JP2002076512A

JP2002076512A - 半導体レーザ装置及び光システム装置

Info

Publication number: JP2002076512A
Application number: JP2000268345A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Tanaka; 俊明田中; Makoto Takahashi; 誠高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【課題】低消費電力で駆動できる半導体レーザ装置の
提供。レーザ光の円形ビーム状化を図る。【解決手段】半導体基板に設けた光導波路の端からレ
ーザ光を出射する半導体レーザ装置であって、前記光導
波路は、光学利得を発生してレーザ発振を行う利得発生
領域と、前記利得発生領域に連なり前記利得発生領域で
発生したレーザ光の横モードを基本横モードとするとと
もに前記レーザ光を円形ビーム状に変換制御するモード
変換領域と、前記モード変換領域に連なり前記モード変
換領域によって制御されたレーザ光を安定に伝搬させる
ビーム形状制御領域とで構成され、前記ビーム形状制御
領域の端のレーザ光出射部分は光吸収を低減することの
できる窓構造になっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装置
及び前記半導体レーザ装置を搭載した光情報処理装置或
いは光通信装置等の光システム装置に係わり、特に光導
波路（以下単に導波路とも呼称）の構造に関し、例え
ば、光信号処理を行うために出射面から出射するレーザ
光のビーム形状を円形状に近づける技術に適用して重要
な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体発光装置、特に半導体レー
ザ素子（半導体レーザ装置）では、高性能化に対して導
波路に対する様々な試みがなされている。しかしなが
ら、信頼度が高く精度よく制御された技術により、完成
度の高い製品レベルに達している導波路素子構造につい
ての例は少ない。

【０００３】これまで例えばレーザ光源のビーム形状を
円形状にして、光信号処理を行うための装置において、
光学系を簡略化することや光ファイバとのカップリング
効率を向上させることが試みられている。このために、
狭い導波路を段差基板上に作製して、ビーム形状を円形
状に近づける検討がなされている。

【０００４】この例としては、（１）アプライド・フィ
ジックス・レタース1993年63巻pp.1736-1738頁(Appl. P
hys. Lett. 1993, vol.63, pp1736-1738) 、（２）エレ
クトロニクス・レタース1998年34巻６号551-552 頁(Ele
ctron.Lett. 1998, vol.34,No.6, pp.551-552) におい
て示されている。

【０００５】また、半導体レーザ装置において、レーザ
光出射部分での光吸収の低減を図る技術として、例え
ば、アイ・イー・イー・イー，ジャーナル・オブ・クゥ
オンタム・エレクトロニクス（IEEE JOURNAL OF QUANTU
M ELECTRONICS ），VOL.29,No.6,JUNE 1993,PP1874-187
8 には、光吸収を低減する窓構造（Window Laser Diod
e）が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記文献に記載されて
いる例では、ストライプ幅が１.１μｍの非常に狭い導
波路において、縦横レーザビーム光分布の比が１に近い
円形状となっていることが報告されている。しかしなが
ら、狭い導波路であることに影響して１０ｍＷを超える
安定した高出力特性は得られておらず、高温側での光出
力飽和が容易に生じやすいといった課題があった。

【０００７】本発明の目的は、レーザ光を円形状のビー
ムとし、かつ低閾値高効率動作を図り、さらには高出力
安定動作と高温側での出力飽和レベルの向上を達成でき
る半導体レーザ装置を提供することにある。

【０００８】本発明の前記並びにその他の目的と新規な
特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになる
であろう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記の通りである。

【００１０】（１）半導体基板に設けた光導波路の端か
らレーザ光を出射する半導体レーザ装置であって、前記
光導波路は、光学利得を大きく発生して高出力まで安定
したレーザ発振を行う利得発生領域と、前記利得発生領
域に連なり前記利得発生領域で発生したレーザ光の横モ
ードを基本横モードとするとともに前記レーザ光を円形
ビーム状に変換制御するモード変換領域と、前記モード
変換領域に連なり前記モード変換領域によって制御され
たレーザ光を安定に伝搬させるビーム形状制御領域とで
構成され、前記ビーム形状制御領域の端のレーザ光出射
部分は光吸収を低減することのできる窓構造になってい
る。

【００１１】これにより、レーザ光を円形状のビームと
することができるとともに、低閾値高効率動作が図れ、
さらには高出力安定動作と高温側での出力飽和レベルの
向上を達成することができる。

【００１２】また、光情報処理装置や光通信装置等の光
システム装置に、光源として前記構成の半導体レーザ装
置を組み込んだ場合、光学系の簡略化や光ファイバカッ
プリング効率の向上が図れるとともに低消費電力化が達
成できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態及び実施例について説明する。なお、発明の実
施の形態や実施例を説明するための全図において、同一
機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説
明は省略する。

【００１４】（実施形態１）本実施形態１では、光通信
装置や光情報処理装置のシステム装置において、光源で
ある半導体レーザ素子に望まれる素子特性の仕様を満足
する手法について述べる。レーザ素子の特性では、高出
力特性を確保しつつ、光学系の簡略化や光ファイバとの
カップリング効率向上、レーザ光の有効使用効率の向上
等を図るために、レーザビーム形状を円形状に制御する
導波路構造の工夫が必要となる。低閾値高効率動作や低
動作電流及び低動作電圧により消費電力を低減し、高温
度特性及び高信頼性を確保した上に、上記の高出力特性
やビーム形状制御を両立させることが重要であり、本発
明ではこれらの素子特性を両立させていく解決策につい
て示す。

【００１５】本実施形態１の半導体レーザ装置では、半
導体レーザ素子９０を構成する半導体基板９１上に設け
る導波路（導波路領域）９２の構成を複合化して、それ
ぞれの領域において、必要とされる機能を分担して持た
せることにより要求仕様に対応させる。

【００１６】本実施形態１の複合導波路構造では、少な
くとも以下の３つの導波路領域に分割して、それぞれ機
能を持たせる。１つには光学利得を大きく発生して高出
力まで安定にレーザ発振を維持させる利得領域の導波路
Ｉ（利得領域Ｉ）と、２つには該利得領域にて発生した
レーザ光の横モードを基本横モードに安定に保ったまま
円形状のビームに変換制御するモード変換領域の導波路
II（モード変換領域II）と、さらに３つめとして該モー
ド変換領域によってビーム形状制御されたレーザ光を安
定に伝搬させるビーム形状制御領域の導波路III（ビー
ム形状制御領域III）とを有する。

【００１７】また、本実施形態１の半導体レーザ装置で
は前記安定伝搬用導波路の端のレーザ光出射部分は光吸
収を低減することのできる窓構造による透明導波路にな
っている。即ち、導波路９２は半導体基板９１上に設け
られる活性層９５や該活性層９５の上下に設けられる相
互に導電型が異なる光導波層９４，９６等によって形成
される。そこで、該活性層９５及び光導波層９４，９６
を含む部分に不純物を選択的に拡散して不純物拡散窓構
造領域９８を形成して窓構造を形成している。窓構造部
分では、光吸収を抑制し端面破壊により光出力が制限さ
れない構造となる。

【００１８】本実施形態による導波路構成に関して、ま
ず図１を用いて説明する。図１に示す利得領域の導波路
Ｉ（利得領域Ｉ）では、高出力特性に対応するため、利
得を大きく発生させ光出力を大きくする構成として導波
路ストライプ幅を横モードが不安定にならない範囲で広
く設定する。

【００１９】モード変換領域の導波路II（モード変換領
域II）では、テーパ状に導波路ストライプ幅を狭くして
いき、横モードの分布を制御して円形状にビームを調整
する。

【００２０】出射端面近傍では不純物拡散やイオン打ち
込みによって透明窓構造（不純物拡散窓構造領域９８）
を設定し、ストライプ幅の狭い領域において光密度が大
きくなっても端面破壊が生じないように透明領域導波路
を構成し、レーザ光ビームが出射面に到達し高い光出力
が発生できるようにする。

【００２１】次に、本内容の導波路を伝搬するレーザ光
の分布を制御するための設計指針を議論する。出射面で
のレーザ光の遠視野像分布は円形状に近いことが望まし
く、導波路の各パラメータによりビームを制御するため
に具体的な数値を設定することにより説明する。導波路
を伝搬するレーザ光分布をビーム伝搬法によって計算
し、水平垂直の遠視野像半値幅や水平垂直分布のアスペ
クト比及びレーザ光分布の入射反射光強度比を求めて、
比較検討を行った。

【００２２】図２は本内容の導波路（導波路領域）９２
を上面から見た概略を示すが、モード変換領域の長さを
L₁とし、ビーム形状制御領域の透明導波路の長さをL₂と
して、また前面出射面のストライプ幅をW_fとし、後面出
射面のストライプ幅をW_rとする。

【００２３】図３では、レーザ光分布の入射反射光強度
比を求める説明をする。入射光は、利得領域Ｉにおいて
発生した導波光分布関数Ψ_i(x)がモード変換領域IIを通
って分布関数が変換されビーム形状制御領域III の共振
器面より出射するものとされる。

【００２４】仮想的に、鏡像関係にある導波路を図３の
点線で示すように設けて、導波光が領域III の共振器面
から出射し連続して伝搬していくように想定する。この
ようにすると、実際は領域III の共振器面で反射して戻
ってくる導波光の分布形状や反射光の分布を入射光分布
と重ね合わせて入射反射光強度比を求めることが容易に
なる。この際、反射光の分布は、仮想的な領域III ’を
通って仮想的なモード変換領域II' において変換され領
域Ｉ' における導波光の分布関数Ψ_r(x)として想定され
る。入射反射光強度比Crは、入射光の分布関数Ψ_i(x)と
反射光の分布関数Ψ_r(x)の重ね合わせΨ_i(x)Ψ_r(x)を積
分して２乗した絶対値に対して、分布関数Ψ_i(x)の絶対
値の２乗即ち｜Ψ_i(x)｜２の積分値及び分布関数Ψ_r(x)
の絶対値の２乗即ち｜Ψ_r(x)｜２の積分値によって割っ
た値として求められる。

【００２５】以上をもとにして、具体的な例として、上
面形状の図２に示した各導波路パラメータに対応する水
平垂直の遠視野像半値幅や水平垂直分布のアスペクト比
及びレーザ光分布の入射反射光強度比を見積ってみる。
例として、上面形状は図２であり、断面形状は図４、図
５及び図６に示した内容で、材料系はGaAs/AlGaAs 系や
GaInP/AlGaInP 系やGaInAs/GaInAsP系及びGaInAsP/InP
系に適用するものとする。

【００２６】まず水平方向の遠視野像半値幅FFPhを前方
出射面のストライプ幅W_fに対応させて、その傾向につい
てビーム伝搬法によるビーム形状を計算することにより
求めた。図７に示す結果は、後方出射面のストライプ幅
W_rが４．０μｍ、モード変換領域の長さL₁が２０μｍ、
ビーム形状制御領域の長さL₂が２０μｍの時に、FFPhと
W_fの関係を示した結果である。この傾向により、水平方
向の導波光分布を大きくするには前方出射面のストライ
プ幅を小さくし、３μｍより小さくなると急激に増大す
ることが判る。FFPhの変化は、W_fを小さくしていくと、
３倍程度の増大が見て取れる。

【００２７】図８では、同様な条件のもと、垂直方向の
遠視野像半値幅FFPvを前方出射面のストライプ幅W_fに対
応させて関係を求めた。W_fに対するFFPvの変化は小さく
約３度程度であることが判る。これにより、W_fを制御し
てFFPvを大きく変化させず、FFPhを１０度以下から２倍
以上の１５度以上の値にまで拡大できることが判明し
た。

【００２８】次に図９では、垂直方向の遠視野像半値幅
FFPvと水平方向の遠視野像半値幅FFPhのアスペクト比を
W_fに対応させて求めた。W_fが３μｍ以下になると、アス
ペクト比は１．５以下にできることが見積られた。W_fが
２μｍ強ではアスペクト比を１にでき、完全に真円状に
ビーム形を制御できることが判る。ここで、入射反射光
強度比Crの判定は、導波光の反射によるカップリング効
率を判定し、本内容のテーパ状導波路の伝搬効率やレー
ザ光の効率を見積っていく上で、非常に有力な判断基準
となる。

【００２９】図１０では、入射反射光強度比Crを前方出
射面のストライプ幅W_fに対応させて、CrとW_fの関係を調
べた結果である。W_fが２μｍ以下になると急激にCrは減
少しており、反射光のカップリング効率が悪化している
ことが判る。Crを０．９以上に保てる有効な導波路とし
ては、W_fが約２．２μｍ以上である必要があり、W_fが４
μｍ以上ではCrは１に近い状況である。アスペクト比を
１．５以下とし、かつ入射反射光強度比Crを０．９以上
確保できる導波路賭しては、W_fを２．２μｍ以上３μｍ
以下の範囲が望ましい。

【００３０】このようにして、各導波路パラメータに依
存する水平垂直の遠視野像半値幅や水平垂直分布のアス
ペクト比及びレーザ光分布の入射反射光強度比を判定し
ていくことにより、最適な導波路設計の指針を得ること
が可能である。

【００３１】次に、例として、水平方向の遠視野像半値
幅FFPhを後方出射面のストライプ幅W_rに対応させて、そ
の傾向についてビーム伝搬法によるビーム形状を計算す
ることにより求めた。図１１に示す結果は、前方出射面
のストライプ幅W_fが２．６μｍ、モード変換領域の長さ
L₁が２０μｍ、ビーム形状制御領域の長さL₂が２０μｍ
の時に、FFPhとW_rの関係を示した結果である。

【００３２】この傾向により、ストレートの場合よりも
後方出射面のストライプ幅W_rを広くしていき、５μｍ弱
まで拡げることにより、FFPhを大きくできることが判
る。後方出射面のストライプ幅W_rが前方出射面のストラ
イプ幅W_fより約２μｍ以上広いテーパ状導波路におい
て、最もFFPhを大きくできることが判明した。W_rを拡げ
ると、FFPhの変化は約５０％の増大が見て取れる。図１
２では、同様な条件のもと、入射反射光強度比Crを後方
出射面のストライプ幅W_rに対応させて関係を求めた。

【００３３】W_rに対するCrの変化はそれほど大きくない
が、W_rが５μｍ弱より大きくなると、Crは０．９よりも
小さくなる。これは、W_rを拡げ過ぎても入射光と反射光
のカップリング効率が悪くなることを示し、W_rが５μｍ
以上では導波路として効率の悪い伝搬となることを示唆
する。これにより、W_rを制御してFFPvを大きく変化させ
ず、FFPhを１０度以上大きく保ち上限まで大きくするに
は、W_rを約４．６μｍ程度まで拡大できかつその程度の
範囲までCrを大きく低減せず０．９以上を確保すること
が可能であることが判明した。

【００３４】さらに、例として、水平方向の遠視野像半
値幅FFPhをモード変換領域の長さL1に対応させて、その
傾向についてビーム伝搬法によるビーム形状を計算する
ことにより求めた。図１３に示す結果は、前方出射面の
ストライプ幅W_fが２．６μｍ、後方出射面のストライプ
幅W_rが４．０μｍ、ビーム形状制御領域の長さL₂が２０
μｍの時に、FFPhとL₁の関係を示した結果である。この
傾向により、モード変換領域の長さL₁は極端に短くても
また非常に長くても、FFPhの値を大きくできないことが
判る。L₁は約５μｍから約６０μｍの範囲において、FF
Phを１５度以上に設定することができ、L₁が１０μｍか
ら２０μｍの範囲でFFPhの最大値を得ることが可能であ
ることが判明した。

【００３５】図１４では、同様な条件のもと、入射反射
光強度比Crをモード変換領域の長さL₁に対応させて関係
を求めた。Crは、L₁が極端に短い場合を除いて０．９以
上の値を示し、比較的安定な導波路形状となっている。
L₁を１０μｍ以上とすることにより、Crは０．９以上を
確保できることが判る。これらにより、FFPhを大きく１
５度以上に確保するには、L₁を１０μｍから６０μｍの
範囲に設定するのが望ましく、最適には１０μｍ〜４０
μｍ範囲が有効であることが見い出せる。

【００３６】以上を総合して、モード変換領域を有する
テーパ状導波路形状の各導波路パラメータをビーム伝搬
法によって導波光の分布を見積っていくことにより、設
計指針を得ることができることを示し、かつ有力な設計
方針を取得できた。実際においても、図７や図９、図１
１及び図１３における計算結果に近い実験結果を得るこ
とができ、本計算結果を支持する傾向を得ている。本手
法が有効であり、本手法による設計指針とそれに基づく
結果が有力であることを示すことができた。

【００３７】また本素子の導波路構造において、モード
変換領域のテーパ状に設ける形状は、直線状或いは曲線
状とし、直線で利得領域とビーム形状制御領域透明導波
路とを結ぶか、或いは指数関数的に又はcosin hypabori
c 関数的に利得領域とビーム形状制御領域透明導波路と
を結ぶことにより構成されている。これらは要求される
素子特性の仕様やシステム装置の仕様により、目的に応
じてレーザ光の分布を滑らかに低損失で変換していき利
得領域とビーム形状制御領域透明導波路の間を安定に導
波伝搬できるようにすることが有効である。図１５はモ
ード変換領域の導波路IIの縁が指数関数的に変化する例
である。このようなパターンにすることによって損失の
低減を直線的に変化する場合に比較して少なくすること
ができる。

【００３８】本実施形態１の半導体レーザ素子は、モー
ド変換領域IIにおいて低損失で円形状のビーム光に変換
でき、かつ窓構造を有する透明導波路を通して高出力特
性が達成できるので、低閾値でかつ高効率のレーザ動作
が可能である。これに伴い、高出力時における動作電流
を低減できかつ動作電圧を低減できる。これらにより、
従来の手法に比べて、レーザ素子の高出力動作における
低消費電力化を実現でき、レーザ素子を駆動するドライ
バ装置の消費電力低減につなげることができる。

【００３９】本実施形態１の導波路構造では、上記特性
改善により高出力安定動作が得られ、かつシステム装置
に必要な高出力時における動作電流を２０〜３０％低減
し、高出力時の動作電圧についても、１０〜２０％の改
善が可能であった。さらにレーザ素子を駆動するドライ
ブ装置では、本手法により２５％から３０％の低消費電
力を図ることが達成できた。本素子を光源とすることに
より、実際に使用される環境でのシステム実用特仕様を
すべて満足する光通信や光情報処理のシステム装置を提
供する。

【００４０】次に本発明の実施例について以下に説明す
る。本発明は、光ピックアップ系を構成する光記録用光
源やシステム装置、あるいは光増幅器系を構成する光フ
ァイバ通信用信号増幅光源やシステム装置に対して適用
できる。また本半導体レーザ素子を組み込むことによっ
て、低消費電力で駆動するドライバ装置、低消費電力化
システム装置を提供することができる。

【００４１】（実施例１）図１、図４、図５及び図６は
本実施例１による半導体レーザ素子の構造を示す図であ
る。図１６（ａ），（ｂ）〜図２２（ａ），（ｂ）は半
導体レーザ素子の製造における各製造工程で断面を示す
図である。図１６（ａ），（ｂ）〜図２２（ａ），
（ｂ）の各図において、左側の図（ａ）は端面部窓構造
領域を示し、右側の図（ｂ）は半導体レーザ素子の中央
の導波路部分を示すものである。

【００４２】半導体レーザ素子の構造については、製造
説明を行いつつ説明する。本実施例１の半導体レーザ素
子９０は、図１に示すように、導波路（導波路領域）９
２は、利得領域Ｉと、この利得領域Ｉに連なるモード変
換領域II及びこのモード変換領域IIに連なるビーム形状
制御領域III とによって構成される複合導波路構造とな
っている。利得領域Ｉの一端はレーザ光を出射する出射
面となっている。また、レーザ光を出射するビーム形状
制御領域III の端の部分は不純物拡散窓構造領域９８と
なっていて、光吸収を低減させて損失を抑止する構造に
なっている。

【００４３】半導体レーザ素子９０は、半導体基板９１
の一面（主面）側にそれぞれ複数の半導体層を形成し、
それらの幾つかの層を加工して導波路（導波路領域）９
２を形成している。例えば、半導体基板９１と同じ導電
型からなる光導波層９４上に活性層９５を形成し、その
上に逆導電型からなる光導波層９６が形成され、この光
導波層９６の上方の層によって導波路（導波路領域）９
２が形成されている。

【００４４】次に、具体的な半導体レーザ素子９０の素
子構造について、その製造に基づいて説明する。本実施
形態１では、図１に示すように、モード変換領域が片側
に１つで、片側前方出射面にのみテーパ状導波路を設け
た場合について説明する。

【００４５】図１６（ａ），（ｂ）に示すように、(10
0) 面方位から[011] 方向に１０°オフしたｎ型GaAs傾
角基板（半導体ｎ型GaAs基板）１上に、ｎ型GaAs緩和層
２、ｎ型AlGaInP 光導波層３、圧縮歪GaInP 量子井戸層
３層と引張歪AlGaInP 量子障壁層４層及び両側の無歪Al
GaInP 光分離閉じ込め層からなる歪補償多重量子井戸構
造活性層４、ｐ型AlGaInP 光導波層５、ｐ型AlGaInP エ
ッチング停止層６までを順次有機金属気相成長（ＭＯＶ
ＰＥ）法によりエピタキシャル成長させる。

【００４６】次に、図１６（ａ）に示すように、共振器
端面部のビーム形状制御に相当する領域に対して、イオ
ン打ち込みや不純物拡散による混晶化によって共振器内
部の活性層より共振器端面部の活性層の禁制帯幅が大き
くなるようにした窓構造領域７を形成し、レーザ光を吸
収しない透明窓導波路とする。

【００４７】このとき、ホトリソグラフィーを利用し
て、図２における透明窓導波路の長さL₂は、２μｍから
１００μｍの範囲とし、望ましくは５μｍから７０μｍ
の範囲、最適には１０μｍから５０μｍの範囲として設
定する。

【００４８】次に、図１７（ａ），（ｂ）に示すよう
に、ｐ型AlGaInP 光導波層８、ｐ型GaInP 層９を結晶成
長させる。その後、図１８（ａ），（ｂ）に示すよう
に、絶縁膜マスク１００を形成した後、ホトリソグラフ
ィー工程とエッチングにより、層６に到るまで層９及び
８を除去することにより、断面形状は図４に示すメサ形
状であり、上面形状は図２に示すテーパ状の導波路とな
るリッジストライプを形成する。

【００４９】次に、図１９（ａ），（ｂ）に示すよう
に、ｎ型AlGaAs又はAlGaInP 透明電流狭窄層１０を埋め
込み選択成長する。層１０は、レーザ光のエネルギーよ
りも大きな禁制帯幅をもちかつ光導波層８よりも屈折率
の小さな半導体層からなる。これにより、リッジストラ
イプは屈折率導波構造を有し、活性層横方向において実
屈折率差のある屈折率導波構造が形成される。この先
は、共振器端面部のビーム形状制御領域とモード変換領
域及び利得領域において、同一の作製工程により断面形
状の異なる導波路が構成される。即ち、リッジストライ
プを形成したときの絶縁膜マスク１００において、共振
器端面部のビーム形状制御領域とモード変換領域に相当
する長さまでをエッチング除去する。

【００５０】次に、図２０（ａ），（ｂ）に示すよう
に、ｎ型AlGaAs又はAlGaInP 電流非注入層１１を選択成
長させる。その後、絶縁膜マスクをすべて取り除いて、
ｐ型AlGaInP/GaInP 光導波層１２及びｐ型GaAsコンタク
ト層１３を結晶成長し埋め込む。

【００５１】次に、図２１（ａ），（ｂ）に示すよう
に、電流狭窄を行う絶縁膜マスク１４を形成する。

【００５２】次に、ｐ型GaAsコンタクト層１３上にｐ側
電極１５を形成するとともに、ｎ型GaAs傾角基板１の裏
面側にｎ側電極１６を蒸着し、劈開スクライブすること
により素子を切り出す。

【００５３】これらの各処理加工により、図４に示す共
振器端面部のビーム形状制御領域かつ透明窓構造領域に
相当する構造断面と、図５に示すモード変換領域に相当
する構造断面と、図６に示す利得領域に相当する構造断
面を有する素子構造を得ることができる。

【００５４】この際、電流非注入層１１により、透明窓
構造領域とモード変換領域は電流注入がなされず利得を
発生しない領域となり、透明窓構造領域とモード変換領
域以外は電流が注入され利得の発生によりレーザ発振す
る利得領域となる。モード変換領域の長さは、０μｍか
ら２００μｍの範囲とし、望ましくは５μｍから１２０
μｍの範囲、最適には１０μｍから６０μｍの範囲に設
定した。また、透明窓構造領域の導波路ストライプ幅は
１μｍから２０μｍの範囲とし、望ましくは１．５μｍ
から１０μｍの範囲、最適には２μｍから７μｍの範囲
に設定した。

【００５５】本素子は、発光活性層の量子井戸層の設計
により波長６３５〜６９０ｎｍ範囲で発振させることが
でき、最大光出力は１５０〜２００ｍＷを達成した。出
射端面部からの遠視野像半値幅を垂直方向１５〜２４度
と水平方向１３〜１８度とアスペクト比１．０から１．
５の範囲を得ることができ、円形状のビーム形状を達成
することができた。また、室温の閾値電流は２０〜４０
ｍＡ、スロープ効率は０．８〜１．２ｍＷ／ｍＡを得る
ことができた。

【００５６】本素子では、従来構造の素子に比べて、閾
値電流を２０〜３０％低減、スロープ効率を３０〜４０
％向上させた。動作電流の低減と併せて動作電圧の低減
を図ることができ、消費電力を２０％から３０％低減で
きた。温度８０℃で少なくとも５０ｍＷの高出力安定動
作が可能であり、１万時間以上にわたって動作継続し
た。本手法を用いた複合導波路構造により、連続電流や
パルス電流による駆動時においても、光記録システムか
ら要求される光出力特性を満足することができ、本素子
を駆動するドライバ装置の消費電力を２０％から３０％
低減することが可能であった。本素子による低消費電力
駆動のドライバ装置を実現でき、本ドライブ装置を搭載
したシステム装置を提供できる。

【００５７】（実施例２）本発明の実施例２について図
２３を用いて説明をする。実施例１と同様に阻止を作成
するが、層６まで同様に結晶成長した後、イオン打ち込
みや不純物拡散によって窓構造を図２３に示すように共
振器端面の両側に形成する。その後は、実施例１と全く
同様にして、素子を作製し図２３の素子構造図を得る。

【００５８】本実施例２によると、実施例１と同様に遠
視野像アスペクト比を１．０から１．５の範囲に設定で
き円形状のビーム形状を得ることができる上に、最大光
出力を向上させ２５０〜３００ｍＷにまで達成した。温
度８０℃で少なくとも８０ｍＷの高出力安定動作が可能
であり、１万時間以上にわたって動作継続した。本手法
を用いた導波路構造により、連続電流やパルス電流によ
る駆動時においても、光記録システムから要求される光
出力特性を満足することができ、本素子を駆動するドラ
イバ装置の消費電力を２０％から２５％低減することが
可能であった。本素子による低消費電力駆動のドライバ
装置を実現でき、本ドライバ装置を搭載したシステム装
置を提供できる。

【００５９】（実施例３）本発明の実施例３について、
図２４を用いて説明する。本実施例３においても実施例
２と同様に素子を作製するが、層８や９を同様に結晶成
長した後、テーパ状の導波路ストライプを共振器両側領
域に形成する。窓構造領域は、イオン打ち込みや不純物
拡散によって図２４に示すように共振器端面の両側に形
成する。その後は、実施例１や２と全く同様にして、素
子を作製し図２４の素子構造図を得る。

【００６０】本実施例によると、実施例１と同様に遠視
野像アスペクト比を１．０から１．５の範囲に設定でき
円形状のビーム形状を得ることができる上に、素子特性
は実施例２と同様なレベルを達成した。本手法を用いた
導波路構造により、連続電流やパルス電流による駆動時
においても、光記録システムから要求される光出力特性
を満足することができ、本素子を駆動するドライバ装置
の消費電力を２０％から２５％低減することが可能であ
った。本素子による低消費電力駆動のドライバ装置を実
現でき、本ドライバ装置を搭載したシステム装置を提供
できる。

【００６１】（実施例４）本発明の実施例４について図
２５を用いて説明する。実施例１と同様に素子を作製す
るが、層９まで同様に結晶成長した後、図２５に示すよ
うに層９からイオン打ち込みや不純物拡散によって窓構
造を形成する。窓構造領域は実施例１のように共振器端
面部の片側に作製するか、実施例２や３のように共振器
端面部の両側に作製する。その後は、実施例１や２及び
３と全く同様にして、素子を作製し図２５の素子構造断
面図を得る。

【００６２】本実施例によると、実施例１や２及び３と
同様に遠視野像アスペクト比を１．０から１．５の範囲
に設定でき円形状のビーム形状を得ることができる上
に、実施例１から３の素子特性と同様なレベルを得るこ
とが可能であった。本手法を用いた導波路構造により、
連続電流やパルス電流による駆動時においても、光記録
システムから要求される光出力特性を満足することがで
き、本素子を駆動するドライバ装置の消費電力を２０％
から２５％低減することが可能であった。本素子による
低消費電力駆動のドライバ装置を実現でき、本ドライバ
装置を搭載したシステム装置を提供できる。

【００６３】（実施例５）本発明の実施例５について、
図２６を用いて以下に説明する。図２６において、まず
(100)面方位を有するｎ型GaAs基板（半導体ｎ型GaAs基
板）１７上に、ｎ型GaAs緩和層１８、ｎ型AlGaAs又はGa
InP 光導波層１９、圧縮歪GaInAs量子井戸層２層と無歪
AlGaAs量子障壁層又は引張歪GaInAsP 量子障壁層３層及
び両側の無歪AlGaAs又はGaInAsP 光分離閉じ込め層から
なる歪多重量子井戸構造活性層２０、ｐ型AlGaAs又はGa
InP光導波層２１、ｐ型GaInAsPエッチング停止層２２を
結晶成長する。その後、共振器端面部のビーム形状制御
に相当する領域に対して、イオン打ち込みや不純物拡散
による混晶化によって共振器内部の活性層より共振器端
面部の活性層の禁制帯幅が大きくなるようにしたｐ型Al
GaAs又はGaInAsp からなる窓構造領域２１を形成し、レ
ーザ光を吸収しない透明窓導波路とする。このとき、ホ
トリソグラフィーを利用して、図２６における透明窓導
波路の長さL₂は、２μｍから１００μｍの範囲とし、望
ましくは５μｍから７０μｍの範囲、最適には１０μｍ
から５０μｍの範囲として設定する。次に、ｐ型AlGaAs
又はGaInP 光導波層２４、ｐ型GaAs又はGaInAsP 層２５
を結晶成長し、絶縁膜マスクを形成した後、ホトリソグ
ラフィー工程とエッチングにより、層２２に到るまで層
２５及び２４を除去することにより、断面形状は図２６
に示すメサ形状であり、上面形状は図２に示すテーパ状
の導波路となるリッジストライプを形成する。

【００６４】次に、ｎ型AlGaAs又はAlGaInP 透明電流狭
窄層２６を埋め込み選択成長する。層２６は、レーザ光
のエネルギーよりも大きな禁制帯幅をもちかつ光導波層
８よりも屈折率の小さな半導体層からなる。これによ
り、リッジストライプは屈折率導波構造を有しており、
活性層横方向において実屈折率差のある屈折率導波構造
が形成される。この先は、共振器端面部のビーム形状制
御領域とモード変換領域及び利得領域において、同一の
作製工程により断面形状の異なる導波路が構成される。
即ち、リッジストライプを形成したときの絶縁膜マスク
において、共振器端面部のビーム形状制御領域とモード
変換領域に相当する長さまでをエッチング除去し、その
後ｎ型AlGaAs又はAlGaInP 電流非注入層２７を選択成長
させる。その後、絶縁膜マスクをすべて取り除いて、ｐ
型AlGaAs又はGaInP 光導波層２８及びｐ型GaAsコンタク
ト層２９を結晶成長し埋め込む。次に電流狭窄を行う絶
縁膜マスク３０を形成した後、最後にｐ側電極３１とｎ
側電極３２を蒸着し、劈開スクライブすることにより素
子を切り出す。これらにより、共振器端面部のビーム形
状制御領域かつ透明窓構造領域に相当する構造断面と、
モード変換領域に相当する構造断面と、利得領域に相当
する構造断面を有する素子構造を実施例１と同様に得る
ことができる。この際、電流非注入層２７により、透明
窓構造領域とモード変換領域は電流注入がなされず利得
を発生しない領域となり、透明窓構造領域とモード変換
領域以外は電流が注入され利得の発生によりレーザ発振
する利得領域となる。モード変換領域の長さは、０μｍ
から２００μｍの範囲とし、望ましくは５μｍから１２
０μｍの範囲、最適には１０μｍから６０μｍの範囲に
設定した。また、透明窓構造領域の導波路ストライプ幅
は１μｍから２０μｍの範囲とし、望ましくは１．５μ
μから１０μｍの範囲、最適には２μｍから７μｍの範
囲に設定した。窓構造領域は実施例１のように共振器端
面部の片側に作製するか、実施例２や３のように共振器
端面部の両側に作製する。

【００６５】本素子は、発光活性層の量子井戸層の設計
により波長９７０〜９９０ｎｍ範囲で発振せることがで
き、最大光出力は８００〜９００ｍＷを達成した。実施
例１から４までと同様に、出射端面部からの遠視野像半
値幅を垂直方向１５〜２４度と水平方向１３〜１８度と
アスペクト比を１．０から１．５の範囲を得ることがで
き、円形状のビーム形状を達成することができた。また
室温の閾値電流は２０〜３０ｍＡスロープ効率０．９〜
１．３ｍＷ／ｍＡを得ることができた。本素子では、従
来の吸収層埋め込み構造の素子に比べて、閾値電流を２
０％〜２５％低減、スロープ効率を３０〜４０％向上さ
せたことになる。温度７０℃で少なくとも５００ｍＷの
高出力安定動作が可能であり、１０万時間以上にわたっ
て動作継続した。本手法を用いた導波路ストライプ構造
により、連続電流やパルス電流による駆動時において
も、光通信システムの増幅器に要求される光出力特性を
満足することができ、本素子を駆動するドライバ装置の
消費電力を１５％から２５％低減することが可能であっ
た。本内容により、本素子を搭載した低消費電力駆動の
ドライバ装置を搭載したシステム装置を提供できる。

【００６６】（実施例６）本発明の実施例６について図
２７を用いて説明する。実施例５と同様に素子を作製す
るが、層２５まで同様に結晶成長した後、図２７に示す
ように層２５からイオン打ち込みや不純物拡散によって
窓構造を形成する。窓構造領域は実施例１のように共振
器端面部の片側に作製するか、実施例２や３のように共
振器端面部の両側に作製する。その後は、実施例５と全
く同様にして、素子を作製し図２７の素子構造断面図を
得る。

【００６７】本実施例によると、実施例１から５と同様
に遠視野像アスペクト比を１．０から１．５の範囲に設
定でき円形状のビーム形状を得ることができる上に、実
施例５の素子特性と同様なレベルを得ることが可能であ
った。本手法を用いた導波路ストライプ構造により、連
続電流やパルス電流による駆動時においても、光通信シ
ステムの増幅器に要求される光出力特性を満足すること
ができ、本素子を駆動するドライバ装置の消費電力を１
５％から２５％低減することが可能であった。本内容に
より、本素子を搭載した低消費電力駆動のドライバ装置
を搭載したシステム装置を提供できる。

【００６８】（実施例７）本発明の実施例７について、
図２８を用いて説明する。本発明における実施例１から
４までの半導体レーザ素子を光記録システム装置の光源
に搭載して、図２８に示すような光ピックアップ系を構
成した。

【００６９】即ち、光ピックアップ系は、図２８に示す
ように、半導体レーザ素子３９から出射されるレーザ光
４２は、偏光分離回折格子３８，λ/ ４板３７を順次通
過し、ビームスプリッター３６および立ち上げミラー３
５でそれぞれ光路を変え、光学凸レンズ３４を通って光
ディスク３３の記録面に集光し結像する。また、光ディ
スク３３で反射した反射光４２ｂは、光学凸レンズ３４
を通り、立ち上げミラー３５で反射され、ビームスプリ
ッター３６を通過し、その後光学凸レンズ４０で集光さ
れて受光素子４１の受光面に集光する。

【００７０】本実施例によれば、光源である半導体レー
ザ素子３９は、出射端面部からレーザ光分布のアスペク
ト比を１．０から１．５の範囲で得ることができ、レー
ザ光分布を円形状のビーム形状として制御できる。この
ため、図２８の光ピックアップ系において、従来ではビ
ーム整形を行うビームスプリッタープリズムを必要とし
たが、円形状のレーザ光分布を有する本光源を適用する
ことにより、ハーフミラーによるビームスプリッター３
６を挿入するだけでよく光学系を簡略化低価格化させる
ことが可能であった。

【００７１】本レーザ光源は雰囲気温度８０℃でも光出
力８０ｍＷで動作することが確認でき、周波数２ＧＨｚ
以上のパルス駆動に対する高速変調特性、また戻り光量
５％の時でも−１３５ｄＢ／Ｈｚ以下の低雑音特性を得
ることができ、システム要求仕様をすべて満足すること
が可能であった。また、本発明の半導体レーザ素子の特
性改善により、素子を駆動するドライバ電源の低消費電
力化が可能となり、従来素子を駆動するよりも２５％か
ら３０％の消費電力低減を可能とした。本素子を光源と
して光ピックアップに搭載した光記録システム装置は、
１０⁶回以上の書き換え回数を達成し、１万時間以上の
連続動作にも安定継続した。

【００７２】（実施例８）本発明の実施例８について図
２９を用いて説明する。本実施例８では、実施例４と同
様に素子を作製するが、共振器端面のビーム形状制御領
域の断面形状を示す図２９において、最初に(100) 面方
位から[011] 方向に１０°オフしたｎ型GaAs傾角基板
(半導体ｎ型GaAs基板)４３上に、ｎ型GaInP 緩和層４
４、ｎ型AlGaAs又はAlGaInP 光導波層４５、AlGaInAs量
子井戸層３層とAlGaAs量子障壁層４層及び両側の無歪Al
GaAs光分離閉じ込め層からなる多重量子井戸構造活性層
４６、ｐ型AlGaAs光導波層４７、ｐ型AlGaInP エッチン
グ停止層４８、ｐ型AlGaAs光導波層４９、ｐ型GaAs層５
０までを順次有機金属気相成長（MOVPE ）法によりエピ
タキシャル成長させる。

【００７３】次に、ホトリソグラフィーを利用して、図
２９の左半分に相当する領域を層４４までエッチング除
去する。その後、ｎ型AlGaInP 光導波層５１、圧縮歪Ga
InP量子井戸層３層と引張歪AlGaInP 量子障壁層４層及
び両側の無歪AlGaInP 光分離閉じ込め層からなる歪補償
多重量子井戸構造活性層５２、ｐ型AlGaInP 光導波層５
３、ｐ型AlGaInP エッチング停止層５４、ｐ型AlGaInP
光導波層５５、ｐ型GaInP 層５６を結晶成長する。

【００７４】次に、共振器端面部のビーム形状制御に相
当する領域に対して、イオン打ち込みや不純物拡散によ
る混晶化によって共振器内部の活性層より共振器端面部
の活性層の禁制帯幅が大きくなるようにした窓構造領域
５７を形成し、レーザ光を吸収しない透明窓導波路とす
る。このとき、ホトリソグラフィーを利用して、透明窓
導波路の長さＬ２は、２μｍから１００μｍの範囲と
し、望ましくは５μｍから７０μｍの範囲、最適には１
０μｍから５０μｍの範囲として設定する。

【００７５】次に、ホトリソグラフィー工程とエッチン
グにより、右半分における層４８と左半分における層５
４に到るまでそれぞれ層５０、４９と層５６、５５を除
去することにより、断面形状は図２９に示すメサ形状で
あり、上面形状は図２に示すテーパ状の導波路となるリ
ッジストライプを形成する。

【００７６】その後、ｎ型AlGaAs又はAlGaInP 透明電流
狭窄層５８を埋め込み選択成長する。層５８は、レーザ
光のエネルギーよりも大きな禁制帯幅をもちかつｐ型Al
GaInPからなる光導波層８よりも屈折率の小さな半導体
層からなる。これにより、リッジストライプは屈折率導
波構造を有し、活性層横方向において実屈折率差のある
屈折率導波構造が形成される。

【００７７】この先は、共振器端面部のビーム形状制御
領域とモード変換領域及び利得領域において、同一の作
製工程により断面形状の異なる導波路が構成される。即
ち、リッジストライプを形成したときの絶縁膜マスクに
おいて、共振器端面部のビーム形状制御領域とモード変
換領域に相当する長さまでをエッチング除去し、その後
ｎ型AlGaAs又はAlGaInP 電流非注入層５９を選択成長さ
せる。

【００７８】その後、絶縁膜マスクをすべて取り除い
て、ｐ型AlGaAs又はAlGaInP/GaInP 光導波層６０及びｐ
型GaAsコンタクト層６１を結晶成長し埋め込む。次に電
流狭窄を行う絶縁膜マスク６２を形成した後、最後にｐ
側電極６３とｎ側電極６４を蒸着し、劈開スクライブす
ることにより素子を切り出す。

【００７９】これらにより、共振器端面部のビーム形状
制御領域かつ透明窓構造領域に相当する構造断面と、モ
ード変換領域に相当する構造断面と、利得領域に相当す
る構造断面を有する素子構造を得ることができる。この
際、電流非注入層５９により、透明窓構造領域とモード
変換領域は電流注入がなされず利得を発生しない領域と
なり、透明窓構造領域とモード変換領域以外は電流が注
入され利得の発生によりレーザ発振する利得領域とな
る。

【００８０】モード変換領域の長さは、０μｍから２０
０μｍの範囲とし、望ましくは５μｍから１２０μｍの
範囲、最適には１０μｍから６０μｍの範囲に設定し
た。また、透明窓構造領域の導波路ストライプ幅は１μ
ｍから２０μｍの範囲とし、望ましくは１．５μｍから
１０μｍの範囲、最適には２μｍから７μｍの範囲に設
定した。

【００８１】また２つの異なる波長を有するレーザ光を
発生する導波路ストライプ構造は、モノリシックに集積
することにより、非常に接近させて設けることができ、
その間隔は１０μｍから２００μｍの範囲、望ましくは
５０μｍから１００μｍの範囲に設定して構成すること
が可能であった。

【００８２】本実施例によると、異なる発振波長の活性
層及び導波路を同一基板上にモノリシックに集積した半
導体レーザ光源を形成し、どちらのレーザ光分布もアス
ペクト比１．０から１．５範囲の円形状のビーム形状に
制御でき、かつ最大光出力を２００ｍＷ以上に設定でき
る構成を可能とした。本内容により、同一光学系を通し
た２つの異なる発振波長を有するレーザ光源を搭載した
光ピックアップ系を構成できるので、従来波長ごとに別
々に光学系を組んでいたシステムを１つの光学系に統一
することが可能であった。この際、本素子は円形状のビ
ーム形状を有しているので、ビーム整形用のプリズムや
レンズは必要とせず、光学部品の点数を低減する上でも
有効である。

【００８３】図２９において、右半分の導波路ストライ
プ構造では、発光活性層の量子井戸層の設計により波長
６３５〜６９０ｎｍ範囲で発振せることができ、最大光
出力は２５０〜３００ｍＷを達成できる、実施例４の素
子特性と同様の特性を得ることができた。

【００８４】また図２９の右半分の導波路ストライプ構
造では、発光活性層の量子井戸層の設計により波長７６
０〜８８０ｎｍ範囲で発振せることができ、最大光出力
は３５０〜４００ｍＷを達成できる素子特性を得ること
ができた。両者の導波路ストライプ構造において、出射
端面部からの遠視野像半値幅を垂直方向１５〜２４度と
水平方向１３〜１８度とアスペクト比１．０から１．５
の範囲を得ることができ、円形状のビーム形状を達成す
ることができた。また室温の閾値電流は２０〜４０ｍ
Ａ、スロープ効率は０．９〜１．３ｍＷ／ｍＡを得るこ
とができた。

【００８５】本素子では、従来構造の素子に比べて、閾
値電流を２０〜３０％低減、スロープ効率を３０〜４０
％向上させた。動作電流の低減と併せて動作電圧の低減
を図ることができ、消費電力を２０％から３０％低減で
きた。両者の導波路ストライプ構造において、温度８０
℃で少なくとも８０ｍＷ以上の高出力安定動作が可能で
あり、１万時間以上にわたって動作継続した。

【００８６】本手法を用いた複合導波路構造により、連
続電流やパルス電流による駆動時においても、光記録シ
ステムから要求される光出力特性を満足することがで
き、本素子を駆動するドライバ装置の消費電力を２０％
から３０％低減することが可能であった。また本素子に
よる低消費電力駆動のドライバ装置を実現でき、本ドラ
イバ装置を搭載したシステム装置を提供できる。

【００８７】（実施例９）本発明の実施例９について、
図３０を用いて説明する。本発明における実施例８の異
なる２つの波長を有する図２９のモノリシック集積半導
体レーザ素子を光記録システム装置の薄膜小型集積光ヘ
ッドモジュール６６に搭載して、図３０に示すような光
ピックアップ系を構成した。

【００８８】薄膜小型集積光ヘッドモジュール６６は、
Si基板上に受光素子と受光信号分割処理回路、及びレー
ザ素子駆動回路を光電子回路としてモノリシックに集積
しており、そのSi基板上に図２９の本素子をハイブリッ
ド集積してある構成である。また薄膜小型集積光ヘッド
モジュール６６には、レーザ光の出射する窓には分離回
折格子が設けてあり、戻り光を回折させて受光信号を分
割して信号処理するように構成してある。

【００８９】光源である２つのレーザ素子は、１つは発
振波長６５０〜６６０ｎｍであり、もう１つは発振波長
７８０〜７９０ｎｍを有しており、かつ両者のレーザ光
分布はアスペクト比１．０から１．５範囲の円形状のビ
ーム形状として制御できている。このため、従来の光ピ
ックアップ系に比べて格段に光学部品点数を低減した光
ヘッド構成を取ることを可能とし、図３０に示すように
光学系の簡略化と低価格化に有利でありかつ薄膜の超小
型光ヘッドを実現可能であった。

【００９０】本内容による２つの異なる発振波長を有す
るレーザ素子は、発振波長６５０〜６６０ｎｍのレーザ
光をＤＶＤ−ＲＯＭ及びＤＶＤ−Ｒ，ＤＶＤ−ＲＡＭの
ＤＶＤ媒体メモリ記録再生に対応させ、発振波長７８０
〜７９０ｎｍのレーザ光をＣＤ−ＲＯＭ及びＣＤ−Ｒ，
ＣＤ−ＲＷのＣＤ媒体メモリ記録再生に対応させること
に適用できる。上記のように、２つのレーザ光を独立に
使用し、役割をそれぞれ分離して目標仕様に併せた使用
方法が可能である。

【００９１】レーザ光６９は、波長の異なる円形状の２
つのビームを有するレーザ光に相当し、２つのレーザ光
はほぼ同一光路を通って媒体上のメモリに収束させるこ
とができる。これには、２つの異なる波長のレーザ光が
モノリシックに集積されて非常に接近させて設けること
ができること、かつ両者のレーザ光分布が円形状のビー
ム形状に制御されていることが大きく寄与している。ま
た本レーザ光源は、雰囲気温度８０℃でも光出力８０ｍ
Ｗで動作することが確認でき、周波数２ＧＨｚ以上のパ
ルス駆動に対する高速変調特性、また戻り光量５％の時
でも−１３５ｄＢ／Ｈｚ以下の低雑音特性を得ることが
でき、システム要求仕様をすべて満足することが可能で
あった。

【００９２】また、本発明の半導体レーザ素子の特性改
善により、素子を駆動するドライバ電源の低消費電力化
が可能となり、従来素子を駆動するよりも２５％から３
０％の消費電力低減を可能とした。本素子を光源として
光ピックアップに搭載した光記録システム装置は、１０
⁶回以上の書き換え回数を達成し、１万時間以上の連続
動作にも安定継続した。

【００９３】（実施例１０）本発明における実施例５及
び６の半導体レーザ素子を光源として送信システム装置
系に搭載し、図３１に示すような半導体レーザ装置を構
成し、図３２に示す送受信系においてファイバ増幅系シ
ステムとして組み込んだ。

【００９４】半導体レーザ装置は、偏平矩形体からなる
パッケージ１１０の両側からはパタフライ型に複数のリ
ード１１１が突出した構造になっている。また、パッケ
ージ１１０の一端面からは光ファイバケーブル１１２が
突出している。図３１の上方の図は、パッケージ１１０
内の拡大図である。この図において、パッケージ１１０
内に固定されるサブキャリア１１３上には、サブマウン
ト１１４を介して本実施例による半導体レーザ素子９０
が固定されている。

【００９５】また、サブキャリア１１３上には、光ファ
イバ１１５の先端が固定されている。この光ファイバ１
１５はウエッジ型となり、先端はペンシル型に突出して
いる。光ファイバ１１５は中心はコア１１６となり、そ
の外側をクラッド層１１７で覆った構造となっている。
クラッド層１１７の表面は金属層等からなる被覆層１１
８で覆われている。半導体レーザ素子９０の出射面から
出射されたレーザ光４２はコア１１６及びクラッド層１
１７内に取り込まれ、光ファイバ１１５内を伝送され
る。

【００９６】ファイバ増幅系システムは、図３２に示す
ように、分波器７１に、入力光７０として、例えば１．
５５μｍのレーザ光信号が入力される。分波器７１は入
力光７０を混合器７２及び自動制御装置７９に分波す
る。自動制御装置７９は分波器７１から送られてきた光
信号に基づいて９８０ｎｍ半導体レーザ素子搭載増幅系
モジュール７７ａを制御する。９８０ｎｍ半導体レーザ
素子搭載増幅系モジュール７７ａから出射されたレーザ
光は混合器７２で混合されて伝送されるとともに、ファ
イバ増幅７３で増幅されて混合器７４に至り、かつ分波
器７５に伝送される。ファイバ増幅７３はErドープ光フ
ァイバ増幅となる。

【００９７】分波器７５は送られてきた光を分波し、一
部を自動制御装置７９にフィードバックする。自動制御
装置７９はフィードバックされてきた光信号に基づいて
９８０ｎｍ半導体レーザ素子搭載増幅系モジュール７７
ｂを制御する。９８０ｎｍ半導体レーザ素子搭載増幅系
モジュール７７ｂから出射されたレーザ光は混合器７４
で混合されて分波器７５に伝送される。混合器７４の出
力光は常にフィードバックされるとともに、分波器７５
からは出力光７６が出射される。この出力光７６は、
１．５５μｍレーザ光信号出力光となる。

【００９８】９８０ｎｍ半導体レーザ素子搭載増幅系モ
ジュール７７ａ，７７ｂは、冷却装置７８によって温度
制御され、常に安定した状態で動作する。

【００９９】本レーザ素子では、遠視野像アスペクト比
を１．０から１．５範囲の円形状のビーム形状を得るこ
とができるので、ウエッジ光ファイバに対してカップリ
ング効率を向上させることができた。

【０１００】増幅器系モジュール内に実装したレーザ素
子は、少なくとも光出力５００ｍＷ以上で動作でき、本
素子を光源とする光増幅器装置はファイバ出射端におい
ても４００〜４５０ｍＷの光出力を達成し、カップリン
グ効率を８０〜９０％を確保することができた。これに
より、送信用１．５５μｍレーザ信号光を十分増幅し、
システムにおける要求仕様を満足できた。本内容では、
レーザ素子を駆動するドライバ電源の低消費電力化を可
能とし、また従来素子を駆動するよりも２５％から３０
％の消費電力低減を達成でき、１０万時間以上の安定動
作も確保できた。

【０１０１】本内容により、本素子を搭載した低消費電
力駆動のドライバ装置を実現でき、本ドライバ装置を搭
載した光通信システム装置を提供できる。

【０１０２】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。

【０１０３】（１）本発明によると、光信号処理を行う
光情報処理システム装置及び光通信システム装置の光源
である半導体レーザ装置に対して、領域により機能を持
たせた複合導波路構造を設けることにより、ビーム形状
が制御できる基本横モードを導波路に伝搬させ高出力特
性を維持しながら、低閾値高効率動作、低動作電流及び
低動作電圧を両立させた低消費電力の駆動を可能にし
た。

【０１０４】（２）本半導体レーザ素子では、縦横のレ
ーザ分布拡がりを制御して縦横アスペクト比を１．０〜
１．５の範囲であるビーム形状に制御し、かつ光出力は
少なくとも５０ｍＷを確保しそれ以上に高く安定な光出
力を長期に渡って維持できる、レーザ特性と長期信頼性
を達成した。高出力時における動作電流を各素子とも２
０％〜３０％低減でき、動作電圧についても少なくとも
１０％以上の改善が可能であった。これにより、レーザ
素子を駆動するドライブ装置では、２５％から３０％の
低消費電力を図ることができた。

【０１０５】（３）本発明の実施例によると、光信号処
理を行う光通信システム装置及び光情報処理システム装
置の光源である半導体レーザ装置に対して、領域により
機能を持たせた複合導波路構造を設けることによって、
レーザ素子を駆動するドライブ装置では、２５％から３
０％の低消費電力を図り、縦横のレーザ分布拡がりを制
御して縦横アスペクト比を１．０〜１．５範囲の円形状
ビーム形状に制御した。これにより、ビーム形状を円形
に制御する基本横モードの安定な導波伝搬とレーザ光の
高出力特性を両立させた。本内容により、光記録装置や
レーザビームプリンタ装置等における光学系を利用した
光情報処理装置では、従来必要であったレーザ光を集光
する際のビーム整形用のプリズムやシリンドリカルレン
ズを省略できる、或いは安価な光学レンズでの代用を可
能とした。さらにレーザ光と記録媒体との光路長を短く
でき、光路長においてレーザ光分布の整形に要する光損
失を低減できるので、レーザ光の有効使用効率を改善で
きた。

【０１０６】（４）また、Erドープ光ファイバ増幅用の
レーザ光源では、高出力特性を維持しつつ、レーザ光の
縦横アスペクト比を１．０〜１．５の範囲に制御できる
ため、光ファイバとの光結合カップリング効率を２０〜
２５％程度改善でき、その分レーザ光の有効使用効率、
Erイオン励起効率を向上させることが可能であった。送
信システム装置の光増幅器に搭載して、光ファイバ励起
用レーザ光出力とファイバ出射端光出力の比は８５〜９
０％を得ることができ、波長多重システム光伝送に要求
される送信用１．５５μｍレーザ光の信号増幅を十分達
成することが可能であった。本内容は、光通信用のシス
テム装置に適する光源についても適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態（実施形態１）である半導
体レーザ素子の模式的斜視図である。

【図２】本実施形態１の半導体レーザ素子の複合導波路
構造概略を示す模式的平面図である。

【図３】本実施形態１の複合導波路構造を伝搬するレー
ザ光と仮想的に反射するレーザ光の分布を示す平面的模
式図である。

【図４】本実施形態１の半導体レーザ素子において、複
合導波路の窓構造を有した透明導波領域を示す構造断面
図である。

【図５】本実施形態１の半導体レーザ素子において、複
合導波路のモード変換領域を示す構造断面図である。

【図６】本実施形態１の半導体レーザ素子において、複
合導波路の利得領域を示す構造断面図である。

【図７】本発明のモード変換領域を伝搬する導波光の水
平方向遠視野像半値幅と出射導波路幅の関係を計算して
求めたグラフである。

【図８】本発明のモード変換領域を伝搬する導波光の垂
直方向遠視野像半値幅と出射導波路幅の関係を計算して
求めたグラフである。

【図９】本発明のモード変換領域を伝搬する導波光の水
平垂直遠視野像半値幅アスペクト比と出射導波路幅の関
係を計算して求めたグラフである。

【図１０】本発明のモード変換領域を伝搬する導波光の
共振器面での導波光分布入反射強度比と出射導波路幅の
関係を計算して求めたグラフである。

【図１１】本発明のモード変換領域を伝搬する導波光の
水平方向遠視野像半値幅と後面導波路幅の関係を計算し
て求めたグラフである。

【図１２】本発明のモード変換領域を伝搬する導波光の
共振器面での導波光分布入反射強度比と後面導波路幅の
関係を計算して求めたグラフである。

【図１３】本発明のモード変換領域を伝搬する導波光の
水平方向遠視野像半値幅とモード変換領域長の関係を計
算して求めたグラフである。

【図１４】本発明のモード変換領域を伝搬する導波光の
共振器面での導波光分布入反射強度比とモード変換領域
長の関係を計算して求めたグラフである。

【図１５】本実施形態１の半導体レーザ素子の変形例で
あり、モード変換領域の導波路IIの縁が指数関数的に変
化する例を示す模式的平面図である。

【図１６】本実施形態１の半導体レーザ素子の製造にお
いて、半導体基板上に活性層を含む半導体層を形成した
状態を示す一部の断面図である。

【図１７】本実施形態１の半導体レーザ素子の製造にお
いて、さらに半導体層を形成した状態を示す一部の断面
図である。

【図１８】本実施形態１の半導体レーザ素子の製造にお
いて、リッジストライプを形成した状態を示す一部の断
面図である。

【図１９】本実施形態１の半導体レーザ素子の製造にお
いて、埋め込み選択成長層を形成した状態を示す一部の
断面図である。

【図２０】本実施形態１の半導体レーザ素子の製造にお
いて、コンタクト層を形成した状態を示す一部の断面図
である。

【図２１】本実施形態１の半導体レーザ素子の製造にお
いて、絶縁膜マスクを形成した状態を示す一部の断面図
である。

【図２２】本実施形態１の半導体レーザ素子の製造にお
いて、ｐ側電極及びｎ側電極を形成した状態を示す一部
の断面図である。

【図２３】本発明の他の実施例（実施例２）である半導
体レーザ素子の模式的斜視図である。

【図２４】本発明の他の実施例（実施例３）である半導
体レーザ素子の模式的斜視図である。

【図２５】本発明の他の実施例（実施例４）である半導
体レーザ素子の模式的断面図である。

【図２６】本発明の他の実施例（実施例５）である半導
体レーザ素子の模式的断面図である。

【図２７】本発明の他の実施例（実施例６）である半導
体レーザ素子の模式的断面図である。

【図２８】本発明の他の実施例（実施例７）である光記
録システム装置を示す模式図である。

【図２９】本発明の他の実施例（実施例８）である半導
体レーザ素子を示す模式的断面図である。

【図３０】本発明の他の実施例（実施例９）である光記
録システム装置を示す模式図である。

【図３１】本発明の他の実施例（実施例１０）である半
導体レーザ装置を示す模式図である。

【図３２】本発明の他の実施例（実施例１０）であるフ
ァイバ増幅系システムを示す模式図である。

【符号の説明】

１…半導体ｎ型GaAs基板、２…ｎ型GaAs緩和層、３…ｎ
型AlGaInP 光導波層、４…GaInP/AlGaInP 歪補償多重量
子井戸構造活性層、５…ｐ型AlGaInP 光導波層、６…ｐ
型AlGaInP エッチング停止層、７…窓構造領域、８…ｐ
型AlGaInP 光導波層、９…ｐ型GaInP 層、１０…ｎ型Al
GaAs又はAlGaInP透明電流狭窄層、１１…ｎ型AlGaAs又
はAlGaInP 電流非注入層、１２…ｐ型AlGaInP/GaInP 光
導波層、１３…ｐ型GaAsコンタクト層、１４…絶縁膜マ
スク、１５…ｐ側電極、１６…ｎ側電極、１７…半導体
ｎ型GaAs基板、１８…ｎ型GaAs緩和層、１９…ｐ型AlGa
As又はGaInP 光導波層、２０…GaInAs/AlGaAs 又はGaIn
As/GaInAsP歪補償多重量子井戸構造層、２１…窓構造領
域、２２…ｐ型AlGaAs又はGaInAsP エッチング停止層、
２３…イオン打ち込み又は不純物拡散層、２４…ｐ型Al
GaAs又はGaInP 光導波層、２５…ｐ型AlGaAs又はGaInAs
P 層、２６…ｎ型AlGaAs又はAlGaInP透明電流狭窄層、
２７…ｎ型AlGaAs又はAlGaInP 電流非注入層、２８…ｐ
型AlGaAs又はGaInP 光導波層、２９…ｐ型GaAsコンタク
ト層、３０…絶縁膜マスク、３１…ｐ側電極、３２…ｎ
側電極、３３…光ディスク、３４…光学凸レンズ、３５
…立ち上げミラー、３６…ビームスプリッター、３７…
λ/ ４板、３８…偏光分離回折格子、３９…半導体レー
ザ素子、４０…光学凸レンズ、４１…受光素子、４２…
レーザ光、４２ｂ…反射光４２ｂ、４３…半導体ｎ型Ga
As基板、４４…ｎ型GaInP 緩和層、４５…ｎ型AlGaAs又
はAlGaInP 光導波層、４６…AlGaInAs/AlGaAs 多重量子
井戸構造活性層、４７…ｐ型AlGaAs又はAlGaInP 光導波
層、４８…ｐ型AlGaInP エッチング停止層、４９…ｐ型
AlGaAs又はAlGaInP 光導波層、５０…ｐ型GaAs又はGaIn
P 層、５１…ｐ型GaInP 層、５２…GaInP/AlGaInP 歪補
償多重量子井戸構造活性層、５３…ｐ型AlGaInP 光導波
層、５４…ｐ型AlGaInP エッチング停止層、５５…ｐ型
AlGaInP光導波層、５６…ｐ型GaInP 層、５７…イオン
打ち込み又は不純物拡散層、５８…ｎ型AlGaAs又はAlGa
InP透明流狭窄層、５９…ｎ型AlGaAs又はAlGaInP電流非
注入層、６０…ｐ型AlGaAs又はAlGaInP/GaInP 光導波
層、６１…ｐ型GaAsコンタクト層、６２…絶縁膜マス
ク、６３…ｐ側電極、６４…ｎ側電極、６５…光ディス
ク、６６…薄膜小型集積光ヘッド、６７…分離回折格
子、６８…光学凸レンズ、６９…レーザ光、７０…入力
光、７１…分波器、７２…混合器、７３…ファイバ増
幅、７４…混合器、７５…分波器、７６…出力光、７７
ａ，７７ｂ…９８０ｎｍ半導体レーザ素子搭載増幅系モ
ジュール、７８…冷却装置、７９…自動制御装置、９０
…半導体レーザ素子、９１…半導体基板、９２…導波路
（導波路領域）、９４，９６…光導波層、９５…活性
層、９８…不純物拡散窓構造領域、１００…絶縁膜マス
ク、１１０…パッケージ、１１１…リード、１１２…光
ファイバケーブル、１１３…サブキャリア、１１４…サ
ブマウント、１１５…光ファイバ、１１６…コア、１１
７…クラッド層、１１８…被覆層、Ｉ…利得領域の導波
路（利得領域）、II…モード変換領域の導波路（モード
変換領域）、III…ビーム形状制御領域の導波路（ビー
ム形状制御領域）。

フロントページの続きＦターム(参考） 5D119 AA04 BA01 DA01 DA05 EB03 FA05 FA16 FA18 NA04 5F073 AA09 AA13 AA74 AA87 AB27 AB28 AB29 BA02 BA05 CA14 CA15 DA05 DA12 DA14 EA20 EA23 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に設けた光導波路の端からレ
ーザ光を出射する半導体レーザ装置であって、前記光導
波路は、光学利得を発生してレーザ発振を行う利得発生
領域と、前記利得発生領域に連なり前記利得発生領域で
発生したレーザ光の横モードを基本横モードとするとと
もに前記レーザ光を円形ビーム状に変換制御するモード
変換領域と、前記モード変換領域に連なり前記モード変
換領域によって制御されたレーザ光を安定に伝搬させる
ビーム形状制御領域とで構成されていることを特徴とす
る半導体レーザ装置。
【請求項２】半導体基板に設けた光導波路の端からレ
ーザ光を出射する半導体レーザ装置であって、前記光導
波路は、光学利得を発生してレーザ発振を行う利得発生
領域と、前記利得発生領域に連なり前記利得発生領域で
発生したレーザ光の横モードを基本横モードとするとと
もに前記レーザ光を円形ビーム状に変換制御するモード
変換領域と、前記モード変換領域に連なり前記モード変
換領域によって制御されたレーザ光を安定に伝搬させる
ビーム形状制御領域とで構成され、前記ビーム形状制御
領域の端のレーザ光出射部分は光吸収を低減することの
できる窓構造になっていることを特徴とする半導体レー
ザ装置。
【請求項３】前記利得発生領域の幅は前記窓構造の幅
よりも広くなっているとともに、前記利得発生領域と前
記ビーム形状制御領域を接続するモード変換領域は、そ
の幅が一定の割合に変化するパターンまたはその幅が指
数関数的に変化するパターンもしくはその幅がcosin hy
paboric 関数的に変化するパターンとなっていることを
特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レー
ザ装置。
【請求項４】前記利得発生領域から前記モード変換領
域を通り前記窓構造を伝搬するレーザ光の分布強度に対
する、前記窓構造の端の共振器面で反射して前記光導波
路内に戻ってくるレーザ光の分布強度比は少なくとも９
０％以上を占めるように前記光導波路各部の形状及び寸
法が設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求
項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれか１項に
記載の半導体レーザ装置を組み込んだ光システム装置。