JP2007266279A

JP2007266279A - 面発光レーザ装置、アレイ光源、位相同期光源

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Publication number: JP2007266279A
Application number: JP2006088922A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Inoue; 大介井上; Kenji Ito; 健治伊藤; Toru Kachi; 徹加地; Hiroshi Ito; 伊藤　　博
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP5205705B2

Abstract

【課題】ビーム品質が良好で、端面破壊といった問題が生じない面発光レーザ装置、これを複数集積したアレイ光源および位相同期光源を提供する。
【解決手段】基板１０上に、Ｐ型半導体と光活性層１６とＮ型半導体とを順次有し、基板１０の積層面に対し平行方向、かつ、基板１０の端面に対して傾斜方向に複数の２次回折格子２４を有し、利得が基板１０の垂直方向に十字状に通過する電流注入機構を有することを特徴とする面発光レーザ装置である。また、当該面発光レーザ装置を使用したアレイ光源、位相同期光源である。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザ装置、これを複数集積したアレイ光源および位相同期光源に関する。

半導体レーザ装置として、いわゆる端面型発光レーザ装置がある。当該装置は、基板表面と平行方向に出力光を射出する構成となっている。端面型発光レーザ装置は、高出力化しやすいが、光が強くなると端面破壊を起こしてしまう問題がある。

これに対して、半導体基板の表面側からレーザ光を射出する面発光半導体レーザ装置が知られている。この種のレーザ装置は、半導体基板の端面からレーザ光を射出する端面発光型レーザ装置に比して、光ファイバとの結合効率が高いことや、２次元的に集積化することが容易であるなどの利点を有している。このようなレーザ装置の一例として、レーザ装置の光導波路内に回折格子を備えた帰還分布型のレーザ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このレーザ装置は、下部クラッド層と、その下部クラッド層上に積層された活性層と、その活性層上に積層された上部クラッド層を備えている。すなわち、一対のクラッド層間に活性層が形成されている積層構造を備えている。活性層と上部クラッド層との間には回折格子が形成され、回折格子は活性層と平行な面内に形成されている。この積層構造は共振器として機能する。

上記回折格子群は、中心を共通した点対称に形成されているために、回折格子が形成されている面内では利得領域の異方性が存在していない。従って、射出レーザ光の偏波方向が定まらないという問題がある。偏波方向が定まらないと、ビーム品質のよいレーザ光を得られない場合が多い。
特開平１０−２０９５５４号公報

本発明は、上記課題を解決することを目的とする。すなわち、本発明は、ビーム品質が良好で、端面破壊といった問題が生じない面発光レーザ装置、これを複数集積したアレイ光源および位相同期光源を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明者らは下記本発明に想到し、当該課題を解決できることを見出した。

すなわち、本発明は、基板上に、Ｐ型半導体と光活性層とＮ型半導体とを順次有し、前記基板の積層面に対し平行方向、かつ、前記基板の端面に対して傾斜方向に複数の２次回折格子を有し、利得が前記基板の垂直方向に十字状に通過する電流注入機構を有することを特徴とする面発光レーザ装置である。

上記特定構造の２次回折格子を有し、利得が前記基板の中央部を十字状に通過する電流注入機構を有することで、ビーム品質を良好なものとすることができる。また、本発明は面発光レーザ装置であるため、端面破壊といった問題が生じない。

本発明の面発光レーザ装置は、下記第１〜第３の態様のうち少なくともいずれかの態様を具備することが好ましい。

（１）第１の態様は、前記複数の２次回折格子が形成された領域に回折格子欠陥がある態様である。回折格子欠陥があることで、光強度のプロファイルを調整でき、特に欠陥がλ／４の大きさであるとき、単峰性のビームプロファイルとなり、レーザ光の品質（ビーム品質）をより良好なものとすることができる。

（２）第２の態様は、さらに、反射膜を有する態様である。当該反射膜を設けることで、光の取り出し効率が向上するため、品質のよいレーザ光を効率よく得ることができる。

（３）第３の態様は、量子井戸が透明となっている態様である。透明となっていることで、量子井戸による光の吸収を大幅に減らせるため、品質のよいレーザ光を効率よく得ることができる。

また、本発明は、既述の本発明の面発光レーザ装置を複数個集積化したアレイ光源である。さらに、本発明は、既述の本発明の面発光レーザ装置を複数個集積化した位相同期光源である。これらは、本発明の面発光レーザ装置を複数備えるため、ビーム品質が良好で、端面破壊といった問題が生じないといった効果を発揮する。

本発明によれば、ビーム品質が良好で、端面破壊といった問題が生じない面発光レーザ装置、これを複数集積したアレイ光源および位相同期光源を提供することができる。

本発明の面発光レーザ装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の説明で、一度説明した符号については、以下の図面で説明を省略することがある。

本発明の面発光レーザ装置は、図１に例示するように、基板１０の一方の面側にＮ型半導体としてのＮ型クラッド層１２、ガイド層１４、活性層１６、ガイド層１８、Ｐ型クラッド層２０、Ｐ型半導体としてのＰ型コンタクト層２２を有し、さらにその上に電流注入機構としてのＰ型電極２６を有する。また、基板１０の他方の面側には、Ｎ型電極を有する（不図示）。Ｐ型電極２６の下方には、基板１０の積層面に対し平行方向、かつ、基板１０の端面に対して傾斜方向に複数の２次回折格子２４が設けられている。そして、利得が基板１０の垂直方向に十字状に通過する電流注入機構が設けられている。

Ｎ型電極は、Ｔｉ／Ａｕなどで構成される。基板１０（例えば、Ｎ型基板）およびＮ型クラッド層１２は、硫黄をドープしたＩｎＰなどで構成される。ガイド層１４，１８は、ＩｎＧａＡｓＰなどで構成され、活性層１６は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰなどで構成される。Ｐ型クラッド層２０は、ＺｎをドープしたＩｎＰあるいはＩｎＧａＡｓなどで構成される。Ｐ型コンタクト層２２は、高濃度にＺｎをドープしたＩｎＰなどで構成される。そして、Ｐ型電極２６は、Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕなどで構成される。

さらに、Ｐ型電極２６上には、反射膜２８が設けられている。反射膜２８は、ＴｉＯ／ＳｉＯなどで構成される。

かかる面発光レーザ装置の各層は、公知のＭＯＣＶＤ法により形成することができる。２次回折格子２４は、まず、半導体基板上にレジストを塗布し、電子線描画装置などで露光し現像することで、レジストの周期構造を作る。その後に、燐酸、過酸化水素水、水による混合液などで、レジストをマスクとしてエッチングを行い、パターンを半導体基板上に転写することで、作製する。

２次回折格子２４の傾斜角度は、４２〜４８°であることが好ましく、４５°であることがより好ましい。この２次回折格子２４の間隔（図２中の「Λ」）は、Λ＝ｍλ／（２ｎ_rｓｉｎθ）［λは発振波長、ｎ_rは屈折率、θは傾斜角、ｍは正の整数］で、λ＝１５５０、ｎ_r＝３．３、θ＝４５°、ｍ＝２とすると、６６４ｎｍ程度で等間隔とすることが好ましく、その深さは１５０ｎｍ程度で形成されることが好ましい。

本発明の面発光レーザ装置では、まず、図２に示すように、等間隔にある回折格子２４に斜めに光線が入射されると入射角と同じ方向に回折光が強く現れる。ここで、図３に示すように、四隅が基板の端面中央部に近づくようにＰ型電極２６を設置すると、図４に示すように、回折格子２４を通過した光線は直進し、回折を受けた光線は直角に折れ曲がる。これらの光線は基板端面にて反射され、再び回折格子によって同じような通過と直角の反射を受けるため、共振モードは十字状に励起される。また、電流注入のない部分は、活性層は光学損失として働く。従って、図５に示すように、回折光のうち電流注入のない部分を通過した光線は損失を受けて減衰する。さらに、端面に光線が直角に入射しない場合、反射率は著しく低減するため、そのような光学モードは存在しない。以上のような理由から、図３に示すような十字状の共振モードのみが励起される単一モードレーザになる。

次に、図６に示すように、対角線上に２次回折格子２４が形成された領域に意図的に回折格子欠陥（単に、「格子欠陥」ともいう）２３を設けるとビーム品質が向上する場合がある。これは、欠陥によって、回折格子に意図的な境界条件が与えられ、再現性のある光強度分布が得られるため、と考えられる。例えば、格子欠陥２３が１／４Λシフトの場合、光の強度分布は図７に示すように、中央部の光強度が高くなり単峰性となる。格子欠陥２３の態様としては、一次回折格子の場合、波長の１／４の長さ、ｍ次回折格子の場合、波長のｍ／４の長さ（屈折率ｎを考慮すると、ｍλ／（４ｎｓｉｎθ）：λは発振波長、ｍは整数、θは傾斜角）とすることが好ましい。

また、２次回折格子２４を使用すると図８に示すように、レーザ光を基板に対して垂直に取り出すことができる。また、２次回折格子２４を格子欠陥２３の周辺に設け、さらに２次回折格子２４の周辺に１次回折格子２５を設けてもよい。１次回折格子は、面内の向きを変えるのに有効であり、良好な動作性を得られる。

図９は、Ｐ型電極２６中央に穴（例えば、φ数μｍ〜数百μｍ）を開け、この穴を光の窓としてＰ型電極２６側から光線を取り出す態様を示している。このようにすると、製造プロセスが容易になる。一方、図１０は、基板１０の裏面のＮ型電極に穴（例えば、φ数μｍ〜数百μｍ）を開け、基板１０裏面より光線を取り出す態様を示している。このようにすると、光の分布はガウシアンに近づくため、大型の面発光レーザにも関わらず、ビーム品質を向上させることができる。

図１１に示すように、反射膜２８をＰ型電極２６の下に形成することで、効率を向上させることができる。２次回折格子は両側に光線が放射されるが、図１２に示すように、Ｐ型電極２６面は散乱面として働くため光を望ましくないほうに出してしまう。これに対し、図１１および図１３に示すように、適切な位置に反射膜２８を形成することで、光の取り出し効率を向上させることができる。「適切な位置」としては、半導体と電極との間といった箇所にすることが好ましい。なお、図１３に示すように、活性層１６の一部１６Ａを量子井戸の無秩序化などにより量子井戸透明化をすることによって、光線の吸収率を低減させると、さらなる高出力が得られる。

図１４〜図１６に示すように、Ｐ型電極２６の形状にはさまざまな変形例がある。本発明では、図１４（Ａ）に示すように、十字状の光線パス（共振モード）ができることが重要であるため、Ｐ型電極２６の形状は必ずしも図１４（Ｂ）のような菱形でなくてもよい。図１４（Ｂ）に示すように、菱形の頂点が端面と一定距離重なるような形状でもよく、図１４（Ｃ）に示すように、十文字状の形状としてもよい。また、図１５（Ａ）のように素子が長方形の場合には、図１５（Ｂ）に示すように、横に長い菱形としてもよい。さらに、図１６に示すように、十字状の共振モードの中心は図１６（Ａ）に示すように素子中央でなくてもよい。この場合、Ｐ型電極２６形状もそれに対応した形状（図１６（Ｂ）の菱形形状など）とすることができる。また、電極の縁は、直線でなく曲線でもよい。

本発明の面発光レーザ装置は、図１７に示すように、２次回折格子２４を埋め込み成長で構成してもよい。かかる構成とすることで、Ｐ型電極２６と２次回折格子２４とが合金化して効率低下するのを防止することができる。

以上のような本発明の面発光レーザ装置を図１８に示すように平面的に複数集積することで、位相同期が可能となり、アレイ光源や位相同期光源などに適用することができる。

アレイ光源としては、隣接する素子と独立動作するように素子間隔を十分大きくするか、十字パスが重ならないように配置を工夫するような形態とすることが好ましい。また、位相同期光源としては、結合定数Ｋと素子の中心間隔Ｌにおいて、ｎＫＬ（ｎは正数）となるように配置する形態とすることが好ましい。

本発明の面発光レーザ装置の層構成を示す斜視図である。２次回折格子により光の回折を説明するための説明図である。本発明の面発光レーザ装置の共振モードを説明するための説明図である。本発明の面発光レーザ装置の共振モードを説明するための説明図である。本発明の面発光レーザ装置の共振モードを説明するための説明図である。２次回折格子が形成された領域に回折格子欠陥が設けられた状態を示す模式図である。２次回折格子が形成された領域に回折格子欠陥が設けられた状態における共振モードを説明するための説明図である。１次回折格子、２次回折格子、回折格子欠陥が設けられた状態を示す模式図である。上面放射の現象を説明するための説明図である。下面放射の現象を説明するための説明図である。反射膜を設けた本発明の面発光レーザ装置の層構成を示す斜視図である。本発明の面発光レーザ装置の層構成を示す断面図である。反射膜を設けた本発明の面発光レーザ装置の層構成を示す断面図である。共振モードを説明するための説明図とＰ型電極の形状を例示する上面図である。共振モードを説明するための説明図とＰ型電極の形状を例示する上面図である。共振モードを説明するための説明図とＰ型電極の形状を例示する上面図である。２次回折格子を内層側に設けた本発明の面発光レーザ装置の層構成を示す斜視図である。アレイ光源を例示する斜視図である。

符号の説明

１０・・・基板
１２・・・Ｎ型クラッド層
１４・・・ガイド層
１６・・・活性層
１８・・・ガイド層
２０・・・Ｐ型クラッド層
２２・・・Ｐ型コンタクト層
２４・・・２次回折格子
２６・・・Ｐ型電極
２８・・・反射膜

Claims

基板上に、Ｐ型半導体と光活性層とＮ型半導体とを順次有し、
前記基板の積層面に対し平行方向、かつ、前記基板の端面に対して傾斜方向に複数の２次回折格子を有し、
利得が前記基板の垂直方向に十字状に通過する電流注入機構を有することを特徴とする面発光レーザ装置。
前記複数の２次回折格子が形成された領域に回折格子欠陥があることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ装置。
さらに、反射膜を有することを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ装置。
量子井戸が透明となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光レーザ装置。
面発光レーザ装置を複数個集積化したアレイ光源であって、前記面発光レーザ装置が請求項１〜４のいずれか１項に記載の面発光レーザ装置であることを特徴とするアレイ光源。
面発光レーザ装置を複数個集積化した位相同期光源であって、前記面発光レーザ装置が請求項１〜４のいずれか１項に記載の面発光レーザ装置であることを特徴とする位相同期光源。