(57)【要約】【課題】スペックルを抑制することの可能な半導体レーザ装置およびこれを用いたレーザモジュールならびに光学装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置１は、ストライプ状の複数のリッジ部１３を有する半導体レーザアレイ１０を、リッジ部１３側を下にしてヒートシンク１９上に備える。複数のリッジ部１３のうち、中央領域Ｇ１に配列されたリッジ部１３のストライプ幅は、端部領域Ｇ３に配列されたストライプ幅よりも大きくなっている。一方、各リッジ部１３上に設けられる電流注入層１４のストライプ幅は略一様であることが好ましい。合成光のスペクトル帯域幅を５ｎｍ程度にまで拡大できると共に、各リッジ部１３に対して均等な電流・電圧で駆動することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置であって、
前記半導体レーザ素子は、
リッジ部と、
前記リッジ部に電流を注入するための電流注入層とを有し、
前記複数の半導体レーザ素子は、前記リッジ部の幅が互いに異なる少なくとも２種類の半導体レーザ素子を含む
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記少なくとも２種類の半導体レーザ素子において、前記電流注入層の幅が略一様となっている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記少なくとも２種類の半導体レーザ素子において、前記リッジ部の幅に対する前記電流注入層の幅の比が互いに異なる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記複数の半導体レーザ素子のうち、中央部に配置された半導体レーザ素子のリッジ部の幅は、端部に配置された半導体レーザ素子のリッジ部の幅よりも大きい
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記複数の半導体レーザ素子のリッジ部の幅が、中央部から端部にかけて段階的に小さくなる
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記複数の半導体レーザ素子のうち、中央部に配置された半導体レーザ素子の数が相対的に多くなっている
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記複数の半導体レーザ素子が等間隔で配置されている
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記複数の半導体レーザ素子が、中央部において密、端部において疎となるように配置されている
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記電流注入層に隣接して、前記リッジ部の形状に沿って設けられた絶縁層と、
前記電流注入層および前記絶縁層を覆うように、前記複数の半導体レーザ素子に対して一体に形成された共通電極とを備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記共通電極に隣接すると共に、前記半導体レーザ素子のリッジ部の形状に沿うように設けられた金属層を備えた
ことを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
並列に接続された複数の半導体レーザ装置を備え、
前記各半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子からなり、
前記半導体レーザ素子は、
リッジ部と、
前記リッジ部に電流を注入するための電流注入層とを有し、
前記複数の半導体レーザ素子は、前記リッジ部の幅が互いに異なる少なくとも２種類の半導体レーザ素子を含み、
前記複数の半導体レーザ装置は、発振波長のスペクトル帯域が互いに異なる
ことを特徴とするレーザモジュール。
【請求項１２】
前記複数の半導体レーザ装置ごとに、発光領域を構成する材料の組成比が異なる
ことを特徴とする請求項１１に記載のレーザモジュール。
【請求項１３】
前記複数の半導体レーザ装置ごとに、発光領域を構成する材料が異なる歪みを有する
ことを特徴とする請求項１１に記載のレーザモジュール。
【請求項１４】
前記複数の半導体レーザ装置は、同一の単一電源に接続されている
ことを特徴とする請求項１１に記載のレーザモジュール。
【請求項１５】
半導体レーザ装置と、
前記半導体レーザ装置から出力された光を集光する光学系とを備え、
前記半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子からなり、
前記半導体レーザ素子は、
リッジ部と、
前記リッジ部に電流を注入するための電流注入層とを有し、
前記複数の半導体レーザ素子は、前記リッジ部の幅が互いに異なる少なくとも２種類の半導体レーザ素子を含む
ことを特徴とする光学装置。
【請求項１６】
前記半導体レーザ装置が、複数の半導体レーザアレイからなり、
前記複数の半導体レーザアレイは、発振波長のスペクトル帯域が互いに異なる
ことを特徴とする請求項１５記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタ装置等の光源として好適に用いられる半導体レーザ装置およびレーザモジュールならびに光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リアプロジェクションテレビ等の普及に伴い、スクリーン等に映像を投影して表示を行うプロジェクタ装置に対する高画質化の要求が高まっている。このようなプロジェクタ装置では、光源から出力された光を変調して映像を表示するため、装置全体の高性能化のためには、特に光源の性能を向上させることが求められる。このため、光源に用いられる発光装置としては、高色域化や高輝度化を実現できる半導体レーザが注目を集めている。
【０００３】
ところが、半導体レーザから出射される光は、波長が単一で位相の揃ったコヒーレンス光であり、発振スペクトル幅が１ｎｍ程度の高色純度（狭スペクトル）特性を有する。このため、投影スクリーン上でスペックルと呼ばれる斑点模様が生じ、画像がちらついて見えるという問題がある。
【０００４】
このようなスペックルを低減、除去する手法としては、例えば、スクリーンや、光路上に配置された光学素子を振動させることにより、レーザ光を空間的に位相の異なる光に変換する方法がある（例えば、特許文献１）。ところが、このような方法では、スクリーンや光学素子等を振動させるための駆動機構が新たに必要となり、装置構成が複雑となるので、コストや信頼性の面で好ましくない。一方、スペックルの発生を十分に抑制するためには、発振スペクトル幅を、通常の１ｎｍ程度から５ｎｍ程度にまで拡大する必要があるが、単一の半導体レーザでは困難である。
【特許文献１】特表平９−５０４９２０号公報
【特許文献２】特開２００４−１４７９３号公報
【特許文献３】特表２００４−５０３９２３号公報
【特許文献４】特開昭５９−１０７５９０号公報
【非特許文献１】Journal of Applied Physics，Volume 57 page 5428（1985）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、複数の半導体レーザ素子をアレイ状に配置し、それぞれの半導体レーザ素子から発振される光を合成させることで、発振スペクトル帯域幅を拡大することができる。これは、アレイ内の領域によって放熱性に差が生じるため、領域ごとに動作温度が異なることとなり発振波長がシフトするためである。また、例えば特許文献２〜４には、個々の半導体レーザ素子における発振波長を積極的に異ならせることにより、装置全体としてスペクトル帯域幅を拡大させる技術が開示されている。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献の構成や、単に複数の半導体レーザ素子の光を合成するという構成だけでは、スペックルの発生を抑制することが可能な程度にまで発振スペクトル帯域幅を確保することが困難である。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スペックルの発生を抑制することの可能な半導体レーザ装置およびこれを用いたレーザモジュールならびに光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置であって、半導体レーザ素子は、リッジ部と、リッジ部に電流を注入するための電流注入層とを有し、複数の半導体レーザ素子は、リッジ部の幅が互いに異なる少なくとも２種類の半導体レーザ素子を含むものである。
【０００９】
本発明の光学装置は、半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置から出力された光を集光する光学系とを備え、半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子からなり、半導体レーザ素子は、リッジ部と、リッジ部に電流を注入するための電流注入層とを有し、複数の半導体レーザ素子は、リッジ部の幅が互いに異なる少なくとも２種類の半導体レーザ素子を含むものである。
【００１０】
本発明のレーザモジュールは、並列に接続された複数の半導体レーザ装置を備え、各半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子からなり、半導体レーザ素子は、リッジ部と、リッジ部に電流を注入するための電流注入層とを有し、複数の半導体レーザ素子は、リッジ部の幅が互いに異なる少なくとも２種類の半導体レーザ素子を含み、複数の半導体レーザ装置は、発振波長のスペクトル帯域が互いに異なるものである。
【００１１】
なお、「発振波長のスペクトル帯域が互いに異なる」とは、スペクトル帯域同士が全く重複していない場合に限られず、一部が重複している場合も含むものとする。
【００１２】
本発明の半導体レーザ装置および光学装置では、リッジ部の幅が互いに異なる少なくとも２種類の半導体レーザ素子を含んでいることにより、リッジ部の幅が相対的に大きな半導体レーザ素子では、リッジ部の体積が増大し内部に熱が溜まり易くなるため、放熱性が低くなる。一方、リッジ部の幅が相対的に小さい半導体レーザ素子では、リッジ部の体積が減少し内部に熱が溜まりにくくなるため、放熱性が高くなる。これにより、動作温度が、リッジ部の大きな半導体レーザ素子において高くなり、リッジ部の小さな半導体レーザ素子において低くなる。このとき、出力される光の波長は、温度が高くなると長波長側へシフトし、逆に低くなると短波長側へシフトする。従って、半導体レーザ装置全体として、発振波長のスペクトル帯域幅が拡大される。
【００１３】
特に、リッジ部の幅が異なる少なくとも２種類の半導体レーザ素子において、電流注入層の幅が略一様となっていることが好ましい。すなわち、各リッジ部上に設けられた電流注入層の幅が、リッジ部の幅によらずほぼ等しくなっていることが好ましい。これにより、各リッジ部に印加される電流が均等となり、リッジ部ごとに抵抗器等の電圧調整機構を設けることなく、一定の電圧で駆動することができる。
【００１４】
また、中央部に配置された半導体レーザ素子のリッジ部の幅が端部に配置された半導体レーザ素子のリッジ部の幅よりも大きくなっていることが好ましい。一般に、複数の半導体レーザ素子が配列された半導体レーザ装置では、その中央部において放熱性が低く、端部において放熱性が高いという性質を有する。このため、中央部のリッジ部の幅が相対的に大きくなっていることにより、より放熱性が低くなる。逆に、端部のリッジ部の幅が相対的に小さくなっていることにより、より放熱性が高くなる。よって、中央部と端部との動作温度により大きな高低差が生じることとなる。従って、発振波長のスペクトル帯域幅がより効果的に拡大される。
【００１５】
さらに、半導体層の複数のリッジ部が設けられている側に金属層を有する場合には、隣接するリッジ部同士の間の領域では、熱伝導性が高くなる。リッジ部の幅が相対的に大きい領域では、熱が金属層に達しにくくなると共に、金属層の形成される領域が相対的に少なくなる。これに対し、リッジ部の幅が相対的に小さい領域では、熱が金属層に達しやすくなると共に、金属層の形成される領域が相対的に多くなる。従って、半導体レーザ装置全体として放熱性の違いによる高低差がより大きくなり、スペクトル帯域幅の確保に有利となる。
【００１６】
本発明のレーザモジュールでは、並列に接続された複数の半導体レーザ装置において、リッジ部の幅が互いに異なる少なくとも２種類の半導体レーザ素子を有することにより、動作温度に高低差が生じる。発振波長は、温度が高くなると長波長側へシフトし、逆に低くなると短波長側へシフトするため、各半導体レーザ装置において発振波長のスペクトル帯域幅が拡大される。特に、複数の半導体レーザ装置のそれぞれの発光層のスペクトル帯域が互いに異なっていることにより、複数の半導体レーザ装置から出力される合成光のスペクトル帯域幅が、各半導体レーザ装置を単独で用いた場合に比べて拡大される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体レーザ装置および光学装置によれば、リッジ部とリッジ部に電流を注入するための電流注入層とをそれぞれ有する複数の半導体レーザ素子が、リッジ部の幅が互いに異なる少なくとも２種類の半導体レーザ素子を含むようにしたので、リッジ部の幅が異なる半導体レーザ素子において、動作温度に高低差が生じる。よって、発振波長のスペクトル帯域幅が拡大され、スペックルを抑制することができる。
【００１８】
本発明のレーザモジュールによれば、並列に接続された複数の半導体レーザアレイがそれぞれ、アレイ状に配置された複数のストライプ状のリッジ部と、リッジ部ごとに設けられ、一定のストライプ幅を有する電流注入層と、各電流注入層に対応した発光領域とを備え、複数のリッジ部のうち中央部に配置されたリッジ部のストライプ幅が、端部に配置されたリッジ部のストライプ幅よりも大きく、かつ複数の半導体レーザアレイの発振波長のスペクトル帯域が互いに異なるようにしたので、これらの半導体レーザアレイを単独で用いた場合に比べて、スペクトル帯域幅がより拡大され、スペックルをより効率的に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザアレイ１０を備えた半導体レーザ装置１の断面構成を表すものである。この半導体レーザ装置１は、例えば、半導体レーザアレイ１０を、ヒートシンク１９上にリッジ部１３側を下にして金属層１８を介して載置したものである。なお、半導体レーザアレイ１０は、リッジ部１３ごとに発光領域が形成され、複数の半導体レーザ素子を含んで構成されている。
【００２１】
半導体レーザアレイ１０は、基板１１の一面側に半導体層１２を形成したものである。この半導体層１２は、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層（いずれも図示せず）等を基板１１上にこの順に積層すると共に、上部クラッド層の上部に複数のリッジ部１３を有している。
【００２２】
基板１１は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成されている。なお、ｎ型不純物は、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などである。
【００２３】
半導体層１２は、例えばＡｌＧａＩｎＰ系半導体により構成されている。なお、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体とは、長周期型周期表における３Ｂ族元素のアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）と、５Ｂ族元素のリン（Ｐ）とを含む化合物半導体のことをいう。
【００２４】
ここで、下部クラッド層は、例えばｎ型ＡｌaＧａ1-a-bＩｎbＰ（０＜ａ＜１，０＜ｂ＜１）により構成されている。活性層は、例えば不純物が含まれていないＧａcＩｎ1-cＰ（０＜ｃ＜１）により構成されている。この活性層は、各リッジ部１３に対応してストライプ状の発光領域Ｓを有している。すなわち、各発光領域Ｓは共通の半導体層１２内に形成されている。この発光領域Ｓは、リッジ部１３で狭窄された電流が注入される電流注入領域に対応している。上部クラッド層は、例えばｐ型ＡｌdＧａ1-d-eＩｎeＰ（０＜ｄ＜１，０＜ｅ＜１）により構成されている。なお、ｐ型不純物は、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などである。
【００２５】
上部クラッド層の上部には、レーザ光の射出方向（軸方向）に延在するストライプ状の複数のリッジ部１３が並列に形成されている。各リッジ部１３は、活性層の電流注入領域を制限すると共に、横方向の屈折率閉じ込め作用によって軸方向に導波させるようになっている。このリッジ部１３の構成については後述する。なお、以下、上記半導体層１２を積層した方向を縦方向と称し、軸方向および縦方向に垂直な方向（各リッジ部１３の配列方向）を横方向と称する。
【００２６】
また、このような半導体レーザアレイ１０は、上部電極１６および下部電極１７を有している。上部電極１６は、全てのリッジ部１３を覆うように一体的に設けられ、各リッジ部１３に対して共通の電極となっている。この上部電極１６は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を半導体層１２上にこの順に積層した構造を有している。また、本実施の形態では、個々のレーザに印加される電圧のバランスを調節するために、上部電極１６をリッジ部１３ごとに電気的に分離して構成し、電極ごとに抵抗器等を設ける必要はない。
【００２７】
下部電極１７は、基板１１の裏面側に形成されている。この下部電極１７は、例えば、ＡｕＧｅ，ＮｉおよびＡｕをこの順に積層した構造を有しており、基板１１と電気的に接続されている。なお、上部電極１６および下部電極１７は、ワイヤ（図示せず）を介して単一の電源（図示せず）に接続されている。
【００２８】
金属層１８は、例えば、はんだ等の接続用金属、金、錫（Ｓｎ）あるいは銀（Ａｇ）等を含む合金から構成されている。ヒートシンク１９は、半導体レーザアレイ１０の各発光領域Ｓから発生する熱を半導体レーザアレイ１０から放散させるための放熱部材である。金属層１８によって、半導体レーザアレイ１０の上部電極１６とヒートシンク１９とが接続されている。さらに、例えばペルチェ素子等の冷却素子を用いたり、ヒートシンク１９の代わりにサブマウント等の他の基板に接続された構成であってもよい。
【００２９】
次に、リッジ部１３の構成について説明する。半導体アレイ１０内の中央領域をＧ１、端部領域をＧ３、およびこれらの領域の中間領域をＧ２とすると、中央領域Ｇ１のリッジ部１３のストライプ幅Ｗ１は、端部領域Ｇ３のリッジ部１３のストライプ幅Ｗ３よりも大きくなっている。好ましくは、中央領域Ｇ１から端部領域Ｇ３にかけて、リッジ部１３のストライプ幅が段階的に小さくなっている。さらに好ましくは、各領域に含まれるリッジ部１３の数は中央領域Ｇ１で相対的に多くなっている。
【００３０】
例えば、各領域のリッジ部１３のストライプ幅が、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３の関係を満たすように、中央領域Ｇ１から端部領域Ｇ３にかけて段階的に小さくなるように構成されている。また、中央領域Ｇ１に配列されたリッジ部１３の個数は５つ、中間領域Ｇ２に配列されたリッジ部１３の個数は２つ、端部領域Ｇ３に配列されたリッジ部１３の個数は２つとなっており、中央領域Ｇ１におけるリッジ部１３の個数が最も多くなっている。
【００３１】
また、本実施の形態では、複数のリッジ部１３は等間隔（間隔Ｐ）で設けられている。すなわち、各リッジ部１３に対応して発光領域Ｓが等間隔で形成される。
【００３２】
ここで、図２（Ａ）にストライプ幅Ｗが比較的広い場合、図２（Ｂ）にストライプ幅Ｗが比較的狭い場合の、各リッジ部１３の断面構成例の拡大図を示す。これらの図に示したように、半導体層１２のリッジ部１３上には、電流注入層１４が設けられている。また、半導体層１２上の電流注入層１４が形成されていない領域には、リッジ形状に沿って絶縁層１５が設けられている。なお、絶縁層１５は、例えばＳｉＯ2により構成されている。また、上部電極１６は、複数のリッジ部１３を一体的に覆うように、電流注入層１４および絶縁層１５に隣接して設けられる。
【００３３】
電流注入層１４は、例えばｐ型Ａｌf Ｇａ1-f-g Ｉｎg Ｐ（０＜ｆ＜１，０＜ｇ＜１）もしくはｐ型ＧａＡｓにより構成されている。この電流注入層１４は、半導体層１２と上部電極１６との間でコンタクト層として機能すると共に、活性層の電流注入領域を制限するものである。
【００３４】
特に、この電流注入層１４のストライプ幅Ｄは、複数のリッジ部１３の間で略一様となっている。すなわち、リッジ部１３のストライプ幅Ｗが広い場合（図２（Ａ））と、リッジ部１３のストライプ幅Ｗが狭い場合（図２（Ｂ））とにおいて、電流注入層１４のストライプ幅Ｄは、ほぼ等しくなっている。言い換えれば、ストライプ幅の互いに異なるリッジ部１３同士で、リッジ部１３のストライプ幅Ｗに対する電流注入層のストライプ幅Ｄの比が互いに異なっている。例えば、リッジ部１３のストライプ幅Ｗが、図２（Ａ）では３００μｍ、図２（Ｂ）では８０μｍであるのに対し、電流注入層１４のストライプ幅Ｄは、いずれの場合も６０μｍとなっている。このように、電流注入層１４は、各リッジ部１３のストライプ幅Ｗの大きさに関わらず、一定の幅で設けられている。なお、「略一様」とは、完全同一の場合に限られず、製造上の誤差を含む概念とする。
【００３５】
また、半導体層１２上の電流注入層１４の形成されていない領域に絶縁層１５が設けられていることにより、上部電極１６と半導体層１２とは、電流注入層１４によってのみ電気的に接続される。このため、発光領域Ｓのストライプ幅は、横方向の温度分布によって多少変化するものの、電流注入層１４のストライプ幅Ｄと同等の大きさとなっている。
【００３６】
上記のような構成を有する半導体レーザ装置１は、例えば次のようにして製造することができる。
【００３７】
まず、半導体レーザアレイ１０を形成する。基板１１上の化合物半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、上記のようなＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、フォスフィン（ＰＨ3 ）を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、セレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いる。
【００３８】
具体的には、まず、基板１１上に、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、電流注入層をこの順に積層したのち、電流注入層１４および上部クラッド層の上部を、マスクを用いた２段階エッチング、例えば反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法等により、それぞれ選択的に除去する。これにより、上部クラッド層に、ストライプ状の複数のリッジ部１３が、中央領域Ｇ１におけるストライプ幅が端部領域Ｇ３におけるストライプ幅よりも大きくなるように並列に形成される。続いて、上部クラッド層の電流注入層１４の形成されていない領域に、絶縁層１５を例えば蒸着法等により形成する。
【００３９】
次いで、形成した電流注入層１４および絶縁層１５を覆うように、金属材料を蒸着法、スパッタ法等により、複数のリッジ部１３に対して一括して製膜することにより、上部電極１６を形成する。同様にして、基板１１の裏面に、下部電極１７を形成し、こののち、軸方向の一対の端面に反射鏡膜（図示せず）を形成する。このようにして半導体レーザアレイ１０が形成される。
【００４０】
こののち、上部電極１６とヒートシンク１９との間に、例えば、はんだ付けにより金属層１８を形成することによって、半導体レーザアレイ１０とヒートシンク１９とを接続する。以上により、図１に示した半導体レーザ装置１を完成する。
【００４１】
次に、本実施の形態の半導体レーザ装置１の作用について説明する。半導体レーザ装置１では、上部電極１６と下部電極１７との間に所定の電圧が印加されると、リッジ部１３によって電流狭窄され、活性層の電流注入領域（発光領域Ｓ）に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜（図示せず）により反射され、素子内を一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。
【００４２】
ところで、一般に、図９（Ａ）に示したような、単一のリッジ部１１３を有する半導体レーザ１１０と、ヒートシンク１１９とを備えた半導体レーザ装置１００では、上部電極１１６および下部電極１１７に対して電圧を印加して、半導体層１１２のうちリッジ部１１３に対応する発光領域Ｔからレーザ光を出力させると、発光領域Ｔに注入されたエネルギーのうち発光に寄与しなかった成分は熱となる。そのため、発光領域Ｔは図９（Ｂ）に示したような分布の発熱量を発生する熱源として作用する。発光領域Ｔで発生した熱は、主にリッジ部１１３および上部電極１１６を介してヒートシンク１１９に放散され、一部は基板１１１および下部電極１１７を介して外部に放散される。その結果、発光領域Ｔおよびその近傍は、図９（Ｃ）に示したような温度分布を持つようになる。
【００４３】
このため、図１０に示した半導体レーザ装置２００のように、一定のストライプ幅を有する複数のリッジ部１１３を等間隔に配列した場合には、熱干渉により配列の中央領域の温度が配列の端部領域の温度よりも高くなる。例えば、半導体レーザアレイ２１０をＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系の半導体材料により構成し、各リッジ部１１３のストライプ幅を６０μｍ、共振器長を７００μｍ、リッジ部１１３同士の間隔を４００μｍとし、上部電極１１６および下部電極１１７の間に１０Ａの駆動電流を流すと共に、ヒートシンク２１９の温度を２５℃に調節した場合には、図１１（Ａ）に示したように、半導体レーザアレイ２１０の中央領域と端部領域との間で、およそ５℃の温度差が生じる。
【００４４】
ここで、一般的な半導体レーザは、リッジ部内部の温度が上昇するにつれて発光光の発振波長が長波長側に変化し、逆に、リッジ部内部の温度が低下するにつれて発振波長が短波長側に変化する、という性質を有する。そのため、上記したように、横方向に温度分布が生じると、その温度分布に応じた波長の光が各発光領域Ｔから出力される。その結果、図１１（Ｂ）に示したように、その温度分布によって中央領域と端部領域との間でおよそ２ｎｍの波長差が生じる。従って、半導体装置２００のように、複数の半導体レーザをアレイ状に配置することにより、その位置に対応した動作温度の違いにより、発振波長のスペクトル帯域幅は２ｎｍ程度拡大される。
【００４５】
ところが、実際には、レーザ内部の温度が高くなると、発光効率が低下するので、相対的に温度の高い中央領域では発光強度が相対的に低くなる傾向がある。このため、中央領域の発光領域Ｔから出力される長波長領域の発光強度が相対的に低くなり、スペクトル分布が不均一となるので、２ｎｍ程度のスペクトル幅では、スペックルノイズを緩和する効果はほとんどない。
【００４６】
これに対し、本実施の形態では、ストライプ状に設けられた複数のリッジ部１３のうち、中央領域Ｇ１におけるリッジ部１３のストライプ幅が、端部領域Ｇ３におけるリッジ部１３のストライプ幅よりも大きくなっている。図２（Ａ）に示したように、リッジ部１３のストライプ幅Ｗが大きい場合には、半導体層１２におけるリッジ部１３の面積（体積）が大きくなり、内部で発生した熱が熱伝導性の高い上部電極１６や金属層１８に達しにくくなる。このため、リッジ部１３内部に熱が溜まり易くなり、放熱性が低くなる。一方、図２（Ｂ）に示したように、リッジ部１３のストライプ幅Ｗが小さい場合には、半導体層１２におけるリッジ部１３の面積（体積）が小さくなり、内部で発生した熱が熱伝導性の高い上部電極１６や金属層１８に達し易くなる。このため、リッジ部１３内部に熱が溜まりにくく、放熱性が高くなる。従って、中央領域Ｇ１では動作温度が上昇し、端部領域Ｇ３では動作温度が降下することとなる。
【００４７】
例えば、図１に示した半導体レーザアレイ１０において、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系の半導体材料を用いて構成し、リッジ部１３のストライプ幅Ｗ１を３００μｍ、ストライプ幅Ｗ２を１８０μｍ、ストライプ幅Ｗ３を６０μｍ、リッジ部１３同士の間隔を４００μｍ、電流注入層１４のストライプ幅を６０μｍ、共振器長を７００μｍとし、上部電極１６および下部電極１７の間に１０Ａの駆動電流を流すと共に、ヒートシンク１９の温度を２５℃に調節した場合の、温度分布を図３（Ａ）に示し、波長分布を図３（Ｂ）に示す。これらの図に示したように、半導体レーザアレイ１０の中央領域Ｇ１と端部領域Ｇ３との間で、およそ１５℃の温度差が生じ、これに伴って、中央領域Ｇ１から端部領域Ｇ３にかけての発振波長は６４０ｎｍ〜６４５ｎｍとなる。従って、スペクトル帯域幅は５ｎｍ程度にまで拡大される。
【００４８】
一方、リッジ部１３ごとに設けられる電流注入層１４のストライプ幅は、略一様となっている。このため、リッジ部１３のストライプ幅の大きさによらず、各リッジ部１３に流れる電流の大きさおよびその密度がほぼ等しくなる。これにより、各リッジ部１３を均等な電圧で駆動することができる。
【００４９】
ここで、各リッジ部のストライプ幅が異なる場合、リッジ部ごとに電流密度に差が生じる。このため、単一電源に並列接続した場合には、リッジ部ごとに動作電圧が異なり、例えば、上部電極をリッジ部ごとに電気的に分離して形成し、電圧降下用の抵抗器等、電圧調整機構を新たに設ける必要がある。
【００５０】
これに対し、電流注入層のストライプ幅が略一様であることにより、スペクトル帯域幅を拡大させるために、中央領域Ｇ１から端部領域Ｇ３にかけてリッジ部１３のスペクトル幅を変化させた場合であっても、従来の構成のように電圧調整機構を設けることなく、各リッジ部１３における駆動電圧を等しくすることができる。また、これにより、各リッジ部１３を電気的に独立させる必要がなくなるため、上部電極１６を複数のリッジ部１３に共通の電極として一体に形成することができる。従って、上部電極１６および下部電極１７に接続される電源は一つあれば足り、効率的な駆動を行うことができる。
【００５１】
さらに、本実施の形態では、複数のリッジ部１３が等間隔で設けられていることにより、アレイ内の発光強度分布が均一となり、複雑な光学系を用いずとも照明強度の均一化が可能となる。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態の半導体レーザ装置１によれば、複数のリッジ部１３のうち、中央領域Ｇ１に配列されたリッジ部１３のストライプ幅を端部領域Ｇ３に配列されたリッジ部１３のストライプ幅よりも大きくすることにより、発振波長のスペクトル帯域幅を、５ｎｍ程度拡大することができる。一方、各リッジ部１３に設けられた電流注入層１４のストライプ幅が、リッジ部１３のストライプ幅によらず一定であることにより、各リッジ部１３における駆動電圧が全て等しくなり、電圧調整機構等の新たな構成を設ける必要がなくなる。従って、簡易な構成で、スペックルの発生を効率的に抑制することが可能となる。
【００５３】
次に、本発明の一実施の形態に係るレーザモジュ−ル２について、図４を参照して説明する。
【００５４】
レーザモジュール２は、互いに合成光のスペクトル帯域が異なる半導体レーザアレイ２０ａ、２０ｂ同士が、同一の単一電源２４に並列に接続されたものである。また、例えば、半導体レーザアレイ２０ａおよび半導体レーザアレイ２０ｂは、下部電極１７同士が対向するように配置されており、各上部電極１６上には、放熱、冷却のための機構として、ヒートシンク１９、ペルチェ素子２２および放熱フィン２３がこの順に積層されている。なお、図４および以下の説明では、上記した半導体レーザアレイ１０と同様の構成については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。また、半導体層２１ａ，２１ｂに設けられたリッジ部の構成、および上部電極１６とヒートシンク１９との間に形成される金属層１８については、簡略化のために省略しているが、上記半導体レーザアレイ１０と同様の構成を有しているものとする。
【００５５】
半導体レーザアレイ２０ａと半導体レーザアレイ２０ｂとは、半導体層２１ａおよび半導体層２１ｂにおいて、発光領域を含む活性層（図示せず）の構成が互いに異なることにより、互いに異なるスペクトル帯域の光を発振する。具体的には、半導体層２１ａの活性層と半導体層２１ｂの活性層とが、それぞれ異なる歪みを含んでいる。ここで、「歪み」とは、圧縮や引っ張り等の外力の作用によって生じる伸縮等の形状的な変化である。このような歪みは、例えば、半田付けにより接続される半導体レーザアレイ２０ａ，２０ｂとヒートシンク１９との間の熱膨張係数の差を利用して付加することができる。なお、「歪みが異なる」とは、変形量と初期形状との比で表される度合い、あるいは、符号（伸び（＋）、縮み（−））が異なることをいうものとする。歪みの度合いや符号は、半田付けの際の諸条件を調節することによって調整可能である。
【００５６】
ここで、図８に、ＧａxＩｎ1-xＰからなる半導体材料の歪み（Strain（×１０-3））に対するエネルギーバンドギャップ（ΔＥ（ｅＶ））の関係を示す（非特許文献１）。このように、歪みの度合いや符号によってエネルギーバンドギャップが変化するため、発振波長帯がシフトする。従って、半導体層２１ａ，２１ｂの各活性層に互いに異なる歪みを付加することによって、半導体レーザアレイ２０ａと半導体レーザアレイ２０ｂとの間で、発振波長帯を異ならせることができる。
【００５７】
例えば、半導体層２１ａ，２１ｂが、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系の同一の組成で構成され、各活性層がＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｐで表される場合において、半導体層２１ａの活性層に歪みを付加せず（±０％）、半導体層２１ｂの活性層に−１．７％の歪みを付加する。この場合、歪みのない半導体レーザアレイ２０ａにおける合成光のスペクトル帯域は、例えば６４０ｎｍ〜６４５ｎｍとなり、−１．７％の歪みを含む半導体レーザアレイ２０ｂでは、合成光のスペクトル帯域は、例えば６３５ｎｍ〜６４０ｎｍとなる。すなわち、２つの半導体レーザアレイ２０ａ，２０ｂとの間で、それぞれ異なる波長領域に５ｎｍのスペクトル帯域幅を有することとなるため、合わせて１０ｎｍまでスペクトル帯域幅が拡大される。また、単一の電源２４に接続可能なため、構成を複雑化することなく駆動することができる。
【００５８】
このように、単一電源２４に接続された２つの半導体レーザアレイ２０ａ，２０ｂにおいて、半導体層２１ａ，２１ｂのそれぞれの活性層が互いに異なる歪みを含むことにより、歪みの度合いや符号に応じてスペクトル帯域がシフトする。これにより、各半導体レーザアレイ２０ａ，２０ｂの発振波長のスペクトル帯域幅が互いに異なる帯域において拡大される。このスペクトル帯域幅の拡大した光は、各半導体レーザアレイ２０ａ，２０ｂより出力されたのち合成される。このようにして合成された光のスペクトル帯域幅は、半導体レーザアレイ２０ａ，２０ｂをそれぞれ単独で用いた場合に比べて、拡大されているためスペックルの発生をより低減することができる。
【００５９】
あるいは、半導体層２１ａ，２１ｂのそれぞれの活性層の組成自体を異ならせることにより、発振波長帯をシフトさせることも可能である。例えば、半導体層２１ａにおける活性層の組成がＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｐで表され、半導体層２１ｂにおける活性層の組成がＧａ0.58Ｉｎ0.42Ｐで表される場合、スペクトル帯域は、半導体レーザアレイ２０ａで、例えば６４０ｎｍ〜６４５ｎｍ、半導体レーザアレイ２０ｂで、例えば６３５ｎｍ〜６４０ｎｍとなる。
【００６０】
次に、本発明の一実施の形態に係る光学装置３について、図５を参照して説明する。
【００６１】
光学装置３は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１と、半導体レーザ装置１から出力された光を集光する光学系とを備えたものである。このような光学系としては、例えば、コリメートレンズ３０およびフライアイレンズ３１を半導体レーザ装置１側から順に配置したものがあり、これらによって集光された光を被照射面Ｂに照射するようになっている。
【００６２】
コリメートレンズ３０は、例えば、縦方向に凸形状を有する縦方向コリメートレンズと、横方向に凸形状を有する横方向コリメートレンズとからなり、縦方向および横方向のビームの発散を抑えて、ビームの縦方向成分および横方向成分を平行光化するようになっている。コリメートレンズ３０は、光学装置３の用途などに適した位置に配置されている。例えば、光学装置２を投影型ディスプレイなどの光源として用いる場合には、図５に示したように、コリメートレンズ３０を、各発光領域Ｓから出力された光がコリメートレンズ３０の入射面において一部重なり合う程度の位置に配置したり、各半導体レーザアレイ１０の各領域（中央領域Ｇ１、端部領域Ｇ３、これらに挟まれた領域）から出力された光がコリメートレンズ３０の入射面において互いに重なり合わない程度の位置に配置することが可能である。
【００６３】
フライアイレンズ３１は、アレイ状に配置された複数のマイクロレンズ３１ａを備えており、コリメートレンズ３０で平行光化された光束を個々のマイクロレンズ３１ａで微小な光束に分割すると共に、分割した個々の光束を被照射面Ｂで合成するようになっている。これにより、被照射面Ｂにおいて、半導体レーザ装置１から出力された合成光の面内強度分布を均一にすることができる。
【００６４】
このような構成を有する光学装置３では、半導体レーザアレイ１０において、上部電極１６と下部電極１７との間に所定の電圧が印加されると、リッジ部１３により電流狭窄され、活性層の電流注入領域（発光領域Ｓ）に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜（図示せず）により反射され、素子内を一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、レーザビームとして各発光領域Ｓから出力される。各発光領域Ｓから出力された光は、コリメートレンズ３０およびフライアイレンズ３１からなる光学系によって集光されたのち、被照射面Ｂに照射される。
【００６５】
（変形例）
以下、本実施の形態の変形例について図６および図７を参照して詳細に説明する。
【００６６】
図６は、本実施の形態の変形例に係る半導体レーザアレイ４０を備えた半導体レーザ装置４の断面構成を表す図である。半導体レーザアレイ４０では、半導体層４２に設けられた複数のリッジ部４３の配列間隔以外は、上記の半導体レーザアレイ１０と同様の構成を有している。このため、半導体レーザアレイ１０と同様の構成については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００６７】
半導体層４２の上部クラッド層は、ストライプ状の複数のリッジ部４３を有している。これら複数のリッジ部４３は、半導体レーザアレイ１０と同様、中央領域Ｇ１におけるストライプ幅が、端部領域Ｇ３におけるストライプ幅よりも大きくなっている。さらに、本変形例では、これらのリッジ部４３が、中央領域Ｇ１において「密」に配列され、端部領域Ｇ３において「疎」に配列されている。すなわち、中央領域Ｇ１に配列されたリッジ部４３同士の間隔が、端部領域Ｇ３に配列されたリッジ部４３同士の間隔よりも小さくなっている。
【００６８】
具体的には、中央領域Ｇ１に配列されたストライプ幅Ｗ１のリッジ部４３同士の間隔Ｐ１と、端部領域Ｇ３に配列されたストライプ幅Ｗ３のリッジ部４３同士の間隔Ｐ３と、これらの間に配列されたストライプ幅Ｗ２のリッジ部４３同士の間隔Ｐ２とが、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３を満たすように構成されている。また、このように、各領域（中央領域Ｇ１、端部領域Ｇ３、これらに挟まれる領域）におけるリッジ部４３同士の間隔が、端部領域Ｇ３から中央領域Ｇ１にかけて段階的に小さくなっていることが好ましい。
【００６９】
例えば、半導体レーザアレイ４０をＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系の半導体材料により構成し、リッジ部４３のストライプ幅Ｗ１を３００μｍ、ストライプ幅Ｗ２を１８０μｍ、ストライプ幅Ｗ３を６０μｍ、リッジ部４３同士の間隔Ｐ１を４００μｍ、間隔Ｐ２を４５０μｍ、間隔Ｐ３を４８０μｍ、電流注入層１４のストライプ幅を６０μｍ、共振器長を７００μｍとし、上部電極１６および下部電極１７の間に１０Ａの駆動電流を流すと共に、ヒートシンク１９の温度を２５℃に調節した場合、半導体レーザアレイ１０の中央領域Ｇ１と端部領域Ｇ３との間で、およそ１５℃の温度差が生じる（図７（Ａ））。これにより、スペクトル帯域幅が５ｎｍ程度にまで拡大される（図７（Ｂ））。
【００７０】
このように、リッジ部４３同士の間隔が、中央領域Ｇ１で「密」、端部領域Ｇ３で「疎」となっていることにより、中央領域Ｇ１の温度がより増加すると共に、端部領域Ｇ３の温度がより低減する。もっとも、中央領域Ｇ１と端部領域Ｇ３との間で温度差が大きくなると、中央領域Ｇ１の発光領域Ｓから出力される長波長領域の発光強度が大幅に低くなるが、上記したように、中央領域Ｇ１にリッジ部４３を密に配列して中央領域Ｇ１全体の発光強度を増やし、逆に、端部領域Ｇ３にリッジ部４３を疎に配列して端部領域Ｇ３全体の発光強度を低減することにより、その低下分を補っている。これにより、各領域から出力されるレーザ光の発光強度を均一にすることができるので、各発光領域Ｓから出力される光の合成光のスペクトル分布を均一にすることができる。従って、コヒーレンスを大幅に低減することができる。
【００７１】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【００７２】
例えば、上記実施の形態等では、アレイの中央領域Ｇ１のリッジ部の幅が端部領域Ｇ２のリッジ部の幅よりも大きくなっている構成について説明したが、これに限定されず、複数のリッジ部のうち、少なくとも２つのリッジ部の幅が互いに異なっていれば、装置全体として放熱性に差が生じるため、本発明の効果は達成される。
【００７３】
また、アレイの中央領域Ｇ１から端部領域Ｇ３のそれぞれの領域で、段階的にリッジ部のストライプ幅が変化する構成、すなわち同一のストライプ幅を有するリッジ部が領域ごとに複数設けられた構成となっているが、ストライプ幅が連続的に小さくなるように配列することも可能である。すなわち、リッジ部のストライプ幅の大きさを一つずつ徐々に変化するように調整してもよい。また、各領域に配列されるリッジ部のストライプ幅が同一でなくても、その平均値が、中央領域Ｇ１から端部領域Ｇ３にかけて段階的に小さくなるような構成であってもよい。また、上記実施の形態等では、リッジ部１３の個数を、中央領域Ｇ１で５つ、中間領域Ｇ２で２つ、端部領域Ｇ３で２つとなる場合について説明したが、リッジ部１３の個数は特に限定されるものではない。また、半導体アレイ内の領域を中央領域Ｇ１、中間領域Ｇ２および端部領域Ｇ３の３つの領域に分けて説明したが、これに限定されず、少なくとも中央領域と端部領域との２つの領域を有していれば、本発明の効果は達成される。
【００７４】
また、異なるスペクトル帯域を有する２つの半導体レーザアレイ同士を接続したレーザモジュールにおいて、それぞれのレーザアレイに配列されるリッジ部のストライプ幅や間隔等は同一であってもよく、異なっていてもよい。さらに、上記実施の形態では、歪みを異ならせた場合と、活性層の組成比を異ならせた場合とを別々に説明したが、歪みと活性層の組成比の両方を異ならせるようにしてもよい。また、２つの半導体レーザアレイ間で、スペクトル帯域が互いに重複していない例を挙げて説明したが、これに限定されず、重複する帯域があってもよい。すなわち、一の半導体レーザアレイのスペクトル帯域に、もう一方の半導体レーザアレイのスペクトル帯域が完全に含まれる場合を除いては、これらの半導体レーザアレイを単独で用いた場合に比べて、スペクトル帯域幅を拡大することができるため、本発明の効果は達成される。
【００７５】
また、上記実施の形態では、半導体レーザアレイをｐサイドアップでヒートシンク上に配置しているが、逆に、ｐサイドダウンでヒートシンク上に配置してもよい。
【００７６】
また、上記実施の形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体レーザを例にして本発明を説明したが、他の化合物半導体レーザ、例えばＡｌＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＰ系などの赤色半導体レーザ、ＧａＩｎＮ系およびＡｌＧａＩｎＮ系などの窒化ガリウム系の半導体レーザ、ＺｎＣｄＭｇＳＳｅＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族の半導体レーザにも適用可能である。また、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＮＰ系などの、発振波長が可視域とは限らないような半導体レーザにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の概略構成を表す断面図である。
【図２】図１の半導体レーザ装置の各リッジ部の概略構成を表す断面図である。
【図３】図１の半導体レーザ装置の温度特性と波長分布を表す特性図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るレーザモジュールの概略構成を表す断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る光学装置の概略構成を表す断面図である。
【図６】本発明の一変形例に係る半導体レーザ装置の概略構成を表す断面図である。
【図７】図６の半導体レーザ装置の温度特性と波長分布を表す特性図である。
【図８】歪みとエネルギーバンドギャップとの関係を表す特性図である。
【図９】従来の半導体レーザ装置の断面構成およびリッジ部の特性を表す図である。
【図１０】従来の半導体レーザ装置の概略構成を表す断面図である。
【図１１】図１０の半導体レーザ装置の温度特性と波長分布を表す特性図である。
【符号の説明】
【００７８】
１，４…半導体レーザ装置、２…レーザモジュール、３…光学装置、１０，２０ａ，２０ｂ，４０…半導体レーザアレイ、１１…基板、１２，２１ａ，２１ｂ，４２…半導体層、１３，４３…リッジ部、１４…電流注入層、１５…絶縁層、１６…上部電極、１７…下部電極、１８…金属層、１９…ヒートシンク、２２…ペルチェ素子、２３…放熱フィン、３０…コリメートレンズ、３１…フライアイレンズ、３１ａ…マイクロレンズ、Ｓ…発光領域。
【図１】
2008258515.tif 000003
【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】
2008258515.tif 000011
【図１０】
2008258515.tif 000012
【図１１】
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