(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザからなる励起光源と、該励起光源から出射された励起光によりレーザ発振せしめられる固体レーザ結晶と、該固体レーザ結晶から発振されたレーザ光の波長を１/２の波長に変換して第二高調波を発生させる非線形結晶とを備えてなる固体レーザ発光装置であって、
前記半導体レーザが、横多モード発振を行う、ストライプの幅が３０μｍ以上のストライプ構造であり、屈折率導波機構を有する半導体レーザであって、電流を流すための陽極用および陰極用の電極を具備し、両電極のうち光を出射する活性層に近い側に位置する電極の該電極と半導体層との界面に配される材料としてチタンが用いられており、前記両電極のうち前記活性層から離れた側に位置する電極がヒートシンクにはんだ付けされていることを特徴とする固体レーザ発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザに関し、特に詳細にはストライプ構造を有し、かつ屈折率導波機構を有する横多モード発振を行う半導体レーザに関するものである。
【０００２】
また、本発明は上記半導体レーザを備えたレーザ発光装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来より、幅広発振領域を有する高出力の半導体レーザを励起光源として、固体レーザ発光装置や、固体レーザに非線形結晶を組み合わせて固体レーザから発振させた基本波の波長を１／２の波長に変換して第二高調波を発振する可視域の発光装置等が広く知られている。
【０００４】
これらのような発光装置の励起光源として用いられる半導体レーザには非常に高い出力が要求されており、単一モードレーザでは通常３μｍ程度である発振幅を10μｍ以上に拡大することにより半導体レーザの高出力化が図られている。
【０００５】
このような幅広発振領域を有する半導体レーザは通常多くの高次横モードが混在した発振モード（横多モード）で発光するため、発振出力を増していくと共振器内の高光子密度分布に起因するキャリアの空間的ホールバーニングによって異なった横モードあるいはその組み合わせヘ容易に変位する。この際、近視野像、遠視野像および発振スペクトルが変化すると共に、異なる横モードの電流から光への各々の変換効率が異なるために光出力が変化する。これは、半導体レーザの電流−光出力特性においてキンクと呼ばれている現象である。
【０００６】
また、固体レーザ発光装置において半導体レーザを固体レーザの励起光として利用する場合、レンズ系を用いて集光される半導体レーザからの発振光のうちの固体レーザ共振器の発振モードと結合する成分のみが励起光として利用されるため、半導体レーザにおける横モード変化により固体レーザ発光装置において著しい強度変化が生じる。また、固体レーザの吸収スペクトルは狭い波長帯域に微細な吸収スペクトル構造を有するため、前述の横モード変化による変動に加えて発振スペクトルの変化が吸収光量の変化となり、結果として固体レーザの光出力に変動を生じる。すなわち、半導体レーザの発振光の空間的な一部あるいは発振スペクトルの一部の光を利用することによりスイッチングに伴う高周波雑音が増大するのである。
【０００７】
上述のように、半導体レーザの横モード（空間的発振パターン）や縦モード（発振スペクトル）が変化すると固体レーザの励起光率が変化するため光出力の変動および高周波雑音が生じる。
【０００８】
さらに、半導体レーザの実際の利用においては、固体レーザの光強度を変化させるため、および／または、波長変換素子との位相マッチングをとるために温度と半導体レーザの励起電流とを変化させる必要があり、この際にモード変化が生じると発振レーザに著しい強度変動が生じる。これらはＤＣ成分であるが、いわゆるＡＣ成分としての雑音は定常的に生じる可能性が高い。
【０００９】
光出力の変動の強度や周波数スペクトルは、半導体レーザの発振光のうち利用する強度や周波数スペクトル部分、半導体レーザの励起電流および半導体レーザの個体差等に依存しているため一様ではないが、ＤＣ光に対して１０％を超える強度変動を生じる場合もあり、応用上大きな障害となる。特に、高品質の画像形成においては雑音はｌ％以下であることが望ましいが、通常の幅広発振領域を有する高出力半導体レーザにおいてはｌ％以下の雑音レベルを再現性良く、安定に実現することは極めて困難であった。また、第二高調波を発振させるために固体レーザ結晶と非線形結晶を組み合わせるとこの雑音が非線形効果により増大されることがあるので更に低雑音化が必要となる。
【００１０】
また、上記のような固体レーザ発光装置の励起光源となる幅広発振領域を有する高出力半導体レーザは多モード発振のため光ビーム形状における非対称性や放射光の波面の歪みが大きく、ガスレーザなどと比べて光ビームの光学品質が劣る。また放熱を必要とするため小型化に限界がある。そこで、半導体レーザと光ファイバとを結合させて光ファイバの出力として半導体レーザの高出力光を用いる装置が知られている。光ファイバを出力端として用いることにより、放熱を必要とする半導体レーザ部を切り放して実質的な光源部分を小型化することができるとともにファイバの伝搬モード以外の光が遮断されるためモードフィルタとなって光学的品質を向上することができる。
【００１１】
ファイバ出力はそのまま高出力光源として熱書き込みや医療、はんだ付けなどに利用されており、また、ファイバ出力を励起光として固体レーザの発振にも利用することができる。さらに、ファイバを光源として用いると、複数のファイバのアレイ化や結合による合波により更に高出力の光源を構成することが可能である。
【００１２】
上述のように半導体レーザと光ファイバを結合させた場合、集光レンズにより集光された半導体レーザからの発振光の一部が光ファイバの導波モードと結合して、ファイバ内に入射して導波される。それ故、前述の固体レーザ発光装置と同様に半導体レーザの横モード変動に起因する強度変動や横モード間スイッチングによる雑音を生じることとなる。
【００１３】
半導体レーザにおいて、横多モード発振による雑音は一般に屈折率導波機構を設けることにより低減できることが知られているが、上述のように雑音を１％以下に抑えることは従来の屈折率導波機構を有する半導体レーザにおいては困難であった。
【００１４】
上述のように、半導体レーザ励起固体レーザ発光装置や固体レーザ結晶と非線形結晶を組み合わせたＳＨＧ発光装置、若しくは半導体レーザに光ファイバを結合させたレーザ発光装置は小型・光信頼性・低消費電力の光源として利用範囲を拡げつつある。それ故、光出力の変動や高周波雑音を低減された発光装置が望まれている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、既に述べたように従来用いられている幅広発振領域を有する高出力半導体レーザは光学的安定性に欠けるところがあり、光出力の安定性や低雑音の点で十分ではない。そのため、このような高出力半導体レーザを励起光源とする固体レーザ発光装置、若しくは該半導体レーザを光ファイバと結合させた発光装置を、印刷、写真、医療画像などの高品質の画像形成に用いるには難があった。
【００１６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、横多モード発振をするストライプ構造の、屈折率導波機構を有する半導体レーザであって、光出力の安定した低雑音の発振を行う半導体レーザを提供することを目的とするものである。
【００１７】
さらに本発明は上記半導体レーザを備えた、安定した低雑音の出力をするレーザ発光装置を提供することを目的とするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザは、横多モード発振を行うストライプ構造であり、屈折率導波機構を有する半導体レーザであって、
電流を流すための陽極用および陰極用の電極を具備し、両電極のうち光を出射する活性層に近い側に位置する電極の該電極と半導体層との界面に配される材料としてチタンが用いられていることを特徴とするものである。
【００１９】
前記ストライプ構造のストライプの幅が３０μｍ以上であるものが望ましい。
【００２０】
前記半導体レーザは、前記両電極のうち前記活性層から離れた側に位置する電極がヒートシンクにはんだ付けされていることが望ましい。もしくは、前記半導体レーザは、前記両電極のうち前記活性層に近い側に位置する電極がヒートシンクにインジウム又はスズもしくはそれらの合金からなるはんだ材を用いてはんだ付けされていることが望ましい。
【００２１】
ここで、前者のように活性層をヒートシンクから離すのは、素子とヒートシンクとの熱膨張の違いが原因でおきる組立時の歪応力が素子の活性層に加わることを防ぐためである。また、通常放熱のためには後者のように活性層側をヒートシンクに接着させるが、この場合にはインジウム、スズもしくはそれらの合金からなる柔らかなはんだ材を用いることにより素子の活性層への歪応力を低減するようにすればよい。
【００２２】
本発明のレーザ発光装置は、上記本発明の半導体レーザからなる励起光源と、該励起光源から出射された励起光によりレーザ発振せしめられる固体レーザ結晶とを備えてなることを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の他のレーザ発光装置は、上記本発明の半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光が一端から入力され、該レーザ光を他端から出力する光ファイバとを備えてなることを特徴とするものである。
【００２４】
さらに、本発明の他のレーザ発光装置は、上記本発明の半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光が入力光として入力され、該入力光を制御して出力する光変調素子とを備えてなることを特徴とするものである。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザは、横多モード発振を行うストライプ構造であり、屈折率導波機構を有する半導体レーザにおいて、活性層から近い側にある電極の材料として半導体層と接触する面にチタン（Ｔｉ）を用いたことにより、従来と比較して発振レーザにキンクや雑音の少ない半導体レーザとすることができる。
【００２６】
本発明のレーザ発光装置は、発振レーザにキンクや雑音の少ない上述の半導体レーザと、固定レーザの励起光源、又は光ファイバ、もしくは誘電体や半導体からなる光変調素子等とを備え、該半導体レーザから発振されたレーザ光を利用するため、結果として安定な出力を得ることができる。
【００２７】
従って、これらのレーザ発光装置を光源として用いた画像・情報システムの品位、例えば写真や医療画像データの印刷時の画像品質を向上することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて発明の具体的な実施の形態を説明する。
【００２９】
図１に本発明のレーザ発光装置の第一実施形態に係る固体レーザ発光装置の一実施形態の概略構成図を示す。本発明の固体レーザ発光装置１は、励起光を出射する幅広発振領域を有する高出力半導体レーザ２、該半導体レーザ２から出射された励起光を集光するレンズ３および集光された励起光によりレーザ発振をするNd:YAG固体レーザ結晶４、該固体レーザ結晶（発振波長946nm ）４から発振されたレーザの波長を１／２の波長に変換して第二高調波（波長473nm ）を発生させるKNbO3 非線形結晶５および前記固体レーザ結晶４の紙面左側の光入射面と共に固体レーザ共振器10を形成する凹面鏡からなる出力ミラー６を備えるものである。なお、固体レーザ結晶４にNd:YVO4等、非線形結晶５にKTP等を用いてもよい。
【００３０】
半導体レーザ２の発振光はレンズ３によって固体レーザ４に集光され、集光された発振光のうち固体レーザ共振器10の発振モードと結合する成分のみが励起光として用いられて、固体レーザ結晶４から発振波長946nm のレーザ光が励起される。固体レーザ結晶４で発振されたレーザ光は非線形結晶５により473nm の第二高調波（青色レーザ）に変換されて出力される。
【００３１】
次に、励起光源として用いられる半導体レーザ２について説明する。
【００３２】
図２は上記固体レーザ発光装置に用いられる本発明の半導体レーザの層構成の一例の断面を模式的に示した図である。半導体レーザ２は、50μm の幅広発振領域を有する屈折率導波型の半導体レーザであり、n-GaAs基板21、該基板21上に順に積層された、n-GaAsバッファ層22、n-AlGaAsクラッド層23、アンドープ活性層24、一部がメサ形状とされたp-AlGaAsクラッド層25、メサ部上面に配されたp-GaAsキャップ層26、メサ部両サイドに配された絶縁層であるSiO2層27、キャップ層26上に配されたTi/Pt/Auからなるｐ側電極28、およびn-GaAs基板21の裏面に配されたAuGe/Ni/Auからなるｎ側電極29からなるものである。なお、ｐ側電極28は、半導体層（ここではキャップ層26）と接触する側からTi，Pt，Auの順に積層されて構成されている。
【００３３】
以下に半導体レーザ２の作製について簡単に説明する。有機金属気相成長法により、n-GaAs基板21上にn-GaAsバッファ層22、n-AlGaAsクラッド層23、アンドープ活性層24、p-AlGaAsクラッド層25、p-GaAsキャップ層26を積層する。
【００３４】
上記各層を積層後、フォトリソグラフィー法とドライエッチングによりキャップ層26およびクラッド層25について幅約50μm のメサ形状にエッチングする。エッチングは、p-AlGaAsクラッド層25のメサ部両端の残し厚みが0.2μmとなるようにし、メサ部で等価的に屈折率が高くなるようにして屈折率導波路を形成する。
【００３５】
メサ部作製後、SiO2層27を選択的にメサ部上部のキャップ層26が露出するように形成する。その後、キャップ層26の上部にはTi/Pt/Auからなるｐ側電極28を、基板21の裏面にはAuGe/Ni/Auからなるｎ側電極29を、蒸着法等によるコーティングの後、熱処理を施すことによりオーミック電極とする。
【００３６】
作製した素子は所定の共振器長に劈開した後、前面に反射率１０％、後面に９０％の反射膜を形成した後、ヒートシンク上にｎ側電極側をAuSnからなるはんだ材を用いてはんだ付けした。即ち、両電極28，29のうち活性層24から離れた位置にある電極29をヒートシンクに接着した。ここで、活性層をヒートシンクから離すのは、素子とヒートシンクとの熱膨張の違いが原因でおきる組立時の歪応力が素子の活性層に加わることによりレーザ発振時に生じる雑音を防ぐためである。
【００３７】
上記のような半導体レーザ２について、雑音の測定を行った。図３に示す測定系により、半導体レーザ２から出射される光の一部をフォトディテクタ11で受けてその光強度の安定性を雑音測定器12により測定した。
【００３８】
図４は本発明の上記半導体レーザと、従来の半導体レーザについて雑音を測定し、その強度の確率分布を示したものである。ここで、従来の半導体レーザとしては、ｐ側電極がAuZn/Au により形成されているものを用いた。
【００３９】
図４に示すように、Ti/Pt/Auをｐ側電極として備えた半導体レーザはAuZn/Au をｐ側電極として備えた半導体レーザと比較して雑音強度が大幅に低くなった。これは、雑音を生じさせる一要因として、電極形成時に金属材料と半導体層との界面で間で起きる合金化の際にその界面で生成された物質により局部的に生じる歪が挙げられ、AuZnを半導体層と接触させて電極を形成した場合より、Tiを半導体層に接触させて電極を形成した場合の方が界面での歪が小さく抑えられるためであると考えられる。
【００４０】
このように、本発明の半導体レーザ１は、雑音を低くおさえ、安定した光出力を行うことができる。従って、このような半導体レーザを用いた上述の固体レーザ発光装置においても、安定した光出力を実現することができる。
【００４１】
次に、本発明のレーザ光源装置の第二の実施形態に係る光ファイバ結合型のレーザ光源装置の一実施形態を図５に示す。本レーザ光源装置13は、レーザ光を発振する、幅広発振領域を有する高出力半導体レーザ２’、該半導体レーザ２’から出射されたレーザ光を平行光とするコリメーターレンズ14、レーザ光を集光させる集光レンズ15および光ファイバ16からなる。
【００４２】
半導体レーザ２’から発振されたレーザ光はコリメーターレンズ14を経て集光レンズ15により光ファイバ16の一端に集光される。光ファイバ16の一端に集光されたレーザ光の一部が光ファイバ16の導波モードと結合して、ファイバ内に入射して導波される。
【００４３】
図６に、本レーザ光源装置13において用いられる半導体レーザの断面を模式的に示す。本半導体レーザ２’は、n-GaAs基板31上にn-GaAsバッファ層32、n-InGaAsP クラッド層33、アンドープ活性層34、p-InGaAsP エッチングストップ層35、p-InGaP クラッド層36を積層後、塩酸を用いて、p-InGaP クラッド層36を選択的にメサ状にエッチングし、さらに、n-AlGaInP 電流ブロック層37、p-GaAsキャップ層38を成長して形成されたものであり、キャップ層38上面および基板31裏面にそれぞれTi/Pt/Au、AuGe/Au からなるオーミック電極39、40が形成されている。なお、ｐ側電極39は、半導体層（ここではキャップ層38）と接触する側からTi，Pt，Auの順に積層されて構成されている。本半導体レーザ２’はｐクラッド層36の一部をそのクラッドに用いたAlGaAsよりも屈折率の小さいAlGaInP 37に置き換えることで、実効的に活性層34に光を閉じ込めたいわゆる埋め込み型屈折率導波構造である。
【００４４】
なお、半導体レーザ２’の実装にあたっては、Ti/Pt/Auからなるｐ側電極39を銅製ヒートシンクに接着する、いわゆるジャンクションダウン方式の組立を行った。一般に、放熱効率を高めるためにジャンクションダウン方式により素子の活性層に近い側の電極をヒートシンクに接着させるが、本実施形態においては、Inからなる柔らかなはんだ材を用いることにより素子の活性層への歪応力を低減した。なお、はんだ材としてはSnを用いてもよいし、InとSnの合金を用いてもよい。
【００４５】
本半導体レーザ２’についても上記第一の実施形態の半導体レーザ２と同様の雑音測定を行った。本半導体レーザ２’とｐ側電極にAuZn/Au を用いた従来の素子とを比較したところ、第一の実施形態と同様に、Ti/Pt/Auからなる電極を備えた本半導体レーザ２’が従来のAuZn/Au からなる電極を備えた半導体レーザに較べ雑音が低いという結果が得られた。
【００４６】
このように、本発明の半導体レーザ２’は、雑音を低くおさえ、安定した光出力を行うことができる。従って、このような半導体レーザを用いた本レーザ発光装置13においても、従来の半導体レーザを用いた場合に生じていた横モード変化に起因する強度変動や横モード間スイッチングによる雑音を、上述の半導体レーザ２を用いることにより著しく低減することができる。
【００４７】
なお、上記の光ファイバ結合型のレーザ光源装置により発生させたレーザ光を励起光として固体レーザの発振に利用することもでき、複数のファイバのアレイ化や結合による合波により更に高出力の光源を構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体レーザ発光装置の一実施形態の構成図
【図２】図１に示す固体レーザ発光装置の励起光源として使用される半導体レーザの断面構造を模式的に示す説明図
【図３】半導体レーザの雑音を測定するための測定系を示す図
【図４】本発明のTi/Pt/Au 電極を備えた半導体レーザおよび従来のAuZn/Au 電極を備えた半導体レーザについての雑音測定結果を示すグラフ
【図５】本発明の光ファイバ結合型のレーザ発光装置の一実施形態の構成図
【図６】本発明のレーザ発光装置において使用されうる半導体レーザの断面構造を模式的に示す説明図
【符号の説明】
１    固体レーザ発光装置
２    半導体レーザ
３    レンズ
４    固体レーザ結晶
５    非線形結晶
６    出力ミラー
10    共振器
21    n-GaAs基板
22    n-GaAsバッファ層
23    n-AlGaAsクラッド層
24    アンドープ活性層
25    p-AlGaAsクラッド層
26    p-GaAsキャップ層
27    SiO2層
28、29    電極
【図１】
0003888487.tif 000002
【図２】
0003888487.tif 000003
【図３】
0003888487.tif 000004
【図４】
0003888487.tif 000005
【図５】
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【図６】
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