JP2007324312A

JP2007324312A - 半導体レーザアレイおよび光学装置

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Publication number: JP2007324312A
Application number: JP2006151771A
Authority: JP
Inventors: Shoji Hirata; 照二平田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】エネルギー変換効率を低下させることなく、ＮＦＰを均一な形状にすることが可能な半導体レーザアレイを提供する。
【解決手段】互いに並列に配列されたストライプ状の複数のリッジ部１１Ａが複数箇所に寄せ集められてグループ化されている。発光グループＧ１は４つのリッジ部１１Ａからなり、発光グループＧ２は３つのリッジ部１１Ａからなり、各発光グループＧ１，Ｇ２は、それぞれの中心位置が周期的となるように等ピッチで配置されており、各発光グループＧ１，Ｇ２の間隙の幅Ｗ２は各発光グループＧ１，Ｇ２の幅Ｗ１，Ｗ３よりも広く、各発光グループＧ１，Ｇ２内の複数のリッジ部１１Ａはリッジ部１１Ａのストライプ幅よりも広い間隔で等間隔に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の導波路を並列に配列してなる半導体レーザアレイおよびこれを内蔵する光学装置に係り、特に高出力の用途に好適なブロードエリア型の半導体レーザアレイおよびこれを内蔵する光学装置に関する。

導波路の幅、すなわちストライプ幅を広げた、いわゆるブロードエリア型の半導体レーザは、小型・高信頼性で低コストな高出力レーザ光源として、ディスプレイ，印刷機器，光ディスク初期化装置、材料の加工または医療などさまざまな分野に利用されている。一般に、ブロードエリア型と呼ばれる半導体レーザでは、ストライプ幅が少なくとも５μｍ以上で、そのほとんどは１０μｍ以上、最大で数百μｍ程度となっている。

最近では、これらの応用分野においては出力の高いことが望ましい場合が多く、高出力半導体レーザに対する要望が高まっている。出力を高くするためには、例えば、複数の導波路を１次元に配列して半導体レーザアレイを構成し、各導波路に対応して射出される複数のレーザ光をレンズなどで集光することが有効である。

ところで、このようなブロードエリア型の半導体レーザアレイでは、各導波路を近づけ過ぎると、互いに干渉し合ってＮＦＰ（Near Field Pattern）が不均一となったり、蓄熱によってエネルギー変換効率や、光出力、寿命が低下するなどレーザ特性に悪影響が生じることが知られている。そのため、通常、各導波路は十分な間隔を開けて配置されている。例えば、図１４に示したように、共通基板１１０上に、ストライプ状のリッジ部１１１Ａ（導波路）を並列に配列してなる発光部１１１を備えた半導体レーザアレイ１００では、リッジ部１１１Ａの形成されていない領域の幅Ｗ１０２がリッジ部１１１Ａの幅Ｗ１０１よりも広くなるように配置されている。このとき、図１５に示したように、集光レンズとしてフライアイレンズ２００を用いる場合には、フライアイレンズ２００を構成する各マイクロレンズ２１０に対応して各リッジ部１１１Ａを配置するのが一般的である。

特開２００３−６９１５２号公報

もっとも、ブロードエリア型の半導体レーザでは、ＮＦＰの制御が難しく、均一な形状（トップハット形状）を得ることは容易ではない。これは、ブロードエリア型の半導体レーザアレイでも生じる問題である。そこで、ナローエリア型の半導体レーザではＮＦＰを容易に制御することができることに着目して、例えば、図１６の半導体レーザアレイ３００に示したように、３０μｍ以下に狭くしたブロードエリア型のリッジ部１１１Ｂを周期的に配置することが考えられる。しかし、このようにした場合には、各マイクロレンズのピッチをリッジ部１１１Ｂのピッチに合わせて狭くした特殊なフライアイレンズを用いなければならなくなる。

そこで、特許文献１または図１７の半導体レーザアレイ４００に示したように、リッジ部１１１Ｂを狭ピッチで４つずつ寄せ集めてグループ化（発光グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３）することが考えられる。これは、各リッジ部１１１Ａを互いに等しい数に等分して構成したものと考えることもできる。これにより、図１８に示したように、ピッチの広い汎用的なフライアイレンズ２００を用いることができるが、各リッジ部１１１Ｂに対応して射出されるレーザ光の光出力は各リッジ部１１１Ａに対応して射出されるレーザ光の光出力よりも低くなる。しかし、リッジ部１１１Ｂの幅がリッジ部１１１Ａの幅よりも狭くなったことにより排熱性が向上し温度上昇が抑えられ、蓄熱によるエネルギー変換効率の低下が改善される。これにより、全体としての光出力を低下させることなく、ＮＦＰの制御を容易にすることができるとも考えられる。

ところが、そのようにしても、ＮＦＰは統計学的にならされて多少は改善されるものの、ディップΔＤ（図１９参照）を３０％以下にすることは極めて困難であるので、均一な形状からはほど遠いプロファイルとなってしまう。このように、ディップが３０％を超えるような場合には、図２０に示したように、ディップΔＤをフィルタでカットして均一な形状にすることがあるが、これでは、必然的に損失が発生し、エネルギー変換効率が低下してしまう。

特に、半導体レーザアレイがエネルギー変換効率の低い赤色系の材料により構成されている場合に、上記のようなフィルタを用いてディップをカットすると、さらにエネルギー変換効率が低下してしまい、高出力の要求される用途には適さなくなってしまうという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー変換効率を低下させることなく、ＮＦＰを均一な形状にすることが可能な半導体レーザアレイおよびこの半導体レーザアレイを備えた光学装置を提供することにある。

本発明の第１〜第３の半導体レーザアレイは、各々ストライプ状の複数の導波路を並列に有する複数の発光グループを備えたものである。本発明の第１〜第３の光学装置は、第１〜第３の半導体レーザアレイを備えたものである。

ここで、本発明の第１の半導体レーザアレイでは、各発光グループのうち少なくとも１つが他の発光グループに含まれる導波路の数と異なる数の導波路を有している。本発明の第２の半導体レーザアレイでは、各発光グループのうち少なくとも１つにおいて、その発光グループ内の少なくとも一の導波路間の距離がその発光グループ内の他の導波路間の距離と異なっている。本発明の第３の半導体レーザアレイでは、各発光グループのうち少なくとも１つにおいて、その発光グループ内の少なくとも一の導波路の幅がその発光グループ内の他の導波路の幅と異なっている。

本発明の第１の半導体レーザアレイおよびこの第１の半導体レーザアレイを備えた第１の光学装置では、各発光グループのうち少なくとも１つが他の発光グループに含まれる導波路の数と異なる数の導波路を有しているので、各発光グループに含まれる導波路の数に応じて、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルが形成される。これにより、各発光グループに含まれる導波路の数を適切に調節することにより、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルを集光レンズなどを用いて重ね合わせたときに、均一な形状のＮＦＰが得られる。

本発明の第２の半導体レーザアレイおよびこの第２の半導体レーザアレイを備えた第２の光学装置では、各発光グループのうち少なくとも１つにおいて、その発光グループ内の少なくとも一の導波路間の距離がその発光グループ内の他の導波路間の距離と異なっているので、各発光グループに含まれる導波路の分布に応じて、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルが形成される。これにより、各発光グループに含まれる導波路間の距離を適切に調節することにより、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルを集光レンズなどを用いて重ね合わせたときに、均一な形状のＮＦＰが得られる。

本発明の第３の半導体レーザアレイおよびこの第３の半導体レーザアレイを備えた第３の光学装置では、各発光グループのうち少なくとも１つにおいて、その発光グループ内の少なくとも一の導波路の幅がその発光グループ内の他の導波路の幅と異なっているので、各発光グループに含まれる導波路の分布に応じて、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルが形成される。これにより、各発光グループに含まれる導波路の幅を適切に調節することにより、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルを集光レンズなどを用いて重ね合わせたときに、均一な形状のＮＦＰが得られる。

本発明の第１の半導体レーザアレイおよび第１の光学装置によれば、各発光グループのうち少なくとも１つが他の発光グループに含まれる導波路の数と異なる数の導波路を有するようにしたので、各発光グループに含まれる導波路の数を適切に調節することにより、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルを集光レンズなどを用いて重ね合わせたときに、均一な形状のＮＦＰを得ることができる。これにより、例えば、ディップをフィルタでカットして均一な形状にするなど、損失を発生させる光学部品を必要としないので、エネルギー変換効率を低下させることなく、ＮＦＰを均一な形状にすることができる。

本発明の第２の半導体レーザアレイおよび第２の光学装置によれば、各発光グループのうち少なくとも１つにおいて、その発光グループ内の少なくとも一の導波路間の距離がその発光グループ内の他の導波路間の距離と異なるようにしたので、各発光グループに含まれる導波路間の距離を適切に調節することにより、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルを集光レンズなどを用いて重ね合わせたときに、均一な形状のＮＦＰを得ることができる。これにより、例えば、ディップをフィルタでカットして均一な形状にするなど、損失を発生させる光学部品を必要としないので、エネルギー変換効率を低下させることなく、ＮＦＰを均一な形状にすることができる。

本発明の第３の半導体レーザアレイおよび第３の光学装置によれば、各発光グループのうち少なくとも１つにおいて、その発光グループ内の少なくとも一の導波路の幅がその発光グループ内の他の導波路の幅と異なるようにしたので、各発光グループに含まれる導波路の幅を適切に調節することにより、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルを集光レンズなどを用いて重ね合わせたときに、均一な形状のＮＦＰを得ることができる。これにより、例えば、ディップをフィルタでカットして均一な形状にするなど、損失を発生させる光学部品を必要としないので、エネルギー変換効率を低下させることなく、ＮＦＰを均一な形状にすることができる。

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半導体レーザアレイ１の断面構成を表すものである。図２は、図１の半導体レーザアレイ１を備えた光学装置の上面構成図を表すものである。この光学装置は、半導体レーザアレイ１と、これと光結合したフライアイレンズ２とを備えている。

半導体レーザアレイ１は、各々ストライプ状のリッジ部１１Ａ（導波路）を並列に有する複数の発光グループＧ１，Ｇ２を備えたブロードエリア型の半導体レーザであり、各発光グループＧ１，Ｇ２の位置に対応して、フライアイレンズ２のマイクロレンズ２１が配置されている。

半導体レーザアレイ１は、共通基板１０の一面側に発光部１１を有している。この発光部１１は、下部クラッド層１２，活性層１３、上部クラッド層１４およびコンタクト層１５をこの順に積層して構成されており、コンタクト層１５および上部クラッド層１４の上部には複数のリッジ部１１Ａが形成されている。

リッジ部１１Ａは、レーザ光の射出方向（軸方向）に延在するストライプ状の凸形状を有しており、活性層１３の電流注入領域を制限すると共に、各層を積層した方向（縦方向）および軸方向のいずれにも垂直な方向（横方向）の光閉じ込めを制御して光を軸方向に導波させるようになっている。各リッジ部１１Ａは、複数箇所に寄せ集められてグループ化されている。発光グループＧ１は例えば４つのリッジ部１１Ａからなり、発光グループＧ２は発光グループＧ１に含まれるリッジ部１１Ａの数とは異なる数、例えば３つのリッジ部１１Ａからなる。各発光グループＧ１，Ｇ２は、それぞれの中心位置が周期的となるように等ピッチで配置されている。従って、マイクロレンズ２１も各発光グループＧ１，Ｇ２と同様、等ピッチで配置されている。

各発光グループＧ１，Ｇ２は各発光グループＧ１，Ｇ２の合計数が互いに等しくなるように配置されている。なお、図１には各発光グループＧ１，Ｇ２を交互に配置した場合が例示されているが、各発光グループＧ１，Ｇ２の合計数が互いに等しければ、各発光グループＧ１，Ｇ２の配置の仕方はこれに限定されない。

各発光グループＧ１，Ｇ２の間には活性層１５に電流を注入することの可能な導波路、例えばリッジ部１１Ａは設けられておらず、各発光グループＧ１，Ｇ２の間隙の幅Ｗ２は、放熱性を考慮して各発光グループＧ１，Ｇ２の幅Ｗ１，Ｗ３よりも広くなっている。また、各発光グループＧ１，Ｇ２内の複数のリッジ部１１Ａも、放熱性を考慮してリッジ部１１Ａのストライプ幅よりも広い間隔で等間隔に配置されている。

ここで、各リッジ部１１Ａのストライプ幅は、例えば、図３，図４に示したシミュレーション結果に基づいて、エネルギー変換効率が高く、しかもチップ温度が低い範囲内の値に設定されており、エネルギー変換効率が２５％以上であって、しかもチップ温度が４２℃以下となる範囲内の値に設定されていることが好ましく、例えば５μｍ以上３０μｍ以下の値となっている。仮に共振器長Ｌを７００μｍ、各リッジ部１１Ａのストライプ幅を１０μｍとした場合には、０．５Ｗ出力時のエネルギー変換効率がおよそ３５％、０．５Ｗ出力時のチップ温度がおよそ４１℃となる。このとき、各発光グループＧ１，Ｇ２に含まれるリッジ部１１Ａ間の距離は１０μｍ以上、発光グループＧ１の幅Ｗ１は７０μｍ以上、発光グループＧ２の幅Ｗ３は５０μｍ以上、各発光グループＧ１，Ｇ２の間隙の幅Ｗ２は７０μｍ以上であって、かつ発光グループＧ１の幅Ｗ１よりも広くなっている。

下部クラッド層１２，活性層１３、上部クラッド層１４およびコンタクト層１５は、例えばＡｌＧａＩｎＰ系半導体により構成されている。なお、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体とは、長周期型周期表における３Ｂ族元素のアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）と、５Ｂ族元素のリン（Ｐ）とを含む化合物半導体のことをいう。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓ基板である。なお、ｎ型不純物は、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などである。下部クラッド層１２は、例えばｎ型Ａｌ_aＧａ_1-a-bＩｎ_bＰ（０＜ａ＜１，０＜ｂ＜１）からなる。活性層１３は、例えば不純物が含まれていないＧａ_cＩｎ_1-cＰ（０＜ｃ＜１）からなり、各リッジ部１１Ａに対応して発光領域１３Ａ（図１０参照）を有している。各発光領域１３Ａは、各リッジ部１１Ａで狭窄された電流が注入される電流注入領域に対応している。

上部クラッド層１４は、例えばｐ型Ａｌ_dＧａ_1-d-eＩｎ_eＰ（０＜ｄ＜１，０＜ｅ＜１）からなる。コンタクト層１５は、例えばｐ型Ａｌ_fＧａ_1-f-gＩｎ_gＰ（０＜ｆ＜１，０＜ｇ＜１）からなる。なお、ｐ型不純物は、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などである。ここで、上部クラッド層１４の上部およびコンタクト層１５には、上記したように、軸方向に延在するストライプ状のリッジ部１１Ａが複数形成されている。

また、半導体レーザアレイ１には、発光部１１の表面全体に渡って上部電極１６が形成されており、共通基板１０の裏面側には、下部電極１７が形成されている。上部電極１６は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を発光部１１の表面表面全体に渡ってこの順に積層したものであり、リッジ部１１Ａ上部のコンタクト層１５と電気的に接続されている。また、下部電極１７は、例えば、ＡｕおよびＧｅ（ゲルマニウム）の合金、Ｎｉ（ニッケル）およびＡｕをこの順に積層したものであり、基板１０と電気的に接続されている。この下部電極１７は、例えば、活性層１３側からの熱を放散するためのヒートシンク（図示せず）と接続されている。

なお、図１では、上部電極１６は発光部１１の表面全体に渡って形成された１つの電極となっているが、各リッジ部１１Ａごとにストライプ状に分割されると共に互いに電気的に分離された複数の電極としてもよい。

さらに、上部電極１６および下部電極１７はワイヤ（図示せず）を介して１つの電源（図示せず）に接続されている。これにより、上部電極１６および下部電極１７を介して各リッジ部１１Ａに印加される電圧は全て等しくなるので、各リッジ部１１Ａに流れる電流の大きさおよび電流密度が全て等しくなる。また、各リッジ部１１Ａのストライプ幅は上記したように互いに等しいので、各リッジ部１１Ａにおけるしきい値電流も全て等しくなる。従って、各リッジ部１１Ａに対応する各発光領域１３Ａから射出される光出力もほぼ等しくなる。

ところで、各発光グループＧ１，Ｇ２から射出されるレーザ光のビーム・プロファイルは各発光グループＧ１，Ｇ２に含まれる導波路の数に応じて形成される。発光グループＧ１は４つのリッジ部１１Ａを含んで構成されているので、発光グループＧ１から射出されるレーザ光のビーム・プロファイルは、図５（Ａ）に示したように、各リッジ部１１Ａの位置に対応した４つのピークと、リッジ部１１Ａ間の間隙に対応した３つの窪みとを有している。また、発光グループＧ２は３つのリッジ部１１Ａを含んで構成されているので、発光グループＧ２から射出されるレーザ光のビーム・プロファイルは、図５（Ｂ）に示したように、各リッジ部１１Ａの位置に対応した３つのピークと、リッジ部１１Ａ間の間隙に対応した２つの窪みとを有している。

ここで、発光グループＧ１から射出されるレーザ光のビーム・プロファイルと、発光グループＧ２から射出されるレーザ光のビーム・プロファイルとをフライアイレンズ２を用いて被照射面（図示せず）において互いに重ね合わせた場合に、それぞれのピークと窪みとが互いに重なり合うように、各発光グループＧ１，Ｇ２に含まれる各リッジ部１１Ａが配置されている。

このような構成の半導体レーザアレイ１は、例えば次のようにして製造することができる。

上記の構成で例示したＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体で半導体レーザアレイ１を製造するためには、基板１０上の化合物半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、フォスフィン（ＰＨ₃）を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、セレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いる。

具体的には、まず、基板１０上に、下部クラッド層１２，活性層１３，上部クラッド層１４およびコンタクト層１５をこの順に積層したのち、コンタクト層１５上にマスク層（図示せず）を形成し、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法により、上部クラッド層１４の上部およびコンタクト層１５を選択的に除去する。これにより、上部クラッド層１４の上部およびコンタクト層１５に、複数のリッジ部１１Ａが複数箇所に寄せ集められてグループ化されて形成される。その後、上記マスク層を除去する。

次に、リッジ部１１Ａを含む表面全体に渡って金属材料を成膜して上部電極１６を形成すると共に、同様にして、基板１０の裏面に下部電極１７を形成する。その後、軸方向の一対の端面に反射鏡膜（図示せず）を形成する。このようにして半導体レーザアレイ１が形成される。

次に、本実施の形態の光学装置の作用について説明する。半導体レーザアレイ１では、上部電極１６と下部電極１７との間に１つの電源によって所定の電圧が印加されると、各リッジ部１１Ａにより電流狭窄され、活性層１３の電流注入領域（発光領域１３Ａ）に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、素子内を一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。各リッジ部１１Ａに対応する発光領域１５Ａから射出されたレーザ光は各発光グループＧ１，Ｇ２の位置に応じて配置された、フライアイレンズ２のマイクロレンズ２１によって被照射面に集光される。

このとき、発光グループＧ１からは、図５（Ａ）に示したように、各リッジ部１１Ａの位置に対応した４つのピークと、リッジ部１１Ａ間の間隙に対応した３つの窪みとを有するビーム・プロファイルレーザ光が射出され、他方、発光グループＧ２からは、図５（Ｂ）に示したように、各リッジ部１１Ａの位置に対応した３つのピークと、リッジ部１１Ａ間の間隙に対応した２つの窪みとを有するビーム・プロファイルレーザ光が射出される。

ここで、各リッジ部１１Ａは共通の上部電極１６および下部電極１７から電圧が印加されるので、各リッジ部１１Ａに印加される電圧は全て等しくなる。これにより、各リッジ部１１Ａに流れる電流の大きさおよび電流密度が全て等しくなる。また、各リッジ部１１Ａのストライプ幅は上記したように互いに等しいので、各リッジ部１１Ａにおけるしきい値電流も全て等しくなる。従って、各リッジ部１１Ａに対応する各発光領域１３Ａから射出される光出力もほぼ等しくなるので、発光グループＧ１から射出されたレーザ光のビーム・プロファイルにおけるピーク値と、発光グループＧ２から射出されたレーザ光のビーム・プロファイルにおけるピーク値とが互いに等しくなる。

また、上記したように、発光グループＧ１から射出されるレーザ光のビーム・プロファイルと、発光グループＧ２から射出されるレーザ光のビーム・プロファイルとをフライアイレンズ２を用いて被照射面において互いに重ね合わせた場合に、それぞれのピークと窪みとが互いに重なり合うように、各発光グループＧ１，Ｇ２に含まれる各リッジ部１１Ａが配置されている。

これらのことから、双方のビーム・プロファイルを互いに重ね合わせることにより得られるビーム・プロファイルは、図５（Ｃ）に示したように、各ピーク値が互いに等しく、かつ、双方のビーム・プロファイルの窪みがほとんど打ち消された形状、つまり、ディップΔｄの小さな均一な形状（トップハット形状）となっている。

以上のことから、本実施の形態の光学装置では、各リッジ部１１Ａを複数箇所に寄せ集めてグループ化すると共に、各発光グループＧ１，Ｇ２に含まれるリッジ部１１Ａの数を適切に調節するようにしたので、各発光グループＧ１，Ｇ２から射出されるレーザ光のビーム・プロファイルをフライアイレンズ２を用いて重ね合わせたときに、均一な形状のＮＦＰを得ることができる。これにより、例えば、ディップΔＤをフィルタでカットして均一な形状にするなど、損失を発生させる光学部品が必要なくなるので、エネルギー変換効率を低下させることなく、ＮＦＰを均一な形状にすることができる。

なお、各発光グループＧ１，Ｇ２に含まれるリッジ部１１Ａの数を変えることと、図１１に示した従来例においてブロードエリア型の各リッジ部１１１Ａのストライプ幅を変えることは発光領域１５Ａの面積を変えるという点で互いに類似しているとも思えるが、各リッジ部１１１Ａのストライプ幅を変えた場合には、リッジ部１１１Ａのストライプ幅に応じてしきい値電流の値が大きく変わってしまう可能性がある。このように、しきい値電流の値が大きく変わると光出力のピーク値が変わってしまい、ＮＦＰの不均一性をうまく改善することはできない。一方、本実施の形態では、リッジ部１１Ａのストライプ幅を変えていないので、しきい値電流の値や光出力のピーク値が変わることはなく、ＮＦＰの不均一性をうまく改善することができる。

また、本実施の形態では、各発光グループＧ１，Ｇ２を、それぞれの中心位置が周期的となるように等ピッチで配置するようにしたので、フライアイレンズ２のマイクロレンズ２１のピッチを各リッジ部１１Ａごとに対応させて形成する必要がなく、ピッチの広い汎用的なフライアイレンズ２を用いることができる。

また、本実施の形態では、各リッジ部１１Ａを複数箇所に寄せ集めてグループ化するようにしたので、図１３に示した従来例のように各リッジ部１１１Ｂを等間隔に配置した場合と比べて、各発光グループＧ１，Ｇ２に含まれるリッジ部１１Ａ間の距離が狭くなる。これにより、図６に示したように、発光に寄与しない横方向拡散電流Ｉｄの一部を、隣接するリッジ部１１Ａに対応する発光領域１３Ａにおいて発光に寄与させることもできるので、各発光グループＧ１，Ｇ２に含まれるリッジ部１１Ａ間の距離を適切に調節することにより、無効電流を減らすことができ、エネルギー変換効率を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザアレイ３の断面構成を表すものである。図８は、図７の半導体レーザアレイ３を備えた光学装置の上面構成図を表すものである。この光学装置は、半導体レーザアレイ３と、これと光結合したフライアイレンズ２とを備えている。

半導体レーザアレイ３では、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５はリッジ部１１Ａを互いに等しい数だけ含んで構成されており、さらに、各発光グループＧ４，Ｇ５に含まれるリッジ部１１Ａ間の距離が均一でない点で、半導体レーザアレイ３は上記実施の形態の半導体レーザアレイ１の構成と相違する。そこで、以下、上記実施の形態との相違点について主に説明し、上記実施の形態と共通する構成・作用・効果についての説明を適宜省略する。

発光グループＧ３からそれぞれ射出されるレーザ光のビーム・プロファイル（図９（Ａ））と、発光グループＧ４からそれぞれ射出されるレーザ光のビーム・プロファイル（図９（Ｂ））と、発光グループＧ５からそれぞれ射出されるレーザ光のビーム・プロファイル（図９（Ｃ））とを、フライアイレンズ２を用いて被照射面（図示せず）において互いに重ね合わせた場合に、図９（Ｄ）に示したように、それぞれのピークがそれぞれの窪みを打ち消すように、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５に含まれる各リッジ部１１Ａ間の距離Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３がそれぞれ調整されている。

従って、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５は、上記実施の形態の各発光グループＧ１，Ｇ２のように、それぞれの中心位置が周期的となるように等ピッチで配置されているとは限らず、図８に示したように、等ピッチに配置されたマイクロレンズ２１と対向する領域の範囲内で各発光グループＧ４，Ｇ５の中心位置が多少ずれている場合もある。

各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５は各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５の合計数が互いに等しくなるように配置されている。なお、図７，図８には各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５をこの順に配置した場合が例示されているが、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５の合計数が互いに等しければ、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５の配置の仕方はこれに限定されない。また、図７には、各リッジ部１１Ａを、３つのリッジ部１１Ａごとにグループ化した場合が例示されているが、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５に含まれるリッジ部１１Ａの数はこれに限定されない。

また、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５の間には活性層１５に電流を注入することの可能な導波路、例えばリッジ部１１Ａは設けられておらず、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５の間隙の幅Ｗ５，Ｗ７は、放熱性を考慮して各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５の幅Ｗ４，Ｗ６よりも広くなっている。また、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５内の複数のリッジ部１１Ａも、放熱性を考慮してリッジ部１１Ａのストライプ幅よりも広い間隔Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３で配置されている。

本実施の形態の光学装置では、各リッジ部１１Ａを複数箇所に寄せ集めてグループ化すると共に、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５に含まれる各リッジ部１１Ａ間の距離Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を適切に調節するようにしたので、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５から射出されるレーザ光のビーム・プロファイルをフライアイレンズ２を用いて重ね合わせたときに、均一な形状のＮＦＰを得ることができる。これにより、例えば、ディップΔＤをフィルタでカットして均一な形状にするなど、損失を発生させる光学部品が必要なくなるので、エネルギー変換効率を低下させることなく、ＮＦＰを均一な形状にすることができる。

また、本実施の形態では、各発光グループＧ３，Ｇ４，Ｇ５を等ピッチに配置されたマイクロレンズ２１と対向する領域の範囲内に配置するようにしたので、フライアイレンズ２のマイクロレンズ２１のピッチを各リッジ部１１Ａごとに対応させて形成する必要がなく、ピッチの広い汎用的なフライアイレンズ２を用いることができる。

［第３の実施の形態］
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザアレイ４の断面構成を表すものである。図１１は、図１０の半導体レーザアレイ４を備えた光学装置の上面構成図を表すものである。この光学装置は、半導体レーザアレイ４と、これと光結合したフライアイレンズ２とを備えている。

半導体レーザアレイ４では、発光グループＧ８に含まれるリッジ部１１Ａ，１１Ｂのストライプ幅Ｄ１，Ｄ２、および発光グループＧ９に含まれるリッジ部１１Ｃ，１１Ｄのストライプ幅Ｄ３，Ｄ４がそれぞれ均一でない点で、半導体レーザアレイ４は上記実施の形態の半導体レーザアレイ１の構成と相違する。そこで、以下、上記実施の形態との相違点について主に説明し、上記実施の形態と共通する構成・作用・効果についての説明を適宜省略する。

発光グループＧ８，Ｇ９は、上記実施の形態の半導体レーザ１において各発光グループＧ１，Ｇ２の中央領域における蓄熱などの影響により、各発光グループＧ１，Ｇ２の中央領域に対応する発光領域１３Ａからの光出力が各発光グループＧ１，Ｇ２の外縁領域に対応する発光領域１３Ａからの光出力よりも低くなってしまう可能性がある場合に、その低下分を補うために、各発光グループＧ１，Ｇ２の中央領域のリッジ部１１Ａのストライプ幅を広くしたものである。これにより、図５（Ａ），（Ｂ）に示したように、各発光グループＧ８，Ｇ９の中央領域に対応する発光領域１３Ａからの光出力のピーク値が各発光グループＧ８，Ｇ９の外縁領域に対応する発光領域１３Ａからの光出力のピーク値とほぼ等しくなる。その結果、発光グループＧ８，Ｇ９からそれぞれ射出されるレーザ光のビーム・プロファイルをフライアイレンズ２を用いて被照射面において互いに重ね合わせた場合に、図５（Ｃ）に示したように、各ピーク値が互いに等しく、かつ、双方のビーム・プロファイルの窪みがほとんど打ち消された形状、つまり、ディップΔｄの小さな均一な形状（トップハット形状）となすることができる。

従って、本実施の形態の光学装置では、各リッジ部１１Ａ〜１１Ｄを複数箇所に寄せ集めてグループ化すると共に、発光グループＧ８に含まれるリッジ部１１Ａ，１１Ｂのストライプ幅Ｄ１，Ｄ２、および発光グループＧ９に含まれるリッジ部１１Ｃ，１１Ｄのストライプ幅Ｄ３，Ｄ４を適切に調節するようにしたので、各発光グループＧ８，Ｇ９から射出されるレーザ光のビーム・プロファイルをフライアイレンズ２を用いて重ね合わせたときに、均一な形状のＮＦＰを得ることができる。これにより、例えば、ディップΔＤをフィルタでカットして均一な形状にするなど、損失を発生させる光学部品が必要なくなるので、エネルギー変換効率を低下させることなく、ＮＦＰを均一な形状にすることができる。

なお、各発光グループＧ８，Ｇ９に含まれるリッジ部１１Ａ〜１１Ｄのストライプ幅を変えた場合には、上記したように、リッジ部１１１Ａのストライプ幅に応じてしきい値電流の値が大きく変わり、それに伴い、光出力のピーク値が大きく変わる可能性がある。そのため、しきい値電流の値が大きく変わらない範囲内で各リッジ部１１Ａ〜１１Ｄのストライプ幅Ｄ１〜Ｄ４を変えることが重要となる。

さらに、しきい値電流の値だけでなく、しきい値電流密度Ｊｔｈについても留意することが重要である。例えば、互いにストライプ幅の異なるリッジ部が設けられている場合に、それぞれのしきい値電流密度Ｊｔｈの差分ΔＪｔｈが０．１ｋＡ／ｃｍ２を超えると、しきい値電流密度Ｊｔｈの低い方のリッジ部に対応する発光領域１３Ａが発光しなくなる虞があるからである。そこで、各リッジ部１１Ａ〜１１Ｄのストライプ幅Ｄ１〜Ｄ４を、それぞれのしきい値電流密度Ｊｔｈの差分ΔＪｔｈが０．１ｋＡ／ｃｍ２を超えない範囲の値にそれぞれ調整することが必要となる。例えば、図１２に示したように、各リッジ部１１Ａ〜１１Ｄのストライプ幅Ｄ１〜Ｄ４を８μｍ以上２０μｍ以下の値にすることにより、それぞれのしきい値電流密度Ｊｔｈの差分ΔＪｔｈを０．１ｋＡ／ｃｍ２以下とすることができる。

なお、図１２のしきい値電流密度Ｊｔｈは図１３に示した方法によって測定されたものである。具体的には、台座５１０上ペルチェ素子５２０、銅プレート５３０および銅製ベース５４０を配置すると共に、銅製ベース５４０に設けられている窪みに単一のリッジ部（図示せず）を有する半導体レーザ５５０と接続されたヒートシンク５６０を固定する。その後、ペルチェ素子５２０で銅製ベース５４０の温度を２５℃一定に保った状態で、半導体レーザ５５０の上部電極（図示せず）と、半導体レーザ５５０の下部電極（図示せず）に電気的に接続された銅製ベース５４０との間に電圧を印加して半導体レーザ５５０を発光させる。このとき、半導体レーザ５５０のリッジ部のストライプ幅を１μｍから１０００μｍまで変化させて、そのときに測定したしきい値電流の値をストライプ幅で除算することによりしきい値電流密度を得るようにした。なお、図１２において、ストライプ幅を狭めるにつれてしきい値電流密度が上昇するのは、ストライプ幅を狭めるにつれて、リッジ部に注入した電流のうち図６に示した横方向拡散電流Ｉｄが占める割合が大きくなり、リッジ部に注入した電流が発光に寄与しにくくなるためである。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体レーザアレイを例にして本発明を説明したが、他の化合物半導体レーザアレイ、例えばＡｌＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＰ系などの赤色半導体レーザアレイ、ＧａＩｎＮ系およびＡｌＧａＩｎＮ系などの窒化ガリウム系の半導体レーザアレイ、ＺｎＣｄＭｇＳＳｅＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族の半導体レーザアレイにも適用可能である。また、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＮＰ系などの、発振波長が可視域とは限らないような半導体レーザアレイにも適用可能である。

また、上記実施の形態では、インデックスガイド構造の半導体レーザアレイを例に挙げて、本発明について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構造、例えば、ゲインガイド構造の半導体レーザアレイに対しても適用可能である。

また、上記実施の形態では、各発光グループに含まれるリッジ部の数、リッジ間の間隔、またはリッジ部の数およびリッジのストライプ幅を適宜調整することにより、均一な形状のＮＦＰを得るようにしていたが、各発光グループに含まれるリッジのストライプ幅だけを適宜調整したり、各発光グループに含まれるリッジ部の数、リッジ間の間隔およびリッジのストライプ幅の少なくとも２つ以上を適宜調整することにより、均一な形状のＮＦＰを得るようにすることももちろん可能である。

また、上記実施の形態では、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルをフライアイレンズを用いて重ね合わせたときに、均一な形状のＮＦＰを得るようにしていたが、フライアイレンズ以外のレンズ、例えばコリメートレンズと球面レンズを用いて、各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルを重ね合わせることにより、均一な形状のＮＦＰを得るようにしてもよい。また、均一な形状のＮＦＰだけでなく、ガウシアン形状などの他の形状のＮＦＰを得るようにすることももちろん可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザアレイの断面構成図である。図１の半導体レーザアレイとフライアイレンズとを備えた光学装置の上面構成図である。ストライプ幅とエネルギー変換効率との関係を説明するための関係図である。ストライプ幅とチップ温度との関係を説明するための関係図である。図１の各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルを説明するための分布図である。横方向拡散電流を説明するための断面構成図である。本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザアレイの断面構成図である。図７の半導体レーザアレイとフライアイレンズとを備えた光学装置の上面構成図である。図７の各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルを説明するための分布図である。本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザアレイの断面構成図である。図１０の半導体レーザアレイとフライアイレンズとを備えた光学装置の上面構成図である。ストライプ幅としきい値電流密度との関係を説明するための関係図である。しきい値電流密度を測定するための装置の断面構成図である。従来の半導体レーザアレイの断面構成図である。図１４の半導体レーザアレイとフライアイレンズとを備えた光学装置の上面構成図である。従来の他の半導体レーザアレイの断面構成図である。従来の他の半導体レーザアレイの断面構成図である。図１７の半導体レーザアレイとフライアイレンズとを備えた光学装置の上面構成図である。図１７の各発光グループから射出されるレーザ光のビーム・プロファイルを説明するための分布図である。図１９のビーム・プロファイルを均一化するためのフィルタについて説明するための分布図である。

符号の説明

１，３，４…半導体レーザアレイ、２…フライアイレンズ、１０…共通基板、１１…発光部、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ…リッジ部、１２…下部クラッド層、１３…活性層、１３Ａ…発光領域、１４…上部クラッド層、１５…上部コンタクト層、１６…上部電極、１７…下部電極、２１…マイクロレンズ、Ｄ１〜Ｄ４…リッジ部のストライプ幅、ΔＤ…ディップ、Ｇ１〜Ｇ９…発光グループ、Ｐ…マイクロレンズのピッチ、Ｖ１〜Ｖ３…発光グループ内のリッジ部間の幅、Ｗ１，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ６，Ｗ８，Ｗ１０…発光グループの幅、Ｗ２，Ｗ５，Ｗ７，Ｗ９…発光グループ間の幅。

Claims

各々ストライプ状の複数の導波路を並列に有する複数の発光グループを備えた半導体レーザアレイであって、
前記各発光グループのうち少なくとも１つは、他の発光グループに含まれる導波路の数と異なる数の導波路を有する
ことを特徴とする半導体レーザアレイ。
各々ストライプ状の複数の導波路を並列に有する複数の発光グループを備えた半導体レーザアレイであって、
前記各発光グループのうち少なくとも１つにおいて、その発光グループ内の少なくとも一の導波路間の距離がその発光グループ内の他の導波路間の距離と異なる
ことを特徴とする半導体レーザアレイ。
各々ストライプ状の複数の導波路を並列に有する複数の発光グループを備えた半導体レーザアレイであって、
前記各発光グループのうち少なくとも１つにおいて、その発光グループ内の少なくとも一の導波路の幅がその発光グループ内の他の導波路の幅と異なる
ことを特徴とする半導体レーザアレイ。
前記各導波路の幅は、前記一の導波路のしきい値電流密度と前記他の導波路のしきい値電流密度との差分の最大値が０．１ｋＡ／ｃｍ²以下となる範囲内の値となっている
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザアレイ。
前記各発光グループ間の距離は、前記各発光グループの幅より広い
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザアレイ。
各々ストライプ状の複数の導波路を並列に含む複数の発光グループを有する半導体レーザアレイと、
前記半導体レーザアレイの各導波路に対応して射出されるレーザ光を集光するレンズと
を備え、
前記各発光グループのうち少なくとも１つは、他の発光グループに含まれる導波路の数と異なる数の導波路を有する
ことを特徴とする光学装置。
各々ストライプ状の複数の導波路を並列に含む複数の発光グループを有する半導体レーザアレイと、
前記半導体レーザアレイの各導波路に対応して射出されるレーザ光を集光するレンズと
を備え、
前記各発光グループのうち少なくとも１つにおいて、その発光グループ内の少なくとも一の導波路間の距離がその発光グループ内の他の導波路間の距離と異なる
ことを特徴とする光学装置。
各々ストライプ状の複数の導波路を並列に含む複数の発光グループを有する半導体レーザアレイと、
前記半導体レーザアレイの各導波路に対応して射出されるレーザ光を集光するレンズと
を備え、
前記各発光グループのうち少なくとも１つにおいて、その発光グループ内の少なくとも一の導波路の幅がその発光グループ内の他の導波路の幅と異なる
ことを特徴とする光学装置。
前記レンズは、マイクロレンズを前記各発光グループに対応して配置してなるフライアイレンズである
ことを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の光学装置。