(57)【要約】【課題】活性層の出射端面における回折格子層側の部分が溶融破壊されるのを抑制し得る半導体レーザ装置、これを用いた第２高調波発生装置及び光ピックアップ装置を提供することにある。【解決手段】活性層４と、活性層４の上層に位置する回折格子層８とを有する半導体レーザ装置を用いる。回折格子層８は、活性層４の主面よりも狭い範囲内に形成する。活性層４は、回折格子層８の直下となるＤＢＲ領域及び位相制御領域におけるバンドギャップが、利得領域におけるバンドギャップよりも大きくなるように形成する。【選択図】  図２
2004165383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、前記活性層の上層に位置する回折格子層とを有する半導体レーザ装置であって、
前記回折格子層は、前記活性層の主面よりも狭い範囲内に形成され、
前記活性層は、前記回折格子層の直下となる領域を含む第１の領域と、前記回折格子層の直下となる領域を含まない第２の領域とを有し、前記第１の領域におけるバンドギャップは、前記第２の領域におけるバンドギャップよりも大きくなっていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記回折格子層の上層に、第１の光ガイド層、第２の光ガイド層及びリッジ型の第３の光ガイド層が順に形成されており、
前記第２の光ガイド層の上に、前記第３の光ガイド層の側面を挟み込むように、前記第３の光ガイド層と逆の導電型の電流ブロック層が形成されており、
前記第２の光ガイド層、前記第３の光ガイド層、前記電流ブロック層のバンドギャップの大きさをそれぞれＥｇ１、Ｅｇ２、Ｅｂとすると、Ｅｇ１＞Ｅｂ＞Ｅｇ２の関係が満たされる請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記活性層と前記回折層との間に、前記回折層の構成材料よりもエッチング速度が小さい構成材料で形成された層が設けられている請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
最上層に、レーザ出射方向に沿って、電極として機能する複数の層が配置されている請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記電極として機能する層が三つであり、前記各層に注入する電流の大きさによって、利得、位相及び発振波長が制御される請求項４記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記第１の領域におけるバンドギャップ波長がレーザ光の発振波長よりも短く設定されている請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記第３の光ガイド層が、へき開面に垂直な軸に平行な部分とへき開面に垂直な軸に対して傾斜した部分とを有している請求項２記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記第３光ガイド層は、その出射方向に垂直な断面が台形状となるように形成されている請求項２記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記回折格子層、前記第１の光ガイド層、前記第２の光ガイド層、前記第３の光ガイド層はＳｉがドーピングされて形成されており、前記電流ブロック層はＳｅがドーピングされて形成されている請求項２記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体レーザ装置と、導波路を備えた非線形光学素子とを有し、前記非線形光学素子は、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光が前記導波路に結合するように配置されていることを特徴とする第２高調波発生装置。
【請求項１１】
前記半導体レーザ装置と、前記非線形光学素子とが、同一の基板上に配置されている請求項１０記載の第２高調波発生装置。
【請求項１２】
回折格子、集光レンズ及び複数の偏向成分を含む光から予め定められた偏向成分のみを取り出す光学素子のうちのいずれか一つと、請求項１０又は１１に記載の第２高調波発生装置とを少なくとも有することを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項１３】
前記請求項１０又は１１に記載の第２高調波発生装置が基板上に配置されており、前記基板上には受光素子が設けられている請求項１２記載の光ピックアップ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置、これを用いた第２高調波発生装置及び光ピックアップ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高密度光ディスク用の光源として、青色域のレーザ光源が要望されている。青色域は、赤色域や、赤外域の光に比べ、光ディスク上での集光スポット系を小さくする事が可能となる短波長域であるため、青色域のレーザ光源は、光ディスクの記録密度や再生密度の向上に有効である。
【０００３】
青色域のレーザ光を得る有効な手段として、導波路を備えた第２高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を用いて赤外域の光を青色域の短波長の光に変換する方法が挙げられる。現在、ＳＨＧ素子の構成材料として広く用いられているのは、ＬｉＮｂＯ３に代表される非線形光学材料である。
【０００４】
通常、ＬｉＮｂＯ３で構成されたＳＨＧ素子には、入力光である赤外域の光の波長に合わせて、イオン交換技術によりグレーティングが形成されている。また、ＳＨＧ素子は、導波路を伝播する赤外域の光の波長と、導波路を伝播する青色域の光の波長と、グレーティングピッチとが整数比となるように構成する必要がある。従って、入射される赤外域の光の波長の範囲は、ＳＨＧ素子によって狭い範囲に制限されることとなる。
【０００５】
このため、光源となる赤外レーザとしては、発振波長の選択性が高く、単一縦モード発振を行なうことでき、又温度による発振波長の変化を調整可能なＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザが用いられる。従来からのＤＢＲレーザとしては、例えば特許文献１に開示されたものが挙げられる。この従来からのＤＢＲレーザについて図２４を用いて説明する。
【０００６】
図２４は、従来のＤＢＲレーザの構造を概略的に示す側面図である。図２４に示すように、従来のＤＢＲレーザは、ｎ形ＧａＡｓ基板５１上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層５２、厚さ１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．４５）クラッド層５３、活性層５４、厚さ４００Åのｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．４）キャリア閉じ込め層（クラッド層）５５、厚さ０．２５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１５）回折格子層５６、厚さ１．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．４５）クラッド層５７及び厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層５８を順に設けて形成されている。また、最下層には電極６２が設けられ、最上層には電極５９〜６１が設けられている。電極５９〜６２はＤＢＲレーザの駆動に用いられる。
【０００７】
ｎ型ＧａＡｓバッファ層５２、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５３、活性層５４、ｐ型ＡｌＧａＡｓキャリア閉じ込め層５５及びｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層５６は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によって形成されている。
【０００８】
また、ｐ型ＡｌＧａＡｓ回折格子層５６には、回折格子５６ａと５６ｂとが設けられている。回折格子５６ａは、ｐ型ＡｌＧａＡｓの層の上に、レジストを塗布し、２光束干渉露光によって、３００μｍ幅のストライプ状にパターニングを行い、更に反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）を施すことによって形成されている。なお、図２４の例では、回折格子５６ａのピッチは、２４４０Å、深さは１０Åである。である。
【０００９】
また、回折格子５６ｂも、回折格子５６ａと同様のパターニングと反応性イオンビームエッチングとによって形成される。但し、回折格子５６ｂの形成においては、パターニングは、回折格子５１ａで用いるレジストとは別のレジストを用いて行なわれる。この結果、回折格子５１ａと回折格子５２ｂとでは、ピッチにおいては同じであるが、深さにおいて異なったものとなる。
【００１０】
ｐ型ＡｌＧａＡｓのクラッド層５７及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層５８は、液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）法によって形成されている。
【００１１】
ところで、赤外域から青色域へのＳＨＧ素子による変換効率は、数％から数十％であり、一般に非線形光学素子であるＳＨＧ素子に入力される光のパワーの２乗に比例する。
【００１２】
よって、高密度光ディスクの再生時に必要な５ｍＷ程度の青色域の光を得るためには、赤外域の光のパワーとして最低５０ｍＷ程度が必要である。また、高密度光ディスクの記録時に必要な数十ｍＷ程度の青色域の光を得るためには、赤外域の光のパワーとしては最低１００ｍＷ以上が必要である。このことから、高密度光ディスクの記録用及び再生用の光源として使用されるＤＢＲレーザには、１００ｍＷ以上の高出力特性が要求される。
【００１３】
【特許文献１】
特開平６−５３６１９号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２４に示す従来のＤＢＲレーザにおいて１００ｍＷ以上の高出力動作を行なう場合、活性層５４における光のパワー密度は大きなものとなる。また、活性層５４は、レーザ光に対して比較的大きな吸収係数を有しており、更に、回折格子層５６側においてレーザ光の端面反射率が小さいという特性を有している。
【００１５】
このため、図２４に示す従来のＤＢＲレーザにおいて１００ｍＷ以上の高出力動作を行なうと、活性層５４の出射端面における回折格子層５６側の部分が溶融破壊される可能性が高くなり、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ）レベルが低下してしまう。
【００１６】
本発明の目的は、活性層の出射端面における回折格子層側の部分が溶融破壊されるのを抑制し得る半導体レーザ装置、これを用いた第２高調波発生装置及び光ピックアップ装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にかかる半導体レーザ装置は、活性層と、前記活性層の上層に位置する回折格子層とを有する半導体レーザ装置であって、前記回折格子層は、前記活性層の主面よりも狭い範囲内に形成され、前記活性層は、前記回折格子層の直下となる領域を含む第１の領域と、前記回折格子層の直下となる領域を含まない第２の領域とを有し、前記第１の領域におけるバンドギャップは、前記第２の領域におけるバンドギャップよりも大きくなっていることを特徴とする。
【００１８】
上記本発明にかかる半導体レーザ装置においては、前記回折格子層の上層に、第１の光ガイド層、第２の光ガイド層及びリッジ型の第３の光ガイド層が順に形成されており、前記第２の光ガイド層の上に、前記第３の光ガイド層の側面を挟み込むように、前記第３の光ガイド層と逆の導電型の電流ブロック層が形成されており、前記第２の光ガイド層、前記第３の光ガイド層、前記電流ブロック層のバンドギャップの大きさをそれぞれＥｇ１、Ｅｇ２、Ｅｂとすると、Ｅｇ１＞Ｅｂ＞Ｅｇ２の関係が満たされるのが好ましい。
【００１９】
また、上記本発明にかかる半導体レーザ装置では、前記活性層と前記回折層との間に、前記回折層の構成材料よりもエッチング速度が小さい構成材料で形成された層が設けられているのが好ましい。
【００２０】
上記本発明にかかる半導体レーザ装置では、最上層に、レーザ出射方向に沿って、電極として機能する複数の層が配置されているのが好ましい。前記電極として機能する層が三つの場合は、前記各層に注入する電流の大きさによって、利得、位相及び発振波長が制御される。
【００２１】
上記本発明にかかる半導体レーザ装置では、前記第１の領域におけるバンドギャップ波長がレーザ光の発振波長よりも短く設定されているのが好ましい。また、前記第３の光ガイド層が、へき開面に垂直な軸に平行な部分とへき開面に垂直な軸に対して傾斜した部分とを有しているのが好ましい。更に、前記第３光ガイド層は、その出射方向に垂直な断面が台形状となるように形成されているのが好ましい。
【００２２】
また、上記本発明にかかる半導体レーザ装置では、前記回折格子層、前記第１の光ガイド層、前記第２の光ガイド層、前記第３の光ガイド層はＳｉがドーピングされて形成されており、前記電流ブロック層はＳｅがドーピングされて形成されているのが好ましい。
【００２３】
次に、上記目的を達成するために本発明にかかる第２高調波発生装置は、上記本発明にかかる半導体レーザ装置と、導波路を備えた非線形光学素子とを有し、前記非線形光学素子は、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光が前記導波路に結合するように配置されていることを特徴とする。この本発明にかかる第２高調波発生装置においては、前記半導体レーザ装置と、前記非線形光学素子とは、同一の基板上に配置されているのが好ましい。
【００２４】
また、上記目的を達成するために本発明にかかる光ピックアップ装置は、回折格子、集光レンズ及び複数の偏向成分を含む光から予め定められた偏向成分のみを取り出す光学素子のうちのいずれか一つと、上記本発明にかかる第２高調波発生装置とを少なくとも有することを特徴とする。この本発明にかかる光ピックアップ装置においては、第２高調波発生装置が基板上に配置されており、前記基板上には受光素子が設けられているのが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体レーザ装置、第２高調波発生装置及び光ピックアップ装置について、図１〜図２３を参照しながら説明する。
【００２６】
最初に、本発明の半導体レーザ装置の構成について、図１〜図１０を用いて説明する。図１は、本発明の半導体レーザ装置の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示す半導体レーザ装置の側面図である。図３は、図１に示す半導体レーザ装置の上面図である。
【００２７】
図１〜図３に示す本発明の半導体レーザ装置は、導波路内部に回折格子を備えたＤＢＲレーザである。図１及び図２に示すように、本発明の半導体レーザ装置は、基板１上に、バッファ層２、第１クラッド層３、活性層４、第２クラッド層５、第１エッチング防止層６、第２エッチング防止層７、回折格子層８、第１光ガイド層９、第２光ガイド層１０、リッジ型の第３光ガイド層１１、電流ブロック層１２、第３クラッド層１３、コンタクト層１４ａ〜１４ｃを設けて構成されている。
【００２８】
図１及び図２の例では、基板１はｎ型ＧａＡｓの半導体結晶で形成されている。バッファ層２は、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＡｓ層である。第１クラッド層３は、厚さ３．０μｍのｎ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ層である。活性層４は、Ｇａ０．７Ａｌ０．３Ａｓ障壁層（厚さ５０Å）／ＧａＡｓ井戸層（厚さ４２Å）からなる二重量子井戸構造をＧａ０．７Ａｌ０．３Ａｓガイド層（厚さ１００Å）で挟み込んで形成されている。第２クラッド層５は、厚さ８００Åのｐ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ層である。
【００２９】
第１エッチング防止層６及び第２エッチング防止層７は、回折格子層８を形成する際のエッチングによって、第２クラッド層５の一部が除去されるのを防止するため、回折格子層８の構成材料よりもエッチング速度が小さい材料で形成されている。また、第１エッチング防止層６と第２エッチング防止層とでは、第１エッチング防止層６の方が、エッチング速度が小さい材料で形成されている。
【００３０】
具体的には、第１エッチング防止層６は、厚さ１００Åのｐ型ＧａＡｌＡｓ層である。第１エッチング防止層６のＡｌＡｓ混晶比をＸｓとする。第２エッチング防止層７は、厚さ１００Åのｐ型Ｇａ０．４Ａｌ０．６Ａｓ層であり、第１エッチング防止層６の一部の領域上にのみ形成されている。
【００３１】
また、回折格子層８は、厚さ２００Åのｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ａｓ層にパターニング及びエッチングを施して形成されており、導波光に対する分布ブラッグ反射作用を有している。第１光ガイド層９は、厚さ８００Åのｐ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ層であり、第２エッチング防止層７が設けられていない第１エッチング防止層６と回折格子層８との上に形成されている。第１光ガイド層９の厚みは光分布にあまり影響を与えないようできるだけ薄くするのが好ましい。第２光ガイド層１０は、厚さ１００Åのｐ型ＧａＡｌＡｓ層である。第２光ガイド層１０のＡｌＡｓ混晶比をＸｇとする。
【００３２】
第３光ガイド層１１は、厚さ２μｍのｐ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ層をリッジ状に成形したものであり、導波路を構成する。また、第３光ガイド層１１の上面は電流を通過させる窓として機能する。なお、以下において、この窓として機能する第３光ガイド層１１の上面を「ストライプ状の窓」ともいう。
【００３３】
電流ブロック層１２は、ｎ型Ｇａ０．４Ａｌ０．６Ａｓ層であり、その導電型は第３の光ガイド層１１と逆になっている。電流ブロック層１２は、第２光ガイド層１０上の第３光ガイド層１１が形成されていない領域に、第３光ガイド層１１の側面を挟み込むように形成されている。このため、第３光ガイド層１１の上面はコンタクト層１４ａから注入された電流を流すための窓として機能する。
【００３４】
なお、電流ブロック層１２の厚さが薄いと横方向の光の閉じ込めが不十分となり横モードが不安定になるため、電流ブロック層１２の最大厚さは０．４μｍ以上が望ましい。図１及び図２の例では、電流ブロック層の最大厚さは０．７μｍである。
【００３５】
第３クラッド層１３は、厚さ１μｍのｐ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ層である。コンタクト層１４ａ〜１４ｃは、電流を注入するための電極であり、厚さ２μｍのｐ型ＧａＡｓ層を出射方向に垂直に三分割して形成されている。
【００３６】
また、図１及び図２に示すように、本発明の半導体レーザ装置では、回折格子層８は、活性層４の主面よりも狭い範囲内に設けられている。このため、図２に示すように活性層４における回折格子層８の直下にある部分はＤＢＲ領域となる。また、活性層４におけるＤＢＲ領域の隣は位相制御領域となり、位相制御領域の隣は利得領域となる。
【００３７】
更に、コンタクト層１４ｃはＤＢＲ領域の直上に位置するように、コンタクト層１４ｂは位相制御領域の直上に位置するよう、コンタクト層１４ａは利得領域の直上に位置するように設けられている。このため、後述するように、各コンタクト層に注入する電流の大きさによって、利得、位相及び発振波長を制御することができる。
【００３８】
このような構成により、コンタクト層１４ａから注入された電流は、電流ブロック層１２によって第３光ガイド層１１の内部に閉じ込められ、コンタクト層１４ａの下層にある活性層４で光を生じさせる。このとき生じた光は、回折格子層８によって分布ブラッグ反射を受け、波長選択される。この結果、単一縦モード発振が生じることになる。
【００３９】
また、図３に示すように、第３光ガイド層１１は、コンタクト層１４ｃの直下に位置する部分で折れ曲がるように形成されており、へき開面に垂直な軸に平行な部分１１ａとへき開面に垂直な軸に対して傾斜した部分１１ｂとを有している。よって、ストライプ状の窓も折れ曲がった形状を有している。なお、図３の例では、傾き角θは５°であり、傾斜した部分１１ｂのへき開面に垂直な方向の長さは３００μｍである。
【００４０】
このため、分布ブラッグ反射を強く受けない波長の光は、傾斜した部分１１ｂまで到達すると、へき開面で反射されるが、へき開面で反射した光は傾斜した部分１１ｂとは異なる方向に反射されることになる。つまり、図１〜図３に示す半導体レーザ装置を用いることで、単一縦モード発振を容易に行なうことができる。
【００４１】
図４は、実効反射率と傾き角θとの関係を示す図である。図４に示す実効反射率は、へき開面で反射された光が再び第２光ガイド層１１の傾斜した部分１１ｂに帰還される割合である。図４から分かるように、傾き角θを適切に設定することにより、実効反射率を１０−６以下のレベルに抑えることができる。この場合、回折格子層８による分布ブラッグ反射を強く受ける波長の光のみを、再現性よくレーザ発振できる。
【００４２】
また、図１及び図２に示すように、本発明の半導体レーザ装置では、活性層４は、回折格子層８の直下となる領域を含む第１の領域（活性層４においてハッチングが施された部分）と、回折格子層８の直下となる領域を含まない第２の領域（活性層４においてハッチングが施されていない部分）とを有し、第１の領域におけるバンドギャップは、第２の領域におけるバンドギャップよりも大きくなっている。
【００４３】
図１及び図２の例では、位相整合領域と回折格子層８の直下となるＤＢＲ領域とが、イオン注入や不純物拡散によって無秩序化されており、位相制御領域及びＤＢＲ領域におけるバンドギャップが、利得領域におけるバンドギャップよりも大きくなっている。
【００４４】
ところで、半導体レーザ装置の導波路を伝播するレーザ光のパワー密度は数ＭＷ／ｃｍ２と非常に大きく、導波路での光吸収による発熱は半導体レーザ素子の劣化につながる。一般に、半導体レーザにおいては、発熱が生じると、バンドギャップが小さくなり、レーザ発振光に対する光吸収が増大する。また、光吸収が増大すると、更なる発熱の増大につながり、バンドギャップが更に小さくなり、その結果、光吸収がいっそう大きくなる。この場合、最終的には、半導体レーザ素子の構成材料の融点まで温度が上昇し、半導体レーザ素子自身が溶融破壊されてしまう（ＣＯＤ）。
【００４５】
また、発振波長や位相を大きく変化させるためには、ＤＢＲ領域及び位相整合領域に可能な限り大きな電流を注入し、この領域の屈折率を大きく変化させる必要があるが、この場合、上記の問題が更に顕著となる。
【００４６】
これに対し、本発明の半導体レーザ装置では、上記したように位相制御領域及びＤＢＲ領域におけるバンドギャップが、利得領域におけるバンドギャップよりも大きくなっている。このため、利得領域で発生したレーザ光がＤＢＲ領域及び位相整合領域で吸収されるのを抑制でき、これら２領域での光吸収による発熱を抑制することができる。よって、上記した光吸収による発熱の正帰還的な増大が、位相整合領域及びＤＢＲ領域で生じるのが抑制される。
【００４７】
このことから、本発明の半導体レーザ装置によれば、位相制御や波長制御のために電流注入を行なうことによってＤＢＲ領域及び位相整合領域で発熱が生じても、位相整合領域及びＤＢＲ領域における光吸収が抑制されるため、光吸収による発熱の急激な増大によってＣＯＤが生じるのを抑制できる。
【００４８】
また、本発明の半導体レーザ装置においては、ＤＢＲ領域又は位相制御領域に電流を注入した場合の発光が、利得領域の発光特性に影響を及ぼさないようにする点からは、ＤＢＲ領域及び位相制御領域におけるバンドギャップに相当するバンドギャップ波長はできるだけ短いのが好ましい。但し、このバンドギャップ波長を短波長化させすぎると、ＤＢＲ領域及び位相整合領域領域での導波路損失が大きくなってしまうため、短波長化し過ぎないように考慮する必要がある。
【００４９】
具体的には、ＤＢＲ領域及び位相制御領域におけるバンドギャップ波長は、利得領域のバンドギャップ波長に対して、１０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲で短波長化しているのが好ましい。図１及び図２の例では、ＤＢＲ領域及び位相制御領域におけるバンドギャップ波長は、利得領域のバンドギャップ波長に対して、１５ｎｍ短波長化している。この時、ＤＢＲ領域及び位相制御領域での導波路損失は２０ｃｍ−１以下となる。
【００５０】
なお、ここでバンドギャップ波長とは、バンドギャップを波長に換算した値のことで、バンドギャップ波長をλｇ［μｍ］、バンドギャップをＥｇ［ｅＶ］とすると、下記の式（１）によって求めることができる。
λｇ＝１．２４／Ｅｇ・・・・・（１）
【００５１】
更に、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）のＡｌ組成ＸとバンドギャップＥｇ（Ｘ）［ｅＶ］との関係は、下記の式（２）によって求めることができる。また、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓは、バンドギャップが大きくなると、活性層４から放射されるレーザ光に対する屈折率が小さくなる性質を有している。
Ｅｇ（Ｘ）＝１．４２（１−Ｘ）＋２．２６Ｘ−０．６７Ｘ２・・・・・（２）
【００５２】
次に、本発明の半導体レーザ装置をＳＨＧ素子の励起光源として用いる場合について、図５〜図１０を用いて以下に説明する。図１〜図３に示す本発明の半導体レーザ装置をＳＨＧ素子の励起光源として用いる場合、ＳＨＧ素子として用いられる非線型光学素子において高い第２高調波変換効率が得られるように、発振波長、即ち、分布ブラッグ反射される波長を制御する必要がある。分布ブラッグ反射される波長の制御は、コンタクト層１４ｃに注入する電流値の制御によって行なうことができる。これは、主にコンタクト層１４ｃに電流を注入すれば、コンタクト層１４ｃ下に熱が発生し、これによって、回折格子層７が形成された領域の屈折率が変化するためである。
【００５３】
即ち、コンタクト層１４ｃに注入する電流値を大きくして、コンタクト層１４ｃ下の発熱量を大きくすれば、導波路を伝播するレーザ光に対する実効屈折率が大きくなるので、発振波長を長波側に変化させることができる。逆に、コンタクト層１４ｃに注入する電流値を小さくし、コンタクト層１４ｃ下の発熱量を小さくすれば、発振波長を短波側に変化させることができる。
【００５４】
本発明の半導体レーザ装置において、ＤＢＲ領域上の回折格子層８が形成されている領域のレーザ出射方向における長さが大きいと、回折格子層８と導波光が作用し合う距離が長くなる。この場合、回折格子層８は、分布ブラッグ反射される波長の光に対して高い反射率を得ることができる。回折格子層８が高い反射率を得ることは、動作電流値と発振電流の閾値とを低下させるのに有効である。一般的に、分布ブラッグ反射される波長の光に対する反射率は、回折格子層８とレーザ発振光との結合の強さ（以下、「結合係数κ」で表す）、及び回折格子層８が導波路に形成されている長さ（回折格子層８のレーザ出射方向における長さ）Ｌｄｂｒによって見積もることができる。
【００５５】
図５は、結合係数κを変化させた場合における回折格子層の反射率と回折格子層のレーザ出射方向における長さＬｄｂｒとの関係を示す図である。図５において結合係数κは、１０ｃｍ−１から１４０ｃｍ−１へと変化している。また、図５に示すグラフの算出において、導波路損失は２０ｃｍ−１に設定している。
【００５６】
図５から分かるように、κを４０ｃｍ−１から１００ｃｍ−１と変化させた場合、へき開により得ることが可能な出射端面における反射率、いわゆる端面アンコート時（３２％）よりも高い反射率を得るためには、Ｌｄｂｒが２００μｍ以上必要であることが分かる。
【００５７】
しかしながら、図５に示すようにＬｄｂｒを過剰に大きくしても、反射率の更なる向上は望めず、反射率は飽和してしまう。例えば、κが４０ｃｍ−１の場合は、Ｌｄｂｒが６００μｍ程度となると、反射率は飽和してしまう。さらに、この場合、回折格子層８が形成されている領域における放熱性が向上し、発熱による発振波長の可変幅は小さくなる。このことから、へき開により得ることが可能な出射端面における反射率を得ることができる範囲内で、Ｌｄｂｒはできる限り小さくするのが好ましいと言える。
【００５８】
従って、発振波長の可変幅を損なわないで、且つ、へき開により得ることが可能な出射端面における反射率を得るためには、Ｌｄｂｒは２００μｍ〜６００μｍに設定するのが好ましいと言える。なお、図１及び図２の例では、Ｌｄｂｒは３００μｍに設定されており、この場合、κが４０ｃｍ−１〜１００ｃｍ−１の範囲となるように回折格子層８を形成すると、回折格子層８によって４５％〜８０％の反射率を得ることができる。また、図１及び図２の例において、ＤＢＲ領域のレーザ出射方向における長さは６００μｍである。更に、図１及び図２の例において、電流値を０ｍＡから１００ｍＡまで変化させてコンタクト層１４ｃに電流を注入すると、発振波長の変化は３ｎｍであった。
【００５９】
ところで、分布ブラッグ反射させる波長を変化させる場合、所望の発振波長付近で高い反射率を得ることができる波長が２つ以上存在する場合がある。このとき発振波長は利得の高い波長にモードホップし、所望の波長からずれてしまう可能性がある。
【００６０】
これを防ぐため、図１及び図２の例では、コンタクト層１４ｂに電流を注入することによって、コンタクト層１４ｂ下の発熱量を変化させて、コンタクト層１４ｂ下にある導波路の屈折率を制御している。即ち、コンタクト層１４ｂに注入する電流を変化させることで、常に所望の発振波長のみをレーザ発振する位相条件が満たされるように制御を行なっている。
【００６１】
ところで、位相制御領域のレーザ出射方向における長さが大きい場合は、放熱性が向上し、発熱による発振波長の可変性が損なわれる。逆に、位相制御領域のレーザ出射方向における長さが小さい場合は、発熱による実効的な共振器長の変化が小さくなる。また、位相制御領域のレーザ出射方向における長さは、隣接縦モードの波長差に影響を及ぼす。つまり、位相制御領域が長いと、隣接縦モード間の波長差が小さくなり、回折格子層８によって高い反射率が得られる波長範囲に、２本以上の縦モードが存在可能な状態となる。この結果、縦モードはマルチモード発振となる。また、ＳＨＧ素子において、高い変換効率を得ることが可能な波長範囲は、通常、０．１ｎｍと非常に狭い波長範囲である。
【００６２】
そこで、本発明の半導体レーザ装置をＳＨＧ素子の光源に用いる場合は、半導体レーザ装置は常に高い変換効率を得ることが可能な波長で単一縦モード発振させる必要がある。このため、単一縦モード発振の保証は非常に重要である。単一縦モード性を保証するためには、縦モード間隔を広げ、同時に２本以上の縦モードが同時にレーザ発振可能な高い反射率を得ることができないようにする必要がある。
【００６３】
ここで、縦モード間隔をΔλ、波長をλｏ、実効屈折率をＮｒ、共振器長をＬとすると、△λは下記式（３）で与えられる。下記式（３）から、縦モード間隔Δλを大きくするためには、共振器長はできるだけ短い方がよいことが分かる。Δλ＝λｏ２／（２ＮｒＬ）・・・・・（３）
【００６４】
一般に、単一縦モード発振を得るためには、Δλが０．０８ｎｍ以上であれば、高速変調時においても単一縦モード発振を生じることが分かっている。例えば、λｏを８２０ｎｍ、Ｎｒを３．３とすると、Δλを０．０８ｎｍ以上とするためには、共振器長Ｌは１２７０μｍ以下にする必要がある。
【００６５】
利得領域のレーザ出射方向における長さをＬａ、位相領域のレーザ出射方向における長さをＬｐｈ、ＤＢＲ領域のレーザ出射方向における実効的な長さをＬｄｂｒｅｆｆとすると、Ｌは下記式（４）によって与えられる。
Ｌ＝Ｌａ＋Ｌｐｈ＋Ｌｄｂｒｅｆｆ・・・・・（４）
【００６６】
なお、Ｌｄｂｒｅｆｆは結合係数κの大きさに依存する。結合係数κが大きいと、回折格子層によるレーザ光の反射率が大きくなり、短い距離で光の強度が減衰するためにＬｄｂｒｅｆｆは小さくなる。逆に、結合係数が小さいと、レーザ光の反射が小さくなり、ＤＢＲ領域全体においてレーザ光が染みだすため、Ｌｄｂｒｅｆｆは小さくなる。
【００６７】
例えば、結合係数κが８０ｃｍ−１となるように回折格子層の設計を行なう場合、Ｌｄｂｒｅｆｆは６２．４μｍとなる。また、利得領域のレーザ出射方向における長さを７００μｍに設定すると、共振器長Ｌを１２７０μｍ以下とするためには、即ち、単一縦モード発振を生じさせるためには、位相領域のレーザ出射方向における長さＬｐｈは５０７．６μｍ以下に設定する必要がある。
【００６８】
ところで、位相領域のレーザ出射方向における長さＬｐｈが短くなりすぎると、発熱による実効的な共振器長の変化が小さくなる。このため、位相領域のレーザ出射方向における長さＬｐｈは、１００μｍ以上が必要である。よって、図１及び図２の例では、位相領域のレーザ出射方向における長さＬｐｈは、２５０μｍに設定されている。
【００６９】
一般に、コンタクト層１４ｃから活性層４に電流を注入すると、キャリアの多体効果や発熱等の影響により、活性層４のバンドギャップよりも長波長側の発光成分を得ることができる。例えば、活性層４の位相制御領域及びＤＢＲ領域におけるバンドギャップ波長が７９５ｎｍであれば、レーザ発振前の自然放出光の波長は、８３０ｎｍ程度まで広がる。
【００７０】
従って、例えば、活性層４の位相制御領域及びＤＢＲ領域におけるバンドギャップ波長を７９５ｎｍに設定し、更に回折格子層８によって分布ブラッグ反射される波長を８２０ｎｍに設定すれば、バンド端付近の準位は容易に吸収飽和されるため、位相制御領域及びＤＢＲ領域における８２０ｎｍのレーザ発振光の吸収損失を小さくすることができる。
【００７１】
このことから、本発明の半導体レーザ装置においては、分布ブラッグ反射される波長が活性層４のバンドギャップ波長に対して少なくとも２０ｎｍ長波長側になるように回折格子層８を形成するのが良い。
【００７２】
更に、図１及び図２の例に示す半導体レーザ装置においては、位相制御領域、利得領域に過大な電流が注入された場合であっても、ＤＢＲ領域で選択される発振波長を得ることができる。これは、図１及び図２の例では、活性層４のバンドギャップ波長７９５ｎｍよりやや長波長の８０５ｎｍ付近で最大の利得ピークが得られるが、上述の図３で示したように、導波路を形成する第３光ガイド層１１における傾斜した部分１１ｂの傾き角θは５°に設定されているので、図４で示した実効反射率は１０−６程度以下の非常に小さいレベルとなり、通常のファブリ−ペローモード発振が抑圧されるためである。
【００７３】
このように、図１及び図２の例では、レーザの出射方向に３つのコンタクト層１４ａ〜１４ｃを設け、各コンタクト層の直下にある活性層４の各領域を、レーザ発振を生じさせる利得領域、位相を制御する位相制御領域、分布ブラッグ反射を生じさせるＤＢＲ領域として機能させている。更に、分布ブラッグ反射させる波長をバンドギャップ波長に対して、少なくとも２０ｎｍ長波長側になるように回折格子層８を形成している。このため、例えば不純物拡散やイオン注入等の技術を用いて位相制御領域及びＤＢＲ領域のウェル層、バリア層を無秩序化することによって、位相制御領域及びＤＢＲ領域を、利得領域におけるバンドギャップ波長に対応する光に対して透明にできるので、低損失かつ波長可変なＤＢＲレーザを得ることができる。
【００７４】
図１及び図２の例では、電流ブロック層１２は、そのバンドギャップが活性層４のバンドギャップよりも大きくなるように形成されており、電流ブロック層１２によるレーザ光の吸収が抑制されている。このため、導波路における損失を大幅に低減することができ、動作電流の下限を引き下げることができる。
【００７５】
更に、電流ブロック層１２によるレーザ光の吸収の抑制により、レーザ光の光分布は、第３光ガイド層１１の内部に制限されず、電流ブロック層１２の下部の第２光ガイド層１０、第１光ガイド層９及び回折格子層８まで広がる。そのため、回折格子層８によって伝搬されるレーザ光の割合が増加するので、波長選択性を決定する回折格子層８における結合係数κを高く設定することができる。このことから図１及び図２に示す半導体レーザ装置を用いれば、回折格子層８による波長選択性の向上を図ることができ、温度変化や光出力変化等を受けても単一縦モードを維持することができる。
【００７６】
また、図１及び図２の例では、第２光ガイド層１０、第３光ガイド層１１、電流ブロック層１２のバンドギャップの大きさをそれぞれＥｇ１、Ｅｇ２、Ｅｂとすると、これら各層は下記式（５）が満たされるように形成されている。
Ｅｇ１＞Ｅｂ＞Ｅｇ２・・・・・（５）
【００７７】
更に、一般に半導体材料においては、バンドギャップの大きさと屈折率は反比例する関係にある。よって、第２光ガイド層１０、第３光ガイド層１１、電流ブロック層１２の屈折率をＮ１、Ｎ２、Ｎｂとすると、上記式（５）から下記式（６）が導かれる。
Ｎ１＜Ｎｂ＜Ｎ２・・・・・（６）
【００７８】
この場合、上記式（６）より、第３光ガイド層１１の下層には、これよりも屈折率の低い層、つまり第２光ガイド層１０が存在することになるため、第３光ガイド層１１の内部では、光分布をより垂直方向に広げることが可能となる。従って、図１及び図２の例によれば、垂直方向のビーム放射角を低減することができ、ＳＨＧ素子との結合効率を高めることができる。
【００７９】
また、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰといった同じ混晶材料では、誘電率のバンドギャップとの関係は、屈折率と同様に反比例する関係にあるので、屈折率を小さくするには誘電率を小さくすれば良い。また、第２光ガイド層１０の誘電率を低減させた場合は、電流ブロック層１２と第３光ガイド層１１の間にできる空乏層の容量を低減することができ、この結果、発振波長、位相及び光出力の高速応答性の劣化を抑制することができる。よって、第２光ガイド層１０のＡｌ組成を高めて、第２光ガイド層１０の誘電率を低減させるのが好ましい態様である。
【００８０】
また、第３光ガイド層のＡｌＡｓ混晶比はできるだけ小さくするのが好ましい。図１及び図２の例では、第３光ガイド層のＡｌＡｓ混晶比は、電流ブロック層１２の混晶比よりも小さく設定されている。
【００８１】
このように図１及び図２の例では、上記式（５）及び（６）を満たすように半導体レーザ装置を形成することにより、高速応答特性の向上とビーム放射角の低減とを同時に実現している。
【００８２】
ここで、第１エッチング防止層６のＡｌＡｓ混晶比Ｘｓ及び第２光ガイド層１０のＡｌＡｓ混晶比Ｘｇについて説明する。先ず、第１エッチング防止層６のＡｌＡｓ混晶比Ｘｓから説明する。
【００８３】
本発明において、第１エッチング防止層６のＡｌＡｓ混晶比Ｘｓの値は、できる限り小さいのが好ましい。これは、再成長時にＡｌＡｓ混晶比が大きい層が再成長界面となると、再成長界面が酸化によって高抵抗層となるため、動作電圧及び動作電流値が増大し、素子の温度特性の劣化や信頼性の低下が生じるからである。
【００８４】
本発明の発明者らによる実験からは、再成長界面の酸化の影響を小さくするためには、再成長界面となる層（第１エッチング防止層６）のＡｌＡｓ混晶比を０．３以下にする必要があることが分かっている。また、再成長界面となる層（第１エッチング防止層６）のＡｌＡｓ混晶比が小さくなりすぎると、この層のバンドギャップが小さくなってレーザ発振光を吸収するようになり、結果、導波路損失が増大し、発振電流の閾値や動作電流値が高くなってしまうことも分かっている。
【００８５】
このため、図１及び図２の例では、Ｘｓの値は０．２に設定されている。よって、図１及び図２に示す半導体レーザ装置を用いれば、第１エッチング防止層６が再成長前に大気中にさらさることによる酸化の影響を小さくできる。また、第１エッチング防止層６は、８２０ｎｍ帯のレーザ発振光に対しても透明となり、更に、低抵抗性の再成長界面の形成を可能にしつつ、導波路損失の増大を防ぐことができる。
【００８６】
また、図１及び図２の例では、第１エッチング防止層６の膜厚は１０ｎｍに設定されている。第１エッチング防止層６の厚みをこのように薄く設定しているのは、リッジ型の第３光ガイド層１１の内部と外部との実効屈折率差Δｎの制御性が損なわれないようにするためである。
【００８７】
上述したように、図１及び図２の例では、第１エッチング防止層６のＡｌＡｓ混晶比Ｘｓは０．２に設定されており、第１エッチング防止層６はＡｌＡｓ混晶比の小さな層である。一般に、ＡｌＡｓ混晶比が小さくなると屈折率は大きくなる傾向にある。また、導波路を伝播するレーザ光の光分布は、屈折率の最も高い層に集中する傾向がある。
【００８８】
従って、図１及び図２に示すように、活性層４の近傍にＡｌＡｓ混晶比の小さな第１エッチング防止層６を設けた場合、導波路を伝播するレーザ光の縦方向の光分布をより活性層４に集中させることになる。この結果、活性層の光密度が増大し、ＣＯＤを生じる光出力レベルの低下を図ることができ、ＣＯＤレベルの低下を抑制できる。
【００８９】
ところで、縦方向の光分布の活性層４への閉じ込めが大きくなると出射端面から出射されるレーザ光の遠視野像の垂直方向における拡がり角も大きくなる。このため、垂直拡がり角の大きさはＣＯＤレベルの指標となる。１００ｍＷ以上の高出力動作を得るためには、活性層への縦方向の光閉じ込めをできるだけ小さくして、垂直拡がり角をできるだけ小さくするのが好ましいと言える。
【００９０】
しかしながら、活性層４への縦方向の光閉じ込めを小さくし過ぎると、導波路を伝播する光分布に生じるモード利得も小さくなるため、発振電流の閾値や動作電流値が高くなってしまう。従って、発振電流の閾値や動作電流値が高くなるのを抑えつつ、高いＣＯＤレベルを得るためには、垂直拡がり角が１５°〜１９°の範囲内となるように導波路の設計を行なう必要がある。
【００９１】
また、リッジ型の第３光ガイド層１１の内部への光分布の横方向の閉じ込めを制御することは、高出力まで安定した基本横モード発振を得るためには重要である。この光分布の横方向の閉じ込めは、リッジ型の第３光ガイド層１１の内部と外部との実効屈折率差Δｎの大きさで制御することができる。
【００９２】
実効屈折率差Δｎが大きい場合、横方向の光分布の閉じ込めが強くなるため、導波路の中心部における光密度が大きくなり、強い誘導放出が生じる。この結果、導波路の中心部の直下に位置する活性層４において、動作キャリア濃度が低下するキャリアの空間的ホールバーニングが生じる。このため、プラズマ効果により実効屈折率差Δｎが益々大きくなり、よって、水平方向の光分布の閉じ込めが益々強くなり、結果、ＣＯＤレベルの低下を招くことになる。一方、実効屈折率差Δｎが小さい場合、横方向の光閉じ込めが弱くなり、安定した基本横モード発振が得られなくなる。
【００９３】
これらの点から、高出力まで安定した基本横モード発振を得るためには、Δｎの値が３×１０−３〜４×１０−３の範囲内となるように、導波路の設計を行なう必要がある。
【００９４】
次に、第２光ガイド層１０のＡｌＡｓ混晶比Ｘｇについて説明する。第２光ガイド層１０は、第３光ガイド層１１をエッチングによってリッジ状に成形する時のエッチング防止層としても機能する。従って、Ｘｇは、第３光ガイド層１１のＡｌＡｓ混晶比と異なっているのが好ましい。Ｘｇの大きさは、縦及び横方向の光分布に大きな影響を及ぼすため、その値の設定には注意が必要である。
【００９５】
図６は、第２光ガイド層のＡｌＡｓ混晶比Ｘｇと第３光ガイド層における実効屈折率差Δｎとの関係を示す図である。
【００９６】
図６において、実効屈折率差Δｎは、第３光ガイド層１１の実行屈折率と活性層４の実効屈折率とから求められる。但し、Δｎ１は、回折格子層８の直下に位置していない領域の実効屈折率から求められており、Δｎ２は、回折格子層８の直下に位置する領域の実効屈折率から求められている。
【００９７】
回折格子層８は屈折率の高い材料で形成されているため、回折格子層８が形成されている領域の直下においては、垂直方向の光分布が活性層４に集中しやすくなる。このため、図６に示すように、Δｎ１はΔｎ２よりも大きな値となる。
【００９８】
また、上述したように、高出力で安定した基本横モード発振を得るためには、Δｎの値が３×１０−３〜４×１０−３の範囲内にあることが要求される。図６からは、Δｎ１及びΔｎ２の両方をこの範囲内とするためには、Ｘｇは約０．５以上であることが必要とされる。
【００９９】
図７は、第２光ガイド層のＡｌＡｓ混晶比Ｘｇと垂直拡がり角との関係を示す図である。上述したように、発振電流の閾値や動作電流値が高くなるのを抑えつつ、高いＣＯＤレベルを得るためには、垂直拡がり角は１５°〜１９°の範囲内にある必要がある。よって、図７からは、Ｘｇは約０．５５以上であることが必要とされる。
【０１００】
上記図６及び図７から、第２光ガイド層のＡｌＡｓ混晶比Ｘｇは０．５５以上であるのが好ましい。この場合、回折光格子層８の有無に影響されずに安定な基本横モード発振を得ることが可能となり、更に、発振電流の閾値や動作電流値が高くなるのを抑えつつ、高いＣＯＤレベルを得ることができる。
【０１０１】
図１及び図２の例では、第２光ガイド層のＡｌＡｓ混晶比Ｘｇは、第３光ガイド層１１のＡｌＡｓ混晶比０．５よりも０．２大きい０．７に設定している。このような値に設定しているのは、第３光ガイド層１１と第２光ガイド層とのＡｌＡｓ混晶比の差が大きいほど、第３光ガイド層１１をエッチングによってリッジ状に成形する場合の選択エッチング性を高めることができるからである。
【０１０２】
また、図１及び図２の例では、電流ブロック層１２のＡｌＡｓ混晶比は、第３光ガイド層１１のＡｌＡｓ混晶比０．５よりも０．１大きい０．６に設定している。これは、電流ブロック層１２のＡｌＡｓ混晶比が第３光ガイド層１１のＡｌＡｓ混晶比と同じであると、電流注入時において、プラズマ効果によって第３光ガイド層１１内部の屈折率が低下してしまい、第３光ガイド層１１が反導波型の導波路となって単一な横モード発振が得られないからである。
【０１０３】
本発明の半導体レーザ装置においては、上述したように、実効屈折率差Δｎの値を３×１０−３〜４×１０−３の範囲内とすることで、高出力で安定した基本横モード発振を得ることができる。よって、高出力の半導体レーザ装置を安定して歩留まり良く作製するためにも、実効屈折率差Δｎを３〜４×１０−３範囲に精密に制御する必要がある。
【０１０４】
ところで、第３光ガイド層１１内部の実効屈折率と回折格子層８の直下とならない利得領域の実行屈折率とから求められる実効屈折率差Δｎは、電流ブロック層１２と活性層４との距離、即ち、第２クラッド層５、第２エッチング防止層７、第１光ガイド層９及び第２光ガイド層１０の各膜厚の合計（合計膜厚）ｔｄと、第３光ガイド層１１と電流ブロック層１２とのＡｌＡｓ混晶比の差Δｘとによって制御することができる。
【０１０５】
第３光ガイド層１１から注入された電流は、電流ブロック層１２と活性層４との間に存在する各層を通って、第３光ガイド層１１の外部へと拡がる。このとき、合計膜厚ｔｄが大きいと、レーザ発振に寄与しない無効電流が増大するため、合計膜厚ｔｄは厚すぎないほうが良く、具体的には０．２μｍ以下とするのが好ましい。
【０１０６】
一方、合計膜厚ｔｄが０．０５μｍ未満であると、レーザ発振に寄与しない無効電流は低減されるが、Δｎが１０−２以上の大きな値になり、また、第３光ガイド層１１をｐ型にするための不純物であるＺｎが活性層４に拡散し、活性層４の温度特性が劣化する。よって、合計膜厚ｔｄは０．０５μｍ以上とするのが好ましい。これらの点から、図１及び図２の例では、合計膜厚ｔｄは０．１８μｍに設定している。
【０１０７】
本発明において、実効屈折率差Δｎを制御するためのもう１つの重要なパラメータであるＡｌＡｓ混晶比の差Δｘは、０．０５〜０．１５以下に設定するのが好ましい。ＡｌＡｓ混晶比の差Δｘが０．１５より大きくなると、ＡｌＡｓ混晶比の差Δｘの製造上の再現性がΔｎへ与える影響が大きくなるからである。また、ＡｌＡｓ混晶比の差Δｘが０．０５未満となると、光分布を第３光ガイド層１１の内部に安定的に閉じ込めることができなくなり、安定な基本横モード発振を得ることができなくなるからである。図１及び図２の例では、ＡｌＡｓ混晶比の差Δｘは、０．１に設定されている。
【０１０８】
このように、合計膜厚ｔｄとＡｌＡｓ混晶比の差Δｘとを上述の範囲内に設定して半導体レーザ装置を作製すれば、無効電流の低減を図ることができ、又±１０−３台の精度で実効屈折率Δｎの制御を行なうことができる。
【０１０９】
なお、図１及び図２の例では、高出力で安定した基本横モード発振を得ることができるよう、実効屈折率差Δｎの値は、３×１０−３〜４×１０−３の範囲内である３．７×１０−３に設定している。
【０１１０】
これに対し、図２４で示した従来の半導体レーザ装置では、活性層の利得領域上に、厚さ０．２５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１５）回折格子層５６が形成されている。このような厚い層が活性層の利得領域上に形成されると、レーザ光の光分布はＡｌ混晶比の低い回折格子層５６に大きく広がり、横方向の光分布の制御性が損なわれる。このため、図２４で示した半導体レーザ装置においては、横方向の光分布を閉じ込めて導波路内外に実効屈折率差を設けるために、埋め込みヘテロ構造とする必要がある。
【０１１１】
しかしながら、このような埋め込みヘテロ構造を採用すると、横方向の実効屈折率差は１０−２以上と非常に大きくなり、光分布は水平方向に強く閉じ込められてしまう。このため、半導体レーザ装置を高出力で動作させる場合に、活性層中のキャリアの空間的ホールバーニングが生じてしまう。これは、電流―光出力特性に非線形が生じるキンクの原因となるばかりではなく、出射端面が溶融破壊される原因ともなる。このことから、図２４で示した従来の半導体レーザ装置では、高出力のＤＢＲレーザを実現することは困難と言える。
【０１１２】
本発明において、第２エッチング防止層７のＡｌＡｓ混晶比と、回折格子層８のＡｌＡｓ混晶比との差Δｘｇは、回折格子層８をウェットエッチングによって形成するのであれば、できるだけ大きく設定しておくのが好ましい。回折格子層８をウェットエッチングで作製する場合に、Δｘｇが小さいと、回折格子層８のみを選択的にエッチングすることが困難になるからである。
【０１１３】
なお、回折格子層８をウェットエッチングで形成する場合において、回折格子層８の形状の制御は、導波光と回折格子との結合係数κに大きく影響するために非常に重要である。よって、回折格子層８の形状の制御は、エッチング時間によって行なうよりも、選択エッチングによって行なうのが好ましいと言える。
【０１１４】
選択エッチング性を向上させるためには、Δｘｇはある程度大きい方がよく、具体的には０．０５以上に設定するのが好ましい。図１及び図２の例では、ΔＸｇは０．１に設定されている。なお、選択エッチングとは、回折格子層８がエッチングされて下地となる第２エッチング防止膜７が露出した時点でエッチングを停止させるエッチング方法である。
【０１１５】
本発明において、回折格子層８の膜厚（最大値）は５ｎｍ〜６０ｎｍに設定するのが好ましい。図１及び図２の例では、回折格子層８の膜厚は２０ｎｍに設定されている。高出力で動作させる場合に、Δｎの±１０−３台の精度でＤＢＲ領域におけるΔｎを制御する必要がある点から、回折格子層８の膜厚は、光分布に余り影響を与えないうようできるだけ薄いのが好ましい。しかし、５ｎｍ未満となると、導波光と回折格子との結合係数κが小さくなり、ＤＢＲ領域でのレーザ光の反射率が小さくなってしまう。また、６０ｎｍを越えると、結合係数κが大きくなり、大きな反射率が得られるが、大きな反射率が得られる波長範囲も大きくなるため、発振波長の選択性が損なわれてしまう。
【０１１６】
このように、図１及び図２の例で示した半導体レーザ装置では、利得領域、位相制御領域、ＤＢＲ領域の全ての領域において、実効屈折率差Δｎを±１０−３台の精度で制御することができ、高出力時でも安定した単一横モード発振を得ることができる。
【０１１７】
また、本発明においては、活性層４へ有効にキャリアを閉じ込めて８２０ｎｍ帯のレーザ発振を得るために、第２クラッド層５のバンドギャップは、活性層４のバンドギャップよりも十分大きくする必要がある。このため、第２クラッド層５のＡｌＡｓ混晶比は、約０．４５〜０．５５に設定するのが好ましい。図１及び図２の例では、第２クラッド層５のＡｌＡｓ混晶比は、０．５に設定されている。
【０１１８】
更に、本発明においては、光分布を横方向に大きく広げ、端面での最大光密度を低減するために、ストライプ状の窓の幅Ｗ１（図１及び図２参照）は、基本横モードが得られる範囲内で、出来るだけ大きくするのが良い。しかしながら、大きくなり過ぎると、高次の横モードが発振可能となってしまう。従って、ストライプ状の窓の幅Ｗ１は２μｍ〜５μｍの範囲内に設定するのが好ましい。図１及び図２の例では、ストライプ状の窓の幅Ｗ１は３．５μｍに設定されている。なお、Ｗ２は、Ｗ１との関係を考慮し、基本横モード発振が容易に得られるようにするため、２．５μｍ〜５．５μｍの範囲に設定するのが好ましい。
【０１１９】
この場合において、第３光ガイド層１１は回折格子層８側の面（下面）がストライプ状の窓（上面）よりも大きく形成されているのが好ましい。即ち、第３光ガイド層１１の横断面（出射方向に垂直な断面）は、図１に示すように上底がＷ１、下底がＷ２の台形状であるのが好ましい。第３光ガイド層１１をこのような形状とすれば、第３光ガイド層１１の側面（斜面）に電流ブロック層１２を再成長させることが容易となるからである。
【０１２０】
また、本発明において、回折格子層８を構成する回折格子８ｇ（図２参照）の周期は、媒質内波長の整数倍の周期とするのが好ましい。回折格子８ｇによるブラッグ反射により、光共振器を導波するレーザ光の波長が選択される。
【０１２１】
回折格子層８のＡｌＡｓ混晶比は、良好な波長選択性を実現し、回折格子層８の上への再成長を容易とする点から、又回折格子層８がレーザの発振波長に対して吸収とならないようにする点から、０．３以下に設定するのが好ましい。図１及び図２の例では、０．２に設定されている。
【０１２２】
また、回折格子層８と回折格子８ｇを埋込んでいる第１光ガイド層９との屈折率差によって、回折格子８ｇによる波長選択性は決定される。よって、本発明においては、第１光ガイド層９のＡｌＡｓ混晶比は、単一縦モードに必要な回折格子層８との十分な屈折率差を実現するため、０．５以上に設定するのが好ましい。図１及び図２の例では、０．５に設定されている。
【０１２３】
ここで、利得領域、位相制御領域及びＤＢＲ領域に注入する電流について説明する。図８は、図１に示す半導体レーザ装置の利得領域のみに電流注入を行った場合の電流値と光出力との関係を示す図である。なお、図８は、発振電流の閾値が２５ｍＡの場合を示している。図８に示すように、図１に示す半導体レーザ装置では、注入する電流の電流値を２９０ｍＡ以上とすることにより、２５０ｍＷ以上の高い光出力を得ることができる。
【０１２４】
また、図８から分かるように、注入する電流の電流値を約３０ｍＡ程度大きくするに従い、光出力が不連続に増加している。これは、利得領域への電流注入により、レーザ発振する縦モードが、隣接縦モードにモードホップするためである。また、図１に示す半導体レーザ装置のようなＤＢＲレーザの場合、レーザ発振可能な波長は、ＤＢＲ領域の上層に形成された回折格子層８によって高い反射率で反射される波長域（以下、「ＤＢＲ反射ウィンドウ」という。）にある波長のみだからである。
【０１２５】
本発明において、回折格子層８の回折格子８ｇは、ＤＢＲ反射ウィンドウの波長幅が０．２ｎｍ以下となり、又このＤＢＲ反射ウィンドウ内に存在する隣接縦モード間のモード利得差が２ｃｍ−１以上となるように形成されているのが好ましい。この場合、パルス変調時においても単一縦モードが発振可能となる。
【０１２６】
一般に、利得領域へ電流を注入すると、レーザ発振可能な波長は、屈折率変化により長波長側に変化する。これにともない、縦モードの波長は、ＤＢＲ反射ウィンドウにおける反射率の高い中央領域の波長から反射率の低い端の領域の波長となる。このため、利得領域へ電流を注入すると、レーザ発振中の縦モード（Ｎ次モード）の反射率は小さくなる。よって、利得領域への電流の注入に伴って、次数の高い隣接縦モード（Ｎ＋１次モード）の波長が、回折格子８ｇからの反射率が高い領域となった時にモードホップを生じることになる。
【０１２７】
図９は、位相制御領域に注入する電流の値と発振波長との関係を示す図である。一般に、位相制御領域に電流を注入すると、ＤＢＲ反射ウィンドウによる高い反射率を得ることが可能な波長が一定の状態で、位相制御領域の屈折率変化により実効的な共振器長が変化し、隣接縦モードにモードホップを生じることになる。
【０１２８】
図９から分かるように、位相制御領域に注入する電流の値（位相制御領域注入電流値）を１０ｍＡ程度増加させる毎に、ＤＢＲ反射ウィンドウ内に存在する隣接縦モードへのモードホップを生じていることが分かる。
【０１２９】
また、位相制御領域注入電流値の大きさを増加させて行くと、発振波長は全体的にやや長波長に変化する。これは、位相制御領域における発熱がＤＢＲ領域に伝わり、ＤＢＲ反射ウィンドウが後述のように長波長側に変化するためである。
【０１３０】
図１０は、ＤＢＲ領域に注入する電流の値と発振波長との関係を示す図である。図１０から分かるように、ＤＢＲ領域に注入する電流の値（ＤＢＲ領域注入電流値）を増加させると、ＤＢＲ反射ウィンドウは発熱による屈折率変化をうけ、発振波長は長波長側に変化する。
【０１３１】
また、隣接縦モードにモードホップするまでは、レーザ発振波長は一定であるので、図１０に示すように、ＤＢＲ領域に電流注入を行った場合のレーザ発振波長は階段状に変化する。図１０の例では、ＤＢＲ領域注入電流値が０ｍＡから１００ｍＡまで変化すると、レーザ発振波長は８２０．２ｎｍから８２３．１ｎｍへ約３ｎｍ変化している。
【０１３２】
図９及び図１０に示す特性から、位相制御領域とＤＢＲ領域とに同時に電流を注入すれば、ある次数の縦モードの次数を一定に保った状態で、連続的に発振波長を変化させることが可能となるのが分かる。
【０１３３】
次に、本発明の半導体レーザ装置の製造工程について、図１１〜図１３を用いて説明する。図１１、図１２及び図１３は、図１に示す半導体レーザ装置の製造工程を示す斜視図である。図１１（ａ）〜（ｄ）、図１２（ｅ）〜（ｈ）、図１３（ｉ）〜（ｋ）は、それぞれ図１に示す半導体レーザ装置の製造工程における一工程を示しており、これらは連続した一連の工程である。
【０１３４】
最初に、図１１（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓで形成された基板１の上に、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いて、ｎ型ＧａＡｓのバッファ層２、ｎ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓの第１クラッド層３、活性層４、ｐ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓの第２クラッド層５、ｐ型ＧａＡｌＡｓの第１エッチング防止層６、ｐ型Ｇａ０．４Ａｌ０．６Ａｓの第２エッチング防止層７、回折格子層となるｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ａｓ層８´を形成する。
【０１３５】
図１１（ａ）の例では、ｎ型のドーパントとしては、Ｓｅが用いられている。これは、Ｓｅの可飽和吸収効果によって、パルス変調時における単一縦モード性の向上を図るためである。ｐ型のドーパンとしては、Ｓｉが用いられている。
【０１３６】
また、図１１（ａ）の例では、図１及び図２の説明において既に述べたように、活性層４は無歪の多重量子井戸構造を有している。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、活性層４は、歪量子井戸構造を有していても良いし、単一の材料で形成されたバルクであっても良い。また、活性層の導電型も特に限定されず、ｐ型及びｎ型のいずれであっても良く、アンドープであっても良い。
【０１３７】
次に、図１１（ｂ）に示すように、レーザ出射方向に沿って周期的に配列された回折格子８ｇを有する回折格子層８を形成する。図１１（ｂ）の例では、回折格子層８の形成は、ｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ａｓ層８´の上にレジストを塗布し、干渉露光法や電子ビーム露光法等を用いてレジストパターンを形成し、更にウェットエッチング又はドライエッチングを施すことによって行なう。
【０１３８】
次に、図１１（ｃ）に示すように、利得領域及び位相制御領域の直上となる位置にある回折格子層８の一部と第２エッチング防止層７の一部とをウェットエッチング又はドライエッチングによって除去する。
【０１３９】
次に、図１１（ｄ）に示すように、第１エッチング防止層６の利得領域上の領域に、レジスト、ＳｉＯ２膜又はＳｉＮｘ膜といった保護膜１５を形成し、図９（ｄ）で示された積層体の上面全体にイオン注入又は不純物の拡散を行なう。この結果、保護膜１５が形成されていない部分の活性層４（ａ）は無秩序化され、そのバンドギャップの大きさが増大する。
【０１４０】
次いで、図１２（ｅ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いて、回折格子層７と、第１エッチング防止層６及び第２エッチング防止層７の露出している部分との上に、ｐ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓの第１光ガイド層９、ｐ型Ｇａ０．３Ａｌ０．７Ａｓの第２光ガイド層１０を形成し、更にその上に、厚さ２μｍのｐ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ層１１´を形成する。
【０１４１】
次に、図１２（ｆ）に示すように、ｐ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ層１１´の上に、フォトリソグラフィーによってストライプ状のレジストパターンを形成し、ウェットエッチングを行なって、図３で示したリッジ状の第３光ガイド層１１を形成する。このエッチングは、第２光ガイド層１０が露出するまで行なう。
【０１４２】
なお、このエッチングには、ＡｌＡｓ混晶比が０．５程度の層を選択的にエッチングするエッチャントが用いられている。このため、Ｇａ０．３Ａｌ０．７Ａｓの第２光ガイド層１０でエッチングは停止する。よって、エッチングのばらつきによる特性のばらつきを抑制でき、歩留の高い量産に適した半導体レーザ装置を得ることができる。
【０１４３】
次に、図１２（ｇ）に示すように、ストライプ状の窓となる第３光ガイド層１１の上面に、ＳｉＯ２膜やＳｉＮｘ膜といった選択成長を可能にする保護膜１６を形成する。その後、図１２（ｈ）に示すように、第３光ガイド層１１の側面と第２光ガイド層１０の露出した部分とが覆われるように、ｎ型Ｇａ０．４Ａｌ０．６Ａｓ層を選択成長させて、電流ブロック層１２を形成する。
【０１４４】
続いて、図１３（ｉ）に示すように、保護膜１６をエッチングにより除去する。次に、図１３（ｊ）に示すように、電流ブロック層１２と第３光ガイド層１１の上に、ｐ型Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓの第３クラッド層１３及びｐ型ＧａＡｓ層１４を形成する。
【０１４５】
その後、図１３（ｋ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓ層１４に、ウェットエッチング又はドライエッチングを施して、これを３分割してコンタクト層１４ａ、１４ｂ及び１４ｃを形成する。また、高出力化を図るため、レーザ光が出射する前端面に反射率３％の低反射コーティングを施し、後端面に反射率１％以下の無反射コーティングを施す。
【０１４６】
なお、図３で示したように、導波路となる第３光ガイド層１１の後端面側は折れ曲がっているため、後端面の反射率は１０−６以下の非常に小さな値となっている。しかし、後端面にも上記した無反射コーティングを施すことで、回折格子によらない後端面からの反射を抑制できるので、回折格子による縦モード制御をさらに確実なものとできる。
【０１４７】
次に、本発明の半導体装置の他の例について、図１４〜図１６を用いて説明する。図１４〜図１６は、本発明の半導体レーザ装置の他の例を示す斜視図である。
【０１４８】
図１４に示す半導体レーザ装置は、第２光ガイド層１０が、第３光ガイド層１１の直下の領域にのみ形成されており、第２光ガイド層１０の側面と第３光ガイド層１１の側面とが電流ブロック層１２によって挟み込まれている点で、図１〜図３に示す半導体レーザ装置と異なっている。上記以外の点では、図１４に示す半導体レーザ装置は、図１〜図３に示す半導体レーザ装置と同様に構成されている。
【０１４９】
また、図１４に示す半導体レーザ装置は、図１〜図３に示す半導体レーザ装置と同様に、図１１〜図１３に示す製造工程によって作製される。但し、図１４に示す半導体レーザ装置では、図１２（ｆ）の工程において、第１光ガイド層９が露出するまでエッチングを行なっており、この点で図１〜図３に示す半導体レーザ装置と異なっている。
【０１５０】
このように、図１４に示す半導体レーザ装置では、ＡｌＡｓ混晶比の高いｐ型Ｇａ０．３Ａｌ０．７Ａｓの第２光ガイド層１０をその一部を残して除去し、露出した第１光ガイド層９上に電流ブロック層１２を形成している。このため、電流ブロック層１２を再成長によって形成する際において、再成長界面が酸化するのを抑制することができる。この結果、電流ブロック層１２における結晶性の劣化を低減でき、発振電流の閾値や動作電流値を低減することができる。
【０１５１】
図１５に示す半導体レーザ装置は、第３光ガイド層１１の直下の領域にない第２光ガイド層１０の厚みが薄くされており、厚みが薄くなった第２光ガイド層１０の上に電流ブロック層１２が形成されている点で、図１〜図３に示す半導体レーザ装置と異なっている。上記以外の点では、図１５に示す半導体レーザ装置は、図１〜図３に示す半導体レーザ装置と同様に構成されている。なお、第２光ガイド層１０の厚みは、薄くされていない部分では１００Å、薄くされている部分では５０Åとなっている。
【０１５２】
また、図１５に示す半導体レーザ装置も、図１〜図３に示す半導体レーザ装置と同様に、図１１〜図１３に示す製造工程によって作製される。但し、図１５に示す半導体レーザ装置では、図１２（ｆ）の工程において、第２光ガイド層１０に対してもエッチングを行なってその厚みを薄くしており、この点で図１〜図３に示す半導体レーザ装置と異なっている。
【０１５３】
このように図１５に示す半導体レーザ装置では、エッチングされた第２光ガイド層１０のエッチング面を再成長界面として電流ブロック層１２を形成している。このため、図１５に示す半導体レーザ装置においても、再成長界面の酸化を抑制できるので、電流ブロック層１２における結晶性の劣化を低減でき、発振電流の閾値や動作電流値を低減することができる。
【０１５４】
図１６に示す半導体レーザ装置は、第２光ガイド層１０が、第３光ガイド層１１の直下の領域にのみ形成されており、又第３光ガイド層１１の直下の領域にない第１光ガイド層９の厚みが薄くされ、厚みが薄くなった第１光ガイド層９の上に電流ブロック層１２が形成されている点で、図１〜図３に示す半導体レーザ装置と異なっている。上記以外の点では、図１６に示す半導体レーザ装置は、図１〜図３に示す半導体レーザ装置と同様に構成されている。
【０１５５】
また、図１６に示す半導体レーザ装置も、図１〜図３に示す半導体レーザ装置と同様に、図１１〜図１３に示す製造工程によって作製される。但し、図１６に示す半導体レーザ装置では、図１２（ｆ）の工程において、第１光ガイド層９を露出させ、更に、第１光ガイド層９に対してもエッチングを行なっており、この点で図１〜図３に示す半導体レーザ装置と異なっている。
【０１５６】
このように、図１６に示す半導体レーザ装置では、ＡｌＡｓ混晶比の高いｐ型Ｇａ０．３Ａｌ０．７Ａｓの第２光ガイド層１０をその一部を残して除去し、更にエッチングされた第１光ガイド層９のエッチング面を再成長界面として電流ブロック１２層を形成している。
【０１５７】
このため、図１６に示す半導体レーザ装置においても、図１４に示す半導体レーザ装置と同様に、電流ブロック層１２を再成長によって形成する際において、再成長界面が酸化するのを抑制することができる。この結果、電流ブロック層１２における結晶性の劣化を低減でき、発振電流の閾値や動作電流値を低減することができる。
【０１５８】
本発明の半導体レーザ装置は、上述したＧａＡｌＡｓ系材料を用いた半導体レーザ装置に限定されるものではない。本発明においては、他の材料、例えば、Ｖ属原子としてＢ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａのうちの少なくとも１種を含み、Ｖ属原子として少なくとも窒素を含み、更にＶ属原子としてＡｓ、Ｐ、Ａｓを含む場合もあるＶ族窒化物系の半導体材料や、ＩｎＧａＡｌＰ系材料及びＩｎＧａＡｓＰ系材料に代表される、Ｖ属原子としてＢ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａのうちの少なくとも１種類を含み、Ｖ属原子としてＡｓ、Ｐ、Ａｓのうちの少なくとも１種を含むＶ−Ｖ属半導体材料や、ＺｎＳＭｇＳｅ系材料に代表される、Ｖ属原子としてＺｎ、Ｃｄのうちの少なくとも１種を含み、Ｖ属原子としてＳ、Ｓｅ、Ｍｇのうちの少なくとも１種を含むＶ−Ｖ属半導体材料等を用いることもできる。
【０１５９】
また、上述した本発明の半導体レーザ装置では、導波路となる第３光ガイド層１１の側面に、活性層４よりもバンドギャップの大きい電流ブロック層１２が形成されており、実屈折率導波機構を有しているが、本発明はこれに限定されるものでもない。本発明の半導体レーザ装置では、例えば第３光ガイド層１１の一部にイオン注入や不純物拡散を行なって電流ブロック層としての機能を持せた態様とすることもできる。また、本発明の半導体レーザ装置は、複素屈折率導波機構を有したリッジ導波路構造とすることもできる。複素屈折率導波機構とは、リッジ状の第３光ガイド層１１の側面に、横方向の光閉じ込めを行なうために、レーザ発振光を吸収する材料で層が形成されものをいう。
【０１６０】
また、上述した本発明の半導体レーザ装置では、導波路となる第３光ガイド層１１が順メサ形状となった実屈折率導波機構を有しているが、導波路となる第３光ガイド層１１が逆メサ形状となった実屈折率導波機構を有していても良い。また、電流ブロック層１２は逆メサ形状とすることもでき、電流ブロック層１２の材料は、ＳｉＮ、ＳｉＯ２といった絶縁性材料やＡｌＧａＩｎＰ等、活性層よりもバンドギャップが大きい材料であれば良い。
【０１６１】
上述した本発明の半導体レーザ装置では、第３クラッド層１３は、電流ブロック層１２の上面と第３光ガイド層１１の上面（ストライプ状の窓）とを覆うように形成されているが、ストライプ状の窓のみを覆うように、リッジ状で形成することもできる。この場合も同様の効果を得ることができる。
【０１６２】
本発明の半導体レーザ装置は、ＤＢＲレーザ以外のレーザにも適用でき、例えば、分布帰還形（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｌａｓｅｒ）半導体レーザ、面発光レーザ、埋め込みヘテロ構造（ＢＨ：  Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ）レーザ等に適用可能である。また、共振器方向に他電極に分割して、例えば光出力、バイアスパワー、位相、波長、光出力の時間波形を個別に制御できるようにして、動作特性の更なる精密制御を可能とした半導体レーザにも適用可能である。
【０１６３】
次に、本発明の第２高調波発生装置について、図１７〜図２０を用いて説明する。図１７は、本発明の第２高調波発生装置の一例を示す側面図である。図１７に示すように、本発明の第２高調波発生装置は、基板２３上に、図１、図１４、図１５及び図１６のいずれかで示した本発明の半導体レーザ装置２１と、第２高調波を発生するＳＨＧ素子（非線形光学素子）２２とを設けて構成されている。
【０１６４】
ＳＨＧ素子２２は、導波路（図示せず）と回折格子２４とを備えている。また、ＳＨＧ素子２２は、半導体レーザ装置２１から出射された励起光２５が、ＳＨＧ素子の導波路に結合するように配置されている。
【０１６５】
このため、励起光２５は、ＳＨＧ素子２２の導波路に結合すると、回折格子４５により回折を受け、その位相は第２高調波の位相と整合される。この結果、励起光２５は、ＳＨＧ素子２２によって第２高調波へと変換され、ＳＨＧ素子２２から第２高調波２６として出射される。
【０１６６】
この時、第２高調波２６のファーフィールドパターンが、基板２３で反射されて乱れないようにするため、基板２３の端面とＳＨＧ素子２２の端面とはできるだけ近づけ、これら端面間の出射方向の距離を１０μｍ以内とするのが好ましい。また、ＳＨＧ素子２２の端面が、基板２３の端面から出射方向に飛び出た態様とするのも好ましい。半導体レーザ装置２１とＳＨＧ素子２２との距離は、励起光とＳＨＧ素子に形成された導波路との結合を大きくするため、できるだけ近づけるのが好ましい態様である。
【０１６７】
ところで、本発明の半導体レーザ装置２１は、上述したように活性層の利得領域の上層に回折格子層が設けられておらず、よって回折格子層は光分布に殆ど影響を与えない。よって、本発明の半導体レーザ装置２１では、光分布を精密に制御することが可能であり、励起光２５の垂直拡がり角を２０°以下とすることもできる。
【０１６８】
このため、本発明の第２高調波発生装置では、半導体レーザ装置２１とＳＨＧ素子２２との距離を２μｍ以上離した場合においても、高い結合効率を得ることができる。また、半導体レーザ装置２１とＳＨＧ素子２２との距離の設定範囲が拡がるので、再現性良く高効率の第２高調波２６を得ることができる。
【０１６９】
本発明の第２高調波発生装置において、基板２３の構成材料としては、平坦な面を形成でき、又電極パターンを形成できる材料であれば特に限定されることなく用いることができる。具体的には、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮといった半導体や、ガラス、樹脂といった絶縁材料等が挙げられる。
【０１７０】
また、ＳＨＧ素子２２の構成材料としては、第２高調波２６を発生することができる材料、例えばＬｉＮｂＯ３、ＫＴＰ等の非線形性を有する材料が挙げられる。半導体レーザ装置２１の発振波長が８２０ｎｍである場合に、ＬｉＮｂＯ３で形成されたＳＨＧ素子を用いれば、波長４１０ｎｍの青紫域の高出力レーザ光を得ることができる。
【０１７１】
図１８は、図１７に示す第２高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた一例を示す図である。図１８の例では、第２高調波発生装置２０の出射側には回折格子２７が配置されている。このため、第２高調波発生装置２０から出射された第２高調波２６は、複数の出射方向に分岐される。図１８において、２８、２９及び３０は分岐された第２高調波であり、特に２９は０次回折光、２８は−１次回折光、３０は＋１次回折光である。
【０１７２】
この回折格子２７を備えた第２高調波発生装置を光ピックアップの光源に用いる場合、０次回折光２９は光ディスクに記録されたビット情報の読み出し及び書き込みに用いられる。また、−１次回折光２８及び＋１次回折光３０は、光ディスクに形成されたトラックの位置検出に用いられる。
【０１７３】
また、図１７において述べたように、半導体レーザ装置２１の発振波長を８２０ｎｍに設定し、ＳＨＧ素子をＬｉＮｂＯ３で形成すれば、波長４１０ｎｍの青紫域の高出力レーザ光が得られるので、読み出し及び書き込みが可能な高密度の光ディスクシステム用の光源に適用できる。
【０１７４】
図１９は、図１７に示す第２高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた他の例を示す図である。図１９の例では、第２高調波発生装置２０の出射側にはレンズ３１が配置されている。このため、第２高調波発生装置２０から出射された第２高調波２６はレンズ３１によって集光される。
【０１７５】
レンズ３１を備えた第２高調波発生装置を光ピックアップの光源に用いる場合、第２高調波２６はレンズ５１の回折限界まで集光される。よって、光ディスク上に形成されたビットが小さい場合であっても、ビット情報の読み出し及び書き込みが可能となる。また、図１８の例と同様に、読み出し及び書き込みが可能な高密度の光ディスクシステム用の光源に適用できる。
【０１７６】
図２０は、図１７に示す第２高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた他の例を示す図である。図２０の例では、第２高調波発生装置２０の出射側には光学素子３２が配置されている。光学素子３２は、複屈折特性を有しており、光学素子３２を用いることで、複数の偏向成分を含む光から予め定められた偏向成分のみを取り出すことができる。このため、第２高調波発生装置２０から出射された第２高調波２６は、偏光方向の異なるＴＥモード光とＴＭモード光とに分離される。
【０１７７】
光ディスク上に磁化の向きによって情報が記録されている光ディスクシステムにおいては、光源として偏光比の高い光源が求められるが、光学素子３２を備えた第２高調波発生装置２０は、効率良く一方の偏波方向の光、例えばＴＥモード光のみを取り出すことができるので、このような光ディスクシステムに好適に用いることができる。
【０１７８】
次に、本発明の光ピックアップ装置について、図２１〜図２３を用いて説明する。図２１は、本発明の光ピックアップ装置の一例を示す側面図である。図２１の例では、本発明の光ピックアップ装置は、図１８に示した第２高調波発生装置２０と、回折格子２７と、基板４１とで構成されている。
【０１７９】
基板４１は受光素子４３とミラー４２とを備えている。光ディスクの記録面で反射された光４４は、受光素子４３によって受光される。また、第２高調波発生装置２０から出射された第２高調波２６は、ミラー４２によって基板４１の法線方向に反射され、回折格子２７に入射する。
【０１８０】
この構成では、光ピックアップの信号検出に必要な受光部と発光部とを同一基板上に集積化することができる。よって、光ピックアップ装置を小型化及び薄型化することができる。
【０１８１】
本発明の光ピックアップ装置において、基板４１の構成材料としては、ｐｎ制御によって受光素子４３を形成可能な材料を用いるのが好ましい。具体的には、Ｓｉ、ＳｉＣなどのＶ属半導体材料や、Ｖ属原子としてＢ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａのうちの少なくとも１種を含み、Ｖ属原子として少なくとも窒素を含み、更にＶ属原子としてＡｓ、Ｐ、Ａｓを含む場合もあるＶ族窒化物系の半導体材料や、ＩｎＧａＡｌＰ系材料及びＩｎＧａＡｓＰ系材料に代表される、Ｖ属原子としてＢ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａのうちの少なくとも１種類を含み、Ｖ属原子としてＡｓ、Ｐ、Ａｓのうちの少なくとも１種を含むＶ−Ｖ属半導体材料や、ＺｎＳＭｇＳｅ系材料に代表される、Ｖ属原子としてＺｎ、Ｃｄのうちの少なくとも１種を含み、Ｖ属原子としてＳ、Ｓｅ、Ｍｇのうちの少なくとも１種を含むＶ−Ｖ属半導体材料等が挙げられる。
【０１８２】
なお、ｐｎ制御によって受光素子を形成できない材料によって、基板４１を構成することもできる。この場合は、例えばガラスや、プラスチックといった樹脂材料によって、受光素子４３を形成すれば良い。
【０１８３】
図２２は、本発明の光ピックアップ装置の他の例を示す側面図である。図２２の例では、本発明の光ピックアップ装置は、図１９に示した第２高調波発生装置２０と、レンズ３１と、基板４１とで構成されている。なお、図２２に示す光ピックアップ装置は、レンズ３１が配置されている以外は、図２１に示す光ピックアップ装置と同様に構成されている。よって、この構成によっても、光ピックアップの信号検出に必要な受光部と発光部とを同一基板上に集積化することができので、光ピックアップ装置を小型化及び薄型化することができる。
【０１８４】
図２３は、本発明の光ピックアップ装置の他の例を示す側面図である。図２３の例では、本発明の光ピックアップ装置は、図２０に示した第２高調波発生装置２０と、光学素子３２と、基板４１とで構成されている。なお、図２３に示す光ピックアップ装置は、光学素子３２が配置されている以外は、図２１に示す光ピックアップ装置と同様に構成されている。よって、この構成によっても、光ピックアップの信号検出に必要な受光部と発光部とを同一基板上に集積化することができので、光ピックアップ装置を小型化及び薄型化することができる。
【０１８５】
なお、図２１〜図２３の例では、回折格子２７、レンズ３１及び光学素子３２は、基板４１と分離されているが、本発明においては、これらは基板４１上に直接集積することもできる。この場合は、光ピックアップ装置を更に小型化及び薄型化することができる。
【０１８６】
【発明の効果】
以上のように本発明にかかる半導体レーザ装置によれば、活性層の出射端面における回折格子層側の部分が溶融破壊されるのを抑制でき、ＣＯＤレベルの低下を抑えることができる。また、本発明の半導体レーザ装置は、実屈折率導波路構造とできるため、発振電流の閾値や動作電流値を低下しつつ、高出力化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザ装置の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体レーザ装置の側面図である。
【図３】図１に示す半導体レーザ装置の上面図である。
【図４】実効反射率と傾き角θとの関係を示す図である。
【図５】結合係数κを変化させた場合における回折格子層の反射率と回折格子層のレーザ出射方向における長さＬｄｂｒとの関係を示す図である。
【図６】第２光ガイド層のＡｌＡｓ混晶比Ｘｇと第３光ガイド層における実効屈折率差Δｎとの関係を示す図である。
【図７】第２光ガイド層のＡｌＡｓ混晶比Ｘｇと垂直拡がり角との関係を示す図である。
【図８】図１に示す半導体レーザ装置の利得領域のみに電流注入を行った場合の電流値と光出力との関係を示す図である。
【図９】位相制御領域に注入する電流の値と発振波長との関係を示す図である。
【図１０】ＤＢＲ領域に注入する電流の値と発振波長との関係を示す図である。
【図１１】図１に示す半導体レーザ装置の製造工程を示す斜視図である。
【図１２】図１に示す半導体レーザ装置の製造工程を示す斜視図である。
【図１３】図１に示す半導体レーザ装置の製造工程を示す斜視図である。
【図１４】本発明の半導体レーザ装置の他の例を示す斜視図である。
【図１５】本発明の半導体レーザ装置の他の例を示す斜視図である。
【図１６】本発明の半導体レーザ装置の他の例を示す斜視図である。
【図１７】本発明の第２高調波発生装置の一例を示す側面図である。
【図１８】図１７に示す第２高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた一例を示す図である。
【図１９】図１７に示す第２高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた他の例を示す図である。
【図２０】図１７に示す第２高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた他の例を示す図である。
【図２１】本発明の光ピックアップ装置の一例を示す側面図である。
【図２２】本発明の光ピックアップ装置の他の例を示す側面図である。
【図２３】本発明の光ピックアップ装置の他の例を示す側面図である。
【図２４】従来のＤＢＲレーザの構造を概略的に示す側面図である。
【符号の説明】
１  基板
２  バッファ層
３  第１クラッド層
４  活性層
５  第２クラッド層
６  第１エッチング防止層
７  第２エッチング防止層
８  回折格子層
８ｇ  回折格子層を構成する回折格子
８´  回折格子層となるｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ａｓ層
９  第１光ガイド層
１０  第２光ガイド層
１１  第３光ガイド層
１１ａ  第３光ガイド層のへき開面に垂直な軸に平行な部分
１１ｂ  第３光ガイド層のへき開面に垂直な軸に対して傾斜した部分
１２  電流ブロック層
１３  第３クラッド層
１４  ｐ型ＧａＡｓ層
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ  コンタクト層
１５、１６  保護膜
２１  半導体レーザ装置
２２  ＳＨＧ素子
２３  第２高調波発生装置を構成する基板
２４  ＳＨＧ素子の回折格子
２５  励起光
２６  第２高調波
２７  回折格子
２８  −１次回折光
２９  ０次回折光
３０  ＋１次回折光
３１  レンズ
３２  光学素子
４１  光ピックアップ装置を構成する基板
４２  ミラー
４３  受光素子
【図１】
2004165383.tif 000003
【図２】
2004165383.tif 000004
【図３】
2004165383.tif 000005
【図４】
2004165383.tif 000006
【図５】
2004165383.tif 000007
【図６】
2004165383.tif 000008
【図７】
2004165383.tif 000009
【図８】
2004165383.tif 000010
【図９】
2004165383.tif 000011
【図１０】
2004165383.tif 000012
【図１１】
2004165383.tif 000013
【図１２】
2004165383.tif 000014
【図１３】
2004165383.tif 000015
【図１４】
2004165383.tif 000016
【図１５】
2004165383.tif 000017
【図１６】
2004165383.tif 000018
【図１７】
2004165383.tif 000019
【図１８】
2004165383.tif 000020
【図１９】
2004165383.tif 000021
【図２０】
2004165383.tif 000022
【図２１】
2004165383.tif 000023
【図２２】
2004165383.tif 000024
【図２３】
2004165383.tif 000025
【図２４】
2004165383.tif 000026