JPH02224287A - 半導体レーザアレイ - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は光情報処理、レーザ加工等に用いる半導体レー
ザアレイに関する。

（ロ）従来の技術 近年、半導体レーザが普及し、その応用分野が拡大する
につれて、光情報処理や、レーザ加工等に用いられる高
出力の半導体レーザが要求されている。

現在、高出力半導体レーザには、ブロードエリアレーザ
と半導体レーザアレイがある。ブロードエリアレーザは
、例えば雑誌「電子材料」１９８７年６月号１０３〜１
０６頁に示されている如く、通常電流狭窄層によって数
μｍの幅に制限される電流通路幅を数十〜数百μｍに広
げたものであり、これにより光集中による端面破壊を防
ぎ、高出力化を可能としたものである。しかし乍ら斯る
ブロードエリアレーザから得られるレーザ光は複数のモ
ードの重ね合わせとなり、そのため光のコヒーレント性
に劣っている。したがってその応用としてはエネルギー
源としての利用にほぼ限られている。

一方、半導体レーザアレイは導波路を多数並べることに
より高出力化を図るものである。斯る半導体レーザアレ
イは各導波路から出射されるレーザ光の位相によって、
位相同期型のものと非位相同期型のものに分けられる。

このうち位相同期型半導体レーザアレイでは、隣り合う
導波路間でレーザ光がカップリングし、スーパーモード
と呼ばれる槓モードが形成される。また、斯るスーバー
モードはＮ本の導波路に対してＮ個のスーパーモードが
存在する。例えば第７図に示すように５本の導波路（１
４）を有する半導体レーザアレイではν＝１．２、・・
・　５までの５個のスーツ（−モードが存在する。この
中でもν＝１のスーツ（−モードはすべての位相が等し
く、０゛位相モードと呼ばれ、光のコヒーレント性に優
れると共に、単峰性のファーフィールドパターンを有し
、光の特性上置も望ましいものである。一方、ν＝Ｎ（
第７図ではシ：５）のスーパーモードは１８０°位相モ
ードと呼ばれ、隣接する導波路（１４）間で夫々位相が
１８０°ずれており、双峰性のファーフィールドパター
ンを有する。斯る１８０°位相モードは他の位相モード
よりもモード利得が大きいことが多い。このため、半導
体レーザアレイはこの１８０°位相モードで発振し易い
。

（ハ）発明が解決しようとする課題 半導体レーザアレイを０°位相モードで発振させる方法
としては従来２つの方法が考えられている。

１つは、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖ
ｏｌ、２１．Ｎｎ３．Ｐ１１８−１２０　（１９８５）
に示されている如く、０１位相モードのモード利得が最
大となるように、発光領域の利得を他の領域のそれより
も低くするものである。しかし乍ら、この方法では、発
光領域の利得を低くしているため、発光が不安定となり
安定したＣＷ動作が得にくいという欠点がある。

もう１つの方法は、昭和６２年秋季応用物理学会予稿集
、１９ｐ−ＺＲ−１７，９，７７１に示されている如く
、レーザ光出射端面に位相シフタを形成し、これよって
各導波路から出射されるレーザ光の位相を揃えるもので
ある。しかし、この方法では、わずか１００μｍ程度の
厚さの端面にＡｌ　−ｏ　ｓを被着させ、これを各導波
路毎に微細加工を施こす必要があるため、製造作業は煩
雑となり、且つ困難である。

したがって本発明はモード利得の調整や、端面上での複
雑な加工等を用いることなく、単峰性のファーフィール
ドパターンを有するレーザ光を安定して出射可能な半導
体レーザアレイを提供するものである。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は、複数の発光領域と、各発光領域で発生したレ
ーザ光を同一方向に導く複数の導波路とを同一基板上に
有する半導体レーザアレイであって、上記課題を解決す
るため、上記導波路は一つおきに一方の端面近傍領域で
実効的な屈折率が異なることを特徴とする。

（ホ）作　用 本発明は、屈折率の異なる媒質内で伝播する光の波長が
変わることを利用するもので、レーザ出射端面近傍領域
の導波路の実効的な屈折率を変えることによって、レー
ザ出射端面におけるレーザ光の位相を変えることができ
る。

（へ）実施例 本発明は１８０°位相モードで発振した各レーザ光をレ
ーザ出射端面において位相を揃えるものであって、第３
図及び第４図を参照してその原理を説明する。

第３図は半導体レーザアレイにおいて、導波路及びその
中を伝播するレーザ光の位相を模式的に示したものであ
る。第３図（ａ）は１８０°位相モードで発振する半導
体レーザアレイを示し、そのレーザ光は隣接する導波路
（１４）を伝播するレーザ光と１８０°位相がずれて導
波路（１４）を伝播し、その位相関係のままレーザ出射
端面（１５）から出射される。このため斯る半導体レー
ザアレイのファーフィールドパターンは双峰性となる。

次に、第３図（ｂ）に本発明半導体レーザアレイを示す
。本発明装置においては、図中斜線で示す導波路（１４
）のレーザ出射端面（１５）近傍領域の実効的な屈折率
を導波路（１４）の１つおきに変えている。（以下、導
波路（１４）の中でこの実効的な屈折率を変えた斜線部
の領域をＢ領域（Ｂ）と呼び、その他白抜きの領域をＡ
領域（Ａ）と呼ぶ）。したがってレーザ上面から見ると
Ａ領域（Ａ）、Ｂ領域（Ｂ）は第４図のようになる。−
船釣に媒質中を伝播する光の波長はその媒質の固有屈折
率或いは実効的な屈折率によって変化することが知られ
ている。従ってＡ領域（Ａ）を伝播する時のレーザ光の
波長とＢ領域（Ｂ）を伝播する時のレーザ光の波長は異
なる。また、波長の変化と共に振動数も変化するので、
レーザ出射端面（１５）におけるレーザ光の位相はＢ領
域（Ｂ）の長さに応じてＢ領域（Ｂ）が形成されていな
い場合の位相からずれることになる。即ち、本発明装置
ではこのずれが１８０°となるようにＢ領域（Ｂ）の長
さを設定することによって、従来隣接する導波路（１４
）間で１８０°位相がずれて出射されていたレーザ光の
位相を、レーザ出射端面（１５）で揃えることができる
。

以上を式で表すと次のようになる。先ず、Ａ領域（Ａ）
及びＢ領域（Ｂ）の実効的な屈折率を夫々ｎ１、ｎ、と
じ、発振したレーザ光の空気中での波長をλ、とすると
、各領域中を伝播するレーザ光の波長λ１、λ烏は夫々
λＡ；λ。／λ１、λ、＝λ、／λ農で表される。次に
半導体レーザアレイの共振器長をＬとすると、Ａ領域（
Ａ）のみで形成された導波路（１４）における共振条件
は、λＡ／２ｍＡ×！＝Ｌ　（Ｌは整数）と表わせる。

一方、Ａ領域（Ａ）とＢ領域（Ｂ）で形成された導波路
（１４）における共振条件は、λＡ／　２　ｎ　ＡＸ　
Ｒ＋＋λＢ／　２　ｎ　ｍＸ　Ｒ＊−Ｌ　（Ｒ＋、Ｒ倉
は実数）と表わせる。またＢ領域（Ｂ）の長さをＬｍと
すると、λｍ／２ｎｍＸＲ１＝Ｌ３と表わせる。ここで
Ａ領域（Ａ）とＢ領域（Ｂ）の境界での位相の変化がな
いことから、Ｒ，＋Ｒ，の値は整数となる１本発明装置
では以上の式を満足し、且つレーザ出射端面（１５）に
おける各レーザ光の位相を揃えるため、Ｉ−（Ｒ，◆Ｒ
，）の値が奇数になるようにＢ領域（Ｂ）の長さＬｌの
値を定める必要がある。以上の条件を満足するものとし
て例えば、ｎＡ＝３．３７、ｎ、＋＝３．４０．　　λ
、＝８３０ｎｍの時、Ｌｍ＝１５μｍとしてＢ領域を形
成すればよい、これによりＢ領域（Ｂ）を伝播するレー
ザ光は、レーザ出射端面（１４）において、Ｂ領域が形
成されていない状態のものから１８０９位相がずれる。

従って、端面近傍領域（ここでは端面からＬ３で示す範
囲）の実効的な屈折率を変えることによって隣接する導
波路から出射されるレーザ光の位相を揃えることができ
る。

第１図は本発明装置の一実施例を示し、同図（ａ）はＢ
領域を含む部分の導波路間断面図、同図（ｂ）はＡ領域
のみの部分の導波路間断面図である。

図において、（１）はｎ　’ＸＩ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板
、（２）、（３）、（４）は基板（１）の−主面に順次
積層された層厚１．５μｍのｎ型Ｇ　ａ　ｏ、　ｓ＠Ａ
　ｌ　＊、　４１Ａ　ｓからなる第１クラッド層、層厚
Ｏ，ＯＳμｍノンドープＧａ、＝、Ａｌ、、Ａｓからな
る活性層、層厚０゜２、ｕｍｐ型Ｇ　ａ　ｏ、　ｓｓＡ
　１　ｍ、　４＊Ａ　Ｓからなる第２クラッド層である
。

（５）は第２クラッド層（４）上に頂部幅２μｍ、ピッ
チ５μｍで紙面垂直方向にストライプ状に設けられたｎ
　’ｊｊ’　Ｇ　ａ　Ａ　ｓからなるブロック層で、０
．８μｍの層厚を有する。

（７）、（８）は露出した第２クラッド層（４）の１つ
おき、及びこの第２クラッド層（４）に隣接するブロッ
ク層（５）の上に順次積層されたｐ＋！！Ｇａ、。

ａＡ　Ｉ　Ｌ　ａＡ　８からなる第３クラッド層、ｐ型
ＧａＡｓからなる酸化防止層で、夫々１．５μｍ、０゜
１μｍの層厚を有する。

（１０）、（１１）、（１２）は、他方の第２クラッド
層（４）上及び酸化防止層（８）上に順次積層されたｐ
型Ｇ　ａ　ｏｌＡ　ｌ　＊、Ａ　ｓからなる光ガイド層
、ｐ型Ｇａ５１ｓＡｊｅ、＊ｓＡＳからなる第４クラッ
ド層、ｐ型ＧａＡｓからなるキャップ層で、夫々０．４
μｍ、１．０μｍ、１．０μｍの層厚を有する。

本実施例装置は、隣接する層の固有屈折率の違いによる
実効的な屈折率の変化を利用してＢ領域（Ｂ）を形成す
るものである。以下第２図を参照しながらその製造方法
と共に実効的な屈折率の変化を説明する。

先ず、第２図（ａ）に示す如く、面方位（１００）のｎ
型ＧａＡｓ基板（１）を用意し、この−主面上にＭＯＣ
ＶＤ法、ＭＢＥ法、周知のエピタキシャル法を用いて、
第１クラッド層（２）、活性層（３）、第２クラッド層
（４）、ブロック層（５）を、各層厚を夫々１．５μｍ
、０．０８μｍ、０．２μｍ、０．８μｍとして順次積
層する。この時、第１クラッド層（２）及び第２クラッ
ド層（４）は活性層（３）より広いバンドギャップを有
する。したがって本実施例装置ではダブルへテロ構造の
半導体レーザとなる。

次に、第２図（ｂ）に示す如く、斯る基板（１）の積層
側表面に、＜０１１＞方向に沿う。５μｍピッチ、３μ
ｍ幅の第１の溝（６）をエツチングにより形成し、第２
クラッド層（４）を露出させる。

第２図（Ｃ）に示す如く、ブロック層（５）上及び露出
した第２クラッド層（４）上に、第３クラッド層（７）
、酸化防止層（８）を、各層厚を夫々１．５μｍ、０．
１μｍとして順次積層する。

次いで第２図（ｄ）に示す如く、第３図Ｃｂ）及び第４
図に示すＢ領域（Ｂ）の長さｔ、ｍを２０μｍ程度とし
て、輻４μｍの第２の溝（９）を、第１の溝（６）を形
成した部分の１つおきにエツチング形成し、第２クラッ
ド層（４）を露出させる。この時、第２の溝（９）は第
３クラッド層（７）のエツチングと酸化防止層（８）の
エツチングを夫々別に行うことによって形成される。例
えば酸化防止層（８）のエツチングにはエッチャントと
してｐｉ（−８，５のＨｔｏ　１＋　Ｎ　Ｈｓｏ　Ｈが
用いられ、第３クラッド層（７）のエッチャントとして
Ｈ，０：ＨＦ＝１：１０の混合液が用いられる。

第２図（ｅ）に示す如く、酸化防止層（８）上及び露出
された第２クラッド層（４）上に、光ガイド層（１０）
、第４クラッド層（１１）、キャップ層（１２）を、各
層厚を夫々０．４μｍ、１．０．ｕｍ、１．０μｍとし
て順次積層する。最後に、図には示していないが、基板
（１）の他主面上及びキャップ層（１２）上に夫々電極
を形成する。

本実施例装置では、ブロック層（５）がエツチングされ
た部分を電流が流れ、第２図（ｅ）に斜線で示す部分に
おいて導波路（１３ａ）と導波路（１３ｂ）が交互に形
成される。このうち、第２クラブ、ド層（４）の上に第
３クラッド層（７）が積層された導波路（１３ａ）と光
ガイド層（１０）が積層された導波路（１３ｂ）とでは
、第３クラッド層（７）と光ガイド層（１０）の固有屈
折率の違いによって、その実効的な屈折率が異なる。即
ち、導波路（１３ａ）の実効的な屈折率は３．３８とな
り、導波路（１３ｂ）のそれは３．４０となる。従って
、導波路（１３ａ）は先述のＡ領域と対応し、導波路（
１３ｂ）はＢ領域と対応する。

第５図に本発明装置の他の実施例を示す。図において、
（１６）はｎ型ＧａＡｓ基板、（１７）、（１８）、（
１９）、（２０）は基板（１６）の−主面に順次積層さ
れた層厚２．０μｍのｎ型Ｇ　ａ　＠１１Ａ　ｌ　＊、
　ｅｓＡ　８からなるクラッド層、層厚０．０８μｍの
ノンドープＧ　ａ　Ｌ　１４Ａ　ｊ　ｔ　ｅｓＡ　Ｓか
らなる活性層、層厚２゜Ｏｐｍのｐ型Ｇａｓ、Ａ１ｍ＝
＊Ａｓからなるｐ型クラッド層、層厚０．８μｍのｐ型
ＧａＡｓからなるキャップ層である。

（２１）はｐ型クラッド層（１９）及びキャップ層（２
ｏ）を選択エツチングして形成された、溝幅３μｍ、溝
ピッチ５μｍのストライプ溝で、ストライプ溝（２１）
下部のｐ型クラッド層（１９）の層厚が０．２μｍとな
る深さを有する。（２２）はストライプ溝（２１）内部
に形成されたｎ型ＧａＡｓからなるブロック層である。

（２３）、（２４）はキャップ層（２０）上及びブロッ
ク層（２２）上に電気的に分離して形成されたｐ型第１
ｍｌ極、ｐ型＠２電極で、夫々端面近傍でピッチ１゜μ
ｍのくし形をなすと共に、各電極の歯の部分は隣接する
キャップ層（２０）上で交互に配されている。また各電
極は図には示していないが異なる電源に接続され、夫々
独立して電流注入されるものである。（２５）は基板（
１６）の他主面に形成されたｎ型電極である。

（２６）はキャップ層（２０）上でｐ型第１電極（２３
）とｐ型第２電極（２４）の間に形成された電流分離溝
で、キャップ層（２０）をエツチング除去しである。

またこの部分はプロトン注入等で高抵抗化してもよい。

（２７）はブロック層（２２）上でｐ型第１電極（２３
）とｐ型第２電極（２４）の間に形成された素子分離溝
で、ｎ型クラッド層（１７）に達する深さを有する。

本実施例装置は、活性層（１８）に注入されるキャリア
量により活性層（１８）の実効的な屈折率が変化するプ
ラズマ効果（「半導体レーザと光集積回路」、オーム社
発行、ｐ、７４〜７５参照）を利用するものであり、ｐ
型第１電極（２３）及びｐ型第２電極（２４）から夫々
興なる電流を注入することにより、各電極下部でＡ領域
（Ａ）及びＢ領域（Ｂ）を形成するものである。

第６図に本実施例装置におけるＡ領域（Ａ）とＢ領域（
Ｂ）の分布を示す。ここで、本実施例装置において、Ｂ
領域（Ｂ）は各導波路（１４）（１４）・・・とも形成
されており、第５図に示すｐ型第１電極（２３）とｐ型
第２電極（２４）の配置により、その長さがＬＳＩのＢ
１領域（Ｂ１）と長さＬ□の８２領域（Ｂ２）に分かれ
、これらが交互に形成されている。

これにより、本実施例装置においては、Ｂｌ領域（Ｂ１
）から８２領域（Ｂ２）に対応する部分を除いた領域の
みで隣接する導波路（１４）間の光の波長が興なること
となる。即ち、本実施例装置では、斯るＢ１領域（Ｂｌ
　）からＢ２領域（Ｂ２）に対応する部分を除いた領域
が実質的に第１実施例の端面近傍領域（Ｂ領域（Ｂ））
として機能する。したがって本発明装置における端面近
傍領域は端面を含む領域に限るものでなく、端面を含ま
ず、導波路（１４）内に形成される場合を含めたもので
ある。

また、本実施例装置では、斯る端面近傍領域において隣
接する導波路（１４）間で光のカップリングを起こさな
いように導波路（１４）間に活性層（１８）を離隔する
素子分離溝（２７）が設けられている。

本実施例装置において、Ｂｌ領域（Ｂ１）を有する導波
路（１４）及びＢ２領域（Ｂ２）を有する導波路（１４
）の各共振条件は、先述と同様各局折率をｎＡ、Ｂ８、
各波長をλ１、λ、とすると以下のように表わされる。

λＡ／２ｎＡＸＲＡ、＋λｍ／２ｎｓＸＲ＊＋＝Ｌ（Ｒ
Ａ＋、Ｒｍ＋’実数）λＡ／　２　ｎ　ＡＸ　ＲＡ＠　
＋λｍ／２ｎｓＸＲｍ＊＝Ｌ（ＲＡｍ、Ｒａｔ：実数）
ここでλｍ／２１ｍＸＲｍ　＋　＝　Ｌｍ　１、λｓ／
２ｎｍＸＲｍ　＊　＝　Ｌｍ　＊である。また、各導波
路（１４）において、Ａ領域（Ａ）とＢ領域（Ｂ）の境
界で位相の変化がないことから、ＲＡＩ◆Ｒ１及びＲＡ
、◆Ｒ□の値は夫々整数となる。この時、ｌ　（ＲＡＩ
＋Ｒ１１）−（ＲＡＩ◆Ｒ□）１が奇数となれば、Ａ領
域（Ａ）で１８０°位相モードであった光は端面におい
て０１位相モードに変換される。例えば本実施例装置に
おいて、発振状態の時と電流を注入していない時の導波
路（１４）の実効的な屈折率は夫々３．３９８．３．４
００程度である。Ａ領域（Ａ）、Ｂ領域（Ｂ）の屈折率
を上の様にとると、発振波長が８３０　ｎｍであればＩ
Ｌ□−Ｌ□１の値を２１５μｍとすれば上述の式を満足
し、１８０゜位相モードを０°位相モードに変換できる
。実際には、例えば共振器長を７５０μｍ、Ｌ、、を３
００μｍ、Ｌ□を５０μｍのようにｌ　Ｌｍｓ−Ｌｖ＊
　ｌ　＞２１５μｍとしておき、ｐ型第２電極（２４）
に注入する電流量（キャリア量）を調節することによっ
て、Ｂ領域（Ｂ）の屈折率を変化させ、上述の式を満足
させれば良い。

また、本実施例装置では、各導波路（１４）にＢ領域（
Ｂ）を形成したが、本実施例装置においてレーザ出射端
面（１５）からＬｌｔの長さを除去した構造としても同
様な効果が得られる。この時各領域の長さは第１実施例
の共振条件を適用して求めればよい。

以上より１本実施例装置においては１８０°位相モード
で発振しても、レーザ出射端面ではＢ領域によって導波
路の１つおきに位相が１８０°ずれるため、結局出射さ
れるレーザ光は位相が揃い、０＠位相モードとなる。

尚、本実施例装置では波長０．８３μｍのＧａＡＪｊＡ
ｓ系半導体レーザに限ることなく、適宜レーザ出射端面
近傍領域の長さを決定することによって、０．６８〜０
，８９μｍの他の波長を有するＧ　ａ　Ａ　ｔ　Ａ　ｓ
系半導体レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザ及びＩ
ｎＧａＡｊＰ系半導体レーザ等にも応用できる。また半
導体レーザの構造もダブルへテロ構造に限らず、Ａ領域
とＢ領域で実効屈折率に差ができるものであれば、ＬＯ
Ｃ（Ｌａｒｇｅ　ｏｐｉｃａｌ　ｃａｖｉｔｙ）構造の
ものや、ＳＣＨ（ｓｅｐａｒａｔｅ−ｃｏｎｆｉｎｅｍ
ｅｎｔ　ｈｅｔｅｒｏ）構造、あるいは、量子井戸構造
のもの等にも応用可能である。

（ト）発明の効果 本発明装置はレーザ出射端面近傍領域における導波路の
実効的な屈折率を変えることによって、１８０°位相モ
ードで発振するレーザ光を０°位相モードに変換して出
射することができ、従来装置のように幅狭の面での加工
をすることもなく、従来のエツチング技術を用いるだけ
で容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明装置の一実施例を示し、第１
図（ａ）はその端面近傍領域における断面図、第１図（
ｂ）はその端面近傍領域外の断面図、第２図（ａ）乃至
（ｅ）はその工程別断面図、第３図（ａ）及び（ｂ）は
従来装置及び本発明装置において、導波路及びその中を
伝播するレーザ光の位相を示す模式図、第４図は第１図
に示す実施例装置においてＡ領域、Ｂ領域の分布を示す
模式図、第５図は本発明装置の他の実施例を示す斜視図
、第６図は第５図に示す実施例装置において、Ａ領域、
Ｂ領域の分布を示−す模式図、第７図は５本の導波路を
有する半導体レーザアレイの位相モードを示す説明図で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の発光領域と、各発光領域で発生したレーザ
   光を同一方向に導く複数の導波路とを同一基板上に有す
   る半導体レーザアレイにおいて、上記導波路は一つおき
   に一方の端面近傍領域で実効的な屈折率が異なることを
   特徴とする半導体レーザアレイ。