CN1278464C - 半导体激光元件及使用它的激光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供半导体激光元件，其振荡激光的振荡波长稳定、振荡频谱为多模式，具备有由量子阱结构构成的活性层的层结构，且利用返回光的作用产生稳定波长的激光振荡，是其振荡频谱为多模式的Fabry-Perot型半导体激光元件，设每1层阱层的光限制系数为г、1层阱层的厚度为d(nm)时，则г与d之间满足下式：г/d≤1.3×10-3nm-1的关系。

Description

半导体激光元件及使用它的激光模块
技术领域
本发明涉及法伯利-玻罗(Fabry-Perot)型半导体激光元件及使用它组装成的激光模块，更具体地说，涉及通过接受返回光进行动作、产生其振荡频谱为多模激光振荡的半导体激光元件。
背景技术
波分复用(WDM)通信方式正在发展作为传送多路信号光的光通信系统。该系统中，在光路的规定部位配置例如掺铒光纤放大器(EDFA)，以半导体激光元件作为激励光源的泵浦激光模块与此相连接，激励用激光从该激光模块入射到所述EDFA，对从信号光源传送来的信号光进行光放大，通过这样将经光放大的信号光再传送到下游侧。
这时，对于激光模块中装入的半导体激光元件，采用下述那样的措施，即让注入电流值跟随信号光源的光输出变动而变化，从而使激光模块出射的激励用激光的光输出稳定。
在振荡波长处于1480nm波长区的半导体激光元件的情况下，由于EDFA中的增益带宽较宽，上述那样的措施是有效的。但是在振荡波长处于980nm波长区的半导体激光元件的情况下，由于EDFA中的增益带宽较窄，故不能采用上述那样的措施。
这样，在用振荡波长为980nm波长区中的半导体激光元件来组装激光模块时，必须规定组装的激光模块出射的激励用激光的波长为能与EDFA的窄的增益带宽相对应的波长。
关于使来自激光元件的振荡波长稳定，已知有效的方法是在该激光元件的出射端面(前端面)与具有规定的反射带宽宽度的光纤布喇格光栅(FBG)进行光耦合而动作。这是因为FBG具备波长选择功能与光反馈功能。
这时，激光元件出射的激光中，位于特定波长带宽内的一部分光由FBG反射，成为返回光，该返回光再反馈到激光元件。然后，利用该返回光的作用，由激光元件产生振荡的激光的波长、亦即从激光模块出射的激励用激光的波长就稳定在FBG的反射带宽宽度内的特定的值。
然而，在作为振荡波长位于980nm波长区的代表性的半导体激光元件的GaAs系统激光元件的情况下，当与FBG进行光耦合来组装激光模块时，得到的激励用激光的波长可以说存在于FBG的反射带宽宽度内，但其激励用激光的光输出随时间的变动大，呈不稳定的光输出状态。例如，只要激光元件的注入电流变动或周围温度变化等，就引起驱动状态的变化，则从激光模块出射的激励用激光的光输出就不稳定。
据认为这是因为在GaAs系激光元件情况下，振荡纵模易变得不稳定，其光输出容易以百分之几的量级变动。
激光模块出射的激励用激光中的光输出变动，通常取0.5％以下作为标准，若这样来考虑时，那末上述的情况就成为问题了。
发明内容
本发明的目的在于解决GaAs系激光元件中的上述问题，提供在作为光源装入激光模块时使得从该激光模块出射的光输出能够为稳定的激励用激光那样来设计的GaAs系半导体激光元件、以及使用该元件的激光模块。
为达到上述目的，在组装出射的激励用激光的波长稳定、同时光输出也稳定的激光模块时，认为必须使作为光源装入模块中的激光元件所振荡的激光，其振荡波长稳定在特定波长，同时其振荡纵向模式为多模式。因此，本发明提供的一种半导体激光元件，具备有由量子阱结构构成的活性层的层结构，且利用返回光的作用产生稳定波长的激光振荡，是其振荡频谱为多模式的法布里-珀罗型半导体激光元件，设每1层阱层的光限制系数为Γ、每1层阱层的厚度为dnm时，则Γ与d之间满足下式：Γ/d≤1.3×10-3nm-1的关系。
具体地说，上述的返回光是来自以FBG作为较佳实例的光反馈机构的返回光，而且，1层阱层的厚度(d)为8.5nm以上为好。此外所提供的半导体激光元件其所述活性层中的阻挡层的导带带隙能量与阱层的导带带隙能量之差为170meV以下为好。
此外，所提供的半导体激光元件，为了抑制在高输出驱动时发生的烧孔效应，使注入的载流子的主要部分在振荡激光的分布区域内优化，该优化是通过选定电流阻断层的条宽来实现。
而且，所提供的半导体激光元件，最好夹着所述活性层形成光限制层，在所述活性层与所述光限制层之间隔着具有带隙能量大于所述活性层的阻挡层与所述光限制层的各自导带中的带隙能量的载流子阻断层，或者，
所提供的半导体激光元件，夹着所述活性层形成具有带隙能量大于所述活性层的阻挡层的导带中的带隙能量的分别限制层。
此外，本发明中所提供的一种激光模块，包括：本发明的上述半导体元件、及与所述半导体元件的出射端面进行光耦合的光纤。
附图说明
图1示出本发明的激光元件的使用形态概略图；
图2示出本发明的激光元件的1例A1的层结构断面图；
图3为激光元件A1中的层结构D的带结构图的1例；
图4示出本发明的另一激光元件A2的层结构的斜视图；
图5为激光元件A2中的层结构D的带结构图的1例；
图6示出本发明的激光模块的1例的断面图；
图7为实施形态2的激光元件的电流一光输出特性图；
图8示出装入实施例2的激光元件的激光模块的Pf变化率与Im变化率的曲线；
图9为各注入电流的振荡频谱图；
图10示出从图9的振荡频谱图导出的注入电流与谱宽之间的关系曲线；
图11示出电流阻断层的条宽与弯折输出关系的曲线；以及
图12为将多模振荡的实施例5～15的半导体激光元件中的谐振器长度(L)与Γ/d值绘在坐标上的曲线。
具体实施方式
本发明的激光元件是基于以下的设计思想进行开发的。
(1)首先，对于作为光源装入出射的激励用激光的光输出稳定的激光模块中的激光元件来说，必要的条件如下。即，来自该激光元件的振荡激光的振荡波长稳定，同时该光输出的变动得到抑制。
(2)所谓使振荡波长稳定的问题，可以例如使激光元件与FBG组合，使这时的返回光再次反馈到激光元件来实现。另外，为抑制振荡激光的光输出的变动，只要设计使该振荡激光的振荡频谱为多模式就可。
(3)另外，在返回光进行反馈的激光元件的情况下，如出现相干衰减现象，则可知该激光元件的振荡激光为多模激光。
(4)因此认为，在激光元件的活性层结构中，找出使上述的相干衰减现象容易出现的因素，对振荡激光的多模化即振荡激光的光输出的稳定来说是重要的。
以往，关于生成活性层结构，是将振荡的激光高效地限制在活性层内那样的设计思想作为主流。但是在打算使振荡激光的多模式化的情况下，则认为完全相反，不如说重要的是设计不易起振的活性层。
(5)本发明者从这一观点出发，对各种激光元件的阱层的厚度(d)、其阱层中的光限制系数(Γ)与振荡激光的多模式化之间的关系加以研究，得到新的认识，认为以返回光的反馈为前提时，Γ/d值与构成活性层的半导体材料的种类无关，是制约相干衰减现象的因素。
(6)而且，进一步反复研究的结果，还发现上述的相干衰减现象在阱层的厚度越厚越易于出现、而且阱层的电位深度越浅越易于出现这样的事实。
然后，本发明者根据以上的认识，并进而为使激光元件进行高输出动作，则依照其谐振器长度较长比较有利那样的公知事实，开发出上述构成的本发明的半导体激光元件。
以下详述根据上述的设计思想开发出的本发明的激光元件。
首先，图1示出本发明的激光元件的使用形态概略图。
图1中，通过作为光耦合手段的例如透镜C，将后述的激光元件A与光纤B在互相对准光轴的状态下进行光耦合，构成激光模块。然后在光纤B上形成具有例如规定的反射带宽宽度的FBG B1。
来自激光元件A的振荡激光，经透镜C聚光，入射到光纤B的端面。入射的振荡激光中，只有FBG B1的反射带宽宽度内存在的振荡波长的激光由该FBG B1反射，这成为返回光反馈到激光元件A。
又，本发明中，由于激光元件A为以下说明的结构，故来自该激光元件A的振荡激光，其振荡波长稳定，同时其振荡频谱为多模式。
这里，图2示出具有较佳的层结构的本发明的激光元件的1例A1。
该激光元件A1为SAS结构(自对准结构)，是总体具有规定的谐振器长度(L)的Fabry-Perot型的激光元件。
该激光元件A1如图2所示，在例如由n-GaAs构成的基板1上形成例如由n-AlGaAs构成的下部包层2A，再在其上形成后述的层结构D。然后在层结构D上依次形成例如由p-AlGaAs构成的上部包层2B、例如由p-GaAs构成的接触层3，在基板1的背面和接触层3的上面分别形成n型电极4A和p型电极4B。
上述的层结构D是在《机能材料》Vol.17，No.8，pp26～33(1997年8月号)中作为完全分别限制结构(DCH结构)提出的层结构。
也就是说，层结构D具有用例如由InGaAs构成的2个阱层5A1、5A2及位于各阱层的两侧例如由AlGaAs构成的3个阻挡层5B0、5B1、5B2构成的量子阱结构的活性层5。
然后，在活性层5内位于其厚度方向的两端的阻挡层5B1、5B2的各自的外侧，配置其能级比其他层大的后述的载流子阻断层，再在其外侧上，分别配置例如由n-GaAs构成的下部光限制层7A与由p-GaAs构成的上部光限制层7B。这里，将活性层5内位于其两端的阻挡层5B1、5B2称为侧阻挡层。
具体地说，在侧阻挡层5B1与下部光限制层7A之间夹入例如由n-AlGaAs构成的下部载流子阻断层6A，在侧阻挡层5B2与上部光限制层7B之间夹入例如p-AlGaAs构成的上部载流子阻断层6B。
然后，在上部光限制层7B之中(图中厚度的中间位置)形成例如由n-AlGaAs构成的具有某种条宽(W)的电流阻断层8，使来自p型电极4B的载流子能有效地注入活性层5。
这里，图3示出有关上述的层结构D的带结构图之1例作为概略图。
用这样的带结构图表示层结构D时，注入到活性层5的载流子利用位于两侧的载流子阻断层6A、6B的高的带隙，不扩散到外侧而被限制在该活性层5之中，从而有助于激光的振荡。然后，振荡激光整个被限制在该DCH结构内进行导波。从而在该DCH结构中位于载流子阻断层6A、6B的两侧的光限制层7A、7B也是光波导层。
在具有以上那样结构的本发明的激光元件A1中，按如下设计上述的DCH结构。
(1)首先，设阱层5A1、5A2各自的厚度都为d(nm)，设每1层阱层的光限制系数为Γ时，d值与Γ值之间按照满足下式
Γ/d≤1.3×10-3nm-1              …(1)所示的关系来进行设计。
从该关系成立时开始，如后所述，全部向激光元件A1的注入电流使振荡激光的振荡频谱多模式化，使该光输出在时间上稳定。
(2)在上述的式(1)成立为前提的基础上，设计阱层5A1、5A2的厚度(d)为8.5nm为好。
将阱层设成上述厚度时，在形成的量子阱中除了基底能级，还存在高次能级。然后，从p型电极4B注入的载流子的一部分被上述的高次能级捕获，其结果减小了对电流注入量的净增益增加率。
这可以反过来说，是基于返回光的振荡增益的微小变化引起对激光元件的扰动被扩大，相干衰减现象更加容易发生。
但是，阱层的厚度上限由用于形成阱层的半导体材料的临界膜厚所决定，不过即使薄于其临界膜厚，但如果太厚时会引起第2量子能级的振荡，招致振荡激光的劣化，故大致以12nm程度的厚度为上限为好。
一旦决定该阱层的厚度(d)后，就据此决定阱层的光限制系数Γ，使其为满足式(1)的适当的值，并据此选定用于阱层成膜时的半导体材料的种类和组成等。
(3)根据同样的原理，在层结构D的活性层5中，如图3所示那样，设计组挡层5B0(5B1，5B2)的导带能级与阱层5A1(5A2)的导带能级之差(ΔEc)为小于170meV为好。
在设计上述的ΔEc的情况下，注入的载流子的一部分从阱层向阻挡层溢出，同样减小了净增益增加率。
但是，当ΔEc值过小时，由于不能发生最初注入载流子的有效的复合，故ΔEc值的下限设定于9.5meV程度为好。
为此，只有用AlxGa1-xAs(x为大于0而小于0.1的数)形成侧阻挡层5B1、5B2就可，特别是用GaAs形成侧阻挡层为好。
(4)激光元件A1的谐振器长(L)没有特别的限定，但为了高输出，将谐振器长度(L)设计在1500μm以上为好。然而在实际的元件制作中，实际上是很难制作超过3000μm的谐振器长度(L)的激光元件，故长度(L)的上限为3000μm为好。
(5)在本发明的激光元件的情况下，要优化电流阻断层中的条宽，以使振荡激光的分布区域中包含注入载流子的大部分。具体地说，条宽设计为3.5μm以下。以下说明其设计思想。
本发明的激光元件中的设计思想，如前所述，就是要通过设计活性层结构使成为激光难以振荡的结构，来实现振荡激光的多模式化。
这种情况下，正是根据上述的设计思想，对于制作的激光元件，必须考虑使其保持高的弯折输出。
例如，在设计如本发明的激光元件那样，Γ值小而d值大(阱层厚)情况下，所谓的振荡阈值载流子密度变高。
为此，与层结构的细节无关，相对于载流子密度变动的相对折射率的变动增大，总的来说所谓的烧孔变得显著，其结果，由于低输出驱动阶段而使横模不稳定，容易出现弯折现象。
因此，本发明的激光元件中就要寻求对烧孔现象的对策。具体地说，优化配置于活性层5的上方的电流阻断层8的条宽(W)，以抑制烧孔现象的出现。
可是，振荡激光的分布区域的大小，由形成于该激光元件内的条宽的宽窄与因电流阻断层的形成等主要是激光器结构产生的条内部与条外部区域之间的有效折射率差所决定。
然后，在具有电流阻断层的半导体激光元件的情况下，电流阻断层中的条宽一般设计成4～6μm程度。
但是，根据IEEE，Photonics Technology Letters，Vol.6，No，12，p1409～p1411，1999，在这种半导体激光元件的情况下，注入载流子沿活性层的横方向扩散，使载流子的分布区域比振荡激光的分布区域还要宽。而且，以此为出发点，该激光元件在高输出驱动时振荡激光的分布变得不稳定。也就是说，该激光元件的高输出特性遭到破坏。
因此，为了即使在高输出驱动时也使振荡激光的分布稳定，要使振荡激光的分布区域比注入载流子的分布区域来得大，假如实现前者之中包含后者的状态，则认为可抑制烧孔，实现高弯折输出。
而且，如果通过使电流阻断层中的条宽足够地窄来使注入的载流子的分布区域缩小，则认为能够实现。
从这个观点出发，如后所述，考虑条宽与弯折输出之间的关系时，本发明的激光元件中如设计条宽为3.5μm以下，则即使例如在200mW以上的高输出驱动时，也能看到有利于抑制烧孔的事实。
又，这种场合，为了大致保持振荡激光的分布区域的大小一定，需要对应于上述条宽适当调节条内部与条外区域间的有效折射率差。
对激光元件A1的制作，为了满足以上所述的设计项目，选定形成各层的半导体材料。
这时，作为可能使用的半导体材料，可举出例如GaAs系、AlGaAs系、InGaAsP系、InGaNAs系等，适当选定这些材料的种类、组成、成膜时的厚度，使满足上述的各设计项目。
又，上述的激光元件A1其层结构D是DCH结构的情况，但本发明的激光元件并不限于此，也可以具有如图5所示的层结构的激光元件A2。
该激光元件A2如图4所示，上部为脊形波导形状，整体具有规定的谐波器长度(L)。然后，在例如n-GaAs构成的基板10之上，形成例如n-AlGaAs构成的下部包层11A，再在其上形成后述的层结构E，在基板10的背面形成n型电极12A，在所述层结构E的上面形成例如氮化硅(SiNx)构成的保护膜13，在其开口处形成p型电极12B。
层结构E具有由例如InGaAs构成的3个阱层14A0、14A1、14A2、以及位于各阱层的两侧由例如GaAsP构成的4个阻挡层14B1、14B2、14B3、14B4构成的量子阱结构的活性层14。
然后，在位于活性层14两端的阻挡层14B1、14B4的两侧，分别配置例如AlGaAs构成的下部光限制层15A与AlGaAs构成的上部光限制层15B。
该层结构E称作分别限制结构(SCH结构)，图5示出其导带的带结构图1的1例。
本发明中，即使是具有该SCH结构的激光元件A2的情况，也设计该SCH结构使其满足上述的设计项目。
该激光元件A2的场合，各阱层的厚度(d)是规定振荡激光的振荡频谱的多模式的主要因素。具体地说，加厚各阱层的厚度(d)对振荡频谱的多模式是有用的。
又，该激光元件A2的场合，调整脊形波导的宽度可控制来自p型电极12B的注入电流。
用以上说明的激光元件A1、A2组装本发明的激光模块。组装成的激光模块的1例示于图6。
该激光模块中，在封装20的底板20a之上配置冷却激光元件A1(A2)用的珀尔帖模块21，再在珀尔帖模块21之上配置例如由科瓦铁镍钴合金构成的基材22。
在基材22上面通过芯片载台23配置激光元件A1(A2)，在与该激光元件A1(A2)对准光轴的状态下，与具有FBG 24a的光纤24进行光耦合。
光纤24用光纤固定部件25固定于基材22之上，而且，其出射端侧通过气密地安装于封装20的筒形孔部内的套筒26，从封装20引出。
此外，在激光元件A1(A2)的背面侧上配置光电二极管27，使其能够监视激光模块的光输出的大小。
又，为提高激光元件与光纤的光耦合效率，作为光纤最好使用其前端成透镜形状的光纤，但即使前端不是透镜形状，也可通过在途中插入透镜来提高两者间的光耦合效率。
又，作为光纤如采用楔形光纤，则组装成的激光模块的光耦合效率高，也可减少组装所需的零部件数，降低综合的制造成本。
该激光模块中，由于如前述那样设计作为光源的激光元件A1(A2)，故通过接收从FBG 24a反馈的返回光，使激光元件A1(A2)的振荡激光的振荡波长稳定，而且其振荡频谱为多模式，光输出不随时间变动。
因此，该激光模块中，由于将上述的振荡激光传送到光纤24，故其出射光的光输出非常稳定。
实施例
实施例1～3、比较例
(1)激光元件的结构
制成具有DCH结构、总体如图2所示的层结构的激光元件A1。这时各层的规格示于表1。又，谐振器长度(L)都为2100μm。无论哪一个激光元件，都设定前端面的反射率为2％，后端面的反射率为96％。此外，电流阻断层8中的条宽均设定为3.2μm。
                                                     表1
           激光元件的层结构   实施例1   实施例2   实施例3   比较例
基板1   材料   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs
  厚度(nm)   1×105   1×105   1×105   1×105
下部包层2A   材料   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs
  厚度(nm)   2355   2200   2750   900
  层结构D   下部光限制层7A   材料   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs
  厚度(nm)   520   470   550   330
  下部载流子阻断层6A   材料   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs
  厚度(nm)   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度
  活性层5   侧阻挡层5B1   材料   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs
  厚度(nm)   55   55   50   55
  阱层5A1   材料   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs
  厚度(nm)   8.5   10   12   10
  阻挡层5B0   材料   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs
  厚度(nm)   6   6   6   6
  阱层5A2   材料   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs
  厚度(nm)   8.5   10   12   10
  侧阻挡层5B2   材料   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs
  厚度(nm)   55   55   50   55
  上部载流子阻断层6B   材料   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs
  厚度(nm)   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度
  上部光限制层7B   材料   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs
  厚度(nm)   520   470   550   40
电流阻断层8   材料   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs
  厚度(nm)   10～300   10～300   10～300   10～300
上部包层2B   材料   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs
  厚度(nm)   780   800   820   900
接触层3   材料   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs
  厚度(nm)   1.7×103   1.7×103   1.7×103   1.7×103
*：图2中夹着电流阻断层的整个厚度
因此，实施例1～3、比较例的各激光元件中的Γ值与Γ/d值为表2中所示的值。
                                          表2
  Γ   Γ/d×10-3(nm-1 )
  实施例1   0.00597   0.702
  实施例2   0.00767   0.767
  实施例3   0.00807   0.673
  比较例   0.02873   1.429
(2)激光元件的特性。
用各激光元件组装图6所示的激光模块。
又，与激光元件光耦合的FGB设计成具有反射率4％、反射带宽宽度0.5nm、中心波长975nm的波长选择特性。
1.用装入实施例2的激光元件的激光模块，测定其激光元件的电流-光输出特性。其结果示于图7。
从图7可知，该激光元件在注入电流800mA以前，以极其稳定的状态出射高光输出的激光。
2.然后，以每5mA间隔增加激光元件的注入电流，每次测定激光模块的光输出(Pf)与监视器光强度(Im)，算出其变化率。将结果示于图8。
从图8可见，即使注入电流改变，该激光元件光输出的变化率也在0.5％以下，相对于注入电流值的光输出的稳定性很好。
3.改变激光元件的注入电流，这时测定在元件驱动开始后5秒钟的振荡激光的振荡频谱。将结果示于图9。
从图9可见，该激光元件在全部注入电流的数值中以多模振荡。因此在图9的振荡频谱中，读取距离光输出峰值要低10dB位置的谱宽度(nm)，并相对于各注入电流绘出这些谱宽度的曲线。将结果示于图10。
又，对于比较例的激光元件也与上述相同，测定振荡频谱，同样读取低10dB位置的谱宽，也示于图10。
从图10可见，在实施例2的激光元件的情况下，即使注入电流变化，上述的谱宽变动也小，维持多模振荡。与之相反，在比较例的激光元件的情况下，其谱宽大幅度变动，不断出现单模振荡。
又，对实施例1、3的激光元件也进行了同样的试验，几乎得到同样的结果。
又，在实施例2的层结构中，改变电流阻挡层8中的条宽，并制成激光元件。测定这些激光元件的电流-光输出特性，观察其弯折输出(Pk：mW)。
将其结果作为与条宽的关系图示于图11。
又，实施例1、3的激光元件的情况也得到与图11几乎相同的结果。
实施例4
(1)激光元件的结构
制成具有SCH结构、总体如图4所示的层结构的激光元件A2。这时各层的规格示于表3。又，谐振器长度(L)做成1500μm与2000μm两种。又，这些激光元件的情况下，设定前端面的反射率为1％，后端面的反射率为92％。
                                     表3
  实施例4
基板10   材料   n-GaAs
  厚度(nm)   1×105
下部包层11A   材料   n-AlGaAs
  厚度(nm)   4×103
  层结构E   下部光限制层15A   材料   n-AlGaAs
  厚度(nm)   5
  活性层14   阻挡层14B1   材料   i-GaAsP
  厚度(nm)   5
  阱层14A1   材料   i-InGaAs
  厚度(nm)   9
  阻挡层14B2   材料   i-GaAsP
  厚度(nm)   5
  阱层14A0   材料   i-InGaAs
  厚度(nm)   9
  阻挡层14B3   材料   i-GaAsP
  厚度(nm)   5
  阱层14A2   材料   i-InGaAs
  厚度(nm)   9
  阻挡层14B4   材料   i-GaAsP
  厚度(nm)   5
  上部光限制层15B   材料   p-AlGaAs
  厚度(nm)   5
上部包层11B   材料   p-GaAs
  厚度(nm)   2×103
接触层16   材料   n-GaAs
  厚度(nm)   0.5×103
这些激光元件中的阱层的光限制系数(Γ)为0.011。从而，Γ/d值为1.2×10-3nm-1。
对于该激光元件也与实施例1～3的的情况相同，能够确认进行多模振荡。
实施例5～15
在具有表1所示的DCH结构的实施例2的层结构中，通过改变阱层厚度使Γ/d值变化，而且也改变谐振器长度(L)，制成表4、5所示的各种激光元件。用这些激光元件组装成与实施例1～3情况相同的激光模块。
                                                      表4
            激光元件的层结构   实施例5   实施例6   实施例7   实施例8   实施例9   实施例10
  基板1   材料   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs
厚度(nm)   1×105   1×105   1×105   1×105   1×105   1×105
下部包层2A   材料   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs
  厚度(nm)   2090   2130   2340   2240   2380   2340
  层结构D   下部光限制层7A   材料   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs
  厚度(nm)   630   640   340   465   400   340
  下部载流子阻断层6A   材料   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs
  厚度(nm)   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度
  活性层5   侧阻挡层5B1   材料   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-AlGaAs
  厚度(nm)   55   45   50   45   50   50
  阱层5A1   材料   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs
  厚度(nm)   10   12   12   12   12   12
  阻挡层5B0   材料   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-AlGaAs
  厚度(nm)   6   6   6   6   6   6
  阱层5A2   材料   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs
  厚度(nm)   10   12   12   12   12   12
  侧阻挡层5B2   材料   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-AlGaAs
  厚度(nm)   55   45   50   45   50   50
  上部载流子阻断层6B   材料   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs
  厚度(nm)   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度
  上部光限制层7B   材料   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs
  厚度(nm)   630   640   340   465   400   340
  电流阻断层8   材料   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs
  厚度(nm)   10～300   10～300   10～300   10～300   10～300   10～300
  上部包层2B   材料   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs
  厚度(nm)   800   790   1660   840   1470   1660
  接触层3   材料   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs
  厚度(nm)   1.7×103   1.7×103   1.7×103   1.7×103   1.7×103   1.7×103
  ΓΔ/d(nm-1)   0.595238   0.588235   0.877193   0.961538   0.869565   0.877193
  ΔEc(meV)   110   106   106   106   106   190
                                                              表5
          激光元件的层结构   实施例11   实施例12   实施例13   实施例14   实施例15
基板1   材料   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs
  厚度(nm)   1×105   1×105   1×105   1×105   1×105
下部包层2A   材料   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs
  厚度(nm)   2250   2590   2590   2230   2590
  层结构D   下部光限制层7A   材料   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs   n-GaAs
  厚度(nm)   475   475   480   560   475
  下部载流子阻断层6A   材料   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs
  厚度(nm)   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度
  活性层5   侧阻挡层5B1   材料   i-GaAs   i-GaAs   i-AlGaAs   i-GaAs   i-GaAs
  厚度(nm)   50   50   50   50   50
  阱层5A1   材料   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs
  厚度(nm)   12   12   7   7   7
  阻挡层5B0   材料   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs   i-GaAs
  厚度(nm)   6   6   6   6   6
  阱层5A2   材料   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs   i-InGaAs
  厚度(nm)   12   12   7   7   7
  侧阻挡层5B2   材料   i-GaAs   i-GaAs   i-AlGaAs   i-GaAs   i-GaAs
  厚度(nm)   50   50   50   50   50
  上部载流子阻断层6B   材料   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs
  厚度(nm)   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度   10～100程度
  上部光限制层7B   材料   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs
  厚度(nm)   475   475   480   560   475
  电流阻断层8   材料   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs   n-AlGaAs
  厚度(nm)   10～300   10～300   10～300   10～300   10～300
  上部包层2B   材料   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs   p-AlGaAs
  厚度(nm)   840   830   830   830   830
  接触层3   材料   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs   p-GaAs
  厚度(nm)   1.7×103   1.7×103   1.7×103   1.7×103   1.7×103
  ΓΔ/d(nm-1)   0.917431   0.925926   0.588235   0.657895   0.934579
  ΔEc(meV)   106   106   202   118   118
然后，使激光元件振荡，测定其振荡激光的振荡频谱，观察有无多模式化。实施例5～15的激光元件示出全部如图9所示那样的振荡频谱。在以谐振器长度(L)与Γ/d值(×10-3nm-1)为坐标轴的坐标上描图。其结果示于图12。
图中，符号口表示实施例5，+表示实施例6、13，△表示实施例7、10，×表示实施例8，*表示实施例9，-表示实施例11，○表示实施例12，▲表示实施例14，■表示实施例15。
又，为了参考起见，实施例4的激光元件A2的结果也在图12中以◆表示。
从图12可见，按Γ/d值为1.3×10-3nm-1以下那样来设计的各实施例的激光元件，与谐振器长度(L)的长短无关，如图9所示那样，都为多模振荡，而且其光输出稳定。因此可知，为了振荡频谱的多模式化，即实现光输出的稳定，将Γ/d值设定于1.3×10-3nm-1以下是有效的。
工业上的实用性
由以上的说明可见，本发明的激光元件由于利用返回光的作用，使振荡波长稳定，并设计阱层的光限制系数(r)与其厚度(d)的关系，使其出现返回光与相干衰减现象，故振荡激光的振荡频谱多模式化，并且其光输出稳定。

Claims (10)

1.一种半导体激光元件，具备有由量子阱结构构成的活性层的层结构，且利用返回光的作用产生稳定波长的激光振荡，是其振荡频谱为多模式的法布里-珀罗型半导体激光元件，其特征在于，
设每1层阱层的光限制系数为Γ、每1层阱层的厚度为dnm时，则Γ与d之间满足下式
Γ/d≤1.3×10-3nm-1的关系。
2.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述返回光是来自光反馈机构的返回光。
3.如权利要求2所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述光反馈机构是光纤布喇格光栅。
4.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述活性层中的阱层的每1层厚度为8.5nm以上。
5.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述活性层中的阻挡层的导带带隙能量与阱层的导带带隙能量之差为170meV以下。
6.如权利要求4所述的半导体激光元件，其特征在于，
电流阻断层的条宽为3.5μm以下。
7.如权利要求5所述的半导体激光元件，其特征在于，
电流阻断层的条宽为3.5μm以下。
8.如权利要求6所述的半导体激光元件，其特征在于，
夹着所述活性层形成光限制层，在所述活性层与所述光限制层之间隔着具有带隙能量大于活性层与所述光限制层的各自的导带中的带隙能量的载流子阻断层。
9.如权利要求7所述的半导体激光元件，其特征在于，
夹着所述活性层形成光限制层，在所述活性层与所述光限制层之间隔着具有带隙能量大于活性层与所述光限制层的各自的导带中的带隙能量的载流子阻断层。
10.一种激光模块，其特征在于，该激光模块包括：
权利要求1～9中任一所述的半导体元件、及与所述半导体元件的出射端面进行光耦合的光纤。
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