JP5250768B2 - 半導体レーザー及び半導体レーザー装置 - Google Patents

Description

本発明は、マルチモード干渉導波路を備える半導体レーザーに関する。

近年、数Ｗから数ｋＷもの高い光出力が得られる半導体レーザーが実現され、加工装置やエネルギー空間伝送などへの応用が検討されている。通常のシングルストライプ構造の半導体レーザーでは、最大光出力は高々数百ｍＷ〜数Ｗであるため、上記用途に用いられる半導体レーザーでは、一般にアレイ構造を採用している。例えば、非特許文献１ではアレイ構造の半導体レーザーによるエネルギー空間伝送が報告されている。
武田和也、河島信樹、"半導体レーザーによる月氷探査ローバーモデルへの１００ｍエネルギー伝送実験"、日本航空宇宙学会論文集、Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．５９４，ｐｐ．３９３−３９６（２００３） Ｈ．Ｙａｎｇ，Ｌ．Ｊ．Ｍａｗｓｔ，Ｍ．Ｎｅｓｎｉｄａｌ，Ｊ．Ｌｏｐｅｚ，Ａ．Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙａ ａｎｄ Ｄ． Ｂｏｔｅｚ，"１０Ｗ Ｎｅａｒ−Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｐｅａｋ Ｐｕｌｓｅｄ Ｐｏｗｅｒ ｆｒｏｍ Ａｌ−Ｆｒｅｅ，０．９８μｍ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ Ａｎｔｉｇｕｉｄｅｄ Ａｒｒａｙｓ"，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２，ｐｐ．１３６−１３７（１９９７） 特開平１１−６８２４１号公報 特開平１１−６８２４２号公報

上述のアレイ構造の半導体レーザーは、光出力としては数Ｗ〜数ｋＷと高い光出力が報告されているが、各アレイ導波路間の相対位相は固定されていなかった。このため、アレイ導波路の先に、仮にフェーズドアレイを集積したとしても、ビーム偏向機構としては機能せず、特に移動体へのエネルギー空間伝送には不向きである、という課題があった。

また、各アレイ導波路間隔を狭めて光結合を生じさせ、相対位相を固定しようというコンセプトのフェーズロックレーザーであれば、非特許文献２で報告されているが、各導波路間の干渉状態を設計通りに実現するのは極めて困難で、実用に値するフェーズロックレーザーを製造することは事実上できていない、という課題があった。

そこで、たとえば特許文献１及び特許文献２に記載されているように、マルチモード干渉分岐回路と複数の出射導波路とを接続し、出射導波路から分岐された複数のレーザー光を同時に出射させることができれば、アレイ導波路のフェーズロックが可能であることが考えられた。

しかしながら、本発明者の知見によれば、マルチモード干渉分岐回路の構造をそのままレーザー構造として用いることができないことが明らかとされている。すなわち、従来のマルチモード干渉分岐回路で光出力をＮ分岐した場合、各出射端での光の位相は一致しない。たとえば、Ｎ＝３の時、中心導波路での位相を０ｒａｄとすると両脇の導波路ではπ／３ｒａｄとなり、中心導波路とは位相が一致しない。位相がずれた光は、出射側で位相がずれたまま反射されることにより、入射側に備えられる反射面に到達する前に導波路外に漏れてしまう。漏れた光は導波路内に再び回収されないため、従来のマルチモード干渉分岐回路は正常な共振構造とはならない。

本発明の目的は、かかる知見に基づき、マルチモード干渉導波路を用いてＮ出力される光の相対位相を固定することにより効果的に光の漏れを抑制し、高い光出力を実現するという目的を達成することにある。

本発明によれば、
Ｎ（Ｎは２以上の整数）出力型マルチモード干渉導波路と、
マルチモード干渉導波路の一方の端部に設けられ、光を導波する１以上の光導波路と、
マルチモード干渉導波路の他方の端部に設けられ、レーザー光を導波させるＮの光導波路と、
を備え、
Ｎの光導波路の全部又は一部が、Ｎの光導波路の各端面において光の位相を整合させるように光位相整合領域を構成し、
１以上の光導波路の端面とＮの光導波路の端面との間で共振器が形成されていることを特徴とする半導体レーザー
が提供される。

この発明によれば、光位相整合領域がマルチモード干渉導波路のＮ出力側に設けられることにより、出力光の位相を整合させることができる。これにより、Ｎの出射端面で各導波路間の光の位相のずれを整合させることができ、入射側の光の漏れを抑制することができる。したがって、１以上の光導波路の端面とＮの光導波路の端面との間に共振器が形成され、Ｎの出射端面から位相が固定されたレーザー光を出射することができる。

本発明において、Ｎの光導波路は、湾曲された曲線導波路を含み、曲線導波路の湾曲された領域が光位相整合領域を構成することができる。これにより、光の導波する距離を稼ぐことができ、光の位相のずれを整合させることができる。

また、本発明において、1以上の光導波路は、１の光導波路からなり、
１の光導波路から導波する光がＮ分岐される構成を採用することができる。また、Ｎの光導波路は、マルチモード干渉導波路を介して１の光導波路と対向する位置に設けられる直線導波路をさらに含み、直線導波路と、曲線導波路とが並列して配置され、直線導波路を中心とし、直線導波路の外側に曲線導波路が配置されている構成を採用することもできる。さらに、マルチモード干渉導波路は矩形のマルチモード干渉領域を有し、矩形の一方の辺に１の光導波路が設けられ、対向する他方の辺にＮの光導波路が設けられている構成を採用することもできる。位相のずれが生じる位置に配置された導波路が湾曲されていることにより、光の導波する距離を稼ぎ、光の位相のずれを整合させることができる。

また、本発明において、１以上の光導波路及びＮの光導波路が、シングルモード導波路として構成されていてもよい。これにより、シングルモード光を高出力で得ることができる。また、Ｎの光導波路が、マルチモード干渉導波路の端部と接続している構成を採用することもできる。また、Nの光導波路が、レーザー光出力導波路として構成されている構成を採用することもできる。

さらに、本発明によれば、
上記に記載の半導体レーザーと、
半導体レーザーから出射されたレーザー光が入射されるＮ（Ｎは２以上の整数）の導波路からなるフェーズドアレイ領域と、
フェーズドアレイ領域を構成する各導波路に電界を印加して出射光の角度を制御する出射光制御手段と、
を備えることを特徴とする半導体レーザー装置
が提供される。

この発明によれば、フェーズドアレイ領域を構成する各導波路間の相対位相を固定することができるため、各導波路に電界を印加させることにより、レーザー光の出射角度を制御することができる。したがって、移動体へのエネルギー空間伝達を実現することが可能となる。

本発明によれば、位相が固定されたＮ本（Ｎは２以上の整数）のレーザー光を出力させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザーの構成を示す模式図である。本実施の形態の半導体レーザー１は、１×３型マルチモード干渉導波路１０２と、マルチモード干渉導波路１０２の一方の端部に設けられ、光を導波する１本の光導波路１０１と、マルチモード干渉導波路１０２の他方の端部に設けられ、レーザー光を導波させる３本の光導波路（直線導波路１０８及び曲線導波路１０７）と、を備える。３本の光導波路の一部が、各前方端面１０５において光の位相を整合させるように光位相整合領域１０３を構成し、光導波路１０１の後方端面１０６と３本の光導波路１０７、１０８の前方端面１０５との間で共振器が形成されている。

本実施の形態においては、「光の位相を整合させる」とは、前方端面１０５において、中心の光導波路１０８の光の位相に対して両脇の光導波路１０７の光の位相が、＋π[ｒａｄ]もしくは−π[ｒａｄ]となるよう光位相整合領域１０３が構成されていることを表しており、このとき、半導体レーザー１内では正常な共振器が構成されることになる。

曲線導波路１０７は、湾曲された領域を含む。この湾曲された領域が光位相整合領域１０３を構成する。

半導体レーザー１には、マルチモード干渉導波路１０２の一方の端部に設けられる光を入射する１本の光導波路１０１がさらに備えられる。光導波路１０１から導波する光が３分岐される。

直線導波路１０８は、マルチモード干渉導波路１０２を介して１本の光導波路１０１と対向する位置に設けられる。直線導波路１０８と、曲線導波路１０７とが並列して配置され、直線導波路１０８を中心とし、直線導波路１０８の外側に曲線導波路１０７が配置されている。

マルチモード干渉導波路１０２は矩形の干渉領域を有している。矩形の一方の辺に光導波路１０１が設けられ、対向する他方の辺に直線導波路１０８及び曲線導波路１０７が設けられている。

半導体レーザー１は、光位相整合領域１０３の端部と接続する光導波路領域１０４をさらに備える。光導波路領域１０４は、直線導波路１０８及び曲線導波路１０７の一部を構成している。

マルチモード干渉導波路１０２は、１×３型マルチモード干渉導波路からなる。マルチモード干渉導波路１０２内の伝搬する全ての高次モード光が３分岐されるとともにシングルモード光に変換される。変換されたシングルモード光は、光位相整合領域１０３で位相のずれが整合された後、光導波路領域１０４を経てレーザー光として前方端面１０５から出力される。

光導波路１０１、直線導波路１０８及び曲線導波路１０７は、シングルモード導波路であり、それぞれマルチモード干渉導波路１０２の端部に接続している。また、曲線導波路１０７のうち、光位相整合領域１０３が、マルチモード干渉導波路１０２の端部と接続している。マルチモード干渉導波路１０２は、光導波路１０１、直線導波路１０８及び曲線導波路１０７よりも導波路幅が広い。このような構成とすることにより、高い電流を注入することができるため、高出力化が達成される。

半導体レーザー１は素子端面を劈開して、後方端面１０６及び前方端面１０５を作成する。後方端面１０６は、好ましくは３０％以上の反射率を有するように作成する。また、端面は、高反射（ＨＲ）コーディングをすることにより、反射率を高めることができ、無反射（ＡＲ）コーティングをすることにより、反射率を低くすることができる。後方端面１０６の反射率は、９０〜９５％程度とするとより好ましい。また、前方端面１０５の反射率は、１〜３％程度とすると好ましい。こうすることにより、半導体レーザーの高出力化が可能となる。

次に、本実施の形態の具体的な構成の一例を例示する。図１で示すように、基板１００上に、光導波路１０１と、マルチモード干渉導波路１０２と、光位相整合領域１０３と、光導波路領域１０４とが集積されている。

光導波路１０１、光位相整合領域１０３、及び光導波路領域１０４の導波路幅は２μｍ程度、マルチモード干渉導波路１０２の導波路幅は１０μｍ程度としている。

光導波路１０１の長さは５０μｍ程度、マルチモード干渉導波路１０２の長さは２８０μｍ程度、光位相整合領域１０３及び光導波路領域１０４の長さは５０μｍ程度としている。

光位相整合領域１０３及び光導波路領域１０４をさらに長くすることもできる。この長さは、全長の半分以上としてもよい。たとえば、光位相整合領域１０３及び光導波路領域１０４の長さを１３６０μｍとし、半導体レーザー１の全長を２０００μｍとしてもよい。こうすることにより、高光出力化が可能となる。

また、図２は、図１で示すＡ−Ａ'線の断面図である。図２で示す半導体レーザーは、通常の多重量子井戸からなる発光層を用いたリッジ構造となっている。

光導波路１０１と、マルチモード干渉導波路１０２と、光位相整合領域１０３と、光導波路領域１０４とは、層構造は同一で、導波路幅が異なっている。

図２で示すように、図１で示すＡ−Ａ'線の断面は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７から構成されている。前記ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３は、ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と多重量子井戸からなる通常の発光層である。

また、各層の厚さは、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２が１００ｎｍ程度、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３が１００ｎｍ程度、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４が２００ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５が１０ｎｍ程度、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６が８００ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７が１５０ｎｍ程度、それぞれ積層された構造となっている。

リッジ構造とするため、図２に示されるように、非導波領域においては、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７及び第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６がエッチングにより除去された構造となっている。

次に、半導体レーザーの製造方法を説明する。まず、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯発光層２０３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７とが、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）により順番に積層形成されている。

次に、通常のフォトリソグラフィ法により、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７上にエッチング用マスクが形成される。その後、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）により、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７とが、部分的に（マスクが形成されていない部分のみ）除去され、メサ構造が形成される。

続いて、本実施の形態の効果について説明する。本実施の形態の半導体レーザー１によれば、光位相整合領域１０３がマルチモード干渉導波路１０２の３出力側に設けられることにより、出力光の位相を整合させることができる。これにより、３の前方端面１０５で各導波路間の光の位相のずれを整合させることができ、入射側の光の漏れを抑制することができる。したがって、後方端面１０６と前方端面１０５との間に共振器が形成され、３の前方端面１０５から位相が固定されたレーザー光を出射することができる。

マルチモード干渉導波路１０２は、公知の技術を用いて設計できるが、たとえば、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）理論に基づいて以下のように設計することができる。

マルチモード干渉導波路１０２の長さ（Ｌ_π）の式は、数１のように示すことができる。

Ｌは、マルチモード干渉領域の長さ、Ｗ_１はマルチモード干渉領域の幅、Ｎｒは導波路の屈折率、Ｎｃはクラッドの屈折率、λ_０は光波長を表す。また、σはＴＥモードのときσ＝０、ＴＭモードのときσ＝１を表す。

マルチモード干渉領域は、数２の式で表されるとき、１×Ｎ光導波路として動作することができる。また、マルチモード干渉領域は、数３の式で表されるとき、Ｎ×Ｎ光導波路として動作することができる。なお、Ｎは正の整数であり、入力側のＮは１であってもよく、出力側のＮは２以上とすることができる。

一般に、マルチモード干渉導波路（ＭＭＩ導波路）で光出力をＮ分岐した場合、各出射端での光の位相は一致しない。図３は、本実施の形態の半導体レーザーの効果を説明する図である。図３（ａ）は、従来の１×３型マルチモード干渉導波路を説明する図である。矩形のマルチモード干渉導波路の一方の辺の中心に１本の入射導波路が設けられ、対向する他方の辺に３本の直線の出射導波路が設けられている。また、入射導波路に対向するように出射導波路が１本設けられ、その左右に２本の出射導波路が設けられている。マルチモード干渉導波路に対して、入射導波路及び出射導波路の幅は狭い。

このようなマルチモード干渉導波路により、光出力を３分岐すると、３分岐側の中心導波路での位相を０ｒａｄとすれば、両端の位相はπ／３ｒａｄずれる。位相がずれた光は、出射側で位相がずれたまま反射されることにより、再びマルチモード干渉導波路に３分岐側から光が入射された場合、そのまま位相がπ／３ｒａｄずれた状態で入射されることとなり、１本の光導波路側へ合波することができない。３分岐側から1本の光導波路側へ光を正常に合波させるためには、３分岐側において、中心導波路での位相を０ｒａｄとすれば、その上下の光導波路とマルチモード干渉導波路とが接続する部分における位相を−π／３ｒａｄずらした状態で入射する必要があるからである。このためマルチモード干渉導波路の１本の光導波路側で１本の光導波路とマルチモード干渉導波路とが接続する部分から光が漏れることとなり、１本の光導波路側の端面に到達できない。漏れた光は導波路内に再び回収されないため、導波路内で正常な光の共振が起こらず、レーザー光を正常に発振させることができない。

なお、数２もしくは数３でマルチモード干渉導波路を設計する場合、正確にこの式を満たす必要は必ずしも無く、例えば理論式から１０％程度マルチモード干渉導波路の長さがずれた程度であれば、マルチモード干渉導波路として合分岐機能することは良く知られている。

図３（ｂ）は、本実施の形態の半導体レーザーの効果を説明する図である。光の位相のずれが生じる出射側の両端の導波路に、曲線導波路１０７が適用されている。曲線導波路１０７は、中心の直線導波路１０８の光位相整合領域１０３と、光導波路領域１０４との接続部分での位相を０ｒａｄとすれば、曲線導波路１０７の光位相整合領域１０３と、光導波路領域１０４との接続部分での位相は、−πｒａｄとなるように湾曲されている。これにより、マルチモード干渉導波路１０２での１０３との接続部分において、中心の直線導波路１０８の光位相整合領域１０３との接続部分での位相を０ｒａｄとすれば、曲線導波路１０７の光位相整合領域１０３とマルチモード干渉導波路１０２との接続部分での位相を−π／３ｒａｄずらした状態で入射されることとなり、導波路内で光の共振が起こり、レーザー光を正常に発振させることが可能となる。

導波路を湾曲させることにより、距離を稼いで任意の位相差をつけることが可能となる。したがって、各出射端面で光の位相が整合するように曲線導波路１０７を設計することができる。

両端の導波路に曲線導波路１０７が適用されることにより、各導波路間の幅が広くなる。たとえば、従来のＮの光導波路側の導波路間が５μｍとすると、位相を整合させることにより、本実施の形態の出射側の導波路間は、光導波路領域１０４において、１７μｍとなる。

図４は、ＢＰＭ（ビーム伝搬法：Ｂｅａｍ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）による、従来の１×３型マルチモード干渉導波路と本実施の形態の半導体レーザーとのシミュレーション結果を示す図である。図４は、光エネルギー強度を色の濃淡で示した図で、色が薄いほど光エネルギー強度が強いことを示している。図４（ａ）は、通常の１×３型マルチモード干渉導波路のシミュレーション結果である。前方端面１０５で位相がずれていることから、出射端面で反射された光はマルチモード干渉導波路で合波されず、光の漏れが生じている。漏れた光は導波路内に回収されないため、光を共振させることができず、レーザー光は発振されない。

図４（ｂ）は、本実施の形態の半導体レーザーのシミュレーション結果である。光位相整合領域１０３が設けられていることから、前方端面１０５で位相が整合することとなる。したがって、前方端面１０５で反射された光はマルチモード干渉導波路１０２で合波され、光の漏れは生じていない。よって、光を共振させることができ、レーザー光の発振が可能となる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザー装置の構成を示す模式図である。図５（ａ）は、第２の実施の形態の半導体レーザー装置の平面図である。本実施の形態の半導体レーザー装置２は、第１の実施形態の半導体レーザー１と、半導体レーザー１から出射されたレーザー光が入射される３本の光導波路からなるフェーズドアレイ領域３０１と、フェーズドアレイ領域３０１を構成する各光導波路に電界を印加して出射光の角度θを制御する電極５０４と、を備える。

フェーズドアレイ領域３０１には、アレイ導波路を用いることができる。このアレイ導波路として、電気光学材料を用いることができる。電気光学材料とは、電界の作用によりその屈折率を変化させる物質である。例えば、ＢＢＯ、ＬｉＴａＯ₃、ＫＴＢ、ＬｉＮｂＯ₃などが挙げられ、好ましくは、ＬｉＮｂＯ₃を用いる。アレイ導波路として、電気光学材料を用いる場合、各導波路に備えられる電極に電圧印加し、屈折率を変化させることにより、位相のずれを発生させることができる。これにより、角度θのレーザー光を出射させることができる。

また、アレイ導波路には、通常の電流注入構造もしくは電圧印加構造を有する半導体導波路を用いることもできる。半導体レーザーを用いる場合、各導波路に備えられる電極５０４に電流注入又は電圧印加し、位相のずれを発生させることにより、角度θのレーザー光を出射することができる。

本実施形態において、半導体レーザー１の直線導波路１０８は、１入力かつ１出力型の１×１型マルチモード干渉導波路として構成されていてもよい。

本実施形態において、フェーズドアレイ領域３０１及び電極５０４は公知の製造方法を用いて製造することができ、例えばフェーズドアレイ領域の光導波路はプロトン交換法によって製造することができる。また、電極は電子ビーム蒸着法によって製造すればよい。また、半導体レーザー１とフェーズドアレイ領域３０１との間の光結合効率を高める目的で、本実施例には通常のスポットサイズ変換器３０２が集積されている。

以下、フェーズドアレイ領域３０１の製造方法の一例を説明する。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面の一例である。Ｘカットのニオブ酸リチウムからなる基板５０１の表面に、Ｔｉからなる拡散型光導波路パターンを１０００℃の酸素雰囲気中で拡散処理することにより光導波路５０２を形成し、その上に、真空蒸着法やスパッタリング法によりバッファ層５０３を形成する。ついで、このバッファ層５０３の上面全体に、真空蒸着法により遷移金属膜およびＡｕ膜を順次作成し、さらにこのＡｕ膜の上にフォトリソグラフィー技術を用いてレジストパターンを形成し、レジストマスクが形成されていない部分、すなわち、Ａｕ膜が露出している部分にのみ電解メッキ法でＡｕを析出・堆積させて、電極５０４を作成する。その後、レジストマスクを有機溶媒で除去し、電極５０４の間に残ったＡｕ膜および遷移金属膜を化学エッチングすることにより除去し、遷移金属層５０５とする。

続いて、本実施の形態の効果について説明する。この半導体レーザー装置によれば、フェーズドアレイ領域３０１の導波路間の相対位相を固定することができるため、各光導波路に電界を印加させることにより、レーザー光の出射角度θを制御することができる。したがって、移動体へのエネルギー空間伝達を実現することが可能となる。

また、アレイ導波路の各光導波路を導波するレーザー光の位相を固定させ、各光導波路に電界を印加させることができる。これにより、レーザー光を偏向させて出射させることが可能となる。

従来、アレイ構造の半導体レーザーは、光出力としては数Ｗ〜数ｋＷと高い光出力が報告されているが、各アレイ導波路間の相対位相は固定されていなかった。このため、アレイ導波路の先に、フェーズドアレイを集積したとしても、ビーム偏向機構としては機能せず、特に移動体へのエネルギー空間伝送には不向きである、という課題があった。

また、各アレイ導波路間隔を狭めて光結合を生じさせ、相対位相を固定しようというコンセプトのフェーズロックレーザーの場合、各光導波路間の干渉状態を設計通りに実現するのは極めて困難で、実用に値するフェーズロックレーザーを製造することは事実上できていない、という課題があった。

本実施の形態のレーザー装置によれば、マルチモード導波路を利用して、相対位相が整合されたレーザー光を得ることができる。本実施の形態で用いる半導体レーザーは通常の半導体レーザーの層構造と同等であり、通常の半導体レーザーにおいてすでに確立した製造方法を用いて同様に作成することができる。したがって、再現性および歩留まりに優れた比較的容易な製造方法で製造することができ、実用に値するフェーズロックレーザーを得ることができる。

また、本実施の形態の半導体レーザーがフェーズロックレーザーとして機能することにより、各アレイ導波路間の相対位相は固定される。したがって、このアレイ導波路の先に、フェーズドアレイを集積することにより、ビーム偏向機構として機能させることができ、移動体へのエネルギー空間伝送が実現できる。また、従来のアレイ構造の半導体レーザーと同様に、光出力として数Ｗ〜数ｋＷと高い光出力を保持することができる。

（実施例１）
図１に示す光位相整合領域を有する半導体レーザーを設計し、試作した。レーザーの波長体は、１．３μｍ帯とした。光位相整合領域１０３及び光導波路領域１０４の長さを１３６０μｍ、マルチモード干渉導波路１０２を３４０μｍ、全長２０００μｍとした。また、光位相整合領域１０３の長さを５００μｍ、曲線導波路１０７と直線導波路１０８との間の距離は１７μｍとした。

また、１×２型マルチモード干渉導波路領域を有する半導体レーザーも設計及び試作した。レーザーの波長帯、光位相整合領域及び光導波路領域の長さ、マルチモード干渉導波路領域の長さ、全長は、図１の半導体レーザーと同様にした。この半導体レーザーは出射側の光導波路が２本の直線導波路からなる。

素子端面は劈開した。

図６は、試作した半導体レーザーの電流及び光出力特性の相関を表すグラフである。パルス幅を１μ秒、周波数を２ｋＨｚとして評価した。比較のため通常のシングルモードレーザーを用いた結果も同様に示す。スロープ効率はシングルモードレーザー（図６のＲｅｇｕｌａｒ）で０．１５、１×２型マルチモード干渉導波路領域を有する半導体レーザー（図６の１×２）で０．１６、１×３型マルチモード干渉導波路領域を有する半導体レーザー（図６の１×３）で０．１５とほぼ一致していた。したがって、１×Ｎ型のマルチモード干渉導波路領域を有する半導体レーザーの発振動作を確認できた。

（実施例２）
図５で示した半導体レーザー装置２のうち、半導体レーザー１の１×３型マルチモード干渉導波路を１×５型マルチモード干渉導波路に置き換え、出射端に５本の光導波路から構成されるフェーズドアレイ領域を設けた半導体レーザー装置を用意した（図７）。フェーズドアレイ領域３０１には、アレイ導波路としてＬｉＮｂＯ₃導波路を集積し、アレイ導波路の導波路長を１００μｍ、導波路幅を５μｍ、アレイ数を５本、アレイ間隔を５μｍとした。この半導体レーザー装置を用いて、レーザー光の偏向制御をシュミレーションした。各導波路部位相制御にはポッケルス効果を利用した。

アレイ導波路の５本の各導波路に０Ｖ、２．４９Ｖ、４．９８Ｖ、７．４７Ｖ、９．９６Ｖの電圧をかけた。このとき、ポッケルス効果によって、各アレイ導波路を通過するレーザー光に０．２６π位相差をつけることができた。光フィールドをビーム伝搬光によりシミュレーションした結果、１０°のレーザー光の偏向を確認することができた。

また、アレイ導波路の５本の各導波路に０Ｖ、４．９８Ｖ、９．９６Ｖ、１４．９４Ｖ、１９．９２Ｖの電圧をかけた。このとき、ポッケルス効果によって、各アレイ導波路を通過するレーザー光に０．５２π位相差をつけることができた。光フィールドをビーム伝搬光によりシミュレーションした結果、２０°のレーザー光の偏向を確認することができた。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、本実施形態においては、１×Ｎ構造の一例として１×３構造を用いたが、これに限るわけではなく、Ｎは２以上の正の整数であれば本発明は適用可能である。

この場合、曲線導波路は、レーザー光を出力するＮの光導波路（Ｎは2以上の整数）の端面で光の位相が整合するように湾曲させればよい。矩形のマルチモード干渉導波路の場合、矩形の一方の辺に１以上の光導波路を設けるとともに、対向する他方の辺にＮの光導波路が設けられるように構成することができる。Ｎの光導波路は、１以上の光導波路に対向する位置を中心とし、外側に位置する曲線導波路を湾曲させる。これにより、曲線導波路が導波する距離を長くすることができ、位相を整合させることができる。曲率半径は、数１００μｍとすることにより、光損失を最小限にすることができる。

また、実施の形態では、レーザーの波長を１．５５μｍ帯とし、実施例では、１．３μｍ帯のレーザー波長を用いたが、これに限るわけではなく、可視光帯域であってもよいし、近赤外光帯であっても、本発明は適用可能である。

また、本実施形態では、光位相整合領域を構成している光導波路とマルチモード干渉導波路とが接続している例を挙げたが、シングルモード導波路領域を構成しているＮの光導波路がマルチモード干渉導波路の端部と接続し、シングルモード導波路領域を介してマルチモード干渉導波路と位相整合領域とが接続していてもよい。

また、本実施形態では、矩形のマルチモード干渉導波路を例示したが、これに限るわけではなく、テーパーが設けられていてもよい。

また、図１に示す半導体レーザー１において、光導波路１０１、直線導波路１０８及び曲線導波路１０７が、２次モードカットオフ導波路として構成されていてもよい。

第１の実施の形態に係る半導体レーザーの構成を示す模式図である。 第１の実施の形態に係る半導体レーザーの構成を示す図１のＡ−Ａ'断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体レーザーの効果を説明する図である。図３（ａ）は、従来の１×３型マルチモード干渉導波路を説明する模式図である。図３（ｂ）は、第１の実施の形態に係る半導体レーザーの効果を説明する模式図である。 第１の実施の形態に係る半導体レーザーの効果を説明する図である。図４（ａ）は、従来の１×３型マルチモード干渉導波路を説明する模式図である。図４（ｂ）は、第１の実施の形態に係る半導体レーザーの効果を説明する模式図である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザーの構成を示す模式図である。図５（ａ）は、第２の実施の形態の半導体レーザー装置の平面図である。図５（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ断面図の一例である。 実施例１の結果を示すグラフである。 実施例２の半導体レーザー装置を示す図である。

符号の説明

１ 半導体レーザー
２ 半導体レーザー装置
１００ 基板
１０１ 光導波路
１０２ マルチモード干渉導波路
１０３ 光位相整合領域
１０４ 光導波路領域
１０５ 前方端面
１０６ 後方端面
１０７ 曲線導波路
１０８ 直線導波路
２０１ 基板
２０２ バッファ層
２０３ 帯発光層
２０４ クラッド層
２０５ エッチングストッパ層
２０６ クラッド層
２０７ コンタクト層
３０１ フェーズドアレイ領域
３０２ スポットサイズ変換器
５０１ 基板
５０２ 光導波路
５０３ バッファ層
５０４ 電極
５０５ 遷移金属層

Claims (11)

1. Ｎ（Ｎは２以上の整数）出力型マルチモード干渉導波路と、
   前記マルチモード干渉導波路の一方の端部に設けられ、光を導波する１以上の光導波路と、
   前記マルチモード干渉導波路の他方の端部に設けられ、レーザー光を導波させるＮの光導波路と、
   を備え、
   前記Ｎの光導波路の全部又は一部が、前記Ｎの光導波路の各端面において光の位相を整合させるように光位相整合領域を構成し、
   前記１以上の光導波路の端面と前記Ｎの光導波路の端面との間で共振器が形成されており、
   前記Ｎの光導波路は、湾曲された曲線導波路を含み、前記曲線導波路の湾曲された領域が前記光位相整合領域を構成し、
   前記Ｎの光導波路の前記各端面が一平面上に沿って形成されていることを特徴とする半導体レーザー。
2. 前記1以上の光導波路は、１の光導波路からなり、
   前記１の光導波路から導波する光がＮ分岐されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー。
3. 前記Ｎの光導波路は、
   前記マルチモード干渉導波路を介して前記１の光導波路と対向する位置に設けられる直線導波路をさらに含み、
   前記直線導波路と、前記曲線導波路とが並列して配置され、
   前記直線導波路を中心とし、前記直線導波路の外側に前記曲線導波路が配置されていることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザー。
4. 前記マルチモード干渉導波路は矩形のマルチモード干渉領域を有し、
   前記矩形の一方の辺に前記１の光導波路が設けられ、対向する他方の辺に前記Nの光導波路が設けられていることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザー。
5. 前記Nの光導波路が、１×１型マルチモード干渉導波路として構成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の半導体レーザー。
6. 前記１以上の光導波路及び前記Nの光導波路が、シングルモード導波路として構成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の半導体レーザー。
7. 前記１以上の光導波路及び前記Nの光導波路が、２次モードカットオフ導波路として構成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の半導体レーザー。
8. 前記Nの光導波路が、前記マルチモード干渉導波路の端部と接続していることを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載の半導体レーザー。
9. 前記Nの光導波路の位相整合領域が、前記マルチモード干渉導波路の端部と接続していることを特徴とする請求項８記載の半導体レーザー。
10. 前記Nの光導波路が、レーザー光出力導波路として構成されていることを特徴とする請求項１乃至９いずれか記載の半導体レーザー。
11. 請求項１乃至１０いずれか記載の半導体レーザーと、
    前記半導体レーザーから出射されたレーザー光が入射されるＮ（Ｎは２以上の整数）の光導波路からなるフェーズドアレイ領域と、
    前記フェーズドアレイ領域を構成する各光導波路に電界を印加して出射光の角度を制御する出射光制御手段と、
    を備えることを特徴とする半導体レーザー装置。