(57)【要約】【課題】  回折格子を利用する面発光半導体レーザでは、その射出するレーザ光の偏波方向が定まらない。【解決手段】  一対の下部クラッド層２４と上部クラッド層２８の間に活性層２６が形成されている積層構造を備えている。上部クラッド層２８上に回折格子３２が形成される。その回折格子３２は、中心から回折格子３２までの距離が一様な円弧状の回折格子３２で構成される方位範囲を備えている。さらに、その一様距離とは相違する距離(回折格子が形成されていないので実質的に無限大である)を持つ方位範囲を備えている。この方位範囲は即ち、複数の円弧状の回折格子３２の開環領域が中心から周辺方向に沿って一致している領域３２ａである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のクラッド層間に活性層が形成されている積層構造と、
活性層で発生した光が到達する距離内で活性層と平行に拡がる面に形成されている回折格子を備えた面発光半導体レーザ装置であり、
その回折格子は、中心の周りに形成されており、中心からの方位に依存して中心から回折格子までの距離が変化していることを特徴する面発光半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記回折格子は、前記距離が一様な方位範囲と、その一様距離から相違する距離を持つ方位範囲を備えていることを特徴とする請求項１の面発光半導体レーザ装置。
【請求項３】
回折格子は、第１方位範囲では前記距離が一様であり、それに隣接する第２方位範囲では前記距離が前記一様距離から異なっており、中心に関して第１方位範囲に対称な第３方位範囲では前記距離が前記一様距離であり、中心に関して第２方位範囲に対称な第４方位範囲では前記距離が前記一様距離から異なっていることを特徴とする請求項２の面発光半導体レーザ装置。
【請求項４】
第２方位範囲と第４方位範囲では、回折格子が形成されておらず、前記距離が実質的に無限大とされていることを特徴とする請求項３の面発光半導体レーザ装置。
【請求項５】
中心の周りに回折格子が多重に形成されていることを特徴する請求項４の面発光半導体レーザ装置。
【請求項６】
中心の周りに多重に形成されている回折格子の間隔が、中心近傍で狭く、周辺で広く調製されていることを特徴とする請求項５の面発光半導体レーザ装置。
【請求項７】
透明半導体基板の上面に下部クラッド層と活性層と上部クラッド層が順に積層されており、
上部クラッド層に直接的又は間接的に接する上部電極と
透明半導体基板の下面に直接的又は間接的に接する下部電極を備えており、
下部電極は、透明半導体基板の下面が露出する領域の周りに形成されていることを特徴とする請求項１の面発光半導体レーザ装置。
【請求項８】
上部電極は、最外周の回折格子で取り囲まれる範囲内に形成されていることを特徴とする請求項７の面発光半導体レーザ装置。
【請求項９】
請求項１〜８の面発光半導体レーザ装置が複数個集積されたレーザアレイと、
そのレーザアレイから射出されるレーザ光の焦点を結ぶ集光光学系を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１０】
回折格子の形成面にフォトレジスト層を形成する工程と、
ニュートンリングを形成する干渉光学系を用いてそのフォトレジスト層を露光する工程を備えている面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１１】
透明パネルに円錐状の凹部または凸部を分散配置しておく工程と、
その透明パネル越しに露光して、回折格子の形成面に分散配置されたニュートンリングを形成して露光する工程を備えている請求項１０の面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１２】
ニュートンリングを形成する干渉光学系を内蔵するフォトレジスト露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の表面または裏面側からレーザ光を射出する面発光半導体レーザ装置と、その製造方法と製造装置に関する。より詳細には、偏波方向が安定したレーザ光を射出する面発光半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の表面側からレーザ光を射出する面発光半導体レーザ装置（以下、レーザ装置と略す）が知られている。この種のレーザ装置は、半導体基板の端面からレーザ光を射出する端面発光型レーザ装置に比して、光ファイバとの結合効率が高いことや、２次元的に集積化することが容易であるなどの利点を有している。この種のレーザ装置の一例として、レーザ装置の光導波路内に回折格子を備えた帰還分布型のレーザ装置が知られており、その一例が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平１０−２０９５５４号公報（その公報の図１参照）
【０００３】
図１５に、帰還分布型のレーザ装置の要部断面図を示す。このレーザ装置は、下部クラッド層２２４と、その下部クラッド層２２４上に積層された活性層２２６と、その活性層２２６上に積層された上部クラッド層２２８を備えている。一対のクラッド層２２４，２２８間に活性層２２６が形成されている積層構造を備えている。
活性層２２６と上部クラッド層２２８との間には回折格子２３２が形成され、回折格子２３２は活性層２２６と平行な面内に形成されている。この積層構造は共振器として機能する。
図１６に、回折格子２３２群を平面視したときの概略構成図を示す。図の実線が回折格子２３２に相当する。同心円状の回折格子２３２が、中心を共通してその中心から周辺に向けて複数形成されている。中心からそれぞれの回折格子２３２までの距離は、中心からの方位と関係なく、その回折格子２３２に関して一様である。
図１５に示すように、このレーザ装置の上部クラッド層２２８は、オーミックコンタクト層２２９を介して上部電極２４４に接続される。この上部電極２４４は回折格子２３２群を取り囲んでオーミックコンタクト層２２９上を一巡するように形成されている。下部クラッド層２２４は半導体基板２２２と接しており、その半導体基板２２２の裏面には下部電極２４２が形成されている。この下部電極２４２は半導体基板２２２の裏面の全面に形成されている。
【０００４】
下部電極２４２に正電圧を印加して活性層２２６に電流を注入すると、電子-正孔結合によって発生した光が、活性層２２６の面内を伝播するとともに、誘導放出による利得を繰返して次第に増幅されていく。このとき、活性層２２６の近傍に周期的に形成されている回折格子２３２群によってその光の一部は周期的に反射され、入射光と反射光の山と山、谷と谷が重なり合うことで単一周波数の光のみが発振する。
利得によって増幅された光の一部は、回折格子２３２によって半導体基板２２２の表面側に回折される。図１５の矢印に示すように、この回折光は半導体基板２２２の表面側から射出される。このような動作によって、このレーザ装置ではレーザ光が導体基板２２２の表面側から射出されることを実現している。
図１６に示すように、この回折格子２３２群によって帰還されて増幅を繰返す光は、回折格子２３２群の直径方向に沿って往復を繰返しており、その往復方向は３６０°に等しい確率で生じる。従って、回折格子２３２群の中心を光強度のピークとするレーザ光を射出する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の回折格子２３２群は中心を共通して点対称に形成されているために、回折格子２３２が形成されている面内では利得領域の異方性が存在していない。従って、射出レーザ光の偏波方向が定まらないという問題がある（図１６の破線矢印）。即ち、製造するレーザ装置の製造公差によって、レーザ装置ごとに偏波方向のバラツキが生じるといった問題や、動作環境(例えば温度など)によって偏波方向が定まらないといった問題が生じる。偏波方向が定まらないと、例えば光ファイバやレーザ加工装置などに利用する場合に、信号が不安定となったり、所望の形状で加工できないといった不具合が生じる。
本発明の目的は、偏波方向が安定したレーザ光を射出するレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のレーザ装置は、一対のクラッド層間に活性層が形成されている積層構造を持っている。その活性層と平行に広がる面に回折格子が形成されている。その回折格子は活性層で発生した光が到達する距離内に形成されている。
回折格子は、中心の周りを取り囲むように形成されており、中心からの方位に依存して中心から回折格子までの距離が変化していることを特徴とする。たとえば、中心を取り囲む正方形、長方形、三角形、楕円等の形状の回折格子が形成されている。なお、特定方位に回折格子が形成されていない場合は、その特定方位における回折格子までの距離は無限大ということができる。特定方位に回折格子が形成されていない場合も、中心からの方位に依存して中心から回折格子までの距離が変化することになる。
回折格子は、活性層で発生する光が到達する距離内に形成されていればよく、例えば活性層とクラッド層の間や、活性層と反対側のクラッド層の表面に形成されていてもよい。
【０００７】
活性層で発生した光は、回折格子によって反射され、中心を挟んで往復する。往復することによって誘導放出による利得が繰返し得られ、光強度は次第に増幅され、ついにはレーザ発振するに至る。レーザ発振した光の一部は回折格子によって回折され、積層構造に垂直方向へ射出される。この結果、回折格子の中心を光強度のピークとするレーザ光が射出される。
従来構造のように、中心からの方位と無関係に中心から回折格子までの距離が一様な場合には、発生した光はいずれの方位においても均等に帰還されて発振するに至り、その結果、偏波方向が定まることがない。偏波方向は不安定である。
本発明によると、中心から回折格子までの距離が、その中心からの方位に依存して変化している。従って、方位によって得られる利得が相違し（異方性を持つ）、その結果として偏波方向が所定方向に安定する。
【０００８】
回折格子は、中心からの距離が一様な方位範囲と、その一様距離から相違する距離を持つ方位範囲を備えているのが好ましい。中心からの距離が一様な方位範囲と、相違する方位範囲は、それぞれ複数形成されていても構わない。基本的には同心円状の回折格子が形成され、特定方位では回折格子が形成されない場合、その特定方位では中心から回折格子までの距離が無限であるということができるので、上記の要件を満たす。回折格子が形成されない特定方位は、３６０°の内の１方位であってもよいし、２以上の方位であってもよい。
中心からの距離が一様な方位範囲では、その回折格子は中心を取り囲んで円弧状に形成される。中心から回折格子までの距離が一様なことから、この方位範囲では同一周波数の光が共振する。単一周波数のレーザ光を発振することがきる。一方、前記特定方位では、それとは異なる利得特性を持つ。特定方位では回折格子までの距離が無限であれば、無利得特性となる。従って、利得特性の異方性を反映したレーザ光が射出され、射出されるレーザ光の偏波方向が安定する。単一波長で偏波方向が安定したレーザ光を射出することができる。
【０００９】
回折格子は、第１方位範囲では中心からの距離が一様であるのが好ましい。第１方位範囲に隣接する第２方位範囲では、中心から回折格子までの距離が前記の一様距離から異なっているのが好ましい。さらに、中心に関して第１方位範囲に対称な第３方位範囲では、中心から回折格子までの距離が、第１方位範囲と同じ一様距離であるのが好ましい。また、中心に関して第２方位範囲に対称な第４方位範囲では、中心から回折格子までの距離が、第１方位範囲の一様距離から異なっているのが好ましい。
第１方位範囲と第３方位範囲には、中心を挟んだ対称な位置に同心状の回折格子が形成される。従って、この方位範囲では中心を挟んで光が往復を繰返すことによって利得が与えられ、レーザ発振が得えられる。この結果、中心を光強度のピークとするレーザ光を射出する。また円弧状の回折格子を利用しているために、発振するレーザの周波数が単一波長にそろう。
一方、第２方位範囲と第４方位範囲によって形成される方位範囲では、利得が与えられない無帰還領域であるか、あるいは、第１方位範囲と第３方位範囲とは異なる利得特性を持つ。例えば、その第２方位範囲と第４方位範囲の幅が小さく直線的に形成されており、その方位範囲では中心から回折格子までの距離が無限大である場合、この無帰還領域に直交する方位範囲で強い発振が生じ、偏波方向が維持される。本発明によると、利得領域内に利得分布の異方性が生じ、偏波方向が所定方向にそろえられる。単一波長で偏波方向が安定したレーザ光を射出することができる。
【００１０】
第２方位範囲と第４方位範囲では、回折格子が形成されておらず、中心から回折格子までの距離が実質的に無限大とされているのが好ましい。
第２方位範囲と第４方位範囲によって形成される無帰還領域では、いかなる周波数の光も帰還されないことから、第１方位範囲と第３方位範囲でのみレーザ光は発振する。このレーザ装置から射出するレーザ光は単一周波数となる。
【００１１】
中心の周りに回折格子が多重に形成されているのが好ましい。即ち、中心から周辺に向けて複数の回折格子が繰返し形成されているのが好ましい。
上記の構成が備えられていると、中心を挟んで利得を得ながら帰還する光は、回折格子群によって周期的に反射されることになる。従って、単一の周波数で発振し易くなり、いわゆる縦シングルモードを実現し易い。
【００１２】
中心の周りに多重に形成されている回折格子の間隔が、中心近傍で狭く、周辺で広く調整されているのが好ましい。
回折格子の間隔を中心から周辺に向けて変化させると、各回折格子で回折して射出されるレーザ光に位相差が生じ、所定の位置で焦点を結ぶようになる。別個の集光光学系などを利用せずにレーザ光を集光することができる。
【００１３】
本発明のレーザ装置は、透明半導体基板の上面に、下部クラッド層と活性層と上部クラッド層を順に積層して構成するのが好ましい。上部クラッド層に直接又は間接的に接する上部電極を備えているのが好ましい。さらに、透明半導体基板の下面に直接又は間接的に接する下部電極を備えているのが好ましい。下部電極は、透明半導体基板の下面が露出する領域の周りに形成されているのが好ましい。
上記の半導体装置ではレーザ光が下部電極側から射出する。即ち、回折格子で回折されたレーザ光が透明半導体基板を透過して、外部に露出する下面からレーザ光を射出する。従来構造とは逆方向からレーザ光を射出する。
本発明では、レーザ光射出口の周辺に下部電極が形成され、この下部電極を利用して電流が注入される。本発明の半導体基板の膜厚は厚く、下部電極が周辺に形成されていても活性層にバランスよく電流が注入されることから、射出するレーザ光が基本横モードとなり易い。
図１５に示す従来構造のように、上部電極側からレーザ光を射出する場合、上部クラッド層の膜厚が小さいことから、活性層に注入される電流が回折格子の周辺側で強くなる。このため、周辺側で強い利得が与えられ、高次モードのレーザ光が射出するという問題がある。光取り出し口を大口径にしたい場合は、中心付近と周辺側で注入される電流のアンバランスが大きくなり特に問題である。また、図１５に示す上部電極に代えて、回折格子の中心を覆うように小径の円盤状上部電極を形成し、活性層にバランスよく電流が注入されるように工夫したレーザ装置も知られている。しかしながら、この場合はその円盤状の上部電極自体がレーザ光を遮光することになり、射出するレーザ光の光強度分布がリング状になるという問題がある。
本発明では、レーザ光取り出し口を下部電極側に形成することで、上記の問題を回避し、基本横モードのレーザ光を射出することができる。
【００１４】
上部電極は、最外周の回折格子で取り囲まれる範囲内に形成されているのが好ましい。
回折格子の中心近傍の利得領域は基本横モードが立ちやすく、その中心から離れた周辺では高次モードが立ちやすい。従って、回折格子の中心近傍に位置する活性層に電流がよく注入されるのが好ましい。本発明によると、上部電極が回折格子の中心から最外周の回折格子までの範囲内に形成されるために、回折格子の中心近傍に対してよく電流注入が行われて、基本横モードのレーザ光を射出し易くする。
【００１５】
上記の面発光半導体レーザ装置は、半導体基板の表面あるいは裏面側からレーザ光を射出可能なので、複数個の面発光半導体レーザ装置を２次元的に集積したレーザアレイを容易に構成することができる。そのレーザアレイと集光光学系を組み合わせて、レーザアレイから射出するレーザ光を所定の位置に焦点が結ぶように構成し、それをレーザ加工装置の光源に利用するのが好ましい。
上記の構成によると、複数個の面発光半導体レーザの偏波方向を一致させることで、レーザアレイから射出するレーザ光の偏波方向をそろえることができる。あるいは、複数個の面発光半導体レーザの偏波方向を平均的に分散させることによって、実質的には偏波していないレーザ光を得ることもできる。偏波方向が安定したレーザ光、あるいは実質的には偏波していないレーザ光を利用することによって、所望の加工形状で精度よくレーザ加工することが可能となる。
【００１６】
本発明者らは、同心円状の回折格子を簡単に形成することができる新たな製造方法をも生み出した。この製造方法では、回折格子の形成面に形成しておいたフォトレジスト層を、ニュートンリングを形成する干渉光学系を用いて露光する。
干渉光学系は特に限定するものではなく、例えば、一対の透明部材の双方または一方の接触面に凹部及び／又は凸部を形成し、両者の間隔が中心から順に変化していく透明部材を利用することができる。
上記の製造方法によると、ニュートンリングに沿ってフォトレジスト層が露光される。例えば、フォトレジストにポジ型レジストを利用した場合、露光されたフォトレジスト層が除去される。この状態で異方性エッチングすると、フォトレジスト層が除去された箇所の下方に溝が形成され、ニュートンリングに対応する同心円状の回折格子が形成される。本発明の製造方法を利用すると、同心円状の回折格子を簡単に形成することができる。
なお、回折格子を形成する従来の方法では、電子線ビームなどを利用していたが、露光工程に時間がかかるとともに、高価な機器を利用することからコストの面でも問題であった。本発明の製造方法によると、高価な機器を利用することなく、また実質的には一回の露光でフォトレジスト層に同心円状の回折格子を形成することができる。露光工程の短縮化とともに、コストの面でも有効である。
【００１７】
円錐状の凹部または凸部が分散配置されている透明パネル越しに露光すると、多数のニュートンリングを一度に形成することができる。この現象を利用してフォトレジスト層を露光すると、同心円状の回折格子を持つ面発光半導体装置群を一度に製造することができる。
この場合、円錐状の凹部または凸部の斜面の成す角θにより、フォトレジスト層には次式の関係に基づいて、同心円状のニュートンリングが形成される。
θ＝tan-1(λ/2Λ)
λは照射する光の波長であり、Λはフォトレジスト層に形成されるニュートンリングの間隔である。上記の関係式に基づいて、フォトレジスト層を同心円状に簡単に露光することができる。
上記の製造方法によると、フォトレジスト層に複数のニュートンリングを一度に露光することができる。複数の回折格子を同時に製造することができ、製造工程が効率化される。
【００１８】
本発明者らはまた、上記の方法を具現化するフォトレジスト露光装置をも創作したと言える。
即ち、ニュートンリングを形成する干渉光学系を内蔵するフォトレジスト露光装置を創作したのである。
干渉光学系を利用すると、回折格子に対応するニュートンリングを形成してフォトレジスト層を露光することができる。露光工程を簡単化することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、偏波方向が安定したレーザ光を射出する面発光半導体レーザ装置を提供することができる。また、そのような半導体レーザを製造するのに適した製造方法と製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の他の特徴を列記する。
(第１実施形態)
レーザ装置から射出するレーザ光は、レーザ装置に対して垂直方向だけでなく、斜め方向にも射出が可能である。この場合、以下の関係式に基づいて回折格子群の格子間隔を決定する。
Ｎs・k・sinθ＝Ｎeff・k＋q・Ｋ
ここで、Ｎsは半導体基板の屈折率、kはレーザ光の波長、θは射出角度、Ｎeffは実効屈折率、ｑは整数、Ｋは回折格子の格子間隔である。
(第２実施形態)
レーザ装置が複数個集積されているレーザアレイと、集積されたレーザ装置群の上部電極側からそのレーザアレイを冷却する手段を備えている。典型的な冷却手段としては水冷手段や空冷手段などを挙げることができる。上部電極側から冷却することで、活性層で発生する熱を効率的に冷却することができる。高出力での安定的な動作を実現する。
(第３実施形態)
本発明のレーザ装置は、例えばレーザ加工装置、光造形装置、光通信装置、レーザレーダ装置、レーザプリンターなどに好適に利用できる。
【実施例】
【００２１】
図面を参照して以下に各実施例を詳細に説明する。
(第１実施例)
図１に、第１実施例のレーザ装置の要部断面図を示す。このレーザ装置は、例えばｎ型のAlGaAsからなる下部クラッド層２４と、その上に積層された活性層２６と、その上に積層された例えばｐ型のAlGaAsからなる上部クラッド層２８を備えている。下部クラッド層２４と上部クラッド層２８の間に活性層２６が形成されている積層構造を備えている。活性層２６は量子井戸構造であり、例えばAlGaAs/GaAs/InGaAs/GaAs/AlGaAsで構成される。
上部クラッド層２８上には複数の回折格子３２が形成され、この回折格子３２群が形成される面を回折格子層と称する。この回折格子３２は、上部クラッド層２８の一部に溝を形成し、その残存部として形成される。
この回折格子３２群は、例えばTi-Pt-Auからなる上部電極４４に接続される。この上部電極４４と回折格子群３２群は、図示しないコンタクト層を介してオーミックコンタクトされる。このコンタクト層とは、例えば回折格子３２群側に亜鉛などが高濃度にドーピングされたInGaAsを準備し、それと上部電極４４側とを高温で溶接することで形成される合金化された領域をいう。回折格子３２群の周辺は酸化シリコンからなる絶縁膜４５によって上部電極４４と接続するのが禁止されている。
下部クラッド層２４は例えばｎ型のGaAsからなる半導体基板２２と接しており、その半導体基板２２の裏面には下部電極４２が形成されている。この下部電極４２は、例えばAu-Znからなり、半導体基板２２の裏面の周縁を一巡して形成される。
半導体基板２２が露出している面には反射防止板４３が形成される。この半導体基板２２が露出している面が光取り出し口であり、この反射防止板４３はレーザ装置から射出したレーザ光が反射して、このレーザ装置内に侵入するのを防止する。
【００２２】
図２に、回折格子３２群を平面視したときの概略構成図を示す。
回折格子３２は、中心の周りを取り囲むように形成されている。中心から回折格子３２までの距離が一様な方位範囲が、図面左右対称に形成されている。換言すると、中心を挟んで対称な位置関係に一対の回折格子３２が形成される。本実施例では円弧状の回折格子３２が図面左右に対称に形成されている。さらに、その対称方向に沿って複数の回折格子３２が繰返し形成され多重構造となっている。また、中心を共通する相似な円弧状の回折格子３２が中心から周辺に向けて繰返し形成されているとも言える。この円弧状の回折格子３２が形成されている領域を利得領域と称する。この回折格子３２の間隔は300nm程度で同一周期あり、その高さは150nm程度で形成される。この回折格子３２群の直径は約500μmである。
一方、利得領域における中心から回折格子３２までの一様距離とは相違する方位範囲３２ａ(本実施例では、回折格子が形成されていないために、その距離は実質的に無限大である)が形成されている。換言すると、この方位範囲３２ａは、複数の円弧状の回折格子３２の開環する領域が、中心から周辺に沿って一致している領域とも言える。この方位範囲３２ａを無帰還領域と称する。なお、この無帰還領域３２ａは、上部クラッド層２８の上部を完全に除去して形成してもよく、または全く除去しないで形成してもよい。あるいは一部を除去しても、形成される回折格子が中心を挟んで対称の位置関係になっていなければよい。
【００２３】
次に、このレーザ装置の動作を説明する。
まず、下部電極４２に正電圧を印加し活性層２６に電流を注入する。図１はデフォルメして図示されているが、実際には半導体基板２２の膜厚は大きく、そのため注入される電流は活性層２６に対してバランスよく注入される。この電流注入に伴い電子-正孔結合によって発生した光子が、活性層２６の面内に沿って伝播するとともに、誘導放出による利得を繰返して次第に増幅されていく。このとき、その光子の一部は回折格子３２によって周期的に反射され、入射光と反射光の山と山、谷と谷が重なり合うことで単一周波数の光のみが発振する。
利得によって増幅されたこの光の一部は、回折格子３２によって半導体基板２２の裏面側に回折される。図の矢印に示すように、この回折された光は半導体基板２２の露出している面から射出される。この露出面の径や、その形状は特に制限されるものではなく、例えばその径を小さく、その形状を円形に構成すると基本横モードとして射出し易くなる。なお、光の一部は回折格子３２によって半導体基板２２の表面側にも回折されるが、その光は上部電極４４に吸収されるか、あるいは上部電極４４などによって反射される。
【００２４】
図２に示すように、回折格子３２群が形成されていない無帰還領域３２ａでは、光が帰還することができないために、この方向では発振が生じない。従って、この無帰還領域３２ａの近傍ではフィードバックが小さくなり、この無帰還領域３２ａから最も離間する方向に強いフィードバックの領域が形成される。本実施例では、中心から無帰還領域３２ａへの方向に対して直交方向に沿って、光は最も強いフィードバックを受けて発振する。従って、射出するレーザ光はその方向に偏波方向が安定される(図２の破線矢印)。このように、無帰還領域３２ａを形成することで、射出するレーザ光の偏波方向を安定させることができる。
また、本実施例では、無帰還領域３２ａが中心を挟んでほぼ直線的に形成されるのみで、その偏波方向の調整を可能にしている。それと同時に、利得領域が広く形成されているために、中心が光強度のピークとするレーザ光の射出を実現している。さらに、同一周期の回折格子３２群を利用しているために、単一の周波数のレーザ光を発振することができる。これら特性を備えるレーザ光は、例えば光通信やレーザ加工装置、あるいはラピッドプロトタイピングの一つである光造形装置などに好適に利用することができる。
【００２５】
図３に、上部電極４４が回折格子３２群と接する領域を調整した場合の、射出されるレーザ光の電磁界分布を示している。
上部電極４４が回折格子３２群と接触する領域の直径をＬとすると、このＬが小さい場合が図３(ｂ)であり、このＬが大きい場合が図３(ｃ)である。
図３(ｂ)に示すように、上部電極４４が回折格子３２群の中心近傍に接していると、その中心付近に位置する活性層２６に対して効率的に電流注入が行われるために基本横モード３５が立つ。一般的に、回折格子３２群の周辺では高次モード３６を発振し易いが、本実施例の場合、周辺に位置する活性層２６に対しては電流注入が抑制されることから、高次モード３６が発振されるのを抑制される。なお、この上部電極４４は、回折格子３２の中心から最外周の回折格子３２までの範囲内に形成されているのが好ましい。
一方、図３(ｃ)に示すように、上部電極４４の直径を大きくし、最外周の回折格子３２よりも周辺にまで上部電極４４が形成されると、周辺に位置する活性層２６に対しても電流がよく注入され、高次横モード３６も発振される。
このように、本実施例では、上部電極４４の形状を調整することで、射出されるレーザ光の横モードを簡単に調整することができる。
なお、上部電極４４の形状の調整に代えて、あるいは同時に次の手法を利用しても高次モードの発振を抑制することができる。これは、回折格子３２群の周辺に対応した位置にある活性層２６の作用を失わせることで実現できる。具体的には上部クラッド層２８側から活性層２６に対して不純物あるいは結晶欠陥を拡散させて、活性層２６の量子井戸構造を破壊すればよい。不純物あるいは結晶欠陥を拡散させることでバンドギャップ差が無くなり、量子井戸構造が破壊される。
【００２６】
(第２実施例)  図４に、第２実施例のレーザ装置の要部断面図を示す。なお、第１実施例の略同一の構成に関しては同一の符号を付してその説明を省略する。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、回折格子３４群の格子間隔が中心から周辺に向けて徐々に広くなっている点である。
図５に、この回折格子３４群を平面視したときの概略構成図を示す。第１実施例と同様に中心から周辺に沿って回折格子３４群が形成されていない無帰還領域３４ａが形成されている。この構成により偏波方向を安定させることができる。
【００２７】
図４に示すように、このレーザ装置によって射出されるレーザ光は、所定の位置で焦点を結ぶことができる(図示Ａ)。具体的には最内周の格子間隔を289nmとし、最外周の格子間隔を311nmで構成すると、焦点の位置は回折格子３４群から2.8mm離れた位置となる。
この実施例のレーザ装置を利用すると、例えば集光光学系を利用することなく、所定の位置でレーザ光を集光させることできる。構成が簡単化され、装置の小型化などを実現する。このため、光ファイバなどの他の光学部品への結合を容易にする。
【００２８】
次に、図６を用いて回折格子群の変形例を示す。
図６(ａ)は、楕円状の回折格子が中心を一巡して形成される例である。さらに、中心を共通して相似な楕円状の回折格子が、中心から周辺に向けて繰返して複数形成される。この回折格子は中心から回折格子までの距離が全ての方位で変化している。ただし、中心を挟んで対称な位置の距離は等しい。この例では、回折格子が形成されていない無帰還領域は存在しないが、その形状の異方性から利得領域内に利得分布の異方性が生じ、ひいては偏波方向が安定化される。本実施例では、破線矢印の方向に偏波方向が安定される。
図６(b)は、矩形状の回折格子が中心を一巡して形成されている例である。さらに、中心を共通して相似な矩形状の回折格子が、中心から周辺に向けて繰返して複数形成される。この例の場合も、回折格子が形成されていない無帰還領域は存在しないが、その形状の異方性から利得領域内に利得分布の異方性が生じ、ひいては偏波方向が安定化される。本実施例では、破線矢印の方向に偏波方向が安定される。
図６(ｃ)は、繰返して複数形成される多角形の回折格子の一部に回折格子が形成されていない無帰還領域が形成されている例である。この例の場合は、無帰還領域では光子の帰還が生じないために光は発振することができない。さらに多角形の異方性からその利得領域内に利得分布の異方性が生じている。この両者の影響を受けて偏波方向は安定化される。本実施例では、破線矢印の方向に偏波方向が安定される。
【００２９】
(第３実施例)  第３実施例では、回折格子群を形成する製造方法の一例を説明する。本実施例の製造方法は、一回の紫外線の照射によってフォトレジスト層に回折格子に対応したニュートンリング(干渉稿)を形成し、そのニュートンリングに沿ってフォトレジスト層を露光する手法である。
図７に、この製造方法で利用される干渉光学マスクの上側透明部材５２を示す。この上側透明部材５２は、例えばガラスが用いられる。図７の(ａ)は平面図、(ｂ)は正面図、(ｃ)は下面図である。この上側透明部材５２は、その下面から円錐状の切欠き部５４が形成されている。その切欠き部５４の斜面と、上側透明部材５２の下面との成す角はθである。この上側透明部材５２は、その下面側にガラスからなる平板状の下側透明部材を貼接して用いられる。
【００３０】
図８(ａ)に、この上側透明部材５２と下側透明部材５３が貼接されるとともに、上側透明部材５２の上面から紫外光を照射した場合に、この一対の透明部材５２、５３を透過する紫外光の光路を示している。
この上側透明部材５２の上面から、波長がλの紫外光を照射すると、一対の透明部材５２、５３を透過した紫外光は間隔Λの周期で干渉稿を現す。これは、紫外光の光路差によるものである。紫外光の光路は、まず上側透明部材５２と切欠き部５４内を通過し、下側透明部材５３によって反射された後に、その反射光が切欠き部５４の斜面の上側透明部材５２によって反射され、その後に下側透明部材５３を透過する。従って、切欠き部５４内を往復することになり、この往復路によって光路差が生じることになる。この光路差がちょうど紫外光の波長と一致するときにニュートンリングが現れる。即ち、Λ＝λ/(2tanθ)の関係式が求まる。また、この関係式から所定の間隔のニュートンリングを得たいときは、θ＝tan-1(λ/(2Λ))となる角度の切欠き部５４を利用すればよいことが分かる。また、上側透明部材５２と下側透明部材５３の接触面は無反射コーティングされているのが望ましい。その接触面を透過する紫外光は、反射されることなく透過することになり、無用なニュートンリングが現れることを抑制することができる。
なお、図８(ｂ)に示すように、上側透明部材５５には、切欠き部５４の代わりに円錐状の突出部５７が形成されていてもよい。同様の作用により、間隔がΛのニュートンリングを形成することができる。
【００３１】
図９に、フォトレジスト層５６上に現れるニュートンリングの様子を示す。図示５８は、He-Cdレーザ装置である。切欠き部５４が円錐状に形成されているために、フォトレジスト層５６上に中心から周辺に向かってその間隔がΛとなる円環状のニュートンリングが現れる。この間隔Λは中心から周辺へ向かって同一周期で形成される。
次に、このフォトレジスト層５６を用いて回折格子を作成する手順を説明する。
このフォトレジスト層５６はポジ型レジストであり、現像後にこのニュートンリングの明領域に沿ってフォトレジスト層５６に開口部が形成される。次に、無帰還領域を作成したい領域に対応するフォトレジスト層５６を選択的に除去する。次に、異方性のドライエッチングなどを実施して、開口部の下方に配置されている図示しない半導体基板の一部をエッチング除去する。すると、所定の深さの溝が半導体基板上に形成され、その残部が回折格子となる。無帰還領域上のフォトレジスト層５６はすべて除去されることから、無帰還領域の半導体基板は全て除去され回折格子が形成されない。回折格子群が形成される利得領域と、回折格子群が形成されない無帰還領域を上記の手順に沿って半導体基板上に簡単に作成することができる。
なお、無帰還領域を作成したい領域に対応するフォトレジスト層５６を選択的に除去するのではなく、上記の箇所に選択的に再度マスクを形成してもよい。この場合は、無帰還領域に対応する半導体基板は全く除去されないことから、結局は回折格子が形成されないことになる。
あるいは、無帰還領域を作成したい領域に対応する切欠き部５４の一部の斜面を、その周囲の斜面から異方的に形成することで、対応するフォトレジスト層５６上にニュートンリングが現れないようにしてもよい。いずれの方法を採用しても同様の作用効果を得ることができる。
なお、この一対の透明部材の接触面の形状を適宜調整することで、異方性のニュートンリングなどを作成することもできる。所望の回折格子群を簡単に形成することができる。
【００３２】
次に、図１０を用いて、半導体基板１５７の表面に複数の回折格子群を同時に作成する場合の製造方法を示す。上側透明部材１５２には複数個の切欠き部１５４が分散配置される。この上側透明部材１５２に下側透明部材１５３が貼接され、この下側透明部材１５３の下方にフォトレジスト１５６と半導体基板１５７が配置される。図示では下側透明部材１５３とフォトレジスト１５６が直接接しているが、離間していても構わない。
He-Cdレーザ装置１５８から射出された紫外光は、ピンホール１５１を経由して上側透明部材１５２の上面に入射される。ピンホール１５１には径が10μm程度の穴が形成されており、このピンホール１５１を経由することで、単一波長の紫外光のみを利用することができる。このため、フォトレジスト１５６上に作成されるニュートンリングの明暗が極めて大きくなり、所望のニュートンリングを確実に作成し易くする。本実施例のように、上側透明部材１５２に複数の切欠き部１５４を分散配置させることで、一斉にフォトレジスト１５６上に複数のニュートンリングを作成し露光することができる。従来では電子線ビーム装置を用いてフォトレジスト上を走査しながら露光していたために、このように複数の回折格子群を作成する場合などは特に、その露光工程の時間が極めて長くなる傾向にあった。本発明では、作成したい回折格子群の数に関係なく、実質的に一回の紫外光の照射によってフォトレジストを露光することができる。極めて露光工程の時間を短縮することができる。また電子線ビーム装置が高価なために製造コストの面でも問題であった。本実施例では、安価なガラスなどで構成される一対の透明部材１５２、１５３を準備すればよく、製造コストの面でも極めて有効である。
【００３３】
(第４実施例)
第４実施例では、第１実施例のレーザ装置をレーザ加工装置に適用した例に関して説明する。図１１に、レーザ加工装置に利用されるレーザアレイ６０の模式的な斜視図を示す。
図示６６がレーザ装置であり、縦横に４個づつ合計１６個の半導体レーザ装置６６が２次元的に集積されている。この半導体レーザ装置６６は、例えば窒化アルミニウムからなる上部絶縁層６４上に設置される。この上部絶縁層６４は、例えば窒化アルミニウムからなる下部絶縁層６２と積層構造を構成し、この下部電極層６２の裏面側には裏面金属膜６１が蒸着されている。この裏面金属膜６１はTi/Pt/Auが用いられ、この裏面金属膜６１を利用してこのレーザアレイ６０は他の装置に接着される。上部絶縁膜６４の周縁側には、例えばTi/Pt/Auからなる合計１６個の電極パッド６８が形成されており、この電極パッド６８は、半導体レーザ装置６６と１対１で電気的に接続される。この両者を接続する配線は、上部絶縁層６４と下部絶縁層６２の積層構造内を配設される。
【００３４】
図１２は、レーザアレイ６０の平面図であり、図中の破線が各電極パッド６８と各半導体レーザ装置６６を接続する配線を示す。この配線の概略構成を図１３に示す。図１２と図１３を参照すると配線の様子がよく理解される。
図１３に示すように、電極パッド６８から下部絶縁層６２に向けて上部絶縁層６４を貫通する電極側貫通配線６４ａが形成される。この貫通配線６４ａは中間配線６２ａの一端と接続される。中間配線６２ａは上部絶縁層６４と下部絶縁層６２の接触面のうち、下部絶縁層６２側を沿ってレーザ装置６６側へ伸びている。この中間配線６２ａの他端はレーザ側貫通配線６４ｂに接続され、このレーザ側貫通配線６４ｂは、上部絶縁層６４を貫通するとともに、レーザ装置６６の上部電極４４に接続される。なお、この上部電極４４は第１実施例のレーザ装置の上部電極と一致している。また、図示はされていないが、レーザ装置６６の下部電極は合計１６のレーザ装置６６に共通して接続されている。
このように、集積されている個々のレーザ装置６６は、電極パッド６８に印加する電圧を選択することで個々に制御することが可能である。
【００３５】
図１４に、レーザ加工装置の概略構成図を示す。
図示１６０が、図１１に示すレーザアレイと同一のレーザアレイであり、このレーザアレイ１６０は熱応力緩衝基板１７２を介在させて冷却板１７４に設置される。この熱応力緩衝基板１７２は熱に対して安定な材料あるいは形状をしており、レーザアレイ１６０から発生する熱に対して、その形状が変化することがない。従って、レーザアレイ１６０から射出するレーザ光の射出方向が変動するのを抑制することができる。
冷却板１７４上はケース１７６によって覆われ、このケース１７６はレーザアレイ１６０と対向する位置を覆って形成される。このケース１７６内に冷却水を流動させることで、レーザアレイ１６０からの放熱と冷却水とを熱交換させ、レーザアレイ１６０が過剰に発熱するのを抑制する。これにより、レーザアレイ１６０が安定的に動作する。冷却水の流入口１７７は、ケース１７６の上部に形成されており、レーザアレイ１６０に対して対向する位置関係に形成される。この箇所に流入口１７７が形成されることで、流入口１７７から流入される冷たい水が、効率的にレーザアレイ１６０からの放熱と熱交換することができる。流入水は、ケースの側面に形成される流出口１７８から排出される。
【００３６】
本実施例のレーザアレイ１６０に集積されているレーザ装置は、図１に示すように、半導体基板の裏面側からレーザ光を射出する。従って、活性層が形成されている半導体基板の表面側が、冷却板１７４に近い側に配置される。従って、活性層で発生する熱を効率的に冷却することができるので、安定的な動作を実現し易い。とくにレーザ光を大出力で扱いたい場合など、レーザアレイ１６０に集積されるレーザ装置の個数が増加するために、その熱対策は重要である。換言すれば、本実施例は大出力動作を実現し易いと言える。
レーザアレイ１６０と加工対象物１９２との間に集光レンズ１８２が配置され、レーザアレイ１６０から射出するレーザ光１８４が、集光レンズ１８２を介して加工対象物１９２に焦点を結ぶ。加工対象物１９２上にエネルギー密度が集中され、加工対象物１９２がレーザ加工される。
本実施例のレーザアレイ１６０に集積されているレーザ装置は、その偏波方向が一定方向に調整されており、従って、その加工面には常に偏波方向が一定のレーザ光が照射される。従って、加工対象物１９２の加工面を所望の形状で精度よくレーザ加工することができる。
【００３７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１実施例の半導体レーザ装置の要部断面図を示す。
【図２】第１実施例の回折格子群の概略構成図を示す。
【図３】(ａ) 半導体レーザ装置の要部断面図を示す。(ｂ)基本横モードのレーザ光の電磁界分布を示す。(ｃ)高次モードのレーザ光の電磁界分布を示す。
【図４】第２実施例の半導体装置の要部断面図を示す。
【図５】第２実施例の回折格子群の概略構成図を示す。
【図６】(ａ) (ｂ) (ｃ)回折格子群を変形例を示す。
【図７】(ａ)上側透明部材の平面図を示す。(ｂ)上側透明部材の正面図を示す。(ｃ)上側透明部材の下面図を示す。
【図８】(ａ)(ｂ)光干渉マスクを透過する紫外光の光路を示す。
【図９】光干渉マスクを用いてフォトレジスト上に干渉稿を形成する製造過程を示す。
【図１０】光干渉マスクを用いて半導体基板上に回折格子群を形成する製造過程を示す。
【図１１】第３実施例のレーザアレイの斜視図を示す。
【図１２】第３実施例のレーザアレイの平面図を示す。
【図１３】第３実施例のレーザアレイの概略断面図を示す。
【図１４】レーザ加工装置の概略構成図を示す。
【図１５】従来の面発光半導体レーザ装置の要部断面図を示す。
【図１６】従来の面発光半導体レーザ装置の回折格子群の概略構成図を示す。
【符号の説明】
【００３９】
２２：半導体基板
２４：下側クラッド層
２６：活性層
２８：上側クラッド層
３２：回折格子
４２：下部電極
４３：反射防止膜
４４：上部電極
４５：保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005277080.tif 000007
【図６】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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