JP2017084845A

JP2017084845A - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP2017084845A
Application number: JP2015208271A
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Inventors: 鴫原　君男; Kimio Shigihara; 君男鴫原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
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Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-05-18
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Abstract

【課題】高出力時の電力変換効率を向上させることができる半導体レーザ装置を得る。【解決手段】活性層１１が光ガイド層３内において光ガイド層３の中央よりも第２導電型クラッド層４に近い側に形成されている。第１導電型クラッド層２の屈折率よりも低い屈折率を有する第１導電型低屈折率層１２が第１導電型クラッド層２と光ガイド層３の間に形成されている。光ガイド層３の層厚は結晶成長方向に１次モード以上の高次モードが許容される値である。第１導電型低屈折率層１２が無い状態で光ガイド層３の中央に活性層１１が配置された場合に比べて活性層１１の光閉じ込め率が小さくなる位置に活性層１１が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、高出力時の電力変換効率を向上させることができる半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ装置の光ガイド層の構造として、光閉じ込め率のピーク位置を光ガイド層の中央からｐ型クラッド層側へ変位させた非対称構造と、活性層が光ガイド層の中央にありかつ光閉じ込め率のピーク位置も光ガイド層の中央にある対称構造とがある。非対称構造において、対称構造に比べて活性層の光閉じ込め率が大きくなる位置に活性層が配置された半導体レーザが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。これにより、しきい値電流低減とスロープ効率向上の両立を図ることができる。

図２８は、従来の非対称構造の光出力−電流（Ｐ−Ｉ）特性を対称構造と比較して示す図である。従来の非対称構造では、活性層の位置を光ガイド層の中央からｐ型クラッド層側へ変位させることで、光ガイド層内キャリアに起因する損失の低減を図り、スロープ効率の向上を実現している。また、対称構造に比べて活性層の光閉じ込め率が大きくなる位置に活性層を配置することで、しきい値電流の低減を図ることができる。従って、従来の非対称構造は、対称構造と比較して、しきい値電流低減とスロープ効率向上の両立を図ることができる。

しかし、高出力時の動作電流を低減して電力変換効率を高めることを目的とする場合は、しきい値電流の低減よりもスロープ効率の向上が重要となる。それは、動作電流がしきい値電流に比べて大きい場合、例えば１０倍程度以上の場合は、電力変換効率へのしきい値電流の寄与が十分小さくなるからである。

また、第１導電型クラッド層と第１導電型光ガイド層の間に第１導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第１導電型低屈折率層を挿入することで、結晶成長方向の光強度分布を拡げて、遠視野像（ＦＦＰ）を狭くする方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。ただし、光強度分布が拡大して遠視野像（ＦＦＰ）が狭くなるのは、光ガイド層が薄く結晶成長方向に基本（０次）モードしか許容されない場合である。１次モード以上の高次モードが許容されるほど光ガイド層が厚い場合は、逆に光強度分は狭まり、ＦＦＰは拡大する。

特開２０１４−１９７５９８号公報特開２０１５−２３１８０号公報特開平１１−２３３８８２号公報

伊賀編著、"半導体レーザ"ｐｐ．３５−３８、平成６年１０月２５日（オーム社）川上著、"光導波路"ｐｐ．２１、１９８２年９月２０日（朝倉書店） M. Alam et. al., "IEEE Photon. Technol. Lett.", pp. 1418-1420, 1994

従来の非対称構造を有する半導体レーザ装置は、しきい値電流低減とスロープ効率向上の両立を図ることはできるが、高出力時の電力変換効率の向上に限界があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高出力時の電力変換効率を向上させることができる半導体レーザ装置を得るものである。

本発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成された光ガイド層と、前記光ガイド層上に形成された第２導電型クラッド層と、前記光ガイド層内において前記光ガイド層の中央よりも前記第２導電型クラッド層に近い側に形成された活性層と、前記第１導電型クラッド層と前記光ガイド層の間に形成され、前記第１導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第１導電型低屈折率層とを備え、前記光ガイド層の層厚ｄは、発振波長をλとし、前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層の屈折率をｎｃとし、前記光ガイド層の屈折率をｎｇとして、

を満たすことにより結晶成長方向に１次モード以上の高次モードが許容される値であり、前記第１導電型低屈折率層が無い状態で前記光ガイド層の中央に前記活性層が配置された場合に比べて前記活性層の光閉じ込め率が小さくなる位置に前記活性層が配置されていることを特徴とする。

本発明は、光ガイド層の中央よりも第２導電型クラッド層に近い側に活性層が配置された非対称構造において、第１導電型低屈折率層が無い状態で光ガイド層の中央に活性層が配置された対称構造の場合に比べて活性層の光閉じ込め率が小さくなる位置に活性層が配置されている。これにより、対称構造の場合、及び対称構造に比べて活性層の光閉じ込め率が大きくなる位置に活性層が配置された従来の非対称構造の場合に比べて、しきい値電流は大きくなるがスロープ効率を大きくできる。この結果、高出力時の動作電流を低減して電力変換効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。結晶成長方向に１次モード以上の高次モードが許容される構造を示す図である。半導体レーザ装置のガイド層内の結晶成長方向に沿った屈折率分布及びキャリア分布を示す図である。低屈折率層が無い場合において活性層の位置を光ガイド層内で変化させたときの活性層の光閉じ込め率を示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置において活性層の位置を光ガイド層内で変化させたときの活性層の光閉じ込め率を示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置のＰ−Ｉ特性を示す図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。本発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。本発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。本発明の実施の形態７に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態７に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。本発明の実施の形態７に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。本発明の実施の形態８に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態９に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。従来の非対称構造の光出力−電流（Ｐ−Ｉ）特性を対称構造と比較して示す図である。

本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ａｌ組成比０．２５０で層厚１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２が形成されている。光ガイド層３がｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２上に形成されている。

Ａｌ組成比０．２５０で層厚１．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４が光ガイド層３上に形成されている。層厚０．２μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層５がｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４上に形成されている。

膜厚０．２μｍのＳｉＮ膜６がｐ型ＧａＡｓコンタクト層５上に形成されている。ｐ型電極７がＳｉＮ膜６に形成され、ＳｉＮ膜６の開口を介してｐ型ＧａＡｓコンタクト層５に電気的に接続されている。ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にｎ型電極８が形成されている。

光ガイド層３は、Ａｌ組成比０．２１０で層厚ｄｎのｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層９と、その上に形成されたＡｌ組成比０．２１０で層厚ｄｐのｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０とを有する。

Ｉｎ組成比０．０６３で層厚１０ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子井戸の活性層１１がｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層９とｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０の間に形成されている。ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層９、ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０及び活性層１１は意図的なドーピングは行わないアンドープ層である。

ＩｎＧａＡｓ量子井戸の活性層１１のＩｎ組成比及び層厚をそれぞれ０．０６３及び１０ｎｍとしているのは、発振波長を９１５ｎｍとするためである。例えば非特許文献１によると、波長９１５ｎｍの光に対するＡｌ組成比０．２１０及び０．２５０のＡｌＧａＡｓ層の屈折率は、それぞれ３．４１９６及び３．３９３８である。また、Ｉｎ組成比０．０６３のＩｎＧａＡｓの屈折率は、経験上３．５２８６である。

Ａｌ組成比ｘで層厚ｄｌのｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２がｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２と光ガイド層３の間に形成されている。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２及びｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４の屈折率はｎｃである。活性層１１の屈折率ｎａは、ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層９及びｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０の屈折率ｎｇより大きい。ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２はｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２の屈折率ｎｃよりも低い屈折率ｎｌを有する。

ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層９の層厚ｄｎとｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０の層厚の和ｄ＝ｄｎ＋ｄｐは１２００ｎｍである。また、ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０の層厚ｄｐはｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層９の層厚ｄｎより薄い。従って、活性層１１は光ガイド層３内において光ガイド層３の中央よりもｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４に近い側に形成されている。

図３は、結晶成長方向に１次モード以上の高次モードが許容される構造を示す図である。光ガイド層１０１の層厚がｄ、屈折率がｎｇである。ｎ型クラッド層１０２及びｐ型クラッド層１０３の屈折率がｎｃである。光を光ガイド層１０１に閉じ込めて光ガイド層１０１内を伝搬させるため、ｎｇ＞ｎｃの関係を満たす。半導体レーザ装置の発振波長をλとすると、光ガイド層１０１内に許容される導波モード数は式（１）で示される正規化周波数ｖの値で決まる（例えば、非特許文献２参照）。

ｖ＜π／２の場合は基本（０次）モードのみが許容、π／２≦ｖ＜πの場合は、基本（０次）モードと１次モードの２つが許容、π≦ｖ＜３π／２の場合は基本（０次）モード、１次モード及び２次モードの３つが許容される。即ち、ｖの値が大きくなると許容されるモードの数が増す。具体的には、光ガイド層１０１とクラッド層１０２，１０３の屈折率差が大きい程、あるいは光ガイド層１０１の層厚が厚いほど許容されるモードの数は多くなる。

本実施の形態において式（１）の正規化周波数ｖ値を求めると、その値は１．７２７となりπ／２以上である。従って、結晶成長（ｙ）方向に基本モード（０次）及び１次モードの２つのモードが許容される。ただし、正規周波数の算出に当たっては、層厚１０ｎｍのＩｎＧａＡｓの活性層１１を無視しているが、活性層１１の屈折率ｎａはｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層９及びｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０の屈折率ｎｇよりも大きいので正規化周波数を大きくする方向に働き、結晶成長方向に高次モードが許容されることに変わりはない。このように、本実施の形態では、光ガイド層３の層厚ｄは、π／２≦ｖを満たすことにより結晶成長方向に１次モード以上の高次モードが許容される値に設定される。

図４は、半導体レーザ装置のガイド層内の結晶成長方向に沿った屈折率分布及びキャリア分布を示す図である。活性層１０４の屈折率ｎａは光ガイド層１０１ａ，１０１ｂの屈折率ｎｇよりも大きい。光ガイド層１０１ａ，１０１ｂは図３の光ガイド層１０１を２領域に分割したものである。

光ガイド層１０１ａ，１０１ｂ内のキャリアは活性層１０４の位置で最も少なくなり、クラッド層１０２，１０３に向かうにつれて単調に増加する。ただし、ｎ側の光ガイド層１０２内での傾きを１とすると、ｐ側の光ガイド層１０３内での傾きはμｅ／μｈとなる。ここで、μｅ及びμｈは、それぞれ電子及び正孔の移動度である（例えば、非特許文献３参照）。通常、電子の移動度は、正孔の移動度に比べて大きいのでμｅ／μｈ＞１である。

活性層１０４を光ガイド層１０１ａ，１０１ｂの中央からｐ型のクラッド層１０３側へ変位させると、活性層１０４を光ガイド層１０１ａ，１０１ｂの中央に配置した場合に比べて、ｎ側の光ガイド層１０２内のキャリアは増加するが、ｐ側の光ガイド層１０３内のキャリアは減少する。ｐ側の光ガイド層１０３内のキャリア減少が大きいため、光ガイド層１０１ａ，１０１ｂ内の全キャリアは活性層１０４を光ガイド層１０１ａ，１０１ｂの中央に配置したときよりも少なくなる。このため、光ガイド層１０１ａ，１０１ｂ内のキャリアによる光吸収が減り、半導体レーザ装置のスロープ効率を大きくできる。

図５は、低屈折率層が無い場合において活性層の位置を光ガイド層内で変化させたときの活性層の光閉じ込め率を示す図である。光ガイド層３の層厚の和ｄを１２００ｎｍで一定に保ちつつｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層９の層厚ｄｎ及びｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０の層厚ｄｐを変えている。活性層１１の光閉じ込め率は、活性層１１が光ガイド層３の中央に存在する場合（ｄｎ＝ｄｐ＝６００ｎｍ）が最も大きく、活性層１１をｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４又はｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２に近づけるにつれて単調に小さくなると共に、光ガイド層３の中心に対して対称形をしていることが分かる。

図６は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置において活性層の位置を光ガイド層内で変化させたときの活性層の光閉じ込め率を示す図である。一点鎖線はｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２のＡｌの組成比ｘが０．３０で層厚ｄｌが１００ｎｍ、実線はｘ＝０．３５でｄｌ＝２００ｎｍ、２点鎖線はｘ＝０．３５でｄｌ＝４００ｎｍの場合である。破線はｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２が無い場合である。なお、波長９１５ｎｍの光に対する組成比０．３０及び０．３５のＡｌＧａＡｓの屈折率はそれぞれ３．３６２４及び３．３３１５である。

同図より、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２のＡｌ組成比ｘが大きくなり屈折率ｎｌが低くなるほど、及びｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２の層厚ｄｌが厚くなるほど、光閉じ込め率のピーク位置がｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４側へ変位すると共に、ピーク位置での光閉じ込め率の値が大きくなることが分かる。これらのことから、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２の作用を光閉じ込め率と同様に考えることが可能である。つまり、クラッド層との屈折率差が大きい程及びｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２の層厚ｄｌが厚いほど、光閉じ込め率のピーク位置をｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４側へ変位でき、かつピーク位置での光閉じ込め率の値を高めることができるので、

の多寡を、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２挿入時の指標とすることができる。以下、低屈折率層をｎ型クラッド層側及びｐ型クラッド層側へ挿入する際は、当該値の大小を規定する。

本実施の形態では、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２が無い状態で光ガイド層３の中央に活性層１１が配置された対称構造の場合に比べて活性層１１の光閉じ込め率が小さくなる位置に活性層１１が配置されている。例えば、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２のＡｌ組成比ｘが０．３５で層厚ｄｌが２００ｎｍの場合、対称構造の光ガイド層３の中央での光閉じ込め率と同じ値となるＡ点（＋１７４ｎｍ）からｐ側光ガイド層端（＋６００ｎｍ）の位置に活性層１１を配置すると、対称構造及び従来の非対称構造に比べ光ガイド層３内でのキャリアによる光吸収を減らすことができるため、スロープ効率を大きくできる。この結果、高出力時の動作電流を低減して電力変換効率を向上させることができる。

図７は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置のＰ−Ｉ特性を示す図である。実線は実施の形態１の特性、破線は対称構造の特性、一点鎖線は従来の非対称構造の特性である。実施の形態１のしきい値電流（Ｉ_ｔｈ ^ｐ）は、対称構造のしきい値電流（Ｉ_ｔｈ ^ｓ）及び従来の非対称構造のしきい値電流（Ｉ_ｔｈ ^ｃ）よりも高くなる。しかし、スロープ効率（η_ｓ ^ｐ）は対称構造の値（η_ｓ ^ｓ）及び従来非対称構造の値（η_ｓ ^ｃ）よりも格段に高くすることができる。この結果、動作電流が（η_ｓ ^ｐＩ_ｔｈ ^ｐ−η_ｓ ^ｓＩ_ｔｈ ^ｓ）／（η_ｓ ^ｐ−η_ｓ ^ｓ）より大きい領域では、対称構造よりも動作電流を低くできる。また、動作電流が（η_ｓ ^ｐＩ_ｔｈ ^ｐ−η_ｓ ^ｃＩ_ｔｈ ^ｃ）／（η_ｓ ^ｐ−η_ｓ ^ｃ）よりも大きい領域では、従来の非対称構造よりも動作電流を低くできる。従って、本実施の形態に係る半導体レーザ装置は、大出力時において動作電流の低減が可能なため、注入電力（Ｖｏｐ・Ｉｏｐ）に対する光出力（Ｐｏｐ）で定義される電力変換効率（η_ｅ）を高くすることができる。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本実施の形態の光ガイド層３は、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２上に形成された第１光ガイド層１３と、第１光ガイド層１３上に形成された第２光ガイド層１４，１５とを有する。活性層１１が第２光ガイド層１４，１５の間に形成されている。第１光ガイド層１３はＡｌ組成比０．２１０のＡｌＧａＡｓである。第２光ガイド層１４，１５は同じＡｌ組成比０．１９０のＡｌＧａＡｓである。第２光ガイド層１４の層厚ｄｎ２と第２光ガイド層１５の層厚ｄｐの和は４５０ｎｍであり、第１光ガイド層１３の層厚７５０ｎｍよりも薄い。

第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４，１５の層厚の和は１２００ｎｍである。なお、Ａｌ組成比０．１９０のＡｌＧａＡｓの波長９１５ｎｍの光に対する屈折率は３．４３２７である。また、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２は無い。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図９は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。第２光ガイド層１４，１５の屈折率ｎｇ２は第１光ガイド層１３の屈折率ｎｇよりも高い。このため、正規化周波数ｖは大きくなる方向に働く。両者の屈折率が等しい場合に正規化周波数ｖがπ／２よりも大きいので、本構造の正規化周波数ｖもπ／２を超え、結晶成長方向に高次モードが許容される構造となっている。このように、ｎ側の光ガイド層を２段とした場合も、高次モードの許容条件としてπ／２≦ｖを満たす必要がある。

図１０は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。対称構造の光ガイド層３の中央部での光閉じ込め率と同じ値となるＡ点（＋３７３ｎｍ）からｐ側光ガイド層端（＋６００ｎｍ）の位置に活性層１１を配置すると、対称構造及び従来の非対称構造に比べ光ガイド層３内でのキャリアによる光吸収を減らすことができるため、スロープ効率を大きくできる。そこで、本実施の形態では、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４，１５の屈折率が同じで光ガイド層３の中央に活性層１１を配置した対称構造の場合に比べて活性層１１の光閉じ込め率が小さくなる位置に活性層１１が配置されている。この結果、高出力時の動作電流を低減して電力変換効率を向上させることができる。

実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。Ａｌ組成比０．６００で層厚４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６が光ガイド層３とｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４の間に形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図１２は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６はｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４の屈折率ｎｃよりも低い屈折率ｎｌ２を有する。なお、波長９１５ｎｍの光に対するＡｌ組成比０．６００のＡｌＧａＡｓの屈折率は３．１８４６である。

実施の形態１で説明したように、ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６の挿入は、挿入位置と活性層１１を挟んで反対側へ光強度分布を変位させる働きがある。その多寡はｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６の層厚及び屈折率ｎｌ２とｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４の屈折率ｎｃを指標とすることができる。

光閉じ込め率のピーク位置を光ガイド層３の中央からｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４側へ変位させる必要から、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２の屈折率をｎｌ１とし、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２の層厚をｄｌ１とし、ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６の屈折率をｎｌ２とし、ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６の層厚をｄｌ２として、式（２）を満たすようにすればよい。

図１３は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。対称構造の光ガイド層３の中央部での光閉じ込め率と同じ値となるＡ点（＋１７７ｎｍ）からｐ側光ガイド層端（＋６００ｎｍ）の位置に活性層１１を配置すると、対称構造及び従来の非対称構造に比べ光ガイド層内でのキャリアによる光吸収を減らすことができるため、スロープ効率を大きくできる。この結果、高出力時の動作電流を低減して電力変換効率を向上させることができる。

なお、対称構造の光閉じ込め率との交点Ｂ（＋３４１ｎｍ）とＡ点の間に活性層１１を配置すると、対称構造で当該区間に活性層１１を配置したときに比べて、しきい値電流を低減できる。

実施の形態４
図１４は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。図１５は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。Ａｌ組成比０．３５０で層厚２００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２がｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２と光ガイド層３の間に形成されている。その他の構成は実施の形態２と同様である。

図１６は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。対称構造の光ガイド層３の中央部での光閉じ込め率と同じ値となるＡ点（＋４１５ｎｍ）からｐ側光ガイド層端（＋６００ｎｍ）の位置に活性層１１を配置すると、対称構造及び従来の非対称構造に比べ光ガイド層３内でのキャリアによる光吸収を減らすことができるため、スロープ効率を大きくできる。この結果、高出力時の動作電流を低減して電力変換効率を向上させることができる。

実施の形態５．
図１７は、本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。Ａｌ組成比０．６００で層厚４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６が光ガイド層３とｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４の間に形成されている。その他の構成は実施の形態４と同様である。

図１８は、本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６はｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４の屈折率ｎｃよりも低い屈折率ｎｌ２を有する。ここでも実施の形態３と同様に式（２）を満たす必要がある。

図１９は、本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。対称構造の光ガイド層３の中央での光閉じ込め率と同じ値となるＡ点（＋３５９ｎｍ）からｐ側光ガイド層端（＋６００ｎｍ）の位置に活性層１１を配置すると、対称構造及び従来の非対称構造に比べ光ガイド層３内でのキャリアによる光吸収を減らすことができるため、スロープ効率を大きくできる。この結果、高出力時の動作電流を低減して電力変換効率を向上させることができる。

なお、対称構造の光閉じ込め率との交点Ｂ（＋５７９ｎｍ）とＡ点の間に活性層１１を配置すると、対称構造で当該区間に活性層１１を配置したときに比べてしきい値電流を低減できる。

実施の形態６．
図２０は、本発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。図２１は、本発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４の代わりに、Ａｌ組成比０．３５０で層厚１．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１７が設けられている。その他の構成は実施の形態４と同様である。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１７のＡｌ組成比を大きくして屈折率を下げることは、正規化周波数を大きくする方向なので、本実施の形態も１次以上の高次モードが許容される構造となっている。

図２２は、本発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。対称構造の光ガイド層３の中央部での光閉じ込め率と同じ値となるＡ点（＋３６５ｎｍ）からｐ側光ガイド層端（＋６００ｎｍ）の位置に活性層１１を配置すると、対称構造及び従来の非対称構造に比べ光ガイド層３内でのキャリアによる光吸収を減らすことができるため、スロープ効率を大きくできる。そこで、本実施の形態ではｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２が無い状態で第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４，１５の屈折率が同じかつｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２とｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１７の屈折率が同じで光ガイド層３の中央に活性層１１を配置した対称構造の場合に比べて活性層１１の光閉じ込め率が小さくなる位置に活性層１１が配置されている。この結果、高出力時の動作電流を低減して電力変換効率を向上させることができる。

なお、対称構造の光閉じ込め率との交点Ｂ（＋５６６ｎｍ）とＡ点の間に活性層１１を配置すると、対称構造で当該区間に活性層１１を配置したときに比べてしきい値電流を低減できる。

実施の形態７．
図２３は、本発明の実施の形態７に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。Ａｌ組成比０．６００で層厚４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６が光ガイド層３とｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１７の間に形成されている。その他の構成は実施の形態６と同様である。

図２４は、本発明の実施の形態７に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の結晶成長方向に沿った屈折率分布を示す図である。ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６はｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１７の屈折率ｎｃｌよりも低い屈折率ｎｌ２を有する。

ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２の屈折率をｎｌ１とし、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１２の層厚をｄｌ１とし、ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６の屈折率をｎｌ２とし、ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６の層厚をｄｌ２として、実施の形態３と同様に式（２）を満たす必要がある。

図２５は、本発明の実施の形態７に係る半導体レーザ装置における活性層の光閉じ込め率の活性層位置依存性を示す図である。対称構造の光ガイド層３の中央部での光閉じ込め率と同じ値となるＡ点（＋３３６ｎｍ）からｐ側光ガイド層端（＋６００ｎｍ）の位置に活性層１１を配置すると、対称構造及び従来の非対称構造に比べ光ガイド層３内でのキャリアによる光吸収を減らすことができるため、スロープ効率を大きくできる。この結果、高出力時の動作電流を低減して電力変換効率を向上させることができる。

なお、対称構造の光閉じ込め率との交点Ｂ（＋５１０ｎｍ）とＡ点の間に活性層１１を配置すると、対称構造で当該区間に活性層１１を配置したときに比べてしきい値電流を低減できる。

実施の形態８．
図２６は、本発明の実施の形態８に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体レーザ装置は、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４を途中までエッチング除去してリッジ構造を形成したリッジ型レーザである。その他の構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態の構成によりｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４でのｘ方向電流拡がりを抑制できるため、ストライプ内に電流を集中させることができる。このため、電流密度低下によるストライプ両端での利得低下領域を狭くでき、更にスロープ効率を向上させることができる。なお、本実施の形態の構成は、実施の形態１に限らず、実施の形態２〜７の半導体レーザ装置に適用することができる。

実施の形態９．
図２７は、本発明の実施の形態９に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体レーザ装置は、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４をｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６までエッチング除去してリッジ構造を形成したリッジ型レーザである。その他の構成は実施の形態３と同様である。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４とｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６はＡｌ組成比が異なるので、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４に対するエッチングをｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１６で選択的に停止することができる。

本実施の形態の構成によりｘ方向の電流拡がりがｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０内のみとなるので、レーザ特性のばらつきを抑えることができる。なお、本実施の形態の構成は、実施の形態３に限らず、実施の形態５又は７の半導体レーザ装置にも適用することができる。

なお、実施の形態１〜９は一例であって、各層の組成や層厚はこれに限るものではない。また、光ガイド層３の層厚の和ｄを１２００ｎｍとしているが、これに限るものではなく、高次モードが許容される層厚であれば問題ない。

１ｎ型ＧａＡｓ基板（半導体基板）、２ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（第１導電型クラッド層）、３光ガイド層、４ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（第２導電型クラッド層）、１１活性層、１２ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層（第１導電型低屈折率層）、１３第１光ガイド層、１４，１５第２光ガイド層、１６ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層（第２導電型低屈折率層）

Claims

第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された光ガイド層と、
前記光ガイド層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記光ガイド層内において前記光ガイド層の中央よりも前記第２導電型クラッド層に近い側に形成された活性層と、
前記第１導電型クラッド層と前記光ガイド層の間に形成され、前記第１導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第１導電型低屈折率層とを備え、
前記光ガイド層の層厚ｄは、発振波長をλとし、前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層の屈折率をｎｃとし、前記光ガイド層の屈折率をｎｇとして、

を満たすことにより結晶成長方向に１次モード以上の高次モードが許容される値であり、
前記第１導電型低屈折率層が無い状態で前記光ガイド層の中央に前記活性層が配置された場合に比べて前記活性層の光閉じ込め率が小さくなる位置に前記活性層が配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記光ガイド層と前記第２導電型クラッド層の間に形成され、前記第２導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第２導電型低屈折率層を更に備え、
前記第１導電型低屈折率層の屈折率をｎｌ１とし、前記第１導電型低屈折率層の層厚をｄｌ１とし、前記第２導電型低屈折率層の屈折率をｎｌ２とし、前記第２導電型低屈折率層の層厚をｄｌ２として、

を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された第１光ガイド層と、前記第１光ガイド層上に形成され、屈折率が前記第１光ガイド層よりも高く、層厚が前記第１光ガイド層よりも薄い第２光ガイド層とを有する光ガイド層と、
前記第２光ガイド層内に形成された活性層と、
前記第２光ガイド層上に形成された第２導電型クラッド層とを備え、
前記第１光ガイド層と前記第２光ガイド層の層厚の和ｄは、発振波長をλとし、前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層の屈折率をｎｃとし、前記第１光ガイド層の屈折率をｎｇとして、

を満たすことにより結晶成長方向に１次モード以上の高次モードが許容される値であり、
前記第１光ガイド層と前記第２光ガイド層の屈折率が同じで前記光ガイド層の中央に前記活性層を配置した場合に比べて前記活性層の光閉じ込め率が小さくなる位置に前記活性層が配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記第１導電型クラッド層と前記光ガイド層の間に形成され、前記第１導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第１導電型低屈折率層を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
前記第２導電型クラッド層と前記光ガイド層の間に形成され、前記第２導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第２導電型低屈折率層を更に備え、
前記第１導電型低屈折率層の屈折率をｎｌ１とし、前記第１導電型低屈折率層の層厚をｄｌ１とし、前記第２導電型低屈折率層の屈折率をｎｌ２とし、前記第２導電型低屈折率層の層厚をｄｌ２として、

を満たすことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された第１光ガイド層と、前記第１光ガイド層上に形成され、屈折率が前記第１光ガイド層よりも高く、層厚が前記第１光ガイド層よりも薄い第２光ガイド層とを有する光ガイド層と、
前記第２光ガイド層内に形成された活性層と、
前記第２光ガイド層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層と前記光ガイド層の間に形成され、前記第１導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第１導電型低屈折率層とを備え、
前記第１光ガイド層と前記第２光ガイド層の層厚の和ｄは、発振波長をλとし、前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層の屈折率をｎｃとし、前記第１光ガイド層の屈折率をｎｇとして、

を満たすことにより結晶成長方向に１次モード以上の高次モードが許容される値であり、
前記第１導電型低屈折率層が無い状態で前記第１光ガイド層と前記第２光ガイド層の屈折率が同じかつ前記第１導電型クラッド層と前記第２導電型クラッド層の屈折率が同じで前記光ガイド層の中央に前記活性層を配置した場合に比べて前記活性層の光閉じ込め率が小さくなる位置に前記活性層が配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記光ガイド層と前記第２導電型クラッド層の間に形成され、前記第２導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第２導電型低屈折率層を更に備え、
前記第１導電型低屈折率層の屈折率をｎｌ１とし、前記第１導電型低屈折率層の層厚をｄｌ１とし、前記第２導電型低屈折率層の屈折率をｎｌ２とし、前記第２導電型低屈折率層の層厚をｄｌ２として、

を満たすことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ装置。
前記第２導電型クラッド層を途中までエッチング除去してリッジ構造を形成したリッジ型レーザであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記第２導電型クラッド層を前記第２導電型低屈折率層までエッチング除去してリッジ構造を形成したリッジ型レーザであることを特徴とする請求項２、５、７の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。