JP4463569B2

JP4463569B2 - レーザ装置

Info

Publication number: JP4463569B2
Application number: JP2004007239A
Authority: JP
Inventors: 俊一大西; 和利小野澤; 真治吉田; 大助上田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2024-01-14
Also published as: US7436874B2; US20050152430A1; JP2005203515A

Description

本発明は、光記録や光通信などの光源として用いられるレーザ装置に係り、特に面発光型半導体レーザ装置に関するものである。

近年、光記録や光通信などの光源として、半導体レーザの需要が高まっている。中でも面発光型半導体レーザは、しきい値電流が低く、ビームスポットが円形であり光ファイバとの直接結合が容易であり、ウエハ状態での検査が可能であるといった特徴を有しており、低消費電力、低コストの発光素子として期待されている。

以下に、従来の面発光型半導体レーザの例として、特許文献１に開示された構造について図７を参照しながら説明する。図７は、従来の面発光型半導体レーザの構造を示す断面図である。

図７に示すように、従来の面発光型半導体レーザでは、ＧａＡｓからなるｎ型半導体基板１０１と、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7ＡｓおよびＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓの積層が４０．５層重なった層からなるｎ型ミラー１０２と、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなるアンドープスペーサ層１０３と、スペーサ層に挟まれた三重量子井戸Ａｌ_0.11Ｇａ_0.89Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる活性層１０４と、ｐ型ＡｌＡｓ層１０５と、３０．５周期のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓからなるｐ型ミラー１０６と、ｐ型ＧａＡｓ層１０７とが順次積層されている。ここで、ｎ型ミラー１０２にはＳｉがＮａ（アクセプタ濃度）＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度でドープされており、ｐ型ミラー１０６にはＺｎがＮａ＝７×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度でドープされている。また、ｐ型ＧａＡｓ層１０７にはＺｎがＮａ＝１×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度でドープされている。

ｐ型ＡｌＡｓ層１０５は、酸化領域１０５Ａと、酸化領域１０５Ａに両側方を挟まれる非酸化領域１０５Ｂとからなり、非酸化領域１０５Ｂに電流を狭窄する機能を有している。ｎ型ミラー１０２の上部と、その上に位置する各層はポスト構造１１３に加工されている。そして、ｐ型ＧａＡｓ層１０７の上には、レーザ出射のための開口部１１２を有するコンタクト電極１０９が設けられている。コンタクト電極１０９のうちの外縁部の上から、ポスト構造１１３の側面上およびｎ型ミラー１０２の露出面上にかけて、ＳｉＮｘからなる層間絶縁膜１１０が設けられている。そして、層間絶縁膜１１０の上には配線電極１１１が設けられており、配線電極１１１は、層間絶縁膜１１０のうちコンタクト電極１０９の外縁部に接する部分も覆うことにより、コンタクト電極１０９に接している。一方、半導体基板１０１の裏面上にはｎ側電極１０８が設けられている。

以上のように構成された面発光型半導体レーザのｎ側電極１０８と配線電極１１１との間にバイアス電圧が印加されると、ｐ型ＡｌＡｓ層１０５の非酸化領域１０５Ｂに電流が狭窄されて活性層１０４へキャリアが注入される。その結果、活性層１０４から生じた光が、ｎ型ミラー１０２およびｐ型ミラー１０６から構成される共振器内で発振し、開口部１１２から外部へ放射される。
特開２００３−１８８４７１号公報

しかしながら前記従来の構成では、ｐ型ミラー１０６内のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓヘテロ接合界面に生じる価電子帯のスパイクが正孔の電気伝導を制限し、面発光レーザを動作させるためには非常に大きな印加電圧が必要となるという不具合が生じていた。また、ｐ型ミラー１０６はポスト構造に形状加工されており断面積が小さいために、スパイクの影響による抵抗成分が非常に大きくなる。これは、ｐ型ミラー１０６において熱が発生するという問題につながる。ｐ型ミラー１０６の断面積は小さいため、発生した熱は十分に放出されず、その結果、レーザの発光効率が低下してしまっていた。

本発明は前記課題に鑑み、低い印加電圧で動作し、かつ放熱性に優れた面発光型レーザを提供することを目的とする。

本発明のレーザ装置は、互いに対向する第１のミラーと第２のミラーとを共振器として有し、光を出射するレーザ装置であって、前記第１のミラーには、最大径が前記光の発振波長以下である孔が複数設けられている。

この構成では、第１のミラーに光が入射すると表面プラズモン共鳴効果が生じ、第１のミラーからの出射光の強度が強くなるため、光の取り出し効率を大幅に向上できる。これにより、本質的に光の透過率の低い材料をもミラーの材料として用いることができる。この材料として金属を用いた場合には、金属の熱抵抗は極めて小さいため、発生した熱が外部に効率良く放出される。つまり、放熱性を向上させることができる。

ここで、表面プラズモン共鳴効果とは、前記光が、前記第１のミラーにおいて一旦表面プラズモンに変換された後に再び前記光に戻って出射されることをいう。

本発明の第１のミラーにおいては、前記第１のミラーに入射される光の強度に対して、前記第１のミラーを透過する光の強度が非線形的に増加する。したがって、共振器内部からのレーザ出射光は第１のミラーを十分な強度で透過するのに対し、戻り光雑音の原因となる外部からの反射光は強度が弱いため、共振器内部へ透過しにくい。したがって、従来の線形性を有するミラーを用いたレーザ装置と比較して、戻り光雑音特性が劇的に改善される。光ディスクの再生などのアプリケーションでは、光学系やディスクなどからの反射光と出射光との干渉により生じる戻り光雑音が問題となっているため、本発明を適用すると効果的である。

前記第１のミラーは金属であり、前記孔は並進対称に配置している場合には、光が表面プラズモンに変換されやすい。

また、本発明のレーザ装置は半導体レーザ装置であってもよく、前記第１のミラーは片側電極を兼ねていてもよい。レーザ装置が半導体レーザ装置であって第１のミラーが金属である場合には、金属の電気抵抗は極めて小さいため、ミラーにおける電圧降下が抑制され、共振器内部において発生する熱の量が少なくなる。したがって、低い印加電圧で動作させることができる。

前記孔同士の間隔は、前記発振波長以下であることが好ましい。

前記孔は第１の孔であって、前記第１のミラーには第２の孔もさらに設けられていてもよく、前記第１の孔と前記第２の孔との間隔は、前記第１の孔同士における前記間隔とは異なることが好ましい。この場合には、前記第１の孔と前記第２の孔との間隔を、前記第１の孔同士における前記間隔とは異なるようにする。この場合には、第１の孔によって表面プラズモンが発生して光が外部に取り出され、第２の孔によって、特定の発振モード以外の発光が抑制され、単一モードの発振が可能となる。つまり、横モードが制御されたレーザ発振を得ることができるため、従来よりも発光領域の面積を大きくすることができ、光出力をより大きくすることができる。

前記孔の平面形状が異方性を有していてもよい。つまり、前記孔の平面形状における長手方向の長さと、長手方向に垂直な方向の長さとが異なっていてもよい。

具体的には、前記孔の平面形状が楕円または長方形であってもよい。これらの場合には、屈折率分布が面内で非対称となる。したがって、偏波方向によって共振器利得の違いが生じることから、偏波制御が容易になる。

また、前記孔の平面形状が三角形であってもよい。この場合には、８５０ｎｍ帯の波長の光に対して高い透過率を得ることができる。

前記第１のミラーの平面形状が異方性を有していてもよい。つまり、前記第１のミラーの平面形状における長手方向の長さと、長手方向に垂直な方向の長さとが異なっていてもよい。

具体的には、前記第１のミラーの平面形状が楕円または長方形であってもよい。これらの場合には、屈折率分布が面内で非対称となる。したがって、偏波方向によって共振器利得の違いが生じることから、偏波制御が容易になる。

前記第１のミラーは、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕのうちのいずれかからなっていることが好ましく、この場合には、光が表面プラズモンに変換されやすくなる。

本発明によると、ミラーに設けられた孔によって表面プラズモン共鳴効果が生じ、ミラーからの光の取り出し効率を大幅に向上できる。このことにより、ミラーの材料に本質的に透過率の小さい金属を用いることが可能となる。これにより、低い印加電圧で動作し、放熱性に優れ、かつ、雑音特性の良好なレーザ装置を得ることができる。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置では、ＧａＡｓからなるｎ型半導体基板１の上に、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9ＡｓとＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓとが交互に積層された半導体層を有するｎ型ミラー２と、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなるアンドープスペーサ層３と、アンドープスペーサ層３に上下を挟まれた、ＧａＡｓ量子井戸層（図示せず）およびＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ障壁層（図示せず）からなる活性層４と、ｐ型ＧａＡｓ層５とが順次積層されている。

活性層４では、レーザ発振波長が８５０ｎｍとなるように、ＧａＡｓ量子井戸層の膜厚およびＡｌ組成が調整されている。ｎ型ミラー２にはＳｉがＮａ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度で、ｐ型ＧａＡｓ層５にはＣがＮａ＝３×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度でドープされている。ｐ型ＧａＡｓ層５の上面上には、直径が４μｍの円形の開口部９を有する絶縁膜６が設けられ、ｐ型ＧａＡｓ層５の上面のうち開口部９によって開口される部分の中心部には、膜厚１００ｎｍのＡｇからなる円柱状の第１のｐ側電極７Ａが、絶縁膜６と離間して設けられている。そして、開口部９のうちの外縁部、つまり第１のｐ側電極７Ａと絶縁膜６との間に介在する部分を埋めて、絶縁膜６のうち開口部９の側方に位置する部分の上に伸びるように、Ａｇからなる第２のｐ側電極７Ｂが設けられている。なお、第１のｐ側電極７Ａおよび第２のｐ側電極７Ｂを、まとめてｐ側電極７と呼ぶこととする。一方、半導体基板１の下面上には、ｎ側電極８が設けられている。

図２は、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す平面図である。図２に示すように、ｐ側電極７のうち第１の電極７Ａには、第１の電極７Ａを貫通する直径４２５ｎｍの円形の孔１０が、８００ｎｍの間隔で周期的に配置している。そして、第１のｐ側電極７Ａの周囲を囲む部分に設けられたリング状の第２のｐ側電極７Ｂには、孔１０が設けられていない。

以下に、本実施形態の面発光型半導体レーザの動作について、図１を再度参照しながら説明する。ｎ側電極８およびｐ側電極７にバイアス電圧が印加されると、第２のｐ側電極７Ｂのうち開口部９内に位置する部分とｐ型ＧａＡｓ層５とを通過して活性層４に電流が注入され、活性層４でキャリアの再結合が生じる。その結果、活性層４において生じた発光が、ｎ型ミラー２およびｐ側電極７から構成される共振器内で発振し、波長が８５０ｎｍのレーザ発振が生じる。

ここで、第１のｐ側電極７Ａには周期的に孔１０が設けられているため、共振器内部からｐ側電極７に到達した光は表面プラズモンに変換されやすい状態にある。励起された表面プラズモンは再び光に変換されて共振器外部に出射する。その結果、孔の面積で決定される透過率に比べ桁違いに大きい光透過が生じるので、第１のｐ側電極７Ａからレーザ光の出射が可能となる。このとき、互いに隣接する孔１０の中心同士の間隔がレーザの発振波長より小さく、かつ、孔１０の直径が孔１０の前記間隔の約半分である場合には特に、光と表面プラズモンの間のエネルギー変換が効率良く行われるため、光の透過率を向上させることができる。

従来では、ｐ側のミラーとして半導体多結晶膜を用いていたため、荷電子帯にスパイクが生じ、面発光レーザを動作させるためには大きな印加電圧が必要であった。それに対し、本実施形態では、ｐ側電極７が金属によって構成されているため、従来のようなスパイクが生じず、面発光レーザを動作させるために必要な印加電圧の値が小さくなる。

さらに、第１のｐ側電極７Ａに孔１０を設けているため、第１のｐ側電極７Ａによる光吸収が起こりにくくなり光の透過率が向上する。したがって、従来では光の透過率が低いために用いられなかった金属でｐ側電極７を構成しても、レーザ光を共振器の外部に効率良く出射させることができる。また、金属の熱伝導率は高いため、レーザの動作に伴いｐ側電極７の付近に発生した熱が効率よく放出される。

次に、本実施形態における面発光レーザ装置の雑音特性について、図３を参照しながら説明する。図３は、本実施形態のレーザ装置および従来のレーザ装置における相対雑音強度の戻り光量依存性を示すグラフ図である。図３に示すように、従来のレーザ装置では戻り光量が多くなるにしたがって相対雑音強度が増加しているが、本発明のレーザ装置は戻り光量が増加しても相対雑音強度が増加することなく、一定の低雑音特性を維持している。これは、表面プラズモンが生じることにより第１のｐ側電極７Ａの透過率が非線形的に増加することによる。つまり、レーザ出射光は第１のｐ側電極７Ａを透過するのに十分な強度を有するのに対し、戻り光雑音の原因となる外部からの反射光の強度は弱く、共振器内部へ透過しにくいため、一定の低雑音特性を維持することができる。したがって、本実施形態を光ディスクの再生などのアプリケーションに適用すると効果的である。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す平面図である。なお、本実施形態の面発光型半導体レーザ装置の断面構造は第１の実施形態と同様であるのでその図示および説明を省略し、ここでは、第１の実施形態と異なる平面構造のみを説明することとする。

図４に示すように、本実施形態の面発光型半導体レーザ装置では、ｐ側電極１７が、一辺１２μｍの正方形である第１のｐ側電極１７Ａと、第１のｐ側電極１７Ａの側方を囲む第２のｐ側電極１７Ｂとからなっている。図示は省略するが、第１の実施形態と同様に、第１のｐ側電極１７Ａおよび第２のｐ側電極１７Ｂは、ｐ型ＧａＡｓ層５（図１に示す）の上に設けられている。

そして、第１のｐ側電極１７Ａには、第１の周期配列を持つ第１の孔１９と、第２の周期配列を持つ第２の孔１８とが設けられている。第１の孔１９は、３００ｎｍの直径を有し、８００ｎｍの間隔で配置されている。また、第２の孔１８は、４００ｎｍの直径を有し、４．８μｍの間隔で配置されている。

第１の孔１９は、第１の実施形態における孔１０と同様に、ｐ側電極１７において光から表面プラズモンを発生させて、共振器内部の光を外部に取り出す。一方、第２の孔１８が境界となって領域が分割されるため、特定の発振モード以外の発光が抑制され、単一横モードの発振が可能となる。

本実施形態では、第２の孔１８が設けられていることにより、横モードが制御されたレーザ発振を得ることができる。これにより、従来よりも発光領域（本実施形態における第１のｐ側電極１７Ａ）の面積を大きくすることができるため、光出力をより大きくすることが可能となる。

なお、本実施形態では、第１のｐ側電極１７Ａの形状を正方形にしたが、矩形や円形であっても同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。図５は、本発明の第３の実施形態に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す平面図である。なお、本実施形態の面発光型半導体レーザ装置の断面構造は第１の実施形態と同様であるのでその図示および説明を省略し、ここでは、第１の実施形態と異なる平面構造のみを説明することとする。

図５に示すように、本実施形態の面発光型半導体レーザ装置では、ｐ側電極２７が、長軸４μｍで短軸３μｍの第１のｐ側電極２７Ａと、第１のｐ側電極２７Ａの側方を囲む第２のｐ側電極２７Ｂとからなっている。図示は省略するが、第１の実施形態と同様に、第１のｐ側電極２７Ａおよび第２のｐ側電極２７Ｂは、ｐ型ＧａＡｓ層５（図１に示す）の上に設けられている。そして、第１のｐ側電極２７Ａには、第１の実施形態と同様に周期的に孔２８が設けられている。

本実施形態では、孔２８が設けられる領域である第１のｐ側電極２７Ａが楕円形であり、長軸方向と短軸方向とにおいて異方性を有するため、屈折率分布が面内で非対称となる。したがって、偏波方向によって共振器利得の違いが生じることから、偏波制御が容易になる。

なお、本実施形態では、ｐ側電極２７の平面形状が楕円である場合について記載したが、ｐ側電極２７の平面形状を長方形にしてもよい。長方形も異方性を有するため、同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、孔２８が設けられる領域である第１のｐ側電極２７Ａの形状に異方性を持たせることにより偏波制御を可能としたが、他の方法として、孔２８の形状自体に異方性を持たせてもよい。具体的には、孔２８の形状を楕円形や長方形にしてもよい。この場合にも、偏波方向によって共振器利得の違いが生じ偏波制御が可能になるという効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
なお、第１〜第３の実施形態では、面発光型半導体レーザを例に用いて説明した。しかし、本発明を適用することができるのはこれに限られず、例えばファブリペロー型半導体レーザ、固体レーザ、あるいはガスレーザなどの他のレーザにも適用することができ、それらの場合であっても同様の効果を呈することができる。

また、第１〜第３の実施形態においては、孔の間隔の数値を例示したが、本発明の孔の間隔はその値に限られるものではない。

また、第１〜第３の実施形態においては、孔の直径の数値を例示したが、本発明の孔の直径はその値に限られず、レーザの発振波長以下であればよい。

また、第１〜第３の実施形態においては、孔の形状を、円形、楕円形または長方形にしたが、本発明の孔の形状はそれに限られるものではなく、三角形などの多角形にしてもよい。一般に、孔の形状により波長選択性が異なるので、レーザの発振波長に応じて、最適な孔の形状が存在する。頂点の数が少なくなる程、長波長側での透過率が高くなる傾向がある。例えば、孔の形状が三角形である場合には、８５０ｎｍ帯の波長の光に対して高い透過率を得ることができる。

また、第１〜第３の実施形態においては、ｐ側電極の材料をＡｇとして説明したが、本発明のｐ側電極の材料はこれに限らず、例えばＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒなど他の材料を用いても構わない。

また、第１〜第３実施形態においては、半導体層を構成する材料をＡｌＧａＡｓとして説明したが、本発明の半導体層の材料はこれに限らず、例えばＩｎＰ系やＧａＮ系を用いてもよい。

また、第１〜第３の実施形態においては、ｐ側ミラーがｐ側電極のみで構成される場合について説明したが、本発明は、例えば図６に示すような、ｐ側電極７とｐ型半導体多層膜２１とからｐ側ミラーが構成される半導体レーザ装置にも適用することができる。図６は、本発明において、ｐ側ミラーとしてｐ側電極とｐ型半導体多層膜を有する面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。なお、図６に示すＰ型半導体多層膜２１は、例えばＡｌ_0.1Ｇａ_0.9ＡｓとＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓとが交互に積層された層からなっている。

本発明のレーザ装置は、低い印加電圧で動作し、放熱性に優れ、かつ雑音特性の良好なレーザ装置を得ることができる点で、産業上の利用可能性は高い。

本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す平面図である。本実施形態のレーザ装置および従来のレーザ装置における相対雑音強度の戻り光量依存性を示すグラフ図である。本発明の第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す平面図である。本発明の第３の実施形態に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す平面図である。本発明において、ｐ側ミラーとしてｐ側電極とｐ型半導体多層膜２１を有する面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。従来の面発光型半導体レーザの構造を示す断面図である。

符号の説明

１半導体基板
２ｎ型ミラー
３アンドープスペーサ層
４活性層
５ｐ型ＧａＡｓ層
６絶縁膜
７ｐ側電極
７Ａ第１のｐ側電極
７Ｂ第２のｐ側電極
８ｎ側電極
９開口部
１０孔
１７ｐ側電極
１７Ａ第１のｐ側電極
１７Ｂ第２のｐ側電極
１８第２の孔
１９第１の孔
２１ｐ型半導体多層膜
２７ｐ側電極
２７Ａ第１のｐ側電極
２７Ｂ第２のｐ側電極
２８孔

Claims

互いに対向する第１のミラーと第２のミラーとを共振器として有し、光を出射するレーザ装置であって、
前記第１のミラーには、最大径が前記光の発振波長以下である第１の孔及び第２の孔がそれぞれ複数設けられており、
前記第１の孔の最大径と前記第２の孔の最大径とは互いに異なり、
前記第１の孔同士及び前記第２の孔同士は、互いに、周期的に配列されており、
隣接する前記第１の孔同士の間隔は、隣接する前記第２の孔同士の間隔よりも狭く、
隣接する前記第２の孔同士の間に、前記第１の孔が複数配置されている、レーザ装置。
前記光は、前記第１のミラーにおいて一旦表面プラズモンに変換された後に再び前記光に戻って出射される、請求項１に記載のレーザ装置。
前記第１のミラーに入射される光の強度に対して、前記第１のミラーを透過する光の強度が非線形的に増加する、請求項１または２に記載のレーザ装置。
前記第１のミラーは金属である、請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のレーザ装置。
半導体レーザ装置であって、
前記第１のミラーは片側電極を兼ねている、請求項１〜４のうちいずれか１項に記載のレーザ装置。
隣接する前記第１の孔同士の間隔は、前記発振波長以下である、請求項１〜５のうちいずれか１項に記載のレーザ装置。
前記第１の孔及び前記第２の孔の少なくとも一方の平面形状は異方性を有する、請求項１〜６のうちいずれか１項に記載のレーザ装置。
前記第１の孔及び前記第２の孔の少なくとも一方の平面形状は楕円または長方形である、請求項７に記載のレーザ装置。
前記第１の孔及び前記第２の孔の少なくとも一方の平面形状は三角形である、請求項１〜５のうちいずれか１項に記載のレーザ装置。
前記第１のミラーの平面形状は異方性を有する、請求項１〜９のうちいずれか１項に記載のレーザ装置。
前記第１のミラーの平面形状は楕円または長方形である、請求項１０に記載のレーザ装置。
前記第１のミラーは、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕのうちのいずれかからなっている、請求項１〜１１のうちいずれか１項に記載のレーザ装置。