JP4749582B2

JP4749582B2 - 半導体レーザ装置およびそれを用いた通信システム

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Publication number: JP4749582B2
Application number: JP2001090385A
Authority: JP
Inventors: 忠高野; 直行森本; 知朗戸田; 秀典河西
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: JP2002329926A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ストライプ領域の幅が広いにも拘らず、横モードが安定して、サイドローブが低い遠視野像を有する大出力の半導体レーザ装置、および、それを用いた光無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ストライプ構造の半導体レーザ装置は、光通信技術および光メモリ技術の分野に多く利用されている。この半導体レーザ装置は、発光ストライプ領域の幅を５μｍ以下にして、単一の横モードでレーザ発振をさせて、発光特性を安定させている。しかし、近年、大容量の音声および画像データを扱うマルチメディア機器の普及に伴って、光通信技術においてはデータの伝送速度の高速化、光メモリ技術においてはデータの読み書き速度の高速化が要求されている。その結果、光通信機器および光メモリ機器に用いられる半導体レーザ装置に対して大出力化の要求が高まっている。そこで、最近、半導体レーザ装置の発光ストライプ領域の幅を５０μｍ以上に広げてレーザ光の幅を広げて、大出力にした半導体レーザ装置が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記半導体レーザ装置は、発光ストライプ領域の幅が広いので、固有横モードが複数生じる。この複数のモードが混在した状態でレーザ光が発振すると、半導体レーザ装置の発光特性が不均一になる。また、上記複数のモードの閾値利得は極めて近接しているので、この半導体レーザ装置の発振モードは容易に変化して、横モードが不安定になる。その結果、半導体レーザ装置の発光強度が不均一になって、レーザ光の幅方向の強度分布がフィラメント状に細くなるフィラメント発振を引き起こす場合がある。図１３は、１００μｍの幅を有する発光ストライプ領域を備えた半導体レーザ装置の近視野像であり、レーザ光の幅方向における光強度分布図である。図１３から分かるように、レーザ光の幅方向において局部的に光の強い領域が複数生じて、フィラメント発振が起きている。このレーザ光の遠視野像は、図１４の光強度分布図に示すように、中心軸以外の方向に複数のピークを有する。
【０００４】
この半導体レーザ装置は光電界の位相分布が不均一なため、遠視野像は回折限界のパターンが得られず複峰化する。よって、上記半導体レーザ装置を例えば空間光通信機器の発信機の光源に用いると、この光通信機器の受信機は、上記発信機からの複数の光強度ピークを有するレーザ光のうち最大ピークの光しか受信できないため、上記最大ピーク以外の光は全て損失となって、光通信機器の効率と通信精度が悪くなるという問題がある。また、この半導体レーザ装置を光メモリ装置に用いると、レーザ光の光強度分布が不均一で、レーザ光を単一焦点に集光できないので、データの蓄積密度が低くなるという問題が生じる。
【０００５】
そこで、本発明は、発光ストライプ領域の幅が広くて大出力であるにも拘らず、横モードが安定して、かつ、遠視野像の光強度が、主ピークのみが強くてサイドローブが極めて小さい半導体レーザ装置と、それを用いた光無線通信システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体レーザ装置は、発光ストライプ領域を含む活性層およびその両側に位置する層を有する半導体レーザ装置において、上記発光ストライプ領域が生成すべき、あるいは生成した光電界の振幅および位相の分布を補正する補正領域を備え、上記補正領域は、上記発光ストライプ領域の少なくとも一方の共振器端面を形成する曲面であり、上記曲面は、発光ストライプ領域の幅方向両端部に位置する２個の凹面を有することを特徴としている。
【０００７】
上記半導体レーザ装置によれば、上記補正領域が光電界の振幅および位相の分布を補正する。したがって、この半導体レーザ装置が出射するレーザ光の振幅および位相の分布は、所望の分布状態にすることができる。
また、上記半導体レーザ装置によれば、上記補正領域としての共振器端面を形成する曲面が、光電界の振幅および位相の分布を補正して所望の分布状態になる。
また、上記半導体レーザ装置によれば、上記曲面は上記発光ストライプ領域の幅方向両端部に位置する２個の凹面、すなわち、共振器内部に向う凸面であるので、光電界の振幅および位相の分布が効果的に補正されて、所望の分布状態になる。
【０００８】
１実施形態の半導体レーザ装置では、上記補正領域によって補正された上記光電界の振幅および位相の分布は、予め定めた遠視野像を逆フーリエ変換して求めた振幅および位相の分布に、略一致している。
【０００９】
上記半導体レーザ装置によれば、上記補正領域によって補正された上記光電界の振幅および位相の分布が、予め定めた遠視野像を逆フーリエ変換して求めた振幅および位相の分布に略一致しているので、このレーザ光の遠視野像が、上記予め定めた遠視野像と略同じになる。
【００１０】
１実施形態の半導体レーザ装置では、上記予め定めた遠視野像は、単峰、もしくはサイドローブが実質的に無い遠視野像である。
【００１１】
上記半導体レーザ装置によれば、単峰、もしくはサイドローブが実質的に無い遠視野像を逆フーリエ変換して求めた振幅および位相の分布をなすように、上記補正領域が光電界の振幅および位相の分布を補正する。したがって、この半導体レーザ装置が出射するレーザ光の遠視野像は、単峰、もしくはサイドローブが実質的に無い遠視野像になる。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
１実施形態の半導体レーザ装置では、上記補正領域は、発光ストライプ領域の幅方向両端部の光の位相を、発光ストライプ領域の幅方向中央部の光の位相よりも進ませる。
【００３１】
上記半導体レーザ装置によれば、上記補正領域が、発光ストライプ領域の幅方向両端部の光の位相を、発光ストライプ領域の幅方向中央部の光の位相よりも進ませて、光電界の振幅および位相の分布を補正する。したがって、上記光電界を所望の分布状態にできる。
【００３２】
１実施形態の半導体レーザ装置では、上記補正領域は、上記発光ストライプ領域の少なくとも片側の層に形成されて、光を吸収する材料からなる。
【００３３】
上記半導体レーザ装置によれば、上記発光ストライプ領域の少なくとも片側の層に形成された補正領域が、発光ストライプ領域内を共振する光を吸収する。したがって、光電界の振幅および位相の分布が効果的に補正されて、所望の分布状態になる。
【００３４】
【００３５】
【００３６】
１実施形態の半導体レーザ装置では、上記発光ストライプ領域の幅が７μｍ以上である。
【００３７】
上記半導体レーザ装置によれば、７μｍ以上の幅の発光ストライプ領域を有する場合に、光電界の振幅および位相の分布が特に効果的に補正されて、所望の分布状態になる。すなわち、上記レーザ光の遠視野像が単峰、もしくはサイドローブが実質的に無くて、光通信機器や光メモリ機器に好適なレーザ光になる。
【００３８】
本発明の光無線通信システムは、上記半導体レーザ装置を用いた送信装置を備える。
【００３９】
上記構成によれば、高出力かつ単峰の放射パターンのレーザ光が得られる半導体レーザ装置を用いた送信装置を備えるので、通信効率と通信精度が良好な光無線通信システムが得られる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ装置の平面図である。この半導体レーザ装置１は、発光ストライプ領域２を有し、この発光ストライプ領域２の幅ｂは略１００μｍである。上記半導体レーザ装置１は、光出射端面３に、上記発光ストライプ領域２の幅方向の略両端に位置する２個の凹面４，４を備える。この凹面４，４は、上記端面３の両端部および中央部に対して、８．２ｎｍの深さＬｒを有する。この凹面４，４の深さＬｒおよび位置は、半導体レーザ装置１の光出射端面３から出射された光の光電界が、光の幅方向に図２（ａ）の強度分布および図２（ｂ）の位相分布を有する近視野像をなすように決められている。ここで、図２（ａ）は、光の幅方向位置における振幅を示し、図２（ｂ）は、光の幅方向位置における位相を示す。この図２（ａ）の強度分布および図２（ｂ）の位相分布は、図３に示す予め定めた遠視野像としての光強度分布を、逆フーリエ変換して求めている。ここで、図３は、レーザ光の中央を中心とした放射角における角度方向の振幅を示している。図３の光強度分布は、光の角度方向において強い主ピーク１０を１個だけ有し、この主ピーク１０の両側のサイドローブ１１，１１は非常に小さい。
【００４２】
この半導体レーザ装置１は、以下のようにして製造する。まず、図示しないｎ型半導体基板上に、ｎ型クラッド層と、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とを順次結晶成長して積層体を得る。次に、この積層体を劈開して、反射鏡面を有する端面５を形成する。さらに、この端面５に対向する面に、ＣＡＩＢＥ（化学的補助イオンビームエッチング）法によるドライエッチングを行って、凹面４，４を有する端面３を形成する。最後に、上記積層体の下面に図示しないｎ側電極を形成する一方、積層体の上面に図示しないｐ側電極を形成して半導体レーザ装置１が完成する。
【００４３】
上記構成の半導体レーザ装置１に、閾値以上の電流を流すと、発光ストライプ領域２においてレーザ発振が起こって、光出射端面３からレーザ光が出射される。このレーザ光は、上記端面３の発光ストライプ領域２の両端周辺部に設けた２個の凹面４，４によって振幅と位相が変化して、上記端面３から出射した直後の光電界、すなわち近視野像が、光の幅方向において図２（ａ）の強度分布と図２（ｂ）の位相分布を有する。この近視野像を有するレーザ光は、遠視野像が、図３に示す強度分布と略同じになる。すなわち、この半導体レーザ装置１によれば、光の幅方向においてピークが単一でサイドローブが殆ど無い遠視野像が得られ、したがって、光通信機器や光メモリ機器に好適なレーザ光を得ることができる。
【００４４】
上記実施形態は、光出射端面３に凹面４，４を設けたのみであったが、この端面３に、例えばＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）膜等の反射率を低下させる誘電体膜を、レーザ光の４分の１波長の厚さにして配置すると、半導体レーザ装置がさらに大出力になる。
【００４５】
また、上記実施形態は、凹面４，４を有する光出射側端面３を、ＣＡＩＢＥ法によって形成したが、例えばＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）法、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法等他の方法によって形成してもよい。
【００４６】
また、上記実施形態は、光出射端面３のみに凹面４，４を設けたが、光出射端面３に対向する端面５にも凹面を設けて、両方の端面３，５によって発光ストライプ領域２で共振する光の位相と振幅を変化させて、レーザ光の近視野像に所望の強度分布と位相分布をなすようにしてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態は、凹面４，４の深さＬｒおよび位置は、上記レーザ光の端面３における近視野像が、幅方向に図２（ａ）の強度分布および図２（ｂ）の位相分布をなすように定めたが、この近視野像は図２（ａ），（ｂ）のみに限られず、図４（ａ），（ｂ）に示す形状と略同じであればよい。ここで、図４（ａ）は、光の幅方向位置における光強度の分布形状を示し、図４（ｂ）は、光の幅方向位置における位相の分布形状を示す。すなわち、図４（ａ），（ｂ）に示すように、レーザ光の幅方向の光強度分布１５が、幅方向位置の‐ｗからｗまでの発光領域において略一定で、かつ、レーザ光の幅方向の位相分布１６が、発光領域の中央部で略一定であると共に、発光領域の両端部付近で発光領域の中央部よりも位相が進むように、端面に備える凹面の深さおよび位置を決めればよい。さらに、位相が進むピークの箇所は、上記発光ストライプ領域２の両端よりも若干内側であるのが好ましい。レーザ光の近視野像が、図４（ａ），（ｂ）に示す光強度分布形状と位相分布形状を有していれば、このレーザ光の遠視野像は、略図３に示す光強度分布になる。
【００４８】
なお、図４（ａ）の光強度分布１５において、発光領域における値は直線をなす必要はなく、多少変動する曲線でもよい。また、図４（ｂ）の位相分布１６において、発光領域の中央周辺部における値は直線をなす必要はなく、多少変動する曲線でもよい。
【００４９】
また、上記実施形態において、予め定めた遠視野像は、図３に示すようなピークが単一でサイドローブが殆ど無い単一ローブの遠視野像を用いたが、半導体レーザ装置に要求される性能に応じて、サイドローブが多少含まれる遠視野像を用いてもよい。
【００５０】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態の半導体レーザ装置を示す平面図である。この半導体レーザ装置２１は、発光ストライプ領域２２を有し、レーザ光の出射端面２３の外側面に、Ａｌ₂Ｏ₃膜からなる第１誘電体２４を備え、この第１誘電体２４の外側面に、上記発光ストライプ領域２２の幅よりも狭い幅を有するＳｉＮｘ（窒化シリコン）膜からなる第２誘電体２５を備える。
【００５１】
この半導体レーザ装置２１は、以下のように製造する。第１実施形態と同じ積層体を結晶成長によって形成した後、この積層体を劈開して反射鏡面としての端面２３，２７を形成する。次に、レーザ光の出射側の端面２３に、Ａｌ₂Ｏ₃膜からなる第１誘電体２４を形成して、さらに、この第１誘電体２４の外側面に、ＳｉＮｘ膜を形成する。その後、このＳｉＮｘ膜の幅方向の中央に、発光ストライプ領域２２よりも狭い幅を有する図示しない帯状のレジストパターンを形成する。そして、フッ酸溶液によって、レジストパターンを施していない位置のＳｉＮｘ膜をエッチング除去して、第２誘電体２５を形成する。その後、上記レジストパターンを除去する。最後に、積層体の上面と下面とに図示しない電極を設置して、半導体レーザ装置２１が完成する。
【００５２】
この半導体レーザ装置２１に閾値以上の電流を流すと、発光ストライプ領域２２においてレーザ発振が起こって、光出射端面２３からレーザ光が出射される。この端面２３から出射されたレーザ光は、第１誘電体２４を通過した後、レーザ光の幅方向において中央部周辺の光は、さらに第２誘電体２５を通る一方、レーザ光の幅方向において両端部周辺の光は、空気中に放出される。すなわち、レーザ光の中央部周辺の光と両端部周辺の光との間で、光の経路の屈折率と経路長との積からなる光学的長さが異なる。この光学的長さの違いによって、レーザ光の光強度分布と位相分布が変わる。ここにおいて、上記第１誘電体２４と第２誘電体２５の寸法と屈折率は、レーザ光の近視野像が図４（ａ）の光強度分布形状と図４（ｂ）の位相分布形状をなすように決められている。そのため、この半導体レーザ装置２１のレーザ光の遠視野像は、図３に示す遠視野像と略同じになる。したがって、この半導体レーザ装置２１によれば、遠視野像の光強度分布が、ピークが単一でサイドローブが殆ど無くて、光通信機器や光メモリ機器に好適なレーザ光を得ることができる。
【００５３】
上記実施形態は、第２誘電体２５は幅方向に一定の厚さを有するが、例えばシャドウマスクを用いたエッチングなどによって幅方向に異なる膜厚を形成して、近視野像が所望の光強度分布と位相分布になるようにしてもよい。
【００５４】
また、上記実施形態は、第１誘電体２４と第２誘電体２５とを用いて光学的長さを変えたが、誘電体を１個だけ用いて、その誘電体の膜厚を幅方向に変化させて光学的長さを変えてもよい。
【００５５】
（第３実施形態）
図６（ａ）は、本発明の第３実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。この半導体レーザ装置３１は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・砒素／ガリウム・砒素）系の半導体レーザ装置であり、ｎ型ＧａＡｓ基板３２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３３、アンドープＡｌＧａＡｓ活性層３４、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３７とを備える。さらに、上記ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３７の表面からｐ型クラッド層３６に達する深さを有して、上記活性層３４に形成される発光ストライプ領域３８の幅方向両端部の上方に、不純物の導入領域としての２個の亜鉛拡散部分３９，３９を備える。この亜鉛拡散部分３９，３９は、５×１０¹⁸ｃｍ^-3の亜鉛濃度を有する。この亜鉛拡散部分３９，３９は、上記発光ストライプ領域３８の幅方向中心部周辺の屈折率を、発光ストライプ領域３８の幅方向両端部の屈折率よりも大きくしている。ここにおいて、屈折率の最も低くなる箇所が、上記発光ストライプ領域３８の両端よりも若干内側であるのが好ましい。図６（ｂ）は、亜鉛拡散部分３９，３９によって形成された発光ストライプ領域３８の屈折率分布を示す図であり、横軸の原点が発光ストライプ領域３８の横方向中央で、横軸の−ｗからｗまでの領域が発光ストライプ領域３８である。図６（ｂ）において、発光ストライプ領域３８の幅方向両端部の屈折率を、幅方向中心部周辺の屈折率よりも小さくして、屈折率の差を７．５×１０^-4（図６（ｂ）に示すｃ）にしている。この屈折率分布によって、上記発光ストライプ領域から出射されたレーザ光の近視野像が、図４（ａ），（ｂ）に示す光強度分布形状と位相分布形状になる。
【００５６】
この半導体レーザ装置３１は、以下のようにして製造する。ｎ型ＧａＡｓ基板３２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３３と、アンドープＡｌＧａＡｓ活性層３４と、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３６と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３７とを、順次結晶成長して積層する。その後、上記ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３７の上面から、上記活性層３４の発光ストライプ領域３８の両端部上方位置において、ｐ型不純物としての亜鉛を拡散する。この亜鉛を、ｐ型クラッド層３６に達するが活性層３４には届かない深さに、かつ、上記発光ストライプ領域３８の両端部上方に拡散して、２個の亜鉛拡散部分３９，３９を形成する。最後に、ｎ型ＧａＡｓ基板３２の底面と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３７の上面とに図示しない電極を配置して、半導体レーザ装置３１が完成する。
【００５７】
上記構成の半導体レーザ装置３１に閾値以上の電流を流すと、発光ストライプ領域３８でレーザ発振が起こって、図示しない出射端面からレーザ光が出射される。上記発光ストライプ領域３８は、亜鉛拡散部分３９，３９によって、図６（ｂ）に示す屈折率分布が形成されているので、光電界が図４（ａ）の光強度分布形状と図４（ｂ）の位相分布形状をなして、レーザ光の遠視野像が図３と略同じになる。したがって、この半導体レーザ装置３１のレーザ光は、遠視野像の光強度分布が、ピークが単一でサイドローブが殆ど無くて、光通信機器や光メモリ機器に好適になる。なお、この半導体レーザ装置３１は、発光ストライプ領域３８の幅を３００μｍにした場合も、安定な単一ローブの遠視野像を得ることができる。
【００５８】
上記実施形態は、ｐ型コンタクト層３７の上面から亜鉛を拡散させたが、上記ｐ型コンタクト層３７の亜鉛を拡散する領域を予めエッチング除去した後、このエッチング除去部分から亜鉛を拡散してもよく、そうすると、亜鉛の拡散時間を大幅に短縮できる。
【００５９】
上記実施形態は、ｐ型コンタクト層からｐ型不純物としての亜鉛を拡散させたが、ｎ型基板側から例えばシリコン等のｎ型不純物を拡散させても同じ効果が得られる。ｎ型不純物を拡散させた場合、ｐ型不純物よりも少ない濃度で、発光ストライプ領域に高い屈折率変化を与えることができる。
【００６０】
また、上記実施形態では、拡散によって半導体レーザ装置に亜鉛を導入したが、イオン打ち込み等他の方法で不純物を導入してもよい。
【００６１】
また、上記実施形態では、亜鉛を５×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度で拡散したが、この濃度に限られる必要はなく、発光ストライプ領域に所望の屈折率分布が得られる濃度であればよい。
【００６２】
また、上記実施形態では、発光ストライプ領域の屈折率分布における屈折率の最大値と最小値との差は７．５×１０^-4（図６（ｂ）においてｃ）であるが、この屈折率の差は７．５×１０^-4に限定する必要はなく、図４（ａ），（ｂ）に示す強度分布形状と位相分布形状をなす近視野像が得られる屈折率分布であれば、異なる値でもよい。
【００６３】
また、上記実施形態では、亜鉛拡散部分の長さは、半導体レーザ装置３１の一端面から他端面までの全共振器長に亘ったが、亜鉛拡散部分の長さは全共振器長に限る必要はなく、半導体レーザ装置の一端面と他端面の間の部分であってもよい。
【００６４】
さらに、上記実施形態では、半導体レーザ装置３１に導入する不純物として亜鉛を用いたが、他のものでもよい。また、半導体レーザ装置３１は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系半導体レーザ装置であったが、他の材料による半導体レーザ装置でもよい。例えば、活性層にＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）を用いると、発振波長が９００ｎｍ帯の半導体レーザ装置を得られる。また、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）系の材料を用いてもよい。
【００６５】
（第４実施形態）
図７は本発明の第４実施形態の半導体レーザ装置の断面図である。この半導体レーザ装置４１は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素・リン／ガリウム・砒素）系の半導体レーザ装置であり、ｎ型ＧａＡｓ基板４２上に、ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層４３と、アンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ活性層４４と、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４５と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４６とを備える。ここで、上記ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層４３と、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４５は、Ｉｎ組成比を４９％にして、ＧａＡｓと格子整合するようにしている。また、活性層４４は、厚さ３０ｎｍの図示しないＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ_0.74Ｐ_0.26単一量子井戸層を、図示しないＩｎ_0.37Ｇａ_0.63Ａｓ_0.25Ｐ_0.75バリア層で挟んで形成している。この活性層４４は、発光ストライプ領域４８を有し、この発光ストライプ領域４８の両端部の上方に、２個のｐ型ＡｌＧａＡｓ屈折率制御層４９，４９を備える。この屈折率制御層４９，４９は、所定の幅を有すると共に、上記ｐ型コンタクト層４６の上面からｐ型クラッド層４５に達する深さを有する。さらにこの屈折率制御層４９，４９は、Ａｌの混晶比を０．５にして、上記ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４５よりも屈折率が小さくなるようにしている。この屈折率制御層４９，４９の寸法および屈折率は、上記発光ストライプ領域４８に、図６（ｂ）に示すような屈折率分布を形成するように、決められている。ここにおいて、屈折率が最も低くなる箇所は、上記発光ストライプ領域４８の両端よりも若干内側であるのが好ましい。
【００６６】
この半導体レーザ装置４１は、以下のように製造する。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板４２上に、ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層４３と、アンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ活性層４４と、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４５と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４６とをＭＢＥ（分子線エピタキシー）法によって結晶成長する。次に、上記ｐ型コンタクト層４６の表面にＳｉＯ₂膜を形成してパターニングした後、発光ストライプ領域４８の両端部上方に位置して共振器方向に延びる２本のストライプ状の溝をエッチングする。このエッチング溝は、所定の幅を有すると共に、上記ｐ型クラッド層４５に達して上記活性層４４の上面の上方０．２μｍに達する深さを有するようにする。その後、上記ＳｉＯ₂膜をそのまま選択成長マスクとして利用して、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法によって、上記エッチング溝のみにｐ型ＡｌＧａＡｓを埋め込んで、２つの屈折率制御層４９，４９を形成する。最後に、積層体の両端部のＳｉＯ₂膜５１，５１を残すように屈折率制御層４９，４９の周辺のＳｉＯ₂膜を除去した後、積層体の上面と下面とに図示しないオーム性電極を配置して、半導体レーザ装置が完成する。
【００６７】
上記構成の半導体レーザ装置４１に閾値以上の電流を流すと、発光ストライプ領域４８でレーザ発振が起こって、図示しない出射端面からレーザ光が出射される。上記発光ストライプ領域４８には、上記屈折率制御層４９，４９によって、図６（ｂ）に示すような屈折率分布が形成されている。したがって、レーザ光の近視野像が図４（ａ）の光強度分布形状と図４（ｂ）の位相分布形状になって、遠視野像が図３と略同じになる。したがって、この半導体レーザ装置４１のレーザ光は、遠視野像の幅方向の光強度分布が、ピークが単一でサイドローブが殆ど無くて、光通信機器や光メモリ機器に好適なレーザ光になる。なお、この半導体レーザ装置４１の発振波長は８０８ｎｍである。
【００６８】
上記実施形態は、屈折率制御層４９としてのｐ型ＡｌＧａＡｓは、混晶比が０．５であったが、屈折率制御層の結晶比は０．５に限らず、発光ストライプ領域４８に所望の屈折率分布を形成する他の結晶比でもよい。
【００６９】
上記実施形態は、屈折率制御層４９の材料にｐ型ＡｌＧａＡｓを用いたが、発光ストライプ領域４８に所望の屈折率分布を形成する他の材料でもよい。
【００７０】
上記実施形態の半導体レーザ装置４１は、発振波長が８０８ｎｍであるが、活性層４４の材料や、屈折率制御層４９の材料や寸法を変更して所定の波長を得るようにしてもよい。
【００７１】
上記実施形態の半導体レーザ装置４１は、エッチング溝に屈折率制御層４９を形成したが、上記エッチング溝の深さを浅くして、この溝に半導体を埋め込まずに溝の表面にＳｉＯ_２等の誘電体膜を設けて、電流狭窄によって発光ストライプ領域４８に屈折率分布を形成しても同様の効果が得られる。さらに、上記エッチング溝を、活性層を通過してｎ型クラッド層４３に達する深さまでエッチングして、このエッチング溝に発光領域よりも低い屈折率を有する半導体を成長して、埋込み型半導体レーザにしてもよい。この場合、発光領域と埋込み層との屈折率の変化が大きくなるので、近視野像が図４（ａ），（ｂ）の光強度分布形状と位相分布形状をなすように、埋込み層の混晶比を適当に制御する必要がある。
【００７２】
（第５実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。
【００７３】
この半導体レーザ装置５５は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の半導体レーザ装置であり、ｎ型ＧａＡｓ基板５６上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５７と、アンドープＧａＡｓ活性層５８と、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５９と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６１とを積層してなる積層体を有する。さらに、この積層体の上方両端の角部に、活性層５８の上面から０．２μｍ上方に達する深さを有するｎ型ＧａＡｓ光吸収層６２，６２を備える。この光吸収層６２，６２は、活性層５８で発振するレーザ光の一部を吸収することによって、半導体レーザ装置５５に等価屈折率分布を形成する。上記光吸収層６２，６２の材料および寸法は、上記等価屈折率分布が図６（ｂ）に示す屈折率分布と略一致するように決められている。
【００７４】
この半導体レーザ装置５５は、以下のように製造する。ｎ型ＧａＡｓ基板５６上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５７と、アンドープＧａＡｓ活性層５８と、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５９と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６１とを順次結晶成長して積層体を形成する。その後、上記ｐ型コンタクト層６１の上面に、１０μｍの幅を有するストライプ状のＳｉＯ₂マスクを形成して、このマスクを配置していない領域のｐ型コンタクト層６１とｐ型クラッド層５９とをエッチング除去する。このときのエッチング深さは、アンドープＧａＡｓ活性層５８の上面から上方に０．２μｍの厚さでｐ型クラッド層５９が残る深さにしている。引き続き、上記ＳｉＯ_２マスクを選択成長マスクとして利用して、上記エッチング除去部分にｎ型ＧａＡｓを成長して光吸収層６２，６２を形成する。最後に、この積層体の上面と下面とに図示しない電極を配置して、半導体レーザ装置５５が完成する。
【００７５】
この半導体レーザ装置５５に閾値以上の電流を流すと、活性層５８の発光ストライプ領域６４において、レーザ光が発振して、図示しない出射端面からレーザ光が出射される。このとき、上記発光ストライプ領域６４において発振する光の１部が上記光吸収層６２によって光吸収されて光の位相の遅れが生じて、発光ストライプ領域６４に等価屈折率分布が形成される。この等価屈折率分布は、図６（ｂ）に示す屈折率分布と略一致するように形成されているので、この発光ストライプ領域６４で発振したレーザ光は図４（ａ），（ｂ）に示す光強度分布形状と位相分布形状とを有する近視野像になる。したがって、このレーザ光の遠視野像は、図３に示す光強度分布と略同じになる。すなわち、この半導体レーザ装置５５のレーザ光は、遠視野像が、ピークが単一でサイドローブが殆ど無くて、光通信機器や光メモリ機器に好適になる。
【００７６】
上記実施形態は、光吸収層としてｎ型ＧａＡｓを用いたが、光吸収層の材料はレーザ光を吸収する材料であれば他の半導体でもよく、また、例えば金などの金属でもよい。
【００７７】
（第６実施形態）
図９は、本発明の第６実施形態の半導体レーザ装置を示す断面図である。この半導体レーザ装置６６は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン／インジウム・リン）系の半導体レーザ装置であり、ｎ型ＩｎＰ基板６７上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層６８、アンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ活性層６９、ｐ型ＩｎＰクラッド層７１、ｐ型ＩｎＰコンタクト層７２を備える。上記ｐ型コンタクト層７２の上面には、上記活性層６９の発光ストライプ領域７３の両端部上方に位置してＩｎＡｓＰからなる２個の応力印加部７４，７４を備える。この応力印加部７４，７４は、ｐ型コンタクト層７２のＩｎＰよりも格子定数が大きいＩｎＡｓＰからなるので、このｐ型コンタクト層７２に応力を印加する。この応力は、上記ｐ型コンタクト層７２のみならず、ｐ型クラッド層７１にも伝わって、発光ストライプ領域７３周辺部分の屈折率を低下させる。この屈折率の低下によって、図６（ｂ）に示す屈折率分布をなすようにしている。
【００７８】
この半導体レーザ装置６６は、以下のようにして製造する。まず、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型ＩｎＰ基板６７上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層６８と、アンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ活性層６９と、ｐ型ＩｎＰクラッド層７１と、ｐ型ＩｎＰコンタクト層７２とを順次結晶成長して積層体を形成する。次に、上記ｐ型コンタクト層７２の上面に図示しないＩｎＡｓＰ膜を形成した後、このＩｎＡｓＰ膜をエッチングして、発光ストライプ領域７３の両端部上方に位置するストライプ状の応力印加部７４，７４を形成する。この応力印加部７４，７４は所定の幅を有すると共に、半導体レーザ装置６６の一端面から他端面までの共振器長に亘る長さを有して形成される。この応力印加部７４，７４は、積層体の表面のみをエッチングして形成できるので、半導体レーザ装置の製造プロセスが簡単である。最後に、上記ｐ型コンタクト層７２の上面と、上記ｎ型基板６７の下面とに、図示しない電極を配置して半導体レーザ装置６６が完成する。
【００７９】
この半導体レーザ装置６６に閾値以上の電流を流すと、上記活性層６９の発光ストライプ領域７３でレーザ発振が生じて、レーザ光が出射される。このとき、上記発光ストライプ領域７３には、応力印加部７４，７４によって図６（ｂ）に示す屈折率分布が形成されているので、この半導体レーザ装置６６から出射されるレーザ光の近視野像は、図４（ａ），（ｂ）に示す光強度分布形状と位相分布形状をなす。したがって、このレーザ光は、遠視野像が略図３に示すような光強度分布になって、ピークが単一でサイドローブが殆ど無くて、光通信機器や光メモリ機器に好適なレーザ光になる。
【００８０】
上記実施形態において、応力印加部７４，７４はＩｎＡｓＰによる半導体材料を用いたが、応力印加部は、半導体に限らず応力を印加できれば金属等の他の材料でもよい。
【００８１】
また、上記実施形態において、応力印加部７４，７４はｐ型コンタクト層７２の上面に配置したが、例えばｐ側電極等の、半導体からなる積層体以外の部分に配置してもよく、要は発光ストライプ領域７３に図６（ｂ）に示すような屈折率分布を形成するように応力を印加できれば、応力印加部はどこに配置してもよい。また、応力印加部の個数は１個でも２個以上の複数でもよい。
【００８２】
（第７実施形態）
図１０は、本発明の第７実施形態の半導体レーザ装置の平面図である。この半導体レーザ装置７７は、図示しないｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層を配置したダブルへテロ構造の半導体の積層体を備える。上記ｐ型クラッド層の上にｐ型コンタクト層７８を配置して、このｐ型コンタクト層７８の上面にはｐ側電極８０，８１，８１，８２，８２を配置している。このｐ側電極８０，８１，８１，８２，８２は、図示しない活性層において３００μｍの幅を有する発光ストライプ領域の上方に、共振器方向に平行に配置している。このｐ側電極８０，８１，８１，８２，８２は、半導体レーザ装置７７の幅方向の中央に位置する中央電極８０と、この中央電極８０の両側に配置された２個の内側電極８１，８１と、さらにこの内側電極８１，８１の両外側に配置された２個の外側電極８２，８２とからなる。一方、図示しないｎ側電極は、この半導体レーザ装置７７の下面に設けている。上記中央電極８０と、内側電極８１，８１と、外側電極８２，８２は、夫々互いに異なる大きさの電流を流して、上記図示しない発光ストライプ領域に注入するキャリアの量を幅方向において変えるようにしている。そうすることによって、発光ストライプ領域におけるプラズマ効果の量を幅方向に変えて、図６（ｂ）に示す屈折率分布を形成するようにしている。ここにおいて、屈折率が最も低くなる箇所は、発光ストライプ領域の両端よりも若干内側であるのが好ましい。なお、上記ｐ型コンタクト層７８は、発光ストライプ領域に注入するキャリアが幅方向に拡散しないように、薄く形成している。
【００８３】
上記構成の半導体レーザ装置７７の上記ｐ側電極８０，８１，８１，８２，８２に、内側電極８１，８１が、上記中央電極８０と外側電極８２，８２よりも小さい所定の電流を流して、レーザ光を生成する。このとき、発光ストライプ領域に注入されるキャリアの量は、発光ストライプ領域の屈折率に反比例するので、発光ストライプ領域の内側電極８１，８１の下方周辺部が、中央電極８０と外側電極８２，８２の下方周辺部よりも屈折率が大きくなる。そうすると、発光ストライプ領域の幅方向に図６（ｂ）に示すような屈折率分布が形成されて、レーザ光の近視野像が図４（ａ），（ｂ）に示す光強度分布形状と位相分布形状をなす。その結果、この半導体レーザ装置７７は、遠視野像が図３と略同じになって、ピークが単一でサイドローブが殆ど無くて、光通信機器や光メモリ機器に好適なレーザ光を得ることができる。
【００８４】
上記実施形態は、p側電極から共振器の幅方向に異なる量のキャリアを注入して、上記発光ストライプ領域に所望の屈折率分布を形成したが、陽子線または中性子線を半導体レーザ装置の内部に出射する出射部を設け、この出射部から陽子線または中性子線を注入して、ストライプ領域で共振する光を吸収しても、同様の効果が得られる。
【００８５】
上記実施形態において、発光ストライプ領域の幅は３００μｍであったが、固有横モードが複数存在する半導体レーザであれば、ストライプ幅の大きさに拘らず本発明を適用できる。特に、ストライプ幅が７μｍ以上の半導体レーザ装置に本発明を適用すると、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【００８６】
また、上記実施形態は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の半導体レーザ装置を用いたが、例えばＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ（インジウム・ガリウム・アルミニウム・砒素／インジウム・リン）系、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ（インジウム・ガリウム・窒素／ガリウム・窒素）系、ＺｎＣｄＳＳｅ／ＧａＡｓ（亜鉛・カドミウム・硫黄・セレン／ガリウム・砒素）系、ＩｎＧａＡｌＰ／ＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・アルミニウム・リン／ガリウム・砒素）系、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ（ガリウム・インジウム・窒素・砒素／ガリウム・砒素）系等他の半導体レーザにおいても同様の効果が得られる。
【００８７】
（第８実施形態）
図１１は、本発明の半導体レーザ装置８３によって出射した光から、複数のレンズ８４，８４・・・からなるレンズ系を用いて、コリメート光８５を得る様子を示した図である。上記半導体レーザ装置８３からの出射光は、幅方向の位相分布が略均一であるので、略方向の位相分布が不均一な横多モードの幅広半導体レーザでは得ることが困難な、大出力かつ回折限界角を有する遠視野像のコリメート光８５が得られる。
【００８８】
図１２は、本発明の光無線通信システムを衛星間通信に適用した様子を示す図である。地球８６を周回する低軌道衛星８７，８７と、静止軌道衛星８８，８９とが、送信装置と受信装置を各々備える。上記送信装置は、図１１に示すコリメート光８５を出射する半導体レーザ装置８３およびレンズ系を備え、この半導体レーザ装置８３は、数百ｍＷから数Ｗ程度の高出力で単峰の放射パターンのレーザ光が出射できる。また、上記半導体レーザ装置８３によるコリメート光８５は、長距離に亘って拡散や回折が殆ど無いコリメート光である。したがって、上記送信装置は、上記低軌道衛星８７，８７間や、上記静止軌道衛星８８，８９間、および低軌道衛星８７と静止軌道衛星８８との間に形成する無線通信回線９０，９１，９２において、数Ｇｂｐｓ程度の通信速度を実現できる。
【００８９】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の半導体レーザ装置は、発光ストライプ領域が生成すべき、あるいは生成した光電界の振幅および位相の分布を補正する補正領域を有するので、レーザ光の近視野像における振幅および位相の分布を所望の分布状態に制御できる。
また、上記半導体レーザ装置は、補正領域として共振器端面を形成する曲面を有し、好ましくは、上記曲面は上記発光ストライプ領域の幅方向両端部に位置する２個の凹面であるので、レーザ光の振幅および位相の分布を所望の分布状態にできる。
【００９０】
１実施形態の半導体レーザ装置は、上記補正領域によって、上記光電界の振幅および位相の分布を、予め定めた単峰の遠視野像を逆フーリエ変換して求めた振幅および位相の分布に略一致させるように補正するので、レーザ光の遠視野像を略単峰にすることができ、そのため、光通信機器や光メモリ機器に好適なレーザ光を得ることができる。
【００９１】
【００９２】
【００９３】
【００９４】
【００９５】
【００９６】
【００９７】
【００９８】
１実施形態の半導体レーザ装置は、発光ストライプ領域の幅方向両端部の光の位相を、発光ストライプ領域の幅方向中央部の光の位相よりも進ませるので、光電界の振幅および位相の分布を補正して、所望の分布状態にできる。
【００９９】
１実施形態の半導体レーザ装置は、上記発光ストライプ領域の少なくとも片側に、発光ストライプ領域内を共振する光を吸収する材料を配置するので、光電界の振幅および位相の分布を補正して、所望の分布状態にできる。
【０１００】
【０１０１】
１実施形態の半導体レーザ装置は、７μｍ以上の幅を有する発光ストライプ領域を備える場合に、本発明を有効に適用してレーザ光の振幅および位相の分布を効果的に補正して、所望の分布状態にできる。すなわち、半導体レーザ装置のレーザ光の遠視野像を単峰、もしくはサイドローブを実質的に無くして、光ファイバ通信などの光通信機器、あるいは、レーザ加工装置や医療機器、光メモリ機器などに好適なレーザ光を得ることができる。
【０１０２】
本発明の光無線通信システムは、高出力かつ単峰の放射パターンを有するレーザ光を出射する半導体レーザ装置を用いた送信装置を備えるので、この光無線通信システムを用いることにより、例えばビル間通信や、衛星間光通信などの空間光通信を高速かつ高効率にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の平面図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の半導体レーザ装置によるレーザ光の近視野像が有するべき光強度分布を示す図であり、図２（ｂ）は、本発明の半導体レーザ装置によるレーザ光の近視野像が有するべき位相分布を示す図である。
【図３】図２（ａ），（ｂ）に示した光強度分布と位相分布を求めるために用いた、予め定めた遠視野像である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の半導体レーザ装置によるレーザ光がなすべき近視野像の横方向の光強度分布形状を示す図であり、図４（ｂ）は、本発明の半導体レーザ装置によるレーザ光がなすべき近視野像の横方向の位相分布形状を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の半導体レーザ装置を示す平面図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の第３実施形態の半導体レーザ装置を示す幅方向の断面図であり、図６（ｂ）は、図４（ａ），（ｂ）に示す近視野像の光強度分布形状および位相分布形状を得るための発光ストライプ領域における屈折率分布である。
【図７】本発明の第４実施形態の半導体レーザ装置を示す幅方向の断面図である。
【図８】本発明の第５実施形態の半導体レーザ装置を示す幅方向の断面図である。
【図９】本発明の第６実施形態の半導体レーザ装置を示す幅方向の断面図である。
【図１０】本発明の第７実施形態の半導体レーザ装置を示す幅方向の断面図である。
【図１１】本発明の半導体レーザ装置から出射した光をレンズ系によってコリメートする様子を示す図である。
【図１２】本発明の光無線通信システムを用いた衛星間光通信システムの構成例を示す図である。
【図１３】従来の半導体レーザ装置の近視野像であって、光電界の横方向の光強度分布を示す図である。
【図１４】従来の半導体レーザ装置の遠視野像であって、光電界の横方向の光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１半導体レーザ装置
２発光ストライプ領域
３光出射端面
４凹面
５端面
ｂ発光ストライプ領域の幅
Ｌｒ凹面の深さ

Claims

発光ストライプ領域を含む活性層およびその両側に位置する層を有する半導体レーザ装置において、
上記発光ストライプ領域が生成すべき、あるいは生成した光電界の振幅および位相の分布を補正する補正領域を備え、
上記補正領域は、上記発光ストライプ領域の少なくとも一方の共振器端面を形成する曲面であり、
上記曲面は、上記発光ストライプ領域の幅方向両端部に位置する２個の凹面を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記補正領域によって補正された上記光電界の振幅および位相の分布は、予め定めた遠視野像を逆フーリエ変換して求めた振幅および位相の分布に、略一致することを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項２に記載の半導体レーザ装置において、
上記遠視野像は、単峰、もしくはサイドローブが実質的に無い遠視野像であることを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記補正領域は、発光ストライプ領域の幅方向両端部の光の位相を、発光ストライプ領域の幅方向中央部の光の位相よりも進ませることを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項４に記載の半導体レーザ装置において、
上記補正領域は、上記発光ストライプ領域の少なくとも片側の層に形成されて、光を吸収する材料からなることを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置において、上記発光ストライプ領域の幅が７μｍ以上であることを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置を用いた送信装置を備える光無線通信システム。