JP5633289B2 - 半導体レーザ素子の駆動方法及び半導体レーザ装置 - Google Patents
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図1は、実施の形態1に係る半導体レーザ素子100の概略図であって、図1(a)はその概略上面図であり、図1(b)は図1(a)におけるA−A断面を示す概略断面図であり、図1(c)は図1(a)におけるB−B断面を拡大して示す概略断面図である。なお、図1(b)では、半導体レーザ素子100と、この半導体レーザ素子を駆動する駆動装置500と、を備える半導体レーザ装置として記載している。
本発明では、半導体レーザ素子の活性層を各小片電極に対応して複数の領域に区分し、その各領域における利得と損失を独立に制御することによって、発振効率を変化させる。このとき、発振効率は活性層の各領域の位置や大きさに依存して変化するため、小片電極の数や長さを調整することによって、発振波長を制御することが可能である。
図7(a)は、実施の形態1に係る半導体レーザ素子の変形例を示す概略上面図であり、図7(b)は、その駆動条件の一例を示すグラフである。図7(a)に示す例の半導体レーザ素子120では、p側電極が3つの小片電極303,304,305により構成されており、その長さL1,L2,L3は略同じである。このように、p側電極又はn側電極を3つ以上の領域に分離された小片電極としてもよい。なお以下、この各小片電極303,304,305を前方側から順に第1、第2、第3の小片電極と各々呼称する。
半導体レーザ素子は、種々の半導体材料で形成されたものを用いることができる。半導体材料としては、例えばGaN、AlGaN、InGaNなど、一般式AlxInyGa1−x−yN(0≦x<1,0≦y<1,x+y<1)で表される窒化物半導体を用いることができる。これに加えて、III族元素として一部がBに置換されたものでもよいし、V族元素としてNの一部がP、Asに置換されたものでもよい。また、n型不純物としてはSi、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr、Cd等、p型不純物としてはMg、Zn、Be、Mn、Ca、Sr等の不純物を適宜ドープできる。これら不純物の濃度は、例えば5×1016/cm3以上1×1021/cm3以下程度が好ましい。このほか、ガリウム砒素系半導体、ガリウム燐系半導体、セレン化亜鉛系半導体のレーザ素子でもよい。半導体の結晶成長方法は、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハイドライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)等の方法を用いることができる。
基板10は、絶縁性基板であってもよいし、導電性基板であってもよい。その厚さは、例えば50μm以上2mm以下程度が挙げられる。窒化物半導体レーザ素子では、サファイア、スピネル(MgAl2O4)のような絶縁性基板でもよいし、炭化珪素、シリコン、ZnSe、ZnO、GaAs、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板でもよいが、窒化物半導体基板(GaN、AlN等)であることが好ましい。ガリウム砒素系、ガリウム燐系半導体のレーザ素子では、GaAs基板、InP基板等が好ましい。基板は、上記半導体の成長方法のほか、例えば超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法などで作製できる。
半導体積層構造は、第1導電型(n型)半導体層21と第2導電型(p型)半導体層23との間に活性層22を有する構造が好ましい。更には、活性層が光ガイド層により挟まれた分離光閉じ込め型構造(SCH:Separate Confinement Hetero-structure)とすることが好ましい。また、分布屈折率 (GRIN:Graded Index)構造を採用してもよい。p型及びn型半導体層は各々、単層、多層又は超格子構造のクラッド層、光ガイド層、キャップ層、コンタクト層、クラック防止層等の各機能を有する層で構成することができる。p型及びn型半導体層の積層順序は、半導体材料により変更可能であり、上述の実施形態の逆であってもよい。活性層は、単一量子井戸構造(SQW)又は多重量子井戸構造(MQW)のいずれかの量子井戸構造で形成されることにより、発光効率を向上させることができる。
光導波路24は、半導体積層構造内で光を閉じ込めながら伝搬させる領域であり、例えばp型半導体層にストライプ状のリッジが設けられることにより形成できる。その幅は、0.5μm以上30μm以下であることが好ましく、単一横モードを得るためには1.0μm以上3.0μm以下であることがより好ましい。リッジの高さ(エッチングの深さ)は、例えば0.1μm以上2μm以下程度である。リッジの側面は略垂直であってもよいし、テーパー状(傾斜角度45〜90°程度)であってもよい。光導波路は、上述のような埋め込みリッジ構造等の屈折率導波型(インデックスガイド型)のほか、埋め込みヘテロ構造等の利得導波型(ゲインガイド型)の構造により形成されてもよく、その場合の幅や高さ(厚さ)の好ましい態様も上記と同様でよい。また、光導波路は、1つの半導体レーザ素子内で連続していることが好ましいが、複数の領域に分離されていてもよく、例えば小片電極に合わせて分離されていてもよい。
埋込膜25は、リッジの側面を被覆する絶縁性の保護膜であり、半導体層より屈折率の小さい材料によって形成できる。具体的には、埋込膜は、Zr、Si、V、Nb、Hf、Ta、Al、Ga、Ti、Zn等の酸化物、窒化物、酸化窒化物等の単層又は多層膜で形成できる。また埋込膜は、単結晶でもよいし、多結晶又はアモルファスでもよい。絶縁膜26は、少なくとも半導体積層構造の側面を被覆し、各半導体層の短絡や損傷を抑制する絶縁性の保護膜であり、埋込膜と同様の材料により形成することができる。埋込膜及び絶縁膜、並びに後述の電極、誘電体膜は、スパッタ法、CVD法、蒸着法などにより形成できる。
p側電極30及びn側電極40は、例えば、Pd、Pt、Ni、Au、Ti、V、W、Cu、Ag、Mo、Hf、Zn、Rh、Ru、Os、Ir、Zr、Nb、Ta、Co、Fe、Mn、Cr、La、Yから成る群より選ばれる少なくとも1つの金属又はこれらの合金、ITO、ZnO、SnO2等の導電性酸化物、の単層膜又は多層膜より形成することができる。p側電極としては、Ni−Au系、Ni−Pd系の電極材料が好ましく、例えばNi/Au/Ptのオーミック電極と、Ni/Pd/Auのパッド電極の積層構造とする。n側電極としては、Ti−Al系、Ti−Pt系、V−Pt系、Nb−Pt系、W−Al系の電極材料が好ましく、例えばTi/Pt/Auの積層構造とする。なお、n側電極上にもメタライズ電極(パッド電極)を別途設けてもよい。電極の膜厚は、使用する材料により適宜調整することができ、例えば5nm以上1μm以下、好ましくは10nm以上500nm以下であることが好ましい。
上述の半導体レーザ装置では、共振器を構成する一対の反射鏡が半導体レーザ素子の前方端面及び後方端面に各々設けられているが、これに限らず、共振器を構成する一対の反射鏡の少なくとも一方が半導体レーザ素子の端面から離間して設けられた外部共振器型の半導体レーザ装置であってもよい。また、半導体レーザ素子の前方端面及び/又は後方端面に共振器面を形成する場合、これら端面に誘電体膜を形成することが好ましい。誘電体膜は、SiO2、ZrO2、TiO2、Al2O3、Nb2O5、AlN等の単層膜又は多層膜により形成することができる。なお、半導体レーザ素子の大きさは、例えば長さを200μm以上1mm以下程度、幅を100μm以上500μm以下程度とすることができ、素子の前方及び後方の端面に共振器面を形成する場合、その長さが共振器長に略等しくなる。
駆動装置は、半導体レーザ素子の各小片電極を選択し印加する電圧又は電流を独立に制御する制御回路と、該制御回路を介して半導体レーザ素子に電圧又は電流を供給する電源と、を少なくとも備えるものであればよい。制御回路は、光出力を一定に保つ定出力制御回路(APC:Auto Power Control)や、高周波信号等の変調信号を発生・重畳させる変調回路などを適宜組み込んで、所望の信号波形を有する印加電圧又は電流を生成するように設計できる。
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
前後の小片電極301,302に44mAの定電流を各々印加して、半導体レーザ素子100を連続発振させる駆動方法を比較例1とする。また、前方の小片電極301に−0.5Vの逆方向の定電圧を印加し、後方の小片電極302に125mAの定電流を印加して、半導体レーザ素子100を自励発振させる駆動方法を比較例2とする。
20…半導体素子構造(21…n型半導体層、22…活性層、23…p型半導体層、24…光導波路)
25…埋込膜
26…絶縁膜
28…利得領域
29…光吸収領域
30…p側電極(31…オーミック電極、32…パッド電極、301,302,303,304,305…小片電極)
40…n側電極(401,402…小片電極)
45…ワイヤー
46…サブマウント
100,110,120…半導体レーザ素子
500…駆動装置
Claims (8)
- p側電極とn側電極の間に、ストライプ状の光導波路が設けられた半導体素子構造を有し、前記p側電極及びn側電極の少なくとも一方が前記光導波路の長手方向に分離された複数の小片電極からなる半導体レーザ素子の駆動方法であって、
発振閾値以上の順方向電圧を印加する前記小片電極を周期的に切り替えるとともに、前記順方向電圧を印加する小片電極以外の前記小片電極の少なくとも1つに、該半導体レーザ素子が自励発振可能な逆方向電圧を印加する半導体レーザ素子の駆動方法。 - p側電極とn側電極の間に、ストライプ状の光導波路が設けられた半導体素子構造を有し、前記p側電極及びn側電極の少なくとも一方が前記光導波路の長手方向に分離された複数の小片電極からなる半導体レーザ素子の駆動方法であって、
発振閾値以上の順方向電圧を印加する前記小片電極の数を周期的に変える半導体レーザ素子の駆動方法。 - 前記順方向電圧を印加する小片電極以外の前記小片電極の少なくとも1つに、該半導体レーザ素子が自励発振可能な逆方向電圧を印加する請求項2に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
- 前記逆方向電圧を前記小片電極に断続的に印加する請求項1又は3に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
- 前記小片電極のうちの第1の小片電極に印加する電圧は、発振閾値を跨いで振動し、少なくとも一時的に、前記第1の小片電極に印加する電圧が上昇中である時に、第2の小片電極に印加する電圧が降下中である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
- 前記小片電極を切り替える又は前記小片電極の数を変える周波数は、60Hz以上1GHz以下である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
- p側電極とn側電極の間に、ストライプ状の光導波路が設けられた半導体素子構造を有し、前記p側電極及びn側電極の少なくとも一方が前記光導波路の長手方向に分離された複数の小片電極からなる半導体レーザ素子と、
発振閾値以上の順方向電圧を印加する前記小片電極を周期的に切り替えるとともに、前記順方向電圧を印加する小片電極以外の前記小片電極の少なくとも1つに、該半導体レーザ素子が自励発振可能な逆方向電圧を印加する駆動装置と、を備える半導体レーザ装置。 - p側電極とn側電極の間に、ストライプ状の光導波路が設けられた半導体素子構造を有し、前記p側電極及びn側電極の少なくとも一方が前記光導波路の長手方向に分離された複数の小片電極からなる半導体レーザ素子と、
発振閾値以上の順方向電圧を印加する前記小片電極の数を周期的に変える駆動装置と、を備える半導体レーザ装置。
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