JP7353510B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体レーザ装置に関する。
ブロードエリア半導体レーザ装置は、大出力が可能である等の利点を備えている。
特許文献１には、水平方向に実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置において、結晶の積層方向に１次以上の高次モードが許容される程の厚い光ガイド層を有し、リッジ構造の両側に、リッジ領域の実効屈折率よりも屈折率が低く、かつ、クラッド領域の屈折率よりも高い屈折率を有するテラス領域を、溝を介して設けることで、水平方向に許容されるモード数を少なくして、水平方向広がり角を狭くすることが開示されている。なお、ここで実屈折率分布とは、屈折率が実数で記述される屈折率分布を意味し、導波機構は屈折率導波路となり、波動方程式を解くことで得られる電界分布、磁界分布、伝搬定数等は実数となる。
特許文献２には、リッジ構造の両側を半導体層で埋め込むことにより、水平方向に屈折率差を設けたリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置において、リッジ構造と半導体層の境界のリッジ側を電流非注入とすることで、リッジ両端近傍に出現する近視野像（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ：ＮＦＰ）のピークを抑制すること、ロスの増加を抑制するため電流非注入幅は１０μｍ以下が好ましいこと等が開示されている。
特許文献３には、高次モードが許容されるリッジ幅３０μｍのリッジ構造のうち中央部のリッジ幅１５μｍを残してリッジ底部まで、リッジ表面から１．６μｍの深さに亘ってプロトンを注入することで、このプロトン注入領域を高抵抗化し、リッジ構造の中央部のリッジ幅１５μｍの領域に電流を流すことにより、基本モードの利得を高めて、基本モードを選択的に発振させるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が開示されている。
国際公開第２０１９／０５３８５４号 特開２００６－２９４７４５号公報 特開平０３－１９６６８９号公報
Ｎ． Ｙｏｎｅｚｕ、 Ｉ． Ｓａｋｕｍａ、 Ｋ． Ｋｏｂａｙａｓｈｉ、 Ｔ． Ｋａｍｅｊｉｍａ、 Ｍ． Ｕｅｎｏ、 ａｎｄ Ｙ． Ｎａｎｎｉｃｈｉ、 "Ａ ＧａＡｓ－ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｐｌａｎａｒ Ｓｔｒｉｐｅ Ｌａｓｅｒ、" Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．、 ｖｏｌ． １２、 ｎｏ． １０、 ｐｐ． １５８５－１５９２、 １９７３ 川上著、"光導波路"ｐｐ．１８－３１、朝倉書店（１９９２年） 伊賀編著、 "半導体レーザ" ｐｐ． ３５－３８、平成６年１０月２５日（オーム社） Ｇ． Ｂ． Ｈｏｃｋｅｒ ａｎｄ Ｗ． Ｋ． Ｂｕｒｎｓ、 "Ｍｏｄｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｄｉｆｆｕｓｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｂｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｍｅｔｈｏｄ、 " Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ．、 Ｖｏｌ． １６、 Ｎｏ． １、 ｐｐ． １１３－１１８、１９７７
従来の実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置では、水平方向の許容モード数を少なくすることで、許容モード数が多い場合に比べて水平広がり角は平均的には狭くできるが、許容されるモードのうちのどのモードが発振するかによって水平広がり角にばらつきが生じるという問題があった。これは、許容されるモード間の利得差が小さいことに起因している。
また、従来の実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置は、半導体層で埋め込んだブロードエリア半導体レーザ装置とは異なり、リッジ構造の両端近傍のＮＦＰにピークが発現することは無く、また、局所的に電流を少なくすると、当該箇所のＮＦＰが弱まることも無かった。
実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の場合は、ＮＦＰは許容される各モードの線形結合で決まるが、これは、局所的に電流を少なくすると、その影響は全てのモードに及ぶことに起因している。
なお、半導体層で埋め込んだブロードエリア半導体レーザ装置で発現する特異な現象は、半導体層で埋め込むことで、利得導波路または損失導波路となることで起こると考えられる。このため、半導体層で埋め込んだ構造を、実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置に適用することは行われていなかった。
さらに、従来のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置における高抵抗化のためのプロトン注入は、リッジ構造の底部に達する深さにまで行っていたので、活性層で発した光はこのプロトン注入領域まで広がっていた。プロトン注入領域はリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を構成する結晶層の結晶性を破壊するので、プロトン注入領域まで広がった光は、結晶欠陥による散乱を受けて大きな損失となる。このため、スロープ効率の著しい低下、ひいては電力変換効率の著しい低下が生じていた。さらに、結晶欠陥が多数存在するプロトン注入領域が活性層に近接しているため、プロトン注入領域の結晶欠陥に起因して、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の信頼性が著しく低下するといった問題があった。
本開示は上記のような問題点を解消するためになされたもので、水平方向に許容されるモード数を少なくした構造において、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくすることにより低次のモードを発振させて水平方向の広がり角を狭くし、光学部品との結合効率を高めた実屈折率分布を有し、かつ、高効率で信頼性の高いリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を得ることを目的としている。
本願に開示される半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、前記第１導電型の半導体基板上に積層された第１導電型のクラッド層、第１導電型側の光ガイド層、活性層、第２導電型側の光ガイド層、第２導電型のクラッド層及び第２導電型のコンタクト層と、レーザ光を往復させる前端面と後端面からなる共振器と、前記前端面と前記後端面の間で前記レーザ光を導波し、幅が２Ｗで表されるリッジ領域と、を備え、発振波長がλであり、前記各層の積層方向において、１次以上の高次モードが許容される半導体レーザ装置であって、
前記リッジ領域は、幅が２Ｗｉで表され、実効屈折率がｎａ ｉであるリッジ内側領域と、前記リッジ内側領域の両側に設けられ、幅がＷｏで表され、実効屈折率がｎａ ｏである、電流非注入構造を有するリッジ外側領域とで構成され、前記リッジ外側領域の両側に前記第２導電型のコンタクト層および前記第２導電型のクラッド層が少なくとも除去され、実効屈折率がｎｃであるクラッド領域が設けられ、前記リッジ内側領域と前記リッジ外側領域の平均屈折率ｎａ ｅが、
Figure 0007353510000001
 で表され、以下を満たし、
Figure 0007353510000002
 前記リッジ外側領域の幅であるＷｏは、前記電流非注入構造の下端部から前記活性層までの距離よりも大きく、かつ、前記リッジ領域の幅の１／２であるＷよりも小さいことを特徴とする。
本願に開示される半導体レーザ装置によれば、リッジ領域がリッジ内側領域およびリッジ外側領域からなり、リッジ外側領域に電流非注入構造を設け、半導体レーザ装置に注入される電流が専らリッジ内側領域に流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くすることが可能で、また、活性層で発する光が実質的に存在しない領域に電流非注入構造を設けたので、損失の増加を抑制でき、かつ、高効率で信頼性の高い半導体レーザ装置が得られるという効果を奏する。
比較例である実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の断面における電流の流れと屈折率分布を示す模式図である。 本開示の実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の断面における電流の流れと屈折率分布を示す模式図である。 実施の形態１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態１の変形例１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態１の変形例２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態１の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態１の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態２の変形例１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態２の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態２の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態２の変形例２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態２の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態２の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態３による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態３によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態３によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態３の変形例１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態３の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態３の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態３の変形例２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態３の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態３の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態４による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態４によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態４によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態４の変形例１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態４の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態４の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態４の変形例２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態４の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態４の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態５による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態５によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態５によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態５の変形例１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態５の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態５の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態５の変形例２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態５の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態５の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の各モードの利得を表す図である。 実施の形態６による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態６の変形例１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。 実施の形態６の変形例２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を示す斜視図である。
実施の形態１．
先ず、本開示と比較例の相違点を、図１及び図２を用いて説明する。
図１は、比較例である実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の光導波方向に直交する断面における電流Ｉの流れと屈折率分布を示す模式図である。
図１において、下側の半導体基板（図示せず）側から、活性層１０１、光ガイド層１０２、第１エッチングストップ層１０３（第１ＥＳＬ層、Ｅｔｃｈｉｎｇ Ｓｔｏｐ Ｌａｙｅｒ：ＥＳＬ）、ｐ型第１クラッド層１０４、第２エッチングストップ層１０５（第２ＥＳＬ層）、ｐ型第２クラッド層１０６、以上の各層で構成されている。
活性層１０１の上端部から第１ＥＳＬ層１０３の上端部までの距離をｈ２とすると、リッジ領域Ｉａを流れる電流Ｉは、第１ＥＳＬ層１０３の上端部から水平方向、つまり、図１中のｘ方向にも広がって流れることになる。活性層１０１の上端部での電流分布Ｊ（ｘ）は、非特許文献１を用いて求めることができる。なお、ｘ方向は、リッジ幅方向と呼ぶ場合もある。
リッジ幅２Ｗを有するリッジ領域Ｉａは、水平方向、つまり、ｘ方向において、両側をクラッド領域ＩＩｃで挟まれた構造をなしている。リッジ領域Ｉａ及びクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は、それぞれ、ｎａ及びｎｃで表される。非特許文献２に基づくと、正規化周波数ｖは、下記の式（１）のように定義できる。
Figure 0007353510000003
 ここで、λは半導体レーザ装置の発振波長である。正規化周波数ｖをπ／２で割って整数化して１を加えた数であるＩＮＴ［ｖ／（π／２）］＋１が、水平方向、つまり、図１中のｘ方向で許容されるモードの数となる。
図２は、本願に開示される実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の光導波方向に直交する断面における電流の流れと屈折率分布を示す模式図である。幅Ｗｏ（以下、リッジ外側領域幅と呼ぶ）であるリッジ外側領域Ｉａ ｏを、実質的に実効屈折率が幅２Ｗｉ（以下、リッジ内側領域幅と呼ぶ）であるリッジ内側領域Ｉａ ｉと同一になる範囲で、エッチングで除去した構造となっている。
リッジ外側領域Ｉａ ｏはリッジ領域Ｉａ内でリッジ内側領域Ｉａ ｉのリッジ幅方向の両側に設けられ、クラッド領域ＩＩｃはリッジ外側領域Ｉａ ｏのリッジ幅方向の両側に設けられる。
ここで、実質的に実効屈折率が同一とは、リッジ内側領域Ｉａ ｉの実効屈折率をｎａ ｉ、リッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率をｎａ ｏとしたときに、式（２）から算出される平均屈折率ｎａ ｅを式（１）のｎａに代入して算出される許容モードの数が、リッジ外側領域Ｉａ ｏが無い場合、すなわち、リッジ外側領域幅Ｗｏがゼロの場合の許容モードの数と同一であることを意味する。
Figure 0007353510000004
 リッジ外側領域Ｉａ ｏの上部を第１ＥＳＬ層１０３の上側までエッチングで除去し、絶縁膜（図示せず）で被覆するので、電流Ｉはリッジ内側領域Ｉａ ｉを専ら流れる。第１ＥＳＬ層１０３の上端部から第２ＥＳＬ層１０５の上端部までの距離をｈ１とすると、電流Ｉは、第２ＥＳＬ層１０５の上端部から水平方向にも広がり始め、距離ｈ１＋ｈ２を経て活性層１０１に至る。
水平方向に許容されるｉ次のモードをφｉ（ｘ）とし、下記の式（３）のように正規化する。なお、許容されるモードφｉ（ｘ）は、非特許文献２等から求めることができる。
Figure 0007353510000005
 一方、電流は、リッジ内側領域幅が２Ｗｉで共振器長がＬのリッジ内側領域Ｉａ ｉに１アンペア（Ａ）流すとして、活性層１０１の上端部での電流分布Ｊ（ｘ）を、下記の式（４）のように正規化する。
Figure 0007353510000006
 利得Ｇｉは、光と電流の相互作用で発生するので、下記の式（５）のように定義される。なお、光分布（モード）と電流分布とはいずれも正規化しているので、利得Ｇｉの大小で、各モードの利得の差異が分かる。
Figure 0007353510000007
図３は、実施の形態１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００を示す斜視図である。
図３では、説明の便宜上、ｘｙｚ直交座標系が規定されている。ｚ軸は、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００のレーザ光が出射される方向であり、また、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００が持つ共振器の長さ方向軸でもある。ｚ方向を「共振器長方向」とも呼ぶ。ｙ軸は、ｎ型ＧａＡｓ基板２の上面の法線と平行であるものとする。ｙ軸方向は、ｎ型ＧａＡｓ基板２の上に形成される半導体層の結晶成長方向と一致している。ｙ軸方向を「積層方向」とも呼ぶ。ｘ軸は、ｙｚ平面と垂直な軸であり、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００の幅方向の軸と一致する。ｘ軸方向を「リッジ幅方向」とも呼ぶ。ｘ軸に沿って、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００に水平横モードが生ずる。上記の直交座標系に関する規則は、後述する他のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の斜視図においても同様に適用される。
図３に示すように、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００は、下面側（裏面側とも呼ぶ）から、ｎ型電極１（第１導電型の電極）、ｎ型ＧａＡｓ基板２（第１導電型の半導体基板）、Ａｌ組成比０．２０で層厚１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３（第１導電型のクラッド層、屈折率ｎｃｎ）、Ａｌ組成比０．２５で層厚２００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層４（第１導電型の低屈折率層、屈折率ｎｎ）、Ａｌ組成比０．１６で層厚１１００ｎｍのｎ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層５、Ａｌ組成比０．１４で層厚１００ｎｍのｎ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層６、Ｉｎ組成比０．１１９で層厚８ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７、Ａｌ組成比０．１４で層厚３００ｎｍのｐ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層８、Ａｌ組成比０．１６で層厚３００ｎｍのｐ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層９、Ａｌ組成比０．５５で層厚１４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１ＥＳＬ層１０（ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層あるいは第２導電型の低屈折率層とも呼ぶ。屈折率ｎｐ）、Ａｌ組成比０．２０で層厚０．５５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１（第２導電型の第１クラッド層、屈折率ｎｃｐ）、Ａｌ組成比０．５５で層厚４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２ＥＳＬ層１２、Ａｌ組成比０．２０で層厚０．９５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３（第２導電型の第２クラッド層、屈折率ｎｃｐ）、層厚０．２μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４（第２導電型のコンタクト層）、膜厚０．２μｍのＳｉＮ膜１５、上面側のｐ型電極１６（第２導電型の電極）、で構成される。
なお、ｎ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層５とｎ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層６とを合わせてｎ側光ガイド層６１あるいは第１導電型側の光ガイド層６１と呼び、ｐ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層８とｐ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層９とを合わせてｐ側光ガイド層８１あるいは第２導電型側の光ガイド層８１と呼ぶ。各光ガイド層は通常はドーピングされていない層であるため、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７のどちら側にある層であるかを、「側」を付して区別している。つまり、ｎ側あるいは第１導電型側とは、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７に対してｎ型あるいは第１導電型の各層が設けられている側を意味する。同様に、ｐ側あるいは第２導電型側とは、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７に対してｐ型あるいは第２導電型の各層が設けられている側を意味する。
第２導電型の第１クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１）と第２導電型の第２クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３）を合わせて第２導電型のクラッド層と呼ぶ。
ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７のＩｎ組成比を０．１１９、層厚を８ｎｍとしているのは、発振波長を略９７５ｎｍとするためである。
また、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００の両端部にレーザ光を往復させる共振器を構成する前端面及び後端面が、例えば劈開などにより設けられている。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００においては、上記のｎ型とｐ型の各導電型が入れ替わった構造でも良い。つまり、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型であっても良く、また、第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型であっても良い。以下、第１導電型、第２導電型と表記する場合もある。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００の作製方法を以下に示す。
ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３からｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４までの各半導体層を、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）等の結晶成長方法によって順次結晶成長する。
次に、リッジ内側領域Ｉａ ｉをレジストで被覆して第２ＥＳＬ層１２までドライエッチングし、レジストを剥離する。
その後、リッジ内側領域Ｉａ ｉとリッジ外側領域Ｉａ ｏをレジストで被覆して第１ＥＳＬ層１０までドライエッチングし、レジストを剥離する。
リッジ内側領域Ｉａ ｉをレジストで被覆し、ＳｉＮ膜１５を成膜してリフトオフし、レジストを剥離する。
最後に、上面側にｐ型電極１６、下面側にｎ型電極１をそれぞれ形成する。
実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００では、リッジ外側領域Ｉａ ｏのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３が少なくともエッチングで除去され、エッチングで除去された露出面を絶縁膜であるＳｉＮ膜１５で覆うことによって電流非注入構造としたので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００に注入される電流は専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れることになる。
例えば、非特許文献３である伊賀編著“半導体レーザ”ｐｐ．３５－３８に記載された屈折率とその計算法を用いれば、波長９７５ｎｍにおけるＡｌ組成比０．１４、０．１６、０．２０、０．２５及び０．５５のＡｌＧａＡｓ層の屈折率は、それぞれ、３．４３２１７３、３．４１９５７８、３．３９４７６２、３．３６４３３０及び３．１９１２８５となる。
また、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７を構成するＩｎ組成比０．１１９のＩｎＧａＡｓ及びＳｉＮ膜１５を構成するＳｉＮの屈折率は、経験上、それぞれ、３．５４２３９３及び２．００である。
実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００では、ｐ側光ガイド層８１とｎ側光ガイド層６１の和である総光ガイド層厚は１．８μｍと厚く、積層方向に１次モード以上が許容されている。このため、クラッド層と光ガイド層の間に低屈折率層を挿入すると、ＮＦＰは狭くなり、ＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ：ＦＦＰ）は広くなる。
また、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７はｎ側光ガイド層６１とｐ側光ガイド層８１の中心に対してｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１およびｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３側に変位しているので、レーザ駆動中に光ガイド層内に滞留するキャリアを少なくすることができ、高いスロープ効率が実現できる。
屈折率ｎｃｉのクラッド層と光ガイド層の間に、屈折率ｎｉで層厚ｄｉの低屈折率層を挿入した場合の大小関係を、式（１）に替えて、下記の式（６）のｕｉで表すことにする。
Figure 0007353510000008
実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００の場合、ｕｎは０．２９２２７３、ｕｐは０．５２２２０８となり、ｕｐ＞ｕｎが成立する。このため、ｙ方向、つまり積層方向の光強度分布はｎ型ＧａＡｓ基板２側へ変位し、ｘ方向、つまり、リッジ幅方向の許容モード数を減らすことが可能となる。
先ず、リッジ外側領域幅Ｗｏがゼロの場合、つまり、比較例のリッジ構造を考える。この場合、リッジ領域Ｉａ及びクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は、例えば、非特許文献４に記載の等価屈折率法によって算出することができ、それぞれ３．４１６９７及び３．４１６７２となる。リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合、式（１）のｖは１３．３１となり、０次（基本モード）から８次までの９個のモードが許容される。
実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００のように、リッジ外側領域Ｉａ ｏを第２ＥＳＬ層１２に達するまでエッチングで除去した場合の当該箇所の実効屈折率は３．４１６９７となり、エッチングによる除去に拘らずリッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の屈折率は同一である。このため、許容されるモード数は同一となる。
一方、電流は、第２ＥＳＬ層１２の上端部からｘ方向、すなわちリッジ幅方向にも広がり始める。つまり、電流は、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７の上端部から第１ＥＳＬ層１０の上端部までの距離ｈ２（０．７４μｍ）と第２ＥＳＬ層１２の上端部から第１ＥＳＬ層１０の上端部までの距離ｈ１（０．５９μｍ）でｘ方向に広がり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７に至ることになる。以下、簡略化のため、電流がｘ方向に広がり始める箇所からＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７までの間の抵抗率ρを０．３５Ωｃｍとする。なお、抵抗率ρの値が変わっても、利得Ｇｉの傾向は同じであることは確認している。
図４及び図５に、リッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満なので、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
リッジ外側領域Ｉａ ｏを設けてリッジ内側領域Ｉａ ｉに専ら電流を流すと、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から３次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１１％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
水平方向、つまり、ｘ方向（リッジ幅方向）に１次以上の高次モードが許容されるためには、下記の条件を満たす必要がある。
すなわち、上記のリッジ内側領域幅の１／２であるＷｉ、上記のリッジ外側領域幅Ｗｏ、式（４）で表される平均屈折率ｎａ ｅ及び上記のクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率ｎｃが、下記の式（７）を満たす必要がある。
Figure 0007353510000009
また、各層の積層方向において、１次以上の高次モードが許容されるためには、下記の条件を満たす必要がある。
すなわち、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率をｎｃｎ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１の屈折率をｎｃｐとし、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層４の層厚をｄｎ、屈折率をｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率ｎｃｎよりも低いｎｎとし、ｐ側光ガイド層８１とｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１の間に設けられたｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１０の層厚をｄｐ、屈折率をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１の屈折率よりも低いｎｐとした場合、下記の式（８）を満たす必要がある。
Figure 0007353510000010
実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００では、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１０の両方とも、クラッド層と光ガイド層の間に設けているが、両方または一方の低屈折率層をクラッド層内に設けても、同様な効果を奏する。
なお、電流は半導体層内を等方的に広がるので、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（１．３３μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。
以上、実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００では、リッジ外側領域Ｉａ ｏのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３がエッチングで除去された露出面をＳｉＮ膜１５で覆うことにより電流非注入構造を設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏する。
実施の形態１の変形例１
図６は、実施の形態１の変形例１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０を示す斜視図である。
実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０と実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００の相違点は、実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０では第２ＥＳＬ層１２が設けられていない点、実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００のＡｌ組成比０．２０で層厚０．５５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１（第２導電型の第１クラッド層）に代えてＡｌ組成比０．２０で層厚１．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ａ（第２導電型のクラッド層）が設けられている点、実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０では電流非注入構造としてプロトン注入領域１７が設けられている点が相違する。その他の層構成は、実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００と同一である。
実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０の作製方法を以下に示す。
ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３からｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４までの各半導体層を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の結晶成長方法で順次結晶成長する。
次に、リッジ内側領域Ｉａ ｉをレジストで被覆してプロトンをイオン注入してプロトン注入領域１７を形成し、レジストを剥離する。
その後、リッジ内側領域Ｉａ ｉとリッジ外側領域Ｉａ ｏをレジストで被覆して第１ＥＳＬ層１０までドライエッチングし、レジストを剥離する。このとき、クラッド領域ＩＩｃのプロトン注入領域もエッチングされて消失する。
リッジ内側領域Ｉａ ｉとリッジ外側領域Ｉａ ｏをレジストで被覆し、ＳｉＮ膜１５を成膜してリフトオフし、レジストを剥離する。
最後に、上面側にｐ型電極１６、下面側にｎ型電極１をそれぞれ形成する。
図３に示す実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００と異なる主な点は、第２ＥＳＬ層１２が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、プロトン注入による半導体層の絶縁体化でプロトン注入領域１７を形成する点にある。プロトン注入領域１７では、半導体層は高抵抗化するので電流非注入構造として機能する。
実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０では、リッジ外側領域Ｉａ ｏのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ａの一部にプロトン注入領域１７が形成されることによって電流非注入構造としたので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０に注入される電流は専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れることになる。
第２ＥＳＬ層１２が無いことにより、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０におけるリッジ内側領域Ｉａ ｉの実効屈折率は３．４１６９８となる。一方、クラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は同一である３．４１６７２であり、リッジ幅２Ｗが１００μｍ（リッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍ）の場合、式（１）のｖは１３．５８となり、０次（基本モード）から８次までの９個のモードが許容される。
プロトンを注入して電流非注入構造として機能するプロトン注入領域１７を設けたリッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率は、リッジ内側領域Ｉａ ｉと同一である３．４１６９８である。一例として、プロトンをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４の表面から深さ０．７μｍまで注入した場合は、第１ＥＳＬ層１０の上端部からプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１は１．０μｍとなる。
第１ＥＳＬ層１０の上端部から電流非注入構造、すなわちプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１が０．５９μｍ以上であれば、リッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率はリッジ内側領域Ｉａ ｉの実効屈折率と実質的に同一となる。つまり、距離ｈ１が０．５９μｍ以上の領域には光が殆ど存在せず、プロトン注入で生じる結晶破壊による散乱及び当該散乱による損失の影響は受けることが無い上、結晶欠陥に起因する信頼性の低下も無い。
図７及び図８に、リッジ外側領域Ｉａ ｏのリッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満であり、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、比較例においては、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域１７が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ内側領域Ｉａ ｉに専ら電流を流すので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から３次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１１％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０では、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１０とも、クラッド層と光ガイド層の間に設けているが、両方または一方の低屈折率層をクラッド層内に設けても、同様な効果が得られる。
なお、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（１．７４μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。第１ＥＳＬ層１０の上端部からプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１は、０．５９μｍ以上であれば十分であるが、実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０において距離ｈ１を１．０μｍとしているのは、プロトン注入による半導体層のダメージ部分を光強度分布からさらに遠ざけて、より高い信頼性を実現するためである。
実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０の作製方法では、一例として、プロトンをイオン注入した構造を示したが、これに限定されるものではなく、半導体層の電気抵抗を大きくできるものであれば良い。
半導体層の絶縁体化の手段としてプロトン注入を用いると、エッチング工程が不必要となるので、作製工程数を少なくできる上、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製自体も容易となるという効果を奏する。
以上、実施の形態１の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域１７が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５１０に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏する。
実施の形態１の変形例２
図９は、実施の形態１の変形例２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５２０を示す斜視図である。リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５２０は、図９に示すように、膜厚０．２μｍのＳｉＮ膜１５ａを有する。
実施の形態１の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５２０の作製方法を以下に示す。
ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３からｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４までの各半導体層を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の結晶成長方法で順次結晶成長する。
次に、リッジ内側領域Ｉａ ｉとリッジ外側領域Ｉａ ｏをレジストで被覆して第１ＥＳＬ層１０までドライエッチングし、レジストを剥離する。
その後、リッジ内側領域Ｉａ ｉをレジストで被覆し、ＳｉＮ膜１５ａを成膜してリフトオフし、レジストを剥離する。
最後に、上面側にｐ型電極１６、下面側にｎ型電極１をそれぞれ形成する。
図３に示す実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００と異なる点は、第２ＥＳＬ層１２が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、ＳｉＮ膜１５ａをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部にそれぞれ設けた点にある。
実施の形態１の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５２０では、リッジ外側領域Ｉａ ｏのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜１５ａで覆って電流非注入構造としたので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５２０に注入される電流は、専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れることになる。
リッジ内側領域Ｉａ ｉ、リッジ外側領域Ｉａ ｏ及びクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は、それぞれ、３．４１６９８、３．４１６９８及び３．４１６７２であり、リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合は、０次（基本モード）から８次までの９個のモードが許容される。電流はｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４の上部から広がるので、距離ｈ１は１．７μｍとなる。
図１０及び図１１に、リッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満であり、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、実施の形態１の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５２０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜１５ａで覆った電流非注入構造を有するリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ内側領域Ｉａ ｉに専ら電流を流すので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から３次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
実施の形態１の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５２０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に、１０％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（２．４４μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。本実施の形態においては、リッジ外側領域Ｉａ ｏにおける電流非注入構造は、絶縁膜であるＳｉＮ膜１５ａで形成しているので、電流がｘ方向、すなわち、リッジ幅方向に広がり始めるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４からＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７までの距離は２．４４μｍと長くなり、リッジ外側領域幅Ｗｏが狭い場合には利得差が付きにくいが、リッジ外側領域幅Ｗｏを広くすれば効果は大きくなるので、特段の問題はない。なお、絶縁膜としてＳｉＮを用いたが、ＳｉＯ２等の他の材料でも良い。
実施の形態１の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５２０の作製方法では、エッチングあるいはプロトン注入といった工程がないので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製が極めて容易であるという効果を奏する。
以上、実施の形態１の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５２０では、リッジ外側領域Ｉａ ｏのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜１５ａで覆って電流非注入構造としたので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５２０に注入される電流は専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れることになる結果、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏する。
実施の形態２．
図１２は、実施の形態２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０を示す斜視図である。実施の形態２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０は、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７の位置を光ガイド層６２、８２の中央に配置する、つまり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７に対して対称形である点に特徴がある。
図１２に示すリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０は、Ａｌ組成比０．１６で層厚７００ｎｍのｎ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層５ａ、Ａｌ組成比０．１４で層厚２００ｎｍのｎ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層６ａ、Ａｌ組成比０．１４で層厚２００ｎｍのｐ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層８ａ、Ａｌ組成比０．１６で層厚７００ｎｍのｐ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層９ａ、Ａｌ組成比０．２０で層厚０．４０μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｂ（第２導電型の第１クラッド層）、Ａｌ組成比０．２０で層厚１．１０μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ａ（第２導電型の第２クラッド層）を有する。その他の構成は、実施の形態１の図３に示す構造と同一である。
すなわち、実施の形態２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０は実施の形態１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００と同様、リッジ外側領域Ｉａ ｏのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ａが少なくともエッチングで除去され、エッチングで除去された露出面を絶縁膜であるＳｉＮ膜１５で覆うことによって電流非注入構造としたので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０に注入される電流は専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れることになる。
なお、ｎ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層５ａとｎ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層６ａとを合わせてｎ側光ガイド層６２あるいは第１導電型側の光ガイド層６２と呼び、ｐ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層８ａとｐ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層９ａとを合わせてｐ側光ガイド層８２あるいは第２導電型側の光ガイド層８２と呼ぶ。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０の作製方法も実施の形態１と同様である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０のｐ側光ガイド層８２とｎ側光ガイド層６２の和の総光ガイド層厚は１．８μｍと厚く、ｙ方向、すなわち積層方向に１次モード以上が許容されている。また、ｕｎは０．２９２２７３、ｕｐは０．５２２２０８となり、ｕｐ＞ｕｎが成立する。このため、ｙ方向の光強度分布はｎ型ＧａＡｓ基板２の側へ変位し、ｘ方向の許容モード数を減らすことが可能となる。
先ず、リッジ外側領域幅Ｗｏがゼロの場合のリッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）及びクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は、それぞれ３．４１８３９及び３．４１８２８となる。リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合、ｖは８．８３となり、０次（基本モード）から５次までの６個のモードが許容される。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０のｐ側光ガイド層８２の層厚はｎ側光ガイド層６２の層厚と同一なので、実施の形態１の構造に比べて動作中に滞留するキャリアによる損失は増すものの、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）とクラッド領域ＩＩｃ間の屈折率差を小さくできるので、許容されるモード数を少なくできるという利点がある。
リッジ外側領域Ｉａ ｏを第２ＥＳＬ層１２に達するまでエッチングで除去した場合の当該箇所の実効屈折率は３．４１８３９となり、エッチングによる除去に拘らずリッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の屈折率は同一である。このため、許容されるモード数は同一となる。
一方、電流は、第２ＥＳＬ層１２の上端部からｘ方向、すなわち、リッジ幅方向にも広がり始める。つまり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７の上端部から第１ＥＳＬ層１０の上端部までの距離ｈ２（１．０４μｍ）と第２ＥＳＬ層１２の上端部から第１ＥＳＬ層１０の上端部までの距離ｈ１（０．４４μｍ）でｘ方向に広がり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７に至る。
図１３及び図１４に、リッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満なので、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ａがエッチングで除去された露出面をＳｉＮ膜１５で覆うことにより電流非注入構造が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ内側領域Ｉａ ｉに専ら電流を流すので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から２次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１３％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、電流は等方的に広がるので、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（１．４８μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。
以上、実施の形態２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０では、リッジ外側領域Ｉａ ｏのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ａがエッチングで除去された露出面をＳｉＮ膜１５で覆うことにより電流非注入構造を設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏し、さらに、ｐ側光ガイド層８２の層厚をｎ側光ガイド層６２の層厚と同一としたので、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）とクラッド領域ＩＩｃ間の屈折率差を小さくできるので、許容されるモード数を少なくできるという効果を奏する。
実施の形態２の変形例１
図１５は、実施の形態２の変形例１である実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５４０を示す斜視図である。
図１２に示される実施の形態２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０と異なる点は、第２ＥＳＬ層１２が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、プロトン注入による半導体層の絶縁化で形成する点である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５４０の作製方法は、実施の形態１の変形例１と同様である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５４０では、第２ＥＳＬ層１２が無いことにより、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の実効屈折率は３．４１８４０となる。リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５４０のクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は同一である３．４１８２８であり、リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合、式（１）のｖは９．２２となり、０次（基本モード）から５次までの６個のモードが許容される。
プロトンを注入したリッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率は、リッジ内側領域Ｉａ ｉと同一である３．４１８４０である。一例として、プロトンをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４の表面から深さ０．９５μｍまで注入した場合は、第１ＥＳＬ層１０の上端部からプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１は０．７５μｍとなる。
第１ＥＳＬ層１０の上端部から電流非注入構造、すなわちプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１が０．４４μｍ以上であれば、リッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率はリッジ内側領域Ｉａ ｉの実効屈折率と実質的に同一となる。つまり、距離ｈ１が０．４４μｍ以上の領域には光が殆ど存在しないので、結晶層へのプロトン注入によって生じる結晶破壊による散乱及び当該散乱による損失の影響は受けることが無い上、結晶欠陥に起因する信頼性の低下も生じない。
図１６及び図１７に、リッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるＷｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満であり、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５４０では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域１７が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ内側領域Ｉａ ｉに専ら電流を流すので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から２次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５４０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１３％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（１．７９μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。第１ＥＳＬ層１０からプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１は、０．４４μｍ以上であれば十分であるが、実施の形態２の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５４０において距離ｈ１を０．７５μｍとしているのは、プロトン注入による半導体層のダメージ部分を光強度分布からさらに遠ざけて、より高い信頼性を実現するためである。
本実施の形態では、一例として、プロトンをイオン注入した構造を示したが、これに限定されるものではなく、半導体層の電気抵抗を大きくできるものであれば良い。
半導体層の絶縁体化の手段としてプロトン注入を用いると、エッチング工程が不必要となるので、作製工程数を少なくできる上、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製自体も容易となるという効果を奏する。
以上、実施の形態２の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５４０では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域１７が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５４０に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏し、さらに、ｐ側光ガイド層８２の層厚をｎ側光ガイド層６２の層厚と同一としたので、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）とクラッド領域ＩＩｃ間の屈折率差を小さくできるので、許容されるモード数を少なくできるという効果を奏する。
実施の形態２の変形例２
図１８は、実施の形態２の変形例２である実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５５０を示す斜視図である。
図１２に示される実施の形態２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０と異なる点は、第２ＥＳＬ層１２が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、ＳｉＮ膜１５ａをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部にそれぞれ設けた点にある。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５５０の作製方法は、実施の形態１の変形例２と同様である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５５０におけるリッジ内側領域Ｉａ ｉ、リッジ外側領域Ｉａ ｏ及びクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は、それぞれ３．４１８４０、３．４１８４０及び３．４１８２８であり、リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合は、０次（基本モード）から５次までの６個のモードが許容される。電流はｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４の上部から広がるので、距離ｈ１は１．７μｍとなる。
図１９及び図２０に、リッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満であり、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５５０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜１５ａで覆った電流非注入構造を有するリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ内側領域Ｉａ ｉに専ら電流を流すので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から２次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５５０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１２％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（２．７４μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。本実施の形態においては、リッジ外側領域Ｉａ ｏにおける電流非注入構造は絶縁膜であるＳｉＮ膜１５ａで形成しているので、電流がｘ方向に広がり始めるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４からＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７までの距離は２．７４μｍと長くなり、リッジ外側領域幅Ｗｏが狭い場合は利得差が付きにくいが、リッジ外側領域幅Ｗｏを広くすれば効果は大きくなるので、特段の問題はない。なお、絶縁膜としてＳｉＮを用いたが、ＳｉＯ２等の他の材料でも良い。
エッチングあるいはプロトン注入といった工程がないので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製が極めて容易である。
以上、実施の形態２の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５５０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜１５ａで覆った電流非注入構造を有するリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５５０に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏し、さらに、ｐ側光ガイド層８２の層厚をｎ側光ガイド層６２の層厚と同一としたので、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）とクラッド領域ＩＩｃ間の屈折率差を小さくできるので、許容されるモード数を少なくできるという効果を奏する。
実施の形態３．
図２１は、実施の形態３による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０を示す斜視図である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０では、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂの屈折率よりも高くした非対称構造とすることにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂの側でのキャリアによる光吸収を減らしてスロープ効率を高めたものである。
図２１に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０は、Ａｌ組成比０．２５で層厚０．３μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ（第２導電型の第１クラッド層）、Ａｌ組成比０．２５で層厚１．２μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂ（第２導電型の第２クラッド層）を有する。その他の層構成は、図１２に示される実施の形態２のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５３０と同一である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０の作製方法は、実施の形態１と同様である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０では、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂの屈折率よりも高くしているので、光強度分布はｎ型ＧａＡｓ基板２側に大きく変位し、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂでのキャリア吸収を減らすことができ、スロープ効率向上が図れる。
また、光強度分布はｎ型ＧａＡｓ基板２側に、より大きく変位するので、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）とクラッド領域ＩＩｃの屈折率差が小さくなり、容易に許容モード数を減らすことができる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０のｐ側光ガイド層８２とｎ側光ガイド層６２の和の総光ガイド層厚は１．８μｍと厚く、積層方向に１次モード以上が許容されている。また、ｕｎは０．２９２２７３、ｕｐは０．４８０４６３となり、ｕｐ＞ｕｎが成立する。このため、ｙ方向の光強度分布はｎ型ＧａＡｓ基板２側へ変位し、ｘ方向の許容モード数を減らすことが可能となる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０のリッジ外側領域幅Ｗｏがゼロの場合のリッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）及びクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は、それぞれ、３．４１８３７及び３．４１８２８となる。リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合、ｖは７．９９となり、０次（基本モード）から５次までの６個のモードが許容される。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０では、ｐ側光ガイド層８２の層厚はｎ側光ガイド層６２の層厚と同一なので、実施の形態１に比べて動作中に滞留するキャリアによる損失は増す一方で、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率がｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂの屈折率よりも高いので、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂへの光分布の広がりが少なくなって、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂでのキャリア吸収による損失が減ることになる。
ｐ側光ガイド層８２の層厚とｎ側光ガイド層６２の層厚が同一であり、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率がｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂの屈折率よりも高いので、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）とクラッド領域ＩＩｃ間の屈折率差を小さくすることが可能となって、許容されるモード数を減らすことができる。
リッジ外側領域Ｉａ ｏを第２ＥＳＬ層１２に達するまでエッチングで除去した場合の当該箇所の実効屈折率は３．４１８３７となり、エッチングによる除去に拘らずリッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の屈折率は同一である。このため、許容されるモード数は同一となる。
一方、電流は、第２ＥＳＬ層１２の上端部からｘ方向、すなわち、リッジ幅方向にも広がり始める。つまり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７の上端部から第１ＥＳＬ層１０の上端部までの距離ｈ２（１．０４μｍ）と第２ＥＳＬ層１２の上端部から第１ＥＳＬ層１０の上端部までの距離ｈ１（０．３４μｍ）の間でｘ方向に広がり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７に至ることになる。
図２２及び図２３に、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０のリッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満なので、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂがエッチングで除去された露出面をＳｉＮ膜１５で覆うことにより電流非注入構造が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設けてリッジ内側領域Ｉａ ｉに専ら電流を流すので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から２次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１４％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、電流は等方的に広がるので、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（１．３８μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。
以上、実施の形態３によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂがエッチングで除去された露出面をＳｉＮ膜１５で覆うことにより電流非注入構造が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０に注入される電流を専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくし、低次のモードでのレーザ発振を可能にして、狭い水平広がり角が実現できるという効果を奏し、さらに、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂの屈折率よりも高くした非対称構造とすることにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｃ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｂの側でのキャリアによる光吸収を減らしてスロープ効率が高くなる効果も奏する。
実施の形態３の変形例１
図２４は、実施の形態３の変形例１である実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５７０を示す斜視図である。
図２４に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５７０は、Ａｌ組成比０．２５で層厚１．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｄ（第２導電型のクラッド層）を有する。
図２１に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０と異なる点は、第２ＥＳＬ層１２が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、プロトン注入による半導体層の絶縁化で形成する点である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５７０の作製方法は、実施の形態１の変形例１と同様である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５７０では、第２ＥＳＬ層１２が無いことにより、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の実効屈折率は３．４１８３７となる。クラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は同一である３．４１８２７であり、リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合、式（１）のｖは８．４２となり、０次（基本モード）から５次までの６個のモードが許容される。
プロトンを注入したリッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率は、リッジ内側領域Ｉａ ｉと同一である３．４１８３７である。一例として、プロトンをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４の表面から深さ１．３５μｍまで注入した場合は、第１ＥＳＬ層１０の上端部からプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１は０．３５μｍとなる。
第１ＥＳＬ層１０の上端部から電流非注入構造、すなわちプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１が０．３４μｍ以上であれば、リッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率はリッジ内側領域Ｉａ ｉの実効屈折率と実質的に同一となる。つまり、距離ｈ１が０．３４μｍ以上の領域には光が殆ど存在しないので、結晶層へのプロトン注入によって生じる結晶破壊による散乱及び当該散乱による損失の影響は受けることが無い上、結晶欠陥に起因する信頼性の低下も生じない。
図２５及び図２６に、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５７０のリッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満であり、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５７０では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域１７が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ内側領域Ｉａ ｉに専ら電流を流すので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から２次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５７０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１４％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（１．３９μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。第１ＥＳＬ層１０の上端部からプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１は、０．３４μｍ以上であれば十分であるが、実施の形態３の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５７０において距離ｈ１を０．３５μｍとしているのは、プロトン注入による半導体層のダメージ部分を光強度分布からさらに遠ざけて、より高い信頼性を実現するためである。
本実施の形態では、一例として、プロトンをイオン注入した構造を示したが、これに限定されるものではなく、半導体層の電気抵抗を大きくできるものであれば良い。
半導体層の絶縁体化の手段としてプロトン注入を用いると、エッチング工程が不必要となるので、作製工程数を少なくできる上、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製自体も容易となるという効果を奏する。
以上、実施の形態３の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５７０では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域１７が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５７０に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなって、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できるという効果を奏し、さらに、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｄの屈折率よりも高くした非対称構造とすることにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｄの側でのキャリアによる光吸収を減らしてスロープ効率が高くなる効果も奏する。
実施の形態３の変形例２
図２７は、実施の形態３の変形例２である実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５８０を示す斜視図である。
図２１に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５６０と異なる点は、第２ＥＳＬ層１２が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、ＳｉＮ膜１５ａをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部にそれぞれ設けた点にある。他の層構成は、実施の形態３の変形例１と同一である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５８０の作製方法は、実施の形態１の変形例２と同様である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５８０のリッジ内側領域Ｉａ ｉ、リッジ外側領域Ｉａ ｏ及びクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は、それぞれ３．４１８３７、３．４１８３７及び３．４１８２７であり、リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合は、０次（基本モード）から５次までの６個のモードが許容される。電流はｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４の上部から広がるので、距離ｈ１は１．７μｍとなる。
図２８及び図２９に、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５８０のリッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満であり、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５８０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜１５ａで覆った電流非注入構造を有するリッジ外側領域Ｉａ ｏを設けたので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から２次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５８０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１３％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（２．７４μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。本実施の形態においては、リッジ外側領域Ｉａｏにおける電流非注入構造は、絶縁膜であるＳｉＮ膜１５ａで形成しているので、電流がｘ方向、すなわち、リッジ幅方向に広がり始めるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４からＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７までの距離は２．７４μｍと長くなり、リッジ外側領域幅Ｗｏが狭い場合は、利得差は付きにくいが、リッジ外側領域幅Ｗｏを広くすれば効果は大きくなるので、特段の問題はない。なお、絶縁膜としてＳｉＮを用いたが、ＳｉＯ２等の他の材料でも良い。
また、エッチングあるいはプロトン注入といった工程がないので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製が極めて容易である。
以上、実施の形態３の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５８０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜１５ａで覆った電流非注入構造を有するリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５８０に注入される電流を専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流すようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏し、さらに、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｄの屈折率よりも高くした非対称構造とすることにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｄの側でのキャリアによる光吸収を減らしてスロープ効率が高くなる効果も奏する。
実施の形態４
図３０は、実施の形態４による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０を示す斜視図である。
実施の形態４によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０は、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｅ（第２導電型の第１クラッド層）及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｃ（第２導電型の第２クラッド層）の屈折率よりも高くした非対称構造とすることでｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｅ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｃにおけるキャリアによる光吸収を減らすと共に、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７の位置を光ガイド層６１、８１の中央からｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｅ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｃの側へ変位させることで、動作中に光ガイド層内に滞留するキャリアによる光吸収も減らしてスロープ効率を高めたものである。
図３０に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０は、Ａｌ組成比０．２５で層厚０．３５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｅ、Ａｌ組成比０．２５で層厚１．１５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｃを有する。その他の層構成は、実施の形態１の図３に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００と同一である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０の作製方法は、実施の形態１と同様である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０のｐ側光ガイド層８１とｎ側光ガイド層６１の和の総光ガイド層厚は１．８μｍと厚く、積層方向に１次モード以上が許容されている。また、ｕｎは０．２９２２７３、ｕｐは０．４８０４６３となり、ｕｐ＞ｕｎが成立する。このため、ｙ方向の光強度分布はｎ型ＧａＡｓ基板２側へ変位し、ｘ方向の許容モード数を減らすことが可能となる。
リッジ外側領域幅Ｗｏがゼロの場合のリッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）及びクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は、それぞれ３．４１６９２及び３．４１６７２となる。リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合、ｖは１１．９１となり、０次（基本モード）から７次までの８個のモードが許容される。
リッジ外側領域Ｉａ ｏを第２ＥＳＬ層１２に達するまでエッチングで除去した場合の当該箇所の実効屈折率は３．４１６９２となり、エッチングによる除去に拘らずリッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の屈折率は同一である。このため、許容されるモード数は同一となる。
一方、電流は、第２ＥＳＬ層１２の上端部からｘ方向、すなわち、リッジ幅方向にも広がり始める。つまり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７の上端部から第１ＥＳＬ層１０の上端部までの距離ｈ２（０．７４μｍ）と第２ＥＳＬ層１２の上端部から第１ＥＳＬ層１０の上端部までの距離ｈ１（０．３９μｍ）でｘ方向に広がり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７に至ることになる。
図３１及び図３２に、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０のリッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満なので、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｃがエッチングで除去された露出面を絶縁膜であるＳｉＮ膜１５で覆うことにより電流非注入構造としたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設けたので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から３次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１２％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、電流は等方的に広がるので、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（１．１３μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。
以上、実施の形態４によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０では、リッジ外側領域Ｉａ ｏのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｃがエッチングで除去された露出面をＳｉＮ膜１５で覆うことにより電流非注入構造を設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏し、さらに、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｅ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｃの屈折率よりも高くした非対称構造とすることにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｅ及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１３ｃの側でのキャリアによる光吸収を減らしてスロープ効率が高くなる効果も奏する。
実施の形態４の変形例１
図３３は、実施の形態４の変形例１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６００を示す斜視図である。
図３０に示される実施の形態４によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０と異なる点は、第２ＥＳＬ層１２が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、プロトン注入による半導体層の絶縁化で形成する点にある。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６００の作製方法は、実施の形態１の変形例１と同様である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６００では、第２ＥＳＬ層１２が無いことにより、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の実効屈折率は３．４１６９３となる。クラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は同一である３．４１６７２であり、リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合、式（１）のｖは１２．２０となり、０次（基本モード）から７次までの８個のモードが許容される。
プロトンを注入したリッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率は、リッジ内側領域Ｉａ ｉと同一である３．４１６９３である。一例として、プロトンをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４の表面から深さ０．２５μｍまで注入した場合は、第１ＥＳＬ層１０の上端部からプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１は１．４５μｍとなる。
第１ＥＳＬ層１０の上端部から電流非注入構造、すなわちプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１が０．３９μｍ以上であれば、リッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率はリッジ内側領域Ｉａ ｉの実効屈折率と実質的に同一となる。つまり、距離ｈ１が０．３９μｍ以上の領域には光が殆ど存在しないので、結晶層へのプロトン注入によって生じる結晶破壊による散乱及び当該散乱による損失の影響は受けることが無い上、結晶欠陥に起因する信頼性の低下も生じない。
図３４及び図３５に、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６００のリッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満であり、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６００では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域１７が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ内側領域Ｉａ ｉに専ら電流を流すので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から２次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６００では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に、１１％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（２．１９μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。第１ＥＳＬ層１０の上端部からプロトン注入領域１７の下端部までの距離ｈ１は、０．３９μｍ以上であれば十分であるが、実施の形態４の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６００において距離ｈ１を１．４５μｍとしているのは、プロトン注入による半導体層のダメージ部分を光強度分布からさらに遠ざけて、より高い信頼性を実現するためである。
本実施の形態では、一例として、プロトンをイオン注入した構造を示したが、これに限定されるものではなく、半導体層の電気抵抗を大きくできるものであれば良い。
半導体層の絶縁体化の手段としてプロトン注入を用いると、エッチング工程が不必要となるので、作製工程数を少なくできる上、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製自体も容易となるという効果を奏する。
以上、実施の形態４の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６００では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域１７が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６００に注入される電流は専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏し、さらに、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｄの屈折率よりも高くした非対称構造とすることにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｄの側でのキャリアによる光吸収を減らしてスロープ効率が高くなる効果も奏する。
実施の形態４の変形例２
図３６は、実施の形態４の変形例２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６１０を示す斜視図である。
図３０に示される実施の形態４によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５９０と異なる点は、第２ＥＳＬ層１２が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、ＳｉＮ膜１５ａをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部にそれぞれ設けた点にある。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６１０の作製方法は、実施の形態１の変形例２と同様である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６１０におけるリッジ内側領域Ｉａ ｉ、リッジ外側領域Ｉａ ｏ及びクラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は、それぞれ、３．４１６９３、３．４１６９３及び３．４１６７２であり、リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合は、０次（基本モード）から７次までの８個のモードが許容される。電流はｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４の上部から広がるので距離ｈ１は１．７μｍとなる。
図３７及び図３８に、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６１０のリッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても１％未満であり、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
リッジ外側領域Ｉａ ｏを設けると、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から２次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６１０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１１％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、さらに顕著になる。
なお、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（２．４４μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。本実施の形態では、リッジ外側領域Ｉａ ｏにおける電流非注入構造は、絶縁膜であるＳｉＮ膜１５ａで形成しているので、電流がｘ方向、すなわち、リッジ幅方向に広がり始めるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４からＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７までの距離は２．４４μｍと長く、リッジ外側領域幅Ｗｏが狭い場合は、利得差は付きにくいが、リッジ外側領域幅Ｗｏを広くすれば効果は大きくなるので、特段の問題はない。なお、絶縁膜としてＳｉＮを用いたが、ＳｉＯ２等の他の材料でも良い。
エッチングあるいはプロトン注入といった工程がないので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製が極めて容易である。
以上、実施の形態４の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６１０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜１５ａで覆った電流非注入構造を有するリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６１０に注入される電流を専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流すようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏し、さらに、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の屈折率をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｄの屈折率よりも高くした非対称構造とすることにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｄの側でのキャリアによる光吸収を減らしてスロープ効率が高くなる効果も奏する。
実施の形態５
図３９は、実施の形態５による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０を示す斜視図である。
図３９に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０は、Ａｌ組成比０．５５で層厚４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１ＥＳＬ層２１（ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層、あるいは第２導電型の低屈折率層とも呼ぶ）、Ａｌ組成比０．２０で層厚０．１０μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２２、Ａｌ組成比０．５５で層厚４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２ＥＳＬ層２３、Ａｌ組成比０．２０で層厚０．７５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層２４、Ａｌ組成比０．５５で層厚４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第３ＥＳＬ層２５、Ａｌ組成比０．２０で層厚０．６５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層２６（第２導電型の第２クラッド層）、層厚０．２μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７、膜厚０．４μｍのＳｉＮ膜２８、ｐ型電極２９を有する。
その他の層構成は、実施の形態１の図３に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００と同一である。
なお、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２２とｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層２４を合わせて第２導電型の第１クラッド層と呼ぶ。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０の作製方法を以下に示す。
ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３からｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７までの各半導体層を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の結晶成長方法で順次結晶成長する。
次に、リッジ内側領域Ｉａ ｉをレジストで被覆して第３ＥＳＬ層２５までドライエッチングし、レジストを剥離する。
その後、リッジ内側領域Ｉａ ｉとリッジ外側領域Ｉａ ｏをレジストで被覆して第２ＥＳＬ層２３までドライエッチングし、レジストを剥離する。
さらに、リッジ内側領域Ｉａ ｉとリッジ外側領域Ｉａ ｏ及びテラス領域ＩＩｔをレジストで被覆して第１ＥＳＬ層２１までドライエッチングし、レジストを剥離する。
そして、リッジ内側領域Ｉａ ｉをレジストで被覆し、ＳｉＮ膜２８を成膜してリフトオフし、レジストを剥離する。
最後に、上面側にｐ型電極１６、下面側にｎ型電極１をそれぞれ形成する。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０のリッジ外側領域Ｉａ ｏの両側には、幅ｄ（例えば２μｍ）のクラッド領域ＩＩｃを介してテラス領域ＩＩｔを設けている。当該テラス領域ＩＩｔの実効屈折率は、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の実効屈折率より小さく、かつ、クラッド領域ＩＩｃの実効屈折率よりも大きい。テラス領域ＩＩｔが無く当該箇所がクラッド領域ＩＩｃと同一構造の場合は、多くの高次モードが存在するが、テラス領域ＩＩｔを設けると高次モードの伝搬定数を自由空間の波数で割った値がテラス領域ＩＩｔの実効屈折率よりも小さくなり、これらの高次モードは存在し得なくなるので、水平方向に許容されるモード数を減らすことができる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０は、クラッド領域ＩＩｃの外側に実効屈折率がｎｔのテラス領域ＩＩｔを有し、ｍを正の整数とすると、下記の式（９）を満たし、かつ、下記の式（１０）を満たすことを特徴としている。
Figure 0007353510000011
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０において、リッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の実効屈折率は３．４１７４１、クラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は３．４１６３７となるので、リッジ幅２Ｗが１００μｍでテラス領域ＩＩｔがない場合は、ｖ＝２７．１６となり、０次から１７次の１８個のモードが許容される。
一方、テラス領域ＩＩｔを設けると、テラス領域ＩＩｔの実効屈折率は３．４１７０４なので、１１次から１７次のモードは、伝搬定数を自由空間の波数で割った値がテラス領域ＩＩｔの実効屈折率よりも小さくなり、結果的に０次から１０次までの１１個のモードが許容されることになる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０が有限のリッジ外側領域幅Ｗｏを有し、リッジ外側領域Ｉａ ｏを第３ＥＳＬ層２５に達するまでエッチングで除去した場合の当該箇所の実効屈折率は３．４１７４１となり、エッチングによる除去に拘らずリッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の屈折率は同一である。このため、許容されるモード数は同一となる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０では、電流は、第３ＥＳＬ層２５の上端部からｘ方向、すなわちリッジ幅方向にも広がり始める。つまり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７の上端部から第１ＥＳＬ層２１（ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層２１）の上端部までの距離ｈ２（０．６４μｍ）と第１ＥＳＬ層２１の上端部から第３ＥＳＬ層２５の上端部までの距離ｈ１（０．９３μｍ）でｘ方向に広がり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７に至ることになる。
図４０及び図４１に、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０のリッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても２％未満なので、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードで発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層２６がエッチングで除去された露出面をＳｉＮ膜２８で覆うことにより電流非注入構造としたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設けたので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から３次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では、基本モードと他の全てのモードの間に１０％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、電流は等方的に広がるので、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（１．５７μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。
以上、実施の形態５によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層２６がエッチングで除去された露出面をＳｉＮ膜２８で覆うことにより電流非注入構造としたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードの発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏し、さらに、テラス領域ＩＩｔを設けることにより高次モードの伝搬定数を自由空間の波数で割った値がテラス領域ＩＩｔの実効屈折率よりも小さくなり、これらの高次モードは存在し得なくなるので、水平方向に許容されるモード数を減らすことができるという効果も奏する。
実施の形態５の変形例１
図４２は、実施の形態５の変形例１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６３０を示す斜視図である。
図４２に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６３０は、Ａｌ組成比０．２０で層厚１．４０μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層２４ａ（第２導電型のクラッド層）、膜厚０．４μｍのＳｉＮ膜２８ａ、プロトン注入領域３０を有する。
図３９に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０と異なる点は、第３ＥＳＬ層２５が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、プロトン注入による半導体層の絶縁化で形成する点にある。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６３０の作製方法を以下に示す。
ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３からｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７までの各半導体層を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の結晶成長方法で順次結晶成長する。
次に、リッジ内側領域Ｉａ ｉをレジストで被覆してプロトンをイオン注入してプロトン注入領域３０を形成し、レジストを剥離する。
その後、リッジ内側領域Ｉａ ｉとリッジ外側領域Ｉａ ｏをレジストで被覆して第２ＥＳＬ層２３までドライエッチングし、レジストを剥離する。このとき、クラッド領域ＩＩｃ及びテラス領域ＩＩｔのプロトン注入領域３０もエッチングされて消失する。
そして、リッジ内側領域Ｉａ ｉ、リッジ外側領域Ｉａ ｏ及びテラス領域ＩＩｔをレジストで被覆して第１ＥＳＬ層２１までドライエッチングし、レジストを剥離する。
さらに、リッジ内側領域Ｉａ ｉとリッジ外側領域Ｉａ ｏをレジストで被覆し、ＳｉＮ膜２８ａを成膜してリフトオフし、レジストを剥離する。
最後に、上面側にｐ型電極１６、下面側にｎ型電極１をそれぞれ形成する。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６３０において、リッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合、リッジ領域Ｉａ（リッジ内側領域Ｉａ ｉ及びリッジ外側領域Ｉａ ｏ）の実効屈折率は３．４１７４１、クラッド領域ＩＩｃの実効屈折率は３．４１６３７となるので、リッジ幅２Ｗが１００μｍでテラス領域ＩＩｔがない場合は、ｖ＝２７．１６となり、０次から１７次の１８個のモードが許容される。
一方、テラス領域ＩＩｔを設けると、テラス領域ＩＩｔの実効屈折率は３．４１７０４なので、１１次から１７次のモードは、伝搬定数を自由空間の波数で割った値がテラス領域ＩＩｔの実効屈折率よりも小さくなり、結果的に０次から１０次までの１１個のモードが許容されることになる。
一例として、プロトンをｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７から深さ０．７４μｍまで注入した場合は、第１ＥＳＬ層２１の上端部からプロトン注入領域３０の下端部までの距離ｈ１は１．００μｍとなる。
リッジ外側領域幅Ｗｏであるリッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率は３．４１７４１なので、許容されるモード数は実施の形態５と同一である。
第１ＥＳＬ層２１の上端部から電流非注入構造、すなわちプロトン注入領域３０の下端部までの距離ｈ１が０．９３μｍ以上であれば、リッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率はリッジ内側領域Ｉａ ｉの実効屈折率と実質的に同一となる。つまり、距離ｈ１が０．９３μｍ以上の領域には光が殆ど存在しないので、結晶層へのプロトン注入によって生じる結晶破壊による散乱及び当該散乱による損失の影響は受けることが無い上、結晶欠陥に起因する信頼性の低下も生じない。
一方、電流は、プロトン注入領域３０の下端部からｘ方向、すなわち、リッジ幅方向にも広がり始め、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７の上端部から第１ＥＳＬ層２１の上端部までの距離ｈ２（０．６４μｍ）と第１ＥＳＬ層２１の上端部からプロトン注入領域３０の下端部までの距離ｈ１（１．００μｍ）とでｘ方向に広がり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７に至ることになる。
図４３及び図４４に、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６３０のリッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても２％未満であり、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６３０では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域３０が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設けたので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から３次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６３０では、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１０％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
なお、リッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（１．６４μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。第１ＥＳＬ層２１の上端部からプロトン注入領域３０の下端部までの距離ｈ１は、０．９３μｍ以上であれば十分であるが、実施の形態５の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６３０において距離ｈ１を１．００μｍとしているのは、プロトン注入による半導体層のダメージ部分を光強度分布からさらに遠ざけて、より高い信頼性を実現するためである。
本実施の形態では、一例として、プロトンをイオン注入した構造を示したが、これに限定されるものではなく、半導体層の電気抵抗を大きくできるものであれば良い。
半導体層の絶縁体化の手段としてプロトン注入を用いると、エッチング工程が不必要となるので、作製工程数を少なくできる上、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製自体も容易となるという効果を奏する。
以上、実施の形態５の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６３０では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域３０が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６３０に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏し、さらに、テラス領域ＩＩｔを設けることにより高次モードの伝搬定数を自由空間の波数で割った値がテラス領域ＩＩｔの実効屈折率よりも小さくなり、これらの高次モードは存在し得なくなるので、水平方向に許容されるモード数を減らすことができるという効果も奏する。
実施の形態５の変形例２
図４５は、実施の形態５の変形例２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０を示す斜視図である。
図４５に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０は、膜厚０．４μｍのＳｉＮ膜２８ｂを有する。
図３９に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６２０と異なる点は、第３ＥＳＬ層２５が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏを形成するため、エッチング除去ではなく、ＳｉＮ膜２８ｂをｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７のリッジ幅方向の両端の表面の一部にそれぞれ設けた点にある。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０の作製方法を以下に示す。
ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３からｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７までの各半導体層を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の結晶成長方法で順次結晶成長する。
次に、リッジ内側領域Ｉａ ｉとリッジ外側領域Ｉａ ｏをレジストで被覆して第２ＥＳＬ層２３までドライエッチングし、レジストを剥離する。
そして、リッジ内側領域Ｉａ ｉ、リッジ外側領域Ｉａ ｏ及びテラス領域ＩＩｔをレジストで被覆して第１ＥＳＬ層２１までドライエッチングし、レジストを剥離する。
その後、リッジ内側領域Ｉａ ｉをレジストで被覆し、ＳｉＮ膜２８ｂを成膜してリフトオフし、レジストを剥離する。
最後に、上面側にｐ型電極１６、下面側にｎ型電極１をそれぞれ形成する。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０におけるリッジ内側領域Ｉａ ｉ、リッジ外側領域Ｉａ ｏ、クラッド領域ＩＩｃ及びテラス領域ＩＩｔの実効屈折率は、それぞれ、３．４１７４１、３．４１７４１、３．４１６３７及び３．４１７０４であり、リッジ幅２Ｗが１００μｍの場合は、０次（基本モード）から１０次までの１１個のモードが許容される。電流はｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７の上部から広がるので、距離ｈ１は１．６４μｍとなる。
図４６及び図４７に、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０のリッジ外側領域幅Ｗｏが３、６、９、１０、１１、１５、２０及び２５μｍの場合の各モードの利得Ｇｉを示す。併せて、比較例であるリッジ外側領域幅Ｗｏ＝０μｍの場合も示す。比較例の場合は、各モードに利得差は殆どなく、あっても２％未満であり、どのモードでもレーザ発振し得る。このため、水平広がり角には、どのモードでレーザ発振するかによるばらつきが生じる。
一方、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜２８ｂで覆った電流非注入構造を有するリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、各モード間に利得差が生じ、低次のモードの利得が高次のモードよりも大きくなる。このため、低次のモードでのレーザ発振が可能となり、狭い水平広がり角が実現できる。
また、本開示による低次のモード、例えば、リッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍ以下の場合の０次から３次のモードの利得は、比較例の低次のモードよりも大きくなるので、少ない利得でレーザ発振に至り、比較例よりも低しきい値電流でレーザ発振するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置が得られる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０のリッジ外側領域幅Ｗｏが１０μｍを超えても、低次モードの利得は、比較例よりも大きくなりロスが増すことはない。リッジ外側領域幅Ｗｏが１５μｍ以上では基本モードと他の全てのモードの間に１０％を超える利得差があり、実質的な基本モード発振が可能となる。リッジ外側領域幅Ｗｏが２０μｍ以上では、この傾向はさらに顕著になる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０のリッジ外側領域幅Ｗｏは距離ｈ１＋ｈ２（２．２８μｍ）より広く、Ｗ（５０μｍ）よりも狭い範囲であれば良い。本実施の形態においては、リッジ外側領域Ｉａ ｏにおける電流非注入構造は、絶縁膜であるＳｉＮ膜２８ｂで形成しているので、電流がｘ方向に広がり始めるｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７からＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７までの距離は２．３８μｍと長くなり、リッジ外側領域幅Ｗｏが狭い場合は利得差が付きにくいが、リッジ外側領域幅Ｗｏを広くすれば効果は大きくなるので、特段の問題はない。なお、絶縁膜としてＳｉＮを用いたが、ＳｉＯ２等の他の材料でも良い。
また、エッチングあるいはプロトン注入といった工程がないので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製が極めて容易である。
本実施の形態では、許容される水平横モード数を少なくする構造を用いて、許容される水平横モード間に利得差を設けて低次のモードでレーザ発振させ、水平広がり角を狭くしたリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０を例示したが、これに限定されるものではなく、水平横モードが少なくなることのないような通常のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置でも同様な効果を奏する。
本実施の形態では、リッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率は、リッジ内側領域Ｉａ ｉの実効屈折率と等しくしているが、実施の形態１で説明したように実質的に同一であれば良い。
以上、実施の形態５の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜２８ｂで覆った電流非注入構造を有するリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６４０に注入される電流を専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流すので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードの発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏し、さらに、テラス領域ＩＩｔを設けることにより高次モードの伝搬定数を自由空間の波数で割った値がテラス領域ＩＩｔの実効屈折率よりも小さくなり、これらの高次モードは存在し得なくなるので、水平方向に許容されるモード数を減らすことができるという効果も奏する。
実施の形態６
図４８は、実施の形態６による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６５０を示す斜視図である。
図４８に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６５０は、Ａｌ組成比０．２０で層厚０．１０μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３１、Ａｌ組成比０．５５で層厚４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１ＥＳＬ層３２（ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層、あるいは第２導電型の低屈折率層とも呼ぶ）、Ａｌ組成比０．２０で層厚０．７５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層３３、Ａｌ組成比０．５５で層厚４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２ＥＳＬ層３４、Ａｌ組成比０．２０で層厚０．６５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層３５（第２導電型の第２クラッド層）、層厚０．２μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層３６、膜厚０．２μｍのＳｉＮ膜３７、ｐ型電極３８、を有する。
なお、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３１とｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層３３を合わせて第２導電型の第１クラッド層と呼ぶ。
その他の層構成は、ｎ型低屈折率層が無い点を除いて、実施の形態１の図３に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置５００と同一である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６５０の作製方法も実施の形態１と同様である。ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７の上端部から第１ＥＳＬ層３２の上端部までの距離ｈ２は０．７４μｍ、第２ＥＳＬ層３４の上端部から第１ＥＳＬ層３２の上端部までの距離ｈ１は０．７９μｍである。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６５０は、ｎ型低屈折率層がない通常の実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置であり、第１ＥＳＬ層３２（ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層３２）をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３１とｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層３３の間に設けている。許容されるモード間の利得差は、実施の形態１と同様な傾向を示す。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６５０では、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３１の層厚を０．１μｍとしているが、この層厚に限定されるものではなく、この層厚を厚くするとｘ方向に許容されるモード数を容易に少なくすることができる。
以上、実施の形態６によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６５０では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３６及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層３５がエッチングで除去された露出面をＳｉＮ膜３７で覆うことにより電流非注入構造としたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６５０に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードの発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏する。
実施の形態６の変形例１
図４９は、実施の形態６の変形例１による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６６０を示す斜視図である。
図４９に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６６０は、Ａｌ組成比０．２０で層厚１．４０μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層３３ａ、膜厚０．２μｍのＳｉＮ膜３７ａ、プロトン注入領域４０を有する。
プロトンをｐ型ＧａＡｓコンタクト層３６の表面から深さ０．６μｍまで注入した場合は、第１ＥＳＬ層３２の上端部からプロトン注入領域４０の下端部までの距離ｈ１は１．０μｍとなる。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６６０が図４８に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６５０と異なる点は、第２ＥＳＬ層３４が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、プロトン注入による半導体層の絶縁化で形成する点にある。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６６０の作製方法は、実施の形態１の変形例１と同様である。
第１ＥＳＬ層３２の上端部から電流非注入構造、すなわちプロトン注入領域４０の下端部までの距離ｈ１が０．７９μｍ以上であれば、リッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率はリッジ内側領域Ｉａ ｉの実効屈折率と実質的に同一となる。つまり、距離ｈ１が０．７９μｍ以上の領域には光が殆ど存在しないので、結晶層へのプロトン注入によって生じる結晶破壊による散乱及び当該散乱による損失の影響は受けることが無い上、結晶欠陥に起因する信頼性の低下も生じない。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６６０は、ｎ型低屈折率層がない通常の実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置であり、第１ＥＳＬ層３２をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３１とｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層３３ａの間に設けている。許容されるモード間の利得差は、実施の形態１の変形例１と同様な傾向を示す。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６６０では、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３１の層厚を０．１μｍとしているが、この層厚に限定されるものではなく、この層厚を厚くするとｘ方向、すなわち、リッジ幅方向に許容されるモード数を容易に少なくすることができる。
本実施の形態では、一例として、プロトンをイオン注入した構造を示したが、これに限定されるものではなく、半導体層の電気抵抗を大きくできるものであれば良い。
半導体層の絶縁体化の手段としてプロトン注入を用いると、エッチング工程が不必要となるので、作製工程数を少なくできる上、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製自体も容易となるという効果を奏する。
以上、実施の形態６の変形例１によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６６０では、電流非注入構造として機能するプロトン注入領域４０が形成されたリッジ外側領域Ｉａ ｏを設け、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６６０に注入される電流が専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れるようにしたので、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏する。
実施の形態６の変形例２
図５０は、実施の形態６の変形例２による実屈折率分布を有する９７５ｎｍ帯のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６７０を示す斜視図である。
図５０に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６７０は、膜厚０．２μｍのＳｉＮ膜３７ｂを有する。
図４８に示されるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６５０と異なる点は、第２ＥＳＬ層３４が無いこと、リッジ外側領域Ｉａ ｏをエッチング除去ではなく、ＳｉＮ膜３７ｂをｐ型ＧａＡｓコンタクト層３６のリッジ幅方向の両端の表面の一部にそれぞれ設けた点にある。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６７０の作製方法は、実施の形態１の変形例２と同様である。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６７０は、ｎ型低屈折率層がない通常の実屈折率分布を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置であり、第１ＥＳＬ層３２をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３１とｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層３３ａの間に設けている。許容されるモード間の利得差は、実施の形態１の変形例２と同様な傾向を示す。
リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６７０では、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３１の層厚を０．１μｍとしているが、この層厚に限定されるものではなく、この層厚を厚くするとｘ方向に許容されるモード数を容易に少なくすることができる。
なお、本実施の形態には、エッチングあるいはプロトン注入といった工程がないので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置の作製が極めて容易である。
本実施の形態では、許容される水平横モード数を少なくする構造を用いて、許容される水平横モード間に利得差を設けて低次のモードで発振させ、水平広がり角を狭くしたリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を例示したが、これに限定されるものではなく、水平横モードを少なくしないような通常のリッジ構造を有するリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置でも同様な効果を奏する。
本実施の形態では、リッジ外側領域Ｉａ ｏの実効屈折率は、リッジ内側領域Ｉａ ｉの実効屈折率と等しくしているが、実施の形態１で説明したように実質的に同一であれば良い。
以上、実施の形態６の変形例２によるリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６７０では、リッジ外側領域Ｉａ ｏのｐ型ＧａＡｓコンタクト層３６のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれＳｉＮ膜３７ｂで覆って電流非注入構造としたので、リッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置６７０に注入される電流は専らリッジ内側領域Ｉａ ｉに流れることになる結果、低次のモードの利得を高次のモードの利得よりも大きくし、低次のモードのレーザ発振を可能にして水平広がり角を狭くする効果を奏する。
本開示では、発振波長９７５ｎｍのリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を例に説明したが、当該波長に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、４００ｎｍ帯のＧａＮ系、６００ｎｍ帯のＧａＩｎＰ系、１５５０ｎｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ系のリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置でも同様な効果を奏することができる。
また、本開示では、ｎ型ＧａＡｓ基板を用いてｐ型ＧａＡｓコンタクト層側にリッジ構造を形成しているが、逆に、ｐ型ＧａＡｓ基板を用いてｎ型ＧａＡｓコンタクト層側にリッジ構造を形成しても同様な効果が得られる。
なお、本開示では、リッジ幅２Ｗが１００μｍのリッジ型ブロードエリア半導体レーザ装置を例示したが、リッジ幅２Ｗは１００μｍに限定されるものではなく、水平方向、すなわち、リッジ幅方向に１次以上の高次モードが許容されるものであれば、リッジ幅２Ｗには依存しない。
本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１ ｎ型電極、２ ｎ型ＧａＡｓ基板、３ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、４ ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層、５、５ａ ｎ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層、６、６ａ ｎ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層、７ ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層、８、８ａ ｐ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層、９、９ａ ｐ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層、１０、２１、３２ ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層（第１ＥＳＬ層）、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、２２、３１ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層、１２、２３、３４ 第２ＥＳＬ層、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、２４、２４ａ、３３、３３ａ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層、１４、２７、３６ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１５、１５ａ、２８、２８ａ、２８ｂ、３７、３７ａ、３７ｂ ＳｉＮ膜、１６、２９、３８ ｐ型電極、１７、３０、４０ プロトン注入領域、２５ 第３ＥＳＬ層、２６、３５ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層、６１、６２ ｎ側光ガイド層、８１、８２ ｐ側光ガイド層、 １０１ 活性層、１０２ 光ガイド層、１０３ 第１エッチングストップ層、１０４ ｐ型第１クラッド層、１０５ 第２エッチングストップ層、１０６ ｐ型第２クラッド層

Claims (13)

  1. 第１導電型の半導体基板と、
    前記第１導電型の半導体基板上に積層された第１導電型のクラッド層、第１導電型側の光ガイド層、活性層、第２導電型側の光ガイド層、第２導電型のクラッド層及び第２導電型のコンタクト層と、
    レーザ光を往復させる前端面と後端面からなる共振器と、
    前記前端面と前記後端面の間で前記レーザ光を導波し、幅が２Ｗで表されるリッジ領域と、を備え、発振波長がλであり、前記各層の積層方向において、１次以上の高次モードが許容される半導体レーザ装置であって、
    前記リッジ領域は、
    幅が２Ｗｉで表され、実効屈折率がｎａ ｉであるリッジ内側領域と、
    前記リッジ内側領域の両側に設けられ、幅がＷｏで表され、実効屈折率がｎａ ｏである、電流非注入構造を有するリッジ外側領域と、で構成され、
    前記リッジ外側領域の両側に前記第２導電型のコンタクト層および前記第２導電型のクラッド層が少なくとも除去され、実効屈折率がｎｃであるクラッド領域が設けられ、
    前記リッジ内側領域と前記リッジ外側領域の平均屈折率ｎａ ｅが、
    Figure 0007353510000012
     で表され、以下の関係を満たし、
    Figure 0007353510000013
     前記リッジ外側領域の幅であるＷｏは、前記電流非注入構造の下端部から前記活性層までの距離よりも大きく、かつ、前記リッジ領域の幅の１／２であるＷよりも小さいことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記クラッド領域の上端部から前記電流非注入構造の下端部までの距離が、前記距離によって許容されるモードの数と前記リッジ領域および前記クラッド領域を有する構造によって許容されるモードの数が同一となる長さに設定され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。
  3. 前記リッジ領域のリッジ幅方向において許容されるモードの数は、前記リッジ領域と前記クラッド領域を有する構造によって許容されるモードの数と同一であ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装置。
  4. 前記第２導電型のクラッド層が、第２導電型の第１クラッド層及び第２導電型の第２クラッド層で構成され、
    前記電流非注入構造は、前記リッジ外側領域において少なくとも前記第２導電型のコンタクト層及び前記第２導電型の第２クラッド層が除去された露出面を被覆する絶縁膜を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記電流非注入構造はプロトン注入領域からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記電流非注入構造は、前記リッジ外側領域の前記第２導電型のコンタクト層のリッジ幅方向の両端の表面の一部をそれぞれ被覆する絶縁膜からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記第１導電型側の光ガイド層の層厚が、前記第２導電型側の光ガイド層の層厚よりも厚いことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記第１導電型側の光ガイド層の層厚は、前記第２導電型側の光ガイド層の層厚と同一であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記第１導電型のクラッド層の屈折率ｎｃｎが、前記第２導電型のクラッド層の屈折率ｎｃｐよりも高いことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  10. 前記第１導電型のクラッド層の屈折率ｎｃｎが、前記第２導電型のクラッド層の屈折率ｎｃｐよりも高く、かつ、前記第１導電型側の光ガイド層の層厚が、前記第２導電型側の光ガイド層の層厚よりも厚いことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  11. 前記第２導電型側の光ガイド層と前記第２導電型のクラッド層の間または前記第２導電型のクラッド層内に、前記第２導電型のクラッド層の屈折率よりも低い第２導電型の低屈折率層を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  12. 前記第１導電型のクラッド層の屈折率をｎｃｎ、前記第２導電型のクラッド層の屈折率をｎｃｐとし、
    前記第１導電型側の光ガイド層と前記第１導電型のクラッド層の間または前記第１導電型のクラッド層内に、層厚がｄｎで前記第１導電型のクラッド層の屈折率ｎｃｎよりも低い屈折率ｎｎの第１導電型の低屈折率層と、前記第２導電型側の光ガイド層と前記第２導電型のクラッド層の間または前記第２導電型のクラッド層内に、層厚がｄｐで前記第２導電型のクラッド層の屈折率ｎｃｐよりも低い屈折率ｎｐの第２導電型の低屈折率層と、を有し、
    Figure 0007353510000014
     を満たすことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  13. 前記クラッド領域の両側に実効屈折率がｎｔのテラス領域を有し、正の整数ｍにより、
    Figure 0007353510000015
     を満たし、かつ、
    Figure 0007353510000016
     を満たすことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
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