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JP2018098490A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ファーフィールドの垂直ビーム発散角及び水平ビーム発散角を改善することができる半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】基板と、第1型被覆層と、第1型導波層と、活性層と、第2型導波層と、第2型被覆層と、キャッピング層とを含む半導体レーザ装置。活性層は、発光部１４１及び光出射部１４２を含み、発光部１４１がレーザ光を発生し、レーザ光が発光部１４１から光出射部１４２への方向に沿って出射され、且つ光出射部１４２が第１不活性領域１４２Ａ、光出射領域１４２Ｂ、及び第２不活性領域１４２Ｃを含み、光出射領域１４２Ｂの屈折率が第１不活性領域１４２Ａの屈折率より低く、光出射領域１４２Ｂの屈折率が第２不活性領域１４２Ｃの屈折率より低く、光出射領域１４２Ｂの一部の幅が該方向に沿って連続的に増加する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、レーザ装置に関し、特に半導体レーザ装置に関する。
従来の半導体レーザ装置は、主に光通信技術、医療分野のがん治療、固体レーザの光学ポンプ、及び直接の材料加工処理に応用されている。これらの応用において、半導体レーザは、サイズが小さく、電力が大きく、電気駆動可能で、安価であるため、大規模な生産に適している。
しかし、従来の半導体レーザ装置には、改善の余地がある。そのため、半導体レーザ装置を提供することで、従来技術における問題を解決する必要がある。
本発明の実施例の1つの目的は、半導体レーザ装置を提供することである。該半導体レーザ装置は、特殊な屈折率分布を有する活性層により、従来の半導体レーザ装置に比べて、出射するレーザビームが小さいファーフィールドの垂直ビーム発散角及び水平ビーム発散角を有することで、本発明の実施例の半導体レーザ装置が光ファイバーと結合する時に、良好な結合効率を有することができる。
本発明の実施例の別の目的は、光出力効率に影響を与えず、ファーフィールドの垂直ビーム発散角及び水平ビーム発散角を改善することができる半導体レーザ装置を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の実施例は、基板と、第1型被覆層と、第1型導波層と、活性層と、第2型導波層と、第2型被覆層と、キャッピング層とを含む半導体レーザ装置を提供する。該第1型被覆層は、該基板に設けられる。該第1型導波層は、該第1型被覆層に設けられる。該活性層は、該第1型導波層に設けられ、且つ互いに隣接する発光部及び光出射部を有し、該発光部がレーザ光を発生し、該レーザ光が該発光部から該光出射部への方向に沿って出射される。該光出射部は、第1不活性領域、光出射領域、及び第2不活性領域を含み、該光出射領域が該第1不活性領域と該第2不活性領域との間に設けられ、該光出射領域の屈折率が該第1不活性領域の屈折率より低く、該光出射領域が屈折率が該第2不活性領域の屈折率より低く、且つ該光出射領域の一部の幅が該方向に沿って連続的に増加する。該第2型導波層は、該活性層に設けられる。該第2型被覆層は、該第2型導波層に設けられる。該キャッピング層は、該第2型被覆層に設けられる。
本発明の一実施例において、該第1型被覆層は、n型被覆層であり、該第1型導波層は、n型導波層であり、該第2型導波層は、p型導波層であり、該第2型被覆層は、p型被覆層である。
本発明の一実施例において、該第1型被覆層は、p型被覆層であり、該第1型導波層は、p型導波層であり、該第2型導波層は、n型導波層であり、該第2型被覆層は、n型被覆層である。
本発明の一実施例において、該光出射領域の他の部分の幅は、該方向に沿って一定値(a constant value)を保持する。
本発明の一実施例において、該第1不活性領域と該光出射領域との間に第1境界を有し、該光出射領域と該第2不活性領域との間に第2境界を有し、該幅は、該第1境界と該第2境界との間の距離により定義されるものである。
本発明の一実施例において、該第1境界は、直線形状又は放物線形状である。
本発明の一実施例において、該第2境界は、直線形状又は放物線形状である。
本発明の一実施例において、該発光部は、第1非活性発光領域、発光領域、及び第2非活性発光領域を含み、該発光領域が該第1非活性発光領域と該第2非活性発光領域との間に設けられ、該発光領域の屈折率が該第1非活性発光領域の屈折率より高く、且つ該発光領域の屈折率が該第2非活性発光領域の屈折率より高い。
本発明の一実施例において、該第1非活性発光領域と該第1不活性領域との間に第1境目を有し、該第1不活性領域と該光出射領域との間に第1境界を有し、該第1境目と該第1境界との間に第1角度が形成され、該第1角度は、0.1度〜89.9度である。
本発明の一実施例において、該第2非活性発光領域と該第2不活性領域との間に第2境目を有し、該第2不活性領域と該光出射領域との間に第2境界を有し、該第2境目と該第2境界との間に第2角度が形成され、該第2角度は、0.1度〜89.9度である。
本発明の実施例の半導体レーザの立体模式図である。 本発明の実施例の半導体レーザの断面模式図である。 本発明の実施例の半導体レーザの活性層の平面模式図である。 本発明の別の実施例の半導体レーザの活性層の平面模式図である。 本発明の別の実施例の半導体レーザの活性層の平面模式図である。 本発明の別の実施例の半導体レーザの活性層の平面模式図である。 本発明の別の実施例の半導体レーザの活性層の平面模式図である。 比較例1の活性層の平面模式図である。 実施例1の異なる電流における水平角と強度のファーフィールド分析図である。 比較例1の異なる電流における水平角と強度のファーフィールド分析図である。 実施例1の異なる電流における垂直角と強度との関係のファーフィールド分析図である。 比較例1の異なる電流における垂直角と強度との関係のファーフィールド分析図である。 実施例1及び比較例1の電流と光電力との関係の分析図である。
實施方式
本発明の上述した目的及び他の目的、特徴、利点を分かりやすくするために、以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施例を挙げて詳しく説明する。また、本発明でいう方向用語、例えば、「上」、「下」、「頂」、「底」、「前」、「後」、「左」、「右」、「内」、「外」、「側面」、「周囲」、「中央」、「水平」、「横方向」、「垂直」、「縦方向」、「軸方向」、「径方向」、「最上層」又は「最下層」等は、添付する図面における方向を参考したものに過ぎないため、本発明を説明、理解するための用語であり、本発明を制限しない。
図1Aは、本発明の実施例の半導体レーザ装置10の立体模式図であり、図1Bは、本発明の実施例の半導体レーザ装置10の断面模式図である。本発明の実施例の半導体レーザ装置10は、基板11と、第1型被覆層12と、第1型導波層13と、活性層14と、第2型導波層15と、第2型被覆層16と、キャッピング層17とを、含み、該基板11に、該第1型被覆層12、該第1型導波層13、該活性層14、該第2型導波層15、該第2型被覆層16、及び該キャッピング層17が順次設けられて該半導体レーザ装置10が形成される。例えば、該第1型被覆層12が該基板11に設けられ、該第1型導波層13が該第1型被覆層12に設けられ、該活性層14が該第1型導波層13に設けられ、該第2型導波層15が該活性層14に設けられ、該第2型被覆層16が該第2型導波層15に設けられ、該キャッピング層17が該第2型被覆層16に設けられる。
一実施例において、該第1型被覆層12は、n型被覆層であってもよく、該第1型導波層13は、n型導波層であってもよく、該第2型導波層15は、p型導波層であってもよく、該第2型被覆層16は、p型被覆層であってもよい。別の実施例において、該第1型被覆層12は、p型被覆層であってもよく、該第1型導波層13は、p型導波層であってもよく、該第2型導波層15は、n型導波層であってもよく、該第2型被覆層16は、n型被覆層であってもよい。
一実施例において、該基板11の材質は、GaAs又はInPであることができる。別の実施例において、n型被覆層は、材質がAlGaAs、InP又はAlGaInP、厚さが100nm〜5000nmであることができる。別の実施例において、n型導波層は、材質がGaAs、GaInP、InAlAs又はInGaAsP、厚さが10nm〜2000nmであることができる。別の実施例において、p型被覆層は、材質がAlGaAs、InP又はAlGaInP、厚さが100nm〜5000nmであることができる。別の実施例において、p型導波層は、材質がGaAs、GaInP、InAlAs又はInGaAsP、厚さが10nm〜2000nmであることができる。別の実施例において、該活性層14は、材質がInGaAs、InAlGaAs、GaAs又はGaAsPであることができる。
本発明の実施例において、本発明の実施例の半導体レーザ装置10は、主に特定の屈折率領域を有する活性層14により、ファーフィールドの垂直ビーム発散角及び水平ビーム発散角を減少することができる。図2Aは、本発明の実施例の半導体レーザ装置10の活性層14の平面模式図であり、図2Bは、本発明の別の実施例の半導体レーザ装置10の活性層14の平面模式図であり、図2Cは、本発明の別の実施例の半導体レーザ装置10の活性層14の平面模式図であり、図2Dは、本発明の別の実施例の半導体レーザ装置10の活性層14の平面模式図であり、図2Eは、本発明の別の実施例の半導体レーザ装置10の活性層14の平面模式図である。該活性層14は、互いに隣接する発光部141及び光出射部142を含み、該活性層14における発光部141が発生するレーザビームは、大体、該発光部141から該光出射部142への方向D1に沿って出射される。該発光部141は、第1非活性発光領域141A、発光領域141B、及び第2非活性発光領域141Cの3つの領域に分けられる。該発光領域141Bは、該第1非活性発光領域141Aと該第2非活性発光領域141Cとの間に位置する。一実施例において、該第1非活性発光領域141A、該発光領域141B、及び該第2非活性発光領域141Cは、いずれも高屈折率を有する(図2A)。別の実施例において、該発光領域141Bは、高屈折率を有し、該第1非活性発光領域141A及び該第2非活性発光領域141Cは、低屈折率を有する。具体的な例において、該発光領域141Bは、隣接する高屈折率領域及び低屈折率領域を含み、該低屈折率領域が該高屈折率領域より該光出射部142から遠い(図2B)。
一実施例において、該活性層14の光出射部142は、第1不活性領域142A、光出射領域142B、及び第2不活性領域142Cを含み、該光出射領域142Bは、第1不活性領域142Aと該第2不活性領域142Cとの間に位置する。一実施例において、該第1不活性領域142Aと該第1非活性発光領域141Aとが隣接し且つ互いに接続され、該光出射領域142Bと該発光領域141Bとが隣接し且つ互いに接続され、該第2不活性領域142Cと該第2非活性発光領域141Cとが隣接し且つ互いに接続される。一実施例において、該第1不活性領域142Aと該第2不活性領域142Cとは、いずれも高屈折率を有し、且つ該光出射領域142Bは、低屈折率を有し、該光出射領域142Bは、大体、該発光部141から該光出射部142への方向D1に沿って拡張し、例えば、該光出射領域142Bと該発光領域141Bとの接続箇所から該光出射領域142の方向へ(例えば、幅W1から幅W2へ)、該光出射領域142Bの幅が連続的に増加することにより、該光出射領域142Bが略台形となる。
具体的な例において、該光出射領域142Bの幅は、該第1不活性領域142Aと該第2不活性領域142Cにより定義することができる。例えば、該光出射領域142Bと該第1不活性領域142Aとの接続箇所に第1境界B1を有し、且つ、該光出射領域142Bと該第2不活性領域142Cとの接続箇所に第2境界B2を有し、該幅は、該第1境界B1と該第2境界B2との距離により定義される。一実施例において、該第1境界B1及び該第2境界B2は、直線形状(図2A、2B、2E)であってもよいか、放物線形状(図2C、2D)であってもよい。なお、該第1境界B1及び該第2境界B2は、該光出射領域142Bを、その幅が連続的に増加する(図2A〜2D)又は少なくとも一部が減少しない状態にする必要がある(図2E)。以上より、該光出射領域142Bの全体は、幅が該方向D1に沿って連続的に増加してもよい(図2A〜2D)。又は、該光出射領域142Bの一部は、幅が該方向D1に沿って連続的に増加してもよく、この場合に、該光出射領域142Bの他の部分は、幅が該方向D1に沿って一定値を保持する(図2E)。
一実施例において、該第1非活性発光領域141Aと該第1不活性領域142Aとの間に第1境目J1を有し、該第1境目J1と該第1境界B1との間に第1角度αが形成される。該第1角度αは、0.1度〜89.9度であり、例えば、1度、2度、5度、10度、15度、20度、25度、30度、45度、50度、60度、65度、70度、75度、80度、85度、88度又は89度等であってもよい。別の実施例において、該第2非活性発光領域141Cと該第2不活性領域142Cとの間に第2境目J2を有し、該第2境目J2と該第2境界B2との間に第2角度βを有する、該第2角度βは、0.1度〜89.9度であり、例えば、1度、2度、5度、10度、15度、20度、25度、30度、45度、50度、60度、65度、70度、75度、80度、85度、88度又は89度等であってもよい。
一実施例において、該第1境界B1は、該第1非活性発光領域141Aと該発光領域141Bとの間の境界に接続されてもよく、該第2境界B2は、該発光領域141Bと該第2非活性発光領域141Cとの間の境界に接続されてもよい(図2B)。別の実施例において、該第1境界B1は、該第1非活性発光領域141Aと該発光領域141Bとの間の境界に接続されなくてもよく、該第2境界B2は、該発光領域141Bと該第2非活性発光領域141Cとの間の境界に接続されなくてもよい(図2E)。
さらに、連続的に増加している幅Wを有する該光出射領域142Bは、反波導効果領域とされることができる。例えば、レーザ光が該発光領域141Bで発生され、該光出射領域142Bに移動する時に、該光出射領域142Bが為低屈折率であり、外周にある該第1不活性領域142A及び該第2不活性領域142Cが高屈折率領域であるため、形成した反波導構造は、レーザビームを拡張する作用を有することで、レーザ光のニアフィールドにおける水平ビーム発散角及び垂直ビーム発散角が増大する。ニアフィールドとファーフィールドとの水平ビーム発散角及び垂直ビーム発散角の関係が反対の関係にあるため、ファーフィールドの水平ビーム発散角及び垂直ビーム発散角が低減する。
さらに、一般には、半導体レーザ装置の技術分野において、該活性層14の高屈折率及び低屈折率は、相対的関係である。例えば、該活性層14の材質は、固有屈折率(つまり、該活性層14の材質そのものの屈折率)を有するが、該固有屈折率をプロセス処理(例えば、インターミキシング又は拡散)することにより、該活性層14の一部の領域の屈折率が増大又は減少するため、該活性層14上の一部の領域は、他の部分の領域に対して相対的高い又は相対的低い屈折率を有する。例えば、該活性層14の一部領域がプロセス処理された後、屈折率が低下した場合に、この処理された領域は、固有屈折率より低い屈折率を有するため、本明細書において低屈折率と呼ばれ、処理されていない領域は、高屈折率(即ち、ご有屈折率)と呼ばれる。その一方、該活性層14の一部領域がプロセス処理された後、屈折率が向上した場合に、この処理された領域は、固有屈折率より高い屈折率を有するため、本明細書において高屈折率と呼ばれ、処理されていない領域は、低屈折率(即ち、固有屈折率)と呼ばれる。該層について、選択的成長を行ってもよいか、又は活性層14の一部領域をエッチングして、所要の屈折率を有する材料を成長させても良い。
また、本発明の実施例の半導体レーザ装置10は、従来の製造方法により製造できるが、本発明と従来技術との少なくとも1つの相違点は、活性層14を製造する時に、本発明の実施例の半導体レーザ装置10の活性層14における各高屈折率及び低屈折率の領域が現有技術と異なることである。
以下、一実施例及び一比較例により、本発明の実施例の半導体レーザ装置10は、ファーフィールドの水平ビーム発散角及び垂直ビーム発散角を低減する効果を奏することを証明する。
実施例1
基板に、n型被覆層、n型導波層、活性層、p型導波層、p型被覆層、及びキャッピング層を順次形成し、該活性層は、隣接する発光領域及び光出射領域を含む。該光出射領域の第1不活性領域及び第2不活性領域は、いずれも高屈折率を有し、該発光領域は、低屈折率を有し、該発光領域は、該発光領域から該光出射領域への方向に沿って拡張していくため、台形となる。本実施例1において、該第1非活性発光領域141Aと該第1不活性領域142Aとの間の該第1境目J1は、該第1境界B1と45度の第1夾角αを成し、且つ該第2非活性発光領域141Cと該第2不活性領域142Cとの間の第2境目J2は、該第2境界B2と45度の第2夾角βを成す。本実施例1は、図1A、1B及び2Aに示すようである。
比較例1
図3は、比較例1の活性層34の平面模式図である。比較例1の構造全体は、実施例1に類似し、即ち、基板に、n型被覆層、n型導波層、活性層34、p型導波層、p型被覆層、及びキャッピング層を形成し、比較例1の活性層34は、発光部341及び光出射部342を含む。しかし、比較例1と実施例1との相違点は、活性層34の光出射部342である。比較例1において、光出射部342は、いずれも低屈折率である。
次いで、測定機を用いて実施例1及び比較例1の半導体レーザ装置を測定し、図4A〜4Eの分析結果を得た。図4Aは、実施例1の異なる電流における水平角及び強度のファーフィールド分析図であり、図4Bは、比較例1の異なる電流における水平角及び強度のファーフィールド分析図であり、図4Cは、実施例1の異なる電流における垂直角と強度の関係のファーフィールド分析図であり、図4Dは、比較例1の異なる電流における垂直角と強度の関係のファーフィールド分析図であり、図4Eは、実施例1及び比較例1の電流と光電力の関係の分析図である。
図4A、4Bの分析結果から分かるように、実施例1では、電流がそれぞれ2、4、6、8アンペアである場合に、水平角の半値全幅(full width at half maximum)値は、4.8度、6.0度、7.2度、7.6度である。比較例1では、電流がそれぞれ2、4、6、8アンペアである場合に、水平角の半値全幅値は、6.4度、7.8度、8.4度、9.0度である。同一の電流下で、実施例1の水平角の半値全幅値がいずれも比較例1より低かったため、実施例1は、ファーフィールドの水平ビーム発散角を確実に減少した。
図4C、4Dの分析結果から分かるように、実施例1では、電流がそれぞれ2、4、6、8アンペアである場合に、垂直角の半値全幅値が26.8度、27.0度、27.4度、26.8度である。比較例1では、電流がそれぞれ2、4、6、8アンペアである場合に、垂直角の半値全幅値が29.8度、29.6度、30.0度、30.2度である。同一の電流下で，実施例1の垂直角の半値全幅値がいずれも比較例1より低かったため、実施例1は、ファーフィールドの垂直ビーム発散角を確実に減少した。図4Eの分析結果から分かるように、実施例1と比較例1は同一の臨界電流を有するため、本発明の実施例1はより多くの損耗をもたらすことはない。また、同一の使用電流下で、実施例1の光電力が比較例1の光電力よりも僅かに低いが、実施例1のファーフィールド光束角度が小さいため、実施例1の半導体レーザ装置10が光ファイバーと結合する時に、良好な結合効率を有する。
以上より、本発明の実施例の半導体レーザ装置10は、主に特殊な設計又は特殊な構造を有する活性層により、光出力効率に影響をほぼ与えず、出射するレーザ光のファーフィールドの水平ビーム発散角及び垂直ビーム発散角を減少する。
上記より、本発明は好ましい実施例により開示されたが、上記の好ましい実施例は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨及び範囲を脱出しない限り、当業者であれば、様々な変更及び修飾を加えることができるため、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲に基づくものである。
10 半導体レーザ装置 11 基板
12 第1型被覆層 13 第1型導波層
14 活性層 15 第2型導波層
16 第2型被覆層 17 キャッピング層
34 活性層 141 発光部
141A 第1非活性発光領域 141B 発光領域
141C 第2非活性発光領域 142 光出射部
142A 第1不活性領域 142B 光出射領域
142C 第2不活性領域 341 発光部
342 光出射部 B1 第1境界
B2 第2境界 D1 方向
J1 第1境目 J2 第2境目
W1 幅 W2 幅
α 第1夾角 β 第2夾角

Claims (10)

  1. 基板と、第1型被覆層と、第1型導波層と、活性層と、第2型導波層と、第2型被覆層と、キャッピング層と、を含む半導体レーザ装置であって、
    前記第1型被覆層は、前記基板に設けられ、
    前記第1型導波層は、前記第1型被覆層に設けられ、
    前記活性層は、前記第1型導波層に設けられ、且つ互いに隣接する発光部及び光出射部を含み、前記発光部がレーザ光を発生し、前記レーザ光が前記発光部から上記光出射部への方向に沿って出射され、前記光出射部が第1不活性領域、光出射領域、及び第2不活性領域を含み、前記光出射領域が前記第1不活性領域と前記第2不活性領域との間に設けられ、前記光出射領域の屈折率が上記第1不活性領域の屈折率より低く、且つ前記光出射領域の屈折率が前記第2不活性領域の屈折率より低く、前記光出射領域の一部の幅が前記方向に沿って連続的に増加し、
    前記第2型導波層は、前記活性層に設けられ、
    前記第2型被覆層は、前記第2型導波層に設けられ、
    前記キャッピング層は、前記第2型被覆層に設けられる半導体レーザ装置
  2. 前記第1型被覆層は、n型被覆層であり、前記第1型導波層は、n型導波層であり、前記第2型導波層は、p型導波層であり、前記第2型被覆層は、p型被覆層である請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記第1型被覆層は、p型被覆層であり、前記第1型導波層は、p型導波層であり、前記第2型導波層は、n型導波層であり、前記第2型被覆層は、n型被覆層である請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記光出射領域の他の部分の幅は、前記方向に沿って一定値を保持する請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記第1不活性領域と前記光出射領域との間に第1境界を有し、且つ前記光出射領域と前記第2不活性領域との間に第2境界を有し、前記幅は、前記第1境界と前記第2境界との間の距離により定義されるものである請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  6. 上記第1境界は、直線形状又は放物線形状である請求項5に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記第2境界は、直線形状又は放物線形状である請求項6に記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記発光部は、第1非活性発光領域、発光領域、及び第2非活性発光領域を含み、前記発光領域が前記第1非活性発光領域と前記第2非活性発光領域との間に設けられ、前記発光領域の屈折率が前記第1非活性発光領域の屈折率より高く、且つ前記発光領域の屈折率が前記第2非活性発光領域の屈折率より高い請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記第1非活性発光領域と前記第1不活性領域との間に第1境目を有し、前記第1不活性領域と前記光出射領域との間に第1境界を有し、前記第1境目と前記第1境界との間に第1角度が形成され、前記第1角度は、0.1度〜89.9度である請求項8に記載の半導体レーザ装置。
  10. 前記第2非活性発光領域と前記第2不活性領域との間に第2境目を有し、前記第2不活性領域と前記光出射領域との間に第2境界を有し、前記第2境目と前記第2境界との間に第2角度が形成され、前記第2角度は、0.1度〜89.9度である請求項9に記載の半導体レーザ装置。
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