JP4523131B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4523131B2 JP4523131B2 JP2000254329A JP2000254329A JP4523131B2 JP 4523131 B2 JP4523131 B2 JP 4523131B2 JP 2000254329 A JP2000254329 A JP 2000254329A JP 2000254329 A JP2000254329 A JP 2000254329A JP 4523131 B2 JP4523131 B2 JP 4523131B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- type
- optical waveguide
- refractive index
- mode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザ、ファイバレーザ、ファイバアンプ等の励起光源や各種レーザ計測等に用いられる半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザの高出力化を図る場合、光出射端面での瞬時光学損傷を抑制することが重要になる。本出願人は、高出力化を目的として、活性層より大きな禁制帯幅を有し、厚みの小さいキャリアブロック層を活性層の両面にそれぞれ設けることによって、キャリアブロック層の外側に形成される導波層の膜厚とクラッド層の禁制帯幅の設計自由度を大きくした半導体レーザを提案している（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。
【０００３】
このような構造において、活性層内に注入されたキャリアはキャリアブロック層によって効率良く閉じ込められるとともに、活性層で発生したレーザ光は薄く形成されたキャリアブロック層を通過して、主に導波層およびクラッド層から成る光導波路で伝搬する。導波層への光の閉じ込めが大きくなるように光導波路を設計することによって、活性層に存在する光の強度が低くなるため、光出射端面での瞬時光学損傷が起きる光出力を高くすることができ、その結果、高出力動作を実現できる。
【０００４】
一方、特開平１０−３０３５００号は、分離閉じ込め構造において活性層に存在する光の強度を低減し、光出射端面での瞬時光学損傷が起きる光出力を高くするために、導波層への光の閉じ込めを大きくした構造が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−３０３５００号のように導波層への光の閉じ込めを大きくした場合、光導波路での伝搬可能な導波モードは基本モードだけでなく、高次モードも伝搬可能となる。
【０００６】
このときレーザ発振条件を考えると、ゲインを生成する活性層に存在する光の強度は基本モードで最も高くなり、しかもフリーキャリア吸収および基板放射ロスも基本モードで小さくなるため、結局、レーザ発振は基本モードで発生し易くなる。
【０００７】
しかしながら、レーザ発振が基本モードであっても、光導波路が高次モードも伝搬可能であるため、レーザ光の発振スペクトルに波長分裂が生じてしまうことを本発明者らは見出した。こうした波長分裂が発生すると、レーザ発振スペクトルの半値全幅の増大化を招き、さらに温度や注入電流を連続的に変化させても発振波長が連続的に変化しなくなる。そのため、こうした半導体レーザを固体レーザ、ファイバレーザ、ファイバアンプ等の励起光源として使用した場合、励起効率の低下や出力の不安定化をもたらすことになり、応用上の問題点となる。
【０００８】
本発明の目的は、積層方向の高次モードの伝播による波長分裂を抑制して、高出力動作の安定化が図られる半導体レーザ装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両面側に、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型の光導波層がそれぞれ設けられ、
活性層および各光導波層を挟むように、該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型のクラッド層がそれぞれ設けられた高出力の半導体レーザ装置において、
活性層と各光導波層との間に、該活性層および該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層がそれぞれ設けられ、
ｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率のうち小さい方の屈折率をｎc1、大きい方の屈折率をｎc2、基本導波モードにおける光導波路の実効屈折率をｎe0、１次導波モードにおける光導波路の実効屈折率の実部をRe(ｎe1)としたとき、次式（Ａ）と次式（２）の条件を満たし、
ｎc1 ≦ Re(ｎe1) …（Ａ）
Re(ｎe1) ＜ ｎc2 ≦ ｎe0 …（２）
ｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率を非対称に設定することによって、積層方向に高次導波モードのレーザ発振の伝播を抑制することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００１０】
本発明に従えば、１次導波モードの実効屈折率の実部Re(ｎe1)をｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率のうち小さい方の屈折率ｎc1と等しいか、それより大きく設定することによって、活性層に存在する光強度を低減し、端面での瞬時光学損傷を起こす光出力を高くすることができ、その結果、高出力動作を実現できる。
【００１１】
また、ｎ型およびｐ型のクラッド層の組成を非対称化することにより、積層方向に１次導波モードが存在しないようになり、その結果、基本モードだけが低損失で伝搬でき、発振スペクトルの波長分裂を抑制できる。
また、式（２）が成立することによって、基本導波モードは中央層内で伝搬可能となり、１次導波モードは屈折率ｎc2のクラッド層内へリークしてしまう。その結果、基本モードだけが低損失で伝搬でき、発振スペクトルの波長分裂を抑制できる。
また、活性層と各光導波層との間に高い禁制帯幅を有するキャリアブロック層をそれぞれ設けることによって、活性層でのキャリア閉じ込めと光導波層での光閉じ込めとを独立して機能させることができるため、半導体レーザの温度特性が向上してより高出力の動作を実現できる。
【００１２】
また本発明は、真空中でのレーザ波長をλ、ｎ型およびｐ型のクラッド層の間の厚みをｔ、ｎ型およびｐ型の光導波層の屈折率をｎw とし、ｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率のうち小さい方の屈折率をｎc1としたとき、光導波層およびクラッド層を含む光導波路が次式（１）の条件を満たすことを特徴とする。
【００１３】
【数２】
【００１４】
本発明に従えば、式（１）が成立することによって、活性層に存在する光強度を低減し、端面での瞬時光学損傷を起こす光出力を高くすることができ、その結果、高出力動作を実現できる。
【００１７】
ここで本発明の原理について説明する。図４は、半導体レーザ装置の典型的な構造を示す断面図である。ｎ型ＧａＡｓから成る基板１１１の上に、ｎ型クラッド層１１２（ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ組成ｘ＝０．２０，厚さｔ＝１．２μｍ）、ｎ型光導波層１１３（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４９μｍ）、ｎ型キャリアブロック層１１４（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、活性層１１５（Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ａｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層）、ｐ型キャリアブロック層１１６（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、ｐ型光導波層１１７（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４９μｍ）、ｐ型クラッド層１１８（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．２０，厚さｔ＝１．２μｍ）をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）などを用いて順次製膜し、さらにｐ型クラッド層１１８の上にｐ型キャップ層１２０（ＧａＡｓ）を形成し、ｐ型キャップ層１２０の内部に一対のｎ型電流阻止層１１９（ＧａＡｓ）を埋め込んで電流注入部１０１（幅１００μｍ）を形成している。
【００１８】
共振器方向は紙面垂直方向で、共振器長は２．２ｍｍであり、共振器端面はへき開の後、光出射端面は反射率２％の光学コーティング、他の端面は反射率９６％の光学コーティングがそれぞれ施される。基板１１１の下面およびｐ型キャップ層１２０の上面には電流注入用の電極（不図示）がそれぞれ形成される。
【００１９】
図５は、図４の半導体レーザ装置１００の発振スペクトルの温度変化を示すグラフである。縦軸はピーク波長（ｎｍ）で、横軸はケース温度（℃）である。動作電流Ｉopは２アンペアである。グラフを見ると、ピーク波長が温度変化に対して直線的に変化しており、ピーク波長の温度変化率は約０．２５ｎｍ／℃を示し、約２５℃と約５０℃の付近でピーク波長がステップ的に変化し、波長分裂が発生していることが判る。
【００２０】
図６は、図４の半導体レーザ装置１００の発振スペクトルを示すグラフである。縦軸はスペクトル強度（ｄＢｍ）で、横軸は波長（ｎｍ）である。このグラフは、ケース温度５０℃での波長分裂を示し、波長９８４．７ｎｍと波長９８７．９ｎｍの２つのピークが出現して、分裂幅は約３．２ｎｍとなる。
【００２１】
半導体レーザ装置のような多層スラブ構造の光導波路を解析する場合、マックスウェル方程式の解は階段分割法を用いて求めることができる（文献「光デバイスのための光結合系の基礎と応用」河野健治著，１９９１年発行）。解析の結果、図４の半導体レーザ装置１００は基本（０次）モードと１次モードが伝搬可能であることが判る。
【００２２】
図７は、図４の半導体レーザ装置１００における光導波路の屈折率分布、各モードの実効屈折率、モードプロファイルを示すグラフである。縦軸は屈折率で、横軸はｎ型クラッド層１１２とｎ型光導波層１１３との界面を原点とし、上方を正とした位置（μｍ）である。
【００２３】
屈折率分布を見ると、ｎ型クラッド層１１２およびｐ型クラッド層１１８の屈折率が低く、これらで挟まれた中央部分が高い屈折率となった光導波路を構成している。解析の結果、基本モードのプロファイルはキャリアブロック層１１４，１１６付近で僅かに凹んだ単峰性のカーブを示し、１次モードのプロファイルは双峰性のカーブを示している。また、基本モードおよび１次モードの実効屈折率ｎe0，ｎe1はマックスウェル方程式の固有値で定義され、数値計算によって求められ、図４の半導体レーザ装置１００ではｎe0＝３．５０９，ｎe1＝３．４７８となる。
【００２４】
次に波長分裂の発生機構について説明する。光導波路を伝搬できるモード次数が基本モードおよび１次モードである場合、半導体レーザの両端面において基本モードから１次モードへのモード変換と１次モードから基本モードへのモード変換とが僅かに生ずる。一方、モード次数によって実効屈折率が異なるため、基本モードの光学的な共振器長と１次モードの光学的な共振器長とは相違することにになる。このようなモード変換を介してある種の二重共鳴器効果が発生すると考えられる。
【００２５】
そこで、レーザ共振器の共振条件について検討する。基本モードの共振条件は次式（１１）で与えられる。ここで、λm0は光の波長、Ｌは共振器長、ｎe0は基本モードの実効屈折率、ｍ0 は定在波の腹の数である。
ｍ0・λm0 ＝ ２・Ｌ・ｎe0 …（11）
【００２６】
レーザ発振波長は、定在波の腹の数が１つずつ増減するにつれて不連続で変化し、その波長間隔Δλ0 は実効屈折率の波長依存性を考慮して次式（１２）で与えられる。
【００２７】
【数３】
【００２８】
一方、１次モードの共振条件は次式（１３）で与えられる。ここで、λm1は光の波長、Ｌは共振器長、ｎe1は１次モードの実効屈折率、ｍ1 は定在波の腹の数である。
ｍ1・λm1 ＝ ２・Ｌ・ｎe1 …（13）
【００２９】
１次モードの波長間隔Δλ1 は実効屈折率の波長依存性を考慮して次式（１４）で与えられる。
【００３０】
【数４】
【００３１】
半導体レーザの両端面等において基本モードから１次モードへのモード変換と１次モードから基本モードへのモード変換とが生じた場合、基本モードの共振条件（１１）と１次モードの共振条件（１３）の両方を満足する波長で最も損失が少なくなると考えられ、このときの波長間隔Δλ01は次式（１５）で与えられ、これが波長分裂幅に相当する。
【００３２】
【数５】
【００３３】
ここで、図４の半導体レーザ装置１００の構成に適用する。基本モードおよび１次モードの実効屈折率はｎe0＝３．５０９，ｎe1＝３．４７８であり、ＡｌＧａＡｓ系半導体における屈折率とＡｌ組成ｘとの関係が既知であることから、基本モードの実効Ａｌ組成は０．０４８、１次モードの実効Ａｌ組成は０．１０ととして求まる。さらに、これらの実効Ａｌ組成における屈折率の波長依存性（微分項）は、基本モードで−０．４９（／μｍ）、１次モードで−０．４５（／μｍ）として求まる。
【００３４】
これらの数値およびＬ＝２．２ｍｍ、λ＝９８４．７ｎｍを式（１５）に代入すると、波長分裂幅Δλ01＝３．１ｎｍが求まり、図６の実験値である約３．２ｎｍとほぼ一致することが判る。したがって、図６のような波長分裂が二重共鳴器効果に由来していることが判明した。
【００３５】
以上の説明では、図４の半導体レーザ装置１００のようにキャリアブロック層が存在する構成を例として示したが、高次モードの伝搬が可能な光導波路を持つ半導体レーザ全般において、上述のような発振スペクトルの波長分裂が生ずる可能性がある。
【００３６】
そこで、真空中でのレーザ光の波長をλ、２つの光クラッド層の間の厚みをｔ、光導波層の屈折率をｎw、２つの光クラッド層の中で屈折率の小さい方の屈折率をｎc1、屈折率の大きい方の屈折率をｎc2としたとき、光導波層およびクラッド層を含む光導波路が式（１）の条件を満たすことにより、活性層に存在する光強度を低減し端面での瞬時光学損傷を起こす光出力を高くすることを可能にした半導体レーザにおいて、基本導波モードの実効屈折率をｎe0、１次導波モードの実効屈折率の実部Re（ｎe1）としたとき、式（２）の関係を満たすことによって、基本導波モードは中央層内で伝搬可能となり、１次導波モードは屈折率ｎc2のクラッド層内へリークしてしまう。その結果、基本モードだけが低損失で伝搬でき、発振スペクトルの波長分裂を抑制できる。
【００３７】
【数６】
【００３８】
式（１）の条件は、２つの光クラッド層間の厚みｔが、λ／{２（ｎｗ ２ −ｎｃ１ ２ ） １／２ }以上の厚みであることを表している。前記厚みｔがこの条件を満たす場合、基本導波モードが許容されるのみならず、波長λの光に対して２つの光クラッド層間に、基本導波モードよりも高次の高次導波モードが許容される余地を生ずる。たとえば図４の半導体レーザ装置１００では、１次導波モードの実効屈折率ｎe1＝３．４７８、屈折率の大きいクラッド層の屈折率ｎc2＝３．４２、基本モードの実効屈折率ｎe0＝３．５０９であることから、式（２）を満たしていないため、１次導波モードの伝搬が許容されてしまう。
【００３９】
したがって、式（１）（２）の条件を満たすことによって、活性層に存在する光強度を低減し高出力動作を可能にしながら、１次導波モードを抑制し基本導波モードだけのレーザ発振を安定して実現できる。さらに、基本導波モードの光強度は、図２に示したように、活性層５１５を越えて外側に広く分布して、活性層５１５に存在する光の強度がさらに低くなるため、光出射端面での瞬時光学損傷が起きる光出力を高くすることができ、その結果、さらなる高出力動作が可能となる。
【００４０】
また、活性層と各光導波層との間に、該活性層および該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層がそれぞれ設けられる。
【００４１】
したがって、活性層と各光導波層との間に高い禁制帯幅を有するキャリアブロック層をそれぞれ設けることによって、活性層でのキャリア閉じ込めと光導波層での光閉じ込めとを独立して機能させることができるため、図３および図５を参照して説明したように、ピーク波長についての半導体レーザの温度特性が向上してより高出力の動作を実現できる。
【００４３】
いくつかの用途においては、半導体レーザの発振モード形状は縦、横方向ともに単一ガウシアンプロファイルであることが望ましい。これは、単一モード化により、光密度をより高くでき、またファイバへのカップリングも容易になるからである。
【００４４】
このため屈折率の異なる層をストライプの両側に形成するＳＡＳ(self-
aligned structure)構造、ストライプの両側を彫り込むリッジ構造、イオン打ち込みによる構成原子の層間拡散などにより、横方向にも実効的な屈折率差を形成して光閉じ込め構造を形成している。
【００４５】
屈折率分布の設計において、一般には縦方向および横方向の各モード閉じ込めは互いに独立関係であると仮定しているが、実際には両者は互いに影響する。このため、縦方向のモード閉じ込めが高次モードを許容するように設計した場合、望ましくない波長分裂や横方向のモードの乱れが生じることがある。
【００４６】
そこで、本発明により、縦方向の高次モード発生を抑制することによって、横方向のモードも安定化され、良好な縦横ガウシアンプロファイルが保持され、良好な電流−出力特性を得ることができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態を示す断面図である。ｎ型ＧａＡｓから成る基板５１１の上に、ｎ型クラッド層５１２（ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ組成ｘ＝０．０７，厚さｔ＝２．８６μｍ）、ｎ型光導波層５１３（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４９μｍ）、ｎ型キャリアブロック層５１４（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、活性層５１５（Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ａｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層）、ｐ型キャリアブロック層５１６（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、ｐ型光導波層５１７（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４９μｍ）、ｐ型クラッド層５１８（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．２０，厚さｔ＝１．０８μｍ）をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）などを用いて順次製膜し、さらにｐ型クラッド層５１８の上にｐ型キャップ層５２０（ＧａＡｓ）を形成し、ｐ型キャップ層５２０の内部に一対のｎ型電流阻止層５１９（ＧａＡｓ）を埋め込んで電流注入部５０１（幅１００μｍ）を形成している。
【００４８】
共振器方向は紙面垂直方向で、共振器長は２．２ｍｍであり、共振器端面はへき開の後、光出射端面は反射率２％の光学コーティング、他の端面は反射率９６％の光学コーティングがそれぞれ施される。基板５１１の下面およびｐ型キャップ層５２０の上面には電流注入用の電極（不図示）がそれぞれ形成される。
【００４９】
図２は、図１の半導体レーザ装置５００における光導波路の屈折率分布、各モードの実効屈折率、モードプロファイルを示すグラフである。縦軸は屈折率で、横軸はｎ型クラッド層５１２とｎ型光導波層５１３との界面を原点とし、上方を正とした位置（μｍ）である。
【００５０】
屈折率分布を見ると、ｎ型クラッド層５１２の屈折率が約３．５０、ｐ型クラッド層５１８の屈折率が約３．４２となり、図７と比べて、ｎ型クラッド層５１２の屈折率が特に大きくなって、非対称スラブ型光導波路を形成している。
【００５１】
解析の結果、基本モードのプロファイルはキャリアブロック層５１４，５１６付近で僅かな凹みを有し、全体としてｎ型クラッド層５１２寄りにシフトした単峰性のカーブを示すことが判る。
【００５２】
また、基本モードおよび１次モードの実効屈折率ｎe0，ｎe1はマックスウェル方程式の固有値で定義され、数値計算によって求められ、図１の半導体レーザ装置５００ではｎe0＝３．５１３，Re（ｎe1）＝３．４９０となる。また、ｎ型クラッド層５１２およびｐ型クラッド層５１８のうち小さい方の屈折率ｎc1＝約３．４２、大きい方の屈折率ｎc2＝約３．５０であることから、 式（２）を満足しているため、１次導波モードを含む高次モードの伝搬が抑制される。
【００５３】
さらに式（１）に関して、レーザ波長λ＝９８２ｎｍ、ｎ型クラッド層５１２およびｐ型クラッド層５１８の間の厚みｔ＝約１．１５８μｍ、ｎ型光導波層５１３およびｐ型光導波層５１７の屈折率ｎw ＝３．５３８を代入すると、式（１）のカットオフ条件を満足していることが判る。
【００５４】
図３は、図１の半導体レーザ装置５００の発振スペクトルの温度変化を示すグラフである。縦軸はピーク波長（ｎｍ）で、横軸は温度（℃）である。グラフを見ると、ピーク波長が温度変化に対して直線的に変化しており、図５に示したような波長分裂が全く生じていないことが判る。
【００５５】
また、ピーク波長の温度変化率は約０．３４ｎｍ／℃を示し、これは活性層５１５の量子井戸層を構成するＩｎＧａＡｓのバンドギャップの温度変化率０．３８ｎｍ／℃(Sadao Adachi,"Physical Properties of III-V Semiconductor
Compounds",p100-105,1992,Jhon Wiley & Sons,Inc.)にほぼ一致し、理論通りのレーザ動作を確認できた。
【００５６】
図８は、本発明の実施の他の形態を示す断面図である。ここでは、レーザ光の横モードを制御するため、積層内に屈折率分布構造を形成した例を説明する。
【００５７】
ｎ型ＧａＡｓから成る基板６１１の上に、ｎ型クラッド層６１２（ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ組成ｘ＝０．０９）、ｎ型光導波層６１３（ＧａＡｓ，厚さｔ＝０．４８μｍ）、ｎ型キャリアブロック層６１４（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、活性層６１５（Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ａｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層）、ｐ型キャリアブロック層６１６（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、ｐ型光導波層６１７（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４８μｍ）、ｐ型クラッド層６１８（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．３２，ｔ＝１．０８μｍ）をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）などを用いて順次製膜し、さらにｐ型クラッド層６１８の上にｐ型キャップ層６２０（ＧａＡｓ）を形成した。また、屈折率閉じ込め構造を形成するため、ｐ型光導波層６１７の内部に一対の低屈折率のｎ型電流阻止層６１９（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．２０）を埋め込んで電流注入部６０１を形成している。
【００５８】
共振器方向は紙面垂直方向で、共振器長は１．８ｍｍであり、共振器端面はへき開の後、光出射端面は反射率２％の光学コーティング、他の端面は反射率９６％の光学コーティングがそれぞれ施される。基板６１１の下面およびｐ型キャップ層６２０の上面には電流注入用の電極（不図示）がそれぞれ形成される。
【００５９】
図９は、図８の半導体レーザ装置６００および比較例の発振特性を示すグラフである。縦軸は光出力（ｍＷ）で、横軸は注入電流（ｍＡ）である。測定条件は室温（２５℃）で、ＣＷ（連続）動作である。グラフを見ると、実施例ではモードの乱れを示すキンクは約７５０ｍＷで現われており、高い出力まで安定したモードで発振していることが判る。
【００６０】
一方、比較例の構造は、ｎ型ＧａＡｓから成る基板６１１の上に、ｎ型クラッド層６１２（ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ組成ｘ＝０．１７）、ｎ型光導波層６１３（ＧａＡｓ，厚さｔ＝０．４８μｍ）、ｎ型キャリアブロック層６１４（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、活性層６１５（Ｉｎ0.18Ｇａ0.8 2Ａｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層）、ｐ型キャリアブロック層６１６（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、ｐ型光導波層６１７（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４８μｍ）、ｐ型クラッド層６１８（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．１７）をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）などを用いて順次製膜し、さらにｐ型クラッド層６１８の上にｐ型キャップ層６２０（ＧａＡｓ）を形成した。また、屈折率閉じ込め構造を形成するため、ｐ型光導波層６１７の内部に一対の低屈折率のｎ型電流阻止層６１９（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．２０）を埋め込んで電流注入部６０１を形成している。
【００６１】
グラフを見ると、比較例ではキンクが約４００ｍＷで現われてしまい、実施例より劣ることが判る。
【００６２】
以上の説明では、キャリアブロック層５１４，５１６，６１４，６１６が存在する光導波構造について示したが、本発明はキャリアブロック層が存在しない光導波構造についても同様に適用可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、発振スペクトルの波長分裂を抑制しつつ、活性層に存在する光の強度が低減化して、光出射端面での瞬時光学損傷が起きる光出力を高くすることができ、その結果、高出力動作を実現できる。
【００６４】
また、活性層と各光導波層との間に高い禁制帯幅を有するキャリアブロック層をそれぞれ設けることによって、活性層でのキャリア閉じ込めと光導波層での光閉じ込めとを独立して機能させることができるため、半導体レーザの温度特性が向上してより高出力の動作を実現できる。
【００６５】
また本発明の手法を屈折率分布構造を有する半導体レーザに適用することによって、縦方向のモード安定性が横方向のモード安定性に寄与することになり、高い光出力までキンクなしのレーザ発振を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す断面図である。
【図２】図１の半導体レーザ装置５００における光導波路の屈折率分布、各モードの実効屈折率、モードプロファイルを示すグラフである。
【図３】図１の半導体レーザ装置５００の発振スペクトルの温度変化を示すグラフである。
【図４】半導体レーザ装置の典型的な構造を示す断面図である。
【図５】図４の半導体レーザ装置１００の発振スペクトルの温度変化を示すグラフである。
【図６】図４の半導体レーザ装置１００の発振スペクトルを示すグラフである。
【図７】図４の半導体レーザ装置１００における光導波路の屈折率分布、各モードの実効屈折率、モードプロファイルを示すグラフである。
【図８】本発明の実施の他の形態を示す断面図である。
【図９】図８の半導体レーザ装置６００および比較例の発振特性を示すグラフである。
【符号の説明】
５００，６００ 半導体レーザ装置
５０１，６０１ 電流注入部
５１１，６１１ 基板
５１２，６１２ ｎ型クラッド層
５１３，６１３ ｎ型光導波層
５１４，６１４ ｎ型キャリアブロック層
５１５，６１５ 活性層
５１６，６１６ ｐ型キャリアブロック層
５１７，６１７ ｐ型光導波層
５１８，６１８ ｐ型クラッド層
５１９，６１９ ｎ型電流阻止層
５２０，６２０ ｐ型キャップ層
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザ、ファイバレーザ、ファイバアンプ等の励起光源や各種レーザ計測等に用いられる半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザの高出力化を図る場合、光出射端面での瞬時光学損傷を抑制することが重要になる。本出願人は、高出力化を目的として、活性層より大きな禁制帯幅を有し、厚みの小さいキャリアブロック層を活性層の両面にそれぞれ設けることによって、キャリアブロック層の外側に形成される導波層の膜厚とクラッド層の禁制帯幅の設計自由度を大きくした半導体レーザを提案している（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。
【０００３】
このような構造において、活性層内に注入されたキャリアはキャリアブロック層によって効率良く閉じ込められるとともに、活性層で発生したレーザ光は薄く形成されたキャリアブロック層を通過して、主に導波層およびクラッド層から成る光導波路で伝搬する。導波層への光の閉じ込めが大きくなるように光導波路を設計することによって、活性層に存在する光の強度が低くなるため、光出射端面での瞬時光学損傷が起きる光出力を高くすることができ、その結果、高出力動作を実現できる。
【０００４】
一方、特開平１０−３０３５００号は、分離閉じ込め構造において活性層に存在する光の強度を低減し、光出射端面での瞬時光学損傷が起きる光出力を高くするために、導波層への光の閉じ込めを大きくした構造が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−３０３５００号のように導波層への光の閉じ込めを大きくした場合、光導波路での伝搬可能な導波モードは基本モードだけでなく、高次モードも伝搬可能となる。
【０００６】
このときレーザ発振条件を考えると、ゲインを生成する活性層に存在する光の強度は基本モードで最も高くなり、しかもフリーキャリア吸収および基板放射ロスも基本モードで小さくなるため、結局、レーザ発振は基本モードで発生し易くなる。
【０００７】
しかしながら、レーザ発振が基本モードであっても、光導波路が高次モードも伝搬可能であるため、レーザ光の発振スペクトルに波長分裂が生じてしまうことを本発明者らは見出した。こうした波長分裂が発生すると、レーザ発振スペクトルの半値全幅の増大化を招き、さらに温度や注入電流を連続的に変化させても発振波長が連続的に変化しなくなる。そのため、こうした半導体レーザを固体レーザ、ファイバレーザ、ファイバアンプ等の励起光源として使用した場合、励起効率の低下や出力の不安定化をもたらすことになり、応用上の問題点となる。
【０００８】
本発明の目的は、積層方向の高次モードの伝播による波長分裂を抑制して、高出力動作の安定化が図られる半導体レーザ装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両面側に、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型の光導波層がそれぞれ設けられ、
活性層および各光導波層を挟むように、該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型のクラッド層がそれぞれ設けられた高出力の半導体レーザ装置において、
活性層と各光導波層との間に、該活性層および該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層がそれぞれ設けられ、
ｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率のうち小さい方の屈折率をｎc1、大きい方の屈折率をｎc2、基本導波モードにおける光導波路の実効屈折率をｎe0、１次導波モードにおける光導波路の実効屈折率の実部をRe(ｎe1)としたとき、次式（Ａ）と次式（２）の条件を満たし、
ｎc1 ≦ Re(ｎe1) …（Ａ）
Re(ｎe1) ＜ ｎc2 ≦ ｎe0 …（２）
ｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率を非対称に設定することによって、積層方向に高次導波モードのレーザ発振の伝播を抑制することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００１０】
本発明に従えば、１次導波モードの実効屈折率の実部Re(ｎe1)をｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率のうち小さい方の屈折率ｎc1と等しいか、それより大きく設定することによって、活性層に存在する光強度を低減し、端面での瞬時光学損傷を起こす光出力を高くすることができ、その結果、高出力動作を実現できる。
【００１１】
また、ｎ型およびｐ型のクラッド層の組成を非対称化することにより、積層方向に１次導波モードが存在しないようになり、その結果、基本モードだけが低損失で伝搬でき、発振スペクトルの波長分裂を抑制できる。
また、式（２）が成立することによって、基本導波モードは中央層内で伝搬可能となり、１次導波モードは屈折率ｎc2のクラッド層内へリークしてしまう。その結果、基本モードだけが低損失で伝搬でき、発振スペクトルの波長分裂を抑制できる。
また、活性層と各光導波層との間に高い禁制帯幅を有するキャリアブロック層をそれぞれ設けることによって、活性層でのキャリア閉じ込めと光導波層での光閉じ込めとを独立して機能させることができるため、半導体レーザの温度特性が向上してより高出力の動作を実現できる。
【００１２】
また本発明は、真空中でのレーザ波長をλ、ｎ型およびｐ型のクラッド層の間の厚みをｔ、ｎ型およびｐ型の光導波層の屈折率をｎw とし、ｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率のうち小さい方の屈折率をｎc1としたとき、光導波層およびクラッド層を含む光導波路が次式（１）の条件を満たすことを特徴とする。
【００１３】
【数２】
本発明に従えば、式（１）が成立することによって、活性層に存在する光強度を低減し、端面での瞬時光学損傷を起こす光出力を高くすることができ、その結果、高出力動作を実現できる。
【００１７】
ここで本発明の原理について説明する。図４は、半導体レーザ装置の典型的な構造を示す断面図である。ｎ型ＧａＡｓから成る基板１１１の上に、ｎ型クラッド層１１２（ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ組成ｘ＝０．２０，厚さｔ＝１．２μｍ）、ｎ型光導波層１１３（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４９μｍ）、ｎ型キャリアブロック層１１４（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、活性層１１５（Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ａｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層）、ｐ型キャリアブロック層１１６（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、ｐ型光導波層１１７（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４９μｍ）、ｐ型クラッド層１１８（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．２０，厚さｔ＝１．２μｍ）をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）などを用いて順次製膜し、さらにｐ型クラッド層１１８の上にｐ型キャップ層１２０（ＧａＡｓ）を形成し、ｐ型キャップ層１２０の内部に一対のｎ型電流阻止層１１９（ＧａＡｓ）を埋め込んで電流注入部１０１（幅１００μｍ）を形成している。
【００１８】
共振器方向は紙面垂直方向で、共振器長は２．２ｍｍであり、共振器端面はへき開の後、光出射端面は反射率２％の光学コーティング、他の端面は反射率９６％の光学コーティングがそれぞれ施される。基板１１１の下面およびｐ型キャップ層１２０の上面には電流注入用の電極（不図示）がそれぞれ形成される。
【００１９】
図５は、図４の半導体レーザ装置１００の発振スペクトルの温度変化を示すグラフである。縦軸はピーク波長（ｎｍ）で、横軸はケース温度（℃）である。動作電流Ｉopは２アンペアである。グラフを見ると、ピーク波長が温度変化に対して直線的に変化しており、ピーク波長の温度変化率は約０．２５ｎｍ／℃を示し、約２５℃と約５０℃の付近でピーク波長がステップ的に変化し、波長分裂が発生していることが判る。
【００２０】
図６は、図４の半導体レーザ装置１００の発振スペクトルを示すグラフである。縦軸はスペクトル強度（ｄＢｍ）で、横軸は波長（ｎｍ）である。このグラフは、ケース温度５０℃での波長分裂を示し、波長９８４．７ｎｍと波長９８７．９ｎｍの２つのピークが出現して、分裂幅は約３．２ｎｍとなる。
【００２１】
半導体レーザ装置のような多層スラブ構造の光導波路を解析する場合、マックスウェル方程式の解は階段分割法を用いて求めることができる（文献「光デバイスのための光結合系の基礎と応用」河野健治著，１９９１年発行）。解析の結果、図４の半導体レーザ装置１００は基本（０次）モードと１次モードが伝搬可能であることが判る。
【００２２】
図７は、図４の半導体レーザ装置１００における光導波路の屈折率分布、各モードの実効屈折率、モードプロファイルを示すグラフである。縦軸は屈折率で、横軸はｎ型クラッド層１１２とｎ型光導波層１１３との界面を原点とし、上方を正とした位置（μｍ）である。
【００２３】
屈折率分布を見ると、ｎ型クラッド層１１２およびｐ型クラッド層１１８の屈折率が低く、これらで挟まれた中央部分が高い屈折率となった光導波路を構成している。解析の結果、基本モードのプロファイルはキャリアブロック層１１４，１１６付近で僅かに凹んだ単峰性のカーブを示し、１次モードのプロファイルは双峰性のカーブを示している。また、基本モードおよび１次モードの実効屈折率ｎe0，ｎe1はマックスウェル方程式の固有値で定義され、数値計算によって求められ、図４の半導体レーザ装置１００ではｎe0＝３．５０９，ｎe1＝３．４７８となる。
【００２４】
次に波長分裂の発生機構について説明する。光導波路を伝搬できるモード次数が基本モードおよび１次モードである場合、半導体レーザの両端面において基本モードから１次モードへのモード変換と１次モードから基本モードへのモード変換とが僅かに生ずる。一方、モード次数によって実効屈折率が異なるため、基本モードの光学的な共振器長と１次モードの光学的な共振器長とは相違することにになる。このようなモード変換を介してある種の二重共鳴器効果が発生すると考えられる。
【００２５】
そこで、レーザ共振器の共振条件について検討する。基本モードの共振条件は次式（１１）で与えられる。ここで、λm0は光の波長、Ｌは共振器長、ｎe0は基本モードの実効屈折率、ｍ0 は定在波の腹の数である。
ｍ0・λm0 ＝ ２・Ｌ・ｎe0 …（11）
【００２６】
レーザ発振波長は、定在波の腹の数が１つずつ増減するにつれて不連続で変化し、その波長間隔Δλ0 は実効屈折率の波長依存性を考慮して次式（１２）で与えられる。
【００２７】
【数３】
一方、１次モードの共振条件は次式（１３）で与えられる。ここで、λm1は光の波長、Ｌは共振器長、ｎe1は１次モードの実効屈折率、ｍ1 は定在波の腹の数である。
ｍ1・λm1 ＝ ２・Ｌ・ｎe1 …（13）
【００２９】
１次モードの波長間隔Δλ1 は実効屈折率の波長依存性を考慮して次式（１４）で与えられる。
【００３０】
【数４】
半導体レーザの両端面等において基本モードから１次モードへのモード変換と１次モードから基本モードへのモード変換とが生じた場合、基本モードの共振条件（１１）と１次モードの共振条件（１３）の両方を満足する波長で最も損失が少なくなると考えられ、このときの波長間隔Δλ01は次式（１５）で与えられ、これが波長分裂幅に相当する。
【００３２】
【数５】
ここで、図４の半導体レーザ装置１００の構成に適用する。基本モードおよび１次モードの実効屈折率はｎe0＝３．５０９，ｎe1＝３．４７８であり、ＡｌＧａＡｓ系半導体における屈折率とＡｌ組成ｘとの関係が既知であることから、基本モードの実効Ａｌ組成は０．０４８、１次モードの実効Ａｌ組成は０．１０ととして求まる。さらに、これらの実効Ａｌ組成における屈折率の波長依存性（微分項）は、基本モードで−０．４９（／μｍ）、１次モードで−０．４５（／μｍ）として求まる。
【００３４】
これらの数値およびＬ＝２．２ｍｍ、λ＝９８４．７ｎｍを式（１５）に代入すると、波長分裂幅Δλ01＝３．１ｎｍが求まり、図６の実験値である約３．２ｎｍとほぼ一致することが判る。したがって、図６のような波長分裂が二重共鳴器効果に由来していることが判明した。
【００３５】
以上の説明では、図４の半導体レーザ装置１００のようにキャリアブロック層が存在する構成を例として示したが、高次モードの伝搬が可能な光導波路を持つ半導体レーザ全般において、上述のような発振スペクトルの波長分裂が生ずる可能性がある。
【００３６】
そこで、真空中でのレーザ光の波長をλ、２つの光クラッド層の間の厚みをｔ、光導波層の屈折率をｎw、２つの光クラッド層の中で屈折率の小さい方の屈折率をｎc1、屈折率の大きい方の屈折率をｎc2としたとき、光導波層およびクラッド層を含む光導波路が式（１）の条件を満たすことにより、活性層に存在する光強度を低減し端面での瞬時光学損傷を起こす光出力を高くすることを可能にした半導体レーザにおいて、基本導波モードの実効屈折率をｎe0、１次導波モードの実効屈折率の実部Re（ｎe1）としたとき、式（２）の関係を満たすことによって、基本導波モードは中央層内で伝搬可能となり、１次導波モードは屈折率ｎc2のクラッド層内へリークしてしまう。その結果、基本モードだけが低損失で伝搬でき、発振スペクトルの波長分裂を抑制できる。
【００３７】
【数６】
式（１）の条件は、２つの光クラッド層間の厚みｔが、λ／{２（ｎｗ ２ −ｎｃ１ ２ ） １／２ }以上の厚みであることを表している。前記厚みｔがこの条件を満たす場合、基本導波モードが許容されるのみならず、波長λの光に対して２つの光クラッド層間に、基本導波モードよりも高次の高次導波モードが許容される余地を生ずる。たとえば図４の半導体レーザ装置１００では、１次導波モードの実効屈折率ｎe1＝３．４７８、屈折率の大きいクラッド層の屈折率ｎc2＝３．４２、基本モードの実効屈折率ｎe0＝３．５０９であることから、式（２）を満たしていないため、１次導波モードの伝搬が許容されてしまう。
【００３９】
したがって、式（１）（２）の条件を満たすことによって、活性層に存在する光強度を低減し高出力動作を可能にしながら、１次導波モードを抑制し基本導波モードだけのレーザ発振を安定して実現できる。さらに、基本導波モードの光強度は、図２に示したように、活性層５１５を越えて外側に広く分布して、活性層５１５に存在する光の強度がさらに低くなるため、光出射端面での瞬時光学損傷が起きる光出力を高くすることができ、その結果、さらなる高出力動作が可能となる。
【００４０】
また、活性層と各光導波層との間に、該活性層および該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層がそれぞれ設けられる。
【００４１】
したがって、活性層と各光導波層との間に高い禁制帯幅を有するキャリアブロック層をそれぞれ設けることによって、活性層でのキャリア閉じ込めと光導波層での光閉じ込めとを独立して機能させることができるため、図３および図５を参照して説明したように、ピーク波長についての半導体レーザの温度特性が向上してより高出力の動作を実現できる。
【００４３】
いくつかの用途においては、半導体レーザの発振モード形状は縦、横方向ともに単一ガウシアンプロファイルであることが望ましい。これは、単一モード化により、光密度をより高くでき、またファイバへのカップリングも容易になるからである。
【００４４】
このため屈折率の異なる層をストライプの両側に形成するＳＡＳ(self-
aligned structure)構造、ストライプの両側を彫り込むリッジ構造、イオン打ち込みによる構成原子の層間拡散などにより、横方向にも実効的な屈折率差を形成して光閉じ込め構造を形成している。
【００４５】
屈折率分布の設計において、一般には縦方向および横方向の各モード閉じ込めは互いに独立関係であると仮定しているが、実際には両者は互いに影響する。このため、縦方向のモード閉じ込めが高次モードを許容するように設計した場合、望ましくない波長分裂や横方向のモードの乱れが生じることがある。
【００４６】
そこで、本発明により、縦方向の高次モード発生を抑制することによって、横方向のモードも安定化され、良好な縦横ガウシアンプロファイルが保持され、良好な電流−出力特性を得ることができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態を示す断面図である。ｎ型ＧａＡｓから成る基板５１１の上に、ｎ型クラッド層５１２（ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ組成ｘ＝０．０７，厚さｔ＝２．８６μｍ）、ｎ型光導波層５１３（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４９μｍ）、ｎ型キャリアブロック層５１４（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、活性層５１５（Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ａｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層）、ｐ型キャリアブロック層５１６（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、ｐ型光導波層５１７（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４９μｍ）、ｐ型クラッド層５１８（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．２０，厚さｔ＝１．０８μｍ）をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）などを用いて順次製膜し、さらにｐ型クラッド層５１８の上にｐ型キャップ層５２０（ＧａＡｓ）を形成し、ｐ型キャップ層５２０の内部に一対のｎ型電流阻止層５１９（ＧａＡｓ）を埋め込んで電流注入部５０１（幅１００μｍ）を形成している。
【００４８】
共振器方向は紙面垂直方向で、共振器長は２．２ｍｍであり、共振器端面はへき開の後、光出射端面は反射率２％の光学コーティング、他の端面は反射率９６％の光学コーティングがそれぞれ施される。基板５１１の下面およびｐ型キャップ層５２０の上面には電流注入用の電極（不図示）がそれぞれ形成される。
【００４９】
図２は、図１の半導体レーザ装置５００における光導波路の屈折率分布、各モードの実効屈折率、モードプロファイルを示すグラフである。縦軸は屈折率で、横軸はｎ型クラッド層５１２とｎ型光導波層５１３との界面を原点とし、上方を正とした位置（μｍ）である。
【００５０】
屈折率分布を見ると、ｎ型クラッド層５１２の屈折率が約３．５０、ｐ型クラッド層５１８の屈折率が約３．４２となり、図７と比べて、ｎ型クラッド層５１２の屈折率が特に大きくなって、非対称スラブ型光導波路を形成している。
【００５１】
解析の結果、基本モードのプロファイルはキャリアブロック層５１４，５１６付近で僅かな凹みを有し、全体としてｎ型クラッド層５１２寄りにシフトした単峰性のカーブを示すことが判る。
【００５２】
また、基本モードおよび１次モードの実効屈折率ｎe0，ｎe1はマックスウェル方程式の固有値で定義され、数値計算によって求められ、図１の半導体レーザ装置５００ではｎe0＝３．５１３，Re（ｎe1）＝３．４９０となる。また、ｎ型クラッド層５１２およびｐ型クラッド層５１８のうち小さい方の屈折率ｎc1＝約３．４２、大きい方の屈折率ｎc2＝約３．５０であることから、 式（２）を満足しているため、１次導波モードを含む高次モードの伝搬が抑制される。
【００５３】
さらに式（１）に関して、レーザ波長λ＝９８２ｎｍ、ｎ型クラッド層５１２およびｐ型クラッド層５１８の間の厚みｔ＝約１．１５８μｍ、ｎ型光導波層５１３およびｐ型光導波層５１７の屈折率ｎw ＝３．５３８を代入すると、式（１）のカットオフ条件を満足していることが判る。
【００５４】
図３は、図１の半導体レーザ装置５００の発振スペクトルの温度変化を示すグラフである。縦軸はピーク波長（ｎｍ）で、横軸は温度（℃）である。グラフを見ると、ピーク波長が温度変化に対して直線的に変化しており、図５に示したような波長分裂が全く生じていないことが判る。
【００５５】
また、ピーク波長の温度変化率は約０．３４ｎｍ／℃を示し、これは活性層５１５の量子井戸層を構成するＩｎＧａＡｓのバンドギャップの温度変化率０．３８ｎｍ／℃(Sadao Adachi,"Physical Properties of III-V Semiconductor
Compounds",p100-105,1992,Jhon Wiley & Sons,Inc.)にほぼ一致し、理論通りのレーザ動作を確認できた。
【００５６】
図８は、本発明の実施の他の形態を示す断面図である。ここでは、レーザ光の横モードを制御するため、積層内に屈折率分布構造を形成した例を説明する。
【００５７】
ｎ型ＧａＡｓから成る基板６１１の上に、ｎ型クラッド層６１２（ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ組成ｘ＝０．０９）、ｎ型光導波層６１３（ＧａＡｓ，厚さｔ＝０．４８μｍ）、ｎ型キャリアブロック層６１４（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、活性層６１５（Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ａｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層）、ｐ型キャリアブロック層６１６（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、ｐ型光導波層６１７（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４８μｍ）、ｐ型クラッド層６１８（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．３２，ｔ＝１．０８μｍ）をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）などを用いて順次製膜し、さらにｐ型クラッド層６１８の上にｐ型キャップ層６２０（ＧａＡｓ）を形成した。また、屈折率閉じ込め構造を形成するため、ｐ型光導波層６１７の内部に一対の低屈折率のｎ型電流阻止層６１９（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．２０）を埋め込んで電流注入部６０１を形成している。
【００５８】
共振器方向は紙面垂直方向で、共振器長は１．８ｍｍであり、共振器端面はへき開の後、光出射端面は反射率２％の光学コーティング、他の端面は反射率９６％の光学コーティングがそれぞれ施される。基板６１１の下面およびｐ型キャップ層６２０の上面には電流注入用の電極（不図示）がそれぞれ形成される。
【００５９】
図９は、図８の半導体レーザ装置６００および比較例の発振特性を示すグラフである。縦軸は光出力（ｍＷ）で、横軸は注入電流（ｍＡ）である。測定条件は室温（２５℃）で、ＣＷ（連続）動作である。グラフを見ると、実施例ではモードの乱れを示すキンクは約７５０ｍＷで現われており、高い出力まで安定したモードで発振していることが判る。
【００６０】
一方、比較例の構造は、ｎ型ＧａＡｓから成る基板６１１の上に、ｎ型クラッド層６１２（ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ組成ｘ＝０．１７）、ｎ型光導波層６１３（ＧａＡｓ，厚さｔ＝０．４８μｍ）、ｎ型キャリアブロック層６１４（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、活性層６１５（Ｉｎ0.18Ｇａ0.8 2Ａｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層）、ｐ型キャリアブロック層６１６（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．４０，ｔ＝０．０３μｍ）、ｐ型光導波層６１７（ＧａＡｓ，ｔ＝０．４８μｍ）、ｐ型クラッド層６１８（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．１７）をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）などを用いて順次製膜し、さらにｐ型クラッド層６１８の上にｐ型キャップ層６２０（ＧａＡｓ）を形成した。また、屈折率閉じ込め構造を形成するため、ｐ型光導波層６１７の内部に一対の低屈折率のｎ型電流阻止層６１９（ＡｌＧａＡｓ，ｘ＝０．２０）を埋め込んで電流注入部６０１を形成している。
【００６１】
グラフを見ると、比較例ではキンクが約４００ｍＷで現われてしまい、実施例より劣ることが判る。
【００６２】
以上の説明では、キャリアブロック層５１４，５１６，６１４，６１６が存在する光導波構造について示したが、本発明はキャリアブロック層が存在しない光導波構造についても同様に適用可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、発振スペクトルの波長分裂を抑制しつつ、活性層に存在する光の強度が低減化して、光出射端面での瞬時光学損傷が起きる光出力を高くすることができ、その結果、高出力動作を実現できる。
【００６４】
また、活性層と各光導波層との間に高い禁制帯幅を有するキャリアブロック層をそれぞれ設けることによって、活性層でのキャリア閉じ込めと光導波層での光閉じ込めとを独立して機能させることができるため、半導体レーザの温度特性が向上してより高出力の動作を実現できる。
【００６５】
また本発明の手法を屈折率分布構造を有する半導体レーザに適用することによって、縦方向のモード安定性が横方向のモード安定性に寄与することになり、高い光出力までキンクなしのレーザ発振を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す断面図である。
【図２】図１の半導体レーザ装置５００における光導波路の屈折率分布、各モードの実効屈折率、モードプロファイルを示すグラフである。
【図３】図１の半導体レーザ装置５００の発振スペクトルの温度変化を示すグラフである。
【図４】半導体レーザ装置の典型的な構造を示す断面図である。
【図５】図４の半導体レーザ装置１００の発振スペクトルの温度変化を示すグラフである。
【図６】図４の半導体レーザ装置１００の発振スペクトルを示すグラフである。
【図７】図４の半導体レーザ装置１００における光導波路の屈折率分布、各モードの実効屈折率、モードプロファイルを示すグラフである。
【図８】本発明の実施の他の形態を示す断面図である。
【図９】図８の半導体レーザ装置６００および比較例の発振特性を示すグラフである。
【符号の説明】
５００，６００ 半導体レーザ装置
５０１，６０１ 電流注入部
５１１，６１１ 基板
５１２，６１２ ｎ型クラッド層
５１３，６１３ ｎ型光導波層
５１４，６１４ ｎ型キャリアブロック層
５１５，６１５ 活性層
５１６，６１６ ｐ型キャリアブロック層
５１７，６１７ ｐ型光導波層
５１８，６１８ ｐ型クラッド層
５１９，６１９ ｎ型電流阻止層
５２０，６２０ ｐ型キャップ層
Claims (2)
- 活性層の両面側に、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型の光導波層がそれぞれ設けられ、
活性層および各光導波層を挟むように、該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型のクラッド層がそれぞれ設けられた高出力の半導体レーザ装置において、
活性層と各光導波層との間に、該活性層および該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層がそれぞれ設けられ、
ｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率のうち小さい方の屈折率をｎc1、大きい方の屈折率をｎc2、基本導波モードにおける光導波路の実効屈折率をｎe0、１次導波モードにおける光導波路の実効屈折率の実部をRe(ｎe1)としたとき、次式（Ａ）と次式（２）の条件を満たし、
ｎc1 ≦ Re(ｎe1) …（Ａ）
Re(ｎe1) ＜ ｎc2 ≦ ｎe0 …（２）
ｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率を非対称に設定することによって、積層方向に高次導波モードのレーザ発振の伝播を抑制することを特徴とする半導体レーザ装置。 - 真空中でのレーザ波長をλ、ｎ型およびｐ型のクラッド層の間の厚みをｔ、ｎ型およびｐ型の光導波層の屈折率をｎw とし、ｎ型およびｐ型のクラッド層の屈折率のうち小さい方の屈折率をｎc1としたとき、光導波層およびクラッド層を含む光導波路が次式（１）の条件を満たすことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000254329A JP4523131B2 (ja) | 1999-08-27 | 2000-08-24 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11-241872 | 1999-08-27 | ||
| JP24187299 | 1999-08-27 | ||
| JP2000254329A JP4523131B2 (ja) | 1999-08-27 | 2000-08-24 | 半導体レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001144372A JP2001144372A (ja) | 2001-05-25 |
| JP4523131B2 true JP4523131B2 (ja) | 2010-08-11 |
Family
ID=26535489
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000254329A Expired - Lifetime JP4523131B2 (ja) | 1999-08-27 | 2000-08-24 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4523131B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004253776A (ja) * | 2003-01-31 | 2004-09-09 | Sharp Corp | 半導体レーザ素子及び光学式情報記録装置 |
| JP2014212186A (ja) * | 2013-04-18 | 2014-11-13 | シャープ株式会社 | 半導体レーザ素子 |
| JP7139952B2 (ja) * | 2019-01-08 | 2022-09-21 | 日本電信電話株式会社 | 半導体光素子 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05152680A (ja) * | 1991-11-29 | 1993-06-18 | Nec Corp | 半導体レーザとその製造方法 |
| WO1993016513A1 (fr) * | 1992-02-05 | 1993-08-19 | Mitsui Petrochemical Industries, Ltd. | Element laser a semi-conducteur et laser fabrique au moyen d'un tel element |
| JPH08195529A (ja) * | 1995-01-17 | 1996-07-30 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体レーザエピタキシャル結晶積層体および半導体レーザ |
| WO1997050158A1 (fr) * | 1996-06-24 | 1997-12-31 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Laser semi-conducteur |
| JPH10190127A (ja) * | 1996-12-26 | 1998-07-21 | Mitsui Chem Inc | 半導体レーザ素子 |
| JPH1187856A (ja) * | 1997-09-16 | 1999-03-30 | Toshiba Corp | 窒化ガリウム系化合物半導体レーザ及びその製造方法 |
-
2000
- 2000-08-24 JP JP2000254329A patent/JP4523131B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05152680A (ja) * | 1991-11-29 | 1993-06-18 | Nec Corp | 半導体レーザとその製造方法 |
| WO1993016513A1 (fr) * | 1992-02-05 | 1993-08-19 | Mitsui Petrochemical Industries, Ltd. | Element laser a semi-conducteur et laser fabrique au moyen d'un tel element |
| JPH08195529A (ja) * | 1995-01-17 | 1996-07-30 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体レーザエピタキシャル結晶積層体および半導体レーザ |
| WO1997050158A1 (fr) * | 1996-06-24 | 1997-12-31 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Laser semi-conducteur |
| JPH10190127A (ja) * | 1996-12-26 | 1998-07-21 | Mitsui Chem Inc | 半導体レーザ素子 |
| JPH1187856A (ja) * | 1997-09-16 | 1999-03-30 | Toshiba Corp | 窒化ガリウム系化合物半導体レーザ及びその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001144372A (ja) | 2001-05-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7457340B2 (en) | High coherent power, two-dimensional surface-emitting semiconductor diode array laser | |
| US8319229B2 (en) | Optical semiconductor device and method for manufacturing the same | |
| JP5717726B2 (ja) | 大出力パワー用の横結合を持つｄｆｂレーザダイオード | |
| US6141365A (en) | Semiconductor laser with kink suppression layer | |
| US8457452B2 (en) | Integrated semiconductor optical device | |
| JP2009295680A (ja) | 半導体レーザ装置 | |
| US8472760B2 (en) | Integrated semiconductor optical device | |
| US6885686B2 (en) | High coherent power, two-dimensional surface-emitting semiconductor diode array laser | |
| JP5143985B2 (ja) | 分布帰還型半導体レーザ素子 | |
| JP5310533B2 (ja) | 光半導体装置 | |
| JP4523131B2 (ja) | 半導体レーザ装置 | |
| US6546032B1 (en) | Semiconductor laser apparatus | |
| US20230361535A1 (en) | Semiconductor laser device | |
| RU2443044C1 (ru) | Инжекционный лазер | |
| JPH0290688A (ja) | 分布帰還型半導体レーザ | |
| JP7304978B2 (ja) | 半導体レーザ装置 | |
| JPH11238940A (ja) | 半導体レーザの製造方法および該方法による半導体レーザ | |
| JPS63228795A (ja) | 分布帰還型半導体レ−ザ | |
| JP4309636B2 (ja) | 半導体レーザおよび光通信用素子 | |
| JP5092928B2 (ja) | 光半導体装置 | |
| JP3595677B2 (ja) | 光アイソレータ、分布帰還型レーザ及び光集積素子 | |
| JP5163355B2 (ja) | 半導体レーザ装置 | |
| Qiu et al. | Improved 808-nm High-Power Laser Performance With Single-Mode Operation (Vertical Direction) in Large Optical Cavity Waveguide | |
| US20120195337A1 (en) | Semiconductor laser | |
| JP2008034886A (ja) | 半導体レーザ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050705 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080724 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080729 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080925 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090609 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090806 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100525 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100527 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4523131 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130604 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130604 Year of fee payment: 3 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |