JP6753236B2 - ブロードエリア半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明はブロードエリア半導体レーザ素子に関する。

非特許文献１には、ブロードエリア半導体レーザ素子から出射される光を一旦マルチモードファイバへ入射させ、当該ファイバからの出射光を励起用光源又は直接利用等で使用することが開示されている。光ファイバは可とう性を有するため、ファイバからの出射光はその方向を自由に変えることができる。

光ファイバについては、コアの屈折率とクラッドの屈折率で決まる開口数(Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ)を定義することができ、このＮＡより大きい入射角の光は一旦光ファイバに入ったとしてもクラッドから外へ抜けてしまう。そこで、ブロードエリア半導体素子から出射する光の広がり角を小さくすることが求められる。

特許文献1には、利得導波型半導体レーザ素子の水平方向のビーム広がり角を低減するために、共振器内の後端面で導波路を途
切れさせることが示されている。

特開平８−２６４８８４号公報

R. Platz et. al., "940-nm Broad Area Diode Lasers Optimized for High Pulse-Power Fiber Coupled Applications", IEEE Photonics Technology Letters., Vol. 26, No. 6, pp. 625-628, 2014

特許文献１に開示の方法では、高次モードの回折効果が弱く、高次モード発振を抑制して水平方向広がり角を低減するには導波路が無い領域を長くする必要があった。一般に、導波路が無い領域には電流を注入しないので、この領域を長くすると損失増大の原因となる。損失増大により、半導体レーザ素子のしきい値電流増大及びスロープ効率低下といった特性悪化を招いていた。

従来の利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子は、単に端面近傍に電流を注入しないフィルタ領域を設けたり、端面に向かってテーパ形状に狭くなる導波構造を設けたりするものであった。このような半導体レーザ素子においては、フィルタ領域で光を十分広げて高次モードの発振を選択的に抑制するために、フィルタ領域の長さを長くする必要があった。フィルタ領域の長さを長くすると、しきい値電流が増加したり、スロープ効率が低下したりといった特性劣化が起こる。

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、フィルタ領域の長さを長くすることなく、高次モードを抑制できるブロードエリア半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

本願の発明に係るブロードエリア半導体レーザ素子は、前端面と後端面を有し、導波路領域と、共振器長手方向と垂直な方向に一様な実効屈折率を有するフィルタ領域とを備え、該導波路領域の実効屈折率は該フィルタ領域の実効屈折率よりも小さく、該導波路領域は、電流が注入される活性領域と、該活性領域の外側に設けられ該活性領域よりも屈折率が小さいクラッド領域を有し、複数のモードを許容し、平面視で該活性領域は該フィルタ領域に対して凸となることを特徴とする屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子である。

本願の発明に係る他のブロードエリア半導体レーザ素子は、前端面と後端面を有し、導波路領域と、共振器長手方向と垂直な方向に一様な実効屈折率を有するフィルタ領域とを備え、該導波路領域の実効屈折率は該フィルタ領域の実効屈折率よりも大きく、該導波路領域は、電流が注入される活性領域と、該活性領域の外側に設けられ該活性領域よりも屈折率が小さいクラッド領域を有し、複数のモードを許容し、平面視で該フィルタ領域は該活性領域に対して凸となることを特徴とする屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子である。

本願の発明に係る他のブロードエリア半導体レーザ素子は、前端面と後端面を有し、導波路領域と、電流が注入されず利得が生じないフィルタ領域を備え、該導波路領域は、電流が注入されて利得が生じる活性領域と、該活性領域の外側に設けられ電流が注入されず利得が生じないクラッド領域とを有し、平面視で該フィルタ領域は該活性領域に対して凸となることを特徴とする利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子である。

本発明によれば、活性領域をフィルタ領域に対して凸又は凹とすることで、高次のモードほどフィルタ領域で広がるようにする。これにより、フィルタ領域の高次モードが活性領域に結合し難くなる。よって、フィルタ領域の長さを長くすることなく、高次モードを抑制できる。

実施の形態１に係るブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。 光の屈折を示す図である。 活性領域の端部の傾斜と、出射角の関係を示す図である。 実施の形態１に係るブロードエリア半導体レーザ素子の斜視図である。 比較例に係るブロードエリア半導体レーザ素子の光の屈折を示す図である。 第１変形例に係る素子の平面図である。 第２変形例に係る素子の平面図である。 第３変形例に係る素子の平面図である。 第４変形例に係る素子の平面図である。 実施の形態２に係る屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。 実施の形態２に係るブロードエリア半導体レーザ素子の斜視図である。 第１変形例に係る素子の平面図である。 第２変形例に係る素子の平面図である。 第３変形例に係る素子の平面図である。 第４変形例に係る素子の平面図である。 実施の形態３に係るブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。 実施の形態３に係る利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の斜視図である。 第１変形例に係る素子の平面図である。 第２変形例に係る素子の平面図である。 第３変形例に係る素子の平面図である。 第４変形例に係る素子の平面図である。 実施の形態４に係るブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。

本発明の実施の形態に係るブロードエリア半導体レーザ素子について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。このレーザ素子は屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子である。図１は平面図すなわち結晶成長面側からブロードエリア半導体レーザ素子を見た図である。このブロードエリア半導体レーザ素子は、実効屈折率がｎｅの導波路領域１と、実効屈折率がｎｆのフィルタ領域２を備えている。実効屈折率とは、光が実質的に感じる屈折率であり、結晶成長方向の各層の組成と層厚及び活性領域の幅をもとに等価屈折率法等で求めることができる。導波路領域１の実効屈折率ｎｅはフィルタ領域２の実効屈折率ｎｆよりも小さい。つまり、ｎｅ＜ｎｆである。導波路領域１とフィルタ領域２は、前端面３ａと後端面３ｂを有する共振器を構成している。フィルタ領域２は後端面３ｂに接して設けられた長さがＬの領域であり、共振器長手方向と垂直な方向に一様な実効屈折率を有し、電流は注入されない。半導体レーザ素子の端面に平行な方向をｘ、結晶成長方向をｙ、半導体レーザ素子端面に垂直な方向をzとする。端面とは、前端面３ａと後端面３ｂのことである。

導波路領域１は、幅がＷで屈折率がｎ_ａの電流が注入される活性領域１ａと、活性領域１ａの外側に設けられ屈折率がｎ_ａよりも小さいｎ_ｃであるクラッド領域１ｂを有している。活性領域１ａは、平面視でフィルタ領域２に対して凸となる凸部１Ａを備えている。凸部１Ａは後端面３ｂに向かって楔形となっている。活性領域１ａとフィルタ領域２の境界線は直線である。凸部１Ａを設けたことにより、２本の直線が活性領域１ａとフィルタ領域２の境界線となっている。

ブロードエリア半導体レーザ素子では、水平方向、つまりｘ方向に複数のモードが許容される。例えば「光導波路」というタイトルの技術書（著者：川上彰二郎、朝倉書店(１９８２年)）の１８−３１頁にはマルチモードを許容するための条件が示されている。すなわち、複数のモードが許容されるためには、ブロードエリア半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長をλ、活性領域１ａの幅をＷ、活性領域１ａの屈折率をｎ_ａ、クラッド領域１ｂの屈折率をｎ_ｃとしたときに、以下の数式１が成立しなければならない。

Ｖは正規化周波数と呼ばれる値である。このＶの値がπ/２より大きくなるように、活性領域１ａの幅Ｗ、活性領域１ａの屈折率ｎ_ａおよびクラッド領域１ｂの屈折率ｎ_ｃを設定することで、複数のモードを許容しマルチモードで発振する屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子とする。

図２は、導波路領域１からフィルタ領域２に進む光の屈折を示す図である。活性領域１ａに凸部１Ａを設けたことで高次モードを抑制できることを説明する。前述したとおり、導波路領域１の実効屈折率ｎｅはフィルタ領域２の実効屈折率ｎｆより小さい。活性領域１ａに凸部１Ａを設けたことで、活性領域１ａの端部はｘ軸に対してφだけ傾斜している。この傾斜角φにより、導波路領域１の入射角θｅは、φ＝０のときの入射角θｅ_０にφを加えた値となる。つまり、θｅ＝θｅ_０＋φと表せる。同様に、フィルタ領域２の屈折角θｆは、φ＝０のときの屈折角θｆ_０にφを加えた値となる。つまり、θｆ＝θｆ_０＋φと表せる。

導波路領域１では、導波モードの光は活性領域１ａとクラッド領域１ｂ間で全反射しながらｚ方向に伝搬定数βで進行する。伝搬定数βは低次のモードほど大きく、高次になるほど小さくなる。また、ｚ方向に伝搬定数βで伝搬する導波モードは、ｘｚ平面内を波数ｋ＋と波数ｋ−で伝搬する２つの平面波で表すことが可能である。以下、波数ｋ＋の平面波を考えるが、波数ｋ−の平面波も同様に考えることができる。

導波路領域１の入射角θｅは低次のモードほど小さく高次のモードほど大きくなる。光は、フィルタ領域２でスネルの法則により角度θｆに屈折し、後端面３ｂに至る。後端面３ｂで光の一部は角度θｆで反射し、残りは角度θ_０で共振器外へ回折する。後端面３ｂで反射した光は導波路領域１に到達して導波モードに結合して−ｚ方向に進行する。このとき、高次のモードほどフィルタ領域２内でｘ正負方向に広がるので、高次のモードほど導波路領域１の導波モードと結合し難くなり、大きな結合損失を生じる。半導体レーザ素子では、利得と損失が釣り合った状態で発振に至るので高次のモードは発振しにくくなる。

本発明の実施の形態１では、活性領域１ａに凸部１Ａを設けて活性領域１ａの端部をｘ軸に対してφだけ傾斜させる。これにより、フィルタ領域２の屈折角θｆを、θｆ０よりも大きい値であるθｆ０＋φとすることができる。したがって、フィルタ領域２において高次のモードを十分に広げることができるので、高次のモードは導波路領域１の導波モードと結合し難くなり、大きな結合損失を生じる。つまり、活性領域１ａに凸部１Ａを設けたことで高次モードを抑制できる。高次モードの抑制により水平横モード数を減少させることで、水平方向ビーム広がり角を狭くし水平方向の輝度を高めることができる。

図３は、活性領域の端部の傾斜角φと、出射角θ_０の関係を示す図である。図３には、導波路領域１の実効屈折率ｎｅを３．４００とし、フィルタ領域２の実効屈折率ｎｆを３．５００とし、導波モードの導波路領域１の入射角θｅ_０＝５°としたときの、レーザ素子からの出射角θ_０の傾斜角φ依存性が示されている。

図３から、傾斜角φが大きくなると出射角θ_０は単調に増加することが分かる。出射角θ_０が大きくなることは半導体レーザ素子の端面での反射角θｆが大きくなることを意味する。反射角θｆが大きいということは、半導体レーザ素子端面で反射した光が導波路領域１に到達したときにその光が大きく広がることを意味している。したがって、傾きθを大きくするほど、光が導波路領域１内の導波モードへ結合し難くなるといういわゆるフィルタ効果を強めることができる。モード次数の大きい高次モードほど導波路領域１の入射角θｅ_０が大きいので、高次モードほどこのフィルタ効果は顕著となる。

光の屈折によるフィルタ領域２での光の広がりの増加は、低次のモードにも作用し、低次のモードの出射角の広がりを招く。フィルタ領域２を後端面３ｂに配置することで、フィルタ領域２で低次のモードが選択され、前端面３ａからは選択された低次のモードが余分な屈折を受けることなく出射される。したがって、フィルタ領域２は後端面３ｂに配置するのが望ましい。

活性領域１ａの端部に傾斜角φを設けると傾斜角φが０の場合に比べて高次モードを抑制する効果を高めることができるので、フィルタ領域２の長さＬを短くすることが可能となる。フィルタ領域２の長さＬを短くすることで、半導体レーザ素子の損失を低減できるので、しきい値電流の増加およびスロープ効率の低下といった特性劣化を抑制できる。

図４は、本発明の実施の形態１に係るブロードエリア半導体レーザ素子の斜視図である。図４は、導波路領域１の実効屈折率ｎｅをフィルタ領域２の実効屈折率ｎｆよりも小さくする構造の一例を示すものである。ｎ型ＧａＡｓで形成された基板５の裏面側にはｎ電極４が設けられている。基板５の上にはｎ型ＡｌＧａＡｓで形成されたクラッド層６が設けられている。クラッド層６の上にはアンドープＡｌＧａＡｓで形成されたガイド層７が設けられている。ガイド層７の上にはアンドープＩｎＧａＡｓで形成された活性層８が設けられている。活性層８の上にはアンドープＡｌＧａＡｓで形成されたガイド層９が設けられている。ガイド層９の上にはｐ型ＡｌＧａＡｓで形成された第1エッチングストッパー層１０が設けられている。

フィルタ領域２では、第１エッチングストッパー層１０の上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓで形成された第1クラッド層１１が設けられている。フィルタ領域２では、第1クラッド層１１の上にｐ型ＡｌＧａＡｓで形成された第２エッチングストッパー層１２が設けられている。フィルタ領域２では、第２エッチングストッパー層１２の上にＳｉＮ膜１５が設けられている。フィルタ領域２ではＳｉＮ膜１５の上にｐ電極１６が設けられている。

クラッド領域１ｂでは、第１エッチングストッパー層１０の上にＳｉＮ膜１５が形成されている。クラッド領域１ｂでは、ＳｉＮ膜１５の上にｐ電極１６が設けられている。

活性領域１ａでは、第１エッチングストッパー層１０の上に第1クラッド層１１が設けられている。活性領域１ａでは、第１クラッド層１１の上に第２エッチングストッパー層１２が設けられている。活性領域１ａでは、第２エッチングストッパー層１２の上にｐ型ＡｌＧａＡｓで形成された第２クラッド層１３が設けられている。活性領域１ａでは、第２クラッド層１３の上にｐ型ＧａＡｓで形成されたコンタクト層１４が設けられている。このコンタクト層１４の上にｐ電極１６が設けられている。

このブロードエリア半導体レーザ素子の作成方法の一例を説明する。まず、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により基板５の上に、クラッド層６、ガイド層７、活性層８、ガイド層９、第１エッチングストッパー層１０、第１クラッド層１１、第２エッチングストッパー層１２、第２クラッド層１３、コンタクト層１４を順次結晶成長する。次に、活性領域１ａをレジスト等でカバーしレジストから露出した部分を第２エッチングストッパー層１２までエッチングする。さらに、フィルタ領域２をレジスト等でカバーしてクラッド領域１ｂを第１エッチングストッパー層１０までエッチングする。

一旦レジストを全て剥離した後に、活性領域１ａのみをレジストでカバーし、全面にＳｉＮ膜１５を成膜し、リフトオフで活性領域１ａ上のＳｉＮ膜を除去する。そして、ｐ電極１６を基板５の上面側に形成し、ｎ電極４を基板５の裏面に形成して半導体レーザ素子が完成する。

導波路領域１はフィルタ領域２より深くエッチングするので、導波路領域１の実効屈折率ｎｅをフィルタ領域２の実効屈折率ｎｆよりも小さくすることができる。ｎ電極４側から活性層８に電子を注入し、ｐ電極１６側から活性層８にホールを注入することで、活性層８内で光を発生させ、その光を前端面３ａと後端面３ｂの間で往復させることでレーザ発振させる。本構成では、導波路領域１には電流が注入され、フィルタ領域２は全面がＳｉＮ膜１５に覆われているので電流が注入されない。

ここで、本発明の実施の形態１に係るブロードエリア半導体レーザ素子の特徴の理解を容易にするために比較例について説明する。図５は、比較例に係る屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。比較例の素子は、実効屈折率がｎｅの導波路領域１０１と、長さがＬで実効屈折率がｎｆのフィルタ領域１０２を備えている。実効屈折率ｎｅは実効屈折率ｎｆより小さい。導波路領域１０１は、幅がＷで屈折率がｎ_ａの活性領域１０１ａと、屈折率がｎ_ｃのクラッド領域１０１ｂを備えている。活性領域１０１ａとフィルタ領域１０２の境界線は、共振器短手方向と平行な一本の直線である。

導波路領域１０１の入射角をθeとすると、低次のモードほどθeが小さく高次のモードほどθeが大きくなる。光はフィルタ領域１０２ではスネルの法則により角度θfに屈折し、後端面３ｂに至る。後端面３ｂでは、一部の光は角度θfで反射し、残りの光は角度θ_０で共振器外へ回折する。後端面３ｂで反射した光は導波路領域１０１に到達して導波モードに結合して−ｚ方向に進行する。

比較例では、活性領域１０１ａとフィルタ領域１０２の境界がｘ軸から傾斜していないので、屈折角θｆが小さくなる。そのため、フィルタ領域１０２での光の広がりが不十分となり、高次モード発振を抑制するフィルタ効果を発揮するにはフィルタ領域１０２の長さＬを長くする必要がある。一般に、フィルタ領域１０２は電流を注入しない領域であるため、長さＬを長くすると損失増大を招き、半導体レーザ素子のしきい値電流増大およびスロープ効率低下といった特性劣化が起こる。

これに対し、本発明の実施の形態１では、図１に示すように活性領域１ａに凸部１Ａを設けることで屈折角θｆを大きくした。具体的には、図２に示すように、凸部１Ａにより傾斜角φがもたらされるので、屈折角θｆ＝θｆ_０＋φとすることができる。屈折角を大きくすることで、フィルタ領域２の長さを長くすることなく、高次モードを抑制できる。

本発明の実施の形態１に係る屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子はその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。図６は、第１変形例に係る屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。この素子は、活性領域１ａの凸部１Ｂの形状が図１の凸部１Ａと異なっている。曲線的な凸部１Ｂが設けられたことで、活性領域１ａとフィルタ領域２の境界線は曲線となっている。凸部１Ｂの中央から離れるほど、凸部１Ｂの法線と、共振器長方向であるｚ軸線とのなす角が大きくなる。このため、クラッド領域１ｂ側に光が広がる高次のモードに対して大きなフィルタ効果が期待でき、フィルタ領域２の長さＬを短くできる。

図７は、第２変形例に係る屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。２つの導波路領域１の間にフィルタ領域２が設けられている。したがってフィルタ領域２は前端面３ａにも後端面３ｂにも接しない。活性領域１ａｃは後端面３ｂに接している。活性領域１ａｃはフィルタ領域２の方へ突き出た凸部１Ｂを備えている。活性領域１ａｄは前端面３ａに接している。活性領域１ａｄがフィルタ領域２と接する部分はフラットである。活性領域１ａｃ、１ａｄの幅はＷであり、屈折率はｎ_ａである。フィルタ領域２の長さはＬａである。導波路領域１の実効屈折率ｎｅはフィルタ領域２の実効屈折率ｎｆより小さい。

フィルタ領域を端面に接して設けると、端面で反射したレーザ光の一部は導波路に結合しない。このことは実質的には端面の反射率が低下することに相当する。一方、図７の素子では、半導体レーザ素子内部に前端面３ａにも後端面３ｂにも接しないようにフィルタ領域２を設けたので、本発明の実施の形態１に係る素子と同じ効果を得つつ端面での反射率低下を防ぐことができる。

図８は、第３変形例に係る屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。活性領域１ａｃは凸部１Ｂを有し、活性領域１ａｅは凸部１Ａを有している。これにより、活性領域１ａｅはフィルタ領域２の前端面３ａ側に接する部分でフィルタ領域２に対して凸となり、活性領域１ａｃはフィルタ領域２の後端面３ｂ側に接する部分でフィルタ領域２に対して凸となっている。

第３変形例では、フィルタ領域２を端面から離して設けるので、端面での反射率低下を抑制することができる。さらに、凸部１Ａ、１Ｂを設けることで、活性領域１ａｃ、１ａｅの一方から出射した光は大きく広がり、活性領域１ａｃ、１ａｅの他方に入り難くなる。このため、大きなフィルタ効果が期待できる。

図９は、第４変形例に係る屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。２つの活性領域１ａｃでフィルタ領域２を挟んでいる。２つの活性領域１ａｃはそれぞれ凸部１Ｂを備えている。フィルタ領域２を端面から離して設けたことで端面での反射率低下を抑制することができる。また、２つの凸部１Ｂを設けたことで、フィルタ領域２での高次のモードに対するフィルタ効果が顕著になる。なお、２つの凸部１Ｂに代えて、図１で示した２本の直線を有する凸部１Ａを２つ設け、２つの凸部１Ａでフィルタ領域２を挟んでもよい。

本発明の実施形態およびすべての変形例において活性領域の凸部の形状を変更してもよい。凸部の形状は、凸部の端部の法線がz軸に対して傾斜しているものであれば、特に限定されない。導波路領域１の実効屈折率ｎｅをフィルタ領域２の実効屈折率ｎｆよりも小さくするために、図４の構成とは異なる構成を採用してもよい。これらの変形は以下の実施の形態に係るブロードエリア半導体レーザ素子に適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態にかかるブロードエリア半導体レーザ素子は実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図１０は、実施の形態２に係る屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。この共振器は、導波路領域３１と、後端面３ｂに接して設けられたフィルタ領域３２を備えている。導波路領域３１の実効屈折率ｎｅはフィルタ領域３２の実効屈折率ｎｆよりも大きい。つまり、実施の形態１と異なり、ｎｅ＞ｎｆとなっている。導波路領域３１は、幅がＷで屈折率がｎ_ａの活性領域３１ａと、活性領域３１ａの外側に設けられ屈折率がｎ_ａよりも小さいｎ_ｃであるクラッド領域３１ｂを有している。

活性領域３１ａは凹部３１Ａを有することで、フィルタ領域３２に対して凹形状となっている。活性領域３１ａは半導体レーザ素子内部に向かって楔形となっている。凹部３１Ａが設けられたことで、フィルタ領域３２は平面視で活性領域３１ａに対して凸となっている。活性領域３１ａとフィルタ領域３２の境界線は直線である。

実施の形態２のブロードエリア半導体レーザ素子は、共振器から出射されるレーザ光の波長をλとした場合、以下の数式２を満たすことで複数のモードを許容するものである。

図１１は、実施の形態２に係るブロードエリア半導体レーザ素子の斜視図である。図１１は、導波路領域３１の実効屈折率ｎｅをフィルタ領域３２の実効屈折率ｎｆよりも大きくする構造の一例を示す斜視図である。導波路領域３１において第１エッチングストッパー層１０の上にはｐ型ＡｌＧａＡｓで形成された第１クラッド層４１が設けられている。導波路領域３１において第１クラッド層４１の上にはｐ型ＡｌＧａＡｓで形成された第２エッチングストッパー層４２が設けられている。

活性領域３１ａでは、第２エッチングストッパー層４２の上にｐ型ＡｌＧａＡｓで形成された第２クラッド層４３が設けられている。活性領域３１ａでは、第２クラッド層４３の上にｐ型ＧａＡｓで形成されたコンタクト層４４が設けられている。導波路領域３１の表面にはＳｉＮ膜４５とその上に形成されたｐ電極４６が設けられている。

フィルタ領域３２では、第１エッチングストッパー層１０の上にＳｉＮ膜４５が形成され、ＳｉＮ膜４５の上にｐ電極４６が設けられている。他の層は図４を参照しつつ説明したとおりである。

図１１に示された素子の作製方法の一例を説明する。先ず、基板５上に、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、クラッド層６、ガイド層７、活性層８、ガイド層９、第１エッチングストッパー層１０、第１クラッド層４１、第２エッチングストッパー層４２、第２クラッド層４３、コンタクト層４４を順次結晶成長する。次に、導波路領域３１内の活性領域３１ａをレジスト等でカバーしレジストで覆われていない部分を第２エッチングストッパー層４２までエッチングする。さらに、クラッド領域３１ｂをレジスト等でカバーしてフィルタ領域３２を第１エッチングストッパー層１０までエッチングする。

その後、一旦レジストを全て剥離した後に、活性領域３１ａのみをレジストでカバーし、全面にＳｉＮ膜４５を成膜し、リフトオフで活性領域３１ａのＳｉＮ膜を除去する。最後に、ｐ電極４６とｎ電極４を形成して半導体レーザ素子が完成する。本構成では、導波路領域３１の活性領域３１ａには電流が注入され、フィルタ領域３２には電流が注入されないが、ＳｉＮ膜の一部を除去してフィルタ領域に電流を注入しても構わない。

フィルタ領域３２は導波路領域３１より深くエッチングするので、フィルタ領域３２の実効屈折率ｎｆは導波路領域３１の実効屈折率ｎｅよりも小さくなる。つまり、ｎｅ＞ｎｆとなる。導波路領域３１の実効屈折率ｎｅとフィルタ領域３２の実効屈折率ｎｆの関係が、実施の形態１とは逆であるので、活性領域３１ａが素子中央に向かって楔形になるように凹部３１Ａを設けると、導波路領域３１を伝搬する導波光はフィルタ領域３２で広がることになる。したがって、フィルタ領域２の長さを長くすることなく、高次モードを抑制できる。

本発明の実施の形態２に係る素子は、実施の形態１の素子と比べて、導波路領域３１のリッジの底部と活性層８の間の距離が長くなる。そのため、ジャンクションダウンで組立てる場合はダイボンドに起因する劣化が活性層８まで伝わり難いので、高い信頼性を有する半導体レーザ素子を実現することができる。

実施の形態２に係るブロードエリア半導体レーザ素子は様々な変形が可能である。図１２は、実施の形態２の第１変形例に係る素子の平面図である。活性領域３１ａの凹部３１Ｂは曲線的に形成されている。これにより、活性領域３１ａとフィルタ領域３２の境界線は曲線となっている。凹部３１Ｂの法線は、活性領域３１ａの中央の一点鎖線から離れるにつれて共振器方向つまり−ｚ方向との成す角が大きくなる。このため、クラッド領域側に光が広がる高次モードに対して大きなフィルタ効果が期待できる。そのため、フィルタ領域３２の長さＬを長くすることなく高次モードを抑制できる。

図１３は、実施の形態２の第２変形例に係る素子の平面図である。活性領域３１ａｃと活性領域３１ａｄでフィルタ領域３２を挟んでいる。フィルタ領域３２は前端面３ａにも後端面３ｂにも接しない。３１ａｃ、３１ａｄは幅がＷ、屈折率がｎ_ａの活性領域である。フィルタ領域３２の実効屈折率ｎｆは導波路領域３１の実効屈折率ｎｅよりも小さい。第２変形例の素子は、フィルタ領域３２の長さＬｂを長くすることなく高次モードを抑制できることに加え、フィルタ領域３２を共振器の端面から離して設けたため端面での反射率低下を防ぐことが可能となる。

図１４は、実施の形態２の第３変形例に係る素子の平面図である。活性領域３１ａｅはフィルタ領域３２に接する部分で凹部３１Ａを有し、活性領域３１ａｃはフィルタ領域３２に接する部分で凹部３１Ｂを有する。そのため、フィルタ領域３２は、前端面３ａ側で活性領域３１ａｅに対して凸となり、後端面３ｂ側で活性領域３１ａｃに対して凸となる。活性領域３１ａｅから出射した光は大きく広がり、対向する活性領域３１ａｃに入り難くなる。このため大きなフィルタ効果が期待できる。

図１５は、実施の形態２の第４変形例に係る素子の平面図である。２つの活性領域３１ａｃは両方とも凹部３１Ｂを備えている。２つの凹部３１Ｂを設けたことで、フィルタ領域３２での光の広がりを大きくして高次のモードに対するフィルタ効果を高めることができる。

２つの活性領域でフィルタ領域を挟む構成において、２つの凹部を両方とも図１０の凹部３１Ａのとおりの形状としてもよい。なお、凹部の形状は上記の各例に限るものではなく、凹部の端部の法線がｚ軸に対して傾斜していればよい。また、導波路領域１の実効屈折率ｎｅをフィルタ領域２の実効屈折率ｎｆよりも大きくするために、図１１の構成とは異なる構成を採用してもよい。

実施の形態３．
図１６は、実施の形態３に係るブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。実施の形態３に係る素子は、利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子である。この素子は、導波路領域５１と、電流が注入されないフィルタ領域５２を備えた共振器である。導波路領域５１は、電流が注入される活性領域５１ａと、活性領域５１ａの外側に設けられ電流が注入されないクラッド領域５１ｂとを有している。

ここで、利得がある場合の屈折率を複素屈折率ｎ^＊で表現する。この複素屈折率は複素比誘電率ε^＊を用いて以下の数式３のように表すことができる。

また、例えば「半導体の物理［改定版］」（著者：御子柴宣夫、培風館(２００１年)）の２３０頁〜２３１頁に記載されているように、複素比誘電率ε^＊は、複素誘電率を自由空間での誘電率ε_０で割ったものであり、比誘電率の実部をｅ_ｒ、導電率をσ、角周波数をωとして、以下の数式４のように表すことができる。

半導体レーザ素子では共振器に電流を注入することで利得を発生させσ＜０を実現し、進行方向に光を増幅させる。また、電流を注入して利得を発生させた領域に光が閉じこもり利得導波路が形成される。つまり、利得がある領域は、屈折率導波型と同様に、光を閉じ込める作用がある。ただ、利得導波は複素屈折率となるので単純にその大小を表すことができない。そこで｜ｎ^＊２｜の大小で区別することにする。因みに、屈折率導波型は、導電率σ＝０としているので、複素屈折率は以下の数式５のように記載され、結局は数式６に示すように実数となる。実施の形態１及び２についても複素屈折率で説明しても良いが、結果は同じなので説明は省略する。

利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の導波路領域５１の実効複素屈折率をｎｅ^＊、フィルタ領域５２の実効複素屈折率をｎｆ^＊とすると、導波路領域５１には電流を注入するのでσ＜０、フィルタ領域５２には電流を注入しないのでσ＝０なので、必然的に｜ｎｅ^＊２｜＞｜ｎｆ^＊２｜となる。

上述の著作「光導波路」を参照することで、屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子と同様に、利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子のモードが計算できる。活性領域５１ａにのみ利得があることでσ＜０となり、クラッド領域５１ｂには利得がないことでσ＝０となるとすると、以下の数式７−９が成り立つ。

ここで、ｕ^＊は活性領域内正規化横方向複素位相定数、ｗ^＊はクラッド領域内正規化横方向複素減衰定数、ｖ^〜は利得導波型の正規化周波数、ωは角周波数、ｋ_０は自由空間中の波数、μ_０は自由空間の透磁率である。

少なくともｖ^〜＞π／２であれば、複数のモードが許容されるマルチモード発振の利得導波型ブロードエリア半導体レーザ素子となる。なお、電流注入で｜σ｜が大きくなると、狭い活性層幅でも複数のモードが許容されることになる。一般的な利得導波型の半導体レーザ素子では、活性層幅１０μｍ以上あればマルチモード発振となる。

図１６において、導波路領域５１の実効複素屈折率はｎｅ^＊である。活性領域５１ａの幅はＷｇである。活性領域５１ａのフィルタ領域５２に接する部分には凹部５１Ａが形成されている。言い換えれば、活性領域５１ａは半導体レーザ素子の中央に向かって楔形の形状となっている。クラッド領域５１ｂは活性領域５１ａを挟む領域である。フィルタ領域５２の長さはＬｇであり、実効複素屈折率はｎｆ^＊である。フィルタ領域５２は後端面３ｂに接している。凹部５１Ａが設けられたことで、フィルタ領域５２は平面視で活性領域５１ａに対して凸となっている。活性領域５１aとフィルタ領域５２の境界線は直線である。上述したように、導波路領域５１の実効複素屈折率の｜ｎｅ^＊２｜はフィルタ領域５２の実効複素屈折率の｜ｎｆ^＊２｜より大きい。

図１７は、実施の形態３に係る利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の斜視図である。ｎ型のＧａＡｓで形成された基板６２の下面にｎ電極６１が設けられている。基板６２の上面には、ｎ型ＡｌＧａＡｓで形成されたクラッド層６３が設けられている。クラッド層６３の上には、アンドープＡｌＧａＡｓで形成されたガイド層６４が設けられている。

ガイド層６４の上には、アンドープＩｎＧａＡｓで形成された活性層６５が設けられている。活性層６５の上には、アンドープＡｌＧａＡｓで形成されたガイド層６６が設けられている。ガイド層６６の上にはｐ型ＡｌＧａＡｓで形成されたクラッド層６７が設けられている。クラッド層６７の上には、ｐ型ＧａＡｓで形成されたコンタクト層６８が設けられている。

クラッド領域５１ｂとフィルタ領域５２において、コンタクト層６８の上にＳｉＮ膜６９が形成されている。クラッド領域５１ｂとフィルタ領域５２においてはＳｉＮ膜６９の上に、活性領域５１ａにおいてはコンタクト層６８の上に、ｐ電極７０が形成されている。

このような利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子は例えば以下のように作製することができる。まず基板６２の上に有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法によりクラッド層６３、ガイド層６４、活性層６５、ガイド層６６、クラッド層６７、コンタクト層６８を順次結晶成長する。次に、活性領域５１ａのみをレジストでカバーし、全面にＳｉＮ膜６９を成膜し、リフトオフで活性領域５１ａ上のＳｉＮ膜を除去する。その上にｐ電極７０を形成し、基板６２の下面にｎ電極６１を形成することで、利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子が完成する。

導波路領域５１の実効複素屈折率の｜ｎｅ^＊２｜はフィルタ領域５２の実効複素屈折率の｜ｎｆ^＊２｜よりも大きい。そのため、活性領域５１ａに凹部５１Ａを設けてフィルタ領域５２が活性領域５１ａに対して凸となるようにすると、実施の形態２で示したように、導波路領域５１を伝搬する導波光はフィルタ領域５２で広がり、高次モード発振が抑制される。このため、前端面３ａからは低次のモードのみが選択的に出力し、水平方向広がり角の小さいビームとなる。また、利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子は、上述のとおり極めて容易に作成できるという利点がある。

図１８は、実施の形態３の第１変形例に係る利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。活性領域５１ａの後端面３ｂ側の端部を凹部５１Ｂとした。凹部５１Ｂにより、活性領域５１ａとフィルタ領域５２の境界線は曲線となっている。この境界線の法線は、活性領域５１ａの中央から周辺に向かうにつれて共振器方向であるｚ軸との成す角が大きくなる。このため、クラッド領域５１ｂ側に光が広がる高次モードに対して大きなフィルタ効果が期待できる。よって、フィルタ領域５２の長さＬｇを長くすることなく、高次モードを抑制できる。

図１９は、実施の形態３の第２変形例に係る利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。フィルタ領域５２が２つの導波路領域５１に挟まれることで、フィルタ領域５２は前端面３ａにも後端面３ｂにも接しない。活性領域５１ａｃはフィルタ領域５２との境界に凹部５１Ｂを有する。活性領域５１ａｄとフィルタ領域５２の境界はフラットである。フィルタ領域５２を半導体レーザ素子の内部に設け、フィルタ領域５２が前端面３ａにも後端面３ｂにも接しないようにしたので、端面での反射率低下を防ぐことができる。

図２０は、実施の形態３の第３変形例に係る利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。活性領域５１ａｅのフィルタ領域５２に接する部分に凹部５１Ａを設けた点で、実施の形態３の第２変形例と相違する。第３変形例のフィルタ領域５２は、前端面３ａ側で活性領域５１ａｅに対して凸となり、後端面３ｂ側で活性領域５１ａｃに対して凸となる。フィルタ領域５２を前端面３ａに向かって凸とすることで、活性領域５１ａｅから出射した光はフィルタ領域５２で大きくｘ正負方向に広がり、対向する活性領域５１ａｃに入り難くなる。このため大きなフィルタ効果が期待できる。

図２１は、実施の形態３の第４変形例に係る利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。フィルタ領域５２の左側の活性領域５１ａｃは凹部５１Ｂを有し、フィルタ領域５２の右側の活性領域５１ａｃも凹部５１Ｂを有している。よって、第３変形例と同様に高次モードに対する大きなフィルタ効果を期待することができる。なお、フィルタ領域５２の右側と左側の活性領域に図２０に示す凹部５１Ａと同様の形状の凹部を設けてもよい。

本発明の実施の形態３に係るブロードエリア半導体レーザ素子はその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。例えば、図１７に示す構造とは異なる構造で、レーザ素子を利得導波型としてもよい。活性領域の凹部の形状は、活性領域の端部の法線がｚ軸に対して傾斜しているものであれば、特に限定されない。

実施の形態４．
図２２は、実施の形態４に係るブロードエリア半導体レーザ素子の平面図である。この素子は、屈折率導波型と利得導波型のどちらとしてもよい。この素子は、活性領域の形状に特徴がある。

導波路領域８１は実効屈折率がｎｅ又は実効複素屈折率がｎｅ^＊である。導波路領域８１は、幅がＷｇである活性領域８１ａと、活性領域８１ａを挟むクラッド領域８１ｂを備えている。フィルタ領域８２は後端面３ｂに接して設けられている。フィルタ領域８２の長さはＬであり、実効屈折率がｎｆ又は実効複素屈折率がｎｆ^＊である。

活性領域８１ａはフィルタ領域８２との境界部分に凸部８１Ａを有している。活性領域８１ａとフィルタ領域８２の境界の曲線の曲率は、当該曲線の中央部よりも当該曲線の両端部で大きくなっている。つまり、凸部８１Ａは、小曲率部分８１ａａと、小曲率部分８１ａａを挟む２つの大曲率部分８１ａｂを有している。小曲率部分８１ａａは活性領域８１ａの中央部分に位置し、大曲率部分８１ａｂは当該中央部分の外側に位置する。

屈折率導波型及び利得導波型のいずれにおいても、高次モードになるほどクラッド領域８１ｂに光が広がる。本実施形態のように小曲率部分８１ａａを設けることで活性領域８１ａの中央付近の曲率を小さくし、大曲率部分８１ａｂを設けることで当該中央の外側の曲率を大きくすると、低次モードは中央付近の小さい曲率の影響を多く受け、高次モードは外側の大きな曲率の影響を多く受けることになる。そのため、フィルタ領域８２では、低次モードは余り広がらず高次モードがより広がることになるので、高次モードを選択的にフィルタリングすることができる。これにより、フィルタ領域８２の長さを長くすることなく高次モードを抑制できる。

なお、ここまでで説明した各実施の形態に係るブロードエリア半導体レーザ素子の特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。

１ 導波路領域、 １ａ 活性領域、 １ｂ クラッド領域、 １Ａ，１Ｂ 凸部、 ２ フィルタ領域、 ３ａ 前端面、 ３ｂ 後端面

Claims (19)

1. 前端面と後端面を有し、導波路領域と、フィルタ領域とを有する共振器を備え、
   前記導波路領域の実効屈折率は前記フィルタ領域の実効屈折率よりも小さく、
   前記導波路領域は、幅がＷで屈折率がｎ_ａの電流が注入される活性領域と、前記活性領域の外側に設けられ屈折率が前記ｎ_ａよりも小さいｎ_cであるクラッド領域を有し、前記フィルタ領域は矩形形状を有する前記共振器の長辺に平行な方向に対して垂直な方向に一様な実効屈折率を有し、
   前記共振器から出射されるレーザ光の波長をλとした場合、以下の数式を満たすことで複数のモードを許容し、
   

   

   平面視で前記活性領域は前記フィルタ領域に対して凸となることを特徴とする屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子。
2. 前記活性領域と前記フィルタ領域の境界線は直線であることを特徴とする請求項１に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
3. 前記活性領域と前記フィルタ領域の境界線は曲線であることを特徴とする請求項１に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
4. 前記フィルタ領域は前記後端面に接して設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
5. 前記フィルタ領域は前記前端面にも前記後端面にも接しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
6. 前記活性領域は、前記フィルタ領域の前記前端面側に接する部分で前記フィルタ領域に対して凸となり、前記フィルタ領域の前記後端面側に接する部分で前記フィルタ領域に対して凸となることを特徴とする請求項５に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
7. 前端面と後端面を有し、導波路領域と、フィルタ領域とを有する共振器を備え、
   前記導波路領域の実効屈折率は前記フィルタ領域の実効屈折率よりも大きく、
   前記導波路領域は、幅がＷで屈折率がｎ_ａの電流が注入される活性領域と、前記活性領域の外側に設けられ屈折率が前記ｎ_ａよりも小さいｎ_cであるクラッド領域を有し、
   前記共振器から出射されるレーザ光の波長をλとした場合、以下の数式を満たすことで複数のモードを許容し、
   

   

   平面視で前記フィルタ領域は前記活性領域に対して凸となることを特徴とする屈折率導波型のブロードエリア半導体レーザ素子。
8. 前記活性領域と前記フィルタ領域の境界線は直線であることを特徴とする請求項７に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
9. 前記活性領域と前記フィルタ領域の境界線は曲線であることを特徴とする請求項７に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
10. 前記フィルタ領域は前記後端面に接して設けられたことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
11. 前記フィルタ領域は前記前端面にも前記後端面にも接しないことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
12. 前記フィルタ領域は、前記前端面側で前記活性領域に対して凸となり、前記後端面側で前記活性領域に対して凸となることを特徴とする請求項１１に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
13. 前端面と後端面を有し、導波路領域と、電流が注入されないフィルタ領域を備えた共振器を備え、
    前記導波路領域は、電流が注入される活性領域と、前記活性領域の外側に設けられ電流が注入されないクラッド領域とを有し、
    平面視で前記フィルタ領域は前記活性領域に対して凸となることを特徴とする利得導波型のブロードエリア半導体レーザ素子。
14. 前記活性領域と前記フィルタ領域の境界線は直線であることを特徴とする請求項１３に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
15. 前記活性領域と前記フィルタ領域の境界線は曲線であることを特徴とする請求項１３に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
16. 前記フィルタ領域は前記後端面に接して設けられたことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
17. 前記フィルタ領域は前記前端面にも前記後端面にも接しないことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
18. 前記フィルタ領域は、前記前端面側で前記活性領域に対して凸となり、前記後端面側で前記活性領域に対して凸となることを特徴とする請求項１７に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。
19. 前記曲線の曲率は、前記曲線の中央部よりも前記曲線の両端部で大きくなっていることを特徴とする請求項３、９、１５のいずれか１項に記載のブロードエリア半導体レーザ素子。

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