JP6512953B2

JP6512953B2 - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP6512953B2
Application number: JP2015117407A
Authority: JP
Inventors: 智志西川; 鴫原　君男; 君男鴫原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: JP2017005102A

Description

この発明は、半導体レーザ装置に関する。

ブロードエリア半導体レーザ装置は、大出力が可能である等の利点を備えている。従来のブロードエリア半導体レーザ装置は、例えば非特許文献１に示されているように、ストライプ幅が５０μｍ又は１６０μｍの電極ストライプ構造を備えるものであった。この文献によれば、ストライプ幅を広くすることにより、許容される多数の高次横モードが発振し、高出力光が得られる。

他方、ブロードエリア半導体レーザ装置ではないが、ストライプ構造と反導波構造を備える半導体レーザの構造が特許文献１に開示されている。この文献では、コア要素の側部に高屈折率層を配置した構造が開示されており、反導波構造として機能することにより、素子動作時に基本横モードでのみレーザ発振が可能な構造となっている。このような素子はアレイ化してレーザアレイとすることで、各レーザで発信する基本横モードのレーザ発振光を干渉させることができ、高出力光が得られることが報告されている。

特許第４５７４００９号公報

K.Honda, T.Mamine, and M.Ayabe, "Single stripe high power laser diodes made by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition", SPIE, Vol.893 High Power Laser Diodes and Applications, pp.16-20, 1988.

ブロードエリア半導体レーザ装置では、水平方向のビーム拡がり角が１０度〜１３度程度に大きくなる傾向にある。このようなビーム拡がり角となる結果、ブロードエリア半導体レーザ装置から出射される光の角度が低くならざるを得ないという問題があった。

また、ブロードエリア半導体レーザでない単一の基本横モード発振のレーザでは、高出力化に困難があり、高出力光を得ようとするとレーザアレイ化などで素子構造が複雑になるという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ブロードエリア型の半導体レーザ装置において出射光の輝度を高めることを目的とする。

本発明の第１の半導体レーザ装置は、複数のモードが許容されるブロードエリア型の半導体レーザ装置であって、第１導電型の基板と、基板上に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、第１クラッド層上に設けられた第１ガイド層と、第１ガイド層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２ガイド層と、第２ガイド層上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、第２クラッド層上にストライプ状に設けられた第２導電型のコンタクト層と、第２ガイド層と第２クラッド層との間に挟まれ、平面視においてコンタクト層と重なる領域を挟むように設けられた、第２クラッド層よりも高い屈折率を有する一対の高屈折率層と、を備え、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じるように駆動され、高屈折率層は、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じる場合に、一定次数以上のモードである高次モードの発振を抑制することを特徴とする。

本発明の第２の半導体レーザ装置は、複数のモードが許容されるブロードエリア型の半導体レーザ装置であって、第１導電型の基板と、基板上に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、第１クラッド層上に設けられた第１ガイド層と、第１ガイド層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２ガイド層と、第２ガイド層上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、第２クラッド層上にストライプ状に設けられた第２導電型のコンタクト層と、第１クラッド層と第１ガイド層との間に挟まれ、平面視においてコンタクト層と重なる領域を挟むように設けられた、第１クラッド層よりも高い屈折率を有する一対の高屈折率層と、を備え、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じるように駆動され、高屈折率層は、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じる場合に、一定次数以上のモードである高次モードの発振を抑制することを特徴とする。

本発明の第１の半導体レーザ装置は、複数のモードが許容されるブロードエリア型の半導体レーザ装置であって、第１導電型の基板と、基板上に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、第１クラッド層上に設けられた第１ガイド層と、第１ガイド層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２ガイド層と、第２ガイド層上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、第２クラッド層上にストライプ状に設けられた第２導電型のコンタクト層と、第２ガイド層と第２クラッド層との間に挟まれ、平面視においてコンタクト層と重なる領域を挟むように設けられた、第２クラッド層よりも高い屈折率を有する一対の高屈折率層と、を備え、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じるように駆動され、高屈折率層は、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じる場合に、一定次数以上のモードである高次モードの発振を抑制することを特徴とする。従って、次数の低いモードを選択的に発振させ、出力光の輝度を高めることが出来る。

本発明の第２の半導体レーザ装置は、複数のモードが許容されるブロードエリア型の半導体レーザ装置であって、第１導電型の基板と、基板上に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、第１クラッド層上に設けられた第１ガイド層と、第１ガイド層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２ガイド層と、第２ガイド層上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、第２クラッド層上にストライプ状に設けられた第２導電型のコンタクト層と、第１クラッド層と第１ガイド層との間に挟まれ、平面視においてコンタクト層と重なる領域を挟むように設けられた、第１クラッド層よりも高い屈折率を有する一対の高屈折率層と、を備え、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じるように駆動され、高屈折率層は、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じる場合に、一定次数以上のモードである高次モードの発振を抑制することを特徴とする。従って、次数の低いモードを選択的に発振させ、出力光の輝度を高めることが出来る。

本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の実装状態を示す図である。比較例の半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。比較例の半導体レーザ装置における温度分布及び実効屈折率分布を示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置における実効屈折率分布を示す図である。比較例の半導体レーザ装置における光強度分布のモード次数依存性を示す図である。比較例の半導体レーザ装置における光閉じ込め係数のモード次数依存性を示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置における光強度分布のモード次数依存性を示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置における光閉じ込め係数のモード次数依存性を示す図である。活性領域を伝播する導波モードの光跡を示す図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置３０の構成を示す斜視図である。半導体レーザ装置３０は、波長９８０ｎｍのブロードエリア型半導体レーザ装置である。一般に、ブロードエリア型半導体レーザ装置は、水平横方向に複数のモードが許容されうる程度の幅のストライプ領域を備えている。これと対比されるものとして、基本モードのみを許容するシングルモード半導体レーザ装置があり、これは例えば特許文献１に記載されている７μｍといった狭い幅のストライプ領域を有する。ブロードエリア型半導体レーザ装置には、シングルモード半導体レーザ装置と比べて大きな出力を得ることができるという利点がある。

半導体レーザ装置３０は、第１導電型の第１電極４、第１導電型の基板５、半導体積層部３２、コンタクト層１３、ＳｉＮ層１２ａ，１２ｂ及び第２導電型の第２電極１４を備えている。

半導体積層部３２は、基板５上に順次積層された第１クラッド層６、第１ガイド層７、活性層８、第２ガイド層９及び第２クラッド層１１を含む。第１クラッド層６は第１導電型のＡｌＧａＡｓ層であり、第１ガイド層７及び第２ガイド層９はアンドープＡｌＧａＡｓ層であり、第２クラッド層１１は第２導電型のＡｌＧａＡｓ層である。活性層８は、波長９８０ｎｍに利得を有するアンドープＩｎＧａＡｓウェル層である。あるいは、ウェル層とバリア層とが積層された構造として、アンドープＩｎＧａＡｓウェル層、アンドープＡｌＧａＡｓバリア層及びアンドープＩｎＧａＡｓウェル層が順に積層された構造であってもよい。

半導体積層部３２は、共振器長方向を向く前端面２４ａおよび後端面２４ｂを有している。前端面２４ａからレーザ光が射出される。

コンタクト層１３は、第２クラッド層１１の上部にストライプ状に配置された第２導電型ＧａＡｓ層である。半導体レーザ装置３０の電流注入時に生成される活性領域の幅は、コンタクト層１３のストライプ幅と同程度になる。図１に示すように、光の伝搬方向すなわち素子長の方向をｚ方向、半導体の積層方向をｙ方向、ストライプの幅の方向をｘ方向とする。

ＳｉＮ層１２ａ，１２ｂは、コンタクト層１３を挟むように半導体積層部３２の上部に離間して配置される、一対の絶縁体層である。平面視においてコンタクト層１３と重なるコンタクト層１３の直下の領域、すなわちコンタクト層１３とｘ方向座標が重複する半導体積層部３２の領域が、活性領域となる。

半導体積層部３２は、一対の高屈折率層１０ａ，１０ｂをさらに備えている。一対の高屈折率層１０ａ，１０ｂは、活性領域を挟むように、第２ガイド層９と第２クラッド層１１との間に挟まれて配置される。高屈折率層１０ａ、１０ｂは、Ａｌ組成比０．１０で、層厚１００ｎｍであり、第２クラッド層１１よりも高い屈折率を有している。

第１クラッド層６は、Ａｌ組成比０．２５で層厚１．５μｍである。第１ガイド層７は、Ａｌ組成比０．１５で層厚７００ｎｍである。活性層８は、アンドープＩｎＧａＡｓウェル層については、Ｉｎ組成比０．１４で層厚８ｎｍであり、アンドープＡｌＧａＡｓバリア層については、Ａｌ組成比０．１５で層厚８ｎｍである。第２ガイド層９は、Ａｌ組成比０．１５で層厚７００ｎｍである。第２クラッド層１１は、Ａｌ組成比０．２５で層厚１．５μｍである。コンタクト層１３は、層厚２００ｎｍである。ＳｉＮ層１２ａ、１２ｂは、膜厚２００ｎｍである。

第２電極１４は、ＳｉＮ層１２ａ，１２ｂ及びコンタクト層１３上に設けられる。また、第１電極４は、基板５の裏面（半導体積層部３２と反対側）に設けられる。コンタクト層１３のストライプ幅は１００μｍ、共振器長は２〜４ｍｍとしている。

＜Ａ−２．製造工程＞
次に、半導体レーザ装置３０の製造工程について説明する。以下、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型として説明する。まず、ｎ型ＧａＡｓからなる基板５上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第１クラッド層６）、アンドープＡｌＧａＡｓ層（第１ガイド層７）、活性層８、アンドープＡｌＧａＡｓ層（第２ガイド層９）及び高屈折率層を、気相成長有機金属（ＭＯＣＶＤ）法で順次結晶成長させる。

その後、公知の露光プロセスとエッチングを用いて、高屈折率層を部分的に除去する。除去した部分はストライプ状の活性領域となる部分であり、こうして高屈折率層１０ａ，１０ｂが活性領域を挟んで離間して配置される。

次に、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第２クラッド層１１）、ｐ型ＧａＡｓ層（コンタクト層１３）を順次結晶成長させる。そして、コンタクト層１３のうち、高屈折率層１０ａ，１０ｂと同じＸＺ平面座標を有する領域を、公知の露光プロセスとエッチングを用いて除去する。

最後に、コンタクト層１３の上面以外をＳｉＮ層１２ａ、１２ｂで覆い、その上にｐ型の第２電極１４を形成する。また、基板５の下にｎ型の第１電極４を形成する。

こうして製造された半導体レーザ装置３０は、放熱マウント１５上に実装される。図２は、半導体レーザ装置３０が放熱マウント１５に実装された状態を示す図である。放熱マウント１５には、ＣｕＷなど線膨張係数が半導体基板に近く、熱伝導性に優れた材料の基板を用いる。放熱マウント１５は表面に金メッキなどの電極面が形成されており、放熱マウント１５の電極面に第２電極１４を金すずハンダなどのハンダ４２などで固定実装する。ハンダ４２は、第２電極１４と放熱マウント１５とを電気的、機械的、および熱的に接合している。

半導体レーザ装置３０は、活性領域の幅が広い、いわゆるブロードエリア半導体レーザ装置である。そして、結晶成長側（コンタクト層１３側）を放熱マウント１５に接する形でダイボンドすることにより、放熱性を高めて大きな出力を得る。この場合、放熱マウント１５と半導体レーザ装置３０の間は、熱伝導の良いハンダ４２を用いて接合する。半導体の熱伝導率をハンダ４２に比べて１桁程度小さくし、基板５の厚みを機械研磨により得られる１００μｍ以上にすれば、素子の取り扱いが容易になる。活性領域と放熱マウント１５の間に基板５が存在する向きで素子を実装する場合は、基板５が熱抵抗を増加させる原因となるため放熱性が劣り、熱的に不利な状況となる。そのため、図２に示すように、ジャンクションダウンの配置で半導体レーザ装置３０を実装することが望ましい。これにより、放熱性を高め、大きな出力を得ることができる。

＜Ａ−３．動作＞
半導体レーザ装置３０では、第１電極４及び第２電極１４に対する電圧印加により、ｎ型電極側からは電子が、ｐ型電極側からはホールが、それぞれ活性層８に注入され、再結合し、活性層８の利得が生じる。電流注入に伴い、素子内に再結合、ジュール熱、発光の再吸収等の発熱に起因する温度分布が生じ、屈折率の温度依存性を介してレーザ発振に影響を及ぼす場合がある。以下、本発明が発熱によるレーザ発振への悪影響を軽減する効果を有することを説明する。

はじめに、素子内の発熱の影響が小さい場合の動作を説明する。注入電流が小さい場合、素子内の発熱量は小さく、ｘ方向の温度分布は無視できるので、素子のｘ方向の各領域の実効屈折率はｘ方向位置によらず一様である。ここで、ある特定のｘ座標位置における実効屈折率とは、そのｘ座標位置におけるｙ方向の屈折率分布がｘ方向に続いていると仮定した場合の、ｚ方向に伝播する光が平均的に感じる屈折率のことである。実効屈折率を用いることにより、ｙ方向の各層の屈折率と厚みがｘ座標位置により変わっても、一つのパラメータで光学的特性を記述することができる。

高屈折率層１０ａ，１０ｂが存在することにより、実効屈折率は、高屈折率層１０ａ，１０ｂに挟まれた活性領域で小さく、高屈折率層１０ａ、１０ｂが存在する部分で大きくなる。このため、活性領域に対して屈折率による光閉じ込めがなく、損失なく伝搬できる導波モードが存在しない。レーザとしては、活性層８の利得により伝搬損失が補償されればレーザ発振することが可能であるが、伝搬損失が存在するのでレーザ発振効率の点で不利になる。

次に、注入電流を４（Ａ）に増加させ、素子内の発熱の影響が増加した場合の動作を説明する。素子内の発熱の影響が増加した場合の本発明の効果を説明するため、高屈折率層１０ａ、１０ｂがない半導体レーザ装置２３０を比較例として検討する。図３は、比較例の半導体レーザ装置２３０の構成を示す斜視図である。半導体レーザ装置２３０は、高屈折率層１０ａ、１０ｂがなく、活性領域にもその側方にも第２クラッド層１１が一様に配置されている他は、図１の半導体レーザ装置３０と同様の構成である。

半導体レーザ装置２３０において、注入電流を４（Ａ）に増加させ、素子内の発熱の影響が増加した場合の状況を説明する。素子内の発熱により、活性層８における活性領域の中央が最も高温になり、中央から遠ざかるに従い温度が下がる温度分布となる。

図４（ａ）に、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗの発熱を仮定し、放熱マウント１５の裏面をヒートシンクで冷却した場合の、活性層８におけるｘ方向の温度分布を、有限要素法でシミュレーションした結果を示している。この結果によれば、例えば中央からｘ方向に±１００μｍ離れた位置では、中央に比べて３℃以上温度が低くなる。

半導体材料は、その組成により屈折率の温度依存性が異なるが、室温においてＧａＡｓで２．６７×１０^−４（／℃）、ＡｌＡｓで１．４３×１０^−４（／℃）など１０^−４台の屈折率温度係数を示す。このため、活性層８には温度分布に伴う屈折率分布が生じる。図４（ａ）の温度分布が存在する状況での活性層８におけるｘ方向の実効屈折率の分布を図４（ｂ）に示す。

素子内の発熱の影響が小さい場合と異なり、図４（ｂ）からわかるように、活性領域中央の実効屈折率が活性領域端部やその外側部よりも大きくなり、屈折率による光閉じ込めの状況が活性領域中央のみで生じることが分かる。

一方、実施の形態１の半導体レーザ装置３０において、素子内の温度分布を図４のシミュレーション条件と同一とした時の有効屈折率分布を図５に示す。図５を図４（ｂ）と比較すると、活性領域における有効屈折率分布は同じだが、ｘ＜２００、３００＜ｘの領域、すなわち高屈折率層１０ａ，１０ｂにおいては実効屈折率が活性領域側の内部より増大していることが分かる。これは、高屈折率層１０ａ，１０ｂに導波モードのＹ方向の広がりが及ぶためである。そのため、活性領域を伝搬する光に対する光閉じ込め効果は、比較用の半導体レーザ装置２３０の場合と異なる。結局、局所的な屈折率閉じ込めが、図５に示す活性領域中央を中心とした活性領域内部Ａと、高屈折率層１０ａ，１０ｂの開始端付近Ｂ、Ｃの計３ヵ所で生じることになる。

半導体レーザ装置２３０及び半導体レーザ装置３０の双方において、活性領域を伝搬する光に対して屈折率閉じ込めが生じ、導波モードが存在する。この導波モードは複数存在し、発熱量に応じて許容モード数が増大する。高屈折率層の存在しない半導体レーザ装置２３０における導波モードを、光導波路シミュレータを用いて活性領域の利得を考慮せずに計算したシミュレーション結果を図６に示す。

図６には、異なる次数の導波モードの光強度分布を示している。グレースケールで、光強度の強い場所を白く、弱いところを黒く示している。図より、低次の導波モードは活性領域の中央付近に光強度分布を有し、次数が増大するにつれて活性領域の外側方向に光強度分布が拡散していくことが分かる。

図７は、図６の導波モードについて、モード次数ごとに活性領域内（−５０μｍ≦ｘ≦５０μｍの範囲）に対する光閉じ込め係数Γの計算結果をプロットした図である。光閉じ込め係数が高く、利得が大きいモードを丸で囲っている。図７より、２５次以上の高次まで導波モードが許容されることが分かる。モード次数が１５より小さい場合には、活性領域内にほとんどの光強度分布が存在するという点で変化がないため、光閉じ込め係数はモード次数によらず０．０２に近いほぼ一定の値を示す。モード次数がさらに増大すると、活性領域外（ｘ≦−５０μｍ、５０μｍ≦ｘ）の光強度分布の割合が増大し、光閉じ込め係数が減少していくことが分かる。レーザ発振におけるモード選択は、モード利得の大きな導波モードから発振する。モード利得は光閉じ込め係数に比例する量である。従って図７の結果より、モード次数が１５以下のモードは同程度のモード利得を有するため競合して多モード発振し、それより高次のモードではモード次数が増大するほどモード利得が減少するため発振しにくくなることが分かる。

同様に、高屈折率層が存在する半導体レーザ装置３０における導波モードを、光導波路シミュレータを用いて活性領域の利得を考慮せずに計算したシミュレーション結果を図８に示す。図８には、異なる次数の導波モードの光強度分布を示している。図より、０次〜５次モードのように活性領域端部から外側の位置に光強度分布が存在する導波モードと、７次や２２次モードのように図６に示したような活性領域の中央付近に光強度分布を有する導波モードが混在していることが分かる。これは、導波モードの主に存在する領域が図５のＡ、Ｂ、Ｃのどこであるかによらず、実効屈折率の高い順に導波モードの次数を定義していることを反映している。２４次モードのように、次数がさらに増大するにつれて活性領域の外側方向に光強度分布が拡散していく傾向は、高屈折率層がない半導体レーザ装置２３０と同様である。図からわかるように、図８（ｃ）の７次モードは図６（ａ）の０次モードに、図８（ｄ）の２２次モードは図６（ｂ）の６次モードに相当する導波特性を有する。そして、これらモード次数の違いは、実効屈折率の高い領域Ｂ、Ｃに由来する導波モードの存在のために、モード次数が表示上ずれていることによる。

図９は、図８の導波モードについて、モード次数ごとに活性領域内（−５０μｍ≦ｘ≦５０μｍの範囲）に対する光閉じ込め係数Γの計算結果をプロットした図である。発振可能なモードを丸で囲っている。図７と比較して、レーザ発振に有利な導波モード（光閉じ込め係数が０．０２に近く、光強度分布が活性領域に多く存在する）のモード数が減少していることが分かる。これらのモードは、図７で示した導波モードのうち低次のモードと同等である。一方、活性領域端部から外側の位置に光強度分布が存在する導波モードは、モード次数が低いが、閉じ込め係数が小さく活性領域に存在する光強度分布が少ないので、モード利得が小さくなりレーザ発振しない。

このように、半導体レーザ装置３０は、高屈折率層１０ａ、１０ｂを備えたことで、素子動作時の発振モード数を低減できるという特徴がある。高屈折率層１０ａ、１０ｂのない素子における発振特性と比べると、高次モードの発振が抑制されたことになる。高次モードの発振が抑制できると、レーザ光のビーム拡がり角を狭くすることができる。以下、この作用効果について説明する。

＜Ａ−４．導波モードと輝度の関係＞
図１０は、活性領域を伝搬する導波モードの光跡を示す模式図であり、低次モードの光跡１７（図１０（ａ）、破線矢印）と、高次モードの光跡１８（図１０（ｂ）、実線矢印）とをそれぞれ示している。温度分布による屈折率分布とモード次数に応じて、活性領域の中央を中心としたコア領域５２、その側方の活性領域内のクラッド領域５３ａ、５３ｂ、活性領域外のクラッド領域５４ａ、５４ｂ、活性領域のコア領域５５ａ、５５ｂが存在する。そして、導波モードはクラッド領域で全反射しながら活性領域を共振器長方向（ｚ方向）に伝搬する。

図中の点線は、活性領域とキャリア注入が小さい非活性領域の境界を示す。高次モードにおけるクラッド領域５３ａ，５３ｂは、温度分布により生じた、活性領域中央から遠ざかるにつれて連続的に減少する屈折率分布を反映して、低次モードにおけるクラッド領域５４ａ，５４ｂよりも外側にある。

低次モードではクラッド領域５３ａ，５３ｂへの入射角（θ_Ｌ）が大きく、高次モードほど入射角（θ_Ｈ）は小さくなる。半導体レーザ装置３０では、上述のように、高次モードの損失を選択的に増加させており、レーザ発振するモード数を低次モードとすることができるので、ビーム拡がり角を小さくすることが可能となる。このように、半導体レーザ装置３０では、次数の低いモードを選択的に発振させて、前端面２４ａからの出射角を小さくし、輝度を高めることができる。

＜Ａ−５．変形例＞
第２導電型の基板５は、半導体積層部３２に比べて厚いため電気抵抗が大きくなりやすい。電気抵抗が大きいと素子動作時のバイアス電圧が大きくなり、発熱量の増大及びレーザ発振効率の低下が生じて特性が悪化する。一般に、ｎ型の方がｐ型よりもキャリア移動度が大きいため、より小さいドーピング濃度で電気抵抗を下げることが可能である。従って、実施の形態１では第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とする方が、その逆の導電型の場合よりも好ましい。

第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型とする場合、高屈折率層１０ａ、１０ｂを第１導電型と同じｐ型とすると、第２クラッド層１１（ｎ型）と高屈折率層１０ａ，１０ｂ（ｐ型）の界面が逆バイアス接合となり、この界面部分での電流注入が抑制できる。そのため、高屈折率層１０ａ，１０ｂが存在しない領域のみで活性層８への電流注入が生じるため、活性領域以外の領域への漏れ電流を小さくすることができる。漏れ電流はレーザ発振効率の低下要因であるので、漏れ電流を小さくすることで、高いレーザ発振効率で、高出力を得つつ高次モードの発振を抑制し、低次モードの選択的な発振が可能な半導体レーザ装置を実現できる。

なお、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とする場合、高屈折率層１０ａ、１０ｂを第１導電型と同じｐ型とすればよい。すなわち、高屈折率層を第１導電型層とすることにより上述の効果を得る。

あるいは、高屈折率層１０ａ、１０ｂを電気抵抗の高い高抵抗層とすることによっても、漏れ電流を小さくすることができる。この構成でも、高いレーザ発振効率で、高出力を得つつ高次モードの発振を抑制し、低次モードの選択的な発振が可能な半導体レーザ装置を実現できる。

本実施の形態では、活性領域の幅を１００μｍとしているがこれに限るものではない。活性領域の幅は、一般的なブロードエリア半導体レーザにおけるものとして５０μｍ以上であればよく、同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では共振器長を４ｍｍとしているが、本発明はこれに限るものではない。共振器長は、必要とするレーザ出力によって任意に選択し得る。

本実施の形態では、高屈折率層１０ａ，１０ｂの層厚とＡｌ組成の例を示したが、これに限るものではない。高屈折率層１０ａ，１０ｂの組成を変えて屈折率を増減したり、高屈折率層１０ａ，１０ｂの層厚を増減したりすると、上述した高屈折率層１０ａ，１０ｂの開始端付近の実効屈折率の変化が増減する。素子動作時の発熱量は、駆動条件を決めれば定まり、さらに放熱条件を決めると温度分布が定まる。そのため、逆にあらかじめ想定した動作条件における発熱量に対して、高屈折率層１０ａ，１０ｂの組成と層厚を調整することにより、図５に示すような高屈折率層１０ａ，１０ｂの開始端および外側領域における実効屈折率が、温度分布を反映して屈折率が増加した活性領域中央の実効屈折率よりも大きくなるように設計することにより、発振モード数が低減されつつ多モード発振する半導体レーザ装置を得ることができる。

また、本実施の形態では、発振波長９８０ｎｍとしているが、本発明はこれに限るものではない。活性層８の利得が最大となる波長においてレーザ発振が生じるため、必要とする発振波長に応じた利得スペクトルを有する活性層８を選択すればよい。

＜Ａ−６．効果＞
実施の形態１に係る半導体レーザ装置３０は、第１導電型の基板５と、基板５上に設けられた第１導電型の第１クラッド層６と、第１クラッド層６上に設けられた第１ガイド層７と、第１ガイド層７上に設けられた活性層８と、活性層８上に設けられた第２ガイド層９と、第２ガイド層９上に設けられた第２導電型の第２クラッド層１１と、第２クラッド層１１上にストライプ状に設けられた第２導電型のコンタクト層１３と、第２ガイド層９と第２クラッド層１１との間に挟まれ、平面視においてコンタクト層１３と重なる領域を挟むように設けられた、第２クラッド層１１よりも高い屈折率を有する一対の高屈折率層１０ａ，１０ｂと、を備える。従って、次数の低いモードを選択的に発振させ、出力光の輝度を高めることが出来る。

また、高屈折率層１０ａ，１０ｂを第１導電型層とすることにより、第２クラッド層１１と高屈折率層１０ａ，１０ｂとの界面が逆バイアス接合となり、この界面部分での電流注入が抑制できる。そのため、活性領域以外の領域への漏れ電流を小さくすることができる。そのため、レーザ発振効率を高め、高出力を得ることが出来る。

また、高屈折率層１０ａ，１０ｂを高抵抗層とすることによっても、漏れ電流を小さくすることができる。そのため、レーザ発振効率を高め、高出力を得ることが出来る。

また、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型とする場合には、その逆の導電型とする場合に比べて基板５の電気抵抗を下げることができるため、レーザ発振効率を高めることが出来る。

また、基板５よりもコンタクト層１３が放熱マウント１５に近くなる向きに、半導体レーザ装置３０を放熱マウント１５に実装すれば、基板５が活性領域と放熱マウント１５の間にある場合に比べて放熱性を高めることができる。従って、大きな出力を得ることが出来る。

＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
図１１は、本発明の実施の形態２にかかる半導体レーザ装置１３０の構成を模式的に示す斜視図である。半導体レーザ装置１３０は、ブロードエリア半導体レーザ装置であり、概ね実施の形態１の半導体レーザ装置３０と同様の構成である。但し、第２ガイド層９と第２クラッド層１１との間の高屈折率層１０ａ，１０ｂに代えて、第１クラッド層６と第１ガイド層７との間の高屈折率層１０ｃ、１０ｄを備える点が異なる。高屈折率層１０ｃ、１０ｄは高屈折率層１０ａ，１０ｂと同様、活性領域を挟むようにして設けられる。

半導体レーザ装置１３０の実装形態は、図２に示した実施の形態１の場合と同様である。

高屈折率層１０ｃ、１０ｄは、ｘ方向の実効屈折率分布に関して、実施の形態１における高屈折率層１０ａ、１０ｂと同様の作用を有する。従って、実施の形態１における発振モード選択と同様の機能により、高出力を得つつ高次モードの発振を抑制し、低次モードの選択的な発振が可能となる。

＜Ｂ−２．変形例＞
実施の形態１の場合と同様に、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型とする方が、逆の極性の場合と比べて電気的特性が良好となり好ましい。

また、高屈折率層１０ｃ、１０ｄは、実施の形態１の場合とは逆に第１導電型とすると、高屈折率層１０ｃ、１０ｄ（第１導電型）と第１クラッド層６（第２導電型）の界面が素子動作時に逆バイアス接合となるため、漏れ電流を低減することができる。

また、実施の形態１と同様、高屈折率層１０ｃ、１０ｄを電気抵抗の高い高抵抗層とすることによっても、素子動作時の漏れ電流を低減することができる。

＜Ｂ−３．効果＞
本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置１３０は、第１導電型の基板５と、基板５上に設けられた第１導電型の第１クラッド層６と、第１クラッド層６上に設けられた第１ガイド層７と、第１ガイド層７上に設けられた活性層８と、活性層８上に設けられた第２ガイド層９と、第２ガイド層９上に設けられた第２導電型の第２クラッド層１１と、第２クラッド層１１上にストライプ状に設けられた第２導電型のコンタクト層１３と、第１クラッド層６と第１ガイド層７との間に挟まれ、平面視においてコンタクト層１３と重なる領域を挟むように設けられた、第１クラッド層６よりも高い屈折率を有する高屈折率層１０ｃ，１０ｄと、を備える。従って、次数の低いモードを選択的に発振させ、出力光の輝度を高めることが出来る。

また、高屈折率層１０ｃ，１０ｄを第２導電型層とすることにより、第１クラッド層６と高屈折率層１０ｃ，１０ｄとの界面が逆バイアス接合となり、この界面部分での電流注入が抑制できる。そのため、活性領域以外の領域への漏れ電流を小さくすることができる。そのため、レーザ発振効率を高め、高出力を得ることが出来る。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、（各実施の形態を自由に組み合わせたり、各）実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

４第１電極、５基板、６第１クラッド層、７第１ガイド層、８活性層、９第２ガイド層、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ高屈折率層、１１第２クラッド層、１３コンタクト層、１４第２電極、１５放熱マウント、２４ａ前端面、２４ｂ後端面、３０，１３０，２３０半導体レーザ装置、３２半導体積層部、４２ハンダ、５２，５５ａ，５５ｂコア領域、５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂクラッド領域。

Claims

複数のモードが許容されるブロードエリア型の半導体レーザ装置であって、
第１導電型の基板と、
前記基板上に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に設けられた第１ガイド層と、
前記第１ガイド層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第２ガイド層と、
前記第２ガイド層上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、
前記第２クラッド層上にストライプ状に設けられた第２導電型のコンタクト層と、
前記第２ガイド層と前記第２クラッド層との間に挟まれ、平面視において前記コンタクト層と重なる領域を挟むように設けられた、前記第２クラッド層よりも高い屈折率を有する一対の高屈折率層と、を備え、
素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じるように駆動され、
前記高屈折率層は、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じる場合に、一定次数以上のモードである高次モードの発振を抑制することを特徴とする、
半導体レーザ装置。
前記高屈折率層は第１導電型層である、
請求項１に記載の半導体レーザ装置。
複数のモードが許容されるブロードエリア型の半導体レーザ装置であって、
第１導電型の基板と、
前記基板上に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に設けられた第１ガイド層と、
前記第１ガイド層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第２ガイド層と、
前記第２ガイド層上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、
前記第２クラッド層上にストライプ状に設けられた第２導電型のコンタクト層と、
前記第１クラッド層と前記第１ガイド層との間に挟まれ、平面視において前記コンタクト層と重なる領域を挟むように設けられた、前記第１クラッド層よりも高い屈折率を有する一対の高屈折率層と、を備え、
素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じるように駆動され、
前記高屈折率層は、素子長１ｍｍあたり１．３Ｗ以上の発熱を生じる場合に、一定次数以上のモードである高次モードの発振を抑制することを特徴とする、
半導体レーザ装置。
前記高屈折率層は第２導電型層である、
請求項３に記載の半導体レーザ装置。
前記高屈折率層は高抵抗層である、
請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
前記第１導電型はｎ型で、前記第２導電型はｐ型である、
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記基板よりも前記コンタクト層が放熱マウントに近くなる向きに、前記放熱マウントに実装される、
請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。