JP2001223429A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 光励起の面発光型半導体レーザ装置におい
て、低電流での直接変調を可能にする。 【解決手段】 励起用に発振波長が810nmのブロー
ドエリア型半導体レーザ素子31を用い、面発光型半導体
素子23のGaAs基板11側が取り付けられた穴あきヒー
トシンク33と、外部ミラー35と、該外部ミラー35の凹面
と面発光型半導体素子23の多層光学フィルタ13とにより
構成される共振器内に波長選択素子34を設け、さらに面
発光型半導体素子23に直流バイアス回路95と、信号源96
と、変調回路97と、ミキサー98とからなる変調手段を設
けて半導体レーザ装置を構成する。半導体レーザ素子31
からの810nmの励起光36は、集光レンズにより面発
光型半導体素子23に集光され、面発光型半導体素子23の
光閉じ込め層14、16および多重量子井戸活性層15により
効率よく吸収されて、波長約980nmのレーザ光37が
出力される。面発光型半導体素子に設置した変調回路に
より面発光型半導体素子のpn接合に電圧を印加し変調
する。
て、低電流での直接変調を可能にする。 【解決手段】 励起用に発振波長が810nmのブロー
ドエリア型半導体レーザ素子31を用い、面発光型半導体
素子23のGaAs基板11側が取り付けられた穴あきヒー
トシンク33と、外部ミラー35と、該外部ミラー35の凹面
と面発光型半導体素子23の多層光学フィルタ13とにより
構成される共振器内に波長選択素子34を設け、さらに面
発光型半導体素子23に直流バイアス回路95と、信号源96
と、変調回路97と、ミキサー98とからなる変調手段を設
けて半導体レーザ装置を構成する。半導体レーザ素子31
からの810nmの励起光36は、集光レンズにより面発
光型半導体素子23に集光され、面発光型半導体素子23の
光閉じ込め層14、16および多重量子井戸活性層15により
効率よく吸収されて、波長約980nmのレーザ光37が
出力される。面発光型半導体素子に設置した変調回路に
より面発光型半導体素子のpn接合に電圧を印加し変調
する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザー装
置に関し、特に面発光型の半導体素子を半導体レーザ素
子により励起し、レーザ発振を得る構成の半導体レーザ
装置に関するものである。
置に関し、特に面発光型の半導体素子を半導体レーザ素
子により励起し、レーザ発振を得る構成の半導体レーザ
装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】これまで、狭ストライプ幅のストライプ
型単一横モード半導体レーザ装置は、高速な情報・画像
処理および通信、計測、医療、印刷の分野での光源、あ
るいはレーザディスプレイ等の画像表示装置に用いられ
ており、高出力まで高品位なビームを有することが要求
されている。しかし、その半導体レーザ装置の実用出力
は200〜300mWに限られているという問題があっ
た。この主な原因としては次の2つが挙げられる。一つ
は、高出力域ではレーザ光を発生するためのキャリアの
供給がキャリア自身の拡散過程に律速されるために、レ
ーザビーム強度の大きい箇所では、キャリア濃度が低下
し、空間的ホールバーニング現象が発生により、半導体
の屈折率が上昇し、導波モードに影響を及ぼしてビーム
品位の劣化や電流−光出力特性にキンクを生じることで
ある。他方は、狭ストライプレーザでは、例えば、スト
ライプ幅が4μmであって、接合に垂直方向の等価的な
ビーム径が0.5μmの場合、出力300mWでは、そ
の出力密度が15MW/cm 2にもなるため、半導体レ
ーザに対する負荷が大きく様々な劣化を生じることであ
る。これらの問題により、高信頼性が得られず、実用出
力の向上を妨げている。
型単一横モード半導体レーザ装置は、高速な情報・画像
処理および通信、計測、医療、印刷の分野での光源、あ
るいはレーザディスプレイ等の画像表示装置に用いられ
ており、高出力まで高品位なビームを有することが要求
されている。しかし、その半導体レーザ装置の実用出力
は200〜300mWに限られているという問題があっ
た。この主な原因としては次の2つが挙げられる。一つ
は、高出力域ではレーザ光を発生するためのキャリアの
供給がキャリア自身の拡散過程に律速されるために、レ
ーザビーム強度の大きい箇所では、キャリア濃度が低下
し、空間的ホールバーニング現象が発生により、半導体
の屈折率が上昇し、導波モードに影響を及ぼしてビーム
品位の劣化や電流−光出力特性にキンクを生じることで
ある。他方は、狭ストライプレーザでは、例えば、スト
ライプ幅が4μmであって、接合に垂直方向の等価的な
ビーム径が0.5μmの場合、出力300mWでは、そ
の出力密度が15MW/cm 2にもなるため、半導体レ
ーザに対する負荷が大きく様々な劣化を生じることであ
る。これらの問題により、高信頼性が得られず、実用出
力の向上を妨げている。
【0003】そこで、前者に対しては導波構造の最適
化、後者に対しては端面保護膜の最適化や端面窓構造の
開発が行われている。しかしながら、これらの技術は限
界に近づいており、さらに大きな出力の高品位なビーム
を半導体レーザにおいて実現するためには、新たなモー
ド制御技術と発光面積の増大による光密度の低減が必須
である。
化、後者に対しては端面保護膜の最適化や端面窓構造の
開発が行われている。しかしながら、これらの技術は限
界に近づいており、さらに大きな出力の高品位なビーム
を半導体レーザにおいて実現するためには、新たなモー
ド制御技術と発光面積の増大による光密度の低減が必須
である。
【0004】このため、空間的にコヒーレントで数百m
W以上の高出力を有する半導体レーザ装置を実現するた
めに、様々な試みが行われている。例えば1994年発行の
Cambridge University PressのBotez氏とD.R.Scifres氏
による“Diode Laser Arrays”に記載のレーザ装置が挙
げられる。しかしながら、これらのモノリシックに高品
位ビームを実現する構造は、その構造や作成プロセスが
複雑であるという欠点を有する。また、これらの高出力
半導体レーザは駆動電流が500mAあるいは1A以上
と極めて大きいため、変調する際には変調電流の振幅が
0.5Aあるいは1A以上にもなり、駆動回路に大きな
負荷がかかったり、またコストの上昇を招く。さらには
このような大電流変調を用いると周囲への電磁波を遮蔽
するための特別の電磁シールドが必要となり煩雑になる
という問題がある。
W以上の高出力を有する半導体レーザ装置を実現するた
めに、様々な試みが行われている。例えば1994年発行の
Cambridge University PressのBotez氏とD.R.Scifres氏
による“Diode Laser Arrays”に記載のレーザ装置が挙
げられる。しかしながら、これらのモノリシックに高品
位ビームを実現する構造は、その構造や作成プロセスが
複雑であるという欠点を有する。また、これらの高出力
半導体レーザは駆動電流が500mAあるいは1A以上
と極めて大きいため、変調する際には変調電流の振幅が
0.5Aあるいは1A以上にもなり、駆動回路に大きな
負荷がかかったり、またコストの上昇を招く。さらには
このような大電流変調を用いると周囲への電磁波を遮蔽
するための特別の電磁シールドが必要となり煩雑になる
という問題がある。
【0005】上記のような従来の電流注入型半導体レー
ザの欠点を克服する手段として、米国特許第5461637号
および米国特許第5627853号に光励起の面発光型の半導
体レーザ装置が提案されている。しかしながら、これら
に記載されている装置では半導体の熱レンズ効果、つま
り温度が上昇すると屈折率が上昇する効果を用いている
ため、基本的に温度上昇が必要なことと、温度分布に敏
感で空間的な発振モードが不安定になる欠点があった。
さらに、高出力においては半導体媒質特有のプラズマ効
果、いわゆるキャリアの増加により、屈折率が低下する
効果が、高出力のレーザ光を発生するための空間的なキ
ャリアの穴あき効果(空間的ホールバーニング)によっ
て生じるため空間モードが不安定となる欠点を有する。
ザの欠点を克服する手段として、米国特許第5461637号
および米国特許第5627853号に光励起の面発光型の半導
体レーザ装置が提案されている。しかしながら、これら
に記載されている装置では半導体の熱レンズ効果、つま
り温度が上昇すると屈折率が上昇する効果を用いている
ため、基本的に温度上昇が必要なことと、温度分布に敏
感で空間的な発振モードが不安定になる欠点があった。
さらに、高出力においては半導体媒質特有のプラズマ効
果、いわゆるキャリアの増加により、屈折率が低下する
効果が、高出力のレーザ光を発生するための空間的なキ
ャリアの穴あき効果(空間的ホールバーニング)によっ
て生じるため空間モードが不安定となる欠点を有する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、光励起
の面発光型の半導体レーザ装置においては、大電流でも
って励起用の半導体レーザの励起光強度を変調しないと
変調が困難であり、直接変調による発振ビームの高速変
調ビームを得ることが非常に困難であった。
の面発光型の半導体レーザ装置においては、大電流でも
って励起用の半導体レーザの励起光強度を変調しないと
変調が困難であり、直接変調による発振ビームの高速変
調ビームを得ることが非常に困難であった。
【0007】本発明は上記事情に鑑みて、低電流にて直
接変調が可能な高出力かつ高品位な半導体レーザ装置を
提供することを目的とするものである。
接変調が可能な高出力かつ高品位な半導体レーザ装置を
提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、半導体レーザ素子からなる励起光源と、該励起光
源により励起され、該励起光源が発する励起光の波長よ
り長波長の光を発する、基板上に活性領域と該活性領域
の前記基板側あるいは前記基板と反対側に形成されたミ
ラーを有する面発光型半導体素子と、該面発光型半導体
素子の外部に配置され、ミラーと外部共振器を形成する
少なくとも一つの外部ミラーとを備えた半導体レーザ装
置において、面発光型半導体素子に変調手段を備えたこ
とを特徴とするものである。
置は、半導体レーザ素子からなる励起光源と、該励起光
源により励起され、該励起光源が発する励起光の波長よ
り長波長の光を発する、基板上に活性領域と該活性領域
の前記基板側あるいは前記基板と反対側に形成されたミ
ラーを有する面発光型半導体素子と、該面発光型半導体
素子の外部に配置され、ミラーと外部共振器を形成する
少なくとも一つの外部ミラーとを備えた半導体レーザ装
置において、面発光型半導体素子に変調手段を備えたこ
とを特徴とするものである。
【0009】変調手段は、面発光型半導体素子のpn接
合に対して電圧変化を付与するものであることが望まし
い。
合に対して電圧変化を付与するものであることが望まし
い。
【0010】また、変調手段は、面発光型半導体素子の
ショットキー接合に対して電圧変化を付与するものであ
ってもよい。
ショットキー接合に対して電圧変化を付与するものであ
ってもよい。
【0011】また、本発明の半導体レーザ装置は、面発
光型半導体素子に、発振したレーザ光の空間モードを制
御する空間モード制御部を備えていてもよい。その場
合、空間モード制御部は、面発光型半導体素子の光出射
端面に形成されたレーザ光を透過する孔形状の光透過
部、あるいは、レーザ光が出射する面と平行な面に部分
的に形成された前記ミラー、あるいは、レーザ光が出射
する面と平行な面に部分的に形成された前記活性領域で
あることが望ましい。また、さらに、該空間モード制御
部の大きさは、該空間モード制御部が形成された場所に
おけるレーザ光の径の0.1倍以上10倍以下であるこ
とが望ましい。
光型半導体素子に、発振したレーザ光の空間モードを制
御する空間モード制御部を備えていてもよい。その場
合、空間モード制御部は、面発光型半導体素子の光出射
端面に形成されたレーザ光を透過する孔形状の光透過
部、あるいは、レーザ光が出射する面と平行な面に部分
的に形成された前記ミラー、あるいは、レーザ光が出射
する面と平行な面に部分的に形成された前記活性領域で
あることが望ましい。また、さらに、該空間モード制御
部の大きさは、該空間モード制御部が形成された場所に
おけるレーザ光の径の0.1倍以上10倍以下であるこ
とが望ましい。
【0012】また、外部共振器内に波長選択素子を設け
ていてよい。
ていてよい。
【0013】また、外部共振器内に偏光制御素子を設け
ていてもよい。
ていてもよい。
【0014】さらに、半導体レーザ素子の活性層は、I
nv1Ga1−v1Nからなり、面発光型半導体素子の
活性層はInv2Ga1−v2Nからなっていてもよ
く、組成比は0<v1<v2<1であることが望ましい。
nv1Ga1−v1Nからなり、面発光型半導体素子の
活性層はInv2Ga1−v2Nからなっていてもよ
く、組成比は0<v1<v2<1であることが望ましい。
【0015】また、半導体レーザ素子の活性層は、In
GaN系の組成からなり、面発光型半導体素子の活性層
はAlGaInP系またはGaInP系の組成からなっ
ていてもよい。
GaN系の組成からなり、面発光型半導体素子の活性層
はAlGaInP系またはGaInP系の組成からなっ
ていてもよい。
【0016】また、半導体レーザ素子の活性層は、In
w1Ga1−w1Asからなり、面発光型半導体素子の
活性層は、Inw2Ga1−w2Asからなっていても
よく、組成比は0<w1<w2<1であることが望ましい。
w1Ga1−w1Asからなり、面発光型半導体素子の
活性層は、Inw2Ga1−w2Asからなっていても
よく、組成比は0<w1<w2<1であることが望ましい。
【0017】また、InGaN系とは少なくともIn元
素とGa元素とN元素を含む組成であることを示す。ま
た、AlGaInP系およびGaInP系についても同
様である。
素とGa元素とN元素を含む組成であることを示す。ま
た、AlGaInP系およびGaInP系についても同
様である。
【0018】
【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置によれば、半
導体レーザ素子を励起光源とし、面発光型半導体素子を
励起しレーザ発振を得る半導体レーザ装置において、面
発光型半導体素子に変調手段を備えているので、従来の
ように、大電流で励起用の半導体レーザ素子を変調する
必要がなく、低電流で高速変調が可能である。
導体レーザ素子を励起光源とし、面発光型半導体素子を
励起しレーザ発振を得る半導体レーザ装置において、面
発光型半導体素子に変調手段を備えているので、従来の
ように、大電流で励起用の半導体レーザ素子を変調する
必要がなく、低電流で高速変調が可能である。
【0019】特に、面発光型半導体素子のpn接合に対
して電圧変化、例えば、逆バイアスを印加するとレーザ
利得を下げることができ、これにより消光比の高い変調
が可能である。
して電圧変化、例えば、逆バイアスを印加するとレーザ
利得を下げることができ、これにより消光比の高い変調
が可能である。
【0020】また、面発光型半導体素子のショットキー
接合に対して電圧変化を付与することにより、活性層の
利得を制御して変調を行うことができる。
接合に対して電圧変化を付与することにより、活性層の
利得を制御して変調を行うことができる。
【0021】また、本発明の半導体レーザ装置の面発光
型半導体素子に空間モード制御手段を設けることによ
り、高出力であっても基本横モード発振を得ることがで
きる。
型半導体素子に空間モード制御手段を設けることによ
り、高出力であっても基本横モード発振を得ることがで
きる。
【0022】具体的には、空間モード制御部として、光
出射面に孔形状の光透過部あるいは部分的に活性層を形
成することにより、基本モードよりも高次モードの外部
共振器損失を増やすことができるので、高次横モードが
制御され、基本横モード発振を得ることができる。
出射面に孔形状の光透過部あるいは部分的に活性層を形
成することにより、基本モードよりも高次モードの外部
共振器損失を増やすことができるので、高次横モードが
制御され、基本横モード発振を得ることができる。
【0023】また、部分的に反射膜を形成することによ
って、基本モードを選択的に高反射することができ、基
本モードよりも高次モードの外部共振器損失を増やすこ
とができるので、発振光の高次横モードを制御すること
ができる。
って、基本モードを選択的に高反射することができ、基
本モードよりも高次モードの外部共振器損失を増やすこ
とができるので、発振光の高次横モードを制御すること
ができる。
【0024】なお、空間モード制御部の大きさを、該空
間モード制御部が形成された場所におけるレーザ光の径
の0.1倍以上10倍以下とすることにより、良好なビ
ーム形状および特性を得ることができる。
間モード制御部が形成された場所におけるレーザ光の径
の0.1倍以上10倍以下とすることにより、良好なビ
ーム形状および特性を得ることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。
を用いて詳細に説明する。
【0026】本発明の第1の実施の形態による半導体レ
ーザ装置について説明する。その半導体レーザ装置を構
成する面発光型半導体素子の断面図を図1に示し、半導
体レーザ装置の概略構成図を図2に示す。
ーザ装置について説明する。その半導体レーザ装置を構
成する面発光型半導体素子の断面図を図1に示し、半導
体レーザ装置の概略構成図を図2に示す。
【0027】まず面発光型半導体素子について説明す
る。図1に示すように、有機金属気相成長法により、n
−GaAs(001)11基板上にn−GaAsバッファ
層12を積層後、n−GaAs/n−Al0.7Ga0.3As
からなる多層光学フィルタ層13(ただし、n−GaAs
バッファ層側の第1層はAlGaAsである。)、n−
GaAs光閉じ込め層14、ノンドープGaAs/In
0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層15、p−GaAs光
閉じ込め層16、p−Al0.7Ga0.3Asキャリア閉じ込
め層17、p−GaAsキャップ層18を積層する。その
後、電子ビーム蒸着法等により、SiO2レーザ光反射
防止膜19を積層する。SiO2膜19の一部をリング状に
除去し、リフトオフ法を用いて発振部以外のリング状の
SiO2膜19が除去された領域を含む領域に、Ti/P
t/Auからなるp電極20を蒸着形成する。その後Ga
As基板11の研磨を行い、発振部に対応する領域より広
い領域のn−GaAs基板11およびn−GaAsバッフ
ァ層12を選択的にエッチング除去して、励起光が透過す
る孔を形成する。その後、n−GaAs基板11の上にA
uGe/Ni/Auからなるn電極21を形成後、熱処理
を行う。最後に励起光である810nmに対して反射防
止膜となるSiO2層22を形成して、最後に劈開等によ
りチップ化して面発光型半導体素子23を完成させる。
る。図1に示すように、有機金属気相成長法により、n
−GaAs(001)11基板上にn−GaAsバッファ
層12を積層後、n−GaAs/n−Al0.7Ga0.3As
からなる多層光学フィルタ層13(ただし、n−GaAs
バッファ層側の第1層はAlGaAsである。)、n−
GaAs光閉じ込め層14、ノンドープGaAs/In
0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層15、p−GaAs光
閉じ込め層16、p−Al0.7Ga0.3Asキャリア閉じ込
め層17、p−GaAsキャップ層18を積層する。その
後、電子ビーム蒸着法等により、SiO2レーザ光反射
防止膜19を積層する。SiO2膜19の一部をリング状に
除去し、リフトオフ法を用いて発振部以外のリング状の
SiO2膜19が除去された領域を含む領域に、Ti/P
t/Auからなるp電極20を蒸着形成する。その後Ga
As基板11の研磨を行い、発振部に対応する領域より広
い領域のn−GaAs基板11およびn−GaAsバッフ
ァ層12を選択的にエッチング除去して、励起光が透過す
る孔を形成する。その後、n−GaAs基板11の上にA
uGe/Ni/Auからなるn電極21を形成後、熱処理
を行う。最後に励起光である810nmに対して反射防
止膜となるSiO2層22を形成して、最後に劈開等によ
りチップ化して面発光型半導体素子23を完成させる。
【0028】ここで、多層光学フィルタ層13は、例えば
レーザ発振する980nmの光に対して90%以上の高
反射、励起光である810nmの光に対して5%以下の
低反射率となっている。例えば発振波長より長波長に対
して、結晶内で1/4波長となる、GaAs/Al0.7
Ga0.3As多層構造を20ペア程度積層する構造を採
用する。
レーザ発振する980nmの光に対して90%以上の高
反射、励起光である810nmの光に対して5%以下の
低反射率となっている。例えば発振波長より長波長に対
して、結晶内で1/4波長となる、GaAs/Al0.7
Ga0.3As多層構造を20ペア程度積層する構造を採
用する。
【0029】次に、半導体レーザ装置について説明す
る。図2aに示すように、本実施の形態による半導体レ
ーザ装置は、励起用に、活性層がInGaAsP、Al
GaAsまたはAlGaInAsからなる、発振波長が
810nmで幅100μmのブロードエリア型半導体レ
ーザ素子31を用い、上記面発光型半導体素子23のGaA
s基板11側を取り付けられた穴あきヒートシンク33と、
集光レンズ32と、外部ミラー35と、部分ミラー40とを備
えている。外部ミラー35の凹面と面発光型半導体素子23
のn−GaAs/n−Al0.7Ga0.3As多層光学フィ
ルタ13とにより共振器(共振器長L)が構成され、共振
器内に波長選択素子34が挿入されている。さらに面発光
型半導体素子23に変調手段が備えられている。該変調手
段は、直流バイアス回路42と、信号源43と、変調回路44
と、ミキサー45とからなるものである。n−GaAs/
n−Al0.7Ga0.3As多層光学フィルタ13はミラーの
役割を果たす。
る。図2aに示すように、本実施の形態による半導体レ
ーザ装置は、励起用に、活性層がInGaAsP、Al
GaAsまたはAlGaInAsからなる、発振波長が
810nmで幅100μmのブロードエリア型半導体レ
ーザ素子31を用い、上記面発光型半導体素子23のGaA
s基板11側を取り付けられた穴あきヒートシンク33と、
集光レンズ32と、外部ミラー35と、部分ミラー40とを備
えている。外部ミラー35の凹面と面発光型半導体素子23
のn−GaAs/n−Al0.7Ga0.3As多層光学フィ
ルタ13とにより共振器(共振器長L)が構成され、共振
器内に波長選択素子34が挿入されている。さらに面発光
型半導体素子23に変調手段が備えられている。該変調手
段は、直流バイアス回路42と、信号源43と、変調回路44
と、ミキサー45とからなるものである。n−GaAs/
n−Al0.7Ga0.3As多層光学フィルタ13はミラーの
役割を果たす。
【0030】半導体レーザ素子31からの810nmの励
起光36は、集光レンズ32により面発光型半導体素子23に
集光され、面発光型半導体素子23の光閉じ込め層14、16
および多重量子井戸活性層15により効率よく吸収され
て、外部ミラーより波長約980nmのレーザ光37が出
力される。出力されたレーザ光は、例えば、光偏向器に
入力されて画像記録用の光源として用いられる。
起光36は、集光レンズ32により面発光型半導体素子23に
集光され、面発光型半導体素子23の光閉じ込め層14、16
および多重量子井戸活性層15により効率よく吸収され
て、外部ミラーより波長約980nmのレーザ光37が出
力される。出力されたレーザ光は、例えば、光偏向器に
入力されて画像記録用の光源として用いられる。
【0031】本発明の半導体レーザ装置は、発振光の一
部を部分ミラー40により取り出して、光検知器(図示せ
ず)により受けてAPC(Automatic Power Control)
回路41により励起用半導体レーザ31の駆動電流に帰還し
出力が一定となるように制御されている。
部を部分ミラー40により取り出して、光検知器(図示せ
ず)により受けてAPC(Automatic Power Control)
回路41により励起用半導体レーザ31の駆動電流に帰還し
出力が一定となるように制御されている。
【0032】本実施の形態における面発光型半導体素子
23はpn接合を有しているため、変調手段により素子の
pn接合に対して電圧変化を与えることにより変調が可
能である。変調回路44は、信号源43から入力される、例
えば2値の画像信号に応じて正値あるいは負値をとる電
圧信号をミキサ45に送る。このミキサ45は電圧信号を直
流バイアス回路42から入力されるバイアス電圧に重畳す
る。つまり、面発光型半導体素子23のpn接合にはこの
バイアス電圧を基準にして、画像信号に応じて上下する
波形の電圧が加えられる。これにより、面発光型半導体
素子23の活性層の利得が変化し(より詳しくは、面発光
型半導体素子にバイアス電圧を加えたことによる利得変
動の程度が変化し)、発光強度が画像信号に基づいて変
調される。
23はpn接合を有しているため、変調手段により素子の
pn接合に対して電圧変化を与えることにより変調が可
能である。変調回路44は、信号源43から入力される、例
えば2値の画像信号に応じて正値あるいは負値をとる電
圧信号をミキサ45に送る。このミキサ45は電圧信号を直
流バイアス回路42から入力されるバイアス電圧に重畳す
る。つまり、面発光型半導体素子23のpn接合にはこの
バイアス電圧を基準にして、画像信号に応じて上下する
波形の電圧が加えられる。これにより、面発光型半導体
素子23の活性層の利得が変化し(より詳しくは、面発光
型半導体素子にバイアス電圧を加えたことによる利得変
動の程度が変化し)、発光強度が画像信号に基づいて変
調される。
【0033】また、信号源43から階調画像を担う画像信
号を入力した場合は、上記電圧波形のバイアス電圧から
の上下変動値が画像信号に応じて変化し、上記利得が段
階的あるいは連続的に変化する。これにより、発光強度
が画像信号に応じて段階的あるいは連続的に変化する。
本発明の半導体レーザ装置は、駆動電流の大きい励起用
の半導体レーザ素子を変調する場合に比べ、低電流で、
かつ高速な変調が可能である。また、図2に示すような
ヒートシンク33を構成することにより、高効率な放熱が
可能である。
号を入力した場合は、上記電圧波形のバイアス電圧から
の上下変動値が画像信号に応じて変化し、上記利得が段
階的あるいは連続的に変化する。これにより、発光強度
が画像信号に応じて段階的あるいは連続的に変化する。
本発明の半導体レーザ装置は、駆動電流の大きい励起用
の半導体レーザ素子を変調する場合に比べ、低電流で、
かつ高速な変調が可能である。また、図2に示すような
ヒートシンク33を構成することにより、高効率な放熱が
可能である。
【0034】ここで、設計上、ビーム径は1/e2直径
で0.3mm程度となっており、さらに空間的広がりの
大きい高次モード発振を抑制するためにp電極20に形成
した孔の径は直径0.6mmとした。この孔径は大きく
すれば全く発振光に影響を及ぼさないが、小さくしすぎ
ると基本モード光の遮蔽量が増大して損失が大きくなる
ため最適化により所望の特性を得ることができるよう
に、ビーム径の0.1倍から10倍の範囲が望ましい。
で0.3mm程度となっており、さらに空間的広がりの
大きい高次モード発振を抑制するためにp電極20に形成
した孔の径は直径0.6mmとした。この孔径は大きく
すれば全く発振光に影響を及ぼさないが、小さくしすぎ
ると基本モード光の遮蔽量が増大して損失が大きくなる
ため最適化により所望の特性を得ることができるよう
に、ビーム径の0.1倍から10倍の範囲が望ましい。
【0035】さらに、本実施の形態による半導体レーザ
装置は、単一縦モードを得るために、波長選択素子とし
て、例えばリオフィルターあるいはエタロンあるいはこ
れらを複数枚挿入してもよい。また、ブリュースター板
を挿入することにより偏光制御が可能である。
装置は、単一縦モードを得るために、波長選択素子とし
て、例えばリオフィルターあるいはエタロンあるいはこ
れらを複数枚挿入してもよい。また、ブリュースター板
を挿入することにより偏光制御が可能である。
【0036】本実施の形態に示すように、励起光源には
ブロードエリア型半導体レーザ素子を用いることができ
るので高出力化、例えば1W〜10W以上が可能であ
る。従って、得られる発振出力も数100mW〜数W以
上の高出力が可能となる。前述のストライプ型単一モー
ドレーザの光出射端面におけるビーム面積は、一般的に
2μm2程度であるのに対し、(0.15mm)2×π
=70650μm2と104倍以上の大きなビーム面積
となるため、高出力化が可能となる。
ブロードエリア型半導体レーザ素子を用いることができ
るので高出力化、例えば1W〜10W以上が可能であ
る。従って、得られる発振出力も数100mW〜数W以
上の高出力が可能となる。前述のストライプ型単一モー
ドレーザの光出射端面におけるビーム面積は、一般的に
2μm2程度であるのに対し、(0.15mm)2×π
=70650μm2と104倍以上の大きなビーム面積
となるため、高出力化が可能となる。
【0037】また、本実施の形態の半導体レーザ装置
は、光励起であるために、通常の電流注入の半導体レー
ザとは異なり、半導体多層反射膜などにおける電気抵抗
増大による発熱や、効率低下の問題がなく、従来の面発
光レーザで用いられているような、多層光学フィルタを
構成する各層間の界面で組成傾斜層を設けたり、局部的
なドーピングにより、低抵抗化を図るなどの煩雑な構造
を用いる必要がなく、作成プロセスもより簡単である。
は、光励起であるために、通常の電流注入の半導体レー
ザとは異なり、半導体多層反射膜などにおける電気抵抗
増大による発熱や、効率低下の問題がなく、従来の面発
光レーザで用いられているような、多層光学フィルタを
構成する各層間の界面で組成傾斜層を設けたり、局部的
なドーピングにより、低抵抗化を図るなどの煩雑な構造
を用いる必要がなく、作成プロセスもより簡単である。
【0038】また、図2bに示すように、励起用半導体
レーザ素子31からの励起光36は、面発光型半導体素子23
に対して、角度を付けて入射させてもよい。また、図2
aに示す半導体レーザ装置と同様に、APC回路を備え
ていてもよい。
レーザ素子31からの励起光36は、面発光型半導体素子23
に対して、角度を付けて入射させてもよい。また、図2
aに示す半導体レーザ装置と同様に、APC回路を備え
ていてもよい。
【0039】次に本発明の第2の実施の形態による98
0nmにて発振する半導体レーザ装置について説明す
る。その半導体レーザ装置を構成する面発光型半導体素
子の積層方向の断面図を図3に示し、半導体レーザ装置
の概略構成図を図4に示す。
0nmにて発振する半導体レーザ装置について説明す
る。その半導体レーザ装置を構成する面発光型半導体素
子の積層方向の断面図を図3に示し、半導体レーザ装置
の概略構成図を図4に示す。
【0040】まず面発光型半導体素子について説明す
る。以下に記載する、nGaAsおよびn
Al0.7Ga0.3Asは、それぞれ発振波長λにお
けるGaAsおよびAl0.7Ga0.3Asの屈折率
である。図3に示すように、有機金属気相成長法によ
り、n−GaAs(001)基板51上に、n−GaAs
バッファ層52を積層し、20ペアのn−GaAs(厚
さ:λ/4nGaAs)/n−Al0.7Ga0.3A
s(厚さ:λ/4nAl0.7Ga0.3As)ブラッ
グ反射膜53(ただし、n−GaAsバッファ層52側の第
1層はAlGaAsである。)、n−GaAs光閉じ込
め層54、ノンドープGaAs/In0.2Ga0.8A
s多重量子井戸活性層55、n−GaAs光閉じ込め層5
6、n− Al0.7Ga0. 3Asキャリア閉じ込め層
57を積層する。その後、GaAs基板51の研磨を行い、
AuGe/Ni/Auからなるn電極60を形成、熱処理
によりオーミック電極を形成する。次に電子ビーム蒸着
法によりTi/Auショットキー電極58を発振部となる
窓部を除いて形成し、SiO2反射防止膜59(厚さがλ/
4nSiO2)を積層する。その後、へき開によりチッ
プ化して面発光型半導体素子61を完成させる。前記第1
の実施の形態と異なり、GaAs基板51およびGaAs
バッファ層52の一部の除去は行わない。
る。以下に記載する、nGaAsおよびn
Al0.7Ga0.3Asは、それぞれ発振波長λにお
けるGaAsおよびAl0.7Ga0.3Asの屈折率
である。図3に示すように、有機金属気相成長法によ
り、n−GaAs(001)基板51上に、n−GaAs
バッファ層52を積層し、20ペアのn−GaAs(厚
さ:λ/4nGaAs)/n−Al0.7Ga0.3A
s(厚さ:λ/4nAl0.7Ga0.3As)ブラッ
グ反射膜53(ただし、n−GaAsバッファ層52側の第
1層はAlGaAsである。)、n−GaAs光閉じ込
め層54、ノンドープGaAs/In0.2Ga0.8A
s多重量子井戸活性層55、n−GaAs光閉じ込め層5
6、n− Al0.7Ga0. 3Asキャリア閉じ込め層
57を積層する。その後、GaAs基板51の研磨を行い、
AuGe/Ni/Auからなるn電極60を形成、熱処理
によりオーミック電極を形成する。次に電子ビーム蒸着
法によりTi/Auショットキー電極58を発振部となる
窓部を除いて形成し、SiO2反射防止膜59(厚さがλ/
4nSiO2)を積層する。その後、へき開によりチッ
プ化して面発光型半導体素子61を完成させる。前記第1
の実施の形態と異なり、GaAs基板51およびGaAs
バッファ層52の一部の除去は行わない。
【0041】次に半導体レーザ装置について説明する。
図4に示すように、本実施の形態による半導体レーザ装
置は、励起用に発振波長が810nm帯で、活性層がI
nGaAsP、AlGaAsまたはAlGaInAsか
らなる幅広の半導体レーザ素子71を用い、上記面発光型
半導体素子61のGaAs基板51側を取り付けられたヒー
トシンク73と、集光レンズ72と、外部ミラー75とを備え
ている。外部ミラー75の凹面と面発光型半導体素子61の
20ペアのn−GaAs(厚さ:λ/4nGa As)/
n−Al0.7Ga0.3As(厚さ:λ/4n
Al0.7Ga0.3 As)ブラッグ反射膜53とにより
共振器(共振器長L)が構成されており、共振器内に偏
光素子74とを備えられ、さらに面発光型半導体素子61に
変調手段が備えられている。該変調手段は、直流バイア
ス回路95と、信号源96と、変調回路97と、ミキサー98と
からなるものである。20ペアのn−GaAs(厚さ:
λ/4n GaAs)/n−Al0.7Ga0.3As
(厚さ:λ/4nAl0.7Ga0 .3As)ブラッグ
反射膜53はミラーの役割を果たす。
図4に示すように、本実施の形態による半導体レーザ装
置は、励起用に発振波長が810nm帯で、活性層がI
nGaAsP、AlGaAsまたはAlGaInAsか
らなる幅広の半導体レーザ素子71を用い、上記面発光型
半導体素子61のGaAs基板51側を取り付けられたヒー
トシンク73と、集光レンズ72と、外部ミラー75とを備え
ている。外部ミラー75の凹面と面発光型半導体素子61の
20ペアのn−GaAs(厚さ:λ/4nGa As)/
n−Al0.7Ga0.3As(厚さ:λ/4n
Al0.7Ga0.3 As)ブラッグ反射膜53とにより
共振器(共振器長L)が構成されており、共振器内に偏
光素子74とを備えられ、さらに面発光型半導体素子61に
変調手段が備えられている。該変調手段は、直流バイア
ス回路95と、信号源96と、変調回路97と、ミキサー98と
からなるものである。20ペアのn−GaAs(厚さ:
λ/4n GaAs)/n−Al0.7Ga0.3As
(厚さ:λ/4nAl0.7Ga0 .3As)ブラッグ
反射膜53はミラーの役割を果たす。
【0042】半導体レーザ素子71からの810nmの励
起光76は、集光レンズ72により面発光型半導体素子61に
集光され、面発光型半導体素子61の光閉じ込め層54、56
および多重量子井戸活性層55により効率よく吸収され
て、外部ミラー75から、波長約980nmのレーザ光77
が出力される。面発光型半導体素子61はGaAs基板51
の反対側には励起光を遮蔽する構造がないため、本実施
の形態の半導体レーザ装置は基板と反対側の前面より励
起を行う構成である。面発光型半導体素子61は基板全面
がヒートシンクに保持されているため、放熱が良く、よ
り高出力化が可能である。
起光76は、集光レンズ72により面発光型半導体素子61に
集光され、面発光型半導体素子61の光閉じ込め層54、56
および多重量子井戸活性層55により効率よく吸収され
て、外部ミラー75から、波長約980nmのレーザ光77
が出力される。面発光型半導体素子61はGaAs基板51
の反対側には励起光を遮蔽する構造がないため、本実施
の形態の半導体レーザ装置は基板と反対側の前面より励
起を行う構成である。面発光型半導体素子61は基板全面
がヒートシンクに保持されているため、放熱が良く、よ
り高出力化が可能である。
【0043】本実施の形態による半導体レーザ装置は、
ショットキー接合を有しており、該ショットキー接合に
対し、変調手段によって電圧変化を与えることによっ
て、活性層の利得を制御して変調を行うことができる。
変調回路97は、信号源96から入力される、例えば2値の
画像信号に応じて正値あるいは負値をとる電圧信号をミ
キサ98に送る。このミキサ98は電圧信号を直流バイアス
回路95から入力されるバイアス電圧に重畳する。つま
り、面発光型半導体素子61のショットキー接合にはバイ
アス電圧を基準にして、画像信号に応じて上下する波形
の電圧が加えられる。これにより、面発光型半導体素子
61の活性層の利得が変化し(より詳しくは、面発光型半
導体素子にバイアス電圧を加えたことによる利得変動の
程度が変化し)、発光強度が画像信号に基づいて変調さ
れる。本発明の半導体レーザ装置は、駆動電流の大きい
励起用の半導体レーザ素子を変調する場合に比べ、低電
流で、かつ高速な変調が可能である。また、階調画像を
担う画像信号を入力する場合も第1の実施の形態と同様
に行うことにより変調が可能である。
ショットキー接合を有しており、該ショットキー接合に
対し、変調手段によって電圧変化を与えることによっ
て、活性層の利得を制御して変調を行うことができる。
変調回路97は、信号源96から入力される、例えば2値の
画像信号に応じて正値あるいは負値をとる電圧信号をミ
キサ98に送る。このミキサ98は電圧信号を直流バイアス
回路95から入力されるバイアス電圧に重畳する。つま
り、面発光型半導体素子61のショットキー接合にはバイ
アス電圧を基準にして、画像信号に応じて上下する波形
の電圧が加えられる。これにより、面発光型半導体素子
61の活性層の利得が変化し(より詳しくは、面発光型半
導体素子にバイアス電圧を加えたことによる利得変動の
程度が変化し)、発光強度が画像信号に基づいて変調さ
れる。本発明の半導体レーザ装置は、駆動電流の大きい
励起用の半導体レーザ素子を変調する場合に比べ、低電
流で、かつ高速な変調が可能である。また、階調画像を
担う画像信号を入力する場合も第1の実施の形態と同様
に行うことにより変調が可能である。
【0044】また、上記第1の実施の形態に示すよう
に、本実施の形態による半導体レーザ装置は、外部ミラ
ーの出力側に部分ミラーを設置し、発振光の一部をこの
部分ミラーにより取り出して、光検知器により受けてA
PC(Automatic Power Control)回路により励起用半
導体レーザの駆動電流に帰還し出力が一定となるように
制御してもよい。
に、本実施の形態による半導体レーザ装置は、外部ミラ
ーの出力側に部分ミラーを設置し、発振光の一部をこの
部分ミラーにより取り出して、光検知器により受けてA
PC(Automatic Power Control)回路により励起用半
導体レーザの駆動電流に帰還し出力が一定となるように
制御してもよい。
【0045】上記第1と第2の実施の形態では、励起波
長が810nmであり、発振波長が980nmの場合に
ついて記載したが、一般に、励起波長が発振波長より短
波長であれば上記のような半導体レーザ装置を構成でき
る。従って、発振波長が750〜880nm程度では面
発光型半導体素子の活性層として、AlGaAs、In
GaAsPあるいはAlGaInAs等を用いることが
できる。このときの励起用半導体レーザ素子の活性層と
しては、更に短波長の光を発する組成のInGaPある
いはAlInGaP等を用いるか、あるいは組成比を前
記面発光型半導体素子より短波長となるように制御した
AlGaAs、InGaAsPあるいはAlGaInA
s等を用いることができる。
長が810nmであり、発振波長が980nmの場合に
ついて記載したが、一般に、励起波長が発振波長より短
波長であれば上記のような半導体レーザ装置を構成でき
る。従って、発振波長が750〜880nm程度では面
発光型半導体素子の活性層として、AlGaAs、In
GaAsPあるいはAlGaInAs等を用いることが
できる。このときの励起用半導体レーザ素子の活性層と
しては、更に短波長の光を発する組成のInGaPある
いはAlInGaP等を用いるか、あるいは組成比を前
記面発光型半導体素子より短波長となるように制御した
AlGaAs、InGaAsPあるいはAlGaInA
s等を用いることができる。
【0046】次に、本発明の第3の実施の形態による半
導体レーザ装置について説明し、その半導体レーザ装置
のを構成する面発光型半導体素子の断面図を図5に示
し、該面発光型半導体素子の上面図を図6に示す。図6
中のA−A’断面図が図5である。また、半導体レーザ
装置の概略構成図を図7に示す。
導体レーザ装置について説明し、その半導体レーザ装置
のを構成する面発光型半導体素子の断面図を図5に示
し、該面発光型半導体素子の上面図を図6に示す。図6
中のA−A’断面図が図5である。また、半導体レーザ
装置の概略構成図を図7に示す。
【0047】まず、面発光型半導体素子について説明す
る。以下に示すλは光励起により発振する波長であり、
nAlN、nGaN、nSiO2、nZrO2はそれぞ
れAlN、GaN、SiO2、ZrO2の発振波長での
屈折率である。図5に示すように、有機金属気相成長法
により、サファイアC面基板81上に、GaN低温バッフ
ァ層82、n−GaNバッファ層83、20ペアのn−Ga
N(厚さ:λ/4nG aN)/n−AlN(厚さ:λ/
4nAlN)ブラッグ反射膜84(ただし、n−GaNバ
ッファ層側の第1層はAlNである。)、n−GaN光
閉じ込め層85、Inx2Ga1―x2N/Inx3Ga
1−x3N多重量子井戸活性層86(0<x2<x3<0.5)、
p−GaN光閉じ込め層87、Alz4Ga1-z4Nキャリア
閉じ込め層88(z4>0)、p−GaNキャップ層89を積
層する。
る。以下に示すλは光励起により発振する波長であり、
nAlN、nGaN、nSiO2、nZrO2はそれぞ
れAlN、GaN、SiO2、ZrO2の発振波長での
屈折率である。図5に示すように、有機金属気相成長法
により、サファイアC面基板81上に、GaN低温バッフ
ァ層82、n−GaNバッファ層83、20ペアのn−Ga
N(厚さ:λ/4nG aN)/n−AlN(厚さ:λ/
4nAlN)ブラッグ反射膜84(ただし、n−GaNバ
ッファ層側の第1層はAlNである。)、n−GaN光
閉じ込め層85、Inx2Ga1―x2N/Inx3Ga
1−x3N多重量子井戸活性層86(0<x2<x3<0.5)、
p−GaN光閉じ込め層87、Alz4Ga1-z4Nキャリア
閉じ込め層88(z4>0)、p−GaNキャップ層89を積
層する。
【0048】ここで、図6に示す上面図を参照して、塩
素系のRIBE(Reactive Ion Beam Etching)によ
り、発振部の周囲をn−GaNバッファ層83まで除去す
る。図5に示すように、凸状に残された部分のp−Ga
Nキャップ層89の上で、発振部以外の領域にp電極(N
i/Au)90を形成し、n−GaNバッファ層83上にn
電極(Ti/Al)92を蒸着、熱処理によりオーミック
電極を形成する。次に、電子ビーム蒸着法等により、Z
rO2(厚さ:λ/4nZrO2)無反射コート膜91を
積層し、基板の研磨を行い、サファイア基板81の裏面に
励起光370nmに対して反射防止膜となる厚みのZr
O2反射防止膜93を積層後、劈開によりチップ化して面
発光型半導体素子94を完成させる。
素系のRIBE(Reactive Ion Beam Etching)によ
り、発振部の周囲をn−GaNバッファ層83まで除去す
る。図5に示すように、凸状に残された部分のp−Ga
Nキャップ層89の上で、発振部以外の領域にp電極(N
i/Au)90を形成し、n−GaNバッファ層83上にn
電極(Ti/Al)92を蒸着、熱処理によりオーミック
電極を形成する。次に、電子ビーム蒸着法等により、Z
rO2(厚さ:λ/4nZrO2)無反射コート膜91を
積層し、基板の研磨を行い、サファイア基板81の裏面に
励起光370nmに対して反射防止膜となる厚みのZr
O2反射防止膜93を積層後、劈開によりチップ化して面
発光型半導体素子94を完成させる。
【0049】次に、上記面発光型半導体素子94を用いた
半導体レーザ装置について説明する。図7に示すよう
に、本実施の形態による半導体レーザ装置は、励起用に
発振波長が370〜420nmでブロードエリア型のI
nGaN活性層を有する半導体レーザ素子101を用い、
上記面発光型半導体素子94のサファイア基板81側を取り
付けられた穴あきヒートシンク103と、集光レンズ102
と、外部ミラー105とを備えている。外部ミラー105の凹
面と面発光型半導体素子94の20ペアのn−GaN(厚
さ:λ/4nGaN)/n−AlN(厚さ:λ/4n
AlN)ブラッグ反射膜84とにより共振器が構成されて
おり、共振器内に波長選択素子104とを備え、面発光型
半導体素子94に変調手段を備えるものである。該変調手
段は、直流バイアス回路125と、信号源126と、変調回路
127と、ミキサー128とからなるものである。20ペアの
n−GaN(厚さ:λ/4nGaN)/n−AlN(厚
さ:λ/4nAlN)ブラッグ反射膜84はミラーの役割
を果たす。
半導体レーザ装置について説明する。図7に示すよう
に、本実施の形態による半導体レーザ装置は、励起用に
発振波長が370〜420nmでブロードエリア型のI
nGaN活性層を有する半導体レーザ素子101を用い、
上記面発光型半導体素子94のサファイア基板81側を取り
付けられた穴あきヒートシンク103と、集光レンズ102
と、外部ミラー105とを備えている。外部ミラー105の凹
面と面発光型半導体素子94の20ペアのn−GaN(厚
さ:λ/4nGaN)/n−AlN(厚さ:λ/4n
AlN)ブラッグ反射膜84とにより共振器が構成されて
おり、共振器内に波長選択素子104とを備え、面発光型
半導体素子94に変調手段を備えるものである。該変調手
段は、直流バイアス回路125と、信号源126と、変調回路
127と、ミキサー128とからなるものである。20ペアの
n−GaN(厚さ:λ/4nGaN)/n−AlN(厚
さ:λ/4nAlN)ブラッグ反射膜84はミラーの役割
を果たす。
【0050】半導体レーザ素子101からの370〜42
0nmの励起光106は、集光レンズ102により面発光型半
導体素子94に集光され、面発光型半導体素子94の光閉じ
込め層85、87および多重量子井戸活性層86により効率よ
く吸収されて、外部ミラー105から波長約400〜55
0nmのレーザ光107が出力される。
0nmの励起光106は、集光レンズ102により面発光型半
導体素子94に集光され、面発光型半導体素子94の光閉じ
込め層85、87および多重量子井戸活性層86により効率よ
く吸収されて、外部ミラー105から波長約400〜55
0nmのレーザ光107が出力される。
【0051】本実施の形態による半導体レーザ装置は、
面発光型半導体素子に変調手段を備えているため、上記
第1の実施の形態と同様に、面発光型半導体素子のpn
接合に対して電圧変化を与えることによりレーザ光を変
調することが可能である。
面発光型半導体素子に変調手段を備えているため、上記
第1の実施の形態と同様に、面発光型半導体素子のpn
接合に対して電圧変化を与えることによりレーザ光を変
調することが可能である。
【0052】また、上記第1の実施の形態に示すよう
に、外部ミラー105の出力側に部分ミラーを設置し、発
振光の一部をこの部分ミラーにより取り出して、光検知
器により受けてAPC(Automatic Power Control)回
路により励起用半導体レーザの駆動電流に帰還し出力が
一定となるように制御してもよい。
に、外部ミラー105の出力側に部分ミラーを設置し、発
振光の一部をこの部分ミラーにより取り出して、光検知
器により受けてAPC(Automatic Power Control)回
路により励起用半導体レーザの駆動電流に帰還し出力が
一定となるように制御してもよい。
【0053】次に本発明の第4の実施の形態による半導
体レーザ装置について説明する。その半導体レーザ装置
を構成する面発光型半導体素子の断面図を図8に示し、
半導体レーザ装置の概略構成図を図9に示す。
体レーザ装置について説明する。その半導体レーザ装置
を構成する面発光型半導体素子の断面図を図8に示し、
半導体レーザ装置の概略構成図を図9に示す。
【0054】まず、面発光型半導体素子について説明す
る。1997年発行のJpn.J.Appl.phys.Lett.,Vol.37.pp.L1
020の中村氏らによるInGaN/GaN/AlGaN-Based Laser Dio
desGrown on GaN Substrates with a Fundamental Tran
sverse Modeに記載の方法により、n−GaN(000
1)基板111を形成する。λは光励起により発振する波
長であり、nAlN、nGaN、nSiO2、n
ZrO2はそれぞれAlN、GaN、SiO2、ZrO
2の発振波長での屈折率である。図8に示すように、有
機金属気相成長法によりn−GaN(0001)基板11
1上に、n−GaNバッファ層112、n−Alz4Ga1-z4
Nキャリア閉じ込め層113(z4>0)、n−GaN光閉じ
込め層114、Inx2Ga1-x2N/Inx3Ga1-x3N多重
量子井戸活性層115(0<x2<x3<0.5)、p−GaN光
閉じ込め層116、2ペアのp−AlN(λ/4nAlN)
/p−GaN(λ/4nGaN)層117(ただし、p−G
aN光閉じ込め層側の第1層はAlNである。)、p−
GaNキャップ層118、p電極(Ni/Au)119、12
ペアのSiO2(λ/4nSiO2)/ZrO2(λ/4n
ZrO2)層120を積層し、GaN基板の裏面には、中心
部が円形状に除去された(Ti/Al)n電極121を形
成し、その後ZrO2反射防止膜122を積層し面発光型半
導体素子123を作製する。本実施の形態による面発光型
半導体素子123は、2ペアのp−AlN(λ/4
nAlN)/p−GaN(λ/4nGaN)層117および
12ペアのSiO2(λ/4nSiO2)/ZrO2(λ/
4nZrO2)層120によりブラッグ反射膜を形成してい
る。
る。1997年発行のJpn.J.Appl.phys.Lett.,Vol.37.pp.L1
020の中村氏らによるInGaN/GaN/AlGaN-Based Laser Dio
desGrown on GaN Substrates with a Fundamental Tran
sverse Modeに記載の方法により、n−GaN(000
1)基板111を形成する。λは光励起により発振する波
長であり、nAlN、nGaN、nSiO2、n
ZrO2はそれぞれAlN、GaN、SiO2、ZrO
2の発振波長での屈折率である。図8に示すように、有
機金属気相成長法によりn−GaN(0001)基板11
1上に、n−GaNバッファ層112、n−Alz4Ga1-z4
Nキャリア閉じ込め層113(z4>0)、n−GaN光閉じ
込め層114、Inx2Ga1-x2N/Inx3Ga1-x3N多重
量子井戸活性層115(0<x2<x3<0.5)、p−GaN光
閉じ込め層116、2ペアのp−AlN(λ/4nAlN)
/p−GaN(λ/4nGaN)層117(ただし、p−G
aN光閉じ込め層側の第1層はAlNである。)、p−
GaNキャップ層118、p電極(Ni/Au)119、12
ペアのSiO2(λ/4nSiO2)/ZrO2(λ/4n
ZrO2)層120を積層し、GaN基板の裏面には、中心
部が円形状に除去された(Ti/Al)n電極121を形
成し、その後ZrO2反射防止膜122を積層し面発光型半
導体素子123を作製する。本実施の形態による面発光型
半導体素子123は、2ペアのp−AlN(λ/4
nAlN)/p−GaN(λ/4nGaN)層117および
12ペアのSiO2(λ/4nSiO2)/ZrO2(λ/
4nZrO2)層120によりブラッグ反射膜を形成してい
る。
【0055】次に上記の面発光型半導体素子123を用い
た半導体レーザ装置について説明する。図9に示すよう
に、本実施の形態における半導体レーザ装置は、励起用
に発振波長が370〜420nmでブロードエリア型の
InGaN活性層を有する半導体レーザ素子131を用
い、上記面発光型半導体素子123の12ペアのSiO
2(λ/4nSiO2)/ZrO2(λ/4nZrO2)層12
0側を取り付けられたヒートシンク133と、集光レンズ13
2と、外部ミラー135とを備えるものである。また、ミラ
ー135の凹面と面発光型半導体素子123の2ペアのp−A
lN(λ/4nAl N)/p−GaN(λ/4nGaN)
層117および12ペアのSiO2(λ/4nS iO2)/Z
rO2(λ/4nZrO2)層120とにより共振器が構成さ
れており、共振器内に波長選択素子134を備え、面発光
型半導体素子123に変調手段を備えるものである。該変
調手段は、直流バイアス回路155と、信号源156と、変調
回路157と、ミキサ158とからなるものである。
た半導体レーザ装置について説明する。図9に示すよう
に、本実施の形態における半導体レーザ装置は、励起用
に発振波長が370〜420nmでブロードエリア型の
InGaN活性層を有する半導体レーザ素子131を用
い、上記面発光型半導体素子123の12ペアのSiO
2(λ/4nSiO2)/ZrO2(λ/4nZrO2)層12
0側を取り付けられたヒートシンク133と、集光レンズ13
2と、外部ミラー135とを備えるものである。また、ミラ
ー135の凹面と面発光型半導体素子123の2ペアのp−A
lN(λ/4nAl N)/p−GaN(λ/4nGaN)
層117および12ペアのSiO2(λ/4nS iO2)/Z
rO2(λ/4nZrO2)層120とにより共振器が構成さ
れており、共振器内に波長選択素子134を備え、面発光
型半導体素子123に変調手段を備えるものである。該変
調手段は、直流バイアス回路155と、信号源156と、変調
回路157と、ミキサ158とからなるものである。
【0056】半導体レーザ素子131からの370〜42
0nmの励起光136は、集光レンズ132により面発光型半
導体素子123に集光され、面発光型半導体素子123の光閉
じ込め層114、116および多重量子井戸活性層115に効率
よく吸収されて、外部ミラー135より波長約400〜5
50nmレーザ光137が出力される。
0nmの励起光136は、集光レンズ132により面発光型半
導体素子123に集光され、面発光型半導体素子123の光閉
じ込め層114、116および多重量子井戸活性層115に効率
よく吸収されて、外部ミラー135より波長約400〜5
50nmレーザ光137が出力される。
【0057】本実施の形態による半導体レーザ装置は、
面発光型半導体素子に変調手段を備えており、第1の実
施の形態と同様に、面発光型半導体素子のpn接合に対
して電圧変化を与えることによりレーザ光の変調が可能
である。
面発光型半導体素子に変調手段を備えており、第1の実
施の形態と同様に、面発光型半導体素子のpn接合に対
して電圧変化を与えることによりレーザ光の変調が可能
である。
【0058】また、上記第1の実施の形態に示すよう
に、外部ミラー135の出力側に部分ミラーを設置し、発
振光の一部をこの部分ミラーにより取り出して、光検知
器により受けてAPC(Automatic Power Control)回
路により励起用半導体レーザの駆動電流に帰還し出力が
一定となるように制御してもよい。
に、外部ミラー135の出力側に部分ミラーを設置し、発
振光の一部をこの部分ミラーにより取り出して、光検知
器により受けてAPC(Automatic Power Control)回
路により励起用半導体レーザの駆動電流に帰還し出力が
一定となるように制御してもよい。
【0059】次に第5の実施の形態による発振波長が6
50nmの半導体レーザ装置について説明する。この半
導体レーザ装置の概略構成図を図11に示し、その半導
体レーザ装置を構成する面発光型半導体素子の断面図を
図10に示す。
50nmの半導体レーザ装置について説明する。この半
導体レーザ装置の概略構成図を図11に示し、その半導
体レーザ装置を構成する面発光型半導体素子の断面図を
図10に示す。
【0060】まず、面発光型半導体素子について説明す
る。図10に示すように、n−GaAs(001)基板
141上に、n−GaAsバッファ層142、n−In
0.5(Ga1 -x5Alx5)0.5Pキャリア閉じ込め層143、
n−In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P光閉じ込め層14
4、In0.5(Ga1-x3Alx3)0.5P/In0.5(Ga
1-x4Al x4)0.5P多重量子井戸活性層(0≦x3<x4≦x2
<x5≦1)145、p−In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P
光閉じ込め層146、p−In0.5(Ga1-x5Alx5)0.5
Pキャリア閉じ込め層147、p−GaAsキャップ層148
を積層する。その後、発振部のp−GaAsキャップ層
148を化学エッチングにより除去し、p電極(Ti/P
t/Au)149を蒸着し、熱処理をする。続いて、電子
ビーム蒸着法により、SiO2/TiO2多層光学フィル
タ(x3<x1<1)150を積層する。基板141の研磨を行
い、硫酸系のエッチャントにて発光領域を含み該発光領
域より広い領域のn−GaAs基板141およびn−Ga
Asバッファ層142を除去する。次に、n電極(AuG
e/Ni/Au)151を蒸着、熱処理により形成し、最
後に励起光に対する反射防止膜152を形成して、面発光
型半導体素子153を作製する。
る。図10に示すように、n−GaAs(001)基板
141上に、n−GaAsバッファ層142、n−In
0.5(Ga1 -x5Alx5)0.5Pキャリア閉じ込め層143、
n−In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P光閉じ込め層14
4、In0.5(Ga1-x3Alx3)0.5P/In0.5(Ga
1-x4Al x4)0.5P多重量子井戸活性層(0≦x3<x4≦x2
<x5≦1)145、p−In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P
光閉じ込め層146、p−In0.5(Ga1-x5Alx5)0.5
Pキャリア閉じ込め層147、p−GaAsキャップ層148
を積層する。その後、発振部のp−GaAsキャップ層
148を化学エッチングにより除去し、p電極(Ti/P
t/Au)149を蒸着し、熱処理をする。続いて、電子
ビーム蒸着法により、SiO2/TiO2多層光学フィル
タ(x3<x1<1)150を積層する。基板141の研磨を行
い、硫酸系のエッチャントにて発光領域を含み該発光領
域より広い領域のn−GaAs基板141およびn−Ga
Asバッファ層142を除去する。次に、n電極(AuG
e/Ni/Au)151を蒸着、熱処理により形成し、最
後に励起光に対する反射防止膜152を形成して、面発光
型半導体素子153を作製する。
【0061】次に、上記のように作製した面発光型半導
体素子153を用いた半導体レーザ装置について説明す
る。図11に示すように、本実施の形態における半導体
レーザ装置は、励起用に、発振波長が400nmでブロ
ードエリア型のInGaN活性層を有する半導体レーザ
素子161を用い、上記面発光型半導体素子153のSiO2
/TiO2多層光学フィルタ150側を取り付けられたヒー
トシンク163と、集光レンズ162と、外部ミラー165とを
備えるものである。外部ミラー165の凹面と面発光型半
導体素子153のSiO2/TiO2多層光学フィルタ150と
により共振器(共振器長L)が構成されており、共振器
内に偏光制御素子(例えばブリュースター板)164とを
備え、面発光型半導体素子153に変調手段を備えるもの
である。該変調手段は、直流バイアス回路175と、信号
源176と、変調回路177と、ミキサー178とからなるもの
である。
体素子153を用いた半導体レーザ装置について説明す
る。図11に示すように、本実施の形態における半導体
レーザ装置は、励起用に、発振波長が400nmでブロ
ードエリア型のInGaN活性層を有する半導体レーザ
素子161を用い、上記面発光型半導体素子153のSiO2
/TiO2多層光学フィルタ150側を取り付けられたヒー
トシンク163と、集光レンズ162と、外部ミラー165とを
備えるものである。外部ミラー165の凹面と面発光型半
導体素子153のSiO2/TiO2多層光学フィルタ150と
により共振器(共振器長L)が構成されており、共振器
内に偏光制御素子(例えばブリュースター板)164とを
備え、面発光型半導体素子153に変調手段を備えるもの
である。該変調手段は、直流バイアス回路175と、信号
源176と、変調回路177と、ミキサー178とからなるもの
である。
【0062】半導体レーザ素子161からの400nmの
励起光166は、集光レンズ162により、面発光型半導体素
子153に集光され、面発光型半導体素子153の光閉じ込め
層144、146および多重量子井戸活性層145により効率よ
く吸収されて、外部ミラー165より波長約650nmの
レーザ光167が出力される。
励起光166は、集光レンズ162により、面発光型半導体素
子153に集光され、面発光型半導体素子153の光閉じ込め
層144、146および多重量子井戸活性層145により効率よ
く吸収されて、外部ミラー165より波長約650nmの
レーザ光167が出力される。
【0063】本実施の形態による半導体レーザ装置は、
面発光型半導体素子に変調手段を備えており、第1の実
施の形態と同様に、面発光型半導体素子のpn接合に電
圧変化を与えることにより、面発光型半導体素子153か
ら発せられる光を変調することができる。
面発光型半導体素子に変調手段を備えており、第1の実
施の形態と同様に、面発光型半導体素子のpn接合に電
圧変化を与えることにより、面発光型半導体素子153か
ら発せられる光を変調することができる。
【0064】ここで、多層光学フィルタ150は発振光に
対しては90%以上の高反射率、励起光に対しては5%
以下、望ましくは1%以下の低反射率となるものであ
る。
対しては90%以上の高反射率、励起光に対しては5%
以下、望ましくは1%以下の低反射率となるものであ
る。
【0065】なお、上記全ての実施の形態において、ブ
ロードエリア型半導体レーザを励起光源として用いた
が、励起用の半導体レーザ素子はブロードエリア型半導
体レーザだけでなく、アレイ型半導体レーザ素子やテー
パー構造で高密度の集光が可能なMOPA(Master Osc
illator Power Amplifire)やさらにはα−DFB(ang
led grating-distributed feedback)構造を有するレー
ザでもよい。
ロードエリア型半導体レーザを励起光源として用いた
が、励起用の半導体レーザ素子はブロードエリア型半導
体レーザだけでなく、アレイ型半導体レーザ素子やテー
パー構造で高密度の集光が可能なMOPA(Master Osc
illator Power Amplifire)やさらにはα−DFB(ang
led grating-distributed feedback)構造を有するレー
ザでもよい。
【0066】また、発振光および励起光に対する反射防
止膜として単層の誘電体膜を用いたが、多層構造として
低い反射率を得ることができる。また、励起光に対する
面発光型半導体素子の吸収係数が小さい場合において
は、発振光を取り出す側とは反対側からの裏面励起の場
合、発振光に対しては反射防止、励起光に対しては有限
の反射率を有する膜を形成して、一旦反射した励起光を
有効に利用することが可能である。
止膜として単層の誘電体膜を用いたが、多層構造として
低い反射率を得ることができる。また、励起光に対する
面発光型半導体素子の吸収係数が小さい場合において
は、発振光を取り出す側とは反対側からの裏面励起の場
合、発振光に対しては反射防止、励起光に対しては有限
の反射率を有する膜を形成して、一旦反射した励起光を
有効に利用することが可能である。
【0067】本発明の半導体レーザ装置は、高速な情報
・画像処理および通信、計測、医療、印刷の分野での光
源として応用可能である。また、レーザディスプレイ等
の画像表示装置に用いることができる。
・画像処理および通信、計測、医療、印刷の分野での光
源として応用可能である。また、レーザディスプレイ等
の画像表示装置に用いることができる。
【図1】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ
装置の面発光型半導体素子を示す断面図
装置の面発光型半導体素子を示す断面図
【図2】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す概略構成図
装置を示す概略構成図
【図3】本発明の第2の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図4】本発明の第2の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す概略構成図
装置を示す概略構成図
【図5】本発明の第3の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図6】本発明の第3の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す上面図
装置を構成する面発光型半導体素子を示す上面図
【図7】本発明の第3の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す概略構成図
装置を示す概略構成図
【図8】本発明の第4の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図9】本発明の第4の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す概略構成図
装置を示す概略構成図
【図10】本発明の第5の実施の形態による半導体レー
ザ装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
ザ装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図11】本発明の第5の実施の形態による半導体レー
ザ装置を示す概略構成図
ザ装置を示す概略構成図
11,51,141 n−GaAs(001)基板 20 Ti/Pt/Auからなるp電極 21 AuGe/Ni/Auからなるn電極 58 Ti/Auショットキー電極 60 AuGe/Ni/Auからなるn電極 31,71,101,131,161 半導体レーザ素子 32,72,102,132,162 集光レンズ 33,73,103,133 ヒートシンク 34 波長選択素子 35,75,105,135,165 外部ミラー 42,95,125,155,175 直流バイアス回路 43,96,126,156,176 信号源 44,97,127,157,177 変調回路 45,98,128,158,178 ミキサ 74 偏光素子 81 サファイアC面基板 90,119 Ni/Auからなるp電極 92,121 Ti/Alからなるn電極 104 波長選択素子 111 n−GaN(0001)基板 134 波長選択素子 164 偏光制御素子 149 Ti/Pt/Auからなるp電極 151 AuGe/Ni/Auからなるn電極
Claims (8)
- 【請求項1】 半導体レーザ素子からなる励起光源と、 該励起光源により励起され、該励起光源が発する励起光
の波長より長波長の光を発する、基板上に活性領域と該
活性領域の前記基板側あるいは前記基板と反対側に形成
されたミラーを有する面発光型半導体素子と、 該面発光型半導体素子の外部に配置され、前記ミラーと
外部共振器を形成する少なくとも一つの外部ミラーとを
備えた半導体レーザ装置において、 前記面発光型半導体素子に変調手段を備えたことを特徴
とする半導体レーザ装置。 - 【請求項2】 前記変調手段が、前記面発光型半導体素
子のpn接合に対して電圧変化を付与するものであるこ
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】 前記変調手段が、前記面発光型半導体素
子のショットキー接合に対して電圧変化を付与するもの
であ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4】 前記面発光型半導体素子が、発振したレ
ーザ光の空間モードを制御する空間モード制御部を備え
たことを特徴とする請求項1、2または3記載の半導体
レーザ装置。 - 【請求項5】 前記空間モード制御部が、前記面発光型
半導体素子の光出射端面に形成された前記レーザ光を透
過する孔形状の光透過部であることを特徴とする請求項
4記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項6】 前記空間モード制御部が、前記レーザ光
が出射する面と平行な面に部分的に形成された前記ミラ
ーであることを特徴とする請求項4記載の半導体レーザ
装置。 - 【請求項7】 前記空間モード制御部が、前記レーザ光
が出射する面と平行な面に部分的に形成された前記活性
領域であることを特徴とする請求項4記載の半導体レー
ザ装置。 - 【請求項8】 前記空間モード制御部の大きさが、該空
間モード制御部が形成された場所における前記レーザ光
の径の0.1倍以上10倍以下であることを特徴とする
請求項4から7いずれか1項記載の半導体レーザ装置。
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