JP2012089776A - 半導体レーザ装置組立体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体レーザ装置組立体は、(A)モード同期半導体レーザ素子10、及び、(B)外部共振器を構成し、1次以上の回折光をモード同期半導体レーザ素子10に戻し、0次の回折光を外部に出力する回折格子100を備えており、モード同期半導体レーザ素子10と回折格子100との間に、モード同期半導体レーザ素子10の光出射端面の像を回折格子上に結像させる結像手段101を有する。
【選択図】 図1
Description
(A)モード同期半導体レーザ素子、及び、
(B)外部共振器を構成し、1次以上の回折光をモード同期半導体レーザ素子に戻し、0次の回折光を外部に出力する回折格子、
を備えており、
モード同期半導体レーザ素子と回折格子との間に、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面の像を回折格子上に結像させる結像手段を有する。
(A)モード同期半導体レーザ素子、
(B)0次の回折光を外部に出力する回折格子、及び、
(C)回折格子からの1次以上の回折光を反射し、回折格子を経由してモード同期半導体レーザ素子に戻す反射鏡から成る外部共振器、
を備えており、
モード同期半導体レーザ素子と回折格子の間に、モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を外部共振器上で焦点を結ばせる結像手段を有する。
(A)モード同期半導体レーザ素子、
(B)外部共振器、
(C)モード同期半導体レーザ素子と外部共振器の間に配置され、膜厚を連続的に変化させたバンドパスフィルター、及び、
(D)バンドパスフィルターを移動させる移動装置、
を備えており、
バンドパスフィルターに衝突したレーザ光の一部は外部に出力され、
バンドパスフィルターに衝突したレーザ光の残部は、バンドパスフィルターを通過し、外部共振器に入射し、外部共振器で反射され、バンドパスフィルターを通過してモード同期半導体レーザ素子に戻される。
1.本発明の第1の態様〜第3の態様に係る半導体レーザ装置組立体、全般に関する説明
2.実施例1(本発明の第1の態様に係る半導体レーザ装置組立体)
3.実施例2(本発明の第2の態様に係る半導体レーザ装置組立体)
4.実施例3(本発明の第3の態様に係る半導体レーザ装置組立体)
5.実施例4(モード同期半導体レーザ素子の変形例)、その他
本発明の第1の態様に係る半導体レーザ装置組立体にあっては、回折格子を回動させる回動装置を更に備え、回動装置の作動による回折格子の回動によって、モード同期半導体レーザ素子に戻すべきレーザ光の波長を制御する形態とすることが好ましい。ここで、回動装置として、具体的には、圧電素子、モータとギアの組合せ、ヨークコイルを挙げることができる。そして、この場合、回折格子から出力された0次の回折光を反射する反射鏡を更に備え、回動装置の作動による回折格子の回動に起因した、反射鏡によって反射された0次の回折光の光路のずれを補正する補正機構を更に備えていることが好ましい。補正機構として、具体的には、圧電素子、モータとギアの組合せ、ヨークコイルを挙げることができる。
1×10≦L2/L1≦1×102
望ましくは、
20≦L2/L1≦50
を満足することが好ましい。あるいは又、回折格子に入射(衝突)するレーザ光の中に含まれる回折格子における格子状のパターンの本数として、1200本乃至3600本、望ましくは2400本乃至3600本を例示することができる。
バイ・セクション型半導体レーザ素子は、
(a)第1導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層、GaN系化合物半導体から成る発光領域及び可飽和吸収領域を構成する第3化合物半導体層(活性層)、並びに、第1導電型と異なる第2導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体、
(b)第2化合物半導体層上に形成された帯状の第2電極、並びに、
(c)第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を備え、
第2電極は、発光領域を経由して第1電極に直流電流を流すことで順バイアス状態とするための第1部分と、可飽和吸収領域に電界を加えるための第2部分とに、分離溝によって分離されている形態とすることができる。
第3化合物半導体層は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有し、
井戸層の厚さは、1nm以上、10nm以下、好ましくは、1nm以上、8nm以下であり、
障壁層の不純物ドーピング濃度は、2×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下、好ましくは、1×1019cm-3以上、1×1020cm-3以下である形態とすることができる。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第3の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ場合がある。
第2電極の幅は、0.5μm以上、50μm以下、好ましくは1μm以上、5μm以下、
リッジ構造の高さは、0.1μm以上、10μm以下、好ましくは0.2μm以上、1μm以下、
第2電極を第1部分と第2部分とに分離する分離溝の幅は、1μm以上、モード同期半導体レーザ素子における共振器長(以下、単に『共振器長』と呼ぶ)の50%以下、好ましくは10μm以上、共振器長の10%以下であることが望ましい。共振器長として、0.6mmを例示することができるが、これに限定するものではない。また、リッジ構造の幅として2μm以下を例示することができ、リッジ構造の幅の下限値として、例えば、0.8μmを挙げることができるが、これに限定するものではない。リッジ部の両側面よりも外側に位置する第2化合物半導体層の部分の頂面から第3化合物半導体層(活性層)までの距離(D)は1.0×10-7m(0.1μm)以上であることが好ましい。距離(D)をこのように規定することによって、第3化合物半導体層の両脇(Y方向)に可飽和吸収領域を確実に形成することができる。距離(D)の上限は、閾値電流の上昇、温度特性、長期駆動時の電流上昇率の劣化等に基づき決定すればよい。尚、以下の説明において、共振器長方向をX方向とし、積層構造体の厚さ方向をZ方向とする。
(1)1つの第2電極の第1部分と1つの第2電極の第2部分とが設けられ、第2電極の第1部分と、第2電極の第2部分とが、分離溝を挟んで配置されている状態
(2)1つの第2電極の第1部分と2つの第2電極の第2部分とが設けられ、第1部分の一端が、一方の分離溝を挟んで、一方の第2部分と対向し、第1部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第2部分と対向している状態
(3)2つの第2電極の第1部分と1つの第2電極の第2部分とが設けられ、第2部分の端部が、一方の分離溝を挟んで、一方の第1部分と対向し、第2部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第1部分と対向している状態(即ち、第2電極は、第2部分を第1部分で挟んだ構造)
を挙げることができる。また、広くは、
(4)N個の第2電極の第1部分と(N−1)個の第2電極の第2部分とが設けられ、第2電極の第1部分が第2電極の第2部分を挟んで配置されている状態
(5)N個の第2電極の第2部分と(N−1)個の第2電極の第1部分とが設けられ、第2電極の第2部分が第2電極の第1部分を挟んで配置されている状態
を挙げることができる。尚、(4)及び(5)の状態は、云い換えれば、
(4’)N個の発光領域[キャリア注入領域、利得領域]と(N−1)個の可飽和吸収領域[キャリア非注入領域]とが設けられ、発光領域が可飽和吸収領域を挟んで配置されている状態
(5’)N個の可飽和吸収領域[キャリア非注入領域]と(N−1)個の発光領域[キャリア注入領域、利得領域]とが設けられ、可飽和吸収領域が発光領域を挟んで配置されている状態
である。尚、(3)、(5)、(5’)の構造を採用することで、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面における損傷が発生し難くなる。
(A)基体上に、第1導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層、GaN系化合物半導体から成る発光領域及び可飽和吸収領域を構成する第3化合物半導体層、並びに、第1導電型と異なる第2導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体を形成した後、
(B)第2化合物半導体層上に帯状の第2電極を形成し、次いで、
(C)第2電極をエッチング用マスクとして、少なくとも第2化合物半導体層の一部分をエッチングして、リッジストライプ構造を形成した後、
(D)分離溝を第2電極に形成するためのレジスト層を形成し、次いで、レジスト層をウエットエッチング用マスクとして、第2電極に分離溝をウエットエッチング法にて形成し、以て、第2電極を第1部分と第2部分とに分離溝によって分離する、
各工程を具備した製造方法に基づき製造することができる。
(A)モード同期半導体レーザ素子10、及び、
(B)外部共振器を構成し、1次以上の回折光(実施例1においては、具体的には、1次の回折光)をモード同期半導体レーザ素子10に戻し、0次の回折光を外部に出力する回折格子100、
を備えている。ここで、回折格子100は、外部共振器を構成し、且つ、アウトプットカプラとして機能し、更には、波長選択素子として機能する。そして、モード同期半導体レーザ素子10と回折格子100との間に、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面の像を回折格子上に結像させる結像手段101を有する。
(a)第1導電型(実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例4においては、具体的には、n型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層30、GaN系化合物半導体から成る発光領域(利得領域)41及び可飽和吸収領域42を構成する第3化合物半導体層(活性層)40、並びに、第1導電型と異なる第2導電型(実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例4においては、具体的には、p型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層50が、順次、積層されて成る積層構造体、
(b)第2化合物半導体層50上に形成された帯状の第2電極62、並びに、
(c)第1化合物半導体層30に電気的に接続された第1電極61、
を備えている。
第2化合物半導体層50
p型GaNコンタクト層(Mgドープ)55
p型GaN(Mgドープ)/AlGaN超格子クラッド層54
p型AlGaN電子障壁層(Mgドープ)53
ノンドープAlGaNクラッド層52
ノンドープGaInN光ガイド層51
第3化合物半導体層40
GaInN量子井戸活性層
(井戸層:Ga0.92In0.08N/障壁層:Ga0.98In0.02N)
第1化合物半導体層30
n型GaNクラッド層32
n型AlGaNクラッド層31
但し、
井戸層(2層) 10.5nm ノン・ドープ
障壁層(3層) 14nm ノン・ドープ
sin(α)+sin(β)=N・m・λ
θB=(α+β)/2
となる。また、このときの波長をブレーズ波長といい、λBと表すと、
λB={2/(N・m)}sin(θB)・cos(α−θB)
となる。ここで、図12の(B)に示すように、入射光の方向に+1次の回折光が戻るときの波長をλ1で表すと、このとき、α=β=βBとなるので、結局、
λ1=(2/N)sin(θB) (A)
となる。このときの配置がリトロー配置と呼ばれる。
f=c/(2n・X’)
L1=1.6μm
L2=53μm
であり、
20≦L2/L1≦50
を満足している。
d0:基準とする波長が出力されるときの回折格子100と反射鏡102との間の距離(間隔)
ψ0:基準とするとする波長が出力されるときの回折格子100へのレーザ光の入射角
θ0:基準とする波長に対する回折格子100の角度変化量
である。
2d0・sin(ψ0+θ0)
光束の間隔はθ0に依存するため、θ0の変化に応じて光束の間隔が変化しないように回折格子100と反射鏡102を、互いに平行な関係を保持しつつ、その間隔を変化させればよく、これは上記の式(B)で与えられる。反射鏡102を回折格子100の方向に平行移動するためには、例えば、反射鏡102を回折格子100と同じ回動する台の上に配置し、回動台の回動に合わせて回折格子100との間隔が上式(B)を満足するように、圧電素子等を用いて反射鏡102を動かせばよい。
(1)第2化合物半導体層50をエッチングするときのエッチング用マスクとしての機能を有すること。
(2)第2化合物半導体層50の光学的、電気的特性に劣化を生じさせることなく、第2電極62はウエットエッチング可能であること。
(3)第2化合物半導体層50上に成膜したとき、10-2Ω・cm2以下のコンタクト比抵抗値を示すこと。
(4)積層構造とする場合、下層金属層を構成する材料は、仕事関数が大きく、第2化合物半導体層50に対して低いコンタクト比抵抗値を示し、しかも、ウエットエッチング可能であること。
(5)積層構造とする場合、上層金属層を構成する材料は、リッジ構造を形成する際のエッチングに対して(例えば、RIE法において使用されるCl2ガス)に対して耐性があり、しかも、ウエットエッチング可能であること。
先ず、基体上、具体的には、n型GaN基板21の(0001)面上に、周知のMOCVD法に基づき、第1導電型(n型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層30、GaN系化合物半導体から成る発光領域(利得領域)41及び可飽和吸収領域42を構成する第3化合物半導体層(活性層40)、並びに、第1導電型と異なる第2導電型(p型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層50が、順次、積層されて成る積層構造体を形成する(図9の(A)参照)。
その後、第2化合物半導体層50上に帯状の第2電極62を形成する。具体的には、真空蒸着法に基づきPd層63を全面に成膜した後(図9の(B)参照)、Pd層63上に、フォトリソグラフィ技術に基づき帯状のエッチング用レジスト層を形成する。そして、王水を用いて、エッチング用レジスト層に覆われていないPd層63を除去した後、エッチング用レジスト層を除去する。こうして、図10の(A)に示す構造を得ることができる。尚、リフトオフ法に基づき、第2化合物半導体層50上に帯状の第2電極62を形成してもよい。
次いで、第2電極62をエッチング用マスクとして、少なくとも第2化合物半導体層50の一部分をエッチングして(具体的には、第2化合物半導体層50の一部分をエッチングして)、リッジ構造を形成する。具体的には、Cl2ガスを用いたRIE法に基づき、第2電極62をエッチング用マスクとして用いて、第2化合物半導体層50の一部分をエッチングする。こうして、図10の(B)に示す構造を得ることができる。このように、帯状にパターニングされた第2電極62をエッチング用マスクとして用いてセルフアライン方式にてリッジ構造を形成するので、第2電極62とリッジ構造との間に合わせずれが生じることがない。
その後、分離溝を第2電極62に形成するためのレジスト層64を形成する(図11参照)。尚、参照番号65は、分離溝を形成するために、レジスト層64に設けられた開口部である。次いで、レジスト層64をウエットエッチング用マスクとして、第2電極62に分離溝62Cをウエットエッチング法にて形成し、以て、第2電極62を第1部分62Aと第2部分62Bとに分離溝62Cによって分離する。具体的には、王水をエッチング液として用い、王水に約10秒、全体を浸漬することで、第2電極62に分離溝62Cを形成する。そして、その後、レジスト層64を除去する。こうして、図2及び図3に示す構造を得ることができる。このように、ドライエッチング法と異なり、ウエットエッチング法を採用することで、第2化合物半導体層50の光学的、電気的特性に劣化が生じることがない。それ故、モード同期半導体レーザ素子の発光特性に劣化が生じることがない。尚、ドライエッチング法を採用した場合、第2化合物半導体層50の内部損失αiが増加し、閾値電圧が上昇したり、光出力の低下を招く虞がある。ここで、第2電極62のエッチングレートをER0、積層構造体のエッチングレートをER1としたとき、
ER0/ER1≒1×102
である。このように、第2電極62と第2化合物半導体層50との間に高いエッチング選択比が存在するが故に、積層構造体をエッチングすること無く(あるいは、エッチングされても僅かである)、第2電極62を確実にエッチングすることができる。尚、ER0/ER1≧1×10、好ましくは、ER0/ER1≧1×102を満足することが望ましい。
その後、n側電極の形成、基板の劈開等を行い、更に、パッケージ化を行うことで、モード同期半導体レーザ素子10を作製することができる。
=X0/(n・e・μ・S)
(A)モード同期半導体レーザ素子10、
(B)0次の回折光を外部に出力する回折格子100、及び、
(C)回折格子100からの1次以上の回折光を反射し、回折格子を経由してモード同期半導体レーザ素子10に戻す反射鏡から成る外部共振器110、
を備えており、
モード同期半導体レーザ素子10と回折格子100の間に、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光を外部共振器110上で焦点を結ばせる結像手段101を有する。ここで、回折格子100はアウトプットカプラとして機能し、回折格子100及び外部共振器110は波長選択素子として機能する。
(A)モード同期半導体レーザ素子10、
(B)外部共振器120、
(C)モード同期半導体レーザ素子10と外部共振器120の間に配置され、膜厚を連続的に変化させたバンドパスフィルター121、及び、
(D)バンドパスフィルター121を移動させる移動装置122、
を備えている。
実施例4 参考例4
井戸層 8nm 10.5nm
障壁層 12nm 14nm
井戸層の不純物ドーピング濃度 ノン・ドープ ノン・ドープ
障壁層の不純物ドーピング濃度 Si:2×1018cm-3 ノン・ドープ
0<θ≦10(度)
好ましくは、
0<θ≦6(度)
とすることが望ましい。斜めリッジストライプ型を採用することで、無反射コートをされた端面の反射率を、より0%の理想値に近づけることができ、その結果、半導体レーザ内で周回してしまうレーザ光パルスの発生を防ぐことができ、メインのレーザ光パルスに付随するサブのレーザ光パルスの生成を抑制できるといった利点を得ることができる。
Claims (14)
- (A)モード同期半導体レーザ素子、及び、
(B)外部共振器を構成し、1次以上の回折光をモード同期半導体レーザ素子に戻し、0次の回折光を外部に出力する回折格子、
を備えた半導体レーザ装置組立体であって、
モード同期半導体レーザ素子と回折格子との間に、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面の像を回折格子上に結像させる結像手段を有する半導体レーザ装置組立体。 - 回折格子を回動させる回動装置を更に備え、
回動装置の作動による回折格子の回動によって、モード同期半導体レーザ素子に戻すべきレーザ光の波長を制御する請求項1に記載の半導体レーザ装置組立体。 - 回折格子から出力された0次の回折光を反射する反射鏡を更に備え、
回動装置の作動による回折格子の回動に起因した、反射鏡によって反射された0次の回折光の光路のずれを補正する補正機構を更に備えている請求項2に記載の半導体レーザ装置組立体。 - (A)モード同期半導体レーザ素子、
(B)0次の回折光を外部に出力する回折格子、及び、
(C)回折格子からの1次以上の回折光を反射し、回折格子を経由してモード同期半導体レーザ素子に戻す反射鏡から成る外部共振器、
を備えた半導体レーザ装置組立体であって、
モード同期半導体レーザ素子と回折格子の間に、モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を外部共振器上で焦点を結ばせる結像手段を有する半導体レーザ装置組立体。 - 外部共振器を構成する反射鏡は凹面鏡から成る請求項4に記載の半導体レーザ装置組立体。
- 凹面鏡の曲率半径は、回折格子から凹面鏡までの距離と等しい請求項5に記載の半導体レーザ装置組立体。
- 回折格子と外部共振器との間には、外部共振器へのレーザ光の入射を規制する複数のアパーチャが配されている請求項4乃至請求項6のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
- アパーチャは、多数のセグメントを有する透過型液晶表示装置から成る請求項7に記載の半導体レーザ装置組立体。
- アパーチャを選択することで、モード同期半導体レーザ素子に戻すべきレーザ光の波長を制御する請求項7又は請求項8に記載の半導体レーザ装置組立体。
- 結像手段はレンズから成る請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
- (A)モード同期半導体レーザ素子、
(B)外部共振器、
(C)モード同期半導体レーザ素子と外部共振器の間に配置され、膜厚を連続的に変化させたバンドパスフィルター、及び、
(D)バンドパスフィルターを移動させる移動装置、
を備えた半導体レーザ装置組立体であって、
バンドパスフィルターに衝突したレーザ光の一部は外部に出力され、
バンドパスフィルターに衝突したレーザ光の残部は、バンドパスフィルターを通過し、外部共振器に入射し、外部共振器で反射され、バンドパスフィルターを通過してモード同期半導体レーザ素子に戻される半導体レーザ装置組立体。 - バンドパスフィルターを通過する位置に依存して、バンドパスフィルターを通過するレーザ光の波長が規定される請求項11に記載の半導体レーザ装置組立体。
- 外部共振器は部分透過ミラーから成る請求項11又は請求項12に記載の半導体レーザ装置組立体。
- モード同期半導体レーザ素子と外部共振器との間に、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面の像を外部共振器上に結像させる結像手段を有する請求項11乃至請求項13のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
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