JP2004088133A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】放射ビームの断面形状をほぼ真円に近くし、光ファイバとの結合効率を高めることができる量子井戸構造の半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】ＩｎＰ基板１のほぼ中央部分に量子井戸層７を形成し、その左右両側に狭窄層８を形成する。量子井戸層７はＮ型クラッド層２と光閉じ込め層２３と活性層２４と光閉じ込め層２５とＰ型クラッド層６との積層構造によって構成し、活性層２４と光閉じ込め層２３，２５の厚みの総和を１０００Å以上２０００Å以下にして、光閉じ込め係数を小さくし、活性層２４内に閉じ込められて活性化した光をクラッド層２，６側にしみ出すしみ出し量を大きくして活性層２４およびしみ出し部分から放出する垂直方向のビームの広がり角を小さくしてほぼ真円に近いパターンモードのビームを出力させる。
【選択図】　　　　図１

Description

　本発明は、量子井戸構造をした半導体レーザ素子に関するものである。

　光通信の光源として、量子井戸半導体レーザ素子が従来から広く使用されており、この種の典型的な埋め込み型導波路を有する量子井戸半導体レーザ素子の構造が図４に示されている。

　同図において、Ｎ型のＩｎＰ基板１の中央部分に量子井戸層７が形成され、この量子井戸層７の左右両側に狭窄層８が形成されている。前記量子井戸層７はＮ型クラッド層２の上側に光閉じ込め層（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ領域）３と活性層４と光閉じ込め層５とＩｎＰからなるＰ型クラッド層６を順に積層形成したものからなり、光閉じ込め層３，５は４種類の異なる組成のＧａＩｎＡｓＰの層、すなわち、バンドギャップ波長λｇが１．０５，１．１０，１．２０および１．３０μｍであって厚みがそれぞれ３００Åの４種類のＧａＩｎＡｓＰを積層して屈折率を階段状に変化させ、活性層４内の光を上下両側から閉じ込める機能を有している。

　活性層４はバンドギャップ波長λｇが１．５５μｍであって厚みが６５ÅのＧａＩｎＡｓＰからなるウェル層と、バンドギャップ波長λｇが１．３０μｍであって厚みが８０ÅのＧａＩｎＡｓＰからなるバリヤ層とによるウェル数５のＭＱＷ活性層で構成されている。

　この量子井戸構造の半導体レーザ素子を作製するときには、ＩｎＰ基板１の上側の全面に亙ってＮ型クラッド層２と光閉じ込め層３と活性層４と光閉じ込め層５とＰ型クラッド層６を積層形成し、然る後に、量子井戸の幅Ｌを約２μｍ残してメサ・ストライプ形状になるようにその左右両側をエッチングで除去し、この除去した部分に、Ｐ型ＩｎＰ層９とＮ型ＩｎＰ層１０を再成長することによって埋め込んで狭窄層８となし、これら活性層４と狭窄層８を形成した上側にＩｎＰからなるＰ型クラッド層１１を成長形成し、然る後に、下面側にＮ側電極１２を、上面側にＰ側電極１３を形成することによって作製される。

　この種の半導体レーザ素子を駆動するときには、Ｐ側電極１３にプラス側の電源電圧を印加し、Ｎ側電極１２に電源電圧のマイナス側を接続する。Ｐ側電極１３からＮ側電極１２に流れる電流は狭窄層８には流れないので、量子井戸層７に集中して流れることとなり、これにより、活性層４が励起され、この活性層４の励起によって活性層４の一方側の端面から光源光が発せられる（通常、活性層４の両端側に反射率の異なる反射膜が形成され、活性層４内で励起された光のパワーが反射率の小さい方のしきい値を越えたときにその端面側から光源光が発せられる）。

特開平３−１５３０９１号公報 特開平４−１５１８８７号公報 特開昭６３−１５２１９４号公報 特開昭５５−１５７２８１号公報 特開昭６０−２３９０８０号公報

　しかしながら、この種の半導体レーザ素子を作製する場合、活性層４の断面形状が長方形状になるのを避けることができず、このため、活性層４から発せられる垂直な方向のビームの広がり角は活性層４の水平方向（平行な方向）のビームの広がり角よりも大きくなる。例えば、前記従来例の半導体レーザでは活性層４の垂直方向のビームの広がり角は３６°となり、活性層４の水平方向のビームの広がり角は２５°程度となり、垂直方向のビームの広がり角が大きくなるので、活性層４から発せられるビームの断面形状が楕円形となり、半導体レーザ素子から円形コアの光ファイバへ光を導入するとき、その光の結合効率が悪くなるという問題があった。

　本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、活性層から発するビームの広がりパターンをほぼ円形状にして光ファイバへの結合効率を高めることができる半導体レーザ素子を提供することにある。

　本発明は上記目的を達成するために、次のように構成されている。すなわち、第１の発明は、ＩｎＰ基板上に複数のＧａ_１−ＸＩｎ_ＸＡｓ_１−ＹＰ_Ｙ井戸層とバリヤ層からなる多重量子井戸を含む活性層と、該活性層を上下両側からサンドイッチ状に挟む光閉じ込め層とを有する半導体レーザ素子において、前記活性層を上下に挟むそれぞれの光閉じ込め層はバンドギャップ波長の異なる複数種類の層によって形成され、かつ、前記活性層と前記光閉じ込め層の厚さの総和を１０００Å以上２０００Å以下にしたことを特徴として構成されている。

　また、第２の発明は前記第１の発明の構成を備えた上で、半導体レーザ素子は励起光源用であって、光ファイバと光結合させて用いるものとしたことを特徴とする。

　さらに、第３の発明は前記第２の発明の構成を備えた上で、励起波長を１．４８μｍ帯としたことを特徴として構成されている。

　上記構成の本発明において、活性層とその上下の光閉じ込め層との厚さの総和を２０００Å以下に薄くしたことで、光閉じ込め係数が小さくなり、活性層内で励起される光のエネルギは活性層から光閉じ込め層の外側のクラッド層側に滲み出す。この滲み出し量は量子井戸の幅の中間部分で最大になる結果、このクラッド層側に滲み出した領域を加味した光放射面は円形に近くなり、これにより、放射される光の垂直方向と水平方向のビームの広がり角はほぼ等しくなり、円形に近いモードパターンのビームが光源光として出力される。

　上記したように本発明は、量子井戸の活性層とこの活性層の上下両側の光閉じ込め層との厚みの総和を２０００Å以下にしたものであるから、この総和が薄型となって、光閉じ込め係数が小さくなり、活性層内に閉じ込められて活性化された光のクラッド層へのしみ出し量が多くなり、従来例に比べ、光閉じ込め層の格段の光のしみ出し効果が得られる。活性層とこの活性層の上下両側の光閉じ込め層との厚みの総和を２０００Å以下にした薄型構造により、半導体レーザ素子から出射するビームの垂直方向の広がり角を小さくして、垂直方向と水平方向の広がり角をほぼ同じくして円形モードパターンのビームとして出力することができるので、光ファイバに対する結合効率を格段に高めることができる。

　特に、励起光源用としての高出力ビームを発射させる場合、活性層とこの活性層の上下両側の光閉じ込め層との厚みの総和が厚いと、発射ビームのビームパターンは楕円パターンとなってしまうが、本発明のように、活性層とこの活性層の上下両側の光閉じ込め層との厚みの総和を２０００Å以下に薄型化することにより励起光源用の高出力の発射ビームにおいても良好な円形モードのビームパターンが得られるという効果を奏するものである。

　以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、従来例と同一の部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。図１には本発明に係る半導体レーザ素子の一実施例が示されている。この実施例の半導体レーザ素子も従来例と同様に量子井戸構造を呈して、量子井戸層７と狭窄層８を有している。そして、これら、ＩｎＰ基板１上に形成される各層はＭＯ−ＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）による気相成長等を利用して形成されている。この実施例における量子井戸層７は従来例と同様にＩｎＰ基板１上にＮ型クラッド層２と光閉じ込め層２３と活性層２４と光閉じ込め層２５とＰ型クラッド層６を積層して形成されてなるが、本実施例の特徴的なことは、光閉じ込め層２３，２５と活性層２４の厚みの総和を２０００Å以下にしたことである。

　半導体レーザを励起光源用の１．４８μｍ帯の励起帯波長で動作させる場合、励起光源としてのビームパワーは通信用のビームパワーよりも大きなパワーであり、励起光源用の１．４８μｍ帯の励起帯波長で動作するためには活性層と上下の光閉じ込め層の厚さの総和に厚さが必要であり、この励起光源用の１．４８μｍ帯の励起帯波長で動作させるのに自ずから定まる前記総和の下限の厚みは１０００オングストローム（Å）である。

　前記光閉じ込め層２３はバンドギャップ波長λｇが１．２０μｍと１．３０μｍであって層厚が共に２００Åの異なる２種類のＧａＩｎＡｓＰにより構成されており、また、光閉じ込め層２５も同一の構成となっている。活性層２４は従来例と同様に、バンドギャップ波長λｇが１．５５μｍで層厚が６５ÅのＧａＩｎＡｓＰのウェル層と、バンドギャップ波長が１．３０μｍで層厚が８０ÅのＧａＩｎＡｓＰのバリヤ層からなり、そのウェル数は５である。この実施例では、光閉じ込め層２３の層厚が４００Å、活性層２４の層厚が６４５Å、光閉じ込め層２５の層厚が４００Åとしたことで、光閉じ込め層２３と活性層２４と光閉じ込め層２５の厚みの総和は１４４５Åとなり、従来例の３０４５Åに比べ薄型となっている。

　本実施例の半導体レーザ素子を駆動したとき、電極１２，１３間に流れる電流は量子井戸層７に集中して活性層２４内に閉じ込められる光を励起し、活性層２４内の光エネルギを高めるが、このとき、光閉じ込め層２３，２５の層厚を薄くしたことで、光閉じ込め係数が小さくなり、この結果、活性層２５内に閉じ込められて活性化された光のクラッド層２，６へのしみ出しが大きくなる。このクラッド層２，６への光のしみ出しは、量子井戸の幅Ｌの中央部がいちばん大きく、両端側に向かうにつれ、徐々にしみ出し量が小さくなるので、活性層２４とクラッド層２，６のしみ出し部分を併せた光放射の断面形状はほぼ円に近い形状となり、これにより、活性層２４および光のしみ出し部分から発せられるビームの広がり角は垂直方向と水平方向でほぼ同一の角度となり、ほぼ円形モードパターンの光となって出力されることとなる。

　本発明者は本実施例の半導体レーザ素子を作製し、その放射されるビームの広がり角度を測定したところ、図２の測定結果を得た。これによれば、５０ｍＷの放射パワーの時の垂直方向の広がり角は２５．０°（同図の（ｂ））であり、水平方向の広がり角度は２５．４°（同図の（ａ））であり、ほぼ真円に近い放射ビームパターンを作り出すことができた。

　図３は本実施例の半導体レーザ素子をＡＲ−ＨＲコーティングして共振器長１ｍｍとしたレーザダイオードに光ファイバを結合してモジュール化した装置の出力特性を示したものである。これによれば、駆動電流１Ａのときに、光ファイバの端光出力として１２８ｍＷという励起光源用として使用され得る高出力が得られており、このときの半導体レーザ素子と光ファイバの結合効率は７０％であった。なお、このときの半導体レーザの励起帯波長は活性層のウエル層及びバリヤ層の層厚と各層のバンドギャップ波長から発光波長を計算すると１．４８μｍ帯となる。従来例の半導体レーザ素子と光ファイバの結合効率を同様に調べたところ、その結合効率は５０％程度であり、従来例に場合に比べ、本実施例は約２０％も結合効率を向上させることができた。

　なお、本発明は上記実施例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記実施例では光閉じ込め層２３，２５と活性層２４の総和の厚みを１４４５Åにしたが、この総和の厚みは２０００Å以下であればよい。本発明者は光閉じ込め層２３，２５と活性層２４の厚みの総和と、クラッド層への光の滲み出しによる出射ビームの広がり角との関係を実験によって調べたところ、前記総和の厚みが２０００Åを越えた場合には光滲み出し量はほとんどなくなってビームの出射パターンはほぼ楕円形状となり、光ファイバとの結合効率の特性改善が得られなかったが、総和の厚みが２０００Åを境界として、それ以下になるにつれ、光の滲み出しが次第に大きくなり、出射ビームパターンの形状が楕円形から円形に近くなり、光ファイバへの結合効率を向上できることを確認できた。

　また、上記実施例では活性層２４の厚みを従来例と同様の厚みにし、光閉じ込め層２３，２５の厚みを薄くすることで、活性層２４と光閉じ込め層２３，２５の総和の厚みを薄くしたが（本実施例では光閉じ込め層２３，２５の厚みを活性層２４よりも薄くしている）、もちろん、光閉じ込め層２３，２５と共に、活性層２４の厚みを薄くしてもよい。

本発明に係る半導体レーザ素子の一実施例の断面構成図である。 同実施例の半導体レーザ素子のビーム広がり角のグラフである。 同実施例の半導体レーザ素子を組み込んだモジュールにおける出力特性グラフである。 従来の量子井戸構造の半導体レーザ素子の断面図である。

符号の説明

　１　ＩｎＰ基板
　２　Ｎ型クラッド層
　６，１１　Ｐ型クラッド層
　７　量子井戸層
　８　狭窄層
　９　Ｐ型ＩｎＰ層
　１０　Ｎ型ＩｎＰ層
　２３，２５　光閉じ込め層
　２４　活性層

Claims (3)

1. ＩｎＰ基板上に複数のＧａ_１−ＸＩｎ_ＸＡｓ_１−ＹＰ_Ｙ井戸層とバリヤ層からなる多重量子井戸を含む活性層と、該活性層を上下両側からサンドイッチ状に挟む光閉じ込め層とを有する半導体レーザ素子において、前記活性層を上下に挟むそれぞれの光閉じ込め層はバンドギャップ波長の異なる複数種類の層によって形成され、かつ、前記活性層と前記光閉じ込め層の厚さの総和を１０００Å以上２０００Å以下にしたことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 半導体レーザ素子は励起光源用であって、光ファイバと光結合させて用いるものとした請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. 励起波長を１．４８μｍ帯とした請求項２記載の半導体レーザ素子。

Images