JP2015023180A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電力変換効率の高い半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に積層された第１導電型クラッド層と、この第１導電型クラッド層上に積層された第１光ガイド層と、この第１光ガイド層上に積層された活性層と、この活性層上に積層された第２光ガイド層と、この第２光ガイド層上に積層された第２導電型クラッド層と、を備える。この半導体レーザ装置は、結晶成長方向に１次モード以上の高次モードを許容し、第１光ガイド層の層厚は第２光ガイド層の層厚よりも厚い。第１導電型クラッド層と第１光ガイド層の間に、第１導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第１導電型低屈折率層を備える。第２光ガイド層の屈折率は、第１光ガイド層の屈折率よりも高い。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。
従来、例えば下記の特許文献１、２に開示されているように、光強度分布や光閉じ込め率などの各種光学特性を改善した半導体レーザ装置が知られている。
特開平１１−２３３８８２号公報には、導電型クラッド層と光ガイド層の間に導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層を挿入した半導体レーザ装置が示されている。これにより、結晶成長方向の光強度分布を拡げ、その結果遠視野像（ＦＦＰ）を狭くすることができる。
特開２００２−９４１８８号公報には、ｐ側光ガイド層の屈折率をｎ側光ガイド層の屈折率を高くすることで、活性層への光閉じ込め率を高めた半導体レーザ装置が示されている。
特開２００２−９４１８８号公報 特開平１１−２３３８８２号公報
M. Alam and M. Lundstrom、"Simple Analysis of Carrier Transport and Buildup in Separate Confinement Heterosturucture Quantum Well Lasers"、IEEE、 Photonics Tecnol. Lett.、 Vol. 6、 No. 12、 pp. 1418-1420、 1994 伊賀健一編著、"半導体レーザ"、ｐｐ．３５−３８、平成６年１０月２５日（オーム社） 川上彰二郎著、"光導波路"、ｐｐ．１８−２５、１９８０年９月２０日（朝倉書店）
しかしながら、従来の半導体レーザ装置では、しきい値電流低減とスロープ効率向上の両立を図って電力変換効率を高めることが困難であった。そこで、本願発明者は、結晶成長方向に１次モード以上の高次モードを許容する半導体レーザ装置において鋭意研究を進めたところ、しきい値電流低減とスロープ効率向上を両立できる半導体レーザ装置を見出すにいたった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電力変換効率の高い半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
本発明にかかる半導体レーザ装置は、
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に積層された第１光ガイド層と、
前記第１光ガイド層上に積層された活性層と、
前記活性層上に積層された第２光ガイド層と、
前記第２光ガイド層上に積層された第２導電型クラッド層と、
を備え、
結晶成長方向に１次モード以上の高次モードを許容し、
前記第１光ガイド層の層厚は前記第２光ガイド層の層厚よりも厚く、
前記第１導電型クラッド層と前記第１光ガイド層の間に、前記第１導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第１導電型低屈折率層を備え、
前記第２光ガイド層の屈折率は前記第１光ガイド層の屈折率よりも高いことを特徴とする。
本発明によれば、電力変換効率の高い半導体レーザ装置が提供される。
本発明の実施の形態１の前提となる低屈折率層を挿入することで半導体レーザ装置に生ずる作用効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態１の前提となる構造を備えた半導体レーザ装置における特性を示す図である。 本発明の実施の形態１の前提となる構造を備えた半導体レーザ装置における特性を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置を示す断面図である。 図４の構造における基本モードの光閉じ込め率の活性層位置依存性を、ｎ型低屈折率層の層厚ｔｌをパラメータとして示した図である。 本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体レーザ装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体レーザ装置の特性を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体レーザ装置を示す断面図である。 図８の構造における基本モードの光閉じ込め率の活性層位置依存性を、ｎ型低屈折率層の層厚ｔｌをパラメータとして示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる半導体レーザ装置を示す断面図である。 図１０の構造における基本モードの光閉じ込め率の活性層位置依存性を、ｎ型低屈折率層の層厚ｔｌをパラメータとして示す図である。 従来の半導体レーザ装置を示す断面図である。 従来の半導体レーザ装置の特性を示す図である。 半導体レーザ装置の光ガイド層内に滞留するキャリア分布及び光強度分布を示す図である。
本願発明者による考察．
以下、図１２〜図１４を用いて、本発明者による従来技術（特に特開平１１−２３３８８２号公報および特開２００２−９４１８８号公報）に対する考察を説明する。
特開平１１−２３３８８２号公報には、第１導電型クラッド層と第１光ガイド層の間に第１導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第１低屈折率層を挿入した半導体レーザ装置が記載されている。これにより、結晶成長方向の光強度分布を拡げ、その結果遠視野像（ＦＦＰ）を狭くしている。
図１２は、この特開平１１−２３３８８２号公報の記載事項について本願発明者が考察した構造を示す図である。
図１２において、半導体レーザ装置ＬＤ０は、ｎ型電極１０１およびｎ型ＧａＡｓ基板１０２を備えている。ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上には、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３と、ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０４と、ｎ側ＡｌＧａＡｓバリア層１０５と、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層１０６と、ＡｌＧａＡｓバリア層１０７と、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層１０８と、ｐ側ＡｌＧａＡｓバリア層１０９と、ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１１０と、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１１と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１２と、ｐ型電極１１３と、が順次積層されている。
ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３とｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０４の間には、Ａｌ組成比０．５０、層厚ｔｌのｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１１４が設けられている。ｔｌはパラメータである。
ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３は、Ａｌ組成比０．２５０、層厚１．５μｍである。ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０４は、Ａｌ組成比０．１８３、層厚５０ｎｎである。ｎ側ＡｌＧａＡｓバリア層１０５は、Ａｌ組成比０．１００、層厚１０ｎｍである。
ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層１０６は、Ｉｎ組成比０．１３８、層厚８ｎｍである。ＡｌＧａＡｓバリア層１０７は、Ａｌ組成比０．１００、層厚３ｎｍである。ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層１０８は、Ｉｎ組成比０．１３８、層厚８ｎｍである。ｐ側ＡｌＧａＡｓバリア層１０９は、Ａｌ組成比０．１００、層厚１０ｎｍである。
ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１１０は、Ａｌ組成比０．１８３、層厚５０ｎｍである。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１１は、Ａｌ組成比０．２５０、層厚１．５μｍである。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１２は、層厚０．２μｍである。
ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層１０６、１０８から発振する光の波長は９８０ｎｍである。
図１２にｘｙｚ座標軸を示しているが、ｙ軸は半導体レーザ装置ＬＤ０の結晶成長方向と平行な軸であり、ｘ軸は各半導体層の面方向と平行な軸であり、ｚ軸はレーザ光の出射方向と平行な軸である。図１２の紙面手前側および紙面奥側に、半導体レーザ装置ＬＤ０の共振器端面が設けられており、ｚ軸は共振器長方向でもある。
図１３（ａ）は、活性層への光閉じ込め率の低屈折率層の層厚依存性を示し、図１３（ｂ）は、結晶成長方向ＦＦＰの半値全角（θｙ）の低屈折率層の層厚依存性を示す。図１３（ａ）より、活性層への光閉じ込め率は、低屈折率層の層厚が増すにつれて単調に減少することが分かる。
また、図１３（ｂ）より、結晶成長方向ＦＦＰの半値全角（θｙ）も、低屈折率層の層厚が増すにつれて単調に小さくなることが分かる。これらのことは、結晶成長方向の近視野像（ＮＦＰ）である光強度分布が、低屈折率層の層厚が増すにつれて拡大することを意味するものである。
一方、特開２００２−９４１８８号公報には、ｐ側光ガイド層の屈折率をｎ側光ガイド層の屈折率を高くすることで、活性層への光閉じ込め率を高めた半導体レーザ装置が記載されている。
仮に、特開２００２−９４１８８号公報に記載の半導体レーザ装置の構成と上記特開平１１−２３３８８２号公報にかかる半導体レーザ装置の構成とを組み合わせるとする。そうすると、本願発明者の知見によれば、ＮＦＰの光強度分布が広がり、その結果光閉じ込め率が低下するという結果を招く。そればかりでなく、特開２００２−９４１８８号公報の目的のひとつである、ＦＦＰの多峰性の改善が図れなくなる。これは、特開平１１−２３３８８２号公報の開示技術がＮＦＰを拡大するものであることに起因する。
また、非特許文献１として挙げた「M. Alam and M. Lundstrom、“Simple Analysis of Carrier Transport and Buildup in Separate Confinement Heterosturucture Quantum Well Lasers”、IEEE、 Photonics Tecnol. Lett.， Vol. 6、 No. 12、 pp. 1418-1420、 1994」に示されているように、ｐ側光ガイド層内のキャリア分布の傾きは、ｎ側光ガイド層内のキャリア分布の傾きに比べてμｎ／μｐ倍大きくなる。μｎは電子の移動度であり、μｐは正孔の移動度である。
図１４は、半導体レーザ装置の光ガイド層内に滞留するキャリア分布及び光強度分布を示す図である。図１４には、活性層ＡＬを挟み込むｐ側光ガイド層ｐ−ＧＬおよびｎ側光ガイド層ｎ−ＧＬ、およびこれらを更に挟み込むｐ型クラッド層ｐ−ＣＬおよびｎ型クラッド層ｎ−ＣＬの積層構造における光強度分布およびキャリア分布がそれぞれ図示されている。
活性層ＡＬ近傍の光ガイド層において、最もキャリアが少なくなる。図１４の矢印に示すように活性層ＡＬの位置をｐ型クラッド層ｐ−ＣＬ側へ変位させると、光ガイド層内のキャリアが減少する。この違いは、図１４右側のキャリア分布のグラフにおける、活性層ＡＬ位置移動前のキャリア分布（破線）と活性層ＡＬ位置移動後のキャリア分布（実線）との比較からも理解できる。この結果、レーザ光のキャリア吸収が減りスロープ効率低下を防止することが可能となる。特に、光ガイド層が厚いとレーザ発振中に多くのキャリアが光ガイド層内に滞留するので、厚い光ガイド層を有する半導体レーザ装置では顕著となる。
但し、ＮＦＰ光強度分布のピーク位置は、ｎ側光ガイド層ｎ−ＧＬとｐ側光ガイド層ｐ−ＧＬを合わせた層厚の中央にある。このため、活性層ＡＬの位置をｐ型クラッド層ｐ−ＣＬ側へ変位させると、活性層ＡＬへの光閉じ込め率が低下し、しきい値電流の上昇を招くことになる。動作電流に対してしきい値電流の割合が小さい場合は、活性層ＡＬの位置をｐ型クラッド層ｐ−ＣＬ側へ変位させることは有効である。
仮に、上記従来の半導体レーザ装置ＬＤ０においてｎ型クラッド層とｎ側ガイド層内にｎ型クラッド層よりも屈折率の低い低屈折率層を挿入したとする。そうすると、ＮＦＰの光強度分布が結晶成長方向に拡大し、活性層への光閉じ込め率が低下して、しきい値電流の増加を招いてしまう。
また、上記従来の半導体レーザ装置ＬＤ０では、活性層位置を、総光ガイド層の中央位置からｐ型クラッド層側へ変位させるとスロープ効率向上は可能であった。しかしながら、スロープ効率向上は可能ではあってもしきい値電流の上昇を招く結果となる。ここでいう総光ガイド層の中央位置とは、総光ガイド層厚の半分の位置である。総光ガイド層厚とは、ｎ側光ガイド層の層厚とｐ側光ガイド層の層厚の和である。
このように、従来の半導体レーザ装置ＬＤ０では、しきい値電流低減とスロープ効率向上の両立を図って電力変換効率を高めることが困難であった。この点、後述する本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ装置によれば、しきい値電流低減とスロープ効率向上の両立を図って電力変換効率を高めることが可能である。
実施の形態１．
［実施の形態１にかかる低屈折率層を挿入した作用効果］
図１は、本発明の実施の形態１の前提となる低屈折率層を挿入することで半導体レーザ装置に生ずる作用効果を説明するための図である。図１は半導体レーザ装置ＬＤ１の断面図であり、半導体レーザ装置ＬＤ１は裏面にｎ型電極１が設けられたｎ型ＧａＡｓ基板２を備えている。
図１にはｘｙｚ座標軸を示しているが、ｙ軸は半導体レーザ装置ＬＤ１の結晶成長方向と平行な軸であり、ｘ軸は各半導体層の面方向と平行な軸であり、ｚ軸はレーザ光の出射方向と平行な軸である。図１の紙面手前側および紙面奥側に、半導体レーザ装置ＬＤ１の共振器端面が設けられており、ｚ軸は共振器長方向でもある。これ以降の図において半導体レーザ装置の断面図にはｘｙｚ座標軸が記載されているが、各座標軸と半導体レーザ装置との関係は上記と同様であるものとする。
ｎ型ＧａＡｓ基板２上には、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３と、ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４と、ｎ側ＡｌＧａＡｓバリア層５と、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層６と、ＡｌＧａＡｓバリア層７と、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層８と、ｐ側ＡｌＧａＡｓバリア層９と、ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０と、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２と、ＳｉＮ膜１３と、ｐ型電極１４が、この順に積層されている。
ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３とｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４の間には、ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１５が設けられている。
ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３は、Ａｌ組成比０．２５０、層厚１．５μｍである。ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４は、Ａｌ組成比０．２００、層厚ｔｇｎである。ｎ側ＡｌＧａＡｓバリア層５は、Ａｌ組成比０．１００、層厚１０ｎｍである。ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層６は、Ｉｎ組成比０．０６３、層厚８ｎｍである。
ＡｌＧａＡｓバリア層７は、Ａｌ組成比０．１００、層厚３ｎｍである。ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層８は、Ｉｎ組成比０．０６３、層厚８ｎｍである。ｐ側ＡｌＧａＡｓバリア層９は、Ａｌ組成比０．１００、層厚１０ｎｍである。ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０は、Ａｌ組成比０．２００、層厚ｔｇｐである。
ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１は、Ａｌ組成比０．２５０、層厚１．５μｍである。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２は、層厚０．２μｍである。ＳｉＮ膜１３は、層厚０．２μｍである。ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１５は、Ａｌ組成比０．３５０、層厚ｔｌ（パラメータ）である。
ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層８から出射されるレーザ光の発振波長は９１５ｎｍである。
ここで説明する構造においては、層厚ｔｇｎ＝層厚ｔｇｐ＝７００ｎｍとしている。また、例えば、前述の非特許文献２として挙げた「伊賀健一編著、半導体レーザ、ｐｐ．３５−３８」に記載された事項によれば、波長９１５ｎｍにおけるＡｌ組成比がそれぞれ０．１００、０．２００、０．２５０、０．３５０であるときのＡｌＧａＡｓ層の屈折率は、それぞれ３．４９４１２３、３．４２６０８９、３．３９３７７１及び３．３３１５０９である。更に、Ｉｎ組成比０．０６３の屈折率は３．５２８５６１である。
非特許文献３として挙げた「川上彰二郎著、光導波路、ｐｐ．１８−２５、１９８０年９月２０日、朝倉書店」の２１ページに、正規化周波数（normalized frequency）であるｖ値の説明がある。正規化周波数であるｖ値は、許容されるモード数を表すパラメータである。
このｖ値がπ／２未満のときは基本モード（０次）のみが許容される。ｖ値がπ／２以上π未満の範囲内にあるときは０次モード及び１次モードの２つのモードが許容される。ｖ値がπ以上３π／２未満の範囲内にあるときは０次モード、１次モード及び２次モードの３つのモードが許容される。ｖ値が大きくなると許容されるモード数は増える。
ｎ側ＡｌＧａＡｓバリア層５、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層６、ＡｌＧａＡｓバリア層７、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層８及びｐ側ＡｌＧａＡｓバリア層９の各屈折率は、これらを挟み込む光ガイド層よりも大きい。そこで、これらの層を光ガイド層の屈折率で代用してｖ値を求めると、そのｖ値は２．３２０となりπ／２よりも大きい。
このことは、上述したように、結晶成長（ｙ）方向に基本モード（０次）及び１次モードの２つのモードが許容されることを示している。尚、図１を用いて説明する本構造の屈折率分布において１次モード以上が許容される総光ガイド層厚は、９７４ｎｍ以上である。
図２は、本発明の実施の形態１の前提となる構造を備えた半導体レーザ装置ＬＤ１における特性を示す図である。図２（ａ）は、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層８の基本モードに関する光閉じ込め率Γのｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１５の層厚ｔｌ依存性を示す図である。
図２（ａ）によれば、低屈折率層の層厚が厚くなると、単調に光閉じ込め率が増加することが分かる。これは、図２と図１３との対比からも明らかなとおり、図１２を用いて説明した従来例にかかる半導体レーザ装置ＬＤ０と逆の傾向を示しており、ｎ型低屈折率層を設けることでＮＦＰの光強度分布が狭くなることを反映している。
また、図２（ｂ）は、結晶成長方向ＦＦＰの半値全角（θｙ）のｎ型低屈折率層の層厚依存性を示す図である。低屈折率層の層厚が増すにつれて、θｙは単調に増加し、ＦＦＰは拡大することが分かる。これもＮＦＰの光強度分布が狭くなることを示している。この点についても、図２と図１３との対比からわかるとおり、図１２で説明した従来例にかかる半導体レーザ装置ＬＤ０とは逆の傾向が生じている。
つまり、結晶成長方向に１次モード以上の高次モードが許容される半導体レーザ装置では、ｎ型低屈折率層を設けると光閉じ込め率を高めることができ、その結果しきい値電流を下げることが可能となる。
総光ガイド層厚が１０００ｎｍ以上と厚い光ガイド層を有する半導体レーザ装置であるか否かが、「結晶成長方向に１次モード以上の高次モードが許容される半導体レーザ装置」のひとつの目安となる。総光ガイド層厚とは、例えばｎ側光ガイド層の層厚とｐ側光ガイド層の層厚の和である。
なお、図１２に示す半導体レーザ装置ＬＤ０においては、ｐ側ＡｌＧａＡｓバリア層１０９、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層１０８、ＡｌＧａＡｓバリア層１０７、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層１０６、ｎ側ＡｌＧａＡｓバリア層の屈折率がＡｌ組成比０．１８３の光ガイド層と同じと近似すると、高屈折率層の層厚は１３９ｎｍとなる。この場合、ｖ値は、０．４６９７となりπ／２よりも小さいので、基本モードのみが許容されることが分かる。
また、ｐ側ＡｌＧａＡｓバリア層１０９、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層１０８、ＡｌＧａＡｓバリア層１０７、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層１０６、ｎ側ＡｌＧａＡｓバリア層の屈折率を考慮した厳密な数値解析においても、基本モードのみが許容されることが本願発明者により確認されている。
図３は、本発明の実施の形態１の前提となる構造を備えた半導体レーザ装置ＬＤ１における特性を示す図である。ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４の層厚ｔｇｎとｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０の層厚ｔｇｐの和ｔｇｎ＋ｔｇｐ＝１４００ｎｍとした場合において、基本モードの光閉じ込め率Γの活性層位置Ｐ依存性を、ｎ型低屈折率層の層厚ｔｌをパラメータとして示したものである。
破線は、ｔｌ＝０ｎｍ、つまりｎ型低屈折率層を設けないときの特性カーブである。総光ガイド層の中央位置（Ｐ＝０ｎｍ）で光閉じ込め率がもっとも高くなり、ｐ型クラッド層側へ活性層位置を変位させると光閉じ込め率は減少する様子が分かる。
一点鎖線は、層厚１００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合である。ｎ型低屈折率層を設けない場合に比べて、光閉じ込め率のピーク強度が大きくなること及び、ピーク強度位置がｐ型クラッド層側へ変位することが分かる。
実線は、層厚２００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合である。さらに光閉じ込め率のピーク強度が大きくなること及びピーク強度位置がｐ型クラッド層側へ変位することが分かる（図中矢印参照）。
例えば、ｎ型低屈折率層を設けない場合の光強度分布のピーク位置及び当該位置での光閉じ込め率は、それぞれ０μｍ及び１．８６８％ある。これに対し、層厚２００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合は、光強度分布のピーク位置及び当該位置での光閉じ込め率はそれぞれ６０μｍ及び１．９６３％となる。
活性層位置を変位させると、１次以上の高次モードの光閉じ込め率が増すが、基本モードの光閉じ込め率に比べて通常は小さいので問題とはならない。基本モードの光閉じ込め率が１次以上の高次モードの光閉じ込め率よりも大きい範囲であれば、高次モードが発振することはないので、基本モードの光閉じ込め率のみを考慮すればよい。
［実施の形態１にかかる装置の構成］
図４は、本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置ＬＤ１１を示す断面図である。図４に示す半導体レーザ装置ＬＤ１１は、ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０ａを備えている。その他の層構造は図１のものと同一である。
ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０ａは、Ａｌ組成比０．１８３、層厚ｔｇｐである。Ａｌ組成比０．１８３であるｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０ａの屈折率は３．４３７５３５であり、ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４の屈折率よりも高い。図４においても、ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４の層厚ｔｇｎとｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０ａの層厚ｔｇｐの和ｔｇｎ＋ｔｇｐは１４００ｎｍとしている。
図５は、図４の構造における基本モードの光閉じ込め率の活性層位置依存性を、ｎ型低屈折率層の層厚ｔｌをパラメータとして示した図である。図５において、破線はｎ型低屈折率層を設けない場合（ｔｌ＝０）、一点鎖線は層厚ｔｌ＝１００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合、実線は層厚ｔｌ＝２００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合である。
図３と比較して分かるように、ｐ側光ガイド層の屈折率をｎ側光ガイド層の屈折率よりも高くすると、光閉じ込め率がピークとなる位置がｐ型クラッド層側へ変位することが分かる。さらに、光閉じ込め率自体が大きくなることも分かる。
また、ｎ型低屈折率層を挿入すると、更に光閉じ込め率がピークとなる位置がｐ型クラッド層側へ変位すると共に光閉じ込め率自体が大きくなることが分かる（図５矢印参照）。因みに、層厚２００ｎｍのｎ型低屈折率層を挿入した場合の光閉じ込め率のピーク位置及び光閉じ込め率はそれぞれ、２４０ｎｍ及び２．０４８％である。
以上説明したように、結晶成長方向に１次モード以上の高次モードを許容する半導体レーザ装置において下記の（ａ１）〜（ａ３）の条件を全て満たせば、光閉じ込め率向上によるしきい値電流の低減とｐ型クラッド層側への活性層位置変位によるスロープ効率の向上が図れる。
（ａ１）ｎ側光ガイド層とｎ型クラッド層の間に、ｎ型クラッド層よりも屈折率の低い低屈折率層を設ける。
（ａ２）ｐ側光ガイド層の屈折率をｎ側光ガイド層の屈折率よりも高くする。
（ａ３）活性層位置を総光ガイド層の中央よりもｐ型クラッド層側へ変位させる。
その結果、電力変換効率の高い半導体レーザ装置が提供される。
［実施の形態１の装置の変形例］
図６は、本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体レーザ装置ＬＤ１２を示す断面図である。半導体レーザ装置ＬＤ１２は、第１ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４ａ、第２ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４ｂの２層構造を備えている。
第１ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４ａは、Ａｌ組成比０．２００、層厚ｔｇｎ１である。第２ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４ｂは、Ａｌ組成比０．１８３、層厚ｔｇｎ２である。その他の構造は図４の半導体レーザ装置ＬＤ１と同じであり、同一の符号を付して説明を省略する。
第１ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４ａの層厚ｔｇｎ１と、第２ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４ｂの層厚ｔｇｎ２と、ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０ａの層厚ｔｇｐとする。これらの合計ｔｇｎ１＋ｔｇｎ２＋ｔｇｐは、本実施の形態では、１４００ｎｍとしている。
図７は、本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体レーザ装置ＬＤ１２の特性を示す図である。図７は、ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４の層厚ｔｇｎ２を１００ｎｍで一定としたときの、図６の構造における基本モードの光閉じ込め率の活性層位置依存性を、ｎ型低屈折率層の層厚ｔｌをパラメータとして示している。
図７において、破線はｎ型低屈折率層を設けない場合（ｔｌ＝０）の特性カーブである。一点鎖線は層厚ｔｌ＝１００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合の特性カーブである。実線は層厚ｔｌ＝２００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合の特性カーブである。
図５と比較して分かるように、ｎ側ガイド層を２層とすると、光閉じ込め率のピーク強度は大きくなる（図中矢印）。このため、半導体レーザのしきい値電流を低減できる。また、光閉じ込め率のピーク位置も、ｐ型クラッド層側へ変位させられるので、スロープ効率の向上が図れる。なお、層厚２００ｎｍのｎ型低屈折率層を挿入した場合の光閉じ込め率のピーク位置及び光閉じ込め率はそれぞれ、２６０ｎｍ及び２．１４４％である。
尚、図６の半導体レーザ装置ＬＤ１２では、ｎ側光ガイド層を２層、ｐ側光ガイド層を１層としているが、２層以上の構造としてもよい。例えば、ｎ側光ガイド層及びｐ側光ガイド層が２層の場合は、以下のように考えれば良い。
第１のｎ側光ガイド層の屈折率がｎｇｎ１、第２のｎ側光ガイド層の屈折率ｎｇｎ２、第１のｐ側光ガイド層の屈折率がｎｇｐ１、第２のｐ側光ガイド層の屈折率がｎｐｇ２の場合は、下記の式（１）を満たすようにすればよい。
（ｎｇｐ１＋ｎｇｐ２）／２ ＞ （ｎｇｎ１＋ｎｇｎ２）／２ ・・・（１）
同様に、３層以上のさらに多層構造、たとえばｎ層（ｎは３以上の整数）とした場合を考える。まず、第１のｎ側光ガイド層の屈折率がｎｇｎ１、第２のｎ側光ガイド層の屈折率ｎｇｎ２、・・・第ｎのｎ側光ガイド層の屈折率がｎｇｎｎとする。また、第１のｐ側光ガイド層の屈折率がｎｇｐ１、第２のｐ側光ガイド層の屈折率がｎｐｇ２、・・・第ｎのｐ側光ガイド層の屈折率がｎｐｇｎとする。この場合、下記の式（２）を満たせばよい。
（ｎｇｐ１＋・・・ｎｇｐｎ）／ｎ ＞ （ｎｇｎ１＋・・・ｎｇｎｎ）／ｎ ・・・（２）
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２にかかる半導体レーザ装置ＬＤ２を示す断面図である。本実施の形態は、ｐ型クラッド層の屈折率をｎ型クラッド層の屈折率よりも低くしたものである。
図８において、１１ａはＡｌ組成比０．３００、層厚１．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層である。Ａｌ組成比０．３００の屈折率は、３．３６２３５５であり、ｎ型クラッド層の屈折率３．３９３７７１より低い。その他は、図４と同一であり、ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４の層厚ｔｇｎとｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０ａの層厚ｔｇｐの和ｔｇｎ＋ｔｇｐは１４００ｎｍとしている。
図９は、図８の構造における基本モードの光閉じ込め率の活性層位置依存性を、ｎ型低屈折率層の層厚ｔｌをパラメータとして示す図である。図において、破線はｎ型低屈折率層を設けない場合（ｔｌ＝０）、一点鎖線は層厚ｔｌ＝１００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合、実線は層厚ｔｌ＝２００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合である。
図５と比較して分かるように、ｐ型クラッド層の屈折率をｎ型クラッド層の屈折率よりも低くすると、光閉じ込め率のピーク強度は大きくなる（図中矢印）。このため、半導体レーザのしきい値電流を低減できる。
光閉じ込め率のピーク位置は、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の屈折率が同一である場合よりはｐ型クラッド層側へ変位させられない。しかし、図１に示すようなｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の屈折率が同一及びｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層の屈折率が同一である場合よりは、光閉じ込め率のピーク位置をｐ型クラッド層側へ変位できる。このため、当該構造よりもスロープ効率の向上が図れる。
なお、層厚２００ｎｍのｎ型低屈折率層を挿入した場合の光閉じ込め率のピーク位置及び光閉じ込め率はそれぞれ、２００ｎｍ及び２．１２５％である。
以上説明したように、結晶成長方向に１次モード以上の高次モードを許容する半導体レーザ装置において下記の（ｂ１）〜（ｂ４）の条件を全て満たせば、光閉じ込め率向上によるしきい値電流の低減とｐ型クラッド層側への活性層位置変位によるスロープ効率の向上が図れる。
（ｂ１）ｎ側光ガイド層とｎ型クラッド層の間に、ｎ型クラッド層よりも屈折率の低い低屈折率を設ける。
（ｂ２）ｐ側光ガイド層の屈折率をｎ側光ガイド層の屈折率よりも高くする。
（ｂ３）ｐ型クラッド層の屈折率をｎ型クラッド層の屈折率よりも低くする。
（ｂ４）活性層位置を総光ガイド層の中央よりもｐ型クラッド層側へ変位させる。
その結果、電力変換効率の高い半導体レーザ装置が実現できることとなる。
また、実施の形態１の変形例で示したように、光ガイド層を多層構造としてもよい。
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３にかかる半導体レーザ装置ＬＤ３を示す断面図である。本実施の形態は、ｐ型クラッド層の屈折率をｎ型クラッド層の屈折率よりも高くしたものである。
図１０に示す半導体レーザ装置ＬＤ３は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置ＬＤ１１のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１を、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１ｂに置換したものである。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１ｂは、Ａｌ組成比０．２３０、層厚１．５μｍである。このとき、Ａｌ組成比０．２３０の屈折率は、３．４０６６３３であり、ｎ型クラッド層の屈折率の値３．３９３７７１より高い。
半導体レーザ装置ＬＤ３におけるその他の各層の構造は、図４に示す半導体レーザ装置ＬＤ１１と同一である。ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４の層厚ｔｇｎとｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０ａの層厚ｔｇｐの和ｔｇｎ＋ｔｇｐは、１４００ｎｍとしている。
図１１は、図１０の構造における基本モードの光閉じ込め率の活性層位置依存性を、ｎ型低屈折率層の層厚ｔｌをパラメータとして示す図である。図において、破線はｎ型低屈折率層を設けない場合（ｔｌ＝０）、一点鎖線は層厚ｔｌ＝１００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合、実線は層厚ｔｌ＝２００ｎｍのｎ型低屈折率層を設けた場合である。
図５と比較して分かるように、ｐ型クラッド層の屈折率をｎ型クラッド層の屈折率よりも高くすると、光閉じ込め率のピーク位置はｐ型クラッド層側により変位させることができる。このため、光ガイド層内に滞留するキャリアを減らせ、半導体レーザのスロープ効率を高めることができる。
また、光閉じ込め率のピーク強度は、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の屈折率が同一である場合よりは小さくなる。しかし、図１の半導体レーザ装置ＬＤ１のようにｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の屈折率が同一及びｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層の屈折率が同一である場合と比べて、光閉じ込め率のピーク強度を大きくすることができる。
よって、実施の形態３にかかる半導体レーザ装置ＬＤ３によれば、半導体レーザ装置ＬＤ１よりもしきい値電流を低減できる。なお、層厚２００ｎｍのｎ型低屈折率層を挿入した場合の光閉じ込め率のピーク位置及び光閉じ込め率はそれぞれ、３００ｎｍ及び１．９７９％である。
以上説明したように、結晶成長方向に１次モード以上の高次モードを許容する半導体レーザ装置において下記の（ｃ１）〜（ｃ４）の条件を全て満たせば、光閉じ込め率向上によるしきい値電流の低減とｐ型クラッド層側への活性層位置変位によるスロープ効率の向上が図れる。
（ｃ１）ｎ側光ガイド層とｎ型クラッド層の間に、ｎ型クラッド層よりも屈折率の低い低屈折率を設ける。
（ｃ２）ｐ側光ガイド層の屈折率をｎ側光ガイド層の屈折率よりも高くする。
（ｃ３）ｐ型クラッド層の屈折率をｎ型クラッド層の屈折率よりも高くする。
（ｃ４）活性層位置を総光ガイド層の中央よりもｐ型クラッド層側へ変位させる。
その結果、電力変換効率の高い半導体レーザ装置が実現できることとなる。
また、実施の形態１の変形例で示したように、光ガイド層を多層構造としてもよい。
本実施の形態では、バリア層、光ガイド層、クラッド層を構成する半導体材料がＡｌＧａＡｓである。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。上記各実施形態で述べたこれらの層の屈折率の関係を満たせばよく、ＧａＮ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＩｎＰ系等の他の材料を用いてもよい。また、上述した実施の形態では活性層をＩｎＧａＡｓとして発振波長９１５ｎｍの例で示しているが、他の活性層材料を用い、別な発振波長としてもよいことは言うまでもない。
なお、光ガイド層の総層厚は１４００ｎｍとしているがこれに限るものではなく、結晶成長方向に１次以上の高次モードが許容される半導体レーザであれば良い。結晶成長方向に１次以上の高次モードが共用される条件は実施の形態１において正規化周波数ｖ値の説明で述べたとおりであり、ｖ値がπ／２以上の値をとればよい。
本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ装置において、層厚および屈折率に関する技術的特長ＴＦ１〜ＴＦ５と、これから導かれるそれぞれの作用効果をまとめると、下記のとおりになる。
（技術的特長ＴＦ１）
ｎ型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層を、ｎ型クラッド層とｎ側光ガイド層間に設ける。そうすると、ＮＦＰの光強度分布のピーク位置を、光ガイド層の中央からｐ型クラッド層側へ変位させることができる。さらに、ＮＦＰの光強度分布のピーク強度を、この低屈折率層が無い場合に比べて、大きくすることができる。これにより活性層への光閉じ込め率を大きくし、しきい値電流を下げる効果が得られる。
（技術的特長ＴＦ２）
ｎ側光ガイド層厚を、ｐ側光ガイド層厚よりも厚くする。そうすると、活性層位置を光ガイド層の中央からｐ型クラッド層側へ変位させることができる。さらに、光ガイド層内に滞留するキャリアを減少させることでキャリア吸収を抑制できる。結果、スロープ効率を高める効果が得られる。
（技術的特長ＴＦ３）
ｐ側光ガイド層の屈折率を、ｎ側光ガイド層の屈折率よりも高くする。そうすると、ＮＦＰの光強度分布のピーク位置を光ガイド層の中央からｐ型クラッド層側へ変位させることができる。さらに、ＮＦＰの光強度分布のピーク強度をｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層の屈折率が同じ場合に比べて大きくすることができる。これにより活性層への光閉じ込め率を大きくし、しきい値電流を下げる効果がある。
（技術的特長ＴＦ４）
ｐ型クラッド層の屈折率を、ｎ型クラッド層の屈折率よりも低くする。そうすると、ＮＦＰの光強度分布のピーク強度を、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の屈折率が同じ場合に比べて大きくすることができる。これにより活性層への光閉じ込め率を大きくし、しきい値電流を下げる効果がある。
（技術的特長ＴＦ５）
ｐ型クラッド層の屈折率を、ｎ型クラッド層の屈折率よりも高くする。そうすると、ＮＦＰの光強度分布のピーク位置を、ｐ型クラッド層の屈折率とｎ型クラッド層の屈折率が同じ場合に比べて、総光ガイド層の中央からｐ型クラッド層側へ変位させることができる。結果、スロープ効率を高める効果がある。
１ ｎ型電極、２ ｎ型ＧａＡｓ基板、３ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、４ ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層、４ａ ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層、４ｂ ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層、５ ｎ側ＡｌＧａＡｓバリア層、６ ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層、７ ＡｌＧａＡｓバリア層、８ ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層、９ ｐ側ＡｌＧａＡｓバリア層、１０ ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層、１０ａ ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層、１１ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１ａ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１ｂ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１２ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１３ ＳｉＮ膜、１４ ｐ型電極、１５ ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層、１０１ ｎ型電極、１０２ ｎ型ＧａＡｓ基板、１０３ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１０４ ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層、１０５ ｎ側ＡｌＧａＡｓバリア層、１０６ ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層、１０７ ＡｌＧａＡｓバリア層、１０８ ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層、１０９ ｐ側ＡｌＧａＡｓバリア層、１１０ ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層、１１１ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１２ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１１３ ｐ型電極、１１４ ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層

Claims (3)

  1. 第１導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板上に積層された第１導電型クラッド層と、
    前記第１導電型クラッド層上に積層された第１光ガイド層と、
    前記第１光ガイド層上に積層された活性層と、
    前記活性層上に積層された第２光ガイド層と、
    前記第２光ガイド層上に積層された第２導電型クラッド層と、
    を備え、
    結晶成長方向に１次モード以上の高次モードを許容し、
    前記第１光ガイド層の層厚は前記第２光ガイド層の層厚よりも厚く、
    前記第１導電型クラッド層と前記第１光ガイド層の間に、前記第１導電型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する第１導電型低屈折率層を備え、
    前記第２光ガイド層の屈折率は前記第１光ガイド層の屈折率よりも高いことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記第２導電型クラッド層の屈折率は前記第１導電型クラッド層の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記第２導電型クラッド層の屈折率は前記第１導電型クラッド層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
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