CN100536266C - 面发光型半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可以减少激光的振荡模数、且与单纯地减小电流狭窄层的直径的情况相比可实现高输出的面发光型半导体激光器。本发明涉及的面发光型半导体激光器(100)包括：下部反射镜(10)；活性层(103)，形成在下部反射镜的上面；以及上部反射镜(20)，形成在活性层的上面，下部反射镜及上部反射镜是层叠了多个单位多层膜的多层膜反射镜，单位多层膜包括在沿上下方向被层叠的一组低折射率层和高折射率层，单位多层膜满足下式(1)，活性层满足下式(2)，d_D＜λ/2n_D...(1)，d_A＞mλ/2n_A...(2)，其中，λ是面发光型半导体激光器(100)的设计波长，m是正整数，d_D是单位多层膜的厚度，n_D是单位多层膜的平均折射率，d_A是活性层的厚度，n_A是活性层的平均折射率。

Description

面发光型半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种面发光型半导体激光器。

背景技术

近年来，随着面发光型半导体激光器的用途不断扩大，人们期待在减少面发光型半导体激光器的振荡模数的同时实现高输出。例如，在具有氧化狭窄层(oxide aperture)的面发光型半导体激光器中，通过减小氧化狭窄层的开口直径，可以减少模数。

另一方面，半导体激光器的输出随被注入的电流增大，并在某一电流值中达到最大值(下降点)。这是因为：在半导体激光器中，由于电流注入，设备温度上升的同时，增益频谱偏移，并在某一温度时增益达到最大值。例如，面发光型半导体激光器的氧化狭窄层的开口直径较小时，由于设备温度易于上升，且在低电流值处到达下降点，所以存在无法获得充分输出的问题。因此，为了防止设备温度的上升，例如，在下面的专利文献1中公开了一种技术：在发光部的周边部挖出到达电流狭窄部的槽(groove)，并在该槽上形成直接电极，从而缩短从发热部到电极的距离，并提高散热性。

专利文献1：日本特开2003-86895号公报

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以减少激光的振荡模数、并与单纯地减小电流狭窄层的直径的情况相比可实现高输出的面发光型半导体激光器。

本发明涉及的面发光型半导体激光器包括：下部反射镜；活性层，形成在上述下部反射镜的上面；以及上部反射镜，形成在上述活性层的上面，其中，在上述上部反射镜的靠近上述活性层的层中的至少一层是电流狭窄层，上述下部反射镜及上述上部反射镜是层叠了多个单位多层膜的多层膜反射镜，上述单位多层膜包括在上下方向被层叠的一组低折射率层和高折射率层，上述单位多层膜满足下式(1)，上述活性层满足下式(2)，

d_D＜λ/2n_D    ...(1)

d_A＞mλ/2n_A   ...(2)

其中，λ是上述面发光型半导体激光器100的设计波长，m是正整数，d_D是上述单位多层膜的厚度，n_D是上述单位多层膜的平均折射率，d_A是上述活性层的厚度，n_A是上述活性层的平均折射率，d_D的下限值及d_A的上限值由λ是否在上述下部反射镜及上述上部反射镜的反射频带内来决定。

对于本发明涉及的面发光型半导体激光器，满足上述算式(1)及(2)。由此，不考虑电流狭窄层的厚度或直径等，几乎不使在上述活性层中共振的光(下面称为“共振光”)中低阶的共振模成分的能量增加率减少，就可以使高阶的共振模成分的共振光的能量增加率减少。这就是，在后述数值计算例中也是可以确认的。其结果是，与单纯地减小电流狭窄层的开口直径的情况相比，未使面发光型半导体激光器的输出减少，且可不使高阶的共振模成分的共振光进行激光振荡。因此，根据本发明，可以提供一种可以减少激光的振荡模数、且与单纯地减小电流狭窄层的直径的情况相比可实现高输出的面发光型半导体激光器。

此外，在本发明中，所谓设计波长是指在上述面发光型半导体激光器中所产生的光中强度最大的光的波长。

而且，在本发明涉及的记载中，所谓“上面”一词用于例如“在指定的物体(以下称为‘A’)的‘上面’形成的其他指定的物体(以下称为‘B’)”等。在本发明涉及的记载中，在该例的情况下，当在A上直接形成B时、或者在A上通过其它物体形成B时，均可以使用“上面”一词。

而且，在本发明中，当描述“沿上下方向被层叠的一组低折射率层和高折射率层”时，也包括在低折射率层和高折射率层之间层叠其他层的情况。

而且，在本发明涉及的记载中，例如，λ/2n_D表示λ/(2n_D)。

在本发明涉及的面发光型半导体激光器中，上述多个单位多层膜中的至少一个满足上述算式(1)。

在本发明涉及的面发光型半导体激光器中，上述多个单位多层膜中的全部单位多层膜满足上述算式(1)。

在本发明涉及的面发光型半导体激光器中，不满足上述算式(1)的上述单位多层膜可以满足下式(3)，

d_D＝λ/2n_D  ...(3)

在本发明涉及的面发光型半导体激光器中，可以满足下式(4)，

d_H+d_L＜λ/4n_L+λ/4n_H    ...(4)

其中，d_H是上述低折射率层的厚度，d_L是上述高折射率层的厚度，n_L是上述低折射率层的折射率，n_H是上述高折射率层的折射率。

在本发明涉及的面发光型半导体激光器中，上述下部反射镜及上述上部反射镜可以是分布布拉格反射型(DBR)反射镜。

在本发明涉及的面发光型半导体激光器中，在上述活性层中共振的光中低阶的共振模成分达到激光振荡，高阶的共振模成分未达到激光振荡。

在本发明涉及的面发光型半导体激光器中，在上述活性层中共振的光中低阶的共振模成分的能量放大率为正，高阶的共振模成分的能量放大率为负。

在本发明涉及的面发光型半导体激光器中，上述低阶的共振模成分是0阶的共振模成分，上述高阶的共振模成分是大于等于一阶的共振模成分。

附图说明

图1是概略地表示本实施例涉及的面发光型半导体激光器的剖面图；

图2是概略地表示本实施例涉及的面发光型半导体激光器的局部剖面图；

图3是概略地表示本实施的面发光型半导体激光器的一制造步骤的剖面图；

图4是概略地表示本实施的面发光型半导体激光器的一制造步骤的剖面图；

图5是数值计算例的各模的共振光的能量增加率的计算结果的示意图；

图6是数值计算例的各模的共振光的能量增加率的计算结果的示意图；

图7是实验例中的模数和抽样的总数的关系示意图；

图8是实验例中的模数和抽样的总数的关系的示意图；

图9是实验例中的模数和抽样的总数的关系的示意图；

图10是实验例中的模数和抽样的总数的关系示意图；

图11是实验例中的模数和抽样的总数的关系示意图；

图12是实验例中的模数和抽样的总数的关系示意图；

图13是实验例涉及的正交的两个轴的放射角示意图；

图14是实验例涉及的正交的两个轴的放射角的示意图；以及

图15是概略地表示本实施例的面发光型半导体激光器的变形例的剖面图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的优选实施例进行说明。

1.首先，对本实施例涉及的面发光型半导体激光器100进行说明。

图1是概略地表示面发光型半导体激光器100的剖面图，图2是放大表示图1的区域V的概略图。

如图1所示，面发光型半导体激光器100可以包括：基板101、下部反射镜10、活性层103、上部反射镜20、绝缘层110、第一电极107、第二电极109。

作为基板101，可以使用例如第一导电型(例如n型)GaAs基板等。

在基板101上，形成有例如第一导电型的下部反射镜10。下部反射镜10是层叠多个单位多层膜10p的多层膜反射镜。如图2所示，单位多层膜10p例如可以包括低折射率层10L、形成在低折射率层10L下的高折射率层10H。即，下部反射镜10可以是例如交替层叠低折射率层10L和高折射率层10H的分布布拉格反射型(DBR)反射镜。低折射率层10L可以包括例如n型Al_0.9Ga_0.1As层(折射率3.049)。高折射率层10H可以包括例如n型Al_0.15Ga_0.85As层(折射率3.525)。单位多层膜10p的层叠数(对数)可以是例如35.5对～43.5对等。此外，作为下部反射镜10的单位多层膜10p，只要是通过重复单位多层膜10p的层结构而构成下部反射镜10即可。例如，单位多层膜10p可以包括低折射率层10L、以及形成在低折射率层10L上的高折射率层10H。

在下部反射镜10上形成有活性层103。活性层103例如具有多重量子阱(MQW)结构，该多重量子阱结构叠加了三层由GaAs阱层和Al_0.3Ga₀As阻挡层构成的量子阱结构。

在活性层103上形成有例如第二导电型(例如p型)的上部反射镜20。上部反射镜20是层叠多个单位多层膜20p的多层膜反射镜。如图2所示，多层膜20p可以包括低折射率层20L、形成在低折射率层20L下的高折射率层20H。即，上部反射镜20可以是例如交替层叠低折射率层20L和高折射率层20H的DBR反射镜。低折射率层20L可以包括例如p型Al_0.9Ga_0.1As层(折射率3.049)。低折射率层20H可以包括例如p型Al_0.15Ga_0.85As层(折射率3.525)。单位多层膜20p的层叠数(对数)可以是例如19对～31对等。此外，作为上部反射镜20的单位多层膜20p，只要通过重复单位多层膜20p的层结构而构成上部反射镜20即可。例如，单位多层膜20p可以包括低折射率层20L、形成在低折射率层20L上的高折射率层20H。

在本实施例中，例如，对于上述多个单位多层膜10p、20p中的全部单位多层膜，可以满足下式(1)。而且，在本实施例中，活性层103满足下式(2)。

d_D＜λ/2n_D    ...(1)

d_A＞mλ/2n_A   ...(2)

其中，

λ是面发光型半导体激光器100的设计波长，

m是正整数，

d_D是单位多层膜10p、20p的厚度，

n_D是单位多层膜10p、20p的平均折射率，

d_A是活性层103的厚度，

n_A是活性层103的平均折射率。

此外，d_D的下限值及d_A的上限值可以由λ是否在多层膜反射镜(下部反射镜10及上部反射镜20)的反射频带内来决定。在例如包括λ＝850nm的Al_xGa_1-xAs(x＝0.15、0.90)的多层膜反射镜中，d_D的下限值例如对于λ/2n_D可以设为减小5％左右的值。而且，d_A的上限值根据设计波长而适当地决定，例如对于mλ/2n_A可以设为增大20％左右的值。

而且，上述算式(1)及(2)可以改写为下述的算式(A)。

2n_D·d_D＜λ＜(2n_A·d_A)/m    ...(A)

而且，根据上述算式(1)及(2)，活性层103的厚度d_A和单位多层膜10p、20p的厚度d_D之比(d_A/d_D)可以满足下式(B)。

d_A/d_D＞mn_D/n_A  ...(B)

设计波长λ例如是780nm、580nm、1300nm等，但是，也并不仅限于此。而且，当m为例如2时，形成1λ共振器，但是m也并不仅限于此。

在本实施例中，例如如图2所示，下部反射镜10中的多个单位多层膜10p的各层厚度以及上部反射镜20中的多个单位多层膜20p的各层厚度可以是相同的d_D。而且，在本实施例中，例如，下部反射镜10中的多个单位多层膜10p的各个平均折射率以及上部反射镜20中的多个单位多层膜20p的各个平均折射率可以是相同的n_D。

而且，例如，下部反射镜10的多个单位多层膜10p中至少两个单位多层膜10p的厚度可以各不相同。而且，例如，下部反射镜10的多个单位多层膜10p中至少两个单位多层膜10p的平均折射率可以各不相同。同样地，例如，上部反射镜20的多个单位多层膜20p中至少两个单位多层膜20p的厚度及平均折射率可以各不相同。下部反射镜10及上部反射镜20中的多个单位多层膜10p、20p中的至少一个满足上述算式(1)即可。例如，对于不满足上述算式(1)的单位多层膜10p、20p，可以满足下式(3)。

d_D＝λ/2n_D  ...(3)

而且，例如如图2所示，当下部反射镜10的单位多层膜10p包括低折射率层10L和高折射率层10H，上部反射镜20的单位多层膜20p包括低折射率层20L和高折射率层20H时，上述的算式(1)可以改写为下式(4)。

d_H+d_L＜λ/4n_L+λ/4n_H    ...(4)

其中，

d_H是上述低折射率层的厚度，

d_L是上述高折射率层的厚度，

n_L是上述低折射率层的折射率，

n_H是上述高折射率层的折射率。

而且，通过适当地调整上述下部反射镜10中的单位多层膜10p的层叠数以及上部反射镜20中的单位多层膜20p的层叠数，可以调整面发光型半导体激光器100的阈值。

下部反射镜10、活性层103、以及上部反射镜20可以构成垂直共振器。可以根据需要，适当地对构成下部反射镜10、活性层103、以及上部反射镜20的各层的组成及层数进行调整。通过P型的上部反射镜20、未掺有杂质的活性层103、以及n型的下部反射镜10构成pin二极管。上部反射镜20、活性层103、以及下部反射镜10的一部分可以构成柱状的半导体堆积体(下面称为“柱状部”)30。柱状部30的平面形状例如是圆形等。

而且，如图1所示，例如，可以将构成上部反射镜20的层中的至少一层作为电流狭窄层105。电流狭窄层105形成在靠近活性层103的区域上。作为电流狭窄层105，可以使用例如将AlGsAs层氧化后的材料或者注入质子的材料等。电流狭窄层105是具有开口部的绝缘层。电流狭窄层105形成为环状。

在基板101的背面(与下部反射镜10侧相反的面)上形成有第一电极107。第一电极107通过基板101与下部反射镜10进行电连接。第一电极107例如可以形成在下部反射镜10的表面上。

在上部反射镜20及绝缘层110上形成有第二电极109。第二电极109与上部反射镜20进行电连接。第二电极109在柱状部30上具有开口部。通过该开口部，在上部反射镜20的表面上形成有未设置有第二电极109的区域。该区域是激光的射出面108。射出面108的平面形状例如是圆形等。

绝缘层110形成在下部反射镜10上。绝缘层110形成为包围柱状部30。绝缘层110可以使第二电极109和下部反射镜10电分离。

2.下面，参照附图对本实施例涉及的表面发光型半导体激光100的制造方法的一例进行说明。

图3及图4是示意地表示图1所示的本实施例的面发光型半导体激光器100的一制造步骤的剖面图。

(1)首先，如图3所示，可以准备例如n型GaAs基板作为基板101。然后，在基板101上，使组成调制的同时使外延生长，从而形成半导体多层膜150。半导体多层膜150是依次层叠构成下部反射镜10、活性层103、以及上部反射镜20的半导体层的膜。此外，当使上部反射镜20生长时，可以将活性层103附近的至少一层作为随后将其氧化并变为电流狭窄层105的层。作为变为电流狭窄层105的层，可以使用例如Al的组成为大于等于0.95的AlGaAs层等。

(2)下面，如图4所示，对半导体多层膜150制作图案，并形成想要的形状的下部反射镜10、活性层103、以及上部反射镜20。由此，形成柱状部30。半导体多层膜150的图案可以使用例如光刻技术及蚀刻技术来进行。

然后，在例如400℃左右的水蒸气环境中，投入通过上述步骤而形成有柱状部30的基板101，从而从侧面氧化变为上述电流狭窄层105的层，形成电流狭窄层105。

(3)接下来，如图1所示，在下部反射镜10上，形成绝缘层110，以便包围柱状部30。首先，使用例如旋涂法等，在整面形成由聚酰亚胺树脂等构成的绝缘层。然后，使用例如CMP法等使柱状部30的表面露出。如此，可以形成想要的形状的绝缘层110。

然后，形成第一电极107及第二电极109。这些电极可以通过例如真空蒸镀法及提离法(lift-off)的组合等来形成想要的形状。此外，形成各电极的顺序并没有特别的限定。

(4)通过以上的步骤，如图1所示，可以获得本实施例的面发光型半导体激光器100。

3.下面，对数值计算例进行说明。

在本数值计算例中，使用时域差分法(FDTD法)，对本实施例涉及的面发光型半导体激光器100进行光学模拟。模拟是针对六个抽样(No.1～6)进行的。适用数值计算的抽样构成如下所示。

基板101：n型GaAs基板(折射率3.62)

下部反射镜10的单位多层膜10p：由n型Al_0.9Ga_0.1As层(折射率3.049)和n型Al_0.15Ga_0.85As层(折射率3.525)构成的两层结构

下部反射镜10的单位多层膜10p的平均折射率n_D：2n_Hn_L/(n_H+n_L)＝3.2697

活性层103：叠加三层由GaAs层(折射率3.6201)和Al_0.3Ga_0.7As层(折射率3.4297)构成的量子阱结构的3QW结构

活性层103的平均折射率n_A：3.3838

上部反射镜20的单位多层膜20p：由p型Al_0.9Ga_0.1As层(折射率3.049)和p型Al_0.15Ga_0.85As层(折射率3.525)构成的两层结构

上部反射镜20的单位多层膜20p的平均折射率n_D：2n_Hn_L/(n_H+n_L)＝3.2697

绝缘层110：聚酰亚胺树脂(折射率1.78)

面发光型半导体激光器100的外部空间40：空气(折射率1.00)

柱状部30的倾斜角(柱形倾斜角)θ：80度

俯视时的柱状部30的外直径(柱形直径)：约50μm

柱状部30的下部反射镜10的对数：4对

电流狭窄层105：氧化活性层103上的第一层AlGaAs层后的层(折射率1.6)

电流狭窄层105的开口部直径：13μm

电流狭窄层105的厚度：12nm、30nm

设计波长λ：850nm

上述算式(2)中的m：2

此外，在本数值计算例的各抽样中，构成下部反射镜10中多个单位10p的各层的厚度、以及构成上部反射镜20中的多个单位多层膜20p的各层的厚度确定为具有相同比。具体而言，在n_H及n_L中确定为反比例。而且，将下部反射镜10中的多个单位多层膜10p的各个平均折射率、以及上部反射镜20中的多个单位多层膜20p的各个折射率设定为相同的n_D。

而且，各数值计算抽样的活性层103的厚度d_A和单位多层膜10p、20p的厚度d_D的比d_A/d_D，如果是No.1和No.4，则为2n_D/n_A(＝1.9325)的1.15倍，如果是No.2和No.5，则为1.10倍，如果是No.3和No.6，则为1.05倍。而且，作为比较例，对于d_A/d_D等于2n_D/n_A的抽样，即，d_D＝λ/4n_H+λ/4n_L＝λ/2n_D(＝0.12998μm)、以及d_A＝mλ/2n_A(＝0.25119μm)的抽样，也可以进行模拟。

各数值计算抽样(No.1～6)以及比较例中的单位多层膜10p、20p的厚度d_D、活性层103的厚度d_A、它们之比d_A/d_D、下部反射镜10的对数、以及上部反射镜20的对数如表1及表2所示。表1是电流狭窄层105的厚度为12nm的情况，表2是为30nm的情况。此外，虽然为超过AlGaAs的晶格周期的有效位，但是仅为计算上所使用的值，只要使用结合现实情况的数值的位数，则没有特别问题。调整各厚度d_D及d_A，以便设计波长λ为850nm。各数值计算抽样(No.1～6)中的厚度d_D及d_A满足上述的下式(1)及(2)。

d_D＜λ/2n_D    ...(1)

d_A＞mλ/2n_A   ...(2)

其中，在本数值计算例中，m＝2。

而且，对于各对数，为了使改变了单位多层膜10p、20p的厚度d_D时的反射镜损失在各抽样中相等，通过利用一维FDTD法来计算光子寿命，来计算出各对数。这就是为了比较，仅为了同等程度地维持后述0阶的共振模成分的光子寿命而进行，对数与本申请不同的情况也不脱离本发明的范围。

表1

No.	d<sub>D</sub>[μm]	d<sub>A</sub>[μm]	d<sub>A</sub>/d<sub>D</sub>	下部反射镜对数	上部反射镜对数
						1	0.12663	0.28144	1.9325×1.15	43.5	31
2	0.12766	0.27139	1.9325×1.10	37.5	28
						3	0.12878	0.26132	1.9325×1.05	35.5	26
比较例	0.12998	0.25119	1.9325	37.5	25

表2

No.	d<sub>D</sub>[μm]	d<sub>A</sub>[μm]	d<sub>A</sub>/d<sub>D</sub>	下部反射镜对数	上部反射镜对数
						4	0.12630	0.28070	1.9325×1.15	43.5	31
5	0.12741	0.27086	1.9325×1.10	37.5	28
						6	0.12853	0.26080	1.9325×1.05	35.5	26
比较例	0.12998	0.25119	1.9325	37.5	25

对于各数值计算抽样(No.1～6)及比较例，在如图5及图6中示出使用二维FDTD法计算0阶共振模成分(下面称为“0阶模成分”)和一阶共振模成分(下面称为“一阶模成分”)的共振光活性层能量的增加率的结果。此外，对于活性层103，提供相当于电流注入时的增益并进行计算。图5是电流狭窄层105的厚度为12nm的情况，图6是为30nm的情况。横轴是单位多层膜10p、20p的厚度d_D，纵轴是活性层能量的增加率。如图5及图6所示，如果使d_D减小(使d_A/d_D增大时)，可知，0阶模成分的共振光的能量增加率几乎不发生变化，相对于此，一阶模成分的共振光的能量增加率减少。如果使d_D减小时(使d_A/d_D变大时)，可知：一阶模成分的共振光的能量增加率转为负，且变为未达到激光振荡的状态。即，在共振光中，大于等于一阶的共振模成分不进行激光振荡(因此，不从面发光型半导体激光器中射出)，仅0阶模成分的共振光进行激光振荡(因此，从面发光型半导体激光器中射出)。因此，从面发光型半导体激光器100中射出的激光的单模化是可能的。此外，如图5及图6所示可知：共振光中的高阶共振模成分(例如一阶模成分)的减少是可以的，而不考虑电流狭窄层105的厚度。

此外，在上述的数值计算例中，作为共振光中低阶的共振模成分(下面称为“低阶模成分”)，使用0阶模成分，作为高阶的共振模成分(下面称为“高阶模成分”)，使用一阶模成分，进行了模拟，但是本实施例并不仅限于此。相对于高阶模成分，低阶模成分只要是阶数较低即可。因此，作为低阶模成分，可以使用小于等于三阶的共振模成分，作为高阶模成分，使用大于等于四阶的共振模成分。

4.下面，对实验例进行说明。

在本实验例中，首先，使用一维的时域差分法(FDTD法)，对本实施例涉及的面发光型半导体激光器100进行光学模拟，并进行设计，以使Q值(由于是一维的计算，所以相当于纵方向的光限制的效果)为相同程度。通过使Q值相同程度地一致，可以使阈值电流、即最低阶的模达到振荡的电流值相同程度地一致。在本模拟中，是对三个条件A～C的面发光型半导体激光器而进行本模拟。适用了数字计算的抽样的结构如下所述。此外，只要没有特别记载，都与上述数值计算例的抽样的结构相同。

下部反射镜10的单位多层膜10p：由n型Al_0.9Ga_0.1As层(折射率3.049)和n型Al_0.12Ga_0.88As层(折射率3.544)构成的两层结构

下部反射镜10的单位多层膜10p的平均折射率n_D：2n_Hn_L/(n_H+n_L)＝3.278

活性层103：将叠加了三层由GaAs层(折射率3.6201)和Al_0.3Ga_0.7As层(折射率3.4297)构成的量子阱结构的3QW结构通过上下的AlGaAs构成的渐变折射率(Graded-index)层进行夹持的GRIN-SCH(graded-index separate-confinement heterostructure)结构

活性层103的平均折射率n_A：3.3838

上部反射镜20的单位多层膜20p：由p型Al_0.9Ga_0.1As层(折射率3.049)和p型Al_0.12Ga_0.88As层(折射率3.544)构成的两层结构

上部反射镜20的单位多层膜20p的平均折射率n_D：2n_Hn_L/(n_H+n_L)＝3.274

电流狭窄层105的开口部直径(开口部直径)：4.5μm、6.0μm

电流狭窄层105的厚度：12nm

而且，各抽样的活性层103的厚度d_A和单位多层膜10p、20p的厚度d_D的比d_A/d_D，如果是条件A，则为2n_D/n_A(＝r₀＝1.96)的1.05倍，如果是条件B，则为1.10倍，如果是条件C，则为1.15倍。而且，作为比较例，对于d_A/d_D等于2n_D/n_A的即、d_D＝λ/4n_H+λ/4n_L＝λ/2n_D(＝129.66nm)以及d_A＝mλ/2n_A(＝253.77nm)的也可以进行模拟。

各抽样(条件A～C)以及比较例中的单位多层膜10p、20p的整体厚度d_D、该d_D的明细(即，高折射率层10H、20H的厚度及低折射率层10L、20L的厚度)、活性层103的厚度d_A、以及d_A对d_D的比d_A/d_D如表3所示。此外，虽然成为超过AlGaAs的晶格周期的有效位，但是仅为计算上所使用的值，若使用结合现实的值没有特别的问题。而且，各抽样(条件A～C)及比较例中的设计波长、下部反射镜10的对数、上部反射镜20的对数、以及Q值如表4所示。各抽样(条件A～C)中的厚度d_D及d_A满足上述的下式(1)及(2)。

d_D＜λ/2n_D     ...(1)

d_A＞mλ/2n_A    ...(2)

其中，在本数值计算例中，m＝2。

表3

表4

从表3及表4可知：在所有的条件中，都可以设计成Q值为相同程度。

下面，通过上述的设计实际地制作各抽样(条件A～C)。制作的个数是144个。制作后的面发光型半导体激光器的振荡波长(峰值波长)的平均值如表5所示。

表5

如表5所示，可知：在任一个条件中，制作后的面发光型半导体激光器都是以形同程度的波长进行振荡的。

下面的表6表示面发光型半导体激光器的阈值电流的平均值。

表6

如表6所示，可知：无论是电流狭窄层105的开口部直径为4.5μm的情况还是为6.0μm的情况，阈值电流都相同程度地一致。由此，可知：可以使最低阶的共振模成分达到振荡的电流相同程度地一致。

下面，对各抽样(条件A～C)注入电流(3.0mA、4.0mA、5.0mA)，并测定了振荡后的共振模成分的数(下面称为“模数”)。图7～图12表示模数为1、2、3、4及大于等于5的抽样的各个总数。此外，图7～图9是电流狭窄层105的开口部直径为4.5μm的情况，图10～图12是6.0μm的情况。而且，图7及图10是条件A情况，图8及图11是条件B的情况，图9及图12是条件C的情况。

如图7～图12所示，可知：无论在电流狭窄层105的开口部直径为4.5μm的情况、还是6.0μm的情况下，在相同的电流值中，如果使d_D减小(d_A/d_D增大时)，模数为大于等于3的抽样总数减少。因此，可知：通过使d_A/d_D增大，在相同程度地维持阈值电流的同时，抑制高阶的共振模成分(例如二阶以上的共振模成分)的振荡。即，可知：相同程度地维持最低阶的共振模成分的振荡容易程度的同时，可以抑制高阶的共振模成分的振荡。

而且，如图7～图12、表4及表6所示，可知：模数为大于等于3的抽样总数的最少构造不是Q值小(即、阈值电流大)的条件B(d_A/d_D＝1.10r₀)的构造，而是Q值大(即、阈值电流小)的条件C(d_A/d_D＝1.15r₀)的构造。据此，可知：抑制本实验结果的高阶的共振模成分的振荡不是依赖于全部的共振模成分由于阈值电流的增加而难以振荡，而是依赖于根据本发明的效果而抑制高阶的共振模成分的振荡。

下面，使各抽样(条件A～C)进行激光振荡，并测定激光的FFP(Far Field Pattern，远场图形)中的放射角。在此，作为放射角的定义，在强度为最大的角度的两侧，使用成为最大强度1/e²(e是自然对数的底，奈培尔数e是2.71828...)的强度的角度之差(全角)。例如，当在+14度和-13度，强度为1/e²时，放射角是14-(-13)＝27度。在图13及图14中，示出正交的x轴及y轴上的放射角(分别为FFP_x和FFP_y)。此外，图13是电流狭窄层105的开口部直径为4.5μm的情况，图14是6.0μm的情况。

如图13及图14所示，可知：无论电流狭窄层105的开口部直径为4.5μm的情况、还是为6.0μm的情况，如果使d_D变小时(d_A/d_D变大时)，放射角都将减小。这是因为：根据本实施例的面发光型半导体激光器100，可不将具有较大值的k_//(后述)作为解。

5.下面，对本实施例的变形例进行说明。此外，对与上述实施例不同的部分进行说明，省略对相同部分的说明。

图15是概略地表示本变形例涉及的面发光型半导体激光器的一部分的剖面图。下部反射镜10的单位多层膜10p例如可以包括：低折射率层10L、形成在低折射率层10L下的第一折光指数渐变(Graded index)层(下面称为“第一GI层”)12、形成在第一GI层12下的高折射率层10H、形成在高折射率层10H下的第二折光指数渐变层(下面称为“第二GI层”)14。作为第一GI层12例如可以使用使AlGaAs层的Al组成从0.12至0.9向下方向连续增加的材料等。而且，作为第二GI层14，例如可以使用使AlGaAs层的Al组成从0.9到0.12向下方向连续减少的材料等。此外，同样地，上部反射镜20的单位多层膜20p例如可以包括：低折射率层20L、形成在低折射率层20L下的第一GI层22、形成在第一GI层下的高折射率层20H、形成在高折射率层20H下的第二GI层24。

此外，上述变形例只是一个例子，并不仅限于此。

6.对于本实施例涉及的面发光型半导体激光器100，满足上述的下式(1)及(2)。

d_D＜λ/2n_D   ...(1)

d_A＞mλ/2n_A  ...(2)

由此，不考虑电流狭窄层105的厚度、开口部直径、柱形(柱状部30)的倾斜角θ、外直径等，可以几乎不使低阶模成分的共振光的能量增加率减少，而使高阶模成分的共振光的能量增加率减少。这在上述数值计算例中也是可以确认的。其结果是，未使面发光型半导体激光器100的输出减少，高阶模的共振光也不进行激光振荡。而且，即使输出增加，高阶模的共振光也可不进行激光振荡。因此，根据本实施例，可以提供一种可以减少激光的振荡模数、且与单纯地减小电流狭窄层的直径的情况相比可实现高输出的面发光型半导体激光器。此外，通过满足上式(1)及(2)，可以发挥本实施例涉及的面发光型半导体激光器100的作用效果的理由如下所述。

共振器内的波数矢量的大小|k|是真空中的波数矢量的大小k₀的有效折射率n_eff倍。若将其用算式来表达，则如下所示。

算式1

$\left|k\right|=\mathrm{neffk}0=\sqrt{k_z^2+k_{//}^2}$

其中，k_z是共振器内的波数矢量的垂直方向的成分，k_//是面方向的成分。

k_z及k_//被确定为：满足在包括电流狭窄层105的包层区域(cladregion)和不包括电流狭窄层105的中心区域(core region)的边界处的全反射条件的范围内，满足电磁场的连续性。在面发光型半导体激光器中，由于k_z和n_eff是接近的值，则从上述算式可知：k_//是较小值。因此，满足上述电磁场的连续性的这样的k_//的解，即上面算式所允许的横模数受到限制。在面发光型半导体激光器中，其中，只有满足全反射条件的面发光型半导体激光器才振荡。在本发明中，通过使k_z进一步增大，与全反射条件相比进一步限制k_//的解。通过将上部反射镜10和上部反射镜20的单位多层膜10p、20p的厚度d_D变薄，可以使k_z变大。由此，通过限制k_//的解，可以减少激光的振荡模数。而且，通过加厚活性层103的厚度d_A，可以防止短波长化。

因此，通过减小d_D、增大d_A，即加大厚度比d_A/d_D(具体而言，大于m n_D/n_A)，从而可以不考虑电流狭窄层105的厚度等，减少激光的振荡模数的同时，以想要的设计波长来进行激光振荡。

7.如上所述，虽然对本发明的实施例进行了详细的说明，但是本领域技术人员应该明白：只要不实质脱离本发明的主旨和效果，可以有多种变形。因此，这些变形例也全部包含在本发明的范围内。

例如，上述本发明的实施例涉及的面发光型半导体激光器可以适用于例如具有散热结构的元件、具有倒装片结构的元件、具有抗静电损坏(ESD)结构的元件、具有监视光电二极管(MPD)元件、具有喷墨微型透镜(ink jet microlen)的元件、具有电介质反射镜的元件、使用CAN或者陶瓷封装的OSA(optical sub-assembly，光组件)等光学模块、以及装有这些元件的光学传送装置等。

而且，例如，当使用外延提离(ELO)法等时，可以将面发光型半导体激光器100的基板101割开。即，面发光型半导体激光器100可以没有基板101。

附图标记

10下部反射镜         10p单位多层膜

10L低折射率层        10H高折射率层

12第一GI层           14第二GI层

20上部反射镜         20p单位多层膜

20L低折射率层        20H高折射率层

22第一GI层           24第GI层

30柱状部             40外部空间

100面发光型半导体激光器

101基板              103活性层

105电流狭窄层        107第一电极

108出射面            109第二电极

110绝缘层            150半导体多层膜

Claims (13)

1.一种面发光型半导体激光器，包括：

下部反射镜；

活性层，形成在所述下部反射镜的上面；以及

上部反射镜，形成在所述活性层的上面，

其中，在所述上部反射镜的靠近所述活性层的层中的至少一层是电流狭窄层，

所述下部反射镜及所述上部反射镜是层叠了多个单位多层膜的多层膜反射镜，

所述单位多层膜包括沿上下方向被层叠的一组低折射率层和高折射率层，

所述单位多层膜满足下式(1)，

所述活性层满足下式(2)，

d_D＜λ/2n_D    ...(1)

d_A＞mλ/2n_A   ...(2)

其中，

λ是所述面发光型半导体激光器的设计波长，

m是正整数，

d_D是所述单位多层膜的厚度，

n_D是所述单位多层膜的平均折射率，

d_A是所述活性层的厚度，

n_A是所述活性层的平均折射率，

d_D的下限值及d_A的上限值由λ是否在所述下部反射镜及

所述上部反射镜的反射频带内来决定。

2.根据权利要求1所述的面发光型半导体激光器，其中，

所述多个单位多层膜中的至少一个满足所述式(1)。

3.根据权利要求2所述的面发光型半导体激光器，其中，

所述多个单位多层膜中的全部单位多层膜满足所述式(1)。

4.根据权利要求2所述的面发光型半导体激光器，其中，

不满足所述式(1)的所述单位多层膜满足下式(3)，

d_D＝λ/2n_D    ...(3)

5.根据权利要求1至4中任一项所述的面发光型半导体激光器，

满足下式(4)，

d_H+d_L＜λ/4n_L+λ/4n_H    ...(4)

其中，

d_H是所述低折射率层的厚度，

d_L是所述高折射率层的厚度，

n_L是所述低折射率层的折射率，

n_H是所述高折射率层的折射率。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的面发光型半导体激光器，

其中，

所述下部反射镜及所述上部反射镜是分布布拉格反射型(DBR)反射镜。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的面发光型半导体激光器，

其中，

在所述活性层中共振的光中，

低阶的共振模成分达到激光振荡，

高阶的共振模成分未到达激光振荡。

8.根据权利要求6所述的面发光型半导体激光器，其中，

在所述活性层中共振的光中，

低阶的共振模成分达到激光振荡，

高阶的共振模成分未到达激光振荡。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的面发光型半导体激光器，

其中，

在所述活性层中共振的光中，

低阶的共振模成分的能量放大率为正，

高阶的共振模成分的能量放大率为负。

10.根据权利要求6所述的面发光型半导体激光器，其中，

在所述活性层中共振的光中，

低阶的共振模成分的能量放大率为正，

高阶的共振模成分的能量放大率为负。

11.根据权利要求7所述的面发光型半导体激光器，其中，

所述低阶的共振模成分是0阶的共振模成分，

所述高阶的共振模成分是大于等于一阶的共振模成分。

12.根据权利要求9所述的面发光型半导体激光器，其中，

所述低阶的共振模成分是0阶的共振模成分，

所述高阶的共振模成分是大于等于一阶的共振模成分。

13.根据权利要求8或10所述的面发光型半导体激光器，其中，

所述低阶的共振模成分是0阶的共振模成分，

所述高阶的共振模成分是大于等于一阶的共振模成分。

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