JP6028509B2 - Semiconductor laser device - Google Patents
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Description
本発明は、フォトニック結晶を有する端面発光型の半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device using an edge-emitting semiconductor laser element having a photonic crystal.
本願発明者らは、フォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子について提案してきた(特許文献1及び非特許文献1など)。このような面発光型の半導体レーザ素子は、一度に2方向に向けて同時にレーザビームを出射することができるという画期的な特徴を有している。また、複数に分割された駆動電極に、駆動電流を供給することで、駆動電極毎に2方向のレーザビームを出射することができる。各駆動電極の直下に位置するフォトニック結晶の周期を異ならせておけば、駆動電極毎に、レーザビーム対の出射角が異なることになる。更に、非特許文献1によれば、細分化した駆動電極を設け、複数の駆動電極について同時に電流を流すと共に、その電流バランスを変化させることによって、連続的なビーム方向制御も可能である。
The inventors of the present application have proposed a semiconductor laser element using a photonic crystal (
しかしながら、2方向にレーザビームを同時に出射する半導体レーザ素子の場合、実用的な用途が限られる。一方、所定の一方向にレーザビームを出射する半導体レーザ素子であれば、すなわち駆動電極毎に所定の一方向のレーザビームを出射できる構造であれば、各駆動電極へ供給される駆動電流を切り替える、更に、駆動電流バランスを変化させることで、レーザビームの走査が可能となる。この場合、従来から使用されている様々なレーザビーム偏向装置等に、当該半導体レーザ素子を適用することが可能となる。レーザビーム数を多くすれば、レーザビーム偏向装置は、高精細なレーザビーム走査装置を構成することも可能である。 However, practical applications are limited in the case of a semiconductor laser element that simultaneously emits laser beams in two directions. On the other hand, in the case of a semiconductor laser element that emits a laser beam in a predetermined direction, that is, in a structure that can emit a laser beam in a predetermined direction for each drive electrode, the drive current supplied to each drive electrode is switched. Further, the laser beam can be scanned by changing the drive current balance. In this case, the semiconductor laser element can be applied to various conventionally used laser beam deflecting devices. If the number of laser beams is increased, the laser beam deflecting device can constitute a high-definition laser beam scanning device.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、所定の方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that emits a laser beam in a predetermined direction and can change the emission direction. .
本発明者らは、鋭意研究を行った結果、基板上に形成された下部クラッド層、上部クラッド層、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくとも一方との間に介在するフォトニック結晶層、並びに活性層の複数の領域に駆動電極を供給するための複数の駆動電極、を備え、活性層の複数の領域が、光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで位置し、光出射端面から出射されるレーザビームの光出射端面に対する出射方向がそれぞれ異なる半導体レーザ素子に想到した。この半導体レーザ素子によれば、所定の方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能となる。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that the lower cladding layer, the upper cladding layer, the active layer interposed between the lower cladding layer and the upper cladding layer, the active layer and the upper and lower claddings formed on the substrate. A photonic crystal layer interposed between at least one of the layers, and a plurality of drive electrodes for supplying drive electrodes to the plurality of regions of the active layer, wherein the plurality of regions of the active layer are on the light emitting end face The inventors have conceived semiconductor laser elements that are parallel and are arranged side by side in the first direction in which the active layer extends, and in which the emission directions of the laser beams emitted from the light emission end faces are different from each other. According to this semiconductor laser element, it is possible to emit a laser beam in a predetermined direction and change the emission direction.
上記半導体レーザ素子では、光出射端面におけるレーザビームの出射位置ごとに、レーザビームの光出射端面に対する出射方向が異なる。このため、出射されたレーザビームをコリメートするためコリメートレンズとして、従来のシリンドリカルレンズ又はトロイダルレンズなどを用いた場合、以下のような新たな課題が存在することが判明した。すなわち、光出射端面に対する出射方向により焦点距離に変化が生じてしまい、出射される全てのレーザビームに対して、同等のコリメート特性を確保することが困難となる。光出射端面に対する出射方向が大きくなるに従い、光出射端面におけるレーザビームの出射位置とレンズ間との光路長が拡大する。このため、特定の出射位置から出射された、特定の出射角度のレーザビームでしか、コリメート光を得ることができない。また、コリメートレンズから出たコリメート光の垂直方向での高さも、光出射端面に対する出射方向により差が生じてしまう。 In the semiconductor laser element, the emission direction of the laser beam with respect to the light emission end face is different for each emission position of the laser beam on the light emission end face. For this reason, when the conventional cylindrical lens or toroidal lens etc. were used as a collimating lens in order to collimate the emitted laser beam, it became clear that the following new problems existed. That is, the focal length varies depending on the emission direction with respect to the light emission end face, and it is difficult to ensure equivalent collimating characteristics for all emitted laser beams. As the emission direction with respect to the light emission end face increases, the optical path length between the emission position of the laser beam on the light emission end face and between the lenses increases. For this reason, collimated light can be obtained only with a laser beam emitted from a specific emission position and having a specific emission angle. Further, the height in the vertical direction of the collimated light emitted from the collimating lens also varies depending on the emission direction with respect to the light emission end face.
そこで、本発明者らはレーザビームの出射方向によらず、同等のコリメート特性を確保するための構成について更に鋭意研究を行い、出射されるレーザビームの方向を所定の方向としながら出射されるレーザビームの方向を切り替えることができ、かつ同等のコリメート特性を確保することのできる半導体レーザ装置に想到するに至った。 Therefore, the present inventors have further studied earnestly about a configuration for ensuring equivalent collimation characteristics regardless of the laser beam emission direction, and the laser beam emitted while setting the direction of the emitted laser beam as a predetermined direction. The inventors have arrived at a semiconductor laser device capable of switching the beam direction and ensuring the same collimating characteristics.
本発明に係る半導体レーザ装置は、端面発光型の半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームをコリメートするコリメートレンズと、を備える半導体レーザ装置であって、半導体レーザ素子は、基板上に形成された下部クラッド層と、上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層と、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、活性層における、光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで位置する複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を有し、光出射端面における複数の領域に対応する各位置からそれぞれ異なる方向に複数のレーザビームを出射し、コリメートレンズは、光出射端面における複数の領域に対応する各位置から前側主平面までの光路長が等しくなるように、第一方向及び光軸を含む断面において前面及び後面が曲率を有し、コリメートレンズは、半導体レーザ素子から出射された複数のレーザビームを半導体レーザ素子の厚み方向に平行な面内でそれぞれ屈折させて出射する、ことを特徴とする。 A semiconductor laser device according to the present invention is a semiconductor laser device comprising an edge-emitting semiconductor laser element and a collimating lens that collimates a laser beam emitted from the semiconductor laser element. A lower cladding layer, an upper cladding layer, an active layer interposed between the lower cladding layer and the upper cladding layer, and an active layer interposed between at least one of the upper and lower cladding layers. A plurality of drive electrodes for supplying a drive current to a plurality of regions located in a first direction parallel to the light emission end face and extending in the first direction in the active layer in the active layer; A plurality of laser beams are emitted in different directions from positions corresponding to a plurality of regions on the light emitting end face, and the collimating lens is disposed on the light emitting end face. The front surface and the rear surface have curvatures in the cross section including the first direction and the optical axis so that the optical path lengths from the respective positions corresponding to the plurality of regions to the front main plane are equal, and the collimating lens is formed from the semiconductor laser element. The plurality of emitted laser beams are refracted and emitted in a plane parallel to the thickness direction of the semiconductor laser element.
本発明に係る半導体レーザ装置では、光出射端面におけるレーザビームの出射位置(光出射端面における複数の領域に対応する位置)ごとに、レーザビームの光出射端面に対する出射方向が異なる。コリメートレンズが、光出射端面における複数の領域に対応する各位置から前側主平面までの光路長が等しくなるように、第一方向及び光軸を含む断面において前面及び後面が曲率を有しているので、半導体レーザ素子から出射された各レーザビームは、上記コリメートレンズに入射すると、半導体レーザ素子の厚み方向に平行な面内でそれぞれ屈折され、半導体レーザ素子の厚み方向での幅が揃っている複数の平行光として出射される。したがって、本発明では、レーザビームの出射方向によらず、各レーザビームで同等のコリメート特性を確保することができる。 In the semiconductor laser device according to the present invention, the emission direction of the laser beam with respect to the light emission end face is different for each emission position of the laser beam on the light emission end face (positions corresponding to a plurality of regions on the light emission end face). The front surface and the rear surface have a curvature in the cross section including the first direction and the optical axis so that the collimating lens has the same optical path length from each position corresponding to a plurality of regions on the light emitting end surface to the front main plane. Therefore, when each laser beam emitted from the semiconductor laser element is incident on the collimating lens, it is refracted in a plane parallel to the thickness direction of the semiconductor laser element, and the width in the thickness direction of the semiconductor laser element is uniform. It is emitted as a plurality of parallel lights. Therefore, in the present invention, the same collimating characteristic can be ensured for each laser beam regardless of the laser beam emission direction.
コリメートレンズは、屈折率をnとし、前側曲率半径をR1とし、後側曲率半径をR2としたときに、
F(θ)={(n−1)×(1/R1+1/R2)}−1
なる式で表される焦点距離F(θ)が一定となるように、前側曲率半径R1と後側曲率半径R2とが設定されていてもよい。
The collimating lens has a refractive index n, a front radius of curvature R 1 , and a rear radius of curvature R 2 ,
F (θ) = {(n−1) × (1 / R 1 + 1 / R 2 )} −1
The front curvature radius R 1 and the rear curvature radius R 2 may be set so that the focal length F (θ) represented by the following formula is constant.
コリメートレンズは、第一方向及び光軸を含む断面における前面及び後面の曲率が、それぞれ一定であり、光出射端面における複数の領域に対応する各位置から前側主平面までの光路長と、コリメートレンズの焦点距離と、が略一致していてもよい。特に、コリメートレンズの、第一方向及び光軸を含む断面における前面及び後面の曲率半径が、半導体レーザ素子のサイズに比して大きい場合にも、レーザビームの出射方向によらず、各レーザビームで同等のコリメート特性を確保することができる。 In the collimating lens, the curvatures of the front surface and the rear surface in the cross section including the first direction and the optical axis are constant, the optical path length from each position corresponding to a plurality of regions on the light emitting end surface to the front main plane, and the collimating lens The focal length may be substantially the same. In particular, even when the radius of curvature of the front surface and the rear surface of the collimating lens in the cross section including the first direction and the optical axis is larger than the size of the semiconductor laser element, each laser beam is independent of the laser beam emission direction. Can ensure the same collimating characteristics.
第一方向及び光軸を含む断面における前面及び後面の曲率中心が半導体レーザ素子の第一方向での中央に位置し、前面及び後面の曲率中心を原点として、第一方向に平行な座標軸をX軸とすると共に光出射端面に垂直な座標軸をY軸とし、半導体レーザ素子のX軸方向での幅をWとし、レーザビームが光出射端面の法線に対してなす角度θが、半導体レーザ素子の第一方向での中央において0であり且つ半導体レーザ素子のX軸方向での端に向かうにしたがって大きくなり、半導体レーザ素子のX軸方向での端における角度θの最大値がθmaxであるときに、曲率中心に対する光出射端面のY軸方向での位置y0は、
y0<W/(2×tanθmax)
に基づいて規定され、X軸に沿った位置xにおける角度θは、
θ=atan(x/y0)
に基づいて規定され、コリメートレンズは、角度θに対する焦点距離F(θ)が、前面及び後面の曲率中心と前側主平面との光路長をOPとしたときに、
F(θ)=OP−y0×(1+tan2θ)1/2
に基づいて規定されていてもよい。コリメートレンズの、第一方向及び光軸を含む断面における前面及び後面の曲率半径が、半導体レーザ素子のサイズに近づいている場合でも、レーザビームの出射方向によらず、各レーザビームで同等のコリメート特性を確保することができる。
The center of curvature of the front surface and the rear surface in the cross section including the first direction and the optical axis is located at the center in the first direction of the semiconductor laser element, and the coordinate axis parallel to the first direction is defined as X from the center of curvature of the front surface and the rear surface The coordinate axis perpendicular to the light emitting end face is the Y axis, the width of the semiconductor laser element in the X-axis direction is W, and the angle θ formed by the laser beam with respect to the normal of the light emitting end face is the semiconductor laser element Is 0 at the center in the first direction and increases toward the end of the semiconductor laser element in the X-axis direction, and the maximum value of the angle θ at the end of the semiconductor laser element in the X-axis direction is θ max . Sometimes, the position y 0 in the Y-axis direction of the light emitting end surface with respect to the center of curvature is
y 0 <W / (2 × tan θ max )
And the angle θ at position x along the X axis is
θ = atan (x / y 0 )
The collimating lens has a focal length F (θ) with respect to an angle θ when the optical path length between the center of curvature of the front and rear surfaces and the front main plane is OP,
F (θ) = OP−y 0 × (1 + tan 2 θ) 1/2
May be defined based on Even when the radius of curvature of the front and rear surfaces of the collimating lens in the cross section including the first direction and the optical axis is close to the size of the semiconductor laser element, the same collimation is achieved for each laser beam regardless of the laser beam emission direction. Characteristics can be secured.
コリメートレンズは、前側主平面が前面及び後面の曲率の半径方向に
y0×((1+tan2θ)1/2−1)
だけ半導体レーザ素子から遠ざけられて位置していてもよい。
The collimating lens has y 0 × ((1 + tan 2 θ) 1/2 −1) in the radial direction of the curvature of the front and rear surfaces of the front main plane.
It may be positioned away from the semiconductor laser element only.
半導体レーザ素子のX軸方向での位置が上記原点から離れると、半導体レーザ素子のX軸方向での位置と、レーザビームが光出射端面の法線に対してなす角度θと、が比例しなくなる懼れがある。したがって、前側主平面が前面及び後面の曲率の半径方向に
y0×((1+tan2θ)1/2−1)
だけ半導体レーザ素子から遠ざけられて位置することにより、レーザビームの出射方向によらず、各レーザビームで同等のコリメート特性を確実に確保することができる。
When the position of the semiconductor laser element in the X-axis direction is away from the origin, the position of the semiconductor laser element in the X-axis direction and the angle θ formed by the laser beam with respect to the normal of the light emitting end face are not proportional. There is drowning. Therefore, the front main plane is y 0 × ((1 + tan 2 θ) 1/2 −1) in the radial direction of the curvature of the front and rear surfaces.
By being positioned away from the semiconductor laser element only, it is possible to ensure the same collimating characteristics with each laser beam regardless of the laser beam emission direction.
活性層は、複数の領域として、第一領域と第二領域とを含み、複数の駆動電極は、第一領域に駆動電流を供給するための第一駆動電極と、第二領域に駆動電流を供給するための第二駆動電極と、を含み、第一駆動電極の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、光出射端面の法線に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の第一領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第一及び第二の周期構造を有しており、第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第一駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で光出射端面に向かう1つが光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、光出射端面に向かう別の少なくとも1つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されており、第二駆動電極の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、光出射端面の法線に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の第二領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第三及び第四の周期構造を有しており、第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第二駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で光出射端面に向かう1つが光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、光出射端面に向かう別の少なくとも1つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分は、第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分とは異なっていてもよい。 The active layer includes a first region and a second region as a plurality of regions, and the plurality of drive electrodes provide a first drive electrode for supplying a drive current to the first region, and a drive current to the second region. A longitudinal direction of the first drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, and the photonic The region corresponding to the first region of the crystal layer has first and second periodic structures in which the arrangement periods of the different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other, and the first and second periodic structures When two or more laser beams form a predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the first drive electrode when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element according to the difference of the reciprocal number of each arrangement period in the semiconductor laser element, Of these laser beams One toward the end face is set so that the refraction angle is less than 90 degrees with respect to the light exit end face, and at least one other towards the light exit end face is set so as to satisfy the total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face. The longitudinal direction of the second drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, and corresponds to the second region of the photonic crystal layer Has third and fourth periodic structures in which the arrangement periods of the different refractive index portions having different refractive indices from the surroundings are different from each other, and the difference between the reciprocal numbers of the respective arrangement periods in the third and fourth periodic structures. Accordingly, when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, two or more laser beams forming a predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the second drive electrode are generated inside the semiconductor laser element, At the light exit end Is set so that the refraction angle is less than 90 degrees with respect to the light exit end face, and at least one other towards the light exit end face is set so as to satisfy the total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face, The difference of the reciprocal number of each arrangement period in the first and second periodic structures may be different from the difference of the reciprocal number of each arrangement period in the third and fourth periodic structures.
この場合、駆動電極に駆動電流を供給することにより、半導体レーザ素子内部で2つ以上のレーザビームが生成される。生成されたレーザビームの中で光出射端面に向かう1つが光出射端面に対して屈折角90度未満となり、光出射端面に向かう別の少なくとも1つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たす。このため、同時に出射されるレーザビームの方向を所定の1方向とすることができる。第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分が、第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分と異なっている。このため、複数の駆動電極のうちどの電極に駆動電流を供給するかにより、レーザビームの出射方向を切り替えることができる。 In this case, by supplying a drive current to the drive electrode, two or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element. One of the generated laser beams toward the light emitting end surface has a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end surface, and at least one other toward the light emitting end surface satisfies the total reflection critical angle condition with respect to the light emitting end surface. Fulfill. For this reason, the direction of the laser beam emitted simultaneously can be set to a predetermined one direction. The difference between the reciprocal numbers of the respective array periods in the first and second periodic structures is different from the difference between the reciprocal numbers of the respective array periods in the third and fourth periodic structures. Therefore, the laser beam emission direction can be switched depending on which electrode of the plurality of drive electrodes is supplied with the drive current.
上記半導体レーザ素子は、複数のレーザビームを生成し、生成した複数のレーザビームを同一の方向に出力する発振部と、発振部から同一の方向に出力された複数のレーザビームをそれぞれ異なる方向に偏向して光出射端面から出射させる偏向部と、を有して構成され、発振部は、下部クラッド層と、上部クラッド層と、活性層と、フォトニック結晶層としての第一フォトニック結晶層と、複数の駆動電極と、を含み、偏向部は、第二フォトニック結晶層を含み、第一フォトニック結晶層は、複数の領域に対応する領域にわたり、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有し、第二フォトニック結晶層は、複数の領域に対応する領域毎に、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が異なる周期構造を有していてもよい。 The semiconductor laser element generates a plurality of laser beams, and outputs the generated plurality of laser beams in the same direction, and a plurality of laser beams output from the oscillation unit in the same direction in different directions. A deflecting unit that deflects and emits light from the light emitting end surface, and the oscillation unit includes a lower cladding layer, an upper cladding layer, an active layer, and a first photonic crystal layer as a photonic crystal layer And a plurality of drive electrodes, the deflection unit includes a second photonic crystal layer, and the first photonic crystal layer has a different refractive index different from that of the surrounding region over a region corresponding to the plurality of regions. The second photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement periods of the different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different for each region corresponding to a plurality of regions. Have It may be.
この場合、第一フォトニック結晶層が、複数の領域に対応する領域にわたり、上記異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、発振部からは、複数の駆動電極毎に同一の方向にレーザビームが出力される。第二フォトニック結晶層が、複数の領域に対応する領域毎に、上記異屈折率部の配列周期が異なる周期構造を有しているので、偏向部からは、発振部から同一の方向に出力された各レーザビームがそれぞれ異なる方向に偏向されて、光出射端面から出射される。半導体レーザ素子において、発振部と偏向部とが分かれていると共に、第一フォトニック結晶層が、複数の領域に対応する領域にわたり、上記異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有している。このため、発振閾値がレーザビーム毎で一定であり、安定した動作を実現することができる。 In this case, the first photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement period of the different refractive index portions is the same over a region corresponding to a plurality of regions. A laser beam is output in the same direction for each electrode. Since the second photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement period of the different refractive index portions is different for each region corresponding to a plurality of regions, the deflection unit outputs the same direction from the oscillation unit. Each laser beam is deflected in different directions and emitted from the light emitting end face. In the semiconductor laser device, the oscillation unit and the deflection unit are separated, and the first photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement period of the different refractive index portions is the same over a region corresponding to a plurality of regions. Have. For this reason, the oscillation threshold is constant for each laser beam, and stable operation can be realized.
第二フォトニック結晶層は、複数の領域に対応する領域毎で、発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に透過する光を弱め合う干渉を生じさせると共に、光出射端面からのレーザビームの出射方向に回折する光を強め合う干渉を生じさせてもよい。この場合、偏向部は、確実に、発振部から同一方向に出力された各レーザビームを異なる方向に偏向して光出射端面から出射させることができる。 The second photonic crystal layer causes interference that weakens light transmitted in the same direction as the output direction of the laser beam from the oscillating unit for each region corresponding to the plurality of regions, and the laser beam from the light emitting end surface. Interference that reinforces the light diffracted in the emission direction of the light may be generated. In this case, the deflecting unit can surely deflect each laser beam output in the same direction from the oscillating unit in a different direction and emit it from the light emitting end face.
本発明によれば、所定の方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能な半導体レーザ装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser device capable of emitting a laser beam in a predetermined direction and changing the emission direction.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.
図1は、半導体レーザ装置の構成を示す概略斜視図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view showing the configuration of the semiconductor laser device.
半導体レーザ装置LD1は、半導体レーザ素子10Aと、コリメートレンズ20と、を備えている。半導体レーザ素子10Aは、端面発光型の半導体レーザである。半導体レーザ素子10Aは、後で詳細に説明する構成により、光出射端面LESから所定の方向にレーザビームを出射する。コリメートレンズ20は、半導体レーザ素子10Aから出射されたレーザビームをコリメートする。
The semiconductor laser device LD1 includes a
以下の説明では、光出射端面LESに平行で且つ半導体レーザ素子10Aの活性層が延びる方向を第一方向と称する。第一方向に平行な座標軸をX軸とし、光出射端面LESに垂直な方向をY軸とし、活性層が延びる方向に垂直な方向をZ軸とする。レーザビームLBの出射方向を表すために、レーザビームLBが光出射端面LESの法線Nに対してなす角度θを用いる。
In the following description, the direction parallel to the light emitting end face LES and extending the active layer of the
次に、半導体レーザ素子10Aについて詳細に説明する。
Next, the
図2は、半導体レーザ素子の縦断面図であり、図3は、半導体レーザ素子の平面図である。 FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser element, and FIG. 3 is a plan view of the semiconductor laser element.
半導体レーザ素子10Aは、半導体基板1上に順次形成された下部クラッド層2、下部光ガイド層3A、活性層3B、上部光ガイド層3C、フォトニック結晶層4、上部クラッド層5、コンタクト層6を備えている。半導体基板1の裏面側には、電極E1が全面に設けられており、コンタクト層6上には、複数の駆動電極E2が設けられている。同図では、簡略的に5本の駆動電極E2が示されているが、実際には更に多くの駆動電極E2がコンタクト層6上に設けられる。
The
なお、駆動電極E2の形成領域以外のコンタクト層6上の表面は、絶縁膜SHによって覆われている。絶縁膜SHは、例えば、SiNやSiO2から形成することができる。
The surface on the
これらの化合物半導体層の材料/厚みは以下の通りである。なお、導電型の記載のないものは不純物濃度が1015/cm3以下の真性半導体である。なお、不純物が添加されている場合の濃度は、1017〜1020/cm3である。また、下記は本実施の形態の一例であって、活性層3Bおよびフォトニック結晶層4を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。上部光ガイド層3Cは、上層及び下層の2つの層からなる。
・コンタクト層6:P型のGaAs/50〜500nm
・上部クラッド層5:P型のAlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/1.0〜3.0μm
・フォトニック結晶層4:
基本層4A:GaAs/50〜400nm
埋め込み層(異屈折率部)4B:AlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/50〜400nm
・上部光ガイド層3C:
上層:GaAs/10〜200nm
下層:p型または真性のAlGaAs/10〜100nm
・活性層3B(多重量子井戸構造):
AlGaAs/InGaAs MQW/10〜100nm
・下部光ガイド層3A:AlGaAs/0〜300nm
・下部クラッド層2:N型のAlGaAs/1.0〜3.0μm
・半導体基板1:N型のGaAs/80〜350μm
The materials / thicknesses of these compound semiconductor layers are as follows. Note that an intrinsic semiconductor having an impurity concentration of 10 15 / cm 3 or less has no conductivity type. In addition, the density | concentration when an impurity is added is 10 < 17 > -10 < 20 > / cm < 3 >. Further, the following is an example of the present embodiment. If the configuration includes the
Contact layer 6: P-type GaAs / 50 to 500 nm
Upper clad layer 5: P-type AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) /1.0 to 3.0 μm
Photonic crystal layer 4:
Buried layer (different refractive index portion) 4B: AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) / 50 to 400 nm
Upper
Upper layer: GaAs / 10-200 nm
Lower layer: p-type or intrinsic AlGaAs / 10 to 100 nm
AlGaAs / InGaAs MQW / 10-100nm
Lower
Lower clad layer 2: N-type AlGaAs / 1.0 to 3.0 μm
・ Semiconductor substrate 1: N-type GaAs / 80 to 350 μm
電極E1の材料としては例えばAuGe/Au、電極E2の材料としては例えばCr/AuやTi/Auを用いることができる。 For example, AuGe / Au can be used as the material of the electrode E1, and Cr / Au or Ti / Au can be used as the material of the electrode E2.
なお、光ガイド層は省略することも可能である。 The light guide layer can be omitted.
この場合の製法において、MOCVD法によるAlGaAsの成長温度は500℃〜850℃であって、実験では550〜700℃を採用し、成長時におけるAl原料としてTMA(トリメチルアルミニウム)、ガリウム原料としてTMG(トリメチルガリウム)およびTEG(トリエチルガリウム)、As原料としてはAsH3(アルシン)、N型不純物用の原料としてSi2H6(ジシラン)、P型不純物用の原料としてDEZn(ジエチル亜鉛)を用いることができる。 In the manufacturing method in this case, the growth temperature of AlGaAs by the MOCVD method is 500 ° C. to 850 ° C. In the experiment, 550 to 700 ° C. is adopted, and TMA (trimethylaluminum) is used as the Al raw material during growth and TMG ( Trimethylgallium) and TEG (triethylgallium), AsH 3 ( arsine) as the As raw material, Si 2 H 6 (disilane) as the raw material for N-type impurities, and DEZn (diethylzinc) as the raw material for P-type impurities Can do.
上下の電極E1,E2間に電流を流すと、いずれかの電極E2の直下の領域Rを電流が流れ、この領域が発光して、レーザビームLBが基板の側方端面から所定の角度で出力される(図3参照)。駆動電極E2のいずれに駆動電流を供給するかにより、いずれのレーザビームLBが出射されるかが決定される。 When a current is passed between the upper and lower electrodes E1, E2, a current flows in a region R immediately below one of the electrodes E2, this region emits light, and the laser beam LB is output at a predetermined angle from the side end surface of the substrate. (See FIG. 3). Which laser beam LB is emitted is determined depending on which of the drive electrodes E2 is supplied with the drive current.
半導体レーザ素子の平面形状は長方形であり、XYZ三次元直交座標系を設定した場合には、厚み方向をZ軸、幅方向をX軸とし、光出射端面LESに垂直な方向をY軸とする。XY平面内において、各駆動電極E2の延びている長手方向は、Y軸に平行な直線に対して角度φを成している。すなわち、駆動電極E2の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面LESの法線(Y軸)に対して、傾斜している。駆動電極E2は、光出射端面LESの位置から逆側の端面に向けて延びているが、半導体レーザ素子を完全に横断することなく、途中で途切れている。 The planar shape of the semiconductor laser element is a rectangle. When an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is set, the thickness direction is the Z axis, the width direction is the X axis, and the direction perpendicular to the light emitting end face LES is the Y axis. . In the XY plane, the extending longitudinal direction of each drive electrode E2 forms an angle φ with respect to a straight line parallel to the Y axis. That is, the longitudinal direction of the drive electrode E2 is inclined with respect to the normal line (Y axis) of the light emitting end face LES of the semiconductor laser element when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element. The drive electrode E2 extends from the position of the light emitting end face LES toward the opposite end face, but is interrupted halfway without completely traversing the semiconductor laser element.
図4は、半導体レーザ素子内部のレーザビームの進行状態を説明するための素子内部の平面図である。 FIG. 4 is a plan view of the inside of the device for explaining the progress of the laser beam inside the semiconductor laser device.
レーザビームは、活性層3B内において発生するが、活性層3Bから染み出した光は、隣接するフォトニック結晶層4の影響を受ける。フォトニック結晶層4内には、周期的屈折率分布構造が形成されている。このフォトニック結晶層により回折を受けた結果、活性層3Bの内部では、波数ベクトルk1〜k4で示されるレーザビームが発生している。波数ベクトルは、向きが波面の法線方向(つまり波の伝播方向)で、大きさが波数となるベクトルのことである。波数ベクトルk1、k2のレーザビームは、光出射端面LESに向かっており、波数ベクトルk4、k3のレーザビームは、これらとは逆の方向に向かっている。
The laser beam is generated in the
波数ベクトルk1、k2のレーザビームは、XY平面内において、Y軸に平行な直線と角度φを成すB方向に対して、それぞれ±δθの角度を成して進行する。なお、B方向は、駆動電極E2の延びている方向である。A方向は、XY平面内において、B方向に垂直な方向である。なお、XYZ直交座標系をZ軸回りにφだけ回転させた座標系をxyz直交座標系とする。この場合、A方向はx軸正方向に一致し、B方向はy軸負方向に一致する。波数ベクトルk1、k2のレーザビームは、光出射端面LESに対して入射して外部に出射しようとするが、それぞれの入射角をθ1、θ2とする。波数ベクトルk1のレーザビームの屈折角はθ3とする。θ3は、90度よりも小さい。すなわち、波数ベクトルk2のレーザビームの入射角θ2は、全反射臨界角以上であり、光出射端面LESにおいて、全反射が生じ、外部には出力されない。一方、波数ベクトルk1のレーザビームの入射角θ1は、全反射臨界角未満であり、光出射端面LESを透過して、外部に出力される。なお、θ4は、光出射端面LESにおいて全反射したレーザビームの進行方向と、Y軸負方向の成す角度であり、90度以上である。 The laser beams of the wave number vectors k1 and k2 travel at an angle of ± δθ with respect to the B direction that forms an angle φ with a straight line parallel to the Y axis in the XY plane. The B direction is the direction in which the drive electrode E2 extends. The A direction is a direction perpendicular to the B direction in the XY plane. A coordinate system obtained by rotating the XYZ orthogonal coordinate system by φ around the Z axis is defined as an xyz orthogonal coordinate system. In this case, the A direction coincides with the positive x-axis direction, and the B direction coincides with the negative y-axis direction. The laser beams of the wave number vectors k1 and k2 enter the light emission end face LES and attempt to exit to the outside. The incident angles are θ1 and θ2, respectively. The refraction angle of the laser beam having the wave vector k1 is θ3. θ3 is smaller than 90 degrees. That is, the incident angle θ2 of the laser beam having the wave number vector k2 is equal to or greater than the total reflection critical angle, and total reflection occurs at the light emitting end face LES and is not output to the outside. On the other hand, the incident angle θ1 of the laser beam with the wave vector k1 is less than the total reflection critical angle, and is transmitted to the outside through the light emitting end face LES. Θ4 is an angle formed by the traveling direction of the laser beam totally reflected on the light emitting end face LES and the negative Y-axis direction, and is 90 degrees or more.
なお、フォトニック結晶層4は、複数のフォトニック結晶領域4Rが集合して形成されている。
Note that the
図5は、単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域4Rの平面図である。
FIG. 5 is a plan view of the
フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であり、周期に応じて特定の波長の光を特定の方向へ強め合わせる、すなわち回折させることが出来る。この回折を光の閉じ込めに用い、共振器として利用することで、レーザを実現することが出来る。本実施形態のフォトニック結晶層4は、基本層4Aと、基本層4A内に周期的に埋め込まれた埋め込み層(異屈折率部)4Bからなる。
A photonic crystal is a nanostructure whose refractive index changes periodically, and can strengthen or diffract light of a specific wavelength in a specific direction according to the period. By using this diffraction for light confinement and as a resonator, a laser can be realized. The
本実施形態では、閃亜鉛構造の第1化合物半導体(GaAs)からなる基本層4A内に複数の穴Hを周期的に形成し、穴H内に、閃亜鉛構造であって第2化合物半導体(AlGaAs)からなる埋め込み層4Bを成長させてなるフォトニック結晶層4を備えている。もちろん、フォトニック結晶を構成するため、第1化合物半導体と、第2化合物半導体の屈折率は異なる。なお、本実施形態では、第2化合物半導体の方が、第1化合物半導体よりも屈折率が低いが、逆に第1化合物半導体の方が、第2化合物半導体よりも屈折率が低くてもよい。
In this embodiment, a plurality of holes H are periodically formed in the
埋め込み層である異屈折率部4Bは、A方向及びB方向に沿って整列し、2次元周期構造を構成している。ここでは、A方向の異屈折率部4B間のピッチをa1、B方向の異屈折率部4B間のピッチをb1とする。なお、a1=b1であってもよい。AB平面内における各異屈折率部4Bの平面形状として、同図には長方形が示されているが、異屈折率部4Bの平面形状はこれに限定されるものではない。
The different
図6は、図5とは異なる単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域4Rの平面図である。
FIG. 6 is a plan view of a
埋め込み層である異屈折率部4Bは、A方向及びB方向に沿って整列し、2次元周期構造を構成している。ここでは、A方向の異屈折率部4B間のピッチをa2、A方向の異屈折率部4B間のピッチをb2とする。なお、a2>a1の関係を満たしている。AB平面内における各異屈折率部4Bの平面形状として、同図にも長方形が示されているが、異屈折率部4Bの平面形状はこれに限定されるものではない。
The different
図7は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶領域4Rの平面図である。
FIG. 7 is a plan view of the
すなわち、このフォトニック結晶領域4Rは、図5に示した周期構造と、図6に示した周期構造とを単一のフォトニック結晶領域4Rが含んでおり、周期a1と周期a2を有している。また、同図には、B方向の周期は共にb2(=b1)とすることとしたものが示されている。
That is, the
かかる構造の場合、周期a1の逆数(1/a1)と、a2の逆数(1/a2)との差分に応じて、図4におけるδθが決定される。すなわち、周期a1とa2を決定することで、波数ベクトルk1,k2で示されるレーザビームの進行方向を決定することができる。なお、δθ=sin−1(δk/k)、δk=|π{(1/a1)−(1/a2)}|、k=2π/λである。λは半導体レーザ素子中のレーザ光の波長、kは半導体レーザ素子中のレーザ光の波数である。 In the case of such a structure, δθ in FIG. 4 is determined in accordance with the difference between the reciprocal of the period a1 (1 / a1) and the reciprocal of a2 (1 / a2). That is, by determining the periods a1 and a2, it is possible to determine the traveling direction of the laser beam indicated by the wave number vectors k1 and k2. Note that δθ = sin −1 (δk / k), δk = | π {(1 / a1) − (1 / a2)} |, and k = 2π / λ. λ is the wavelength of the laser light in the semiconductor laser element, and k is the wave number of the laser light in the semiconductor laser element.
本実施形態の場合、上記パラメータθ1、θ2、半導体レーザ素子中の光の等価屈折率ndevの満たすべき不等式は、次の通りである。 In the case of this embodiment, the inequalities to be satisfied by the parameters θ1 and θ2 and the equivalent refractive index n dev of the light in the semiconductor laser element are as follows.
0≦θ1<sin−1(1/ndev) 0 ≦ θ1 <sin −1 (1 / n dev )
θ2≧sin−1(1/ndev) θ2 ≧ sin −1 (1 / n dev )
また、本発明の通りフォトニック結晶全体がφ傾いていることを考慮すると、各パラメータの満たすべき方程式は次の通りとなる。
δθ=φ−sin−1(sinθ3/ndev)
δk=(2π/λ0)sin{φ−sin−1(sinθ3/ndev)}
b1=b2=b0/√(1−sin2δθ)
a1=1/{(δk/2π)+(1/b1)}
a2=1/{(1/b2)−(δk/2π)}
In consideration of the fact that the entire photonic crystal is tilted as in the present invention, equations to be satisfied by the respective parameters are as follows.
δθ = φ−sin −1 (sin θ3 / n dev )
δk = (2π / λ 0 ) sin {φ−sin −1 (sin θ3 / n dev )}
b1 = b2 = b 0 / √ (1-sin 2 δθ)
a1 = 1 / {(δk / 2π) + (1 / b1)}
a2 = 1 / {(1 / b2)-(δk / 2π)}
なお、b0はB方向(格子点の整列方向(異屈折率部の配列方向))に対する基準周期であり、例えば290nm程度である。 B 0 is a reference period with respect to the B direction (the alignment direction of the lattice points (the arrangement direction of the different refractive index portions)), and is, for example, about 290 nm.
すなわち、φは光出射端面LESに垂直な方向に対する異屈折率部の配列方向(B方向)の傾き、θ3はレーザビームの出射角、ndevは半導体レーザ素子中の光の等価屈折率とし、第1及び第2駆動電極に駆動電流を供給した場合において、第1及び第2駆動電極直下の活性層の第1及び第2領域でそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、第1、第2、第3及び第4周期構造(後述)において、基本並進ベクトルに沿った方向のうち一つに関して、その周期b1、b2が、√{1−sin2(φ−sin−1(sinθ3/ndev))}に反比例する。周期の設定を変えることで、出射角θ3を変化させることができる。 That is, φ is the inclination of the arrangement direction (B direction) of the different refractive index portions with respect to the direction perpendicular to the light emitting end face LES, θ3 is the laser beam emission angle, n dev is the equivalent refractive index of light in the semiconductor laser element, When a drive current is supplied to the first and second drive electrodes, the resonance wavelengths of the laser beams generated in the first and second regions of the active layer immediately below the first and second drive electrodes are the same. In the first, second, third, and fourth periodic structures (described later), the period b1, b2 is √ {1-sin 2 (φ−sin −1 ) with respect to one of the directions along the basic translation vector. (Sin θ3 / n dev ))}. By changing the setting of the cycle, the emission angle θ3 can be changed.
波数ベクトルk2のレーザビームの全反射条件を満たす場合の全反射臨界角θcは、θc=sin−1(1/ndev)で与えられ、本例の場合は、φ=18.5°、θ2>θc=17.6°である。 The total reflection critical angle θc when the total reflection condition of the laser beam of the wave vector k2 is satisfied is given by θc = sin −1 (1 / n dev ). In this example, φ = 18.5 °, θ2 > Θc = 17.6 °.
図8は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶層領域4Rを、複数有するフォトニック結晶領域群4Gの平面図である。フォトニック結晶層領域4Rは、A方向に沿って整列して配置されている。
FIG. 8 is a plan view of a photonic
一番左のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ1、2番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ2、2番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ3、4番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ4、5番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ5とする。便宜上、Δ1〜Δ5は、上記周期の逆数のパラメータも示すこととする。
The leftmost photonic
領域Δ1内では、A方向に図7に示した周期a1と周期a2を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。
In the region Δ1, the different
同様に、領域Δ2内では、A方向に周期a1と周期a3を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。
Similarly, in the region Δ2, the different
領域Δ3内では、A方向に周期a1と周期a4を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。
In the region Δ3, the different
領域Δ4内では、A方向に周期a1と周期a5を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。
In the region Δ4, the different
領域Δ5内では、A方向に周期a1と周期a6を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。但し、a1<a2<a3<a4<a5<a6の関係を満たしている。
In the region Δ5, the different
一般式を用いて説明すると、領域ΔN(Nは自然数)が、A方向にそってNの値が小さい順番に左から右に配列されており、領域ΔN内では、A方向に周期a1と、周期a(N+1)を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列され、aN<a(N+1)を満たしている。
If it demonstrates using a general formula, area | region (DELTA) N (N is a natural number) is arranged from left to right in order with small value of N along A direction, and within area | region (DELTA) N, period a1 in A direction, The different
これにより、周期の逆数の差に応じて、異なる方向にレーザビームを出射することができる。 As a result, the laser beam can be emitted in different directions according to the difference in the reciprocal of the period.
図9は、フォトニック結晶領域群4Gを有するフォトニック結晶層の平面図である。
FIG. 9 is a plan view of a photonic crystal layer having the photonic
フォトニック結晶層4内において、各領域Δ1〜Δ5は、順番にA方向に沿って配置されている。各領域Δ1〜Δ5の長手方向はB方向(駆動電極E2の長手方向)に一致している。各駆動電極E2に、選択的に駆動電流を供給する(電極E1と特定の電極E2の間に駆動電圧を印加する)と、光出射端面LESから、それぞれ異なる方向にレーザビームが出射する(図3参照)。
In the
図10は、基準方向(B方向)からの偏向角δθ(各フォトニック結晶領域内の周期の逆数の差に依存)に対するレーザビームの入射角及び出射角を示すグラフである。 FIG. 10 is a graph showing the incident angle and the outgoing angle of the laser beam with respect to the deflection angle δθ from the reference direction (B direction) (depending on the difference in the reciprocal of the period in each photonic crystal region).
周期の逆数の差が大きくなり、角度δθが大きくなると、入射角θ1及びθ2の差が大きくなり、k1ベクトルで示されるレーザビームの屈折角(出射角)が90°から0°まで減少する。φ=18.5°であり、δθは、0°から18.5°まで変化させた。半導体レーザ素子中の光の等価屈折率ndevは3.3とした。角度δθを調整することで、目的とするレーザビームの出射角は広い範囲で調整することができる。一方、k2ベクトルで示されるレーザビームではδθの値に拘らず、θ2は常に全反射臨界角を超えているため、常に全反射を生じ、外部には出力されない。 When the difference in the reciprocal of the period increases and the angle δθ increases, the difference between the incident angles θ1 and θ2 increases, and the refraction angle (emission angle) of the laser beam indicated by the k1 vector decreases from 90 ° to 0 °. φ = 18.5 °, and δθ was changed from 0 ° to 18.5 °. The equivalent refractive index n dev of light in the semiconductor laser element was 3.3. By adjusting the angle δθ, the target laser beam emission angle can be adjusted in a wide range. On the other hand, in the laser beam indicated by the k2 vector, regardless of the value of δθ, since θ2 always exceeds the total reflection critical angle, total reflection always occurs and is not output to the outside.
図11は、様々な形状の異屈折率部(構造体)4Bの平面図である。 FIG. 11 is a plan view of various refractive index portions (structures) 4B having various shapes.
上記では、異屈折率部4BのAB平面(XY平面)内における形状として長方形(A)のものを示したが、これは正方形(B)、楕円形又は円形(C)とすることもでき、二等辺や正三角形(D)とすることもできる。また、三角形の向きとして、底辺がA方向に平行なもの(D)の他、底辺がB方向に平行なもの(E)、(D)に示す三角形を180度回転させたもの(F)とすることもできる。なお、いずれの図形も回転や寸法比率の変更を行うことができる。なお、これらの図形の配列周期は、各図形の重心間の距離を用いることができる。
In the above, a rectangular (A) shape is shown as the shape in the AB plane (XY plane) of the different
なお、2つの周期構造を重畳させるにあたり、周期が異なることにより孔の個数に差異が生じるため、2つの周期構造による回折強度に差が生じる。これを低減するため、周期a1の構造に対してはA方向の形状長さをa1/b1倍し、周期a2の構造に対してはA方向の形状長さをa2/b2(=b1)倍することが効果的である。 Note that, when the two periodic structures are overlapped, a difference in the number of holes due to a difference in the period causes a difference in diffraction intensity between the two periodic structures. In order to reduce this, the shape length in the A direction is multiplied by a1 / b1 for the structure of the period a1, and the shape length in the A direction is multiplied by a2 / b2 (= b1) for the structure of the period a2. It is effective to do.
なお、上述の実施形態では、駆動電極E2の数が1つの場合には、単一方向のビームのみを出力可能な半導体レーザ素子を構成する。駆動電極E2の数は、複数であれば、レーザビーム偏向装置を構成することができる。 In the above-described embodiment, when the number of drive electrodes E2 is one, a semiconductor laser element that can output only a beam in a single direction is configured. As long as the number of drive electrodes E2 is plural, a laser beam deflecting device can be configured.
次に、コリメートレンズ20の一例について、図13及び図14を参照して詳細に説明する。図13及び図14は、コリメートレンズの構成を説明するための図である。図13及び図14では、XYZ座標系の原点Oが、半導体レーザ素子10Aの光出射端面LES上で且つ半導体レーザ素子10AのX軸方向での中央に位置するように規定されている。図13は、コリメートレンズの上面図であり、図14は、コリメートレンズの半径方向rでの垂直断面図である。
Next, an example of the collimating
コリメートレンズ20は、半導体レーザ素子10Aに対向する前面20aと、コリメートされたレーザビームLBが出射される後面20bと、を有している。コリメートレンズ20は、図13に示されるように、光出射端面LESに平行で且つ活性層3Bが延びる方向(X軸方向)及び光軸OAを含む断面(XY平面に平行な断面)における前面20a及び後面20bの曲率が、それぞれ一定である。本例では、コリメートレンズ20として、薄肉レンズが用いられている。
The collimating
コリメートレンズ20の、XY平面に平行な断面における前面20a及び後面20bの曲率半径が、半導体レーザ素子10Aのサイズよりも十分大きい場合、光出射端面LESにおける各レーザビームLBの出射位置(光出射端面LESにおける複数の領域Rに対応する位置)は、同じであると近似できる。したがって、図13では、前面20aの曲率半径は、原点Oを曲率中心として、RCで表されている。後面20bの曲率半径は、原点Oを曲率中心とし且つコリメートレンズ20の厚みをdとして、RC+dで表されている。
When the curvature radii of the
コリメートレンズ20の焦点距離F(θout)は、コリメートレンズ20の屈折率をnとし、前側曲率半径をR1とし、後側曲率半径をR2としたときに、
F(θout)={(n−1)×(1/R1+1/R2)}−1
で表される。コリメートレンズ20では、焦点距離F(θout)が一定となるように、前側曲率半径をR1と後側曲率半径をR2とが設定されている。
Focal length F of the collimating lens 20 (theta out) is the refractive index of the collimating
F (θ out ) = {(n−1) × (1 / R 1 + 1 / R 2 )} −1
It is represented by In the
光出射端面LESにおける各レーザビームLBの出射位置(本例では、近似された一点(図13及び図14における、原点O))から前側主平面PMまでの光路長(レーザビームLBの光路長)と、焦点距離F(θout)と、が一致している。これにより、半導体レーザ素子10Aから出射された各レーザビームLBは、コリメートレンズ20に入射すると、図14にも示されるように、半導体レーザ素子10Aの厚み方向に平行な面内でそれぞれ屈折され、半導体レーザ素子10Aの厚み方向での幅が揃っている複数の平行光として出射される。実際の半導体レーザ素子10Aでは、光出射端面LESにおける各レーザビームLBの出射位置xが異なるため、光出射端面LESにおける各レーザビームLBの出射位置から前側主平面PMまでの光路長と、焦点距離F(θout)と、が略一致することとなる。本例では、前側主平面PMと後側主平面とが、主平面と一致している。
Emission position of the laser beam LB at the light emitting end face LES (in this example, at a point approximated (FIGS. 13 and 14, the origin O)) optical path length to the front principal plane P M from (the optical path length of the laser beam LB ) And the focal length F (θ out ) match. Thereby, when each laser beam LB emitted from the
半導体レーザ素子10Aとコリメートレンズ20との間に誘電体(たとえば、光出射端面LESに形成されたコーディング膜)が挿入される場合、レーザビームLBが誘電体内を通過することにより、レーザビームLBの光路長L(θout)が増加する。したがって、増加した光路長分を加味したレーザビームLBの光路長と、焦点距離F(θout)と、が略一致するように、コリメートレンズ20を設計する必要がある。
When a dielectric (for example, a coding film formed on the light emitting end face LES) is inserted between the
コリメートレンズ20の、半径方向rでの垂直断面形状は、図14に示された形状に限られない。コリメートレンズ20は、光出射端面LESにおける各レーザビームLBの出射位置から前側主平面までの光路長が、焦点距離F(θout)と略一致する形状であれば、図15の(A)〜(E)に示された垂直断面形状であってもよい。
The vertical cross-sectional shape of the collimating
以上のことから、本実施形態においては、半導体レーザ素子10Aにおいて、光出射端面LESにおけるレーザビームLBの出射位置(光出射端面における複数の領域Rに対応する位置)ごとに、レーザビームLBの光出射端面に対する出射方向(出射角θout)が異なる場合でも、レーザビームLBの出射角θoutによらず、各レーザビームLBで同等のコリメート特性を確保することができる。
From the above, in the present embodiment, in the
続いて、コリメートレンズ20の別の一例を、図16〜図18を参照して説明する。本例においても、コリメートレンズ20として、薄肉レンズが用いられている。
Next, another example of the collimating
図16に示されるように、本例では、光出射端面LESに平行で且つ活性層3Bが延びる方向(X軸方向)及び光軸OAを含む断面(XY平面に平行な断面)における前面20a及び後面20bの曲率中心が、半導体レーザ素子10Aで且つ半導体レーザ素子10AのX軸方向での中央に位置するように規定されている。Y軸は、光出射端面LESに垂直な座標軸である。本例は、図13及び図14に示された例に比して、コリメートレンズ20の、XY平面に平行な断面における前面20a及び後面20bの曲率半径が、半導体レーザ素子10Aのサイズに近づいている。図17に示されるように、前側主平面PMと後側主平面とが、主平面と一致している。
As shown in FIG. 16, in this example, the
図18に示されるように、半導体レーザ素子10AのX軸方向での幅がWとされている。レーザビームLBが光出射端面LESの法線に対してなす角度(出射角)θoutは、半導体レーザ素子10AのX軸方向での中央において0であり且つ半導体レーザ素子10AのX軸方向での端に向かうにしたがって大きくなる。半導体レーザ素子10AのX軸方向での端における出射角θoutの最大値がθmaxである。この場合、前面20a及び後面20bの曲率中心(原点O)に対する光出射端面のY軸方向での位置y0は、
y0<W/(2×tanθmax)
に基づいて規定される。X軸に沿った位置xにおける出射角θoutは、
θout=atan(x/y0)
に基づいて規定される。図18では、領域Rに対応する箇所(ハッチングが付されている領域)が、模式的に示されている。
As shown in FIG. 18, the width of the
y 0 <W / (2 × tan θ max )
It is prescribed based on. The exit angle θ out at position x along the X axis is
θ out = atan (x / y 0 )
It is prescribed based on. In FIG. 18, locations corresponding to the region R (regions with hatching) are schematically shown.
コリメートレンズ20は、出射角θoutに対する焦点距離F(θout)が、前面20a及び後面20bの曲率中心(原点O)と前側主平面PMとの光路長をOPとしたときに、
F(θout)=OP−y0×(1+tan2θout)1/2
に基づいて規定されている。したがって、出射角θoutに対する焦点距離F(θout)は、「OP−y0×(1+tan2θout)1/2」で表される値以下に設定されることが好ましい。
F (θ out ) = OP−y 0 × (1 + tan 2 θ out ) 1/2
It is prescribed based on. Accordingly, the focal length F (θ out ) with respect to the emission angle θ out is preferably set to be equal to or less than the value represented by “OP−y 0 × (1 + tan 2 θ out ) 1/2 ”.
続いて、コリメートレンズ20の具体的な設計例を、図19〜図22を参照して説明する。ここでは、図16〜図18に示されたコリメートレンズ20が用いられている。
Next, a specific design example of the collimating
本設計例では、半導体レーザ素子10Aのサイズとして、X軸方向での長さ(幅)が1mmに設定され、Y軸方向での長さが0.5mmに設定される。前面20a及び後面20bの曲率中心(原点O)と前側主平面PMとの光路長OPが、2mmに設定される。最大出射角θmaxが、60°に設定される。前面20a及び後面20bの曲率中心(原点O)に対する光出射端面のY軸方向での位置y0が、0.2mmに設定される。コリメートレンズ20の後側曲率半径R2が、2mmに設定される。コリメートレンズ20の屈折率nが、1.5に設定される。
In this design example, as the size of the
半導体レーザ素子10Aでは、出射角θoutが、0°〜60°までの間において、5°間隔で偏向されると仮定する。このとき、出射角θoutに対する、光出射端面LESにおける各レーザビームLBの出射位置x(mm)は、
x=y0tanθout
により得られる。結果を図19に示す。図19は、コリメートレンズの設計例を説明するための、出射角と出射位置との関係を示す線図である。
In the
x = y 0 tan θ out
Is obtained. The results are shown in FIG. FIG. 19 is a diagram illustrating the relationship between the exit angle and the exit position for explaining a design example of the collimator lens.
図16から分かるように、本設計例では、出射角θoutが0°〜40°である範囲において、出射角θoutと光出射端面LESにおける各レーザビームLBの出射位置xとが略比例している。これにより、出射角θoutが0°〜40°である範囲では、出射位置x、すなわち領域Rを等間隔に配置することができる。出射角θoutが40°を超えると、出射角θoutと出射位置xとが比例しなくなる。 As can be seen from Figure 16, in this design example, in the range emission angle theta out is 0 ° to 40 °, the output position x Togaryaku proportional of the laser beam LB at the emission angle theta out and the light emitting end face LES ing. Thus, the emission positions x, that is, the regions R can be arranged at equal intervals in the range where the emission angle θ out is 0 ° to 40 °. When the emission angle θ out exceeds 40 °, the emission angle θ out and the emission position x are not proportional.
出射角θoutに対する、焦点距離F(θout)及びコリメートレンズ20の前側曲率半径R1は、
F(θout)=OP−y0×(1+tan2θout)1/2
F(θout)={(n−1)×(1/R1+1/R2)}−1
により得られる。結果を図20及び図21に示す。図20は、コリメートレンズの設計例を説明するための、出射角と前側曲率半径との関係を示す線図である。図21は、コリメートレンズの設計例を説明するための、出射角に対する、出射位置、焦点距離、及び前側曲率半径の計算値を示す図表である。
The focal length F (θ out ) and the front side curvature radius R 1 of the collimating
F (θ out ) = OP−y 0 × (1 + tan 2 θ out ) 1/2
F (θ out ) = {(n−1) × (1 / R 1 + 1 / R 2 )} −1
Is obtained. The results are shown in FIGS. FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the emission angle and the front curvature radius for explaining a design example of the collimating lens. FIG. 21 is a chart showing calculated values of the emission position, the focal length, and the front curvature radius with respect to the emission angle for explaining a design example of the collimating lens.
図21から分かるように、出射角θoutが大きくなるにしたがって、焦点距離F(θout)が短くなるため、前側曲率半径R1は出射角θoutの増加に伴って減少する。出射角θoutが、最大出射角θmaxの60°であるとき、焦点距離F(θout)は、出射角θoutが0°であるときに比して、11%減少している。このため、出射角θoutが60°であるとき、コリメートレンズ20によりコリメートされ出射した平行光(コリメート光)の高さ(XY平面に垂直な方向での幅)は、出射角θoutが0°であるときに比して、約11%減少する。このように、出射角θoutに応じて、コリメート光の高さが変化する。
As can be seen from FIG. 21, the focal length F (θ out ) becomes shorter as the outgoing angle θ out becomes larger, and therefore the front curvature radius R 1 decreases as the outgoing angle θ out increases. When the emission angle θ out is 60 ° of the maximum emission angle θ max , the focal length F (θ out ) is reduced by 11% compared to when the emission angle θ out is 0 °. Therefore, when the emission angle theta out is 60 °, the height of the parallel light collimated emitted by the collimator lens 20 (collimated light) (the width in the direction perpendicular to the XY plane), the
高さが略同じコリメート光を得るためには、出射角θoutに対する焦点距離F(θout)の変化が少ない範囲で、半導体レーザ素子10Aを使用することが考えられる。本設計例では、半導体レーザ素子10Aを、出射角θoutが0°〜40°である範囲で用いることにより、コリメート光の高さの変化が3.4%となる。コリメート光の高さの変化が3.4%程度であれば、実際の使用上において、その変化は無視することが可能である。
In order to obtain collimated light having substantially the same height, it is conceivable to use the
出射角θoutに対する焦点距離F(θout)の変化に対応させて、コリメートレンズ20の前側主平面PM(本設計例では、主平面)の位置を変化させることによっても、出射角θoutによらず、高さが略同じコリメート光を得ることができる。すなわち、主平面が前面20a及び後面20bの曲率の半径方向rに
y0×((1+tan2θout)1/2−1)
だけ半導体レーザ素子10Aから遠ざけられて位置する(図22参照)。または、主平面PMが、
α(θout)=(OP−y0)/(OP−y0(1+tan2θout)1/2)
で表されるα(θout)倍された位置とする。いずれによっても、レーザビームの出射方向(出射角θout)によらず、各レーザビームLBで同等のコリメート特性を確実に確保することができる。図22では、主平面(前側主平面PM)が遠ざけられた状態が実線で示されている。
The exit angle θ out can also be obtained by changing the position of the front main plane P M (main plane in the present design example) of the collimating
Only the
α (θ out ) = (OP−y 0 ) / (OP−y 0 (1 + tan 2 θ out ) 1/2 )
The position is multiplied by α (θ out ) represented by In any case, the same collimating characteristic can be reliably ensured for each laser beam LB irrespective of the emission direction (emission angle θ out ) of the laser beam. In FIG. 22, a state where the main plane (front main plane P M ) is moved away is indicated by a solid line.
上記設計例では、後側曲率半径R2が一定であるとの条件の下で、前側曲率半径R1とを求めたが、これに限られない。前側曲率半径R1が一定であるとの条件の下で、後側曲率半径R2を求めてもよい。 In the above design example, the front curvature radius R 1 is obtained under the condition that the rear curvature radius R 2 is constant, but the present invention is not limited to this. Under the terms of the front radius of curvature R 1 is constant, the rear-side radius of curvature R 2 may be obtained.
なお、上記では、1つのフォトニック結晶層4を用いた例について説明したが、これは2つのフォトニック結晶層4を用いて構成してもよい。
In addition, although the example using the one
図23は、半導体レーザ素子の縦断面図である。 FIG. 23 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device.
図2に示したものとの相違点は、クラッド層2と光ガイド層3A(活性層3B)との間に、第2のフォトニック結晶層4’を備えている点のみである。なお、第2のフォトニック結晶層4’は、第1のフォトニック結晶層4と同じ材料からなる基本層4A’と異屈折率部4B’とを備えている。
The only difference from that shown in FIG. 2 is that a second photonic crystal layer 4 'is provided between the
図2に示したフォトニック結晶層4を第1のフォトニック結晶層とすると、このフォトニック結晶層4は、図5に示した単一の周期構造を有する屈折率分布構造を有しており、第2のフォトニック結晶層4’は、図6に示した周期a2の単一の周期構造のほか、各領域内の周期がa3〜a4となるものを、A方向に並べた屈折率分布構造を有している。すなわち、半導体レーザ素子の厚み方向から、これらのフォトニック結晶層4,4’の重なりを見ると、図8に示したものと同様に、領域Δ1〜領域Δ5が、A方向に沿って整列していることになる。かかる構造の場合においても、各パラメータを上記のように設定することにより、図2に示した構造と同様の作用効果を得ることができる。
When the
なお、かかる構造を製造する場合、クラッド層2の形成後に、第1のフォトニック結晶層4と同様の製造方法を行い(但し、異屈折率部4Bが形成された時点で成長を停止する)、しかる後、この上に、光ガイド層3A以降の各層を、上述の製造方法と同様に製造すればよい。
In the case of manufacturing such a structure, after the formation of the
また、2つの屈折率周期構造を含む第1のフォトニック結晶層4と同一の構造の第2のフォトニック結晶層4’を、第1のフォトニック結晶層4に代えて用いた構造であっても、同様の効果を奏する。
Further, the second
以上、説明したように、上述の半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、基板1上に形成された下部クラッド層2と、上部クラッド層5と、下部クラッド層2と上部クラッド層5との間に介在する活性層3B(光ガイド層を含んでもよい)と、活性層3Bと上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層4,4’と、活性層3Bの第1領域R(1つの駆動電極E2の直下領域)に駆動電流を供給するための第1駆動電極E2と、を備え、第1駆動電極E2の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面LESの法線(Y軸)に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層4,4’の第1領域Rに対応する領域Δ1は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第1及び第2の周期構造を有しており、第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期(a1、a2)の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第1駆動電極E2の長手方向(B方向)に対して所定の角度(δθ)を成す2つのレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、全反射条件を満たすように設定され、他方の屈折角θ3は90度未満となるように設定されることを特徴とする。
As described above, the semiconductor laser element described above is an edge-emitting semiconductor laser element, and includes a
すなわち、端面発光型のレーザ素子において、第1駆動電極E2への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角θを全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角θ3は、90度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。 That is, in the edge-emitting laser element, with respect to light emission by supplying a drive current to the first drive electrode E2, the incident angle θ of one laser beam inside the laser element to the light emitting end face is set to be equal to or greater than the total reflection critical angle. Thus, the laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle θ3 of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face.
また、本発明の態様に係る半導体レーザ素子は、活性層3Bの第2領域R(2番目の駆動電極E2の直下の領域)に駆動電流を供給するための第2駆動電極E2を更に備え、第2駆動電極E2の長手方向(B方向)は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面LESの法線(Y軸)に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の前記第2領域に対応する領域Δ2は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに第3及び第4の周期構造を有しており、前記第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期(a1,a3)の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第2駆動電極E2の長手方向に対して所定の角度δθを成す2つのレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、光出射端面において全反射するように設定され、他方の屈折角θ3は90度未満となるように設定され、第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの配列周期(a1,a2)の逆数の差分は、第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの配列周期(a1,a3)の逆数の差分とは異なる。
The semiconductor laser device according to an aspect of the present invention further includes a second drive electrode E2 for supplying a drive current to the second region R of the
端面発光型のレーザ素子において、第2駆動電極E2への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角を全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角は、90度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。 In the edge-emitting laser element, with respect to light emission by supplying a drive current to the second drive electrode E2, the incident angle of the one laser beam inside the laser element to the light emission end face is set to a total reflection critical angle or more. The laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face.
なお、左から3番目以降の駆動電極E2に関しても同様の作用効果がある。 It should be noted that the same effect is obtained with respect to the third and subsequent drive electrodes E2 from the left.
ここで、それぞれの駆動電極に対応するフォトニック結晶層4,4’内の領域では、異屈折率部4Bの配列周期の逆数の差(出射方向決定因子)が異なる。この差の値は、レーザビームの出射方向を決定する。したがって、双方の領域において、この差(出射方向決定因子)の値が異なるため、レーザビームの出射方向は、第1駆動電極E2に対応する領域Δ1と、第2駆動電極E2に対応する領域Δ2では異なることとなる。それぞれの領域で発生する一対のレーザビームのうち、一方は全反射臨界角以上で光出射端面に入射するため、外部には出射されない。したがって、各駆動電極への駆動電流の供給を切り替えることにより、異なる方向に1方向のレーザビームのみを出力することができるようになる。
Here, in the regions within the
なお、本実施例では周期の異なるフォトニック結晶としてA方向とB方向の周期が(b1,b1)の正方格子をベースとし、第1周期構造として周期が(a1,b1)の長方格子、第2周期構造として周期が(a2,b1)の長方格子の場合について説明したが、もちろん三角格子をベースとしてA方向の周期を互いに異ならせた構造を用いても良い。 In this embodiment, a photonic crystal having a different period is based on a square lattice having a period (b1, b1) in the A direction and the B direction, and a rectangular lattice having a period (a1, b1) as the first periodic structure. Although the case of a rectangular lattice with a period of (a2, b1) has been described as the second periodic structure, it is of course possible to use a structure in which the periods in the A direction are different from each other based on a triangular lattice.
図24は、図4に示した平面図の天地を反転させ、出射されるビームの屈折角θ3を若干変更して示した素子内部の平面図である。図4においても同様である。 FIG. 24 is a plan view of the inside of the element shown by inverting the top and bottom of the plan view shown in FIG. 4 and slightly changing the refraction angle θ3 of the emitted beam. The same applies to FIG.
xyz直交座標系は、XYZ直交座標系をZ軸の周りに角度+φだけ回転させた座標系であり、+x方向は+A方向に一致し、+y方向は−B方向に一致する。フォトニック結晶の孔のパターンの配列は、光出射端面に対して角度φだけ傾斜している。図示のように、波数ベクトルk2の反射方向(波数ベクトルk2’のレーザビーム進行方向)と光出射端面LESの成す角度をθ2’、波数ベクトルk1のレーザビームの反射方向(波数ベクトルk1’のレーザビーム進行方向)と光出射端面LESとの成す角度をθ3’とする。 The xyz orthogonal coordinate system is a coordinate system obtained by rotating the XYZ orthogonal coordinate system around the Z axis by an angle + φ, and the + x direction coincides with the + A direction and the + y direction coincides with the −B direction. The arrangement of the photonic crystal hole patterns is inclined by an angle φ with respect to the light emitting end face. As shown in the figure, the angle formed by the reflection direction of the wave vector k2 (the laser beam traveling direction of the wave vector k2 ′) and the light emitting end face LES is θ2 ′, and the reflection direction of the laser beam of the wave vector k1 (the laser of the wave vector k1 ′). The angle formed between the beam traveling direction) and the light exit end face LES is defined as θ3 ′.
上述の実施形態では、素子から出射されるレーザビーム数が1本となるように、波数ベクトルk2のレーザビームに関しては、光出射端面LESにおいて全反射されるように、設定した。しかしながら、このレーザビームのパワーを、素子内部において再利用することができれば、電気エネルギーからレーザビームへのエネルギー変換効率が高くなるものと考えられる。そこで、反射したレーザビームY2’を内部で再利用できる条件について、検討する。なお、波数ベクトルk1、k2、k3、k4、k1’、k2’に対応するレーザビーム(主要光波とする)を、それぞれY1、Y2、Y3、Y4、Y1’、Y2’とし、これらは光波のベクトルも示しているものとする。また、X軸と主要光波Y4との成す角度をθt、X軸と主要光波Y3との成す角度をθrとする。 In the embodiment described above, the laser beam having the wave number vector k2 is set so as to be totally reflected at the light emitting end face LES so that the number of laser beams emitted from the element is one. However, if the power of the laser beam can be reused inside the device, the energy conversion efficiency from electric energy to the laser beam is considered to increase. Therefore, the conditions under which the reflected laser beam Y2 'can be reused are examined. The laser beams (main light waves) corresponding to the wave number vectors k1, k2, k3, k4, k1 ′, and k2 ′ are Y1, Y2, Y3, Y4, Y1 ′, and Y2 ′, respectively. Also assume that the vector is shown. In addition, an angle formed between the X axis and the main light wave Y4 is θt, and an angle formed between the X axis and the main light wave Y3 is θr.
各パラメータθt、θr、θ2’、θ3’は、以下の関係式を満たしている。なお、β0、β1、β2はそれぞれ、B方向における基本逆格子ベクトル、第1周期構造のA方向における基本逆格子ベクトル、第2周期構造のA方向における基本逆格子ベクトルを意味するものとし、β0=2π/b1(=b2)、β1=2π/a1、β2=2π/a2、Δβ=β2−β1、α=β0/Δβとする。 Each parameter θt, θr, θ2 ′, θ3 ′ satisfies the following relational expression. Β 0 , β 1 , and β 2 mean a basic reciprocal lattice vector in the B direction, a basic reciprocal lattice vector in the A direction of the first periodic structure, and a basic reciprocal lattice vector in the A direction of the second periodic structure, respectively. [Beta] 0 = 2 [pi] / b1 (= b2), [beta] 1 = 2 [ pi] / a1, [beta] 2 = 2 [ pi] / a2, [Delta] [beta] = [beta] 2- [ beta] 1 , and [alpha] = [beta] 0 / [Delta] [beta].
角度θrについて説明すると、図25に示すように、xy座標系において、原点OからP点(βx,βy)に向かうベクトルが、x軸と成す角度θβ=tan−1(βy/βx)で与えられる。ここで、θtはθβにおいて、βx=(1/2)×Δβ、βy=β0として、角度φを加えた場合であるから、(1)式で与えられる。残りのパラメータも同様に計算され、(2)式〜(4)式で与えられる。
θt=tan−1(2α)+φ …(1)
θr=180°−tan−1(2α)+φ …(2)
θ2’=tan−1(2α)−φ …(3)
θ3’=180°−tan−1(2α)−φ …(4)
The angle θr will be described. As shown in FIG. 25, in the xy coordinate system, a vector from the origin O to the point P (βx, βy) is given by an angle θβ = tan −1 (βy / βx) formed with the x axis. It is done. Here, [theta] t in θβ, βx = (1/2) × Δβ, as [beta] y = beta 0, since it is the case of adding the angle phi, is given by equation (1). The remaining parameters are calculated in the same manner and are given by equations (2) to (4).
θt = tan −1 (2α) + φ (1)
θr = 180 ° −tan −1 (2α) + φ (2)
θ2 ′ = tan −1 (2α) −φ (3)
θ3 ′ = 180 ° −tan −1 (2α) −φ (4)
何らの付加的な構造が存在しない場合、全反射した主要光波Y2’が、レーザ光共振に寄与するためには、主要光波Y2’の角度θ2’と角度θtが一致する必要がある(θ2’=θt)。この場合、φ=0となる。また、反射した主要光波Y1’の角度θ3’と角度θrが一致する必要がある(θ3’=θr)。この場合、φ=0となる。一方、2つの主要光波Y1,Y2のうち、一方を全反射させるためには、φ≠0である必要がある。したがって、出力されるビーム数を1本となるように全反射を行った場合には、光出射端面にて反射した主要光波をレーザ光共振に有効に寄与させることはできない。
In the absence of any additional structure, in order for the totally reflected main light wave Y2 ′ to contribute to laser light resonance, the angle θ2 ′ of the main light wave Y2 ′ needs to match the angle θt (θ2 ′). = Θt). In this case, φ = 0. Further, the angle θ3 ′ and the angle θr of the reflected main light wave Y1 ′ need to coincide with each other (θ3 ′ = θr). In this case, φ = 0. On the other hand, in order to totally reflect one of the two main light waves Y1 and Y2, it is necessary that
したがって、反射光を利用可能な付加的な構造について検討する。 Therefore, an additional structure that can use reflected light is examined.
図26は、xy座標系における主要光波の向きを示すグラフである。xy座標系におけるx軸は、X軸に対して角度φだけ回転している。 FIG. 26 is a graph showing the directions of main light waves in the xy coordinate system. The x axis in the xy coordinate system is rotated by an angle φ with respect to the X axis.
反射光としての主要光波Y2’を、共振に供する主要光波Y4に一致させるためには、光波Y2’の向きを角度2φだけ回転させればよい。xy座標系における主要光波Y4を示すベクトルの先端P4の座標は(Δβ/2,β0)であり、主要光波Y2’を示すベクトルの先端P2’の座標は、これを−2φだけ回転した座標である。 In order to make the main light wave Y2 ′ as reflected light coincide with the main light wave Y4 subjected to resonance, the direction of the light wave Y2 ′ may be rotated by an angle 2φ. The coordinates of the tip P4 of the vector indicating the main light wave Y4 in the xy coordinate system are (Δβ / 2, β 0 ), and the coordinates of the tip P2 ′ of the vector indicating the main light wave Y2 ′ are coordinates obtained by rotating this by −2φ. It is.
一方、XY座標系においては、xy座標系のベクトルY4(先端P4)の座標(Δβ/2,β0)は、これを+φだけ回転した座標(XA,YA)に変換され、ベクトルY2’の座標は、xy座標系のベクトルY4の座標を−φだけ回転した座標(XB,YB)に変換される。
(XA,YA)=(Δβcosφ/2−β0sinφ,Δβsinφ/2+β0cosφ) …(5)
(XB,YB)=(Δβcosφ/2+β0sinφ,−Δβsinφ/2+β0cosφ) …(6)
On the other hand, in the XY coordinate system, the coordinates (Δβ / 2, β 0 ) of the vector Y4 (tip P4) in the xy coordinate system are converted into coordinates (XA, YA) rotated by + φ, and the vector Y2 ′ The coordinates are converted into coordinates (XB, YB) obtained by rotating the coordinates of the vector Y4 in the xy coordinate system by −φ.
(XA, YA) = (Δβ cos φ / 2−β 0 sin φ, Δβ sin φ / 2 + β 0 cos φ) (5)
(XB, YB) = (Δβ cos φ / 2 + β 0 sin φ, −Δβ sin φ / 2 + β 0 cos φ) (6)
ベクトルΔYに等しい逆格子ベクトルが存在すれば、主要光波Y2’が主要光波Y4に結合する。すなわち、ベクトルY2’に、ベクトルΔYを加えれば、ベクトルY4となる。ベクトルΔYは以下のように表され、このベクトルΔYに等しい逆格子ベクトルを有する新たな周期構造を付加的に採用すれば、全反射した光波Y2’を共振に寄与させることができる。
ΔY=(XA−XB,YA−YB)=(−2β0sinφ,Δβsinφ)
If there is a reciprocal lattice vector equal to the vector ΔY, the main light wave Y2 ′ is coupled to the main light wave Y4. That is, the vector Y4 is obtained by adding the vector ΔY to the vector Y2 ′. The vector ΔY is expressed as follows. If a new periodic structure having a reciprocal lattice vector equal to the vector ΔY is additionally employed, the totally reflected light wave Y2 ′ can be contributed to resonance.
ΔY = (XA−XB, YA−YB) = (− 2β 0 sinφ, Δβsinφ)
なお、この新たな周期構造は、異屈折率部がストライプ状に配置されていることが好ましい。ストライプ状の周期構造は、光結合係数の異方性が高く、共振状態のY1,Y2が受ける影響を小さくすることができる。 In this new periodic structure, it is preferable that the different refractive index portions are arranged in a stripe shape. The stripe-shaped periodic structure has a high anisotropy of the optical coupling coefficient and can reduce the influence of the resonance state Y1 and Y2.
図27は、活性層3B内の主要光波について説明する素子内部の平面図である。
FIG. 27 is a plan view of the inside of the element for explaining main light waves in the
XY平面と光出射端面LESとの交線はX軸に一致している。上述のベクトルΔYが存在する場合には、座標P2’に先端がある光波Y2’の波数ベクトルは座標P4に先端がある光波Y4の波数ベクトルに変換される。ベクトルΔYに垂直な直線をLとする。新たな周期構造は、活性層3B内において、光波が直線Lに垂直な方向に進行するように設定すればよい。活性層3B内の光波の進行方向を制御するため、これに光学的に結合している回折格子層のパターンを制御する。上述の図14においては、上下のフォトニック結晶層(回折格子層)4,4’を備えることとした。このような構造の場合において、上述の全反射を達成するフォトニック結晶層を上部の回折格子層4内に作製し、反射光を共振に利用するための上記新たな周期構造を回折格子層4’内に作製することができる(もちろん、これらの周期構造はどちらか一方、或いは両方の層に重畳して作製してもよい)。
The line of intersection between the XY plane and the light emitting end face LES coincides with the X axis. When the above-described vector ΔY exists, the wave vector of the light wave Y2 'having the tip at the coordinate P2' is converted into the wave vector of the light wave Y4 having the tip at the coordinate P4. Let L be a straight line perpendicular to the vector ΔY. The new periodic structure may be set so that the light wave travels in a direction perpendicular to the straight line L in the
図28(A)は、上記ベクトルΔYを与える周期構造を有する回折格子層4’の平面図であり、図28(B)は、そのXZ平面内の断面図である。
FIG. 28A is a plan view of a
回折格子層4’は、XY平面内において、直線Lに沿ってストライプ状に延びた基本層4A’と異屈折率部4B’とを備えており、これらの屈折率は異なっている。異屈折率部4B’は、周期的に基本層4A’内に埋め込まれている。これにより、回折格子層4’内に、ストライプ状の周期的屈折率分布構造が形成され、ΔYの方向に光波は進行させる回折格子層として機能する。直線Lに垂直な方向に沿った基本層4A’の幅がこの周期構造の周期Λに対して占める割合を変化させることにより、本ストライプ状周期的屈折率分布構造による回折の強度を変化させることが出来る。逆格子空間におけるΔYの逆格子ベクトルの長さL2、周期Λ、直線LとX軸との成す角度θは、以下のように与えられる。
The diffraction grating layer 4 'includes a
L2={(2β0sinφ)2+(Δβsinφ)2}1/2 …(7)
Λ=2π/L2
=1/{(2sinφ/ay)2+((1/aII−1/aI)sinφ)2}1/2 …(8)
θ=θt−φ
=tan−1(2α)
=tan−1{(2/ay)/(1/aII−1/aI)} …(9)
L2 = {(2β 0 sin φ) 2 + (Δβ sin φ) 2 } 1/2 (7)
Λ = 2π / L2
= 1 / {( 2 sin φ / a y ) 2 + ((1 / a II −1 / a I ) sin φ) 2 } 1/2 (8)
θ = θt−φ
= Tan -1 (2α)
= Tan −1 {(2 / a y ) / (1 / a II −1 / a I )} (9)
なお、β0=2π/ay、β1=2π/aI、β2=2π/aIIであり、ayはB方向の周期、aIは第1周期構造のA方向の周期、aIIは第2周期構造のA方向の周期を示している。 Β 0 = 2π / a y , β 1 = 2π / a I , β 2 = 2π / a II , a y is the period in the B direction, a I is the period in the A direction of the first periodic structure, a II shows the period in the A direction of the second periodic structure.
図29は、レーザビーム出射角(屈折角)θ3と、ストライプの角度θ、周期Λの関係を示すグラフであり、図30は、このグラフに用いられるデータを示す図表である。θ(°)のデータの縦軸はグラフの左側に示し、Λ(nm)のデータの縦軸はグラフの右側に示す。 FIG. 29 is a graph showing the relationship between the laser beam emission angle (refraction angle) θ3, the stripe angle θ, and the period Λ, and FIG. 30 is a chart showing data used in this graph. The vertical axis of the θ (°) data is shown on the left side of the graph, and the vertical axis of the Λ (nm) data is shown on the right side of the graph.
レーザビームの出射角θ3が大きくなるにつれて、ストライプの角度θは増加し、周期Λは小さくなることが分かる。同グラフでは、角度θ3を0°から70°まで増加させた場合に、角度θは84.27°から89.54°まで増加し、周期Λは486.08nmから463.43nmまで減少しているが、現実的に実施可能な数値範囲内に収まっている。 It can be seen that as the laser beam emission angle θ3 increases, the stripe angle θ increases and the period Λ decreases. In the graph, when the angle θ3 is increased from 0 ° to 70 °, the angle θ increases from 84.27 ° to 89.54 °, and the period Λ decreases from 486.08 nm to 463.43 nm. However, it is within the practically feasible numerical range.
なお、図23において、全反射用の周期パターンを双方のフォトニック結晶層4,4’内に作製している場合には、これらとは別に、上記ΔYを与える新たな周期構造の回折格子層4”(構造は図28の場合の回折格子層4’と同一)を、上部クラッド層5と回折格子層4との間に作製することができる(図31(A))。或いは、上記ΔYを与える新たな周期構造の回折格子層4”(構造は図28の場合の回折格子層4’と同一)を下部クラッド層2と回折格子層4’との間に形成すればよい(図31(B))。このように、上記例では、全反射臨界角条件を満たすことで、光出射端面によって反射されたレーザビームを、活性層内部で共振するレーザビームに結合させ、共振に寄与させる回折格子構造(図28、図31の回折格子層)を更に備えている。この場合、エネルギー利用効率が高くなる。
In FIG. 23, when a periodic pattern for total reflection is formed in both
図32は、様々な周期構造を有するフォトニック結晶層4の平面図である。いずれのフォトニック結晶層4においても、基本層4A内に周期的に異屈折率部4Bが埋め込まれている。図32(A)には正方格子、図32(B)には長方格子、図32(C)には三角格子、図32(D)には面心長方格子が示されている。上述のように、フォトニック結晶層4においては、周期の異なる2つの周期構造を1つのフォトニック結晶層4内に重畳して含むか、或いは、2つのフォトニック結晶層4,4’内にそれぞれ含ませて平面視において重畳させる構成を採用する。これらの図では、重畳前の各周期構造の例を示しており、2種類の周期構造を、それぞれの基本並進ベクトル(矢印で示す)の向きが一致するように重ねて配置する。
FIG. 32 is a plan view of the
詳細には、図32(A)のフォトニック結晶層4では、正方格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。正方格子は、正方形を隙間無く並べてできる形状であり、1つの格子を構成する正方形の一方の辺の長さaは、他方の辺の長さbに等しい。換言すれば、異屈折率部4Bの横方向の配列周期aは、縦方向の配列周期bに等しい。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
Specifically, in the
図32(B)のフォトニック結晶層4では、長方格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。縦横の長さの異なる長方格子は、長方形を隙間無く並べてできる形状であり、1つの格子を構成する長方形の一方の辺の長さaは、他方の辺の長さbとは異なる。換言すれば、異屈折率部4Bの横方向の配列周期aは、縦方向の配列周期bとは異なる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
In the
図32(C)のフォトニック結晶層4では、三角格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。三角格子は、三角形を隙間無く並べてできる形状であり、1つの格子を構成する三角形の底辺の長さをa、高さをbとする。三角形が正三角形である場合には、底辺の長さaは換言すれば、異屈折率部4Bの横方向の配列周期aは、縦方向の配列周期bはaの√2倍となる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
In the
図32(D)のフォトニック結晶層4では、面心長方格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。面心長方格子は、長方格子の各格子内の中央位置に付加的に格子点を備える格子であり、長方格子自体は長方形を隙間無く並べてできている。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
In the
なお、上述のように、A軸はX軸に対して傾斜しており、これらは平行ではない。換言すれば、図2〜図12及び図23〜図32において説明したフォトニック結晶層4は、いずれにおいても、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、フォトニック結晶層4における異屈折率部4Bは、その格子構造の格子点位置に配置されており、格子構造の基本並進ベクトル(A軸、B軸)の方向は、光出射端面LES(図4参照)に平行な方向(X軸)とは異なっている。この場合、傾きを一定以上にすることで一方のレーザビームが全反射臨界角条件を満たすことができる。
As described above, the A axis is inclined with respect to the X axis, and these are not parallel. In other words, the
また、フォトニック結晶層の格子構造は、その厚み方向から見た場合、正方格子と長方格子、長方格子と長方格子、三角格子と面心長方格子、面心長方格子と面心長方格子など、正方格子、長方格子、三角格子、又は、面心長方格子の組み合わせにより構成していることができる。つまり、上記に示した1つの格子に対して、ある一方向に関してピッチが異なる格子を組み合わせて構成することが出来る。 The lattice structure of the photonic crystal layer, when viewed from the thickness direction, is a square lattice and a rectangular lattice, a rectangular lattice and a rectangular lattice, a triangular lattice and a face-centered rectangular lattice, a face-centered rectangular lattice and a surface. It can be constituted by a combination of a square lattice, a rectangular lattice, a triangular lattice, or a face-centered rectangular lattice, such as a centered rectangular lattice. That is, it is possible to configure a single grating as described above by combining gratings having different pitches in one direction.
上述の正方格子(図32(A))と、長方格子(図32(B))を重畳させる場合、フォトニック結晶層4(或いは4,4’)には正方格子及び長方格子の結晶構造が含まれていることとなり、正孔格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2とした場合、a1=b1、a1≠a2、b1=b2を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がa1とa2の差分に応じて変化するという効果がある。 When the above-described square lattice (FIG. 32A) and the square lattice (FIG. 32B) are overlapped, the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) has a tetragonal lattice and a rectangular lattice of crystals. A period of one axial direction of the hole lattice is a1, a period of the axial direction perpendicular to the one axis is b1, a period of one axial direction of the rectangular lattice is a2, When the period in the axial direction orthogonal to one of the axes is b2, a1 = b1, a1 ≠ a2, and b1 = b2 can be satisfied. In this case, a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
また、2つの長方格子(図32(B))を重畳させる場合、フォトニック結晶層4(或いは4,4’)には第1及び第2の長方格子の結晶構造が含まれており、第1の長方格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、第2の長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2とした場合、a1≠a2、b1=b2を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がa1とa2の差分に応じて変化するという効果がある。 When two rectangular lattices (FIG. 32B) are overlapped, the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) includes the crystal structures of the first and second rectangular lattices. , The period of one axial direction of the first rectangular lattice is a1, the period of the axial direction orthogonal to the one axis is b1, the period of one axial direction of the second rectangular lattice is a2, When the period in the axial direction orthogonal to the axis is b2, a1 ≠ a2 and b1 = b2 can be satisfied. In this case, a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
また、2つの面心長方格子(図32(D))を重畳させる場合、フォトニック結晶層4(或いは4,4’)には、第1及び第2の面心長方格子の結晶構造が含まれており、第1の面心長方格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、第2の面心長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2とした場合、a1≠a2、b1=b2を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がa1とa2の差分に応じて変化するという効果がある。 When two face-centered rectangular lattices (FIG. 32D) are overlapped, the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) has a crystal structure of the first and second face-centered rectangular lattices. The period of one axial direction of the first face-centered rectangular lattice is a1, the period of the axial direction orthogonal to the one axis is b1, and one axis of the second face-centered rectangular lattice is If the period in the direction is a2 and the period in the axial direction orthogonal to the one axis is b2, a1 ≠ a2 and b1 = b2 can be satisfied. In this case, a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
一方の面心長方格子は、三角格子とすることができる。三角格子は面心長方格子のうち格子を形成する基本並進ベクトルの成す角が60度となる特別な場合である。 One face-centered rectangular lattice can be a triangular lattice. The triangular lattice is a special case in which the angle formed by the basic translation vectors forming the lattice of the face-centered rectangular lattice is 60 degrees.
また、図2に示したように、半導体レーザ素子10Aは、活性層3Bの駆動電極直下の領域(第1領域、第2領域・・・)Rを備えている。活性層3Bの第1領域Rに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部4Bと、活性層3Bの第2領域Rに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部4Bとは、第1領域R及び第2領域Rそれぞれから出力されるレーザビームの屈折角が異なり、強度が一致するよう、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合の個々の形状が異なるように設定することができる。換言すれば、複数あるフォトニック結晶の回折強度を同一とするよう、孔(異屈折率部)の大きさを変化させる。強度が同じであるため、レーザプリンタやレーダ等の電子機器等への適用が容易である。
As shown in FIG. 2, the
例えば、孔(異屈折率部)は、周期が異なる方の基本並進ベクトルに沿った方向にそった長さを変化させる。具体的には、第1領域R内では、第1周期構造及び第2周期構造における異屈折率部4Bの配列周期が異なる方向(例えばB軸)に沿った異屈折率部4Bの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なり、第2領域R内では、第3及び第4周期構造における異屈折率部4Bの配列周期が異なる方向(例えばB軸)に沿った異屈折率部4Bの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なる。これにより、第1周期構造及び第2周期構造における回折強度、或いは第3周期構造及び第4周期構造における回折強度をそれぞれ揃えることが可能となり、発振を安定化させることができる。
For example, the hole (different refractive index portion) changes the length along the direction along the basic translation vector having a different period. Specifically, in the first region R, the dimension of the different
図12に示したレーザビーム偏向装置は、半導体レーザ素子10Aと、第1駆動電極及び第2駆動電極を含む電極群E2に選択的に駆動電流を供給する駆動電流供給回路11とを備えている。駆動電流の供給を制御することで、レーザビームLBの出射を制御することができる。ここで、駆動電流供給回路11は、電極群の各電極E2に供給する駆動電流の比率を変化させる手段を更に有することができる。すなわち、図12において、符号SW1〜SW5が、スイッチ付きのアンプを示すものとし、電源回路11Aから供給される駆動電流の大きさを当該アンプが制御する構成とすることができる。この場合、制御回路11Bは、各アンプの利得を制御することで、各電極E2に供給される駆動電流の比率を制御することができる。
The laser beam deflection apparatus shown in FIG. 12 includes a
また、第1領域Rにおける第1周期構造における基本並進ベクトルに沿った周期は、第2領域Rにおける第3周期構造に近づくにしたがって連続的に変化させることもできる。この場合、周期の異なるフォトニック結晶同士の界面において反射が生じることを防止できるという効果がある。 In addition, the period along the basic translation vector in the first periodic structure in the first region R can be continuously changed as the third periodic structure in the second region R is approached. In this case, there is an effect that reflection can be prevented from occurring at the interface between the photonic crystals having different periods.
図12に示したレーザビーム偏向装置において、各電極E2の直下の活性層から出力されるレーザビームの波長は、同一であることが好ましい。ミラー等でレーザビーム走査が行われた場合は、偏向前後のレーザビームの波長は同一であるからである。そこで、第1及び第2駆動電極E2に駆動電流を供給した場合において、第1及び第2駆動電極E2の直下の活性層の第1領域R及び第2領域Rでそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、設定することが好ましい。 In the laser beam deflection apparatus shown in FIG. 12, it is preferable that the wavelengths of the laser beams output from the active layer immediately below each electrode E2 are the same. This is because when the laser beam is scanned by a mirror or the like, the wavelengths of the laser beams before and after the deflection are the same. Therefore, when a drive current is supplied to the first and second drive electrodes E2, the resonances of the laser beams generated in the first region R and the second region R of the active layer immediately below the first and second drive electrodes E2, respectively. It is preferable to set so that the wavelengths are the same.
すなわち、第1領域Rにおいて重畳された周期構造(第1周期構造、第2周期構造)と、第2領域Rにおいて重畳された周期構造(第3周期構造、第4周期構造)とは、以下の関係を満たしている。
例えば、長方格子と長方格子の組み合わせからなる構造を考えると、以下の関係式となる。
b11=b21=b0/√(1−sin2δθ1)
δθ1=φ−sin−1(sinθ31/ndev)
b12=b22=b0/√(1−sin2δθ2)
δθ2=φ−sin−1(sinθ32/ndev)
That is, the periodic structure (first periodic structure, second periodic structure) superimposed in the first region R and the periodic structure (third periodic structure, fourth periodic structure) superimposed in the second region R are as follows: Meet the relationship.
For example, when considering a structure composed of a combination of a rectangular lattice and a rectangular lattice, the following relational expression is obtained.
b11 = b21 = b 0 / √ (1-sin 2 δθ1)
δθ1 = φ−sin −1 (sin θ31 / n dev )
b12 = b22 = b 0 / √ (1-sin 2 δθ2)
δθ2 = φ−sin −1 (sin θ32 / n dev )
但し、第1領域Rにおいて重畳された第1の長方格子のB軸方向の周期をb11、第2の長方格子のB軸方向の周期をb21、第1領域Rのビーム出射角をθ31とし、第2領域Rにおいて重畳された第1の長方格子のB軸方向の周期をb12、第2の長方格子のB軸方向の周期をb22、第2領域Rのビーム出射角をθ32とした。 However, the B-axis direction period of the first rectangular lattice superimposed in the first region R is b11, the B-axis direction period of the second rectangular lattice is b21, and the beam emission angle of the first region R is θ31. The period of the first rectangular lattice superimposed in the second region R in the B-axis direction is b12, the period of the second rectangular lattice in the B-axis direction is b22, and the beam emission angle of the second region R is θ32 It was.
なお、上記は、長方格子と長方格子の組み合わせについて示したが、他の格子系においても同様である。 Although the above shows a combination of a rectangular lattice and a rectangular lattice, the same applies to other lattice systems.
なお、上述のレーザビーム偏向装置は、素子自体が偏向機能を有するため、小型化が可能であり、高信頼性、高速化も期待することができる。小型であるため、携帯機器に組み込み、また、医療用カプセル内視鏡に組み込んだレーザメスや光線力学的治療(PDT:Photo Dynamic Therapy)用光源とすることも期待される。もちろん、大型のレーザ走査によるディスプレイへの応用も考えられる。レーザビームの迷光は外部に出力されないので、信頼性の向上も期待される。 Note that the above-described laser beam deflection apparatus can be miniaturized because the element itself has a deflection function, and high reliability and high speed can be expected. Since it is small in size, it is expected to be used as a laser knife or a photodynamic therapy (PDT) light source incorporated in a portable device or incorporated in a medical capsule endoscope. Of course, the application to the display by a large-sized laser scanning is also considered. Since the stray light of the laser beam is not output to the outside, an improvement in reliability is expected.
次に、図33〜図39を参照して、半導体レーザ装置LD1が備える半導体レーザ素子の変形例を説明する。 Next, a modification of the semiconductor laser element included in the semiconductor laser device LD1 will be described with reference to FIGS.
半導体レーザ素子10Bは、半導体レーザ素子10Aと同様に、端面発光型の半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子10Bは、図33〜図36に示されるように、半導体基板1、下部クラッド層2、下部光ガイド層3A、活性層3B、上部光ガイド層3C、フォトニック結晶層4、上部クラッド層5、コンタクト層6、電極E1、及び複数の駆動電極E2を備えている。図33は、半導体レーザ素子の概略斜視図である。図34は、半導体レーザ素子のXXXIV−XXXIV線に沿った断面構成を示す図である。図35は、半導体レーザ素子のXXXV−XXXV線に沿った断面構成を示す図である。図36は、半導体レーザ素子の平面図である。
Similar to the
コンタクト層6上の表面は、その一部が絶縁膜SHによって覆われている。絶縁膜SH上には、複数の電極パッドEPが配置されている。
A part of the surface on the
半導体レーザ素子10Bの平面形状は長方形であり、XYZ三次元直交座標系を設定した場合には、厚み方向をZ軸、幅方向をX軸とし、光出射端面LESに垂直な方向をY軸とする。XY平面内において、各駆動電極E2の延びている長手方向は、Y軸に平行な直線に平行である。
The planar shape of the
コンタクト層6の上面(絶縁膜SHが形成される面)は、半導体レーザ素子10Bの厚み方向から見て、Y軸方向において、光出射端面LES側から、第一領域6a、第二領域6b、及び第三領域6cに分けられる。第二領域6bは、Y軸方向において、第一領域6aと第三領域6cとの間に位置している。各領域6a6b,6cは、X軸方向に、それぞれ伸びている。絶縁膜SHは、コンタクト層6の第三領域6c上に配置されている。
The upper surface of the contact layer 6 (the surface on which the insulating film SH is formed) is viewed from the light emitting end surface LES side in the Y-axis direction when viewed from the thickness direction of the
複数の駆動電極E2は、半導体レーザ素子10Bの厚み方向から見た場合、第二領域6bにおいて、X軸方向に併置されている。各駆動電極E2は、矩形状を呈し、詳細には、各駆動電極E2は、Y軸方向を長辺とする長方形状を呈している。すなわち、複数の駆動電極E2は、駆動電極E2の短辺方向に併置されている。駆動電極E2の長手方向は、半導体レーザ素子10Bの厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子10Bの光出射端面LESの法線(Y軸)に対して平行である。
The plurality of drive electrodes E2 are juxtaposed in the X-axis direction in the
上下の電極E1,E2間に電流を流すと、いずれかの電極E2の直下の領域Rを電流が流れ、この領域Rが発光する。複数の駆動電極E2は、活性層3Bにおける、光出射端面LESに平行で且つ活性層3Bが延びる方向、すなわちX軸方向に並んで位置する複数の領域Rに駆動電流を供給する。
When a current is passed between the upper and lower electrodes E1, E2, a current flows through a region R immediately below one of the electrodes E2, and the region R emits light. The plurality of drive electrodes E2 supply a drive current to a plurality of regions R located in parallel with the light emitting end face LES and extending in the
各電極パッドEPは、図35及び図36に示されているように、対応する駆動電極E2に、絶縁膜SH上に配置された配線W1を通して電気的に接続されている。駆動電極E2の数と電極パッドEPの数とは同じである。本実施形態では、複数の電極パッドEPは、複数列でX軸方向に沿って配置されている。複数の電極パッドEPは、第三領域6cの上方に位置している。本実施形態では、各電極パッドEPは、正方形状を呈している。図33及び図34では、配線W1の図示を省略している。
As shown in FIGS. 35 and 36, each electrode pad EP is electrically connected to the corresponding drive electrode E2 through a wiring W1 disposed on the insulating film SH. The number of drive electrodes E2 and the number of electrode pads EP are the same. In the present embodiment, the plurality of electrode pads EP are arranged in a plurality of rows along the X-axis direction. The plurality of electrode pads EP are located above the
本変形例では、フォトニック結晶層4は、第一フォトニック結晶層41と、第二フォトニック結晶層43と、を含んでいる。すなわち、第一フォトニック結晶層41と第二フォトニック結晶層43とは、基本層4Aと、基本層4A内に周期的に埋め込まれた複数の埋め込み層(異屈折率部)4Bと、をそれぞれ有している。第一フォトニック結晶層41と第二フォトニック結晶層43とは、同一層に位置しており、第二フォトニック結晶層43は、第一フォトニック結晶層41よりも光出射端面LES側に位置している。埋め込み層4BのXY平面内における形状は、図11の(A)〜(F)に示されるように、長方形、正方形、楕円形又は円形、若しくは、二等辺三角形又は正三角形であってもよい。
In the present modification, the
図37は、第一フォトニック結晶層の平面図である。 FIG. 37 is a plan view of the first photonic crystal layer.
第一フォトニック結晶層41は、複数の駆動電極E2の下方に位置する。第一フォトニック結晶層41では、その厚み方向から見たときに、埋め込み層4Bが、正方格子を構成する格子点(Γ点)にそれぞれ配置されている。すなわち、埋め込み層4Bは、X軸方向及びY軸方向に整列し、2次元周期構造を構成している。これにより、第一フォトニック結晶層41は、複数の領域Rに対応する領域にわたって、埋め込み層4Bの配列周期が同じとされた周期構造を有することとなる。埋め込み層4Bの整列方向での周期C1は、
λ0/n1
に設定されている。λ0は、レーザ光の、真空中での波長である。n1は、第一フォトニック結晶層41における光の等価屈折率である。
The first
λ 0 / n 1
Is set to λ 0 is the wavelength of the laser light in vacuum. n 1 is an equivalent refractive index of light in the first
レーザビームは、活性層3B内において発生するが、活性層3Bから染み出した光は、隣接する第一フォトニック結晶層41の影響を受ける。第一フォトニック結晶層41内には、図37に示されるような周期的屈折率分布構造が形成されている。第一フォトニック結晶層41により回折を受けた結果、図37内に矢印で示す方向にレーザビームが発生する。第一フォトニック結晶層41が、複数の領域Rに対応する領域にわたって、埋め込み層4Bの配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、各領域Rからは、同一の方向にレーザビームが出力される。本実施形態では、Y軸方向、すなわち光出射端面LESに向かうレーザビームが利用される。
The laser beam is generated in the
第一フォトニック結晶層41における、埋め込み層4Bの配置は、図37に示された配置に限られることなく、図38の(A)〜(C)に示された配置であってもよい。
The arrangement of the buried
図38の(A)では、埋め込み層4Bは、正方格子のM点にそれぞれ配置されている。埋め込み層4Bは、X軸方向及びY軸方向に45度傾き且つ互いに直交する2方向において整列している。埋め込み層4Bの整列方向での周期C2は、
2−1/2×λ0/n1
に設定されている。この場合も、主要光波の進行方向は、図中の矢印で示されるように、X軸方向及びY軸方向に沿う方向となる。
In FIG. 38A, the buried
2−1 / 2 × λ 0 / n 1
Is set to Also in this case, the traveling direction of the main light wave is a direction along the X-axis direction and the Y-axis direction, as indicated by arrows in the drawing.
図38の(B)では、埋め込み層4Bは、三角格子のΓ点にそれぞれ配置されている。埋め込み層4Bの周期C3は、
λ0/n1
に設定されている。この場合、主要光波の進行方向は、図中の矢印で示される60°間隔の方向となる。図38の(C)では、埋め込み層4Bは、三角格子のJ点にそれぞれ配置されている。埋め込み層4Bの周期C4は、
2×3−1/2×λ0/n1
に設定されている。この場合、主要光波の進行方向は、図中の矢印で示される60°間隔の方向となる。
In FIG. 38B, the buried layers 4B are respectively arranged at the Γ points of the triangular lattice. The period C3 of the buried
λ 0 / n 1
Is set to In this case, the traveling direction of the main light wave is the direction of 60 ° intervals indicated by arrows in the figure. In FIG. 38C, the embedded
2 × 3 −1/2 × λ 0 / n 1
Is set to In this case, the traveling direction of the main light wave is the direction of 60 ° intervals indicated by arrows in the figure.
本変形例では、下部クラッド層2、下部光ガイド層3A、活性層3B、上部光ガイド層3C、第一フォトニック結晶層41、上部クラッド層5、及び複数の駆動電極E2が、発振部を構成する。発振部は、複数のレーザビームを生成し、生成した複数のレーザビームを同一の方向に出力する。
In this modification, the lower
図39は、第二フォトニック結晶層の平面図である。 FIG. 39 is a plan view of the second photonic crystal layer.
第二フォトニック結晶層43においても、埋め込み層4Bは、2次元周期構造を構成している。第二フォトニック結晶層43における複数の埋め込み層4Bは、所定の格子構造の格子点位置に配置されている。この所定の格子構造では、二つの基本並進ベクトルがなす角φは、当該所定の格子構造の一方の基本並進ベクトルに直交する方向とレーザビームの出射方向とがなす角(出射角)をθout1として、
φ=tan−1{sinθ/(2cos2(θout1/2))}
を満たしている。
Also in the second
φ = tan −1 {sin θ / ( 2 cos 2 (θ out1 / 2))}
Meet.
第二フォトニック結晶層43における埋め込み層4Bの格子構造の一方の基本並進ベクトルに沿う方向での格子点の周期C5は、
λ0/(n2×sinθout1)
を満たしている。第二フォトニック結晶層43における埋め込み層4Bの格子構造の一方の基本並進ベクトルに直交する方向での格子点の周期C6は、mを任意の自然数としたときに、
(2m−1)×λ0/(2n2)
を満たしている。n2は、第二フォトニック結晶層43における光の等価屈折率である。
The period C5 of the lattice point in the direction along one basic translation vector of the lattice structure of the buried
λ 0 / (n 2 × sin θ out1 )
Meet. The period C6 of the lattice points in the direction orthogonal to one basic translation vector of the lattice structure of the buried
(2m-1) × λ 0 / (2n 2 )
Meet. n 2 is an equivalent refractive index of light in the second
二つの基本並進ベクトルがなす角φ(又は、X軸方向での埋め込み層4Bの間隔)は、X軸方向での位置に応じ、図39に示されるように、連続的に変化している。すなわち、第二フォトニック結晶層43は、複数の領域Rに対応する領域毎に、埋め込み層4Bの配列周期が異なる上述した周期構造を有している。第二フォトニック結晶層43は、上記周期構造により、上記発振部から同一の方向に出力された複数のレーザビームをそれぞれ異なる方向に偏向して光出射端面から出射させる偏向部を構成する。
The angle φ formed by the two basic translation vectors (or the interval between the buried layers 4B in the X-axis direction) changes continuously as shown in FIG. 39 according to the position in the X-axis direction. That is, the second
第二フォトニック結晶層43は、複数の領域Rに対応する領域毎で、上記発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に透過する光を弱め合う干渉を生じさせると共に、光出射端面LESからのレーザビームの出射方向に回折する光を強め合う干渉を生じさせる。第二フォトニック結晶層43では、その厚み方向から見たときに、埋め込み層4Bは、Y軸方向、すなわち上記発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に対しては、等間隔(同じ配列周期)で並んでいる。Y軸方向での埋め込み層4Bの周期は、mを任意の自然数としたときに、
(2m−1)×λ0/(2n2)
に設定されている。光出射端面LESに平行なX軸方向での埋め込み層4Bの周期は、
λ0/(n2×sinθ)
に設定されている。
The second
(2m-1) × λ 0 / (2n 2 )
Is set to The period of the buried
λ 0 / (n 2 × sin θ)
Is set to
以上のように、本変形例では、第一フォトニック結晶層41が、複数の領域Rに対応する領域にわたり、埋め込み層4Bの配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、発振部からは、複数の駆動電極E2毎に同一の方向にレーザビームが出力される。第二フォトニック結晶層43が、複数の領域Rに対応する領域毎に、埋め込み層4Bの配列周期が異なる周期構造を有しているので、偏向部からは、発振部から同一の方向に出力された各レーザビームがそれぞれ異なる方向に偏向されて、光出射端面LESから出射される。
As described above, in the present modification, the first
本変形例では、半導体レーザ素子10Aにおいて、発振部と偏向部とが分かれていると共に、第一フォトニック結晶層41が、複数の領域Rに対応する領域にわたり、埋め込み層4Bの配列周期が同じとされた周期構造を有している。このため、発振閾値がレーザビーム毎で一定であり、安定した動作を実現することができる。
In this modification, in the
第二フォトニック結晶層43は、複数の領域Rに対応する領域毎で、発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に透過する光を弱め合う干渉を生じさせると共に、光出射端面LESからのレーザビームの出射方向に回折する光を強め合う干渉を生じさせている。これにより、偏向部は、確実に、発振部から同一方向に出力された各レーザビームを異なる方向に偏向して光出射端面から出射させることができる。
The second
次に、新たな変形例に係る半導体レーザ素子10Cの構成について説明する。図40は、半導体レーザ素子の概略斜視図である。図41は、半導体レーザ素子の断面構成を示す図である。図42は、半導体レーザ素子の平面図である。
Next, the configuration of the
本変形例に係る半導体レーザ素子10Bも、図40〜図42に示されるように、半導体基板1、下部クラッド層2、下部光ガイド層3A、活性層3B、上部光ガイド層3C、フォトニック結晶層4(第一及び第二フォトニック結晶層41,43)、上部クラッド層5、コンタクト層6、電極E1、複数の駆動電極E2、及び、複数の電極パッドEPを備えている。
As shown in FIGS. 40 to 42, the
図40及び図42に示されるように、XY平面内において、各駆動電極E2の延びている長手方向は、Y軸に平行な直線に対して角度γを成している。すなわち、駆動電極E2の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面LESの法線(Y軸)に対して、傾斜している。 As shown in FIGS. 40 and 42, in the XY plane, the extending longitudinal direction of each drive electrode E2 forms an angle γ with respect to a straight line parallel to the Y axis. That is, the longitudinal direction of the drive electrode E2 is inclined with respect to the normal line (Y axis) of the light emitting end face LES of the semiconductor laser element when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element.
図43は、第一フォトニック結晶層の平面図である。 FIG. 43 is a plan view of the first photonic crystal layer.
第一フォトニック結晶層41において、埋め込み層4Bは、x軸方向及びy軸方向に整列し、2次元周期構造を構成している。xyz直交座標系は、XYZ直交座標系をZ軸回りに角度γだけ回転させた座標系である。すなわち、埋め込み層4Bは、xyz直交座標系において、正方格子を構成する格子点(Γ点)にそれぞれ配置されている。活性層3B内において発生した光は、第一フォトニック結晶層41により回折を受けた結果、図43内に矢印で示す方向に向かうレーザビームとして出力される。光出射端面LESに向かうレーザビームは、y軸方向、すなわちY軸方向から角度γだけ傾いた方向に出力される。
In the first
図44は、第二フォトニック結晶層の平面図である。 FIG. 44 is a plan view of the second photonic crystal layer.
第二フォトニック結晶層43においては、xyz直交座標系において、二つの基本並進ベクトルがなす角φが、
φ=tan−1{sinθ/(2cos2(θout1/2))}
を満たし、第二フォトニック結晶層43における埋め込み層4Bの格子構造の一方の基本並進ベクトルに沿う方向での格子点の周期が、
λ0/(n2×sinθout1)
を満たし、第二フォトニック結晶層43における埋め込み層4Bの格子構造の一方の基本並進ベクトルに直交する方向での格子点の周期が、mを任意の自然数としたときに、
(2m−1)×λ0/(2n2)
を満たしている。
In the second
φ = tan −1 {sin θ / ( 2 cos 2 (θ out1 / 2))}
And the period of the lattice point in the direction along one basic translation vector of the lattice structure of the buried
λ 0 / (n 2 × sin θ out1 )
And the period of the lattice point in the direction orthogonal to one basic translation vector of the lattice structure of the buried
(2m-1) × λ 0 / (2n 2 )
Meet.
したがって、本変形例においても、第一フォトニック結晶層41が、複数の領域Rに対応する領域にわたり、埋め込み層4Bの配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、発振部からは、複数の駆動電極E2毎に同一の方向(上述した実施形態におけるレーザビームの出力方向からZ軸回りに角度γだけ回転した方向)にレーザビームが出力される。第二フォトニック結晶層43が、複数の領域Rに対応する領域毎に、埋め込み層4Bの配列周期が異なる周期構造を有しているので、偏向部からは、発振部から同一の方向に出力された各レーザビームがそれぞれ異なる方向に偏向されて、光出射端面LESから出射される。本変形例では、光出射端面LESに直交する方向にも、レーザビームが出射される。
Therefore, also in the present modification, the first
本変形例でも、半導体レーザ素子10Bにおいて、発振閾値がレーザビーム毎で一定であり、安定した動作を実現することができる。また、偏向部は、確実に、発振部から同一方向に出力された各レーザビームを異なる方向に偏向して光出射端面から出射させることができる。
Also in this modified example, in the
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not necessarily limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
半導体レーザ素子10A〜10Cでは、複数の駆動電極E2が並ぶ方向で隣り合う二つの駆動電極E2に駆動電極を供給し、半導体レーザ素子10A〜10Cの厚み方向から見て、活性層3Bにおける、二つの駆動電極E2の間に位置する領域にてレーザビームを生じさせてもよい。
In the
1…半導体基板、2…下部クラッド層、3B…活性層、4…フォトニック結晶層、4B…異屈折率部(埋め込み層)、5…上部クラッド層、10A〜10C…半導体レーザ素子、20…コリメートレンズ、41…第一フォトニック結晶層、43…第二フォトニック結晶層、E2…駆動電極、LB…レーザビーム、LD1…半導体レーザ装置、LES…光出射端面。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記半導体レーザ素子は、
基板上に形成された下部クラッド層と、
上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、
前記活性層と前記上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、
前記活性層における、光出射端面に平行で且つ前記活性層が延びる第一方向に並んで位置する複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を有し、
前記光出射端面における前記複数の領域に対応する各位置からそれぞれ異なる方向に複数のレーザビームを出射し、
前記コリメートレンズは、
前記光出射端面における前記複数の領域に対応する前記各位置から前側主平面までの光路長が等しくなるように、前記第一方向及び光軸を含む断面において前面及び後面が曲率を有し、前記コリメートレンズは、前記半導体レーザ素子から出射された複数のレーザビームを前記半導体レーザ素子の厚み方向に平行な面内でそれぞれ屈折させて出射し、
前記コリメートレンズは、屈折率をnとし、前側曲率半径をR 1 とし、後側曲率半径をR 2 としたときに、
F(θ)={(n−1)×(1/R 1 +1/R 2 )} −1
なる式で表される焦点距離F(θ)が一定となるように、前側曲率半径R 1 と後側曲率半径R 2 とが設定されている、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。 A semiconductor laser device comprising: an edge-emitting semiconductor laser element; and a collimating lens that collimates a laser beam emitted from the semiconductor laser element,
The semiconductor laser element is
A lower cladding layer formed on the substrate;
An upper cladding layer;
An active layer interposed between the lower cladding layer and the upper cladding layer;
A photonic crystal layer interposed between the active layer and at least one of the upper and lower cladding layers;
A plurality of drive electrodes for supplying a drive current to a plurality of regions in the active layer that are parallel to the light emitting end face and aligned in the first direction in which the active layer extends;
A plurality of laser beams are emitted in different directions from each position corresponding to the plurality of regions on the light emitting end face,
The collimating lens is
The front surface and the rear surface have a curvature in the cross section including the first direction and the optical axis, so that the optical path lengths from the respective positions corresponding to the plurality of regions in the light emitting end surface to the front main plane are equal, The collimating lens refracts and emits a plurality of laser beams emitted from the semiconductor laser element in a plane parallel to the thickness direction of the semiconductor laser element ,
The collimating lens, the refractive index is n, the front radius of curvature as R 1, the rear-side radius of curvature when the R 2,
F (θ) = {(n−1) × (1 / R 1 + 1 / R 2 )} −1
The front curvature radius R 1 and the rear curvature radius R 2 are set so that the focal length F (θ) represented by the following formula is constant .
A semiconductor laser device.
前記光出射端面における前記複数の領域に対応する前記各位置から前側主平面までの光路長と、前記コリメートレンズの焦点距離と、が略一致している、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。 In the collimating lens, the curvatures of the front surface and the rear surface in the cross section including the first direction and the optical axis are constant, respectively.
The optical path length from each position corresponding to the plurality of regions on the light emitting end surface to the front main plane and the focal length of the collimating lens are substantially the same.
The semiconductor laser device according to claim 1 .
前記曲率中心に対する前記光出射端面のY軸方向での位置y0は、
y0<W/(2×tanθmax)
に基づいて規定され、X軸に沿った位置xにおける角度θは、
θ=atan(x/y0)
に基づいて規定され、
前記コリメートレンズは、角度θに対する焦点距離F(θ)が、前記前面及び後面の曲率中心と前側主平面との光路長をOPとしたときに、
F(θ)=OP−y0×(1+tan2θ)1/2
に基づいて規定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。 The center of curvature of the front surface and the rear surface in the cross section including the first direction and the optical axis is located at the center in the first direction of the semiconductor laser element, and the center of curvature of the front surface and the rear surface is used as an origin. The coordinate axis parallel to one direction is the X axis, the coordinate axis perpendicular to the light emitting end face is the Y axis, the width of the semiconductor laser element in the X axis direction is W, and the laser beam is normal to the light emitting end face. Is 0 at the center of the semiconductor laser element in the first direction and increases toward the end of the semiconductor laser element in the X-axis direction, and the X-axis of the semiconductor laser element is increased. When the maximum value of the angle θ at the end in the direction is θ max
The position y 0 in the Y-axis direction of the light emitting end surface with respect to the center of curvature is
y 0 <W / (2 × tan θ max )
And the angle θ at position x along the X axis is
θ = atan (x / y 0 )
Stipulated based on
The collimating lens has a focal length F (θ) with respect to an angle θ when the optical path length between the center of curvature of the front and rear surfaces and the front main plane is OP.
F (θ) = OP−y 0 × (1 + tan 2 θ) 1/2
Stipulated based on
The semiconductor laser device according to claim 1 .
前記半導体レーザ素子は、
基板上に形成された下部クラッド層と、
上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、
前記活性層と前記上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、
前記活性層における、光出射端面に平行で且つ前記活性層が延びる第一方向に並んで位置する複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を有し、
前記光出射端面における前記複数の領域に対応する各位置からそれぞれ異なる方向に複数のレーザビームを出射し、
前記コリメートレンズは、前記光出射端面における前記複数の領域に対応する前記各位置から前側主平面までの光路長が等しくなるように、前記第一方向及び光軸を含む断面において前面及び後面が曲率を有し、前記コリメートレンズは、前記半導体レーザ素子から出射された複数のレーザビームを前記半導体レーザ素子の厚み方向に平行な面内でそれぞれ屈折させて出射し、
前記第一方向及び前記光軸を含む前記断面における前記前面及び後面の曲率中心が前記半導体レーザ素子の前記第一方向での中央に位置し、前記前面及び後面の曲率中心を原点として、前記第一方向に平行な座標軸をX軸とすると共に前記光出射端面に垂直な座標軸をY軸とし、前記半導体レーザ素子のX軸方向での幅をWとし、レーザビームが前記光出射端面の法線に対してなす角度θが、前記半導体レーザ素子の前記第一方向での中央において0であり且つ前記半導体レーザ素子のX軸方向での端に向かうにしたがって大きくなり、前記半導体レーザ素子のX軸方向での端における前記角度θの最大値がθ max であるときに、
前記曲率中心に対する前記光出射端面のY軸方向での位置y 0 は、
y 0 <W/(2×tanθ max )
に基づいて規定され、X軸に沿った位置xにおける角度θは、
θ=atan(x/y 0 )
に基づいて規定され、
前記コリメートレンズは、角度θに対する焦点距離F(θ)が、前記前面及び後面の曲率中心と前側主平面との光路長をOPとしたときに、
F(θ)=OP−y 0 ×(1+tan 2 θ) 1/2
に基づいて規定されている、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。 A semiconductor laser device comprising: an edge-emitting semiconductor laser element; and a collimating lens that collimates a laser beam emitted from the semiconductor laser element,
The semiconductor laser element is
A lower cladding layer formed on the substrate;
An upper cladding layer;
An active layer interposed between the lower cladding layer and the upper cladding layer;
A photonic crystal layer interposed between the active layer and at least one of the upper and lower cladding layers;
A plurality of drive electrodes for supplying a drive current to a plurality of regions in the active layer that are parallel to the light emitting end face and aligned in the first direction in which the active layer extends;
A plurality of laser beams are emitted in different directions from each position corresponding to the plurality of regions on the light emitting end face,
In the collimating lens, the front surface and the rear surface have a curvature in a cross section including the first direction and the optical axis so that the optical path lengths from the respective positions corresponding to the plurality of regions on the light emitting end surface to the front main plane are equal. The collimating lens refracts and emits a plurality of laser beams emitted from the semiconductor laser element in a plane parallel to the thickness direction of the semiconductor laser element ,
The center of curvature of the front surface and the rear surface in the cross section including the first direction and the optical axis is located at the center in the first direction of the semiconductor laser element, and the center of curvature of the front surface and the rear surface is used as an origin. The coordinate axis parallel to one direction is the X axis, the coordinate axis perpendicular to the light emitting end face is the Y axis, the width of the semiconductor laser element in the X axis direction is W, and the laser beam is normal to the light emitting end face. Is 0 at the center of the semiconductor laser element in the first direction and increases toward the end of the semiconductor laser element in the X-axis direction, and the X-axis of the semiconductor laser element is increased. when the maximum value of the angle theta in the end in the direction is theta max,
The position y 0 in the Y-axis direction of the light emitting end surface with respect to the center of curvature is
y 0 <W / (2 × tan θ max )
And the angle θ at position x along the X axis is
θ = atan (x / y 0 )
Stipulated based on
The collimating lens has a focal length F (θ) with respect to an angle θ when the optical path length between the center of curvature of the front and rear surfaces and the front main plane is OP.
F (θ) = OP−y 0 × (1 + tan 2 θ) 1/2
Stipulated based on
A semiconductor laser device.
y0×((1+tan2θ)1/2−1)
だけ前記半導体レーザ素子から遠ざけられて位置している、
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体レーザ装置。 In the collimating lens, the front main plane is y 0 × ((1 + tan 2 θ) 1/2 −1) in the radial direction of the curvature of the front and rear surfaces.
Only located away from the semiconductor laser element,
The semiconductor laser device according to claim 3 or 4 , wherein
前記複数の駆動電極は、前記第一領域に駆動電流を供給するための第一駆動電極と、前記第二領域に駆動電流を供給するための第二駆動電極と、を含み、
前記第一駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
前記フォトニック結晶層の前記第一領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第一及び第二の周期構造を有しており、
前記第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第一駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう1つが前記光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも1つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されており、
前記第二駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
前記フォトニック結晶層の前記第二領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第三及び第四の周期構造を有しており、
前記第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第二駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう1つが前記光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも1つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、
前記第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分は、前記第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分とは異なる、
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。 The active layer includes a first region and a second region as the plurality of regions,
The plurality of drive electrodes include a first drive electrode for supplying a drive current to the first region, and a second drive electrode for supplying a drive current to the second region,
The longitudinal direction of the first drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element,
The region corresponding to the first region of the photonic crystal layer has first and second periodic structures in which arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other,
A predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the first drive electrode when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element according to the difference between the reciprocals of the arrangement periods of the first and second periodic structures. 2 or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element, and one of these laser beams toward the light emitting end face is set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end face. And at least one further toward the light exit end face is set to satisfy a total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face,
The longitudinal direction of the second drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element,
The region corresponding to the second region of the photonic crystal layer has third and fourth periodic structures in which arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other,
A predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the second drive electrode when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element according to the difference between the reciprocals of the arrangement periods in the third and fourth periodic structures. 2 or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element, and one of these laser beams toward the light emitting end face is set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end face. And at least one other toward the light exit end face is set so as to satisfy a total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face,
The difference between the reciprocal numbers of the array periods in the first and second periodic structures is different from the difference between the reciprocal numbers of the array periods in the third and fourth periodic structures.
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is a semiconductor laser device.
前記発振部は、前記下部クラッド層と、前記上部クラッド層と、前記活性層と、前記フォトニック結晶層としての第一フォトニック結晶層と、前記複数の駆動電極と、を含み、
前記偏向部は、第二フォトニック結晶層を含み、
前記第一フォトニック結晶層は、前記複数の領域に対応する領域にわたり、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有し、
前記第二フォトニック結晶層は、前記複数の領域に対応する領域毎に、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が異なる周期構造を有している、
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。 The semiconductor laser element generates a plurality of laser beams, and outputs a plurality of generated laser beams in the same direction, and a plurality of laser beams output in the same direction from the oscillation unit in different directions. And a deflecting unit that deflects the light to exit from the light exit end face,
The oscillation unit includes the lower cladding layer, the upper cladding layer, the active layer, a first photonic crystal layer as the photonic crystal layer, and the plurality of drive electrodes,
The deflection unit includes a second photonic crystal layer,
The first photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement period of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings is the same over the region corresponding to the plurality of regions,
The second photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement period of the different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings is different for each region corresponding to the plurality of regions.
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is a semiconductor laser device.
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体レーザ装置。 The second photonic crystal layer causes, in each region corresponding to the plurality of regions, interference that weakens light transmitted in the same direction as the output direction of the laser beam from the oscillation unit, and the light emission Intensifying interference that diffracts the light diffracted in the laser beam exit direction from the end face,
The semiconductor laser device according to claim 7.
前記半導体レーザ素子は、
基板上に形成された下部クラッド層と、
上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、
前記活性層と前記上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、
前記活性層における、光出射端面に平行で且つ前記活性層が延びる第一方向に並んで位置する複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を有し、
前記光出射端面における前記複数の領域に対応する各位置からそれぞれ異なる方向に複数のレーザビームを出射し、
前記コリメートレンズは、前記光出射端面における前記複数の領域に対応する前記各位置から前側主平面までの光路長が等しくなるように、前記第一方向及び光軸を含む断面において前面及び後面が曲率を有し、前記コリメートレンズは、前記半導体レーザ素子から出射された複数のレーザビームを前記半導体レーザ素子の厚み方向に平行な面内でそれぞれ屈折させて出射し、
前記活性層は、前記複数の領域として、第一領域と第二領域とを含み、
前記複数の駆動電極は、前記第一領域に駆動電流を供給するための第一駆動電極と、前記第二領域に駆動電流を供給するための第二駆動電極と、を含み、
前記第一駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
前記フォトニック結晶層の前記第一領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第一及び第二の周期構造を有しており、
前記第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第一駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう1つが前記光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも1つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されており、
前記第二駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
前記フォトニック結晶層の前記第二領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第三及び第四の周期構造を有しており、
前記第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第二駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう1つが前記光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも1つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、
前記第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分は、前記第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分とは異なる、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。 A semiconductor laser device comprising: an edge-emitting semiconductor laser element; and a collimating lens that collimates a laser beam emitted from the semiconductor laser element,
The semiconductor laser element is
A lower cladding layer formed on the substrate;
An upper cladding layer;
An active layer interposed between the lower cladding layer and the upper cladding layer;
A photonic crystal layer interposed between the active layer and at least one of the upper and lower cladding layers;
A plurality of drive electrodes for supplying a drive current to a plurality of regions in the active layer that are parallel to the light emitting end face and aligned in the first direction in which the active layer extends;
A plurality of laser beams are emitted in different directions from each position corresponding to the plurality of regions on the light emitting end face,
In the collimating lens, the front surface and the rear surface have a curvature in a cross section including the first direction and the optical axis so that the optical path lengths from the respective positions corresponding to the plurality of regions on the light emitting end surface to the front main plane are equal. The collimating lens refracts and emits a plurality of laser beams emitted from the semiconductor laser element in a plane parallel to the thickness direction of the semiconductor laser element ,
The active layer includes a first region and a second region as the plurality of regions,
The plurality of drive electrodes include a first drive electrode for supplying a drive current to the first region, and a second drive electrode for supplying a drive current to the second region,
The longitudinal direction of the first drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element,
The region corresponding to the first region of the photonic crystal layer has first and second periodic structures in which arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other,
A predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the first drive electrode when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element according to the difference between the reciprocals of the arrangement periods of the first and second periodic structures. 2 or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element, and one of these laser beams toward the light emitting end face is set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end face. And at least one further toward the light exit end face is set to satisfy a total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face,
The longitudinal direction of the second drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element,
The region corresponding to the second region of the photonic crystal layer has third and fourth periodic structures in which arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other,
A predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the second drive electrode when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element according to the difference between the reciprocals of the arrangement periods in the third and fourth periodic structures. 2 or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element, and one of these laser beams toward the light emitting end face is set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end face. And at least one other toward the light exit end face is set so as to satisfy a total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face,
The difference between the reciprocal numbers of the array periods in the first and second periodic structures is different from the difference between the reciprocal numbers of the array periods in the third and fourth periodic structures.
A semiconductor laser device.
F(θ)={(n−1)×(1/R1+1/R2)}−1
なる式で表される焦点距離F(θ)が一定となるように、前側曲率半径R1と後側曲率半径R2とが設定されている、
ことを特徴とする請求項9に記載の半導体レーザ装置。 The collimating lens, the refractive index is n, the front radius of curvature as R 1, the rear-side radius of curvature when the R 2,
F (θ) = {(n−1) × (1 / R 1 + 1 / R 2 )} −1
The front curvature radius R 1 and the rear curvature radius R 2 are set so that the focal length F (θ) represented by the following formula is constant.
The semiconductor laser device according to claim 9 .
前記光出射端面における前記複数の領域に対応する前記各位置から前側主平面までの光路長と、前記コリメートレンズの焦点距離と、が略一致している、
ことを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体レーザ装置。 In the collimating lens, the curvatures of the front surface and the rear surface in the cross section including the first direction and the optical axis are constant, respectively.
The optical path length from each position corresponding to the plurality of regions on the light emitting end surface to the front main plane and the focal length of the collimating lens are substantially the same.
11. The semiconductor laser device according to claim 9 , wherein the semiconductor laser device is a semiconductor laser device.
前記曲率中心に対する前記光出射端面のY軸方向での位置y0は、
y0<W/(2×tanθmax)
に基づいて規定され、X軸に沿った位置xにおける角度θは、
θ=atan(x/y0)
に基づいて規定され、
前記コリメートレンズは、角度θに対する焦点距離F(θ)が、前記前面及び後面の曲率中心と前側主平面との光路長をOPとしたときに、
F(θ)=OP−y0×(1+tan2θ)1/2
に基づいて規定されている、
ことを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体レーザ装置。 The center of curvature of the front surface and the rear surface in the cross section including the first direction and the optical axis is located at the center in the first direction of the semiconductor laser element, and the center of curvature of the front surface and the rear surface is used as an origin. The coordinate axis parallel to one direction is the X axis, the coordinate axis perpendicular to the light emitting end face is the Y axis, the width of the semiconductor laser element in the X axis direction is W, and the laser beam is normal to the light emitting end face. Is 0 at the center of the semiconductor laser element in the first direction and increases toward the end of the semiconductor laser element in the X-axis direction, and the X-axis of the semiconductor laser element is increased. When the maximum value of the angle θ at the end in the direction is θ max
The position y 0 in the Y-axis direction of the light emitting end surface with respect to the center of curvature is
y 0 <W / (2 × tan θ max )
And the angle θ at position x along the X axis is
θ = atan (x / y 0 )
Stipulated based on
The collimating lens has a focal length F (θ) with respect to an angle θ when the optical path length between the center of curvature of the front and rear surfaces and the front main plane is OP.
F (θ) = OP−y 0 × (1 + tan 2 θ) 1/2
Stipulated based on
11. The semiconductor laser device according to claim 9 , wherein the semiconductor laser device is a semiconductor laser device.
y0×((1+tan2θ)1/2−1)
だけ前記半導体レーザ素子から遠ざけられて位置している、
ことを特徴とする請求項12に記載の半導体レーザ装置。 In the collimating lens, the front main plane is y 0 × ((1 + tan 2 θ) 1/2 −1) in the radial direction of the curvature of the front and rear surfaces.
Only located away from the semiconductor laser element,
The semiconductor laser device according to claim 12 .
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