WO2021161438A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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鴫原　君男
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • This application relates to a semiconductor laser device.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor laser device that has high slope efficiency and high power conversion efficiency at high output.
  • FIG. 27 of Patent Document 1 has an optical guide layer thick enough to allow a higher-order mode of primary or higher in the stacking direction of crystals, and the active layer is closer to the p-type clad layer than the center of the optical guide layer.
  • a p-type low refractive index having a layer and a refractive index n 12 lower than the refractive index of the p-type clad layer and a layer thickness d 12 between the p-type clad layer having a refractive index n c and the p-side light guide layer A ridge type semiconductor laser apparatus having a layer and satisfying the following formula (1) is shown.
  • Patent Document 1 The structure of the semiconductor laser device described in Patent Document 1 is broadened with a ridge shape in which a higher-order mode of primary or higher order is allowed in a direction (horizontal direction) perpendicular to the crystal stacking direction and the resonator length direction.
  • a ridge shape in which a higher-order mode of primary or higher order is allowed in a direction (horizontal direction) perpendicular to the crystal stacking direction and the resonator length direction.
  • the present application discloses a technique for solving the above-mentioned problems, and a broad area type semiconductor laser device having a ridge shape in which the horizontal spread angle is narrowed to improve the coupling efficiency with optical components.
  • the purpose is to get.
  • the semiconductor laser apparatus disclosed in the present application includes a first conductive clad layer having a refractive index of n c1 , a first conductive side light guide layer, an active layer, and a second conductive type on a first conductive type semiconductor substrate.
  • the side light guide layer and the second conductive clad layer having a refractive index of n c2 are laminated in this order, and a resonator that reciprocates the laser beam is configured, and within the cross section perpendicular to the optical axis direction of the resonator.
  • a structure in which a first-order or higher-order mode is allowed in the direction of the stacking, and in the direction perpendicular to the optical axis direction of the resonator and the direction of the stacking, the ridge region and the clad region on both sides of the ridge region.
  • a second conductive low-refractive index layer having a thickness of d 2 and a refractive index of n 2 lower than that of n c 2 is provided between the clad layers or in the second conductive clad layer. It satisfies.
  • the number of modes allowed in the horizontal direction can be reduced, the spread angle in the horizontal direction can be narrowed, and a semiconductor laser device having high coupling efficiency with optical components can be obtained.
  • FIG. It is a schematic perspective view which shows the laminated structure of the semiconductor laser apparatus by Embodiment 1.
  • FIG. It is a schematic perspective view which shows the laminated structure of the semiconductor laser apparatus by Embodiment 2.
  • FIG. It is a schematic perspective view which shows the laminated structure of the semiconductor laser apparatus by Embodiment 3.
  • FIG. It is a schematic perspective view which shows the laminated structure of the semiconductor laser apparatus by Embodiment 4.
  • FIG. It is a schematic perspective view which shows the laminated structure of the semiconductor laser apparatus according to Embodiment 5.
  • FIG. 1 It is a schematic perspective view which shows the laminated structure of the semiconductor laser apparatus of the comparative example. It is a figure for demonstrating the refractive index distribution in the stacking direction in the ridge region of the structure of FIG. It is a figure for demonstrating the refractive index distribution in the stacking direction in the outer region of the ridge region of the structure of FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing the refractive index distribution of a schematic optical waveguide used to explain the normalized frequency v.
  • the core region 101 has a refractive index of n a and a width of t
  • the clad region 102 and the clad region 102 a have a refractive index of n b
  • n a > n b is established.
  • the normalized frequency v is defined by the equation (2) using the oscillation wavelength ⁇ (see Non-Patent Document 1).
  • FIG. 8 is a schematic perspective view showing a laminated configuration of an example in which the technique described in Patent Document 1 is applied to a broad area type semiconductor laser device having a ridge shape having an oscillation wavelength of 975 nm as a comparative example of the present application. From the bottom of FIG. 8, each layer in FIG. 8 has an n-type electrode 103, an n-type GaAs substrate 104, an n-type AlGaAs clad layer 105 having an Al composition ratio of 0.20 and a layer thickness of 1.5 ⁇ m, and an Al composition ratio of 0.25.
  • N-type AlGaAs low refractive index layer 106 with layer thickness d 1 also called n-type low refractive index layer, refractive index is n 1
  • Well active layer 109 p-side AlGaAs first optical guide layer 110 with Al composition ratio 0.14 and layer thickness 300 nm, p-side AlGaAs second optical guide layer 111 (110 and 111) with Al composition ratio 0.16 and layer thickness 300 nm , P-side light guide layer), p-type AlGaAs low refractive index layer 112 (also called p-type low refractive index layer, refractive index is n 2 ), Al composition ratio 0.55 and layer thickness d 2.
  • Region I is a ridge region having a width of W, and regions II and IIa are clad regions outside the ridge region.
  • surfaces forming a resonator that reciprocates the laser beam are provided at both ends by, for example, cleavage.
  • the direction in which the laser beam reciprocates that is, the optical axis direction of the laser beam is the z direction
  • the stacking direction of each layer is the y direction
  • the direction perpendicular to the z direction and the y direction that is, the width direction of the ridge.
  • the refractive index of the AlGaAs layer having an Al composition ratio of 0.14, 0.16, 0.20, 0.25 and 0.55 at a wavelength of 975 nm can be determined. They are 3.432173, 3.419578, 3.394762, 3.364330 and 3.191285, respectively.
  • the refractive indexes of InGaAs and SiN having an In composition ratio of 0.119 are empirically 3.542393 and 2.00, respectively.
  • FIG. 9 shows the refractive index distribution of the ridge region in the y direction
  • FIG. 10 shows the refractive index distribution of the clad region outside the ridge region in the y direction.
  • v 1 of the formula (3) is 0.2922273 at a wavelength of 975 nm.
  • v 2 is next 0.149202 of formula (3), v 1> v 2 is satisfied, disclosed in Patent Document 1 The above equation (1) is satisfied.
  • the semiconductor laser device shown in FIG. 8 can be regarded as a three-phase slab waveguide having a width W in the x direction if the effective refractive indexes of regions I and regions II and IIa are known.
  • v is obtained from Eq. (2), and the number of modes allowed in the x direction can be determined by how many times the value is ⁇ / 2.
  • the effective refractive index can be obtained, for example, by the equivalent refractive index method described in Non-Patent Document 3.
  • the effective refractive indexes of regions I and regions II and IIa are determined to be 3.41738 and 3.41600, respectively.
  • the ridge width W is 100 ⁇ m
  • the v value is 31.289979
  • 20 modes from the 0th order (basic mode) to the 19th order are allowed.
  • the broad area type semiconductor laser device having a conventional ridge shape satisfying v 1 > v 2 corresponding to the conditions disclosed in Patent Document 1 has a large number of modes allowed in the horizontal direction. Therefore, it has been clarified that there is a problem that the spreading angle in the horizontal direction becomes wide and the coupling efficiency with the optical component is low.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a laminated configuration of a semiconductor laser device according to the first embodiment, that is, a broad area type semiconductor laser device having a ridge shape.
  • the position of the active layer in the guide layer is displaced from the center of the guide layer to the p-clad layer side to reduce the number of carriers staying in the guide layer during operation and improve the slope efficiency. It is a semiconductor laser device that raises the price.
  • each layer has an n-type electrode 1, an n-type GaAs substrate (also simply referred to as a semiconductor substrate) 2, and an n-type AlGaAs clad layer (simply n-type clad) having an Al composition ratio of 0.20 and a layer thickness of 1.5 ⁇ m.
  • An n-side AlGaAs low refractive index layer (n-side low refractive index layer, or first conductive layer ) having a refractive index of n c1 ) 3 and an Al composition ratio of 0.25 and a layer thickness of d 1 also referred to as a layer or a first conductive clad layer.
  • Type Low refractive index layer 4 also called n-side AlGaAs second optical guide layer (n-side second optical guide layer or first conductive type) having a refractive index of n 1) 4, an Al composition ratio of 0.16 and a layer thickness of 1100 nm.
  • Side second optical guide layer 5, n-side AlGaAs first optical guide layer (n-side first optical guide layer, or first conductive type side first optical guide layer) with an Al composition ratio of 0.14 and a layer thickness of 100 nm. 6.
  • the second conductive type side first optical guide layer) 8 the p-side AlGaAs second optical guide layer (p-side second optical guide layer or the second conductive type side second) having an Al composition ratio of 0.16 and a layer thickness of 300 nm.
  • Optical guide layer 9
  • Al composition ratio 0.55 layer thickness d 2
  • p-type AlGaAs low refractive index layer also called p-type low refractive index layer or second conductive type low refractive index layer, refractive index n 2
  • p-type AlGaAs clad layer also called p-type clad layer or second conductive clad layer, refractive index n c2
  • It is composed of a SiN film 13 having a thickness of 0.2 ⁇ m and a p-type electrode 14.
  • the n-side second optical guide layer 5 and the n-side first optical guide layer 6 are collectively referred to as an n-side optical guide layer 56 or a first conductive type side optical guide layer 56, and are referred to as a p-side first optical guide layer 8.
  • the p-side second light guide layer 9 is also referred to as a p-side light guide layer 89 or a second conductive type side light guide layer 89. Since these light guide layers are usually undoped layers, a "side" is added to distinguish which side of the active layer 7 is on.
  • the In composition ratio of the InGaAs quantum well active layer 7 is 0.119 and the layer thickness is 8 nm because the oscillation wavelength is approximately 975 nm.
  • Region I is a ridge region having a width of W, and regions II and IIa are clad regions outside the ridge region.
  • the conductive type of the semiconductor substrate 2 may be referred to as a first conductive type, and the conductive type opposite to the conductive type of the semiconductor substrate 2 may be referred to as a second conductive type. That is, if the first conductive type is n type, the second conductive type is p type, and if the first conductive type is p type, the second conductive type is n type.
  • the first conductive type is n-type and the second conductive type is p-type
  • the first conductive type is p-type and the second conductive type is n-type. It may be a configuration.
  • the first conductive type will be described as n-type
  • the parameters related to the first conductive type will be described as subscript 1
  • the second conductive type will be described as p-type
  • the parameters related to the second conductive type will be subscripted 2.
  • the optical guide layer is usually an undoped layer, which side of the active layer 7 is the optical guide layer is distinguished by adding a "side".
  • each layer of the semiconductor laser device shown in FIG. 1 is the same as the configuration shown in FIG. 8, but as described below, v 2 > v 1, that is, The layer thickness and refractive index of the first conductive type low refractive index layer 4 and the second conductive type low refractive index layer 10 and the refractive index of the first conductive type clad layer 3 and the second conductive type clad layer 11 are set so as to be. Set.
  • the refractive index of the first conductive type side light guide layer 56 and the active layer 7 is higher than that of the second conductive type side light guide layer 89, and the refractive index of each low refractive index layer is higher than the refractive index of the clad layer in contact with each other. Low. Therefore, the refractive indexes of the first conductive type side light guide layer 56 and the active layer 7 are replaced by the refractive indexes of the second conductive type side light guide layer 89, and the refractive index of the low refractive index layer is replaced by the refractive index of the clad layer.
  • the v in the case is smaller than the structure of the present application shown in FIG.
  • the structure of the present application shown in FIG. 1 inevitably also allows a higher-order mode of the first order or higher.
  • the v of the replaced structure is 2.39564, and it can be seen that the structure allows the 0th order (basic mode) and the 1st order.
  • the average refractive index of the optical guide layer may be calculated as follows to obtain the allowable number of modes.
  • the refractive index and layer thickness of the n-side first optical guide layer 6 are ng11 and dg11
  • the refractive index and layer thickness of the n-side second optical guide layer 5 are ng12 and dg12
  • the p-side first optical guide layer 8 If the refractive index and thickness of the refractive index and layer thickness of the n g21 and d g21, p-side second optical guide layer 9 and n g22 and d g22, average refractive index n gm of the light guide layer (5) It becomes.
  • the number of allowable modes is calculated by inputting n gm in n a of the formula (2), the refractive index of the clad layer in n b , and d g11 + d g12 + d g21 + d g22 in t to calculate v.
  • the number of guide layers is larger, it can be obtained in the same manner. Since the active layer 7 is thin, it is omitted, but it can be incorporated into the average refractive index in the same manner.
  • the light confinement rate in the basic (0th-order) mode is the largest, that is, the gain in the basic (0th-order) mode is the largest, so that the y-direction is generally basic. (0th order) mode oscillation is performed.
  • the number of modes in the x direction will be considered.
  • it is a condition that a higher-order mode of the first order or higher is permitted even in the x direction. That is, when the effective refractive index of the region I, which is the ridge region of the width w shown in FIG. 1, is n r , and the effective refractive index of the clad regions II and IIa outside the ridge region is n b . It is a condition that satisfies. A structure that satisfies this condition may be referred to as a broad area structure.
  • v 1 is 0.2922273 at a wavelength of 975 nm.
  • v 2 becomes 0.522208, and v 2 > v 1 is established.
  • the effective refractive indexes of regions I and regions II and IIa are determined to be 3.41665 and 3.41637, respectively, and when the ridge width W satisfying the above formula (6) is 100 ⁇ m, v is 14.09388. As a result, only nine modes from 0th order (basic mode) to 8th order are allowed, and 9th or higher order modes are not allowed.
  • the number of modes allowed in the x direction can be halved or less than 9 modes as modes in the x direction. That is, by setting the layer thicknesses of d 2 and d 1 so that v 2 > v 1 , the number of modes allowed in the x direction is more than setting the layer thickness of each layer to be v 2 ⁇ v 1. Can be reduced and the horizontal spread angle can be narrowed.
  • the layer thickness of the first conductive type side light guide layer 56 is made thicker than the layer thickness of the second conductive type side light guide layer 89, and the position of the active layer is increased. Is displaced from the center of the optical guide layer to the side of the second conductive clad layer. With this configuration, it is possible to reduce the light absorption by the carrier that stays in the optical guide layer during operation and improve the slope efficiency.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing a laminated configuration of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • the second embodiment is an embodiment having a symmetrical configuration in which the active layer position is arranged in the center of the optical guide layer.
  • the first conductive type side light guide layer 56 is an n-side AlGaAs second optical guide layer 5a having an Al composition ratio of 0.16 and a layer thickness of 700 nm, and an n-side AlGaAs having an Al composition ratio of 0.14 and a layer thickness of 200 nm.
  • the second optical guide layer 89 is composed of a first optical guide layer 6a, and the second conductive type side optical guide layer 89 has an Al composition ratio of 0.14 and a p-side AlGaAs first optical guide layer 8a having a layer thickness of 200 nm and an Al composition ratio of 0.16. It is composed of a p-side AlGaAs second optical guide layer 9a having a layer thickness of 700 nm.
  • the other layers are the same as in FIG.
  • the parameters of each layer are set so that v 2 > v 1 holds.
  • v 2 > v 1 holds.
  • d 2 140 nm
  • v 2 0.522208
  • v 2 > v 1 holds.
  • the effective refractive indexes of the regions I, II, and IIa at this time are determined to be 3.41840 and 3.41828, respectively, and when the ridge width W is 100 ⁇ m, v is 9.229082.
  • v 2 > v 1 the number of modes allowed in the horizontal direction can be reduced as compared with the case of v 2 ⁇ v 1, and the spread angle in the horizontal direction can be narrowed.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view showing a laminated configuration of the semiconductor laser device according to the third embodiment.
  • the third embodiment is an embodiment in which the p-type clad layer 11 in FIG. 2 of the second embodiment is formed into a p-type AlGaAs clad layer 11a having an Al composition ratio of 0.25 and a layer thickness of 1.5 ⁇ m.
  • the refractive index n c1 of the n-type clad layer (first conductive clad layer) 3 can be made higher than the refractive index n c2 of the p-type clad layer (second conductive clad layer) 11a.
  • the other layers are the same as in FIG. 2 of the second embodiment.
  • v 1 is 0.2922273
  • v 2 is 0. .137275
  • v 2 ⁇ v 1 which is the condition disclosed in Patent Document 1 is satisfied.
  • the effective refractive indexes of the regions I, II, and IIa at this time are determined to be 3.41858 and 3.41810, respectively, and if the ridge width W is 100 ⁇ m, v is 18.45516. As a result, 12 modes from 0th order (basic mode) to 11th order are allowed.
  • the parameters of each layer are set so that v 2 > v 1 holds.
  • the effective refractive indexes of the regions I, II, and IIa at this time are determined to be 3.41837 and 3.41828, respectively, and when the ridge width W is 100 ⁇ m, v is 7.992602.
  • v 2 > v 1 the number of modes allowed in the horizontal direction can be reduced as compared with the case of v 2 ⁇ v 1, and the spread angle in the horizontal direction can be narrowed.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing a laminated configuration of the semiconductor laser device according to the fourth embodiment.
  • the fourth embodiment is an embodiment in which the p-type clad layer 11 in FIG. 1 of the first embodiment is formed into a p-type AlGaAs clad layer 11a having an Al composition ratio of 0.25 and a layer thickness of 1.5 ⁇ m.
  • the other layers are the same as in the first embodiment.
  • the refractive index n c1 of the first conductive clad layer 3 is higher than the refractive index n c2 of the second conductive clad layer 11a, and the asymmetric structure is formed so that the second conductive clad layer is formed.
  • the light absorption by the carrier at 11a can be reduced. Further, the layer thickness of the first conductive type side light guide layer 56 is made thicker than the layer thickness of the second conductive type side light guide layer 89, and the position of the active layer is moved from the center of the optical guide layer to the side of the second conductive clad layer. By displacing the light, it is possible to reduce the light absorption by the carriers staying in the optical guide layer during operation and improve the slope efficiency.
  • v 1 is 0.2922273
  • v 2 is 0. .137275
  • v 2 ⁇ v 1 which is the condition disclosed in Patent Document 1 is satisfied.
  • the effective refractive indexes of regions I and regions II and IIa at this time are determined to be 3.41704 and 3.41600, respectively, and if the ridge width W is 100 ⁇ m, v is 27.16245. As a result, 18 modes from 0th order (basic mode) to 17th order are allowed.
  • the parameters of each layer are set so that v 2 > v 1 holds.
  • v 2 > v 1 holds.
  • the effective refractive indexes of the regions I, II, and IIa at this time are determined to be 3.41659 and 3.41637, respectively, and when the ridge width W is 100 ⁇ m, v is 12.49284.
  • v 2 > v 1 only eight modes from 0th order (basic mode) to 7th order are allowed.
  • v 2 > v 1 the number of modes allowed in the horizontal direction can be reduced as compared with the case of v 2 ⁇ v 1, and the spread angle in the horizontal direction can be narrowed.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view showing a laminated configuration of the semiconductor laser device according to the fifth embodiment.
  • the fifth embodiment is an example in which the second conductive type low refractive index layer 10 and the first conductive type low refractive index layer 4 are arranged in the second conductive type clad layer 11 and the first conductive type clad layer 3, respectively. be.
  • the n-type AlGaAs first clad layer 3 having an Al composition ratio of 0.20 is composed of an n-type AlGaAs second clad layer 3b having a layer thickness of 1.4 ⁇ m and an n-type AlGaAs first clad layer 3a having a layer thickness of 0.1 ⁇ m.
  • the n-type low refractive index layer 4 is arranged between the n-type AlGaAs second clad layer 3b and the n-type AlGaAs first clad layer 3a.
  • the p-type AlGaAs clad layer 11 having an Al composition ratio of 0.20 is composed of a p-type AlGaAs first clad layer 11b having a layer thickness of 0.1 ⁇ m and a p-type AlGaAs second clad layer 11c having a layer thickness of 1.4 ⁇ m.
  • the second conductive type low refractive index layer 10 is arranged between the p-type AlGaAs first clad layer 11b and the p-type AlGaAs second clad layer 11c. Others are the same as in the second embodiment.
  • v 1 is 0.2922273
  • v 2 is 0. .149202
  • v 2 ⁇ v 1 which is the condition disclosed in Patent Document 1 is satisfied.
  • the effective refractive indexes of regions I and regions II and IIa at this time are determined to be 3.41906 and 3.41867, respectively, and when the ridge width W is 100 ⁇ m, v is 16.633924. As a result, 11 modes from 0th order (basic mode) to 10th order are allowed.
  • the parameters of each layer are set so that v 2 > v 1 holds.
  • v 2 > v 1 holds.
  • d 2 140 nm
  • v 2 0.522208
  • v 2 > v 1 holds.
  • the effective refractive indexes of the regions I, II, and IIa at this time are determined to be 3.41886 and 3.41878, respectively, and when the ridge width W is 100 ⁇ m, v is 7.536043.
  • v 2 > v 1 the number of modes allowed in the horizontal direction can be reduced as compared with the case of v 2 ⁇ v 1, and the spread angle in the horizontal direction can be narrowed.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view showing a laminated configuration of the semiconductor laser device according to the sixth embodiment.
  • the p-type AlGaAs low refractive index layer 10 outside the ridge region I is removed, and the etching is stopped by the p-type AlGaAs first clad layer 11b. .. That is, the p-type low refractive index layer (second conductive type low refractive index layer) 10 is formed only in the ridge region I.
  • Others are the same as in FIG. 5 of the fifth embodiment.
  • v 1 is 0.2922273
  • v 2 is 0. .149202
  • v 2 ⁇ v 1 which is the condition disclosed in Patent Document 1 is satisfied.
  • the effective refractive indexes of regions I and regions II and IIa at this time are determined to be 3.41906 and 3.41857, respectively, and when the ridge width W is 100 ⁇ m, v is 18.65074. As a result, 12 modes from 0th order (basic mode) to 11th order are allowed.
  • the parameters of each layer are set so that v 2 > v 1 holds.
  • v 2 > v 1 holds.
  • d 2 140 nm
  • v 2 0.522208
  • v 2 > v 1 holds.
  • the effective refractive indexes of the regions I, II, and IIa at this time are determined to be 3.41886 and 3.41857, respectively, and when the ridge width W is 100 ⁇ m, v is 14.34798.
  • v 2 > v 1 the number of modes allowed in the horizontal direction can be reduced as compared with the case of v 2 ⁇ v 1, and the spread angle in the horizontal direction can be narrowed.
  • the layer thickness of the p-type low refractive index layer that is, the second conductive type low refractive index layer is changed so that v 2 > v 1 holds, but not only the layer thickness but also
  • v 2 > v 1 By changing the refractive index, or by changing both the layer thickness and the refractive index, v 2 > v 1 can be established, and the effects described in each embodiment can be achieved. That is, the layer thickness and refractive index of the n-type low refractive index layer and the p-type low refractive index layer, that is, the first conductive type low refractive index layer and the second conductive type low refractive index layer so as to satisfy the equation (4). , And the refractive indexes of the first conductive clad layer and the second conductive clad layer may be set.
  • a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 975 nm has been described as an example, but it goes without saying that the wavelength is not limited to that wavelength.
  • the same effect can be obtained with a GaN system in the 400 nm band, a GaInP system in the 600 nm band, and an InGaAsP system in the 1550 nm band.

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Abstract

第１導電型の半導体基板（２）上に、屈折率がｎｃ１の第１導電型クラッド層（３）、第１導電型側光ガイド層（５６）、活性層（７）、第２導電型側光ガイド層（８９）、屈折率がｎｃ２の第２導電型クラッド層（１１）が順に積層され、発振波長がλであり、第１導電型側光ガイド層（５６）と第１導電型クラッド層（３）の間又は第１導電型クラッド層（３）内に、厚さがｄ１で屈折率がｎｃ１よりも低いｎ１の第１導電型低屈折率層（４）を有するとともに、第２導電型側光ガイド層（８９）と第２導電型クラッド層（１１）の間又は第２導電型クラッド層（１１）内に、厚さがｄ２で屈折率がｎｃ２よりも低いｎ２の第２導電型低屈折率層（１０）を有し、正規化周波数ｖ２＞正規化周波数ｖ１を満たす。

Description

半導体レーザ装置
　本願は、半導体レーザ装置に関する。
　半導体レーザ装置、特に高出力の半導体レーザ装置では、排熱を少なくして冷却器を単純化できるよう、発振効率をできるだけ高くすることが求められる。例えば、特許文献１には、スロープ効率を高くし、高出力時に高い電力変換効率となる半導体レーザ装置が開示されている。特許文献１の図２７に、結晶の積層方向に１次以上の高次モードが許容される程の厚い光ガイド層を有し、活性層は光ガイド層の中央よりもｐ型クラッド層側に配置されていて、屈折率ｎｃのｎ型クラッド層とｎ側光ガイド層の間には前記ｎ型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率ｎ１１で層厚ｄ１１のｎ型低屈折率層を有し、屈折率ｎｃのｐ型クラッド層とｐ側光ガイド層の間には前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも低い屈折率ｎ１２で層厚ｄ１２のｐ型低屈折率層を有し、かつ下記の式（１）を満たすリッジ型半導体レーザ装置が示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
特開２０１７－８４８４５号公報
川上著、 "光導波路" pp. 21、1982年9月20日(朝倉書店) 伊賀編著、 "半導体レーザ" pp. 35-38、平成6年10月25日(オーム社) G. B. Hocker and W. K. Burns、 "Mode dispersion in diffused channel waveguides by the effective index method、 " Appl. Opt.、 Vol. 16、 No. 1、 pp. 113-118、1977
　特許文献１に記載されている半導体レーザ装置の構造を、結晶の積層方向及び共振器長方向に垂直な方向（水平方向）に、１次以上の高次モードが許容されるリッジ形状を有するブロードエリア型半導体レーザ装置に適用することを検討したが、水平方向のビーム広がり角が広くなり、輝度が低下し、光学部品との結合効率が低いという問題あることがわかった。
　本願は、上記の問題点を解決するための技術を開示するものであり、水平方向の広がり角を狭くして、光学部品との結合効率を高めたリッジ形状を有するブロードエリア型半導体レーザ装置を得ることを目的とする。
　本願に開示される半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板上に、屈折率がｎｃ１である第１導電型クラッド層、第１導電型側光ガイド層、活性層、第２導電型側光ガイド層、屈折率がｎｃ２である第２導電型クラッド層が順に積層されるとともに、レーザ光を往復させる共振器が構成されており、前記共振器の光軸方向と垂直な断面内の前記積層の方向において、１次以上の高次モードが許容される構造であり、前記共振器の光軸方向及び前記積層の方向に垂直な方向において、リッジ領域およびリッジ領域の両側にクラッド領域を有するリッジ形状であり、１次以上の高次モードが許容されるブロードエリア構造であって、前記第１導電型側光ガイド層と前記第１導電型クラッド層の間又は前記第１導電型クラッド層内に、厚さがｄ１で屈折率が前記ｎｃ１よりも低いｎ１の第１導電型低屈折率層を有するとともに、前記第２導電型側光ガイド層と前記第２導電型クラッド層の間又は前記第２導電型クラッド層内に、厚さがｄ２で屈折率が前記ｎｃ２よりも低いｎ２の第２導電型低屈折率層を有し、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 を満たすものである。
　本願に開示される半導体レーザ装置によれば、水平方向に許容されるモード数が減少し、水平方向の広がり角を狭くでき、光学部品との結合効率が高い半導体レーザ装置が得られる。
実施の形態１による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。 実施の形態２による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。 実施の形態３による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。 実施の形態４による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。 実施の形態５による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。 実施の形態６による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。 模式的な光導波路の屈折率分布を示す図である。。 比較例の半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。 図８の構成のリッジ領域における積層方向の屈折率分布を説明するための図である。 図８の構成のリッジ領域の外側領域における積層方向の屈折率分布を説明するための図である。
　特許文献１の構造をブロードエリア型半導体レーザ装置に適用した場合に水平方向のビーム広がり角が広くなる現象を詳細に考察したところ、水平方向の多モード発振が原因であることが分かった。以下、図をもって説明する。図７は、正規化周波数ｖを説明するために用いる、模式的な光導波路の屈折率分布を示す図である。図７において、コア領域１０１は、屈折率がｎaで幅がt、クラッド領域１０２及びクラッド領域１０２ａは屈折率がｎbであり、ｎa＞ｎbが成立している。正規化周波数ｖは、発振波長λを用いて、式（２）で定義される（非特許文献1参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（２）と式（１）を比較すると、式（１）は正規化周波数ｖに準拠したものであることがわかる。したがって、屈折率ｎｃのクラッド層とガイド層の間に、屈折率ｎｉで層厚ｄｉの低屈折率層を挿入した時の、式（１）に示す大小関係は、式（１）に替えて式（３）のｖｉで表すことにする。すなわち、式（３）の定義を用いれば、特許文献１で開示されている条件である式（１）は、ｖ1＞ｖ2であることを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図８は、本願の比較例として、特許文献１記載の技術を、発振波長９７５ｎｍのリッジ形状を有するブロードエリア型半導体レーザ装置に適用した例の積層構成を示す模式的な斜視図である。図８における各層は、図８の下から、n型電極１０３、ｎ型ＧａＡｓ基板１０４、Ａｌ組成比０．２０で層厚１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５、Ａｌ組成比０．２５で層厚ｄ１のｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１０６（ｎ型低屈折率層ともいう、屈折率はｎ１）、Ａｌ組成比０．１６で層厚１１００ｎｍのｎ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層１０７、Ａｌ組成比０．１４で層厚１００ｎｍのｎ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層１０８ （１０７と１０８を合わせてｎ側光ガイド層とも言う)、Ｉｎ組成比０．１１９で層厚８ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層１０９、Ａｌ組成比０．１４で層厚３００ｎｍのｐ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層１１０、Ａｌ組成比０．１６で層厚３００ｎｍのｐ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層１１１（１１０と１１１を合わせてｐ側光ガイド層とも言う)、Ａｌ組成比０．５５で層厚ｄ２のｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１１２ （ｐ型低屈折率層ともいう、屈折率はｎ２）、Ａｌ組成比０．２０で層厚１．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１３、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１４、膜厚０．２μｍのＳｉＮ膜１１５、ｐ型電極１１６で構成されている。ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層のＩｎ組成比を０．１１９、層厚を８ｎｍとしているのは、発振波長をほぼ９７５ｎｍとするためである。領域Ｉは幅がＷのリッジ領域、領域ＩＩ及びＩＩａはリッジ領域の外側のクラッド領域である。
　なお、両端部にレーザ光を往復させる共振器を構成する面が、例えば劈開などにより設けられる。図８に示すように、このレーザ光が往復する方向、すなわちレーザ光の光軸方向をｚ方向とし各層の積層方向をｙ方向とし、ｚ方向およびｙ方向に垂直な方向、すなわちリッジの幅方向をｘ方向とする。本願における他の図においてもｘ、ｙ、ｚの各方向は同様である。
　非特許文献２に説明されている屈折率計算を用いれば、例えば波長９７５ｎｍにおけるＡｌ組成比０．１４、０．１６、０．２０、０．２５及び０．５５のＡｌＧａＡｓ層の屈折率は、それぞれ３．４３２１７３、３．４１９５７８、３．３９４７６２、３.３６４３３０及び３．１９１２８５となる。また、Ｉｎ組成比０．１１９のＩｎＧａＡｓ及びＳｉＮの屈折率は、経験上それぞれ３．５４２３９３及び２．００である。図９はリッジ領域のｙ方向の屈折率分布を、図１０はリッジ領域の外側のクラッド領域のｙ方向の屈折率分布を示している。
　ｎ型低屈折率層の層厚ｄｎが２００ｎｍの場合、波長９７５ｎｍで式（３）のｖ1は０．２９２２７３となる。このとき、ｐ型低屈折率層の層厚ｄｐが４０ｎｍの場合、式（３）のｖ2は０．１４９２０２となり、ｖ1＞ｖ2が成立し、特許文献１で開示されている条件である上記式（１）を満足する。
　図８に記載する半導体レーザ装置は、領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率が分かれば、幅Ｗを有するｘ方向の３相スラブ導波路とみなすことが出来る。この場合、式（２）からｖを求め、その値がπ/２の何倍になるかで、ｘ方向に許容されるモード数が分かる。実効屈折率は、例えば非特許文献３記載の等価屈折率法によって求めることができる。図８の半導体レーザ装置の場合、領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１７３８及び３．４１６００と求まる。仮に、リッジ幅Ｗを１００μｍとすると、ｖ値は３１．２８９７９となり、０次（基本モード）から１９次までの２０個のモードが許容されることになる。次数の大きいモードほど広がり角が広いので、許容されるモード数が多くなると広がり角も広くなる。
　以上説明したように、特許文献１で開示されている条件に相当するｖ１＞ｖ２を満足する従来のリッジ形状を有するブロードエリア型半導体レーザ装置は、水平方向に許容されるモード数が多いため水平方向の広がり角が広くなってしまい、光学部品との結合効率が低いという問題があることが解明された。
　以上の検討結果に基づいて、水平方向に許容されるモード数が少ない構成を考察した結果を、各実施の形態として説明する。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１による半導体レーザ装置、すなわちリッジ形状を有するブロードエリア型半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。本実施の形態による半導体レーザ装置は、ガイド層内の活性層位置をガイド層中央からpクラッド層側へ変位させることで、動作中にガイド層内に滞留するキャリア数を少なくし、スロープ効率を高くする半導体レーザ装置である。
　図１において、各層は下から、ｎ型電極１、ｎ型ＧａＡｓ基板（単に半導体基板ともいう）２、Ａｌ組成比０．２０で層厚１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（単にｎ型クラッド層、あるいは第１導電型クラッド層ともいう、屈折率ｎｃ１）３、Ａｌ組成比０．２５で層厚ｄ１のｎ側ＡｌＧａＡｓ低屈折率層（ｎ側低屈折率層、あるいは第１導電型低屈折率層４ともいう、屈折率はｎ１）４、Ａｌ組成比０．１６で層厚１１００ｎｍのｎ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層（ｎ側第２光ガイド層、あるいは第１導電型側第２光ガイド層ともいう）５、Ａｌ組成比０．１４で層厚１００ｎｍのｎ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層（ｎ側第１光ガイド層、あるいは第１導電型側第１光ガイド層ともいう）６、Ｉｎ組成比０．１１９で層厚８ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７、Ａｌ組成比０．１４で層厚３００ｎｍのｐ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層（ｐ側第１光ガイド層あるいは第２導電型側第１光ガイド層ともいう）８、Ａｌ組成比０．１６で層厚３００ｎｍのｐ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層（ｐ側第２光ガイド層あるいは第２導電型側第２光ガイド層ともいう）９、Ａｌ組成比０．５５で層厚ｄ２のｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層（ｐ型低屈折率層あるいは第２導電型低屈折率層ともいう、屈折率はｎ２）１０、Ａｌ組成比０．２０で層厚１．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（ｐ型クラッド層あるいは第２導電型クラッド層ともいう、屈折率ｎｃ２）１１、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２、膜厚０．２μｍのＳｉＮ膜１３、ｐ型電極１４で構成されている。なお、ｎ側第２光ガイド層５とｎ側第１光ガイド層６を合わせてｎ側光ガイド層５６あるいは第１導電型側光ガイド層５６ともいい、ｐ側第１光ガイド層８とｐ側第２光ガイド層９を合わせてｐ側光ガイド層８９あるいは第２導電型側光ガイド層８９ともいう。これらの光ガイド層は通常ドーピングされていない層であるため、活性層７のどちら側にある層であるかを「側」を付して区別している。ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層７のＩｎ組成比を０．１１９、層厚を８ｎｍとしているのは発振波長をほぼ９７５ｎｍとするためである。領域Ｉは幅がＷのリッジ領域、領域ＩＩ及びＩＩａはリッジ領域の外側のクラッド領域である。
　本願の説明では、ｎ型の半導体基板２を用いてｐ型のコンタクト層側にリッジ構造を形成した構造により説明するが、逆にｐ型の半導体基板２を用いてｎ型のコンタクト層側にリッジを形成しても同様な効果が得られる。半導体基板２の導電型を第１導電型と称し、半導体基板２の導電型と逆の導電型を第２導電型と称することもある。すなわち、第１導電型がｎ型であれば、第２導電型はｐ型であり、第１導電型がｐ型であれば、第２導電型はｎ型である。各実施の形態では、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型とした構成を例に説明するが、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型とした構成であってもよい。本願では、第１導電型をｎ型として説明し、第１導電型に関するパラメータに添え字１を、第２導電型をｐ型として説明し、第２導電型に関するパラメータに添え字２を付すこととする。上述のように、光ガイド層は通常ドーピングされていない層であるため、活性層７のどちら側にある光ガイド層であるかを「側」を付して区別する。
　図１に示す半導体レーザ装置の各層の主要な構成は、図８に示す構成と同様であるが、以下に説明するように、ｖ２＞ｖ１すなわち、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 となるように、第１導電型低屈折率層４および第２導電型低屈折率層１０の層厚、屈折率、第１導電型クラッド層３および第２導電型クラッド層１１の屈折率を設定する。
　先ず、y方向のモード数を考察する。第１導電型側光ガイド層５６及び活性層７の屈折率は第２導電型側光ガイド層８９よりも高く、また各低屈折率層の屈折率はそれぞれに接するクラッド層の屈折率よりも低い。したがって、第１導電型側光ガイド層５６及び活性層７の屈折率を第２導電型側光ガイド層８９の屈折率で置き換えると共に低屈折率層の屈折率をクラッド層の屈折率で置き換えた場合のｖは、図１に示す本願構造よりも小さくなる。よって、置換した構造のｖが１次以上の高次モードを許容するのであれば、必然的に図１に示す本願構造も１次以上の高次モードを許容することになる。図７及び式（２）から、置換した構造のｖは２．３９５６４となり、０次（基本モード）と１次が許容される構造であることが分かる。
　より正確には、以下のようにして光ガイド層の平均屈折率を算出して許容されるモード数を求めれば良い。ｎ側第１光ガイド層６の屈折率及び層厚がｎｇ１１およびｄｇ１１、ｎ側第２光ガイド層５の屈折率及び層厚がｎｇ１２およびｄｇ１２、p側第1光ガイド層８の屈折率及び層厚がｎｇ２１およびｄｇ２１、ｐ側第２光ガイド層９の屈折率及び層厚がｎｇ２２およびｄｇ２２とすると、光ガイド層の平均屈折率ｎｇｍは式（５）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　式（２）のｎａに前記ｎｇｍ、ｎｂにクラッド層の屈折率、tにｄｇ１１＋ｄｇ１２＋ｄｇ２１＋ｄｇ２２を入れてｖを計算して、許容されるモード数を求める。ガイド層数が更に多い場合も同様にして求めることが可能である。尚、活性層７は薄いので省略したが、同様にして平均屈折率に盛り込むことができる。ｙ方向については、高次モードが許容される場合でも、基本（０次）モードの光閉じ込め率が最も大きい、つまり基本（０次）モードの利得が最も大きいので、一般的にｙ方向は基本（０次）モード発振となる。
　次に、ｘ方向のモード数について考察する。本願で開示する半導体レーザ装置においては、ｘ方向においても1次以上の高次モードが許される条件となっている。すなわち、図１に示す幅ｗのリッジ領域である領域Ｉの実効屈折率をｎｒ、リッジ領域の外側のクラッド領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率をｎｂとしたとき、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 を満足する条件となっている。この条件を満足する構造をブロードエリア構造と称することもある。
　さて、第１導電型低屈折率層４の層厚ｄ１が２００ｎｍの場合、波長９７５ｎｍでｖ１は０．２９２２７３となる。このとき、第２導電型低屈折率層１０の層厚ｄ２が１４０ｎｍの場合、ｖ２は０．５２２２０８となり、ｖ２＞ｖ１が成立する。領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１６６５及び３．４１６３７と求まり、上記式（６）を満足するリッジ幅Wが１００μｍの場合には、ｖは１４．０９３８８となる。その結果、０次（基本モード）から８次までの９個のモードのみが許容され、９次以上のモードは許容されない。
　以上説明したように、特許文献１に開示された条件であるｖ２＜ｖ１を満足するｄ２＝４０ｎｍの場合は、ｘ方向のモードとして２０個のモードが許容されたのに対し、本願で開示する条件であるｖ２＞ｖ１を満足するｄ２＝１４０ｎｍの場合は、ｘ方向のモードとして９個のモードと、ｘ方向に許容されるモード数を半減以下にできる。すなわち、ｄ２およびｄ１の層厚をｖ２＞ｖ１となるよう設定することで、各層の層厚をｖ２＜ｖ１となるよう設定するよりも、ｘ方向に許容されるモード数が少なくなり、水平方向の広がり角を狭くすることができる。
　なお、本実施の形態１では、特許文献１の構成と同様、第１導電型側光ガイド層５６の層厚を第２導電型側光ガイド層８９の層厚よりも厚くし、活性層位置を光ガイド層中央から第２導電型クラッド層側へ変位させている。この構成により、動作中に光ガイド層内に滞留するキャリアによる光吸収も減らしてスロープ効率を高めることができる。
実施の形態２．
　図２は、実施の形態２による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。本実施の形態２は、活性層位置を光ガイド層中央に配置した対称形の構成による実施の形態である。図２において、第１導電型側光ガイド層５６が、Ａｌ組成比０．１６で層厚７００ｎｍのｎ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層５ａとＡｌ組成比０．１４で層厚２００ｎｍのｎ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層６ａで構成されており、第２導電型側光ガイド層８９が、Ａｌ組成比０．１４で層厚２００ｎｍのｐ側ＡｌＧａＡｓ第１光ガイド層８ａとＡｌ組成比０．１６で層厚７００ｎｍのｐ側ＡｌＧａＡｓ第２光ガイド層９ａとで構成されている。その他の層は図１と同じである。
　以上の構成において、第１導電型低屈折率層４の層厚ｄ１が２００ｎｍの場合、ｖ１は０．２９２２７３となり、第２導電型低屈折率層１０の層厚ｄ２が４０ｎｍとすると、ｖ２は０．１４９２０２となって、特許文献１に開示されている条件であるｖ２＜ｖ１が成り立つ。この時の領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１８７３及び３．４１８１０と求まり、リッジ幅Wが１００μｍの場合には、ｖは２１．１４６７２となる。その結果、０次（基本モード）から１３次までの１４個のモードが許容される。
　一方、本実施の形態２においてはｖ２＞ｖ１が成り立つように各層のパラメータを設定する。ｖ２＞ｖ１が成り立つ一例として、ｄ２＝１４０ｎｍの場合を考察する。ｄ２＝１４０ｎｍの場合、ｖ２が０．５２２２０８なのでｖ２＞ｖ１が成り立つ。この時の領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１８４０及び３．４１８２８と求まり、リッジ幅Ｗが１００μｍの場合には、ｖは９．２２９０８２となる。その結果、０次（基本モード）から５次までの６個のモードのみが許容される。ｖ２＞ｖ１とすることで、ｖ２＜ｖ１の場合に比較して水平方向に許容されるモード数を少なくでき、水平方向の広がり角を狭くすることが可能となる。
実施の形態３．
　図３は、実施の形態３による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。本実施の形態３は、実施の形態２の図２におけるｐ型クラッド層１１をＡｌ組成比０．２５で層厚１.５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１ａとした実施の形態である。この構成により、ｎ型クラッド層（第１導電型クラッド層）３の屈折率ｎｃ１を、ｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層）１１ａの屈折率ｎｃ２よりも高くすることができる。その他の層は、実施の形態２の図２と同じである。第１導電型クラッド層３の屈折率ｎｃ１を第２導電型クラッド層１１ａの屈折率ｎｃ２よりも高くした非対称構造とすることで、第２導電型クラッド層１１ａでのキャリアによる光吸収を減らしてスロープ効率を高めることができる。
　第１導電型低屈折率層４の層厚ｄ１が２００ｎｍの場合、ｖ１は０．２９２２７３となり、第２導電型低屈折率層１０の層厚ｄ２が４０ｎｍの場合、ｖ２は０．１３７２７５となって、特許文献１に開示されている条件であるｖ２＜ｖ１が成り立つ。この時の領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１８５８及び３．４１８１０と求まり、仮にリッジ幅Ｗを１００μｍとすると、 ｖは１８．４５８１６となる。その結果、０次（基本モード）から１１次までの１２個のモードが許容される。
　一方、本実施の形態３においてはｖ２＞ｖ１が成り立つように各層のパラメータを設定する。ｖ２＞ｖ１が成り立つ一例として、ｄ２＝１４０ｎｍの場合を考察する。ｄ２＝１４０ｎｍのとき、ｖ２が０．４８０４６３なので、ｖ２＞ｖ１が成り立つ。この時の領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１８３７及び３．４１８２８と求まり、リッジ幅Wが１００μｍの場合には、ｖは７．９９２６０２となる。その結果、０次（基本モード）から５次までの６個のモードのみが許容される。ｖ２＞ｖ１とすることで、ｖ２＜ｖ１の場合に比較して水平方向に許容されるモード数を少なくでき、水平方向の広がり角を狭くすることが可能となる。
実施の形態４．
　図４は、実施の形態４による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。本実施の形態４は、実施の形態１の図１におけるｐ型クラッド層１１をＡｌ組成比０．２５で層厚１.５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１ａとした実施の形態である。その他の層は、実施の形態１と同じである。実施の形態３と同様、第１導電型クラッド層３の屈折率ｎｃ１が第２導電型クラッド層１１ａの屈折率ｎｃ２よりも高くなり、非対称構造とすることで、第２導電型クラッド層１１ａでのキャリアによる光吸収を減らすことができる。さらに、第１導電型側光ガイド層５６の層厚を第２導電型側光ガイド層８９の層厚よりも厚くして、活性層位置を光ガイド層中央から第２導電型クラッド層側へ変位させることで、動作中に光ガイド層内に滞留するキャリアによる光吸収も減らしてスロープ効率を高めることができる。
　第１導電型低屈折率層４の層厚ｄ１が２００ｎｍの場合、ｖ１は０．２９２２７３となり、第２導電型低屈折率層１０の層厚ｄ２が４０ｎｍの場合、ｖ２は０．１３７２７５となって、特許文献１に開示されている条件であるｖ２＜ｖ１が成り立つ。この時の領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１７０４及び３．４１６００と求まり、仮にリッジ幅Ｗを１００μｍとすると、 ｖは２７．１６２４５となる。その結果、０次（基本モード）から１７次までの１８個のモードが許容される。
　一方、本実施の形態４においてはｖ２＞ｖ１が成り立つように各層のパラメータを設定する。ｖ２＞ｖ１が成り立つ一例としてｄ２＝１４０ｎｍの場合を考察する。ｄ２＝１４０ｎｍのときｖ２が０．４８０４６３なので、ｖ２＞ｖ１が成り立つ。この時の領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１６５９及び３．４１６３７と求まり、リッジ幅Ｗが１００μｍの場合には、ｖは１２．４９２８４となる。その結果、０次（基本モード）から７次までの８個のモードのみが許容される。ｖ２＞ｖ１とすることで、ｖ２＜ｖ１の場合に比較して水平方向に許容されるモード数を少なくでき、水平方向の広がり角を狭くすることが可能となる。
実施の形態５．
　図５は、実施の形態５による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。本実施の形態５は、第２導電型低屈折率層１０及び第１導電型低屈折率層４を、それぞれ第２導電型クラッド層１１及び第１導電型クラッド層３内に配置した例である。図において、Ａｌ組成比０．２０のｎ型ＡｌＧａＡｓ第クラッド層３を層厚１．４μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層３ｂと層厚０．１μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３ａで構成し、ｎ型低屈折率層４をｎ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層３ｂとｎ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３ａの間に配置している。また、Ａｌ組成比０．２０のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１を層厚０．１μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｂと層厚１．４μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１１ｃとで構成し、第２導電型低屈折率層１０をｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｂとｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１１ｃの間に配置している。その他は、実施の形態２と同じである。
　第１導電型低屈折率層４の層厚ｄ１が２００ｎｍの場合、ｖ１は０．２９２２７３となり、第２導電型低屈折率層１０の層厚ｄ２が４０ｎｍの場合、ｖ２は０．１４９２０２となって、特許文献１に開示されている条件であるｖ２＜ｖ１が成り立つ。この時の領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１９０６及び３．４１８６７と求まり、リッジ幅Ｗが１００μｍの場合には、ｖは１６．６３９２４となる。その結果、０次（基本モード）から１０次までの１１個のモードが許容される。
　一方、本実施の形態５においてはｖ２＞ｖ１が成り立つように各層のパラメータを設定する。ｖ２＞ｖ１が成り立つ一例としてｄ２＝１４０ｎｍの場合を考察する。ｄ２＝１４０ｎｍの場合は、ｖ２が０．５２２２０８なので、ｖ２＞ｖ１が成り立つ。この時の領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１８８６及び３．４１８７８と求まり、リッジ幅Ｗが１００μｍの場合には、ｖは７．５３６０４３となる。その結果、０次（基本モード）から４次までの５個のモードのみが許容される。ｖ２＞ｖ１とすることで、ｖ２＜ｖ１の場合に比較して水平方向に許容されるモード数を少なくでき、水平方向の広がり角を狭くすることが可能となる。
実施の形態６．
　図６は、実施の形態６による半導体レーザ装置の積層構成を示す模式的な斜視図である。本実施の形態６は、リッジを形成する際に、リッジ領域Ｉより外側のｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層１０を除去し、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１ｂでエッチングを止めた実施の形態である。すなわち、ｐ型低屈折率層（第２導電型低屈折率層）１０がリッジ領域Ｉにのみ形成されている。その他は、実施の形態５の図５と同じである。
　第１導電型低屈折率層４の層厚ｄ１が２００ｎｍの場合、ｖ１は０．２９２２７３となり、第２導電型低屈折率層１０の層厚ｄ２が４０ｎｍの場合、ｖ２は０．１４９２０２となって、特許文献１に開示されている条件であるｖ２＜ｖ１が成り立つ。この時の領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１９０６及び３．４１８５７と求まり、リッジ幅Ｗが１００μｍの場合には、ｖは１８．６５０７４となる。その結果、０次（基本モード）から１１次までの１２個のモードが許容される。
　一方、本実施の形態６においてはｖ２＞ｖ１が成り立つように各層のパラメータを設定する。ｖ２＞ｖ１が成り立つ一例としてｄ２＝１４０ｎｍの場合を考察する。ｄ２＝１４０ｎｍの場合は、ｖ２が０．５２２２０８なので、ｖ２＞ｖ１が成り立つ。この時の領域Ｉ及び領域ＩＩ、ＩＩａの実効屈折率は、それぞれ３．４１８８６及び３．４１８５７と求まり、リッジ幅Ｗが１００μｍの場合には、ｖは１４．３４７９８となる。その結果、０次（基本モード）から９次までの１０個のモードのみが許容される。ｖ２＞ｖ１とすることで、ｖ２＜ｖ１の場合に比較して水平方向に許容されるモード数を少なくでき、水平方向の広がり角を狭くすることが可能となる。
　上記各実施の形態では、ｐ型低屈折率層、すなわち第２導電型低屈折率層の層厚を変えてｖ２＞ｖ１が成り立つようにする例で説明したが、層厚だけでなく屈折率を変えて、あるいは層厚と屈折率の両方を変えて、ｖ２＞ｖ１を成り立たせることができ、各実施の形態で説明した効果を奏することができる。つまり、式（４）を満足するように、ｎ型低屈折率層とｐ型低屈折率層、すなわち第１導電型低屈折率層と第２導電型低屈折率層の層厚、屈折率、および第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層の屈折率を設定すればよい。
　上記各実施の形態では、発振波長９７５ｎｍの半導体レーザを例に説明したが、当該波長に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、４００ｎｍ帯のＧａＮ系、６００ｎｍ帯のＧａＩｎＰ系、１５５０ｎｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ系でも同様な効果を奏することができる。
　本願には、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
２　半導体基板、３　第１導電型クラッド層、４　第１導電型低屈折率層、５６　第１導電型側光ガイド層、７　活性層、８９　第２導電型側光ガイド層、１０　第２導電型低屈折率層、１１　第２導電型クラッド層、Ｉ　リッジ領域、ＩＩ、ＩＩａ　クラッド領域

Claims (4)

  1. 　第１導電型の半導体基板上に、屈折率がｎｃ１の第１導電型クラッド層、第１導電型側光ガイド層、活性層、第２導電型側光ガイド層、屈折率がｎｃ２の第２導電型クラッド層が順に積層されるとともに、レーザ光を往復させる共振器が構成されており、発振波長がλであり、
    　前記共振器の光軸方向と垂直な断面内の前記積層の方向において、１次以上の高次モードが許容される構造であり、
    前記共振器の光軸方向及び前記積層の方向に垂直な方向において、リッジ領域およびリッジ領域の両側にクラッド領域を有するリッジ形状であり、１次以上の高次モードが許容されるブロードエリア構造であって、
    前記第１導電型側光ガイド層と前記第１導電型クラッド層の間又は前記第１導電型クラッド層内に、厚さがｄ１で屈折率が前記ｎｃ１よりも低いｎ１の第１導電型低屈折率層を有するとともに、前記第２導電型側光ガイド層と前記第２導電型クラッド層の間又は前記第２導電型クラッド層内に、厚さがｄ２で屈折率が前記ｎｃ２よりも低いｎ２の第２導電型低屈折率層を有し、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     を満たす半導体レーザ装置。
  2. 　前記第１導電型側光ガイド層の層厚が、前記第２導電型側光ガイド層の層厚よりも厚い請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 　前記ｎｃ１が前記ｎｃ２よりも高い請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 　前記第２導電型低屈折率層が、前記リッジ領域にのみ形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
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