JPS63170985A - 半導体レーザ素子 - 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、半導体レーザ素子の構造に係り、特に低非点
収差でコンパクトディスク・ビデオディスク用に好適な
光漱としての半導体レーザ素子に関する。

〔従来の技術〕

利得導波型の縦マルチモード半導体レーザは雑音を低減
でき、コンパクト及びビデオディスク用光源に適してい
る。しかし、利得導波型レーザでは非点収差が大きくレ
ーザキャビティ損失により量子効率が低くなり高出力安
定動作が得られない。

非点収差を低減するためには、半導体レーザ端面を曲面
状にすることにより低減がはかられている。

また、量子効率を高くして高出力安定動作をはかるには
屈折率導波型構造が有効である。アプライド　フィジッ
クス　レター　第４７巻　第５号（１９８５年）第４４
５頁（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、Ｖｏｌ。

４７、　Ｎ＋１５　（１９ｓ５）Ｐ、４４５）には、端
面が曲面状である半導体レーザにおいて、屈折率型導波
構造による閾電流の低減・高出力を実現したことが記載
されているが、非点収差の低減については十分検討して
おらず実現されていない、また。

アプライド　フィジックスレター第４７巻、第１０号（
１９８５年）第９２３号（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｏｔ
ｔ。

Ｖｏｌ、４６．＆１０　（１９８５）Ｐ、９２３では、
半導体レーザの非点収差低減について検討を行っている
が、良好な特性結果が得られていない。これは、半導体
レーザのストライプ幅が大きく横モード制御が十分でな
いこと、半導体レーザの非点収差を低減するための条件
として曲端面の曲率半径とレーザキャビティ長の関係に
よって決まるレーザビームウェストの位置に関する十分
な結果が得られていないことによると考えられる。

また、従来の半導体レーザはたとえば第１５図に示すよ
うに、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板に設けた溝状の構造を利用し
て、導波路を設けたものであった。この。

構造に置いては、レーザの活性層とＧａＡｓ基板との距
離が、溝の上の領域とその他の領域で異なることにより
面領域間の実効的屈折率に差が生じレーザ光が溝領域に
閉じ込められていた０両領域間の屈折率差が十分に大き
い場合には、半導体レーザは単一の縦モードで発振し、
レーザの可干渉性が強いためディスク面からの戻り光に
より発振状態が不安定になる所謂戻り光ノイズの問題が
生じた。一方、屈折率差が小さい場合には、電流注入密
度の差により生じる活性層の利得分布による光閉じ込め
か、主要な導波機構と成り、縦多モード発振が起り戻り
光ノイズには強くなるが、利得分布の効果によりレーザ
の波面に曲がりが生じ、非点収差が発生した。戻り光雑
音に強く、非点収差の小さい素子を得る手段としては、
溝外部における基板と活性層の距離を最適にすることに
より。

屈折率差を単一モードと多モードの中間領域とする方法
が取られているが、非点収差を完全に無くすることはで
きなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、レーザ端面が曲面状の半導体レーザ
で屈折導波型構造として高効率高出力安定動作をはかり
、シングルモードの高出力時でレーザビームの広がりを
小さくすることを試みているが、非点収差をレーザ構造
により低減することについては十分配慮がされておらず
、低出力時では非点収差が大きくレーザビームを絞り込
めない問題があった。

本発明の目的は、屈折率導波型構造を有する半導体レー
ザの高効率高出力安定動作の特徴を生かしながら、レー
ザの端面部付近に利得導波型構造を設け、ストライプ幅
を考慮してマルチ縦モードとし、曲端面形状の制御によ
り非点収差の小さい半導体レーザを提供することおよび
上記の半導体レーザの問題点を解決し多モード発振を行
いながら、非点収差の全く無い半導体レーザを与えるこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、半導体レーザ中央部を屈折率導波型構造、
端面部付近を利得導波型構造としてさらに単−横モード
が得られる範囲でストライプ幅を考慮した半導体レーザ
において、レーザ端面にレーザビームが屈折率導波路か
ら利得導波路に伝搬する境界点に円弧の中心をもつ曲面
形状を設けることにより達成される。

利得導波型構造の半導体レーザでは、レーザ光波面が曲
面状となっており、出射ビームのみかけ上のウェストが
素子内部にあり非点収差を生じる。

この非点収差は、半導体レーザ端面部を曲面状とするこ
とにより低減できる。しかし、レーザ端面部を曲面形状
とした半導体レーザでは閾電流が高く、効率が低くなる
可能性がある。曲端面形状を有した半導体レーザの非点
収差、効率は、曲端面の曲率半径とレーザのキャビティ
長とに関係し、これらを考慮して適当な開端面曲率半径
とキャビティ長を形成することにより、出射ビームの非
点収差を低減することが可能である。

なお、第６図（ａ）および（ｂ）は従来の構造の一例で
あり、同図（ｃ）および（ｄ）は本発明の一例である。

また、上記目的を達成する手段として、本発明では半導
体レーザの端面を曲面とするとし、かつ端面の近傍に実
効屈折率の＠整・制御が可能な領域を設け、この領域と
通常の導波路領域の界面を曲面状とすることにより端面
に凸レンズ効果をもたせることを検討し、この曲面の曲
率の最適化を図ることによって達成される。

〔作用〕

半導体レーザのストライプ幅を１０μｍ以上に広くし、
利得導波型構造を有したマルチ縦モードレーザは低雑音
特性が優れているが、低閾電流。

高効率の点で劣る。レーザのキャビティ損失の少ない屈
折率導波型構造を有する半導体レーザでは。

高効率高出力安定動作が期待できる。そこで、レーザ端
面部は利得導波型構造とし、中央部を屈折率導波型構造
とする組合せにより、効率を向上させ高出力動作するこ
とができる。端面を曲面状にしたレーザと襞間したレー
ザの効率比は、レーザのキャビティ長と曲面の曲率半径
の比により決まる。つまり、曲端面を有するレーザの効
率を向上させるためには、レーザのキャビティ長を小さ
くしまた曲面の曲率半径を大きくすることである。

また１曲端面形状を有する半導体レーザで高出力動作時
にはビームの広がりが小さくなる可能性がある。

利得導波型構造を有する半導体レーザの非点収差はビー
ムのスポット幅と波面の曲率半径により決まる。この非
点収差はレーザ端面を曲端面形状にして低減できる。つ
まり、凸端面ではビームスポットは小さくなり、また曲
面曲率半径を小さくすると波面曲率半径を小さくできる
。また、開端面ではビームスポットは大きくなり１曲面
曲率半径を小さくすると波面曲率半径を小さくできる。

このとき、曲面曲率半径をレーザ端面部における利得導
波型構造の間隔に相当するように決めるとビームウェス
トを導波構造の境界点におくことができるので屈折率導
波型構造の端部からビームが生じたようにすることが可
能である。また１本発明により、戻り光ノイズに強い多
モード発振を行いながら完全にフラットな放射波面を持
つ半導体レーザがえられた。しかも、この構造の場合放
射ビームの広がり角が通常の半導体レーザに比べ狭いの
で、システムに応用する際のレンズ口径が狭くできると
いう利点もある。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を図面とともに説明する。

実施例１ 第１図により説明する。半導体レーザ構造のうち、チャ
ネルトスドライブプレーナＣＣ３Ｐ＞型のレーザで第１
図（ａ）のようにレーザ中央部に屈折率導波型構造を設
け、端面部に利得導波型構造を設ける。つまり、ｎ型Ｇ
　ａ　Ａ　ｓ基板６（厚み１００μｍ）に対して適当な
マスクを用いてエツチングして中央部にリッジ状１μｍ
の段差を設け。

さらにストライプ方向にチャネル１μｍを設ける。

このあと、順次液相結晶成長法により、ｎ型Ｇ　ａ　１
−Ｘ　Ａ　Ｑ　Ｘ　Ａ　ｓクララド層７（厚み０　、５
　μｍ　。

ｘ＝０．５）、アンドープＧａｔ−ｙＡｌｙＡｓ活性層
８（厚み０　、１　ｕ　ｍ　ｖ　ｙ　＝　Ｏ−１４）　
、ｐ型Ｇ　ａ　Ｌ−Ｘ　Ａ　Ｑ　ｘ　Ａ　ｓクラッド層
９（厚み１．５ｐｍ。

ｘ＝０．５）、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０（厚み１μ
ｍ）を成長させる。このあと、マスクを用いてｐ型Ｚｎ
拡敢領域１３を形成し、ストライプ状電流注入領域を設
ける０次に、ｐ型ＧａＡｓキャップ層上にＭｏ−Ａｕｐ
電極１２を、ｎ型ＧａＡｓ基板上にＡｕＧａＮｉ　／　
Ｃｒ　／　Ａｕ　ｎ電極１１を蒸着する。さらに、ｐ電
極上に適当なレジストマスクを用いて反応性イオンビー
ムエツチングにより、第１図（ａ）のような凹曲面をレ
ーザ端面に形成する。第１図（ｂ）、（０）は同図（ａ
）のレーザ素子をｂ−ｂ’、ａ−ａ’の線で切り出した
断面図である。ストライプ幅は１０μｍ以下で、単−横
モードに適している。このときレーザキャビティ長は２
００μｍに対し曲面の曲率半径２０〜５０μｍが適して
おり、非点収差１０μｍ以下とすることができた。また
、マルチ縦モードで閾電流３０ｍＡ、出力５０ｍＶ安定
動作が実現できた。

実施例２ 本発明の他の実施例を第２図により説明する。

半導体レーザ構造のうち、セルファライン構造（ＳＡＳ
）型のレーザに実施例１と同様な効果をもたらす構造を
設ける。つまり、レーザ中央部が屈折率導波構造で、端
面部が利得導波型構造となるようにするため、ｎ型−Ｇ
　ａ　Ａ　ｓ電流狭窄層１４を第２図（、）のようにｎ
型Ｇ　ａ　１−ｘＡ　Ｑ　ｘＡｓクラッド層９のエツチ
ング段差を利用してリッジ状に形成する。その他の結晶
層成長は実施例１と同様にできる。また、液相成長法の
他に有機金属気相成長法を用いることもできる。第２図
（ｂ）、（Ｑ）はそれぞれ同図（ａ）のｂ−ｂ’　。

ｃ−ａ’の線で切り出した断面図である。この実施例に
おいても実施例１と同様の結果を得ることができた。

実施例３ 本発明の他の実施例を第３図により説明する。

半導体レーザ構造のうち、埋め込み構造（ＢＨ）型のレ
ーザに実施例１と同様な効果をもたらす構造を設ける。

つまり、レーザ中央部が屈折率導波構造で、端面部が利
得導波型構造となるようにするため１通常のダブルへテ
ロ構造を作成した後、適当なマスクを用いてレーザ中央
部をエツチングにより除去し、液晶成長又は有機金属気
相成長法により埋めこみ層１５を形成する。その他の結
晶層成長は実施例１と同様にできる。第３図（ｂ）。

（ｃ）はそれぞれ同図（ａ）のｂ−ｂ’、ｃ−ｃ’の線
で切り出した断面図である。この実施例においても実施
例１と同様の結果を得ることができた。

実施例４ 本発明の他の実施例を第４，５図を用いて説明する０以
上の実施例では、レーザの中央部を屈折率導波型構造と
し、両面部を利得導波型構造とする方法として活性層を
平坦な層とし、屈折率導波を端面部で弱めるか、屈折率
導波層を端面部に作成しないようにしていた１本実施例
では、レーザの活性層が中央部と端面部とで段差を生じ
るように作成することにより１以上の実施例と同様の効
果をもたらした。第４，５図とも、活性層８を中央部と
端面部で段差を生じるようにエツチングを利用して作成
する以外は、以上の実施例と全く同様の結晶成長により
実現できる。第４図は第１図のＣ８Ｐ型レーザに適用し
た場合の例であり、第４図の（ａ）、（ｂ）は第１図の
（ｂ）、（０）に相当するものである。第５図は第２図
のＳＡＳ型レーザに適用した場合の例であり、第５図（
ａ）。

（ｂ）は第２図の（ｂ）、（ｃ）に相当するものである
１本実施例の他、レーザ端面部に透明な非吸収領域ｎ型
Ｇ　ａ　１−Ｘ　Ａ　４１　ｘ　Ａ　ｓ層を設けるウィ
ンドウ型の構造のレーザも考えられる０本実施例では、
レーザの閾電流、高出力の点で以上の実施例と比べ劣る
が、雑音、非点収差の点は同様の結果であった。

実施例５ 曲端面を有する半導体レーザでは、曲面の曲率半径Ｒと
レーザのキャビティ長りのパラメータを適当な値にする
ことにより、非点収差の低減及び効率の向上をはかるこ
とができた。第６図で示したような、レーザのストライ
プ幅がストレートなもの及び端面部で変化しているもの
に対して、曲面の曲率半径Ｒとレーザのキャビティ長り
を制御することにより、それぞれの構造で非点収差の低
減・効率の向上をはかった。レーザの効率と非点収差は
、レーザのキャビティ長りと曲面の曲率半径Ｒの比に関
係している。レーザの効率は、Ｌを小さくり、Ｒを大き
くすると高くすることができた。

また、非点収差はり、Ｒともに大きくすることにより低
減をはかることができる。しかし、Ｒを大きくすると出
射ビームの遠視野像が広がってしまうため、できるだけ
ビームの広がりを小さくするためには、実用的なレーザ
キャビティ長２００μｍ程度では曲面の曲率半径２０〜
５０μｍとしたときが適しており、非点収差１０μｍ程
度で遠視野像の広がり２０″におさえることができた。

また、端面の形状は円弧状としたが他の曲線でもよく、
直線と曲線の組みあわせでも良い。さらに、ＧａＡ　Ｑ
　Ａｓ層　ＧａＡｓ系の材料を例としたが、ＩｎＧａＡ
ｓＰ　／　ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡ　ｎ　Ｐ／　ＧａＡｓ
系などの他の材料においても全く同様の効果が期待でき
ることはいうまでもない。

実施例６ 実施例の構造を第７図に示す、この構造は第７図（ａ）
に示すように、レーザ共振器のミラーとなる曲面状の端
面（２１）と、この曲面状端面にはさまれたストライプ
状の電流注入類［（２２）より成っており、電流注入領
域の断面構造は、第９図（ｂ）に示すような、ＭＯＣＶ
Ｄ法による２回成長で形成したＺｎ拡散による電流狭窄
構造を持つｐ　−Ｇａｏ、ａＡ　　Ｑ　ｏ、ｓＡ　　ｓ
　（２６）／　Ｇ　　ａ　ｏ、ａｓＡ　Ｑ　Ｏ，Ｌ４Ａ
　　８　　（２５）／ｎ　−Ｇ　ａ　ｏ、ｓＡ　Ｑ　ｏ
、ａＡ　ｓ　（２４）ダブルへテロ構造と成っている。

電流注入領域における。光導波機構はいわゆる利得ガイ
ドであり、レーザは多モード発振をおこなうが、利得ガ
イドの特徴である非点収差の原因となる波面の曲がりが
発生している。

しかし、従来のへき開面を端面とした構造に変わり、Ｒ
Ｉ　Ｅ　（ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｉｏｎ　ｅｔｃｈｉｎｇ
）法を用いて曲面状の端面を形成した場合には端面のレ
ンズ効果により、端面により出射するレーザビームは、
非点収差の無い平面波とすることができる。第８図は、
このような平面波を得るために必要な曲面状の端面の形
状を求めるために、端面の曲率１／Ｒと、放射ビームの
波面の曲率（第８図（ａ））及び放射角度（第８図（ｂ
））の関係を、電流狭ライブの場合で１／Ｒが２２．６
ｍｌ、５μｍストライプの場合で１／Ｒ＝１２．３ｍ、
１０．ｕｎ　ストライプの場合で１　／　Ｒ＝　５　、
４　ｙｍ付近で波面の曲率が零となり、ビーム放射角度
も極小と成る。

以上の結果より、レーザのストライプ幅に対して、端面
の曲率を第９図の斜線の範囲に設定することが適当と考
えられる。上記解析にもとすき端面曲率を最適化した曲
端面レーザを作製したところ。

出射ビームの波面の曲がりがほとんどなく、出射角度が
１〜２度という狭いビームが得られた。

実施例７ 第１０図に示すような端面部分に作り付けのレンズ構造
を持つ構造を考案した０本構造を上方より見ると第１０
図に示すような電流注入領域２２と、この領域と曲面状
の界面を持って接する、電流注入領域と異なる実効屈折
率を持つレンズ領域３２及び共振器のミラーとなる半導
体端面からなっている。電流注入領域の構造はレーザス
トライプの中のみに電流を制限できる構造であればいか
なる構造でも可であるが５本実施例ではイオン打ち込み
による半絶縁（ＧａＡＩ２）Ａｓ層により電流狭窄を行
う第１１図のような断面構造とした。

レーザ構造は実施例１の場合と同様のｐ−Ｇａｏ、ａＡ
　　Ｑ　ｏ、ｓＡ　ｓ　（２６）／　Ｇ　　ａ　ｏ、ａ
ｓＡ　ｎ　０．１４Ａ　Ｓ　　（２５）／ｎ　−Ｇ　ａ
　ｏ、ａＡ　Ｑ　ｏ、ａＡ　ｓ　（２４）ダブルへテロ
構造とした。端面のレンズ領域を形成するための端面部
分の屈折率の変化は、基板にストライプと交わる方向の
曲線状の段差を設けておき端面領域ではレーザ光が活性
層から外れるようにした第１２図のような構造により得
た０段差の壁面の垂直性を良くするため１段差の加工に
はＲＩ　Ｂ　Ｅ　（ｒｅａｃｔｉｖｅｉｏｎ　ｅｔｃｈ
ｉｎｇ）法を用いた。導波路領域の実効屈折率は約３．
２でありクラッド層の屈折率は３．４なので約０．２　
の屈折率の差が生じる。この場合の領域界面の曲率と、
放射ビームの波面の曲率及びビーム放射角度の関係はそ
れぞれ第１３図（ａ）および（ｂ）に示すようになった
。この結果より、放射ビームの波面の曲率が小さく放射
角度が小さい条件は第１４図の斜線の領域と考えられる
。一般に、レンズを形成する二つの媒質の屈折率をｎ工
ｎｚとした場合、屈折率ｎ１の媒質と空気により形成さ
れるレンズ等価の効果を得るには屈折率ｎ１の媒質と空
気により形成されるレンズの曲率のｎ１／　（ｎｚ　　
ｎｚ）倍の曲率が必要である０本構造による半導体レー
ザを試作したところ実施例１と同様に、出射ビームの波
面の曲がりがほとんどなく。

出射角度が１〜２度という狭いビームが得られた。

しかも、本構造の場合は実施例１に比ベレンズ部分の屈
折率差が小さいため、曲面加工時の面の荒れによる光の
散乱が少ないことやレンズの焦点距離の制御性が良いこ
となどの利点がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半導体レーザにおいて単−横モードで
マルチ縦モードを実現でき、非点収差１０μｍ以下で閾
電流３０ｍＡ、５０ｍＷまでの高出力安定動作が確認で
きた。また、戻り光量５％以内で相対雑音強度がＩ　Ｘ
　１０−”Ｈｚ−”以下（温度Ｏ〜５０℃）の低雑音特
性が得られた。これにより、コンパクト及びビデオディ
スク用光源として要求される条件を満足し、低雑音でビ
ームを十分絞り込むことのできる低収差の半導体レーザ
を作成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１．２．３図は本発明実施例を示す図で（ａ）は半導
体レーザ素子斜視図、（ｂ）はストライプ方向縦断面図
、（ｃ）はストライプと垂直方向横断面図、第４，５図
は第１，２図に関連する他の実施例を示し、第４，５図
の（ａ）、（ｂ）は第１．２図の（ｂ）、（ｃ）に相当
する図、第６図は半導体レーザの曲端面形状と先導波路
構造（ストライプ形状の例）を示す図、第７図は実施例
６を示す図、第８図は端面でのビーム広がりを示す図、
第９図は電流狭窄幅と適切な端面曲率の関係図、第１０
図は実施例２の装置の構造の表面図、第１１図は実施例
２の装置の構造の電流注入領域の断面構造図、第１２図
は実施例２の装置の構造のレンズ領域の構造図、第１３
図は領域界面の曲率半径とビーム広がり角及び波面の曲
率の関係図。 第１４図は電流狭窄幅と適切な端面曲率の関係図、第１
５図は従来の半導体レーザの構造図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、禁制帯幅の小さいレーザ発振する活性半導体層と上
   下に設けた禁制帯幅の大きな半導体層を積みあげた半導
   体多層膜により作製された光導波路を有する半導体レー
   ザ装置において、少なくとも一方の半導体レーザ端面が
   曲面形状を有し、この端面付近における該光導波路の構
   造がレーザ中央部とは異なることを特徴とする半導体レ
   ーザ素子。 ２、特許請求の範囲第１項に記載した半導体レーザ素子
   において、上面曲端面付近に利得導波によって光が閉じ
   こめられる構造を有し、中央部に屈折率導波によって光
   が閉じこめられる構造を有することを特徴とする半導体
   レーザ素子。 ３、特許請求の範囲第１項、第２項記載の半導体レーザ
   素子において、上記曲端面近で光吸収のない透明領域を
   有することを特徴とする半導体レーザ素子。 ４、少なくとも、光利得を与えるための、禁制帯幅の狭
   い活性層と、これをはさむように設けた禁制帯幅の大き
   なクラッド層を有し、レーザにたいし共振器となる少な
   くとも一対の半導体端面と、該端面の間に設けたストラ
   イプ状の電流注入手段を有する半導体レーザ装置におい
   て、該端面のうち少なくとも一方をレンズ状の構造とし
   、端面近傍の放射ビームの波面が平面波に近くなるよう
   にしたことを特徴とする半導体レーザ装置。