JP2001148536A - Semiconductor laser device - Google Patents

Semiconductor laser device

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JP2001148536A
JP2001148536A JP2000258857A JP2000258857A JP2001148536A JP 2001148536 A JP2001148536 A JP 2001148536A JP 2000258857 A JP2000258857 A JP 2000258857A JP 2000258857 A JP2000258857 A JP 2000258857A JP 2001148536 A JP2001148536 A JP 2001148536A
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JP
Japan
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semiconductor laser
laser device
active layer
gaas
semiconductor
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JP2000258857A
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Japanese (ja)
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Toshiro Hayakawa
利郎 早川
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Fuji Photo Film Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To actuate a semiconductor laser device to oscillate in the fundamental transverse mode, over a power range from low power to high power, and obtain high reliability. SOLUTION: After laminating a GaAs buffer layer 32 on a GaAs substrate 31, a GaAs/Al0.7Ga0.3As multilayer optical filter layer 33, a GaAs light-confining layer 34, GaAs/In0.2Ga0.8As multilayer quantum well active layer 35, GaAs light- confining layer 36, Al0.7Ga0.3As carrier confining layer 37 are laminated, an SiO2 antireflection film 38 is laminated by the electron beam deposition, etc., and a Ti film 39 having a center circular opening of 0.4 mm diameter for completing a surface-emitting type semiconductor element 44 is completed. To suppress higher mode oscillations with large side spatial spreads, a control pin-hole formed through the Ti film is 0.4 mm diameter, and the surface-emitting type semiconductor element 44 is excited by a semiconductor laser element.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザー装
置に関し、特に面発光型半導体素子を半導体レーザ素子
により励起し、レーザ発振を得る半導体レーザ装置に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device in which a surface-emitting type semiconductor device is excited by a semiconductor laser device to obtain laser oscillation.

【0002】[0002]

【従来の技術】これまで、高品位なビームを有する狭ス
トライプ幅のストライプ型単一横モード半導体レーザ装
置は、その実用出力が200〜300mWに限られてい
るという問題があった。この主原因としては次の2つに
ある。第一に、高出力域ではレーザ光を発生するための
キャリアの供給がキャリア自身の拡散過程に律速される
ために、レーザビーム強度の大きい箇所では、キャリア
濃度が低下し、いわゆる、空間的ホールバーニング現象
が起こることにある。その結果、半導体の屈折率が上昇
し、導波モードに影響を及ぼしてビーム品位の劣化や電
流−光出力特性にキンクを生じる。第二に、狭ストライ
プレーザでは例えばストライプ幅4μmで接合に垂直方
向の等価的なビーム径が0.5μmの場合、出力300
mWでは、その出力密度が15MW/cmにもなるた
め、半導体レーザに対する負荷が大きく様々な劣化を生
じることにある。このため、高信頼性を得ることが容易
でないという問題がある。
2. Description of the Related Art Heretofore, there has been a problem that the practical output of a stripe type single transverse mode semiconductor laser device having a narrow stripe width and a high quality beam is limited to 200 to 300 mW. The main causes are as follows. First, in a high-power region, the supply of carriers for generating laser light is limited by the diffusion process of the carriers themselves, so that at a location where the laser beam intensity is high, the carrier concentration is reduced, and so-called spatial holes are generated. The burning phenomenon occurs. As a result, the refractive index of the semiconductor increases, affecting the waveguide mode, deteriorating the beam quality and causing a kink in the current-light output characteristics. Second, in the case of a narrow stripe laser, for example, when the stripe width is 4 μm and the equivalent beam diameter in the direction perpendicular to the junction is 0.5 μm, the output is 300 μm.
At mW, the output density is as high as 15 MW / cm 2 , so that the load on the semiconductor laser is large and various deteriorations occur. Therefore, there is a problem that it is not easy to obtain high reliability.

【0003】前者に対しては導波構造の最適化、後者に
対しては端面保護膜の最適化や端面窓構造の開発が行わ
れている。しかしながら、これらの技術は限界に近づい
ており、さらに大きな出力の高品位なビームを半導体レ
ーザにおいて実現するためには、新たなモード制御技術
と発光面積の増大による光密度の低減が必須である。
For the former, a waveguide structure is optimized, and for the latter, an end face protective film is optimized and an end face window structure is developed. However, these technologies are approaching their limits, and in order to realize a higher-quality high-quality beam in a semiconductor laser, a new mode control technology and a reduction in light density due to an increase in emission area are essential.

【0004】このため、空間的にコヒーレントで数百m
W以上の高出力を有する半導体レーザ装置を実現するた
めに、様々な試みが行われている。例えば1994年発行の
Camdridge University PressのBotez氏とD.R.Scifres氏
による“Diode Laser Arreys”に記載のレーザ装置が挙
げられる。しかしながら、これらのモノリシックに高品
位ビームを実現する構造は、その構造や作成プロセスが
複雑な欠点を有する。
For this reason, spatially coherent and several hundred meters
Various attempts have been made to realize a semiconductor laser device having a high output of W or more. For example, published in 1994
The laser device described in "Diode Laser Arreys" by Botez and DRScifres of Camdridge University Press. However, these structures for realizing a high-quality beam monolithically have a drawback that the structure and the manufacturing process are complicated.

【0005】上記のような従来の電流注入型半導体レー
ザの欠点を克服する手段として、米国特許第54616
37号および米国特許第5627853号に光励起の面
発光型の半導体レーザ装置が提案されている。しかしな
がら、これらに記載されている装置では半導体の熱レン
ズ効果、つまり温度が上昇すると屈折率が上昇する効果
を用いているため、基本的に温度上昇が必要なことと、
温度分布に敏感で空間的な発振モードが不安定になる欠
点があった。さらに、高出力においては半導体媒質特有
のプラズマ効果、いわゆるキャリアの増加により、屈折
率が低下する効果が、高出力のレーザ光を発生するため
の空間的なキャリアの穴あき効果(空間的ホールバーニ
ング)によって生じるため空間モードが不安定となる欠
点を有する。
As a means for overcoming the drawbacks of the conventional current injection type semiconductor laser described above, US Pat.
No. 37 and U.S. Pat. No. 5,628,853 propose an optically pumped surface-emitting type semiconductor laser device. However, the devices described therein use the thermal lens effect of the semiconductor, that is, the effect of increasing the refractive index when the temperature increases, so that the temperature basically needs to be increased,
There is a disadvantage that the spatial oscillation mode is sensitive to the temperature distribution and becomes unstable. Further, at high power, the plasma effect peculiar to the semiconductor medium, that is, the effect of decreasing the refractive index due to the increase of carriers, is due to the spatial carrier hole effect (spatial hole burning) for generating high-power laser light. ) Has the disadvantage that the spatial mode becomes unstable.

【0006】また、1997年発行のJpn.J.Appl.phys.Let
t.,Vol.37.pp.L1020における中村氏らによるInGaN/GaN/
AlGaN-Based Laser Diodes Grown on GaN Substrares w
itha Fundamental Transverse Modeに記載のInGaN
系の短波長半導体レーザにおいても、高出力単一横モー
ド動作が行えることが望まれている。
[0006] Also, Jpn.J.Appl.phys.Let issued in 1997
t., Vol.37.pp.L1020, InGaN / GaN /
AlGaN-Based Laser Diodes Grown on GaN Substrares w
InGaN described in itha Fundamental Transverse Mode
It is desired that a high-output single transverse mode operation can be performed even in a short wavelength semiconductor laser of a system.

【0007】さらに、1999年発行IEEE Photonics Tecno
logy Letter,Vol.11.p791におけるB.Pezeshki氏らによ
る400mW Single-frequency 660nm semiconductor laser
のAlGaInP系の赤色半導体レーザの波長域におい
て、従来より高出力かつ高品位であることが望まれてい
る。
Further, IEEE Photonics Tecno published in 1999
400mW Single-frequency 660nm semiconductor laser by B. Pezeshki et al. in logy Letter, Vol.11.p791
In the wavelength range of the AlGaInP-based red semiconductor laser described above, it is desired to have higher output and higher quality than before.

【0008】一方、従来の半導体レーザ励起固体レーザ
では、レーザ結晶の希土類元素の蛍光寿命が非常に長い
ことから、励起光源である半導体レーザの直接変調によ
る発振ビームの高速変調ビームを得る事が困難であっ
た。
On the other hand, in the conventional semiconductor laser-pumped solid-state laser, it is difficult to obtain a high-speed modulated beam of an oscillation beam by direct modulation of the semiconductor laser, which is an excitation light source, because the fluorescence life of the rare earth element in the laser crystal is very long. Met.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上記のような半導体レ
ーザ装置において単一横モード発振を得ることは、非常
に困難であった。
It has been very difficult to obtain single transverse mode oscillation in the above-described semiconductor laser device.

【0010】また、半導体レーザ励起固体レーザにおい
ては直接変調による発振ビームの高速変調ビームを得る
事が非常に困難であった。
Also, it has been very difficult to obtain a high-speed modulated beam of an oscillation beam by direct modulation in a semiconductor laser-pumped solid-state laser.

【0011】本発明は上記事情に鑑みて、低出力から高
出力領域まで基本横モード発振する信頼性の高い半導体
レーザ装置を提供することを目的とするものである。
In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a highly reliable semiconductor laser device that oscillates in a fundamental transverse mode from a low output to a high output region.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、半導体レーザ素子からなる励起光源と、該励起光
源により励起され、該励起光源が発する励起光の波長よ
り長波長のレーザ光を発する、基板上に活性層と該活性
層の前記基板側あるいは基板と反対側に形成されたミラ
ーとを有する面発光型半導体素子と、該面発光型半導体
素子の外部に配置され、前記ミラーと外部共振器を形成
する少なくとも一つの外部ミラーとを備えた半導体レー
ザ装置において、面発光型半導体素子が空間モード制御
部を備えたことを特徴とするものである。
According to the present invention, there is provided a semiconductor laser device comprising: an excitation light source comprising a semiconductor laser element; and an excitation light source which emits laser light having a wavelength longer than that of the excitation light emitted from the excitation light source. A surface-emitting type semiconductor device having an active layer on a substrate and a mirror formed on the substrate side of the active layer or on the side opposite to the substrate; and a surface-emitting type semiconductor device disposed outside the surface-emitting type semiconductor device. In a semiconductor laser device having at least one external mirror forming a resonator, the surface-emitting type semiconductor element has a spatial mode control unit.

【0013】空間モード制御部は、面発光型半導体素子
の光出射端面に形成された前記レーザ光を透過する孔形
状の光透過部であることが望ましい。
It is desirable that the spatial mode control section is a hole-shaped light transmitting section formed on the light emitting end face of the surface-emitting type semiconductor element and transmitting the laser light.

【0014】また、空間モード制御部は、レーザ光が出
射する面と平行な面に部分的に形成された前記ミラーで
あってもよい。
Further, the spatial mode control section may be the mirror partially formed on a plane parallel to a plane from which the laser beam is emitted.

【0015】また、空間モード制御部は、レーザ光が出
射する面と平行な面に部分的に形成された前記活性層で
あってもよい。
[0015] The spatial mode control section may be the active layer partially formed on a plane parallel to a plane from which the laser beam is emitted.

【0016】なお、空間モード制御部の大きさは、空間
モード制御部が形成された場所におけるレーザ光の径の
0.1倍以上10倍以下であることが望ましい。
The size of the spatial mode control unit is desirably 0.1 to 10 times the diameter of the laser beam at the place where the spatial mode control unit is formed.

【0017】また、外部共振器内に波長制御手段を設け
てもよい。
Further, a wavelength control means may be provided in the external resonator.

【0018】また、さらに外部共振器内に偏光制御手段
を設けてもよい。
Further, a polarization control means may be provided in the external resonator.

【0019】また、半導体レーザ素子の活性層は、In
v1Ga1-v1Nからなり、面発光型半導体素子の活性層は
Inv2Ga1-v2Nからなるものであってよく、その場
合、組成比は0<v1<v2<1であることが望ましい。
Further, the active layer of the semiconductor laser device is formed of In.
consists v1 Ga 1-v1 N, well active layer of the surface-emitting type semiconductor device is consisted of In v2 Ga 1-v2 N, in which case, that the composition ratio is 0 <v1 <v2 <1 desirable.

【0020】さらに、半導体レーザ素子の活性層は、I
nGaN系の組成からなり、面発光型半導体素子の活性
層はAlGaInP系またはGaInP系の組成からな
るものであってもよい。
Further, the active layer of the semiconductor laser device has
The active layer of the surface-emitting type semiconductor device may be made of an AlGaInP-based or GaInP-based composition.

【0021】また、半導体レーザ素子の活性層は、In
w1Ga1-w1Asからなり、面発光型半導体素子の活性層
は、Inw2Ga1-w2Asからなるものであってよく、そ
の場合、組成比は0<w1<w2<1であることが望ましい。
The active layer of the semiconductor laser device is formed of In.
consists w1 Ga 1-w1 As, that the active layer of the surface-emitting type semiconductor device may be comprised of In w2 Ga 1-w2 As, in which case, the composition ratio is 0 <w1 <w2 <1 Is desirable.

【0022】なお、上記光透過部とは、孔でのみレーザ
光を透過し、孔以外の部分ではレーザ光を透過させない
構造であることを示す。
Note that the light transmitting portion has a structure that transmits laser light only through holes and does not transmit laser light through portions other than holes.

【0023】また、InGaN系とは少なくともIn元
素とGa元素とN元素を含む組成であることを示す。ま
た、AlGaInP系およびGaInP系についても同
様である。
Further, the term “InGaN-based” indicates a composition containing at least In element, Ga element and N element. The same applies to AlGaInP-based and GaInP-based.

【0024】[0024]

【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置によれば、半
導体レーザ素子を励起光源とし、面発光型半導体素子を
励起しレーザ発振を得る半導体レーザ装置において、面
発光型半導体素子に空間制御部を備えているので、熱レ
ンズやプラズマ効果の影響による空間モードの不安定を
効果的に抑制することができる。従って、様々な波長帯
における半導体レーザ装置において、低出力から高出力
の広い出力範囲で、特に高出力領域において安定な基本
横モードを維持した高品位なレーザ光を得ることができ
る。
According to the semiconductor laser device of the present invention, in a semiconductor laser device in which a semiconductor laser element is used as an excitation light source and a surface-emitting semiconductor element is excited to perform laser oscillation, a space control unit is provided in the surface-emitting semiconductor element. With this configuration, it is possible to effectively suppress the instability of the spatial mode due to the influence of the thermal lens and the plasma effect. Therefore, in a semiconductor laser device in various wavelength bands, it is possible to obtain high-quality laser light that maintains a stable fundamental transverse mode in a wide output range from low output to high output, particularly in a high output region.

【0025】具体的には、空間モード制御部として、光
出射面に孔形状の光透過部あるいは部分的に活性層を形
成することにより、基本モードよりも高次モードの共振
器損失を増やすことができるので、高次横モードが制御
され、基本横モード発振を得ることができる。
More specifically, by forming a hole-shaped light transmitting portion or a partially active layer on the light emitting surface as a spatial mode control portion, it is possible to increase the resonator loss in a higher-order mode than in the fundamental mode. Therefore, the higher-order transverse mode is controlled, and the fundamental transverse mode oscillation can be obtained.

【0026】また、部分的に反射膜を形成することによ
って、基本モードを選択的に高反射することができ、基
本モードよりも高次モードの共振器損失を増やすことが
できるので、発振光の高次横モードを制御することがで
きる。
Further, by partially forming the reflection film, the fundamental mode can be selectively reflected highly, and the resonator loss in the higher-order mode can be increased more than in the fundamental mode. Higher order transverse modes can be controlled.

【0027】なお、空間モード制御部の大きさを、該空
間モード制御部が形成された場所におけるレーザ光の径
の0.1倍以上10倍以下とすることにより、良好なビ
ーム形状および特性を得ることができる。
By setting the size of the spatial mode control unit to be 0.1 to 10 times the diameter of the laser beam at the place where the spatial mode control unit is formed, a good beam shape and good characteristics can be obtained. Obtainable.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0029】本発明の第1の実施の形態による半導体レ
ーザ装置について説明する。その半導体レーザ装置の構
成図を図3に示し、その半導体レーザ装置を構成する励
起用の810nm帯の半導体レーザ素子の断面図を図1
に示し、その半導体レーザ素子の励起により単一横モー
ド発振する面発光型半導体素子の断面図を図2に示す。
A description will be given of a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a configuration diagram of the semiconductor laser device, and FIG. 1 is a cross-sectional view of an excitation 810 nm band semiconductor laser device included in the semiconductor laser device.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a surface-emitting type semiconductor device which oscillates in a single transverse mode by excitation of the semiconductor laser device.

【0030】まず、810nm帯の励起用の半導体レー
ザ素子について説明する。図1に示すように、有機金属
気相成長法により、n−GaAs(001)基板11上
に、n−GaAsバッファ層12、n−Al0.63Ga0.37
Asクラッド層13、nあるいはi−InGaP光導波層
14、InGaAsP単一量子井戸活性層15、pあるいは
i−InGaP光導波層16、p−Al0.63Ga0.37As
クラッド層17、p−GaAsキャップ層18を形成する。
キャップ層18を発振ストライプに対応する100μm幅
を除いてアンモニア系エッチャントにより除去後、絶縁
膜19を形成し、通常のリソグラフィにより、キャップ層
18上のストライプの領域を除去し、p側電極20を形成す
る。その後に基板の研磨を行い、n側電極21を形成し、
劈開により共振器を形成後、各端面に高反射コートと低
反射コートを行い、チップ化して半導体レーザ素子24を
完成させる。
First, a description will be given of a semiconductor laser device for excitation in the 810 nm band. As shown in FIG. 1, an n-GaAs buffer layer 12 and n-Al 0.63 Ga 0.37 are formed on an n-GaAs (001) substrate 11 by metal organic chemical vapor deposition.
As clad layer 13, n or i-InGaP optical waveguide layer
14, InGaAsP single quantum well active layer 15, p or i-InGaP optical waveguide layer 16, p-Al 0.63 Ga 0.37 As
A cladding layer 17 and a p-GaAs cap layer 18 are formed.
After removing the cap layer 18 with an ammonia-based etchant except for a width of 100 μm corresponding to the oscillation stripe, an insulating film 19 is formed, and the cap layer is formed by ordinary lithography.
The region of the stripe on 18 is removed, and a p-side electrode 20 is formed. Thereafter, the substrate is polished to form an n-side electrode 21,
After forming a resonator by cleavage, a high-reflection coat and a low-reflection coat are applied to each end face, and the semiconductor laser device 24 is completed by chipping.

【0031】次に励起される面発光型波長変換素子につ
いて説明し、その断面図を図2(a)に示し、上面図を図
2(b)に示す。
Next, a description will be given of a surface emitting type wavelength conversion element to be excited. FIG. 2 (a) is a sectional view and FIG. 2 (b) is a top view.

【0032】図2(a)に示すように、有機金属気相成長
法により、GaAs(001)基板31上にGaAsバッ
ファ層32を積層後、GaAs/Al0.7Ga0.3Asから
なる多層光学フィルタ層33(ブラッグ反射鏡)、GaA
s光閉じ込め層34、GaAs/In0.2Ga0.8As多重
量子井戸活性層35、GaAs光閉じ込め層36、Al0. 7
Ga0.3Asキャリア閉じ込め層37を積層する。その
後、電子ビーム蒸着法等により、SiO2反射防止膜38
を積層する。その上に電子ビーム蒸着とフォトレジスト
のパターニングによるリフトオフ法を用いて中央部直径
0.4mmの円形部を除いたTi膜39を形成する。その
後にGaAs基板31の研磨を行い、発振部に対応する領
域より広い領域のGaAs基板31およびGaAsバッフ
ァ層32を選択的にエッチング除去して、励起光が透過す
る孔を形成する。その後、励起光である810nmに対
して反射防止膜となるSiO2層40を形成して、最後に
劈開によりチップ化して面発光型半導体素子44を完成さ
せる。この面発光型半導体素子44は図2(b)に示すよう
に、孔形状のTi膜39が形成されている。
As shown in FIG. 2A, a GaAs buffer layer 32 is laminated on a GaAs (001) substrate 31 by a metal organic chemical vapor deposition method, and then a multilayer optical filter layer made of GaAs / Al 0.7 Ga 0.3 As is formed. 33 (Bragg reflector), GaAs
s light confinement layer 34, GaAs / In 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well active layer 35, GaAs light confinement layer 36, Al 0. 7
A Ga 0.3 As carrier confinement layer 37 is laminated. Thereafter, the SiO 2 anti-reflection film 38 is formed by an electron beam evaporation method or the like.
Are laminated. A Ti film 39 excluding a circular portion having a central portion having a diameter of 0.4 mm is formed thereon by a lift-off method using electron beam evaporation and photoresist patterning. Thereafter, the GaAs substrate 31 is polished, and the GaAs substrate 31 and the GaAs buffer layer 32 in a region wider than the region corresponding to the oscillating portion are selectively etched away to form a hole through which the excitation light is transmitted. Thereafter, an SiO 2 layer 40 serving as an anti-reflection film is formed for 810 nm which is the excitation light, and finally a chip is formed by cleavage to complete the surface-emitting type semiconductor element 44. As shown in FIG. 2B, the surface-emitting type semiconductor element 44 has a hole-shaped Ti film 39 formed thereon.

【0033】ここで、多層光学フィルタ層33は、例えば
レーザ発振する980nmに対して90%以上の高反
射、励起光である810nmに対して5%以下の低反射
率となるように設計する。例えば発振波長より長波長に
対して、結晶内で1/4波長となる、GaAs/Al
0.7Ga0.3As多層構造を20ペア程度積層する構造を
採用する。
Here, the multilayer optical filter layer 33 is designed to have, for example, a high reflectance of 90% or more at 980 nm for laser oscillation and a low reflectance of 5% or less for 810 nm as excitation light. For example, for a wavelength longer than the oscillation wavelength, GaAs / Al becomes 1 / wavelength in the crystal.
A structure in which about 20 pairs of a 0.7 Ga 0.3 As multilayer structure are stacked is adopted.

【0034】次に半導体レーザ装置について図3を参照
して説明する。本半導体レーザ装置は、励起用に上記半
導体レーザ素子24を用い、上記面発光型半導体素子44の
GaAs基板31側を取り付けられた穴あきヒートシンク
52と、出力ミラーである凹面ミラー54と、凹面ミラー54
の凹面と面発光型半導体素子44のAlGaAs/GaA
s多層光学フィルタ33とにより構成される外部共振器
(共振器長L)と、外部共振器内に波長選択素子53を備
えるものである。AlGaAs/GaAs多層光学フィ
ルタ33はミラーの役割を果たす。
Next, the semiconductor laser device will be described with reference to FIG. This semiconductor laser device uses the semiconductor laser element 24 for excitation, and a perforated heat sink in which the GaAs substrate 31 side of the surface emitting semiconductor element 44 is mounted.
52, a concave mirror 54 as an output mirror, and a concave mirror 54
AlGaAs / GaAs of surface-emitting type semiconductor device 44
An external resonator (resonator length L) constituted by the s multilayer optical filter 33 and a wavelength selection element 53 in the external resonator. The AlGaAs / GaAs multilayer optical filter 33 functions as a mirror.

【0035】図3(a)に示すようなヒートシンク52を構
成することにより、放熱が可能である。励起用半導体レ
ーザ24の810nmの励起光55は面発光型半導体素子44
の光閉じ込め層34,36および多重量子井戸活性層35によ
り効率良く吸収され、波長約980nmにおいて、レー
ザ発振56する。
By forming the heat sink 52 as shown in FIG. 3A, heat can be dissipated. The 810 nm excitation light 55 of the excitation semiconductor laser 24 is applied to the surface-emitting type semiconductor element 44.
Are efficiently absorbed by the light confinement layers 34 and 36 and the multiple quantum well active layer 35, and laser oscillation 56 occurs at a wavelength of about 980 nm.

【0036】また、図3(b)に示すように、励起用半導
体レーザの素子24のレーザ光55は、面発光型半導体素子
44に対して、角度を付けて入射させてもよい。
As shown in FIG. 3B, the laser beam 55 of the device 24 of the semiconductor laser for excitation is a surface-emitting type semiconductor device.
The light 44 may be incident at an angle.

【0037】ここで、設計上、Ti膜で作成したピンホ
ールの空間フィルタの箇所におけるビーム径は1/e
直径で0.3mmとなっており、さらに空間的広がりの
大きい高次モード発振を抑制するためにTi膜に形成し
た制御用のピンホールの大きさを直径0.4mmとし
た。この穴径は小さいほど空間モード制御性が良くなる
が、小さくしすぎると基本モード光の遮蔽量が増大して
損失が大きくなるため最適化により所望の特性を得るこ
とができるように、ビーム径の0.1倍から10倍の範
囲が望ましい。
Here, due to the design, the beam diameter at the location of the spatial filter of the pinhole made of the Ti film is 1 / e 2.
The diameter of the control pinhole formed in the Ti film was set to 0.4 mm in diameter in order to suppress the higher-order mode oscillation having a large spatial spread. The smaller the hole diameter, the better the spatial mode controllability. However, if the hole diameter is too small, the amount of blocking of the fundamental mode light increases and the loss increases, so that the beam diameter can be obtained by optimization to obtain desired characteristics. Is preferably in the range of 0.1 to 10 times.

【0038】さらに、単一縦モードを得るために、波長
選択素子53として、例えばリオフィルターあるいはエタ
ロンあるいはこれらを複数枚挿入してもよい。
Further, in order to obtain a single longitudinal mode, for example, a Rio filter, an etalon, or a plurality of these may be inserted as the wavelength selection element 53.

【0039】また、ブリュースター板を挿入することに
より偏光制御が可能である。
The polarization can be controlled by inserting a Brewster plate.

【0040】さらに、励起用の半導体レーザ素子24を直
接変調することよって、高速で変調された変調信号を得
ることが可能となる。これは従来の固体レーザにおいて
は実現できなかった特性である。
Further, by directly modulating the semiconductor laser element 24 for excitation, a modulated signal modulated at high speed can be obtained. This is a characteristic that cannot be realized by a conventional solid-state laser.

【0041】また、本実施の形態に示すように、励起光
源にはブロードエリア型半導体レーザ素子を用いること
ができるので高出力化、例えば1W〜10W以上が可能
である。従って、得られる発振出力も数100mW〜数
W以上の高出力が可能となる。前述のストライプ型単一
モードレーザの光出射端面におけるビーム面積は、一般
的に2μm2程度であるのに対し、(0.15mm)
×π=70650μm と10倍以上の大きなビーム
面積となるため、高出力化が可能となる。
As shown in this embodiment, the excitation light
Use broad area semiconductor laser device as source
High output, for example, 1W to 10W or more
It is. Therefore, the obtained oscillation output is several hundred mW to several
High output of W or more is possible. The aforementioned stripe type single
The beam area at the light emitting end face of the mode laser is generally
2 μmTwoAbout 0.15mm2
× π = 70650 μm 2And 104More than twice as large beam
Because of the area, high output can be achieved.

【0042】また、本実施の形態の面発光型半導体素子
は、光励起であるために、通常の電流注入の半導体レー
ザとは異なり、半導体多層反射鏡などにおける電気抵抗
増大による発熱や、効率低下の問題がなく、従来の面発
光レーザで用いられているような、多層光学フィルタを
構成する各層間の界面で組成傾斜層を設けたり、局部的
なドーピングにより、低抵抗化を図るなどの煩雑な構造
を用いる必要がなく、作成プロセスもより簡単である。
Further, since the surface emitting semiconductor device of this embodiment is optically pumped, it differs from a normal current injection semiconductor laser in that heat generation due to an increase in electric resistance in a semiconductor multilayer reflector or the like and reduction in efficiency are caused. There is no problem, such as a conventional surface emitting laser, a complicated composition such as providing a composition gradient layer at the interface between the layers constituting the multilayer optical filter or reducing the resistance by local doping. No structure is required, and the creation process is simpler.

【0043】また、本実施の形態による半導体レーザ装
置は、光励起であるため、通常の電流注入の半導体レー
ザ素子とは異なり、ドーピング材であるMg等の拡散の
問題が無く、ショートによる経時劣化が無く、長寿命化
できる。
Further, since the semiconductor laser device according to the present embodiment is optically pumped, there is no problem of diffusion of doping material such as Mg, unlike a normal current injection semiconductor laser device, and deterioration with time due to short-circuit is prevented. No, it can extend the life.

【0044】次に本発明の第2に実施の形態による半導
体レーザ装置について説明する。
Next, a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention will be described.

【0045】第2の実施の形態による半導体レーザ装置
を構成する980nmにて発振する面発光型半導体素子
の積層方向の断面図を図4に示し、半導体レーザ装置の
構成図を図5に示す。
FIG. 4 is a cross-sectional view in the stacking direction of a surface-emitting type semiconductor element oscillating at 980 nm constituting the semiconductor laser device according to the second embodiment, and FIG. 5 is a structural view of the semiconductor laser device.

【0046】まず面発光型半導体素子について説明す
る。図4に示すように、有機金属気相成長法により、G
aAs(001)基板61上に、GaAsバッファ層62を
積層し、20ペアのGaAs(厚さ:λ/4nGaAs)/
Al0.7Ga0.3As(厚さ:λ/4nAl0.7Ga0.3As)ブ
ラッグ反射鏡63、GaAs光閉じ込め層64、GaAs/
In0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層65を成長
後、硫酸、過酸化水素、水を混合した化学エッチャント
により、直径約0.5mmの円筒形状となるように多重
量子井戸活性層65をエッチングする。このエッチングは
多重量子井戸活性層の厚さの一部でも全部あるいはその
下のGaAs光閉じ込め層64に到達してもよい。その
後、2回目の有機金属気相成長法により、GaAs光閉
じ込め層66、Al0.7Ga0.3Asキャリア閉じ込
め層67を積層する。その後、電子ビーム蒸着法により、
SiO(厚さ:λ/4nSiO2)反射防止膜68を積
層する。その後にGaAs基板61の研磨を行い、劈開に
よりチップ化して面発光型半導体素子74を完成させる。
前記第1の実施の形態と異なり、GaAs基板61および
GaAsバッファ層62の一部の除去は行わない。
First, the surface-emitting type semiconductor device will be described. As shown in FIG. 4, G was grown by metalorganic chemical vapor deposition.
A GaAs buffer layer 62 is laminated on an aAs (001) substrate 61, and 20 pairs of GaAs (thickness: λ / 4n GaAs ) /
Al 0.7 Ga 0.3 As (thickness: λ / 4n Al0.7Ga0.3As) Bragg reflector 63, GaAs light confinement layer 64, GaAs /
After growing the In 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well active layer 65, the multiple quantum well active layer is formed into a cylindrical shape with a diameter of about 0.5 mm by a chemical etchant in which sulfuric acid, hydrogen peroxide and water are mixed. Etch 65. This etching may reach part or all of the thickness of the multiple quantum well active layer or the GaAs light confinement layer 64 underneath. Thereafter, a GaAs light confinement layer 66 and an Al 0.7 Ga 0.3 As carrier confinement layer 67 are stacked by a second metal organic chemical vapor deposition method. Then, by electron beam evaporation,
An SiO 2 (thickness: λ / 4n SiO 2 ) antireflection film 68 is laminated. Thereafter, the GaAs substrate 61 is polished, and cut into chips by cleavage to complete the surface-emitting type semiconductor element 74.
Unlike the first embodiment, the GaAs substrate 61 and the GaAs buffer layer 62 are not partially removed.

【0047】次に半導体レーザ装置について説明する。
図5に示すように、上記面発光型半導体素子74はGaA
s基板61側をヒートシンクに貼り付けられている。励起
は第1の実施の形態と同様の幅広の810nm帯半導体
レーザ素子24により行う。面発光型半導体素子74から発
せられる光は、ミラーとしての役割を果たす20ペアの
AlGaAs/GaAsブラッグ反射鏡63と外部ミラー
84とにより構成される外部共振器(共振器長L)により
共振し980nm帯にてレーザ発振86する。偏光を制御
するためのブリュースター板83が外部共振器内に配置さ
れており、偏光を制御している。
Next, the semiconductor laser device will be described.
As shown in FIG. 5, the surface emitting semiconductor element 74 is made of GaAs.
The s substrate 61 side is attached to a heat sink. Excitation is performed by the wide 810 nm band semiconductor laser device 24 as in the first embodiment. The light emitted from the surface-emitting type semiconductor device 74 is composed of a 20-pair AlGaAs / GaAs Bragg reflecting mirror 63 and an external mirror, which serve as a mirror.
Resonating with an external resonator (resonator length L) constituted by 84 and laser oscillation 86 in the 980 nm band. A Brewster plate 83 for controlling the polarization is arranged in the external resonator, and controls the polarization.

【0048】面発光型半導体素子74はGaAs基板61の
反対側には励起光を遮蔽する構造がないため、本実施の
形態の半導体レーザ装置は基板と反対側の前面より励起
を行う構成である。ビーム径に対応するように活性層を
部分的に形成することにより、高次横モード発振が抑制
され、安定な基本横モード発振が実現できる。
Since the surface-emitting type semiconductor element 74 has no structure for blocking the excitation light on the opposite side of the GaAs substrate 61, the semiconductor laser device of the present embodiment is configured to perform excitation from the front side opposite to the substrate. . By partially forming the active layer corresponding to the beam diameter, higher-order transverse mode oscillation is suppressed, and stable fundamental transverse mode oscillation can be realized.

【0049】面発光型半導体素子74は基板全面がヒート
シンクに保持されているため、放熱が良く、より高出力
化が可能である。
Since the entire surface of the surface-emitting type semiconductor element 74 is held by the heat sink, the heat radiation is good and the output can be further increased.

【0050】次に、本発明の第3の実施の形態による半
導体レーザ装置について説明し、その半導体レーザ装置
を構成する励起用の370nm帯の半導体レーザ素子の
積層方向の断面図を図6に示し、この半導体レーザ素子
に励起され、単一横モード発振を実現する面発光型半導
体素子の断面図を図7(a)に示し、上面図を図7(b)に
示し、半導体レーザ装置を図8に示す。
Next, a description will be given of a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view in the stacking direction of a 370 nm band semiconductor laser element for excitation which constitutes the semiconductor laser device. FIG. 7A is a cross-sectional view of a surface-emitting type semiconductor element which is excited by the semiconductor laser element and realizes single transverse mode oscillation, FIG. 7B is a top view, and FIG. FIG.

【0051】まず、励起用の半導体レーザ素子について
説明する。1997年発行のJpn.J.Appl.phys.Lett.,Vol.3
7.pp.L1020の中村氏らによるInGaN/GaN/AlGaN-Based La
ser Diodes Grown on GaN Substrares with a Fundamen
tal Transverse Modeに記載の方法により、n−GaN
(0001)基板を形成する。
First, the semiconductor laser device for excitation will be described. Jpn.J.Appl.phys.Lett., Vol. 3 issued in 1997
7.pp.L1020 InGaN / GaN / AlGaN-Based La by Nakamura et al.
ser Diodes Grown on GaN Substrares with a Fundamen
n-GaN by the method described in tal Transverse Mode
A (0001) substrate is formed.

【0052】図6に示すように、励起用の半導体レーザ
は有機金属気相成長法によりn−GaN(0001)基
板91上に、n−Ga1−z1Alz1N/GaN超格子
クラッド層92(0<z1<1)、nあるいはi−Ga
1−z2Alz2N光導波層93(z1>z2>0)、Ga
1−z4Alz4N(Siドープ)/Inx0Ga
1−x0N多重量子井戸活性層94(z4>0、x0≧0)、p
−Ga1−z3Alz3Nキャリア閉じ込め層(0.35>
z3>z2)95、pあるいはi−Ga1−z2Alz2N光
導波層96、p−Ga1−z1Alz1N/GaN超格子
クラッド層97(0<z1<1)、p−GaNコンタクト層98
を形成する。絶縁膜99を形成し、通常のリソグラフィに
より、絶縁膜99の100μm幅程度のストライプの領域
を除去し、p側電極100を形成する。その後に基板の研
磨を行い、n側電極101を形成し、劈開により共振器を
形成後、各端面に高反射コートと低反射コートを行いチ
ップ化して半導体レーザ素子104を完成させる。
As shown in FIG. 6, a semiconductor laser for excitation is formed on an n-GaN (0001) substrate 91 by a metal organic chemical vapor deposition method on an n-Ga 1-z1 Al z1 N / GaN superlattice cladding layer 92. (0 <z1 <1), n or i-Ga
1-z2 Al z2 N optical waveguide layer 93 (z1>z2> 0), Ga
1-z4 Al z4 N (Si-doped) / In x0 Ga
1-x0 N multiple quantum well active layer 94 (z4> 0, x0 ≧ 0), p
-Ga 1-z3 Al z3 N carrier confinement layer (0.35>
z3> z2) 95, p or i-Ga 1-z2 Al z2 N optical waveguide layer 96, p-Ga 1-z1 Al z1 N / GaN superlattice cladding layer 97 (0 <z1 <1) , p-GaN contact Tier 98
To form An insulating film 99 is formed, a stripe region of about 100 μm width of the insulating film 99 is removed by ordinary lithography, and a p-side electrode 100 is formed. Thereafter, the substrate is polished to form an n-side electrode 101, a resonator is formed by cleavage, and a high-reflection coat and a low-reflection coat are applied to each end face to form a chip, thereby completing the semiconductor laser element 104.

【0053】次に、面発光型半導体素子について説明す
る。λは光励起により発振する波長であり、nAlN
GaN、nSiO2、nZrO2はそれぞれAlN、
GaN、SiO、ZrOの発振波長での屈折率であ
る。
Next, the surface emitting semiconductor device will be described. λ is a wavelength oscillated by light excitation, n AlN ,
nGaN , nSiO2 , and nZrO2 are AlN,
This is the refractive index at the oscillation wavelength of GaN, SiO 2 , and ZrO 2 .

【0054】図7(a)に示すように、有機金属気相成長
法により、GaN(0001)基板111上に20ペアの
GaN(厚さ:λ/4nGaN)/AlN(厚さ:λ/
4n AlN)ブラッグ反射鏡112、GaN光閉じ込め層1
13、Inx2Ga1-x2N/Inx3Ga1−x3
多重量子井戸活性層114(0<x2<x3<0.5)、GaN光
閉じ込め層115、Alx4Ga1−x4Nキャリア閉じ
込め層116(x4>0)を積層する。その後、電子ビーム蒸
着法等により、ZrO(厚さ:λ/4nZr 02)無
反射コート膜117を積層し、前記第1の実施の形態と同
様のプロセスを用いて、その上にピンホール状の穴を有
するTi膜118を形成する。次に、基板111の研磨を行
い、GaN基板111の裏面に励起光370nmに対して
反射防止膜となる厚さのZrO膜119を形成し、劈開
によりチップ化して面発光型半導体素子124を完成させ
る。この面発光型半導体素子124は、図7(b)に示すよ
うに、孔形状のTi膜が形成されている。
As shown in FIG. 7A, metalorganic vapor phase epitaxy
20 pairs on the GaN (0001) substrate 111
GaN (thickness: λ / 4nGaN) / AlN (thickness: λ /
4n AlN) Bragg reflector 112, GaN light confinement layer 1
13, Inx2Ga1-x2N / Inx3Ga1-x3N
Multiple quantum well active layer 114 (0 <x2 <x3 <0.5), GaN light
Confinement layer 115, Alx4Ga1-x4N carrier closed
The embedding layer 116 (x4> 0) is laminated. After that, electron beam steaming
ZrO2(Thickness: λ / 4nZr 02)Nothing
A reflective coating film 117 is laminated, and the same as in the first embodiment.
Using a similar process, a pinhole
A Ti film 118 is formed. Next, polishing of the substrate 111 is performed.
The excitation light of 370 nm on the back surface of the GaN substrate 111
ZrO of thickness to be anti-reflection film2Form film 119 and cleave
To complete the surface-emitting semiconductor device 124
You. This surface-emitting type semiconductor element 124 is as shown in FIG.
Thus, the hole-shaped Ti film is formed.

【0055】上記のように作成した励起用の半導体レー
ザ素子104と面発光型半導体素子124を図8に示すように
配置することにより、波長400−550nmにて発振
136する面発光型の半導体レーザ装置を構成することが
可能である。本実施の形態による半導体レーザ装置は、
上記他の実施の形態に示すように、ヒートシンク132、
レンズ131、波長選択素子133、外部ミラー134、および
外部ミラー134とミラーとしての役割を果たすGaN/
AlNブラッグ反射鏡112とにより形成される外部共振
器(共振器長L)を備えるものである。
By arranging the semiconductor laser element 104 for excitation and the surface-emitting type semiconductor element 124 formed as described above as shown in FIG. 8, oscillation at a wavelength of 400 to 550 nm is achieved.
It is possible to configure a surface-emitting type semiconductor laser device that performs 136 operations. The semiconductor laser device according to the present embodiment
As shown in the other embodiments, the heat sink 132,
The lens 131, the wavelength selection element 133, the external mirror 134, and the GaN /
An external resonator (resonator length L) formed by the AlN Bragg reflector 112 is provided.

【0056】また、GaN基板111は、励起光に対して
透明であり、またよく利用されるサファイヤ基板なども
透明であることから基板側の励起レーザ光の入射が可能
である。さらに、これらの基板は熱伝導率係数も大きい
ことから、図8に示すようなヒートシンクを構成すれば
容易に放熱が可能である。また、面発光型半導体素子か
ら発せられる光は熱レンズによるビーム変形も非常に小
さい。
The GaN substrate 111 is transparent to the excitation light, and the sapphire substrate, which is often used, is also transparent, so that the substrate-side excitation laser light can be incident. Further, since these substrates have a large coefficient of thermal conductivity, heat can be easily dissipated by forming a heat sink as shown in FIG. In addition, light emitted from the surface-emitting type semiconductor element undergoes very little beam deformation due to the thermal lens.

【0057】ここで、面発光型半導体素子として、Ga
As基板上に作成した波長900−1200nm程度に
て発振するInGaAs量子井戸活性層を有する面発光
型半導体素子や、InP基板上に作成した波長1300
−1700nm程度にて発振するInGaAsPやIn
GaAlAsを活性層とする面発光型半導体素子を用い
ることも可能である。これらの基板材料は発振波長に対
して透明であるため、励起用半導体レーザとして基板材
料に対して透明な波長を有するものを選択し、量子井
戸、さらにはその周囲の障壁層や光閉じ込め層により有
効な励起光の吸収が得られる組成と層構造を採用するこ
とにより、基板側から励起する構成を採用することが可
能である。
Here, Ga is used as a surface-emitting type semiconductor device.
A surface-emitting type semiconductor device having an InGaAs quantum well active layer oscillating at a wavelength of about 900 to 1200 nm formed on an As substrate, and a wavelength of 1300 formed on an InP substrate.
InGaAsP or In oscillating at about -1700 nm
It is also possible to use a surface-emitting type semiconductor element using GaAlAs as an active layer. Since these substrate materials are transparent to the oscillation wavelength, select a pumping semiconductor laser that has a wavelength that is transparent to the substrate material, and use the quantum well and the surrounding barrier layer and optical confinement layer. By employing a composition and a layer structure that can effectively absorb the excitation light, it is possible to employ a configuration in which excitation is performed from the substrate side.

【0058】次に、本発明の第4の実施の形態による半
導体レーザ装置について説明し、その半導体レーザ装置
を構成する面発光型半導体素子の断面図を図9(a)に示
し、上面図を図9(b)に示す。λは光励起により発振す
る波長であり、nAlN、n GaN、nSiO2、n
ZrO2はそれぞれAlN、GaN、SiO、ZrO
の発振波長での屈折率である。
Next, the half according to the fourth embodiment of the present invention will be described.
Description of a semiconductor laser device and its semiconductor laser device
FIG. 9A is a cross-sectional view of a surface-emitting type semiconductor device constituting
FIG. 9B shows a top view. λ oscillates by light excitation
, And nAlN, N GaN, NSiO2, N
ZrO2Are AlN, GaN, SiO2, ZrO
2Is the refractive index at the oscillation wavelength.

【0059】まず、半導体レーザ素子について説明す
る。図9(a)に示すように、GaN基板141上に、Al
z4Ga1−z4Nキャリア閉じ込め層142(0<z4<
1)、GaN光閉じ込め層143、Inx2Ga1−x2
/Inx3Ga1−x3N多重量子井戸活性層144(0<
x2<x3<0.5)、GaN光閉じ込め層145、2ペアのAl
N(λ/4nAlN)/GaN(λ/4nGaN)半導
体多層膜146、12ペアのSiO(λ/4
SiO2)/ZrO(λ/4nZrO2)誘電体多
層膜147を積層する。半導体多層膜146と誘電体多層膜14
7によりブラッグ反射鏡を形成している。ドライエッチ
ングにより、円形の領域にのみブラッグ反射鏡を形成
し、基板141の研磨を行い、発振波長に対する反射防止
膜148を形成し、へき開によりチップ化して面発光型半
導体素子154を完成させる。図9(b)に示すように、円
形のブラッグ反射鏡が形成されている。
First, the semiconductor laser device will be described. As shown in FIG. 9A, on a GaN substrate 141, Al
z4Ga1 -z4N carrier confinement layer 142 (0 <z4 <
1), GaN optical confinement layer 143, Inx2Ga1 -x2N
/ In x3 Ga 1-x3 N multiple quantum well active layer 144 (0 <
x2 <x3 <0.5), GaN optical confinement layer 145, two pairs of Al
N (λ / 4n AlN ) / GaN (λ / 4n GaN ) semiconductor multilayer film 146, 12 pairs of SiO 2 (λ / 4
n SiO2) / ZrO 2 (λ / 4n ZrO2) laminating a dielectric multilayer film 147. Semiconductor multilayer film 146 and dielectric multilayer film 14
7 forms a Bragg reflector. A Bragg reflector is formed only in a circular region by dry etching, the substrate 141 is polished, an antireflection film 148 for an oscillation wavelength is formed, and a chip is formed by cleavage to complete the surface-emitting type semiconductor element 154. As shown in FIG. 9B, a circular Bragg reflector is formed.

【0060】励起光源に前記半導体レーザ素子104と上
記面発光型半導体素子154を用い、図10に示すように半
導体レーザ装置を構成する。本実施の形態による半導体
レーザ装置は、ヒートシンク162に上記面発光型半導体
素子のブラッグ反射鏡側が取り付けられており、レンズ
161、波長選択素子163、外部ミラー164および外部ミラ
ー164とミラーとしての役割を果たすブラッグ反射鏡14
6、147により構成される外部共振器(共振器長L)を備
え、400〜550nm帯のレーザ発振166を得ること
ができる。
The semiconductor laser device 104 and the surface-emitting type semiconductor device 154 are used as an excitation light source to constitute a semiconductor laser device as shown in FIG. The semiconductor laser device according to the present embodiment includes a heat sink 162 on which the Bragg reflector side of the surface-emitting type semiconductor element is attached, and a lens.
161, a wavelength selection element 163, an external mirror 164, and the external mirror 164 and the Bragg reflector 14 serving as a mirror
An external resonator (resonator length L) constituted by 6, 147 is provided, and a laser oscillation 166 in the 400 to 550 nm band can be obtained.

【0061】本実施の形態においては、空間モードは部
分的に形成されたブラッグ反射鏡146および147により基
本モードを選択的に高反射する作用により空間モードが
制御されている。
In the present embodiment, the spatial mode is controlled by the action of selectively reflecting the fundamental mode highly by the Bragg reflectors 146 and 147 formed partially.

【0062】次に本発明の第5の実施の形態による半導
体レーザ装置について説明し、その半導体レーザ装置を
構成する発振波長650nm帯の赤色面発光型半導体素
子の断面図を図11に示し、その半導体レーザ装置を図12
に示す。
Next, a semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a cross-sectional view of a red surface emitting semiconductor device having an oscillation wavelength band of 650 nm constituting the semiconductor laser device. Fig. 12 shows a semiconductor laser device.
Shown in

【0063】図11に示すように、GaAs基板(00
1)基板171上に、GaAsバッファ層172、In0.5
(Ga1−x5Alx50.5Pキャリア閉じ込め層
173、In0.5(Ga1−x2Alx20.5P光
閉じ込め層174、In0.5(Ga1−x3Alx3
0.5P/In0.5(Ga1−x4Alx40.5
P多重量子井戸活性層175、In0.5(Ga1−x2
Alx20.5P光閉じ込め層176、In0.5(G
1−x5Alx50.5Pキャリア閉じ込め層177
を積層する。上記組成は0≦x3<x4≦x2<x5≦1を満たす
ことが望ましい。その後、電子ビーム蒸着法により、S
iO/TiO多層光学フィルタ178を積層する。基
板171の研磨を行い硫酸系エッチャントにて発光領域を
含む広い領域のGaAs基板171およびGaAsバッフ
ァ層172を除去する。次に励起光に対する反射防止膜179
を形成する。最後に空間モード制御用のピンホール状の
穴を有するTi膜180を形成し、面発光型半導体素子184
を完成させる。
As shown in FIG. 11, a GaAs substrate (00
1) A GaAs buffer layer 172, In 0.5
(Ga 1-x5 Al x5) 0.5 P carrier confining layer
173, In 0.5 (Ga 1- x2 Al x2) 0.5 P optical confinement layer 174, In 0.5 (Ga 1- x3 Al x3)
0.5 P / In 0.5 (Ga 1-x4 Al x4 ) 0.5
P multiple quantum well active layer 175, In 0.5 (Ga 1-x2
Al x2 ) 0.5 P light confinement layer 176, In 0.5 (G
a 1−x5 Al x5 ) 0.5 P carrier confinement layer 177
Are laminated. The above composition desirably satisfies 0 ≦ x3 <x4 ≦ x2 <x5 ≦ 1. Then, by electron beam evaporation, S
The iO 2 / TiO 2 multilayer optical filter 178 is laminated. The substrate 171 is polished, and the GaAs substrate 171 and the GaAs buffer layer 172 in a wide area including the light emitting area are removed with a sulfuric acid-based etchant. Next, an antireflection film 179 for excitation light
To form Finally, a Ti film 180 having a pinhole-shaped hole for controlling the spatial mode is formed, and the surface-emitting type semiconductor element 184 is formed.
To complete.

【0064】次に半導体レーザ装置について説明する。
図12に示すように、上記面発光型半導体素子184の多層
光学フィルタ178側をヒートシンク192に取り付けられて
いる。本実施の形態による半導体レーザ装置は、励起光
として、InGaN活性層を有する、例えば400nm
にて発振する幅広半導体レーザ素子190を用いことがで
きる。この励起光源から発せられた光は、レンズ191に
より面発光型半導体素子184の内部に集光され、外部ミ
ラー194の凹面とミラーとしての役割を果たす多層光学
フィルタ178により構成される外部共振器(共振器長
L)により共振し、外部ミラーから650nm帯のレー
ザ発振196を得るものである。外部共振器内の偏光制御
素子193により、偏光が制御されている。
Next, the semiconductor laser device will be described.
As shown in FIG. 12, the surface emitting semiconductor element 184 has the multilayer optical filter 178 side attached to a heat sink 192. The semiconductor laser device according to the present embodiment has an InGaN active layer as excitation light, for example, 400 nm.
A wide semiconductor laser element 190 that oscillates at a time can be used. The light emitted from this excitation light source is condensed inside the surface-emitting type semiconductor element 184 by the lens 191 and has a concave surface of the external mirror 194 and an external resonator (multilayer optical filter 178 serving as a mirror). It resonates with the resonator length L) and obtains a laser oscillation 196 in the 650 nm band from an external mirror. The polarization is controlled by the polarization control element 193 in the external resonator.

【0065】多層光学フィルタ178は発振光に対して9
0%以上の高反射、励起光に対しては5%以下、望まし
くは1%以下の低反射となるものである。
The multilayer optical filter 178 has a
It has high reflection of 0% or more and low reflection of 5% or less, preferably 1% or less for excitation light.

【0066】また、本実施の形態では、GaAs基板18
1は発振光に対して吸収媒体であるため、GaAs基板
をエッチングなどにより高精度に薄層化して、GaAs
基板あるいはGaAsバッファ層に設けたピンホール状
の穴をモード制御に用いることも可能である。
In this embodiment, the GaAs substrate 18
1 is an absorption medium for oscillating light, so that the GaAs substrate is thinned with high precision by etching or the like,
Pinhole-shaped holes provided in the substrate or the GaAs buffer layer can be used for mode control.

【0067】上記の全ての実施の形態において、ブロー
ドエリア型半導体レーザを励起光源として用いたが、励
起用の半導体レーザ素子はブロードエリア型半導体レー
ザ素子だけでなく、アレイ型半導体レーザ素子やテーパ
ー構造で高密度の集光が可能なMOPA(Master Oscil
lator Power Amplifire)やさらにはα−DFB(angle
d grating-distributed freedback)レーザ構造などで
もよい。
In all of the above embodiments, a broad area semiconductor laser is used as an excitation light source. However, the excitation semiconductor laser element is not limited to a broad area semiconductor laser element, but may be an array semiconductor laser element or a tapered structure. MOPA (Master Oscil)
lator Power Amplifire) and even α-DFB (angle
d grating-distributed freedback) A laser structure or the like may be used.

【0068】また、発振光および励起光に対する反射防
止膜として単層の誘電体膜を用いたが、多層構造として
低い反射率を得ることができる。また、励起光に対する
面発光型半導体素子の吸収係数が小さい場合は発振光を
取り出す側とは反対側からの裏面励起の場合は、発振光
に対しては反射防止、励起光に対しては有限の反射率を
有する膜を形成して、一旦反射した励起光を有効に利用
することが可能である。
Although a single-layer dielectric film is used as an anti-reflection film for oscillation light and excitation light, a low reflectance can be obtained as a multilayer structure. In addition, when the absorption coefficient of the surface emitting semiconductor element for the excitation light is small, in the case of the backside excitation from the side opposite to the side from which the oscillation light is extracted, anti-reflection for the oscillation light and finite for the excitation light It is possible to form a film having the following reflectance, and to use the once reflected excitation light effectively.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ
装置の励起光源である半導体レーザ素子を示す断面図
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser element as an excitation light source of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a surface-emitting type semiconductor element constituting the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention;

【図3】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す図
FIG. 3 is a view showing a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention;

【図4】本発明の第2の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a surface-emitting type semiconductor element constituting a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention;

【図5】本発明の第2の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す図
FIG. 5 shows a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3の実施の形態による半導体レーザ
装置の励起光源である半導体レーザ素子を示す断面図
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser element that is an excitation light source of a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a surface-emitting type semiconductor device constituting a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention;

【図8】本発明の第3の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す図
FIG. 8 shows a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第4の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a surface-emitting type semiconductor element constituting a semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention;

【図10】本発明の第4の実施の形態による半導体レー
ザ装置を示す図
FIG. 10 is a diagram showing a semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第5の実施の形態による半導体レー
ザ装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a surface-emitting type semiconductor device constituting a semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention;

【図12】本発明の第5の実施の形態による半導体レー
ザ装置を示す図
FIG. 12 shows a semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

33 AlGaAs/GaAs多層フィルタ層 35 GaAs/InGaAs多重量子井戸活性層 39,118 Ti膜 52,82,132,162,192 ヒートシンク 54,84,134,164,194 外部ミラー 65 GaAs/InGaAs多重量子井戸活性層 63 AlGaAs/GaAsブラッグ反射鏡 112 AlN/GaN多層フィルタ層 114,144 InGaN/InGaN多重量子井戸活性
層 146 2ペアAlN/GaN反射膜 147 12ペアSiO/ZrO反射膜 175 InGaP/In(GaAl)P多重量子井戸
活性層 178 SiO/TiO多層光学フィルタ
33 AlGaAs / GaAs multilayer filter layer 35 GaAs / InGaAs multiple quantum well active layer 39,118 Ti film 52,82,132,162,192 Heat sink 54,84,134,164,194 External mirror 65 GaAs / InGaAs multiple quantum well active layer 63 AlGaAs / GaAs Bragg reflector 112 AlN / GaN multilayer filter Layer 114,144 InGaN / InGaN multiple quantum well active layer 146 2 pair AlN / GaN reflective film 147 12 pair SiO 2 / ZrO 2 reflective film 175 InGaP / In (GaAl) P multiple quantum well active layer 178 SiO 2 / TiO 2 multilayer optical filter

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体レーザ素子からなる励起光源と、 該励起光源により励起され、該励起光源が発する励起光
の波長より長波長のレーザ光を発する、基板上に少なく
とも活性層と該活性層の前記基板側あるいは前記基板と
反対側に形成されたミラーとを有する面発光型半導体素
子と、 該面発光型半導体素子の外部に配置され、前記ミラーと
外部共振器を形成する少なくとも一つの外部ミラーとを
備えた半導体レーザ装置において、 前記面発光型半導体素子が空間モード制御部を備えたこ
とを特徴とする半導体レーザ装置。
An excitation light source comprising a semiconductor laser element, and at least an active layer and an active layer on a substrate, which are excited by the excitation light source and emit laser light having a wavelength longer than the wavelength of the excitation light emitted from the excitation light source. A surface-emitting type semiconductor device having a mirror formed on the substrate side or on the side opposite to the substrate; and at least one external mirror arranged outside the surface-emitting type semiconductor device and forming an external resonator with the mirror The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the surface emitting semiconductor element includes a spatial mode control unit.
【請求項2】 前記空間モード制御部が、前記面発光型
半導体素子の光出射端面に形成された前記レーザ光を透
過する孔形状の光透過部であることを特徴とする請求項
1記載の半導体レーザ装置。
2. The light emitting unit according to claim 1, wherein the spatial mode control unit is a hole-shaped light transmitting unit formed on a light emitting end face of the surface emitting semiconductor element and transmitting the laser light. Semiconductor laser device.
【請求項3】 前記空間モード制御部が、前記レーザ光
が出射する面と平行な面に部分的に形成された前記ミラ
ーであることを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ
装置。
3. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the spatial mode control unit is the mirror partially formed on a plane parallel to a plane from which the laser light is emitted.
【請求項4】 前記空間モード制御部が、前記レーザ光
が出射する面と平行な面に部分的に形成された前記活性
層であることを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ
装置。
4. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the spatial mode control unit is the active layer partially formed on a plane parallel to a plane from which the laser light is emitted.
【請求項5】 前記空間モード制御部の大きさが、該空
間モード制御部が形成された場所における前記レーザ光
の径の0.1倍以上10倍以下であることを特徴とする
請求項1、2、3または4記載の半導体レーザ装置。
5. The size of the spatial mode control unit is 0.1 to 10 times the diameter of the laser beam at the place where the spatial mode control unit is formed. 5. The semiconductor laser device according to 2, 3, or 4.
【請求項6】 前記外部共振器内に波長制御手段を設け
たことを特徴とする請求項1から5いずれか1項記載の
半導体レーザ装置。
6. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a wavelength control means is provided in said external resonator.
【請求項7】 前記外部共振器内に偏光制御手段を設け
たことを特徴とする請求項1から6いずれか1項記載の
半導体レーザ装置。
7. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a polarization controller is provided in the external resonator.
【請求項8】 前記半導体レーザ素子の活性層が、In
v1Ga1−v1Nからなり、前記面発光型半導体素子
の活性層がInv2Ga1−v2Nからなり、組成比が
0<v1<v2<1であることを特徴とする請求項1から7い
ずれか1項記載の半導体レーザ装置。
8. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the active layer is In.
consists v1 Ga 1-v1 N, the active layer of the surface-emitting type semiconductor device is made of In v2 Ga 1-v2 N, composition ratio
8. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein 0 <v1 <v2 <1.
【請求項9】 前記半導体レーザ素子の活性層が、In
GaN系の組成からなり、前記面発光型半導体素子の活
性層がAlGaInP系またはGaInP系の組成から
なることを特徴とする請求項1から7いずれか1項記載
の半導体レーザ装置。
9. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the active layer is In.
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the active layer of the surface-emitting type semiconductor element is made of an AlGaInP-based or GaInP-based composition. 9.
【請求項10】 前記半導体レーザ素子の活性層が、I
w1Ga1−w1Asからなり、前記面発光型半導体
素子の活性層が、Inw2Ga1−w2Asからなり、
組成比が0<w1<w2<1であることを特徴とする請求項1
から7いずれか1項記載の半導体レーザ装置。
10. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein
n w1 Ga 1-w1 As, and the active layer of the surface emitting semiconductor device is made of In w2 Ga 1-w2 As,
The composition ratio is 0 <w1 <w2 <1.
8. The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 7.
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