JP2003204109A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザ装置において、その光導波路断
面積を大きくして光出力を増大させ、その一方、基本横
モードで安定して動作可能とする。 【解決手段】 光に対して利得を有する半導体層３を含
む光導波路を備えた利得部10と、前記光導波路の光出射
端面に近接あるいは密接配置されてファブリ・ペロー共
振器の一つのミラーを構成するミラー部20とを設ける。
そしてこのミラー部20は、対面する前記光導波路の幅よ
りも狭い範囲において前記光出射端面より高反射率で、
かつ該範囲の外側の部分より高反射率とされた高反射領
域22を有するものとする。

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に
関し、特に詳細には、半導体層からなる利得部と、それ
とは別体に形成されてファブリ・ペロー共振器の一つの
ミラーを構成するミラー部とを備えてなる半導体レーザ
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、半導体レーザは、レーザ光が微小
面積に集光可能であるという性質を活用して、光通信用
光源や光ディスク装置用光源として広く用いられてい
る。特にシングルモード光ファイバーを用いる光通信分
野において、この半導体レーザは大きな市場を獲得する
に至っている。この分野ではレーザ光を光ファイバー端
面に集光させることが不可欠であり、そのため、ここで
使用される半導体レーザには、その発光パターンが安定
する基本横モードで動作することが、必須の仕様として
要求されている。

【０００３】こうした要求に対し、半導体レーザの構造
において、発光断面積を小さくすればするほど基本横モ
ード以外の高次横モードの混在が抑制され、より望まし
いことが知られている。そのため、半導体レーザにおけ
る光導波路のサイズは一般に、厚さ方向が1μｍ以下、
幅つまり発光層に水平な方向の長さが２乃至４μｍ程度
に設定されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように光導波路の発光断面積を小さくした半導体レーザ
においても、安定した基本モードを高光出力領域まで維
持することは困難になっている。この状況を、一般的な
半導体レーザおよびその発光パターンを示す図９を参照
して詳しく説明する。

【０００５】同図（ａ）は、一般的な屈折率導波構造を
持った内部ストライプ型レーザをその導波方向に垂直な
方向から見た概略形状を示し、また同図（ｂ）は、この
レーザの光導波路幅方向に亘る発光強度分布を示してい
る。ここに例示した内部ストライプ型レーザは、同図
（ａ）に示すように基板31、クラッド層32、35、活性層
33、電流阻止層34、オーミック層36、および電極30、39
を有してなるものである。なお光導波路は、電流阻止層
34の中央部に形成されたストライプ状開口Ｐに対面する
部分のクラッド層35および活性層33によって形成され
る。

【０００６】次に同図（ｂ）を参照して、発光パターン
について説明する。低出力時には曲線Ｂで示す基本横モ
ードで安定な発光をしていたとしても、動作電流を増し
て高出力動作させると、発熱や製造時に不可避な光導波
路形状のバラツキによる非対称性などに起因して、曲線
Ｄで示すような高次横モード発振となったり、発光パタ
ーンのピークがずれる現象（ビームステアリング、曲線
Ｃ）が発生する。

【０００７】そして、このようにビームステアリングや
高次横モードが発生した場合には、図１０に示すように
光出力−電流特性において、直線性関係が崩れることも
知られている。すなわち、低出力時には光出力が直線的
に電流に比例（特性曲線の41の部分)したものが、高出
力時には高次横モード化やビームステアリングの影響
で、直線性が崩れてしまう（特性曲線の42の部分）。さ
らに、高次横モード化やビームステアリングを起した光
をファイバーに結合した場合は、非直線性が一段と強調
され、光ファイバーからの出力において、光出力−電流
特性に著しいキンクが現れる（特性曲線の43の部分）。

【０００８】以上説明したように高出力時に発光パター
ンが乱れる現象は、光導波路の水平方向の幅Ｐを狭めれ
ば狭めるほど抑制されることが知られている。しかしな
がら、このように光導波路の横幅を狭めて発光断面積を
小さくすると、必然的に半導体レーザの出射端面におけ
る光密度の上昇を招く。この出射端面における光密度の
増大は、半導体レーザの構成材料の劣化を招き、素子寿
命を低下させる要因となる。言いかえれば、横幅を狭め
ることで高出力時に基本横モード動作を実現しても、信
頼性を考慮すると高出力動作を実現できない、というこ
とになる。

【０００９】このように、基本横モードでの安定動作
（光導波路断面積を小さくする）と光出力の増大（光導
波路断面積を大きくする）は、トレードオフの関係にあ
る。この限界を打破することが半導体レーザの大きな課
題となっている。

【００１０】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、光導波路断面積を大きくして光出力を増大させ
ることができ、その一方、基本横モードで安定して動作
可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体レー
ザ装置は、光に対して利得を有する半導体層を含む光導
波路を備えた利得部と、前記光導波路の光出射端面に近
接あるいは密接配置されてファブリ・ペロー共振器の一
つのミラーを構成し、対面する前記光導波路の幅よりも
狭い範囲において前記光出射端面より高反射率で、かつ
該範囲の外側の部分より高反射率とされた高反射領域を
有するミラー部とを備えたことを特徴とするものであ
る。

【００１２】なおこの半導体レーザ装置において、上記
高反射領域の反射率は、光導波路の幅方向に亘ってほぼ
一定とされてもよいし、あるいは、光導波路の幅方向ほ
ぼ中央位置において最大で、そこから外側に向かって次
第に滑らかに低下する分布を有していてもよい。

【００１３】また上記高反射領域の幅は、光導波路の幅
方向と交わる方向に亘って連続的に変化しているのが好
ましい。

【００１４】またミラー部において前記高反射領域は、
光導波路の幅方向に亘って互いに離して複数形成されて
いることが望ましい。

【００１５】他方、前記光出射端面を含む利得部の一端
面には低反射コートが施される一方、この利得部の他端
面には、ファブリ・ペロー共振器の別のミラーを構成す
る高反射コートが施されていることが望ましい。

【００１６】また上記ミラー部は、その高反射領域と光
導波路の光出射端面との間の距離が、発振波長の４倍以
内となる状態に配設されていることが望ましい。

【００１７】

【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置においては、
ファブリ・ペロー共振器の一つのミラーを構成するミラ
ー部が、対面する光導波路の幅よりも狭い範囲におい
て、該範囲の外側の部分より高反射率とされた領域を有
していることにより、光導波路中央近辺に強度ピークを
持つ光のみが利得部に戻されて共振するようになる。つ
まりレーザ光の発光パターンは、一義的かつ強制的に決
定される。したがって、光導波路の幅を比較的大きく設
定しておいても、高出力下で高次横モードやビームステ
アリングが生じることが抑制され、容易に基本横モード
で発振可能となる。

【００１８】そして、上記のように光導波路の幅を比較
的大きく設定できれば、光導波路断面積が大きくなっ
て、その端面における光密度を低減できる。そこで、高
出力動作させても半導体レーザの構成材料の劣化を招く
ことがなく、高い信頼性を確保できるようになる。

【００１９】またこの半導体レーザ装置において、ミラ
ー部の高反射領域の幅が、光導波路の幅方向と交わる方
向に亘って連続的に変化している場合は、該ミラー部を
この光導波路の幅方向と交わる方向に動かすことによ
り、光導波路端面に向かい合う高反射領域の幅を調整す
ることができる。実際に利得部を形成する際には、製造
上の問題から光導波路の幅にバラツキが生じやすいが、
そうであっても上述の調整を行なえば、ミラー部の高反
射領域の幅を実際の光導波路の幅に見合った最適な値に
設定できるようになる。

【００２０】なお、ミラー部の高反射領域と光導波路と
は互いに対面する状態になるが、それらは特に、光導波
路幅方向の中心が互いに一致する状態に整合しているこ
とが望ましい。通常数μｍ程度の狭い幅となる高反射領
域がミラー部にただ１つだけ形成されている場合は、そ
れと光導波路とを上記の状態に整合させる調整作業はか
なり困難となる。それに対して、上記高反射領域が光導
波路の幅方向に亘って互いに離して複数形成されている
場合には、ミラー部を光導波路の幅方向に少しずつ移動
させて行けば、いずれか１つの高反射領域が光導波路と
整合する状態になるので、調整作業が容易なものとなっ
て生産性が向上する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施の形
態による半導体レーザ装置の斜視形状を示すものであ
り、また図２および図３はそれぞれこの半導体レーザ装
置の正面形状、側断面形状（図１のＡ−Ａ線に沿った部
分の断面形状）を示している。なお図１および図２で
は、後述するミラー部20を透視状態で示してある。

【００２２】図示されるようにこの半導体レーザ装置
は、利得部10およびミラー部20から構成されている。利
得部10は、n-GaAs基板１上に、AlGaAsからなるクラッド
層２、一例として波長980ｎｍにて利得を有するInGaAs
量子井戸活性層を含む利得層３、AlGaAsからなるクラッ
ド層５、中央部にストライプ状の開口を有するAlGaAsか
らなる電流阻止層４、オーミック層６が積層された構造
を有している。この半導体層構造は例えば気相成長法に
よって作製される。

【００２３】また光導波路構造は、上記の通りの開口を
有する電流阻止層４による屈折率導波構造とされ、この
光導波路構造はフォトリソグラフィー工程と再成長プロ
セスを用いて形成される。ここで電流阻止層４のAlGaAs
の組成は、該電流阻止層４の間の開口部分にクラッド層
５が存在することによって屈折率導波構造が構成される
組成とする。なお光導波路の幅つまり上記開口の幅Ｗ
（図２参照）は、通常４〜６μｍ程度とされる。また、
上記オーミック層６の表面およびn-GaAs基板１の裏面に
はそれぞれ、利得層３に電流を注入するためのｐ側電極
８，９が形成されている。

【００２４】上記半導体層構造から形成された利得部10
には、結晶をへき開することによって、平面の共振器面
70および光出射面71が形成される。共振器面70にはレー
ザー発振波長に対する高反射コート、光出射面71には無
反射コートが施される。また、この利得部10は電流注入
により発熱するため、導電性のろう材（In等）を用いて
ヒートシンク50に実裝され、効率的な放熱が図られる。
そして、図示外のワイヤーボンディングがなされて電流
を流せる構造とし、利得部10が完成する。

【００２５】次にミラー部20について説明する。このミ
ラー部20は、石英ガラス等の透明部材からなるミラー基
板21の一方の面21ａに、反射率５％程度、幅２μｍ程度
で上下方向（つまり光導波路の幅Ｗの方向と直角な方
向）に延びる矩形ストライプ状の高反射領域22が形成さ
れてなるものである。基板21の上記面21ａにおいて、高
反射領域22の外側には、無反射もしくは反射率５％未満
の低反射コートが施されている。また基板21の他方の面
21ｂには、全面に亘って均一な無反射コートが施されて
いる。

【００２６】上記高反射領域22の光導波路幅方向に亘る
反射率の分布は、概略図４に示すようなものとされてい
る。なお、この高反射領域22の幅方向中央近傍とその外
側との比較において、中央近傍の反射率が高ければ、反
射率に多少の凹凸があっても構わない。このような屈折
率分布を持つ高反射領域22は、基板21の一方の面21ａ上
に均一なコートを施し、そのコートの周囲もしくは中央
部をフォトレジストを用いる等により適宜エッチング除
去して形成することができる。ここで、高反射領域22の
反射率について、より具体的には、光導波路幅より狭い
部分の平均的反射率が、光導波路の外側の平均反射率よ
り低くなっていることが必要である。

【００２７】上記構成のミラー部20は、図３に示される
ように、高反射領域22が形成された基板面21ａを利得部
10の光出射面71に向け、かつ、利得部10の光導波路の幅
方向中央近傍に高反射領域22が対向するように設置され
る。こうして本実施の形態の半導体レーザ装置が得られ
る。ここで、高反射領域22と利得部10の光出射面71との
間の距離Ｅ（図３参照）は、発振波長の４倍以内、より
好ましくは発振波長と同程度に設定するのが望ましい。

【００２８】なおミラー部20は、その高反射領域22の中
央位置が、利得部10の光導波路中央位置と極力一致する
ように配設される。この半導体レーザ装置の組み立てに
際しては、実際に発光させながら、利得部10とミラー部
20の相対位置を調整し、安定な横モードが得られるよう
にする。

【００２９】本実施の形態の半導体レーザ装置において
は、利得部10の共振器面70と利得部10の高反射領域22と
によってファブリ・ペロー共振器が構成され、この共振
器によって発振したレーザ光Ｌの一部が、図３に示すよ
うにミラー部20を透過して前方に出射する。

【００３０】この半導体レーザ装置における光出力−電
流特性を図５に示す。ここに示される通り、光出力500
ｍＷまで異常の無い光出力−電流特性が得られている。
このような安定動作が得られる理由は、先に詳しく説明
した通りである。こうして、高出力動作させてもビーム
ステアリングすら起きない、非常に高品位の半導体レー
ザ装置を高歩留りで実現することができる。

【００３１】なお、高反射領域の反射率分布としては、
図４に示したようなものに限らず、図６にａ、ｂおよび
ｃとして各々示す矩形状の分布、凹凸のある山形の分
布、なだらかな山形の分布等が採用されてもよい。この
ｂおよびｃのような滑らかな分布であれば、射出される
レーザ光の遠視野像も滑らかになるので、光ファイバー
等の外部光学系に結合する際、アライメント位置ずれに
よって結合効率が著しく変化することがなくなる。

【００３２】また、基板21に形成する高反射領域の形状
は、上記高反射領域22のような矩形ストライプ形状の
他、図７や図８に示すような形状を採用することもでき
る。

【００３３】図７に示す高反射領域80は、その幅が、光
導波路の幅方向（図中の左右方向）と交わる方向に亘っ
て連続的に変化する形状のものである。高反射領域80の
形状がこのようなものである場合は、基板21を光導波路
幅方向と交わる方向、例えば図中の上下方向に動かすこ
とにより、光導波路端面に向かい合う高反射領域80の幅
を調整することができる。実際に利得部を形成する際に
は、製造上の問題から光導波路の幅にバラツキが生じや
すいが、そうであっても上述の調整を行なえば、高反射
領域80の幅を実際の光導波路の幅に見合った最適な値に
設定できるようになる。

【００３４】一方図８に示す高反射領域81は、基板21上
において、光導波路の幅方向（図中の左右方向）に亘っ
て互いに離して複数形成されている。前述した通り、ミ
ラー部の高反射領域と光導波路とは互いに対面する状態
になるが、それらは特に、光導波路幅方向の中心が互い
に一致する状態に整合していることが望ましい。通常数
μｍ程度の狭い幅となる高反射領域がミラー部にただ１
つだけ形成されている場合は、それと光導波路とを上記
の状態に整合させる調整作業はかなり困難となる。それ
に対して、図８のように高反射領域81が複数形成されて
いる場合には、基板21を光導波路の幅方向に少しずつ移
動させて行けば、いずれか１つの高反射領域81が光導波
路と整合する状態になるので、調整作業が容易なものと
なって生産性が向上する。

【００３５】また、特にこの図８の高反射領域81は図７
の高反射領域80と同様に、その幅が、光導波路の幅方向
と交わる方向に亘って連続的に変化する形状とされてい
る。そこでこの場合も、基板21を光導波路幅方向と交わ
る方向、例えば図中の上下方向に動かすことにより、光
導波路端面に向かい合う高反射領域81の幅を調整可能と
なる。

【００３６】また利得部としては、内部ストライプ構造
による光導波路を有するものについて説明してきたが、
他の構造の光導波路構造、例えばリッジ型光導波路やAR
ROW型光導波路構造（Antiresonant Reflecting Optical
Waveguide構造）も適用可能である。特に、５μｍ〜９
μｍ前後の幅を有するARROW型光導波路を有する利得部
を用いると、より一段と高出力の領域まで横単一モード
で動作させることが可能になる。

【００３７】さらに、利得層を構成する量子井戸構造と
しては、複数の井戸からなるキャリアの閉じ込め層、歪
み補償層など、半導体レーザの性能向上を図って適用さ
れる公知の種々の構成を持つものを適用できる。

【００３８】また以上は、利得部10がGaAs系半導体によ
って構成された実施の形態について説明したが、本発明
は、GaN系、InP系あるいはその他の半導体材料からなる
利得部を有する半導体レーザ装置に対しても同様に適用
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による半導体レーザ装置
を示す斜視図

【図２】図１の半導体レーザ装置の正面図

【図３】図１の半導体レーザ装置の側断面図

【図４】図１の半導体レーザ装置に用いられたミラー部
の高反射領域の反射率分布特性を示すグラフ

【図５】図１の半導体レーザ装置の光出力−電流特性を
示すグラフ

【図６】ミラー部における高反射領域の別の反射率分布
特性を示すグラフ

【図７】ミラー部における高反射領域の別の形状例を示
す正面図

【図８】ミラー部における高反射領域のさらに別の形状
例を示す正面図

【図９】従来の半導体レーザの正面形状（ａ）および発
光強度分布（ｂ）を示す概略図

【図１０】従来の半導体レーザの光出力−電流特性を示
すグラフ

【符号の説明】

１ n-GaAs基板 ２ クラッド層 ３ 利得層 ４ 電流阻止層 ５ クラッド層 ６ オーミック層 ８ ｐ側電極 ９ ｎ側電極 10 利得部 20 ミラー部 21 ミラー基板 22、80、81 高反射領域 70 利得部の共振器面 71 利得部の光出射面 Ｌ レーザ光

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光に対して利得を有する半導体層を含む
   光導波路を備えた利得部と、 前記光導波路の光出射端面に近接あるいは密接配置され
   てファブリ・ペロー共振器の一つのミラーを構成し、対
   面する前記光導波路の幅よりも狭い範囲において前記光
   出射端面より高反射率で、かつ該範囲の外側の部分より
   高反射率とされた高反射領域を有するミラー部とを備え
   たことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記高反射領域の反射率が、前記光導波
   路の幅方向に亘ってほぼ一定であることを特徴とする請
   求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 前記高反射領域の反射率が、前記光導波
   路の幅方向ほぼ中央位置において最大で、そこから外側
   に向かって次第に滑らかに低下していることを特徴とす
   る請求項１記載の半導体レーザ装置。
4. 【請求項４】 前記高反射領域の幅が、前記光導波路の
   幅方向と交わる方向に亘って連続的に変化していること
   を特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の半導体
   レーザ装置。
5. 【請求項５】 前記ミラー部の高反射領域が、前記光導
   波路の幅方向に亘って互いに離して複数形成されている
   ことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の半
   導体レーザ装置。
6. 【請求項６】 前記光出射端面を含む前記利得部の一端
   面に低反射コートが施される一方、この利得部の他端面
   に、前記ファブリ・ペロー共振器の別のミラーを構成す
   る高反射コートが施されていることを特徴とする請求項
   １から５いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
7. 【請求項７】 前記ミラー部が、その高反射領域と前記
   光出射端面との間の距離が、発振波長の４倍以内となる
   状態に配設されていることを特徴とする請求項１から６
   いずれか１項記載の半導体レーザ装置。