JP2013021230A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】より低い次数の水平横モードで発振する半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体レーザは、発振波長８３０ｎｍ帯のブロードエリア半導体レーザであってＤＢＲ構造を有する。この半導体レーザが、結晶成長方向と垂直な面内で共振器長方向と垂直な方向に複数の水平横モードを許容し、出射端面近傍に回折格子を備えている。面内での共振器長方向と垂直な方向についての回折格子の幅が、共振器長方向に沿う軸上の一つの位置と、その軸上でその一つの位置と異なる他の位置とで、異なる。回折格子は、半導体レーザの前端面から後端面へ向かうに従って、「ＺＹ平面内における、共振器長方向（Ｚ方向）に対して垂直な方向（Ｙ方向）の幅」が広くなる。
【選択図】図２

Description

この発明は、半導体レーザに関する。

ＮｄドープＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザやＹｂドープＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）レーザ等の固体レーザ、Ｙｂドープファイバーレーザ、Ｅｒドープファイバアンプ等は、励起光源用として半導体レーザが用いられる。

従来の半導体レーザは、例えば、特開２００４−１６５３８３号公報にも開示されている。この公報の第２８頁、第１１図などに示されているように、従来、回折格子が共振器長方向と垂直な方向の幅が共振器長方向で一様であるものが典型的であった。

特開平６−３１３８１８号公報は、半導体レーザの構成として、回折格子が共振器長方向に周期的に変化して分布する構成を示している。ただし、この公報に記載された半導体レーザでは、共振器長方向の長い範囲にわたって回折格子が設けられており、出射端面近傍にのみ回折格子を設ける構造を有する半導体レーザ（ＤＢＲ型半導体レーザ）とは異なる。

特開２００４−１６５３８３号公報 特開平６−３１３８１８号公報

ブロードエリア半導体レーザでは、結晶成長方向と垂直な面内で、かつ共振器長方向と垂直な方向に、複数の水平横モードが許容される。ここで、ブロードエリア半導体レーザにおいて、縦モードへの対処としては、回折格子を用いることによって発振波長を単一縦モード若しくはそれに近い波長にすることができる。しかしながら、その一方で、水平横モードは各モード間で回折格子による反射率に殆ど差がないため、水平横モードについては低次のものから高次のものまで多数のモードが存在する状態となる。その結果、従来のブロードエリア半導体レーザは多くの水平横モードで発振し、集光するのが困難であるか、または集光するのに別途複雑な光学系を必要とするという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、より低い次数の水平横モードで発振する半導体レーザを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、半導体レーザであって、
結晶成長方向と垂直な面内で共振器長方向と垂直な方向に複数の水平横モードを許容し、
出射端面近傍に回折格子が設けられたＤＢＲ構造を備え、
前記面内での前記共振器長方向と垂直な方向についての前記回折格子の幅が、前記共振器長方向に沿う軸上の一つの位置と、前記軸上で前記一つの位置と異なる他の位置とで異なることを特徴とする。

第２の発明は、上記の目的を達成するため、半導体レーザであって、
レーザ光の出射する前端面と、
前記前端面の反対に位置する後端面と
前記前端面から前記後端面へと延びるストライプ領域と、
前記ストライプ領域と重なる位置であって前端面近傍の一部の領域に形成された回折格子を備えるＤＢＲ層と、
を備え、
前記回折格子のうち、前記ストライプ領域の中央に設けられた部分の割合よりも、前記ストライプ領域の端に設けられた部分の割合が小さいことを特徴とする。

本発明によれば、ストライプ領域周辺からストライプ領域中央に向かうにつれて反射率を高くするように、レーザ光の出射する前端面近傍に回折格子を設けると共に、共振器長方向の位置に応じてその回折格子の幅を変化させている。このような反射率分布により、低次の水平横モードのミラー損失が低減されて、低次の水平横モードでの発振を実現することができる。

この発明の実施の形態１によるブロードエリア半導体レーザを示す共振器長方向断面図である。 この発明の実施の形態１によるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図である。 この発明の実施の形態２によるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図である。 この発明の実施の形態３によるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図である。 この発明の実施の形態４によるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図である。 この発明の実施の形態５によるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図である。 この発明の実施の形態６によるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図である。 この発明の実施の形態７によるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図である。 この発明の実施の形態８によるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における発振波長８３０ｎｍ帯のブロードエリア半導体レーザ（以下、単に「実施の形態１にかかる半導体レーザ」とも称す）を示す共振器長方向断面図である。図１において、各符号が指し示す構成は次のとおりである。１は、ｎ型ＧａＡｓ基板である。２は、その厚さが２μｍの、ｎ型（Ａｌ_０．３０Ｇａ_０．７０）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層である。３は、その厚さが１５ｎｍのアンドープＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ光ガイド層である。４は、その厚さが６ｎｍのアンドープＧａＡｓ活性層である。５は、その厚さが１５ｎｍのアンドープＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ光ガイド層である。６は、その厚さが２５ｎｍのｐ型Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４ＡｓＤＢＲ形成層である。７は、その厚さが５０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６ＡｓＤＢＲ埋め込み層である。８は、その厚さが２μｍのｐ型（Ａｌ_０．３０Ｇａ_０．７０）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層である。９は、その厚さが０．３μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層である。これらの層が順次積層（図１のＸ軸方向への結晶成長）されることで、図１に示すブロードエリア半導体レーザが形成されている。１０はＤＢＲ（Distriuted Bragg Refelctor）部であり、１１はＦＰ（Fabry-Perot）部である。このように、実施の形態１にかかる半導体レーザはＤＢＲ構造を有する半導体レーザである。

図１には明記していないが、ｎ型ＧａＡｓ基板１の側にはｎ電極が設けられるとともにｐ型ＧａＡｓコンタクト層９の側にはｐ電極が設けられており、これらの電極へ電圧を印加することにより、図１の矢印方向へと前端面からレーザ光が出射する。
ＤＢＲ部１０に設けるべき回折格子は、ＤＢＲ形成層の一部を周期的にエッチングで除去することで凹凸を形成し、その上にＤＢＲ埋め込み層を成長して作製される。

図１には、実施の形態１にかかる半導体レーザとともに、説明の便宜上定めたＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸が示されている。Ｘ軸は、実施の形態１にかかる半導体レーザにおける結晶成長方向（ｎ型ＧａＡｓ基板１上の各層の結晶成長方向）に相当している。Ｚ軸は、実施の形態１にかかる半導体レーザの共振器長方向に相当している。Ｙ軸は、以下に述べる実施の形態１にかかる回折格子の構成を特定するために定めたものであり、「共振器長方向（Ｚ方向）と垂直な方向」に並行な軸である。

図２は、この発明の実施の形態１によるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図である。図２において、１２はブロードエリア半導体レーザのストライプ領域である。図２においては、図１と方向が対応するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を記載し、さらに便宜上、下記に述べる回折格子構造の幅を指し示す幅寸法としてＷを記載している。

図２は、ｐ型Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４ＡｓＤＢＲ形成層６まで成長した後に周期的にエッチングして回折格子の基となる凹凸を形成したＹＺ平面を、模式的に示している。以下、便宜的に、エッチングを施した部分を回折格子の「凹部」と呼称し、残した部分を回折格子の「凸部」と呼称する。エッチングで形成した凹部のそれぞれの間にそれぞれ凸部が位置することになる。符号１３は回折格子の凹部であり、符号１４は回折格子の凸部である。図２に示すように、ストライプ領域１２における前端面側の一部の領域（ＤＢＲ部１０）には、凹部１３が複数個形成されており、その複数の凹部１３の間に、１つずつ凸部１４が位置している。以下の説明では、回折格子の凹部１３および回折格子の凸部１４とをまとめて呼称する場合には、「回折格子１３、１４」と呼称する。回折格子１３、１４は、「結晶成長方向と垂直な面内」に、一定の広がり（図２では三角の領域）を有する。図２において、符号１５は、ブロードエリア半導体レーザのストライプ領域を伝搬する基本（０次）モードの電界パターンを模式的に図示するものである。

図２によれば、本実施形態にかかる回折格子が、半導体レーザの前端面から後端面へ向かうに従って、「ＺＹ平面内において、共振器長方向（Ｚ方向）に対して垂直な方向（Ｙ方向）の幅Ｗ」が、徐々に広くなる構造を有していることが分かる。本実施形態では、回折格子における最も幅広い凹部１３、凸部１４（複数の凹部１３のうち最も図２の紙面右側のもの）は、ストライプ領域１２の幅を超えるほどに広い幅寸法を有している。

特に、図２に示す本実施形態にかかる回折格子は、前端面をゼロとし後端面に向かう座標軸をＺ´とした場合において、前端面から後端面に向かって、「幅＝１−ｃｏｓ（ａＺ´）」の関数（ａは定数）に従って回折格子の幅を連続的に増加させたものである。ストライプ内の０次モードの電界分布は、ストライプ中央をＹ＝０とした場合におけるｃｏｓ（ｂＹ）の関数（ｂは定数）で変化する。この関数ｃｏｓ（ｂＹ）に従って、ストライプ中央の電界が最も大きくストライプ端に向かうにつれて電界が小さくなる。そこで、本実施形態にかかる半導体レーザは、このような電界分布と回折格子の重なりが大きくなるように、「幅＝１−ｃｏｓ（ａＺ´）」の関数（ａは定数）に従って回折格子の幅を連続的に増加させたものである。

本実施形態にかかる半導体レーザでは、図２に示すように共振器長方向から回折格子を見た場合、「ストライプ周辺近傍（ストライプ領域１２における、図２の紙面上側あるいは下側）」では回折格子の存在する割合が少ない。その一方で、ストライプ中央に向かうに従って、回折格子の存在する割合が大きくなっている。このような傾向を持たせた不均一な分布で回折格子を設けることにより、回折格子による反射率を、ストライプ領域周辺（端側）で低くしかつストライプ領域中央に向かうにつれて高くすることができる。

ブロードエリア半導体レーザのストライプ領域を伝搬する多重水平横モードは、次数の低い水平横モードほどストライプ中央近傍の電界が大きく、その次数が高くなるにつれてストライプ周辺近傍の電界も大きくなるという傾向を有している。図２に示すように共振器長方向に回折格子の幅を変えて「ストライプ中央の反射率を高く周辺に向かうにつれて低くなる分布」を形成すると、ストライプ領域を伝搬する多重水平横モードのうち、低次のモードは高い反射率を感じる一方で、高次のモードほどに感じる反射率は低くなる。反射率が高いことはミラー損失が小さくなることを意味し、少ない利得で発振に達することができる。回折格子の幅を変えてストライプ中央の反射率を高め周辺部の反射率を下げた反射率分布を形成することにより、０次又は０次に近い低次の水平横モードで発振することができる。

以上説明した実施の形態１にかかるブロードエリア半導体レーザによれば、より低い次数の水平横モードで発振するブロードエリア半導体レーザを実現することができ、これにより集光しやすくする又は複雑な光学系を不要とする等の効果も得ることができる。

なお、本実施の形態では、回折格子の幅を変化させる際の、幅を特定する関数として、「１−ｃｏｓ（ａＺ´）」という関数を用いた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。回折格子の幅を直線的に変えても良いし、二次曲線、あるいはその他の各種曲線に従って変化させる構成によっても、同様な効果が得られる。また、本実施の形態では、ＧａＡｓ活性層を備える波長８３０ｎｍのブロードエリア半導体レーザを例に説明したが、これに限るものではなく、ＩｎＧａＡｓＰ系の長波長ブロードエリア半導体レーザやその他の波長のブロードエリア半導体レーザ全般に対して本発明を適用しても良い。

なお、上記実施の形態にかかる半導体レーザは、ブロードエリア半導体レーザであることから、「結晶成長方向と垂直な面内で共振器長方向と垂直な方向に、複数の水平横モードを許容する構造」を有している。この構造において、本実施の形態にかかる作用により「０次又は０次に近い低次の水平横モードで発振」する際には、高次の水平横モードについては、導波路としては許容されるものの、レーザとしては発振しない。

なお、複数の水平横モードを許容する構造についての一般的事項として下記のことがいえる。
屈折率導波路であれば、ストライプの屈折率、その外側の屈折率の差、およびストライプ幅で決まる。屈折率差が大きくなるほど、また、ストライプ幅が大きくなるほど、許容される水平横モードの数が増す傾向がある。また、波長が短くなるほど、許容される水平横モードの数が多くなる。
一方、利得導波路であれば、ストライプ中の利得とストライプ幅で決まる。利得が大きくなるほど、また、ストライプ幅が大きくなるほど、許容される水平横モードの数が増す。また、波長が短くなるほど、許容される水平横モードの数が多くなる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２にかかるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図であり、ＤＢＲ形成層まで成長した後に周期的にエッチングして回折格子を形成したＹＺ平面における模式図である。尚、当該実施の形態は、実施の形態１の構成を変形した実施形態である。同図において、１３ａは回折格子の凹部、１４ａは回折格子の凸部である。

通常、回折格子は電子ビーム描画装置で作製するので、作製プログラムを簡便にするとスループットが向上する。図３は、共振器長方向（Ｚ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）の回折格子の幅を連続的に変えたものではなく、５段階にステップ状に変えた例である。回折格子の幅がステップ状に変化しそれに伴い反射率分布もステップ状となるが、ストライプ中央の反射率が高く周辺が低くなるので、ブロードエリア半導体レーザにおいて、低次のモードが発振しやすいことには変わりがない。なお、本実施の形態においては、ステップの段数を５段階としたが、本発明はこれに限るものでなく、５段よりも少ない段数又は多い段数としてもよい。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３にかかるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図であり、ＤＢＲ形成層まで成長した後に周期的にエッチングして回折格子を形成したＹＺ平面における模式図である。同図において、１３ｂは回折格子の凹部、１４ｂは回折格子の凸部である。

図４によれば、実施の形態３においては、回折格子１３、１４における「共振器長方向（Ｚ方向）に対して垂直な方向（Ｙ方向）の幅」が、前端面から後端面へ向かうに従って、狭くなっている様子が分かる。このような回折格子の幅の変化の態様は、実施の形態１、２の場合とは逆である。このような形態であっても、共振器長方向から回折格子を見た場合、ストライプ中央には多くの回折格子がありストライプ周辺に向かうにつれて少なくなっている。従って、回折格子による反射率は、ストライプ中央が高くストライプ周辺に向かうにつれて低くなる。従って、図１及び図２の実施の形態１と同様に、ブロードエリア半導体レーザから、次数の低い水平横モード発振を得ることができる。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４にかかるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図であり、ＤＢＲ形成層まで成長した後に周期的にエッチングして回折格子を形成したＹＺ平面における模式図である。尚、当該実施の形態は、上記実施の形態３の構成を変形した実施形態である。

同図において、１３ｃは回折格子の凹部、１４ｃは回折格子の凸部である。図５は、回折格子の幅を連続的に変えたものではなく、ステップ状に変えた例である。この場合も、回折格子による反射率の分布は、ストライプ中央で高くストライプ周辺で低い分布となる。よって、ブロードエリア半導体レーザから低次の水平横モード発振を得ることができる。

実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５にかかるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図であり、ＤＢＲ形成層まで成長した後に周期的にエッチングして回折格子を形成したＹＺ平面における模式図である。同図において、１３ｄは回折格子の凹部、１４ｄは回折格子の凸部である。ブロードエリア半導体レーザの水平横モードの実効的な広がりは、電界がピーク強度の１／ｅとなる幅であるスポットサイズで規定することが可能である。

同図において、共振器長方向（Ｚ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）の回折格子の幅が、前端面から後端面へ向かうに従って広くなることは実施の形態１と同じであるが、最も広い回折格子のＹ方向の幅は、基本モードのスポットサイズとほぼ同じにしている。Ｙ方向の回折格子の幅が、水平横モードの拡がりよりも狭く基本モードのスポットサイズ程度であったとしても、基本モードを含む低次のモードは、高い反射率を感じるため、当該低次のモードで発振する。

実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６にかかるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図であり、ＤＢＲ形成層まで成長した後に周期的にエッチングして回折格子を形成したＹＺ平面における模式図である。尚、同図において、１３ｅは回折格子の凹部、１４ｅは回折格子の凸部である。尚、当該実施の形態は、実施の形態２及び実施の形態５の構成を変形した実施形態である。最も広い回折格子のＹ方向の幅は基本モードのスポットサイズとほぼ同じであり、かつ共振器長方向はステップ状に幅が変化している。当該実施の形態のように構成しても、低次の水平横モードは、高い反射率を感じるので、選択的に発振するようになる。

実施の形態７．
図８は、この発明の実施の形態７にかかるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図であり、ＤＢＲ形成層まで成長した後に周期的にエッチングして回折格子を形成した構成についてのＹＺ平面における模式図である。尚、同図において、１３ｆは回折格子の凹部、１４ｆは回折格子の凸部である。尚、当該実施の形態は、実施の形態３の構成を変形した実施形態である。

最も広い回折格子のＹ方向の幅は、基本モードのスポットサイズとほぼ同じである。共振器長方向（Ｚ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）の幅は、前端面から後端面へ向かうに従って狭くなっている。当該実施の形態のように構成しても、ブロードエリア半導体レーザの低次の水平横モードは、高い反射率を感じるので、選択的に発振するようになる。

実施の形態８．
図９は、この発明の実施の形態８にかかるブロードエリア半導体レーザの回折格子部分を表した模式図であり、ＤＢＲ形成層まで成長した後に周期的にエッチングして回折格子を形成したＹＺ平面における模式図である。尚、同図において、１３ｇは回折格子の凹部、１４ｇは回折格子の凸部である。尚、当該実施の形態は、実施の形態４及び実施の形態７の構成を変形した実施形態である。

最も広い回折格子のＹ方向の幅は基本モードのスポットサイズとほぼ同じであり、共振器長方向（Ｚ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）の幅は前端面から後端面へ向かうに従って狭くなり、かつ共振器長方向はステップ状に幅が変化している。当該実施の形態のように構成しても、ブロードエリア半導体レーザの低次の水平横モードは、高い反射率を感じるので、選択的に発振するようになる。

なお、上記の各実施の形態にかかる半導体レーザは、それぞれ、「面内（ＹＺ平面内）での共振器長方向（Ｚ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）についての回折格子１３、１４の幅Ｗが、共振器長方向に沿う軸（Ｚ軸）上の一つの位置と、軸上でこの一つの位置と異なる他の位置とで、異なる」という構成を有している。このような関係を有する限り、Ｚ軸上の少なくとも一部の箇所で、ストライプ領域中央側のほうがストライプ領域端側よりも多く回折格子を有することになる。その結果、ストライプ中央の反射率を高め周辺部の反射率を下げた反射率分布を形成することができ、０次又は０次に近い低次の水平横モードで発振することができる。

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型（Ａｌ_０．３０Ｇａ_０．７０）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層
３ アンドープＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ光ガイド層
４ アンドープＧａＡｓ活性層
５ アンドープＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ光ガイド層
６ ｐ型Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４ＡｓＤＢＲ形成層
７ ｐ型Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６ＡｓＤＢＲ埋め込み層
８ ｐ型（Ａｌ_０．３０Ｇａ_０．７０）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層
９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０ ＤＢＲ部
１１ ＦＰ部
１２ ストライプ領域
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ 回折格子（凹部）
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ 回折格子（凸部）
１５ 基本（０次）モードの電界パターン

Claims (6)

1. 結晶成長方向と垂直な面内で共振器長方向と垂直な方向に複数の水平横モードを許容し、
   出射端面近傍に回折格子が設けられたＤＢＲ構造を備え、
   前記面内での前記共振器長方向と垂直な方向についての前記回折格子の幅が、前記共振器長方向に沿う軸上の一つの位置と、前記軸上で前記一つの位置と異なる他の位置とで異なることを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記回折格子は前記面内における前記共振器長方向と垂直な方向の幅が，光が多く出力する前端面から後端面に向かうにつれて，広くなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記回折格子は共振器長方向と垂直な方向の幅が，光が多く出力する前端面から後端面に向かうにつれて，狭くなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
4. ＤＢＲ構造を備えた半導体レーザであって、
   レーザ光の出射する前端面と、
   前記前端面の反対に位置する後端面と
   前記前端面から前記後端面へと延びるストライプ領域と、
   前記ストライプ領域と重なる位置であって前端面近傍の一部の領域に形成された回折格子を備えるＤＢＲ層と、
   を備え、
   前記回折格子における前記ストライプ領域の端に設けられた部分が、前記回折格子における前記ストライプ領域の中央に設けられた部分よりも、小さいことを特徴とする半導体レーザ。
5. 前記回折格子は、前記一部の領域内において前記後端面側から前記前端面側に向かって徐々に幅が減少する形状を有するものであることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
6. 前記回折格子は、前記一部の領域内において前記後端面側から前記前端面側に向かって徐々に幅が増加する形状を有するものであることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ。

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