(57)【要約】半導体レーザ素子端面に一括形成できる高反射率の多層膜を有する多波長半導体レーザ装置が提供される。多波長半導体レーザ装置は、互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる。複数の半導体レーザ素子はその出射端面及び後側端面の少なくとも一方に成膜された同一積層構造の反射膜を有する。反射膜は、膜厚方向に配置された、半導体レーザ素子のうちの第１半導体レーザ素子で発振された第１波長に対する第１所定反射率を有する第１反射領域と、第１半導体レーザ素子以外の第２半導体レーザ素子で発振された第１波長と異なる第２波長に対する第２所定反射率を有する第２反射領域と、を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置であって、
複数の半導体レーザ素子はその出射端面及び後側端面の少なくとも一方に成膜された共通の積層構造の反射膜を有し、
前記反射膜は、その膜厚方向に配置された、前記半導体レーザ素子のうちの第１半導体レーザ素子で発振された第１波長に対する第１所定反射率を有する第１反射領域と、前記第１半導体レーザ素子以外の第２半導体レーザ素子で発振された前記第１波長と異なる第２波長に対する第２所定反射率を有する第２反射領域と、を有することを特徴とする多波長半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１及び第２反射領域は、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、ｎ１×ｄ１＝（２ｐ＋１）／４×λ１（但し、λ１は第１波長；ｎ１は第１波長λ１に対する屈折率；ｄ１は膜厚；ｐは０、１、２、…を示す）で示される光学膜厚ｎ１×ｄ１を有し、前記第２反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、ｎ２×ｄ２＝（２ｑ＋１）／４×λ２（但し、λ２は第２波長；ｎ２は第２波長λ２に対する屈折率；ｄ２は膜厚；ｑは０、１、２、…を示す）で示される光学膜厚ｎ２×ｄ２を有することを特徴とする請求項２記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記反射膜は、前記第１及び第２反射領域の間に配置されかつ通過する光の位相差を補正する位相補正領域を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記位相補正領域は単層の誘電体膜からなり、その光学膜厚を規定する膜厚及び屈折率は、前記反射膜の全体の反射率が前記第１波長に対して第１所定反射率と、前記第２波長に対して第２所定反射率となるように、設定されていることを特徴とする請求項４に記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域のうちで隣接したものの屈折率とは異なる屈折率を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項４又は５に記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域のうちで隣接したものの膜厚とは異なる膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域の各誘電体膜の光学膜厚とは異なる光学膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記反射膜は前記後側端面上に成膜されかつ、前記後側端面での反射率が前記出射端面での反射率より高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記第１半導体レーザ素子及び第２半導体レーザ素子だけからなり、それぞれが、４０５ｎｍ帯半導体レーザ素子、及び、６５０ｎｍ帯半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項１１】
互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置の製造方法であって、
互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーを形成する工程と、
複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーの出射端面及び後側端面の少なくとも一方に、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなる第１波長に対する第１所定反射率を有する第１反射領域を形成する工程と、
前記第１反射領域上に、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなりかつ前記第１半導体レーザ素子以外の第２半導体レーザ素子で発振された前記第１波長と異なる第２波長に対する第２所定反射率を有する第２反射領域を形成する工程と、を有することを特徴とする多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１及び第２反射領域の間に配置されかつ通過する光の位相差を補正する位相補正領域を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第１反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、ｎ１×ｄ１＝（２ｐ＋１）／４×λ１（但し、λ１は第１波長；ｎ１は第１波長λ１に対する屈折率；ｄ１は膜厚；ｐは０、１、２、…を示す）で示される光学膜厚ｎ１×ｄ１を有し、前記第２反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、ｎ２×ｄ２＝（２ｑ＋１）／４×λ２（但し、λ２は第２波長；ｎ２は第２波長λ２に対する屈折率；ｄ２は膜厚；ｑは０、１、２、…を示す）で示される光学膜厚ｎ２×ｄ２を有することを特徴とする請求項１２記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１４】
前記位相補正領域は単層の誘電体膜からなり、その光学膜厚を規定する膜厚及び屈折率は、前記反射膜の全体の反射率が前記第１波長に対して第１所定反射率と、前記第２波長に対して第２所定反射率となるように、設定されていることを特徴とする請求項１２記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１５】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域のうちで隣接したものの屈折率とは異なる屈折率を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１２記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１６】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域のうちで隣接したものの膜厚とは異なる膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１２記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１７】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域の各誘電体膜の光学膜厚とは異なる光学膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１２記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１８】
前記反射膜は前記後側端面上に成膜されかつ、前記後側端面での反射率が前記出射端面での反射率より高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１１記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１９】
前記第１半導体レーザ素子及び第２半導体レーザ素子だけからなり、それぞれが、４０５ｎｍ帯半導体レーザ素子、及び、６５０ｎｍ帯半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１１記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】  従来、２つの半導体レーザ素子からなるモノリシック２波長レーザにおいて、その端面の高反射コーティングはマスクを利用して異なる構造の膜として素子ごとに別々に形成されている。第１波長に最適な多層膜を形成する場合は第２波長の第２半導体レーザ素子の出射端面をマスクで覆い、逆に第２波長に最適な多層膜を形成する場合は第１波長の第１半導体レーザ素子の出射端面をマスクで覆うことにより、それぞれに最適な多層膜の高反射コーティングが別々に形成されている。モノリシック２波長レーザの２つの波長の発光点間隔は百数十μｍ以下であるため、従来のマスクを利用して異なる構造の膜を別々に形成する方法では、高い位置合わせ精度が必要となり生産性も悪くなってしまう。
また、２波長半導体レーザ装置の生産性をもっと向上させるために２つの波長帯で使用できるような多層反射膜の共振器が提案されている（特開２００１−２５７４１３号公報、参照）。この２波長半導体レーザ装置は、２つの波長の平均波長λに対する光学長が（１／４＋ｊ）×λ（ｊ＝０，１，２、…）であるような膜厚を持つ多層反射膜の構造を有する。２つの波長の平均波長に合わせているのは、片方の波長帯に合わせた多層膜では他方の波長に対して極端に反射率が低下してしまうためである。
しかし、かかる２波長半導体レーザ装置では、平均波長λがどちらの波長に対してもずれているため、両方の波長に対して１００％近い高反射率を得ることは難しい。特に４０５ｎｍ帯と６５０ｎｍ帯のような比較的大きく離れた波長帯を有する２波長半導体レーザ装置を製造した場合、それぞれの波長と平均波長との差が大きくなるため、両方の波長に対して高反射率の多層膜を設けることはさらに困難になる。
【発明の開示】
そこで、本発明の解決しようとする課題には、同一構造の多層膜を２つ以上の半導体レーザ素子端面に一括形成できる高反射率の多層膜を有する多波長半導体レーザ装置及びその製造方法を提供することが一例として挙げられる。
本発明の多波長半導体レーザ装置は、互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置であって、
複数の半導体レーザ素子はその出射端面及び後側端面の少なくとも一方に成膜された共通の積層構造の反射膜を有し、
前記反射膜は、その膜厚方向に配置された、前記半導体レーザ素子のうちの第１半導体レーザ素子で発振された第１波長に対する第１所定反射率を有する第１反射領域と、前記第１半導体レーザ素子以外の第２半導体レーザ素子で発振された前記第１波長と異なる第２波長に対する第２所定反射率を有する第２反射領域と、を有することを特徴とする。
本発明の多波長半導体レーザ装置製造方法は、互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置の製造方法であって、
互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーを形成する工程と、
複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーの出射面の全面に、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなる第１波長に対する第１所定反射率を有する第１反射領域を形成する工程と、
前記第１反射領域上に、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなりかつ前記第１半導体レーザ素子以外の第２半導体レーザ素子で発振された前記第１波長と異なる第２波長に対する第２所定反射率を有する第２反射領域を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明による実施形態の２波長半導体レーザ装置を示す概略断面図である。
図２は、本発明による実施形態の２波長半導体レーザ装置を示す概略斜視図ある。
図３は、本発明による実施形態の２波長半導体レーザ装置の多層膜を示す概略断面図ある。
図４は、本発明による実施形態の２波長半導体レーザ装置の多層膜の設定方法を示すフローチャートである。
図５〜図１０は、本発明による実施形態の２波長半導体レーザ装置の多層膜の設定方法の一部を示すフローチャートである。
図１１は、本発明による実施例の２波長半導体レーザ装置の多層膜を示す概略断面図である。
図１２は、本発明による実施例の２波長半導体レーザ装置の多層膜の反射率について、位相補正領域の膜厚に対する依存性を示すグラフである。
図１３は、本発明による他の実施例の２波長半導体レーザ装置の多層膜を示す概略断面図である。
図１４は、本発明による他の実施例の２波長半導体レーザ装置の多層膜の反射率について、位相補正領域の膜厚に対する依存性を示すグラフである。
図１５は、本発明による他の実施形態の２波長半導体レーザ装置を示す概略斜視図である。
発明を実施するための形態
以下に、本発明による実施の形態を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
＜２波長半導体レーザ装置＞
図１は、本発明の多波長半導体レーザ装置を２波長半導体レーザ装置１に適用した一例を示す断面図である。かかる２波半導体レーザ装置１は、ＧａＮ系化合物半導体レーザ（波長４０５ｎｍ帯レーザ）である第１の発光素子２と、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体レーザ（波長６５０ｎｍ帯レーザ）である第２の発光素子３とが融着金属層４によって一体に固着されたハイブリッド構造を有している。
第１の発光素子２は、ストライプ形状のリッジ導波路６を有したレーザ発振部５を備え、第２の発光素子３は、ｎ型ＧａＡｓ基板１３上に形成されると共にストライプ形状のリッジ導波路１０を有したレーザ発振部９を備えている。
また、レーザ発振部５の上端にオーミック電極Ｐ１、ｎ型ＧａＡｓ基板１３の下端にオーミック電極Ｐ２、融着金属層４の露出部４Ｒにオーミック電極Ｐ３が形成されている。
そして、オーミック電極Ｐ１、Ｐ３を通じて駆動電流を供給すると、第１の発光素子２から波長４０５ｎｍ帯レーザ光が出射され、オーミック電極Ｐ２、Ｐ３を通じて駆動電流を供給すると、第２の発光素子３から波長６５０ｎｍ帯のレーザ光が出射される。
第１の発光素子２のレーザ発振部５は、下地層５ｂ、ｎ型クラッド層５ｃ、ｎ型ガイド層５ｄ、活性層５ｅ、電子障壁層５ｆ、ｐ型ガイド層５ｇ、ｐ型クラッド層５ｈ、ｐ型コンタクト層５ｉとがその順番で積層された積層構造を有し、ｐ型コンタクト層５ｉとｐ型クラッド層５ｈの一部がエッチングによって除去されることで、上述のリッジ導波路６が紙面前方側から裏面側へ延びたストライプ形状に形成されている。
そして、リッジ導波路６のｐ型コンタクト層５ｉを除いて、ｐ型クラッド層５ｈの全面に絶縁層７が形成されており、更にｐ型コンタクト層５ｉと絶縁層７の全面にオーミック電極層８が形成されている。
したがって、リッジ導波路６がｐ型コンタクト層５ｉ及びオーミック電極層８を通じて融着金属層４に電気的に接続されている。
より具体的には、下地層５ｂは、Ｓｉをドーピングしてｎ型化したｎ型ＧａＮからなり、厚さ約５〜１５μｍに形成されている。ｎ型クラッド層５ｃは、ｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなり、厚さ約０．８μｍに形成されている。ｎ型ガイド層５ｄは、ｎ型ＧａＮからなり、厚さ約０．２μｍに形成されている。
活性層５ｅは、約数十ｎｍの厚さに形成され、組成の異なるＩｎｘＧａ１−ｘＮ（但し、０≦ｘ）、例えばＩｎ０．０８Ｇａ０．９２ＮとＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる井戸層とバリア層との多重量子井戸構造を有している。電子障壁層５ｆは、ＡｌＧａＮからなり、厚さ約０．０２μｍに形成されている。ｐ型ガイド層５ｇは、Ｍｇドーピングしてｐ型化したｐ型ＧａＮからなり、厚さ約０．０２μｍに形成されている。
ｐ型クラッド層５ｈは、ｐ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなり、厚さ約０．４μｍに形成されている。ｐ型コンタクト層５ｉは、ｐ型ＧａＮからなり、厚さ約０．１μｍに形成されている。
また、オーミック電極層８は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、若しくはＮｉの何れか、又はそれらを組み合わせた合金で形成され、絶縁層７は、ＳｉＯ２などで形成されている。
また、融着金属層４は、Ａｕの融着金属層４ａと、Ｓｎの融着金属層４ｂを融着させることで生じる合金により形成されている。
第２の発光素子３のレーザ発振部９は、ｎ型ＧａＡｓ基板１３上に積層されたｎ型バッファ層９ａ、ｎ型クラッド層９ｂ、活性層９ｃ、ｐ型クラッド層９ｄ、通電層９ｅ、ｐ型コンタクト層９ｆがその順番で積層された積層構造を有している。
そして、ｐ型コンタクト層９ｆと通電層９ｅ及びｐ型クラッド層９ｄの一部がエッチングなどによって除去されることで、上述のリッジ導波路１０が、紙面前方側から裏面側へ延びたストライプ形状に形成されている。更に、リッジ導波路１０の形成後、そのリッジ導波路１０を含んでレーザ発振部９を形成すべき領域をマスキングし、マスキングしない領域をｎ型ＧａＡｓ基板１３の比較的深い部分までエッチングなどを施すことで、図１に示すような凸状の断面形状を有するレーザ発振部９が形成されている。
そして、上述のｐ型コンタクト層９ｆを除く、レーザ発振部９とｎ型ＧａＡｓ基板１３の全面が絶縁層１１で被覆され、更にｐ型コンタクト層９ｆと絶縁層１１の全面にオーミック電極層１２が積層されることで、ｐ型コンタクト層９ｆが、オーミック電極層１２に電気的に接続され、更にオーミック電極層１２を通じて融着金属層４とも電気的に接続されている。
より具体的に述べると、バッファ層９ａは、Ｓｉをドーピングしてｎ型化したｎ型ＧａＡｓからなり、厚さ約０．５μｍに形成されている。ｎ型クラッド層９ｂは、ｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐからなり、厚さ約１．２μｍに形成されている。
活性層９ｃは、約十数ｎｍの厚さに形成され、ＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰとからなる歪量子井戸構造を有している。ｐ型クラッド層９ｄは、Ｚｎをドーピングしてｐ型化したＡｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐからなり、厚さ約１．２μｍに形成されている。通電層９ｅは、ｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐからなり、厚さ約０．０５μｍに形成されている。ｐ型コンタクト層９ｆは、ｐ型ＧａＡｓからなり厚さ約０．２μｍに形成されている。
そして、オーミック電極層１２は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ａｕ若しくはＡｕ−Ｚｎの何れか、又はそれらを組み合わせた合金で形成され、絶縁層７は、ＳｉＯ２などで形成されている。
図１に示す、第１及び第２の発光素子２，３を備える２波長半導体レーザを作製するには、例えば、融着金属による貼り合わせ（融着金属層４）と、レーザリフトオフ法によるＧａＮ系化合物半導体のエピタキシャル基板の除去技術とを用いる。
第１の発光素子２の側は、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法などにより下地層５ｂからｐ型コンタクト層５ｉまで成膜し、エッチングによってレーザ発振部５、リッジ導波路６を形成し、これらの全面に絶縁層７、オーミック電極層８、融着金属層４を順に成膜して、作製する。
第２の発光素子３の側は、ｎ型ＧａＡｓ基板１３上にＭＯＣＶＤ法などによりｎ型バッファ層９ａからｐ型コンタクト層９ｆまで成膜し、エッチングによってレーザ発振部９、リッジ導波路１０を形成し、これらの全面に絶縁層１１、オーミック電極層１２、融着金属層４を順に成膜して、作製する。
第１の発光素子２及び第２の発光素子３のウエハを、それぞれの融着金属層４によって貼り付ける。
第１の発光素子２側のサファイア基板をレーザリフトオフ法により除去する。すなわちサファイア基板裏面から、サファイアを透過し、ＧａＮで吸収される紫外光を照射し、サファイアとＧａＮとの界面近傍のＧａＮを分解することによりサファイア基板を剥離する。このとき、レーザ発振部９以外の領域では、第１の発光素子２は融着されていないため、この領域に融着金属層の露出部４Ｒが形成される。
ＧａＡｓ基板１３を劈開することにより共振器端面を形成する。劈開された基板すなわち互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーが形成される。
図２に示すように、この共振器端面にはスパッタ法などにより端面ごとに一括形成された反射膜が設けられている。ここで、レーザ光の出射端面は、例えばアルミナなどの単層膜で構成された低反射膜となっており、後側端面は、後述する多層膜により構成された高反射膜となっている。ＧａＡｓ基板１３の劈開により共振器端面が形成されるので、２つの発光素子の発光点は同一平面内にある。第１の発光素子２は波長λ１＝４０５ｎｍを、第２の発光素子３はλ２＝６５０ｎｍのレーザ光をそれぞれ発振する。
＜後側端面の多層膜＞
２波長半導体レーザ装置における後側端面の多層膜（反射膜）の構造は、２つの半導体レーザ素子で共通に、図３に示すように、例えば３つの領域により構成される。すなわち、多層膜１２は、半導体レーザ素子の本体である半導体Ｓｅｍｉと接する側のｋ層積層された誘電体膜１Ｄｉ１、…１Ｄｉｋからなる第１反射領域１２１と、半導体Ｓｅｍｉから第１反射領域よりさらに離れて積層されたｌ層の誘電体膜２Ｄｉ１、…２Ｄｉｌからなる第２反射領域１２２とを含む。
第１反射領域１２１の誘電体膜１Ｄｉ１、…１Ｄｉｋの各々は、第１波長λ１に対する所定光学膜厚（屈折率×膜厚）を有し、所定光学膜厚はそれぞれ（２ｐ＋１）／４×λ１（但し、ｐ＝０、１、２、…）に設定されている。第２反射領域１２２の誘電体膜２Ｄｉ１、…２Ｄｉｌの各々は、第２波長λ２に対する所定光学膜厚を有し、所定光学膜厚はそれぞれ（２ｑ＋１）／４×λ２（但し、ｑ＝０、１、２、…）に設定されている。屈折率段差を得るために、いずれの誘電体膜も積層され隣接したもの同士で屈折率の異なるように設定されるので、膜厚も異なるようになる。
上記構造では、第１反射領域１２１による反射光と第２反射領域１２２による反射光の位相は必ずしも一致していない。このため多層膜１２は、さらに、２つの反射領域１２１、１２２の間に位相補正領域１２３を含むことができる。半導体から放射される光は２波長λ１、λ２があり、この両波長のそれぞれの位相差が共に小さくなる範囲内で位相補正領域１２３の光学膜厚を設定する。この位相補正領域１２３は、この領域と接する第１及び第２反射領域１２１、１２２における誘電体膜のどちらよりも屈折率が高いか、あるいはどちらよりも屈折率が低い単層の誘電体膜である。
多層膜１２の別の光学膜厚設定方法は次のようにする。第１反射領域は、半導体上に第１反射領域が存在しその上に位相補正領域が無限に存在する系において半導体から見た反射率が第１波長λ１に対して第１所定反射率Ｒ１と略同一となるような多層膜で構成される。
第２反射領域は、位相補正領域の上に第２反射領域が存在する系において位相補正領域から見た反射率が第２波長λ２に対して第２所定反射率Ｒ２と略同一となるような多層膜で構成される。
位相補正領域はその光学膜厚が反射膜全体の反射率が第１波長λ１に対して第１所定反射率Ｒ１、第２波長λ２に対して第２所定反射率Ｒ２となるように、膜厚ｄ３及び屈折率ｎ３が設定される。
＜多層膜の設定例＞
本発明による多層膜の設定方法を、図４のフローチャートに基づいて説明する。
第１ステップ（Ｓ１）として、第１及び第２反射領域並びに位相補正領域の全てを通して高屈折率材料と低屈折率材料が交互に配置するように、各層の誘電体材料を決定する。第１反射領域中のｋ層の誘電体層はそれぞれ第１波長に対し屈折率ｎ１１、ｎ１２、…ｎ１ｋを有しかつ第２波長に対し屈折率ｍ１１、ｍ１２、…ｍ１ｋを有する誘電体材料で、膜厚ｄ１１、ｄ１２、…ｄ１ｋとなるように積層するとする。第２反射領域中のｌ層の誘電体層は、それぞれ第１波長に対し屈折率ｎ２１、ｎ２２、…ｎ２ｌを有しかつ第２波長に対し屈折率ｍ２１、ｍ２２、…ｍ２ｌを有する誘電体材料で、膜厚ｄ２１、ｄ２２、…ｄ２ｌとなるように積層するとする。位相補正領域は第１波長に対し屈折率ｎ３を有しかつ第２波長に対し屈折率ｍ３を有する誘電体材料で、膜厚ｄ３となるように積層するとする。
次に、第２ステップ（Ｓ２）として、第２反射領域１２２中の各層の膜厚ｄ２１、ｄ２２、…ｄ２ｌを、第２波長λ２に対して光学膜厚が（２ｐ＋１）／４×λ２（但し、ｐ＝０、１、２、…）となるように設定する。
次に、第３ステップ（Ｓ３）として、第１及び第２波長λ１、λ２に対する、単層の位相補正領域（第１、第２波長に対する屈折率ｎ３、ｍ３）から見た第２反射領域の反射率Ｒ１２、Ｒ２２をそれぞれ計算する。第３ステップでは、図５に示すように、第１波長に対しては、位相補正領域の第１波長に対する屈折率ｎ３と初めの層の反射率とを初期設定し（Ｓ３１）、次に、各層の反射率ｒ２ｊ＋１及び位相遅れδｊを基に所定のｌ層になるまで振幅反射率Ｒ２ｊの計算を繰り返し（Ｓ３２）、ｌ層に達したら（Ｓ３３）、第１波長に対する第２反射領域の反射率Ｒ１２が得られる（Ｓ３４）。また同様に、図６に示すように、第２波長に対しては、位相補正領域の第２波長に対する屈折率ｍ３と初めの層の反射率とを初期設定し（Ｓ３１１）、次に、各層の反射率ｒ２ｊ＋１及び位相遅れδｊを基に所定のｌ層になるまで振幅反射率Ｒ２ｊの計算を繰り返し（Ｓ３２１）、ｌ層に達したら（Ｓ３３１）、第２波長に対する第２反射領域の反射率Ｒ２２が得られる（Ｓ３４１）。
次に、図４に示す第４ステップ（Ｓ４）として、単層の位相補正領域の膜厚を変数ｘとし、第１、第２波長λ１、λ２に対する、位相補正領域に接する第１反射領域（第１、第２波長に対する屈折率ｎ１１，ｍ１１）から見た位相補正領域及び第２反射領域の反射率Ｒ１３（ｘ）、Ｒ２３（ｘ）を反射率Ｒ１２、Ｒ２２を用いてそれぞれ計算する。第４ステップでは、図７に示すように、反射率Ｒ１２を初期値として設定し（Ｓ４１）、次に、単層の反射率ｒ３及び位相遅れδ３を基に振幅反射率Ｒ３を計算し（Ｓ４２）、第１波長に対する結果Ｒ３＝Ｒ１３（ｘ）が得られる（Ｓ４３）。また同様に、図８に示すように、反射率Ｒ２２を初期値として設定し（Ｓ４１１）、次に、単層の反射率ｒ３及び位相遅れδ３を基に振幅反射率Ｒ３を計算し（Ｓ４２１）、第２波長に対する結果Ｒ３＝Ｒ２３（ｘ）が得られる（Ｓ４３１）。
次に、図４に示す第５ステップ（Ｓ５）として、第１反射領域１２１中の各層の膜厚ｄ１１、ｄ１２、…ｄ１ｋを、第１波長λ１に対して光学膜厚が（２ｑ＋１）／４×λ１（但し、ｑ＝０、１、２、…）となるように設定する（Ｓ５）。
次に、第６ステップ（Ｓ６）として、第１、第２波長λ１、λ２に対する、半導体（第１、第２波長に対する屈折率ｎｓｅｍｉ、ｍｓｅｍｉ）から見た波長ごとの多層膜全体の反射率Ｒ１（ｘ）、Ｒ２（ｘ）を、得られた反射率Ｒ１３（ｘ）、Ｒ２３（ｘ）を用いてそれぞれ計算しエネルギー反射率Ｆ１（ｘ）＝Ｒ１（ｘ）×Ｒ１（ｘ）＊、Ｆ２（ｘ）＝Ｒ２（ｘ）×Ｒ２（ｘ）＊を求める。なお、Ｒ１（ｘ）＊、Ｒ２（ｘ）＊はそれぞれＲ１（ｘ）、Ｒ２（ｘ）の共役複素数を示す。第６ステップでは、図９に示すように、第１波長に対しては、半導体の第１波長に対する屈折率ｎｓｅｍｉと得られた反射率Ｒ１３（ｘ）で初期設定し（Ｓ６１）、次に、各層の反射率ｒ１ｊ＋１及び位相遅れδｊを基に所定のｋ層になるまで振幅反射率Ｒ１ｊの計算を繰り返し（Ｓ６２）、ｋ層に達したら（Ｓ６３）、第１波長に対する多層膜全体の反射率Ｒ１（ｘ）が得られ（Ｓ６４）、次に、第１波長に対するエネルギー反射率Ｆ１（ｘ）＝Ｒ１（ｘ）×Ｒ１（ｘ）＊を計算する（Ｓ６５）。また同様に、図１０に示すように、第２波長に対しては、半導体の第２波長に対する屈折率ｍｓｅｍｉと得られた反射率Ｒ２３（ｘ）で初期設定し（Ｓ６１１）、次に、各層の反射率ｒ１ｊ＋１及び位相遅れδｊを基に所定のｋ層になるまで振幅反射率Ｒ１ｊの計算を繰り返し（Ｓ６２１）、ｋ層に達したら（Ｓ６３１）、第２波長に対する多層膜全体の反射率Ｒ２（ｘ）が得られ（Ｓ６４１）、次に、第２波長に対するエネルギー反射率Ｆ２（ｘ）＝Ｒ２（ｘ）×Ｒ２（ｘ）＊を計算する（Ｓ６５１）。
次に、図４に示す第７ステップ（Ｓ７）として、単層の位相補正領域の膜厚ｘに応じて、第１、第２波長λ１、λ２に対する多層膜全体の反射率は変化するので、それぞれの波長に対して高反射率が得られる位相補正層の膜厚ｘの範囲を求める。すなわち、Ｆ１′（ｘ）＝０かつＦ１″（ｘ）＜０となるｘをｄ１Ｐとした時、Ｆ１（ｘ）≧Ｆ１（ｄ１Ｐ）×ａとなるｘの範囲ｄ１ｍｉｎ≦ｘ≦ｄ１ｍａｘを求める。また、Ｆ２′（ｘ）＝０かつＦ２″（ｘ）＜０となるｘをｄ２Ｐとした時、Ｆ２（ｘ）≧Ｆ２（ｄ２Ｐ）×ａとなるｘの範囲ｄ２ｍｉｎ≦ｘ≦ｄ２ｍａｘを求める（Ｓ７）。ここで、例えばａ＝０．９５とすることができる。
次に、図４に示す第８ステップ（Ｓ８）として、位相補正層の膜厚を、ｄ１ｍｉｎ≦×≦ｄ１ｍａｘ且つｄ２ｍｉｎ≦×≦ｄ２ｍａｘとなる範囲で設定する。
本発明によれば、２以上の波長が比較的大きく異なっている場合においても複数の波長に対して高反射率となる多層膜の構造を達成することができる。
【実施例】  具体的に第１、第２波長λ１、λ２を４０５ｎｍ，６５０ｎｍとして設計を行い、２波長半導体レーザ装置を作製した。
図１１に実施例の２波長半導体レーザ装置の多層膜構造例（Ｉ）を示す。半導体Ｓｅｍｉと接する側の４層積層された第１反射領域１２１は、誘電体膜１Ｄｉ１、…１Ｄｉ４からなる。半導体Ｓｅｍｉから第１反射領域よりさらに離れて積層された第２反射領域１２２は、３層の誘電体膜２Ｄｉ１、…２Ｄｉ３からなる。両反射領域間の位相補正領域１２３は単層である。
半導体と接する第１反射領域１２１は波長４０５ｎｍに対して高反射率となるように設計する。具体的には波長４０５ｎｍに対して低屈折率となる誘電体と高屈折率となる誘電体をそれぞれの光学膜厚（屈折率×膜厚）が（２ｐ＋１）／４×４０５ｎｍ（但し、ｐ＝０、１、２、…）となる膜厚で交互に積層する。例えば低屈折率の誘電体としてＳｉＯ２を、高屈折率の材料としてＴｉＯ２を用いた場合、波長４０５ｎｍに対する屈折率はそれぞれ１．４７及び２．９８であるので、上式でｐ＝０の場合の光学膜厚１０１ｎｍとなる膜厚はそれぞれ６９ｎｍ及び３４ｎｍとなる。そこで、図１１のようにこれら６９ｎｍ及び３４ｎｍの膜厚でＳｉＯ２及びＴｉＯ２の誘電体膜を交互に１Ｄｉ１、…１Ｄｉ４として積層する。大気と接する第２反射領域１２２は波長６５０ｎｍに対して高反射率となるように設計する。具体的には波長６５０ｎｍに対して低屈折率となる誘電体と高屈折率となる誘電体をそれぞれの光学膜厚が（２ｑ＋１）／４×６５０ｎｍ（但し、ｑ＝０、１、２、…）となる膜厚で交互に積層する。例えば低屈折率の誘電体としてＳｉＯ２、高屈折率の材料としてＴｉＯ２を用いた場合、波長６５０ｎｍに対する屈折率はそれぞれ１．４５及び２．５７であるので上式でｑ＝０の場合の光学膜厚１６２ｎｍとなる膜厚はそれぞれ１１２ｎｍ及び６３ｎｍとなる。そこで、図１１のようにこれら１１２ｎｍ及び６３ｎｍの膜厚でＳｉＯ２及びＴｉＯ２の誘電体膜を交互に２Ｄｉ１、…２Ｄｉ３として積層する。すなわち、図１１の多層膜構造においては、第１反射領域１２１の誘電体膜をＳｉＯ２（６９ｎｍ）とＴｉＯ２（３４ｎｍ）の２ペアの多層膜とし、第２反射領域１２２をＴｉＯ２（６３ｎｍ）／ＳｉＯ２（１１２ｎｍ）／ＴｉＯ２（６３ｎｍ）の多層膜とし、例えばＳｉＯ２の単層膜とする位相補正領域１２３の膜厚をＸ（ｎｍ）とする。
誘電体としてＳｉＯ２を用いた位相補正領域１２３の単層の膜厚ｘは、図４に示したフローチャートに基づいて、設定を行う。この場合、２波長半導体レーザ装置の多層膜１２の反射率は、位相補正領域の膜厚ｘに対して依存性を示す。すなわち、図１２に示すように、反射率は位相補正領域１２３の膜厚ｘによって、発振波長ごとに周期的に変動するので、位相補正領域の膜厚ｘはそのピーク近傍で決定される。例えば、図１２から明らかなように、膜厚５０ｎｍにおいて波長４０５ｎｍに対しては９４％、波長６５０ｎｍに対しては８０％の反射率が得られるので、当該膜厚が位相補正領域として選択される。実際には第１、第２波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍで反射率変動の周期が異なるため、どちらに対しても反射率が高くなるように位相補正領域膜厚を選ぶ。例えばピーク強度の９５％以上となる位相補正領域１２３の膜厚ｘの範囲は波長４０５ｎｍに対しては１７ｎｍ≦ｘ≦９１ｎｍ、波長６５０ｎｍに対しては０ｎｍ≦ｘ≦９８ｎｍであり、これら内から膜厚が選択される。このように、位相補正領域１２３の膜厚ｘはそれぞれの波長においてピーク強度の所定割合となる膜厚の範囲を求め、それらの膜厚範囲の重なった領域から選択できる。
図１３に他の実施例の２波長半導体レーザ装置の多層膜構造例（ＩＩ）を示す。第１反射領域の誘電体膜１Ｄｉ１、…１Ｄｉ６はＳｉＯ２（６９ｎｍ）とＴｉＯ２（３４ｎｍ）の３ペア６層の多層膜であり、第２反射領域の誘電体膜２Ｄｉ１、…２Ｄｉ５はＴｉＯ２（６３ｎｍ）／ＳｉＯ２（１１２ｎｍ）／ＴｉＯ２（６３ｎｍ）／ＳｉＯ２（１１２ｎｍ）／ＴｉＯ２（６３ｎｍ）の５層の多層膜であり、位相補正領域は膜厚ｘのＳｉＯ２の単層膜とする。図１４に示すように、多層膜１２の反射率は位相補正領域の膜厚ｘに対して依存性を示すので、例えばピーク強度の９５％以上となる膜厚ｘの範囲は波長４０５ｎｍに対しては２５ｎｍ≦ｘ≦１４０ｎｍ、波長６５０ｎｍに対しては７５ｎｍ≦ｘ≦１９０ｎｍであり、これらの重複内から膜厚が選択される。例えば、膜厚１００ｎｍでは波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍに対する反射率はそれぞれ９８％、９６％となり両方の波長に対して非常に高い反射率を得ることができる。
他の実施例として、多層膜構造例（ＩＩＩ）の２波長半導体レーザ装置では、上記実施例と同様に、半導体と接する側のＳｉＯ２（６９ｎｍ）／ＴｉＯ２（３４ｎｍ）の２．５ペア５層の誘電体膜からなる第１反射領域と、半導体から第１反射領域よりさらに離れて積層されたＳｉＯ２（１１２ｎｍ）／ＴｉＯ２（６３ｎｍ）の２ペア４層の誘電体膜からなる第２反射領域と、両反射領域間の位相補正領域ＴｉＯ２（７５ｎｍ）とからなる構造を備える。
以上の多層膜の構造例（Ｉ）、（ＩＩ）及び（ＩＩＩ）における波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍに対する反射率を表１、２及び３にまとめる。
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なお、上記実施例は多層膜の材料としてＳｉＯ２とＴｉＯ２を用いた場合について説明したが、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５などの材料を適宜組み合わせて用いてもよい。
本発明では、仮に第１反射領域で第２波長が反射されたとしても、第１反射領域の反射光と第２反射領域の反射光の位相差を位相補正領域で十分に補正できれば、第２波長に対しても高反射率を得ることが可能であるので、短波長に対するλ／４膜反射領域と長波長に対するλ／４膜反射領域の積層の順序はどちらでもよい。しかし、誘電体多層膜は短波長に対して高反射率かつ長波長に対して低反射率の方が設計しやすく、第１反射領域は、第２波長（上記実施形態では波長６５０ｎｍ）に対して低反射率となった方が、位相補正領域の膜厚ｘの広い範囲にわたって、多層膜１２の第２波長に対する反射率を高くすることができるため、第１反射領域と第２反射領域の積層の順序に関して、第１反射領域に短波長に対するλ／４膜、第２反射領域に長波長に対するλ／４膜を形成した方が好ましい。
また、上記実施例では、第１、第２反射領域間に位相補正領域を設けているが、第１、第２反射領域の層数によっては位相補正領域の膜厚がゼロの場合に両波長の位相差が小さくなることもあり、この場合、第１、第２反射領域が直接接触して多層膜が構成される。
さらに、２波長半導体レーザ装置を説明したが、３以上の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置にも適用できる。
本発明による多波長レーザによれば、共振器の端面の多層膜が複数の波長のいずれに対しても高反射率を得ることができるので、いずれのレーザ素子の特性も向上できる。また、全てのレーザ素子に対して一括して膜形成ができるため、生産性も向上する。
また、従来のマスクを利用して異なる構造の膜を別々に形成する方法の適用が困難となるような発光点間隔が非常に近くなる場合（例えば５０μｍ以下）においても、本発明によれば、両波長に対して高反射率となる多層膜を容易に作製することが可能である。さらに、従来の２波長の平均波長に合わせて膜設計する方法の適用が困難となるような２つの波長帯域の差が大きい場合（例えば４０５ｎｍ帯と６５０ｎｍ帯）においても、本発明による多層膜は十分な特性を得ることができる。
図１に示す２波長半導体レーザ装置は別々の基板上に形成した２つの半導体レーザ素子を貼り合わせにより作製したものであるが、他の実施形態では、図１５に示すように、互いに異なる波長λ１、λ２例えば６５０ｎｍ、７８０ｎｍのレーザ光を発振する２つのリッジ型半導体レーザ素子を分離溝を介在させて、同一基板上に形成したモノリシック構造の２波長半導体レーザ装置としてもよい。複数の半導体レーザ素子のそれぞれの活性層を構成する材料は、ＧａＮ系、ＡｌＧａＩｎＰ系のほか、当該分野で使用することができる材料例えば、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓＰ系材料、ＰｂＳｎＴｅ系材料などをいずれも使用することができる。これら材料の組成比を適宜調整することにより、所望の特性の活性層、クラッド層などを有する半導体レーザ素子を得ることができる。また、半導体レーザ素子の活性層は、多重量子井戸型のほか、単一量子井戸型、バルク活性層型などの構造を有していてもよい。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年10月21日(2005.10.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置であって、
複数の半導体レーザ素子はその出射端面及び後側端面の少なくとも一方に成膜された共通の積層構造の反射膜を有し、
前記反射膜は、その膜厚方向に配置された、前記半導体レーザ素子のうちの第１半導体レーザ素子で発振された第１波長に対する第１所定反射率を有する第１反射領域と、前記第１半導体レーザ素子以外の第２半導体レーザ素子で発振された前記第１波長と異なる第２波長に対する第２所定反射率を有する第２反射領域と、前記第１及び第２反射領域の間に配置されかつ、通過する光の位相差を補正する位相補正領域と、を有することを特徴とする多波長半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１及び第２反射領域は、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、ｎ1×ｄ1＝（２ｐ＋１）／４×λ1（但し、λ1は第１波長；ｎ1は第１波長λ1に対する屈折率；ｄ1は膜厚；ｐは０、１、２、…を示す）で示される光学膜厚ｎ1×ｄ1を有し、前記第２反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、ｎ2×ｄ2＝（２ｑ＋１）／４×λ2（但し、λ2は第２波長；ｎ2は第２波長λ2に対する屈折率；ｄ2は膜厚；ｑは０、１、２、…を示す）で示される光学膜厚ｎ2×ｄ2を有することを特徴とする請求項２記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記位相補正領域は単層の誘電体膜からなり、その光学膜厚を規定する膜厚及び屈折率は、前記反射膜の全体の反射率が前記第１波長に対して第１所定反射率と、前記第２波長に対して第２所定反射率となるように、設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域のうちで隣接したものの屈折率とは異なる屈折率を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域のうちで隣接したものの膜厚とは異なる膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域の各誘電体膜の光学膜厚とは異なる光学膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記反射膜は前記後側端面上に成膜されかつ、前記後側端面での反射率が前記出射端面での反射率より高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記第１半導体レーザ素子及び第２半導体レーザ素子だけからなり、それぞれが、４０５ｎｍ帯半導体レーザ素子、及び、６５０ｎｍ帯半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。
【請求項１０】
互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置の製造方法であって、
互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーを形成する工程と、
複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーの出射端面及び後側端面の少なくとも一方に、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなる第１波長に対する第１所定反射率を有する第１反射領域を形成する工程と、
前記第１反射領域上に、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなりかつ前記第１半導体レーザ素子以外の第２半導体レーザ素子で発振された前記第１波長と異なる第２波長に対する第２所定反射率を有する第２反射領域を形成する工程と、を有することを特徴とする多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１及び第２反射領域の間に配置されかつ通過する光の位相差を補正する位相補正領域を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、ｎ1×ｄ1＝（２ｐ＋１）／４×λ1（但し、λ1は第１波長；ｎ1は第１波長λ1に対する屈折率；ｄ1は膜厚；ｐは０、１、２、…を示す）で示される光学膜厚ｎ1×ｄ1を有し、前記第２反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、ｎ2×ｄ2＝（２ｑ＋１）／４×λ2（但し、λ2は第２波長；ｎ2は第２波長λ2に対する屈折率；ｄ2は膜厚；ｑは０、１、２、…を示す）で示される光学膜厚ｎ2×ｄ2を有することを特徴とする請求項１１記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１３】
前記位相補正領域は単層の誘電体膜からなり、その光学膜厚を規定する膜厚及び屈折率は、前記反射膜の全体の反射率が前記第１波長に対して第１所定反射率と、前記第２波長に対して第２所定反射率となるように、設定されていることを特徴とする請求項１１記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１４】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域のうちで隣接したものの屈折率とは異なる屈折率を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１１記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１５】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域のうちで隣接したものの膜厚とは異なる膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１１記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１６】
前記位相補正領域は、前記第１及び第２反射領域の各誘電体膜の光学膜厚とは異なる光学膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項１１記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１７】
前記反射膜は前記後側端面上に成膜されかつ、前記後側端面での反射率が前記出射端面での反射率より高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１０記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１８】
前記第１半導体レーザ素子及び第２半導体レーザ素子だけからなり、それぞれが、４０５ｎｍ帯半導体レーザ素子、及び、６５０ｎｍ帯半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１０記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。
【国際調査報告】
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