半導体レーザモジュール
【課題】結合効率が高く位置合わせのトレランスが大きい結合を、簡単な構成で実現できる半導体レーザモジュールを提供する。
【解決手段】本発明の半導体レーザモジュール３００は、半導体レーザ素子１００と少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズ２００とを備える。半導体レーザ素子１００は、半導体基板１０と、半導体基板１０上に積層された半導体多層膜を備える。半導体多層膜は、基板側から順に積層された下側クラッド層、活性層、および上側クラッド層を含む。半導体基板１０および半導体多層膜は、平坦面１０１と、平坦面１０１から突出するように形成され且つ第１および第２の端面を含む積層構造１０２とを構成している。屈折率分布型ロッドレンズ２００は、レーザ光がロイドのミラー干渉を生じる位置に配置されている。
【解決手段】本発明の半導体レーザモジュール３００は、半導体レーザ素子１００と少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズ２００とを備える。半導体レーザ素子１００は、半導体基板１０と、半導体基板１０上に積層された半導体多層膜を備える。半導体多層膜は、基板側から順に積層された下側クラッド層、活性層、および上側クラッド層を含む。半導体基板１０および半導体多層膜は、平坦面１０１と、平坦面１０１から突出するように形成され且つ第１および第２の端面を含む積層構造１０２とを構成している。屈折率分布型ロッドレンズ２００は、レーザ光がロイドのミラー干渉を生じる位置に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光コンピューティングでは、電気信号を光信号に変換して送信する必要がある。そのためには、半導体レーザ素子と光ファイバとを結合しなければならない。従来から、半導体レーザ素子と結合する方法として、様々な方法が提案されてきた（たとえば特許文献１）。それらの例を、図１５に示す。
【０００３】
図１５（ａ）の構成では、半導体レーザ素子と光ファイバとがそのまま結合されている。図１５（ｂ）の構成では、光ファイバの先端に形成された球レンズを介して半導体レーザ素子と光ファイバとが結合される。図１５（ｃ）の構成では、球レンズおよび屈折率分布型レンズを介して半導体レーザ素子と光ファイバとが結合される。いずれの場合でも、結合部において、レンズおよび光ファイバは、それらの光軸が、半導体レーザ素子のレーザ光の出射方向（すなわち、ストライプ状の活性層の延長方向）と一致するように配置される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８７７２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、図１５（ａ）の結合方法では、結合効率が低く、位置合わせのトレランス（許容範囲）が小さいという問題があった。また、図１５（ｂ）の結合方法では、結合効率は高いが、位置合わせのトレランスが小さいという問題があった。また、図１５（ｃ）の結合方法では、部品点数が多いという問題、およびそれらの部品のそれぞれを適切な位置に配置しなければならないという問題があった。
【０００６】
このような状況において、本発明の目的の１つは、結合効率が高く位置合わせのトレランスが大きい結合を簡単な構成で実現できる半導体レーザモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために検討した結果、本件発明者らは、特殊な形状の半導体レーザ素子と特殊な結合方法とを組み合わせることによって、高い結合効率と、位置合わせのトレランスを大きくすることとを両立できることを見出した。本発明は、この新たな知見に基づく発明である。
【０００８】
すなわち、本発明の半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズとを備える半導体レーザモジュールであって、前記半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に積層された半導体多層膜を備え、前記半導体多層膜は、基板側から順に積層された下側クラッド層、活性層、および上側クラッド層を含み、前記基板および前記半導体多層膜は、平坦面と、前記平坦面から突出するように形成され且つ第１および第２の端面を含む積層構造とを構成しており、前記第１の端面は、レーザ光が出射される端面であり、前記第２の端面は、前記第１の端面に対向する端面であり、前記第１および前記第２の端面は、少なくとも、前記下側クラッド層の少なくとも一部、前記活性層、および前記上側クラッド層によって構成され、且つ、外側に凸の曲面であり、前記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、前記レーザ光がロイドのミラー干渉を生じる位置に配置されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体レーザ素子と屈折率分布型ロッドレンズとが、結合効率が高く位置合わせのトレランスが大きい結合方法によって結合されている半導体レーザモジュールが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で述べる例には限定されない。以下の説明において特定の材料や特定の数値を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の材料や他の数値を適用してもよい。
【００１１】
［半導体レーザモジュール］
本発明の半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズ（ＧＲＩＮ−ｒｏｄ ｌｅｎｓ）とを備える。
【００１２】
屈折率分布型ロッドレンズ（以下、単に「ロッドレンズ」という場合がある）は、屈折率分布を有する棒状のレンズである。この発明で用いられるロッドレンズは、光軸（中心軸）から離れるにつれて屈折率が小さくなるレンズである。ロッドレンズには、市販のものを用いることができる。ロッドレンズの屈折率分布の一例は、以下の式で表される。
ｎ（ｒ）＝ｎ0［１−（ｇｒ）2＋ｈ4（ｇｒ）4＋・・・］1/2
［式中、ｎ（ｒ）は、中心軸からの距離がｒの位置での屈折率を表す。ｎ0は、中心軸での屈折率を表す。ｇは収束定数を表す。ｈ4は、４次の屈折率分布係数を表す。］
【００１３】
半導体レーザ素子は、基板と、その基板上に積層された半導体多層膜を備える。半導体多層膜は、基板側から順に積層された下側クラッド層、活性層、および上側クラッド層を含む。基板および半導体多層膜は、平坦面と、その平坦面から突出するように形成され且つ第１および第２の端面を含む積層構造とを構成している。なお、積層構造は、半導体多層膜のみによって形成されてもよいし、基板と半導体多層膜の両方によって形成されてもよい。
【００１４】
その第１の端面はレーザ光が出射される端面であり、第２の端面は第１の端面に対向する端面である。それら第１および第２の端面は、少なくとも、下側クラッド層の少なくとも一部、活性層、および上側クラッド層によって構成される。第１および第２の端面は、外側に凸の曲面である。
【００１５】
基板には、半導体多層膜を結晶成長させることが可能な基板が用いられる。たとえば、III−Ｖ族化合物半導体からなる半導体多層膜を形成する場合には、III−Ｖ族化合物半導体からなる基板を用いることができる。
【００１６】
半導体多層膜の材料および構造は、出力するレーザ光の波長を考慮して選択される。半導体多層膜の材料の好ましい一例は、III−Ｖ族化合物半導体である。半導体多層膜は、基板側から順に積層された下側クラッド層、活性層、および上側クラッド層を含む。半導体多層膜は、それらの層に加えて、バッファ層などを含んでもよい。
【００１７】
下側クラッド層および上側クラッド層は、活性層よりも屈折率が低い材料からなり、下側クラッド層〜上側クラッド層の間に光を閉じ込める働きを有する。すなわち、下側クラッド層〜上側クラッド層までの多層膜は、共振器を構成する。下側クラッド層と活性層との間、および上側クラッド層と活性層との間に、他の層が配置されていてもよい。典型的な一例では、共振器を構成する各層の平面形状は、同じである。共振器の平面形状は、一般的な線状の共振器の平面形状とは異なり、２次元状に広がっている。上述した第１および第２の端面は、共振器の端面である。
【００１８】
本発明の効果が得られる限り、活性層に特に限定はない。たとえば、活性層は、単一量子井戸型の活性層であってもよいし、多重量子井戸型の活性層であってもよい。
【００１９】
ロッドレンズは、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光がロイドのミラー干渉を生じる位置に配置されている。この場合、ロッドレンズは、その光軸が、半導体レーザ素子のレーザ光の出射方向（レーザ光の強度が最も大きくなる方向）からずれた方向になるように配置される。なお、ロイドのミラー干渉とは、『スリットからの光のある部分はスクリーンに直接当たり、その他の部分はその表面が入射光と小さな角をなす鏡から反射するときに生じる干渉図形。１８３４年にＨ．ロイドが行った光の干渉実験で、ロイドの実験とも言い、この実験装置をロイドの鏡とも言う』（株式会社オプトロニクス社、光技術用語辞典）。
【００２０】
具体的には、活性層と平坦面との距離ｄ、上記平坦面とロッドレンズの光軸とのなす角度φ、およびレーザ光の波長λが、以下の関係を満たすように、半導体レーザ素子およびロッドレンズが配置される。
ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］−１０°≦φ≦ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］＋１０°
距離ｄ、角度φ、および波長λは、以下の関係を満たすことがより好ましい。
ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］−５°≦φ≦ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］＋５°
距離ｄは、たとえば、０．４μｍ〜２．５μｍの範囲にあり、好ましくは１．０μｍ〜２．０μｍの範囲にある。
【００２１】
本発明のモジュールでは、半導体多層膜のうち、下側クラッド層の少なくとも一部から上側クラッド層までの各層は、同じ平面形状を有することが好ましい。
【００２２】
上記積層構造は、第３および第４の端面をさらに含み、上記平面形状は、第１、第２、第３および第４の端面に第１、第２、第３および第４の頂点を有する菱形の形状を内包してもよい。
【００２３】
本発明の半導体レーザ素子は、半導体多層膜上に形成された第１の電極と、基板の裏面に形成された第２の電極とを備えてもよい。この第１および第２の電極によって、活性層に電流が注入される。以下、第１および第２の電極の３つのパターンについて、説明する。
【００２４】
第１のパターンでは、第１の電極は、第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿った線状の領域においてキャリアを注入してもよい。そのような構成を有する半導体レーザ素子では、第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿って伝播するレーザ光ＬAが励起される。上記少なくとも１つのロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ１を含む。そのロッドレンズＬ１は、第１の端面から出射されたレーザ光ＬAと結合される。
【００２５】
第２のパターンでは、第１の電極は、上記菱形の辺に沿った環状の領域においてキャリアを注入してもよい。ただし、菱形の辺を完全にカバーする必要はなく、たとえば５０％以上、７０％以上、８０％以上、または９０％以上をカバーすればよい（以下の第３のパターンでも同じである）。そのような構成を有する半導体レーザ素子では、上記菱形の経路を互いに逆方向に周回するレーザ光ＬCWとレーザ光ＬCCWとが励起される。そして、上記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ２と屈折率分布型ロッドレンズＬ３とを含んでもよい。屈折率分布型ロッドレンズＬ２は、第１の端面から出射された前記レーザ光ＬCWと結合される。また、屈折率分布型ロッドレンズＬ３は、第１の端面から出射されたレーザ光ＬCCWと結合される。
【００２６】
第３のパターンでは、第１の電極は、上記第１の頂点と上記第２の頂点とを結ぶ方向に沿った線状の領域、および、上記菱形の辺に沿った環状の領域において、キャリアを注入してもよい。そのような構成を有する半導体レーザ素子では、上記第１の頂点と上記第２の頂点とを結ぶ方向に沿って伝播するレーザ光ＬAと、上記菱形の経路を互いに逆方向に周回するレーザ光ＬCWとレーザ光ＬCCWとが励起可能である。それら３種のレーザ光のいずれが出射されるかは、半導体レーザ素子の発振モードによって制御される。そして、上記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ１と屈折率分布型ロッドレンズＬ２と屈折率分布型ロッドレンズＬ３とを含む。屈折率分布型ロッドレンズＬ１は、第１または第２の端面から出射されたレーザ光ＬAと結合される。屈折率分布型ロッドレンズＬ２は、第１または第２の端面から出射されたレーザ光ＬCWと結合される。屈折率分布型ロッドレンズＬ３は、第１または第２の端面から出射されたレーザ光ＬCCWと結合される。
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の半導体レーザモジュールについて説明する。なお、以下の説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。
【００２８】
［実施形態１］
本発明の半導体レーザモジュールの一例について、以下に説明する。本発明の半導体レーザモジュールの一例の斜視図を、図１に示す。
【００２９】
図１に示す半導体レーザモジュール３００は、半導体レーザ素子１００と、屈折率分布型のロッドレンズ２００とを備える。ロッドレンズ２００には、光ファイバ４００が結合されている。半導体レーザ素子１００から出力されたレーザ光は、ロッドレンズ２００を介して光ファイバ４００に入力される。
【００３０】
ロッドレンズ２００の側面図を図１４（ａ）に示し、断面図を図１４（ｂ）に示す。また、図１４（ｂ）には、ロッドレンズの屈折率分布の一例を示す。図１４（ｂ）に示すように、ロッドレンズ２００の屈折率は、光軸から離れるにつれて小さくなる。
【００３１】
半導体レーザ素子１００は、半導体基板１０と、第１の電極１１と、第２の電極１２とを備える。半導体レーザ素子１００は、平坦部１０１と、平坦部１０１から突出するように形成された積層部１０２とを備える。
【００３２】
図１の線Ｉ−Ｉにおける断面図を図２に示す。半導体基板１０上には、半導体多層膜２０が形成されている。半導体基板１０および半導体多層膜の材料には、たとえばIII−Ｖ族化合物半導体が用いられる。半導体多層膜２０は、半導体基板１０側から順に積層された下側クラッド層２３と、活性層２４と、上側クラッド層２５とを含む。半導体多層膜２０は、バッファ層２６およびコンタクト層２７を含み、さらに他の層を含んでもよい。半導体多層膜２０上には、絶縁膜３０および第１の電極１１が積層されている。絶縁膜３０の一部には、線状の貫通孔が形成されている。この貫通孔を介して、第１の電極１１がコンタクト層２７と接触している。第１の電極１１とコンタクト層２７とが接触している領域は、線状である。
【００３３】
図２に示す例では、積層部１０２が半導体多層膜２０および半導体基板１０によって形成されている。このような積層部１０２は、半導体基板１０上に半導体多層膜２０をエピタキシャル成長させたのち、不要な部分の半導体多層膜２０をエッチングによって除去することによって形成できる。積層部１０２の端面を平坦部１０１の表面に対してほぼ垂直にするため、半導体多層膜は、たとえば反応性イオンエッチング法によってエッチングされる。なお、積層部１０２は、半導体多層膜２０のみによって形成されてもよい。その場合、エッチングは、下側クラッド層２３の少なくとも一部よりは深く且つ半導体基板１０に到達しない深さまで行われる。
【００３４】
活性層２４の平面形状を図３に示す。活性層２４は、菱形の経路３２を含む面状に形成された薄膜である。経路３２の第１から第４の角部３２ａ〜３２ｄのうち、第１および第２の角部３２ａおよび３２ｂは、第３および第４の角部３２ｃおよび３２ｄよりも角度が小さい。活性層２４は、角部３２ａ〜３２ｄを含むように配置された第１から第４の端面（ミラー面）２４ａ〜２４ｄを有する。第１および第２の端面２４ａおよび２４ｂは、外側に向かって凸の曲面である。第３および第４の端面２４ｃおよび２４ｄは、フラットな平面である。第１の電極１１は、対角線３２ａｂに沿って線状に形成されている。
【００３５】
第１の端面２４ａの第１の角部３２ａにおける曲面は、仮想の円筒の曲面の一部と同じ曲面である。その仮想の円筒の中心軸は、対角線３２ａｂまたはその延長線上に存在し、対角線３２ａｂと直交する。その仮想の円筒の曲率半径Ｒ１は、共振器長Ｌ（対角線３２ａｂの長さ）のたとえば０．５倍〜２倍の範囲にあり、一例では１倍である。第２の端面２４ｂの第２の角部３２ｂにおける曲面も、同様の曲面である。
【００３６】
活性層２４は、第１の領域２４ｆと、第１の領域に隣接する４つの第２の領域２４ｓとを備える。第１の領域２４ｆの平面形状は、長方形の短辺を外側に凸の曲面とした形状である。経路３２は、第１の領域２４ｆに内包される。第１の領域２４ｆと第２の領域２４ｓとによって構成される活性層２４は、略Ｈ字状の形状（より詳しくはＨの字を横に引き延ばした形状）をしている。
【００３７】
第１の電極１１と半導体多層膜２０とが接触している領域（コンタクト領域１１ｃ）、積層部１０２（活性層２４と同じ平面形状を有する）、およびロッドレンズ２００の水平方向の配置を図４（ａ）に模式的に示す。また、半導体レーザ装置１００に対するロッドレンズ２００の垂直方向の配置を図４（ｂ）に模式的に示す。
【００３８】
水平方向の配置に関して、ロッドレンズ２００は、その光軸が、コンタクト領域１１ｃの延長線（対角線３２ａｂの延長線）と重なるように配置される。一方、垂直方向の配置に関して、ロッドレンズ２００は、その光軸が、対角線３２ａｂの延長線からずれた方向に配置される。具体的には、垂直方向において、ロッドレンズ２００は、ロイドのミラー反射が生じる位置に配置される。一例では、平坦部１０１の表面（活性層の表面と平行な面である）と、ロッドレンズ２００とがなす角度φは、以下の式で表される。
φ＝ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］
式中、λはレーザ光の波長である。また、ｄは、平坦部１０１の表面と活性層２４との間の距離である。
【００３９】
また、ロッドレンズ２００は、その光軸の延長線が、平坦部１０１と積層部１０２との境界の角部に位置するように配置される。図４（ｂ）の構成では、図５に示すように、活性層から出射されて直接ロッドレンズ２００に入射する光と、仮想の活性層２４ｖからロッドレンズ２００に入射する光とが干渉して強め合う。その結果、半導体レーザ素子１００とロッドレンズ２００との垂直方向における結合効率が高くなる。また、半導体レーザ素子１００は、２次元状に広がる共振器を備えるため、レーザ光が水平方向に拡がることを抑制できる。以上のことから、本発明の半導体レーザモジュール３００では、高い結合効率を実現できる。
【００４０】
第１の電極１１が、菱形状の領域で半導体多層膜２０と接触している場合について、第１の電極１１と半導体多層膜２０とが接触している領域（コンタクト領域１１ｃ）の一例の平面形状を図６に示す。なお、図６では、コンタクト領域１１ｃの部分にハッチングを付している。図６の第１の電極を用いた場合、菱形の経路３２を時計回りに周回するレーザ光ＬCWと、反時計回りに周回するレーザ光ＬCCWとを励起することが可能である。それらの一部は、第１の端面２６ａまたは第２の端面２６ｂから出射させることが可能である。図６の電極を用いる場合、２つのロッドレンズの一方をレーザ光ＬCWに結合させ、他方をレーザ光ＬCCWに結合させることが可能である。
【００４１】
また、第１の電極１１は、線状の領域および菱形状の領域で半導体多層膜２０と接触していてもよい。そのような場合のコンタクト領域１１ｃについて、一例の平面形状を図７に示す。なお、図７では、コンタクト領域１１ｃの部分にハッチングを付している。図７の構成では、対角線３２ａｂの方向に沿って出射されるレーザ光ＬAと、図６に示すレーザ光ＬCWおよびＬCCWとを励起することが可能である。図７の電極を用いる場合、３つのロッドレンズのうちロッドレンズＬ１をレーザ光ＬAに結合させ、ロッドレンズＬ２をレーザ光ＬCWに結合させ、ロッドレンズＬ３をレーザ光ＬCCWに結合させることが可能である。そのような半導体レーザモジュールの斜視図を、図８（ａ）に示す。また、レーザ光の結合状態を示す平面図を、図８（ｂ）に示す。
【００４２】
図８に示す半導体レーザモジュールの結合効率について、シミュレーションを行った。シミュレーションの条件を図９に示す。ロッドレンズＬ１の方位角と結合効率との関係についてシミュレーションした結果を、図１０（ａ）に示す。ロッドレンズＬ１の方位角は、対角線３２ａｂとロッドレンズＬ１の光軸とがなす角度を示す。さらに、ロッドレンズＬ１の仰角φと結合効率との関係についてシミュレーションした結果を、図１０（ｂ）に示す。
【００４３】
図１０（ａ）に示すように、水平方向に関して、ロッドレンズＬ１の光軸が対角線３２ａｂの方向と一致したときに、結合効率が最大となった。また、図１０（ｂ）に示すように、垂直方向に関して、ロッドレンズＬ１の光軸の仰角が約８°となったときに、結合効率が最大となった。結合効率の最大値は、７９％であった。
【００４４】
結合効率が最大となる位置および角度から光ファイバＦ１を水平方向または垂直方向にずらしたときの結合効率について、さらにシミュレーションを行った。水平方向についての結果を図１１（ａ）に示し、垂直方向についての結果を図１１（ｂ）に示す。図１１に示すように、光ファイバＦ１の位置が水平方向および垂直方向に±２５μｍずれても、結合効率はほとんど変わらなかった。
【００４５】
また、ロッドレンズＬ２の方位角と結合効率との関係についてシミュレーションした結果を、図１２（ａ）に示す。ロッドレンズＬ２の方位角は、対角線３２ａｂとロッドレンズＬ２の光軸とがなす角度を示している。さらに、ロッドレンズＬ２の仰角φと結合効率との関係についてシミュレーションした結果を、図１２（ｂ）に示す。図１２（ａ）に示すように、水平方向に関して、ロッドレンズＬ２の方位角が、菱形の軌道に対応する出射ビームの方向と一致したときに結合効率が最大となった。また、図１２（ｂ）に示すように、垂直方向に関して、ロッドレンズＬ２の光軸の仰角が約８°となったときに、結合効率が最大となった。
【００４６】
結合効率が最大となる位置および角度から光ファイバＦ２を水平方向または垂直方向にずらしたときの結合効率について、さらにシミュレーションを行った。水平方向についての結果を図１３（ａ）に示し、垂直方向についての結果を図１３（ｂ）に示す。図１３に示すように、光ファイバＦ２の位置が水平方向および垂直方向に±２５μｍずれても、結合効率はほとんど変わらなかった。なお、ロッドレンズＬ３とレーザ光ＬCCWとの結合についても、同様の結果が得られる。
【００４７】
本発明の半導体レーザ素子１００は、半導体素子製造プロセスで用いられる公知の方法で形成できる。たとえば、国際公開公報ＷＯ２００５／０８５７５９に記載の方法を用いて形成できる。また、半導体レーザ素子とロッドレンズとの位置合わせの方法に限定はなく、従来の半導体レーザモジュールで用いられてきた方法を適用できる。たとえば、光ファイバの出力光のパワーをモニタしながら、微動装置を用いてロッドレンズの位置を調整する、といった方法で位置合わせをすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、光通信や光計算機などに利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の半導体レーザモジュールの一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示した半導体レーザ素子を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示した半導体レーザ素子について、活性層の平面形状を模式的に示す図である。
【図４】図１に示した半導体レーザモジュールについて、（ａ）水平方向の配置および（ｂ）垂直方向の配置を示す図である。
【図５】本発明の半導体レーザモジュールの機能を示す図である。
【図６】本発明の半導体レーザモジュールに用いられる半導体レーザ素子について、第１の電極の他の一例の形状を示す平面図である。
【図７】本発明の半導体レーザモジュールに用いられる半導体レーザ素子について、第１の電極のその他の一例の形状を示す平面図である。
【図８】本発明の半導体レーザモジュールの他の一例を示す（ａ）斜視図、および（ｂ）各部材の配置を模式的に示す上面図である。
【図９】シミュレーションの条件を示す図である。
【図１０】シミュレーションの結果の一例を示すグラフである。
【図１１】シミュレーションの結果の他の一例を示すグラフである。
【図１２】シミュレーションの結果の他の一例を示すグラフである。
【図１３】シミュレーションの結果の他の一例を示すグラフである。
【図１４】本発明で用いられる屈折率分布型ロッドレンズの一例を示す図である。
【図１５】従来の半導体レーザモジュールを示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 半導体基板
１１ 第１の電極
１１ｃ コンタクト領域
１２ 第２の電極
２０ 半導体多層膜
２３ 下側クラッド層
２４ 活性層
２４ａ〜２４ｄ 第１〜第４の端面
２５ 上側クラッド層
３２ 仮想の菱形
３２ａ〜３２ｄ 第１〜第４の角部
１００ 半導体レーザ素子
１０１ 平坦部
１０２ 積層部
２００ ロッドレンズ
４００ 光ファイバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光コンピューティングでは、電気信号を光信号に変換して送信する必要がある。そのためには、半導体レーザ素子と光ファイバとを結合しなければならない。従来から、半導体レーザ素子と結合する方法として、様々な方法が提案されてきた（たとえば特許文献１）。それらの例を、図１５に示す。
【０００３】
図１５（ａ）の構成では、半導体レーザ素子と光ファイバとがそのまま結合されている。図１５（ｂ）の構成では、光ファイバの先端に形成された球レンズを介して半導体レーザ素子と光ファイバとが結合される。図１５（ｃ）の構成では、球レンズおよび屈折率分布型レンズを介して半導体レーザ素子と光ファイバとが結合される。いずれの場合でも、結合部において、レンズおよび光ファイバは、それらの光軸が、半導体レーザ素子のレーザ光の出射方向（すなわち、ストライプ状の活性層の延長方向）と一致するように配置される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８７７２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、図１５（ａ）の結合方法では、結合効率が低く、位置合わせのトレランス（許容範囲）が小さいという問題があった。また、図１５（ｂ）の結合方法では、結合効率は高いが、位置合わせのトレランスが小さいという問題があった。また、図１５（ｃ）の結合方法では、部品点数が多いという問題、およびそれらの部品のそれぞれを適切な位置に配置しなければならないという問題があった。
【０００６】
このような状況において、本発明の目的の１つは、結合効率が高く位置合わせのトレランスが大きい結合を簡単な構成で実現できる半導体レーザモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために検討した結果、本件発明者らは、特殊な形状の半導体レーザ素子と特殊な結合方法とを組み合わせることによって、高い結合効率と、位置合わせのトレランスを大きくすることとを両立できることを見出した。本発明は、この新たな知見に基づく発明である。
【０００８】
すなわち、本発明の半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズとを備える半導体レーザモジュールであって、前記半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に積層された半導体多層膜を備え、前記半導体多層膜は、基板側から順に積層された下側クラッド層、活性層、および上側クラッド層を含み、前記基板および前記半導体多層膜は、平坦面と、前記平坦面から突出するように形成され且つ第１および第２の端面を含む積層構造とを構成しており、前記第１の端面は、レーザ光が出射される端面であり、前記第２の端面は、前記第１の端面に対向する端面であり、前記第１および前記第２の端面は、少なくとも、前記下側クラッド層の少なくとも一部、前記活性層、および前記上側クラッド層によって構成され、且つ、外側に凸の曲面であり、前記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、前記レーザ光がロイドのミラー干渉を生じる位置に配置されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体レーザ素子と屈折率分布型ロッドレンズとが、結合効率が高く位置合わせのトレランスが大きい結合方法によって結合されている半導体レーザモジュールが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下で述べる例には限定されない。以下の説明において特定の材料や特定の数値を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の材料や他の数値を適用してもよい。
【００１１】
［半導体レーザモジュール］
本発明の半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズ（ＧＲＩＮ−ｒｏｄ ｌｅｎｓ）とを備える。
【００１２】
屈折率分布型ロッドレンズ（以下、単に「ロッドレンズ」という場合がある）は、屈折率分布を有する棒状のレンズである。この発明で用いられるロッドレンズは、光軸（中心軸）から離れるにつれて屈折率が小さくなるレンズである。ロッドレンズには、市販のものを用いることができる。ロッドレンズの屈折率分布の一例は、以下の式で表される。
ｎ（ｒ）＝ｎ0［１−（ｇｒ）2＋ｈ4（ｇｒ）4＋・・・］1/2
［式中、ｎ（ｒ）は、中心軸からの距離がｒの位置での屈折率を表す。ｎ0は、中心軸での屈折率を表す。ｇは収束定数を表す。ｈ4は、４次の屈折率分布係数を表す。］
【００１３】
半導体レーザ素子は、基板と、その基板上に積層された半導体多層膜を備える。半導体多層膜は、基板側から順に積層された下側クラッド層、活性層、および上側クラッド層を含む。基板および半導体多層膜は、平坦面と、その平坦面から突出するように形成され且つ第１および第２の端面を含む積層構造とを構成している。なお、積層構造は、半導体多層膜のみによって形成されてもよいし、基板と半導体多層膜の両方によって形成されてもよい。
【００１４】
その第１の端面はレーザ光が出射される端面であり、第２の端面は第１の端面に対向する端面である。それら第１および第２の端面は、少なくとも、下側クラッド層の少なくとも一部、活性層、および上側クラッド層によって構成される。第１および第２の端面は、外側に凸の曲面である。
【００１５】
基板には、半導体多層膜を結晶成長させることが可能な基板が用いられる。たとえば、III−Ｖ族化合物半導体からなる半導体多層膜を形成する場合には、III−Ｖ族化合物半導体からなる基板を用いることができる。
【００１６】
半導体多層膜の材料および構造は、出力するレーザ光の波長を考慮して選択される。半導体多層膜の材料の好ましい一例は、III−Ｖ族化合物半導体である。半導体多層膜は、基板側から順に積層された下側クラッド層、活性層、および上側クラッド層を含む。半導体多層膜は、それらの層に加えて、バッファ層などを含んでもよい。
【００１７】
下側クラッド層および上側クラッド層は、活性層よりも屈折率が低い材料からなり、下側クラッド層〜上側クラッド層の間に光を閉じ込める働きを有する。すなわち、下側クラッド層〜上側クラッド層までの多層膜は、共振器を構成する。下側クラッド層と活性層との間、および上側クラッド層と活性層との間に、他の層が配置されていてもよい。典型的な一例では、共振器を構成する各層の平面形状は、同じである。共振器の平面形状は、一般的な線状の共振器の平面形状とは異なり、２次元状に広がっている。上述した第１および第２の端面は、共振器の端面である。
【００１８】
本発明の効果が得られる限り、活性層に特に限定はない。たとえば、活性層は、単一量子井戸型の活性層であってもよいし、多重量子井戸型の活性層であってもよい。
【００１９】
ロッドレンズは、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光がロイドのミラー干渉を生じる位置に配置されている。この場合、ロッドレンズは、その光軸が、半導体レーザ素子のレーザ光の出射方向（レーザ光の強度が最も大きくなる方向）からずれた方向になるように配置される。なお、ロイドのミラー干渉とは、『スリットからの光のある部分はスクリーンに直接当たり、その他の部分はその表面が入射光と小さな角をなす鏡から反射するときに生じる干渉図形。１８３４年にＨ．ロイドが行った光の干渉実験で、ロイドの実験とも言い、この実験装置をロイドの鏡とも言う』（株式会社オプトロニクス社、光技術用語辞典）。
【００２０】
具体的には、活性層と平坦面との距離ｄ、上記平坦面とロッドレンズの光軸とのなす角度φ、およびレーザ光の波長λが、以下の関係を満たすように、半導体レーザ素子およびロッドレンズが配置される。
ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］−１０°≦φ≦ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］＋１０°
距離ｄ、角度φ、および波長λは、以下の関係を満たすことがより好ましい。
ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］−５°≦φ≦ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］＋５°
距離ｄは、たとえば、０．４μｍ〜２．５μｍの範囲にあり、好ましくは１．０μｍ〜２．０μｍの範囲にある。
【００２１】
本発明のモジュールでは、半導体多層膜のうち、下側クラッド層の少なくとも一部から上側クラッド層までの各層は、同じ平面形状を有することが好ましい。
【００２２】
上記積層構造は、第３および第４の端面をさらに含み、上記平面形状は、第１、第２、第３および第４の端面に第１、第２、第３および第４の頂点を有する菱形の形状を内包してもよい。
【００２３】
本発明の半導体レーザ素子は、半導体多層膜上に形成された第１の電極と、基板の裏面に形成された第２の電極とを備えてもよい。この第１および第２の電極によって、活性層に電流が注入される。以下、第１および第２の電極の３つのパターンについて、説明する。
【００２４】
第１のパターンでは、第１の電極は、第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿った線状の領域においてキャリアを注入してもよい。そのような構成を有する半導体レーザ素子では、第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿って伝播するレーザ光ＬAが励起される。上記少なくとも１つのロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ１を含む。そのロッドレンズＬ１は、第１の端面から出射されたレーザ光ＬAと結合される。
【００２５】
第２のパターンでは、第１の電極は、上記菱形の辺に沿った環状の領域においてキャリアを注入してもよい。ただし、菱形の辺を完全にカバーする必要はなく、たとえば５０％以上、７０％以上、８０％以上、または９０％以上をカバーすればよい（以下の第３のパターンでも同じである）。そのような構成を有する半導体レーザ素子では、上記菱形の経路を互いに逆方向に周回するレーザ光ＬCWとレーザ光ＬCCWとが励起される。そして、上記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ２と屈折率分布型ロッドレンズＬ３とを含んでもよい。屈折率分布型ロッドレンズＬ２は、第１の端面から出射された前記レーザ光ＬCWと結合される。また、屈折率分布型ロッドレンズＬ３は、第１の端面から出射されたレーザ光ＬCCWと結合される。
【００２６】
第３のパターンでは、第１の電極は、上記第１の頂点と上記第２の頂点とを結ぶ方向に沿った線状の領域、および、上記菱形の辺に沿った環状の領域において、キャリアを注入してもよい。そのような構成を有する半導体レーザ素子では、上記第１の頂点と上記第２の頂点とを結ぶ方向に沿って伝播するレーザ光ＬAと、上記菱形の経路を互いに逆方向に周回するレーザ光ＬCWとレーザ光ＬCCWとが励起可能である。それら３種のレーザ光のいずれが出射されるかは、半導体レーザ素子の発振モードによって制御される。そして、上記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ１と屈折率分布型ロッドレンズＬ２と屈折率分布型ロッドレンズＬ３とを含む。屈折率分布型ロッドレンズＬ１は、第１または第２の端面から出射されたレーザ光ＬAと結合される。屈折率分布型ロッドレンズＬ２は、第１または第２の端面から出射されたレーザ光ＬCWと結合される。屈折率分布型ロッドレンズＬ３は、第１または第２の端面から出射されたレーザ光ＬCCWと結合される。
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の半導体レーザモジュールについて説明する。なお、以下の説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。
【００２８】
［実施形態１］
本発明の半導体レーザモジュールの一例について、以下に説明する。本発明の半導体レーザモジュールの一例の斜視図を、図１に示す。
【００２９】
図１に示す半導体レーザモジュール３００は、半導体レーザ素子１００と、屈折率分布型のロッドレンズ２００とを備える。ロッドレンズ２００には、光ファイバ４００が結合されている。半導体レーザ素子１００から出力されたレーザ光は、ロッドレンズ２００を介して光ファイバ４００に入力される。
【００３０】
ロッドレンズ２００の側面図を図１４（ａ）に示し、断面図を図１４（ｂ）に示す。また、図１４（ｂ）には、ロッドレンズの屈折率分布の一例を示す。図１４（ｂ）に示すように、ロッドレンズ２００の屈折率は、光軸から離れるにつれて小さくなる。
【００３１】
半導体レーザ素子１００は、半導体基板１０と、第１の電極１１と、第２の電極１２とを備える。半導体レーザ素子１００は、平坦部１０１と、平坦部１０１から突出するように形成された積層部１０２とを備える。
【００３２】
図１の線Ｉ−Ｉにおける断面図を図２に示す。半導体基板１０上には、半導体多層膜２０が形成されている。半導体基板１０および半導体多層膜の材料には、たとえばIII−Ｖ族化合物半導体が用いられる。半導体多層膜２０は、半導体基板１０側から順に積層された下側クラッド層２３と、活性層２４と、上側クラッド層２５とを含む。半導体多層膜２０は、バッファ層２６およびコンタクト層２７を含み、さらに他の層を含んでもよい。半導体多層膜２０上には、絶縁膜３０および第１の電極１１が積層されている。絶縁膜３０の一部には、線状の貫通孔が形成されている。この貫通孔を介して、第１の電極１１がコンタクト層２７と接触している。第１の電極１１とコンタクト層２７とが接触している領域は、線状である。
【００３３】
図２に示す例では、積層部１０２が半導体多層膜２０および半導体基板１０によって形成されている。このような積層部１０２は、半導体基板１０上に半導体多層膜２０をエピタキシャル成長させたのち、不要な部分の半導体多層膜２０をエッチングによって除去することによって形成できる。積層部１０２の端面を平坦部１０１の表面に対してほぼ垂直にするため、半導体多層膜は、たとえば反応性イオンエッチング法によってエッチングされる。なお、積層部１０２は、半導体多層膜２０のみによって形成されてもよい。その場合、エッチングは、下側クラッド層２３の少なくとも一部よりは深く且つ半導体基板１０に到達しない深さまで行われる。
【００３４】
活性層２４の平面形状を図３に示す。活性層２４は、菱形の経路３２を含む面状に形成された薄膜である。経路３２の第１から第４の角部３２ａ〜３２ｄのうち、第１および第２の角部３２ａおよび３２ｂは、第３および第４の角部３２ｃおよび３２ｄよりも角度が小さい。活性層２４は、角部３２ａ〜３２ｄを含むように配置された第１から第４の端面（ミラー面）２４ａ〜２４ｄを有する。第１および第２の端面２４ａおよび２４ｂは、外側に向かって凸の曲面である。第３および第４の端面２４ｃおよび２４ｄは、フラットな平面である。第１の電極１１は、対角線３２ａｂに沿って線状に形成されている。
【００３５】
第１の端面２４ａの第１の角部３２ａにおける曲面は、仮想の円筒の曲面の一部と同じ曲面である。その仮想の円筒の中心軸は、対角線３２ａｂまたはその延長線上に存在し、対角線３２ａｂと直交する。その仮想の円筒の曲率半径Ｒ１は、共振器長Ｌ（対角線３２ａｂの長さ）のたとえば０．５倍〜２倍の範囲にあり、一例では１倍である。第２の端面２４ｂの第２の角部３２ｂにおける曲面も、同様の曲面である。
【００３６】
活性層２４は、第１の領域２４ｆと、第１の領域に隣接する４つの第２の領域２４ｓとを備える。第１の領域２４ｆの平面形状は、長方形の短辺を外側に凸の曲面とした形状である。経路３２は、第１の領域２４ｆに内包される。第１の領域２４ｆと第２の領域２４ｓとによって構成される活性層２４は、略Ｈ字状の形状（より詳しくはＨの字を横に引き延ばした形状）をしている。
【００３７】
第１の電極１１と半導体多層膜２０とが接触している領域（コンタクト領域１１ｃ）、積層部１０２（活性層２４と同じ平面形状を有する）、およびロッドレンズ２００の水平方向の配置を図４（ａ）に模式的に示す。また、半導体レーザ装置１００に対するロッドレンズ２００の垂直方向の配置を図４（ｂ）に模式的に示す。
【００３８】
水平方向の配置に関して、ロッドレンズ２００は、その光軸が、コンタクト領域１１ｃの延長線（対角線３２ａｂの延長線）と重なるように配置される。一方、垂直方向の配置に関して、ロッドレンズ２００は、その光軸が、対角線３２ａｂの延長線からずれた方向に配置される。具体的には、垂直方向において、ロッドレンズ２００は、ロイドのミラー反射が生じる位置に配置される。一例では、平坦部１０１の表面（活性層の表面と平行な面である）と、ロッドレンズ２００とがなす角度φは、以下の式で表される。
φ＝ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］
式中、λはレーザ光の波長である。また、ｄは、平坦部１０１の表面と活性層２４との間の距離である。
【００３９】
また、ロッドレンズ２００は、その光軸の延長線が、平坦部１０１と積層部１０２との境界の角部に位置するように配置される。図４（ｂ）の構成では、図５に示すように、活性層から出射されて直接ロッドレンズ２００に入射する光と、仮想の活性層２４ｖからロッドレンズ２００に入射する光とが干渉して強め合う。その結果、半導体レーザ素子１００とロッドレンズ２００との垂直方向における結合効率が高くなる。また、半導体レーザ素子１００は、２次元状に広がる共振器を備えるため、レーザ光が水平方向に拡がることを抑制できる。以上のことから、本発明の半導体レーザモジュール３００では、高い結合効率を実現できる。
【００４０】
第１の電極１１が、菱形状の領域で半導体多層膜２０と接触している場合について、第１の電極１１と半導体多層膜２０とが接触している領域（コンタクト領域１１ｃ）の一例の平面形状を図６に示す。なお、図６では、コンタクト領域１１ｃの部分にハッチングを付している。図６の第１の電極を用いた場合、菱形の経路３２を時計回りに周回するレーザ光ＬCWと、反時計回りに周回するレーザ光ＬCCWとを励起することが可能である。それらの一部は、第１の端面２６ａまたは第２の端面２６ｂから出射させることが可能である。図６の電極を用いる場合、２つのロッドレンズの一方をレーザ光ＬCWに結合させ、他方をレーザ光ＬCCWに結合させることが可能である。
【００４１】
また、第１の電極１１は、線状の領域および菱形状の領域で半導体多層膜２０と接触していてもよい。そのような場合のコンタクト領域１１ｃについて、一例の平面形状を図７に示す。なお、図７では、コンタクト領域１１ｃの部分にハッチングを付している。図７の構成では、対角線３２ａｂの方向に沿って出射されるレーザ光ＬAと、図６に示すレーザ光ＬCWおよびＬCCWとを励起することが可能である。図７の電極を用いる場合、３つのロッドレンズのうちロッドレンズＬ１をレーザ光ＬAに結合させ、ロッドレンズＬ２をレーザ光ＬCWに結合させ、ロッドレンズＬ３をレーザ光ＬCCWに結合させることが可能である。そのような半導体レーザモジュールの斜視図を、図８（ａ）に示す。また、レーザ光の結合状態を示す平面図を、図８（ｂ）に示す。
【００４２】
図８に示す半導体レーザモジュールの結合効率について、シミュレーションを行った。シミュレーションの条件を図９に示す。ロッドレンズＬ１の方位角と結合効率との関係についてシミュレーションした結果を、図１０（ａ）に示す。ロッドレンズＬ１の方位角は、対角線３２ａｂとロッドレンズＬ１の光軸とがなす角度を示す。さらに、ロッドレンズＬ１の仰角φと結合効率との関係についてシミュレーションした結果を、図１０（ｂ）に示す。
【００４３】
図１０（ａ）に示すように、水平方向に関して、ロッドレンズＬ１の光軸が対角線３２ａｂの方向と一致したときに、結合効率が最大となった。また、図１０（ｂ）に示すように、垂直方向に関して、ロッドレンズＬ１の光軸の仰角が約８°となったときに、結合効率が最大となった。結合効率の最大値は、７９％であった。
【００４４】
結合効率が最大となる位置および角度から光ファイバＦ１を水平方向または垂直方向にずらしたときの結合効率について、さらにシミュレーションを行った。水平方向についての結果を図１１（ａ）に示し、垂直方向についての結果を図１１（ｂ）に示す。図１１に示すように、光ファイバＦ１の位置が水平方向および垂直方向に±２５μｍずれても、結合効率はほとんど変わらなかった。
【００４５】
また、ロッドレンズＬ２の方位角と結合効率との関係についてシミュレーションした結果を、図１２（ａ）に示す。ロッドレンズＬ２の方位角は、対角線３２ａｂとロッドレンズＬ２の光軸とがなす角度を示している。さらに、ロッドレンズＬ２の仰角φと結合効率との関係についてシミュレーションした結果を、図１２（ｂ）に示す。図１２（ａ）に示すように、水平方向に関して、ロッドレンズＬ２の方位角が、菱形の軌道に対応する出射ビームの方向と一致したときに結合効率が最大となった。また、図１２（ｂ）に示すように、垂直方向に関して、ロッドレンズＬ２の光軸の仰角が約８°となったときに、結合効率が最大となった。
【００４６】
結合効率が最大となる位置および角度から光ファイバＦ２を水平方向または垂直方向にずらしたときの結合効率について、さらにシミュレーションを行った。水平方向についての結果を図１３（ａ）に示し、垂直方向についての結果を図１３（ｂ）に示す。図１３に示すように、光ファイバＦ２の位置が水平方向および垂直方向に±２５μｍずれても、結合効率はほとんど変わらなかった。なお、ロッドレンズＬ３とレーザ光ＬCCWとの結合についても、同様の結果が得られる。
【００４７】
本発明の半導体レーザ素子１００は、半導体素子製造プロセスで用いられる公知の方法で形成できる。たとえば、国際公開公報ＷＯ２００５／０８５７５９に記載の方法を用いて形成できる。また、半導体レーザ素子とロッドレンズとの位置合わせの方法に限定はなく、従来の半導体レーザモジュールで用いられてきた方法を適用できる。たとえば、光ファイバの出力光のパワーをモニタしながら、微動装置を用いてロッドレンズの位置を調整する、といった方法で位置合わせをすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、光通信や光計算機などに利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の半導体レーザモジュールの一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示した半導体レーザ素子を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示した半導体レーザ素子について、活性層の平面形状を模式的に示す図である。
【図４】図１に示した半導体レーザモジュールについて、（ａ）水平方向の配置および（ｂ）垂直方向の配置を示す図である。
【図５】本発明の半導体レーザモジュールの機能を示す図である。
【図６】本発明の半導体レーザモジュールに用いられる半導体レーザ素子について、第１の電極の他の一例の形状を示す平面図である。
【図７】本発明の半導体レーザモジュールに用いられる半導体レーザ素子について、第１の電極のその他の一例の形状を示す平面図である。
【図８】本発明の半導体レーザモジュールの他の一例を示す（ａ）斜視図、および（ｂ）各部材の配置を模式的に示す上面図である。
【図９】シミュレーションの条件を示す図である。
【図１０】シミュレーションの結果の一例を示すグラフである。
【図１１】シミュレーションの結果の他の一例を示すグラフである。
【図１２】シミュレーションの結果の他の一例を示すグラフである。
【図１３】シミュレーションの結果の他の一例を示すグラフである。
【図１４】本発明で用いられる屈折率分布型ロッドレンズの一例を示す図である。
【図１５】従来の半導体レーザモジュールを示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 半導体基板
１１ 第１の電極
１１ｃ コンタクト領域
１２ 第２の電極
２０ 半導体多層膜
２３ 下側クラッド層
２４ 活性層
２４ａ〜２４ｄ 第１〜第４の端面
２５ 上側クラッド層
３２ 仮想の菱形
３２ａ〜３２ｄ 第１〜第４の角部
１００ 半導体レーザ素子
１０１ 平坦部
１０２ 積層部
２００ ロッドレンズ
４００ 光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズとを備える半導体レーザモジュールであって、
前記半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に積層された半導体多層膜を備え、
前記半導体多層膜は、基板側から順に積層された下側クラッド層、活性層、および上側クラッド層を含み、
前記基板および前記半導体多層膜は、平坦面と、前記平坦面から突出するように形成され且つ第１および第２の端面を含む積層構造とを構成しており、
前記第１の端面は、レーザ光が出射される端面であり、
前記第２の端面は、前記第１の端面に対向する端面であり、
前記第１および前記第２の端面は、少なくとも、前記下側クラッド層の少なくとも一部、前記活性層、および前記上側クラッド層によって構成され、且つ、外側に凸の曲面であり、
前記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、前記レーザ光がロイドのミラー干渉を生じる位置に配置されている、半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記活性層と前記平坦面との距離ｄ、前記平坦面と前記ロッドレンズの光軸とのなす角度φ、および前記レーザ光の波長λが、
ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］−１０°≦φ≦ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］＋１０°
の関係を満たす請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記半導体多層膜のうち、前記下側クラッド層の前記少なくとも一部から前記上側クラッド層までの各層が同じ平面形状を有し、
前記積層構造は、第３および第４の端面をさらに含み、
前記平面形状は、前記第１、第２、第３および第４の端面に第１、第２、第３および第４の頂点を有する菱形の形状を内包する請求項１または２に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子は、前記半導体多層膜上に形成された第１の電極と、前記基板の裏面に形成された第２の電極とを備え、
前記第１の電極は、前記第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿った線状の領域においてキャリアを注入し、
前記半導体レーザ素子では、前記第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿って伝播するレーザ光ＬAが励起され、
前記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ１を含み、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ１は、前記第１の端面から出射された前記レーザ光ＬAと結合される請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子は、前記半導体多層膜上に形成された第１の電極と、前記基板の裏面に形成された第２の電極とを備え、
前記第１の電極は、前記菱形の辺に沿った環状の領域においてキャリアを注入し、
前記半導体レーザ素子では、前記菱形の経路を互いに逆方向に周回するレーザ光ＬCWとレーザ光ＬCCWとが励起され、
前記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ２と屈折率分布型ロッドレンズＬ３とを含み、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ２は、前記第１の端面から出射された前記レーザ光ＬCWと結合され、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ３は、前記第１の端面から出射された前記レーザ光ＬCCWと結合される請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項６】
前記半導体レーザ素子は、前記半導体多層膜上に形成された第１の電極と、前記基板の裏面に形成された第２の電極とを備え、
前記第１の電極は、前記第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿った線状の領域、および、前記菱形の辺に沿った環状の領域においてキャリアを注入し、
前記半導体レーザ素子では、前記第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿って伝播するレーザ光ＬAと、前記菱形の経路を互いに逆方向に周回するレーザ光ＬCWとレーザ光ＬCCWとが励起可能であり、
前記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ１と屈折率分布型ロッドレンズＬ２と屈折率分布型ロッドレンズＬ３とを含み、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ１は、前記第１の端面から出射された前記レーザ光ＬAと結合され、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ２は、前記第１または第２の端面から出射された前記レーザ光ＬCWと結合され、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ３は、前記第１または第２の端面から出射された前記レーザ光ＬCCWと結合される請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１】
半導体レーザ素子と少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズとを備える半導体レーザモジュールであって、
前記半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に積層された半導体多層膜を備え、
前記半導体多層膜は、基板側から順に積層された下側クラッド層、活性層、および上側クラッド層を含み、
前記基板および前記半導体多層膜は、平坦面と、前記平坦面から突出するように形成され且つ第１および第２の端面を含む積層構造とを構成しており、
前記第１の端面は、レーザ光が出射される端面であり、
前記第２の端面は、前記第１の端面に対向する端面であり、
前記第１および前記第２の端面は、少なくとも、前記下側クラッド層の少なくとも一部、前記活性層、および前記上側クラッド層によって構成され、且つ、外側に凸の曲面であり、
前記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、前記レーザ光がロイドのミラー干渉を生じる位置に配置されている、半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記活性層と前記平坦面との距離ｄ、前記平坦面と前記ロッドレンズの光軸とのなす角度φ、および前記レーザ光の波長λが、
ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］−１０°≦φ≦ｓｉｎ-1［λ／（４ｄ）］＋１０°
の関係を満たす請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記半導体多層膜のうち、前記下側クラッド層の前記少なくとも一部から前記上側クラッド層までの各層が同じ平面形状を有し、
前記積層構造は、第３および第４の端面をさらに含み、
前記平面形状は、前記第１、第２、第３および第４の端面に第１、第２、第３および第４の頂点を有する菱形の形状を内包する請求項１または２に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子は、前記半導体多層膜上に形成された第１の電極と、前記基板の裏面に形成された第２の電極とを備え、
前記第１の電極は、前記第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿った線状の領域においてキャリアを注入し、
前記半導体レーザ素子では、前記第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿って伝播するレーザ光ＬAが励起され、
前記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ１を含み、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ１は、前記第１の端面から出射された前記レーザ光ＬAと結合される請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子は、前記半導体多層膜上に形成された第１の電極と、前記基板の裏面に形成された第２の電極とを備え、
前記第１の電極は、前記菱形の辺に沿った環状の領域においてキャリアを注入し、
前記半導体レーザ素子では、前記菱形の経路を互いに逆方向に周回するレーザ光ＬCWとレーザ光ＬCCWとが励起され、
前記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ２と屈折率分布型ロッドレンズＬ３とを含み、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ２は、前記第１の端面から出射された前記レーザ光ＬCWと結合され、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ３は、前記第１の端面から出射された前記レーザ光ＬCCWと結合される請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項６】
前記半導体レーザ素子は、前記半導体多層膜上に形成された第１の電極と、前記基板の裏面に形成された第２の電極とを備え、
前記第１の電極は、前記第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿った線状の領域、および、前記菱形の辺に沿った環状の領域においてキャリアを注入し、
前記半導体レーザ素子では、前記第１の頂点と前記第２の頂点とを結ぶ方向に沿って伝播するレーザ光ＬAと、前記菱形の経路を互いに逆方向に周回するレーザ光ＬCWとレーザ光ＬCCWとが励起可能であり、
前記少なくとも１つの屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率分布型ロッドレンズＬ１と屈折率分布型ロッドレンズＬ２と屈折率分布型ロッドレンズＬ３とを含み、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ１は、前記第１の端面から出射された前記レーザ光ＬAと結合され、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ２は、前記第１または第２の端面から出射された前記レーザ光ＬCWと結合され、
前記屈折率分布型ロッドレンズＬ３は、前記第１または第２の端面から出射された前記レーザ光ＬCCWと結合される請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２５３１０８（Ｐ２００９−２５３１０８Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１００７９２（Ｐ２００８−１００７９２）
【出願日】平成２０年４月８日（２００８．４．８）
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【出願人】（３０７０２０５４５）公立大学法人岡山県立大学 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月８日（２００８．４．８）
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【出願人】（３０７０２０５４５）公立大学法人岡山県立大学 (8)
【Ｆターム（参考）】
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