JP2007019368A - アレイ型半導体レーザおよびそれを備えた光学素子、並びに表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 強度分布が均一化された合成ＮＦＰを有するレーザ光を出射させることができるアレイ型半導体レーザを提供する。
【解決手段】 アレイ型半導体レーザ１０は、第１クラッド層１２、活性層１３および第２クラッド層１４が積層された多層膜半導体層を有し、複数の帯状導波路２１が並列的に配列されてなる。複数の導波路２１（２１Ａ〜２１Ｄ）は、その幅Ｗ１〜Ｗ４が１０μｍ以上であり、かつ少なくとも１つの導波路の幅が他の導波路幅とは異なっている。各導波路２１Ａ〜２１Ｄにおいて、各ＮＦＰ２２Ａ〜２２Ｄのリップル成分は各導波路幅Ｗｉに依存してずれる。ＮＦＰ２２Ａ〜２２Ｄが重ね合わさると合成ＮＦＰのリップル成分の凹凸が平坦化される。
【選択図】 図１

Description

本発明は複数の帯状の導波路を有するアレイ型半導体レーザに係り、特に、導波路幅が１０μｍ以上の所謂ブロードエリア型のアレイ型半導体レーザおよびそれを備えた光学素子、並びに表示装置に関する。

一般に、この種の半導体レーザでは、高次モードが存在することやフィラメント発光を許容するため、その近視野像（NFP ；Near Field Pattern）が均一な強度分布を持たず、振幅の大きいリップル成分（波状成分）を有するものであることが多い。図１０はそのようなＮＦＰの一例を表したものである。このようにＮＦＰにリップル成分が存在すると、複数のレーザにより高出力のアレイ型半導体レーザ（以降、アレイレーザという）を実現しようとする場合、個々のＮＦＰが重なり合ってリップル成分が強調されることが多くなる。リップル成分が強調されてしまうと、アレイレーザの全体のＮＦＰ（合成ＮＦＰ）の強度分布を均一となるように制御することは容易ではない。合成ＮＦＰの強度分布が不均一であると、例えば、このアレイレーザをディスプレイや印刷機器等の光源として利用した場合、不均一な明暗強度、ちらつきおよびスペックルノイズ（ギラツキ感）等を感じさせ、高画質の映像を実現することが困難になる。

このようなことから、従来、例えば以下のような対策がなされている。図１１は、従来のインデックスガイド型アレイレーザ１００を表すものであり、基板１０１の上に、ｎ型クラッド層１０２，活性層１０３，ｐ型クラッド層１０４およびｐ側コンタクト層１０５をこの順に積層し、ｐ側コンタクト層１０５およびｐ型クラッド層１０４の一部をパターニングすることにより複数の帯状導波路（エミッタ）１０６を並列的に配列すると共に、基板１０１の裏面にｎ側電極１０７を設けたものである。各導波路１０６のＮＦＰ１０８は、互いに結合することなく独立なモードで駆動されるものとなっている。複数の導波路１０６の幅Ｗは一定であり、各エミッタ１０６からほぼ同等の光が出射される。各エミッタ１０６からのＮＦＰの強度分布は一般的には図１０に示したように不均一である。そこで、この種のアレイレーザ１００では多層膜の均一性などを向上させたり、ｐ型クラッド層１０４の厚みを調整する（例えば、特許文献１参照）ことにより、図１２に示したインデックスガイド型シングルエミッタ１０６のＮＦＰの強度分布のように、比較的よく整形された強度分布のＮＦＰが得られるものとする。

ゲインガイド型のアレイレーザについても同様の問題がある。図１３に示したアレイレーザ２００は、基板２０１上に、ｎ型クラッド層２０２，活性層２０３，ｐ型クラッド層２０４およびｐ型コンタクト層２０５をこの順に積層すると共に、ｐ型コンタクト層２０５およびｐ型クラッド層２０４を含む領域に電流ブロック層２０６を設けることにより、細い帯状の電流通路２０４Ａを備えた複数の導波路２０７を並列的に配列したものである。ｐ型コンタクト層２０５および電流ブロック層２０６の上には各導波路２０７に共通のｐ側電極２０８、基板２０１の裏面にはｎ側電極２０９がそれぞれ設けられている。このアレイレーザ２００の各導波路２０７のＮＦＰ２１０の強度分布についても、上記インデックスガイド型アレイレーザ１００のものと同様に、一般的には不均一（図１０）であるが、レーザを構成する多層膜の均一性などを向上させることにより、図１４に示したゲインガイド型シングルエミッタのＮＦＰの強度分布のように比較的よく整形されたものが得られる。
特開２００４−３０３９０１号公報

上述のように、インデックスガイド型およびゲインガイド型のいずれのアレイレーザにおいても、多層膜の均一性を向上させることによりＮＦＰの強度分布を比較的整形できるとされるが、このような方法を用いたとしてもリップル成分は多く残り、均一な強度分布の合成ＮＦＰを実現できているとは言えない。このリップル成分を補正し除去するために、ホモジナイザーと呼ばれる光学素子を用いて強度分布を均一にする方法が検討されている。しかしながら、このホモジナイザーを用いると基本的に光のロスが生じることから、光源の光量を有効に利用したい用途には向かない、また光学系全体が大きくなるなどの問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、大型の光学系などを用いることなく、各導波路のＮＦＰからなる合成ＮＦＰの強度分布を均一にすることができるアレイ型半導体レーザおよびそれを備えた光学素子を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、不均一な明暗強度、ちらつきやスペックルノイズの発生を抑制することができ、よって、高画質の映像を得ることのできる表示装置を提供することにある。

本発明によるアレイ型半導体レーザは、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層がこの順に積層された多層膜半導体層を有し、複数の帯状導波路が並列的に配列されてなるものであり、複数の導波路の幅をそれぞれ１０μｍ以上とし、かつ少なくとも１つの導波路の幅を他の導波路の幅とは異なるようにしたものである。ここで、導波路それぞれの幅Ｗｉ（μｍ）は、複数の導波路の幅の平均値をＷ（μｍ）とすると、Ｗ−９＜Ｗｉ＜Ｗ＋９の関係を満たすことが好ましい。

このアレイ型半導体レーザでは、各導波路のＮＦＰのリップル成分がそれぞれの導波路幅Ｗｉに依存してずれ、かつ各導波路幅Ｗｉが上記関係を満たすことにより、各導波路へ注入される電流の閾値の変化が抑制される。

本発明による光学素子は、上記本発明のアレイ型半導体レーザと、前記導波路のそれぞれに対向してレンズが設けられると共に各導波路からの出射光を平行光線に変換するレンズアレイと、レンズアレイから出力された複数の平行光線を集光すると共に焦点面上でその平行光線を重ね合わせてアレイ型半導体レーザ全体のＮＦＰの強度分布を均一化する対物レンズとを備えたものである。

この光学素子では、上記アレイ型半導体レーザを備えていることにより、各導波路のＮＦＰのリップル成分はそれぞれの導波路幅Ｗｉに依存してずれる。このリップル成分がずれた出射光はレンズアレイによって平行光線に変換されたのち、この平行光線が対物レンズによって集光されると共にその焦点面上でリップル成分の凹凸が有限幅を持って重ね合わせられる。これにより、合成ＮＦＰの強度分布が均一化され、いわゆるトップハット形状となる。

また、本発明による表示装置は、本発明のアレイ型半導体レーザを備えたものであり、このアレイ型半導体レーザを備えていることにより、スクリーン上に投影されるレーザ光の強度分布が均一化されたものとなる。

本発明のアレイ型半導体レーザによれば、複数の導波路はその幅が１０μｍ以上であり、かつ少なくとも１つの導波路の幅が他の導波路幅とは異なっているので、各導波路のＮＦＰのリップル成分の凹凸をずらすことができ、合成ＮＦＰを均一化されたものとすることができる。また、導波路幅Ｗｉを変化させただけであるので、精密で巧妙なプロセス等を必要とせず、コスト的にも有利であり、例えば、ディスプレイ、印刷機器および加工機器等の光源として好適に利用することができる。

本発明の光学素子によれば、上記アレイ型半導体レーザ、各導波路に対応したレンズアレイ、および対物レンズを設けるだけの簡素な構成としたので、従来の光学系をそのまま利用して、各導波路からの出射光のリップル成分の凹凸を焦点面上で重ね合わせることができ、強度分布が均一化された合成ＮＦＰを有するレーザ光に変換することができる。

また、本発明の表示装置によれば、上記アレイ型半導体レーザを備えるようにしたので、合成ＮＦＰの強度分布が均一化されたレーザ光を用いることができ、不均一な明暗強度、ちらつきおよびスペックルノイズ等を抑制することができる。これにより高画質の映像を実現することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るアレイ型半導体レーザ１０の構造の一部を表すものである。このアレイ型半導体レーザ１０はインデックスガイド構造のものであり、基板１１の上に、ｎ型クラッド層（第１クラッド層）１２，活性層１３，ｐ型クラッド層（第２クラッド層）１４およびｐ側コンタクト層１５をこの順に積層したのち、ｐ側コンタクト層１５およびｐ型クラッド層１４の一部をリッジ形状に形成したものであり、並列的に配列された複数の帯状導波路２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ）を有する。導波路の本数は、例えば２５本／ｃｍ〜３３本／ｃｍ程度である。各帯状導波路２１（２１Ａ〜２１Ｄ）の直下に位置する活性層１３の一端面が発光端面となっている。ｐ側コンタクト層１５の上にはｐ側電極（図示せず）、基板１１の裏面にはｎ側電極１６が形成されている。なお、アレイ型半導体レーザ１０は、その構成材料については特に限定されるものではないが、本実施の形態では赤系材料（ＧａＩｎＰ系材料）を用いた場合について説明する。

基板１１は、例えば、積層方向における厚み（以下、単に厚みという）が１００μｍであり、ケイ素（Ｓｉ）あるいはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物を添加したｎ型ＧａＡｓにより構成されている。ｎ型クラッド層１２は、例えば、厚みが２μｍであり、ケイ素あるいはセレンなどのｎ型不純物を添加したｎ型ＡｌＩｎＰ混晶により構成されている。活性層１３は、例えば、厚みが５ｎｍであり、ＧａＩｎＰ混晶により構成されている。活性層１３に含まれるインジウム組成は、例えば０．５程度であることが好ましい。基板１１を構成するＧａＡｓと格子整合させることができるからである。

ｐ型クラッド層１４は、例えば、厚みが１．５μｍであり、亜鉛あるいはマグネシウムなどのｐ型不純物を添加したｐ型ＡｌＩｎＰ混晶により構成されている。ｐ側コンタクト層１５は、例えば、厚みが０．３μｍであり、亜鉛またはマグネシウムなどのｐ型不純物を添加したｐ型ＧａＡｓにより構成されている。 ｎ側電極１６は、例えばＡｕＧｅ：Ｎｉおよび金（Ａｕ）を順次積層して熱処理により合金化した構造を有しており、基板１１と電気的に接続されている。

また、本実施の形態では、各帯状導波路２１Ａ〜２１Ｄは、その幅が１０μｍ以上であり、かつそれぞれの幅（発光端面の幅）Ｗｉ（μｍ）（ｉ＝１〜４）は他の導波路幅とは異なっているものである。図１は、導波路幅Ｗ１〜Ｗ４（μｍ）がそれぞれ異なる４種類の帯状導波路（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ）を繰り返し配列した場合を示している。なお、導波路幅とＮＦＰの幅とはほぼ同一の幅とみなしている。

図２には各導波路（２１Ａ〜２１Ｄ）のうちの平均導波路幅Ｗ（μｍ）を有する導波路のＮＦＰの強度分布を示した。この強度分布のリップル成分の隣り合うピーク（凸部）間隔Ｐは高々１２μｍ程度である。この間隔Ｐを多様に変化させた強度分布をより多く重ね合わせると、互いの凹部および凸部が補完し合って合成ＮＦＰの強度分布のリップル成分が均一化（平坦化）される。間隔Ｐは導波路幅Ｗｉを変化させることにより調整可能である。しかし、導波路幅Ｗｉをずらし過ぎると、閾値が変化して各導波路（２１Ａ〜２１Ｄ）の出力変化が生じる虞や、青色系の導波路幅の狭い（例えば１０μｍ）導波路のようにずらすことができる範囲が制限されること等について考慮する必要がある。よって、導波路２１それぞれの幅Ｗｉ（μｍ）は、複数の導波路の幅の平均値をＷとすると、式（１）に示した関係を満たすことが好ましい。
Ｗ−９＜Ｗｉ＜Ｗ＋９…（１）
具体的には、例えば、Ｗ１＝９４μｍ、Ｗ２＝９７μｍ、Ｗ３＝１００μｍ、Ｗ４＝１０３μｍとして重ね合わせる場合、各導波路幅Ｗｉの好ましい範囲は８９．５μｍ＜Ｗｉ＜１０７．５μｍ（Ｗ＝９８．５μｍ）であり、各導波路幅Ｗ１〜Ｗ４は上記範囲に含まれているので、合成ＮＦＰの強度分布は好適に均一化される。

このアレイ型半導体レーザ１０は、次のようにして製造することができる。

まず、図３（Ａ）に示したように、上述した厚みおよび材料よりなる基板１１の表面に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法により、それぞれ上述した厚みおよび材料よりなるｎ型クラッド層１２，活性層１３，ｐ型クラッド層１４，ｐ側コンタクト層１５およびｐ側電極（図示せず）を順に積層する。

続いて、図３（Ｂ）に示したように、フォトリソグラフィ処理およびエッチング処理を用いてｐ型クラッド層１４の一部を選択的に除去（パターニング）することにより、細い帯状の導波路２１を形成する。このとき、各導波路幅Ｗｉを１０μｍ以上とすると共に少なくとも１つの導波路幅を他の導波路幅とは異なるようにする。より好ましくは、各導波路幅Ｗｉを上記式（１）に示した関係を満たすように形成する。

最後に、基板１１の裏側を研削して基板１１の厚みを例えば１００μｍ程度としたのち、基板１１の裏側にｎ側電極１６を形成する。また、導波路２１の延在方向において対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を成膜することにより発光端面およびリア端面（図示せず）を形成する。これにより、図１に示したアレイ型半導体レーザ１０が完成する。

本実施の形態のアレイ型半導体レーザ１０では、各導波路（２１Ａ〜２１Ｄ）のｐ側電極とｎ側電極１６との間に所定の電圧が印加されると、インデックスガイド構造の構造的作用により電流狭窄され、活性層１３に電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、図示しない一対の反射鏡膜により反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、各発光端面から出射光が外部に放たれる。このとき、各出射光のそれぞれのＮＦＰ２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ）の強度分布は不均一になっている（図１２参照）。

しかしながら、本実施の形態では、導波路幅Ｗ１〜Ｗ４が互いに異なっていることから、各導波路幅Ｗｉに従って各ＮＦＰ（２２Ａ〜２２Ｄ）の横モードのみが変化し、各ＮＦＰ（２２Ａ〜２２Ｄ）の強度分布のリップル成分がずれる。よって、各ＮＦＰ（２２Ａ〜２２Ｄ）の互いのリップル成分の凹凸が少しずつ重なり合い、図４に示したようにアレイ型半導体レーザ１０の合成ＮＦＰの強度分布のリップル成分が平坦化され、いわゆるトップハット形状となる。

このように本実施の形態のアレイ型半導体レーザ１０によれば、各導波路幅Ｗｉが１０μｍ以上であると共に、全ての導波路幅が他の導波路幅とは異なっているので、均一化された合成ＮＦＰを構成することのできるＮＦＰ２２Ａ〜２２Ｄを導波路２１Ａ〜２１Ｄから出射させることができる。

特に、各導波路幅Ｗｉが上記式（１）に示した関係を満たすようにすれば、各導波路２１Ａ〜２１Ｄへの注入電流値はほぼ等しくなることから各導波路２１Ａ〜２１Ｄの動作点（光出力値）もほぼ同レベルとなり、各ＮＦＰ２２Ａ〜２２Ｄ相互間に大幅な差異が生じるのを抑制することができる。

加えて、導波路幅Ｗｉを変化させただけのものであるので、精密で巧妙なプロセス等を用いることなく、低コストで容易に作製することができる。よって、例えば、ディスプレイ、印刷機器および加工機器等の光源として利用することができる。

以下、本発明の他の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、第１の実施の形態と同一構成要素には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

〔第２の実施の形態〕
図５は、本発明の第２の実施の形態に係るアレイ型半導体レーザ３０の構造の一部を表すものである。アレイ型半導体レーザ３０はゲインガイド構造であり、基板１１上に、ｎ型クラッド層１２，活性層１３，ｐ型クラッド層１４およびｐ型コンタクト層１５をこの順に積層すると共に、ｐ型クラッド層１４を含む領域に電流ブロック層３１および細い帯状の電流通路１４Ａを設けたものであり、並列的に配列された複数の導波路４１（４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ）を有する。更に、各導波路４１Ａ〜４１Ｄに共通して、ｐ型コンタクト層１５および電流ブロック層３１の上にはｐ側電極３２、基板１１の裏面にはｎ側電極１６がそれぞれ設けられている。活性層１３の電流通路１４Ａに対応する部分の一方の端面が発光端面となっている。本実施の形態においても第１の実施の形態と同様に、アレイ型半導体レーザ３０を構成する材料については特に限定されるものではないが、ここでは赤外系材料（ＡｌＧａＡｓ系材料）を用いた場合について説明する。

基板１１およびｎ側電極１６は、第１の実施の形態と同様の材料により構成されている。ｎ型クラッド層１２は、例えば、厚みが２μｍであり、ケイ素あるいはセレンなどのｎ型不純物を添加したｎ型ＡｌＧａＡｓ混晶、具体的にはｎ型Ａｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ａｓより構成されている。活性層１３は、例えば、厚みが５ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ混晶、具体的にはｎ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ａｓより構成されている。ｐ型クラッド層１４は、例えば、厚みが１．５μｍであり、亜鉛あるいはマグネシウムなどのｐ型不純物を添加したｐ型ＡｌＧａＡｓ混晶、具体的にはｐ型Ａｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ａｓより構成されている。電流ブロック層３１は、例えばＳｉＯ₂ などにより構成されている。ｐ側電極３２は、例えばチタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有している。

本実施の形態における各導波路４１Ａ〜４１Ｄのそれぞれの導波路幅Ｗｉ（Ｗ１〜Ｗ４）についても上記実施の形態で説明したようになっており、更には上記式（１）を満たしていることが好ましい。この導波路幅Ｗｉ（Ｗ１〜Ｗ４）は、隣り合う電流ブロック層３１同士を所定の間隔で隔てることにより調整可能である。図５は、導波路幅Ｗ１〜Ｗ４がそれぞれ異なる４種類の導波路４１を繰り返し配列した場合を示している。

このアレイ型半導体レーザ３０は、次のようにして製造することができる。

まず、図６（Ａ）に示したように、上述した厚みおよび材料よりなる基板１１の表面に、上記実施の形態と同様の方法を用いて、それぞれ上述した厚みおよび材料よりなるｎ型クラッド層１２，活性層１３，ｐ型クラッド層１４およびｐ型コンタクト層１５を順に積層する。

続いて、図６（Ｂ）に示したように、エッチングを行い、ｐ型コンタクト層１５およびｐ型クラッド層１４の一部を選択的に除去し、細い帯状の電流通路１４Ａを形成する。このとき、本実施の形態においても上記実施の形態と同様に導波路幅Ｗ１〜Ｗ４を全て異なるようにすると共にその順で繰り返して形成する。そののち、図６（Ｃ）に示したように、電流通路１４Ａの両側の凹部に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ；化学気相成長）法を用いて、上述した材料を積層することにより電流ブロック層３１を形成する。

続いて、電流通路１４Ａおよび電流ブロック層３１上には例えば真空蒸着法により、上述した材料を積層することによりｐ側電極３２を形成する。また、上記実施の形態と同様にして、基板１１の裏側にはｎ側電極１６を形成し、導波路４１の延在方向において対向する一対の共振器端面には発光端面およびリア端面（図示せず）を形成する。これにより、図５に示した半導体レーザ３０が完成する。

本実施の形態のアレイ型半導体レーザ３０では、各導波路（４１Ａ〜４１Ｄ）に共通のｎ側電極１６とｐ側電極３２との間に所定の電圧が印加されると、ゲインガイド構造４０の構造的作用（電流通路１４Ａの作用）により電流狭窄され、上述したように、発光が起こったのち、各発光端面から出射光が外部に放たれる。このとき、各出射光のそれぞれのＮＦＰ４２は両端に際立った凸部を有する強度分布となっている（図１４）。しかしながら、本実施の形態においても上記実施の形態と同様に導波路幅（Ｗ１〜Ｗ４）が全て異なっていることから、図４に示したように、アレイ型半導体レーザ３０の合成ＮＦＰの強度分布のリップル成分が平坦化され、いわゆるトップハット形状となる。

このように本実施の形態では、各導波路幅Ｗｉ（Ｗｉ≧１０μｍ）が異なっていると共に各導波路（４１Ａ〜４１Ｄ）に共通のｐ側電極３２を備えているので、各導波路（４１Ａ〜４１Ｄ）へ注入される電流の閾値の変化を抑制しつつ、均一化された合成ＮＦＰを構成することのできるＮＦＰ４２を導波路４１から出射させることができる。更に、各導波路幅Ｗｉが上記式（１）に示した関係を満たすようにすれば、各導波路（４１Ａ〜４１Ｄ）への注入電流値はより等しくなり、各ＮＦＰ（４２Ａ〜４２Ｄ）相互間の大幅な差異をより小さくすることができる。

〔第３の実施の形態〕
図７は、本発明の第３の実施の形態に係るアレイ型半導体レーザ５０の構造の一部を表すものである。このアレイ型半導体レーザ５０は混成導波路５１を有するもので、第１の実施の形態（インデックスガイド構造）の導波路５１Ａ，５１Ｃと、第２の実施の形態（ゲインガイド構造）の導波路５１Ｂ，５１Ｄとを交互に繰り返し配列したものである。本実施の形態においても上記第１および第２の実施の形態と同様に、アレイ型半導体レーザ５０を構成する材料については特に限定されるものではないが、ここでは第１の実施の形態と同様の赤系材料を用いている。

混成導波路５１のそれぞれの導波路幅Ｗｉについても上記第１および第２実施の形態で説明したようになっており、上記式（１）を満たしていることが好ましい。更に、ゲインガイド構造の導波路幅Ｗ２，Ｗ４を狭くすると共に、インデックスガイド構造の導波路幅Ｗ１，Ｗ３を広くすることが好ましい。各導波路５１Ａ〜５１Ｄの閾値の差が生じるのを抑制することができるからである。

このアレイ型半導体レーザ５０では、ｐ側コンタクト層１５およびｐ側電極３２と混成導波路５１に共通のｎ側電極１６との間に所定の電圧が印加されると、インデックスガイド構造およびゲインガイド構造によりそれぞれ電流狭窄され、上述したように、発光が起こったのち、各発光端面から出射光が外部に放たれる。このとき、各出射光のそれぞれのＮＦＰ５２は不均一な強度分布となっている（図１２，図１４）。しかしながら、本実施の形態においても、上記実施の形態と同様に導波路幅（Ｗ１〜Ｗ４）が互いに異なっていることから、図４に示したようにアレイ型半導体レーザ５０の合成ＮＦＰの強度分布のリップル成分が平坦化され、トップハット形状となる。

なお、ゲインガイド構造の強度分布の土台部分（リップル成分よりも下の部分）は、インデックスガイド構造のものよりも比較的不安定であり（図１２，図１４）、経時的な「揺らぎ（フラクチューション）」が生じ易いという特性を有している。一方、インデックスガイド構造の導波路のみで構成されたアレイ型半導体レーザ１０をディスプレイ用の光源として用いた場合、「スペックルノイズ（ギラツキ感）」等が感じられる場合がある。

しかしながら、本実施の形態では、上述したようにインデックスガイド構造とゲインガイド構造とを混在させて本来かなり形状の異なるＮＦＰ（５２Ａ，５２Ｃ）（図１２）およびＮＦＰ（５２Ｂ，５２Ｄ）（図１４）を重ね合わせている。これにより、比較的安定な土台部分を有するインデックスガイド構造のＮＦＰ（５２Ａ，５２Ｃ）により合成ＮＦＰの強度分布の土台部分が形成される。よって、ゲインガイド構造のみにより構成した場合（アレイ型半導体レーザ３０）に生じる揺らぎが緩和される。また、「揺らぎ」のあるゲインガイド構造のＮＦＰ（５２Ｂ，５２Ｄ）を重畳させることにより、さらに合成ＮＦＰが均一化されると共にスペックルノイズが抑制される。以上のように、本実施の形態のアレイ型半導体レーザ５０では、両構造の有する欠点同士が互いに補完し合い、いずれか一方の構造のみで構成されるアレイ型半導体レーザ１０，３０よりも性能が向上する。

このように本実施の形態のアレイ型半導体レーザ５０によれば、各導波路幅Ｗｉを１０μｍ以上とすると共に、１つの導波路幅Ｗｉが他の導波路幅とは異なるようにしたので、均一化された合成ＮＦＰを構成することのできるＮＦＰ５２を導波路５１から出射させることができる。また、インデックスガイド構造およびゲインガイド構造からなる混成導波路５１を備えているので、「揺らぎ」および「スペックルノイズ」を抑制することができる。

更に、インデックスガイド構造の導波路幅Ｗ１，Ｗ３を広くすると共にゲインガイド構造の導波路幅Ｗ２，Ｗ４を狭くすることにより、閾値の差が生じるのを抑制することができる。

以下、上記アレイ型半導体レーザを含む光学素子について説明する。

図８に示した光学素子６０は、アレイ型半導体レーザ６１、複数のレンズアレイ６２および対物レンズ６３をこの順に互いに隔てて配置したものである。アレイ型半導体レーザ６１には光軸Ａと平行に複数の導波路６１Ａ，６１Ｂが設けられている。この導波路６１Ａ，６１Ｂのそれぞれに対応してレンズ６２Ａ，６２Ｂが配置されている。本実施の形態では、便宜上、アレイ型半導体レーザ６１が２つの導波路６１Ａ，６１Ｂにより構成されている場合について説明する。なお、図８では縦方向（紙面に対して垂直方向）の光学成分を省略している。

アレイ型半導体レーザ６１は、上記第１ないし第３の実施の形態のアレイ型半導体レーザ１０，３０，５０と同様の構成を有するものである。すなわち、アレイ型半導体レーザ６１に設けられた各導波路６１Ａ，６１Ｂは、互いに異なる１０μｍ以上の導波路幅Ｗｉ（Ｗ１，Ｗ２）を有している。

レンズアレイ６２は、各ＮＦＰのリップル成分が互いにずれている出射光ｈ１，ｈ２を、そのずれを保ちつつ平行光線ｈ３，ｈ４に変換するものである。対物レンズ６３は、平行光線ｈ３，ｈ４を集光したのち、焦点面（焦点位置）６４上で重ね合わせるためのものである。

本実施の形態の光学素子６０では、各導波路幅Ｗｉ（Ｗ１，Ｗ２）が異なっていることから、ＮＦＰのリップル成分が互いにずれた出射光ｈ１，ｈ２が各導波路６１Ａ，６１Ｂから出射される。出射光ｈ１，ｈ２はそれぞれレンズアレイ６２Ａ，６２Ｂに到達したのち、互いのリップル成分のずれを保ちつつ平行光線ｈ３，ｈ４に変換される。変換された各平行光線ｈ３，ｈ４は対物レンズ６３に集光されたのち、焦点面６４上で各リップル成分の凹凸部分が少しずつ重ね合わせられる。これにより、合成ＮＦＰのリップル成分が平坦化され、いわゆるトップハット形状となる。合成ＮＦＰのリップル成分は、重ね合わせる出射光ｈ１，ｈ２の数が多い程、すなわちアレイ型半導体レーザ６１を構成する導波路６１の本数が多い程より平坦化される。なお、焦点面６４は、幾何光学的に表したものであるため無限小になっているが、実際には有限幅を有している。

このように本実施の形態の光学素子６０によれば、アレイ型半導体レーザ６１、各導波路６１Ａ，６１Ｂに対応した複数のレンズアレイ６２Ａ，６２Ｂおよび対物レンズ６３をこの順に配置しているだけであるので、従来の簡素な光学系をそのまま利用することができ、各導波路６１Ａ，６１Ｂからの出射光ｈ１，ｈ２を焦点面６４上でリップル成分の凹凸を重ね合わせることができ、強度分布が均一化された合成ＮＦＰを有するレーザ光に変換することができる。更に、アレイ型半導体レーザ６１としてアレイ型半導体レーザ５０を用いた場合には、合成ＮＦＰの「揺らぎ」および「スペックルノイズ」を抑制することができる。よって、ディスプレイ、印刷機器および加工機器等の光源として好適に用いることができる。

図９は、上記アレイ型半導体レーザを用いた表示装置７０の概略構成を表すものである。この表示装置７０は、ＧＬＶ(Grating Light Valve) レーザディスプレイと呼ばれ、例えば、光学素子６０（アレイ型半導体レーザ１０，３０，５０）を含む光源７１と、この光源７１とスクリーン７２との間に設けられた光学系８０とを備えている。光学系８０は、光源７１からスクリーン７２への光路中に配設され、例えば、照明レンズ８１、ＧＬＶ８２、投射レンズ８３および走査ミラー８４を有している。

この表示装置７０では、光源７１（アレイ型半導体レーザ１０）からの光は、照明レンズ８１、ＧＬＶ８２、投射レンズ８３および走査ミラー８４を通ってスクリーン７２に焦点を結び、例えば、スクリーン７２の視聴者側から見て左上から順に走査することにより画像表示される。

このように本実施の形態の表示装置７０では、光源７１に光学素子６０（アレイ型半導体レーザ１０，３０，５０）が組み込まれているので、合成ＮＦＰの強度分布が均一化された出射光を出射させることができ、これにより、不均一な明暗強度、ちらつきおよびスペックルノイズ等を抑制することができる。よって、高画質（２００万画素）の映像を実現することが可能になる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、アレイ型半導体レーザ１０，３０，５０の各層の材料としてＧａＩｎＰ系（赤系）材料あるいはＡｌＧａＡｓ系（赤外系）材料等の長波長系材料により構成される場合について説明したが、材料は特に限定されるものではなく、ＧａＮ系（青系）材料等の短波長系等により構成されていてもよい。

更に、例えば、上記実施の形態では、アレイ型半導体レーザ１０，３０，５０の構成を具体的に挙げて説明したが、バッファ層など他の層を更に備えていてもよい。また、上記実施の形態において説明した成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の成膜方法および成膜条件としてもよい。

また、第５の実施の形態では、光学素子６０（アレイ型半導体レーザ１０，３０，５０）を備えた表示装置７０を単独で用いる場合について説明したが、例えば、複数の表示装置７０を用いて大型スクリーン用の上映システムを構成するようにしてもよい。これにより、例えば、大型スクリーンの左部分，中央部分または右部分のうちのいずれかを担当する各表示装置７０から投影される映像をつなぎ合せて高画質の巨大映像を表示することができる。

また、第５の実施の形態では、アレイ型半導体レーザ１０，３０，５０および光学素子６０を表示装置７０の光源として用いる場合について説明したが、例えば、印刷機器あるいは加工用レーザ機器などの光源にも適用することができる。

更には、上記実施の形態ではいずれも各帯状導波路の幅が互いに異なるものとしたが、少なくとも１つの導波路の幅が他の導波路幅と異なるものであればよい。

本発明の第１の実施の形態に係るアレイ型半導体レーザの構成を表す断面図である。 平均導波路幅Ｗの導波路から生じるＮＦＰの強度分布を表す図である。 アレイ型半導体レーザの製造工程を説明するための断面図である。 合成ＮＦＰの強度分布を表す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るアレイ型半導体レーザの構成を表す断面図である。 第２の実施の形態に係るアレイ型半導体レーザの製造工程を説明するための断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るアレイ型半導体レーザの構成を表す断面図である。 光学素子の構成を模式的に表す図である。 表示装置の構成を表す図である。 従来のシングルエミッタのＮＦＰの強度分布を表す図である。 従来のアレイ型半導体レーザの構成を表す断面図である。 従来のインデックスガイド型半導体レーザのＮＦＰの強度分布を表す図である。 従来の他のアレイ型半導体レーザの構成を表す断面図である。 従来のゲインガイド型半導体レーザのＮＦＰの強度分布を表す図である。

符号の説明

１０，３０，５０，６１…アレイ型半導体レーザ、１１…基板、１２…ｎ型クラッド層、１３…活性層、１４…ｐ型クラッド層、１４Ａ…電流通路、１５…ｐ側コンタクト層、１６…ｎ側電極、２１，４１，６１…帯状導波路、３１…電流ブロック層、３２…ｐ側電極、５１…混成導波路、２２，４２，５２…ＮＦＰ、Ｗｉ，Ｗ１〜Ｗ４…導波路幅、６０…光学素子、６２…レンズアレイ、６３…対物レンズ、６４…焦点位置（合成ＮＦＰ）ｈ１，ｈ２…出射光、ｈ３，ｈ４…平行光線、７０…表示装置、７１…光源、７２…スクリーン、８０…光学系、８１…証明レンズ、８２…ＧＬＶ、８３…投射レンズ、８４…走査ミラー

Claims (7)

1. 第１クラッド層、活性層および第２クラッド層がこの順に積層された多層膜半導体層を有し、複数の帯状導波路が並列的に配列されてなるアレイ型半導体レーザであって、
   前記複数の導波路の幅はそれぞれ１０μｍ以上であり、かつ少なくとも１つの導波路の幅が他の導波路の幅とは異なる
   ことを特徴とするアレイ型半導体レーザ。
2. 前記導波路それぞれの幅Ｗｉ（μｍ）は、複数の導波路の幅の平均値をＷ（μｍ）とすると、
   Ｗ−９＜Ｗｉ＜Ｗ＋９
   の関係を満たす
   ことを特徴とする請求項１記載のアレイ型半導体レーザ。
3. 前記複数の導波路はインデックスガイド構造を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のアレイ型半導体レーザ。
4. 前記複数の導波路はゲインガイド構造を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のアレイ型半導体レーザ。
5. 前記複数の導波路は、インデックスガイド構造とゲインガイド構造とが交互に配列されてなる混成導波路である
   ことを特徴とする請求項１記載のアレイ型半導体レーザ。
6. 第１クラッド層、活性層および第２クラッド層がこの順に積層された多層膜半導体層を有し、複数の帯状の導波路が並列的に配列されてなると共に、前記複数の導波路それぞれの幅が１０μｍ以上であり、かつ少なくとも１つの導波路の幅が他の導波路の幅とは異なるアレイ型半導体レーザと、
   前記導波路のそれぞれに対向してレンズが設けられると共に各導波路からの出射光を平行光線に変換するレンズアレイと、
   前記平行光線を集光すると共に焦点面上でその平行光線を重ね合わせて前記アレイ型半導体レーザ全体のＮＦＰの強度分布を均一化する対物レンズと
   を備えたことを特徴とする光学素子。
7. アレイ型半導体レーザを備えた表示装置であって、
   前記アレイ型半導体レーザは、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層がこの順に積層された多層膜半導体層を有し、複数の帯状の導波路が並列的に配列されてなると共に、前記複数の導波路それぞれの幅が１０μｍ以上であり、かつ少なくとも１つの導波路の幅が他の導波路の幅とは異なる
   ことを特徴とする表示装置。

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