(57)【要約】【課題】横多モード発振する半導体レーザにおいて、低雑音な安定した光出力を得る。【解決手段】ｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓグレーテッドバッファ層１２、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１３、ＩｎＧａＰ光ガイド層１４、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層１５、ＩｎＧａＰ光ガイド層１６、一部がメサ状のｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１７、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８、メサ部の両サイドに配されたポリイミドによる絶縁膜１９、およびキャップ層上に配されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極２０を積層する。ｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極２１を形成する。絶縁膜１９としてヤング率が約０．５×１０１０（Ｎ／ｍ２）以下のポリイミドを用いる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光領域を含むＧａＡｓ系の半導体からなる半導体層と、該半導体層に接して設けられた前記発光領域に電流を注入するための１対の電極と、前記半導体層と前記電極の一方との間に設けられた前記電流を選択的に注入するための絶縁膜とからなり、横多モードにてレーザ発振する半導体レーザにおいて、
前記絶縁膜が、５×１０１０（Ｎ／ｍ２）以下のヤング率を有する材料からなることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記絶縁膜が、２００℃以上の耐熱性を有する有機高分子材料であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記有機高分子材料がポリイミドであることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
【請求項４】
請求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザからなる励起光源と、該励起光源から出射された励起光によりレーザ発振せしめられる固体レーザ結晶とを備えてなることを特徴とするレーザ発光装置。
【請求項５】
請求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光が一端から入力され、該レーザ光を他端から出力する光ファイバとを備えてなることを特徴とするレーザ発光装置。
【請求項６】
請求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光が入力光として入力され、該入力光を制御して出力する光変調素子とを備えてなることを特徴とするレーザ発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザおよびその半導体レーザを用いたレーザ発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、幅広発振領域を有する高出力の半導体レーザを励起光源として、固体レーザ発光装置や、固体レーザに非線形結晶を組み合わせて固体レーザから発振させた基本波の波長を１／２の波長に変換して第二高調波を発振する可視域の発光装置等が広く知られている。
【０００３】
これらのような発光装置の励起光源として用いられる半導体レーザには非常に高い出力が要求されており、単一モードレーザでは通常３μｍ程度である発振幅を１０μｍ以上に拡大することにより半導体レーザの高出力化が図られている。
【０００４】
幅広発振領域を有する半導体レーザは、通常多くの高次横モードが混在した発振モード（横多モード）で発光するため、発振出力を増していくと共振器内の高光子密度分布に起因するキャリアの空間的ホールバーニングによって異なった横モードあるいはその組み合わせヘ容易に変位する。この際、近視野像、遠視野像および発振スペクトルが変化すると共に、異なる横モードの電流から光への各々の変換効率が異なるために光出力が変化する。これは、半導体レーザの電流−光出力特性においてキンクと呼ばれている現象である。
【０００５】
また、固体レーザ発光装置において半導体レーザを固体レーザの励起光として利用する場合、レンズ系を用いて集光される半導体レーザからの発振光のうちの固体レーザ共振器の発振モードと結合する成分のみが励起光として利用されるため、半導体レーザにおける横モード変化により固体レーザ発光装置において著しい強度変化が生じる。また、固体レーザの吸収スペクトルは狭い波長帯域に微細な吸収スペクトル構造を有するため、前述の横モード変化による変動に加えて発振スペクトルの変化が吸収光量の変化となり、結果として固体レーザの光出力に変動を生じる。すなわち、半導体レーザの発振光の空間的な一部あるいは発振スペクトルの一部の光を利用することによりスイッチングに伴う高周波雑音が増大するのである。
【０００６】
上述のように、半導体レーザの横モード（空間的発振パターン）や縦モード（発振スペクトル）が変化すると固体レーザの励起効率が変化するため光出力の変動および高周波雑音が生じる。
【０００７】
さらに、半導体レーザの実際の利用においては、固体レーザの光強度を変化させる、波長変換素子との位相マッチングをとる等を目的として、温度と半導体レーザの励起電流とを変化させる必要があり、この際にモード変化が生じると発振レーザに著しい強度変動が生じる。これらはＤＣ成分であるが、いわゆるＡＣ成分としての雑音は定常的に生じる可能性が高い。
【０００８】
光出力の強度や周波数スペクトルの変動は、半導体レーザの発振光のうち利用する強度や周波数スペクトル部分、半導体レーザの励起電流および半導体レーザの個体差等に依存しているため一様ではないが、ＤＣ光に対して１０％を超える強度変動を生じる場合もあり、応用上大きな障害となる。特に、高品質の画像形成においては雑音はｌ％以下であることが望ましいが、通常の幅広発振領域を有する高出力半導体レーザにおいてはｌ％以下の雑音レベルを再現性良く、安定に実現することは極めて困難であった。また、第二高調波を発振させるために固体レーザ結晶と非線形結晶を組み合わせるとこの雑音が非線形効果により増大されることがあるので更に低雑音化が必要となる。
【０００９】
半導体レーザにおいて、横多モード発振による雑音は一般に屈折率導波機構を設けることにより低減できることが知られているが、上述のように雑音を１％以下に抑えることは従来の屈折率導波機構を有する半導体レーザにおいては困難であった。
【００１０】
そこで、半導体レーザの雑音を低減するために、本出願人より、電極構造をＴｉ／Ｐｔ／Ａｕとすること提案されている（特許文献１参照）。また、半導体レーザを、該半導体レーザの発光領域から遠い側の端面をヒートシンクに接合する、いわゆるジャンクションアップ組立することが提案されている（特許文献２参照）。雑音の原因として、実装によって発光領域に加わる応力を挙げることができる。つまり、半導体レーザを作製する上で、電極を作製したり、放熱するためにヒートシンクに接合したりすることは異種材料を組み合わせることになり、半導体レーザ素子に機械的な歪応力を生じさせ、これが雑音を誘発している。
【００１１】
さらに、リッジ構造を有する半導体レーザ素子は、発光領域となるリッジストライプを形成するために発光領域脇のクラッド層の一部をエッチングにより除去して形成している。そのため、電極を形成するために半導体層の電流注入領域以外の領域と電極との間に絶縁膜が必要である。通常、この種の絶縁膜としてはＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等によるシリコン系の材料が用いられる。しかし、例えば、ＳｉＯ２膜は製膜時に高温で作製するため、室温に戻した際に半導体とＳｉＯ２との熱膨張係数差のため両者の界面に応力が発生する。しかも、ＳｉＯ２のヤング率は７×１０１０（Ｎ／ｍ２）で、ＧａＡｓのそれの５×１０１０（Ｎ／ｍ２）よりも大きいためにＳｉＯ２が弾性変形することなく、歪応力という点において、ＧａＡｓにかなり影響を与えており、これが雑音を誘発している。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−７４６２０号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開２０００−２５２５８５号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、幅広発振領域を有する高出力半導体レーザは、発光領域に残留する歪応力のために、雑音および発振モードの不安定が生じていた。そのため、このような高出力半導体レーザを励起光源とする固体レーザ発光装置、若しくは該半導体レーザをファイバと結合させた発光装置を、印刷、写真、医療画像などの高品質の画像形成に用いるには難があった。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みて、横多モード発振する半導体レーザ素子であって、光出力の安定した低雑音なレーザ発振を行う半導体レーザ、および該半導体レーザを備えたレーザ発光装置を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザは、発光領域を含むＧａＡｓ系の半導体からなる半導体層と、該半導体層に接して設けられた前記発光領域に電流を注入するための１対の電極と、半導体層と電極の一方との間に設けられた電流を選択的に注入するための絶縁膜とからなり、横多モードにてレーザ発振する半導体レーザにおいて、絶縁膜が、５×１０１０（Ｎ／ｍ２）以下のヤング率を有する材料からなることを特徴とするものである。
【００１７】
絶縁膜は、２００℃以上の耐熱性を有する有機高分子材料であることが望ましい。
【００１８】
さらに、有機高分子材料はポリイミドであることが望ましい。
【００１９】
本発明の第１のレーザ発光装置は、上記構成による本発明の半導体レーザからなる励起光源と、該励起光源から出射された励起光によりレーザ発振せしめられる固体レーザ結晶とを備えてなることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の第２のレーザ発光装置は、上記構成による本発明の半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光が一端から入力され、該レーザ光を他端から出力する光ファイバとを備えてなることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明の第３のレーザ発光装置は、上記構成による本発明の半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光が入力光として入力され、該入力光を制御して出力する光変調素子とを備えてなることを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザによれば、上記構成の半導体レーザにおいて、絶縁膜が、５×１０１０（Ｎ／ｍ２）以下のヤング率を有する材料からなることにより、半導体層に加わる応力歪を低減することができるので、光出力の安定した低雑音な横多モード発振を得ることができる。
【００２３】
本発明の第１のレーザ発光装置によれば、本発明による光出力の安定した低雑音な半導体レーザを励起光源として用いているので、結果として固体レーザから出射されるレーザ光も低雑音なものとすることができる。
【００２４】
また、本発明の第２のレーザ発光装置によれば、本発明による光出力の安定した低雑音な半導体レーザからのレーザ光を入力するため、結果として光ファイバから出射されるレーザ光も低雑音なものとすることができる。
【００２５】
また、本発明の第３のレーザ発光装置によれば、本発明による光出力の安定した低雑音な半導体レーザからのレーザ光を入力するため、結果として光変調素子から出射されるレーザ光も低雑音なものとすることができる。
【００２６】
従って、これらの半導体レーザあるいはレーザ発光装置を光源として用いた画像・情報処理システムの品位、例えば写真や医療画像データの印刷時の画像品質を向上させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２８】
本発明の一実施形態による半導体レーザ素子について説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図１に示す。
【００２９】
第１の実施の形態による半導体レーザ素子１０は、図１に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓグレーテッドバッファ層１２、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１３、ＩｎＧａＰ光ガイド層１４、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層１５、ＩｎＧａＰ光ガイド層１６、一部がメサ状に形成されたｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１７、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１７上面に形成されたｐ−ＧａＡｓキャップ層１８、メサ部の両サイドに配されたポリイミドによる絶縁膜１９、キャップ層上に配されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極２０、およびｎ−ＧａＡｓ基板の裏面に配されたＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極２１からなるものである。なお、ｐ側電極２０は、半導体層（ここではキャップ層）と接する側からＴｉ、ＰｔおよびＡｕの順に積層されて構成されており、ｎ側電極２１はＡｕＧｅ、ＮｉおよびＡｕの順に構成されている。
【００３０】
ここで絶縁膜として用いたポリイミドは、ポリアミド酸に感光基を結合させたポジ型のもので、ヤング率が約０．５×１０１０（Ｎ／ｍ２）であり、ＧａＡｓのヤング率（５×１０１０Ｎ／ｍ２）と比較して、１桁小さな値となっている。
【００３１】
本半導体レーザ１０は、発振波長が８１０ｎｍであり、また、リッジ構造による屈折率導波機構を備えた、発光領域幅が５０μｍの高出力化が可能な半導体レーザである。
【００３２】
次に、本実施の形態による半導体レーザ素子１０の製造方法について説明する。
【００３３】
ｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、有機金属気相成長法により、グレーテッドバッファ層１２、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１３、ＩｎＧａＰ光ガイド層１４、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層１５、ＩｎＧａＰ光ガイド層１６、ｐ−ＩｎＧａＰエッチングストップ層（図示せず）を積層途中に設けたｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１７、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８を積層する。ｐ−ＩｎＧａＰエッチングストップ層は、ＩｎＧａＰ光ガイド層１６からの距離が０．２μｍの位置に形成する。
【００３４】
上記各層を積層後、フォトリソグラフィ法とエッチングにより、キャップ層１８およびクラッド層１７をｐ−ＩｎＧａＰエッチングストップ層が露出するまで、幅５０μｍのメサ形状にエッチングする。ｐ−ＩｎＧａＰエッチングストップ層を設けたことにより、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１７のメサ部両側の残し厚みを０．２μｍとすることができ、メサ部で等価的に屈折率が高くなる高精度な屈折率導波路を形成することができる。
【００３５】
メサ部作製後、感光性ポリイミドを有機溶媒に溶解したポリイミド溶液をメサ上部全面に塗布した後、ベークして厚さ１μｍ程度の感光性ポリイミド層１９を形成する。次に、フォトリソグラフィ技術により、メサ部上の電流注入領域の感光性ポリイミド層１９を除く。キャップ層１８と接してＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極２０、および基板１１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極２１を、電極金属を蒸着法によりコーティングした後、熱処理を施すことにより形成する。
【００３６】
絶縁膜として感光性ポリイミドを用いることにより、それ自体感光性を有するためフォトリソグラフィ技術によるパターニングを容易に行うことができる。
【００３７】
上記のようにして作製された半導体レーザは、所定の共振器長にへき開した後、共振器面の一方に反射率３０％、他方に９５％の反射膜を形成した後、ヒートシンク上にｎ側電極２１をＡｕＳｎはんだ材を用いてはんだ付けする。すなわち、両電極２０、２１のうち活性層１５から離れた位置にあるｎ側電極２１をヒートシンクに接着する。ここで、活性層をヒートシンクから離すのは、半導体レーザとヒートシンクとの熱膨張係数の違いが原因でおきる組立時の歪応力が素子の活性層に加わることを防ぐためである。
【００３８】
上記半導体レーザ１０について、雑音の測定を、図２に示す測定系により、半導体レーザ１０から出射される光の一部をフォトディテクタ３１で受けて、その光強度の安定性を雑音測定器３２により測定した。また、従来技術による半導体レーザについても同様に雑音の測定を行った。従来の半導体レーザとしては、上記半導体レーザ１０と同じ層構成であって、キャップ層上の絶縁膜としてＳｉＯ２を厚さ０．２μｍ程度形成したものを用いた。測定結果である雑音強度分布グラフを図３に示す。
【００３９】
図３に示すように、ポリイミドによる絶縁膜を備えた半導体レーザ１０は、従来のＳｉＯ２による絶縁膜を備えた半導体レーザと比較して雑音強度が大幅に低いことが分かる。雑音が発生する原因は、絶縁膜と半導体との間で熱膨張率の差から生じる歪が関係しており、さらに、ＳｉＯ２はヤング率が７×１０１０（Ｎ／ｍ２）とポリイミドより遥かに大きな値であるために、ほとんど弾性変形することなく、大きな歪応力を半導体側に発生させていることが考えられる。絶縁膜としてポリイミドを用いることは、柔らかく弾性し易い材料特性が有効に働いて半導体層側に加わる応力を小さくし、雑音を低減するのに効果的であることが分かる。
【００４０】
本発明では、絶縁膜として感光性ポリイミドを用いたが、２００℃以上の耐熱性、高い電気絶縁性、および５×１０１０（Ｎ／ｍ２）以下のヤング率を有する有機高分子材料、例えばテフロン（登録商標）に代表されるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いても同様の効果を得ることができる。
【００４１】
次に、上記半導体レーザ１０を用いた、本発明のレーザ発光装置の第一実施形態によるレーザ発光装置について説明する。その固体レーザ発光装置を図４に示す。
【００４２】
本実施形態によるレーザ発光装置は、図４に示すように、励起光を出射する、幅広発振領域を有する高出力半導体レーザ１０、該半導体レーザ１０から出射された励起光を集光するレンズ４３および集光された励起光によりレーザ発振をするＮｄ：ＹＡＧ固体レーザ結晶４４、該固体レーザ結晶４４（発振波長９４６ｎｍ  ）から発振されたレーザの波長を１／２の波長に変換して第二高調波（波長４７３ｎｍ  ）を発生させるＫＮｂＯ３非線形結晶４５および前記固体レーザ結晶４４の紙面左側の光入射面と共に固体レーザ共振器４１を形成する凹面鏡からなる出力ミラー４６を備えてなるものである。なお、固体レーザ結晶４４にＮｄ：ＹＶＯ４等、非線形結晶４５にＫＴＰ等を用いてもよい。
【００４３】
半導体レーザ１０の発振光はレンズによって固体レーザに集光され、集光された発振光のうち固体レーザ共振器の発振モードと結合する成分のみが励起光として用いられて、固体レーザ結晶から発振波長９４６ｎｍ  のレーザ光が励起される。固体レーザ結晶で発振されたレーザ光は非線形結晶により４７３ｎｍ  の第二高調波（青色レーザ）に変換されて出力される。
【００４４】
次に、本発明のレーザ光源装置の第二実施形態にかかる光ファイバ結合型のレーザ発光装置について説明する。その概略構成図を図５に示す。
【００４５】
本実施形態のレーザ発光装置は、レーザ光を発振する、幅広発振領域を有する高出力半導体レーザ１０、該半導体レーザ１０から出射されたレーザ光を平行光とするコリメーターレンズ５１、レーザ光を集光させる集光レンズ５２および光ファイバ５３を備えてなるものである。
【００４６】
半導体レーザ１０から発振されたレーザ光はコリメータレンズ５１を経て集光レンズ５２により光ファイバ５３の一端に集光される。光ファイバ５３の一端に集光されたレーザ光の一部が光ファイバの導波モードと結合して、ファイバ内に入射して導波される。
【００４７】
なお、上記の光ファイバ結合型のレーザ発光装置により発生させたレーザ光を励起光として固体レーザの発振に利用することもできる。
【００４８】
また、本発明の複数の半導体レーザ素子からのレーザ光をマルチモード光ファイバに合波させて更に高出力の光源を構成することも可能である。
【００４９】
また、本発明の半導体レーザから発せられるレーザ光を光変調素子に入力して、変調されたレーザ光を出射するレーザ発光装置としてもよい。
【００５０】
このように、本発明の半導体レーザおよびレーザ発光装置は、低雑音な安定した光出力を得ることできるので、これらのレーザを光源として用いた画像・情報処理システムの品位、例えば写真や医療画像データの印刷時の画像品質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による半導体レーザの断面図
【図２】半導体レーザの雑音を測定するための測定系を示す図
【図３】本発明の半導体レーザと従来技術による半導体レーザの雑音測定結果を示すグラフ
【図４】本発明のレーザ発光装置の第一実施形態によるレーザ発光装置を示す概略構成図
【図５】本発明のレーザ発光装置の第二実施形態による光ファイバ結合型レーザ発光装置を示す概略構成図
【符号の説明】
１０    半導体レーザ
１１    ｎ−ＧａＡｓ基板
１２    ｎ−ＡｌＧａＡｓグレーテッドバッファ層
１３    ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
１４    ＩｎＧａＰ光ガイド層
１５    ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
１６    ＩｎＧａＰ光ガイド層
１７    ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
１８    ｐ−ＧａＡｓキャップ層
１９    感光性ポリイミド層
２０    Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極
２１    ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極
【図１】
2004153214.tif 000003
【図２】
2004153214.tif 000004
【図３】
2004153214.tif 000005
【図４】
2004153214.tif 000006
【図５】
2004153214.tif 000007