JP2002026446A - Shgレーザ - Google Patents

Shgレーザ

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JP2002026446A
JP2002026446A JP2000200255A JP2000200255A JP2002026446A JP 2002026446 A JP2002026446 A JP 2002026446A JP 2000200255 A JP2000200255 A JP 2000200255A JP 2000200255 A JP2000200255 A JP 2000200255A JP 2002026446 A JP2002026446 A JP 2002026446A
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semiconductor laser
light
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JP2000200255A
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Koichi Kuronaga
康一 玄永
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザにおける短波長化、高出力化を
安定して実現することにより、高性能、高信頼性のSH
Gレーザを提供すること。 【解決手段】 光学非線形結晶を用いて青紫色レーザを
発生するSHGレーザにおいて、半導体レーザ30を発
振波長810nm、780nm、600nm帯の3つの
レーザ光を出力する多波長レーザとしている。そして、
光学非線形結晶励起用の発振波長810nmの半導体レ
ーザ素子31を、キャビティ端面に亜鉛を拡散させた窓
構造を採用したDBRレーザとすることを特徴としてい
る。そのため端面での光吸収を抑制してCODの発生を
防止できるので、半導体レーザ素子31の短波長化及び
高出力化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、SHG(Second
Harmonic Generation)レーザに関するもので、特に光
学非線形結晶を励起するための半導体レーザの構造に係
り、特にCD(Compact Disc)、DVD(Digital Vide
o Disc)、HD−DVD(High-Definition DVD)等複
数の種類のメディアに対応できる光ピックアップに使用
されるものである。
【0002】
【従来の技術】近年の短波長発光デバイス、特に青紫色
レーザの技術進歩には目覚ましいものがある。青紫色レ
ーザの実現技術は大きく2つに分かれる。一方はGaN系
の半導体レーザを使用するもの、他方は赤外等の長い波
長域で発振する半導体レーザのレーザ光の第2次高調波
を光学非線形結晶により発生させて青紫色のレーザ光を
得るものである。
【0003】従来の光学非線形結晶を利用して青紫色の
レーザ光を得るSHGレーザの構成を図14に示す(日
経エレクトロニクス、No.708、1998.1.26)。図示する
ように、絶縁性の基板100上にQPM(Quasi Phase
Matching)−SHG結晶素子200が搭載されている。
QPM−SHG結晶は、高い非線形特性を有するLiNbO3
結晶基板210上に設けられた光導波路220を有して
いる。そして、この光導波路220と直交する方向に周
期的にTi拡散が施されることにより、グレーティング状
の分極反転領域230が形成され(K.Kintaka et al.,
J.Lightwave Technology, vol.14, No.3, 462, 199
6)、更にLiNbO3結晶基板210をNb2O5高屈折率膜24
0が覆っている。
【0004】また、基板100上には上記QPM−SH
G結晶素子200を励起するための半導体レーザ300
が、その励起光が光導波路220に入射するように、Q
PM−SHG結晶素子200と一直線上に並ぶようにし
て搭載されている。
【0005】通常、QPM−SHG結晶素子200にお
ける分極反転領域230の周期を精度良く制御すること
は困難なため、QPM−SHG結晶素子200の光出力
L10は半導体レーザ300の励起光L20の波長λ1
を精密に制御して位相整合を取るのが実際的である。そ
のため半導体レーザ300には、単一縦モード発振が可
能で且つ発振波長が数nmの範囲で可変であるDBR
(Distributed Bragg Reflector)レーザが用いられ
る。すなわち、半導体レーザ300は、チップ全面に設
けられ光導波路となる活性層領域と、チップ後面に設け
られ周期的なグレーティングが形成されたDBR領域と
が直接結合されて形成されている。半導体レーザ300
は、DBR領域が上記グレーティングに対応した特定波
長(DBR波長)のみを反射させることで、単一縦モー
ド発振出来る。また半導体レーザ300の電極は、活性
層側電極310及びDBR側電極320とに分離されて
おり、それぞれ独立に電流を注入することが可能であ
る。すなわち、活性層側電極310にレーザ発振閾値以
上の電流を流しておき、且つDBR側電極320に流す
電流量を変化させることにより、DBR導波路の実効屈
折率を変化させてDBR波長を制御し、半導体レーザ3
00の発振波長λ1を制御できる。
【0006】上記構成において、半導体レーザ300の
活性層には、例えばAlGaAs MQW(Multiple Quantum
Wells)を用いることにより、発振波長λ1の赤外のレ
ーザ光L20を得る。そして、この赤外のレーザ光L2
0を、波長λ1に対応した周期の分極反転領域230を
設けたQPM−SHG結晶素子200に励起光として入
射する。すると、QPM−SHG結晶素子200の有す
る非線形特性により、赤外のレーザ光L20の半分の波
長λ2=(1/2)・λ1の青色のレーザ光L10(第
2次高調波)が得られる。
【0007】上記のような青紫色レーザ光生成メカニズ
ムによると、QPM−SHG結晶素子200の変換効率
は、励起光L20の光強度に比例する。従って、半導体
レーザ300が出力する励起光L20の光強度は可能な
限り高くすることが望ましい。
【0008】これまでに得られている励起光L20は、
発振波長λ1=850nmの赤外レーザ光で光強度W1
=40mWに止まり、QPM−SHG結晶素子200を
通して得られる青紫色レーザ光は、発振波長λ2=42
5nm、光強度W2=2mWにすぎない。この値は、H
D−DVD用の光源として標準化されつつある、発振波
長λ=405nm、光強度W=5mWの規格に比べて波
長が20nmも長く、且つ光強度も低い。しかし、発振
波長λ1をより短波長化し、更に高い光強度W1を得よ
うとすると、半導体レーザ300の端面でCOD(Cata
strophic Optical Damage)による端面劣化が発生する
という問題があった。
【0009】これは、反射面となる結晶端面に表面準位
が多いことに起因する。つまり、反射面付近は表面準位
による非発光再結合の生じる確率が高く、活性層の注入
キャリア密度が中央部に比して少なくなり、レーザ発振
波長に対して吸収領域となる。光出力密度が大きくなる
と、この吸収領域での局所的な発熱が大きくなり、温度
上昇し、バンドギャップが減少し、更に吸収が大きくな
って温度上昇を促すという正帰還のプロセスが生じる。
これによって、反射面付近の温度は最終的に融点まで到
達し、結晶が局所的に溶融してしまうというものであ
る。
【0010】また、半導体レーザ300をジャンクショ
ンアップにして基板100に搭載することにより発生す
る熱が光出力飽和等の悪影響を及ぼし、光出力向上の妨
げとなっていた。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
青紫色レーザ光を得る手法の一つには、赤外域のレーザ
光を励起光として光学非線形結晶に入射し、その光学非
線形特性により励起光の第2次高調波を利用するという
ものがあった(SHGレーザ)。
【0012】しかし、この第2次高調波により得られる
青紫色レーザ光は、HD−DVD用の光源として標準化
されつつある規格よりも長波長で且つ光強度が弱い。
【0013】そこで、光学非線形結晶を励起する赤外域
のレーザ光の波長をより短波長化し、且つ光強度を高め
ようとすると、CODによる端面劣化が発生するという
問題があった。
【0014】また、光学非線形結晶を励起する半導体レ
ーザを、基板にジャンクションアップにして搭載するこ
とにより放熱の効率が悪く、光出力飽和等の原因とな
り、光出力向上を妨げるという問題があった。
【0015】この発明は、上記事情に鑑みてなされたも
ので、その目的は、半導体レーザにおける短波長化、高
出力化を安定して実現することにより、高性能、高信頼
性のSHGレーザを提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項1に記
載したSHGレーザは、絶縁性基板上に設けられ、励起
光を受けて該励起光の第2次高調波を発生する光学非線
形結晶と、前記光学非線形結晶への前記励起光を発生す
る半導体レーザとを備えるSHGレーザであって、前記
半導体レーザは、半導体基板上に設けられた第1クラッ
ド層と、前記第1クラッド層上に設けられ誘導放出光を
発生する活性層と、前記活性層上に設けられた第2クラ
ッド層とを備える活性層領域と、前記活性層領域に直接
結合するようにして前記半導体基板上に設けられ、所定
の周期を有する複数の溝からなる回折格子を備えるDB
R領域とを具備し、前記回折格子の周期により発振波長
が制御されるDBRレーザであり、前記活性層領域の前
記DBR領域と結合する面に対向する端面近傍は、少な
くとも前記活性層のバンドギャップを拡大する不純物を
含有する窓構造であることを特徴としている。
【0017】また、この発明の請求項2に記載したSH
Gレーザは、絶縁性基板上に設けられ、励起光を受けて
該励起光の第2次高調波を発生する光学非線形結晶と、
前記光学非線形結晶への前記励起光を発生する半導体レ
ーザとを備えるSHGレーザであって、前記半導体レー
ザは、発振波長が800nm以上、840nm未満の赤
外領域のレーザ光を発生する第1半導体レーザ素子と、
少なくとも発振波長が600nm帯の赤色領域のレーザ
光を発生する第2半導体レーザ素子、または発振波長が
780nm帯の赤外領域のレーザ光を発生する第3半導
体レーザ素子のいずれか一方とを具備する多波長レーザ
であり、前記第1半導体レーザ素子の発生する赤外領域
のレーザ光は、前記光学非線形結晶に入射するように配
置され、前記光学非線形結晶は、前記第1半導体レーザ
素子の発生する赤外領域のレーザ光の第2次高調波であ
る青紫色レーザ光を発生することを特徴としている。
【0018】更にこの発明の請求項3に記載したSHG
レーザは、絶縁性基板上に設けられ、励起光を受けて該
励起光の第2次高調波を発生する光学非線形結晶と、前
記光学非線形結晶への前記励起光を発生する半導体レー
ザとを備えるSHGレーザであって、前記半導体レーザ
は、発振波長が800nm以上、840nm未満の赤外
領域のレーザ光を発生する第1半導体レーザ素子と、少
なくとも発振波長が600nm帯の赤色領域のレーザ光
を発生する第2半導体レーザ素子、または発振波長が7
80nm帯の赤外領域のレーザ光を発生する第3半導体
レーザ素子のいずれか一方とを具備する多波長レーザで
あり、前記第1半導体レーザ素子は、半導体基板上に設
けられた第1クラッド層と、前記第1クラッド層上に設
けられ誘導放出光を発生する活性層と、前記活性層上に
設けられた第2クラッド層とを備える活性層領域と、前
記活性層領域に直接結合するようにして前記半導体基板
上に設けられ、所定の周期を有する複数の溝からなる回
折格子を備えるDBR領域とを具備し、前記回折格子の
周期により発振波長が制御されるDBRレーザであり、
前記活性層領域の前記DBR領域と結合する面に対向す
る端面近傍は、少なくとも前記活性層のバンドギャップ
を拡大する不純物を含有する窓構造であり、前記第1半
導体レーザ素子の発生する赤外領域のレーザ光は、前記
光学非線形結晶に入射するように配置され、前記光学非
線形結晶は、前記第1半導体レーザ素子の発生する赤外
領域のレーザ光の第2次高調波である青紫色レーザ光を
発生することを特徴としている。
【0019】請求項4に記載したように、請求項1また
は3記載のSHGレーザにおいて、前記第2クラッド層
の少なくとも一部は、前記活性層内で発生する誘導放出
光が導波する方向に沿って設けられたリッジストライプ
形状を有し、前記第2クラッド層のリッジストライプに
隣接する領域には、光吸収性の電流阻止層を更に備える
ことを特徴としている。
【0020】請求項5に記載したように、請求項2乃至
4いずれか1項記載のSHGレーザにおいて、前記第1
乃至第3半導体レーザ素子は、同一半導体基板上にモノ
リシックに形成されていることを特徴としている。
【0021】請求項6に記載したように、請求項1、3
乃至5いずれか1項記載のSHGレーザにおいて、前記
活性層領域及びDBR領域を励起するための電極は電気
的に分離され、前記DBR領域に注入する電流を前記活
性層領域とは別個に制御することにより、該活性層領域
が発生する誘導放出光のうち所望の波長を選択すること
を特徴としている。
【0022】請求項7に記載したように、請求項1乃至
6いずれか1項記載のSHGレーザにおいて、前記絶縁
性基板は前記半導体レーザの主表面に設けられた電極に
対応する電極パターンを有し、前記半導体レーザは、前
記絶縁性基板上に前記主表面を下にして配置されるジャ
ンクションダウンでマウントされていることを特徴とし
ている。
【0023】請求項1のような構成によれば、半導体レ
ーザが発生する励起光を光学非線形結晶により第2次高
調波に変換するSHGレーザにおいて、半導体レーザの
レーザ光出射端面に、少なくとも活性層のバンドギャッ
プを拡大させる不純物を導入する窓構造を採用してい
る。そのため、端面付近における光吸収が低減し、端面
でのCODによる端面劣化を抑制でき、発振波長の更な
る短波長化及び高出力化が可能となる。また半導体レー
ザを、キャビティ端部に回折格子を設けるDBR構造と
することにより半導体レーザの単一縦モード発振を可能
とし、光学非線形結晶における第2次高調波への変換効
率を向上できる。そのため、SHGレーザの性能及び信
頼性を向上できる。
【0024】また請求項2のような構成によれば、半導
体レーザが発生する励起光を光学非線形結晶により第2
次高調波に変換するSHGレーザにおいて、半導体レー
ザは複数の半導体レーザ素子を有する多波長レーザであ
り、そのうちの1つの半導体レーザ素子の発振波長を8
00nmから840nmの赤外領域とすることで、光学
非線形結晶により発振波長が400nm帯の青紫色レー
ザを得ることが出来る。加えて、発振波長が600nm
帯の赤色レーザ素子や、780nmの赤外レーザ素子を
備えることにより、ワンチップで赤外、赤色、青紫色の
多波長レーザを実現でき、SHGレーザの性能を向上で
きる。
【0025】更に請求項3のような構成によれば、請求
項2の構造を有するSHGレーザにおいて、少なくとも
発振波長が800nmから840nmの赤外レーザ素子
を、窓構造を有するDBRレーザとしている。そのた
め、光学非線形結晶の励起光である赤外レーザ光の短波
長化及び高出力化を可能とし、HD−DVDに対応でき
る、より短い波長で高出力の青紫色レーザ光を発生で
き、高性能、高信頼性のSHGレーザを実現できる。
【0026】請求項4のように、半導体レーザの一方の
クラッド層の少なくとも一部はリッジストライプ形状
で、そのリッジ側部には光吸収性の電流阻止層を設けて
いる。そのため、レーザ光の横モードを単一に出来るの
で、レーザ光を十分に絞り込むことが出来、光学非線形
結晶での変換効率を向上できる。
【0027】請求項5のように、複数の半導体レーザ素
子は同一の半導体基板上にモノリシックに形成すること
により、各波長のレーザ光の発光点間隔を精密に制御で
きる。
【0028】請求項6のように、非線形光学結晶の励起
光を発生する半導体レーザをDBRレーザとしており、
活性層領域に独立してDBR領域に電流を注入出来る構
造としている。そのため、注入電流によりDBR領域の
実効屈折率を自在に変化させることが出来るため、半導
体レーザの発振波長を精密に制御できる。
【0029】請求項7のように、絶縁性基板上に半導体
レーザの電極パターンを形成し、半導体レーザをこの電
極に接続するようにジャンクションダウンでマウントし
ている。そのため、半導体レーザが発生する熱を効率よ
く放出できるため光出力の熱飽和を防止し、より一層の
光出力を向上できる。
【0030】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、
共通する部分には共通する参照符号を付す。
【0031】この発明の実施形態に係るSHGレーザに
ついて図1を用いて説明する。図1は非線形結晶を利用
して青紫色レーザ光を得るSHGレーザの斜視図であ
り、810nmの赤外レーザ光の第2次高調波を発生さ
せて青紫色レーザ光を得るものである。
【0032】図示するように、絶縁性のAlN基板10上
にQPM−SHG結晶素子20が搭載されている。QP
M−SHG結晶は、高い非線形特性を有するMgO添加LiN
bO3結晶基板21上に設けられた光導波路22を有して
いる。この光導波路22に入射したレーザ光は、MgO添
加LiNbO3結晶基板21の非線形特性により、その一部が
第2次高調波成分に変換される。通常、発生した第2次
高調波成分は互いにうち消し合ってしまい、大きな光出
力にならない。そこで、この光導波路22と直交する方
向に周期的にTi拡散を施し、グレーティング状の分極反
転領域23を形成している。この分極反転領域23は、
第2次高調波成分の位相を調節する役目を果たす。この
結果、発生した第2次高調波成分は足し合わされるよう
になり、SHG(第2次高調波発生)の変換効率を向上
させる。このような手法がQPM(疑似位相整合)であ
る。更に、LiNbO3結晶基板21をNb2O5高屈折率膜24
が覆っている。
【0033】また、AlN基板10上には電極パターン1
1が形成されており、この電極パターンに接続するよう
にして、上記QPM−SHG結晶素子20の励起光を出
力する半導体レーザ30が、半導体基板を上にするジャ
ンクションダウンの形で搭載されている。この半導体レ
ーザ30は3つの半導体レーザ素子31、32、33が
同一半導体基板上にモノリシックに形成された多波長レ
ーザである。このうち、半導体レーザ素子31は端面3
4より発振波長810nmの赤外レーザ光L1を出力
し、半導体レーザ素子32は端面35より発振波長78
0nmの赤外レーザ光L2を出力し、半導体レーザ素子
33は端面36より発振波長635nmの赤色レーザ光
L3を出力する。そして、半導体レーザ素子31の端面
34から出力される発振波長810nmの赤外レーザ光
L1は、上記QPM−SHG結晶の光導波路22に入射
するようアライメントされている。
【0034】上記構成により、半導体レーザ30が出射
端面35から直接出力する発振波長780nmの赤外レ
ーザ光L2、出射端面36から直接出力する発振波長6
35nm帯の赤色レーザ光L3、及び出射端面34から
直接出力する発振波長810nmの赤外レーザ光L1の
SHGにより発生する発振波長405nmの青紫色レー
ザ光L4の3波長のレーザ光を、ワンチップにて発生す
ることが出来る。
【0035】次に半導体レーザ30の構造の詳細につい
て、まず半導体レーザ素子31に着目して、図2、図3
(a)、(b)を用いて説明する。図2は半導体レーザ
素子31の断面斜視図、図3(a)は半導体レーザ素子
31の断面図、図3(b)は半導体レーザ素子31の端
面近傍の断面図である。
【0036】図示するように、発振波長810nmの赤
外レーザ光L1を出力する半導体レーザ素子31は、そ
の発振波長を精密に制御するために、レーザ光の出射端
面とは反対側のキャビティ端面にグレーティングを設け
たDBRレーザとなっている。すなわち、半導体レーザ
素子31は、誘導放出光を発生して増幅し、光導波路と
なる活性層領域と、活性層領域に直接結合するようにし
て設けられ周期的なグレーティングが形成されたDBR
領域とから構成されている。
【0037】まず、活性層領域について説明する。すな
わち、n型GaAs基板40上にn型InGaAlPクラッド層4
1、AlGaAsバッファ層42が形成されている。このAlGa
Asバッファ層42上に、例えばAl0.1Ga0.9Asを井戸層
に、Al0.5Ga0.5Asをバリア層とするAlGaAs MQW活性
層43が形成されている。活性層43上には再びAlGaAs
バッファ層44、p型InGaAlPクラッド層45、そしてI
nGaAlPのAl組成を減らしたエッチングストップ層46を
介してリッジストライプ形状のp型InGaAlPクラッド層
47が設けられている。更に、p型InGaAlPクラッド層
47のリッジ部分の両側を埋め込むようにして光吸収性
のn型GaAs電流阻止層48が設けられることによりSB
R(Selectively Buried Ridge)構造が形成され、全面
にp型GaAsコンタクト層49が形成されている。そし
て、p型GaAsコンタクト層49上及びn型GaAs基板40
の裏面にはそれぞれ、p型電極50及びn型電極51が
形成されている。また活性層領域は、特に光の出射側と
なるチップ前面のキャビティ端面近傍の活性層43、ク
ラッド層45、47、クラッド層41の一部、バッファ
層42、44、及びエッチングストップ層46に亜鉛を
拡散した領域52を設ける窓構造としている。亜鉛はキ
ャビティ端面より数μm〜40μm程度に渡って拡散さ
せている。GaAs系の材料において亜鉛はGaサイトに入っ
てアクセプタとして働くため、図3(b)に示すよう
に、亜鉛を拡散した領域52の活性層43’、クラッド
層45’、47’、クラッド層41’の一部、バッファ
層42’、44’、及びエッチングストップ層46’は
全てp型の導電型を有するようになる。そのため亜鉛を
拡散した端面近傍では、この領域に電流が注入されない
ように、全面にn型GaAs電流阻止層48が設けられてい
る。なお、亜鉛の代わりにセレン(Se)等を用いても良
い。
【0038】次にDBR領域について説明する。DBR
領域は上記活性層領域に直接結合するようにして設けら
れ、n型GaAs基板40上にn型InGaAlPクラッド層41
が形成されている。このInGaAlPクラッド層41の表面
には、周期Λのグレーティング53が形成され、グレー
ティング53上にはAlGaAs光導波層54、p型InGaAlP
クラッド層55が形成されている。そして活性層領域と
同様に、p型GaAsコンタクト層49が形成され、p型Ga
Asコンタクト層49上及びn型GaAs基板40の裏面には
それぞれ、p型電極50及びn型電極51が形成されて
いる。
【0039】なお、p型電極50は活性層領域とDBR
領域とを別個に励起できるよう、分離溝56により電気
的に分離されている。
【0040】上記のようにキャビティ端部にグレーティ
ングを設けたDBRレーザの発振波長λpは、光が導波
する領域の実効屈折率をneffとすると、λp=2・nef
f・Λとなる。すなわち、実効屈折率neff、グレーティ
ングの周期Λの2つの要素により決まる発振波長での単
一縦モード発振が可能となり、また、温度変化による発
振波長の長波長側への飛び移りも少ない。グレーティン
グの周期Λは、例えば所望の発振波長の2次の周期であ
る。
【0041】次に赤色レーザ光L3を出力する半導体レ
ーザ素子33について、図4、5を用いて説明する。図
4は半導体レーザ素子33の断面斜視図、図4は半導体
レーザ素子33の断面図である。
【0042】図示するように、赤外レーザ光L1を出力
する半導体レーザ素子31と共通のn型GaAs基板40上
にn型InGaAlPクラッド層61、InGaAlPガイド層62が
形成されている。このInGaAlPガイド層62上に、InGaP
を井戸層、InGaAlPをバリア層とするInGaP/InGaAlP M
QW活性層63が形成されている。活性層63上には再
びInGaAlPガイド層64、p型InGaAlPクラッド層65が
形成され、更にリッジストライプ形状のp型InGaAlPク
ラッド層67が、Al組成の少なくInGaAlPエッチングス
トップ層66を介して設けられている。InGaAlPガイド
層62、64は誘導放出光の導波層となる。また、p型
InGaAlPクラッド層67のリッジ部分の両側を埋め込む
ようにしてn型GaAs電流阻止層48が形成され、全面に
p型GaAsコンタクト層49が形成されている。そして、
p型GaAsコンタクト層49上及びn型GaAs基板40の裏
面にはそれぞれ、p型電極50及びn型電極51が形成
されている。半導体レーザ素子33は、半導体レーザ素
子31と異なりDBR構造及び窓構造は採用していな
い。
【0043】また赤外レーザ光L2を出力する半導体レ
ーザ素子32は、半導体レーザ素子33と同様の構造に
おいて、780nmの赤外レーザ光に相当するAlGaAs
MQW活性層を有しており、やはり半導体レーザ素子3
1、33と同一半導体基板40上にモノリシックに形成
されている。
【0044】次に、上記半導体レーザ30の製造方法に
ついて、特に半導体レーザ素子31の窓構造形成に注目
して、図6乃至図12を用いて説明する。図6乃至図1
2は半導体レーザ素子31の製造工程の断面斜視図を順
次示している。なお説明の簡単化のためにDBR領域に
ついての説明は省略する。
【0045】まず図6に示すように、n型GaAs基板40
上に例えばMO−CVD(Metal Organic-Chemical Vap
or Deposition)法により、n型InGaAlPクラッド層4
1、AlGaAsバッファ層42を形成する。そしてAlGaAsバ
ッファ層42上に、MO−CVD法や膜厚制御性に優れ
たMBE(Molecular Beam Epitaxy)法等によりn個
(nは2以上の整数)のAlGaAs井戸層を有するAlGaAs
MQW活性層43を形成する。引き続き、MO−CVD
法によりAlGaAsバッファ層44、InGaAlPクラッド層4
4、InGaAlPまたはInGaPエッチングストップ層46及び
InGaAlPクラッド層47を形成する。
【0046】次に図7に示すように、例えばSiO2膜70
を全面に形成する。このSiO2膜70は窓構造を形成する
際の亜鉛拡散のマスクとして用いるものである。そのた
め、亜鉛拡散を行うキャビティ端面から数μm〜40μ
m程度の領域のSiO2膜70を、リソグラフィ技術とエッ
チングにより除去してInGaAlPクラッド層47の表面を
露出させる。
【0047】次に図8に示すように、全面に亜鉛を含む
p型GaAs層71を形成する。このp型GaAs層71は亜鉛
の拡散源となる。そしてn型GaAs層71の成長中に、前
工程においてSiO2膜70を除去した領域の活性層43、
クラッド層41、45、47、バッファ層42、44及
びエッチングストップ層46内に亜鉛が拡散する。その
結果、亜鉛が拡散された領域52は全てp型の導電性を
有することとなる。なお、亜鉛拡散の方法は上記の方法
に限らず、少なくとも活性層43に亜鉛を拡散できれば
どのような方法を用いてもかまわない。また活性層のバ
ンドギャップを拡大できる材料であれば、前述の通り拡
散すべき材料は亜鉛に限られるものでもない。
【0048】次に図9に示すように、n型GaAs層71及
びSiO2膜70をエッチングにより除去する。
【0049】次に図10に示すように、リソグラフィ技
術とエッチングによりInGaAlPクラッド層47、47’
を図示するようなリッジストライプ形状にパターニング
する。なお、このパターニングの工程前までに、上記半
導体レーザ素子31と別の工程により半導体レーザ素子
32、33のp型InGaAlPクラッド層67まで形成す
る。勿論一部工程を半導体レーザ素子31の製造工程と
共通に行ってもかまわない。半導体レーザ素子31乃至
33のクラッド層の材料はInGaAlPで共通であるため、
このリッジストライプ形状のパターニング工程は半導体
レーザ素子31乃至33について同一の工程で行う。こ
の後の工程も半導体レーザ素子31乃至33について共
通の工程で行うことが出来る。
【0050】次に図11に示すように、全面にn型GaAs
電流阻止層48を形成する。そしてリッジストライプ形
状のp型InGaAlPクラッド層47、67上のn型GaAs電
流阻止層48を除去する。なお、半導体レーザ素子31
において窓構造を形成した領域52では、亜鉛を拡散し
たことにより全ての層がp型化しているため、この領域
には電流を注入しないよう、p型InGaAlPクラッド層4
7’上にn型GaAs電流阻止層48を残存させる。
【0051】その後は全面にp型GaAsコンタクト層49
を形成し、このp型GaAsコンタクト層49上及びn型Ga
As基板40裏面にそれぞれp型電極50及びn型電極5
1を形成して図12のような半導体レーザ素子31を完
成する。
【0052】なお、DBR領域についてもp型GaAsコン
タクト層49の形成工程以降は活性層領域と同時に行う
ことが出来る。そしてp型電極50形成後は、このp型
電極50を活性層領域とDBR領域とで分離させる。
【0053】上記のような構成によれば、光学非線形結
晶により発生させた第2次高調波により青紫色レーザを
得るSHGレーザにおいて、光学非線形結晶の励起光を
発生する赤外半導体レーザ素子31に、キャビティ端面
近傍に亜鉛を拡散させた窓構造を採用している。この窓
構造を用いることによりキャビティ端面近傍のバンドギ
ャップが拡大され、端面付近での光の吸収を低減でき
る。この点について図13(a)、(b)を用いて説明
する。図13(a)は赤外半導体レーザ素子31の亜鉛
を拡散させない領域における各層の積層方向のバンドダ
イアグラム、図13(b)はAlGaAs井戸層のキャビティ
方向に沿ったバンドダイアグラムである。
【0054】図13(a)に示すように、亜鉛を拡散し
ない領域ではInGaAlPクラッド層、AlGaAsバッファ層、
そして活性層のAlGaAs井戸層とAlGaAsバリア層のバンド
ギャップ差は明確で、各層の境界がクリアである。そし
て、電子、ホールが共に量子井戸に閉じこめられるバン
ド構造となっている。なおAlGaAsバッファ層は、InGaAl
Pクラッド層とAlGaAs MQW活性層とのバンドギャッ
プ差が大きいために生じるバンド不連続を回避するため
に設けられ、両者の中間のバンドギャップを有してい
る。また発光層は井戸層であり、井戸層内に形成された
電子及びホールの量子準位間の遷移に相当する誘導放出
光が得られる。この誘導放出光のエネルギーはバリア層
のバンドギャップエネルギーよりも当然ながら小さい。
【0055】上記のような構造に亜鉛を拡散して窓構造
を形成すると、各層が亜鉛との混晶を形成する。そのた
め、バンドギャップの小さなAlGaAs井戸層では特にバン
ドギャップの拡大が生じる。逆にバンドギャップの大き
なInGaAlPクラッド層等ではそれほどバンドギャップの
変化は起こらない。AlGaAs井戸層はAlGaAsバリア層とほ
ぼ同じバンドギャップを持つようになり、活性層は無秩
序化されて、AlGaAs井戸層とAlGaAsバリア層との境界が
実質的に無くなる。上記井戸層のキャビティ方向に沿っ
たバンドダイアグラムが図13(b)である。窓構造を
有しない活性層の井戸層で発生した誘導放出光のエネル
ギーをEg(light)、無秩序化された井戸層のバンド
ギャップエネルギーをバリア層と同じエネルギーとおい
てEg(barrier)とすれば、それらのエネルギーの関係
は、Eg(light)<Eg(barrier)である。そのため、無
秩序化された井戸層内ではEg(light)のエネルギーを
有する誘導放出光は、このキャビティ端面の井戸層のバ
ンドギャップエネルギーEg(barrier)よりも小さいた
め吸収されない。このようにしてEg(light)=hν=
(h・c)/(neff・λ)(h:プランク定数、
ν:振動数、c:真空中の光速、neff:屈折率、
λ:波長)の波長のレーザ光の吸収を抑制することで、
キャビティ端面でのCODを抑制でき、発振波長の更な
る短波長化及び高出力化が可能となる。すなわち、従来
の発振波長850nm、光強度40mWの赤外レーザ光
を、発振波長810nmに短波長化し、更に光強度を高
めることにより、発振波長405nm、光強度5mWの
HD−DVDに対応できる短波長、高出力のSHGレー
ザを実現できる。
【0056】また、光学非線形結晶を励起する発振波長
810nmの赤外レーザ光L2を出力する半導体レーザ
素子31をDBRレーザとし、活性層領域とDBR領域
とを別個に励起できる構造としている。そのため半導体
レーザ素子31は単一縦モード発振が可能となり、また
DBR領域に注入する電流により実効屈折率を変化させ
ることでその発振波長を精密に制御できる。このように
発振波長を光学非線形結晶における変換効率の高い帯域
に合わせ込むことが出来るため、青紫色レーザ光の高出
力化が図れる。
【0057】更に半導体レーザ素子の一方のクラッド層
をリッジストライプ形状とし、そのリッジ側部には光吸
収性の電流阻止層48が設けるSBR構造としている。
クラッド層をSBR構造とすることにより、クラッド層
からしみ出る光をn型GaAs電流阻止層48によって吸収
することが出来、更にn型GaAs電流阻止層48を設ける
ことでリッジ型クラッド層部分の実効屈折率を大きくす
ることが出来るので、レーザ光の横モードを単一に出来
る。そのためレーザ光を十分に絞り込むことが可能とな
る。更に半導体レーザ素子31については、レーザ光を
絞り込むことにより光学非線形結晶での変換効率を向上
できる。
【0058】また半導体レーザ30は、同一基板上にモ
ノリシックに形成された半導体レーザ素子31、32、
33を有しており、それぞれの発振波長が780nm、
810nm、635nmの多波長レーザである。且つ発
振波長810nmの赤外レーザ光L1の第2次高調波に
より発振波長405nmの青紫色レーザ光を得ることに
より、ワンチップでCD、DVD、HD−DVDに対応
したピックアップ光源を構成できる。なお、本実施形態
では半導体レーザ素子33の発振波長を635nmとし
ているが、680nmのMD(Mini-Disc)に対応する
光源としても良い。また、それぞれの半導体レーザ素子
の発振波長は上記の600〜800nmの波長帯域に限
るものではなく、用途によっては例えば0.98μm〜
の通信用の長波長レーザを組み合わせても良いし、次世
代メディアによっては紫外域や緑色の波長帯域で発振す
る半導体レーザとの組み合わせにも応用できる。
【0059】そして上記半導体レーザ素子31、32、
33のp型クラッド層にはInGaAlPを用いている。その
ためp型クラッド層形成後のリッジストライプ形成工程
等を上記3つの半導体レーザ素子について同一の工程に
て行うことが出来る。すなわちリッジストライプ形成時
のリソグラフィ工程や、その後のn型GaAs電流阻止層4
8、p型GaAsコンタクト層49の形成が1回で済むた
め、製造工程が簡略化でき製造コストを削減できる。
【0060】また上記半導体レーザ素子31、32、3
3がモノリシックに形成されていることから、発振波長
が780nm、635nm、405nmのレーザ光L
2、L3、L4の出射点間隔を高精度に制御でき、C
D、DVD、HD−DVD等の光ピックアップとしての
生産性を向上できる。上記半導体レーザ素子31、3
2、33を個々の半導体レーザとして形成した場合にお
いても、同一のAlN基板10上に搭載することにより光
学系をコンパクトに出来るため、やはり光ピックアップ
としての生産性を向上できる。
【0061】更に、Al基板10上に半導体レーザ30の
電極パターン11を形成し、半導体レーザ30をこの電
極11に接続するようにジャンクションダウンでマウン
トしている。そのため、半導体レーザ30が発生する熱
を効率よく放出できるため光出力の熱飽和を防止し、よ
り一層の光出力を向上できる。
【0062】上記のように、本発明による構成によれ
ば、多波長半導体レーザを含むSHGレーザの出力を向
上し、且つ各メディアに対応した光源を実現することに
より、SHGレーザの性能及び信頼性を向上できる。
【0063】なお、本願発明は上記実施形態に限定され
るものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範
囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施
形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される
複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の
発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構
成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が
解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発
明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合に
は、この構成要件が削除された構成が発明として抽出さ
れうる。
【0064】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、半導体レーザにおける短波長化、高出力化を安定し
て実現することにより、高性能、高信頼性のSHGレー
ザを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態に係るSHGレーザの斜視
図。
【図2】この発明の実施形態に係るSHGレーザにおけ
る光学非線形結晶用の発振波長が810nmの赤外域半
導体レーザ素子の断面斜視図。
【図3】この発明の実施形態に係るSHGレーザにおけ
る光学非線形結晶用の発振波長が810nmの赤外域半
導体レーザ素子の断面図で、(a)図は活性層領域中央
部、(b)図はキャビティ端面の断面図。
【図4】この発明の実施形態に係るSHGレーザにおけ
る発振波長が635nmの赤色半導体レーザ素子の断面
斜視図。
【図5】この発明の実施形態に係るSHGレーザにおけ
る発振波長が635nmの赤色半導体レーザ素子の断面
図。
【図6】この発明の実施形態に係るSHGレーザにおけ
る光学非線形結晶用の発振波長が810nmの赤外域半
導体レーザ素子の第1の製造工程の断面斜視図。
【図7】この発明の実施形態に係るSHGレーザにおけ
る光学非線形結晶用の発振波長が810nmの赤外域半
導体レーザ素子の第2の製造工程の断面斜視図。
【図8】この発明の実施形態に係るSHGレーザにおけ
る光学非線形結晶用の発振波長が810nmの赤外域半
導体レーザ素子の第3の製造工程の断面斜視図。
【図9】この発明の実施形態に係るSHGレーザにおけ
る光学非線形結晶用の発振波長が810nmの赤外域半
導体レーザ素子の第4の製造工程の断面斜視図。
【図10】この発明の実施形態に係るSHGレーザにお
ける光学非線形結晶用の発振波長が810nmの赤外域
半導体レーザ素子の第5の製造工程の断面斜視図。
【図11】この発明の実施形態に係るSHGレーザにお
ける光学非線形結晶用の発振波長が810nmの赤外域
半導体レーザ素子の第6の製造工程の断面斜視図。
【図12】この発明の実施形態に係るSHGレーザにお
ける光学非線形結晶用の発振波長が810nmの赤外域
半導体レーザ素子の第7の製造工程の断面斜視図。
【図13】この発明の実施形態に係るSHGレーザにお
ける光学非線形結晶用の発振波長が810nmの赤外域
半導体レーザ素子のバンドダイアグラムで、(a)図は
積層方向、(b)図はキャビティ方向のバンドダイアグ
ラム。
【図14】従来のSHGレーザの斜視図。
【符号の説明】
10、100…絶縁基板 11…電極パターン 20、200…QPM−SHG結晶 21、210…非線形結晶 22、220…光導波路 23、230…分極反転領域 24、240…高屈折率膜 30、300…半導体レーザ 31〜33…半導体レーザ素子 34〜36…レーザ光出射端面 40…GaAs基板 41、41’45、45’、47、47’、55、6
1、65、67…InGaAlPクラッド層 42、42’、44、44’…AlGaAsバッファ層 43、43’…AlGaAs MQW活性層 46、46’、66…エッチングストップ層 48…GaAs電流阻止層 49…GaAsコンタクト層 50、51、310、320…電極 52…亜鉛拡散領域 53…回折格子 54…AlGaAs光導波層 56…分離溝 62、64…InGaAlPガイド層 63…InGaP/InGaAlP MQW活性層 70…マスク材 71…亜鉛拡散源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2K002 AA05 AB12 BA01 CA03 DA06 FA27 FA28 HA20 5F073 AA13 AA45 AA53 AA65 AA74 AA87 AB06 AB21 AB23 BA05 CA05 CA14 CB19 DA12 EA28 FA15 FA16

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁性基板上に設けられ、励起光を受け
    て該励起光の第2次高調波を発生する光学非線形結晶
    と、前記光学非線形結晶への前記励起光を発生する半導
    体レーザとを備えるSHGレーザであって、前記半導体
    レーザは、 半導体基板上に設けられた第1クラッド層と、前記第1
    クラッド層上に設けられ誘導放出光を発生する活性層
    と、前記活性層上に設けられた第2クラッド層とを備え
    る活性層領域と、 前記活性層領域に直接結合するようにして前記半導体基
    板上に設けられ、所定の周期を有する複数の溝からなる
    回折格子を備えるDBR領域とを具備し、前記回折格子
    の周期により発振波長が制御されるDBRレーザであ
    り、 前記活性層領域の前記DBR領域と結合する面に対向す
    る端面近傍は、少なくとも前記活性層のバンドギャップ
    を拡大する不純物を含有する窓構造であることを特徴と
    するSHGレーザ。
  2. 【請求項2】 絶縁性基板上に設けられ、励起光を受け
    て該励起光の第2次高調波を発生する光学非線形結晶
    と、前記光学非線形結晶への前記励起光を発生する半導
    体レーザとを備えるSHGレーザであって、前記半導体
    レーザは、 発振波長が800nm以上、840nm未満の赤外領域
    のレーザ光を発生する第1半導体レーザ素子と、 少なくとも発振波長が600nm帯の赤色領域のレーザ
    光を発生する第2半導体レーザ素子、または発振波長が
    780nm帯の赤外領域のレーザ光を発生する第3半導
    体レーザ素子のいずれか一方とを具備する多波長レーザ
    であり、 前記第1半導体レーザ素子の発生する赤外領域のレーザ
    光は、前記光学非線形結晶に入射するように配置され、 前記光学非線形結晶は、前記第1半導体レーザ素子の発
    生する赤外領域のレーザ光の第2次高調波である青紫色
    レーザ光を発生することを特徴とするSHGレーザ。
  3. 【請求項3】 絶縁性基板上に設けられ、励起光を受け
    て該励起光の第2次高調波を発生する光学非線形結晶
    と、前記光学非線形結晶への前記励起光を発生する半導
    体レーザとを備えるSHGレーザであって、前記半導体
    レーザは、 発振波長が800nm以上、840nm未満の赤外領域
    のレーザ光を発生する第1半導体レーザ素子と、 少なくとも発振波長が600nm帯の赤色領域のレーザ
    光を発生する第2半導体レーザ素子、または発振波長が
    780nm帯の赤外領域のレーザ光を発生する第3半導
    体レーザ素子のいずれか一方とを具備する多波長レーザ
    であり、前記第1半導体レーザ素子は、 半導体基板上に設けられた第1クラッド層と、前記第1
    クラッド層上に設けられ誘導放出光を発生する活性層
    と、前記活性層上に設けられた第2クラッド層とを備え
    る活性層領域と、 前記活性層領域に直接結合するようにして前記半導体基
    板上に設けられ、所定の周期を有する複数の溝からなる
    回折格子を備えるDBR領域とを具備し、前記回折格子
    の周期により発振波長が制御されるDBRレーザであ
    り、 前記活性層領域の前記DBR領域と結合する面に対向す
    る端面近傍は、少なくとも前記活性層のバンドギャップ
    を拡大する不純物を含有する窓構造であり、 前記第1半導体レーザ素子の発生する赤外領域のレーザ
    光は、前記光学非線形結晶に入射するように配置され、 前記光学非線形結晶は、前記第1半導体レーザ素子の発
    生する赤外領域のレーザ光の第2次高調波である青紫色
    レーザ光を発生することを特徴とするSHGレーザ。
  4. 【請求項4】 前記第2クラッド層の少なくとも一部
    は、前記活性層内で発生する誘導放出光が導波する方向
    に沿って設けられたリッジストライプ形状を有し、 前記第2クラッド層のリッジストライプに隣接する領域
    には、光吸収性の電流阻止層を更に備えることを特徴と
    する請求項1または3記載のSHGレーザ。
  5. 【請求項5】 前記第1乃至第3半導体レーザ素子は、
    同一半導体基板上にモノリシックに形成されていること
    を特徴とする請求項2乃至4いずれか1項記載のSHG
    レーザ。
  6. 【請求項6】 前記活性層領域及びDBR領域を励起す
    るための電極は電気的に分離され、 前記DBR領域に注入する電流を前記活性層領域とは別
    個に制御することにより、該活性層領域が発生する誘導
    放出光のうち所望の波長を選択することを特徴とする請
    求項1、3乃至5いずれか1項記載のSHGレーザ
  7. 【請求項7】 前記絶縁性基板は前記半導体レーザの主
    表面に設けられた電極に対応する電極パターンを有し、 前記半導体レーザは、前記絶縁性基板上に前記主表面を
    下にして配置されるジャンクションダウンでマウントさ
    れていることを特徴とする請求項1乃至6いずれか1項
    記載のSHGレーザ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2009110388A1 (ja) * 2008-03-04 2009-09-11 Jsr株式会社 感放射線性組成物及び重合体並びに単量体
US8472495B2 (en) 2011-06-16 2013-06-25 Mitsubishi Electric Corporation Laser device and method of manufacture thereof

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