(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の面発光を行う面発光レーザであって、
半導体基板上に形成された活性層と、
前記活性層にキャリアを注入する一対の電極とを有し、
前記一対の電極は、その一方が１つの電極層からなり、前記電極層は、複数の微小穴が前記微小穴の占有密度が該一方の電極の中心部分とその周辺部分とで異なるよう形成されており、該一方の電極から前記活性層への電流の注入を、該一方の電極の中心部分とその周辺部分とで異なる電流密度で行うものである、
ことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
前記半導体基板上に複数の半導体層を積層してなる、前記活性層を含む半導体層積層体を有し、
該活性層で発生した光をレーザ発振が生ずるよう増幅する共振器は、前記半導体層積層体に含まれる反射層と、該反射層と対向するよう該半導体層積層体から離間して配置した外部ミラーとからなる、
ことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項３】
請求項２記載の面発光レーザにおいて、
前記外部ミラーは、その両面を凹面形状とした一部透過ミラーである、
ことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項４】
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
前記半導体基板上に複数の半導体層を積層してなる、前記活性層を含む半導体層積層体を有し、
該半導体層積層体は、前記活性層の近傍に配置され、該活性層内の過飽和キャリアを吸収する過飽和吸収体を含む、
ことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項５】
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
面発光されたレーザ光の発振波長が、４３０〜４５５ｎｍの範囲内の波長である、
ことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項６】
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
面発光されたレーザ光の発振波長が、６３０〜６５０ｎｍの範囲内の波長である、
ことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項７】
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
面発光されたレーザ光の発振波長が、５１０〜５５０ｎｍの範囲内の波長である、
ことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項８】
請求項２記載の面発光レーザにおいて、
前記外部ミラーと前記活性層との間に配置された、レーザ光の波長を変換する非線形光学材料を有する、
ことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項９】
請求項１に記載の面発光レーザにおいて、
前記半導体基板の表面上に複数の半導体層を積層してなる、前記活性層を含む半導体層積層体を有し、
前記半導体基板は、その裏面の一部を前記活性層の表面近傍までエッチングして凹部を形成したものである、
ことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項１０】
レーザ光を出力する半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を波長変換する波長変換素子とを備えた半導体レーザ装置であって、
前記半導体レーザは、請求項１記載の面発光レーザである、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１１】
複数の半導体レーザを一つのパッケージ内に集積化してなるレーザモジュールであって、
前記各半導体レーザは、請求項１記載の面発光レーザである、
ことを特徴とするレーザモジュール。
【請求項１２】
請求項１１記載のレーザモジュールにおいて、
前記複数の半導体レーザは、前記各半導体レーザが、中心が前記パッケージの中心と一致した正多角形の頂点に位置するよう配置されている、
ことを特徴とするレーザモジュール。
【請求項１３】
レーザ光を出力する半導体レーザと、該半導体レーザから出力されたレーザ光を投射する投射光学系とを備えたレーザ投射装置であって、
上記半導体レーザは、請求項１記載の面発光レーザである、
ことを特徴とするレーザ投射装置。
【請求項１４】
請求項１３記載のレーザ投射装置において、
前記面発光レーザは、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、
ことを特徴とするレーザ投射装置。
【請求項１５】
請求項１３記載のレーザ投射装置において、
前記面発光レーザは、縦モードスペクトルの実質的な幅が１ｎｍ以上広がったレーザ光を出射する、
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、面発光レーザおよびレーザ投射装置に関し、特に、安定して高出力で動作する面発光レーザ、およびこれを光源として用いたレーザ投射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザは、低しきい値でレーザ発振を行う、優れたビーム品質をもつ半導体レーザであり、出力光を高速で変調可能であるという変調特性を利用した光通信分野への応用が実現されている。しかしながら、面発光レーザの課題として高出力化が難しいという問題があった。
【０００３】
面発光レーザは、薄膜により構成されているため、その構造上、共振器長が非常に短い。このため、共振器長を増大して十分な利得を得ることは難しい。
【０００４】
一方、面発光レーザの駆動電流を増大して高出力化を図ることも考えられるが、面発光レーザでは、活性層内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り光出力が飽和して、高光出力動作が阻害される。
【０００５】
このようなことから、共振器長を増大したり駆動電流を増大したりすることなく面発光レーザの高出力化を図るには、面発光レーザにおけるビーム断面積を増大させることが有効であると考えられる。
【０００６】
ところが、このような共振器長の短い構造の面発光レーザでは、レーザの高出力化を図るためにビーム断面積を増大させると、共振器内での横モードがマルチモード化してしまい、ビーム品質や発振効率を著しく低下させるという問題が生じていた。
【０００７】
これに対して、このようなビーム品質や発振効率の低下をなくするようにした面発光レーザはすでに開発されており、例えば、特許文献１には、面発光レーザにおいて、横モードのマルチ化を抑えつつ、ビーム断面積を増大させたものが開示されている。
【０００８】
図１４は、特許文献１に開示の面発光レーザを説明する図であり、図１４（ａ）はその断面構造，図１４（ｂ）はその下部電極の形状を示しており、また、図１４（ｃ）は、この面発光レーザの活性層の、下部電極に対向する領域での光の強度分布を示している。
【０００９】
図１４（ａ）に示す面発光レーザ２００は、半導体基板２と、該半導体基板２の一方の面に形成された活性層３と、該活性層３上に形成された反射層４とを有している。ここで、該反射層４は、屈折率の異なる材料４ａ及び４ｂを交互に積層してなる分散型ブラッグ反射層であり、以下、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層ともいう。また、上記面発光レーザ２００は、上記ＤＢＲ層４の表面上に形成された円形の下部電極６００と、上記基板２のもう一方の面上に該下部電極６００に対向する領域を囲むよう形成された、リング形状の上部電極５とを有している。
【００１０】
また、この面発光レーザ２００は、上記表面電極５の上方に、その内側の基板表面に対向するよう配置された外部ミラー１を有しており、この面発光レーザ２００では、ＤＢＲ層４と外部ミラー１とにより、活性層３で発生した光をレーザ発振が生ずるよう増幅する共振器が構成されている。ここで、ＤＢＲ層４は全反射層であり、外部ミラー１は一部透過ミラーである。
【００１１】
次に動作について説明する。
この面発光レーザ２００では、上部電極５及び下部電極６００の間に駆動電圧が印加され、活性層３内に電流が注入されると、活性層３内では光が発生し、発生した光は共振器により増幅される。そして、この注入電流の大きさが一定値、つまりレーザ発振閾値より大きくなると、共振器内でレーザ発振が生じ、レーザ光８が外部ミラー１を介して外部に出射される。このとき、レーザ光８は、面発光され、レーザ光の出射方向は、基板２の表面に対して垂直な方向となっている。
【００１２】
このように上記特許文献１に開示の面発光レーザでは、共振器を構成する一方のミラーを外部ミラー１として基板から離間して配置して、共振器長の増大を図っている。つまり、このような外部ミラー１を用いることにより、ビーム断面積が大きい値のものとなっても、共振モードをシングル化することが可能となり、高出力特性を実現している。
【００１３】
また、特許文献２には、面発光レーザにおいて活性層内のキャリア密度を均一化する電極構造が開示されている。
【００１４】
この特許文献２に開示されている面発光レーザでは、裏面電極を複数に分割することにより、活性層内へ注入する電流の分布を制御可能とし、これにより大口径の面発光レーザを実現している。
【特許文献１】米国特許第６４０４７９７号明細書
【特許文献２】特開平１１−２３３８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１に開示の面発光レーザ２００では、高出力特性を実現する上で、活性層内におけるキャリア密度分布が問題となる。つまり、この文献記載の面発光レーザ２００では、活性層３の、下部電極６００に対応する領域での光の強度分布は、図１４（ｃ）に示すように、ガウス分布に近い分布となり、活性層の発光中心部分で光強度Ｌｐがピークとなっている。一方、面発光レーザ２００の活性層３の、下部電極６００に対応する領域では、その中心部とその周辺部とでは光強度分布に大きな偏りがあるにもかかわらず、活性層３内に注入されるキャリア密度Ｃｄは一様である。このため、活性層３の下部電極６００に対応する領域の中心部の周辺部分では、活性層内に存在するキャリアの密度が大きく、キャリアが過剰な状態となっており、一方、上記領域の中心部分では、キャリア不足の状態が生じている。このようなキャリアの不均一な分布により、活性層３では屈折率分布が発生し、共振モードがマルチ化してしまうこととなる。さらに、利得飽和の発生も懸念される。
【００１６】
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や、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と比べて、利得飽和が生ずるしきいキャリア密度が極めて高く、なおかつ微分利得が高い窒化物系半導体レーザで特に顕著となる。
【００１７】
また、特許文献２に開示の面発光レーザでは、複数の電極を分割する部分の抵抗分離層により、活性層に注入される電流にロスが生じて効率が低下するという問題がある。
【００１８】
本発明は、上記のような従来の問題点を解決したものであり、安定した横モードでレーザ発振を行うことができ、しかも活性層への電流注入を効率よく行うことができる高出力の面発光レーザ、並びにこのような高出力の面発光レーザ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】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の面発光レーザは、レーザ光の面発光を行う面発光レーザであって、半導体基板上に形成された活性層と、前記活性層にキャリアを注入する一対の電極とを有し、前記一対の電極は、その一方が１つの電極層からなり、該一方の電極から前記活性層への電流の注入を、該一方の電極の中心部分とその周辺部分とで異なる電流密度で行うものである、ことを特徴とするものである。
【００２０】
これにより、活性層内に注入されるキャリアの密度分布を、活性層内での光強度分布に合わせて調整して、活性層内でのキャリア分布を均一にすることができ、その結果、高出力時の横モード安定性が大幅に増大した、優れた高出力特性を有する面発光レーザを実現することができる。
【００２１】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記半導体基板上に複数の半導体層を積層してなる、前記活性層を含む半導体層積層体を有し、前記電極層と前記半導体層積層体とが接触する面密度は、前記電極層の中心部分とその周辺部分とで異なる、ことを特徴とするものである。
【００２２】
これにより、活性層内に注入されるキャリアの密度分布を、電極層と半導体層積層体とが接触する面積により調整することができ、光強度分布を有する活性層内でのキャリア分布の均一化を、電極層の形状を変えるなどの簡単な方法で実現することができる。
【００２３】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記一方の電極は、これを構成する電極層に複数の微小穴を、前記微小穴の占有密度が該一方の電極の中心部分とその周辺部分とで異なるよう形成したものである、ことを特徴とするものである。
【００２４】
これにより、活性層内に注入されるキャリアの密度分布を、電極層に形成する複数の微小穴の配置や微小穴の大きさを変えることにより調整することができ、光強度分布を有する活性層内でのキャリア分布の均一化を、電極層の構造の簡単な改変により実現することができる。しかも、半導体層上での電極層全体の広がりを大きくして、電極層からヒートシンクへの放熱効果をより高めることができ、より優れた高出力特性を有する面発光レーザを実現することができる。
【００２５】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記一方の電極は、これを構成する電極層の抵抗値が該一方の電極の中心部分とその周辺部分とで異なる、ことを特徴とするものである。
【００２６】
これにより、電極層の材料や成分を変えて電極層の抵抗値を変えることにより、活性層に注入されるキャリアの密度分布を、活性層内での光強度分布に応じてより精密に調整することができる。
【００２７】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記半導体基板上に複数の半導体層を積層してなる、前記活性層を含む半導体層積層体と、該半導体層積層体と、前記一方の電極を構成する電極層との間に形成された抵抗層とを有し、前記抵抗層の抵抗値は、前記一方の電極の中心部に対応する部分とその周辺部に対応する部分とで異なる、ことを特徴とするものである。
【００２８】
これにより、抵抗層の材料や成分を変えることにより、活性層に注入されるキャリアの密度分布を、活性層内での光強度分布に応じてより精密に調整することができる。
【００２９】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記半導体基板上に複数の半導体層を積層してなる、前記活性層を含む半導体層積層体を有し、該活性層で発生した光をレーザ発振が生ずるよう増幅する共振器は、前記半導体層積層体に含まれる反射層と、該反射層と対向するよう該半導体層積層体から離間して配置した外部ミラーとからなる、ことを特徴とするものである。
【００３０】
これにより、面発光レーザにおける共振器長を大きくすることができ、共振器内の横モードがマルチモード化するのを抑えつつ、ビーム断面積を大きくすることができ、面発光レーザの高出力特性を飛躍的に向上させることができる。
【００３１】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記外部ミラーは、その両面を凹面形状とした一部透過ミラーである、ことを特徴とするものである。
【００３２】
これにより、面発光レーザから面発光させるレーザ光の広がり角が大きくなり、面発光レーザを光ファイバなどに結合する光学系には、口径が大きく焦点距離の短い汎用タイプのレンズを用いることが可能となり、該光学系を、安価でしかも光路長の短いコンパクトなものとすることができる。
【００３３】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記半導体基板上に複数の半導体層を積層してなる、前記活性層を含む半導体層積層体を有し、該半導体層積層体は、前記活性層の近傍に配置され、該活性層内の過飽和キャリアを吸収する過飽和吸収体を含む、ことを特徴とするものである。
【００３４】
これにより、面発光レーザの発振状態を、過飽和キャリアを吸収する現象を利用した自励発振状態、つまり直流電流を流しているにもかかわらず、パルス状にレーザ光を放出する発振状態にすることができ、スペックルノイズを低減することができる。
【００３５】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、面発光されたレーザ光の発振波長が、４３０〜４５５ｎｍの範囲内の波長である、ことを特徴とするものである。
【００３６】
これにより、必要パワーの低減による低消費電力化と、高い色再現性とを実現した青色面発光レーザを得ることができる。
【００３７】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、面発光されたレーザ光の発振波長が、６３０〜６５０ｎｍの範囲内の波長である、ことを特徴とするものである。
これにより、高出力化を実現した赤色面発光レーザを得ることができる。
【００３８】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、面発光されたレーザ光の発振波長が、５１０〜５５０ｎｍの範囲内の波長である、ことを特徴とするものである。
これにより、高い信頼性を備えた緑色面発光レーザを実現することができる。
【００３９】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記外部ミラーと前記活性層との間に配置された、レーザ光の波長を変換する非線形光学材料を有する、ことを特徴とするものである。
これにより、短波長光を発生可能な高出力のレーザ光源を実現することができる。
【００４０】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記半導体基板の表面上に複数の半導体層を積層してなる、前記活性層を含む半導体層積層体を有し、前記半導体基板は、その裏面の一部を前記活性層の表面近傍までエッチングして凹部を形成したものである、ことを特徴とするものである。
【００４１】
これにより半導体基板内でのレーザ光の吸収を低減することができ、高出力化を図ることができる。
【００４２】
本発明の面発光レーザは、レーザ光を出力する半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を波長変換する波長変換素子とを備えた半導体レーザ装置であって、前記半導体レーザは、前記面発光レーザである、ことを特徴とするものである。
【００４３】
これにより、前記面発光レーザからのレーザ光を波長変換して出力する、短波長光を発生可能な高出力の半導体レーザ装置を実現することができる。
【００４４】
本発明の面発光レーザは、複数の半導体レーザを一つのパッケージ内に集積化してなるレーザモジュールであって、前記各半導体レーザは、前記面発光レーザである、ことを特徴とするものである。
【００４５】
これにより、ＲＧＢ光源などの多波長光源を実現することができ、さらにこのような多波長光源と集光光学系を用いることで超小型のレーザ照射装置を実現することができる。
【００４６】
本発明の面発光レーザは、前記レーザモジュールにおいて、前記複数の半導体レーザは、前記各半導体レーザが、中心が前記パッケージの中心と一致した正多角形の頂点に位置するよう配置されている、ことを特徴とするものである。
【００４７】
これにより、パッケージ構造を単純化して低コスト化を図ることができるとともに、レーザモジュールの高出力化と長寿命化を実現することができる。
【００４８】
本発明の面発光レーザは、レーザ光を出力する半導体レーザと、該半導体レーザから出力されたレーザ光を投射する投射光学系とを備えたレーザ投射装置であって、上記半導体レーザは、前記面発光レーザである、ことを特徴とするものである。
【００４９】
これにより、高出力時の横モード安定性が大幅に増大した、高出力化が可能な超小型のレーザ投射装置を実現することができる。
【００５０】
本発明の面発光レーザは、前記レーザ投射装置において、前記面発光レーザは、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、ことを特徴とするものである。
【００５１】
これにより、レーザ光のコヒーレント性が低減することとなり、スペックルノイズの低減を図ることができる。
【００５２】
本発明の面発光レーザは、前記レーザ投射装置において、前記面発光レーザは、縦モードスペクトルの実質的な幅が１ｎｍ以上広がったレーザ光を出射する、ことを特徴とするものである。
【００５３】
これにより、スペックルノイズを大幅に低減したレーザ投射装置を実現することができる。
【００５４】
本発明の面発光レーザは、レーザ光の面発光を行う面発光レーザであって、半導体基板上に形成された活性層と、前記活性層にキャリアを注入する一対の電極とを有し、前記一対の電極の一方は、複数の電極部分に分割したものであり、該複数の電極部の少なくとも一つには、高周波成分を重畳したレーザ駆動電圧を印加する、ことを特徴とするものである。
【００５５】
これにより、各電極部に印加する駆動電圧により、各電極部から活性層に注入されるキャリアの密度を調整することが可能となり、面発光レーザ活性層内での光強度分布に拘わらず、活性層内でのキャリア密度を均一にして、高出力時の横モード安定性が大幅に増大した、優れた高出力特性を有する面発光レーザを実現することができる。また、電極部に高周波成分を重畳したレーザ駆動電圧を印加するので、レーザ発振の状態が変化してレーザ光の時間的なコヒーレント性が低下することとなり、これにより戻り光によるノイズを低減することができる。
【００５６】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記分割された複数の電極部分は、レーザ光の発光中心の周りに実質的に均一に配置されている、ことを特徴とするものである。
【００５７】
これにより、発光中心からの距離が等しい電極部に同じレベルの駆動電圧を印加することにより、簡単に、光強度分布の異なる活性層内でのキャリア密度を均一にすることが可能となる。
【００５８】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記各電極部分から活性層への電流の注入を、該活性層の発光中心に近い領域ほど電流密度が高くなるよう行う、ことを特徴とするものである。
【００５９】
これにより、光強度のピークが発光中心に位置する光強度分布を有する活性層で、光強度分布に適した注入キャリアの密度分布を実現することができる。
【００６０】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記複数の電極部分の少なくとも一つに、変調されたレーザ駆動電圧を印加する、ことを特徴とするものである。
【００６１】
これにより、発振波長が変動するチャーピング現象を緩和しつつ、コヒーレント性の低下によりスペックルノイズを抑えることができる。
【００６２】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記各電極部分が形成する各半導体レーザ部を、異なる注入電流で駆動する、ことを特徴とするものである。
【００６３】
これにより、各半導体レーザに対応する活性層では、光強度分布に対応したキャリア注入密度を実現することが可能となり、面発光レーザの高出力化を、空間的なホールバーニングを抑えつつ図ることができる。
【００６４】
本発明の面発光レーザは、前記面発光レーザにおいて、前記半導体基板の表面上に複数の半導体層を積層してなる、前記活性層を含む半導体層積層体を有し、前記半導体基板は、その裏面の一部を前記活性層の表面近傍までエッチングして凹部を形成したものである、ことを特徴とするものである。
【００６５】
これにより半導体基板内でのレーザ光の吸収を低減することができ、高出力化を図ることができる。
【発明の効果】
【００６６】
本発明によれば、面発光レーザにおいて、面発光レーザの活性層に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光のパワー分布に応じた分布とすることにより、活性層の、電極周辺部に対応する領域での電流密度の増大によるホールバーニングの発生を回避して、高出力時の横モード安定性を大幅に増大させて高出力特性の向上を図ることができる。
【００６７】
この結果、安定した横モードでレーザ発振を行うことができ、しかも活性層への電流注入を効率よく行うことができる高出力の面発光レーザ、並びにこのような高出力の面発光レーザを光源として用いたレーザ投射装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６８】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
【００６９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による面発光レーザを説明する図であり、図１（ａ）はその断面構造を、図１（ｂ）はその下部電極の形状を示し、図１（ｃ）は、活性層の発光領域での光強度分布を示している。なお、図１中、図１４と同一符号は、従来の面発光レーザにおけるものと同一のものである。
【００７０】
この実施の形態１の面発光レーザ１００ａは、半導体基板２ａの表面上に活性層３及び反射層４を積層してなる半導体層積層体１１０と、該反射層４上の所定領域に形成された下部電極６と、上記半導体基板２ａの裏面側に形成された平面リング形状の上部電極５とを有している。
【００７１】
ここで、上記半導体基板はＧａＮを主成分とする窒素化合物からなり、上記活性層３はＧａＮを主体とする窒化物半導体からなる。上記反射層４は、上記活性層３上に屈折率の異なる材料４ａ及び４ｂを交互に積層してなる分散型ブラック反射層（以下、ＤＢＲ層という。）である。
【００７２】
そして、この実施の形態１の面発光レーザ１００ａでは、上記下部電極６は、正八角形の、その各辺を底辺とする二等辺三角形の領域を切り取って得られる星型形状を有している。従って、該下部電極６とＤＢＲ層４との接触する部分の面密度は、該下部電極６の中心部分で大きく、該下部電極６の周辺部分で小さくなっている。ここで、該下部電極６は、その中心が上記リング形状の上部電極５の中心と一致するよう配置されており、その最大幅が上記リング形状の上部電極５の内径より大きく、その外径より小さいものである。また、半導体基板２ａの、上部電極５の内側に露出する部分は、活性層３の表面近傍までエッチングされており、他の部分に比べて薄くなっている。
【００７３】
また、この実施の形態１の面発光レーザ１００ａは、上記リング形状の上部電極５の上方に配置された外部ミラー１を有しており、該外部ミラー１と上記ＤＢＲ層４とにより、活性層３で発生した光をレーザ発振が生ずるよう増幅する共振器が構成されている。ここで、外部ミラー１の、基板側の表面は凹面形状となっている。
【００７４】
次に作用効果について説明する。
まず、本実施の形態１の面発光レーザ１００ａのレーザ発振動作について簡単に説明する。
【００７５】
この面発光レーザ１００ａでは、上部電極５と下部電極６との間にレーザ駆動電圧が印加されると、活性層３内に電流が注入される。この注入電流の大きさが一定値、つまりレーザ発振閾値より大きくなると、共振器内でレーザ発振が生じ、レーザ光８が外部ミラー１を介して外部に出射される。このとき、レーザ光８は、面発光され、レーザ光の出射方向は、半導体基板２ａの表面に対して垂直な方向となっている。
【００７６】
次に、本実施の形態１の面発光レーザの特性を、従来のものと比較して説明する。
【００７７】
従来の面発光レーザでは、下部電極は、ＤＢＲ層４上に円形の導電体層を形成してなる電極構造となっていた。このため、高いパワーを得るために注入電流を大きくすると、電極周辺部での電流密度が増大し、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、注入電流の増大が出力の低下や不安定な動作の原因となる。一方、電極の中心部近傍では、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。このように従来の面発光レーザでは、高出力時には横モードのマルチ化やモードの不安定化が生じ、安定した横モードを実現することが難しかった。
【００７８】
これに対して、本実施の形態１の面発光レーザ１００ａでは、下部電極６の形状を、図１（ｂ）に示す星型形状としたことにより、活性層３に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光の強度分布に近づけることが可能となる。
【００７９】
つまり、活性層３における光の強度分布は、図１（ｃ）に示すように、光強度Ｌｐが発光中心で最も高く、周辺に行くに従い低下しており、光強度分布はガウス分布に近いものとなっている。従って、下部電極６の平面形状を、図１（ｂ）に示す星型形状とすることにより、該下部電極６とＤＢＲ層４との接触する部分の面密度が、該下部電極の中心から周辺部にかけて減少する。言い換えると、下部電極６から活性層３に注入される電流（キャリア）の密度は、図１（ｃ）に示すように、下部電極６の中心部分で最大となり、周辺部分に行くに従い低減することとなる。その結果、活性層３内に注入される電流の密度分布が活性層３内での光の強度分布に応じたものとなり、高出力時における横モード安定性を大幅に向上させた、優れた高出力特性を有する面発光レーザを実現することができる。
【００８０】
また、従来、電極を複数に分割した構造として、注入キャリア密度の分布を調整可能とした面発光レーザが既に提案されている。ところが、面発光レーザの電極を分割すると、電極を分割する部分に位置する抵抗分離層により、活性層への注入電流にロスが生じて効率が低下してしまうという問題があった。また、このような分割された複数の電極では、注入キャリア密度分布を離散的にしか変化させることができないので、注入キャリアの密度分布と光強度分布との整合が十分ではない。さらに、分割された複数の電極には、個々の電極からは異なる電流密度で活性層に電流が注入されるようレーザ駆動電圧を印加することになるため、レーザの駆動回路が複雑になる等の問題があった。
【００８１】
これに対して、本実施の形態１の面発光レーザ１００ａでは、下部電極６の平面形状を、下部電極６とＤＢＲ層４との接触する部分の面密度が、該下部電極６の中心部分で大きく、該下部電極６の周辺部分で小さくなるよう、星型形状としているので、注入キャリア密度分布を連続的に変化させることができ、さらに、従来の面発光レーザにおける、電極を分離する抵抗分離層を必要としないため、注入電流ロスが少なく、効率の良いレーザ発振が可能である。
【００８２】
このように本実施の形態１では、半導体基板２ａ上に形成された活性層３と、前記活性層３にキャリアを注入する一対の上部電極５及び下部電極６とを有し、該下部電極６の平面形状を、該下部電極６から前記活性層３への電流の注入が、該下部電極６の中心部分では高い電流密度で、その周辺部分では低い電流密度で行われるよう星型形状としたので、面発光レーザの活性層３に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光のパワー分布に応じた分布とすることができる。これにより、活性層の、電極周辺部に対応する領域での電流密度の増大によるホールバーニングの発生を回避して、高出力時の横モード安定性を大幅に増大した、優れた高出力特性を有する面発光レーザを実現することができる。
【００８３】
また、この実施の形態１では、半導体基板２ａの、下部電極６に対向する領域を、活性層３の表面近傍までエッチングして薄くしているので、活性層３の、下部電極６に対向する部分で発生したレーザ光が半導体基板２ａで吸収されるのを低減することができ、半導体基板２ａの裏面側からレーザ光を効率よく取り出すことができる。
【００８４】
また、このように半導体基板２ａの裏面側からレーザ光を取り出す構造では、活性層３上のＤＢＲ層４の表面上という、活性層に近い位置に熱伝導の高い金属電極層を形成することができる。さらに、面発光レーザを、上記のような金属電極層をヒートシンク上に（これに）密着させて配置した構成にすることにより、活性層３で発生した熱を効率良く外部に逃がすことができ、その結果、活性層３での温度上昇を抑圧することができ、面発光レーザのさらなる高出力化が可能となる。
【００８５】
また、本実施の形態１では、面発光レーザ１００ａの共振器を、半導体基板２ａ上に形成したＤＢＲ層４と、半導体基板２ａから離間して配置した外部ミラー１とにより構成しているため、共振器長を十分確保することができる。これにより、共振器の横モードの安定性を増大させて、下部電極６近傍の活性層３における光強度分布を大きくすることができる。
【００８６】
例えば、活性層内での光強度分布の範囲は、共振器長にほぼ比例関係にあり、外部ミラー１を用いることにより共振器長を１０倍以上にすることができ、これにより有効な活性層面積を大きくすることができる。その結果、面発光レーザでは、有効な活性層面積に比例して増大するものである高出力特性を、飛躍的に向上できる。
【００８７】
また、共振器を外部ミラーを用いて構成した、有効活性層面積の広い面発光レーザでは、活性層３における光強度分布と注入キャリア分布との整合性の問題が顕著となるが、本実施の形態１では、面発光レーザの下部電極６の平面形状を星型形状としているため、外部ミラー型の面発光レーザにおけるキャリア密度分布と光強度分布との不整合問題は解消されており、面発光レーザは高出力特性を大幅に改善したものとなっている。
【００８８】
また、本実施の形態１の面発光レーザでは、過飽和吸収を利用した自励発振状態、つまり半導体レーザへの印加電流は直流電流であるにもかかわらず、出力としてはパルス状にレーザ光を放出する発振状態により発振波長を変動させて、スペックルノイズを低減することが可能である。
【００８９】
つまり、本実施の形態１の面発光レーザでは、下部電極６の平面形状を、該下部電極６から前記活性層３への電流の注入が、該下部電極６の中心部分では高い電流密度で、その周辺部分では低い電流密度で行われるような形状としているので、活性層における、注入電流密度を小さくするようにしている下部電極６の周辺に対応する部分に、過飽和吸収体を設けることにより、高出力面発光レーザにて、過飽和吸収を利用した自励発振によりスペックルノイズを低減することが可能となる。
【００９０】
なお、本実施の形態１では、下部電極６の平面形状を、該下部電極６とＤＢＲ層４との接触する部分の面密度が、該下部電極６の中心部分からその周辺部分にかけて連続的に変化するよう、星型形状としたが、下部電極６の構造はこのような平面星型形状のものに限定されるものではない。
【００９１】
例えば、下部電極６は、これとＤＢＲ層４との接触する部分の面密度が、該下部電極６の中心部とその周辺部とで異なるように、微細な穴を複数形成したものでもよい。
図２は、このような微細な穴を形成した下部電極の構造の例を説明する図である。
【００９２】
図２（ａ）に示す下部電極６ａは、該電極を構成する単一の電極層に微細な穴を複数形成したものである。この下部電極６ａでは、その中心部に形成した微細穴７ａの径は、周辺部に形成した微細穴７ｃの径より小さい。また、下部電極６ａの中心部と周辺部との間の中間部に形成した微細穴７ｂの径は、中心部に形成した微細穴７ａの径より小さく、周辺部に形成した微細穴７ｃの径より大きい。
【００９３】
このように複数の微細穴を形成した下部電極６ａは、上記実施の形態１の下部電極６と同様、該下部電極６ａとＤＢＲ層４との接触する部分の面密度がその中心部に近いほど大きくなっており、これにより面発光レーザの活性層に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光のパワー分布に応じた分布とすることができる。
【００９４】
また、図２（ｂ）に示す下部電極６ｂは、図２（ａ）に示す下部電極６ａと同様、該電極を構成する単一の電極層に微細な穴を複数形成したものである。この下部電極６ｂでは、その周辺部に近いほど、微細穴７ｄの配置密度が大きくなっている。
【００９５】
このように複数の微細穴を形成した下部電極６ｂは、上記実施の形態１の下部電極６と同様、該下部電極６ｂとＤＢＲ層４との接触する部分の面密度がその中心部に近いほど大きくなっており、これにより面発光レーザの活性層に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光のパワー分布に応じた分布とすることができる。
【００９６】
この図２（ａ）に示す下部電極６ａ、あるいは図２（ｂ）に示す下部電極６ｂは、下部電極を構成する金属層などを、マスクを用いた選択的なエッチング処理により簡単に形成することができる。
【００９７】
また、このような微細な穴を複数有する下部電極は、その配置可能な領域の全面に広がって形成することにより、ヒートシンクへの放熱効果を向上することができる。
【００９８】
また、本実施の形態１では、下部電極の平面形状により、活性層に注入される電流の密度分布を活性層内での光強度分布と整合するよう調整したものを示しているが、活性層に注入される電流の密度分布は、例えば、従来の面発光レーザにおける下部電極６００とＤＢＲ層４との間に部分的に電流ストップ層を配置することにより調整してもよい。
図３は、このような電流ストップ層の具体的な例を説明する図である。
【００９９】
図３（ａ）に示す電流ストップ層は、下部電極６００とＤＢＲ層４との間に形成された、複数の穴を形成した絶縁層１１からなる。
【０１００】
この絶縁層１１には、下部電極６００の中心部に対応する部分に大口径の穴１１ａが形成され、この大口径の穴１１ａの周囲に沿ってこれより口径の小さい中口径の穴１１ｂが複数形成されており、さらに、この中口径の穴１１ｂの外側に、口径のさらに小さい小口径の穴１１ｃが複数形成されている。
【０１０１】
このように複数の穴を形成した絶縁膜１１を、下部電極６００とＤＢＲ層４との間に配置することにより、上記実施の形態１と同様、該下部電極６００とＤＢＲ層４との接触する部分の面密度がその中心部に近いほど大きくなり、これにより面発光レーザの活性層に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光のパワー分布に応じた分布とすることができる。
【０１０２】
図３（ｂ）に示す電流ストップ層は、下部電極６００とＤＢＲ層４との間に形成された、複数の穴を形成した絶縁層１２からなる。
【０１０３】
この絶縁層１２には、上記下部電極の中心部に対応する部分に大口径の穴１２ａが形成され、この大口径の穴１２ａの外側には、口径の小さい複数の小口径の穴１２ｂが、下部電極６００の中心から遠ざかるほど、該穴１２ｂの密度が小さくなるよう形成されている。
【０１０４】
このように複数の穴を形成した絶縁膜１２を、下部電極６００とＤＢＲ層４との間に配置することにより、上記実施の形態１と同様、該下部電極６００とＤＢＲ層４との接触する部分の面密度がその中心部に近いほど大きくなり、これにより面発光レーザの活性層に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光のパワー分布に応じた分布とすることができる。
【０１０５】
また、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、下部電極とＤＢＲ層との間に電流ストップ層を配置してなる電極構造は、下部電極の形成が簡単であり、また、下部電極の面積を大きくとれるため、下部電極が半田を介して外部のヒートシンクに接合する接触面積も大きくなる。従って、図３（ａ）あるいは図３（ｂ）に示す、電流ストップ層を用いた電極構造は、放熱効果に優れ、高出力化に優位なものである。
【０１０６】
さらに、図３（ａ）あるいは図３（ｂ）に示す電極構造は、上記電流ストップ層に代わる、抵抗値の面内分布を持たせた抵抗層を有するものであってもよい。
【０１０７】
この場合、電極構造における抵抗層の抵抗分布は、下部電極の中心から離れるほど、抵抗値が小さくなるものとする。これにより面発光レーザの活性層に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光のパワー分布に応じた分布とすることができる。
【０１０８】
またさらに、上記下部電極とＤＢＲ層とを接続する電極構造は、上記電流ストップ層や抵抗層を有するものに限らず、下部電極自体に抵抗値の面内分布を持たせたものであってもよい。この場合、上記下部電極の抵抗分布は、その中心から離れるほど、抵抗値が小さくなるものとする。これにより面発光レーザの活性層に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光のパワー分布に応じた分布とすることができる。
【０１０９】
また、本実施の形態１では、面発光レーザを構成する半導体基板は、ＧａＮを主成分とする窒素化合物からなる半導体からなるものとしているが、面発光レーザの半導体基板は、例えば、ＳｉＣ基板等、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ってもよい。
【０１１０】
また、本発明の面発光レーザは、上述したＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなるものに限るものではない。例えば、面発光レーザの構成材料は、ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料、あるいはＺｎＳｅ系半導体材料であってもよく、このような半導体材料を用いた場合も、安定した基本横モードでレーザ発振する高出力面発光レーザを実現することができる。特に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料は、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ないことから、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いることにより、安定した高出力動作が可能な面発光レーザを実現することができる。
【０１１１】
また、本実施の形態１では、半導体基板２ａの下部電極６に対向する領域を、その裏面側から、基板表面側の活性層３の近傍までエッチングして凹部９を形成し、該凹部９を囲むようリング形状の上部電極５を基板の裏面に形成しているが、上記上部電極５は、半導体基板２ａの裏面側に形成したリング形状のものに限らず、例えば、凹部９の底面に形成した透明電極であってもよい。このような透明電極を用いると、活性層と上部電極とが近づくので、活性層内への注入電流のロスをより効果的に減らすことができる。
【０１１２】
また、本実施の形態１では、半導体基板２ａの下部電極６に対向する領域を、その裏面側から、基板表面側の活性層３の近傍までエッチングして凹部９を形成しているが、上記面発光レーザの半導体基板の材料として、導電性が高く、レーザ光に対して透明なものを用いた場合は、上記凹部９は形成する必要はない。
【０１１３】
また、本実施の形態１では、面発光レーザとして、共振器を、半導体基板２ａ上に積層した複数の半導体層の１つであるＤＢＲ層４と、半導体基板２ａから離間して配置した外部ミラー１とにより構成したものを示したが、面発光レーザは、半導体基板上に積層した半導体層により共振器を構成した、通常の薄膜面発光レーザであってもよく、この薄膜面発光レーザにおいても、上記実施の形態１と同様、下部電極６の平面形状を、該下部電極６から前記活性層への電流の注入が、該下部電極の中心部分では高い電流密度で、その周辺部分では低い電流密度で行われるような形状とすることにより、高出力特性を飛躍的に向上させることが可能となる。
【０１１４】
また、本実施の形態１では、面発光レーザは、１つの面発光部分を有する１つのレーザ素子であるが、１つのレーザ素子である面発光レーザは、複数の面発光部分を有するマルチビーム型の面発光レーザであってもよい。この場合、面発光レーザの各面発光部分における活性層に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光のパワー分布に応じた分布とすることにより、各面発光部分での利得の飽和が緩和され、レーザ光の面発光を行うより大出力の半導体レーザを実現することができる。
【０１１５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２による面発光レーザを説明する図であり、図４（ａ）はその断面構造を、図４（ｂ）はその下部電極の形状を示し、図４（ｃ）は、活性層の発光領域での光強度分布を示している。なお、図４中、図１と同一符号は、実施の形態１の面発光レーザにおけるものと同一のものである。
【０１１６】
この実施の形態２の面発光レーザ１００ｂは、上記実施の形態１の面発光レーザ１００ａにおける、星型形状の下部電極６に代えて、２分割した下部電極６０を備えたものである。また、この面発光レーザ１００ｂでは、半導体基板２ａの裏面側に形成された凹部９の表面には、共振器内における光のロスが低減するよう無反射コートが施されている。
【０１１７】
ここで、上記下部電極６０は、図４（ｂ）に示すように、その中心部に位置する円形の内側電極部６０ａと、該内側電極部６０ａを囲むよう配置されたリング形状の外側電極部６０ｂとからなる。また、この２分割された下部電極６０の、上記外側電極部６０ｂと内側電極部６０ａとの間の部分は、抵抗値の高い抵抗分離部６１となっている。このように下部電極６０を２分割した構造とすることで、活性層３内に注入する電流の密度分布を、活性層３内での光の強度分布に合わせて調整することが可能となる。
【０１１８】
すなわち、活性層３における光の強度分布は、図４（ｃ）に示すように、光強度Ｃｄ２が発光領域の中心部、つまり活性層３の、下部電極に対向する領域の中心部で最も高く、中心から離れるほど低下するというガウス分布に近いものとなっている。従って、この実施の形態２の面発光レーザ１００ｂでは、活性層３に注入される電流の密度分布が光強度分布に対応したものとなるよう、内側電極部６０ａに印加するレーザ駆動電圧を、外側電極部６０ｂに印加するレーザ駆動電圧より高くしている。また、この面発光レーザ１００ｂでは、外側電極部６０ｂに印加するレーザ駆動電圧は、発生するレーザ光のコヒーレンスが緩和されるよう、直流成分に高周波成分を重畳したものとしている。
【０１１９】
次に作用効果について説明する。
本実施の形態２の面発光レーザ１００ｂの基本的なレーザ発振動作は実施の形態１の面発光レーザ１００ａと同様に行われる。
【０１２０】
そして、この実施の形態２では、２分割された下部電極６０の外側電極部６０ｂには、高周波成分が重畳されたレーザ駆動電圧が印加されるため、活性層３の、外側電極部６０ｂに対向する部分ではキャリア密度が変動する。このため、共振器全体でのレーザ発振状態が変動することとなり、時間的なコヒーレンスが緩和される。
次に、本実施の形態２の面発光レーザの特性を、従来のものと比較して説明する。
【０１２１】
従来の面発光レーザでは、上述したように、下部電極は単一の電極構造となっていたため、高出力時には横モードのマルチ化やモードの不安定化が生じ、安定した横モードを実現することが難しかった。
【０１２２】
これに対して、本実施の形態２の面発光レーザ１００ｂでは、下部電極６０を、図４（ｂ）に示すように２分割した構造としたことにより、活性層に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光の強度分布に近づけることが可能となり、これにより高出力時における横モード安定性を大幅に向上させた、優れた高出力特性を有する面発光レーザを実現することができる。
【０１２３】
また、本実施の形態２では、面発光レーザ１００ａの共振器を、半導体基板２ａ上に形成したＤＢＲ層４と、半導体基板２ａから離間して配置した外部ミラー１とにより構成しているため、実施の形態１と同様、共振器長を十分確保することができる。これにより、共振器の横モードの安定性を増大させて、下部電極６０近傍の活性層３における光分布を大きくすることができる。
【０１２４】
また、共振器を外部ミラーを用いて構成した、有効活性層面積の広い面発光レーザでは、活性層３における光強度分布と注入キャリア分布との整合性の問題が顕著となるが、本実施の形態２では、面発光レーザの下部電極を２分割構造としているため、外部ミラー型の面発光レーザにおけるキャリア密度分布と光強度分布との不整合問題は解消されており、面発光レーザは高出力特性を大幅に改善したものとなっている。
【０１２５】
さらに、下部電極を複数に分割した面発光レーザでも、有効活性層面積が小さいものでは、下部電極を分割したことによる注入キャリア密度分布の形成が難しく、分離された電極間の抵抗分離層の部分では注入電流ロスも問題となるが、本実施の形態２では、上述したように、外部ミラー１を用いることで活性層面積が十分大きなものとなっており、このため、抵抗分離層による注入電流ロスの問題も殆ど無視できるため、下部電極の２分割構造は有効なものとなっている。
【０１２６】
また、本実施の形態２では、分割した個々の電極部に注入する電流の特性を変えることで、特性を大幅に改善している。特に、従来の面発光レーザでは、１００ｍＷ以上の大出力で使用する場合に、安定に駆動する、レーザ光を変調する、あるいはレーザ駆動電流に高周波成分を重畳するといったことが困難であったが、これらの問題も本実施の形態２の面発光レーザでは解決されている。
【０１２７】
ここで、本実施の形態２の面発光レーザにおける、戻り光によるノイズ発生が防止されるメカニズムについて説明する。
【０１２８】
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信号を重畳する方法がある。しかしながら、従来の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。そして、このようなＲＦパワーの増大は、消費電力の増大、さらに放熱対策や放射対策等の必要性から、システム全体のコストが大幅に増大することとなる。
【０１２９】
本実施の形態２の面発光レーザ１００ｂは、こ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したものである。
【０１３０】
つまり、高周波重畳は、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ものである。従って、活性層に注入されるキャリアの密度に対する変化率の大きさが重要である。
【０１３１】
従来の単一電極構造の面発光レーザでは、注入される電流は電極全体に分散するため、注入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、高周波で変化させる電流の割合を大きくとる必要があり、レーザ駆動電流に重畳する高周波成分のＲＦ振幅が大きくなっていた。
【０１３２】
これに対して、本実施の形態２の面発光レーザ１００ｂでは、下部電極６０を複数の電極部に分割し、一部の電極部にのみＲＦ重畳するようにしている。このような構成の面発光レーザ１００ｂでは、下部電極を複数に分割しているため、各電極部による注入電流は、下部電極全体による注入電流に比べて大幅に低下する。つまり、下部電極の分割により得られる複数の電極部の一部にＲＦ信号を重畳する場合のＲＦ振幅は、単一の下部電極にＲＦ信号を重畳する場合のＲＦ振幅に対して何分の１かに低減可能となり、これにより高周波重畳のパワーを大幅に低減できる。また、一部の電極部にＲＦ信号を重畳した場合にも、該電極部による注入キャリアの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。
【０１３３】
さらに、本実施の形態２の面発光レーザ１００ｂでは、図４（ｃ）の光の強度分布図に示すように、高出力を得る場合、発光領域の中心近傍に位置する電極部６０ａに大きな電流を供給する必要があるが、発光領域の中心から離れた周辺部の電極部６０ｂでは、光のパワー密度に応じた小さい電流しか必要とされない。このため、発光領域の周辺部近傍に位置する電極部に供給するレーザ駆動電流にＲＦ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、その結果、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。
【０１３４】
また、本実施の形態２の、電極を分割した構造は、ＧａＮレーザに特に有効であり、以下簡単に説明する。
【０１３５】
ＧａＮ基板をベースとする半導体レーザは、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。これは、半導体レーザへ注入する電流を高周波信号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。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、レーザ駆動電流に高周波信号を重畳する。ところが、ＧａＮレーザでは、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。
【０１３６】
これに対して、電極を複数に分割して一部の電極部に高周波信号を重畳する構成では、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できることが分かった。
【０１３７】
従って、本実施の形態２の、下部電極を複数に分割した面発光レーザ１００ｂは、光ディスク装置等への応用に好ましい。
【０１３８】
また、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、電極を分割した構造として、レーザ駆動電流に高周波信号を効率よく重畳することは可能である。
【０１３９】
さらに、本実施の形態２の、下部電極を複数に分割した構成は、面発光レーザの出力を変調する場合にも有効な役割を果たす。
【０１４０】
現在、半導体レーザの出力を変調する場合、レーザの駆動電流全体を変調する。ところが、半導体レーザの駆動電流全体を変化させると、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発生する。例えば、光ディスク等のメディアに対する記録を行う場合、光源光を変調しながら記録を行うが、この際に、チャーピングにより光源光の波長が変動すると、色収差の影響で集光スポットの大きさが変化する。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。
【０１４１】
本実施の形態２の面発光レーザ１００ｂは、このようなチャーピング現象を抑制する上で有効なものであり、下部電極を２つの電極部に分割した構造として、一方の電極部に注入する電流を変調することで、注入電流の変調に伴う、レーザ全体での注入電流の変動が小さくなり、チャーピングを小さく抑えることができる。
【０１４２】
このように本実施の形態２では、下部電極６０を内側電極部６０ａと外側電極部６０ｂの２つに分割した構造とし、発光領域の中心から遠い外側電極部に高周波信号を重畳したレーザ駆動電圧を印加するので、面発光レーザの活性層に注入するキャリアの密度分布を、活性層内での光の強度分布に応じた分布とすることができる。
【０１４３】
具体的には、従来の単一構造の電極を有する面発光レーザに比べて、同じ注入電流値であっても、発光中心部分により多くのキャリアを注入することができるとともに、発光中心から遠い電極部から活性層に注入される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。その結果、スロープ効率の向上により、注入キャリア密度の低減、および光出力の飽和レベルの向上を図ることができる。
【０１４４】
さらに、本実施の形態２の面発光レーザにおける複数に分割された電極構造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面発光レーザにおいて特に有効である。
【０１４５】
なお、本実施の形態２では、下部電極６０を２分割構造としたが、下部電極はさらに細かく分割した構造としてもよい。このとき、分割された複数の電極部分は、レーザ光の発光中心の周りに実質的に均一に配置されるようにする。これにより、簡単に光強度分布の異なる活性層内でのキャリア密度を均一にすることができ、また、より安定した単一横モード動作を高出力時に実現することができる。
【０１４６】
また、本実施の形態２の面発光レーザは、上述したＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなるものに限るものではない。例えば、実施の形態２の面発光レーザの構成材料は、ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料、あるいはＺｎＳｅ系半導体材料であってもよく、このような半導体材料を用いた場合も、下部電極を複数に分割した構造により、安定した基本横モードでレーザ発振する高出力半導体レーザを実現することができる。
【０１４７】
また、上記実施の形態１あるいは実施の形態２では、半導体基板上に形成された単一の面発光レーザについて説明したが、１つの半導体基板上には実施の形態１の面発光レーザ１００ａあるいは実施の形態２の面発光レーザ１００ｂを複数形成してもよい。
【０１４８】
図５は、１つの半導体基板上に複数の面発光レーザを形成した半導体レーザ装置の具体例を示す図であり、図５（ａ）はその下部電極の形状を示し、図５（ｂ）はＶｂ−Ｖｂ断面図を示している。
【０１４９】
この半導体レーザ装置１２０は、図５（ａ）に示すように、１つの半導体基板２２上に、実施の形態２の面発光レーザと同一の面発光レーザ１２０ｂを複数形成してなるものである。
【０１５０】
具体的には、図５（ｂ）に示すように、上記半導体基板２２の表面には、活性層２３及びＤＢＲ層２４が積層されている。そして、半導体基板２２の表面側には、ＤＢＲ層２４の表面側から基板内部に達する分離溝６２ａが形成され、該分離溝内には絶縁材料が埋め込まれ、抵抗分離領域６２となっている。この分離溝６２ａは、縦方向及び横方向に複数形成されており、分離溝６２ａにより囲まれた領域上には、実施の形態２の下部電極と同様、２分割した下部電極２６が配置されている。
【０１５１】
また、上記半導体基板２２のもう一方の表面上には、該下部電極２６に対向するようリング形状の上部電極２５が形成され、該基板２２の上部電極２５の内側部分には、エッチングによる凹部２９が形成されている。さらに、該上部電極２５の上方には、外部ミラー２１が配置されている。
【０１５２】
このように面発光レーザ１２０ｂを一つの基板内に複数形成し、該隣接する面発光レーザ１２０ｂの間を抵抗分離領域６２で分離することにより、高出力化を図ることが可能となり、隣接する面発光レーザ１２０ｂの間での相互の影響は抵抗分離領域６２により避けることができる。
【０１５３】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３によるレーザ投射装置を説明する概略構成図である。
【０１５４】
この実施の形態３のレーザ投射装置１３０は、レーザ光源１３１と、レーザ光源１３１から出たレーザ光を平行化するレンズ１３２と、平行化されたレーザ光を空間的に変調する空間変調器１３３と、変調されたレーザ光をスクリーン１３５上に投射する投射レンズ１３４とを有している。そして、本実施の形態３のレーザ投射装置１３０では、レーザ光源には、下部電極を複数に分割した実施の形態２の面発光レーザ１００ｂと同一のものを用いている。また、この実施の形態３のレーザ光源である面発光レーザでは、下部電極の、分割した複数の電極部の一部の電極部から活性層に注入する電流を変調し、さらに、上記複数の電極部の一部に注入する電流にＲＦ信号を重畳するようにしている。特に、この実施の形態の面発光レーザでは、内側電極部と外側電極部には異なる周波数の高周波信号を重畳するようにしている。
【０１５５】
次に作用効果について説明する。
以下、まず、このようなレーザ投射装置の一種であるレーザディスプレイに応用される半導体レーザの構成について述べる。
【０１５６】
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。
【０１５７】
そこで上記実施の形態１，２の面発光レーザを、上記実施の形態３のレーザ投射装置の一種であるレーザディスプレイに応用する場合について考える。
【０１５８】
上記実施の形態１，２の面発光レーザは、以下に示す特長を有する。
第１の特長は、高出力化が容易であり、安定した単一横モード発振を行うことができることである。
【０１５９】
また、第２の特長は、ビーム形状が理想的な円形に近く、このため、整形光学系を必要とすることなく、単純な光学系でレーザディスプレイ用の集光ビームを実現することができる点である。特に、上記実施の形態２の面発光レーザ１００ｂは、高出力の光変調を実行可能なものである。
【０１６０】
このような出力特性を有する面発光レーザをレーザディスプレイに応用することは非常に有効であるが、レーザディスプレイ用の光源として用いるためには、上述の出力特性に加えて、次の特性が要求される。
【０１６１】
まず、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。
【０１６２】
また、スペックルノイズを低減させるためには、コヒーレンスの低減が重要であり、波長スペクトル幅を数ｎｍに拡大する必要がある。
【０１６３】
本実施の形態３では、上記２点の課題、つまり波長変化を抑制する点と、波長スペクトル幅を拡大する点は解決されたものとなっており、従来のものと比較しながら説明する。
【０１６４】
まず、波長の安定化について述べる。
レーザ光により映像を投射する場合、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。つまり、レーザディスプレイでは、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、この際、レーザ波長が出力強度と共に変化する。従って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ことから、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してしまう。
【０１６５】
これに対して、本実施の形態３のレーザ投射装置１３０のレーザ光源である面発光レーザは、図４に示すように下部電極を複数の電極部に分割し、一部の電極部から活性層に注入す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させることができ、波長変動の少ない、かつ安定した変調を行うことができる。また、この面発光レーザでは、横モードの安定化により、階調度の増大化を図ることができる。
【０１６６】
次に、スペックルノイズを低減させるための波長スペクトル幅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高周波重畳を行うことが必要となる。
【０１６７】
従って、従来の半導体レーザでは、数１００ｍＡの電流を注入した状態で高周波重畳を行う必要があり、数１００ｍＡの電流振幅をもった高周波信号を印加するハイパワーの高周波回路が必要であった。しかしながら、非常に大きな消費電力が必要となるため、消費電力の低減化、および外部放射の低減化が問題となる。
【０１６８】
これに対し、本実施の形態３のレーザ光源としての面発光レーザでは、分割した複数の電極部の一部に注入する電流にＲＦ信号を重畳することにより、ＲＦ電流を低減することができるとともに、活性層の、発光領域の中心から離れた部分では、電流密度を低減でき、これにより注入電流を低減することができる。その結果、注入電流に依存する、重畳するＲＦ信号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。
【０１６９】
次に、コヒーレンスのさらなる低減によるスペックルノイズの防止について説明する。
コヒーレンスの低下は、スペクトル幅の拡大に比例するため、スペクトル幅を大きく広げると、よりスペックルノイズを低減することができる。これを実現するためには、半導体レーザの駆動電流に重畳する高周波電流のパワーを増大することが有効であるが、該重畳する高周波電流のパワー増大によるスペクトル幅の拡大は、波長で数ｎｍ程度に限られる。
【０１７０】
そこで、本実施の形態３のレーザ光源としての面発光レーザでは、スペクトル幅がさらに拡大するよう、分割した内側電極部と外側電極部には異なる周波数の高周波信号を印加するようにしている。
【０１７１】
例えば、内側電極部と外側電極部の一方に、５００ＭＨｚの高周波信号を印加し、その他方に４００ＭＨｚの高周波信号を印加すると、各電極部からの注入電流による発振状態の相対的な乱れが大きくなり、スペクトル幅の広がりが大きくなる。このとき、スペクトル幅の増大は周波数依存性があるが、スペクトル幅の増大量を、一つの電極に高周波信号を印加する場合に比べて、１．２〜１．５倍に高めることができる。
【０１７２】
本実施の形態３のレーザ投射装置１３０で用いる、実施の形態２の面発光レーザの分割電極構造は、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。
【０１７３】
また、本実施の形態３のレーザ投射装置で用いる面発光レーザでは、過飽和吸収を利用した自励発振により発振波長を変動させて、スペックルノイズを低減することが可能である。なお、自励発振は、半導体レーザに直流電流を流しているにもかかわらず、パルス状にレーザ光を放出している発振状態である。
【０１７４】
つまり、自励発振は過飽和吸収を利用するため、高出力半導体レーザに適用することは難しかったが、この実施の形態３のレーザ投射装置で用いる面発光レーザは、下部電極を内側電極部と外側電極部とに２分割した構造となっているため、活性層における、注入電流密度を小さくするようにしている下部電極の周辺に対応する部分に、過飽和吸収体を設けることにより、高出力面発光レーザにおいて、過飽和吸収を利用した自励発振によりスペックルノイズを低減することが可能となる。
【０１７５】
このように本実施の形態３では、レーザ投射装置のレーザ光源として、実施の形態２と同様、下部電極を内側電極部と外側電極部に２分割した構造の面発光レーザを用いたので、活性層に注入される電流の密度を、活性層内での光強度分布に整合したものとすることができ、しかも活性層の、発光領域の中心から離れた部分では、電流密度を低減できるため、注入電流を低減することができる。
【０１７６】
また、本実施の形態３では、分割した複数の電極の一部から活性層に注入する電流にＲＦ信号を重畳することにより、ＲＦ電流を低減することができる。
その結果、レーザ投射装置の簡易化、小型化、低消費電力化を実現することができる。
【０１７７】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４による面発光レーザを説明する図であり、面発光レーザの断面構造を示している。なお、図７中、図１と同一符号は、実施の形態１の面発光レーザにおけるものと同一のものである。
【０１７８】
この実施の形態４の面発光レーザ１００ｄは、上記実施の形態１の面発光レーザ１００ａにおける外部ミラー１に代えて、その両面を凹面形状とした外部ミラー１０を備えたものである。
【０１７９】
次に作用効果について説明する。
面発光レーザは、出射光の広がり角が小さくファイバー等の光学系との結合が容易なものである。しかしながら、外部のレンズ等を用いたバルク光学系の小型化には、面発光レーザの、出射光の広がり角が小さいという特性は好ましくない。これは、面発光レーザからの出射光をレンズ系によりコリメートあるいは集光する場合、レンズの有効径まで光を広げるのに必要な距離が長くなってしまうからである。
【０１８０】
これに対し、本実施の形態４の面発光レーザ１００ｄは、図７に示すように、外部ミラー１０の両面を凹面形状として、出射光８の広がり角を大きくしたものである。従って、この実施の形態４の面発光レーザ１００ｄは、その出射光がレンズの有効径まで広がるのに必要な距離は短いものであり、バルク光学系の小型化に有効なものである。
【０１８１】
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５によるレーザモジュールの一例を示す図であり、図８（ａ）は側面図、図８（ｂ）は平面図である。
【０１８２】
この実施の形態５のレーザモジュール１５０は、レーザディスプレイへの応用を目的とした小型のＲＧＢ光源として有用なものである。
【０１８３】
このレーザモジュール１５０は、パッケージに面発光レーザを実装してなるものであり、パッケージのベース部材１５１上に３つの面発光レーザ１０１〜１０３が取り付けられている。該ベース部材１５１の裏面が放熱面となっており、また、このベース部材１５１の裏面側には、面発光レーザ１０１，１０２，１０３のリード端子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａが取り出されている。
【０１８４】
ここで、各面発光レーザ１０１〜１０３は、実施の形態１ないし４のいずれかで説明した面発光レーザと同一の構成を有しており、面発光レーザ１０１は赤色面発光レーザ、面発光レーザ１０２は緑色面発光レーザ、面発光レーザ１０３は青色面発光レーザである。そして、上記ベース部材１５１上のこれら３つの面発光レーザは、パッケージの中心をその中心とする１つの円周上に等間隔で配置されている。
【０１８５】
次に作用効果について説明する。
小型のレーザディスプレイを実現するには、光源の小型化が必須である。これを実現するには、上記実施の形態１ないし４で説明した面発光レーザを光源として用いるのが有効である。
【０１８６】
上記実施の形態１ないし４で挙げた面発光レーザは、外部ミラーを有しているため、その高出力化が可能となる。また、これらの面発光レーザは、下部電極近傍に位置する活性層を有しているため、放熱特性に優れ、高出力を発生する上で有利なものである。また、面発光レーザは、基板側端面での光のパワー密度が低いため、端面劣化が無く、信頼性に優れている等の特徴を有する。特に、上記実施の形態２の面発光レーザは、電極分割構造により高出力特性を飛躍的に向上できることでも優位性が得られるものである。
【０１８７】
さらに、面発光レーザは、モジュール化した多波長集積化光源を実現するのに有効である。具体的には、面発光レーザは、底面放熱、つまり、レーザ光の出射面とは反対側の面からの放熱ができるため、図８に示すように、異なる面発光レーザを単一パッケージに実装する場合、パッケージ構造が非常に単純となり低コスト化が図れる。また、レーザモジュールである多波長集積化光源では、放熱はパッケージ裏面から行うことができ、レーザ出力はパッケージ前面から取り出すことができる。
【０１８８】
このように本実施の形態５では、上記いずれかの実施の形態で挙げた面発光レーザと同一構成を有する、赤色、緑色、及び青色の３つの面発光レーザ１０１，１０２，１０３をパッケージ内に実装してレーザモジュールを構成したので、小型の集積光源を得ることが可能となり、その結果、超小型のレーザ照射装置を実現することができる。
【０１８９】
なお、上記実施の形態５では、面発光レーザをパッケージに実装してなるレーザモジュールとして、３波長のレーザ光を出力する多波長光源を示したが、多波長光源は、２つの波長を備えたものであっても、４つ以上の波長を備えたものであってもよい。
【０１９０】
また、上記レーザモジュールを構成する面発光レーザの個数や、パッケージ内での面発光レーザの配置は、上記実施の形態５のものに限るものではない。
【０１９１】
図９は、上記実施の形態５のレーザモジュールにおける面発光レーザの個数や配置を変更したものを示す図であり、図９（ａ）は側面図、図９（ｂ）は平面図である。
【０１９２】
図９に示すレーザモジュール１５０ａは、図８に示すレーザモジュール１５０と同様、ＲＧＢ３波長のレーザ光源を実現したものである。
【０１９３】
このレーザモジュール１５０ａは、パッケージに４つの面発光レーザを実装してなるものであり、パッケージのベース部材１５１の中央部には、２つの緑色面発光レーザ１０６及び１０７が、パッケージ中心を通る１つの軸線上に位置するよう、近接させて配置されている。また、パッケージ中心を通る、上記軸線と直交するもう１つの軸線上には、上記２つの緑色面発光レーザを挟むよう、赤色面発光レーザ１０４と青色面発光レーザ１０５とが配置されている。ここで、上記各面発光レーザは、実施の形態１ないし４のいずれかの面発光レーザと同一構成を有しており、ベース部材上での４つの面発光レーザの配置は、パッケージ中心に対して対称な配置となっている。
【０１９４】
なお、上記ベース部材１５１の裏面は放熱面となっており、また、このベース部材１５１の裏面側には、面発光レーザ１０４，１０５，１０６，１０７のリード端子１０４ａ，１０５ａ，１０６ａ，１０７ａが取り出されている。
【０１９５】
このような赤色、緑色、青色の３波長レーザ光を発生するＲＧＢ光源としてのレーザモジュールでは、それぞれの色の面発光レーザの配置が重要である。つまり、面発光レーザによりＲＧＢ光源を実現する場合、特に高出力化が難しいのが緑色光源である。緑色光源は、通常ＺｎＳｅレーザ材料により実現されているが、高出力時に寿命が低下する。このため比較的低出力で使用する必要がある。
【０１９６】
そこで、図９に示すレーザモジュール１５０では、図９（ｂ）に示すように、緑色面発光レーザ１０４及び１０５は２つ使用し、これらを近接させて配置するとともに、これらの緑色面発光レーザの両側に赤色面発光レーザ１０６と青色面発光レーザ１０７を配置している。これによりレーザ光源の高出力化と長寿命化を実現することができる。
【０１９７】
さらに、ＲＧＢ光源である、図８に示す実施の形態５のレーザモジュール１５０や、レーザモジュール１５０における面発光レーザの個数や配置を変更したレーザモジュール１５０ａは、液晶パネル、またはＤＬＰ（デジタル・ライト・プロセッシング）で用いるＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等の２次元空間変調素子と組み合わることにより、ＲＧＢ光源から出た光を２次元空間変調素子で変調し、その像を投射するレーザ照射装置を実現することができ、レーザディスプレイへ応用することができる。
【０１９８】
（実施の形態６）
図１０は本発明の実施の形態６による半導体レーザ装置を説明する図である。
【０１９９】
この半導体レーザ装置１６０は、レーザ光を面発光する面発光レーザと、該面発光レーザの共振器内に配置され、該面発光レーザからのレーザ光を波長変換する波長変換素子１６１とを備えている。
【０２００】
ここで、面発光レーザは、実施の形態１の面発光レーザ１００ａと同一の構成となっている。但し、この半導体レーザ装置における面発光レーザは、実施の形態１の面発光レーザに限らず、実施の形態２ないし４のいずれかで説明した面発光レーザであってもよい。
【０２０１】
また、上記波長変換素子１６１は、上記共振器を構成する外部ミラー１と、半導体基板２ａ上に形成された活性層３との間に配置された非線形光学結晶部材からなる。
【０２０２】
ここで、非線形光学結晶材料としては、ＫＴｉＯＰＯ4や分極反転ＭｇＯＬｉＮｂＯ3が好ましい。特に、分極反転ＭｇＯＬｉＮｂＯ3は、非線形定数が大きいため、波長変換素子の素子長を短くすることができ、外部ミラーとの距離が比較的短い共振器に挿入するのには都合が良い。
【０２０３】
次に作用効果について説明する。
この実施の形態６の半導体レーザ装置１６０は、面発光レーザで発生されたレーザ光を、上記波長変換素子１６１により波長変換することにより、短波長のレーザ光を出力可能なものである。
【０２０４】
以下、本実施の形態の半導体レーザ装置１６０の特長について簡単に説明する。
【０２０５】
波長変換素子は、一般に変換可能な波長許容度が狭いものであるため、レーザ発振する基本波の波長および横モードの安定性は波長変換効率に大きく影響する。また、通常の面発光レーザでは、横モードのシングルモード性が劣化または変化すると、変換効率が大幅に低下または変動するという問題点があった、
【０２０６】
これに対し、本実施の形態６の半導体レーザ装置では優れた安定性と高効率化が実現可能である。
【０２０７】
つまり、共振器内に波長変換素子を構成する非線形光学結晶部材を配置しているため、非線形光学結晶部材に入射する光のパワー密度が高くなり、波長変換素子での高効率変換が可能となる。
【０２０８】
なお、上記実施の形態６では、面発光レーザと波長変換素子とを組み合わせた半導体レーザ装置として、波長変換素子を面発光レーザの共振器内に配置したものを示したが、波長変換素子は、共振器の外部に配置してもよい。
【０２０９】
図１１は、上記実施の形態６の半導体レーザ装置における波長変換素子の配置を変更したものを示す図である。
【０２１０】
図１１に示す半導体レーザ装置１６０ａは、波長変換素子１６１ａを共振器の外部に配置したものであり、その他の構成は、上記実施の形態６の半導体レーザ１６０と同一である。
【０２１１】
また、図１０及び図１１に示す半導体レーザ装置における波長変換素子としては、導波路型の素子であっても、またはバルク型の素子であってもよい。
【０２１２】
但し、波長変換素子における変換効率は基本波の集光特性に大きく依存するため、横モードのシングル化が重要である。従って、面発光レーザの出力光を波長変換して短波長光を出力する半導体レーザ装置は、上記実施の形態６で示したように、横モードを単一モードに制御可能であって、高出力の波長変換を実行可能とする必要がある。
【０２１３】
（実施の形態７）
図１２は、本発明の実施の形態７によるレーザ投射装置を説明する概略構成図である。
【０２１４】
この実施の形態７のレーザ投射装置１７０は、レーザ光源１７１と、レーザ光源１７１から出たレーザ光をスクリーン１７３上に投射する投射光学系１７２とを有している。そして、本実施の形態７のレーザ投射装置１７０では、レーザ光源として、実施の形態２の面発光レーザ１００ｂと同一構成のものを用いている。但し、レーザ投射装置１７０のレーザ光源として用いる面発光レーザは、実施の形態２のものに限らず、その他の実施の形態で示したものでもよい。
【０２１５】
以下、このような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。
【０２１６】
レーザディスプレイは、ＲＧＢ光源および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により、フルカラーの映像を投射するものである。投影方式としては、外部のスクリーンや壁などの投射体に投射し、その反射光を見るタイプと、背面投射型としてスクリーンの背面から光を照射して反射光を見るタイプに分類されるが、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、色を認識している。
【０２１７】
しかしながら、従来のレーザディスプレイにおいて、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という問題が発生する。スペックルノイズを低減する有効な方法としては、レーザ光のコヒーレンスを低減する方法がある。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、特に縦モードのスペクトル幅を拡大することで、スペックルノイズは大幅に低減することができる。
【０２１８】
本実施の形態７のレーザ投射装置のレーザ光源として用いる面発光レーザでは、上記実施の形態２で示したように、分割された複数の電極部の一部に高周波信号を重畳することで、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幅を波長で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。
【０２１９】
また、異なる電極部に異なる周波数の高周波信号を印加する方法を利用することにより、縦モードスペクトル幅のさらなる拡大が可能となる。
【０２２０】
レーザディスプレイに使用する波長と視感度の関係より、ＲＧＢ光源の発振波長が重要になる。視感度の影響で、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。
【０２２１】
図１３に、青色光源の波長と必要な出力の関係を示す。ここでは、赤色の波長を６４０ｎｍ、緑色は５３２ｎｍに固定したとき、スクリーン上で１０００ｌｍの明るさを実現するための、青色の波長と必要な出力の関係を示している。
【０２２２】
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青色を表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。
【０２２３】
一方、ＧａＮ半導体による青色面発光レーザは通常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Ｉｎの偏析により結晶組成が悪くなり、信頼性、高出力特性が劣化する。従って、ＧａＮ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。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できる色の範囲が広がるため、好ましい。
【０２２４】
以上の観点より、青色面発光レーザの波長領域としては、４３０ｎｍ〜４５５ｎｍの領域が好ましい。さらに好ましくは、波長領域を４４０〜４５０ｎｍとすることが望まれる。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。
【０２２５】
赤色面発光レーザはＡｌＧａＡｓ系半導体材料またはＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料によって実現できる。しかしながら高出力化を実現するには、波長領域を６３０〜６５０の領域とすることが好ましい。さらに、視感度および青色光の使用波長範囲を拡大する意味からも、波長領域は６４０ｎｍ±５ｎｍの範囲が最も好ましい。
【０２２６】
緑色面発光レーザは、ＺｎＳｅ系半導体材料により実現可能である。
【０２２７】
つまり、ファブリペロー型半導体レーザにおいては導波路内の光パワー密度が高いため、ＺｎＳｅ系半導体材料を用いた場合、信頼性を得るのが難しかった。しかしながら、緑色レーザを、本発明の面発光レーザの構成とすることで、結晶内での光パワー密度の低減が図れ、高信頼性が確保できる。緑色面発光レーザの色バランスを考慮した波長領域としては、５１０〜５５０ｎｍの波長領域が必要である。但し、面発光レーザの信頼性を考慮すると、波長領域は５１０〜５２０ｎｍの領域が望ましく、この領域において高い信頼性と高出力特性が実現できる。また、緑色面発光レーザは、ＧａＮにＩｎを大量にドーピングした半導体材料でも実現可能である。この場合でも波長領域としては５００〜５２０ｎｍの領域が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【０２２８】
以上のように、本発明の面発光レーザは、発光領域での光パワー密度分布によって発生するホールバーニングを抑制して、横モードの不安定化や利得の低下といった高出力特性の劣化を低減できるものであり、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】
【０２２９】
【図１】図１は本発明の実施の形態１による面発光レーザを説明する図であり、その断面構造（図（ａ））、下部電極の形状（図（ｂ））、および、活性層の発光領域での光強度分布（図（ｃ））を示している。
【図２】図２は上記実施の形態１の面発光レーザにおける下部電極形状の他の例（図（ａ）、図（ｂ））を示す図である。
【図３】図３は上記実施の形態１の面発光レーザにおける下部電極構造の他の例（図（ａ）、図（ｂ））を示す図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態２による面発光レーザを説明する図であり、その断面構造（図（ａ））、下部電極の形状（図（ｂ））、および、活性層の発光領域での光強度分布（図（ｃ））を示している。
【図５】図５は上記実施の形態２の面発光レーザの応用例を説明する平面図（図（ａ））及び断面図（図（ｂ））である。
【図６】図６は本発明の実施の形態３によるレーザ投射装置を説明する図である。
【図７】図７は本発明の実施の形態４による面発光レーザを説明する図である。
【図８】図８は本発明の実施の形態５によるレーザモジュールの一例を説明する側面図（図（ａ））及び平面図（図（ｂ））である。
【図９】図９は上記実施の形態５に係る面発光レーザの変形例を説明する側面図（図（ａ））及び平面図（図（ｂ））である。
【図１０】図１０は本発明の実施の形態６による半導体レーザ装置を説明する図である。
【図１１】図１１は上記実施の形態６による半導体レーザ装置の変形例を説明する図である。
【図１２】図１２は本発明の実施の形態７によるレーザ投射装置に必要な波長と出力の関係を示す図である。
【図１３】図１３は上記実施の形態７のレーザ投射装置の出力波長を説明する図であり、青色光源波長と必要な出力との関係を示している。
【図１４】図１４は従来の面発光レーザの一例を示す図である。
【符号の説明】
【０２３０】
１，１０，２１  外部ミラー
２，２ａ，２２  半導体基板
３，２３  活性層
４，２４  ＤＢＲ層
５，２５  上部電極
６，６ａ，６ｂ，２６，６０，６００  下部電極
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ  微細穴
８  レーザ光
９，２９  凹部
１１  絶縁膜
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１２ａ，１２ｂ  穴
２６ａ，６０ａ  内側電極部
２６ｂ，６０ｂ  外側電極部
６１  抵抗分離部
６２  絶縁分離層
６２ａ  分離層
１００ａ，１００ｂ，１００ｄ、２００  面発光レーザ
１０１，１０６  赤色面発光レーザ
１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａ，１０５ａ，１０６ａ，１０７ａ  リード端子
１０２，１０４，１０５  緑色面発光レーザ
１０３，１０７  青色面発光レーザ
１１０  半導体層積層体
１２０，１６０，１６０ａ  半導体レーザ装置
１３０，１７０  レーザ投射装置
１３２  レンズ
１３３  空間変調器
１３４  投射レンズ
１３５，１７３  スクリーン
１５０，１５０ａ  レーザモジュール
１５１  ベース部材
１６１，１６１ａ  波長変換素子
１７２  投射光学系
【図１】
0004680065.tif 000002
【図２】
0004680065.tif 000003
【図３】
0004680065.tif 000004
【図４】
0004680065.tif 000005
【図５】
0004680065.tif 000006
【図６】
0004680065.tif 000007
【図７】
0004680065.tif 000008
【図８】
0004680065.tif 000009
【図９】
0004680065.tif 000010
【図１０】
0004680065.tif 000011
【図１１】
0004680065.tif 000012
【図１２】
0004680065.tif 000013
【図１３】
0004680065.tif 000014
【図１４】
0004680065.tif 000015