JP2002124733A - 半導体レーザダイオード - Google Patents
半導体レーザダイオードInfo
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- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高次モードの励起を十分に抑制するフレア構
造の半導体レーザダイオードを提供する。 【解決手段】 本半導体レーザダイオード１０は、リッ
ジ導波路構造として形成され、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、
ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層、ノンドープＡｌＧａ
Ａｓ下部ＳＣＨ層、ＩｎＧａＡｓ格子不整合系の多重量
子井戸構造の活性層、ノンドープＡｌＧａＡｓ上部ＳＣ
Ｈ層、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層、ｐ−ＧａＡｓ
キャップ層の積層構造を備える。キャップ層及び上部ク
ラッド層の上部はストライプ状リッジ形になっている。
リッジ上部窓を除いて、ＳｉＮ保護膜が全面に形成さ
れ、保護膜上にｐ側電極が、基板裏面にはｎ側電極が設
けてある。ｐ側電極は窓から露出しているキャップ層と
接続する。半導体レーザは、一方の端面から保護膜の窓
２７Ａがリッジに沿って同じ幅で形成されている直線部
２１と、保護膜の窓２７Ｂの幅がリッジに沿って出射端
面に向かって拡大するフレア部２２とからなる活性領域
２７を有し、その両側には、保護膜２０の電流ブロッキ
ング領域２８となっている。
造の半導体レーザダイオードを提供する。 【解決手段】 本半導体レーザダイオード１０は、リッ
ジ導波路構造として形成され、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、
ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層、ノンドープＡｌＧａ
Ａｓ下部ＳＣＨ層、ＩｎＧａＡｓ格子不整合系の多重量
子井戸構造の活性層、ノンドープＡｌＧａＡｓ上部ＳＣ
Ｈ層、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層、ｐ−ＧａＡｓ
キャップ層の積層構造を備える。キャップ層及び上部ク
ラッド層の上部はストライプ状リッジ形になっている。
リッジ上部窓を除いて、ＳｉＮ保護膜が全面に形成さ
れ、保護膜上にｐ側電極が、基板裏面にはｎ側電極が設
けてある。ｐ側電極は窓から露出しているキャップ層と
接続する。半導体レーザは、一方の端面から保護膜の窓
２７Ａがリッジに沿って同じ幅で形成されている直線部
２１と、保護膜の窓２７Ｂの幅がリッジに沿って出射端
面に向かって拡大するフレア部２２とからなる活性領域
２７を有し、その両側には、保護膜２０の電流ブロッキ
ング領域２８となっている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザダイ
オードに関し、更に詳細には、光通信分野での光源、光
ディスク等の記録再生装置及びレーザプリンタの光源と
して用いられる半導体レーザダイオード、レーザ加工等
の光源として用いられ、更には固体レーザ励起用、若し
くはＳＨＧ等の波長変換の光源に用いられる高出力半導
体レーザダイオード素子の改良に関するものである。
オードに関し、更に詳細には、光通信分野での光源、光
ディスク等の記録再生装置及びレーザプリンタの光源と
して用いられる半導体レーザダイオード、レーザ加工等
の光源として用いられ、更には固体レーザ励起用、若し
くはＳＨＧ等の波長変換の光源に用いられる高出力半導
体レーザダイオード素子の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年の半導体レーザダイオードの適用分
野の拡大化、及び用途の多様化につれて、半導体レーザ
ダイオードの高出力化への要求が、年々、高まってい
る。例えば、光通信の分野では、エルビウム・ドープト
ファイバ（ＥＤＦ）を使用した光アンプ（ＥＤＦＡ）が
１９９０年代初頭に実用化され、ＥＤＦＡで励起光源用
レーザとして使用した半導体レーザダイオードに対する
要求出力の大きさは、実用化当初、高々、数十ｍＷ程度
であった。しかし、波長分割多重（ＷＤＭ）通信技術等
の最近の光通信技術の飛躍的な進展に伴い、現在では、
寿命１００万時間という高い信頼性と共に１００ｍＷを
遙かに超える高出力が、光源として使用する半導体レー
ザダイオードに対して要求されている。
野の拡大化、及び用途の多様化につれて、半導体レーザ
ダイオードの高出力化への要求が、年々、高まってい
る。例えば、光通信の分野では、エルビウム・ドープト
ファイバ（ＥＤＦ）を使用した光アンプ（ＥＤＦＡ）が
１９９０年代初頭に実用化され、ＥＤＦＡで励起光源用
レーザとして使用した半導体レーザダイオードに対する
要求出力の大きさは、実用化当初、高々、数十ｍＷ程度
であった。しかし、波長分割多重（ＷＤＭ）通信技術等
の最近の光通信技術の飛躍的な進展に伴い、現在では、
寿命１００万時間という高い信頼性と共に１００ｍＷを
遙かに超える高出力が、光源として使用する半導体レー
ザダイオードに対して要求されている。
【０００３】光通信分野で使用される、このような半導
体レーザダイオードでは、半導体レーザダイオード自体
の高出力化の充足と共に、半導体レーザダイオードの光
出力を光ファイバに如何に効率良く結合できるかが、半
導体レーザダイオードの非常に重要な評価因子になる。
そして、半導体レーザダイオードと光ファイバとの光結
合効率の向上を制約する要因の一つとして、ビームステ
アリング現象が挙げられる。
体レーザダイオードでは、半導体レーザダイオード自体
の高出力化の充足と共に、半導体レーザダイオードの光
出力を光ファイバに如何に効率良く結合できるかが、半
導体レーザダイオードの非常に重要な評価因子になる。
そして、半導体レーザダイオードと光ファイバとの光結
合効率の向上を制約する要因の一つとして、ビームステ
アリング現象が挙げられる。
【０００４】ビームステアリング現象は、光出力が高く
なった際に生じるキャリア分布の不均一性や、屈折率分
布の不均一性が原因となって、出射端面から出射した光
が左右へステアし、光ファイバとの高効率での光結合を
妨げる現象である。つまり、ビームステアリング現象
は、光強度の最も高い部分でキャリア密度が周囲に比べ
て減少する、いわゆる空間ホールバーニングによって生
じる。従って、特に空間ホールバーニング現象が顕著
な、９８０ｎｍレーザ等のＧａＡｓ系半導体レーザダイ
オードでは、光ファイバとの光結合効率を向上させるた
めに、空間ホールバーニングを抑制することが重要にな
る。
なった際に生じるキャリア分布の不均一性や、屈折率分
布の不均一性が原因となって、出射端面から出射した光
が左右へステアし、光ファイバとの高効率での光結合を
妨げる現象である。つまり、ビームステアリング現象
は、光強度の最も高い部分でキャリア密度が周囲に比べ
て減少する、いわゆる空間ホールバーニングによって生
じる。従って、特に空間ホールバーニング現象が顕著
な、９８０ｎｍレーザ等のＧａＡｓ系半導体レーザダイ
オードでは、光ファイバとの光結合効率を向上させるた
めに、空間ホールバーニングを抑制することが重要にな
る。
【０００５】キャリア分布の不均一性の起因となる空間
ホールバーニングを抑制するには、活性領域の幅を増加
して、出射端面での光密度を低下させることが一つの解
決策であるが、活性領域の幅を増加させると、高次モー
ドの発振を助長し、レーザ光の発振そのものを不安定化
させる。即ち、高次モード発振の抑制とビームステアリ
ング現象（つまり、空間ホールバーニング現象）の抑制
との間には、活性領域の幅に関し、厳しいトレードオフ
関係が存在する。
ホールバーニングを抑制するには、活性領域の幅を増加
して、出射端面での光密度を低下させることが一つの解
決策であるが、活性領域の幅を増加させると、高次モー
ドの発振を助長し、レーザ光の発振そのものを不安定化
させる。即ち、高次モード発振の抑制とビームステアリ
ング現象（つまり、空間ホールバーニング現象）の抑制
との間には、活性領域の幅に関し、厳しいトレードオフ
関係が存在する。
【０００６】上述のようなトレードオフ関係を緩和する
方法の一つとして、図５に示すように、活性領域の幅に
フレア構造を導入することが考えられる。図５で、活性
領域３２は、直線部３４とフレア部３６とから形成さ
れ、活性領域３２の両側には電流ブロッキング層又は放
射モード抑制領域等の非活性領域３８が形成されてい
る。直線部３４側の端面には高反射膜（ＨＲ）４０が、
フレア部３６側の端面には反射防止膜（ＡＲ）４２が成
膜されている。フレア部を導入することにより、光密度
を低減させたい領域だけ活性領域幅の拡大が可能とな
る。また、出射面の面積が大きくなるので光密度が低減
するので、副次的に、端面破壊が抑制され、結果とし
て、半導体レーザダイオードの信頼性を向上させるいう
効果も奏する。
方法の一つとして、図５に示すように、活性領域の幅に
フレア構造を導入することが考えられる。図５で、活性
領域３２は、直線部３４とフレア部３６とから形成さ
れ、活性領域３２の両側には電流ブロッキング層又は放
射モード抑制領域等の非活性領域３８が形成されてい
る。直線部３４側の端面には高反射膜（ＨＲ）４０が、
フレア部３６側の端面には反射防止膜（ＡＲ）４２が成
膜されている。フレア部を導入することにより、光密度
を低減させたい領域だけ活性領域幅の拡大が可能とな
る。また、出射面の面積が大きくなるので光密度が低減
するので、副次的に、端面破壊が抑制され、結果とし
て、半導体レーザダイオードの信頼性を向上させるいう
効果も奏する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のフレア
構造を備えた半導体レーザダイオードでは、単峰性モー
ド発振を安定して持続させることが難しかった。逆に言
えば、単峰性モード発振を安定して持続させる半導体レ
ーザダイオードの製品歩留りが低かった。
構造を備えた半導体レーザダイオードでは、単峰性モー
ド発振を安定して持続させることが難しかった。逆に言
えば、単峰性モード発振を安定して持続させる半導体レ
ーザダイオードの製品歩留りが低かった。
【０００８】そこで、本発明の目的は、高次モードの励
起を十分に抑制するフレア構造の半導体レーザダイオー
ドを提供することである。
起を十分に抑制するフレア構造の半導体レーザダイオー
ドを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者は、多数回の実
験を通して、フレア部での高次モード励起を抑制するた
めには、先ず、活性領域と、共振器方向に沿って活性領
域の両側に延在する非活性領域との屈折率差を十分に低
く抑制する、即ち、活性領域と、活性領域の両側に延在
する非活性領域との間の等価屈折率差をΔｎ、共振器の
直線部の活性領域の幅をｄ、発振波長をλ0 、直線部の
等価屈折率をｎ0 とするとき、ｄとΔｎとが、ｄ＜λ0
／｛２・（２・ｎ0 ・Δｎ）0.5 ｝の関係にあることを
実験的に確認した。この式は、いわゆる、カットオフ条
件として知られているが、半導体レーザの場合、作りつ
けの屈折率差の他に活性領域は光学利得を有する。した
がって、カットオフ条件を満たさなくとも、基本モード
と高次モードの光学利得差がある程度あれば、単峰性が
容易に得られることは周知の事実であった。しかし、発
明者は、フレア構造ではフレア部のカットオフ条件を満
たさない幅に設計した場合、容易に高次モードを励起し
てしまうので、発明者等は、実験事実の中から、安定し
た単峰性横モード発振を行うためには、直線部の活性領
域の幅がカットオフ条件を必ず満たす必要がある事実を
見い出したのである。
験を通して、フレア部での高次モード励起を抑制するた
めには、先ず、活性領域と、共振器方向に沿って活性領
域の両側に延在する非活性領域との屈折率差を十分に低
く抑制する、即ち、活性領域と、活性領域の両側に延在
する非活性領域との間の等価屈折率差をΔｎ、共振器の
直線部の活性領域の幅をｄ、発振波長をλ0 、直線部の
等価屈折率をｎ0 とするとき、ｄとΔｎとが、ｄ＜λ0
／｛２・（２・ｎ0 ・Δｎ）0.5 ｝の関係にあることを
実験的に確認した。この式は、いわゆる、カットオフ条
件として知られているが、半導体レーザの場合、作りつ
けの屈折率差の他に活性領域は光学利得を有する。した
がって、カットオフ条件を満たさなくとも、基本モード
と高次モードの光学利得差がある程度あれば、単峰性が
容易に得られることは周知の事実であった。しかし、発
明者は、フレア構造ではフレア部のカットオフ条件を満
たさない幅に設計した場合、容易に高次モードを励起し
てしまうので、発明者等は、実験事実の中から、安定し
た単峰性横モード発振を行うためには、直線部の活性領
域の幅がカットオフ条件を必ず満たす必要がある事実を
見い出したのである。
【００１０】そこで、上記目的を達成するために、本発
明に係る半導体レーザダイオードは、反射膜を一方の端
面に、反射防止膜を他方の端面にそれぞれ有し、他方の
端面を出射端面とする共振器構造と、共振器構造の一方
の端面から出射端面に向かって延在する活性領域とを備
え、活性領域が、一方の端面から同じ活性領域幅で共振
器方向に沿って延在する直線部と、直線部に連続し、か
つ共振器の出射端面に向かって活性領域幅を拡大させつ
つ共振器方向に沿って延在するフレア部とから構成され
る半導体レーザダイオードにおいて、活性領域と、活性
領域の両側に延在する非活性領域との間の等価屈折率差
をΔｎ、共振器の直線部の活性領域の幅をｄ、発振波長
をλ0 、直線部の等価屈折率をｎ0 とするとき、ｄとΔ
ｎとが、ｄ＜λ0 ／｛２・（２・ｎ0 ・Δｎ）0.5 ｝の
関係にあることを特徴としている。
明に係る半導体レーザダイオードは、反射膜を一方の端
面に、反射防止膜を他方の端面にそれぞれ有し、他方の
端面を出射端面とする共振器構造と、共振器構造の一方
の端面から出射端面に向かって延在する活性領域とを備
え、活性領域が、一方の端面から同じ活性領域幅で共振
器方向に沿って延在する直線部と、直線部に連続し、か
つ共振器の出射端面に向かって活性領域幅を拡大させつ
つ共振器方向に沿って延在するフレア部とから構成され
る半導体レーザダイオードにおいて、活性領域と、活性
領域の両側に延在する非活性領域との間の等価屈折率差
をΔｎ、共振器の直線部の活性領域の幅をｄ、発振波長
をλ0 、直線部の等価屈折率をｎ0 とするとき、ｄとΔ
ｎとが、ｄ＜λ0 ／｛２・（２・ｎ0 ・Δｎ）0.5 ｝の
関係にあることを特徴としている。
【００１１】本発明では、共振器構造を構成する化合物
半導体層の種類、組成には制約はない。フレア構造は、
フォトリソグラフィ処理及びエッチング加工を含む既知
の方法に従って容易に形成することができる。また、導
波路の構造にも制約はなく、リッジ導波路構造でも、埋
め込み導波路構造で良い。非活性領域は、電流ブロッキ
ング領域でも、放射モード抑制領域でも良い。
半導体層の種類、組成には制約はない。フレア構造は、
フォトリソグラフィ処理及びエッチング加工を含む既知
の方法に従って容易に形成することができる。また、導
波路の構造にも制約はなく、リッジ導波路構造でも、埋
め込み導波路構造で良い。非活性領域は、電流ブロッキ
ング領域でも、放射モード抑制領域でも良い。
【００１２】更に、以下に説明するように、本発明者
は、フレア構造を備えた半導体レーザダイオードの製品
歩留りに関し、最適なフレア幅拡大率が存在することを
実験的に見い出した。本発明者は、様々なフレア幅拡大
率の半導体レーザダイオードを試作し、水平遠視野像が
単峰性になった半導体レーザダイオードの製品歩留りと
フレア幅の拡大率との関係を調べ、表１に示す結果を得
た。表１では、半導体レーザダイオードの製品歩留りが
５０％以上になるフレア幅の拡大率をＧＯＯＤ、製品歩
留りが５０％未満になるフレア幅の拡大率をＮＧとして
評価している。この試験では、図６に示すθにより、フ
レア幅の拡大率を規定した。図６で、Ｌはフレア部の長
さ、ΔＷは端面でのフレア部の活性領域の幅Ｗ2 と直線
部の活性領域の幅Ｗ1 との差Ｗ2 −Ｗ1 、θは直線部の
境界線の延長線とフレア部の境界線との成す角度であっ
て、ｔａｎθ＝（ΔＷ／２）／Ｌである。これにより、
表１に示すように、θ、即ちｔａｎ-1｛（ΔＷ／２）／
Ｌ｝が、０．２５°以下のときに製品歩留りがＧＯＯＤ
になる。
は、フレア構造を備えた半導体レーザダイオードの製品
歩留りに関し、最適なフレア幅拡大率が存在することを
実験的に見い出した。本発明者は、様々なフレア幅拡大
率の半導体レーザダイオードを試作し、水平遠視野像が
単峰性になった半導体レーザダイオードの製品歩留りと
フレア幅の拡大率との関係を調べ、表１に示す結果を得
た。表１では、半導体レーザダイオードの製品歩留りが
５０％以上になるフレア幅の拡大率をＧＯＯＤ、製品歩
留りが５０％未満になるフレア幅の拡大率をＮＧとして
評価している。この試験では、図６に示すθにより、フ
レア幅の拡大率を規定した。図６で、Ｌはフレア部の長
さ、ΔＷは端面でのフレア部の活性領域の幅Ｗ2 と直線
部の活性領域の幅Ｗ1 との差Ｗ2 −Ｗ1 、θは直線部の
境界線の延長線とフレア部の境界線との成す角度であっ
て、ｔａｎθ＝（ΔＷ／２）／Ｌである。これにより、
表１に示すように、θ、即ちｔａｎ-1｛（ΔＷ／２）／
Ｌ｝が、０．２５°以下のときに製品歩留りがＧＯＯＤ
になる。
【表１】
【００１３】以上の知見に基づいて、本発明の好適な実
施態様では、フレア部の共振器方向の長さをＬ、出射端
面でのフレア部の活性領域の幅Ｗ2 と直線部の活性領域
の幅Ｗ1 との差、Ｗ2 −Ｗ1 をΔＷとするとき、ΔＷと
Ｌとが、ｔａｎ-1｛（ΔＷ／２）／Ｌ｝＜０．２５°の
関係にある。
施態様では、フレア部の共振器方向の長さをＬ、出射端
面でのフレア部の活性領域の幅Ｗ2 と直線部の活性領域
の幅Ｗ1 との差、Ｗ2 −Ｗ1 をΔＷとするとき、ΔＷと
Ｌとが、ｔａｎ-1｛（ΔＷ／２）／Ｌ｝＜０．２５°の
関係にある。
【００１４】また、フレア幅の拡大率を規定する活性領
域と非活性領域との境界線は、直線に限らず、曲線でも
良い。曲線の場合のθは、ｔａｎ-1｛（ΔＷ／２）／
Ｌ｝で規定される角度である。本発明者は、フレア部の
長さを全共振器長の３０％とし、活性領域と非活性領域
との境界線が、べき指数状（Exponential ）、放物線状
（Parabolic ）、及びテーパ状（Taper)になる３種の半
導体レーザダイオードを試作し、各フレア形状につい
て、製品歩留まりの単峰性とフレア構造依存性を調べ、
表２の結果を得た。
域と非活性領域との境界線は、直線に限らず、曲線でも
良い。曲線の場合のθは、ｔａｎ-1｛（ΔＷ／２）／
Ｌ｝で規定される角度である。本発明者は、フレア部の
長さを全共振器長の３０％とし、活性領域と非活性領域
との境界線が、べき指数状（Exponential ）、放物線状
（Parabolic ）、及びテーパ状（Taper)になる３種の半
導体レーザダイオードを試作し、各フレア形状につい
て、製品歩留まりの単峰性とフレア構造依存性を調べ、
表２の結果を得た。
【表２】 表２から、パラボリックのフレア形状が最も高い歩留ま
りで単峰性の半導体レーザダイオードが得られることが
判った。表２で、単峰性の行の数字は、製品歩留まりを
示す。よって、本発明の更に好適な実施態様では、フレ
ア部の活性領域と非活性領域との境界線がパラボリック
な線形である。
りで単峰性の半導体レーザダイオードが得られることが
判った。表２で、単峰性の行の数字は、製品歩留まりを
示す。よって、本発明の更に好適な実施態様では、フレ
ア部の活性領域と非活性領域との境界線がパラボリック
な線形である。
【００１５】更には、本発明者は、フレア部側の端面、
つまり出射端面から内方に非電流注入構造を設けたとこ
ろ、フレア構造との相乗作用であると考えなければ説明
できない程の、端面破壊に対して著しい抑制効果がある
ことを見い出した。つまり、本発明の好適な実施態様で
は、出射端面から内方に向かって１０μｍ以上１００μ
ｍ以下の厚さで電流非注入領域が設けてある。１０μｍ
以下では、端面破壊抑制の相乗効果が乏しく、１００μ
ｍ以上にしても効果が上がらないからである。
つまり出射端面から内方に非電流注入構造を設けたとこ
ろ、フレア構造との相乗作用であると考えなければ説明
できない程の、端面破壊に対して著しい抑制効果がある
ことを見い出した。つまり、本発明の好適な実施態様で
は、出射端面から内方に向かって１０μｍ以上１００μ
ｍ以下の厚さで電流非注入領域が設けてある。１０μｍ
以下では、端面破壊抑制の相乗効果が乏しく、１００μ
ｍ以上にしても効果が上がらないからである。
【００１６】また、共振器構造を構成する化合物半導体
層とは異なる化合物半導体層を出射端面に設けることに
より、説明ができない程、端面破壊に対する抑制効果が
生じ、半導体レーザダイオードの信頼性を著しく向上さ
せることができた。よって、以上の知見に基づいて、本
発明の更に好適な実施態様では、フレア部側の端面に
は、共振器構造を構成する化合物半導体層とは異なる化
合物半導体層が成膜されている。
層とは異なる化合物半導体層を出射端面に設けることに
より、説明ができない程、端面破壊に対する抑制効果が
生じ、半導体レーザダイオードの信頼性を著しく向上さ
せることができた。よって、以上の知見に基づいて、本
発明の更に好適な実施態様では、フレア部側の端面に
は、共振器構造を構成する化合物半導体層とは異なる化
合物半導体層が成膜されている。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例 本実施形態例は本発明に係る半導体レーザダイオードの
実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体
レーザダイオードの構成を示す斜視図、及び図２は本実
施形態例の半導体レーザダイオードのフレア構造を示す
模式的平面図である。尚、本実施形態例で示した化合物
半導体層の組成は一つの例示であって、本発明がこれに
限定されるものではない。本実施形態例の半導体レーザ
ダイオード１０は、図１に示すように、リッジ導波路構
造として形成され、ｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ−Ａ
ｌＧａＡｓからなる下部クラッド層１２、ノンドープＡ
ｌＧａＡｓからなる下部ＳＣＨ層１３、ＩｎＧａＡｓか
ら成る格子不整合系の多重量子井戸構造の活性層１４、
ノンドープＡｌＧａＡｓからなる上部ＳＣＨ層１５、ｐ
−ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層１６、及び、ｐ
−ＧａＡｓから成るキャップ層１７の積層構造を備えて
いる。
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例 本実施形態例は本発明に係る半導体レーザダイオードの
実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体
レーザダイオードの構成を示す斜視図、及び図２は本実
施形態例の半導体レーザダイオードのフレア構造を示す
模式的平面図である。尚、本実施形態例で示した化合物
半導体層の組成は一つの例示であって、本発明がこれに
限定されるものではない。本実施形態例の半導体レーザ
ダイオード１０は、図１に示すように、リッジ導波路構
造として形成され、ｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ−Ａ
ｌＧａＡｓからなる下部クラッド層１２、ノンドープＡ
ｌＧａＡｓからなる下部ＳＣＨ層１３、ＩｎＧａＡｓか
ら成る格子不整合系の多重量子井戸構造の活性層１４、
ノンドープＡｌＧａＡｓからなる上部ＳＣＨ層１５、ｐ
−ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層１６、及び、ｐ
−ＧａＡｓから成るキャップ層１７の積層構造を備えて
いる。
【００１８】ｐ−ＧａＡｓキャップ層１７及びｐ−Ａｌ
ＧａＡｓから成る上部クラッド層１６の上部は、ストラ
イプ状リッジ形として形成されている。リッジの上部の
窓２７を除いて、リッジ側部及び上部クラッド層１６の
平坦部には、ＳｉＮ膜からなる保護膜２０が形成されて
いる。リッジ上及びリッジ側部、並びに上部クラッド層
１６の平坦面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜から
なるｐ側電極１８が形成され、またＧａＡｓ基板１１の
裏面にはＡｕＧｅＮｉ／Ａｕの積層金属膜からなるｎ側
電極１９が形成されている。ｐ側電極１８は、保護膜２
０に設けられたリッジ上部の窓２７を介して露出してい
るキャップ層１７と接続している。また、半導体レーザ
ダイオード１０は、図２に示すように、共振器構造の一
方の端面から保護膜２０の窓２７Ａがリッジに沿って同
じ幅で形成されている直線部２１と、直線部２１に連続
して、保護膜２０の窓２７Ｂの幅がリッジに沿って他方
の端面に向かって拡大するフレア部２２とから構成され
た活性領域２７を有する。本実施形態例では、フレア部
２２側の端面が出射端面となっている。活性領域２７の
両側は、保護膜２０からなる電流ブロッキング領域２８
（非活性領域）となっている。
ＧａＡｓから成る上部クラッド層１６の上部は、ストラ
イプ状リッジ形として形成されている。リッジの上部の
窓２７を除いて、リッジ側部及び上部クラッド層１６の
平坦部には、ＳｉＮ膜からなる保護膜２０が形成されて
いる。リッジ上及びリッジ側部、並びに上部クラッド層
１６の平坦面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜から
なるｐ側電極１８が形成され、またＧａＡｓ基板１１の
裏面にはＡｕＧｅＮｉ／Ａｕの積層金属膜からなるｎ側
電極１９が形成されている。ｐ側電極１８は、保護膜２
０に設けられたリッジ上部の窓２７を介して露出してい
るキャップ層１７と接続している。また、半導体レーザ
ダイオード１０は、図２に示すように、共振器構造の一
方の端面から保護膜２０の窓２７Ａがリッジに沿って同
じ幅で形成されている直線部２１と、直線部２１に連続
して、保護膜２０の窓２７Ｂの幅がリッジに沿って他方
の端面に向かって拡大するフレア部２２とから構成され
た活性領域２７を有する。本実施形態例では、フレア部
２２側の端面が出射端面となっている。活性領域２７の
両側は、保護膜２０からなる電流ブロッキング領域２８
（非活性領域）となっている。
【００１９】本実施形態例では、共振器長は、直線部２
１の長さが０．８ｍｍ、フレア部２２の長さが６００μ
ｍである。直線部２１の導波路幅、つまり保護膜２０に
設けた窓２７Ａの幅は共振器長に沿って４μｍであり、
フレア部２２側の導波路幅、つまり保護膜２０に設けた
窓２７Ｂの幅は、４μｍから出射端面に向かって拡大
し、出射端面で６μｍになる。これにより、ｔａｎ
-1｛（ΔＷ／２）／Ｌ｝は、約１°である。また、フレ
ア部の窓２７Ｂの輪郭線、つまり非活性領域２８との境
界線は、緩いパラボリックな線形になっている。直線部
２１側端面にはＨＲ膜（高反射膜）２３が、フレア部２
２側端面、つまり出射端面にはＡＲ膜（反射防止膜）２
４が成膜されている。更に、出射端面では、端面から内
方に厚さ２５μｍの領域が非注入構造２５、つまり保護
膜２０の窓２７Ｂが設けられていない。加えて、出射端
面では、ＡＲ面の内側に厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＰ層
２６が成膜されている。
１の長さが０．８ｍｍ、フレア部２２の長さが６００μ
ｍである。直線部２１の導波路幅、つまり保護膜２０に
設けた窓２７Ａの幅は共振器長に沿って４μｍであり、
フレア部２２側の導波路幅、つまり保護膜２０に設けた
窓２７Ｂの幅は、４μｍから出射端面に向かって拡大
し、出射端面で６μｍになる。これにより、ｔａｎ
-1｛（ΔＷ／２）／Ｌ｝は、約１°である。また、フレ
ア部の窓２７Ｂの輪郭線、つまり非活性領域２８との境
界線は、緩いパラボリックな線形になっている。直線部
２１側端面にはＨＲ膜（高反射膜）２３が、フレア部２
２側端面、つまり出射端面にはＡＲ膜（反射防止膜）２
４が成膜されている。更に、出射端面では、端面から内
方に厚さ２５μｍの領域が非注入構造２５、つまり保護
膜２０の窓２７Ｂが設けられていない。加えて、出射端
面では、ＡＲ面の内側に厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＰ層
２６が成膜されている。
【００２０】以上の構成の本実施形態例の半導体レーザ
ダイオード１０では、活性領域、つまりリッジメサと、
非活性領域、つまり保護膜２０との間の等価屈折率差
が、２×１０-3であって、活性領域と、活性領域の両側
に延在する非活性領域との間の等価屈折率差をΔｎ、共
振器の直線部の活性領域の幅をｄ、発振波長をλ0 、直
線部の等価屈折率をｎ0 とするとき、ｄとΔｎとが、ｄ
＜λ0 ／｛２・（２・ｎ 0 ・Δｎ）0.5 ｝の関係を満た
している。例えば、等価屈折率ｎ0 ＝３．３とすると、
λ0 ／｛２・（２・ｎ0 ・Δｎ） 0.5 ｝は４．２６とな
り、ｄ＝４なので、上述した関係が満足されている。
ダイオード１０では、活性領域、つまりリッジメサと、
非活性領域、つまり保護膜２０との間の等価屈折率差
が、２×１０-3であって、活性領域と、活性領域の両側
に延在する非活性領域との間の等価屈折率差をΔｎ、共
振器の直線部の活性領域の幅をｄ、発振波長をλ0 、直
線部の等価屈折率をｎ0 とするとき、ｄとΔｎとが、ｄ
＜λ0 ／｛２・（２・ｎ 0 ・Δｎ）0.5 ｝の関係を満た
している。例えば、等価屈折率ｎ0 ＝３．３とすると、
λ0 ／｛２・（２・ｎ0 ・Δｎ） 0.5 ｝は４．２６とな
り、ｄ＝４なので、上述した関係が満足されている。
【００２１】フレア構造による空間ホールバーニング抑
制の評価は、水平方向の遠視野像（ＦＦＰ）の挙動、つ
まり注入電流と光強度の関係を分析することにより確認
できる。図３は、フレア構造を備えていない従来構造の
半導体レーザダイオード構造の遠視野像での水平方向の
電流依存性を示す。また、図４は、本実施形態例の半導
体レーザダイオードと同じ構成の半導体レーザダイオー
ドの遠視野像での水平方向の電流依存性を示す。図３及
び図４は、注入電流値をパラメータにして、横軸は、遠
視野角を、縦軸に光強度分布を取っている。
制の評価は、水平方向の遠視野像（ＦＦＰ）の挙動、つ
まり注入電流と光強度の関係を分析することにより確認
できる。図３は、フレア構造を備えていない従来構造の
半導体レーザダイオード構造の遠視野像での水平方向の
電流依存性を示す。また、図４は、本実施形態例の半導
体レーザダイオードと同じ構成の半導体レーザダイオー
ドの遠視野像での水平方向の電流依存性を示す。図３及
び図４は、注入電流値をパラメータにして、横軸は、遠
視野角を、縦軸に光強度分布を取っている。
【００２２】図３と図４との比較から判る通り、本実施
形態例の半導体レーザダイオードは、従来の半導体レー
ザダイオードに比べて、明らかにより高い注入電流値ま
で遠視野像での水平方向の形状が単峰性で安定し、更に
その中心も移動していない。これは、共振器方向で光出
力が高くなるが、フレア構造により導波路幅が広くな
り、出射端面での光密度は、フレア構造を有しない従来
の半導体レーザダイオードより低下しているために、空
間ホールバーニングが抑制された結果であると考えられ
る。
形態例の半導体レーザダイオードは、従来の半導体レー
ザダイオードに比べて、明らかにより高い注入電流値ま
で遠視野像での水平方向の形状が単峰性で安定し、更に
その中心も移動していない。これは、共振器方向で光出
力が高くなるが、フレア構造により導波路幅が広くな
り、出射端面での光密度は、フレア構造を有しない従来
の半導体レーザダイオードより低下しているために、空
間ホールバーニングが抑制された結果であると考えられ
る。
【００２３】本実施形態例では、共振器長として直線部
２１の長さが０．８ｍｍの半導体レーザダイオードを試
作して、フレア構造による空間ホールバーニング抑制の
評価を行った。本実施形態例の半導体レーザダイオード
１０は、直線部２１の長さに制約されることなく、空間
ホールバーニング抑制の効果を有する。例えば、直線部
２１の長さを１．２ｍｍに設定し、他の条件は全て同じ
半導体レーザダイオードを試作して、空間ホールバーニ
ング抑制の評価を行ったところ、上述の例と同じ効果を
得た。
２１の長さが０．８ｍｍの半導体レーザダイオードを試
作して、フレア構造による空間ホールバーニング抑制の
評価を行った。本実施形態例の半導体レーザダイオード
１０は、直線部２１の長さに制約されることなく、空間
ホールバーニング抑制の効果を有する。例えば、直線部
２１の長さを１．２ｍｍに設定し、他の条件は全て同じ
半導体レーザダイオードを試作して、空間ホールバーニ
ング抑制の評価を行ったところ、上述の例と同じ効果を
得た。
【００２４】本実施形態例の半導体レーザダイオード１
０の活性領域２７は、図２に示すように、直線部２１
と、直線部２１に連続して、保護膜２０の窓２７Ｂの幅
がリッジに沿って他方の端面に向かって拡大するフレア
部２２とから構成されているが、活性領域の形状はこれ
に限らず、直線部に連続するフレア部が、例えばそれぞ
れ図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、非活性領域と活
性領域との境界が指数曲線で規定される活性領域、及び
非活性領域と活性領域との境界が放物線で規定される活
性領域等であってもよく、フレア部の活性領域の幅（窓
の幅）、つまり非活性領域と活性領域との境界同士の間
隔が出射端面に向かって拡大して行くかぎり、自在に境
界を規定することができる。
０の活性領域２７は、図２に示すように、直線部２１
と、直線部２１に連続して、保護膜２０の窓２７Ｂの幅
がリッジに沿って他方の端面に向かって拡大するフレア
部２２とから構成されているが、活性領域の形状はこれ
に限らず、直線部に連続するフレア部が、例えばそれぞ
れ図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、非活性領域と活
性領域との境界が指数曲線で規定される活性領域、及び
非活性領域と活性領域との境界が放物線で規定される活
性領域等であってもよく、フレア部の活性領域の幅（窓
の幅）、つまり非活性領域と活性領域との境界同士の間
隔が出射端面に向かって拡大して行くかぎり、自在に境
界を規定することができる。
【００２５】
【発明の効果】本発明によれば、一方の端面から共振器
方向に沿って同じ活性領域幅を有する直線部と、直線部
に連続し、かつ共振器の他方の端面に向かって活性領域
幅を拡大させつつ共振器方向に沿って延在するフレア部
とから構成される半導体レーザダイオードにおいて、活
性領域と、活性領域の両側に延在する非活性領域との間
の等価屈折率差を該等価屈折率差をΔｎ、共振器の直線
部の活性領域の幅をｄ、共振波長をλ0 、直線部の等価
屈折率をｎ0 とするとき、ｄとΔｎとが、ｄ＜λ 0 ／
｛２・（２・ｎ0 ・Δｎ）0.5 ｝の関係を満たすように
することにより、空間ホールバーニング現象の抑制効果
を増大させて、単峰性モード発振を安定して持続させる
半導体レーザダイオードを実現している。また、本発明
の好適な実施態様では、フレア部の共振器方向の長さを
Ｌ、出射端面でのフレア部の活性領域の幅Ｗ2 と直線部
の活性領域の幅Ｗ1 との差、Ｗ2−Ｗ1 をΔＷとすると
き、ΔＷとＬとを、ｔａｎ-1｛（ΔＷ／２）／Ｌ｝＜
０．２５°の関係に規定することにより、単峰性モード
発振を安定して持続させる半導体レーザダイオードの製
品歩留りを向上させることができる。
方向に沿って同じ活性領域幅を有する直線部と、直線部
に連続し、かつ共振器の他方の端面に向かって活性領域
幅を拡大させつつ共振器方向に沿って延在するフレア部
とから構成される半導体レーザダイオードにおいて、活
性領域と、活性領域の両側に延在する非活性領域との間
の等価屈折率差を該等価屈折率差をΔｎ、共振器の直線
部の活性領域の幅をｄ、共振波長をλ0 、直線部の等価
屈折率をｎ0 とするとき、ｄとΔｎとが、ｄ＜λ 0 ／
｛２・（２・ｎ0 ・Δｎ）0.5 ｝の関係を満たすように
することにより、空間ホールバーニング現象の抑制効果
を増大させて、単峰性モード発振を安定して持続させる
半導体レーザダイオードを実現している。また、本発明
の好適な実施態様では、フレア部の共振器方向の長さを
Ｌ、出射端面でのフレア部の活性領域の幅Ｗ2 と直線部
の活性領域の幅Ｗ1 との差、Ｗ2−Ｗ1 をΔＷとすると
き、ΔＷとＬとを、ｔａｎ-1｛（ΔＷ／２）／Ｌ｝＜
０．２５°の関係に規定することにより、単峰性モード
発振を安定して持続させる半導体レーザダイオードの製
品歩留りを向上させることができる。
【図１】実施形態例の半導体レーザダイオードの構成を
示す斜視図である。
示す斜視図である。
【図２】実施形態例の半導体レーザダイオードのフレア
構造を示す模式図である。
構造を示す模式図である。
【図３】フレア構造を備えていない従来構造の半導体レ
ーザダイオード構造の遠視野像での水平方向の電流依存
性を示すグラフである。
ーザダイオード構造の遠視野像での水平方向の電流依存
性を示すグラフである。
【図４】実施形態例の半導体レーザダイオードと同じ構
成の半導体レーザダイオードの遠視野像での水平方向の
電流依存性を示すグラフである。
成の半導体レーザダイオードの遠視野像での水平方向の
電流依存性を示すグラフである。
【図５】従来のフレア構造を説明する半導体レーザダイ
オードの模式図である。
オードの模式図である。
【図６】フレア構造を規定する因子を説明する図であ
る。
る。
【図７】図７（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、別のフレ
ア部の形状を示す活性領域の模式的平面図である。
ア部の形状を示す活性領域の模式的平面図である。
１０ 実施形態例の半導体レーザダイオード １１ ｎ−ＧａＡｓ基板 １２ ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層 １３ ノンドープＡｌＧａＡｓからなる下部ＳＣＨ層 １４ ＩｎＧａＡｓから成る格子不整合系の多重量子井
戸構造の活性層 １５ ノンドープＡｌＧａＡｓからなる上部ＳＣＨ層 １６ ｐ−ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層 １７ ｐ−ＧａＡｓから成るキャップ層 １８ ｐ側電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ） １９ ｎ側電極（ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ） ２０ ＳｉＮ膜からなる保護膜 ２１ 直線部 ２２ フレア部 ２３ ＨＲ膜 ２４ ＡＲ膜 ２５ 非注入構造 ２６ ＩｎＧａＰ層 ３２ 活性領域 ３４ 直線部 ３６ フレア部 ３８ 非活性領域 ４０ 高反射膜（ＨＲ） ４２ 反射防止膜（ＡＲ）
戸構造の活性層 １５ ノンドープＡｌＧａＡｓからなる上部ＳＣＨ層 １６ ｐ−ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層 １７ ｐ−ＧａＡｓから成るキャップ層 １８ ｐ側電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ） １９ ｎ側電極（ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ） ２０ ＳｉＮ膜からなる保護膜 ２１ 直線部 ２２ フレア部 ２３ ＨＲ膜 ２４ ＡＲ膜 ２５ 非注入構造 ２６ ＩｎＧａＰ層 ３２ 活性領域 ３４ 直線部 ３６ フレア部 ３８ 非活性領域 ４０ 高反射膜（ＨＲ） ４２ 反射防止膜（ＡＲ）
Claims (5)
- 【請求項１】 反射膜を一方の端面に、反射防止膜を他
方の端面にそれぞれ有し、他方の端面を出射端面とする
共振器構造と、共振器構造の一方の端面から出射端面に
向かって延在する活性領域とを備え、活性領域が、一方
の端面から同じ活性領域幅で共振器方向に沿って延在す
る直線部と、直線部に連続し、かつ共振器の出射端面に
向かって活性領域幅を拡大させつつ共振器方向に沿って
延在するフレア部とから構成される半導体レーザダイオ
ードにおいて、 活性領域と、活性領域の両側に延在する非活性領域との
間の等価屈折率差をΔｎ、共振器の直線部の活性領域の
幅をｄ、発振波長をλ0 、直線部の等価屈折率をｎ0 と
するとき、ｄとΔｎとが、ｄ＜λ0 ／｛２・（２・ｎ0
・Δｎ）0.5 ｝の関係にあることを特徴とする半導体レ
ーザダイオード。 - 【請求項２】 フレア部の共振器方向の長さをＬ、出射
端面でのフレア部の活性領域の幅Ｗ2 と直線部の活性領
域の幅Ｗ1 との差、Ｗ2 −Ｗ1 をΔＷとするとき、ΔＷ
とＬとが、ｔａｎ-1｛（ΔＷ／２）／Ｌ｝＜０．２５°
の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体
レーザダイオード。 - 【請求項３】 フレア部の活性領域と非活性領域との境
界線がパラボリックな線形であることを特徴とする請求
項１又は２に記載の半導体レーザダイオード。 - 【請求項４】 出射端面から内方に向かって１０μｍ以
上１００μｍ以下の厚さで電流非注入領域が設けてある
ことを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項
に記載の半導体レーザダイオード。 - 【請求項５】 出射端面には、共振器構造を構成する化
合物半導体層とは異なる化合物半導体層が成膜されてい
ることを特徴とする請求項１から４のいずれか４項に記
載の半導体レーザダイオード。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001068170A JP2002124733A (ja) | 2000-08-09 | 2001-03-12 | 半導体レーザダイオード |
| US09/923,879 US6668001B2 (en) | 2000-08-09 | 2001-08-06 | Semiconductor laser diode |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000240764 | 2000-08-09 | ||
| JP2000-240764 | 2000-08-09 | ||
| JP2001068170A JP2002124733A (ja) | 2000-08-09 | 2001-03-12 | 半導体レーザダイオード |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002124733A true JP2002124733A (ja) | 2002-04-26 |
Family
ID=26597603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001068170A Pending JP2002124733A (ja) | 2000-08-09 | 2001-03-12 | 半導体レーザダイオード |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6668001B2 (ja) |
| JP (1) | JP2002124733A (ja) |
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| US11837838B1 (en) * | 2020-01-31 | 2023-12-05 | Freedom Photonics Llc | Laser having tapered region |
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| JP2004119817A (ja) * | 2002-09-27 | 2004-04-15 | Sharp Corp | 半導体レーザ素子およびその製造方法 |
| JP2004172506A (ja) | 2002-11-22 | 2004-06-17 | Sony Corp | 半導体レーザ素子 |
| US7301979B2 (en) * | 2003-05-22 | 2007-11-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor laser |
| US7301977B2 (en) * | 2004-06-10 | 2007-11-27 | Nanoplus Gmbh | Tuneable unipolar lasers |
| WO2008010374A1 (fr) * | 2006-07-19 | 2008-01-24 | Panasonic Corporation | Dispositif laser semi-conducteur |
| JP2009033009A (ja) * | 2007-07-30 | 2009-02-12 | Panasonic Corp | 半導体レーザ装置及びその製造方法 |
| CN101546949B (zh) * | 2008-03-24 | 2012-08-29 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 弹片及音圈马达致动器 |
| JP4917157B2 (ja) * | 2010-02-26 | 2012-04-18 | Ｎｔｔエレクトロニクス株式会社 | リッジ型半導体レーザ及びリッジ型半導体レーザの製造方法 |
| DE102011055891B9 (de) | 2011-11-30 | 2017-09-14 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Halbleiterlaserdiode |
| US9166369B2 (en) | 2013-04-09 | 2015-10-20 | Nlight Photonics Corporation | Flared laser oscillator waveguide |
| CN103904556B (zh) * | 2014-03-25 | 2016-09-14 | 中国科学院半导体研究所 | 一种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器 |
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