(57)【要約】【課題】光の利用効率を低下させることなく、理想とするトップハット形状に近い安定したＮＦＰを有するブロードエリア型の半導体レーザを提供する。【解決手段】第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に形成された活性層と、この活性層上に形成されかつストライプ状のリブ構造部９を有するガイド層５と、このガイド層５上に形成された第２導電型の第２クラッド層とを備える半導体レーザの構成として、ガイド層５のリブ構造部９に、ストライプ幅方向に周期性をもった凹凸状の光導波部１１〜１４を設けた。【選択図】図２
2005116728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されかつストライプ状のリブ構造部を有するガイド層と、
前記ガイド層上に形成された第２導電型の第２クラッド層とを備え、
前記ガイド層のリブ構造部に、ストライプ幅方向に周期性をもった凹凸状の光導波部が設けられている
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記ガイド層のリブ構造部内に、ストライプ軸方向に位置をずらして複数の光導波部が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記複数の光導波部は互いに異なる周期で凹凸状に形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
【請求項４】
ストライプ軸方向における各々の光導波部の長さが互いに等しい寸法に設定されている
ことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
【請求項５】
ストライプ軸方向における各々の光導波部の長さがそれぞれ異なる寸法に設定されている
ことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
【請求項６】
各々の光導波部の凹凸段差が互いに等しい寸法に設定されている
ことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
【請求項７】
各々の光導波部の凹凸段差がそれぞれ異なる寸法に設定されている
ことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザに関し、特に、ブロードエリア型の半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、書き込み光ディスクの高速化、レーザプリンタの高速化、光通信の高速化への要求が高まっており、それに伴って高出力の半導体レーザの開発が活発化している。半導体レーザで高出力を得る手法としては、電流注入領域のストライプ幅を広くする手法が知られている。
【０００３】
一般に、ストライプ幅を広くした半導体レーザは、それよりも幅狭のストライプを有するナロー・ストライプ型との対比でブロードエリア型と呼ばれている。ブロードエリア型の半導体レーザは、ストライプ幅が３μｍ程度のナロー・ストライプ型よりも幅広のストライプを有する高出力の半導体レーザである。一般的にはストライプ幅が５μｍ以上（さらに狭義では数１０μｍ〜数１００μｍ）の半導体レーザをブロードエリア型の半導体レーザと呼んでいる。ブロードエリア型の半導体レーザに関する技術としては、特許文献１に記載されたものが知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−６０２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、ブロードエリア型の半導体レーザでは、電流注入領域のストライプ幅が広いことから、導波路内の光の導波パターンに依存するＮＦＰ(Near Field Pattern)を表す横方向の光モード（横モード）が０次モード（基本モード）を含む高次モードを示すものとなる。したがって、この種の半導体レーザでは、高次モードの任意な存在やフィラメント発光を許容することになるため、例えば図５の実線で示すように、ＮＦＰの光強度分布が不均一になったり揺らいだりして、ＮＦＰの形状が理想のトップハット形状（台形状）から大きくずれることが殆どであった。また、注入電流や温度、パワーなどを変化させた場合も、理想形状からのずれ具合に変動が生じていた。
【０００６】
このようにＮＦＰの光強度分布が不均一であったり、そのパターン形状が不安定であったりすると、ブロードエリア型の半導体レーザを電子機器に応用する場合に種々の問題が発生する。例えば、ブロードエリア型の半導体レーザをレーザープリンタ等の印刷装置に応用する場合は印刷での強度ムラやノイズを引き起こし、ディスプレイに応用する場合は明るさの不均一性やちらつきを生じるなどの問題が発生する。また、実際に出力されるＮＦＰが理想形状となるように、トータルの光出力のうち、変動範囲の最小値以上の光成分をカットして出力することも考えられるが、そうした場合は光の利用効率が低下するとともに、光強度分布の変動の大きさ（バラツキや揺らぎの程度）に比例して光出力レベルが低下してしまう。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、光の利用効率を低下させることなく、理想とするトップハット形状に近い安定したＮＦＰを有する半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するにあたって、本発明者は、ブリードエリア型半導体レーザのＮＰＦで理想とされるトップハット形状が如何にして実現されるものであるかを、光学的フーリエ変換により分析するという着想を得た。以下にその詳細を示す。
【０００９】
一般に、ストライプ形状に沿ったトップハット形状はDirichlet関数形状で表すことができる。そこで、ＮＰＦをDirichlet関数形状に重ね合わせるためにはどのような条件が必要かをフーリエ級数展開で考えてみた。電場の強度の総和は、高次モードに含まれる各横モードの強度（電場の二乗）和になる。これはコサイン関数の級数で実質的に表されるため、結局、変域[-a,a]のDirichlet関数Ｄ（Ｘ）は、下記の数１に示すようにフーリエ級数展開される。
【００１０】
【数１】
2005116728.tif 000003
【００１１】
上記数１において、ａは（０＜ａ＜π）の範囲内の値をとるように数学的に規定される。ここで、ａ＝２としてフーリエ級数展開した場合は、最初の数項の和でかなり早く収束し、初期５項までの和でDirichlet関数に近似したものとなる。このことは、各横モードの光を適度な重みで重ね合わせたときに、０次〜４次の横モードの和で、理想とするトップハット形状に近似したＮＦＰが得られることを示唆している。これを上記数１に照らし合わせて考えると、トップハット形状を実現するために「sin(an)/an」の重み関数列で高次横モードを重ね合わせることにより、４次程度の高次モードまでで良好なＮＦＰが得られることを意味している。ここで、ａは関数の変域であり、実際のブロードエリア型半導体レーザではストライプ幅に依存する量となる。
【００１２】
一方、上記特許文献１に記載されたブロードエリア型の半導体レーザでは、活性層に隣接するガイド層にリブ構造部を設け、このリブ構造部（リブ型導波路）による屈折率の差を利用して光の導波を行う構成となっている。このようなリブ構造部を有するガイド層をブロードエリア型半導体レーザに適用することにより、上記図５の破線で示すように、ＮＰＦの形状をある程度整えることは可能である。しかしながら、半導体レーザを印刷機やディスプレイに応用することを考えると、単にリブ型導波路を採用したたけではＮＦＰの光強度分布の不均一性が十分に改善されず、所望の効果が得られなかった。
【００１３】
このような技術的見解に基づいて本発明者は、ブロードエリア型の半導体レーザのＮＰＦ形状を理想のトップハット形状に近づけるために、次のようなレーザ構成を採用することとした。すなわち、第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に形成された活性層と、この活性層上に形成されかつストライプ状のリブ構造部を有するガイド層と、このガイド層上に形成された第２導電型の第２クラッド層とを備える半導体レーザの構成として、ガイド層のリブ構造部に、ストライプ幅方向に周期性をもった凹凸状の光導波部が設けた構成を採用した。
【００１４】
本発明の半導体レーザにおいては、ガイド層のリブ構造部内に、ストライプ幅方向に周期性をもった凹凸状の光導波部を設けることにより、その凹凸周期に対応（マッチ）した横モードの光が他のモードの光よりも光導波部で積極的に導波されるようになる。したがって、リブ構造部を用いた光の導波路において、光導波部の凹凸周期に対応した横モードの光だけを集中的に強調し、その光強度を増加させることが可能となる。これにより、ストライプ幅を広くしたブロードエリア型の半導体レーザにおいては、光導波部を利用して横モードの重ね合わせ具合を制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体レーザによれば、リブ型導波路を実現するガイド層のリブ構造部に、ストライプ幅方向に周期性をもった凹凸状の光導波部が設けることにより、横モードの重ね合わせ具合を適切に制御して、ＮＰＦの揺らぎや不均一性を低減することができるとともに、ＮＰＦの形状を理想とするトップハット形状に近づけることができる。その結果、光の利用効率を低下させることなく、理想とするトップハット形状に近い安定したＮＦＰを有する半導体レーザを実現することが可能となる。また、印刷機やディスプレイへの応用に適したブロードエリア型の半導体レーザを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明が適用されるブロードエリア型の半導体レーザの基本的な構成例を示す断面図である。図示した半導体レーザ１は、半導体基板２と、第１クラッド層３と、活性層４と、ガイド層５と、第２クラッド層６と、電流狭窄層７と、コンタクト層８とを備えて構成されている。
【００１８】
半導体基板２は、例えばＧａＡｓ化合物半導体基板からなるものである。第１クラッド層３は、例えばｎ型のＡｌＩｎＰ層からなるものである。この第１クラッド層３は、半導体基板２の主面上に積層状態で形成されている。活性層４は、例えばＧａＩｎＰ層からなるものである。この活性層４は、例えば層厚が１００Å程度以下の薄い層（量子井戸層）を複数層導入したＭＱＷ(Multi Quantum well)構造を有するもので、第１クラッド層３上に積層状態で形成されている。また、活性層４は、これに隣接する第１クラッド層３やガイド層５、さらには第２クラッド層６よりも高い屈折率を有するものとなっている。
【００１９】
ガイド層５は、例えばＡｌＧａＩｎＰ層からなるものである。このガイド層５は、平面視ストライプ状のリブ構造部９を有するもので、活性層４上に積層状態で形成されている。リブ構造部９は、ストライプ軸方向に沿う光導波路内に段差Δｄに対応する屈折率の差を生じさせることにより、ストライプ軸方向に光を導波するもので、全体的にはコンタクト層８側の凸に形成されている。リブ構造部９の段差Δｄによる屈折率差は、リブ構造部９のストライプ幅Ｗとともに、高次横モードのカットオフ条件を決めるパラメータとなる。すなわち、段差Δｄを大きくすると、その分だけ屈折率差が大きくなるため、カットオフされる横モードの次数が高くなる。また、ストライプ幅Ｗを大きくした場合も、カットオフされる横モードの次数が高くなる。したがって、リブ構造部９の段差Δｄ及びストライプ幅Ｗを適宜設定することにより、所望の次数までの横モードの光だけを導波路内の存在させることができる。第２クラッド層６は、例えばｐ型のＡｌＩｎＰ層からなるものである。この第２クラッド層６は、ガイド層５上に積層状態で形成されている。また、第２クラッド層６の屈折率は、Ａｌ組成比をガイド層５よりも大きくすることで、ガイド層５の屈折率より小さいものとなっている。
【００２０】
電流狭窄層７は、例えばｎ型のＧａＡｓ層からなるものである。この電流狭窄層７は、ｐ側の電流通路を幅狭に制限して活性層４への電流注入領域をストライプ状にするもので、第２クラッド層６の両側に積層状態で形成されている。電流狭窄層７は、半導体層にイオンを打ち込んで高抵抗化することにより形成してもよいし、ＳｉＯ2（酸化シリコン）やＳｉ3Ｎ4（窒化シリコン）などの絶縁層によって形成してもよい。電流狭窄層７による電流注入領域の幅（ストライプ幅）は、前述したリブ構造部９のストライプ幅Ｗとほぼ等しい寸法となっている。
【００２１】
コンタクト層８は、例えばｐ型のＧａＡｓ層からなるものである。このコンタクト層８は、第２クラッド層６上に積層状態で形成されている。また、図示はしないが、コンタクト層８上にはｐ側の電極が形成され、このｐ側の電極と反対側となる半導体基板２の裏面にｎ側の電極が形成される。
【００２２】
図２は本発明の実施形態に係る半導体レーザで採用したガイド層の構造を示す斜視図である。また、図３（Ａ）はガイド層の平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）におけるP1-P1断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）におけるP2-P2断面図、図３（Ｄ）は図３（Ａ）におけるP3-P3断面図、図３（Ｅ）は図３（Ａ）におけるP4-P4断面図である。
【００２３】
図示のようにガイド層５のリブ構造部９は、横モードの基本モードとなる０次モードの光の波形に対応した凸型の基本構造（リブ型導波路構造）に加えて、ストライプ軸方向（共振器軸方向）と直交する方向（図３の左右方向）となるストライプ幅方向に周期性をもった凹凸状（凹凸構造）をなす複数（４つ）の光導波部１１，１２，１３，１４を有している。複数の光導波部１１〜１４は、ガイド層５のリブ構造部９内に、それぞれストライプ軸方向に位置をずらして設けられている。以下、「光導波部１１」を「第１の光導波部１１」、「光導波部１２」を「第２の光導波部１２」、「光導波部１３」を「第３の光導波部１３」、「光導波部１４」を「第４の光導波部１４」と呼称する。
【００２４】
第１の光導波部１１は、１次モードの光の波形に対応した周期的な凹凸構造を有するもので、これはリブ幅方向（ストライプ幅方向）の両側に設けられた計２つの凸部１１Ａと、それらの間に設けられた１つの凹部１１Ｂによって均一な間隔の凹凸状に形成されている。また、リブ構造部９の上面を基準にした凹部１１Ｂの凹み寸法は、その両側の凸部１１Ａの突出寸法（リブ構造部９の段差Δｄ）と同じ寸法に設定されている。この第１の光導波部１１は、ガイド層５のストライプ軸方向で１次モードの光を他モード（０次モードを除く）の光よりも積極的に導波することにより、リブ型導波路内で１次モードの光を集中的に強調して、その光強度を相対的に増加させる機能を果たす。
【００２５】
第２の光導波部１２は、２次モードの光の波形に対応した周期的な凹凸構造をなすもので、これはリブ幅方向の両側と中間部に設けられた計３つの凸部１２Ａと、互いに隣り合う凸部１２Ａの間に設けられた計２つの凹部１２Ｂによって均一な間隔の凹凸状に形成されている。また、リブ構造部９の上面を基準にした各々の凹部１２Ｂの凹み寸法は、各々の凸部１２Ａの突出寸法（リブ構造部９の段差Δｄ）と同じ寸法に設定されている。この第２の導波部１２は、ガイド層５のストライプ軸方向で２次モードの光を他モード（０次モードを除く）の光よりも積極的に導波することにより、リブ型導波路内で２次モードの光を集中的に強調して、その光強度を相対的に増加させる機能を果たす。
【００２６】
第３の光導波部１３は、３次モードの光の波形に対応した周期的な凹凸構造をなすもので、これはリブ幅方向の両側とその間に設けられた計４つの凸部１３Ａと、互いに隣り合う凸部１３Ａの間に設けられた計３つの凹部１３Ｂによって均一な間隔の凹凸状に形成されている。また、リブ構造部９の上面を基準にした各々の凹部１３Ｂの凹み寸法は、各々の凸部１３Ａの突出寸法（リブ構造部９の段差Δｄ）と同じ寸法に設定されている。この第３の光導波部１３は、ガイド層５のストライプ軸方向で３次モードの光を他モード（０次モードを除く）の光よりも積極的に導波することにより、リブ型導波路内で３次モードの光を集中的に強調して、その光強度を相対的に増加させる機能を果たす。
【００２７】
第４の光導波部１４は、４次モードの光の波形に対応した周期的な凹凸構造をなすもので、これはリブ幅方向の両側とその間に設けられた計５つの凸部１４Ａと、互いに隣り合う凸部１４Ａの間に設けられた計４つの凹部１４Ｂによって均一な間隔の凹凸状に形成されている。また、リブ構造部９の上面を基準にした各々の凹部１４Ｂの凹み寸法は、各々の凸部１４Ａの突出寸法（リブ構造部９の段差Δｄ）と同じ寸法に設定されている。この第４の光導波部１４は、ガイド層５のストライプ軸方向で４次モードの光を他モード（０次モードを除く）の光よりも積極的に導波することにより、リブ型導波路内で４次モードの光を集中的に強調して、その光強度を相対的に増加させる機能を果たす。
【００２８】
このようなガイド層５を有する半導体レーザ１を製造する場合は、次のようなプロセスを採用することができる。先ず、予め洗浄されたウエハ状態の半導体基板２を結晶成長装置の反応室にセットして、この半導体基板２上に有機金属気相成長法により第１クラッド層３、活性層４及びガイド層５を順に積層して形成した後、半導体基板２を反応室から一旦取り出す。このとき、ガイド層５に含まれるアルミニウムが空気に触れて酸化しないように、ガイド層５の表面に保護膜（例えば、ＧａＩｎＰ層）を薄く形成しておく。この時点では、ガイド層５にリブ構造部９が形成されていない。
【００２９】
次に、フォトリソグラフィによってガイド層５の上にマスクを形成した後、ガイド層５の表面をマスクを通して部分的にエッチングすることにより、ガイド層５にリブ構造部９と複数の光導波部１１〜１４を同時に形成する。その後、マスクの除去及び保護膜の除去を行ってから半導体基板２を再び反応室にセットして、有機金属気相成長法により２回目の結晶成長を行って、ガイド層５上に第２クラッド層６及びコンタクト層８を順に積層して形成する。
【００３０】
続いて、第２クラッド層６及びコンタクト層６の両側をエッチングにより除去した後、第２クラッド層６のエッチング除去部（両側の凹み部分）を埋め込むように、気相成長法によって電流狭窄層７を形成する。その後は、ｐ側の電極形成、半導体基板（ウエハ）２の裏面研磨、ｎ側の電極形成を順に行った後、劈開により半導体レーザを個片に分割するとともに、劈開により露出したレーザ端面にコーティング処理を行うことにより、図１に示す半導体レーザが得られる。
【００３１】
ここで、ガイド層５のリブ構造部９のストライプ幅Ｗに対して、各々の光導波部１１〜１４の凹凸の周期は、それぞれに対応する高次横モードの次数Ｍをパラメータとして約Ｗ／（Ｍ＋１）に設定されている。すなわち、第１の光導波部１１は１次モードの光を積極的に導波するものであるから、これに対応する高次横モードの次数はＭ＝１となる。したがって、第１の光導波部１１の凹凸の周期は約Ｗ／２に設定される。同様に、第２の光導波部１２の凹凸の周期は約Ｗ／３に設定され、第３の光導波部１３の凹凸の周期は約Ｗ／４に設定され、第４の光導波部１４の凹凸の周期は約Ｗ／５に設定される。したがって、例えばストライプ幅がＷ＝５０μｍであるとすると、第１の光導波部１１の凹凸の周期は約２５μｍ、第２の光導波部１２の凹凸の周期は約１７μｍ、第３の光導波部１３の凹凸の周期は約１２μｍ、第４の光導波部１４の凹凸の周期は約１０μｍに設定される。
【００３２】
また、半導体レーザのストライプ軸方向におけるガイド層５の長さ（リブ構造部９のストライプ長）Ｌに対して、第１の光導波部１１の長さはＬ１、第２の光導波部１２の長さはＬ２、第３の光導波部１３の長さはＬ３、第４の光導波部１４の長さはＬ４に設定されている（Ｌ＞Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）。各々の光導波部１１〜１４の長さＬ１〜Ｌ４は、互いに等しい寸法に設定してもよいし、それぞれ異なる寸法に設定してもよい。例えば、ガイド層５の長さをＬ＝１０００μｍとすると、各々の光導波部１１〜１４の長さをＬ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４≒２００μｍといった具合に互いに等しい寸法に設定してもよいし、Ｌ１＝２５０μｍ、Ｌ２＝２００μｍ、Ｌ３＝１５０μｍ、Ｌ４＝１００μｍといった具合にそれぞれ異なる寸法に設定してもよい。また、他の例として、Ｌ１＝Ｌ２＝２５０μｍ、Ｌ３＝Ｌ４＝１５０μｍで設定したり、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝２００μｍ、Ｌ４＝１５０μｍで設定したりといった具合に、任意に選択した複数の光導波部の長さが等しくなるように、各々の光導波部１１〜１４の長さＬ１〜Ｌ４を設定してもよい。
【００３３】
ここで、例えば第１の光導波部１１の長さＬ１をストライプ軸方向に延長すると、その分だけ第１の光導波部１１による１次モードの光の導波作用が強まる。そのため、ガイド層５のリブ構造部９による導波路内で１次モードの光がより顕著に強調されるようになる。このことから、各々の光導波部１１〜１４の長さＬ１〜Ｌ４は、導波路内でいずれの横モードの光をどの程度強めるかを決めるパラメータとなる。一方、トップハット形状を表すDirichlet関数をフーリエ級数展開した場合の重ね合わせでは、「sin(an)/an」の重み関数により適度な重み付けを行うことにより、トップハット形状に重ね合わせることができる。
【００３４】
したがって、トップハット形状への重ね合わせに適した重み関数「sin(an)/an」にしたがって各々の光導波部１１〜１４の長さＬ１〜Ｌ４の相対的な比率を求め、この比率に基づいて各々の光導波部１１〜１４の長さＬ１〜Ｌ４を適宜設定することにより、半導体レーザ１のＮＦＰをトップハット形状に近づけることができる。また、各々の光導波路１１〜１４の長さＬ１〜Ｌ４を可変パラメータとして、各横モードの重ね合わせ具合とこれによって得られるＮＦＰの形状を制御することが可能となる。
【００３５】
また、一般にブロードエリア型の半導体レーザでは、フィラメント形成という孤立した特異な発光パターンの形成が時々みられる。フィラメント形成は、特に外部光がレーザに入る（戻る）時に助長される。このフィラメント形成は、レーザの発光パターンを不均一にする因子になる。これに対して、本実施形態に係る半導体レーザ１では、ガイド層５のリブ構造部９に複数の光導波部１１〜１４を設けたことで横モードの安定性が増すため、フィラメント形成を抑制することができる。また、不安定な発振や戻り光、注入光によるフィラメント形成も抑制されるため、レーザ動作を安定化させることができる。
【００３６】
ちなみに、各々の光導波部１１〜１４の長さＬ１〜Ｌ４を可変パラメータとした重み付け量は、導波路内に存在する高次横モードの次数により、適切（最適）とされる量が異なるものとなるため、リブ構造部９の段差Δｄによる屈折率差とストライプ幅Ｗの影響を受ける。また、導波路内の電場強度はストライプ軸方向に一定ではなくレーザ端面の反射率によって異なることや、各横モードにとって他の次数モードに対応する光導波部が導波ロスの役割を果たすことを考慮すると、各々の光導波部１１〜１４の長さＬ１〜Ｌ４の相対比は、厳密には、Dirichlet関数をフーリエ級数展開した場合の重ね合わせの重み付け量にリニアに対応しないものの、近似的にはＮＦＰ形状を制御する際の良好な目安となる。
【００３７】
また、導波すべき横モードの光波形（位相）が反転する場合（係数が負になる場合）は、これに対応する光導波部の凹凸をほぼ反転した構造に変更すればよい。ただし、ストライプ幅方向におけるリブ構造部９の両サイドには、光導波がアンチガイドにならないように、必ず凸部分を存在させる必要がある。したがって、例えば１次モードに対応する第１の光導波部１１で光波形の反転に対応する場合は、ストライプ幅方向の両サイドに肉薄の凸部を設け、これらの凸部間の中間部に幅広の凸部を１つ設けることにより、ストライプ幅方向に周期性をもった凹凸状の光導波部を構成することができる。
【００３８】
また、Dirichlet関数をフーリエ級数展開して重ね合わせる場合に、ｘの変域[-a，a]の決め方が重み付けにおいて重要になる。このａの値は次のように決定される。まず、図４に示すように、屈折率ｎ２の活性層を屈折率ｎ１（＜ｎ２）のクラッド層で挟んだ３層スラブ構造の導波モードは、ＴＥ(Transverse Electric)モードではクラッド層の減衰関数と活性層の振動関数がそれぞれ下記数２、数３で表されることが知られている。
【００３９】
【数２】
2005116728.tif 000004
【００４０】
【数３】
2005116728.tif 000005
【００４１】
いま、基本モード（０次モード）の光を考えると、これは偶関数で上記数３のコサイン側だけが寄与する。ここで、ｘの変域は、電流注入領域のストライプ幅Ｗに対して[-W/2,W/2]である。これが上記数１でフーリエ級数展開したDirichlet関数Ｄ（Ｘ）の変域[-a，a]に対応するものとなる。そのため、下記数４にしたがってａの値を計算すると、下記数５が得られる。
【００４２】
【数４】
2005116728.tif 000006
【００４３】
【数５】
2005116728.tif 000007
【００４４】
このようにして得られたａの値は、上述した（０＜ａ＜π）の条件を満足する。実効屈折率ｎeffは、層間の屈折率差Δｎ（＝ｎ２−ｎ１）やストライプ幅Ｗに依存して決まる値であるため、変域ａもこれらの値に依存する量になる。物理的には導波の横モードが中央領域に閉じ込められるほど、ａの値はπに近づき、閉じ込めが浅くなるほど０に近づくことになる。「sin (an) /an」の重み関数を考えるとａの値がπに近いほど収束は遅くなる傾向にあるが、現実的にはそこまで広いストライプ幅Ｗや大きなΔｎを用いることは少ないと推測される。
【００４５】
以上のようにaの値を決定することにより、高次横モードの重み付けを行うことができる。また、この重み付けに応じた長さの光導波部をリブ構造部９に設けることにより、横モードの重ね合わせを適切に制御することができる。そのため、理想とするトップハット形状に近いＮＦＰ形状を得ることが可能になる。
【００４６】
なお、上記実施形態においては、ガイド層５のリブ構造部９に、ストライプ軸方向の一方から他方に向かって第１の光導波部１１、第２の光導波部１２、第３の光導波部１３、第４の光導波部１４を順に配置したものを例示したが、ストライプ軸方向における光導波部１１〜１４の位置は任意に入れ替え可能である。また、従来のブロードエリア型半導体レーザとの比較では、ＮＦＰの形状をトップハット形状に近づけるために、少なくとも１つの光導波部をリブ構造部９に設ける必要はあるが、いずれのモードに対応した光導波部を設けるかに関しては各モードの重ね合わせ具合に応じて適宜変更可能である。したがって、例えば、リブ構造部９に第３の光導波部１３だけを設けたり、第２の光導波部１２と第４の光導波部１４だけを設けたりする場合もあり得る。
【００４７】
また、上記実施形態においては、ガイド層５のリブ構造部９に設けられた各光導波部１１〜１４の長さＬ１〜Ｌ４を、光導波の強弱を調整するパラメータとしたが、これ以外にも、各々の光導波部１１〜１４の凹凸段差（凹部底面と凸部上面との段差）を同様のパラメータとしてもよい。すなわち、凹凸段差を大きくすると、それに応じて屈折率差が大きくなるため、ストライプ軸方向の単位長さ当たりの導波作用が強まる。そのため、各々の光導波部１１〜１４の凹凸段差を互いに等しい寸法に設定したり、それぞれ異なる寸法に設定したりすることにより、高次横モードの重ね合わせの重みを変えることができる。
【００４８】
ちなみに、光導波路の凹凸段差による屈折率の差を利用して重み付けを行う場合は、その屈折率差が小さすぎると、注入キャリアのプラズマ効果による屈折率のアンチガイド性により、屈折率によるガイド効果が殆どなくなってしまう。そのため、光導波路の凹凸段差による屈折率差は概ね０．００４以上とすることが望ましい。したがって、各々の光導波部１１〜１４の凹凸段差を互いに等しい寸法に設定する際は、それぞれの凹凸段差による屈折率差を０．００４以上の条件で均一に設定することが望ましい。また、各々の光導波部１１〜１４の凹凸段差をそれぞれ異なる寸法に設定する際は、例えば、第１の光導波部１１の凹凸段差による屈折率差を０．０１、第２の光導波部１２の凹凸段差による屈折率差を０．００７、第３の光導波部１３の凹凸段差による屈折率差を０．００５、第４の光導波部１４の凹凸段差による屈折率差を０．００４に設定することが望ましい。
【００４９】
ただし、半導体レーザ１の製造プロセスを考慮すると、各々の光導波部１１〜１４で凹凸段差による屈折率差に違いをもたせて重み付けする際に、ガイド層５のリブ構造部９をそれぞれ異なる条件で複数回エッチングする必要がある。これに対して、各々の光導波部１１〜１４の長さＬ１〜Ｌ４で重み付けする場合は、１回のエッチングで所望の長さＬ１〜Ｌ４の光導波部１１〜１４を形成することが可能であるため、半導体レーザ１の製造プロセスを簡素化することができる。
【００５０】
また、上記実施形態においては、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いて半導体レーザ材料に用いたが、本発明はこれに限らず、他の半導体材料（例えば、ＩｎＰ系、ＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＮ系など）を用いたものであってもよい。ちなみに、ＡｌＧａＡｓ系の材料を用いた場合はガイド層５をＡｌＧａＡｓ層によって形成し、ＧａＮ系の材料を用いた場合はガイド層５をＡｌＧａＮ層によって形成し、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた場合はガイド層５をＡｌＧａＡｓ層によって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明が適用されるブロードエリア型の半導体レーザの基本的な構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体レーザで採用したガイド層の構造を示す斜視図である。
【図３】ガイド層の構造を説明する図であって、図中（Ａ）はガイド層の平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるP1-P1断面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるP2-P2断面図、（Ｄ）は（Ａ）におけるP3-P3断面図、（Ｅ）は（Ａ）におけるP4-P4断面図である。
【図４】３層スラブ構造の導波モードを示す図である。
【図５】半導体レーザのＮＦＰの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…半導体レーザ、２…半導体基板、３…第１クラッド層、４…活性層、５…ガイド層、６…第２クラッド層、７…電流狭窄層、８…コンタクト層、９…リブ構造部、１１…第１の光導波部、１２…第２の光導波部、１３…第３の光導波部、１４…第４の光導波部
【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】
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