JP4136988B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
光ディスク装置の書込速度は、光ピックアップに用いられる半導体レーザ装置の光出力を大きくすることによって向上する。書込速度の向上は利用者の利便を増進し、製品の大きな訴求力となる。
なぜなら、水平拡がり角θ‖が小さいとレーザ光の集光が困難となり、その結果、光ディスク媒体上の書込ピットとの望ましい光学的結合係数が得られなくなって、ノイズやジッタ不良の要因となるからである。
特許文献1は、第1導電型のクラッド層と、前記第1導電型のクラッド層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられ、共振器長方向に並行に延設されたリッジを有する第2導電型のクラッド層と、前記リッジの両脇に設けられた電流ブロック層とを備えたリッジ型半導体レーザ装置であって、前記電流ブロック層により狭窄された電流が前記リッジの上面を介して前記活性層に注入され、前記第1導電型のクラッド層の層厚が、前記第2導電型のクラッド層の前記リッジを含んだ層厚よりも大きいことを特徴とするものを開示する。
つまり、リッジの厚みが一定であれば、レーザ光の水平拡がり角θ‖の拡大と高出力化とは相反する関係にある。
具体的に、リッジの下底の幅を所望の水平拡がり角θ‖が得られる大きさに固定してリッジを薄く構成すると、素子抵抗が減少して動作電圧が低下する反面、導波路損が増大する(特許文献1、図6を参照)。
このように、従来技術の半導体レーザ装置によれば、水平拡がり角θ‖及び素子抵抗、並びに、リッジの厚みに依存する特性を独立して管理することができないという問題がある。このことは、半導体レーザ装置の最適構成を見出す作業を複雑にし、半導体レーザ装置の設計の合理化を阻害する。
これにより、クラッド層の厚みや電流注入領域の大きさを最適化した上で、それとは独立して、水平拡がり角を拡大させることができるので、半導体レーザ装置の最適構成を見出す作業を簡明にし、半導体レーザ装置の設計を合理化する。
この構成によれば、前記禁制帯幅を持つ部分が前記第1領域に比べて、小さ過ぎる場合に生じるしきい値電流の増加、及び大き過ぎる場合に生じるCODレベルの低下の何れをも回避して好適な均衡を得ることができる。
(構造)
図1は、半導体レーザ装置1を示す斜視図である。
半導体レーザ装置1は、n型半導体基板11、n型バッファ層12、n型クラッド層13、量子井戸型活性層14、p型第1クラッド層15、エッチング停止層16、p型第2クラッド層17、p型キャップ層18、電流ブロック層19、及びp型コンタクト層20が、この順に積層されてなる。見易さのため、p型コンタクト層20を透明に描いている。
光出射端面側の反射膜の反射率は、反対側の反射膜の反射率よりも低く形成される。これにより、光出射端面から強いレーザ光が出射され、反対側端面からは微弱なレーザ光が出射される。前者は主用途に利用され、後者は受光素子で受光され前者の出力強度のモニタとして利用される。
p型第2クラッド層17とp型キャップ層18とは、光共振器長方向にリッジ状に延設される。
図2は、半導体レーザ装置1のX1−X1’断面を示す断面図であり、量子井戸型活性層14の詳細な構造が示される。
量子井戸型活性層14は、アンドープガイド層141、アンドープウェル層142、アンドープバリア層143、アンドープウェル層144、アンドープバリア層145、アンドープウェル層146、及びアンドープガイド層147が、この順に積層されてなる。
窓領域とそれを覆う電流ブロック層とに、光導波路の端面の光学的破壊(COD:Catastrophic Optical Damage)を防止する機能があることは従来から知られている。COD防止のため、半導体レーザ装置の両端面それぞれから略同一の大きさに、窓領域とそれを覆う電流ブロック層とを対称に設ける技術は周知である。
典型的には、当該電流ブロック層の長さを、光共振器の電流ブロック層で覆われない領域(利得領域)の長さの4%以上としてもよい。
(半導体レーザ装置1の製造方法)
半導体レーザ装置1の形状は、従来の典型的なリッジ型半導体レーザ装置と類似しているため、周知の方法で製造することができる。例えば、次のように製造してもよい。
(ビーム整形領域とその作用)
半導体レーザ装置1が、前述した形状によって、従来よりも大きな水平拡がり角θ‖を持ったレーザ光を出射する作用について説明する。
ここで、半導体レーザ装置1において、電流ブロック層19に覆われn型コンタクト層20から直接には電流を注入されない光導波路の領域を、電流非注入領域と呼ぶ。以降、光出射端面側の電流非注入領域を、その作用からビーム整形領域と呼んで区別する。
窓領域21の長さがビーム整形領域25の長さに比べて、短くなるほど吸収が大きくなってしきい値電流が増加し、長くなるほど窓領域21に電流が流れ込みCODレベルの低下を招く。そのため、窓領域21の長さはビーム整形領域25の長さの±20μm、望ましくは±10μmの範囲内である。
共振器長方向に移動するキャリア、すなわち、ビーム整形領域25へ流れ込んだキャリア(矢印23)は外部からの電界ではなく、拡散によって移動している。ビーム整形領域25におけるキャリアの濃度は、利得領域27から離れるに従って指数関数的に減少する。
X1−X1’断面におけるp型クラッド層及びn型クラッド層は低抵抗化(窓化)されていないので、キャリアの拡がりは小さくリッジ幅の中央付近を集中して流れる。活性層14の屈折率は、キャリアが注入されるとプラズマ効果によって低下し、屈折率が低下した領域では光閉じ込めが弱まることが知られているが、この断面において光閉じ込めが弱まる領域はリッジ幅の中央付近に限られ、近視野像の光強度はリッジ幅の中央に比較的よく集中する。
X2−X2’断面におけるp型クラッド層及びn型クラッド層は低抵抗化(窓化)されているので、利得領域の端部から流れ込んだキャリアが、リッジ幅の全体に広がって流れる。このため、屈折率の低下によって光閉じ込めが弱まる領域はリッジ幅の全体に渡り、近視野像の光強度は広範囲に広がる。
X3−X3’断面におけるp型クラッド層及びn型クラッド層は低抵抗化(窓化)されているが、利得領域の端部から流れ込んだキャリアは、この断面には到達しない。そのため、この断面において光閉じ込めが弱まる領域は存在せず、近視野像の光強度はリッジ幅の中央に強く集中する。
前述したように、ビーム整形領域25内の電流は利得領域27からの距離に従って指数関数的に減少し、それに伴って、屈折率及び遠視野像の水平広がり角が図示した特性を示す。
l0=2W/(βρI0)
で与えられる。ここで、βは接合パラメータと呼ばれ、室温では19.3C/Jである。I0は次式で与えられる。
ここで、Iは全注入電流である。
図8は、一つの典型例として、W=3μm、ρ=5Ω、I=100mAのときの利得領域長Lに対する電流拡散距離l0を示すグラフである。L=740μmでl0=約29μm(利得領域長の3.9%)、L=1030μmでl0=40μm(利得領域長の3.9%)となり、利得領域長Lが長くなる程、電流拡散距離l0も長くなる。
図9は、しきい値電流及びCODレベルそれぞれの、ビーム整形領域長から窓領域長を減じた値に対する傾向を示すグラフであり、図3に示した半導体レーザ装置の窓領域21とビーム整形領域25との長さの関係を変えた場合を例示している。窓領域21の長さがビーム整形領域25の長さに比べて、短くなるほど吸収が大きくなってしきい値電流が増加し、長くなるほど窓領域に電流が流れ込みCODレベルの低下を招くため、窓領域21の長さをビーム整形領域25の長さの±10μmの範囲内とするのが望ましい。
(特性)
発明者らは、図3及び表1に示した断面構造を有し、利得領域長を一定にした
上で、光出射端面と反対側端面の電流非注入領域長が異なる複数の半導体レーザ装置を作成した。当該半導体レーザ装置を用いた実験によって得られた各種特性のデータを以下に示す。
図示したように、光出射端面のビーム整形領域長は、CODレベル及びキンクレベルの何れにも、ほとんど関与しないことを確認した。
図11は、チップ共振器長800μm、利得領域長740μmの場合の、
ビーム整形領域長−水平拡がり角特性を示すグラフである。
図12は利得領域長1030μmの場合の、ビーム整形領域長−水平拡がり角特性を示すグラフである。
図13は、ビーム整形領域長−非点収差特性を示すグラフである。
チップ共振器長800μmのレーザを例に挙げると、これらの特性データは、望ましいCODレベル及びキンクレベルが得られるよう、半導体レーザ装置の断面構造と利得領域の長さとを好適に設計した上で、それとは独立して、光出射端面のビーム整形領域の長さを30μm以上とすれば、当該CODレベル及びキンクレベルを損なうことなく、従来よりも大きな水平拡がり角を持ったレーザ光が得られることを示している。
このように、光出射端面のビーム整形領域の長さを管理することによって、断面構造と利得領域の長さとに依存する各種特性とは独立してレーザ光の水平拡がり角が管理可能となること、及び光出力に応じた水平拡がり角の変動が抑制されることによって、半導体レーザ装置の設計が合理化され、その結果、良好な特性の半導体レーザ装置を従来よりも簡明に設計することが可能となる。
(2波長半導体レーザ装置への適用例)
図14は、本発明を適用した2波長半導体レーザ装置3を示す斜視図である。
2波長半導体レーザ装置3は、赤外半導体レーザ装置31及び赤色半導体レーザ装置32の一方又は両方において、光出射端面側に電流拡散距離よりも大きなビーム整形領域が設けられることを特徴とする。
(溝型半導体レーザ装置への適用例)
図15は、本発明を適用した溝型半導体レーザ装置4を示す斜視図である。
溝型半導体レーザ装置4は、GaAs基板41、バッファ層42、n型第1クラッド層43、n型第2クラッド層44、量子井戸型活性層45、p型第1クラッド層46、p型第2クラッド層47、電流ブロック層48、p型第3クラッド層49、及びコンタクト層50が、この順に積層されてなる。見易さのため、p型第3クラッド層49、及びコンタクト層50を透明に描いている。
光導波路の両端面からそれぞれ所定の長さまでの領域51及び52は、無秩序化により窓領域とされる。
図示したように、利得領域長は740μmである。光共振器の光出射端面から35μmまでの領域、及び反対側端面から25μmまでの領域には、電流ブロック層48が埋設され、光出射端面側の電流非注入領域にビーム整形作用が与えられる。
(青紫色半導体レーザ装置への適用例)
図16は、本発明を適用した青紫色半導体レーザ装置6を示す斜視図である。
n型AlGaNクラッド層62からp型AlGaNクラッド層64までが光導波路を構成し、当該光導波路の光出射端面(紙面手前)と反対側端面とには図示しない反射膜がコーティングされ、光共振器を構成する。
図示したように、青紫色半導体レーザ装置6における利得領域長は730μmである。光共振器の光出射端面から40μmまでの領域、及び反対側端面から
30μmまでの領域には、電流ブロック層65が覆設され、光出射端面側の電流非注入領域にビーム整形作用が与えられる。
3 2波長半導体レーザ装置
4 溝型半導体レーザ装置
6 青紫色半導体レーザ装置
11 n型半導体基板
12 n型バッファ層
13 n型クラッド層
14 量子井戸型活性層
15 p型第1クラッド層
16 エッチング停止層
17 p型第2クラッド層
18 p型キャップ層
19 電流ブロック層
20 p型コンタクト層
21、22 窓領域
23、24 キャリアの流れ
25 ビーム整形領域
26 電流非注入領域
27 利得領域
31 赤外半導体レーザ装置
32 赤色半導体レーザ装置
41 GaAs基板
42 バッファ層
43 n型第1クラッド層
44 n型第2クラッド層
45 量子井戸型活性層
46 p型第1クラッド層
47 p型第2クラッド層
48 電流ブロック層
49 p型第3クラッド層
50 コンタクト層
51、52 窓領域
61 n型GaN基板
62 n型AlGaNクラッド層
63 量子井戸型活性層
64 p型AlGaNクラッド層
65 電流ブロック層
66 p型GaNコンタクト層
67、68 窓領域
141、147 アンドープガイド層
142、144、146 アンドープウェル層
143、145 アンドープバリア層
147 アンドープガイド層
Claims (3)
- 第1導電型のクラッド層と、活性層と、第2導電型のクラッド層とをこの順に積層して形成された光導波路の両端面を一対の反射面として形成された光共振器を備えたレーザ装置であって、
前記光共振器は、
前記光共振器の両端面に不純物を導入して形成され、光共振器内部よりもエネルギーギャップを拡げた窓領域と、
前記窓領域への電流の流入を阻止する電流ブロック層とを備え、
前記光共振器の光出射側の窓領域において、前記光共振器の外部に近い側に形成された、光強度がリッジ幅の中央に集中する領域部分と、前記光共振器の内部に近い側に形成された、光強度が前記リッジ幅の中央に集中せず広範囲に広がる領域部分とが存在するように前記電流ブロック層と前記窓領域とが配されたことを特徴とするレーザ装置。 - 前記光出射側の前記電流ブロック層の長さを、前記光共振器の電流ブロック層で覆われていない領域の長さの4%以上とすることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
- 前記光出射側に形成された前記窓領域の長さは、前記電流ブロック層の長さの±20μmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
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