(57)【要約】【課題】  横方向のレーザビームの品質を向上させた半導体レーザを提供すること。【解決手段】  半導体レーザのストライプ電極５ａ、５ｂ、２９ａ、２９ｂを、光共振器７の発振光軸６に対して左右対称に離間して平行に電気的に複数に分割して配置する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、この半導体基板の上に形成された半導体素子により、一方向にスラブ導波路が形成され、このスラブ導波路に対して垂直方向に利得導波路が形成され、かつ前記スラブ導波路に沿って光共振器が形成されており、この光共振器の発振光軸に沿って前記利得導波路を規定するように配置された第１の電極と、この第１の電極に対向して配置して前記半導体基板に設けられている第２の電極とを有する半導体レーザであって、
前記第１の電極は、前記光共振器の前記発振光軸に対して左右対称に離間して平行に電気的に複数に分割して配置されていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１の電極は２分割されており、電極の幅Ｗと電極の間隔Ｄは、１／４≦Ｄ／Ｗ≦３の関係であることを特徴とする請求項１の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１の電極は3分割以上に分割されていることを特徴とする請求項１の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出射するレーザビームの広がり角や品質を向上させた半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
利得導波型の半導体レーザの一般的な一例の概略構造は、図７に模式斜視図を示すように、活性領域（ｐ型）５１を挟んで設けられているｎ型クラッド層５２とｐ型クラッド層５３とにそれぞれ電極５４、５５が形成されている。また、両端面にはミラー面５６ａ、５６ｂが形成されている。活性領域５１は、例えば、幅１００μｍ〜４００μｍ、高さ１μｍ程度でありクラッド層５２、５３を介して形成されている電極５４、５５は、カソード電極５５が活性領域５１の幅と同程度の幅でストライプ状に形成され、電流は対極する幅広のアノード電極５４に向かって流れる。このとき、横方向（幅方向）の電流密度分布は、中央で高く、周辺部になるほど低くなる。
【０００３】
また、カソード電極５５が２列に形成されているツインストライプレーザの場合について説明すると、図８（ａ）、（ｂ）は断面図および平面図を示す。図８（ａ）および（ｂ）において、６１はｎ型ＧａＡｓ基板、６２はｎ型ＧａＡｓバッファ層、６３はｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、６４は活性層、６５はｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、６６はｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層、６７はｐ側電極、６８はエッチング溝、６９はｎ側電極である。
【０００４】
２つのストライプ電極６７より等しく電流注入を行えば、電流密度分布が中央部で凹みを有する形状（図９実線Ｇ参照）となるため、プラズマ効果により中央部での実効的な屈折率が上がり、光がこの領域に閉じ込められ、狭近視野像（図１０実線Ｇ参照）で低閾値（図１１実線Ｇ参照）が実現できるとしている。したがって、利得導波型の半導体レーザアレイにおいても、電流密度分布が中央部で凹みを有する形状となるように電流注入を行うことで、横方向の屈折率差を具現化することができる。（例えば、特許文献１を参照）
【特許文献１】特開平７−３２１４０１号公報    （段落番号０００７〜０００８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体レーザから出射されるレーザビームの品質は、レーザビームの径と広がりの積で表される。それらは、高出力の半導体レーザの場合、一般に、縦方向がビーム径１μｍ、広がり角４０度に対し、横方向がビーム径２００μｍ、広がり角１０度と、数倍のレベルで横方向のビーム品質が悪い。例えば、レーザビームをファイバ伝送することを想定した場合、ＮＡ（開口角）０．２のファイバでは１００μｍ程度までしか絞ることができない。そのため、このファイバをレーザ加工の際の伝送手段に使用した場合、加工サイズを小さくすることができない。したがって、ワークディスタンスを十分取れないなどの悪影響を引き起こすことになる。半導体レーザでは横方向のビーム品質を向上させることが強く望まれている。
【０００６】
本発明はそれらの事情にもとづいてなされたもので、特に、横方向のレーザビームの品質を向上させた半導体レーザを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、半導体基板と、この半導体基板の上に形成された半導体素子により、一方向にスラブ導波路が形成され、このスラブ導波路に対して垂直方向に利得導波路が形成され、かつ前記スラブ導波路に沿って光共振器が形成されており、この光共振器の発振光軸に沿って前記利得導波路を規定するように配置された第１の電極と、この第１の電極に対向して配置して前記半導体基板に設けられている第２の電極とを有する半導体レーザであって、
前記第１の電極は、前記光共振器の前記発振光軸に対して左右対称に離間して平行に電気的に複数に分割して配置されていることを特徴とする半導体レーザである。
【０００８】
また本発明によれば、前記第１の電極は２分割されており、電極の幅Ｗと電極の間隔Ｄは、１／４≦Ｄ／Ｗ≦３の関係であることを特徴とする半導体レーザである。
【０００９】
また本発明によれば、前記第１の電極は3分割以上に分割されていることを特徴とする半導体レーザである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、出射するレーザビームの横方向のビーム品質を向上させ、高精度のビーム品質を出射できる半導体レーザを実現した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１２】
まず、本発明の基本的な考え方について説明する。前述の「発明が解決しようとする課題」の項で説明したように、半導体レーザから出射されるレーザビームの品質は、レーザビームの径と広がりの積で表される。また、一般に、レーザビームは縦方向に比べて、数倍のレベルで横方向のビームは広がりが大きく品質が悪い。ビームの広がりが大きくなる原因は、キャリア濃度（電流密度）の分布に起因している。
【００１３】
半導体レーザの横方向（幅方向）の電流密度分布は、中央で高く、周辺部になるほど低くなる。
【００１４】
また、屈折率ｎと電流密度（キャリア濃度Ｎ）とは、下記の関係が成立している。
【００１５】
ｎ＝ｎ０−Ｎ・ｅ２／２ｍ・ε０・ω２・ｎ０    ・・・・・・（１）
ｎ０：キャリアのない時の屈折率  ｅ：電子の電荷  ｍ：電子の有効質量
ε０：真空中の誘電率  ω：光の振動数
上記の（１）式から図１ａに模式グラフを示すようにキャリア濃度Ｎ（電流密度）が大きくなると、図１ｂに模式グラフを示すように屈折率が低くなる。このような横方向の屈折率分布は、発振するレーザ光に対し、凹面レンズと同じ作用効果を与える。このため、レーザ光の位相面は、図2に模式グラフを示すように、凸面上となり、出射されるビーム広がりは、横方向で大きくなり、ビーム品質の低下を引き起こす。
【００１６】
これらの関係から、半導体レーザにおける電流密度分布をより均一化するため、上部に形成するストライプ電極を光共振器の発振光軸に対して左右対称に複数に分割して、かつ、ストライプ電極の幅Ｗと、ストライプ電極の間隔Ｄとの関係を所定の条件に設定することにより、電流密度の均一化を図ることができる。
【００１７】
図３は、ストライプ電極を２つに分割した場合の半導体レーザの模式構成図である。半導体基板１の上にはクラッド層２形成され、さらに、その上に活性領域３とクラッド層３が形成され、その上部にストライプ電極５ａ、５ｂが電気的に２分割して配置されている。また、半導体レーザの両端面はミラー面７ａ、７ｂに形成され光共振器７を形成している。ストライプ電極５ａ、５ｂは光共振器７の発振光軸に対して左右対称に平行に配置されている。このようにストライプ電極５ａ、５ｂを光共振器７の発振光軸６に対して左右対称に２分割にした場合、電流密度の均一性は、電極の幅Ｗと、電極の間隔Ｄにより変化する。なお、半導体基板１の下面には、ストライプ電極５ａ、５ｂと対向する下部電極８が設けられている。
【００１８】
図４は、点電極から流れる電流密度は正規分布で分散して流れると仮定して、２分割したストライプ電極５ａ、５ｂでの電流密度分布と屈折率分布を計算した結果を示すグラフである。
【００１９】
図４においては、電極の幅Ｗと電極間隔Ｄの比Ｄ／Ｗをパラメータに計算したもので、Ｄ／Ｗ＝０は、従来の１本でストライプ電極が形成されている場合の電流密度分布である。また、屈折率分布は（１）式をもとにそれぞれの電流密度に対応する計算結果を示している。横軸（水平位置）の−２〜０が活性領域（Ｄ／Ｗが異なっても、電極の位置では電流密度が略均一化している領域）を示しており、その際の電極の幅も−２〜０となっている。
【００２０】
図４から、ストライプ電極５ａ、５ｂを２分割することで電流密度分布（活性領域でのＭＩＮとＭＡＸの差）が小さくなる条件が見られる。図４の屈折率分布で活性領域で（ＭＩＮ−ｎ０）／（ＭＡＸ−ｎ０）（屈折率分布）を計算し、Ｄ／Ｗとの関係をグラフに表すと、図５に示したグラフのようになる。
【００２１】
図５に示したグラフから、１／４≦Ｄ／Ｗ≦３の条件（屈折率分布が略６０％以上の領域）を満たすようにストライプ電極５ａ、５ｂを２分割するころにより、１本のストライプ電極に比べレーザビームの均一性が向上し、レーザビームの品質の向上が期待できることがわかる。
【００２２】
すなわち、図３で示したように、ストライプ電極５ａ、５ｂを分割して構成し、そのストライプ電極５ａ、５ｂの幅Ｗと電極間隔Ｄは１／４≦Ｄ／Ｗ≦３の条件を満たすように構成することにより、Ｄ／Ｗ＝４／３の場合、屈折率分布（ＭＩＮ−ｎ０）／（ＭＡＸ−ｎ０）は、従来の半分以下に抑えられる。これにより広がり角も半分に低減することが期待できる。
【００２３】
なお、ストライプ電極５ａ、５ｂ２分割以外でも、幅と間隔の最適化を図れば、同様な効果が得られる。下表に図５で示した計算を、ストライプ電極を３分割以上で実施した結果を示す。これらの組合せでも、同様な効果が得られる。
【表１】
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【００２４】
次に、上述の考え方にもとづく半導体レーザの構造について説明する。
【００２５】
図６は半導体レーザであるレーザチップ２１の模式的な構造を示すものである。半導体基板としてはｎ型ＧａＡｓ基板２２を用い、このＧａＡｓ基板２２上に順次ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２３，ノンドープＧａＡｓ活性層（活性領域）２４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２５およびｐ型ＧａＡｓキャップ層２６がＭＢＥ法などのエピタキシャル成長法により積層形成されている。
【００２６】
このｐ型ＧａＡｓキャップ層２６の上にはＳｉＯ２からなる絶縁層２７が積層形成されており、この一部がストライプ状にエッチング除去されている。このエッチングで除去された部分が電流注入領域２８となっている。
【００２７】
絶縁層２７の上には全面に渡って形成される金属膜により電流注入用の上部のストライプ電極２９ａ、２９ｂ（第１の電極）が、後述する光共振器の発振光軸に対して左右対称に平行に設けられている。この場合、各ストライプ電極２９ａ、２９ｂの幅Ｗと両ストライプ電極２９ａ、２９ｂの間隔Ｄは、１／４≦Ｄ／Ｗ≦３の条件を満たすように設定されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板２２の下面には全面に渡って形成される金属膜により下部電極３０（第２の電極）が設けられている。
【００２８】
これらの構造により、一方向にスラブ導波路を形成するとともに、この一方向形成されたスラブ導波路に対して垂直方向に利得導波路が形成されている。
【００２９】
なお、上部のストライプ電極２９ａ、２９ｂとしては、例えば、Ｃｒ／Ａｕ膜、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕ膜あるいはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜などを用いることが好ましく、下部電極３０としては、Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕ膜あるいはＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜などを用いることが好ましい。
【００３０】
そして、レーザチップ２１の端面のうち、少なくともストライプの方向の両端面は劈開面などを用いた鏡面に形成されており、そのうちの幅寸法が狭い側では出射端面２１ａとして機能するように反射膜が形成されており、幅寸法が広い側では反射端面２１ｂとして機能するように反射膜が形成されている（光共振器）。
【００３１】
これらの構成により、半導体レーザを構成するレーザチップ２１は、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２６からｎ型ＧａＡｓ基板２２へ順方向のダイオード構造となるように形成されているので、上部のストライプ電極２９ａ、２９ｂおよび下部電極３０との間に電流を与えることによりストライプ状の電流注入領域２８の光共振器の出射端面２１ａからレーザ光を出力するように動作する。
【００３２】
この場合、電流が注入される領域は、前述したようにストライプ状に開口した絶縁層２７の形状の部分である。これにより、ＧａＡｓ活性層２４内では、キャリアの再結合時に光としてエネルギを放出し、その光はストライプの両端面２１ａ，２１ｂ間で反射を繰り返しながら増幅され、コヒーレントで、横方向のビーム品質を向上させ、高精度のビーム品質の光をレーザ光出力として出射端面２１ａ側から出力する。
【００３３】
したがって、出射するレーザビームの横方向のビーム品質を向上させ、高精度のビーム品質を出射できる半導体レーザが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】（ａ）キャリア濃度分布を示す模式グラフ。（ｂ）屈折率分布を示す模式グラフ。
【図２】レーザ光の位相面の模式グラフ。
【図３】本発明のストライプ電極を２つに分割した場合の半導体レーザの模式構成図。
【図４】電流密度分布と屈折率分布を計算した結果を示すグラフ。
【図５】電極幅／電極間隔との関係を示すグラフ。
【図６】本発明のストライプ電極を２つに分割した場合の半導体レーザの構成図。
【図７】従来の半導体レーザの一般的な模式斜視図。
【図８】図８（ａ）従来の半導体レーザの断面図、（ｂ）その平面図。
【図９】従来の半導体レーザでの電流密度の説明グラフ。
【図１０】従来の半導体レーザでの近視野像の違いを示すグラフ。
【図１１】従来の半導体レーザでの電流光出力特性の違いを示すグラフ。
【符号の説明】
【００３５】
１、２２…半導体基板、２、２３…クラッド層、３、２４…活性領域、４、２５…クラッド層、５ａ、５ｂ、２９ａ、２９ｂ…ストライプ電極、６…発振光軸、７…光共振器、８、３０…下部電極
【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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【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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