JP2005026610A - Semiconductor laser array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体レーザアレイに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser array.
レーザ光を出射する発光領域が長手方向に沿って並列に配列された半導体レーザアレイを備えた半導体レーザ装置は、固体レーザ励起、印刷、材料加工、医療等、広い分野で利用されている。しかし、半導体レーザアレイの各発光領域から出射されるレーザ光はビーム拡散角が大きい。例えば、出射されるレーザ光の、長手方向(以下「水平方向」という)のビーム拡散角は約8°程度であり、レーザ光の出射方向と長手方向の双方に垂直な方向(以下「水平方向」という)の拡散角は30〜35°程度である。このような拡散角を有するので、高い光密度を得るためには、レーザ光の整形が必要であり、整形を容易にするため半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を、光学系を用いて水平方向及び垂直方向へ平行化している(例えば、非特許文献1参照。)。
レーザアレイ光の垂直方向における平行化は、円柱状のコリメートレンズ等を使用し、比較的容易に行うことができる。しかし、水平方向には複数の発光領域が隣り合って配列されるため、レーザ光を水平方向に集光する水平コリメートレンズとしては、各発光領域ごとに対応する集光部(例えば凸レンズ部)を設けたレンズを設置することが必要である。半導体レーザアレイの発光領域配列密度を大きくすれば、水平コリメートレンズの対応する集光部の配列密度もまた大きくする必要がある。ところが、集光部の配列密度を大きくしようとすれば集光部もそれに合わせて小さくする必要があるので水平コリメートレンズの製作が困難になる。このため、水平コリメートレンズの集光部の配列密度の向上には限界があり、この限界が、対応する発光領域の配列密度向上の限界ともなっているので、発光領域の配列密度を高くして光密度の向上を図ることができないという問題点があった。 Parallelization of the laser array light in the vertical direction can be performed relatively easily by using a cylindrical collimating lens or the like. However, since a plurality of light emitting regions are arranged adjacent to each other in the horizontal direction, a horizontal collimating lens that condenses the laser light in the horizontal direction has a condensing portion (for example, a convex lens portion) corresponding to each light emitting region. It is necessary to install the provided lens. If the light emitting region arrangement density of the semiconductor laser array is increased, it is also necessary to increase the arrangement density of the corresponding condensing portions of the horizontal collimating lens. However, if it is intended to increase the arrangement density of the condensing portions, it is necessary to reduce the condensing portions accordingly. Therefore, it is difficult to manufacture a horizontal collimating lens. For this reason, there is a limit to improving the arrangement density of the condensing portions of the horizontal collimating lens, and this limit is also the limit for improving the arrangement density of the corresponding light emitting area. There was a problem that the density could not be improved.
そこで、本発明は上記問題点を解決し、発光領域の配列密度を高くし光密度の向上を図ることが可能な半導体レーザアレイを提供することを課題とする。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a semiconductor laser array that solves the above-described problems and can increase the arrangement density of the light emitting regions to improve the light density.
上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザアレイは、第1導電型クラッド層と、第2導電型クラッド層と、第1導電型クラッド層と第2導電型クラッド層との間に設けられた活性層と、を備え、活性層に屈折率導波路が形成される半導体レーザアレイであって、屈折率導波路は、光出射面と平行な光反射面上に位置する反射端面と、光出射面上に位置し、反射端面と対向する領域において不連続に形成される出射端面と、反射端面から出射端面まで伸びて当該屈折率導波路の長手方向での領域を規定する一対の側面と、を含み、側面は、光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を反射端面に向けてそれぞれ全反射させるように形成されることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a semiconductor laser array of the present invention is provided between a first conductivity type cladding layer, a second conductivity type cladding layer, and between the first conductivity type cladding layer and the second conductivity type cladding layer. A semiconductor laser array having a refractive index waveguide formed in the active layer, wherein the refractive index waveguide includes a reflection end surface located on a light reflection surface parallel to the light emitting surface, and a light An exit end face that is located on the exit face and is discontinuously formed in a region facing the reflection end face; and a pair of side surfaces that extend from the reflection end face to the exit end face to define a region in the longitudinal direction of the refractive index waveguide; The side surfaces are formed so as to totally reflect light incident from a direction perpendicular to the light emission surface from the light emission surface side toward the reflection end surface.
上記半導体レーザアレイによれば、屈折率導波路の側面は光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を反射端面へ向かうように全反射させるようになっている。よって、屈折率導波路内で発生した光のうち、光出射面に垂直な方向から側面に入射する光は側面で全反射され、反射端面で反射され、もう一方の側面で全反射され、出射端面で反射された後、さらに、側面、反射端面、もう一方の側面、出射端面を順に結ぶ光路を往復し、共振させることができる。 According to the semiconductor laser array, the side surface of the refractive index waveguide totally reflects light incident from the light emitting surface side in a direction perpendicular to the light emitting surface toward the reflection end surface. Therefore, of the light generated in the refractive index waveguide, the light incident on the side surface from the direction perpendicular to the light exit surface is totally reflected on the side surface, reflected on the reflection end surface, and totally reflected on the other side surface and emitted. After being reflected at the end face, the optical path connecting the side face, the reflective end face, the other side face, and the exit end face can be reciprocated to resonate.
一方、出射端面は、反射端面に対向する位置において不連続であるので、反射端面及び出射端面を両端面に垂直な直線で結ぶような光路は存在せず、活性層の両端面を直接往復して共振する光は存在しない。 On the other hand, since the exit end face is discontinuous at the position facing the reflection end face, there is no optical path connecting the reflection end face and the exit end face with a straight line perpendicular to both end faces, and the both end faces of the active layer are directly reciprocated. There is no light that resonates.
このように、上記半導体レーザアレイによれば、屈折率導波路の構造上、共振が起こるレーザ光の光路を限定することができるため、レーザ発振の光の角度成分が制限され、高次横モードが抑制され単一横モードとなり、出射されるレーザ光の水平方向の拡散角を小さくすることができる。上述のとおり上記半導体レーザアレイによれば、レーザ光の水平方向の光品質が向上し拡散角が小さいので、レーザ光を水平方向へ集光するための水平コリメートレンズが不要となる。したがって半導体レーザアレイの発光領域の配列密度を、水平コリメートレンズの集光部の配列密度限界に合わせる必要もなくなり、発光領域の配列密度を向上することができ、大きな光出力、高い信頼性を得ることができる。 As described above, according to the semiconductor laser array, the optical path of the laser beam where resonance occurs can be limited due to the structure of the refractive index waveguide, so that the angular component of the laser oscillation light is limited, and the high-order transverse mode is limited. Is suppressed to a single transverse mode, and the horizontal diffusion angle of the emitted laser light can be reduced. As described above, according to the semiconductor laser array, since the light quality in the horizontal direction of the laser light is improved and the diffusion angle is small, a horizontal collimating lens for condensing the laser light in the horizontal direction becomes unnecessary. Therefore, it is not necessary to match the arrangement density of the light emitting area of the semiconductor laser array to the arrangement density limit of the condensing part of the horizontal collimating lens, the arrangement density of the light emitting area can be improved, and a large light output and high reliability can be obtained. be able to.
また、本発明の半導体レーザアレイは、屈折率導波路が、反射端面側から出射端面側へ向かう途中で、出射端面に対応して分岐するように設けられたことを特徴としてもよい。 Further, the semiconductor laser array of the present invention may be characterized in that the refractive index waveguide is provided so as to branch corresponding to the emission end face on the way from the reflection end face side to the emission end face side.
また、本発明の半導体レーザアレイは、第1導電型クラッド層と、第2導電型クラッド層と、第1導電型クラッド層と第2導電型クラッド層との間に設けられた活性層と、を備え、第1導電型クラッド層は長手方向に沿って並列に配列された複数のリッジ部を有しており、活性層にはリッジ部に対応して屈折率導波路が形成される半導体レーザアレイであって、当該リッジ部は、光出射面と平行な光反射面を含む平面上に位置する第1の端面と、光出射面を含む平面上に位置し、第1の端面と対向する領域において不連続に形成された第2の端面と、第1の端面から第2の端面まで伸びて当該リッジ部の長手方向での領域を規定する一対の側面と、を有し、リッジ部の側面は、当該側面に対応して形成される屈折率導波路の側面が、光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を第1の端面に対応して形成される屈折率導波路の反射面に向けてそれぞれ全反射させるように形成されたことを特徴とする。 The semiconductor laser array of the present invention includes a first conductivity type cladding layer, a second conductivity type cladding layer, an active layer provided between the first conductivity type cladding layer and the second conductivity type cladding layer, The first conductivity type cladding layer has a plurality of ridges arranged in parallel along the longitudinal direction, and the active layer is formed with a refractive index waveguide corresponding to the ridges In the array, the ridge portion is positioned on a plane including a light reflecting surface parallel to the light emitting surface, and on a plane including the light emitting surface, and is opposed to the first end surface. A second end surface formed discontinuously in the region, and a pair of side surfaces extending from the first end surface to the second end surface and defining the region in the longitudinal direction of the ridge portion, The side surface of the refractive index waveguide formed corresponding to the side surface is the light exit surface. Characterized in that it is formed so as to totally reflect respectively toward the reflective surface of the refractive index waveguide is formed corresponding to light incident from the direction perpendicular to the light exit surface to the first end surface from.
上記半導体レーザアレイによれば、第1クラッド層のリッジ部に電流が注入されることによりリッジ部に対応する活性層の領域が活性領域となる。このとき、リッジ部とその外部との屈折率差によって、活性層には実効的な屈折率差が生じているため、リッジ部の平面視形状(リッジ部を第1クラッド層の厚み方向から見た形状)に沿った形状の屈折率導波路が形成されている。この屈折率導波路はリッジ部の第1の端面に対応する位置に反射面を有することとなる。また、リッジ部の第2の端面に対応する位置に不連続な反射面を有することとなる。また、屈折率導波路は、リッジ部の側面に対応した形状の一対の側面を有することとなる。この側面は上記の実効的な屈折率差によって反射面として機能する。 According to the semiconductor laser array, when a current is injected into the ridge portion of the first cladding layer, the active layer region corresponding to the ridge portion becomes the active region. At this time, since the active layer has an effective refractive index difference due to the refractive index difference between the ridge portion and the outside thereof, the shape of the ridge portion in plan view (the ridge portion is viewed from the thickness direction of the first cladding layer). A refractive index waveguide having a shape along the shape) is formed. This refractive index waveguide has a reflecting surface at a position corresponding to the first end face of the ridge portion. In addition, a discontinuous reflection surface is provided at a position corresponding to the second end surface of the ridge portion. Further, the refractive index waveguide has a pair of side surfaces having a shape corresponding to the side surface of the ridge portion. This side surface functions as a reflecting surface due to the above effective refractive index difference.
屈折率導波路の側面は光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を屈折率導波路の第1の端面に対応する位置の反射面へ向かうように全反射させるようになっている。よって、屈折率導波路内で発生した光のうち、第2端面に対応する位置の反射面側から光出射面に垂直な方向から側面に入射する光は側面で全反射され、第1端面に対応する位置の反射面で反射され、もう一方の側面で全反射され、第2端面に対応する位置の反射面で反射された後、さらに、側面、第1端面に対応する位置の反射面、もう一方の側面、第2端面に対応する位置の反射面を順に結ぶ光路を往復し、共振させることができる。 The side surface of the refractive index waveguide totally reflects light incident from the light emitting surface side in a direction perpendicular to the light emitting surface toward the reflecting surface at a position corresponding to the first end surface of the refractive index waveguide. It has become. Therefore, among the light generated in the refractive index waveguide, light incident on the side surface from the direction perpendicular to the light emitting surface from the reflecting surface side at the position corresponding to the second end surface is totally reflected on the side surface, and is reflected on the first end surface. Reflected by the reflecting surface at the corresponding position, totally reflected by the other side surface, reflected by the reflecting surface at the position corresponding to the second end surface, and further reflected by the reflecting surface at the position corresponding to the first end surface, The optical path connecting the other side surface and the reflecting surface at the position corresponding to the second end surface can be reciprocated to resonate.
一方、リッジ部の第2の端面は、第1の端面に対向する位置において不連続であるので、第1端面に対応する位置の反射面及び第2端面に対応する位置の反射面を両反射面に垂直な直線で結ぶような光路は存在せず、活性層の両端面を直接往復して共振する光は存在しない。 On the other hand, since the second end surface of the ridge portion is discontinuous at the position facing the first end surface, the reflection surface at the position corresponding to the first end surface and the reflection surface at the position corresponding to the second end surface are both reflected. There is no optical path connecting with a straight line perpendicular to the surface, and there is no light that resonates directly by reciprocating both end faces of the active layer.
このように、上記半導体レーザアレイによれば、屈折率導波路の構造上、共振が起こるレーザ光の光路を限定することができるため、レーザ発振の光の角度成分が制限され、高次横モードが抑制され単一モードに近くなり、出射されるレーザ光の水平方向の拡散角を小さくすることができる。上述のとおり上記半導体レーザアレイによれば、レーザ光の水平方向の光品質が向上し拡散角が小さいので、レーザ光を水平方向へ集光するための水平コリメートレンズが不要となる。したがって半導体レーザアレイの発光領域の配列密度を、水平コリメートレンズの集光部の配列密度限界に合わせる必要もなくなり、発光領域の配列密度を向上することができ、大きな光出力、高い信頼性を得ることができる。 As described above, according to the semiconductor laser array, the optical path of the laser beam where resonance occurs can be limited due to the structure of the refractive index waveguide, so that the angular component of the laser oscillation light is limited, and the high-order transverse mode is limited. Is suppressed to be close to a single mode, and the horizontal diffusion angle of the emitted laser light can be reduced. As described above, according to the semiconductor laser array, since the light quality in the horizontal direction of the laser light is improved and the diffusion angle is small, a horizontal collimating lens for condensing the laser light in the horizontal direction becomes unnecessary. Therefore, it is not necessary to match the arrangement density of the light emitting area of the semiconductor laser array to the arrangement density limit of the condensing part of the horizontal collimating lens, the arrangement density of the light emitting area can be improved, and a large light output and high reliability are obtained. be able to.
また、本発明の半導体レーザアレイは、リッジ部が、第1の端面側から第2の端面側へ向かう途中で、第2の端面に対応して分岐するように設けられたことを特徴とするとしてもよい。 Further, the semiconductor laser array of the present invention is characterized in that the ridge portion is provided so as to branch corresponding to the second end face in the middle from the first end face side to the second end face side. It is good.
また、本発明の半導体レーザアレイは、第1導電型クラッド層と、第2導電型クラッド層と、第1導電型クラッド層と第2導電型クラッド層との間に設けられた活性層と、を備え、活性層に屈折率導波路が形成される半導体レーザアレイであって、屈折率導波路は、活性層で発生したレーザ光を、光出射面上のスポットから当該光出射面と平行な光反射面上のスポットへの光路と、光出射面上の別のスポットから光反射面上のスポットへの光路とを交互に往復させて共振させることを特徴とする。 The semiconductor laser array of the present invention includes a first conductivity type cladding layer, a second conductivity type cladding layer, an active layer provided between the first conductivity type cladding layer and the second conductivity type cladding layer, A refractive index waveguide formed in the active layer, wherein the refractive index waveguide transmits laser light generated in the active layer from a spot on the light emitting surface parallel to the light emitting surface. The optical path to the spot on the light reflecting surface and the optical path from another spot on the light emitting surface to the spot on the light reflecting surface are reciprocated alternately to resonate.
上記半導体レーザアレイによれば、レーザ発振の横モードが単一モードに近くなり、光出射面から出射されるレーザ光の水平方向の拡散角を小さくすることができる。上述のとおり上記半導体レーザアレイによれば、レーザ光の拡散角が小さいので、レーザ光を水平方向へ集光するための水平コリメートレンズが不要となる。したがって半導体レーザアレイの発光領域の配列密度を、水平コリメートレンズの集光部の配列密度限界に合わせる必要もなくなり、発光領域の配列密度を向上することができ、大きな光出力、高い信頼性を得ることができる。 According to the semiconductor laser array, the transverse mode of laser oscillation is close to a single mode, and the horizontal diffusion angle of the laser light emitted from the light emitting surface can be reduced. As described above, according to the semiconductor laser array, since the diffusion angle of the laser beam is small, a horizontal collimating lens for condensing the laser beam in the horizontal direction becomes unnecessary. Therefore, it is not necessary to match the arrangement density of the light emitting area of the semiconductor laser array to the arrangement density limit of the condensing part of the horizontal collimating lens, the arrangement density of the light emitting area can be improved, and a large light output and high reliability can be obtained. be able to.
本発明によれば、発光領域の配列密度を高くし光密度の向上を図ることが可能な半導体レーザアレイを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser array capable of increasing the arrangement density of the light emitting regions and improving the light density.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
(第1実施形態)
本発明の第1の実施形態について図1、図2、図3を参照し説明する。図1は、本実施形態に係る半導体レーザアレイ1の概略斜視図、図2は半導体レーザアレイ1の平面図、図3は、そのIII-III断面図である。半導体レーザアレイ1は活性層13でレーザ光を発生し、レーザ光を光出射面4に配列された発光領域5から出射する半導体デバイスである。半導体レーザアレイ1には表面にV字型の凸部2が設けられ、長手方向に複数配列されている。それぞれ凸部2に対応する活性層13内に屈折率導波路3が形成され、凸部2に対応する光出射面4上に発光領域5が形成される。このように、屈折率導波路3及び発光領域5は凸部2に対応して長手方向に複数配列される。
Embodiments of the present invention will be described below. In addition, the same code | symbol is used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, and FIG. FIG. 1 is a schematic perspective view of a
以下、レーザ光が出射される方向をz方向、発光領域5の配列方向をx方向、z方向及びx方向の双方に垂直な方向をy方向として図のように座標軸(x軸、y軸、z軸)を設定し、以下の説明に用いる。
Hereinafter, the direction in which the laser beam is emitted is the z direction, the arrangement direction of the
半導体レーザアレイ1は、基板7上に、3層の半導体層がy方向に積層された積層体9を備えている。積層体9は、p型クラッド層(第1導電型クラッド層)11、活性層13、n型クラッド層(第2導電型クラッド層)15の3つの半導体層が積層されて構成されている。p型クラッド層11にはV字型のリッジ部23がx方向に複数配列して設けられている。各リッジ部23の外側の層にはp型クラッド層11と電気的に接続されるキャップ層17が設けられており、リッジ部23とキャップ層17とで凸部2を構成している。
The
更に外側の層には外部からの電流を注入するp側電極層19が設けられている。p型クラッド層11及びキャップ層17とp側電極層19との間には絶縁層21が設けられており、絶縁層21はキャップ層17の凸部に対応する部分に開口部が設けられている。p側電極層19は開口部においてキャップ層17にのみ電気的に接触するようになっているので、外部からの電流注入はキャップ層17にのみ限定してなされる。また、基板7の積層体9と反対側にはn側電極層18が形成されている。基板7はn-GaAsからなる。p型クラッド層11はp-AlGaAsからなり、n型クラッド層15はn-AlGaAsからなり、活性層13はGaInAs/AlGaAsからなる。またキャップ層17はp-GaAsからなり、p側電極層19はTi/Pt/Auからなり、n側電極層18はAuGe/Auからなり、絶縁層21はSiNからなる。
Further, a p-
図4、図5を参照しp型クラッド層11について説明する。図4はp型クラッド層11を含む積層体9の斜視図、図5(a)は積層体9の平面図、図5(b)は積層体9のVb−Vb断面図、図5(c)はそのVc−Vc断面図である。上述のとおり、積層体9は、p型クラッド層11、活性層13、n型クラッド層15の3つの半導体層が積層されて構成されている。
The p-
p型クラッド層11には発光領域5に対応してリッジ部23が設けられており、半導体レーザアレイ1はいわゆるリッジ構造を有している。p型クラッド層11のリッジ部23以外の領域は、層が薄化された薄肉領域24が形成されている。リッジ部23は、平面視形状が光反射面6から光出射面4へ向かう途中で、点G1の位置から二股に分岐したV字型となっている。換言すれば、光出射面4に平行で点G1よりも、光出射面4側にある平面(例えばVb−Vb)におけるリッジ部23の断面は図5(b)に示すように不連続となっており、光反射面6側にある平面(例えばVc−Vc)におけるリッジ部23の断面は図5(c)に示すように連続した形状となっている。
The p-
リッジ部23は第1端面25、不連続な第2端面27、及び側面29a、29b、内側面31a、31b、33a、33bを有しており、側面29a、29b、内側面31a、31b、33a、33bはリッジ部23と薄肉領域24との境界面となっている。リッジ部23は、zy平面に平行な仮想面Gについて面対照の形状をなしている。第1端面25は光出射面4と平行に対向する光反射面6上にある。第2端面27は光出射面4上にあり、第1端面25と対向する位置26において途切れた不連続な形状に形成されており、第2端面27a、27bに分かれている。このとき、第2端面は少なくとも第1端面25と対向する位置26において途切れていればよく、途切れている範囲が位置26の範囲を含んでいれば、当該範囲よりも広い範囲であってもよい。第2端面27aと第2端面27bとが途切れた領域は薄肉領域24となっている。
The
側面29aは第1端面25の一端から第2端面27aの一端まで伸び、側面29bは第1端面25の他の一端から第2端面27bの一端まで伸びている。側面29a及び29bは、それぞれリッジ部23のy方向での領域を規定しており、リッジ部23と薄肉領域24との境界となっている。側面29a、29bはy方向から見た平面図において光出射面4と角度θをなすように設けられている。
The
活性層13にはリッジ部23の形状に対応した屈折率導波路3が形成され、屈折率導波路3にはリッジ部23の第1端面25に対応して反射面35が形成され、側面29a、29bそれぞれに対応して反射面39a、39bが形成される。リッジ部23における角度θは、リッジ部23に対応して形成される屈折率導波路3の反射面39a、39bが、光出射面4側からz方向に垂直な方向から入射する光を反射面35へ向けて全反射させるように設定される。換言すると、屈折率導波路3においてこのような反射面39a、39bを形成するようにリッジ部23の側面29a、29bが形成される。
A
内側面31a、31b、33a、33bは、リッジ部23の領域を規定している。内側面31a、31b、33a、33b、及び光出射面4で囲まれた薄肉領域24は第1端面25と、当該第1端面25に対向する光出射面4上の位置との間に挟まれる位置に設けられている。この薄肉領域24はリッジ部23の点G1よりも光出射面4に近い側を不連続に分割している。
The
例えば半導体レーザアレイ1の場合、第1端面25のx方向の長さは40μm、第2端面27a、27bのx方向の長さはそれぞれ40μm、第2端面27aと27bとの間の不連続部分のx方向の長さは50μm、角度θは85°に形成される。
For example, in the case of the
半導体レーザアレイ1の製造方法について図6を参照し説明する。図6は各製造工程における半導体レーザアレイ1の断面図を示している。まず、n型GaAsの基板7を準備しその上に順に、n型AlGaAsを2.0μm、GaInAs/AlGaAsを0.3μm、p型AlGaAsを2.0μm、p型GaAsを0.1μmエピタキシャル成長させ、それぞれn型クラッド層15、量子井戸活性層13、p型クラッド層11、キャップ層17を形成する(図6(a)参照)。次に、キャップ層17側にフォトワークによりリッジ部23に対応する形状に保護マスクをし、キャップ層17及びp型クラッド層11をエッチングする。エッチングは活性層13に達しない深さで停止する(図6(b)参照)。次に、SiN膜を結晶表面全体に堆積し、フォトワークによりリッジ部23に対応する位置のSiN膜を除去し、絶縁層21を形成する(図6(c)参照)。さらに上層にTi/Pt/Au膜でp側電極層を形成する。次に基板7側の表面の研磨、化学処理を行い、AuGe/Auによりn側電極層18を形成する(図6(d)参照)。
A method for manufacturing the
半導体レーザアレイ1の、電流注入時の動作について説明する。電流は各リッジ部23にキャップ層17(図3参照)を介して注入される。リッジ部23に電流が注入されたときには、半導体レーザアレイ1のリッジ構造によって、リッジ部23と、当該リッジ部23と側面29a、29b、内側面31a、31b、33a、33bで仕切られたそれ以外の領域との屈折率の相違により、活性層13に屈折率導波路3が形成される。屈折率導波路3は、上記屈折率の相違のため、各リッジ部23に対応する活性層13の領域に形成され、当該リッジ部23の形状に沿った形状に形成される。その結果、半導体レーザアレイ1の屈折率導波路3は、平面視形状(y方向から見た形状)が二股に分岐したV字型となった構造を有し、活性層13で発生したレーザ光はこの屈折率導波路3内に閉じ込められる。
The operation of the
図7は、各リッジ部23に対応して形成される屈折率導波路3の形状を示す斜視図である。屈折率導波路3は、平面視形状がリッジ部23と同じ形状となる。屈折率導波路3は、y方向には活性層13とp型クラッド層11の境界面、及び活性層13とn型クラッド層15の境界面で規定される。屈折率導波路3は、リッジ部23の第2端面27a、27bに対応する位置に反射面(出射端面)37a、37b、を有している。また、屈折率導波路3は、リッジ部23の側面29a、29bに対応する位置に反射面39a、39b、及び第1端面25に対応する位置に反射面35を有している。また、屈折率導波路3は、リッジ部23の内側面31a、31b、33a、33bに対応する位置に内側面41a、41b、43a、43bを有している。これらの面は屈折率導波路3内で発生したレーザ光を当該反射面への入射角度によって選択的に透過又は反射させる反射面として機能する。
FIG. 7 is a perspective view showing the shape of the
図8は、屈折率導波路3をy方向から見た平面図である。反射面37a、37bは活性層13のへき開面の一部であり、リッジ部23における第2端面27a、27bに対応する位置に形成され、レーザ光の一部を反射する反射面、及びレーザ光の他の一部を外部へ出射する発光領域5として機能する。
FIG. 8 is a plan view of the
半導体レーザアレイ1のリッジ構造によって、屈折率導波路3の反射面39a、39bの外側と内側では実効的な屈折率差が生じる。前述のとおり、反射面39a、39bは、リッジ部23の側面29a、29bに対応した位置に形成され、屈折率導波路3内からz方向に平行な向きで入射するレーザ光を反射面35へ向けて全反射する角度に形成される。
Due to the ridge structure of the
図8に示すように、z軸に平行な向きで反射面39aに入射するレーザ光L1はレーザ光L2として全反射される。レーザ光L2は反射面35でL3として反射されるとともに、一部は反射面35を透過してレーザ光L11として外部へ出射される。屈折率導波路3の形状の対称性から、レーザ光L3はL1と同じ入射角度で反射面39bへ入射するので、反射面37bへ向けてレーザ光L4として全反射される。レーザ光L4は反射面37bへ垂直に入射するので、反射面37bでレーザ光L5として正反対に反射される。レーザ光L5のうち一部は反射面37bを透過してレーザ光L12として外部へ出射される。レーザ光L5は、レーザ光L4の光路を全く正反対に進み、レーザ光L6として反射面39bで全反射され、レーザ光L6は反射面35でレーザ光L7として反射されるとともに、一部は反射面35を透過してレーザ光L13として外部へ出射される。レーザ光L7は反射面39aによって全反射されてレーザ光L8となる。レーザ光L8は反射面37aによって正反対に反射されレーザ光L9となるとともに、一部は反射面37aを透過してレーザ光L14として外部へ出射される。レーザ光L9はレーザ光L1と同一の光路上にあるので、レーザ光L9は再び上記レーザ光L1〜L9の光路を進み、その後結局、反射面37a、反射面35、反射面37b、反射面35、反射面37aの順に同一光路を往復し、共振することとなる。
As shown in FIG. 8, the laser beam L1 incident on the reflecting
上記のように、反射面37a、37bはそれぞれレーザ光L14、L12を出射しており、反射面37a、37bは発光領域5に対応する。すなわち、1つのリッジ部23に対応して1つの屈折率導波路3が形成され、1つの屈折率導波路3に対応してレーザ光を出射する2つの発光領域5が形成される。なお、反射面35もレーザ光L11、L13をそれぞれ違う出射方向へ出射している。
As described above, the reflection surfaces 37 a and 37 b emit the laser beams L 14 and L 12, respectively, and the reflection surfaces 37 a and 37 b correspond to the
上記のように、半導体レーザアレイ1は、屈折率導波路3内で発生した光のうちz軸に垂直に反射面39aに入射するレーザ光を、反射面37a(光出射面上のスポット)から反射面35(光反射面上のスポット)への光路と、反射面37b(光出射面上の別のスポット)から反射面35(光反射面上のスポット)への光路とを交互に往復させて共振させる共振器構造を有している。
As described above, the
一方、z軸方向と大きくずれた角度で反射面39aに入射するレーザ光の例について図9(a)、(b)、(c)に示す。図9(a)におけるレーザ光L22は反射面39aに全反射角度よりも深い角度で入射し、反射面39aを透過してしまう例を示したものである。図9(b)におけるレーザ光L21は図8のレーザ光L1よりも浅い角度で反射面39aに入射し、結局、反射面39bに全反射角度よりも深い角度で入射することとなり、反射面39bを透過してしまう例を示したものである。図9(c)におけるレーザ光L23は図8のレーザ光L1よりも深い角度、かつ全反射角度の範囲内で入射し、結局、反射面39bを透過してしまう例を示したものである。上記のように、z軸方向と大きくずれた角度で反射面39aに入射するレーザ光については、往復光路を構成することができず、共振することができない。
On the other hand, FIGS. 9A, 9B, and 9C show examples of laser light incident on the reflecting
また、反射面37a、37bは反射面35に対向する位置において途切れているので、反射面37a又は37bと反射面35との間を両反射面に垂直な直線で結ぶような光路は存在せず、反射面37a又は37bと反射面35の間を直接往復して共振する光は存在しない。
Further, since the reflecting
上述のように、半導体レーザアレイ1においては、屈折率導波路3内で発生したレーザ光が往復して共振するための光路が、反射面37aから反射面35への光路と、反射面37bから反射面35への光路とを交互に往復する光路に構造上限定されている。よって、z軸とほぼ平行な方向から反射面39a、39bに入射し、上記の限定された光路で共振するレーザ光のみがレーザ発振に寄与することとなる。よって、レーザ光の角度成分が限定され空間横モードが単一であるレーザ発振(空間横シングルモード)が得られ、発光領域5から出射されるレーザ光の強度分布はz軸に平行な方向付近に偏ることとなり、方向拡散角が小さいレーザ光を得ることができる。
As described above, in the
半導体レーザアレイ1によって得られた遠視野像を図10に示す。図10(a)は光出射面4側から出射されたレーザ光のx方向についての遠視野像を示したものである。図10(a)に示すとおり、光出射面4側から出射されたレーザ光は強度分布がz軸に平行な方向(0°)に偏っており、x方向についての拡散角が小さいことがわかる。図10(a)によれば、ピークの半値幅は2°程度となっている。また、半導体レーザアレイ1の電流−光出力特性を図11に示す。図11によれば、半導体レーザアレイ1に供給した電流と光出力とが直線的な相関関係を示しているので、半導体レーザアレイ1においては安定した空間横シングルモードが得られていることがわかる。また、光反射面6側から得られたレーザ光の遠視野像を図10(b)に示す。図に見られるように2つの細いピークが偏角をもってz軸に対称に出射していることが分かる。このことは導波路内の光路が図8に示した経路をたどっていることを表している。
A far-field image obtained by the
上記半導体レーザアレイ1によれば、x方向の拡散角が小さいレーザ光を得ることができるので、半導体レーザ装置へ実装する際にx方向へ集光するための水平コリメートレンズが不要となる。したがって半導体レーザアレイ1においては、発光領域の配列密度を水平コリメートレンズの集光部の配列密度限界に合わせる必要もなくなり、発光領域の配列密度を向上することができる。
According to the
また、上記半導体レーザアレイ1は、図12に示すように、z軸に平行なレーザ光のうち広い範囲のもの(例えばL21〜L23)を往復させる光路を有している。このため、半導体レーザアレイ1は、空間横シングルモードが得られる半導体レーザアレイとしては発光領域5のx方向の長さが長く、高い出力を得ることが可能となる。
(第2実施形態)
本発明の第2の実施形態について図13、図14、図15を参照し説明する。図13は本実施形態に係る半導体レーザアレイ61の構造を示す斜視図である。図14は半導体レーザアレイ61を図13における線XIV-XIVに沿ってxy平面に平行に切断した断面図である。また、図15は半導体レーザアレイ61を図13における線XV-XVに沿ってxz平面に平行に切断した断面図である。
Further, as shown in FIG. 12, the
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13, 14, and 15. FIG. FIG. 13 is a perspective view showing the structure of the
半導体レーザアレイ61のp型クラッド層11には図13に示すようにn型の半導体AlGaAsからなるn型ブロック層65が埋め込まれている。n型ブロック層65はp型クラッド層11よりも低い屈折率を有している。p型クラッド層11のうちn型ブロック層65が埋め込まれた領域以外の領域(以下「非埋め込み領域」という)67は、半導体レーザアレイ1のリッジ部23と同じ平面視形状をなしている(図15参照)。換言すると、n型ブロック層65はp型クラッド層11内に、非埋め込み領域67がリッジ部23と同じ平面視形状となるように埋め込まれている。
An n-
半導体レーザアレイ61においては、n型ブロック層65とp型クラッド層11との屈折率差によって、活性層13には非埋め込み領域67と同様の平面視形状を有する屈折率導波路63が形成される。但し、形成される屈折率導波路3の反射面39a、39bがz軸方向から入射するレーザ光を全反射するように、導波路内外の活性層部の屈折率に応じて改めて角度θの値を設定することが必要である。よって、半導体レーザアレイ61によれば、半導体レーザアレイ1の屈折率導波路3と同様の構成を有する屈折率導波路63が形成され、上述した半導体レーザアレイ1と同様の作用、効果を得ることができる。
In the
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、上記した半導体レーザアレイ1では、薄肉領域24に対応する部分には層を設けないこととしたが、図16に断面図を示す半導体レーザアレイ51のように、薄肉領域24に対応する部分にp型クラッド層11よりも屈折率が低い埋込層53を埋め込み、いわゆる埋込みリッジ構造としてもよい。但しこの場合、形成される屈折率導波路3の反射面39a、39bがz軸方向から入射するレーザ光を全反射するように、埋込層53の屈折率に応じて改めて角度θの値を設定することが必要である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, in the
また、上記した半導体レーザアレイ1では、p型クラッド層11にリッジ部23を設けリッジ構造とすることでいわゆるリッジ型屈折率導波路を形成している。半導体レーザアレイ61では、p型クラッド層に屈折率の低いn型ブロック層を埋め込むことによっていわゆるプレーナ型屈折率導波路を形成している。しかし本発明はこれらに限られず、屈折率導波路構造を有する半導体レーザアレイ全般に適用することが可能である。
In the
1…半導体レーザアレイ、3…屈折率導波路、4…光出射面、5…発光領域、6…光反射面、11…p型クラッド層、13…活性層、15…n型クラッド層、23…リッジ部、25…第1端面、27…第2端面、29…側面、35、37a、37b、39a、39b…反射面。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記屈折率導波路は、
光出射面と平行な光反射面上に位置する反射端面と、
前記光出射面上に位置し、前記反射端面と対向する領域において不連続に形成される出射端面と、
前記反射端面から前記出射端面まで伸びて当該屈折率導波路の前記長手方向での領域を規定する一対の側面と、を含み、
前記側面は、
前記光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を前記反射端面に向けてそれぞれ全反射させるように形成される
ことを特徴とする半導体レーザアレイ。 A first conductivity type cladding layer; a second conductivity type cladding layer; and an active layer provided between the first conductivity type cladding layer and the second conductivity type cladding layer. A semiconductor laser array in which a refractive index waveguide is formed,
The refractive index waveguide is:
A reflection end surface located on a light reflection surface parallel to the light emission surface;
An exit end face located on the light exit face and formed discontinuously in a region facing the reflection end face;
A pair of side surfaces extending from the reflection end surface to the emission end surface and defining a region in the longitudinal direction of the refractive index waveguide;
The side surface
A semiconductor laser array, wherein light incident from a direction perpendicular to the light emission surface from the light emission surface side is totally reflected toward the reflection end surface.
前記反射端面側から前記出射端面側へ向かう途中で、前記出射端面に対応して分岐するように設けられたことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザアレイ。 The refractive index waveguide is:
2. The semiconductor laser array according to claim 1, wherein the semiconductor laser array is provided so as to branch corresponding to the emission end face on the way from the reflection end face side to the emission end face side.
前記リッジ部は、
光出射面と平行な光反射面を含む平面上に位置する第1の端面と、
前記光出射面を含む平面上に位置し、前記第1の端面と対向する領域において不連続に形成された第2の端面と、
前記第1の端面から前記第2の端面まで伸びて当該リッジ部の前記長手方向での領域を規定する一対の側面と、を有し、
前記リッジ部の側面は、
当該側面に対応して形成される前記屈折率導波路の側面が、前記光出射面側から当該光出射面に垂直な方向から入射する光を前記第1の端面に対応して形成される前記屈折率導波路の反射面に向けてそれぞれ全反射させるように形成された
ことを特徴とする半導体レーザアレイ。 A first conductivity type cladding layer; a second conductivity type cladding layer; and an active layer provided between the first conductivity type cladding layer and the second conductivity type cladding layer. The clad layer has a plurality of ridge portions arranged in parallel along the longitudinal direction, and the active layer is a semiconductor laser array in which a refractive index waveguide is formed corresponding to the ridge portion,
The ridge portion is
A first end surface located on a plane including a light reflecting surface parallel to the light emitting surface;
A second end surface located on a plane including the light exit surface and formed discontinuously in a region facing the first end surface;
A pair of side surfaces extending from the first end surface to the second end surface and defining a region in the longitudinal direction of the ridge portion;
The side surface of the ridge portion is
The side surface of the refractive index waveguide formed corresponding to the side surface is formed corresponding to the first end surface with light incident from the light emitting surface side in a direction perpendicular to the light emitting surface. A semiconductor laser array formed so as to be totally reflected toward the reflecting surface of the refractive index waveguide.
前記第1の端面側から前記第2の端面側へ向かう途中で、前記第2の端面に対応して分岐するように設けられたことを特徴とする請求項3に記載の半導体レーザアレイ。 The ridge portion is
4. The semiconductor laser array according to claim 3, wherein the semiconductor laser array is provided so as to branch corresponding to the second end face on the way from the first end face side to the second end face side.
前記屈折率導波路は、前記活性層で発生したレーザ光を、光出射面上のスポットから当該光出射面と平行な光反射面上のスポットへの光路と、前記光出射面上の別のスポットから前記光反射面上のスポットへの光路とを交互に往復させて共振させることを特徴とする半導体レーザアレイ。
A first conductivity type cladding layer; a second conductivity type cladding layer; and an active layer provided between the first conductivity type cladding layer and the second conductivity type cladding layer. A semiconductor laser array in which a refractive index waveguide is formed,
The refractive index waveguide is configured to transmit laser light generated in the active layer from a spot on a light exit surface to a spot on a light reflection surface parallel to the light exit surface, and another on the light exit surface. A semiconductor laser array, wherein a light path from a spot to a spot on the light reflecting surface is reciprocated alternately to resonate.
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