JP2004103678A - Semiconductor laser and semiconductor laser module - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体レーザの主要な特性を極端に悪化させることなく、出射される光の縦方向の遠視野像の半値全幅を実効的に低減させ、光ファイバーとレンズで構成された光学系などと半導体レーザとの良好な結合を実現し、かつ、半導体レーザそのものの高出力動作特性も向上させること。
【解決手段】第一導電型を示す基板上に、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、活性層構造、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層をこの順に有しており、縦方向に関して基本モードの伝播のみが許容されている発振波長λ(nm)の半導体レーザであって、当該半導体レーザから出射される光の放射パターンにおいて、基板に垂直な方向の遠視野像(FFP)の中に、最大強度がIVmainである主ピークと、極大強度がそれぞれIVsub−とIVsub+である2つの副ピークが存在するとともに、0<IVsub/IVmain<0.5(VsubはIVsub−とIVsub+のうち強度が大きい方)である半導体レーザ。
【選択図】   なし
An optical system including an optical fiber and a lens, which effectively reduces the full width at half maximum of a vertical far-field image of emitted light without extremely deteriorating the main characteristics of a semiconductor laser. Achieving good coupling with the laser and improving the high-output operating characteristics of the semiconductor laser itself.
A first conductive type first clad layer, a first conductive type second clad layer, an active layer structure, a second conductive type second clad layer, and a second conductive type second clad layer are provided on a substrate showing a first conductive type. A semiconductor laser having one cladding layer in this order and having an oscillation wavelength λ (nm) in which only propagation of a fundamental mode is allowed in the longitudinal direction. In a radiation pattern of light emitted from the semiconductor laser, in the far-field pattern in the direction perpendicular (FFP V) to the substrate, and the main peak maximum intensity is I Vmain, with maximum intensity are two sub-peak is a + I Vsub- and I Vsub each occurrence, 0 <I Vsub / I Vmain <0.5 (Vsub is I Vsub- and I Vsub + strength greater of) the semiconductor laser is.
[Selection diagram] None

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザに関するものである。本発明は、光ファイバー増幅器用励起光源や光情報処理用の光源、医療用半導体レーザ等のように、光学系との高い結合効率が望まれる場合に好適に利用することができる。
【0002】
【従来の技術】
近年における光情報処理技術、光通信技術の進展は枚挙に暇がない。
例えば、通信分野においては、今後の情報通信(IT)時代に本格的に対応する大容量の光ファイバー伝送路とともに、その伝送方式に対する柔軟性を持つ信号増幅用のアンプとして、Er3+等の希土類をドープした光ファイバー増幅器(EDFA)の研究が各方面で盛んに行なわれている。そして、EDFAのコンポーネントとして不可欠な要素である、高効率な励起光源用の半導体レーザの開発が待たれている。
【0003】
EDFA応用に供することのできる励起光源の発振波長は、原理的に800nm、980nm、1480nmの3種類存在する。このうち増幅器の特性から見れば980nmでの励起が、利得やノイズ等を考慮すると最も望ましいことが知られている。このような980nmの発振波長を有する半導体レーザ(LD)は、励起光源として高出力でありながら長寿命であるという相反する特性を満たすことが要求されている。さらに、光増幅器用の励起光源は光ファイバーと良好な結合を実現することも必須であるために、一般に、単一横モード発振することが望まれ、半導体レーザから出射される光の遠視野像(far field pattern:FFP)は基板に垂直な方向(縦方向)と基板に平行な方向(横方向)の縦横比が1に近く、さらに放射角の絶対値も狭いことが望まれる。
【0004】
一方通信分野への応用以外でも、半導体レーザには、SHG光源、レーザプリンタ用の熱源としての応用、医療分野における各種応用があり、これらの分野でも多くの場合半導体レーザから出射された光は各種光学系と結合される場合が多く、その縦方向、横方向のFFPの絶対値が狭いことと、その縦横比が1に近いことは非常に重要な特性となっている。
【0005】
縦方向に関して基本モードのみの伝播が許容されている設計を有する半導体レーザ、すなわち、その縦方向の規格化周波数がπ/2以下である半導体レーザにおいて、その光閉じ込めは縦方向と横方向では極端に異なっている。横方向の光閉じ込めはその電流注入領域の幅が数μmから数百μmであって、導波路構造も同程度の寸法を有していることから、発振波長に比べて比較的広く、端面近傍の発光パターン(近視野像:near field pattern: NFP)に対して、出射される光の横方向のFFP(FFP)には回折の効果が比較的少ないのが一般的である。これに対して、縦方向の光閉じ込めは発振波長よりも極端に薄い活性層構造により実現されるため、出射される光の縦方向のFFP(FFP)には極端な回折の効果が現れ、その半値全幅はFFPよりも広くなるのが普通である。このため、外部の光学系との結合特性を向上させるためには、FFPの実効的な半値全幅を狭くすることが望まれる。
【0006】
また、この様な半導体レーザが実現されれば、結果として縦方向のNFP(NFP)のサイズが拡大することとなるため、端面における光密度が低下し、半導体レーザの高出力動作特性も改善されると考えられる。
非特許文献1で議論されている通り、FFPは活性層あるいは光ガイド層の厚みに依存することが知られている。しかし、これらの厚みを単に薄くする方法でFFPが狭い半導体レーザを実現しても、その他の素子特性が悪化してしまう等の問題があった。
【非特許文献1】H.C. Casey,Jr., M. B. Panish著Heterostructure lasers (Academic press, 1978) のChapter 2
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の従来技術の問題点を解決することを課題とした。
具体的には、半導体レーザの主要な特性を極端に悪化させることなくFFPの半値全幅を実効的に低減させ、光ファイバーとレンズで構成された光学系などと半導体レーザとの良好な結合を実現し、かつ、半導体レーザそのものの高出力動作特性も向上させることを本発明の解決すべき課題とした。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討を進めた結果、出射される光の放射パターンにおいて、基板に垂直な方向の遠視野像(FFP)が特定の条件を満たす場合に優れた半導体レーザとなり得ることを見出し、本発明に到達した。
【0009】
すなわち本発明は、第一導電型を示す基板上に、少なくとも、第一導電型を示す第一クラッド層、第一導電型を示す第二クラッド層、活性層構造、基板と異なる導電型である第二導電型を示す第二クラッド層、第二導電型を示す第一クラッド層をこの順に有しており、縦方向に関して基本モードの伝播のみが許容されている発振波長λ(nm)の半導体レーザであって、当該半導体レーザから出射される光の放射パターンにおいて、基板に垂直な方向の遠視野像(FFP)の中に、最大強度がIVmainである主ピークと、極大強度がそれぞれIVsub−とIVsub+である2つの副ピークが存在するとともに、以下の式を満たすことを特徴とする半導体レーザを提供する。
【数7】
0 < IVsub/IVmain < 0.5
(上式において、IVsubはIVsub−とIVsub+のうち強度が大きい方を表す。)
【0010】
本発明の半導体レーザは、主ピークが現れる角度をP(IVmain)、極大強度がIVsub−とIVsub+である2つの副ピークが現れる角度をそれぞれP(IVsub−)、P(IVsub+)とするとき、以下の式を満足することが好ましい。
【数8】
|P(IVmain)−P(IVsub−)| > 40度
|P(IVsub+)−P(IVmain)| > 40度
|P(IVsub+)−P(IVsub−)| > 80度
【0011】
本発明の半導体レーザは、当該半導体レーザから出射される主ピークの放射パターンにおいて、基板に平行な方向の遠視野像(FFP)の中に1つの極大値しか存在しないことが好ましい。また、基板に平行な方向の遠視野像(FFP)の最大強度をIHmain、当該最大強度を有するピークが現れる角度をP(IHmain)とするとき、以下の式を満足することが好ましい。
【数9】
|P(IVmain)−P(IHmain)| < 5度
【0012】
また、本発明の半導体レーザは、その発振波長λ(nm)が以下の式を満たすことが好ましい。
【数10】
900nm < λ < 1350nm
【0013】
さらに、本発明の半導体レーザは、素子内に複数の発光点を有しないことが好ましい。また、第一導電型第一クラッド層の平均屈折率をNxn、第一導電型第二クラッド層の平均屈折率をNsn、活性層構造の平均的屈折率をN、第二導電型第二クラッド層の屈折率Nsp、第二導電型第一クラッド層の平均屈折率をNxpとするとき、これら屈折率が以下の式を満たすことが好ましい。
【数11】
sn < Nxn < N
sp < Nxp < Na 
【0014】
さらに、本発明の半導体レーザが活性層構造の少なくとも片側に光ガイド層を有し、この屈折率をNとするとき、各層の屈折率は以下の式を満たすことが好ましい。
【数12】
sn < Nxn < Ng < N
sp < Nxp < Ng < Na 
【0015】
本発明の半導体レーザは、基板がGaAsからなり、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の少なくとも一部分がAl,GaおよびAsを含むことが好ましい。また、基板がGaAsからなり、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の少なくとも一部がIn,GaおよびPを含むことが好ましい。さらに、活性層構造が歪み量子井戸層を含み、当該量子井戸層がIn,GaおよびAsを含むことが好ましい。また、第一導電型側がn型で、第二導電型がp型であることが好ましい。
【0016】
本発明は、前記の半導体レーザと、当該半導体レーザの光の出射端側に光ファイバーを具備することを特徴とする半導体レーザモジュールも提供する。
本発明の半導体レーザモジュールは、光ファイバーの先端が集光効果を有し、かつ、半導体レーザの前端面と直接光学的に結合する様に加工されていることが好ましい。
【0017】
【発明の実施の形態】
まず、本明細書で使用しているいくつかの表記に関して説明する。
本明細書において「A層の上に形成されたB層」という表現は、A層の上面にB層の底面が接するようにB層が形成されている場合と、A層の上面に1以上の層が形成されさらにその層の上にB層が形成されている場合の両方を含むものである。また、A層の上面とB層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではA層とB層の間に1以上の層が存在している場合も、前記表現に含まれる。具体的な態様については、以下の各層の説明と実施例の具体例から明らかである。
【0018】
また、FFPを記述する際の位置の定義は、本明細書においても通常の方法に従うものとする。これを図1を用いて説明する。先ず、基板に垂直な方向(縦方向)と水平な方向(横方向)にあって、互いに直行しあう2つの円を仮定する。さらに、これら2つの円の中心が素子構造上の発光中心Cとなる様にデバイスを配する。ここで、素子構造上の発光中心Cから物理的な鉛直方向に伸ばした直線が当該2つの円の弧と共に交わる点がFFPを記述する際の0度となる。すなわち、これを原点に、FFPを記述するための位置は、0度と素子構造上の発光中心をつなぐ直線が、それぞれの円弧上の点となす角度で定義される。図1は縦のFFPが+φ度、横のFFPが+θ度である位置を示したものである。これら角度で定義される位置の関数としてプロットされた光の強度分布が、FFPそのものである。なお、図中に示した+−の方向は相対的なものであって、一般には方向が逆であっても構わない。
【0019】
本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、本明細書に添付する図面は、本発明の構造を把握しやすくするために、敢えて寸法を変えている部分があるが、実際の寸法は本明細書に記載されているとおりである。
【0020】
本発明の半導体レーザは、第一導電型を示す基板上に、少なくとも、第一導電型を示す第一クラッド層、第一導電型を示す第二クラッド層、活性層構造、基板と異なる導電型である第二導電型を示す第二クラッド層、第二導電型を示す第一クラッド層をこの順に有しており、縦方向に関して基本モードの伝播のみが許容されている。以下において、本発明の半導体レーザの好ましい構成例およびその製造法について具体的に説明する。
【0021】
先ず、本発明の半導体レーザの主たる特徴を、図2に示すLDを参照しながら説明する。図2左には各層構造により実現される屈折率の縦方向の空間分布を示し、また図2下には本図中で使用する方向の呼び方を示した。
【0022】
図2は、n型基板(101)上に、Al0.25Ga0.75Asからなる厚みtxn(nm)のn型第一クラッド層(102)、In0.49Ga0.51Pからなる厚みtsn(nm)のn型第二クラッド層(103)、アンドープGaAsからなる厚みtgn(nm)の第一光ガイド層(104)、厚みt(nm)の活性層構造(105)、アンドープGaAsからなる厚みtgp(nm)の第二光ガイド層(106)、In0.49Ga0.51Pからなる厚みtsp(nm)のp型第二クラッド層(107)、Al0.25Ga0.75Asからなる厚みtxp(nm)のp型第一クラッド層(108)を有しており、さらに電極との接触抵抗を下げるためのコンタクト層(109)、また横方向に対して電流注入領域を限定するためのSiN層(110)とp側電極(111)、n側電極(112)より構成されているブロードエリア型LDを示すものである。本発明では、n型第一クラッド層(102)とp型第一クラッド層(108)などの対をなす層が必ずしも対称である必要はないが、図2では同じ屈折率を有する材料で構成され、また厚みも以下の条件を満たしている。
【数13】
xn = txp = t
sn = tsp = t
gn = tgp = t
また活性層構造(105)は、基板(101)側から、厚み6nmのIn0.16Ga0.84As歪み量子井戸層(121)、厚み8nmのGaAs障壁(バリア)層(122)、厚み6nmのIn0.16Ga0.84As歪み量子井戸層(123)が積層された歪み二重量子井戸構造であり、その発振波長はλ(nm)である。
【0023】
本発明においては、LDの光閉じ込めの基本となる活性層構造(105)に対する縦方向の閉じ込めは、活性層構造(105)の上下に位置する2つのAl0.25Ga0.75As第一クラッド層(102,108)と、活性層構造(105)を含む2つのGaAs光ガイド層(104,106)との間の屈折率差によって実現する。基板(101)がGaAsであり、格子整合性の観点から第一クラッド層(102,108)をAlGaAsで構成する場合には、Al組成は0.4よりも小さいことが好ましく、0.3より小さいことがより好ましく、0.2よりも小さいことがさらに好ましい。これはLD全体を構成する層の中で基板(101)とコンタクト層(109)を除いて最も厚いクラッド層(102,108)のAl組成を下げることで素子全体の熱抵抗を下げることが可能であり、高出力動作に適した構造とすることができるからである。また、第一クラッド層(102,108)は、基板(101)がGaAsである場合にはIn0.49Ga0.51Pを適応することも可能である。さらに、第一クラッド層(102,108)は単一の材料から構成される必要はなく、光に対して単一の層と等価に作用するような、複数の層から構成されてもかまわない。この場合、光はこれら複数の層の平均的な屈折率によって制御されることになる。
【0024】
第一クラッド層(102,108)の厚みt(nm)は、その層の活性層側から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから発振波長λ(nm)に対して以下の関係を有することが好ましい。
【数14】
λ < t
特に980nm帯LDなどの様に、基板が発振波長に対して透明であり、かつ第一クラッド層(102,108)および第二クラッド層(103,107)よりも屈折率が大きい場合には、クラッド層(102,103)から基板(101)側にもれ出した光が基板中を伝播することから、基板モードがLD本来のモードに重畳することが知られている。これを抑制するためには、第一クラッド層(102,108)の厚みを波長に対して適切に厚くしておくことが望ましい。
【0025】
また、光閉じ込めを実現するためには、光ガイド層(104,106)は第一クラッド層(102,108)よりも屈折率の大きな材料で構成される必要がある。基板(101)がGaAsであって、光ガイド層(104,106)をAlGaAs系材料で構成する場合には、さらに光ガイド層(104,106)においてもそのAl組成は0.4よりも小さいことが好ましく、0.2より小さいことがより好ましく、0.1よりも小さいことがさらに好ましい。また最も望ましいのはAlを含まないGaAsを用いる場合である。特に信頼性の観点から、Alを含まない光ガイド層が望まれる。
【0026】
通常のSCH(Separated Confinement Hetero−structure)構造をAlGaAs系材料で構成した場合においては、前記第一クラッド層(102,108)と光ガイド層(104,106)は直接的に接しているが、本発明においてはこれらの層の間に第二クラッド層(103,107)を有している点に特徴がある。この層は光ガイド層(104,106)、さらには第一クラッド層(102,108)よりも屈折率が低く設定される必要がある。
【0027】
この結果、図2左に示される通り、第二クラッド層(103,107)は、屈折率としては最も小さい値を有する層となる。図2左では、nの下に記載される矢印の向きは屈折率が大きくなる方向を意味する。また、伝導帯側の電子に対しては(またここには示されていないが荷電子帯のホールに対しても)、第二クラッド層(103,107)は障壁となる機能を有する。図2左のEgの上に記載される矢印の向きは電子に対してポテンシャルが大きくなる方向を意味する。
【0028】
第二クラッド層(103,107)は、このため、次に述べる通り、縦方向の光閉じ込めに関して非常に重要な機能を有している。この第二クラッド層(103,107)は光ガイド層(104,106)よりも、また、第一クラッド層(102,108)よりも屈折率が低くなる様に選択されるため、この相対的な屈折率の関係から、第二クラッド層(103,107)は、その外側、すなわち第一クラッド層(102,108)側とまた光ガイド層(104,106)側の両側に光の分布を押しやる機能を発現する。このため、第一クラッド層(102,108)側に適度に分布が広げられたNFPの成分は、比較的狭いFFPを実現することに寄与する。すなわち、第二クラッド層(103,107)の反導波的な特性が適度に作用する場合には、この存在によって、比較的狭いFFPを実現することが可能となる。さらに、この様に第二クラッド層(103,107)の反導波的な特性が適切に作用している場合には、素子のFFPには非常に特徴的な形状が現れる。一般的に縦方向に基本モードのみが伝播する様に設計されている半導体レーザ、すなわちその縦方向の規格化周波数がπ/2以下である半導体レーザのFFPは、ノイズの重畳、光の干渉パターン等の副次的な事例を除けば、図3に示される様に単峰性のピークとなる。しかし、本発明においては、図4に示される様に1つの主ピーク(強度がIVmain)と2つの副ピーク(強度がIVsub−とIVsub+であり、強度の大きな一方を改めてIVsubとも記述する)が観測され、かつ、0<IVsub/IVmain<0.5を満たすことが特徴である。この副ピークは第二クラッド層(103,107)が光ガイド層(104,106)側に光を押しやることによって、比較的活性層に近い部分に集中させられたNFPの成分が、大きな回折を起こして発生するものである。このため、第二クラッド層(103,107)の存在は単に第一クラッド層(102,108)側に向けてNFPの分布を広げるだけでは無く、半導体レーザに欠かすことができない活性層近傍における光の閉じ込めを保つ効果もある。そして本発明によれば、FFPを狭く(NFPを広く)した際に発生するLDのしきい値上昇、スロープ効率の低下、駆動電流の上昇等の副作用なしにFFPを狭くすることが可能である。このためには、縦方向における光閉じ込めにおいて、活性層近傍に付近に集中させる度合い、すなわち、FFPに見られる2つの副ピークの存在こそが非常に重要である。本発明においては、0<IVsub/IVmain<0.5であることが必須であって、望ましくは0<IVsub/IVmain<0.3、より望ましくは0.05<IVsub/IVmain<0.2である。これら指標は、第一クラッド層(102,108)、第二クラッド層(103,107)、光ガイド層(104,106)、活性層構造(105)の(平均的)屈折率、あるいは厚みなどの、絶対的、また、相対的な関係で規定されるものである。例えば、極端に第二クラッド層(103,107)の屈折率を下げること、あるいは厚みを増すこと、また光ガイド層(104、106)の厚みを極端に薄くすることなどは、導波路が過度に反導波的になりLD構造中の縦方向の光閉じ込めがあまりに弱くなり過ぎ、結果として、極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大などを招く結果となり望ましくない。
【0029】
また、主ピークがあらわれる角度をP(IVmain)、強度がIVsub−とIVsub+である2つの副ピークがあらわれる角度をそれぞれP(IVsub−)、P(IVsub+)とすると、本発明においては、以下の関係を満たすことが望ましい。
【数15】
|P(IVmain)−P(IVsub−)| > 40度
|P(IVsub+)−P(IVmain)| > 40度
|P(IVsub+)−P(IVsub−)| > 80度
【0030】
これは、NFPの成分の中で活性層近傍に集中される度合いを示す重要な指標であって、以下の関係を満たすことがより望ましい。
【数16】
|P(IVmain)−P(IVsub−)| > 50度
|P(IVsub+)−P(IVmain)| > 50度
|P(IVsub+)−P(IVsub−)| > 100度
【0031】
さらに望ましいのは、以下の関係を満たす場合である。
【数17】
60度 > |P(IVmain)−P(IVsub−)| > 55度
60度 > |P(IVsub+)−P(IVmain)| > 55度
120度 > |P(IVsub+)−P(IVsub−)| > 110度
【0032】
第二クラッド層(103,107)が有するもう一つの機能は、高温でLD駆動を駆動している場合、あるいは高出力動作中でLDの自己発熱によって活性層の温度が相当に上がってしまう場合などに、In0.16Ga0.84As歪み量子井戸層(121,123)から第一クラッド層(102,108)中へのキャリアの熱的な漏れ出し(オーバーフロー)を抑制する機能である。本構造においては、図2に示される様に活性層構造(105)側から光ガイド層(104,106)を通って第一クラッド層(102,108)側にもれ出すキャリアから見て、光ガイド層(104,106)と第一クラッド層(102,108)の間の障壁の高さよりも第二クラッド層(103,107)の障壁が高いために、キャリアのオーバーフローを抑制する観点でも望ましい。しかし、極端に大きな障壁は第一クラッド層(102,108)側から活性層構造(105)側へ注入されるキャリアに対して、その注入を阻害してしまうことから第一クラッド層(102,108)と第二クラッド層(103,107)のバンドギャップの差は0.05eV〜0.45eV程度であることが望ましく、さらに望ましくは0.1eV〜0.3eV程度であることが望ましい。
【0033】
次に、本発明の半導体レーザの一例である単一横モード動作可能な半導体レーザについて図5を参照しながら説明する。図5は、本発明の半導体レーザにおけるエピタキシャル構造の一例として埋め込みストライプ型の半導体レーザの構成を示した概略断面図である。
この半導体レーザは半導体基板(1)上に形成され、屈折率導波構造を有し、第二導電型第一クラッド層が第二導電型上側第一クラッド層(10)と第二導電型下側第一クラッド層(9)の二層に分かれ、この第二導電型上側第一クラッド層(10)と電流ブロック層(11)/キャップ層(12)とで電流閉じ込めと光閉じ込めを共に実現し、さらに電極との接触抵抗を下げるためのコンタクト層(13)を有する半導体レーザである。この種のレーザは光通信に用いられる光ファイバー増幅器用の光源や、情報処理用の大規模光磁気メモリーのピックアップ光源、医療用高出力半導体レーザとして用いられ、層構成や使用材料等を適宜選択することによって、さらに様々な用途へ応用することもできる。
【0034】
基板(1)としては、半導体基板であればGaAs、InP、GaP、GaN等、また誘電体基板であればAlOx等を使用することができる。基板(1)はいわゆるジャスト基板だけではなく、エピタキシャル成長の際の結晶性を向上させる観点から、いわゆるオフ基板(miss oriented substrate)の使用も可能である。オフ基板は、ステップフローモードでの良好な結晶成長を促進する効果を有しており、広く使用されている。オフ基板は0.5度〜2度程度の傾斜を持つものが広く用いられるが、後述する量子井戸構造を構成する材料系によっては傾斜を10度前後にすることもある。
基板(1)は、MBEあるいはMOCVD等の結晶成長技術を利用して半導体レーザを製造するために、あらかじめ化学エッチングや熱処理等を施しておいてもよい。使用する基板(1)の厚みは通常350μm程度のものであり、素子作製のプロセス中の機械的強度が確保されるようにするのが普通であり、半導体レーザの端面を形成するために、プロセス途中で100μm程度に薄くポリッシングされるのが普通である。
【0035】
バッファ層(2)は、基板バルク結晶の不完全性を緩和し、結晶軸を同一にしたエピタキシャル薄膜の形成を容易にするために設けることが好ましい。バッファ層(2)は、基板(1)と同一の化合物で構成するのが好ましく、基板(1)がGaAsの場合は通常、GaAsが使用され、基板がInPである場合にはInPが使用される。しかし、超格子層をバッファ層(2)に使用することも広く行われており、同一の化合物で形成されずGaAs基板上では、例えば、AlGaAs/GaAsの超格子構造が使用される場合もある。またバッファ層(2)の組成を徐々に層内で変化させることもできる。一方、誘電体基板を用いた場合には必ずしも基板(1)と同一の物質ではなく、その所望の発光波長、デバイス全体の構造から、適宜、基板と異なった材料が選ばれる場合もある。
【0036】
第一導電型第一クラッド層(3)は各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造(6)、あるいは基板(1)等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をGaAs基板上で実現した場合には、AlGaAs系材料、InGaP系材料、AlGaInP系材料などを使用することが可能であって、また、例えばInP基板上で実現した場合にはInGaAsP系材料などを使用することができる。
【0037】
また、特にAlGaAs系材料を用いた場合には、素子全体の熱抵抗を下げ、高出力動作に適した構造とするために、第一導電型第一クラッド層(3)のAl組成は0.40未満であることが好ましく、0.3以下であることがより好ましく、0.2以下であることがさらに好ましい。また、第一導電型第一クラッド層(3)の厚みtxn(nm)は、活性層構造(6)から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから、発振波長λ(nm)よりも大きくすることが好ましい。
【0038】
また前記の様に、第一導電型第一クラッド層(3)にAlGaAsを用いた場合には、AlxnGa1−xnAs層のAl組成が、通常のSCH構造、あるいはGRIN−SCH構造を有するLDよりも低いため、ドーパントの活性化率を高くできる効果も期待できる。特に第一導電型がn型でありSiをドーパントとする場合などにおいて、MBE法によって結晶成長をすることを想定すると、N. Chandet al., Physical review B vol.30 (1984) P.4481にある通り、Siドナーのイオン化エネルギーはAl組成に大きく依存することが知られており、低Al組成のAlGaAsにおいてはドーピングレベルを比較的少なめに設定しても十分に抵抗の小さい層を形成することができるために非常に望ましい。よって、第一導電型第一クラッド層(3)のドーピングレベルは1.0x1017cm−3〜1.0x1018cm−3であることが望ましく、3.0x1017cm−3〜7.5x1017cm−3であることがより望ましい。
さらにドーピングは第一導電型第一クラッド層(3)内で一様に行われる必要はなく、基板(1)側ほど高く、また活性層構造(6)に近い側ほど低く設定されることが望ましい。これは光密度の高い部分において自由電子による吸収を抑制するために有効な方法である。
【0039】
第一導電型第二クラッド層(4)は各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造(6)、あるいは基板等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をGaAs基板上で実現した場合には、AlGaAs系材料、InGaP系材料、AlGaInP系材料などを使用することが可能であって、また、例えばInP基板上で実現した場合にはInGaAsP系材料などを使用することができる。
【0040】
また、第一導電型第二クラッド層(4)をAlGaAs系材料で構成し、これをAlsnGa1−snAsとした場合は、そのAl組成snは0.5未満であることが好ましい。また、第一導電型第二クラッド層(4)のAl組成は、隣接する第一導電型第一クラッド層(3)のAl組成と第一光ガイド層(5)のAl組成よりも大きくする。このような構成を採用することによって、第一導電型第二クラッド層(4)は最も屈折率が小さな層となり、伝導帯側の電子や荷電子帯のホールに対して障壁となる機能を持つことになる。また、第一導電型第二クラッド層(4)のAl組成と、第一導電型第一クラッド層(3)のAl組成との差は、0.08より大きいことが望ましい。これによって、活性層構造(6)から第一導電型第一クラッド層(3)へキャリアがオーバーフローするのを第一導電型第二クラッド層(4)が十分に抑制することができる。ただし、第一導電型第一クラッド層(3)から活性層構造(6)へのキャリア注入を過度に阻害しないように、これら2つの層のAl組成の差は0.4未満にしておくことが好ましい。
【0041】
第一導電型第二クラッド層(4)の厚みtsn(nm)は、第一光ガイド層(5)の厚みtgn(nm)よりも小さいことが好ましい。このような構成を採用することによって、極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大を回避することができる。適度な縦方向のNFP拡大効果を得るためには、tsn/tgnが0.3より大きいことが好ましい。また、第一導電型第二クラッド層(4)の厚みtsnは、10nmよりも厚く、100nmよりも薄いことが好ましい。第一導電型第二クラッド層(4)の厚みtsnが10nm以下であると光学的な効果が薄れる場合があり、逆に100nm以上であると光閉じ込めが極端に弱くなってLDが発振しなくなる場合がある。
【0042】
また、第一導電型第二クラッド層(4)において、これをAlGaAs系材料で構成し、AlsnGa1−snAsとした場合は、このAl組成snが本発明のLD構造の中で比較的高いために、ドーパントのドーピングレベルは第一導電型第一クラッド層(3)と比較して高く設定することが望ましい。特に第一導電型がn型でありSiをドーパントとする場合などにおいて、MBE法によって結晶成長をすることを想定すると、そのドーピングレベルは3.0x1017cm−3〜1.0x1018cm−3であることが望ましく、4.0x1017cm−3〜7.5x1017cm−3であることがより望ましい。
【0043】
ここで、前記の第一導電型第一クラッド層(3)の平均屈折率をNxn、第一導電型第二クラッド層(4)の平均屈折率をNsn、後述する活性層構造(6)の平均的屈折率をNとすると、これら屈折率がNsn<Nxn<Nを満たすことが望ましい。これは完成した素子のFFPの中に本質的に3つの極大値が存在し、その強度がIVmainである最大値を有する主ピークと、その強度がそれぞれIVsub−とIVsub+である極大値を有する2つの副ピークから構成されており、0<IVsub/IVmain<0.5を実現するための1つの手段である(IVsubはIVsub−とIVsub+で強度の大きな方)。
【0044】
図5には示されていないが、第一導電型第一クラッド層(3)と第一導電型第二クラッド層(4)の間には、基板(1)との格子整合性等の観点、あるいは逆に意図的に導入する歪みの観点などから適宜選択されたAlGaAs系、InGaP系等の材料からなり、そのバンドギャップが第一導電型第一クラッド層(3)側では、第一導電型第一クラッド層(3)に接近しており、また第一導電型第二クラッド層(4)側では第一導電型第二クラッド層(4)に接近している様な層を挿入することも可能である。この様な遷移層は第一導電型第一クラッド層(3)側から第一導電型第二クラッド層(4)を通じて活性層構造(6)にキャリアを注入する際の電気抵抗を低減できるために非常に好ましい。
【0045】
第一導電型第二クラッド層(4)上の第一光ガイド層(5)は、各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造(6)、あるいは基板(1)等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をGaAs基板上で実現した場合には、AlGaAs系材料、InGaP系材料、AlGaInP系材料などを使用することが可能であって、また、例えばInP基板上で実現した場合にはInGaAsP系材料などを使用することができる。
【0046】
第一光ガイド層(5)をAlGaAs系材料で構成する場合、光閉じ込めを実現するために、第一光ガイド層(5)は第一導電型第一クラッド層(3)よりAl組成の小さな材料で構成する必要がある。具体的には、第一光ガイド層(5)のAl組成は0.4よりも小さいことが好ましく、0.2より小さいことがより好ましく、0.1よりも小さいことがさらに好ましい。また最も望ましいのはAlを含まないGaAsを用いる場合である。特に信頼性の観点から、Alを含まない光ガイド層が望まれる。
【0047】
また第一光ガイド層(5)の厚みtgn(nm)は、第一導電型第二クラッド層(4)にその機能を十分に発揮させるために、以下の式を満たすことが好ましい。
【数18】
0.5×[λ/(4×Ngn)] nm <tgn< 1.5×[λ/(4×Ngn)] nm
上式において、Ngnは第一光ガイド層(5)の屈折率である。第一光ガイド層(5)の厚みtgnを上式の上限未満にすることによって、特に第一導電型第二クラッド層(4)のキャリアのオーバーフロー抑制効果を十分に発揮させるとともに、キンクレベルの低下等を有効に回避することができる。また、第一光ガイド層(5)の厚みtgnを上式の下限より大きくすることによって、第一導電型第二クラッド層(4)の反導波的な特性が過度にならないようにすることができる。
【0048】
特にAlGaAs系材料によって第一光ガイド層(5)を構成した場合においては、AlGaAsからなる厚みtgnの第一光ガイド層(5)はかならずしも単一のAl組成を有する層である必要はなく、第一光ガイド層(5)の中でAl組成を変化させることも可能である。このように第一光ガイド層(5)の中でAl組成の異なる領域が存在する場合の屈折率は平均的な屈折率をもって第一光ガイド層(5)の屈折率と考えることができる。
【0049】
第一光ガイド層(5)の導電型はp型、n型、あるいはアンドープであっても本発明の効果は変わらない。
【0050】
前記の事情は活性層構造(6)の上に位置する第二光ガイド層(7)においても同様である。
【0051】
本発明で言う活性層構造(6)とは、量子効果の現れないほどに十分な膜厚を有する単層のバルク活性層である場合、あるいは、量子効果が顕著になるほどに薄い薄膜からなり、光ガイド層に障壁層としての役割を担わせた単層の量子井戸活性層(Single Quantum Well: SQW)である場合がある。また、多くの場合においては当該量子井戸層の両側には、量子井戸層よりも大きなバンドギャップを有する障壁層が具備されることから、同じSQW構造でも障壁層、量子井戸層、障壁層と積層された場合もあり得る。さらに、活性層構造が、図5に示されるように、基板(1)側から障壁層(21)、量子井戸層(22)、障壁層(23)、量子井戸層(24)、障壁層(25)と積層されたいわゆる二重量子井戸構造(Strained Double Quantum Well: S−DQW)であっても良い。さらに、量子井戸層を3層以上多重に用いた多重量子井戸構造が用いられる場合もある。また、これら量子井戸層には意図的に歪みが導入される場合もあり、例えば、しきい値を低下させるために圧縮性の応力を内在させることなどは広く行われている。また、本発明で好ましく応用される900nm〜1350nm程度の波長を有する半導体レーザにあっては、GaAs基板上にIn、GaおよびAsを含み基板に格子整合しない歪み量子井戸層を含むことで実現されるのが望ましい。
【0052】
歪み量子井戸層の具体的な材料としては、InGaAs、GaInNAs等を挙げることができる。歪みを有する量子井戸層は、その歪みの効果によって光学利得の増大等を期待することができる。このため第一クラッド層(3,9,10)と活性層構造(6)の間が、適度に弱い縦方向の光閉じ込めであっても、十分なLD特性を実現できる。このため、歪み量子井戸層は本発明においては望ましい。
【0053】
障壁層(21,23,25)の導電型はp型、n型、あるいはアンドープであっても本発明の効果は変わらないが、障壁層(21,23,25)はn型の導電型を示す部分を有することが望ましい。この様な状況においては、障壁層(21,23,25)から電子が活性層構造内の量子井戸層(22,24)に供給されることからLDの利得特性を効果的に広帯域化することができて望ましい。このような素子は後述する様にグレーティングファイバー等の外部共振器によって効果的に発振波長を固定化することができる。また、この際にn型のドーパントはSiであることが望ましい。さらに、Siの様なn型のドーパントが障壁層(21,23,25)内に一様にドーピングされているのではなく、歪み量子井戸層(22,24)等の他の層との界面近傍にはドーピングが施されず、障壁層(21,23,25)の中心付近に選択的にドーピングされていることが最も望ましい。
【0054】
第二導電型第二クラッド層(8)は、各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造(6)、あるいは基板(1)等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をGaAs基板上で実現した場合には、AlGaAs系材料、InGaP系材料、AlGaInP系材料などを使用することが可能であって、また、例えばInP基板上で実現した場合にはInGaAsP系材料などを使用することができる。
【0055】
第二導電型第二クラッド層(8)をAlGaAs系材料を用いて構成する場合には、そのAl組成は0.5未満であることが好ましい。第二導電型第二クラッド層(8)のAl組成は、隣接する第二導電型下側第一クラッド層(9)のAl組成と第二光ガイド層(7)のAl組成よりも大きくなければならない。このような構成を採用することによって、第二導電型第二クラッド層(8)は最も屈折率が小さな層となり、伝導帯側の電子や荷電子帯のホールに対して障壁となる機能を持つことになる。また、第二導電型第二クラッド層(8)のAl組成と、第二導電型下側第一クラッド層(9)のAl組成との差は、0.08より大きくすることが好ましい。これによって、活性層構造(6)から第二導電型下側第一クラッド層(9)へキャリアがオーバーフローするのを第二導電型第二クラッド層(8)が十分に抑制することができる。ただし、第二導電型下側第一クラッド層(9)から活性層構造(6)へのキャリア注入を過度に阻害しないように、Al組成の差は0.4未満にしておくことが好ましい。
【0056】
第二導電型第二クラッド層(8)の厚みtsp(nm)は、第二光ガイド層(7)の厚みtgp(nm)よりも小さいことが好ましい。このような構成を採用することによって、極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大を回避することができる。適度な縦方向のNFP拡大効果を得るためには、tsp/tgpが0.3より大きいことが好ましい。また、第二導電型第二クラッド層(8)の厚みtspは、10nmよりも厚く、100nmよりも薄いことが好ましい。第二導電型第二クラッド層(8)の厚みtspが10nm以下であると光学的な効果が薄れる場合があり、逆に100nm以上であると光閉じ込めが極端に弱くなってLDが発振しなくなる場合がある。
【0057】
第二導電型第二クラッド層(8)は、必ずしも第一導電型第二クラッド層(4)と同じ屈折率、同じ厚み、同じ材料で構成される必要はないが、縦方向のビームの対称性を確保するためには、光学的に等価である屈折率を有し、かつ同じ厚みであることが望ましい。
【0058】
また、活性層構造(6)の平均的屈折率をN、第二導電型第二クラッド層(8)の屈折率Nsp、後述する第二導電型第一クラッド層(9,10)の平均屈折率をNxpとするとき、これら屈折率がNsp<Nxp<Nを満たすことが望ましい。これは完成した素子のFFPの中に存在する最大強度がIVmainである主ピークと、極大強度がそれぞれIVsub−とIVsub+である2つの副ピークについて、0<IVsub/IVmain<0.5を実現するための1つの手段である(IVsubはIVsub−とIVsub+のうち強度が大きい方を表す)。
【0059】
特に第二導電型がp型でありBeをドーパントとする場合などにおいて、MBE法によって結晶成長をすることを想定すると、そのドーピングレベルは3.0x1017cm−3〜1.0x1018cm−3であることが望ましく、4.0x1017cm−3〜7.5x1017cm−3であることがより望ましい。
【0060】
図5には示されていないが、第二導電型第二クラッド層(8)と第二導電型下側第一クラッド層(9)の間には、基板(1)との格子整合性等の観点、あるいは逆に意図的に導入する歪みの観点などから適宜選択されたAlGaAs系、InGaP系等の材料からなり、そのバンドギャップが第二導電型第二クラッド層(8)側では、第二導電型第二クラッド層(8)に接近しており、また第二導電型下側第一クラッド層(9)側では第二導電型下側第一クラッド層(9)に接近している様な層を挿入することも可能である。この様な遷移層は第二導電型第一クラッド層(9,10)側から第二導電型第二クラッド層(8)を通じて活性層構造(6)にキャリアを注入する際の電気抵抗を低減できるために非常に好ましい。
【0061】
第二導電型第一クラッド層は、図5の態様では、第二導電型下側第一クラッド層(9)と第二導電型上側第一クラッド層(10)の二層に別れている。この場合には素子作製を容易にするために、これら二層の間にエッチング停止層を有していてもかまわない。
【0062】
第二導電型第一クラッド層(9,10)の材料は、前記の第二導電型第二クラッド層(8)と同様に選択することができる。特に第二導電型第一クラッド層(9,10)の材料としてAlGaAs系材料を用いた場合には、素子全体の熱抵抗を下げ、高出力動作に適した構造とするために、第二導電型第一クラッド層(9,10)のAl組成は0.40未満であることが好ましく、0.3以下であることがより好ましく、0.2以下であることがさらに好ましい。また、第二導電型下側第一クラッド層(9)と第二導電型上側第一クラッド層(10)の総厚みは、活性層構造(6)から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから、発振波長λよりも大きくすることが好ましい。
【0063】
第二導電型下側第一クラッド層(9)の厚みは、活性層への電流注入経路が、電流の横方向への広がりによって極端に広くならないようにするために、10nm〜200nm程度であることが望ましい。またより望ましくは20nm〜70nm程度であることが望ましい。
【0064】
また、第二導電型下側第一クラッド層(9)また第二導電型上側第一クラッド層(10)のドーピングレベルは1.0x1017cm−3〜1.0x1018cm−3であることが望ましく、3.0x1017cm−3〜7.5x1017cm−3であることがより望ましい。
さらにドーピングは第二導電型下側第一クラッド層(9)また第二導電型上側第一クラッド層(10)で一様に行われる必要はなく、コンタクト層(13)側ほど高く、また活性層構造(6)に近い側ほど低く設定されることが望ましい。これは光密度の高い部分において自由電子による吸収を抑制するために有効な方法である。
【0065】
第二導電型上側第一クラッド層(10)はその側面に形成されている電流ブロック層(11)とともに、電流閉じ込めと横方向の光閉じ込めの2つの機能を実現する。これは本発明を単一横モード動作するLDに適応する時に望ましい構成である。このために、横方向に対する電流閉じ込めの観点では、電流ブロック層(11)の導電型は第一導電型かあるいはアンドープとすることが好ましい。また、横方向の光閉じ込めの観点、特に屈折率導波を基礎とした導波路としての特性を満足するためには、電流ブロック層(11)は第二導電型第一クラッド層(9,10)よりも小さな屈折率を有する材料で形成される。この場合には、主ピークの放射パターンにおいてFFPは基本的に1つの極大値を持つこととなり、本発明において望ましい。また、横方向の光閉じ込めを、いわゆるロスガイド型にすることも可能であって、この場合には、電流ブロック層(11)を構成する材料の実効的なバンドギャップが発振波長を吸収する様にすることで、主ピークの放射パターンにおいて横方向のFFPが基本的に1つの極大値を持つ様にできるため、本発明において望ましい。
【0066】
また、本発明では電流ブロック層(11)を構成する材料は、基板(1)、活性層構造(6)、あるいはどのような横方向の導波構造とするかによって適宜選択することが可能である。例えば、第二導電型第一クラッド層(9,10)とともに、電流ブロック層(11)もAlGaAs系材料で形成し、それぞれAlxpGa1−xpAs、AlGa1−zAsであるとしたとき、そのAl組成をz>xpにすることで実屈折率導波構造が実現できる。実屈折率導波型であり、単一横モード動作する半導体レーザを作製する場合においては、電流ブロック層(11)と第二導電型上側第一クラッド層(10)との屈折率差によって主に規定される横方向の有効屈折率差は10−3のオーダであることが望ましい。さらには電流注入路の幅であって、かつ、導波路の幅に相当する、第二導電型上側第一クラッド層(10)と第二導電型下側第一クラッド層(9)が接する部分の横方向の幅Wは、LDを単一横モード動作させる観点では、紙面に垂直な共振器方向に誤差の範囲で一様であって、その幅は6μm以下であることが望ましく、より望ましくは3μm以下であることが望ましい。しかし、高出力動作と単一横モード動作の両立を目指すためには、必ずしも共振器方向に一様な導波路である必要はなく、半導体レーザの主たる光の出射方向である前端面側においては、その導波路の幅を相対的に広くして高出力動作に適する様にし、一方、後端面側においてはその導波路の幅を狭くして、単一横モード動作可能である様にすることが望ましい。また、この様な場合においては、一方の発光点近傍における電流注入路の幅をWexp、素子中の最も狭い電流注入路の幅Wstdとした場合に以下の式を満たすことが好ましい。
【数19】
1.5<Wexp/Wstd<5.0
さらに、以下の式を満たすことがより好ましい。
【数20】
2.5 < Wexp/Wstd < 3.5
【0067】
キャップ層(12)は、第1回目の成長において電流ブロック層(11)の保護層として用いられると同時に第二導電型上側第一クラッド層(10)の成長を容易にするために用いられ、素子構造を得る前に、一部または全て除去される。
【0068】
第二導電型上側第一クラッド層(10)の上には、電極(14)との接触抵抗率を下げるため等の目的で、コンタクト層(13)を設けるのが好ましい。コンタクト層(13)は、通常、GaAs材料にて構成される。この層は、通常電極(14)との接触抵抗率を低くするためにキャリア濃度を他の層より高くする。また導電型は第二導電型である。
【0069】
半導体レーザを構成する各層の厚みは、それぞれの層の機能を効果的に奏する範囲内で適宜選択される。
【0070】
また、本発明の半導体レーザにおいては、第一導電型はn型であることが望ましく、第二導電型はp型であることが望ましい。これはn型の基板の方が良質である場合が多いからである。
【0071】
図5に示す半導体レーザは、さらに電極(14)および(15)を形成することにより作製される。エピタキシャル層側電極(14)は、例えば第二導電型がp型の場合、コンタクト層(13)表面にTi/Pt/Auを順次に蒸着した後、合金化処理することによって形成される。一方、基板側電極(15)は基板(1)表面に形成され、第一導電型がn型の場合、例えばAuGe/Ni/Auを基板表面に順に蒸着した後、合金化処理することによって形成される。
【0072】
製造した半導体ウエハーには、光の出射面である端面を形成する。端面は共振器を構成する鏡となる。好ましくは、劈開により端面を形成する。劈開は広く用いられる方法であり、劈開によって形成される端面は使用する基板(1)の方位によって異なる。例えば、好適に利用されるnominally(100)と結晶学的に等価な面をもつ基板を使用して端面発光型レーザ等の素子を形成する際には、(110)もしくはこれと結晶学的に等価な面が共振器を形成する面となる。一方、オフ基板を使用するときには、傾斜させた方向と共振器方向の関係によっては端面が共振器方向と90度にならない場合もある。例えば(100)基板から、(1−10)方向に向けて角度を2度傾けた基板(1)を使用した場合には端面も2度傾くことになる。
【0073】
劈開によって素子の共振器長も決定される。一般に共振器長は長い方が高出力動作に適するが、本発明が適応される半導体レーザにおいては、これは600μm以上あることが望ましい。またさらに望ましくは900μm〜3000μmであることが望ましい。このように共振器長の上限があるのは、極端に長い共振器長を有する半導体レーザは、逆に、しきい値電流の上昇、効率の低下等、特性劣化をきたす恐れがあるからである。
【0074】
本発明では、露出した半導体端面上に、図6に示すように、誘電体、または誘電体および半導体の組合せからなるコーティング層(16,17)を形成するのが好ましい。コーティング層(16,17)は、主に半導体レーザからの光の取り出し効率を上げる目的と、端面の保護という2つの目的のために形成される。また、素子からの光出力を片側の端面から効率良く取り出すためには、発振波長に対して反射率の低い(例えば反射率10%以下)コーティング層を主たる光の出射方向である前端面に施し、また、発振波長に対して反射率の高い(例えば80%以上)のコーティング層をもう一方の後端面に施す非対称コーティングを行うのが望ましい。これは、単に素子の高出力化を進めるだけでは無く、波長安定化のために使用されるグレーティングファイバーなどの外部共振器から戻ってくる光を積極的にレーザ内部に取り込み、波長の安定化を促進する点でも非常に重要である。また、これらの目的のためには前端面の反射率は5%、より望ましくは2.5%以下であることが好ましい。
【0075】
コーティング層(16,17)には、さまざまな材料を用いることができる。例えば、AlOx、TiOx、SiOx、SiN、SiおよびZnSからなる群から選ばれる1種または2種以上の組合せを用いることが好ましい。低反射率のコーティング層としてはAlOx、TiOx、SiOx等が、また高反射率のコーティング層としてはAlOx/Siの多層膜、TiOx/SiOxの多層膜等が用いられる。それぞれの膜厚を調節することによって、所望の反射率を実現することができる。しかし、一般に低反射率のコーティング層とするAlOx、TiOx、SiOx等の膜厚は、その波長λでの屈折率の実数部分をnとしてλ/4n近傍になるように調整するのが一般的である。また、高反射多層膜の場合も、膜を構成する各材料がλ/4n近傍になるように調整するのが一般的である。
【0076】
コーティングが終了したレーザバーを再度劈開することによって、各素子を分離し、半導体レーザとすることができる。
【0077】
この様にして作製された素子、あるいは他の層をさらに有する素子においても、本発明を用いることで、半導体レーザの主要な特性を極端に悪化させることなく、そのFFPの半値全幅を実効的に低減させ、光ファイバー、レンズで構成された光学系などと半導体レーザの良好な結合を実現できる。言い換えると、第一クラッド層(3,9,10)、第二クラッド層(4,8)、光ガイド層(5,7)、活性層構造(6)等の屈折率、厚み等が適切に設定され、かつ、縦方向に関して基本モードの伝播のみが許容される様に規格化周波数がπ/2以下である半導体レーザにおいては、当該半導体レーザから出射される光の放射パターンにおいて、FFPの中に存在する最大強度がIVmainである主ピークと、極大強度がそれぞれIVsub−とIVsub+である2つの副ピークについて、0<IVsub/IVmain<0.5を実現することができる(IVsubはIVsub−とIVsub+のうち強度が大きい方を表す)。本発明においては、0<IVsub/IVmain<0.5であることが必須であって、望ましくは0<IVsub/IVmain<0.3、より望ましくは0.05<IVsub/IVmain<0.2である。これら指標は、第一クラッド層(3、9,10)、第二クラッド層(4,8)、光ガイド層(5,7)、活性層構造(6)の(平均的)屈折率、あるいは厚みなどの、絶対的、また、相対的な関係で規定されるものである。例えば、極端に第二クラッド層(4,8)の屈折率を下げること、あるいは厚みを増すこと、また光ガイド層(5,7)の厚みを極端に薄くすることなどは、導波路が過度に反導波的になりLD構造中の縦方向の光閉じ込めがあまりに弱くなり過ぎ、結果として、極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大などを招く結果となり望ましくない。
【0078】
また、本発明によって、第一クラッド層(3,9,10)、第二クラッド層(4,8)、光ガイド層(5,7)、活性層構造(6)等の屈折率、厚み等が非常に適切に設定され、かつ、縦方向に関して基本モードの伝播のみが許容されている半導体レーザにおいては、1つの主ピークがあらわれる角度をP(IVmain)、強度がIVsub−とIVsub+である2つの副ピークがあらわれる角度をそれぞれP(IVsub−)、P(IVsub+)とするとき、以下の関係を満たすことが好ましい。より好ましい範囲は、前記の図2の説明における好ましい範囲と同じである。
【数21】
|P(IVmain)−P(IVsub−)| > 40度
|P(IVsub+)−P(IVmain)| > 40度
|P(IVsub+)−P(IVsub−)| > 80度
【0079】
また、この場合においても、前記の様な適切な縦方向の設計を実施しており、かつ実屈折率導波構造を有する結果として、FFPの最大値をIHmain、これがあらわれる角度をP(IHmain)として、以下の関係も満たすことが最も望ましい。
【数22】
|P(IVmain)−P(IHmain)| < 5度
【0080】
本発明の半導体レーザに対して波長の安定化を図るためにレーザ外部に波長選択性のある鏡を準備し、外部共振器と本発明のレーザを結合させることが望ましい。特にファイバーグレーティングを用いて外部共振器を形成させること望ましい。またこの場合には、半導体レーザの他にファイバーグレーティング、温度安定化用のクーラ等を内臓した半導体レーザモジュールを形成することも可能である。ファイバーグレーティングはその目的に応じて中心波長、反射あるいは透過帯域、ファイバーグレーティングが有するレーザ側への光の反射率等を適宜選択可能である。特に前記ファイバーグレーティングのレーザ側への光の反射率がレーザの発振波長において2〜15%、好ましくは5〜10%であり、かつ、その反射帯域が中心波長に対して0.1〜5.0nm、好ましくは0.5〜1.5nmであることが望ましい。
【0081】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、濃度、厚み、操作手順等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下の実施例に示す具体例に制限されるものではない。
【0082】
<実施例1>
図5にその光の出射方向からの断面図が示されている半導体レーザを以下の手順で作製した。
先ず、キャリア濃度1.0×1018cm−3のn型GaAs基板(1)の(100)面上に、MBE法にて、バッファ層(2)として厚み0.5μmでキャリア濃度1.0×1018cm−3のSiドープn型GaAs層;第一導電型第一クラッド層(3)として厚み2.3μmで、キャリア濃度が基板側から1.3μmは7.5×1017cm−3であり、その上1μmは3.0×1017cm−3であるSiドープn型Al0.19Ga0.81As層;第一導電型二クラッド層(4)として厚みが35nmでキャリア濃度が8.0×1017cm−3のSiドープn型In0.49Ga0.51P;第一光ガイド層(5)として、厚みが80nmで、基板側から35nmはSiのドーピングレベルが2.0×1017cm−3であり、その上45nmはアンドープであるGaAs層;活性層構造(6)として、厚み5nmでキャリア濃度が7.5×1017cm−3のSiドープn型GaAs障壁層(但し量子井戸層側1nmはアンドープ)、厚み6nmのアンドープIn0.16Ga0.84As歪み量子井戸層、厚み7nmでキャリア濃度が7.5×1017cm−3のSiドープn型GaAs障壁層(但し両量子井戸層側1nmはアンドープ)、厚み6nmのアンドープIn0.16Ga0.84As歪み量子井戸層、厚み5nmで、キャリア濃度が7.5×1017cm−3のSiドープn型GaAs障壁層(但し量子井戸層側1nmはアンドープ)の5層からなる活性層構造;第二光ガイド層(7)として、厚みが80nmで、基板側から45nmはアンドープで、その上35nmはBeのドーピングレベルが3.0×1017cm−3であるGaAs層;第二導電型二クラッド層(8)として厚みが35nmでキャリア濃度が7.5×1017cm−3のBeドープp型In0.49Ga0.51P層;第二導電型下側第一クラッド層(9)として厚み25nmで、キャリア濃度が5.0×1017cm−3のBeドープp型Al0.19Ga0.81As層;電流ブロック層(11)として厚み0.3μmでキャリア濃度5.0×1017cm−3のSiドープn型Al0.23Ga0.78As層;キャップ層(12)として厚み10nmでキャリア濃度7.5×1017cm−3のSiドープn型GaAs層を順次積層した。
【0083】
最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコンマスクの開口部の幅は1.5μmとした。これをマスクとして20℃で105秒間エッチングを行い、電流注入領域部分のキャップ層と電流ブロック層を除去した。エッチング剤は、リン酸(85重量%)、過酸化水素(30重量%水溶液)および水を体積比1:1:30で混合した混合液を使用した。
【0084】
その後、MOCVD法にて第二導電型上側第一クラッド層(10)として厚み2.3μmで、キャリア濃度が基板側から1μmは4.0×1017cm−3であり、その上の1.3μmは7.5×1017cm−3であるZnドープp型Al0.19Ga0.81As層;コンタクト層(13)として厚み3.0μmで、キャリア濃度が基板側から2.7μmは1.0×1018cm−3であり、その上の0.3μmは6.0×1018cm−3であるZnドープGaAs層を再成長した。
さらに、エピタキシャル層側(p側)電極(14)としてTi/Pt/Auを、それぞれ70nm/70nm/80nmだけ蒸着し、また、基板をポリッシングした後には、基板側(n側)電極(15)としてAuGeNi/Auをそれぞれ150nm/80nmだけ蒸着し、その後、400℃で合金化を5分間行って半導体レーザ用のウエハーを完成させた。
なお、完成した半導体レーザの電流注入領域の幅Wは2.2μmであった。
【0085】
続いて、大気中で、共振器長1600μmのレーザバーの状態に劈開して(110)面を露出させ、AlOx膜を発振波長980nmにおいて前端面の反射率が2.5%になるように165nm製膜し、コーティング層(16)を形成した(図6)。さらに後端面側の処理を行うために、厚み170nmのAlOx層/厚み60nmのアモルファスSi層/厚み170nmのAlOx層/厚み60nmのアモルファスSi層の4層からなるコーティング層(17)を形成し、反射率92%の後端面を作製した。
【0086】
作製した素子の25℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は29.9mA、スロープ効率は0.91W/A、キンクレベルは620mWであった。また電流を1.22A注入した際に最大光出力761mWであった。
また450mW光出力時におけるFFPの半値全幅は23.5度であり、FFPの半値全幅は8.5度であった。この際、図4に典型例が示されるように、FFPには副ピーク、主ピーク、副ピークの順に3つのピークが確認され、それぞれのピークの位置は角度の順に、−54.6度、0.9度、55.3度であった。また主ピークの強度を1とした場合の相対的な強度は、角度順にそれぞれ、0.07、1、0.04であった。一方、FFPの主ピーク部分のFFPには1つのピークのみが確認され、そのピークの位置は−0.2度であった。なお、450mW出力時における素子の発振波長は984nmであった。
【0087】
この素子を用いて、その素子の前端面側に先端が楔型をしたファイバーレンズを有するグレーティング付の光ファイバーを実装し、バタフライ型のパッケージを有する半導体レーザモジュールを作製した。このグレーティングファイバーの反射中心は982nmであり、その反射率は3%であった。25℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流25.6mA、スロープ効率0.75mW/mAであった。結合効率は約82.4%と良好であった。
【0088】
<実施例2>
図5にその光の出射方向からの断面図が示されている半導体レーザを以下の手順で作製した。
先ず、キャリア濃度1.0×1018cm−3のn型GaAs基板(1)の(100)面上に、MOCVD法にて、バッファ層(2)として厚み0.5μmでキャリア濃度1.0×1018cm−3のSiドープn型GaAs層;第一導電型第一クラッド層(3)として厚み2.3μmで、キャリア濃度が基板側から1.3μmは7.5×1017cm−3であり、その上1μmは3.0×1017cm−3であるSiドープn型Al0.45Ga0.55As層;第一導電型二クラッド層(4)として厚みが35nmでキャリア濃度が1.0×1018cm−3のSiドープn型Al0.71Ga0.29As;第一光ガイド層(5)として、厚みが72nmで、基板側から32nmはSiのドーピングレベルが2.0×1017cm−3であり、その上40nmはアンドープであるAl0.26Ga0.74As層;活性層構造(6)として、厚み5nmでキャリア濃度が7.5×1017cm−3のSiドープn型GaAs障壁層(但し量子井戸層側1nmはアンドープ)、厚み6nmのアンドープIn0.16Ga0.84As歪み量子井戸層、厚み7nmでキャリア濃度が7.5×1017cm−3のSiドープn型GaAs障壁層(但し両量子井戸層側1nmはアンドープ)、厚み6nmのアンドープIn0.16Ga0.84As歪み量子井戸層、厚み5nmで、キャリア濃度が7.5×1017cm−3のSiドープn型GaAs障壁層(但し量子井戸層側1nmはアンドープ)の5層からなる活性層構造;第二光ガイド層(7)として、厚みが72nmで、基板側から32nmはアンドープで、その上40nmはZnのドーピングレベルが3.0×1017cm−3であるAl0.26Ga0.74As層;第二導電型二クラッド層(8)として厚みが35nmでキャリア濃度が7.5×1017cm−3のZnドープp型Al0.71Ga0.29As;第二導電型下側第一クラッド層(9)として厚み25nmで、キャリア濃度が5.0×1017cm−3のZnドープp型Al0.45Ga0.55As層;電流ブロック層(11)として厚み0.3μmでキャリア濃度5.0×1017cm−3のSiドープn型Al0.49Ga0.51As層;キャップ層(12)として厚み10nmでキャリア濃度7.5×1017cm−3のSiドープn型GaAs層を順次積層した。
【0089】
最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコンマスクの開口部の幅は1.5μmとした。これをマスクとして20℃で97秒間エッチングを行い、電流注入領域部分のキャップ層と電流ブロック層を除去した。エッチング剤は、リン酸(85重量%)、過酸化水素(30重量%水溶液)および水を体積比1:1:30で混合した混合液を使用した。
【0090】
その後、引き続きMOCVD法にて、第二導電型上側第一クラッド層(10)として厚み2.3μmで、キャリア濃度が基板側から1μmは4.0×1017cm−3であり、その上の1.3μmは7.5×1017cm−3であるZnドープp型Al0.45Ga0.55As層;コンタクト層(13)として厚み3.0μmで、キャリア濃度が基板側から2.7μmは1.0×1018cm−3であり、その上の0.3μmは6.0×1018cm−3であるZnドープGaAs層を再成長した。
さらに、エピタキシャル層側(p側)電極(14)としてTi/Pt/Auを、それぞれ70nm/70nm/80nmだけ蒸着し、また、基板をポリッシングした後には、基板側(n側)電極(15)としてAuGeNi/Auをそれぞれ150nm/80nmだけ蒸着し、その後、400℃で合金化を5分間行って半導体レーザ用のウエハーを完成させた。
なお、完成した半導体レーザの電流注入領域の幅Wは2.3μmであった。
【0091】
続いて、大気中で、共振器長1600μmのレーザバーの状態に劈開して(110)面を露出させ、AlOx膜を発振波長980nmにおいて前端面の反射率が2.5%になるように165nm製膜し、コーティング層(16)を形成した(図6)。さらに後端面側の処理を行うために、厚み170nmのAlOx層/厚み60nmのアモルファスSi層/厚み170nmのAlOx層/厚み60nmのアモルファスSi層の4層からなるコーティング層(17)を形成し、反射率92%の後端面を作製した。
【0092】
作製した素子の25℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は27.1mA、スロープ効率は0.94W/A、キンクレベルは580mWであった。また素子の最大光出力682mWであった。
【0093】
縦方向FFPの半値全幅は21.8度であり、横方向FFPの半値全幅は8.7度であった。この際、縦方向のFFPには、図4に典型例が示されるように、FFPには副ピーク、主ピーク、副ピークの順に3つのピークが確認され、それぞれのピークの位置は角度の順に、−53.5度、−0.2度、53.9度であった。また主ピークの強度を1とした場合の相対的な強度は、角度順にそれぞれ0.1、1、0.07であった。一方、FFPの主ピーク部分のFFPには1つの主ピークのみが確認され、そのピークの位置は0.5度であった。なお、450mW出力時における素子の発振波長は984nmであった。
【0094】
この素子を用いて、その素子の前端面側に先端が楔型をしたファイバーレンズを有するグレーティング付の光ファイバーを実装し、バタフライ型のパッケージを有する半導体レーザモジュールを作製した。このグレーティングファイバーの反射中心は982nmであり、その反射率は3%であった。25℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流23.6mA、スロープ効率0.78mW/mAであった。結合効率は約82.9%と良好であった。
【0095】
<実施例3>
発振波長を780nm近傍に有するロスガイド型半導体レーザを以下の手順で作製した。
先ず、キャリア濃度1.0×1018cm−3のn型GaAs基板(1)の(100)面上に、MOCVD法にて、バッファ層(2)として厚み1.0μmでキャリア濃度1.0×1018cm−3のSiドープn型GaAs層;第一導電型第一クラッド層(3)として厚み1.5μmで、キャリア濃度が基板側から1.0μmは1.0×1018cm−3であり、その上0.5μmは6.0×1017cm−3であるSiドープn型Al0.55Ga0.45As層;第一導電型二クラッド層(4)として厚みが25nmでキャリア濃度が1.0×1018cm−3のSiドープn型Al0.8Ga0.2As層;活性層構造(6)として、厚み100nmでアンドープであるAl0.15Ga0.85As単層のバルク活性層;第二導電型二クラッド層(8)として厚みが25nmでキャリア濃度が1.0×1018cm−3のZnドープp型Al0.8Ga0.2As層;第二導電型下側第一クラッド層(9)として厚み350nmで、キャリア濃度が8.0×1017cm−3のZnドープp型Al0.55Ga0.45As層;電流ブロック層(11)として厚み0.7μmでキャリア濃度3.0×1018cm−3のSiドープn型GaAs層を順次積層した。
【0096】
最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコンマスクの開口部の幅は1.2μmとした。これをマスクとして電流注入領域部分の電流ブロック層を除去した。エッチング剤は、リン酸(85重量%)、過酸化水素(30重量%水溶液)および水を体積比1:1:30で混合した混合液を使用した。
【0097】
その後、引き続きMOCVD法にて、第二導電型上側第一クラッド層(10)として厚み1.15μmで、キャリア濃度が1.4×1018cm−3であるZnドープp型Al0.55Ga0.45As層;コンタクト層(13)として厚み7.0μmで、キャリア濃度が7.0×1018cm−3であるZnドープGaAs層を再成長した。
さらに、エピタキシャル層側(p側)電極としてTi/Pt/Auを、それぞれ70nm/70nm/80nmだけ蒸着し、また、基板をポリッシングした後には、基板側(n側)電極としてAuGeNi/Auをそれぞれ150nm/80nmだけ蒸着し、その後、400℃で合金化を5分間行って半導体レーザ用のウエハーを完成させた。
なお、完成した半導体レーザの電流注入領域の幅Wは3.2μmであった。
【0098】
続いて、大気中で、共振器長250μmのレーザバーの状態に劈開して(110)面を露出させ、AlOx膜を発振波長780nmにおいて前後端面とも反射率が33%になるように製膜した。
【0099】
作製した素子の25℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は43.5mA、スロープ効率は0.29W/Aであった。また、この素子の3mW出力時における縦方向FFPの半値全幅は22.8度であり、横方向FFPの半値全幅は8.7度であった。この際には縦方向のFFPには副ピーク、主ピーク、副ピークの順に3つのピークが確認された。また主ピークの強度を1とした場合の相対的な強度は、角度順にそれぞれ0.21、1、0.11であった。一方、FFPの主ピーク部分のFFPには1つのピークのみが確認され、そのピークの位置は0.7度であった。なお、3mW出力時における素子の発振波長は775nmであった。
【0100】
<比較例1>
第一光ガイド層(5)および第二光ガイド層(7)の厚みを40nm、また、その中のアンドープ領域を10nmとし、かつ、第一導電型第二クラッド層(4)と第二導電型第二クラッド層(8)の厚みを共に50nmとした以外は、実施例1と同様にして半導体レーザを作製した。
しきい値電流は39.5mA、スロープ効率は0.70W/A、キンクレベルは485mWと、素子特性全般において実施例1に及ばなかった。素子の最大光出力も520mWと実施例1と比較して低かった。
また450mW光出力時における縦方向のFFPには、副ピーク、主ピーク、副ピークの順に3つのピークが確認され、それぞれのピークの位置は、角度の順に−55.8度、0.3度、57.6度であったが、主ピークの強度を1とした場合の相対的な強度は、角度順にそれぞれ、0.61、1.0、0.4であり、副ピークの強度は実施例1よりも非常に大きかった。なお、主ピーク部分に限ってみた縦方向のFFPの半値全幅は15.2度であり、横方向FFPの半値全幅は8.4度であった。なお、450mW出力時における素子の発振波長は992nmであった。
【0101】
この素子を用いて、実施例1と同様のバタフライ型のパッケージを有する半導体レーザモジュールを作製した。25℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流36.1mA、スロープ効率0.48mW/mAであった。結合効率は約68.6%と実施例1に及ばなかった。
【0102】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザは、半導体レーザの主要な特性を極端に悪化させることなく、出射される光の縦方向の遠視野像の半値全幅を実効的に低減させ、光ファイバーとレンズで構成された光学系などと半導体レーザとの良好な結合を実現し、かつ、半導体レーザそのものの高出力動作特性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】FFPの位置の規定を説明する図である。
【図2】本発明の半導体レーザの一態様を光の出射方向から見た断面図である。
【図3】従来の半導体レーザのFFPを示す図である。
【図4】本発明の半導体レーザのFFPを示す図である。
【図5】本発明の半導体レーザの一態様を光の出射方向から見た断面図である。
【図6】本発明の半導体レーザの一態様を示す斜視図である。
【符号の説明】
31  基板
32  素子構造
101  n型基板
102  n型第一クラッド層
103  n型第二クラッド層
104  第一光ガイド層
105  活性層構造
106  第二光ガイド層
107  p型第二クラッド層
108  p型第一クラッド層
109  コンタクト層
110  SiN層
111  p側電極
112  n側電極
121、123  歪み量子井戸層
122  障壁層
1  第一導電型基板
2  バッファ層
3  第一導電型第一クラッド層
4  第一導電型第二クラッド層
5  第一光ガイド層
6  活性層構造
7  第二光ガイド層
8  第二導電型第二クラッド層
9  第二導電型下側第一クラッド層
10  第二導電型上側第一クラッド層
11  電流ブロック層
12  キャップ層
13  コンタクト層
14  エピタキシャル層側電極
15  基板側電極
16、17  コーティング層
21、23、25  障壁層
22、24  歪み量子井戸層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be suitably used when high coupling efficiency with an optical system is desired, such as a pump light source for an optical fiber amplifier, a light source for optical information processing, and a medical semiconductor laser.
[0002]
[Prior art]
The progress of optical information processing technology and optical communication technology in recent years has not been spared.
For example, in the telecommunications field, Er as an amplifier for signal amplification having flexibility in the transmission system, as well as a large-capacity optical fiber transmission line corresponding to the future of the information communication (IT) era.3+Researches on optical fiber amplifiers (EDFAs) doped with rare earths such as those described above have been actively conducted in various fields. Development of a highly efficient semiconductor laser for an excitation light source, which is an indispensable element as an EDFA component, is awaited.
[0003]
In principle, there are three types of oscillation wavelengths of the excitation light source that can be used for EDFA application: 800 nm, 980 nm, and 1480 nm. From the viewpoint of the characteristics of the amplifier, it is known that pumping at 980 nm is most desirable in consideration of gain, noise, and the like. Such a semiconductor laser (LD) having an oscillation wavelength of 980 nm is required to satisfy the contradictory characteristics of a high output and a long life as an excitation light source. Furthermore, since it is also essential that the pumping light source for the optical amplifier realizes good coupling with the optical fiber, it is generally desired to oscillate in a single transverse mode, and a far-field image of light emitted from the semiconductor laser ( In the case of FAR (field @ pattern: FFP), it is desired that the aspect ratio in the direction perpendicular to the substrate (vertical direction) and the direction parallel to the substrate (horizontal direction) is close to 1, and the absolute value of the radiation angle is also narrow.
[0004]
On the other hand, besides the application to the communication field, the semiconductor laser has an application as an SHG light source, a heat source for a laser printer, and various applications in the medical field. In these fields, the light emitted from the semiconductor laser is often various. It is often coupled to an optical system, and it is very important that the absolute value of the FFP in the vertical and horizontal directions is narrow and that the aspect ratio is close to 1.
[0005]
In a semiconductor laser having a design in which propagation of only the fundamental mode in the longitudinal direction is allowed, that is, a semiconductor laser whose normalized frequency in the longitudinal direction is π / 2 or less, the light confinement is extremely extreme in the longitudinal and lateral directions. Is different. In the lateral light confinement, the width of the current injection region is several μm to several hundred μm, and the waveguide structure has the same dimensions. Light emission pattern (near-field image: near field pattern: NFP) of the emitted light in the horizontal direction (FFP)H) Generally has relatively little diffraction effect. On the other hand, since the vertical light confinement is realized by the active layer structure extremely thinner than the oscillation wavelength, the vertical FFP (FFP) of the emitted light isV) Has an extreme diffraction effect, and its full width at half maximum is FFP.HIt is usually wider. Therefore, in order to improve the coupling characteristics with an external optical system, the FFPVIt is desired to reduce the effective full width at half maximum of.
[0006]
Also, if such a semiconductor laser is realized, as a result, the vertical NFP (NFP)VIt is thought that the light density at the end face is reduced and the high-power operation characteristics of the semiconductor laser are also improved because the size of ()) increases.
As discussed in Non-Patent Document 1, FFPVIs known to depend on the thickness of the active layer or the light guide layer. However, by simply reducing these thicknesses, the FFPVEven if a semiconductor laser having a small width is realized, there are problems such as deterioration of other element characteristics.
[Non-Patent Document 1] C. Casey, Jr. , {M. B. Chapter 2 of Heterostructural lasers (Academic press, 1978) by Panish
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the related art.
Specifically, FFP can be performed without significantly deteriorating the main characteristics of the semiconductor laser.VOf the present invention is to effectively reduce the full width at half maximum of the semiconductor laser to realize good coupling between the semiconductor laser and an optical system composed of an optical fiber and a lens, and to improve the high output operation characteristics of the semiconductor laser itself. Issues to be solved.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies in order to solve the above-mentioned problems, and as a result, in the radiation pattern of emitted light, a far-field image (FFP) in a direction perpendicular to the substrate.VThe present inventors have found that an excellent semiconductor laser can be obtained when the above condition is satisfied, and arrived at the present invention.
[0009]
That is, the present invention, on the substrate showing the first conductivity type, at least, the first cladding layer showing the first conductivity type, the second cladding layer showing the first conductivity type, the active layer structure, the conductivity type different from the substrate A semiconductor having an oscillation wavelength λ (nm), which has a second cladding layer having the second conductivity type and a first cladding layer having the second conductivity type in this order, and in which only propagation of the fundamental mode in the longitudinal direction is allowed. A far-field image (FFP) in a direction perpendicular to the substrate in a radiation pattern of light emitted from the semiconductor laser.V), The maximum intensity is IVmainAnd the maximum intensity is IVsub-And IVsub +Is provided, and the following formula is satisfied and a semiconductor laser is provided.
(Equation 7)
0 <IVsub/ IVmain<$ 0.5
(In the above equation, IVsubIs IVsub-And IVsub +Represents the one with the greater strength. )
[0010]
In the semiconductor laser of the present invention, the angle at which the main peak appears is P (IVmain), The maximum strength is IVsub-And IVsub +The angles at which the two sub-peaks appear as P (IVsub-), P (IVsub +), It is preferable to satisfy the following expression.
(Equation 8)
| P (IVmain) -P (IVsub-) |> 40 degrees
| P (IVsub +) -P (IVmain) |> 40 degrees
| P (IVsub +) -P (IVsub-) |> 80 degrees
[0011]
According to the semiconductor laser of the present invention, in a radiation pattern of a main peak emitted from the semiconductor laser, a far-field image (FFP) in a direction parallel to the substrate is provided.HIt is preferred that there is only one local maximum in ()). In addition, a far-field image (FFP) in a direction parallel to the substrateH) Is IHmain, The angle at which the peak having the maximum intensity appears is P (IHmain), It is preferable to satisfy the following expression.
(Equation 9)
| P (IVmain) -P (IHmain) | <5 degrees
[0012]
The semiconductor laser of the present invention preferably has an oscillation wavelength λ (nm) satisfying the following expression.
(Equation 10)
900 nm <λ <1350 nm
[0013]
Further, the semiconductor laser of the present invention preferably does not have a plurality of light emitting points in the element. Also, the average refractive index of the first conductivity type first cladding layer is set to Nxn, The average refractive index of the first conductive type second cladding layer is Nsn, The average refractive index of the active layer structure is Na, The refractive index N of the second cladding layer of the second conductivity typesp, The average refractive index of the second conductive type first cladding layer is NxpIt is preferable that these refractive indexes satisfy the following expression.
[Equation 11]
Nsn<Nxn<Na
Nsp<Nxp<Na
[0014]
Further, the semiconductor laser of the present invention has a light guide layer on at least one side of the active layer structure, and has a refractive index of NgIn this case, the refractive index of each layer preferably satisfies the following expression.
(Equation 12)
Nsn<Nxn<Ng<Na
Nsp<Nxp<Ng<Na
[0015]
In the semiconductor laser of the present invention, the substrate is made of GaAs, and the first conductive type first clad layer, the first conductive type second clad layer, the second conductive type second clad layer, and the second conductive type first clad layer are provided. It is preferable that a part contains Al, Ga and As. Further, the substrate is made of GaAs, and at least a part of the first conductive type first clad layer, the first conductive type second clad layer, the second conductive type second clad layer, and the second conductive type first clad layer are In, It preferably contains Ga and P. Further, it is preferable that the active layer structure includes a strained quantum well layer, and that the quantum well layer includes In, Ga, and As. Further, it is preferable that the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type.
[0016]
The present invention also provides a semiconductor laser module comprising the above-mentioned semiconductor laser and an optical fiber on the light emitting end side of the semiconductor laser.
The semiconductor laser module of the present invention is preferably processed so that the tip of the optical fiber has a light-collecting effect and is directly optically coupled to the front end face of the semiconductor laser.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, some notations used in this specification will be described.
In this specification, the expression “the B layer formed on the A layer” refers to the case where the B layer is formed such that the bottom surface of the B layer is in contact with the upper surface of the A layer, and the case where one or more layers are formed on the upper surface of the A layer. And the case where the layer B is formed on the layer. The above expression also includes the case where the upper surface of the A layer and the bottom surface of the B layer are partially in contact with each other and one or more layers exist between the A layer and the B layer in other portions. Specific aspects are apparent from the following description of each layer and specific examples of the examples.
[0018]
In addition, the definition of the position when describing the FFP follows the ordinary method in this specification. This will be described with reference to FIG. First, it is assumed that two circles are perpendicular to each other (vertical direction) and horizontal (horizontal direction) and perpendicular to each other. Further, the devices are arranged such that the center of these two circles becomes the emission center C on the element structure. Here, a point where a straight line extending in the physical vertical direction from the light emission center C on the element structure intersects with the arcs of the two circles is 0 degree when describing FFP. That is, with this as the origin, the position for describing the FFP is defined by the angle between a straight line connecting 0 degree and the light emission center on the element structure with a point on each arc. FIG. 1 shows a position where the vertical FFP is at + φ degrees and the horizontal FFP is at + θ degrees. The light intensity distribution plotted as a function of the position defined by these angles is the FFP itself. Note that the + and-directions shown in the drawings are relative, and generally the directions may be reversed.
[0019]
In this specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit and an upper limit. Also, in the drawings attached to this specification, some parts are changed in size in order to make it easier to grasp the structure of the present invention, but actual dimensions are as described in this specification.
[0020]
The semiconductor laser of the present invention has, on a substrate having a first conductivity type, at least a first cladding layer having a first conductivity type, a second cladding layer having a first conductivity type, an active layer structure, and a conductivity type different from that of the substrate. In this order, a second cladding layer having the second conductivity type and a first cladding layer having the second conductivity type are provided in this order, and only the propagation of the fundamental mode in the longitudinal direction is allowed. Hereinafter, a preferred configuration example of the semiconductor laser of the present invention and a manufacturing method thereof will be specifically described.
[0021]
First, the main features of the semiconductor laser of the present invention will be described with reference to the LD shown in FIG. The left side of FIG. 2 shows the spatial distribution of the refractive index realized by each layer structure in the vertical direction, and the lower part of FIG. 2 shows the designation of the direction used in this figure.
[0022]
FIG. 2 shows that an n-type substrate (101)0.25Ga0.75Thickness t made of Asxn(Nm) n-type first cladding layer (102), In0.49Ga0.51Thickness t composed of Psn(Nm) n-type second cladding layer (103), thickness t of undoped GaAsgn(Nm) first light guide layer (104), thickness ta(Nm) active layer structure (105), thickness t of undoped GaAsgp(Nm) second light guide layer (106), In0.49Ga0.51Thickness t composed of Psp(Nm) p-type second cladding layer (107), Al0.25Ga0.75Thickness t made of Asxp(Nm) p-type first cladding layer (108), a contact layer (109) for lowering contact resistance with an electrode, and SiN for limiting a current injection region in the lateral direction. This shows a broad area LD composed of a layer (110), a p-side electrode (111), and an n-side electrode (112). In the present invention, the paired layers such as the n-type first cladding layer (102) and the p-type first cladding layer (108) do not necessarily have to be symmetrical, but in FIG. 2, they are made of a material having the same refractive index. The thickness also satisfies the following conditions.
(Equation 13)
txn= Txp= Tx
tsn= Tsp= Ts
tgn= Tgp= Tg
The active layer structure (105) has a thickness of 6 nm from the substrate (101) side.0.16Ga0.84As strained quantum well layer (121), GaAs barrier (barrier) layer (122) with a thickness of 8 nm, In with a thickness of 6 nm0.16Ga0.84It has a strained double quantum well structure in which an As strained quantum well layer (123) is stacked, and its oscillation wavelength is λ (nm).
[0023]
In the present invention, the vertical confinement of the active layer structure (105), which is the basis of the light confinement of the LD, is performed by two Al layers located above and below the active layer structure (105).0.25Ga0.75This is realized by a refractive index difference between the As first cladding layer (102, 108) and the two GaAs light guide layers (104, 106) including the active layer structure (105). When the substrate (101) is made of GaAs and the first cladding layers (102, 108) are made of AlGaAs from the viewpoint of lattice matching, the Al composition is preferably smaller than 0.4, more preferably 0.3. It is more preferably smaller, more preferably smaller than 0.2. This is because the thermal resistance of the entire device can be reduced by reducing the Al composition of the thickest cladding layers (102, 108) except for the substrate (101) and the contact layer (109) among the layers constituting the entire LD. This is because a structure suitable for high-output operation can be obtained. When the substrate (101) is made of GaAs, the first cladding layers (102, 108) are made of In.0.49Ga0.51It is also possible to adapt P. Furthermore, the first cladding layer (102, 108) does not need to be composed of a single material, but may be composed of a plurality of layers that act on light equivalently to a single layer. . In this case, light will be controlled by the average refractive index of these layers.
[0024]
Thickness t of first cladding layer (102, 108)x(Nm) preferably has the following relationship with the oscillation wavelength λ (nm) since it is necessary to sufficiently attenuate light in the direction away from the active layer side of the layer.
[Equation 14]
λ <tx
In particular, when the substrate is transparent to the oscillation wavelength and has a higher refractive index than the first cladding layers (102, 108) and the second cladding layers (103, 107), such as a 980 nm band LD, It is known that the substrate mode is superimposed on the mode inherent to the LD since light leaked from the cladding layers (102, 103) to the substrate (101) propagates through the substrate. In order to suppress this, it is desirable that the thickness of the first cladding layer (102, 108) be appropriately increased with respect to the wavelength.
[0025]
In addition, in order to realize light confinement, the light guide layers (104, 106) need to be made of a material having a higher refractive index than the first cladding layers (102, 108). When the substrate (101) is GaAs and the light guide layers (104, 106) are made of an AlGaAs-based material, the light guide layers (104, 106) also have an Al composition smaller than 0.4. Is preferably smaller than 0.2, more preferably smaller than 0.1. Most preferably, GaAs containing no Al is used. Particularly, from the viewpoint of reliability, a light guide layer containing no Al is desired.
[0026]
When a normal SCH (Separated Confinement Hetero-structure) structure is made of an AlGaAs-based material, the first cladding layer (102, 108) and the light guide layer (104, 106) are in direct contact with each other. The present invention is characterized in that a second clad layer (103, 107) is provided between these layers. This layer needs to have a lower refractive index than the light guide layers (104, 106) and the first clad layers (102, 108).
[0027]
As a result, as shown on the left side of FIG. 2, the second cladding layers (103, 107) are layers having the smallest values of the refractive index. On the left side of FIG. 2, the direction of the arrow described below n means the direction in which the refractive index increases. In addition, the second cladding layers (103, 107) function as barriers for electrons in the conduction band (and also for holes in the valence band, not shown here). The direction of the arrow described above Eg on the left side of FIG. 2 means the direction in which the potential increases with respect to the electrons.
[0028]
Therefore, the second cladding layers (103, 107) have a very important function with respect to vertical light confinement as described below. This second cladding layer (103, 107) is selected so as to have a lower refractive index than the light guide layer (104, 106) and the first cladding layer (102, 108). Due to the relationship between the refractive indices, the second cladding layer (103, 107) has a light distribution on its outer side, that is, on both sides of the first cladding layer (102, 108) side and the light guide layer (104, 106) side. Exhibits the pushing function. For this reason, the NFP whose distribution is appropriately expanded to the first cladding layer (102, 108) sideVContributes to achieving a relatively narrow FFP. That is, when the anti-waveguide characteristic of the second cladding layer (103, 107) acts appropriately, the existence thereof enables a relatively narrow FFP to be realized. Furthermore, when the anti-waveguide characteristics of the second cladding layers (103, 107) are acting appropriately, a very characteristic shape appears in the FFP of the device. Generally, a semiconductor laser designed so that only the fundamental mode propagates in the vertical direction, that is, an FFP of a semiconductor laser whose normalized frequency in the vertical direction is π / 2 or less.VIs a monomodal peak as shown in FIG. 3 except for secondary cases such as superposition of noise and light interference patterns. However, in the present invention, as shown in FIG.Vmain) And two minor peaks (intensities of IVsub-And IVsub +And again one of the strengths is IVsubIs also observed) and 0 <IVsub/ IVmainThe feature is that <0.5 is satisfied. This sub-peak is caused by the second cladding layer (103, 107) pushing light toward the light guide layer (104, 106), so that the NFP concentrated on a portion relatively close to the active layer.VIs generated by causing large diffraction. Therefore, the presence of the second cladding layer (103, 107) not only broadens the distribution of the NFP toward the first cladding layer (102, 108), but also makes the light near the active layer indispensable for the semiconductor laser. There is also the effect of keeping the confinement. According to the present invention, it is possible to narrow the FFP without side effects such as an increase in the threshold value of the LD, a decrease in the slope efficiency, and an increase in the drive current which occur when the FFP is narrowed (the NFP is widened). . For this purpose, the degree of concentration of light in the vicinity of the active layer in the light confinement in the vertical direction, that is, the existence of two subpeaks observed in the FFP is very important. In the present invention, 0 <IVsub/ IVmain<0.5, preferably 0 <IVsub/ IVmain<0.3, more preferably 0.05 <IVsub/ IVmain<0.2. These indices include the (average) refractive index or thickness of the first cladding layers (102, 108), the second cladding layers (103, 107), the light guide layers (104, 106), and the active layer structure (105). Are defined in an absolute and relative relationship. For example, extremely lowering the refractive index or increasing the thickness of the second cladding layer (103, 107), or extremely reducing the thickness of the light guide layer (104, 106), may cause the waveguide to be excessively thick. The optical confinement in the vertical direction in the LD structure becomes too weak, resulting in an excessive increase in oscillation threshold, a decrease in slope efficiency, an increase in drive current, etc., which is not desirable. .
[0029]
The angle at which the main peak appears is P (IVmain), Strength is IVsub-And IVsub +The angles at which the two sub-peaks appear as P (IVsub-), P (IVsub +), It is desirable that the following relationship be satisfied in the present invention.
[Equation 15]
| P (IVmain) -P (IVsub-) |> 40 degrees
| P (IVsub +) -P (IVmain) |> 40 degrees
| P (IVsub +) -P (IVsub-) |> 80 degrees
[0030]
This is NFPVIs an important index indicating the degree of concentration in the vicinity of the active layer among the components, and it is more desirable that the following relationship be satisfied.
(Equation 16)
| P (IVmain) -P (IVsub-) |> 50 degrees
| P (IVsub +) -P (IVmain) |> 50 degrees
| P (IVsub +) -P (IVsub-) |> 100 degrees
[0031]
More preferably, the following relationship is satisfied.
[Equation 17]
60 degrees> | P (IVmain) -P (IVsub-) |> 55 degrees
60 degrees> | P (IVsub +) -P (IVmain) |> 55 degrees
120 degrees> | P (IVsub +) -P (IVsub-) |> 110 degrees
[0032]
Another function of the second cladding layer (103, 107) is that when the LD drive is driven at a high temperature, or when the temperature of the active layer rises considerably due to self-heating of the LD during high-power operation. For example, In0.16Ga0.84The function is to suppress thermal leakage (overflow) of carriers from the As strained quantum well layers (121, 123) into the first cladding layers (102, 108). In this structure, as shown in FIG. 2, the carrier leaks from the active layer structure (105) side to the first clad layer (102, 108) side through the light guide layer (104, 106). Since the barrier of the second cladding layer (103, 107) is higher than the height of the barrier between the light guide layer (104, 106) and the first cladding layer (102, 108), the viewpoint of suppressing carrier overflow is also possible. desirable. However, an extremely large barrier hinders the injection of carriers injected from the first cladding layer (102, 108) side to the active layer structure (105) side, so that the first cladding layer (102, 108) is prevented. The difference between the band gap of the second cladding layer (108) and the second cladding layer (103, 107) is preferably about 0.05 eV to 0.45 eV, and more preferably about 0.1 eV to 0.3 eV.
[0033]
Next, a semiconductor laser capable of operating in a single transverse mode, which is an example of the semiconductor laser of the present invention, will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic sectional view showing a configuration of a buried stripe type semiconductor laser as an example of an epitaxial structure in the semiconductor laser of the present invention.
This semiconductor laser is formed on a semiconductor substrate (1), has a refractive index waveguide structure, and has a second conductive type first clad layer and a second conductive type upper first clad layer (10) and a second conductive type lower clad layer. The first upper cladding layer (10) of the second conductivity type and the current blocking layer (11) / cap layer (12) realize both current confinement and light confinement. The semiconductor laser further includes a contact layer (13) for lowering contact resistance with an electrode. This type of laser is used as a light source for an optical fiber amplifier used for optical communication, a pickup light source for a large-scale magneto-optical memory for information processing, and a high-power semiconductor laser for medical use. Thereby, it can be further applied to various uses.
[0034]
As the substrate (1), GaAs, InP, GaP, GaN or the like can be used for a semiconductor substrate, and AlOx or the like can be used for a dielectric substrate. As the substrate (1), not only a so-called just substrate, but also a so-called off-substrate (missoriented substrate) can be used from the viewpoint of improving crystallinity during epitaxial growth. Off-substrates have the effect of promoting good crystal growth in the step flow mode and are widely used. The off-substrate having an inclination of about 0.5 to 2 degrees is widely used, but the inclination may be about 10 degrees depending on a material system constituting a quantum well structure described later.
The substrate (1) may be previously subjected to chemical etching, heat treatment, or the like in order to manufacture a semiconductor laser using a crystal growth technique such as MBE or MOCVD. The thickness of the substrate (1) to be used is usually about 350 μm, and it is usual to secure mechanical strength during the process of manufacturing the device. In order to form the end face of the semiconductor laser, the process is performed. Normally, polishing is performed to a thickness of about 100 μm on the way.
[0035]
The buffer layer (2) is preferably provided to alleviate incompleteness of the substrate bulk crystal and facilitate the formation of an epitaxial thin film having the same crystal axis. The buffer layer (2) is preferably made of the same compound as the substrate (1). When the substrate (1) is GaAs, GaAs is usually used, and when the substrate is InP, InP is used. You. However, the use of a superlattice layer for the buffer layer (2) is also widely practiced. For example, an AlGaAs / GaAs superlattice structure may be used on a GaAs substrate instead of the same compound. . Further, the composition of the buffer layer (2) can be gradually changed in the layer. On the other hand, when a dielectric substrate is used, a material different from that of the substrate may be appropriately selected depending on the desired emission wavelength and the structure of the entire device, instead of the same material as the substrate (1).
[0036]
The first conductive type first cladding layer (3) can be made of various materials, and is appropriately selected according to the active layer structure (6) selected according to the oscillation wavelength to be realized or the substrate (1). Is done. For example, when the present invention is realized on a GaAs substrate, an AlGaAs-based material, an InGaP-based material, an AlGaInP-based material, or the like can be used. Materials and the like can be used.
[0037]
In particular, when an AlGaAs-based material is used, the Al composition of the first conductive type first cladding layer (3) is set to 0.1 in order to reduce the thermal resistance of the entire device and to obtain a structure suitable for high-output operation. It is preferably less than 40, more preferably 0.3 or less, and even more preferably 0.2 or less. Also, the thickness t of the first conductivity type first cladding layer (3)xn(Nm) is preferably larger than the oscillation wavelength λ (nm) because it is necessary to sufficiently attenuate the light in a direction away from the active layer structure (6).
[0038]
As described above, when AlGaAs is used for the first conductivity type first cladding layer (3),xnGa1-xnSince the Al composition of the As layer is lower than that of an LD having a normal SCH structure or GRIN-SCH structure, an effect of increasing the dopant activation rate can be expected. In particular, when it is assumed that crystal growth is performed by the MBE method when the first conductivity type is n-type and Si is used as a dopant, N.I. {Chandet} al. , {Physical} review {B} vol. 30 (1984) P. It is known that the ionization energy of the Si donor largely depends on the Al composition as shown in 4481. In AlGaAs having a low Al composition, a layer having sufficiently small resistance can be formed even if the doping level is set relatively low. Very desirable for being able to. Therefore, the doping level of the first conductive type first cladding layer (3) is 1.0 × 1017cm-3~ 1.0x1018cm-33.0 × 1017cm-3~ 7.5x1017cm-3Is more desirable.
Furthermore, the doping does not need to be performed uniformly in the first conductivity type first cladding layer (3), but may be set higher on the substrate (1) side and lower on the side closer to the active layer structure (6). desirable. This is an effective method for suppressing absorption by free electrons in a portion having a high light density.
[0039]
The first conductive type second cladding layer (4) can be made of various materials, and is appropriately selected according to the active layer structure (6) selected according to the oscillation wavelength to be realized, the substrate, or the like. For example, when the present invention is realized on a GaAs substrate, an AlGaAs-based material, an InGaP-based material, an AlGaInP-based material, or the like can be used. Materials and the like can be used.
[0040]
Also, the first conductivity type second cladding layer (4) is made of an AlGaAs-based material,snGa1-snIn the case of As, the Al composition sn is preferably less than 0.5. The Al composition of the first conductive type second clad layer (4) is made larger than the Al composition of the adjacent first conductive type first clad layer (3) and the Al composition of the first optical guide layer (5). . By adopting such a configuration, the first conductive type second clad layer (4) becomes a layer having the smallest refractive index, and has a function as a barrier to electrons in the conduction band and holes in the valence band. Will be. The difference between the Al composition of the first conductive type second clad layer (4) and the Al composition of the first conductive type first clad layer (3) is preferably larger than 0.08. This allows the first conductivity type second cladding layer (4) to sufficiently suppress the carrier overflow from the active layer structure (6) to the first conductivity type first cladding layer (3). However, the difference in Al composition between these two layers should be less than 0.4 so that the carrier injection from the first conductivity type first cladding layer (3) to the active layer structure (6) is not excessively inhibited. Is preferred.
[0041]
Thickness t of first conductivity type second cladding layer (4)sn(Nm) is the thickness t of the first light guide layer (5).gn(Nm) is preferable. By employing such a configuration, it is possible to avoid an extreme increase in the oscillation threshold, a decrease in the slope efficiency, and an increase in the drive current. In order to obtain a moderate vertical NFP enlargement effect, tsn/ TgnIs preferably greater than 0.3. Further, the thickness t of the first conductive type second cladding layer (4)snIs preferably thicker than 10 nm and thinner than 100 nm. Thickness t of first conductivity type second cladding layer (4)snIf it is less than 10 nm, the optical effect may be weakened, while if it is more than 100 nm, the light confinement becomes extremely weak and the LD may not oscillate.
[0042]
In the first conductivity type second cladding layer (4), the second cladding layer is made of an AlGaAs-based material.snGa1-snIn the case of As, since the Al composition sn is relatively high in the LD structure of the present invention, the doping level of the dopant may be set higher than that of the first conductive type first clad layer (3). desirable. Particularly, in the case where the first conductivity type is n-type and Si is used as a dopant, assuming that crystal growth is performed by MBE, the doping level is 3.0 × 10 317cm-3~ 1.0x1018cm-3And preferably 4.0 × 1017cm-3~ 7.5x1017cm-3Is more desirable.
[0043]
Here, the average refractive index of the first conductive type first cladding layer (3) is Nxn, The average refractive index of the first conductive type second cladding layer (4) is Nsn, The average refractive index of the active layer structure (6) described later is NaIf these refractive indices are Nsn<Nxn<NaIt is desirable to satisfy This is the FFP of the completed deviceVThere are essentially three maxima in which the intensity is IVmainThe main peak having a maximum value ofVsub-And IVsub +And two subpeaks having a maximum value of 0 <IVsub/ IVmain<0.5 is one means for realizing (IVsubIs IVsub-And IVsub +With greater strength).
[0044]
Although not shown in FIG. 5, between the first cladding layer (3) of the first conductivity type and the second cladding layer (4) of the first conductivity type, viewpoints such as lattice matching with the substrate (1) are made. Or, conversely, it is made of a material such as an AlGaAs-based material or an InGaP-based material which is appropriately selected from the viewpoint of intentionally introduced strain and the like. The first conductive type second clad layer (3) is inserted near the first conductive type second clad layer (4), and a layer close to the first conductive type second clad layer (4) is inserted on the first conductive type second clad layer (4) side. It is also possible. Such a transition layer can reduce the electric resistance when carriers are injected from the first conductive type first clad layer (3) side into the active layer structure (6) through the first conductive type second clad layer (4). Very preferred.
[0045]
The first light guide layer (5) on the first conductivity type second clad layer (4) can be made of various materials, and has an active layer structure (6) selected according to an oscillation wavelength to be realized. Alternatively, it is appropriately selected according to the substrate (1) and the like. For example, when the present invention is realized on a GaAs substrate, an AlGaAs-based material, an InGaP-based material, an AlGaInP-based material, or the like can be used. Materials and the like can be used.
[0046]
When the first light guide layer (5) is made of an AlGaAs-based material, the first light guide layer (5) has a smaller Al composition than the first conductivity type first clad layer (3) in order to realize light confinement. It must be made of material. Specifically, the Al composition of the first light guide layer (5) is preferably smaller than 0.4, more preferably smaller than 0.2, and further preferably smaller than 0.1. Most preferably, GaAs containing no Al is used. Particularly, from the viewpoint of reliability, a light guide layer containing no Al is desired.
[0047]
Also, the thickness t of the first light guide layer (5)gn(Nm) preferably satisfies the following expression in order to allow the first conductivity type second cladding layer (4) to exhibit its function sufficiently.
(Equation 18)
0.5 × [λ / (4 × Ngn)] {Nm} <tgn<1.5 × [λ / (4 × Ngn)] Nm
In the above equation, NgnIs the refractive index of the first light guide layer (5). Thickness t of first light guide layer (5)gnIs less than the upper limit of the above formula, in particular, the effect of suppressing the carrier overflow of the first conductivity type second cladding layer (4) can be sufficiently exhibited, and the reduction of the kink level can be effectively avoided. Also, the thickness t of the first light guide layer (5)gnIs set to be larger than the lower limit of the above expression, it is possible to prevent the anti-waveguiding property of the first conductive type second cladding layer (4) from becoming excessive.
[0048]
In particular, when the first optical guide layer (5) is made of an AlGaAs-based material, the thickness t of AlGaAs is used.gnThe first light guide layer (5) need not necessarily be a layer having a single Al composition, and the Al composition can be changed in the first light guide layer (5). As described above, the refractive index in the case where regions having different Al compositions exist in the first light guide layer (5) can be considered as the refractive index of the first light guide layer (5) with an average refractive index.
[0049]
The effect of the present invention does not change even if the conductivity type of the first light guide layer (5) is p-type, n-type, or undoped.
[0050]
The same applies to the second light guide layer (7) located on the active layer structure (6).
[0051]
The active layer structure (6) referred to in the present invention is a single-layer bulk active layer having a sufficient film thickness so as not to exhibit a quantum effect, or a thin film so thin that the quantum effect becomes remarkable. There may be a single quantum well active layer (Single Quantum Well: SQW) in which the light guide layer plays a role as a barrier layer. In many cases, a barrier layer having a band gap larger than that of the quantum well layer is provided on both sides of the quantum well layer. Therefore, even with the same SQW structure, the barrier layer, the quantum well layer, and the barrier layer are stacked. It could have been done. Further, as shown in FIG. 5, the active layer structure includes, from the substrate (1) side, a barrier layer (21), a quantum well layer (22), a barrier layer (23), a quantum well layer (24), and a barrier layer ( 25) and a so-called double quantum well structure (Strained Double Double Quantum Well: $ S-DQW). Further, a multiple quantum well structure using three or more quantum well layers may be used. In addition, in some cases, strain is intentionally introduced into these quantum well layers. For example, it is widely practiced to incorporate compressive stress in order to lower the threshold value. Further, a semiconductor laser having a wavelength of about 900 nm to 1350 nm which is preferably applied in the present invention is realized by including a strained quantum well layer containing In, Ga and As on a GaAs substrate and not lattice-matched to the substrate. Is desirable.
[0052]
Specific materials for the strain quantum well layer include InGaAs, GaInNAs, and the like. The strained quantum well layer can be expected to increase the optical gain and the like due to the effect of the strain. For this reason, sufficient LD characteristics can be realized even if the light between the first cladding layers (3, 9, 10) and the active layer structure (6) is moderately weak in the vertical direction. For this reason, a strained quantum well layer is desirable in the present invention.
[0053]
Even if the conductivity type of the barrier layers (21, 23, 25) is p-type, n-type, or undoped, the effect of the present invention does not change, but the barrier layers (21, 23, 25) have n-type conductivity types. It is desirable to have the parts shown. In such a situation, since the electrons are supplied from the barrier layers (21, 23, 25) to the quantum well layers (22, 24) in the active layer structure, the gain characteristic of the LD is effectively broadened. Is desirable. Such an element can effectively fix the oscillation wavelength by an external resonator such as a grating fiber as described later. At this time, the n-type dopant is preferably Si. Further, an n-type dopant such as Si is not uniformly doped in the barrier layers (21, 23, 25), but is not uniformly doped in other layers such as the strained quantum well layers (22, 24). It is most preferable that the doping is not performed in the vicinity and the doping is selectively performed in the vicinity of the center of the barrier layer (21, 23, 25).
[0054]
The second conductivity type second cladding layer (8) can be made of various materials, and is appropriately formed according to the active layer structure (6) selected according to the oscillation wavelength to be realized or the substrate (1). Selected. For example, when the present invention is realized on a GaAs substrate, an AlGaAs-based material, an InGaP-based material, an AlGaInP-based material, or the like can be used. Materials and the like can be used.
[0055]
When the second conductivity type second cladding layer (8) is formed using an AlGaAs-based material, the Al composition is preferably less than 0.5. The Al composition of the second cladding layer (8) of the second conductivity type must be larger than the Al composition of the lower first cladding layer (9) of the adjacent second conductivity type and the Al composition of the second optical guide layer (7). Must. By adopting such a configuration, the second conductivity type second cladding layer (8) becomes a layer having the smallest refractive index, and has a function as a barrier to electrons in the conduction band and holes in the valence band. Will be. The difference between the Al composition of the second cladding layer (8) of the second conductivity type and the Al composition of the lower first cladding layer (9) of the second conductivity type is preferably larger than 0.08. Thereby, the second conductive type second clad layer (8) can sufficiently suppress the carrier overflow from the active layer structure (6) to the second conductive type lower first clad layer (9). However, it is preferable that the difference in Al composition be less than 0.4 so as not to excessively hinder the carrier injection from the lower second cladding layer (9) into the active layer structure (6).
[0056]
Thickness t of the second conductivity type second cladding layer (8)sp(Nm) is the thickness t of the second light guide layer (7).gp(Nm) is preferable. By employing such a configuration, it is possible to avoid an extreme increase in the oscillation threshold, a decrease in the slope efficiency, and an increase in the drive current. In order to obtain a moderate vertical NFP enlargement effect, tsp/ TgpIs preferably greater than 0.3. Further, the thickness t of the second conductive type second cladding layer (8)spIs preferably thicker than 10 nm and thinner than 100 nm. Thickness t of the second conductivity type second cladding layer (8)spIf it is less than 10 nm, the optical effect may be weakened, while if it is more than 100 nm, the light confinement becomes extremely weak and the LD may not oscillate.
[0057]
The second cladding layer (8) of the second conductivity type does not necessarily have to have the same refractive index, the same thickness, and the same material as the second cladding layer (4) of the first conductivity type. In order to ensure the properties, it is desirable that the layers have the same refractive index and have the same thickness.
[0058]
Further, the average refractive index of the active layer structure (6) is Na, The refractive index N of the second conductive type second cladding layer (8)spThe average refractive index of the second conductive type first cladding layer (9, 10) described below is NxpWhen these refractive indices are Nsp<Nxp<NaIt is desirable to satisfy This is the FFP of the completed deviceVThe maximum intensity existing inVmainAnd the maximum intensity is IVsub-And IVsub +0 <I for two subpeaksVsub/ IVmain<0.5 is one means for realizing (IVsubIs IVsub-And IVsub +Out of the two).
[0059]
In particular, in the case where the second conductivity type is p-type and Be is used as a dopant, assuming that crystal growth is performed by MBE, the doping level is 3.0 × 10 317cm-3~ 1.0x1018cm-3And preferably 4.0 × 1017cm-3~ 7.5x1017cm-3Is more desirable.
[0060]
Although not shown in FIG. 5, between the second cladding layer (8) of the second conductivity type and the lower first cladding layer (9) of the second conductivity type, lattice matching with the substrate (1) is performed. , Or conversely, an AlGaAs-based or InGaP-based material appropriately selected from the viewpoint of intentionally introduced strain, and the band gap of the second conductive type second cladding layer (8) is It is close to the second conductive type second clad layer (8), and close to the second conductive type lower first clad layer (9) on the second conductive type lower first clad layer (9) side. It is also possible to insert such layers. Such a transition layer reduces the electrical resistance when carriers are injected from the second conductive type first clad layer (9, 10) side into the active layer structure (6) through the second conductive type second clad layer (8). Very preferred because it can.
[0061]
In the embodiment of FIG. 5, the first cladding layer of the second conductivity type is divided into two layers, a lower first cladding layer (9) of the second conductivity type and an upper first cladding layer (10) of the second conductivity type. In this case, an etching stop layer may be provided between these two layers in order to facilitate the production of the device.
[0062]
The material of the second conductive type first cladding layer (9, 10) can be selected in the same manner as the second conductive type second cladding layer (8). In particular, when an AlGaAs-based material is used as the material of the second conductive type first cladding layers (9, 10), the second conductive type first clad layer (9, 10) is formed by using the second conductive type first clad layer (9, 10) in order to reduce the thermal resistance of the entire device and to obtain a structure suitable for high-output operation. The Al composition of the mold first cladding layer (9, 10) is preferably less than 0.40, more preferably 0.3 or less, and even more preferably 0.2 or less. The total thickness of the lower first cladding layer (9) of the second conductivity type and the upper first cladding layer (10) of the second conductivity type is sufficient to attenuate light in a direction away from the active layer structure (6). Therefore, it is preferable to make the wavelength larger than the oscillation wavelength λ.
[0063]
The thickness of the lower second cladding first cladding layer (9) is about 10 nm to 200 nm so that the current injection path to the active layer does not become extremely wide due to the lateral spread of the current. It is desirable. More desirably, it is desirably about 20 nm to 70 nm.
[0064]
The doping level of the lower first cladding layer (9) of the second conductivity type and the upper first cladding layer (10) of the second conductivity type is 1.0 × 10 417cm-3~ 1.0x1018cm-33.0 × 1017cm-3~ 7.5x1017cm-3Is more desirable.
Further, the doping does not need to be performed uniformly in the lower first cladding layer (9) of the second conductivity type or the upper first cladding layer (10) of the second conductivity type. It is desirable that the lower the side is, the lower the layer structure (6) is. This is an effective method for suppressing absorption by free electrons in a portion having a high light density.
[0065]
The upper first cladding layer (10) of the second conductivity type, together with the current blocking layer (11) formed on the side surface thereof, realizes two functions of current confinement and lateral light confinement. This is a desirable configuration when the present invention is applied to an LD operating in a single transverse mode. For this reason, from the viewpoint of confining the current in the lateral direction, the conductivity type of the current blocking layer (11) is preferably the first conductivity type or undoped. Further, in order to satisfy the viewpoint of light confinement in the lateral direction, particularly, the characteristics as a waveguide based on refractive index guiding, the current blocking layer (11) is formed of the second conductivity type first cladding layer (9, 10). ) Is formed of a material having a smaller refractive index than that of the above. In this case, the FFP in the radiation pattern of the main peakHBasically has one maximum value, which is desirable in the present invention. In addition, it is also possible to make the lateral light confinement a so-called loss guide type. In this case, the effective band gap of the material forming the current blocking layer (11) absorbs the oscillation wavelength. The FFP in the horizontal direction in the radiation pattern of the main peakHCan basically have one maximum value, which is desirable in the present invention.
[0066]
In the present invention, the material constituting the current blocking layer (11) can be appropriately selected depending on the substrate (1), the active layer structure (6), or what kind of lateral waveguide structure. is there. For example, the current blocking layer (11) is formed of an AlGaAs-based material together with the second cladding-type first cladding layers (9, 10).xpGa1-xpAs, AlzGa1-zAssuming As, the real refractive index waveguide structure can be realized by setting the Al composition to z> xp. In the case of fabricating a semiconductor laser that is a real refractive index guided type and operates in a single transverse mode, the difference is mainly caused by the refractive index difference between the current blocking layer (11) and the upper first cladding layer (10) of the second conductivity type. The effective refractive index difference in the lateral direction defined by-3It is desirable that the order be Further, a portion where the second conductive type upper first clad layer (10) and the second conductive type lower first clad layer (9) are in contact with each other, which is the width of the current injection path and corresponds to the width of the waveguide. From the viewpoint of operating the LD in the single transverse mode, the width W is uniform in the range of the error in the resonator direction perpendicular to the plane of the drawing, and the width is preferably 6 μm or less, and more preferably. Is preferably 3 μm or less. However, in order to achieve high output operation and single transverse mode operation at the same time, it is not always necessary that the waveguide is uniform in the cavity direction, and the front end face side, which is the main light emission direction of the semiconductor laser, , The width of the waveguide is relatively widened to be suitable for high-power operation, while the width of the waveguide is narrowed at the rear end face so that single transverse mode operation is possible. Is desirable. In such a case, the width of the current injection path near one light emitting point is set to W.expThe width W of the narrowest current injection path in the devicestdIn this case, it is preferable to satisfy the following expression.
[Equation 19]
1.5 <Wexp/ Wstd<5.0
Further, it is more preferable to satisfy the following expression.
(Equation 20)
2.5 <Wexp/ Wstd<$ 3.5
[0067]
The cap layer (12) is used as a protective layer for the current blocking layer (11) in the first growth and at the same time to facilitate the growth of the second conductivity type upper first cladding layer (10), Before obtaining the device structure, some or all are removed.
[0068]
It is preferable to provide a contact layer (13) on the second conductivity type upper first cladding layer (10) for the purpose of lowering the contact resistivity with the electrode (14). The contact layer (13) is usually made of a GaAs material. This layer usually has a higher carrier concentration than the other layers in order to lower the contact resistivity with the electrode (14). The conductivity type is the second conductivity type.
[0069]
The thickness of each layer constituting the semiconductor laser is appropriately selected within a range in which the function of each layer is effectively exhibited.
[0070]
In the semiconductor laser of the present invention, the first conductivity type is desirably n-type, and the second conductivity type is desirably p-type. This is because an n-type substrate is often of better quality.
[0071]
The semiconductor laser shown in FIG. 5 is manufactured by further forming electrodes (14) and (15). For example, when the second conductivity type is p-type, the epitaxial layer side electrode (14) is formed by sequentially depositing Ti / Pt / Au on the surface of the contact layer (13) and then performing an alloying treatment. On the other hand, the substrate-side electrode (15) is formed on the surface of the substrate (1). When the first conductivity type is an n-type, for example, AuGe / Ni / Au is sequentially deposited on the substrate surface and then formed by alloying. Is done.
[0072]
On the manufactured semiconductor wafer, an end surface which is a light emission surface is formed. The end face becomes a mirror constituting the resonator. Preferably, the end face is formed by cleavage. Cleavage is a widely used method, and the end face formed by cleavage varies depending on the orientation of the substrate (1) used. For example, when an element such as an edge-emitting laser is formed using a substrate having a plane which is crystallographically equivalent to the preferably used normally (100), (110) or crystallographically The equivalent surface is the surface that forms the resonator. On the other hand, when an off-substrate is used, the end face may not be at 90 degrees to the resonator direction depending on the relationship between the inclined direction and the resonator direction. For example, when the substrate (1) whose angle is inclined by 2 degrees from the (100) substrate toward the (1-10) direction is used, the end face also inclines by 2 degrees.
[0073]
The cleavage also determines the resonator length of the element. In general, a longer resonator length is more suitable for high-output operation, but in a semiconductor laser to which the present invention is applied, it is desirable that this length is 600 μm or more. More desirably, the thickness is preferably 900 μm to 3000 μm. The reason for the upper limit of the cavity length is that a semiconductor laser having an extremely long cavity length may cause characteristic deterioration such as an increase in threshold current and a decrease in efficiency. .
[0074]
In the present invention, it is preferable to form a coating layer (16, 17) made of a dielectric or a combination of a dielectric and a semiconductor on the exposed semiconductor end face, as shown in FIG. The coating layers (16, 17) are formed mainly for the purpose of increasing the light extraction efficiency from the semiconductor laser and for the purpose of protecting the end faces. In order to efficiently extract the light output from the element from one end face, a coating layer having a low reflectance (for example, a reflectance of 10% or less) with respect to the oscillation wavelength is applied to the front end face which is the main light emission direction. Also, it is desirable to perform asymmetric coating in which a coating layer having a high reflectance (for example, 80% or more) with respect to the oscillation wavelength is applied to the other rear end face. This is not only to increase the output of the device, but also to stabilize the wavelength by actively taking in the light returning from an external resonator such as a grating fiber used for wavelength stabilization. It is also very important in promoting. For these purposes, the reflectance of the front end face is preferably 5%, more preferably 2.5% or less.
[0075]
Various materials can be used for the coating layers (16, 17). For example, it is preferable to use one or a combination of two or more selected from the group consisting of AlOx, TiOx, SiOx, SiN, Si and ZnS. AlOx, TiOx, SiOx or the like is used as the coating layer having a low reflectance, and a multilayer film of AlOx / Si or TiOx / SiOx is used as the coating layer having a high reflectance. By adjusting the thickness of each layer, a desired reflectance can be realized. However, in general, the film thickness of AlOx, TiOx, SiOx or the like as a coating layer having a low reflectance is generally adjusted so that the real part of the refractive index at the wavelength λ is near λ / 4n. is there. Also in the case of a highly reflective multilayer film, it is general to adjust each material constituting the film so as to be in the vicinity of λ / 4n.
[0076]
By cleaving the coated laser bar again, each element can be separated to obtain a semiconductor laser.
[0077]
The present invention can be applied to a device manufactured in this manner or a device further including another layer without significantly deteriorating the main characteristics of the semiconductor laser.VCan effectively reduce the full width at half maximum of the semiconductor laser, and can realize good coupling between the semiconductor laser and an optical system including an optical fiber and a lens. In other words, the refractive index, thickness, etc. of the first cladding layer (3, 9, 10), the second cladding layer (4, 8), the light guide layer (5, 7), the active layer structure (6) and the like are appropriately adjusted. In a semiconductor laser which is set and whose normalized frequency is π / 2 or less so that only the propagation of the fundamental mode in the vertical direction is permitted, the FFP is used in the radiation pattern of light emitted from the semiconductor laser.VThe maximum intensity existing inVmainAnd the maximum intensity is IVsub-And IVsub +0 <I for two subpeaksVsub/ IVmain<0.5 can be realized (IVsubIs IVsub-And IVsub +Out of the two). In the present invention, 0 <IVsub/ IVmain<0.5, preferably 0 <IVsub/ IVmain<0.3, more preferably 0.05 <IVsub/ IVmain<0.2. These indices are the (average) refractive index of the first cladding layer (3, 9, 10), the second cladding layer (4, 8), the light guide layer (5, 7), the active layer structure (6), or It is defined by an absolute or relative relationship such as thickness. For example, extremely lowering the refractive index or increasing the thickness of the second cladding layer (4, 8), or extremely reducing the thickness of the light guide layer (5, 7), would result in an excessively large waveguide. The optical confinement in the vertical direction in the LD structure becomes too weak, resulting in an excessive increase in oscillation threshold, a decrease in slope efficiency, an increase in drive current, etc., which is not desirable. .
[0078]
Further, according to the present invention, the refractive index, the thickness, etc. of the first clad layer (3, 9, 10), the second clad layer (4, 8), the light guide layer (5, 7), the active layer structure (6), etc. Is very appropriately set, and an angle at which one main peak appears is defined as P (IVmain), Strength is IVsub-And IVsub +The angles at which the two sub-peaks appear as P (IVsub-), P (IVsub +), It is preferable to satisfy the following relationship. The more preferable range is the same as the preferable range in the description of FIG.
(Equation 21)
| P (IVmain) -P (IVsub-) |> 40 degrees
| P (IVsub +) -P (IVmain) |> 40 degrees
| P (IVsub +) -P (IVsub-) |> 80 degrees
[0079]
Also in this case, the appropriate vertical design as described above is implemented, and as a result of having the real refractive index waveguide structure, the FFPHThe maximum value of IHmain, The angle at which this appears is P (IHmainIt is most desirable that the following relationship be satisfied.
(Equation 22)
| P (IVmain) -P (IHmain) | <5 degrees
[0080]
In order to stabilize the wavelength of the semiconductor laser of the present invention, it is desirable to prepare a mirror having wavelength selectivity outside the laser and to couple the external resonator to the laser of the present invention. In particular, it is desirable to form an external resonator using a fiber grating. In this case, it is also possible to form a semiconductor laser module including a fiber grating, a cooler for stabilizing the temperature, and the like in addition to the semiconductor laser. For the fiber grating, the center wavelength, the reflection or transmission band, the reflectance of the fiber grating with respect to the laser light, and the like can be appropriately selected according to the purpose. In particular, the reflectance of light to the laser side of the fiber grating is 2 to 15%, preferably 5 to 10% at the laser oscillation wavelength, and its reflection band is 0.1 to 5. It is desirably 0 nm, preferably 0.5 to 1.5 nm.
[0081]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The materials, concentrations, thicknesses, operating procedures, and the like shown in the following examples can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the specific examples shown in the following examples.
[0082]
<Example 1>
A semiconductor laser whose sectional view from the light emission direction is shown in FIG. 5 was manufactured by the following procedure.
First, a carrier concentration of 1.0 × 1018cm-3On the (100) plane of the n-type GaAs substrate (1), a buffer layer (2) having a thickness of 0.5 μm and a carrier concentration of 1.0 × 10 was formed by MBE.18cm-3Si-doped n-type GaAs layer having a thickness of 2.3 μm as a first conductivity type first cladding layer (3) and a carrier concentration of 1.3 μm from the substrate side is 7.5 × 1017cm-3And 1 μm is 3.0 × 1017cm-3Si-doped n-type Al0.19Ga0.81As layer; first conductive type two clad layer (4) having a thickness of 35 nm and a carrier concentration of 8.0 × 1017cm-3Si-doped n-type In0.49Ga0.51P; as the first optical guide layer (5), the thickness is 80 nm, and the doping level of Si is 2.0 × 1017cm-3A 45 nm-thick GaAs layer; an active layer structure (6) having a thickness of 5 nm and a carrier concentration of 7.5 × 1017cm-3Undoped Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on the quantum well layer side is undoped)0.16Ga0.84As strained quantum well layer, thickness 7 nm, carrier concentration 7.5 × 1017cm-3Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on both quantum well layer sides is undoped), undoped In0.16Ga0.84As strained quantum well layer, thickness 5 nm, carrier concentration 7.5 × 1017cm-3An active layer structure comprising five layers of a Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on the quantum well layer side is undoped); a second optical guide layer (7) having a thickness of 80 nm and an undoped 45 nm from the substrate side; In addition, the doping level of Be is 3.0 × 10 at 35 nm.17cm-3A GaAs layer having a thickness of 35 nm and a carrier concentration of 7.5 × 10 2 as a second conductivity type two-cladding layer (8);17cm-3Be-doped p-type In0.49Ga0.51P layer: a second conductive type lower first cladding layer (9) having a thickness of 25 nm and a carrier concentration of 5.0 × 1017cm-3Be-doped p-type Al0.19Ga0.81As layer; current blocking layer (11) having a thickness of 0.3 μm and a carrier concentration of 5.0 × 1017cm-3Si-doped n-type Al0.23Ga0.78As layer; a carrier layer of 7.5 × 10 with a thickness of 10 nm as a cap layer (12)17cm-3Of Si-doped n-type GaAs layers were sequentially laminated.
[0083]
A mask of silicon nitride was provided in a portion other than the current injection region in the uppermost layer. At this time, the width of the opening of the silicon nitride mask was 1.5 μm. Using this as a mask, etching was performed at 20 ° C. for 105 seconds to remove the cap layer and the current block layer in the current injection region. As the etching agent, a mixed solution obtained by mixing phosphoric acid (85% by weight), hydrogen peroxide (30% by weight aqueous solution) and water at a volume ratio of 1: 1: 30 was used.
[0084]
Thereafter, the thickness is 2.3 μm as the second conductivity type upper first cladding layer (10) by MOCVD, and the carrier concentration is 4.0 × 10 1 μm from the substrate side.17cm-3And 1.3 μm thereon is 7.5 × 1017cm-3Zn-doped p-type Al0.19Ga0.81As layer: a contact layer (13) having a thickness of 3.0 μm and a carrier concentration of 2.7 μm from the substrate side being 1.0 × 1018cm-3And 0.3 μm above it is 6.0 × 1018cm-3Was re-grown.
Further, Ti / Pt / Au is deposited as an epitaxial layer side (p-side) electrode (14) by 70 nm / 70 nm / 80 nm, respectively. After polishing the substrate, the substrate-side (n-side) electrode (15) is formed. Then, AuGeNi / Au was deposited by 150 nm / 80 nm, respectively, and then alloyed at 400 ° C. for 5 minutes to complete a semiconductor laser wafer.
The width W of the current injection region of the completed semiconductor laser was 2.2 μm.
[0085]
Subsequently, the substrate is cleaved in the air into a laser bar having a cavity length of 1600 μm to expose the (110) plane, and the AlOx film is made of 165 nm so that the reflectance at the front end face becomes 2.5% at an oscillation wavelength of 980 nm. The film was formed to form a coating layer (16) (FIG. 6). Further, in order to perform the processing on the rear end face side, a coating layer (17) consisting of four layers of an AlOx layer having a thickness of 170 nm / an amorphous Si layer having a thickness of 60 nm / an AlOx layer having a thickness of 170 nm / an amorphous Si layer having a thickness of 60 nm was formed. A rear end face with a reflectivity of 92% was produced.
[0086]
With respect to the current light output characteristics at 25 ° C. of the manufactured device, the threshold current was 29.9 mA, the slope efficiency was 0.91 W / A, and the kink level was 620 mW. The maximum light output was 761 mW when 1.22 A of current was injected.
FFP at 450mW light outputVHas a full width at half maximum of 23.5 degrees and is FFPHWas 8.5 degrees. At this time, as shown in FIG.V, Three peaks were confirmed in the order of the auxiliary peak, the main peak, and the auxiliary peak, and the positions of the respective peaks were -54.6 degrees, 0.9 degrees, and 55.3 degrees in the order of angles. When the intensity of the main peak was 1, the relative intensities were 0.07, 1, and 0.04, respectively, in the order of the angles. On the other hand, FFPVFFP of main peak ofHShowed only one peak, and the position of the peak was -0.2 degrees. Note that the oscillation wavelength of the device at 450 mW output was 984 nm.
[0087]
Using this element, an optical fiber with a grating having a wedge-shaped fiber lens was mounted on the front end face side of the element, and a semiconductor laser module having a butterfly type package was manufactured. The reflection center of this grating fiber was 982 nm, and the reflectance was 3%. At 25 ° C., the threshold current was 25.6 mA and the slope efficiency was 0.75 mW / mA with respect to the light emitted from the fiber end. The coupling efficiency was as good as about 82.4%.
[0088]
<Example 2>
A semiconductor laser whose sectional view from the light emission direction is shown in FIG. 5 was manufactured by the following procedure.
First, a carrier concentration of 1.0 × 1018cm-3On the (100) plane of the n-type GaAs substrate (1), a buffer layer (2) having a thickness of 0.5 μm and a carrier concentration of 1.0 × 10 was formed by MOCVD.18cm-3Si-doped n-type GaAs layer having a thickness of 2.3 μm as a first conductivity type first cladding layer (3) and a carrier concentration of 1.3 μm from the substrate side is 7.5 × 1017cm-3And 1 μm is 3.0 × 1017cm-3Si-doped n-type Al0.45Ga0.55As layer; first conductive type two clad layer (4) having a thickness of 35 nm and a carrier concentration of 1.0 × 1018cm-3Si-doped n-type Al0.71Ga0.29As: As the first light guide layer (5), the thickness is 72 nm, and the doping level of Si is 2.0 × 10 32 nm from the substrate side.17cm-3And 40 nm is undoped Al0.26Ga0.74As layer; active layer structure (6) having a thickness of 5 nm and a carrier concentration of 7.5 × 1017cm-3Undoped Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on the quantum well layer side is undoped)0.16Ga0.84As strained quantum well layer, thickness 7 nm, carrier concentration 7.5 × 1017cm-3Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on both quantum well layer sides is undoped), undoped In0.16Ga0.84As strained quantum well layer, thickness 5 nm, carrier concentration 7.5 × 1017cm-3An active layer structure comprising five layers of a Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on the quantum well layer side is undoped); a second optical guide layer (7) having a thickness of 72 nm and 32 nm from the substrate side being undoped; In addition, the 40 nm has a Zn doping level of 3.0 × 1017cm-3Al0.26Ga0.74As layer; second conductive type clad layer (8) having a thickness of 35 nm and a carrier concentration of 7.5 × 1017cm-3Zn-doped p-type Al0.71Ga0.29As: a second conductivity type lower first cladding layer (9) having a thickness of 25 nm and a carrier concentration of 5.0 × 1017cm-3Zn-doped p-type Al0.45Ga0.55As layer; current blocking layer (11) having a thickness of 0.3 μm and a carrier concentration of 5.0 × 1017cm-3Si-doped n-type Al0.49Ga0.51As layer; a carrier layer of 7.5 × 10 with a thickness of 10 nm as a cap layer (12)17cm-3Of Si-doped n-type GaAs layers were sequentially laminated.
[0089]
A mask of silicon nitride was provided in a portion other than the current injection region in the uppermost layer. At this time, the width of the opening of the silicon nitride mask was 1.5 μm. Using this as a mask, etching was performed at 20 ° C. for 97 seconds to remove the cap layer and the current block layer in the current injection region. As the etching agent, a mixed solution obtained by mixing phosphoric acid (85% by weight), hydrogen peroxide (30% by weight aqueous solution) and water at a volume ratio of 1: 1: 30 was used.
[0090]
Thereafter, the second conductive type upper first cladding layer (10) was 2.3 μm thick and the carrier concentration was 4.0 × 10 μm from the substrate side by MOCVD.17cm-3And 1.3 μm thereon is 7.5 × 1017cm-3Zn-doped p-type Al0.45Ga0.55As layer: a contact layer (13) having a thickness of 3.0 μm and a carrier concentration of 2.7 μm from the substrate side being 1.0 × 1018cm-3And 0.3 μm above it is 6.0 × 1018cm-3Was re-grown.
Further, Ti / Pt / Au is deposited as an epitaxial layer side (p-side) electrode (14) by 70 nm / 70 nm / 80 nm, respectively. After polishing the substrate, the substrate-side (n-side) electrode (15) is formed. Then, AuGeNi / Au was deposited by 150 nm / 80 nm, respectively, and then alloyed at 400 ° C. for 5 minutes to complete a semiconductor laser wafer.
The width W of the current injection region of the completed semiconductor laser was 2.3 μm.
[0091]
Subsequently, the substrate is cleaved in the air into a laser bar having a cavity length of 1600 μm to expose the (110) plane, and the AlOx film is made of 165 nm so that the reflectance at the front end face becomes 2.5% at an oscillation wavelength of 980 nm. The film was formed to form a coating layer (16) (FIG. 6). Further, in order to perform the processing on the rear end face side, a coating layer (17) consisting of four layers of an AlOx layer having a thickness of 170 nm / an amorphous Si layer having a thickness of 60 nm / an AlOx layer having a thickness of 170 nm / an amorphous Si layer having a thickness of 60 nm was formed. A rear end face with a reflectivity of 92% was produced.
[0092]
With respect to the current light output characteristics at 25 ° C. of the manufactured device, the threshold current was 27.1 mA, the slope efficiency was 0.94 W / A, and the kink level was 580 mW. The maximum light output of the device was 682 mW.
[0093]
The full width at half maximum of the vertical FFP was 21.8 degrees, and the full width at half maximum of the horizontal FFP was 8.7 degrees. At this time, the FFP in the vertical direction is, as shown in a typical example in FIG.V, Three peaks were confirmed in the order of a sub-peak, a main peak, and a sub-peak, and the positions of the respective peaks were -53.5 degrees, -0.2 degrees, and 53.9 degrees in the order of angles. When the intensity of the main peak was 1, the relative intensities were 0.1, 1, and 0.07, respectively, in the order of the angles. On the other hand, FFPVFFP of main peak ofHShowed only one main peak, and the position of the peak was 0.5 degree. Note that the oscillation wavelength of the device at 450 mW output was 984 nm.
[0094]
Using this element, an optical fiber with a grating having a wedge-shaped fiber lens was mounted on the front end face side of the element, and a semiconductor laser module having a butterfly type package was manufactured. The reflection center of this grating fiber was 982 nm, and the reflectance was 3%. At 25 ° C., the threshold current was 23.6 mA and the slope efficiency was 0.78 mW / mA with respect to the light emitted from the fiber end. The coupling efficiency was as good as about 82.9%.
[0095]
<Example 3>
A loss guide type semiconductor laser having an oscillation wavelength near 780 nm was manufactured by the following procedure.
First, a carrier concentration of 1.0 × 1018cm-3On the (100) plane of the n-type GaAs substrate (1), a buffer layer (2) having a thickness of 1.0 μm and a carrier concentration of 1.0 × 10 was formed by MOCVD.18cm-3Si-doped n-type GaAs layer: the first conductivity type first cladding layer (3) has a thickness of 1.5 μm and a carrier concentration of 1.0 × 10 μm from the substrate side.18cm-3And 0.5 μm is 6.0 × 1017cm-3Si-doped n-type Al0.55Ga0.45As layer; first conductive type two clad layer (4) having a thickness of 25 nm and a carrier concentration of 1.0 × 1018cm-3Si-doped n-type Al0.8Ga0.2As layer; undoped Al having a thickness of 100 nm as active layer structure (6)0.15Ga0.85As single bulk active layer; second conductive type clad layer (8) having a thickness of 25 nm and a carrier concentration of 1.0 × 1018cm-3Zn-doped p-type Al0.8Ga0.2As layer; second conductive type lower first cladding layer (9) having a thickness of 350 nm and a carrier concentration of 8.0 × 1017cm-3Zn-doped p-type Al0.55Ga0.45As layer; current blocking layer (11) having a thickness of 0.7 μm and a carrier concentration of 3.0 × 1018cm-3Of Si-doped n-type GaAs layers were sequentially laminated.
[0096]
A mask of silicon nitride was provided in a portion other than the current injection region in the uppermost layer. At this time, the width of the opening of the silicon nitride mask was 1.2 μm. Using this as a mask, the current block layer in the current injection region was removed. As the etching agent, a mixed solution obtained by mixing phosphoric acid (85% by weight), hydrogen peroxide (30% by weight aqueous solution) and water at a volume ratio of 1: 1: 30 was used.
[0097]
After that, the second conductive type upper first cladding layer (10) was 1.15 μm thick and had a carrier concentration of 1.4 × 10 4 by MOCVD.18cm-3Zn-doped p-type Al0.55Ga0.45As layer; contact layer (13) having a thickness of 7.0 μm and a carrier concentration of 7.0 × 1018cm-3Was re-grown.
Further, Ti / Pt / Au is deposited as an epitaxial layer-side (p-side) electrode by 70 nm / 70 nm / 80 nm, respectively, and after the substrate is polished, AuGeNi / Au is used as a substrate-side (n-side) electrode. Vapor deposition was performed at 150 nm / 80 nm, and then alloying was performed at 400 ° C. for 5 minutes to complete a semiconductor laser wafer.
The width W of the current injection region of the completed semiconductor laser was 3.2 μm.
[0098]
Subsequently, in the air, the substrate was cleaved into a laser bar having a cavity length of 250 μm to expose the (110) plane, and an AlOx film was formed at an oscillation wavelength of 780 nm so that the reflectance on both front and rear end faces was 33%.
[0099]
With respect to the current light output characteristics at 25 ° C. of the fabricated device, the threshold current was 43.5 mA, and the slope efficiency was 0.29 W / A. The full width at half maximum of the vertical direction FFP at the time of output of 3 mW of this device was 22.8 degrees, and the full width at half maximum of the horizontal direction FFP was 8.7 degrees. At this time, three peaks were confirmed in the vertical FFP in the order of the sub-peak, the main peak, and the sub-peak. When the intensity of the main peak was 1, the relative intensities were 0.21, 1, and 0.11, respectively, in the order of angles. On the other hand, FFPVFFP of main peak ofHShowed only one peak, and the position of the peak was 0.7 degree. The oscillation wavelength of the device at the time of output of 3 mW was 775 nm.
[0100]
<Comparative Example 1>
The thickness of the first light guide layer (5) and the second light guide layer (7) is 40 nm, the undoped region therein is 10 nm, and the first conductive type second clad layer (4) and the second conductive A semiconductor laser was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the mold second cladding layer (8) was both 50 nm.
The threshold current was 39.5 mA, the slope efficiency was 0.70 W / A, and the kink level was 485 mW, which was lower than that of Example 1 in overall device characteristics. The maximum light output of the device was 520 mW, which was lower than that of Example 1.
Further, in the vertical FFP at the time of 450 mW light output, three peaks are confirmed in the order of the sub-peak, the main peak, and the sub-peak, and the positions of the respective peaks are -55.8 degrees and 0.3 degrees in the order of angles. , 57.6 degrees, but the relative intensities when the intensity of the main peak is 1 are 0.61, 1.0, and 0.4, respectively, in the order of the angles. It was much larger than in Example 1. The full width at half maximum of the vertical FFP as measured only at the main peak portion was 15.2 degrees, and the full width at half maximum of the horizontal FFP was 8.4 degrees. Note that the oscillation wavelength of the device at 450 mW output was 992 nm.
[0101]
Using this device, a semiconductor laser module having a butterfly-type package similar to that of Example 1 was manufactured. At 25 ° C., the threshold current was 36.1 mA and the slope efficiency was 0.48 mW / mA for the light emitted from the fiber end. The coupling efficiency was about 68.6%, which was lower than that of Example 1.
[0102]
【The invention's effect】
The semiconductor laser of the present invention effectively reduces the full width at half maximum of the vertical far-field image of the emitted light without extremely deteriorating the main characteristics of the semiconductor laser, and an optical device comprising an optical fiber and a lens. Good coupling between the system and the semiconductor laser can be realized, and the high-output operation characteristics of the semiconductor laser itself can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating the definition of the position of an FFP.
FIG. 2 is a cross-sectional view of one embodiment of the semiconductor laser of the present invention as viewed from a light emitting direction.
FIG. 3 shows a conventional semiconductor laser FFP.VFIG.
FIG. 4 is an FFP of the semiconductor laser of the present invention.VFIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of one embodiment of the semiconductor laser of the present invention as viewed from a light emission direction.
FIG. 6 is a perspective view illustrating one embodiment of a semiconductor laser of the present invention.
[Explanation of symbols]
31 substrate
32mm element structure
101 n-type substrate
102 n-type first cladding layer
103 n-type second cladding layer
104 first light guide layer
105 active layer structure
106 ° second light guide layer
107 p-type second cladding layer
108 p-type first cladding layer
109 contact layer
110 SiN layer
111 p side electrode
112 n side electrode
121, 123 strained quantum well layer
122 barrier layer
1 1st conductivity type substrate
2 Buffer layer
3 First conductivity type first cladding layer
4} First conductivity type second cladding layer
5 First light guide layer
6 Active layer structure
7 Second light guide layer
8 Second conductive type second cladding layer
9 Lower second cladding layer of second conductivity type
10 Second conductivity type upper first cladding layer
11 Current block layer
12mm cap layer
13 Contact layer
14 Epitaxial layer side electrode
15mm substrate side electrode
16, 17 coating layer
21, 23, 25 ° barrier layer
22,24 ° strained quantum well layer

Claims (14)

第一導電型を示す基板上に、少なくとも、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、活性層構造、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層をこの順に有しており、縦方向に関して基本モードの伝播のみが許容されている発振波長λ(nm)の半導体レーザであって、
当該半導体レーザから出射される光の放射パターンにおいて、基板に垂直な方向の遠視野像(FFP)の中に、最大強度がIVmainである主ピークと、極大強度がそれぞれIVsub−とIVsub+である2つの副ピークが存在するとともに、以下の式を満たすことを特徴とする半導体レーザ。
Figure 2004103678
(上式において、IVsubはIVsub−とIVsub+のうち強度が大きい方を表す。)
On the substrate showing the first conductivity type, at least a first conductivity type first clad layer, a first conductivity type second clad layer, an active layer structure, a second conductivity type second clad layer, a second conductivity type first clad A semiconductor laser having an oscillation wavelength λ (nm) that has layers in this order and only allows propagation of a fundamental mode in the longitudinal direction.
In a radiation pattern of light emitted from the semiconductor laser, in a far-field image (FFP V ) in a direction perpendicular to the substrate, a main peak having a maximum intensity of I Vmain and maximum intensities of I Vsub− and I Vsub− , respectively. A semiconductor laser having two subpeaks of Vsub + and satisfying the following expression.
Figure 2004103678
(In the above formula, I Vsub represents the larger one of I Vsub− and I Vsub + .)
請求項1記載の半導体レーザであって、主ピークが現れる角度をP(IVmain)、極大強度がIVsub−とIVsub+である2つの副ピークが現れる角度をそれぞれP(IVsub−)、P(IVsub+)とするとき、以下の式を満足することを特徴とする半導体レーザ。
Figure 2004103678
The semiconductor laser of claim 1 wherein the angle of the P (I Vmain) the main peak appears, each maximum intensity I Vsub- and I Vsub + a is two sub peak appears angle P (I Vsub-), A semiconductor laser characterized by satisfying the following expression when P ( IVsub + ).
Figure 2004103678
請求項1または2に記載の半導体レーザであって、当該半導体レーザから出射される主ピークの放射パターンにおいて、基板に平行な方向の遠視野像(FFP)の中に1つの極大値しか存在しないことを特徴とする半導体レーザ。3. The semiconductor laser according to claim 1, wherein in a radiation pattern of a main peak emitted from the semiconductor laser, only one local maximum exists in a far-field image (FFP H ) in a direction parallel to the substrate. A semiconductor laser characterized by not being used. 請求項3に記載の半導体レーザであって、基板に平行な方向の遠視野像(FFP)の最大強度をIHmain、当該最大強度を有するピークが現れる角度をP(IHmain)とするとき、以下の式を満足することを特徴とする半導体レーザ。
Figure 2004103678
4. The semiconductor laser according to claim 3, wherein the maximum intensity of the far-field image (FFP H ) in the direction parallel to the substrate is I Hmain , and the angle at which the peak having the maximum intensity appears is P (I Hmain ). And a semiconductor laser satisfying the following expression.
Figure 2004103678
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザであって、その発振波長λ(nm)が以下の式を満たすことを特徴とする半導体レーザ。
Figure 2004103678
The semiconductor laser according to claim 1, wherein the oscillation wavelength λ (nm) satisfies the following expression.
Figure 2004103678
請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体レーザであって、素子内に複数の発光点を有しないことを特徴とする半導体レーザ。The semiconductor laser according to claim 1, wherein the semiconductor laser does not have a plurality of light emitting points in the element. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体レーザであって、第一導電型第一クラッド層の平均屈折率をNxn、第一導電型第二クラッド層の平均屈折率をNsn、活性層構造の平均的屈折率をN、第二導電型第二クラッド層の屈折率Nsp、第二導電型第一クラッド層の平均屈折率をNxpとするとき、これら屈折率が以下の式を満たすことを特徴とする半導体レーザ。
Figure 2004103678
The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 6, wherein an average refractive index of the first conductive type first cladding layer is Nxn , and an average refractive index of the first conductive type second cladding layer is Nsn. , an average refractive index of the active layer structure N a, the refractive index N sp of the second conductive type second clad layer, when the average refractive index of the second conductive type first clad layer and N xp, these refractive index A semiconductor laser characterized by satisfying the following expression.
Figure 2004103678
請求項7に記載の半導体レーザであって、活性層構造の少なくとも片側に光ガイド層を有し、この屈折率をNとするとき、各層の屈折率が以下の式を満たすことを特徴とする半導体レーザ。
Figure 2004103678
The semiconductor laser according to claim 7, having at least one side to the light guide layer of the active layer structure, when the refractive index N g, and wherein the refractive index of each layer satisfies the following formula Semiconductor laser.
Figure 2004103678
請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体レーザであって、基板がGaAsからなり、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の少なくとも一部分がAl,GaおよびAsを含むことを特徴とする半導体レーザ。The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 8, wherein the substrate is made of GaAs, and the first conductive type first clad layer, the first conductive type second clad layer, and the second conductive type second clad. A semiconductor laser, wherein at least a part of the first cladding layer and the second conductivity type contains Al, Ga and As. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体レーザであって、基板がGaAsからなり、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の少なくとも一部がIn、GaおよびPを含むことを特徴とする半導体レーザ。The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 9, wherein the substrate is made of GaAs, and the first conductive type first clad layer, the first conductive type second clad layer, and the second conductive type second clad. A semiconductor laser, wherein at least a part of the first cladding layer and the second conductivity type contains In, Ga and P. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体レーザであって、活性層構造が歪み量子井戸層を含み、当該量子井戸層がIn、GaおよびAsを含むことを特徴とする半導体レーザThe semiconductor laser according to claim 1, wherein the active layer structure includes a strained quantum well layer, and the quantum well layer includes In, Ga, and As. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体レーザであって、第一導電型側がn型で、第二導電型がp型であることを特徴とする半導体レーザ。The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 11, wherein the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体レーザと、当該半導体レーザの光の出射端側に光ファイバーを具備することを特徴とする半導体レーザモジュール。A semiconductor laser module, comprising: the semiconductor laser according to claim 1; and an optical fiber on a light emitting end side of the semiconductor laser. 請求項13に記載の半導体レーザモジュールであって、光ファイバーの先端が集光効果を有し、かつ、半導体レーザの前端面と直接光学的に結合する様に加工されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。14. The semiconductor laser module according to claim 13, wherein the tip of the optical fiber has a light-collecting effect and is processed so as to be directly optically coupled to the front end face of the semiconductor laser. Laser module.
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