝Ｔｒ５２およびトレンチ溝Ｔｒ５３の幅が広くなり、かつトレンチ溝の合計の幅が一定であるように形成されている。そして、半導体レーザ素子５１において、トレンチ溝Ｔｒ５２、トレンチ溝Ｔｒ５３は、トレンチ溝Ｔｒ５１よりも半導体積層部５２の最上面からトレンチ溝の底までの深さが浅い。トレンチ溝Ｔｒ５１の深さは、たとえば１０００ｎｍである。トレンチ溝Ｔｒ５２、トレンチ溝Ｔｒ５３の深さは、たとえば２００ｎｍである。
したがって、第２領域５２ａｂ、第３領域５２ａｃは、第１領域５２ａａよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
【００７４】
ここで、半導体レーザ素子５１の半導体積層部５２は、端面Ｅ５１側の第２領域５２ａｂにトレンチ溝の深さが浅いトレンチ溝Ｔｒ５２を有する。この第２領域５２ａｂでは、トレンチ溝の深さが浅いため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子５１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子５１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例４の半導体レーザ素子５１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
【００７５】
なお、半導体レーザ素子５１において、トレンチ溝Ｔｒ５１とトレンチ溝Ｔｒ５２との境界は、レーザ光が導波するｚ方向に対して傾斜している。その結果、導波するレーザ光がトレンチ溝Ｔｒ５１とトレンチ溝Ｔｒ５２との境界において、屈折率等の急激な変化の影響を受け、半導体レーザ素子の出力特性に悪影響が生じることが防止されている。
【００７６】
変形例４として半導体積層部５２が電流非注入領域を有さない例を示したが、電流非注入領域を設けてもよい。この場合も、端面Ｅ５１側の電流非注入領域の長さは、第２領域５２ａｂのｚ方向の長さＬ５２ａｂより短いことが好ましい。同様に、端面Ｅ５２側の電流非注入領域の長さは、第３領域５２ａｃのｚ方向の長さＬ５２ａｃより短いことが好ましい。なお、この場合、第２領域５２ａｂの長さＬ５２ａｂ、第３領域５２ａｃの長さＬ５２ａｃは、図１１に示すように、端面Ｅ５１、Ｅ５２からトレンチ溝Ｔｒ５１の幅が一定となる位置までの長さを指す。
【００７７】
（変形例５）
つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例５について説明する。図１２は、変形例５の半導体レーザ素子の上面図である。図１２に示すように、変形例５の半導体レーザ素子６１は、活性層を有する半導体積層部６２と、半導体積層部６２のレーザ光出射側の端面Ｅ６１に形成された低反射率膜６３と、端面Ｅ６１と対向する後端面側の端面Ｅ６２に形成された高反射率膜６４とを有している。
【００７８】
さらに、半導体レーザ素子６１は、半導体積層部６２の上面に形成された上部電極６５を備える。上部電極６５は、開口部Ａの内側で半導体積層部６２に接している。
【００７９】
半導体積層部６２は、端面Ｅ６１の近傍に位置する第２領域６２ａｂおよび端面Ｅ６２の近傍に位置する第３領域６２ａｃと、第２領域６２ａｂと第３領域６２ａｃとの間に位置する第１領域６２ａａを有する。
第１領域６２ａａの半導体積層部６２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ６が形成され、トレンチ溝Ｔｒ６の間にはストライプ領域が形成されている。一方、第２領域６２ａｂおよび第３領域６２ａｃには、トレンチ溝Ｔｒ６は形成されておらず、半導体積層部６２の上面は一定の高さとなっている。
したがって、第２領域６２ａｂ、第３領域６２ａｃは、ストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がなく、第１領域６２ａａよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。また、トレンチ溝Ｔｒ６のｚ方向に沿った両端部は、両端面に向かって、トレンチ溝Ｔｒ６の幅が狭くなる。
【００８０】
ここで、半導体レーザ素子６１の半導体積層部６２は、端面Ｅ６１側の第２領域６２ａｂにトレンチ溝が形成されていない。この第２領域６２ａｂでは、トレンチ溝がなくリッジ構造を有しないため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子６１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子６１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例５の半導体レーザ素子６１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
【００８１】
変形例５として半導体積層部６２が電流非注入領域を有さない例を示したが、電流非注入領域を設けてもよい。この場合も、端面Ｅ６１側の電流非注入領域の長さは、第２領域６２ａｂのｚ方向の長さＬ６２ａｂより短いことが好ましい。同様に、端面Ｅ６２側の電流非注入領域の長さは、第３領域６２ａｃのｚ方向の長さＬ６２ａｃより短いことが好ましい。なお、この場合、第２領域６２ａｂの長さＬ６２ａｂ、第３領域６２ａｃの長さＬ６２ａｃは、図１２に示すように、端面Ｅ６１、Ｅ６２からトレンチ溝Ｔｒ６の幅が一定となる位置までの長さを指す。
【００８２】
（変形例６）
つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例６について説明する。図１３は、変形例６の半導体レーザ素子の上面図である。図１３に示すように、変形例６の半導体レーザ素子７１は、活性層を有する半導体積層部７２と、半導体積層部７２のレーザ光出射側の端面Ｅ７１に形成された低反射率膜７３と、端面Ｅ７１と対向する後端面側の端面Ｅ７２に形成された高反射率膜７４とを有している。
【００８３】
さらに、半導体レーザ素子７１は、半導体積層部７２の上面に形成された上部電極７５を備える。上部電極７５は、開口部Ａの内側で半導体積層部７２に接している。また、半導体積層部７２は、電流が注入されない電流非注入領域７２ｂを備える。電流非注入領域７２ｂは、ｚ方向に沿って、端面Ｅ７１側に形成された第１電流非注入領域７２ｂａと、端面Ｅ７２側に形成された第２電流非注入領域７２ｂｂとを有する。このように、半導体レーザ素子７１は、電流非注入領域７２ｂによりＣＯＤの発生が防止された半導体レーザ素子である。
【００８４】
半導体積層部７２は、端面Ｅ７１の近傍に位置する第３領域７２ａｃおよび端面Ｅ７２側に位置する第１領域７２ａａと、第３領域７２ａｃと第１領域７２ａａとの間に位置する第２領域７２ａｂを有する。すなわち、第２領域７２ａｂは、端面Ｅ７１と離間して形成されており、第３領域７２ａｃは、端面Ｅ７１を含むように形成されている。
第１領域７２ａａおよび第３領域７２ａｃの半導体積層部７２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ７１およびトレンチ溝Ｔｒ７２が形成され、トレンチ溝Ｔｒ７１およびトレンチ溝Ｔｒ７２の間にはストライプ領域が形成されている。一方、第２領域７２ａｂには、トレンチ溝は形成されておらず、半導体積層部７２の上面は一定の高さとなっている。
したがって、第２領域７２ａｂは、ストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がなく、第１領域７２ａａおよび第３領域７２ａｃよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
【００８５】
ここで、半導体レーザ素子７１の半導体積層部７２は、端面Ｅ７１の近傍の第２領域７２ａｂにトレンチ溝が形成されていない。この第２領域７２ａｂでは、トレンチ溝がなくリッジ構造を有しないため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子７１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子７１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例６の半導体レーザ素子７１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
【００８６】
変形例６の半導体レーザ素子７１のように、トレンチ溝が形成されていない第２領域７２ａｂは、必ずしも端面Ｅ７１を含むように形成されている必要はなく、端面Ｅ７１と離間して形成されていてもよい。このとき、へき開面の連続性の観点から、端面Ｅ７２を含む領域にはトレンチ溝が形成されていなくてよい。また、第３領域７２ａｃのｚ方向の長さＬ７２ａｃより第１電流非注入領域７２ｂａの長さが長いことが好ましい。これは、第３領域７２ａｃに挟まれた領域の半導体積層部７２に電流注入が行われると、第３領域７２ａｃで高次の水平横モードが生じるためである。
【００８７】
なお、この場合も、第１電流非注入領域７２ｂａの長さＬ７２ｂａは、第２領域７２ａｂのｚ方向の長さＬ７２ａｂと第３領域７２ａｃの長さＬ７２ａｃとの合計より短いことが好ましい。
【００８８】
また、変形例６として半導体積層部７２が電流非注入領域を有する例を示したが、電流非注入領域を設けなくてもよい。
【００８９】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子を提供することができる。
【００９０】
また、上述の実施の形態では、水平方向においてストライプ領域（図１参照）に光を閉じ込める構造としてトレンチ溝を形成した例を示したが、光と電流とが通る領域が規制され、ストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果を有する光導波路が形成されれば、光を閉じ込める構造はこれに限定されない。光を閉じ込める構造として、たとえば、リッジ構造、ＳＡＳ（Ｓｅｌｆ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造、埋め込みヘテロ（ＢＨ：Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造などの構造やイオン注入を用いて形成してもよい。これらの構造を、光を閉じ込める構造として用いた構造について、以下に構造例として説明する。
【００９１】
なお、光を閉じ込める領域としてトレンチ溝を用いた場合は、半導体レーザ素子の作製が容易であり、安価に作製できる。さらに、ｐ型コンタクト層側にリッジのような凸の部分が形成されないため、ｐ型コンタクト層側を下にしてサブマウントにボンディングする場合に水平にボンディングしやすいという利点がある。
【００９２】
（構造例１）
構造例１に係るリッジ構造を有する半導体レーザ素子について説明する。図１６は、構造例１の半導体レーザ素子の上面図である。図１６に示すように、半導体積層部２は、端面Ｅ１の近傍に位置する第２領域２ａｂおよび端面Ｅ２の近傍に位置する第３領域２ａｃと、第２領域２ａｂと第３領域２ａｃとの間に位置する第１領域２ａａを有する。また、半導体レーザ素子１は、半導体積層部２の上面に形成された上部電極５を備える。上部電極５は、開口部Ａの内側で半導体積層部２に接している。
【００９３】
図１７は、構造例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｉ線断面図の一例である。図１７に示すように、リッジ構造を有する半導体レーザ素子１では、開口部Ａの直下のｐ型クラッド層１３の少なくとも一部にｘ方向において光を閉じ込めるためのリッジ構造が形成されている。また、構造例１の半導体レーザ素子１のＩＩ−ＩＩ線断面図は、図４と同一であってよいので説明を省略する。
【００９４】
このように、第１領域２ａａとしてリッジ構造を形成し、第１領域２ａａよりレーザ光Ｌの水平方向の光閉じ込め効果が小さい第２領域２ａｂとしてリッジ構造を有さない構造を形成してもよい。リッジ構造では、半導体レーザ素子１の作製が容易であり、安価に作製できる利点がある。
【００９５】
（構造例２）
構造例２に係るＳＡＳ構造を有する半導体レーザ素子について説明する。図１８は、構造例２の半導体レーザ素子の上面図である。図１８に示すように、半導体積層部２は、端面Ｅ１の近傍に位置する第２領域２ａｂおよび端面Ｅ２の近傍に位置する第３領域２ａｃと、第２領域２ａｂと第３領域２ａｃとの間に位置する第１領域２ａａを有する。また、半導体レーザ素子１は、半導体積層部２の上面に形成された上部電極５を備える。上部電極５は、その全面が半導体積層部２に接しているが、後述する電流ブロッキング層により電流が開口部Ａに狭窄されて注入される。
【００９６】
図１９は、構造例２の半導体レーザ素子のＩ−Ｉ線断面図の一例である。図１９に示すように、ＳＡＳ構造を有する半導体レーザ素子１では、活性層１１を挟んで両側に形成され、他の層に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きなｎ−ＡｌＧａＡｓからなる下部キャリアブロッキング層２１６および上部キャリアブロッキング層２１７が形成されている。さらに、この半導体レーザ素子１では、ｐ型ガイド層１２の中（図では厚みの中間の位置）に、ｎ−ＡｌＧａＡｓで形成された電流ブロッキング層２１８が配置されている。そして、電流ブロッキング層２１８が開口部Ａを有することにより、上部電極５から活性層１１への高効率な電流注入が実現されている。
【００９７】
図２０は、構造例２の半導体レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図２０に示すように、第２領域２ａｂにおいて、電流ブロッキング層２１８が開口部を有さず一様な厚みで形成されている。
【００９８】
このように、第１領域２ａａとしてＳＡＳ構造を形成し、第１領域２ａａよりレーザ光Ｌの水平方向の光閉じ込め効果が小さい第２領域２ａｂとしてＳＡＳ構造を有さない構造を形成してもよい。ＳＡＳ構造では、トレンチ溝を用いた場合と同様に、ｐ型コンタクト層１４側の面が平坦であるため、ボンディング性に優れている。さらに、電流ブロッキング層２１８によって水平方向の漏れ電流を抑制できるため、光閉じ込めの設計自由度が高いという利点もある。
【００９９】
（構造例３）
構造例３に係るＢＨ構造を有する半導体レーザ素子について説明する。図２１は、構造例３の半導体レーザ素子の上面図である。図２１に示すように、半導体積層部２は、端面Ｅ１の近傍に位置する第２領域２ａｂおよび端面Ｅ２の近傍に位置する第３領域２ａｃと、第２領域２ａｂと第３領域２ａｃとの間に位置する第１領域２ａａを有する。また、半導体レーザ素子１は、半導体積層部２の上面に形成された上部電極５を備える。上部電極５は、その全面が半導体積層部２に接しているが、後述するｐ型電流ブロック層２１９、ｎ型電流ブロック層２２０により電流が狭窄されて注入される。
【０１００】
図２２は、構造例３の半導体レーザ素子のＩ−Ｉ線断面図の一例である。図２２に示すように、ＢＨ構造を有する半導体レーザ素子１では、ｎ型クラッド層９の上部と活性層１１とがメサ形状に加工され、このメサ形状に隣接してｐ型電流ブロック層２１９、ｎ型電流ブロック層２２０が形成されることで電流ブロック層が形成されている。電流ブロック層には注入電流を遮蔽する機能があるため、電流ブロック層の存在により注入された電流を狭窄して活性層１１に注入されるキャリア密度を向上させ、閾値電流値を低減し、発光効率を高めている。
【０１０１】
図２３は、構造例３の半導体レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図２３に示すように、第２領域２ａｂにおいて、半導体レーザ素子１には、ｐ型電流ブロック層２１９およびｎ型電流ブロック層２２０からなる電流ブロック層が形成されていない。
【０１０２】
このように、第１領域２ａａとしてＢＨ構造を形成し、第１領域２ａａよりレーザ光Ｌの水平方向の光閉じ込め効果が小さい第２領域２ａｂとしてＢＨ構造を有さない構造を形成してもよい。ＢＨ構造は、トレンチ溝を用いた場合と同様にボンディング性に優れている。また、漏れ電流が非常に少なく、電流ブロック性に優れている。
【０１０３】
以上説明したように、レーザ光Ｌの水平方向の光閉じ込め効果を有する構造であって、第１領域より第２領域の水平方向の光閉じ込め効果を小さくする構成であれば、本発明の効果を得ることができる。
【０１０４】
なお、上記実施の形態では、ＧａＡｓ系の材料について説明したが、所望の発振波長に応じてＩｎＰ等の他の材料の基板や、他の材料系から積層構造を構成することが可能である。
【０１０５】
また、上述の実施の形態では、基板上にｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、ｎ型ガイド層、活性層、ｐ型ガイド層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層を形成した構造を説明してきたが、基板上に順次、ｐ型バッファ層、ｐ型クラッド層、ｐ型ガイド層、活性層、ｎ型ガイド層、ｎ型クラッド層、ｎ型コンタクト層を形成した構造であってもよい。
【０１０６】
（レーザ照射装置）
図２６は、本発明の実施の形態に係るレーザ光照射装置の模式的な構成図である。このレーザ光照射装置１０００は、実施の形態に係る半導体レーザ素子１を備えた光ファイバレーザである。
【０１０７】
レーザ光照射装置１０００は、それぞれが励起光源である半導体レーザ素子１を備えた複数の半導体レーザモジュール１００１と、複数の半導体レーザモジュール１００１の各半導体レーザ素子１と光学的に接続しており、各半導体レーザ素子１が出力する励起光を導波する複数のマルチモード光ファイバ１００２と、マルチモード光ファイバ１００２が導波した励起光を結合し、ダブルクラッド光ファイバ１００４から出力させるＴＦＢ（Tapered  Fiber  Bundle）１００３と、ダブルクラッド光ファイバ１００４に順次接続したダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ａ、光増幅ファイバ１００６、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ｂ、およびシングルモード光ファイバ１００７が接続された光出力コネクタ１００８と、を備える。
【０１０８】
各半導体レーザ素子１が出力する励起光の波長は９１５ｎｍ近傍である。また、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ａは、反射中心波長が約１０６０ｎｍであり、中心波長およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。また、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ｂは、中心波長が約１０６０ｎｍであり、中心波長における反射率が１０〜３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約０．１ｎｍであり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。したがって、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ａ、１００５ｂは、波長１０６０ｎｍの光に対して光共振器を構成する。
【０１０９】
光増幅ファイバ１００６は、コア部と、内側クラッド層と、外側クラッド層とを備えるダブルクラッド構造を有しており、そのコア部は希土類元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）と、アルミニウム（Ａｌ）とが添加されたシリカガラスからなる。
【０１１０】
このレーザ光照射装置１０００では、各半導体レーザ素子１が波長９１５ｎｍ近傍の励起光を出力すると、各マルチモード光ファイバ１００２が各励起光を導波し、ＴＦＢ１００３が導波した各励起光を結合してダブルクラッド光ファイバ１００４に出力する。ダブルクラッド光ファイバ１００４は結合した励起光をマルチモードで伝搬する。その後、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ａが励起光を透過して、光増幅ファイバ１００６に到達させる。
【０１１１】
光増幅ファイバ１００６に到達した励起光は、光増幅ファイバ１００６のコア部および内側クラッド層をマルチモードで伝搬しながら、コア部に添加したＹｂを光励起し、波長１０６０ｎｍを含む波長帯域を有する蛍光を発光させる。この蛍光は、コア部をシングルモードで伝搬し、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ａ、１００５ｂが構成する光共振器内を往復しながら、Ｙｂイオンの誘導放出作用により増幅され、発振波長１０６０ｎｍにおいてレーザ発振する。発振したレーザ光はダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ｂおよびシングルモード光ファイバ１００７を介して光出力コネクタ１００８からレーザ光Ｌ１０００として出力する。
【０１１２】
このレーザ光照射装置１０００では、実施の形態に係る半導体レーザ素子１を励起光源として用いているので、励起光は各マルチモード光ファイバ１００２に効率よく結合する。その結果、出力するレーザ光Ｌ１０００の強度を高くできる。
【０１１３】
なお、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記実施の形態に係るレーザ光照射装置の構成に限らず、様々な構成のレーザ光照射装置に適用できる。
【０１１４】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、上述した各変形例と各構造例とを組み合わせた構成も本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
以上のように、本発明に係る半導体レーザ素子およびレーザ光照射装置は、例えば産業用レーザの分野に適用して好適なものである。
【符号の説明】
【０１１６】
１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、１０１、１１１  半導体レーザ素子
２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、１０２、１１２  半導体積層部
２ａａ、２２ａａ、３２ａａ、４２ａａ、５２ａａ、６２ａａ、７２ａａ  第１領域
２ａｂ、２２ａｂ、３２ａｂ、４２ａｂ、５２ａｂ、６２ａｂ、７２ａｂ  第２領域
２ａｃ、２２ａｃ、３２ａｃ、４２ａｃ、５２ａｃ、６２ａｃ、７２ａｃ  第３領域
２ｂ、４２ｂ、７２ｂ、１１２ｂ  電流非注入領域
２ｂａ、４２ｂａ、７２ｂａ、１１２ｂａ  第１電流非注入領域
２ｂｂ、４２ｂｂ、７２ｂｂ、１１２ｂｂ  第２電流非注入領域
３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、１０３、１１３  低反射率膜
４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、１０４、１１４  高反射率膜
５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、１０５、１１５  上部電極
６  下部電極
７  基板
８  ｎ型バッファ層
９  ｎ型クラッド層
１０  ｎ型ガイド層
１１  活性層
１２  ｐ型ガイド層
１３  ｐ型クラッド層
１４  ｐ型コンタクト層
１５  パッシベーション膜
２１６  下部キャリアブロッキング層
２１７  上部キャリアブロッキング層
２１８  電流ブロッキング層
２１９  ｐ型電流ブロック層
２２０  ｎ型電流ブロック層
１０００  レーザ光照射装置
１００１  半導体レーザモジュール
１００２  マルチモード光ファイバ
１００４  ダブルクラッド光ファイバ
１００５ａ、１００５ｂ  ダブルクラッド光ファイバグレーティング
１００６  光増幅ファイバ
１００７  シングルモード光ファイバ
１００８  光出力コネクタ
Ａ  開口部
Ｄ  トレンチ溝の深さ
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２、Ｅ４１、Ｅ４２、Ｅ５１、Ｅ５２、Ｅ６１、Ｅ６２、Ｅ７１、Ｅ７２  端面
Ｌ  レーザ光
Ｌｄ  素子長
Ｌ２ａｂ、Ｌ２ａｃ、Ｌ２ｂａ、Ｌ２ｂｂ、Ｌ４２ａｂ、Ｌ４２ａｃ、Ｌ４２ｂａ、Ｌ４２ｂｂ、Ｌ５２ａｂ、Ｌ５２ａｃ、Ｌ６２ａｂ、Ｌ６２ａｃ、Ｌ７２ａｂ、Ｌ７２ａｃ、Ｌ７２ｂａ、Ｌ７２ｂｂ  長さ
Ｓ  ストライプ領域
Ｔ  リッジ残し厚
Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ６、Ｔｒ１０１、Ｔｒ１１１  トレンチ溝
Ｔｒ３１、Ｔｒ４１、Ｔｒ５１、Ｔｒ７１  第１トレンチ溝
Ｔｒ３２、Ｔｒ４２、Ｔｒ５２、Ｔｒ７２  第２トレンチ溝
Ｔｒ３３、Ｔｒ４３、Ｔｒ５３  第３トレンチ溝
Ｗｓ  導波路幅
Ｗｔ  トレンチ幅
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2016129618.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2016129618.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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2016129618.tif 000030
2016129618.tif 000031
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