JP2006186090A - 半導体レーザ装置およびそれを用いた光ピックアップ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置およびそれを用いた光ピックアップ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 基板上に形成され、メサ状のリッジが形成された半導体レーザにおいて、より短い共振器長でより高い熱飽和レベルとより高い出力まで安定した基本横モード発振を行うことができる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 本発明の半導体レーザ装置１は、基板１０上に、活性層１３と前記活性層１３を狭持する２つのクラッド層１２・１４とを含み、光路上の端面の間に形成された導波路領域が、少なくとも２本以上に分岐する導波路分岐領域２０を含み、前記導波路分岐領域２０は、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置およびそれを用いた光ピックアップ装置に関する。
現在、半導体レーザ装置（以下、半導体レーザ、ともいう）は、様々な分野で幅広く使用されている。なかでも、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザは、波長６５０ｎｍ帯のレーザ光を得ることができるため、光ディスクシステムの分野において光源として広く使用されている。また、代表的な半導体レーザとして、活性層と、その活性層を狭持する２つのクラッド層とを含むダブルヘテロ構造を有し、このクラッド層のうちの１つがメサ状のリッジを形成している構造の半導体レーザ（例えば、特許文献１参照）が知られている。
図１５に、このような構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの一例を示す。なお、以下に示す各層の組成比は省略する。図１５に示す半導体レーザでは、（１００）面から［０１１］方向に１５°傾けた面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層１０３、ｎ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層１０４が順に積層され、さらにその上に、歪量子井戸活性層１０５、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層１０６、ｐ型（またはノンドープ）ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１０８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１０９およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０が積層されている。ここで、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１０８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０は、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７上に、順メサ形状を有するリッジとして形成されている。また、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７上および上記リッジの側面上に、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１１１が形成され、このｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１１１とリッジ上部に位置するｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１２が積層されている。なお、歪量子井戸活性層１０５は、（ＡｌＧａ）ＩｎＰ層およびＧａＩｎＰ層から構成されている。
図１５に示す半導体レーザでは、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１２から注入された電流はｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１１１によりリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部近傍の歪量子井戸活性層１０５に集中して注入される。このようにして、数十ｍＡという少ない注入電流に関わらず、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が実現される。このとき、キャリアの再結合により光が発生するが、歪量子井戸活性層１０５と垂直な方向に対しては、ｎ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層１０４、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層１０６の両クラッド層により光の閉じ込めが行われ、歪量子井戸活性層１０５と平行な方向に対しては、ＧａＡｓ電流ブロック層１１１が発生した光を吸収するために光の閉じ込めが行われる。この結果、注入された電流により生じた利得が、歪量子井戸活性層１０５内の導波路における損失を上回るとレーザ発振が生じる。
特開２００１−１９６６９４号公報
半導体レーザにおいて、７５℃以上の高温で高出力動作を得ようとすると、電流-光出力特性において微分量子効率が電流値の増大と共に除々に低下する熱飽和が生じる。熱飽和が生じるのは、動作電流値の増大に伴い、活性層中の動作キャリア密度が増大し、熱的に励起されたキャリアが、活性層とクラッド層間のポテンシャルバリアを超えてクラッド層に漏れ出し、キャリアのオーバーフローが生じるためである。キャリアのオーバーフローが生じると、活性層で発光再結合するキャリアが少なくなるため発光効率の低下を生じるのみならず、クラッド層へ漏れたキャリアが非発光再結合し、そのエネルギーが熱に変わるため素子の発熱がより大きくなり、益々、キャリアのオーバーフローが増大することになる。
このような現象を防ぐためには、高出力動作時での活性層の動作キャリア密度を小さくし、活性層からクラッド層へ漏れ出るキャリアを少なくすることが必要である。活性層での動作キャリア密度を小さくするためには、半導体レーザの共振器長を長くし、単位面積当たりに注入されるキャリア密度を低減する方法が効果的である。
例えばＤＶＤの光源として用いられるＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザでは、書き換え可能型ＤＶＤの高倍速化に伴い、７５℃以上の高温動作と、２００ｍＷ以上の高出力動作を実現するために、半導体レーザの共振器長を１３００μｍ程度まで長くし、単位面積当たりに注入されるキャリア密度を低減する方法が用いられている。
今後、ＤＶＤの更なる高速化、あるいは、ＤＶＤ用光ディスクシステムの多層書き込み化を考えると、赤色半導体レーザに要望される光出力は３００ｍＷ程度の高出力が要望され、この高出力特性を実現するための共振器長は１５００μｍ以上と推定され、半導体レーザ素子の長共振器化によるレーザパッケージの大型化を招くのみならず、半導体レーザ素子単価が増大するという課題が生じる。
本発明は、上記課題を考慮し、共振器長が短くても、高温、高出力動作可能な半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明の半導体レーザ装置は、基板上に、活性層と前記活性層を狭持する２つのクラッド層とを含み、光路上の端面の間に形成された導波路領域が、少なくとも２本以上に分岐する導波路分岐領域を含み、前記導波路分岐領域は、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中に形成されている構造としている。
又は、基板上に、少なくとも２種類の波長の光を出射することができる半導体レーザが集積化され、それぞれの半導体レーザには、活性層と前記活性層を狭持する２つのクラッド層とを含み、光路上の端面の間に形成された導波路領域の少なくとも一方が、少なくとも２本以上に分岐する導波路分岐領域を含み、前記導波路分岐領域は、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中に形成されている構造としてもよい。
また、本発明の光ピックアップ装置は、上記の半導体レーザ装置と、上記半導体レーザ装置から出射した光が記録媒体において反射した反射光を受光する受光部とを備えている。
本発明によれば、温度特性に優れ、遠視野像（ＦＦＰ）の光軸が安定化され、高出力まで基本横モード発振が可能な半導体レーザ装置を得ることができる。
また、本発明の半導体レーザ装置を用いることによって、温度特性に優れ、ＦＦＰの光軸が安定化され、高出力まで基本横モード発振による動作が可能な光ピックアップ装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態において、同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の半導体レーザ装置（以下、半導体レーザ、ともいう）について説明する。
図１は、本発明の半導体レーザ装置の一例を示す構造図である。図１に示す半導体レーザ装置１は、（１００）面から［０１１］方向に１０°傾けた面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板１０上に形成されている。ｎ型ＧａＡｓ基板１０上には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１、ｎ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層１２、活性層１３、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１４、ｐ型ＧａＩｎＰ回折層１５、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第３クラッド層１６、ｐ型ＧａＩｎＰ保護層１７、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８が順に積層されている。半導体レーザ装置１は、活性層１３が、２つのクラッド層によって狭持されたダブルヘテロ構造を有している。
また、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１４によって、活性層１３上に、順メサ形状を有するリッジ１６ａが形成されている。さらに、上記リッジ１６ａの側面を覆うように、ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１９が形成されている。
順メサ形状を有するリッジ１６ａは、共振器方向に設けられた導波路分岐部２０により、前端面から後端面に向かって２方向に分岐されている。
導波路分岐部２０下のｐ型ＧａＩｎＰ回折層１５には、レーザ発振光の共振器内波長の半波長の整数倍に略等しい周期性を持つ２次元的な構造が形成されている。このような構造をフォトニック結晶と呼んでいる。フォトニック結晶中では、図２(a)に示すような３角格子状の配列や、図２(b)に示すような正方格子状の配列からなる柱状の微細構造をａの長さが共振器内波長の半波長の整数倍となるように規則正しく配列し、異なる波数ベクトルの方向に対してもフォトニックバンドギャップを形成する。フォトニックバンドギャップが形成されると、その波長の光はその結晶中では存在することができなくなる。フォトニック結晶のこの性質を利用し、導波路分岐部２０下のｐ型ＧａＩｎＰ回折層１５に図３に示すような柱状の微細構造を形成する。図３に示す微細構造は、図２(a)に示す３角格子状の配列を有しており、ａの長さは０．１９μｍである。柱状の微細構造には、微細構造が形成されていない領域１５ａが導波路分岐部２０の形状に沿って形成されている。フォトニック結晶中では、フォトニックバンドギャップにより光が存在できないが、微細構造が形成されていない領域１５ａでは、光は存在することができる。このため、導波路分岐部２０では導波光は散乱されることなく、導波損失の小さな状態で導波光を分岐することができる。このため、導波路を分岐することによる結合損失が小さな分岐導波路を形成することができる。微細構造における柱状部は、ｐ型ＧａＩｎＰ回折層１５に空孔を形成し、その後、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第３クラッド層１６を埋め込むことにより形成されている。この微細構造の透過率の波長依存性計算結果を図４に示す。図４に示すように、波長６６０ｎｍ付近の光に対し、透過率が１％程度に小さくなっていることが分かる。この性質により、導波光は、導波路分岐部２０で大きく散乱されることなく、低損失の状態で導波することができる。
図１の例に示す活性層１３は、（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１ガイド層１３１、ＧａＩｎＰ第１ウェル層１３２、（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１バリア層１３３、ＧａＩｎＰ第２ウェル層１３４、（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２バリア層１３５、ＧａＩｎＰ第３ウェル層１３６および（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２ガイド層１３７によって構成される歪量子井戸活性層である。なお、上記各層における組成比の記載は省略する。また、上記組成比の一例については、後述する。
図１に示す半導体レーザ装置１では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０から注入された電流は、ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１９によりリッジ部のみに狭窄されることによって、リッジの底部近傍の活性層１３に集中して注入される。このため、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が、数十ｍＡ程度の注入電流により実現できる。この時、キャリアの再結合により発光した光は、活性層１３の主面と垂直な方向に対しては、ｎ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層１２およびｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１４の両クラッド層によって閉じ込められることになる。また、活性層１３の主面と平行な方向に対しては、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１４よりも屈折率が小さいｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１９によって閉じ込められることになる。そのため、リッジを導波路とする（リッジ導波型）、基本横モード発振が可能な半導体レーザ素子とすることができる。
また、図１に示す半導体レーザ装置１では、単一ストライプのリッジが複数本（本実施例では２本）に分岐する分岐領域２０を含んでいる。すなわち、単一ストライプ領域２０aと、２本に分離したストライプ領域２０ｂ、２０ｃを含んでいる。これにより、レーザ共振器には、リッジストライプ２０ａとリッジストライプ２０ｂ及び、リッジストライプ２０ａとリッジストライプ２０ｃから形成される２つの共振器が存在し、この２つの共振器で励起されたレーザ光が単一リッジストライプ部２０ａで結合することになる。また、単一リッジストライプ領域側の前端面に低反射率コーティングを施し、複数に分離したリッジストライプ側の後端面に高反射率コーティングを施している。通常、半導体レーザの前端面/後端面に低反射率コーティング/高反射率コーティングを施せば、前端面側から大きな光出力を効率よく取り出すことができ、前端面側の導波路の光密度は、後端面側の導波路の光密度に比べて大きくなる。この時、導波路内の誘導放出は光密度の高い前端面側でより強く生じるために活性層中の動作キャリア密度は前端面側が後端面側に比べて小さくなる。これに対し、第一の実施例では、通常の単一リッジストライプ構造では動作キャリア密度が高くなる後端面側のリッジを２本に分割しているために、後端面側の動作キャリア密度を低減することが可能になり、熱により励起された、注入キャリアの活性層からの漏れを低減することができる。このために、温度特性の向上を図ることができる。さらに、電流注入面積が大きくなるために、素子の電流―電圧特性における微分抵抗（以下、Ｒｓ、という）を低減することができる。これにより、素子の発熱も低減することができ、温度特性の向上を図ることができる。
また、図１に示す半導体レーザ装置１では、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１４によって形成されたリッジが、リッジの底部の幅Ｗがほぼ一定である第1の領域と、リッジの底部の幅Ｗが連続的に変化している第２の領域とを含んでいる（図５参照）。
このような半導体レーザ装置では、リッジの底部の幅がほぼ一定である第１の領域によって、光路方向から見たリッジの断面の形状に対する相対的な発光位置をほぼ一定にすることができる。即ち、高出力まで安定した発振が可能で、発振したレーザ光の遠視野像（以下、ＦＦＰ、という）の光軸が安定した半導体レーザ装置とすることができる。また、リッジの幅が連続的に変化している第２の領域によって、リッジの幅を広くすることができるため、素子の電流―電圧特性におけるＲｓを低減することができる。よって、ＦＦＰの光軸が安定化され、Ｒｓが低減された、高出力まで基本横モード発振可能な半導体レーザ装置とすることができる。なお、リッジの底部の幅が「ほぼ一定」とは、リッジの底部の幅における最大値と最小値との差が、例えば、上記最大値の２０％以下であることを意味している。
本発明の半導体レーザ装置の思想について説明する。
上述したように、傾斜基板上に形成された半導体レーザ装置は、光路方向から見たリッジの断面の形状が左右非対称であるため、高出力の状態ではキンクが生じやすくなる。キンクが発生する光出力を向上させるためには、キャリア濃度の分布の非対称性を低減することが一つの方法であり、そのためには、ストライプ幅を狭くし、ストライプ中央部へのキャリアの注入電流密度を増大させ、キャリアの空間的ホールバーニングを抑制すればよい。そのため、リッジの底部の幅を小さくすることによって、より高出力まで安定した発振が可能な半導体レーザ装置とすることができる。なお、本明細書における「左右非対称」の「左右」とは、図１に示すように、半導体レーザ装置の基板を下にしたときに、光路方向から見た半導体レーザ装置の断面における「左右」である。
また、一般に、電流ブロック層の屈折率が、リッジが形成された第２クラッド層の屈折率よりも小さく、発振したレーザ光に対して透明な電流ブロック層からなる実屈折率導波型のレーザの場合、高次の横モード発振を抑圧して安定した基本横モード発振を得るためには、リッジの底部の幅ができるだけ小さい方がよい。
しかし、リッジの底部の幅を小さくすれば、リッジの上面の幅も同時に小さくなる。半導体レーザ装置のＲｓは、注入電流が最も狭窄されるリッジ上面の幅で決定される。このため、より高出力まで安定した発振を得ようと、単にリッジの底部の幅を小さくするだけでは、Ｒｓの増大を招き、動作電圧が増大する可能性がある。動作電圧が増大すると動作電力も増大するため、半導体レーザ装置の発熱量が大きくなり、温度特性Ｔ0の劣化や信頼性の低下につながる可能性がある。
また、高出力レーザでは、通常レーザ光をとりだす前端面側の端面コーティング膜の反射率を５％程度の低反射率とし、後端面側の端面コーティング膜の反射率を９０％以上の高反射率として、電流-光出力特性における外部微分量子効率を高め、より低い動作電流で高い光出力が得られるようにしている。この場合、前述の様に、後端面側の活性層における動作キャリア密度が前端面側に比べて大きくなるために、半導体レーザを高温、光出力動作させた場合、後端面部の活性層から注入キャリアがクラッド層に漏れ出す漏れ電流が後端面側で生じやすくなる。漏れ電流が大きくなると、半導体レーザの発光効率が低下し、動作電流値が増大するため、温度特性Ｔ0の劣化や信頼性の低下につながる可能性がある。
また、半導体レーザ装置を光ディスクシステムに用いる場合、半導体レーザに光ディスクからの反射戻り光が入射することがあり、この戻り光成分が大きくなると、モードホッピング雑音が生じ、信号再生時のＳ／Ｎ比が劣化する可能性がある。この現象を抑制するためには、発振するレーザ光を多モード化させる方法が有効である。一般に、半導体レーザ装置では、駆動電流に高周波電流を重畳させることにより発振するレーザ光を多モード化している。しかし、この時、Ｒｓが増大すると、動作電圧の変化に対する動作電流の変化も小さくなるため、高周波重畳された電流の成分も小さくなる傾向になる。また、動作電流の変化が小さくなると、発振可能な利得を持つ波長幅の変化も小さくなるため、発振スペクトルの多モード性が損なわれ、光ディスクからの干渉性雑音が増大する可能性がある。すなわち、Ｒｓが増大すると、半導体レーザ装置の信頼性の低下につながる可能性がある。
そこで、本発明の半導体レーザ装置では、リッジを共振器中で２分割し、後端面側のリッジを２分割することにより後端面部の活性層への注入キャリア密度の低減を行っている。これにより半導体レーザの温度特性を向上させることが可能になる。
本発明の半導体レーザ装置におけるリッジの形状の一例を図５に示す。図５は、図１に示す半導体レーザ装置の例における、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０側から見たリッジの形状を示す模式図である。ここで、図５に示すリッジ分岐領域におけるリッジの分岐角（θ）と、それに対するモード変換領域長(Lｍ)との関係を図６に示す。θが小さい場合、Ｌｄが大きくなるため、ストライプ幅が広い領域が長くなり、高次横モードがカットオフとならない領域が長くなるため、θはあまり小さくならない方がいい。逆に、θが大きい場合、Ｌｍが小さくなるため、ストライプ幅が広い領域が短く、高次横モード発振が生じにくくなる。
本実施例では、図３に示すようなフォトニック結晶を導波路分岐２０の近傍に形成しているため、θが大きくても、分岐部での散乱損失が大きくならないという利点がある。したがって、導波路を分岐しても発振しきい電流値の増大を招くことなく、導波路を分岐することができる。本実施例ではθの大きさを６０°とし、Ｌｍの長さは１μｍ以下の非常に小さい値としている。これに対し、フォトニック結晶を用いずに低損失の状態で導波路を分岐しようとすると、θが大きい場合分岐領域で共振モードが曲げられる角度が大きくなるため導波路での散乱損失が大きくなるという重大な課題があった。そのため、横モードの安定性と導波路損失の低減を両立させるために、θの大きさには最適値が存在することになる。フォトニック結晶を用いない場合、導波路の曲がりによる散乱損失を低減するためには、θの大きさは１０°以下であることが望ましく、またＬｍの長さを２０μｍ以下とし、高次横モード発振する領域をできるだけ小さくするためにはθは３°以上必要であることから、θの大きさを７°とすると、Ｌｍの長さは１０μｍとなる。この１０μｍの領域中では光分布の形状が叙々に変化するため、導波路を伝播する光分布の伝播定数が叙々に変化し、導波路損失が生じることはさけることができない。これに対し、本実施例では、導波路分岐部２０下のｐ型ＧａＩｎＰ回折層１５に形成された微細構造によりフォトニックバンドギャップが形成されるため、光はほぼ１００％近く導波路分岐領域に沿って導波することが可能となる結果、Ｌｍの長さは１μｍ以下という非常に短い距離で導波光が分岐され低導波損失の分岐導波路を実現することができる。
リッジ２０ｂ、２０ｃの間隔（ΔＳ）は、分離領域長の長さに依存する。ΔＳが小さいと、リッジ２０ｂ、２０ｃの下部の活性層発熱領域が近づくために、放熱性が低下し、温度特性の劣化につながる。熱的にリッジ２０ｂ、２０ｃの２本のストライプ下の活性層発熱を分離するためには、ΔＳは１５μｍ以上あることが望ましい。分離領域長を１００μｍとし、ΔＳを２３μｍとしている。この構成により、光密度の低い後端面部の活性層動作キャリア密度を低減し、温度特性の向上を図ることができる。
次に、導波路分岐領域２０以外のリッジ幅について説明を行う。リッジ幅においては、リッジの幅がほぼ一定な第１の領域と、連続的に変化する第２の領域とに分割し、それぞれの幅を制御することで、温度特性、及びキンクレベルの向上を図っている。
第１の領域の長さ（光路上の端面間を結ぶ方向の長さ）としては、例えば、共振器長の２％〜４５％の範囲であればよい。なかでも、２％〜２０％の範囲が好ましい。また、第２の領域の長さ（光路上の端面間を結ぶ方向の長さ）としては、例えば、共振器長の５５％〜９８％の範囲であればよい。なかでも、８０％〜９８％の範囲が好ましい。なお、第２の領域が複数存在する場合、上記第２の領域の長さは、複数存在する各第２の領域の合計長とする。第１の領域についても同様である。なお、本発明の半導体レーザ装置における共振器長の値は、特に限定されない。例えば、８００μｍ〜１５００μｍの範囲である。２００ｍＷ以上の出力の半導体レーザ装置とする場合、漏れ電流を少なくするために、共振器長は、例えば、９００μｍ〜１２００μｍの範囲とすればよい。
本発明の半導体レーザ装置では、前記第２の領域において、前記リッジの底部の幅が、共振器方向に低反射率コーティングの施された前端面から高反射率コーティングの施された後端面に位置するにつれて小さくなっている。これにより、光密度の低い後端面部活性層への電流注入量を前端面部よりも低減することができ、光密度が高く注入キャリアがより多く消費される前端面部の活性層へより多くキャリアを注入することができ、外部微分量子効率の増大、漏れ電流の低減を行うことができる。また、後端面部活性層の動作キャリア密度を低減することができるため、キャリアの空間的ホールバーニングの発生を抑制することができる。これにより、光分布が安定化し、キンク発生が抑制され、高出力まで基本横モード発振可能な半導体レーザ装置とすることができる。
図７に領域２で前端面側のリッジ低部の幅を３μｍ一定、共振器長を１１００μｍとし、後端面側のリッジ低部幅を１．６μｍから３．０μｍまで変化させた場合の外部微分量子効率の大きさを、前後面のリッジ底部の幅を３．０μｍ一定とした素子の外部微分量子効率を基準として示す。図７に示すように、外部微分量子効率は前後面のリッジ底部の幅の差が広がるほど大きくなることが分かる。あまり、リッジ底部の幅を狭くしすぎるとＲｓが増大するので、本実施例では、前端面側のリッジ低部の最大の幅を３．０μｍ、後面側にリッジ底部の最小の幅を２．０μｍとしている。
また、本発明の半導体レーザ装置では、前記第２の領域が、前記第１の領域と光路上の一方の端面との間、および前記第１の領域と光路上の他方の端面との間の双方にあってもよい。ＦＦＰの光軸が安定化され、Ｒｓをより低減させた、高出力まで基本横モード発振可能な半導体レーザ装置とすることができる。
また、本発明の半導体レーザ装置では、前記第１の領域と前記第２の領域との境界において、前記第１の領域における前記リッジの底部の幅と、前記第２の領域における前記リッジの幅とが、ほぼ同一であってもよい。前記第１の領域と前記第２の領域との境界において、光強度の分布の変化が抑制され、導波路損失をより低減することができる。なお、「ほぼ同一」とは、前記第２の領域と前記第１の領域との境界において、双方の領域におけるリッジの幅の差が、例えば、０．２μｍ以下であることを意味している。
図５に示す例では、半導体レーザ装置１のリッジは、リッジの底部の幅Ｗ１がほぼ一定である第１の領域２１、２３、２５と、リッジの底部の幅Ｗ２が連続的に変化している第２の領域２２、２４とを含んでいる。また、領域２１〜２５の各境界では、リッジの底部の幅がほぼ同一であり、各隣接領域におけるリッジの側面が連続している。領域２３は分離領域と同一である。
本実施例では、領域２１、２４の長さは共に２５μｍ、領域２３は１００μｍとしている。この時、領域２２の長さを変化させた場合、７５℃、パルス幅１００ｎｓ、デューティ５０％のパルス駆動時の熱飽和レベル及び、２４０ｍＷ時の動作電流値の測定値を図８、図９に示す。領域２３の長さが長くなると熱飽和する光出力が増大するが、動作電流値も増大することが分かる。そこで、第一の実施例では、熱飽和する光出力を３５０ｍＷ以上とし、安定して３００ｍＷ以上の光出力を得るために領域２３の長さを６００μｍとしている。
このような半導体レーザ装置とすることによって、ＦＦＰの光軸が安定化され、Ｒｓと導波路損失とをより低減させた、高出力まで基本横モード発振可能な半導体レーザ装置とすることができる。
図１に示す半導体レーザ装置において、各層の厚さ、組成、組成比、導電形などは特に限定されない。半導体レーザ装置として必要な特性に基づき、任意に設定すればよい。例えば、各層を以下に示す厚さ、組成および組成比としてもよい。なお、括弧内に示す数値は各層の厚さであり、分かりやすくするために図１と同じ図番を引用する。
各層の組成比および厚さの一例は、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１（０．５μｍ）、ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐ第１クラッド層１２（１．２μｍ）、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐ第２クラッド層１４（０．１μｍ）、ｐ型Ｇａ0.55Ｉｎ0.45Ｐ回折格子層１５（２００ｎｍ）、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐ第３クラッド層１６、ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ保護層１７（５０ｎｍ）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８（３μｍ）である。また、活性層１３の一例は、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（５０ｎｍ）第一ガイド層１３１、Ｇａ0.48Ｉｎ0.52Ｐ（５ｎｍ）第１ウェル層１３２、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（５ｎｍ）第１バリア層１３３、Ｇａ0.48Ｉｎ0.52Ｐ（５ｎｍ）第２ウェル層１３４、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（５ｎｍ）第２バリア層１３５、Ｇａ0.48Ｉｎ0.52Ｐ（５ｎｍ）第３ウェル層１３６および（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（５０ｎｍ）第二ガイド層１３７からなる歪量子井戸活性層である。ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐ第３クラッド層１６の一例は、リッジの上部にあるｐ型ＧａＩｎＰ保護層１５と活性層１３との間の距離が１．２μｍ、リッジの底部と活性層との距離ｄpが０．２μｍの第２クラッド層である。ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１９の厚さの一例は、０．３μｍである。なお、この例において、リッジの上面の幅は、リッジの底部の幅に比べて約１μｍほど小さくなる。
活性層１３としては、上記一例に示すような歪量子井戸活性層に特に限定されない。例えば、無歪の量子井戸活性層やバルクの活性層を用いてもよい。また、活性層１３の導電形は特に限定されない。ｐ型であってもｎ型であってもよい。アンドープの活性層であってもよい。
また、図１に示す例のように、発振したレーザ光に対して透明な電流ブロック層を用いれば、導波路損失を低減することができ、動作電流値を低減することも可能になる。また、この場合、導波路を伝播する光の分布が電流ブロック層に大きくしみ出すことができるため、ストライプ領域の内外における実効屈折率の差（Δｎ）を１０-3オーダーとすることも可能である。また、図１に示す距離ｄｐを調節することによってΔｎを細かく制御することが可能であり、動作電流値を低減させた、高出力まで安定した発振が可能な半導体レーザ装置とすることができる。なお、Δｎの範囲としては、例えば、３×１０-3〜７×１０-3の範囲である。上記範囲において、高出力まで安定した基本横モード発振を行うことができる。
基板における特定の結晶面（図１に示す例では、（１００）面）からの傾斜の角度（傾斜角）θの値としては、図１に示す例における１０°に限らず、特に限定されない。例えば、７°〜１５°の範囲とすればよい。この範囲において、温度特性Ｔ0により優れる半導体レーザ装置とすることができる。傾斜角が上記範囲より小さくなると、自然超格子が形成されることによってクラッド層のバンドギャップが小さくなり、温度特性Ｔ0が低下する可能性がある。また、傾斜角が上記範囲より大きくなると、光路方向から見たリッジの断面の形状の非対称性が増大し、また、活性層の結晶性が低下する可能性がある。
本発明の半導体レーザ装置では、前記第１の領域における前記リッジの底部の幅が、１．８μｍ以上３．５μｍ以下の範囲であってもよい。このような半導体レーザ装置とすることによって、リッジの底部の幅が一定である第１の領域において、キャリアの空間的ホールバーニングの発生をより抑制することができる。そのため、より高出力までキンクの発生が抑制された半導体レーザ装置とすることができる。
また、本発明の半導体レーザ装置では、前記第２の領域における前記リッジの底部の幅が、２．０μｍ以上３．５μｍ以下であってもよい。このような半導体レーザ装置とすることによって、第２の領域において、よりＲｓの増大を抑制しながら、高次横モードをより効果的にカットオフすることができるため、より高出力まで基本横モード発振が可能な半導体レーザ装置とすることができる。
本発明の半導体レーザ装置では、前記第１の領域における前記リッジの底部の幅と、前記第２の領域における前記リッジの底部の幅の最大値との差が、０．５μｍ以下であってもよい。このような半導体レーザ装置とすることによって、第２の領域において、光強度の分布が変化することに伴う導波路損失の増大が抑制され、より導波路損失が低減された半導体レーザ装置とすることができる。
本発明の半導体レーザ装置では、前記端面の近傍における前記活性層が、不純物の拡散により無秩序化されていてもよい。このような半導体レーザ装置とすることによって、前記端面の近傍における活性層のバンドギャップを増大し、レーザ光に対してより透明な端面窓構造を得ることができる。そのため、より高い光出力でも端面破壊（いわゆる、Ｃ．Ｏ．Ｄ．）を起しにくい半導体レーザ装置とすることができる。
不純物としては、例えば、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｏなどを用いればよい。また、不純物の拡散量（ドープ量）としては、例えば、１×１０17ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3の範囲であり、拡散は、半導体レーザ素子の端面から、例えば、１０μｍ〜５０μｍの範囲であればよい。
図１０に、第一の実施例に示す半導体レーザ装置の、室温、ＣＷ状態における電流−光出力特性を示す。図１０に示すように、光出力が３００ｍＷにおいてもキンクが発生せず、安定した基本横モード発振を保っていることがわかる。
なお、図１０に示す例では、端面近傍における活性層にＺｎをドープ量１×１０19ｃｍ-3程度で拡散させており、活性層の端面近傍の領域は不純物により無秩序化された窓構造となっている。このため、端面が光出力により破壊される現象であるＣ．Ｏ．Ｄ．は、３００ｍＷ以上の出力においても発生することはなかった。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
図１１及び１２は、本発明における半導体レーザ装置の製造方法の一例を示す断面工程図である。
まず、（１００）面から［０１１］方向に１０°傾けた面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１（０.５μｍ）、ｎ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層１２（１.２μｍ）、活性層１３、ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層１４（０．１μｍ）、ｐ型ＧａＩｎＰ回折層１５（２００ｎｍ）を形成する（図１１（ａ））。括弧内の数字は、各層の厚さを示している。また、各層の組成比の記載は省略する。活性層１３としては、例えば、実施の形態１に示した歪量子井戸活性層の例と同様の活性層を形成すればよい。なお、各層の組成比は、例えば、実施の形態１に示した例と同様の組成比であればよい。各層の形成にあたっては、例えば、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法を用いればよい。
次に、上記各層からなる積層体の最上層であるｐ型ＧａＩｎＰ回折層１５（２００ｎｍ）上に、レジスト膜１５ａを塗布させる（図１１（ｂ））。このレジスト膜１５ａに、電子ビーム露光により、図２（ａ）に示すような、３角格子状の配列を有する微細パターンを形成する。その後、パターニングされたレジストをマスクとして、ウェットエッチング、或いはドライエッチングにより、ｐ型ＧａＩｎＰ回折層１５をエッチングし、３角格子状の配列を有する微細パターンを形成する。
次に、ｐ型ＧａＩｎＰ回折層１５上にｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第３クラッド層１６（1．０８μｍ）、ｐ型ＧａＩｎＰ保護層１７（５００ｎｍ）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８（３μｍ）を形成する。（図１１（ｃ））
次に、上記各層からなる積層体の最上層であるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８上に、酸化シリコン膜１８ａを堆積させる（図１１（ｄ））。堆積は、例えば、熱ＣＶＤ法（大気圧、３７０℃）により行えばよい。また、その厚さは、例えば、０．３μｍである。
次に、酸化シリコン膜１８ａの端面近傍の領域（例えば、端面から５０μｍの幅の領域）を除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８を露出させる。続いて、この露出部にＺｎなどの不純物原子を熱拡散させ、活性層１３の端面近傍の領域を無秩序化させる。
次に、酸化シリコン膜１８ａを所定の形状にパターニングする。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー法とドライエッチング法とを組み合わせて行えばよい。所定の形状とは、例えば、実施の形態１で示した本発明の半導体レーザ装置におけるリッジの形状と同一であればよい。例えば、図５に示すリッジの形状に酸化シリコン膜１８ａをパターニングすればよい。続いて、上記所定の形状にパターニングした酸化シリコン膜１８ｂをマスクとして、塩酸系エッチャントなどを用いてｐ型ＧａＩｎＰ保護層１７および、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８を、硫酸系または塩酸系エッチング液などを用いてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層１６を、順次選択的にエッチングし、メサ状のリッジを形成する（図１２（ｅ））。
次に、酸化シリコン膜１８ｂをマスクとして、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層１６上にｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１９を選択的に成長させる（図１２（ｆ））。厚さは、例えば、０．３μｍである。成長させる方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いればよい。
次に、弗酸系エッチング液などを用いて酸化シリコン膜１８ｂを除去する（図１２（ｇ））。
このようにして、本発明の半導体レーザ装置を製造することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の光ピックアップ装置について説明する。
本発明のピックアップ装置は、上述した本発明の半導体レーザ装置と、上記半導体レーザ装置から出射した光が記録媒体において反射した反射光を受光する受光部とを備えている。
このような光ピックアップ装置とすることによって、ＦＦＰの光軸が安定化され、高出力まで基本横モード発振による動作が可能な光ピックアップ装置とすることができる。
また、本発明の光ピックアップ装置では、前記反射光を分岐する光分岐部をさらに備え、前記受光部は、前記光分岐部によって分岐された前記反射光を受光してもよい。
また、本発明の光ピックアップ装置では、前記半導体レーザ装置と前記受光部とが、同一の基板上に形成されていてもよい。より小型の光ピックアップ装置とすることができる。
また、本発明の光ピックアップ装置では、前記基板上に、前記半導体レーザ装置から出射した光を前記基板の表面の法線方向に反射する光学素子をさらに備えていてもよい。
光学素子としては、特に限定されない。例えば、反射ミラーを用いればよい。
図１３は、本発明の光ピックアップ装置の一例を示す模式図である。図１３に示す光ピックアップ装置は、半導体レーザ装置１と、受光部として受光素子５５とが同一の基板５３上に形成されている。また、半導体レーザ装置１から出射したレーザ光５８を、基板５３の表面の法線方向に反射する光学素子５４を備えている。なお、レーザ光５８が基板５３の表面で反射する影響を抑制するため、半導体レーザ装置１は台座５６の上に配置されている。なお、光学素子５４は、基板５３の表面がウェットエッチングにより結晶の面方位がでるように加工された素子である。受光素子５５としては、例えば、フォトダイオードなどを用いればよい。
レーザから出射されたレーザ光５８は、光学素子５４により法線方向に出射され、回折格子６０により回折光が発生され、レンズ６１、６２により光ディスク６３面上に集光される。これら複数の回折光は、光ディスク６３により反射され、再び、回折格子６０により回折し、受光部５５に入射される。この時、受光部を回折格子のパターンに応じて、複数個所に形成しておけば、複数の受光部での入力信号を演算することにより、光ディスク面上のトラックに対する集光の度合（フォーカスエラー信号）、やトラック上に正しく集光されているか（トラッキングエラー信号）を検出することが可能になる。
図１３に示す光ピックアップ装置では、受光部５５と発光部である半導体レーザ装置１とが同一基板上に集積化されているため、より小型の光ピックアップ装置とすることができる。また、半導体レーザ装置１は、ＦＦＰの光軸が安定化され、高出力まで基本横モード発振が可能であるため、ＤＶＤなどの様々なフォーマットの光ディスクに対応した光ピックアップ装置とすることができる。
図１４は、本発明の光ピックアップ装置の別の一例を示す模式図である。図１４に示す光ピックアップ装置は、半導体レーザ装置１と受光素子５５とが同一の基板５３上に形成されている。また、半導体レーザ装置１から出射したレーザ光５８を、基板５３の表面の法線方向に反射する反射ミラー５９を備えている。なお、レーザ光５８が基板５３の表面で反射する影響を抑制するため、半導体レーザ装置１は台座５６の上に配置されている。
このような光ピックアップ装置とすることによって、図１３に示した光ピックアップ装置の例と同様の効果を得ることができる。
なお、本明細書では、傾斜基板上に形成した半導体レーザ装置とその製造方法、ならびに本発明の光ピックアップ装置の説明として、ＧａＡｌＩｎＰ系半導体レーザ装置を代表例として説明を行ったが、本発明は上記半導体レーザ装置に限定されない。オフオリエンテーションアングルのないジャスト基板上に形成した半導体レーザ装置や、その他の組成、構造であっても適用することができる。
また、本明細書では、電流ブロック層１９にＡｌＩｎＰ層を用いたが、クラッド層１６よりもバンドギャップが低く、且つ屈折率が低い、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、アモルファスシリコン、Ａｌ2Ｏ3等の酸化膜材料であってもよい。この構成によっても、酸化膜の絶縁性により電流がリッジ下部のみに選択的に注入され、さらに、光分布を横方向に閉じ込めることができるので安定な基本横モード発振を得ることができる。
また、基板１０上に、少なくとも２種類の波長の光を出射することができる半導体レーザを集積化されてもよい。この場合、これら半導体レーザに上記した導波路分岐部２０が少なくとも1つ含まれていれば、本発明の効果を得ることができる。
本発明の半導体レーザ装置は、温度特性に優れ、遠視野像（ＦＦＰ）の光軸が安定化され、高出力まで基本横モード発振が可能であるという効果を有し、光ピックアップ装置等として有用である。
本発明の半導体レーザ装置の一例を示す模式図である。 本発明のフォトニック結晶の微細パターンを示す模式図である。 本発明の分岐領域でのフォトニック結晶のパターンを示す模式図である。 本発明のフォトニック結晶の透過率の波長依存性計算結果である。 本発明の半導体レーザ装置におけるリッジの一例を示す模式図である。 本発明の半導体レーザ装置におけるモード変換領域長の分岐角依存性の計算結果である。 本発明の半導体レーザ装置における外部微分量子効率のリッジ幅依存性の計算結果である。 本発明の半導体レーザ装置における熱飽和する光出力の単一ストライプ領域長依存性の実験結果である。 本発明の半導体レーザ装置における動作電流値の単一ストライプ領域長依存性の実験結果である。 本発明の半導体レーザ装置における電流‐光出力特性の一例を示す図である。 本発明の半導体レーザ装置の製造方法の一例を示す模式図である。 本発明の半導体レーザ装置の製造方法の一例を示す模式図である。 本発明の光ピックアップ装置の一例を示す模式図である。 本発明の光ピックアップ装置の一例を示す模式図である。 従来の半導体レーザ装置の一例を示す模式図である。
符号の説明
１ 半導体レーザ装置
１０ ｎ型ＧａＡｓ基板
１１ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１２ ｎ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層
１３ 活性層
１３１ （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１ガイド層
１３２ ＧａＩｎＰ第１ウェル層
１３３ （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１バリア層
１３４ ＧａＩｎＰ第２ウェル層
１３５ （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２バリア層
１３６ ＧａＩｎＰ第３ウェル層
１３７ （ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２ガイド層
１４ ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層
１５ ｐ型ＧａＩｎＰ回折層
１５ａ レジスト
１６ ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第３クラッド層
１７ ｐ型ＧａＩｎＰ保護層
１８ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１８ａ 酸化シリコン膜
１８ｂ パターニングした酸化シリコン膜
１９ ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層
２０ リッジ分岐領域
２０ａ 単一ストライプ領域
２０ｂ 分岐ストライプ領域１
２０ｃ 分岐ストライプ領域２
２１ 領域
２２ 領域
２３ 領域
２４ 領域
２５ 領域
２６ 第一の領域
２７ 第二の領域
５３ 基板
５４ 光学素子
５５ 受光素子
５６ 台座
５８ レーザ光
５９ 反射ミラー
６０ 回折格子
６１ レンズ
６２ レンズ
６３ 光ディスク
６４ 回折光
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１０３ ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層
１０４ ｎ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰクラッド層
１０５ 歪量子井戸活性層
１０６ ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第１クラッド層
１０７ ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層
１０８ ｐ型（ＡｌＧａ）ＩｎＰ第２クラッド層
１０９ ｐ型ＧａＩｎＰ中間層
１１０ ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１１１ ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層
１１２ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層

Claims (16)

  1. 基板上に、活性層と前記活性層を狭持する２つのクラッド層とを含み、
    光路上の端面の間に形成された導波路領域が、少なくとも２本以上に分岐する導波路分岐領域を含み、前記導波路分岐領域は、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中に形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 基板上に、少なくとも２種類の波長の光を出射することができる半導体レーザが集積化され、それぞれの半導体レーザには、活性層と前記活性層を狭持する２つのクラッド層とを含み、
    光路上の端面の間に形成された導波路領域の少なくとも一方が、少なくとも２本以上に分岐する導波路分岐領域を含み、前記導波路分岐領域は、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中に形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  3. 前記導波路領域上には少なくとも一箇所以上のメサ状のリッジが形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記メサ状のリッジ斜面上には、酸化膜が備えられていることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記酸化膜が、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、アモリファスシリコン、またはＡｌ2Ｏ3よりなる層を少なくとも１層含むことを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記リッジの底部の幅が、連続的に変化している領域を含む請求項３または４に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記リッジの底部の幅が、前記端面近傍で一定であることを特徴とする請求項３、４、６のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記端面の内、前面には低反射率の端面コーティングを施し、後面には高反射率コーティングを施していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記活性層が量子井戸活性層からなり、前記端面の近傍における前記活性層が、不純物の拡散により無秩序化されている請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
  10. 基板が傾斜基板であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
  11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置から出射した光が記録媒体において反射した反射光を受光する受光部とを備える光ピックアップ装置。
  12. 前記反射光を分岐する光分岐部をさらに備え、前記受光部は、前記光分岐部によって分岐された前記反射光を受光する請求項１１に記載の光ピックアップ装置。
  13. 前記半導体レーザ装置と前記受光部とが、同一の基板上に形成されている請求項１１または１２に記載の光ピックアップ装置。
  14. 前記基板上に、前記半導体レーザ装置から出射した光を前記基板の表面の法線方向に反射する光学素子をさらに備える請求項１３に記載の光ピックアップ装置。
  15. 前記光学素子が、反射ミラーである請求項１４に記載の光ピックアップ装置。
  16. 基板上に、活性層と前記活性層を狭持する２つのクラッド層とを備える半導体レーザ装置の製造方法であって、
    光路上の端面の間に形成された導波路領域に、少なくとも２本以上に分岐する導波路分岐領域を形成し、前記導波路分岐領域を、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中に形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
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