JPS62235794A - 半導体レ−ザアレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、位相同期型半導体レーザアレイ装置の構造に
関するものである。

（従来の技術） 半導体レーザを高出力動作させる場合、実用性を考慮す
ると、単体の半導体レーザ素子では現在のところ、最大
出力はＦ＋ＯｍＷ程度が限界である。

そこで、複数個の半導体レーザを同一基板上に並べるこ
とにより高出力化を計る半導体レーザアレイの研究が進
められている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、複数本の屈折率導波型半導体レーザを平
行に光学的結合を持たせて並べ、各レーザに均一な利得
を与えても、各々のとなりあった半導体レーザによる光
は、０°位相で同期する状態よりもむしろ位相が反転し
た１８０°位相モードの方が光の電界分布と利得分布が
良く一致するので発振閾値利得が小さくなるため、定常
状態において、１８０°位相モードが発振してしまう。

これを避けるためには、１８０°位相モードの発振閾値
利得を大きくして１８０’位相モードの抑制を行なう必
要があり、第４図（ａ）、　（ｂ）に示すように両へき
開面（３０，３０）間に分岐結合型の導波路（３１，３
１，・・・）を有する構造の半導体レーザアレイが提案
されてる。第４図（ａ）の場合は、分岐部（３１ａ）が
１本の導波路（３１）に２ケ所設けられているが、第４
図（ｂ）の場合は、分岐部（３１ａ）が１本の導波路（
３Ｉ）に１ケ所設けられている。この導波路構造におい
ては、２本の導波路を進んできた０６位相モードの光は
１本の導波路に進行する際に位相が同相であるため互い
に強め合うが、１８０°位相モードの光は逆相になるた
め互いに弱められ、放射モードとなって導波路外に放射
していく。゛このことを利用して１８００位相モードの
損失を増大させ、その結果、１８００位相モードの発振
閾値利得を増大させている。

しかしながら、導波路の本数が増大していくと、０°位
相モードと１８０°位相モードの中間モードの発振閾値
利得が最も小さくなってしまい、００位相モードによる
発振が出来なくなる。例えば、平行に隣接された複数の
活性導波路によって構成されているレーザアレイにおけ
る（ａ）　００位相モード、（ｃ）１８０°位相モード
、（ｂ）中間モードの電界Ｅの分布及び遠視野像をそれ
ぞれ第５図（ａ）〜（ｃ）に示す。第５図（ａ）〜（ｃ
）において、数字（９゜９、・・・）は活性導波路であ
る。

これらの図かられかるように、０°位相同期モード（ａ
）の遠視野像は垂直方向に出射するレーザ光となり、一
方、他のアレイモード（ｂ）、　（ｃ）の遠視野像はあ
る角度をもった斜方向に出射するレーザ光となる。即ち
、半導体レーザアレイから放射されるレーザ光の遠視野
像は００位相同期状態では単峰性の強度分布を示し、レ
ンズで単一の微小スポットに絞ることができるが、１８
００位相同期モード及び各中間モード状態では遠視野像
が複数の双峰性のピークとなりレンズで単一のスポット
に絞ることはできない。

レーザ光を単一のスポットに絞れないと各種光学系との
結合４こ不都合が生じ、光通信、光デイスクシステム等
の光源としての実用性が阻害されることになる。

従って、半導体レーザアレイが００位相同期して発振す
るように、即ち００位相同期モードの発振利得が１８０
°位相同期モード及び中間モードよりも高くなるように
技術的手段を駆使して通信用光源等としての利用価値を
確保することが、半導体レーザアレイ装置に対して強く
要望されている。

本発明の目的は、平行にならびかっ互いがなめらかに結
合された複数本の屈折率導波型半導体レーザが０°位相
同期して発振し、単峰性の放射パターンで高出力のレー
ザ光を放射する半導体レーザアレイ装置を提供すること
である。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る半導体レーザアレイ装置は、隣接した複数
の屈折率導波型活性導波路と、この複数の活性導波路に
接して、複数の活性導波路から放射される位相同期した
レーザ光がフーリエ変換されるフーリエ変換領域とを同
一基板上に設け、このフーリエ変換領域に接して、フー
リエ変換された００位相同期モードのレーザ光を選択的
に反射し、上記の複数の活性導波路に再入射させるよう
に構成されたミラー部を設けたことを特徴とする。

（作　用） 本発明の半導体レーザアレイ装置においては、隣接した
複数の屈折率導波路型の活性導波路を有し、この複数の
活性導波路から放射される位相同期したレーザ光が変換
導波路領域でフーリエ変換され、さらにフーリエ変換さ
れた０°位相モードのレーザ光が選択的にミラー部で反
射されることによって、レーザ光をθ°位相で同期発振
させる。

（実施例） 以下、本発明の１実施例を、第２図に示すような平坦な
活性層を有するＧａＡｓ−ＧａＡａＡｓ系半導体レーザ
アレイを用いて説明する。

ｎ−ＧａＡｓ基板（＋）上に、エピタキシャル法により
、ｎ−Ａｌ２ＸＧａ１−ＸＡｓクラッド層（２）、ｐ−
またはｎ　　Ａ　ｆ２ｙＧ　ａｔ　−ｙＡ　ｓ活性層（
３）、ｐ−ＡＱＸＧ　ａｌ　−。

Ａｓクラッド層（４）、ｐ−ＧａＡｓキャップ層（５）
を順次成長させ、ダブルへテロ構造を得る。ただし上記
のクラッド層（２）、（４）においてｘ＞ｙである。次
に通常のホトリソグラフィ技術、及び化学エツチング法
あるいはドライエツチング法を用・いて、隣接する複数
の屈折率導波路（９）を形成するため、導波路間のｐ型
キャップ層（５）及びｐ型クラッド層（４）の一部を除
去する。エッチングで除去した後のｐ型りラッド層厚と
活性層厚で屈折率導波路の屈折率差が決定されるが、通
常位相同期アレイでは、５　Ｘ　１０−’〜３　Ｘ　１
０−’となるように設定する。

次にｐ型キャップ層（５）及び上記のエツチング部にプ
ラズマＣＶＤ法でＳ　ｉ３Ｎ、膜（６）を全面に形成し
た後、ホトリソグラフィ技術で導波路部（９）の５ｉａ
Ｎ４膜（６）を除去した後、ｎ型抵抗性電極（７）を形
成する。また、ｎ型基板側にｎ型抵抗性電極（８）を形
成する。最後に共振器長が２００〜４００μｌとなるよ
うに前記導波路（ａ）と直角にへき開する。

以上のプロセスにより、複数の平行な分岐結合型の屈折
率導波路（９，９，・・・）よりなる屈折率導波路部（
１６）とこれに接するフーリエ変換部（１７）が形成さ
れる。フーリエ変換部（１７）では、活性導波路（１９
）から放射される位相同期したレーザ光がフーリエ変換
される。

次に両へき開面にＡ１２ｆｆｉｏｓ膜あるいはアモルフ
ァスＳｉ膜を電子ビーム蒸着法で被覆して、レーザ面ミ
ラーを形成する。この時単層のＡ　Ｑ　２０３膜あるい
は多層のＡＩＬＯ３膜とアモルファスＳｉ膜で構成され
る反射膜における各層の厚さを適当に変えることによっ
て反射膜の反射率を約２％〜９５％まで任意に設定する
ことができる。本実施例ではλ／４厚（λ：発振波長）
のＡＱｔＯ３膜とλ／２厚のＡ（ｂｏｓ膜を用いていて
、それぞれの反射率を約２％と約３２％としている。す
なわち、まず、第１図に示すように複数の隣接する屈折
率導波路（９）側のへき開面（１１）にλ／２厚のＡ（
ｈ０３膜よりなるミラー（１２）を電子ビーム蒸着法で
形成する。

次に、その対面するべき開面（１３）には、まずλ／４
厚のＡＱ、０３膜（１４）を形成し、次に周知のホトリ
ソグラフィ技術によってＡ　Ｑ　ｔ　Ｏ３膜（１４）が
形成されたへき開面上の導波路部の周辺部にレジスト膜
を形成した後、再度λ／４厚のＡ１２ａＯｓ膜（１５）
を被覆する。次にレジスト膜を除去する。

これによって、第１図に示すように、導波路の中央部の
へき開面（１３ａ）上にはλ／２厚のＡ　（ｌ　ｔ　Ｏ
３膜（反射率：３２％）（１４と１５）、そして周辺部
のへき開面（１３ｂ）上にはλ／４厚のＡｌ２ｚＯｓ膜
（反射率：２％Ｘ１４）よりなる共振器ミラー１８が形
成されることになる。

ここではλ／４膜厚（反射率；２％）とλ／２膜厚（反
射率γ３２％）のＡＱｔＯ３膜を用いたが、前に記した
ようにＡｃｔ’３膜とアモルファス−８ｔ膜の多層膜を
用いても可能である。また、導波路に対面するへき開面
（１３）側の高反射率部分の反射率は９５％程度の高反
射率の方が効果的であることはいうまでもない。

このようにへき開面（１３）上に反射率の異なる誘電膜
を形成することにより、へき開面（１３）上の反射率が
複数の活性導波路に対面する中央部で高く、その周辺部
で低くなる。従って、共振器ミラーによる損失は、θ°
位相同期モードでは第５図（ａ）に示したように複数の
活性導波路からまつすぐ垂直方向にレーザ光が照射され
るために共振器ミラーによる損失は少なく、一方他のア
レイモードにおいては複数の活性導波路から両側に斜め
８一 方向にレーザ光が照射されるために損失は大きくなる。

この結果、０膜位相同期モードの全体として損失は他の
アレイモードに比べて少なく、発振閾値利得も小さくな
るため、第５図（ａ）で示すように、０膜位相で同期し
たレーザ光を安定して出力することができる。

この時、複数の活性導波路が分岐結合部を有しない通常
の平行型の導波路では各導波路間はエバネッセント波を
利用して光学的に結合している必要がある。一方、分岐
結合部を有する複数の活性導波路の場合はエバネッセン
ト波を利用して光学的に結合している方が安定な０膜位
相同期モードが得られるが、各活性導波路が均一にでき
ていれば、エバネッセント波を利用した光学的結合は必
ずしも必要でない。

第１図に示す位相同期レーザ素子で、屈折率導波路部（
１６）の幅Ｗが４μ肩、中間領域幅Ｗｓ力月μｍ、屈折
率導波路部（１６）の長さ乙が２５０μＭ１フーリエ変
換部（１７）の長さＱ、が５θμ１１屈折率導波路（９
）側のへき開面（１１）の反射率が３２％、フーリエ変
換部（１７）側のへき開面（Ｉ３）の中央部の反射率が
３２％、周辺部の反射率が２％に設定した場合、発振閾
値電流は１３０〜１６０ｍＡ、光出力＋００ｍＷまで０
０位相同期モードで発振し、他の位相同期モードの発振
を抑制することができた。

なお、本発明の半導体レーザアレイの複数の活性導波路
部は、上述した種類の屈折率導波路構造に限らず、埋め
込み構造型、基板吸収型等の屈折率型導波路に適用でき
ることはいうまでもない。

さらに、ＧａＡρＡｓ−ＧａＡｓ系に限らず、ＩｎＰ−
ｒｎＧａＡｓＰ系、　その他の材料を用いた半導体レー
ザアレイ素子に適用することができる。

その他の構成方法として、第１図に示す半導体アレイ装
置において、フーリエ変換部（１７）側のへき開面（１
３）の導波路（９）に対向する部分に均一な反射率を有
する共振器面を形成することによっても０６位相モード
のレーザ光を選択的に複数の活性導波路に再入射できる
ことは、第５図の各モードの遠視野像に示すように００
位相モード以外はレーザ光の出射方向が斜方向となって
いることから明らかである。

さらに、第３図に示すように、複数の隣接した平行な屈
折率型活性導波路（２９）側のへき開面（２１）に対面
するフーリエ変換部（２７）側のへき開面（２３）の中
央部（２５）を凸面鏡の形状に形成し、その上にミラー
面（２４）を形成して上記中央部（２５）にレーザ光に
対して凹面鏡をなすミラー面を形成し、０８位相モード
のレーザ光を有効に選択的に再入射することによっても
可能である。

フーリエ変換部（１７，２７）の導波路（１７ａ。

２７ａ）への電流注入は、この部分がレーザ光に対して
十分低損失であれば不用である。その場合は、複数の活
性導波路（１６）、　（２６）と異なった材料でフーリ
エ変換部（１７，２７）を構成してもなんら問題はない
。

（発明の効果） この発明は複数の活性導波路から出射するレーザ光をフ
ーリエ変換する導波路とフーリエ変換された００位相同
期モードのレーザ光を選択的に反−１１＝ 射する反射鏡を用いて上記の複数の活性導波路に再入射
させることとし、０°位相同期モードの発振閾値利得を
他の高次のアレイモードにおける利得よりも小さくした
ので、０°位相で同期したレーザ光を安定して放射する
ことができる。これによりレンズ等により微少面積の単
一スポットに絞ることができ、解像度のすぐれた各種の
レーザ光応用機器の実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の半導体レーザアレイ装置の
平面図である。 第２図は、本発明の実施例の半導体レーザアレイ装置の
斜視図である。 第３図は、本発明の変形実施例の平面図である。 第４図（ａ）、　（ｂ）は、それぞれ従来の半導体レー
ザアレイ装置の上面図と、その端面での屈折率を示す図
である。 第５図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は、それぞれ、
０°位相モード、中間モード、１８０°位相モードでの
遠視野像と近視野像のグラフである。 −１２〜 ■・・・基板、　　　　　　２・・・第１クラッド層、
３・・・活性層、　　　　　４・・・第２クラッド層、
５・・・キャップ層、　　　６・・・絶縁膜、７・・・
第２電極、　　　８・・・第１電極、９・・・屈折率導
波路、 １’ｌ、１３．２３・・・へき開面、 １２．１４，１５．２４・・・へき開面被覆膜、１６．
２６・・屈折率導波路部、 １７．２７・・・フーリエ変換部、 １Ｂ・・・ミラー部。 特許出願人　　　　　シャープ株式会社代　　理　　人
　弁理士　青白　葆ほか２名＃！　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　啼＾　　　　　　　　　
　　　　　　　　　−０Ｑ 第５１！１ （ａ）Ｏ＠位湘モーＶ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）隣接した複数の屈折率導波型活性導波路と、この
   複数の活性導波路に接して、複数の活性導波路から放射
   される位相同期したレーザ光がフーリエ変換されるフー
   リエ変換領域とを同一基板上に設け、このフーリエ変換
   領域に接して、フーリエ変換された０°位相同期モード
   のレーザ光を選択的に反射し、上記の複数の活性導波路
   に再入射させるように構成されたミラー部を設けたこと
   を特徴とする半導体レーザアレイ装置。