JP2021034401A - 半導体レーザ素子およびチップオンサブマウント - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成にて、光出力および電気-光変換効率が高いとともに、ＦＦＰｈの増加が抑制された半導体レーザ素子を提供すること。【解決手段】半導体レーザ素子は、光出射端面に対向する後端面、光出射端面と後端面との間で延伸方向に延びるマルチモードの導波路領域、導波路領域に電流を注入する電流注入領域、を備え、延伸方向における中心線よりも光出射端面側に位置する光出射側領域におけるカバレッジ幅の最小値を第１カバレッジ幅、中心線よりも後端面側に位置する後側領域におけるカバレッジ幅の最大値を第２カバレッジ幅としたとき、第１カバレッジ幅が第２カバレッジ幅より狭く、かつ光出射側領域における電流注入領域の面積を光出射側電流注入面積、後側領域における電流注入領域の面積を後側電流注入面積としたときに、光出射側電流注入面積が後側電流注入面積の１００%より大きく２００%以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子およびチップオンサブマウントに関するものである。

半導体レーザ素子は、光通信用途や産業加工用途などのレーザ光源として広く活用されている。光通信用途では、光ファイバを介してレーザ光を長距離（例えば数百キロメートル）伝搬させる必要があり、光信号の品質劣化を抑制するためにシングルモードのレーザ光が使用されることが一般的である。一方、たとえば産業加工用途では、光通信用途のレーザ光と比較すると高出力が必要とされる。しかし、長距離を伝搬させる必要はないので、高出力に有利なマルチモードのレーザ光が使用されるのが一般的である。マルチモードのレーザ光を発振して出射する端面発光型の半導体レーザ素子では、導波路の幅を広く構成し、導波路内で複数モードのレーザ光の発振および導波を許容する構成が採用されている。このような構成の半導体レーザ素子を、以下では適宜マルチモード半導体レーザ素子と記載する場合がある。ここで、マルチモードとは、横モードが複数存在することを意味する。

マルチモード半導体レーザ素子では、たとえばマルチモード光ファイバなどの光学要素に光を効果的に結合させるため、光出射端面から出射されるレーザ光の水平方向の放射角（以降ＦＦＰｈと記載する場合がある）を小さく抑えることが望ましい。

一方で、マルチモード半導体レーザ素子には、光出力および電気-光変換効率を高めることも求められる。電気-光変換効率とは、マルチモード半導体レーザ素子の光出力をマルチモード半導体レーザ素子への投入電力で除算した値である。

マルチモード半導体レーザ素子への注入電流値を増加することで、光出力を高めることが可能である。しかし、一般的には、注入電流値が増加するにつれて、ＦＦＰｈも増加してしまう。特に、近年では、光出力を高めるために、マルチモード半導体レーザ素子が、たとえば１５Ａ以上の高電流注入領域において使用されるようになってきているが、高電流注入領域でも従来と同等のＦＦＰｈが求められるようになっている。したがって、特に高電流注入領域でのＦＦＰｈの増加の抑制が重要である。

特許文献１には、光出射端面と後端面との間で複数に分割した分割電極構造を採用した構成が開示されている。開示された構成によれば、光出射端面に近い電極ほど、注入電流密度が高くなるようにすることで、安定したマルチモードでレーザ発振を行う高出力な半導体レーザ素子を実現できるとされている。

国際公開第２００５／０６２４３３号

しかしながら、特許文献１に開示される分割電極構造は、その作製が困難であり、かつレーザ発振制御が複雑であるという問題がある。そこで、マルチモード半導体レーザ素子において、簡易な構成にて、光出力および電気-光変換効率を高めるとともに、ＦＦＰｈの増加を抑制することが、特に高電流注入領域において求められている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成にて、光出力および電気-光変換効率が高いとともに、ＦＦＰｈの増加が抑制された半導体レーザ素子およびチップオンサブマウントを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、光出射端面と、前記光出射端面に対向する後端面と、前記光出射端面と前記後端面との間で延伸方向に延びるマルチモードの導波路領域と、前記導波路領域に電流を注入する電流注入領域と、を備え、前記導波路領域の幅と前記電流注入領域の幅との差の１／２をカバレッジ幅とし、前記延伸方向における中心線よりも前記光出射端面側に位置する光出射側領域における前記カバレッジ幅の最小値を第１カバレッジ幅、前記中心線よりも前記後端面側に位置する後側領域における前記カバレッジ幅の最大値を第２カバレッジ幅としたとき、前記第１カバレッジ幅が前記第２カバレッジ幅より狭く、かつ前記光出射側領域における前記電流注入領域の面積を光出射側電流注入面積、前記後側領域における前記電流注入領域の面積を後側電流注入面積としたときに、前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１００%より大きく２００%以下である。

前記カバレッジ幅は、前記光出射端面から前記後端面に向かって一定または増加してもよい。

前記カバレッジ幅が前記光出射端面から前記後端面に向かって不連続に増加する箇所が存在してもよい。

前記第１カバレッジ幅が５μｍ以下であってもよい。

前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１００%より大きく１７５%以下であってもよい。

前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１００%より大きく１６０%以下であってもよい。

前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１００%より大きく１５０%以下であってもよい。

前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１０５%以上１４８%以下であってもよい。

前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１１３%以上１４５%以下であってもよい。

本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、光出射端面と、前記光出射端面に対向する後端面と、前記光出射端面と前記後端面との間で延伸方向に延びるマルチモードの導波路領域と、前記導波路領域に電流を注入する電流注入領域と、を備え、前記導波路領域の幅と前記電流注入領域の幅との差の１／２をカバレッジ幅とすると、前記カバレッジ幅は、前記光出射端面から前記後端面に向かって一定または増加し、かつ、前記カバレッジ幅が不連続に変化する箇所が１箇所以上存在する。

本発明の一態様に係るチップオンサブマウントは、前記半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が搭載されるサブマウントと、を備える。

前記半導体レーザ素子はジャンクションダウン状態で前記サブマウントに搭載されていてもよい。

本発明によれば、簡易な構成にて、光出力および電気-光変換効率が高いとともに、ＦＦＰｈの増加が抑制された半導体レーザ素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る半導体レーザ素子の模式図である。 図２は、図１のII−II線断面図である。 図３は、実施例および比較例について、Ｓｏ／Ｓｒと光出力の変化との関係を示す図である。 図４は、実施例および比較例について、Ｓｏ／Ｓｒと電気-光変換効率の変化との関係を示す図である。 図５は、実施例および比較例について、Ｓｏ／ＳｒとＦＦＰｈの変化との関係を示す図である。 図６は、実施形態２に係る半導体レーザ素子の模式図である。 図７は、実施形態３に係る半導体レーザバー素子の模式図である。 図８は、実施形態４に係るチップオンサブマウントの模式図である。

以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中、ＸＹＺ直交軸を用いて方向を説明する場合がある。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る半導体レーザ素子の模式図である。図２は、図１のII−II線断面図である。

半導体レーザ素子１は、光出射端面Ｅｏと、後端面Ｅｒと、導波路領域Ａｗｇと、電流注入領域Ａｃｉと、を備えている。

半導体レーザ素子１は、端面発光型のレーザ素子であり、光出射端面Ｅｏから、半導体レーザ素子１が発振したレーザ光を出射する。後端面Ｅｒは、図中Ｚ方向において光出射端面Ｅｏに対向する面である。後端面Ｅｒには、レーザ光の波長において、通常９０％以上、たとえば９５％の反射率の高反射率反射膜が設けられている。また、光出射端面Ｅｏには、レーザ光の波長において、高反射率反射膜よりも反射率が低い、たとえば０．１％〜７％の反射率の低反射率反射膜が設けられている。光出射端面Ｅｏと後端面Ｅｒとによってレーザ共振器が構成される。図中、Ｌは光出射端面Ｅｏと後端面Ｅｒとの距離であり、レーザ共振器長とも呼ばれる。Ｌは特に限定されないが、たとえば８００μｍ〜６ｍｍであり、さらには３ｍｍ〜５ｍｍでもよい。

導波路領域Ａｗｇは、光出射端面Ｅｏと後端面Ｅｒとの間で延伸方向に延びるマルチモードの導波路領域である。ここで、延伸方向とは、Ｚ方向に平行な方向である。導波路領域Ａｗｇの光軸は延伸方向に平行である。導波路領域Ａｗｇは、Ｘ方向において、半導体レーザ素子１が発振したレーザ光をマルチモードで導波する幅を有している。マルチモードの導波路領域とは、半導体レーザ素子１が発振したレーザ光をマルチモードで導波する領域である。また、導波路領域Ａｗｇは、レーザ増幅媒体としての活性層を含んでおり、電流を注入することによって発光し、かつ光増幅作用を発揮する。

電流注入領域Ａｃｉは、導波路領域Ａｗｇに電流を注入する領域である。

電流注入領域Ａｃｉおよび導波路領域Ａｗｇについて、図２を参照して、より具体的に説明する。半導体レーザ素子１は、リッジ構造Ｒを有する。半導体レーザ素子１は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板２と、基板２の裏面に設けられた下部電極３と、基板２上に形成された半導体積層部４と、パッシベーション膜５と、上部電極６と、を備えている。

半導体レーザ素子１は、下部電極３と上部電極６との間に電圧を印加して電流を注入するとレーザ発振し、レーザ光を光出射端面Ｅｏから出力する。

半導体積層部４は、基板２上に順次形成された、ｎ型バッファ層７、ｎ型クラッド層８、ｎ型ガイド層９、活性層１０、ｐ型ガイド層１１、ｐ型クラッド層１２、およびｐ型コンタクト層１３を含む。

ｎ型バッファ層７は、ＧａＡｓからなり、基板２上に高品質のエピタキシャル層の積層構造を成長するための緩衝層である。ｎ型クラッド層８とｎ型ガイド層９とは、積層方向に対する所望の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さとが設定されたＡｌＧａＡｓからなる。なお、ｎ型ガイド層９のＡｌ組成は、例えば１５％以上４０％未満である。また、ｎ型クラッド層８は、ｎ型ガイド層９よりも屈折率が小さくなっている。また、ｎ型ガイド層９の厚さは、５０ｎｍ以上、例えば１０００ｎｍ程度であることが好ましい。ｎ型クラッド層８の厚さは、１μｍ〜３μｍ程度が好ましい。また、これらのｎ型半導体層は、ｎ型ドーパントとして例えば珪素（Ｓｉ）を含んでもよい。

活性層１０は、下部バリア層、量子井戸層、上部バリア層を備え、単一の量子井戸（ＳＱＷ）構造を有する。下部バリア層および上部バリア層は、量子井戸層にキャリアを閉じ込める障壁の機能を有し、故意にドーピングをしない高純度のＡｌＧａＡｓからなる。量子井戸層は、故意にドーピングをしない高純度のＩｎＧａＡｓからなる。量子井戸層のＩｎ組成および膜厚、下部バリア層および上部バリア層の組成は、所望の発光中心波長（たとえば９００ｎｍ〜１０８０ｎｍ）に応じて設定される。なお、活性層１０の構造は、量子井戸層とその上下に形成されたバリア層の積層構造を所望の数だけ繰り返した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造でもよい。なお、量子井戸層、下部バリア層および上部バリア層に故意にドナーやアクセプタが添加される場合もある。

ｐ型ガイド層１１およびｐ型クラッド層１２は、上述のｎ型クラッド層８およびｎ型ガイド層９と対になり、積層方向に対する所望の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さとが設定されたＡｌＧａＡｓからなる。ｐ型クラッド層１２は、ｐ型ガイド層１１よりも屈折率が小さくなっている。層中の光のフィールドをｎ型クラッド層８の方向にずらして導波路損失を小さくするために、ｐ型クラッド層１２のＡｌ組成はｎ型クラッド層８に比べて若干大きめに設定される。そして、ｐ型ガイド層１１のＡｌ組成は、ｐ型クラッド層１２のＡｌ組成に比べて小さく設定される。また、ｐ型ガイド層１１の厚さは、５０ｎｍ以上、例えば１０００ｎｍ程度であることが好ましい。ｐ型クラッド層１２の厚さは、１μｍ〜３μｍ程度が好ましい。また、これらのｐ型半導体層は、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を含んでもよい。ｐ型ガイド層１１のＣ濃度は、例えば０．１〜１．０×１０^１７ｃｍ_−３に設定され、０．５〜１．０×１０^１７ｃｍ^−３程度が好適である。ｐ型クラッド層１２のＣ濃度は、例えば１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上に設定される。

ｐ型コンタクト層１３は、ＺｎまたはＣが高濃度にドーピングされたＧａＡｓからなる。また、ｐ型クラッド層１２の突出した部分とｐ型コンタクト層１３とはリッジ構造Ｒを構成している。リッジ構造ＲのＸ方向における幅は、Ｚ方向（図１参照）に沿って略一定である。リッジ構造Ｒは、Ｘ方向において光を閉じ込める機能を有し、導波路構造を構成する。

パッシベーション膜５は、例えばＳｉＮｘからなる絶縁膜であり、ｐ型クラッド層１２とｐ型コンタクト層１３とを覆うように形成されている。パッシベーション膜５は、リッジ構造Ｒの位置に設けられた開口部５ａを有する。上部電極６は開口部５ａを経由してｐ型コンタクト層１３にオーミック接触する。

半導体レーザ素子１の内部では、光は、Ｙ方向には主にｎ型ガイド層９、活性層１０、およびｐ型ガイド層１１の領域に存在する。また、光は、Ｘ方向には主にリッジ構造Ｒの直下の領域に存在する。よって、ｎ型ガイド層９、活性層１０、およびｐ型ガイド層１１におけるリッジ構造Ｒの直下の領域を導波路領域Ａｗｇと呼ぶことができる。

また、活性層１０には、上部電極６から、開口部５ａを経由してオーミック接触するｐ型コンタクト層１３を通じて電流が注入されるので、ｐ型コンタクト層１３において開口部５ａに対応する領域を電流注入領域Ａｃｉと呼ぶことができる。

したがって、半導体レーザ素子１の場合、導波路領域Ａｗｇの幅とは、Ｘ方向におけるリッジ構造Ｒの幅と考えることができる。また、電流注入領域Ａｃｉの幅は、Ｘ方向における開口部５ａの幅と考えることができる。

ここで、下記式のように、導波路領域Ａｗｇの幅と電流注入領域Ａｃｉの幅との差の１／２をカバレッジ幅として定義する。
カバレッジ幅＝（導波路領域Ａｗｇの幅−電流注入領域Ａｃｉの幅）／２
なお、電流注入領域Ａｃｉの幅方向両側におけるカバレッジ幅は、必ずしも同じ幅である必要はないが、半導体レーザ素子１から出射されるレーザ光の放射角などの対称性を考慮すると、両側が同じカバレッジ幅となることが好ましい。本実施形態では、両側が同じカバレッジ幅であることとする。

また、導波路領域Ａｗｇにおいて、延伸方向（Ｚ方向）における中心線ＣＬよりも光出射端面Ｅｏ側に位置する領域を光出射側領域Ａｏとする。また、導波路領域Ａｗｇにおいて、延伸方向における中心線ＣＬよりも後端面Ｅｒ側に位置する領域を後側領域Ａｒとする。光出射側領域Ａｏ、後側領域Ａｒの延伸方向のおける長さはいずれもＬ／２である。

ここで、半導体レーザ素子１では、導波路領域ＡｗｇはＺ方向に沿って幅が一定である。一方、電流注入領域Ａｃｉは、その幅が、光出射端面Ｅｏから後端面Ｅｒに向かって一定の部分と段階的に減少している部分がある。具体的には、電流注入領域Ａｃｉは、光出射端面Ｅｏから長さＬ１にわたって一定の幅であるが、光出射側領域Ａｏに存在する変化部Ｐ１において幅が段階的に減少し、さらに長さＬ２にわたって一定の幅である。そして、後側領域Ａｒに存在する変化部Ｐ２において幅が段階的に減少し、さらに長さＬ３にわたって一定の幅であり、後端面Ｅｒに到達する。また、半導体レーザ素子１では、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３は略Ｌに等しいとする。

したがって、光出射側領域Ａｏにおけるカバレッジ幅の最小値を第１カバレッジ幅とすると、第１カバレッジ幅は光出射端面Ｅｏから長さＬ１まで位置における幅Ｗｏである。また、後側領域Ａｒにおけるカバレッジ幅の最大値を第２カバレッジ幅とすると、第２カバレッジ幅は後端面Ｅｒから長さＬ３まで位置におけるＷｒである。このとき、第１カバレッジ幅Ｗｏは第２カバレッジ幅Ｗｒより狭い。また、カバレッジ幅は、光出射端面Ｅｏから後端面Ｅｒに向かって一定または増加しており、かつ増加は不連続である。変化部Ｐ１、Ｐ２は、カバレッジ幅が光出射端面Ｅｏから後端面Ｅｒに向かって不連続に増加する箇所の例である。

さらに、光出射側領域Ａｏにおける電流注入領域Ａｃｉの面積を光出射側電流注入面積Ｓｏ、後側領域Ａｒにおける電流注入領域Ａｃｉの面積を後側電流注入面積Ｓｒとする。

以上のように構成された半導体レーザ素子１は、簡易な構成にて、光出力および電気-光変換効率が高いとともに、ＦＦＰｈの増加が抑制されている。

以下、具体的に説明する。低反射率の光出射端面Ｅｏと高反射率の後端面Ｅｒを有する端面発光型の半導体レーザ素子１の導波路領域Ａｗｇの内部では、光強度およびキャリア密度に、延伸方向（共振器長方向とも記載する場合がある）における分布が生じている。光強度は光出射端面Ｅｏ側にて後端面Ｅｒ側よりも高い。一方、キャリア密度は光出射端面Ｅｏ側にて後端面Ｅｒ側よりも低い。これは、光出力が高いことによってキャリアがより消費されるからである。また、このような共振器長方向における光強度およびキャリア密度の分布に起因して、導波路領域Ａｗｇにおける発熱や利得にも光導波方向における分布が生じる。発熱量は光出射端面Ｅｏ側にて後端面Ｅｒ側よりも多い。一方、利得は光出射端面Ｅｏ側にて後端面Ｅｒ側よりも低い。光出射側領域Ａｏは熱支配領域ということもできる。後側領域Ａｒはキャリア支配領域ということもできる。

半導体レーザ素子１では、第１カバレッジ幅Ｗｏが第２カバレッジ幅Ｗｒより狭いことによって、光出射端面Ｅｏ側の光出射側領域Ａｏでは後端面Ｅｒ側の後側領域Ａｒよりも電流注入領域Ａｃｉの幅が広い。その結果、キャリア消費が激しい光出射側領域Ａｏでの電流注入をより多くすることができるので、光出力を高くすることができる。

また、光出射側領域Ａｏで電流注入領域Ａｃｉの幅が広いことによって、上部電極６を経由した放熱が、光出射側領域Ａｏにてより効果的に発生する。すなわち光出射側領域Ａｏで放熱性が向上し、キャリアの熱によるオーバーフローが抑制されるため、光出力をより高くすることができる。

さらには、光出射側領域Ａｏで放熱性が向上することで、光出射側領域Ａｏで熱レンズ効果の程度が抑制されるので、ＦＦＰｈの増加が抑制される。具体的には、たとえば１５Ａ以上の高電流注入領域では、発熱による熱レンズ効果が顕著になり、熱レンズ効果によってＦＦＰｈが増加するおそれがある。熱レンズ効果を抑制してＦＦＰｈを低減するためには、導波路領域Ａｗｇの共振器長方向にわたって全体的に放熱性を向上させる必要はなく、発熱が顕著な光出射端面Ｅｏ側で放熱性を向上させれば十分な効果が得られることが、本発明者らの鋭意検討により初めて分かった。つまり、第１カバレッジ幅Ｗｏが第２カバレッジ幅Ｗｒより狭いことによって、ＦＦＰｈ低減の効果が得られることが分かった。

さらには、第２カバレッジ幅Ｗｏが第１カバレッジ幅Ｗｒより広いことによって、光出射側領域Ａｏと比較して後側領域Ａｒにて高くなる高次モード発振利得が効果的に低減される。そのため、ＦＦＰｈの増加がさらに抑制される。マルチモード半導体レーザ素子においては、高次のモードほど、広い角度で放射する、すなわちＦＦＰｈの増加への寄与度が高い。そのため、第２カバレッジ幅Ｗｏが第１カバレッジ幅Ｗｒより広いことによって、高次モードでのレーザ発振を抑制することや発振モード数を少なくすることが、ＦＦＰｈの低減において重要である。

なお、たとえば、後端面Ｅｒ側で高次モードのレーザ発振を抑制するためには、後端面Ｅｒ側でカバレッジ幅が広い領域が、共振器長方向にわたってある程度長さだけ存在することが望ましい。同時に、キャリア消費が激しい光出射側領域Ａｏでの電流注入をより多くし、光出力を高くするためには、光出射端面Ｅｏ側で、幅が広い電流注入領域が、共振器長方向にわたってある程度長さだけ存在することが望ましい。以上のことから、本発明者らは、光出射側領域Ａｏにおける電流注入領域Ａｃｉの面積である光出射側電流注入面積Ｓｏと、後側領域Ａｒにおける電流注入領域Ａｃｉの面積である後側電流注入面積Ｓｒとの面積比が、光出力および電気-光変換効率の向上や、ＦＦＰｈの増加の抑制にとって重要であることを初めて見出した。

さらに、光出射側領域Ａｏにおけるカバレッジ幅を小さくして電流注入領域Ａｃｉの幅を導波路領域Ａｗｇの幅になるべく近づけることがＦＦＰｈの低減のために好ましい。たとえば、第１カバレッジ幅Ｗｏを５μｍ以下にすることが好ましい。

（Ｓｏ／Ｓｒの好適な範囲）
半導体レーザ素子１において、光出射側電流注入面積Ｓｏが後側電流注入面積Ｓｒの１００%より大きく２００%以下であることが好ましい。以下、光出射側電流注入面積Ｓｏと後側電流注入面積Ｓｒとの面積比の好適な範囲について説明する。

実施例としての半導体レーザ素子１と同じ構成の半導体レーザ素子と、カバレッジ幅が共振器長方向にわたって１０μｍで一定である以外は実施例の半導体レーザ素子と同じ構成である比較例の半導体レーザ素子とを作製し、光出力、光-電気変換効率、ＦＦＰｈを測定した。なお、各半導体レーザ素子の共振器長（図１におけるＬ）はいずれも４５００μｍとした。また、実施例の半導体レーザ素子については、第１カバレッジ幅Ｗｏを５μｍ、第２カバレッジ幅Ｗｒを２５μｍとした。また、カバレッジ幅が異なる領域の長さ（図１におけるＬ１、Ｌ２、Ｌ３）は各実施例で異なる値とした。

また、各半導体レーザ素子に注入する電流値は１０Ａ、１５Ａまたは２０Ａとした。電流値が１０Ａであれば、たとえば９Ｗ程度の光出力が得られる。

１０Ａは従来のマルチモード半導体レーザ素子で使用されていた標準的な電流値である。また、１５Ａ、２０Ａは、近年マルチモード半導体レーザ素子での使用が検討され始めている電流値である。マルチモード半導体レーザ素子の高出力化のためには、電流値として１５Ａ、１８Ａ、更には２０Ａ以上での使用が必要になる。なお、ここで記載した電流値は、対象としている半導体レーザ素子で使用可能な最大の電流値である。なお、対象としている半導体レーザ素子で使用可能最大電流値が、たとえば１８Ａであっても、小さい光出力しか必要ない使用条件の場合は、実際に注入する電流が１８Ａよりも小さい場合もあるのは勿論である。しかし、マルチモード半導体レーザ素子は、ＦＦＰｈが電流とともに増加するので、その半導体レーザ素子における使用可能最大電流値を考えて設計することが重要である。

また、各半導体レーザ素子は、後述するサブマウントにジャンクションダウンの状態で搭載し、電流を注入した。

実施例および比較例の半導体レーザ素子について、５μｍである第１カバレッジ幅Ｗｏの領域の長さＬ１の、電流注入領域Ａｃｉの全長（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）に対する割合（Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３））［％］を計算した。また、１０μｍであるカバレッジ幅の領域の長さＬ２の、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３に対する割合（Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３））［％］を計算した。また、２５μｍである第２カバレッジ幅Ｗｒの領域の長さＬ３の、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３に対する割合（Ｌ３／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３））［％］を計算した。そして、これらの割合とＳｏ／Ｓｒとの関係を計算した。その結果を表１に示す。Ｓｏ／Ｓｒは、比較例の半導体レーザ素子では１００％であり、実施例の半導体レーザ素子では１０１％〜１４０．７％である。

図３は、実施例および比較例について、Ｓｏ／Ｓｒと光出力の変化との関係を示す図である。図４は、実施例および比較例について、Ｓｏ／Ｓｒと電気−光変換効率の変化との関係を示す図である。図５は、実施例および比較例について、Ｓｏ／ＳｒとＦＦＰｈの変化との関係を示す図である。なお、光出力、ＦＦＰｈ、電気−光変換効率の変化は、いずれも、比較例における値からの変化量で示してある。なお、一点鎖線、実線、または破線は、電流値が１０Ａ、１５Ａ、２０Ａのそれぞれの場合における、丸、四角、または三角で示す測定点に基づくアイガイドである。

図３、４、５から解るように、Ｓｏ／Ｓｒが１００％から増加するにしたがって、光出力および電気−光変換効率は増加し、ＦＦＰｈは減少した。このような光出力の増加、電気−光変換効率の増加、またはＦＦＰｈの減少の理由は、キャリア消費が激しい光出射側領域Ａｏでの電流注入をより多くできることや、光出射側領域Ａｏで放熱性が向上してキャリアの熱によるオーバーフローが抑制されることや、光出射側領域Ａｏで熱レンズ効果の程度が抑制されることや、高次モード発振利得が効果的に低減されることなどの効果によるものと考えられる。また、光出力の増加量、電気−光変換効率の増加量、およびＦＦＰｈの減少量は電流値が大きくなるにしたがって急峻に増加しており、上記効果が高電流注入であるほど顕著に発揮されることが確認された。また、Ｓｏ／Ｓｒが１００％からわずかに１％だけ増加した１０１％でも上記効果が発揮され、５％だけ増加した１０５％ではさらに効果的であるという、予測以上の効果が確認された。たとえば、Ｓｏ／Ｓｒが１０１％の場合、電流値が２０Ａでは電気−光変換効率は０．９％も増加した。また、Ｓｏ／Ｓｒが１０５％の場合、電気−光変換効率は１．４％とさらに増加し、かつ光出力の増加やＦＦＰｈの減少量も十分であった。したがって、Ｓｏ／Ｓｒは１０１％以上または１０５％以上でもよい。

ただし、第２カバレッジ幅Ｗｒの領域の長さＬ３がある程度以上大きくなると、Ｓｏ／Ｓｒは増加するが、電流注入領域Ａｃｉの総面積が小さくなるので、電流注入のための電圧が上昇する。その結果、電気−光変換効率は低下する。さらに、後側領域Ａｒにおける発熱が無視できなくなってくると、活性層１０の発光効率が低下して光出力が低下したり、高次モード発振利得の低減効果が薄れてＦＦＰｈが増加したりする。さらに、第１カバレッジ幅Ｗｏの領域の長さＬ１がある程度大きくなると、Ｓｏ／Ｓｒは増加するが、キャリアの分布を光出射端面Ｅｏ側に偏らせにくくなるので、光出力および電気−光変換効率が低下する。Ｓｏ／Ｓｒの増加にしたがう光出力および電気−光変換効率の低下、ＦＦＰｈの増加は、電流値が大きくなるにしたがって急峻であることも確認された。

以上のことから、図３、４、５に示されるように、Ｓｏ／Ｓｒが１００％から増加するにしたがって、光出力および電気−光変換効率は増加し、ＦＦＰｈは減少するが、ある程度以上増加すると、光出力および電気−光変換効率は減少し、ＦＦＰｈは増加すると考えられる。すなわち、Ｓｏ／Ｓｒには最適な範囲があることが確認された。なお、Ｓｏ／Ｓｒが１００％から増加すると直ぐに上述した電圧上昇の影響が現れるため、電気−光変換効率のピークは、光出力やＦＦＰｈよりもＳｏ／Ｓｒが１００％に近い値において現れると考えられる。

図３、４、５のアイガイドが示すように、電流値が１０Ａ以下では、Ｓｏ／Ｓｒは１００％より大きく２００％以下であることが好ましい。また、１５Ａ以下では、Ｓｏ／Ｓｒが１００％より大きく１７５％以下であれば、光出力、電気−光変換効率およびＦＦＰｈが同時に比較例よりも改善されるので好ましい。また、２０Ａ以下では、Ｓｏ／Ｓｒが１００％より大きく１５０％以下であれば、光出力、電気−光変換効率およびＦＦＰｈが同時に比較例よりも改善されるので好ましい。

また、光出力、電気−光変換効率およびＦＦＰｈが同時に比較例よりも改善される好適なＳｏ／Ｓｒの最大値は、電流値に対して線形に低下している。したがって、たとえば電流値が１８Ａにおける、光出力、電気−光変換効率およびＦＦＰｈが同時に比較例よりも改善される好適なＳｏ／Ｓｒの最大値は、１５Ａおよび２０Ａにおける好適なＳｏ／Ｓｒの最大値から容易に推測することができる。具体的には、１８Ａ以下では、Ｓｏ／Ｓｒが１００％より大きく１６０％以下であれば、光出力、電気−光変換効率およびＦＦＰｈが同時に比較例よりも改善されるので好ましい。

また、Ｓｏ／Ｓｒが１０５%以上１４８%以下であれば、２０Ａ以下にて光出力、電気−光変換効率およびＦＦＰｈが同時に比較例よりも改善されており、かつ従来の標準的な電流値である１０Ａから高電流注入領域といえる１５Ａ〜２０ＡにわたってＦＦＰｈが比較例よりも０．４度以上減少するので好ましい。さらには、Ｓｏ／Ｓｒが１１３%以上１４５%以下であれば、２０Ａ以下にて光出力、電気−光変換効率およびＦＦＰｈが同時に比較例よりも改善されており、かつ１０Ａから２０ＡにわたってＦＦＰｈが比較例よりも０．６度以上減少するので好ましい。

（実施形態２）
図６は、実施形態２に係る半導体レーザ素子の模式図である。

半導体レーザ素子１Ａは、光出射端面ＥＡｏと、後端面ＥＡｒと、導波路領域ＡＡｗｇと、電流注入領域ＡＡｃｉと、を備えている。

半導体レーザ素子１Ａは、実施形態１に係る半導体レーザ素子１と同様に端面発光型のかつリッジ構造を有するレーザ素子であり、光出射端面ＥＡｏから、半導体レーザ素子１Ａが発振したレーザ光を出射する。後端面ＥＡｒは、図中Ｚ方向において光出射端面ＥＡｏに対向する面である。後端面ＥＡｒには、レーザ光の波長において高反射率の高反射率反射膜が設けられている。また、光出射端面ＥＡｏには、レーザ光の波長において、高反射率反射膜よりも反射率が低い低反射率反射膜が設けられている。光出射端面ＥＡｏと後端面ＥＡｒとによってレーザ共振器が構成される。図中、Ｌはレーザ共振器長である。

導波路領域ＡＡｗｇは、光出射端面ＥＡｏと後端面ＥＡｒとの間で延伸方向に延びるマルチモードの導波路領域である。導波路領域ＡＡｗｇの光軸は延伸方向に平行である。導波路領域ＡＡｗｇは、Ｘ方向において、半導体レーザ素子１Ａが発振したレーザ光をマルチモードで導波する幅を有している。また、導波路領域ＡＡｗｇは、レーザ増幅媒体としての活性層を含んでおり、電流を注入することによって発光し、かつ光増幅作用を発揮する。

電流注入領域ＡＡｃｉは、導波路領域ＡＡｗｇに電流を注入する領域である。半導体レーザ素子１Ａは、半導体レーザ素子１と同様の断面構造を有する。電流注入領域ＡＡｃｉおよび導波路領域ＡＡｗｇについては、半導体レーザ素子１の電流注入領域Ａｃｉおよび導波路領域Ａｗｇと同様なので、説明を省略する。

半導体レーザ素子１Ａでは、導波路領域ＡＡｗｇの幅と電流注入領域ＡＡｃｉの幅との差の１／２をカバレッジ幅として定義する。電流注入領域ＡＡｃｉの幅方向両側におけるカバレッジ幅は、必ずしも同じ幅である必要はないが、半導体レーザ素子１Ａから出射されるレーザ光の放射角などの対称性を考慮すると、両側が同じカバレッジ幅となることが好ましい。本実施形態では、両側が同じカバレッジ幅であることとする。

また、導波路領域ＡＡｗｇにおいて、延伸方向（Ｚ方向）における中心線ＣＬよりも光出射端面ＥＡｏ側に位置する領域を光出射側領域ＡＡｏとする。また、導波路領域ＡＡｗｇにおいて、延伸方向における中心線ＣＬよりも後端面ＥＡｒ側に位置する領域を後側領域ＡＡｒとする。光出射側領域ＡＡｏ、後側領域ＡＡｒの長さはいずれもＬ／２である。

ここで、半導体レーザ素子１Ａでは、導波路領域ＡＡｗｇはＺ方向に沿って幅が一定である。一方、電流注入領域ＡＡｃｉは、その幅が、光出射端面ＥＡｏから後端面ＥＡｒに向かって一定の部分と不連続に変化している３箇所の部分がある。具体的には、電流注入領域ＡＡｃｉは、光出射端面ＥＡｏから長さＬＡ１にわたって一定の幅であるが、光出射側領域ＡＡｏに存在する変化部ＰＡ１において幅が段階的に減少し、さらに長さＬＡ２にわたって一定の幅である。そして、後側領域ＡＡｒに存在する変化部ＰＡ２において幅が段階的に減少し、さらに長さＬＡ３にわたって一定の幅である。そして、後側領域ＡＡｒに存在する変化部ＰＡ３において幅が不連続に減少し、さらに長さＬＡ４にわたって一定の幅であり、後端面ＥＡｒに到達する。ここで、図中に示すように、変化部ＰＡ３を拡大すると、変化部ＰＡ３は、幅が不連続に変化する２つの部分と、２つの部分の間で幅が連続的に減少する部分とで構成されている。連続的に減少する部分の長さはレーザ共振器長Ｌに比べて微少であり、たとえば０．００１Ｌ〜０．０１Ｌ（すなわち、Ｌの０．１％〜１％）である。このような連続的な変化があると、端点の電界集中により半導体レーザ素子１Ａの信頼性が低下するおそれがより少なくなる。

したがって、光出射側領域ＡＡｏにおけるカバレッジ幅の最小値を第１カバレッジ幅ＷＡｏし、後側領域ＡＡｒにおけるカバレッジ幅の最大値をＷＡｒとすると、第１カバレッジ幅ＷＡｏは第２カバレッジ幅ＷＡｒより狭い。また、カバレッジ幅は、光出射端面ＥＡｏから後端面ＥＡｒに向かって一定または増加しており、かつ増加は不連続である。

さらに、光出射側領域ＡＡｏにおける電流注入領域ＡＡｃｉの面積を光出射側電流注入面積ＳＡｏ、後側領域ＡＡｒにおける電流注入領域ＡＡｃｉの面積を後側電流注入面積ＳＡｒとしたときに、たとえば、ＳＡｏがＳＡｒの１００%より大きく２００%以下である。

以上のように構成された半導体レーザ素子１Ａは、半導体レーザ素子１と同様に、簡易な構成にて、光出力および電気-光変換効率が高いとともに、ＦＦＰｈの増加が抑制されている。

なお、半導体レーザ素子１、１Ａは、いずれも、カバレッジ幅が、光出射端面から後端面に向かって一定または増加し、かつ、カバレッジ幅が不連続に変化する箇所が１箇所以上存在している。これによって、簡易な構成にて、光出力および電気-光変換効率が高いとともに、ＦＦＰｈの増加が抑制される。

半導体レーザ素子１、１Ａにおいて、カバレッジ幅が不連続に変化する箇所は２箇所または３箇所である。カバレッジ幅が光出射端面から後端面に向かって一定または不連続に増加し、かつ、カバレッジ幅が一定の領域がある程度の長さであることが、放熱性、共振器方向における電流注入の非対称な分布、後端面側における高次モード発振の抑制効果を同時に実現する上で好ましい。また、カバレッジ幅が不連続に変化する箇所は１箇所以上が好ましく、箇所の数は限定されないが、カバレッジ幅が一定の領域の長さを確保する上では、２〜４箇所が好ましい。

なお、実施形態に係る半導体レーザ素子では、導波路領域の幅は、半導体レーザ素子１、１Ａのように光軸方向において一定でもよいし、直線または曲線のように連続的に変化してもよいし、階段状のように不連続に変化していてもよい。したがって、導波路領域は、光出射端面側の幅が広いフレア型でもよい。また、導波路領域の幅の変化は、単調増加または単調減少であり、かつ連続的であると、構造が簡易であるので、製造が容易で好ましい。導波路領域がいずれの場合でも、ＦＦＰｈの増加をより効果的に抑制するために、光軸は延伸方向に対して平行であることが好ましい。

また、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を光ファイバに結合させる場合、光出射端面での導波路領域の幅（導波路幅）が、光ファイバのコア径に対して±５０μｍ以内の幅であると、光結合の観点から好適である。導波路幅は、たとえば８０μｍ〜２５０μｍの範囲であり、さらに好ましくは、１００μｍ〜２００μｍの範囲である。シングルモード発振する半導体レーザ素子や、導波路幅が５０μｍ程度のマルチモード半導体レーザ素子とは異なり、ここで記載する、より広い導波路幅を持つマルチモード半導体レーザ素子は、導波路構造により許容されるモード数が増える。そのため、本発明のように、モード数を低減させることを考慮しながら、ＦＦＰｈの増加の抑制を考えることがより重要になってくる。

また、電流非注入領域は、導波路領域と光出射端面との間および導波路領域と後端面との間の両方またはいずれか一方にも設けられていてもよい。これにより半導体レーザ素子の信頼性を向上させることができる。ここで、電流非注入領域は、電流を注入しない領域を指す。カバレッジ幅を定義している領域は、導波路領域Ａｗｇに電流を注入しない、電流非注入領域である。

また、半導体レーザ素子１、１Ａは公知の半導体プロセスを用いて作製することができる。たとえば、半導体レーザ素子１において、フォトリソグラフィとエッチングとによって、パッシベーション膜５に開口部５ａを形成し、真空蒸着法やスパッタリング法を用いて上部電極６を形成することで、電流注入領域を形成できる。電流非注入領域の形成方法としては、パッシベーション膜５を除去しない方法や、ｐ型コンタクト層１３の一部を除去する方法や、パッシベーション膜５を除去した箇所にｐ型コンタクト層１３とショットキー接触する電極を形成する方法などがある。

半導体レーザ素子１、１Ａの導波路構造はリッジ構造により実現されているが、これに限定されず、ＳＡＳ構造（Ｓｅｌｆ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）やＢＨ構造（Ｂｕｒｉｅｄ−Ｈｅｔｅｒｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）などの導波路構造を採用することも可能である。また、量子井戸を混晶化することによって、導波路を形成する技術を採用してもよい。上記実施形態は、屈折率導波路型の半導体レーザ素子の例であるが、屈折率導波路型に限らず、利得導波路型の半導体レーザ素子でもよい。また、リッジ構造の導波路領域の場合、リッジ構造の外側に当該リッジ構造とほぼ同じ高さの半導体層の部分があっても、導波路としての機能は変わらない。また、導波路領域の幅は導波路構造に応じて適宜定義できる。たとえばＢＨ構造の導波路構造を有する半導体レーザ素子の場合、導波路領域の幅とは、ＢＨ構造を構成する、たとえば活性層である導波路の幅と考えることができる。

（実施形態３）
図７は、実施形態３に係る半導体レーザバー素子の模式図である。半導体レーザバー素子１００は、複数の半導体レーザ素子１が並列配置された構成を有する半導体レーザ素子であり、複数の導波路領域と複数の電流注入領域とを備える。半導体レーザバー素子１００は、たとえば半導体基板上に複数の半導体レーザ素子１を形成したものを、所望の数の半導体レーザ素子１が含まれるようにカッティングすることで作製することができる。半導体レーザバー素子１００は、簡易な構成にて、光出力および電気-光変換効率が高いとともに、ＦＦＰｈの増加が抑制された半導体レーザバー素子である。

（実施形態４）
図８は、実施形態４に係るチップオンサブマウントの模式図である。チップオンサブマウント２００は、実施形態１に係る半導体レーザ素子１と、半導体レーザ素子１が搭載されるサブマウント２０１と、を備える。

サブマウント２０１は、ＡｌＮなどからなるセラミックス基板２０２と、セラミックス基板２０２の主表面上に形成された、Ａｕなどからなる金属膜２０３、２０４、２０５とを備えている。金属膜２０４、２０５は同一の主表面に形成されており、互いに絶縁されている。半導体レーザ素子１は、はんだ２０６によってサブマウント２０１の金属膜２０４に接合されている。

半導体レーザ素子１は、ジャンクションダウン状態でサブマウント２０１に搭載されている。すなわち、半導体レーザ素子１は、活性層１０との間に基板２が介在せず、活性層１０により近い上部電極６側がサブマウント２０１に接合されている。これにより活性層１０で発生した熱がサブマウント２０１に好適に放熱される。なお、下部電極３はＡｕなどからなるボンディングワイヤ２０７によって金属膜２０５と電気的に接続されている。これにより、半導体レーザ素子１には金属膜２０４、２０５を介して電流が注入される。

チップオンサブマウント２００では、半導体レーザ素子１がジャンクションダウン状態でサブマウント２０１に搭載されているが、ジャンクションアップ状態で搭載されていてもよい。ジャンクションアップ状態の場合、上部電極６に対して放熱構造を設けることが好ましい。

なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、半導体レーザ素子１Ａを含む半導体レーザバー素子や半導体レーザ素子１Ａを備えたチップオンサブマウントも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１、１Ａ 半導体レーザ素子
２ 基板
３ 下部電極
４ 半導体積層部
５ パッシベーション膜
５ａ 開口部
６ 上部電極
７ ｎ型バッファ層
８ ｎ型クラッド層
９ ｎ型ガイド層
１０ 活性層
１１ ｐ型ガイド層
１２ ｐ型クラッド層
１３ ｐ型コンタクト層
１００ 半導体レーザバー素子
２００ チップオンサブマウント
２０１ サブマウント
２０２ セラミックス基板
２０３、２０４、２０５ 金属膜
２０６ はんだ
２０７ ボンディングワイヤ
Ａｃｉ、ＡＡｃｉ 電流注入領域
Ａｏ、ＡＡｏ 光出射側領域
Ａｒ、ＡＡｒ 後側領域
Ａｗｇ、ＡＡｗｇ 導波路領域
ＣＬ 中心線
Ｅｏ、ＥＡｏ 光出射端面
Ｅｒ、ＥＡｒ 後端面
Ｐ１、Ｐ２、ＰＡ１、ＰＡ２、ＰＡ３ 変化部
Ｒ リッジ構造
Ｓｏ、ＳＡｏ 光出射側電流注入面積
Ｓｒ、ＳＡｒ 後側電流注入面積
Ｗｏ、ＷＡｏ 第１カバレッジ幅
Ｗｒ、ＷＡｒ 第２カバレッジ幅

Claims (12)

1. 光出射端面と、
   前記光出射端面に対向する後端面と、
   前記光出射端面と前記後端面との間で延伸方向に延びるマルチモードの導波路領域と、
   前記導波路領域に電流を注入する電流注入領域と、
   を備え、
   前記導波路領域の幅と前記電流注入領域の幅との差の１／２をカバレッジ幅とし、前記延伸方向における中心線よりも前記光出射端面側に位置する光出射側領域における前記カバレッジ幅の最小値を第１カバレッジ幅、前記中心線よりも前記後端面側に位置する後側領域における前記カバレッジ幅の最大値を第２カバレッジ幅としたとき、前記第１カバレッジ幅が前記第２カバレッジ幅より狭く、かつ前記光出射側領域における前記電流注入領域の面積を光出射側電流注入面積、前記後側領域における前記電流注入領域の面積を後側電流注入面積としたときに、前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１００%より大きく２００%以下である
   ことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記カバレッジ幅は、前記光出射端面から前記後端面に向かって一定または増加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記カバレッジ幅が前記光出射端面から前記後端面に向かって不連続に増加する箇所が存在する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記第１カバレッジ幅が５μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
5. 前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１００%より大きく１７５%以下である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
6. 前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１００%より大きく１６０%以下である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
7. 前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１００%より大きく１５０%以下である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
8. 前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１０５%以上１４８%以下である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
9. 前記光出射側電流注入面積が前記後側電流注入面積の１１３%以上１４５%以下である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
10. 光出射端面と、
    前記光出射端面に対向する後端面と、
    前記光出射端面と前記後端面との間で延伸方向に延びるマルチモードの導波路領域と、
    前記導波路領域に電流を注入する電流注入領域と、
    を備え、
    前記導波路領域の幅と前記電流注入領域の幅との差の１／２をカバレッジ幅とすると、前記カバレッジ幅は、前記光出射端面から前記後端面に向かって一定または増加し、かつ、前記カバレッジ幅が不連続に変化する箇所が１箇所以上存在する
    ことを特徴とする半導体レーザ素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子が搭載されるサブマウントと、
    を備えることを特徴とするチップオンサブマウント。
12. 前記半導体レーザ素子はジャンクションダウン状態で前記サブマウントに搭載されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載のチップオンサブマウント。

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