(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられた第一導電型クラッド層と、
前記第一導電型クラッド層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられた第二導電型クラッド層と、
を備え、
前記活性層は、
レーザ光出射方向と垂直な幅方向に予め定められた所定幅を有し且つ前記レーザ光出射方向へ一定の前記所定幅で伸びる活性領域と、
前記幅方向において前記活性領域の隣に設けられ、前記活性領域の両脇を前記レーザ光出射方向へそれぞれ一定の幅で伸びる一対の第一屈折率領域と、
前記幅方向において前記一対の前記第一屈折率領域の外側から、前記活性領域および前記一対の前記第一屈折率領域を挟む、一対の第二屈折率領域と、
を含み、
レーザ発振波長をλとし、前記活性領域の実効屈折率をｎａとし、前記第一屈折率領域の実効屈折率をｎｃとし、前記第二屈折率領域の実効屈折率をｎｔとし、前記活性領域の前記所定幅をｗとし、ｍ＋１を前記幅方向の許容モード数とした場合において、
ｎａ＞ｎｔ＞ｎｃであり、かつ
0006665279.tif 000014
を満たし、
前記第二導電型クラッド層は、前記活性層における前記活性領域の上方に設けられ前記レーザ光出射方向へ一定の幅で伸びるストライプ部を含み、
前記一対の前記第一屈折率領域の上方および前記一対の前記第二屈折率領域の上方に設けられ前記ストライプ部の上部を露出させつつ前記ストライプ部を両脇から挟む絶縁膜を、さらに備え、
前記絶縁膜の屈折率は前記第二導電型クラッド層の屈折率よりも低い半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第二導電型クラッド層は、前記活性層における前記第二屈折率領域の上方に前記ストライプ部の両脇を伸びるように設けられた一対のテラス部を含み、
前記絶縁膜は前記一対の前記テラス部の上部を覆う請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第二導電型クラッド層は、前記活性層における前記第二屈折率領域の上方には設けられておらず、
前記活性層における前記第二屈折率領域の上方に、前記ストライプ部の両脇を伸びるように、アンドープ半導体または酸化チタンからなる一対のテラス部が設けられ、
前記絶縁膜は前記一対の前記テラス部の上部を覆う請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
日本特開２０１４−７８５６７号公報に記載されているように、低次モードを選択的に発振させるように改善された半導体レーザ装置が知られている。上記公報にかかる従来の半導体レーザ装置は、活性領域と、活性領域の両脇に設けられたクラッド領域と、クラッド領域の更に外側に設けられた高屈折率領域と、を備えている。上記公報の図１０では、特に、リッジ部を挟むように半導体層に溝を設けることでクラッド領域が設けられている。溝の隣には、溝よりも高くされたテラス部があり、このテラス部の下方にある領域が高屈折率領域となっている。以下、クラッド領域を「溝領域」とも称し、高屈折率領域を「テラス領域」とも称す。【０００３】
溝領域の溝幅および溝形状を適切に定めることで、溝領域における電界の減衰の度合いを制御することができる。これにより、上記公報の段落００５０にもあるように、テラス領域において各モードに損失差を設けることができる。損失差を設けることで、損失が大きくされた高次モードが導波しないようにして、損失の少ない低次モードを選択的に発振させることができる。高次モードでの発振を抑制しつつ低次モードでの発振を促進することで、出射されるレーザ光の輝度を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本特開２０１４−７８５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
日本特開２０１４−７８５６７号公報にかかる半導体レーザ装置は溝領域での電界の減衰度合いでテラス領域での損失に差異を設けていたので、溝幅および溝形状は、厳密に制御される必要があった。また、テラス領域は振動解であるため、原理的には基本（０次）モードを含む全ての導波モードがカットオフされ得る構造であった。【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、溝幅および溝形状の厳密制御を不要とし、損失に拘らず低次モードを選択的に発振させることができるように改善された半導体レーザ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】
【０００７】
本発明にかかる半導体レーザ装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられた第一導電型クラッド層と、
前記第一導電型クラッド層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられた第二導電型クラッド層と、
を備え、
前記活性層は、
レーザ光出射方向と垂直な幅方向に予め定められた所定幅を有し且つ前記レーザ光出射方向へ一定の前記所定幅で伸びる活性領域と、
前記幅方向において前記活性領域の隣に設けられ、前記活性領域の両脇を前記レーザ光出射方向へそれぞれ一定の幅で伸びる一対の第一屈折率領域と、
前記幅方向において前記一対の前記第一屈折率領域の外側から、前記活性領域および前記一対の前記第一屈折率領域を挟む、一対の第二屈折率領域と、
を含み、
レーザ発振波長をλとし、前記活性領域の実効屈折率をｎａとし、前記第一屈折率領域の実効屈折率をｎｃとし、前記第二屈折率領域の実効屈折率をｎｔとし、前記活性領域の前記所定幅をｗとし、ｍ＋１を前記幅方向の許容モード数とした場合において、
ｎａ＞ｎｔ＞ｎｃであり、かつ
0006665279.tif 000002
を満たし、
前記第二導電型クラッド層は、前記活性層における前記活性領域の上方に設けられ前記レーザ光出射方向へ一定の幅で伸びるストライプ部を含み、
前記一対の前記第一屈折率領域の上方および前記一対の前記第二屈折率領域の上方に設けられ前記ストライプ部の上部を露出させつつ前記ストライプ部を両脇から挟む絶縁膜を、さらに備え、
前記絶縁膜の屈折率は前記第二導電型クラッド層の屈折率よりも低い。
【発明の効果】
【０００８】
テラス領域の電界は減衰解となるので，溝幅および溝形状の厳密制御は不要となる。また、少なくとも基本モードつまり０次モードは、常に導波モードとなりカットオフされることはない。従って低次モードを選択的に発振させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置において、ｘｙ平面におけるｘ方向の実効屈折率分布と、各モードの伝搬定数を自由空間での波数で割った値と、を示す図である。
【図３】実施の形態に対する第二比較例にかかる半導体レーザ装置を示す図である。
【図４】第二比較例にかかる半導体レーザ装置において、ｘｙ平面におけるｘ方向の実効屈折率分布を示す図である。
【図５】第二比較例にかかる半導体レーザ装置において、ｘｙ平面におけるｘ方向の実効屈折率分布と、各モードの伝搬定数を自由空間での波数で割った値と、を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる半導体レーザ装置を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態３にかかる半導体レーザ装置を示す斜視図である。
【図８】実施の形態に対する第一比較例にかかる半導体レーザ装置を示す斜視図である。
【図９】第一比較例にかかる半導体レーザ装置において、ｘｙ平面におけるｘ方向の実効屈折率分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
［装置の構造］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置３０を示す斜視図である。半導体レーザ装置３０は、ｎ型ＧａＡｓ基板５と、第一ｎ型クラッド層６と、第二ｎ型クラッド層７と、第一ｎ側ガイド層８と、第二ｎ側ガイド層９と、第一バリア層１０と、活性層１１と、第二バリア層１２と、第一ｐ側ガイド層１３と、第二ｐ側ガイド層１４と、第一エッチングストップ層１５と、第一ｐ型クラッド層１６と、第二エッチングストップ層１７と、第二ｐ型クラッド層１８と、コンタクト層１９と、絶縁膜２０と、を備えている。半導体レーザ装置３０は、ｎ型ＧａＡｓ基板５の上に、第一ｎ型クラッド層６〜絶縁膜２０が順次積層されることで形成されている。
【００１１】
第一ｎ型クラッド層６は、ｎ型ＡｌＧａＡｓで構成されており、Ａｌ組成比０．２０であり層厚１．３μｍを有する。第二ｎ型クラッド層７は、ｎ型ＡｌＧａＡｓで構成されており、Ａｌ組成比０．２５であり層厚０．２μｍを有する。第一ｎ側ガイド層８は、アンドープＡｌＧａＡｓで構成されており、Ａｌ組成比０．１６であり層厚１．０５μｍを有する。第二ｎ側ガイド層９は、アンドープＡｌＧａＡｓで構成されており、Ａｌ組成比０．１４であり層厚０．１μｍを有する。
【００１２】
第一バリア層１０は、アンドープＧａＡｓＰで構成されており、Ｐ組成比０．１２であり層厚８ｎｍを有する。活性層１１は、ＩｎＧａＡｓで構成されており、Ｉｎ組成比０．１２であり層厚８ｎｍを有する。尚、Ｉｎ組成比及び層厚は、発振波長λが９７５ｎｍとなるように設定している。第二バリア層１２は、アンドープＧａＡｓで構成されており、Ｐ組成比０．１２であり層厚８ｎｍを有する。
【００１３】
第一ｐ側ガイド層１３は、アンドープＡｌＧａＡｓで構成されており、Ａｌ組成比０．１４であり層厚０．３５μｍを有する。第二ｐ側ガイド層１４は、アンドープＡｌＧａＡｓで構成されており、Ａｌ組成比０．１６であり層厚０．３０μｍを有する。第一エッチングストップ層１５は、ｐ型ＡｌＧａＡｓで構成されており、Ａｌ組成比０．５５であり層厚４０ｎｍを有する。第一ｐ型クラッド層１６は、ｐ型ＡｌＧａＡｓで構成されており、Ａｌ組成比０．２５であり層厚０．１μｍを有する。第二エッチングストップ層１７は、ｐ型ＡｌＧａＡｓで構成されており、Ａｌ組成比０．５５であり層厚４０ｎｍを有する。第二ｐ型クラッド層１８は、ｐ型ＡｌＧａＡｓで構成されており、Ａｌ組成比０．２５であり層厚１．４μｍを有する。コンタクト層１９は、ｐ型ＧａＡｓで構成されており、層厚０．２μｍを有する。絶縁膜２０は、ＳｉＮ膜である。ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ等のＩＩＩ−Ｖ族混晶の波長λにおける屈折率は、計算することができる。例えば、Ａｌ組成比０．２０の第一ｎ型クラッド層６の波長９７５ｎｍにおける屈折率は３．３９４７６２となる。具体的な計算は、例えば、第一非特許文献である「伊賀編著、“半導体レーザ”、ＰＰ．３５−３８、オーム社、平成６年１０月２５日」に記載された公知の技術を用いればよい。他の層の屈折率も同様に求めることができる。
【００１４】
半導体レーザ装置３０は、ｎ型ＧａＡｓ基板５の裏面に設けられたｎ電極４と、絶縁膜２０に積層されたｐ電極２１と、を備えている。
【００１５】
図１では、説明の便宜上、ｘｙｚ直交座標系が規定されている。ｚ軸は、半導体レーザ装置３０のレーザ光が出射される方向である。ｚ軸は、半導体レーザ装置３０が持つファブリペロー共振器の長さ方向軸でもある。ｚ方向を「共振器長方向」とも称す。ｙ軸は、ｎ型ＧａＡｓ基板５の上面の法線と平行であるものとする。ｙ軸方向は、ｎ型ＧａＡｓ基板５の上に形成される半導体層の結晶成長方向と一致している。ｘ軸は、ｙｚ平面と垂直な軸であり、半導体レーザ装置３０の幅方向軸と一致する。ｘ軸に沿って、半導体レーザ装置３０に水平横モードが生ずる。上記の直交座標系に関する規則は、図３、図６、図７、および図８でも同様である。
【００１６】
実施の形態１にかかる半導体レーザ装置３０は、一例として発振波長が９７５ｎｍであるブロードエリア型半導体レーザ装置である。ブロードエリア半導体レーザ装置とは、活性領域の幅が５０μｍ以上である半導体レーザ装置のことである。半導体レーザ装置３０は、複数の水平横モードが許容される多モード導波路を有しており、いわゆるマルチモード半導体レーザ装置でもある。
【００１７】
半導体レーザ装置３０は、活性領域１と、活性領域１の両脇を伸びる一対の第一屈折率領域２ａ、２ｂと、一対の第一屈折率領域２ａ、２ｂの更に外側を伸びる一対の第二屈折率領域３ａ、３ｂと、を備えている。活性領域１は、幅ｗを有する。第一屈折率領域２ａおよび第一屈折率領域２ｂは、いずれも幅ｄを有する。具体的には、活性領域１の幅ｗ及び第一屈折率領域２ａ、２ｂの幅ｄは、それぞれ１００μｍ及び５μｍとされている。
【００１８】
活性領域１、第一屈折率領域２ａ、２ｂおよび第二屈折率領域３ａ、３ｂは、ｎ型ＧａＡｓ基板５〜絶縁膜２０を含む半導体層を複数の区域に分けたものである。活性層１１も、活性領域１と、第一屈折率領域２ａ、２ｂと、第二屈折率領域３ａ、３ｂとに区分される。第一屈折率領域２ａ、２ｂを、便宜上、「クラッド領域」あるいは「溝領域」とも称す。第二屈折率領域３ａ、３ｂを、便宜上、「テラス領域」とも称す。ｘ軸方向つまり活性領域１の幅方向に、第二屈折率領域３ａ、第一屈折率領域２ａ、活性領域１、第一屈折率領域２ｂ、および第二屈折率領域３ｂがこの順に並んでいる。
【００１９】
図１の断面視からわかるように、第二屈折率領域３ａ、３ｂは、第一ｐ型クラッド層１６と、第二エッチングストップ層１７と、を含んでいる。第一ｐ型クラッド層１６および第二エッチングストップ層１７は、幅ｄを持つ二つの溝を備えている。これら二つの溝で挟まれる部分の上方には、第二ｐ型クラッド層１８およびコンタクト層１９が積層されている。このように、半導体レーザ装置３０は、幅ｄを持つ二つの溝で挟まれたリッジ部を有している。
【００２０】
図１の断面視からわかるように、活性領域１は、半導体レーザ装置３０における、第二ｐ型クラッド層１８およびコンタクト層１９の下方の領域である。活性領域１は、リッジ構造に沿って伸びるストライプ状の領域である。一対の第一屈折率領域２ａ、２ｂは、幅ｄを持つ二つの溝の下方領域であり、活性領域１の両脇を伸びる領域である。一対の第二屈折率領域３ａ、３ｂは、一対の第一屈折率領域２ａ、２ｂの外側から、活性領域１および一対の第一屈折率領域２ａ，２ｂを挟んでいる。
【００２１】
活性領域１の実効屈折率をｎａとする。第一屈折率領域２ａ、２ｂの実効屈折率をｎｃとする。第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率をｎｔとする。これらの実効屈折率の大きさには、ｎａ＞ｎｔ＞ｎｃの関係が成り立つ。活性領域１の方が第一屈折率領域２ａ、２ｂよりも実効屈折率が高いので、レーザ光は活性領域１の内側に閉じ込められる。
【００２２】
半導体レーザ装置３０は、次のように製造されても良い。先ず、ｎ型ＧａＡｓ基板５の上に、第一ｎ型クラッド層６からコンタクト層１９までの各層を、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて順次結晶成長する。次に、コンタクト層１９上に、活性領域１を形成すべき箇所をカバーするようにレジストを設ける。レジストを用いて、コンタクト層１９の上方から第二エッチングストップ層１７までドライエッチングする。レジストを剥離し、活性領域１および第二屈折率領域３ａ、３ｂを再びレジストでカバーする。幅ｄの溝を設けるように第一エッチングストップ層１５までドライエッチングすることで、第一屈折率領域２ａ、２ｂを形成する。さらに、絶縁膜２０の成膜を行い、ｐ電極２１及びｎ電極４を形成する。
【００２３】
以下、図２〜図９を用いて、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置３０の構造を得るための条件を説明する。下記の説明は、第一比較例および第二比較例を参照しつつ行う。
【００２４】
（第一比較例の構造）
図８および図９は、第一比較例に関する図である。図８は、実施の形態に対する第一比較例にかかる半導体レーザ装置４１を示す斜視図である。図８に示す半導体レーザ装置４１は、日本特開２０１４−７８５６７号公報の図１０に開示された半導体レーザ装置と同様の構造を備えている。
【００２５】
半導体レーザ装置４１は、ｎ電極１０４と、ｎ型基板１０５と、ｎ型ＡｌＧａＡｓで構成されたクラッド層１０６と、アンドープＡｌＧａＡｓで構成されたガイド層１０７と、アンドープＩｎＧａＡｓで構成されたウエル層１０８ａと、アンドープＡｌＧａＡｓで構成されたバリア層１０９と、アンドープＩｎＧａＡｓで構成されたウエル層１０８ｂと、アンドープＡｌＧａＡｓで構成されたガイド層１１０およびガイド層１１０ａと、ｐ型ＡｌＧａＡｓで構成されたクラッド層１１１と、ｐ型ＧａＡｓで構成されたコンタクト層１１２と、ＳｉＮ膜１１３と、ｐ電極１１４と、を備えている。
【００２６】
図８に示す半導体レーザ装置４１は、活性領域１０１と、第一屈折率領域１０２ａ、１０２ｂと、第二屈折率領域１０３ａ、１０３ｂと、を備えている。活性領域１０１と第二屈折率領域１０３ａ、１０３ｂは、いずれもｎ型基板１０５〜コンタクト層１１２を備えており、互いに半導体層の構造が同じである。
【００２７】
図９は、第一比較例にかかる半導体レーザ装置４１において、ｘｙ平面におけるｘ方向の実効屈折率分布を示す図である。図９は、ｘｙ平面におけるｘ方向の実効屈折率分布である。図９では、活性領域１０１と第二屈折率領域１０３ａ、１０３ｂとが同一の屈折率を持つ。活性領域１０１および第二屈折率領域１０３ａ、１０３ｂよりも、第一屈折率領域１０２ａ、１０２ｂの屈折率は低い。
【００２８】
第一比較例にかかる半導体レーザ装置４１は、活性領域１０１と第二屈折率領域１０３ａ、１０３ｂとで電界が振動解となり、第一屈折率領域１０２ａ、１０２ｂで電界が減衰解となる。半導体レーザ装置４１では、第一屈折率領域１０２ａ、１０２ｂでの電界の減衰度合いが調節されている。第一屈折率領域１０２ａ、１０２ｂでの電界減衰度合いを適切に制御することにより、第二屈折率領域１０３ａ、１０３ｂにおいて高次モードの損失を大きくしつつ低次モードは損失が少なくなるように高次モードと低次モードとの損失に差異を設けている。
【００２９】
半導体レーザ装置４１は、第一屈折率領域１０２ａ、１０２ｂでの電界減衰度合いを調節することで、第二屈折率領域１０３ａ、１０３ｂでの損失に差異を設け、低次のモードを発振させるという技術思想に基づくものである。活性領域１０１の幅ｗは１００μｍである。その両脇の第一屈折率領域１０２ａ、１０２ｂで、低次モードと高次モードとの間に、電界の染み出しの差異が生まれる。ただし、第一比較例にかかる作用効果が発現するのは、第二屈折率領域１０３ａ、１０３ｂで電界が振動解となる場合である。
【００３０】
第一比較例にかかる半導体レーザ装置４１では、第一屈折率領域１０２ａ、１０２ｂでの電界の減衰度合いによって、第二屈折率領域１０３ａ、１０３ｂにおける低次モードの損失と高次モードの損失とを異ならしめている。リッジ部の両脇には、第一屈折率領域１０２ａ、１０２ｂを構成するための溝が設けられている。この溝の溝幅および溝形状は、厳密に制御する必要がある。また、第二屈折率領域１０３ａ、１０３ｂでは電界が振動解なので、原理的には基本（０次）モードもカットオフされ得る構造である。第一比較例にかかる半導体レーザ装置４１では、溝幅および溝形状がばらつくと損失増加を招きかねないという欠点がある。
【００３１】
（第二比較例の構造）
図３〜図５は、第二比較例に関する図である。図３は、実施の形態に対する第二比較例にかかる半導体レーザ装置４２を示す図である。図４は、第二比較例にかかる半導体レーザ装置４２において、ｘｙ平面におけるｘ方向の実効屈折率分布を示す図である。図５は、第二比較例にかかる半導体レーザ装置４２において、ｘｙ平面におけるｘ方向の実効屈折率分布と、各モードの伝搬定数βｍを自由空間での波数ｋ０で割った値（βｍ／ｋ０）と、を示す図である。
【００３２】
第二比較例にかかる半導体レーザ装置４２は、基本的には実施の形態１と同様の構造を備える。しかし、図３に示すように、半導体レーザ装置４２は、第二屈折率領域３ａ、３ｂを有さない。第二屈折率領域３ａ、３ｂが無いので、半導体レーザ装置４２の側端部まで第一屈折率領域２ａ、２ｂが設けられている。この場合のｘｙ平面におけるｘ方向の実効屈折率分布を図４に示す。各層の屈折率および層厚を基に等価屈折率法により計算すると、活性領域１の実効屈折率ｎａ及び第一屈折率領域２ａ、２ｂの実効屈折率ｎｃはそれぞれ、３．４１７３９及び３．４１６５８である。等価屈折率法の具体的計算は、公知技術を用いればよく、例えば、第二非特許文献である「Ｇ．Ｂ．  Ｈｏｃｋｅｒ  ａｎｄ  Ｗ．  Ｋ．  Ｂｕｒｎｓ，  “Ｍｏｄｅ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｉｎ  ｄｉｆｆｕｓｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｂｙ  ｔｈｅ  ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ｍｅｔｈｏｄ，”Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．  Ｖｏｌ．  １６，  Ｎｏ．１，ｐｐ．１１３−１１８，Ｊａｎｕａｒｙ  １９７７」に開示されたＥｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ｉｎｄｅｘ  Ｍｅｔｈｏｄを参照することで行うことができる。
【００３３】
［装置の動作］
次に述べる二つの条件を満たした場合には、波動方程式は下記の式（１）のように表される。なお、波動方程式の導出は、公知技術を用いればよく、例えば第三非特許文献である「Ｗ．  Ｓｔｒｅｉｆｅｒ  ａｎｄ  Ｅ．  Ｋａｐｏｎ，  “Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ−ｉｎｄｅｘ  ｍｅｔｈｏｄ  ｔｏ  ＤＨ  ｄｉｏｄｅ  ｌａｓｅｒｓ，”Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．  Ｖｏｌ．  １８，  Ｎｏ．２２，  ｐｐ．３７２４，１５  Ｎｏｖｅｍｖｅｒ  １９７９」における式（５）を参照することで行えばよい。第一の条件は、レーザ光が伝搬する共振器長方向（ｚ方向）に屈折率変化がなく一様なことである。第二の条件は、ｙ方向にも活性領域１およびこの両脇の第一屈折率領域２ａ、２ｂがいずれも均質であることである。
【００３４】
【数１】
0006665279.tif 000003
【００３５】
φ（ｘ）、ｎ（ｘ）は、それぞれ電界分布、ｘ方向の屈折率分布である。図３のように第一屈折率領域２ａ、活性領域１、第一屈折率領域２ｂで構成される場合は三層スラブ導波路とみなすことができ、横（ｘ）方向に許容されるモード数は、下記の式（２）に示す正規化周波数の値ｖで決まる。
【００３６】
【数２】
0006665279.tif 000004
【００３７】
式（２）において、λは波長である。ｖ値が（π／２）の何倍であるかによって、半導体レーザ装置のｘ方向に許容されるモード数が決まる。許容モード数は、ｖ値が（π／２）のｋ倍であるときに、値ｋが持つ整数部分の値に１を加えた数と一致する。ｗ＝１００μｍ、λ＝９７５ｎｍとすると、ｖ値は２３．９８となる。この場合、ｖ値が（π／２）の１５．３倍なので、０次モードおよび１次モード〜１５次モードが許容される。許容モード数は、１５＋１である１６個となる。ｖ＞（π／２）が成立すれば、ｖ値が（π／２）の一倍以上となるので許容モード数は２個以上となる。
【００３８】
各モードには固有の伝搬定数βｍが存在する。添え字ｍは、ｍ＝０、１、２、・・・、１４、１５という値をとる。図５では、各伝搬定数を自由空間の波数ｋ０で割った値が、実効屈折率分布に重ね書きされている。ｋ０＝２π／λである。ｍ＝０が０次モードつまり基本モードであり、ｍ＝１〜１５それぞれが１次〜１５次モードである。基本モードのβ０／ｋ０が最も大きな値を持つ。モード次数が大きくなるにつれて、β０／ｋ０＞β１／ｋ０＞β２／ｋ０・・・＞β１４／ｋ０＞β１５／ｋ０の順に値が小さくなる。最高次モードβ１５／ｋ０は第一屈折率領域２ａ、２ｂの実効屈折率ｎｃに近い値となる。式（１）の波動方程式の性質上、βｍ／ｋ０が実効屈折率よりも小さい場合には電界が振動解となり、βｍ／ｋ０が実効屈折率よりも大きい場合には電界が減衰解となる。活性領域１では、電界がＣＯＳ形又はＳＩＮ形の振動解となる。第一屈折率領域２ａ、２ｂでは、電界がＥｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ形の減衰解となる。なお、固有モードとなるためには、ｘ→±∞で電界がゼロに収束する必要がある。
【００３９】
図２は、本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置３０において、ｘｙ平面におけるｘ方向の実効屈折率分布と、各モードの伝搬定数βｍを自由空間での波数ｋ０で割った値（βｍ／ｋ０）と、を示す図である。等価屈折率法により求めた第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率ｎｔは３．４１７１６である。
【００４０】
図２には、各伝搬定数を自由空間の波数ｋ０（＝２π／λ）で割った値と実効屈折率分布が重ね書きされている。β０／ｋ０〜β７／ｋ０に対応する８個のモードは、第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率ｎｔよりも大きい。β０／ｋ０〜β７／ｋ０に対応する基本モードおよび低次モードは、第二屈折率領域３ａ、３ｂで減衰解となる固有モードである。これに対し、β８／ｋ０〜β１５／ｋ０に対応する８個の高次モードは第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率ｎｔよりも小さい。β８／ｋ０〜β１５／ｋ０に対応する高次モードは第二屈折率領域３ａ、３ｂで振動解となり、ｘ→±∞で電界はゼロに収束しないので固有モードとは成りえない。つまり、第二屈折率領域３ａ、３ｂを設けることで、ｘ方向に許容されるモードの個数を８に減らすことができる。
【００４１】
モード次数が高いほど出射ビームは広がる。モード次数が高いほど、遠視野像（Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ：ＦＦＰ）は拡大し、その結果輝度は低下する。上記第二屈折率領域３ａ、３ｂを設けると、ビーム広がりの大きい高次モードをカットオフできるので、輝度を高めることができる。
【００４２】
次に、少なくとも基本モードは常に存在しかつ最高次モードは常にカットオフする第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率について説明する。図４において、基本モードが常に存在でき且つ１次モードが丁度カットオフされるのは、下記の式（３）を満たす場合である。
【００４３】
【数３】
0006665279.tif 000005
【００４４】
このとき、ｎａは下記の式（４）となる。
【００４５】
【数４】
0006665279.tif 000006
【００４６】
つまり、第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率ｎｔをｎｔ≧ｎａとすれば、少なくとも一つのβｍ／ｋ０は、第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率ｎｔよりも小さくなる。実効屈折率ｎｔよりβｍ／ｋ０が低くなっているモードは、第二屈折率領域３ａ、３ｂで振動解となる。このようなモードは、固有モードとして存在できなくなる。
【００４７】
正規化周波数ｖが式（５）を満たす場合は、基本モードからｍ次モードまでのｍ＋１個のモードが許容される。ただし、ｍは正の整数である。
【００４８】
【数５】
0006665279.tif 000007
【００４９】
ｍ＋１次モードが許容されない限界、つまりｍ次モードが許容される上限は、下記の式（６ａ）で決まる。
【００５０】
【数６】
0006665279.tif 000008
【００５１】
従って、ｎａが下記の式（６ｂ）を満足すればｍ＋１次のモードは許容されない。
【００５２】
【数７】
0006665279.tif 000009
【００５３】
同様に、ｍ次モードが許容されずｍ−１次モードが許容されるｎａは下記の式（７）のように決まる。
【００５４】
【数８】
0006665279.tif 000010
【００５５】
第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率ｎｔを、下記の式（８）で決まる範囲内に収めることで、基本モードのβ０／ｋ０は第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率よりも大きくなる。このようにすれば、基本モードは常に固有モードとして存在することができる。また、最高次モードのβ１５／ｋ０は第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率よりも小さくなるので、最高次モードを確実にカットオフすることができる。
【００５６】
【数９】
0006665279.tif 000011
【００５７】
尚、第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率ｎｔを下記の式（９）を満たすようにすると、１次モード以上の高次モードがカットオフされ、基本モードのみの発振となる。
【００５８】
【数１０】
0006665279.tif 000012
【００５９】
実施の形態１の設計条件についてまとめると、レーザ発振波長をλとし、活性領域１の実効屈折率をｎａとし、第一屈折率領域２ａ、２ｂの実効屈折率をｎｃとし、第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率をｎｔとし、活性領域１の幅をｗとし、ｍを正の整数とする。この場合において、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置３０は、ｎａ＞ｎｔ＞ｎｃであり、さらに上記式（５）、上記式（８）、および下記の式（１０）の条件を満たす。
【００６０】
【数１１】
0006665279.tif 000013
【００６１】
式（５）、式（８）、および式（１０）の条件が満たされることにより、実施の形態１では、次の作用効果を得ることができる。まず、第一作用として、式（１０）が満たされることで、許容モード数が２個以上に確保される。第二作用として、基本モードは第二屈折率領域３ａ、３ｂで確実に減衰解となり、基本モードが常に存在することができる。また、第三作用として、最高次モードは第二屈折率領域３ａ、３ｂで確実に振動解とすることができ、最高次モードを常にカットオフすることができる。
【００６２】
電界が振動解である場合は、電界が第二屈折率領域３ａ、３ｂにおいてＣＯＳ（余弦）又はＳＩＮ（正弦）形の振動を繰り返し、ｘ→±∞でゼロに収束することがないので、固有モード（導波モード）として存在することができない。
【００６３】
（実施の形態１の作用効果）
第二屈折率領域の実効屈折率ｎｔについて上記式（８）を満たすようにすると、基本モードは常に導波モードとして存在し、最高次モードは常にカットオフすることができる。また、第二屈折率領域の実効屈折率ｎｔを上記式（８）内のある一定値に設定することで、当該値よりも小さなβｍ／ｋ０を有する高次モードをカットオフし、当該値よりも大きなβｍ／ｋ０を有する低次モードを選択的に発振させることができる。その結果、ｘ方向のビーム広がり角を小さくでき、輝度を高めることができる。
【００６４】
実施の形態１にかかる装置構造では、クラッド層として、第一ｎ型クラッド層６、第一ｐ型クラッド層１６及び第二ｐ型クラッド層１８が設けられている。このクラッド層よりも屈折率が高い層として、第一ｎ側ガイド層８、第二ｎ側ガイド層９、第一バリア層１０、活性層１１、第二バリア層１２、第一ｐ側ガイド層１３、および第二ｐ側ガイド層１４が設けられている。この「クラッド層よりも屈折率が高い層」の層厚の和が、１８２４ｎｍと厚くされている。また、結晶成長方向であるｙ方向の正規化周波数はπ／２を超えている。さらに、ｙ方向にも複数のモードが許容されるマルチモード導波路となっている。但し、ｙ方向における基本モードの活性層への光閉じ込めは他のモードよりも大きいため、ｙ方向は基本モードで発振する。
【００６５】
ｙ方向における基本モードの光強度の９割以上が、当該屈折率の高いガイド層等に存在している。第一ｐ型クラッド層１６への光のしみだしが少ないため、活性領域１と第一屈折率領域２ａ、２ｂでｘ方向に感受する屈折率差（ｎａ−ｎｃ）は小さくなる。このため、ｘ方向に許容されるモード数は１６と少数に留めることができる。
【００６６】
実施の形態１に示す厚いガイド層を有するいわゆるＬＯＣ（Ｌａｒｇｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ）構造に限られず、実施の形態１の半導体レーザ装置をＬＯＣ構造ではない装置構造に変形してもよい。ただし、ｙ方向にも複数のモードが許容されるＬＯＣ構造を採用することで、ｐ型クラッド層への光しみだしが少なくなり、ｘ方向に感受する屈折率差は小さくなるという利点がある。結果としてｘ方向に許容されるモード数を予め少なくできて、容易にｘ方向の輝度を高めることが可能となる。
【００６７】
また、実施の形態１では、第一ｎ型クラッド層６のＡｌ組成比を０．２０とし、第一ｐ型クラッド層１６及び第二ｐ型クラッド層１８のＡｌ組成比を０．２５とすることで、第一ｐ型クラッド層１６及び第二ｐ型クラッド層１８の屈折率を第一ｎ型クラッド層６の屈折率よりも低くしている。ｙ方向の光強度分布は、第一ｎ型クラッド層６側へは広がる一方で第一ｐ型クラッド層１６及び第二ｐ型クラッド層１８側では急峻に減少するような非対称分布となる。実施の形態１の半導体レーザ装置は、このような非対称分布に限られず、対称分布のｙ方向光強度分布を有する構造に変形されてもよい。ただし、このような非対称分布とすることでｐ型クラッド層への光しみだしを少なくし、活性領域１と第一屈折率領域２ａ、２ｂでｘ方向に感受する屈折率差（ｎａ−ｎｃ）を小さくできるという利点がある。ｘ方向に許容されるモード数を予め少なくすることで、容易にｘ方向の輝度を高めることができる。
【００６８】
実施の形態１では、第一ｐ型クラッド層１６の層厚を０．１μｍとしている。０．１μｍよりも第一ｐ型クラッド層１６を厚くすると第二屈折率領域の実効屈折率ｎｔを高くでき、より多くの高次モードがカットオフでき、より低次のモードを選択的に発振させることができる。この結果、ｘ方向の輝度をさらに高くすることが可能となる。
【００６９】
実施の形態１では活性領域１の幅ｗを１００μｍとしているが、幅ｗはこれに限るものではなくブロードエリア半導体レーザ装置であれば問題ない。また、第一屈折率領域２ａ、２ｂの幅ｄを５μｍとしているがこれに限るものではなく、概ね１０μｍ以下であれば同様な効果が得られる。
【００７０】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかる半導体レーザ装置３１を示す斜視図である。実施の形態２にかかる半導体レーザ装置３１は、基本的に実施の形態１と同様の構造を有するが、第二屈折率領域３ａ、３ｂに含まれる第一ｐ型クラッド層１６および第二エッチングストップ層１７をアンドープテラス層２２に置換した点が実施の形態１と相違している。アンドープテラス層２２は、アンドープＡｌＧａＡｓで構成され、Ａｌ組成比０．２５であり層厚０．１μｍを有する。実施の形態２では、幅ｄの溝を設けるためのエッチングを１回で済ませるので、第二エッチングストップ層１７は設けられていない。
【００７１】
実施の形態２にかかる半導体レーザ装置３１は、下記のように作製することができる。先ず、ｎ型ＧａＡｓ基板５上に、第一ｎ型クラッド層６からコンタクト層１９までの各層を、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて順次結晶成長する。次に、コンタクト層１９上に、活性領域１を形成すべき箇所をカバーするように第一レジストを設ける。第一レジストを用いて、コンタクト層１９の上方から第一エッチングストップ層１５までドライエッチングを行う。これにより、活性領域１を形成すべき箇所には第一ｐ型クラッド層１６が残されており、第一屈折率領域２ａ、２ｂおよび第二屈折率領域３ａ、３ｂを形成すべき箇所からは第一ｐ型クラッド層１６が取り除かれる。
【００７２】
次に、第一レジストを剥離し、第二屈折率領域３ａ、３ｂを再び第二レジストでカバーし、絶縁膜を形成する。絶縁膜は、第一ｐ型クラッド層１６の上と、第一ｐ型クラッド層１６の両脇にそれぞれ幅ｄだけはみ出した領域と、に形成される。この絶縁膜は、一例としてＳｉＯＮ絶縁膜とする。ＳｉＯＮ絶縁膜が、活性領域１および第一屈折率領域２ａ、２ｂの上を覆う。ＳｉＯＮ絶縁膜は、アンドープテラス層２２の成長時のマスクとなる。その後、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープテラス層２２を成長させる。活性領域１および第一屈折率領域２ａ、２ｂにはＳｉＯＮ絶縁膜でマスクがされているので、アンドープテラス層２２を第二屈折率領域３ａ、３ｂのみに形成することができる。第一ｐ型クラッド層１６とアンドープテラス層２２との間に、幅ｄの溝が形成されている。ＳｉＯＮ絶縁膜を除去した後、絶縁膜２０の成膜を行い、更にｐ電極２１及びｎ電極４を形成する。
【００７３】
実施の形態２でも、実施の形態１と同様の屈折率分布を形成することができる。よって、実施の形態１と同様のモード数選択効果が得られ、レーザ光の輝度を高めることが可能である。なお、実施の形態２は、屈折率を付与するのみなのでアンドープテラス層２２を設けているが、アンドープテラス層２２の代わりにｐ型ドーピングを施したｐ型ＡｌＧａＡｓ層が設けられてもよい。また、アンドープテラス層２２の材料は、ＡｌＧａＡｓに限定されず、その他の半導体結晶材料でもよく、例えばＧａＡｓでもよい。
【００７４】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３にかかる半導体レーザ装置３２を示す斜視図である。実施の形態３にかかる半導体レーザ装置３２は、基本的に実施の形態１と同様の構造を有するが、第二屈折率領域３ａ、３ｂに含まれる第一ｐ型クラッド層１６および第二エッチングストップ層１７を酸化チタンテラス層２３に置換した点が実施の形態１と相違している。酸化チタンテラス層２３は、ＴｉＯ２で形成され、膜厚０．３μｍを有する。
【００７５】
酸化チタンテラス層２３は、実施の形態２のアンドープテラス層２２と同様の手順で形成することができる。よって、アンドープテラス層２２と同様に、第一ｐ型クラッド層１６と酸化チタンテラス層２３との間に幅ｄの溝を形成することができる。実施の形態３では、実施の形態２と同様に幅ｄの溝を設けるためのエッチングを１回で済ませるので、第二エッチングストップ層１７は設けられていない。
【００７６】
ＳｉＮからなる絶縁膜２０の屈折率は、約２．００である。これに対し、ＴｉＯ２の屈折率は約２．７２であり、ＳｉＮよりも高いので第一屈折率領域２ａ、２ｂの実効屈折率ｎｃよりも第二屈折率領域３ａ、３ｂの実効屈折率ｎｔを高くできる。高次モードのβｍ／ｋ０は、第二屈折率領域の実効屈折率ｎｔよりも小さくすることができ、高次モードはカットオフされる。低次モードを選択的に発振できるので、ｘ方向の広がり角が小さくなり輝度を高めることができる。
【００７７】
上記実施の形態１〜３にかかる半導体レーザ装置３０〜３２を、次のように変形してもよい。実施の形態１〜３においてｐ型とｎ型の導電性を逆とした半導体レーザ装置が提供されてもよい。実施の形態１〜３において発振波長を９７５ｎｍ以外とするように材料および構造を変形させた半導体レーザ装置が提供されてもよい。また、実施の形態１ではβ８／ｋ０〜β１５／ｋ０以下に対応する高次モードをカットオフしている。これに対して、実施の形態１〜３の各装置構造において、高次モードのカットオフを決める実効屈折率ｎｔの値は、様々に変形することができる。実施の形態１よりも、ｎｔの値を低くしてもよい。基本モード以外のモードを全てカットオフするようにｎｔを設定してもよい。最高次モードのみをカットオフするように、ｎｔを設定してもよい。基本モードよりも次数が高い任意の数の高次モードをカットオフするように、ｎｔの値を定めることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１、１０１  活性領域
２ａ、２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ  第一屈折率領域
３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ  第二屈折率領域
４  ｎ電極
５  ｎ型ＧａＡｓ基板
６  第一ｎ型クラッド層
７  第二ｎ型クラッド層
８  第一ｎ側ガイド層
９  第二ｎ側ガイド層
１０  第一バリア層
１１  活性層
１２  第二バリア層
１３  第一ｐ側ガイド層
１４  第二ｐ側ガイド層
１５  第一エッチングストップ層
１６  第一ｐ型クラッド層
１７  第二エッチングストップ層
１８  第二ｐ型クラッド層
１９  コンタクト層
２０  絶縁膜
２１  ｐ電極
２２  アンドープテラス層
２３  酸化チタンテラス層
３０、３１、３２、４１、４２  半導体レーザ装置
【図１】
0006665279.tif 000015
【図２】
0006665279.tif 000016
【図３】
0006665279.tif 000017
【図４】
0006665279.tif 000018
【図５】
0006665279.tif 000019
【図６】
0006665279.tif 000020
【図７】
0006665279.tif 000021
【図８】
0006665279.tif 000022
【図９】
0006665279.tif 000023