JP2004172252A

JP2004172252A - Semiconductor laser device and array-type semiconductor laser device

Info

Publication number: JP2004172252A
Application number: JP2002334629A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Asazuma; 庸紀朝妻; Shoji Hirata; 照二平田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser device which has a configuration capable of displaying a uniform luminous intensity distribution in NFP or FFP and controlling an angle of θ//. <P>SOLUTION: The rib guide structure 58 of the semiconductor laser device 50 is composed of a wide belt-shaped rib body 54 and banded structures 56 provided in symmetry on the sides of the rib body 54 and provided in a region over the light emitting region 32 of a p-Al<SB>0.7</SB>Ga<SB>0.3</SB>As guide layer 52. In the semiconductor laser device 50, the positions and widths of grooves and belt-shaped projections composing the banded structures 56 are so provided as to conform to the regularity of a bright/dark pattern of a Fresnel zone plate. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブロードエリア型半導体レーザ素子及びアレイ型半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、近視野像（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＰａｔｔｅｒｎ、以下、ＮＦＰと言う）や遠視野像（ＦａｒＦｉｅｌｄＰａｔｔｅｒｎ、以下ＦＦＰと言う）の光強度分布が均一で、しかも広がり角度θ／／を制御できる構成のブロードエリア型半導体レーザ素子及びアレイ型半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ストライプ幅が１０μｍよりも大きなブロードエリア型半導体レーザ素子は、高出力型半導体レーザ素子として、レーザ印刷機やディスプレイ装置の光源として多用されている。
【０００３】
ここで、図１２を参照して、従来のＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子の構成を説明する。図１２はＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
従来のＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子１０（以下、従来の半導体レーザ素子１０と言う）は、波長が７８０μｍのレーザ光を発振させる半導体レーザ素子であって、図１２に示すように、ｎ^＋−ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層１６、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ活性層１８、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層２０、ｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４の積層構造を備えている。
【０００４】
積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２の上部層はストライプ状リッジとして加工され、リッジの両側はｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６で埋め込まれている。
ｐ側電極２８がｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６上に形成され、ｎ側電極３０がｎ^＋−ＧａＡｓ基板１２の裏面に形成されている。
発光領域３２は、両側がｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６で挟まれたストライプ状のｐ−ＧａＡｓキャップ層２４下に存在する。
【０００５】
上述した従来の半導体レーザ素子を作製する際には、ｎ^＋−ＧａＡｓ基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などによって、順次、ｎ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層１６、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ活性層１８、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層２０、ｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
【０００６】
次いで、積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２の上部層をエッチングして、ストライプ状リッジに加工する。続いて、リッジの両側にｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６を埋め込み成長させ、リッジを埋め込む。
次に、ｐ側電極２８をｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６上に形成し、ｎ^＋−ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して基板厚さを調整した後、裏面にｎ側電極３０を形成する。
【０００７】
また、従来のＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子の別例として、リブガイド構造部のブロードエリア型半導体レーザ素子がある。
ここで、図１３を参照して、リブガイド構造のブロードエリア型半導体レーザ素子の構成を説明する。図１３はリブガイド構造のＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
従来のリブガイド構造部のＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子４０（以下、従来の半導体レーザ素子４０と言う）は、波長が７８０μｍのレーザ光を発振させる半導体レーザ素子であって、図１３に示すように、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層４２の発光領域３２上の領域がリブガイド構造部４４として加工されていることを除いて、図１３に示す従来の半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【０００８】
発光領域３２は、両側がｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６で挟まれたｐ−ＧａＡｓキャップ層２４とほぼ同じ幅で、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２４の直下にある。
リブガイド構造部４４は、ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層４２の発光領域３２上の領域に形成された層厚の厚い凸部として形成されていて、これにより、横方向の屈折率差を生じさせることができ、深さ方向と横方向に光を閉じ込めることができる。
【０００９】
半導体レーザ素子から発光するレーザ光の横モードは、半導体レーザ素子の利用上で、半導体レーザ素子の適不適に大きく影響する。つまり、半導体レーザ素子から発光するレーザ光の横方向の光モードを基本（０次）モードに安定に制御するという横モード制御は、半導体レーザ素子の制御にとって重要なポイントの一つである。
特に、上述のようなブロードエリア型半導体レーザ素子では、ストライプ幅が広く、横モードがマルチモードになってしまい勝ちであるために、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一になり難い。
ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一でない半導体レーザ素子を印刷などの光源として利用すると、光強度のムラが発生して印字ムラが生じ、また、ディスプレイに応用すると、表示画像の画質を悪化させる。
【００１０】
また、上述のブロードエリア型半導体レーザでは、ｐｎ接合面に平行な面でのＦＦＰの広がり角度（θ／／）の制御も難しい。光学系との結合効率などを考慮すると、θ／／を自在に、即ち所望の値に制御できることが望ましい。
【００１１】
【非特許文献１】
Ｓ．Ｈｉｒａｔａｅｔａｌ．，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＮｏ．４，８０７，２４５（Ｆｅｂ．２１，１９８９）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布が均一で、θ／／を制御できる構成の半導体レーザ素子を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
ところで、ブロードエリア型半導体レーザ素子のＮＦＰやＦＦＰの光強度不均一性は、横モードのマルチモード発振に起因していることに加えて、導波面が湾曲してしまうことにより生じると考えられている。すなわち、導波面の湾曲により、ストライプの両側の縁部に光強度が集中し易くなることが、ＮＦＰやＦＦＰの光強度不均一性の一因となる。そして、導波面が湾曲することの原因の一つは、ストライプの両縁部で光の損失が生じるために、導波の進行が遅れることである。
そこで、本発明者は、ストライプの両縁部での光の損失を抑えて、導波面の湾曲を抑制することにより、ブロードエリア型半導体レーザのＮＦＰやＦＦＰの光強度分布を均一にし、かつθ／／を制御することができると考えた。
【００１４】
そこで、本発明者は、ブロードエリア型半導体レーザの発光領域であるストライプの近傍に、共振器と平行な方向または平行に近い方向に延在する複数条の帯状部からなる帯状構造部を作り付けることによって、ストライプ内を導波する光の強度や進み方、特にストライプの両縁部での光の導波状態を制御し、その結果として、ＮＦＰやＦＦＰの強度分布をより均一にし、θ／／を制御することを着想した。そして、この着想が有効であることを実験により確認して、本発明を発明するに到った。
【００１５】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る半導体レーザ素子（以下、第１の発明と言う）は、広幅のストライプ状発光領域を有するブロードエリア型半導体レーザであって、
２種類の相互に異なる構造の第１及び第２の帯状部を交互に隣接してレーザ共振器方向に延在させてなる帯状構造部が、発光領域の上側又は下側の化合物半導体層に形成されていることを特徴としている。
【００１６】
第１の発明で、ブロードエリア型半導体レーザ素子とは、広幅の、例えば１０μｍ以上ストライプ状発光領域を有する半導体レーザ素子を言う。また、レーザ共振器方向に延在するとは、レーザ共振器方向に平行な方向又はレーザ共振器方向に±５度以内の方向に延在することを言う。
第１の発明では、帯状構造部を発光領域の上側又は下側の化合物半導体層に設けて、ストライプ状発光領域内を導波する光の強度や進み方、特にストライプの両縁部での光の導波状態を制御することにより、ＮＦＰやＦＦＰの強度分布をより均一にし、θ／／を制御する。
【００１７】
好適には、帯状構造部は、発光領域の上側の化合物半導体層の発光領域上の領域、又は発光領域の下側の化合物半導体層の発光領域下の領域に形成されている。
これにより、ストライプ状発光領域の中を導波する光の強度や進み方、特にストライプの両縁部での光の導波状態を一層効果的に制御することができるからである。
【００１８】
帯状構造部として、帯状凸部及び溝状凹部のいずれか一方からなる第１の帯状部と他方からなる第２の帯状部とを交互に隣接してレーザ共振器方向に延在させてなる帯状構造部でも良く、また、不純物濃度が相互に異なる第１及び第２の帯状部を交互に隣接してレーザ共振器方向に延在させてなる帯状構造部で良く、更には、屈折率が相互に異なる第１及び第２の帯状部を交互に隣接してレーザ共振器方向に延在させてなる帯状構造部で良い。
【００１９】
第１の発明の好適な実施態様では、発光領域の上側の化合物半導体層が活性層上のガイド層であり、発光領域の下側の化合物半導体層が活性層下のガイド層であって、更に好適には、帯状構造部が発光領域に対するリブガイド構造を構成している。
具体的には、リブガイド構造を構成する帯状構造部が、レーザ共振器方向に延在する広幅帯状のリブ本体部と、リブ本体部の両側に対称的に設けられ、複数列で交互に隣接してレーザ共振器方向に延在する２種類の相互に異なる構造の第１及び第２の帯状部からなる縞状構造部とから構成され、
縞状構造部を構成する第１及び第２の帯状部のリブ本体部の中心線からの位置及び幅が、フレネル帯板（Ｆｒｅｓｎｅｌｚｏｎｅｐｌａｔｅ）の明暗パターンの規則性に従って規定されている。
【００２０】
フレネル帯板とは、透明なガラス板又はフィルムに、半径が中心から数えた順番の整数の平方根に比例する多数の同心円を描き、これらが作る輪帯を交互に透明、不透明にした光学素子である。本発明でフレネル帯板の明暗パターンの規則性とは、以下に詳述するように、半径が中心から数えた順番の整数の平方根に比例するという関係を半径方向の直線上に援用した規則性を言う。
フレネル帯板のレンズ効果によって、所望通りに、焦点距離を短くしたり、長くしたりすることができるので、ＮＦＰやＦＦＰの光強度分布をより均一にし、θ／／を制御することができる。
【００２１】
第１の発明の具体的な実施態様では、リブ本体部は、平面を上面とする広幅帯状の台地形として形成され、
第１の帯状部は、溝状凹部形として形成され、
第２の帯状部は、リブ本体部の上面と同じ平面に上面を有する帯状凸部形として形成されて第１の帯状部の間に位置し、
第１の帯状部及び第２の帯状部が、リブ本体部の両側に交互に対称的に設けられている。
【００２２】
また、逆に、リブ本体部は、平面を底面とする広幅帯状のＵ字溝形として形成され、
第１の帯状部は、帯状凸部形として形成され、
第２の帯状部は、リブ本体部の底面と同じ平面に底面を有する帯状凹部形として形成されて第１の帯状部の間に位置し、
第１の帯状部及び第２の帯状部が、リブ本体部の両側に交互に対称的に設けられていても良い。
【００２３】
ここでは、図１４を参照して、第１の発明に係る半導体レーザ素子に設けるリブガイド構造を構成する帯状構造部を説明する。図１４（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、本発明に係る半導体レーザ素子のリブガイド層に設けた帯状構造部の平面図、図１４（ａ）の線ＩＩ−ＩＩでの断面図、及びフレネル帯板の円の明暗パターンの平面図である。図１４（ａ）で、黒色部分は溝を示し、白色部分は凸部を示す。
帯状構造部１１０は、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、レーザ共振器方向に延在する広幅帯状のリブ本体部１１２と、リブ本体部１１２の両側に対称的に設けられた縞状構造部１１８とで構成されている。縞状構造部１１８は、交互に隣接してレーザ共振器方向に延在する２種類の相互に異なる構造の第１の帯状部１１４及び第２の帯状部１１６の複数列として構成されている。
縞状構造部１１８を構成する第１の帯状部１１４及び第２の帯状部１１６のリブ本体部１１２の中心線Ｍからの位置が、フレネル帯板（Ｆｒｅｓｎｅｌｚｏｎｅｐｌａｔｅ）の明暗パターンの規則性に従って規定されている。
【００２４】
ここで、フレネル帯板の明暗パターンの規則性に基づいて規定される縞状構造部１１８の構造を説明する。
帯状構造部１１０の一つの例では、図１４（ｂ）に示すように、リブ本体部１１２は、広幅帯状の台地形として形成され、第１の帯状部１１４は、溝状凹部形として形成され、第２の帯状部１１６は、リブ本体部１１２の上面と同じ平面に上面を有する帯状凸部形として形成され、第１の帯状部１１４の間に位置している。
複数列の第１の帯状部１１４及び第２の帯状部１１６は、リブ本体部１１２の両側に交互に対称的に設けられている。
【００２５】
縞状構造部１１８は、以下のような幅及び位置条件で規定される溝状凹部形の第１の帯状部１１４と、帯状凸部形の第２の帯状部１１６とから構成される。
即ち、リブ本体部１１２の中心線Ｍからの距離をｒとし、ｃをある定数としたとき、
ｍを正の偶数（２、４、６、・・・）とすると、
ｃ√（ｍ−１）≦ｒ≦ｃ√ｍ・・・・（１）
を満たす縞状構造部１１８の領域は、溝状凹部形の第１の帯状部１１４となり、満たさない縞状構造部１１８の領域は第１の帯状部１１４の間に存在する帯状凸部形の第２の帯状部１１６となる。
【００２６】
逆に、ｍを３以上の正の奇数（３、５、７、・・）とすると、
ｃ√（ｍ−１）≦ｒ≦ｃ√ｍ・・・・・（２）
を満たさない縞状構造部１１８の領域は溝状凹部形の第１の帯状部１１４となり、満たす縞状構造部１１８の領域は第１の帯状部１１４の間に存在する帯状凸部形の第２の帯上部１１６となる。
【００２７】
図１４（ａ）及び（ｂ）で、リブ本体部１１２の中心線Ｍからリブ本体部１１２脇の第１溝（第１番目の第１の帯状部１１４）までの距離をｃとし、ｍを正の偶数とすると、リブ本体部１１２脇の第１溝は、ｍ＝２として、リブ本体部１１２の中心線Ｍからｃの距離の位置とｃ√２の距離の位置との間に（ｃ√２−ｃ）の溝幅で形成されている。
第１溝の外側の第２溝（第２番目の第１の帯状部１１４）は、ｍ＝４として、リブ本体部の中心線Ｍからｃ√３の距離の位置とｃ√４＝２ｃの距離の位置との間に（２ｃ−ｃ√３）の溝幅で形成されている。
【００２８】
第１溝と第２溝との間の第１の凸部（第１番目の第２の帯状部１１６）は、リブ本体部の中心線Ｍからｃ√２の距離の位置とｃ√３の距離の位置との間に（ｃ√３−ｃ√２）の凸部幅で形成されている。
第２溝の外側の第３溝（第３番目の第１の帯状部１１４）は、ｍ＝６として、リブ本体部の中心線Ｍからｃ√５の距離の位置とｃ√６の距離の位置との間に（ｃ√６−ｃ√５）の溝幅で形成されている。
第２溝と第３溝との間の第２の凸部（第２番目の第２の帯状部１１６）は、リブ本体部の中心線Ｍから２ｃの距離の位置とｃ√５の距離の位置との間に（ｃ√５−２ｃ）の凸部幅で形成されている。
以下、同様な規則で溝と凸部が形成されている。
【００２９】
また、上記（１）又は（２）の幅条件の縞状構造部１１８は、図１４（ｃ）に示すような中央円板の半径がｃのフレネル帯板（Ｆｒｅｓｎｅｌｚｏｎｅｐｌａｔｅ）の円の明暗パターンと同じ規則性で規定されている。つまり、縞状構造部１１８の第１及び第２の帯状部１１４、１１６の位置及び間隔は、上述のフレネル帯板の直径に沿った明暗パターンの間隔と相似であって、同じ規則性で形成されている。
フレネル帯板は、最内周の円の半径をｃとしたときに、波長λの光に対して焦点距離がｃ^２／λのレンズとして作用するものである。
【００３０】
本発明に係る半導体レーザ素子に設けた縞状構造部は、フレネル帯板の明暗間隔と相似な縞状（凹凸）構造が形成されており、その縞状構造の延在方向が共振器の方向と同じであるから、本発明に係る半導体レーザ素子では、活性層を導波する光は、縞状構造部の影響を感じ、結果として、フレネル帯板を通過する場合と同様の振る舞いを示す。
【００３１】
すなわち、焦点距離がｃ^２／λのレンズを通過した場合に良く似た状態となり、半導体レーザ素子の出射端面から放射された光は、図１５に示すように、端面からの距離がｃ^２／λに相当する点に結像するように進む。
ここで、ｃは任意の定数であるから、ｃの値を変えて、縞状構造部を構成する第１の帯状部及び第２の帯状部の幅及び位置を前述の式（１）又は（２）に従って変えることにより、図１５に示した焦点距離ｃ^２／λを変化させることができる。
したがって、ｃを適切に選定することにより、焦点距離を制御することができるので、θ／／で表されるＦＦＰの広がり角度成分を制御することができる。
【００３２】
尚、分布帰還型半導体レーザ素子（ＤＦＢレーザ）は、回折格子、即ち一種の縞状構造部を活性層近傍に備えているが、本発明に係る半導体レーザ素子に設けた縞状構造部は、縞状構造の延在方向が半導体レーザ素子の共振器長方向と平行であること、また縞状構造を構成する第１及び第２の帯状部の間隔が等間隔でないこと等の理由からＤＦＢレーザの構造とは全く異なるものである。
【００３３】
本発明に係るアレイ型半導体レーザ素子は、ストライプ状発光領域をそれぞれ有する複数個の半導体レーザ素子を分離溝又は電流ブロック層により分離して並列に配列してなるアレイ型半導体レーザ素子であって、
発光領域の幅が最も広い中央半導体レーザ素子と、
中央半導体レーザ素子の両側に対称的に配置され、中央半導体レーザ素子の発光領域幅より狭い発光領域幅の側部半導体レーザ素子と
を備え、
中央半導体レーザ素子及び側部半導体レーザ素子の発光領域幅は、中央半導体レーザ素子及び側部半導体レーザ素子を区画する分離溝又は電流ブロック層によって規定され、中央半導体レーザ素子の中心線からの分離溝又は電流ブロック層の位置及び幅は、フレネル帯板（Ｆｒｅｓｎｅｌｚｏｎｅｐｌａｔｅ）の明暗パターンの規則性に従って規定されていることを特徴としている。
【００３４】
本発明に係るアレイ型半導体レーザ素子では、分離溝で分割された各半導体レーザ素子のストライプが、一次元的なフレネル帯板の明暗と相似なパターンを形成しているので、活性層において発光する領域は、そのパターンを反映（投影）した分布形状となる。従って、発せられた光は互いの干渉・回折により、レンズを通過した場合と同様の振る舞いを示す。
そのレンズの焦点距離は、上記条件（１）又は（２）のｃの値を変えることにより制御できるので、本発明に係るアレイ型半導体レーザ素子でも、θ／／で表されるＦＦＰの広がり角度成分を制御することができる。
【００３５】
第１の発明及び第２の発明は、基板の種類、半導体レーザ素子の積層構造を構成する化合物半導体層の組成に制約無く適用でき、例えばＡｌＧａＡｓ系、ＧａＮ系、ＩｎＰ系等の半導体レーザ素子に好適に適用できる。
【００３６】
【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。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、化合物半導体層の組成及び膜厚、リッジ幅、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
半導体レーザ素子の実施形態例１
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例である。図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図、図２（ａ）は縞状構造部の平面図、及び図２（ｂ）は図２（ａ）の線Ｉ−Ｉでの縞状構造部の断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子５０は、発振波長が７００μｍでリブガイド構造を備えた半導体レーザ素子であって、従来のリブガイド構造を備えた半導体レーザ素子４０のリブを有するｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓガイド層４２に代えて、リブガイド構造部５８を有するｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓガイド層５２を設けている。これを除いて、半導体レーザ素子５０は、従来のリブガイド構造の半導体レーザ素子４０と同じ構成を備えている。
リブガイド構造部５８は、リブ本体部５４と、リブ本体５４の両側に設けられた縞状構造部５６とから構成されており、縞状構造部５６の外側は、縞状構造部５６の第１の帯状部を構成する溝の溝底と同じ平面に延在する平坦部６０になっている。
【００３７】
即ち、本実施形態例の半導体レーザ素子５０は、リブガイド構造を備えたＡｌＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザ素子であって、ｎ^＋−ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層１６、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ活性層１８、リブガイド構造部５８を有するｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層５２、ｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４の積層構造を備えている。
【００３８】
積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２の上部層はストライプ状リッジとして加工され、リッジの両側はｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６で埋め込まれている。
ｐ側電極２８がｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６上に形成され、ｎ側電極３０がｎ^＋−ＧａＡｓ基板１２の裏面に形成されている。
【００３９】
リブガイド構造部５８は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、リブ本体部５４と、リブ本体部５４の両側に対称的に設けられ、第１の帯状部として形成された溝５７Ａと第２の帯状部として形成された凸部５７Ｂからなる縞状構造部５６とから構成されている。溝５７Ａ及び凸部５７Ｂの幅及び位置は、上述の式（１）に従って規定されている
本実施形態例の半導体レーザ素子５０は、発振波長が７００μｍであるから、ｃ＝２０μｍとすると、焦点距離ｃ^２／λは０．５７ｍｍとなるのに対し、同じ波長でもｃ＝５０μｍとすると、焦点距離は３．５７ｍｍ、さらにｃ＝１００μｍとすると、焦点距離は１４．３ｍｍとなる。
つまり、ｃを適切に選定することにより、焦点距離を所望の焦点距離に制御することができる。従って、ｃを適切な値に選定することにより、θ／／で表されるＦＦＰの広がり角度成分を制御することができる。
【００４０】
半導体レーザ素子５０では、図２（ａ）及び（ｂ）で、ｃ＝２０μｍとすると、リブ本体部５４の中心線Ｍからリブ本体部脇の第１溝５７Ａまでの距離は２０μｍとなる。
ｍを正の偶数とすると、前述の式（１）に従って、リブ本体部５４脇の第１溝５７Ａ_１は、ｍ＝２として、リブ本体部５４の中心線Ｍから２０μｍの距離の位置とｃ√２＝√２×２０μｍ＝２８．３μｍの距離の位置との間にｃ√２−ｃ＝８．３μｍの溝幅で形成されている。
【００４１】
第１溝５７Ａ_１の外側の第２溝５７Ａ_２は、ｍ＝４として、リブ本体部５４の中心線Ｍからｃ√３＝√３×２０μｍ＝３４．６の距離の位置とｃ√４＝２×２０μｍ＝４０μｍの距離の位置との間に２ｃ−ｃ√３＝５．４μｍの溝幅で形成されている。
第１溝５７Ａ_１と第２溝５７Ａ_２との間の第１の凸部５７Ｂ_１は、リブ本体部５４の中心線Ｍからｃ√２＝２８．３μｍの距離の位置とｃ√３＝３４．６μｍの距離の位置との間に、ｃ√３−ｃ√２＝６．３μｍの凸部幅で形成されている。
【００４２】
第２溝５７Ａ_２の外側の第３溝５７Ａ_３は、ｍ＝６として、リブ本体部５４の中心線Ｍからｃ√５＝√５×２０μｍ＝４４．７μｍの距離の位置とｃ√６＝√６×２０μｍ＝５０．０μｍの距離の位置との間にｃ√６−ｃ√５＝５．３μｍの溝幅で形成されている。
第２溝５７Ａ_２と第３溝５７Ａ_３との間の第２の凸部５７Ｂ_２は、リブ本体部５４の中心線Ｍから２ｃ＝４０μｍの距離の位置とｃ√５＝４４．７μｍの距離の位置との間にｃ√５−２ｃ＝４．７μｍの凸部幅で形成されている。
以下、同様な規則で溝と凸部が形成されている。
【００４３】
本実施形態例では、ｃ＝２０μｍに設定して、上述のように、リブガイド構造部５８を形成することにより、焦点距離を出射端面から（２０）^２／（７００）の位置に制御できる。よって、これにより、θ／／で表されるＦＦＰの広がり角度成分を制御して、ＦＦＰの光強度分布を均一化することができる。
【００４４】
半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例
次に、図３を参照して、半導体レーザ素子５０の製造方法を説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、半導体レーザ素子５０を製造する際の主要工程の基板断面図である。
上述した従来の半導体レーザ素子を作製する際には、図３（ａ）に示すように、ｎ^＋−ＧａＡｓ基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などによって、順次、ｎ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層１４、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層１６、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ活性層１８、及びリブガイド構造のｐ−ＡｌＧａＡｓ層５２を形成するｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層６２をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
【００４５】
次いで、上述の溝５７Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、・・の形成領域を露出させるパターンを有するエッチングマスク（図示せず）をｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層６２上に形成し、次いでｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層６２をエッチングして、図３（ｂ）に示すように、中央にリブ本体部５４を有し、リブ本体部５４の両側に縞状構造部５６をそれぞれ有するリブガイド構造部５８を備えがｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層５２を形成する。
続いて、従来と同様にして、ｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層２２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２４をｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層５２上にエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
【００４６】
次いで、積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２の上部層をエッチングして、ストライプ状リッジを形成する。続いて、リッジの両側にｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６を埋め込み成長させ、リッジを埋め込む。
次に、ｐ側電極２８をｐ−ＧａＡｓキャップ層２４及びｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２６上に形成し、ｎ^＋−ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して基板厚さを調整した後、裏面にｎ側電極３０を形成する。
以上の工程を経ることにより、図１に示す半導体レーザ素子５０を作製することができる。
【００４７】
半導体レーザ素子の実施形態例２
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、図４は本実施形態例の半導体レーザ素子に設けたリブガイド構造部の構成を示す平面図、及び図５は半導体レーザ素子内でリブガイド構造部の作用による光の進み方を示す模式的平面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子は、図４に示すように、実施形態例１の半導体レーザ素子５０に設けたリブガイド構造部５８と同じ構成のリブガイド構造部６４をｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓガイド層の両端面近傍のみに、つまり出射端面及び裏側端面近傍に形成し、端面から離れた領域ではリブガイド構造部６４の縞状構造部に相当する領域及びリブ本体部に相当する領域の双方がリブ本体部の上面と同じ面に上面を有する凸部６６として存在している。
【００４８】
これを除いて、本実施形態例の半導体レーザ素子は、実施形態例１の半導体レーザ素子５０と同じ構成を備えている。
リブガイド構造部６４及び凸部６６の外側領域は実施形態例１の半導体レーザ素子５０の平坦部６０と同じ構成の平坦部６８となっている。
【００４９】
上述のリブガイド構造部６４を有する本実施形態例の半導体レーザ素子では、共振器の両端にフレネル帯板が存在していて、その影響を光が感じる結果、光は、図５に示すように、あたかも共振器の両端部にレンズが存在しているかのように振る舞う。図５から判るように、リブガイド構造部６４によって光がリブ領域（ストライプ部）全体に安定して平行に導波されるような状態が得られる。
本実施形態例でも、実施形態例１と同様に、ある波長に対するレンズの焦点距離はｃの値によって制御することが可能であるから、θ／／で表されるＦＦＰの広がり角度成分を制御して、ＦＦＰの光強度分布を均一化することができる。
【００５０】
半導体レーザ素子の実施形態例３
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の更に別の例であって、図６は本実施形態例の半導体レーザ素子に設けたリブガイド構造部の構成を示す平面図、及び図７は半導体レーザ素子内でリブガイド構造部の作用による光の進み方を示す模式的平面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子は、図６に示すように、実施形態例１の半導体レーザ素子５０に設けたリブガイド構造部５８と同じ構成のリブガイド構造部７０をｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓガイド層の両端部近傍領域を除く中央領域に形成し、両端部近傍領域では、リブガイド構造部７０の縞状構造部に相当する領域及びリブ本体部に相当する領域の双方がリブ本体部の上面と同じ面に上面を有する凸部７２として存在している。
これを除いて、本実施形態例の半導体レーザ素子は、実施形態例１の半導体レーザ素子５０と同じ構成を備えている。また、リブガイド構造部７０及び凸部７２の外側領域は、実施形態例１の半導体レーザ素子５０の平坦部６０と同じ構成の平坦部７４となっている。
【００５１】
上述のリブガイド構造７０を有する本実施形態例の半導体レーザ素子では、共振器の途中にフレネル帯板が存在していて、その影響を光が感じる結果、光は、図７に示すように、あたかも共振器の途中にレンズが存在しているかのように振る舞う。図７から判るように、リブガイド構造部７０により光がリブ領域（ストライプ部）全域に安定して平行に導波されるような状態が得られる。
本実施形態例でも、実施形態例１と同様に、ある波長に対するレンズの焦点距離をｃの値によって制御することが可能である。したがって、θ／／で表されるＦＦＰの広がり角度成分を制御して、ＦＦＰの光強度分布を均一化することができる。
【００５２】
半導体レーザ素子の実施形態例４
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の更に別の例であって、図８は本実施形態例の半導体レーザ素子に設けたリブガイド構造部の構成を示す平面図、及び図９は半導体レーザ素子内でリブガイド構造部の作用による光の進み方を示す模式的平面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子は、実施形態例３の半導体レーザ素子に設けたリブガイド構造７０の凹凸を反転させた凹凸からなるリブガイド構造７６を備えていることを除いて、実施形態例３と同じ構成を備えている。
本実施形態例の半導体レーザ素子では、リブガイド構造７６のレンズとしての作用が凹レンズ的になり、発光領域を導波した光は出射端面から発散する方向に出射する。
本実施形態例でも、ｃの値でレンズとしての焦点距離を制御できるので、その結果として、θ／／で表されるＦＦＰの広がり角度成分を制御して、ＦＦＰの光強度分布を均一化することができる。
【００５３】
アレイ型半導体レーザ素子の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例である。図１０は本実施形態例のアレイ型半導体レーザ素子の構成を示す断面図であり、図１１は本実施形態例のアレイ型半導体レーザ素子の分離溝の溝幅と配置の関係を規定するフレネル帯板の明暗パターン図である。図１１の破線は、図１０の破線に連続するものである。
本実施形態例のアレイ型半導体レーザ素子８０は、分離溝８４で分離して並列に配置した複数個の半導体レーザ素子８１を有するアレイ型半導体レーザ素子である。
各半導体レーザ素子８１は、それぞれ、ストライプ状発光領域を有する発振波長７００μｍの半導体レーザ素子であって、図１０に示すように、ｎ^＋−ＧａＡｓ基板８６上に、ｎ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層８８、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層９０、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ活性層９２、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層９４、ｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層９６、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層９８の積層構造を備えている。
【００５４】
積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層９８及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層９６の上部層は、分離溝８４によって分割され、これにより隣合う半導体レーザ素子８１は相互に分離されている。図１０中、１００は各半導体レーザ素子８１の発光領域を示す。
複数個の半導体レーザ素子８１は、発光領域の幅が最も広い中央半導体レーザ素子８２と、中央半導体レーザ素子８２の両側に対称的に配置され、中央半導体レーザ素子８２の発光領域幅より狭い発光領域幅の複数個の側部半導体レーザ素子８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃ、・・・・とに区別される。つまり、アレイ型半導体レーザ素子８０は、中央半導体レーザ素子８２と側部半導体レーザ素子８３との集合体である。
【００５５】
中央半導体レーザ素子８２及び側部半導体レーザ素子８３の発光領域幅は、中央半導体レーザ素子８２と側部半導体レーザ素子８３Ａとを、側部半導体レーザ素子８３Ａと８３Ｂとを、８３Ｃと８３Ｄとを、更に・・・とを区画する第１の分離溝８４Ａ、第２の分離溝８４Ｂ、第３の分離溝８４Ｃ、・・・によって規定され、各分離溝の位置及び幅は、フレネル帯板の明暗パターンの規則性に従って規定されている。
図示しないが、ｐ側電極が各半導体レーザ素子８２のｐ−ＧａＡｓキャップ層９６上に形成され、ｎ側電極がｎ^＋−ＧａＡｓ基板８４の裏面に共通電極として形成されている。
【００５６】
ここで、フレネル帯板の明暗パターンの規則性に基づいて規定される分離溝８４の構成を説明する。
中央半導体レーザ素子８２の中心線Ｍからの距離をｒとし、ｃをある定数としたとき、分離溝８４は、以下のような溝幅及び位置条件で規定されている。
即ち、ｍを正の偶数（２、４、６、・・・）とすると、
ｃ√（ｍ−１）≦ｒ≦ｃ√ｍ・・・・（１）
を満たす領域は分離溝となり、満たさない領域は半導体レーザ素子の形成領域、つまり発光領域となる。
【００５７】
逆に、ｍを３以上の正の奇数（３、５、７、・・）とすると、
ｃ√（ｍ−１）≦ｒ≦ｃ√ｍ・・・・・（２）
を満たさない領域は分離溝となり、満たす領域は半導体レーザ素子の形成領域、つまり発光領域となる。
【００５８】
図１０で、中央半導体レーザ素子８２Ａの中心線Ｍから第１の分離溝８４Ａまでの距離をｃとし、ｍを正の偶数とすると、第１の分離溝８４Ａ、第１の分離溝８４Ａの外側の第２の分離溝８４Ｂ、第２の分離溝８４Ｂの外側の第３の分離溝８４Ｃ、・・・は、以下のようになる。
第１の分離溝８４Ａは、ｍ＝２として、中央半導体レーザ素子８２の中心線Ｍからｃの距離の位置とｃ√２の距離の位置との間に（ｃ√２−ｃ）の溝幅で形成されている。
第２の分離溝８４Ｂは、ｍ＝４として、中央半導体レーザ素子８２の中心線Ｍからｃ√３の距離の位置とｃ√４＝２ｃの距離の位置との間に（２ｃ−ｃ√３）の溝幅で形成されている。
【００５９】
第１の分離溝８４Ａと第２の分離溝８４Ｂとの間の第１の側部半導体レーザ素子８３Ａは、中央半導体レーザ素子８２の中心線Ｍからｃ√２の距離の位置とｃ√３の距離の位置との間に（ｃ√３−ｃ√２）の幅で形成されている。
第３の分離溝８４Ｃは、ｍ＝６として、中央半導体レーザ素子８２Ａの中心線Ｃからｃ√５の距離の位置とｃ√６の距離の位置との間に（ｃ√６−ｃ√５）の溝幅で形成されている。
第２の分離溝８４Ｂと第３の分離溝８４Ｃとの間の第２の側部半導体レーザ素子８３Ｂは、中央半導体レーザ素子８２の中心線Ｍから２ｃの距離の位置とｃ√５の距離の位置との間に（ｃ√５−２ｃ）の凸部幅で形成されている。
以下、同様な規則性で分離溝８４と側部半導体レーザ素子８３が形成されている。
以上の分離溝８４の位置及び幅は、図１１に示すフレネル帯板の明暗パターンの規則性と同じ規則性で規定されているので、図１１に示すフレネル帯板のレンズ効果により、アレイ型半導体レーザ素子８０の焦点距離を制御することができる。
【００６０】
本実施形態例のアレイ型半導体レーザ素子８０を作製する際には、ｎ^＋−ＧａＡｓ基板８６上に、ＭＯＣＶＤ法等により、順次、ｎ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層８８、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層９０、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ活性層９２、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層９４、ｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層９６、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層９８をエピタキシャル成長させて、積層構造を形成する。
次いで、上述の規定に従って、分離溝８４を形成する。分離溝８４を形成した後、分離溝８４を電流ブロック層で埋め込んでも良い。
【００６１】
本実施形態例のアレイ型半導体レーザ素子８０では、分離溝８４で分割されたｐ−ＧａＡｓキャップ層９８及びｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層９６の上層部が、一次元的なフレネル帯板の明暗と相似なパターンを形成しているので、活性層９２において発光する領域は、そのパターンを反映（投影）した分布形状となる。従って、発せられた光は互いの干渉・回折により、レンズを通過した場合と同様の振る舞いを示す。
上述の式（１）又は（２）のｃの値を変えることにより、そのレンズの焦点距離を制御することができるので、本実施形態例のアレイ型半導体レーザ素子８０でも、θ／／で表されるＦＦＰの広がり角度成分を制御することができる。
【００６２】
実施形態例１から４の半導体レーザ素子、及び実施形態例のアレイ型半導体レーザ素子では、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子を例に挙げて説明しているが、本発明は、半導体レーザ素子の積層構造を構成する化合物半導体層に制約されることなく適用でき、例えばＧａＮ系半導体レーザ素子にも好適に適用できる。
【００６３】
【発明の効果】
以上に述べたように、第１の発明によれば、２種類の相互に異なる構造の第１及び第２の帯状部を交互に隣接してレーザ共振器方向に延在してなる帯状構造部を発光領域の上側又は下側の化合物半導体層に、好ましくは発光領域であるストライプの近傍に形成することにより、ストライプを導波する光の強度や進み方、特にストライプの両縁部での光の導波状態を制御し、その結果としてＮＦＰやＦＦＰの強度分布がより均一で、しかも広がり角度θ／／を制御できる、ブロードエリア型半導体レーザ素子を実現している。
【００６４】
また、第２の発明によれば、ストライプ状発光領域をそれぞれ有する複数個の半導体レーザ素子を分離溝又は電流ブロック層により分離して並列に配列してなるアレイ型半導体レーザ素子の分離溝又は電流ブロック層の配置及び幅をフレネル帯板の明暗パターンの規則性に従って規定することにより、θ／／で表されるＦＦＰの広がり角度成分を制御することができるアレイ型半導体レーザ素子を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は縞状構造部の平面図、及び図２（ｂ）は図２（ａ）の線Ｉ−Ｉでの縞状構造部の断面図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施形態例１の半導体レーザ素子を製造する際の工程での基板断面図である。
【図４】実施形態例２の半導体レーザ素子に設けたリブガイド構造部の構成を示す平面図である。
【図５】実施形態例２の半導体レーザ素子内でリブガイド構造部の作用による光の進み方を示す模式的平面図である。
【図６】実施形態例３の半導体レーザ素子に設けたリブガイド構造部の構成を示す平面図である。
【図７】実施形態例３の半導体レーザ素子内でリブガイド構造部の作用による光の進み方を示す模式的平面図である。
【図８】実施形態例４の半導体レーザ素子に設けたリブガイド構造部の構成を示す平面図である。
【図９】実施形態例４の半導体レーザ素子内でリブガイド構造部の作用による光の進み方を示す模式的平面図である。
【図１０】実施形態例のアレイ型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図１１】実施形態例のアレイ型半導体レーザ素子の分離溝の溝幅と配置の関係を規定するフレネル帯板の明暗パターン図である。
【図１２】従来の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図１３】従来のリブガイド構造の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図１４】図１４（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、本発明に係る半導体レーザ素子のリブガイド層に設けた帯状構造部の平面図、図１４（ａ）の線ＩＩ−ＩＩでの断面図、及びフレネル帯板の円の明暗パターンの平面図である。
【図１５】半導体レーザ素子から放射されるレーザ光の進み方を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１０……従来の半導体レーザ素子、１２……ｎ^＋−ＧａＡｓ基板、１４……ｎ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層、１６……ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層、１８……Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ活性層、２０……ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層、２２……ｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層、２４……ｐ−ＧａＡｓキャップ層、２６……ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層、２８……ｐ側電極、３０……ｎ側電極、３２……発光領域、５０……実施形態例１の半導体レーザ素子、５２……リブ構造のｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層、５４……リブ本体部、５６……縞状構造部、５８……リブガイド構造部、６０……平坦部、６２……ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層、６４……リブガイド構造部、６６……凸部、６８……平坦部、７０……リブガイド構造部、７２……凸部、７４……平坦部、７６……リブガイド構造部、８０……実施形態例のアレイ型半導体レーザ素子、８１……半導体レーザ素子、８２……中央半導体レーザ素子、８３……側部半導体レーザ素子、８４……分離溝、８６……ｎ^＋−ＧａＡｓ基板、８８……ｎ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層、９０……ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層、９２……Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ活性層、９４……ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓガイド層、９６……ｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓクラッド層、９８……ｐ−ＧａＡｓキャップ層、１１０……帯状構造部、１１２……リブ本体部、１１４……第１の帯状部、１１６……第２の帯状部、１１８……縞状構造部。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a broad-area semiconductor laser device and an array-type semiconductor laser device, and more particularly, to a near-field image (Near Field Pattern, hereinafter referred to as NFP) or a far-field image (Far Field Pattern, hereinafter referred to as FFP). The present invention relates to a broad area type semiconductor laser device and an array type semiconductor laser device having a configuration in which the light intensity distribution is uniform and the spread angle θ // can be controlled.
[0002]
[Prior art]
Broad-area semiconductor laser devices having a stripe width larger than 10 μm are frequently used as high-power semiconductor laser devices as light sources for laser printers and display devices.
[0003]
Here, a configuration of a conventional AlGaAs-based broad area semiconductor laser device will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a sectional view showing the configuration of an AlGaAs broad area semiconductor laser device.
A conventional AlGaAs-based broad area semiconductor laser device 10 (hereinafter, referred to as a conventional semiconductor laser device 10) is a semiconductor laser device that oscillates a laser beam having a wavelength of 780 μm. As shown in FIG.⁺N-Al on the GaAs substrate 12_0.7Ga_0.3As clad layer 14, n-Al_0.3Ga_0.7As guide layer 16, Al_0.1Ga_0.9As active layer 18, p-Al_0.3Ga_0.7As guide layer 20, p-Al_0.7Ga_0.3It has a stacked structure of an As clad layer 22 and a p-GaAs cap layer 24.
[0004]
In the laminated structure, the upper layers of the p-GaAs cap layer 24 and the p-AlGaAs cladding layer 22 are processed as stripe-shaped ridges, and both sides of the ridges are buried with n-GaAs current blocking layers 26.
A p-side electrode 28 is formed on the p-GaAs cap layer 24 and the n-GaAs current blocking layer 26, and the n-side electrode 30 is⁺-Formed on the back surface of the GaAs substrate 12;
The light emitting region 32 exists under the striped p-GaAs cap layer 24 sandwiched between the n-GaAs current blocking layers 26 on both sides.
[0005]
When manufacturing the above-described conventional semiconductor laser device, n⁺-N-Al is sequentially formed on the GaAs substrate 12 by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or the like._0.7Ga_0.3As clad layer 14, n-Al_0.3Ga_0.7As guide layer 16, Al_0.1Ga_0.9As active layer 18, p-Al_0.3Ga_0.7As guide layer 20, p-Al_0.7Ga_0.3The As clad layer 22 and the p-GaAs cap layer 24 are epitaxially grown to form a laminated structure.
[0006]
Next, the upper layers of the p-GaAs cap layer 24 and the p-AlGaAs cladding layer 22 in the laminated structure are etched to be processed into stripe-shaped ridges. Subsequently, the n-GaAs current block layer 26 is buried and grown on both sides of the ridge to bury the ridge.
Next, a p-side electrode 28 is formed on the p-GaAs cap layer 24 and the n-GaAs current block layer 26,⁺After polishing the back surface of the GaAs substrate 12 to adjust the substrate thickness, the n-side electrode 30 is formed on the back surface.
[0007]
Another example of a conventional AlGaAs broad area semiconductor laser device is a broad area semiconductor laser device having a rib guide structure.
Here, a configuration of a broad area type semiconductor laser device having a rib guide structure will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a sectional view showing a configuration of an AlGaAs-based broad area semiconductor laser device having a rib guide structure.
A conventional AlGaAs-based broad area semiconductor laser device 40 having a rib guide structure (hereinafter referred to as a conventional semiconductor laser device 40) is a semiconductor laser device that oscillates a laser beam having a wavelength of 780 μm, as shown in FIG. 13 has the same configuration as the conventional semiconductor laser device 10 shown in FIG. 13 except that a region on the light emitting region 32 of the p-AlGaAs guide layer 42 is processed as a rib guide structure portion 44.
[0008]
The light emitting region 32 has substantially the same width as the p-GaAs cap layer 24 sandwiched between the n-GaAs current blocking layers 26 on both sides, and is directly below the p-GaAs cap layer 24.
The rib guide structure portion 44 is formed as a thick convex portion formed in a region on the light emitting region 32 of the p-AlGaAs guide layer 42, whereby a difference in refractive index in the horizontal direction can be generated. Light can be confined in the depth direction and the lateral direction.
[0009]
The transverse mode of the laser light emitted from the semiconductor laser element has a great influence on the suitability of the semiconductor laser element when using the semiconductor laser element. In other words, the transverse mode control for stably controlling the transverse optical mode of the laser light emitted from the semiconductor laser device to the fundamental (0th-order) mode is one of the important points for controlling the semiconductor laser device.
In particular, in the above-described broad-area semiconductor laser device, the stripe width is wide and the transverse mode tends to be multi-mode, so that the light intensity distribution of the NFP or FFP is unlikely to be uniform.
When a semiconductor laser device having a non-uniform light intensity distribution of NFP or FFP is used as a light source for printing or the like, unevenness of light intensity occurs to cause printing unevenness, and when applied to a display, image quality of a displayed image is deteriorated.
[0010]
In the above-described broad area semiconductor laser, it is also difficult to control the FFP spread angle (θ //) on a plane parallel to the pn junction plane. In consideration of the coupling efficiency with the optical system and the like, it is desirable that θ // can be controlled freely, that is, to a desired value.
[0011]
[Non-patent document 1]
S. Hirata et al. , United States Patent No .; 4,807,245 (Feb. 21, 1989)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device having a configuration in which the light intensity distribution of NFP or FFP is uniform and θ // can be controlled.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
By the way, it is considered that the light intensity non-uniformity of the NFP and the FFP of the broad area type semiconductor laser device is caused not only by the multimode oscillation of the transverse mode but also by the curved waveguide surface. I have. That is, the light intensity tends to concentrate on the edges on both sides of the stripe due to the curvature of the waveguide surface, which contributes to the non-uniformity of the light intensity of the NFP and the FFP. One of the causes of the curved waveguide surface is that propagation of the waveguide is delayed because light is lost at both edges of the stripe.
Therefore, the present inventor has made the light intensity distribution of the NFP or FFP of the broad area type semiconductor laser uniform by suppressing the loss of light at both edge portions of the stripe and suppressing the curvature of the waveguide surface, and attaining θ // thought it could be controlled.
[0014]
In view of this, the present inventor creates a band-shaped structure portion including a plurality of band-shaped portions extending in a direction parallel to or close to the resonator in the vicinity of a stripe which is a light emitting region of a broad area semiconductor laser. In this way, the intensity and propagation of light guided in the stripe, in particular, the light guiding state at both edges of the stripe are controlled, and as a result, the intensity distribution of NFP and FFP is made more uniform, and θ / The idea was to control /. Then, it was confirmed by experiments that this idea was effective, and the present invention was reached.
[0015]
In order to achieve the above object, based on the above findings, a semiconductor laser device according to the present invention (hereinafter, referred to as a first invention) is a broad area semiconductor laser having a wide stripe light emitting region. ,
A band-shaped structure portion formed by alternately adjoining two types of first and second band-shaped portions and extending in the direction of the laser cavity is formed on the compound semiconductor layer above or below the light emitting region. It is characterized by being.
[0016]
In the first invention, the broad area type semiconductor laser device refers to a semiconductor laser device having a wide, for example, a stripe-shaped light emitting region of 10 μm or more. In addition, extending in the laser resonator direction means extending in a direction parallel to the laser resonator direction or in a direction within ± 5 degrees in the laser resonator direction.
In the first aspect, the band-shaped structure is provided in the compound semiconductor layer above or below the light-emitting region, and the intensity and traveling direction of light guided in the stripe-shaped light-emitting region, particularly, light at both edges of the stripe. , The intensity distribution of NFP and FFP is made more uniform, and θ // is controlled.
[0017]
Preferably, the band-shaped structure is formed in a region above the light emitting region of the compound semiconductor layer above the light emitting region or in a region below the light emitting region of the compound semiconductor layer below the light emitting region.
Thereby, it is possible to more effectively control the intensity and the way of traveling of the light guided in the stripe-shaped light emitting region, particularly, the guided state of the light at both edges of the stripe.
[0018]
As the band-shaped structure, a band formed by alternately adjoining a first band formed of one of a band-shaped convex portion and a groove-shaped concave portion and a second band formed of the other and extending in the laser resonator direction. It may be a structure portion, or a band-like structure portion in which first and second strip portions having mutually different impurity concentrations extend alternately adjacent to each other and extend in the laser resonator direction. The first and second strips may be alternately adjacent to each other and extend in the laser resonator direction.
[0019]
In a preferred embodiment of the first invention, the compound semiconductor layer above the light emitting region is a guide layer above the active layer, the compound semiconductor layer below the light emitting region is a guide layer below the active layer, and Preferably, the band-like structure constitutes a rib guide structure for the light emitting region.
Specifically, a band-shaped structure portion constituting the rib guide structure is provided symmetrically on both sides of the wide band-shaped rib body portion extending in the laser resonator direction and on both sides of the rib body portion, and is alternately adjacent in a plurality of rows. And a stripe-shaped structure portion composed of two types of first and second band-shaped portions having different structures extending in the laser cavity direction.
The positions and widths of the first and second strips constituting the striped structure from the center line of the rib body are defined in accordance with the regularity of the light and dark pattern of the Fresnel zone plate.
[0020]
A Fresnel strip is an optical element that draws a large number of concentric circles on a transparent glass plate or film whose radius is proportional to the square root of an integer in the order counted from the center, and alternately makes the zones made by these transparent and opaque. is there. In the present invention, the regularity of the light-dark pattern of the Fresnel strip is, as described in detail below, a regularity in which the relationship that the radius is proportional to the square root of the integer in the order counted from the center is introduced on a straight line in the radial direction. Say
The focal length can be shortened or lengthened as desired by the lens effect of the Fresnel strip, so that the light intensity distribution of NFP or FFP can be made more uniform and θ // can be controlled.
[0021]
In a specific embodiment of the first invention, the rib main body portion is formed as a wide band-shaped tabletop having a flat surface as an upper surface,
The first strip is formed as a groove-shaped recess,
The second band-shaped portion is formed as a band-shaped convex shape having an upper surface on the same plane as the upper surface of the rib body portion, and is located between the first band-shaped portions,
First and second strips are provided alternately and symmetrically on both sides of the rib body.
[0022]
Conversely, the rib body is formed as a wide band U-shaped groove having a flat surface as a bottom surface,
The first band-shaped part is formed as a band-shaped convex part,
The second band-shaped portion is formed as a band-shaped concave shape having a bottom surface on the same plane as the bottom surface of the rib body portion, and is located between the first band-shaped portions,
The first band-shaped portion and the second band-shaped portion may be provided alternately and symmetrically on both sides of the rib body.
[0023]
Here, with reference to FIG. 14, a description will be given of the band-shaped structure portion constituting the rib guide structure provided in the semiconductor laser device according to the first invention. 14A to 14C are a plan view of a band-shaped structure provided on a rib guide layer of the semiconductor laser device according to the present invention, a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. It is a top view of the light and dark pattern of the circle of a strip. In FIG. 14A, a black portion indicates a groove, and a white portion indicates a convex portion.
As shown in FIGS. 14A and 14B, the band-shaped structure portion 110 is provided symmetrically on both sides of the wide band-shaped rib body portion 112 extending in the laser cavity direction. And a striped structure portion 118. The striped structure portion 118 is configured as a plurality of rows of a first band portion 114 and a second band portion 116 having two types of mutually different structures extending alternately and adjacently in the laser cavity direction.
The positions of the first band portion 114 and the second band portion 116 constituting the striped structure portion 118 from the center line M of the rib main body 112 are in accordance with the regularity of the light and dark pattern of the Fresnel zone plate. Stipulated.
[0024]
Here, the structure of the striped structure 118 defined based on the regularity of the light-dark pattern of the Fresnel strip will be described.
In one example of the band-shaped structure portion 110, as shown in FIG. 14B, the rib body portion 112 is formed as a wide band-shaped platform, and the first band portion 114 is formed as a groove-shaped concave shape. The second band 116 is formed as a band-shaped convex having an upper surface on the same plane as the upper surface of the rib main body 112, and is located between the first band 114.
The plurality of rows of the first band-shaped portions 114 and the second band-shaped portions 116 are provided alternately and symmetrically on both sides of the rib body portion 112.
[0025]
The striped structure portion 118 includes a groove-shaped concave first band-shaped portion 114 defined by the following width and position conditions, and a band-shaped convex shaped second band-shaped portion 116.
That is, when the distance from the center line M of the rib body 112 is r, and c is a constant,
If m is a positive even number (2, 4, 6, ...),
c√ (m−1) ≦ r ≦ c√m (1)
The region of the striped structure portion 118 that satisfies the above becomes the groove-shaped recessed first band portion 114, and the region of the striped structure portion 118 that is not filled is the band-shaped convex portion existing between the first band portions 114. The second band 116 is formed.
[0026]
Conversely, if m is a positive odd number (3, 5, 7, ...) of 3 or more,
c√ (m-1) ≦ r ≦ c√m (2)
The region of the striped structure portion 118 that does not satisfy the condition becomes the groove-shaped recessed first band portion 114, and the region of the striped structure portion 118 that satisfies the condition is the band-shaped convex portion existing between the first band portions 114. The second band upper part 116 is obtained.
[0027]
In FIGS. 14A and 14B, the distance from the center line M of the rib body 112 to the first groove (the first first band-shaped portion 114) beside the rib body 112 is c, and m is Assuming a positive even number, the first groove beside the rib body 112 has a distance of (c) between the position of the distance c from the center line M of the rib body 112 and the position of the distance c√2, where m = 2. √2-c).
The second groove (the second first band-shaped portion 114) outside the first groove has a position of a distance of c から 3 from the center line M of the rib main body and a position of cｍ4 = 2c, where m = 4. It is formed with a groove width of (2c-c 位置 3) between the positions of the distance.
[0028]
The first convex portion (first second band-shaped portion 116) between the first groove and the second groove is located at a distance of c√2 from the center line M of the rib body and at c の 3. It is formed with a convex part width of (c√3-c√2) between it and the position of the distance.
The third groove (third first band-like portion 114) outside the second groove has a distance of c√5 from the center line M of the rib body and a distance of c√6 from the center line M of the rib main body, where m = 6. It is formed with a groove width of (c） 6-c√5) between the positions.
The second convex portion (the second second band-shaped portion 116) between the second groove and the third groove is located at a distance of 2c from the center line M of the rib body and at a distance of c√5. It is formed with a convex part width of (c 凸 5-2c) between the positions.
Hereinafter, grooves and projections are formed according to the same rule.
[0029]
Further, the stripe structure portion 118 under the width condition of (1) or (2) is a bright and dark circle of a Fresnel zone plate (Fresnel zone plate) having a center disk having a radius of c as shown in FIG. It is specified with the same regularity as the pattern. That is, the positions and intervals of the first and second strips 114 and 116 of the striped structure 118 are similar to the intervals of the light and dark patterns along the diameter of the Fresnel strip described above, and are formed with the same regularity. Have been.
The Fresnel strip has a focal length c for light of wavelength λ, where c is the radius of the innermost circle.²/ Λ acts as a lens.
[0030]
In the striped structure provided in the semiconductor laser device according to the present invention, a striped (irregular) structure similar to the light-dark interval of the Fresnel strip is formed, and the extending direction of the striped structure is the direction of the resonator. Therefore, in the semiconductor laser device according to the present invention, the light guided through the active layer feels the influence of the striped structure, and as a result, exhibits the same behavior as when passing through the Fresnel strip.
[0031]
That is, the focal length is c² / [Lambda], a state very similar to the case where the light emitted from the emission end face of the semiconductor laser element has a distance c from the end face as shown in FIG.² The process proceeds to form an image at a point corresponding to / λ.
Here, since c is an arbitrary constant, the value and the value of c are changed to determine the widths and positions of the first and second strips constituting the striped structure by the above-described formula (1) or (1). By changing according to 2), the focal length c shown in FIG.² / Λ can be changed.
Therefore, the focal length can be controlled by appropriately selecting c, so that the spread angle component of the FFP represented by θ // can be controlled.
[0032]
The distributed feedback semiconductor laser device (DFB laser) has a diffraction grating, that is, a kind of striped structure in the vicinity of the active layer, but the striped structure provided in the semiconductor laser device according to the present invention has The DFB laser is used because the extending direction of the stripe structure is parallel to the cavity length direction of the semiconductor laser device, and the intervals between the first and second strips forming the stripe structure are not equal. It is completely different from the structure.
[0033]
An array-type semiconductor laser device according to the present invention is an array-type semiconductor laser device in which a plurality of semiconductor laser devices each having a stripe-shaped light-emitting region are separated by a separation groove or a current block layer and arranged in parallel,
A central semiconductor laser element having the widest light-emitting region,
A side semiconductor laser element having a light emitting area width smaller than the light emitting area width of the central semiconductor laser element, symmetrically disposed on both sides of the central semiconductor laser element;
With
The width of the light emitting region of the central semiconductor laser element and the side semiconductor laser element is defined by a separation groove or a current block layer that separates the central semiconductor laser element and the side semiconductor laser element, and is separated from the center line of the central semiconductor laser element. Alternatively, the position and the width of the current blocking layer are defined in accordance with the regularity of the light-dark pattern of the Fresnel zone plate.
[0034]
In the array type semiconductor laser device according to the present invention, since the stripes of each semiconductor laser device divided by the separation groove form a pattern similar to the brightness of the one-dimensional Fresnel strip, light is emitted in the active layer. The region has a distribution shape reflecting (projecting) the pattern. Therefore, the emitted light exhibits the same behavior as when it passes through a lens due to mutual interference and diffraction.
Since the focal length of the lens can be controlled by changing the value of c in the above condition (1) or (2), even in the array type semiconductor laser device according to the present invention, the spread angle of the FFP represented by θ // The components can be controlled.
[0035]
The first invention and the second invention can be applied without limitation to the type of the substrate and the composition of the compound semiconductor layer constituting the laminated structure of the semiconductor laser element. For example, the invention can be applied to semiconductor laser elements such as AlGaAs, GaN, and InP. It can be suitably applied.
[0036]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described specifically and in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the film forming method, the composition and thickness of the compound semiconductor layer, the ridge width, the process conditions, and the like described in the following embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the present invention. It is not limited to this example.
Embodiment 1 of a semiconductor laser device
This embodiment is an example of an embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser device of the present embodiment, FIG. 2A is a plan view of a striped structure, and FIG. 2B is a line II in FIG. It is sectional drawing of the striped structure part.
The semiconductor laser device 50 of the present embodiment is a semiconductor laser device having an oscillation wavelength of 700 μm and having a rib guide structure, and a p-Al having a rib of the conventional semiconductor laser device 40 having a rib guide structure._0.7Ga_0.3P-Al having a rib guide structure 58 instead of the As guide layer 42_0.7Ga_0.3An As guide layer 52 is provided. Except for this, the semiconductor laser device 50 has the same configuration as the semiconductor laser device 40 having the conventional rib guide structure.
The rib guide structure portion 58 includes a rib body portion 54 and a stripe structure portion 56 provided on both sides of the rib body 54, and the outside of the stripe structure portion 56 is the first of the stripe structure portion 56. The flat portion 60 extends on the same plane as the groove bottom of the groove forming the band-shaped portion.
[0037]
That is, the semiconductor laser device 50 of this embodiment is an AlGaAs-based broad area semiconductor laser device having a rib guide structure,⁺N-Al on the GaAs substrate 12_0.7Ga_0.3As clad layer 14, n-Al_0.3Ga_0.7As guide layer 16, Al_0.1Ga_0.9P-Al having As active layer 18 and rib guide structure 58_0.3Ga_0.7As guide layer 52, p-Al_0.7Ga_0.3It has a stacked structure of an As clad layer 22 and a p-GaAs cap layer 24.
[0038]
In the laminated structure, the upper layers of the p-GaAs cap layer 24 and the p-AlGaAs cladding layer 22 are processed as stripe-shaped ridges, and both sides of the ridges are buried with n-GaAs current blocking layers 26.
A p-side electrode 28 is formed on the p-GaAs cap layer 24 and the n-GaAs current blocking layer 26, and the n-side electrode 30 is⁺-Formed on the back surface of the GaAs substrate 12;
[0039]
As shown in FIGS. 2A and 2B, the rib guide structure portion 58 is provided symmetrically on both sides of the rib body portion 54 and on both sides of the rib body portion 54, and the groove 57A formed as a first band portion. And a striped structure portion 56 composed of a convex portion 57B formed as a second band-shaped portion. The width and the position of the groove 57A and the convex portion 57B are defined according to the above-described formula (1).
Since the semiconductor laser device 50 of the present embodiment has an oscillation wavelength of 700 μm, if c = 20 μm, the focal length c²Whereas / λ is 0.57 mm, the focal length is 3.57 mm if c = 50 μm even at the same wavelength, and the focal length is 14.3 mm if c = 100 μm.
That is, by appropriately selecting c, the focal length can be controlled to a desired focal length. Therefore, by selecting c to an appropriate value, the spread angle component of FFP represented by θ // can be controlled.
[0040]
In the semiconductor laser device 50, if c = 20 μm in FIGS. 2A and 2B, the distance from the center line M of the rib body 54 to the first groove 57A beside the rib body is 20 μm.
Assuming that m is a positive even number, the first groove 57A on the side of the rib body 54 in accordance with the above equation (1).₁Is defined as m = 2, and c√2−c = 8 between a position at a distance of 20 μm from the center line M of the rib main body 54 and a position at a distance of c√2 = √2 × 20 μm = 28.3 μm. It is formed with a groove width of 3 μm.
[0041]
First groove 57A₁Outside second groove 57A₂Is defined as m = 4, between a position at a distance of c√3 = √3 × 20 μm = 34.6 from a center line M of the rib main body portion 54 and a position at a distance of c√4 = 2 × 20 μm = 40 μm. It is formed with a groove width of 2c−c√3 = 5.4 μm.
First groove 57A₁And the second groove 57A₂Between the first projections 57B₁Is c√3-c√2 = 6.3 μm between a position at a distance of c√2 = 28.3 μm and a position at a distance of c√3 = 34.6 μm from the center line M of the rib body 54. Is formed with the width of the convex portion.
[0042]
Second groove 57A₂Outside of the third groove 57A₃Is a position at a distance of c√5 = √5 × 20 μm = 44.7 μm and a position of a distance of c√6 = √6 × 20 μm = 50.0 μm from the center line M of the rib body portion 54, where m = 6. And a groove width of c√6-c√5 = 5.3 μm.
Second groove 57A₂And the third groove 57A₃Between the second convex portion 57B₂Is formed between a position at a distance of 2c = 40 μm from the center line M of the rib main body 54 and a position at a distance of c√5 = 44.7 μm with a protrusion width of c√5-2c = 4.7 μm. ing.
Hereinafter, grooves and projections are formed according to the same rule.
[0043]
In the present embodiment, by setting c = 20 μm and forming the rib guide structure 58 as described above, the focal length is set to (20) from the emission end face.²/ (700). Accordingly, this makes it possible to control the spread angle component of the FFP represented by θ //, thereby making the light intensity distribution of the FFP uniform.
[0044]
Embodiment of manufacturing method of semiconductor laser device
Next, a method for manufacturing the semiconductor laser device 50 will be described with reference to FIG. FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views of a substrate in main steps in manufacturing the semiconductor laser device 50.
When manufacturing the above-described conventional semiconductor laser device, as shown in FIG.⁺-N-Al is sequentially formed on the GaAs substrate 12 by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or the like._0.7Ga_0.3As clad layer 14, n-Al_0.3Ga_0.7As guide layer 16, Al_0.1Ga_0.9P-Al for forming an As active layer 18 and a p-AlGaAs layer 52 having a rib guide structure_0.3Ga_0.7The As guide layer 62 is epitaxially grown to form a laminated structure.
[0045]
Next, the above-mentioned groove 57A₁, A₂, A₃An etching mask (not shown) having a pattern for exposing the formation regions of... Is formed on the p-AlGaAs guide layer 62, and then the p-AlGaAs guide layer 62 is etched, as shown in FIG. As described above, the p-AlGaAs guide layer 52 is formed by including the rib body 54 at the center and the rib guide structure 58 having the striped structure 56 on both sides of the rib body 54.
Subsequently, p-Al_0.7Ga_0.3The As clad layer 22 and the p-GaAs cap layer 24 are epitaxially grown on the p-AlGaAs guide layer 52 to form a laminated structure.
[0046]
Next, of the stacked structure, the upper layers of the p-GaAs cap layer 24 and the p-AlGaAs cladding layer 22 are etched to form a stripe ridge. Subsequently, the n-GaAs current block layer 26 is buried and grown on both sides of the ridge to bury the ridge.
Next, a p-side electrode 28 is formed on the p-GaAs cap layer 24 and the n-GaAs current block layer 26,⁺After polishing the back surface of the GaAs substrate 12 to adjust the substrate thickness, the n-side electrode 30 is formed on the back surface.
Through the above steps, the semiconductor laser device 50 shown in FIG. 1 can be manufactured.
[0047]
Second Embodiment of Semiconductor Laser Device
This embodiment is another example of the embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention. FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a rib guide structure provided in the semiconductor laser device of this embodiment. FIG. 3 is a schematic plan view showing how light travels by the action of a rib guide structure in a semiconductor laser device.
As shown in FIG. 4, the semiconductor laser device of the present embodiment has a rib guide structure portion 64 having the same configuration as the rib guide structure portion 58 provided in the semiconductor laser device 50 of the first embodiment._0.7Ga_0.3The As guide layer is formed only in the vicinity of both end faces, that is, in the vicinity of the emission end face and the back end face, and in the area away from the end face, both the area corresponding to the striped structure of the rib guide structure 64 and the area corresponding to the rib main body. Exists as a convex portion 66 having an upper surface on the same surface as the upper surface of the rib body portion.
[0048]
Except for this, the semiconductor laser device of the present embodiment has the same configuration as the semiconductor laser device 50 of the first embodiment.
The outer regions of the rib guide structure 64 and the protrusion 66 are flat portions 68 having the same configuration as the flat portion 60 of the semiconductor laser device 50 of the first embodiment.
[0049]
In the semiconductor laser device of the present embodiment having the above-described rib guide structure portion 64, the Fresnel band plates exist at both ends of the resonator, and as a result of feeling the effect of the light, the light is reflected as shown in FIG. It behaves as if lenses exist at both ends of the resonator. As can be seen from FIG. 5, a state where light is guided stably and parallel to the entire rib region (stripe portion) by the rib guide structure portion 64 is obtained.
In this embodiment, as in the first embodiment, the focal length of the lens for a certain wavelength can be controlled by the value of c, so that the spread angle component of the FFP represented by θ // is controlled. As a result, the light intensity distribution of the FFP can be made uniform.
[0050]
Embodiment 3 of a semiconductor laser device
This embodiment is still another example of the embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention. FIG. 6 is a plan view showing the configuration of a rib guide structure provided in the semiconductor laser device of this embodiment. FIG. 7 is a schematic plan view showing how light travels by the action of the rib guide structure in the semiconductor laser device.
As shown in FIG. 6, the semiconductor laser device according to the present embodiment includes a rib guide structure 70 having the same configuration as the rib guide structure 58 provided in the semiconductor laser device 50 according to the first embodiment._0.7Ga_0.3The As guide layer is formed in the central region excluding the region near both ends, and in the region near both ends, both the region corresponding to the striped structure portion of the rib guide structure portion 70 and the region corresponding to the rib body portion are formed in the rib body portion. There is a projection 72 having an upper surface on the same surface as the upper surface.
Except for this, the semiconductor laser device of the present embodiment has the same configuration as the semiconductor laser device 50 of the first embodiment. The outer regions of the rib guide structure 70 and the convex portion 72 are flat portions 74 having the same configuration as the flat portion 60 of the semiconductor laser device 50 of the first embodiment.
[0051]
In the semiconductor laser device of the present embodiment having the above-described rib guide structure 70, the Fresnel band plate exists in the middle of the resonator, and as a result of sensing the effect of the light, the light is emitted as if as shown in FIG. It behaves as if a lens exists in the middle of the resonator. As can be seen from FIG. 7, a state where light is guided stably and parallel to the entire rib region (stripe portion) by the rib guide structure portion 70 is obtained.
Also in this embodiment, similarly to the first embodiment, the focal length of the lens for a certain wavelength can be controlled by the value of c. Therefore, the spread angle component of the FFP represented by θ // can be controlled to make the light intensity distribution of the FFP uniform.
[0052]
Fourth Embodiment of Semiconductor Laser Device
This embodiment is still another example of the embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention. FIG. 8 is a plan view showing the configuration of a rib guide structure provided in the semiconductor laser device of this embodiment. FIG. 9 is a schematic plan view showing how light travels by the action of the rib guide structure in the semiconductor laser device.
The semiconductor laser device of the present embodiment is the same as the semiconductor laser device of the third embodiment except that the semiconductor laser device of the third embodiment is provided with a rib guide structure 76 having irregularities obtained by inverting the irregularities of the rib guide structure 70 provided on the semiconductor laser device of the third embodiment. It has the same configuration.
In the semiconductor laser device of this embodiment, the function of the rib guide structure 76 as a lens is a concave lens, and the light guided through the light emitting region is emitted in the direction diverging from the emission end face.
Also in the present embodiment, since the focal length of the lens can be controlled by the value of c, as a result, the spread angle component of the FFP represented by θ // is controlled to make the light intensity distribution of the FFP uniform. be able to.
[0053]
Embodiment of array type semiconductor laser device
This embodiment is an example of an embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention. FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the array-type semiconductor laser device of this embodiment. FIG. 11 is a Fresnel band defining the relationship between the groove width and the arrangement of the separation grooves of the array-type semiconductor laser device of this embodiment. It is a light-dark pattern diagram of a board. The broken line in FIG. 11 is continuous with the broken line in FIG.
The array-type semiconductor laser device 80 of the present embodiment is an array-type semiconductor laser device having a plurality of semiconductor laser devices 81 which are separated by separation grooves 84 and arranged in parallel.
Each of the semiconductor laser elements 81 is a semiconductor laser element having an emission wavelength of 700 μm and having a stripe-shaped light emitting region. As shown in FIG.⁺-N-Al on the GaAs substrate 86_0.7Ga_0.3As clad layer 88, n-Al_0.3Ga_0.7As guide layer 90, Al_0.1Ga_0.9As active layer 92, p-Al_0.3Ga_0.7As guide layer 94, p-Al_0.7Ga_0.3It has a stacked structure of an As clad layer 96 and a p-GaAs cap layer 98.
[0054]
In the stacked structure, the upper layers of the p-GaAs cap layer 98 and the p-AlGaAs cladding layer 96 are separated by the separation groove 84, whereby the adjacent semiconductor laser elements 81 are separated from each other. In FIG. 10, reference numeral 100 denotes a light emitting region of each semiconductor laser element 81.
The plurality of semiconductor laser elements 81 are arranged symmetrically on both sides of the central semiconductor laser element 82 and the central semiconductor laser element 82 having the widest light emitting area, and the light emitting area is narrower than the light emitting area width of the central semiconductor laser element 82. .. Are divided into a plurality of side semiconductor laser elements 83A, 83B, 83C,. That is, the array-type semiconductor laser element 80 is an aggregate of the central semiconductor laser element 82 and the side semiconductor laser elements 83.
[0055]
The emission region widths of the central semiconductor laser element 82 and the side semiconductor laser element 83 are: the central semiconductor laser element 82 and the side semiconductor laser element 83A; the side semiconductor laser elements 83A and 83B; Are defined by a first separation groove 84A, a second separation groove 84B, a third separation groove 84C,..., And the position and width of each separation groove are light and dark of the Fresnel strip. It is defined according to the regularity of the pattern.
Although not shown, a p-side electrode is formed on the p-GaAs cap layer 96 of each semiconductor laser element 82, and an n-side electrode is⁺-Formed as a common electrode on the back surface of the GaAs substrate 84;
[0056]
Here, the configuration of the separation groove 84 defined based on the regularity of the light-dark pattern of the Fresnel strip will be described.
When the distance from the center line M of the central semiconductor laser element 82 is r, and c is a constant, the separation groove 84 is defined by the following groove width and position conditions.
That is, if m is a positive even number (2, 4, 6, ...),
c√ (m−1) ≦ r ≦ c√m (1)
The region that satisfies is a separation groove, and the region that is not satisfied is a formation region of a semiconductor laser device, that is, a light emitting region.
[0057]
Conversely, if m is a positive odd number (3, 5, 7, ...) of 3 or more,
c√ (m-1) ≦ r ≦ c√m (2)
The region not satisfying the conditions is a separation groove, and the region satisfying the conditions is a formation region of a semiconductor laser element, that is, a light emitting region.
[0058]
In FIG. 10, when the distance from the center line M of the central semiconductor laser element 82A to the first separation groove 84A is c, and m is a positive even number, the first separation groove 84A and the outside of the first separation groove 84A are provided. Of the second separation groove 84B, the third separation groove 84C outside the second separation groove 84B, and so on are as follows.
Assuming that m = 2, the first separation groove 84A has a groove width of (c√2-c) between a position at a distance of c from the center line M of the central semiconductor laser element 82 and a position at a distance of c√2. It is formed with.
Assuming that m = 4, the second separation groove 84B has a distance between the center line M of the central semiconductor laser element 82 at a distance of c√3 and a position at a distance of c√4 = 2c (2c−c√3). ).
[0059]
The first side semiconductor laser element 83A between the first separation groove 84A and the second separation groove 84B is located at a distance of c√2 from the center line M of the central semiconductor laser element 82 and at c√3. It is formed with a width of (c√3-c√2) between the position and the distance.
Assuming that m = 6, the third separation groove 84C is located between a position at a distance of c√5 and a position at a distance of c√6 from the center line C of the central semiconductor laser element 82A (c√6-c√5). ).
The second side semiconductor laser element 83B between the second separation groove 84B and the third separation groove 84C is located at a distance of 2c from the center line M of the central semiconductor laser element 82 and at a distance of c√5. It is formed with a convex part width of (c 凸 5-2c) between the positions.
Hereinafter, the separation groove 84 and the side semiconductor laser element 83 are formed with the same regularity.
Since the positions and widths of the above-described separation grooves 84 are defined by the same regularity as the regularity of the light-dark pattern of the Fresnel strip shown in FIG. 11, the array type semiconductor is formed by the lens effect of the Fresnel strip shown in FIG. The focal length of the laser element 80 can be controlled.
[0060]
When fabricating the array-type semiconductor laser device 80 of this embodiment, n⁺-N-Al is sequentially formed on the GaAs substrate 86 by MOCVD or the like._0.7Ga_0.3As clad layer 88, n-Al_0.3Ga_0.7As guide layer 90, Al_0.1Ga_0.9As active layer 92, p-Al_0.3Ga_0.7As guide layer 94, p-Al_0.7Ga_0.3The stacked structure is formed by epitaxially growing the As cladding layer 96 and the p-GaAs cap layer 98.
Next, the separation groove 84 is formed in accordance with the above-described rules. After forming the separation groove 84, the separation groove 84 may be embedded in the current block layer.
[0061]
In the array-type semiconductor laser device 80 of the present embodiment, the upper layers of the p-GaAs cap layer 98 and the p-AlGaAs cladding layer 96 divided by the separation groove 84 are similar to the one-dimensional brightness of the Fresnel strip. Since the pattern is formed, the light emitting region in the active layer 92 has a distribution shape reflecting (projecting) the pattern. Therefore, the emitted light exhibits the same behavior as when it passes through a lens due to mutual interference and diffraction.
By changing the value of c in the above formula (1) or (2), the focal length of the lens can be controlled. Therefore, even in the array type semiconductor laser element 80 of the present embodiment, it is expressed by θ //. The spread angle component of the FFP to be performed can be controlled.
[0062]
In the semiconductor laser devices according to the first to fourth embodiments and the array-type semiconductor laser device according to the embodiment, the AlGaAs-based semiconductor laser device is described as an example. The present invention can be applied irrespective of the constituent compound semiconductor layer, and can be suitably applied to, for example, a GaN-based semiconductor laser device.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the first invention, the band-shaped structure portion extending in the direction of the laser cavity by alternately adjoining the first and second band-shaped portions having two types of mutually different structures. Is formed on the upper or lower compound semiconductor layer of the light emitting region, preferably in the vicinity of the stripe which is the light emitting region, so that the intensity of the light guided through the stripe and how the light travels, especially the light at both edges of the stripe , And as a result, a broad-area semiconductor laser device in which the intensity distribution of NFP and FFP is more uniform and the spread angle θ // can be controlled.
[0064]
According to the second aspect of the present invention, a plurality of semiconductor laser devices each having a stripe-shaped light emitting region are separated by a separation groove or a current block layer and are arranged in parallel. By defining the arrangement and width of the block layer in accordance with the regularity of the light-dark pattern of the Fresnel strip, an array-type semiconductor laser device capable of controlling the spread angle component of FFP represented by θ // is realized. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor laser device according to a first embodiment.
2A is a plan view of the striped structure, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the striped structure taken along line II in FIG. 2A.
FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views of a substrate in a step of manufacturing the semiconductor laser device of the first embodiment, respectively.
FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a rib guide structure provided in the semiconductor laser device of Embodiment 2;
FIG. 5 is a schematic plan view showing how light travels by the action of a rib guide structure in the semiconductor laser device of Embodiment 2.
FIG. 6 is a plan view illustrating a configuration of a rib guide structure provided in a semiconductor laser device according to a third embodiment.
FIG. 7 is a schematic plan view showing how light travels by the action of a rib guide structure in a semiconductor laser device according to a third embodiment.
FIG. 8 is a plan view showing a configuration of a rib guide structure provided in a semiconductor laser device according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a schematic plan view showing how light travels by the action of a rib guide structure in a semiconductor laser device according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an array-type semiconductor laser device according to an embodiment.
FIG. 11 is a light-dark pattern diagram of a Fresnel strip defining the relationship between the groove width and arrangement of the separation grooves of the array-type semiconductor laser device of the embodiment.
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conventional semiconductor laser device.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional semiconductor laser device having a rib guide structure.
FIGS. 14A to 14C are plan views of a band-shaped structure provided on a rib guide layer of the semiconductor laser device according to the present invention, and a cross section taken along line II-II of FIG. It is a figure and the top view of the bright and dark pattern of the circle of the Fresnel strip.
FIG. 15 is a diagram schematically showing how a laser beam emitted from a semiconductor laser element advances.
[Explanation of symbols]
10: conventional semiconductor laser device, 12: n⁺-GaAs substrate, 14 ... n-Al_0.7Ga_0.3As clad layer, 16... N-Al_0.3Ga_0.7As guide layer, 18 ... Al_0.1Ga_0.9As active layer, 20... P-Al_0.3Ga_0.7As guide layer, 22... P-Al_0.7Ga_0.3As cladding layer, 24... P-GaAs cap layer, 26... N-GaAs current blocking layer, 28... P-side electrode, 30... N-side electrode, 32. Semiconductor laser element 52, p-Al having rib structure_0.3Ga_0.7As guide layer, 54... Rib body portion, 56... Stripe structure portion, 58... Rib guide structure portion, 60... Flat portion, 62._0.3Ga_0.7As guide layer, 64: rib guide structure portion, 66: convex portion, 68: flat portion, 70: rib guide structure portion, 72: convex portion, 74: flat portion, 76: rib guide structure portion, 80 ... Array type semiconductor laser device of the embodiment 81, a semiconductor laser device, 82, a central semiconductor laser device, 83, a side semiconductor laser device, 84, a separation groove, 86, n⁺-GaAs substrate, 88 ... n-Al_0.7Ga_0.3As clad layer, 90... N-Al_0.3Ga_0.7As guide layer, 92 Al_0.1Ga_0.9As active layer, 94 p-Al_0.3Ga_0.7As guide layer, 96 p-Al_0.7Ga_0.3As clad layer, 98 p-GaAs cap layer, 110 band structure, 112 rib body, 114 first band, 116 second band, 118 band Structure.

Claims

A broad area semiconductor laser having a wide stripe light emitting region,
A band-shaped structure portion formed by alternately adjoining two kinds of first and second band-shaped portions having different structures and extending in the laser resonator direction is formed in the compound semiconductor layer above or below the light emitting region. A semiconductor laser device characterized in that:

The band-shaped structure portion is formed in a region above the light emitting region of the compound semiconductor layer above the light emitting region or in a region below the light emitting region of the compound semiconductor layer below the light emitting region. 14. The semiconductor laser device according to claim 1.

The band-shaped structure portion is formed by alternately adjoining a first band-shaped portion formed of any one of a band-shaped convex portion and a groove-shaped concave portion and a second band-shaped portion formed of the other and extending in the laser resonator direction. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is a structure.

3. The band-shaped structure portion according to claim 1, wherein the band-shaped structure portions are formed by alternately adjoining first and second band-shaped portions having different impurity concentrations and extending in the laser resonator direction. 3. The semiconductor laser device according to item 1.

3. The band-shaped structure part, wherein the first and second band-shaped parts having mutually different refractive indexes are alternately adjacent to each other and extend in the laser resonator direction. 3. The semiconductor laser device according to item 1.

The compound semiconductor layer above the light emitting region is a guide layer above the active layer, and the compound semiconductor layer below the light emitting region is a guide layer below the active layer. 13. The semiconductor laser device according to item 9.

7. The semiconductor laser device according to claim 6, wherein the band-shaped structure portion forms a rib guide structure.

A band-shaped structure portion constituting a rib guide structure is provided symmetrically on both sides of the wide band-shaped rib body portion extending in the laser cavity direction and on both sides of the rib body portion, and is alternately adjacent to the laser cavity direction in a plurality of rows. And a stripe-shaped structure portion composed of first and second band-shaped portions having different structures extending from each other.
The position and width from the center line of the rib body of the first and second strips constituting the striped structure are defined in accordance with the regularity of the light and dark pattern of the Fresnel zone plate. The semiconductor laser device according to claim 7, wherein:

The rib body portion is formed as a wide band-shaped tabletop having a flat surface as an upper surface,
The first strip is formed as a groove-shaped recess,
The second band-shaped portion is formed as a band-shaped convex portion having an upper surface on the same plane as the upper surface of the rib body portion and is located between the first band-shaped portions,
9. The semiconductor laser device according to claim 8, wherein the first and second strips are provided alternately and symmetrically on both sides of the rib body.

The rib body portion is formed as a wide band U-shaped groove having a flat surface as a bottom surface,
The first band-shaped part is formed as a band-shaped convex part,
The second band-shaped portion is formed as a band-shaped concave shape having a bottom surface on the same plane as the bottom surface of the rib body portion, and is located between the first band-shaped portions,
9. The semiconductor laser device according to claim 8, wherein the first and second strips are provided alternately and symmetrically on both sides of the rib body.

An array-type semiconductor laser device in which a plurality of semiconductor laser devices each having a stripe-shaped light-emitting region are separated by a separation groove or a current block layer and arranged in parallel,
A central semiconductor laser element having the widest light-emitting region,
Symmetrically disposed on both sides of the central semiconductor laser element, comprising a side semiconductor laser element having a light emitting area width smaller than the light emitting area width of the central semiconductor laser element,
The width of the light emitting region of the central semiconductor laser element and the side semiconductor laser element is defined by a separation groove or a current block layer that separates the central semiconductor laser element and the side semiconductor laser element. Alternatively, the array type semiconductor laser device is characterized in that the position and the width of the current blocking layer are defined in accordance with the regularity of the light and dark pattern of a Fresnel zone plate.