JP3584508B2 - 短波長光源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、コヒ−レント光を利用する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野、光通信分野に使用する半導体レーザ装置および短波長光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザーを光源として高効率波長変換によりグリーン、ブルー光源を得ることが、光ディスクの高密度記録や画像処理等で要求されているが、ここで得られる出力光の横モードがガウシアンで回折限界近くまで集光でき、且つ出力が１０ｍＷ程度で周波数的にも時間的にも安定であることが必要である。
【０００３】
半導体レーザーを光源としてブルー光を得るには、波長変換素子として擬位相整合（ＱＰＭ）方式の分極反転型導波路デバイスを用いるのが有力である（山本他、オプティクス・レターズ Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．１６， Ｎｏ．１５， １１５６ （１９９１））。
【０００４】
まず、分極反転型導波路デバイスの作製方法について述べる。非線形光学結晶であるＬｉＴａＯ３基板１９にＴａのパターンを蒸着とフォトにより幅数μｍの周期で形成する。次に２６０℃の温度でプロトン交換を行った後、５５０℃程度の温度で熱処理を行いＬｉＴａＯ３基板１９と分極が反対向きに反転した分極反転領域２０を形成する。次に再びＴａによるスリットを形成した後、ピロ燐酸（２６０℃）中で１４分プロトン交換を行った後、４２０℃で１分間アニールを行い光導波路２１を形成する。作製される分極反転型導波路デバイスは波長８６０ｎｍの基本波Ｐ１に対して、光導波路の長さを１０ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを５０ｍＷにしたとき高調波Ｐ２のパワー３ｍＷが得られた。しかしながら、分極反転型導波路デバイスの基本波波長に対する許容幅は０．１ｎｍと狭く、半導体レーザのモードホップ、波長広がりを許すことはできない。
【０００５】
また光通信分野では半導体レーザの発振波長をロックするために、グレーティングフィードバックを用いた光学系が提案されている（特許 ）。
【０００６】
図２５において、２２は０．８６μｍ帯の１００ｍＷ級ＧａＡｌＡｓ半導体レーザ、２３はコリメートレンズ、２４は半導体レーザーの光軸に対してθだけ傾斜して設置された外部共振器鏡である。外部共振器鏡２４上には直線形状の回折格子が形成されている。回折格子は波長分散効果をもっていて、ある特定の波長を１次回折光として、半導体レーザ２２の活性層２５に結合するので、半導体レーザー２２の発振波長をロックすることができる。
【０００７】
一方、半導体レーザに過飽和吸収領域を形成し、レーザ発振の縦モードをマルチモード化し、光の可干渉性を低減する事を目的として、自励発振（Ｓｅｌｆ−ｓｕｓｔａｉｎｅｄ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ）する半導体レーザが報告されている。（Ｔ． Ｔａｋａｙａｍａ ｅｔ．ａｌ．， １４ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｔｈ４．１， １９９４）図２に、その構造図を示す。ＧａＡｌＡｓのＯｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｌａｙｅｒが非常に小さな屈折率差を産みだし、レーザ発振領域が電流注入幅よりも大きくなっている。それゆえ、Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｌａｙｅｒの下の活性領域に、大きな過飽和吸収が起こる。この結果、１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー８００ｍＷ程度の自励発振が起こる。しかしながら、自励発振状態では発振縦モードスペクトルは３〜１０ｎｍ程度に広がる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザの信頼性を考えると１００ｍＷ以上で使用することは困難であり、レンズの損失および光導波路との結合損失を考えると利用できる基本波出力は５０〜７０ｍＷ程度である。そのため高調波出力は２〜４ｍＷしか得られず短波長レ−ザ光源の光情報処理分野での実用レベルである１０ｍＷ以上の高調波を安定に得ることが困難である。波長変換によるブルー光発生は、基本波のピークパワーの２乗に比例するため、基本波をパルス駆動することで、大きな変換効率が得られる。しかしながら、半導体レーザを高周波駆動し、高いピークパワーを得、ブルー光への変換効率を向上されるためには、いくつかの課題がある。第１に、電力消費量と電波障害である。高周波発生モジュールは５ｖで駆動する。コンパクトディスク用の低出力半導体レーザであれば、低電力駆動も可能であるが、１００ｍＷの高出力半導体レーザを駆動しようとすると電力消費が大きく、周辺への電磁波の影響も大きくなり、電波障害の対策も必要となる。第２に、コストである。高周波発生モジュールは半導体レーザと同程度かそれ以上の価格であり、価格上昇は免れない。さらに、量産化を考えた場合、半導体レーザ波長安定化用グレーティングの調整は困難であり、グレーティングの調整精度はμｍオーダーを必要とするため、グレーティングの集積化は重要である。
【０００９】
一方、自励発振する半導体レーザは発振縦モードスペクトルが広がっているため、波長変換素子により波長変換しようとすると、単一縦モードの半導体レーザに比べ変換効率の低下を生じる。
【００１０】
本発明は以上示したような分極反転型導波路デバイスを用いた短波長光源の課題を克服し、高効率且つ安定な高調波出力を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型の GaAs 基板上に、 n-GaAs のバッファー層、 n- クラッド層、活性層、 p- クラッド層、 p-GaAlAs 層および電流ブロック層を堆積する第１の工程と、電流ブロック層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部を p-GaAlAs 層に形成する第４の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第５の工程と、ｐ側電極及びｎ側電極を形成する第６の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法である。
【００１２】
また本発明は、活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型の GaAs 基板上に、 n-GaAs のバッファー層、 n- グラッド層、活性層、 p- グラッド層、および電流ブロック層を堆積する第１の工程と、電流ブロック層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部を電流ブロック層に形成する第４の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第５の工程と、ｐ側電極及びｎ側電極を形成する第６の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法である。
【００１３】
さらに本発明は、活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型のGaAs基板上に、n-GaAsのバッファー層、n-クラッド層、活性層、およびp-クラッド層を堆積する第１の工程と、p-クラッド層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部をp-クラッド層上に形成する第４の工程と、n-GaAs電流ブロック層を堆積する第５の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第６の工程と、ｐ側電極とｎ側電極を形成する第７の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法である。
さらに本発明は、活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型のGaAs基板上に、n-GaAsのバッファー層、n-クラッド層、活性層、およびp-クラッド層を堆積する第１の工程と、p-クラッド層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部をp-クラッド層上に形成する第４の工程と、p-GaAlAs層およびn-GaAs電流ブロック層を堆積する第５の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第６の工程と、ｐ側電極とｎ側電極を形成する第７の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法である。
【００１４】
さらに本発明は、活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型の GaAs 基板上に、 n-GaAs のバッファー層、 n- クラッド層、活性層、 p- クラッド層、 p-GaAlAs 層および電流ブロック層を堆積する第１の工程と、前記光フィードバック領域の電流ブロック層、 p-GaAlAs 層、 p- クラッド層、活性層および n- クラッド層をエッチングにより除去する第２の工程と、前記光フィードバック領域に n- クラッド層、 GaAlAs の光導波層、 p- クラッド層、 p-GaAlAs 層および電流ブロック層を堆積する第３の工程と、電流ブロック層をエッチングする第４の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部を p-GaAlAs 層に形成する第５の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第６の工程と、ｐ側電極及びｎ側電極を形成する第７の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法である。
また、上記自励発振半導体レーザの製造方法によって製造された活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザは、前記光フィードバック領域に形成されたＤＢＲ部のフィードバック波長が、前記活性領域の活性層のゲインピーク波長よりも長波長側に有ることを特徴とする自励発振半導体レーザであってもよい。
【００１５】
【作用】
本発明は、可飽和吸収領域を設けた半導体レーザに、外部に備えられた光フィードバック用外部共振器または半導体レーザに集積化された光フィードバック領域により、ある特定の波長を半導体レーザの活性層に帰還し、狭帯化された発振縦モードスペクトルのパルス光発生を実現するものである。
【００１６】
また、本発明は半導体レーザをパルス動作させるため、出射される基本波の平均パワーを上げることなく、基本波のピークパワーを大幅に向上させることが可能となる。これにより、波長変換素子の高調波との変換効率をアップし高調波の平均出力の大幅向上が実現できる。すなわち本発明は、小型で高効率の短波長光発生装置を実現するものである。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
本発明の光フィードバック用外部共振器鏡を備えた自励発振半導体レーザの概略構成図を図１に示す。
【００１８】
図１はコリメートレンズを用いた概略構成図で、１は０．８６μｍ帯の１００ｍＷ級ＧａＡｌＡｓの自励発振半導体レーザー、２はＮ．Ａ．＝０．６のコリメートレンズ、３は半導体レーザーの光軸に対してθだけ傾斜して設置された外部共振器鏡であり、その基板上には反射型回折格子が形成されている。
【００１９】
自励発振半導体レーザ１の構造を図２に示す。ｎ型のＧａＡｓ基板Ａ１上に、ｎ−ＧａＡｓのバッファー層Ａ２とｎ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層Ａ、ＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの多重量子井戸からなる活性層Ａ４、ｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層Ａ５、ｎ−Ｇａ０．５Ａｌ０．４Ａｓ電流ブロック層Ａ６をＭＯＶＰＥ法により順次堆積する。次にＳｉＯ２を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、約４μｍのＳｉＯ２のストライプを形成する。化学的ウェットエッチングにより、電流ブロック層Ａ６を図２のように形成する。ＳｉＯ２をエッチング除去し、再びＭＯＶＰＥ法によりｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層Ａ７およびｐ−ＧａＡｓコンタクト層Ａ８を堆積する。最後に、ｐ側電極Ａ１０とｎ側電極Ａ１１を形成する。
【００２０】
自励発振半導体レーザ１の電流ブロック層Ａ６はレーザー光に透明であり、屈折率が周りより少し低くなっていてため、実屈折率導波路を形成している。またレーザ発振領域が電流注入幅よりも大きくなっているため、電流ブロック層Ａ６下の活性層Ａ４に、大きな過飽和吸収が起こり、この結果図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー８００ｍＷ程度の自励発振が起こった。端面反射率は、後端面が９０％、前端面が３％である。
【００２１】
自励発振半導体レーザー１から出射したレーザー光はＮ．Ａ．＝０．６のコリメートレンズ２により平行光にされ外部共振器鏡３に導かれる。外部共振器鏡３上の反射型回折格子の波長分散効果によりある特定の波長だけが自励発振半導体レーザー１の後端面に集光され活性層４に光帰還して自励発振半導体レーザー１の波長が固定される。回折格子は、次式ピッチｄを持つ直線形状の回折格子である。
【００２２】
ｄ＝λ／（２ｓｉｎθ） （１）
本実施例においては、λ（ＬＤの発振波長）＝０．８６μｍに対し、ｄ＝０．８６μｍ、θ＝３０゜とした。外部共振器鏡３の回折効率は１０％程度である。
【００２３】
光フィードバックがない状態では図４のように、縦モードスペクトルは５ｎｍ程度に広がっていたが、外部共振器鏡３により特定の波長を帰還することで、図５のように縦モードスペクトルの狭帯化（単一化）を図ることができた。この状態においても自励発振は起き、この時のピークパワー６００ｍＷ程度が外部共振器鏡３の反射光として得られた。
【００２４】
（実施例２）
実施例１では、光フィードバック用外部共振器鏡３を自励発振半導体レーザ１の出射側に設置したが、図６のように自励発振半導体レーザ１の後ろ側に設置しても同様の効果が得られた。この場合、外部共振器鏡３の角度を変化させて、発振波長をチューニングしても、光軸が変化しないので、自励発振半導体レーザ１から得られた光を他の光学系に容易に結合できる。
【００２５】
実施例２では、実施例１と同様の構造を有する自励発振半導体レーザを用いているが、後端面の反射率が０．５％、出射側の反射率が３％と仕様を変更し、自励発振半導体レーザ１の端面間の発振を抑圧している。
【００２６】
自励発振半導体レーザー１の後端面から出射したレーザー光はＮ．Ａ．＝０．６のコリメートレンズ２により平行光にされ外部共振器鏡３に導かれる。外部共振器鏡３上の反射型回折格子の波長分散効果によりある特定の波長だけが自励発振半導体レーザー１の後端面に集光され活性層４に光帰還して自励発振半導体レーザー１の波長が固定される。回折格子は、次式ピッチｄを持つ直線形状の回折格子である。
【００２７】
ｄ＝λ／（２ｓｉｎθ） （１）
本実施例においては、λ（ＬＤの発振波長）＝０．８６μｍに対し、ｄ＝０．８６μｍ、θ＝３０゜とした。本実施例では外部共振器鏡３の回折効率は９０％程度である。
【００２８】
自励発振半導体レーザ１は自励発振を起こし、図５のような単一縦モードが得られ、ピークパワー６００ｍＷ程度のパルス発振光が得られた。
【００２９】
（実施例３）
実施例２では、コリメートレンズを用いた光学系のため外部共振器鏡３上には、直線形状の反射型回折格子が形成されている。実施例３ではコリメートレンズを省いた構成について説明する。構成図７において、外部共振器鏡３上の反射型回折格子の形状は直線形状でなく円群の一部からなる。この場合部品点数が１つ減り、共振器長も短くなりコンパクトな構成となる。
【００３０】
図８を用いて外部共振器鏡の設計原理を示す。回折格子の形成される平面基板上にｘ，ｙの直交座標系を仮定し、光の発散点及び集光点となる活性層端面Ｐが前記座標の原点からの垂線に対し、ｙ軸方向にθの角をなす線上に存在し、且つ距離ｆの位地に存在するとする。Ｐから放射した光は回折格子上の点Ｇに到達し反射されてＰ点に戻る時、その光の位相が揃うように回折格子が形成されているとき外部共振器鏡として働く。即ち、
２ＰＧ＝ｍλ＋（定数） （２）
ここでＰＧは点Ｐと点Ｇの距離、λは半導体レーザーの波長、ｍは整数である。
【００３１】
原点における前記定数の零とすると次式のようになる。
ｘ２＋（ｙ−ｆｓｉｎθ）２＝（ｍλ／２＋ｆ）２−（ｆｃｏｓθ）２ （３）
ここでｘ，ｙは回折素子の形成される平面基板上の直交座標であり、ｆは活性層端面と直交座標の原点との距離、θは活性層端面と原点を結ぶ軸と回折格子の形成された平面基板の垂線とのなす角、λは半導体レーザーの発振波長、ｍは整数である。λ＝０．８６μｍ、ｆ＝２ｍｍ、θ＝４５゜を用いて外部共振器鏡を作製したところ、電子ビームの描画可能領域が１ｍｍ角程度であり、フィードバック効率は３０％程度であった。得られたレーザー光はピークパワー４００ｍＷ程度のパルス発振光が得られた。
【００３２】
本実施例１、２、及び３では、活性層としてＧａＡｌＡｓを用いた８００ｎｍ帯の半導体レーザについて説明したが、活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いた１μｍ帯の半導体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰの赤色半導体レーザ、ＺｎＳＳｅの青緑色半導体レーザに応用しても、同様の効果が得られた。
【００３３】
（実施例４）
本発明の光フィードバック用外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザーと波長変換素子を備えた短波長光発生装置の概略構成図を図９に示す。本実施例では、波長変換素子として、ＬｉＴａＯ３結晶を基板とした周期的分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスを用いた。
【００３４】
分極反転型導波路デバイス６の作製方法について説明する。非線形光学結晶であるＬｉＴａＯ３基板７にＴａのパターンを蒸着とフォトにより幅数μｍの周期で形成する。次に２６０℃の温度でプロトン交換を行った後、５５０℃程度の温度で熱処理を行いＬｉＴａＯ３基板７と分極が反対向きに反転した分極反転領域８を形成する。次に再びＴａによるスリットを形成した後、ピロ燐酸（２６０℃）中で１４分プロトン交換を行った後、４２０℃で１分間アニールを行い光導波路９を形成する。作製される分極反転型導波路デバイス７は波長８６０ｎｍの基本波Ｐ１に対して、光導波路の長さを１０ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを５０ｍＷにしたとき高調波Ｐ２のパワー３ｍＷが得られた。
【００３５】
自励発振半導体レーザ１と外部共振器鏡３は、実施例１と同じ構成であり、自励発振半導体レーザ１の発振波長は反射型回折格子により８６０ｎｍに固定されている。外部共振器鏡３の０次回折光（反射光）はフォーカシングレンズ５により分極反転型導波路デバイス６中の光導波路９に結合され、周期的分極反転領域８により波長変換され、光導波路９の出射端面よりブルー光が得られた。自励発振半導体レーザ１は自励発振していて、ピークパワー６００ｍＷに対し、平均パワー１５ｍＷのブルー光が得られた。連続発振の半導体レーザと比較して、５倍程度の変換効率向上が図れた。
【００３６】
（実施例５）
本発明の自励発振半導体レーザーと光フィードバック用外部共振器鏡の間に、波長変換素子を備えた短波長光発生装置の概略構成図を図１０に示す。本実施例では、波長変換素子として、ＬｉＴａＯ３結晶を基板とした周期的分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスを用いた。
【００３７】
自励発振半導体レーザー１から出射したレーザー光はＮ．Ａ．＝０．６のコリメートレンズ２により平行光にされ、分極反転型導波路デバイス７に導かれる。光導波路９中で半導体レーザ光は、周期的分極反転領域８により波長変換され、波長変換された高調波と波長変換されなかった半導体レーザ光が、光導波路９の端面より得られる。高調波は波長選択ミラー１０により分離され、半導体レーザ光は外部共振器鏡３に導かれる。外部共振器鏡３上の回折格子の波長分散効果によりある特定の波長だけが分極反転型導波路デバイス７の光導波路９に結合し、自励発振半導体レーザー１の端面に集光され活性層４に光帰還して自励発振半導体レーザー１の波長が固定される。回折格子は、次式ピッチｄを持つ直線形状の回折格子である。
【００３８】
ｄ＝λ／（２ｓｉｎθ） （１）
本実施例においては、λ（ＬＤの発振波長）＝０．８６μｍに対し、ｄ＝０．８６μｍ、θ＝３０゜とした。本実施例では外部共振器鏡３の回折効率は９０％程度である。
【００３９】
この時自励発振半導体レーザ１は自励発振を起こし、図４（ｂ）のような単一縦モードが得られ、ピークパワー６００ｍＷ程度のパルス発振光が得られ、平均パワー２０ｍＷのブルー光が得られた。
【００４０】
実施例４と比較すると実施例５では、外部共振器鏡３の損失がなく光導波路９に半導体レーザ光を結合できるため、より高い変換効率が得られた。
【００４１】
（実施例６）
実施例４及び５では、光フィードバック用外部共振器として、反射型回折格子を用いたが、本実施例では分極反転型導波路デバイスの光導波路上に形成された分布ブラッグ反射器（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）を光フィードバック用外部共振器として用いた構成について図１１を用いて説明する。
【００４２】
まず分布ブラッグ反射器の作製方法について説明する。分極反転領域８と光導波路９が形成されたＬｉＴａＯ３基板７上にＳｉＯ２をスパッタで蒸着する。その上にレジストを塗布し、Ａｒレーザを用いた干渉露光により、周期４μｍの２次のグレーティングを形成する。現像した後、ドライエッチングでＳｉＯ２をエッチングし、分布ブラッグ反射器を形成する。
【００４３】
自励発振半導体レーザ１から出射された光はフォーカシングレンズ５により分極反転型導波路デバイス６中の光導波路９に結合される。光導波路９中を伝播する光は分布ブラッグ反射器１１で、ある特定の波長が反射し、再び光導波路９を伝播し、自励発振半導体レーザ１の活性層４に光帰還し、発振波長は固定される。光導波路９を伝播する光は周期的分極反転領域８により波長変換され、光導波路９の出射端面よりブルー光が得られた。自励発振半導体レーザ１は自励発振していて、ピークパワー６００ｍＷに対し、平均パワー１５ｍＷのブルー光が得られた。連続発振の半導体レーザと比較して、５倍程度の変換効率向上が図れた。
【００４４】
本実施例では、光フィードバック用外部共振器が分極反転型導波路デバイス上に集積化されているため、機械的にも安定に光フィードバックが行える。また、光学調整も容易である。
【００４５】
本実施例４、５、及び６では、活性層としてＧａＡｌＡｓを用いた８００ｎｍ帯の半導体レーザについて説明したが、活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いた１μｍ帯の半導体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰの赤色半導体レーザ、ＺｎＳＳｅの青緑色半導体レーザに応用しても、同様の効果が得られた。この場合、波長変換素子である分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスの分極反転周期を変更する必要がある。それぞれの半導体レーザ光の波長と位相整合波長が一致するように、分極反転領域の周期を設計することにより、８００ｎｍ帯と同様に、変換効率の向上が図れた。
【００４６】
実施例７以降では、過飽和吸収領域と、活性層を有する活性領域と、光フィードバック領域を同一基板上に集積化した半導体レーザについて説明する。
【００４７】
（実施例７）
本発明の可飽和吸収領域と、活性層を有する活性領域と、光フィードバック領域を備えたＤＢＲ自励発振半導体レーザの構造を図１２に示す。活性層Ｂ５を有する活性領域と、光導波層Ｂ１２とＤＢＲ部Ｂ１３を有する光フィードバック部から構成される。
【００４８】
作製方法を図１３を用いて説明する。ｎ型のＧａＡｓ基板Ｂ１上に、ｎ−ＧａＡｓのバッファー層Ａ２、ｎ−クラッド層Ａ３、活性層Ｂ４、ｐ−クラッド層Ｂ５、ｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｂ６および電流ブロック層Ｂ７を順次ＭＯＶＰＥ法により堆積する。活性層Ａ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの多重量子井戸（ＭＱＷ）構造になっている。（参照（ａ））次に、ＳｉＮｘＢ１６を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、約４μｍのＳｉＮｘのストライプを形成する。（参照（ｂ））化学的ウェットエッチングにより、電流ブロック層Ｂ７を図（ｃ）のように形成する。（参照（ｃ））活性層Ｂ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの多重量子井戸構造になっているため、レーザ発振光に対して吸収がある。そのため、光フィードバック領域Ｂ１５での活性層Ｂ４の吸収を取り除く必要がある。図（ｄ）（ｅ）において、さらにＳｉＯ２Ｂ１７を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて光フィードバック領域Ｂ１５のみＳｉＯ２Ｂ１７を取り除く。ＳｉＯ２とＳｉＮｘのＨＦ：ＮＨ４Ｆに対するエッチングレートはそれぞれ２００ｎｍ／ｍｉｎ、２０ｎｍ／ｍｉｎであることを利用している。次に、Ｚｎを気相拡散または固相拡散する。（参照（ｆ））Ｚｎが活性層Ｂ４に拡散すると、活性層Ｂ４内のＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸が無秩序化される。そのため、レーザ発振光に対して透明な光導波層Ｂ１２が形成される。次にＨｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法により、波長８６０ｎｍに対する２次のグレーティング（ＤＢＲ部Ｂ１３）をｐ−ＧａＡｌＡｓ層上に形成する。（参照（ｇ））以上の工程が終わると、ＳｉＮｘをエッチングにより除去し、再びＭＯＶＰＥ法により、クラッド層Ｂ８およびコンタクト層Ｂ９を堆積する。最後に、ｐ側電極Ｂ１０とｎ側電極Ｂ１１を形成する（参照（ｈ））。
【００４９】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザは、電流ブロック層Ｂ７はレーザー発振光に対し透明であり、また屈折率が周りより小さく、実屈折率導波路を形成している。また非常に小さな屈折率差であるため、レーザ発振領域が電流注入幅よりも大きくなっている。それゆえ、電流ブロック層Ｂ７下の活性層Ｂ４に、大きな過飽和吸収が起こる。活性層Ｂ４に電流が注入されると、端面と光フィードバック領域Ｂ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー６００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。
【００５０】
（実施例８）
本発明の可飽和吸収領域と、活性層を有する活性領域と、光フィードバック領域を備えたＤＢＲ自励発振半導体レーザの構造を図１４に示す。活性層Ｂ５を有する活性領域と、光導波層Ｂ１２とＤＢＲ部Ｂ１３を有する光フィードバック部から構成される。本実施例では、ＤＢＲ部Ｂ１３を電流ブロック層上に形成した構成について説明する。
【００５１】
作製方法を図１５を用いて説明する。ｎ型のＧａＡｓ基板Ｂ１上に、ｎ−ＧａＡｓのバッファー層Ｂ２、ｎ−クラッド層Ｂ３、活性層Ｂ４、ｐ−クラッド層Ｂ５、および電流ブロック層Ｂ７を順次ＭＯＶＰＥ法により堆積する。活性層Ｂ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの多重量子井戸構造になっている。（参照（ａ））次に、ＳｉＯ２Ｂ１８を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、約４μｍのＳｉＯ２のストライプを形成する。（参照（ｂ））化学的ウェットエッチングにより、電流ブロック層Ｂ７を図（ｃ）のように形成する。（参照（ｃ））活性層Ｂ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓのＭＱＷ構造になっているため、レーザ発振光に対して吸収がある。そのため、光フィードバック領域Ｂ１５での活性層Ｂ４の吸収を取り除く必要がある。図（ｄ）（ｅ）において、再びＳｉＯ２Ｂ１９を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて光フィードバック領域Ｂ１５のみＳｉＯ２を取り除く。次に、Ｚｎを気相拡散または固相拡散する。（参照（ｆ））Ｚｎが活性層Ｂ４に拡散すると、活性層Ｂ４内のＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造が無秩序化される。そのため、レーザ発振光に対して透明な光導波層Ｂ１２が形成される。次にＨｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法により、波長８６０ｎｍに対する２次のグレーティング（ＤＢＲ部Ｂ１３）を電流ブロック層Ｂ７に形成する。Ｐ−クラッド層Ｂ５上に形成されたグレーティングはクラード層Ｂ８により埋められるため、グレーティングとして機能しない。（参照（ｇ））以上の工程が終わると、ＳｉＯ２をエッチングにより除去し、再びＭＯＶＰＥ法により、クラッド層Ｂ８およびコンタクト層Ｂ９を堆積する。最後に、ｐ側電極Ｂ１０とｎ側電極Ｂ１１を形成する（参照（ｈ））。
【００５２】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザは、電流ブロック層Ｂ７はレーザー発振光に対し透明であり、また屈折率が周りより小さく、実屈折率導波路を形成している。また非常に小さな屈折率差であるため、レーザ発振領域が電流注入幅よりも大きくなっている。それゆえ、電流ブロック層Ｂ７下の活性層Ｂ４に、大きな過飽和吸収が起こる。活性層Ｂ４に電流が注入されると、端面と光フィードバック領域Ｂ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー６００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。
【００５３】
本実施例で形成されるＤＢＲ部は、実施例７で形成されるＤＢＲ部よりも、モードの結合が小さいため、フィードバック効率も小さい。そのため、ＤＢＲ部を長くできる。結果として、ＤＢＲの波長許容度を狭くできるため、より安定な単一縦モードが達成できた。
【００５４】
（実施例９）
実施例８及び実施例９では、光フィードバック領域Ｂ１５の活性層Ｂ４がレーザ発振光に対する損失を低減するため、Ｚｎを拡散させ多重量子井戸を無秩序化させ、光導波層Ｂ１２を形成した。
【００５５】
本実施例では、ＤＢＲ部Ｂ１３のフィードバック波長を活性層Ｂ４のゲインピーク波長より長波長側にデチューニングさせることにより、光フィードバック領域Ｂ１５の活性層の損失を低減し光導波層を形成した構成について、図１６および図１７を用いて説明する。
【００５６】
作製方法は、図１３において、図（ｆ）のＺｎ拡散工程と図（ｇ）ＤＢＲ部作製工程以外を除いて、実施例７の図１２の自励発振半導体レーザと同じである。図１６の自励発振半導体レーザの作製において、Ｚｎ拡散工程を介さない。また、本実施例のＤＢＲ部Ｂ１３作製において、Ｈｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法により、波長８７５ｎｍに対する２次のグレーティング（ＤＢＲ部Ｂ１３）をｐ−ＧａＡｌＡｓ層上に形成する。この時、活性層Ｂ４のゲインピーク波長は、８６０ｎｍであった。この様子を、図１７（ａ）に示す。この時の波長に対する活性層Ｂ４の損失を図１７（ｂ）に示す。このように、発振波長を光フィードバック領域Ｂ１５のＤＢＲ部Ｂ１３により長波長側にシフトさせると、光導波層Ｂ２０内の損失を低減できた。
【００５７】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザの活性層Ｂ４に電流注入されると、端面と光フィードバック領域Ｂ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー４００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。
【００５８】
実施例７および実施例８の光導波層に比べて、本実施例の光導波層の損失は少し大きいため、得られるパワーが低減した。しかしながら、本実施例では、Ｚｎ拡散工程がないため、容易に光導波層を作製でき、自励発振半導体レーザを実現できた。
【００５９】
（実施例１０）
実施例７、実施例８および実施例９では、可飽和吸収領域と、活性層を有する活性領域と、光フィードバック領域を備えたＤＢＲ自励発振半導体レーザにおいて、電流ブロック層がｎ−ＧａＡｌＡｓから成り、実屈折率導波路を有する構成について説明した。本実施例では、電流ブロック層がｎ−ＧａＡｓから成るロスガイドを有する図１８に示すＤＢＲ自励発振半導体レーザについて説明する。
【００６０】
作製方法を図１９を用いて説明する。ｎ型のＧａＡｓ基板Ｃ１上に、ｎ−ＧａＡｓのバッファー層Ｃ２、ｎ−クラッド層Ｃ３、活性層Ｃ４、およびｐ−クラッド層Ｃ５を順次ＭＯＶＰＥ法により堆積する。活性層Ｃ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓのＭＱＷ構造になっている（参照（ａ））。
【００６１】
次に、ＳｉＮｘＣ１６を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、約４μｍのＳｉＮｘのストライプを形成する（参照（ｂ））。化学的ウェットエッチングにより、ｐ−クラッド層Ｃ５を図（ｃ）のように形成する（参照（ｃ））。活性層Ｃ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの多重量子井戸構造になっているため、レーザ発振光に対して吸収がある。そのため、光フィードバック領域Ｃ１５での活性層Ｃ４の吸収を取り除く必要がある。図（ｄ）（ｅ）において、ＳｉＯ２Ｃ１６を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて光フィードバック領域Ｃ１５のみＳｉＯ２を取り除く。次に、Ｚｎを気相拡散または固相拡散する（参照（ｆ））。Ｚｎが活性層Ｃ４に拡散すると、活性層Ｃ４内のＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造が無秩序化される。そのため、レーザ発振光に対して透明な光導波層Ｃ１１が形成される。次にＨｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法により、波長８６０ｎｍに対する２次のグレーティング（ＤＢＲ部Ｂ１２）をｐ−クラッド層Ｃ５上に形成する（参照（ｇ））。その上にｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層Ｃ６を堆積する。ｎ−ＧａＡｓとｐ−ＧａＡｌＡｓの屈折率差によりグレーティングが形成される（参照（ｈ））。
【００６２】
以上の工程が終わると、ＳｉＮｘをエッチングにより除去し、再びＭＯＶＰＥ法により、Ｃ７クラッド層およびコンタクト層Ｃ８を堆積する。最後に、ｐ側電極Ｃ９とｎ側電極Ｃ１０を形成する（参照（ｉ））。本実施例の構成では、電流ブロック層下に可飽和吸収領域が得られないので、可飽和吸収領域を作製する必要がある。可飽和吸収領域を得るための方法として、図１８に示すように、電極Ｃ９およびＣ１０を活性領域よりも小さな領域に作製することにより活性層Ｃ４内に可飽和吸収領域Ｃ１３を形成することができた。
【００６３】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザの活性層Ｃ４に電流注入されると、端面と光フィードバック領域Ｃ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー４００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。
【００６４】
また光フィードバック領域Ｃ１５中の光導波層Ｃ１１をＺｎ拡散により作製したが、実施例９のようにＤＢＲ部Ｃ１２のフィードバック波長を活性層Ｃ４のゲインピーク波長より長波長側に設計することでも、光導波層が形成でき、本実施例と同様の効果が得られた。
【００６５】
（実施例１１）
実施例１０では、ｐ−クラッド層Ｃ５とｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層Ｃ６の屈折率差を利用して、ＤＢＲ部Ｃ１２のグレーティングを作製した。本実施例では、ｐ−クラッド層Ｃ５上に組成の異なるｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｃ１６を堆積し、この屈折率差を利用してＤＢＲ部Ｃ１２を形成した構成について図２０を用いて説明する。
【００６６】
作製方法は、実施例１０の自励発振半導体レーザの作製方法（参照図１９）と同じである。異なる点は、図（ｇ）においてｐ−クラッド層Ｃ５上にＤＢＲ部Ｃ１２を作製後、図（ｈ）においてＤＢＲ部Ｃ１２上にまずｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｃ１６を堆積し、その上に電流ブロック層Ｃ６を形成した。ここで、ＧａＡｌＡｓの組成比は、０＜ｘ＜ｚ，０＜ｙ＜ｚ、とする。
【００６７】
実施例１０と同様に、ＤＢＲ自励発振半導体レーザの活性層Ｃ４に電流注入されると、端面と光フィードバック領域Ｃ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー６００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。実施例１０ではＧａＡｓとＧａＡｌＡｓのグレーティングを形成しているため、ＧａＡｌＡｓの吸収が存在する。本実施例では、ＧａＡｌＡｓの組成を変えて、グレーティングを形成しているため、レーザ発振光に対する吸収はなく、得られるパワーも向上した。
【００６８】
また光フィードバック領域Ｃ１５中の光導波層Ｃ１１をＺｎ拡散により作製したが、実施例９のようにＤＢＲ部Ｃ１２のフィードバック波長を活性層Ｃ４のゲインピーク波長より長波長側に設計することでも、光導波層が形成でき、本実施例と同様の効果が得られた。
【００６９】
（実施例１２）
実施例７から１１に示したように、光フィードバック領域中のの光導波層の損失を低減することが必要である。本実施例では、図２１に示すような光フィードバック領域にあらためて光導波層を形成し、活性領域中の活性層と光結合した構成について説明する。
【００７０】
作製方法を図２２を用いて説明する。ｎ型のＧａＡｓ基板Ｂ１上に、ｎ−ＧａＡｓのバッファー層Ｂ２、ｎ−クラッド層Ｂ３、活性層Ｂ４、ｐ−クラッド層Ｂ５、ｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｂ６および電流ブロック層Ｂ７を順次ＭＯＶＰＥ法により堆積する。活性層Ｂ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓのＭＱＷ構造になっている（参照（ａ））。次にＳｉＮｘＢ２２を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、活性領域Ｂ１４上のみＳｉＮ２を形成する（参照（ｂ）（ｃ））。化学的ウェットエッチングにより、光フィードバック領域Ｂ１５上の電流ブロック層Ｂ７、ｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｂ６、ｐ−クラッド層Ｂ５、活性層Ｂ４およびｎ−クラッド層Ｂ３の途中まで除去する（参照（ｃ））。再び、ｎ−クラッド層Ｂ３、光導波層Ｂ２１、ｐ−クラッド層Ｂ５、ｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｂ６および電流ブロック層Ｂ７を順次ＭＯＶＰＥ法により堆積する。光導波層Ｂ２１はＧａ０．８５Ａｌ０．１５Ａｓの組成であり、クラッド層Ｂ３およびＢ５よりも屈折率が大きくなっている（参照（ｄ））。活性領域上のＳｉＮｘＢ２２をエッチング除去し、今度はＳｉＮｘＢ２３を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、約４μｍのＳｉＮｘのストライプを形成する（参照（ｆ））。化学的ウェットエッチングにより、電流ブロック層Ｂ７を図（ｇ）のように形成する（参照（ｇ））。ＳｉＯ２Ｂ２４を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて光フィードバック領域Ｂ１５のみＳｉＯ２Ｂ２４を取り除く（参照（ｈ）（ｉ））。ＳｉＯ２とＳｉＮｘのＨＦ：ＮＨ４Ｆに対するエッチングレートはそれぞれ２００ｎｍ／ｍｉｎ、２０ｎｍ／ｍｉｎであることを利用している。次にＨｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法により、波長８６０ｎｍに対する２次のグレーティング（ＤＢＲ部Ｂ１３）をｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｂ６上に形成する（参照（ｊ））。
【００７１】
以上の工程が終わると、ＳｉＮｘをエッチングにより除去し、再びＭＯＶＰＥ法により、クラッド層Ｂ８およびコンタクト層Ｂ９を堆積する。最後に、ｐ側電極Ｂ１０とｎ側電極Ｂ１１を形成する（参照（ｋ））。
【００７２】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザは、電流ブロック層Ｂ７はレーザー発振光に対し透明であり、また屈折率が周りより小さく、実屈折率導波路を形成している。また非常に小さな屈折率差であるため、レーザ発振領域が電流注入幅よりも大きくなっている。それゆえ、電流ブロック層Ｂ７下の活性層Ｂ４に、大きな過飽和吸収が起こる。活性層Ｂ４に電流が注入されると、端面と光フィードバック領域Ｂ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー６００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。
【００７３】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザは、作製上多くの工程を有するが、Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ａｓ光導波層２１はレーザ発振光に対し透明であるうえ、大きな屈折率変化を有するため損失の小さな閉じ込めのよい光導波層が形成でき、得られるパワーも向上できる。
【００７４】
本実施例７、８、９、１０、１１及び１２では、活性層としてＧａＡｌＡｓを用いた８００ｎｍ帯の半導体レーザについて説明したが、活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いた１μｍ帯の半導体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰの赤色半導体レーザ、ＺｎＳＳｅの青緑色半導体レーザに応用しても、同様の効果が得られた。
【００７５】
（実施例１３）
実施例７から１２に示すＤＢＲ自励発振半導体レーザは、活性領域と光フィードバック領域を有するため、縦モードスペクトルが単一で且つ、自励発振するため大きなピークパワーが得られる。波長変換素子は、ピークパワーの２乗に比例した変換効率が得られる。また、実施例４に示すような、ＬｉＴａＯ３結晶を基板とした周期的分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスは、位相整合に対する波長許容度が０．１ｎｍ程度と小さい。このため、基本波として光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザを用いると、容易に高出力の短波長光が得られる。図２３に光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザと、波長変換素子としてＬｉＴａＯ３を基板とした導波路型波長変換デバイスから構成される短波長光発生装置を示す。
【００７６】
図２３において、１２はＤＢＲ自励発振半導体レーザ、１３はコリメートレンズ、１４は半波長板、１５はフォーカシングレンズ、１６はＬｉＴａＯ３を基板とした周期的分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスである。
【００７７】
ＤＢＲ自励発振半導体レーザ１２より出射された波長８６０ｎｍの光は、コリメートレンズ１３とフォーカシングレンズ１５により、導波路型波長変換デバイス１６の光導波路１７に結合する。半波長板１４は、ＤＢＲ自励発振半導体レーザと光導波路１７の横モードマッチングを最大にするよう設置されている。光導波路１７に結合された光は、周期的分極反転領域１８により波長４３０ｎｍの光に波長変換される。ＤＢＲ自励発振半導体レーザ１２は、光フィードバック領域により発振波長が固定されているため、戻り光などに対しても安定である。そのため、導波路型波長変換素子の位相整合波長８６０ｎｍに安定に固定されているため、ブルー光出力も安定に得られた。ＤＢＲ自励発振半導体レーザ１２は自励発振し、ピークパワー６００ｍＷに対し、平均パワー２０ｍＷのブルー光が得られた。連続発振の半導体レーザと比較して、５倍程度の変換効率向上が図れた。
【００７８】
本実施例では実施例４および５とは異なり、外部にグレーティングを持たず、光フィードバック領域が半導体レーザに集積化されているため、機械的振動に対しても長時間安定にブルー光が得られた。
【００７９】
なお実施例では、導波路型波長変換デバイスとして、ＬｉＴａＯ３基板上に作製されたものを用いたが、基板としてＬｉＮｂＯ３やＫＴｉＯＰＯ４結晶を用いても同様の効果が得られた。また、導波路型波長変換デバイスの代わりに、バルク型波長変換デバイスを用いても同様の効果が得られた。
【００８０】
本実施例４、５、及び６では、活性層としてＧａＡｌＡｓを用いた８００ｎｍ帯の半導体レーザについて説明したが、活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いた１μｍ帯の半導体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰの赤色半導体レーザ、ＺｎＳＳｅの青緑色半導体レーザに応用しても、同様の効果が得られた。この場合、波長変換素子である分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスの分極反転周期を変更する必要がある。それぞれの半導体レーザ光の波長と位相整合波長が一致するように、分極反転領域の周期を設計することにより、８００ｎｍ帯と同様に、変換効率の向上が図れた。
【００８１】
【発明の効果】
本発明は、外部共振器鏡やＤＢＲを光フィードバックさせ、自励発振半導体レーザの縦モード単一化を実現できるため、容易に単一縦モードのパルス発振光が得られる。パルス駆動用高周波モジュールを必要とせずにパルス発振光が得られ、低コスト化、低電力化も実現できる。
【００８２】
また、光フィードバック用ＤＢＲ部を自励発振半導体レーザに集積化したり、半導体レーザに可飽和吸収領域と光フィードバック用ＤＢＲ部を集積化することで、小型で機械的振動にも安定な単一縦モードのパルス発振光が容易に得られる。
【００８３】
光フィードバックを有する自励発振半導体レーザやＤＢＲ自励発振半導体レーザは、波長許容度が狭く、変換効率向上のためピークパワーを必要とする、波長変換の基本波光源として用いると、高出力且つ低ノイズの短波長光現を実現でき、その実用的効果は大きい。特にＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３やＫＴｉＯＰＯ４を基板とした周期的分極反転領域を有する導波路型波長変換デバイスに、ＤＢＲ自励発振半導体レーザから得られる光を結合すると、２０ｍＷ程度のブルー出力を容易に得ることができ、録再用光ディスクにも応用できるため、利用範囲は非常に広い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザの概略構成図
【図２】自励発振半導体レーザの構造図
【図３】本発明の自励発振半導体レーザの時間スペクトル図
【図４】従来の自励発振半導体レーザの縦モードスペクトル図
【図５】本発明の自励発振半導体レーザの縦モードスペクトル図
【図６】本発明の外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザーの概略構成図
【図７】本発明の外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザーの概略構成図
【図８】本発明の外部共振器鏡基板上の回折格子の設計原理図
【図９】本発明の外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザーと導波路型波長変換デバイスを備えた短波長光発生装置概略構成図
【図１０】本発明の外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザーと導波路型波長変換デバイスを備えた短波長光発生装置の概略構成図
【図１１】本発明の自励発振半導体レーザーと分布ブラッグ反射器を有する導波路型波長変換デバイスを備えた短波長光発生装置概略構成図
【図１２】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図１３】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの作製方法を説明する図
【図１４】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図１５】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの作製方法を説明する図
【図１６】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図１７】本発明のデチューニングにより光フィードバック領域内の光導波層の損失を低減する方法を説明する図
【図１８】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図１９】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの作製方法を説明する図
【図２０】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図２１】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図２２】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの作製方法を説明する図
【図２３】本発明のＤＢＲ自励発振半導体レーザと導波路型波長変換デバイスを備えた短波長光発生装置の概略構成図
【図２４】周期的分極反転領域を有する導波路型波長変換デバイスの構造図
【図２５】外部共振器鏡を有する半導体レーザの概略構成図
【符号の説明】
１ 自励発振半導体レーザ
２ コリメートレンズ
３ 外部共振器鏡
４ 活性層
５ 外部共振器鏡
６ フォーカシングレンズ
７ ＬｉＴａＯ３基板
８ 分極反転領域
９ 光導波路
１０ 波長選択ミラー
１１ 分布ブラッグ反射器
１２ ＤＢＲ自励発振半導体レーザ
１３ コリメートレンズ
１４ 半波長板
１５ フォーカシングレンズ
１６ 導波路型波長変換デバイス
１７ 光導波路
１８ 分極反転領域
１９ ＬｉＴａＯ３基板
２０ 分極反転領域
２１ 光導波路
２２ 半導体レーザ
２３ コリメートレンズ
２４ 外部共振器鏡
２５ 活性層
Ａ１ ｎ−ＧａＡｓ基板
Ａ２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
Ａ３ ｎ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ａ４ ＭＱＷ活性層
Ａ５ ｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ａ６ ｎ−Ｇａ０．５５Ａｌ０．４５Ａｓ電流ブロック層
Ａ７ ｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ａ８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
Ａ９ ｎ側電極
Ａ１０ ｐ側電極
Ｂ１ ｎ−ＧａＡｓ基板
Ｂ２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
Ｂ３ ｎ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ｂ４ ＭＱＷ活性層
Ｂ５ ｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ｂ６ ｐ−Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ａｓ層
Ｂ７ ｎ−Ｇａ０．５５Ａｌ０．４５Ａｓ電流ブロック層
Ｂ８ ｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ｂ９ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
Ｂ１０ ｐ側電極
Ｂ１１ ｎ側電極
Ｂ１２ 光導波層
Ｂ１３ ＤＢＲ部
Ｂ１４ 活性領域
Ｂ１５ 光フィードバック領域
Ｂ１６ ＳｉＮｘ
Ｂ１７ ＳｉＯ２
Ｂ１８ ＳｉＯ２
Ｂ１９ ＳｉＯ２
Ｂ２０ 光導波層
Ｂ２１ Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ａｓ光導波層
Ｂ２２ ＳｉＮｘ
Ｂ２３ ＳｉＮｘ
Ｂ２４ ＳｉＯ２
Ｃ１ ｎ−ＧａＡｓ基板
Ｃ２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
Ｃ３ ｎ−ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓクラッド層
Ｃ４ ＭＱＷ活性層
Ｃ５ ｐ−ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓクラッド層
Ｃ６ ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層
Ｃ７ ｐ−ＧａｙＡｌ１−ｙＡｓクラッド層
Ｃ８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
Ｃ９ ｐ側電極
Ｃ１０ ｎ側電極
Ｃ１１ 光導波層
Ｃ１２ ＤＢＲ部
Ｃ１３ 可飽和吸収領域
Ｃ１４ 活性領域
Ｃ１５ 光フィードバック領域
Ｃ１６ ＳｉＮｘ
Ｃ１７ ＳｉＯ２
Ｃ１ ｎ−ＧａＡｓ基板
Ｃ２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
Ｃ３ ｎ−ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓクラッド層
Ｃ４ ＭＱＷ活性層
Ｃ５ ｐ−ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓクラッド層
Ｃ６ ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層
Ｃ７ ｐ−ＧａｙＡｌ１−ｙＡｓクラッド層
Ｃ８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
Ｃ９ ｐ側電極
Ｃ１０ ｎ側電極
Ｃ１１ 光導波層
Ｃ１２ ＤＢＲ部
Ｃ１３ 可飽和吸収領域
Ｃ１４ 活性領域
Ｃ１５ 光フィードバック領域
Ｃ１６ ＳｉＮｘ
Ｃ１７ ＳｉＯ２
【産業上の利用分野】
本発明は、コヒ−レント光を利用する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野、光通信分野に使用する半導体レーザ装置および短波長光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザーを光源として高効率波長変換によりグリーン、ブルー光源を得ることが、光ディスクの高密度記録や画像処理等で要求されているが、ここで得られる出力光の横モードがガウシアンで回折限界近くまで集光でき、且つ出力が１０ｍＷ程度で周波数的にも時間的にも安定であることが必要である。
【０００３】
半導体レーザーを光源としてブルー光を得るには、波長変換素子として擬位相整合（ＱＰＭ）方式の分極反転型導波路デバイスを用いるのが有力である（山本他、オプティクス・レターズ Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．１６， Ｎｏ．１５， １１５６ （１９９１））。
【０００４】
まず、分極反転型導波路デバイスの作製方法について述べる。非線形光学結晶であるＬｉＴａＯ３基板１９にＴａのパターンを蒸着とフォトにより幅数μｍの周期で形成する。次に２６０℃の温度でプロトン交換を行った後、５５０℃程度の温度で熱処理を行いＬｉＴａＯ３基板１９と分極が反対向きに反転した分極反転領域２０を形成する。次に再びＴａによるスリットを形成した後、ピロ燐酸（２６０℃）中で１４分プロトン交換を行った後、４２０℃で１分間アニールを行い光導波路２１を形成する。作製される分極反転型導波路デバイスは波長８６０ｎｍの基本波Ｐ１に対して、光導波路の長さを１０ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを５０ｍＷにしたとき高調波Ｐ２のパワー３ｍＷが得られた。しかしながら、分極反転型導波路デバイスの基本波波長に対する許容幅は０．１ｎｍと狭く、半導体レーザのモードホップ、波長広がりを許すことはできない。
【０００５】
また光通信分野では半導体レーザの発振波長をロックするために、グレーティングフィードバックを用いた光学系が提案されている（特許 ）。
【０００６】
図２５において、２２は０．８６μｍ帯の１００ｍＷ級ＧａＡｌＡｓ半導体レーザ、２３はコリメートレンズ、２４は半導体レーザーの光軸に対してθだけ傾斜して設置された外部共振器鏡である。外部共振器鏡２４上には直線形状の回折格子が形成されている。回折格子は波長分散効果をもっていて、ある特定の波長を１次回折光として、半導体レーザ２２の活性層２５に結合するので、半導体レーザー２２の発振波長をロックすることができる。
【０００７】
一方、半導体レーザに過飽和吸収領域を形成し、レーザ発振の縦モードをマルチモード化し、光の可干渉性を低減する事を目的として、自励発振（Ｓｅｌｆ−ｓｕｓｔａｉｎｅｄ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ）する半導体レーザが報告されている。（Ｔ． Ｔａｋａｙａｍａ ｅｔ．ａｌ．， １４ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｔｈ４．１， １９９４）図２に、その構造図を示す。ＧａＡｌＡｓのＯｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｌａｙｅｒが非常に小さな屈折率差を産みだし、レーザ発振領域が電流注入幅よりも大きくなっている。それゆえ、Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｌａｙｅｒの下の活性領域に、大きな過飽和吸収が起こる。この結果、１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー８００ｍＷ程度の自励発振が起こる。しかしながら、自励発振状態では発振縦モードスペクトルは３〜１０ｎｍ程度に広がる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザの信頼性を考えると１００ｍＷ以上で使用することは困難であり、レンズの損失および光導波路との結合損失を考えると利用できる基本波出力は５０〜７０ｍＷ程度である。そのため高調波出力は２〜４ｍＷしか得られず短波長レ−ザ光源の光情報処理分野での実用レベルである１０ｍＷ以上の高調波を安定に得ることが困難である。波長変換によるブルー光発生は、基本波のピークパワーの２乗に比例するため、基本波をパルス駆動することで、大きな変換効率が得られる。しかしながら、半導体レーザを高周波駆動し、高いピークパワーを得、ブルー光への変換効率を向上されるためには、いくつかの課題がある。第１に、電力消費量と電波障害である。高周波発生モジュールは５ｖで駆動する。コンパクトディスク用の低出力半導体レーザであれば、低電力駆動も可能であるが、１００ｍＷの高出力半導体レーザを駆動しようとすると電力消費が大きく、周辺への電磁波の影響も大きくなり、電波障害の対策も必要となる。第２に、コストである。高周波発生モジュールは半導体レーザと同程度かそれ以上の価格であり、価格上昇は免れない。さらに、量産化を考えた場合、半導体レーザ波長安定化用グレーティングの調整は困難であり、グレーティングの調整精度はμｍオーダーを必要とするため、グレーティングの集積化は重要である。
【０００９】
一方、自励発振する半導体レーザは発振縦モードスペクトルが広がっているため、波長変換素子により波長変換しようとすると、単一縦モードの半導体レーザに比べ変換効率の低下を生じる。
【００１０】
本発明は以上示したような分極反転型導波路デバイスを用いた短波長光源の課題を克服し、高効率且つ安定な高調波出力を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型の GaAs 基板上に、 n-GaAs のバッファー層、 n- クラッド層、活性層、 p- クラッド層、 p-GaAlAs 層および電流ブロック層を堆積する第１の工程と、電流ブロック層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部を p-GaAlAs 層に形成する第４の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第５の工程と、ｐ側電極及びｎ側電極を形成する第６の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法である。
【００１２】
また本発明は、活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型の GaAs 基板上に、 n-GaAs のバッファー層、 n- グラッド層、活性層、 p- グラッド層、および電流ブロック層を堆積する第１の工程と、電流ブロック層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部を電流ブロック層に形成する第４の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第５の工程と、ｐ側電極及びｎ側電極を形成する第６の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法である。
【００１３】
さらに本発明は、活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型のGaAs基板上に、n-GaAsのバッファー層、n-クラッド層、活性層、およびp-クラッド層を堆積する第１の工程と、p-クラッド層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部をp-クラッド層上に形成する第４の工程と、n-GaAs電流ブロック層を堆積する第５の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第６の工程と、ｐ側電極とｎ側電極を形成する第７の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法である。
さらに本発明は、活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型のGaAs基板上に、n-GaAsのバッファー層、n-クラッド層、活性層、およびp-クラッド層を堆積する第１の工程と、p-クラッド層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部をp-クラッド層上に形成する第４の工程と、p-GaAlAs層およびn-GaAs電流ブロック層を堆積する第５の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第６の工程と、ｐ側電極とｎ側電極を形成する第７の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法である。
【００１４】
さらに本発明は、活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型の GaAs 基板上に、 n-GaAs のバッファー層、 n- クラッド層、活性層、 p- クラッド層、 p-GaAlAs 層および電流ブロック層を堆積する第１の工程と、前記光フィードバック領域の電流ブロック層、 p-GaAlAs 層、 p- クラッド層、活性層および n- クラッド層をエッチングにより除去する第２の工程と、前記光フィードバック領域に n- クラッド層、 GaAlAs の光導波層、 p- クラッド層、 p-GaAlAs 層および電流ブロック層を堆積する第３の工程と、電流ブロック層をエッチングする第４の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部を p-GaAlAs 層に形成する第５の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第６の工程と、ｐ側電極及びｎ側電極を形成する第７の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法である。
また、上記自励発振半導体レーザの製造方法によって製造された活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザは、前記光フィードバック領域に形成されたＤＢＲ部のフィードバック波長が、前記活性領域の活性層のゲインピーク波長よりも長波長側に有ることを特徴とする自励発振半導体レーザであってもよい。
【００１５】
【作用】
本発明は、可飽和吸収領域を設けた半導体レーザに、外部に備えられた光フィードバック用外部共振器または半導体レーザに集積化された光フィードバック領域により、ある特定の波長を半導体レーザの活性層に帰還し、狭帯化された発振縦モードスペクトルのパルス光発生を実現するものである。
【００１６】
また、本発明は半導体レーザをパルス動作させるため、出射される基本波の平均パワーを上げることなく、基本波のピークパワーを大幅に向上させることが可能となる。これにより、波長変換素子の高調波との変換効率をアップし高調波の平均出力の大幅向上が実現できる。すなわち本発明は、小型で高効率の短波長光発生装置を実現するものである。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
本発明の光フィードバック用外部共振器鏡を備えた自励発振半導体レーザの概略構成図を図１に示す。
【００１８】
図１はコリメートレンズを用いた概略構成図で、１は０．８６μｍ帯の１００ｍＷ級ＧａＡｌＡｓの自励発振半導体レーザー、２はＮ．Ａ．＝０．６のコリメートレンズ、３は半導体レーザーの光軸に対してθだけ傾斜して設置された外部共振器鏡であり、その基板上には反射型回折格子が形成されている。
【００１９】
自励発振半導体レーザ１の構造を図２に示す。ｎ型のＧａＡｓ基板Ａ１上に、ｎ−ＧａＡｓのバッファー層Ａ２とｎ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層Ａ、ＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの多重量子井戸からなる活性層Ａ４、ｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層Ａ５、ｎ−Ｇａ０．５Ａｌ０．４Ａｓ電流ブロック層Ａ６をＭＯＶＰＥ法により順次堆積する。次にＳｉＯ２を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、約４μｍのＳｉＯ２のストライプを形成する。化学的ウェットエッチングにより、電流ブロック層Ａ６を図２のように形成する。ＳｉＯ２をエッチング除去し、再びＭＯＶＰＥ法によりｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層Ａ７およびｐ−ＧａＡｓコンタクト層Ａ８を堆積する。最後に、ｐ側電極Ａ１０とｎ側電極Ａ１１を形成する。
【００２０】
自励発振半導体レーザ１の電流ブロック層Ａ６はレーザー光に透明であり、屈折率が周りより少し低くなっていてため、実屈折率導波路を形成している。またレーザ発振領域が電流注入幅よりも大きくなっているため、電流ブロック層Ａ６下の活性層Ａ４に、大きな過飽和吸収が起こり、この結果図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー８００ｍＷ程度の自励発振が起こった。端面反射率は、後端面が９０％、前端面が３％である。
【００２１】
自励発振半導体レーザー１から出射したレーザー光はＮ．Ａ．＝０．６のコリメートレンズ２により平行光にされ外部共振器鏡３に導かれる。外部共振器鏡３上の反射型回折格子の波長分散効果によりある特定の波長だけが自励発振半導体レーザー１の後端面に集光され活性層４に光帰還して自励発振半導体レーザー１の波長が固定される。回折格子は、次式ピッチｄを持つ直線形状の回折格子である。
【００２２】
ｄ＝λ／（２ｓｉｎθ） （１）
本実施例においては、λ（ＬＤの発振波長）＝０．８６μｍに対し、ｄ＝０．８６μｍ、θ＝３０゜とした。外部共振器鏡３の回折効率は１０％程度である。
【００２３】
光フィードバックがない状態では図４のように、縦モードスペクトルは５ｎｍ程度に広がっていたが、外部共振器鏡３により特定の波長を帰還することで、図５のように縦モードスペクトルの狭帯化（単一化）を図ることができた。この状態においても自励発振は起き、この時のピークパワー６００ｍＷ程度が外部共振器鏡３の反射光として得られた。
【００２４】
（実施例２）
実施例１では、光フィードバック用外部共振器鏡３を自励発振半導体レーザ１の出射側に設置したが、図６のように自励発振半導体レーザ１の後ろ側に設置しても同様の効果が得られた。この場合、外部共振器鏡３の角度を変化させて、発振波長をチューニングしても、光軸が変化しないので、自励発振半導体レーザ１から得られた光を他の光学系に容易に結合できる。
【００２５】
実施例２では、実施例１と同様の構造を有する自励発振半導体レーザを用いているが、後端面の反射率が０．５％、出射側の反射率が３％と仕様を変更し、自励発振半導体レーザ１の端面間の発振を抑圧している。
【００２６】
自励発振半導体レーザー１の後端面から出射したレーザー光はＮ．Ａ．＝０．６のコリメートレンズ２により平行光にされ外部共振器鏡３に導かれる。外部共振器鏡３上の反射型回折格子の波長分散効果によりある特定の波長だけが自励発振半導体レーザー１の後端面に集光され活性層４に光帰還して自励発振半導体レーザー１の波長が固定される。回折格子は、次式ピッチｄを持つ直線形状の回折格子である。
【００２７】
ｄ＝λ／（２ｓｉｎθ） （１）
本実施例においては、λ（ＬＤの発振波長）＝０．８６μｍに対し、ｄ＝０．８６μｍ、θ＝３０゜とした。本実施例では外部共振器鏡３の回折効率は９０％程度である。
【００２８】
自励発振半導体レーザ１は自励発振を起こし、図５のような単一縦モードが得られ、ピークパワー６００ｍＷ程度のパルス発振光が得られた。
【００２９】
（実施例３）
実施例２では、コリメートレンズを用いた光学系のため外部共振器鏡３上には、直線形状の反射型回折格子が形成されている。実施例３ではコリメートレンズを省いた構成について説明する。構成図７において、外部共振器鏡３上の反射型回折格子の形状は直線形状でなく円群の一部からなる。この場合部品点数が１つ減り、共振器長も短くなりコンパクトな構成となる。
【００３０】
図８を用いて外部共振器鏡の設計原理を示す。回折格子の形成される平面基板上にｘ，ｙの直交座標系を仮定し、光の発散点及び集光点となる活性層端面Ｐが前記座標の原点からの垂線に対し、ｙ軸方向にθの角をなす線上に存在し、且つ距離ｆの位地に存在するとする。Ｐから放射した光は回折格子上の点Ｇに到達し反射されてＰ点に戻る時、その光の位相が揃うように回折格子が形成されているとき外部共振器鏡として働く。即ち、
２ＰＧ＝ｍλ＋（定数） （２）
ここでＰＧは点Ｐと点Ｇの距離、λは半導体レーザーの波長、ｍは整数である。
【００３１】
原点における前記定数の零とすると次式のようになる。
ｘ２＋（ｙ−ｆｓｉｎθ）２＝（ｍλ／２＋ｆ）２−（ｆｃｏｓθ）２ （３）
ここでｘ，ｙは回折素子の形成される平面基板上の直交座標であり、ｆは活性層端面と直交座標の原点との距離、θは活性層端面と原点を結ぶ軸と回折格子の形成された平面基板の垂線とのなす角、λは半導体レーザーの発振波長、ｍは整数である。λ＝０．８６μｍ、ｆ＝２ｍｍ、θ＝４５゜を用いて外部共振器鏡を作製したところ、電子ビームの描画可能領域が１ｍｍ角程度であり、フィードバック効率は３０％程度であった。得られたレーザー光はピークパワー４００ｍＷ程度のパルス発振光が得られた。
【００３２】
本実施例１、２、及び３では、活性層としてＧａＡｌＡｓを用いた８００ｎｍ帯の半導体レーザについて説明したが、活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いた１μｍ帯の半導体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰの赤色半導体レーザ、ＺｎＳＳｅの青緑色半導体レーザに応用しても、同様の効果が得られた。
【００３３】
（実施例４）
本発明の光フィードバック用外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザーと波長変換素子を備えた短波長光発生装置の概略構成図を図９に示す。本実施例では、波長変換素子として、ＬｉＴａＯ３結晶を基板とした周期的分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスを用いた。
【００３４】
分極反転型導波路デバイス６の作製方法について説明する。非線形光学結晶であるＬｉＴａＯ３基板７にＴａのパターンを蒸着とフォトにより幅数μｍの周期で形成する。次に２６０℃の温度でプロトン交換を行った後、５５０℃程度の温度で熱処理を行いＬｉＴａＯ３基板７と分極が反対向きに反転した分極反転領域８を形成する。次に再びＴａによるスリットを形成した後、ピロ燐酸（２６０℃）中で１４分プロトン交換を行った後、４２０℃で１分間アニールを行い光導波路９を形成する。作製される分極反転型導波路デバイス７は波長８６０ｎｍの基本波Ｐ１に対して、光導波路の長さを１０ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを５０ｍＷにしたとき高調波Ｐ２のパワー３ｍＷが得られた。
【００３５】
自励発振半導体レーザ１と外部共振器鏡３は、実施例１と同じ構成であり、自励発振半導体レーザ１の発振波長は反射型回折格子により８６０ｎｍに固定されている。外部共振器鏡３の０次回折光（反射光）はフォーカシングレンズ５により分極反転型導波路デバイス６中の光導波路９に結合され、周期的分極反転領域８により波長変換され、光導波路９の出射端面よりブルー光が得られた。自励発振半導体レーザ１は自励発振していて、ピークパワー６００ｍＷに対し、平均パワー１５ｍＷのブルー光が得られた。連続発振の半導体レーザと比較して、５倍程度の変換効率向上が図れた。
【００３６】
（実施例５）
本発明の自励発振半導体レーザーと光フィードバック用外部共振器鏡の間に、波長変換素子を備えた短波長光発生装置の概略構成図を図１０に示す。本実施例では、波長変換素子として、ＬｉＴａＯ３結晶を基板とした周期的分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスを用いた。
【００３７】
自励発振半導体レーザー１から出射したレーザー光はＮ．Ａ．＝０．６のコリメートレンズ２により平行光にされ、分極反転型導波路デバイス７に導かれる。光導波路９中で半導体レーザ光は、周期的分極反転領域８により波長変換され、波長変換された高調波と波長変換されなかった半導体レーザ光が、光導波路９の端面より得られる。高調波は波長選択ミラー１０により分離され、半導体レーザ光は外部共振器鏡３に導かれる。外部共振器鏡３上の回折格子の波長分散効果によりある特定の波長だけが分極反転型導波路デバイス７の光導波路９に結合し、自励発振半導体レーザー１の端面に集光され活性層４に光帰還して自励発振半導体レーザー１の波長が固定される。回折格子は、次式ピッチｄを持つ直線形状の回折格子である。
【００３８】
ｄ＝λ／（２ｓｉｎθ） （１）
本実施例においては、λ（ＬＤの発振波長）＝０．８６μｍに対し、ｄ＝０．８６μｍ、θ＝３０゜とした。本実施例では外部共振器鏡３の回折効率は９０％程度である。
【００３９】
この時自励発振半導体レーザ１は自励発振を起こし、図４（ｂ）のような単一縦モードが得られ、ピークパワー６００ｍＷ程度のパルス発振光が得られ、平均パワー２０ｍＷのブルー光が得られた。
【００４０】
実施例４と比較すると実施例５では、外部共振器鏡３の損失がなく光導波路９に半導体レーザ光を結合できるため、より高い変換効率が得られた。
【００４１】
（実施例６）
実施例４及び５では、光フィードバック用外部共振器として、反射型回折格子を用いたが、本実施例では分極反転型導波路デバイスの光導波路上に形成された分布ブラッグ反射器（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）を光フィードバック用外部共振器として用いた構成について図１１を用いて説明する。
【００４２】
まず分布ブラッグ反射器の作製方法について説明する。分極反転領域８と光導波路９が形成されたＬｉＴａＯ３基板７上にＳｉＯ２をスパッタで蒸着する。その上にレジストを塗布し、Ａｒレーザを用いた干渉露光により、周期４μｍの２次のグレーティングを形成する。現像した後、ドライエッチングでＳｉＯ２をエッチングし、分布ブラッグ反射器を形成する。
【００４３】
自励発振半導体レーザ１から出射された光はフォーカシングレンズ５により分極反転型導波路デバイス６中の光導波路９に結合される。光導波路９中を伝播する光は分布ブラッグ反射器１１で、ある特定の波長が反射し、再び光導波路９を伝播し、自励発振半導体レーザ１の活性層４に光帰還し、発振波長は固定される。光導波路９を伝播する光は周期的分極反転領域８により波長変換され、光導波路９の出射端面よりブルー光が得られた。自励発振半導体レーザ１は自励発振していて、ピークパワー６００ｍＷに対し、平均パワー１５ｍＷのブルー光が得られた。連続発振の半導体レーザと比較して、５倍程度の変換効率向上が図れた。
【００４４】
本実施例では、光フィードバック用外部共振器が分極反転型導波路デバイス上に集積化されているため、機械的にも安定に光フィードバックが行える。また、光学調整も容易である。
【００４５】
本実施例４、５、及び６では、活性層としてＧａＡｌＡｓを用いた８００ｎｍ帯の半導体レーザについて説明したが、活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いた１μｍ帯の半導体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰの赤色半導体レーザ、ＺｎＳＳｅの青緑色半導体レーザに応用しても、同様の効果が得られた。この場合、波長変換素子である分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスの分極反転周期を変更する必要がある。それぞれの半導体レーザ光の波長と位相整合波長が一致するように、分極反転領域の周期を設計することにより、８００ｎｍ帯と同様に、変換効率の向上が図れた。
【００４６】
実施例７以降では、過飽和吸収領域と、活性層を有する活性領域と、光フィードバック領域を同一基板上に集積化した半導体レーザについて説明する。
【００４７】
（実施例７）
本発明の可飽和吸収領域と、活性層を有する活性領域と、光フィードバック領域を備えたＤＢＲ自励発振半導体レーザの構造を図１２に示す。活性層Ｂ５を有する活性領域と、光導波層Ｂ１２とＤＢＲ部Ｂ１３を有する光フィードバック部から構成される。
【００４８】
作製方法を図１３を用いて説明する。ｎ型のＧａＡｓ基板Ｂ１上に、ｎ−ＧａＡｓのバッファー層Ａ２、ｎ−クラッド層Ａ３、活性層Ｂ４、ｐ−クラッド層Ｂ５、ｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｂ６および電流ブロック層Ｂ７を順次ＭＯＶＰＥ法により堆積する。活性層Ａ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの多重量子井戸（ＭＱＷ）構造になっている。（参照（ａ））次に、ＳｉＮｘＢ１６を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、約４μｍのＳｉＮｘのストライプを形成する。（参照（ｂ））化学的ウェットエッチングにより、電流ブロック層Ｂ７を図（ｃ）のように形成する。（参照（ｃ））活性層Ｂ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの多重量子井戸構造になっているため、レーザ発振光に対して吸収がある。そのため、光フィードバック領域Ｂ１５での活性層Ｂ４の吸収を取り除く必要がある。図（ｄ）（ｅ）において、さらにＳｉＯ２Ｂ１７を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて光フィードバック領域Ｂ１５のみＳｉＯ２Ｂ１７を取り除く。ＳｉＯ２とＳｉＮｘのＨＦ：ＮＨ４Ｆに対するエッチングレートはそれぞれ２００ｎｍ／ｍｉｎ、２０ｎｍ／ｍｉｎであることを利用している。次に、Ｚｎを気相拡散または固相拡散する。（参照（ｆ））Ｚｎが活性層Ｂ４に拡散すると、活性層Ｂ４内のＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸が無秩序化される。そのため、レーザ発振光に対して透明な光導波層Ｂ１２が形成される。次にＨｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法により、波長８６０ｎｍに対する２次のグレーティング（ＤＢＲ部Ｂ１３）をｐ−ＧａＡｌＡｓ層上に形成する。（参照（ｇ））以上の工程が終わると、ＳｉＮｘをエッチングにより除去し、再びＭＯＶＰＥ法により、クラッド層Ｂ８およびコンタクト層Ｂ９を堆積する。最後に、ｐ側電極Ｂ１０とｎ側電極Ｂ１１を形成する（参照（ｈ））。
【００４９】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザは、電流ブロック層Ｂ７はレーザー発振光に対し透明であり、また屈折率が周りより小さく、実屈折率導波路を形成している。また非常に小さな屈折率差であるため、レーザ発振領域が電流注入幅よりも大きくなっている。それゆえ、電流ブロック層Ｂ７下の活性層Ｂ４に、大きな過飽和吸収が起こる。活性層Ｂ４に電流が注入されると、端面と光フィードバック領域Ｂ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー６００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。
【００５０】
（実施例８）
本発明の可飽和吸収領域と、活性層を有する活性領域と、光フィードバック領域を備えたＤＢＲ自励発振半導体レーザの構造を図１４に示す。活性層Ｂ５を有する活性領域と、光導波層Ｂ１２とＤＢＲ部Ｂ１３を有する光フィードバック部から構成される。本実施例では、ＤＢＲ部Ｂ１３を電流ブロック層上に形成した構成について説明する。
【００５１】
作製方法を図１５を用いて説明する。ｎ型のＧａＡｓ基板Ｂ１上に、ｎ−ＧａＡｓのバッファー層Ｂ２、ｎ−クラッド層Ｂ３、活性層Ｂ４、ｐ−クラッド層Ｂ５、および電流ブロック層Ｂ７を順次ＭＯＶＰＥ法により堆積する。活性層Ｂ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの多重量子井戸構造になっている。（参照（ａ））次に、ＳｉＯ２Ｂ１８を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、約４μｍのＳｉＯ２のストライプを形成する。（参照（ｂ））化学的ウェットエッチングにより、電流ブロック層Ｂ７を図（ｃ）のように形成する。（参照（ｃ））活性層Ｂ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓのＭＱＷ構造になっているため、レーザ発振光に対して吸収がある。そのため、光フィードバック領域Ｂ１５での活性層Ｂ４の吸収を取り除く必要がある。図（ｄ）（ｅ）において、再びＳｉＯ２Ｂ１９を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて光フィードバック領域Ｂ１５のみＳｉＯ２を取り除く。次に、Ｚｎを気相拡散または固相拡散する。（参照（ｆ））Ｚｎが活性層Ｂ４に拡散すると、活性層Ｂ４内のＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造が無秩序化される。そのため、レーザ発振光に対して透明な光導波層Ｂ１２が形成される。次にＨｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法により、波長８６０ｎｍに対する２次のグレーティング（ＤＢＲ部Ｂ１３）を電流ブロック層Ｂ７に形成する。Ｐ−クラッド層Ｂ５上に形成されたグレーティングはクラード層Ｂ８により埋められるため、グレーティングとして機能しない。（参照（ｇ））以上の工程が終わると、ＳｉＯ２をエッチングにより除去し、再びＭＯＶＰＥ法により、クラッド層Ｂ８およびコンタクト層Ｂ９を堆積する。最後に、ｐ側電極Ｂ１０とｎ側電極Ｂ１１を形成する（参照（ｈ））。
【００５２】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザは、電流ブロック層Ｂ７はレーザー発振光に対し透明であり、また屈折率が周りより小さく、実屈折率導波路を形成している。また非常に小さな屈折率差であるため、レーザ発振領域が電流注入幅よりも大きくなっている。それゆえ、電流ブロック層Ｂ７下の活性層Ｂ４に、大きな過飽和吸収が起こる。活性層Ｂ４に電流が注入されると、端面と光フィードバック領域Ｂ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー６００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。
【００５３】
本実施例で形成されるＤＢＲ部は、実施例７で形成されるＤＢＲ部よりも、モードの結合が小さいため、フィードバック効率も小さい。そのため、ＤＢＲ部を長くできる。結果として、ＤＢＲの波長許容度を狭くできるため、より安定な単一縦モードが達成できた。
【００５４】
（実施例９）
実施例８及び実施例９では、光フィードバック領域Ｂ１５の活性層Ｂ４がレーザ発振光に対する損失を低減するため、Ｚｎを拡散させ多重量子井戸を無秩序化させ、光導波層Ｂ１２を形成した。
【００５５】
本実施例では、ＤＢＲ部Ｂ１３のフィードバック波長を活性層Ｂ４のゲインピーク波長より長波長側にデチューニングさせることにより、光フィードバック領域Ｂ１５の活性層の損失を低減し光導波層を形成した構成について、図１６および図１７を用いて説明する。
【００５６】
作製方法は、図１３において、図（ｆ）のＺｎ拡散工程と図（ｇ）ＤＢＲ部作製工程以外を除いて、実施例７の図１２の自励発振半導体レーザと同じである。図１６の自励発振半導体レーザの作製において、Ｚｎ拡散工程を介さない。また、本実施例のＤＢＲ部Ｂ１３作製において、Ｈｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法により、波長８７５ｎｍに対する２次のグレーティング（ＤＢＲ部Ｂ１３）をｐ−ＧａＡｌＡｓ層上に形成する。この時、活性層Ｂ４のゲインピーク波長は、８６０ｎｍであった。この様子を、図１７（ａ）に示す。この時の波長に対する活性層Ｂ４の損失を図１７（ｂ）に示す。このように、発振波長を光フィードバック領域Ｂ１５のＤＢＲ部Ｂ１３により長波長側にシフトさせると、光導波層Ｂ２０内の損失を低減できた。
【００５７】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザの活性層Ｂ４に電流注入されると、端面と光フィードバック領域Ｂ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー４００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。
【００５８】
実施例７および実施例８の光導波層に比べて、本実施例の光導波層の損失は少し大きいため、得られるパワーが低減した。しかしながら、本実施例では、Ｚｎ拡散工程がないため、容易に光導波層を作製でき、自励発振半導体レーザを実現できた。
【００５９】
（実施例１０）
実施例７、実施例８および実施例９では、可飽和吸収領域と、活性層を有する活性領域と、光フィードバック領域を備えたＤＢＲ自励発振半導体レーザにおいて、電流ブロック層がｎ−ＧａＡｌＡｓから成り、実屈折率導波路を有する構成について説明した。本実施例では、電流ブロック層がｎ−ＧａＡｓから成るロスガイドを有する図１８に示すＤＢＲ自励発振半導体レーザについて説明する。
【００６０】
作製方法を図１９を用いて説明する。ｎ型のＧａＡｓ基板Ｃ１上に、ｎ−ＧａＡｓのバッファー層Ｃ２、ｎ−クラッド層Ｃ３、活性層Ｃ４、およびｐ−クラッド層Ｃ５を順次ＭＯＶＰＥ法により堆積する。活性層Ｃ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓのＭＱＷ構造になっている（参照（ａ））。
【００６１】
次に、ＳｉＮｘＣ１６を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、約４μｍのＳｉＮｘのストライプを形成する（参照（ｂ））。化学的ウェットエッチングにより、ｐ−クラッド層Ｃ５を図（ｃ）のように形成する（参照（ｃ））。活性層Ｃ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの多重量子井戸構造になっているため、レーザ発振光に対して吸収がある。そのため、光フィードバック領域Ｃ１５での活性層Ｃ４の吸収を取り除く必要がある。図（ｄ）（ｅ）において、ＳｉＯ２Ｃ１６を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて光フィードバック領域Ｃ１５のみＳｉＯ２を取り除く。次に、Ｚｎを気相拡散または固相拡散する（参照（ｆ））。Ｚｎが活性層Ｃ４に拡散すると、活性層Ｃ４内のＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造が無秩序化される。そのため、レーザ発振光に対して透明な光導波層Ｃ１１が形成される。次にＨｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法により、波長８６０ｎｍに対する２次のグレーティング（ＤＢＲ部Ｂ１２）をｐ−クラッド層Ｃ５上に形成する（参照（ｇ））。その上にｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層Ｃ６を堆積する。ｎ−ＧａＡｓとｐ−ＧａＡｌＡｓの屈折率差によりグレーティングが形成される（参照（ｈ））。
【００６２】
以上の工程が終わると、ＳｉＮｘをエッチングにより除去し、再びＭＯＶＰＥ法により、Ｃ７クラッド層およびコンタクト層Ｃ８を堆積する。最後に、ｐ側電極Ｃ９とｎ側電極Ｃ１０を形成する（参照（ｉ））。本実施例の構成では、電流ブロック層下に可飽和吸収領域が得られないので、可飽和吸収領域を作製する必要がある。可飽和吸収領域を得るための方法として、図１８に示すように、電極Ｃ９およびＣ１０を活性領域よりも小さな領域に作製することにより活性層Ｃ４内に可飽和吸収領域Ｃ１３を形成することができた。
【００６３】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザの活性層Ｃ４に電流注入されると、端面と光フィードバック領域Ｃ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー４００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。
【００６４】
また光フィードバック領域Ｃ１５中の光導波層Ｃ１１をＺｎ拡散により作製したが、実施例９のようにＤＢＲ部Ｃ１２のフィードバック波長を活性層Ｃ４のゲインピーク波長より長波長側に設計することでも、光導波層が形成でき、本実施例と同様の効果が得られた。
【００６５】
（実施例１１）
実施例１０では、ｐ−クラッド層Ｃ５とｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層Ｃ６の屈折率差を利用して、ＤＢＲ部Ｃ１２のグレーティングを作製した。本実施例では、ｐ−クラッド層Ｃ５上に組成の異なるｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｃ１６を堆積し、この屈折率差を利用してＤＢＲ部Ｃ１２を形成した構成について図２０を用いて説明する。
【００６６】
作製方法は、実施例１０の自励発振半導体レーザの作製方法（参照図１９）と同じである。異なる点は、図（ｇ）においてｐ−クラッド層Ｃ５上にＤＢＲ部Ｃ１２を作製後、図（ｈ）においてＤＢＲ部Ｃ１２上にまずｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｃ１６を堆積し、その上に電流ブロック層Ｃ６を形成した。ここで、ＧａＡｌＡｓの組成比は、０＜ｘ＜ｚ，０＜ｙ＜ｚ、とする。
【００６７】
実施例１０と同様に、ＤＢＲ自励発振半導体レーザの活性層Ｃ４に電流注入されると、端面と光フィードバック領域Ｃ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー６００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。実施例１０ではＧａＡｓとＧａＡｌＡｓのグレーティングを形成しているため、ＧａＡｌＡｓの吸収が存在する。本実施例では、ＧａＡｌＡｓの組成を変えて、グレーティングを形成しているため、レーザ発振光に対する吸収はなく、得られるパワーも向上した。
【００６８】
また光フィードバック領域Ｃ１５中の光導波層Ｃ１１をＺｎ拡散により作製したが、実施例９のようにＤＢＲ部Ｃ１２のフィードバック波長を活性層Ｃ４のゲインピーク波長より長波長側に設計することでも、光導波層が形成でき、本実施例と同様の効果が得られた。
【００６９】
（実施例１２）
実施例７から１１に示したように、光フィードバック領域中のの光導波層の損失を低減することが必要である。本実施例では、図２１に示すような光フィードバック領域にあらためて光導波層を形成し、活性領域中の活性層と光結合した構成について説明する。
【００７０】
作製方法を図２２を用いて説明する。ｎ型のＧａＡｓ基板Ｂ１上に、ｎ−ＧａＡｓのバッファー層Ｂ２、ｎ−クラッド層Ｂ３、活性層Ｂ４、ｐ−クラッド層Ｂ５、ｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｂ６および電流ブロック層Ｂ７を順次ＭＯＶＰＥ法により堆積する。活性層Ｂ４はＧａＡｌＡｓとＧａＡｓのＭＱＷ構造になっている（参照（ａ））。次にＳｉＮｘＢ２２を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、活性領域Ｂ１４上のみＳｉＮ２を形成する（参照（ｂ）（ｃ））。化学的ウェットエッチングにより、光フィードバック領域Ｂ１５上の電流ブロック層Ｂ７、ｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｂ６、ｐ−クラッド層Ｂ５、活性層Ｂ４およびｎ−クラッド層Ｂ３の途中まで除去する（参照（ｃ））。再び、ｎ−クラッド層Ｂ３、光導波層Ｂ２１、ｐ−クラッド層Ｂ５、ｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｂ６および電流ブロック層Ｂ７を順次ＭＯＶＰＥ法により堆積する。光導波層Ｂ２１はＧａ０．８５Ａｌ０．１５Ａｓの組成であり、クラッド層Ｂ３およびＢ５よりも屈折率が大きくなっている（参照（ｄ））。活性領域上のＳｉＮｘＢ２２をエッチング除去し、今度はＳｉＮｘＢ２３を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、約４μｍのＳｉＮｘのストライプを形成する（参照（ｆ））。化学的ウェットエッチングにより、電流ブロック層Ｂ７を図（ｇ）のように形成する（参照（ｇ））。ＳｉＯ２Ｂ２４を堆積し、ホトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて光フィードバック領域Ｂ１５のみＳｉＯ２Ｂ２４を取り除く（参照（ｈ）（ｉ））。ＳｉＯ２とＳｉＮｘのＨＦ：ＮＨ４Ｆに対するエッチングレートはそれぞれ２００ｎｍ／ｍｉｎ、２０ｎｍ／ｍｉｎであることを利用している。次にＨｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法により、波長８６０ｎｍに対する２次のグレーティング（ＤＢＲ部Ｂ１３）をｐ−ＧａＡｌＡｓ層Ｂ６上に形成する（参照（ｊ））。
【００７１】
以上の工程が終わると、ＳｉＮｘをエッチングにより除去し、再びＭＯＶＰＥ法により、クラッド層Ｂ８およびコンタクト層Ｂ９を堆積する。最後に、ｐ側電極Ｂ１０とｎ側電極Ｂ１１を形成する（参照（ｋ））。
【００７２】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザは、電流ブロック層Ｂ７はレーザー発振光に対し透明であり、また屈折率が周りより小さく、実屈折率導波路を形成している。また非常に小さな屈折率差であるため、レーザ発振領域が電流注入幅よりも大きくなっている。それゆえ、電流ブロック層Ｂ７下の活性層Ｂ４に、大きな過飽和吸収が起こる。活性層Ｂ４に電流が注入されると、端面と光フィードバック領域Ｂ１５の間の活性領域Ｂ１４で自励発振が起こった。得られた半導体レーザの特性は、図３に示すような１２５ｐｓ程度の半値幅を有し、ピークパワー６００ｍＷ程度であった。発振縦モードスペクトルは図５に示すような、単一縦モードであった。
【００７３】
本実施例のＤＢＲ自励発振半導体レーザは、作製上多くの工程を有するが、Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ａｓ光導波層２１はレーザ発振光に対し透明であるうえ、大きな屈折率変化を有するため損失の小さな閉じ込めのよい光導波層が形成でき、得られるパワーも向上できる。
【００７４】
本実施例７、８、９、１０、１１及び１２では、活性層としてＧａＡｌＡｓを用いた８００ｎｍ帯の半導体レーザについて説明したが、活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いた１μｍ帯の半導体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰの赤色半導体レーザ、ＺｎＳＳｅの青緑色半導体レーザに応用しても、同様の効果が得られた。
【００７５】
（実施例１３）
実施例７から１２に示すＤＢＲ自励発振半導体レーザは、活性領域と光フィードバック領域を有するため、縦モードスペクトルが単一で且つ、自励発振するため大きなピークパワーが得られる。波長変換素子は、ピークパワーの２乗に比例した変換効率が得られる。また、実施例４に示すような、ＬｉＴａＯ３結晶を基板とした周期的分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスは、位相整合に対する波長許容度が０．１ｎｍ程度と小さい。このため、基本波として光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザを用いると、容易に高出力の短波長光が得られる。図２３に光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザと、波長変換素子としてＬｉＴａＯ３を基板とした導波路型波長変換デバイスから構成される短波長光発生装置を示す。
【００７６】
図２３において、１２はＤＢＲ自励発振半導体レーザ、１３はコリメートレンズ、１４は半波長板、１５はフォーカシングレンズ、１６はＬｉＴａＯ３を基板とした周期的分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスである。
【００７７】
ＤＢＲ自励発振半導体レーザ１２より出射された波長８６０ｎｍの光は、コリメートレンズ１３とフォーカシングレンズ１５により、導波路型波長変換デバイス１６の光導波路１７に結合する。半波長板１４は、ＤＢＲ自励発振半導体レーザと光導波路１７の横モードマッチングを最大にするよう設置されている。光導波路１７に結合された光は、周期的分極反転領域１８により波長４３０ｎｍの光に波長変換される。ＤＢＲ自励発振半導体レーザ１２は、光フィードバック領域により発振波長が固定されているため、戻り光などに対しても安定である。そのため、導波路型波長変換素子の位相整合波長８６０ｎｍに安定に固定されているため、ブルー光出力も安定に得られた。ＤＢＲ自励発振半導体レーザ１２は自励発振し、ピークパワー６００ｍＷに対し、平均パワー２０ｍＷのブルー光が得られた。連続発振の半導体レーザと比較して、５倍程度の変換効率向上が図れた。
【００７８】
本実施例では実施例４および５とは異なり、外部にグレーティングを持たず、光フィードバック領域が半導体レーザに集積化されているため、機械的振動に対しても長時間安定にブルー光が得られた。
【００７９】
なお実施例では、導波路型波長変換デバイスとして、ＬｉＴａＯ３基板上に作製されたものを用いたが、基板としてＬｉＮｂＯ３やＫＴｉＯＰＯ４結晶を用いても同様の効果が得られた。また、導波路型波長変換デバイスの代わりに、バルク型波長変換デバイスを用いても同様の効果が得られた。
【００８０】
本実施例４、５、及び６では、活性層としてＧａＡｌＡｓを用いた８００ｎｍ帯の半導体レーザについて説明したが、活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いた１μｍ帯の半導体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰの赤色半導体レーザ、ＺｎＳＳｅの青緑色半導体レーザに応用しても、同様の効果が得られた。この場合、波長変換素子である分極反転構造を有する導波路型波長変換デバイスの分極反転周期を変更する必要がある。それぞれの半導体レーザ光の波長と位相整合波長が一致するように、分極反転領域の周期を設計することにより、８００ｎｍ帯と同様に、変換効率の向上が図れた。
【００８１】
【発明の効果】
本発明は、外部共振器鏡やＤＢＲを光フィードバックさせ、自励発振半導体レーザの縦モード単一化を実現できるため、容易に単一縦モードのパルス発振光が得られる。パルス駆動用高周波モジュールを必要とせずにパルス発振光が得られ、低コスト化、低電力化も実現できる。
【００８２】
また、光フィードバック用ＤＢＲ部を自励発振半導体レーザに集積化したり、半導体レーザに可飽和吸収領域と光フィードバック用ＤＢＲ部を集積化することで、小型で機械的振動にも安定な単一縦モードのパルス発振光が容易に得られる。
【００８３】
光フィードバックを有する自励発振半導体レーザやＤＢＲ自励発振半導体レーザは、波長許容度が狭く、変換効率向上のためピークパワーを必要とする、波長変換の基本波光源として用いると、高出力且つ低ノイズの短波長光現を実現でき、その実用的効果は大きい。特にＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３やＫＴｉＯＰＯ４を基板とした周期的分極反転領域を有する導波路型波長変換デバイスに、ＤＢＲ自励発振半導体レーザから得られる光を結合すると、２０ｍＷ程度のブルー出力を容易に得ることができ、録再用光ディスクにも応用できるため、利用範囲は非常に広い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザの概略構成図
【図２】自励発振半導体レーザの構造図
【図３】本発明の自励発振半導体レーザの時間スペクトル図
【図４】従来の自励発振半導体レーザの縦モードスペクトル図
【図５】本発明の自励発振半導体レーザの縦モードスペクトル図
【図６】本発明の外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザーの概略構成図
【図７】本発明の外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザーの概略構成図
【図８】本発明の外部共振器鏡基板上の回折格子の設計原理図
【図９】本発明の外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザーと導波路型波長変換デバイスを備えた短波長光発生装置概略構成図
【図１０】本発明の外部共振器鏡を有する自励発振半導体レーザーと導波路型波長変換デバイスを備えた短波長光発生装置の概略構成図
【図１１】本発明の自励発振半導体レーザーと分布ブラッグ反射器を有する導波路型波長変換デバイスを備えた短波長光発生装置概略構成図
【図１２】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図１３】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの作製方法を説明する図
【図１４】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図１５】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの作製方法を説明する図
【図１６】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図１７】本発明のデチューニングにより光フィードバック領域内の光導波層の損失を低減する方法を説明する図
【図１８】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図１９】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの作製方法を説明する図
【図２０】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図２１】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの構造図
【図２２】本発明の光フィードバック領域を有するＤＢＲ自励発振半導体レーザーの作製方法を説明する図
【図２３】本発明のＤＢＲ自励発振半導体レーザと導波路型波長変換デバイスを備えた短波長光発生装置の概略構成図
【図２４】周期的分極反転領域を有する導波路型波長変換デバイスの構造図
【図２５】外部共振器鏡を有する半導体レーザの概略構成図
【符号の説明】
１ 自励発振半導体レーザ
２ コリメートレンズ
３ 外部共振器鏡
４ 活性層
５ 外部共振器鏡
６ フォーカシングレンズ
７ ＬｉＴａＯ３基板
８ 分極反転領域
９ 光導波路
１０ 波長選択ミラー
１１ 分布ブラッグ反射器
１２ ＤＢＲ自励発振半導体レーザ
１３ コリメートレンズ
１４ 半波長板
１５ フォーカシングレンズ
１６ 導波路型波長変換デバイス
１７ 光導波路
１８ 分極反転領域
１９ ＬｉＴａＯ３基板
２０ 分極反転領域
２１ 光導波路
２２ 半導体レーザ
２３ コリメートレンズ
２４ 外部共振器鏡
２５ 活性層
Ａ１ ｎ−ＧａＡｓ基板
Ａ２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
Ａ３ ｎ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ａ４ ＭＱＷ活性層
Ａ５ ｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ａ６ ｎ−Ｇａ０．５５Ａｌ０．４５Ａｓ電流ブロック層
Ａ７ ｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ａ８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
Ａ９ ｎ側電極
Ａ１０ ｐ側電極
Ｂ１ ｎ−ＧａＡｓ基板
Ｂ２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
Ｂ３ ｎ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ｂ４ ＭＱＷ活性層
Ｂ５ ｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ｂ６ ｐ−Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ａｓ層
Ｂ７ ｎ−Ｇａ０．５５Ａｌ０．４５Ａｓ電流ブロック層
Ｂ８ ｐ−Ｇａ０．６Ａｌ０．４Ａｓクラッド層
Ｂ９ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
Ｂ１０ ｐ側電極
Ｂ１１ ｎ側電極
Ｂ１２ 光導波層
Ｂ１３ ＤＢＲ部
Ｂ１４ 活性領域
Ｂ１５ 光フィードバック領域
Ｂ１６ ＳｉＮｘ
Ｂ１７ ＳｉＯ２
Ｂ１８ ＳｉＯ２
Ｂ１９ ＳｉＯ２
Ｂ２０ 光導波層
Ｂ２１ Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ａｓ光導波層
Ｂ２２ ＳｉＮｘ
Ｂ２３ ＳｉＮｘ
Ｂ２４ ＳｉＯ２
Ｃ１ ｎ−ＧａＡｓ基板
Ｃ２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
Ｃ３ ｎ−ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓクラッド層
Ｃ４ ＭＱＷ活性層
Ｃ５ ｐ−ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓクラッド層
Ｃ６ ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層
Ｃ７ ｐ−ＧａｙＡｌ１−ｙＡｓクラッド層
Ｃ８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
Ｃ９ ｐ側電極
Ｃ１０ ｎ側電極
Ｃ１１ 光導波層
Ｃ１２ ＤＢＲ部
Ｃ１３ 可飽和吸収領域
Ｃ１４ 活性領域
Ｃ１５ 光フィードバック領域
Ｃ１６ ＳｉＮｘ
Ｃ１７ ＳｉＯ２
Ｃ１ ｎ−ＧａＡｓ基板
Ｃ２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層
Ｃ３ ｎ−ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓクラッド層
Ｃ４ ＭＱＷ活性層
Ｃ５ ｐ−ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓクラッド層
Ｃ６ ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層
Ｃ７ ｐ−ＧａｙＡｌ１−ｙＡｓクラッド層
Ｃ８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
Ｃ９ ｐ側電極
Ｃ１０ ｎ側電極
Ｃ１１ 光導波層
Ｃ１２ ＤＢＲ部
Ｃ１３ 可飽和吸収領域
Ｃ１４ 活性領域
Ｃ１５ 光フィードバック領域
Ｃ１６ ＳｉＮｘ
Ｃ１７ ＳｉＯ２
Claims (6)
- 活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型のGaAs基板上に、n-GaAsのバッファー層、n-クラッド層、活性層、p-クラッド層、p-GaAlAs層および電流ブロック層を堆積する第１の工程と、電流ブロック層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部をp-GaAlAs層に形成する第４の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第５の工程と、ｐ側電極及びｎ側電極を形成する第６の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法。
- 活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型のGaAs基板上に、n-GaAsのバッファー層、n-クラッド層、活性層、p-クラッド層、および電流ブロック層を堆積する第１の工程と、電流ブロック層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部を電流ブロック層に形成する第４の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第５の工程と、ｐ側電極及びｎ側電極を形成する第６の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法。
- 活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型のGaAs基板上に、n-GaAsのバッファー層、n-クラッド層、活性層、およびp-クラッド層を堆積する第１の工程と、p-クラッド層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部をp-クラッド層上に形成する第４の工程と、n-GaAs電流ブロック層を堆積する第５の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第６の工程と、ｐ側電極とｎ側電極を形成する第７の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法。
- 活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型のGaAs基板上に、n-GaAsのバッファー層、n-クラッド層、活性層、およびp-クラッド層を堆積する第１の工程と、p-クラッド層をエッチングする第２の工程と、前記光フィードバック領域にＺｎを気相拡散または固相拡散して光導波層を形成する第３の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部をp-クラッド層上に形成する第４の工程と、p-GaAlAs層およびn-GaAs電流ブロック層を堆積する第５の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第６の工程と、ｐ側電極とｎ側電極を形成する第７の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法。
- 活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、ｎ型のGaAs基板上に、n-GaAsのバッファー層、n-クラッド層、活性層、p-クラッド層、p-GaAlAs層および電流ブロック層を堆積する第１の工程と、前記光フィードバック領域の電流ブロック層、p-GaAlAs層、p-クラッド層、活性層およびn-クラッド層をエッチングにより除去する第２の工程と、前記光フィードバック領域にn-クラッド層、GaAlAsの光導波層、p-クラッド層、p-GaAlAs層および電流ブロック層を堆積する第３の工程と、電流ブロック層をエッチングする第４の工程と、干渉露光法によりＤＢＲ部をp-GaAlAs層に形成する第５の工程と、クラッド層およびコンタクト層を堆積する第６の工程と、ｐ側電極及びｎ側電極を形成する第７の工程を有することを特徴とする自励発振半導体レーザの製造方法。
- 請求項１〜５に記載の自励発振半導体レーザの製造方法によって製造された活性領域と光フィードバック領域を有する自励発振半導体レーザにおいて、前記光フィードバック領域に形成されたＤＢＲ部のフィードバック波長が、前記活性領域の活性層のゲインピーク波長よりも長波長側に有ることを特徴とする自励発振半導体レーザ。
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