JP2001189519A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 光出射面に微小開口を設けた半導体レーザに
おいて、レーザ光のスポット径の極小化を可能にし、且
つ微小開口を通過する光の光通過効率の向上をはかる。 【解決手段】 半導体レーザ素子の光出射面の外側に微
小開口１４を有する光吸収膜１２を設けた半導体レーザ
装置において、開口１４を、レーザ光の偏光方向に沿っ
た開口幅Ｗ1 が半導体レーザ素子の発振波長の１／２よ
り短くなり、偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 が開口
幅Ｗ1 より長くなるように形成した。
おいて、レーザ光のスポット径の極小化を可能にし、且
つ微小開口を通過する光の光通過効率の向上をはかる。 【解決手段】 半導体レーザ素子の光出射面の外側に微
小開口１４を有する光吸収膜１２を設けた半導体レーザ
装置において、開口１４を、レーザ光の偏光方向に沿っ
た開口幅Ｗ1 が半導体レーザ素子の発振波長の１／２よ
り短くなり、偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 が開口
幅Ｗ1 より長くなるように形成した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装置
に係わり、特に光出射面の外側に開口を有する光吸収膜
を設けた半導体レーザ装置に関する。
に係わり、特に光出射面の外側に開口を有する光吸収膜
を設けた半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光ディスクの高密度化のためには、レー
ザ光を極小スポットに収束させることのできる光源及び
光学系が必要である。一般に、光源の波長λ及び収束レ
ンズの開口数ＮＡに対して、収束された光の回折限界ス
ポット径ｓは、 ｓ＝ｃλ／ＮＡ … (1) で与えられる。ここでｃは、例えばガウス分布で強度が
１／e2 になる直径をとった場合０．６７となる。一般
に、レンズの開口数は最大でも１であるから、上式から
分かるように、ｓはｃλより小さくすることはできな
い。
ザ光を極小スポットに収束させることのできる光源及び
光学系が必要である。一般に、光源の波長λ及び収束レ
ンズの開口数ＮＡに対して、収束された光の回折限界ス
ポット径ｓは、 ｓ＝ｃλ／ＮＡ … (1) で与えられる。ここでｃは、例えばガウス分布で強度が
１／e2 になる直径をとった場合０．６７となる。一般
に、レンズの開口数は最大でも１であるから、上式から
分かるように、ｓはｃλより小さくすることはできな
い。
【０００３】極小スポット光を得る有効な方法は光源の
波長λを短くすることであるが、小型の半導体レーザを
用いる場合、短波長化には限度があり、また紫外より短
波長になるとレンズ材料の透明領域の制約から従来の光
学系を用いることができな<なってしまう。(1) 式で示
された限界を越える手法としてソリッドイマージョンレ
ンズ（ＳＩＬ）や近接場光の利用が提案されている。近
接場光は波長より短い開口を光出射端に設け、その近傍
にディスク面を置くことによって、回折限界より小さい
スポットで記録／読み出しを可能とするものである。
波長λを短くすることであるが、小型の半導体レーザを
用いる場合、短波長化には限度があり、また紫外より短
波長になるとレンズ材料の透明領域の制約から従来の光
学系を用いることができな<なってしまう。(1) 式で示
された限界を越える手法としてソリッドイマージョンレ
ンズ（ＳＩＬ）や近接場光の利用が提案されている。近
接場光は波長より短い開口を光出射端に設け、その近傍
にディスク面を置くことによって、回折限界より小さい
スポットで記録／読み出しを可能とするものである。
【０００４】しかしながら、このような波長より短い開
口の近接場光を生成するには大きな問題がある。即ち、
開口の構造として通常は、光吸収の大きい材料に開口を
設ける等の構造が用いられるが、この場合開口以外の領
域は光を透過させない必要があるため、金属等の極めて
大きい吸収損失を持つ材料を用い、かつ光が透過しない
だけの厚さが必要である。
口の近接場光を生成するには大きな問題がある。即ち、
開口の構造として通常は、光吸収の大きい材料に開口を
設ける等の構造が用いられるが、この場合開口以外の領
域は光を透過させない必要があるため、金属等の極めて
大きい吸収損失を持つ材料を用い、かつ光が透過しない
だけの厚さが必要である。
【０００５】このような光吸収の大きい有限の厚さの膜
に開けられた開口を通過する光は、それ自身が吸収の影
響を受け、十分な光出力が出射側で得られない。つま
り、近接場光による効率は極めて低く、光記録／読み出
しには用いることができない。そのために、光源として
は高出力のレーザを用いる必要があるが、そのような高
出力レーザの端面に金属膜等の光吸収の大きい膜がある
と、吸収による発熱で、端面近傍が極めて高温になり、
デバイスの劣化の原因となる。
に開けられた開口を通過する光は、それ自身が吸収の影
響を受け、十分な光出力が出射側で得られない。つま
り、近接場光による効率は極めて低く、光記録／読み出
しには用いることができない。そのために、光源として
は高出力のレーザを用いる必要があるが、そのような高
出力レーザの端面に金属膜等の光吸収の大きい膜がある
と、吸収による発熱で、端面近傍が極めて高温になり、
デバイスの劣化の原因となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、光出
射面に微小開口を設けた半導体レーザ装置においては、
開口を通過する光の効率が極めて低く、光記録に用いる
ことができず、またその対策として高出力レーザを用い
ると端面近傍の温度上昇が著しく、素子が劣化するとい
う問題があった。
射面に微小開口を設けた半導体レーザ装置においては、
開口を通過する光の効率が極めて低く、光記録に用いる
ことができず、またその対策として高出力レーザを用い
ると端面近傍の温度上昇が著しく、素子が劣化するとい
う問題があった。
【０００７】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、レーザ光のスポット径
の極小化が可能で、且つ開口を通過する光の効率の高い
半導体レーザ装置を提供することにある。
ので、その目的とするところは、レーザ光のスポット径
の極小化が可能で、且つ開口を通過する光の効率の高い
半導体レーザ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】（構成）本発明の骨子
は、微小開口の短い開口幅の方向を、半導体レーザ素子
の偏光方向と平行方向に設定することによって、開口に
おける光通過効率の向上を実現することにある。
は、微小開口の短い開口幅の方向を、半導体レーザ素子
の偏光方向と平行方向に設定することによって、開口に
おける光通過効率の向上を実現することにある。
【０００９】即ち本発明は、半導体レーザ素子の光出射
面の外側に開口を有する光吸収膜を設けた半導体レーザ
装置であって、前記開口は、レーザ光の偏光方向に沿っ
た開口幅Ｗ1 が偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 より
も短いことを特徴とする。
面の外側に開口を有する光吸収膜を設けた半導体レーザ
装置であって、前記開口は、レーザ光の偏光方向に沿っ
た開口幅Ｗ1 が偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 より
も短いことを特徴とする。
【００１０】また本発明は、半導体レーザ素子の光出射
面の外側に開口を有する光吸収膜を設けた半導体レーザ
装置であって、前記開口は、レーザ光の偏光方向に沿っ
た開口幅Ｗ1 が前記半導体レーザ素子の発振波長の１／
２より短く、偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 が開口
幅Ｗ1 より長いことを特徴とする。
面の外側に開口を有する光吸収膜を設けた半導体レーザ
装置であって、前記開口は、レーザ光の偏光方向に沿っ
た開口幅Ｗ1 が前記半導体レーザ素子の発振波長の１／
２より短く、偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 が開口
幅Ｗ1 より長いことを特徴とする。
【００１１】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。
は次のものがあげられる。
【００１２】(1) 光出射面と光吸収膜との間に誘電体膜
が設けられていること。
が設けられていること。
【００１３】(2) 開口部のレーザ光の偏光方向に沿った
開口幅は、レーザ光の偏光方向に垂直に同一開口幅で開
口部を設けた場合と比較して、レーザ光に対する吸収損
失が１桁以上小さくなる範囲に設定されていること。
開口幅は、レーザ光の偏光方向に垂直に同一開口幅で開
口部を設けた場合と比較して、レーザ光に対する吸収損
失が１桁以上小さくなる範囲に設定されていること。
【００１４】(3) 開口部のレーザ光の偏光方向に沿った
開口幅は、半導体レーザ素子の発振波長の１／３より短
いこと。
開口幅は、半導体レーザ素子の発振波長の１／３より短
いこと。
【００１５】(4) 半導体レーザ素子は端面発光型であ
り、発振モードがＴＭモードであること。
り、発振モードがＴＭモードであること。
【００１６】(5) 光吸収膜が金属であること。
【００１７】(6) 光出射面と光吸収膜との間に絶縁膜が
設けられており、この絶縁膜の光学的膜厚が発振波長λ
に対して０．０５λ以上で０．３５λ以下であること。
設けられており、この絶縁膜の光学的膜厚が発振波長λ
に対して０．０５λ以上で０．３５λ以下であること。
【００１８】（作用）本発明者らは、微小開口における
レーザ光の損失はレーザ光の偏光方向と開口形状に依存
することを見出した。即ち、レーザ光の偏光方向に垂直
方向では開口幅を狭くすると損失が大きくなるが、偏光
方向と同じ方向では開口幅を狭くしても損失は大きくな
らない。なお、この原理の具体的な考察は後述する。
レーザ光の損失はレーザ光の偏光方向と開口形状に依存
することを見出した。即ち、レーザ光の偏光方向に垂直
方向では開口幅を狭くすると損失が大きくなるが、偏光
方向と同じ方向では開口幅を狭くしても損失は大きくな
らない。なお、この原理の具体的な考察は後述する。
【００１９】従って本発明のように、半導体レーザ素子
の光出射面の外側に設置する開口の寸法として、レーザ
光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 を偏光方向に垂直な方
向の開口幅Ｗ2 よりも短くすることにより、開口におけ
る損失を大きくすることなく、より小さいスポット光を
得ることが可能となる。これにより、レーザ光のスポッ
ト径の極小化が可能で、且つ開口を通過する光の効率の
高い半導体レーザ装置を実現することが可能となる。
の光出射面の外側に設置する開口の寸法として、レーザ
光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 を偏光方向に垂直な方
向の開口幅Ｗ2 よりも短くすることにより、開口におけ
る損失を大きくすることなく、より小さいスポット光を
得ることが可能となる。これにより、レーザ光のスポッ
ト径の極小化が可能で、且つ開口を通過する光の効率の
高い半導体レーザ装置を実現することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。
形態によって説明する。
【００２１】（第１の実施形態）図１（ａ）は、本発明
の第１の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示
す斜視図である。
の第１の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示
す斜視図である。
【００２２】図中の１０は半導体レーザ素子、１１は活
性層、１２は光吸収膜、１３は絶縁膜、１４は光吸収膜
１２に設けられた開口である。このレーザはＴＥモード
で発振しており、レーザ光の偏光方向は接合面と平行方
向、即ち電場ベクトルの方向が水平方向である。
性層、１２は光吸収膜、１３は絶縁膜、１４は光吸収膜
１２に設けられた開口である。このレーザはＴＥモード
で発振しており、レーザ光の偏光方向は接合面と平行方
向、即ち電場ベクトルの方向が水平方向である。
【００２３】なお、このレーザの断面構造の一例を図１
（ｂ）に示しておく。図中の１０１はｎ型ＧａＡｓ基
板、１０２はｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、１０４は
ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、１０３（１１）はＧａ
ＡｌＡｓの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる活性
層、１０５はｎ型ＧａＡｓ電流阻止層、１０６はｐ型Ｇ
ａＡｓコンタクト層である。ダブルへテロ構造部のクラ
ッド層１０４がメサ状に加工され、その側面に電流阻止
層１０４が埋め込まれた埋め込みレーザとなっている。
これに限らず、各種変形が可能であるのは勿論のことで
ある。
（ｂ）に示しておく。図中の１０１はｎ型ＧａＡｓ基
板、１０２はｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、１０４は
ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、１０３（１１）はＧａ
ＡｌＡｓの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる活性
層、１０５はｎ型ＧａＡｓ電流阻止層、１０６はｐ型Ｇ
ａＡｓコンタクト層である。ダブルへテロ構造部のクラ
ッド層１０４がメサ状に加工され、その側面に電流阻止
層１０４が埋め込まれた埋め込みレーザとなっている。
これに限らず、各種変形が可能であるのは勿論のことで
ある。
【００２４】図１（ａ）の構成において、絶縁膜１３と
してはＳｉＯ2 ，ＴｉＯ2 ，Ｔａ2Ｏ5 ，α−Ｓｉなど
を用いることができる。この層は、半導体レーザ素子端
面の保護膜としての役割もある。また、光吸収膜１２の
材料としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｔｉな
どの金属を用いることができる。金属は非常に大きい吸
収係数を持つため、例えば１００ｎｍ程度の厚さがあれ
ば、開口のない領域では光は殆ど透過しない。しかしな
がら、開口部を透過する光の損失に関してはこれまで十
分な解析が行われていなかった。通常の微小開口では、
開口部を透過する光も大きな損失を受けるため、効率が
極めて低いという問題があった。
してはＳｉＯ2 ，ＴｉＯ2 ，Ｔａ2Ｏ5 ，α−Ｓｉなど
を用いることができる。この層は、半導体レーザ素子端
面の保護膜としての役割もある。また、光吸収膜１２の
材料としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｔｉな
どの金属を用いることができる。金属は非常に大きい吸
収係数を持つため、例えば１００ｎｍ程度の厚さがあれ
ば、開口のない領域では光は殆ど透過しない。しかしな
がら、開口部を透過する光の損失に関してはこれまで十
分な解析が行われていなかった。通常の微小開口では、
開口部を透過する光も大きな損失を受けるため、効率が
極めて低いという問題があった。
【００２５】本発明の特徴は、レーザ光の偏光方向に沿
った開口幅Ｗ1 を偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 よ
りも短くしたことであり、より具体的にはレーザ光の偏
光方向と同じ方向の開口幅Ｗ1 が半導体レーザの発振波
長の１／２より短く、偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ
2 を開口幅Ｗ1 より長くしたことである。これにより、
開口を通過する光の損失を極めて小さくできる。その原
理について、以下に説明する。
った開口幅Ｗ1 を偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 よ
りも短くしたことであり、より具体的にはレーザ光の偏
光方向と同じ方向の開口幅Ｗ1 が半導体レーザの発振波
長の１／２より短く、偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ
2 を開口幅Ｗ1 より長くしたことである。これにより、
開口を通過する光の損失を極めて小さくできる。その原
理について、以下に説明する。
【００２６】図２（ａ）（ｂ）は、金属導波路中の導波
モードを計算した例を示したものである。ここでは簡単
のために、金（Ａｕ）に微小開口として幅５０ｎｍ（図
２（ａ））と、幅３０ｍｍ（図２（ｂ））のスリットを
設けた場合の２通りの導波モードを計算した。図から明
らかなように、モードの分布形状がＴＥモード（電場ベ
クトルの方向が境界に平行）とＴＭモード（磁場ベクト
ルの方向が境界に平行）とで大きく異なっていることが
分かる。なお、ここでいうＴＥモード，ＴＭモードと
は、レーザ素子の発振モードではなく、スリットに対し
て定義している。
モードを計算した例を示したものである。ここでは簡単
のために、金（Ａｕ）に微小開口として幅５０ｎｍ（図
２（ａ））と、幅３０ｍｍ（図２（ｂ））のスリットを
設けた場合の２通りの導波モードを計算した。図から明
らかなように、モードの分布形状がＴＥモード（電場ベ
クトルの方向が境界に平行）とＴＭモード（磁場ベクト
ルの方向が境界に平行）とで大きく異なっていることが
分かる。なお、ここでいうＴＥモード，ＴＭモードと
は、レーザ素子の発振モードではなく、スリットに対し
て定義している。
【００２７】図の光強度はポインティングベクトルの伝
搬方向成分を示したもので、ＴＭモードの光強度が空気
と金属との界面で不連続なのは、電場ベクトルの境界面
に垂直方向の成分が不連続であることに起因している。
即ち、連続となる量は電場ベクトルの境界面に垂直な方
向の成分にｎ2 を乗じたもの（ｎは複素屈折率）である
ため、ｎ2 の実数部絶対値が大きい金属中では、１／ｎ
2 の係数分だけ光強度が大幅に小さくなる。一方、ＴＥ
モードでは境界面に垂直方向の電場ベクトル成分は０で
あるために、１／ｎ2 の係数はかからず、金属中に大き
くしみ出すモードとなる。
搬方向成分を示したもので、ＴＭモードの光強度が空気
と金属との界面で不連続なのは、電場ベクトルの境界面
に垂直方向の成分が不連続であることに起因している。
即ち、連続となる量は電場ベクトルの境界面に垂直な方
向の成分にｎ2 を乗じたもの（ｎは複素屈折率）である
ため、ｎ2 の実数部絶対値が大きい金属中では、１／ｎ
2 の係数分だけ光強度が大幅に小さくなる。一方、ＴＥ
モードでは境界面に垂直方向の電場ベクトル成分は０で
あるために、１／ｎ2 の係数はかからず、金属中に大き
くしみ出すモードとなる。
【００２８】図２（ｂ）に示したように、スリット幅が
比較的大きいと、このしみ出しはあまり顕著ではない
が、図２（ａ）のように小さいスリット幅ではＴＥモー
ドとＴＭモードとでしみ出しの割合が大きく異なる。金
属中にしみ出している部分は大きな吸収損失を受けるた
め、導波モードとしては大きな損失を持つモードとな
る。しかしながら、ＴＭモードではスリット幅が小さく
ても、上述した理由により金属中へのしみ出しが小さい
ため、導波モード損失は極めて小さい。
比較的大きいと、このしみ出しはあまり顕著ではない
が、図２（ａ）のように小さいスリット幅ではＴＥモー
ドとＴＭモードとでしみ出しの割合が大きく異なる。金
属中にしみ出している部分は大きな吸収損失を受けるた
め、導波モードとしては大きな損失を持つモードとな
る。しかしながら、ＴＭモードではスリット幅が小さく
ても、上述した理由により金属中へのしみ出しが小さい
ため、導波モード損失は極めて小さい。
【００２９】図１に示した実施形態は、この特徴を利用
したものである。即ち、レーザ光の偏光方向と同じ方向
ではスリット幅を小さくしても損失は大きくならないと
いう特徴を利用して、この方向の開口幅を短くし、効率
の高い微小スポット光を得ることを可能にしたものであ
る。
したものである。即ち、レーザ光の偏光方向と同じ方向
ではスリット幅を小さくしても損失は大きくならないと
いう特徴を利用して、この方向の開口幅を短くし、効率
の高い微小スポット光を得ることを可能にしたものであ
る。
【００３０】スリット形状と各方向の光強度分布の様子
を図３（ａ）に示す。また、図３（ｂ）はこの光強度分
布を２次元分布として表したものである。レーザ光の偏
光方向に対して、スリット形状を図３（ａ）に示したよ
うな配置に設定することにより、波長以下の微小開口に
おいても極めて低損失の導波モードを実現することがで
きる。
を図３（ａ）に示す。また、図３（ｂ）はこの光強度分
布を２次元分布として表したものである。レーザ光の偏
光方向に対して、スリット形状を図３（ａ）に示したよ
うな配置に設定することにより、波長以下の微小開口に
おいても極めて低損失の導波モードを実現することがで
きる。
【００３１】図２及び図３では微小開口を設ける吸収薄
膜が金の場合を示したが、他の金属膜、例えば銀（Ａ
ｇ）の場合も同様である。Ａｇにおける導波モードの解
析例を図４に示した。図から明らかなように、やはりＴ
Ｍモードのしみ出しが小さく、損失の小さいことが分か
る。
膜が金の場合を示したが、他の金属膜、例えば銀（Ａ
ｇ）の場合も同様である。Ａｇにおける導波モードの解
析例を図４に示した。図から明らかなように、やはりＴ
Ｍモードのしみ出しが小さく、損失の小さいことが分か
る。
【００３２】図５は、Ａｕ導波路における導波モード損
失のスリット幅Ｗに対する依存性を計算した例を示した
ものである。図からスリット幅の小さい領域では、ＴＭ
モードの損失がＴＥモードに比べて２桁低いことが分か
る。このことは即ち、狭い開口幅の方向に対しては、Ｔ
Ｍモード即ち偏光方向が開口の辺に直交する方向で用い
ると損失が極めて小さくなることが定量的に示されてい
る。
失のスリット幅Ｗに対する依存性を計算した例を示した
ものである。図からスリット幅の小さい領域では、ＴＭ
モードの損失がＴＥモードに比べて２桁低いことが分か
る。このことは即ち、狭い開口幅の方向に対しては、Ｔ
Ｍモード即ち偏光方向が開口の辺に直交する方向で用い
ると損失が極めて小さくなることが定量的に示されてい
る。
【００３３】具体例として、厚さ１００ｎｍのＡｕに５
０ｎｍの開口（スリット）が開いていた場合、図５より
透過率は以下のようになる。
０ｎｍの開口（スリット）が開いていた場合、図５より
透過率は以下のようになる。
【００３４】開口のないところの透過率：０．００１ ＴＥモード透過率 ：０．００６ ＴＭモード透過率 ：０．９５６ 従って、この厚さの吸収膜で光は十分減衰し、かつＴＭ
モードは開口部を殆ど損失がなく透過できることが分か
る。一方、ＴＥモードはこのスリット幅では殆ど透過し
ない。図５からＴＥモードに対してはスリット幅を２６
０ｎｍ以上とすることにより損失を低減できることが分
かる。以上より、開口の形状としては、レーザ光の偏光
方向の幅を狭く、それと直交する方向を長くした構造、
即ち図１或いは図３（ａ）に示したような配置にしてお
けば極めて損失が少なく且つ微小寸法のスポットを得る
ことが可能となる。
モードは開口部を殆ど損失がなく透過できることが分か
る。一方、ＴＥモードはこのスリット幅では殆ど透過し
ない。図５からＴＥモードに対してはスリット幅を２６
０ｎｍ以上とすることにより損失を低減できることが分
かる。以上より、開口の形状としては、レーザ光の偏光
方向の幅を狭く、それと直交する方向を長くした構造、
即ち図１或いは図３（ａ）に示したような配置にしてお
けば極めて損失が少なく且つ微小寸法のスポットを得る
ことが可能となる。
【００３５】図１の実施形態では、レーザ光の偏光方向
が水平方向であるので、開口は縦長の形状としている。
具体的には水平方向の開口幅Ｗ1 を波長の１／２より短
く、垂直方向の開口幅Ｗ2 をそれより大きくとってい
る。上で述べた計算結果より例えばＷ1 を５０ｎｍと小
さくしても開口を通過する光の損失は極めて小さいこと
が分かる。これにより、波長より１桁小さいスポットで
の光記録／読み出しが可能となる。
が水平方向であるので、開口は縦長の形状としている。
具体的には水平方向の開口幅Ｗ1 を波長の１／２より短
く、垂直方向の開口幅Ｗ2 をそれより大きくとってい
る。上で述べた計算結果より例えばＷ1 を５０ｎｍと小
さくしても開口を通過する光の損失は極めて小さいこと
が分かる。これにより、波長より１桁小さいスポットで
の光記録／読み出しが可能となる。
【００３６】なお、光吸収膜１２としては上述のＡｕだ
けでなく、他の金属も有効である。図６〜図１０はそれ
ぞれＡｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｔｉを吸収膜として用い
た場合のＴＥモード、ＴＭモードそれぞれに対する損失
を計算した例である。いずれもＴＭモードの方がＴＥモ
ードより損失が低く、またＡｇ，Ｃｕ，ＡｌはＡｕと同
様に２桁程度或いはそれ以上の損失差があり、本発明の
光吸収膜として極めて有効であることが分かる。
けでなく、他の金属も有効である。図６〜図１０はそれ
ぞれＡｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｔｉを吸収膜として用い
た場合のＴＥモード、ＴＭモードそれぞれに対する損失
を計算した例である。いずれもＴＭモードの方がＴＥモ
ードより損失が低く、またＡｇ，Ｃｕ，ＡｌはＡｕと同
様に２桁程度或いはそれ以上の損失差があり、本発明の
光吸収膜として極めて有効であることが分かる。
【００３７】ここで、開口から出射した後の光強度分布
について説明する。図１１はスリットから空気中に出た
後の光強度分布を示したもので、左側はエバネッセント
光も含んだ全体の光強度分布、右側はそのうちの伝搬光
成分、即ちポインティングベクトル成分を示したもので
ある。これから分かるように、伝搬光成分はスリット幅
とレーザ波長との比Ｗ／λが大きいほど大きくなる。実
際に利用できる光は伝搬光成分が主となるので、Ｗ／λ
は大きい方が望ましい。一方、微小スポットを得るため
には、Ｗを小さくすることが必要である。従って、レー
ザ光の波長λが小さい値、即ち短波長ほど、微小スポッ
トを得るのに有利である点は従来の光学系と同様であ
る。
について説明する。図１１はスリットから空気中に出た
後の光強度分布を示したもので、左側はエバネッセント
光も含んだ全体の光強度分布、右側はそのうちの伝搬光
成分、即ちポインティングベクトル成分を示したもので
ある。これから分かるように、伝搬光成分はスリット幅
とレーザ波長との比Ｗ／λが大きいほど大きくなる。実
際に利用できる光は伝搬光成分が主となるので、Ｗ／λ
は大きい方が望ましい。一方、微小スポットを得るため
には、Ｗを小さくすることが必要である。従って、レー
ザ光の波長λが小さい値、即ち短波長ほど、微小スポッ
トを得るのに有利である点は従来の光学系と同様であ
る。
【００３８】一方、光源波長が短波長の場合には、それ
に適した吸収膜を設けることが必要である。図１２は、
図２で述べたＡｕのスリットに対して、光源波長が４０
０ｎｍの場合の導波モードの様子を示したものである。
留意すべき点は、同じＡｕであっても、図２の場合と異
なり、ＴＭモードでのしみ出しが大きいことである。こ
れは、波長４００ｎｍでは金におけるｎ2 の実数部の絶
対値が１より小さく、従って金属中ではむしろ電場強度
が大きくなることによるものである。一方、アルミニウ
ム（Ａｌ）は４００ｎｍにおいてもｎ2 の実数部の絶対
値は１より大きい。このため、図１３に示すように、Ｔ
Ｍモードは金属中で大きく減衰し、結果的に損失は小さ
くなる。
に適した吸収膜を設けることが必要である。図１２は、
図２で述べたＡｕのスリットに対して、光源波長が４０
０ｎｍの場合の導波モードの様子を示したものである。
留意すべき点は、同じＡｕであっても、図２の場合と異
なり、ＴＭモードでのしみ出しが大きいことである。こ
れは、波長４００ｎｍでは金におけるｎ2 の実数部の絶
対値が１より小さく、従って金属中ではむしろ電場強度
が大きくなることによるものである。一方、アルミニウ
ム（Ａｌ）は４００ｎｍにおいてもｎ2 の実数部の絶対
値は１より大きい。このため、図１３に示すように、Ｔ
Ｍモードは金属中で大きく減衰し、結果的に損失は小さ
くなる。
【００３９】これを定量的に示したのが図１４、図１５
である。これから、短波長の４００ｎｍでは光吸収膜と
して、例えばアルミニウムを用いるのが望ましいことが
分かる。
である。これから、短波長の４００ｎｍでは光吸収膜と
して、例えばアルミニウムを用いるのが望ましいことが
分かる。
【００４０】（第２の実施形態）図１６は、本発明の第
２の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜
視図である。
２の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜
視図である。
【００４１】図中２０は半導体レーザ素子、２１は活性
層、２２は光吸収膜、２３は絶縁膜、２４は光吸収膜２
２に設けられた開口である。このレーザの偏光方向は接
合面と垂直方向、即ち電場ベクトルの方向が垂直方向で
ある。
層、２２は光吸収膜、２３は絶縁膜、２４は光吸収膜２
２に設けられた開口である。このレーザの偏光方向は接
合面と垂直方向、即ち電場ベクトルの方向が垂直方向で
ある。
【００４２】本実施形態が第１の実施形態と異なる点
は、レーザ光の偏光方向である。このように接合面に垂
直な方向に偏光方向があるレーザは、例えばクラッド層
中に光損失層を設けてＴＥモードの損失をＴＭモードよ
り大きくする（即ち、そのような位置に光吸収層を設け
る）、或いは活性層に引張り歪みを導入してＴＭモード
発振とする等の方法により実現できる。
は、レーザ光の偏光方向である。このように接合面に垂
直な方向に偏光方向があるレーザは、例えばクラッド層
中に光損失層を設けてＴＥモードの損失をＴＭモードよ
り大きくする（即ち、そのような位置に光吸収層を設け
る）、或いは活性層に引張り歪みを導入してＴＭモード
発振とする等の方法により実現できる。
【００４３】本実施形態では偏光方向が垂直方向である
ため、光吸収膜２２に設けた開口２４は横長の形状とな
っている。即ち、偏光方向に平行な方向の開口幅Ｗ1 が
半導体レーザの発振波長の１／２より短く、偏光方向に
垂直な方向の開口幅Ｗ2 はＷ 1 より大きくなっている。
本構造の利点は半導体レーザ素子の発振モードの２次元
形状と開口形状とを相似形にできることである。これに
より、半導体レーザ素子からの光出力を極めて効率良く
開口部に入射させることができる。
ため、光吸収膜２２に設けた開口２４は横長の形状とな
っている。即ち、偏光方向に平行な方向の開口幅Ｗ1 が
半導体レーザの発振波長の１／２より短く、偏光方向に
垂直な方向の開口幅Ｗ2 はＷ 1 より大きくなっている。
本構造の利点は半導体レーザ素子の発振モードの２次元
形状と開口形状とを相似形にできることである。これに
より、半導体レーザ素子からの光出力を極めて効率良く
開口部に入射させることができる。
【００４４】（第３の実施形態）図１７は、本発明の第
３の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜
視図である。図中３０はｎ型半導体基板、３１はｎ型Ｄ
ＢＲ反射層、３２は活性層領域（光学的厚さ＝発振波
長）、３３はｐ型ＤＢＲ反射層、３４，３５はｐ型コン
タクト層、３６は光吸収膜、３７は絶縁膜、３８は光吸
収膜３６に設けられた開口、３９，４０はそれぞれｎ電
極及びｐ電極である。このレーザの構造は垂直共振器面
発光型である。
３の実施形態に係わる半導体レーザの概略構成を示す斜
視図である。図中３０はｎ型半導体基板、３１はｎ型Ｄ
ＢＲ反射層、３２は活性層領域（光学的厚さ＝発振波
長）、３３はｐ型ＤＢＲ反射層、３４，３５はｐ型コン
タクト層、３６は光吸収膜、３７は絶縁膜、３８は光吸
収膜３６に設けられた開口、３９，４０はそれぞれｎ電
極及びｐ電極である。このレーザの構造は垂直共振器面
発光型である。
【００４５】本実施形態においても、開口幅はレーザ光
の偏光方向に平行方向が狭く（λ／２以下）、垂直方向
が広くなっている。これにより開口３８を通過する光の
損失を大きく低減できることは、第１及び第２の実施形
態で説明した通りである。
の偏光方向に平行方向が狭く（λ／２以下）、垂直方向
が広くなっている。これにより開口３８を通過する光の
損失を大きく低減できることは、第１及び第２の実施形
態で説明した通りである。
【００４６】次に、第１〜第３の実施形態に示した絶縁
膜の厚さについて説明する。上述したように光吸収膜の
厚さは１００ｎｍ程度あれば、開口以外の領域で光は十
分減衰される。この厚さは、光学的厚さに換算するとお
よそλ（１波長）である。通常金属膜は、これだけの厚
さがあれば９０％以上の反射率を示すので、共振器の反
射鏡としても十分有効である。
膜の厚さについて説明する。上述したように光吸収膜の
厚さは１００ｎｍ程度あれば、開口以外の領域で光は十
分減衰される。この厚さは、光学的厚さに換算するとお
よそλ（１波長）である。通常金属膜は、これだけの厚
さがあれば９０％以上の反射率を示すので、共振器の反
射鏡としても十分有効である。
【００４７】しかしながら、第１及び第２の実施形態の
ように端面発光型レーザの端面に金属膜を設ける場合
は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層が短絡しないように、
端面表面と金属膜との間に絶縁膜を設ける必要がある。
この絶縁膜の厚さによっては、反射率が低減してしまう
場合があるので、高反射率を確保できる厚さに設定する
必要がある。
ように端面発光型レーザの端面に金属膜を設ける場合
は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層が短絡しないように、
端面表面と金属膜との間に絶縁膜を設ける必要がある。
この絶縁膜の厚さによっては、反射率が低減してしまう
場合があるので、高反射率を確保できる厚さに設定する
必要がある。
【００４８】図１８は、絶縁膜の厚さｄに対して反射率
Ｒがどのように変化するかを計算した例である。この計
算では、金属（Ａｕ）膜の光学的厚さをλ（１波長）と
したが、吸収係数が十分大きいので、この金属膜の厚さ
に対する依存性は小さい。図の横軸は絶縁膜の光学的厚
さ（ｎｄ／λ）としてある。この図から明らかなよう
に、反射率は周期的に高くなったり、低くなったりす
る。図から、 ｎｄ／λ＝０．２＋０．５ｍ（ｍは整数） の近傍で高い反射率を示すことが分かる。例えば、９５
％以上の反射率を得るには、 ０．０５＋０．５ｍ≦ｎｄ／λ≦０．３５＋０．５ｍ となるように設定すればよい。保護膜としては薄くても
十分であるから、 ０．０５≦ｎｄ／λ≦０．３５ の範囲に設定すればよい。
Ｒがどのように変化するかを計算した例である。この計
算では、金属（Ａｕ）膜の光学的厚さをλ（１波長）と
したが、吸収係数が十分大きいので、この金属膜の厚さ
に対する依存性は小さい。図の横軸は絶縁膜の光学的厚
さ（ｎｄ／λ）としてある。この図から明らかなよう
に、反射率は周期的に高くなったり、低くなったりす
る。図から、 ｎｄ／λ＝０．２＋０．５ｍ（ｍは整数） の近傍で高い反射率を示すことが分かる。例えば、９５
％以上の反射率を得るには、 ０．０５＋０．５ｍ≦ｎｄ／λ≦０．３５＋０．５ｍ となるように設定すればよい。保護膜としては薄くても
十分であるから、 ０．０５≦ｎｄ／λ≦０．３５ の範囲に設定すればよい。
【００４９】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。実施形態で述べた半導体レーザ素
子としては、特定の材料による素子には限定されず、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系，ＩｎＧａＡｌＰ系，
ＩｎＧａＡｌＮ系，ＩｎＧａＡｌＢＮ系，ＩｎＧａＡｓ
Ｓｂ系，ＣｄＺｎＭｇＳＳｅ系等、様々な材料系を用い
ることができる。
されるものではない。実施形態で述べた半導体レーザ素
子としては、特定の材料による素子には限定されず、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系，ＩｎＧａＡｌＰ系，
ＩｎＧａＡｌＮ系，ＩｎＧａＡｌＢＮ系，ＩｎＧａＡｓ
Ｓｂ系，ＣｄＺｎＭｇＳＳｅ系等、様々な材料系を用い
ることができる。
【００５０】また、レーザ構造は図１、図１６、図１７
に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例え
ば、図１９に示すように、基板として半導体の代わりに
絶縁性のサファイア基板５０を用いたものであってもよ
い。なお、図中５１はｎ型ＧａＮ層、５２はｎ型ＧａＡ
ｌＮクラッド層、５３はＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性
層、５４はｐ型ＧａＡｌＮクラッド層、５５ｐ型ＧａＮ
コンタクト層、５６はリッジ部、５７は絶縁膜、５８は
光吸収膜、５９は開口を示している。この例の場合、基
板３０が絶縁体であることから、クラッド層５１に達す
るまで５２〜５５を一部エッチングし、露出したクラッ
ド層５１上にｎ側電極を形成することになる。
に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例え
ば、図１９に示すように、基板として半導体の代わりに
絶縁性のサファイア基板５０を用いたものであってもよ
い。なお、図中５１はｎ型ＧａＮ層、５２はｎ型ＧａＡ
ｌＮクラッド層、５３はＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性
層、５４はｐ型ＧａＡｌＮクラッド層、５５ｐ型ＧａＮ
コンタクト層、５６はリッジ部、５７は絶縁膜、５８は
光吸収膜、５９は開口を示している。この例の場合、基
板３０が絶縁体であることから、クラッド層５１に達す
るまで５２〜５５を一部エッチングし、露出したクラッ
ド層５１上にｎ側電極を形成することになる。
【００５１】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。
で、種々変形して実施することができる。
【００５２】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、半
導体レーザ素子の光出射面の外側に設けた光吸収膜の開
口を、レーザ光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 が偏光方
向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 よりも短くなるように設
定、特に開口幅Ｗ1 が半導体レーザ素子の発振波長の１
／２より短くなるように設定しているので、開口におけ
る損失を大きくすることなく、より小さいスポット光を
得ることが可能となる。従って、レーザ光のスポット径
の極小化が可能で、且つ開口を通過する光の効率の高い
半導体レーザ装置を実現することが可能となる。
導体レーザ素子の光出射面の外側に設けた光吸収膜の開
口を、レーザ光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 が偏光方
向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 よりも短くなるように設
定、特に開口幅Ｗ1 が半導体レーザ素子の発振波長の１
／２より短くなるように設定しているので、開口におけ
る損失を大きくすることなく、より小さいスポット光を
得ることが可能となる。従って、レーザ光のスポット径
の極小化が可能で、且つ開口を通過する光の効率の高い
半導体レーザ装置を実現することが可能となる。
【図１】第１の実施形態に係わる半導体レーザの概略構
成を示す斜視図と断面図。
成を示す斜視図と断面図。
【図２】金属導波路中の導波モード計算例を示す図。
【図３】スリット形状と各方向の光強度分布の様子、さ
らに光強度分布を２次元分布として示す図。
らに光強度分布を２次元分布として示す図。
【図４】Ａｇにおける導波モードの解析例を示す図。
【図５】Ａｕ導波路における導波モード損失のスリット
幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
【図６】Ａｇ導波路における導波モード損失のスリット
幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
【図７】Ｃｕ導波路における導波モード損失のスリット
幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
【図８】Ａｌ導波路におばる導波モード損失のスリット
幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
【図９】Ｐｔ導波路における導波モード損失のスリット
幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
【図１０】Ｔｉ導波路における導波モード損失のスリッ
ト幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
ト幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝６５０ｎ
ｍ）。
【図１１】スリットから空気中に出た後の光強度分布を
示す図。
示す図。
【図１２】Ａｕのスリットに対して、光源波長が４００
ｎｍの場合の導波モードの様子を示す図。
ｎｍの場合の導波モードの様子を示す図。
【図１３】Ａｌのスリットに対して、光源波長が４００
ｎｍの場合の導波モードの様子を示す図。
ｎｍの場合の導波モードの様子を示す図。
【図１４】Ａｕ導波路における導波モード損失のスリッ
ト幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝４００ｎ
ｍ）。
ト幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝４００ｎ
ｍ）。
【図１５】Ａｌ導波路における導波モード損失のスリッ
ト幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝４００ｎ
ｍ）。
ト幅Ｗに対する依存性の計算例を示す図（λ＝４００ｎ
ｍ）。
【図１６】第２の実施形態に係わる半導体レーザの概略
構成を示す斜視図。
構成を示す斜視図。
【図１７】第３の実施形態に係わる半導体レーザの概略
構成を示す斜視図。
構成を示す斜視図。
【図１８】絶縁膜の厚さｄに対する反射率Ｒの依存性を
計算した例を示す図。
計算した例を示す図。
【図１９】変形例に係わる半導体レーザの概略構成を示
す斜視図。
す斜視図。
１０，２０…半導体レーザ素子 １１，２１…活性層 １２，２２，３６…光吸収膜 １３，２３，３７…絶縁膜 １４，２４，３８…開口 １０１…ｎ−ＧａＡｓ基板 １０２…ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 １０３…ＭＱＷ活性層 １０４…ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 １０５…ｎ−ＧａＡｓ電流阻止層 １０６…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
Claims (7)
- 【請求項１】半導体レーザ素子の光出射面の外側に開口
を有する光吸収膜を設けた半導体レーザ装置であって、 前記開口は、レーザ光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 が
偏光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 よりも短いことを特
徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項２】半導体レーザ素子の光出射面の外側に開口
を有する光吸収膜を設けた半導体レーザ装置であって、 前記開口は、レーザ光の偏光方向に沿った開口幅Ｗ1 が
前記半導体レーザ素子の発振波長の１／２より短く、偏
光方向に垂直な方向の開口幅Ｗ2 が開口幅Ｗ1より長い
ことを特徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項３】前記光出射面と光吸収膜との間に誘電体膜
が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載
の半導体レーザ装置。 - 【請求項４】前記開口部の前記レーザ光の偏光方向に沿
った開口幅は、前記レーザ光の偏光方向に垂直に同一開
口幅で開口部を設けた場合と比較して、前記レーザ光に
対する吸収損失が１桁以上小さくなる範囲に設定されて
いることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レー
ザ装置。 - 【請求項５】前記半導体レーザ素子は端面発光型であ
り、発振モードがＴＭモードであることを特徴とする請
求項１又は２記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項６】前記光吸収膜が金属であることを特徴とす
る請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項７】前記光出射面と光吸収膜との間に絶縁膜が
設けられており、この絶縁膜の光学的膜厚が発振波長λ
に対して０．０５λ以上で０．３５λ以下であることを
特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37306799A JP4160226B2 (ja) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | 半導体レーザ装置 |
| US09/749,801 US6587494B2 (en) | 1999-12-28 | 2000-12-28 | Semiconductor laser device |
| US10/372,914 US6687277B2 (en) | 1999-12-28 | 2003-02-26 | Semiconductor laser device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37306799A JP4160226B2 (ja) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | 半導体レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001189519A true JP2001189519A (ja) | 2001-07-10 |
| JP4160226B2 JP4160226B2 (ja) | 2008-10-01 |
Family
ID=18501525
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP37306799A Expired - Fee Related JP4160226B2 (ja) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6587494B2 (ja) |
| JP (1) | JP4160226B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002101894A1 (fr) * | 2001-05-31 | 2002-12-19 | Nichia Corporation | Element laser a semi-conducteurs |
| JP2005311308A (ja) * | 2004-03-05 | 2005-11-04 | Nichia Chem Ind Ltd | 半導体レーザ素子 |
| JP2007248141A (ja) * | 2006-03-14 | 2007-09-27 | Toshiba Corp | 受光素子及び光配線ｌｓｉ |
| JP2007303927A (ja) * | 2006-05-10 | 2007-11-22 | Hamamatsu Photonics Kk | 光検出器 |
| US7538357B2 (en) | 2004-08-20 | 2009-05-26 | Panasonic Corporation | Semiconductor light emitting device |
| US7697799B2 (en) | 2007-06-26 | 2010-04-13 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light receiving device and optically interconnected LSI |
| EP2226367A1 (en) | 2009-03-03 | 2010-09-08 | Fujifilm Corporation | Active energy ray-curable ink composition, inkjet recording method and printed material |
| JP2013084984A (ja) * | 2008-07-10 | 2013-05-09 | Toshiba Corp | 半導体レーザ装置 |
| JP2021077670A (ja) * | 2019-11-05 | 2021-05-20 | 住友電気工業株式会社 | 量子カスケードレーザ |
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