JP5326511B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体レーザ装置に関するものである。
例えば、非特許文献1に開示されているように、結晶成長方向に基本モードで発振する半導体レーザ装置が知られている。非特許文献1の半導体レーザ装置では、層の厚さ（層厚）が大きいガイド層の中心に、活性層が配置されている。
特開２００１−２９８２４１号公報 特開２００２−３２４９４８号公報 J. Sebastian et. al.、 "High-Power 810-nm GaAsP-AlGaAs Diode Lasers With Narrow Beam Divergence、" IEEE J. Select. Topics Quantum Electron.、 vol. 7、 No. 2、 pp.334-339、2001
近年、消費電力を低減するために、電気変換効率の高い半導体レーザ装置の必要性が高まっている。このためには、しきい値電流を低減するのが有効である。
しきい値電流は、活性層への光閉じ込め率を大きくすることにより、低減できる。しかしながら、結晶成長方向に基本モードで発振する半導体レーザ装置では、光閉じ込め率を大きくするのには限界があった。
この発明の目的は、2次以上の高次モードを許容する（すなわち３つ以上のモードを許容する）半導体レーザ装置において、しきい値電流を低減することで、電気変換効率の高い半導体レーザ装置を提供することである。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、半導体レーザ装置であって、
ｎ型クラッド層と、
ｐ型クラッド層と、
前記n型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、その内部に複数の活性層を有しかつ結晶成長方向に３つ以上のモードを許容する光導波部を備え、
前記複数の活性層の個数が、前記３つ以上のモードのうち基本モード以外の１つのモードである特定高次モードが有する電界極値の数以上の個数であり、
前記活性層が、前記光導波部内における前記特定高次モードの複数の電界極値の各々の位置の近傍に、少なくとも１つずつ設けられ、
前記３つ以上のモードのうち前記特定高次モードの活性層の光閉じ込め率が他のモードに比べて大きく、前記特定高次モードのみが発振することを特徴とする。
第１の発明に係る半導体レーザ装置は、結晶成長方向に3つ以上のモードが許容される半導体レーザ装置において、複数の活性層を、特定高次モードの電界が極値となる複数の箇所の近傍に配置することができる。ここで、特定高次モードとは、許容された３つ以上のモードのうち基本モード以外の１つのモードを意味する。これにより、結晶成長方向に基本モードのみで発振する半導体レーザ装置に比べて、光閉じ込め率を大きくすることができる。そして、特定高次モードのみを発振させることができるので、多モード発振によるモード競合を抑えることができる。結果、モード競合を抑えつつ、しきい値電流を低減して電気変換効率の高い半導体レーザ装置を提供することができる。
実施の形態のための基本的説明．
以下、実施の形態の説明に先立って、実施の形態の理解を容易にするための基本的な説明を行う。図1は、この基本的説明のために示す半導体レーザ装置の斜視図である。この半導体レーザ装置は、発振波長810nm帯の半導体レーザ装置である。図1において、符号と構成の対応は次の通りである。すなわち、1はn電極、2はn型GaAs基板、3はn型(AlxGa1-x)0.51In0.49Pクラッド層(Al組成比xは0.30、厚さは1.5μm)を指す。また、4はn側In0.49Ga0.51Pガイド層(厚さは250nm)、5はGaAs1-yPy活性層(y=0.12、厚さは10nm)、6はIn0.49Ga0.51P バリア層 (厚さは500nm)、7はGaAs1-yPy活性層(y=0.12、厚さは10nm)、 8はp側In0.49Ga0.51Pガイド層(厚さは250nm)、である。また、9はp型(AlxGa1-x)0.51In0.49Pクラッド層(Al組成比xは0.30、厚さは1.5μm)、10はp型GaAsコンタクト層、11はp電極、12はプロトン注入領域である。
この半導体レーザ装置に順方向のバイアスをかけることにより、n型(AlxGa1-x)0.51In0.49Pクラッド層3から電子を、p型(AlxGa1-x)0.51In0.49Pクラッド層9からホール(正孔)をそれぞれGaAs1-yPy活性層5、7に注入する。その際、電子とホールは、n側In0.49Ga0.51Pガイド層4 、In0.49Ga0.51P バリア層6及びp側In0.49Ga0.51Pガイド層8を介して、GaAs1-yPy活性層5やGaAs1-yPy活性層7に注入される。
図2に、図1の半導体レーザ装置の屈折率分布(破線)、基本モードの電界分布(実線)及び1次モードの電界分布(一点鎖線)を示す。この構造では、結晶成長方向(y)方向に、基本モード以外に1次モードが許容される。基本モードの光閉じ込め率は2つの活性層を合わせて2.2%であるのに対して、1次モードの光閉じ込め率は2.4%と大きいため、1次モードが選択的に発振することになる。ここで、光閉じ込め率とは、活性層に閉じ込められる光密度の割合である。
比較のため、バリア層6がなく、n側In0.49Ga0.51Pガイド層及びp側In0.49Ga0.51Pガイド層の層の厚さがそれぞれ500nmで、活性層がその中心にある、単一活性層の場合の光閉じ込め率を求めたところ1.6%であった。活性層を2つとしてそれを1次モードの電界の極値位置近傍に配置すると光閉じ込め率は2.4%と非常に大きくなる。その結果、しきい値電流の低減が図れ、ひいては電気変換効率を向上させることができる。
すなわち、これと同様に、より高次のモードまで許容する半導体レーザ装置において、1次モード、2次モードなどの高次モードから１つの高次モードを選択する。この選択された１つの高次モードの電界極値位置近傍に、少なくとも１つずつ、活性層を配置する。これにより、光閉じ込め率を大きくすることができる。その結果、しきい値電流の低減が図れ、ひいては電気変換効率を向上させることができる。
以上、実施の形態の理解を容易にするための基本的な説明を行った。続いて、本発明の実施の形態1、2を、それぞれ説明する。
実施の形態1．
図3は、この発明の実施の形態１にかかる、発振波長810nm帯の半導体レーザ装置を示す斜視図である。実施の形態1にかかる半導体レーザ装置は、2次モードまでを許容するものである。また、本実施形態では、活性層を3つ備えている。この3つの活性層が、2次モードの電界の極値位置近傍に配置されている。
［実施の形態1の構成］
先ず、実施の形態1の半導体レーザ装置の構成を、図3を用いて説明する。図3において、13はn側In0.49Ga0.51Pガイド層(厚さは100nm)、14はGaAs1-yPy活性層(y=0.12、厚さは10nm)、15はIn0.49Ga0.51P バリア層 (厚さは500nm)、16はGaAs1-yPy活性層(y=0.12、厚さは10nm)、 17はIn0.49Ga0.51P バリア層 (厚さは500nm)、18はGaAs1-yPy活性層(y=0.12、厚さは10nm)、19はp側In0.49Ga0.51Pガイド層(厚さは100nm)である。その他は、図1と同じである。
図5に、実施の形態1の半導体レーザ装置の屈折率分布(破線)、基本モードの電界分布(実線)及び2次モードの電界分布(一点鎖線)を示す。本実施形態にかかる構造では、結晶成長方向(y)方向に、基本モード、1次モード及び2次モードの3つが許容される。図5では、便宜上、基本モードと2次モードのみを示し、1次モードは図示を省略している。基本モード、1次モード及び2次モードの光閉じ込め率は3つの活性層を合わせてそれぞれ1.7%、2.0%及び2.8%である。2次モードの光閉じ込め率が2.8%と最も大きいので、2次モードが選択的に発振することになる。ここで、光閉じ込め率とは、活性層に閉じ込められる光密度の割合である。
［実施の形態1の効果］
次に、実施の形態1の半導体レーザ装置の効果を説明する。比較例として、バリア層15及び17がなく、n側In0.49Ga0.51Pガイド層13及びp側In0.49Ga0.51Pガイド層19の層の厚さがそれぞれ600nmで、活性層がその中心にある単一活性層の半導体レーザ装置を考える。この比較例の場合の光閉じ込め率を求めたところ、1.4%である。
これに対し、本実施形態のように活性層を3つとしてそれを2次モードの電界の極値位置近傍に配置すると、2次モードの光閉じ込め率は2.8%と非常に大きくなる。このため、しきい値電流の低減が図れ、ひいては電気変換効率の増大が図れる。なお、本実施形態において活性層を配置する位置である「電界の極値位置近傍」とは、電界の極値の絶対値の1/2の値以上の電界を示す位置よりも内側（極値に近い側）の領域とすることが好ましい。すなわち、図4に示すように、電界極値Epの半分の値であるEp/2に応じた２つの電界値の内側の領域Wに、GaAs1-yPy活性層14を収めることが好ましい。
また、本実施形態では、2次モードの光閉じ込め率が最も高くなっている。従って、導波路構造としては基本モード、1次モード及び2次モードの3つのモードが許容されるものの、2次モードのみが選択的に発振する。このため、多モード発振に起因するモード競合を、抑制することができる。
尚、実施の形態1では、n型(AlxGa1-x)0.51In0.49Pクラッド層3が、前記第１の発明における「n型クラッド層」に、p型(AlxGa1-x)0.51In0.49Pクラッド層9が、前記第１の発明における「p型クラッド層」に、それぞれ相当している。また、実施の形態1では、n側In0.49Ga0.51Pガイド層13、GaAs1-yPy活性層14、In0.49Ga0.51P バリア層15、GaAs1-yPy活性層16、In0.49Ga0.51Pバリア層17、GaAs1-yPy活性層18、p側In0.49Ga0.51Pガイド層19の多層構造が、前記第１の発明における「光導波部」に相当している。また、実施の形態1では、GaAs1-yPy活性層14、GaAs1-yPy活性層16、GaAs1-yPy活性層18が、それぞれ、前記第１の発明にかかる「活性層」に相当している。
実施の形態2
実施の形態2は、実施の形態1と同様に、2次モードまで許容された半導体レーザ装置に関する。しかしながら、実施の形態2は、実施の形態1とは、活性層の数およびその位置が異なっている。すなわち、実施の形態1では活性層の数が3つだったのに対し、実施の形態2では活性層の数は2つである。そして、実施の形態1では2次モードの電界極値位置に合わせて活性層が配置されたのに対し、実施の形態2では1次モードの電界の極値位置の近傍にそれぞれ１つずつ活性層が配置されている。
［実施の形態2の構成］
先ず、実施の形態2の半導体レーザ装置の構成を、図5を用いて説明する。図5は、この発明の実施の形態2にかかる、発振波長810nm帯の半導体レーザ装置を示す斜視図である。図において、20はn側In0.49Ga0.51Pガイド層(厚さは300nm)、21はIn0.49Ga0.51P バリア層 (厚さは600nm)、22はp側In0.49Ga0.51Pガイド層(厚さは300nm)である。尚、その他は図1と同じである。
本実施形態の構造では、結晶成長方向(y)方向に、基本モード、1次モード及び2次モードの3つが許容される。基本モード、1次モード及び2次モードの光閉じ込め率は2つの活性層を合わせてそれぞれ1.8%、2.2%及び0%である。1次モードの光閉じ込め率は2.2%と最も大きいため、1次モードが選択的に発振することになる。
［実施の形態2の効果］
次に、実施の形態2の半導体レーザ装置の効果を説明する。比較例として、バリア層21がなく、n側In0.49Ga0.51Pガイド層及びp側In0.49Ga0.51Pガイド層の層の厚さがそれぞれ600nmで、活性層がその中心にある、単一活性層の場合を考える。この比較例の場合には、光閉じ込め率は1.4%である。
これに対し、実施の形態2のように、3つのモードが許容される構造において2つの活性層を1次モードの電界の極値位置近傍に配置すると、光閉じ込め率は2.2%と非常に大きくなる。このため、しきい値電流の低減が図れ、ひいては電気変換効率の増大が図れる。
また、本実施形態によれば、導波路構造としては基本モード、1次モード及び2次モードの3つのモードが許容されるものの、1次モードの光閉じ込め率が最も高いので1次モードのみが選択的に発振する。このため、多モード発振に起因するモード競合を、抑制することができる。
実施の形態の変形例．
上記の実施の形態では2次モードまで許容される半導体レーザの例を示した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。更なる高次モード（3次、4次その他の高次モード）が許容される半導体レーザ装置に対しても適用可能である。すなわち、結晶成長方向にm次モード(但し、m＞2)まで許容される半導体レーザ装置において、活性層の位置を、n次モード(但し、n≦m)の電界が極値となるn+1箇所の近傍に配置すればよい。その結果、実施の形態1、2で述べたのと同様に、しきい値電流低減および電気変換効率の向上が図れる。また、n次モードのみを選択的に発振させることができ、モード競合は抑制される。
なお、ここでのn次モードは、半導体レーザ装置が許容する３つ以上のモード（少なくとも基本モード、1次モード、2次モードを含む、3つ以上のモード）の中から選択された、基本モード以外の１つのモードである。つまり、1次モード以上の何れかの１つの高次モードである。このn次モードが、前記第１の発明にかかる「特定高次モード」に相当している。
また、本発明は、上記の実施の形態における層の厚さや組成のみに限定されるものではない。
なお、上記の実施の形態にかかる半導体レーザ装置においては、電流注入効率を高めるための電流狭窄方法として、プロトン注入による方法が用いられた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。絶縁膜による方法、リッジ形成等の導波路による方法、n-GaAs半導体層を埋め込む等の電流ブロック層を挿入する方法等が用いられた半導体レーザ装置でもよい。
また、上記の実施の形態においては、結晶成長方向と垂直な方向に屈折率分布を設けない半導体レーザを例にその効果を説明したがこれに限るものではなく、リッジ構造等で結晶成長方向と垂直な方向に屈折率分布をもたせたブロードエリア半導体レーザ、水平横モードがひとつであるシングルモード半導体レーザにも適用が可能である。
上記の実施の形態においては、発振波長810nmの半導体レーザを例に示した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。発振波長400nm帯の青色半導体レーザ、660nm帯の赤色半導体レーザ、780nm帯半導体レーザ、900nm帯半導体レーザ、1300nm帯半導体レーザ、1550nm帯半導体レーザ等、その他の波長で発振する半導体レーザでも実現可能である。
上記の実施の形態にかかる構成は、DVD書き込み用の情報処理用、NdドープYAG(Nd:YAG)レーザやYbドープYAG(Yb:YAG)レーザ等の固体レーザ、Ybドープファイバーレーザ、Erドープファイバアンプ等の励起光源用、及び光通信用といった半導体レーザ装置に適用することができる。
なお、特許文献１には、1次モードまでを許容する半導体レーザ装置において、1次モードの光強度極値から0.1μｍ以内、1つ以上の量子井戸構造を配置する構成が開示されている。しかしながら、特許文献1には「光導波層の合計膜厚が大きく（具体的には1.4μｍ以上との記載有）となると多モードとなりモード競合が起こるという問題がある。」との記載があり、モード競合の発生が問題視されている。この記載からもわかるように特許文献１は2次以上の高次モードに対して消極的である。すなわち、特許文献１では2次以上の高次モードについては考慮されていない。一方、本発明の実施の形態1、2にかかる半導体レーザ装置によれば、2次モード以上を許容する半導体レーザ装置において、2次モード以上の高次モードのうち１つの特定の高次モードのみを発振させることができる。従って、モード競合の問題を防止しつつ、2次モード以上を許容する半導体レーザ装置において、しきい値電流低減ひいては電気変換効率向上の効果を得ることができる。
また、上記実施の形態にかかる半導体レーザ装置と、特許文献１にかかる半導体レーザ装置との間には、下記の相違点を見出すことができる。
特許文献1の段落００２９には、特許文献１の半導体レーザ装置は従来の半導体レーザ装置に比べてしきい値電流が高いという記載がある。しきい値電流は、半導体レーザ装置の利得と損失とによって決まる。通常は、活性層（ウエル）数が増えるに従い、利得が正に反転する注入電流は増える。損失が小さい半導体レーザ装置（例えば、端面反射率を高くして、共振器の外へ余り光を取り出さない構造のもの）では、しきい値電流が大きくなる場合がある。特許文献１の半導体レーザ装置は、このような半導体レーザ装置と考えることがきる。
一方、活性層（ウエル）数が増すと，注入電流に対する飽和利得が高くなる。大出力の半導体レーザ装置のように共振器外へ多く光と出射するような場合は端面反射率を低めに設計するので、飽和利得が高いほどしきい値電流は低下する。上記実施の形態にかかる半導体レーザ装置は、このような半導体レーザ装置に相当している。
また、上記実施の形態にかかる半導体レーザ装置によれば、しきい値電流の低減、ひいては電気変換効率の向上が実現される。つまり、エネルギー消費量の削減が可能である。また、例えば、半導体レーザ装置の小型化や原材料の減量化等の効果が期待できる。また、長寿命化や、生産工程上の利点、ライフサイクルアセスメント（LCA）すなわち製品のライフサイクルにおける各段階での環境負荷低減などの効果が期待できる。
実施の形態の説明に先立って、基本的な説明を行うために示す半導体レーザ装置を示す斜視図である。 図１の半導体レーザ装置における、屈折率分布及び電界分布を示す図である。 この発明の実施の形態1における半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態1の半導体レーザ装置における、屈折率分布及び電界分布を示す図である。 この発明の実施の形態2における半導体レーザ装置を示す斜視図である。
符号の説明
1 n電極
2 n型GaAs基板
3 n型(AlxGa1-x)0.51In0.49Pクラッド層
4 n側In0.49Ga0.51Pガイド層
5 GaAs1-yPy活性層
6 In0.49Ga0.51P バリア層
7 GaAs1-yPy活性層
8 p側In0.49Ga0.51Pガイド層
9 p型(AlxGa1-x)0.51In0.49Pクラッド層
10 p型GaAsコンタクト層
11 p電極
12 プロトン注入領域
13 n側In0.49Ga0.51Pガイド層
14 GaAs1-yPy活性層
15 In0.49Ga0.51P バリア層
16 GaAs1-yPy活性層
17 In0.49Ga0.51P バリア層
18 GaAs1-yPy活性層
19 p側In0.49Ga0.51Pガイド層
20 n側In0.49Ga0.51Pガイド層
21 In0.49Ga0.51P バリア層
22 p側In0.49Ga0.51Pガイド層

Claims (5)

  1. ｎ型クラッド層と、
    ｐ型クラッド層と、
    前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、その内部に複数の活性層を有しかつ結晶成長方向に３つ以上のモードを許容する光導波部と、
    を備え、
    前記複数の活性層の個数が、前記３つ以上のモードのうち基本モード以外の１つのモードである特定高次モードが有する電界極値の数以上の個数であり、
    前記活性層が、前記光導波部内における前記特定高次モードの複数の電界極値の各々の位置の近傍に、少なくとも１つずつ設けられ、
    前記３つ以上のモードのうち前記特定高次モードの活性層の光閉じ込め率が他のモードに比べて大きく、前記特定高次モードのみが発振することを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記特定高次モードが２次モード以上のいずれかのモードであり、
    前記特定高次モードが有する３つ以上の電界極値位置のそれぞれの近傍に、少なくとも１つずつ、前記活性層が設けられたことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記特定高次モードが、許容された３つ以上のモードのうち最も高次のモードであることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  4. 請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
    結晶成長方向に許容されるモードが２次モードまでであり、
    前記特定高次モードが２次モードであり、
    前記特定高次モードが有する３つの電界極値位置のそれぞれの近傍に、少なくとも１つずつ、前記活性層が設けられたことを特徴とする半導体レーザ装置。
  5. 前記電界極値の位置と、該電界極値の位置の近傍に設けられた活性層とが、該電界極値の大きさが１／２まで減衰する距離よりも近くに配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
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