JP2023119507A - マルチビーム半導体レーザ素子およびレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチビーム型半導体レーザ素子の複数のビームの出射方向（光軸）の相対差を抑制する。
【解決手段】マルチビーム半導体レーザ素子１００は、端面発光型であり、複数のビームを出射する。複数のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿ｎは、半導体基板１１０上に第１方向（ｘ方向）に隣接して集積化される。複数のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿ｎのそれぞれは、第１方向に直交する第２方向に伸びるストライプ型の電流狭窄構造を有する。複数のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿ｎそれぞれの延在方向Ｄ１～Ｄｎは、少なくともマルチビーム半導体レーザ素子の出射端面側のある領域において非並行である。
【選択図】図５

Description

本開示は、マルチビーム半導体レーザ素子に関する。

高出力な端面発光型レーザとして、複数のリッジストライプ型のレーザ共振器がモノリシックに集積化されるマルチビーム半導体レーザ素子が提案されている。このようなマルチビーム型半導体レーザ素子はそれぞれのリッジ部を電気的にアイソレーションして実装することで多ビームの独立駆動が可能なものもある。

上述したマルチビーム半導体レーザ素子では、複数のビーム間で、波長、偏光角、発光効率、光出力といった特性の相対差を抑えることが要求される。

特性相対差を生じさせる要因のひとつとしては、半導体レーザをサブマウントに実装した際に受ける様々な応力であると考えられている。たとえば、特許文献１では、半導体チップとサブマウントとの組み立て時に、半導体チップ側の電極材および半導体材料と、サブマウント側のはんだ材およびサブマウント材との熱膨張係数の違いによって生じる応力がリッジ部に及ぶことにより偏光角特性不良が発生するという問題が指摘されている。偏光角特性とは、エミッタから出射する光の偏波の角度の特性をいう。

特許文献１には、偏光角特性のビーム間の相対差を抑制する技術が開示される。具体的には、リッジ部両脇に溝を挟んで設けられたバンク部上でサブマウント側のはんだ材と接合させることにより、リッジ部に直接はんだ材が接合することを回避し、はんだ材からの応力による偏光角回転および偏光角相対差を抑制している。この構造を、リッジ浮き構造とも称する。

特開２０１４－２２４８１号公報 特開２０１０－２４５２０７号公報 特開２０１０－０８０８６７号公報

本発明者は、リッジ浮き構造について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。

リッジ浮き構造を有するレーザ装置は、複数のビームの出射角が揃わないという問題がある。具体的には、複数のレーザ共振器から出射されるビームの光軸が、チップの出射端面と垂直とならずに、チップの中心方向を向いて傾いてしまう現象が起きることが分かった。なお、同様の問題は、リッジ浮き構造とは異なるレーザ装置において生じうる可能性もある。なお、この問題を、当業者における共通の技術的な知見と捉えてはならず、本発明者が独自に認識したものである。

本開示のある態様はかかる状況においてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、複数のビームを同一方向に出射可能な、言い換えると、複数のビームの出射方向（光軸）の相対差を抑制したマルチビーム型半導体レーザ素子の提供にある。

本開示のある態様は、端面発光型のマルチビーム半導体レーザ素子である。マルチビーム半導体レーザ素子は、半導体基板上に第１方向に隣接して集積化された複数のレーザ共振器を備える。複数のレーザ共振器のそれぞれは、第１方向と直交する第２方向に伸びるストライプ型の電流狭窄構造を有する。複数のレーザ共振器それぞれの延在方向は、少なくとも出射端面側の第１領域において非並行である。なお、本開示における第１領域とは、共振器方向に設けられレーザビームの出射方向を調整する機能を有する領域のことでありうる。詳細は後述するが、例えば端面付近に形成されているリッジストライプ構造の共振器方向に伸びる角度やストライプ幅等を調整することで上記機能を実現する領域が、この第１領域に対応しうる。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

本開示のある態様によれば、複数のビームの出射方向の相対差を抑制できる。

マルチビーム半導体レーザ素子の概略斜視図である。 マルチビーム半導体レーザ素子の断面図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、マルチビーム半導体レーザ素子を備えるレーザ装置の製造工程を説明する図である。 図４（ａ）～（ｄ）は、図３のレーザ装置における２つのビームの出射方向の差を説明する図である。 実施例１に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、図５のマルチビーム半導体レーザ素子によるマルチビームの出射方向の均一化を説明する図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、シミュレーションのモデルを説明する図である。 図８（ａ）～（ｄ）は、比較構成における光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、実施例１に対応する導波路の光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 実施例２に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 図１１（ａ）～（ｃ）は、レーザ共振器の延在方向を説明する図である。 実施例３に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 図１３（ａ）、（ｂ）は、図５のマルチビーム半導体レーザ素子および図１２のマルチビーム半導体レーザ素子のウェハの一部を示す図である。 実施例４に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 実施例５に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 実施例６に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 図１７（ａ）、（ｂ）は、図１６のマルチビーム半導体レーザ素子の水平方向（ｘ方向）のＮＦＰおよびＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。 実施例７に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 実施例８に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 実施例９に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 実施例１０に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 実施例１１に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 実施例１２に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。 図２４（ａ）、（ｂ）は、図２３のマルチビーム半導体レーザ素子におけるビームの水平方向（ｘ方向）のＮＦＰおよびＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。 図２５（ａ）、（ｂ）は、変形例に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

一実施形態に係る端面発光型のマルチビーム半導体レーザ素子は、半導体基板上に第１方向に隣接して集積化された複数のレーザ共振器を備える。複数のレーザ共振器のそれぞれは、第１方向と直交する第２方向に伸びるストライプ型の電流狭窄構造を有する。複数のレーザ共振器それぞれの延在方向は、少なくとも出射端面側の第１領域において非並行である。

チップが最終製品の状態においてそのレーザ共振器に応力を受ける場合、レーザ共振器の導波路に、応力に起因する屈折率変化が生ずる。応力がチップの面内で不均一である場合、レーザ共振器の導波路内の屈折率変化によって、光の導波方向は、屈折率が高い方向に曲がることとなる。一実施形態では、チップが最終製品の状態において応力を受ける場合において、複数のレーザ共振器からのビームの出射方向の相対差を抑制している。これは、複数のレーザ共振器それぞれの導波路における屈折率分布を考慮して、各レーザ共振器の延在方向を位置に応じて個別に設計することで達成できる。

レーザ共振器の延在方向は、たとえば、レーザ共振器の幅方向（第１方向）の中心線を考えたときに、その中心線の向く方向と把握してもよい。中心線が曲線を含む場合、その接線方向と把握してもよい。レーザ共振器の延在方向は、レーザ共振器の導波路の一方の側方の境界の延在方向と、他方の側方の境界の延在方向の平均として把握してもよい。

一実施形態において、ストライプ型の電流狭窄構造は、リッジ構造であってもよいし、埋め込み構造（埋め込みリッジ構造ともいう）であってもよい。

一実施形態において、第１領域において、複数のレーザ共振器それぞれの幅は一定であってもよい。

一実施形態において、第１領域において、複数のレーザ共振器のそれぞれは、出射端面に近づくほど幅が広がるテーパー形状を有していてもよい。一実施形態において、第１領域において、複数のレーザ共振器のそれぞれは、出射端面に近づくほど幅が狭まるテーパー形状を有していてもよい。

一実施形態において、複数のレーザ共振器のそれぞれは、マルチビーム半導体レーザ素子の第１端面における幅と第２端面における幅が等しくてもよい。

一実施形態において、複数のレーザ共振器の延在方向は、少なくとも１回、変化してもよい。複数のレーザ共振器のそれぞれは、マルチビーム半導体レーザ素子の第１端面における第１方向の位置と第２端面における第１方向の位置が同一であってもよい。なお、本構成の詳細は図１３を用いて後述されるが、第１方向の位置とは、素子を構成するチップの一つの端部を基準とした場合の前記共振器が形成されている場所を示している。具体的には、第１方向におけるチップの一つの端部から共振器中心までの距離が、第一端面側と第二端面側とで同じ距離になっている。製造工程において、複数のチップがウェハから切り出される際に、第２方向に隣接する２個のチップの境界（劈開面）において、レーザ共振器が連続することととなり、劈開面の第２方向に対するズレに対する許容度を改善できる。

一実施形態において、第１領域に対して出射端面側に隣接する第２領域において、複数のレーザ共振器の延在方向は、出射端面に対して垂直であってもよい。

一実施形態において、第２領域の第２方向の長さは、第１領域の第２方向の長さよりも短くてもよい。第２領域の長さを十分に短く取ることで、ビームは、第１領域の延在方向に応じた方向に出射されることとなる。

一実施形態において、複数のレーザ共振器は、第１レーザ共振器および第２レーザ共振器を含んでもよい。第１レーザ共振器および第２レーザ共振器は、チップの第１方向に関する中心線に対して線対称に形成されてもよい。応力が、チップの中心線に対象に生ずる場合に、マルチビーム半導体レーザ素子の設計を簡略化できる。

一実施形態において、レーザ共振器の延在方向を、第２方向となす角度で定義するとき、複数のレーザ共振器それぞれの角度は、当該レーザ共振器が半導体基板の第１方向に関する中心線から遠いほど、大きくてもよい。

一実施形態に係るレーザ装置は、マルチビーム半導体レーザ素子のチップと、マルチビーム半導体レーザ素子を支持する支持基板と、を備えてもよい。マルチビーム半導体レーザ素子のチップの熱膨張係数と、支持基板の熱膨張係数が異なってもよい。

（実施形態）
以下、本開示を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、開示を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示の本質的なものであるとは限らない。

図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

はじめに、マルチビーム半導体レーザ素子における複数のビームの出射方向の違いについて説明する。

図１は、マルチビーム半導体レーザ素子１００の概略斜視図である。マルチビーム半導体レーザ素子１００は、端面発光型であり、第１方向（図中、ｘ方向）に隣接する複数ｎ個（ｎ≧２）のエミッタ１０２＿１～１０２＿ｎから、複数のビームＢＭ１～ＢＭｎを出射可能に構成される。１個のビームに対応する構成や機能を、チャンネルとも称する。図１には、ｎ＝２の構成が例示的に示される。

マルチビーム半導体レーザ素子１００は、ｎ個ビームに対応するｎ個のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿ｎを備え、ひとつの半導体基板１１０上にモノリシックに形成されている。ｎ個のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿ｎは、第２方向（図中、ｙ方向）に伸びるストライプ状の電流狭窄構造を有する。電流狭窄構造としては、リッジ構造や、埋め込み構造（埋め込みリッジ構造）などを採用することができる。

図２は、マルチビーム半導体レーザ素子１００の断面図である。図２のマルチビーム半導体レーザ素子１００は、リッジ構造を有する。マルチビーム半導体レーザ素子１００は、ｎ＝２個のエミッタ１０２＿１，１０２＿２を備え、２本のビームを出射可能である。

マルチビーム半導体レーザ素子１００は、半導体基板１１０、多層構造部１２０、絶縁膜１３４、ｐ側電極１３８、ｎ側電極１３９を備える。多層構造部１２０は、たとえばｎ型クラッド層１２２、ガイド層及び量子井戸層を含む発光層１２４（光導波路コア層ともいう）、ｐ型クラッド層１２６、ｐ型コンタクト層１２８を含む。各層は組成やドーピング濃度によってさらに細かく分けられる。多層構造部１２０は、たとえばＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、有機金属化学気相成長法）を用いたエピタキシャル成長により形成される。

多層構造部１２０には、リッジストライプ構造を有するレーザ共振器（レーザ構造）１４０が形成される。リッジストライプ構造は、たとえばフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることにより、ｐ型コンタクト層１２８およびｐ型クラッド層１２６を部分的に除去することにより形成することができる。各ｐ型クラッド層１２６にリッジ構造を形成する際に各ｐ型クラッド層１２６にバンク構造を形成してもよい。各バンクは、各リッジ構造の両側に設けられてもよいし、片側のみに設けられてもよい。あるいはバンク構造は省略されてもよい。

複数のレーザ共振器１４０を独立に制御可能としたい場合には、分離溝１５０が形成されていてもよい。

ｐ型コンタクト層１２８の上面は、ＳｉＯ_２などの絶縁膜１３４によって覆われる。絶縁膜１３４は、レーザ共振器１４０の部分において開口が設けられている。絶縁膜１３４の上層に形成されるｐ側電極１３８は、絶縁膜１３４の開口を介して、ｐ型コンタクト層１２８と電気的に接続される。また半導体基板１１０の裏面には、ｎ側電極１３９が形成され、ｐ側電極１３８とｎ側電極１３９の間で通電される。

なお、図２のマルチビーム半導体レーザ素子１００の断面構造は例示であって、本開示をいかなる意味においても限定するものではない。

以上がマルチビーム半導体レーザ素子１００の基本構造である。マルチビーム半導体レーザ素子１００は、支持基板上に実装されレーザ装置となる。

図３（ａ）、（ｂ）は、マルチビーム半導体レーザ素子１００を備えるレーザ装置２００の製造工程を説明する図である。レーザ装置２００は、図１に示したマルチビーム半導体レーザ素子１００と、マルチビーム半導体レーザ素子１００を支持する支持基板２１０を備える。支持基板２１０はサブマウントとも称される。図３（ａ）、（ｂ）において、マルチビーム半導体レーザ素子１００は、図２とは天地反転した向きで示されている。

図３（ａ）は、ダイボンディング前の状態を、図３（ｂ）は、ダイボンディング後の状態を示す。支持基板２１０の表面には、はんだ２１２が塗布される。マルチビーム半導体レーザ素子１００は、ｐ側電極１３８がはんだ２１２と接触する向きで、支持基板２１０に実装される。

支持基板２１０は、放熱性に優れた材料を選ぶことができる。たとえばＧａＡｓの半導体基板１１０を備えたマルチビーム半導体レーザ素子１００のチップを、ＡｌＮの支持基板２１０に実装することを考える。ＧａＡｓの熱膨張係数はＡｌＮのそれより大きいため、約４００℃でのはんだ材との溶着工程を経たのち、冷却過程でＧａＡｓの方がＡｌＮよりも収縮する。図３（ｂ）において、矢印３００は、半導体基板１１０の収縮を模式的に表しており、矢印３０２は、支持基板２１０の収縮を模式的に表している。

半導体基板１１０および支持基板２１０の異なる収縮の結果、レーザ共振器１４０であるリッジ構造には、矢印３０４で示すような剪断応力が加わることとなる。この剪断応力は、半導体基板１１０の中心線１１２に近いほど小さく、外側に近づくほど大きくなる。

図４（ａ）～（ｄ）は、図３のレーザ装置２００における２つのビームの出射方向の差を説明する図である。図４（ａ）には、レーザ装置２００が示される。図４（ａ）のレーザ装置２００は図３（ｂ）のレーザ装置２００を天地反転している。マルチビーム半導体レーザ素子１００のチップの中心位置をｘ_０、レーザ共振器１４０＿１、１４０＿２それぞれの中心位置をｘ_１、ｘ_２とする。

図４（ｂ）は、レーザ共振器１４０＿１，１４０＿２それぞれの導波路内の屈折率分布を示す図である。レーザ共振器１４０＿１の導波路では、チップの中央ｘ_０に近いほど、つまり紙面右方向ほど、屈折率が高くなる。レーザ共振器１４０＿２の導波路では、チップ中央ｘ_０に近いほど、つまり紙面左方向ほど、屈折率が高くなる。

導波路内の屈折率分布の影響で、導波路内を導波する光は、屈折率のより高いチップ中央方向に偏ることとなる。図４（ｃ）には、２つのレーザ共振器１４０＿１，１４０＿２が生成するビームＢＭ１，ＢＭ２のニアフィールドパターン（ＮＦＰ）が示される。ＮＦＰは、マルチビーム半導体レーザ素子１００の出射端面におけるｘ方向の強度分布を表す。屈折率分布の影響によって、レーザ共振器１４０＿１が生成するビームＢＭ１のＮＦＰのピークは、ｘ_１よりもｘ_０側にシフトしている。同様に、レーザ共振器１４０＿２が生成するビームＢＭ２のＮＦＰのピークも、ｘ_２よりもｘ_０側にシフトしている。

図４（ｄ）には、２つのレーザ共振器１４０＿１，１４０＿２が生成するビームＢＭ１，ＢＭ２のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）が示される。ＦＦＰは、横軸を水平方向の出射角θｈとして示している。各導波路内の光の偏りの結果、各ビームは、チップの出射端面に対して、異なる斜め方向（非垂直）に出射することになる。つまり複数のビームそれぞれの出射角が異なる状況が生じる。

なお、ここで説明した、複数のビームの出射方向の違いの問題、ならびにそのメカニズムを、当業者の一般的な認識と捉えてはならない。

以下では、複数のビーム間の出射方向の違いを抑制する技術について、いくつかの実施例にもとづいて説明する。

（実施例１）
図５は、実施例１に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ａの平面図である。マルチビーム半導体レーザ素子１００Ａは、半導体基板１１０上に第１方向（ｘ方向）に隣接して集積化された複数のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿ｎを備える。ここではｎ＝２とする。上述したように、複数のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿ｎのそれぞれは、第１方向（ｘ方向）と直交する第２方向（ｙ方向）に伸びるストライプ型の電流狭窄構造を有する。Ｓ１は、マルチビーム半導体レーザ素子１００Ａの出射端面を示し、Ｓ２は、出射端面と反対側の面を示す。

電流狭窄構造を有するレーザ共振器１４０のストライプは、マクロ的に見た場合には、ｙ方向に延在しているが、ミクロ的に厳密に見ると、ｙ方向からずれた方向に向かって延在している。複数のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿ｎそれぞれの延在方向（図中、矢印Ｄ１，Ｄ２で示す）は互いに非並行に設計される。この設計は、マルチビーム半導体レーザ素子１００Ａのチップがレーザ装置２００に実装された状態において、言い換えると、マルチビーム半導体レーザ素子１００Ａに応力が生ずる状態において、レーザ共振器１４０＿１～１４０＿ｎから出射する複数のビームが平行に近づくようになされている。なお、図面では、延在方向Ｄ１，Ｄ２の違いを強調して示しているが、実際には図示したものよりもはるかに小さく、１°未満である。延在方向Ｄ１，Ｄ２を、ｙ軸と平行な仮想線となす傾斜角度θ１，θ２として表すものとする。

実施例１では、レーザ共振器１４０＿１の幅は、ｙ方向の全範囲にわたり一定である。レーザ共振器１４０＿２についても同様である。

以上がマルチビーム半導体レーザ素子１００Ａの構成である。続いてその動作を説明する。

図６（ａ）、（ｂ）は、図５のマルチビーム半導体レーザ素子１００Ａによるマルチビームの出射方向の均一化を説明する図である。図６（ａ）は、レーザ共振器１４０が応力を受けていない状態におけるビームの出射方向を示す。レーザ共振器１４０が応力を受けていないとき、レーザ共振器１４０内のｘ方向の屈折率分布は一様であるから、ビームＢＭｉ（ｉ＝１，２…）の進行方向は、レーザ共振器１４０＿ｉの延在方向Ｄｉと一致する。応力が生じていない状態では、ビームＢＭ１，ＢＭ２は、方向ＤＯ１，ＤＯ２に放射される。レーザ共振器１４０と空気の屈折率差によって、出射端面Ｓ１においてビームＢＭは屈折するため、延在方向Ｄｉと放射方向ＤＯｉは一致しない。

図６（ｂ）は、レーザ共振器１４０が応力を受けている状態におけるビームの出射方向を示す。レーザ共振器１４０＿ｉが応力を受けると、レーザ共振器１４０＿ｉ内の屈折率分布に傾斜が生ずる。これにより、レーザ共振器１４０＿ｉ内を導波する光は、屈折率が高いチップの中心方向に向かってわずかに曲がりながら導波する。レーザ共振器１４０＿ｉ内の光の導波方向Ｄｉ’は、共振器の延在方向Ｄｉに対して、Δθｉ分、チップの中心線１１２に向かって傾くこととなる。さらに出射端面Ｓ１において、方向Ｄｉ’に導波するビームＢＭは、レーザ共振器１４０と空気の屈折率差によって屈折するため、ビームＢＭｉは、放射方向ＤＯｉ’に放射される。このように、レーザ共振器の延在方向Ｄｉを応力に応じて調整することで、レーザ共振器１４０＿１とレーザ共振器１４０＿２とから放射されるレーザ光は互いに平行に出射される。

以上がマルチビーム半導体レーザ素子１００Ａの動作である。

複数のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿ｎの延在方向Ｄ１～Ｄｎ（傾斜角θ１～θｎ）を、応力にもとづく屈折率分布による光軸変化量Δθ１～Δθｎをキャンセルできるように設計することで、レーザ共振器１４０が応力を受けるレーザ装置２００の状態において、複数のビームＢＭ１，ＢＭ２の出射方向（光軸）の相対差を抑制することができ、複数のビームＢＭ１～ＢＭｎを平行とすることができる。

レーザ共振器１４０の応力の分布が、半導体基板１１０の中心線１１２を基準として左右対称に生じている場合を考える。いま、２つのレーザ共振器１４０＿１，１４０＿２のエミッタ１０２＿１，１０２＿２の位置が、中心線１１２から等距離である場合、２つのレーザ共振器１４０＿１，１４０＿２には、同じ大きさの応力が逆向きに加わるから、光軸変化量の大きさΔθ１とΔθ２は等しくなる。したがって、レーザ共振器１４０＿１と１４０＿２の延在方向Ｄ１，Ｄ２の傾斜角θ１、θ２は、レーザビームの出射方向が端面に対して垂直方向になるように調整され、本実施例では傾斜角θ１、θ２は等しくなる。つまり、レーザ共振器１４０を半導体基板１１０の中心線１１２に対して、線対称でレーザビームの出射方向が端面に対して垂直方向となるように設計すればよい。

なお、半導体基板１１０の幾何学的な中心線１１２が応力の中心と一致しない場合もありえる。この場合、応力の中心線を基準として線対称に、マルチビーム半導体レーザ素子１００Ａを設計すればよい。

マルチビーム半導体レーザ素子１００Ａのシミュレーション結果を説明する。図７（ａ）、（ｂ）は、シミュレーションのモデルを説明する図である。シミュレーションでは、レーザ共振器１４０を、面Ａを入射端、面Ｂを出射端とする導波路ＷＧ１として取り扱う。導波路ＷＧ１の幅Ｗは、１．５μｍ、導波路ＷＧ１の長さＬは３００μｍとしている。

図７（ｂ）は、シミュレーションモデルにおける導波路ＷＧ１内のｘ方向の屈折率分布を示す。ここでは計算の簡素化のため、屈折率ｎは、導波路内においてステップ状に変化するものとしており、導波路ＷＧ１中央部において３．２０、チップの中心側において、３．２０＋０．０００５、チップ外側において、３．２０－０．０００５であるものとする。

はじめに、導波路ＷＧ１の延在方向を、ｙ軸と一致させた構成（比較構成という）のシミュレーションについて説明する。

図８（ａ）～（ｄ）は、比較構成における光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）は、導波路ＷＧ１の入射端Ａに入射する光の強度分布を示す。ここでは入射光Ｌ１は、ガウシアン分布を有するものとする。同図では、光強度のピークから５０％の強度の光が導波路ＷＧ１に入射している。また、光強度５０％以下の部分は導波路ＷＧ１から周囲に広がる部分を示しており、横軸０から約±２μｍの範囲としている。

図８（ｂ）は、導波路ＷＧ１の出射端Ｂにおける水平方向(ｘ方向)のＮＦＰを示す。屈折率分布の影響によって、出射端ＢにおけるＮＦＰの最大強度は、チップの中心寄りに偏る。

図８（ｃ）は、導波路ＷＧ１と空気の屈折率差による屈折がないと仮定したときの水平方向(ｘ方向)のＦＦＰである。これは、導波路ＷＧ１内の出射端面の直前におけるビームの指向性を示していると言える。導波路ＷＧ１内の屈折率分布の影響によって、ビームＢＭ１の伝搬方向が、Δθ＝０．１３°、中央寄りに傾くことが分かる。

図８（ｄ）は、導波路ＷＧ１と空気の屈折率差を考慮したときの水平方向(ｘ方向)のＦＦＰである。伝搬方向の傾きΔθと、出射端面Ｂにおける屈折の影響によって、ビームＢＭ１は、０．４°、中央寄りに傾いて放射される。

続いて導波路ＷＧ１の延在方向を、ｙ軸からθ＝０．０４°傾斜させた実施例１に対応する導波路のシミュレーションについて、図９（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。

図９（ａ）、（ｂ）は、実施例１に対応する導波路の光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。図９（ａ）は、導波路ＷＧ１の出射端面における水平方向(ｘ方向)のＮＦＰを、図９（ｂ）は、水平方向(ｘ方向)のＦＦＰを示す。導波路ＷＧ１をｙ軸に対して０．０４°傾斜させることにより、ＦＦＰのピークを０°とすること、言い換えるとビームをｙ軸に対して平行に出射することができる。

（実施例２）
図１０は、実施例２に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｂの平面図である。実施例１では、レーザ共振器１４０＿１，１４０＿２と中心線１１２の距離が等しかったが、本開示はそれに限定されない。

実施例２では、レーザ共振器１４０＿１，１４０＿２が中心線１１２から異なる距離ｌ１，ｌ２に配置されている。図１０では、ｌ２＞ｌ１が成り立っている。上述のように、応力は、半導体基板１１０の中心線１１２から遠ざかるほど強くなり、したがってレーザ共振器１４０＿２における屈折率変化の方が、レーザ共振器１４０＿１における屈折率変化よりも大きい。その結果、屈折率変化により生ずる光軸変化量Δθは、レーザ共振器１４０＿２の方が大きくなる（Δθ２＞Δθ１）。この場合、レーザ共振器１４０＿２の延在方向Ｄ２の傾斜角θ２は、レーザ共振器１４０＿１の延在方向Ｄ１の傾斜角θ１よりも大きく設計すればよい。

実施例１や実施例２では、各レーザ共振器１４０＿ｉの幅は一定であったが、本開示はそれに限定されない。レーザ共振器１４０の幅が一定でない場合の、導波路の延在方向について説明する。

図１１（ａ）～（ｃ）は、レーザ共振器１４０の延在方向を説明する図である。図１１（ａ）～（ｃ）には、レーザ共振器１４０のリッジストライプ構造の一部分が示される。Ｄは延在方向を示すベクトルである。θは、ベクトルＤが、ｙ軸と平行な仮想線となす角度であり、この角度θをもって、延在方向を表現することができる。

図１１（ａ）は幅が一定のリッジストライプ構造を、図１１（ｂ）、（ｃ）は、出射端面に向かって幅が広がるテーパー形状を有するリッジストライプ構造を示す。図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、リッジストライプ構造のエッジＥｌとＥｒの中心を通る仮想線ＣＬをとり、この仮想線ＣＬに沿う方向を、レーザ共振器１４０の延在方向Ｄとすることができる。

あるいは、図１１（ｃ）に示すようにリッジストライプ構造のエッジＥｌとＥｒそれぞれの延在方向Ｄｌ，Ｄｒをとり、２つの延在方向Ｄｌ，Ｄｒの平均やベクトル合成によって得られる方向を、レーザ共振器１４０の延在方向Ｄとしてもよい。あるいは、延在方向Ｄｌ，Ｄｒの方向θｌ、θｒの平均を、レーザ共振器１４０の延在方向θとしてもよい。

なお、レーザ共振器１４０の延在方向の取り方は、ここで説明したものに限定されない。たとえばリッジストライプ構造が曲線を含む場合には、中心を通る仮想線ＣＬの接線方向を、延在方向ととることができる。以下の説明では、延在方向Ｄを、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、中心線ＣＬに沿った方向として定義する。

（実施例３）
図１２は、実施例３に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｃの平面図である。実施例３においては、各レーザ共振器１４０＿ｉはテーパー形状を有しており、それぞれの幅は、ｙ方向に関して徐々に変化する。

実施例３においても、レーザ共振器１４０＿１，１４０＿２それぞれの延在方向Ｄ１，Ｄ２は互いに非並行となっている。各レーザ共振器１４０の２つの側方エッジＥｎ，Ｅｆのうち、中心線１１２に近いエッジＥｎは、チップの出射端面Ｓ１に対して垂直であり、中心線１１２から遠いエッジＥｆがチップの出射端面Ｓ１に対して傾斜している。

図５のマルチビーム半導体レーザ素子１００Ａに対する、図１２のマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｃの利点を、図１３を参照して説明する。この利点は、マルチビーム半導体レーザ素子の製造プロセスに関連する。

図１３（ａ）、（ｂ）は、図５のマルチビーム半導体レーザ素子１００Ａおよび図１２のマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｃのウェハの一部を示す図である。前工程の完了後において、マルチビーム半導体レーザ素子１００Ｃはウェハ内で連続しており、ダイシングにより、チップごとに個片化される。図１３（ａ）、（ｂ）には、理想的なダイシングライン４１０Ａと、実際のダイシングライン４１０が示される。

図１３（ａ）に示すように、実施例１（図５）の構成では、ダイシングライン４１０が理想的なダイシングライン４１０Ａからｙ方向にずれると、レーザ共振器１４０に不連続４１２が生ずるため、レーザとして機能しなくなる。つまり実施例１の構成は、ダイシングラインの位置に対してシビアである。

図１３（ｂ）に示すように、実施例３（図１２）の構成では、ダイシングライン４１０がｙ方向にずれても、部分４１４においてレーザ共振器１４０の幅はステップ状に変化するが、図１３（ａ）のようにレーザ共振器が途切れることはない。つまり実施例３によれば、実施例１に比べるとダイシングラインのｙ方向へのずれの許容度を高めることができる。

（実施例４）
図１４は、実施例４に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｄの平面図である。実施例４においても、実施例３と同様に、各レーザ共振器１４０＿ｉはテーパー形状を有しており、レーザ共振器１４０＿１，１４０＿２それぞれの延在方向Ｄ１，Ｄ２は非並行となっている。

図１４では、各レーザ共振器１４０の２つの側方エッジのうち、中心線１１２に遠いエッジＥｆは、チップの出射端面Ｓ１に対して垂直であり、中心線１１２から近いエッジＥｎがチップの出射端面Ｓ１に対して傾斜している。図１２と同じ延在方向Ｄ１，Ｄ２とするために、図１４では、出射端面Ｓ１に近づくほど、レーザ共振器１４０の第１方向（ｘ方向）の幅が狭くなっており、出射端面Ｓ１から遠ざかるに従って幅が広くなっている。

実施例４によっても、複数のビームの出射方向を揃えることができる。なお上述の実施例３は、実施例４に比べて、以下の利点を有する。

出射端面の幅が狭いと、言い換えると、エミッタの面積が狭いと、光の電界集中が発生し、また温度上昇が大きくなるという問題がある。この観点において、実施例３のように内側のエッジＥｎをｙ軸と平行とすることで、レーザ光の出射方向を調節した状態を維持したまま、出射端側の幅、つまりエミッタの面積を大きくできるため、この問題を解決できる。

（実施例５）
図１５は、実施例５に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｅの平面図である。実施例１～実施例４では、ｙ方向の全範囲において、複数のレーザ共振器１４０の延在方向が非並行であった。これに対して実施例５では、ｙ方向の一部の範囲において、複数のレーザ共振器１４０の延在方向は非並行であるが、ｙ方向の別の一部の範囲において、複数のレーザ共振器１４０の延在方向は並行とされる。具体的には、出射端面Ｓ１に近い領域Ａ１において、複数のレーザ共振器１４０の延在方向Ｄ１，Ｄ２は非並行であり、出射端面Ｓ１から遠い領域Ａ２において、複数のレーザ共振器１４０の延在方向が平行となっている。この構成によっても、複数のビームの出射方向の違いを抑制できる。

（実施例６）
図１６は、実施例６に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｆの平面図である。実施例６は、実施例３と実施例５の組み合わせである。すなわち領域Ａ１において、延在方向Ｄ１，Ｄ２が非並行であり、領域Ａ２において、延在方向Ｄ１，Ｄ２は平行である。また領域Ａ１において、レーザ共振器１４０＿１，１４０＿２はテーパー形状を有している。

図１７（ａ）、（ｂ）は、図１６のマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｆの水平方向（ｘ方向）のＮＦＰおよびＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。領域Ａ２におけるレーザ共振器１４０の幅Ｗ２を１．５μｍとし、領域Ａ１の出射端面Ｓ１におけるレーザ共振器１４０の幅Ｗ１を２．３μｍとしている。領域Ａ１の長さは３００μｍであり、延在方向Ｄ１，Ｄ２の傾斜角は０．１５°としている。

図１７（ｂ）に示すように、レーザ共振器１４０にテーパー形状を持たせて、延在方向を設計することにより、ＦＦＰのピークが０°方向となり、ｙ軸と平行にビームを出射することが可能となる。

（実施例７）
図１８は、実施例７に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｇの平面図である。実施例７では、実施例６に比べて、領域Ａ３が追加されている。領域Ａ３では、端面Ｓ１と端面Ｓ２とで、レーザ共振器１４０＿ｉの幅が等しくなるように、レーザ共振器１４０＿ｉがテーパー形状を有している。

実施例７によれば、製造工程においてダイシングラインがｙ方向にずれた場合に、導波路の連続性を担保できる。すでに説明した実施例３では、ダイシングラインがずれると、レーザ共振器の幅がステップ状に変化するのに対して、実施例７では、ダイシングラインがずれても、レーザ共振器の幅が連続することとなり、実施例３に比べて有利である。

（実施例８）
図１９は、実施例８に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｈの平面図である。実施例８では、実施例７に比べて、領域Ａ０，Ａ４が追加されている。領域Ａ０，Ａ４では、レーザ共振器１４０＿ｉの幅が一定であり、かつそれらの幅は、等しくＷ１である。また領域Ａ０，Ａ４におけるレーザ共振器１４０＿ｉの延在方向はｙ軸方向と一致している。

実施例８において、領域Ａ０の長さＬｓが、領域Ａ１の長さＬｔに比べて十分に短ければ（Ｌｓ≪Ｌｔ）、ビームの出射方向は、領域Ａ１の延在方向によって支配的に決まる。

実施例８によれば、実施例７と同様に、ダイシングラインがｙ方向にずれた場合に、導波路の連続性を担保できる。特に実施例８では、領域Ａ０とＡ４の幅が等しくＷ１であるため、ダイシングラインがｙ方向にずれた場合であっても、出射端の幅を一定に保つことができる。

（実施例９）
図２０は、実施例９に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｉの平面図である。実施例９では、実施例５（図１５）と同様に、レーザ共振器１４０＿ｉの幅が一定である。実施例９では、実施例５に比べて、領域Ａ３が追加されている。この領域Ａ３において、レーザ共振器１４０＿ｉの延在方向が変化しており、２つの端面Ｓ１，Ｓ２における、レーザ共振器１４０＿ｉの幅と位置が同じになるようになっている。

実施例９によれば、領域Ａ１におけるレーザ共振器１４０＿ｉの延在方向によって、ビームの出射方向を制御できる。また、領域Ａ３を追加することにより、ダイシングラインがｙ方向にずれた場合に、導波路の連続性を担保できる。

（実施例１０）
図２１は、実施例１０に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｊの平面図である。実施例１０では、実施例９（図２０）に比べて、領域Ａ０，Ａ４が追加されている。領域Ａ０，Ａ４では、レーザ共振器１４０＿ｉの幅が一定であり、延在方向はｙ軸方向と一致している。

実施例１０によれば、実施例９と同様に、ダイシングラインがｙ方向にずれた場合に、導波路の連続性を担保できる。特に実施例１０では、領域Ａ０とＡ４の幅が一定であり、延在方向がｙ軸方向と一致しているため、ダイシングラインのｙ方向のずれに対してより許容度が大きくなっている。

（実施例１１）
図２２は、実施例１１に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｋの平面図である。実施例１１は、実施例３（図２１）に比べて、領域Ａ２が追加されている。領域Ａ２において、レーザ共振器１４０＿ｉの幅が変化しており、２つの端面Ｓ１，Ｓ２における、レーザ共振器１４０＿ｉの幅と位置が同じになるようになっている。

実施例１１によれば、領域Ａ１におけるレーザ共振器１４０＿ｉの延在方向Ｄｉによって、ビームの出射方向を制御できる。また、領域Ａ２を追加することにより、ダイシングラインがｙ方向にずれた場合に、導波路の連続性を担保できる。

（実施例１２）
図２３は、実施例１２に係るマルチビーム半導体レーザ素子１００Ｌの平面図である。これまでの実施例１～１１では、すべてのビームが、出射端面Ｓ２に対して垂直に放射されるように、レーザ共振器１４０の延在方向を設計したが、本開示はそれに限定されず、すべてのビームが垂直でない同じ方向に放射するように、延在方向を設計してもよい。

図２３の例では、レーザ共振器１４０＿２の延在方向は、ｙ軸方向と一致しており、レーザ共振器１４０＿２のビームＢＭ２は、出射端面Ｓ１に対して非垂直方向に放射される。レーザ共振器１４０＿１の延在方向Ｄ１は、ビームＢＭ１の出射方向ＤＯ１が、ビームＢＭ２の出射方向ＤＯ２と一致するように設計される。

図２４（ａ）、（ｂ）は、図２３のマルチビーム半導体レーザ素子１００ＬにおけるビームＢＭ１の水平方向（ｘ方向）のＮＦＰおよびＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。図８（ｄ）に示したのと同様に、レーザ共振器１４０＿２のビームＢＭ２のＦＦＰのピークは、０．４°、中央寄りにシフトする。レーザ共振器１４０＿１の延在方向Ｄ１を、傾斜角θ１＝０．１７°で設計したときに、レーザ共振器１４０＿２と平行なビームを出力することができる。図２４（ｂ）に示すビームＢＭ１のＦＦＰは、０．４°、シフトしたものとなっており、２つのビームＢＭ１，ＢＭ２を平行にすることができる。

（変形例）
上述した実施形態および実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なことが当業者に理解される。以下、こうした変形例について説明する。

図２５（ａ）、（ｂ）は、変形例に係るマルチビーム半導体レーザ素子の平面図である。図２５（ａ）のマルチビーム半導体レーザ素子１００ａは、ｎ＝３であり、３個のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿３を備え、３本のビームＢＭ１～ＢＭ３を出射可能である。中央のレーザ共振器１４０＿２は、チップの中心線１１２に沿って、θ２＝０°で形成される。両端のレーザ共振器１４０＿１および１４０＿３は、３本のビームＢＭ１～ＢＭ３の等間隔となるように、チップの中心線１１２から等しい距離に、中心線１１２に関して線対称に形成される。

図２５（ｂ）のマルチビーム半導体レーザ素子１００ｂは、ｎ＝４であり、４個のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿４を備え、４本のビームＢＭ１～ＢＭ４を出射可能である。４本のビームＢＭ１～ＢＭ４の間隔を等しくするために、４個のレーザ共振器１４０１～１４０＿４の出射端面Ｓ１における中心位置は、等間隔となっている。好ましくは、複数のレーザ共振器１４０＿１～１４０＿４は、中心線１１２に関して線対称に構成される。また中心線１１２から遠いレーザ共振器１４０＿１，１４０＿４の傾斜角θ１，θ４は、中心線１１２に近いレーザ共振器１４０＿２，１４０＿３の傾斜角θ２，θ３よりも大きく設計される。

実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…マルチビーム半導体レーザ素子、１０２…エミッタ、１１０…半導体基板、１２０…多層構造部、１２２…ｎ型クラッド層、１２４…発光層、１２６…ｐ型クラッド層、１２８…ｐ型コンタクト層、１３４…絶縁膜、１３８…ｐ側電極，１３９…ｎ側電極、１４０…レーザ共振器、１５０…分離溝、２００…レーザ装置、２１０…支持基板、２１２…はんだ。

Claims (12)

1. 端面発光型のマルチビーム半導体レーザ素子であって、
   半導体基板上に第１方向に隣接して集積化された複数のレーザ共振器を備え、
   前記複数のレーザ共振器のそれぞれは、前記第１方向に直交する第２方向に伸びるストライプ型の電流狭窄構造を有し、
   前記複数のレーザ共振器それぞれの延在方向は、少なくとも出射端面側の第１領域において非並行であることを特徴とするマルチビーム半導体レーザ素子。
2. 前記第１領域において、前記複数のレーザ共振器それぞれの幅は一定であることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム半導体レーザ素子。
3. 前記第１領域において、前記複数のレーザ共振器の幅のそれぞれは、前記出射端面に近づくほど幅が広がるテーパー形状を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム半導体レーザ素子。
4. 前記第１領域において、前記複数のレーザ共振器の幅のそれぞれは、前記出射端面に近づくほど幅が狭まるテーパー形状を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム半導体レーザ素子。
5. 前記複数のレーザ共振器のそれぞれは、前記マルチビーム半導体レーザ素子の第１端面における幅と第２端面における幅が等しいことを特徴とする請求項３または４に記載のマルチビーム半導体レーザ素子。
6. 前記複数のレーザ共振器の延在方向は、少なくとも１回、変化することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のマルチビーム半導体レーザ素子。
7. 前記複数のレーザ共振器のそれぞれは、前記マルチビーム半導体レーザ素子の第１端面における前記第１方向の位置と第２端面における前記第１方向の位置が同一であることを特徴とする請求項６に記載のマルチビーム半導体レーザ素子。
8. 前記第１領域に対して前記出射端面側に隣接する第２領域において、前記複数のレーザ共振器の延在方向は、前記出射端面に対して垂直であることを特徴とする請求項６に記載のマルチビーム半導体レーザ素子。
9. 前記第２領域の前記第２方向の長さは、前記第１領域の前記第２方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項８に記載のマルチビーム半導体レーザ素子。
10. 前記複数のレーザ共振器は、第１レーザ共振器および第２レーザ共振器を含み、
    前記第１レーザ共振器および前記第２レーザ共振器は、前記半導体基板の前記第１方向に関する中心線に対して線対称に形成されることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム半導体レーザ素子。
11. 前記レーザ共振器の延在方向を、前記第２方向となす角度で定義するとき、
    前記複数のレーザ共振器それぞれの前記角度は、当該レーザ共振器が前記半導体基板の前記第１方向に関する中心線から遠いほど、大きいことを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム半導体レーザ素子。
12. 請求項１から４のいずれかに記載のマルチビーム半導体レーザ素子のチップと、
    前記マルチビーム半導体レーザ素子を支持する支持基板と、
    を備え、
    前記マルチビーム半導体レーザ素子のチップの熱膨張係数と、前記支持基板の熱膨張係数が異なることを特徴とするレーザ装置。

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