JP-2026077603-A - 半導体レーザ素子

Abstract

【課題】出力を高めつつＣＯＤへの耐性が高い半導体レーザ素子を提供する。 【解決手段】複数の半導体層が積層された第１領域と第２領域とを含む半導体レーザ素子であって、前記第１領域は、第１端面と、回折格子を含むミラー領域と、の間で共振器をなし、上面視で、前記第１領域は、前記共振器の光軸方向に延びるコア領域と、前記光軸方向に垂直な方向に前記コア領域を挟むクラッド領域と、を含む光導波路を有し、前記第２領域は、前記第１領域と前記光軸方向に隣接し、上面視で、前記第２領域の前記光軸方向に垂直な方向の幅は、前記コア領域の前記光軸方向に垂直な方向の幅よりも大きく、前記第２領域はレーザ光を出射する第２端面を有する、半導体レーザ素子。 【選択図】図１

Inventors

• 枡井 真吾

Assignees

• 日亜化学工業株式会社

Dates

Publication Date

20260513

Application Date

20251021

Priority Date

20241025

Claims (20)

1. 複数の半導体層が積層された第１領域と第２領域とを含む半導体レーザ素子であって、 前記第１領域は、第１端面と、回折格子を含むミラー領域と、の間で共振器をなし、 上面視で、前記第１領域は、前記共振器の光軸方向に延びるコア領域と、前記光軸方向に垂直な方向に前記コア領域を挟むクラッド領域と、を含む光導波路を有し、 前記第２領域は、前記第１領域と前記光軸方向に隣接し、 上面視で、前記第２領域の前記光軸方向に垂直な方向の幅は、前記コア領域の前記光軸方向に垂直な方向の幅よりも大きく、 前記第２領域はレーザ光を出射する第２端面を有する、半導体レーザ素子。
2. 上面視で、前記光軸方向に垂直な方向において、前記光導波路は単一モード導波路である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 複数の半導体層が積層された半導体レーザ素子であって、 第１領域であるチャンネル導波路と、前記チャンネル導波路の光軸方向に隣接する第２領域であるスラブ導波路と、を有し、 前記チャンネル導波路は、第１端面と回折格子との間に形成された共振器を有し、 前記スラブ導波路は、前記回折格子を介して前記第１端面と反対側に、レーザ光を出射可能な第２端面を有する、半導体レーザ素子。
4. 上面視で、前記光軸方向に垂直な方向において、前記チャンネル導波路は単一モード導波路である、請求項３に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記光軸方向の断面視で、前記回折格子の全体に対して前記第１領域に配置される前記回折格子の割合は５０％より大きい、請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
6. 前記回折格子は前記第１領域にのみ設けられ、 前記光軸方向の断面視で、前記回折格子の中心は、前記第１端面よりも前記第２端面に近い、請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
7. 上面視で、前記光軸方向に垂直な前記第２端面の幅は前記第２端面での前記レーザ光の幅よりも大きく、 上面視で、前記光軸方向に垂直な前記第２領域の幅は前記光軸方向に一定である、請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
8. 前記第１領域はリッジを有し、 前記回折格子は前記第１領域にのみ設けられ、 上面視で、前記リッジが設けられた領域の全てに前記回折格子を有する、請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
9. 前記光軸方向の前記共振器の長さが１０００μｍ以上１００００μｍ以下である、請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
10. 前記光軸方向の前記第２領域の長さは、前記共振器の長さの０．０１倍以上０．３５倍以下である、請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
11. 前記第２端面は前記レーザ光が通過する位置にレンズ面を有する、請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
12. 前記第１端面に高反射コートが配置され、 前記第２端面に反射防止コートが配置されている、請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
13. 前記第１領域および前記第２領域は、第１導電側半導体層と、第２導電側半導体層と、前記第１導電側半導体層と前記第２導電側半導体層との間に配置される活性層と、を含み、 前記第１領域の前記第２導電側半導体層は第１電極と接触し、 前記回折格子は前記第１導電側半導体層または前記第２導電側半導体層に配置されている、請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
14. 前記第２領域の前記第２導電側半導体層は前記第１電極と接触していない、請求項１３に記載の半導体レーザ素子。
15. 前記第１導電側半導体層、前記第２導電側半導体層および前記活性層は窒化物半導体を含む、請求項１３に記載の半導体レーザ素子。
16. 複数の半導体層が積層された積層体を含む半導体レーザ素子であって、 前記積層体は、 第１端面と、 前記第１端面と対向し、レーザ光を出射する第２端面と、 前記第１端面側に配置された第１領域と、 前記第２端面側に配置された第２領域と、 を含み、 前記第１領域は、 前記第１端面から前記第２端面方向に向かう第１の方向に沿って延びるコア領域と、前記第１の方向および前記積層体の積層方向の両方と直交する第２の方向において、前記コア領域の両側に配置された複数のクラッド領域と、を含む光導波路と、 前記第１領域の少なくとも一部に設けられた回折格子と、 を含み、 前記第２領域の幅は、前記コア領域の幅より大きい、半導体レーザ素子。
17. 前記回折格子は、前記第１領域のうち前記第２領域に隣接する部分に設けられている、請求項１６に記載の半導体レーザ素子。
18. 上面視で、前記第１領域のうち、前記コア領域が設けられた領域全体に前記回折格子が設けられている、請求項１６に記載の半導体レーザ素子。
19. 前記回折格子は前記第１領域にのみ設けられ、 前記回折格子と前記第２端面との距離は、前記回折格子と前記第１端面との距離より短い、請求項１６に記載の半導体レーザ素子。
20. 前記第２領域は幅が一定であり、 前記第２端面の幅は、前記第２端面における前記レーザ光の幅よりも大きい、 請求項１６に記載の半導体レーザ素子。

Description

本開示は、半導体レーザ素子に関する。 高出力の半導体レーザ素子を実現する場合、レーザ光を出射する端面におけるレーザ光の光密度は大きく、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）の原因となり得る。ＣＯＤへの耐性を高めるために種々の方法がとられている。 例えば、半導体レーザ素子の例として、光導波路を含む光学上活性領域と、光導波路の一つ以上の端に与えられる少なくとも１つの光学上受動領域と、を備え、光学上受動領域の少なくとも１つは光導波路よりも幅広く、光導波路の光出力は、使用中、少なくとも１つの光学上受動領域を横切りながら、回折する半導体レーザ素子が開示されている。（特許文献１） 特表２００４－５２０７１０号公報 実施形態１の半導体レーザ素子を表す模式上面図である。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面を表す模式断面図である。図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面を表す模式断面図である。図１のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面を表す模式断面図である。実施形態１の半導体レーザ素子の変形例１を表す模式上面図である。実施形態１の半導体レーザ素子の変形例２を表す模式上面図である。実施形態１の半導体レーザ素子の変形例３を表す模式上面図である。実施形態２の半導体レーザ素子の断面を表す模式断面図である。実施形態３の半導体レーザ素子を表す模式上面図である。図９のＸ－Ｘ線に沿った断面を表す模式断面図である。実施形態４の半導体レーザ素子を表す模式断面図である。実施形態５の半導体レーザ素子を表す模式上面図である。実施形態６の半導体レーザ素子を表す模式上面図である。 本発明の実施形態にかかる半導体レーザ素子は、複数の半導体層が積層された積層体を含む半導体レーザ素子であって、前記積層体は、第１端面と、前記第１端面と対向し、レーザ光を出射する第２端面と、前記第１端面側に配置された第１領域と、前記第２端面側に配置された第２領域と、 を含み、 前記第１領域は、前記第１端面から前記第２端面方向に向かう第１の方向に沿って延びるコア領域と、前記第１の方向および前記積層体の積層方向の両方と直交する第２の方向において、前記コア領域の両側に配置された複数のクラッド領域と、を含む光導波路と、前記第１領域の少なくとも一部に設けられた回折格子と、 を含み、 前記第２領域の幅は、前記コア領域の幅より大きい、半導体レーザ素子である。 以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための、半導体レーザ素子およびその製造方法を例示するものであって、本発明は、以下に示す半導体レーザ素子およびその製造方法に限定されない。 （実施形態１） まず、図１と図２を用いて実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１の概要を説明する。図１は実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１を表す模式上面図である。図２は図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面を表す模式断面図である。 ＜半導体レーザ素子Ｌ１＞ 実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含むレーザ素子であり、以下の構成を有する。複数の半導体層が積層された第１領域１０と第２領域２０とを含む半導体レーザ素子Ｌ１であって、第１領域１０は、第１端面Ｅ１と、回折格子５０を含むミラー領域１４と、の間で共振器１２をなし、上面視で、第１領域１０は、共振器１２の光軸方向に延びるコア領域１１と、コア領域１１を挟むクラッド領域１６、１８と、を含む光導波路を有し、第２領域２０は、第１領域１０と光軸方向に隣接し、上面視で、第２領域２０の光軸方向に垂直な方向の幅は、コア領域１１の光軸方向に垂直な方向の幅よりも大きく、第２領域２０はレーザ光ＬＢを出射する第２端面Ｅ２を有する。 これにより、出力を高めつつＣＯＤへの耐性が高い半導体レーザ素子を提供することができる。 本明細書において、複数の半導体層の積層方向をｘ方向と称することがあり、共振器の光軸方向（光導波路の光軸方向、およびコア領域の延在方向と同じ）をｚ方向または第１の方向と称することがあり、ｘ方向およびｚ方向の両方に垂直な方向を、横方向、ｙ方向、または第２の方向と呼ぶ。ｚ方向に沿って測定した寸法を「長さ」、ｙ方向に沿って測定した寸法を「幅」と称する。 半導体レーザ素子Ｌ１は、複数の半導体層がｘ方向に積層された積層体を含む。半導体レーザ素子Ｌ１は、第１導電側半導体層３１０と、第２導電側半導体層３３０と、第１導電側半導体層３１０と第２導電側半導体層３３０との間に配置された活性層３２０と、を有する。半導体レーザ素子Ｌ１は、第１領域１０と第２領域２０を有し、さらに、第１領域１０側に第１端面Ｅ１と、第２領域２０側に第２端面Ｅ２とを有している。第１端面Ｅ１は、積層体で発生した光を反射する面であり、第２端面Ｅ２は、レーザ光ＬＢを出射する端面である。第１端面Ｅ１と第２端面Ｅ２は対向して配置されている。 （第１領域１０） 第１領域１０は第１端面Ｅ１とミラー領域１４とを有する。ミラー領域１４は、回折格子５０を含む領域である。上面視においては、ミラー領域１４の範囲は、回折格子５０が形成された範囲と一致する。断面視においては、ミラー領域１４は、回折格子５０が形成された領域とその直下の領域とからなる。図２では、ｚ方向における回折格子５０の両端部を示す２本の破線に挟まれた領域が、ミラー領域１４である。回折格子５０は所定の波長の光を反射するように設計されているので、第１端面Ｅ１とミラー領域１４との間で共振器１２が形成される。回折格子５０における実効的な反射端は回折格子５０内（つまり、ミラー領域１４内）に位置するとみなせる。ただし、本明細書では、図２に示すように、簡単のために回折格子５０の両端部のうち、第１端Ｅ１側の端部を、回折格子５０の反射端として共振器１２を図示している。以下の図でも同様である（ただし図１０を除く）。上面視で、第１領域１０は、共振器１２の光軸方向（ｚ方向）に延びるコア領域１１と、横方向（ｙ方向）においてコア領域１１の両側に位置して、コア領域１１を挟むように配置された２つのクラッド領域１６、１８と、を含む。コア領域１１とクラッド領域１６、１８は、光導波路を構成する。光導波路が屈折率導波路の場合、コア領域１１は、クラッド領域１６、１８よりも相対的に等価屈折率が高い領域であり、リッジが形成された半導体レーザ素子では、リッジ領域の直下にある領域である。光導波路が利得導波路の場合、コア領域１１は、半導体レーザ素子にストライプ状に形成された第１電極４４の直下にある領域である。 第１領域１０において、光は、複数の半導体層により積層方向（ｘ方向）に閉じ込められ、クラッド領域１６、１８により横方向（ｙ方向）に閉じ込められている。したがって、第１領域１０は、チャンネル導波路と見なすことができる。光は、共振器１２の光軸方向（ｚ方向）に導波する。 （第２領域２０） 第２領域２０は、共振器１２の光軸方向において、第１領域１０と隣接して位置する。図１では、第２領域２０は第１領域１０と接している。上面視で、第２領域２０の横方向（ｙ方向）の幅は、第１領域１０のコア領域１１の横方向（ｙ方向）の幅よりも大きい。第２領域２０は、レーザ光ＬＢを出射する第２端面Ｅ２を有している。 第２領域２０において、光は複数の半導体層により積層方向（ｘ方向）に閉じ込められている。第２領域２０は、第１領域１０のコア領域１１およびクラッド領域１６、１８に相当する構成を有していないか、横方向（ｙ方向）の幅が十分に広いコア領域を有している。また、第２領域２０の幅は、レーザ光ＬＢの幅と比べて大きい。そのため、第２領域２０において、レーザ光ＬＢは横方向（ｙ方向）に閉じ込められていない。または、第１領域１０の横方向の光閉じ込めよりも第２領域２０の横方向の光閉じ込めは弱い。したがって、第１領域１０から第２領域２０に入ったレーザ光ＬＢは、横方向（ｙ方向）に広がりながら導波する。つまり、第２領域２０において、レーザ光の幅は横方向（ｙ方向）に広がる。なお、本明細書において、レーザ光ＬＢの幅とはＤ４σで定義されるものである。Ｄ４σは、積層方向（ｘ方向）または横方向（ｙ方向）の強度分布の標準偏差σの４倍の幅である。Ｄ４σはＩＳＯの国際標準規格に定義されている。 第２領域２０はスラブ導波路であることが好ましい。第２領域２０がスラブ導波路であると、光は、横方向に実質的に閉じ込められず、横方向に広がりやすい。第２端面Ｅ２でのレーザ光ＬＢの光密度がさらに下がり、ＣＯＤへの耐性を高めることができる。光は共振器１２の光軸方向に導波する。 次に、図１を用いて実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１の動作について説明する。図１において、破線はレーザ光ＬＢの広がり方を表している。半導体レーザ素子Ｌ１は、半導体層を積層した半導体積層体３０を有し、第１領域１０と第２領域２０を有している。第１領域１０では、光導波路により、光を積層方向（ｘ方向）と横方向（y方向）とに閉じ込めることができる。また、第１領域１０では、光導波路により閉じ込められた光を、第１端面Ｅ１と、ミラー領域１４（より厳密には、ミラー領域１４に含まれる回折格子５０）と、により形成された共振器１２で共振させて、効率よく光を増幅させることができる。第２領域２０は、第１領域１０で増幅されたレーザ光ＬＢを導波させる。第２領域２０の横方向の幅は、第１領域１０のコア領域１１の幅よりも大きいので、第２領域２０において、レーザ光ＬＢの幅を広げることができる。これにより、第２端面Ｅ２でのレーザ光ＬＢの光密度が下がるので、ＣＯＤへの耐性を高めることができる。したがって、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は、光出力を高めつつ、ＣＯＤへの耐性を高めることができる。 上面視で、光軸方向（ｚ方向）に垂直な方向（ｙ方向、すなわち横方向）における第２端面Ｅ２の幅は、第２端面Ｅ２でのレーザ光ＬＢの幅よりも大きく、上面視で、光軸方向（ｚ方向）に垂直な方向（ｙ方向、すなわち横方向）における第２領域２０の幅は、光軸方向において一定であることが好ましい。これにより、第２領域２０の幅は、第２領域２０内を導波するレーザ光ＬＢの幅よりも常に大きくなる。したがって、レーザ光ＬＢは横方向（ｙ方向）に自由に広がることができるので、第２端面Ｅ２でのレーザ光ＬＢの光密度を下げて、ＣＯＤへの耐性を高めることができる。 光軸方向（ｚ方向）における第１領域１０の長さは、例えば、１０００μｍ以上１００００μｍ以下、好ましくは、２０００μｍ以上６０００μｍ以下であってよい。回折格子５０の長さが一定の場合、第１領域１０の長さを相対的に長くすることにより、共振器長が比較的長くなり、効率よく光を増幅させることができる。 光軸方向（ｚ方向）における第２領域２０の長さは、例えば、光軸方向（ｚ方向）における第１領域の長さの０．０１倍以上０．３５倍以下、好ましくは０．０１倍以上０．１倍以下であってよい。これにより、発振に寄与しない第２領域２０の長さが第１領域１０と比べて短くなり、発光効率が低下しにくくなる。また、横方向（ｙ方向）における第２領域２０の幅は、第１領域１０のコア領域の幅の１．５倍以上１００倍以下、好ましくは２倍以上１００倍以下であってよい。これにより、レーザ光ＬＢは第２領域２０内で横方向に十分に広がるので、第２端面Ｅ２でのレーザ光ＬＢの光密度が下がる。したがって、ＣＯＤへの耐性が高められる。 ここまで、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１について、その概要を説明してきた。以下では、図２、図３および図４を用いて半導体レーザ素子Ｌ１を構成する各部材について説明する。図２は図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面を表す模式断面図である。図３は図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面を表す模式断面図である。図４は図１のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面を表す模式断面図である。 （基板３００） 基板３００は半導