JP2004165383A - Semiconductor laser device, second harmonic generator, and optical pickup apparatus - Google Patents

Semiconductor laser device, second harmonic generator, and optical pickup apparatus Download PDF

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JP2004165383A JP2002328779A JP2002328779A JP2004165383A JP 2004165383 A JP2004165383 A JP 2004165383A JP 2002328779 A JP2002328779 A JP 2002328779A JP 2002328779 A JP2002328779 A JP 2002328779A JP 2004165383 A JP2004165383 A JP 2004165383A
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Toru Takayama
徹 高山
Masaaki Yuri
正昭 油利
Kenji Orita
賢児 折田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser device capable of suppressing part of an emission end face of an active layer at a side of a diffraction grating layer from being molten and destroyed, and a second harmonic generator and an optical pickup apparatus employing the same. <P>SOLUTION: The semiconductor laser device is used, which includes the active layer 4, and the diffraction grating layer 8 placed above the active layer 4 as its upper layer. The diffraction grating layer 8 is formed within a range narrower than that of the principal face of the active layer 4. The active layer 4 is formed in a way that a band gap in a DBR region and a phase control region equivalent to regions beneath the diffraction grating layer 8 is greater than a band gap in a gain region. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置、これを用いた第2高調波発生装置及び光ピックアップ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
高密度光ディスク用の光源として、青色域のレーザ光源が要望されている。青色域は、赤色域や、赤外域の光に比べ、光ディスク上での集光スポット系を小さくする事が可能となる短波長域であるため、青色域のレーザ光源は、光ディスクの記録密度や再生密度の向上に有効である。
【0003】
青色域のレーザ光を得る有効な手段として、導波路を備えた第2高調波発生(SHG:Second Harmonic Generation)素子を用いて赤外域の光を青色域の短波長の光に変換する方法が挙げられる。現在、SHG素子の構成材料として広く用いられているのは、LiNbOに代表される非線形光学材料である。
【0004】
通常、LiNbOで構成されたSHG素子には、入力光である赤外域の光の波長に合わせて、イオン交換技術によりグレーティングが形成されている。また、SHG素子は、導波路を伝播する赤外域の光の波長と、導波路を伝播する青色域の光の波長と、グレーティングピッチとが整数比となるように構成する必要がある。従って、入射される赤外域の光の波長の範囲は、SHG素子によって狭い範囲に制限されることとなる。
【0005】
このため、光源となる赤外レーザとしては、発振波長の選択性が高く、単一縦モード発振を行なうことでき、又温度による発振波長の変化を調整可能なDBR(Distributed Bragg Reflector)レーザが用いられる。従来からのDBRレーザとしては、例えば特許文献1に開示されたものが挙げられる。この従来からのDBRレーザについて図24を用いて説明する。
【0006】
図24は、従来のDBRレーザの構造を概略的に示す側面図である。図24に示すように、従来のDBRレーザは、n形GaAs基板51上に、厚さ0.5μmのn型GaAsバッファ層52、厚さ1.5μmのn型AlGaAs(Al組成0.45)クラッド層53、活性層54、厚さ400Åのp型AlGaAs(Al組成0.4)キャリア閉じ込め層(クラッド層)55、厚さ0.25μmのp型AlGaAs(Al組成0.15)回折格子層56、厚さ1.5μmのp型AlGaAs(Al組成0.45)クラッド層57及び厚さ0.5μmのp型GaAsコンタクト層58を順に設けて形成されている。また、最下層には電極62が設けられ、最上層には電極59〜61が設けられている。電極59〜62はDBRレーザの駆動に用いられる。
【0007】
n型GaAsバッファ層52、n型AlGaAsクラッド層53、活性層54、p型AlGaAsキャリア閉じ込め層55及びp型AlGaAs光ガイド層56は、分子線エピタキシー(MBE)法によって形成されている。
【0008】
また、p型AlGaAs回折格子層56には、回折格子56aと56bとが設けられている。回折格子56aは、p型AlGaAsの層の上に、レジストを塗布し、2光束干渉露光によって、300μm幅のストライプ状にパターニングを行い、更に反応性イオンビームエッチング(RIBE)を施すことによって形成されている。なお、図24の例では、回折格子56aのピッチは、2440Å、深さは10Åである。である。
【0009】
また、回折格子56bも、回折格子56aと同様のパターニングと反応性イオンビームエッチングとによって形成される。但し、回折格子56bの形成においては、パターニングは、回折格子51aで用いるレジストとは別のレジストを用いて行なわれる。この結果、回折格子51aと回折格子52bとでは、ピッチにおいては同じであるが、深さにおいて異なったものとなる。
【0010】
p型AlGaAsのクラッド層57及びp型GaAsコンタクト層58は、液相エピタキシャル成長(LPE)法によって形成されている。
【0011】
ところで、赤外域から青色域へのSHG素子による変換効率は、数%から数十%であり、一般に非線形光学素子であるSHG素子に入力される光のパワーの2乗に比例する。
【0012】
よって、高密度光ディスクの再生時に必要な5mW程度の青色域の光を得るためには、赤外域の光のパワーとして最低50mW程度が必要である。また、高密度光ディスクの記録時に必要な数十mW程度の青色域の光を得るためには、赤外域の光のパワーとしては最低100mW以上が必要である。このことから、高密度光ディスクの記録用及び再生用の光源として使用されるDBRレーザには、100mW以上の高出力特性が要求される。
【0013】
【特許文献1】
特開平6−53619号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図24に示す従来のDBRレーザにおいて100mW以上の高出力動作を行なう場合、活性層54における光のパワー密度は大きなものとなる。また、活性層54は、レーザ光に対して比較的大きな吸収係数を有しており、更に、回折格子層56側においてレーザ光の端面反射率が小さいという特性を有している。
【0015】
このため、図24に示す従来のDBRレーザにおいて100mW以上の高出力動作を行なうと、活性層54の出射端面における回折格子層56側の部分が溶融破壊される可能性が高くなり、COD(Catastrophic Optical Damage)レベルが低下してしまう。
【0016】
本発明の目的は、活性層の出射端面における回折格子層側の部分が溶融破壊されるのを抑制し得る半導体レーザ装置、これを用いた第2高調波発生装置及び光ピックアップ装置を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にかかる半導体レーザ装置は、活性層と、前記活性層の上層に位置する回折格子層とを有する半導体レーザ装置であって、前記回折格子層は、前記活性層の主面よりも狭い範囲内に形成され、前記活性層は、前記回折格子層の直下となる領域を含む第1の領域と、前記回折格子層の直下となる領域を含まない第2の領域とを有し、前記第1の領域におけるバンドギャップは、前記第2の領域におけるバンドギャップよりも大きくなっていることを特徴とする。
【0018】
上記本発明にかかる半導体レーザ装置においては、前記回折格子層の上層に、第1の光ガイド層、第2の光ガイド層及びリッジ型の第3の光ガイド層が順に形成されており、前記第2の光ガイド層の上に、前記第3の光ガイド層の側面を挟み込むように、前記第3の光ガイド層と逆の導電型の電流ブロック層が形成されており、前記第2の光ガイド層、前記第3の光ガイド層、前記電流ブロック層のバンドギャップの大きさをそれぞれEg1、Eg2、Ebとすると、Eg1>Eb>Eg2の関係が満たされるのが好ましい。
【0019】
また、上記本発明にかかる半導体レーザ装置では、前記活性層と前記回折層との間に、前記回折層の構成材料よりもエッチング速度が小さい構成材料で形成された層が設けられているのが好ましい。
【0020】
上記本発明にかかる半導体レーザ装置では、最上層に、レーザ出射方向に沿って、電極として機能する複数の層が配置されているのが好ましい。前記電極として機能する層が三つの場合は、前記各層に注入する電流の大きさによって、利得、位相及び発振波長が制御される。
【0021】
上記本発明にかかる半導体レーザ装置では、前記第1の領域におけるバンドギャップ波長がレーザ光の発振波長よりも短く設定されているのが好ましい。また、前記第3の光ガイド層が、へき開面に垂直な軸に平行な部分とへき開面に垂直な軸に対して傾斜した部分とを有しているのが好ましい。更に、前記第3光ガイド層は、その出射方向に垂直な断面が台形状となるように形成されているのが好ましい。
【0022】
また、上記本発明にかかる半導体レーザ装置では、前記回折格子層、前記第1の光ガイド層、前記第2の光ガイド層、前記第3の光ガイド層はSiがドーピングされて形成されており、前記電流ブロック層はSeがドーピングされて形成されているのが好ましい。
【0023】
次に、上記目的を達成するために本発明にかかる第2高調波発生装置は、上記本発明にかかる半導体レーザ装置と、導波路を備えた非線形光学素子とを有し、前記非線形光学素子は、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光が前記導波路に結合するように配置されていることを特徴とする。この本発明にかかる第2高調波発生装置においては、前記半導体レーザ装置と、前記非線形光学素子とは、同一の基板上に配置されているのが好ましい。
【0024】
また、上記目的を達成するために本発明にかかる光ピックアップ装置は、回折格子、集光レンズ及び複数の偏向成分を含む光から予め定められた偏向成分のみを取り出す光学素子のうちのいずれか一つと、上記本発明にかかる第2高調波発生装置とを少なくとも有することを特徴とする。この本発明にかかる光ピックアップ装置においては、第2高調波発生装置が基板上に配置されており、前記基板上には受光素子が設けられているのが好ましい。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体レーザ装置、第2高調波発生装置及び光ピックアップ装置について、図1〜図23を参照しながら説明する。
【0026】
最初に、本発明の半導体レーザ装置の構成について、図1〜図10を用いて説明する。図1は、本発明の半導体レーザ装置の一例を示す斜視図である。図2は、図1に示す半導体レーザ装置の側面図である。図3は、図1に示す半導体レーザ装置の上面図である。
【0027】
図1〜図3に示す本発明の半導体レーザ装置は、導波路内部に回折格子を備えたDBRレーザである。図1及び図2に示すように、本発明の半導体レーザ装置は、基板1上に、バッファ層2、第1クラッド層3、活性層4、第2クラッド層5、第1エッチング防止層6、第2エッチング防止層7、回折格子層8、第1光ガイド層9、第2光ガイド層10、リッジ型の第3光ガイド層11、電流ブロック層12、第3クラッド層13、コンタクト層14a〜14cを設けて構成されている。
【0028】
図1及び図2の例では、基板1はn型GaAsの半導体結晶で形成されている。バッファ層2は、厚さ0.2μmのn型GaAs層である。第1クラッド層3は、厚さ3.0μmのn型Ga0.5Al0.5As層である。活性層4は、Ga0.7Al0.3As障壁層(厚さ50Å)/GaAs井戸層(厚さ42Å)からなる二重量子井戸構造をGa0.7Al0.3Asガイド層(厚さ100Å)で挟み込んで形成されている。第2クラッド層5は、厚さ800Åのp型Ga0.5Al0.5As層である。
【0029】
第1エッチング防止層6及び第2エッチング防止層7は、回折格子層8を形成する際のエッチングによって、第2クラッド層5の一部が除去されるのを防止するため、回折格子層8の構成材料よりもエッチング速度が小さい材料で形成されている。また、第1エッチング防止層6と第2エッチング防止層とでは、第1エッチング防止層6の方が、エッチング速度が小さい材料で形成されている。
【0030】
具体的には、第1エッチング防止層6は、厚さ100Åのp型GaAlAs層である。第1エッチング防止層6のAlAs混晶比をXsとする。第2エッチング防止層7は、厚さ100Åのp型Ga0.4Al0.6As層であり、第1エッチング防止層6の一部の領域上にのみ形成されている。
【0031】
また、回折格子層8は、厚さ200Åのp型Ga0.8Al0.2As層にパターニング及びエッチングを施して形成されており、導波光に対する分布ブラッグ反射作用を有している。第1光ガイド層9は、厚さ800Åのp型Ga0.5Al0.5As層であり、第2エッチング防止層7が設けられていない第1エッチング防止層6と回折格子層8との上に形成されている。第1光ガイド層9の厚みは光分布にあまり影響を与えないようできるだけ薄くするのが好ましい。第2光ガイド層10は、厚さ100Åのp型GaAlAs層である。第2光ガイド層10のAlAs混晶比をXgとする。
【0032】
第3光ガイド層11は、厚さ2μmのp型Ga0.5Al0.5As層をリッジ状に成形したものであり、導波路を構成する。また、第3光ガイド層11の上面は電流を通過させる窓として機能する。なお、以下において、この窓として機能する第3光ガイド層11の上面を「ストライプ状の窓」ともいう。
【0033】
電流ブロック層12は、n型Ga0.4Al0.6As層であり、その導電型は第3の光ガイド層11と逆になっている。電流ブロック層12は、第2光ガイド層10上の第3光ガイド層11が形成されていない領域に、第3光ガイド層11の側面を挟み込むように形成されている。このため、第3光ガイド層11の上面はコンタクト層14aから注入された電流を流すための窓として機能する。
【0034】
なお、電流ブロック層12の厚さが薄いと横方向の光の閉じ込めが不十分となり横モードが不安定になるため、電流ブロック層12の最大厚さは0.4μm以上が望ましい。図1及び図2の例では、電流ブロック層の最大厚さは0.7μmである。
【0035】
第3クラッド層13は、厚さ1μmのp型Ga0.5Al0.5As層である。コンタクト層14a〜14cは、電流を注入するための電極であり、厚さ2μmのp型GaAs層を出射方向に垂直に三分割して形成されている。
【0036】
また、図1及び図2に示すように、本発明の半導体レーザ装置では、回折格子層8は、活性層4の主面よりも狭い範囲内に設けられている。このため、図2に示すように活性層4における回折格子層8の直下にある部分はDBR領域となる。また、活性層4におけるDBR領域の隣は位相制御領域となり、位相制御領域の隣は利得領域となる。
【0037】
更に、コンタクト層14cはDBR領域の直上に位置するように、コンタクト層14bは位相制御領域の直上に位置するよう、コンタクト層14aは利得領域の直上に位置するように設けられている。このため、後述するように、各コンタクト層に注入する電流の大きさによって、利得、位相及び発振波長を制御することができる。
【0038】
このような構成により、コンタクト層14aから注入された電流は、電流ブロック層12によって第3光ガイド層11の内部に閉じ込められ、コンタクト層14aの下層にある活性層4で光を生じさせる。このとき生じた光は、回折格子層8によって分布ブラッグ反射を受け、波長選択される。この結果、単一縦モード発振が生じることになる。
【0039】
また、図3に示すように、第3光ガイド層11は、コンタクト層14cの直下に位置する部分で折れ曲がるように形成されており、へき開面に垂直な軸に平行な部分11aとへき開面に垂直な軸に対して傾斜した部分11bとを有している。よって、ストライプ状の窓も折れ曲がった形状を有している。なお、図3の例では、傾き角θは5°であり、傾斜した部分11bのへき開面に垂直な方向の長さは300μmである。
【0040】
このため、分布ブラッグ反射を強く受けない波長の光は、傾斜した部分11bまで到達すると、へき開面で反射されるが、へき開面で反射した光は傾斜した部分11bとは異なる方向に反射されることになる。つまり、図1〜図3に示す半導体レーザ装置を用いることで、単一縦モード発振を容易に行なうことができる。
【0041】
図4は、実効反射率と傾き角θとの関係を示す図である。図4に示す実効反射率は、へき開面で反射された光が再び第2光ガイド層11の傾斜した部分11bに帰還される割合である。図4から分かるように、傾き角θを適切に設定することにより、実効反射率を10−6以下のレベルに抑えることができる。この場合、回折格子層8による分布ブラッグ反射を強く受ける波長の光のみを、再現性よくレーザ発振できる。
【0042】
また、図1及び図2に示すように、本発明の半導体レーザ装置では、活性層4は、回折格子層8の直下となる領域を含む第1の領域(活性層4においてハッチングが施された部分)と、回折格子層8の直下となる領域を含まない第2の領域(活性層4においてハッチングが施されていない部分)とを有し、第1の領域におけるバンドギャップは、第2の領域におけるバンドギャップよりも大きくなっている。
【0043】
図1及び図2の例では、位相整合領域と回折格子層8の直下となるDBR領域とが、イオン注入や不純物拡散によって無秩序化されており、位相制御領域及びDBR領域におけるバンドギャップが、利得領域におけるバンドギャップよりも大きくなっている。
【0044】
ところで、半導体レーザ装置の導波路を伝播するレーザ光のパワー密度は数MW/cmと非常に大きく、導波路での光吸収による発熱は半導体レーザ素子の劣化につながる。一般に、半導体レーザにおいては、発熱が生じると、バンドギャップが小さくなり、レーザ発振光に対する光吸収が増大する。また、光吸収が増大すると、更なる発熱の増大につながり、バンドギャップが更に小さくなり、その結果、光吸収がいっそう大きくなる。この場合、最終的には、半導体レーザ素子の構成材料の融点まで温度が上昇し、半導体レーザ素子自身が溶融破壊されてしまう(COD)。
【0045】
また、発振波長や位相を大きく変化させるためには、DBR領域及び位相整合領域に可能な限り大きな電流を注入し、この領域の屈折率を大きく変化させる必要があるが、この場合、上記の問題が更に顕著となる。
【0046】
これに対し、本発明の半導体レーザ装置では、上記したように位相制御領域及びDBR領域におけるバンドギャップが、利得領域におけるバンドギャップよりも大きくなっている。このため、利得領域で発生したレーザ光がDBR領域及び位相整合領域で吸収されるのを抑制でき、これら2領域での光吸収による発熱を抑制することができる。よって、上記した光吸収による発熱の正帰還的な増大が、位相整合領域及びDBR領域で生じるのが抑制される。
【0047】
このことから、本発明の半導体レーザ装置によれば、位相制御や波長制御のために電流注入を行なうことによってDBR領域及び位相整合領域で発熱が生じても、位相整合領域及びDBR領域における光吸収が抑制されるため、光吸収による発熱の急激な増大によってCODが生じるのを抑制できる。
【0048】
また、本発明の半導体レーザ装置においては、DBR領域又は位相制御領域に電流を注入した場合の発光が、利得領域の発光特性に影響を及ぼさないようにする点からは、DBR領域及び位相制御領域におけるバンドギャップに相当するバンドギャップ波長はできるだけ短いのが好ましい。但し、このバンドギャップ波長を短波長化させすぎると、DBR領域及び位相整合領域領域での導波路損失が大きくなってしまうため、短波長化し過ぎないように考慮する必要がある。
【0049】
具体的には、DBR領域及び位相制御領域におけるバンドギャップ波長は、利得領域のバンドギャップ波長に対して、10nm〜80nmの範囲で短波長化しているのが好ましい。図1及び図2の例では、DBR領域及び位相制御領域におけるバンドギャップ波長は、利得領域のバンドギャップ波長に対して、15nm短波長化している。この時、DBR領域及び位相制御領域での導波路損失は20cm−1以下となる。
【0050】
なお、ここでバンドギャップ波長とは、バンドギャップを波長に換算した値のことで、バンドギャップ波長をλg[μm]、バンドギャップをEg[eV]とすると、下記の式(1)によって求めることができる。
λg=1.24/Eg・・・・・(1)
【0051】
更に、AlGa1−XAs(0≦X≦1)のAl組成XとバンドギャップEg(X)[eV]との関係は、下記の式(2)によって求めることができる。また、AlGa1−XAsは、バンドギャップが大きくなると、活性層4から放射されるレーザ光に対する屈折率が小さくなる性質を有している。
Eg(X)=1.42(1−X)+2.26X−0.67X・・・・・(2)
【0052】
次に、本発明の半導体レーザ装置をSHG素子の励起光源として用いる場合について、図5〜図10を用いて以下に説明する。図1〜図3に示す本発明の半導体レーザ装置をSHG素子の励起光源として用いる場合、SHG素子として用いられる非線型光学素子において高い第2高調波変換効率が得られるように、発振波長、即ち、分布ブラッグ反射される波長を制御する必要がある。分布ブラッグ反射される波長の制御は、コンタクト層14cに注入する電流値の制御によって行なうことができる。これは、主にコンタクト層14cに電流を注入すれば、コンタクト層14c下に熱が発生し、これによって、回折格子層7が形成された領域の屈折率が変化するためである。
【0053】
即ち、コンタクト層14cに注入する電流値を大きくして、コンタクト層14c下の発熱量を大きくすれば、導波路を伝播するレーザ光に対する実効屈折率が大きくなるので、発振波長を長波側に変化させることができる。逆に、コンタクト層14cに注入する電流値を小さくし、コンタクト層14c下の発熱量を小さくすれば、発振波長を短波側に変化させることができる。
【0054】
本発明の半導体レーザ装置において、DBR領域上の回折格子層8が形成されている領域のレーザ出射方向における長さが大きいと、回折格子層8と導波光が作用し合う距離が長くなる。この場合、回折格子層8は、分布ブラッグ反射される波長の光に対して高い反射率を得ることができる。回折格子層8が高い反射率を得ることは、動作電流値と発振電流の閾値とを低下させるのに有効である。一般的に、分布ブラッグ反射される波長の光に対する反射率は、回折格子層8とレーザ発振光との結合の強さ(以下、「結合係数κ」で表す)、及び回折格子層8が導波路に形成されている長さ(回折格子層8のレーザ出射方向における長さ)Ldbrによって見積もることができる。
【0055】
図5は、結合係数κを変化させた場合における回折格子層の反射率と回折格子層のレーザ出射方向における長さLdbrとの関係を示す図である。図5において結合係数κは、10cm−1から140cm−1へと変化している。また、図5に示すグラフの算出において、導波路損失は20cm−1に設定している。
【0056】
図5から分かるように、κを40cm−1から100cm−1と変化させた場合、へき開により得ることが可能な出射端面における反射率、いわゆる端面アンコート時(32%)よりも高い反射率を得るためには、Ldbrが200μm以上必要であることが分かる。
【0057】
しかしながら、図5に示すようにLdbrを過剰に大きくしても、反射率の更なる向上は望めず、反射率は飽和してしまう。例えば、κが40cm−1の場合は、Ldbrが600μm程度となると、反射率は飽和してしまう。さらに、この場合、回折格子層8が形成されている領域における放熱性が向上し、発熱による発振波長の可変幅は小さくなる。このことから、へき開により得ることが可能な出射端面における反射率を得ることができる範囲内で、Ldbrはできる限り小さくするのが好ましいと言える。
【0058】
従って、発振波長の可変幅を損なわないで、且つ、へき開により得ることが可能な出射端面における反射率を得るためには、Ldbrは200μm〜600μmに設定するのが好ましいと言える。なお、図1及び図2の例では、Ldbrは300μmに設定されており、この場合、κが40cm−1〜100cm−1の範囲となるように回折格子層8を形成すると、回折格子層8によって45%〜80%の反射率を得ることができる。また、図1及び図2の例において、DBR領域のレーザ出射方向における長さは600μmである。更に、図1及び図2の例において、電流値を0mAから100mAまで変化させてコンタクト層14cに電流を注入すると、発振波長の変化は3nmであった。
【0059】
ところで、分布ブラッグ反射させる波長を変化させる場合、所望の発振波長付近で高い反射率を得ることができる波長が2つ以上存在する場合がある。このとき発振波長は利得の高い波長にモードホップし、所望の波長からずれてしまう可能性がある。
【0060】
これを防ぐため、図1及び図2の例では、コンタクト層14bに電流を注入することによって、コンタクト層14b下の発熱量を変化させて、コンタクト層14b下にある導波路の屈折率を制御している。即ち、コンタクト層14bに注入する電流を変化させることで、常に所望の発振波長のみをレーザ発振する位相条件が満たされるように制御を行なっている。
【0061】
ところで、位相制御領域のレーザ出射方向における長さが大きい場合は、放熱性が向上し、発熱による発振波長の可変性が損なわれる。逆に、位相制御領域のレーザ出射方向における長さが小さい場合は、発熱による実効的な共振器長の変化が小さくなる。また、位相制御領域のレーザ出射方向における長さは、隣接縦モードの波長差に影響を及ぼす。つまり、位相制御領域が長いと、隣接縦モード間の波長差が小さくなり、回折格子層8によって高い反射率が得られる波長範囲に、2本以上の縦モードが存在可能な状態となる。この結果、縦モードはマルチモード発振となる。また、SHG素子において、高い変換効率を得ることが可能な波長範囲は、通常、0.1nmと非常に狭い波長範囲である。
【0062】
そこで、本発明の半導体レーザ装置をSHG素子の光源に用いる場合は、半導体レーザ装置は常に高い変換効率を得ることが可能な波長で単一縦モード発振させる必要がある。このため、単一縦モード発振の保証は非常に重要である。単一縦モード性を保証するためには、縦モード間隔を広げ、同時に2本以上の縦モードが同時にレーザ発振可能な高い反射率を得ることができないようにする必要がある。
【0063】
ここで、縦モード間隔をΔλ、波長をλo、実効屈折率をNr、共振器長をLとすると、△λは下記式(3)で与えられる。下記式(3)から、縦モード間隔Δλを大きくするためには、共振器長はできるだけ短い方がよいことが分かる。Δλ=λo/(2NrL)・・・・・(3)
【0064】
一般に、単一縦モード発振を得るためには、Δλが0.08nm以上であれば、高速変調時においても単一縦モード発振を生じることが分かっている。例えば、λoを820nm、Nrを3.3とすると、Δλを0.08nm以上とするためには、共振器長Lは1270μm以下にする必要がある。
【0065】
利得領域のレーザ出射方向における長さをLa、位相領域のレーザ出射方向における長さをLph、DBR領域のレーザ出射方向における実効的な長さをLdbreffとすると、Lは下記式(4)によって与えられる。
L=La+Lph+Ldbreff・・・・・(4)
【0066】
なお、Ldbreffは結合係数κの大きさに依存する。結合係数κが大きいと、回折格子層によるレーザ光の反射率が大きくなり、短い距離で光の強度が減衰するためにLdbreffは小さくなる。逆に、結合係数が小さいと、レーザ光の反射が小さくなり、DBR領域全体においてレーザ光が染みだすため、Ldbreffは小さくなる。
【0067】
例えば、結合係数κが80cm−1となるように回折格子層の設計を行なう場合、Ldbreffは62.4μmとなる。また、利得領域のレーザ出射方向における長さを700μmに設定すると、共振器長Lを1270μm以下とするためには、即ち、単一縦モード発振を生じさせるためには、位相領域のレーザ出射方向における長さLphは507.6μm以下に設定する必要がある。
【0068】
ところで、位相領域のレーザ出射方向における長さLphが短くなりすぎると、発熱による実効的な共振器長の変化が小さくなる。このため、位相領域のレーザ出射方向における長さLphは、100μm以上が必要である。よって、図1及び図2の例では、位相領域のレーザ出射方向における長さLphは、250μmに設定されている。
【0069】
一般に、コンタクト層14cから活性層4に電流を注入すると、キャリアの多体効果や発熱等の影響により、活性層4のバンドギャップよりも長波長側の発光成分を得ることができる。例えば、活性層4の位相制御領域及びDBR領域におけるバンドギャップ波長が795nmであれば、レーザ発振前の自然放出光の波長は、830nm程度まで広がる。
【0070】
従って、例えば、活性層4の位相制御領域及びDBR領域におけるバンドギャップ波長を795nmに設定し、更に回折格子層8によって分布ブラッグ反射される波長を820nmに設定すれば、バンド端付近の準位は容易に吸収飽和されるため、位相制御領域及びDBR領域における820nmのレーザ発振光の吸収損失を小さくすることができる。
【0071】
このことから、本発明の半導体レーザ装置においては、分布ブラッグ反射される波長が活性層4のバンドギャップ波長に対して少なくとも20nm長波長側になるように回折格子層8を形成するのが良い。
【0072】
更に、図1及び図2の例に示す半導体レーザ装置においては、位相制御領域、利得領域に過大な電流が注入された場合であっても、DBR領域で選択される発振波長を得ることができる。これは、図1及び図2の例では、活性層4のバンドギャップ波長795nmよりやや長波長の805nm付近で最大の利得ピークが得られるが、上述の図3で示したように、導波路を形成する第3光ガイド層11における傾斜した部分11bの傾き角θは5°に設定されているので、図4で示した実効反射率は10−6程度以下の非常に小さいレベルとなり、通常のファブリ−ペローモード発振が抑圧されるためである。
【0073】
このように、図1及び図2の例では、レーザの出射方向に3つのコンタクト層14a〜14cを設け、各コンタクト層の直下にある活性層4の各領域を、レーザ発振を生じさせる利得領域、位相を制御する位相制御領域、分布ブラッグ反射を生じさせるDBR領域として機能させている。更に、分布ブラッグ反射させる波長をバンドギャップ波長に対して、少なくとも20nm長波長側になるように回折格子層8を形成している。このため、例えば不純物拡散やイオン注入等の技術を用いて位相制御領域及びDBR領域のウェル層、バリア層を無秩序化することによって、位相制御領域及びDBR領域を、利得領域におけるバンドギャップ波長に対応する光に対して透明にできるので、低損失かつ波長可変なDBRレーザを得ることができる。
【0074】
図1及び図2の例では、電流ブロック層12は、そのバンドギャップが活性層4のバンドギャップよりも大きくなるように形成されており、電流ブロック層12によるレーザ光の吸収が抑制されている。このため、導波路における損失を大幅に低減することができ、動作電流の下限を引き下げることができる。
【0075】
更に、電流ブロック層12によるレーザ光の吸収の抑制により、レーザ光の光分布は、第3光ガイド層11の内部に制限されず、電流ブロック層12の下部の第2光ガイド層10、第1光ガイド層9及び回折格子層8まで広がる。そのため、回折格子層8によって伝搬されるレーザ光の割合が増加するので、波長選択性を決定する回折格子層8における結合係数κを高く設定することができる。このことから図1及び図2に示す半導体レーザ装置を用いれば、回折格子層8による波長選択性の向上を図ることができ、温度変化や光出力変化等を受けても単一縦モードを維持することができる。
【0076】
また、図1及び図2の例では、第2光ガイド層10、第3光ガイド層11、電流ブロック層12のバンドギャップの大きさをそれぞれEg1、Eg2、Ebとすると、これら各層は下記式(5)が満たされるように形成されている。
Eg1>Eb>Eg2・・・・・(5)
【0077】
更に、一般に半導体材料においては、バンドギャップの大きさと屈折率は反比例する関係にある。よって、第2光ガイド層10、第3光ガイド層11、電流ブロック層12の屈折率をN1、N2、Nbとすると、上記式(5)から下記式(6)が導かれる。
N1<Nb<N2・・・・・(6)
【0078】
この場合、上記式(6)より、第3光ガイド層11の下層には、これよりも屈折率の低い層、つまり第2光ガイド層10が存在することになるため、第3光ガイド層11の内部では、光分布をより垂直方向に広げることが可能となる。従って、図1及び図2の例によれば、垂直方向のビーム放射角を低減することができ、SHG素子との結合効率を高めることができる。
【0079】
また、AlGaAs、InGaPといった同じ混晶材料では、誘電率のバンドギャップとの関係は、屈折率と同様に反比例する関係にあるので、屈折率を小さくするには誘電率を小さくすれば良い。また、第2光ガイド層10の誘電率を低減させた場合は、電流ブロック層12と第3光ガイド層11の間にできる空乏層の容量を低減することができ、この結果、発振波長、位相及び光出力の高速応答性の劣化を抑制することができる。よって、第2光ガイド層10のAl組成を高めて、第2光ガイド層10の誘電率を低減させるのが好ましい態様である。
【0080】
また、第3光ガイド層のAlAs混晶比はできるだけ小さくするのが好ましい。図1及び図2の例では、第3光ガイド層のAlAs混晶比は、電流ブロック層12の混晶比よりも小さく設定されている。
【0081】
このように図1及び図2の例では、上記式(5)及び(6)を満たすように半導体レーザ装置を形成することにより、高速応答特性の向上とビーム放射角の低減とを同時に実現している。
【0082】
ここで、第1エッチング防止層6のAlAs混晶比Xs及び第2光ガイド層10のAlAs混晶比Xgについて説明する。先ず、第1エッチング防止層6のAlAs混晶比Xsから説明する。
【0083】
本発明において、第1エッチング防止層6のAlAs混晶比Xsの値は、できる限り小さいのが好ましい。これは、再成長時にAlAs混晶比が大きい層が再成長界面となると、再成長界面が酸化によって高抵抗層となるため、動作電圧及び動作電流値が増大し、素子の温度特性の劣化や信頼性の低下が生じるからである。
【0084】
本発明の発明者らによる実験からは、再成長界面の酸化の影響を小さくするためには、再成長界面となる層(第1エッチング防止層6)のAlAs混晶比を0.3以下にする必要があることが分かっている。また、再成長界面となる層(第1エッチング防止層6)のAlAs混晶比が小さくなりすぎると、この層のバンドギャップが小さくなってレーザ発振光を吸収するようになり、結果、導波路損失が増大し、発振電流の閾値や動作電流値が高くなってしまうことも分かっている。
【0085】
このため、図1及び図2の例では、Xsの値は0.2に設定されている。よって、図1及び図2に示す半導体レーザ装置を用いれば、第1エッチング防止層6が再成長前に大気中にさらさることによる酸化の影響を小さくできる。また、第1エッチング防止層6は、820nm帯のレーザ発振光に対しても透明となり、更に、低抵抗性の再成長界面の形成を可能にしつつ、導波路損失の増大を防ぐことができる。
【0086】
また、図1及び図2の例では、第1エッチング防止層6の膜厚は10nmに設定されている。第1エッチング防止層6の厚みをこのように薄く設定しているのは、リッジ型の第3光ガイド層11の内部と外部との実効屈折率差Δnの制御性が損なわれないようにするためである。
【0087】
上述したように、図1及び図2の例では、第1エッチング防止層6のAlAs混晶比Xsは0.2に設定されており、第1エッチング防止層6はAlAs混晶比の小さな層である。一般に、AlAs混晶比が小さくなると屈折率は大きくなる傾向にある。また、導波路を伝播するレーザ光の光分布は、屈折率の最も高い層に集中する傾向がある。
【0088】
従って、図1及び図2に示すように、活性層4の近傍にAlAs混晶比の小さな第1エッチング防止層6を設けた場合、導波路を伝播するレーザ光の縦方向の光分布をより活性層4に集中させることになる。この結果、活性層の光密度が増大し、CODを生じる光出力レベルの低下を図ることができ、CODレベルの低下を抑制できる。
【0089】
ところで、縦方向の光分布の活性層4への閉じ込めが大きくなると出射端面から出射されるレーザ光の遠視野像の垂直方向における拡がり角も大きくなる。このため、垂直拡がり角の大きさはCODレベルの指標となる。100mW以上の高出力動作を得るためには、活性層への縦方向の光閉じ込めをできるだけ小さくして、垂直拡がり角をできるだけ小さくするのが好ましいと言える。
【0090】
しかしながら、活性層4への縦方向の光閉じ込めを小さくし過ぎると、導波路を伝播する光分布に生じるモード利得も小さくなるため、発振電流の閾値や動作電流値が高くなってしまう。従って、発振電流の閾値や動作電流値が高くなるのを抑えつつ、高いCODレベルを得るためには、垂直拡がり角が15°〜19°の範囲内となるように導波路の設計を行なう必要がある。
【0091】
また、リッジ型の第3光ガイド層11の内部への光分布の横方向の閉じ込めを制御することは、高出力まで安定した基本横モード発振を得るためには重要である。この光分布の横方向の閉じ込めは、リッジ型の第3光ガイド層11の内部と外部との実効屈折率差Δnの大きさで制御することができる。
【0092】
実効屈折率差Δnが大きい場合、横方向の光分布の閉じ込めが強くなるため、導波路の中心部における光密度が大きくなり、強い誘導放出が生じる。この結果、導波路の中心部の直下に位置する活性層4において、動作キャリア濃度が低下するキャリアの空間的ホールバーニングが生じる。このため、プラズマ効果により実効屈折率差Δnが益々大きくなり、よって、水平方向の光分布の閉じ込めが益々強くなり、結果、CODレベルの低下を招くことになる。一方、実効屈折率差Δnが小さい場合、横方向の光閉じ込めが弱くなり、安定した基本横モード発振が得られなくなる。
【0093】
これらの点から、高出力まで安定した基本横モード発振を得るためには、Δnの値が3×10−3〜4×10−3の範囲内となるように、導波路の設計を行なう必要がある。
【0094】
次に、第2光ガイド層10のAlAs混晶比Xgについて説明する。第2光ガイド層10は、第3光ガイド層11をエッチングによってリッジ状に成形する時のエッチング防止層としても機能する。従って、Xgは、第3光ガイド層11のAlAs混晶比と異なっているのが好ましい。Xgの大きさは、縦及び横方向の光分布に大きな影響を及ぼすため、その値の設定には注意が必要である。
【0095】
図6は、第2光ガイド層のAlAs混晶比Xgと第3光ガイド層における実効屈折率差Δnとの関係を示す図である。
【0096】
図6において、実効屈折率差Δnは、第3光ガイド層11の実行屈折率と活性層4の実効屈折率とから求められる。但し、Δn1は、回折格子層8の直下に位置していない領域の実効屈折率から求められており、Δn2は、回折格子層8の直下に位置する領域の実効屈折率から求められている。
【0097】
回折格子層8は屈折率の高い材料で形成されているため、回折格子層8が形成されている領域の直下においては、垂直方向の光分布が活性層4に集中しやすくなる。このため、図6に示すように、Δn1はΔn2よりも大きな値となる。
【0098】
また、上述したように、高出力で安定した基本横モード発振を得るためには、Δnの値が3×10−3〜4×10−3の範囲内にあることが要求される。図6からは、Δn1及びΔn2の両方をこの範囲内とするためには、Xgは約0.5以上であることが必要とされる。
【0099】
図7は、第2光ガイド層のAlAs混晶比Xgと垂直拡がり角との関係を示す図である。上述したように、発振電流の閾値や動作電流値が高くなるのを抑えつつ、高いCODレベルを得るためには、垂直拡がり角は15°〜19°の範囲内にある必要がある。よって、図7からは、Xgは約0.55以上であることが必要とされる。
【0100】
上記図6及び図7から、第2光ガイド層のAlAs混晶比Xgは0.55以上であるのが好ましい。この場合、回折光格子層8の有無に影響されずに安定な基本横モード発振を得ることが可能となり、更に、発振電流の閾値や動作電流値が高くなるのを抑えつつ、高いCODレベルを得ることができる。
【0101】
図1及び図2の例では、第2光ガイド層のAlAs混晶比Xgは、第3光ガイド層11のAlAs混晶比0.5よりも0.2大きい0.7に設定している。このような値に設定しているのは、第3光ガイド層11と第2光ガイド層とのAlAs混晶比の差が大きいほど、第3光ガイド層11をエッチングによってリッジ状に成形する場合の選択エッチング性を高めることができるからである。
【0102】
また、図1及び図2の例では、電流ブロック層12のAlAs混晶比は、第3光ガイド層11のAlAs混晶比0.5よりも0.1大きい0.6に設定している。これは、電流ブロック層12のAlAs混晶比が第3光ガイド層11のAlAs混晶比と同じであると、電流注入時において、プラズマ効果によって第3光ガイド層11内部の屈折率が低下してしまい、第3光ガイド層11が反導波型の導波路となって単一な横モード発振が得られないからである。
【0103】
本発明の半導体レーザ装置においては、上述したように、実効屈折率差Δnの値を3×10−3〜4×10−3の範囲内とすることで、高出力で安定した基本横モード発振を得ることができる。よって、高出力の半導体レーザ装置を安定して歩留まり良く作製するためにも、実効屈折率差Δnを3〜4×10−3範囲に精密に制御する必要がある。
【0104】
ところで、第3光ガイド層11内部の実効屈折率と回折格子層8の直下とならない利得領域の実行屈折率とから求められる実効屈折率差Δnは、電流ブロック層12と活性層4との距離、即ち、第2クラッド層5、第2エッチング防止層7、第1光ガイド層9及び第2光ガイド層10の各膜厚の合計(合計膜厚)tdと、第3光ガイド層11と電流ブロック層12とのAlAs混晶比の差Δxとによって制御することができる。
【0105】
第3光ガイド層11から注入された電流は、電流ブロック層12と活性層4との間に存在する各層を通って、第3光ガイド層11の外部へと拡がる。このとき、合計膜厚tdが大きいと、レーザ発振に寄与しない無効電流が増大するため、合計膜厚tdは厚すぎないほうが良く、具体的には0.2μm以下とするのが好ましい。
【0106】
一方、合計膜厚tdが0.05μm未満であると、レーザ発振に寄与しない無効電流は低減されるが、Δnが10−2以上の大きな値になり、また、第3光ガイド層11をp型にするための不純物であるZnが活性層4に拡散し、活性層4の温度特性が劣化する。よって、合計膜厚tdは0.05μm以上とするのが好ましい。これらの点から、図1及び図2の例では、合計膜厚tdは0.18μmに設定している。
【0107】
本発明において、実効屈折率差Δnを制御するためのもう1つの重要なパラメータであるAlAs混晶比の差Δxは、0.05〜0.15以下に設定するのが好ましい。AlAs混晶比の差Δxが0.15より大きくなると、AlAs混晶比の差Δxの製造上の再現性がΔnへ与える影響が大きくなるからである。また、AlAs混晶比の差Δxが0.05未満となると、光分布を第3光ガイド層11の内部に安定的に閉じ込めることができなくなり、安定な基本横モード発振を得ることができなくなるからである。図1及び図2の例では、AlAs混晶比の差Δxは、0.1に設定されている。
【0108】
このように、合計膜厚tdとAlAs混晶比の差Δxとを上述の範囲内に設定して半導体レーザ装置を作製すれば、無効電流の低減を図ることができ、又±10−3台の精度で実効屈折率Δnの制御を行なうことができる。
【0109】
なお、図1及び図2の例では、高出力で安定した基本横モード発振を得ることができるよう、実効屈折率差Δnの値は、3×10−3〜4×10−3の範囲内である3.7×10−3に設定している。
【0110】
これに対し、図24で示した従来の半導体レーザ装置では、活性層の利得領域上に、厚さ0.25μmのp型AlGaAs(Al組成0.15)回折格子層56が形成されている。このような厚い層が活性層の利得領域上に形成されると、レーザ光の光分布はAl混晶比の低い回折格子層56に大きく広がり、横方向の光分布の制御性が損なわれる。このため、図24で示した半導体レーザ装置においては、横方向の光分布を閉じ込めて導波路内外に実効屈折率差を設けるために、埋め込みヘテロ構造とする必要がある。
【0111】
しかしながら、このような埋め込みヘテロ構造を採用すると、横方向の実効屈折率差は10−2以上と非常に大きくなり、光分布は水平方向に強く閉じ込められてしまう。このため、半導体レーザ装置を高出力で動作させる場合に、活性層中のキャリアの空間的ホールバーニングが生じてしまう。これは、電流―光出力特性に非線形が生じるキンクの原因となるばかりではなく、出射端面が溶融破壊される原因ともなる。このことから、図24で示した従来の半導体レーザ装置では、高出力のDBRレーザを実現することは困難と言える。
【0112】
本発明において、第2エッチング防止層7のAlAs混晶比と、回折格子層8のAlAs混晶比との差Δxgは、回折格子層8をウェットエッチングによって形成するのであれば、できるだけ大きく設定しておくのが好ましい。回折格子層8をウェットエッチングで作製する場合に、Δxgが小さいと、回折格子層8のみを選択的にエッチングすることが困難になるからである。
【0113】
なお、回折格子層8をウェットエッチングで形成する場合において、回折格子層8の形状の制御は、導波光と回折格子との結合係数κに大きく影響するために非常に重要である。よって、回折格子層8の形状の制御は、エッチング時間によって行なうよりも、選択エッチングによって行なうのが好ましいと言える。
【0114】
選択エッチング性を向上させるためには、Δxgはある程度大きい方がよく、具体的には0.05以上に設定するのが好ましい。図1及び図2の例では、ΔXgは0.1に設定されている。なお、選択エッチングとは、回折格子層8がエッチングされて下地となる第2エッチング防止膜7が露出した時点でエッチングを停止させるエッチング方法である。
【0115】
本発明において、回折格子層8の膜厚(最大値)は5nm〜60nmに設定するのが好ましい。図1及び図2の例では、回折格子層8の膜厚は20nmに設定されている。高出力で動作させる場合に、Δnの±10−3台の精度でDBR領域におけるΔnを制御する必要がある点から、回折格子層8の膜厚は、光分布に余り影響を与えないうようできるだけ薄いのが好ましい。しかし、5nm未満となると、導波光と回折格子との結合係数κが小さくなり、DBR領域でのレーザ光の反射率が小さくなってしまう。また、60nmを越えると、結合係数κが大きくなり、大きな反射率が得られるが、大きな反射率が得られる波長範囲も大きくなるため、発振波長の選択性が損なわれてしまう。
【0116】
このように、図1及び図2の例で示した半導体レーザ装置では、利得領域、位相制御領域、DBR領域の全ての領域において、実効屈折率差Δnを±10−3台の精度で制御することができ、高出力時でも安定した単一横モード発振を得ることができる。
【0117】
また、本発明においては、活性層4へ有効にキャリアを閉じ込めて820nm帯のレーザ発振を得るために、第2クラッド層5のバンドギャップは、活性層4のバンドギャップよりも十分大きくする必要がある。このため、第2クラッド層5のAlAs混晶比は、約0.45〜0.55に設定するのが好ましい。図1及び図2の例では、第2クラッド層5のAlAs混晶比は、0.5に設定されている。
【0118】
更に、本発明においては、光分布を横方向に大きく広げ、端面での最大光密度を低減するために、ストライプ状の窓の幅W1(図1及び図2参照)は、基本横モードが得られる範囲内で、出来るだけ大きくするのが良い。しかしながら、大きくなり過ぎると、高次の横モードが発振可能となってしまう。従って、ストライプ状の窓の幅W1は2μm〜5μmの範囲内に設定するのが好ましい。図1及び図2の例では、ストライプ状の窓の幅W1は3.5μmに設定されている。なお、W2は、W1との関係を考慮し、基本横モード発振が容易に得られるようにするため、2.5μm〜5.5μmの範囲に設定するのが好ましい。
【0119】
この場合において、第3光ガイド層11は回折格子層8側の面(下面)がストライプ状の窓(上面)よりも大きく形成されているのが好ましい。即ち、第3光ガイド層11の横断面(出射方向に垂直な断面)は、図1に示すように上底がW1、下底がW2の台形状であるのが好ましい。第3光ガイド層11をこのような形状とすれば、第3光ガイド層11の側面(斜面)に電流ブロック層12を再成長させることが容易となるからである。
【0120】
また、本発明において、回折格子層8を構成する回折格子8g(図2参照)の周期は、媒質内波長の整数倍の周期とするのが好ましい。回折格子8gによるブラッグ反射により、光共振器を導波するレーザ光の波長が選択される。
【0121】
回折格子層8のAlAs混晶比は、良好な波長選択性を実現し、回折格子層8の上への再成長を容易とする点から、又回折格子層8がレーザの発振波長に対して吸収とならないようにする点から、0.3以下に設定するのが好ましい。図1及び図2の例では、0.2に設定されている。
【0122】
また、回折格子層8と回折格子8gを埋込んでいる第1光ガイド層9との屈折率差によって、回折格子8gによる波長選択性は決定される。よって、本発明においては、第1光ガイド層9のAlAs混晶比は、単一縦モードに必要な回折格子層8との十分な屈折率差を実現するため、0.5以上に設定するのが好ましい。図1及び図2の例では、0.5に設定されている。
【0123】
ここで、利得領域、位相制御領域及びDBR領域に注入する電流について説明する。図8は、図1に示す半導体レーザ装置の利得領域のみに電流注入を行った場合の電流値と光出力との関係を示す図である。なお、図8は、発振電流の閾値が25mAの場合を示している。図8に示すように、図1に示す半導体レーザ装置では、注入する電流の電流値を290mA以上とすることにより、250mW以上の高い光出力を得ることができる。
【0124】
また、図8から分かるように、注入する電流の電流値を約30mA程度大きくするに従い、光出力が不連続に増加している。これは、利得領域への電流注入により、レーザ発振する縦モードが、隣接縦モードにモードホップするためである。また、図1に示す半導体レーザ装置のようなDBRレーザの場合、レーザ発振可能な波長は、DBR領域の上層に形成された回折格子層8によって高い反射率で反射される波長域(以下、「DBR反射ウィンドウ」という。)にある波長のみだからである。
【0125】
本発明において、回折格子層8の回折格子8gは、DBR反射ウィンドウの波長幅が0.2nm以下となり、又このDBR反射ウィンドウ内に存在する隣接縦モード間のモード利得差が2cm−1以上となるように形成されているのが好ましい。この場合、パルス変調時においても単一縦モードが発振可能となる。
【0126】
一般に、利得領域へ電流を注入すると、レーザ発振可能な波長は、屈折率変化により長波長側に変化する。これにともない、縦モードの波長は、DBR反射ウィンドウにおける反射率の高い中央領域の波長から反射率の低い端の領域の波長となる。このため、利得領域へ電流を注入すると、レーザ発振中の縦モード(N次モード)の反射率は小さくなる。よって、利得領域への電流の注入に伴って、次数の高い隣接縦モード(N+1次モード)の波長が、回折格子8gからの反射率が高い領域となった時にモードホップを生じることになる。
【0127】
図9は、位相制御領域に注入する電流の値と発振波長との関係を示す図である。一般に、位相制御領域に電流を注入すると、DBR反射ウィンドウによる高い反射率を得ることが可能な波長が一定の状態で、位相制御領域の屈折率変化により実効的な共振器長が変化し、隣接縦モードにモードホップを生じることになる。
【0128】
図9から分かるように、位相制御領域に注入する電流の値(位相制御領域注入電流値)を10mA程度増加させる毎に、DBR反射ウィンドウ内に存在する隣接縦モードへのモードホップを生じていることが分かる。
【0129】
また、位相制御領域注入電流値の大きさを増加させて行くと、発振波長は全体的にやや長波長に変化する。これは、位相制御領域における発熱がDBR領域に伝わり、DBR反射ウィンドウが後述のように長波長側に変化するためである。
【0130】
図10は、DBR領域に注入する電流の値と発振波長との関係を示す図である。図10から分かるように、DBR領域に注入する電流の値(DBR領域注入電流値)を増加させると、DBR反射ウィンドウは発熱による屈折率変化をうけ、発振波長は長波長側に変化する。
【0131】
また、隣接縦モードにモードホップするまでは、レーザ発振波長は一定であるので、図10に示すように、DBR領域に電流注入を行った場合のレーザ発振波長は階段状に変化する。図10の例では、DBR領域注入電流値が0mAから100mAまで変化すると、レーザ発振波長は820.2nmから823.1nmへ約3nm変化している。
【0132】
図9及び図10に示す特性から、位相制御領域とDBR領域とに同時に電流を注入すれば、ある次数の縦モードの次数を一定に保った状態で、連続的に発振波長を変化させることが可能となるのが分かる。
【0133】
次に、本発明の半導体レーザ装置の製造工程について、図11〜図13を用いて説明する。図11、図12及び図13は、図1に示す半導体レーザ装置の製造工程を示す斜視図である。図11(a)〜(d)、図12(e)〜(h)、図13(i)〜(k)は、それぞれ図1に示す半導体レーザ装置の製造工程における一工程を示しており、これらは連続した一連の工程である。
【0134】
最初に、図11(a)に示すように、n型GaAsで形成された基板1の上に、MOCVD法又はMBE法を用いて、n型GaAsのバッファ層2、n型Ga0.5Al0.5Asの第1クラッド層3、活性層4、p型Ga0.5Al0.5Asの第2クラッド層5、p型GaAlAsの第1エッチング防止層6、p型Ga0.4Al0.6Asの第2エッチング防止層7、回折格子層となるp型Ga0.8Al0.2As層8´を形成する。
【0135】
図11(a)の例では、n型のドーパントとしては、Seが用いられている。これは、Seの可飽和吸収効果によって、パルス変調時における単一縦モード性の向上を図るためである。p型のドーパンとしては、Siが用いられている。
【0136】
また、図11(a)の例では、図1及び図2の説明において既に述べたように、活性層4は無歪の多重量子井戸構造を有している。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、活性層4は、歪量子井戸構造を有していても良いし、単一の材料で形成されたバルクであっても良い。また、活性層の導電型も特に限定されず、p型及びn型のいずれであっても良く、アンドープであっても良い。
【0137】
次に、図11(b)に示すように、レーザ出射方向に沿って周期的に配列された回折格子8gを有する回折格子層8を形成する。図11(b)の例では、回折格子層8の形成は、p型Ga0.8Al0.2As層8´の上にレジストを塗布し、干渉露光法や電子ビーム露光法等を用いてレジストパターンを形成し、更にウェットエッチング又はドライエッチングを施すことによって行なう。
【0138】
次に、図11(c)に示すように、利得領域及び位相制御領域の直上となる位置にある回折格子層8の一部と第2エッチング防止層7の一部とをウェットエッチング又はドライエッチングによって除去する。
【0139】
次に、図11(d)に示すように、第1エッチング防止層6の利得領域上の領域に、レジスト、SiO膜又はSiN膜といった保護膜15を形成し、図9(d)で示された積層体の上面全体にイオン注入又は不純物の拡散を行なう。この結果、保護膜15が形成されていない部分の活性層4(a)は無秩序化され、そのバンドギャップの大きさが増大する。
【0140】
次いで、図12(e)に示すように、MOCVD法又はMBE法を用いて、回折格子層7と、第1エッチング防止層6及び第2エッチング防止層7の露出している部分との上に、p型Ga0.5Al0.5Asの第1光ガイド層9、p型Ga0.3Al0.7Asの第2光ガイド層10を形成し、更にその上に、厚さ2μmのp型Ga0.5Al0.5As層11´を形成する。
【0141】
次に、図12(f)に示すように、p型Ga0.5Al0.5As層11´の上に、フォトリソグラフィーによってストライプ状のレジストパターンを形成し、ウェットエッチングを行なって、図3で示したリッジ状の第3光ガイド層11を形成する。このエッチングは、第2光ガイド層10が露出するまで行なう。
【0142】
なお、このエッチングには、AlAs混晶比が0.5程度の層を選択的にエッチングするエッチャントが用いられている。このため、Ga0.3Al0.7Asの第2光ガイド層10でエッチングは停止する。よって、エッチングのばらつきによる特性のばらつきを抑制でき、歩留の高い量産に適した半導体レーザ装置を得ることができる。
【0143】
次に、図12(g)に示すように、ストライプ状の窓となる第3光ガイド層11の上面に、SiO膜やSiN膜といった選択成長を可能にする保護膜16を形成する。その後、図12(h)に示すように、第3光ガイド層11の側面と第2光ガイド層10の露出した部分とが覆われるように、n型Ga0.4Al0.6As層を選択成長させて、電流ブロック層12を形成する。
【0144】
続いて、図13(i)に示すように、保護膜16をエッチングにより除去する。次に、図13(j)に示すように、電流ブロック層12と第3光ガイド層11の上に、p型Ga0.5Al0.5Asの第3クラッド層13及びp型GaAs層14を形成する。
【0145】
その後、図13(k)に示すように、p型GaAs層14に、ウェットエッチング又はドライエッチングを施して、これを3分割してコンタクト層14a、14b及び14cを形成する。また、高出力化を図るため、レーザ光が出射する前端面に反射率3%の低反射コーティングを施し、後端面に反射率1%以下の無反射コーティングを施す。
【0146】
なお、図3で示したように、導波路となる第3光ガイド層11の後端面側は折れ曲がっているため、後端面の反射率は10−6以下の非常に小さな値となっている。しかし、後端面にも上記した無反射コーティングを施すことで、回折格子によらない後端面からの反射を抑制できるので、回折格子による縦モード制御をさらに確実なものとできる。
【0147】
次に、本発明の半導体装置の他の例について、図14〜図16を用いて説明する。図14〜図16は、本発明の半導体レーザ装置の他の例を示す斜視図である。
【0148】
図14に示す半導体レーザ装置は、第2光ガイド層10が、第3光ガイド層11の直下の領域にのみ形成されており、第2光ガイド層10の側面と第3光ガイド層11の側面とが電流ブロック層12によって挟み込まれている点で、図1〜図3に示す半導体レーザ装置と異なっている。上記以外の点では、図14に示す半導体レーザ装置は、図1〜図3に示す半導体レーザ装置と同様に構成されている。
【0149】
また、図14に示す半導体レーザ装置は、図1〜図3に示す半導体レーザ装置と同様に、図11〜図13に示す製造工程によって作製される。但し、図14に示す半導体レーザ装置では、図12(f)の工程において、第1光ガイド層9が露出するまでエッチングを行なっており、この点で図1〜図3に示す半導体レーザ装置と異なっている。
【0150】
このように、図14に示す半導体レーザ装置では、AlAs混晶比の高いp型Ga0.3Al0.7Asの第2光ガイド層10をその一部を残して除去し、露出した第1光ガイド層9上に電流ブロック層12を形成している。このため、電流ブロック層12を再成長によって形成する際において、再成長界面が酸化するのを抑制することができる。この結果、電流ブロック層12における結晶性の劣化を低減でき、発振電流の閾値や動作電流値を低減することができる。
【0151】
図15に示す半導体レーザ装置は、第3光ガイド層11の直下の領域にない第2光ガイド層10の厚みが薄くされており、厚みが薄くなった第2光ガイド層10の上に電流ブロック層12が形成されている点で、図1〜図3に示す半導体レーザ装置と異なっている。上記以外の点では、図15に示す半導体レーザ装置は、図1〜図3に示す半導体レーザ装置と同様に構成されている。なお、第2光ガイド層10の厚みは、薄くされていない部分では100Å、薄くされている部分では50Åとなっている。
【0152】
また、図15に示す半導体レーザ装置も、図1〜図3に示す半導体レーザ装置と同様に、図11〜図13に示す製造工程によって作製される。但し、図15に示す半導体レーザ装置では、図12(f)の工程において、第2光ガイド層10に対してもエッチングを行なってその厚みを薄くしており、この点で図1〜図3に示す半導体レーザ装置と異なっている。
【0153】
このように図15に示す半導体レーザ装置では、エッチングされた第2光ガイド層10のエッチング面を再成長界面として電流ブロック層12を形成している。このため、図15に示す半導体レーザ装置においても、再成長界面の酸化を抑制できるので、電流ブロック層12における結晶性の劣化を低減でき、発振電流の閾値や動作電流値を低減することができる。
【0154】
図16に示す半導体レーザ装置は、第2光ガイド層10が、第3光ガイド層11の直下の領域にのみ形成されており、又第3光ガイド層11の直下の領域にない第1光ガイド層9の厚みが薄くされ、厚みが薄くなった第1光ガイド層9の上に電流ブロック層12が形成されている点で、図1〜図3に示す半導体レーザ装置と異なっている。上記以外の点では、図16に示す半導体レーザ装置は、図1〜図3に示す半導体レーザ装置と同様に構成されている。
【0155】
また、図16に示す半導体レーザ装置も、図1〜図3に示す半導体レーザ装置と同様に、図11〜図13に示す製造工程によって作製される。但し、図16に示す半導体レーザ装置では、図12(f)の工程において、第1光ガイド層9を露出させ、更に、第1光ガイド層9に対してもエッチングを行なっており、この点で図1〜図3に示す半導体レーザ装置と異なっている。
【0156】
このように、図16に示す半導体レーザ装置では、AlAs混晶比の高いp型Ga0.3Al0.7Asの第2光ガイド層10をその一部を残して除去し、更にエッチングされた第1光ガイド層9のエッチング面を再成長界面として電流ブロック12層を形成している。
【0157】
このため、図16に示す半導体レーザ装置においても、図14に示す半導体レーザ装置と同様に、電流ブロック層12を再成長によって形成する際において、再成長界面が酸化するのを抑制することができる。この結果、電流ブロック層12における結晶性の劣化を低減でき、発振電流の閾値や動作電流値を低減することができる。
【0158】
本発明の半導体レーザ装置は、上述したGaAlAs系材料を用いた半導体レーザ装置に限定されるものではない。本発明においては、他の材料、例えば、V属原子としてB、In、Al、Gaのうちの少なくとも1種を含み、V属原子として少なくとも窒素を含み、更にV属原子としてAs、P、Asを含む場合もあるV族窒化物系の半導体材料や、InGaAlP系材料及びInGaAsP系材料に代表される、V属原子としてB、In、Al、Gaのうちの少なくとも1種類を含み、V属原子としてAs、P、Asのうちの少なくとも1種を含むV−V属半導体材料や、ZnSMgSe系材料に代表される、V属原子としてZn、Cdのうちの少なくとも1種を含み、V属原子としてS、Se、Mgのうちの少なくとも1種を含むV−V属半導体材料等を用いることもできる。
【0159】
また、上述した本発明の半導体レーザ装置では、導波路となる第3光ガイド層11の側面に、活性層4よりもバンドギャップの大きい電流ブロック層12が形成されており、実屈折率導波機構を有しているが、本発明はこれに限定されるものでもない。本発明の半導体レーザ装置では、例えば第3光ガイド層11の一部にイオン注入や不純物拡散を行なって電流ブロック層としての機能を持せた態様とすることもできる。また、本発明の半導体レーザ装置は、複素屈折率導波機構を有したリッジ導波路構造とすることもできる。複素屈折率導波機構とは、リッジ状の第3光ガイド層11の側面に、横方向の光閉じ込めを行なうために、レーザ発振光を吸収する材料で層が形成されものをいう。
【0160】
また、上述した本発明の半導体レーザ装置では、導波路となる第3光ガイド層11が順メサ形状となった実屈折率導波機構を有しているが、導波路となる第3光ガイド層11が逆メサ形状となった実屈折率導波機構を有していても良い。また、電流ブロック層12は逆メサ形状とすることもでき、電流ブロック層12の材料は、SiN、SiOといった絶縁性材料やAlGaInP等、活性層よりもバンドギャップが大きい材料であれば良い。
【0161】
上述した本発明の半導体レーザ装置では、第3クラッド層13は、電流ブロック層12の上面と第3光ガイド層11の上面(ストライプ状の窓)とを覆うように形成されているが、ストライプ状の窓のみを覆うように、リッジ状で形成することもできる。この場合も同様の効果を得ることができる。
【0162】
本発明の半導体レーザ装置は、DBRレーザ以外のレーザにも適用でき、例えば、分布帰還形(DFB:Distributed Feedback Laser)半導体レーザ、面発光レーザ、埋め込みヘテロ構造(BH: Buried Heterojunction)レーザ等に適用可能である。また、共振器方向に他電極に分割して、例えば光出力、バイアスパワー、位相、波長、光出力の時間波形を個別に制御できるようにして、動作特性の更なる精密制御を可能とした半導体レーザにも適用可能である。
【0163】
次に、本発明の第2高調波発生装置について、図17〜図20を用いて説明する。図17は、本発明の第2高調波発生装置の一例を示す側面図である。図17に示すように、本発明の第2高調波発生装置は、基板23上に、図1、図14、図15及び図16のいずれかで示した本発明の半導体レーザ装置21と、第2高調波を発生するSHG素子(非線形光学素子)22とを設けて構成されている。
【0164】
SHG素子22は、導波路(図示せず)と回折格子24とを備えている。また、SHG素子22は、半導体レーザ装置21から出射された励起光25が、SHG素子の導波路に結合するように配置されている。
【0165】
このため、励起光25は、SHG素子22の導波路に結合すると、回折格子45により回折を受け、その位相は第2高調波の位相と整合される。この結果、励起光25は、SHG素子22によって第2高調波へと変換され、SHG素子22から第2高調波26として出射される。
【0166】
この時、第2高調波26のファーフィールドパターンが、基板23で反射されて乱れないようにするため、基板23の端面とSHG素子22の端面とはできるだけ近づけ、これら端面間の出射方向の距離を10μm以内とするのが好ましい。また、SHG素子22の端面が、基板23の端面から出射方向に飛び出た態様とするのも好ましい。半導体レーザ装置21とSHG素子22との距離は、励起光とSHG素子に形成された導波路との結合を大きくするため、できるだけ近づけるのが好ましい態様である。
【0167】
ところで、本発明の半導体レーザ装置21は、上述したように活性層の利得領域の上層に回折格子層が設けられておらず、よって回折格子層は光分布に殆ど影響を与えない。よって、本発明の半導体レーザ装置21では、光分布を精密に制御することが可能であり、励起光25の垂直拡がり角を20°以下とすることもできる。
【0168】
このため、本発明の第2高調波発生装置では、半導体レーザ装置21とSHG素子22との距離を2μm以上離した場合においても、高い結合効率を得ることができる。また、半導体レーザ装置21とSHG素子22との距離の設定範囲が拡がるので、再現性良く高効率の第2高調波26を得ることができる。
【0169】
本発明の第2高調波発生装置において、基板23の構成材料としては、平坦な面を形成でき、又電極パターンを形成できる材料であれば特に限定されることなく用いることができる。具体的には、Si、SiC、AlNといった半導体や、ガラス、樹脂といった絶縁材料等が挙げられる。
【0170】
また、SHG素子22の構成材料としては、第2高調波26を発生することができる材料、例えばLiNbO、KTP等の非線形性を有する材料が挙げられる。半導体レーザ装置21の発振波長が820nmである場合に、LiNbOで形成されたSHG素子を用いれば、波長410nmの青紫域の高出力レーザ光を得ることができる。
【0171】
図18は、図17に示す第2高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた一例を示す図である。図18の例では、第2高調波発生装置20の出射側には回折格子27が配置されている。このため、第2高調波発生装置20から出射された第2高調波26は、複数の出射方向に分岐される。図18において、28、29及び30は分岐された第2高調波であり、特に29は0次回折光、28は−1次回折光、30は+1次回折光である。
【0172】
この回折格子27を備えた第2高調波発生装置を光ピックアップの光源に用いる場合、0次回折光29は光ディスクに記録されたビット情報の読み出し及び書き込みに用いられる。また、−1次回折光28及び+1次回折光30は、光ディスクに形成されたトラックの位置検出に用いられる。
【0173】
また、図17において述べたように、半導体レーザ装置21の発振波長を820nmに設定し、SHG素子をLiNbOで形成すれば、波長410nmの青紫域の高出力レーザ光が得られるので、読み出し及び書き込みが可能な高密度の光ディスクシステム用の光源に適用できる。
【0174】
図19は、図17に示す第2高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた他の例を示す図である。図19の例では、第2高調波発生装置20の出射側にはレンズ31が配置されている。このため、第2高調波発生装置20から出射された第2高調波26はレンズ31によって集光される。
【0175】
レンズ31を備えた第2高調波発生装置を光ピックアップの光源に用いる場合、第2高調波26はレンズ51の回折限界まで集光される。よって、光ディスク上に形成されたビットが小さい場合であっても、ビット情報の読み出し及び書き込みが可能となる。また、図18の例と同様に、読み出し及び書き込みが可能な高密度の光ディスクシステム用の光源に適用できる。
【0176】
図20は、図17に示す第2高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた他の例を示す図である。図20の例では、第2高調波発生装置20の出射側には光学素子32が配置されている。光学素子32は、複屈折特性を有しており、光学素子32を用いることで、複数の偏向成分を含む光から予め定められた偏向成分のみを取り出すことができる。このため、第2高調波発生装置20から出射された第2高調波26は、偏光方向の異なるTEモード光とTMモード光とに分離される。
【0177】
光ディスク上に磁化の向きによって情報が記録されている光ディスクシステムにおいては、光源として偏光比の高い光源が求められるが、光学素子32を備えた第2高調波発生装置20は、効率良く一方の偏波方向の光、例えばTEモード光のみを取り出すことができるので、このような光ディスクシステムに好適に用いることができる。
【0178】
次に、本発明の光ピックアップ装置について、図21〜図23を用いて説明する。図21は、本発明の光ピックアップ装置の一例を示す側面図である。図21の例では、本発明の光ピックアップ装置は、図18に示した第2高調波発生装置20と、回折格子27と、基板41とで構成されている。
【0179】
基板41は受光素子43とミラー42とを備えている。光ディスクの記録面で反射された光44は、受光素子43によって受光される。また、第2高調波発生装置20から出射された第2高調波26は、ミラー42によって基板41の法線方向に反射され、回折格子27に入射する。
【0180】
この構成では、光ピックアップの信号検出に必要な受光部と発光部とを同一基板上に集積化することができる。よって、光ピックアップ装置を小型化及び薄型化することができる。
【0181】
本発明の光ピックアップ装置において、基板41の構成材料としては、pn制御によって受光素子43を形成可能な材料を用いるのが好ましい。具体的には、Si、SiCなどのV属半導体材料や、V属原子としてB、In、Al、Gaのうちの少なくとも1種を含み、V属原子として少なくとも窒素を含み、更にV属原子としてAs、P、Asを含む場合もあるV族窒化物系の半導体材料や、InGaAlP系材料及びInGaAsP系材料に代表される、V属原子としてB、In、Al、Gaのうちの少なくとも1種類を含み、V属原子としてAs、P、Asのうちの少なくとも1種を含むV−V属半導体材料や、ZnSMgSe系材料に代表される、V属原子としてZn、Cdのうちの少なくとも1種を含み、V属原子としてS、Se、Mgのうちの少なくとも1種を含むV−V属半導体材料等が挙げられる。
【0182】
なお、pn制御によって受光素子を形成できない材料によって、基板41を構成することもできる。この場合は、例えばガラスや、プラスチックといった樹脂材料によって、受光素子43を形成すれば良い。
【0183】
図22は、本発明の光ピックアップ装置の他の例を示す側面図である。図22の例では、本発明の光ピックアップ装置は、図19に示した第2高調波発生装置20と、レンズ31と、基板41とで構成されている。なお、図22に示す光ピックアップ装置は、レンズ31が配置されている以外は、図21に示す光ピックアップ装置と同様に構成されている。よって、この構成によっても、光ピックアップの信号検出に必要な受光部と発光部とを同一基板上に集積化することができので、光ピックアップ装置を小型化及び薄型化することができる。
【0184】
図23は、本発明の光ピックアップ装置の他の例を示す側面図である。図23の例では、本発明の光ピックアップ装置は、図20に示した第2高調波発生装置20と、光学素子32と、基板41とで構成されている。なお、図23に示す光ピックアップ装置は、光学素子32が配置されている以外は、図21に示す光ピックアップ装置と同様に構成されている。よって、この構成によっても、光ピックアップの信号検出に必要な受光部と発光部とを同一基板上に集積化することができので、光ピックアップ装置を小型化及び薄型化することができる。
【0185】
なお、図21〜図23の例では、回折格子27、レンズ31及び光学素子32は、基板41と分離されているが、本発明においては、これらは基板41上に直接集積することもできる。この場合は、光ピックアップ装置を更に小型化及び薄型化することができる。
【0186】
【発明の効果】
以上のように本発明にかかる半導体レーザ装置によれば、活性層の出射端面における回折格子層側の部分が溶融破壊されるのを抑制でき、CODレベルの低下を抑えることができる。また、本発明の半導体レーザ装置は、実屈折率導波路構造とできるため、発振電流の閾値や動作電流値を低下しつつ、高出力化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体レーザ装置の一例を示す斜視図である。
【図2】図1に示す半導体レーザ装置の側面図である。
【図3】図1に示す半導体レーザ装置の上面図である。
【図4】実効反射率と傾き角θとの関係を示す図である。
【図5】結合係数κを変化させた場合における回折格子層の反射率と回折格子層のレーザ出射方向における長さLdbrとの関係を示す図である。
【図6】第2光ガイド層のAlAs混晶比Xgと第3光ガイド層における実効屈折率差Δnとの関係を示す図である。
【図7】第2光ガイド層のAlAs混晶比Xgと垂直拡がり角との関係を示す図である。
【図8】図1に示す半導体レーザ装置の利得領域のみに電流注入を行った場合の電流値と光出力との関係を示す図である。
【図9】位相制御領域に注入する電流の値と発振波長との関係を示す図である。
【図10】DBR領域に注入する電流の値と発振波長との関係を示す図である。
【図11】図1に示す半導体レーザ装置の製造工程を示す斜視図である。
【図12】図1に示す半導体レーザ装置の製造工程を示す斜視図である。
【図13】図1に示す半導体レーザ装置の製造工程を示す斜視図である。
【図14】本発明の半導体レーザ装置の他の例を示す斜視図である。
【図15】本発明の半導体レーザ装置の他の例を示す斜視図である。
【図16】本発明の半導体レーザ装置の他の例を示す斜視図である。
【図17】本発明の第2高調波発生装置の一例を示す側面図である。
【図18】図17に示す第2高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた一例を示す図である。
【図19】図17に示す第2高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた他の例を示す図である。
【図20】図17に示す第2高調波発生装置を光ピックアップの光源として用いた他の例を示す図である。
【図21】本発明の光ピックアップ装置の一例を示す側面図である。
【図22】本発明の光ピックアップ装置の他の例を示す側面図である。
【図23】本発明の光ピックアップ装置の他の例を示す側面図である。
【図24】従来のDBRレーザの構造を概略的に示す側面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 バッファ層
3 第1クラッド層
4 活性層
5 第2クラッド層
6 第1エッチング防止層
7 第2エッチング防止層
8 回折格子層
8g 回折格子層を構成する回折格子
8´ 回折格子層となるp型Ga0.8Al0.2As層
9 第1光ガイド層
10 第2光ガイド層
11 第3光ガイド層
11a 第3光ガイド層のへき開面に垂直な軸に平行な部分
11b 第3光ガイド層のへき開面に垂直な軸に対して傾斜した部分
12 電流ブロック層
13 第3クラッド層
14 p型GaAs層
14a、14b、14c コンタクト層
15、16 保護膜
21 半導体レーザ装置
22 SHG素子
23 第2高調波発生装置を構成する基板
24 SHG素子の回折格子
25 励起光
26 第2高調波
27 回折格子
28 −1次回折光
29 0次回折光
30 +1次回折光
31 レンズ
32 光学素子
41 光ピックアップ装置を構成する基板
42 ミラー
43 受光素子
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device, a second harmonic generation device using the same, and an optical pickup device.
[0002]
[Prior art]
As a light source for a high-density optical disk, a laser light source in the blue region has been demanded. The blue region is a short wavelength region in which the condensing spot system on the optical disk can be made smaller than the red region or infrared region light. This is effective for improving the reproduction density.
[0003]
As an effective means for obtaining laser light in the blue region, there is a method of converting light in the infrared region into light having a short wavelength in the blue region using a second harmonic generation (SHG) element having a waveguide. No. At present, LiNbO is widely used as a constituent material of the SHG element. 3 Is a non-linear optical material represented by
[0004]
Usually LiNbO 3 A grating is formed on the SHG element constituted by the above by an ion exchange technique in accordance with the wavelength of infrared light which is input light. In addition, the SHG element needs to be configured so that the wavelength of the infrared light that propagates through the waveguide, the wavelength of the blue light that propagates through the waveguide, and the grating pitch have an integer ratio. Therefore, the range of the wavelength of incident infrared light is limited to a narrow range by the SHG element.
[0005]
Therefore, a DBR (Distributed Bragg Reflector) laser having high selectivity of oscillation wavelength, capable of performing single longitudinal mode oscillation, and capable of adjusting a change in oscillation wavelength with temperature is used as an infrared laser serving as a light source. Can be As a conventional DBR laser, for example, a laser disclosed in Patent Document 1 can be mentioned. This conventional DBR laser will be described with reference to FIG.
[0006]
FIG. 24 is a side view schematically showing the structure of a conventional DBR laser. As shown in FIG. 24, a conventional DBR laser has an n-type GaAs buffer layer 52 having a thickness of 0.5 μm and an n-type AlGaAs having a thickness of 1.5 μm (Al composition 0.45) on an n-type GaAs substrate 51. Cladding layer 53, active layer 54, p-type AlGaAs (Al composition 0.4) carrier confinement layer (cladding layer) 55 having a thickness of 400 °, p-type AlGaAs (Al composition 0.15) diffraction grating layer having a thickness of 0.25 μm 56, a 1.5 μm thick p-type AlGaAs (Al composition 0.45) cladding layer 57 and a 0.5 μm thick p-type GaAs contact layer 58 are sequentially provided. The lowermost layer is provided with an electrode 62, and the uppermost layer is provided with electrodes 59 to 61. The electrodes 59 to 62 are used for driving a DBR laser.
[0007]
The n-type GaAs buffer layer 52, the n-type AlGaAs cladding layer 53, the active layer 54, the p-type AlGaAs carrier confinement layer 55, and the p-type AlGaAs optical guide layer 56 are formed by a molecular beam epitaxy (MBE) method.
[0008]
Further, the p-type AlGaAs diffraction grating layer 56 is provided with diffraction gratings 56a and 56b. The diffraction grating 56a is formed by applying a resist on the p-type AlGaAs layer, patterning it into a stripe shape having a width of 300 μm by two-beam interference exposure, and further performing reactive ion beam etching (RIBE). ing. In the example of FIG. 24, the pitch of the diffraction grating 56a is 2440 ° and the depth is 10 °. It is.
[0009]
The diffraction grating 56b is also formed by the same patterning and reactive ion beam etching as the diffraction grating 56a. However, in forming the diffraction grating 56b, patterning is performed using a resist different from the resist used for the diffraction grating 51a. As a result, the diffraction grating 51a and the diffraction grating 52b have the same pitch but different depths.
[0010]
The p-type AlGaAs cladding layer 57 and the p-type GaAs contact layer 58 are formed by a liquid phase epitaxial growth (LPE) method.
[0011]
Incidentally, the conversion efficiency of the SHG element from the infrared region to the blue region is from several% to several tens%, and is generally proportional to the square of the power of light input to the SHG element which is a nonlinear optical element.
[0012]
Therefore, in order to obtain blue light of about 5 mW required for reproduction of a high-density optical disk, the power of infrared light needs to be at least about 50 mW. Further, in order to obtain light in the blue range of about several tens mW required for recording on a high-density optical disk, the power of light in the infrared range needs to be at least 100 mW or more. For this reason, a high output characteristic of 100 mW or more is required for a DBR laser used as a light source for recording and reproduction of a high-density optical disk.
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-6-53619
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the conventional DBR laser shown in FIG. 24 performs a high-output operation of 100 mW or more, the power density of light in the active layer 54 becomes large. The active layer 54 has a relatively large absorption coefficient with respect to the laser light, and further has a characteristic that the end face reflectance of the laser light on the diffraction grating layer 56 side is small.
[0015]
For this reason, when a high output operation of 100 mW or more is performed in the conventional DBR laser shown in FIG. Optical Damage) level is reduced.
[0016]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser device capable of suppressing a portion on the diffraction grating layer side of an emission end face of an active layer from being melted and broken, a second harmonic generation device and an optical pickup device using the same. It is in.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor laser device according to the present invention is a semiconductor laser device having an active layer and a diffraction grating layer located above the active layer, wherein the diffraction grating layer is The active layer is formed within a range narrower than the main surface of the first region, and the active region includes a first region including a region directly below the diffraction grating layer and a second region not including a region directly below the diffraction grating layer. And the band gap in the first region is larger than the band gap in the second region.
[0018]
In the semiconductor laser device according to the present invention, a first light guide layer, a second light guide layer, and a ridge-type third light guide layer are sequentially formed on the diffraction grating layer. A current blocking layer having a conductivity type opposite to that of the third light guide layer is formed on the second light guide layer so as to sandwich a side surface of the third light guide layer, and the second light guide layer is formed on the second light guide layer. Assuming that the band gaps of the light guide layer, the third light guide layer, and the current block layer are Eg1, Eg2, and Eb, respectively, the relationship of Eg1>Eb> Eg2 is preferably satisfied.
[0019]
In the semiconductor laser device according to the present invention, a layer formed of a constituent material having an etching rate lower than that of the constituent material of the diffraction layer is provided between the active layer and the diffraction layer. preferable.
[0020]
In the semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that a plurality of layers functioning as electrodes are arranged on the uppermost layer along the laser emission direction. When there are three layers functioning as the electrodes, the gain, phase and oscillation wavelength are controlled by the magnitude of the current injected into each layer.
[0021]
In the semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the band gap wavelength in the first region is set shorter than the oscillation wavelength of the laser light. Further, it is preferable that the third light guide layer has a portion parallel to an axis perpendicular to the cleavage plane and a portion inclined with respect to an axis perpendicular to the cleavage plane. Further, it is preferable that the third light guide layer is formed such that a cross section perpendicular to the emission direction has a trapezoidal shape.
[0022]
In the semiconductor laser device according to the present invention, the diffraction grating layer, the first light guide layer, the second light guide layer, and the third light guide layer are formed by doping Si. The current blocking layer is preferably formed by doping Se.
[0023]
Next, in order to achieve the above object, a second harmonic generation device according to the present invention includes the semiconductor laser device according to the present invention and a nonlinear optical element having a waveguide, wherein the nonlinear optical element is The laser light emitted from the semiconductor laser device is arranged so as to be coupled to the waveguide. In the second harmonic generation device according to the present invention, it is preferable that the semiconductor laser device and the nonlinear optical element are arranged on the same substrate.
[0024]
According to another aspect of the present invention, there is provided an optical pickup device comprising: a diffraction grating, a condensing lens, and an optical element that extracts only a predetermined deflection component from light including a plurality of deflection components. And at least the second harmonic generator according to the present invention. In the optical pickup device according to the present invention, it is preferable that the second harmonic generation device is disposed on a substrate, and a light receiving element is provided on the substrate.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a semiconductor laser device, a second harmonic generation device, and an optical pickup device of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0026]
First, the configuration of the semiconductor laser device of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view showing an example of the semiconductor laser device of the present invention. FIG. 2 is a side view of the semiconductor laser device shown in FIG. FIG. 3 is a top view of the semiconductor laser device shown in FIG.
[0027]
The semiconductor laser device of the present invention shown in FIGS. 1 to 3 is a DBR laser having a diffraction grating inside a waveguide. As shown in FIGS. 1 and 2, a semiconductor laser device according to the present invention includes a buffer layer 2, a first cladding layer 3, an active layer 4, a second cladding layer 5, a first etching prevention layer 6 on a substrate 1. Second etching preventing layer 7, diffraction grating layer 8, first light guide layer 9, second light guide layer 10, ridge-shaped third light guide layer 11, current blocking layer 12, third clad layer 13, contact layer 14a To 14c.
[0028]
1 and 2, the substrate 1 is formed of an n-type GaAs semiconductor crystal. The buffer layer 2 is an n-type GaAs layer having a thickness of 0.2 μm. The first cladding layer 3 is a 3.0 μm thick n-type Ga 0.5 Al 0.5 This is an As layer. The active layer 4 is made of Ga 0.7 Al 0.3 A double quantum well structure composed of an As barrier layer (thickness 50 °) / a GaAs well layer (thickness 42 °) 0.7 Al 0.3 It is formed so as to be sandwiched between As guide layers (thickness: 100 °). The second cladding layer 5 is made of p-type Ga 0.5 Al 0.5 This is an As layer.
[0029]
The first etching prevention layer 6 and the second etching prevention layer 7 are formed of the diffraction grating layer 8 in order to prevent a part of the second cladding layer 5 from being removed by etching when forming the diffraction grating layer 8. It is formed of a material having a lower etching rate than the constituent material. Further, between the first etching prevention layer 6 and the second etching prevention layer, the first etching prevention layer 6 is formed of a material having a lower etching rate.
[0030]
Specifically, the first etching prevention layer 6 is a p-type GaAlAs layer having a thickness of 100 °. The AlAs mixed crystal ratio of the first etching prevention layer 6 is defined as Xs. The second etching prevention layer 7 is made of p-type Ga 0.4 Al 0.6 This is an As layer, and is formed only on a partial region of the first etching prevention layer 6.
[0031]
Further, the diffraction grating layer 8 is made of p-type Ga 0.8 Al 0.2 The As layer is formed by patterning and etching, and has a distributed Bragg reflection effect on guided light. The first light guide layer 9 is made of p-type Ga 0.5 Al 0.5 An As layer, which is formed on the first etching prevention layer 6 where the second etching prevention layer 7 is not provided and the diffraction grating layer 8. It is preferable that the thickness of the first light guide layer 9 is as small as possible so as not to significantly affect the light distribution. The second light guide layer 10 is a p-type GaAlAs layer having a thickness of 100 °. The mixed crystal ratio of AlAs of the second light guide layer 10 is Xg.
[0032]
The third light guide layer 11 is a p-type Ga layer having a thickness of 2 μm. 0.5 Al 0.5 The As layer is formed in a ridge shape, and forms a waveguide. Further, the upper surface of the third light guide layer 11 functions as a window through which current flows. In the following, the upper surface of the third light guide layer 11 functioning as the window is also referred to as a “striped window”.
[0033]
The current blocking layer 12 is made of n-type Ga 0.4 Al 0.6 An As layer, whose conductivity type is opposite to that of the third light guide layer 11. The current blocking layer 12 is formed so as to sandwich the side surface of the third light guide layer 11 in a region on the second light guide layer 10 where the third light guide layer 11 is not formed. For this reason, the upper surface of the third light guide layer 11 functions as a window for flowing the current injected from the contact layer 14a.
[0034]
If the thickness of the current block layer 12 is small, the lateral mode becomes unstable due to insufficient light confinement in the lateral direction, so that the maximum thickness of the current block layer 12 is desirably 0.4 μm or more. In the examples of FIGS. 1 and 2, the maximum thickness of the current blocking layer is 0.7 μm.
[0035]
The third cladding layer 13 is made of p-type Ga having a thickness of 1 μm. 0.5 Al 0.5 This is an As layer. The contact layers 14a to 14c are electrodes for injecting current, and are formed by dividing a 2 μm-thick p-type GaAs layer into three sections perpendicular to the emission direction.
[0036]
As shown in FIGS. 1 and 2, in the semiconductor laser device of the present invention, the diffraction grating layer 8 is provided in a range narrower than the main surface of the active layer 4. For this reason, as shown in FIG. 2, a portion of the active layer 4 immediately below the diffraction grating layer 8 becomes a DBR region. Further, the active layer 4 is adjacent to the DBR region as a phase control region, and adjacent to the phase control region is a gain region.
[0037]
Further, the contact layer 14c is provided immediately above the DBR region, the contact layer 14b is provided immediately above the phase control region, and the contact layer 14a is provided immediately above the gain region. Therefore, as described later, the gain, phase, and oscillation wavelength can be controlled by the magnitude of the current injected into each contact layer.
[0038]
With such a configuration, the current injected from the contact layer 14a is confined inside the third light guide layer 11 by the current blocking layer 12, and generates light in the active layer 4 below the contact layer 14a. The light generated at this time is subjected to distributed Bragg reflection by the diffraction grating layer 8, and the wavelength is selected. As a result, a single longitudinal mode oscillation occurs.
[0039]
As shown in FIG. 3, the third light guide layer 11 is formed so as to be bent at a portion located immediately below the contact layer 14c, and has a portion 11a parallel to an axis perpendicular to the cleavage plane and a cleavage surface. And a portion 11b inclined with respect to a vertical axis. Therefore, the striped window also has a bent shape. In the example of FIG. 3, the inclination angle θ is 5 °, and the length of the inclined portion 11b in the direction perpendicular to the cleavage plane is 300 μm.
[0040]
For this reason, light having a wavelength that is not strongly affected by distributed Bragg reflection reaches the inclined portion 11b and is reflected by the cleavage surface, but light reflected by the cleavage surface is reflected in a direction different from that of the inclined portion 11b. Will be. That is, single longitudinal mode oscillation can be easily performed by using the semiconductor laser device shown in FIGS.
[0041]
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between the effective reflectance and the inclination angle θ. The effective reflectivity shown in FIG. 4 is a rate at which the light reflected on the cleavage plane is returned to the inclined portion 11b of the second light guide layer 11 again. As can be seen from FIG. 4, by setting the inclination angle θ appropriately, the effective reflectance can be reduced to 10%. -6 It can be suppressed to the following levels. In this case, only light having a wavelength that is strongly subjected to distributed Bragg reflection by the diffraction grating layer 8 can be laser-oscillated with good reproducibility.
[0042]
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, in the semiconductor laser device of the present invention, the active layer 4 has a first region including a region directly below the diffraction grating layer 8 (hatching is applied in the active layer 4). Portion) and a second region not including a region directly below the diffraction grating layer 8 (a portion of the active layer 4 that is not hatched), and the band gap in the first region is the second region. It is larger than the band gap in the region.
[0043]
In the examples of FIGS. 1 and 2, the phase matching region and the DBR region immediately below the diffraction grating layer 8 are disordered by ion implantation or impurity diffusion. It is larger than the band gap in the region.
[0044]
By the way, the power density of the laser light propagating through the waveguide of the semiconductor laser device is several MW / cm. 2 Heat generated by light absorption in the waveguide leads to deterioration of the semiconductor laser device. In general, when heat is generated in a semiconductor laser, the band gap is reduced, and light absorption of laser oscillation light is increased. In addition, an increase in light absorption leads to a further increase in heat generation, a further reduction in the band gap, and as a result, an increase in light absorption. In this case, the temperature eventually rises to the melting point of the constituent material of the semiconductor laser element, and the semiconductor laser element itself is melted and destroyed (COD).
[0045]
In addition, in order to greatly change the oscillation wavelength and the phase, it is necessary to inject as much current as possible into the DBR region and the phase matching region, and to greatly change the refractive index in this region. Is more remarkable.
[0046]
On the other hand, in the semiconductor laser device of the present invention, as described above, the band gaps in the phase control region and the DBR region are larger than the band gaps in the gain region. For this reason, it is possible to suppress the laser light generated in the gain region from being absorbed in the DBR region and the phase matching region, and to suppress heat generation due to light absorption in these two regions. Therefore, it is possible to suppress the positive feedback increase in the heat generated by the light absorption in the phase matching region and the DBR region.
[0047]
From this, according to the semiconductor laser device of the present invention, even if heat is generated in the DBR region and the phase matching region by performing current injection for phase control and wavelength control, light absorption in the phase matching region and the DBR region occurs. Is suppressed, it is possible to suppress the occurrence of COD due to a rapid increase in heat generation due to light absorption.
[0048]
Further, in the semiconductor laser device of the present invention, in order to prevent light emission when current is injected into the DBR region or the phase control region from affecting the light emission characteristics of the gain region, the DBR region and the phase control region Is preferably as short as possible. However, if the band gap wavelength is made too short, the waveguide loss in the DBR region and the phase matching region becomes large, so it is necessary to take care not to make the wavelength too short.
[0049]
Specifically, it is preferable that the bandgap wavelength in the DBR region and the phase control region be shorter than the bandgap wavelength in the gain region in the range of 10 nm to 80 nm. 1 and 2, the band gap wavelengths in the DBR region and the phase control region are shorter by 15 nm than the band gap wavelengths in the gain region. At this time, the waveguide loss in the DBR region and the phase control region is 20 cm. -1 It is as follows.
[0050]
Here, the bandgap wavelength is a value obtained by converting the bandgap into a wavelength. When the bandgap wavelength is λg [μm] and the bandgap is Eg [eV], the bandgap wavelength is obtained by the following equation (1). Can be.
λg = 1.24 / Eg (1)
[0051]
Furthermore, Al X Ga 1-X The relationship between the Al composition X of As (0 ≦ X ≦ 1) and the band gap Eg (X) [eV] can be obtained by the following equation (2). Also, Al X Ga 1-X As has a property that as the band gap increases, the refractive index of the laser beam emitted from the active layer 4 decreases.
Eg (X) = 1.42 (1-X) + 2.26X-0.67X 2 ・ ・ ・ ・ ・ (2)
[0052]
Next, a case where the semiconductor laser device of the present invention is used as an excitation light source for an SHG element will be described below with reference to FIGS. When the semiconductor laser device of the present invention shown in FIGS. 1 to 3 is used as an excitation light source for an SHG element, an oscillation wavelength, that is, an oscillation wavelength, that is, a high second harmonic conversion efficiency is obtained in a nonlinear optical element used as an SHG element. , It is necessary to control the wavelength that is distributed Bragg reflected. The wavelength of the distributed Bragg reflection can be controlled by controlling the value of the current injected into the contact layer 14c. This is because, when a current is mainly injected into the contact layer 14c, heat is generated below the contact layer 14c, thereby changing the refractive index of the region where the diffraction grating layer 7 is formed.
[0053]
That is, if the value of the current injected into the contact layer 14c is increased and the amount of heat generated under the contact layer 14c is increased, the effective refractive index with respect to the laser light propagating through the waveguide increases, so that the oscillation wavelength changes to the longer wavelength side. Can be done. Conversely, if the value of the current injected into the contact layer 14c is reduced and the amount of heat generated below the contact layer 14c is reduced, the oscillation wavelength can be changed to a shorter wavelength.
[0054]
In the semiconductor laser device of the present invention, if the length of the region where the diffraction grating layer 8 is formed on the DBR region in the laser emission direction is large, the distance at which the diffraction grating layer 8 and the guided light act on each other increases. In this case, the diffraction grating layer 8 can obtain a high reflectance with respect to light having a wavelength that is subjected to distributed Bragg reflection. Obtaining a high reflectance by the diffraction grating layer 8 is effective in lowering the operating current value and the threshold value of the oscillation current. In general, the reflectance for light having a wavelength that is subjected to distributed Bragg reflection reflects the strength of coupling between the diffraction grating layer 8 and the laser oscillation light (hereinafter, referred to as a “coupling coefficient κ”), and the refractive index of the diffraction grating layer 8. Length L formed in the wave path (length of diffraction grating layer 8 in the laser emission direction) L dbr Can be estimated by
[0055]
FIG. 5 shows the reflectance of the diffraction grating layer and the length L in the laser emission direction of the diffraction grating layer when the coupling coefficient κ is changed. dbr FIG. In FIG. 5, the coupling coefficient κ is 10 cm. -1 From 140cm -1 Has changed to In the calculation of the graph shown in FIG. 5, the waveguide loss was 20 cm. -1 Is set to
[0056]
As can be seen from FIG. -1 From 100cm -1 In order to obtain a reflectivity at the emission end face that can be obtained by cleavage, that is, a reflectivity higher than the so-called end face uncoating time (32%), it is necessary to use L dbr Is required to be 200 μm or more.
[0057]
However, as shown in FIG. dbr Is excessively increased, further improvement of the reflectance cannot be expected, and the reflectance is saturated. For example, κ is 40cm -1 In the case of L dbr Is about 600 μm, the reflectance is saturated. Further, in this case, the heat dissipation in the region where the diffraction grating layer 8 is formed is improved, and the variable width of the oscillation wavelength due to heat generation is reduced. From this, within the range where the reflectance at the emission end face that can be obtained by cleavage can be obtained, L dbr Is preferably as small as possible.
[0058]
Therefore, in order to obtain the reflectance at the emission end face that can be obtained by cleavage without impairing the variable width of the oscillation wavelength, it is necessary to use L dbr Is preferably set to 200 μm to 600 μm. In the examples of FIGS. 1 and 2, L dbr Is set to 300 μm, in which case κ is 40 cm -1 ~ 100cm -1 When the diffraction grating layer 8 is formed so as to fall within the range, the reflectance of 45% to 80% can be obtained by the diffraction grating layer 8. In the examples of FIGS. 1 and 2, the length of the DBR region in the laser emission direction is 600 μm. Further, in the examples of FIGS. 1 and 2, when the current was changed from 0 mA to 100 mA and the current was injected into the contact layer 14c, the change in the oscillation wavelength was 3 nm.
[0059]
When changing the wavelength for distributed Bragg reflection, there may be two or more wavelengths at which a high reflectance can be obtained near a desired oscillation wavelength. At this time, the oscillation wavelength may mode-hop to a wavelength having a high gain, and may deviate from a desired wavelength.
[0060]
In order to prevent this, in the examples of FIGS. 1 and 2, a current is injected into the contact layer 14b to change the amount of heat generated below the contact layer 14b, thereby controlling the refractive index of the waveguide below the contact layer 14b. are doing. That is, by changing the current injected into the contact layer 14b, control is performed such that the phase condition for laser oscillation of only a desired oscillation wavelength is always satisfied.
[0061]
By the way, when the length of the phase control region in the laser emission direction is large, heat radiation is improved, and the variability of the oscillation wavelength due to heat generation is impaired. Conversely, when the length of the phase control region in the laser emission direction is small, the change in the effective resonator length due to heat generation becomes small. The length of the phase control region in the laser emission direction affects the wavelength difference between adjacent longitudinal modes. That is, when the phase control region is long, the wavelength difference between adjacent longitudinal modes becomes small, and two or more longitudinal modes can exist in a wavelength range where a high reflectance can be obtained by the diffraction grating layer 8. As a result, the longitudinal mode becomes a multi-mode oscillation. In the SHG element, the wavelength range in which high conversion efficiency can be obtained is usually a very narrow wavelength range of 0.1 nm.
[0062]
Therefore, when the semiconductor laser device of the present invention is used as a light source of an SHG element, the semiconductor laser device needs to always oscillate in a single longitudinal mode at a wavelength at which high conversion efficiency can be obtained. For this reason, guaranteeing single longitudinal mode oscillation is very important. In order to guarantee the single longitudinal mode, it is necessary to widen the longitudinal mode interval so that it is not possible to obtain a high reflectance at which two or more longitudinal modes can simultaneously oscillate.
[0063]
Here, assuming that the longitudinal mode interval is Δλ, the wavelength is λo, the effective refractive index is Nr, and the resonator length is L, △ λ is given by the following equation (3). From the following equation (3), it can be seen that the resonator length should be as short as possible in order to increase the longitudinal mode interval Δλ. Δλ = λo 2 / (2NrL) (3)
[0064]
In general, it has been found that if Δλ is 0.08 nm or more, single longitudinal mode oscillation occurs even during high-speed modulation in order to obtain single longitudinal mode oscillation. For example, if λo is 820 nm and Nr is 3.3, the resonator length L needs to be 1270 μm or less in order to make Δλ 0.08 nm or more.
[0065]
Assuming that the length of the gain region in the laser emission direction is La, the length of the phase region in the laser emission direction is Lph, and the effective length of the DBR region in the laser emission direction is Ldbrefff, L is given by the following equation (4). Can be
L = La + Lph + Ldrefff (4)
[0066]
Ldbref depends on the magnitude of the coupling coefficient κ. When the coupling coefficient κ is large, the reflectance of the laser beam by the diffraction grating layer becomes large, and the light intensity is attenuated at a short distance, so that Ldbref becomes small. Conversely, when the coupling coefficient is small, the reflection of the laser beam becomes small, and the laser beam exudes throughout the DBR region, so that Ldbref becomes small.
[0067]
For example, the coupling coefficient κ is 80 cm -1 When the diffraction grating layer is designed so as to satisfy the following condition, Ldbref is 62.4 μm. Further, when the length of the gain region in the laser emission direction is set to 700 μm, in order to reduce the cavity length L to 1270 μm or less, ie, to generate single longitudinal mode oscillation, the laser emission direction of the phase region Must be set to 507.6 μm or less.
[0068]
By the way, when the length Lph of the phase region in the laser emission direction is too short, the change in the effective resonator length due to heat generation becomes small. Therefore, the length Lph of the phase region in the laser emission direction needs to be 100 μm or more. Therefore, in the examples of FIGS. 1 and 2, the length Lph of the phase region in the laser emission direction is set to 250 μm.
[0069]
Generally, when a current is injected from the contact layer 14c into the active layer 4, a light-emitting component on a longer wavelength side than the band gap of the active layer 4 can be obtained due to the effects of carrier multi-body effect and heat generation. For example, if the bandgap wavelength in the phase control region and the DBR region of the active layer 4 is 795 nm, the wavelength of the spontaneous emission light before laser oscillation spreads to about 830 nm.
[0070]
Therefore, for example, if the band gap wavelength in the phase control region and the DBR region of the active layer 4 is set to 795 nm, and the wavelength distributed Bragg reflection by the diffraction grating layer 8 is set to 820 nm, the level near the band edge becomes Since it is easily absorbed and saturated, the absorption loss of the 820 nm laser oscillation light in the phase control region and the DBR region can be reduced.
[0071]
For this reason, in the semiconductor laser device of the present invention, it is preferable to form the diffraction grating layer 8 so that the wavelength subjected to distributed Bragg reflection is at least 20 nm longer than the band gap wavelength of the active layer 4.
[0072]
Further, in the semiconductor laser device shown in the examples of FIGS. 1 and 2, even when an excessive current is injected into the phase control region and the gain region, the oscillation wavelength selected in the DBR region can be obtained. . This is because in the examples of FIGS. 1 and 2, the maximum gain peak is obtained at around 805 nm, which is slightly longer than the bandgap wavelength of 795 nm of the active layer 4, but as shown in FIG. Since the inclination angle θ of the inclined portion 11b in the third light guide layer 11 to be formed is set to 5 °, the effective reflectance shown in FIG. -6 This is because the level becomes very small, which is about the same level or less, and ordinary Fabry-Perot mode oscillation is suppressed.
[0073]
As described above, in the examples of FIGS. 1 and 2, three contact layers 14 a to 14 c are provided in the laser emission direction, and each area of the active layer 4 immediately below each contact layer is replaced with a gain area for causing laser oscillation. , A phase control region for controlling the phase, and a DBR region for generating distributed Bragg reflection. Further, the diffraction grating layer 8 is formed such that the wavelength for distributed Bragg reflection is at least 20 nm longer than the band gap wavelength. For this reason, the phase control region and the DBR region correspond to the band gap wavelength in the gain region by disordering the well layer and the barrier layer of the phase control region and the DBR region using techniques such as impurity diffusion and ion implantation. Therefore, a DBR laser with low loss and variable wavelength can be obtained.
[0074]
1 and 2, the current blocking layer 12 is formed such that its band gap is larger than the band gap of the active layer 4, and the absorption of laser light by the current blocking layer 12 is suppressed. . Therefore, the loss in the waveguide can be significantly reduced, and the lower limit of the operating current can be reduced.
[0075]
Furthermore, due to the suppression of the absorption of the laser light by the current blocking layer 12, the light distribution of the laser light is not limited to the inside of the third light guiding layer 11, but the second light guiding layer 10 below the current blocking layer 12, It extends to one light guide layer 9 and the diffraction grating layer 8. Therefore, the ratio of the laser light propagated by the diffraction grating layer 8 increases, so that the coupling coefficient κ in the diffraction grating layer 8 that determines the wavelength selectivity can be set high. From this, if the semiconductor laser device shown in FIGS. 1 and 2 is used, the wavelength selectivity can be improved by the diffraction grating layer 8, and the single longitudinal mode can be maintained even when a temperature change, a light output change, or the like occurs. can do.
[0076]
In the examples of FIGS. 1 and 2, when the band gaps of the second light guide layer 10, the third light guide layer 11, and the current block layer 12 are Eg1, Eg2, and Eb, respectively, these layers have the following formulas. It is formed so that (5) is satisfied.
Eg1>Eb> Eg2 (5)
[0077]
Furthermore, in general, in semiconductor materials, the magnitude of the band gap and the refractive index are in an inversely proportional relationship. Therefore, when the refractive indexes of the second light guide layer 10, the third light guide layer 11, and the current blocking layer 12 are N1, N2, and Nb, the following equation (6) is derived from the above equation (5).
N1 <Nb <N2 (6)
[0078]
In this case, according to the above equation (6), a layer having a lower refractive index than the third light guide layer 11, that is, the second light guide layer 10 is present below the third light guide layer 11, so that the third light guide layer 11 is present. Inside 11, it is possible to spread the light distribution more vertically. Therefore, according to the examples shown in FIGS. 1 and 2, the beam radiation angle in the vertical direction can be reduced, and the coupling efficiency with the SHG element can be increased.
[0079]
In the same mixed crystal material such as AlGaAs and InGaP, the relationship between the dielectric constant and the band gap is inversely proportional to the refractive index. Therefore, the refractive index can be reduced by decreasing the dielectric constant. Further, when the dielectric constant of the second light guide layer 10 is reduced, the capacity of the depletion layer formed between the current blocking layer 12 and the third light guide layer 11 can be reduced. As a result, the oscillation wavelength, Deterioration of high-speed response of phase and optical output can be suppressed. Therefore, in a preferred embodiment, the Al composition of the second light guide layer 10 is increased to reduce the dielectric constant of the second light guide layer 10.
[0080]
Further, it is preferable that the AlAs mixed crystal ratio of the third light guide layer is made as small as possible. 1 and 2, the AlAs mixed crystal ratio of the third light guide layer is set to be smaller than the mixed crystal ratio of the current blocking layer 12.
[0081]
As described above, in the examples shown in FIGS. 1 and 2, by forming the semiconductor laser device so as to satisfy the above equations (5) and (6), it is possible to simultaneously improve the high-speed response characteristics and reduce the beam radiation angle. ing.
[0082]
Here, the AlAs mixed crystal ratio Xs of the first etching prevention layer 6 and the AlAs mixed crystal ratio Xg of the second optical guide layer 10 will be described. First, the AlAs mixed crystal ratio Xs of the first etching prevention layer 6 will be described.
[0083]
In the present invention, the value of the AlAs mixed crystal ratio Xs of the first etching prevention layer 6 is preferably as small as possible. This is because, when a layer having a large AlAs mixed crystal ratio becomes a regrowth interface during regrowth, the regrowth interface becomes a high-resistance layer by oxidation, so that the operating voltage and the operating current value increase, and the temperature characteristics of the element deteriorate. This is because reliability decreases.
[0084]
From experiments conducted by the inventors of the present invention, in order to reduce the influence of oxidation at the regrowth interface, the AlAs mixed crystal ratio of the layer (first etching prevention layer 6) serving as the regrowth interface is set to 0.3 or less. I know I need to. If the AlAs mixed crystal ratio of the layer serving as the regrowth interface (first etching prevention layer 6) is too small, the band gap of this layer becomes too small to absorb laser oscillation light, and as a result, the waveguide It is also known that the loss increases and the threshold value of the oscillation current and the operating current value increase.
[0085]
Therefore, in the examples of FIGS. 1 and 2, the value of Xs is set to 0.2. Therefore, if the semiconductor laser device shown in FIGS. 1 and 2 is used, the influence of oxidation caused by exposing the first etching prevention layer 6 to the atmosphere before regrowth can be reduced. Further, the first etching prevention layer 6 becomes transparent to the laser oscillation light in the 820 nm band, and furthermore, it is possible to form a low-resistance regrowth interface and prevent an increase in waveguide loss.
[0086]
In the examples of FIGS. 1 and 2, the thickness of the first etching prevention layer 6 is set to 10 nm. The reason why the thickness of the first etching prevention layer 6 is set so thin is that the controllability of the effective refractive index difference Δn between the inside and the outside of the ridge-shaped third optical guide layer 11 is not impaired. That's why.
[0087]
As described above, in the examples of FIGS. 1 and 2, the AlAs mixed crystal ratio Xs of the first etching prevention layer 6 is set to 0.2, and the first etching prevention layer 6 is a layer having a small AlAs mixed crystal ratio. It is. In general, the refractive index tends to increase as the AlAs mixed crystal ratio decreases. Further, the light distribution of the laser light propagating through the waveguide tends to concentrate on the layer having the highest refractive index.
[0088]
Therefore, as shown in FIGS. 1 and 2, when the first etching prevention layer 6 having a small AlAs mixed crystal ratio is provided in the vicinity of the active layer 4, the vertical light distribution of the laser light propagating through the waveguide is improved. It will be concentrated on the active layer 4. As a result, the light density of the active layer increases, the light output level that causes COD can be reduced, and the decrease in COD level can be suppressed.
[0089]
By the way, as the confinement of the light distribution in the vertical direction in the active layer 4 increases, the divergence angle in the vertical direction of the far-field image of the laser light emitted from the emission end face also increases. Therefore, the magnitude of the vertical spread angle is an index of the COD level. In order to obtain a high output operation of 100 mW or more, it can be said that it is preferable to minimize vertical light confinement in the active layer and minimize the vertical divergence angle.
[0090]
However, if the light confinement in the vertical direction in the active layer 4 is too small, the mode gain generated in the light distribution propagating through the waveguide also becomes small, so that the threshold value of the oscillation current and the operating current value increase. Therefore, in order to obtain a high COD level while suppressing an increase in the threshold value of the oscillation current and the operating current value, it is necessary to design the waveguide so that the vertical divergence angle is in the range of 15 ° to 19 °. There is.
[0091]
Controlling the lateral confinement of the light distribution inside the ridge-type third light guide layer 11 is important for obtaining a stable fundamental transverse mode oscillation up to a high output. The lateral confinement of the light distribution can be controlled by the magnitude of the effective refractive index difference Δn between the inside and the outside of the ridge-shaped third light guide layer 11.
[0092]
When the effective refractive index difference Δn is large, the confinement of the light distribution in the lateral direction becomes strong, so that the light density at the center of the waveguide becomes large, and strong stimulated emission occurs. As a result, in the active layer 4 located immediately below the central portion of the waveguide, spatial hole burning of carriers whose operating carrier concentration is reduced occurs. For this reason, the effective refractive index difference Δn is further increased due to the plasma effect, and confinement of the light distribution in the horizontal direction is further increased. As a result, the COD level is reduced. On the other hand, when the effective refractive index difference Δn is small, light confinement in the lateral direction becomes weak, and stable fundamental transverse mode oscillation cannot be obtained.
[0093]
From these points, in order to obtain stable fundamental transverse mode oscillation up to a high output, the value of Δn must be 3 × 10 -3 ~ 4 × 10 -3 It is necessary to design the waveguide so as to fall within the range.
[0094]
Next, the AlAs mixed crystal ratio Xg of the second light guide layer 10 will be described. The second light guide layer 10 also functions as an etching prevention layer when the third light guide layer 11 is formed into a ridge shape by etching. Therefore, Xg is preferably different from the AlAs mixed crystal ratio of the third light guide layer 11. Since the magnitude of Xg greatly affects the light distribution in the vertical and horizontal directions, care must be taken in setting its value.
[0095]
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the AlAs mixed crystal ratio Xg of the second light guide layer and the effective refractive index difference Δn of the third light guide layer.
[0096]
In FIG. 6, the effective refractive index difference Δn is obtained from the effective refractive index of the third light guide layer 11 and the effective refractive index of the active layer 4. Here, Δn1 is obtained from the effective refractive index of a region not located immediately below the diffraction grating layer 8, and Δn2 is obtained from the effective refractive index of a region located immediately below the diffraction grating layer 8.
[0097]
Since the diffraction grating layer 8 is formed of a material having a high refractive index, the light distribution in the vertical direction tends to concentrate on the active layer 4 immediately below the region where the diffraction grating layer 8 is formed. Therefore, as shown in FIG. 6, Δn1 is a value larger than Δn2.
[0098]
Further, as described above, in order to obtain high output and stable fundamental transverse mode oscillation, the value of Δn must be 3 × 10 -3 ~ 4 × 10 -3 Is required to be within the range. From FIG. 6, Xg needs to be about 0.5 or more in order to make both Δn1 and Δn2 within this range.
[0099]
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the AlAs mixed crystal ratio Xg of the second light guide layer and the vertical divergence angle. As described above, the vertical divergence angle needs to be within the range of 15 ° to 19 ° in order to obtain a high COD level while suppressing an increase in the threshold value of the oscillation current and the operating current value. Therefore, from FIG. 7, Xg needs to be about 0.55 or more.
[0100]
6 and 7, the AlAs mixed crystal ratio Xg of the second light guide layer is preferably 0.55 or more. In this case, stable fundamental transverse mode oscillation can be obtained without being affected by the presence or absence of the diffractive optical grating layer 8, and furthermore, a high COD level can be reduced while suppressing an increase in the threshold value and operating current value of the oscillation current. Obtainable.
[0101]
In the examples of FIGS. 1 and 2, the AlAs mixed crystal ratio Xg of the second light guide layer is set to 0.7, which is 0.2 larger than the AlAs mixed crystal ratio 0.5 of the third light guide layer 11. . This value is set such that the larger the difference in the AlAs mixed crystal ratio between the third light guide layer 11 and the second light guide layer is, the more the third light guide layer 11 is formed into a ridge shape by etching. This is because the selective etching property in that case can be improved.
[0102]
In the examples of FIGS. 1 and 2, the AlAs mixed crystal ratio of the current blocking layer 12 is set to 0.6, which is 0.1 larger than the AlAs mixed crystal ratio of the third light guide layer 11. . This is because if the AlAs mixed crystal ratio of the current blocking layer 12 is the same as the AlAs mixed crystal ratio of the third light guide layer 11, the refractive index inside the third light guide layer 11 decreases due to the plasma effect during current injection. This is because the third optical guide layer 11 becomes an anti-waveguide type waveguide and a single transverse mode oscillation cannot be obtained.
[0103]
In the semiconductor laser device of the present invention, as described above, the value of the effective refractive index difference Δn is set to 3 × 10 -3 ~ 4 × 10 -3 Within this range, stable fundamental transverse mode oscillation with high output can be obtained. Therefore, in order to stably produce a high-output semiconductor laser device with a high yield, the effective refractive index difference Δn should be 3 to 4 × 10 -3 You need to precisely control the range.
[0104]
Incidentally, the effective refractive index difference Δn obtained from the effective refractive index inside the third light guide layer 11 and the effective refractive index in the gain region that is not directly below the diffraction grating layer 8 is the distance between the current blocking layer 12 and the active layer 4. That is, the total (total film thickness) td of the film thicknesses of the second clad layer 5, the second etching prevention layer 7, the first light guide layer 9, and the second light guide layer 10, and the third light guide layer 11 It can be controlled by the difference Δx in the AlAs mixed crystal ratio with the current block layer 12.
[0105]
The current injected from the third light guide layer 11 spreads out of the third light guide layer 11 through the layers existing between the current blocking layer 12 and the active layer 4. At this time, if the total film thickness td is large, the reactive current not contributing to laser oscillation increases. Therefore, it is better that the total film thickness td is not too thick, and specifically, it is preferably 0.2 μm or less.
[0106]
On the other hand, if the total film thickness td is less than 0.05 μm, the reactive current not contributing to laser oscillation is reduced, but Δn is 10 μm. -2 The above value is large, and Zn, which is an impurity for making the third light guide layer 11 p-type, diffuses into the active layer 4 and the temperature characteristics of the active layer 4 deteriorate. Therefore, the total thickness td is preferably set to 0.05 μm or more. From these points, in the examples of FIGS. 1 and 2, the total film thickness td is set to 0.18 μm.
[0107]
In the present invention, the difference Δx in AlAs mixed crystal ratio, which is another important parameter for controlling the effective refractive index difference Δn, is preferably set to 0.05 to 0.15 or less. This is because if the difference Δx in the AlAs mixed crystal ratio is larger than 0.15, the reproducibility in production of the difference Δx in the AlAs mixed crystal ratio has a greater effect on Δn. If the difference Δx in the AlAs mixed crystal ratio is less than 0.05, the light distribution cannot be stably confined inside the third light guide layer 11, and stable fundamental transverse mode oscillation cannot be obtained. Because. 1 and 2, the difference Δx in the AlAs mixed crystal ratio is set to 0.1.
[0108]
As described above, when the semiconductor laser device is manufactured by setting the total film thickness td and the difference Δx between the AlAs mixed crystal ratios in the above-described range, the reactive current can be reduced. -3 The control of the effective refractive index Δn can be performed with the precision of the table.
[0109]
In the examples of FIGS. 1 and 2, the value of the effective refractive index difference Δn is 3 × 10 so that stable fundamental transverse mode oscillation with high output can be obtained. -3 ~ 4 × 10 -3 3.7 × 10 which is within the range -3 Is set to
[0110]
On the other hand, in the conventional semiconductor laser device shown in FIG. 24, a p-type AlGaAs (Al composition 0.15) diffraction grating layer 56 having a thickness of 0.25 μm is formed on the gain region of the active layer. When such a thick layer is formed on the gain region of the active layer, the light distribution of the laser light greatly spreads to the diffraction grating layer 56 having a low Al mixed crystal ratio, and the controllability of the light distribution in the lateral direction is impaired. For this reason, the semiconductor laser device shown in FIG. 24 needs to have a buried heterostructure in order to confine the light distribution in the lateral direction and provide an effective refractive index difference inside and outside the waveguide.
[0111]
However, when such a buried heterostructure is employed, the effective refractive index difference in the lateral direction becomes 10%. -2 The light distribution becomes extremely large as described above, and the light distribution is strongly confined in the horizontal direction. For this reason, when the semiconductor laser device is operated at a high output, spatial hole burning of carriers in the active layer occurs. This not only causes kink which causes non-linearity in current-light output characteristics, but also causes melting and destruction of the emission end face. From this, it can be said that it is difficult to realize a high-output DBR laser with the conventional semiconductor laser device shown in FIG.
[0112]
In the present invention, the difference Δxg between the AlAs mixed crystal ratio of the second etching prevention layer 7 and the AlAs mixed crystal ratio of the diffraction grating layer 8 is set as large as possible if the diffraction grating layer 8 is formed by wet etching. It is preferable to keep it. This is because, when the diffraction grating layer 8 is manufactured by wet etching, if Δxg is small, it becomes difficult to selectively etch only the diffraction grating layer 8.
[0113]
When the diffraction grating layer 8 is formed by wet etching, the control of the shape of the diffraction grating layer 8 is very important because it greatly affects the coupling coefficient κ between the guided light and the diffraction grating. Therefore, it can be said that the shape of the diffraction grating layer 8 is preferably controlled by selective etching, rather than by etching time.
[0114]
In order to improve the selective etching property, it is preferable that Δxg is large to some extent, specifically, it is preferable to set it to 0.05 or more. In the examples of FIGS. 1 and 2, ΔXg is set to 0.1. Note that the selective etching is an etching method in which the etching is stopped when the diffraction grating layer 8 is etched to expose the second etching prevention film 7 serving as a base.
[0115]
In the present invention, the thickness (maximum value) of the diffraction grating layer 8 is preferably set to 5 nm to 60 nm. 1 and 2, the thickness of the diffraction grating layer 8 is set to 20 nm. When operating at high output, ± 10 of Δn -3 Since it is necessary to control Δn in the DBR region with the precision of the stage, it is preferable that the film thickness of the diffraction grating layer 8 is as thin as possible so as not to significantly affect the light distribution. However, when the thickness is less than 5 nm, the coupling coefficient κ between the guided light and the diffraction grating decreases, and the reflectance of the laser beam in the DBR region decreases. On the other hand, if the thickness exceeds 60 nm, the coupling coefficient κ becomes large and a large reflectance can be obtained. However, the wavelength range in which a large reflectance can be obtained becomes large, and the selectivity of the oscillation wavelength is impaired.
[0116]
As described above, in the semiconductor laser device shown in the examples of FIGS. 1 and 2, the effective refractive index difference Δn is set to ± 10 in all of the gain region, the phase control region, and the DBR region. -3 It can be controlled with the precision of the table, and stable single transverse mode oscillation can be obtained even at high output.
[0117]
In the present invention, the band gap of the second cladding layer 5 needs to be sufficiently larger than the band gap of the active layer 4 in order to effectively confine carriers in the active layer 4 and obtain laser oscillation in the 820 nm band. is there. Therefore, the AlAs mixed crystal ratio of the second cladding layer 5 is preferably set to about 0.45 to 0.55. In the examples of FIGS. 1 and 2, the AlAs mixed crystal ratio of the second cladding layer 5 is set to 0.5.
[0118]
Further, in the present invention, the width W1 of the striped window (see FIGS. 1 and 2) is adjusted to the basic transverse mode in order to greatly widen the light distribution in the horizontal direction and reduce the maximum light density at the end face. It is good to make it as large as possible within the range. However, if it is too large, a higher-order transverse mode can be oscillated. Therefore, it is preferable that the width W1 of the striped window is set in the range of 2 μm to 5 μm. In the examples of FIGS. 1 and 2, the width W1 of the striped window is set to 3.5 μm. W2 is preferably set in the range of 2.5 μm to 5.5 μm in consideration of the relationship with W1 so as to easily obtain the fundamental transverse mode oscillation.
[0119]
In this case, it is preferable that the surface (lower surface) of the third light guide layer 11 on the side of the diffraction grating layer 8 is formed larger than the stripe-shaped window (upper surface). That is, it is preferable that the transverse section (the section perpendicular to the emission direction) of the third light guide layer 11 has a trapezoidal shape with the upper base being W1 and the lower base being W2 as shown in FIG. This is because, if the third light guide layer 11 has such a shape, the current block layer 12 can be easily regrown on the side surface (slope) of the third light guide layer 11.
[0120]
In the present invention, the period of the diffraction grating 8g (see FIG. 2) constituting the diffraction grating layer 8 is preferably set to a period that is an integral multiple of the wavelength in the medium. The wavelength of the laser light guided through the optical resonator is selected by the Bragg reflection by the diffraction grating 8g.
[0121]
The AlAs mixed crystal ratio of the diffraction grating layer 8 is preferable because it realizes good wavelength selectivity and facilitates regrowth on the diffraction grating layer 8. From the viewpoint of preventing absorption, it is preferably set to 0.3 or less. In the example of FIG. 1 and FIG. 2, it is set to 0.2.
[0122]
The wavelength selectivity of the diffraction grating 8g is determined by the difference in the refractive index between the diffraction grating layer 8 and the first optical guide layer 9 in which the diffraction grating 8g is embedded. Therefore, in the present invention, the AlAs mixed crystal ratio of the first light guide layer 9 is set to 0.5 or more in order to realize a sufficient refractive index difference from the diffraction grating layer 8 required for the single longitudinal mode. Is preferred. In the example of FIG. 1 and FIG. 2, it is set to 0.5.
[0123]
Here, the current injected into the gain region, the phase control region, and the DBR region will be described. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the current value and the optical output when the current is injected only into the gain region of the semiconductor laser device shown in FIG. FIG. 8 shows a case where the threshold value of the oscillation current is 25 mA. As shown in FIG. 8, in the semiconductor laser device shown in FIG. 1, a high optical output of 250 mW or more can be obtained by setting the current value of the injected current to 290 mA or more.
[0124]
Also, as can be seen from FIG. 8, the light output increases discontinuously as the current value of the injected current is increased by about 30 mA. This is because the longitudinal mode in which the laser oscillates hops to the adjacent longitudinal mode by current injection into the gain region. Further, in the case of a DBR laser such as the semiconductor laser device shown in FIG. This is because only the wavelength in the “DBR reflection window”).
[0125]
In the present invention, the diffraction grating 8g of the diffraction grating layer 8 has a DBR reflection window having a wavelength width of 0.2 nm or less and a mode gain difference between adjacent longitudinal modes existing in the DBR reflection window of 2 cm. -1 Preferably, it is formed as described above. In this case, the single longitudinal mode can be oscillated even during pulse modulation.
[0126]
Generally, when a current is injected into the gain region, the wavelength at which laser oscillation is possible changes to a longer wavelength side due to a change in the refractive index. Accordingly, the wavelength of the longitudinal mode is changed from the wavelength of the central region having a high reflectance in the DBR reflection window to the wavelength of an end region having a low reflectance. Therefore, when a current is injected into the gain region, the reflectance in the longitudinal mode (N-order mode) during laser oscillation decreases. Therefore, with the injection of current into the gain region, mode hop occurs when the wavelength of the adjacent longitudinal mode (N + 1 order mode) having a high order becomes a region where the reflectance from the diffraction grating 8g is high.
[0127]
FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the value of the current injected into the phase control region and the oscillation wavelength. In general, when a current is injected into the phase control region, the effective resonator length changes due to a change in the refractive index of the phase control region while the wavelength at which a high reflectivity can be obtained by the DBR reflection window is constant. A mode hop will occur in the vertical mode.
[0128]
As can be seen from FIG. 9, every time the value of the current injected into the phase control region (phase control region injection current value) is increased by about 10 mA, a mode hop to the adjacent longitudinal mode existing in the DBR reflection window occurs. You can see that.
[0129]
Also, as the magnitude of the injection current value in the phase control region is increased, the oscillation wavelength changes to a slightly longer wavelength as a whole. This is because the heat generated in the phase control region is transmitted to the DBR region, and the DBR reflection window changes to the longer wavelength side as described later.
[0130]
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the value of the current injected into the DBR region and the oscillation wavelength. As can be seen from FIG. 10, when the value of the current injected into the DBR region (DBR region injection current value) is increased, the DBR reflection window undergoes a change in the refractive index due to heat generation, and the oscillation wavelength changes to the longer wavelength side.
[0131]
Further, since the laser oscillation wavelength is constant until the mode hops to the adjacent longitudinal mode, as shown in FIG. 10, the laser oscillation wavelength when current is injected into the DBR region changes stepwise. In the example of FIG. 10, when the DBR region injection current value changes from 0 mA to 100 mA, the laser oscillation wavelength changes from 820.2 nm to 823.1 nm by about 3 nm.
[0132]
From the characteristics shown in FIGS. 9 and 10, if current is injected into the phase control region and the DBR region at the same time, it is possible to continuously change the oscillation wavelength while keeping the order of a certain longitudinal mode constant. You can see that it is possible.
[0133]
Next, a manufacturing process of the semiconductor laser device of the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 11, 12 and 13 are perspective views showing steps of manufacturing the semiconductor laser device shown in FIG. 11 (a) to 11 (d), 12 (e) to 12 (h), and 13 (i) to 13 (k) show one process in the manufacturing process of the semiconductor laser device shown in FIG. These are a continuous series of steps.
[0134]
First, as shown in FIG. 11A, an n-type GaAs buffer layer 2 and an n-type GaAs buffer layer 2 are formed on a substrate 1 formed of n-type GaAs by MOCVD or MBE. 0.5 Al 0.5 As first cladding layer 3, active layer 4, p-type Ga 0.5 Al 0.5 As clad layer 5 of As, first etching prevention layer 6 of p-type GaAlAs, p-type Ga 0.4 Al 0.6 As second etching prevention layer 7 of As, p-type Ga to be a diffraction grating layer 0.8 Al 0.2 An As layer 8 'is formed.
[0135]
In the example of FIG. 11A, Se is used as the n-type dopant. This is for improving the single longitudinal mode property at the time of pulse modulation by the saturable absorption effect of Se. Si is used as a p-type dopan.
[0136]
In the example of FIG. 11A, the active layer 4 has an unstrained multiple quantum well structure, as already described in the description of FIGS. However, the present invention is not limited to this, and the active layer 4 may have a strained quantum well structure or may be a bulk made of a single material. Also, the conductivity type of the active layer is not particularly limited, and may be p-type or n-type, or may be undoped.
[0137]
Next, as shown in FIG. 11B, a diffraction grating layer 8 having a diffraction grating 8g periodically arranged along the laser emission direction is formed. In the example of FIG. 11B, the diffraction grating layer 8 is formed by p-type Ga. 0.8 Al 0.2 This is performed by applying a resist on the As layer 8 ', forming a resist pattern using an interference exposure method, an electron beam exposure method, or the like, and further performing wet etching or dry etching.
[0138]
Next, as shown in FIG. 11C, a part of the diffraction grating layer 8 and a part of the second etching prevention layer 7 located immediately above the gain region and the phase control region are wet-etched or dry-etched. To remove.
[0139]
Next, as shown in FIG. 11D, a resist and SiO 2 are formed in a region on the gain region of the first etching prevention layer 6. 2 Film or SiN x A protective film 15 such as a film is formed, and ion implantation or impurity diffusion is performed on the entire upper surface of the stacked body shown in FIG. As a result, the portion of the active layer 4 (a) where the protective film 15 is not formed is disordered, and the size of the band gap increases.
[0140]
Next, as shown in FIG. 12E, the MOCVD method or the MBE method is used to cover the diffraction grating layer 7 and the exposed portions of the first and second etching prevention layers 6 and 7. , P-type Ga 0.5 Al 0.5 First optical guide layer 9 of As, p-type Ga 0.3 Al 0.7 A second light guide layer 10 of As is formed, and a 2 μm-thick p-type Ga 0.5 Al 0.5 An As layer 11 'is formed.
[0141]
Next, as shown in FIG. 0.5 Al 0.5 A stripe-shaped resist pattern is formed on the As layer 11 'by photolithography, and wet etching is performed to form the ridge-shaped third light guide layer 11 shown in FIG. This etching is performed until the second light guide layer 10 is exposed.
[0142]
In this etching, an etchant that selectively etches a layer having an AlAs mixed crystal ratio of about 0.5 is used. Therefore, Ga 0.3 Al 0.7 Etching stops at the second light guide layer 10 of As. Therefore, variation in characteristics due to variation in etching can be suppressed, and a semiconductor laser device suitable for mass production with high yield can be obtained.
[0143]
Next, as shown in FIG. 12 (g), SiO 3 is formed on the upper surface of the third light guide layer 11 serving as a stripe-shaped window. 2 Film and SiN x A protective film 16 such as a film that enables selective growth is formed. Thereafter, as shown in FIG. 12 (h), the n-type Ga is applied so that the side surface of the third light guide layer 11 and the exposed portion of the second light guide layer 10 are covered. 0.4 Al 0.6 The current blocking layer 12 is formed by selectively growing the As layer.
[0144]
Subsequently, as shown in FIG. 13I, the protective film 16 is removed by etching. Next, as shown in FIG. 13J, a p-type Ga layer is formed on the current block layer 12 and the third light guide layer 11. 0.5 Al 0.5 A third cladding layer 13 of As and a p-type GaAs layer 14 are formed.
[0145]
Thereafter, as shown in FIG. 13 (k), the p-type GaAs layer 14 is subjected to wet etching or dry etching, and is divided into three to form contact layers 14a, 14b and 14c. In order to increase the output, a low reflection coating having a reflectance of 3% is applied to the front end face from which the laser light is emitted, and a non-reflection coating having a reflectance of 1% or less is applied to the rear end face.
[0146]
As shown in FIG. 3, since the rear end face of the third light guide layer 11 serving as a waveguide is bent, the reflectance of the rear end face is 10%. -6 The following are very small values. However, by applying the above-described anti-reflection coating to the rear end face, reflection from the rear end face that does not depend on the diffraction grating can be suppressed, so that the longitudinal mode control by the diffraction grating can be further ensured.
[0147]
Next, another example of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIGS. 14 to 16 are perspective views showing other examples of the semiconductor laser device of the present invention.
[0148]
In the semiconductor laser device shown in FIG. 14, the second light guide layer 10 is formed only in a region directly below the third light guide layer 11, and the side surface of the second light guide layer 10 and the third light guide layer 11 It differs from the semiconductor laser device shown in FIGS. 1 to 3 in that the side face is sandwiched by the current block layer 12. Except for the points described above, the semiconductor laser device shown in FIG. 14 has the same configuration as the semiconductor laser device shown in FIGS.
[0149]
The semiconductor laser device shown in FIG. 14 is manufactured by the manufacturing process shown in FIGS. 11 to 13, similarly to the semiconductor laser device shown in FIGS. 1 to 3. However, in the semiconductor laser device shown in FIG. 14, in the step of FIG. 12F, etching is performed until the first light guide layer 9 is exposed. Is different.
[0150]
Thus, in the semiconductor laser device shown in FIG. 14, p-type Ga having a high AlAs mixed crystal ratio is used. 0.3 Al 0.7 The current blocking layer 12 is formed on the exposed first light guide layer 9 by removing the As second light guide layer 10 except for a part thereof. Therefore, when the current blocking layer 12 is formed by regrowth, oxidation of the regrowth interface can be suppressed. As a result, the deterioration of the crystallinity of the current block layer 12 can be reduced, and the threshold value of the oscillation current and the operating current value can be reduced.
[0151]
In the semiconductor laser device shown in FIG. 15, the thickness of the second light guide layer 10 that is not in the region directly below the third light guide layer 11 is reduced, and the current is applied on the thinned second light guide layer 10. The difference from the semiconductor laser device shown in FIGS. 1 to 3 is that a block layer 12 is formed. Except for the above, the semiconductor laser device shown in FIG. 15 has the same configuration as the semiconductor laser device shown in FIGS. Note that the thickness of the second light guide layer 10 is 100 ° in a portion that is not thinned, and is 50 ° in a portion that is thinned.
[0152]
The semiconductor laser device shown in FIG. 15 is also manufactured by the manufacturing steps shown in FIGS. 11 to 13, similarly to the semiconductor laser device shown in FIGS. However, in the semiconductor laser device shown in FIG. 15, in the step of FIG. 12F, the second light guide layer 10 is also etched to reduce its thickness. Is different from the semiconductor laser device shown in FIG.
[0153]
As described above, in the semiconductor laser device shown in FIG. 15, the current blocking layer 12 is formed with the etched surface of the etched second optical guide layer 10 as a regrowth interface. Therefore, also in the semiconductor laser device shown in FIG. 15, the oxidation of the regrowth interface can be suppressed, so that the crystallinity degradation in the current block layer 12 can be reduced, and the threshold value of the oscillation current and the operating current value can be reduced. .
[0154]
In the semiconductor laser device shown in FIG. 16, the second light guide layer 10 is formed only in a region directly below the third light guide layer 11, and the first light that is not in a region directly below the third light guide layer 11. The difference from the semiconductor laser device shown in FIGS. 1 to 3 is that the thickness of the guide layer 9 is reduced and the current blocking layer 12 is formed on the first optical guide layer 9 having the reduced thickness. Except for the points described above, the semiconductor laser device shown in FIG. 16 has the same configuration as the semiconductor laser device shown in FIGS.
[0155]
The semiconductor laser device shown in FIG. 16 is also manufactured by the manufacturing steps shown in FIGS. 11 to 13, similarly to the semiconductor laser device shown in FIGS. However, in the semiconductor laser device shown in FIG. 16, in the step of FIG. 12F, the first light guide layer 9 is exposed and the first light guide layer 9 is also etched. 3 is different from the semiconductor laser device shown in FIGS.
[0156]
Thus, in the semiconductor laser device shown in FIG. 16, p-type Ga having a high AlAs mixed crystal ratio is used. 0.3 Al 0.7 The second light guide layer 10 of As is removed except for a part thereof, and a current block 12 layer is formed with the etched surface of the first light guide layer 9 etched as a regrowth interface.
[0157]
Therefore, in the semiconductor laser device shown in FIG. 16, similarly to the semiconductor laser device shown in FIG. 14, when the current blocking layer 12 is formed by regrowth, oxidation of the regrowth interface can be suppressed. . As a result, the deterioration of the crystallinity of the current block layer 12 can be reduced, and the threshold value of the oscillation current and the operating current value can be reduced.
[0158]
The semiconductor laser device of the present invention is not limited to the semiconductor laser device using the above-described GaAlAs-based material. In the present invention, other materials, for example, include at least one of B, In, Al, and Ga as Group V atoms, include at least nitrogen as Group V atoms, and further include As, P, As as Group V atoms. Containing at least one of B, In, Al, and Ga as a group V atom represented by a group V nitride-based semiconductor material that may also include, and an InGaAlP-based material and an InGaAsP-based material; As a V-V semiconductor material containing at least one of As, P and As, and at least one of Zn and Cd as a V-group atom represented by a ZnSMgSe-based material, A V-V group semiconductor material containing at least one of S, Se, and Mg can also be used.
[0159]
Further, in the above-described semiconductor laser device of the present invention, the current blocking layer 12 having a larger band gap than the active layer 4 is formed on the side surface of the third optical guide layer 11 serving as a waveguide, and the real refractive index waveguide is formed. Although it has a mechanism, the present invention is not limited to this. In the semiconductor laser device of the present invention, for example, a part as a current blocking layer may be provided by performing ion implantation or impurity diffusion on a part of the third light guide layer 11. Further, the semiconductor laser device of the present invention may have a ridge waveguide structure having a complex refractive index waveguide mechanism. The complex refractive index waveguide mechanism refers to a structure in which a layer formed of a material that absorbs laser oscillation light is formed on the side surface of the ridge-shaped third light guide layer 11 in order to confine light in the lateral direction.
[0160]
Further, in the above-described semiconductor laser device of the present invention, the third optical guide layer 11 serving as a waveguide has a real refractive index waveguide mechanism in which the waveguide has a forward mesa shape. The layer 11 may have a real refractive index waveguide mechanism in an inverted mesa shape. Further, the current block layer 12 can be formed in an inverted mesa shape, and the material of the current block layer 12 is SiN, SiO 2 Any material having a band gap larger than that of the active layer such as an insulating material such as AlGaInP may be used.
[0161]
In the above-described semiconductor laser device of the present invention, the third cladding layer 13 is formed so as to cover the upper surface of the current blocking layer 12 and the upper surface (striped window) of the third light guide layer 11. It can also be formed in a ridge shape so as to cover only the window of the shape. In this case, the same effect can be obtained.
[0162]
The semiconductor laser device of the present invention can also be applied to lasers other than DBR lasers, for example, to distributed feedback (DFB) semiconductor lasers, surface emitting lasers, buried heterostructure (BH) lasers, and the like. It is possible. Further, the semiconductor is divided into other electrodes in the direction of the resonator so that the optical output, the bias power, the phase, the wavelength, and the time waveform of the optical output can be individually controlled, thereby enabling further precise control of the operation characteristics. It is also applicable to lasers.
[0163]
Next, a second harmonic generator according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 17 is a side view showing an example of the second harmonic generation device of the present invention. As shown in FIG. 17, the second harmonic generation device of the present invention includes a semiconductor laser device 21 of the present invention shown in FIG. 1, FIG. 14, FIG. An SHG element (nonlinear optical element) 22 for generating two harmonics is provided.
[0164]
The SHG element 22 includes a waveguide (not shown) and a diffraction grating 24. The SHG element 22 is arranged so that the excitation light 25 emitted from the semiconductor laser device 21 is coupled to the waveguide of the SHG element.
[0165]
Therefore, when the excitation light 25 is coupled to the waveguide of the SHG element 22, it is diffracted by the diffraction grating 45, and its phase is matched with the phase of the second harmonic. As a result, the excitation light 25 is converted into a second harmonic by the SHG element 22 and emitted from the SHG element 22 as a second harmonic 26.
[0166]
At this time, in order to prevent the far field pattern of the second harmonic wave 26 from being reflected and disturbed by the substrate 23, the end face of the substrate 23 and the end face of the SHG element 22 are brought as close as possible, and the distance between these end faces in the emission direction is set. Is preferably within 10 μm. It is also preferable that the end face of the SHG element 22 projects from the end face of the substrate 23 in the emission direction. In a preferred embodiment, the distance between the semiconductor laser device 21 and the SHG element 22 is made as close as possible in order to increase the coupling between the excitation light and the waveguide formed in the SHG element.
[0167]
By the way, in the semiconductor laser device 21 of the present invention, the diffraction grating layer is not provided above the gain region of the active layer as described above, and therefore, the diffraction grating layer hardly affects the light distribution. Therefore, in the semiconductor laser device 21 of the present invention, the light distribution can be precisely controlled, and the vertical spread angle of the excitation light 25 can be set to 20 ° or less.
[0168]
For this reason, in the second harmonic generation device of the present invention, high coupling efficiency can be obtained even when the distance between the semiconductor laser device 21 and the SHG element 22 is 2 μm or more. Further, since the setting range of the distance between the semiconductor laser device 21 and the SHG element 22 is widened, it is possible to obtain the second harmonic 26 with high reproducibility and high efficiency.
[0169]
In the second harmonic generation device of the present invention, as a constituent material of the substrate 23, any material can be used without particular limitation as long as it can form a flat surface and can form an electrode pattern. Specific examples include semiconductors such as Si, SiC, and AlN, and insulating materials such as glass and resin.
[0170]
Further, as a constituent material of the SHG element 22, a material capable of generating the second harmonic wave 26, for example, LiNbO 3 , KTP and the like. When the oscillation wavelength of the semiconductor laser device 21 is 820 nm, LiNbO 3 By using the SHG element formed by the method described above, it is possible to obtain a high-output laser beam in a blue-violet region having a wavelength of 410 nm.
[0171]
FIG. 18 is a diagram illustrating an example in which the second harmonic generation device illustrated in FIG. 17 is used as a light source of an optical pickup. In the example of FIG. 18, a diffraction grating 27 is arranged on the emission side of the second harmonic generator 20. For this reason, the second harmonic 26 emitted from the second harmonic generator 20 is branched into a plurality of emission directions. In FIG. 18, reference numerals 28, 29 and 30 denote branched second harmonics. In particular, reference numeral 29 denotes a 0th-order diffracted light, 28 denotes a -1st-order diffracted light, and 30 denotes a + 1st-order diffracted light.
[0172]
When the second harmonic generator having the diffraction grating 27 is used as a light source of an optical pickup, the zero-order diffracted light 29 is used for reading and writing bit information recorded on an optical disc. The -1st-order diffracted light 28 and the + 1st-order diffracted light 30 are used for detecting the position of a track formed on the optical disc.
[0173]
Further, as described in FIG. 17, the oscillation wavelength of the semiconductor laser device 21 is set to 820 nm, and the SHG element is set to LiNbO 2. 3 Since a high-output laser beam having a wavelength of 410 nm in the blue-violet region can be obtained, the present invention can be applied to a light source for a high-density optical disk system capable of reading and writing.
[0174]
FIG. 19 is a diagram showing another example in which the second harmonic generator shown in FIG. 17 is used as a light source of an optical pickup. In the example of FIG. 19, a lens 31 is disposed on the emission side of the second harmonic generator 20. Therefore, the second harmonic 26 emitted from the second harmonic generator 20 is collected by the lens 31.
[0175]
When the second harmonic generator including the lens 31 is used as a light source of an optical pickup, the second harmonic 26 is focused to the diffraction limit of the lens 51. Therefore, even when the bits formed on the optical disk are small, reading and writing of bit information can be performed. Also, as in the example of FIG. 18, the present invention can be applied to a light source for a high-density optical disk system capable of reading and writing.
[0176]
FIG. 20 is a diagram illustrating another example in which the second harmonic generation device illustrated in FIG. 17 is used as a light source of an optical pickup. In the example of FIG. 20, an optical element 32 is disposed on the emission side of the second harmonic generator 20. The optical element 32 has a birefringent characteristic, and by using the optical element 32, only a predetermined deflection component can be extracted from light including a plurality of deflection components. Thus, the second harmonic 26 emitted from the second harmonic generator 20 is separated into TE mode light and TM mode light having different polarization directions.
[0177]
In an optical disk system in which information is recorded on an optical disk according to the direction of magnetization, a light source having a high polarization ratio is required as a light source. However, the second harmonic generator 20 including the optical element 32 can efficiently use one of the polarized light sources. Since only light in the wave direction, for example, TE mode light can be extracted, it can be suitably used for such an optical disk system.
[0178]
Next, an optical pickup device of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 21 is a side view showing an example of the optical pickup device of the present invention. In the example of FIG. 21, the optical pickup device of the present invention includes the second harmonic generator 20, the diffraction grating 27, and the substrate 41 shown in FIG.
[0179]
The substrate 41 has a light receiving element 43 and a mirror 42. The light 44 reflected on the recording surface of the optical disc is received by the light receiving element 43. Further, the second harmonic 26 emitted from the second harmonic generator 20 is reflected by the mirror 42 in the normal direction of the substrate 41 and enters the diffraction grating 27.
[0180]
With this configuration, the light receiving section and the light emitting section required for signal detection of the optical pickup can be integrated on the same substrate. Therefore, the optical pickup device can be reduced in size and thickness.
[0181]
In the optical pickup device of the present invention, as a constituent material of the substrate 41, it is preferable to use a material capable of forming the light receiving element 43 by pn control. Specifically, a V-group semiconductor material such as Si or SiC, or at least one of B, In, Al, and Ga as a V-group atom, at least nitrogen as a V-group atom, and further as a V-group atom Group V atoms represented by at least one of B, In, Al, and Ga as a group V atom represented by a group V nitride-based semiconductor material that may contain As, P, and As, and an InGaAlP-based material and an InGaAsP-based material. V-V semiconductor material including at least one of As, P, and As as V-group atoms, and at least one of Zn and Cd as V-group atoms represented by ZnSMgSe-based material. And V-V semiconductor materials containing at least one of S, Se, and Mg as V-group atoms.
[0182]
Note that the substrate 41 can be made of a material that cannot form a light receiving element by pn control. In this case, the light receiving element 43 may be formed of, for example, a resin material such as glass or plastic.
[0183]
FIG. 22 is a side view showing another example of the optical pickup device of the present invention. In the example of FIG. 22, the optical pickup device of the present invention includes the second harmonic generator 20, the lens 31, and the substrate 41 shown in FIG. The optical pickup device shown in FIG. 22 has the same configuration as the optical pickup device shown in FIG. 21 except that a lens 31 is provided. Therefore, also with this configuration, the light receiving unit and the light emitting unit required for signal detection of the optical pickup can be integrated on the same substrate, so that the optical pickup device can be reduced in size and thickness.
[0184]
FIG. 23 is a side view showing another example of the optical pickup device of the present invention. In the example of FIG. 23, the optical pickup device of the present invention includes the second harmonic generator 20, the optical element 32, and the substrate 41 shown in FIG. The optical pickup device shown in FIG. 23 has the same configuration as the optical pickup device shown in FIG. 21 except that the optical element 32 is provided. Therefore, also with this configuration, the light receiving unit and the light emitting unit required for signal detection of the optical pickup can be integrated on the same substrate, so that the optical pickup device can be reduced in size and thickness.
[0185]
In the examples shown in FIGS. 21 to 23, the diffraction grating 27, the lens 31, and the optical element 32 are separated from the substrate 41. However, in the present invention, they can be directly integrated on the substrate 41. In this case, the size and thickness of the optical pickup device can be further reduced.
[0186]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor laser device of the present invention, it is possible to suppress the portion of the active layer on the emission end face on the side of the diffraction grating layer from being melted and destroyed, and to suppress a decrease in the COD level. Further, since the semiconductor laser device of the present invention can have a real refractive index waveguide structure, it is possible to realize high output while lowering the threshold value of the oscillation current and the operating current value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 2 is a side view of the semiconductor laser device shown in FIG.
FIG. 3 is a top view of the semiconductor laser device shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an effective reflectance and a tilt angle θ.
FIG. 5 shows the reflectance of the diffraction grating layer and the length L in the laser emission direction of the diffraction grating layer when the coupling coefficient κ is changed. dbr FIG.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between an AlAs mixed crystal ratio Xg of a second light guide layer and an effective refractive index difference Δn of a third light guide layer.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the AlAs mixed crystal ratio Xg of the second light guide layer and the vertical divergence angle.
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a current value and an optical output when a current is injected only into a gain region of the semiconductor laser device shown in FIG. 1;
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between a value of a current injected into a phase control region and an oscillation wavelength.
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between a value of a current injected into a DBR region and an oscillation wavelength.
FIG. 11 is a perspective view showing a manufacturing process of the semiconductor laser device shown in FIG. 1;
FIG. 12 is a perspective view illustrating a manufacturing process of the semiconductor laser device illustrated in FIG. 1;
FIG. 13 is a perspective view showing a manufacturing process of the semiconductor laser device shown in FIG. 1;
FIG. 14 is a perspective view showing another example of the semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 15 is a perspective view showing another example of the semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 16 is a perspective view showing another example of the semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 17 is a side view showing an example of the second harmonic generation device of the present invention.
18 is a diagram illustrating an example in which the second harmonic generation device illustrated in FIG. 17 is used as a light source of an optical pickup.
19 is a diagram illustrating another example in which the second harmonic generation device illustrated in FIG. 17 is used as a light source of an optical pickup.
20 is a diagram showing another example in which the second harmonic generation device shown in FIG. 17 is used as a light source of an optical pickup.
FIG. 21 is a side view showing an example of the optical pickup device of the present invention.
FIG. 22 is a side view showing another example of the optical pickup device of the present invention.
FIG. 23 is a side view showing another example of the optical pickup device of the present invention.
FIG. 24 is a side view schematically showing a structure of a conventional DBR laser.
[Explanation of symbols]
1 substrate
2 Buffer layer
3 First cladding layer
4 Active layer
5 Second cladding layer
6 First etching prevention layer
7 Second etching prevention layer
8 Diffraction grating layer
8g Diffraction grating constituting diffraction grating layer
8 'p-type Ga serving as diffraction grating layer 0.8 Al 0.2 As layer
9 First light guide layer
10 Second light guide layer
11 Third light guide layer
11a Part parallel to the axis perpendicular to the cleavage plane of the third light guide layer
11b A portion inclined with respect to an axis perpendicular to the cleavage plane of the third light guide layer
12 Current block layer
13 Third cladding layer
14 p-type GaAs layer
14a, 14b, 14c Contact layer
15, 16 protective film
21 Semiconductor laser device
22 SHG element
23 Substrate Constituting Second Harmonic Generator
24 SHG element diffraction grating
25 Excitation light
26 Second harmonic
27 diffraction grating
28 -1st order diffracted light
290th order diffracted light
30 + 1st order diffracted light
31 lenses
32 optical elements
41 Substrate Constituting Optical Pickup Device
42 mirror
43 Light receiving element

Claims (13)

活性層と、前記活性層の上層に位置する回折格子層とを有する半導体レーザ装置であって、
前記回折格子層は、前記活性層の主面よりも狭い範囲内に形成され、
前記活性層は、前記回折格子層の直下となる領域を含む第1の領域と、前記回折格子層の直下となる領域を含まない第2の領域とを有し、前記第1の領域におけるバンドギャップは、前記第2の領域におけるバンドギャップよりも大きくなっていることを特徴とする半導体レーザ装置。
An active layer, a semiconductor laser device having a diffraction grating layer located above the active layer,
The diffraction grating layer is formed in a range narrower than the main surface of the active layer,
The active layer has a first region including a region directly below the diffraction grating layer, and a second region not including a region directly below the diffraction grating layer, and includes a band in the first region. The semiconductor laser device, wherein the gap is larger than the band gap in the second region.
前記回折格子層の上層に、第1の光ガイド層、第2の光ガイド層及びリッジ型の第3の光ガイド層が順に形成されており、
前記第2の光ガイド層の上に、前記第3の光ガイド層の側面を挟み込むように、前記第3の光ガイド層と逆の導電型の電流ブロック層が形成されており、
前記第2の光ガイド層、前記第3の光ガイド層、前記電流ブロック層のバンドギャップの大きさをそれぞれEg1、Eg2、Ebとすると、Eg1>Eb>Eg2の関係が満たされる請求項1記載の半導体レーザ装置。
A first light guide layer, a second light guide layer, and a ridge-type third light guide layer are sequentially formed on the diffraction grating layer,
A current blocking layer of a conductivity type opposite to that of the third light guide layer is formed on the second light guide layer so as to sandwich a side surface of the third light guide layer,
2. The relationship of Eg1>Eb> Eg2 is satisfied when the band gaps of the second light guide layer, the third light guide layer, and the current block layer are Eg1, Eg2, and Eb, respectively. Semiconductor laser device.
前記活性層と前記回折層との間に、前記回折層の構成材料よりもエッチング速度が小さい構成材料で形成された層が設けられている請求項1記載の半導体レーザ装置。2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a layer formed of a constituent material having a lower etching rate than a constituent material of the diffraction layer is provided between the active layer and the diffraction layer. 3. 最上層に、レーザ出射方向に沿って、電極として機能する複数の層が配置されている請求項1記載の半導体レーザ装置。2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a plurality of layers functioning as electrodes are arranged on the uppermost layer along the laser emission direction. 前記電極として機能する層が三つであり、前記各層に注入する電流の大きさによって、利得、位相及び発振波長が制御される請求項4記載の半導体レーザ装置。5. The semiconductor laser device according to claim 4, wherein there are three layers functioning as said electrodes, and a gain, a phase and an oscillation wavelength are controlled by the magnitude of a current injected into each of said layers. 前記第1の領域におけるバンドギャップ波長がレーザ光の発振波長よりも短く設定されている請求項1記載の半導体レーザ装置。2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a band gap wavelength in the first region is set shorter than an oscillation wavelength of the laser light. 前記第3の光ガイド層が、へき開面に垂直な軸に平行な部分とへき開面に垂直な軸に対して傾斜した部分とを有している請求項2記載の半導体レーザ装置。3. The semiconductor laser device according to claim 2, wherein the third light guide layer has a portion parallel to an axis perpendicular to the cleavage plane and a portion inclined with respect to an axis perpendicular to the cleavage plane. 前記第3光ガイド層は、その出射方向に垂直な断面が台形状となるように形成されている請求項2記載の半導体レーザ装置。3. The semiconductor laser device according to claim 2, wherein the third light guide layer has a trapezoidal cross section perpendicular to the emission direction. 前記回折格子層、前記第1の光ガイド層、前記第2の光ガイド層、前記第3の光ガイド層はSiがドーピングされて形成されており、前記電流ブロック層はSeがドーピングされて形成されている請求項2記載の半導体レーザ装置。The diffraction grating layer, the first light guide layer, the second light guide layer, and the third light guide layer are formed by doping Si, and the current blocking layer is formed by doping Se. The semiconductor laser device according to claim 2, wherein: 請求項1〜11のいずれかに記載の半導体レーザ装置と、導波路を備えた非線形光学素子とを有し、前記非線形光学素子は、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光が前記導波路に結合するように配置されていることを特徴とする第2高調波発生装置。The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 11, and a nonlinear optical element having a waveguide, wherein the nonlinear optical element transmits laser light emitted from the semiconductor laser device to the waveguide. A second harmonic generator, wherein the second harmonic generator is arranged to be coupled. 前記半導体レーザ装置と、前記非線形光学素子とが、同一の基板上に配置されている請求項10記載の第2高調波発生装置。The second harmonic generator according to claim 10, wherein the semiconductor laser device and the nonlinear optical element are arranged on the same substrate. 回折格子、集光レンズ及び複数の偏向成分を含む光から予め定められた偏向成分のみを取り出す光学素子のうちのいずれか一つと、請求項10又は11に記載の第2高調波発生装置とを少なくとも有することを特徴とする光ピックアップ装置。12. A diffraction grating, a condenser lens, and one of optical elements for extracting only a predetermined deflection component from light including a plurality of deflection components, and the second harmonic generator according to claim 10 or 11. An optical pickup device comprising at least: 前記請求項10又は11に記載の第2高調波発生装置が基板上に配置されており、前記基板上には受光素子が設けられている請求項12記載の光ピックアップ装置。13. The optical pickup device according to claim 12, wherein the second harmonic generator according to claim 10 or 11 is disposed on a substrate, and a light receiving element is provided on the substrate.
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