JP6581419B2 - 分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、分布帰還型（ＤＦＢ）横マルチモード半導体レーザ素子に関する。

ＤＦＢ半導体レーザ素子は、例えば、下記特許文献１及び特許文献２に記載されている。ＤＦＢ半導体レーザ素子は、下部クラッド層と、下部クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された上部クラッド層と、下部クラッド層又は上部クラッド層に設けられた回折格子層とを備えており、回折格子層により規定される波長のレーザ光が活性層から出射されるものである。

レーザ光の横断面の幅方向（活性層の幅方向）に沿ったレーザ光の強度分布は、導波モードとして、水平横モードを示している。水平横モードにおける基本モードは、強度分布のピーク位置が、活性層の幅方向の中心に位置するが、活性層の幅方向の寸法が、基本モードの強度分布長よりも長い場合、複数のモードのレーザ光が、活性層内に存在し、複数の強度分布ピークを有する横マルチモードとなる。

なお、横モード、すなわち、導波モードは、波動方程式と境界条件を同時に満たす解が単一となる場合（カットオフ条件）に、シングルモードとなり、複数となる場合に、マルチモードとなる。水平横モードが、シングルモードの半導体レーザ素子としては、特許文献３に記載のものが知られており、共振器幅の狭い半導体レーザ素子が開示されている。

レーザ光の横断面の厚み方向（活性層の厚み方向）に沿ったレーザ光の強度分布は、レーザ光の強度分布は垂直横モードを示している。垂直横モードにおいては、レーザ光の強度分布のピーク位置が１つに設定するように、活性層の厚みを設定することができる。

レーザ素子の共振器長方向（活性層の共振器長方向）、すなわち光の進行方向の共振モードは、縦モードである。ファブリペローレーザ素子においては、縦モードにおいて、共振条件を満たす基本モードの波長と、その整数倍の波長が複数存在するため、縦マルチモードの発振が生じ、複数の波長を有するレーザ光が活性層から出力される。また、特許文献４に開示のように、ＤＦＢ半導体レーザにおいては、活性層において発生したレーザ光の中で、特定の波長成分を有するものを、回折格子層により選択し、縦モードにおいて、シングルモード発振を行わせることが可能である。

上述のＤＦＢ横マルチモード半導体レーザ素子は、例えば、レーザ加工機におけるレーザ媒質の励起光源や、光ピックアップなどに用いられている。

特許３２０４４７４号公報 特許３７０７８４６号公報 特開昭６３−２２２４８７号公報 特開２０００−３５７８４１号公報

しかしながら、上述のＤＦＢ横マルチモード半導体レーザ素子においては、出力及び波長安定性が高くなるが、駆動電流のダイナミックレンジを広くしても、縦モードにおいて、選択した波長のレーザ光が出力されることが期待される。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、縦モードにおいて、選択した波長のレーザ光を出力可能な駆動電流のダイナミックレンジを広くすることが可能なＤＦＢ横マルチモード半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、第1の発明に係る１Ｗ〜１０Ｗのレーザ出力が可能で、発光幅が１０μｍ以上の分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟むクラッド層と、前記活性層において発生したレーザ光に重なる回折格子層とを備え、前記回折格子層と前記活性層との間の結合係数κ＝２．０〜２．５（ｃｍ ^−１ ）であり、共振器長をＬとした場合に、κＬ＝０．８〜１．０であり、前記活性層において発生する光の利得スペクトルのピーク値に相当するエネルギーバンドギャップをＥｐ、前記回折格子層の選択する選択スペクトルのピーク値に相当するエネルギーバンドギャップをＥ_ＤＦＢ、とした場合、０℃において、Ｅｐ−６．４ｍｅＶ≦Ｅ_ＤＦＢ≦Ｅｐ、を満たすことを特徴とする。

また、エネルギーバンドギャップを波長に換算した場合、第２の発明に係る１Ｗ〜１０Ｗのレーザ出力が可能で、発光幅が１０μｍ以上の分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟むクラッド層と、前記活性層において発生したレーザ光に重なる回折格子層と、を備え、前記回折格子層と前記活性層との間の結合係数κ＝２．０〜２．５（ｃｍ ^−１ ）であり、共振器長をＬとした場合に、κＬ＝０．８〜１．０であり、前記活性層において発生する光の利得スペクトルのピーク値の波長をλｐ、前記回折格子層の選択する選択スペクトルのピーク値の波長をλ_ＤＦＢ、とした場合、０℃において、λｐ≦λ_ＤＦＢ≦λｐ＋５ｎｍを満たすことを特徴とする。
また、第３の発明では、０℃において、Ｅｐ−６．４ｍｅＶ＝Ｅ _ＤＦＢ の場合を除く。第４の発明では、λ _ＤＦＢ ＝λｐ＋５ｎｍの場合を除く。第５の発明では、活性層はＩｎＧａＡｓであり、クラッド層はＡｌＧａＡｓである。

上述の条件の場合、駆動電流を大きく変化させた場合においても、レーザ光のスペクトル内において、ＤＦＢに基づく発振が生じつつも、ファブリペローに基づく発振が大きく抑制され、単一波長のレーザ光を出力することができる。すなわち、駆動電流のダイナミックレンジを広くすることができる。

本発明の分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子によれば、選択した波長のレーザ光を出力可能な駆動電流のダイナミックレンジを広くすることができる。

半導体レーザ装置の斜視図である。 ＤＦＢ半導体レーザ素子の斜視図である。 ＤＦＢ半導体レーザ素子の縦断面図である。 回折格子層の縦断面図である。 半導体レーザ素子を励起用ＬＤ（レーザダイオード）として用いたレーザ装置のブロック図である。 波長（ｎｍ）と光出力（ｄＢ）の関係を示すグラフである。 ＬＤ温度−８℃において、光出力（Ｗ）と波長（ｎｍ）の関係を示すグラフ（Ａ）、ＬＤ温度０℃において、光出力（Ｗ）と波長（ｎｍ）の関係を示すグラフ（Ｂ）、ＬＤ温度１０℃において、光出力（Ｗ）と波長（ｎｍ）の関係を示すグラフ（Ｃ）である。 ＤＦＢのレーザ発振のみが行われた光出力（Ｗ）と温度の条件を示す図表である。 ＬＤ温度−８℃、光出力６Ｗにおけるレーザ光の波長（ｎｍ）と光出力（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフ（Ａ）、ＬＤ温度０℃、光出力６Ｗにおけるレーザ光の波長（ｎｍ）と光出力（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフ（Ｂ）、ＬＤ温度１０℃、光出力７Ｗにおけるレーザ光の波長（ｎｍ）と光出力（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフ（Ｃ）である。 ＬＤ温度−８℃において、λｐとλ_ＤＦＢの関係を示す図表である。 ＬＤ温度０℃において、λｐとλ_ＤＦＢの関係を示す図表である。 ＬＤ温度１０℃において、λｐとλ_ＤＦＢの関係を示す図表である。 波長λとエネルギーバンドギャップＥｇを示す図表である。 レーザ素子に供給する電流（Ａ）と光出力（Ｗ）との関係を示すグラフである。 波長（ｎｍ）と光出力（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 モード利得Γｇと光子エネルギーとの関係を示すグラフである。 モード利得Γｇと光子エネルギーとの関係を示すグラフである。 各種関係式を示す図表である。

以下、実施の形態に係る分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ（ＤＦＢ））横マルチモード半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、半導体レーザ装置の斜視図である。

半導体レーザ装置１００は、上面に段差を有するベース３０と、ベース３０の下段面上に固定されたサブマウント２０と、サブマウント２０上に導電性のペースト等で下面が固定されたＤＦＢ半導体レーザ素子（以下、半導体レーザ素子１０）とを備えている。ベース３０の上段面と、半導体レーザ素子１０の上部電極Ｅ１との間には、複数のワイヤＷが接続されている。ベース３０は、上段面導体部材３１と下段面導体部材３２とからなり、上段面導体部材３１と下段面導体部材３２との間には、セラミックの絶縁体が設けられている。

共振器長を規定する上部電極Ｅ１の長さは４ｍｍ、上部電極Ｅ１の幅（発光幅）は１００μｍである。

図２は、半導体レーザ素子の斜視図である。

半導体レーザ素子１０は、基板１と、基板１上に形成された下部クラッド層２と、下部クラッド層２上に形成された活性層３と、活性層３上に形成された上部クラッド層４（４ａ，４ｂ）と、上部クラッド層４に設けられた回折格子層ＧＲと、上部クラッド層４上に形成されたコンタクト層５と、コンタクト層５上に形成された上部電極Ｅ１とを備えている。なお、基板１の下面には、金などの導電性ペーストなどで下部電極が形成される。

上部クラッド層４は、第１上部クラッド層４ａと、第２上部クラッド層４ｂとからなり、回折格子層ＧＲは、これらの間に挟まれている。回折格子層ＧＲは、ストライプ状の凹凸構造を備えており、第２上部クラッド層４ｂは、凹凸構造の凹部内に埋め込まれる。上部クラッド層４と、回折格子層ＧＲとは、屈折率が異なっており、共振器長方向に沿って、屈折率の異なる領域が交互に存在することとなる。

また、回折格子層ＧＲは、上部クラッド層４に設けたのと同様に、下部クラッド層２に設けることとしてもよい。これらのクラッド層は上下を反転すれば、等価だからである。なお、上部クラッド層と下部クラッド層とでは、導電型が異なる。下部クラッド層２に回折格子層を設ける場合、下部クラッド層２は、上部クラッド層４と同様に２つに分割することができる。

図３は、半導体レーザ素子の縦断面図である。

この図は、より詳細な構造を示しており、半導体レーザ素子１０は、活性層３と下部クラッド層２との間に、外側から順番に、第１光ガイド層３Ｇ１、第１傾斜組成層３Ｃ１、隣接光ガイド層３ｇ１を備えており、活性層３と第１上部クラッド層４ａとの間に、外側から順番に、第２光ガイド層３Ｇ２、第２組成傾斜層３Ｃ２、隣接光ガイド層３ｇを備えている。なお、活性層３に隣接する隣接光ガイド層３ｇ１，３ｇ２は、基板１に近い方が厚く、また、組成傾斜層３Ｃ１，３Ｃ２は、Ａｌ組成が、活性層３に近づくにしたがって、徐々に減少する層である。また、同図では、基板１の裏面側に下部電極Ｅ２を示してある。

なお、上記の各層の材料／厚みは、以下の通りである。

なお、不純物濃度の好適範囲は、上記濃度の１／１０倍〜１０倍であり、各層の厚みは、例示的には、±５０％程度の誤差を含んだ場合においても、動作し、この場合にも、レーザ光が十分に発光する。また、回折格子層におけるＡｌの組成は、０％よりも大きく１０％以下であることが好ましい。なぜならば、回折格子作製工程において当該面は一旦大気曝露され、活性の高いＡｌが１０％より多く含まれる場合、著しい自然酸化によるデバイス特性悪化が誘発されるためである。Ａｌが含まれた場合には、再成長の加熱過程における、回折格子の形状変化が抑制されるという利点がある。コンタクト層、上部クラッド層、回折格子層のＰ型不純物はＺｎ、基板、下部クラッド層、第１光ガイド層、第１組成傾斜層のＮ型不純物はＳｉを用いることができる。また、Ｐ型とＮ型の導電型を入れ替えても、レーザ素子は動作する。

また、第２光ガイド層３Ｇ２（Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ：Ｘ＝０．２５）と活性層３との間には隣接光ガイド層３ｇ２（Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ：Ｘ＝０．１８）と、これらの間の組成を有する組成傾斜層３Ｃ２（Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ：Ｘ＝０．２５〜０．１８）を挿入することができ、第１光ガイド層３Ｇ１（Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ：Ｘ＝０．２５）と活性層３との間には、隣接光ガイド層３ｇ１（Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ：Ｘ＝０．１８）と、これらの間の組成を有する組成傾斜層３Ｃ１（Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ：Ｘ＝０．２５〜０．１８）を挿入することができるが、これらの層は省略することもできる。全ての光ガイド層は、活性層よりもエネルギーバンドギャップが大きく設定されるが、活性層に近い方の光ガイド層のエネルギーバンドギャップは、遠い方よりも小さく設定される（すなわち、Ａｌ組成比Ｘが小さい）。

なお、各層におけるＡｌ組成について詳説すれば、クラッド層のＡｌ組成は、回折格子層のＡｌ組成とは異なり、屈折率が異なる。Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓにおいては、Ａｌの組成比Ｘが高いほど、エネルギーバンドギャップは大きくなり、屈折率は小さくなる。クラッド層におけるＡｌ組成は、例えば、Ｐ側の上部クラッド層においてＸ＝０．４５、Ｎ側の下部クラッド層においてＸ＝０．３３（３３％）に設定され、活性層に近い方の光ガイド層のＡｌ組成は、例えば、共にＸ＝０．１５（１５％）に設定され、活性層から遠い方の光ガイド層３Ｇ１，３Ｇ２のＡｌ組成は、例えば、共にＸ＝０．２５（２５％）に設定される。回折格子層以外の各層のＡｌ組成比Ｘは、±０．０５（＝５％）の誤差を含んでも動作することができる。

なお、形成方法は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いることができる。Ａｌを含む場合はＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａを含む場合はＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｓを含む場合にはアルシンを原料として用いることができる。ＡｌＧａＡｓの成長温度は７００℃前後であり、これらの材料の成長方法は良く知られている。

上述の構造の製法の一例としては、Ｎ型ＧａＡｓ基板上に、Ｎ型Ａｌ_０．３３Ｇａ_０．６７Ａｓクラッド層、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層を含むＡｌＧａＡｓ系アンドープ光ガイド層、Ｐ型Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ第１クラッド層（約４０ｎｍ）、Ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ回折格子層（約５０ｎｍ）を順次成長する。次に、干渉露光法と、ウェットエッチングによって回折格子を作製する。回折格子の周期Λは、λｐ≦λ_ＤＦＢ≦λｐ＋５ｎｍの範囲となるよう設定する。結合係数は構造によって一義的に決まり、当該構造であれば、κ＝２．０〜２．５（ｃｍ^−１）の範囲となる。次に、回折格子が切られたウェハを表面処理し、速やかに結晶成長炉に導入し、ｐ型Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ第２クラッド層と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層を成長する。完成したレーザ結晶には、電極を形成する。電極の幅は１００μｍであり、共振器長４ｍｍに劈開されたウェハの出射面と反射面には、それぞれ所望の反射率を有する誘電体多層膜を形成し、半導体レーザ素子は、ジャンクションダウン型でサブマウントに半田付けすることができる。

図４は、回折格子層ＧＲの縦断面図である。これは、共振器長と厚み方向を含む平面で回折格子層ＧＲを切った断面である。

このように回折格子層ＧＲは、閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、幅方向に沿って延びた複数の凸部及び凹部からなる凹凸構造を有しており、なお、凹凸構造は、エッチングによって形成することができるが、エッチングによって凹部が回折格子層を構成するＡｌＧａＡｓ層の底面に到達しないようにする。

図５は、半導体レーザ装置１００を励起用ＬＤとして用いたレーザ装置のブロック図である。

励起用ＬＤとしての半導体レーザ装置１００から出射されたレーザ光は、ＹＡＧ結晶などのレーザ媒質１０１に入射し、レーザ媒質１０１を励起する。レーザ媒質１０１に種光を入射させた場合や、励起用のレーザ光自身により、レーザ媒質１０１を挟む反射ミラー１０２、１０２間を往復するレーザ光が増幅され、反射率の低い方の反射ミラー１０３からレーザ光が出射する。出射したレーザ光は、反射ミラー１０４、反射ミラー１０５を介して、一次元又は二次元のガルバノメータなどの走査装置１０６に入力され、対物レンズとしてのｆθレンズ１０７を介して、テーブル１０８上の対象物１０９に入射する。励起光の波長は、本例では、９７６ｎｍである。

図６は、波長（ｎｍ）と光出力（ｄＢ）の関係を示すグラフである。

このグラフは、半導体レーザ素子の活性層において発生したレーザ光の利得スペクトルを示しており、波長λｐ＝９７６ｎｍの位置にスペクトルのピークが位置する。回折格子層の選択する波長λ_ＤＦＢは、ピーク波長λｐ以上、λｐ＋５（ｎｍ）以下に設定する。

すなわち、活性層３において発生する光の利得スペクトルのピーク値の波長をλｐ、回折格子層ＧＲの選択する選択スペクトルのピーク値の波長をλ_ＤＦＢとした場合、λｐ≦λ_ＤＦＢ≦λｐ＋５ｎｍを満たす。

上述の条件の場合、駆動電流を大きく変化させた場合においても、レーザ光のスペクトル内において、ＤＦＢに基づく発振が生じつつも、ファブリペローに基づく発振が大きく抑制され、単一波長のレーザ光を出力することができる。すなわち、駆動電流のダイナミックレンジを広くすることができる。

以下、詳説する。

図７は、ＬＤ（レーザダイオード）温度−８℃において、光出力（Ｗ）と波長（ｎｍ）の関係を示すグラフ（Ａ）、ＬＤ温度０℃において、光出力（Ｗ）と波長（ｎｍ）の関係を示すグラフ（Ｂ）、ＬＤ温度１０℃において、光出力（Ｗ）と波長（ｎｍ）の関係を示すグラフ（Ｃ）である。なお、構成要素の材料は上述の通りである。

また、共振器内部に周期Λ、次数ｍの回折格子が刻設されている場合、回折格子層で選択される波長は、λ_ＤＦＢ＝（２ΛＮ_ｅｆｆ ^０）／ｍとなる。Ｎ_ｅｆｆ ^０は、導波モードに対応する等価屈折率であり、上付き添え字の０は基底モードを意味する。

なお、図１０は、ＬＤ温度−８℃において、λｐとλ_ＤＦＢの関係を示す図表、図１１は、ＬＤ温度０℃において、λｐとλ_ＤＦＢの関係を示す図表、図１２はＬＤ温度１０℃において、λｐとλ_ＤＦＢの関係を示す図表、図１３は波長λとエネルギーバンドギャップＥｇを示す図表である。

図７（Ａ）に示すように、ＬＤ温度−８℃において、光出力７Ｗから９Ｗにおいて選択した波長による発振が得られた。

図７（Ｃ）及び図１２に示すように、ＬＤ温度１０℃において、光出力１Ｗから４Ｗにおいて選択した波長による発振が得られた。

図７（Ｂ）及び図１１に示すように、ＬＤ温度０℃において、光出力１Ｗから９Ｗにおいて選択した波長による発振が得られた。このときのΔλの最大値は、５．０ｎｍであり、ＬＤ発振時の利得関係をλ_ＤＦＢ＝λｐ＋５ｎｍとすることでＤＦＢ発振範囲を最大にすることができる。

具体的には、図１３に示すように、２７３Ｋ＝０℃、光出力１Ｗにおけるλｐ＝９６９．１ｎｍ、λ_ＤＦＢ＝９７４．１ｎｍであり、回折格子層内の屈折率の周期Λは４３２．４ｎｍに設定した。

図７（Ａ）に示すように、ＬＤ温度−８℃の場合、回折格子層の選択したレーザ光（ＤＦＢ）が波長９７３．７ｎｍから９７５．１ｎｍの範囲で分布する一方で、活性層で発生したそのもののレーザ光（ファブリペローの発振：ＦＰ）が、波長９６７．４ｎｍから９７２ｎｍの範囲において、分布する。すなわち、駆動電流を大きく変化させると、複数のピーク波長のレーザ光（ＤＦＢ、ＦＰ）が、半導体レーザ素子から出力される。

図７（Ｃ）に示すように、ＬＤ温度１０℃の場合、回折格子層の選択したレーザ光（ＤＦＢ）が波長９７４．８ｎｍから９７６．２ｎｍの範囲で分布する一方で、活性層で発生したそのもののレーザ光（ファブリペローの発振：ＦＰ）が、波長９７０．７ｎｍから９８１．５ｎｍの範囲において、分布する。すなわち、駆動電流を大きく変化させると、複数のピーク波長のレーザ光（ＤＦＢ、ＦＰ）が、半導体レーザ素子から出力される。

図７（Ｂ）に示すように、ＬＤ温度０℃の場合、回折格子層の選択したレーザ光（ＤＦＢ）のみが波長９７４．１ｎｍから９７５．５ｎｍの範囲で分布するが、活性層で発生したそのもののレーザ光（ファブリペローの発振：ＦＰ）は、光出力が１Ｗ〜９Ｗの範囲内において、観察されない。すなわち、駆動電流を大きく変化させても、選択したピーク波長のレーザ光のみが、半導体レーザ素子から出力される。

図８は、ＤＦＢのレーザ発振のみが行われた光出力（Ｗ）と温度の条件を示す図表である。ＤＦＢに基づく単一のピーク波長のレーザ光のみが出力された場合は、丸印を記載し、そうでない場合には×印を記載してある。

図７（Ａ）、図８、図１０に示すように、２６５Ｋ（−８℃）においては、光出力を７Ｗ〜９Ｗまで変化させても、ＤＦＢに基づく単一のピーク波長のレーザ光のみしか出力されなかった。図７（Ｂ）、図８、図１１に示すように、２７３Ｋ（０℃）においては、光出力を１Ｗ〜９Ｗまで変化させても、ＤＦＢに基づく単一のピーク波長のレーザ光のみしか出力されなかった。図７（Ｃ）、図８、図１２に示すように、２８３Ｋ（１０℃）においては、光出力を少なくとも１Ｗ〜４Ｗまで変化させても、ＤＦＢに基づく単一のピーク波長のレーザ光のみしか出力されなかった。３０３Ｋ（２０℃）においては、光出力を１Ｗ〜３Ｗまで変化させても、ＤＦＢに基づく単一のピーク波長のレーザ光のみしか出力されなかった。３１３Ｋ（３０℃）においては、光出力を１Ｗにおいては、ＤＦＢに基づく単一のピーク波長のレーザ光のみしか出力されなかった。その他の光出力（駆動電流）の場合には、ＦＰや他のモードの発振が観察された。

なお、波長をλ、光出力をＩとした場合、図７の各データを結ぶ関数λ＝ｆ（Ｉ）は、以下の式で与えられる。

図７（Ａ）のＦＰのデータ（−８℃）を結ぶ直線近似式は、λ＝０．８２９６Ｉ＋９６７．１５、相関係数Ｒの２乗は。Ｒ^２＝０．９６６６である。

図７（Ａ）のＤＦＢのデータ（−８℃）を結ぶ直線近似式は、λ＝０．２７Ｉ＋９７２．６、相関係数Ｒの２乗は。Ｒ^２＝０．９６１である。

図７（Ｂ）のＤＦＢのデータ（０℃）を結ぶ直線近似式は、λ＝０．１７５Ｉ＋９７３．８４、相関係数Ｒの２乗は。Ｒ^２＝０．９６４３である。

図７（Ａ）と図７（Ｃ）のＦＰのデータから推測される図７（Ｂ）のＦＰ（０℃）の直線近似式は、λ＝１．１Ｉ＋９６８である。

図７（Ｃ）のＦＰのデータ（１０℃）を結ぶ直線近似式は、λ＝１．４Ｉ＋９６８．８７、相関係数Ｒの２乗は。Ｒ^２＝０．９９８３である。

図７（Ｃ）のＤＦＢのデータ（１０℃）を結ぶ直線近似式は、λ＝０．１６４８Ｉ＋９７４．５７、相関係数Ｒの２乗は。Ｒ^２＝０．９３４３である。

図９は、ＬＤ温度−８℃、光出力６Ｗにおけるレーザ光の波長（ｎｍ）と光出力（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフ（Ａ）、ＬＤ温度０℃、光出力６Ｗにおけるレーザ光の波長（ｎｍ）と光出力（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフ（Ｂ）、ＬＤ温度１０℃、光出力７Ｗにおけるレーザ光の波長（ｎｍ）と光出力（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフ（Ｃ）である。

ＬＤ温度０℃、光出力６Ｗでは、単一のピークのレーザ光を出力され、ＬＤ温度−８℃、光出力６Ｗ及びＬＤ温度１０℃、光出力７Ｗでは、２つのピークのレーザ光を出力されていることが分かる。

なお、０ｎｍ≦Δλ≦５ｎｍの範囲外の場合のデメリットは、以下の通りである。すなわち、ファイバーレーザ励起や固体レーザ励起用として、波長安定化した上述のＤＦＢ半導体レーザを用いる場合、スペクトルサブモードがあると、スペクトルサブモードの光出力は励起光として寄与しない（吸収スペクトルピークから外れている）ため、励起効率を低下させる原因となる。さらに、スペクトルサブモードによる励起光モードの干渉により、励起後光出力が不安定になる。

図１４は、レーザ素子に供給する電流（Ａ）と光出力（Ｗ）との関係を示すグラフである。

駆動電流を増加させると、レーザ光の光出力は直線的に増加することがわかる。同図において、電流の値が小さい場合（Ａ）、中程度の場合（Ｂ）、大きい場合（Ｃ）について、スペクトルを観察すると以下の通りとなった。

図１５は、波長（ｎｍ）と光出力（ｄＢ）との関係を示すグラフである。

このグラフは、半導体レーザ素子の活性層において発生したレーザ光の利得スペクトル（グラフ中のＧＡＩＮ）と、回折格子層において選択される波長の選択スペクトルを主として含む発光スペクトル（グラフ中のＤＦＢ）を示している。

図１５における（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のグラフは、それぞれ、図１４の小駆動電流領域（Ａ）、中駆動電流領域（Ｂ）、高駆動電流領域（Ｃ）におけるスペクトルを示している。なお、駆動電流が増加するほど、半導体レーザ素子の温度は上昇する。

（Ａ）のグラフにおいては、λｐ≦λ_ＤＦＢ≦λｐ＋５ｎｍの関係を満たしており、回折格子層の選択した波長（λ_ＤＦＢ）のみで発振していることがわかる。該当の駆動電流において、図７（Ｂ）と同様のグラフが得られた。具体的には、λ_ＤＦＢ＝λｐ＋２．５である。

さらに温度が上昇した（Ｂ）のグラフにおいては、λｐ＝λ_ＤＦＢの関係となっており、回折格子層の選択した波長（λ_ＤＦＢ）のみで発振していることがわかる。該当の駆動電流において、図７（Ｂ）と同様のグラフが得られる。

さらに温度が上昇した（Ｃ）のグラフにおいてλ_ＤＦＢ＜λｐの関係となっており、回折格子層で選択される波長に起因して発生したスペクトルの他に、活性層で発生したレーザ光のスペクトル、すなわち、ファブリペローの発振スペクトル（グラフ内においてＦＰ）も同時に発生している。すなわち、温度が（Ａ）と（Ｂ）の条件においては、ファブリペロー発振に基づくレーザ光の出力は抑制される。

上述のように、実施形態に係るＤＦＢ横マルチモード半導体レーザ素子においては、回折格子層の選択する波長λ_ＤＦＢとピーク波長λｐとの関係は、０℃において、λｐ≦λ_ＤＦＢ≦λｐ＋５ｎｍを満たしている。この場合、温度の上昇に伴って、利得ピーク波長は、０．３ｎｍ／Ｋで増加し、回折格子層の選択するバンド端波長は０．０７ｎｍ／Ｋで増加する。したがって、回折格子層の選択する波長λ_ＤＦＢが、利得スペクトルのピーク波長λｐよりも、＋５ｎｍ以下の範囲で、大きい場合には、それぞれのピーク位置が近接するため、安定した出力が得られるが、λｐ＋５ｎｍよりも増加した場合には、分布帰還及びファブリペローの双方に起因したスペクトルが同時に発生する。

また、横マルチモードのレーザ光が発生し、スペクトルがブロードに拡がるためには、活性層３の電流が流れる領域の幅が、１０μｍ以上を満たしていることが必要である。

上述の波長の関係は、半導体のエネルギーバンドギャップに換算して、説明することができる。

すなわち、上述の波長をエネルギーバンドギャップに換算し、図３を参照すると、上述のＤＦＢ横マルチモード半導体レーザ素子は、活性層３と、活性層３を挟むクラッド層２、４と、活性層３において発生したレーザ光に重なり、このレーザ光が入射する回折格子層ＧＲとを備え、活性層３において発生する光の利得スペクトルのピーク値に相当するエネルギーバンドギャップをＥｐ、回折格子層ＧＲの選択する選択スペクトルのピーク値に相当するエネルギーバンドギャップをＥ_ＤＦＢとした場合、０℃において、Ｅｐ−６．４ｍｅＶ≦Ｅ_ＤＦＢ≦Ｅｐを満たすことを特徴とする。

図１６は、モード利得Γｇと光子エネルギーとの関係を示すグラフであり、マルチモードファブリペローレーザの利得スペクトルを示している。

ファブリペロー型半導体レーザの発振条件は、式（３−１）（図１８参照）で表される。ここで、Ｒ_ｆおよびＲ_ｂは、それぞれ前後のファセットミラーのパワー反射率、Γｇはモード利得、α_ｉｎｔは半導体レーザ素子内を導波路とした場合の導波路内光伝播損失の係数、Ｌは共振器長である。発振の閾値前後の利得スペクトルを概念的に示している。図中の閾値利得の式は式（３−１）を変形したものである。

駆動電流を増加させて、活性層内で発生するレーザ光の出力が増加すると、光子エネルギーが増加し、閾値利得Ｅｐを超えた場合には、レーザ発振が行われ、複数のエネルギーを有する光子（マルチ縦モード）のレーザ光が発生する。

ファブリペロー型半導体レーザの発振条件は、基本的に、マルチモード、シングルモードに依存しない。活性層内に電流を注入し、利得が損失を上回ったとき（図１６に示す閾値利得の式において、左辺＞右辺となったとき）、利得スペクトルの頂上のＥｐを中心に発振が開始する。Ｅｐで発振が開始すると、その近傍のキャリア消費によって利得スペクトルがくぼむ、いわゆるスペクトルホールバーニングが発生する。これによって、Ｅｐの上下の光子エネルギー点の利得が相対的に高くなり、Ｅｐ±ΔＥ（ΔＥは適当な定数）での発振が開始する。この現象が連続的に発生することによって、誘導放出光の光子エネルギーは複数の輝線で構成される幅を持ったスペクトルとなる。重要な点は、ファブリペロー型半導体レーザでは、利得スペクトルの頂上付近の振る舞いが発振特性を支配するという点である。

図１７は、モード利得Γｇと光子エネルギーとの関係を示すグラフであり、横マルチモードＤＦＢレーザの利得スペクトルを示している。

ＤＦＢレーザの発振条件は、式（３−２）（図１８参照）で表される。ここで、ｒ_ｆおよびｒ_ｂは、それぞれ前後のファセットミラーの反射係数であり、Ｒ_ｆおよびＲ_ｂとはそれぞれ式（３−３）及び式（３−４）（図１８参照）のような関係にある。ｍは回折格子の次数、Λは回折格子の周期である。

式（３−２）において、ｒ_＋、ｒ₋は、活性層と回折格子との結合係数κに比例し、ブラッグ条件からのずれΔに反比例する関数であり、κ＝０のとき両者ともに０となる。γは、利得ｇと結合係数κによって、γ＝−ｉ（ｇ^２／４−κ^２）^１／２で関係付けられる関数である。回折格子が存在しない、つまりΛ＝∞、κ＝０の場合、式（３−２）は式（３−１）に一致する。

ＤＦＢ型レーザの場合の式は、ファブリペロー型と類似の形となるが、ｒ_＋、ｒ₋が結合係数κだけでなく、ブラッグ条件からのずれΔと利得ｇにも依存する点、および実効的なｉγがｇ以外にκとΔにも依存する点でファブリペロー型レーザとは違ってくる。これは、ＤＦＢレーザの場合、図１６の利得スペクトルの頂上付近だけが発振に影響する訳ではなく、条件によっては、その裾部分も重要になることを示している。

さらに、横マルチモード型のＤＦＢレーザ素子においては、その広い注入面積に由来して、注入キャリアの空間的不均一が生じ、局所的な高注入域が発生する。これによって、利得スペクトルピークに対し、一桁程度低いモード利得のポイント（この点をＥ_ＤＦＢとする。）においても、ＤＦＢモードの発振条件が得られるようになる。図１７は、当該機構の概念図を示している。

図１７では、ＤＦＢレーザの閾値利得Ｔｈ（ＤＦＢ）のポイントが、ファブリペローレーザの閾値利得Ｔｈ（ＦＰ）よりも低くなっている様子を示している。

活性層のバンドギャップエネルギーによって決まるＥｐよりも、高いエネルギー（Ｅ_ＤＦＢ ^（＋））であっても、低いエネルギー（Ｅ_ＤＦＢ ^（−））であっても、回折格子層の屈折率周期Λの設計により、発振モードを調整することが原理的には可能であるが、ＤＦＢモード発振が優勢となる領域を広く得るためには、低いエネルギー（Ｅ_ＤＦＢ ^（−））に設定することが好ましい。当該機構は、励起キャリアの遷移が、低エネルギー側への遷移を選択しやすいことに由来するものである。

１Ｗから１０Ｗまでの光出力全領域において、ＤＦＢモード優勢状態を維持するためには、上述の波長の関係をエネルギーの関係にすればよく、この場合、Ｅ_ＤＦＢは、Ｅ_ｐ−６．４（ｍｅＶ）≦Ｅ_ＤＦＢ≦Ｅ_ｐを満たすことが望ましい。この有効範囲は、注入キャリアのエネルギー状態と、活性層のバンドギャップエネルギーの相対関係に着目した範囲であるため、材料や発振波長に依存するものではない。また、８００ｎｍ帯や可視域など他の波長帯でもこの範囲に設定すれば広いダイナミックレンジを得ることが可能となる。なお、λ_ＤＦＢ及びＥ_ＤＦＢは、回折格子層の周期Λを変更することで、調整することができる。

なお、上述の半導体レーザ素子においては、スペクトルのピークの先端は、複数のピークに割れている。これは、レーザ光の感じる回折格子幅が、波長によって、わずかに異なるためである。

上述の半導体レーザ素子においては、出力レベルは１０Ｗであるが、できる限り広い出力領域（例えば、閾値付近から１０Ｗまで）で単一波長であることが望ましい。単一波長について説明を加えると、一般に、単一波長といえば、線幅サブｐｍオーダーを指す場合が多い（例えば、通信用レーザ等）。このようなレーザは発光幅が数μｍの、いわゆるシングルモード分布帰還型レーザであり、回折格子層のカットオフ条件に従い、１つの空間モードのみのレーザ光が出射される。シングルモード分布帰還型レーザにおいては、基底モードのみのレーザ光であるため、波長は１つだけになるが、マルチモード（ブロードアリア）のＤＦＢレーザ素子の場合、多数の空間モードが存在するため、波長は、それらの線形結合で表示されることとなり、厳密な単一波長にはならない。マルチモードＤＦＢレーザ素子における単一波長性とは、（１）線幅サブｎｍオーダーで、かつ（２）駆動条件変化による素子温度変化に伴う波長シフト量が０．０７ｎｍ／Ｋ程度である特性を指す。

なお、上述の半導体レーザ素子においては、１０Ｗ以上の最大出力と、広い出力領域における単一波長性の両立が期待される。これまで出力４Ｗから６Ｗまでは単一波長であったが、その他の出力域では多波長化していたものが、１Ｗ〜９Ｗまで当該範囲が拡大した。なお、半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料からなり、発光幅が１００μｍ、素子長が４ｍｍという大型のレーザデバイスが好ましい。

以上、説明したように、ＡｌＧａＡｓ系材料で構成される回折格子層の周期Λと、構成材料の等価屈折率Ｎ_ｅｆｆ ^０で決まるＤＦＢ発振波長λ_ＤＦＢ（＝（２ΛＮ_ｅｆｆ ^０）／ｍ）が、量子井戸層のバンドギャップによって決まる発振利得ピークλｐよりも長波長側になるようΛが設定されている。なお、次数ｍについて、原理的には小さいほうが結合係数は高く、余分な放射モードが発生しないため良いとされているが、対応波長と装置の微細加工能力とのバランスを考慮し、作りやすい次数を選択することが現実的である。本実施例ではｍ＝３を採用した。また、結合係数κは、共振器長Ｌ大であるために、従来のＤＦＢレーザよりも大幅に小さく設定されている。κＬ＝０．８〜１．０、κ＝２．０〜２．５（ｃｍ^−１）となる。一般的なＤＦＢレーザではκ＝２０（ｃｍ^−１）程度である。

なお、マルチモードレーザ（横マルチモードで発振）について説明をしておく。半導体レーザにおいて、電流注入領域と、非注入領域とでは、層構造および電流注入によって、屈折率（正確には、等価屈折率）に差が生じる。半導体レーザは、活性層を挟むクラッド層を、単純な３層スラブ構造、すなわち、屈折率の大きな層が、屈折率の小さな層で挟まれた構造に近似できる。リッジ構造がある場合、非注入領域は、上側の低屈折率層が削られた形となる。結果的に、空気（屈折率は１）、高屈折率層、低屈折率層という３段構造となり、削り込みがない場合、つまり電流注入領域に比べて、空気層が入る分、等価屈折率は小さくなる。エピタキシャル結晶成長方向をｘ軸、発光幅Ｗに平行な方向をｙ軸、共振器長Ｌに平行な方向をｚ軸と定義すると、上記３層スラブリッジ構造においては、ｙ軸方向に、低等価屈折率域、高等価屈折率域、低等価屈折率域という縦型３層構造が形成されることとなる。これは、３層スラブ構造だけではなく、より複雑な構造に対しても拡張できるものである。

また、電流を注入すると、注入キャリアプラズマ効果による注入域の屈折率低下と、発熱による注入域の屈折率上昇が生じる。実際には、後者の寄与が１桁程度大きくなるため、電流注入領域は屈折率が高くなる。リッジ構造が形成されていない場合においても、電流注入域の等価屈折率は大きくなるため、ｙ軸方向に対して、等価屈折率が低、高、低という並びが同じように形成される。このｙ軸３層構造において、波動方程式と境界条件を同時に満たす解が導波モードとなる。

中心の高屈折率層の幅が数μｍと狭く、かつ、周辺層との等価屈折率差が十分にあり、結果的に、２つの条件を満たす解が単一となる場合のみがシングルモード発振となり（＝カットオフ条件）、このような条件で作製されたレーザを、ｙ軸方向に関連しているという「横」を頭文字として、横シングルモードレーザと呼ぶ。そして、解が２つ以上存在する場合は、すべて横マルチモードレーザに分類される。なお、リッジ幅が狭い場合でも、掘り込みが浅く、十分な等価屈折率差が得られなければマルチモード化し、リッジ幅が広くても、掘り込みが深ければ、カットオフ条件内に入り、シングルモード化し得ることを示すものである。

以上の内容に基づき、本発明にかかる横マルチモードレーザを改めて定義すると、発光幅が１０μｍ以上で、上記カットオフ条件を十分に逸脱している半導体レーザであり、当該条件を満たしていれば、リッジ構造が形成されていても構わない。さらに、１０Ｗクラスの光出力を得るためには、発光幅は５０μｍから２００μｍの範囲が望ましい。

以上、説明したように、２７３Ｋ＝０℃において、実施形態の分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子は、λｐ≦λ_ＤＦＢ≦λｐ＋５ｎｍを満たす場合には、ファブリペロー（ＦＰ）発振が抑制される。

すなわち、λ_ＤＦＢ＝λｐの場合（図１５（Ｂ））においては、ファブリペロー発振に基づくレーザ光の出力は確認されず、回折格子層の選択したレーザ光波長のみの発振のみが観察された。

λ_ＤＦＢ＝λｐ＋α（α＝２．５）の場合（図１５（Ａ））においては、ファブリペロー発振に基づくレーザ光の出力は確認されず、回折格子層の選択したレーザ光波長のみの発振のみが観察された。

λ_ＤＦＢ＝λｐ＋α（α＝５ｎｍ）の場合（図７（Ｂ）においては、ファブリペロー発振に基づくレーザ光の出力は確認されず、回折格子層の選択したレーザ光波長のみの発振のみが観察された。

その他、０℃（＝２７３Ｋ）において、α＝０ｎｍ、α＝０．１９ｎｍ、α＝１．２９ｎｍ、α＝２．０ｎｍ、α＝３．１４ｎｍ、α＝３．８９ｎｍとした場合にも、回折格子層の選択したレーザ光波長のみの発振のみが観察された。

なお、図１１において、光出力１Ｗ〜６Ｗ、０℃におけるΔλ＝０．２〜５．０ｎｍの範囲において、ＤＦＢのみの発振が選択的に観察されたが、光出力が６．２５Ｗの場合、Δλ＝０の場合にも、ＤＦＢのみの発振が選択的に観察された。なお、光出力を増加させて、Δλ＜０となる場合には、スペクトル線幅が広がる場合があるという理由から除くこととした。

また、０℃におけるΔλ＝０〜５．０ｎｍを達成するためには、０℃で光出力１Ｗにおけるλｐとλ_ＤＦＢの初期値をλｐ_０＝９６９．１ｎｍ、λ_ＤＦＢ０＝９７４．１ｎｍとすると、前者は活性層の組成（エネルギーバンドギャップ）によって決定することができ、後者は回折格子層の周期によって決定することができる。λｐ＝λｐ_０＋０．３ｎｍ／Ｋ、λ_ＤＦＢ＝λ_ＤＦＢ０＋０．０７ｎｍ／Ｋであるから、駆動電流の増加によって、温度が若干上昇する。したがって、なお、上述の条件が満たされるＬＤ温度とは、レーザ素子の環境温度、すなわち、図１に示した半導体レーザ素子の配置されるサブマウント２０の温度であり、かかる温度を上述の説明における温度とした。

また、０℃で光出力１Ｗにおける初期値λｐ_０＝９６９．１ｎｍ、λ_ＤＦＢ０＝９７４．１ｎｍの相対関係が、上述のΔλの条件から外れる場合には、ＤＦＢとＦＰの同時発振がおこる可能性があるという点で、条件に適合した場合よりも劣ることになる。

１…基板、２…下部クラッド層、３…活性層、４…上部クラッド層、５…コンタクト層。

Claims (5)

1. １Ｗ〜１０Ｗのレーザ出力が可能で、発光幅が１０μｍ以上の分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子において、
   活性層と、
   前記活性層を挟むクラッド層と、
   前記活性層において発生したレーザ光に重なる回折格子層と、
   を備え、
   前記回折格子層と前記活性層との間の結合係数κ＝２．０〜２．５（ｃｍ ^−１ ）であり、共振器長をＬとした場合に、κＬ＝０．８〜１．０であり、
   前記活性層において発生する光の利得スペクトルのピーク値に相当するエネルギーバンドギャップをＥｐ、
   前記回折格子層の選択する選択スペクトルのピーク値に相当するエネルギーバンドギャップをＥ_ＤＦＢ、
   とした場合、０℃において、
   Ｅｐ−６．４ｍｅＶ≦Ｅ_ＤＦＢ≦Ｅｐ、
   を満たすことを特徴とする分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子。
2. １Ｗ〜１０Ｗのレーザ出力が可能で、発光幅が１０μｍ以上の分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子において、
   活性層と、
   前記活性層を挟むクラッド層と、
   前記活性層において発生したレーザ光に重なる回折格子層と、
   を備え、
   前記回折格子層と前記活性層との間の結合係数κ＝２．０〜２．５（ｃｍ ^−１ ）であり、共振器長をＬとした場合に、κＬ＝０．８〜１．０であり、
   前記活性層において発生する光の利得スペクトルのピーク値の波長をλｐ、
   前記回折格子層の選択する選択スペクトルのピーク値の波長をλ_ＤＦＢ、
   とした場合、０℃において、
   λｐ≦λ_ＤＦＢ≦λｐ＋５ｎｍ、
   を満たすことを特徴とする分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子。
3. ０℃において、Ｅｐ−６．４ｍｅＶ＝Ｅ _ＤＦＢ の場合を除く、
   請求項１に記載の分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子。
4. ０℃において、λ _ＤＦＢ ＝λｐ＋５ｎｍの場合を除く、
   請求項２に記載の分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子。
5. 前記活性層はＩｎＧａＡｓであり、
   前記クラッド層はＡｌＧａＡｓである、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の分布帰還型横マルチモード半導体レーザ素子。

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