JP5850366B2 - 半導体レーザ素子及びレーザビーム偏向装置 - Google Patents
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Description
b1=b2=b0/√(1−sin2δθ)
δθ=φ−sin−1(sinθ3/ndev)
・コンタクト層6:P型のGaAs/50〜500nm
・上部クラッド層5:P型のAlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/1.0〜3.0μm
・フォトニック結晶層4:
基本層4A:GaAs/50〜200nm
埋め込み層(異屈折率部)4B:AlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/50〜200nm
・上部光ガイド層3C:
・活性層3B(多重量子井戸構造):
・下部光ガイド層3A:AlGaAs/0〜300nm
・下部クラッド層2:N型のAlGaAs/1.0〜3.0μm
・半導体基板1:N型のGaAs/80〜350μm
δθ=φ−sin−1(sinθ3/ndev)
δk=(2π/λ0)sin{φ−sin−1(sinθ3/ndev)}
b1=b2=b0/√(1−sin2δθ)
a1=1/{(δk/2π)+(1/b1)}
a2=1/{(1/b2)−(δk/2π)}
θt=tan−1(2α)+φ …(式1)
θr=180°−tan−1(2α)+φ …(式2)
θ2’=tan−1(2α)−φ …(式3)
θ3’=180°−tan−1(2α)−φ …(式4)
(XA,YA)=(Δβcosφ/2−β0sinφ,Δβsinφ/2+β0cosφ) …(式5)
(XB,YB)=(Δβcosφ/2+β0sinφ,−Δβsinφ/2+β0cosφ) …(式6)
ΔY=(XA−XB,YA−YB)=(−2β0sinφ,Δβsinφ)
Λ=2π/L2
=1/{(2sinφ/ay)2+((1/aII−1/aI)sinφ)2}1/2 …(式8)
θ=θt−φ
=tan−1(2α)
=tan−1{(2/ay)/(1/aII−1/aI)} …(式9)
例えば、長方格子と長方格子の組み合わせからなる構造を考えると、以下の関係式となる。
b11=b21=b0/√(1−sin2δθ1)
δθ1=φ−sin−1(sinθ31/ndev)
b12=b22=b0/√(1−sin2δθ2)
δθ2=φ−sin−1(sinθ32/ndev)
Claims (18)
- 端面発光型の半導体レーザ素子であって、
基板上に形成された下部クラッド層と、
上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、
前記活性層と前記上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、
前記活性層の第1領域に駆動電流を供給するための第1駆動電極と、
を備え、
前記第1駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
前記フォトニック結晶層の前記第1領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第1及び第2の周期構造を有しており、
前記第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第1駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう1つが前記光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも1つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されている、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記活性層の第2領域に駆動電流を供給するための第2駆動電極を更に備え、
前記第2駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
前記フォトニック結晶層の前記第2領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第3及び第4の周期構造を有しており、
前記第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第2駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう1つが前記光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも1つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、
前記第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分は、前記第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分とは異なる、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。 - 前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、
前記フォトニック結晶層における前記異屈折率部は、その格子構造の格子点位置に配置されており、前記格子構造の基本並進ベクトルの方向は、前記光出射端面に平行な方向とは異なる、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ素子。 - 前記フォトニック結晶層の格子構造は、正方格子、長方格子、三角格子、及び面心長方格子からなる格子群から、重複選択の場合を含めた、2以上の格子が選択されて組み合わせられることにより構成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素子。
- 前記フォトニック結晶層には正方格子及び長方格子の結晶構造が含まれており、
正孔格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、
長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2、
とした場合、a1=b1、a1≠a2、b1=b2を満たす、
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素子。 - 前記フォトニック結晶層には第1及び第2の長方格子の結晶構造が含まれており、
第1の長方格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、
第2の長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2、
とした場合、a1≠a2、b1=b2を満たす、
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素子。 - 前記フォトニック結晶層には第1及び第2の面心長方格子の結晶構造が含まれており、
第1の面心長方格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、
第2の面心長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2、
とした場合、a1≠a2、b1=b2を満たす、
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素子。 - 前記第1の面心長方格子は、三角格子である、
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体レーザ素子。 - 前記活性層の前記第1領域に対応するフォトニック結晶層の前記異屈折率部と、前記活性層の前記第2領域に対応するフォトニック結晶層の前記異屈折率部とは、第1及び第2領域それぞれから出力されるレーザビームの屈折角が異なり、強度が一致するよう、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合の個々の形状が異なる、
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体レーザ素子。 - 前記第1及び第2周期構造における前記異屈折率部の配列周期が異なる方向に沿った前記異屈折率部の寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なり、
前記第3及び第4周期構造における前記異屈折率部の配列周期が異なる方向に沿った前記異屈折率部の寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なる、
ことを特徴とする請求項9に記載の半導体レーザ素子。 - 全反射臨界角条件を満たすことで、前記光出射端面によって反射されたレーザビームを、前記活性層内部で共振するレーザビームに結合させる回折格子構造を更に備えることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 請求項2又は9に記載の半導体レーザ素子と、
前記第1駆動電極及び前記第2駆動電極を含む電極群に選択的に駆動電流を供給する駆動電流供給回路と、
を備えることを特徴とするレーザビーム偏向装置。 - 前記駆動電流供給回路は、前記電極群の各電極に供給する駆動電流の比率を変化させる手段を更に有することを特徴とする請求項12に記載のレーザビーム偏向装置。
- 前記第1周期構造における基本並進ベクトルに沿った周期は、前記第3周期構造に近づくにしたがって連続的に変化していることを特徴とする請求項12又は13に記載のレーザビーム偏向装置。
- φは前記光出射端面に垂直な方向に対する前記異屈折率部の配列方向の傾き、θ3はレーザビームの出射角、ndevは半導体レーザ素子中の光の実効屈折率とし、
前記第1及び第2駆動電極に駆動電流を供給した場合において、前記第1及び第2駆動電極直下の前記活性層の前記第1及び第2領域でそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、前記第1、第2、第3及び第4周期構造において、基本並進ベクトルに沿った方向のうち一つに関して、その周期が√{1−sin2(φ−sin−1(sinθ3/ndev))}に反比例することを特徴とする請求項12乃至14のいずれか1項に記載のレーザビーム偏向装置。 - 前記光出射端面に近接して配置された単一の集光要素を備えることを特徴とする請求項12乃至15のいずれか1項に記載のレーザビーム偏向装置。
- 前記集光要素は円筒レンズであり、前記円筒レンズの中心軸は前記活性層の厚み方向に垂直であって且つ前記光出射端面に平行であることを特徴とする請求項16に記載のレーザビーム偏向装置。
- 前記集光要素は凸レンズであり、前記凸レンズの曲率中心を通る1つの軸は前記活性層の厚み方向に垂直であって且つ前記光出射端面に平行であり、この軸周りの曲率半径は、これに垂直な軸周りの曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項16に記載のレーザビーム偏向装置。
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