JP6394832B1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

半導体レーザ装置が備える前端面および後端面それぞれが、半導体基板の端部、第一導電型クラッド層の端部、活性層の端部、および第二導電型クラッド層の端部を含む。前端面が、活性層の端部を含む共振器端面部と、共振器端面部よりも予め定められた所定突出量だけ共振器長方向へ突き出ており段差底面部を備えた突出部と、を含む。共振器端面部と段差底面部とが接続して隅部を形成する。活性層の厚さ中央位置から段差底面部までの距離を、底面部深さする。底面部深さが、予め定めた特定深さと同じまたは当該特定深さよりも深くされている。所定突出量をXとし、底面部深さをYとし、共振器端面部から出射されるレーザ光の広がり角の半角をβとした場合に、β＞ａｒｃｔａｎ（Ｙ／Ｘ）を満たすように所定突出量および底面部深さが定められる。

Description

本出願は、半導体レーザ装置に関するものである。

従来、例えば国際公開第２００２／１０３８６５号に開示されているように、エッチングによって共振器端面が形成される半導体レーザ装置が知られている。ファブリペロ型の半導体レーザ装置は、共振器端面を備えている。共振器端面は、活性層の光を半導体層内部で共振させて導波路領域を形成するためのものである。共振器端面の形成方法には、劈開、エッチング、研磨等の方法がある。材料に応じて適切な形成方法が選択されている。

国際公開第２００２／１０３８６５号

共振器端面から出射したレーザ光の放射光パターンは、ファーフィールドパターンと呼ばれている。上記特許文献１における第６ページの第２行目には、放射臨界角などを考慮することでＦＦＰすなわちファーフィールドパターンが乱されないようにできると記載されている。この点を説明すると、まずドライエッチングにより共振器端面を形成する場合、ドライエッチングが半導体層の途中までで止まると、共振器端面の下方に段差が発生する。この段差は、共振器端面よりも共振器長方向に突き出た突出部となる。突出部がレーザ出力光の広がりを阻害しないように、レーザ放射光との関係でドライエッチングの深さを適切に定めることが好ましい。共振器端面から出力されたレーザ光の進路が突出部に阻害されないようにすることで、良好な放射光パターンを得ることができる。

ドライエッチング加工によりレーザの共振器端面を形成する構造では、出力光だけでなく、「共振器内を導波するレーザ光の強度分布」も考慮する必要がある。「共振器内を導波するレーザ光の強度分布」は、一般にニアフィールドパターンと呼ばれている。上記先行技術文献では、この導波光の光強度分布について、いっさい考慮されていない。ニアフィールドパターンと突出部との関係を考慮せずにドライエッチング加工形状を設計すると、共振器端面で反射されるレーザ光の光分布の多くが散乱されるおそれがある。その結果、光損失が大きくなりすぎて、レーザの光出力特性を悪化させるという問題があった。

本出願は、上記の課題を解決するためになされたもので、高い光出力と良好なファーフィールドパターンとを確実に両立することができるように改善された半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本出願の他の目的は、高い光出力を得るために後端面の構造を改善した半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本出願により開示される第一の半導体レーザ装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられた第一導電型クラッド層と、
前記第一導電型クラッド層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられた第二導電型クラッド層と、
を備え、
互いに反対を向く前端面および後端面を備え、
前記前端面および前記後端面それぞれが、前記半導体基板の端部、前記第一導電型クラッド層の端部、前記活性層の端部、および前記第二導電型クラッド層の端部を含み、
前記前端面および前記後端面の少なくとも一方が、
前記活性層の端部を含む共振器端面部と、
前記共振器端面部よりも予め定められた所定突出量だけ共振器長方向へ突き出ており、前記共振器端面部の側を向く段差底面部を備えた突出部と、
を含み、
前記共振器端面部と前記段差底面部とが接続して隅部を形成し、
前記活性層の厚さ中央位置を表す仮想線である活性層厚中央軸から前記段差底面部までの最短距離を、底面部深さとし、
前記底面部深さが、予め定められた特定深さと同じまたは当該特定深さよりも深くされており、
前記特定深さは、前記活性層厚中央軸から、前記活性層を導波する導波光が持つ垂直横モードの光強度分布においてピーク強度値の１／１００となる位置までの最短距離であり、
前記所定突出量をＸとし、前記底面部深さをＹとし、前記共振器端面部から出射されるレーザ光の広がり角の半角をβとした場合に、
β＜ａｒｃｔａｎ（Ｙ／Ｘ）を満たすように前記所定突出量および前記底面部深さが定められ、
βの大きさが、０＜β＜β１であり、
β１は、βおよびＹそれぞれを軸とするグラフにおいて第一特性ラインと第二特性ラインとの交点に対応する角度であり、
前記第一特性ラインは、前記共振器端面部から出力されるレーザ放射光が前記突出部に遮られないようにするための条件を前記グラフに定めたものであり、
前記第二特性ラインは、前記底面部深さＹを前記特定深さよりも深く設定するための条件を前記グラフに定めたものであり、
前記底面部深さＹが、前記第二特性ラインの値以上の大きさに設定される。

本出願により開示される第二の半導体レーザ装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられた第一導電型クラッド層と、
前記第一導電型クラッド層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられた第二導電型クラッド層と、
を備え、
互いに反対を向く前端面および後端面を備え、
前記前端面および前記後端面それぞれが、前記半導体基板の端部、前記第一導電型クラッド層の端部、前記活性層の端部、および前記第二導電型クラッド層の端部を含み、
前記後端面が、
前記活性層の端部を含む共振器端面部と、
前記共振器端面部よりも予め定められた所定突出量だけ共振器長方向へ突き出ており、前記共振器端面部の側を向く段差底面部を備えた突出部と、
を含み、
前記活性層を導波する光を前記共振器端面部で反射するための反射コーティング膜が、前記共振器端面部に設けられ、
前記共振器端面部と前記段差底面部とが接続して隅部を形成し、
前記活性層の厚さ中央位置を表す仮想線である活性層厚中央軸から前記段差底面部までの最短距離を、底面部深さとし、
前記底面部深さが、予め定められた特定深さと同じまたは当該特定深さよりも深くされており、
前記特定深さは、前記活性層厚中央軸から、前記活性層を導波する導波光が持つ垂直横モードの光強度分布においてピーク強度値の１／１００となる位置までの最短距離であり、
前記所定突出量をＸとし、前記底面部深さをＹとし、前記反射コーティング膜を設けないときに前記共振器端面部から出射されるレーザ光の広がり角の半角をβとした場合に、
βの大きさは、β１＜βであり、
β１は、βおよびＹそれぞれを軸とするグラフにおいて第一特性ラインと第二特性ラインとの交点に対応する角度であり、
前記第一特性ラインは、前記反射コーティング膜を設けないときに前記共振器端面部から出力されるレーザ放射光が前記突出部に遮られないようにするための条件を前記グラフに定めたものであり、
前記第二特性ラインは、前記底面部深さＹを前記特定深さよりも深く設定するための条件を前記グラフに定めたものであり、
前記底面部深さＹが、前記第一特性ラインの値よりも小さく且つ前記第二特性ラインの値以上の大きさに設定される。

本出願により開示される第三の半導体レーザ装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられた第一導電型クラッド層と、
前記第一導電型クラッド層の上における第一部分に設けられた活性層と、
前記第一導電型クラッド層の上における前記第一部分の隣の第二部分に設けられ、前記活性層の端部と接続する光導波路層と、
前記活性層および前記光導波路層の上に設けられた第二導電型クラッド層と、
を備え、
互いに反対を向く前端面および後端面を備え、
前記前端面が、前記半導体基板の端部、前記第一導電型クラッド層の端部、前記活性層の端部、および前記第二導電型クラッド層の端部を含み、
前記後端面が、前記半導体基板の端部、前記第一導電型クラッド層の端部、前記光導波路層の端部、および前記第二導電型クラッド層の端部を含み、
前記後端面が、
前記光導波路層の端部を含む光導波路端面部と、
前記光導波路端面部よりも予め定められた所定突出量だけ共振器長方向へ突き出ており、前記光導波路端面部の側を向く段差底面部を備えた突出部と、
を含み、
前記光導波路端面部と前記段差底面部とが接続して隅部を形成し、
前記光導波路層の厚さ中央位置を表す仮想線である光導波路層厚中央軸から前記段差底面部までの最短距離を、底面部深さとし、
前記底面部深さが、予め定められた特定深さと同じまたは当該特定深さよりも深くされており、
前記特定深さは、前記光導波路層厚中央軸から、前記光導波路層を導波する導波光が持つ垂直横モードの光強度分布においてピーク強度値の１／１００となる位置までの最短距離であり、
前記所定突出量をＸとし、前記底面部深さをＹとし、前記光導波路端面部から出射されるレーザ光の広がり角の半角をβとした場合に、
β＜ａｒｃｔａｎ（Ｙ／Ｘ）を満たすように前記所定突出量および前記底面部深さが定められ、
βの大きさが、０＜β＜β１であり、
β１は、βおよびＹそれぞれを軸とするグラフにおいて第一特性ラインと第二特性ラインとの交点に対応する角度であり、
前記第一特性ラインは、前記光導波路端面部から出力されるレーザ放射光が前記突出部に遮られないようにするための条件を前記グラフに定めたものであり、
前記第二特性ラインは、前記底面部深さＹを前記特定深さよりも深く設定するための条件を前記グラフに定めたものであり、
前記底面部深さＹが、前記第二特性ラインの値以上の大きさに設定される。

上記第一の半導体レーザ装置によれば、共振器端面部で反射されるレーザ光の散乱に起因する光損失を十分に小さく抑制できるように、底面部深さが設定されている。共振器端面部から放射されるレーザ光が突出部で大きく阻害されないように、上記設定された底面部深さに対応して所定突出量が適切に定められている。その結果、高い光出力と良好なファーフィールドパターンとを確実に両立することができる。

上記第二の半導体レーザ装置によれば、後端面に設けた共振器端面部で反射されるレーザ光の散乱に起因する光損失を十分に小さく抑制できるように、底面部深さが設定されている。また、反射コーティング膜が設けられることで反射率が高められた後端面については、突出部に対するレーザ放射光の広がりを考慮しなくともよい。その結果、底面部深さの適切な設定により高い光出力を確保することができる。

上記第三の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ部と光導波路部とを持つ外部共振器型半導体レーザ装置において、後端面に設けた光導波路端面部で反射されるレーザ光の散乱に起因する光損失を十分に小さく抑制できるように、底面部深さが設定されている。その結果、底面部深さの適切な設定により高い光出力を確保することができる。

実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成を示す部分拡大図である。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の底面部深さを説明するためのグラフである。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の底面部深さを説明するためのグラフである。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の底面部深さを説明するためのグラフである。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の底面部深さを説明するためのグラフである。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の底面部深さを説明するためのグラフである。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の底面部深さを説明するためのグラフである。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の底面部深さを説明するためのグラフである。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の底面部深さを説明するための部分拡大図である。 実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の底面部深さを説明するために示す比較例の部分拡大図である。 実施の形態２にかかる半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 実施の形態２にかかる半導体レーザ装置の構成を示す部分拡大図である。 実施の形態２にかかる半導体レーザ装置の底面部深さを説明するためのグラフである。 実施の形態１の変形例にかかる半導体レーザ装置の構成を示す図である。 実施の形態１の変形例にかかる半導体レーザ装置の構成を示す図である。 実施の形態３にかかる外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。 実施の形態３にかかる外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 実施の形態３にかかる外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示す部分拡大図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０１の構成を示す斜視図である。図２は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０１の構成を示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ仮想平面にそって半導体レーザ装置１０１を切断した断面図である。図３は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０１の構成を示す部分拡大図である。図３は図２の共振器端面部付近１０２を拡大したものである。

実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０１は、端面発光型の半導体レーザ装置である。図３に示すように、半導体レーザ装置１０１は、半導体基板１と、半導体基板１の上に設けられた第一導電型クラッド層２と、第一導電型クラッド層２の上に設けられた活性層３と、活性層３の上に設けられた第二導電型クラッド層４と、を備える。実施の形態１では、第一導電型をｎ型とし、第二導電型をｐ型とする。ただし、変形例として、ｎ型とｐ型とを逆としてもよい。

各層の厚さの一例を示す。ＩｎＰからなる半導体基板１の厚さは、１００μｍとしてもよい。ＩｎＰからなる第一導電型クラッド層２の厚さは、２μｍから３μｍまでの範囲内としてもよい。活性層３の厚さは、０．２μｍとしてもよい。ＩｎＰからなる第二導電型クラッド層４の厚さは、２μｍから３μｍまでの範囲内としてもよい。第一オーミック電極５の厚さは、２μｍから３μｍまでの範囲内としてもよい。第二オーミック電極６の厚さは、２μｍから３μｍまでの範囲内としてもよい。

図３に示すように、Ａ−Ａ仮想平面によって半導体レーザ装置１０１を切断した断面視において、活性層３の厚さが半分になる位置を表す仮想線を、「活性層厚中央軸３ａ」とする。実施の形態１では、便宜上、図３で活性層厚中央軸３ａを示す破線を、活性層３の内部のみならず活性層３の外部まで延長された仮想線としている。

共振器端面部７ａにおける発光形状は、ニアフィールドパターンと呼ばれる。以下、ニアフィールドパターンを、単に「ＮＦＰ」とも称す。ＮＰＦは、半導体レーザ装置１０１の内部における光の導波状態によって決まる。ＮＦＰは、水平横モードＷ_／／と、垂直横モードＷ_⊥で表される。ＮＦＰと関連して本願で着目される第一パラメータαを、α＝Ｗ_⊥／２と定める。

第一導電型クラッド層２および第二導電型クラッド層４が活性層３を挟みこんでいる。活性層３と第一導電型クラッド層２および第二導電型クラッド層４との間の屈折率差が大きいと、より多くの光が活性層３に閉じ込められる。つまり、活性層３は、レーザ光を発振させる役割とともに、二つのクラッド層によって挟まれることで光を閉じ込めつつ導波させる役割も発揮する。活性層３への光閉じ込めが強くなると、ＮＦＰの光分布は小さくなる。逆に、屈折率差が小さいと活性層３に光が閉じ込めにくくなるため、ＮＦＰの光分布は大きくなる。

半導体レーザ装置１０１から出射されたレーザ放射光１１１は、回折現象により空間中に広がる。このときの光の拡がり形状は、ファーフィールドパターンと呼ばれる。以下、ファーフィールドパターンを、単に「ＦＦＰ」とも称す。ＦＦＰは、活性層３に垂直な方向の放射角θ_⊥と活性層３に平行な方向の放射角θ_／／とで表される。実施の形態１で着目される第二パラメータβを、β＝θ_⊥／２と定める。βは、レーザ放射光１１１における放射角θ_⊥の半角である。レーザ放射光が空間中に広がる際の回折現象は、数学的にフーリエ変換の関係で表される。上記の第一パラメータαと第二パラメータβの関係は、フーリエ変換の関係で結ばれている。αが大きいとβは小さくなり、αが小さいとβは大きくなる。

半導体レーザ装置１０１は、互いに反対を向く前端面７および後端面１０を備えている。前端面７および後端面１０それぞれが、半導体基板１、第一導電型クラッド層２、活性層３、および第二導電型クラッド層４の端部を含んでいる。実施の形態１では、前端面７が、共振器端面部７ａと、突出部７ｂと、段差底面部７ｃと、を含んでいる。

図１から図３には、説明の便宜上、互いに直交するｘｙｚ軸を表記している。ｙ軸は、半導体基板１の表面に半導体層を結晶成長させるときの、結晶成長方向である。ｙ軸は、各半導体層の厚さ方向であり、半導体レーザ装置１０１の厚さあるいは高さ方向でもある。ｘ軸は、レーザ放射光１１１の進む方向である。ｘ軸は、「共振器長」を表すための方向軸でもある。共振器長は、半導体レーザ装置１０１が備える一対の共振器面の間隔である。実施の形態１における共振器長は、前端面７の共振器端面部７ａと、後端面１０との距離である。ｚ軸は、ｘ軸およびｙ軸に直交している。ｚ軸は、半導体レーザ装置１０１の幅方向である。図１のＡ−Ａ仮想平面は、図１から図３に示したｘｙｚ座標系におけるｘｙ平面と平行である。

半導体レーザ装置１０１は、有機金属気相化学成長法（ＭＯＶＰＥ）で製造されても良い。ＩｎＰからなる半導体基板１上に、ＩｎＰからなる第一導電型クラッド層２と、活性層３と、ＩｎＰからなる第二導電型クラッド層４と、がＭＯＶＰＥを用いて積層されてもよい。半導体層の積層の後に、ドライエッチングにより、第一導電型クラッド層２の途中もしくは半導体基板１の途中までエッチングが行われる。ドライエッチングで削られた部位に共振器端面部７ａが形成され、ドライエッチングで削られなかった部位に突出部７ｂが形成される。ドライエッチングは、例えばメタンガスあるいは塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングであってもよい。ドライエッチングの後あるいは前に、給電用の電極が形成される。第二導電型クラッド層４の上に、給電用の第一オーミック電極５が形成される。ＩｎＰからなる半導体基板１の裏面に、給電用の第二オーミック電極６が形成される。

図３に示すように、共振器端面部７ａは、第一導電型クラッド層２、活性層３および第二導電型クラッド層４それぞれの端部を含んでいる。突出部７ｂは、共振器端面部７ａよりも共振器長方向つまりｘ軸方向へと突き出ている。突出部７ｂの突出の大きさを、所定突出量Ｘと称す。突出部７ｂは、共振器端面部７ａの側を向く段差底面部７ｃを備えている。共振器端面部７ａと段差底面部７ｃとが接続することでエッチングエッジ隅部ＥＥが形成されている。活性層３の厚さ中央位置から段差底面部７ｃまでの距離を、底面部深さＹとする。底面部深さＹは、共振器端面部７ａを形成するときのドライエッチングの深さによって決まる。底面部深さＹは、ｙ軸方向に沿う、活性層３の活性層厚中央軸３ａから段差底面部７ｃまでの最短距離を示している。

図３には、導波光８も図示されている。導波光８は、活性層３を導波する光の分布を模式的に表している。実施の形態１で着目する第一パラメータα＝Ｗ_⊥／２は、導波光８の分布形状によって決定される。導波光８は、活性層３の屈折率が周囲の第一導電型クラッド層２および第二導電型クラッド層４の屈折率よりも高いことにより生じる。活性層３の屈折率を大きくすればするほど、活性層３の内部への光閉じ込めも増大する。活性層３の内部への光閉じ込めが強くなると、活性層３の外へのしみ出し成分が小さくなるので、αは小さくなる。反対に、活性層３の屈折率が小さいと活性層３への光閉じ込めが小さくなるので、αは大きくなる。

所定突出量Ｘおよび底面部深さＹは、次のように設定される。実施の形態１で着目される第二パラメータβは、共振器端面部７ａから出射されるレーザ放射光１１１の広がり角の半角である。所定突出量Ｘおよび底面部深さＹは、逆三角関数を用いた条件である「β＜ａｒｃｔａｎ（Ｙ／Ｘ）」を満たすように定められている。これにより、共振器端面部７ａから出力されるレーザ放射光１１１が突出部７ｂに遮られることを抑制できるので、良好なＦＦＰを得ることができる。

図４から図１０は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０１の底面部深さＹを説明するためのグラフである。図４は、βを横軸に、底面部深さＹを縦軸に取ったグラフである。好ましい所定突出量X＝５μｍを例に、底面部深さＹを求めたものである。破線Ｑ１は、共振器端面部７ａから出力されたレーザ放射光１１１の進路が突出部７ｂに阻害されないようにするための条件である。様々なβに応じて底面部深さＹを破線Ｑ１よりも深くすることが好ましい。

ここで、導波光８と、所定深さＹとの関係について説明する。第一導電型クラッド層２の屈折率をｎ_ｃ１とする。第二導電型クラッド層４の屈折率をｎ_ｃ２とする。活性層３は、層数がｍ、ｊ番目の層の屈折率がｎ_ｊ、層厚がｄ_ｊである。第一導電型クラッド層２と第二導電型クラッド層４で挟まれた構造である。ｙ方向は、第一導電型クラッド層２、活性層３、および第二導電型クラッド層４の積層方向である。積層方向ｙにおける導波光の光電界分布をＥで表す。

第一導電型クラッド層２の光電界Ｅ_ｃ１（ｙ）は、下記の数式（１）、（２）で表すことができる。ｎは透過屈折率を、ｋ_０は真空中の波数を表す。Ｄ_１は、予め定められる係数である。

活性層３の各層の光電界Ｅ_ｊ（ｙ）は、下記の数式（３）、（４）で表すことができる。Ａ_ｊおよびＢ_ｊは、予め定められる係数である。

第二導電型クラッド層４の光電界Ｅ_ｃ２（ｙ）は、下記の数式（５）、（６）で表すことができる。ｎは透過屈折率を、ｋ_０は真空中の波数を表す。Ｄ_２は、予め定められる係数である。

ここで、電界強度Ｅの二乗すなわち光強度Ｅ^２の分布について検討する。光強度Ｅ^２の分布形状は、活性層３の活性層厚中央軸３ａにピーク強度を持ち、活性層厚中央軸３ａの両脇に裾野をもつように広がっている。このピーク強度を頂部とし、ピーク強度から徐々に光強度が低下していくように、光強度Ｅ^２は山形状の分布を持つ。ピーク強度から麓にかけて光強度が小さくなる途中で、光強度Ｅ^２のピーク強度の１／１００となる点が到来する。光強度Ｅ^２の山形状分布はピークの両脇に二つの麓を持つので、この二つの麓それぞれに、光強度Ｅ^２のピーク強度の１／１００となる点がある。上記二つの麓のうち半導体基板１に近い側の麓において、光強度Ｅ^２の「ピーク強度の１／１００の強度」となる点と、活性層厚中央軸３ａとのｙ軸方向に沿う最短距離を、便宜上、「特定深さｙ_{１／１００}」と記載する。

図５のグラフは、共振器端面部７ａでの反射光が導波路と結合する割合と、光強度とが、底面部深さＹに応じてどのような関係にあるかを示すものである。図５の破線２０は、共振器端面部７ａで反射した光が再び活性層３に結合する割合Ｕを表している。破線２０は、この結合割合Ｕが、底面部深さＹに応じてどのように変化するかを示す特性グラフである。図５の実線２１は、光強度Ｅ^２をピーク値で規格化した値と、底面部深さＹとの関係を示す特性グラフである。図５のグラフは、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０１の一例を計算したものである。図５の計算条件では、活性層３を層厚０．２４μｍおよび屈折率３．３５としている。図５の計算条件では、第一導電型クラッド層２と第二導電型クラッド層４の屈折率をｎ_ｃ１＝ｎ_ｃ２＝３．２１６としている。

図５の実線グラフ上には点２１ｐが存在している。この点２１ｐは、光強度がピーク強度値の１／１００となる点である。この点２１ｐに対応する底面部深さＹの大きさが、特定深さｙ_{１／１００}である。実施の形態１では、底面部深さＹが、特定深さｙ_{１／１００}と同じ、あるいは特定深さｙ_{１／１００}よりも大きく設定される。具体的な構造は、図１１を参照しつつ後ほど説明する。

図６から図８は、Ｙ＝０μｍ、１μｍ、２μｍでの、共振器端面部７ａから放射される光の放射角を横軸として示したものである。図６に示すＹ＝０μｍのデータでは、プラス６０度付近およびマイナス６０度付近にサテライトピークが生じている。サテライトピークは、光通信用光ファイバにレーザ放射光１１１を結合させようとしたときに生じる非結合成分である。Ｙ＝０μｍのような放射光形状は、ファイバへの光入力パワーが低下するため好ましくない。図７に示すＹ＝１μｍでは、サテライトピークがないので、光ファイバへの入力パワーも改善される。Ｙ＝１μｍの場合には、図５からも読み取れるように端面反射光の９０％が再び活性層３に結合することができるので、大幅な特性悪化はない。端面反射光が再び活性層３に結合する割合が９０％未満であることは、光通信分野で使用されるデバイスにとって許容しがたいほど大きな損失である。よって、光強度Ｅ^２のうち「ピーク強度の１／１００の強度」までは、光散乱の影響を受けないようにすることが好ましい。

なお、反射光結合割合と光強度との関係は、活性層３の層厚および屈折率には依存しない。このため、活性層３がどのような構造であっても、図５に示すような関係は成立する。つまり、特定深さｙ_{１／１００}では、反射光が活性層３に結合する割合が９０％となる。

図５を参照しつつ行った上記技術的説明は、活性層３の屈折率が３．３５であることを前提とし、特定深さｙ_{１／１００}に着目して行われている。上記の技術的説明が他の屈折率等について一般化あるいは拡張されることを、図９を用いて説明する。図９のグラフの横軸は、放射角によって決まる第二パラメータβである。図９において、第二パラメータβは、活性層３の屈折率を変化させつつ計算されている。図９のグラフの縦軸は、反射光が活性層３に結合する割合である。図９に示すように、活性層３がいかなる放射角を与える構造であっても、反射光が活性層３に結合する割合はほぼ９０％となる。活性層３の厚さを変化させた場合、あるいは第一導電型クラッド層２および第二導電型クラッド層４の屈折率を変化させた場合においても、βへの影響は同様である。このため、実用上、活性層３の厚さおよび屈折率差などによらず図９の関係が成り立つとみなしてもよい。

以上の理由から、活性層３の活性層厚中央軸３ａから少なくとも特定深さｙ_{１／１００}までドライエッチングを施すことで、底面部深さＹを少なくとも特定深さｙ_{１／１００}まで確保することができる。このような構成によれば、導波光８がエッチングエッジ隅部ＥＥで光散乱の影響を受けることを抑制することができる。

なお、実施の形態１では、下記の理由から、ピーク強度からピーク強度の１／１００までの範囲としている。共振器端面部７ａでの結合割合が７割となる特性を持つ半導体レーザ装置、つまりミラー損失が３割程度となる特性を持つ半導体レーザ装置は、現時点でそのニーズあるいは用途が考えにくい。また、劈開端面を持つ半導体レーザ装置の一般的な製造公差などを考慮すると、ミラー損失は１割程度のばらつきを持つと予想される。そこで、結合割合が９割となる特性、つまり光損失を１割に抑制する特性が、妥当な許容損失であると結論付けることができる。ただし、半導体レーザ装置１０１の用途によっては、底面部深さＹを、より深く設定してもよい。例えば、ｙ活性層３の活性層厚中央軸３ａから、ピーク強度の１／１０００となる点までの、ｙ軸方向に沿う最短距離を、特定深さｙ_{１／１０００}とする。特定深さｙ_{１／１００}に代えて、底面部深さＹを、他の特定深さｙ_{１／１０００}と同じ又はこれよりも深くしてもよい。

図１０は、実施の形態１の効果の範囲を表す図である。底面部深さＹは、破線Ｑ１以上、かつ実線Ｑ２以上の範囲Ｑｘで設定される。実線Ｑ２は、式（１）から式（６）に基づいて定められた条件であり、底面部深さＹを特定深さｙ_{１／１００}よりも深く設定するための条件である。第一導電型クラッド層２と第二導電型クラッド層４の屈折率は、ｎ_ｃ１＝ｎ_ｃ２＝３．２１６としている。なお、図１０に関して、活性層３は厚さ０．２４μｍの単層膜として取り扱われている。活性層３の屈折率ｎ_ｊを変化させつつ、βの値を変えている。ｙ＝０における光強度をＥ^２＝１とすることで、式（１）から式（６）の連立方程式を解くことができる。範囲Ｑｘに底面部深さＹが収まるようにすることで、導波光８がエッチングエッジ隅部ＥＥで散乱を受けることない。その結果、良好な特性の半導体レーザ装置１０１を得ることができる。

図１１は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０１の底面部深さＹを説明するための部分拡大図である。図１１は、実施の形態１の代表例であり、図１０の点Ｑ_Ａに対応する底面部深さＹを持つ断面形状を示す。図１１では、底面部深さＹが、特定深さｙ_{１／１００}よりも大きくつまり深く設定されている。このようにすることで、導波光８が、エッチングエッジ隅部ＥＥにかかることがない。底面部深さＹは、特定深さｙ_{１／１００}よりも小さくならなければよく、特定深さｙ_{１／１００}と同じに設定されてもよい。

一方、図１２は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０１の底面部深さＹを説明するために示す比較例の部分拡大図である。図１２は、比較例の代表例であり、図１０の点Ｑ_Ｂに対応する底面部深さＹを持つ断面形状を示す。図１２では、底面部深さＹが、特定深さｙ_{１／１００}よりも小さくつまり浅く設定されている。図１２では活性層３を導波する光分布の一部がエッチングエッジ隅部ＥＥにかかることがわかる。図１２の構造ではなく図１１の構造を採用することで、半導体レーザ装置１０１の特性悪化を抑制することができる。なお、現実的なβの値は５度から２０度の範囲内であるから、図１０に示す範囲Ｑｘにしたがって底面部深さＹを調整することで優れた特性の半導体レーザを安定して得ることができる。

以上説明したように、実施の形態１によれば、共振器の内部を導波するレーザ放射光１１１の強度分布すなわちＮＦＰを考慮に入れることで、共振器端面部７ａで反射されるレーザ放射光１１１の散乱に起因する光損失を十分に小さく抑制できるように底面部深さＹを設定している。これにより、高い光出力が得られる。しかも、共振器端面部７ａから放射されるレーザ放射光１１１が突出部７ｂで大きく阻害されないように、上記のように適切に設定された底面部深さＹに対応して所定突出量Ｘが適切に定められている。これにより、高い光出力と良好なＦＦＰとを確実に両立することができる。

図１６は、実施の形態１の変形例にかかる半導体レーザ装置１３１の構成を示す図である。後端面１０に、共振器端面部１０ａ、突出部１０ｂ、および段差底面部１０ｃを設けてもよい。図１７は、実施の形態１の変形例にかかる半導体レーザ装置１４１の構成を示す図である。前端面７および後端面１０の両方に、共振器端面部７ａ、１０ａ、突出部７ｂ、１０ｂ、および段差底面部７ｃ、１０ｃを設けてもよい。図１６および図１７の変形例において、所定突出量Ｘおよび底面部深さＹは、上述した実施の形態１と同様の基準で設定すればよい。

実施の形態２．
図１３は、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置２０１の構成を示す断面図である。図１４は、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置２０１の構成を示す部分拡大図である。実施の形態２に係る半導体レーザ装置２０１は、次の点で実施の形態１にかかる半導体レーザ装置２０１と相違している。まず、実施の形態１とは異なり、後端面１０が、共振器端面部１０ａおよび突出部１０ｂを備えている。さらに、実施の形態１とは異なり、共振器端面部１０ａに反射コーティング膜２０９が設けられている。

反射コーティング膜２０９を施すことで活性層３を導波する導波光８を共振器端面部１０ａで反射することができ、共振器端面部１０ａからの出力光を減らすことができる。半導体レーザ装置２０１のレーザ発振波長λに対する反射コーティング膜２０９の反射率を十分に高くすれば、共振器端面部１０ａからの出力光をほぼ零とすることもできる。反射コーティング膜２０９は、誘電体膜などで構成される。

図１５は、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置２０１の底面部深さＹを説明するためのグラフである。図１５は、実施の形態１における図１０と同様に、底面部深さＹを決定するために使用することができる。実施の形態２における底面部深さＹの範囲Ｑ_ｘｘは、図１５の斜線部となる。実施の形態１に対応する範囲Ｑ_ｘ１に加えて、範囲Ｑ_ｘ２においても底面部深さＹを設定することができる。範囲Ｑ_ｘ２は、実線Ｑ２以上かつ破線Ｑ１以下の範囲である。反射コーティング膜２０９を設けることで半導体レーザ装置２０１の外部へとレーザ放射光１１１が放射されないようにすることで、第二パラメータβについて考慮しなくてもよくなる。第二パラメータβを考慮しなくてもよいので、図１５において破線Ｑ１を無視することができる。その結果、もっぱら第一パラメータαのみを考慮すればよいので、図１５の実線Ｑのみを考慮して底面部深さＹを決めればよく、すなわち実施の形態１の図５に従って底面部深さＹを決めればよい。これにより、実施の形態１と同様にエッチングエッジ隅部ＥＥでの導波光８の散乱を抑制でき、損失を抑制することができる。

実施の形態２では前端面７が共振器端面部７ａおよび突出部７ｂを備えていないが、変形例として半導体レーザ装置２０１においてさらに前端面７に共振器端面部７ａおよび突出部７ｂを追加してもよい。

実施の形態３．
図１８は、実施の形態３にかかる外部共振器型半導体レーザ装置３０１の構成を示す斜視図である。図１８は外部共振器型半導体レーザ装置３０１を後端面１０の側から斜視したものであり、図１とは装置を見る向きが相違している。図１９は、実施の形態３にかかる外部共振器型半導体レーザ装置３０１の構成を示す断面図である。図１９は、図１８のＢ−Ｂ仮想平面にそって外部共振器型半導体レーザ装置３０１を切断した断面図である。図２０は、実施の形態３にかかる外部共振器型半導体レーザ装置３０１の構成を示す部分拡大図である。図２０は図１９の後端面部付近３０２を拡大したものである。

外部共振器型半導体レーザ装置３０１は、後端面１０にエッチングが施されることで突出部１０ｂおよび段差底面部１０ｃが設けられている点では実施の形態２にかかる半導体レーザ装置２０１に類似している。しかし、外部共振器型半導体レーザ装置３０１は、半導体レーザ部３０１ａと光導波路部３０１ｂとを有する点において半導体レーザ装置２０１と大きく相違している。

図１９に示すように、外部共振器型半導体レーザ装置３０１は、共振器長のちょうど半分程度の位置で、前端面７の側の半導体レーザ部３０１ａと後端面１０の側の光導波路部３０１ｂに区分されている。半導体レーザ部３０１ａは、実施の形態２と同様に、半導体基板１の上に第一導電型クラッド層２、活性層３、第二導電型クラッド層４、および第一オーミック電極５が設けられた部分である。これに対し、光導波路部３０１ｂは、二つの点で半導体レーザ部３０１ａとは異なっている。第一相違点は、光導波路部３０１ｂは、活性層３の代わりに光導波路層３０３を備えることである。光導波路層３０３の材料は、第一導電型クラッド層２および第二導電型クラッド層４よりも屈折率が大きい。第二相違点は、光導波路部３０１ｂには第一オーミック電極５が設けられていないことである。

実施の形態２では共振器端面部１０ａが後端面１０に含まれているが、実施の形態３では光導波路層３０３の端面である光導波路端面部３１０ａが後端面１０に含まれている。活性層３の端面から出力されたレーザ光が光導波路層３０３へと伝達され、このレーザ光は光導波路層３０３の光導波路端面部３１０ａで反射される。光導波路端面部３１０ａで反射したレーザ光は、再び活性層３へと入力され、最終的には前端面７から出射される。

図２０の後端面部付近３０２に示すように、光導波路層厚中央軸３０３ａが設定されている。この光導波路層厚中央軸３０３ａは光導波路層３０３の厚さ方向の中央を通る軸であり、実施の形態１、２における活性層厚中央軸３ａと対応している。その他、図２０に記載した符号は図１４に記載した符号と対応している。図２０の各パラメータＸ、Ｙ、β、およびαなどは、実施の形態１、２およびそれらの変形例で説明した各パラメータＸ、Ｙ、β、およびαなどと同様の方法で設定することができる。エッチングエッジ隅部ＥＥにおける電界強度および底面部深さＹの関係についても、実施の形態１、２で説明したのと同様の方法で対策できる。実施の形態３においても、底面部深さＹが特定深さｙ_{１／１００}と同じあるいは特定深さｙ_{１／１００}よりも大きく設定される。

なお、実施の形態３において、実施の形態２における反射コーティング膜２０９を追加しても良い。反射コーティング膜２０９を施すことで、光導波路層３０３を導波する導波光８を光導波路端面部３１０ａで反射してもよい。

１ 半導体基板
２ 第一導電型クラッド層
３ 活性層
３ａ 活性層厚中央軸
４ 第二導電型クラッド層
５ 第一オーミック電極
６ 第二オーミック電極
７ 前端面
７ａ 共振器端面部
７ｂ 突出部
７ｃ 段差底面部
８ 導波光
１０ 後端面
１０ａ 共振器端面部
１０ｂ 突出部
１０ｃ 段差底面部
１０１、１３１、１４１、２０１ 半導体レーザ装置
１０２ 共振器端面部付近
１１１ レーザ放射光
２０９ 反射コーティング膜
３０１ 外部共振器型半導体レーザ装置
３０１ａ 半導体レーザ部
３０１ｂ 光導波路部
３０３ 光導波路層
３０３ａ 光導波路層厚中央軸
３１０ａ 光導波路端面部
ＥＥ エッチングエッジ隅部
Ｘ 所定突出量
Ｙ 底面部深さ

Claims (3)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上に設けられた第一導電型クラッド層と、
   前記第一導電型クラッド層の上に設けられた活性層と、
   前記活性層の上に設けられた第二導電型クラッド層と、
   を備え、
   互いに反対を向く前端面および後端面を備え、
   前記前端面および前記後端面それぞれが、前記半導体基板の端部、前記第一導電型クラッド層の端部、前記活性層の端部、および前記第二導電型クラッド層の端部を含み、
   前記前端面および前記後端面の少なくとも一方が、
   前記活性層の端部を含む共振器端面部と、
   前記共振器端面部よりも予め定められた所定突出量だけ共振器長方向へ突き出ており、前記共振器端面部の側を向く段差底面部を備えた突出部と、
   を含み、
   前記共振器端面部と前記段差底面部とが接続して隅部を形成し、
   前記活性層の厚さ中央位置を表す仮想線である活性層厚中央軸から前記段差底面部までの最短距離を、底面部深さとし、
   前記底面部深さが、予め定められた特定深さと同じまたは当該特定深さよりも深くされており、
   前記特定深さは、前記活性層厚中央軸から、前記活性層を導波する導波光が持つ垂直横モードの光強度分布においてピーク強度値の１／１００となる位置までの最短距離であり、
   前記所定突出量をＸとし、前記底面部深さをＹとし、前記共振器端面部から出射されるレーザ光の広がり角の半角をβとした場合に、
   β＜ａｒｃｔａｎ（Ｙ／Ｘ）を満たすように前記所定突出量および前記底面部深さが定められ、
   βの大きさが、０＜β＜β１であり、
   β１は、βおよびＹそれぞれを軸とするグラフにおいて第一特性ラインと第二特性ラインとの交点に対応する角度であり、
   前記第一特性ラインは、前記共振器端面部から出力されるレーザ放射光が前記突出部に遮られないようにするための条件を前記グラフに定めたものであり、
   前記第二特性ラインは、前記底面部深さＹを前記特定深さよりも深く設定するための条件を前記グラフに定めたものであり、
   前記底面部深さＹが、前記第二特性ラインの値以上の大きさに設定される半導体レーザ装置。
2. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上に設けられた第一導電型クラッド層と、
   前記第一導電型クラッド層の上に設けられた活性層と、
   前記活性層の上に設けられた第二導電型クラッド層と、
   を備え、
   互いに反対を向く前端面および後端面を備え、
   前記前端面および前記後端面それぞれが、前記半導体基板の端部、前記第一導電型クラッド層の端部、前記活性層の端部、および前記第二導電型クラッド層の端部を含み、
   前記後端面が、
   前記活性層の端部を含む共振器端面部と、
   前記共振器端面部よりも予め定められた所定突出量だけ共振器長方向へ突き出ており、前記共振器端面部の側を向く段差底面部を備えた突出部と、
   を含み、
   前記活性層を導波する光を前記共振器端面部で反射するための反射コーティング膜が、前記共振器端面部に設けられ、
   前記共振器端面部と前記段差底面部とが接続して隅部を形成し、
   前記活性層の厚さ中央位置を表す仮想線である活性層厚中央軸から前記段差底面部までの最短距離を、底面部深さとし、
   前記底面部深さが、予め定められた特定深さと同じまたは当該特定深さよりも深くされており、
   前記特定深さは、前記活性層厚中央軸から、前記活性層を導波する導波光が持つ垂直横モードの光強度分布においてピーク強度値の１／１００となる位置までの最短距離であり、
   前記所定突出量をＸとし、前記底面部深さをＹとし、前記反射コーティング膜を設けないときに前記共振器端面部から出射されるレーザ光の広がり角の半角をβとした場合に、
   βの大きさは、β１＜βであり、
   β１は、βおよびＹそれぞれを軸とするグラフにおいて第一特性ラインと第二特性ラインとの交点に対応する角度であり、
   前記第一特性ラインは、前記反射コーティング膜を設けないときに前記共振器端面部から出力されるレーザ放射光が前記突出部に遮られないようにするための条件を前記グラフに定めたものであり、
   前記第二特性ラインは、前記底面部深さＹを前記特定深さよりも深く設定するための条件を前記グラフに定めたものであり、
   前記底面部深さＹが、前記第一特性ラインの値よりも小さく且つ前記第二特性ラインの値以上の大きさに設定される半導体レーザ装置。
3. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上に設けられた第一導電型クラッド層と、
   前記第一導電型クラッド層の上における第一部分に設けられた活性層と、
   前記第一導電型クラッド層の上における前記第一部分の隣の第二部分に設けられ、前記活性層の端部と接続する光導波路層と、
   前記活性層および前記光導波路層の上に設けられた第二導電型クラッド層と、
   を備え、
   互いに反対を向く前端面および後端面を備え、
   前記前端面が、前記半導体基板の端部、前記第一導電型クラッド層の端部、前記活性層の端部、および前記第二導電型クラッド層の端部を含み、
   前記後端面が、前記半導体基板の端部、前記第一導電型クラッド層の端部、前記光導波路層の端部、および前記第二導電型クラッド層の端部を含み、
   前記後端面が、
   前記光導波路層の端部を含む光導波路端面部と、
   前記光導波路端面部よりも予め定められた所定突出量だけ共振器長方向へ突き出ており、前記光導波路端面部の側を向く段差底面部を備えた突出部と、
   を含み、
   前記光導波路端面部と前記段差底面部とが接続して隅部を形成し、
   前記光導波路層の厚さ中央位置を表す仮想線である光導波路層厚中央軸から前記段差底面部までの最短距離を、底面部深さとし、
   前記底面部深さが、予め定められた特定深さと同じまたは当該特定深さよりも深くされており、
   前記特定深さは、前記光導波路層厚中央軸から、前記光導波路層を導波する導波光が持つ垂直横モードの光強度分布においてピーク強度値の１／１００となる位置までの最短距離であり、
   前記所定突出量をＸとし、前記底面部深さをＹとし、前記光導波路端面部から出射されるレーザ光の広がり角の半角をβとした場合に、
   β＜ａｒｃｔａｎ（Ｙ／Ｘ）を満たすように前記所定突出量および前記底面部深さが定められ、
   βの大きさが、０＜β＜β１であり、
   β１は、βおよびＹそれぞれを軸とするグラフにおいて第一特性ラインと第二特性ラインとの交点に対応する角度であり、
   前記第一特性ラインは、前記光導波路端面部から出力されるレーザ放射光が前記突出部に遮られないようにするための条件を前記グラフに定めたものであり、
   前記第二特性ラインは、前記底面部深さＹを前記特定深さよりも深く設定するための条件を前記グラフに定めたものであり、
   前記底面部深さＹが、前記第二特性ラインの値以上の大きさに設定される半導体レーザ装置。

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