JP4634081B2 - 半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子アレイ - Google Patents

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Description

従来より、半導体レーザ素子の構造として空間横シングルモード型とマルチモード型とが知られている。このうち、シングルモード型の半導体レーザ素子では、導波路内における発振モードを単一のモードのみに限定するために、導波路の幅が狭く形成される。しかし、導波路の幅が狭いと出射端の面積も小さくなる。また、出射端においてレーザ光密度が過大になると、半導体レーザ素子の信頼性等に影響する。従って、シングルモード型の半導体レーザ素子は、比較的低出力のレーザ光を用いる用途に好適に用いられる。なお、このシングルモード型の半導体レーザ素子の例としては、特許文献１に開示された半導体レーザ装置がある。この半導体レーザ装置は、シングルモード型の半導体レーザにおいて導波路の幅を拡張し、レーザ光強度を高めることを目的としている。
他方、マルチモード型の半導体レーザ素子では、導波路内において複数のモードが混在してもよいため、導波路の幅を広く形成できる。従って、出射端の面積を大きくすることが可能となり、比較的大きな強度のレーザ光を出射することができる。このようなマルチモード型の半導体レーザ素子は、比較的高出力のレーザ光を必要とする用途に好適に用いられる。
しかし、マルチモード型の半導体レーザ素子には、次のような問題がある。すなわち、導波路内において複数のモードが混在するため、出射端から出射されるレーザ光の出射パターンが乱れ出射角が比較的大きくなってしまう。従って、このレーザ光を集光またはコリメートするためのレンズの形状が複雑となり、所望のレーザ光が得られなかったり、レンズが高価になるといった不利益を生じるおそれがある。
上記したマルチモード型半導体レーザ素子の問題点を解決するための技術として、例えば特許文献２に開示された共振器がある。図２３（ａ）は、この共振器の構成を示す平面図である。この共振器１００は、活性層１０１内に２つの領域１０２ａ及び１０２ｂを有している。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）のVII−VII断面及びVIII−VIII断面における屈折率分布を示す図である。図２３（ｂ）に示すとおり、領域１０２ａ及び１０２ｂにおける屈折率ｎ2は、活性層１０１の他の領域における屈折率ｎ1よりも小さく形成されている。また、領域１０２ａ及び１０２ｂは、出射端１００ａ及び反射端１００ｂにおいて垂直に反射した光Ｌが該領域１０２ａ及び１０２ｂの側面にて全反射する角度で活性層１０１内に形成されている。特許文献２では、このような構成によって、活性層１０１内を共振する光Ｌの光路を限定し、導波路幅を制限することなく単一モード発振を実現しようとしている。
特開平１０−４１５８２号公報 国際公開第００／４８２７７号パンフレット
しかしながら、特許文献２に開示された共振器には、以下の問題点がある。すなわち、この共振器の構成では活性層１０１に例えば溝を形成することによって領域１０２ａ及び１０２ｂを形成している。従って、活性層１０１内に領域１０２ａ及び１０２ｂのための溝と電流注入領域とを同時に作り込む必要があるので、構造が複雑となり、多くの工程を必要とする。また、活性層１０１への注入電流が導波路外に漏れ易い構造であるため、発光効率や電気・光変換効率が低く抑えられる。また、発光効率や電気・光変換効率の低さは、素子の温度上昇につながるため、素子の信頼性を損う、或いはレーザ光強度の向上を阻むといった不利益を生じることとなる。
本発明は、上述の点を鑑みてなされたものであり、比較的大きな強度のレーザ光を出射可能であって、レーザ光の出射角が小さく、構成が単純であり、且つ効率のよい半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子アレイを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、第１導電型クラッド層と、第２導電型クラッド層と、第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層との間に設けられた活性層と、所定の軸方向に並んで設けられ、互いに対向する光出射面及び光反射面とを備え、第１導電型クラッド層が、活性層に屈折率型導波路を形成するリッジ部を有し、リッジ部が、所定の軸方向と交差する互いに対向する一対の側面を有し、リッジ部の一対の側面と所定の軸方向とのなす角θが、θｃ−１°≦θ≦θｃ（θｃは、屈折率型導波路の側面における全反射臨界角余角）の範囲内であり、リッジ部の光出射面側の端部及び光反射面側の端部のうち少なくとも一方の端部における側面が、所定の軸方向に沿っており、少なくとも一方の端部により形成される屈折率型導波路の部分に沿って周期的な回折格子が設けられていることを特徴とする。
上記半導体レーザ素子では、第１導電型クラッド層のリッジ部に電流が注入されることにより、リッジ部に対応する活性層の領域が活性領域となる。このとき、リッジ部とその外部との屈折率差によって、活性層には実効的な屈折率差が生じるため、リッジ部の平面視形状（リッジ部を第１導電型クラッド層の厚み方向から見た形状）に沿った形状の屈折率型導波路が形成される。また、このとき、リッジ部の一対の側面が屈折率型導波路の側面における全反射臨界角余角θｃに基づく角度で所定の軸方向と交差しているので、リッジ部の一対の側面に対応して形成される屈折率型導波路の一対の側面と所定の軸方向とのなす角が全反射臨界角余角θｃに基づいて定められる。ここで、全反射臨界角余角θｃとは、屈折率型導波路の側面における全反射臨界角（屈折率型導波路の側面の法線と光路とのなす角のうち、該側面において光が全反射する最小角）を直角から差し引いた角度である。これにより、光反射面において所定の軸方向に沿って反射した光は、屈折率型導波路の一方の側面において全反射し、他方の側面において再度全反射した後、所定の軸方向に沿って光出射面に達することとなる。光出射面において反射した光もまた、同様の光路を辿って光反射面に達する。他方、所定の軸方向と異なる方向に沿った光は、屈折率型導波路の側面を透過する。
このように、上記半導体レーザ素子によれば、屈折率型導波路の構造上、共振が起こるレーザ光の光路を限定することができるため、導波路内でのレーザ発振に関わる光の角度成分が制限される。このため導波光の位相が揃って単一モード発振が生じ、さらに、出射されるレーザ光の水平方向の出射角は導波路幅の広がりに伴い小さくすることができる。また、シングルモード型のように屈折率型導波路の幅が制限されないので、より高い強度のレーザ光を出射することが可能となる。
また、上記半導体レーザ素子では、容易に形成可能な第１導電型クラッド層のリッジ部によって、活性層に対して電流が部分的に集中して注入されるので、屈折率型導波路外に注入電流が漏れにくい。このため、上記半導体レーザ素子によれば、発光効率や電気・光変換効率を向上できる。また、これによって、素子の温度上昇を低減することができるので、素子の信頼性が向上するとともに、レーザ光強度を高めることが可能となる。また、上記半導体レーザ素子では、リッジ部の光出射面側の端部及び光反射面側の端部のうち少なくとも一方の端部における側面が、所定の軸方向に沿っている。これによって、光出射面、光反射面において所定の軸方向と異なる方向へ出射されるレーザ光を抑制することができる。また、上記半導体レーザ素子では、リッジ部の一対の側面と所定の軸方向とのなす角θが、θｃ−１°≦θ≦θｃ（θｃは、屈折率型導波路の側面における全反射臨界角余角）の範囲内である。これによって、共振するレーザ光の光路を好適に限定することができるので、高次横モードを効果的に抑制することができる。また、上記半導体レーザ素子では、少なくとも一方の端部により形成される屈折率型導波路の部分に沿って周期的な回折格子が設けられている。導波路の側面における全反射臨界角余角は、該側面において反射する光の波長に依存する。この半導体レーザ素子によれば、導波路内を共振する光の波長を回折格子において選択することによって、導波路側面における全反射臨界角余角のばらつきを無くし、レーザ光の光路を効率よく制限することができる。
また、半導体レーザ素子は、光出射面と光反射面との間で共振する光が、リッジ部の一対の側面に対応する屈折率型導波路の一対の側面のそれぞれにおいて同じ回数反射するように、光出射面と光反射面との間隔及びリッジ部の一対の側面同士の間隔が設定されていることを特徴してもよい。このように、共振する光が屈折率型導波路の一対の側面のそれぞれにおいて同じ回数反射（全反射）することによって、共振する光は光反射面及び光出射面の双方において所定の軸方向に沿って好適に入射／反射することができる。また、共振する光が屈折率型導波路の一対の側面において少なくとも１回ずつ全反射するので、屈折率型導波路内において光出射面と光反射面とを直線で結ぶような光路は存在しない。従って、この半導体レーザ素子によれば、屈折率型導波路内のレーザ光の光路を好適に制限することができる。
また、半導体レーザ素子は、リッジ部の一対の側面と所定の軸方向とのなす角θが、全反射臨界角余角θｃと略一致していることを特徴としてもよい。これによって、高次横モードをほぼ完全に抑制することができる。
また、半導体レーザ素子は、屈折率型導波路内を共振する光の波長を選択するための波長選択手段をさらに備えることを特徴としてもよい。導波路の側面における全反射臨界角余角は、該側面において反射する光の波長に依存する。この半導体レーザ素子によれば、導波路内を共振する光の波長を波長選択手段において選択することによって、導波路側面における全反射臨界角余角のばらつきを無くし、レーザ光の光路を効率よく制限することができる。
このような波長選択手段は、光出射面及び光反射面のうち少なくとも一方の面上に設けられた誘電体多層膜によって好適に実現される。或いは、波長選択手段は、光出射面及び光反射面のうち少なくとも一方の面に対向して配置された波長選択素子によって好適に実現される。或いは、波長選択手段は、誘電体多層膜、及び波長選択素子のうちいずれか２つ以上の構成によって好適に実現される。
また、本発明による半導体レーザ素子アレイは、上記したいずれかの半導体レーザ素子を複数備え、複数の半導体レーザ素子が、リッジ部の長手方向と交差する方向に並んで配置されて一体に形成されていることを特徴とする。
上記半導体レーザ素子アレイによれば、上記したいずれかの半導体レーザ素子を備えることによって、比較的大きな強度のレーザ光を出射可能であって、レーザ光の水平方向の出射角が小さく、構成が単純であり、発光効率及び電気・光変換効率のよい半導体レーザ素子アレイを提供できる。
さらに、上記半導体レーザ素子アレイでは、第１導電型クラッド層のリッジ部によって、活性層に対して電流が部分的に集中して注入されるので、隣り合う屈折率型導波路同士での光の結合や干渉が生じにくい。従って、各屈折率型導波路同士の間隔を比較的狭くすることが可能になるので、屈折率型導波路をより高密度に多く設けることができ、大出力で安定したレーザ光を出射することができる。
本発明によれば、比較的大きな強度のレーザ光を出射可能であって、レーザ光の水平方向出射パターンが単峰性でレーザ光の出射角が小さく、構成が単純であり、且つ効率のよい半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子アレイを提供できる。
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子アレイの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明による半導体レーザ素子アレイの第１実施形態の構成を示す概略斜視図である。図１を参照すると、半導体レーザ素子アレイ１は、複数の半導体レーザ素子３が一体に形成されてなる。半導体レーザ素子アレイ１が備える半導体レーザ素子３の数は幾つでもよく、一つのみ備える場合はアレイではなく単体の半導体レーザ素子となる。半導体レーザ素子アレイ１は、互いに対向する光出射面１ａ及び光反射面１ｂを有しており、光出射面１ａ上には複数の半導体レーザ素子３それぞれのレーザ光出射端４ａが水平方向に並んで配置されている。また、複数の半導体レーザ素子３のそれぞれは、リッジ状に成形された凸部２５を有している。凸部２５は、その長手方向が光出射面１ａ及び光反射面１ｂに対して斜めになるように設けられており、半導体レーザ素子３には凸部２５に対応して屈折率型導波路（後述）が形成される。レーザ光出射端４ａは、この屈折率型導波路の光出射面１ａ側の端面である。複数の半導体レーザ素子３は、凸部２５の長手方向と交差する方向に並んで配置されて一体に形成されている。
図２は、図１に示した半導体レーザ素子アレイ１のＩ−Ｉ断面を示す拡大断面図である。図２を参照すると、半導体レーザ素子アレイ１を構成する半導体レーザ素子３は、基板１１と、３層の半導体層が積層された積層体８とを備えている。積層体８は、ｎ型クラッド層（第２導電型クラッド層）１３、活性層１５、及びｐ型クラッド層（第１導電型クラッド層）１７の３つの半導体層が順に積層されて構成されている。ｐ型クラッド層１７にはリッジ部９が設けられている。リッジ部９の外側の層にはｐ型クラッド層１７と電気的に接続されるキャップ層１９が設けられており、リッジ部９とキャップ層１９とで凸部２５を構成している。
更に外側の層には外部からの電流を注入するｐ側電極層２３が設けられている。ｐ型クラッド層１７及びキャップ層１９とｐ側電極層２３との間には絶縁層２１が設けられており、絶縁層２１は凸部２５に対応する部分に開口部２１ａを有している。ｐ側電極層２３は開口部２１ａにおいてキャップ層１９にのみ電気的に接触するようになっているので、外部からの電流注入はキャップ層１９にのみ限定してなされる。また、基板１１の積層体８と反対側の面上にはｎ側電極層２９が形成されている。基板１１はｎ−ＧａＡｓからなる。ｎ型クラッド層１３はｎ−ＡｌＧａＡｓからなり、活性層１５はＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなり、ｐ型クラッド層１７はp−ＡｌＧａＡｓからなる。またキャップ層１９はｐ−ＧａＡｓからなり、ｐ側電極層２３はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなり、ｎ側電極層２９はＡｕＧｅ／Ａｕからなり、絶縁層２１はＳｉＮからなる。
キャップ層１９に電流が注入されると、凸部２５に対応する活性層１５の領域（換言すれば、リッジ部９に対応する領域）が活性領域となる。このとき、リッジ部９とその外部との屈折率差によって、活性層１５には実効的な屈折率差が生じるため、凸部２５に対応する活性層１５内に屈折率型導波路４が形成される。なお、半導体レーザ素子は、活性層とｎ型クラッド層１３との間、及び活性層とｐ型クラッド層との間に、屈折率型導波路に光を閉じ込めるための光ガイド層を備えても良い。
ここで、図３及び図４を参照してｐ型クラッド層１７について説明する。図３はｐ型クラッド層１７を含む積層体８の斜視図、図４（ａ）は積層体８の平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示した積層体８のII−II断面を示す断面図である。上述のとおり、積層体８は、ｎ型クラッド層１３、活性層１５、及びｐ型クラッド層１７の３つの半導体層が順に積層されて構成されている。
ｐ型クラッド層１７には、光出射面１ａと光反射面１ｂとにわたって延びる凸状のリッジ部９が設けられている。ｐ型クラッド層１７のリッジ部９以外の領域は、層が薄化された薄肉領域１０となっている。リッジ部９は、その平面視形状が、光出射面１ａ及び光反射面１ｂと交差する所定の軸方向Ａに対して角度θで交差する方向を長手方向とする平行四辺形となっている。
リッジ部９は、第１端面９ａ、第２端面９ｂ、並びに互いに対向する一対の側面９ｃ及び９ｄを有している。一対の側面９ｃ及び９ｄは、それぞれリッジ部９の領域を規定しており、リッジ部９と薄肉領域１０との境界となっている。第１端面９ａは、光出射面１ａ上にある。第２端面９ｂは、光反射面１ｂ上にある。側面９ｃは第１端面９ａの一端から第２端面９ｂの一端まで延び、側面９ｄは第１端面９ａの他の一端から第２端面９ｂの他の一端まで延びている。側面９ｃ及び９ｄは、厚さ方向から見た平面図において所定の軸方向Ａと角度θをなすように設けられている。
活性層１５にはリッジ部９の形状に対応した屈折率型導波路４が形成される。屈折率型導波路４は、リッジ部９への電流注入により生じる活性層１５内部での実効的な屈折率分布によって形成される導波路である。そして、屈折率型導波路４にはリッジ部９の第１端面９ａに対応してレーザ光出射端４ａが形成され、リッジ部９の側面９ｃ、９ｄそれぞれに対応して一対の側面（後述）が形成される。リッジ部９における側面９ｃ及び９ｄと所定の軸方向Ａとのなす角θは、屈折率型導波路４の側面における臨界角余角θｃに基づいて決定される。ここで、屈折率型導波路４の側面における臨界角余角θｃとは、屈折率型導波路４の内外の実効的な屈折率差によって規定される全反射臨界角の余角である。後述するように、角θは、θｃ−１°≦θ≦θｃの範囲内であることが好ましく、さらにはθ＝θｃすなわち角θが臨界角余角θｃと略一致していることがより好ましい。角θが臨界角余角θｃに基づいて決定されることにより、屈折率型導波路４の一対の側面が、光出射面１ａ側または光反射面１ｂ側から所定の軸方向Ａに沿って入射する光を全反射させる。
また、光出射面１ａと光反射面１ｂとの間隔（すなわち屈折率型導波路４の長さ）及びリッジ部９の一対の側面９ｃ及び９ｄ同士の間隔は、レーザ光出射端４ａ（光出射面１ａ）とレーザ光反射端４ｂ（光反射面１ｂ）との間で共振するレーザ光Ｌが、屈折率型導波路４の一対の側面４ｃ及び４ｄのそれぞれにおいて同じ回数反射するように設けられる。
次に、半導体レーザ素子アレイ１の製造方法について図５を参照しながら説明する。図５は、各製造工程における半導体レーザ素子アレイ１の拡大断面図を示している。まず、ｎ型ＧａＡｓの基板１１を準備し、基板１１上に順に、ｎ型ＡｌＧａＡｓを２．０μｍ、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓを０．３μｍ、ｐ型ＡｌＧａＡｓを２．０μｍ、ｐ型ＧａＡｓを０．１μｍエピタキシャル成長させ、それぞれｎ型クラッド層１３、量子井戸構造を有する活性層１５、ｐ型クラッド層１７、キャップ層１９を形成する（図５（ａ）参照）。
続いて、キャップ層１９側にフォトワークによりリッジ部９に対応する形状に保護マスク５１を形成し、キャップ層１９及びｐ型クラッド層１７をエッチングする。エッチングは活性層１５に達しない深さで停止する（図５（ｂ）参照）。続いて、ＳｉＮ膜を結晶表面全体に堆積し、フォトワークによりリッジ部９に対応する位置のＳｉＮ膜を除去し、絶縁層２１を形成する（図５（ｃ）参照）。続いて、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜でｐ側電極層２３を結晶表面全体に形成する。また、基板１１側の表面の研磨、化学処理を行い、ＡｕＧｅ／Ａｕによりｎ側電極層２９を形成する（図５（ｄ）参照）。
次に、屈折率型導波路４内部におけるレーザ光の動きについて説明する。図６は、リッジ部９に対応して形成される屈折率型導波路４の形状を示す平面図である。屈折率型導波路４は、平面視形状がリッジ部９と同じ形状となる。屈折率型導波路４は、厚さ方向には活性層１５とｐ型クラッド層１７との境界面、及び活性層１５とｎ型クラッド層１３との境界面で規定される。屈折率型導波路４は、リッジ部９の第１端面９ａ及び第２端面９ｂに対応する位置にそれぞれレーザ光出射端４ａ及びレーザ光反射端４ｂを有している。レーザ光出射端４ａ及びレーザ光反射端４ｂは、活性層１５のへき開面の一部であり、レーザ光Ｌに対する共振面として機能する。
また、屈折率型導波路４は、リッジ部９の側面９ｃ及び９ｄに対応する位置にそれぞれ側面４ｃ及び４ｄを有している。ここで、側面４ｃ及び４ｄは、屈折率型導波路４内外の屈折率差によって生じる面であり、屈折率が連続的に変化している場合にはそれぞれが或る一定の厚さを有してもよい。側面４ｃ及び４ｄは、屈折率型導波路４内で発生したレーザ光Ｌを当該側面への入射角度によって選択的に透過又は反射させる反射面として機能する。屈折率型導波路４の側面４ｃ及び４ｄと所定の軸方向Ａとのなす角（すなわち、リッジ部９の側面９ｃ及び９ｄと所定の軸方向Ａとのなす角）θは、前述のとおり屈折率型導波路４の側面４ｃ及び４ｄにおける臨界角余角θｃに基づいて決定される。
図６に示すように、レーザ光反射端４ｂにおいて所定の軸方向Ａに沿って反射したレーザ光Ｌは、側面４ｃに角度θで入射し、全反射する。その後、レーザ光Ｌは側面４ｄに角度θで入射し、全反射する。こうして、側面４ｃ及び４ｄで全反射したレーザ光Ｌは所定の軸方向Ａに沿って進み、レーザ光出射端４ａに達する。レーザ光出射端４ａに達したレーザ光Ｌの一部は、レーザ光出射端４ａを透過して外部へ出射される。また、他のレーザ光Ｌはレーザ光出射端４ａにおいて所定の軸方向Ａに沿って反射し、再び側面４ｄ、４ｃで全反射してレーザ光反射端４ｂに戻る。このようにして、屈折率型導波路４内のレーザ光Ｌは、レーザ光出射端４ａとレーザ光反射端４ｂとの間を往復し、共振することとなる。
ここで、レーザ光Ｌが上記した光路に限定されるしくみについて説明する。図７は、側面４ｃ（４ｄ）に様々な入射角θｉで入射するレーザ光Ｌ１〜Ｌ３について説明するための図である。なお、図７においては、側面４ｃ、４ｄとレーザ光Ｌ１〜Ｌ３とのなす角を、入射角θｉとしている。また、説明の便宜のため、側面４ｃ（４ｄ）と所定の軸方向Ａとのなす角θを臨界角余角θｃと一致させている。
図７を参照すると、側面４ｃ（４ｄ）に角度θと等しい入射角θｉで入射したレーザ光Ｌ１は、側面４ｃ（４ｄ）において全反射し、レーザ光出射端４ａ（レーザ光反射端４ｂ）に対し垂直に入射する。そして、レーザ光Ｌ１は、レーザ光出射端４ａ（レーザ光反射端４ｂ）において反射したのち、同一の光路を辿って戻る。従って、レーザ光Ｌ１は同一光路上を共振することとなる。
これに対し、側面４ｃ（４ｄ）に角度θよりも大きな入射角θｉで入射したレーザ光Ｌ２は、臨界角余角θｃを超えているので側面４ｃ（４ｄ）を透過することとなり、共振しない。また、側面４ｃ（４ｄ）に角度θよりも小さな入射角θｉで入射したレーザ光Ｌ３は、臨界角余角θｃを超えていないので側面４ｃ（４ｄ）において全反射するが、レーザ光出射端４ａ（レーザ光反射端４ｂ）において反射した後、再度側面４ｃ（４ｄ）に入射する際に入射角が臨界角余角θｃを超えてしまう。従って、レーザ光Ｌ３も、結局側面４ｃ（４ｄ）を透過することとなり、共振しない。
また、上述したように、リッジ部９の幅及び屈折率型導波路４の長さは、レーザ光Ｌが一対の側面４ｃ及び４ｄのそれぞれにおいて同じ回数全反射するように設定されている。換言すれば、屈折率型導波路４は、レーザ光出射端４ａとレーザ光反射端４ｂとの間で共振するレーザ光Ｌが、屈折率型導波路４の側面４ｃ及び４ｄおいて少なくとも１回は反射するように形成されている。従って、レーザ光出射端４ａとレーザ光反射端４ｂとを直線で結ぶような光路は存在せず、レーザ光出射端４ａとレーザ光反射端４ｂとの間を直接往復して共振する光は存在しない。
上述のように、半導体レーザ素子３においては、屈折率型導波路４内で発生したレーザ光Ｌが往復して共振するための光路が、レーザ光出射端４ａ、側面４ｄ、側面４ｃ、及びレーザ光反射端４ｂを結ぶ光路に構造上限定されている。よって、所定の軸方向Ａとほぼ平行な方向から側面４ｃ、４ｄに入射し、上記の限定された光路で共振するレーザ光Ｌのみがレーザ発振に寄与することとなる。よって、空間横モードが単一であるレーザ発振（空間横シングルモード）が得られ、レーザ光出射端４ａから出射されるレーザ光Ｌの強度分布は所定の軸方向Ａと平行な方向付近に偏り、その出射パターンは単峰性となる。さらに、本導波路構造は広い導波路幅を持つことが可能であるが、レーザ放射角は導波路幅に反比例することから小さな出射角を持つレーザ光を得ることができる。
屈折率型導波路４の側面４ａ、４ｂと所定の軸方向Ａとのなす角θは、臨界角余角θｃとほぼ一致していることが最も望ましいが、臨界角余角θｃより小さい範囲で臨界角余角θｃに近ければ、レーザ光Ｌの光路をある程度限定することができる。ここで、図８は、角θの大きさが許容される範囲を説明するためのグラフである。図８において、横軸は角θの大きさであり、縦軸は側面４ｃ（４ｄ）へのレーザ光Ｌの入射角θｉと角θとの差θ−θｉである。なお、ここでは、側面４ｃ及び４ｄの臨界角余角θｃを４°（すなわち、側面４ｃ及び４ｄの全反射臨界角を８６°）と仮定して説明する。
図８を参照すると、座標（θ，θ−θｉ）＝（０，０）、（４，０）、（０，４）で囲まれる領域Ｂが図示されている。この領域Ｂは、レーザ光Ｌがレーザ光出射端４ａとレーザ光反射端４ｂとの間で共振することができる範囲を示している。例えば、角θが１°のとき、０°≦θ−θｉ≦３°、すなわち入射角θｉが１°以上４°以下のレーザ光Ｌであれば、側面４ｃ及び４ｄにおいて臨界角余角θｃ（＝４°）を超えることなく共振することができる。しかしながら、角θが臨界角余角θｃよりも過小であると、屈折率型導波路４内でのレーザ光Ｌの空間横モードの数が増えて出射角が拡大してしまう。従って、例えば角θを３°≦θ≦４°（すなわち、θｃ−１≦θ≦θｃ）とすることにより、０°≦θ−θｉ≦１°、つまり入射角θｉが３°以上４°以下のレーザ光Ｌのみ共振することとなり、レーザ光Ｌの出射角を実用的な範囲まで小さくすることができる。
本実施形態による半導体レーザ素子３が有する効果について説明する。半導体レーザ素子３によれば、共振が起こるレーザ光Ｌの光路を限定することができるため、レーザ発振する光の角度成分が制限され、高次横モードが抑制され単一モードに近くなり、出射されるレーザ光Ｌの水平方向の出射パターンを単峰性にすることができる。また、シングルモード型のように屈折率型導波路４の幅すなわち側面４ｃと側面４ｄとの間隔が制限されないので、レーザ光出射端４ａにおけるレーザ光密度を低減でき、より高い強度のレーザ光を出射することが可能となる。さらに、屈折率型導波路４の幅を広げるとレーザ光Ｌの水平方向の出射角を小さくすることができる。
また、本実施形態の半導体レーザ素子３では、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示したように容易に形成可能なリッジ部９によって、活性層１５に対して電流が部分的に集中して注入されるので、屈折率型導波路４の外部へ注入電流が漏れにくい。このため、半導体レーザ素子３によれば、発光効率や電気・光変換効率を向上できる。また、これによって、半導体レーザ素子３の温度上昇を低減することができるので、半導体レーザ素子３の信頼性が向上するとともに、レーザ光強度を高めることが可能となる。
また、本実施形態のように、レーザ光出射端４ａ（光出射面１ａ）とレーザ光反射端４ｂ（光反射面１ｂ）との間で共振するレーザ光Ｌが、屈折率型導波路４の一対の側面４ｃ及び４ｄのそれぞれにおいて同じ回数反射するように、光出射面１ａと光反射面１ｂとの間隔（すなわち屈折率型導波路４の長さ）及びリッジ部９の一対の側面９ｃ及び９ｄ同士の間隔が設定されていることが好ましい。このように、レーザ光Ｌが一対の側面４ｃ及び４ｄのそれぞれにおいて同じ回数反射（全反射）することによって、共振するレーザ光Ｌはレーザ光出射端４ａ及びレーザ光反射端４ｂの双方において所定の軸方向Ａに沿って好適に入射／反射することができる。また、このような構成により、レーザ光Ｌが一対の側面４ｃ及び４ｄにおいて少なくとも１回ずつ全反射するので、屈折率型導波路４内においてレーザ光出射端４ａとレーザ光反射端４ｂとを直線で結ぶような光路は存在しない。従って、本実施形態の半導体レーザ素子３によれば、屈折率型導波路４内のレーザ光Ｌの光路を好適に制限することができる。
また、本実施形態による半導体レーザ素子アレイ１によれば、上記効果を有する半導体レーザ素子３を複数備えることによって、比較的大きな強度のレーザ光を出射することができるとともに、レーザ光Ｌの水平方向の出射角を小さくすることができる。また、半導体レーザ素子アレイ１によれば、簡易な構成によって発光効率及び電気・光変換効率を向上できる。
さらに、本実施形態による半導体レーザ素子アレイ１は、次の効果を有する。すなわち、半導体レーザ素子アレイ１では、ｐ型クラッド層１７のリッジ部９によって、活性層１５に対して電流が部分的に集中して注入される。これにより、隣り合う半導体レーザ素子３の屈折率型導波路４同士での光の結合や干渉が生じにくくなる。従って、各屈折率型導波路４同士の間隔を比較的狭くすることが可能になるので、屈折率型導波路４をより多く設けることができ、大出力で安定したレーザ光を出射することができる。さらに、活性層１５に対して電流が部分的に集中して注入されることにより、電気・光変換効率が高まり、無効電流を低減できるので、半導体レーザ素子３の熱発生を低減できる。従って、半導体レーザ素子アレイ１の信頼性が高まり、長寿命化を実現できる。
（第１の実施例）
次に、上記した実施形態による単体の半導体レーザ素子３の実施例を説明する。本実施例では、屈折率型導波路４の側面４ｃ及び４ｄと所定の軸方向Ａとのなす角θを、屈折率型導波路４内外の屈折率差に基づく臨界角余角４°とした。また、屈折率型導波路４の側面４ｃと側面４ｄとの間隔（すなわち屈折率型導波路４の幅）を４０μｍとし、レーザ光出射端４ａとレーザ光反射端４ｂとの間隔（すなわち屈折率型導波路４の長さ）を、図６に示したような光路を実現できる１２００μｍとした。因みに、従来のシングルモード型半導体レーザ素子（特許文献１に開示されたものを含む）の導波路幅は、最大でも約５μｍである。従って、上記実施形態に係る半導体レーザ素子３の屈折率型導波路４の幅が従来のシングルモード型半導体レーザ素子と比較して格段に大きいことがわかる。
図９（ａ）は、本実施例による、半導体レーザ素子３の電流−光出力特性を示すグラフである。図９（ａ）によれば、半導体レーザ素子３に供給した電流とレーザ光出力とが直線的な相関関係を示しており、いわゆるキンクも生じていないので、半導体レーザ素子３においては安定した空間横シングルモードが得られ、スロープ効率は０．７５Ｗ／Ａである。また、図９（ｂ）は、半導体レーザ素子３のレーザ光出射端４ａから出射されたレーザ光Ｌの水平方向の遠視野像を示すグラフである。図９（ｂ）に示すとおり、半導体レーザ素子３においては、レーザ光Ｌの遠視野像における強度分布が所定の軸方向（０°）に偏っており、水平方向の出射角が小さいことがわかる。図９（ｂ）によれば、ピークの半値幅は２°程度となっている。
また、比較例として、特許文献２に開示された共振器の特性を図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示す。図１０（ａ）は、この共振器の電流−光出力特性を示すグラフである。図１０（ａ）によれば、レーザ光出力の上昇とともに空間横モードの変化に対応したレーザ光出力特性の乱れ（いわゆるキンク）が生じモードが不安定であり、このときのスロープ効率は０．５Ｗ／Ａである。また、図１０（ｂ）は、この共振器から出射されたレーザ光の水平方向の遠視野像を示すグラフである。図１０（ｂ）によれば、メインピークの半値幅は２°程度である。
このように、本実施例に係る半導体レーザ素子３によれば、特許文献２に開示された共振器と比較して、発光効率及び電気・光変換効率を向上できるとともに、高出力時においても安定した空間横シングルモード動作が可能となる。
（第２の実施例）
次に、上記した実施形態による、複数の半導体レーザ素子３を備える半導体レーザ素子アレイ１の実施例について説明する。本実施例では、２００μｍのピッチで１ｃｍ内に５０個のリッジ部９を形成した。図１１（ａ）は、半導体レーザ素子アレイ１の電流−光出力特性を示すグラフである。図１１（ａ）によれば、半導体レーザ素子アレイ１の各半導体レーザ素子３に供給した電流とレーザ光出力とが直線的な相関関係を示しており、いわゆるキンクも生じていない。また、このグラフから読みとれる素子のスロープ効率は０．７５Ｗ／Ａであり、単体の半導体レーザ素子３の場合と同等である。従って、レーザ光が導波路同士で結合及び干渉するおそれのある特許文献２の共振器と比較して、リッジ部９を備える半導体レーザ素子アレイ１の構造が優れているといえる。
また、図１１（ｂ）は、本実施例に係る半導体レーザ素子アレイ１が備える各半導体レーザ素子３のレーザ光出射端４ａから出射されたレーザ光Ｌの水平方向の遠視野像を示すグラフである。図１１（ｂ）に示すとおり、半導体レーザ素子アレイ１においては、レーザ光Ｌの遠視野像における強度分布が単体の半導体レーザ素子３における該強度分布（図９（ｂ）参照）と同様であるので、アレイ化しても単体の素子と同様の特性が維持されていることがわかる。
このように、本実施例に係る半導体レーザ素子アレイ１によれば、リッジ構造が活性層１５への注入電流を集中させることにより、アレイ化したことによる屈折率型導波路４同士のレーザ光の結合、干渉等を好適に抑えることができる。
（第２の実施の形態）
次に、本発明による半導体レーザ素子アレイ（半導体レーザ素子）の第２実施形態について説明する。図１２は、本実施形態による半導体レーザ素子が有する屈折率型導波路４１を示す平面図である。この屈折率型導波路４１は、その平面形状が第１実施形態による屈折率型導波路４と異なる。すなわち、屈折率型導波路４１は、４つの側面４１ｃ〜４１ｆを備えている。このうち、側面４１ｃと側面４１ｄとが互いに対向しており、側面４１ｅと側面４１ｆとが互いに対向している。側面４１ｃの一端はレーザ光反射端４１ｂの一端に接しており、側面４１ｄの一端はレーザ光反射端４１ｂの他端に接している。側面４１ｃの他端は側面４１ｅの一端に繋がっており、側面４１ｄの他端は側面４１ｆの一端に繋がっている。側面４１ｅの他端はレーザ光出射端４１ａの一端に接しており、側面４１ｆの他端はレーザ光出射端４１ａの他端に接している。側面４１ｃ〜４１ｆは、それぞれ所定の軸方向Ａと角度θで交差している。側面４１ｃと側面４１ｅとは互いに角度２θをなして繋がっており、側面４１ｄと側面４１ｆとは互いに角度２θをなして繋がっている。本実施形態では、このような形状の屈折率型導波路４１が、同様の平面形状を有するリッジ部をｐ型クラッド層が有することによって実現される。
レーザ光反射端４１ｂを所定の軸方向Ａに沿って反射したレーザ光Ｌは、側面４１ｃにおいて全反射され、側面４１ｄにおいて再度全反射されることによって再び所定の軸方向Ａに沿った方向に進む。そして、側面４１ｆにおいて全反射され、側面４１ｅにおいて再度全反射されることによって、所定の軸方向Ａに沿ってレーザ光出射端４１ａに入射することとなる。レーザ光出射端４１ａに達したレーザ光Ｌの一部はレーザ光出射端４１ａにおいて所定の軸方向Ａに沿って反射し、上記と同様の光路を逆に辿ってレーザ光反射端４１ｂに達する。このようにして、レーザ光Ｌは、レーザ光出射端４１ａとレーザ光反射端４１ｂとの間を共振することとなる。
本発明による半導体レーザ素子は、上記第１実施形態による屈折率型導波路４に限らず、本実施形態のような形状の屈折率型導波路４１を有してもよい。これによって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態の屈折率型導波路４１によれば、レーザ光Ｌを側面４１ｃ〜４１ｆにおいて第１実施形態よりも多くの回数全反射させているので、所定の軸方向Ａに沿った方向を進むレーザ光Ｌ以外のレーザ光を除去する効果が高まり、レーザ光Ｌの共振モードを単一モードにさらに近づけることができる。
（第３の実施の形態）
次に、本発明による半導体レーザ素子アレイ（半導体レーザ素子）の第３実施形態について説明する。図１３は、本実施形態による半導体レーザ素子が有する屈折率型導波路４２を示す平面図である。屈折率型導波路４２は、８つの側面４２ｃ〜４２ｊを備えている。このうち、側面４２ｃと側面４２ｄとが互いに対向しており、側面４２ｅと側面４２ｆとが互いに対向しており、側面４２ｇと側面４２ｈとが互いに対向しており、側面４２ｉと側面４２ｊとが互いに対向している。側面４２ｃの一端はレーザ光反射端４２ｂの一端に接しており、側面４２ｄの一端はレーザ光反射端４２ｂの他端に接している。側面４２ｃの他端は側面４２ｅの一端に繋がっており、側面４２ｄの他端は側面４２ｆの一端に繋がっている。側面４２ｅの他端は側面４２ｇの一端に繋がっており、側面４２ｆの他端は側面４２ｈの一端に繋がっている。側面４２ｇの他端は側面４２ｉの一端に繋がっており、側面４２ｈの他端は側面４２ｊの一端に繋がっている。側面４２ｉの他端はレーザ光出射端４２ａの一端に接しており、側面４２ｊの他端はレーザ光出射端４２ａの他端に接している。側面４２ｃ〜４２ｉは、それぞれ所定の軸方向Ａと角度θで交差している。側面４２ｃと側面４２ｅとは互いに角度２θをなして繋がっており、側面４２ｄと側面４２ｆとは互いに角度２θをなして繋がっている。側面４２ｅと側面４２ｇとは互いに角度２θをなして繋がっており、側面４２ｆと側面４２ｈとは互いに角度２θをなして繋がっている。側面４２ｇと側面４２ｉとは互いに角度２θをなして繋がっており、側面４２ｈと側面４２ｊとは互いに角度２θをなして繋がっている。本実施形態では、このような形状の屈折率型導波路４２が、同様の平面形状を有するリッジ部をｐ型クラッド層が有することによって実現される。
レーザ光反射端４２ｂを所定の軸方向Ａに沿って反射したレーザ光Ｌは、側面４２ｃ、４２ｄ、４２ｆ、４２ｅ、４２ｇ、４２ｈ、４２ｊ、４２ｉの順に全反射されることによって、所定の軸方向Ａに沿ってレーザ光出射端４２ａに入射することとなる。レーザ光出射端４２ａに達したレーザ光Ｌの一部はレーザ光出射端４２ａにおいて反射し、上記と同様の光路を逆に辿ってレーザ光反射端４２ｂに達する。このようにして、レーザ光Ｌは、レーザ光出射端４２ａとレーザ光反射端４２ｂとの間を共振する。
本発明による半導体レーザ素子は、本実施形態のような形状の屈折率型導波路４２を有してもよい。これによって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第４の実施の形態）
次に、本発明による半導体レーザ素子アレイ（半導体レーザ素子）の第４実施形態について説明する。図１４は、本実施形態による半導体レーザ素子が有する屈折率型導波路４３を示す平面図である。本実施形態の屈折率型導波路４３の形状は、以下の点を除いて上記第１実施形態と同様である。すなわち、本実施形態では、レーザ光反射端４３ｂにおいて所定の軸方向Ａに沿って反射したレーザ光Ｌが、側面４３ｃ及び４３ｄのそれぞれにおいて２回ずつ全反射するように、側面４３ｃと側面４３ｄとの間隔（屈折率型導波路４３の幅）及びレーザ光出射端４３ａ（光出射面１ａ）とレーザ光反射端４３ｂ（光反射面１ｂ）との間隔（すなわち屈折率型導波路４３の長さ）が設定されている。
レーザ光反射端４３ｂを所定の軸方向Ａに沿って反射したレーザ光Ｌは、側面４３ｃにおいて全反射され、側面４３ｄにおいて再度全反射されることによって再び所定の軸方向Ａに沿った方向に進む。そして、再び側面４３ｃにおいて全反射され、側面４３ｄにおいて全反射されることによって、所定の軸方向Ａに沿ってレーザ光出射端４３ａに入射することとなる。レーザ光Ｌの一部はレーザ光出射端４３ａにおいて所定の軸方向Ａに沿って反射し、上記と同様の光路を逆に辿ってレーザ光反射端４３ｂに達する。このようにして、レーザ光Ｌは、レーザ光出射端４３ａとレーザ光反射端４３ｂとの間を共振する。
本発明による半導体レーザ素子は、本実施形態のような形状の屈折率型導波路４３を有してもよい。これによって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、屈折率型導波路の側面においてレーザ光を全反射させる回数は、第１実施形態（各側面において一回ずつ）、及び本実施形態（各側面において二回ずつ）に限らず、任意の回数に設定することができる。また、本実施形態のように屈折率型導波路の側面における反射回数を多くするためには、屈折率型導波路の長さを長くするとよい。屈折率型導波路の長さを長く設定することにより、半導体レーザ素子からの熱放出を活発にして大出力化、長寿命化を図ることができる。
（第５の実施の形態）
次に、本発明による半導体レーザ素子アレイ（半導体レーザ素子）の第５実施形態について説明する。図１５は、本実施形態による半導体レーザ素子が有する屈折率型導波路４４を示す平面図である。本実施形態の屈折率型導波路４４の平面形状は、以下の点を除いて第１実施形態による屈折率型導波路４と同様である。すなわち、本実施形態の屈折率型導波路４４は、レーザ光出射端４４ａ側（すなわち光出射面１ａ側）の端部における側面４４ｇ及び４４ｈ、並びにレーザ光反射端４４ｂ側（すなわち光反射面１ｂ側）の端部における側面４４ｅ及び４４ｆが、所定の軸方向Ａに沿って形成されている。
具体的には、屈折率型導波路４４は、６つの側面４４ｃ〜４４ｈを備えている。このうち、側面４４ｃと側面４４ｄとが互いに対向しており、側面４４ｅと側面４４ｆとが互いに対向しており、側面４４ｇと側面４４ｈとが互いに対向している。側面４４ｅの一端はレーザ光反射端４４ｂの一端に接しており、側面４４ｆの一端はレーザ光反射端４４ｂの他端に接している。側面４４ｅの他端は側面４４ｃの一端に繋がっており、側面４４ｆの他端は側面４４ｄの一端に繋がっている。側面４４ｃの他端は側面４４ｇの一端に繋がっており、側面４４ｄの他端は側面４４ｈの一端に繋がっている。側面４４ｇの他端はレーザ光出射端４４ａの一端に接しており、側面４４ｈの他端はレーザ光出射端４４ａの他端に接している。側面４４ｃ及び４４ｄは、それぞれ所定の軸方向Ａと角度θで交差している。また、側面４４ｅ〜４４ｈは、それぞれ所定の軸方向Ａに沿って延びている。側面４４ｅと側面４４ｃとは互いに角度θをなして繋がっており、側面４４ｆと側面４４ｄとは互いに角度θをなして繋がっている。側面４４ｃと側面４４ｇとは互いに角度θをなして繋がっており、側面４４ｄと側面４４ｈとは互いに角度θをなして繋がっている。本実施形態では、このような形状の屈折率型導波路４４が、同様の平面形状を有するリッジ部をｐ型クラッド層が有することによって実現される。
レーザ光反射端４４ｂを所定の軸方向Ａに沿って反射したレーザ光Ｌは、側面４４ｃにおいて全反射され、側面４４ｄにおいて再度全反射されることによって、所定の軸方向Ａに沿ってレーザ光出射端４４ａに入射することとなる。レーザ光Ｌの一部はレーザ光出射端４４ａにおいて所定の軸方向Ａに沿って反射し、上記と同様の光路を逆に辿ってレーザ光反射端４４ｂに達する。このようにして、レーザ光Ｌは、レーザ光出射端４４ａとレーザ光反射端４４ｂとの間を共振することとなる。
本発明による半導体レーザ素子は、本実施形態のような形状の屈折率型導波路４４を有してもよい。これによって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態の屈折率型導波路４４では、屈折率型導波路４４の両端部の側面４４ｅ〜４４ｈが所定の軸方向Ａに沿って形成されているので、レーザ光出射端４４ａ及びレーザ光反射端４４ｂにおいて所定の軸方向Ａと異なる方向へ出射されるレーザ光Ｌ（サイドモード光）を抑制することができる。従って、本実施形態の屈折率型導波路４４によれば、レーザ光Ｌの出射角をより小さくすることができる。なお、所定の軸方向に沿った側面は、屈折率型導波路のレーザ光出射端４４ａ側（すなわち光出射面１ａ側）の端部のみに形成されてもよく、屈折率型導波路のレーザ光反射端４４ｂ側（すなわち光反射面１ｂ側）の端部のみに形成されてもよい。
（第６の実施の形態）
次に、本発明による半導体レーザ素子アレイ（半導体レーザ素子）の第６実施形態について説明する。図１６は、本実施形態による半導体レーザ素子３ａが有する屈折率型導波路４５付近を示す平面図である。本実施形態の屈折率型導波路４５の平面形状は、以下の点を除いて第１実施形態による屈折率型導波路４と同様である。すなわち、本実施形態の屈折率型導波路４５は、レーザ光反射端４５ｂ側（すなわち光反射面１ｂ側）の端部における側面４５ｅ及び４５ｆが、所定の軸方向Ａに沿って形成されている。
具体的には、屈折率型導波路４５は、４つの側面４５ｃ〜４５ｆを備えている。このうち、側面４５ｃと側面４５ｄとが互いに対向しており、側面４５ｅと側面４５ｆとが互いに対向している。側面４５ｅの一端はレーザ光反射端４５ｂの一端に接しており、側面４５ｆの一端はレーザ光反射端４５ｂの他端に接している。側面４５ｅの他端は側面４５ｃの一端に繋がっており、側面４５ｆの他端は側面４５ｄの一端に繋がっている。側面４５ｃの他端はレーザ光出射端４５ａの一端に接しており、側面４５ｄの他端はレーザ光出射端４５ａの他端に接している。側面４５ｃ及び４５ｄは、それぞれ所定の軸方向Ａと角度θで交差している。また、側面４５ｅ及び４５ｆは、それぞれ所定の軸方向Ａに沿って延びている。側面４５ｅと側面４５ｃとは互いに角度θをなして繋がっており、側面４５ｆと側面４５ｄとは互いに角度θをなして繋がっている。本実施形態では、このような形状の屈折率型導波路４５が、同様の平面形状を有するリッジ部をｐ型クラッド層が有することによって実現される。なお、屈折率型導波路４５のうち、側面４５ｃ及び４５ｄによって規定される部分の長さは例えば１２００μｍであり、側面４５ｅ及び４５ｆによって規定される部分の長さは例えば３０μｍである。また、屈折率型導波路４５の幅（側面間隔）は、例えば３０μｍである。
レーザ光反射端４５ｂを所定の軸方向Ａに沿って反射したレーザ光Ｌは、側面４５ｃにおいて全反射され、側面４５ｄにおいて再度全反射されることによって、所定の軸方向Ａに沿ってレーザ光出射端４５ａに入射することとなる。レーザ光Ｌの一部はレーザ光出射端４５ａにおいて所定の軸方向Ａに沿って反射し、上記と同様の光路を逆に辿ってレーザ光反射端４５ｂに達する。このようにして、レーザ光Ｌは、レーザ光出射端４５ａとレーザ光反射端４５ｂとの間を共振することとなる。
また、本実施形態の半導体レーザ素子３ａは、更に、周期的な回折格子（グレーティング）７１ａ及び７１ｂを備える。回折格子７１ａ及び７１ｂは、導波路４５内部を共振するレーザ光Ｌの波長を選択するための波長選択手段であり、導波路４５の少なくとも一部（本実施形態では、側面４５ｅ及び４５ｆによって構成される部分）に沿って設けられている。
図１７は、図１６に示した半導体レーザ素子３ａのIV−IV断面の一部を示す断面図である。図１７を参照すると、回折格子７１ａは、導波路４５に沿ってｐ型クラッド層１７の内部に形成されている。この回折格子７１ａのピッチｐは、モード次数をＭ、導波路４５の屈折率をｎ、発振波長をλとしてｐ＝Ｍ×λ／２ｎによって決定される。例えば、発振波長λ＝９４０ｎｍ、屈折率ｎ＝３．４とすると、１次モードではピッチｐ＝１３８ｎｍ、２次モードではピッチｐ＝２７６ｎｍとなる。
図１８（ａ）〜図１８（ｃ）は、回折格子７１ａの形成工程の一例を示す図である。まず、図１８（ａ）に示すように、基板１１上にｎ型クラッド層１３、活性層１５、及び一部のｐ型クラッド層１７ａを順次成長させた後、ｐ型クラッド層１７ａ上に周期的な開口７３ａを有するレジスト膜７３を形成する。このとき、レジスト膜７３の開口７３ａの形成方法としては、マッハツェンダー干渉系などによるレーザ光の干渉縞を用いる光束干渉露光法や、電子ビームをレジスト膜７３に当てることにより開口７３ａを形成する電子ビーム直描法などを用いることができる。そして、レジスト膜７３を介してｐ型クラッド層１７ａをエッチングすることにより、図１８（ｂ）に示すように、ｐ型クラッド層１７ａの表面に回折格子７１ａが形成される。続いて、図１８（ｃ）に示すように、ｐ型クラッド層１７ａ上に残りのｐ型クラッド層１７ｂを成長させる。こうして、ｐ型クラッド層１７の内部に回折格子７１ａが形成される。なお、この例では回折格子７１ａをｐ型クラッド層１７の内部に形成しているが、活性層１５とｐ型クラッド層１７との境界面に回折格子を形成してもよい。また、半導体レーザ素子がｐ型クラッド層と活性層との間に光ガイド層を備える場合には、光ガイド層とｐ型クラッド層との境界面や、活性層と光ガイド層との境界面、或いは光ガイド層の内部などに回折格子を形成してもよい。
図１９（ａ）は、図１６に示した半導体レーザ素子３ａのV−V断面を示す断面図である。また、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）に示した半導体レーザ素子３ａのVI−VI断面の一部を示す断面図である。なお、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）においては、絶縁層２１及びｐ側電極層２３の図示を省略している。図１９（ａ）及び図１９（ｂ）を参照すると、回折格子７１ｂは、導波路４５の側面４５ｅ及び４５ｆに沿ったｐ型クラッド層１７の薄肉領域１０の表面に形成されている。なお、回折格子７１ｂの形成方法の一例としては、ｐ型クラッド層１７をエッチングして薄肉領域１０を形成（図５（ｂ）参照）した後に、薄肉領域１０の表面を、周期的な開口を有するレジスト膜を介してエッチングするといった方法がある。なお、回折格子７１ｂは、回折格子７１ａのピッチｐと同じピッチｐで形成される。
本実施形態の半導体レーザ素子３ａのように、半導体レーザ素子は、導波路４５内を共振するレーザ光Ｌの波長を選択するための波長選択手段（回折格子７１ａ及び７１ｂ）を更に備えることが好ましい。導波路４５の側面４５ｃ及び４５ｄにおける臨界角余角θｃは、側面４５ｃ及び４５ｄにおいて反射するレーザ光Ｌの波長に依存する。本実施形態の半導体レーザ素子３ａによれば、導波路４５内を共振するレーザ光Ｌの波長を回折格子７１ａ及び７１ｂによって選択することにより、導波路４５の側面４５ｃ及び４５ｄにおける臨界角余角θｃのばらつきを無くし、レーザ光Ｌの光路を効率よく制限することができる。
また、本発明による半導体レーザ素子は、本実施形態のような形状の屈折率型導波路４５を有してもよい。これによって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態の屈折率型導波路４５では、屈折率型導波路４５の一端部の側面４５ｅ及び４５ｆが所定の軸方向Ａに沿って形成されているので、所定の軸方向Ａと異なる方向へ出射されるレーザ光Ｌ（サイドモード光）を抑制することができる。
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、本実施形態による半導体レーザ素子３ａの変形例を示す平面図である。図２０（ａ）を参照すると、導波路４５の少なくとも一部に沿った波長選択手段として回折格子７１ａのみが設けられている。また、図２０（ｂ）を参照すると、導波路４５の少なくとも一部に沿った波長選択手段として回折格子７１ｂのみが設けられている。これらのように、回折格子７１ａ及び７１ｂは、それぞれ単独で設けられてもよく、導波路４５内を共振するレーザ光Ｌの波長を好適に選択できる。
（第７の実施の形態）
続いて、本発明による半導体レーザ素子（半導体レーザ素子アレイ）の第７実施形態について説明する。図２１は、本実施形態による半導体レーザ素子３ｂの導波路４付近の構成を示す平面図である。本実施形態の半導体レーザ素子３ｂと第１実施形態の半導体レーザ素子３との相違点は、誘電体多層膜７７の有無である。誘電体多層膜７７は、導波路４内部を共振するレーザ光Ｌの波長を選択するための波長選択手段である。
誘電体多層膜７７は、半導体レーザ素子３ｂの光出射面１ａ上に設けられている。なお、誘電体多層膜７７は、光反射面１ｂ上に設けられてもよく、光出射面１ａ及び光反射面１ｂの双方の上に設けられてもよい。誘電体多層膜７７は、例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２、α−Ｓｉ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３などの誘電体材料からなる。本実施形態の誘電体多層膜７７は、例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２が交互に積層されてなる。誘電体多層膜７７は、例えばスパッタリングや電子ビーム蒸着などの方法によって光出射面１ａ上に形成される。誘電体多層膜７７の各層の層厚ｔは、各材料の屈折率をｎ、選択波長をλとしてｔ＝λ／４ｎに設定される。
半導体レーザ素子が備える波長選択手段は、本実施形態のような誘電体多層膜７７を含んでもよい。半導体レーザ素子３ｂが誘電体多層膜７７を備えることによって、導波路４内を共振するレーザ光Ｌの波長が選択されるので、導波路４の側面４ｃ及び４ｄにおける臨界角余角θｃのばらつきを無くし、レーザ光Ｌの光路を効率よく制限することができる。
（第８の実施の形態）
続いて、本発明による半導体レーザ素子（半導体レーザ素子アレイ）の第８実施形態について説明する。図２２は、本実施形態による半導体レーザ素子３ｃの導波路４付近の構成を示す平面図である。本実施形態の半導体レーザ素子３ｃと第１実施形態の半導体レーザ素子３との相違点は、波長選択素子７９の有無である。波長選択素子７９は、導波路４内部を共振するレーザ光Ｌの波長を選択するための波長選択手段である。
波長選択素子７９としては、エタロンや部分反射ミラー（例えば反射率３０％）などが好適に用いられる。波長選択素子７９は、半導体レーザ素子３ｃの光出射面１ａと対向する位置に設けられる。なお、波長選択素子７９は、半導体レーザ素子３ｃに固定されていてもよいし、光学系において半導体レーザ素子３ｃと並んで固定されていてもよい。また、波長選択素子は、光反射面１ｂと対向する位置に設けられてもよく、光出射面１ａと対向する位置及び光反射面１ｂと対向する位置のそれぞれに設けられてもよい。波長選択素子７９と対向する半導体レーザ素子３ｃの面（本実施形態では光出射面１ａ）の面上には、反射防止膜（ＡＲコート）８１が設けられることが好ましい。
半導体レーザ素子が備える波長選択手段は、本実施形態のような波長選択素子を含んでもよい。半導体レーザ素子３ｃが波長選択素子７９を備えることによって、導波路４内を共振するレーザ光Ｌの波長が選択されるので、導波路４の側面４ｃ及び４ｄにおける臨界角余角θｃのばらつきを無くし、レーザ光Ｌの光路を効率よく制限することができる。なお、波長選択素子としては、例示したエタロンや部分反射ミラー以外にも、同様の機能をもつ様々な素子を用いることができる。
また、波長選択手段としては、上述した第６実施形態の回折格子７１ａや７１ｂ、第７実施形態の誘電体多層膜７７、及び第８実施形態の波長選択素子７９のうち、２つ以上の構成を用いても良い。また、波長選択手段としては、これら以外にも同様の機能をもつ様々な手段を用いることができる。
本発明による半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子アレイは、上記各実施形態及び変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態ではＧａＡｓ系半導体レーザ素子を例示したが、本発明の構成は、ＧａＮ系やＩｎＰ系など、他の材料系の半導体レーザ素子にも適用できる。
本発明による半導体レーザ素子アレイの第１実施形態の構成を示す概略斜視図である。 図１に示した半導体レーザ素子アレイのＩ−Ｉ断面を示す拡大断面図である。 ｐ型クラッド層１７を含む積層体８の斜視図である。 （ａ）積層体の平面図である。（ｂ）（ａ）に示した積層体のII−II断面を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）各製造工程における半導体レーザ素子アレイの拡大断面図を示している。 リッジ部に対応して形成される屈折率型導波路の形状を示す平面図である。 屈折率型導波路の側面に様々な入射角θｉで入射するレーザ光について説明するための図である。 角θの大きさが許容される範囲を説明するためのグラフである。 （ａ）本実施例による半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示すグラフである。（ｂ）半導体レーザ素子のレーザ光出射端から出射されたレーザ光の水平方向の遠視野像を示すグラフである。 （ａ）従来の共振器の電流−光出力特性を示すグラフである。（ｂ）従来の共振器から出射されたレーザ光の水平方向の遠視野像を示すグラフである。 （ａ）半導体レーザ素子アレイの電流−光出力特性を示すグラフである。（ｂ）本実施例に係る半導体レーザ素子アレイが備える各半導体レーザ素子のレーザ光出射端から出射されたレーザ光の水平方向の遠視野像を示すグラフである。 第２実施形態による半導体レーザ素子が有する屈折率型導波路を示す平面図である。 第３実施形態による半導体レーザ素子が有する屈折率型導波路を示す平面図である。 第４実施形態による半導体レーザ素子が有する屈折率型導波路を示す平面図である。 第５実施形態による半導体レーザ素子が有する屈折率型導波路を示す平面図である。 第６実施形態による半導体レーザ素子が有する屈折率型導波路付近を示す平面図である。 図１６に示した半導体レーザ素子のIV−IV断面の一部を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）回折格子の形成工程の一例を示す図である。 （ａ）図１６に示した半導体レーザ素子のV−V断面を示す断面図である。（ｂ）（ａ）に示した半導体レーザ素子のVI−VI断面の一部を示す断面図である。 （ａ）（ｂ）第６実施形態による半導体レーザ素子の変形例を示す平面図である。 第７実施形態による半導体レーザ素子の導波路付近の構成を示す平面図である。 第８実施形態による半導体レーザ素子の導波路付近の構成を示す平面図である。 （ａ）従来の共振器の構成を示す平面図である。（ｂ）（ａ）のVII−VII断面及びVIII−VIII断面における屈折率分布を示す図である。
符号の説明
１…半導体レーザ素子アレイ、１ａ…光出射面、１ｂ…光反射面、３…半導体レーザ素子、４，４１〜４４…屈折率型導波路、４ａ，４１ａ〜４４ａ…レーザ光出射端、４ｂ，４１ｂ〜４４ｂ…レーザ光反射端、４ｃ，４ｄ，４１ｃ〜４１ｆ，４２ｃ〜４２ｊ，４３ｃ，４３ｄ，４４ｃ〜４４ｈ…側面、８…積層体、９…リッジ部、９ａ…第１端面、９ｂ…第２端面、９ｃ、９ｄ…側面、１０…薄肉領域、１１…基板、１３…ｎ型クラッド層、１５…活性層、１７…ｐ型クラッド層、１９…キャップ層、２１…絶縁層、２１ａ…開口部、２３…ｐ側電極層、２５…凸部、２９…ｎ側電極層、５１…保護マスク。

Claims (7)

  1. 第１導電型クラッド層と、
    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第２導電型クラッド層との間に設けられた活性層と、
    所定の軸方向に並んで設けられ、互いに対向する光出射面及び光反射面と
    を備え、
    前記第１導電型クラッド層が、前記活性層に屈折率型導波路を形成するリッジ部を有し、
    前記リッジ部が、前記所定の軸方向と交差する互いに対向する一対の側面を有し、
    前記リッジ部の前記一対の側面と前記所定の軸方向とのなす角θが、θｃ−１°≦θ≦θｃ（θｃは、前記屈折率型導波路の側面における全反射臨界角余角）の範囲内であり、
    前記リッジ部の前記光出射面側の端部及び前記光反射面側の端部のうち少なくとも一方の端部における側面が、前記所定の軸方向に沿っており、
    前記少なくとも一方の端部により形成される前記屈折率型導波路の部分に沿って周期的な回折格子が設けられていることを特徴とする、半導体レーザ素子。
  2. 前記光出射面と前記光反射面との間で共振する光が、前記リッジ部の前記一対の側面に対応する前記屈折率型導波路の一対の側面のそれぞれにおいて同じ回数反射するように、前記光出射面と前記光反射面との間隔及び前記リッジ部の前記一対の側面同士の間隔が設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記リッジ部の前記一対の側面と前記所定の軸方向とのなす角θが、前記全反射臨界角余角θｃと略一致していることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記屈折率型導波路内を共振する光の波長を選択するための波長選択手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記波長選択手段が、前記光出射面及び前記光反射面のうち少なくとも一方の面上に設けられた誘電体多層膜を含むことを特徴とする、請求項４に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記波長選択手段が、前記光出射面及び前記光反射面のうち少なくとも一方の面に対向して配置された波長選択素子を含むことを特徴とする、請求項４または５に記載の半導体レーザ素子。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子を複数備え、
    前記複数の半導体レーザ素子が、前記リッジ部の長手方向と交差する方向に並んで配置されて一体に形成されていることを特徴とする、半導体レーザ素子アレイ。
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