JP2004207646A - Semiconductor laser element and semiconductor laser array - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ素子及び半導体レーザアレイに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体レーザにはより高い出力、より高い集光密度が求められている。従来、高出力が得られる半導体レーザ素子としては例えば特許文献1に開示されたような利得導波路を持つブロードエリア型構造のものが多く用いられていた。通常この構造の半導体レーザ素子は電流注入領域の幅(発光領域幅)100〜200μm程度に設計され、マルチ空間横モードで発振する。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−257417号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記利得導波構造の半導体レーザ素子は高い出力は得られるものの、マルチ空間横モードで発振し発光領域内で不均一な熱分布が発生するため、1つの出射領域から出射されるレーザ光は活性層に対して水平成分の遠視野像は中心部分が低く両端が高い、両端にピークがある形となっている(図7(a)参照)。このようなレーザ光はレンズとの結合効率が低く、レンズによる光の整形も困難であるため集光面積も大きくなってしまい高い集光密度が得られない。
【0005】
一方、レンズとの結合効率を高くし集光面積を小さくするためには出射領域から出射されるレーザ光の遠視野像を単峰性のガウス形状(図7(b)参照)に近づけることが必要である。しかしながらこのような単峰性の遠視野像の光を半導体レーザから得るためには、空間横シングルモードでの発振が必要であるため、構造上高い出力光を得ることは難しい。
【0006】
このように従来の半導体レーザ素子を光源として高い光密度かつ高い出力を得ることは困難であった。
【0007】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、高い集光密度でかつ高い出力を得られる半導体レーザ素子及び半導体レーザアレイを提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ素子は、第1導電型クラッド層と、第2導電型クラッド層と、第1導電型クラッド層と第2導電型クラッド層とに挟まれた量子井戸活性層とを有する半導体レーザ素子であって、第1導電型クラッド層には、当該第1導電型クラッド層よりもレーザ光に対する屈折率が低く且つ量子井戸活性層に達しない深さを有する第2導電型半導体領域が、所定の間隔をおいて複数配列されていることを特徴とする。
【0009】
本半導体レーザ素子によれば、第1導電型クラッド層に上記第2導電型半導体層が所定の間隔をおいて複数配列されているので、隣接する一対の第2導電型半導体領域と当該第2導電型半導体領域の間に位置する第1導電型クラッド層とにより屈折率導波路構造が形成されることとなる。このため、発生したレーザ光を第2導電型半導体領域の間に位置する第1導電型クラッド層に対応する量子井戸活性層の領域に閉じ込めることができる。よって、発生したレーザ光同士の位相結合を防止することができるため、上記第2導電型半導体層の配列間隔を狭くすることができ、高出力のレーザ光を得ることが可能となる。
【0010】
また、上記半導体レーザ素子は、隣接する第2導電型半導体領域の間の第1導電型クラッド層の領域に対応する量子井戸活性層の各々の領域が、空間横シングルモード発振により発生するレーザ光の発生領域となることを特徴としてもよい。
【0011】
本半導体レーザ素子は空間横シングルモード発振するため単峰性の遠視野像を有するレーザ光を出射することができる。これら複数のレーザ光が半導体レーザ素子に配列された各々の領域で発生し出射されるので半導体レーザ素子全体としても単峰性の遠視野像を有するレーザ光を出射することができる。単峰性の遠視野像を有するレーザ光はレンズとの結合効率が高いため平行化を高精度に行うことができ、高い集光密度が得ることが可能となる。
【0012】
また、本発明の半導体レーザアレイは、上記半導体レーザ素子が第2導電型半導体領域の配列方向と同じ方向に複数配列されていることを特徴とする。
【0013】
また、本発明の半導体レーザアレイは、半導体レーザ素子が、アレイ状に複数配列された半導体レーザアレイであって、半導体レーザ素子は、屈折率導波路構造を有し且つ空間横シングルモード発振によりレーザ光を出射する半導体レーザユニットを複数備えており、各半導体レーザユニットは、半導体レーザ素子の配列方向と同じ方向に配列されていることを特徴とする。
【0014】
上記半導体レーザアレイによれば、半導体レーザ素子内のそれぞれの半導体レーザユニットが空間横シングルモードで発振するので単峰性の遠視野像を有するレーザ光を出射することができる。これら複数の出射領域が半導体レーザ素子に配列されるので半導体レーザ素子全体としても単峰性の遠視野像を有するレーザ光を出射することができる。また、このような半導体レーザユニットを複数配列することによって高出力を得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【0016】
本実施形態の半導体レーザアレイ1は波長帯940nmのレーザ光を出射するものであり、図1に示すとおり一次元方向に配列された複数の半導体レーザ素子3を有している。半導体レーザ素子3は1つの出射領域5を含み、出射領域5は上記半導体レーザ素子3の配列方向と略垂直にレーザ光を出射するようになっている。出射領域5は出射領域5aが半導体レーザ素子3の配列方向と同じ方向に複数配列された集合領域であり、出射領域5aのそれぞれがレーザ光を出射するようになっている。以下、図1に示すように半導体レーザ素子3がアレイ状に配列された方向をx方向、レーザ光出射の方向をz方向とし、x方向、z方向の双方に垂直な方向をy方向として説明する。図2はx方向、y方向を双方含む面を切断面とした半導体レーザ素子3の出射領域5に対応する部分の断面図である。
【0017】
半導体レーザ素子3は、図2に示すように、基板11上にn型クラッド層13(第2導電型クラッド層)、量子井戸活性層15、p型クラッド層17(第1導電型クラッド層)、及びキャップ層19、をy方向に積層した構造を有している。本実施形態においては、基板11はn-GaAsから成りy方向の厚さは約100μmである。量子井戸活性層15はGaInAs/AlGaAsから成りy方向の厚さ約0.1μmである。n型クラッド層13はn-AlGaAsから成りy方向の厚さ約2μmである。p型クラッド層17はp-AlGaAsから成りy方向の厚さ約2μmである。キャップ層19はp型GaAsから成りy方向の厚さ約0.1μmである。
【0018】
ブロック領域21(第2導電型半導体領域)は、キャップ層19を貫通し、p型クラッド層17まではいり込んだ状態で複数設けられ、一定間隔でx方向に配列されている。ブロック領域21のy方向の深さはp型クラッド層17を貫通せず、量子井戸活性層15に達する深さよりも浅くなっており、ブロック領域21は量子井戸活性層15には達していない。ブロック領域21は第1ブロック層21a及び第2ブロック層21bがy方向に積層された構造を有している。本実施形態においては、ブロック領域21のx方向の幅約10μm、y方向の厚さ約2.0μmとなっており、約15μmの一定間隔でx方向に10個配列されている。第1ブロック層21aはn-AlGaAsから成りy方向の厚さ約1.8μmである。第2ブロック層21bはn-GaAsから成りy方向の厚さ約0.2μmである。
【0019】
キャップ層19の上層にはp−電極23が設けられ、p−電極23の反対面側にはn−電極25が設けられることによって、半導体レーザ素子3に電流を供給できるようになっている。
【0020】
上述したようにp型クラッド層17内部にはx方向に約10μmのブロック領域21と当該ブロック領域21に挟まれた約5μmのp型クラッド層17の領域とが交互に配列されている。ブロック領域21で分割された1つの領域を半導体レーザユニット3aとすると、半導体レーザ素子3は略等間隔で半導体レーザユニット3aをx方向に複数配列したものである。
【0021】
半導体レーザユニット3aにおいて、量子井戸活性層15の中のブロック領域21同士に挟まれたp型クラッド層17の領域に対してz方向に隣接する領域は、p−電極23、n−電極25を通じて電流が注入されることによりレーザ光を発生する発生領域として機能し、当該領域のz方向の端面はレーザ光を出射する出射領域5aとして機能する。前述のとおりこの出射領域5aがx方向に配列された集合体が図1に示す半導体レーザ素子3の出射領域5となる。
【0022】
第1ブロック層21a(n-AlGaAsから成る)は周囲のp型クラッド層17(p-AlGaAsから成る)よりもAlの組成を高くすることによりレーザ光に対する屈折率が低くなっている。また、各半導体レーザユニット3aは各層(p型クラッド層17、量子井戸活性層15、n型クラッド層13)の材質、ブロック領域21の幅や深さ等を考慮し空間横シングルモードで発振するように設計されている。
【0023】
次に上記半導体レーザアレイの製造方法について図3を参照しながら説明する。まず、n型GaAsの基板11上にn型AlGaAsのn型クラッド層13、GaInAs/AlGaAsの量子井戸活性層15、p型AlGaAsのp型クラッド層17、p型GaAsのキャップ層19をエピタキシャル成長により形成する(図3(a)参照)。
【0024】
その後、SiN膜27をコーティングし、その上にフォトワークによりストライプ幅15μm、幅5μmのレジストストライプを形成する。レジストが付着していない部分のSiN膜27を除去した後、キャップ層19、p型クラッド層17をエッチングする。この時、p型クラッド層17がわずかに残り量子井戸活性層15に達する前にエッチングを停止する(図3(b)参照)。
【0025】
次に、エッチングで形成された凹部の内部に選択結晶成長法によりn型AlGaAs(第1ブロック層21a)、n型GaAs(第2ブロック層21b)の順で結晶成長させ第1ブロック層21a、第2ブロック層21bを形成する。ここで、第1ブロック層21aはp型クラッド層17よりもAl組成が高くなるようにする。
【0026】
続いて、SiN膜27を除去し、Au、Pt及びTiでp−電極23を形成する。そして反対面側には基板研磨及び化学処理を行い、AuGe及びAuでn−電極25を形成する(図3(c)参照)。
【0027】
以上のようにして得られた半導体レーザ素子を適当な共振器長で切り出し、反射膜コーティングを施す。こうして作製された半導体レーザ素子3をx方向に配列しアレイ化して半導体レーザアレイ1を製造する(図3(d)参照)。
【0028】
上記半導体レーザアレイ1によれば、各半導体レーザユニット3aが空間横シングルモードで発振するため、各出射領域5aからは単峰性(ガウス形状)の遠視野像を有するレーザ光が出射されることとなる。これらの各レーザ光が複数重なり合ったレーザ光全体についても遠視野像は単峰性となるため、半導体レーザ素子の出射領域5全体として単峰性のレーザ光が出射されることとなる。かかる単峰性の遠視野像をもつレーザ光はレンズとの結合効率が高い。このため、半導体レーザアレイ1を半導体レーザ装置に実装した際にはコリメートレンズによるレーザ光の整形・平行化を高精度に行うことができ、高い集光密度を得ることができる。また、出射領域5内には半導体レーザユニット3aが狭い間隔で複数配列されているため高出力を得ることができる。よって、上記半導体レーザアレイによれば集光面積を小さくすることができ高い集光密度を得ることができる。
【0029】
また上記半導体レーザアレイ1は、ブロック領域21のy方向の深さを量子井戸活性層15に達しないような深さとしているので、ブロック領域のスペースを形成する際にはエッチングが量子井戸活性層5に達する寸前にストップすることとなる。このため、量子井戸活性層15にエッチング液が達することがなく、量子井戸活性層15にエッチング液によるダメージを与えることを防止でき、レーザ光出射層を良好な結晶状態に保つことができる。
【0030】
また上記半導体レーザアレイ1では、各半導体レーザユニットにおいて第1ブロック層21aが周囲のp型クラッド層17よりもAl組成を高くすることにより屈折率を低くしている。すなわちp型クラッド層17のブロック領域21に相当する領域以外の領域が周囲よりも相対的に屈折率が高い構造(屈折率導波路構造)となっている。このため各出射領域5aに対応する発生領域で発生したレーザ光は上記屈折率差の影響で量子井戸活性層15の、ブロック領域21に対応する領域以外の領域(出射領域5a)に閉じ込められることとなる。
【0031】
このようにx方向についてレーザ光が各出射領域に閉じ込められることにより隣り合った各出射領域5a間で光の位相結合が生じにくく、安定したレーザ光を得ることができる。また、隣り合った各出射領域間での光の位相結合が生じにくいことから、半導体レーザ素子中の半導体レーザユニットの間隔をさらに狭くしても安定したレーザ光が得られる。このため、半導体レーザ素子5中の出射領域5aの数や密度を増やすことも可能であり、さらに高い出力を得ることも容易となる。
【0032】
本実施形態の半導体レーザアレイ1の1つの出射領域5(1つの半導体レーザ素子)から得られる遠視野像を測定した。測定した遠視野像を図4(a)に示す。また比較のため、従来の半導体レーザアレイ(ブロードエリア型構造を有する)の1つの出射領域5から得られた遠視野像についても測定を行った。測定した従来の半導体レーザアレイの遠視野像を図4(b)に示す。図4(a)(b)において、ともに特性Shは水平方向(x方向)の遠視野像、特性Svは垂直方向(y方向)の遠視野像を表している。遠視野像の水平方向(x方向)成分について、本実施形態の半導体レーザアレイ1の遠視野像は単峰性の分布となっており従来のものと比較してガウス形状に近くなっている。このため、半導体レーザアレイ1は半導体レーザ装置に実装した場合にコリメートレンズによるレーザ光の整形・平行化を高精度に行うことができ、高い集光密度を得ることが可能となる。
【0033】
本実施形態の半導体レーザアレイ1を光源とし、図5に示す構成の半導体レーザ装置を用いて集光を試みた。半導体レーザアレイ1の出射領域5から出射された複数のレーザ光束を、第1コリメートレンズ40でy方向に平行化し、さらに、第2コリメートレンズ50でx方向にも平行化する。こうして平行化された光束を集光レンズ60でさらに集光し、スポット70に集められたレーザ光の強度プロファイルを図6に示した。図6(a)は水平方向(x方向)、図6(b)は垂直方向(y方向)についての光強度分布を示している。得られた集光スポット70のサイズは半値全幅で水平方向259μm、垂直方向302μmであり、このときの半導体レーザアレイの出力は60wであったため、結果として1.40・105w/cmの集光密度が得られたことになる。
【0034】
【発明の効果】
上述したとおり本発明によれば、高い集光密度でかつ高い出力を得られる半導体レーザ素子及び半導体レーザアレイを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の半導体レーザアレイの斜視図である。
【図2】本実施形態の半導体レーザアレイの出射領域の断面図である。
【図3】本実施形態の半導体レーザアレイの製造方法を説明する図である。
【図4】(a)は本実施形態の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の遠視野像を示すグラフである。(b)は従来の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の遠視野像を示すグラフである。
【図5】本実施形態の半導体レーザアレイを光源とした半導体レーザ装置の構成図である。
【図6】本実施形態の半導体レーザアレイを光源とした半導体レーザ装置の集光スポットの強度分布のグラフである。
【図7】(a)は従来の半導体レーザアレイから出射されるレーザ光の遠視野像を示すグラフである。(b)は単峰性の遠視野像を示すグラフである。
【符号の説明】
1…半導体レーザアレイ、3…半導体レーザ素子、3a…半導体レーザユニット、5…出射領域、5a…出射領域、11…基板、13…n型クラッド層、15…量子井戸活性層、17…p型クラッド層、21a…第1ブロック層、21b…第2ブロック層、21…ブロック領域。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device and a semiconductor laser array.
[0002]
[Prior art]
In recent years, semiconductor lasers have been required to have higher output and higher condensing density. Conventionally, as a semiconductor laser device capable of obtaining a high output, for example, a semiconductor laser device having a broad area structure having a gain waveguide as disclosed in
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-257417 A
[Problems to be solved by the invention]
However, although the semiconductor laser device having the gain waveguide structure can obtain a high output, it oscillates in a multi-spatial transverse mode and generates an uneven heat distribution in the light emitting region. In FIG. 7, the far-field image of the horizontal component with respect to the active layer has a shape in which the center portion is low at both ends and high at both ends, and has peaks at both ends (see FIG. 7A). Such a laser beam has a low coupling efficiency with the lens, and it is difficult to shape the light by the lens, so that the light condensing area becomes large and a high light condensing density cannot be obtained.
[0005]
On the other hand, in order to increase the coupling efficiency with the lens and reduce the focusing area, the far-field image of the laser beam emitted from the emission region should be close to a unimodal Gaussian shape (see FIG. 7B). is necessary. However, in order to obtain such a single-peak far-field image light from a semiconductor laser, it is necessary to oscillate in a spatial transverse single mode, and thus it is difficult to obtain high output light in terms of structure.
[0006]
Thus, it has been difficult to obtain a high light density and a high output using the conventional semiconductor laser device as a light source.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device and a semiconductor laser array which can solve the above problems and can obtain a high light-condensing density and a high output.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a semiconductor laser device according to the present invention is provided with a first conductivity type clad layer, a second conductivity type clad layer, and a first conductivity type clad layer and a second conductivity type clad layer. A semiconductor laser device having a quantum well active layer, wherein the first conductivity type cladding layer has a lower refractive index to laser light than the first conductivity type cladding layer and has a depth not reaching the quantum well active layer. A plurality of second conductivity type semiconductor regions having the same are arranged at predetermined intervals.
[0009]
According to the present semiconductor laser device, since the second conductivity type semiconductor layers are arranged in the first conductivity type cladding layer at a predetermined interval, a pair of adjacent second conductivity type semiconductor regions and the second conductivity type semiconductor region are formed. The refractive index waveguide structure is formed by the first conductive type clad layer located between the conductive type semiconductor regions. Therefore, the generated laser light can be confined in the region of the quantum well active layer corresponding to the first conductivity type cladding layer located between the second conductivity type semiconductor regions. Therefore, the generated laser beams can be prevented from being phase-coupled to each other, so that the arrangement interval of the second conductive semiconductor layers can be narrowed, and high-power laser beams can be obtained.
[0010]
Further, in the above-mentioned semiconductor laser device, each region of the quantum well active layer corresponding to the region of the first conductivity type cladding layer between the adjacent second conductivity type semiconductor regions has a laser beam generated by spatial lateral single mode oscillation. It may be characterized in that it is a region in which is generated.
[0011]
The present semiconductor laser device can emit laser light having a unimodal far-field image because of spatial transverse single mode oscillation. Since the plurality of laser beams are generated and emitted in each region arranged in the semiconductor laser device, the semiconductor laser device as a whole can emit a laser beam having a unimodal far-field image. A laser beam having a unimodal far-field pattern has high coupling efficiency with the lens, so that parallelization can be performed with high accuracy, and a high light-condensing density can be obtained.
[0012]
The semiconductor laser array of the present invention is characterized in that a plurality of the semiconductor laser elements are arranged in the same direction as the arrangement direction of the second conductivity type semiconductor regions.
[0013]
Further, the semiconductor laser array of the present invention is a semiconductor laser array in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged in an array, and the semiconductor laser element has a refractive index waveguide structure and is driven by spatial transverse single mode oscillation. A plurality of semiconductor laser units that emit light are provided, and the semiconductor laser units are arranged in the same direction as the arrangement direction of the semiconductor laser elements.
[0014]
According to the semiconductor laser array, each of the semiconductor laser units in the semiconductor laser element oscillates in the spatial lateral single mode, so that a laser beam having a unimodal far-field image can be emitted. Since the plurality of emission regions are arranged in the semiconductor laser device, the semiconductor laser device as a whole can emit laser light having a unimodal far-field pattern. In addition, high output can be obtained by arranging a plurality of such semiconductor laser units.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and duplicate descriptions are omitted.
[0016]
The
[0017]
As shown in FIG. 2, the
[0018]
A plurality of block regions 21 (second conductivity type semiconductor regions) are provided so as to penetrate the
[0019]
The p-
[0020]
As described above, inside the p-
[0021]
In the
[0022]
The
[0023]
Next, a method of manufacturing the semiconductor laser array will be described with reference to FIG. First, an n-type AlGaAs n-
[0024]
Thereafter, a
[0025]
Next, n-type AlGaAs (
[0026]
Subsequently, the
[0027]
The semiconductor laser device obtained as described above is cut out with an appropriate resonator length, and is coated with a reflective film. The
[0028]
According to the
[0029]
In the
[0030]
In the
[0031]
As described above, since the laser light is confined in each emission region in the x direction, phase coupling of light hardly occurs between the
[0032]
A far-field image obtained from one emission region 5 (one semiconductor laser element) of the
[0033]
Light collection was attempted using the
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser element and a semiconductor laser array that can obtain a high light-condensing density and a high output.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor laser array according to an embodiment.
FIG. 2 is a sectional view of an emission region of the semiconductor laser array according to the embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing the semiconductor laser array according to the embodiment.
FIG. 4A is a graph showing a far-field pattern of a laser beam emitted from the semiconductor laser device of the present embodiment. (B) is a graph showing a far-field pattern of laser light emitted from a conventional semiconductor laser device.
FIG. 5 is a configuration diagram of a semiconductor laser device using the semiconductor laser array of the present embodiment as a light source.
FIG. 6 is a graph of an intensity distribution of a condensed spot of a semiconductor laser device using the semiconductor laser array of the present embodiment as a light source.
FIG. 7A is a graph showing a far-field pattern of laser light emitted from a conventional semiconductor laser array. (B) is a graph showing a unimodal far-field image.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記第1導電型クラッド層には、当該第1導電型クラッド層よりもレーザ光に対する屈折率が低く且つ前記量子井戸活性層に達しない深さを有する第2導電型半導体領域が、所定の間隔をおいて複数配列されていることを特徴とする半導体レーザ素子。A semiconductor laser device having a first conductivity type clad layer, a second conductivity type clad layer, and a quantum well active layer sandwiched between the first conductivity type clad layer and the second conductivity type clad layer,
In the first conductivity type cladding layer, a second conductivity type semiconductor region having a lower refractive index to laser light than the first conductivity type cladding layer and having a depth that does not reach the quantum well active layer has a predetermined distance. A plurality of semiconductor laser devices.
前記半導体レーザ素子は、屈折率導波路構造を有し且つ空間横シングルモード発振によりレーザ光を出射する半導体レーザユニットを複数備えており、
前記各半導体レーザユニットは、前記半導体レーザ素子の配列方向と同じ方向に配列されていることを特徴とする半導体レーザアレイ。A semiconductor laser element is a semiconductor laser array in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged in an array,
The semiconductor laser element has a plurality of semiconductor laser units having a refractive index waveguide structure and emitting laser light by spatial transverse single mode oscillation,
A semiconductor laser array, wherein each of the semiconductor laser units is arranged in the same direction as the arrangement direction of the semiconductor laser elements.
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