ホーム > 特許ランキング > 日亜化学工業株式会社
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024159555
(43)【公開日】2024-11-08
(54)【発明の名称】横マルチモード型半導体レーザ素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/22 20060101AFI20241031BHJP
H01S 5/12 20210101ALI20241031BHJP
【ＦＩ】
H01S5/22
H01S5/12
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024064083
(22)【出願日】2024-04-11
(31)【優先権主張番号】P 2023074037
(32)【優先日】2023-04-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000226057
【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100138863
【弁理士】
【氏名又は名称】言上 惠一
(72)【発明者】
【氏名】小川 尚史
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AA08
5F173AB02
5F173AF03
5F173AH06
5F173AH22
5F173AP05
5F173AP09
5F173AP33
5F173AR04
5F173AR14
(57)【要約】
【課題】横モードの毎の発振波長のばらつきが小さい横マルチモード型半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】活性層を含み、導波構造を有する半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、半導体積層部は、(i)第１回折格子を含み屈折率ｎ１の第１領域と、(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、を含み、(iii)第２領域から出射されるレーザ光は、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２１と屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で第１領域を伝搬し、半導体積層部の積層方向に直交しかつレーザ光の光軸を含む断面において、第１回折格子の周期方向と直交する方向の第１領域の両端部はそれぞれ、第１領域側の第１コア領域の出射端面の両端から最大拡散角Θmax１で広がる仮想線の外側に位置する。
【選択図】図１
【解決手段】活性層を含み、導波構造を有する半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、半導体積層部は、(i)第１回折格子を含み屈折率ｎ１の第１領域と、(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、を含み、(iii)第２領域から出射されるレーザ光は、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２１と屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で第１領域を伝搬し、半導体積層部の積層方向に直交しかつレーザ光の光軸を含む断面において、第１回折格子の周期方向と直交する方向の第１領域の両端部はそれぞれ、第１領域側の第１コア領域の出射端面の両端から最大拡散角Θmax１で広がる仮想線の外側に位置する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
活性層を含み、導波構造を有する半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
前記半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含み屈折率ｎ１の第１領域と、
(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
(iii)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ１と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で前記第１領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第１領域の両端部はそれぞれ、前記第１領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax１で広がる仮想線の外側に位置する、横マルチモード型半導体レーザ素子。
前記半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含み屈折率ｎ１の第１領域と、
(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
(iii)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ１と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で前記第１領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第１領域の両端部はそれぞれ、前記第１領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax１で広がる仮想線の外側に位置する、横マルチモード型半導体レーザ素子。
【請求項2】
前記第１回折格子における前記両端部間の間隔は、前記第１コア領域の幅の大きさの２倍以上１００倍以下である、請求項１に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
【請求項3】
前記第１コア領域の幅は、１５μｍ以上１００μｍ以下であり、
前記第１回折格子における前記両端部間の間隔は、３０μｍ以上９０００μｍ以下である、請求項２に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
前記第１回折格子における前記両端部間の間隔は、３０μｍ以上９０００μｍ以下である、請求項２に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
【請求項4】
前記第１回折格子における前記両端部間の間隔は一定である、請求項１から３のいずれか１項に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
【請求項5】
前記第１領域からレーザ光が出力される前記第１領域の第１端面は、前記第１コア領域を伝播するレーザ光の光軸および前記第１回折格子の周期方向に対して傾斜している、請求項１から３のいずれか１項に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
【請求項6】
前記半導体積層部は、ｎ側半導体層と、ｐ側半導体層と、前記ｎ側半導体層および前記ｐ側半導体層の間に位置する活性層と、を備え、
前記第１回折格子は、前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層のいずれか一方に設けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
前記第１回折格子は、前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層のいずれか一方に設けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
【請求項7】
前記第２領域から出射されるレーザ光が入射する前記第１領域の第１端面または該第１端面と反対側の第２端面から出射するレーザ光の半値全幅は０．０１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
【請求項8】
前記レーザ光のＭ２因子が２以上１００以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
【請求項9】
前記半導体積層部は、
(iv)前記第２領域を挟んで前記第１領域の反対側に、第２回折格子を含み屈折率ｎ３の第３領域をさらに含み、
(v)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ3と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax３で前記第３領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第３領域の両端部はそれぞれ、前記第３領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax３で広がる仮想線の外側に位置する、請求項１から３のいずれか１項に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
(iv)前記第２領域を挟んで前記第１領域の反対側に、第２回折格子を含み屈折率ｎ３の第３領域をさらに含み、
(v)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ3と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax３で前記第３領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第３領域の両端部はそれぞれ、前記第３領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax３で広がる仮想線の外側に位置する、請求項１から３のいずれか１項に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子。
【請求項10】
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
（ｉ）第１回折格子を含む第１領域と、
（ｉｉ）第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
前記第１領域はレーザ光を出射する第１端面を有し、
前記前記第１端面の前記半導体積層部の積層方向と直交する方向において、
（ｉｉｉ）前記第１端面の幅は前記レーザ光のビーム径よりも大きく、
上面視において、
（iｖ）前記第１回折格子の周期方向と直交する方向において、前記ビームの端と、前記第１領域および前記第２領域の第１コア領域の境界である第１頂点と、を結ぶ線のうち短い方の線を基準として、前記レーザ光の中心から遠ざかる方向にも前記第１領域が広がる、横マルチモード型半導体レーザ素子。
半導体積層部は、
（ｉ）第１回折格子を含む第１領域と、
（ｉｉ）第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
前記第１領域はレーザ光を出射する第１端面を有し、
前記前記第１端面の前記半導体積層部の積層方向と直交する方向において、
（ｉｉｉ）前記第１端面の幅は前記レーザ光のビーム径よりも大きく、
上面視において、
（iｖ）前記第１回折格子の周期方向と直交する方向において、前記ビームの端と、前記第１領域および前記第２領域の第１コア領域の境界である第１頂点と、を結ぶ線のうち短い方の線を基準として、前記レーザ光の中心から遠ざかる方向にも前記第１領域が広がる、横マルチモード型半導体レーザ素子。
【請求項11】
複数の光源部と、
回折格子と、を備え、
前記複数の光源部のそれぞれは、
請求項１から３のいずれか１項または請求項１０に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光が入射する位置に設けられたコリメートレンズと、
を有し、
前記レーザ光のピーク波長は、前記複数の光源部ごとに異なり、
前記回折格子は、前記複数の光源部から出射されるレーザ光を合波する、波長ビーム結合装置。
回折格子と、を備え、
前記複数の光源部のそれぞれは、
請求項１から３のいずれか１項または請求項１０に記載の横マルチモード型半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光が入射する位置に設けられたコリメートレンズと、
を有し、
前記レーザ光のピーク波長は、前記複数の光源部ごとに異なり、
前記回折格子は、前記複数の光源部から出射されるレーザ光を合波する、波長ビーム結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、横マルチモード型半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体レーザ素子のレーザ光の高出力化が求められている。高出力な半導体レーザ素子は、例えば、加工用の光源に用いられるようになってきている。そこで、横シングルモード型半導体レーザ素子よりも高出力が得られやすい横マルチモード型半導体レーザ素子を利用することが考えられる。例えば、特許文献１は、横マルチモード型半導体レーザ素子を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１１－１５１２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献１が開示する横マルチモード型半導体レーザ素子は、横モード毎の発振波長が異なることから、出射されるレーザ光の半値全幅が大きくなり、効率よく高出力を得ることが難しい。
【0005】
そこで、本開示は、横モード毎の発振波長のばらつきが小さい横マルチモード型半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一実施形態に係る横マルチモード型半導体レーザ素子は、
活性層を含み、導波構造を有する半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
前記半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含み屈折率ｎ１の第１領域と、
(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
(iii)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ１と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で前記第１領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第１領域の両端部はそれぞれ、前記第１領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax１で広がる仮想線の外側に位置する。
活性層を含み、導波構造を有する半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
前記半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含み屈折率ｎ１の第１領域と、
(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
(iii)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ１と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で前記第１領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第１領域の両端部はそれぞれ、前記第１領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax１で広がる仮想線の外側に位置する。
【0007】
また、本開示の一実施形態に係る横マルチモード型半導体レーザ素子は、
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
（ｉ）第１回折格子を含む第１領域と、
（ｉｉ）横多モード導波路を有する第２領域と、
を含み、
前記第１領域はレーザ光を出射する第１端面を有し、
前記回折格子の周期方向と直交する断面視において、
（ｉｉｉ）前記半導体積層部の積層方向と直交する方向の前記第１端面の幅は前記レーザ光のビーム径よりも大きく、
上面視において、
（iｖ）前記回折格子の周期方向と直交する方向において、前記ビーム径をとるビームの端と、前記第１領域および前記横多モード導波路の第１コア領域の境界である第１頂点と、を結ぶ線のうち短い方の線を基準として、前記レーザ光の中心から遠ざかる方向にも前記第１領域が広がる。
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
（ｉ）第１回折格子を含む第１領域と、
（ｉｉ）横多モード導波路を有する第２領域と、
を含み、
前記第１領域はレーザ光を出射する第１端面を有し、
前記回折格子の周期方向と直交する断面視において、
（ｉｉｉ）前記半導体積層部の積層方向と直交する方向の前記第１端面の幅は前記レーザ光のビーム径よりも大きく、
上面視において、
（iｖ）前記回折格子の周期方向と直交する方向において、前記ビーム径をとるビームの端と、前記第１領域および前記横多モード導波路の第１コア領域の境界である第１頂点と、を結ぶ線のうち短い方の線を基準として、前記レーザ光の中心から遠ざかる方向にも前記第１領域が広がる。
【発明の効果】
【0008】
本開示の一実施形態及び他の実施形態に係る半導体レーザ素子は、横モード毎の発振波長のばらつきが小さい横マルチモード型半導体レーザ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子の導波構造を示す模式図である。
【図2】実施形態１に係る半導体レーザ素子の上面図である。
【図7】ビームウエスト半径Ｗ０、 ビーム発散角φの測定方法の概要を示す図である。
【図8】実施形態１の半導体レーザ素子に係る他の形態を示す模式図である。
【図9】実施形態１の半導体レーザ素子に係る他の形態を示す模式図である。
【図10】実施形態１の半導体レーザ素子に係る他の形態を示す模式図である。
【図11A】実施形態１の半導体レーザ素子に係る他の形態を示す模式図である。
【図11B】実施形態１の半導体レーザ素子に係る他の形態を示す模式図である。
【図12】実施形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図13】実施形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図14】実施形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図15】実施形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図16】実施形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を示す概略上面図である。
【図17】実施形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図18】実施形態１の変形例１に係る半導体レーザ素子の概略上面図である。
【図19】実施形態１の変形例２に係る半導体レーザ素子の概略上面図である。
【図20】本開示の実施形態３に係る波長ビーム結合装置の構成を示す概略図である。
【図21A】１２Ａの電流を注入したときの実施例１の半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の強度を示すグラフである。
【図21B】１２Ａの電流を注入したとき比較例１の半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の強度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照しながら、本開示に係る発明を実施するための実施形態、変形例、及び実施例を説明する。なお、以下に説明する、本開示に係る半導体レーザ素子は、本開示に係る発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示に係る発明を以下のものに限定しない。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態、変形例、若しくは実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態、変形例、及び実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態、変形例、及び実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態、変形例、及び実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
以下の説明において、記載を簡略化するために、横マルチモード型半導体レーザ素子を単に半導体レーザ素子とも呼ぶ。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態、変形例、若しくは実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態、変形例、及び実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態、変形例、及び実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態、変形例、及び実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
以下の説明において、記載を簡略化するために、横マルチモード型半導体レーザ素子を単に半導体レーザ素子とも呼ぶ。
【0011】
実施形態１
実施形態１の半導体レーザ素子は、活性層を含み、図１に示す導波構造を有する半導体積層部を含む半導体レーザ素子Ｌ１である。ここで、図１は、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１における導波構造を示した模式図である。
具体的には、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１における半導体積層部は、図１に示すように、
(i)第１回折格子１０５を含み屈折率ｎ１の第１領域１と、
(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域２１と第１コア領域２１の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域２２とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域２と、を含む。
以上のように構成された第１領域１と第２領域２とを含む半導体レーザ素子Ｌ１において、第２領域２から出射されるレーザ光は、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２１と屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で第１領域１を伝搬する。
そして、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１では、第２領域２から出射され第１領域１に入射するレーザ光の最大拡散角Θmax１を考慮して、第１領域１の幅が設定されている。
具体的には、レーザ光の光軸に垂直な断面において、半導体積層部の積層方向に直交する方向の第１領域１の両端部がそれぞれ、第１領域１側の第１コア領域２１の出射端面の両端から最大拡散角Θmax１で広がる仮想線v１の外側に位置するように第１領域１の幅Ｗ１が設定されている。
ここで、本明細書において、屈折率ｎ２１、屈折率ｎ２２、というときの屈折率とは、半導体積層部の積層方向の光閉じ込めを考慮した実効的な屈折率をいう。屈折率ｎ１は半導体積層部の積層方向の光閉じ込めを考慮し、さらに回折格子の屈折率の変調のぶんを平均化した実効的な屈折率をいう。また、最大拡散角Θmax1は、第２領域２の光導波路の最大受光角に等しい。
以下、図面に基づいて、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１について詳細に説明する。
実施形態１の半導体レーザ素子は、活性層を含み、図１に示す導波構造を有する半導体積層部を含む半導体レーザ素子Ｌ１である。ここで、図１は、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１における導波構造を示した模式図である。
具体的には、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１における半導体積層部は、図１に示すように、
(i)第１回折格子１０５を含み屈折率ｎ１の第１領域１と、
(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域２１と第１コア領域２１の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域２２とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域２と、を含む。
以上のように構成された第１領域１と第２領域２とを含む半導体レーザ素子Ｌ１において、第２領域２から出射されるレーザ光は、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２１と屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で第１領域１を伝搬する。
そして、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１では、第２領域２から出射され第１領域１に入射するレーザ光の最大拡散角Θmax１を考慮して、第１領域１の幅が設定されている。
具体的には、レーザ光の光軸に垂直な断面において、半導体積層部の積層方向に直交する方向の第１領域１の両端部がそれぞれ、第１領域１側の第１コア領域２１の出射端面の両端から最大拡散角Θmax１で広がる仮想線v１の外側に位置するように第１領域１の幅Ｗ１が設定されている。
ここで、本明細書において、屈折率ｎ２１、屈折率ｎ２２、というときの屈折率とは、半導体積層部の積層方向の光閉じ込めを考慮した実効的な屈折率をいう。屈折率ｎ１は半導体積層部の積層方向の光閉じ込めを考慮し、さらに回折格子の屈折率の変調のぶんを平均化した実効的な屈折率をいう。また、最大拡散角Θmax1は、第２領域２の光導波路の最大受光角に等しい。
以下、図面に基づいて、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１について詳細に説明する。
【0012】
ここで、図２は、実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１の上面図であり、図３Ａは、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線における概略断面図であり、図４は、図２のＩＶ－ＩＶ線における概略断面図であり、図５は、図２のＶ－Ｖ線における概略断面図である。
【0013】
本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１は、基板１００の上に設けられた半導体積層部１０１を含む。半導体積層部１０１は、例えば、図３Ａ～図５に示すように、
（ａ）ｎ側クラッド層１１１とｎ側光ガイド層１１２を含むｎ側半導体層１１０と、
（ｂ）ｎ側半導体層１１０の上に設けられた活性層１２０と、
（ｃ）活性層１２０の上に設けられ、ｐ側光ガイド層１３１とｐ側クラッド層１３２とを含むｐ側半導体層１３０と、
を含んでよい。
また、半導体積層部１０１は、ｐ側クラッド層１３２に設けられたリッジ１３５を含む。リッジ１３５は、第１領域１に設けられた第１リッジ１３５ａと第２領域２に設けられた第２リッジ１３５ｂとを含み、例えば、第１リッジ１３５ａと第２リッジ１３５ｂとはレーザ光の進行方向の中心線が一致するように設けられる。
（ａ）ｎ側クラッド層１１１とｎ側光ガイド層１１２を含むｎ側半導体層１１０と、
（ｂ）ｎ側半導体層１１０の上に設けられた活性層１２０と、
（ｃ）活性層１２０の上に設けられ、ｐ側光ガイド層１３１とｐ側クラッド層１３２とを含むｐ側半導体層１３０と、
を含んでよい。
また、半導体積層部１０１は、ｐ側クラッド層１３２に設けられたリッジ１３５を含む。リッジ１３５は、第１領域１に設けられた第１リッジ１３５ａと第２領域２に設けられた第２リッジ１３５ｂとを含み、例えば、第１リッジ１３５ａと第２リッジ１３５ｂとはレーザ光の進行方向の中心線が一致するように設けられる。
【0014】
半導体積層部１０１上には、第１電極１５０が、リッジ１３５の上面に接するように設けられている。例えば、ｐ側クラッド層１３２の上面には、リッジ１３５の上面を除いて絶縁層１４０が設けられており、第１電極１５０が、リッジ１３５の上面で接するように設けられる。また、第２電極１６０が、例えば、基板１００の下面全体に設けられる。
【0015】
そして、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１において、リッジ１３５の幅は、以下のように設定される。
第２領域２が、屈折率ｎ２１の第１コア領域２１と第１コア領域２１の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域２２とを有し、所望の複数の横モードでレーザ光を伝播させるように、第２リッジ１３５ｂの幅が設定される。また、第１電極１５０は、第２リッジ１３５ｂの両側のｐ側クラッド層１３２の上面には接することなく、第２リッジ１３５ｂの上面に接するように設けられることが好ましい。
第２領域２が、屈折率ｎ２１の第１コア領域２１と第１コア領域２１の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域２２とを有し、所望の複数の横モードでレーザ光を伝播させるように、第２リッジ１３５ｂの幅が設定される。また、第１電極１５０は、第２リッジ１３５ｂの両側のｐ側クラッド層１３２の上面には接することなく、第２リッジ１３５ｂの上面に接するように設けられることが好ましい。
【0016】
第１リッジ１３５ａの幅は、第２領域２から第１領域１へ入射するレーザ光の複数の横モードに対する等価屈折率が実質的に同一になるように設定される。具体的には、第２領域２から第１領域１へ入射するレーザ光のビームの広がりを考慮して、横モードの相違により第１領域１の両端部からの光の染みだし量が異ならないように、第１リッジ１３５ａの幅が設定されている。また、第１電極１５０は、第１リッジ１３５ａの両側のｐ側クラッド層１３２の上面には接することなく、第１リッジ１３５ａの上面に接するように設けられることが好ましい。
【0017】
ここで、第１領域１の両端部からの光の染みだし量が実質的に異なることがないようにする一指標として、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は、第２領域２から出射され第１領域１に入射するレーザ光の最大拡散角Θmax１を考慮して構成したものである。具体的には、レーザ光の光軸に垂直な断面において、半導体積層部の積層方向に直交する方向の第１領域１の両端部がそれぞれ、第１領域１側の第１コア領域２１の出射端面の両端から最大拡散角Θmax１で広がる仮想線v１の外側に位置するように第１領域１の幅Ｗ１を設定している。なお、本明細書にいう第１領域１とは、等価屈折率がｎ１の領域をいう。第１領域１は、回折格子を含む。第１領域１は、好ましくは、第１リッジ１３５ａと第１リッジ１３５ａの直下の半導体層を含む領域をいう。第１コア領域２１の出射端面とは、第１領域１と第１コア領域２１との境界面を指す。
そして、横モードの相違により光の染みだし量が実質的に異ならないように幅が設定された第１領域１に第１回折格子１０５が設けられている。第１回折格子１０５は、例えば、第１回折格子１０５の両端が第１領域１の両端部まで延在するように設けられる。
そして、横モードの相違により光の染みだし量が実質的に異ならないように幅が設定された第１領域１に第１回折格子１０５が設けられている。第１回折格子１０５は、例えば、第１回折格子１０５の両端が第１領域１の両端部まで延在するように設けられる。
【0018】
以上のように構成された本開示に係る実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は、第２領域２における導波路の幅を所望の複数の横モードを含むレーザ発振が可能となるように設定し、第１領域１の幅Ｗ１を第１コア領域２１の出射端面の両端から最大拡散角Θmax１で広がる仮想線v１の外側に位置するように広く設定している。
これにより、実施形態１の半導体レーザによれば、複数の横モードでレーザ光を発振させて伝播することができ、かつ横モード毎の発振波長のばらつきが小さい横マルチモード型半導体レーザ素子Ｌ１を提供することができる。
実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１によりこのような効果が得られる理由を、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１をなすに至った経緯も含めて説明する。
これにより、実施形態１の半導体レーザによれば、複数の横モードでレーザ光を発振させて伝播することができ、かつ横モード毎の発振波長のばらつきが小さい横マルチモード型半導体レーザ素子Ｌ１を提供することができる。
実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１によりこのような効果が得られる理由を、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１をなすに至った経緯も含めて説明する。
【0019】
実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は、半導体積層部に導波構造（導波路を含む）と回折格子を含むグレーティング構造を有する。半導体レーザ素子Ｌ１は、例えば、分布帰還型（DFB）レーザダイオードや分布ブラッグ反射型（DBR）レーザダイオードである。半導体積層部に導波路と回折格子を含む半導体レーザ素子Ｌ１は、導波路の幅を広くすることにより、複数の横モードを含むレーザ光を発振させることができ、高出力化が可能である。
しかしながら、複数の横モードを含むようにレーザ発振させると、モード毎に発振波長が異なり、発振波長にばらつきを生じるという課題がある。本発明者はこの原因を突き止めるべく鋭意検討した結果、導波路の幅を広くすると複数の横モードで発振できるようになるが、他方で横モード毎に導波路からの光の染みだし量が異なることにより横モード毎に等価屈折率が異なるという知見を得た。そして、回折格子を設けた部分では、横モード毎に等価屈折率が異なることによる実効的な回折格子の周期にズレ、すなわちブラッグ波長にズレが生じ、発振波長がバラつくという知見を得た。そこで、本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１は、横モード毎に回折格子の周期がズレないように第１領域の幅を広くしたものである。言い換えると、本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１は、横モード毎に第１領域からの光の染みだし量が問題にならない程度まで第１領域の幅を広くしたものである。これにより、各横モードにとっての回折格子の周期のズレを低減して、横モードの違いに起因する発振波長のばらつきを低減することができる。
しかしながら、複数の横モードを含むようにレーザ発振させると、モード毎に発振波長が異なり、発振波長にばらつきを生じるという課題がある。本発明者はこの原因を突き止めるべく鋭意検討した結果、導波路の幅を広くすると複数の横モードで発振できるようになるが、他方で横モード毎に導波路からの光の染みだし量が異なることにより横モード毎に等価屈折率が異なるという知見を得た。そして、回折格子を設けた部分では、横モード毎に等価屈折率が異なることによる実効的な回折格子の周期にズレ、すなわちブラッグ波長にズレが生じ、発振波長がバラつくという知見を得た。そこで、本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１は、横モード毎に回折格子の周期がズレないように第１領域の幅を広くしたものである。言い換えると、本開示の実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１は、横モード毎に第１領域からの光の染みだし量が問題にならない程度まで第１領域の幅を広くしたものである。これにより、各横モードにとっての回折格子の周期のズレを低減して、横モードの違いに起因する発振波長のばらつきを低減することができる。
【0020】
以下、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１における各構成について具体例を挙げて詳細に説明する。
なお、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は上記効果が得られる基本的な構成を有している限り、以下の具体例に限定されるものではない。
なお、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は上記効果が得られる基本的な構成を有している限り、以下の具体例に限定されるものではない。
【0021】
（基板１００）
実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１の基板１００は、例えば半導体基板である。基板１００は、例えばＧａＮ基板等の窒化物半導体基板である。窒化物半導体基板は、ｎ型不純物を含んでよい。ｎ型不純物となる元素は、例えば、Ｏ、Ｓｉ、またはＧｅであってよい。基板１００は、窒化物半導体基板を用いて、その上面を＋ｃ面（すなわち、（０００１）面）とすることができる。実施形態１において、ｃ面は、厳密に（０００１）面と一致する面に限らず、±１度以下、好ましくは±０．０３度以下のオフ角を有する面も含む。半導体レーザ素子Ｌ１は基板２を有していなくてもよい。基板の上面としては、ｍ面、ａ面、またはｒ面などを用いてもよい。
実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１の基板１００は、例えば半導体基板である。基板１００は、例えばＧａＮ基板等の窒化物半導体基板である。窒化物半導体基板は、ｎ型不純物を含んでよい。ｎ型不純物となる元素は、例えば、Ｏ、Ｓｉ、またはＧｅであってよい。基板１００は、窒化物半導体基板を用いて、その上面を＋ｃ面（すなわち、（０００１）面）とすることができる。実施形態１において、ｃ面は、厳密に（０００１）面と一致する面に限らず、±１度以下、好ましくは±０．０３度以下のオフ角を有する面も含む。半導体レーザ素子Ｌ１は基板２を有していなくてもよい。基板の上面としては、ｍ面、ａ面、またはｒ面などを用いてもよい。
【0022】
（半導体積層部１０１）
半導体積層部１０１は、上述したように、例えば、ｎ側クラッド層１１１とｎ側光ガイド層１１２を含むｎ側半導体層１１０と、ｎ側半導体層１１０の上に設けられた活性層１２０と、活性層１２０の上に設けられ、ｐ側光ガイド層１３１とｐ側クラッド層１３２とを含むｐ側半導体層１３０とを含んでよい。
半導体積層部１０１の半導体層は、例えば、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層である。ＩＩＩ－Ｖ族半導体層としては、例えば、ＩｎαＡｌβＧａ1-α-βＮ、（０≦α、０≦β、α＋β≦１）の組成で形成される窒化物半導体層が挙げられる。
窒化物半導体層に用いるｎ型不純物となる元素は、例えばＳｉまたはＧｅが挙げられる。また、ｐ型不純物となる元素としては、例えばＭｇが挙げられる。これにより、各導電型の窒化物半導体層を形成することができる。
半導体積層部１０１は、上述したように、例えば、ｎ側クラッド層１１１とｎ側光ガイド層１１２を含むｎ側半導体層１１０と、ｎ側半導体層１１０の上に設けられた活性層１２０と、活性層１２０の上に設けられ、ｐ側光ガイド層１３１とｐ側クラッド層１３２とを含むｐ側半導体層１３０とを含んでよい。
半導体積層部１０１の半導体層は、例えば、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層である。ＩＩＩ－Ｖ族半導体層としては、例えば、ＩｎαＡｌβＧａ1-α-βＮ、（０≦α、０≦β、α＋β≦１）の組成で形成される窒化物半導体層が挙げられる。
窒化物半導体層に用いるｎ型不純物となる元素は、例えばＳｉまたはＧｅが挙げられる。また、ｐ型不純物となる元素としては、例えばＭｇが挙げられる。これにより、各導電型の窒化物半導体層を形成することができる。
【0023】
（ｎ側半導体層１１０）
ｎ側半導体層１１０は、ｎ型不純物を含有する半導体層を１以上有する。ｎ側半導体層１１０は、例えば、屈折率がｎ１１１のｎ側クラッド層１１１と屈折率がｎ１１２のｎ側光ガイド層１１２を含んでよい。ｎ側半導体層１１０はさらに、不純物を意図的にドープしていないアンドープの層を有していてもよい。
屈折率ｎ１１１及び屈折率ｎ１１２は、活性層１２０の屈折率ｎ１２０よりも小さい。屈折率ｎ１１１及び屈折率ｎ１１２は互いに異なっており、例えば、屈折率ｎ１１１は屈折率ｎ１１２より小さい。
ｎ側半導体層１１０は、ｎ型不純物を含有する半導体層を１以上有する。ｎ側半導体層１１０は、例えば、屈折率がｎ１１１のｎ側クラッド層１１１と屈折率がｎ１１２のｎ側光ガイド層１１２を含んでよい。ｎ側半導体層１１０はさらに、不純物を意図的にドープしていないアンドープの層を有していてもよい。
屈折率ｎ１１１及び屈折率ｎ１１２は、活性層１２０の屈折率ｎ１２０よりも小さい。屈折率ｎ１１１及び屈折率ｎ１１２は互いに異なっており、例えば、屈折率ｎ１１１は屈折率ｎ１１２より小さい。
【0024】
ｎ側クラッド層１１１は、活性層１２０と基板１００との間に配置されている。ｎ側クラッド層１１１は、例えば、窒化物半導体層であってよい。窒化物半導体は、例えば、ＡｌＧａＮまたはＧａＮが挙げられる。ｎ側クラッド層１１１の膜厚は、０．４５μｍ以上３．０μｍ以下であってよい。ｎ型不純物の含有量は、１×１０17ｃｍ－3以上５×１０18ｃｍ－3以下であってよい。
【0025】
ｎ側光ガイド層１１２は、活性層１２０とｎ側クラッド層１１１との間に配置されている。ｎ側光ガイド層１１２は、例えば、窒化物半導体層であってよい。窒化物半導体は、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、またはＩｎＧａＮが挙げられる。ｎ側光ガイド層１１２の膜厚は、例えば０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であってよい。ｎ型不純物の含有量は、１×１０17ｃｍ－3以上５×１０18ｃｍ－3以下であってよい。
【0026】
（活性層）
ｎ側光ガイド層１１２上には活性層１２０が形成されている。活性層１２０は、例えば、波長が３６０ｎｍ以上５２０ｎｍ以下の光を発する。活性層１２０は、１以上の井戸層と複数の障壁層とにより構成される量子井戸構造をとってよい。井戸層および障壁層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮである。井戸層は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮであり、障壁層よりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体である。活性層１２０は、多重量子井戸構造または単一量子井戸構造であってよい。なお、井戸層及び障壁層のいずれか一方または両方に不純物を含有させてもよい。
ｎ側光ガイド層１１２上には活性層１２０が形成されている。活性層１２０は、例えば、波長が３６０ｎｍ以上５２０ｎｍ以下の光を発する。活性層１２０は、１以上の井戸層と複数の障壁層とにより構成される量子井戸構造をとってよい。井戸層および障壁層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮである。井戸層は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮであり、障壁層よりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体である。活性層１２０は、多重量子井戸構造または単一量子井戸構造であってよい。なお、井戸層及び障壁層のいずれか一方または両方に不純物を含有させてもよい。
【0027】
（ｐ側半導体層１３０）
ｐ側半導体層１３０は、ｐ型不純物を含有する半導体層を１以上有する。ｐ側半導体層１３０は、活性層１２０上に形成されている。ｐ側半導体層１３０は、例えば、基板１００側から（すなわち活性層１２０側から）順に、屈折率が屈折率ｎ１３１であるｐ側光ガイド層１３１、屈折率が屈折率ｎ１３２であるｐ側クラッド層１３２を含んでよい。ｐ側半導体層１３０は、これら以外の層を含んでいてもよい。ｐ側半導体層１３０は、不純物を意図的にドープしないアンドープの層を有していてもよい。
屈折率ｎ１３１及び屈折率ｎ１３２は、活性層１２０の屈折率ｎ１２０よりも小さい。屈折率ｎ１３１、屈折率ｎ１３２は互いに異なる。例えば、屈折率ｎ１３１は屈折率ｎ１３２より大きい。
ｐ側半導体層１３０は、ｐ型不純物を含有する半導体層を１以上有する。ｐ側半導体層１３０は、活性層１２０上に形成されている。ｐ側半導体層１３０は、例えば、基板１００側から（すなわち活性層１２０側から）順に、屈折率が屈折率ｎ１３１であるｐ側光ガイド層１３１、屈折率が屈折率ｎ１３２であるｐ側クラッド層１３２を含んでよい。ｐ側半導体層１３０は、これら以外の層を含んでいてもよい。ｐ側半導体層１３０は、不純物を意図的にドープしないアンドープの層を有していてもよい。
屈折率ｎ１３１及び屈折率ｎ１３２は、活性層１２０の屈折率ｎ１２０よりも小さい。屈折率ｎ１３１、屈折率ｎ１３２は互いに異なる。例えば、屈折率ｎ１３１は屈折率ｎ１３２より大きい。
【0028】
ｐ側光ガイド層１３１は、例えば、窒化物半導体層であってよい。窒化物半導体は、例えば、ＡｌＧａＮまたはＧａＮが挙げられる。ｐ側光ガイド層１３１の膜厚は、０．０５μｍ以上０．２５μｍ以下であってよい。また、ｐ側光ガイド層１３１はアンドープの層であってよく、１×１０16ｃｍ－3以上１×１０18ｃｍ－3以下の範囲でｐ型不純物が含有されていてもよい。
【0029】
ｐ側クラッド層１３２は、例えば、窒化物半導体層であってよい。窒化物半導体は、例えば、ＡｌＧａＮまたはＧａＮが挙げられる。単層構造であってもよく、互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層構造であってもよい。ｐ型不純物の含有量は、１×１０17ｃｍ－3以上１×１０20ｃｍ－3以下であってよい。ｐ側クラッド層１３２は、ｐ側コンタクト層を含んでいてもよい。ｐ側コンタクト層は、例えば、窒化物半導体であってよい。
【0030】
（リッジ）
図２、図４及び図５等に示すように、半導体積層部１０１のｐ側半導体層１３０の上面には、リッジ１３５が設けられる。図３Ａは、図２のＩＩＩーＩＩＩ線断面であり、図４は、図２のＩＶ－ＩＶ線断面であり、図５は、図２のＶ－Ｖ線断面である。リッジ１３５は、例えば、ｐ側クラッド層１３２の上面の一部に設けられる。リッジ１３５は、第１リッジ１３５ａと、第２リッジ１３５ｂとを含む。第１リッジ１３５ａは第１領域１に設けられている。第２リッジ１３５ｂは第２領域２に設けられ、第２リッジ１３５ｂの幅は第１リッジ１３５ａの幅よりも狭い。第１リッジ１３５ａは、例えば導波方向の中心軸が第２領域２の光軸と一致するように第２リッジ１３５ｂと連続して設けられる。
ここで、第１リッジ１３５ａの上面と第２リッジ１３５ｂの上面に接するように第１電極１５０が設けられている。なお、第１電極１５０は、第１リッジ１３５ａの上面と接続される電極部と、第２リッジ１３５ｂの上面と接続される電極部とを分離して設けてもよい。
図２、図４及び図５等に示すように、半導体積層部１０１のｐ側半導体層１３０の上面には、リッジ１３５が設けられる。図３Ａは、図２のＩＩＩーＩＩＩ線断面であり、図４は、図２のＩＶ－ＩＶ線断面であり、図５は、図２のＶ－Ｖ線断面である。リッジ１３５は、例えば、ｐ側クラッド層１３２の上面の一部に設けられる。リッジ１３５は、第１リッジ１３５ａと、第２リッジ１３５ｂとを含む。第１リッジ１３５ａは第１領域１に設けられている。第２リッジ１３５ｂは第２領域２に設けられ、第２リッジ１３５ｂの幅は第１リッジ１３５ａの幅よりも狭い。第１リッジ１３５ａは、例えば導波方向の中心軸が第２領域２の光軸と一致するように第２リッジ１３５ｂと連続して設けられる。
ここで、第１リッジ１３５ａの上面と第２リッジ１３５ｂの上面に接するように第１電極１５０が設けられている。なお、第１電極１５０は、第１リッジ１３５ａの上面と接続される電極部と、第２リッジ１３５ｂの上面と接続される電極部とを分離して設けてもよい。
【0031】
上面に第１電極１５０に設けられた第１リッジ１３５ａにより、第１リッジ１３５ａの下方には第１領域１の導波構造が形成される。第１領域１の導波構造は、上述したように、実質的に両端部からの光の染み出しがないように構成されており、横方向の光の広がりが制限されないようになっている。言い換えると、ここで、実施形態１における第１領域１は、第１リッジ１３５ａと第１リッジ１３５ａ直下の半導体層（ｐ側半導体層１３０、活性層１２０、ｎ側半導体層１１０）を含む領域であり、第１リッジ１３５ａの横方向の端部は半導体積層部１０１の両側面の内側に位置していてもよい。また、リッジ１３５は、第１リッジ１３５ａを設けずに第２リッジ１３５ｂだけであってもよい。この場合、半導体積層部１０１の両側面と第１領域１の両端部とが一致する。ここで、第１領域１の端部とは、横方向、すなわち、第１回折格子１０５の周期方向及び半導体積層部１０１の積層方向に直交する方向における第１領域１の端部をいう。また、上述したように、第１領域１の幅は、第２領域２から第１領域１へ入射するレーザ光の複数の横モードに対する等価屈折率が実質的に同一になるように設定される。
【0032】
第２リッジ１３５ｂは、第２領域２のｐ側半導体層１３０上面の中央部において、第２領域２の両側面から所定の間隔を空けて設けられる。これにより、第２領域２において、第２リッジ１３５ｂの下方に屈折率ｎ２１の第１コア領域と第１コア領域の両側に屈折率がｎ２２の第１クラッド領域が形成され、第２領域２の導波構造が形成される。実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１では、所望の複数の横モードを含むレーザ光が伝播されるよう第１コア領域の幅、すなわち第２リッジ１３５ｂの幅は設定される。
ここで、リッジ１３５の断面形状は、図４及び図５に示すように、例えば、基板１００から離れるに従って幅が狭くなる台形形状であるが、この台形形状に限定されるものではなく、基板１００から離れるに従って幅が広がる逆台形形状であってもよいし、幅が一定の長方形でもよい。図２では、リッジ１３５の形状が台形形状であることを破線により示している。また、リッジ１３５は後述する導波構造が実現できる限り埋め込み型リッジでもよく、さらには後述の導波構造が実現できる限りリッジ型半導体レーザに限定されるものではない。なお、本明細書において、リッジの幅とはリッジの横方向において最も広い部分の幅をいう。
ここで、リッジ１３５の断面形状は、図４及び図５に示すように、例えば、基板１００から離れるに従って幅が狭くなる台形形状であるが、この台形形状に限定されるものではなく、基板１００から離れるに従って幅が広がる逆台形形状であってもよいし、幅が一定の長方形でもよい。図２では、リッジ１３５の形状が台形形状であることを破線により示している。また、リッジ１３５は後述する導波構造が実現できる限り埋め込み型リッジでもよく、さらには後述の導波構造が実現できる限りリッジ型半導体レーザに限定されるものではない。なお、本明細書において、リッジの幅とはリッジの横方向において最も広い部分の幅をいう。
【0033】
（導波構造）
以下、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１の導波構造について詳細に説明する。
ここでは、最初に第２領域２の導波構造を説明し、次に第１領域１の導波構造について説明する。
第２領域２の導波構造は、屈折率ｎ２１の第１コア領域２１と、第１コア領域２１の両側に位置し屈折率ｎ２２の第１クラッド領域２２を有し、複数の横モード（すなわち横マルチモード）で第１コア領域２１の長手方向に光を伝播させる導波路である。横モードの数は、第１コア領域２１の幅、第１コア領域２１の屈折率ｎ２１と第１コア領域２１の両側に位置する第１クラッド領域２２の屈折率ｎ２２の差によって決まる。ここで第１コア領域２１の幅は導波路の光軸に垂直な平面において、半導体積層部の積層方向と垂直な方向で規定される幅である。また、第１コア領域２１の厚さは、導波路の光軸に垂直な平面において、半導体積層部の積層方向における厚さである。実施形態１において、第１コア領域２１は第２リッジ１３５ｂを含み、第２リッジ１３５ｂの幅に基づき設定される領域であり、少なくともｎ側半導体層１１０、活性層１２０、およびｐ側半導体層１３０を含む。第１クラッド領域２２は、第１コア領域２１を挟む領域であり、少なくともｎ側半導体層１１０、活性層１２０、およびｐ側半導体層１３０を含む。１コア領域２１の屈折率ｎ２１と第１クラッド領域２２の屈折率ｎ２２は各領域の高さ方向に着目した等価屈折率である。
以下、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１の導波構造について詳細に説明する。
ここでは、最初に第２領域２の導波構造を説明し、次に第１領域１の導波構造について説明する。
第２領域２の導波構造は、屈折率ｎ２１の第１コア領域２１と、第１コア領域２１の両側に位置し屈折率ｎ２２の第１クラッド領域２２を有し、複数の横モード（すなわち横マルチモード）で第１コア領域２１の長手方向に光を伝播させる導波路である。横モードの数は、第１コア領域２１の幅、第１コア領域２１の屈折率ｎ２１と第１コア領域２１の両側に位置する第１クラッド領域２２の屈折率ｎ２２の差によって決まる。ここで第１コア領域２１の幅は導波路の光軸に垂直な平面において、半導体積層部の積層方向と垂直な方向で規定される幅である。また、第１コア領域２１の厚さは、導波路の光軸に垂直な平面において、半導体積層部の積層方向における厚さである。実施形態１において、第１コア領域２１は第２リッジ１３５ｂを含み、第２リッジ１３５ｂの幅に基づき設定される領域であり、少なくともｎ側半導体層１１０、活性層１２０、およびｐ側半導体層１３０を含む。第１クラッド領域２２は、第１コア領域２１を挟む領域であり、少なくともｎ側半導体層１１０、活性層１２０、およびｐ側半導体層１３０を含む。１コア領域２１の屈折率ｎ２１と第１クラッド領域２２の屈折率ｎ２２は各領域の高さ方向に着目した等価屈折率である。
【0034】
単純な構成で説明するために、対称３層平板導波路を仮定する。第１コア領域２１を伝播する光の横モード数Ｎは、第１コア領域２１の屈折率ｎ２１、第１クラッド領域２２の屈折率ｎ２２、第１コア領域２１の幅により規定される規格化周波数Ｖを求めることにより以下の式１に基づき設定することができる。
【0035】
Ｖ≧Ｎπ／２・・・（式１）
（Ｎは１以上の整数）
（Ｎは１以上の整数）
【0036】
ここで、規格化周波数Ｖは、
Ｖ＝ｋ０ｎ２１ａ（２Δ）１／２
となる。ｋ０は真空中の波数であり、ａは第１コア領域２１の半幅であり、Δ（＝（ｎ２１ ２－ｎ２２ ２）／（２ｎ２１ ２））は比屈折率差である。
Ｖ＝ｋ０ｎ２１ａ（２Δ）１／２
となる。ｋ０は真空中の波数であり、ａは第１コア領域２１の半幅であり、Δ（＝（ｎ２１ ２－ｎ２２ ２）／（２ｎ２１ ２））は比屈折率差である。
【0037】
式１において、Ｎは横モードのモード次数であり、例えば、規格化周波数Ｖが、π/２以上２π/２（すなわちπ）未満であると、０次モード（基本モード）と１次モードの２つのモードで光を伝播させることができる。規格化周波数ＶがＮπ/２以上（N＋１）π/２未満であれば、０次、１次、２次・・・Ｎ次のモード、すなわち（Ｎ＋１)の複数のモードで光を伝播させることができる。
【0038】
このように、第２領域２を伝播する光の横モード数は式１に基づき設定することができる。具体的には、第２リッジ１３５ｂの幅に基づき設定することができる。なお、リッジ構造を有していない半導体レーザ素子においても同様に、導波路を構成するパラメータに基づき設定することができる。
横モードの数は、高出力化のためには多いほど好ましく、例えば、１０以上、好ましくは、３０以上、より好ましくは５０以上である。横モードの数は、高出力化のためには多いほど好ましいが、多くし過ぎると集光性の悪化などの課題があり、例えば、５００以下、好ましくは、３００以下、より好ましくは１００以下である。
上述した式１に係る説明により理解されるように、横モードの数は第１コア領域２１の幅を含むパラメータにより決まる。上述した横モードの数や放熱性を考慮すると、第１コア領域２１の幅は、例えば、１５μｍ以上１００μｍ以下であり、より好ましくは、４５μｍ以上９０μｍ以下である。
横モードの数は、高出力化のためには多いほど好ましく、例えば、１０以上、好ましくは、３０以上、より好ましくは５０以上である。横モードの数は、高出力化のためには多いほど好ましいが、多くし過ぎると集光性の悪化などの課題があり、例えば、５００以下、好ましくは、３００以下、より好ましくは１００以下である。
上述した式１に係る説明により理解されるように、横モードの数は第１コア領域２１の幅を含むパラメータにより決まる。上述した横モードの数や放熱性を考慮すると、第１コア領域２１の幅は、例えば、１５μｍ以上１００μｍ以下であり、より好ましくは、４５μｍ以上９０μｍ以下である。
【0039】
（第１回折格子１０５）
第１回折格子１０５は、図１等に示すように、第１領域１に設けられている。実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１において、第１領域１は異なる次数の横モードに対して等価屈折率の差が小さい領域であり、等価屈折率のばらつきが小さいことにより回折格子による波長選択のばらつきを小さくできる。各横モードにとっての実効的な回折格子の周期のズレが小さくなるからである。これにより、複数の横モードを含むことによる発振波長のばらつきを小さくできる。実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１において、第１領域１は異なる次数の横モードに対して等価屈折率が実質的に同一の領域である。これにより、発振波長を実質的に同一にすることができる。回折格子におけるブラッグ波長は、以下の式２で表される。式２は、実効的な回折格子の周期が等価屈折率と回折格子のピッチの積であることを示している。横モードの次数により等価屈折率（ｎeq）が異なると、回折格子で反射される波長が横モードの次数により異なる。その結果、横モードの次数が異なると、発振波長が異なることになる。しかしながら、実施形態１では、第１領域１の等価屈折率（ｎeq）のばらつきが低減されているので発振波長のばらつきを低減することが可能になる。すなわち、レーザ光の広がりよりも第１領域１の幅が大きい。その結果、第１領域１の横モードの次数が異なることによる等価屈折率（ｎeq）のばらつきが低減される。したがって、横モードの次数に起因する発振波長のばらつきを低減することができる。この実施形態において、等価屈折率（ｎeq）は屈折率ｎ１である。よって、ｎ１は、ブラッグ波長と回折格子のピッチから逆算できる。
第１回折格子１０５は、図１等に示すように、第１領域１に設けられている。実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１において、第１領域１は異なる次数の横モードに対して等価屈折率の差が小さい領域であり、等価屈折率のばらつきが小さいことにより回折格子による波長選択のばらつきを小さくできる。各横モードにとっての実効的な回折格子の周期のズレが小さくなるからである。これにより、複数の横モードを含むことによる発振波長のばらつきを小さくできる。実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１において、第１領域１は異なる次数の横モードに対して等価屈折率が実質的に同一の領域である。これにより、発振波長を実質的に同一にすることができる。回折格子におけるブラッグ波長は、以下の式２で表される。式２は、実効的な回折格子の周期が等価屈折率と回折格子のピッチの積であることを示している。横モードの次数により等価屈折率（ｎeq）が異なると、回折格子で反射される波長が横モードの次数により異なる。その結果、横モードの次数が異なると、発振波長が異なることになる。しかしながら、実施形態１では、第１領域１の等価屈折率（ｎeq）のばらつきが低減されているので発振波長のばらつきを低減することが可能になる。すなわち、レーザ光の広がりよりも第１領域１の幅が大きい。その結果、第１領域１の横モードの次数が異なることによる等価屈折率（ｎeq）のばらつきが低減される。したがって、横モードの次数に起因する発振波長のばらつきを低減することができる。この実施形態において、等価屈折率（ｎeq）は屈折率ｎ１である。よって、ｎ１は、ブラッグ波長と回折格子のピッチから逆算できる。
【0040】
ブラッグ波長（λＢ）＝（等価屈折率（ｎeq）×回折格子のピッチ（P））×２・・・(式２)
【0041】
ここで、第１回折格子１０５における両端部間の間隔は、例えば、第１コア領域の幅の１．５倍以上１００倍以下であり、より好ましくは、３倍以上１０倍以下である。
すなわち、第１コア領域２１の幅が、例えば、１５μｍ以上１００μｍ以下である場合には、第１回折格子１０５における前記両端部間の間隔は、２２．５μｍ以上１００００μｍ以下であり、より好ましくは４５μｍ以上１０００μｍ以下、さらに好ましくは４５μｍ以上５００μｍ以下である。
また、第１回折格子１０５における両端部間の間隔は一定であってよく、第２領域側から第１領域のレーザ光出射端面側に向けて両端部間の間隔を大きくしてもよい。
すなわち、第１コア領域２１の幅が、例えば、１５μｍ以上１００μｍ以下である場合には、第１回折格子１０５における前記両端部間の間隔は、２２．５μｍ以上１００００μｍ以下であり、より好ましくは４５μｍ以上１０００μｍ以下、さらに好ましくは４５μｍ以上５００μｍ以下である。
また、第１回折格子１０５における両端部間の間隔は一定であってよく、第２領域側から第１領域のレーザ光出射端面側に向けて両端部間の間隔を大きくしてもよい。
【0042】
回折格子は、光の伝播方向に異なる屈折率の領域を交互（周期的）に設けることにより形成することができる。回折格子は、例えば、隣り合う２つの半導体層の間に設けられる。回折格子のピッチは、活性層１２０が発する光の波長を考慮して適宜選択することができる。回折格子のピッチは、例えば、６０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であってよく、好ましくは７０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であって良い。
【0043】
実施形態１では、第１回折格子１０５は、例えば、図３Ａに示すように、ｎ側光ガイド層１１２とｎ側クラッド層１１１との間に設けられる。具体的には、第１回折格子１０５は、ｎ側クラッド層１１１の表面に設けられた１以上の第１凸部６１と、ｎ側光ガイド層１１２の表面に設けられた１以上の第２凸部６２とを光の進行方向に交互に含む。
実施形態１では、第１回折格子１０５はｎ側光ガイド層１１２とｎ側クラッド層１１１との間に設けたが、ｎ側光ガイド層１１２又はｎ側クラッド層１１１のいずれかのみに設けてもよいし、ｎ側光ガイド層１１２と活性層１２０の間に設けてもよい。また、第１回折格子１０５は、図３Ｂに示すようにｐ側半導体層１３０側に設けてもよい。なお、図３Ｂは、図２に示す半導体レーザ素子Ｌ１のＩＩＩ－ＩＩＩ線における他の形態の概略断面図である。
実施形態１では、第１回折格子１０５はｎ側光ガイド層１１２とｎ側クラッド層１１１との間に設けたが、ｎ側光ガイド層１１２又はｎ側クラッド層１１１のいずれかのみに設けてもよいし、ｎ側光ガイド層１１２と活性層１２０の間に設けてもよい。また、第１回折格子１０５は、図３Ｂに示すようにｐ側半導体層１３０側に設けてもよい。なお、図３Ｂは、図２に示す半導体レーザ素子Ｌ１のＩＩＩ－ＩＩＩ線における他の形態の概略断面図である。
【0044】
（電極）
半導体レーザ素子Ｌ１は、図３Ａ～図５に示したように、第１電極１５０と第２電極１６０とを備えている。第１電極１５０は、正電極であり、第２電極１６０は、負電極である。
第２電極１６０は、例えば、基板１００が導電性を有している場合には、基板１００の下面に配置することができる。基板１００が絶縁性を有している場合には、ｎ側クラッド層１１１の一部を露出させてその露出させた表面に形成することができる。
第１電極１５０及び第２電極１６０の材料としては、例えば、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ等の金属又は合金、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎから選択される少なくとも１種を含む導電性酸化物等の単層膜又は多層膜が挙げられる。
半導体レーザ素子Ｌ１は、図３Ａ～図５に示したように、第１電極１５０と第２電極１６０とを備えている。第１電極１５０は、正電極であり、第２電極１６０は、負電極である。
第２電極１６０は、例えば、基板１００が導電性を有している場合には、基板１００の下面に配置することができる。基板１００が絶縁性を有している場合には、ｎ側クラッド層１１１の一部を露出させてその露出させた表面に形成することができる。
第１電極１５０及び第２電極１６０の材料としては、例えば、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ等の金属又は合金、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎから選択される少なくとも１種を含む導電性酸化物等の単層膜又は多層膜が挙げられる。
【0045】
なお、第１電極１５０は、リッジ１３５と接触する透光性導電膜を含んでもよい。活性層１２０の屈折率やｐ側半導体層１３０の屈折率よりも透光性導電膜の屈折率が小さいような材料を選択することで、透光性導電膜をｐ側のクラッド層として扱うこともできる。透光性導電膜は、例えば、ＩＴＯ（インジウム-錫酸化物），ＩＧＺＯ(インジウム-ガリウム-亜鉛酸化物)などである。また、ｐ側のクラッド層は、電流経路を狭くするために配置される絶縁層１４０をさらに含んでいてもよい。絶縁層１４０は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化アルミニウムなどであってよい。
【0046】
対称３層平板導波路に回折格子を形成することを仮定したときの発振波長について、シミュレーションを用いて説明する。図６Ａは横モード次数と等価屈折率の関係を表すグラフである。図６Ｂは横モード次数とブラッグ波長の関係を表すグラフである。シミュレーションの条件は、コアの屈折率を２．５０３とし、クラッドの屈折率を２．４９７とし、回折格子のピッチを約８０．９ｎｍとし、導波路のコア幅を９０μｍとした。この条件では、モード次数が７０以上の高次モードが得られることが示唆された。図６Ａにおいて、０次のモードと、例えば７０次のモードを比べたとき、等価屈折率の差は０．００５であった。この結果を上述した式２を用いてブラッグ波長に換算すると、図６Ｂのようになる。図６Ａと同様に０次のモードと７０次のモードとを比較すると、ブラッグ波長の差は約０．８ｎｍであった。この結果は、クラッド層への光の染み出し量がモード毎に異なることで等価屈折率に差が生じるためである。このように、横マルチモード導波路、つまり横方向に複数の横モードが閉じ込められた状態で回折格子を設けた場合、発振波長のばらつきが大きいことが示唆された。
【0047】
一方で、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１では、第２領域の導波路の幅に対して第１領域の幅が大きい。したがって、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１において、第２領域２から第１領域１へ入射するレーザ光は、第１領域内で横方向に広がりながら伝搬するが、そのレーザ光が広がる幅よりも第１領域の幅の方が大きい。したがって、第１領域は光にとって横方向に対する光閉じ込め構造とみなすことはできず、レーザ光の各横モードは第１領域の屈折率ｎ１を感じる。よって、式２からブラッグ波長は同じになる。なお、第１領域１の幅の大きさによっては、僅かに第１領域１の外へレーザ光が広がり得る。しかし、僅かな広がりであれば、各横モードの大部分が屈折率ｎ１を感じているので、等価屈折率の差が小さくなり、式２に基づくブラッグ波長の差は小さくなる。
【0048】
（最大拡散角Θmax１の設定）
実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１において、最大拡散角Θmax１は、以下の式３で与えられるレーザビームの品質を示す指標であるＭ２因子を用いて求めることができる。Ｍ２因子は理想的なガウシアンビームからの広がりを示す指標であり、理想的なガウシアンビームではＭ２因子は１である。すなわち、半導体レーザ素子Ｌ１から出力されるレーザ光のＭ２因子が分かれば、レーザ光が理想的なガウシアンビームと比較してどの程度広がっているかがわかり、最大拡散角Θmax１を求めることができる。
実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１において、最大拡散角Θmax１は、以下の式３で与えられるレーザビームの品質を示す指標であるＭ２因子を用いて求めることができる。Ｍ２因子は理想的なガウシアンビームからの広がりを示す指標であり、理想的なガウシアンビームではＭ２因子は１である。すなわち、半導体レーザ素子Ｌ１から出力されるレーザ光のＭ２因子が分かれば、レーザ光が理想的なガウシアンビームと比較してどの程度広がっているかがわかり、最大拡散角Θmax１を求めることができる。
【0049】
Ｍ２=πφＷ０／λ・・・（式３）
ここで、Ｗ０はビームウエスト半径、φはビーム発散角である。
また、λは真空中でのレーザ光の波長である。
ここで、Ｗ０はビームウエスト半径、φはビーム発散角である。
また、λは真空中でのレーザ光の波長である。
【0050】
ビームウエスト半径Ｗ０およびビーム発散角φは、図７に示すコリメートレンズ８１と集光レンズ８２を備えた光学系を用いて以下のようにして測定することができる。
第１領域１から出射されるレーザ光をコリメートレンズ８１で平行光として、集光レンズ８２により集光して集光されたレーザ光の軌跡をたどる。具体的には、集光後のレーザ光のビーム径を様々の位置Ｂｍｐで測定し、ビーム径が最も小さくなる位置を推定し、その位置でのビーム径（ビームウエスト半径Ｗ０）を求める。ビーム径が最小となった位置からのビームの広がりを測定してビーム発散角φを求める。なお、Ｍ２因子を求めるために必要なパラメータの定義は、国際標準規格ＩＳＯ １１１４６－１：２０２１またはＩＳＯ １１１４６－２：２０２１に基づく。例えば、ビーム径はＤ４σ（二次モーメント幅）で定義される。なお、Ｍ２因子を測定するときに半導体レーザ素子Ｌ１に投入する電流値は、定められた駆動電流（Operating current）の範囲内で行われる。
以上のようにして求めたビームウエスト半径Ｗ０とビーム発散角φとにより式３からＭ２因子を算出して、上述したようにＭ２因子に基づき最大拡散角Θmax１を求める。Ｍ２因子と、Ｍ２因子を求める過程で測定したレーザ光の軌跡とにより、第２領域から出射されるレーザ光の軌跡がわかる。これにより、第１コア領域の出射端面の両端から最大拡散角Θmax１で広がる仮想線v１が得られる。この仮想線と第１領域１の両端の位置関係を比べることで、第１領域１におけるレーザ光の広がりを調べることができる。
ここで、最大拡散角Θmax１は、図７等に示すように、仮想線において曲線部分を除いた直線と第１コア領域２１と第１クラッド領域２２の境界を延長した直線とのなす角度をいう。
また、実施形態１におけるレーザ光のＭ２因子は２以上１００以下であってよい。
なお、レーザ光出射端面におけるレーザ光のビーム径が第１領域１の幅よりも小さく、かつ第１領域１の幅がほぼ一定である場合、第１領域１の両端部はそれぞれ上記仮想線v１よりも外側に位置するのは明らかである。したがって、まずはレーザ光出射端面におけるレーザ光のビーム径を測定すれば、第１領域１の幅と仮想線v１との位置関係がわかる。
第１領域１から出射されるレーザ光をコリメートレンズ８１で平行光として、集光レンズ８２により集光して集光されたレーザ光の軌跡をたどる。具体的には、集光後のレーザ光のビーム径を様々の位置Ｂｍｐで測定し、ビーム径が最も小さくなる位置を推定し、その位置でのビーム径（ビームウエスト半径Ｗ０）を求める。ビーム径が最小となった位置からのビームの広がりを測定してビーム発散角φを求める。なお、Ｍ２因子を求めるために必要なパラメータの定義は、国際標準規格ＩＳＯ １１１４６－１：２０２１またはＩＳＯ １１１４６－２：２０２１に基づく。例えば、ビーム径はＤ４σ（二次モーメント幅）で定義される。なお、Ｍ２因子を測定するときに半導体レーザ素子Ｌ１に投入する電流値は、定められた駆動電流（Operating current）の範囲内で行われる。
以上のようにして求めたビームウエスト半径Ｗ０とビーム発散角φとにより式３からＭ２因子を算出して、上述したようにＭ２因子に基づき最大拡散角Θmax１を求める。Ｍ２因子と、Ｍ２因子を求める過程で測定したレーザ光の軌跡とにより、第２領域から出射されるレーザ光の軌跡がわかる。これにより、第１コア領域の出射端面の両端から最大拡散角Θmax１で広がる仮想線v１が得られる。この仮想線と第１領域１の両端の位置関係を比べることで、第１領域１におけるレーザ光の広がりを調べることができる。
ここで、最大拡散角Θmax１は、図７等に示すように、仮想線において曲線部分を除いた直線と第１コア領域２１と第１クラッド領域２２の境界を延長した直線とのなす角度をいう。
また、実施形態１におけるレーザ光のＭ２因子は２以上１００以下であってよい。
なお、レーザ光出射端面におけるレーザ光のビーム径が第１領域１の幅よりも小さく、かつ第１領域１の幅がほぼ一定である場合、第１領域１の両端部はそれぞれ上記仮想線v１よりも外側に位置するのは明らかである。したがって、まずはレーザ光出射端面におけるレーザ光のビーム径を測定すれば、第１領域１の幅と仮想線v１との位置関係がわかる。
【0051】
以上説明したことから理解されるように、最大拡散角Θmax１は第２領域２から出射されるレーザ光の最大の広がりを示す指標である。その最大の広がりのさらに外側へのレーザビームの染み出しは等価屈折率に実質的に影響を与えない程度の染み出し量であり、言い換えれば、モード次数によらず全ての横モードに対して等価屈折率が実質的に同一になる程度の光の染み出し量である。したがって、第２領域２から出射されるレーザ光の最大の広がりを示す指標である最大拡散角Θmax１に基づき、レーザ光の最大の広がりの外側に両端部を形成した第１領域１に第１回折格子１０５を設けた実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は横モードの違いによる発振波長のばらつきを低減できる。
【0052】
（レーザ発振）
以上の構成を有する実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１は、第１電極１５０と第２電極１６０に電圧を印加し、活性層１２０に電流を注入することによりレーザ発振させることができる。
実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１は、図２等に示すように、第１領域１の第２領域２と反対側の端面に設けられた反射防止コート（ＡＲコート）２１０と、第２領域２の第１領域１と反対側の端面に設けられた高反射コート（ＨＲコート）２２０とを含み、ＡＲコート２１０を介してレーザ光が出射される。レーザ光の波長でのＡＲコート２１０の反射率は、０．０１％以上１％以下であり得る。また、レーザ光の波長でのＨＲコート２２０の反射率は９９％以上９９．９９％以下であり得る。
以上実施形態１では、第２領域２から第１領域１へ入射するレーザ光の複数の横モードに対する等価屈折率が実質的に同一になるように設定されるので、横モードの違いによる発振波長のばらつきを小さくすることができる。したがって、ＡＲコート２１０を介して出射されるレーザ光の半値全幅を小さくすることができる。半導体レーザ素子Ｌ１から出射されるレーザ光の半値全幅は例えば、０．０１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下である。レーザ光の半値全幅の上限値は、好ましくは０．５ｎｍ以下であり、より好ましくは０．３ｎｍ以下であり、さらに好ましくは０．１ｎｍ以下である。
以上の構成を有する実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１は、第１電極１５０と第２電極１６０に電圧を印加し、活性層１２０に電流を注入することによりレーザ発振させることができる。
実施形態１に係る半導体レーザ素子Ｌ１は、図２等に示すように、第１領域１の第２領域２と反対側の端面に設けられた反射防止コート（ＡＲコート）２１０と、第２領域２の第１領域１と反対側の端面に設けられた高反射コート（ＨＲコート）２２０とを含み、ＡＲコート２１０を介してレーザ光が出射される。レーザ光の波長でのＡＲコート２１０の反射率は、０．０１％以上１％以下であり得る。また、レーザ光の波長でのＨＲコート２２０の反射率は９９％以上９９．９９％以下であり得る。
以上実施形態１では、第２領域２から第１領域１へ入射するレーザ光の複数の横モードに対する等価屈折率が実質的に同一になるように設定されるので、横モードの違いによる発振波長のばらつきを小さくすることができる。したがって、ＡＲコート２１０を介して出射されるレーザ光の半値全幅を小さくすることができる。半導体レーザ素子Ｌ１から出射されるレーザ光の半値全幅は例えば、０．０１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下である。レーザ光の半値全幅の上限値は、好ましくは０．５ｎｍ以下であり、より好ましくは０．３ｎｍ以下であり、さらに好ましくは０．１ｎｍ以下である。
【0053】
以上実施形態１では、リッジ構造を備えた半導体レーザ素子を例に実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１について説明した。
しかしながら、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は、リッジ構造を備えた半導体レーザ素子に限定されるものではなく、リブ導波路型の半導体レーザ素子であってもよいし、埋め込みヘテロ構造導波路型の半導体レーザ素子であってもよい。
すなわち、実施形態１に係る横マルチモード型半導体レーザ素子Ｌ１は、
活性層を含み、導波構造を有する半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
前記半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含み屈折率ｎ１の第１領域と、
(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
(iii)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ１と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で前記第１領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第１領域の両端部はそれぞれ、前記第１領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax１で広がる仮想線の外側に位置する、
半導体レーザ素子であれば具体的な構造に限定されるものではない。
しかしながら、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１は、リッジ構造を備えた半導体レーザ素子に限定されるものではなく、リブ導波路型の半導体レーザ素子であってもよいし、埋め込みヘテロ構造導波路型の半導体レーザ素子であってもよい。
すなわち、実施形態１に係る横マルチモード型半導体レーザ素子Ｌ１は、
活性層を含み、導波構造を有する半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
前記半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含み屈折率ｎ１の第１領域と、
(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
(iii)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ１と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で前記第１領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第１領域の両端部はそれぞれ、前記第１領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax１で広がる仮想線の外側に位置する、
半導体レーザ素子であれば具体的な構造に限定されるものではない。
【0054】
以下、最大拡散角Θmax１に着目した実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１を、最大拡散角Θmax１を用いることなく特定した形態について説明する。
形態１
例えば、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１を、最大拡散角Θmax１に代えて、リッジの構造及び半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の半値全幅を用いて特定することもできる。半導体レーザ素子Ｌ１が、第１回折格子を有する第１領域と、横多モード導波路であり第１領域よりも幅が狭い第２領域とを有するとき、出力されるレーザ光の波長は上述した式２により選択される。式２において各横モードの等価屈折率が同じか近ければ、半値全幅は狭くなる。各横モードの発振波長は同じか互いに近づくためである。逆にいうと、半導体レーザ素子が、第１回折格子を有する第１領域と、第１領域よりも幅が狭く横多モード導波路である第２領域とを有するとき、発振波長の半値全幅が狭ければ、式２において各横モードの等価屈折率が同じか近いといえる。例えば、第１領域の導波構造を第２領域の導波路と同様の導波路構造とした場合には、レーザ光の半値全幅は、０．６ｎｍよりも大きくなりうる。しかしながら、最大拡散角Θmax１に着目して特定した半導体レーザ素子では、横モード毎に発振波長を実質的に同一にでき、レーザ光の半値全幅を、０．６ｎｍ以下と狭くできる。その結果ピーク波長におけるレーザ光の強度も高くできる。さらに詳細に検討した結果、第１リッジ１３５ａと第２リッジ１３５ｂの構成及び両者の関係を特定して、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の半値全幅を０．６ｎｍ以下と特定することで、最大拡散角Θmax１を含むことなく、実施形態１の半導体レーザ素子を別の視点で特定した。
形態１
例えば、実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１を、最大拡散角Θmax１に代えて、リッジの構造及び半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の半値全幅を用いて特定することもできる。半導体レーザ素子Ｌ１が、第１回折格子を有する第１領域と、横多モード導波路であり第１領域よりも幅が狭い第２領域とを有するとき、出力されるレーザ光の波長は上述した式２により選択される。式２において各横モードの等価屈折率が同じか近ければ、半値全幅は狭くなる。各横モードの発振波長は同じか互いに近づくためである。逆にいうと、半導体レーザ素子が、第１回折格子を有する第１領域と、第１領域よりも幅が狭く横多モード導波路である第２領域とを有するとき、発振波長の半値全幅が狭ければ、式２において各横モードの等価屈折率が同じか近いといえる。例えば、第１領域の導波構造を第２領域の導波路と同様の導波路構造とした場合には、レーザ光の半値全幅は、０．６ｎｍよりも大きくなりうる。しかしながら、最大拡散角Θmax１に着目して特定した半導体レーザ素子では、横モード毎に発振波長を実質的に同一にでき、レーザ光の半値全幅を、０．６ｎｍ以下と狭くできる。その結果ピーク波長におけるレーザ光の強度も高くできる。さらに詳細に検討した結果、第１リッジ１３５ａと第２リッジ１３５ｂの構成及び両者の関係を特定して、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の半値全幅を０．６ｎｍ以下と特定することで、最大拡散角Θmax１を含むことなく、実施形態１の半導体レーザ素子を別の視点で特定した。
【0055】
具体的には、形態１の半導体レーザ素子は、
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含む第１領域と、
(ii)横多モード導波路を有する第２領域と、
を含み、
第１領域は第１リッジを有し、
第２領域は第２リッジを有し、
前記第１回折格子の周期方向と直交する断面視において、
(iii)半導体積層部の積層方向と直交する方向の第１リッジの幅は第２リッジの幅よりも広く、
(iv)半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の半値全幅が０．０１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下である、半導体レーザ素子、
である。
これにより、横モード毎の発振波長のばらつきが小さい横マルチモード型半導体レーザ素子を提供することができる。半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の半値全幅は、好ましくは０．５ｎｍ以下であり、より好ましくは０．３ｎｍ以下であり、さらに好ましくは０．１ｎｍ以下である。レーザ光は、第２領域２から出射されたあと、第２領域２の端面からレイリー長の長さ程度まで第１領域１を直進し、その後、最大拡散角Θmax1で拡散する。例えば、第２領域２から出射されるレーザ光は図７に示す実線のように振る舞い得る。このレーザ光の振る舞いを反映したビームの広がりは、図１の仮想線ｖ１よりも内側にある。したがって、第１領域１の両端部が仮想線ｖ１よりも内側にあるとしても、図７で示すようなレーザ光の振る舞いを反映したビームの広がりよりも第１領域１の両端部が外側にあれば、第１領域１において各横モードは実質的に同じ等価屈折率を感じる。したがって、式２から発振波長のばらつきを低減することができる。他にも、第１回折格子１０５により波長選択された結果、レーザ光の半値全幅が上記範囲内に収まるようであれば、第１領域１の両端部の一部が最大拡散角Θmax1に基づく仮想線の内側にあってもよい。第１領域１の外に染み出す光が少なければ、その横モードにとっての等価屈折率はほぼ第１領域１の屈折率となる。したがって、式２から発振波長のばらつきを低減することができる。
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含む第１領域と、
(ii)横多モード導波路を有する第２領域と、
を含み、
第１領域は第１リッジを有し、
第２領域は第２リッジを有し、
前記第１回折格子の周期方向と直交する断面視において、
(iii)半導体積層部の積層方向と直交する方向の第１リッジの幅は第２リッジの幅よりも広く、
(iv)半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の半値全幅が０．０１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下である、半導体レーザ素子、
である。
これにより、横モード毎の発振波長のばらつきが小さい横マルチモード型半導体レーザ素子を提供することができる。半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の半値全幅は、好ましくは０．５ｎｍ以下であり、より好ましくは０．３ｎｍ以下であり、さらに好ましくは０．１ｎｍ以下である。レーザ光は、第２領域２から出射されたあと、第２領域２の端面からレイリー長の長さ程度まで第１領域１を直進し、その後、最大拡散角Θmax1で拡散する。例えば、第２領域２から出射されるレーザ光は図７に示す実線のように振る舞い得る。このレーザ光の振る舞いを反映したビームの広がりは、図１の仮想線ｖ１よりも内側にある。したがって、第１領域１の両端部が仮想線ｖ１よりも内側にあるとしても、図７で示すようなレーザ光の振る舞いを反映したビームの広がりよりも第１領域１の両端部が外側にあれば、第１領域１において各横モードは実質的に同じ等価屈折率を感じる。したがって、式２から発振波長のばらつきを低減することができる。他にも、第１回折格子１０５により波長選択された結果、レーザ光の半値全幅が上記範囲内に収まるようであれば、第１領域１の両端部の一部が最大拡散角Θmax1に基づく仮想線の内側にあってもよい。第１領域１の外に染み出す光が少なければ、その横モードにとっての等価屈折率はほぼ第１領域１の屈折率となる。したがって、式２から発振波長のばらつきを低減することができる。
【0056】
【0057】
具体的には、形態２の半導体レーザ素子は、
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含む第１領域と、
(ii)横多モード導波路を有する第２領域と、
を含み、
第１領域はレーザ光を出射する側の第１端面Ｅ１１と、第１端面Ｅ１１と反対側の第２端面Ｅ１２ａ、Ｅ１２ｂを有する第１リッジ１３５ａを有し、
第２領域は第１側面Ｓ２１と第１側面Ｓ２１の反対側の第２側面Ｓ２２とを有する第２リッジ１３５ｂを有し、
第１回折格子の周期方向と直交する断面視において、
(iii)半導体積層部の積層方向と直交する方向の第１端面Ｅ１１の幅はレーザ光のビーム径よりも広く、
(iv)第２端面Ｅ１２ａと第１側面Ｓ２１とのなす角、および第２端面Ｅ１２ｂと第２側面Ｓ２２とのなす角は、３０°以上１２０°以下である、半導体レーザ素子、
である。なお、第２端面Ｅ１２ａおよび、Ｅ１２ｂはまとめて第２端面Ｅ１２ともいう。
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含む第１領域と、
(ii)横多モード導波路を有する第２領域と、
を含み、
第１領域はレーザ光を出射する側の第１端面Ｅ１１と、第１端面Ｅ１１と反対側の第２端面Ｅ１２ａ、Ｅ１２ｂを有する第１リッジ１３５ａを有し、
第２領域は第１側面Ｓ２１と第１側面Ｓ２１の反対側の第２側面Ｓ２２とを有する第２リッジ１３５ｂを有し、
第１回折格子の周期方向と直交する断面視において、
(iii)半導体積層部の積層方向と直交する方向の第１端面Ｅ１１の幅はレーザ光のビーム径よりも広く、
(iv)第２端面Ｅ１２ａと第１側面Ｓ２１とのなす角、および第２端面Ｅ１２ｂと第２側面Ｓ２２とのなす角は、３０°以上１２０°以下である、半導体レーザ素子、
である。なお、第２端面Ｅ１２ａおよび、Ｅ１２ｂはまとめて第２端面Ｅ１２ともいう。
【0058】
ここで、好ましくは、(iv)第２端面Ｅ１２ａと第１側面Ｓ２１とのなす角、および第２端面Ｅ１２ｂと第２側面Ｓ２２とのなす角は、４５°以上１２０°以下であり、より好ましくは、６０°以上１２０°以下であり、よりいっそう好ましくは、８０°以上１２０°以下であり、最も好ましくは、９０°以上１２０°以下である。
第１リッジ１３５ａの第１端面E11の幅が、第１端面E11におけるレーザ光のビーム径よりも大きい。また、第１リッジ１３５ａの第２端面Ｅ１２ａと第２リッジ１３５ｂの第１側面Ｓ２１とのなす角、および第１リッジ１３５ａの第２端面Ｅ１２ｂと第２リッジ１３５ｂの第２側面Ｓ２２とのなす角を所定の角度とすることで、第２領域２から第１領域１に入射するレーザ光の広がりよりも第１領域１の幅を大きな状態で維持することができる。すなわち、第１領域１における各横モードの等価屈折率を実質的に同じにすることができる。これにより、横モード毎の発振波長のばらつきが小さい横マルチモード型半導体レーザ素子を提供することができる。
上面視で、第１リッジ１３５ａの形状は、台形、長方形、凹形状、レーストラック形状、椀形状、長方形と台形を組み合わせた形状、または長方形と三角形を組み合わせた形状であってよい。また、上面視で、第１リッジ１３５ａの２つの側面は直線、第２領域から遠ざかる方向に広がる曲線、または弧であってよい。第１リッジ１３５ａの２つの側面は直線が好ましく、第１リッジ１３５ａの２つの側面は平行であることが好ましい。これにより第１領域１の幅を広げることができるので、第１領域１の等価屈折率を容易に制御することができる。
第１リッジ１３５ａの第１端面E11の幅が、第１端面E11におけるレーザ光のビーム径よりも大きい。また、第１リッジ１３５ａの第２端面Ｅ１２ａと第２リッジ１３５ｂの第１側面Ｓ２１とのなす角、および第１リッジ１３５ａの第２端面Ｅ１２ｂと第２リッジ１３５ｂの第２側面Ｓ２２とのなす角を所定の角度とすることで、第２領域２から第１領域１に入射するレーザ光の広がりよりも第１領域１の幅を大きな状態で維持することができる。すなわち、第１領域１における各横モードの等価屈折率を実質的に同じにすることができる。これにより、横モード毎の発振波長のばらつきが小さい横マルチモード型半導体レーザ素子を提供することができる。
上面視で、第１リッジ１３５ａの形状は、台形、長方形、凹形状、レーストラック形状、椀形状、長方形と台形を組み合わせた形状、または長方形と三角形を組み合わせた形状であってよい。また、上面視で、第１リッジ１３５ａの２つの側面は直線、第２領域から遠ざかる方向に広がる曲線、または弧であってよい。第１リッジ１３５ａの２つの側面は直線が好ましく、第１リッジ１３５ａの２つの側面は平行であることが好ましい。これにより第１領域１の幅を広げることができるので、第１領域１の等価屈折率を容易に制御することができる。
【0059】
形態３
実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１を図１１Ａのように、第１端面Ｅ１１の幅と出射端面でのビーム径の関係をより具体的に特定することにより、最大拡散角Θmax1を用いることなく特定することもできる。
実施形態１の半導体レーザ素子Ｌ１を図１１Ａのように、第１端面Ｅ１１の幅と出射端面でのビーム径の関係をより具体的に特定することにより、最大拡散角Θmax1を用いることなく特定することもできる。
【0060】
具体的には、形態３の半導体レーザ素子は、
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
（ｉ）第１回折格子を含む第１領域と、
（ｉｉ）第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
第１領域はレーザ光を出射する第１端面Ｅ１１を有し、
回折格子の周期方向と直交する断面視において、
（ｉｉｉ）半導体積層部の積層方向と直交する方向の第１端面Ｅ１１の幅はレーザ光のビーム径よりも大きく、
上面視において、
（iｖ）第１回折格子の周期方向と直交する方向において、ビームの端Ｐと、第１領域および第１コア領域の境界である第１頂点Ｐ１とを結ぶ線のうち短い方の線ｖ１ａを基準として、レーザ光の中心から遠ざかる方向にも第１領域が広がる、半導体レーザ素子、
である。
これにより、半導体レーザ素子は発振波長のばらつきが小さいレーザ光を出射することができる。第１領域１の横方向において、線ｖ１ａは、レイリー長を考慮したレーザ光の広がりよりも外側にある。したがって、出射端面E11における第１領域１の幅がビーム径よりも大きく、上記線ｖ１ａを基準として、第１領域１がレーザ光の中心から遠ざかる方向にも広がっていれば、第１領域１はレーザ光の広がりよりも外側にも位置することになる。これにより、第１領域１を伝搬する光はどの横モードも実質的に同じ等価屈折率を感じる。したがって、第１領域１に設けられる第１回折格子１０５により選択される波長のばらつきが小さくなる。なお、第１端面Ｅ１１でのビームの端Ｐは、ビーム径で決まる。ビーム径は図７で説明したようにＤ４σに基づいて決定される。上面視、すなわち図１１Aにおいて、第１領域１と第２領域２の境界は、２つの第１頂点Ｐ１を含む直線により表すことができる。また、図１１Aに示すように、２つある第１頂点Ｐ１はそれぞれ、第１コア領域２１と第１クラッド領域２２の境界と第１領域１と第２領域２の境界とが交わってできる線上に位置する。
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
（ｉ）第１回折格子を含む第１領域と、
（ｉｉ）第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
第１領域はレーザ光を出射する第１端面Ｅ１１を有し、
回折格子の周期方向と直交する断面視において、
（ｉｉｉ）半導体積層部の積層方向と直交する方向の第１端面Ｅ１１の幅はレーザ光のビーム径よりも大きく、
上面視において、
（iｖ）第１回折格子の周期方向と直交する方向において、ビームの端Ｐと、第１領域および第１コア領域の境界である第１頂点Ｐ１とを結ぶ線のうち短い方の線ｖ１ａを基準として、レーザ光の中心から遠ざかる方向にも第１領域が広がる、半導体レーザ素子、
である。
これにより、半導体レーザ素子は発振波長のばらつきが小さいレーザ光を出射することができる。第１領域１の横方向において、線ｖ１ａは、レイリー長を考慮したレーザ光の広がりよりも外側にある。したがって、出射端面E11における第１領域１の幅がビーム径よりも大きく、上記線ｖ１ａを基準として、第１領域１がレーザ光の中心から遠ざかる方向にも広がっていれば、第１領域１はレーザ光の広がりよりも外側にも位置することになる。これにより、第１領域１を伝搬する光はどの横モードも実質的に同じ等価屈折率を感じる。したがって、第１領域１に設けられる第１回折格子１０５により選択される波長のばらつきが小さくなる。なお、第１端面Ｅ１１でのビームの端Ｐは、ビーム径で決まる。ビーム径は図７で説明したようにＤ４σに基づいて決定される。上面視、すなわち図１１Aにおいて、第１領域１と第２領域２の境界は、２つの第１頂点Ｐ１を含む直線により表すことができる。また、図１１Aに示すように、２つある第１頂点Ｐ１はそれぞれ、第１コア領域２１と第１クラッド領域２２の境界と第１領域１と第２領域２の境界とが交わってできる線上に位置する。
【0061】
上述の（iｖ）は、好ましくは、（iｖ‐１）第１回折格子の周期方向と直交する方向において、第１端面Ｅ１１と重なる第１領域１の第２頂点Ｐ２と、第１領域１と第２領域２の第１コア領域２１との境界である第１頂点Ｐ１と、を結ぶ線のうち短い方の線ｖ１ｂを基準として、レーザ光の中心から遠ざかる方向にも第１領域１が広がる、としてもよい。線ｖ１ｂは線ｖ１ａよりもレーザ光の中心から離れる方向に広がるので、この線ｖ１ｂよりも外側に第１領域１が広がっていれば、光の広がりに対してより余裕をもって第１領域１が広がることになり、半導体レーザ素子は、より効率よく発振波長のばらつきが小さいレーザ光を出射することができる。
【0062】
上記（ｉｖ‐1）において、第１頂点Ｐ１と第２頂点Ｐ２とを結ぶ線ｖ１ｂとは、リッジ１３５が形成されている場合は図１１Ａに示すように、第１リッジ１３５ａと１端面Ｅ１１と重なる第１リッジ１３５ａの第２頂点Ｐ２と、第１リッジ１３５ａと第２リッジ１３５ｂとの境界である第１頂点Ｐ１とを結ぶ線としてよい。なお、図１１Ａに示すように、第１リッジ１３５ａは第１端面E１１と反対側に第２端面E１２を有する。また、第１端面E１１と第２端面E１２は側面Ｓ１１により繋がれている。したがって、第２端面Ｅ１２と側面Ｓ１１との交点Ｐ３は線ｖ１ｂを基準としてレーザ光の中心から遠ざかる方向に位置する。
【0063】
上述の（ｉｖ‐１）は、第１頂点Ｐ１と第２頂点Ｐ２とを結ぶ線ｖ１ａと第３頂点Ｐ３との位置関係を特定したものとも言えるが、図１１Ａの例に限られない。例えば、図１１Ｂに示すように、第３頂点Ｐ３は、線ｖ１ａと仮想線ｖ１との間に位置してもよい。この場合は、上述の（iｖ‐１）に替えて、（ｉｖ‐２）第３頂点Ｐ３と第２頂点Ｐ２とを結ぶ線ｖ１ｃを基準として、レーザ光の中心から遠ざかる方向にも第１領域が広がる、と言い換えてよい。この場合も第１領域１を伝搬する光はどの横モードも実質的に同じ等価屈折率を感じるので、第１回折格子１０５により選択される波長のばらつきが小さくなる。なお、第１リッジ１３５ａの形状は、図１１Ａおよび図１１Ｂの形状に限られない。例えば、第１リッジ１３５ａの形状は、形態２で例示した形状であってもよい。
【0064】
ここまで説明してきた半導体レーザ素子を構成する半導体材料は、窒化物半導体以外の材料であってよい。半導体材料は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、またはＡｌＩｎＧａＰであってよい。このとき、発振波長が７６０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の半導体レーザ素子として利用してもよい。また、これらの材料以外で半導体レーザ素子を構成してもよい。例えば、窒化アルミニウムや窒化ホウ素などを用いて、紫外光を発する半導体レーザ素子を構成してもよい。
【0065】
２．製造方法
本実施形態に係る半導体レーザ素子Ｌ１の製造方法は、
（ｉ）基板を準備する工程と、
（ｉｉ）半導体積層部及び回折格子を形成する工程と、
（ｉｉｉ）リッジを形成する工程と、
（ｉｖ）電極を形成する工程と、
を含む。半導体積層部の各半導体層は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長）法、ＭＢＥ（分子線気相成長）法、またはスパッタリング法等、当該分野で公知のいずれの方法によって形成することができる。
本実施形態に係る半導体レーザ素子Ｌ１の製造方法は、
（ｉ）基板を準備する工程と、
（ｉｉ）半導体積層部及び回折格子を形成する工程と、
（ｉｉｉ）リッジを形成する工程と、
（ｉｖ）電極を形成する工程と、
を含む。半導体積層部の各半導体層は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長）法、ＭＢＥ（分子線気相成長）法、またはスパッタリング法等、当該分野で公知のいずれの方法によって形成することができる。
【0066】
（ｉ）基板を準備する工程
まず、例えばＧａＮからなる基板１００を準備する。基板は、サファイアであってもよい。
まず、例えばＧａＮからなる基板１００を準備する。基板は、サファイアであってもよい。
【0067】
（ｉｉ）半導体積層部及び回折格子を形成する工程
次に、図１２に示すように、基板１００上に、ｎ側クラッド層１１１を形成する。基板１００上に下地層を設けてからｎ側クラッド層１１１を形成してもよい。
次に、図１２に示すように、基板１００上に、ｎ側クラッド層１１１を形成する。基板１００上に下地層を設けてからｎ側クラッド層１１１を形成してもよい。
【0068】
第１回折格子１０５を形成する方法としては、まず、ｎ側クラッド層１１１を形成した後、図１３に示すように、マスクパターン８０を形成する。マスクパターン８０を形成する方法としては、例えば、二重レジスト法、密着マスク露光法、電子線描画法、位相シフト法等の当該分野で公知の方法を利用した、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程等がある。マスクパターン８０は電子線描画法により形成することが好ましい。精度のよいマスクパターン８０が得られる。次に、該マスクパターン８０をマスクとしてエッチングして第１凹部６３と第１凸部６１とを形成する。その後、図１４に示すように、マスクパターン８０を除去し、ｎ側クラッド層１１１の第１凹部６３を、ｎ側光ガイド層１１２の第２凸部６２で埋め込むことにより形成することができる。同様に、ｎ側光ガイド層１１２の第２凹部６４は、ｎ側クラッド層１１１の第１凸部６１で埋め込まれる。第１回折格子１０５のピッチ（すなわち、第１凹部６３と第１凸部６１または、第２凸部６２と第２凹部６４の１周期）は所望する発振波長により適宜設定される。
【0069】
この際のマスクパターン８０は、種々のレジスト、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＡｌＮ、ＳｉＮ等の酸化物や窒化物、ニッケル、クロム等の金属の単層膜又は多層膜を用いて形成することができる。これらの膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下で形成することが好ましい。これにより、第１凸部６１及び第２凸部６２の高さを所望の高さに形成することが可能となる。
【0070】
また、マスクパターン８０を用いて半導体層をエッチングして第１凸部６１と第１凹部６３とを形成する場合のエッチングは、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の、ドライエッチングにより行う。
【0071】
ｎ側光ガイド層１１２を形成した後、図１５に示すように、ｎ側光ガイド層１１２の上に、活性層１２０、ｐ側光ガイド層１３１、ｐ側クラッド層１３２を順に形成し、半導体積層部１０１を準備する。
活性層１２０が多重量子井戸構造である場合、基板１００側から順に障壁層と井戸層とを所望の層数だけ交互に形成し、活性層１２０を形成する。なお、この場合、活性層１２０を形成する工程は、障壁層を形成する工程で終了される。活性層１２０は単一量子井戸層であってもよい。
活性層１２０が多重量子井戸構造である場合、基板１００側から順に障壁層と井戸層とを所望の層数だけ交互に形成し、活性層１２０を形成する。なお、この場合、活性層１２０を形成する工程は、障壁層を形成する工程で終了される。活性層１２０は単一量子井戸層であってもよい。
【0072】
（ｉｉｉ）リッジを形成する工程
ここではまず、例えば、ｐ側クラッド層１３２のほぼ全面に、例えば、ＣＶＤ法またはスパッタリング法により、例えば、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ2）よりなる保護膜を形成し、その後、保護膜の上にリッジ１３５を形成する領域にマスクを形成する。ＲＩＥ等により、マスクが形成されていない領域の保護膜を除去して、リッジ１３５に対応する形状の保護膜を形成する。そして、この保護膜をマスクとして用いて、ｐ側クラッド層１３２をエッチングすることにより、図１６に示すように、リッジ１３５を形成する。リッジ１３５は、例えば、ｐ側クラッド層１３２に形成する。ここで、リッジ１３５は、ｐ側クラッド層１３２の途中までエッチングすることにより形成してもよいし、ｐ側光ガイド層１３１の途中に至るまでエッチングして形成するようにしてもよい。
ここではまず、例えば、ｐ側クラッド層１３２のほぼ全面に、例えば、ＣＶＤ法またはスパッタリング法により、例えば、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ2）よりなる保護膜を形成し、その後、保護膜の上にリッジ１３５を形成する領域にマスクを形成する。ＲＩＥ等により、マスクが形成されていない領域の保護膜を除去して、リッジ１３５に対応する形状の保護膜を形成する。そして、この保護膜をマスクとして用いて、ｐ側クラッド層１３２をエッチングすることにより、図１６に示すように、リッジ１３５を形成する。リッジ１３５は、例えば、ｐ側クラッド層１３２に形成する。ここで、リッジ１３５は、ｐ側クラッド層１３２の途中までエッチングすることにより形成してもよいし、ｐ側光ガイド層１３１の途中に至るまでエッチングして形成するようにしてもよい。
【0073】
（ｉｖ）電極を形成する工程
図１７に示すように、リッジ１３５の上面に第１電極１５０を形成し、基板１００の下面に第２電極１６０を形成する。
第１電極１５０は、リッジ１３５の上面に接するように形成される。第１電極１５０がリッジ１３５の上面を除くｐ側半導体層１３０と接触しないように、半導体積層部１０１の上面うち、リッジ１３５の上面を除いて絶縁層１４０を配置する。例えば、絶縁層１４０をリッジ１３５の上面を除くｐ側クラッド層１３２の表面に形成した後に、第１電極１５０は、絶縁層１４０から露出したリッジ１３５の上面に、例えばスパッタリング法等により形成する。なお、第1電極１５０は、リッジ１３５の側面と接触してもよい。
図１７に示すように、リッジ１３５の上面に第１電極１５０を形成し、基板１００の下面に第２電極１６０を形成する。
第１電極１５０は、リッジ１３５の上面に接するように形成される。第１電極１５０がリッジ１３５の上面を除くｐ側半導体層１３０と接触しないように、半導体積層部１０１の上面うち、リッジ１３５の上面を除いて絶縁層１４０を配置する。例えば、絶縁層１４０をリッジ１３５の上面を除くｐ側クラッド層１３２の表面に形成した後に、第１電極１５０は、絶縁層１４０から露出したリッジ１３５の上面に、例えばスパッタリング法等により形成する。なお、第1電極１５０は、リッジ１３５の側面と接触してもよい。
【0074】
第２電極１６０は、ｎ側クラッド層１１１と電気的に接続されるように配置される。例えば、基板１００が導電性を有する場合、第２電極１６０は、基板１００の下面に形成することができる。第２電極１６０は、例えば、スパッタリング法で形成される。
なお、第１電極１５０及び第２電極１６０は、スパッタリング法以外の方法を用いて形成することができる。
なお、基板１００が導電性を有していない場合には、例えば、第２電極１６０は、ｎ側光ガイド層１１２又はｎ側クラッド層１１１の表面を露出させ、その露出させた表面に直接形成するようにしてもよい。
なお、第１電極１５０及び第２電極１６０は、スパッタリング法以外の方法を用いて形成することができる。
なお、基板１００が導電性を有していない場合には、例えば、第２電極１６０は、ｎ側光ガイド層１１２又はｎ側クラッド層１１１の表面を露出させ、その露出させた表面に直接形成するようにしてもよい。
【0075】
電極を形成する工程の後、第２領域２の第１領域１とは反対側の端面にＨＲコート２２０を形成し、第１領域１の第２領域２とは反対側の端面にＡＲコートを形成する。ＨＲコート及びＡＲコートは、例えば、蒸着、スパッタ等で形成することができる。
【0076】
半導体レーザ素子Ｌ１は、ウエハ上に複数の半導体レーザ素子部を形成したあとに個片化することで得てもよい。個片化は劈開、レーザスクライブ等により行ってよい。劈開により第２領域２の第１領域１とは反対側の端面を得る場合、劈開面をＨＲコートに代えて使用してもよい。
【0077】
実施形態１の変形例１
実施形態１の変形例の半導体レーザ素子Ｌ１１は、図１８に示すように、半導体積層部１０１が第２領域２を挟んで第１領域１の反対側に、第２回折格子を含み屈折率ｎ３の第３領域３をさらに含んでいる以外は、実施形態１と同様に構成される。
ここで、第３領域３は、第１領域１と同様に構成される。屈折率ｎ３の定義は屈折率ｎ１の定義と同様である。
具体的には、第２領域２から第３領域３へ出射されるレーザ光は、屈折率ｎ3と屈折率ｎ２１と屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax３で前記第３領域を伝搬し、レーザ光の光軸に垂直な断面において半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第３領域の両端部はそれぞれ、第３領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax３で広がる仮想線v２の外側に位置する。
ここで、第３領域３の第２領域２の反対側の端面にはＡＲコート２１１が形成され、変形例の半導体レーザ素子Ｌ１１では第１領域１の端面と第３領域３の端面の両端面からレーザ光を出射する。なお、第１回折格子におけるレーザ光の反射率を第２回折格子におけるレーザ光の反射率よりも低くすることで、第１領域側からレーザ光を選択的に取り出してもよい。もしくは、ＡＲコート２１１に代えてＨＲコートを形成し、第１領域側からレーザ光を選択的に取り出してもよい。
実施形態１の変形例の半導体レーザ素子Ｌ１１は、図１８に示すように、半導体積層部１０１が第２領域２を挟んで第１領域１の反対側に、第２回折格子を含み屈折率ｎ３の第３領域３をさらに含んでいる以外は、実施形態１と同様に構成される。
ここで、第３領域３は、第１領域１と同様に構成される。屈折率ｎ３の定義は屈折率ｎ１の定義と同様である。
具体的には、第２領域２から第３領域３へ出射されるレーザ光は、屈折率ｎ3と屈折率ｎ２１と屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax３で前記第３領域を伝搬し、レーザ光の光軸に垂直な断面において半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第３領域の両端部はそれぞれ、第３領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax３で広がる仮想線v２の外側に位置する。
ここで、第３領域３の第２領域２の反対側の端面にはＡＲコート２１１が形成され、変形例の半導体レーザ素子Ｌ１１では第１領域１の端面と第３領域３の端面の両端面からレーザ光を出射する。なお、第１回折格子におけるレーザ光の反射率を第２回折格子におけるレーザ光の反射率よりも低くすることで、第１領域側からレーザ光を選択的に取り出してもよい。もしくは、ＡＲコート２１１に代えてＨＲコートを形成し、第１領域側からレーザ光を選択的に取り出してもよい。
【0078】
実施形態１の変形例２
実施形態１の変形例の半導体レーザ素子Ｌ１２は、図１９に示すように、第１領域１からレーザ光が出力される第１領域１の第１端面Ｅ１１は、第１コア領域２１を伝播するレーザ光の光軸X２および第１回折格子１０５の周期方向に対して傾斜している点で実施形態１とは異なっている。
ここで、第１端面Ｅ１１は、第１コア領域２１を伝播するレーザ光の光軸X２および第１回折格子１０５の周期方向に対して傾斜しているとは、第１端面E１１が、第１コア領域２１を伝播するレーザ光の光軸X２及び第１回折格子１０５の周期方向のいずれに対しても直交していないことをいう。このとき、第１コア領域２１を伝播するレーザ光の光軸X２と第１回折格子１０５の周期方向は一致している。すなわち、光軸Ｘ２と第１回折格子１０５が延びる方向は直交している。一方で、第１端面Ｅ１１と光軸Ｘ２は直交してない。
これにより、第１端面E１１で反射して第１コア領域２１に再入射した反射光によるレーザ光への影響を低減できる。なお、図１９において、第１端面Ｅ１1の法線Ｘ１と、光軸Ｘ２のなす角θｔは、１度以上１０度以下であってよい。
実施形態１の変形例の半導体レーザ素子Ｌ１２は、図１９に示すように、第１領域１からレーザ光が出力される第１領域１の第１端面Ｅ１１は、第１コア領域２１を伝播するレーザ光の光軸X２および第１回折格子１０５の周期方向に対して傾斜している点で実施形態１とは異なっている。
ここで、第１端面Ｅ１１は、第１コア領域２１を伝播するレーザ光の光軸X２および第１回折格子１０５の周期方向に対して傾斜しているとは、第１端面E１１が、第１コア領域２１を伝播するレーザ光の光軸X２及び第１回折格子１０５の周期方向のいずれに対しても直交していないことをいう。このとき、第１コア領域２１を伝播するレーザ光の光軸X２と第１回折格子１０５の周期方向は一致している。すなわち、光軸Ｘ２と第１回折格子１０５が延びる方向は直交している。一方で、第１端面Ｅ１１と光軸Ｘ２は直交してない。
これにより、第１端面E１１で反射して第１コア領域２１に再入射した反射光によるレーザ光への影響を低減できる。なお、図１９において、第１端面Ｅ１1の法線Ｘ１と、光軸Ｘ２のなす角θｔは、１度以上１０度以下であってよい。
【0079】
実施形態３
図２０に示すように、実施形態３は、実施形態１の半導体レーザ素子L１を複数（ｑ個）含む、波長ビーム結合（ＷＢＣ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）装置４００に関する。ＷＢＣ装置４００は、より強度の高いレーザ光を、例えば、加工対象物に照射することができる。
図２０に示すように、実施形態３は、実施形態１の半導体レーザ素子L１を複数（ｑ個）含む、波長ビーム結合（ＷＢＣ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）装置４００に関する。ＷＢＣ装置４００は、より強度の高いレーザ光を、例えば、加工対象物に照射することができる。
【0080】
ＷＢＣ装置４００は、複数の光源部９１と、合波用回折格子９３と、を備える。複数の光源部９１はそれぞれ、実施形態１の半導体レーザ素子L１と、コリメートレンズ９２と、を備える。各光源部９１の半導体レーザ素子L１の発振波長λ１、λ２、・・・、λｑは、それぞれ異なる。複数の光源部９１の各々の間での発振波長のピーク波長の差は、それぞれ例えば、０．３ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、好ましくは、０．４ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であり、より好ましくは、０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下である。これにより、合波用回折格子９３の帯域内で効率よくレーザ光を合波することができる。なお、半導体レーザ素子Ｌ１は縦マルチモード型の半導体レーザであり、各光源部９１から出力される発振波長λｑには複数の発振波長が含まれる。ただし、すべての発振波長λｑにおいて、縦モード数は一致しなくてもよい。コリメートレンズ９２は、半導体レーザ素子Ｌ１から出射される光が入射する位置に配置される。なお、光源部９１は、１つの半導体レーザ素子Ｌ１と、１つのコリメートレンズ９２の組のみからなる必要はなく、これらを複数組備えていてもよい。これにより、個々の光源部９１の発振波長λｑ毎の出力を高めることができる。
【0081】
合波用回折格子９３は、複数の光源部９１から出射されるレーザ光を合波する。合波用回折格子９３は、例えば、周期的に配列された溝と突起とを含む。各光源部９１は、コリメートレンズ９２を通過したレーザ光が合波用回折格子９３に入射する入射角度αと、合波用回折格子９３によって回折された光の回折角度βと、の関係が以下の式４を満たすように、配置される。
【0082】
【0083】
式４において、Ｇは合波用回折格子９３の回折格子の溝本数（ｇ／ｍｍ）、ｌは次数、λは光源部９１から出射されるレーザ光の発振波長（ｎｍ）である。
【0084】
各光源部９１から出力される発振波長λｑは複数の発振波長を含み、各発振波長と対応する回折角度βは異なる。しかし、光源部９１に含まれる半導体レーザ素子Ｌ１は第１領域１に回折格子６０が設けられており、発振波長のばらつきが小さい。例えば、横モード毎の発振波長は、波長幅０．０１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の範囲に含まれる。これにより、光源部９１のそれぞれにおいて、横モード毎の発振波長と対応する回折角度βのズレが小さくなる。したがって、各光源部９１から出射された光を合波用回折格子９３によってほぼ同じ回折角度として合波することができる。これにより、ＷＢＣ装置４００から出射される光は、高い光出力を有する。なお、合波用回折格子９３は１つに限定されない。例えば、合波用回折格子９３は第１合波用回折格子と第２合波用回折格子の２つであってもよい。このとき、第１合波用回折格子は、複数の光源部９１から出射されるレーザ光をそれぞれ回折して第２合波用回折格子へ導く。第２合波用回折格子は、複数のレーザ光を回折して同軸に合波する。
上記のように構成されたＷＢＣ装置４００から出射される光は、例えば、マルチモードファイバに導入される。マルチモードファイバのコア径は、例えば、９０μｍ以上４００μｍ以下である。
上記のように構成されたＷＢＣ装置４００から出射される光は、例えば、マルチモードファイバに導入される。マルチモードファイバのコア径は、例えば、９０μｍ以上４００μｍ以下である。
【0085】
（実施例１）
半導体レーザ素子を作製して、レーザ光の出力を測定した。作製した半導体レーザ素子は、ＧａＮ基板上にｎ側クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層を積層させることで得た。第１リッジと第２リッジは、ｐ側クラッド層からｐ側光ガイド層の一部までを除去することで得た。第１リッジの幅は３５０μｍであり、第２リッジの幅は９０μｍとした。回折格子は、第１領域１のｎ側半導体層内に設けられ、回折格子の周期は９６ｎｍとした。
図２１Ａは１２Ａの電流を注入したときの半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の強度を示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）を表し、縦軸はレーザ光の強度を表す。ただし、縦軸の単位はｄＢｍで表記している。図２１Ａから、３ｄＢｍの位置の波長幅、すなわち半値全幅は約０．１ｎｍであった。また、サイドモード抑圧比は約３０ｄＢｍであった。半導体レーザ素子は横マルチモード型の半導体レーザであるにもかかわらず、波長のばらつきを小さくできた。
半導体レーザ素子を作製して、レーザ光の出力を測定した。作製した半導体レーザ素子は、ＧａＮ基板上にｎ側クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層を積層させることで得た。第１リッジと第２リッジは、ｐ側クラッド層からｐ側光ガイド層の一部までを除去することで得た。第１リッジの幅は３５０μｍであり、第２リッジの幅は９０μｍとした。回折格子は、第１領域１のｎ側半導体層内に設けられ、回折格子の周期は９６ｎｍとした。
図２１Ａは１２Ａの電流を注入したときの半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の強度を示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）を表し、縦軸はレーザ光の強度を表す。ただし、縦軸の単位はｄＢｍで表記している。図２１Ａから、３ｄＢｍの位置の波長幅、すなわち半値全幅は約０．１ｎｍであった。また、サイドモード抑圧比は約３０ｄＢｍであった。半導体レーザ素子は横マルチモード型の半導体レーザであるにもかかわらず、波長のばらつきを小さくできた。
【0086】
（比較例１）
図２１Ｂは、１２Ａの電流を注入したときの比較例１の半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の強度を示すグラフである。比較例１の半導体レーザ素子は、第１領域を有さず、リッジの幅が９０μｍの横マルチモード導波路の全面に回折格子が形成されている点で、実施例１の半導体レーザ素子とは異なる。なお、回折格子はｎ側半導体層内に設けられた。図２１Ｂから、比較例１は実施例１と比べてピークが崩れていることが確認できた。すなわち、３ｄＢｍの範囲外にもピークが確認できた。
図２１Ｂは、１２Ａの電流を注入したときの比較例１の半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の強度を示すグラフである。比較例１の半導体レーザ素子は、第１領域を有さず、リッジの幅が９０μｍの横マルチモード導波路の全面に回折格子が形成されている点で、実施例１の半導体レーザ素子とは異なる。なお、回折格子はｎ側半導体層内に設けられた。図２１Ｂから、比較例１は実施例１と比べてピークが崩れていることが確認できた。すなわち、３ｄＢｍの範囲外にもピークが確認できた。
【0087】
実施例１は比較例１と比べて、ピークの乱れは確認できなかった。これは、波長幅が３ｄＢｍの範囲内に多くのパワーが集まっていることを意味し、実施例１の半導体レーザ素子はレーザ光を効率よく利用できることを示唆している。
【0088】
他の構成
また、例えば、本開示は、以下のような構成をとることができる。
（項１）
活性層を含み、導波構造を有する半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
前記半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含み屈折率ｎ１の第１領域と、
(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
(iii)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ１と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で前記第１領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第１領域の両端部はそれぞれ、前記第１領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax１で広がる仮想線の外側に位置する、半導体レーザ素子。
（項２）
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
（ｉ）第１回折格子を含む第１領域と、
（ｉｉ）第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
前記第１領域はレーザ光を出射する第１端面を有し、
前記第１端面の前記半導体積層部の積層方向と直交する方向において、
（ｉｉｉ）前記第１端面の幅は前記レーザ光のビーム径よりも大きく、
上面視において、
（iｖ）前記第１回折格子の周期方向と直交する方向において、前記ビームの端と、前記第１領域および前記第２領域の第１コア領域の境界である第１頂点とを結ぶ線のうち短い方の線を基準として、前記レーザ光の中心から遠ざかる方向にも前記第１領域が広がる、横マルチモード型半導体レーザ素子。
（項３）
前記第１回折格子における前記両端部間の間隔は、前記第１コア領域の幅の大きさの２倍以上１００倍以下である、項１または２に記載の半導体レーザ素子。
（項４）
前記第１コア領域の幅は、１５μｍ以上９０μｍ以下であり、
前記第１回折格子における前記両端部間の間隔は、３０μｍ以上９０００μｍ以下である、項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項５）
前記第１回折格子における前記両端部間の間隔は一定である、項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項６）
前記第１領域からレーザ光が出力される前記第１領域の第１端面は、前記第１コア領域を伝播するレーザ光の光軸および前記第１回折格子の周期方向に対して傾斜している、項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項７）
前記半導体積層部は、ｎ側半導体層と、ｐ側半導体層と、前記ｎ側半導体層および前記ｐ側半導体層の間に位置する活性層と、を備え、
前記第１回折格子は、前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層のいずれか一方に設けられる、項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項８）
前記第２領域から出射されるレーザ光が入射する前記第１領域の第１端面または該第１端面と反対側の第２端面から出射するレーザ光の半値全幅は０．０１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下である、項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項９）
前記レーザ光のＭ２因子が２以上１００以下である、項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項１０）
前記半導体積層部は、
(iv)前記第２領域を挟んで前記第１領域の反対側に、第２回折格子を含み屈折率ｎ３の第３領域をさらに含み、
(v)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ3と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax３で前記第３領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第３領域の両端部はそれぞれ、前記第３領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax３で広がる仮想線の外側に位置する、項１から９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項１１）
複数の光源部と、
回折格子と、を備え、
前記複数の光源部のそれぞれは、
項１から１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光が入射する位置に設けられたコリメートレンズと、
を有し、
前記レーザ光のピーク波長は、前記複数の光源部ごとに異なり、
前記回折格子は、前記複数の光源部から出射されるレーザ光を合波する、波長ビーム結合装置。
また、例えば、本開示は、以下のような構成をとることができる。
（項１）
活性層を含み、導波構造を有する半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
前記半導体積層部は、
(i)第１回折格子を含み屈折率ｎ１の第１領域と、
(ii)屈折率ｎ２１の第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた屈折率ｎ２２の第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
(iii)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ１と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax１で前記第１領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第１領域の両端部はそれぞれ、前記第１領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax１で広がる仮想線の外側に位置する、半導体レーザ素子。
（項２）
活性層を含み、半導体積層部を有する半導体レーザ素子であって、
半導体積層部は、
（ｉ）第１回折格子を含む第１領域と、
（ｉｉ）第１コア領域と該第１コア領域の両側に設けられた第１クラッド領域とを有し、複数の横モードでレーザ光を伝播させる第２領域と、
を含み、
前記第１領域はレーザ光を出射する第１端面を有し、
前記第１端面の前記半導体積層部の積層方向と直交する方向において、
（ｉｉｉ）前記第１端面の幅は前記レーザ光のビーム径よりも大きく、
上面視において、
（iｖ）前記第１回折格子の周期方向と直交する方向において、前記ビームの端と、前記第１領域および前記第２領域の第１コア領域の境界である第１頂点とを結ぶ線のうち短い方の線を基準として、前記レーザ光の中心から遠ざかる方向にも前記第１領域が広がる、横マルチモード型半導体レーザ素子。
（項３）
前記第１回折格子における前記両端部間の間隔は、前記第１コア領域の幅の大きさの２倍以上１００倍以下である、項１または２に記載の半導体レーザ素子。
（項４）
前記第１コア領域の幅は、１５μｍ以上９０μｍ以下であり、
前記第１回折格子における前記両端部間の間隔は、３０μｍ以上９０００μｍ以下である、項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項５）
前記第１回折格子における前記両端部間の間隔は一定である、項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項６）
前記第１領域からレーザ光が出力される前記第１領域の第１端面は、前記第１コア領域を伝播するレーザ光の光軸および前記第１回折格子の周期方向に対して傾斜している、項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項７）
前記半導体積層部は、ｎ側半導体層と、ｐ側半導体層と、前記ｎ側半導体層および前記ｐ側半導体層の間に位置する活性層と、を備え、
前記第１回折格子は、前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層のいずれか一方に設けられる、項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項８）
前記第２領域から出射されるレーザ光が入射する前記第１領域の第１端面または該第１端面と反対側の第２端面から出射するレーザ光の半値全幅は０．０１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下である、項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項９）
前記レーザ光のＭ２因子が２以上１００以下である、項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項１０）
前記半導体積層部は、
(iv)前記第２領域を挟んで前記第１領域の反対側に、第２回折格子を含み屈折率ｎ３の第３領域をさらに含み、
(v)前記第２領域から出射されるレーザ光は、前記屈折率ｎ3と前記屈折率ｎ２１と前記屈折率ｎ２２で決まる最大拡散角Θmax３で前記第３領域を伝搬し、
前記レーザ光の光軸に垂直な断面において、前記半導体積層部の積層方向に直交する方向の前記第３領域の両端部はそれぞれ、前記第３領域側の前記第１コア領域の出射端面の両端から前記最大拡散角Θmax３で広がる仮想線の外側に位置する、項１から９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
（項１１）
複数の光源部と、
回折格子と、を備え、
前記複数の光源部のそれぞれは、
項１から１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光が入射する位置に設けられたコリメートレンズと、
を有し、
前記レーザ光のピーク波長は、前記複数の光源部ごとに異なり、
前記回折格子は、前記複数の光源部から出射されるレーザ光を合波する、波長ビーム結合装置。
【0089】
以上、本開示の実施形態及び変形例を説明したが、本開示の技術思想に基づく構成を有して居る限り、種々の変形が可能である。また、実施形態及び変形例における構成要素の組合せや順序の変更も本開示の範囲および思想の範囲内で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【0090】
Ｌ１、Ｌ１１、Ｌ１２ 半導体レーザ素子
１ 第１領域
２ 第２領域
１００ 基板
１０１ 半導体積層部
１５０ 第１電極
１６０ 第２電極
１１０ ｎ側半導体層
１１１ ｎ側クラッド層
１１２ ｎ側光ガイド層
１２０ 活性層
１３０ ｐ側半導体層
１３１ ｐ側光ガイド層
１３２ ｐ側クラッド層
２１ 第１コア領域
２２ 第１クラッド領域
１０５ 第１回折格子
３０５ 第２回折格子
６１ 第１凸部
６２ 第２凸部
６３ 第１凹部
６４ 第２凹部
１３５ リッジ
１３５ａ 第１リッジ
１３５ｂ 第２リッジ
８０ マスクパターン
９１ 光源部
９２ コリメートレンズ
９３ 合波用回折格子
４００ 波長ビーム結合装置
ｄ１、ｄ２ 距離
ｚ１、ｚ２ 高さ
ｘ１、ｘ２ 幅
Ｐ ピッチ
１ 第１領域
２ 第２領域
１００ 基板
１０１ 半導体積層部
１５０ 第１電極
１６０ 第２電極
１１０ ｎ側半導体層
１１１ ｎ側クラッド層
１１２ ｎ側光ガイド層
１２０ 活性層
１３０ ｐ側半導体層
１３１ ｐ側光ガイド層
１３２ ｐ側クラッド層
２１ 第１コア領域
２２ 第１クラッド領域
１０５ 第１回折格子
３０５ 第２回折格子
６１ 第１凸部
６２ 第２凸部
６３ 第１凹部
６４ 第２凹部
１３５ リッジ
１３５ａ 第１リッジ
１３５ｂ 第２リッジ
８０ マスクパターン
９１ 光源部
９２ コリメートレンズ
９３ 合波用回折格子
４００ 波長ビーム結合装置
ｄ１、ｄ２ 距離
ｚ１、ｚ２ 高さ
ｘ１、ｘ２ 幅
Ｐ ピッチ
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21A】
【図21B】