JP4390495B2 - 半導体レーザアレイ - Google Patents

Description

本発明は半導体レーザアレイに関する。

レーザ光を出射する発光領域が長手方向に沿って並列に配列された半導体レーザアレイを備えた半導体レーザ装置は、固体レーザ励起、印刷、材料加工、医療等、広い分野で利用されている。しかし、半導体レーザアレイの各発光領域から出射されるレーザ光はビーム拡散角が大きい。例えば、出射されるレーザ光の、長手方向（以下「水平方向」という）のビーム拡散角は約８°程度であり、レーザ光の出射方向と長手方向の双方に垂直な方向（以下「水平方向」という）の拡散角は３０〜３５°程度である。このような拡散角を有するので、高い光密度を得るためには、レーザ光の整形が必要であり、整形を容易にするため半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を、光学系を用いて水平方向及び垂直方向へ平行化している（例えば、非特許文献１参照。）。
菅博文、宮島博文等、レーザ加工学会誌９、２００２年、１８

レーザアレイ光の垂直方向における平行化は、円柱状のコリメートレンズ等を使用し、比較的容易に行うことができる。しかし、水平方向には複数の発光領域が隣り合って配列されるため、レーザ光を水平方向に集光する水平コリメートレンズとしては、各発光領域ごとに対応する集光部（例えば凸レンズ部）を設けたレンズを設置することが必要である。半導体レーザアレイの発光領域配列密度を大きくすれば、水平コリメートレンズの対応する集光部の配列密度もまた大きくする必要がある。ところが、集光部の配列密度を大きくしようとすれば集光部もそれに合わせて小さくする必要があるので水平コリメートレンズの製作が困難になる。このため、水平コリメートレンズの集光部の配列密度の向上には限界があり、この限界が、対応する発光領域の配列密度向上の限界ともなっているので、発光領域の配列密度を高くして光密度の向上を図ることができないという問題点があった。

そこで、本発明は上記問題点を解決し、発光領域の配列密度を高くし光密度の向上を図ることが可能な半導体レーザアレイを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザアレイは、第１導電型クラッド層と、第２導電型クラッド層と、第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層との間に設けられた活性層と、を備え、活性層に複数の屈折率導波路が長手方向に配列されて形成される半導体レーザアレイであって、それぞれの屈折率導波路は、長手方向に直交する仮想対称面に対して面対称な形状に形成され、光出射面と平行な光反射面上に位置する１つの反射端面と、光出射面上に位置し、少なくとも反射端面と対向する領域において途切れるように、分断されて不連続に形成される２つの出射端面と、反射端面から出射端面まで伸びて当該屈折率導波路の長手方向での領域を規定する一対の側面と、を含み、側面は、光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を反射端面に向けてそれぞれ全反射させるように仮想対称面に対し傾斜して形成され、一方の出射端面から当該一方の出射端面に垂直な方向から一方の側面に入射した光は、当該一方の側面で全反射され、反射端面で反射されて他方の側面に入射した後、当該他方の側面に全反射されて、他方の出射端面に垂直に入射することを特徴とする。

上記半導体レーザアレイによれば、屈折率導波路の側面は光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を反射端面へ向かうように全反射させるようになっている。よって、屈折率導波路内で発生した光のうち、光出射面に垂直な方向から側面に入射する光は側面で全反射され、反射端面で反射され、もう一方の側面で全反射され、出射端面で反射された後、さらに、側面、反射端面、もう一方の側面、出射端面を順に結ぶ光路を往復し、共振させることができる。

一方、出射端面は、反射端面に対向する位置において不連続であるので、反射端面及び出射端面を両端面に垂直な直線で結ぶような光路は存在せず、活性層の両端面を直接往復して共振する光は存在しない。

このように、上記半導体レーザアレイによれば、屈折率導波路の構造上、共振が起こるレーザ光の光路を限定することができるため、レーザ発振の光の角度成分が制限され、高次横モードが抑制され単一横モードとなり、出射されるレーザ光の水平方向の拡散角を小さくすることができる。上述のとおり上記半導体レーザアレイによれば、レーザ光の水平方向の光品質が向上し拡散角が小さいので、レーザ光を水平方向へ集光するための水平コリメートレンズが不要となる。したがって半導体レーザアレイの発光領域の配列密度を、水平コリメートレンズの集光部の配列密度限界に合わせる必要もなくなり、発光領域の配列密度を向上することができ、大きな光出力、高い信頼性を得ることができる。

また、本発明の半導体レーザアレイは、屈折率導波路が、反射端面側から出射端面側へ向かう途中で、出射端面に対応して分岐するように設けられたことを特徴としてもよい。
また、第１導電型クラッド層には、活性層側とは反対側の面で一部領域が突出することで、長手方向に直交する仮想対称面に対して面対称な形状に形成されたリッジ部が、長手方向に複数配列されて形成されており、それぞれのリッジ部は、光反射面を含む平面上に位置する１つの第１の端面と、光出射面を含む平面上に位置し、少なくとも第１の端面と対向する領域において途切れるように、分断されて不連続に形成された２つの第２の端面と、第１の端面から第２の端面まで伸びて当該リッジ部の長手方向での領域を規定する一対のリッジ部側面と、を有し、それぞれの屈折率導波路は、第１導電型クラッド層、第２導電型クラッド層、及び活性層の積層方向から見て、リッジ部の位置及び形状に対応して形成され、出射端面は第２の端面に対応して形成され、反射端面は第１の端面に対応して形成され、側面はリッジ部側面に対応して形成されることとしてもよい。
また、第１導電型クラッド層の一部領域には、周囲よりも低い屈折率を有する第２導電型のブロック層が埋め込まれており、それぞれの屈折率導波路は、第１導電型クラッド層、第２導電型クラッド層、及び活性層の積層方向から見て、ブロック層が不在である非埋め込み領域の位置及び形状に対応して形成されることとしてもよい。

また、本発明の半導体レーザアレイは、第１導電型クラッド層と、第２導電型クラッド層と、第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層との間に設けられた活性層と、を備え、第１導電型クラッド層は長手方向に沿って並列に配列された複数のリッジ部を有しており、活性層にはリッジ部に対応して屈折率導波路が形成される半導体レーザアレイであって、それぞれのリッジ部は、活性層側とは反対側の面で第１導電型クラッド層の一部領域が突出することで、長手方向に直交する仮想対称面に対して面対称な形状に形成され、 光出射面と平行な光反射面を含む平面上に位置する１つの第１の端面と、光出射面を含む平面上に位置し、少なくとも第１の端面と対向する領域において途切れるように、分断されて不連続に形成された２つの第２の端面と、第１の端面から第２の端面まで伸びて当該リッジ部の長手方向での領域を規定する一対のリッジ部側面と、を有し、リッジ部のリッジ部側面は、当該リッジ部側面に対応して形成される屈折率導波路の側面が、光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を第１の端面に対応して形成される屈折率導波路の反射端面に向けてそれぞれ全反射させるように、仮想対称面に対し傾斜して形成され、２つの第２の端面にそれぞれ対応して形成される屈折率導波路の２つの出射端面のうちの一方の出射端面から当該一方の出射端面に垂直な方向から一方の屈折率導波路の側面に入射した光は、当該一方の屈折率導波路の側面で全反射され、屈折率導波路の反射端面で反射されて他方の屈折率導波路の側面に入射した後、当該他方の屈折率導波路の側面に全反射されて、他方の出射端面に垂直に入射することを特徴とする。

上記半導体レーザアレイによれば、第１クラッド層のリッジ部に電流が注入されることによりリッジ部に対応する活性層の領域が活性領域となる。このとき、リッジ部とその外部との屈折率差によって、活性層には実効的な屈折率差が生じているため、リッジ部の平面視形状（リッジ部を第１クラッド層の厚み方向から見た形状）に沿った形状の屈折率導波路が形成されている。この屈折率導波路はリッジ部の第１の端面に対応する位置に反射面を有することとなる。また、リッジ部の第２の端面に対応する位置に不連続な反射面を有することとなる。また、屈折率導波路は、リッジ部の側面に対応した形状の一対の側面を有することとなる。この側面は上記の実効的な屈折率差によって反射面として機能する。

屈折率導波路の側面は光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を屈折率導波路の第１の端面に対応する位置の反射面へ向かうように全反射させるようになっている。よって、屈折率導波路内で発生した光のうち、第２端面に対応する位置の反射面側から光出射面に垂直な方向から側面に入射する光は側面で全反射され、第１端面に対応する位置の反射面で反射され、もう一方の側面で全反射され、第２端面に対応する位置の反射面で反射された後、さらに、側面、第１端面に対応する位置の反射面、もう一方の側面、第２端面に対応する位置の反射面を順に結ぶ光路を往復し、共振させることができる。

一方、リッジ部の第２の端面は、第１の端面に対向する位置において不連続であるので、第１端面に対応する位置の反射面及び第２端面に対応する位置の反射面を両反射面に垂直な直線で結ぶような光路は存在せず、活性層の両端面を直接往復して共振する光は存在しない。

このように、上記半導体レーザアレイによれば、屈折率導波路の構造上、共振が起こるレーザ光の光路を限定することができるため、レーザ発振の光の角度成分が制限され、高次横モードが抑制され単一モードに近くなり、出射されるレーザ光の水平方向の拡散角を小さくすることができる。上述のとおり上記半導体レーザアレイによれば、レーザ光の水平方向の光品質が向上し拡散角が小さいので、レーザ光を水平方向へ集光するための水平コリメートレンズが不要となる。したがって半導体レーザアレイの発光領域の配列密度を、水平コリメートレンズの集光部の配列密度限界に合わせる必要もなくなり、発光領域の配列密度を向上することができ、大きな光出力、高い信頼性を得ることができる。

また、本発明の半導体レーザアレイは、リッジ部が、第１の端面側から第２の端面側へ向かう途中で、第２の端面に対応して分岐するように設けられたことを特徴とするとしてもよい。

また、本発明の半導体レーザアレイでは、屈折率導波路は、活性層で発生したレーザ光を、一方の出射端面から反射端面への光路と、他方の出射端面から反射端面への光路と、を交互に往復させて共振させることとしてもよい。

上記半導体レーザアレイによれば、レーザ発振の横モードが単一モードに近くなり、光出射面から出射されるレーザ光の水平方向の拡散角を小さくすることができる。上述のとおり上記半導体レーザアレイによれば、レーザ光の拡散角が小さいので、レーザ光を水平方向へ集光するための水平コリメートレンズが不要となる。したがって半導体レーザアレイの発光領域の配列密度を、水平コリメートレンズの集光部の配列密度限界に合わせる必要もなくなり、発光領域の配列密度を向上することができ、大きな光出力、高い信頼性を得ることができる。

本発明によれば、発光領域の配列密度を高くし光密度の向上を図ることが可能な半導体レーザアレイを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態について図１、図２、図３を参照し説明する。図１は、本実施形態に係る半導体レーザアレイ１の概略斜視図、図２は半導体レーザアレイ１の平面図、図３は、そのＩＩＩ-ＩＩＩ断面図である。半導体レーザアレイ１は活性層１３でレーザ光を発生し、レーザ光を光出射面４に配列された発光領域５から出射する半導体デバイスである。半導体レーザアレイ１には表面にＶ字型の凸部２が設けられ、長手方向に複数配列されている。それぞれ凸部２に対応する活性層１３内に屈折率導波路３が形成され、凸部２に対応する光出射面４上に発光領域５が形成される。このように、屈折率導波路３及び発光領域５は凸部２に対応して長手方向に複数配列される。

以下、レーザ光が出射される方向をｚ方向、発光領域５の配列方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向の双方に垂直な方向をｙ方向として図のように座標軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）を設定し、以下の説明に用いる。

半導体レーザアレイ１は、基板７上に、３層の半導体層がｙ方向に積層された積層体９を備えている。積層体９は、ｐ型クラッド層（第１導電型クラッド層）１１、活性層１３、ｎ型クラッド層（第２導電型クラッド層）１５の３つの半導体層が積層されて構成されている。ｐ型クラッド層１１にはＶ字型のリッジ部２３がｘ方向に複数配列して設けられている。各リッジ部２３の外側の層にはｐ型クラッド層１１と電気的に接続されるキャップ層１７が設けられており、リッジ部２３とキャップ層１７とで凸部２を構成している。

更に外側の層には外部からの電流を注入するｐ側電極層１９が設けられている。ｐ型クラッド層１１及びキャップ層１７とｐ側電極層１９との間には絶縁層２１が設けられており、絶縁層２１はキャップ層１７の凸部に対応する部分に開口部が設けられている。ｐ側電極層１９は開口部においてキャップ層１７にのみ電気的に接触するようになっているので、外部からの電流注入はキャップ層１７にのみ限定してなされる。また、基板７の積層体９と反対側にはｎ側電極層１８が形成されている。基板７はn-GaAsからなる。ｐ型クラッド層１１はp-AlGaAsからなり、ｎ型クラッド層１５はｎ-AlGaAsからなり、活性層１３はGaInAs/AlGaAsからなる。またキャップ層１７はp-GaAsからなり、ｐ側電極層１９はTi/Pt/Auからなり、ｎ側電極層１８はAuGe/Auからなり、絶縁層２１はSiNからなる。

図４、図５を参照しｐ型クラッド層１１について説明する。図４はｐ型クラッド層１１を含む積層体９の斜視図、図５（ａ）は積層体９の平面図、図５（ｂ）は積層体９のＶｂ−Ｖｂ断面図、図５（ｃ）はそのＶｃ−Ｖｃ断面図である。上述のとおり、積層体９は、ｐ型クラッド層１１、活性層１３、ｎ型クラッド層１５の３つの半導体層が積層されて構成されている。

ｐ型クラッド層１１には発光領域５に対応してリッジ部２３が設けられており、半導体レーザアレイ１はいわゆるリッジ構造を有している。ｐ型クラッド層１１のリッジ部２３以外の領域は、層が薄化された薄肉領域２４が形成されている。リッジ部２３は、平面視形状が光反射面６から光出射面４へ向かう途中で、点Ｇ１の位置から二股に分岐したＶ字型となっている。換言すれば、光出射面４に平行で点Ｇ１よりも、光出射面４側にある平面（例えばＶｂ−Ｖｂ）におけるリッジ部２３の断面は図５（ｂ）に示すように不連続となっており、光反射面６側にある平面（例えばＶｃ−Ｖｃ）におけるリッジ部２３の断面は図５（ｃ）に示すように連続した形状となっている。

リッジ部２３は第１端面２５、不連続な第２端面２７、及び側面２９ａ、２９ｂ、内側面３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂを有しており、側面２９ａ、２９ｂ、内側面３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂはリッジ部２３と薄肉領域２４との境界面となっている。リッジ部２３は、ｚｙ平面に平行な仮想面Ｇについて面対照の形状をなしている。第１端面２５は光出射面４と平行に対向する光反射面６上にある。第２端面２７は光出射面４上にあり、第１端面２５と対向する位置２６において途切れた不連続な形状に形成されており、第２端面２７ａ、２７ｂに分かれている。このとき、第２端面は少なくとも第１端面２５と対向する位置２６において途切れていればよく、途切れている範囲が位置２６の範囲を含んでいれば、当該範囲よりも広い範囲であってもよい。第２端面２７ａと第２端面２７ｂとが途切れた領域は薄肉領域２４となっている。

側面２９ａは第１端面２５の一端から第２端面２７ａの一端まで伸び、側面２９ｂは第１端面２５の他の一端から第２端面２７ｂの一端まで伸びている。側面２９ａ及び２９ｂは、それぞれリッジ部２３のｙ方向での領域を規定しており、リッジ部２３と薄肉領域２４との境界となっている。側面２９ａ、２９ｂはｙ方向から見た平面図において光出射面４と角度θをなすように設けられている。

活性層１３にはリッジ部２３の形状に対応した屈折率導波路３が形成され、屈折率導波路３にはリッジ部２３の第１端面２５に対応して反射面３５が形成され、側面２９ａ、２９ｂそれぞれに対応して反射面３９ａ、３９ｂが形成される。リッジ部２３における角度θは、リッジ部２３に対応して形成される屈折率導波路３の反射面３９ａ、３９ｂが、光出射面４側からｚ方向に垂直な方向から入射する光を反射面３５へ向けて全反射させるように設定される。換言すると、屈折率導波路３においてこのような反射面３９ａ、３９ｂを形成するようにリッジ部２３の側面２９ａ、２９ｂが形成される。

内側面３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂは、リッジ部２３の領域を規定している。内側面３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ、及び光出射面４で囲まれた薄肉領域２４は第１端面２５と、当該第１端面２５に対向する光出射面４上の位置との間に挟まれる位置に設けられている。この薄肉領域２４はリッジ部２３の点Ｇ１よりも光出射面４に近い側を不連続に分割している。

例えば半導体レーザアレイ１の場合、第１端面２５のｘ方向の長さは４０μｍ、第２端面２７ａ、２７ｂのｘ方向の長さはそれぞれ４０μｍ、第２端面２７ａと２７ｂとの間の不連続部分のｘ方向の長さは５０μｍ、角度θは８５°に形成される。

半導体レーザアレイ１の製造方法について図６を参照し説明する。図６は各製造工程における半導体レーザアレイ１の断面図を示している。まず、ｎ型GaAsの基板７を準備しその上に順に、ｎ型AlGaAsを２．０μｍ、GaInAs/AlGaAsを０．３μｍ、ｐ型AlGaAsを２．０μｍ、ｐ型GaAsを０．１μｍエピタキシャル成長させ、それぞれｎ型クラッド層１５、量子井戸活性層１３、ｐ型クラッド層１１、キャップ層１７を形成する（図６（ａ）参照）。次に、キャップ層１７側にフォトワークによりリッジ部２３に対応する形状に保護マスクをし、キャップ層１７及びｐ型クラッド層１１をエッチングする。エッチングは活性層１３に達しない深さで停止する（図６（ｂ）参照）。次に、SiN膜を結晶表面全体に堆積し、フォトワークによりリッジ部２３に対応する位置のSiN膜を除去し、絶縁層２１を形成する（図６（ｃ）参照）。さらに上層にTi/Pt/Au膜でｐ側電極層を形成する。次に基板７側の表面の研磨、化学処理を行い、AuGe/Auによりｎ側電極層１８を形成する（図６（ｄ）参照）。

半導体レーザアレイ１の、電流注入時の動作について説明する。電流は各リッジ部２３にキャップ層１７（図３参照）を介して注入される。リッジ部２３に電流が注入されたときには、半導体レーザアレイ１のリッジ構造によって、リッジ部２３と、当該リッジ部２３と側面２９ａ、２９ｂ、内側面３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂで仕切られたそれ以外の領域との屈折率の相違により、活性層１３に屈折率導波路３が形成される。屈折率導波路３は、上記屈折率の相違のため、各リッジ部２３に対応する活性層１３の領域に形成され、当該リッジ部２３の形状に沿った形状に形成される。その結果、半導体レーザアレイ１の屈折率導波路３は、平面視形状（ｙ方向から見た形状）が二股に分岐したＶ字型となった構造を有し、活性層１３で発生したレーザ光はこの屈折率導波路３内に閉じ込められる。

図７は、各リッジ部２３に対応して形成される屈折率導波路３の形状を示す斜視図である。屈折率導波路３は、平面視形状がリッジ部２３と同じ形状となる。屈折率導波路３は、ｙ方向には活性層１３とｐ型クラッド層１１の境界面、及び活性層１３とｎ型クラッド層１５の境界面で規定される。屈折率導波路３は、リッジ部２３の第２端面２７ａ、２７ｂに対応する位置に反射面（出射端面）３７ａ、３７ｂ、を有している。また、屈折率導波路３は、リッジ部２３の側面２９ａ、２９ｂに対応する位置に反射面３９ａ、３９ｂ、及び第１端面２５に対応する位置に反射面３５を有している。また、屈折率導波路３は、リッジ部２３の内側面３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂに対応する位置に内側面４１ａ、４１ｂ、４３ａ、４３ｂを有している。これらの面は屈折率導波路３内で発生したレーザ光を当該反射面への入射角度によって選択的に透過又は反射させる反射面として機能する。

図８は、屈折率導波路３をｙ方向から見た平面図である。反射面３７ａ、３７ｂは活性層１３のへき開面の一部であり、リッジ部２３における第２端面２７ａ、２７ｂに対応する位置に形成され、レーザ光の一部を反射する反射面、及びレーザ光の他の一部を外部へ出射する発光領域５として機能する。

半導体レーザアレイ１のリッジ構造によって、屈折率導波路３の反射面３９ａ、３９ｂの外側と内側では実効的な屈折率差が生じる。前述のとおり、反射面３９ａ、３９ｂは、リッジ部２３の側面２９ａ、２９ｂに対応した位置に形成され、屈折率導波路３内からｚ方向に平行な向きで入射するレーザ光を反射面３５へ向けて全反射する角度に形成される。

図８に示すように、ｚ軸に平行な向きで反射面３９ａに入射するレーザ光Ｌ１はレーザ光Ｌ２として全反射される。レーザ光Ｌ２は反射面３５でＬ３として反射されるとともに、一部は反射面３５を透過してレーザ光Ｌ１１として外部へ出射される。屈折率導波路３の形状の対称性から、レーザ光Ｌ３はＬ１と同じ入射角度で反射面３９ｂへ入射するので、反射面３７ｂへ向けてレーザ光Ｌ４として全反射される。レーザ光Ｌ４は反射面３７ｂへ垂直に入射するので、反射面３７ｂでレーザ光Ｌ５として正反対に反射される。レーザ光Ｌ５のうち一部は反射面３７ｂを透過してレーザ光Ｌ１２として外部へ出射される。レーザ光Ｌ５は、レーザ光Ｌ４の光路を全く正反対に進み、レーザ光Ｌ６として反射面３９ｂで全反射され、レーザ光Ｌ６は反射面３５でレーザ光Ｌ７として反射されるとともに、一部は反射面３５を透過してレーザ光Ｌ１３として外部へ出射される。レーザ光Ｌ７は反射面３９ａによって全反射されてレーザ光Ｌ８となる。レーザ光Ｌ８は反射面３７ａによって正反対に反射されレーザ光Ｌ９となるとともに、一部は反射面３７ａを透過してレーザ光Ｌ１４として外部へ出射される。レーザ光Ｌ９はレーザ光Ｌ１と同一の光路上にあるので、レーザ光Ｌ９は再び上記レーザ光Ｌ１〜Ｌ９の光路を進み、その後結局、反射面３７ａ、反射面３５、反射面３７ｂ、反射面３５、反射面３７ａの順に同一光路を往復し、共振することとなる。

上記のように、反射面３７ａ、３７ｂはそれぞれレーザ光Ｌ１４、Ｌ１２を出射しており、反射面３７ａ、３７ｂは発光領域５に対応する。すなわち、１つのリッジ部２３に対応して１つの屈折率導波路３が形成され、１つの屈折率導波路３に対応してレーザ光を出射する２つの発光領域５が形成される。なお、反射面３５もレーザ光Ｌ１１、Ｌ１３をそれぞれ違う出射方向へ出射している。

上記のように、半導体レーザアレイ１は、屈折率導波路３内で発生した光のうちｚ軸に垂直に反射面３９ａに入射するレーザ光を、反射面３７ａ（光出射面上のスポット）から反射面３５（光反射面上のスポット）への光路と、反射面３７ｂ（光出射面上の別のスポット）から反射面３５（光反射面上のスポット）への光路とを交互に往復させて共振させる共振器構造を有している。

一方、ｚ軸方向と大きくずれた角度で反射面３９ａに入射するレーザ光の例について図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図９（ａ）におけるレーザ光Ｌ２２は反射面３９ａに全反射角度よりも深い角度で入射し、反射面３９ａを透過してしまう例を示したものである。図９（ｂ）におけるレーザ光Ｌ２１は図８のレーザ光Ｌ１よりも浅い角度で反射面３９ａに入射し、結局、反射面３９ｂに全反射角度よりも深い角度で入射することとなり、反射面３９ｂを透過してしまう例を示したものである。図９（ｃ）におけるレーザ光Ｌ２３は図８のレーザ光Ｌ１よりも深い角度、かつ全反射角度の範囲内で入射し、結局、反射面３９ｂを透過してしまう例を示したものである。上記のように、ｚ軸方向と大きくずれた角度で反射面３９ａに入射するレーザ光については、往復光路を構成することができず、共振することができない。

また、反射面３７ａ、３７ｂは反射面３５に対向する位置において途切れているので、反射面３７ａ又は３７ｂと反射面３５との間を両反射面に垂直な直線で結ぶような光路は存在せず、反射面３７ａ又は３７ｂと反射面３５の間を直接往復して共振する光は存在しない。

上述のように、半導体レーザアレイ１においては、屈折率導波路３内で発生したレーザ光が往復して共振するための光路が、反射面３７ａから反射面３５への光路と、反射面３７ｂから反射面３５への光路とを交互に往復する光路に構造上限定されている。よって、ｚ軸とほぼ平行な方向から反射面３９ａ、３９ｂに入射し、上記の限定された光路で共振するレーザ光のみがレーザ発振に寄与することとなる。よって、レーザ光の角度成分が限定され空間横モードが単一であるレーザ発振（空間横シングルモード）が得られ、発光領域５から出射されるレーザ光の強度分布はｚ軸に平行な方向付近に偏ることとなり、方向拡散角が小さいレーザ光を得ることができる。

半導体レーザアレイ１によって得られた遠視野像を図１０に示す。図１０（ａ）は光出射面４側から出射されたレーザ光のｘ方向についての遠視野像を示したものである。図１０（ａ）に示すとおり、光出射面４側から出射されたレーザ光は強度分布がｚ軸に平行な方向（０°）に偏っており、ｘ方向についての拡散角が小さいことがわかる。図１０（ａ）によれば、ピークの半値幅は２°程度となっている。また、半導体レーザアレイ１の電流−光出力特性を図１１に示す。図１１によれば、半導体レーザアレイ１に供給した電流と光出力とが直線的な相関関係を示しているので、半導体レーザアレイ１においては安定した空間横シングルモードが得られていることがわかる。また、光反射面６側から得られたレーザ光の遠視野像を図１０（ｂ）に示す。図に見られるように２つの細いピークが偏角をもってｚ軸に対称に出射していることが分かる。このことは導波路内の光路が図８に示した経路をたどっていることを表している。

上記半導体レーザアレイ１によれば、ｘ方向の拡散角が小さいレーザ光を得ることができるので、半導体レーザ装置へ実装する際にｘ方向へ集光するための水平コリメートレンズが不要となる。したがって半導体レーザアレイ１においては、発光領域の配列密度を水平コリメートレンズの集光部の配列密度限界に合わせる必要もなくなり、発光領域の配列密度を向上することができる。

また、上記半導体レーザアレイ１は、図１２に示すように、ｚ軸に平行なレーザ光のうち広い範囲のもの（例えばＬ２１〜Ｌ２３）を往復させる光路を有している。このため、半導体レーザアレイ１は、空間横シングルモードが得られる半導体レーザアレイとしては発光領域５のｘ方向の長さが長く、高い出力を得ることが可能となる。
（第２実施形態）
本発明の第２の実施形態について図１３、図１４、図１５を参照し説明する。図１３は本実施形態に係る半導体レーザアレイ６１の構造を示す斜視図である。図１４は半導体レーザアレイ６１を図１３における線ＸＩＶ-ＸＩＶに沿ってｘｙ平面に平行に切断した断面図である。また、図１５は半導体レーザアレイ６１を図１３における線ＸＶ-ＸＶに沿ってｘｚ平面に平行に切断した断面図である。

半導体レーザアレイ６１のｐ型クラッド層１１には図１３に示すようにｎ型の半導体AlGaAsからなるｎ型ブロック層６５が埋め込まれている。ｎ型ブロック層６５はｐ型クラッド層１１よりも低い屈折率を有している。ｐ型クラッド層１１のうちｎ型ブロック層６５が埋め込まれた領域以外の領域（以下「非埋め込み領域」という）６７は、半導体レーザアレイ１のリッジ部２３と同じ平面視形状をなしている（図１５参照）。換言すると、ｎ型ブロック層６５はｐ型クラッド層１１内に、非埋め込み領域６７がリッジ部２３と同じ平面視形状となるように埋め込まれている。

半導体レーザアレイ６１においては、ｎ型ブロック層６５とｐ型クラッド層１１との屈折率差によって、活性層１３には非埋め込み領域６７と同様の平面視形状を有する屈折率導波路６３が形成される。但し、形成される屈折率導波路３の反射面３９ａ、３９ｂがｚ軸方向から入射するレーザ光を全反射するように、導波路内外の活性層部の屈折率に応じて改めて角度θの値を設定することが必要である。よって、半導体レーザアレイ６１によれば、半導体レーザアレイ１の屈折率導波路３と同様の構成を有する屈折率導波路６３が形成され、上述した半導体レーザアレイ１と同様の作用、効果を得ることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、上記した半導体レーザアレイ１では、薄肉領域２４に対応する部分には層を設けないこととしたが、図１６に断面図を示す半導体レーザアレイ５１のように、薄肉領域２４に対応する部分にｐ型クラッド層１１よりも屈折率が低い埋込層５３を埋め込み、いわゆる埋込みリッジ構造としてもよい。但しこの場合、形成される屈折率導波路３の反射面３９ａ、３９ｂがｚ軸方向から入射するレーザ光を全反射するように、埋込層５３の屈折率に応じて改めて角度θの値を設定することが必要である。

また、上記した半導体レーザアレイ１では、ｐ型クラッド層１１にリッジ部２３を設けリッジ構造とすることでいわゆるリッジ型屈折率導波路を形成している。半導体レーザアレイ６１では、ｐ型クラッド層に屈折率の低いｎ型ブロック層を埋め込むことによっていわゆるプレーナ型屈折率導波路を形成している。しかし本発明はこれらに限られず、屈折率導波路構造を有する半導体レーザアレイ全般に適用することが可能である。

実施形態に係る半導体レーザアレイの概略斜視図である。 実施形態に係る半導体レーザアレイの平面図である。 実施形態に係る半導体レーザアレイのＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 ｐ型クラッド層を含む積層体の斜視図である。 （ａ）は積層体の平面図、（ｂ）は積層体のＶｂ−Ｖｂ断面図、（ｃ）は積層体のＶｃ−Ｖｃ断面図である 半導体レーザアレイの製造工程を説明する図である。 屈折率導波路の形状を示す斜視図である。 屈折率導波路の形状を示す平面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は屈折率導波路内で発生したレーザ光の光路を説明する図である。 （ａ）は光出射面側から出射されたレーザ光のｘ方向についての遠視野像を示したものである。（ｂ）は光反射面側から出射されたレーザ光のｘ方向についての遠視野像を示したものである。 半導体レーザアレイの電流−光出力特性を示したグラフである。 屈折率導波路内で発生したレーザ光の光路を説明する図である。 実施形態に係る半導体レーザアレイの構造を示す斜視図である。 半導体レーザアレイを線ＸＩＶ―ＸＩＶに沿ってｘｙ平面に平行に切断した断面図である。 半導体レーザアレイを線ＸＶ-ＸＶに沿ってｘｚ平面に平行に切断した断面図である。 半導体レーザアレイの変形例を示す断面図である。

符号の説明

１…半導体レーザアレイ、３…屈折率導波路、４…光出射面、５…発光領域、６…光反射面、１１…ｐ型クラッド層、１３…活性層、１５…ｎ型クラッド層、２３…リッジ部、２５…第１端面、２７…第２端面、２９…側面、３５、３７ａ、３７ｂ、３９ａ、３９ｂ…反射面。

Claims (7)

1. 第１導電型クラッド層と、第２導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層と前記第２導電型クラッド層との間に設けられた活性層と、を備え、前記活性層に複数の屈折率導波路が長手方向に配列されて形成される半導体レーザアレイであって、
   それぞれの前記屈折率導波路は、
   前記長手方向に直交する仮想対称面に対して面対称な形状に形成され、
   光出射面と平行な光反射面上に位置する１つの反射端面と、
   前記光出射面上に位置し、少なくとも前記反射端面と対向する領域において途切れるように、分断されて不連続に形成される２つの出射端面と、
   前記反射端面から前記出射端面まで伸びて当該屈折率導波路の前記長手方向での領域を規定する一対の側面と、を含み、
   前記側面は、
   前記光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を前記反射端面に向けてそれぞれ全反射させるように前記仮想対称面に対し傾斜して形成され、
   一方の前記出射端面から当該一方の前記出射端面に垂直な方向から一方の前記側面に入射した光は、当該一方の前記側面で全反射され、前記反射端面で反射されて他方の前記側面に入射した後、当該他方の前記側面に全反射されて、他方の前記出射端面に垂直に入射する
   ことを特徴とする半導体レーザアレイ。
2. 前記屈折率導波路は、
   前記反射端面側から前記出射端面側へ向かう途中で、前記出射端面に対応して分岐するように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザアレイ。
3. 前記第１導電型クラッド層には、
   前記活性層側とは反対側の面で一部領域が突出することで、前記長手方向に直交する仮想対称面に対して面対称な形状に形成されたリッジ部が、前記長手方向に複数配列されて形成されており、
   それぞれの前記リッジ部は、
   前記光反射面を含む平面上に位置する１つの第１の端面と、
   前記光出射面を含む平面上に位置し、少なくとも前記第１の端面と対向する領域において途切れるように、分断されて不連続に形成された２つの第２の端面と、
   前記第１の端面から前記第２の端面まで伸びて当該リッジ部の前記長手方向での領域を規定する一対のリッジ部側面と、を有し、
   それぞれの前記屈折率導波路は、
   前記第１導電型クラッド層、前記第２導電型クラッド層、及び前記活性層の積層方向から見て、前記リッジ部の位置及び形状に対応して形成され、前記出射端面は前記第２の端面に対応して形成され、前記反射端面は前記第１の端面に対応して形成され、前記側面は前記リッジ部側面に対応して形成される
   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アレイ。
4. 前記第１導電型クラッド層の一部領域には、
   周囲よりも低い屈折率を有する第２導電型のブロック層が埋め込まれており、
   それぞれの前記屈折率導波路は、
   前記第１導電型クラッド層、前記第２導電型クラッド層、及び前記活性層の積層方向から見て、前記ブロック層が不在である非埋め込み領域の位置及び形状に対応して形成され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アレイ。
5. 第１導電型クラッド層と、第２導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層と前記第２導電型クラッド層との間に設けられた活性層と、を備え、前記第１導電型クラッド層は長手方向に沿って並列に配列された複数のリッジ部を有しており、前記活性層には前記リッジ部に対応して屈折率導波路が形成される半導体レーザアレイであって、
   それぞれの前記リッジ部は、
   前記活性層側とは反対側の面で前記第１導電型クラッド層の一部領域が突出することで、前記長手方向に直交する仮想対称面に対して面対称な形状に形成され、
   光出射面と平行な光反射面を含む平面上に位置する１つの第１の端面と、
   前記光出射面を含む平面上に位置し、少なくとも前記第１の端面と対向する領域において途切れるように、分断されて不連続に形成された２つの第２の端面と、
   前記第１の端面から前記第２の端面まで伸びて当該リッジ部の前記長手方向での領域を規定する一対のリッジ部側面と、を有し、
   前記リッジ部の前記リッジ部側面は、
   当該リッジ部側面に対応して形成される前記屈折率導波路の側面が、前記光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を前記第１の端面に対応して形成される前記屈折率導波路の反射端面に向けてそれぞれ全反射させるように、前記仮想対称面に対し傾斜して形成され、
   ２つの前記第２の端面にそれぞれ対応して形成される前記屈折率導波路の２つの出射端面のうちの一方の前記出射端面から当該一方の出射端面に垂直な方向から一方の前記屈折率導波路の側面に入射した光は、当該一方の前記屈折率導波路の側面で全反射され、前記屈折率導波路の反射端面で反射されて他方の前記屈折率導波路の側面に入射した後、当該他方の前記屈折率導波路の側面に全反射されて、他方の前記出射端面に垂直に入射する
   ことを特徴とする半導体レーザアレイ。
6. 前記リッジ部は、
   前記第１の端面側から前記第２の端面側へ向かう途中で、前記第２の端面に対応して分岐するように設けられたことを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザアレイ。
7. 前記屈折率導波路は、前記活性層で発生したレーザ光を、
   一方の前記出射端面から前記反射端面への光路と、他方の前記出射端面から前記反射端面への光路と、を交互に往復させて共振させることを特徴とする請求項１〜６に記載の半導体レーザアレイ。
   

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