JPH055391B2 - - Google Patents

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JPH055391B2
JPH055391B2 JP61126725A JP12672586A JPH055391B2 JP H055391 B2 JPH055391 B2 JP H055391B2 JP 61126725 A JP61126725 A JP 61126725A JP 12672586 A JP12672586 A JP 12672586A JP H055391 B2 JPH055391 B2 JP H055391B2
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は半導体レーザアレイ装置に関し、特に
高出力まで0°位相モードのみで発振する半導体レ
ーザアレイ素子構造に関する。
<従来の技術> 光デイスク、レーザプリンタ、光計測システム
などの光源として半導体レーザが用いられている
が、現在その高出力化が切望されている。しか
し、現状の半導体レーザは単一活性導波路構造で
あり、窓効果や端面反射率制御などを応用しても
出力は実用上60〜70mW程度が限界である。
そこで、複数の活性導波路を有する半導体レー
ザアレイの研究開発が盛んに行なわれている。こ
の半導体レーザアレイは全ての導波路における光
電界位相が同期したスーパーモード(0°位相モー
ド)を選択的に発振させることにより、細い1本
のビームで高出力光を放出できる可能性がある。
<発明が解決しようとする問題点> しかし、従来の半導体レーザアレイにおいて
は、上述のような全ての導波路での光位相の完全
な一致は実現されていない。具体的には次のよう
な現象が観測される。
(1) 隣接する導波路間での光位相が180°のずれを
もつたスーパーモード(180°位相モード)で発
振し、出力光がある開き角をもつた2本のビー
ムの形で放射される。
(2) 0°位相モードまたは180°位相モード以外のス
ーパーモードで発振し、出力光は複数のビーム
となつて放射される。
(3) 2つ以上のスーパーモードが非干渉の状態で
重なり合い、ビームが太くなる。
これらの現象は半導体レーザアレイを使用する
立場からは不都合であり、光デイスクやレーザプ
リンタなどへの応用には出力光は単一のスーパー
モード発振で且つ細い1本のビームであることが
望ましい。
以下、従来例の1つとして(1)の現象が観測され
る半導体レーザアレイ素子について説明する。第
4図と第5図は、それぞれこの素子の断面構造と
斜視構造を示す。まず、p−GaAs基板101の
(001)面上にn+−Al0.1Ga0.9As電流狭窄層102
を0.7μm厚に、またn−GaAs表面保護層103
を0.1μm厚にそれぞれ成長させる。成長方法とし
ては、液相成長法が用いられる。次にこれらの2
層102,103を貫通してp−GaAs基板10
1に達する直線的な溝108を3本互いに平行に
形成する。この溝108の幅は4μm、深さは約
1μm、溝108相互間の中心間距離は5μmであ
る。溝108の方向は、レーザ共振器端面である
(110)面に垂直である。n−GaAs表面保護層1
03及び溝108の上に、さらに、液相成長法に
よりp−Al0.42Ga0.58Asクラツド層104を溝1
08以外の部分で0.2μm厚となるように、さらに
p−またはn−Al0.14Ga0.86As活性層105を
0.08μm厚、n−Al0.42Ga0.58Asクラツド層106
を0.8μm厚、n+−GaAsコンタクト層107を
1.5μm厚にそれぞれ成長させる。このとき、溝1
08はp型クラツド層104により完全に埋めら
れるため、層104,105,106,107の
それぞれの界面は平坦に形成される。この後、こ
のウエハーの両面に抵抗性全面電極を付け、合金
化処理を行なつた後、(110)面で劈開して素子化
が完了する。
このようにして作製された複数平行損失導波路
構造の半導体レーザアレイの発振ビームの光電界
分布と遠視野像をそれぞれ第6図と第7図に示
す。これらの結果より、隣接する活性導波路間で
光の位相差が180°であることがわかる。180°位相
モードが選択的に発振するのは、この素子のよう
に複数平行損失導波路構造では各活性導波路間の
光結合領域で光吸収が存在するため、180°位相モ
ードのしきい値ゲインが最低になるからである。
これは、理論計算からも理解される。導波路解析
より3エレメント平行損失導波路素子における3
つのスーパーモードにしきい値ゲインの横方向屈
折率差依存性を求めた結果を第8図に示す。この
ように、180°位相モードを選択的かつ安定に発振
させることが実験的にも理論的にも可能であるこ
とが理解される。しかし、180°位相モードは、半
導体レーザアレイの応用の面からは、上述のよう
に大きな障害となる。
上述の素子における欠点を改良するために、結
合領域での損失を無くして実屈折率導波路構造の
半導体レーザアレイが用いられる。第9図はこの
実屈折率導波路構造の半導体レーザアレイを示
す。p−GaAs基板111の(001)面上にn−
AlxGa1-xAsクラツド層112を0.8μm厚、n-
たはp−AlyGa1-yAs活性層113を0.1μm厚、
n−AlxGa1-xAsクラツド層114を0.8μm厚、
p+−GaAsコンタクト層115を0.1μm厚にそれ
ぞれ成長させる。成長方法としては、有機金属化
学折出法(MOCVD法)、分子線エピタキシヤル
法(MBE法)あるいは液相成長法(LPE法)な
どが適用可能である。その後、ウエハーの両面に
抵抗性電極を形成する。さらに、このウエハーに
ホトリソグラフイ技術と反応性イオンビームエツ
チング(RIBE)技術を用いて、3本の平行なメ
サストライプ116を形成する。このメサストラ
イプ116の幅は3μm、中心間距離は4μm、高
さは1.5μmであり、方向は基板111の<110>
方向に平行である。すなわち、メサストライプ1
16以外の部分のp型クラツド層104は厚さ
0.3μmになるまでエツチングされる。さらに、結
晶の(110)面を劈開することにより、レーザ共
振器117を形成する。素子の長さは約250μm
である。
この実屈折率導波路構造素子の発振横モードを
観察すると、複数のスーパーモードが混在してい
る。この現象は次のような理由によるものと考え
られる。上述の損失導波路構造素子では結合領域
での光吸収が大きいため180°位相モードが選択さ
れたのに対して、この実屈折率導波路構造素子で
は、結合領域で光吸収が無いため、素子構造が許
容するすべてのスーパーモードのしきい値ゲイン
がほぼ等しくなる。そのため、すべてのスーパー
モードが同時に発振するのである。このように複
数のスーパーモードが混在して発振する素子の出
力ビームは、回折限界の数倍の太さになる。これ
は、上述の(3)の現象であり、実用上の大きな問題
となる。
上述のように従来の半導体レーザアレイでは、
出力ビームが2本になることや複数のスーパーモ
ードが混在発振するなどの問題があり、レーザプ
リンターや光フアイルのようなシステムの光源と
しての実用化に際して大きな障害となる。
<発明の目的> 本発明の目的は、高出力まで単一0°位相モード
で発振する半導体レーザアレイを提供することで
ある。即ち、本発明はレーザ発振用フイラメント
部と電流ストライプ構造を互いに関連させて並設
し、単一ビームで0°位相モード発振を高出力まで
可能としたものである。
<実施例> 以下、本発明の1実施例である半導体レーザア
レイ素子について第1図に示す断面構造図に従つ
て製作工程順に説明する。(001)面を結晶成長面
とするp型GaAs基板1にn型GaAs電流ブロツ
ク層2を0.8μm厚成長させる。結晶成長法として
は、液相エピタキシヤル成長(LPE)法、有機
金属気相エピタキシヤル成長(OM−VPE)法、
分子線エピタキシヤル成長(MBE)法などが適
用される。次にこの基板1に第2図に示すような
分岐・結合部をもつ複数の溝101を通常のホト
リソグラフイ技術とエツチング技術を用いて形成
する。このときこれらの溝は幅Wを4μm、ピツ
チを5μmとし深さは電流ブロツク層2表面から
p−GaAs基板1に達するように1.0μmとした。
また、分岐・結合部の曲率半径Rは光学損失の無
視できる範囲で500μmを選択した。これらの溝
の全体の横幅は34μmとなつている。次にこの複
数の溝101を有する基板1上に液相エピタキシ
ヤル成長法を用いてP型AlxGa1-xAsクラツド層
3を溝外部で0.2μm厚、p型又はn型AlyGa1-y
As活性層4を0.08μm厚、N型AlxGa1-xAsクラツ
ド層5を0.8μm厚、n+型GaAsコンタクト層6を
0.5μm厚成長させる(ただし混晶比はx>yであ
る。)。このとき、P型AlxGa1-xAsクラツド層3
で溝101は完全に平坦に埋設されるように成長
条件を選定し活性層4はわん曲部が存在しないも
のとした。この構成によりフイラメント形状は第
2図の溝101の形状に対応したものとなる。
次にウエハー表面に幅dでフイラメント方向と
平行に電極10を形成し、その後ホトリソグラフ
イ技術とリアクテイブ・イオン・ビーム・エツチ
ング(RIBE)法を用いて、電極10以外の部分
をN型クラツド層5の途中までエツチングしメサ
ストライプ20を形成する。このメサストライプ
20の幅dはフイラメントの全体幅34μmより小
さく設定する。また、メサストライプの位置はフ
イラメントの存在する中央に相対する位置とす
る。このとき残存するN型クラツド層5厚は0.5μ
mである。次にプラブマ化学析出(P−CVD)
法を用いてSiNx膜9を4000Åの厚さで表面に形
成し、電極部10にのみ電極引き出し用の孔を穿
設する。そして基板側をラツプしウエハー全体の
厚さを約100μmにし基板側にも全面電極を形成
する。このウエハーを劈開することにより共振器
長約250μmのレーザ素子が作製される。
このようにして作製されたレーザアレイ素子は
n−GaAs電流狭窄層2と幅dのメサストライプ
により、それぞれ電流通路幅が狭窄される。すな
わちフイラメントは第2図の溝101で示したよ
うな形状に規定される。一方、メサストライプ2
0により注入電流が狭窄されるため結果としてフ
イラメントの中央に多数のキヤリアが重点的に注
入され、端に近い部分にあるフイラメントへは比
較的少ないキヤリアが注入されることになる。こ
れは0°位相モードの発振アレイモード(スーパー
モード)形態と形状的に一致するものである。こ
の結果、このアレイ素子は高出力領域まで0°位相
モードで発振するのである。
上記実施例のレーザアレイ素子では250mWま
で単一0°位相モード発振が得られる。このときの
遠視野像を第3図に示す。0°位置に単峰のパター
ンを呈しておりこの半値全角は1.0℃でこの値は
ほぼ回折限界の値と一致している。
上記実施例以外にも電流狭窄構造やフイラメン
ト構造が異なるもの、半導体材料が異なるもの、
導電型の逆転したもの、電流狭窄構造とフイラメ
ント構造が上下逆転したもの等種々の実施例が考
えられる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の1実施例を示す半導体レーザ
アレイ素子の構成断面図である。第2図は第1図
に示す基板部分の平面図である。第3図は第1図
に示すレーザアレイ素子の遠視野像を示す説明図
である。第4図及び第5図は従来の半導体レーザ
アレイ素子の構成図である。第6図及び第7図は
第4図に示す半導体レーザアレイ素子の発振ビー
ムの光電界強度分布と遠視野を示す説明図であ
る。第8図はスーパーモードの横方向屈折率差を
解折した説明図である。第9図は改良された実屈
折率導波路構造半導体レーザアレイ素子の斜視図
である。 1……GaAs基板、2……電流ブロツク層、3
……クラツド層、4……活性層、5……クラツド
層、6……コンタクト層、10……電極、101
……溝。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 複数の活性導波路を備え、前記導波路におけ
    る光電界位相が同期した0°位相モードを選択的に
    発振させる半導体レーザアレイ装置において、複
    数のレーザ発振用フイラメント部と、該フイラメ
    ント部を形成する屈折率ガイド構造を有し、前記
    フイラメント部より横幅の狭い電流通路を形成す
    る電流ストライプ構造が並設されていることを特
    徴とする半導体レーザアレイ装置。 2 電流ストライプ構造がフイラメント部の中央
    部に位置する特許請求の範囲第1項記載の半導体
    レーザアレイ装置。
JP61126725A 1986-05-30 1986-05-30 半導体レ−ザアレイ装置 Granted JPS62282483A (ja)

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US07/052,686 US4791651A (en) 1986-05-30 1987-05-20 Semiconductor laser array device
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