WO2004082085A1

WO2004082085A1 - 多波長半導体レーザ装置及びその製造方法

Info

Publication number: WO2004082085A1
Application number: PCT/JP2004/002351
Authority: WO
Inventors: Mamoru Miyachi; Atsushi Watanabe; Yoshinori Kimura
Original assignee: Pioneer Corporation
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2004-09-23
Also published as: EP1603204A1; US20060258026A1; JPWO2004082085A1; TWI246240B; TW200419864A; EP1603204A4

Abstract

半導体レーザ素子端面に一括形成できる高反射率の多層膜を有する多波長半導体レーザ装置が提供される。多波長半導体レーザ装置は、互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる。複数の半導体レーザ素子はその出射端面及び後側端面の少なくとも一方に成膜された同一積層構造の反射膜を有する。反射膜は、膜厚方向に配置された、半導体レーザ素子のうちの第１半導体レーザ素子で発振された第１波長に対する第１所定反射率を有する第１反射領域と、第１半導体レーザ素子以外の第２半導体レーザ素子で発振された第１波長と異なる第２波長に対する第２所定反射率を有する第２反射領域と、を有する。

Description

明細書多波長半導体レーザ装置及びその製造方法技術分野

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。

背景技術

従来、 2つの半導体レーザ素子からなるモノリシック 2波長レーザにおいて、その端面の高反射コ一ティングはマスクを利用して異なる構造の膜として素子ごとに別々に形成されている。第 1波長に最適な多層膜を形成する場合は第 2 波長の第 2半導体レーザ素子の出射端面をマスクで覆い、逆に第 2波長に最適な多層膜を形成する場合は第 1波長の第 1半導体レーザ素子の出射端面をマスクで覆うことにより、それぞれに最適な多層膜の高反射コーティングが別々に形成されている。モノリシック 2波長レーザの 2つの波長の発光点間隔は百数十 m以下であるため、従来のマスクを利用して異なる構造の膜を別々に形成する方法では、高い位置合わせ精度が必要となり生産性も悪くなつてしまう。また、 2波長半導体レーザ装置の生産性をもっと向上させるために 2つの波長帯で使用できるような多層反射膜の共振器が提案されている（特開 2 0 0 1 — 2 5 7 4 1 3号公報、参照）。この 2波長半導体レ一ザ装置は、 2つの波長の平均波長 λに対する光学長が（l ^ + j ) Χ λ ( j = 0 , 1 , 2、 ···）であるような膜厚を持つ多層反射膜の構造を有する。 2つの波長の平均波長に合わせているのは、片方の波長帯に合わせた多層膜では他方の波長に対して極端に反射率が低下してしまうためである。

しかし、かかる 2波長半導体レーザ装置では、平均波長 λがどちらの波長に対してもずれているため、両方の波長に対して 1 0 0 %近い高反射率を得ることは難しい。特に 4 0 5 n m帯と 6 5 0 n m帯のような比較的大きく離れた波長帯を有する 2波長半導体レーザ装置を製造した場合、それぞれの波長と平均波長との差が大きくなるため、両方の波長に対して高反射率の多層膜を設けることはさらに困難になる。

発明の開示

そこで、本発明の解決しょうとする課題には、同一構造の多層膜を 2つ以上の半導体レーザ素子端面に一括形成できる高反射率の多層膜を有する多波長半導体レーザ装置及びその製造方法を提供することが一例として挙げられる。本発明の多波長半導体レーザ装置は、互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置であつて、

複数の半導体レーザ素子はその出射端面及び後側端面の少なくとも一方に成膜された共通の積層構造の反射膜を有し、

前記反射膜は、その膜厚方向に配置された、前記半導体レーザ素子のうちの第 1半導体レーザ素子で発振された第 1波長に対する第 1所定反射率を有する第 1反射領域と、前記第 1半導体レーザ素子以外の第 2半導体レーザ素子で発振された前記第 1波長と異なる第 2波長に対する第 2所定反射率を有する第 2 反射領域と、を有することを特徴とする。本発明の多波長半導体レーザ装置製造方法は、互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置の製造方法であつて、互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子のためのレ一ザバーを形成する工程と、

複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーの出射面の全面に、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなる第 1波長に対する第 1所定反射率を有する第 1反射領域を形成する工程と、

前記第 1反射領域上に、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなりかつ前記第 1半導体レーザ素子以外の第 2半導体レ一ザ素子で発振された前記第 1波長と異なる第 2波長に対する第 2所定反射率を有する第 2反射領域を形成する工程と、を有することを特徴とする。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明による実施形態の 2波長半導体レーザ装置を示す概略断面図 CTある。

図 2は、本発明による実施形態の 2波長半導体レーザ装置を示す概略斜視図ある。

図 3は、本発明による実施形態の 2波長半導体レーザ装置の多層膜を示す概略断面図ある。

図 4は、本発明による実施形態の 2波長半導体レーザ装置の多層膜の設定方法を示すフローチャートである。

図 5〜図 1 0は、本発明による実施形態の 2波長半導体レーザ装置の多層膜の設定方法の一部を示すフローチャートである。図 1 1は、本発明による実施例の 2波長半導体レーザ装置の多層膜を示す概略断面図である。

図 1 2は、本発明による実施例の 2波長半導体レ一ザ装置の多層膜の反射率について、位相補正領域の膜厚に対する依存性を示すグラフである。

図 1 3は、本発明による他の実施例の 2波長半導体レーザ装置の多層膜を示す概略断面図である。

図 1 4は、本発明による他の実施例の 2波長半導体レーザ装置の多層膜の反射率について、位相補正領域の膜厚に対する依存性を示すグラフである。

図 1 5は、本発明による他の実施形態の 2波長半導体レーザ装置を示す概略斜視図である。

発明を実施するための形態

以下に、本発明による実施の形態を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。く 2波長半導体レーザ装置 >

図 1は、本発明の多波長半導体レ一ザ装置を 2波長半導体レーザ装置 1に適用した一例を示す断面図である。かかる 2波半導体レーザ装置 1は、 G a N系化合物半導体レーザ（波長 4 0 5 n m帯レーザ）である第 1の発光素子 2と、 A 1 G a I n P系化合物半導体レーザ (波長 6 5 0 n m帯レーザ) である第 2 の発光素子 3とが融着金属層 4によって一体に固着された八イブリッド構造を有している。

第 1の発光素子 2は、ストライプ形状のリッジ導波路 6を有したレーザ発振部 5を備え、第 2の発光素子 3は、 n型 G a A s基板 1 3上に形成されると共にストライプ形状のリッジ導波路 1 0を有したレーザ発振部 9を備えている。また、レーザ発振部 5の上端にォーミック電極 P 1、 n型 G a As基板 1 3 の下端にォーミック電極 P 2、融着金属層 4の露出部 4 Rにォーミック電極 P 3が形成されている。

そして、ォ一ミック電極 P l、 P 3を通じて駆動電流を供給すると、第 1の発光素子 2から波長 405 nm帯レーザ光が出射され、ォ一ミック電極 P 2、 P 3を通じて駆動電流を供給すると、第 2の発光素子 3から波長 650 nm帯のレーザ光が出射される。

第 1の発光素子 2のレーザ発振部 5は、下地層 5 b、 n型クラッド層 5 c、 n型ガイド層 5 d、活性層 5 e、電子障壁層 5 f 、 p型ガイド層 5 g、 p型クラッド層 5 h、 p型コンタクト層 5 iとがその順番で積層された積層構造を有し、 p型コンタクト層 5 iと p型クラッド層 5 hの一部がエッチングによって除去されることで、上述のリッジ導波路 6が紙面前方側から裏面側へ延びたストライプ形状に形成されている。

そして、リッジ導波路 6の p型コンタクト層 5 iを除いて、 p型クラッド層 5 hの全面に絶縁層 7が形成されており、更に p型コンタクト層 5 iと絶縁層 7の全面にォ一ミック電極層 8が形成されている。

したがって、リッジ導波路 6が p型コンタクト層 5 i及びォーミック電極層 8を通じて融着金属層 4に電気的に接続されている。

より具体的には、下地層 5 bは、 S iをドーピングして n型化した n型 Ga Nからなり、厚さ約 5〜 1 5 mに形成されている。 n型クラッド層 5 cは、 n型 A 1₀. 。₈G a 0. ₉₂Nからなり、厚さ約 0. 8 mに形成されている。 n 型ガイド層 5 dは、 n型 GaNからなり、厚さ約 0. 2 mに形成されている。活性層 5 eは、約数十 nmの厚さに形成され、組成の異なる I n _x G a (但し、 0≤χ)、例えば I n₀. 。₈Ga₀. ₉₂Nと I n₀. ^Gao. ₉₉Nからなる井戸層とバリア層との多重量子井戸構造を有している。電子障壁層 5 f は、 A 1 GaNからなり、厚さ約 0. 02 mに形成されている。 p型ガイド層 5 gは、 Mgド一ビングして p型化した p型 GaNからなり、厚さ約 0. 02 x mに形成されている。

P型クラッド層 5 hは、 p型 A 10. ₀₈Ga₀. ₉₂Nからなり、厚さ約 0. 4 mに形成されている。 p型コンタクト層 5 iは、 p型 GaNからなり、厚さ約 0. 1 mに形成されている。

また、ォーミック電極層 8は、 P d、 P t、 Au、若しくは N iの何れか、又はそれらを組み合わせた合金で形成され、絶縁層 7は、 S i 0₂などで形成されている。

また、融着金属層 4は、 A uの融着金属層 4 aと、 S nの融着金属層 4 bを融着させることで生じる合金により形成されている。

第 2の発光素子 3のレーザ発振部 9は、 n型 GaAs基板 1 3上に積層された n型バッファ層 9 a、 n型クラッド層 9 b、活性層 9 c、 p型クラッド層 9 d、通電層 9 e、 p型コンタクト層 9 fがその順番で積層された積層構造を有している。

そして、 P型コンタクト層 9 f と通電層 9 e及び p型クラッド層 9 dの一部がエッチングなどによって除去されることで、上述のリッジ導波路 10が、紙面前方側から裏面側へ延びたストライプ形状に形成されている。更に、リッジ導波路 1 0の形成後、そのリッジ導波路 10を含んでレーザ発振部 9を形成すべき領域をマスキングし、マスキングしない領域を n型 GaAs基板 13の比較的深い部分までエッチングなどを施すことで、図 1に示すような凸状の断面形状を有するレーザ発振部 9が形成されている。

そして、上述の p型コンタクト層 9 f を除く、レーザ発振部 9と n型 GaA s基板 13の全面が絶縁層 1 1で被覆され、更に p型コンタクト層 9 f と絶縁層 1 1の全面にォ一ミック電極層 12が積層されることで、 p型コンタクト層 9 fが、ォーミック電極層 12に電気的に接続され、更にォーミック電極層 1 2を通じて融着金属層 4とも電気的に接続されている。

より具体的に述べると、バッファ層 9 aは、 S iをドーピングして n型化した n型 GaAsからなり、厚さ約 0. 5 mに形成されている。 n型クラッド層 9 bは、 n型 A 1₀. ₃₅Ga₀.₁₅ I n₀. ₅Pからなり、厚さ約 1. 2 mに形成されている。

活性層 9 cは、約十数 n mの厚さに形成され、 Ga l nPと A l Ga l nP とからなる歪量子井戸構造を有している。 p型クラッド層 9 dは、 Znをド一ビングして p型化した A 1₀.₃₅Ga₀. ₁₅ I n₀. ₅Pからなり、厚さ約 1. 2 n mに形成されている。通電層 9 eは、 p型 Ga₀. ₅₁ I n₀.₄₉Pからなり、厚さ約 0. 05 xmに形成されている。 p型コンタクト層 9 は、 p型 GaAs からなり厚さ約 0. 2 mに形成されている。

そして、ォーミック電極層 12は、 T i、 P t、 C r、 Au若しくは Au— Znの何れか、又はそれらを組み合わせた合金で形成され、絶縁層 7は、 S i o₂などで形成されている。

図 1に示す、第 1及び第 2の発光素子 2, 3を備える 2波長半導体レーザを作製するには、例えば、融着金属による貼り合わせ（融着金属層 4 ) と、レーザリフトオフ法による G a N系化合物半導体のェピタキシャル基板の除去技術とを用いる。

第 1の発光素子 2の側は、サファイア基板上に M O C V D法などにより下地層 5 bから p型コンタクト層 5 iまで成膜し、エッチングによってレーザ発振部 5、リッジ導波路 6を形成し、これらの全面に絶縁層 7、ォーミック電極層 8、融着金属層 4を順に成膜して、作製する。

第 2の発光素子 3の側は、 n型 G a A s基板 1 3上に MO C V D法などにより n型バッファ層 9 aから p型コンタクト層 9 f まで成膜し、エッチングによつてレーザ発振部 9、リッジ導波路 1 0を形成し、これらの全面に絶緣層 1 1、ォ一ミック電極層 1 2、融着金属層 4を順に成膜して、作製する。

第 1の発光素子 2及び第 2の発光素子 3のウェハを、それぞれの融着金属層 4によって貼り付ける。

第 1の発光素子 2側のサファィァ基板をレーザリフトオフ法により除去する。すなわちサファイア基板裏面から、サファイアを透過し、 G a Nで吸収される紫外光を照射し、サファイアと G a Nとの界面近傍の G a Nを分解することによりサファイア基板を剥離する。このとき、レーザ発振部 9以外の領域では、第 1 の発光素子 2は融着されていないため、この領域に融着金属層の露出部 4 Rが形成される。

G a A s基板 1 3を劈開することにより共振器端面を形成する。劈開された基板すなわち互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーが形成される。図 2に示すように、この共振器端面にはスパッ夕法などにより端面ごとに一括形成された反射膜が設けられている。ここで、レーザ光の出射端面は、例えばアルミナなどの単層膜で構成された低反射膜となっており、後側端面は、後述する多層膜により構成された高反射膜となっている。 GaAs基板 1 3の劈開により共振器端面が形成されるので、 2つの発光素子の発光点は同一平面内にある。第 1の発光素子 2は波長 λ i = 405 nmを、第 2の発光素子 3は λ₂ = 650 nmのレーザ光をそれぞれ発振する。

<後側端面の多層膜 >

2波長半導体レーザ装置における後側端面の多層膜（反射膜）の構造は、 2 つの半導体レーザ素子で共通に、図 3に示すように、例えば 3つの領域により構成される。すなわち、多層膜 12は、半導体レーザ素子の本体である半導体 S em iと接する側の k層積層された誘電体膜 1 D i 1、 … 1 D i kからなる第 1反射領域 121と、半導体 S em iから第 1反射領域よりさらに離れて積層された 1層の誘電体膜 2D i 1、 -2D i 1からなる第 2反射領域 122とを含む。

第 1反射領域 12 1の誘電体膜 I D i 1, - I D i kの各々は、第 1波長 λ iに対する所定光学膜厚 (屈折率 X膜厚) を有し、所定光学膜厚はそれぞれ (2 P+ 1) /4Χλ _χ (但し、 ρ = 0、 1、 2、 …）に設定されている。第 2反射領域 1 22の誘電体膜 2D i 1, -2D i 1の各々は、第 2波長 λ₂に対する所定光学膜厚を有し、所定光学膜厚はそれぞれ（2 Q+ 1) /4Χλ₂ (伹し、 q = 0、 1、 2、 …）に設定されている。屈折率段差を得るために、いずれの誘電体膜も積層され隣接したもの同士で屈折率の異なるように設定されるので、膜厚も異なるようになる。

上記構造では、第 1反射領域 1 2 1による反射光と第 2反射領域 1 2 2による反射光の位相は必ずしも一致していない。このため多層膜 1 2は、さらに、 2つの反射領域 1 2 1、 1 2 2の間に位相補正領域 1 2 3を含むことができる。半導体から放射される光は 2波長 λ λ ₂があり、この両波長のそれぞれの位相差が共に小さくなる範囲内で位相補正領域 1 2 3の光学膜厚を設定する。この位相補正領域 1 2 3は、この領域と接する第 1及び第 2反射領域 1 2 1、 1 2 2における誘電体膜のどちらよりも屈折率が高いか、あるいはどちらよりも屈折率が低い単層の誘電体膜である。

多層膜 1 2の別の光学膜厚設定方法は次のようにする。第 1反射領域は、半導体上に第 1反射領域が存在しその上に位相補正領域が無限に存在する系において半導体から見た反射率が第 1波長 λ iに対して第 1所定反射率 R ₁と略同一となるような多層膜で構成される。

第 2反射領域は、位相補正領域の上に第 2反射領域が存在する系において位相補正領域から見た反射率が第 2波長 λ ₂に対して第 2所定反射率 R 2と略同一となるような多層膜で構成される。

位相補正領域はその光学膜厚が反射膜全体の反射率が第 1波長 λ ₁に対して第 1所定反射率第 2波長 λ ₂に対して第 2所定反射率 R ₂となるように、膜厚 d 3及び屈折率 n 3が設定される。

<多層膜の設定例 >

本発明による多層膜の設定方法を、図 4のフローチャートに基づいて説明する。第 1ステップ（S I) として、第 1及び第 2反射領域並びに位相補正領域の全てを通して高屈折率材料と低屈折率材料が交互に配置するように、各層の誘電体材料を決定する。.第 1反射領域中の k層の誘電体層はそれぞれ第 1波長に対し屈折率 n₁₂、 n_lkを有しかつ第 2波長に対し屈折率 _mil、 m₁₂、〜m_lkを有する誘電体材料で、膜厚 (1^、 d₁₂、〜d_lkとなるように積層するとする。第 2反射領域中の 1層の誘電体層は、それぞれ第 1波長に対し屈折率 n₂₁、 n₂₂、 ---11_{2 1}を有しかつ第 2波長に対し屈折率 m₂₁、 m₂₂、 -111_{2 1} を有する誘電体材料で、膜厚 d₂₁、 d₂₂、〜d₂₁となるように積層するとする。位相補正領域は第 1波長に対し屈折率 n ₃を有しかつ第 2波長に対し屈折率 m₃ を有する誘電体材料で、膜厚 d₃となるように積層するとする。

次に、第 2ステップ（S 2) として、第 2反射領域 122中の各層の膜厚 d ₂₁、 d₂₂、 ·'·ά₂₁を、第 2波長 λ ₂に対して光学膜厚が (2 ρ+ 1) /4Χλ ₂ (但し、 Ρ = 0、 1、 2、 ···) となるように設定する。

次に、第 3ステップ (S 3) として、第 1及び第 2波長えい λ₂に対する、単層の位相補正領域（第 1、第 2波長に対する屈折率 n₃、 m₃) から見た第 2 反射領域の反射率 R₁₂、 R₂₂をそれぞれ計算する。第 3ステップでは、図 5に示すように、第 1波長に対しては、位相補正領域の第 1波長に対する屈折率 n ₃と初めの層の反射率とを初期設定し (S 31)、次に、各層の反射率 r_2j+1及び位相遅れ d jを基に所定の 1層になるまで振幅反射率 R ₂ jの計算を繰り返し (S 32), 1層に達したら（S 33)、第 1波長に対する第 2反射領域の反射率 R₁₂が得られる（S 34)。また同様に、図 6に示すように、第 2波長に対しては、位相補正領域の第 2波長に対する屈折率 m₃と初めの層の反射率とを初期設定し（S 3 1 1)、次に、各層の反射率 r_{2j + 1}及び位相遅れ δ jを基に所定の 1層になるまで振幅反射率 R_2jの計算を繰り返し（S 32 1)、 1層に達したら（S 3 3 1)、第 2波長に対する第 2反射領域の反射率 R₂₂が得られる (S 341)。

次に、図 4に示す第 4ステップ（S 4) として、単層の位相補正領域の膜厚を変数 Xとし、'第 1、第 2波長 λ₂に対する、位相補正領域に接する第 1 反射領域（第 1、第 2波長に対する屈折率 nn, _mil) から見た位相補正領域及び第 2反射領域の反射率 R _: 3 (x)、 R₂₃ (x) を反射率 R₁₂、 R₂₂を用いてそれぞれ計算する。第 4ステップでは、図 7に示すように、反射率 R₁₂を初期値として設定し（S 41)、次に、単層の反射率 r ₃及び位相遅れ δ₃を基に振幅反射率 R₃を計算し (S 42)、第 1波長に対する結果 R ₃ = R₁₃ (x) が得られる（S 43)。また同様に、図 8に示すように、反射率 R₂₂を初期値として設定し (S 41 1).. 次に、単層の反射率 r ₃及び位相遅れ δ ₃を基に振幅反射率 R₃を計算し (S 42 1), 第 2波長に対する結果 R₃ = R₂₃ (x) が得られる（S 431)。

次に、図 4に示す第 5ステップ（S 5) として、第 1反射領域 12 1中の各層の膜厚 du、 d₁₂、 … ^を、第 1波長 λ に対して光学膜厚が（2 Q+ 1) /4Χλ , (但し、 Q=0、 1、 2、 ···) となるように設定する (S 5)。

次に、第 6ステップ（S 6) として、第 1、第 2波長い λ₂に対する、半導体（第 1、第 2波長に対する屈折率 n_{s emi}、 m_{s emi}) から見た波長ごとの多層膜全体の反射率 (x)、 R₂ (x) を、得られた反射率 R₁₃ (x)、 R₂₃ (x) を用いてそれぞれ計算しエネルギー反射率 (x) =R_X (x) XR₁ (x) *、 F₂ (x) =R₂ (x) XR₂ (x) *を求める。なお、 (x) *、 R₂ (x) *はそれぞれ (x)、 R₂ (x) の共役複素数を示す。第 6ステツプでは、図 9に示すように、第 1波長に対しては、半導体の第 1波長に対する屈折率 n_{s emi}と得られた反射率 R₁₃ (x) で初期設定し（S 6 1)、次に、各層の反射率 r _x j ₊₁及び位相遅れ δ を基に所定の k層になるまで振幅反射率 R！〗の計算を繰り返し（S 6 2)、 k層に達したら（S 6 3)、第 1波長に対する多層膜全体の反射率 (x) が得られ（S 64)、次に、第 1波長に対するェネルギ一反射率 (x) =R_X (x) XR, (x) *を計算する (S 6 5)。また同様に、図 1 0に示すように、第 2波長に対しては、半導体の第 2波長に対する屈折率 m_{s emi}と得られた反射率 R₂₃ (X) で初期設定し (S 6 1 1)、次に、各層の反射率 r + i及び位相遅れ δ jを基に所定の k層になるまで振幅反射率 R_uの計算を繰り返し（S 6 2 1)、 k層に達したら（S 6 3 1)、第 2波長に対する多層膜全体の反射率 R₂ (X) が得られ (S 64 1)、次に、第 2波長に対するエネルギー反射率 F ₂ (x) =R₂ (x) XR₂ (x) *を計算する (S 次に、図 4に示す第 7ステップ（S 7) として、単層の位相補正領域の膜厚 Xに応じて、第 1、第 2波長 λ ₂に対する多層膜全体の反射率は変化するので、それぞれの波長に対して高反射率が得られる位相補正層の膜厚 Xの範囲を求める。すなわち、 F (χ) = 0かつ (X) <0となる Xを d _1Pとした時、 (X) ≥F ₁ (d _{1 P}) X aとなる Xの範囲 d _{lmi n}≤x≤d _lmaxを求める。また、 F₂' (x) =0かつ F （X) <0となる Xを d_2Pとした時、 F, (x) ≥F₂ (d_2P) X aとなる xの範囲 d_{2mi n}≤x≤d_2maxを求める（S 7)o ここで、例えば a=0. 95とすることができる。

次に、図 4に示す第 8ステップ（S 8) として、位相補正層の膜厚を、 d_lm _{i n}≤X≤d_lmax且つ d_2min≤X≤d_2maxとなる範囲で設定する。

本発明によれば、 2以上の波長が比較的大きく異なっている場合においても複数の波長に対して高反射率となる多層膜の構造を達成することができる。

<実施例 >

具体的に第 1、第 2波長い λ₂を 405 nm, 650 nmとして設計を行レ 2波長半導体レーザ装置を作製した。

図 1 1に実施例の 2波長半導体レーザ装置の多層膜構造例（I) を示す。半導体 S em iと接する側の 4層積層された第 1反射領域 1 2 1は、誘電体膜 1 D i 1、 … ID i 4からなる。半導体 S em iから第 1反射領域よりさらに離れて積層された第 2反射領域 122は、 3層の誘電体膜 2D i l、 - 2 D i 3 からなる。両反射領域間の位相補正領域 123は単層である。

半導体と接する第 1反射領域 1 21は波長 40 5 nmに対して髙反射率となるように設計する。具体的には波長 40 5 n mに対して低屈折率となる誘電体と高屈折率となる誘電体をそれぞれの光学膜厚 (屈折率 X膜厚) が（2 p+ l) Z4X405 nm (但し、 p = 0、 1、 2、 …）となる膜厚で交互に積層する。例えば低屈折率の誘電体として S i 0₂を、高屈折率の材料として T i 0₂を用いた場合、波長 405 nmに対する屈折率はそれぞれ 1. 47及び 2, 98であるので、上式で p = 0の場合の光学膜厚 10 1 nmとなる膜厚はそれぞれ 69 nm及び 34nmとなる。そこで、図 1 1のようにこれら 69 nm及び 34 n _mの膜厚で S i〇₂及び T i O。の誘電体膜を交互に 1 D i 1、一ID i 4として積層する。大気と接する第 2反射領域 1 2 2は波長 6 5 0 nmに対して高反射率となるように設計する。具体的には波長 6 5 0 nmに対して低屈折率となる誘電体と高屈折率となる誘電体をそれぞれの光学膜厚が（2 d+ l) /4 X 6

5 0 nm (但し、 q= 0、 1、 2、 ···）となる膜厚で交互に積層する。例えば低屈折率の誘電体として S i 0₂、高屈折率の材料として T i〇₂を用いた場合、波長 6 5 0 nmに対する屈折率はそれぞれ 1. 4 5及び 2. 5 7であるので上式で q = 0の場合の光学膜厚 1 6 2 nmとなる膜厚はそれぞれ 1 1 2 nm及び

6 3 nmとなる。そこで、図 1 1のようにこれら 1 1 2 nm及び 6 3 nmの膜厚で S i 0₂及び T i 0₂の誘電体膜を交互に 2 D i 1、 -2D i 3として積層する。すなわち、図 1 1の多層膜構造においては、第 1反射領域 1 2 1の誘電体膜を S i 0₂ (6 9 nm) と T i 0₂ (34 nm) の 2ペアの多層膜とし、第 2反射領域 1 2 2を T i 0₂ (6 3 nm) / S i 0₂ ( 1 1 2 nm) /T i 0₂ (6 3 nm) の多層膜とし、例えば S i 0₂の単層膜とする位相補正領域 1 2 3の膜厚を X (nm) とする。

誘電体として S i 0₂を用いた位相補正領域 1 2 3の単層の膜厚 Xは、図 4に示したフローチャートに基づいて、設定を行う。この場合、 2波長半導体レーザ装置の多層膜 1 2の反射率は、位相補正領域の膜厚 Xに対して依存性を示す。すなわち、図 1 2に示すように、反射率は位相補正領域 1 2 3の膜厚 Xによつて、発振波長ごとに周期的に変動するので、位相補正領域の膜厚 Xはそのピ一ク近傍で決定される。例えば、図 1 2から明らかなように、膜厚 5 0 nmにおいて波長 40 5 nmに対しては 94%、波長 6 5 0 nmに対しては 8 0 %の反射率が得られるので、当該膜厚が位相補正領域として選択される。実際には第 1、第 2波長 405 nm、 650 nmで反射率変動の周期が異なるため、どちらに対しても反射率が高くなるように位相補正領域膜厚を選ぶ。例えばピーク強度の 95 %以上となる位相補正領域 123の膜厚 Xの範囲は波長 405 nm に対しては 1 7 nm≤x≤ 9 1 nm、波長 650 nmに対しては 0 nm≤x≤ 98 nmであり、これら内から膜厚が選択される。このように、位相補正領域 123の膜厚 Xはそれぞれの波長においてピーク強度の所定割合となる膜厚の範囲を求め、それらの膜厚範囲の重なつた領域から選択できる。

図 1 3に他の実施例の 2波長半導体レーザ装置の多層膜構造例（I I) を示す。第 1反射領域の誘電体膜 ID i 1、一ID i 6は S i O_z (69 nm) と T i0₂ (34 nm) の 3ペア 6層の多層膜であり、第 2反射領域の誘電体膜 2 D i 1、 ·'·2ϋ i 5は T i 0₂ (63 nm) /S i0₂ ( 1 12 nm) /T i 0₂ (6

3 nm) /S i0₂ (1 12 nm) /T i 0₂ (63 nm) の 5層の多層膜であり、位相補正領域は膜厚 Xの S i0₂の単層膜とする。図 14に示すように、多層膜 12の反射率は位相補正領域の膜厚 Xに対して依存性を示すので、例えばピーク強度の 95 %以上となる膜厚 Xの範囲は波長 405 nmに対しては 25 nm ≤x≤ 140 nm, 波長 650 nmに対しては 7 5 nm≤x≤ 1 90 nmであり、これらの重複内から膜厚が選択される。例えば、膜厚 100 nmでは波長

40 5 、 650 nmに対する反射率はそれぞれ 98 %、 96%となり両方の波長に対して非常に高い反射率を得ることができる。

他の実施例として、多層膜構造例（I I I) の 2波長半導体レーザ装置では、上記実施例と同様に、半導体と接する側の S i 0₂ (69 nm) /Ύ i 0₂ (34 nm) の 2. 5ペア 5層の誘電体膜からなる第 1反射領域と、半導体から第 1 反射領域よりさらに離れて積層された S i〇₂ (112nm) /Ί i 0₂ (63 η m) の 2ペア 4層の誘電体膜からなる第 2反射領域と、両反射領域間の位相補正領域 T i 0₂ (75 nm) とからなる構造を備える。

以上の多層膜の構造例（1)、（I I) 及び（I I I) における波長 405 η m、 650 nmに対する反射率を表 1、 2及び 3にまとめる。表 1

表 2

表 3

なお、上記実施例は多層膜の材料として S i 0₂と T i 0₂を用いた場合について説明したが、 A 1 ₂0₃、 Z r 0₂、 S i ₃ N ₄、 T a ₂ O ₅などの材料を適宜組み合わせて用いてもよい。

本発明では、仮に第 1反射領域で第 2波長が反射されたとしても、第 1反射領域の反射光と第 2反射領域の反射光の位相差を位相補正領域で十分に補正できれば、第 2波長に対しても高反射率を得ることが可能であるので、短波長に対する λ / 4膜反射領域と長波長に対する λ / 4膜反射領域の積層の順序はどちらでもよい。しかし、誘電体多層膜は短波長に対して高反射率かつ長波長に対して低反射率の方が設計しやすく、第 1反射領域は、第 2波長（上記実施形態では波長 6 5 0 n m) に対して低反射率となつた方が、位相補正領域の膜厚 Xの広い範囲にわたって、多層膜 1 2の第 2波長に対する反射率を高くすることができるため、第 1反射領域と第 2反射領域の積層の順序に関して、第 1反射領域に短波長に対する λ / 4膜、第 2反射領域に長波長に対する 4膜を形成した方が好ましい。

また、上記実施例では、第 1、第 2反射領域間に位相補正領域を設けているが、第 1、第 2反射領域の層数によっては位相補正領域の膜厚がゼロの場合に両波長の位相差が小さくなることもあり、この場合、第 1、第 2反射領域が直接接触して多層膜が構成される。

さらに、 2波長半導体レーザ装置を説明したが、 3以上の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置にも適用できる。

本発明による多波長レーザによれば、共振器の端面の多層膜が複数の波長のいずれに対しても高反射率を得ることができるので、いずれのレーザ素子の特性も向上できる。また、全てのレ一ザ素子に対して一括して膜形成ができるため、生産性も向上する。

また、従来のマスクを利用して異なる構造の膜を別々に形成する方法の適用が困難となるような発光点間隔が非常に近くなる場合 (例えば 5 0 z m以下) においても、本発明によれば、両波長に対して高反射率となる多層膜を容易に作製することが可能である。さらに、従来の 2波長の平均波長に合わせて膜設計する方法の適用が困難となるような 2つの波長帯域の差が大きい場合 (例えば 4 0 5 n m帯と 6 5 0 n m帯）においても、本発明による多層膜は十分な特性を得ることができる。

図 1に示す 2波長半導体レーザ装置は別々の基板上に形成した 2つの半導体レーザ素子を貼り合わせにより作製したものであるが、他の実施形態では、図 1 5に示すように、互いに異なる波長久ぃ λ ₂例えば 6 5 0 n m、 7 8 0 n m のレーザ光を発振する 2つのリッジ型半導体レーザ素子を分離溝を介在させて、同一基板上に形成したモノリシック構造の 2波長半導体レーザ装置としてもよレ^複数の半導体レーザ素子のそれぞれの活性層を構成する材料は、 G a N系、 A l Ga l nP系のほか、当該分野で使用することができる材料例えば、 A 1 G a As系材料、 I nGaAs P系材料、 P b S n T e系材料などをいずれも使用することができる。これら材料の組成比を適宜調整することにより、所望の特性の活性層、クラッド層などを有する半導体レーザ素子を得ることができる。また、半導体レーザ素子の活性層は、.多重量子井戸型のほか、単一量子井戸型、バルク活性層型などの構造を有していてもよい。

Claims

請求の範囲

1. 互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置であって、

前記反射膜は、その膜厚方向に配置された、前記半導体レーザ素子のうちの第 1半導体レーザ素子で発振された第 1波長に対する第 1所定反射率を有する第 1反射領域と、前記第 1半導体レーザ素子以外の第 2半導体レーザ素子で発振された前記第 1波長と異なる第 2波長に対する第 2所定反射率を有する第 2 反射領域と、を有することを特徴とする多波長半導体レーザ装置。

2. 前記第 1及び第 2反射領域は、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなることを特徴とする請求項 1に記載の多波長半導体レーザ装置。

3. 前記第 1反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、 r^Xc^- (2 P+ 1) /4Χλ, (但し、 λ は第 1波長； _{η ι}は第 1波長に対する屈折率； (1丄は膜厚； pは 0、 1、 2、 …を示す）で示される光学膜厚 n Xdiを有し、前記第 2反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、 n₂Xd₂= (2 q+ 1) Z 4Χλ₂ (但し、 λ₂は第 2波長； η₂は第 2波長 λ₂に対する屈折率； d₂は膜厚； qは 0、 1、 2、 …を示す）で示される光学膜厚 n₂Xd₂を有することを特徴とする請求項 2記載の多波長半導体レーザ装置。

4. 前記反射膜は、前記第 1及び第 2反射領域の間に配置されかつ通過する光の位相差を補正する位相補正領域を有することを特徴とする請求項 1〜 3のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。

5 . 前記位相補正領域は単層の誘電体膜からなり、その光学膜厚を規定する膜厚及び屈折率は、前記反射膜の全体の反射率が前記第 1波長に対して第 1.所定反射率と、前記第 2波長に対して第 2所定反射率となるように、設定されていることを特徴とする請求項 4に記載の多波長半導体レーザ装置。

6 . 前記位相補正領域は、前記第 1及び第 2反射領域のうちで隣接したものの屈折率とは異なる屈折率を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項 4又は 5に記載の多波長半導体レーザ装置。

7 . 前記位相補正領域は、前記第 1及び第 2反射領域のうちで隣接したものの膜厚とは異なる膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項 4〜 6のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。

8 . 前記位相補正領域は、前記第 1及び第 2反射領域の各誘電体膜の光学膜厚とは異なる光学膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項 4〜 7のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。

9 . 前記反射膜は前記後側端面上に成膜されかつ、前記後側端面での反射率が前記出射端面での反射率より高くなるように設定されていることを特徴とする請求項 1〜 8のいずれかに記載の多波長半導体レーザ装置。

1 0 . 前記第 1半導体レーザ素子及び第 2半導体レーザ素子だけからなり、それぞれが、 4 0 5 n m帯半導体レーザ素子、及び、 6 5 0 n m帯半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項 1に記載の多波長半導体レーザ装置。

1 1 . 互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子からなる多波長半導体レーザ装置の製造方法であって、

互に異なる波長で発振する複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーを形成する工程と、

複数の半導体レーザ素子のためのレーザバーの出射端面及び後側端面の少なくとも一方に、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなる第 1波長に対する第 1所定反射率を有する第 1反射領域を形成する工程と、

前記第 1反射領域上に、積層され隣接したもの同士で屈折率の異なる複数の誘電体膜からなりかつ前記第 1半導体レーザ素子以外の第 2半導体レーザ素子で発振された前記第 1波長と異なる第 2波長に対する第 2所定反射率を有する第 2反射領域を形成する工程と、を有することを特徴とする多波長半導体レーザ装置の製造方法。

12. 前記第 1及び第 2反射領域の間に配置されかつ通過する光の位相差を補正する位相補正領域を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項 1 1に記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。

13. 前記第 1反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、. n i X d i = ( 2 P+ 1) /4XA_X (但し、ェは第 1波長； _{n i}は第 1波長ェに対する屈折率；は膜厚； pは 0、 1、 2、 …を示す）で示される光学膜厚ェ^ズ^ を有し、前記第 2反射領域の前記複数の誘電体膜の各々は、 n₂Xd₂= (2 q+ 1) Z 4Χλ₂ (但し、 λ₂は第 2波長； η₂は第 2波長 λ₂に対する屈折率； d₂は膜厚； Qは 0、 1、 2、 …を示す）で示される光学膜厚 n₂Xd₂を有することを特徴とする請求項 12記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。

1 4 . 前記位相補正領域は単層の誘電体膜からなり、その光学膜厚を規定する膜厚及び屈折率は、前記反射膜の.全体の反射率が前記第 1波長に対して第 1所定反射率と、前記第 2波長に対して第 2所定反射率となるように、設定されていることを特徴とする請求項 1 2記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。

1 5 . 前記位相補正領域は、前記第 1及び第 2反射領域のうちで隣接したものの屈折率とは異なる屈折率を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項 1 2記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。

1 6 . 前記位相補正領域は、前記第 1及び第 2反射領域のうちで隣接したものの膜厚とは異なる膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項 1 2記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。

1 7 . 前記位相補正領域は、前記第 1及び第 2反射領域の各誘電体膜の光学膜厚とは異なる光学膜厚を有する単層の誘電体膜からなることを特徴とする請求項 1 2記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。

1 8 . 前記反射膜は前記後側端面上に成膜されかつ、前記後側端面での反射率が前記出射端面での反射率より高くなるように設定されていることを特徵とする請求項 1 1記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。

1 9 . 前記第 1半導体レーザ素子及び第 2半導体レーザ素子だけからなり、それぞれが、 4 0 5 n m帯半導体レーザ素子、及び、 6 5 0 n m帯半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項 1 1記載の多波長半導体レーザ装置の製造方法。