JP4294699B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、光出射端面に反射膜が形成された半導体レーザ装置に関する。

一般に、半導体レーザ装置においては、特許文献１〜４に開示されているように、その共振器の両端面に動作電流の低減化,戻り光防止,高出力化等の目的のため、コーティング膜と呼ばれる絶縁膜が被着される。

特に、高出力が要求される半導体レーザ装置においては、前端面側（光出射端側）に反射率の低いコーティング膜を形成し、後端面側に反射率の高いコーティング膜を形成することにより、高出力化が図られる。後端面コーティング膜の反射率は、６０％以上、好ましくは８０％以上である。前端面コーティング膜の反射率は、単に低ければよいというのではなく、半導体レーザ装置に要求される特性に応じて、その値が選定される。例えば、ファイバグレーティングとともに用いられるファイバアンプ励起用半導体レーザ装置では０．０１〜３％程度、通常の高出力半導体レーザ装置では３〜７％程度、さらに、戻り光対策が必要な場合では７〜１０％程度の反射率が選定される。

例えば、ＧａＮ基板を用いた５０ｍＷ以上のハイパワーの青紫色半導体レーザ装置において、その光出射前端面の反射率は５％〜１５％程度の値が要求される。仮に６％の反射率を得ようとした場合、反射率の制御性は、６±１％であることが求められる。通常、半導体レーザ装置においてレーザ光が出射される前端面の反射率は、単層誘電体膜の厚さと屈折率、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２等の誘電体膜の厚さと屈折率で制御される。

図２５に、従来の発振波長４０５ｎｍの半導体レーザ装置の構造図を示す。図において、１０１はＧａＮ基板、１０２は活性層、１０３は上下クラッド層、１０４は電極、１０５はレーザ光、１１２はレーザ前端面に形成された低反射膜、１０７は同後端面に形成された高反射膜である。一般に、レーザ前端面に用いられる低反射膜には、真空中でのレーザ発振波長をλとして、λ／４の整数倍±α（αにより反射率を制御する）となるような光学膜厚を有した単層膜が用いられる。半導体レーザの前端面では、レーザ光密度が高く、温度が上昇し易いために、この低反射膜は、熱拡散板（ヒートスプレッダー）としての役割も果たす。したがって、酸化アルミニウムの３λ／４±α膜が一般的である。

一般的に反射率は、基板の屈折率と、基板上に形成されたコーティング膜の厚みおよび屈折率と、自由空間（一般に、屈折率１の空気）とをパラメータとして、マトリクス法によって求められる。

図２６に、αを２１．５ｎｍとした（膜厚：２０４ｎｍ）の酸化アルミニウム膜（屈折率：１．６６４）を、発振波長が４０５ｎｍの青紫色半導体レーザ装置（ＧａＮ基板屈折率：２．５）の前端面に設けた場合の反射率の波長依存性を示す。また、図２７に、その膜厚依存性を示す。図２７から、６±１％を実現しようとすると、膜厚は設計値２０４ｎｍに対して±１％の精度で制御しなければならないことがわかる。このように、４０５ｎｍという短波長の青紫色半導体レーザにおいては、従来の６８０ｎｍ帯のＤＶＤ用レーザや７８０ｎｍ帯のＣＤ用のレーザよりも、波長比分コーティング膜厚が薄くなるため、膜厚を精密に制御することが必要となる。したがって、一般に光学薄膜の形成に用いられている蒸着やスパッタ等の±５％程度の膜厚制御性しかない成膜方法では、反射率の制御が困難であり、歩留の低下を招く。

特許第３０８０３１２号明細書 特開２００２−１００８３０号公報 特開２００３−１０１１２６号公報 特開２００４−２９６９０３号公報

従来の半導体レーザ装置は以上のように構成されているので、例えば反射率６±１％を実現しようとした場合、上記酸化アルミニウム単層膜では、膜厚のばらつきを±１％以内に抑えなければならず、反射率制御性が低くなって、歩留を悪化させてしまうという問題があった。そこで、半導体レーザの目的に応じて、その光出射端面の反射率を確実に再現性よく選定できるようにすることが急務となっている。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、半導体レーザ端面に形成される反射膜を構成する誘電体膜の膜厚や屈折率が変動しても、反射率を安定に制御できる半導体レーザ装置を得ることにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明は、ＧａＮ基板と、該基板の上に積層された半導体層とを備えるとともに、積層方向に対し垂直な方向に対向する一対の共振器端面を有する半導体レーザであって、
前記共振器端面のうち、レーザ光が出射される前端面に、該前端面側から第１の誘電体膜と該第１の誘電体膜より屈折率の小さい第２の誘電体膜が交互に４以上の偶数層積層された反射膜を有し、
前記第１の誘電体膜の屈折率と膜厚をそれぞれｎ、ｄとし、前記第２の誘電体膜の屈折率と膜厚をそれぞれｎ′、ｄ′とすると、
（ｎｄ＋ｎ′ｄ′）の値がｐλ／４（ｐ：整数、λ：レーザ光の発振波長）の±１０％の範囲内であり、
前記反射膜の発振波長における反射率が５〜１７％の範囲内であることを特徴とする半導体レーザ装置である。

本発明によれば、半導体レーザ端面に形成される反射膜を構成する誘電体膜の膜厚や屈折率が変動しても、反射率を安定に制御できる半導体レーザ装置を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の一実施の形態を、図１〜図２４を用いて説明する。

図１は、本実施の形態における半導体レーザ装置の模式的な断面図である。この図において、１はＧａＮ基板、２は活性層、３は上下クラッド層、４は電極、５はレーザ光、６は前端面に形成された低反射膜、７は後端面に形成された高反射膜である。レーザ光５が出射される前端面に形成された低反射膜６は、それぞれ異なる屈折率を有する第１の誘電体膜８と第２の誘電体膜９と第３の誘電体膜１０と第４の誘電体膜１１によって構成される。

第１の誘電体膜８、第２の誘電体膜９、第３の誘電体膜１０および第４の誘電体膜１１の各屈折率をｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、ｎ_４とすると、各層の屈折率は、
ｎ_１＝ｎ_３
ｎ_２＝ｎ_４
となるように、膜種が選定されている。

本実施の形態では、半導体レーザ装置として、発振波長が４０５ｎｍの青紫色半導体レーザ装置を用いることができる。この場合、基板として、屈折率が２．５であるＧａＮ基板を用いることができる。また、第１の誘電体膜８と第３の誘電体膜１０に屈折率が１．６６４である酸化アルミニウムを用い、第２の誘電体膜９と第４の誘電体膜１１に屈折率が１．５０７である酸化珪素を用いて、低反射膜６を構成することができる。

第１の誘電体膜８、第２の誘電体膜９、第３の誘電体膜１０および第４の誘電体膜１１の各膜厚は、全て発振波長の１／（４ｎ）（但し、ｎは屈折率）とする。例えば、第１の誘電体膜８と第３の誘電体膜１０を６０．９ｎｍとし、第２の誘電体膜９と第４の誘電体膜１１を６７．２ｎｍとすることができる。この場合、半導体レーザの発振波長である４０５ｎｍで６．５％の反射率が得られる。

上記のような低反射膜を形成した場合の反射率の波長依存性を、図２に示す。この図より、発振波長４０５ｎｍでの反射率は６．５％になることが分かる。

第１の誘電体膜８、第２の誘電体膜９、第３の誘電体膜１０および第４の誘電体膜１１の各膜厚が±５％変動した場合の反射率依存性を、図３〜図６に示す。これらの図から明らかなように、上記構成による低反射膜１６は、各膜の膜厚変動に対して極めて安定であり、各膜の膜厚が単独で５％変動しても、反射率の変動は最大で１％以下に抑えることができる。

このように、第１の誘電体膜８および第３の誘電体膜１０と、第２の誘電体膜９および第４の誘電体膜１１との間に
ｎｄ＋ｎ′ｄ′＝ｐλ／４ （ｐ：整数、λ：レーザ光の発振波長） （１）
の関係が成立するようにすることで、膜厚の変動に対する反射率のばらつきが小さい反射膜１６を得ることができる。尚、ｎは、第１の誘電体膜８と第３の誘電体膜の屈折率であり、ｄは、これらの膜厚である。また、ｎ′は、第２の誘電体膜９と第４の誘電体膜の屈折率であり、ｄ′は、これらの膜厚である。

例えば、反射率が６〜１７％となる低反射膜を実現する場合、第１の誘電体膜８と第３の誘電体膜１０の膜厚をそれぞれ６０〜１２０ｎｍとし、第２の誘電体膜９と第４の誘電体膜１１の膜厚をそれぞれ１０〜７０ｎｍとして、式（１）の関係が成立するようにすればよい。

また、上記の例に代えて、第１の誘電体膜８と第３の誘電体膜１０として、屈折率１．６６４で膜厚９２ｎｍの酸化アルミニウム膜を用い、第２の誘電体膜９と第４の誘電体膜１１として、屈折率１．５０７で膜厚４７ｎｍの酸化珪素膜を用いて、低反射膜６を構成する。この場合、６．６％の反射率が得られる。このとき、各誘電体膜の屈折率と膜厚の積の和であるｎｄ＋ｎ′ｄ′は、ｐλ／４（ｐ＝２、λ＝４０５ｎｍ）から＋１０．６％大きくなっている。

上記のような低反射膜を形成した場合の反射率の波長依存性を、図７に示す。また、第１の誘電体膜８、第２の誘電体膜９、第３の誘電体膜１０および第４の誘電体膜１１の各膜厚が±５％変動したときの反射率依存性を、図８〜図１１に示す。これらの図から明らかなように、この構成の低反射膜は各膜の膜厚変動に対して安定であり、各膜の膜厚が単独で５％変動しても、反射率の変動は最大で１．３％となる。しかし、１％以下とはならないため、ｎｄ＋ｎ′ｄ′は、ｐλ／４（ｐ：整数、λ：レーザ光の発振波長)から±１０％の範囲で設定されるのが望ましいと言える。

上記の例では、反射率が６．５％となる場合について示した。尚、この構成の反射膜では、第１〜第４の各誘電体膜の膜厚を調整することで、膜厚変動に対する反射率の変動が極めて小さいという特長を保持したまま所望の反射率を得ることができる。

例えば、１０％の反射率を得るには、上記の膜構成を用いて、各膜の膜厚を、第１の誘電体膜８と第３の誘電体膜１０については８３．０ｎｍとし、第２の誘電体膜９と第４の誘電体膜１１については４４．０ｎｍとすればよい。このときの反射率の波長依存性を、図１２に示す。また、第１の誘電体膜８、第２の誘電体膜９、第３の誘電体膜１０および第４の誘電体膜１１の各膜厚が±５％変動した場合の反射率依存性を、図１３〜図１６に示す。これらの図から明らかなように、この構成の低反射膜では、各膜の膜厚変動に対する安定性は、各膜厚が半導体レーザの発振波長の１／４になる場合と比べると若干悪くなる。しかし、各膜の膜厚が単独で５％変動しても、反射率の変動は最大で１％以下に抑えることができる。

尚、上記の例では、第１の誘電体膜８と第３の誘電体膜１０に酸化アルミニウムを用い、第２の誘電体膜９と第４の誘電体膜１１に酸化珪素を用いた。しかし、この他の材料系を用いた場合であっても、第１、第２、第３および第４の各誘電体膜の屈折率をそれぞれｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、ｎ_４として、各膜の屈折率が
ｎ_１＝ｎ_３
ｎ_２＝ｎ_４となるようにすることにより、上記と同様の効果が得られることは言うまでもない。

図１７は、誘電体膜を４層より多い数で積層して低反射膜を構成した例であり、具体的には、６層の誘電体膜を用いている。尚、それ以外の構造は、図１と同様である。

図１７の例では、低反射膜６１は、それぞれ異なる屈折率を有する、第１の誘電体膜８と、第２の誘電体膜９と、第３の誘電体膜１０と、第４の誘電体膜１１と、第５の誘電体膜１２と、第６の誘電体膜１３とで構成される。すなわち、図１の誘電体膜に、さらに、第５の誘電体膜１２と第６の誘電体膜１３が加えられたものである。各誘電体膜の屈折率をそれぞれｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、ｎ_４、ｎ_５、ｎ_６とすると、
ｎ_１＝ｎ_３＝ｎ_５
ｎ_２＝ｎ_４＝ｎ_６
の関係を満足するように膜種が選定されている。

図１７においても、半導体レーザ装置として、発振波長が４０５ｎｍの青紫色半導体レーザ装置を用いることができる。この場合、基板として、屈折率が２．５であるＧａＮ基板を用いることができる。また、第１の誘電体膜８、第３の誘電体膜１０および第５の誘電体膜１２には、屈折率が１．６６４である酸化アルミニウムを用い、第２の誘電体膜９、第４の誘電体膜１１および第６の誘電体膜１３には、屈折率が１．５０７である酸化珪素を用いて、低反射膜６１を構成することができる。

第１の誘電体膜８、第３の誘電体膜１０および第５の誘電体膜１２は、それぞれ８２ｎｍの膜厚としている。また、第２の誘電体膜９、第４の誘電体膜１１および第６の誘電体膜１３は、それぞれ４６ｎｍの膜厚としている。そして、さらに、第１の誘電体膜８、第３の誘電体膜１０および第５の誘電体膜１２と、第２の誘電体膜９、第４の誘電体膜１１および第６の誘電体膜１３との間に
ｎｄ＋ｎ′ｄ′＝ｐλ／４ （ｐ：整数、λ：レーザ光の発振波長）
の関係が成立するように調整されている。この場合、半導体レーザの発振波長である４０５ｎｍで７％の反射率が得られる。

図１７のような反射率制御膜を形成した場合の反射率の波長依存性を、図１８に示す。また、第１層目の誘電体膜から第６層目の誘電体膜までの各膜厚が±５％変動した場合の反射率依存性を、図１９〜図２４に示す。これらの図から明らかなように、この構成の低反射膜は、各膜の膜厚変動に対して極めて安定であり、各膜の膜厚が単独で５％変動しても、反射率の変動は最大で１％以下に抑えることができる。

７％以外の反射率となる反射率制御膜を得るには、第１の誘電体膜８、第３の誘電体膜１０および第５の誘電体膜１２の膜厚と、第２の誘電体膜９、第４の誘電体膜１１および第６の誘電体膜１３の膜厚との間に
ｎｄ＋ｎ′ｄ′＝ｐλ／４ （ｐ：整数、λ：レーザ光の発振波長）
の関係が成立するように調整すれば、膜厚の変動に対するばらつきの小さい反射率制御膜を実現することができる。

具体的には、５〜１７％の反射率となる反射率制御膜を実現するには、例えば、第１の誘電体膜８、第３の誘電体膜１０および第５の誘電体膜１２の膜厚が７０〜１２０ｎｍ、第２の誘電体膜９、第４の誘電体膜１１および第６の誘電体膜１３の膜厚が１０〜６０ｎｍとなる範囲で、
ｎｄ＋ｎ′ｄ′＝ｐλ／４ （ｐ：整数、λ：レーザ光の発振波長）
の関係が成立するように調整すればよい。

尚、上記の例では第１の誘電体膜８、第３の誘電体膜１０および第５の誘電体膜１２に酸化アルミニウムを用い、第２の誘電体膜９、第４の誘電体膜１１および第６の誘電体膜１３に酸化珪素を用いた。しかし、この他の材料系でも、第１の誘電体膜８、第２の誘電体膜９、第３の誘電体膜１０、第４の誘電体膜１１、第５の誘電体膜１２、第６の誘電体膜１３の各屈折率をｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、ｎ_４、ｎ_５、ｎ_６とし、各層の屈折率が
ｎ_１＝ｎ_３＝ｎ_５
ｎ_２＝ｎ_４＝ｎ_６
となるように膜種が設定されていれば、上記と同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、低反射膜を構成する誘電体膜が６層以上の８層、１０層、１２層あるいはそれ以上の層数の場合も、同様の方法で膜厚を調整すれば、５〜１７％の反射率となる反射率制御膜を実現できる。

また、上記Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２以外でもＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＡｌＮ、アモルファスＳｉ、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５等でも同様の効果が得られる。

尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

すなわち、本発明は、ＧａＮ基板と、この基板の上に積層された半導体層とを備えるとともに、積層方向に対し垂直な方向に対向する一対の共振器端面を有する半導体レーザであって、一方の共振器端面には反射膜が設けられており、この反射膜は、互いに異なる材料の第１の誘電体膜と第２の誘電体膜とが交互に４層以上積層されてなるものであればよい。このとき、第１の誘電体膜の屈折率と膜厚をそれぞれｎ、ｄとし、第２の誘電体膜の屈折率と膜厚をそれぞれｎ′、ｄ′とすると、（ｎｄ＋ｎ′ｄ′）の値が、ｐλ／４（ｐ：整数、λ：レーザ光の発振波長）の±１０％の範囲内にあることが好ましい。また、第１の誘電体膜と第２の誘電体膜の各膜厚を調整することにより、発振波長において５〜１７％の範囲で任意の反射率を得るようにすることが好ましい。

本実施の形態における半導体レーザ装置の模式的な断面図である。 図１の低反射膜の反射率の波長依存性である。 図１の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。 図１の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。 図１の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。 図１の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。 図１の低反射膜における反射率の波長依存性の他の例である。 図１の低反射膜における反射率の膜厚依存性の他の例である。 図１の低反射膜における反射率の膜厚依存性の他の例である。 図１の低反射膜における反射率の膜厚依存性の他の例である。 図１の低反射膜における反射率の膜厚依存性の他の例である。 図１の低反射膜における反射率の波長依存性のさらに他の例である。 図１の低反射膜における反射率の膜厚依存性のさらに他の例である。 図１の低反射膜における反射率の膜厚依存性のさらに他の例である。 図１の低反射膜における反射率の膜厚依存性のさらに他の例である。 図１の低反射膜における反射率の膜厚依存性のさらに他の例である。 本実施の形態における他の半導体レーザ装置の模式的な断面図である。 図１７の低反射膜の反射率の波長依存性である。 図１７の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。 図１７の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。 図１７の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。 図１７の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。 図１７の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。 図１７の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。 従来の半導体レーザ装置の構造図である。 図２５の低反射膜の反射率の波長依存性である。 図２５の低反射膜の反射率の膜厚依存性である。

符号の説明

１ ＧａＮ基板
２ 活性層
３ 上下クラッド層
４ 電極
５ レーザ光
６，６１ 低反射膜
７ 高反射膜
８ 第１の誘電体膜
９ 第２の誘電体膜
１０ 第３の誘電体膜
１１ 第４の誘電体膜
１２ 第５の誘電体膜
１３ 第６の誘電体膜

Claims (3)

1. ＧａＮ基板と、該基板の上に積層された半導体層とを備えるとともに、積層方向に対し垂直な方向に対向する一対の共振器端面を有する半導体レーザであって、
   前記共振器端面のうち、レーザ光が出射される前端面に、該前端面側から第１の誘電体膜と該第１の誘電体膜より屈折率の小さい第２の誘電体膜が交互に４以上の偶数層積層された反射膜を有し、
   前記第１の誘電体膜の屈折率と膜厚をそれぞれｎ、ｄとし、前記第２の誘電体膜の屈折率と膜厚をそれぞれｎ′、ｄ′とすると、
   （ｎｄ＋ｎ′ｄ′）の値がｐλ／４（ｐ：整数、λ：レーザ光の発振波長）の±１０％の範囲内であり、
   前記反射膜の発振波長における反射率が５〜１７％の範囲内であることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記第１の誘電体膜が酸化アルミニウム膜であり、
   前記第２の誘電体膜が酸化珪素膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記反射膜が、前記第１の誘電体膜と前記第２の誘電体膜が交互に４または６または８または１０または１２層積層されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。

Images