JP2014216330A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ビームパターンを変化させることが可能な半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 この半導体レーザ装置は、それぞれがレーザ光を出力し、互いに光学的に結合可能な距離で離間して配列した複数の半導体発光部ＬＧと、隣接する半導体発光部ＬＧ間の光路長を制御する光路長制御素子Ｃとを備えている。光路長制御素子Ｃは、誘電部材Ｃ１と、誘電部材Ｃ１を移動させる移動素子Ｃ２とを備えている。
【選択図】図１２
【解決手段】 この半導体レーザ装置は、それぞれがレーザ光を出力し、互いに光学的に結合可能な距離で離間して配列した複数の半導体発光部ＬＧと、隣接する半導体発光部ＬＧ間の光路長を制御する光路長制御素子Ｃとを備えている。光路長制御素子Ｃは、誘電部材Ｃ１と、誘電部材Ｃ１を移動させる移動素子Ｃ２とを備えている。
【選択図】図１２
Description
本発明は、半導体レーザ装置に関する。
フォトニック結晶層（屈折率変調層）を備えた面発光型半導体レーザ素子が知られている。フォトニック結晶層は、２次元平面内において、屈折率が周期的に変化する周期構造を備えている。フォトニック結晶層における屈折率分布パターンは多くの文献に開示されている。
特許文献１は、直交する２方向に周期的に孔を設けたフォトニック結晶層を開示している。最終的なレーザビームパターンを所望の形状とするため、周期的な孔の集合領域間に、これとは異なる周期構造からなる位相シフト領域を形成することも可能である。非特許文献１に開示されるレーザ装置では、位相シフト領域を設定することにより、様々なレーザビームパターンを形成している。例えば、円環状のビームパターンは、光ピンセットなどに有効であり、特に通常の単峰ビームでは、捕捉が困難な不透明物質の捕捉に用いることが可能である（非特許文献２）。
Eiji Miyai他，"Lasers producing tailored beams"，Nature誌441巻946頁（2006）．
Kyosuke Sakai他，"Optical trapping of metal particles in doughnut-shaped beam emittedby photonic-crystal laser"，Electronics Letters誌 43巻 107-108頁（2007）．
しかしながら、従来技術においては、静的なレーザビームパターンは得ることができるものの、レーザビームパターンは変化させることができなかった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、レーザビームパターンを変化させることが可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、この半導体レーザ装置は、それぞれがレーザ光を出力し、互いに光学的に結合可能な距離で離間して配列した複数の半導体発光部と、隣接する前記半導体発光部間の光路長を制御する光路長制御素子と、を備えることを特徴とする。
光路長制御素子によって、半導体発光部間の光路長を制御すると、各半導体発光部から出射されるレーザ光の位相が変化し、複数の半導体発光部から出射されるレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。
また、前記光路長制御素子は、隣接する前記半導体発光部間に配置することができる。隣接する半導体発光部は、光学的に結合しているので、光路長制御素子をこれらの間に配置することにより、光路長を容易に制御することができる。
また、前記光路長制御素子は、誘電部材と、前記誘電部材を移動させる移動素子と、を備えることができる。光路長は、屈折率と実際の距離の積で与えられる。また、可視光では誘電率は屈折率の２乗であり、その他の波長の場合にも、誘電率と屈折率との間には、これに準じた関係がある。したがって、光伝播経路における誘電率を変化させれば、光路長を変化させることができる。すなわち、光路長を規定する空間内に誘電部材が配置される度合によって、光路長を変化させることができる。移動素子によって、誘電部材が完全に半導体発光部間の空間に移動した場合には、誘電部材の誘電率に依存して光路長が決定され、移動素子によって、誘電部材が半導体発光部間の空間内から除外された場合には、当該空間の誘電率（空気や希ガスなどの空間内気体の誘電率）によって、光路長が決定される。
また、前記光路長制御素子は、一対の電極と、前記電極間に配置された液晶とを備えることができる。電極間に印加する電圧によって、液晶の結晶構造が変化し、したがって、誘電率が変化する。代表的な液晶としては、ネマチック液晶が知られている。詳説すれば、液晶を構成する分子の誘電率は、分子の縦軸方向と横軸方向で誘電率が異なるため、電圧の印加により、特定の向きに分子が配向した場合と、ランダムに分子が分散している場合とでは、光伝播方向の誘電率、すなわち、屈折率は異が異なり、電圧の大きさに依存して、光路長が変化させることができる。
また、前記光路長制御素子は、誘電体層の両面を金属層で挟んだ積層構造の厚み方向に複数の貫通孔を形成してなるメタマテリアルと、それぞれの前記貫通孔の両端に設けられた一対の電極と、前記電極間の前記貫通孔内に設けられた液晶とを備えることができる。貫通孔の平面形状としては、円形や楕円形、三角形、四角形などの多角形等が挙げられる。メタマテリアルは、光の波長よりも小さな構造体を有する人工材料であり、例えば、前記貫通孔を1つ以上有する。したがって、前記電極間に電圧を印加することによって、液晶分子の配列方向を変化させることにより、このメタマテリアルの屈折率(誘電率)を変化させることにより、光路長を変化させることができる。
また、前記光路長制御素子は、隣接する前記半導体発光部を光学的に結合させる電気光学結晶と、前記電気光学結晶に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えることができる。電圧印加手段により、電気光学結晶に電圧が印加されると、結晶内部に電界が発生する。電気光学結晶の屈折率は電界に比例して変化する（一次電気光学効果）ため、電気光学結晶内を伝播する光の光路長を変化させることができる。
また、前記光路長制御素子は、それぞれの前記半導体発光部を移動させ、前記半導体発光部間の相対位置を変化させる圧電素子とすることができる。個々の半導体発光部自身を移動させた場合、２つの効果が生じる。１つの効果は、半導体発光部の物理的な位置が移動することにより、所望のレーザビームパターンの形成位置までのレーザ光の光路長、すなわち、この形成位置におけるレーザ光の位相が変化する。もう１つの効果は、隣接する半導体発光部は、光学的に結合しているので、半導体発光部の移動により、これらの間の光路長が変化する。これら２つの効果は同時に生じるが、いずれの効果も、レーザビームパターン形成位置でのレーザ光の位相を変化させており、光路長制御素子を制御することにより、複数の半導体発光部から出射されるレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。
また、前記半導体発光部は、発光層と、前記発光層に光学的に結合した回折格子と、を備え、前記発光層の厚み方向に垂直な方向に沿って共振が生じ、前記発光層の端面からレーザ光を出射することができる。発光層に光学的に回折格子を結合させると、半導体レーザ素子の共振器内部に回折格子を形成することになり、この回折格子により特定波長のみを選択的に強め合う分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを構成することができる。ＤＦＢレーザでは、単一波長のレーザ光を出射することができる。なお、回折格子を、活性層内部に形成することもできる。
この構造によれば、上述のように、半導体発光部の端面から出射させるレーザ光の位相は、光路長制御素子によって、制御することができるため、複数のレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。
また、前記半導体発光部は、発光層と、前記発光層に光学的に結合したフォトニック結晶層と、を備え、前記フォトニック結晶層の厚み方向に沿ってレーザ光を出射することができる。フォトニック結晶層は、一般には、その厚み方向に沿った埋込領域を、元の半導体層内に周期的に分散させており、埋込領域の屈折率が周囲の半導体層の屈折率とは異なるものである。この構造の場合、発光層に光学的にフォトニック結晶層を結合させると、埋込領域の存在により、レーザ光が厚み方向およびフォトニック結晶層に沿った方向に発振して、フォトニック結晶層の厚み方向に沿った出射光を利用することができる。
この構造によれば、上述のように、フォトニック結晶層の厚み方向に出射するレーザ光の位相は、光路長制御素子によって、制御することができるため、複数のレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。
本発明の半導体レーザ装置によれば、レーザビームパターンを変化させることができる。
以下、実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、第１実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図（図１（Ａ））、正面図（図１（Ｂ））である。
設置台１０上に、複数の半導体レーザ素子ＬＤが配置されている。半導体レーザ素子ＬＤの厚み方向をＺ軸方向とし、これに垂直な２方向をそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向とする。複数の半導体レーザ素子ＬＤは、Ｘ軸に沿って配置されている。半導体レーザ素子ＬＤが、端面発光型である場合には、その共振長はＹ軸方向であり、レーザ光はＹ軸の正方向に沿って出射される。半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザ光は、末広がりのテーパー導波路ＴＰに入力される。テーパー導波路ＴＰ内には、二次元回折格子が形成されており、入射したレーザ光をＺ軸方向に曲げて出射する機能を有する。このような回折格子としては、種々の形状が知られている。例えば、波長程度の周期でストライプ或いは扇型に周期構造を設けることで、これらは２次の回折格子として動作し、入射したレーザ光がＺ方向に曲げられる。また、波長程度の周期で２次元的に例えば正方格子状に真円などの孔形状を配列することによっても、入射したレーザ光はＺ方向に曲げられる。複数のテーパー導波路ＴＰの長手方向（Ｙ軸）は、同一の向きである。
テーパー導波路ＴＰから出射されたレーザ光ＬＢは、Ｚ軸方向に進行する。レーザ光ＬＢの波面ＷＶ２１，ＷＶ２２の位相は、テーパー導波路ＴＰ内の波面ＷＶの位相に依存する。テーパー導波路ＴＰ内の波面ＷＶの位相を調整するには、半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザ光の位相を調整すればよい。この位相を調整することにより、複数のテーパー導波路ＴＰから出射されたレーザ光から構成される波面ＷＶ２１を、Ｘ軸に平行にしたり、波面ＷＶ２２で示されるように、Ｘ軸から傾斜させることが可能である。
半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザ光の位相を制御するため、隣接する半導体レーザ素子ＬＤの間には、光路長制御素子Ｃが配置されている。詳細には、隣接する半導体レーザ素子ＬＤの半導体発光部間に、光路長制御素子Ｃが配置されている。隣接する半導体レーザ素子ＬＤの半導体発光部間の離間距離は、レーザ光の数波長以内の距離であり、半導体発光部は、図１（Ｂ）の矢印Ｐで示されるように、光学的に結合している。この離間距離は、エバネッセント場が形成される距離に設定することもできる。光路長制御素子Ｃは、隣接する半導体発光部間の光路長を制御する素子である。
図２は、隣接する半導体レーザ素子群（発光部群）を示す図である。
レーザ素子ＬＤは、活性層４を含んでおり、活性層４を含む半導体発光部から、Ｙ軸の正方向に向けてレーザ光が出射される。光路長制御素子Ｃは、隣接する半導体発光部間に配置されている。隣接する半導体発光部は、光学的に結合しているので、光路長制御素子Ｃをこれらの間に配置することにより、半導体発光部間の光路長を容易に制御することができる。半導体発光部間の誘電率や物理的な距離を変化させれば光路長は変化するため、光路長制御素子Ｃの構造としては、種々のものが考えられる。誘電部材を移動させる構造、液晶の誘電率を制御する構造、メタマテリアルを用いた構造、圧電素子を用いた構造、電気光学結晶を用いた構造などが考えられる。
以上のように、上述の半導体レーザ装置は、それぞれがレーザ光を出力し、互いに光学的に結合可能な距離で離間して配列した複数の半導体発光部（半導体レーザ素子ＬＤ）と、隣接する半導体発光部間の光路長を制御する光路長制御素子Ｃとを備えている。光路長制御素子Ｃによって、半導体発光部間の光路長を制御すると、各半導体発光部から出射されるレーザ光の位相が変化し、複数の半導体発光部から出射されるレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。
図３は、単一の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。
このレーザ素子ＬＤは、レーザ光を発生する活性層４と、活性層４を挟む上部クラッド層７及び下部クラッド層２と、これらの間に設けられ活性層４を挟む光ガイド層３，５を備えている。詳説すれば、半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、上部クラッド層７、コンタクト層８が順次積層されており、半導体基板１の下面には第１電極Ｅ１が設けられ、コンタクト層８の上面には第２電極Ｅ２が設けられている。コンタクト層８の表面には、ＳｉＮｘ又はＳｉＯ２などの絶縁膜９が形成されている。
第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。
活性層４の近傍には、これに光学的に結合する回折格子２ａが設けられることとしてもよい。回折格子２ａが形成された場合には、半導体レーザ素子は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザとして機能し、形成されない場合にはファブリペロー型（ＦＰ）レーザとして機能する。なお、この半導体レーザ素子は、結合型単一モードリッジ型レーザとすることができる。Ｙ軸方向がレーザ光の共振長方向であるため、下部電極Ｅ１は、半導体基板１の全面に設けることとし、上部電極Ｅ２はＹ軸に沿って設けることとした。上部電極Ｅ２の直下の活性層４の周囲が発光する。半導体発光部は、活性層４と回折格子２ａを含むものとする。回折格子２ａは、本例では、下部クラッド層２の上面に、これと同一の材料で形成することとするが、回折格子は、上部クラッド層７の下面や活性層４の内部に形成することも可能である。
半導体レーザ素子ＬＤの材料の一例として、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層８がＧａＡｓからなる。
なお、各層には、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３）、半導体基板１をＮ型、下部クラッド層２をＮ型、下部光ガイド層３をＩ型、活性層４をＩ型、上部光ガイド層５の下層をＰ又はＩ型、上層をＩ型、上部クラッド層７をＰ型、コンタクト層８をＰ型とすることができる。なお、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０１６／ｃｍ３以下である。
また、例えば、半導体基板１の厚みを１５０μｍ（８０μｍ〜３５０μｍ）、下部クラッド層２の厚みを２×１０３ｎｍ（１×１０３ｎｍ〜３×１０３ｎｍ）、下部光ガイド層３の厚みを１５０ｎｍ（０〜３００ｎｍ）、活性層４の厚みを３０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上部光ガイド層５の下層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜３００ｎｍ）、上部クラッド層７の厚みを２×１０３ｎｍ（１×１０３ｎｍ〜３×１０３ｎｍ）、コンタクト層８の厚みを２００ｎｍ（５０ｎｍ〜５００ｎｍ）とすることができる。なお、括弧内は好適値である。
また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層のＡｌ組成比は、光ガイド層のＡｌ組成比よりも大きく、光ガイド層のＡｌ組成比は、活性層の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）と同等か大きい。クラッド層のＡｌ組成比は０．２〜０．４に設定され、本例では０．３とする。光ガイド層及び活性層における障壁層のＡｌ組成比は０．１〜０．１５に設定され、本例では０．１とする。なお、ガイド層には電子の活性層からのリークを抑制するために、第２導電型(ｐ型)クラッド層との間にクラッド層と同等のＡｌ組成で１０〜１００ｎｍ程度の層を挿入しても良い。
上述のテーパー導波路の配置や形状は、様々な変形をすることができる。以下、テーパー導波路を変形した実施形態について説明する。
図４は、第２実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。
第１実施形態では、テーパー導波路ＴＰのＸＹ平面内における重心位置をＸ軸上に整列させた例について説明したが、本形態では、テーパー導波路ＴＰのＸＹ平面内における重心位置をＸ軸に沿って千鳥状に配置したものである。テーパー導波路ＴＰの形状は台形であるが、扇型であってもよい。その他の構造及び作用は第１実施形態と同様であり、この構造の場合も、テーパー導波路ＴＰからＺ軸方向に出射されるレーザ光ＬＢの位相は、光路長制御素子Ｃによって制御することができ、所望のレーザビームパターンを得ることができる。
図５は、第３実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。
本例では、第１実施形態と比較して、複数のテーパー導波路ＴＰの長手方向の向きが異なることとしたものである。その他の構造及び作用は第１実施形態と同様であり、この構造の場合も、テーパー導波路ＴＰからＺ軸方向に出射されるレーザ光ＬＢの位相は、光路長制御素子Ｃによって制御することができ、所望のレーザビームパターンを得ることができる。
図６は、第４実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。
この例は、複数の半導体レーザ素子のそれぞれに結合する複数のテーパー導波路ＴＰが、重畳した形状を有している。重なり合うテーパー導波路ＴＰの境界線はない。図の如く各テーパー導波路ＴＰの形状を台形と仮定した場合に、全てテーパー導波路ＴＰが重複する領域Ｒには、二次元回折格子が形成されており、この領域において、レーザ光がＺ軸方向に曲げられる。その他の構造及び作用は第１実施形態と同様であり、この構造の場合も、テーパー導波路ＴＰからＺ軸方向に出射されるレーザ光ＬＢの位相は、光路長制御素子Ｃによって制御することができ、所望のレーザビームパターンを得ることができる。
図７は、第５実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。
この実施形態では、第１実施形態と比較して、テーパー導波路を取り除き、半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザ光の経路上に、二次元の回折格子Ｒ２を配置したものである。回折格子Ｒ２では、Ｘ軸に平行な第１屈折率の領域と、第２屈折率領域が、Ｙ軸に沿って交互に並んでいる。この回折格子Ｒ２の領域において、レーザ光がＺ軸方向に曲げられる。その他の構造及び作用は第１実施形態と同様であり、この構造の場合も、回折格子Ｒ２からＺ軸方向に出射されるレーザ光ＬＢの位相は、光路長制御素子Ｃによって制御することができ、所望のレーザビームパターンを得ることができる。
図８は、第６実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。
この実施形態では、第５実施形態と比較して、二次元の回折格子Ｒ２の向きが異なるものである。回折格子Ｒ２では、Ｘ軸に対して傾斜した第１屈折率の領域と、第２屈折率領域が、これらの長手方向に垂直な方向に沿って交互に並んでいる。この回折格子Ｒ２の領域において、レーザ光がＺ軸方向に曲げられる。その他の構造及び作用は第１実施形態と同様であり、この構造の場合も、回折格子Ｒ２からＺ軸方向に出射されるレーザ光ＬＢの位相は、光路長制御素子Ｃによって制御することができ、所望のレーザビームパターンを得ることができる。
次に、面発光型の半導体レーザ素子を用いた例について説明する。
図９は、第７実施形態（面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図（図９（Ａ））、光路長制御素子を用いない場合の装置の正面図（図９（Ｂ））、光路長制御素子Ｃを用いた場合の正面図（図９（Ｃ））である。
設置台１０上に、複数の半導体レーザ素子ＬＤが配置されている。半導体レーザ素子ＬＤの厚み方向をＺ軸方向とし、これに垂直な２方向をそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向とする。複数の半導体レーザ素子ＬＤは、Ｘ軸に沿って配置されている。半導体レーザ素子ＬＤは、面発光型であり、レーザ光の出射方向はＺ軸の正方向である。半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザ光は、Ｚ軸方向に進行するが、上述の光路長制御素子Ｃが存在しない場合、レーザ光ＬＢの波面ＷＶの位相は一致していない（図９（Ｂ）参照）。
一方、半導体レーザ素子ＬＤ間に、光路長制御素子Ｃが存在する場合、レーザ光ＬＢの波面の位相を制御することができる。波面ＷＶの位相を調整するには、半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザ光の位相を調整すればよい。この位相を調整することにより、レーザ光全体の波面ＷＶ２１をＸ軸に平行にしたり、波面ＷＶ２２で示されるように、Ｘ軸から傾斜させることが可能である。
半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザ光の位相を制御するため、隣接する半導体レーザ素子ＬＤの間には、光路長制御素子Ｃが配置されている。詳細には、隣接する半導体レーザ素子ＬＤの半導体発光部間に、光路長制御素子Ｃが配置されている。隣接する半導体レーザ素子ＬＤの半導体発光部間の離間距離は、レーザ光の数波長以内の距離であり、半導体発光部は、図９（Ｃ）の矢印Ｐで示されるように、光学的に結合している。この離間距離は、エバネッセント場が形成される距離に設定することもできる。光路長制御素子Ｃは、隣接する半導体発光部間の光路長を制御する素子である。
図１０は、隣接する半導体レーザ素子群（発光部群）を示す図である。
レーザ素子ＬＤは、活性層４及びフォトニック結晶層６を含んでおり、活性層４及びフォトニック結晶層６を含む半導体発光部から、Ｚ軸の正方向に向けてレーザ光が出射される。光路長制御素子Ｃは、隣接する半導体発光部間に配置されている。隣接する半導体発光部は、光学的に結合しているので、光路長制御素子Ｃをこれらの間に配置することにより、半導体発光部間の光路長を容易に制御することができる。半導体発光部間の誘電率や物理的な距離を変化させれば光路長は変化するため、光路長制御素子Ｃの構造としては、種々のものが考えられる。誘電部材を移動させる構造、液晶の誘電率を制御する構造、メタマテリアルを用いた構造、圧電素子を用いた構造、電気光学結晶を用いた構造などが考えられる。
以上のように、上述の半導体レーザ装置は、それぞれがレーザ光を出力し、互いに光学的に結合可能な距離で離間して配列した複数の半導体発光部（半導体レーザ素子ＬＤ）と、隣接する半導体発光部間の光路長を制御する光路長制御素子Ｃとを備えている。光路長制御素子Ｃによって、半導体発光部間の光路長を制御すると、各半導体発光部から出射されるレーザ光の位相が変化し、複数の半導体発光部から出射されるレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。
図１１は、単一の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。
説明の都合上、半導体レーザ素子ＬＤの向きは反転して示してある。このレーザ素子ＬＤは、レーザ光を発生する活性層４と、活性層４を挟む上部クラッド層７及び下部クラッド層２と、これらの間に設けられ活性層４を挟む光ガイド層３，５を備えている。詳説すれば、半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、フォトニック結晶層６、上部クラッド層７、コンタクト層８が順次積層されており、半導体基板１の下面には第１電極Ｅ１が設けられ、コンタクト層８の上面には第２電極Ｅ２が設けられている。コンタクト層８の表面には、ＳｉＮｘ又はＳｉＯ２などの絶縁膜９が形成され、半導体基板１の下面には、反射防止膜Ｍが形成されている。
第１電極Ｅ１は、中央部に開口を有する開口電極であり、第１電極Ｅ１の開口内及び周辺には、反射防止膜Ｍが設けられている。反射防止膜Ｍは、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの誘電体層群から選択される２種類以上の誘電体層を適当に積層した膜を用いることができる。例えば、波長λの光に対する光学膜厚で、λ/4の厚さの膜を積層する。なお、反射膜や反射防止膜は、スパッタ法を用いて形成することができる。
フォトニック結晶層６は、基本層６Ａと、基本層６Ａ内に周期的に埋め込まれ、これと異なる屈折率を有する異屈折率領域６Ｂとからなる。
第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。
活性層４の近傍には、これに光学的に結合するフォトニック結晶層６が設けられている。本例では、上部クラッド層７と上部光ガイド層５との間に、フォトニック結晶層６が設けられているが、これは下部クラッド層２と下部光ガイド層３との間に設けることとしてもよい。また、本例では、下面の電極Ｅ１が開口を有することとしているが、これは全面電極として、上部電極Ｅ２を透明電極や小さな電極或いは開口電極とし、上部からレーザ光を出射する構造としてもよい。
半導体レーザ素子ＬＤの材料の一例として、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層８がＧａＡｓからなる。フォトニック結晶層（位相変調層、屈折率変調層）６は基本層６ＡがＧａＡｓ、基本層６Ａ内に埋め込まれた異屈折率領域（埋込層）６ＢがＡｌＧａＡｓからなる。
なお、各層には、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３）、半導体基板１をＮ型、下部クラッド層２をＮ型、下部光ガイド層３をＩ型、活性層４をＩ型、上部光ガイド層５の下層をＰ又はＩ型、上層をＩ型、フォトニック結晶層６をＩ型、上部クラッド層７をＰ型、コンタクト層８をＰ型とすることができる。なお、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０１６／ｃｍ３以下である。
また、例えば、半導体基板１の厚みを１５０μｍ（８０μｍ〜３５０μｍ）、下部クラッド層２の厚みを２×１０３ｎｍ（１×１０３ｎｍ〜３×１０３ｎｍ）、下部光ガイド層３の厚みを１５０ｎｍ（０〜３００ｎｍ）、活性層４の厚みを３０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上部光ガイド層５の下層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜３００ｎｍ）、フォトニック結晶層６の厚みを１００ｎｍ（５０ｎｍ〜３００ｎｍ）、上部クラッド層７の厚みを２×１０３ｎｍ（１×１０３ｎｍ〜３×１０３ｎｍ）、コンタクト層８の厚みを２００ｎｍ（５０ｎｍ〜５００ｎｍ）とすることができる。なお、括弧内は好適値である。
また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層のＡｌ組成比は、光ガイド層のＡｌ組成比よりも大きく、光ガイド層のＡｌ組成比は、活性層の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）と同等か大きい。クラッド層のＡｌ組成比は０．２〜０．４に設定され、本例では０．３とする。光ガイド層及び活性層における障壁層のＡｌ組成比は０．１〜０．１５に設定され、本例では０．１とする。なお、ガイド層には電子の活性層からのリークを抑制するために、第２導電型(ｐ型)クラッド層との間にクラッド層と同等のＡｌ組成で１０〜１００ｎｍ程度の層を挿入しても良い。
なお、フォトニック結晶層６における柱状の異屈折率領域を空隙とし、空気、窒素又はアルゴン等の気体が封入されてもよい。また、フォトニック結晶層６においては、ＸＹ平面内における正方格子又は三角格子の格子点位置に異屈折率領域６Ｂが配置されている。この正方格子における縦及び横の格子線の間隔は、レーザ光の波長を等価屈折率で除算した程度であり、具体的には３００ｎｍ程度に設定されることが好ましい。正方格子の格子点位置でなく、三角格子における格子点位置に異屈折率領域を配置することもできる。三角格子の場合の横及び斜めの格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算し、さらにＳｉｎ６０°で除算した程度であり、具体的には３５０ｎｍ程度に設定されることが好ましい。
なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ１＝ａｘ、ａ２＝ａｙであり、並進ベクトルａ１、ａ２に対する逆格子基本ベクトルｂ１＝（２π／ａｘ）、ｂ２＝（２π／ａｙ）である。フォトニック結晶のエネルギーバンドギャップにおける波数ベクトルｋ＝ｎｂ１＋ｍｂ２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、波数ｋがΓ点となり、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（ＸＹ平面内における定在波）が得られる。
次に、上述の光路長制御素子Ｃについて説明する。なお、上述の半導体発光部は、符号ＬＧで示すものとする。
以上のように、上述の面発光型の半導体レーザ素子においては、半導体発光部は、発光層４と、発光層４に光学的に結合したフォトニック結晶層６とを備えており、フォトニック結晶層６の厚み方向に沿ってレーザ光を出射することができる。フォトニック結晶層６は、その厚み方向に沿った埋込領域（異屈折率領域）を、元の半導体層（基本層）内に周期的に分散させており、埋込領域の屈折率が周囲の半導体層の屈折率とは異なる。この構造の場合、発光層４に光学的にフォトニック結晶層６を結合させると、埋込領域の存在により、レーザ光が厚み方向に発振して、フォトニック結晶層６の厚み方向に沿って出射することができる。
この構造によれば、上述のように、フォトニック結晶層６の厚み方向に出射するレーザ光の位相は、光路長制御素子Ｃによって、制御することができるため、複数のレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。
図１２は、半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。
当該縦断面構成は、上述のいずれの実施形態の半導体レーザ装置にも適用することができる。この半導体レーザ装置は、それぞれがレーザ光を出力し、互いに光学的に結合可能な距離で離間して配列した複数の半導体発光部ＬＧと、隣接する半導体発光部ＬＧ間の光路長を制御する光路長制御素子Ｃとを備えている。光路長制御素子Ｃは、誘電部材Ｃ１と、誘電部材Ｃ１を移動させる移動素子Ｃ２とを備えている。
誘電部材Ｃ１はガラスや樹脂などの誘電体材料、または、後述するメタマテリアルからなり、移動素子Ｃ２は微小なアクチュエータからなる。このようなアクチュエータとしては、圧電素子からなるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）や、電磁石によって引き合う力が弾性力に抗するように弾性体の両端に電磁石を設けたＭＥＭＳなどが挙げられる。圧電素子に電圧を印加すると、電圧に応じて伸縮をするため移動素子として機能し、電磁石に電流を与えた場合には弾性体が縮小するため移動素子として機能する。
移動素子Ｃ２は、設置台１０に設けられ、Ｚ軸方向に延びた孔内に配置され、移動素子Ｃ２の一端を孔の底面に固定し、他方端を誘電部材Ｃ１に固定しておく。これにより、移動素子Ｃ２がＺ軸方向に移動した場合に、誘電部材Ｃ１をＺ軸方向に移動させることができる。
光路長は、屈折率と実際の距離の積で与えられる。透磁率が１である通常の媒質に対しては、可視光では誘電率は屈折率の２乗で与えられ、その他の波長の場合にも、誘電率と屈折率との間には、これに準じた関係がある。したがって、半導体発光部ＬＧ間の光伝播経路Ｐにおける誘電率を変化させれば、光路長を変化させることができる。すなわち、光路長を規定する空間内に誘電部材Ｃ１が配置される度合によって、光路長を変化させることができる。移動素子Ｃ２によって、誘電部材Ｃ１が完全に半導体発光部ＬＧ間の空間に移動した場合には、誘電部材Ｃ１の誘電率に依存して光路長が決定され、移動素子Ｃ２によって、誘電部材Ｃ１が半導体発光部ＬＧ間の空間内から除外された場合には、当該空間の誘電率（空気や希ガスなどの空間内気体の誘電率）によって、光路長が決定される。
図１３は、半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。
この光路長制御素子Ｃは、一対の電極ＥＡ，ＥＢと、電極ＥＡ，ＥＢ間に配置された液晶ＬＣとを備えている。液晶ＬＣは適当な絶縁性の容器内に保持されている。ＸＺ平面内においては、当該容器の上部は絶縁層ＤＡを構成し、下部は絶縁層ＤＢを構成している。一対の電極間ＥＡ，ＥＢに印加する電圧によって、液晶ＬＣの結晶構造が変化し、したがって、その誘電率が変化する。代表的な液晶としては、ネマチック液晶が知られている。詳説すれば、液晶ＬＣを構成する分子の誘電率は、分子の縦軸方向と横軸方向で誘電率が異なるため、電圧の印加により、特定の向きに分子が配向した場合と、ランダムに分子が分散している場合とでは、光伝播方向の誘電率、すなわち、屈折率は異が異なり、電圧の大きさに依存して、光路長が変化させることができる。
また、光路長制御素子Ｃ或いは上記誘電部材Ｃ１は、メタマテリアルを備えることができる。人工構造体であるメタマテリアルは、誘電体層の両面を金属層で挟んだ積層構造の厚み方向（Ｚ軸方向）に複数の貫通孔を形成してなる。光路長制御素子Ｃは、このメタマテリアルと、それぞれの貫通孔の両端に設けられた一対の電極と、これらの電極間の貫通孔内に設けられた液晶とを備えることができる。貫通孔の平面形状としては、円形や楕円形の他、三角形、菱型、或いは平行四辺形などの四角形、又は、五角形などの多角形等が挙げられる。メタマテリアルは複数の開口を備えているため、多くのメタマテリアルは、フィッシュネット型の構造ともよばれる。貫通孔の両端は、ガラス等の一対の窓材で封止された後、窓材の外側に前述の一対の電極を配置する。電極の配置位置は、図１３の電極ＥＡ，ＥＢの位置である。メタマテリアルは、光の波長よりも小さな構造体を有する人工材料で、例えば、前記貫通孔を１つ以上、有する。したがって、前記電極ＥＡとＥＢに印加する電圧によって、液晶ＬＣの結晶構造を変化させ、メタマテリアルの屈折率（誘電率）を変化させる事により、この誘電率を制御し、光路長を変化させることができる。
図１４は、半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。
この光路長制御素子Ｃは、隣接する半導体発光部ＬＧを光学的に結合させる電気光学結晶ＥＯと、電気光学結晶ＥＯに電圧を印加する一対の電極ＥＡ，ＥＢ（電圧印加手段）と、を備えている。電極ＥＡ，ＥＢに電圧を与えることにより、電気光学結晶に電圧が印加されると、結晶内部に電界が発生する。電気光学結晶の屈折率は、電界に比例して変化する（一次電気光学効果）ため、半導体発光部間の電気光学結晶内を伝播する光の光路長を変化させることができる。
電気光学結晶ＥＯとしては、ＢＢＯ（βＢａＢ２Ｏ４）、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、Ｆｅ添加ＬｉＮｂＯ３、又はＺｎＯ添加ＬｉＮｂＯ３などの結晶が知られている。
電気光学結晶の形状及び寸法は、結合導波路（ＭＭＩ：多モード干渉導波路）の形状及び寸法に設定することができる。
図１５は、半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。
光路長制御素子Ｃは、それぞれの半導体発光部ＬＧを移動させ、前記半導体発光部間の相対位置を変化させる圧電素子とすることができる。本例ではＺ軸方向に移動させる例が示されるが、Ｙ軸方向に移動させる構造とすることも可能である。個々の半導体発光部ＬＧ自身を移動させた場合、２つの効果が生じる。１つの効果は、半導体発光部ＬＧの物理的な位置が移動することにより、所望のレーザビームパターンの形成位置までのレーザ光の光路長、すなわち、この形成位置におけるレーザ光の位相が変化する。もう１つの効果は、隣接する半導体発光部ＬＧは、光学的に結合しているので、半導体発光部ＬＧの移動により、光伝播経路Ｐで示される半導体発光部ＬＧ間の光路長が変化する。これら２つの効果は同時に生じるが、いずれの効果も、レーザビームパターン形成位置でのレーザ光の位相を変化させており、光路長制御素子Ｃを制御することにより、複数の半導体発光部ＬＧから出射されるレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。
また、半導体発光部ＬＧは、発光層と、前記発光層に光学的に結合した回折格子と、を備え、前記発光層の厚み方向に垂直な方向に沿って共振が生じ、前記発光層の端面からレーザ光を出射することができる。発光層に光学的に回折格子を結合させると、半導体レーザ素子の共振器内部に回折格子を形成することになり、この回折格子により特定波長のみを選択的に強め合う分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを構成することができる。ＤＦＢレーザでは、単一波長のレーザ光を出射することができる。なお、回折格子を、活性層内部に形成することもできる。
この構造によれば、上述のように、半導体発光部の端面から出射させるレーザ光の位相は、光路長制御素子によって、制御することができるため、複数のレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。
なお、上述の例では、３又は４つの半導体レーザ素子が配列した例を示したが、これは５以上の半導体レーザ素子が配列していてもよい。
最後に、上述の半導体レーザ素子について簡単に説明する。
半導体レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる。半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。ＡｌＧａＡｓを用いたレーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃〜８５０℃であって、実験では５５０〜７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ3（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ2Ｈ6（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いる。ＡｌＧａＡｓの成長においては、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシンを用い、ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンを用いるが、ＴＭＡは用いない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造する。絶縁膜の形成は、その構成物質を原料としてターゲットをスパッタして形成すればよい。
すなわち、図１１の半導体レーザ素子は、まず、Ｎ型の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）４、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）５、フォトニック結晶層となる基本層（ＧａＡｓ）６Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。次に、エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法により、ＳｉＮ層を基本層６Ａ上に形成し、次に、レジストを、ＳｉＮ層上に形成する。更に、レジストを露光・現像し、レジストをマスクとしてＳｉＮ層をエッチングし、ＳｉＮ層を一部残留させて、アライメントマークを形成する。残ったレジストは除去する。
次に、基本層６Ａに別のレジストを塗布し、アライメントマークを基準とし、レジスト上に電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に２次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより１００〜３００ｎｍ程度の深さを持つ２次元微細パターンを基本層６Ａ上に転写し、孔（穴）を形成し、レジストを除去する。孔の深さは、１００ｎｍである。この孔の中に、異屈折率領域６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）となる化合物半導体を孔の深さ以上に再成長させる。次に、上部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）７、コンタクト層（ＧａＡｓ）８を順次ＭＯＣＶＤで形成し、適当な電極材料を蒸着法又はスパッタ法で基板の上下面に形成して第１及び第２電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をスパッタ法等で形成することができる。
フォトニック結晶層を活性層の下部に備える場合には、活性層及び下部光ガイド層の形成前に、下部クラッド層上にフォトニック結晶層を形成すればよく、フォトニック結晶層を備えない図３の半導体レーザ素子を製造する場合は、この製造工程を省略すればよい。なお、図３の半導体レーザでは、下部クラッド層上にＤＦＢ用の回折格子２ａを有しており、これは下部クラッド層の形成後にフォトリソグラフィ―技術によって所望パターンのマスクを形成し、当該マスク上に回折格子２ａを成長させ、しかる後、光ガイド層３を形成すればよい。
以上、説明したように、動的に位相が変化する光路長制御素子（位相シフト部）を介して、多数の半導体レーザ素子をコヒーレントに結合させることで、より多彩なビームパターンを動的に変化させることが可能となる。
ＬＧ…半導体発光部、Ｃ…光路長制御素子。
Claims (9)
- それぞれがレーザ光を出力し、互いに光学的に結合可能な距離で離間して配列した複数の半導体発光部と、
隣接する前記半導体発光部間の光路長を制御する光路長制御素子と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記光路長制御素子は、隣接する前記半導体発光部間に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 前記光路長制御素子は、
誘電部材と、
前記誘電部材を移動させる移動素子と、
を備えていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。 - 前記光路長制御素子は、
一対の電極と、
前記電極間に配置された液晶と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。 - 前記光路長制御素子は、
誘電体層の両面を金属層で挟んだ積層構造の厚み方向に複数の貫通孔を形成してなるメタマテリアルと、
それぞれの前記貫通孔の両端に設けられた一対の電極と、
前記電極間の前記貫通孔内に設けられた液晶と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。 - 前記光路長制御素子は、
隣接する前記半導体発光部を光学的に結合させる電気光学結晶と、
前記電気光学結晶に電圧を印加する電圧印加手段と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。 - 前記光路長制御素子は、それぞれの前記半導体発光部を移動させ、前記半導体発光部間の相対位置を変化させる圧電素子である、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。 - 前記半導体発光部は、
発光層と、
前記発光層に光学的に結合した回折格子と、
を備え、
前記発光層の厚み方向に垂直な方向に沿って共振が生じ、前記発光層の端面からレーザ光が出射される、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。 - 前記半導体発光部は、
発光層と、
前記発光層に光学的に結合したフォトニック結晶層と、
を備え、
前記フォトニック結晶層の厚み方向に沿ってレーザ光が出射される、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
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