(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子の光出射面の外側に開口を有する光吸収膜を設けた半導体レーザ装置であって、
前記開口は、レーザ光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 が前記半導体レーザ素子の発振波長の１／２より短く、偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 が開口幅Ｗ1 より長いことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記光出射面と光吸収膜との間に誘電体膜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装置。
【請求項３】
前記光吸収膜が金属であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記光出射面と光吸収膜との間に絶縁膜が設けられており、この絶縁膜の光学的膜厚が発振波長λに対して０．０５λ以上で０．３５λ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子は端面発光型であり、発振モードがＴＭモードであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置に係わり、特に光出射面の外側に開口を有する光吸収膜を設けた半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクの高密度化のためには、レーザ光を極小スポットに収束させることのできる光源及び光学系が必要である。一般に、光源の波長λ及び収束レンズの開口数ＮＡに対して、収束された光の回折限界スポット径ｓは、
ｓ＝ｃλ／ＮＡ              … (1)
で与えられる。ここでｃは、例えばガウス分布で強度が１／e2 になる直径をとった場合０．６７となる。一般に、レンズの開口数は最大でも１であるから、上式から分かるように、ｓはｃλより小さくすることはできない。
【０００３】
極小スポット光を得る有効な方法は光源の波長λを短くすることであるが、小型の半導体レーザを用いる場合、短波長化には限度があり、また紫外より短波長になるとレンズ材料の透明領域の制約から従来の光学系を用いることができな<なってしまう。(1) 式で示された限界を越える手法としてソリッドイマージョンレンズ（ＳＩＬ）や近接場光の利用が提案されている。近接場光は波長より短い開口を光出射端に設け、その近傍にディスク面を置くことによって、回折限界より小さいスポットで記録／読み出しを可能とするものである。
【０００４】
しかしながら、このような波長より短い開口の近接場光を生成するには大きな問題がある。即ち、開口の構造として通常は、光吸収の大きい材料に開口を設ける等の構造が用いられるが、この場合開口以外の領域は光を透過させない必要があるため、金属等の極めて大きい吸収損失を持つ材料を用い、かつ光が透過しないだけの厚さが必要である。
【０００５】
このような光吸収の大きい有限の厚さの膜に開けられた開口を通過する光は、それ自身が吸収の影響を受け、十分な光出力が出射側で得られない。つまり、近接場光による効率は極めて低く、光記録／読み出しには用いることができない。そのために、光源としては高出力のレーザを用いる必要があるが、そのような高出力レーザの端面に金属膜等の光吸収の大きい膜があると、吸収による発熱で、端面近傍が極めて高温になり、デバイスの劣化の原因となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、光出射面に微小開口を設けた半導体レーザ装置においては、開口を通過する光の効率が極めて低く、光記録に用いることができず、またその対策として高出力レーザを用いると端面近傍の温度上昇が著しく、素子が劣化するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、レーザ光のスポット径の極小化が可能で、且つ開口を通過する光の効率の高い半導体レーザ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（構成）
本発明の骨子は、微小開口の短い開口幅の方向を、半導体レーザ素子の偏光方向と平行方向に設定することによって、開口における光通過効率の向上を実現することにある。
【００１０】
即ち本発明は、半導体レーザ素子の光出射面の外側に開口を有する光吸収膜を設けた半導体レーザ装置であって、前記開口は、レーザ光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 が前記半導体レーザ素子の発振波長の１／２より短く、偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 が開口幅Ｗ1 より長いことを特徴とする。
【００１１】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００１２】
(1) 光出射面と光吸収膜との間に誘電体膜が設けられていること。
【００１３】
(2) 光出射面と光吸収膜との間に絶縁膜が設けられており、この絶縁膜の光学的膜厚が発振波長λに対して０．０５λ以上で０．３５λ以下であること。
【００１４】
(3) 開口部のレーザ光の偏光方向に沿った開口幅は、半導体レーザ素子の発振波長の１／３より短いこと。
【００１５】
(4) 半導体レーザ素子は端面発光型であり、発振モードがＴＭモードであること。
【００１６】
(5) 光吸収膜が金属であること。
【００１８】
（作用）
本発明者らは、微小開口におけるレーザ光の損失はレーザ光の偏光方向と開口形状に依存することを見出した。即ち、レーザ光の偏光方向に垂直方向では開口幅を狭くすると損失が大きくなるが、偏光方向と同じ方向では開口幅を狭くしても損失は大きくならない。なお、この原理の具体的な考察は後述する。
【００１９】
従って本発明のように、半導体レーザ素子の光出射面の外側に設置する開口の寸法として、レーザ光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 を偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 よりも短くすることにより、開口における損失を大きくすることなく、より小さいスポット光を得ることが可能となる。これにより、レーザ光のスポット径の極小化が可能で、且つ開口を通過する光の効率の高い半導体レーザ装置を実現することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜視図である。
【００２２】
図中の１０は半導体レーザ素子、１１は活性層、１２は光吸収膜、１３は絶縁膜、１４は光吸収膜１２に設けられた開口である。このレーザはＴＥモードで発振しており、レーザ光の偏光方向は接合面と平行方向、即ち電場ベクトルの方向が水平方向である。
【００２３】
なお、このレーザの断面構造の一例を図１（ｂ）に示しておく。図中の１０１はｎ型ＧａＡｓ基板、１０２はｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、１０４はｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、１０３（１１）はＧａＡｌＡｓの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる活性層、１０５はｎ型ＧａＡｓ電流阻止層、１０６はｐ型ＧａＡｓコンタクト層である。ダブルへテロ構造部のクラッド層１０４がメサ状に加工され、その側面に電流阻止層１０４が埋め込まれた埋め込みレーザとなっている。これに限らず、各種変形が可能であるのは勿論のことである。
【００２４】
図１（ａ）の構成において、絶縁膜１３としてはＳｉＯ2 ，ＴｉＯ2 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，α−Ｓｉなどを用いることができる。この層は、半導体レーザ素子端面の保護膜としての役割もある。また、光吸収膜１２の材料としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｔｉなどの金属を用いることができる。金属は非常に大きい吸収係数を持つため、例えば１００ｎｍ程度の厚さがあれば、開口のない領域では光は殆ど透過しない。しかしながら、開口部を透過する光の損失に関してはこれまで十分な解析が行われていなかった。通常の微小開口では、開口部を透過する光も大きな損失を受けるため、効率が極めて低いという問題があった。
【００２５】
本発明の特徴は、レーザ光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 を偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 よりも短くしたことであり、より具体的にはレーザ光の偏光方向と同じ方向の開口幅Ｗ1 が半導体レーザの発振波長の１／２より短く、偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 を開口幅Ｗ1 より長くしたことである。これにより、開口を通過する光の損失を極めて小さくできる。その原理について、以下に説明する。
【００２６】
図２（ａ）（ｂ）は、金属導波路中の導波モードを計算した例を示したものである。ここでは簡単のために、金（Ａｕ）に微小開口として幅５０ｎｍ（図２（ａ））と、幅３０ｍｍ（図２（ｂ））のスリットを設けた場合の２通りの導波モードを計算した。図から明らかなように、モードの分布形状がＴＥモード（電場ベクトルの方向が境界に平行）とＴＭモード（磁場ベクトルの方向が境界に平行）とで大きく異なっていることが分かる。なお、ここでいうＴＥモード，ＴＭモードとは、レーザ素子の発振モードではなく、スリットに対して定義している。
【００２７】
図の光強度はポインティングベクトルの伝搬方向成分を示したもので、ＴＭモードの光強度が空気と金属との界面で不連続なのは、電場ベクトルの境界面に垂直方向の成分が不連続であることに起因している。即ち、連続となる量は電場ベクトルの境界面に垂直な方向の成分にｎ2 を乗じたもの（ｎは複素屈折率）であるため、ｎ2 の実数部絶対値が大きい金属中では、１／ｎ2 の係数分だけ光強度が大幅に小さくなる。一方、ＴＥモードでは境界面に垂直方向の電場ベクトル成分は０であるために、１／ｎ2 の係数はかからず、金属中に大きくしみ出すモードとなる。
【００２８】
図２（ｂ）に示したように、スリット幅が比較的大きいと、このしみ出しはあまり顕著ではないが、図２（ａ）のように小さいスリット幅ではＴＥモードとＴＭモードとでしみ出しの割合が大きく異なる。金属中にしみ出している部分は大きな吸収損失を受けるため、導波モードとしては大きな損失を持つモードとなる。しかしながら、ＴＭモードではスリット幅が小さくても、上述した理由により金属中へのしみ出しが小さいため、導波モード損失は極めて小さい。
【００２９】
図１に示した実施形態は、この特徴を利用したものである。即ち、レーザ光の偏光方向と同じ方向ではスリット幅を小さくしても損失は大きくならないという特徴を利用して、この方向の開口幅を短くし、効率の高い微小スポット光を得ることを可能にしたものである。
【００３０】
スリット形状と各方向の光強度分布の様子を図３（ａ）に示す。また、図３（ｂ）はこの光強度分布を２次元分布として表したものである。レーザ光の偏光方向に対して、スリット形状を図３（ａ）に示したような配置に設定することにより、波長以下の微小開口においても極めて低損失の導波モードを実現することができる。
【００３１】
図２及び図３では微小開口を設ける吸収薄膜が金の場合を示したが、他の金属膜、例えば銀（Ａｇ）の場合も同様である。Ａｇにおける導波モードの解析例を図４に示した。図から明らかなように、やはりＴＭモードのしみ出しが小さく、損失の小さいことが分かる。
【００３２】
図５は、Ａｕ導波路における導波モード損失のスリット幅Ｗに対する依存性を計算した例を示したものである。図からスリット幅の小さい領域では、ＴＭモードの損失がＴＥモードに比べて２桁低いことが分かる。このことは即ち、狭い開口幅の方向に対しては、ＴＭモード即ち偏光方向が開口の辺に直交する方向で用いると損失が極めて小さくなることが定量的に示されている。
【００３３】
具体例として、厚さ１００ｎｍのＡｕに５０ｎｍの開口（スリット）が開いていた場合、図５より透過率は以下のようになる。
【００３４】
開口のないところの透過率：０．００１
ＴＥモード透過率        ：０．００６
ＴＭモード透過率        ：０．９５６
従って、この厚さの吸収膜で光は十分減衰し、かつＴＭモードは開口部を殆ど損失がなく透過できることが分かる。一方、ＴＥモードはこのスリット幅では殆ど透過しない。図５からＴＥモードに対してはスリット幅を２６０ｎｍ以上とすることにより損失を低減できることが分かる。以上より、開口の形状としては、レーザ光の偏光方向の幅を狭く、それと直交する方向を長くした構造、即ち図１或いは図３（ａ）に示したような配置にしておけば極めて損失が少なく且つ微小寸法のスポットを得ることが可能となる。
【００３５】
図１の実施形態では、レーザ光の偏光方向が水平方向であるので、開口は縦長の形状としている。具体的には水平方向の開口幅Ｗ1 を波長の１／２より短く、垂直方向の開口幅Ｗ2 をそれより大きくとっている。上で述べた計算結果より例えばＷ1 を５０ｎｍと小さくしても開口を通過する光の損失は極めて小さいことが分かる。これにより、波長より１桁小さいスポットでの光記録／読み出しが可能となる。
【００３６】
なお、光吸収膜１２としては上述のＡｕだけでなく、他の金属も有効である。図６〜図１０はそれぞれＡｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｔｉを吸収膜として用いた場合のＴＥモード、ＴＭモードそれぞれに対する損失を計算した例である。いずれもＴＭモードの方がＴＥモードより損失が低く、またＡｇ，Ｃｕ，ＡｌはＡｕと同様に２桁程度或いはそれ以上の損失差があり、本発明の光吸収膜として極めて有効であることが分かる。
【００３７】
ここで、開口から出射した後の光強度分布について説明する。図１１はスリットから空気中に出た後の光強度分布を示したもので、左側はエバネッセント光も含んだ全体の光強度分布、右側はそのうちの伝搬光成分、即ちポインティングベクトル成分を示したものである。これから分かるように、伝搬光成分はスリット幅とレーザ波長との比Ｗ／λが大きいほど大きくなる。実際に利用できる光は伝搬光成分が主となるので、Ｗ／λは大きい方が望ましい。一方、微小スポットを得るためには、Ｗを小さくすることが必要である。従って、レーザ光の波長λが小さい値、即ち短波長ほど、微小スポットを得るのに有利である点は従来の光学系と同様である。
【００３８】
一方、光源波長が短波長の場合には、それに適した吸収膜を設けることが必要である。図１２は、図２で述べたＡｕのスリットに対して、光源波長が４００ｎｍの場合の導波モードの様子を示したものである。留意すべき点は、同じＡｕであっても、図２の場合と異なり、ＴＭモードでのしみ出しが大きいことである。これは、波長４００ｎｍでは金におけるｎ2 の実数部の絶対値が１より小さく、従って金属中ではむしろ電場強度が大きくなることによるものである。一方、アルミニウム（Ａｌ）は４００ｎｍにおいてもｎ2 の実数部の絶対値は１より大きい。このため、図１３に示すように、ＴＭモードは金属中で大きく減衰し、結果的に損失は小さくなる。
【００３９】
これを定量的に示したのが図１４、図１５である。これから、短波長の４００ｎｍでは光吸収膜として、例えばアルミニウムを用いるのが望ましいことが分かる。
【００４０】
（第２の実施形態）
図１６は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜視図である。
【００４１】
図中２０は半導体レーザ素子、２１は活性層、２２は光吸収膜、２３は絶縁膜、２４は光吸収膜２２に設けられた開口である。このレーザの偏光方向は接合面と垂直方向、即ち電場ベクトルの方向が垂直方向である。
【００４２】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、レーザ光の偏光方向である。このように接合面に垂直な方向に偏光方向があるレーザは、例えばクラッド層中に光損失層を設けてＴＥモードの損失をＴＭモードより大きくする（即ち、そのような位置に光吸収層を設ける）、或いは活性層に引張り歪みを導入してＴＭモード発振とする等の方法により実現できる。
【００４３】
本実施形態では偏光方向が垂直方向であるため、光吸収膜２２に設けた開口２４は横長の形状となっている。即ち、偏光方向に平行な方向の開口幅Ｗ1 が半導体レーザの発振波長の１／２より短く、偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 はＷ1 より大きくなっている。本構造の利点は半導体レーザ素子の発振モードの２次元形状と開口形状とを相似形にできることである。これにより、半導体レーザ素子からの光出力を極めて効率良く開口部に入射させることができる。
【００４４】
（第３の実施形態）
図１７は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜視図である。図中３０はｎ型半導体基板、３１はｎ型ＤＢＲ反射層、３２は活性層領域（光学的厚さ＝発振波長）、３３はｐ型ＤＢＲ反射層、３４，３５はｐ型コンタクト層、３６は光吸収膜、３７は絶縁膜、３８は光吸収膜３６に設けられた開口、３９，４０はそれぞれｎ電極及びｐ電極である。このレーザの構造は垂直共振器面発光型である。
【００４５】
本実施形態においても、開口幅はレーザ光の偏光方向に平行方向が狭く（λ／２以下）、垂直方向が広くなっている。これにより開口３８を通過する光の損失を大きく低減できることは、第１及び第２の実施形態で説明した通りである。
【００４６】
次に、第１〜第３の実施形態に示した絶縁膜の厚さについて説明する。上述したように光吸収膜の厚さは１００ｎｍ程度あれば、開口以外の領域で光は十分減衰される。この厚さは、光学的厚さに換算するとおよそλ（１波長）である。通常金属膜は、これだけの厚さがあれば９０％以上の反射率を示すので、共振器の反射鏡としても十分有効である。
【００４７】
しかしながら、第１及び第２の実施形態のように端面発光型レーザの端面に金属膜を設ける場合は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層が短絡しないように、端面表面と金属膜との間に絶縁膜を設ける必要がある。この絶縁膜の厚さによっては、反射率が低減してしまう場合があるので、高反射率を確保できる厚さに設定する必要がある。
【００４８】
図１８は、絶縁膜の厚さｄに対して反射率Ｒがどのように変化するかを計算した例である。この計算では、金属（Ａｕ）膜の光学的厚さをλ（１波長）としたが、吸収係数が十分大きいので、この金属膜の厚さに対する依存性は小さい。図の横軸は絶縁膜の光学的厚さ（ｎｄ／λ）としてある。この図から明らかなように、反射率は周期的に高くなったり、低くなったりする。図から、
ｎｄ／λ＝０．２＋０．５ｍ（ｍは整数）
の近傍で高い反射率を示すことが分かる。例えば、９５％以上の反射率を得るには、
０．０５＋０．５ｍ≦ｎｄ／λ≦０．３５＋０．５ｍ
となるように設定すればよい。保護膜としては薄くても十分であるから、
０．０５≦ｎｄ／λ≦０．３５
の範囲に設定すればよい。
【００４９】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態で述べた半導体レーザ素子としては、特定の材料による素子には限定されず、ＩｎＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系，ＩｎＧａＡｌＰ系，ＩｎＧａＡｌＮ系，ＩｎＧａＡｌＢＮ系，ＩｎＧａＡｓＳｂ系，ＣｄＺｎＭｇＳＳｅ系等、様々な材料系を用いることができる。
【００５０】
また、レーザ構造は図１、図１６、図１７に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、図１９に示すように、基板として半導体の代わりに絶縁性のサファイア基板５０を用いたものであってもよい。なお、図中５１はｎ型ＧａＮ層、５２はｎ型ＧａＡｌＮクラッド層、５３はＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性層、５４はｐ型ＧａＡｌＮクラッド層、５５ｐ型ＧａＮコンタクト層、５６はリッジ部、５７は絶縁膜、５８は光吸収膜、５９は開口を示している。この例の場合、基板３０が絶縁体であることから、クラッド層５１に達するまで５２〜５５を一部エッチングし、露出したクラッド層５１上にｎ側電極を形成することになる。
【００５１】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、半導体レーザ素子の光出射面の外側に設けた光吸収膜の開口を、レーザ光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 が偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 よりも短くなるように設定、特に開口幅Ｗ1 が半導体レーザ素子の発振波長の１／２より短くなるように設定しているので、開口における損失を大きくすることなく、より小さいスポット光を得ることが可能となる。従って、レーザ光のスポット径の極小化が可能で、且つ開口を通過する光の効率の高い半導体レーザ装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜視図と断面図。
【図２】金属導波路中の導波モード計算例を示す図。
【図３】スリット形状と各方向の光強度分布の様子、さらに光強度分布を２次元分布として示す図。
【図４】Ａｇにおける導波モードの解析例を示す図。
【図５】Ａｕ導波路における導波モード損失のスリット幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎｍ）。
【図６】Ａｇ導波路における導波モード損失のスリット幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎｍ）。
【図７】Ｃｕ導波路における導波モード損失のスリット幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎｍ）。
【図８】Ａｌ導波路におばる導波モード損失のスリット幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎｍ）。
【図９】Ｐｔ導波路における導波モード損失のスリット幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎｍ）。
【図１０】Ｔｉ導波路における導波モード損失のスリット幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎｍ）。
【図１１】スリットから空気中に出た後の光強度分布を示す図。
【図１２】Ａｕのスリットに対して、光源波長が４００ｎｍの場合の導波モードの様子を示す図。
【図１３】Ａｌのスリットに対して、光源波長が４００ｎｍの場合の導波モードの様子を示す図。
【図１４】Ａｕ導波路における導波モード損失のスリット幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝４００ｎｍ）。
【図１５】Ａｌ導波路における導波モード損失のスリット幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝４００ｎｍ）。
【図１６】第２の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜視図。
【図１７】第３の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜視図。
【図１８】絶縁膜の厚さｄに対する反射率Ｒの依存性を計算した例を示す図。
【図１９】変形例に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
１０，２０…半導体レーザ素子
１１，２１…活性層
１２，２２，３６…光吸収膜
１３，２３，３７…絶縁膜
１４，２４，３８…開口
１０１…ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２…ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
１０３…ＭＱＷ活性層
１０４…ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
１０５…ｎ−ＧａＡｓ電流阻止層
１０６…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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