JPH0440877B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 この発明は半導体レーザアレイ装置に関し、特
に高出力まで単一で安定な細い遠視野像で光放射
する半導体レーザアレイ装置に関する。

(ロ) 従来の技術 光デイスク、レーザプリンタ、光計測システム
などの光源として半導体レーザが用いられている
が、現在その高出力化が切望されている。しか
し、現状の半導体レーザは単一活性導波路構造で
あり、窓効果や端面反射率制御などを応用しても
出力は実用上60〜70mW程度が限界である。

そこで、複数の活性導波路を有する半導体レー
ザアレイの研究開発が盛んに行なわれている。こ
の半導体レーザアレイは全ての導波路における光
電界位相が同期してスーパーモード（0°位相モー
ド）を選択的に発振させることにより、細い１本
のビームで高出力光を放射できる可能性がある。

しかし、従来の半導体レーザアレイにおいて
は、上述のように全ての導波路での光位相の完全
な一致は実現されていない。具体的には次のよう
な現象が観測される。

（） 隣接する導波路間での光位相が180°のず
れをもつたスーパーモード（180°位相モード）
で発振し、出力光がある開き角をもつた２本の
ビームの形で放射される。

（） 0°位相モードまたは180°位相モード以外
のスーパーモードで発振し出力光は複数のビー
ムとなつて放射される。

（） ２つ以上のスーパーモードが非干渉の状
態で重なり合い、ビームが太くなる。

これらの現象は半導体レーザアレイを使用する
立場からは不都合であり、光デイスクやレーザプ
リンタなどへの応用には単一のスーパーモード発
振で且つ出力光は細い１本のビームであることが
必要である。

以下に従来例の１つとして（）の現象が観測
される半導体レーザアレイ素子について説明す
る。第４図と第５図はこの素子の断面構造と斜視
構造を示す。まず、001面ｐ−GaAs基板１０１
上にn⁺−Al_0.4Ga_0.8As電流狭さく層１０２を
0.7μm厚、ｎ−GaAs表面保護層１０３を0.1μm厚
にそれぞれ成長させる。成長方法としては、液相
成長法が用いられる。次にこれらの２層１０２，
１０３を貫通してｐ−GaAs基板１０１に達する
直線的な溝１０８を３本互いに平行に形成する。
この溝１０８の幅は4μm、深さは約1μm、溝１０
８相互の中心間距離は5μmである。溝１０８の方
向は、レーザ共振器端面である１１０面に垂直で
ある。ｎ−GaAs表面保護層１０３及び溝１０８
上に、さらに、液相成長法によりｐ−Al_xGa_1-x
Asクラツド層１０４を溝１０８以外の部分で
0.2μm厚、ｐまたはｎ−Al_yGa_1-yAs活性層１０
５を0.08μm厚、ｎ−Al_xGa_1-xAsクラツド層１０
６を0.8μm厚、n⁺−GaAsコンタクト層１０７を
1.5μm厚にそれぞれ成長させる。このとき、溝１
０８はｐ型クラツド層１０４による完全に埋めら
れるため、層１０４，１０５，１０６，１０７の
それぞれの界面は平坦に形成される。この後、こ
のウエハーの両面に抵抗性全面電極を付け、合金
処理を行なつた後、011面でへき開して素子化が
完了する。

このようにして作製された半導体レーザアレイ
素子の発振ビームの光電界分布と遠視野像を第６
図と第７図に示す。これらの結果により、隣接す
る活性導波路間で光の位相差が180°であることが
わかる。180°位相モードが選択的に発振するの
は、この素子のように複数平行損失導波路構造で
は各活性導波路間の光結合領域で光吸収が存在す
るため、180°位相モードのしきい値ゲインが最低
になるからである。これは、理論計算からも理解
される。導波路解析より３エレメント平行損失導
波路素子における３つのスーパーモードのしきい
値ゲインの横方向屈折率差依存性を求めた結果を
第８図に示す。このように、180°位相モードを選
択的かつ安定に発振させるのが実験的にも理論的
にも可能であることが理解される。しかし、半導
体レーザアレイの応用の面からは、上述したよう
に大きな障害となる。

上述の素子における欠点を改良するために、結
合領域での損失を無くした実屈折率導波路構造の
半導体レーザアレイが用いられる。第９図はこの
実屈折率導波路構造の半導体レーザーアレイを示
す。001面ｎ−GaAs基板１１１上にｎ−Al_x
Ga_1-xAsクラツド層１１２を0.8μm厚、ｎまたは
ｐ−Al_yGa_1-yAs活性層１１３を0.1μm厚、ｐ−
Al_xGa_1-xAsクラツド層１１４を0.8μ厚、p⁺−
GaAsコンタクト層１１５を0.1μm厚さにそれぞ
れ成長させる。成長方法としては、有機金属化学
折出法（MOCVD法）、分子線エピタキシヤル法
（MBE法）あるいは液相成長法（LPE法）などが
適用可能である。その後、ウエハー両面に抵抗性
電極を形成する。さらに、このウエハーにホトリ
ソグラフイ技術と反応性イオンビームエツチング
（RIBE）技術を用いて、３本の平行なメサスト
ライブ１１６を形成する。このメサストライブ１
１６の幅は3μm、中心間距離は4μm、高さは
1.5μmであり、方向は基板１１１の＜１１０＞方
向に平行である。すなわち、メサストライブ１１
６以外の部分のｐ型クラツド層１１４は厚さ
0.3μmになるまでエツチングされる。さらに、結
晶１１０面をへき開することにより、レーザー共
振器１１７を形成する。素子の長さは約250μmで
ある。

この実屈折率導波路構造素子の発振横モードを
観察すると、複数のスーパーモードが混在してい
る。この現象は次のような理由によるものと考え
られる。上述の損失導波路構造素子では結合領域
での光吸収が大きいため180°位相モードが選択さ
れたもの対して、この実屈折率導波路構造素子で
は、結合領域で光吸収が無いため、素子構造が許
容するすべてのスーパーモードのしきい値ゲイン
がほぼ等しくなる。そのため、すべてのスーパー
モードが同時に発振するのである。このように複
数のスーパーモードが混在して発振する素子の出
力ビームは、回折限界の数倍の太さになる。これ
は、上述の（）の現象であり、実用上の大きな
問題となる。

(ハ) 発明が解消しようとする問題点 上述のように、従来の損失導波路構造素子にお
いては、180°位相モードが選択的に発振し、出力
光は２本のビームとなる。また、実屈折率導波路
構造素子では、複数のスーパーモードが混在して
発振し、出力光ビームが回折限界の数倍の太さに
なる。これは、単一のスーパーモード発振で且つ
１本の細いビームを必要とする光デイスクやレー
ザープリンタなどへの応用に際して大きな障害と
なる。

この発明はこのような事情を考慮してなされた
もので、高出力まで同一の単一アレイモードで発
振し、かつその出射ビームが一本である半導体レ
ーザアレイ装置を提供するものである。

(ニ) 問題点を解決するための手段 この発明は、互いに光学的弱結合関係にある複
数の平行活性導波路を有する半導体レーザ部と、
その出射端面近傍に位置し、前記平行活性導波路
の隣接する導波路から出射される光位相関係を
180°だけシフトさせる平板とを備えてなる半導体
レーザアレイ装置である。

レーザ端面と平板との間隔は30μm以下である
ことが好ましい。また、平板のレーザ素子方向へ
の光反射率は10％以下に設定される。平板とレー
ザ端面とは完全な平行関係から垂直方向に3°以上
傾けて設定されることが好ましい。

また、共振面の反射率としては例えばレーザ後
方共振面の反射率は80％以上としレーザ前方共振
面の反射率は10％以下とする。位相シフト用平板
での光吸収は５％以下であることが好ましい。さ
らに、位相シフト用平板はステム用窓ガラスを共
用するようにしてもよい。また、この半導体レー
ザアレイ装置は、半導体レーザアレイ装置よりレ
ーザ光を放射させつつ、位相シフト用平板をステ
ムに装着することが可能な構造を有することが好
ましい。

(ホ) 作用 レーザアレイの隣接する平行活性導波路から出
射されるレーザ光の光電界は180°の位相差を有す
るが、出射端面近傍に設置される平板によつて、
それらの位相関係がさらに180°シフトされるので
単一ビームを発振する。

(ヘ) 実施例 以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を
詳述する。なお、これによつてこの発明が限定さ
れるものではない。

第１図はこの発明の一実施例の構成を示す説明
図である。同図において、基本となる素子１は従
来例にて述べた第４図と同様の損失導波機構を有
する平行フイラメント素子であり作製方法も同様
である。ただし溝のピツチ5μm、発振波長は7800
〓である。この素子が高出力領域まで単一180°位
相モード発振するのは前述の通りである。この素
子１の後方反射面に非晶質シリコンとAl₂O₂膜を
多重蒸着し、前方反射面にはAl₂O₂膜を蒸着して
各反射面の反射率をそれぞれ80％と７％に設定す
る。この素子１をInハンダを用いてステム３にマ
ウントする。次に素子１の電極とステム３のリー
ドピン３０３とをアルミワイヤー３０２でリード
ボンドする。このとき素子の出力モニター用のSi
−PIN３０４を素子の後方に位置させている。ま
たこのステム３には素子１をマウントして部分よ
り10μmほど低い、溝３０１付きの台状の部分３
０５があり、この溝部には平板状の位相シフタ２
がねじ３０２により固定できるようになつてい
る。この位相シフタ２の構成と素子１との相対位
置を示したのが第２図である。位相シフタは
120μm厚の低膨脹ガラス板２０１上にプラズマ化
学析出法により屈折率ｎ＝1.96の窒化シリコン膜
を厚さｔだけ堆積させる。そして、ｔは次式を満
足するものとする。

ｎ・ｔ＝ｔ＋ λe （ただしｎ：窒化シリコンの屈折率、ｍ＝０，
１，２，３……λ；レーザアレ素子の発振波長で
ある。） この実施例では、ｎ＝1.96.λ＝7800Åでありｔ
＝（2m＋１）×4062.5Åとなるので、ｍ＝０の場
合を選び、ｔ＝4060Åの厚さとした。

次に、通常のホトリソグラフイ技術とエツテン
グ技術とを用いこの窒化シリコン膜２０２を5μm
幅ストライブ形状に加工する。ただし、ピツチは
10μmである。（7800Åの光が窒化シリコンの存在
する膜２０２とそれ以外の部分を通過する際、
180°だけ電界位相がシフトする）。

次に、素子１に電流を流し、発振させた状態で
この位相シフタ２を素子前面の近傍に位置させ
る。このときの素子１と位相シフタ２との間隔ｄ
はステムに形設された溝３０１に位置により決定
され、ここではｄ＝20μmに選んだ。これは素子
１の各フイラメント(a)〜(c)からの出力が遠視野像
に変換されずに個々ビームとみなせる範囲に位相
シフタ２を位置させるためである。また、素子へ
の戻り光を低減させるためこの位相シフタ２は活
性層に垂直な方向に端面と平行な面から約3°傾い
ている。この状態で位相シフタ２を平行移動させ
ながら遠視野像を測定し、そのパターンが第３図
のように中心に単一のビームが存在するものとな
る場所を捜し、位相シフタ２をねじ３０１にて固
定する。

このようにして得られたレーザアレイ装置は高
出力まで中心に位置する単一のビームで発振し、
一般に考えられている0°位相モードの放射パター
ンに遜色のないものが得られることになる。

なお、この発明は、素子１の構成が上記と異な
るもの（ただし単一180°位相モード発振するもの
に限る。）や位相シフターの材質が上記と異なる
もの、位相シフターの固定方法が上記と異なるも
の、あるいは、位相シフターとステムキヤプの窓
ガラスを共用させたものなどについても適用され
ることはいうまでもない。

(ト) 発明の効果 この発明によれば、高出力レベルまで同一の単
一アレイモードで発振し、かつその出射ビームが
一本である半導体レーザアレイ装置が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成を示す説明
図、第２図は第１図の部分拡大平面図、第３図は
第１図に示す実施例の遠視野像を示すグラフ、第
４図および第５図は従来の半導体レーザの構成を
示す説明図、第６図および第７図は従来の半導体
レーザアレイの光電界分布と遠視野像を示すグラ
フ、第８図は従来の半導体レーザアレイにおける
スーパーモードのしきい値ゲインの横方向屈折率
差依存性を示すグラフ、第９図は実屈折率導波路
構造の半導体レーザアレイの構成を示す説明図で
ある。 １……半導体レーザ素子、２……位相シフタ
ー、３……ステム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 互いに光学的弱結合関係にある複数の平行活
   性導波路を有する半導体レーザ部と、その出射端
   面近傍に位置し、前記平行活性導波路の隣接する
   導波路から出射される光位相関係を180°だけシフ
   トさせる平板とを備えてなる半導体レーザアレイ
   装置。