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JP7426255B2 - semiconductor laser equipment - Google Patents

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JP7426255B2 JP2020030853A JP2020030853A JP7426255B2 JP 7426255 B2 JP7426255 B2 JP 7426255B2 JP 2020030853 A JP2020030853 A JP 2020030853A JP 2020030853 A JP2020030853 A JP 2020030853A JP 7426255 B2 JP7426255 B2 JP 7426255B2
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Description

本開示は、外部共振器型の半導体レーザ装置に関する。 The present disclosure relates to an external cavity type semiconductor laser device.

従来、レーザ加工用の光源として用いられる半導体レーザ装置がある。この種の半導体レーザ装置には、高い光出力が要求される。そこで、高い光出力を得るために、複数のレーザ光を1つの光路を通過するように纏める、つまり、複数のレーザ光を合波する方法がある(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, there is a semiconductor laser device used as a light source for laser processing. This type of semiconductor laser device is required to have high optical output. Therefore, in order to obtain high optical output, there is a method of combining a plurality of laser beams so that they pass through one optical path, that is, a method of multiplexing a plurality of laser beams (for example, see Patent Document 1).

また、従来、光出力を向上させるために、半導体レーザ素子が出射した光を当該半導体レーザ素子とハーフミラー等の光学系との間で共振させてレーザ光として出射する外部共振器型の半導体レーザ装置がある。 In addition, conventionally, in order to improve optical output, external cavity type semiconductor lasers emit light as laser light by causing the light emitted by a semiconductor laser element to resonate between the semiconductor laser element and an optical system such as a half mirror. There is a device.

ここで、ハーフミラー等の光学系を用いて複数の半導体レーザ素子との間で光を外部共振させて半導体レーザ装置からレーザ光を出射させるために、当該複数の半導体レーザ素子のそれぞれに投入される必要がある電流量は、複数の半導体レーザ素子が出射する光の波長に応じて異なる場合がある。当該複数の半導体素子のそれぞれにおける発振しきい値が異なるためである。複数の半導体レーザ素子のそれぞれに異なる電流量を投入するためには、当該複数の半導体レーザ素子のそれぞれに同じ電流量を投入する場合と比較して、構造が複雑になる。 Here, in order to emit laser light from the semiconductor laser device by externally resonating the light between the plurality of semiconductor laser elements using an optical system such as a half mirror, a light beam is input to each of the plurality of semiconductor laser elements. The amount of current that needs to be applied may vary depending on the wavelength of light emitted by the plurality of semiconductor laser elements. This is because each of the plurality of semiconductor elements has a different oscillation threshold. In order to supply different amounts of current to each of the plurality of semiconductor laser elements, the structure becomes more complicated than when the same amount of current is supplied to each of the plurality of semiconductor laser elements.

特許第5981855号公報Patent No. 5981855

J. Piprek and S. Nakamura, Physics of high-power InGaN=GaN lasers, IEE Proc.-Optoelectron., Vol. 149, No. 4, August 2002J. Piprek and S. Nakamura, Physics of high-power InGaN=GaN lasers, IEE Proc. -Optoelectron. , Vol. 149, No. 4, August 2002 S. K. Pugh, D. J. Dugdale, S. Brand, and R. A. Abram, Band-gap and k.p. parameters for GaAlN and GaInN alloys,Journal of Applied Physics 86, 3768 (1999),25 January 1999S. K. Pugh, D. J. Dugdale, S. Brand, and R. A. Abram, Band-gap and K. p. Parameters for GaAlN and GaInN alloys, Journal of Applied Physics 86, 3768 (1999), 25 January 1999 Larry A.Coldren著、木村達也訳、半導体レーザとフォトニクス集積回路、オーム社、第2章2.5Larry A. Coldren, translated by Tatsuya Kimura, Semiconductor Lasers and Photonics Integrated Circuits, Ohmsha, Chapter 2 2.5

本開示は、複数の半導体レーザ素子を備える外部共振器型の半導体レーザ装置において、当該複数の半導体レーザ素子のそれぞれの発振しきい値を近づけることができる半導体レーザ装置を提供する。 The present disclosure provides an external cavity type semiconductor laser device including a plurality of semiconductor laser elements, in which the oscillation thresholds of the plurality of semiconductor laser elements can be brought close to each other.

本開示の一態様に係る半導体レーザ装置は、第1導電型半導体層、活性層、及び、第2導電型半導体層がこの順に積層された半導体レーザ素子を複数備える半導体レーザ装置であって、複数の前記半導体レーザ素子は、第1活性層に流す電流を狭窄するための第1ストライプ構造を有し、第1光を出射する第1半導体レーザ素子と、第2活性層に流す電流を狭窄するための第2ストライプ構造を有し、前記第1光よりも波長が長い第2光を出射する第2半導体レーザ素子と、を含み、前記半導体レーザ装置は、前記第1半導体レーザ素子との間で前記第1光を共振させ、且つ、前記第2半導体レーザ素子との間で前記第2光を共振させる外部共振器を備え、積層方向から見た場合に、前記第1半導体レーザ素子における前記第1光を出射する第1端面での前記第1ストライプ構造の幅である第1ストライプ幅は、前記第2半導体レーザ素子における前記第2光を出射する第2端面での前記第2ストライプ構造の幅である第2ストライプ幅よりも、小さい。 A semiconductor laser device according to one aspect of the present disclosure is a semiconductor laser device including a plurality of semiconductor laser elements in which a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer are stacked in this order. The semiconductor laser device has a first stripe structure for confining the current flowing through the first active layer, and constricts the current flowing through the first semiconductor laser device emitting the first light and the second active layer. a second semiconductor laser device having a second stripe structure for emitting second light having a longer wavelength than the first light; an external resonator for resonating the first light with the second semiconductor laser element and resonating the second light with the second semiconductor laser element; The first stripe width, which is the width of the first stripe structure on the first end surface that emits the first light, is the width of the second stripe structure on the second end surface that emits the second light in the second semiconductor laser element. The second stripe width is smaller than the second stripe width.

本開示によれば、複数の半導体レーザ素子を備える外部共振器型の半導体レーザ装置において、当該複数の半導体レーザ素子のそれぞれの発振しきい値を近づけることができる半導体レーザ装置を提供できる。 According to the present disclosure, in an external cavity type semiconductor laser device including a plurality of semiconductor laser elements, it is possible to provide a semiconductor laser device in which the oscillation thresholds of the plurality of semiconductor laser elements can be brought close to each other.

図1は、比較例に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。FIG. 1 is a top view showing a semiconductor laser device according to a comparative example. 図2は、実施の形態に係る半導体レーザ装置を示す上面図である。FIG. 2 is a top view showing the semiconductor laser device according to the embodiment. 図3は、実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing the semiconductor laser device according to the embodiment. 図4は、図3のIV-IV線における、実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3, showing the semiconductor laser device according to the embodiment. 図5は、実施の形態に係る半導体レーザ素子における発振波長に対する発振しきい値電流密度を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the oscillation threshold current density versus the oscillation wavelength in the semiconductor laser device according to the embodiment. 図6は、実施の形態に係る半導体レーザ素子における発振波長に対するストライプ幅を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the stripe width versus oscillation wavelength in the semiconductor laser device according to the embodiment. 図7Aは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第1工程を示す模式的な断面図である。FIG. 7A is a schematic cross-sectional view showing the first step of the method for manufacturing a semiconductor laser device according to the embodiment. 図7Bは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第2工程を示す模式的な断面図である。FIG. 7B is a schematic cross-sectional view showing the second step of the method for manufacturing a semiconductor laser device according to the embodiment. 図7Cは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第3工程を示す模式的な断面図である。FIG. 7C is a schematic cross-sectional view showing the third step of the method for manufacturing a semiconductor laser device according to the embodiment. 図7Dは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第4工程を示す模式的な断面図である。FIG. 7D is a schematic cross-sectional view showing the fourth step of the method for manufacturing a semiconductor laser device according to the embodiment. 図7Eは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第5工程を示す模式的な断面図である。FIG. 7E is a schematic cross-sectional view showing the fifth step of the method for manufacturing a semiconductor laser device according to the embodiment. 図7Fは、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の第6工程を示す模式的な断面図である。FIG. 7F is a schematic cross-sectional view showing the sixth step of the method for manufacturing a semiconductor laser device according to the embodiment. 図8は、変形例に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。FIG. 8 is a top view showing a semiconductor laser device according to a modified example.

(本開示の基礎となった知見)
本開示に係る半導体レーザ装置は、例えば、レーザ加工用の光源として用いられる。
(Findings that formed the basis of this disclosure)
The semiconductor laser device according to the present disclosure is used, for example, as a light source for laser processing.

レーザ加工は、金属、樹脂、炭素繊維等の加工対象素材に対して、制御性よく、クリーンに溶接、切断、改質等をできる手段として注目されている。レーザ加工によれば、例えば、アーク放電に比べて小さなスポット溶接が可能な点、金型を使った切断に比べて切り屑の発生を抑制できる点等により、高品質な加工を実現できる。 Laser processing is attracting attention as a means of welding, cutting, modifying, etc. with good controllability and cleanliness on materials to be processed, such as metals, resins, and carbon fibers. Laser machining can achieve high-quality machining because, for example, it is possible to perform small spot welding compared to arc discharge, and the generation of chips can be suppressed compared to cutting using a mold.

このようなレーザ加工を行うレーザ加工機には、半導体レーザ装置から出射されるレーザ光を直接用いるDDL(Direct Diode Laser)方式が採用される場合がある。 A laser processing machine that performs such laser processing may employ a DDL (Direct Diode Laser) method that directly uses laser light emitted from a semiconductor laser device.

DDL方式は、(i)レーザ光を変換しないため高効率であり、(b)半導体レーザ装置が備える半導体レーザ素子に採用される材料が適切に選択されることで、波長が紫外から赤外までの任意のレーザ光で加工が可能である、という2つの特徴を有する。近年、DDL方式では、窒化物半導体(GaN、InGaN、AlGaN等)を用いた、波長が400nm帯のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を備える半導体レーザ装置が、銅を高効率で加工できる点で特に注目されている。 The DDL method is (i) highly efficient because it does not convert the laser light, and (b) the wavelength ranges from ultraviolet to infrared by appropriately selecting the material used for the semiconductor laser element included in the semiconductor laser device. It has two characteristics: it can be processed with any laser beam. In recent years, in the DDL method, semiconductor laser devices equipped with semiconductor laser elements that use nitride semiconductors (GaN, InGaN, AlGaN, etc.) and emit laser light with a wavelength of 400 nm have gained popularity in that they can process copper with high efficiency. It is receiving particular attention.

一般に、半導体レーザ素子の発光部(活性層)であるエミッタの幅(例えば、リッジ部の幅)を広げることで、当該発光部に投入できる電力を増やすことができる。 Generally, by widening the width of the emitter (for example, the width of the ridge), which is the light emitting part (active layer) of a semiconductor laser element, it is possible to increase the power that can be input to the light emitting part.

これにより、半導体レーザ素子の出力(光出力)を上げることができる。 Thereby, the output (light output) of the semiconductor laser element can be increased.

しかしながら、半導体レーザ素子の発光効率は、30%~50%である。発光に寄与しない電力は、熱になってエミッタの温度を上昇させる。この温度上昇は、半導体レーザ素子に光出射による熱飽和を生じさせ、半導体レーザ素子の出力の向上に悪影響を及ぼす。 However, the luminous efficiency of semiconductor laser devices is between 30% and 50%. Electric power that does not contribute to light emission turns into heat and increases the temperature of the emitter. This temperature increase causes thermal saturation in the semiconductor laser device due to light emission, and has a negative effect on improving the output of the semiconductor laser device.

そこで、1つの基板上に複数のエミッタが形成されたアレイ構造(マルチエミッタともいう)を有する半導体レーザアレイがある。 Therefore, there is a semiconductor laser array having an array structure (also referred to as multi-emitter) in which a plurality of emitters are formed on one substrate.

半導体レーザアレイでは、各エミッタから出射された複数のレーザ光を加工用に用いるために、当該複数のレーザ光を1つのレーザ光に纏める必要がある。例えば、半導体レーザアレイにおける互いに異なる発光点から出射された複数のレーザ光は、1点で加工対象素材に照射される必要がある。そのため、例えば、複数のレーザ光の光軸が揃えられる必要がある。 In a semiconductor laser array, in order to use a plurality of laser beams emitted from each emitter for processing, it is necessary to combine the plurality of laser beams into one laser beam. For example, a plurality of laser beams emitted from different light emitting points in a semiconductor laser array need to be irradiated onto the workpiece at one point. Therefore, for example, the optical axes of the plurality of laser beams need to be aligned.

例えば、複数のレーザ光を1つの光軸に揃える(言い換えると、1つの光路を通過するように纏める)方法として、波長合成法がある。波長合成法は、半導体レーザアレイから出射された複数のレーザ光のそれぞれの光軸を同一の光軸を集める方法であり、ビーム品質が高い(例えば、加工対象素材において複数のレーザ光の光スポットの位置及び形状が揃いやすい)という特徴を有する。 For example, as a method of aligning a plurality of laser beams to one optical axis (in other words, combining them so that they pass through one optical path), there is a wavelength synthesis method. The wavelength synthesis method is a method of converging the optical axes of multiple laser beams emitted from a semiconductor laser array to the same optical axis, and the beam quality is high (for example, the optical spot of multiple laser beams on the material to be processed is It has the characteristic that the position and shape of the parts can be easily aligned.

ここで、波長合成法の原理について説明する。 Here, the principle of the wavelength synthesis method will be explained.

周期dを有する回折格子にN本のレーザ光が入射するとき、各レーザ光の波長をλiとし、回折格子に入射するレーザ光の入射角をθi、(i=1、2、・・・、N)とし、0を除く任意の整数をmとした場合、下記の式(1)を満たす。 When N laser beams are incident on a diffraction grating having a period d, the wavelength of each laser beam is λi, and the incident angle of the laser beams incident on the diffraction grating is θi, (i=1, 2,..., N), and when m is any integer other than 0, the following formula (1) is satisfied.

d×(sinθi+sinθ0)=mλi 式(1) d×(sinθi+sinθ0)=mλi Formula (1)

上記の式(1)が満たされれば、出射角θ0の方向にレーザ光が出射されることが、一般的な回折現象として導かれる。すなわち、ビーム品質を劣化させることなく、同軸上に(つまり、1つの光軸上に)複数のレーザ光を合成(合波)できる。 If the above equation (1) is satisfied, it follows that the laser beam is emitted in the direction of the emission angle θ0 as a general diffraction phenomenon. That is, multiple laser beams can be combined (combined) coaxially (that is, on one optical axis) without degrading beam quality.

このような波長合成法による半導体レーザ素子の比較例を説明する。 A comparative example of a semiconductor laser device using such a wavelength synthesis method will be described.

図1は、比較例に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。 FIG. 1 is a top view showing a semiconductor laser device according to a comparative example.

なお、図1に示す比較例に係る半導体レーザ素子1010、1011、1012を有する半導体レーザアレイ1000は、GaN(Gallium Nitride)系半導体レーザ素子である。また、以下で説明する比較例は、半導体レーザアレイ1000と出力カプラ(ハーフミラー等の光学系)とで外部共振する、外部共振器型の波長合成法であるが、図1では、出力カプラの図示を省略している。 Note that the semiconductor laser array 1000 having the semiconductor laser elements 1010, 1011, and 1012 according to the comparative example shown in FIG. 1 is a GaN (Gallium Nitride)-based semiconductor laser element. In addition, the comparative example described below is an external resonator type wavelength synthesis method in which external resonance is performed between the semiconductor laser array 1000 and an output coupler (an optical system such as a half mirror). Illustration is omitted.

外部共振を利用する波長合成法では、複数の半導体レーザ素子1010、1011、1012を整列させ(図1に示す比較例では、半導体レーザアレイ1000)、コリメータ光学系(コリメータレンズ)1060と回折格子を有する波長分散素子(不図示)とは、半導体レーザアレイ1000と出力カプラとの間に配置される。 In the wavelength synthesis method using external resonance, a plurality of semiconductor laser elements 1010, 1011, and 1012 are aligned (in the comparative example shown in FIG. 1, a semiconductor laser array 1000), and a collimator optical system (collimator lens) 1060 and a diffraction grating are arranged. A wavelength dispersion element (not shown) is disposed between the semiconductor laser array 1000 and the output coupler.

これにより、出力カプラで互いに波長が異なる複数の光が重畳される。出力カプラで重畳された一部の光は、出力カプラから半導体レーザアレイ1000に向かう方向へと反射され、往路と逆の経路(光路)を通過して半導体レーザアレイ1000へと帰還する。 As a result, a plurality of lights having different wavelengths are superimposed at the output coupler. A part of the light superimposed by the output coupler is reflected from the output coupler in the direction toward the semiconductor laser array 1000, passes through a path (optical path) opposite to the outgoing path, and returns to the semiconductor laser array 1000.

上記した特許文献1では、近赤外波長の砒化物半導体(GaAs(Gallium Arsenide)、AlGaAs(Aluminium Gallium Arsenide)、InGaAs(Indium Gallium Arsenide)等)を用い、且つ、DDL方式が採用された波長合成法によるシステムが提案されている。特許文献1に開示されたシステムのように、多数のエミッタそれぞれからの光を合波する際には、各エミッタから均一に且つ高い出力の光を出射させることが重要である。特許文献1で開示された構成では、出力カプラに入射された光の一部は、出力カプラから半導体レーザ素子に向かう方向、具体的には、光学系を往路と逆の経路で半導体レーザ素子へと帰還する、このような光は、コリメータ光学系で集光されて半導体レーザ素子の端面に照射される。 In Patent Document 1 mentioned above, an arsenide semiconductor (GaAs (Gallium Arsenide), AlGaAs (Aluminum Gallium Arsenide), InGaAs (Indium Gallium Arsenide), etc.) having a near-infrared wavelength is used, and a DDL method is adopted. wavelength synthesis A legal system is proposed. When multiplexing light from a large number of emitters as in the system disclosed in Patent Document 1, it is important to emit uniform and high-output light from each emitter. In the configuration disclosed in Patent Document 1, a part of the light incident on the output coupler is directed from the output coupler to the semiconductor laser element, specifically, through the optical system in the opposite direction to the semiconductor laser element. This returning light is focused by a collimator optical system and irradiated onto the end face of the semiconductor laser element.

ここで、コリメータ光学系が同一であっても、帰還する光の波長が波長分散光学系(回折格子)で選択された異なる波長であるため、コリメータレンズから半導体レーザ素子の端面に照射される光は、異なる焦点深度を有する。 Here, even if the collimator optical system is the same, the wavelength of the returning light is a different wavelength selected by the wavelength dispersion optical system (diffraction grating), so the light irradiated from the collimator lens to the end face of the semiconductor laser element have different depths of focus.

例えば、図1に示すように、出力カプラで反射された光1040は、半導体レーザ素子1010に入射される。また、出力カプラで反射された光1041は、半導体レーザ素子1011に入射される。出力カプラで反射された光1042は、半導体レーザ素子1012に入射される。光1040、1041、1042は、例えば、波長分散素子によって、互いに異なる波長の光となっている。ここで、図1に示すように、光1040、1041、1042の波長によって、半導体レーザ素子1010、1011、1012の端面における光の広がり幅が異なるため、半導体レーザ素子1010、1011、1012のそれぞれの導波路1030、1031、1032内の導波モードへと結合する光の割合が半導体レーザ素子1010、1011、1012ごとに異なってしまう。 For example, as shown in FIG. 1, light 1040 reflected by an output coupler is incident on a semiconductor laser device 1010. Furthermore, the light 1041 reflected by the output coupler is incident on the semiconductor laser element 1011. The light 1042 reflected by the output coupler is incident on the semiconductor laser element 1012. The lights 1040, 1041, and 1042 have different wavelengths due to, for example, a wavelength dispersion element. Here, as shown in FIG. 1, the spread width of the light at the end faces of the semiconductor laser elements 1010, 1011, 1012 differs depending on the wavelength of the light 1040, 1041, 1042. The proportion of light coupled to the waveguide mode in the waveguides 1030, 1031, and 1032 differs among the semiconductor laser elements 1010, 1011, and 1012.

また、ある波長で発振する半導体レーザ素子へと帰還する光の幅を導波モードへの結合効率が高くなるように設計しても、別の波長で発振する半導体レーザ素子においては、結合効率が高くなるレーザ光の適切な幅が異なるため、結合効率が高くならない。 Furthermore, even if the width of the light returning to a semiconductor laser device that oscillates at a certain wavelength is designed to increase the coupling efficiency to the waveguide mode, the coupling efficiency will be low for a semiconductor laser device that oscillates at a different wavelength. Since the appropriate width of the laser beam to be increased differs, the coupling efficiency cannot be increased.

本願発明者らは、鋭意検討した結果、半導体レーザ素子の導波路のサイズを出射する光の波長に応じて適切に設定することで、導波路における導波モードの結合効率を、当該光の波長によらず大きく保つことができることを見出した。また、本願発明者らは、鋭意検討した結果、半導体レーザ素子に投入される電流を狭窄するためのストライプ構造のサイズを適切に設定することで、発振しきい値を調整できることを見出した。 As a result of intensive studies, the inventors of the present application have determined that by appropriately setting the size of the waveguide of a semiconductor laser device according to the wavelength of the emitted light, the coupling efficiency of the waveguide mode in the waveguide can be increased by the wavelength of the light. It has been found that it is possible to maintain a large size regardless of the Further, as a result of extensive studies, the inventors of the present invention have found that the oscillation threshold can be adjusted by appropriately setting the size of the stripe structure for confining the current applied to the semiconductor laser element.

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Note that the embodiments described below each represent a specific example of the present disclosure. Therefore, the numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of the components shown in the following embodiments are merely examples and do not limit the present disclosure.

また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。 Furthermore, each figure is a schematic diagram and is not necessarily strictly illustrated. Therefore, the scale etc. in each figure are not necessarily the same. In addition, in each figure, the same code|symbol is attached to the substantially the same structure, and the overlapping description is omitted or simplified.

また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向(鉛直上方)及び下方向(鉛直下方)を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、2つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて2つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、2つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。 Furthermore, in this specification, the terms "upper" and "lower" do not refer to the upper direction (vertically upward) or the lower direction (vertically downward) in absolute spatial recognition, but are based on the stacking order in the stacked structure. Used as a term defined by the relative positional relationship. Additionally, the terms "above" and "below" are used not only when two components are spaced apart and there is another component between them; This also applies when they are placed in contact with each other.

また、本明細書において、X軸、Y軸及びZ軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。各実施の形態では、Z軸方向を鉛直方向とし、Z軸に垂直な方向(XY平面に平行な方向)を水平方向としている。また、本明細書において、Z軸正方向を上方と記載し、Z軸負方向を下方と記載する場合がある。また、本明細書において、半導体レーザ素子が光を出射する向きをY軸正方向として記載する場合がある。 Furthermore, in this specification, the X-axis, Y-axis, and Z-axis indicate three axes of a three-dimensional orthogonal coordinate system. In each embodiment, the Z-axis direction is the vertical direction, and the direction perpendicular to the Z-axis (direction parallel to the XY plane) is the horizontal direction. Further, in this specification, the positive Z-axis direction may be referred to as upward, and the negative direction of the Z-axis may be referred to as downward. Further, in this specification, the direction in which the semiconductor laser element emits light may be described as the Y-axis positive direction.

また、本明細書において、寸法等について記載されている数値は、完全に当該数値であることを意味するだけでなく、数%程度、例えば、5%の差異を含むことを意味する。 Further, in this specification, the numerical values described for dimensions etc. do not only mean the exact numerical values, but also mean that they include a difference of about several percent, for example, 5%.

(実施の形態)
[半導体レーザ装置の構成]
図2は、実施の形態に係る半導体レーザ装置を示す上面図である。
(Embodiment)
[Configuration of semiconductor laser device]
FIG. 2 is a top view showing the semiconductor laser device according to the embodiment.

半導体レーザ装置100は、レーザ光を出力する光源である。レーザ光は、例えば、400nm~450nm程度の波長であり、複数のレーザ光が合波されて1つの光路で(例えば、複数のレーザ光の光軸が揃えられて)半導体レーザ装置100から出射される。 The semiconductor laser device 100 is a light source that outputs laser light. The laser beam has a wavelength of, for example, about 400 nm to 450 nm, and a plurality of laser beams are combined and emitted from the semiconductor laser device 100 in one optical path (for example, the optical axes of the plurality of laser beams are aligned). Ru.

半導体レーザ装置100は、複数の半導体レーザアレイ200、201、202と、コリメータ光学系(コリメータレンズ)260、261、262と、合波器(波長分散素子)270と、外部共振器(ハーフミラー)280と、を備える。 The semiconductor laser device 100 includes a plurality of semiconductor laser arrays 200, 201, 202, collimator optical systems (collimator lenses) 260, 261, 262, a multiplexer (wavelength dispersion element) 270, and an external resonator (half mirror). 280.

複数の半導体レーザアレイ200、201、202は、それぞれ、複数の光(レーザ光)を出射する半導体レーザ光源である。複数の半導体レーザアレイ200、201、202は、それぞれ、1つの発光点を有する、つまり、1本のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を複数備える。複数の半導体レーザアレイ200、201、202は、それぞれ、このような複数の半導体レーザ素子が一体に形成された半導体レーザアレイである。 Each of the plurality of semiconductor laser arrays 200, 201, and 202 is a semiconductor laser light source that emits a plurality of lights (laser lights). Each of the plurality of semiconductor laser arrays 200, 201, and 202 has one light emitting point, that is, it includes a plurality of semiconductor laser elements that emit one laser beam. Each of the plurality of semiconductor laser arrays 200, 201, and 202 is a semiconductor laser array in which a plurality of such semiconductor laser elements are integrally formed.

コリメータ光学系260、261、262は、それぞれ、半導体レーザアレイから出射されたレーザ光をコリメートするコリメータレンズである。コリメータ光学系260、261、262は、それぞれ、例えば、速軸コリメータレンズ(FAC/Fast Axis Collimator)と、遅軸コリメータレンズ(SAC/Slow Axis Collimator)とを備える。 Collimator optical systems 260, 261, and 262 are collimator lenses that collimate laser light emitted from the semiconductor laser array, respectively. The collimator optical systems 260, 261, and 262 each include, for example, a fast axis collimator lens (FAC/Fast Axis Collimator) and a slow axis collimator lens (SAC/Slow Axis Collimator).

合波器270は、半導体レーザアレイ200、201、202のそれぞれから出射されたレーザ光を合波して出射する光学系である。本実施の形態では、合波器270は、波長分散素子を有する。 The multiplexer 270 is an optical system that multiplexes and outputs laser beams emitted from each of the semiconductor laser arrays 200, 201, and 202. In this embodiment, multiplexer 270 includes a wavelength dispersion element.

波長分散素子は、回折格子を有する光学系である。波長分散素子は、入射された光の波長に応じた角度で光を反射させる。そのため、波長分散素子によれば、波長の異なる複数のレーザ光を1本のレーザ光として出射できる。また、波長分散素子によれば、複数の波長の光を含む1本のレーザ光を波長ごとに異なる角度で出射できる。 A wavelength dispersive element is an optical system having a diffraction grating. A wavelength dispersion element reflects light at an angle corresponding to the wavelength of the incident light. Therefore, the wavelength dispersion element can emit a plurality of laser beams with different wavelengths as one laser beam. Moreover, according to the wavelength dispersion element, one laser beam containing light of a plurality of wavelengths can be emitted at different angles for each wavelength.

なお、本実施の形態では、反射型の波長分散素子を例示しているが、透過型の波長分散素子でもよい。 Note that in this embodiment, a reflection type wavelength dispersion element is illustrated, but a transmission type wavelength dispersion element may also be used.

外部共振器280は、入射したレーザ光の一部を透過し、他部を反射するハーフミラーである。外部共振器280で反射されたレーザ光は、合波器270及びコリメータ光学系260を介して半導体レーザアレイ200、201、202に戻る。半導体レーザアレイ200、201、202に戻ったレーザ光は、半導体レーザアレイ200、201、202の内部(より具体的には、導波路)を通過して、半導体レーザアレイ200、201、202の反射面(レーザ光を出射する出射端面と反対側の面)で反射される。反射されたレーザ光は、半導体レーザアレイ200、201、202の内部(より具体的には、導波路)を通過して、半導体レーザアレイ200、201、202の出射端面から出射される。 The external resonator 280 is a half mirror that transmits part of the incident laser light and reflects the other part. The laser beam reflected by the external resonator 280 returns to the semiconductor laser arrays 200, 201, 202 via the multiplexer 270 and the collimator optical system 260. The laser light that has returned to the semiconductor laser arrays 200, 201, 202 passes through the interior of the semiconductor laser arrays 200, 201, 202 (more specifically, the waveguide), and is reflected by the semiconductor laser arrays 200, 201, 202. It is reflected by the surface (the surface opposite to the emission end surface that emits the laser beam). The reflected laser light passes through the interiors of the semiconductor laser arrays 200, 201, and 202 (more specifically, the waveguides), and is emitted from the emission end faces of the semiconductor laser arrays 200, 201, and 202.

このように、半導体レーザアレイ200、201、202の反射面と、外部共振器280との間で共振されたレーザ光が半導体レーザ装置100から出射される。 In this way, laser light resonated between the reflective surfaces of the semiconductor laser arrays 200, 201, and 202 and the external resonator 280 is emitted from the semiconductor laser device 100.

[半導体レーザ素子の構成]
続いて、図2~図4を参照しながら、実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について説明する。なお、半導体レーザ装置100が備える半導体レーザアレイ200、201、202の構造は、後述するストライプ幅以外は実質的に同じであるため、半導体レーザアレイ200の構造について詳細に説明する。
[Structure of semiconductor laser device]
Next, the configuration of the semiconductor laser device according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4. Note that the structures of the semiconductor laser arrays 200, 201, and 202 included in the semiconductor laser device 100 are substantially the same except for the stripe width described later, so the structure of the semiconductor laser array 200 will be described in detail.

半導体レーザ装置100は、第1導電型半導体層と、活性層と、第1導電型とは異なる第2導電型半導体層とがこの順に積層された半導体レーザ素子を複数備える。本実施の形態では、半導体レーザ装置100が備える複数の半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子(第1半導体レーザ素子)10と、半導体レーザ素子(第2半導体レーザ素子)11と、半導体レーザ素子(第3半導体レーザ素子)12と、を含む。また、本実施の形態では、半導体レーザ装置100は、複数の半導体レーザ素子が一体に形成された半導体レーザアレイを備える。具体的には、半導体レーザ装置100は、半導体レーザ素子10と、半導体レーザ素子11と、半導体レーザ素子12とが一体に形成された半導体レーザアレイ200を備える。なお、半導体レーザアレイ200が備える半導体レーザ素子の数は、複数であればよく、特に限定されない。 The semiconductor laser device 100 includes a plurality of semiconductor laser elements in which a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer different from the first conductivity type are stacked in this order. In this embodiment, the plurality of semiconductor laser elements included in the semiconductor laser device 100 include a semiconductor laser element (first semiconductor laser element) 10, a semiconductor laser element (second semiconductor laser element) 11, and a semiconductor laser element (second semiconductor laser element) 10, a semiconductor laser element (second semiconductor laser element) 11, and a semiconductor laser element (second semiconductor laser element) 11. 3 semiconductor laser element) 12. Further, in this embodiment, the semiconductor laser device 100 includes a semiconductor laser array in which a plurality of semiconductor laser elements are integrally formed. Specifically, the semiconductor laser device 100 includes a semiconductor laser array 200 in which a semiconductor laser element 10, a semiconductor laser element 11, and a semiconductor laser element 12 are integrally formed. Note that the number of semiconductor laser elements included in the semiconductor laser array 200 is not particularly limited as long as it is plural.

図3は、実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。 FIG. 3 is a top view showing the semiconductor laser device according to the embodiment.

半導体レーザアレイ200が有する複数の半導体レーザ素子10、11、12は、それぞれ、第1導電型半導体層と、活性層と、第2導電型半導体層と、リッジ部(ストライプ構造)と、を備える。具体的には、半導体レーザ素子10は、第1導電型半導体層と、活性層(第1活性層)103と、第2導電型半導体層と、リッジ部(第1ストライプ構造)10Rと、を備える。また、半導体レーザ素子11は、第1導電型半導体層と、第2活性層103a(図4参照)と、第2導電型半導体層と、リッジ部(第2ストライプ構造)11Rと、を備える。また、半導体レーザ素子12は、第1導電型半導体層と、第3活性層103b(図4参照)と、第2導電型半導体層と、リッジ部12Rと、を備える。本実施の形態では、半導体レーザ素子10、11、12のそれぞれの第1導電型半導体層、活性層、第2導電型半導体層は、それぞれ一体に(1つの層として)形成されている。 The plurality of semiconductor laser elements 10, 11, and 12 included in the semiconductor laser array 200 each include a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, a second conductivity type semiconductor layer, and a ridge portion (stripe structure). . Specifically, the semiconductor laser device 10 includes a first conductivity type semiconductor layer, an active layer (first active layer) 103, a second conductivity type semiconductor layer, and a ridge portion (first stripe structure) 10R. Be prepared. Further, the semiconductor laser element 11 includes a first conductivity type semiconductor layer, a second active layer 103a (see FIG. 4), a second conductivity type semiconductor layer, and a ridge portion (second stripe structure) 11R. Further, the semiconductor laser element 12 includes a first conductivity type semiconductor layer, a third active layer 103b (see FIG. 4), a second conductivity type semiconductor layer, and a ridge portion 12R. In this embodiment, the first conductivity type semiconductor layer, the active layer, and the second conductivity type semiconductor layer of each of the semiconductor laser elements 10, 11, and 12 are formed integrally (as one layer).

リッジ部10R、11R、12Rは、それぞれ、半導体レーザ素子10、11、12がそれぞれ有する活性層に流れる電流を狭窄するために半導体レーザ素子10、11、12に形成された狭窄部である。リッジ部10R、11R、12Rは、光の出射方向(本実施の形態では、Y軸方向)に延在している。リッジ部10R、11R、12Rの下方には、導波路が形成されており、当該導波路を導波して出射端面240から光が出射される。導波路は、第1導電型半導体層と、活性層と、第2導電型半導体層とによって形成される光の導波部である。 The ridge portions 10R, 11R, and 12R are constriction portions formed in the semiconductor laser devices 10, 11, and 12 to constrict the current flowing in the active layers of the semiconductor laser devices 10, 11, and 12, respectively. The ridge portions 10R, 11R, and 12R extend in the light emission direction (in this embodiment, the Y-axis direction). Waveguides are formed below the ridges 10R, 11R, and 12R, and light is guided through the waveguides and is emitted from the output end face 240. The waveguide is an optical waveguide formed by a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer.

具体的には、半導体レーザ素子10は、第1活性層103に流す電流を狭窄するためのリッジ部10Rを有し、第1光(光400)を出射する。また、半導体レーザ素子11は、第2活性層103aに流す電流を狭窄するためのリッジ部11Rを有し、光400とは波長が異なる第2光(光401)を出射する。また、半導体レーザ素子12は、第3活性層103bに流す電流を狭窄するためのリッジ部12Rを有し、光400、401とは波長が異なる第3光(光402)を出射する。 Specifically, the semiconductor laser device 10 has a ridge portion 10R for confining the current flowing through the first active layer 103, and emits the first light (light 400). Further, the semiconductor laser element 11 has a ridge portion 11R for confining the current flowing through the second active layer 103a, and emits second light (light 401) having a different wavelength from the light 400. Further, the semiconductor laser element 12 has a ridge portion 12R for confining the current flowing through the third active layer 103b, and emits third light (light 402) having a different wavelength from the lights 400 and 401.

コリメータ光学系260は、半導体レーザ素子10、11、12のそれぞれから出射された光400、401、402をそれぞれコリメートして合波器270に出射する。具体的に例えば、コリメータ光学系は、半導体レーザ素子10、半導体レーザ素子11、及び、半導体レーザ素子12と、外部共振器280との間に、光400、401、402のそれぞれをコリメートするコリメータレンズである。また、本実施の形態では、半導体レーザ素子10における光400を出射する第1端面と、半導体レーザ素子11における光401を出射する第2端面と、半導体レーザ素子12における光402を出射する第3端面とは、同じ端面(出射端面240)である。本実施の形態では、第1端面とコリメータ光学系260との距離と、第2端面とコリメータ光学系260との距離と、第3端面とコリメータ光学系260との距離とは、等しく距離L10である。また、コリメータ光学系260は、外部共振器280で反射されて且つ合波器270で分波されることで入射された光(帰還光)を半導体レーザ素子10、11、12のそれぞれに集光して出射する。 The collimator optical system 260 collimates the lights 400, 401, and 402 emitted from the semiconductor laser elements 10, 11, and 12, respectively, and outputs the collimated lights to the multiplexer 270. Specifically, for example, the collimator optical system includes collimator lenses that collimate each of the lights 400, 401, and 402 between the semiconductor laser element 10, the semiconductor laser element 11, the semiconductor laser element 12, and the external resonator 280. It is. Further, in this embodiment, a first end facet of the semiconductor laser element 10 that emits the light 400, a second end facet of the semiconductor laser element 11 that emits the light 401, and a third end facet of the semiconductor laser element 12 that emits the light 402 are described. The end faces are the same end face (emission end face 240). In this embodiment, the distance between the first end surface and the collimator optical system 260, the distance between the second end surface and the collimator optical system 260, and the distance between the third end surface and the collimator optical system 260 are equal to the distance L10. be. Further, the collimator optical system 260 focuses the incident light (return light) that is reflected by the external resonator 280 and demultiplexed by the multiplexer 270 onto each of the semiconductor laser elements 10, 11, and 12. and emit light.

本実施の形態では、コリメータ光学系260は、半導体レーザ素子10から出射された光400をコリメートするレンズ部と、半導体レーザ素子11から出射された光401をコリメートするレンズ部と、半導体レーザ素子12から出射された光402をコリメートするレンズ部と、が一体に形成されているが、別体に形成されていてもよい。本実施の形態では、各レンズ部は、同じ材料で同じ形状(例えば、レンズ面が同じ曲率)に形成されている。 In this embodiment, the collimator optical system 260 includes a lens section that collimates the light 400 emitted from the semiconductor laser device 10, a lens section that collimates the light 401 emitted from the semiconductor laser device 11, and a lens section that collimates the light 401 emitted from the semiconductor laser device 12. Although the lens portion that collimates the light 402 emitted from the lens portion is formed integrally with the lens portion, they may be formed separately. In this embodiment, each lens part is formed of the same material and the same shape (for example, the lens surface has the same curvature).

合波器270は、コリメータ光学系260から出射された光400、401、402を合波して外部共振器280に出射する。本実施の形態では、合波器270は、光400、401、402を合波して出射する回折格子を有する波長分散素子を有する。また、合波器270は、外部共振器280で反射されることで入射された光を分波してコリメータ光学系260に出射する。 The multiplexer 270 multiplexes the lights 400 , 401 , and 402 emitted from the collimator optical system 260 and outputs the multiplexed lights to the external resonator 280 . In this embodiment, the multiplexer 270 includes a wavelength dispersion element having a diffraction grating that multiplexes and outputs the lights 400, 401, and 402. Further, the multiplexer 270 splits the incident light by being reflected by the external resonator 280 and outputs the split light to the collimator optical system 260 .

外部共振器280は、合波器270を介して半導体レーザ素子10との間で光400を共振させ、合波器270を介して半導体レーザ素子11との間で光401を共振させ、且つ、合波器270を介して半導体レーザ素子12との間で光402を共振させる。本実施の形態では、外部共振器280は、光400、401、402のそれぞれの一部を透過し、且つ、他部を反射するハーフミラーである。 The external resonator 280 resonates the light 400 with the semiconductor laser device 10 via the multiplexer 270, resonates the light 401 with the semiconductor laser device 11 via the multiplexer 270, and, The light 402 is caused to resonate with the semiconductor laser element 12 via the multiplexer 270. In this embodiment, external resonator 280 is a half mirror that transmits a portion of each of the lights 400, 401, and 402 and reflects the other portion.

また、図2に示す外部共振器280で反射された光は、出射端面240から入射して当該導波路を導波して反射端面250で反射されて、さらに、当該導波路を導波して出射端面240から出射される。例えば、半導体レーザ素子10と、半導体レーザ素子11と、半導体レーザ素子12とでは、異なる波長の光が入射及び出射される。具体的には、半導体レーザ素子10で入射及び出射される光400と、半導体レーザ素子11で入射及び出射される光401と、半導体レーザ素子12で入射及び出射される光402とでは、波長が異なる。 Furthermore, the light reflected by the external resonator 280 shown in FIG. The light is emitted from the emission end face 240. For example, light of different wavelengths enters and exits the semiconductor laser device 10, the semiconductor laser device 11, and the semiconductor laser device 12. Specifically, the wavelengths of light 400 entering and exiting the semiconductor laser device 10, light 401 entering and exiting the semiconductor laser device 11, and light 402 entering and exiting the semiconductor laser device 12 are different.

そのため、同じコリメータ光学系260を用い、且つ、コリメータ光学系260と出射端面240との距離が同じである場合、半導体レーザ素子10と、半導体レーザ素子11と、半導体レーザ素子12とでは、出射端面240において、光400と、光401と、光402とのスポット径が異なる。 Therefore, when the same collimator optical system 260 is used and the distance between the collimator optical system 260 and the emission end facet 240 is the same, the emission end facets of the semiconductor laser element 10, the semiconductor laser element 11, and the semiconductor laser element 12 are the same. In 240, the spot diameters of light 400, light 401, and light 402 are different.

また、リッジ部10Rと、リッジ部11Rと、リッジ部12Rとは、幅(本実施の形態では、X軸方向の長さ)が互いに異なる。例えば、リッジ部10R、11R、12Rの幅は、それぞれ、光400、401、402の出射端面240におけるスポット径に応じたサイズとなっている。具体的には、積層方向から見た場合(本実施の形態では、Z軸正方向側から半導体レーザアレイ200を見た場合)に、半導体レーザ素子10における光400を出射する第1端面でのリッジ部10Rの幅であるストライプ幅(幅L0)と、半導体レーザ素子11における光401を出射する第2端面でのリッジ部11Rの幅である第2ストライプ幅(幅L1)と、半導体レーザ素子12における光402を出射する端面でのリッジ部12Rの幅である第3ストライプ幅(幅L2)とは、互いに異なる。なお、本実施の形態では、ここでの幅とは、X軸方向の長さである。 Further, the ridge portion 10R, the ridge portion 11R, and the ridge portion 12R have different widths (in this embodiment, lengths in the X-axis direction). For example, the widths of the ridge portions 10R, 11R, and 12R are sized according to the spot diameters of the lights 400, 401, and 402 at the output end surface 240, respectively. Specifically, when viewed from the stacking direction (in this embodiment, when semiconductor laser array 200 is viewed from the Z-axis positive direction side), the first end face of semiconductor laser element 10 that emits light 400 A stripe width (width L0) that is the width of the ridge portion 10R, a second stripe width (width L1) that is the width of the ridge portion 11R at the second end surface that emits light 401 in the semiconductor laser element 11, and the semiconductor laser element The third stripe width (width L2), which is the width of the ridge portion 12R at the end surface from which the light 402 is emitted in No. 12, is different from each other. Note that in this embodiment, the width here is the length in the X-axis direction.

また、半導体レーザアレイ200が備える半導体レーザ素子10、11、12におけるリッジ部10R、11R、12Rは、出射する波長が短い方が、幅が小さい。本実施の形態では、光401は、光400よりも波長が長い。また、光402は、光401よりも波長が長い。本実施の形態では、例えば、光400と光401とは、波長が0.1~0.3nm程度離れている。光401と光402とは、波長が0.1~0.3nm程度離れている。光400と、光401と、光402とのそれぞれの波長の差は、特に限定されない。 Furthermore, the width of the ridge portions 10R, 11R, and 12R in the semiconductor laser elements 10, 11, and 12 included in the semiconductor laser array 200 is smaller when the wavelength of light emitted is shorter. In this embodiment, light 401 has a longer wavelength than light 400. Furthermore, the light 402 has a longer wavelength than the light 401. In this embodiment, for example, the wavelengths of light 400 and light 401 are about 0.1 to 0.3 nm apart. The wavelengths of the light 401 and the light 402 are approximately 0.1 to 0.3 nm apart. The difference in wavelength between the light 400, the light 401, and the light 402 is not particularly limited.

また、積層方向からに見た場合に、出射端面240での幅L0は、出射端面240での幅L1よりも、小さい。また、積層方向からに見た場合に、出射端面240での幅L1は、出射端面240での幅L2よりも、小さい。 Furthermore, when viewed from the stacking direction, the width L0 at the output end face 240 is smaller than the width L1 at the output end face 240. Further, when viewed from the stacking direction, the width L1 at the output end face 240 is smaller than the width L2 at the output end face 240.

なお、本実施の形態では、積層方向から見た場合に、リッジ部10R、11R、12Rは、それぞれ、半導体レーザ素子10、11、12のそれぞれの光400、401、402の出射方向(本実施の形態では、Y軸方向)に幅L0、L1、L2でそれぞれ一様に延在している。例えば、リッジ部R10は、半導体レーザ素子10における光400の出射方向に幅L0で一様に延在している。また、例えば、リッジ部11Rは、半導体レーザ素子11における光401の出射方向に幅L1で一様に延在している。また、例えば、リッジ部12Rは、半導体レーザ素子12における光402の出射方向に幅L2で一様に延在している。 Note that in this embodiment, when viewed from the stacking direction, the ridge portions 10R, 11R, and 12R are in the emission direction of the light beams 400, 401, and 402 of the semiconductor laser elements 10, 11, and 12, respectively (this embodiment In the embodiment, the widths L0, L1, and L2 extend uniformly in the Y-axis direction. For example, the ridge portion R10 uniformly extends in the emission direction of the light 400 in the semiconductor laser element 10 with a width L0. Further, for example, the ridge portion 11R uniformly extends with a width L1 in the emission direction of the light 401 in the semiconductor laser element 11. Further, for example, the ridge portion 12R uniformly extends with a width L2 in the emission direction of the light 402 in the semiconductor laser element 12.

図4は、実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。具体的には、図4には、図3のIV-IV線における、実施の形態に係る半導体レーザ素子を複数有する半導体レーザ素子アレイ200の断面を示している。なお、半導体レーザ素子10、11、12は、それぞれ導波路10L、11L、12Lを有し、リッジ部10R、11R、12Rの幅L0、L1、L2以外については、同様の層構造を有する。そのため、以下では、半導体レーザ素子10の構造について詳細に説明する。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser device according to an embodiment. Specifically, FIG. 4 shows a cross section of a semiconductor laser element array 200 having a plurality of semiconductor laser elements according to the embodiment, taken along line IV-IV in FIG. 3. Note that the semiconductor laser elements 10, 11, and 12 have waveguides 10L, 11L, and 12L, respectively, and have the same layer structure except for the widths L0, L1, and L2 of the ridge portions 10R, 11R, and 12R. Therefore, the structure of the semiconductor laser device 10 will be described in detail below.

半導体レーザ素子10は、共振器を形成する光出射側端面(図3に示す出射端面240)及び光反射側端面(図3に示す反射端面250)を有するレーザ素子である。 The semiconductor laser device 10 is a laser device having a light emitting side end face (emitting end face 240 shown in FIG. 3) and a light reflecting side end face (reflecting end face 250 shown in FIG. 3) forming a resonator.

半導体レーザ素子10は、基板101と、積層構造体と、第2導電側電極107と、パッド電極108と、第1導電側電極109と、を備える。当該積層構造体は、第1導電型半導体層である第1導電型クラッド層102、活性層(第1活性層)103、及び、第2導電型半導体層である第2導電型クラッド層104を含む。本実施の形態では、当該積層構造体は、コンタクト層105と、絶縁層106と、をさらに含む。当該積層構造体の一方側の端面と他方側の端面との間に導波路10Lが形成される。当該積層構造体の一方側の端面(例えば、出射端面240)には光出射側端面コート膜(不図示)が配置され、他方側の端面(例えば、反射端面250)には光反射側端面コート膜(不図示)が配置される。 The semiconductor laser device 10 includes a substrate 101, a laminated structure, a second conductive side electrode 107, a pad electrode 108, and a first conductive side electrode 109. The laminated structure includes a first conductivity type cladding layer 102 which is a first conductivity type semiconductor layer, an active layer (first active layer) 103, and a second conductivity type cladding layer 104 which is a second conductivity type semiconductor layer. include. In this embodiment, the stacked structure further includes a contact layer 105 and an insulating layer 106. A waveguide 10L is formed between one end face and the other end face of the laminated structure. A light-emitting side end-face coating film (not shown) is disposed on one end face (e.g., the emitting end face 240) of the laminated structure, and a light-reflecting end face coat is disposed on the other end face (e.g., the reflective end face 250). A membrane (not shown) is placed.

これにより、当該積層構造体の一方側の端面は、光出射側端面となり、他方側の端面は、光反射側の端面となる。 As a result, one end face of the laminated structure becomes a light-emitting side end face, and the other end face becomes a light-reflecting side end face.

基板101は、半導体レーザ素子10の基材である。本実施の形態では、基板101は、GaN単結晶基板である。基板101は、GaN単結晶基板に限定されず、窒化物半導体層を積層し得る基板であればよい。例えば、基板101は、SiC基板、サファイア基板等であってもよい。 The substrate 101 is a base material of the semiconductor laser device 10. In this embodiment, substrate 101 is a GaN single crystal substrate. The substrate 101 is not limited to a GaN single crystal substrate, but may be any substrate on which a nitride semiconductor layer can be stacked. For example, the substrate 101 may be a SiC substrate, a sapphire substrate, or the like.

第1導電型クラッド層102は、基板101の上方に配置される第1導電型の半導体からなるクラッド層である。本実施の形態では、第1導電型クラッド層102は、Siがドープされ、3μmの膜厚を有するn型のAlGa1-xN(x=0.03)層である。例えば、第1導電型クラッド層102におけるSi濃度は、1×1017cm-3である。 The first conductivity type cladding layer 102 is a cladding layer made of a first conductivity type semiconductor disposed above the substrate 101. In this embodiment, the first conductivity type cladding layer 102 is an n-type Al x Ga 1-x N (x=0.03) layer doped with Si and having a thickness of 3 μm. For example, the Si concentration in the first conductivity type cladding layer 102 is 1×10 17 cm −3 .

活性層103は、第1導電型クラッド層102の上方に配置され、Inを含む窒化物半導体からなる発光層である。本実施の形態では、活性層103は、5nmの膜厚を有し、InGa1-xNからなる井戸層と、10nmの膜厚を有し、GaNからなる障壁層とが交互に2層ずつ積層された量子井戸活性層を含む。 The active layer 103 is a light emitting layer disposed above the first conductivity type cladding layer 102 and made of a nitride semiconductor containing In. In this embodiment, the active layer 103 has two well layers each having a thickness of 5 nm and made of In x Ga 1-x N and barrier layers having a thickness of 10 nm and made of GaN. It includes a quantum well active layer stacked layer by layer.

なお、活性層103の構成は、これに限定されない。活性層103は、量子井戸活性層の上方及び下方の少なくとも一方に形成されたガイド層を含んでもよい。 Note that the configuration of the active layer 103 is not limited to this. The active layer 103 may include a guide layer formed above or below the quantum well active layer.

第2導電型クラッド層104は、活性層103の上方に配置され、第2導電型の窒化物半導体からなるクラッド層である。本実施の形態では、第2導電型クラッド層104は、Mgがドープされたp型のAlGaN/GaN超格子層を含む。例えば、第2導電型クラッド層104におけるMg濃度は、1×1019cm-3である。また、例えば、AlGaN/GaN超格子層は、Alの平均組成比が3%であり、3nmの膜厚を有するAlGaN層と、3nmの膜厚を有するGaN層とが交互にそれぞれ100層積層された層である。 The second conductivity type cladding layer 104 is a cladding layer disposed above the active layer 103 and made of a second conductivity type nitride semiconductor. In this embodiment, the second conductivity type cladding layer 104 includes a p-type AlGaN/GaN superlattice layer doped with Mg. For example, the Mg concentration in the second conductivity type cladding layer 104 is 1×10 19 cm −3 . For example, the AlGaN/GaN superlattice layer has an average Al composition ratio of 3%, and is made up of 100 AlGaN layers each having a thickness of 3 nm and 100 GaN layers each having a thickness of 3 nm. It is a layer.

コンタクト層105は、第2導電型クラッド層104の上方に配置され、第2導電型の窒化物半導体からなる層である。本実施の形態では、コンタクト層105は、Mgがドープされ、5nmの膜厚を有するGaN層である。例えば、コンタクト層105におけるMg濃度は1×1020cm-3である。 The contact layer 105 is a layer disposed above the second conductivity type cladding layer 104 and made of a second conductivity type nitride semiconductor. In this embodiment, contact layer 105 is a GaN layer doped with Mg and having a thickness of 5 nm. For example, the Mg concentration in the contact layer 105 is 1×10 20 cm −3 .

なお、例えば、第1導電型は、n型であり、第2導電型は、p型である。もちろん、第1導電型が、p型であり、第2導電型が、n型でもよい。 Note that, for example, the first conductivity type is n-type, and the second conductivity type is p-type. Of course, the first conductivity type may be the p-type and the second conductivity type may be the n-type.

絶縁層106は、第2導電型クラッド層104の上方に配置される絶縁材料からなる層である。本実施の形態では、絶縁層106は、コンタクト層105の側面及び第2導電型クラッド層104の上面に配置され、200nmの膜厚を有するSiOからなる層である。 The insulating layer 106 is a layer made of an insulating material disposed above the second conductivity type cladding layer 104. In this embodiment, the insulating layer 106 is a layer made of SiO 2 and has a thickness of 200 nm, and is disposed on the side surface of the contact layer 105 and the upper surface of the second conductivity type cladding layer 104.

第2導電側電極107は、コンタクト層105の上方に配置される導電材料からなる層である。第2導電側電極107は、コンタクト層105と接触する。本実施の形態では、第2導電側電極107は、コンタクト層105側から順にPd及びPtが積層された積層膜である。 The second conductive side electrode 107 is a layer made of a conductive material disposed above the contact layer 105. The second conductive side electrode 107 contacts the contact layer 105. In this embodiment, the second conductive side electrode 107 is a laminated film in which Pd and Pt are laminated in order from the contact layer 105 side.

なお、第2導電側電極107の構成はこれに限定されない。第2導電側電極107は、例えば、Cr、Ti、Ni、Pd、Pt及びAuの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜であってもよい。本実施の形態では、第2導電側電極107の幅は、30μmである。ここで、第2導電側電極107の幅とは、基板101の主面(Z軸正方向側の面)に平行で、半導体レーザ素子10の共振方向に垂直な方向における第2導電側電極107の寸法のことを意味する。 Note that the configuration of the second conductive side electrode 107 is not limited to this. The second conductive side electrode 107 may be, for example, a single layer film or a multilayer film formed of at least one of Cr, Ti, Ni, Pd, Pt, and Au. In this embodiment, the width of the second conductive side electrode 107 is 30 μm. Here, the width of the second conductive side electrode 107 refers to the width of the second conductive side electrode 107 in a direction parallel to the main surface (the surface on the positive side of the Z axis) of the substrate 101 and perpendicular to the resonance direction of the semiconductor laser element 10. means the dimensions of

なお、第2導電側電極107の幅は30μmに限定されず、10μm以上150μm以下であればよい。また、第2導電側電極107は、絶縁層106上にも形成されてもよい。 Note that the width of the second conductive side electrode 107 is not limited to 30 μm, but may be from 10 μm to 150 μm. Further, the second conductive side electrode 107 may also be formed on the insulating layer 106.

パッド電極108は、第2導電側電極107の上方に配置されたパッド状の電極である。本実施の形態では、パッド電極108は、第2導電側電極107側から順にTi及びAuが積層された積層膜である。 The pad electrode 108 is a pad-shaped electrode arranged above the second conductive side electrode 107. In this embodiment, the pad electrode 108 is a laminated film in which Ti and Au are laminated in order from the second conductive side electrode 107 side.

なお、パッド電極108の構成はこれに限定されない。パッド電極108は、例えば、Ti及びAu、Ti、Pt及びAu、Ni及びAu等の積層膜であってもよい。 Note that the configuration of the pad electrode 108 is not limited to this. The pad electrode 108 may be, for example, a laminated film of Ti and Au, Ti, Pt and Au, Ni and Au, or the like.

第1導電側電極109は、基板101の下方に配置される電極である。本実施の形態では、第1導電側電極109は、基板101側から順にTi、Pt及びAuが積層された積層膜である。 The first conductive side electrode 109 is an electrode placed below the substrate 101. In this embodiment, the first conductive side electrode 109 is a laminated film in which Ti, Pt, and Au are laminated in order from the substrate 101 side.

なお、第1導電側電極109の構成はこれに限定されない。第1導電側電極109は、例えば、Ti及びAu、Ti、Pt及びAu等の積層膜であってもよい。 Note that the configuration of the first conductive side electrode 109 is not limited to this. The first conductive side electrode 109 may be a laminated film of Ti and Au, Ti, Pt, and Au, for example.

また、半導体レーザ素子10は、リッジ部10R、及び、導波路10Lを有する。 Further, the semiconductor laser device 10 has a ridge portion 10R and a waveguide 10L.

リッジ部10Rは、活性層103に流れる電流を狭窄するために半導体レーザ素子10に形成された狭窄部である。リッジ部10Rは、例えば、第2導電型クラッド層104の一部である。リッジ部10Rは、Y軸方向に延在している。 The ridge portion 10R is a constriction portion formed in the semiconductor laser device 10 to constrict the current flowing through the active layer 103. The ridge portion 10R is, for example, a part of the second conductivity type cladding layer 104. The ridge portion 10R extends in the Y-axis direction.

導波路10Lは、半導体レーザ素子10の内部で光が導波する部分である。導波路10Lは、例えば、第1導電型クラッド層102の一部と、活性層103の一部と、第2導電型クラッド層104の一部とからなる。リッジ部10Rによって活性層103に流れる電流が狭窄されることにより、活性層103において光が生成される位置が決まる。そのため、断面視した場合(例えば、図4の断面を見た場合)、例えば、リッジ部10Rの幅(Y軸方向の長さ)は、導波路の10Lの幅(Y軸方向の長さ)と略同一となる。また、半導体レーザ素子10から出射される光400の発光点(出射端面240における光出射部分)のX軸方向の幅は、導波路10LのX軸方向の幅、及び、リッジ部10Rの幅L0と、凡そ同じになる。 The waveguide 10L is a portion through which light is guided inside the semiconductor laser device 10. The waveguide 10L includes, for example, a part of the first conductivity type cladding layer 102, a part of the active layer 103, and a part of the second conductivity type cladding layer 104. The current flowing through the active layer 103 is constricted by the ridge portion 10R, thereby determining the position where light is generated in the active layer 103. Therefore, when viewed in cross section (for example, when looking at the cross section in FIG. 4), for example, the width (length in the Y-axis direction) of the ridge portion 10R is the width (length in the Y-axis direction) of the waveguide 10L. It is almost the same as. Furthermore, the width in the X-axis direction of the light emitting point of the light 400 emitted from the semiconductor laser element 10 (the light emitting portion on the emission end face 240) is the width in the X-axis direction of the waveguide 10L and the width L0 of the ridge portion 10R. It will be about the same.

なお、上記したように、半導体レーザ装置100が備える半導体レーザアレイ201、202の構造は、半導体レーザアレイ200とストライプ幅以外は実質的に同じである。例えば、半導体レーザアレイ201は、半導体レーザアレイ200が備える複数のリッジ部とストライプ幅が異なり、且つ、互いにストライプ幅が異なる複数のリッジ部を備える。また、例えば、半導体レーザアレイ202は、半導体レーザアレイ200、201が備える複数のリッジ部とストライプ幅が異なり、且つ、互いにストライプ幅が異なる複数のリッジ部を備える。 Note that, as described above, the structure of the semiconductor laser arrays 201 and 202 included in the semiconductor laser device 100 is substantially the same as that of the semiconductor laser array 200 except for the stripe width. For example, the semiconductor laser array 201 includes a plurality of ridge portions having stripe widths different from the plurality of ridge portions included in the semiconductor laser array 200 and mutually different stripe widths. Further, for example, the semiconductor laser array 202 includes a plurality of ridge portions having stripe widths different from the plurality of ridge portions included in the semiconductor laser arrays 200 and 201, and having different stripe widths from each other.

[検討結果]
図5は、実施の形態に係る半導体レーザ素子における発振波長に対する発振しきい値電流密度を示すグラフである。なお、図5には、計算結果(破線で図示)及び実験結果(○で図示)を示している。図5に示すグラフにおいて、横軸は、半導体レーザ素子から出射させるレーザ光の波長(発振波長)であり、縦軸は、対応する波長のレーザ光を半導体レーザ素子に発振させるための、積層方向から見た場合のリッジ部の単位面積あたりの電流密度のしきい値(発振しきい値電流密度)である。図5における計算結果及び実験結果は、いずれも活性層にInGaNを用い、共振器長を2mmとした場合の結果である。また、図5に示す計算結果を得るための計算では、非特許文献1に記載の物性パラメータを用い、非特許文献2に記載のk・p摂動を用いたバンド計算を、非特許文献3に記載の古典的レーザ理論に適用して実施している。
[Study results]
FIG. 5 is a graph showing the oscillation threshold current density versus the oscillation wavelength in the semiconductor laser device according to the embodiment. Note that FIG. 5 shows calculation results (indicated by broken lines) and experimental results (indicated by circles). In the graph shown in FIG. 5, the horizontal axis is the wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser device (oscillation wavelength), and the vertical axis is the stacking direction for making the semiconductor laser device oscillate the laser light of the corresponding wavelength. This is the threshold value of current density per unit area of the ridge portion (oscillation threshold current density) when viewed from above. The calculation results and experimental results in FIG. 5 are both results when InGaN is used for the active layer and the resonator length is 2 mm. In addition, in the calculations to obtain the calculation results shown in FIG. This is carried out by applying the classical laser theory described above.

図5に示されるように、実験結果及び計算結果のいずれの場合においても、450nm程度までは、発振波長が長波長化するにつれて、単位面積あたりの発振しきい値電流密度が低下する。 As shown in FIG. 5, in both the experimental results and the calculated results, up to about 450 nm, the oscillation threshold current density per unit area decreases as the oscillation wavelength becomes longer.

例えば、上記した特許文献1に開示されている構成で、上記した波長分散素子を用いた波長合成法による400nm帯(例えば、400nm~450nm)の波長を出射するDDL方式の半導体レーザ装置を備える加工機システムを構築する場合、当該半導体レーザ装置は、例えば、400nm帯で発振するエミッタを多数有する必要がある。 For example, in the configuration disclosed in Patent Document 1 mentioned above, processing is provided with a DDL type semiconductor laser device that emits a wavelength in the 400 nm band (for example, 400 nm to 450 nm) by a wavelength synthesis method using the above-mentioned wavelength dispersion element. When constructing an optical system, the semiconductor laser device needs to have a large number of emitters that oscillate in the 400 nm band, for example.

400nm帯のレーザ光を出射する半導体レーザ素子には、例えば、活性層にInGaN系半導体が用いられる。 For example, an InGaN-based semiconductor is used for the active layer of a semiconductor laser element that emits laser light in the 400 nm band.

InGaN系半導体では、In組成を増加させることで発振波長を長波長化させることができる。一方、In組成を増加させることで、半導体のバンド構造の変化等に起因して、発振しきい値電流密度が低下する。そのため、複数の半導体レーザ素子ごとに発振しきい値電流密度が異なるために、単位面積あたりに複数の半導体レーザ素子ごとに投入すべき電流量(発振しきい値)が異なるという課題がある。 In an InGaN-based semiconductor, the oscillation wavelength can be made longer by increasing the In composition. On the other hand, by increasing the In composition, the oscillation threshold current density decreases due to changes in the band structure of the semiconductor. Therefore, since the oscillation threshold current density differs for each of the plurality of semiconductor laser elements, there is a problem that the amount of current (oscillation threshold) that should be applied to each of the plurality of semiconductor laser elements per unit area differs.

ここで、発振しきい値は、活性層に導入する電流量を上げることができれば、それに伴って上げることができる。例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部の面積を大きくすることで、活性層に導入する電流量を上げることができる。一方、例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部の面積を小さくすることで、活性層に導入する電流量を下げることができる。つまり、複数の半導体レーザ素子のそれぞれのリッジ部のサイズを適切に設定することで、複数の半導体レーザ素子のそれぞれの発振しきい値を揃えることができる。 Here, if the amount of current introduced into the active layer can be increased, the oscillation threshold can be increased accordingly. For example, by increasing the area of the ridge when viewed from the stacking direction, the amount of current introduced into the active layer can be increased. On the other hand, for example, by reducing the area of the ridge portion when viewed from the stacking direction, the amount of current introduced into the active layer can be reduced. That is, by appropriately setting the size of the ridge portion of each of the plurality of semiconductor laser elements, the oscillation thresholds of each of the plurality of semiconductor laser elements can be made the same.

図6は、実施の形態に係る半導体レーザ素子における発振波長に対するストライプ幅(例えば、リッジ部の幅)を示すグラフである。図6に示すグラフにおいて、横軸は、発振波長であり、縦軸は、対応する波長のレーザ光を半導体レーザ素子に出射させる場合に、発光効率がよい(例えば、85%以上の発光効率とすることができる)好適なストライプの幅である。また、図6は、ストライプ幅が一様に延在している場合のグラフである。また、図6は、共振器長(例えば、図3に示す半導体レーザ素子10のY軸方向の長さ)は一定としている。 FIG. 6 is a graph showing the stripe width (for example, the width of the ridge portion) versus the oscillation wavelength in the semiconductor laser device according to the embodiment. In the graph shown in FIG. 6, the horizontal axis is the oscillation wavelength, and the vertical axis is the oscillation wavelength when the laser beam of the corresponding wavelength is emitted from the semiconductor laser element. ) is the preferred stripe width. Moreover, FIG. 6 is a graph when the stripe width extends uniformly. Further, in FIG. 6, the resonator length (for example, the length in the Y-axis direction of the semiconductor laser device 10 shown in FIG. 3) is constant.

図6に示されるように、発振波長が長波長化するにつれて、好適なストライプ幅も大きくなる。 As shown in FIG. 6, as the oscillation wavelength becomes longer, the preferred stripe width also becomes larger.

そのため、例えば、共振器長が同じであれは、発振波長が長波長である程、リッジ幅を広くすることで、半導体レーザ素子に入射される光と導波路との結合効率を高くできる。 Therefore, for example, if the resonator length is the same, the longer the oscillation wavelength is, the wider the ridge width can increase the coupling efficiency between the light incident on the semiconductor laser element and the waveguide.

以上の結果から、例えば、積層方向から見た場合のリッジ部のサイズを適切にすることにより、各半導体レーザ素子の発振しきい値を揃え、且つ、結合効率がよい半導体レーザ装置が実現され得る。 From the above results, for example, by optimizing the size of the ridge when viewed from the stacking direction, it is possible to realize a semiconductor laser device in which the oscillation thresholds of each semiconductor laser element are aligned and the coupling efficiency is high. .

[製造方法]
続いて、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の概要について、図面を用いて説明する。
[Production method]
Next, an outline of a method for manufacturing a semiconductor laser device according to an embodiment will be explained using the drawings.

図7A~図7Fは、それぞれ、実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の各工程を示す断面図である。なお、図7A~図7Fにおいては、図4に対応する断面における、半導体レーザ素子10の拡大図を示している。 7A to 7F are cross-sectional views showing each step of the method for manufacturing a semiconductor laser device according to the embodiment. Note that FIGS. 7A to 7F show enlarged views of the semiconductor laser device 10 in a cross section corresponding to FIG. 4.

まず、図7Aに示されるように、基板101を準備し、基板101上に、基板101側から順に、第1導電型クラッド層102、活性層103、第2導電型クラッド層104及びコンタクト層105を形成する。本実施の形態では、有機金属気相成長法(MOCVD/Metal Oxide Chemical Vapor Deposition)により、各層の成膜を行う。 First, as shown in FIG. 7A, a substrate 101 is prepared, and a first conductivity type cladding layer 102, an active layer 103, a second conductivity type cladding layer 104, and a contact layer 105 are placed on the substrate 101 in order from the substrate 101 side. form. In this embodiment, each layer is formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD/Metal Oxide Chemical Vapor Deposition).

次に、図7Bに示されるように、コンタクト層105上に、SiO等からなるマスク110を形成する。本実施の形態では、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)により、膜厚300nm程度のマスク110を形成する。 Next, as shown in FIG. 7B, a mask 110 made of SiO 2 or the like is formed on the contact layer 105. In this embodiment, the mask 110 with a thickness of about 300 nm is formed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition).

次に、図7Cに示されるように、マスク110をパターニングする。本実施の形態では、フォトリソグラフィー及びエッチングを用いて、マスク110の一部を選択的に除去する。これにより、帯状のマスク110を形成する。 Next, as shown in FIG. 7C, the mask 110 is patterned. In this embodiment, a portion of the mask 110 is selectively removed using photolithography and etching. As a result, a band-shaped mask 110 is formed.

次に、図7Dに示されるように、帯状に形成されたマスク110を用いて、コンタクト層105及び第2導電型クラッド層104をエッチングすることで、コンタクト層105及び第2導電型クラッド層104にリッジ部10Rを形成する。コンタクト層105及び第2導電型クラッド層104のエッチングとしては、例えば、Cl等の塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)法によるドライエッチングを用いるとよい。また、マスク110をフッ酸等のウェットエッチングによって除去する。 Next, as shown in FIG. 7D, the contact layer 105 and the second conductive type cladding layer 104 are etched using the mask 110 formed in a band shape. A ridge portion 10R is formed on. For etching the contact layer 105 and the second conductivity type cladding layer 104, it is preferable to use, for example, dry etching using a reactive ion etching (RIE) method using a chlorine-based gas such as Cl 2 . Further, the mask 110 is removed by wet etching using hydrofluoric acid or the like.

次に、図7Eに示されるように、コンタクト層105及び第2導電型クラッド層104を覆うように、絶縁層106を成膜する。絶縁層106としては、プラズマCVDにより、膜厚300nmのSiOを形成する。 Next, as shown in FIG. 7E, an insulating layer 106 is formed to cover the contact layer 105 and the second conductivity type cladding layer 104. As the insulating layer 106, SiO 2 with a thickness of 300 nm is formed by plasma CVD.

次に、フォトリソグラフィーとウェットエッチングにより、リッジ部10R上の絶縁層106のみを除去して、コンタクト層105の上面を露出させる。 Next, by photolithography and wet etching, only the insulating layer 106 on the ridge portion 10R is removed to expose the upper surface of the contact layer 105.

次に、真空蒸着法及びリフトオフ法を用いて、コンタクト層105上に第2導電側電極107を形成する。 Next, a second conductive side electrode 107 is formed on the contact layer 105 using a vacuum evaporation method and a lift-off method.

次に、第2導電側電極107及び絶縁層106を覆うようにパッド電極108を形成する。具体的には、フォトリソグラフィー等によって、パッド電極108を形成しない部分にレジストをパターニングし、基板101の上方の全面に真空蒸着法などによってパッド電極108を形成し、リフトオフ法を用いて不要な部分を除去する。これにより、所定形状のパッド電極108を形成する。 Next, a pad electrode 108 is formed to cover the second conductive side electrode 107 and the insulating layer 106. Specifically, a resist is patterned by photolithography or the like in the areas where the pad electrodes 108 are not to be formed, the pad electrodes 108 are formed on the entire surface above the substrate 101 by vacuum evaporation or the like, and the unnecessary areas are removed by a lift-off method. remove. Thereby, a pad electrode 108 having a predetermined shape is formed.

以上の工程により、図7Fに示されるように、半導体レーザ素子10が形成される。 Through the above steps, the semiconductor laser device 10 is formed as shown in FIG. 7F.

[効果等]
以上説明したように、実施の形態に係る半導体レーザ装置100は、第1導電型半導体層、活性層、及び、第2導電型半導体層がこの順に積層された半導体レーザ素子を複数備える半導体レーザ装置である。半導体レーザ装置100が備える複数の半導体レーザ素子は、第1活性層103に流す電流を狭窄するための第1ストライプ構造(例えば、リッジ部10R)を有し、光400を出射する半導体レーザ素子10と、第2活性層103aに流す電流を狭窄するための第2ストライプ構造(例えば、リッジ部11R)を有し、光400よりも波長が長い光401を出射する半導体レーザ素子11と、を含む。また、半導体レーザ装置100は、半導体レーザ素子10との間で光400を共振させ、且つ、半導体レーザ素子11との間で光401を共振させる外部共振器280を備える。積層方向から見た場合に、半導体レーザ素子10における光400を出射する第1端面(出射端面240)での第1ストライプ構造の幅である第1ストライプ幅(例えば、幅L0)は、半導体レーザ素子11における光401を出射する第2端面(出射端面240)での第2ストライプ構造の幅である第2ストライプ幅(例えば、幅L1)よりも、小さい。
[Effects etc.]
As described above, the semiconductor laser device 100 according to the embodiment includes a plurality of semiconductor laser elements in which a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer are stacked in this order. It is. A plurality of semiconductor laser elements included in the semiconductor laser device 100 have a first stripe structure (for example, a ridge portion 10R) for confining the current flowing through the first active layer 103, and each semiconductor laser element 10 emits light 400. and a semiconductor laser element 11 that has a second stripe structure (for example, a ridge portion 11R) for confining the current flowing through the second active layer 103a and emits light 401 having a longer wavelength than the light 400. . The semiconductor laser device 100 also includes an external resonator 280 that causes the light 400 to resonate with the semiconductor laser element 10 and the light 401 to resonate with the semiconductor laser element 11. When viewed from the stacking direction, the first stripe width (for example, width L0), which is the width of the first stripe structure at the first end face (emission end face 240) that emits the light 400 in the semiconductor laser element 10, is the width of the first stripe structure in the semiconductor laser element 10. It is smaller than the second stripe width (for example, width L1), which is the width of the second stripe structure at the second end face (output end face 240) of the element 11 that emits the light 401.

このように、例えば、互いに異なる波長の光を出射する複数の半導体レーザ素子のうち、長波長側の光を出射する半導体レーザ素子のストライプ幅を広くし、短波長側の光を出射する半導体レーザ素子のストライプ幅を狭くする。例えば、半導体レーザ素子10、11のうち、半導体レーザ素子11のリッジ部11Rの幅L1を、半導体レーザ素子10のリッジ部10Rの幅L0よりも広くする。これにより、出射する光の波長が長い半導体レーザ素子において、発振しきい値を上げることができる。或いは、出射する光の波長が短い半導体レーザ素子において、発振しきい値を下げることができる。そのため、互いに異なる波長の光を出射する複数の半導体レーザ素子の発振しきい値を近づけることができる。また、このような構成によれば、例えば、外部共振器280から戻る光(帰還光)のスポット径が広い半導体レーザ素子11の第1端面における導波路は、半導体レーザ素子10の第2端面における導波路よりも広くなる。そのため、帰還光と導波路との結合効率を、半導体レーザ素子10、11のいずれにおいても高くできる。以上のように、半導体レーザ装置100によれば、複数の半導体レーザ素子を備える外部共振器型の半導体レーザ装置において、当該複数の半導体レーザ素子のそれぞれの発振しきい値を近づけることができる。さらに、半導体レーザ装置100によれば、帰還光と導波路との結合効率を、半導体レーザ素子10、11のいずれにおいても高くできるため、投入電力に対する光出力、つまり、発光効率を高くできる。 In this way, for example, among a plurality of semiconductor laser elements that emit light of different wavelengths, the stripe width of the semiconductor laser element that emits light on the long wavelength side is widened, and the semiconductor laser that emits light on the short wavelength side Narrow the stripe width of the element. For example, among the semiconductor laser devices 10 and 11, the width L1 of the ridge portion 11R of the semiconductor laser device 11 is made wider than the width L0 of the ridge portion 10R of the semiconductor laser device 10. As a result, the oscillation threshold value can be increased in a semiconductor laser device whose emitted light has a long wavelength. Alternatively, the oscillation threshold can be lowered in a semiconductor laser element whose emitted light has a short wavelength. Therefore, the oscillation thresholds of a plurality of semiconductor laser elements that emit light of different wavelengths can be brought close to each other. Further, according to such a configuration, for example, the waveguide at the first end facet of the semiconductor laser element 11 in which the spot diameter of the light returning from the external resonator 280 (return light) is wide is the waveguide at the second end facet of the semiconductor laser element 10. Wider than the waveguide. Therefore, the coupling efficiency between the feedback light and the waveguide can be increased in both semiconductor laser devices 10 and 11. As described above, according to the semiconductor laser device 100, in an external cavity type semiconductor laser device including a plurality of semiconductor laser elements, the oscillation thresholds of the plurality of semiconductor laser elements can be made close to each other. Further, according to the semiconductor laser device 100, the coupling efficiency between the feedback light and the waveguide can be increased in both of the semiconductor laser elements 10 and 11, so that the optical output with respect to the input power, that is, the luminous efficiency can be increased.

また、例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部10Rは、半導体レーザ素子10における光400の出射方向に幅L0で一様に延在しており、リッジ部11Rは、半導体レーザ素子11における光401の出射方向に幅L1で一様に延在している。 Further, for example, when viewed from the stacking direction, the ridge portion 10R uniformly extends with a width L0 in the emission direction of the light 400 in the semiconductor laser device 10, and the ridge portion 11R extends uniformly in the emission direction of the light 400 in the semiconductor laser device 11. It extends uniformly with a width L1 in the emission direction of the light 401.

これによれば、部分的にリッジ部10R、11Rの幅を変える場合と比較して、半導体レーザ素子10、11を製造しやすくできる。 According to this, the semiconductor laser devices 10 and 11 can be manufactured more easily than when the widths of the ridge portions 10R and 11R are partially changed.

また、例えば、半導体レーザ素子10と半導体レーザ素子11とが一体に形成された半導体レーザアレイ200を備える。 Further, for example, a semiconductor laser array 200 in which the semiconductor laser element 10 and the semiconductor laser element 11 are integrally formed is provided.

これによれば、例えば、半導体レーザ素子10と半導体レーザ素子11とが別体の場合と比較して、半導体レーザ素子10及び半導体レーザ素子11と、外部共振器280等の半導体レーザ装置100が備える光学系との位置合わせがしやすい。 According to this, for example, compared to the case where the semiconductor laser element 10 and the semiconductor laser element 11 are separate bodies, the semiconductor laser device 100 includes the semiconductor laser element 10, the semiconductor laser element 11, the external resonator 280, etc. Easy to align with optical system.

また、例えば、外部共振器280は、光400及び光401のそれぞれの一部を透過し、且つ、他部を反射するハーフミラーを備える。 Further, for example, the external resonator 280 includes a half mirror that transmits a portion of each of the light 400 and the light 401 and reflects the other portion.

これによれば、半導体レーザ素子10、11と、外部共振器280との間で、簡便な構成で外部共振が発生し得る。 According to this, external resonance can occur between the semiconductor laser elements 10 and 11 and the external resonator 280 with a simple configuration.

また、例えば、半導体レーザ装置100は、さらに、光400と光401とを合波して出射する合波器270を備える。つまり、合波器270は、光400の光軸と光401の光軸とが同じ光軸上を通過するように、光400と光401とを合波する。 Further, for example, the semiconductor laser device 100 further includes a multiplexer 270 that multiplexes the light 400 and the light 401 and outputs the multiplexed light. That is, the multiplexer 270 multiplexes the light 400 and the light 401 so that the optical axis of the light 400 and the optical axis of the light 401 pass on the same optical axis.

これによれば、合波器270によって光400と光401とを同じ箇所に照射することができる。 According to this, the light 400 and the light 401 can be irradiated to the same location by the multiplexer 270.

また、例えば、合波器270は、回折格子を有する波長分散素子を有する。 Further, for example, the multiplexer 270 includes a wavelength dispersion element having a diffraction grating.

波長分散素子を用いた合波によれば、半導体レーザ素子には、位置によって異なる波長の光が入射される。つまり、複数の半導体レーザ素子が出射する光の波長は、互いに異なることになる。上記したように、半導体レーザ装置100によれば、互いに異なる波長の光を出射する複数の半導体レーザ素子のそれぞれの発振しきい値を近づけることができ、且つ、帰還光と導波路との結合効率を、半導体レーザ素子10、11のいずれにおいても高くできるため、投入電力に対する光出力、つまり、発光効率を高くできる。そのため、本願発明は、波長分散素子による合波を用いた外部共振器型の半導体レーザ装置100に特に有用である。 According to multiplexing using a wavelength dispersion element, light of different wavelengths is incident on the semiconductor laser element depending on its position. In other words, the wavelengths of light emitted by the plurality of semiconductor laser elements are different from each other. As described above, according to the semiconductor laser device 100, the oscillation thresholds of the plurality of semiconductor laser elements that emit light of different wavelengths can be brought close to each other, and the coupling efficiency between the feedback light and the waveguide can be improved. can be made high in both the semiconductor laser elements 10 and 11, so that the optical output relative to the input power, that is, the luminous efficiency can be made high. Therefore, the present invention is particularly useful for an external cavity type semiconductor laser device 100 that uses multiplexing using a wavelength dispersion element.

また、例えば、半導体レーザ装置100は、さらに、半導体レーザ素子10及び半導体レーザ素子11と、外部共振器280との間に、光400及び光401をコリメートするコリメータレンズ(コリメータ光学系260)を備える。 For example, the semiconductor laser device 100 further includes a collimator lens (collimator optical system 260) that collimates the light 400 and the light 401 between the semiconductor laser element 10 and the semiconductor laser element 11 and the external resonator 280. .

これによれば、半導体レーザ装置100は、コリメート光を出射できる。 According to this, the semiconductor laser device 100 can emit collimated light.

また、例えば、上記した第1端面とコリメータレンズとの距離と、上記した第2端面とコリメータレンズとの距離とは、等しい。本実施の形態では、当該第1端面と当該第2端面とは、いずれも出射端面240であり、コリメータレンズとの距離がいずれも距離L10である。 Further, for example, the distance between the first end surface and the collimator lens described above is equal to the distance between the second end surface and the collimator lens described above. In this embodiment, both the first end surface and the second end surface are the output end surface 240, and the distance from the collimator lens is L10.

このように、例えば、同じコリメータレンズを用いて光400、401をコリメートし、且つ、当該コリメータレンズとの距離が同じになるように、半導体レーザ素子10、11が配置されることで、半導体レーザ素子10、11のそれぞれで配置を変更する場合と比較して、製造が容易になる。ここで、例えば、同じコリメータレンズを用いて光400、401をコリメートし、且つ、当該コリメータレンズとの距離が同じになるように、半導体レーザ素子10、11が配置することで、光400の波長と光401の波長とが異なるために、出射端面240における帰還光のスポット径は、光400と光401とで異なる。しかしながら、上記したように、半導体レーザ装置100によれば、帰還光と導波路との結合効率を、半導体レーザ素子10、11のいずれにおいても高くできる。そのため、本願発明は、同じコリメータレンズを用いて光400、401をコリメートし、且つ、当該コリメータレンズとの距離が同じになるように、半導体レーザ素子10、11が配置される半導体レーザ装置100に特に有用である。 In this way, for example, by collimating the lights 400 and 401 using the same collimator lens and arranging the semiconductor laser elements 10 and 11 so that the distance from the collimator lens is the same, the semiconductor laser Compared to the case where the arrangement of each of the elements 10 and 11 is changed, manufacturing becomes easier. Here, for example, by collimating the lights 400 and 401 using the same collimator lens and arranging the semiconductor laser elements 10 and 11 so that the distance from the collimator lens is the same, the wavelength of the light 400 can be changed. Since the wavelengths of the light 400 and the light 401 are different, the spot diameter of the return light at the output end face 240 is different between the light 400 and the light 401. However, as described above, according to the semiconductor laser device 100, the coupling efficiency between the feedback light and the waveguide can be increased in both the semiconductor laser elements 10 and 11. Therefore, the present invention provides a semiconductor laser device 100 in which the semiconductor laser elements 10 and 11 are arranged so that the lights 400 and 401 are collimated using the same collimator lens, and the distances from the collimator lens are the same. Particularly useful.

[変形例]
以下、本開示に係る半導体レーザ装置の変形例について説明する。変形例に係る半導体レーザ装置の説明においては、半導体レーザ装置100と実質的に同一の構成については同一の符号を付し、説明を一部簡略化又は省略する場合がある。なお、変形例に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ装置100と半導体レーザ素子のリッジ部の形状が異なり、他の部分については、実質的に同一である。
[Modified example]
Modifications of the semiconductor laser device according to the present disclosure will be described below. In the description of the semiconductor laser device according to the modification, components that are substantially the same as those of the semiconductor laser device 100 will be denoted by the same reference numerals, and the description may be partially simplified or omitted. Note that the semiconductor laser device according to the modification differs from the semiconductor laser device 100 in the shape of the ridge portion of the semiconductor laser element, and other parts are substantially the same.

図8は、変形例に係る半導体レーザ素子を示す上面図である。なお、図8では、断面を示すものではないが、説明のためにリッジ部にハッチングを付して示している。 FIG. 8 is a top view showing a semiconductor laser device according to a modified example. Note that although FIG. 8 does not show a cross section, the ridge portion is shown with hatching for explanation.

変形例に係る半導体レーザ装置は、第1導電型半導体層と、活性層と、第1導電型とは異なる第2導電型半導体層とがこの順に積層された半導体レーザ素子を複数備える。例えば、変形例に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子(第1半導体レーザ素子)13と、半導体レーザ素子(第2半導体レーザ素子)14と、半導体レーザ素子(第3半導体レーザ素子)15とが一体に形成された半導体レーザアレイ203を備える。なお、半導体レーザアレイ203が備える半導体レーザ素子の数は、複数であればよく、特に限定されない。 The semiconductor laser device according to the modification includes a plurality of semiconductor laser elements in which a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer different from the first conductivity type are stacked in this order. For example, the semiconductor laser device according to the modification includes a semiconductor laser element (first semiconductor laser element) 13, a semiconductor laser element (second semiconductor laser element) 14, and a semiconductor laser element (third semiconductor laser element) 15. It includes a semiconductor laser array 203 that is integrally formed. Note that the number of semiconductor laser elements included in the semiconductor laser array 203 is not particularly limited as long as it is plural.

半導体レーザアレイ203が有する複数の半導体レーザ素子13、14、15は、それぞれ、第1導電型半導体層と、活性層と、第2導電型半導体層と、リッジ部(ストライプ構造)と、を備える。具体的には、半導体レーザ素子13は、第1導電型半導体層と、第1活性層103と、第2導電型半導体層と、リッジ部(第1ストライプ構造)13Rと、を備える。また、半導体レーザ素子14は、第1導電型半導体層と、第2活性層103aと、第2導電型半導体層と、リッジ部(第2ストライプ構造)14Rと、を備える。また、半導体レーザ素子15は、第1導電型半導体層と、第3活性層103bと、第2導電型半導体層と、リッジ部(第3ストライプ構造)15Rと、を備える。 The plurality of semiconductor laser elements 13, 14, and 15 included in the semiconductor laser array 203 each include a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, a second conductivity type semiconductor layer, and a ridge portion (stripe structure). . Specifically, the semiconductor laser element 13 includes a first conductivity type semiconductor layer, a first active layer 103, a second conductivity type semiconductor layer, and a ridge portion (first stripe structure) 13R. Further, the semiconductor laser element 14 includes a first conductive type semiconductor layer, a second active layer 103a, a second conductive type semiconductor layer, and a ridge portion (second stripe structure) 14R. Further, the semiconductor laser device 15 includes a first conductivity type semiconductor layer, a third active layer 103b, a second conductivity type semiconductor layer, and a ridge portion (third stripe structure) 15R.

本変形例では、半導体レーザ素子13、14、15のそれぞれの第1導電型半導体層、活性層、第2導電型半導体層は、それぞれ一体に形成されている。 In this modification, the first conductive type semiconductor layer, the active layer, and the second conductive type semiconductor layer of the semiconductor laser elements 13, 14, and 15 are each formed integrally.

リッジ部13R、14R、15Rは、それぞれ、半導体レーザ素子13、14、15が有する活性層に流れる電流を狭窄するために半導体レーザ素子13、14、15に形成された狭窄部である。リッジ部13R、14R、15Rは、光の出射方向(本変形例では、Y軸方向)に延在している。リッジ部13R、14R、15Rの下方には、導波路が形成されており、当該導波路を導波して出射端面240から光が出射される。 The ridge portions 13R, 14R, and 15R are constriction portions formed in the semiconductor laser devices 13, 14, and 15 to constrict the current flowing in the active layers of the semiconductor laser devices 13, 14, and 15, respectively. The ridge portions 13R, 14R, and 15R extend in the light emission direction (in this modification, the Y-axis direction). Waveguides are formed below the ridge portions 13R, 14R, and 15R, and light is guided through the waveguides and is emitted from the output end face 240.

具体的には、半導体レーザ素子13は、第1活性層103に流す電流を狭窄するためのリッジ部13Rを有し、第1光(光403)を出射する。また、半導体レーザ素子14は、第2活性層103aに流す電流を狭窄するためのリッジ部14Rを有し、光403とは波長が異なる第2光(光404)を出射する。また、半導体レーザ素子15は、光403、404とは波長が異なる第3光(光405)を出射する。 Specifically, the semiconductor laser element 13 has a ridge portion 13R for confining the current flowing through the first active layer 103, and emits the first light (light 403). Further, the semiconductor laser element 14 has a ridge portion 14R for confining the current flowing through the second active layer 103a, and emits second light (light 404) having a different wavelength from the light 403. Further, the semiconductor laser element 15 emits third light (light 405) having a different wavelength from the lights 403 and 404.

ここで、積層方向から見た場合に、リッジ部13Rは、第1端面(出射端面240)から、半導体レーザ素子13における光403が出射される向きとは反対側(本実施の形態では、Y軸負方向側)に向かうにつれて幅が狭くなる。具体的には、リッジ部13Rは、積層方向から見た場合に、出射端面240から反射端面250に向かうにつれて幅が狭くなる。 Here, when viewed from the stacking direction, the ridge portion 13R is located from the first end face (emission end face 240) to the side opposite to the direction in which the light 403 is emitted from the semiconductor laser element 13 (in this embodiment, the Y The width becomes narrower toward the negative axis side). Specifically, the width of the ridge portion 13R becomes narrower from the emission end surface 240 toward the reflection end surface 250 when viewed from the stacking direction.

例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部13Rは、半導体レーザ素子13における光403を出射する出射端面240での幅である第1ストライプ幅(幅L3)は、図5に基づいて決定される。これにより、半導体レーザ素子13において、導波路と帰還光との結合効率を高めることができる。また、出射端面240以外の部分でリッジ部13Rの幅を適切に設定することで、発振しきい値を適切に設定できる。上記したように、例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部13Rの面積を小さくすることで、発振しきい値を小さくすることができる。そのため、半導体レーザ素子13における光403が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅を狭くすることで、導波路と帰還光との結合効率を高め、且つ、複数の半導体レーザ素子13、14、15のそれぞれの発振しきい値で近づけることができる。また、例えば、積層方向から見た場合に、リッジ部13Rは、Y軸負方向側に向かうにつれて幅が徐々に狭くなるテーパ状を有する。これによれば、急激に幅が狭くなる場合と比較して、導波路における光の損失を少なくできる。 For example, when viewed from the stacking direction, the first stripe width (width L3) of the ridge portion 13R, which is the width at the emission end face 240 that emits the light 403 in the semiconductor laser element 13, is determined based on FIG. Ru. Thereby, in the semiconductor laser element 13, the coupling efficiency between the waveguide and the feedback light can be increased. Further, by appropriately setting the width of the ridge portion 13R in a portion other than the emission end face 240, the oscillation threshold value can be appropriately set. As described above, for example, by reducing the area of the ridge portion 13R when viewed from the stacking direction, the oscillation threshold can be reduced. Therefore, by narrowing the width toward the side opposite to the direction in which the light 403 is emitted in the semiconductor laser element 13, the coupling efficiency between the waveguide and the feedback light is increased, and the plurality of semiconductor laser elements 13, 14 , 15 oscillation thresholds can be approximated. Further, for example, when viewed from the stacking direction, the ridge portion 13R has a tapered shape whose width gradually narrows toward the Y-axis negative direction side. According to this, the loss of light in the waveguide can be reduced compared to the case where the width suddenly becomes narrower.

なお、図8に示すように、積層方向から見た場合に、リッジ部13Rは、Y軸負方向側に向かうにつれて幅が徐々に狭くなる部分と、幅が一様な部分とを有してもよいし、Y軸負方向側に向かうにつれて幅が徐々に狭くなり続けてもよい。 Note that, as shown in FIG. 8, when viewed from the stacking direction, the ridge portion 13R has a portion whose width gradually becomes narrower toward the Y-axis negative direction and a portion whose width is uniform. Alternatively, the width may continue to gradually become narrower toward the Y-axis negative direction side.

また、リッジ部14Rは、出射端面240から、半導体レーザ素子14における光404が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなる。 Further, the width of the ridge portion 14R becomes narrower from the emission end face 240 toward the side opposite to the direction in which the light 404 in the semiconductor laser element 14 is emitted.

また、リッジ部15Rは、出射端面240から、半導体レーザ素子15における光405が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなる。 Further, the width of the ridge portion 15R becomes narrower as it goes from the emission end face 240 toward the side opposite to the direction in which the light 405 in the semiconductor laser element 15 is emitted.

例えば、図3に示す半導体レーザ素子10の発振しきい値は、225mAである。また、例えば、図3に示す半導体レーザ素子11の発振しきい値は、220mAである。図3に示す半導体レーザ素子12の発振しきい値は、218mAである。このように、リッジ部10R、11R、12Rの幅を、帰還光と導波路との結合効率を高くするように一様にすると、発振しきい値は、半導体レーザ素子10と、半導体レーザ素子11と、半導体レーザ素子12とで異なる。 For example, the oscillation threshold of the semiconductor laser device 10 shown in FIG. 3 is 225 mA. Further, for example, the oscillation threshold of the semiconductor laser device 11 shown in FIG. 3 is 220 mA. The oscillation threshold of the semiconductor laser device 12 shown in FIG. 3 is 218 mA. In this way, when the widths of the ridge portions 10R, 11R, and 12R are made uniform so as to increase the coupling efficiency between the feedback light and the waveguide, the oscillation threshold is changed between the semiconductor laser device 10 and the semiconductor laser device 11. and the semiconductor laser element 12 are different.

ここで、図8に示す半導体レーザ素子13、14、15の発振しきい値は、いずれも218mAである。 Here, the oscillation thresholds of the semiconductor laser elements 13, 14, and 15 shown in FIG. 8 are all 218 mA.

このように、図8に示すように、出射端面240から、半導体レーザ素子13、14、15における光403、404、405が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなる構造とすることで、半導体レーザ素子13、14、15のそれぞれの発振しきい値を近づけることができる。 As shown in FIG. 8, the structure is such that the width becomes narrower from the emission end face 240 toward the side opposite to the direction in which the lights 403, 404, and 405 in the semiconductor laser elements 13, 14, and 15 are emitted. This allows the oscillation thresholds of the semiconductor laser elements 13, 14, and 15 to be brought closer to each other.

また、リッジ部13R、14R、15Rの幅を出射端面240以外の位置で変更することで、帰還光と導波路との結合効率に影響を与えずに、発振しきい値を制御することができる。 Furthermore, by changing the widths of the ridges 13R, 14R, and 15R at positions other than the output end face 240, the oscillation threshold can be controlled without affecting the coupling efficiency between the feedback light and the waveguide. .

なお、リッジ部13R、14R、15Rのうち、一部(例えば、半導体レーザ素子13、14、15のうち、出射する光の波長が最も短い半導体レーザ素子13が有するリッジ部13R)のみが、半導体レーザ素子13における光40が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなり、他部(例えば、リッジ部14R、15R)が、半導体レーザ素子における光が出射される方向に幅が一様に延在していてもよい。 Note that only a part of the ridge portions 13R, 14R, and 15R (for example, the ridge portion 13R of the semiconductor laser element 13 whose emitted light wavelength is the shortest among the semiconductor laser elements 13, 14, and 15) is a semiconductor. The width of the laser element 13 becomes narrower toward the side opposite to the direction in which the light 40 is emitted, and the width of other parts (for example, the ridge parts 14R and 15R) of the semiconductor laser element becomes narrower in the direction in which the light is emitted. It may extend in any direction.

また、例えば、半導体レーザ素子13、14、15における、出射する光の波長が最も短い半導体レーザ素子13が有するリッジ部13Rが、半導体レーザ素子13における光403が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなり、出射する光の波長が最も長い半導体レーザ素子15が有するリッジ部15Rが、半導体レーザ素子15における光405が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が広くなり、リッジ部14Rが、半導体レーザ素子14における光404が出射される方向に幅が一様に延在していてもよい。 Further, for example, in the semiconductor laser elements 13, 14, and 15, the ridge portion 13R of the semiconductor laser element 13 having the shortest wavelength of emitted light is located on the opposite side of the direction in which the light 403 of the semiconductor laser element 13 is emitted. The width of the ridge portion 15R of the semiconductor laser element 15, which has the longest wavelength of emitted light, becomes narrower as it goes toward the opposite side of the direction in which the light 405 is emitted from the semiconductor laser element 15, The ridge portion 14R may have a uniform width extending in the direction in which the light 404 in the semiconductor laser element 14 is emitted.

(その他の実施の形態)
以上、本開示に係る半導体レーザ装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
(Other embodiments)
Although the semiconductor laser device according to the present disclosure has been described above based on the embodiments, the present disclosure is not limited to the above embodiments.

例えば、上記実施の形態では、ストライプ構造としてリッジ部を例示したが、ストライプ構造は、上記したリッジ部に限定されない。ストライプ構造は、活性層に流す電流を狭窄する構造であればよく、例えば、半導体レーザ素子の内部に電流を狭窄するバリア層として形成されていてもよい。 For example, in the above embodiment, the ridge portion is illustrated as the stripe structure, but the stripe structure is not limited to the above-described ridge portion. The stripe structure may be any structure as long as it constricts the current flowing through the active layer, and may be formed as a barrier layer that constricts the current inside the semiconductor laser element, for example.

また、例えば、上記実施の形態では、複数の半導体レーザ素子が一体に形成された半導体レーザアレイとして説明したが、複数の半導体レーザ素子は、別体として個々に形成されていてもよい。この場合、例えば、複数の半導体レーザ素子における光の出射端面の位置は、同じ平面上に位置しない等、互いに異なっていてもよい。 Further, for example, in the above embodiment, a semiconductor laser array is described in which a plurality of semiconductor laser elements are integrally formed, but a plurality of semiconductor laser elements may be formed individually as separate bodies. In this case, for example, the positions of the light emitting end faces of the plurality of semiconductor laser elements may be different from each other, such as not being located on the same plane.

また、例えば、半導体レーザ装置が複数の半導体レーザアレイを備える場合、複数の半導体レーザ素子を有する半導体レーザアレイにおける当該複数の半導体レーザ素子においては、ストライプ幅が同じであり、且つ、複数の半導体レーザアレイごとにストライプ幅が異なっていてもよい。 Further, for example, when a semiconductor laser device includes a plurality of semiconductor laser arrays, the plurality of semiconductor laser elements in the semiconductor laser array having a plurality of semiconductor laser elements have the same stripe width, and the plurality of semiconductor laser elements have the same stripe width. The stripe width may be different for each array.

また、例えば、上記実施の形態では、GaN系半導体レーザアレイを例に記載したが、GaAs系、InP系、又は、II-VI族半導体等の、発光領域の波長を変化させることが可能なGaN系以外の材料を用いた半導体レーザ素子が用いられてもよい。また、例えば、半導体レーザ装置が備える複数の半導体レーザ素子として、GaN系材料を用いた半導体レーザアレイと、GaAs系材料を用いた半導体レーザアレイとを、発振しきい値が近しい値となるように、ストライプ幅を各々相違させたうえで組み合わせて用いてもよい。このように、半導体レーザ装置は、材料が互いに異なり、且つ、ストライプ幅が互いに異なる複数の半導体レーザ素子を備えてもよい。 For example, in the above embodiments, a GaN-based semiconductor laser array is described as an example, but GaAs-based, InP-based, or II-VI group semiconductors, etc., which can change the wavelength of the light emitting region, may also be used. Semiconductor laser elements using materials other than the above-mentioned materials may also be used. For example, as a plurality of semiconductor laser elements included in a semiconductor laser device, a semiconductor laser array using a GaN-based material and a semiconductor laser array using a GaAs-based material may be arranged so that their oscillation threshold values are close to each other. , may be used in combination with different stripe widths. In this manner, a semiconductor laser device may include a plurality of semiconductor laser elements made of different materials and having different stripe widths.

また、例えば、上記実施の形態では、複数のレーザ光を合波するために、合波器として波長分散素子を例示したが、合波器は、波長分散素子に限定されない。合波器は、例えば、プリズムでもよい。或いは、合波器は、VBG(Volume Bragg Grating)でもよい。 Further, for example, in the above embodiment, a wavelength dispersion element is used as an example of a multiplexer in order to multiplex a plurality of laser beams, but the multiplexer is not limited to a wavelength dispersion element. The multiplexer may be a prism, for example. Alternatively, the multiplexer may be a VBG (Volume Bragg Grating).

上記実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。 There are also forms obtained by making various modifications to the above embodiments that those skilled in the art can think of, and forms realized by arbitrarily combining the components and functions of the above embodiments without departing from the spirit of the present disclosure. Included in this disclosure.

本開示の半導体レーザ装置は、レーザ加工に用いられる光源、特に、直接加工用半導体レーザ装置を用いたレーザ加工機の光源に適用できる。 The semiconductor laser device of the present disclosure can be applied to a light source used in laser processing, particularly to a light source of a laser processing machine using a semiconductor laser device for direct processing.

10、13 半導体レーザ素子(第1半導体レーザ素子)
10L、11L、12L、1020、1021、1022 導波路
10R、13R リッジ部(第1ストライプ構造)
11、14 半導体レーザ素子(第2半導体レーザ素子)
11R、14R リッジ部(第2ストライプ構造)
12、15 半導体レーザ素子(第3半導体レーザ素子)
12R、15R リッジ部(第3ストライプ構造)
100 半導体レーザ装置
101 基板
102 第1導電型クラッド層
103 活性層(第1活性層)
103a 第2活性層
103b 第3活性層
104 第2導電型クラッド層
105 コンタクト層
106 絶縁層
107 第2導電側電極
108 パッド電極
109 第1導電側電極
200、201、202、203、1000 半導体レーザアレイ
240 出射端面
250 反射端面
260、261、262、1060 コリメータ光学系(コリメータレンズ)
270 合波器(波長分散素子)
280 外部共振器(ハーフミラー)
400、401、402、403、404、405、1040、1041、1042 光
1010、1011、1012 半導体レーザ素子
L0、L1、L2、L3、L4、L5 幅
L10 距離
10, 13 Semiconductor laser device (first semiconductor laser device)
10L, 11L, 12L, 1020, 1021, 1022 Waveguide 10R, 13R Ridge part (first stripe structure)
11, 14 Semiconductor laser element (second semiconductor laser element)
11R, 14R ridge part (second stripe structure)
12, 15 Semiconductor laser element (third semiconductor laser element)
12R, 15R ridge part (third stripe structure)
100 Semiconductor laser device 101 Substrate 102 First conductivity type cladding layer 103 Active layer (first active layer)
103a Second active layer 103b Third active layer 104 Second conductivity type cladding layer 105 Contact layer 106 Insulating layer 107 Second conductive side electrode 108 Pad electrode 109 First conductive side electrode 200, 201, 202, 203, 1000 Semiconductor laser array 240 Output end face 250 Reflection end face 260, 261, 262, 1060 Collimator optical system (collimator lens)
270 Multiplexer (wavelength dispersion element)
280 External resonator (half mirror)
400, 401, 402, 403, 404, 405, 1040, 1041, 1042 Light 1010, 1011, 1012 Semiconductor laser element L0, L1, L2, L3, L4, L5 Width L10 Distance

Claims (10)

第1導電型半導体層、活性層、及び、第2導電型半導体層がこの順に積層された半導体レーザ素子を複数備える半導体レーザ装置であって、
複数の前記半導体レーザ素子は、
第1活性層に流す電流を狭窄するための第1ストライプ構造を有し、第1光を出射する第1半導体レーザ素子と、
第2活性層に流す電流を狭窄するための第2ストライプ構造を有し、前記第1光よりも波長が長い第2光を出射する第2半導体レーザ素子と、を含み、
前記半導体レーザ装置は、前記第1半導体レーザ素子との間で前記第1光を共振させ、且つ、前記第2半導体レーザ素子との間で前記第2光を共振させる外部共振器を備え、
積層方向から見た場合に、前記第1半導体レーザ素子における前記第1光を出射する第1端面での前記第1ストライプ構造の幅である第1ストライプ幅は、前記第2半導体レーザ素子における前記第2光を出射する第2端面での前記第2ストライプ構造の幅である第2ストライプ幅よりも、小さく、
前記第1端面における、前記外部共振器から戻る前記第1光のスポット径は、前記第2端面における、前記外部共振器から戻る前記第2光のスポット径よりも小さい
半導体レーザ装置。
A semiconductor laser device comprising a plurality of semiconductor laser elements in which a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer are stacked in this order,
The plurality of semiconductor laser elements are
a first semiconductor laser element having a first stripe structure for confining the current flowing through the first active layer and emitting first light;
a second semiconductor laser element having a second stripe structure for confining the current flowing through the second active layer and emitting second light having a longer wavelength than the first light;
The semiconductor laser device includes an external resonator that resonates the first light with the first semiconductor laser element and resonates the second light with the second semiconductor laser element,
When viewed from the stacking direction, the first stripe width, which is the width of the first stripe structure at the first end surface from which the first light is emitted in the first semiconductor laser element, is the width of the first stripe structure in the second semiconductor laser element. smaller than the second stripe width, which is the width of the second stripe structure at the second end surface that emits the second light;
A spot diameter of the first light returning from the external resonator on the first end face is smaller than a spot diameter of the second light returning from the external resonator on the second end face.
Semiconductor laser equipment.
積層方向から見た場合に、
前記第1ストライプ構造は、前記第1半導体レーザ素子における前記第1光の出射方向に前記第1ストライプ幅で一様に延在しており、
前記第2ストライプ構造は、前記第2半導体レーザ素子における前記第2光の出射方向に前記第2ストライプ幅で一様に延在している
請求項1に記載の半導体レーザ装置。
When viewed from the stacking direction,
The first stripe structure uniformly extends with the first stripe width in the emission direction of the first light in the first semiconductor laser element,
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the second stripe structure uniformly extends with the second stripe width in the emission direction of the second light in the second semiconductor laser element.
積層方向から見た場合に、前記第1ストライプ構造は、前記第1端面から、前記第1半導体レーザ素子における前記第1光が出射される向きとは反対側に向かうにつれて幅が狭くなる
請求項1に記載の半導体レーザ装置。
When viewed from the stacking direction, the width of the first stripe structure becomes narrower from the first end face toward a side opposite to the direction in which the first light is emitted from the first semiconductor laser element. 1. The semiconductor laser device according to 1.
前記第1半導体レーザ素子と前記第2半導体レーザ素子とが一体に形成された半導体レーザアレイを備える
請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 1, further comprising a semiconductor laser array in which the first semiconductor laser element and the second semiconductor laser element are integrally formed.
前記外部共振器は、前記第1光及び前記第2光のそれぞれの一部を透過し、且つ、他部を反射するハーフミラーを備える
請求項1~4のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the external resonator includes a half mirror that transmits a part of each of the first light and the second light and reflects the other part. Device.
さらに、前記第1光と前記第2光とを合波して出射する合波器を備える
請求項1~5のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a multiplexer that multiplexes the first light and the second light and outputs the combined result.
前記合波器は、回折格子を有する波長分散素子を有する
請求項6に記載の半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 6, wherein the multiplexer includes a wavelength dispersion element having a diffraction grating.
さらに、前記第1半導体レーザ素子及び前記第2半導体レーザ素子と、前記外部共振器との間に、前記第1光及び前記第2光をコリメートするコリメータレンズを備える
請求項1~7のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
Further, a collimator lens for collimating the first light and the second light is provided between the first semiconductor laser element, the second semiconductor laser element, and the external resonator. The semiconductor laser device according to item 1.
前記第1端面と前記コリメータレンズとの距離と、前記第2端面と前記コリメータレンズとの距離とは、等しい
請求項8に記載の半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 8, wherein a distance between the first end face and the collimator lens is equal to a distance between the second end face and the collimator lens.
第1導電型半導体層、活性層、及び、第2導電型半導体層がこの順に積層された半導体レーザアレイを複数備える半導体レーザ装置であって、
複数の前記半導体レーザアレイは、
第1活性層に流す電流を狭窄するための第1ストライプ構造を複数有し、第1光を出射する第1半導体レーザアレイと、
第2活性層に流す電流を狭窄するための第2ストライプ構造を複数有し、前記第1光よりも波長が長い第2光を出射する第2半導体レーザアレイと、を含み、
前記半導体レーザ装置は、前記第1半導体レーザアレイとの間で前記第1光を共振させ、且つ、前記第2半導体レーザアレイとの間で前記第2光を共振させる外部共振器を備え、
積層方向から見た場合に、前記第1半導体レーザアレイにおける前記第1光を出射する第1端面での前記第1ストライプ構造の幅である第1ストライプ幅は、前記第2半導体レーザアレイにおける前記第2光を出射する第2端面での前記第2ストライプ構造の幅である第2ストライプ幅よりも、小さい
半導体レーザ装置。
A semiconductor laser device comprising a plurality of semiconductor laser arrays in which a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer are stacked in this order,
The plurality of semiconductor laser arrays are
a first semiconductor laser array having a plurality of first stripe structures for confining the current flowing through the first active layer and emitting first light;
a second semiconductor laser array having a plurality of second stripe structures for confining the current flowing through the second active layer and emitting second light having a longer wavelength than the first light;
The semiconductor laser device includes an external resonator that resonates the first light with the first semiconductor laser array and resonates the second light with the second semiconductor laser array ,
When viewed from the stacking direction, the first stripe width , which is the width of the first stripe structure at the first end surface from which the first light is emitted in the first semiconductor laser array, is the width of the first stripe structure in the second semiconductor laser array . A semiconductor laser device, which is smaller than a second stripe width that is a width of the second stripe structure at a second end face that emits the second light.
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