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WO2016129618A1 - 半導体レーザ素子およびレーザ光照射装置 - Google Patents

半導体レーザ素子およびレーザ光照射装置 Download PDF

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WO2016129618A1
WO2016129618A1 PCT/JP2016/053893 JP2016053893W WO2016129618A1 WO 2016129618 A1 WO2016129618 A1 WO 2016129618A1 JP 2016053893 W JP2016053893 W JP 2016053893W WO 2016129618 A1 WO2016129618 A1 WO 2016129618A1
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WO
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region
semiconductor laser
semiconductor
laser element
light
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/053893
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English (en)
French (fr)
Inventor
大木　泰
和行 梅野
龍一郎 湊
Original Assignee
古河電気工業株式会社
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Publication date
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Priority to JP2016574824A priority patent/JP6943570B2/ja
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    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser element and a laser beam irradiation apparatus.
  • Such a semiconductor laser element is placed in a package together with an optical fiber for output and optical elements such as a lens and a mirror for coupling the output light of the semiconductor laser element to the optical fiber, and is used as a semiconductor laser device. ing.
  • Semiconductor laser devices are utilized as lasers for optical communication and industrial lasers used for processing.
  • a laser for optical communication it is necessary to propagate light through an optical fiber for a long distance (for example, several hundred kilometers), and a single mode laser is generally used to suppress degradation of signal quality.
  • an industrial laser requires a higher output than an optical communication laser and does not need to propagate a long distance, so a multimode laser specialized for high output is used.
  • multimode lasers high power is achieved by widening the laser waveguide width and allowing multiple modes within the waveguide (ie, multimode).
  • the high output means an output of, for example, 3 W to 20 W as the output of the semiconductor laser element and an output of, for example, several tens to 200 W (both at room temperature and CW drive) as the output of the semiconductor laser device.
  • Industrial lasers are required to have high electrical conversion efficiency (WPE: Wall Plug Efficiency). WPE is defined as the ratio of the final optical output of the semiconductor laser device to the input power (current ⁇ voltage).
  • the improvement in the coupling efficiency of each semiconductor laser element to an optical fiber improves the WPE of the semiconductor laser device. Greatly affects.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser element having good coupling efficiency to an optical fiber and a laser beam irradiation apparatus including the semiconductor laser element.
  • a semiconductor laser device is a semiconductor laser device including a semiconductor stacked portion having an active layer and oscillating laser light in a multimode,
  • the semiconductor stacked portion includes a first region and a second region located near the end face on the laser beam emission side from the first region, and the first region and the second region are the laser beam.
  • the second region has a smaller light confinement effect in the horizontal direction of the laser light to the stripe region than the first region.
  • the semiconductor laser device is characterized in that the second region does not have a horizontal light confinement effect of the laser light.
  • the semiconductor stacked unit includes a current non-injection region in which current is not injected along the laser beam emission direction from the end surface on the laser beam emission side.
  • the length of the non-implanted region is shorter than the length of the second region.
  • the semiconductor laser device is characterized in that the length of the second region is 100 ⁇ m or more.
  • the length of the second region is 150 ⁇ m or more and 250 ⁇ m or less.
  • the semiconductor stacked unit is configured such that no current is injected from the end surface opposite to the end surface on the laser light emitting side along the laser light emitting direction. A region is provided.
  • the semiconductor laser device is characterized in that the second region is formed so as to include the end face on the laser beam emission side.
  • the semiconductor laser device is characterized in that the second region is formed apart from the end face on the laser beam emission side.
  • the laser light irradiation apparatus includes the semiconductor laser element according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view of the semiconductor laser element shown in FIG.
  • FIG. 3 is an example of a cross-sectional view taken along the line II of the semiconductor laser element shown in FIG.
  • FIG. 4 is an example of a cross-sectional view taken along the line II-II of the semiconductor laser element shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the FFPh variation and the waveguide width.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the FFPh change amount and the length of the second region.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the power deterioration rate and the length of the second region.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view of the semiconductor laser element shown in FIG.
  • FIG. 3 is an example of a cross-sectional view taken along the line II
  • FIG. 8 is a top view of the semiconductor laser device of the first modification.
  • FIG. 9 is a top view of the semiconductor laser device according to the second modification.
  • FIG. 10 is a top view of the semiconductor laser device according to the third modification.
  • FIG. 11 is a top view of the semiconductor laser device according to the fourth modification.
  • FIG. 12 is a top view of the semiconductor laser device according to the fifth modification.
  • FIG. 13 is a top view of a semiconductor laser device according to Modification 6.
  • FIG. 14 is a top view of an example of a known semiconductor laser element.
  • FIG. 15 is a top view of an example of a known semiconductor laser element.
  • FIG. 16 is a top view of the semiconductor laser element of Structural Example 1.
  • FIG. 14 is a top view of an example of a known semiconductor laser element.
  • FIG. 17 is an example of a cross-sectional view taken along the line II of the semiconductor laser element of Structural Example 1.
  • FIG. 18 is a top view of the semiconductor laser element of Structural Example 2.
  • FIG. 19 is an example of a cross-sectional view taken along the line II of the semiconductor laser element of Structural Example 2.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of the semiconductor laser element of Structural Example 2 taken along the line II-II.
  • FIG. 21 is a top view of the semiconductor laser element of Structural Example 3.
  • FIG. 22 is an example of a cross-sectional view taken along the line II of the semiconductor laser element of Structural Example 3.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of the semiconductor laser element of Structural Example 3 taken along the line II-II.
  • FIG. 24 is a diagram showing a horizontal light intensity distribution of NFP obtained from a semiconductor laser device according to the prior art.
  • FIG. 25 is a diagram showing a horizontal light intensity distribution of NFP obtained from the semiconductor laser element having the structure according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 is a schematic configuration diagram of a laser beam irradiation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor laser device according to the present embodiment is an edge-emitting semiconductor laser device that oscillates laser light in a multimode, and has a ridge structure with trench grooves. A narrowing structure is realized.
  • the multimode oscillation means having a wide waveguide that allows a plurality of waveguide modes.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor stacking direction is the y-axis
  • the laser light emission direction is the z-axis
  • the horizontal direction orthogonal to the y-axis and the z-axis is the x-axis.
  • this semiconductor laser device 1 includes a semiconductor laminated portion 2 having an active layer and a low reflection having a reflectance of, for example, 10% or less formed on an end surface E1 of the semiconductor laminated portion 2 on the laser beam emission side.
  • the reflectance film 3 and the high reflectance film 4 having a reflectance of, for example, 90% or more formed on the end face E2 on the rear end face side facing the end face E1.
  • the semiconductor laser element 1 guides the laser light L in the stripe region S and emits the laser light L through the low reflectivity film 3.
  • FIG. 2 is a top view of the semiconductor laser device shown in FIG.
  • the semiconductor laser device 1 includes an upper electrode 5 formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 2.
  • the upper electrode 5 is insulated by a passivation film, which will be described later, in a region outside the opening A, and is in contact with the semiconductor stacked portion 2 inside the opening A.
  • the semiconductor stacked unit 2 includes a second region 2ab located near the end surface E1, a third region 2ac located near the end surface E2, and a first region 2aa located between the second region 2ab and the third region 2ac.
  • a trench groove Tr1 extending in the laser beam emission direction (z direction) is formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 2 in the first region 2aa, and a stripe region S is formed between the trench grooves Tr1.
  • the trench groove Tr1 forms an optical waveguide structure in the horizontal direction (x direction) as will be described later.
  • the trench groove Tr1 is not formed in the second region 2ab and the third region 2ac, and the upper surface of the semiconductor stacked portion 2 has a constant height.
  • the second region 2ab and the third region 2ac have no horizontal light confinement effect of the laser light in the stripe region S, and the horizontal light confinement effect of the laser light in the stripe region S rather than the first region 2aa. Is getting smaller.
  • the element length Ld of the semiconductor laser element 1 is, for example, about 1 mm to 6 mm, more preferably about 3 mm to 5 mm.
  • the length L2ab in the z direction of the second region 2ab is, for example, 200 ⁇ m.
  • the length L2ac in the z direction of the third region 2ac is, for example, 150 ⁇ m.
  • FIG. 3 is an example of a cross-sectional view taken along line II of the semiconductor laser element shown in FIG.
  • the semiconductor laser device 1 includes an upper electrode 5, a lower electrode 6 formed on the lower surface, a substrate 7 made of n-type GaAs, and a semiconductor stacked portion 2 formed on the substrate 7. And a passivation film 15.
  • the semiconductor laminated portion 2 includes an n-type buffer layer 8, an n-type cladding layer 9, an n-type guide layer 10, an active layer 11, a p-type guide layer 12, a p-type cladding layer 13, p formed sequentially on the substrate 7.
  • a mold contact layer 14 is provided.
  • the n-type buffer layer 8 is made of GaAs and is a buffer layer for growing a laminated structure of high-quality epitaxial layers on the substrate 7.
  • the n-type cladding layer 9 and the n-type guide layer 10 are made of AlGaAs whose refractive index and thickness are set so as to realize a desired optical confinement state in the stacking direction.
  • the Al composition of the n-type guide layer 10 is, for example, 20% or more and less than 40%.
  • the n-type cladding layer 9 has a refractive index smaller than that of the n-type guide layer 10.
  • the thickness of the n-type guide layer 10 is preferably 50 nm or more, for example, about 1000 nm.
  • the thickness of the n-type cladding layer 9 is preferably about 1 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • These n-type semiconductor layers contain, for example, silicon (Si) as an n-type dopant.
  • the active layer 11 includes a lower barrier layer, a quantum well layer, and an upper barrier layer, and has a single quantum well (SQW) structure.
  • the lower barrier layer and the upper barrier layer are made of high-purity AlGaAs that has a barrier function of confining carriers in the quantum well layer and is not intentionally doped.
  • the quantum well layer is made of high-purity InGaAs that is not intentionally doped.
  • the In composition and film thickness of the quantum well layer and the composition of the lower barrier layer and the upper barrier layer are set according to the desired emission center wavelength (for example, 900 nm to 1080 nm).
  • the structure of the active layer 11 may be a multiple quantum well (MQW) structure in which a desired number of stacked layers of quantum well layers and barrier layers formed above and below them are repeated, or a single quantum well structure.
  • MQW multiple quantum well
  • the structure of the high-purity layer that is not intentionally doped has been described.
  • a donor or an acceptor may be intentionally added to the quantum well layer, the lower barrier layer, and the upper barrier layer.
  • the p-type guide layer 12 and the p-type cladding layer 13 are paired with the n-type cladding layer 9 and the n-type guide layer 10 described above, and have a refractive index and a thickness so as to realize a desired optical confinement state in the stacking direction. Is made of AlGaAs.
  • the Al composition of the p-type guide layer 12 is 20% or more and less than 40%, for example.
  • the p-type cladding layer 13 has a refractive index smaller than that of the p-type guide layer 12.
  • the Al composition of the p-type cladding layer 13 is set slightly larger than that of the n-type cladding layer 9.
  • the Al composition of the p-type guide layer 12 is set smaller than the Al composition of the p-type cladding layer 13.
  • the thickness of the p-type guide layer 12 is preferably 50 nm or more, for example, about 1000 nm.
  • the thickness of the p-type cladding layer 13 is preferably about 1 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • these p-type semiconductor layers contain carbon (C) as a p-type dopant.
  • the C concentration of the p-type guide layer 12 is set to 0.1 to 1.0 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , for example, and is preferably about 0.5 to 1.0 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the C concentration of the p-type cladding layer 13 is set to 1.0 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more, for example.
  • the p-type contact layer 14 is made of GaAs doped with Zn or C at a high concentration.
  • the passivation film 15 is an insulating film made of, for example, SiN x and has an opening A.
  • a ridge structure for confining light in the x direction is formed in a region immediately below the opening A of the semiconductor stacked portion 2 by forming a trench groove Tr1. Further, in this semiconductor laser element 1, the current confinement structure is realized by limiting the contact area between the upper electrode 5 and the semiconductor laminated portion 2 by the passivation film 15.
  • the waveguide width Ws is, for example, not less than 80 ⁇ m and not more than 500 ⁇ m.
  • the waveguide width Ws is the width of the bottom of the ridge structure, and here coincides with the interval between the two trench grooves Tr1.
  • the waveguide width Ws is approximately the same as the core diameter of the optical fiber.
  • a trench width Wt corresponding to the width of the trench Tr1 is, for example, 5 to several tens of ⁇ m.
  • the depth D of the trench groove is a depth from the uppermost surface of the semiconductor stacked portion 2 to the bottom of the trench groove Tr1.
  • a ridge remaining thickness T which is a thickness from the upper surface of the active layer 11 to the bottom of the trench groove Tr1 is, for example, 500 to 1500 nm. In order to achieve sufficient light confinement in the horizontal direction and good electro-optical characteristics, the remaining thickness T is preferably, for example, 600 to 1100 nm.
  • FIG. 4 is an example of a sectional view taken along line II-II of the semiconductor laser element shown in FIG. As shown in FIG. 4, no trench groove is formed in the semiconductor stacked portion 2 in the second region 2ab.
  • the semiconductor stacked portion 2 of the semiconductor laser element 1 has a current non-injection region 2b into which no current is injected.
  • current injection is inhibited by an insulating film such as SiN x and SiO 2 .
  • the current non-injection region 2b includes a first current non-injection region 2ba formed on the end surface E1 side and a second current non-injection region 2bb formed on the end surface E2 side along the z direction.
  • heat may be generated at the end face due to absorption of the laser light.
  • the semiconductor stacked portion 2 of the semiconductor laser element 1 is provided with a current non-injection region 2b in which no current is injected in the vicinity of both end faces.
  • the length L2ba of the first current non-injection region 2ba and the length L2bb of the second current non-injection region 2bb are each 100 ⁇ m, for example, but the length L2ba of the first current non-injection region 2ba and the second current non-injection region
  • the length L2bb of 2bb may be a different value, and the current non-injection region may be formed only in the first current non-injection region 2ba.
  • a voltage is applied between the lower electrode 6 and the upper electrode 5 to inject carriers into the active layer 11 from the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer.
  • hole carriers injected from the upper electrode 5 through the p-type semiconductor layer are efficiently injected into the active layer 11 in a state where the current path is narrowed by the passivation film 15 and the current density is increased.
  • the width into which current is injected is the current injection width.
  • the active layer 11 into which the current has been injected emits light having a predetermined emission center wavelength.
  • the emitted light is confined in the vicinity of the active layer 11 and guided in the z-axis direction by the ridge structure in the x-axis direction and the refractive index difference between the guide layer and the cladding layer in the y-axis direction.
  • the laser oscillation is caused by the optical amplifying action and the optical resonator formed by the low reflectance film 3 and the high reflectance film 4.
  • the semiconductor laser element 1 emits a laser beam L as shown in FIG.
  • the angle of FFPh horizontal far field image: Far Field Pattern
  • NFP horizontal near field image
  • the angle of FFPh is small
  • the laser light L is coupled to the clad of the optical fiber
  • the coupling efficiency is lowered, and the light leaked from the clad becomes heat and may damage the coating of the optical fiber.
  • the width of NFP is wide.
  • the FFPh angle is the total angle at which the light intensity is 1 / e 2 with respect to the peak light intensity of the laser light L output from the semiconductor laser element 1
  • the NFP width is the The full width is such that the light intensity is 1 / e 2 with respect to the peak light intensity of the laser light L output from the laser element 1.
  • the horizontal direction refers to the x-axis direction in FIG.
  • the waveguide width Ws may be narrowed. This is because if the waveguide width Ws is reduced, the horizontal width of the oscillated laser light L is reduced. However, even if the waveguide width Ws is simply narrowed, the coupling efficiency of the semiconductor laser element 1 to the optical fiber is not improved.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the FFPh variation and the waveguide width.
  • the angle of FFPh increases. That is, if the waveguide width Ws is reduced, the NFP width is reduced, but the FFPh angle is increased, and the coupling efficiency of the semiconductor laser element 1 to the optical fiber cannot be sufficiently improved.
  • the reason why the angle of FFPh increases when the waveguide width Ws is narrowed is estimated as follows. First, when the waveguide width Ws is narrow, the contact area between the upper electrode 5 and the semiconductor laminated portion 2 becomes narrow, and the resistance increases. When the resistance increases, heat generation increases even when the same current is injected. When the heat generation increases and the temperature rises, the difference in refractive index between the region where the oscillated laser light L is guided and the other region increases. Due to the increase in the refractive index difference, higher-order horizontal transverse modes are confined in the region where the laser light L is guided.
  • the width of NFP and the angle of FFPh are in a trade-off relationship in which when one is reduced, the other is increased.
  • a known semiconductor laser device 101 includes a semiconductor laminated portion 102 having an active layer, a low reflectivity film 103, a high reflectivity film 104, and an upper electrode 105 that injects current into the active layer. Is provided.
  • the semiconductor stacked portion 102 has a trench groove Tr101 formed continuously in the z direction including both end faces, thereby strengthening light confinement in the horizontal direction.
  • the 15 includes a semiconductor laminated portion 112 having an active layer, a low reflectivity film 113, a high reflectivity film 114, and an upper electrode 115 for injecting current into the active layer. Is provided.
  • the semiconductor stacked portion 112 has a trench groove Tr111 formed continuously in the z direction including both end faces, thereby strengthening light confinement in the horizontal direction. Further, the semiconductor stacked portion 112 includes a current non-injection region 112b that is not injected with a current composed of the first current non-injection region 112ba and the second current non-injection region 112bb, and the generation of COD is suppressed.
  • the semiconductor stacked unit 102 and the semiconductor stacked unit 112 include a trench groove Tr101 and a trench groove Tr111 that are continuously formed in the z direction including both end faces.
  • the high-order horizontal transverse mode light excited by the semiconductor laser element 101 and the semiconductor laser element 111 remains confined by the ridge structure formed by the trench groove Tr101 and the trench groove Tr111, and the low reflectance film 103 The laser light is output through the low reflectivity film 113.
  • the semiconductor laser device 1 in the semiconductor laser device 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 2, no trench groove is formed in the second region 2ab on the end face E1 side. In the second region 2ab, since there is no trench and no ridge structure, confinement of a high-order horizontal transverse mode is weakened. Then, in the semiconductor laser element 1, among the light included in the laser beam L to be output, light in a high-order horizontal transverse mode with a large FFPh angle is reduced. As a result, the laser beam L output from the semiconductor laser element 1 has a smaller FFPh angle. At this time, unlike the case where the waveguide width Ws is changed, the width of the NFP hardly changes. As a result, the coupling efficiency of the semiconductor laser element 1 to the optical fiber is improved.
  • the semiconductor laser device 1 is configured to reduce the angle of FFPh and not increase the width of NFP. ing.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the FFPh change amount and the length of the second region.
  • the semiconductor laser element 1 is a semiconductor laser element having a small FFPh angle and good coupling efficiency to an optical fiber.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the power deterioration rate and the length of the second region.
  • the output light intensity of the semiconductor laser element 1 is deteriorated. This is because the semiconductor laser device 1 has no trench groove in the second region 2ab and does not have a ridge structure, so that the light confinement in the horizontal direction is weak in this region. That is, if the length L2ab of the second region 2ab is too large, the output light intensity of the semiconductor laser device 1 is deteriorated, which is not preferable. From FIG. 7, when the length L2ab of the second region 2ab is 250 ⁇ m or less, the deterioration rate of the output light intensity can be suppressed to within 1%.
  • the length L2ab of the second region 2ab is preferably 100 ⁇ m or more and 250 ⁇ m or less.
  • the semiconductor laser element 1 is a multimode laser, the length L2ab can be set within an industrially realizable range.
  • the length L2ba of the first current non-injection region 2ba is fixed to 100 ⁇ m, but the length L2ba of the first current non-injection region 2ba is the length of the second region 2ab. It is preferable to set an optimum value according to L2ab. In particular, when the length L2ba of the first current non-injection region 2ba is longer than the length L2ab of the second region 2ab, there is a region where current is not injected, there is no trench groove, and light confinement in the horizontal direction is weaker. It becomes longer, and the output light intensity of the semiconductor laser element 1 is significantly deteriorated.
  • the length L2ba of the first current non-injection region 2ba is preferably shorter than the length L2ab of the second region 2ab.
  • the length L2ba is preferably 10 ⁇ m to 100 ⁇ m shorter than the length L2ab, for example, depending on the length L2ab. (In this case, compared with the case where the length L2ba is longer than or substantially equal to the length L2ab, the output light intensity is increased by several percent.)
  • the length L2bb of the second current non-injection region 2bb is equal to the third length L2bb.
  • the length is preferably shorter than the length L2ac of the region 2ac.
  • the length L2bb is preferably 10 ⁇ m to 100 ⁇ m shorter than the length L2ac, for example, depending on the length L2ac.
  • FIG. 24 is a horizontal direction light intensity distribution of NFP obtained from a semiconductor laser device according to the prior art.
  • FIG. 24 shows a TE mode component, a TM mode component, and a combination of these components included in NFP.
  • the waveguide width Ws is 100 ⁇ m.
  • a peak with high light intensity is seen in the region corresponding to the edge of the waveguide.
  • Such local concentration of light intensity causes COD and is not preferable in terms of reliability.
  • there is a polarization synthesis technique as a technique for combining the laser light output from the semiconductor laser element into one optical system. When this technique is used, the laser light contains a lot of TM mode components. It is not preferable.
  • FIG. 25 is a horizontal light intensity distribution of NFP obtained from the semiconductor laser device having the structure of the embodiment of the present invention shown in FIG. FIG. 24 shows a TE mode component, a TM mode component, and a combination of these components included in NFP.
  • the waveguide width Ws is 100 ⁇ m.
  • a peak having a large light intensity is not observed in the region corresponding to the edge of the waveguide, as seen in FIG. 24, and the light intensity is more uniform with respect to the position. Therefore, COD due to local concentration of light intensity is suppressed, which is preferable in terms of reliability.
  • the TM mode component included in the NFP is small, which is preferable in using the polarization combining technique.
  • no trench groove is formed not only in the second region 2ab but also in the third region 2ac.
  • a trench groove may be formed in the third region 2ac.
  • no trench groove is formed in the third region 2ac from the viewpoint of continuity of the cleavage plane when the substrate 7 is cleaved during the manufacturing process.
  • the deeper the trench groove depth D (see FIG. 3) is, the smaller the remaining ridge thickness T is, the greater the difference in refractive index between the region where the laser light L is guided and the other region, and the higher horizontal level.
  • the transverse mode is confined. Therefore, in such a case, the effect of reducing the FFPh of the present invention is remarkably exhibited.
  • the semiconductor laser device 1 is a semiconductor laser device with good coupling efficiency to an optical fiber.
  • the semiconductor laser device 1 includes a photolithography process and etching on a semiconductor stacked portion 2 grown using a known metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or the like. This is manufactured by selectively forming the trench groove Tr1 in the first region 2aa of the semiconductor stacked portion 2 using a process.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • FIG. 8 is a top view of the semiconductor laser device of the first modification.
  • the semiconductor laser device 21 of Modification 1 includes a semiconductor laminated portion 22 having an active layer, a low reflectance film 23 formed on an end surface E21 of the semiconductor laminated portion 22 on the laser light emission side, A high reflectivity film 24 formed on the end face E22 on the rear end face side facing the end face E21.
  • the semiconductor laser element 21 includes an upper electrode 25 formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 22.
  • the upper electrode 25 is in contact with the semiconductor stacked portion 22 inside the opening A.
  • the semiconductor stacked portion 22 includes a second region 22ab located near the end surface E21, a third region 22ac located near the end surface E22, and a first region 22aa located between the second region 22ab and the third region 22ac.
  • a trench groove Tr2 extending in the z direction is formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 22 in the first region 22aa, and a stripe region (see FIG. 1) is formed between the trench grooves Tr2.
  • the trench groove Tr2 is not formed in the second region 22ab and the third region 22ac, and the upper surface of the semiconductor stacked portion 22 has a constant height.
  • the second region 22ab and the third region 22ac do not have the horizontal light confinement effect of the laser light in the stripe region, and the horizontal light confinement effect of the laser light in the stripe region is smaller than the first region 22aa. It has become.
  • channel is not formed in 2nd area
  • the semiconductor laser element 21 since there is no trench groove and no ridge structure, confinement of higher-order horizontal transverse modes in the stripe region is weakened. Then, in the semiconductor laser element 21, the light in the high-order horizontal transverse mode having a large FFPh angle is reduced among the light included in the output laser light. As a result, the laser beam output from the semiconductor laser element 21 has a smaller FFPh angle. Therefore, the semiconductor laser element 21 of the first modification is a semiconductor laser element with good coupling efficiency to the optical fiber.
  • FIG. 9 is a top view of the semiconductor laser device according to the second modification.
  • the semiconductor laser device 31 of Modification 2 includes a semiconductor laminated portion 32 having an active layer, a low reflectance film 33 formed on the end surface E31 on the laser light emitting side of the semiconductor laminated portion 32, A high reflectivity film formed on the end face E32 on the rear end face side facing the end face on the laser beam emitting side.
  • the semiconductor laser element 31 includes an upper electrode 35 formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 32.
  • the upper electrode 35 is in contact with the semiconductor stacked portion 32 inside the opening A.
  • the semiconductor stacked unit 32 includes a second region 32ab located near the end surface E31, a third region 32ac located near the end surface E32, and a first region 32aa located between the second region 32ab and the third region 32ac.
  • a trench groove Tr31 extending in the z direction is formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 32 in the first region 32aa.
  • a trench groove Tr32 and a trench groove Tr33 extending in the z direction are formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 32 in the second region 32ab and the third region 32ac.
  • a stripe region is formed between the trench groove Tr31, the trench groove Tr32, and the trench groove Tr33.
  • the trench groove Tr32 and the trench groove Tr33 are shallower than the trench groove Tr31 from the uppermost surface of the semiconductor stacked portion 32 to the bottom of the trench groove. Therefore, the second region 32ab and the third region 32ac have a smaller light confinement effect in the horizontal direction of the laser light to the stripe region than the first region 32aa.
  • the depth of the trench Tr31 is 1000 nm, for example.
  • the depth of the trench groove Tr32 and the trench groove Tr33 is, for example, 200 nm.
  • the semiconductor stacked portion 32 of the semiconductor laser element 31 has a trench groove Tr32 having a shallow trench groove in the second region 32ab on the end face E31 side.
  • the semiconductor laser element 31 since the trench groove is shallow, high-order horizontal transverse mode confinement in the stripe region is weakened. Then, in the semiconductor laser element 31, the light in the high-order horizontal transverse mode having a large FFPh angle is reduced among the light included in the output laser light. As a result, the laser light output from the semiconductor laser element 31 has a smaller FFPh angle. Therefore, the semiconductor laser element 31 of Modification 2 is a semiconductor laser element with good coupling efficiency to an optical fiber.
  • a trench groove may be formed in the second region.
  • the effect of the present invention is exhibited if the trench groove in the second region is shallower than the trench groove in the first region and the light confinement in the horizontal direction in the second region is weak. Further, the trench groove Tr32 may have a different depth from the trench groove Tr33.
  • a current non-injection region may be provided.
  • FIG. 10 is a top view of the semiconductor laser device according to the third modification.
  • the semiconductor laser device 41 of Modification 3 includes a semiconductor laminated portion 42 having an active layer, a low reflectance film 43 formed on an end surface E41 of the semiconductor laminated portion 42 on the laser light emission side, A high reflectivity film 44 formed on the end surface E42 on the rear end surface side facing the end surface E41.
  • the semiconductor laser element 41 includes an upper electrode 45 formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 42.
  • the upper electrode 45 is in contact with the semiconductor stacked portion 42 inside the opening A.
  • the semiconductor stacked portion 42 includes a current non-injection region 42b in which no current is injected.
  • the current non-injection region 42b includes a first current non-injection region 42ba formed on the end surface E41 side and a second current non-injection region 42bb formed on the end surface E42 side along the z direction.
  • the semiconductor laser element 41 is a semiconductor laser element in which generation of COD is prevented by the current non-injection region 42b.
  • the semiconductor stacked portion 42 includes a second region 42ab located near the end surface E41, a third region 42ac located near the end surface E42, and a first region 42aa located between the second region 42ab and the third region 42ac.
  • a trench groove Tr41 extending in the z direction is formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 42 in the first region 42aa.
  • the trench groove Tr41, the trench groove Tr42, and the trench groove Tr43 in which the trench groove Tr42 and the trench groove Tr43 extending in the z direction are formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 42 in the second region 42ab and the third region 42ac.
  • a stripe region is formed between them.
  • the trench groove Tr42 and the trench groove Tr43 are shallower than the trench groove Tr41 from the uppermost surface of the semiconductor stacked portion 42 to the bottom of the trench groove. Therefore, the second region 42ab and the third region 42ac have a smaller light confinement effect in the horizontal direction of the laser light in the stripe region than the first region 42aa.
  • the depth of trench groove Tr41 is, for example, 1000 nm.
  • the depth of the trench groove Tr42 and the trench groove Tr43 is, for example, 200 nm.
  • the length L42ba of the first current non-injection region 42ba is preferably shorter than the length L42ab in the z direction of the second region 42ab.
  • the length L42bb of the second current non-injection region 42bb is preferably shorter than the length L42ac in the z direction of the third region 42ac.
  • the semiconductor stacked portion 42 of the semiconductor laser element 41 has a trench groove Tr42 having a shallow trench groove in the second region 42ab on the end face E41 side.
  • the trench groove is shallow, high-order horizontal transverse mode confinement in the stripe region is weakened.
  • the semiconductor laser element 41 the light in the high-order horizontal transverse mode having a large FFPh angle is reduced among the light included in the output laser light.
  • the laser beam output from the semiconductor laser element 41 has a smaller FFPh angle. Therefore, the semiconductor laser element 41 of the modification 3 is a semiconductor laser element with good coupling efficiency to the optical fiber.
  • FIG. 11 is a top view of the semiconductor laser device according to the fourth modification.
  • the semiconductor laser device 51 of Modification 4 includes a semiconductor laminated portion 52 having an active layer, a low reflectance film 53 formed on an end surface E51 of the semiconductor laminated portion 52 on the laser light emission side, A high reflectivity film 54 formed on the end face E52 on the rear end face side facing the end face E51.
  • the semiconductor laser element 51 includes an upper electrode 55 formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 52.
  • the upper electrode 55 is in contact with the semiconductor stacked portion 52 inside the opening A.
  • the semiconductor stacked portion 52 includes a second region 52ab located near the end surface E51, a third region 52ac located near the end surface E52, and a first region 52aa located between the second region 52ab and the third region 52ac.
  • a trench groove Tr51 extending in the z direction is formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 52 in the first region 52aa.
  • a trench groove Tr52 and a trench groove Tr53 extending in the z direction are formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 52 in the second region 52ab and the third region 52ac.
  • a stripe region is formed between the trench groove Tr51, the trench groove Tr52, and the trench groove Tr53.
  • the boundary between the trench groove Tr51 and the trench groove Tr52 and the boundary between the trench groove Tr51 and the trench groove Tr53 become narrower toward the both end surfaces along the z direction, and the width of the trench groove Tr51 becomes narrower.
  • the trench Tr53 is formed to have a large width and the total trench trench width is constant.
  • the trench groove Tr52 and the trench groove Tr53 are shallower than the trench groove Tr51 from the top surface of the semiconductor stacked portion 52 to the bottom of the trench groove.
  • the depth of the trench Tr51 is, for example, 1000 nm.
  • the depth of trench groove Tr52 and trench groove Tr53 is, for example, 200 nm. Accordingly, the second region 52ab and the third region 52ac have a smaller light confinement effect in the horizontal direction of the laser light to the stripe region than the first region 52aa.
  • the semiconductor stacked portion 52 of the semiconductor laser element 51 has a trench groove Tr52 having a shallow trench groove in the second region 52ab on the end face E51 side.
  • the trench groove is shallow, high-order horizontal transverse mode confinement in the stripe region is weakened.
  • the semiconductor laser element 51 light in a high-order horizontal transverse mode having a large FFPh angle is reduced among the light included in the output laser light.
  • the laser beam output from the semiconductor laser element 51 has a smaller FFPh angle. Therefore, the semiconductor laser element 51 of the modified example 4 is a semiconductor laser element with good coupling efficiency to the optical fiber.
  • the boundary between the trench groove Tr51 and the trench groove Tr52 is inclined with respect to the z direction in which the laser light is guided. As a result, it is possible to prevent the guided laser light from being affected by an abrupt change in refractive index or the like at the boundary between the trench groove Tr51 and the trench groove Tr52 and adversely affecting the output characteristics of the semiconductor laser element.
  • the semiconductor stacked portion 52 does not have a current non-injection region
  • a current non-injection region may be provided.
  • the length of the current non-injection region on the end face E51 side is preferably shorter than the length L52ab in the z direction of the second region 52ab.
  • the length of the current non-injection region on the end face E52 side is preferably shorter than the length L52ac in the z direction of the third region 52ac.
  • the length L52ab of the second region 52ab and the length L52ac of the third region 52ac are the lengths from the end faces E51, E52 to the position where the width of the trench Tr51 is constant, as shown in FIG. Point to.
  • FIG. 12 is a top view of the semiconductor laser device according to the fifth modification.
  • the semiconductor laser element 61 of Modification 5 includes a semiconductor laminated portion 62 having an active layer, a low reflectance film 63 formed on an end surface E61 of the semiconductor laminated portion 62 on the laser light emission side, A high reflectivity film 64 formed on the end face E62 on the rear end face side facing the end face E61.
  • the semiconductor laser element 61 includes an upper electrode 65 formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 62.
  • the upper electrode 65 is in contact with the semiconductor stacked portion 62 inside the opening A.
  • the semiconductor stacked unit 62 includes a second region 62ab located near the end surface E61, a third region 62ac located near the end surface E62, and a first region 62aa located between the second region 62ab and the third region 62ac.
  • Have A trench groove Tr6 extending in the z direction is formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 62 in the first region 62aa, and a stripe region is formed between the trench grooves Tr6.
  • no trench trench Tr6 is formed in the second region 62ab and the third region 62ac, and the upper surface of the semiconductor stacked portion 62 has a constant height.
  • the second region 62ab and the third region 62ac do not have a horizontal light confinement effect of the laser light in the stripe region, and have a smaller horizontal light confinement effect in the stripe region than the first region 62aa. It has become.
  • the width of the trench groove Tr6 becomes narrower at both end portions along the z direction of the trench groove Tr6 toward both end faces.
  • the semiconductor laser element 61 of the modified example 5 is a semiconductor laser element with good coupling efficiency to the optical fiber.
  • the semiconductor laminated portion 62 does not have a current non-injection region
  • a current non-injection region may be provided.
  • the length of the current non-injection region on the end face E61 side is preferably shorter than the length L62ab in the z direction of the second region 62ab.
  • the length of the current non-injection region on the end face E62 side is preferably shorter than the length L62ac in the z direction of the third region 62ac.
  • the length L62ab of the second region 62ab and the length L62ac of the third region 62ac are the lengths from the end surfaces E61 and E62 to the position where the width of the trench Tr6 is constant, as shown in FIG. Point to.
  • FIG. 13 is a top view of a semiconductor laser device according to Modification 6.
  • the semiconductor laser element 71 of Modification 6 includes a semiconductor laminated portion 72 having an active layer, a low reflectance film 73 formed on an end surface E71 of the semiconductor laminated portion 72 on the laser light emission side, A high reflectivity film 74 formed on the end face E72 on the rear end face side facing the end face E71.
  • the semiconductor laser element 71 includes an upper electrode 75 formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 72.
  • the upper electrode 75 is in contact with the semiconductor stacked portion 72 inside the opening A.
  • the semiconductor stacked portion 72 includes a current non-injection region 72b in which no current is injected.
  • the current non-injection region 72b includes a first current non-injection region 72ba formed on the end surface E71 side and a second current non-injection region 72bb formed on the end surface E72 side along the z direction.
  • the semiconductor laser element 71 is a semiconductor laser element in which the generation of COD is prevented by the current non-injection region 72b.
  • the semiconductor stacked portion 72 includes a third region 72ac located near the end surface E71, a first region 72aa located on the end surface E72 side, and a second region 72ab located between the third region 72ac and the first region 72aa.
  • the second region 72ab is formed apart from the end surface E71
  • the third region 72ac is formed so as to include the end surface E71.
  • a trench groove Tr71 and a trench groove Tr72 extending in the z direction are formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 72 in the first region 72aa and the third region 72ac, and a stripe region is formed between the trench groove Tr71 and the trench groove Tr72.
  • a stripe region is formed between the trench groove Tr71 and the trench groove Tr72.
  • the second region 72ab does not have the effect of confining the laser beam in the horizontal direction in the stripe region, and the effect of confining the laser beam in the horizontal direction in the stripe region is smaller than that in the first region 72aa and the third region 72ac. It has become.
  • the semiconductor laser element 71 of the modified example 6 is a semiconductor laser element with good coupling efficiency to an optical fiber.
  • the second region 72ab where the trench groove is not formed does not necessarily need to be formed to include the end surface E71, and is formed apart from the end surface E71. Also good. At this time, from the viewpoint of continuity of the cleavage plane, the trench groove does not have to be formed in the region including the end face E72.
  • the length of the first current non-injection region 72ba is preferably longer than the length L72ac in the z direction of the third region 72ac. This is because when the current injection is performed in the semiconductor stacked portion 72 in the region sandwiched between the third regions 72ac, a high-order horizontal transverse mode is generated in the third region 72ac.
  • the length L72ba of the first current non-injection region 72ba is preferably shorter than the sum of the length L72ab in the z direction of the second region 72ab and the length L72ac of the third region 72ac.
  • the current non-injection region may not be provided.
  • a trench groove is formed as a structure for confining light in the stripe region (see FIG. 1) in the horizontal direction.
  • the structure for confining the light is not limited to this.
  • a structure for confining light for example, a ridge structure, a SAS (Self-Aligned Structure) structure, a buried heterostructure (BH) structure, or an ion implantation may be used.
  • a structure using these structures as a structure for confining light will be described below as a structural example.
  • the semiconductor laser device when a trench groove is used as a region for confining light, the semiconductor laser device can be easily manufactured and can be manufactured at low cost. Further, since a convex portion such as a ridge is not formed on the p-type contact layer side, there is an advantage that it is easy to bond horizontally when bonding to the submount with the p-type contact layer side down.
  • FIG. 16 is a top view of the semiconductor laser element of Structural Example 1.
  • the semiconductor stacked unit 2 includes a second region 2ab located near the end surface E1, a third region 2ac located near the end surface E2, and a space between the second region 2ab and the third region 2ac. 1st area
  • the semiconductor laser element 1 includes an upper electrode 5 formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 2. The upper electrode 5 is in contact with the semiconductor stacked portion 2 inside the opening A.
  • FIG. 17 is an example of a cross-sectional view taken along the line II of the semiconductor laser element of Structural Example 1.
  • a ridge structure for confining light in the x direction is formed in at least a part of the p-type cladding layer 13 immediately below the opening A.
  • the sectional view taken along the line II-II of the semiconductor laser element 1 of Structural Example 1 may be the same as FIG.
  • a ridge structure may be formed as the first region 2aa, and a structure having no ridge structure may be formed as the second region 2ab having a smaller optical confinement effect in the horizontal direction of the laser light L than the first region 2aa.
  • the ridge structure is advantageous in that the semiconductor laser device 1 can be easily manufactured and can be manufactured at low cost.
  • FIG. 18 is a top view of the semiconductor laser element of Structural Example 2.
  • the semiconductor stacked unit 2 includes a second region 2ab located near the end surface E1, a third region 2ac located near the end surface E2, and a space between the second region 2ab and the third region 2ac. 1st area
  • the semiconductor laser element 1 includes an upper electrode 5 formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 2. The entire surface of the upper electrode 5 is in contact with the semiconductor stacked portion 2, but current is confined in the opening A by a current blocking layer described later and injected.
  • FIG. 19 is an example of a cross-sectional view taken along the line II of the semiconductor laser element of Structural Example 2.
  • the lower carrier blocking layer 216 made of n-AlGaAs is formed on both sides of the active layer 11 and has a larger band gap energy than other layers.
  • An upper carrier blocking layer 217 is formed.
  • a current blocking layer 218 made of n-AlGaAs is disposed in the p-type guide layer 12 (in the middle of the figure in the figure). Since the current blocking layer 218 has the opening A, highly efficient current injection from the upper electrode 5 to the active layer 11 is realized.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of the semiconductor laser element of Structural Example 2 taken along the line II-II. As shown in FIG. 20, in the second region 2ab, the current blocking layer 218 is formed with a uniform thickness without an opening.
  • a SAS structure may be formed as the first region 2aa, and a structure having no SAS structure may be formed as the second region 2ab that has a smaller light confinement effect in the horizontal direction of the laser light L than the first region 2aa.
  • the surface on the p-type contact layer 14 side is flat, as in the case of using the trench groove, and thus the bonding property is excellent. Further, since the horizontal leakage current can be suppressed by the current blocking layer 218, there is an advantage that the degree of freedom in designing optical confinement is high.
  • FIG. 21 is a top view of the semiconductor laser element of Structural Example 3.
  • the semiconductor stacked unit 2 includes a second region 2ab located near the end surface E1, a third region 2ac located near the end surface E2, and a space between the second region 2ab and the third region 2ac. 1st area
  • the semiconductor laser element 1 includes an upper electrode 5 formed on the upper surface of the semiconductor stacked portion 2. The entire surface of the upper electrode 5 is in contact with the semiconductor stacked portion 2, but current is constricted and injected by a p-type current blocking layer 219 and an n-type current blocking layer 220 described later.
  • FIG. 22 is an example of a cross-sectional view taken along the line II of the semiconductor laser element of Structural Example 3.
  • the upper portion of the n-type cladding layer 9 and the active layer 11 are processed into a mesa shape, and a p-type current blocking layer 219 adjacent to the mesa shape,
  • a current blocking layer is formed. Since the current blocking layer has a function of shielding the injection current, the injected current is confined by the presence of the current blocking layer, the carrier density injected into the active layer 11 is improved, the threshold current value is reduced, and the light emission is performed. Increases efficiency.
  • FIG. 23 is a sectional view taken along line II-II of the semiconductor laser element of Structural Example 3. As shown in FIG. 23, in the second region 2ab, the semiconductor laser element 1 is not formed with a current block layer composed of the p-type current block layer 219 and the n-type current block layer 220.
  • a BH structure may be formed as the first region 2aa, and a structure not having the BH structure may be formed as the second region 2ab having a smaller optical confinement effect in the horizontal direction of the laser light L than the first region 2aa.
  • the BH structure is excellent in bondability as in the case where the trench is used. Further, the leakage current is very small and the current blocking property is excellent.
  • the effect of the present invention can be obtained if the structure has the optical confinement effect in the horizontal direction of the laser light L and the horizontal optical confinement effect in the second region is smaller than that in the first region. Obtainable.
  • the GaAs-based material has been described.
  • a laminated structure can be formed from a substrate of another material such as InP or another material system according to a desired oscillation wavelength.
  • a structure in which an n-type buffer layer, an n-type cladding layer, an n-type guide layer, an active layer, a p-type guide layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer are formed on a substrate is described.
  • a structure in which a p-type buffer layer, a p-type cladding layer, a p-type guide layer, an active layer, an n-type guide layer, an n-type cladding layer, and an n-type contact layer are sequentially formed on the substrate may be employed. .
  • FIG. 26 is a schematic configuration diagram of a laser beam irradiation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the laser beam irradiation apparatus 1000 is an optical fiber laser including the semiconductor laser element 1 according to the embodiment.
  • the laser beam irradiation apparatus 1000 is optically connected to a plurality of semiconductor laser modules 1001 each including a semiconductor laser element 1 serving as an excitation light source, and to each semiconductor laser element 1 of the plurality of semiconductor laser modules 1001.
  • a plurality of multimode optical fibers 1002 that guide the pumping light output from the semiconductor laser device 1 and the pumping light guided by the multimode optical fiber 1002 are combined and output from a double clad optical fiber 1004 (Tapered Fiber Bundle).
  • a double clad optical fiber grating 1005a an optical amplification fiber 1006, a double clad optical fiber grating 1005b, and a single mode optical fiber 1007 are sequentially connected to the double clad optical fiber 1004. It includes a 8, a.
  • the wavelength of the excitation light output from each semiconductor laser element 1 is around 915 nm.
  • the double-clad optical fiber grating 1005a has a reflection center wavelength of about 1060 nm, a reflectivity of about 100% in a wavelength band having a width of about 2 nm around the center wavelength and the periphery thereof, and light with a wavelength of 915 nm is almost transmitted.
  • the double-clad optical fiber grating 1005b has a center wavelength of about 1060 nm, a reflectance at the center wavelength of about 10 to 30%, a full width at half maximum of the reflected wavelength band of about 0.1 nm, and a wavelength of 915 nm. Is almost transparent. Therefore, the double clad optical fiber gratings 1005a and 1005b constitute an optical resonator for light having a wavelength of 1060 nm.
  • the optical amplifying fiber 1006 has a double clad structure including a core portion, an inner clad layer, and an outer clad layer.
  • the core portion is made of ytterbium (Yb), which is a rare earth element, and aluminum (Al). It consists of added silica glass.
  • each multimode optical fiber 1002 guides each pumping light and combines each pumping light guided by the TFB 1003. And output to the double clad optical fiber 1004.
  • the double clad optical fiber 1004 propagates coupled pumping light in multimode. Thereafter, the double clad optical fiber grating 1005 a transmits the excitation light and reaches the optical amplification fiber 1006.
  • the excitation light that has reached the optical amplification fiber 1006 optically pumps Yb added to the core portion while propagating in the multi-mode through the core portion and the inner cladding layer of the optical amplification fiber 1006, and produces fluorescence having a wavelength band including a wavelength of 1060 nm. Make it emit light.
  • This fluorescence propagates through the core in a single mode, is amplified by the stimulated emission action of Yb ions while reciprocating in the optical resonator formed by the double clad optical fiber gratings 1005a and 1005b, and oscillates at a lasing wavelength of 1060 nm. .
  • the oscillated laser beam is output as a laser beam L1000 from the optical output connector 1008 via the double clad optical fiber grating 1005b and the single mode optical fiber 1007.
  • the semiconductor laser element 1 according to the embodiment is used as a pumping light source, pumping light is efficiently coupled to each multimode optical fiber 1002. As a result, the intensity of the output laser beam L1000 can be increased.
  • the semiconductor laser element according to the present invention is not limited to the configuration of the laser beam irradiation apparatus according to the above-described embodiment, and can be applied to laser beam irradiation apparatuses having various configurations.
  • the present invention is not limited by the above embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention.
  • the present invention includes a configuration in which each of the above-described modified examples and each structural example are combined. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
  • the semiconductor laser element and the laser beam irradiation apparatus according to the present invention are suitable for application in the field of industrial lasers, for example.

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Abstract

　活性層を有する半導体積層部を備え、レーザ光をマルチモード発振する半導体レーザ素子であって、前記半導体積層部は、第１領域と、該第１領域よりレーザ光出射側の端面の近傍に位置する第２領域と、を有し、前記第１領域および前記第２領域は、前記レーザ光が導波するストライプ領域を含み、前記第２領域は、前記第１領域よりも前記ストライプ領域への前記レーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さい半導体レーザ素子である。これにより、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子を提供する。

Description

半導体レーザ素子およびレーザ光照射装置
　本発明は、半導体レーザ素子およびレーザ光照射装置に関するものである。
　従来、活性層を有する半導体積層部と、半導体積層部の上面に形成された電極と、を備え、電極の直下に形成したリッジ構造により光の水平方向の閉じ込めを実現した半導体レーザ素子が開示されている（たとえば特許文献１参照）。
　このような半導体レーザ素子は、出力用の光ファイバと、半導体レーザ素子の出力光を光ファイバに結合するためのレンズ、ミラー等の光学素子とともにパッケージ内に載置され、半導体レーザ装置として利用されている。
特開２０１２－１４６９９６号公報
　半導体レーザ装置は、光通信用レーザや加工などに用いられる産業用レーザなどとして活用されている。光通信用レーザでは、光ファイバ中に光を長距離（例えば数百キロメートル）伝搬させる必要があり、信号品質の劣化を抑制するためにシングルモードのレーザが使用されることが一般的である。一方、産業用レーザでは、光通信用レーザ以上の高出力が必要とされ、かつ長距離を伝搬させる必要がないため、高出力に特化したマルチモードのレーザが使用される。マルチモードレーザでは、レーザの導波路の幅を広くして、導波路内で複数のモードを許容する（つまり、マルチモード）ことによって、高出力が達成される。ここで高出力とは、半導体レーザ素子の出力として、例えば３Ｗ～２０Ｗ、半導体レーザ装置の出力として、例えば数十～２００Ｗ（ともに室温、ＣＷ駆動）程度の出力のことである。産業用レーザでは、電気変換効率（ＷＰＥ：Ｗａｌｌ　Ｐｌｕｇ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が高いことが求められる。ＷＰＥは、投入電力（電流×電圧）に対する半導体レーザ装置の最終的な光出力の割合として定義される。
　半導体レーザ装置のＷＰＥを高くするためには、半導体レーザ素子の出力光の光ファイバへの結合効率を高くすることが有効である。特に、高出力なファイバレーザの励起光源として用いられる、多数の半導体レーザ素子を備える半導体レーザ装置では、個々の半導体レーザ素子の光ファイバへの結合効率の改善が、当該半導体レーザ装置のＷＰＥの改善に大きく影響する。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子およびこれを備えたレーザ光照射装置を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、活性層を有する半導体積層部を備え、レーザ光をマルチモード発振する半導体レーザ素子であって、前記半導体積層部は、第１領域と、該第１領域よりレーザ光出射側の端面の近傍に位置する第２領域と、を有し、前記第１領域および前記第２領域は、前記レーザ光が導波するストライプ領域を含み、前記第２領域は、前記第１領域よりも前記ストライプ領域への前記レーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さいことを特徴とする。
　また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第２領域は、前記レーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がないことを特徴とする。
　また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記半導体積層部は、前記レーザ光出射側の前記端面から前記レーザ光出射方向に沿って電流が注入されない電流非注入領域を備え、該電流非注入領域の長さは、前記第２領域の長さより短いことを特徴とする。
　また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第２領域の長さは、１００μｍ以上であることを特徴とする。
　また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第２領域の長さは、１５０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする。
　また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記半導体積層部は、前記レーザ光出射側の前記端面とは反対側の端面から前記レーザ光出射方向に沿って電流が注入されない電流非注入領域を備えることを特徴とする。
　また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第２領域は、前記レーザ光出射側の前記端面を含むように形成されていることを特徴とする。
　また、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第２領域は、前記レーザ光出射側の前記端面と離間して形成されていることを特徴とする。
　また、本発明の一態様に係るレーザ光照射装置は、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子を備えていることを特徴とする。
　本発明によれば、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子を実現することができる。
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。 図２は、図１に示す半導体レーザ素子の上面図である。 図３は、図２に示す半導体レーザ素子のＩ－Ｉ線断面図の一例である。 図４は、図２に示す半導体レーザ素子のＩＩ－ＩＩ線断面図の一例である。 図５は、ＦＦＰｈ変化量と導波路幅との関係を表す図である。 図６は、ＦＦＰｈ変化量と第２領域の長さとの関係を表す図である。 図７は、パワー劣化率と第２領域の長さとの関係を表す図である。 図８は、変形例１の半導体レーザ素子の上面図である。 図９は、変形例２の半導体レーザ素子の上面図である。 図１０は、変形例３の半導体レーザ素子の上面図である。 図１１は、変形例４の半導体レーザ素子の上面図である。 図１２は、変形例５の半導体レーザ素子の上面図である。 図１３は、変形例６の半導体レーザ素子の上面図である。 図１４は、公知の半導体レーザ素子の一例の上面図である。 図１５は、公知の半導体レーザ素子の一例の上面図である。 図１６は、構造例１の半導体レーザ素子の上面図である。 図１７は、構造例１の半導体レーザ素子のＩ－Ｉ線断面図の一例である。 図１８は、構造例２の半導体レーザ素子の上面図である。 図１９は、構造例２の半導体レーザ素子のＩ－Ｉ線断面図の一例である。 図２０は、構造例２の半導体レーザ素子のＩＩ－ＩＩ線断面図である。 図２１は、構造例３の半導体レーザ素子の上面図である。 図２２は、構造例３の半導体レーザ素子のＩ－Ｉ線断面図の一例である。 図２３は、構造例３の半導体レーザ素子のＩＩ－ＩＩ線断面図である。 図２４は、従来技術による半導体レーザ素子から得られたＮＦＰの水平方向光強度分布を示す図である。 図２５は、本発明の実施の形態の構造を有する半導体レーザ素子から得られたＮＦＰの水平方向光強度分布を示す図である。 図２６は、本発明の実施の形態に係るレーザ光照射装置の模式的な構成図である。
　以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ素子およびレーザ光照射装置の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（実施の形態）
　まず、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、レーザ光をマルチモード発振する端面発光型の半導体レーザ素子であって、トレンチ溝によるリッジ構造を有しており、これによって光の水平方向の閉じ込めと電流狭窄構造とを実現するものである。なお、ここでマルチモード発振するとは、複数の導波モードを許容する幅の広い導波路を有することを意味する。
　図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。以下では、図１に示すように、半導体の積層方向をｙ軸、レーザ光出射方向をｚ軸、ｙ軸およびｚ軸に直交する水平方向をｘ軸とする。図１に示すように、この半導体レーザ素子１は、活性層を有する半導体積層部２と、半導体積層部２のレーザ光出射側の端面Ｅ１に形成された反射率がたとえば１０％以下の低反射率膜３と、端面Ｅ１と対向する後端面側の端面Ｅ２に形成された反射率がたとえば９０％以上の高反射率膜４とを有している。そして、半導体レーザ素子１は、ストライプ領域Ｓにてレーザ光Ｌを導波し、低反射率膜３を介してレーザ光Ｌを出射する。
　図２は、図１に示す半導体レーザ素子の上面図である。図２に示すように、半導体レーザ素子１は、半導体積層部２の上面に形成された上部電極５を備える。上部電極５は、開口部Ａの外部の領域では、後述するパッシベーション膜で絶縁されており、開口部Ａの内側で半導体積層部２に接している。
　半導体積層部２は、端面Ｅ１の近傍に位置する第２領域２ａｂおよび端面Ｅ２の近傍に位置する第３領域２ａｃと、第２領域２ａｂと第３領域２ａｃとの間に位置する第１領域２ａａを有する。
　第１領域２ａａの半導体積層部２の上面には、レーザ光出射方向（ｚ方向）に延伸するトレンチ溝Ｔｒ１が形成され、トレンチ溝Ｔｒ１の間にはストライプ領域Ｓが形成されている。トレンチ溝Ｔｒ１は、後述するように水平方向（ｘ方向）の光導波構造を形成する。一方、第２領域２ａｂおよび第３領域２ａｃには、トレンチ溝Ｔｒ１は形成されておらず、半導体積層部２の上面は一定の高さとなっている。
　したがって、第２領域２ａｂ、第３領域２ａｃは、ストライプ領域Ｓへのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がなく、第１領域２ａａよりもストライプ領域Ｓへのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
　半導体レーザ素子１の素子長Ｌｄは、たとえば１ｍｍ～６ｍｍ、さらに好ましくは３ｍｍ～５ｍｍ程度である。第２領域２ａｂのｚ方向の長さＬ２ａｂは、たとえば２００μｍである。第３領域２ａｃのｚ方向の長さＬ２ａｃは、たとえば１５０μｍである。
　図３は、図２に示す半導体レーザ素子のＩ－Ｉ線断面図の一例である。図３に示すように、この半導体レーザ素子１は、上部電極５と、下面に形成された下部電極６と、ｎ型のＧａＡｓからなる基板７と、基板７上に形成された半導体積層部２と、パッシベーション膜１５とを備える。
　半導体積層部２は、基板７上に順次形成された、ｎ型バッファ層８、ｎ型クラッド層９、ｎ型ガイド層１０、活性層１１、ｐ型ガイド層１２、ｐ型クラッド層１３、ｐ型コンタクト層１４を備える。
　ｎ型バッファ層８は、ＧａＡｓからなり、基板７上に高品質のエピタキシャル層の積層構造を成長するための緩衝層である。ｎ型クラッド層９とｎ型ガイド層１０とは、積層方向に対する所望の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さとが設定されたＡｌＧａＡｓからなる。なお、ｎ型ガイド層１０のＡｌ組成は、例えば２０％以上４０％未満である。また、ｎ型クラッド層９は、ｎ型ガイド層１０よりも屈折率が小さくなっている。また、ｎ型ガイド層１０の厚さは、５０ｎｍ以上、たとえば１０００ｎｍ程度であることが好ましい。ｎ型クラッド層９の厚さは、１μｍ～３μｍ程度が好ましい。また、これらのｎ型半導体層は、ｎ型ドーパントとしてたとえば珪素（Ｓｉ）を含む。
　活性層１１は、下部バリア層、量子井戸層、上部バリア層を備え、単一の量子井戸（ＳＱＷ）構造を有する。下部バリア層および上部バリア層は、量子井戸層にキャリアを閉じ込める障壁の機能を有し、故意にドーピングをしない高純度のＡｌＧａＡｓからなる。量子井戸層は、故意にドーピングをしない高純度のＩｎＧａＡｓからなる。量子井戸層のＩｎ組成および膜厚、下部バリア層および上部バリア層の組成は、所望の発光中心波長（たとえば９００ｎｍ～１０８０ｎｍ）に応じて設定される。なお、活性層１１の構造は、量子井戸層とその上下に形成されたバリア層の積層構造を所望の数だけ繰り返した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造でもよいし、単一量子井戸構造でもよい。また、上記では、故意にドーピングをしない高純度層での構成を説明したが、量子井戸層、下部バリア層および上部バリア層に故意にドナーやアクセプタが添加される場合もある。
　ｐ型ガイド層１２およびｐ型クラッド層１３は、上述のｎ型クラッド層９およびｎ型ガイド層１０と対になり、積層方向に対する所望の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さとが設定されたＡｌＧａＡｓからなる。ｐ型ガイド層１２のＡｌ組成は、例えば２０％以上４０％未満である。ｐ型クラッド層１３は、ｐ型ガイド層１２よりも屈折率が小さくなっている。層中の光のフィールドをｎ型クラッド層９の方向にずらして導波路損失を小さくするために、ｐ型クラッド層１３のＡｌ組成はｎ型クラッド層９に比べて若干大きめに設定される。そして、ｐ型ガイド層１２のＡｌ組成は、ｐ型クラッド層１３のＡｌ組成に比べ小さく設定される。また、ｐ型ガイド層１２の厚さは、５０ｎｍ以上、たとえば１０００ｎｍ程度であることが好ましい。ｐ型クラッド層１３の厚さは、１μｍ～３μｍ程度が好ましい。また、これらのｐ型半導体層は、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を含む。ｐ型ガイド層１２のＣ濃度は、たとえば０．１～１．０×１０１７ｃｍ－３に設定され、０．５～１．０×１０１７ｃｍ－３程度が好適である。ｐ型クラッド層１３のＣ濃度は、たとえば１．０×１０１７ｃｍ－３以上に設定される。また、ｐ型コンタクト層１４は、ＺｎまたはＣが高濃度にドーピングされたＧａＡｓからなる。
　パッシベーション膜１５は、たとえばＳｉＮｘからなる絶縁膜であり、開口部Ａを有する。
　図３に示すように、半導体積層部２の開口部Ａの直下の領域は、トレンチ溝Ｔｒ１が形成されていることにより、ｘ方向において光を閉じ込めるためのリッジ構造が形成されている。さらに、この半導体レーザ素子１では、パッシベーション膜１５により上部電極５と半導体積層部２との接触面積を制限することによって電流狭窄構造が実現されている。
　図３において、導波路幅Ｗｓは、たとえば８０μｍ以上５００μｍ以下である。ここで、導波路幅Ｗｓは、リッジ構造の底部の幅であり、ここでは２つのトレンチ溝Ｔｒ１の間隔と一致する。半導体レーザ素子１からの出力を光ファイバに結合させる場合、導波路幅Ｗｓは、光ファイバのコア径とほぼ同じ寸法とすると結合効率の観点から好適である。トレンチ溝Ｔｒ１の幅に対応するトレンチ幅Ｗｔは、たとえば５～数１０μｍである。トレンチ溝の深さＤは、半導体積層部２の最上面からトレンチ溝Ｔｒ１の底までの深さである。活性層１１の上面からトレンチ溝Ｔｒ１の底までの厚さであるリッジ残し厚Ｔは、たとえば５００～１５００ｎｍである。水平方向の十分な光の閉じ込めと良好な電気光学特性を実現するため残し厚Ｔは、例えば６００～１１００ｎｍであることが好ましい。
　これに対して、図４は、図２に示す半導体レーザ素子のＩＩ－ＩＩ線断面図の一例である。図４に示すように、第２領域２ａｂにおいて、半導体積層部２には、トレンチ溝が形成されていない。
　また、図２に示すように、半導体レーザ素子１の半導体積層部２は、電流が注入されない電流非注入領域２ｂを有する。電流非注入領域２ｂは例えばＳｉＮｘ、ＳｉＯ２などの絶縁膜等で電流注入が阻害されている。電流非注入領域２ｂは、ｚ方向に沿って、端面Ｅ１側に形成された第１電流非注入領域２ｂａと、端面Ｅ２側に形成された第２電流非注入領域２ｂｂとを有する。ここで、半導体レーザ素子において、光出力が増加すると、端面においてレーザ光の吸収により熱が発生する場合がある。この場合、発熱によって端面が溶融し、レーザ素子の機能が停止してしまうＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｄａｍａｇｅ）と呼ばれる現象が発生するおそれがあり、信頼性上問題となる。この問題を解決するため、半導体レーザ素子１の半導体積層部２には、両端面の近傍に電流を注入しない電流非注入領域２ｂが設けられている。
　第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａ、第２電流非注入領域２ｂｂの長さＬ２ｂｂは、たとえばそれぞれ１００μｍであるが、第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａと第２電流非注入領域２ｂｂの長さＬ２ｂｂとが異なる値であってもよく、第１電流非注入領域２ｂａのみに電流非注入領域が形成されていてもよい。
　つぎに、この半導体レーザ素子１の動作について説明する。まず、下部電極６と上部電極５の間に電圧を印加して、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とから活性層１１にキャリアを注入する。このとき、上部電極５からｐ型半導体層を介して注入されるホールキャリアは、その電流経路がパッシベーション膜１５により狭窄されて、電流密度が高められた状態で効率よく活性層１１に注入される。このとき、電流が注入される幅が電流注入幅である。電流を注入された活性層１１は所定の発光中心波長を有する光を発光する。発光した光は、ｘ軸方向はリッジ構造によって、ｙ軸方向はガイド層とクラッド層との屈折率差によって、活性層１１の近傍に閉じ込められてｚ軸方向に導波しながら、活性層１１の光増幅作用と、低反射率膜３と高反射率膜４とが形成する光共振器とによってレーザ発振する。これによって、半導体レーザ素子１は、図１に示すようにレーザ光Ｌを出射する。
　ここで、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子を実現することを検討する。半導体レーザ素子１の出力したレーザ光Ｌを光ファイバに高効率に結合させるためには、ＦＦＰｈ（水平方向の遠視野像：Ｆａｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｐａｔｔｅｒｎ）の角度が小さく、かつＮＦＰ（水平方向の近視野像：Ｎｅａｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｐａｔｔｅｒｎ）の幅が狭いことが好ましい。ＦＦＰｈの角度が大きい場合、光ファイバのクラッドにレーザ光Ｌが結合し、結合効率が低下するとともに、クラッドから漏れた光が熱となり光ファイバの被覆等を損傷させる場合があるという問題が生じる。また、ＮＦＰの幅が広い場合にも、同様の問題が生じる。なお、本明細書においてＦＦＰｈの角度とは、半導体レーザ素子１の出力したレーザ光Ｌのピーク光強度に対して光強度が１／ｅ２となる全角度であり、ＮＦＰの幅とは、半導体レーザ素子１の出力したレーザ光Ｌのピーク光強度に対して光強度が１／ｅ２となる全幅である。また、水平方向とは、図１におけるｘ軸方向を指す。
　まず、ＮＦＰの幅を狭くするには、導波路幅Ｗｓを狭くすればよい。導波路幅Ｗｓを狭くすると、発振されるレーザ光Ｌの水平方向の幅が狭くなるためである。しかしながら、導波路幅Ｗｓを単純に狭くしても半導体レーザ素子１の光ファイバへの結合効率が改善されない。
　図５は、ＦＦＰｈ変化量と導波路幅との関係を表す図である。図５に示すように、導波路幅Ｗｓが１００μｍの場合を基準として導波路幅Ｗｓを狭くするとＦＦＰｈの角度は大きくなる。つまり、導波路幅Ｗｓを狭くすると、ＮＦＰの幅は狭くなるものの、ＦＦＰｈの角度は大きくなり、半導体レーザ素子１の光ファイバへの結合効率を十分に改善することができない。
　導波路幅Ｗｓを狭くするとＦＦＰｈの角度が大きくなる理由は以下のように推定される。まず、導波路幅Ｗｓが狭いと、上部電極５と半導体積層部２とのコンタクト面積が狭くなり、抵抗が増加する。抵抗が増加すると、同一の電流を注入した場合であっても発熱が増加する。そして、発熱が増加して温度が上昇すると、発振したレーザ光Ｌが導波する領域とそれ以外の領域との屈折率差が増大する。この屈折率差の増大により、レーザ光Ｌが導波する領域に、より高次の水平横モードが閉じ込められるようになる。
　以上で説明したように、ＮＦＰの幅とＦＦＰｈの角度とは、一方を小さくすると他方が大きくなるトレードオフの関係にある。
　ここで、半導体レーザ素子１と対比するため、公知の半導体レーザ素子について説明する。図１４、図１５は、公知の半導体レーザ素子の一例の上面図である。図１４に示すように、公知の半導体レーザ素子１０１は、活性層を有する半導体積層部１０２と、低反射率膜１０３と、高反射率膜１０４と、活性層に電流を注入する上部電極１０５とを備える。そして、半導体積層部１０２は、両端面を含んでｚ方向に連続して形成されたトレンチ溝Ｔｒ１０１を有し、これにより水平方向の光の閉じ込めが強くされている。同様に、図１５に示す公知の半導体レーザ素子１１１は、活性層を有する半導体積層部１１２と、低反射率膜１１３と、高反射率膜１１４と、活性層に電流を注入する上部電極１１５とを備える。そして、半導体積層部１１２は、両端面を含んでｚ方向に連続して形成されたトレンチ溝Ｔｒ１１１を有し、これにより水平方向の光の閉じ込めが強くされている。また、半導体積層部１１２は、第１電流非注入領域１１２ｂａと第２電流非注入領域１１２ｂｂとからなる電流が注入されない電流非注入領域１１２ｂを備え、ＣＯＤの発生が抑制されている。
　半導体レーザ素子１０１、半導体レーザ素子１１１において、半導体積層部１０２、半導体積層部１１２は、両端面を含んでｚ方向に連続して形成されたトレンチ溝Ｔｒ１０１、トレンチ溝Ｔｒ１１１を有する。その結果、半導体レーザ素子１０１、半導体レーザ素子１１１で励振された高次の水平横モードの光は、トレンチ溝Ｔｒ１０１、トレンチ溝Ｔｒ１１１により形成されたリッジ構造により閉じ込められたまま、低反射率膜１０３、低反射率膜１１３を介してレーザ光として出力される。
　これに対し、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１は、図２に示すように、端面Ｅ１側の第２領域２ａｂにトレンチ溝が形成されていない。この第２領域２ａｂでは、トレンチ溝がなくリッジ構造を有しないため、高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子１では、出力するレーザ光Ｌに含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子１の出力するレーザ光Ｌは、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。このとき、導波路幅Ｗｓを変化させる場合と異なり、ＮＦＰの幅はほとんど変化しないので、結果として半導体レーザ素子１の光ファイバへの結合効率が改善される。
　以上で説明したように、ＮＦＰの幅とＦＦＰｈの角度とはトレードオフの関係にあるものの、半導体レーザ素子１は、ＦＦＰｈの角度を小さくし、かつＮＦＰの幅を増大させることがない構成とされている。
　図６は、ＦＦＰｈ変化量と第２領域の長さとの関係を表す図である。図６に示すように、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂを大きくすると、高次の水平横モードの閉じ込めを低減する効果が大きくなるため、ＦＦＰｈが小さくなる。図６より、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂは、たとえば１００μｍ以上でＦＦＰｈを小さくする効果があるが、１５０μｍ以上とするとＦＦＰｈが１度以上小さくなるためより好適である。このように、半導体レーザ素子１は、ＦＦＰｈの角度が小さく光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子であることが実証された。
　図７は、パワー劣化率と第２領域の長さとの関係を表す図である。図７に示すように、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂを大きくすると、半導体レーザ素子１の出力光強度が劣化する。これは、半導体レーザ素子１は、第２領域２ａｂにおいてトレンチ溝がなくリッジ構造を有しないため、この領域で水平方向の光の閉じ込めが弱くなるためである。すなわち、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂを大きくしすぎると、半導体レーザ素子１の出力光強度が劣化し好ましくない。図７より、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂを２５０μｍ以下とすると出力光強度の劣化率は１％以内に抑えられる。
　したがって、図６および図７に示した測定結果から、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂの長さは、１００μｍ以上２５０μｍ以下であることが好適である。以上のように、半導体レーザ素子１の一部にのみ水平方向の光の閉じ込めが弱い領域を設けることによって、光強度の低下を適切な範囲に抑えつつ、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子を提供することができる。また、図６、図７を見ても分かるように長さＬ２ａｂに対して、光出力とＦＦＰｈとがトレードオフの関係にある。シングルモードレーザでは、長さＬ２ａｂを長くすると光出力が急激に低下し、好適な長さＬ２ａｂを設定することが難しい。一方、半導体レーザ素子１は、マルチモードレーザであるので、工業的に実現可能な範囲をもって長さＬ２ａｂを設定することができる。
　なお、図６および図７の測定において、第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａは、１００μｍに固定したが、第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａは、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂに応じて最適な値に設定することが好ましい。特に、第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａが、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂより長い場合、電流が注入されない、かつトレンチ溝がなく、更に水平方向の光の閉じ込めが弱い領域がより長くなり、半導体レーザ素子１の出力光強度の劣化が著しい。したがって、第１電流非注入領域２ｂａの長さＬ２ｂａは、第２領域２ａｂの長さＬ２ａｂより短いことが好ましい。長さＬ２ｂａは、長さＬ２ａｂに応じて、例えば長さＬ２ａｂより１０μｍ～１００μｍ短いと好適である。（この場合、長さＬ２ｂａが長さＬ２ａｂより長いか略等しい場合に比べて、出力光強度が数％程度大きくなる。）同様に、第２電流非注入領域２ｂｂの長さＬ２ｂｂは、第３領域２ａｃの長さＬ２ａｃより短いことが好ましい。長さＬ２ｂｂは、長さＬ２ａｃに応じて、例えば長さＬ２ａｃより１０μｍ～１００μｍ短いと好適である。
　図２４は、従来技術による半導体レーザ素子から得られたＮＦＰの水平方向光強度分布である。図２４では、ＮＦＰに含まれるＴＥモード成分、ＴＭモード成分、およびこれらの成分を合わせたものを示している。なお、導波路幅Ｗｓは１００μｍである。図２４に示すように、導波路のへりに相当する領域に光強度の大きなピークが見られる。このような局所的な光強度の集中は、ＣＯＤの原因となり、信頼性上好ましくない。また、導波路のへりに見られる局所的な光強度のピークにはＴＭモード成分が多く含まれていることが分かった。ここで、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を一つの光学系に合わせる技術として、偏波合成技術があるが、この技術を用いる際、レーザ光にＴＭモード成分が多く含まれているのは好ましくない。
　図２５は、図１に示す本発明の実施の形態の構造を有する半導体レーザ素子から得られたＮＦＰの水平方向光強度分布である。図２４では、ＮＦＰに含まれるＴＥモード成分、ＴＭモード成分、およびこれらの成分を合わせたものを示している。なお、導波路幅Ｗｓは１００μｍである。図２５に示すように、図２４で見られた、導波路のへりに相当する領域に光強度の大きなピークは見られず、位置に対して光強度がより均一となっている。したがって、局所的な光強度の集中によるＣＯＤが抑制され、信頼性上好ましい。また、図２５から解るように、ＮＦＰに含まれるＴＭモード成分が小さいので、偏波合成技術を用いる上で好ましい。
　また、半導体レーザ素子１の半導体積層部２は、第２領域２ａｂだけでなく第３領域２ａｃにおいてもトレンチ溝が形成されていない。しかしながら、ＦＦＰｈの角度を小さくするためには、レーザ光出射側の端面近傍にトレンチ溝が形成されていない領域があればよく、第３領域２ａｃにトレンチ溝が形成されていてもよい。半導体レーザ素子１においては、製造過程において基板７をへき開する際のへき開面の連続性の観点から第３領域２ａｃにトレンチ溝を形成していない。
　また、トレンチ溝の深さＤ（図３参照）が深くリッジ残し厚Ｔが小さいほど、レーザ光Ｌが導波する領域とそれ以外の領域との屈折率差が増大し、より高次の水平横モードが閉じ込められる。したがって、このような場合に本発明のＦＦＰｈを小さくする効果が顕著に発揮される。
　以上で説明したように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
　なお、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１は、公知の有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いて成長させた半導体積層部２に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を用いて半導体積層部２の第１領域２ａａに選択的にトレンチ溝Ｔｒ１を形成することにより製造される。
（変形例１）
　つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例１について説明する。図８は、変形例１の半導体レーザ素子の上面図である。図８に示すように、変形例１の半導体レーザ素子２１は、活性層を有する半導体積層部２２と、半導体積層部２２のレーザ光出射側の端面Ｅ２１に形成された低反射率膜２３と、端面Ｅ２１と対向する後端面側の端面Ｅ２２に形成された高反射率膜２４とを有している。
　さらに、半導体レーザ素子２１は、半導体積層部２２の上面に形成された上部電極２５を備える。上部電極２５は、開口部Ａの内側で半導体積層部２２に接している。
　半導体積層部２２は、端面Ｅ２１の近傍に位置する第２領域２２ａｂおよび端面Ｅ２２の近傍に位置する第３領域２２ａｃと、第２領域２２ａｂと第３領域２２ａｃとの間に位置する第１領域２２ａａを有する。
　第１領域２２ａａの半導体積層部２２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ２が形成され、トレンチ溝Ｔｒ２の間にはストライプ領域（図１参照）が形成されている。一方、第２領域２２ａｂおよび第３領域２２ａｃには、トレンチ溝Ｔｒ２は形成されておらず、半導体積層部２２の上面は一定の高さとなっている。
　したがって、第２領域２２ａｂ、第３領域２２ａｃは、ストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がなく、第１領域２２ａａよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
　ここで、半導体レーザ素子２１の半導体積層部２２は、端面Ｅ２１側の第２領域２２ａｂにトレンチ溝が形成されていない。この第２領域２２ａｂでは、トレンチ溝がなくリッジ構造を有しないため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子２１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子２１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例１の半導体レーザ素子２１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
（変形例２）
　つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例２について説明する。図９は、変形例２の半導体レーザ素子の上面図である。図９に示すように、変形例２の半導体レーザ素子３１は、活性層を有する半導体積層部３２と、半導体積層部３２のレーザ光出射側の端面Ｅ３１に形成された低反射率膜３３と、レーザ光出射側の端面と対向する後端面側の端面Ｅ３２に形成された高反射率膜３４とを有している。
　さらに、半導体レーザ素子３１は、半導体積層部３２の上面に形成された上部電極３５を備える。上部電極３５は、開口部Ａの内側で半導体積層部３２に接している。
　半導体積層部３２は、端面Ｅ３１の近傍に位置する第２領域３２ａｂおよび端面Ｅ３２の近傍に位置する第３領域３２ａｃと、第２領域３２ａｂと第３領域３２ａｃとの間に位置する第１領域３２ａａを有する。
　第１領域３２ａａの半導体積層部３２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ３１が形成されている。一方、第２領域３２ａｂおよび第３領域３２ａｃの半導体積層部３２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ３２およびトレンチ溝Ｔｒ３３が形成されている。トレンチ溝Ｔｒ３１、トレンチ溝Ｔｒ３２、トレンチ溝Ｔｒ３３の間にはストライプ領域が形成されている。
　トレンチ溝Ｔｒ３２、トレンチ溝Ｔｒ３３は、トレンチ溝Ｔｒ３１よりも半導体積層部３２の最上面からトレンチ溝の底までの深さが浅い。
　したがって、第２領域３２ａｂ、第３領域３２ａｃは、第１領域３２ａａよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
　トレンチ溝Ｔｒ３１の深さは、たとえば１０００ｎｍである。トレンチ溝Ｔｒ３２、トレンチ溝Ｔｒ３３の深さは、たとえば２００ｎｍである。
　ここで、半導体レーザ素子３１の半導体積層部３２は、端面Ｅ３１側の第２領域３２ａｂにトレンチ溝の深さが浅いトレンチ溝Ｔｒ３２を有する。この第２領域３２ａｂでは、トレンチ溝の深さが浅いため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子３１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子３１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例２の半導体レーザ素子３１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
　変形例２の半導体レーザ素子３１のように、第２領域には、トレンチ溝が形成されていてもよい。第１領域のトレンチ溝の深さより第２領域のトレンチ溝の深さが浅く、第２領域の水平方向の光の閉じ込めが弱い構成であれば本発明の効果が発揮される。また、トレンチ溝Ｔｒ３２の深さとトレンチ溝Ｔｒ３３の深さとが異なる構成であってもよい。
　また、変形例２として半導体積層部２２が電流非注入領域を有さない例を示したが、電流非注入領域を設けてもよい。
（変形例３）
　つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例３について説明する。図１０は、変形例３の半導体レーザ素子の上面図である。図１０に示すように、変形例３の半導体レーザ素子４１は、活性層を有する半導体積層部４２と、半導体積層部４２のレーザ光出射側の端面Ｅ４１に形成された低反射率膜４３と、端面Ｅ４１と対向する後端面側の端面Ｅ４２に形成された高反射率膜４４とを有している。
　さらに、半導体レーザ素子４１は、半導体積層部４２の上面に形成された上部電極４５を備える。上部電極４５は、開口部Ａの内側で半導体積層部４２に接している。また、半導体積層部４２は、電流が注入されない電流非注入領域４２ｂを備える。電流非注入領域４２ｂは、ｚ方向に沿って、端面Ｅ４１側に形成された第１電流非注入領域４２ｂａと、端面Ｅ４２側に形成された第２電流非注入領域４２ｂｂとを有する。このように、半導体レーザ素子４１は、電流非注入領域４２ｂによりＣＯＤの発生が防止された半導体レーザ素子である。
　半導体積層部４２は、端面Ｅ４１の近傍に位置する第２領域４２ａｂおよび端面Ｅ４２の近傍に位置する第３領域４２ａｃと、第２領域４２ａｂと第３領域４２ａｃとの間に位置する第１領域４２ａａを有する。
　第１領域４２ａａの半導体積層部４２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ４１が形成されている。一方、第２領域４２ａｂおよび第３領域４２ａｃの半導体積層部４２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ４２およびトレンチ溝Ｔｒ４３が形成されているトレンチ溝Ｔｒ４１、トレンチ溝Ｔｒ４２、トレンチ溝Ｔｒ４３の間にはストライプ領域が形成されている。
　トレンチ溝Ｔｒ４２、トレンチ溝Ｔｒ４３は、トレンチ溝Ｔｒ４１よりも半導体積層部４２の最上面からトレンチ溝の底までの深さが浅い。
　したがって、第２領域４２ａｂ、第３領域４２ａｃは、第１領域４２ａａよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
　トレンチ溝Ｔｒ４１の深さは、たとえば１０００ｎｍである。トレンチ溝Ｔｒ４２、トレンチ溝Ｔｒ４３の深さは、たとえば２００ｎｍである。
　なお、この場合も、第１電流非注入領域４２ｂａの長さＬ４２ｂａは、第２領域４２ａｂのｚ方向の長さＬ４２ａｂより短いことが好ましい。同様に、第２電流非注入領域４２ｂｂの長さＬ４２ｂｂは、第３領域４２ａｃのｚ方向の長さＬ４２ａｃより短いことが好ましい。
　ここで、半導体レーザ素子４１の半導体積層部４２は、端面Ｅ４１側の第２領域４２ａｂにトレンチ溝の深さが浅いトレンチ溝Ｔｒ４２を有する。この第２領域４２ａｂでは、トレンチ溝の深さが浅いため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子４１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子４１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例３の半導体レーザ素子４１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
（変形例４）
　つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例４について説明する。図１１は、変形例４の半導体レーザ素子の上面図である。図１１に示すように、変形例４の半導体レーザ素子５１は、活性層を有する半導体積層部５２と、半導体積層部５２のレーザ光出射側の端面Ｅ５１に形成された低反射率膜５３と、端面Ｅ５１と対向する後端面側の端面Ｅ５２に形成された高反射率膜５４とを有している。
　さらに、半導体レーザ素子５１は、半導体積層部５２の上面に形成された上部電極５５を備える。上部電極５５は、開口部Ａの内側で半導体積層部５２に接している。
　半導体積層部５２は、端面Ｅ５１の近傍に位置する第２領域５２ａｂおよび端面Ｅ５２の近傍に位置する第３領域５２ａｃと、第２領域５２ａｂと第３領域５２ａｃとの間に位置する第１領域５２ａａを有する。
　第１領域５２ａａの半導体積層部５２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ５１が形成されている。一方、第２領域５２ａｂおよび第３領域５２ａｃの半導体積層部５２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ５２およびトレンチ溝Ｔｒ５３が形成されている。トレンチ溝Ｔｒ５１、トレンチ溝Ｔｒ５２、トレンチ溝Ｔｒ５３の間にはストライプ領域が形成されている。
　また、トレンチ溝Ｔｒ５１とトレンチ溝Ｔｒ５２との境界およびトレンチ溝Ｔｒ５１とトレンチ溝Ｔｒ５３との境界は、ｚ方向に沿った両端面に向かって、トレンチ溝Ｔｒ５１の幅が狭くなるとともにトレンチ溝Ｔｒ５２およびトレンチ溝Ｔｒ５３の幅が広くなり、かつトレンチ溝の合計の幅が一定であるように形成されている。そして、半導体レーザ素子５１において、トレンチ溝Ｔｒ５２、トレンチ溝Ｔｒ５３は、トレンチ溝Ｔｒ５１よりも半導体積層部５２の最上面からトレンチ溝の底までの深さが浅い。トレンチ溝Ｔｒ５１の深さは、たとえば１０００ｎｍである。トレンチ溝Ｔｒ５２、トレンチ溝Ｔｒ５３の深さは、たとえば２００ｎｍである。
　したがって、第２領域５２ａｂ、第３領域５２ａｃは、第１領域５２ａａよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
　ここで、半導体レーザ素子５１の半導体積層部５２は、端面Ｅ５１側の第２領域５２ａｂにトレンチ溝の深さが浅いトレンチ溝Ｔｒ５２を有する。この第２領域５２ａｂでは、トレンチ溝の深さが浅いため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子５１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子５１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例４の半導体レーザ素子５１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
　なお、半導体レーザ素子５１において、トレンチ溝Ｔｒ５１とトレンチ溝Ｔｒ５２との境界は、レーザ光が導波するｚ方向に対して傾斜している。その結果、導波するレーザ光がトレンチ溝Ｔｒ５１とトレンチ溝Ｔｒ５２との境界において、屈折率等の急激な変化の影響を受け、半導体レーザ素子の出力特性に悪影響が生じることが防止されている。
　変形例４として半導体積層部５２が電流非注入領域を有さない例を示したが、電流非注入領域を設けてもよい。この場合も、端面Ｅ５１側の電流非注入領域の長さは、第２領域５２ａｂのｚ方向の長さＬ５２ａｂより短いことが好ましい。同様に、端面Ｅ５２側の電流非注入領域の長さは、第３領域５２ａｃのｚ方向の長さＬ５２ａｃより短いことが好ましい。なお、この場合、第２領域５２ａｂの長さＬ５２ａｂ、第３領域５２ａｃの長さＬ５２ａｃは、図１１に示すように、端面Ｅ５１、Ｅ５２からトレンチ溝Ｔｒ５１の幅が一定となる位置までの長さを指す。
（変形例５）
　つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例５について説明する。図１２は、変形例５の半導体レーザ素子の上面図である。図１２に示すように、変形例５の半導体レーザ素子６１は、活性層を有する半導体積層部６２と、半導体積層部６２のレーザ光出射側の端面Ｅ６１に形成された低反射率膜６３と、端面Ｅ６１と対向する後端面側の端面Ｅ６２に形成された高反射率膜６４とを有している。
　さらに、半導体レーザ素子６１は、半導体積層部６２の上面に形成された上部電極６５を備える。上部電極６５は、開口部Ａの内側で半導体積層部６２に接している。
　半導体積層部６２は、端面Ｅ６１の近傍に位置する第２領域６２ａｂおよび端面Ｅ６２の近傍に位置する第３領域６２ａｃと、第２領域６２ａｂと第３領域６２ａｃとの間に位置する第１領域６２ａａを有する。
　第１領域６２ａａの半導体積層部６２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ６が形成され、トレンチ溝Ｔｒ６の間にはストライプ領域が形成されている。一方、第２領域６２ａｂおよび第３領域６２ａｃには、トレンチ溝Ｔｒ６は形成されておらず、半導体積層部６２の上面は一定の高さとなっている。
　したがって、第２領域６２ａｂ、第３領域６２ａｃは、ストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がなく、第１領域６２ａａよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。また、トレンチ溝Ｔｒ６のｚ方向に沿った両端部は、両端面に向かって、トレンチ溝Ｔｒ６の幅が狭くなる。
　ここで、半導体レーザ素子６１の半導体積層部６２は、端面Ｅ６１側の第２領域６２ａｂにトレンチ溝が形成されていない。この第２領域６２ａｂでは、トレンチ溝がなくリッジ構造を有しないため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子６１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子６１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例５の半導体レーザ素子６１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
　変形例５として半導体積層部６２が電流非注入領域を有さない例を示したが、電流非注入領域を設けてもよい。この場合も、端面Ｅ６１側の電流非注入領域の長さは、第２領域６２ａｂのｚ方向の長さＬ６２ａｂより短いことが好ましい。同様に、端面Ｅ６２側の電流非注入領域の長さは、第３領域６２ａｃのｚ方向の長さＬ６２ａｃより短いことが好ましい。なお、この場合、第２領域６２ａｂの長さＬ６２ａｂ、第３領域６２ａｃの長さＬ６２ａｃは、図１２に示すように、端面Ｅ６１、Ｅ６２からトレンチ溝Ｔｒ６の幅が一定となる位置までの長さを指す。
（変形例６）
　つぎに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の変形例６について説明する。図１３は、変形例６の半導体レーザ素子の上面図である。図１３に示すように、変形例６の半導体レーザ素子７１は、活性層を有する半導体積層部７２と、半導体積層部７２のレーザ光出射側の端面Ｅ７１に形成された低反射率膜７３と、端面Ｅ７１と対向する後端面側の端面Ｅ７２に形成された高反射率膜７４とを有している。
　さらに、半導体レーザ素子７１は、半導体積層部７２の上面に形成された上部電極７５を備える。上部電極７５は、開口部Ａの内側で半導体積層部７２に接している。また、半導体積層部７２は、電流が注入されない電流非注入領域７２ｂを備える。電流非注入領域７２ｂは、ｚ方向に沿って、端面Ｅ７１側に形成された第１電流非注入領域７２ｂａと、端面Ｅ７２側に形成された第２電流非注入領域７２ｂｂとを有する。このように、半導体レーザ素子７１は、電流非注入領域７２ｂによりＣＯＤの発生が防止された半導体レーザ素子である。
　半導体積層部７２は、端面Ｅ７１の近傍に位置する第３領域７２ａｃおよび端面Ｅ７２側に位置する第１領域７２ａａと、第３領域７２ａｃと第１領域７２ａａとの間に位置する第２領域７２ａｂを有する。すなわち、第２領域７２ａｂは、端面Ｅ７１と離間して形成されており、第３領域７２ａｃは、端面Ｅ７１を含むように形成されている。
　第１領域７２ａａおよび第３領域７２ａｃの半導体積層部７２の上面には、ｚ方向に延伸するトレンチ溝Ｔｒ７１およびトレンチ溝Ｔｒ７２が形成され、トレンチ溝Ｔｒ７１およびトレンチ溝Ｔｒ７２の間にはストライプ領域が形成されている。一方、第２領域７２ａｂには、トレンチ溝は形成されておらず、半導体積層部７２の上面は一定の高さとなっている。
　したがって、第２領域７２ａｂは、ストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がなく、第１領域７２ａａおよび第３領域７２ａｃよりもストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さくなっている。
　ここで、半導体レーザ素子７１の半導体積層部７２は、端面Ｅ７１の近傍の第２領域７２ａｂにトレンチ溝が形成されていない。この第２領域７２ａｂでは、トレンチ溝がなくリッジ構造を有しないため、ストライプ領域への高次の水平横モードの閉じ込めが弱くなる。すると、半導体レーザ素子７１では、出力するレーザ光に含まれる光のうち、ＦＦＰｈの角度が大きい高次の水平横モードの光が減少する。その結果、半導体レーザ素子７１の出力するレーザ光は、ＦＦＰｈの角度が小さくなる。したがって、変形例６の半導体レーザ素子７１は、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子である。
　変形例６の半導体レーザ素子７１のように、トレンチ溝が形成されていない第２領域７２ａｂは、必ずしも端面Ｅ７１を含むように形成されている必要はなく、端面Ｅ７１と離間して形成されていてもよい。このとき、へき開面の連続性の観点から、端面Ｅ７２を含む領域にはトレンチ溝が形成されていなくてよい。また、第３領域７２ａｃのｚ方向の長さＬ７２ａｃより第１電流非注入領域７２ｂａの長さが長いことが好ましい。これは、第３領域７２ａｃに挟まれた領域の半導体積層部７２に電流注入が行われると、第３領域７２ａｃで高次の水平横モードが生じるためである。
　なお、この場合も、第１電流非注入領域７２ｂａの長さＬ７２ｂａは、第２領域７２ａｂのｚ方向の長さＬ７２ａｂと第３領域７２ａｃの長さＬ７２ａｃとの合計より短いことが好ましい。
　また、変形例６として半導体積層部７２が電流非注入領域を有する例を示したが、電流非注入領域を設けなくてもよい。
　以上、説明したように、本実施の形態によれば、光ファイバへの結合効率が良好な半導体レーザ素子を提供することができる。
　また、上述の実施の形態では、水平方向においてストライプ領域（図１参照）に光を閉じ込める構造としてトレンチ溝を形成した例を示したが、光と電流とが通る領域が規制され、ストライプ領域へのレーザ光の水平方向の光閉じ込め効果を有する光導波路が形成されれば、光を閉じ込める構造はこれに限定されない。光を閉じ込める構造として、たとえば、リッジ構造、ＳＡＳ（Ｓｅｌｆ　Ａｌｉｇｎｅｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造、埋め込みヘテロ（ＢＨ：Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造などの構造やイオン注入を用いて形成してもよい。これらの構造を、光を閉じ込める構造として用いた構造について、以下に構造例として説明する。
　なお、光を閉じ込める領域としてトレンチ溝を用いた場合は、半導体レーザ素子の作製が容易であり、安価に作製できる。さらに、ｐ型コンタクト層側にリッジのような凸の部分が形成されないため、ｐ型コンタクト層側を下にしてサブマウントにボンディングする場合に水平にボンディングしやすいという利点がある。
（構造例１）
　構造例１に係るリッジ構造を有する半導体レーザ素子について説明する。図１６は、構造例１の半導体レーザ素子の上面図である。図１６に示すように、半導体積層部２は、端面Ｅ１の近傍に位置する第２領域２ａｂおよび端面Ｅ２の近傍に位置する第３領域２ａｃと、第２領域２ａｂと第３領域２ａｃとの間に位置する第１領域２ａａを有する。また、半導体レーザ素子１は、半導体積層部２の上面に形成された上部電極５を備える。上部電極５は、開口部Ａの内側で半導体積層部２に接している。
　図１７は、構造例１の半導体レーザ素子のＩ－Ｉ線断面図の一例である。図１７に示すように、リッジ構造を有する半導体レーザ素子１では、開口部Ａの直下のｐ型クラッド層１３の少なくとも一部にｘ方向において光を閉じ込めるためのリッジ構造が形成されている。また、構造例１の半導体レーザ素子１のＩＩ－ＩＩ線断面図は、図４と同一であってよいので説明を省略する。
　このように、第１領域２ａａとしてリッジ構造を形成し、第１領域２ａａよりレーザ光Ｌの水平方向の光閉じ込め効果が小さい第２領域２ａｂとしてリッジ構造を有さない構造を形成してもよい。リッジ構造では、半導体レーザ素子１の作製が容易であり、安価に作製できる利点がある。
（構造例２）
　構造例２に係るＳＡＳ構造を有する半導体レーザ素子について説明する。図１８は、構造例２の半導体レーザ素子の上面図である。図１８に示すように、半導体積層部２は、端面Ｅ１の近傍に位置する第２領域２ａｂおよび端面Ｅ２の近傍に位置する第３領域２ａｃと、第２領域２ａｂと第３領域２ａｃとの間に位置する第１領域２ａａを有する。また、半導体レーザ素子１は、半導体積層部２の上面に形成された上部電極５を備える。上部電極５は、その全面が半導体積層部２に接しているが、後述する電流ブロッキング層により電流が開口部Ａに狭窄されて注入される。
　図１９は、構造例２の半導体レーザ素子のＩ－Ｉ線断面図の一例である。図１９に示すように、ＳＡＳ構造を有する半導体レーザ素子１では、活性層１１を挟んで両側に形成され、他の層に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きなｎ－ＡｌＧａＡｓからなる下部キャリアブロッキング層２１６および上部キャリアブロッキング層２１７が形成されている。さらに、この半導体レーザ素子１では、ｐ型ガイド層１２の中（図では厚みの中間の位置）に、ｎ－ＡｌＧａＡｓで形成された電流ブロッキング層２１８が配置されている。そして、電流ブロッキング層２１８が開口部Ａを有することにより、上部電極５から活性層１１への高効率な電流注入が実現されている。
　図２０は、構造例２の半導体レーザ素子のＩＩ－ＩＩ線断面図である。図２０に示すように、第２領域２ａｂにおいて、電流ブロッキング層２１８が開口部を有さず一様な厚みで形成されている。
　このように、第１領域２ａａとしてＳＡＳ構造を形成し、第１領域２ａａよりレーザ光Ｌの水平方向の光閉じ込め効果が小さい第２領域２ａｂとしてＳＡＳ構造を有さない構造を形成してもよい。ＳＡＳ構造では、トレンチ溝を用いた場合と同様に、ｐ型コンタクト層１４側の面が平坦であるため、ボンディング性に優れている。さらに、電流ブロッキング層２１８によって水平方向の漏れ電流を抑制できるため、光閉じ込めの設計自由度が高いという利点もある。
（構造例３）
　構造例３に係るＢＨ構造を有する半導体レーザ素子について説明する。図２１は、構造例３の半導体レーザ素子の上面図である。図２１に示すように、半導体積層部２は、端面Ｅ１の近傍に位置する第２領域２ａｂおよび端面Ｅ２の近傍に位置する第３領域２ａｃと、第２領域２ａｂと第３領域２ａｃとの間に位置する第１領域２ａａを有する。また、半導体レーザ素子１は、半導体積層部２の上面に形成された上部電極５を備える。上部電極５は、その全面が半導体積層部２に接しているが、後述するｐ型電流ブロック層２１９、ｎ型電流ブロック層２２０により電流が狭窄されて注入される。
　図２２は、構造例３の半導体レーザ素子のＩ－Ｉ線断面図の一例である。図２２に示すように、ＢＨ構造を有する半導体レーザ素子１では、ｎ型クラッド層９の上部と活性層１１とがメサ形状に加工され、このメサ形状に隣接してｐ型電流ブロック層２１９、ｎ型電流ブロック層２２０が形成されることで電流ブロック層が形成されている。電流ブロック層には注入電流を遮蔽する機能があるため、電流ブロック層の存在により注入された電流を狭窄して活性層１１に注入されるキャリア密度を向上させ、閾値電流値を低減し、発光効率を高めている。
　図２３は、構造例３の半導体レーザ素子のＩＩ－ＩＩ線断面図である。図２３に示すように、第２領域２ａｂにおいて、半導体レーザ素子１には、ｐ型電流ブロック層２１９およびｎ型電流ブロック層２２０からなる電流ブロック層が形成されていない。
　このように、第１領域２ａａとしてＢＨ構造を形成し、第１領域２ａａよりレーザ光Ｌの水平方向の光閉じ込め効果が小さい第２領域２ａｂとしてＢＨ構造を有さない構造を形成してもよい。ＢＨ構造は、トレンチ溝を用いた場合と同様にボンディング性に優れている。また、漏れ電流が非常に少なく、電流ブロック性に優れている。
　以上説明したように、レーザ光Ｌの水平方向の光閉じ込め効果を有する構造であって、第１領域より第２領域の水平方向の光閉じ込め効果を小さくする構成であれば、本発明の効果を得ることができる。
　なお、上記実施の形態では、ＧａＡｓ系の材料について説明したが、所望の発振波長に応じてＩｎＰ等の他の材料の基板や、他の材料系から積層構造を構成することが可能である。
　また、上述の実施の形態では、基板上にｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、ｎ型ガイド層、活性層、ｐ型ガイド層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層を形成した構造を説明してきたが、基板上に順次、ｐ型バッファ層、ｐ型クラッド層、ｐ型ガイド層、活性層、ｎ型ガイド層、ｎ型クラッド層、ｎ型コンタクト層を形成した構造であってもよい。
（レーザ照射装置）
　図２６は、本発明の実施の形態に係るレーザ光照射装置の模式的な構成図である。このレーザ光照射装置１０００は、実施の形態に係る半導体レーザ素子１を備えた光ファイバレーザである。
　レーザ光照射装置１０００は、それぞれが励起光源である半導体レーザ素子１を備えた複数の半導体レーザモジュール１００１と、複数の半導体レーザモジュール１００１の各半導体レーザ素子１と光学的に接続しており、各半導体レーザ素子１が出力する励起光を導波する複数のマルチモード光ファイバ１００２と、マルチモード光ファイバ１００２が導波した励起光を結合し、ダブルクラッド光ファイバ１００４から出力させるＴＦＢ（Tapered　Fiber　Bundle）１００３と、ダブルクラッド光ファイバ１００４に順次接続したダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ａ、光増幅ファイバ１００６、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ｂ、およびシングルモード光ファイバ１００７が接続された光出力コネクタ１００８と、を備える。
　各半導体レーザ素子１が出力する励起光の波長は９１５ｎｍ近傍である。また、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ａは、反射中心波長が約１０６０ｎｍであり、中心波長およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。また、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ｂは、中心波長が約１０６０ｎｍであり、中心波長における反射率が１０～３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約０．１ｎｍであり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。したがって、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ａ、１００５ｂは、波長１０６０ｎｍの光に対して光共振器を構成する。
　光増幅ファイバ１００６は、コア部と、内側クラッド層と、外側クラッド層とを備えるダブルクラッド構造を有しており、そのコア部は希土類元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）と、アルミニウム（Ａｌ）とが添加されたシリカガラスからなる。
　このレーザ光照射装置１０００では、各半導体レーザ素子１が波長９１５ｎｍ近傍の励起光を出力すると、各マルチモード光ファイバ１００２が各励起光を導波し、ＴＦＢ１００３が導波した各励起光を結合してダブルクラッド光ファイバ１００４に出力する。ダブルクラッド光ファイバ１００４は結合した励起光をマルチモードで伝搬する。その後、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ａが励起光を透過して、光増幅ファイバ１００６に到達させる。
　光増幅ファイバ１００６に到達した励起光は、光増幅ファイバ１００６のコア部および内側クラッド層をマルチモードで伝搬しながら、コア部に添加したＹｂを光励起し、波長１０６０ｎｍを含む波長帯域を有する蛍光を発光させる。この蛍光は、コア部をシングルモードで伝搬し、ダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ａ、１００５ｂが構成する光共振器内を往復しながら、Ｙｂイオンの誘導放出作用により増幅され、発振波長１０６０ｎｍにおいてレーザ発振する。発振したレーザ光はダブルクラッド光ファイバグレーティング１００５ｂおよびシングルモード光ファイバ１００７を介して光出力コネクタ１００８からレーザ光Ｌ１０００として出力する。
　このレーザ光照射装置１０００では、実施の形態に係る半導体レーザ素子１を励起光源として用いているので、励起光は各マルチモード光ファイバ１００２に効率よく結合する。その結果、出力するレーザ光Ｌ１０００の強度を高くできる。
　なお、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記実施の形態に係るレーザ光照射装置の構成に限らず、様々な構成のレーザ光照射装置に適用できる。
　また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、上述した各変形例と各構造例とを組み合わせた構成も本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
　以上のように、本発明に係る半導体レーザ素子およびレーザ光照射装置は、例えば産業用レーザの分野に適用して好適なものである。
　１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、１０１、１１１　半導体レーザ素子
　２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、１０２、１１２　半導体積層部
　２ａａ、２２ａａ、３２ａａ、４２ａａ、５２ａａ、６２ａａ、７２ａａ　第１領域
　２ａｂ、２２ａｂ、３２ａｂ、４２ａｂ、５２ａｂ、６２ａｂ、７２ａｂ　第２領域
　２ａｃ、２２ａｃ、３２ａｃ、４２ａｃ、５２ａｃ、６２ａｃ、７２ａｃ　第３領域
　２ｂ、４２ｂ、７２ｂ、１１２ｂ　電流非注入領域
　２ｂａ、４２ｂａ、７２ｂａ、１１２ｂａ　第１電流非注入領域
　２ｂｂ、４２ｂｂ、７２ｂｂ、１１２ｂｂ　第２電流非注入領域
　３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、１０３、１１３　低反射率膜
　４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、１０４、１１４　高反射率膜
　５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、１０５、１１５　上部電極
　６　下部電極
　７　基板
　８　ｎ型バッファ層
　９　ｎ型クラッド層
　１０　ｎ型ガイド層
　１１　活性層
　１２　ｐ型ガイド層
　１３　ｐ型クラッド層
　１４　ｐ型コンタクト層
　１５　パッシベーション膜
　２１６　下部キャリアブロッキング層
　２１７　上部キャリアブロッキング層
　２１８　電流ブロッキング層
　２１９　ｐ型電流ブロック層
　２２０　ｎ型電流ブロック層
　１０００　レーザ光照射装置
　１００１　半導体レーザモジュール
　１００２　マルチモード光ファイバ
　１００４　ダブルクラッド光ファイバ
　１００５ａ、１００５ｂ　ダブルクラッド光ファイバグレーティング
　１００６　光増幅ファイバ
　１００７　シングルモード光ファイバ
　１００８　光出力コネクタ
　Ａ　開口部
　Ｄ　トレンチ溝の深さ
　Ｅ１、Ｅ２、Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ３１、Ｅ３２、Ｅ４１、Ｅ４２、Ｅ５１、Ｅ５２、Ｅ６１、Ｅ６２、Ｅ７１、Ｅ７２　端面
　Ｌ　レーザ光
　Ｌｄ　素子長
　Ｌ２ａｂ、Ｌ２ａｃ、Ｌ２ｂａ、Ｌ２ｂｂ、Ｌ４２ａｂ、Ｌ４２ａｃ、Ｌ４２ｂａ、Ｌ４２ｂｂ、Ｌ５２ａｂ、Ｌ５２ａｃ、Ｌ６２ａｂ、Ｌ６２ａｃ、Ｌ７２ａｂ、Ｌ７２ａｃ、Ｌ７２ｂａ、Ｌ７２ｂｂ　長さ
　Ｓ　ストライプ領域
　Ｔ　リッジ残し厚
　Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ６、Ｔｒ１０１、Ｔｒ１１１　トレンチ溝
　Ｔｒ３１、Ｔｒ４１、Ｔｒ５１、Ｔｒ７１　第１トレンチ溝
　Ｔｒ３２、Ｔｒ４２、Ｔｒ５２、Ｔｒ７２　第２トレンチ溝
　Ｔｒ３３、Ｔｒ４３、Ｔｒ５３　第３トレンチ溝
　Ｗｓ　導波路幅
　Ｗｔ　トレンチ幅

Claims (9)

  1. 　活性層を有する半導体積層部を備え、レーザ光をマルチモード発振する半導体レーザ素子であって、
    　前記半導体積層部は、
    第１領域と、該第１領域よりレーザ光出射側の端面の近傍に位置する第２領域と、を有し、
    　前記第１領域および前記第２領域は、前記レーザ光が導波するストライプ領域を含み、
    　前記第２領域は、前記第１領域よりも前記ストライプ領域への前記レーザ光の水平方向の光閉じ込め効果が小さいことを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 　前記第２領域は、前記レーザ光の水平方向の光閉じ込め効果がないことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 　前記半導体積層部は、前記レーザ光出射側の前記端面から前記レーザ光出射方向に沿って電流が注入されない電流非注入領域を備え、
    　該電流非注入領域の長さは、前記第２領域の長さより短いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 　前記第２領域の長さは、１００μｍ以上であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  5. 　前記第２領域の長さは、１５０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  6. 　前記半導体積層部は、前記レーザ光出射側の前記端面とは反対側の端面から前記レーザ光出射方向に沿って電流が注入されない電流非注入領域を備えることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  7. 　前記第２領域は、前記レーザ光出射側の前記端面を含むように形成されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  8. 　前記第２領域は、前記レーザ光出射側の前記端面と離間して形成されていることを特徴とする請求項１～７のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  9. 　請求項１～８のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子を備えることを特徴とするレーザ光照射装置。
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