JP3967134B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ装置に関し、特に詳細には、半導体層からなる利得部と、それとは別体に形成されてファブリ・ペロー共振器の一つのミラーを構成するミラー部とを備えてなる半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体レーザは、レーザ光が微小面積に集光可能であるという性質を活用して、光通信用光源や光ディスク装置用光源として広く用いられている。特にシングルモード光ファイバーを用いる光通信分野において、この半導体レーザは大きな市場を獲得するに至っている。この分野ではレーザ光を光ファイバー端面に集光させることが不可欠であり、そのため、ここで使用される半導体レーザには、その発光パターンが安定する基本横モードで動作することが、必須の仕様として要求されている。
【０００３】
こうした要求に対し、半導体レーザの構造において、発光断面積を小さくすればするほど基本横モード以外の高次横モードの混在が抑制され、より望ましいことが知られている。そのため、半導体レーザにおける光導波路のサイズは一般に、厚さ方向が1μｍ以下、幅つまり発光層に水平な方向の長さが２乃至４μｍ程度に設定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように光導波路の発光断面積を小さくした半導体レーザにおいても、安定した基本モードを高光出力領域まで維持することは困難になっている。この状況を、一般的な半導体レーザおよびその発光パターンを示す図９を参照して詳しく説明する。
【０００５】
同図（ａ）は、一般的な屈折率導波構造を持った内部ストライプ型レーザをその導波方向に垂直な方向から見た概略形状を示し、また同図（ｂ）は、このレーザの光導波路幅方向に亘る発光強度分布を示している。ここに例示した内部ストライプ型レーザは、同図（ａ）に示すように基板31、クラッド層32、35、活性層33、電流阻止層34、オーミック層36、および電極30、39を有してなるものである。なお光導波路は、電流阻止層34の中央部に形成されたストライプ状開口Ｐに対面する部分のクラッド層35および活性層33によって形成される。
【０００６】
次に同図（ｂ）を参照して、発光パターンについて説明する。低出力時には曲線Ｂで示す基本横モードで安定な発光をしていたとしても、動作電流を増して高出力動作させると、発熱や製造時に不可避な光導波路形状のバラツキによる非対称性などに起因して、曲線Ｄで示すような高次横モード発振となったり、発光パターンのピークがずれる現象（ビームステアリング、曲線Ｃ）が発生する。
【０００７】
そして、このようにビームステアリングや高次横モードが発生した場合には、図１０に示すように光出力−電流特性において、直線性関係が崩れることも知られている。すなわち、低出力時には光出力が直線的に電流に比例（特性曲線の41の部分)したものが、高出力時には高次横モード化やビームステアリングの影響で、直線性が崩れてしまう（特性曲線の42の部分）。さらに、高次横モード化やビームステアリングを起した光をファイバーに結合した場合は、非直線性が一段と強調され、光ファイバーからの出力において、光出力−電流特性に著しいキンクが現れる（特性曲線の43の部分）。
【０００８】
以上説明したように高出力時に発光パターンが乱れる現象は、光導波路の水平方向の幅Ｐを狭めれば狭めるほど抑制されることが知られている。しかしながら、このように光導波路の横幅を狭めて発光断面積を小さくすると、必然的に半導体レーザの出射端面における光密度の上昇を招く。この出射端面における光密度の増大は、半導体レーザの構成材料の劣化を招き、素子寿命を低下させる要因となる。言いかえれば、横幅を狭めることで高出力時に基本横モード動作を実現しても、信頼性を考慮すると高出力動作を実現できない、ということになる。
【０００９】
このように、基本横モードでの安定動作（光導波路断面積を小さくする）と光出力の増大（光導波路断面積を大きくする）は、トレードオフの関係にある。この限界を打破することが半導体レーザの大きな課題となっている。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、光導波路断面積を大きくして光出力を増大させることができ、その一方、基本横モードで安定して動作可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明による一つの半導体レーザ装置は、
光に対して利得を有する半導体層を含む光導波路を備えた利得部と、
前記光導波路の光出射端面に近接あるいは密接配置されてファブリ・ペロー共振器の一つのミラーを構成し、対面する前記光導波路の幅よりも狭い範囲において前記光出射端面より高反射率で、かつ該範囲の外側の部分より高反射率とされた高反射領域を有するミラー部とを備えた上で、
前記高反射領域の幅が、前記光導波路の幅方向と交わる方向に亘って連続的に変化していることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明による別の半導体レーザ装置は、
光に対して利得を有する半導体層を含む光導波路を備えた利得部と、
前記光導波路の光出射端面に近接あるいは密接配置されてファブリ・ペロー共振器の一つのミラーを構成し、対面する前記光導波路の幅よりも狭い範囲において前記光出射端面より高反射率で、かつ該範囲の外側の部分より高反射率とされた高反射領域を有するミラー部とを備えた上で、
前記ミラー部において前記高反射領域が、前記光導波路の幅方向に亘って互いに離して複数形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
なおこの半導体レーザ装置において、上記高反射領域の反射率は、光導波路の幅方向に亘ってほぼ一定とされてもよいし、あるいは、光導波路の幅方向ほぼ中央位置において最大で、そこから外側に向かって次第に滑らかに低下する分布を有していてもよい。
【００１５】
他方、前記光出射端面を含む利得部の一端面には低反射コートが施される一方、この利得部の他端面には、ファブリ・ペロー共振器の別のミラーを構成する高反射コートが施されていることが望ましい。
【００１６】
また上記ミラー部は、その高反射領域と光導波路の光出射端面との間の距離が、発振波長の４倍以内となる状態に配設されていることが望ましい。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ装置においては、ファブリ・ペロー共振器の一つのミラーを構成するミラー部が、対面する光導波路の幅よりも狭い範囲において、該範囲の外側の部分より高反射率とされた領域を有していることにより、光導波路中央近辺に強度ピークを持つ光のみが利得部に戻されて共振するようになる。つまりレーザ光の発光パターンは、一義的かつ強制的に決定される。したがって、光導波路の幅を比較的大きく設定しておいても、高出力下で高次横モードやビームステアリングが生じることが抑制され、容易に基本横モードで発振可能となる。
【００１８】
そして、上記のように光導波路の幅を比較的大きく設定できれば、光導波路断面積が大きくなって、その端面における光密度を低減できる。そこで、高出力動作させても半導体レーザの構成材料の劣化を招くことがなく、高い信頼性を確保できるようになる。
【００１９】
またこの半導体レーザ装置において、ミラー部の高反射領域の幅が、光導波路の幅方向と交わる方向に亘って連続的に変化している場合は、該ミラー部をこの光導波路の幅方向と交わる方向に動かすことにより、光導波路端面に向かい合う高反射領域の幅を調整することができる。実際に利得部を形成する際には、製造上の問題から光導波路の幅にバラツキが生じやすいが、そうであっても上述の調整を行なえば、ミラー部の高反射領域の幅を実際の光導波路の幅に見合った最適な値に設定できるようになる。
【００２０】
なお、ミラー部の高反射領域と光導波路とは互いに対面する状態になるが、それらは特に、光導波路幅方向の中心が互いに一致する状態に整合していることが望ましい。通常数μｍ程度の狭い幅となる高反射領域がミラー部にただ１つだけ形成されている場合は、それと光導波路とを上記の状態に整合させる調整作業はかなり困難となる。それに対して、上記高反射領域が光導波路の幅方向に亘って互いに離して複数形成されている場合には、ミラー部を光導波路の幅方向に少しずつ移動させて行けば、いずれか１つの高反射領域が光導波路と整合する状態になるので、調整作業が容易なものとなって生産性が向上する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ装置の斜視形状を示すものであり、また図２および図３はそれぞれこの半導体レーザ装置の正面形状、側断面形状（図１のＡ−Ａ線に沿った部分の断面形状）を示している。なお図１および図２では、後述するミラー部20を透視状態で示してある。
【００２２】
図示されるようにこの半導体レーザ装置は、利得部10およびミラー部20から構成されている。利得部10は、n-GaAs基板１上に、AlGaAsからなるクラッド層２、一例として波長980ｎｍにて利得を有するInGaAs量子井戸活性層を含む利得層３、AlGaAsからなるクラッド層５、中央部にストライプ状の開口を有するAlGaAsからなる電流阻止層４、オーミック層６が積層された構造を有している。この半導体層構造は例えば気相成長法によって作製される。
【００２３】
また光導波路構造は、上記の通りの開口を有する電流阻止層４による屈折率導波構造とされ、この光導波路構造はフォトリソグラフィー工程と再成長プロセスを用いて形成される。ここで電流阻止層４のAlGaAsの組成は、該電流阻止層４の間の開口部分にクラッド層５が存在することによって屈折率導波構造が構成される組成とする。なお光導波路の幅つまり上記開口の幅Ｗ（図２参照）は、通常４〜６μｍ程度とされる。また、上記オーミック層６の表面およびn-GaAs基板１の裏面にはそれぞれ、利得層３に電流を注入するためのｐ側電極８，９が形成されている。
【００２４】
上記半導体層構造から形成された利得部10には、結晶をへき開することによって、平面の共振器面70および光出射面71が形成される。共振器面70にはレーザー発振波長に対する高反射コート、光出射面71には無反射コートが施される。また、この利得部10は電流注入により発熱するため、導電性のろう材（In等）を用いてヒートシンク50に実裝され、効率的な放熱が図られる。そして、図示外のワイヤーボンディングがなされて電流を流せる構造とし、利得部10が完成する。
【００２５】
次にミラー部20について説明する。このミラー部20は、石英ガラス等の透明部材からなるミラー基板21の一方の面21ａに、反射率５％程度、幅２μｍ程度で上下方向（つまり光導波路の幅Ｗの方向と直角な方向）に延びる矩形ストライプ状の高反射領域22が形成されてなるものである。基板21の上記面21ａにおいて、高反射領域22の外側には、無反射もしくは反射率５％未満の低反射コートが施されている。また基板21の他方の面21ｂには、全面に亘って均一な無反射コートが施されている。
【００２６】
上記高反射領域22の光導波路幅方向に亘る反射率の分布は、概略図４に示すようなものとされている。なお、この高反射領域22の幅方向中央近傍とその外側との比較において、中央近傍の反射率が高ければ、反射率に多少の凹凸があっても構わない。このような屈折率分布を持つ高反射領域22は、基板21の一方の面21ａ上に均一なコートを施し、そのコートの周囲もしくは中央部をフォトレジストを用いる等により適宜エッチング除去して形成することができる。ここで、高反射領域22の反射率について、より具体的には、光導波路幅より狭い部分の平均的反射率が、光導波路の外側の平均反射率より低くなっていることが必要である。
【００２７】
上記構成のミラー部20は、図３に示されるように、高反射領域22が形成された基板面21ａを利得部10の光出射面71に向け、かつ、利得部10の光導波路の幅方向中央近傍に高反射領域22が対向するように設置される。こうして本実施の形態の半導体レーザ装置が得られる。ここで、高反射領域22と利得部10の光出射面71との間の距離Ｅ（図３参照）は、発振波長の４倍以内、より好ましくは発振波長と同程度に設定するのが望ましい。
【００２８】
なおミラー部20は、その高反射領域22の中央位置が、利得部10の光導波路中央位置と極力一致するように配設される。この半導体レーザ装置の組み立てに際しては、実際に発光させながら、利得部10とミラー部20の相対位置を調整し、安定な横モードが得られるようにする。
【００２９】
本実施の形態の半導体レーザ装置においては、利得部10の共振器面70と利得部10の高反射領域22とによってファブリ・ペロー共振器が構成され、この共振器によって発振したレーザ光Ｌの一部が、図３に示すようにミラー部20を透過して前方に出射する。
【００３０】
この半導体レーザ装置における光出力−電流特性を図５に示す。ここに示される通り、光出力500ｍＷまで異常の無い光出力−電流特性が得られている。このような安定動作が得られる理由は、先に詳しく説明した通りである。こうして、高出力動作させてもビームステアリングすら起きない、非常に高品位の半導体レーザ装置を高歩留りで実現することができる。
【００３１】
なお、高反射領域の反射率分布としては、図４に示したようなものに限らず、図６にａ、ｂおよびｃとして各々示す矩形状の分布、凹凸のある山形の分布、なだらかな山形の分布等が採用されてもよい。このｂおよびｃのような滑らかな分布であれば、射出されるレーザ光の遠視野像も滑らかになるので、光ファイバー等の外部光学系に結合する際、アライメント位置ずれによって結合効率が著しく変化することがなくなる。
【００３２】
また、基板21に形成する高反射領域の形状は、上記高反射領域22のような矩形ストライプ形状の他、図７や図８に示すような形状を採用することもできる。
【００３３】
図７に示す高反射領域80は、その幅が、光導波路の幅方向（図中の左右方向）と交わる方向に亘って連続的に変化する形状のものである。高反射領域80の形状がこのようなものである場合は、基板21を光導波路幅方向と交わる方向、例えば図中の上下方向に動かすことにより、光導波路端面に向かい合う高反射領域80の幅を調整することができる。実際に利得部を形成する際には、製造上の問題から光導波路の幅にバラツキが生じやすいが、そうであっても上述の調整を行なえば、高反射領域80の幅を実際の光導波路の幅に見合った最適な値に設定できるようになる。
【００３４】
一方図８に示す高反射領域81は、基板21上において、光導波路の幅方向（図中の左右方向）に亘って互いに離して複数形成されている。前述した通り、ミラー部の高反射領域と光導波路とは互いに対面する状態になるが、それらは特に、光導波路幅方向の中心が互いに一致する状態に整合していることが望ましい。通常数μｍ程度の狭い幅となる高反射領域がミラー部にただ１つだけ形成されている場合は、それと光導波路とを上記の状態に整合させる調整作業はかなり困難となる。それに対して、図８のように高反射領域81が複数形成されている場合には、基板21を光導波路の幅方向に少しずつ移動させて行けば、いずれか１つの高反射領域81が光導波路と整合する状態になるので、調整作業が容易なものとなって生産性が向上する。
【００３５】
また、特にこの図８の高反射領域81は図７の高反射領域80と同様に、その幅が、光導波路の幅方向と交わる方向に亘って連続的に変化する形状とされている。そこでこの場合も、基板21を光導波路幅方向と交わる方向、例えば図中の上下方向に動かすことにより、光導波路端面に向かい合う高反射領域81の幅を調整可能となる。
【００３６】
また利得部としては、内部ストライプ構造による光導波路を有するものについて説明してきたが、他の構造の光導波路構造、例えばリッジ型光導波路やARROW型光導波路構造（Antiresonant Reflecting Optical Waveguide構造）も適用可能である。特に、５μｍ〜９μｍ前後の幅を有するARROW型光導波路を有する利得部を用いると、より一段と高出力の領域まで横単一モードで動作させることが可能になる。
【００３７】
さらに、利得層を構成する量子井戸構造としては、複数の井戸からなるキャリアの閉じ込め層、歪み補償層など、半導体レーザの性能向上を図って適用される公知の種々の構成を持つものを適用できる。
【００３８】
また以上は、利得部10がGaAs系半導体によって構成された実施の形態について説明したが、本発明は、GaN系、InP系あるいはその他の半導体材料からなる利得部を有する半導体レーザ装置に対しても同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による半導体レーザ装置を示す斜視図
【図２】図１の半導体レーザ装置の正面図
【図３】図１の半導体レーザ装置の側断面図
【図４】図１の半導体レーザ装置に用いられたミラー部の高反射領域の反射率分布特性を示すグラフ
【図５】図１の半導体レーザ装置の光出力−電流特性を示すグラフ
【図６】ミラー部における高反射領域の別の反射率分布特性を示すグラフ
【図７】ミラー部における高反射領域の別の形状例を示す正面図
【図８】ミラー部における高反射領域のさらに別の形状例を示す正面図
【図９】従来の半導体レーザの正面形状（ａ）および発光強度分布（ｂ）を示す概略図
【図１０】従来の半導体レーザの光出力−電流特性を示すグラフ
【符号の説明】
１ n-GaAs基板
２ クラッド層
３ 利得層
４ 電流阻止層
５ クラッド層
６ オーミック層
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極
10 利得部
20 ミラー部
21 ミラー基板
22、80、81 高反射領域
70 利得部の共振器面
71 利得部の光出射面
Ｌ レーザ光

Claims (5)

1. 光に対して利得を有する半導体層を含む光導波路を備えた利得部と、
   前記光導波路の光出射端面に近接あるいは密接配置されてファブリ・ペロー共振器の一つのミラーを構成し、対面する前記光導波路の幅よりも狭い範囲において前記光出射端面より高反射率で、かつ該範囲の外側の部分より高反射率とされた高反射領域を有するミラー部とを備え、
   前記高反射領域の幅が、前記光導波路の幅方向と交わる方向に亘って連続的に変化していることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 光に対して利得を有する半導体層を含む光導波路を備えた利得部と、
   前記光導波路の光出射端面に近接あるいは密接配置されてファブリ・ペロー共振器の一つのミラーを構成し、対面する前記光導波路の幅よりも狭い範囲において前記光出射端面より高反射率で、かつ該範囲の外側の部分より高反射率とされた高反射領域を有するミラー部とを備え、
   前記ミラー部の高反射領域が、前記光導波路の幅方向に亘って互いに離して複数形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
3. 前記高反射領域の反射率が、前記光導波路の幅方向に亘ってほぼ一定であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
4. 前記高反射領域の反射率が、前記光導波路の幅方向ほぼ中央位置において最大で、そこから外側に向かって次第に滑らかに低下していることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
5. 前記光出射端面を含む前記利得部の一端面に低反射コートが施される一方、この利得部の他端面に、前記ファブリ・ペロー共振器の別のミラーを構成する高反射コートが施されていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の半導体レーザ装置。

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