(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、リッジ型クラッド層を有する半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置において、
上記半導体レーザ素子は、
キャリアの注入によりレーザ発振を行う、前方端面と後方端面とで反射率が異なる共振器と、
該共振器の共振器軸方向に延びる、該共振器にキャリアを注入するためのストライプ構造と、
上記ストライプ構造の上面に形成された抵抗層と、
該ストライプ構造の上面に形成された抵抗層の上部に配置された電極とを備えたものであり、
上記ストライプ構造上の電極は、共振器軸方向に沿って複数の電極部が並ぶよう２以上に分割されており、
該抵抗層は、レーザ光が出射される上記共振器の前方端面から後方端面にかけて、抵抗値が変化しており、上記複数の電極部のうち、レーザ光が出射される共振器の前方端面近傍に位置する電極部には、上記共振器の後方端面近傍に位置する電極部に比べて活性層内で大きな電流密度となるよう電流が注入される、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記半導体レーザ素子の横モードスペクトルは、マルチモードである、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記半導体レーザ素子は、上記共振器の端面近傍に位置する窓領域を有する、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記複数の電極部の少なくとも一つに、高周波重畳された電圧を印加する、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体レーザ装置において、
上記共振器の後方端面近傍に位置する電極部に、上記高周波重畳された電圧を印加する、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項４に記載の半導体レーザ装置において、
上記共振器の前方端面近傍に位置する電極部に、上記高周波重畳された電圧を印加する、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記複数の電極部の少なくとも一つに、変調された電流を印加する、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記半導体レーザ素子が上記半導体基板上に複数集積化されており、
該半導体基板上には、隣接する半導体レーザ素子を分離する分離抵抗部が形成されている、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項９】
請求項８記載の半導体レーザ装置において、
上記複数の半導体レーザ素子のうちの少なくとも１つは、他の半導体レーザ素子とは異なる波長でレーザ光を発振する、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１０】
請求項８記載の半導体レーザ装置において、
上記複数の半導体レーザ素子のうちの少なくとも１つは、他の半導体レーザ素子とは異なる注入電流で駆動する、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１１】
請求項８記載の半導体レーザ装置において、
上記複数の半導体レーザ素子のうちの少なくとも１つは、そのストライプ構造の幅が他の半導体レーザ素子のストライプ構造の幅と異なっている、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の発振波長は、４３０〜４５５ｎｍである、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記半導体レーザ素子は、縦モードスペクトルがマルチモードであるレーザ光を出射する、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記半導体レーザ素子は、縦モードスペクトルの幅が１ｎｍ以上広がっているレーザ光を出射する、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１５】
レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を投射する光学系とを備えたレーザ投射装置であって、
上記半導体レーザ装置は、請求項１に記載の半導体レーザ装置である、
ことを特徴とするレーザ投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定して高出力で動作する半導体レーザ装置、特にＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料を用いた半導体レーザ装置およびこれを用いたレーザ投射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光記憶装置の発展に伴い、それらに使用される半導体レーザの需要が高まっており、窒化ガリウムをはじめとするＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料（ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ；ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる青紫色半導体レーザは、光ディスクによる超高密度記録を実現するためのキーデバイスとして、開発が積極的に進められている。特に、青紫色半導体レーザの高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、光源としてスペクトル幅の狭いレーザ光を用い鮮やかな色表現が可能なレーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野の開拓に必須の技術である。
【０００３】
図１０は、電流狭窄構造を有する従来の半導体レーザの一例を示す図である。
図１０に示す半導体レーザ１００は、ｎ型ＧａＮ基板１０１の上面に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有する活性層１０４、アンドープＧａＮキャップ層１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７を順次積層してなる半導体層積層体１１０を有している。
【０００４】
ここで、上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７は、メサ型のリッジ部１０７ａを有する、半導体レーザの長さ方向と垂直な断面形状が凸型台形であるリッジ型クラッド層で、そのリッジ部の上面には、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が形成されている。また、これらｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の表面には絶縁膜１１１が形成され、該絶縁膜１１１上にはｐ電極１１５が形成されている。このｐ電極１１５は、絶縁膜１１１の、上記ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８上の部分に形成された、上記リッジ部１０７ａに沿った開口を介して、上記ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８に接続されている。また、上記ｎ型ＧａＮ基板１０１の下面には、ｎ電極１１６が形成されている。
【０００５】
そして、この半導体レーザ１００では、主に、リッジ部１０７ａ、絶縁膜１１１、コンタクト層１０８及びｐ電極１１５により、活性層１０４の、リッジ部１０７ａに対向する光導波路部分に電流を集中して注入するストライプ構造が形成されている。上記活性層１０４の、リッジ部１０７ａに対向する部分は、レーザ光が発生し導波する光導波路であり、該光導波路のリッジ部延在方向と垂直な両端面が共振器の端面となっている。
【０００６】
このような半導体レーザでは、上記ｐ電極１１５とｎ電極１１６との間に駆動電圧を印加すると、これらの電極からレーザ駆動電流が活性層１０４に注入される。このとき、活性層への注入電流は、活性層１０４のリッジ部１０７ａに対向する、共振器を形成する光導波路部分に集中し、この部分で光が発生する。そして、注入電流が一定の閾値を超えると、上記共振器でレーザ発振が生じ、レーザ光が上記共振器端面から外部に出力される。
【０００７】
このような構成の半導体レーザを、レーザディスプレイの光源として使用するためには、１００ｍＷ〜数Ｗの高出力特性が要求される。一方、レーザディスプレイの光源用の半導体レーザには、光ディスクのピックアップに要求される回折限界の集光特性は必要とされない。このため、この半導体レーザの構造は、上記リッジ部の幅の広いワイドストライプ構造でもよく、高効率で高出力なレーザ特性のものが必要となる。また、半導体レーザの高出力化には、活性層内のキャリア密度の増大が必要となる。
【０００８】
一般に、ストライプの幅は、共振器全体で一様である。電極から注入される電流の増加に伴い、活性層内のキャリア密度が上昇し、その値が一定のしきい値キャリア密度に達すると、レーザ発振が得られる。レーザの光出力は、しきい値電流以上では活性層に注入されるキャリア密度に比例して増大する。しかしながら、活性層内部のキャリア密度が高すぎる場合、空間的ホールバーニングによる利得飽和によって光出力の飽和が生じ、高光出力動作が阻害される。また、ワイドストライプレーザにおいては、導波光の横モードはマルチモードであるため、キンクは発生しないが、空間ホールバーニングによる空間の利得飽和によって横モード発振の形状が大きく変化し不安定になる。また、レーザディスプレイ用の光源においては、上記のように、光の集光特性は回折限界までの特性は要求されないが、横モードが低い周波数で変化すると、ディスプレイの輝度が時間的に変化するため、輝度、色、コントラストが正確に再現できないという問題が発生する。
【０００９】
空間的なホールバーニングによる横モードの不安定化を防止する対策のひとつは、ストライプの幅を狭くすることである。すなわち、ストライプの幅が狭くなるにつれて、活性層に注入されるキャリアの分布、および活性層で誘起される光の強度分布の横方向への拡がりが相対的に狭められ、空間的なホールバーニングに起因する横モード不安定化の発生を防ぐことができる。
【００１０】
しかしながら、ストライプの幅を共振器全体で一様に狭くすると、素子の直列抵抗が増加し、素子の駆動電圧が上昇してしまう。特に、窒化物系半導体レーザの信頼性は、駆動電圧および駆動電流に大きく依存するため、駆動電圧の上昇はできる限り抑制しなければならない。さらに、ストライプの幅を狭めると、導波路内の光密度が大きくなるため、１００ｍＷ以上の高出力特性を実現するのが難しくなる。
【００１１】
これらの課題に対して、特許文献１には、共振器の中央部から共振器の両端面方向に向かってストライプの幅が減少するテーパ領域を有する半導体レーザが開示されている。この半導体レーザは、ストライプの幅を一様に狭くする従来型のレーザ構造と比べて、素子の駆動電圧を過度に上昇させることなく、安定な横モードでのレーザ発振を提供できるものとされている。
【００１２】
また、特許文献２には、共振器の軸方向に電極を分割し、各電極に印加する電圧を、レーザ中央部では他の部分に比べて光強度の高い光強度分布に応じた注入電流分布が得られるよう制御することにより、安定した横モード動作と作製歩留まり向上を図ることのできる半導体レーザが開示されている。
【００１３】
また、非特許文献１には、共振器端面の反射率を非対称とする方法が半導体レーザの高出力化に有効であることが記載されている。この方法は、光ディスクの書き込みに用いられる半導体レーザでは一般的な方法であり、共振器を構成する端面を誘電体膜でコーティングすることで端面の反射率を非対称にするものである。つまり、共振器を構成する端面のうち、レーザ光が出射する共振器の前方端面を低反射率に、また、その反対側の後方端面の反射率を高反射率とする。例えば前方端面の反射率を１０％、後方端面の反射率を９０％とする。誘電体多層膜の反射率は、誘電体材料の屈折率、層厚、および積層する層数によって制御することができる。
【特許文献１】特開２０００−３５７８４２号公報（第５頁−第７頁  図１）
【特許文献２】特許第１８６２５４４号公報（第２頁−第３頁  図２）
【非特許文献１】伊賀健一編著、「半導体レーザ」、第１版、株式会社オーム社、平成６年１０月２５日、ｐ．２３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、共振器を形成する前方端面と後方端面との反射率が非対称である場合、半導体レーザ内部では、共振器の軸方向の光強度分布に大きな偏りを生じる。ここで、図１１に、図１０に示した従来の半導体レーザにおける共振器の軸方向光強度分布の一例を示す。
【００１５】
例えば、前方端面と後方端面の反射率をともに２０％とした場合、前方端面と後方端面における光強度は、ほぼ同じ値を示している。一方、前方端面の反射率を１０％、後方端面の反射率を９０％とした場合、前方端面における光強度は、後方端面における光強度と比べて約２倍高い値を示している。
【００１６】
このように、共振器の前方端面と後方端面との反射率を非対称とした場合、これらの反射率を対称とした場合に比べて、光強度分布に大きな偏りが生じていることが分かる。
【００１７】
また、図１０に示したストライプ状リッジ部のストライプ幅が共振器全体で一定である従来型のレーザ構造では、活性層に注入されるキャリア密度は、共振器の軸方向で一様となる。したがって、前方端面と後方端面の反射率が非対称となるようにコーティングされている半導体レーザでは、前方端面と後方端面とでは光強度分布には大きな偏りがあるにもかかわらず、活性層に注入されるキャリア密度は一様という状態が発生する。
【００１８】
すなわち、後方端面付近では、活性層内のキャリア密度が過剰な状態となり、キンク、あるいは利得飽和の発生が懸念される。この現象は、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料（ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１））からなる赤外半導体レーザに比べ、しきいキャリア密度が高い傾向にあるＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料（ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））からなる赤色半導体レーザや、ＧａＮ系半導体材料（ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））からなる青色半導体レーザで顕著となる。中でも、微分利得が最も高い青色半導体レーザではその傾向が著しい。
【００１９】
一方、特許文献１で開示されている窒化物系半導体レーザでは、ストライプ幅を共振器中央部から共振器の前方端面および後方端面に向かって減少させることで、横モードの安定化を図っている。しかしながら、共振器端面の反射率が前方端面と後方端面とで大きく異なる場合、特許文献１で示している構造では、前方端面と後方端面とでの光強度分布と注入キャリア密度分布のアンバランスな状態は解消されず、注入キャリア密度が過剰な領域が形成されやすくなり、これを避けるのは困難である。
【００２０】
また、特許文献２で開示されている半導体レーザでは、レーザの中央部での電流密度を他の部分に比べて高くするため、電極を複数の電極部に分割した構造にして各電極部に印加する電圧を変えているが、共振器端面の反射率が前方端面と後方端面で大きく異なる場合、特許文献２で示す半導体レーザでは、前方端面と後方端面とでの光強度分布と注入キャリア密度分布のアンバランスな状態は解消されず、注入キャリア密度が過剰な領域が形成されやすくなり、これを避けるのは困難である。
【００２１】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、注入キャリア密度の過剰な領域の発生を抑えて、安定した横モードでレーザ発振を行うことのできる半導体レーザ装置、及び該半導体レーザ装置を光源として用いたレーザ投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】
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１にかかる半導体レーザ装置は、半導体基板上に、リッジ型クラッド層を有する半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置において、上記半導体レーザ素子は、キャリアの注入によりレーザ発振を行う、前方端面と後方端面とで反射率が異なる共振器と、該共振器の共振器軸方向に延びる、該共振器にキャリアを注入するためのストライプ構造と、上記ストライプ構造の上面に形成された抵抗層と、該ストライプ構造の上面に形成された抵抗層の上部に配置された電極とを備えたものであり、上記ストライプ構造上の電極は、共振器軸方向に沿って複数の電極部が並ぶよう２以上に分割されており、該抵抗層は、レーザ光が出射される上記共振器の前方端面から後方端面にかけて、抵抗値が変化しており、上記複数の電極部のうち、レーザ光が出射される共振器の前方端面近傍に位置する電極部には、上記共振器の後方端面近傍に位置する電極部に比べて活性層内で大きな電流密度となるよう電流が注入される、ことを特徴とする。
【００２３】
これにより、共振器両端面の反射率を非対称としたレーザ素子における、キャリア密度分布と光強度分布とのミスマッチを解消して、非対称な光強度分布に起因する利得の飽和を緩和することができる。この結果、大出力時にも安定な横モード動作が可能な半導体レーザ装置を実現することできる効果がある。また、注入キャリア密度分布と光パワー密度分布との整合性をより高めることができ、キャリアロスの低減による高効率化を実現することができる。
【００２４】
また、本発明の請求項２にかかる半導体レーザ装置は、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、上記半導体レーザ素子の横モードスペクトルはマルチモードである、ことを特徴とする。
これにより、キンクの発生を防ぐことができる。
【００２５】
また、本発明の請求項３にかかる半導体レーザ装置は、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、上記半導体レーザ素子は、上記共振器の端面近傍に位置する窓領域を有する、ことを特徴とする。
【００２６】
これにより、高出力化レーザにおける端面破壊による信頼性低下を防止することができる。
【００２７】
また、本発明の請求項４にかかる半導体レーザ装置は、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、上記複数の電極部の少なくとも一つに、高周波重畳された電圧を印加する、ことを特徴とする。
【００２８】
これにより、レーザ素子の注入電流に重畳する高周波信号のパワーを小さく抑え、かつスパイクノイズを低減しつつ、高周波信号の重畳による戻り光ノイズの抑圧を行うことができる。
【００２９】
また、本発明の請求項５にかかる半導体レーザ装置は、請求項４に記載の半導体レーザ装置において、上記共振器の後方端面近傍に位置する電極部に、上記高周波重畳された電圧を印加する、ことを特徴とする。
【００３０】
これにより、レーザ素子の注入電流に重畳する高周波信号のパワーをより一層小さく抑えることができる。
【００３１】
また、本発明の請求項６にかかる半導体レーザ装置は、請求項４に記載の半導体レーザ装置において、上記共振器の前方端面近傍に位置する電極部に、上記高周波重畳された電圧を印加する、ことを特徴とする。
【００３２】
これにより、レーザ素子の注入電流に重畳する高周波信号のパワーを小さく抑え、かつスパイクノイズを低減しつつ、戻り光の影響を受けやすい光出射端面側のレーザ光の時間的コヒーレンスを低下させることができる。この結果、高周波信号パワーの削減及びスパイクノイズの低減とともに、戻り光ノイズの効果的な低減を図ることができる。
【００３３】
また、本発明の請求項７にかかる半導体レーザ装置は、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、上記複数の電極部の少なくとも一つに、変調された電流を印加する、ことを特徴とする。
【００３４】
これにより、電極全体の注入電流を変調させることなく、一部の電極部に印加する電流を変調するだけで、半導体レーザ装置全体の光出力を変調することが可能となる。この結果、消費電力を抑えて、温度が変化して発振波長が変動するチャーピング現象を緩和することができる。
【００５１】
また、本発明の請求項８にかかる半導体レーザ装置は、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、上記半導体レーザ素子が上記半導体基板上に複数集積化されており、該半導体基板上には、隣接する半導体レーザ素子を分離する分離抵抗部が形成されている、ことを特徴とする。
【００５２】
これにより、ワットクラスの大出力を実現ことができ、半導体レーザをレーザディスプレイの光源として使用することが可能となる。
【００５３】
また、本発明の請求項９にかかる半導体レーザ装置は、請求項８記載の半導体レーザ装置において、上記複数の半導体レーザ素子のうちの少なくとも１つは、他の半導体レーザ素子とは異なる波長でレーザ光を発振する、ことを特徴とする。
【００５４】
これにより、出射されるレーザ光のスペクトルを拡大することができ、レーザディスプレイの光源として使用する場合にスペックルノイズを大幅に低減可能となる。
【００５５】
また、本発明の請求項１０にかかる半導体レーザ装置は、請求項８記載の半導体レーザ装置において、上記複数の半導体レーザ素子のうちの少なくとも１つは、他の半導体レーザ素子とは異なる注入電流で駆動する、ことを特徴とする。
【００５６】
これにより、出射されるレーザ光のスペクトル幅を拡大することができ、レーザディスプレイの光源として使用する場合にスペックルノイズを大幅に低減可能となる。
【００５７】
また、本発明の請求項１１にかかる半導体レーザ装置は、請求項８記載の半導体レーザ装置において、上記複数の半導体レーザ素子のうちの少なくとも１つは、そのストライプ構造の幅が他の半導体レーザ素子のストライプ構造の幅と異なっている、ことを特徴とする。
【００５８】
これにより、出射されるレーザ光のスペクトル幅を拡大することができ、レーザディスプレイの光源として使用する場合にスペックルノイズを大幅に低減可能となる。
【００５９】
また、本発明の請求項１２にかかる半導体レーザ装置では、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、上記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の発振波長は、４３０〜４５５ｎｍである、ことを特徴とする。
【００６０】
これにより、必要パワーの低減による消費電力の低減化、及び色再現性の改善を図った青色半導体レーザを実現することができる。
【００６１】
また、本発明の請求項１３にかかる半導体レーザ装置は、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、上記半導体レーザ素子は、縦モードスペクトルがマルチモードであるレーザ光を出射する、ことを特徴とする。
【００６２】
これにより、レーザ光のコヒーレンスを低減でき、その結果、レーザディスプレイの光源として使用する場合にスペックルノイズを大幅に低減できる。
【００６３】
また、本発明の請求項１４にかかる半導体レーザ装置は、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、上記半導体レーザ素子は、縦モードスペクトルの幅が１ｎｍ以上広がっているレーザ光を出射する、ことを特徴とする。
【００６４】
これにより、レーザディスプレイの光源として使用する場合にスペックルノイズを大幅に低減できる。
【００６５】
また、本発明の請求項１５にかかるレーザ投射装置は、レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を投射する光学系とを備えたレーザ投射装置であって、上記半導体レーザ装置は、請求項１に記載の半導体レーザ装置である、ことを特徴とする。
【００６６】
これにより、安定な横モード動作を損なうことなくレーザディスプレイに必要な大出力化を達成できる半導体レーザを光源として有するレーザ投射装置が得られる効果がある。
【発明の効果】
【００６７】
本発明によれば、共振器両端面の反射率が異なる半導体レーザ装置において、活性層へのキャリア注入のためのストライプ構造上に配置される電極を分割構造とし、分割された各電極部に、活性層内でのキャリア密度分布が共振器方向の光強度分布に応じた分布となるよう駆動電圧を印加するので、注入キャリア密度の過剰な領域の発生を抑えて、安定した横モードでレーザ発振を行うことができる半導体レーザ装置を得ることができる。
【００６８】
また、本発明では、ストライプ構造をテーパー形状としたので、光強度の高い共振器の光出射端面側での注入キャリア不足を解消し、光強度に低い共振器の後方端面付近で活性層内のキャリア密度が極端に高くなる現象を緩和することができる。このようにストライプ構造をテーパー形状としたことによる高光出力化の効果は、しきい値キャリア密度が高く、微分利得の高い窒化ガリウム系の半導体レーザにおいて特に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置を詳細に説明する。
【００７０】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による半導体レーザ装置は、電流狭窄を行うストライプ構造を有し、光を出射する前方端面の光反射率と、その反対側の後方端面の光反射率とが異なる端面発光型レーザ装置であって、上記ストライプ構造上に配置される電極を、複数に分割した構造とし、分割されている複数の電極部に、活性層に注入される電流密度が前方端面側で大きく、後方端面側で小さくなるよう、レーザ駆動電流を印加するものである。
【００７１】
なお、この実施の形態１の半導体レーザ装置は、光ピックアップやレーザーディスプレイの光源として応用可能なものである。
以下、本実施の形態１について詳述する。
【００７２】
まず、本実施の形態１による半導体レーザ装置の基本的な素子構造について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１による半導体レーザ装置の基本的な素子構造を説明する断面図であり、共振器長方向に対して垂直な断面の具体的な構造を示している。
【００７３】
この実施の形態１の半導体レーザ装置１０は、半導体基板上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物物系半導体材料を用いた窒化物半導体レーザ素子を形成してなるものである。
【００７４】
具体的には、この半導体レーザ装置１０は、図１０に示す従来の半導体レーザ１００と同様、ｎ型ＧａＮ基板１０１の上面に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有する活性層１０４、アンドープＧａＮキャップ層１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７を順次積層してなる半導体層積層体１１０を有している。
【００７５】
ここで、上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７は、メサ型のリッジ部１０７ａを有する、レーザの長さ方向と垂直な断面形状が凸型台形であるリッジ型クラッド層で、そのリッジ部１０７ａの上面には、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が形成されている。
【００７６】
そして、この実施の形態１の半導体レーザ装置１０では、上記クラッド層１０７のリッジ部１０７ａ上のｐ型ＧａＮコンタクト層１０８上には、さらにｐメタル層１０９が形成され、さらに該クラッド層１０７上には、ｐメタル層１０９の表面が露出するよう、絶縁膜１１１ａが形成されている。また、該絶縁膜１１１ａ上には、ｐ電極１１５ａが、上記リッジ部１０７ａ上のｐメタル層１０９と接触するよう形成され、上記ｎ型ＧａＮ基板１０１の下面には、ｎ電極１１６が形成されている。
【００７７】
この実施の形態１の半導体レーザ装置１０では、主に、リッジ部１０７ａ、コンタクト層１０８、ｐメタル層１０９、絶縁膜１１１ａ、及びｐ電極１１５ａにより、活性層１０４の、共振器を構成する部分に、電流を集中して注入するストライプ構造が形成されている。また、上記活性層１０４の、リッジ部１０７ａに対向する部分は、レーザ光が発生し導波する光導波路であり、該光導波路の、リッジ部延在方向と垂直な両端面が共振器端面となっている。
【００７８】
次に半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
まず、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２，ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３，ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０４，アンドープＧａＮキャップ層１０５，ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６，ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７，およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を連続成長させる。
【００７９】
次に、選択的なドライエッチングにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７を加工して、ストライプ状のメサ型リッジ部１０７ａを形成する。その後、上記半導体層積層体１１０の表面全体に絶縁膜１１１ａを、上記ストライプ状リッジ部１０７ａ上のコンタクト層１０８が露出するよう全面に形成する。
【００８０】
そして、ストライプ状リッジ部１０７ａ上のコンタクト層１０８上にｐメタル層１０９を選択的に形成し、その後、上記絶縁膜１１１ａ及びコンタクト層１０８上にｐ電極１１５ａを、半導体基板１０１の裏面側にｎ電極１１６を形成する。
【００８１】
本実施の形態１の半導体レーザ装置１０では、レーザ素子の共振器長、チップ幅、および厚みは、それぞれ６００μｍ、４００μｍ、および８０μｍとしている。また、レーザ素子の共振器端面は誘電体膜６及び５によりコーティングし、レーザ光が出射される前方端面、およびその反対側の後方端面の反射率はそれぞれ１０％、９０％としている。
【００８２】
次に、上記半導体レーザ装置のｐ電極１１５ａの構造について説明する。
図２（ａ）は、実施の形態１の半導体レーザ装置の電極構造を模式的に示す斜視図であり、上記レーザ素子の上面上に配置された、４分割されたｐ電極を示している。
【００８３】
なお、図２（ａ）では、半導体レーザ装置１０の半導体層積層体１１０を構成する、活性層１０４以外の半導体層は省略しており、図１に示すｐ電極１１５ａについては、実質的な電極領域のみを、つまりストライプ状リッジ部１０７ａ上に位置する部分のみを示している。
【００８４】
上記半導体レーザ装置１０では、上記活性層１０４の、上記ストライプ状リッジ部１０７ａに対向する部分には、レーザ発振を行う共振器が形成されている。そして、上記ストライプ状リッジ部１０７ａ上に設けられたｐ電極１１５ａは４分割され、個々の電極部１〜４が共振器長方向に沿って並んでおり、それぞれ電源１１〜１４に接続されている。
【００８５】
また、隣接する電極部の間には、これらの電極部間での電流の回り込みを防止する分離抵抗部７が形成されている。この分離抵抗部７は、上記ストライプ状リッジ部１０７ａの、隣接する電極部間の部分を、ｐメタル層１０９の表面からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７の内部までエッチングして形成したものである。分離抵抗部７には、さらに電流ブロック層を形成することで抵抗分離をより確実にすることも可能である。この電流ブロック層は、例えば、リッジ部１０７ａの、隣接する電極部の間の表面領域をイオン注入などにより高抵抗化することにより形成することができる。
【００８６】
ここで、上記各電源１１〜１４は、各電極部１，２，３，４に注入される電流の大きさＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４が、Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３＞Ｉ４の関係を満たすよう各電極部に駆動電圧を印加するものである。即ち、電源１１，１２，１３，１４により各電極部１〜４に印加される駆動電圧は、レーザ光ＬＢの出射端面側の電極部からの注入電流の方が、出射端面と反対側の後方端面側の電極部からの注入電流よりも大きくなるよう設定されている。
【００８７】
また、ここでは、ストライプ状リッジ部１０７ａの幅は、約５０μｍ、その長さは１ｍｍとしている。この半導体レーザ装置では、光出射端面である前方端面の光反射率は１０パーセント、その反対側の後方端面の光反射率は９０パーセントとしている。
【００８８】
さらに、この半導体レーザ装置１０は、端面窓構造を有しており、高出力レーザでの端面破壊によるレーザ信頼性の低下を防止できるものである。端面窓構造は共振器端面近傍の活性層を、光の発生が行われないよう非活性にすることにより形成可能である。なお、共振器端面近傍のｐ型クラッド層の上部に電流ブロック層を設けることにより、活性層の、共振器端面近傍部分に電流が流れるのを防止して端面窓構造を形成することもできる。
【００８９】
次に作用効果について説明する。
このような半導体レーザ１０では、上記ｐ電極１１５ａとｎ電極１１６との間に駆動電圧を印加すると、これらの電極から電流が活性層１０４に注入される。このとき、活性層への注入電流は、活性層１０４の、リッジ部１０７ａに対向する部分に集中し、この部分で光が発生する。そして、注入電流が一定の閾値を超えると、この発光領域を光導波路とする共振器でレーザ発振が生じ、レーザ光ＬＢが上記共振器端面から外部に出力される。このとき、ｐ電極１１５ａを構成する４つの電極部１〜４には、レーザ光ＬＢの出射端面に近いものほど、注入電流が大きくなるよう駆動電圧が印加される。
【００９０】
このような構成の半導体レーザ装置の特長は、高出力のレーザ光を取り出すことが可能な点である。
以下に、本実施の形態１の半導体レーザ装置の特性を、従来のものと比較して説明する。
【００９１】
一般的に、光ディスクへの高速書き込み用光源、ディスプレイ用光源等への応用には１００ｍＷ以上の高出力特性が要求される。これを実現するには、レーザ端面反射率の非対称性が有効である。従来の半導体レーザ装置では、端面反射率を非対称にすることにより、図３（ａ）に示すように、低反射率側の端面近傍での光のパワー密度の増大を図り、高出力特性を実現している。ところが、高いパワーを得るために注入電流を大きくすると、活性層の後方端面近傍部での光密度が増大するため、共振器軸方向におけるホールバーニングの発生により、利得が低下したり、横モードが不安定な状態となったりして、注入電流の増大は出力の低下や不安定性の原因となる。一方、活性層の光出射面近傍部では、光のパワー密度の増大による注入キャリア不足が発生する。
【００９２】
これに対し、本実施の形態１の半導体レーザ装置では、光出射側端面とその反対側の後方端面におけるキャリア密度分布を光強度分布に応じた分布とすることで、高出力時の安定した出力を得ることができる。つまり、電極の構造を、光のパワー密度分布に合わせて電流の注入密度を制御可能な分割構造とし、例えば図３（ｂ）に示すように、ｐ電極を４分割して得られた各電極部１〜４により注入される電流量Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を、Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３＞Ｉ４の関係を満たすようにすることにより、光パワー密度分布にあわせたキャリアの注入が可能になる。特に、光出射端面近傍の電極部における電流密度の増大が有効である。
【００９３】
なお、上記ｐ電極を分割して得られる電極部の個数は４つに限らず、２つ以上であればよいが、３つあるいは４つが望ましい。
【００９４】
また、注入電流の強度分布は、図３（ａ）に示す光パワー密度分布に応じた分布とするのが望ましい。
【００９５】
例えば、図３（ｂ）は、ｐ電極を４分割構造とした場合の光強度分布及び注入電流の大きさを示している。この場合、図３（ｂ）に示すように、注入電流強度分布が光のパワー密度分布Ｌ１に適合したものとなるよう、各電極部１〜４からの注入電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を設定することが好ましい。
【００９６】
なお、図３（ｃ）は、ｐ電極を３分割構造とした場合の光強度分布及び注入電流の大きさを示している。この場合、図３（ｃ）に示すように、光のパワー密度分布Ｌ２に合わせて光出射端面とは反対側の後方端面に近い電極部３ａを、他の電極１ａ及び２ａより長くし、また各電極部１ａ〜３ａから注入される電流の密度Ｉ１ａ，Ｉ２ａ，Ｉ３ａは、光出射端面に近い電極部のものほど高くなるように設計している。つまり、この場合、電極部１ａ〜３ａから注入される電流の密度Ｉ１ａ，Ｉ２ａ，Ｉ３ａは、Ｉ１ａ＞Ｉ２ａ＞Ｉ３ａの関係を満たす。
【００９７】
さらに、ｐ電極を２分割構造とした場合は、図３（ａ）に示す光のパワー密度分布に合わせて、光出射端面側の電極部の長さをもう一方の後方端面側の電極部の長さより短くし、かつ光出射端面側の電極部からの注入電流の密度を一方の後方端面側の電極部からの注入電流の密度より高くすることで、注入電流密度の分布を光パワー密度分布に近いものにすることも可能である。
【００９８】
このようにすることで、通常はホールバーニングによる横モード不安定化が生じやすい光出射端面近傍のパワー密度の高い部分において、その発生を大幅に抑圧でき、高出力化が可能となる。特に、ｐ電極を３つ以上に分割した場合、注入電流密度分布を光のパワー密度の分布により近いものにすることができる。ただし、ｐ電極の分割数が６つ以上になると、電極部と分離抵抗部の長さを合わせたレーザ素子全体の長さが大きくなってしまうので、歩留まりの点からはあまり望ましくない。
【００９９】
また、半導体レーザ素子における光出射端面とその反対側の後方端面とで反射率が異なる非対称反射率構造は、高出力特性に重要である。光出射端面の反射率を低減することで、図３（ａ）の光パワー密度分布が実現され、高出力の光を効率よく取り出すことができる。この高出力特性を実現するには、光出射端面の反射率は１〜２０％、後方端面の反射率は６０〜１００％にするのが好ましい。さらに好ましくは光出射側端面の反射率は３〜１０％、後方端面の反射率は８０〜１００％にするのが好ましい。最も高出力な特性が実現できるのは、光出射端面の反射率を５±２％、後方端面の反射率を９５±５％に設定したときである。さらに、ＧａＮ系レーザ以外のレーザ、例えば、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料やＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた半導体レーザであっても、電極を分割電極構造とすることによって動作の安定した高出力特性を有する半導体レーザを得ることは可能である。
【０１００】
次に、本実施の形態１の半導体レーザにおける、戻り光によるノイズ発生を防止する構造について説明する。
【０１０１】
戻り光ノイズとは、半導体レーザが出射した光が活性層に帰還することでノイズが大幅に増大する現象である。これを防止するため、通常、光のコヒーレンスを低減する方法が採られている。その一つとして、駆動電流に数１００ＭＨｚ程度のＲＦ信号を重畳する高周波重畳方法がある。ところが、高出力半導体レーザでは、駆動電流が増大するため、必要なＲＦパワーが大幅に増大するという問題があった。また、ＲＦパワーが増大すると、消費電力が増大し、また放熱対策や放射対策等によりシステム全体のコストが大幅に増大してしまうという問題が発生する。
【０１０２】
これに対し、本実施の形態１の半導体レーザ装置は、上記のような高出力レーザにおける高周波重畳の問題を解決することができる。
【０１０３】
つまり、高周波重畳方法とは、半導体レーザのキャリア密度の状態を変化させることで、光の発振状態を時間的に変化させ、時間的コヒーレンスを低下させる方法である。従って、活性層に注入されるキャリア密度に対する変化率の大きさが重要である。
【０１０４】
従来の単一電極構造を有する半導体レーザ装置では、注入される電流は電極全体に分散するため、キャリア密度を大きく変化させるには、注入する電流に対して高い周波数で変化させる電流の割合を大きくとる必要があり、高周波重畳のＲＦ振幅が大きくなってしまうという問題があった。
【０１０５】
これに対し、本実施の形態１の半導体レーザ装置では、一部の電極部にのみＲＦ信号を重畳することが可能である。
【０１０６】
例えば、図２（ｂ）は、実施の形態１の半導体レーザ装置の４つの分割電極のうちの一部のものにのみ高周波電源を接続した半導体レーザ装置１０ａの例を示している。つまり、電極部３に高周波電源２３を接続し、電極部４に高周波電源２４を接続し、これらの電極部３，４に高周波信号を重畳するようにしている。
【０１０７】
本実施の形態１の半導体レーザ装置では、ｐ電極が４分割されているため、各電極部からの注入電流は、分割されていないｐ電極からの注入電流に比べて大幅に低下する。つまり、分割された複数の電極部の一部の電極部に重畳する高周波信号の電流振幅は、単一電極に重畳する高周波信号の電流振幅に対して何分の１かに低減可能となるため、高周波重畳のパワーを大幅に低減することができる。また、一部の電極部に高周波信号を重畳した場合にも、該電極部下側の活性層でのキャリア密度の変動は十分得られるため、共振器全体の発振状態が変化して時間的コヒーレンスを下げることができる。
【０１０８】
さらに、本実施の形態１の半導体レーザ装置では、図３（ａ）の光強度分布図に示すような出力を得るためには、光出射側端面近傍の電極部からの注入電流を大きくする必要があるが、後方端面側の電極部からの注入電流には光のパワー密度に合わせた低電流しか必要とされない。このため、後方端面近傍の電極部からの注入電流に高周波信号を重畳することにより、低いＲＦパワーで効率良くコヒーレンスを低下させることができ、システムの小型化、低コスト化、低消費電力化が可能となる。
【０１０９】
また、本実施の形態１の半導体レーザ装置における分割電極構造は、ＧａＮレーザに特に有効であり、以下にその理由を説明する。
【０１１０】
通常、ＧａＮ基板をベースとする半導体レーザでは、緩和振動が大きく高周波重畳を行うと、スパイクノイズが発生する。スパイクノイズとは、半導体レーザへ注入する電流を高周波で変調すると、緩和振動により出力光波形がスパイク状に変化し、変調度の何倍も高いパルス出力が発生する現象である。従来のＧａＮレーザを用いた光ディスクシステムでは、光ディスクの再生時に戻り光によりレーザのノイズが増大するのを防止するため、レーザに数１００ＭＨｚの高周波を重畳している。ところが、再生時の平均パワーが低い状態でも、尖塔値の高いスパイク状の出力がでているため、これが原因となって、再生時に記録したデータが劣化する再生光劣化の問題が発生する。
【０１１１】
これに対して、本実施の形態１の半導体レーザ装置では、電極を分割して一部の電極部に１００ｍＡ程度の高周波を重畳するようにしているため、レーザの戻り光ノイズを低減した状態で、スパイク状出力の尖塔値を半分以下に大幅に低減することができる。また、戻り光ノイズを低減するために高周波重畳方法を用いる場合、高周波信号は光出射端面近傍の電極部に印加するのが好ましい。つまり、戻り光の影響を最も受けやすい光出射端面の近傍に位置する電極部に高周波信号を印加することにより、戻り光ノイズを低減することができるとともに、スパイクノイズを大幅に低減することができる。そのため、本実施の形態１の半導体レーザ装置は、光ディスク装置等への応用には好ましい。また、本実施の形態１の半導体レーザ装置は、ＧａＮ系レーザ以外のレーザ、例えば、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料やＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた半導体レーザ装置であってもよく、この場合も高周波信号を効率よく印加することが可能である。
【０１１２】
さらに、本実施の形態１の半導体レーザ装置における分割電極構造は、レーザ出力を変調する場合にも有効な役割を果たす。
【０１１３】
現在、半導体レーザの出力を変調する場合、レーザ全体の注入電流を０〜１００％の間の所定の変調度で変調する。ところが、半導体レーザの注入電流を変化させると、消費電力の増大により半導体レーザの温度が変化して発振波長が変動するチャーピング現象が生じる。例えば、光ディスク等のメディアに対する情報の記録を行う場合、光源を変調しながら記録するが、この際にチャーピングにより光源の波長が変動すると、色収差の影響により集光スポットの大きさが変化してしまう。この現象は光学系の分散特性が顕著になる短波長領域で特に顕著になる。
【０１１４】
これに対し、本実施の形態１の半導体レーザ装置では、一部の電極部からの注入電流を変調することにより、レーザ全体の光出力を変調することが可能である。
例えば、図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示す半導体レーザ装置１０ａの一部の電極部と電源との間に変調器を挿入した半導体レーザ装置１０ｂの例を示している。
【０１１５】
ここでは、電極部３と電源１３との間に変調器３３を挿入し、電極部４と電源１４との間に変調器３４を挿入し、該電源１３及び１４から電極部３及び４に供給される電流を変調するようにしている。このように、一部の電極部に供給される電源電流を変調することにより、半導体レーザ装置全体での電流値の変化が小さくなり、この結果、チャーピングが数ｎｍ以下に収まるように小さくなる。このような構成の半導体レーザ装置１０ｂは、特に光ディスクのピックアップの光源への応用には好ましい。
【０１１６】
このように本実施の形態１では、光出射端面での光反射率とその反対側の端面での光反射率とが異なる非対称反射率構造の半導体レーザ装置において、ストライプ状リッジ部上に配置される電極を、複数に分割した分割電極構造とし、光出射端面側に近い電極部からの注入電流ほど注入電流密度が高くなるようにしたので、活性層内でのキャリア密度分布が活性層内での光強度分布に応じたものとなり、これにより、安定した横モードでレーザ発振を行うことのできる高出力の半導体レーザを実現することができる。
【０１１７】
また、本実施の形態１では、複数に分割した電極部の、一部の電極部のみに対して高周波重畳を行うようにしたので、ＲＦによるキャリア密度の変化を少ない電流振幅で実現することができ、その結果、システムの小型化、低コスト化、低消費電力化を実現することができる。例えば、高周波重畳を後方端面側の電極部に対して行う場合は、重畳する高周波の電流密度をより低減することができる。また、高周波重畳を前方端面側の電極部に対して行う場合は、戻り光ノイズの低減、及びスパイクノイズの低減を効果的に実現することができる。
【０１１８】
また、本実施の形態１では、複数に分割した電極部の、一部の電極部に注入する電流を変調することにより、レーザ出力の変調を、チャーピングを抑えつつ行うことが可能になる。
【０１１９】
なお、本実施の形態１の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子として図１に示す断面構造のものを示したが、半導体レーザ素子の断面構造は、図１０に示す従来の半導体レーザのものと同一としてもよい。
【０１２０】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２による半導体レーザ装置を説明する図である。
【０１２１】
この実施の形態２の半導体レーザ装置２０は、図２（ｃ）に示す実施の形態１の半導体レーザ装置１０ｂにおけるストライプ状リッジ部１０７ａの幅を広げたワイドストライプ構造の高出力半導体レーザ装置であり、レーザディスプレイの光源として利用されるものである。
【０１２２】
つまり、この実施の形態２の半導体レーザ装置２０は、実施の形態１の半導体レーザ装置１０と同様、ｎ型ＧａＮ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有する活性層、アンドープＧａＮキャップ層、ｐ型ＧａＮ光ガイド層、及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を順次積層してなる半導体層積層体１１０を有している。
【０１２３】
そして、この実施の形態２では、半導体層積層体１１０の表面に形成されたストライプ状リッジ部１０７ｂは、実施の形態１のものに比べてその幅が広いものとなっており、上記活性層１０４の、上記ストライプ状リッジ部１０７ｂに対向する部分には、レーザ発振を行う共振器が形成されている。また、上記ストライプ状リッジ部１０７ｂ上に４分割されたｐ電極が配置され、隣接する電極部の間には、実施の形態１の半導体レーザ装置と同様、分離抵抗部７が形成されている。このｐ電極を構成する複数の電極部１〜４は共振器長方向に沿って並んでおり、それぞれ電源１１〜１４に接続されている。
【０１２４】
また、この実施の形態２の半導体レーザ装置２０では、上記複数の電極部のうち、後方端面に最も近い電極部４には高周波電源２４が、またその隣の電極部３には高周波電源２３が接続され、これらの電極部に注入する電流には、異なる周波数の高周波を重畳するようにしている。また、電極部３と電源１３との間に変調器３３を挿入し、電極部４と電源１４との間に変調器３４を挿入し、該電源１３及び１４から電極部３及び４に供給される電流を変調するようにしている。
【０１２５】
次に作用効果について説明する。
レーザディスプレイは、ＲＧＢレーザ光を用いたディスプレイ装置であり、レーザ出力としては数１００ｍＷから数Ｗ以上の大出力が必要とされるが、レーザディスプレイでは、光の回折限界の集光特性は要求されないため、半導体レーザの横モードは単一モードである必要はない。
【０１２６】
そこで、本実施の形態２の半導体レーザ装置２０は、ワイドストライプ構造を採用している。
【０１２７】
しかし、このワイドストライプの構造においても、導波路内での光のパワー分布に合わせた十分なキャリア密度が必要である。特に、光出射端面近傍部では、光のパワー密度の増大によりキャリア不足が生じて横モードの発振状態が不安定になり、高出力特性が劣化する問題がある。このため、ワイドストライプ構造を有する半導体レーザ装置においても、注入電流密度分布の最適化を図る必要がある。
【０１２８】
さらに、レーザディスプレイの光源には、上記出力特性に加えて次の特性が要求される。
第１に、波長の安定性が要求される。特に、赤色レーザにおいては視感度の波長変化が大きいので、±１ｎｍ以下に波長変化を抑える必要がある。
【０１２９】
第２に、スペックルノイズの低減が要求される。スペックルノイズを低減するには、コヒーレンスの低減が重要であり、波長スペクトルを数ｎｍに拡大する必要がある。
【０１３０】
本実施の形態２の半導体レーザ装置は、上記２点の問題を解決したものであり、以下に従来のものと比較して説明する。
まず、波長の安定化について述べる。
【０１３１】
レーザ光により映像を投影する場合、レーザ出力強度を階調に合わせて変調する必要がある。このとき問題となるのが、出力強度と共に、モードの安定性と波長変化である。即ち、レーザ光による映像の投影では、レーザ光を１００ｍＷ以上から数ｍＷ以下の値にまで変調する必要があるが、レーザ波長がレーザ出力強度と共に変化してしまう。また、従来の高出力半導体レーザでは、高出力時と低出力時とでは駆動電流が大きく異なるため、レーザの温度の差により発振波長が大きく異なるチャーピングが発生する。
【０１３２】
これに対し、本実施の形態２の半導体レーザ装置２０は、複数に分割した電極の一部に印加される電流を変調するようにしたことで、注入電流の変化を低減することができ、その結果、波長変動が少なく安定した変調を行うことができる。また、ｐ電極を分割構造として注入電流密度に共振器長方向の分布を持たせているので、横モードの安定化により階調度の増大を図ることができる。
【０１３３】
次に、スペクトルノイズの低減のための波長スペクトルの拡大について述べる。
レーザディスプレイ光源としては、高出力特性を必要とするため、平均出力を１００ｍＷ以上に保った状態での高周波重畳が必要となる。
【０１３４】
従って、従来の半導体レーザ装置では、数１００ｍＡの電流を注入する状態で高周波重畳する必要があり、数１００ｍＡの電流振幅をもった高周波を印加する構成が必要となる。このため、非常に大きな消費電力とハイパワーの高周波回路が必要となり、また、外部放射を低減することも要求される。
【０１３５】
これに対し、本実施の形態２の半導体レーザ装置２０は、複数に分割した電極部の一部に印加される電流に高周波を重畳することにより、ＲＦ電流を低減することができる。さらに、活性層内の後方端面近傍部では、光強度密度が小さいことから必要な電流密度は小さく、従って注入電流を低減することができる。その結果、ＲＦ電流の重畳を、後方端面に近い電極部からの注入電流に対して行うことにより、注入電流に依存するＲＦ重畳の振幅を大幅に低減することが可能となり、システムの簡易化、小型化、低消費電力化を実現することができる。
【０１３６】
次に、コヒーレンスをさらに低減してスペックルノイズを防止する点について述べる。
コヒーレンスの低下は、スペクトル幅の拡大に比例する。つまり、スペクトル幅を大きく広げることで、よりスペックルノイズを低減可能である。このため、半導体レーザの駆動電流に加える高周波重畳のパワーを増大することが有効であるが、パワー増大によるスペクトル拡大は、波長で数ｎｍ程度に限られる。
【０１３７】
これに対して、本実施の形態２の半導体レーザ装置２０は、複数に分割した電極部のうち、後方端面に最も近い電極部３と、この隣の電極部４に、異なる周波数の高周波を印加するようにしている。
【０１３８】
例えば、５００ＭＨｚと４００ＭＨｚといった異なる周波数の高周波を、異なる２つの電極部に印加すると、両電極間でのレーザ発振状態の相対的な乱れが大きくなり、スペクトルの広がりが大きくなる。このとき、周波数依存性はあるが、１つの電極に高周波を印加する場合に比べて、スペクトルの広がりを１．２〜１．５倍にすることができる。このような本実施の形態２の半導体レーザ装置２０は、１００ｍＷ以上の高出力光のコヒーレンス低減に特に有効である。
【０１３９】
このように本実施の形態２では、光出射端面での光反射率とその反対側の端面での光反射率とが異なるワイドストライプ構造の半導体レーザ装置において、ストライプ状リッジ部上に配置される電極を、複数に分割した分割構造とし、光出射端面側に近い電極部ほど、対応する注入電流の密度が高くなるようにしたので、活性層内でのキャリア密度分布が活性層内での光強度分布に応じたものとなり、これにより、レーザディスプレイの光源として利用される、安定した横モードでレーザ発振を行うことのできるより高出力の半導体レーザを実現することができる。
【０１４０】
また、複数に分割した電極部のうち、２つの電極部に異なる周波数の高周波を重畳するようにしたので、高周波重畳のパワーを増加させることなく、スペクトル幅を拡大することができ、その結果、消費電力の増大を招くことなくスペックルノイズを低減させることができる。
【０１４１】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３による半導体レーザ装置を説明するための図であり、半導体レーザ装置のストライプ状リッジ部の平面形状を示している。
【０１４２】
本実施の形態３の半導体レーザ装置３０は、上記実施の形態１の半導体レーザ装置１０のストライプ状リッジ部１０７ａを、その幅が光出射端面に近い部分ほど広い平面テーパ形状としたものであり、その他の構成は実施の形態１の半導体レーザ装置と同一である。
【０１４３】
つまり、この実施の形態３の半導体レーザ装置３０は、実施の形態１の半導体レーザ装置１０と同様、ｎ型ＧａＮ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有する活性層、アンドープＧａＮキャップ層、ｐ型ＧａＮ光ガイド層、及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を順次積層してなる半導体層積層体１１０を有している。
【０１４４】
そして、この実施の形態３では、半導体層積層体の表面に形成されたストライプ状リッジ部１０７ｃは、その幅が光出射端面側ほど広いテーパ形状となっており、上記活性層の、上記ストライプ状リッジ部１０７ｃに対向する部分には、レーザ発振を行う共振器が形成されている。ここで、ストライプ状リッジ部１０７ｃの平面形状は、共振器軸を対称軸とする左右対称な形状となっている。
【０１４５】
また、半導体層積層体１１０の表面上には、絶縁膜１１１ａが、上記ストライプ状リッジ部１０７ｃの上面が露出するよう形成され、さらにその上には、ｐ電極１１５ａが、ストライプ状リッジ部１０７ｃの露出面と接触するよう形成されている。
【０１４６】
ここで、ｐ電極１１５ａは実施の形態１と同様４分割され、個々の電極部１〜４が共振器長方向に沿って並んでいる。
次に作用効果について説明する。
【０１４７】
上記実施の形態１，２の半導体レーザ装置では、複数に分割した電極部に注入される電流の分布を、共振器の軸方向における光強度分布に合った分布とすることで、半導体レーザの高出力化を可能としているが、活性層内での光の強度分布は、図３（ａ）に示す通りであり、活性層内の各部での光のパワー密度自体は変わっていない。このため、光出射側端面近傍部での光のパワー密度がかなり高いレベルとなり、信頼性が低下する恐れがある。
【０１４８】
これに対し、本実施の形態３の半導体レーザ装置３０では、ストライプ状リッジ部１０７ｃを平面テーパ形状に形成しているため、光出射端面側近傍における導波路幅を増大させることができ、これにより活性層内の光出射端面近傍部での光のパワー密度の低減化を図ることができる。
【０１４９】
本実施の形態３では、ストライプ状リッジ部１０７ｃは、共振器長をＬ、前方端面（光出射側端面）におけるストライプ幅をＷｆ，後方端面におけるストライプ幅をＷｒ、前方端面からの距離がｘとなる位置におけるストライプ幅をＷｘとすると、
【０１５０】
Ｗｘ＝Ｗｆ−（Ｗｆ−Ｗｒ）・ｘ／Ｌ
【０１５１】
の関係が成り立つように形成される。
【０１５２】
例えば、ストライプ状リッジ部１０７ｃを、前方端面でのストライプ幅Ｗｆが５０μｍ、後方端面でのリッジ幅Ｗｒが３５μｍとなるテーパ形状とすることで、しきい値電流は減少し、スロープ効率は向上した。
【０１５３】
また、本実施の形態３の半導体レーザ装置３０では、上述したようにストライプ状リッジ部１０７ｃの平面形状をテーパ形状としたことにより、特性温度の点でも大幅な改善が見られた。
【０１５４】
前方端面及び後方端面でのストライプ幅が５０μｍである従来型のレーザ構造では、連続発振動作時の横モードが不安定になるレベルは、平均で８０ｍＷであった。これに対して、本実施の形態のように、前方端面でのストライプ幅を５０μｍ、後方端面でのストライプの幅を３５μｍとしたレーザ構造では、連続発振動作時の横モードが不安定になるのは平均で２００ｍＷであり、高光出力動作時まで横モードでの安定したレーザ発振が実現された。
【０１５５】
さらに、ｐ電極を４分割構造として注入電流密度に共振器長方向の分布を持たせた場合、横モードが不安定になるレベルを３００ｍＷまで増大させるのに成功した。また、特性温度も１０５Ｋから１４５Ｋに上昇した。また、しきい値電流の低下からも明らかなように、活性層内のキャリア密度の低下により熱飽和レベルが向上した。
【０１５６】
ところで、このようにストライプ状リッジ部を平面テーパ形状とすることで、活性層内の光密度の均一化を図ることができるが、前方端面でのストライプ幅と後方端面でのストライプ幅との比が大きくなりすぎると、導波路のマルチ化や、急激なテーパによる伝搬損失の増大等が発生し、テーパの広がりには限界がある。具体的には、後方端面でのストライプ幅に対して、前方端面でのストライプ幅を２倍以上にするのは難しい。このため、ストライプ幅の拡大による光密度の低減には限界があった。
【０１５７】
そこで、上記実施の形態１で示したように、電極を分割構造にし、活性層の光出射側端面近傍部での電流密度を増大させることで、さらなる高出力特性の改善が可能となった。
【０１５８】
ただし、前方端面付近と後方端面付近とで極端にストライプの幅が異なる場合、散乱損失が増大する可能性がある。望ましくは前方端面でのストライプの幅と後方端面でのストライプの幅の比は、
【０１５９】
１＜（前方端面でのストライプの幅）／（後方端面でのストライプの幅）＜２
【０１６０】
の範囲であればよい。
【０１６１】
このように本実施の形態３では、光出射端面での光反射率とその反対側の端面での光反射率とが異なる半導体レーザ装置において、ストライプ状リッジ部を、光出射端面側での幅が広くその反対側の端面での幅が狭いテーパ形状とし、該リッジ部上に配置される電極を、複数に分割した分割電極構造とし、光出射端面側に近い電極部ほど、対応する注入電流密度が高くなるようにしたので、活性層内でのキャリア密度分布が活性層内での光強度分布に応じたものとすることができるとともに、活性層の光出射端面近傍部での光パワー密度を低減することができる。これにより、安定した横モードでレーザ発振を行うことができ、しかも信頼性の高い高出力半導体レーザを得ることができる。
【０１６２】
なお、上記各実施の形態では、半導体レーザの素子構造は、図１に示す半導体層積層体を有するものとしているが、半導体レーザの素子構造はこれに限るものではない。
【０１６３】
例えば、半導体レーザを構成する半導体層積層体は、ｎ型基板上に、ｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層、多重量子井戸構造を有する活性層、アンドープキャップ層、ｐ型ガイド層、ｐ型クラッド層、エッチングストッパ層、及び第２のｐ型クラッド層を順次積層してなるものとしてもよい。この場合、ストライプ状リッジ部の直下にはエッチングストッパ層が位置することとなる。
【０１６４】
また、本実施の形態３では、ストライプ状リッジ部の平面形状を、そのストライプ幅が前方端面から後方端面にかけて連続的に変化する形状とした場合について述べたが、ストライプ状リッジ部の平面形状はこれに限定されるものではない。
【０１６５】
また、本実施の形態３では、半導体基板としてＧａＮ基板を想定しているが、例えば、レーザ素子を構成する基板は、サファイヤ基板やＳｉＣ基板等のように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料をその上にエピタキシャル成長できるものであればよい。
【０１６６】
また、本実施の形態３では、半導体レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなる半導体レーザとしているが、半導体レーザは、例えば、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料やＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いたものでもよく、この場合にも、安定した基本横モードでレーザ発振を行うことのできる高出力半導体レーザを実現可能である。
【０１６７】
特に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた半導体レーザ装置では、基板面方位が（１００）から［０−１１］または［０１１］方向に傾斜したＧａＡｓ基板上に、各半導体層を積層して半導体層積層体を形成すれば、結晶の秩序化によるバンドギャップ変動も起こらず、安定した高出力半導体レーザを実現可能である。
【０１６８】
また、本実施の形態３では、半導体レーザ装置が１つの半導体レーザ素子からなり、１つのストライプ状リッジ部を有する場合について説明したが、１つの半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子からなる、複数のストライプ状リッジ部を有するマルチビーム型の半導体レーザであってもよく、この場合も上記実施の形態３と同様の効果が得られる。
【０１６９】
さらに、実施の形態３では、半導体レーザ装置は、レーザ発振は基本横モードで行うレーザとしているが、半導体レーザ装置は、必ずしも基本横モードのみでのレーザ発振を必要としない大出力半導体レーザであってもよく、この場合も、本実施の形態３のキャリア注入密度分布を調整する構成を用いることによって利得の飽和が緩和され、より大出力の半導体レーザを実現することができる。
【０１７０】
またさらに、本実施の形態３では、半導体レーザ装置のストライプ状リッジ部を平面テーパ形状として、光出射側端面近傍における光パワー密度を低減化したものを示したが、ストライプ状リッジ部の平面形状をテーパ形状とする代わりに、ストライプ状リッジ部の上に配置される複数の分割された電極部の一部、または全てを平面テーパ形状にしてもよい。
【０１７１】
例えば、図６（ａ）は、ストライプ状リッジ部の上に配置される複数の分割された電極部の一部を平面テーパ形状にした半導体レーザ装置３０ａを示している。
【０１７２】
この半導体レーザ装置３０ａでは、ストライプ状リッジ部１０７ａの上に配置されるｐ電極１１５ｂは３分割されており、光出射端面側に位置する電極部１ｂ、及びこの隣の電極部２ｂは、光出射端面６側でのストライプ幅がその反対側の端面５側でのストライプ幅より広い平面テーパ形状としている。また、光出射端面６側と反対側の端面５に近接して位置する電極部３bは、横長の長方形形状となっている。ここでは、光出射端面６側に最も近い電極部１bの、光出射端面６側でのストライプ幅は、これに隣接する電極部２ｂの光出射端面６側でのストライプ幅より広くなっている。なお、この半導体レーザ装置３０ａは、レーザ素子の断面構造は、図１に示す実施の形態１のものと同一である。
【０１７３】
また、図６（ｂ）は、ストライプ状リッジ部の上に配置される分割された複数の電極部をすべて平面テーパ形状にした半導体レーザ装置３０ｂを示している。
【０１７４】
この半導体レーザ装置３０ｂでは、ストライプ状リッジ部１０７ａの上に配置されるｐ電極１１５ｃは３分割されており、各電極部１ｃ〜３ｃは、光出射端面６側でのストライプ幅がその反対側の端面５側でのストライプ幅より広い平面テーパ形状としている。なお、この半導体レーザ装置３０ｂは、レーザ素子の断面構造は、図１に示す実施の形態１のものと同一である。
【０１７５】
このように半導体レーザのストライプ状リッジ部上に配置される分割された複数の電極部の少なくとも一部の電極部を平面テーパ形状とすることで、光出射側端面部に近づくほど増大する光のパワー密度に合わせて、各電極部に注入される電流量を制御することができ、注入キャリア密度分布と光パワー密度分布のミスマッチを改善することができる。この結果、キャリアロスの低減化を図ることができ、高効率化の半導体レーザ装置を実現することができる。
【０１７６】
また、上記各実施の形態では、ストライプ状リッジ部は、共振器長方向の抵抗値の分布が均一なものとしているが、このストライプ状リッジ部の上面部に、共振器軸方向に沿って抵抗値を変化させた抵抗層を形成してもよい。この場合、抵抗層の抵抗値を、共振器の前方端面側で小さく、その後方端面側で大きくすることで、活性層内でのキャリア密度分布を、活性層内での光強度分布により適したものとすることができる。
【０１７７】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４による半導体レーザ装置を説明する図である。
【０１７８】
この実施の形態４の半導体レーザ装置４０は、大画面レーザディスプレイに要求される数Ｗの大出力が得られるよう、１つの共通半導体基板上に４０個のレーザ素子ＬＤ−１〜ＬＤ−ｎ（ｎ＝４０）を集積化してなるマルチストライプ構造のレーザチップであり、各レーザ素子ＬＤ−１〜ＬＤ−ｎは、図２（ａ）に示す実施の形態１の半導体レーザ装置１０と同一の構成となっている。また、この半導体レーザ装置４０の半導体基板上には、隣接する半導体レーザ素子を分離する分離抵抗部（図示していない）が形成されている。この分離抵抗部は、隣接するレーザ素子間の部分をエッチングして形成された溝であり、隣接するレーザ素子の電極間の抵抗を高めるものである。溝の深さは、活性層に導波する光に影響を与えない程度の深さであり、光量ロスが増えて効率が低下してしまうのを防止している。
【０１７９】
ここで、上記共通半導体基板には、実施の形態１と同様、ｎ型ＧａＮ基板が用いられ、該ｎ型ＧａＮ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有する活性層、アンドープＧａＮキャップ層、ｐ型ＧａＮ光ガイド層、及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層が順次積層されている。
【０１８０】
そして、上記共通半導体基板及び上記複数の半導体層からなる半導体層積層体１１０ｄ上部には、各レーザ素子ＬＤ−１〜ＬＤ−ｎを構成するストライプ状リッジ部１０７ａ１〜１０７ａｎが形成されている。ここで、上記レーザチップを構成する活性層１０４ｄの、各ストライプ状リッジ部１０７ａ１〜１０７ａｎに対向する部分が、各レーザ素子の共振器となっており、各レーザ素子ＬＤ−１〜ＬＤ−ｎからはレーザ光ＬＢ−１〜ＬＢ−ｎが出射される。なお、各ストライプ状リッジ部の幅は５０μｍであり、また、各レーザ素子の幅は３００μｍである。したがって、この半導体レーザチップの幅、つまり共振器幅方向の寸法は、１２ｍｍである。
【０１８１】
次に作用効果について説明する。
１００インチクラスの大画面をレーザの照射により実現するには、光源特性として数Ｗの出力が必要となる。また、フルカラー出力を得るためには、赤、青、緑の波長領域のレーザのそれぞれについて数Ｗクラスのものをそろえる必要がある。しかしながら、単一ストライプ構造の半導体レーザでは、Ｗクラスの出力を得るのは難しい。
【０１８２】
これに対し、本実施の形態４の半導体レーザ装置４０は、マルチストライプ構造を用いることにより数Ｗ出力を実現したものである。
【０１８３】
本実施の形態４の半導体レーザチップ４０では、１ストライプあたりの出力、つまり１つの半導体レーザ素子の出力は、１００ｍＷ程度であり、１チップで４Ｗの出力が可能となっている。また、各レーザ素子は、実施の形態１の半導体レーザ装置と同様、ストライプ状リッジ部の上に配置されるｐ電極を４分割した構造となっており、このような分割電極構造により高出力特性を改善しており、以下に簡単に説明する。
【０１８４】
まず、分割電極構造を用いることで、高出力時においてもキンクの発生やホールバーニングによる出力の不安定性等が発生せず、安定な出力を得ることができ、また、ディスプレイへの応用に必要不可欠なスペックルノイズの低減に必要な高周波重畳を低電力で印加可能となる。
【０１８５】
また、上記実施の形態１で示したように、分離抵抗部を利用して複数の電極部の一部に周波数の異なる高周波信号を印加するようにすることで、比較的少ない高周波電力でコヒーレンスの低減化が可能となり、スペックルノイズを低減することができる。特に、大出力半導体レーザの場合、該半導体レーザ全体に印加する電流量は膨大となり、注入電流全体に高周波信号を印加することは電力量から考えて不可能であるが、上記のようにｐ電極を分割電極構造にすることで、高周波信号の電力量を大幅に低減することができ、Ｗクラスの半導体レーザにおいてもスペックルノイズの低減化が可能となる。
【０１８６】
また、本実施の形態４の半導体レーザチップは、以下に示す方法を用いることで、より高効率化することができる。
【０１８７】
まず、各レーザ素子において、印加される高周波信号の周波数、電力量、電極位置、電極形状、ストライプ幅といった種々のパラメータの少なくとも何れかを異なる値に設定するようにすることにより、各レーザ素子から出射されるレーザ光が異なった波長を有することとなり、半導体レーザ装置から出力されるレーザスペクトル全体が大きく広がることになる。この結果、レーザ光のコヒーレンスが大幅に低減し、スペックルノイズを大幅に低減することが可能となる。
【０１８８】
また、各レーザ素子のストライプ状リッジ部の平面形状を、上記実施の形態３に示したテーパ形状とすることで、光パワー密度の過度な集中を防止することが可能となり、各レーザ素子のさらなる高出力化を図ることができる。この結果、マルチストライプレーザのより一層の高出力化を図ることができる。このようなレーザチップを構成する各レーザ素子の高出力化は、より少ないレーザ素子による同一出力のレーザチップの実現を可能とし、歩留まりの向上や低コスト化に有効なものである。
【０１８９】
このように本実施の形態４では、実施の形態１の半導体レーザ装置と同一の素子構造を有するレーザ素子を、同一基板上に集積化してマルチストライプ構造のレーザチップを構成したので、単一ストライプ構造の半導体レーザでは実現しにくい、ワットクラスの大出力を実現することができ、これによりレーザディスプレイの光源として使用できる半導体レーザを実現できる。
【０１９０】
また、レーザチップを構成するそれぞれのレーザ素子の電極を分割電極構造としているので、各レーザ素子における注入電流密度分布を光強度分布に適したものとして、安定した出力を得ることができ、また、高周波信号の重畳を一部の電極部に対してのみ行うことで、低電力の高周波重畳でスペックルノイズの低減が可能となる。
【０１９１】
また、各レーザ素子の特性を決定するパラメータを、各レーザ素子毎に異なる値とすることにより、スペックルノイズを大幅に低減させることが可能となる。
【０１９２】
さらに、各レーザ素子におけるストライプ状リッジ部を平面テーパ形状とすることで、活性層内での光強度分布を均一なものとして各レーザ素子のさらなる高出力化を実現することも可能である。
【０１９３】
（実施の形態５）
この実施の形態５では、上記実施の形態１ないし４のいずれかによる半導体レーザ装置を用いたレーザ投射装置の一種であるレーザディスプレイについて述べる。
【０１９４】
レーザディスプレイは、ＲＧＢ光源と投射光学系からなり、レーザ光源からの光を投射光学系によりスクリーン等へ投射することで、フルカラーの映像を投射するものである。このようなレーザディスプレイとしては、外部のスクリーンや壁などに投射してその反射光を見るタイプと、スクリーンの背面から光を照射してその透過光を見るタイプとに分類されるが、いずれの場合にも、スクリーン等で散乱された光によって色を認識する。
【０１９５】
図８は、本発明の実施の形態５によるレーザディスプレイの一例を示す。
【０１９６】
図８に示すレーザディスプレイ５０は、ＲＧＢ３色のレーザ光を出射するレーザ光源２０１ａ〜２０１ｃと、光を拡散する拡散板２０６ａ〜２０６ｃと、上記レーザ光源２０１ａ〜２０１ｃから出力された各レーザ光を上記拡散板２０６ａ〜２０６ｃに照射する光学系とを有している。上記レーザディスプレイ５０は、上記各拡散板２０６ａ〜２０６ｃを揺動する拡散板揺動部２０８ａ〜２０８ｃと、上記拡散板２０６ａ〜２０６ｃで拡散された上記各レーザ光源２０１ａ〜２０１ｃからの光を変調する空間光変調素子２０７ａ〜２０７ｃとを有している。上記レーザディスプレイ５０は、上記各空間光変調素子２０７ａ〜２０７ｃを通過した光を合波するダイクロイックプリズム２０９と、上記ダイクロイックプリズム２０９により合波された光をスクリーン２１１上に拡大投写する投写レンズ２１０とを有している。
【０１９７】
ここで、上記レーザ光源２０１ａは、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源であり、図２（ａ）に示す実施の形態１の半導体レーザ装置１０と同一の素子構造を有している。この赤色レーザ光源２０１ａに対応する光学系は、上記レーザ光源２０１ａから出射された光を拡大するビームエキスパンダ２０２ａと、上記ビームエキスパンダ２０２ａにより拡大された光の面内強度分布を均一化する光インテグレータ２０３ａとを有している。また、この光学系は、上記光インテグレータ２０３ａからの光を集光する集光レンズ２０４ａと、上記集光レンズ２０４ａにより集光された光を反射するミラー２１２ａと、該ミラー２１２ａからの反射光を収束ビームに変換して拡散板２０６ａに照射するフィールドレンズ２０５ａとを有している。なお、赤色レーザ光源２０１ａは、図２（ｂ）に示す高周波電源２３あるいは２４に相当する高周波電源２２５ａを接続することで、発振スペクトルを広げたものとなっている。
【０１９８】
上記レーザ光源２０１ｂは、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源であり、この緑色レーザ光源２０１ｂに対応する光学系は、上記レーザ光源２０１ｂから出射された光を拡大するビームエキスパンダ２０２ｂと、上記ビームエキスパンダ２０２ｂにより拡大された光の断面強度分布を均一化する光インテグレータ２０３ｂとを有している。また、この光学系は、上記光インテグレータ２０３ｂからの光を集光する集光レンズ２０４ｂと、上記集光レンズ２０４ｂにより集光された光を収束ビームに変換して拡散板２０６ｂに照射するフィールドレンズ２０５ｂとを有している。
【０１９９】
上記レーザ光源２０１ｃは、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源であり、図２（ａ）に示す実施の形態１の半導体レーザ装置１０と同一の素子構造を有している。この青色レーザ光源１ｃに対応する光学系は、上記レーザ光源２０１ｃから出射された光を拡大するビームエキスパンダ２０２ｃと、上記ビームエキスパンダ２０２ｃにより拡大された光の断面強度分布を均一化する光インテグレータ２０３ｃとを有している。また、この光学系は、上記光インテグレータ２０３ｃにより拡大投影された光を集光する集光レンズ２０４ｃと、上記集光レンズ２０４ｃにより集光された光を反射するミラー２１２ｃと、該ミラーからの反射光を収束ビームに変換して拡散板２０６ｃに照射するフィールドレンズ２０５ｃとを有している。なお、青色レーザ光源２０１ｃは、図２（ｂ）に示す高周波電源２３あるいは２４に相当する高周波電源２２５ｃに接続することで、発振スペクトルを広げたものとなっている。
【０２００】
次に作用効果について説明する。
まず、レーザディスプレイ５０の動作について説明する。
【０２０１】
上記赤色、緑色、青色レーザ光源２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃからのレーザ光は、それぞれビームエキスパンダ２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃで拡大されて光インテグレータ２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃを通過し、それぞれ集光レンズ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃに入射する。集光レンズ２０４ａ及び２０４ｃで集光された赤色及び青色レーザ光は、ミラー２１５ａおよび２１５ｃにより光路を９０度曲げられた後、フィールドレンズ２０５ａ及び２０５ｃを通過して拡散板２０６ａ及び２０６ｃに入射する。また、集光レンズ２０４ｂで集光された緑色レーザ光は、フィールドレンズ２０５ｂを通過して拡散板２０６ｂに入射する。各拡散板２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃは、拡散板揺動部２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃにて揺動している。そして、拡散板２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃを通過した各レーザ光は、空間光変調素子２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ上に照射される。
【０２０２】
このとき、空間光変調素子２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ上での照度分布は、各空間光変調素子に入射する赤色、緑色、青色の各レーザ光がインテグレータ２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃを通過したものであることから、均一なものとなっている。
【０２０３】
空間光変調素子２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃでは赤色、緑色、青色の各レーザ光がそれぞれ独立に変調され、変調された各レーザ光はダイクロイックプリズム２０９で合波され、投写レンズ２１０にて拡大投射されてスクリーン２１１上に結像される。
【０２０４】
スクリーンに投写された像は、拡散板２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃの揺動により、スペックルノイズが時間平均されて抑圧されたものとなっている。
次に、本実施の形態５のレーザディスプレイの特長について説明する。
【０２０５】
従来のレーザディスプレイでは、コヒーレンスの高い半導体レーザを利用する場合、スクリーンで散乱された光が干渉してスペックルノイズを発生する。スペックルノイズを低減する有効な方法は、レーザ光のコヒーレンスを低減することである。レーザ光のコヒーレンス低減には、縦モードをマルチモード化するのが有効である。特に、縦モードのスペクトル幅を拡大することで、スペックルノイズを大幅に低減することができる。
【０２０６】
本実施の形態５のレーザディスプレイに使用される半導体レーザ装置は、上記実施の形態１で説明したように、複数に分割した電極部の一部のものに高周波信号を重畳することにより、スペクトル幅を拡大し、コヒーレンスを低減することが可能となる。スペックルノイズを低減するには、縦モードスペクトルを波長で１ｎｍ以上、さらに望ましくは５ｎｍ程度以上に拡大することが必要とされる。縦モードスペクトルの拡大には、前述したように、分割した複数の電極部の一部のものに高周波信号を重畳する高周波重畳方法を利用することで実現することができるが、ストライプ幅の大きなワイドストライプのレーザ構造に適用することで、さらにスペクトルの拡大範囲を大きくすることができる。また、異なる電極部に異なる周波数の高周波を印加することにより、あるいはマルチストライプレーザを用いることにより、スペクトルのさらなる拡大が可能となる。
【０２０７】
ところで、レーザディスプレイの波長と視感度との関係より、ＲＧＢ光源の発振波長が重要となる。視感度の影響により、使用する波長と必要な光強度が決まる。また色度の影響で、波長と色再現性の広さが決定される。
【０２０８】
図９は、青色光源の波長と必要な出力との関係を表したものである。ここでは、赤色の波長を６４０ｎｍ、緑色は５３２ｎｍに固定したとき、１０００ｌｍの明るさを実現するための、青色の波長と必要な出力との関係を示している。
【０２０９】
青色光は、波長が４３０ｎｍ以下になると視感度が低下するため、必要パワーが急増する。また、４６０ｎｍ以上になると緑色の領域に近づくため、表現可能な色範囲が狭くなると同時にホワイトバランスを実現するための必要パワーが増大する。同時に赤色のパワーも増大する結果となる。
【０２１０】
一方、ＧａＮ系半導体による青色レーザは、通常４１０ｎｍ近傍で高出力レーザが実現されている。この波長を長波長側にシフトさせるにはＩｎの添加量を増大させる必要があるが、Ｉｎの添加量を増大させると結晶品質が悪くなり、信頼性、高出力特性が劣化する。そのため、ＧａＮ系材料を用いた青色レーザでは、波長を４５５ｎｍ以下に設定することが望まれる。また、色再現性の観点からも波長が短い青色光源を用いる方が青色領域において表現可能な色の範囲が広がるため、好ましい。
【０２１１】
以上の観点より、青色レーザの波長領域としては、４３０ｎｍ〜４５５ｎｍが好ましい。さらに好ましくは４４０〜４５０ｎｍが望まれる。この場合、必要パワーの低減による低消費電力化と高い色再現性を実現できる。
【０２１２】
また、出力光強度としては、８０インチ以上の大型の映像を実現するには、数Ｗの出力が必要である。この場合、レーザの構造としては、高出力化が可能なワイドストライプレーザ構造、または、アレイ構造が望ましい。高出力かつ信頼性の高い構造を実現するには、ワイドストライプが有効である。レーザディスプレイは回折限界の集光特性を必要としないため、シングルモード性は縦モード、横モードともに必要とさない。このため、光ディスクや光通信等に利用されている横モードシングルの導波特性を要求しない。従って、高出力化が容易なワイドストライプ構造により、高出力化、歩留まり向上、信頼性向上を実現することができる。
【０２１３】
このように本実施の形態５では、レーザディスプレイの光源として光出射端面での光反射率とその反対側の端面での光反射率とが異なる半導体レーザを用い、該半導体レーザのストライプ状リッジ部上に配置される電極を、複数に分割した分割電極構造とし、分割された各電極部には、光出射端面側に近い電極部に対応する注入電流の密度ほど高くなるよう駆動電圧を印加するので、レーザディスプレイの光源として、安定した横モードでレーザ発振を行うことができ、しかも高い信頼性のものを得ることがでる。
【０２１４】
また、本実施の形態５のレーザディスプレイでは、分割した複数の電極部の一部のものに高周波信号を重畳することにより、スペクトル幅を拡大してスペックルノイズを低減することができ、さらに、光源である半導体レーザを、異なる電極部に異なる周波数の高周波を印加する構成としたり、マルチストライプレーザとしたりすることで、さらなるスペクトル幅の拡大を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２１５】
本発明の半導体レーザ装置は、共振器長方向における光パワー密度分布の偏りによって軸方向ホールバーニングによる横モードの不安定化や利得の低下が生じて高出力特性が劣化するのを防止することができるもので、高出力な半導体レーザを必要とする光記録装置、光ディスプレイ装置等の光源として有用であり、またその他、レーザ加工、医用等への応用にも有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【０２１６】
【図１】図１は本発明の各実施の形態による半導体レーザ装置の基本構造を示す断面図。
【図２（ａ）】図２（ａ）は本発明の実施の形態１による半導体レーザ装置を模式的に示す斜視図。
【図２（ｂ）】図２（ｂ）は上記実施の形態１による半導体レーザ装置の駆動電流に対する高周波重畳を行う例を説明する図。
【図２（ｃ）】図２（ｃ）は上記実施の形態１による半導体レーザ装置の駆動電流に対する電流変調を行う例を説明する図。
【図３（ａ）】図３（ａ）は上記実施の形態１の半導体レーザを構成する共振器における軸方向光強度分布の一例を示す図。
【図３（ｂ）】図３（ｂ）は上記実施の形態１の半導体レーザを構成する、分割した４つの電極に印加する電流の大小関係を示す図。
【図３（ｃ）】図３（ｃ）は上記実施の形態１の半導体レーザの分割電極を３分割電極とした場合の、分割された３つの電極に印加する電流の大小関係を示す図。
【図４】図４は本発明の実施の形態２による半導体レーザ装置を模式的に示す斜視図。
【図５】図５は本発明の実施の形態３による半導体レーザ装置を示す平面図。
【図６（ａ）】図６（ａ）は上記実施の形態３の半導体レーザ装置における分割電極構造の他の例を説明する図。
【図６（ｂ）】図６（ｂ）は上記実施の形態３の半導体レーザ装置における分割電極構造のその他の例を説明する図。
【図７】図７は本発明の実施の形態４による半導体レーザ装置を説明する斜視図。
【図８】図８は本発明の実施の形態５によるレーザ投射装置を説明する図。
【図９】図９は半導体レーザの波長と必要な出力との関係を示す図。
【図１０】図１０は従来の半導体レーザの一例を示す模式図。
【図１１】図１１は図１０に示した従来の半導体レーザにおける共振器の軸方向光強度分布の一例を示す図。
【符号の説明】
【０２１７】
１〜４，１ａ〜３ａ，１ｂ〜３ｂ，１ｃ〜３ｃ  電極部
５  後方端面側反射膜
６  前方端面側反射膜
７  分離抵抗部
１０，１０ａ，１０ｂ，２０，３０，３０ａ，３０ｂ，４０，１００  半導体レーザ装置
１１〜１４  電源
２３，２４  高周波電源
３３，３４  変調器
５０  レーザ投射装置
１０１  ｎ型ＧａＮ基板
１０２  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０３  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０４，１０４ｄ  ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層
１０５  アンドープＧａＮキャップ層
１０６  ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０７  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ａ１〜１０７ａｎ  リッジ部
１０８  ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９  ｐメタル層
１１０，１１０ｄ  半導体層積層体
１１１，１１１ａ  絶縁層
１１５，１１５ａ〜１１５ｃ  ｐ電極
１１６  ｎ電極
２０１ａ  赤色半導体レーザ光源
２０１ｂ  緑色レーザ光源
２０１ｃ  青色半導体レーザ光源
２０２ａ〜２０２ｃ  ビームエキスパンダ
２０３ａ〜２０３ｃ  光インテグレータ
２０４ａ〜２０４ｃ  集光レンズ
２０５ａ〜２０５ｃ  フィールドレンズ
２０６ａ〜２０６ｃ  拡散板
２０７ａ〜２０７ｃ  空間光変調素子
２０８ａ〜２０８ｃ  拡散揺動手段
２０９  ダイクロイックプリズム
２１０  投写レンズ
２１１  スクリーン
２１２ａ，２１２ｃ  ミラー
２２５ａ，２２５ｃ  高周波電源
ＬＢ−１〜ＬＢ−ｎ  レーザ光
ＬＤ−１〜ＬＤ−ｎ  半導体レーザ素子
【図１】
0004701086.tif 000002
【図２（ａ）】
0004701086.tif 000003
【図２（ｂ）】
0004701086.tif 000004
【図２（ｃ）】
0004701086.tif 000005
【図３（ａ）】
0004701086.tif 000006
【図３（ｂ）】
0004701086.tif 000007
【図３（ｃ）】
0004701086.tif 000008
【図４】
0004701086.tif 000009
【図５】
0004701086.tif 000010
【図６（ａ）】
0004701086.tif 000011
【図６（ｂ）】
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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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