JP2004111622A

JP2004111622A - Semiconductor laser device

Info

Publication number: JP2004111622A
Application number: JP2002271582A
Authority: JP
Inventors: Kimio Shigihara; 鴫原　君男; Kazue Kawasaki; 川崎　和重
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2004-04-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser device for suppressing a temperature change in threshold current even in the case that an ambient temperature rises. <P>SOLUTION: The semiconductor laser device 20 comprises an active layer 6; a laminated structure including two clad layers 3 and 10 sandwiching the active layer 6; and a multi-layer reflective film 30 laminated with the light axis direction as normal direction, to at least one end face part of two opposite end face parts of the laminated structure in the light axis direction of oscillated laser light. The reflective film is formed by laminating one or more layers of a first reflective film 21 having a larger refractive index than the square root of the effective refractive index of the laminated structure and a second reflective film 22 having a small refractive index. The reflective film having the minimum value of reflectance in a shorter wavelength of 10 nm or more than an oscillation wavelength at 25°C, and the reflectance increases dependent on the increase of the wavelength in a wavelength range of the wavelength of the minimum value to the oscillation wavelength. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理用の光源、光通信の信号源、あるいはファイバアンプの励起光源として用いられる半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子は、光情報処理、光通信、ファイバアンプ等、多岐にわたる用途に用いられている。この半導体レーザ素子は、注入電流が所定のしきい値電流を越えた場合に損失と利得とが一致する発振条件を満足し、レーザ発振を生じ、レーザ光が照射される。
【０００３】
従来、半導体レーザ素子における注入電流の温度変化についての研究が知られている（Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｃｈｏｙ　ｅｔ．　ａｌ．，　”Ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｓｏｌａｔｏｒ−ｆｒｅｅ　１３１０ｎｍｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｔｔｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ａｔ　２．５　Ｇｂ／ｓ　ｏｖｅｒ　１５ｋｍ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉｔ　（ＯＦＣ２０００２），　Ａｎａｈｅｉｍ，　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，　Ｕ．Ｓ．Ａ．，　Ｎｏ．　ＴｈＧＧ７７，　ｐｐ７１９−７２１，　Ｍａｒｃｈ　２００２）。上記研究によれば、半導体レーザのしきい値電流Ｉ_ｔｈは、下記式（１）
【数１】
Ｉ_ｔｈ∝ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ_０）　　　（１）
で表されるように温度上昇に伴って変化する。ここで、Ｔは活性層の温度（Ｋ）であり、Ｔ_０は温度依存性の目安となる特性温度であり、通常、４５〜６０Ｋとされている。このため、図１５に示すように、周囲温度が０℃（２７３．１５Ｋ）から８５℃まで昇温されるに従って、しきい値電流Ｉ_ｔｈは約１２ｍＡから約３０ｍＡ程度まで増加している。これは温度上昇に伴って発光効率が低下することに起因する現象である。
【０００４】
なお、従来、波長の増加とともに減少する損失を有し、最大動作温度に対応するレーザ光波長を中心とするピーク反射率を有する半導体レーザ素子がある（例えば、特許文献１参照）。また、端面において波長と共に大きくなる反射率を有する半導体レーザがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−８５４０３号公報
【特許文献２】
特開平７−７４４２７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子には、上述の通り、周囲温度が上昇するに伴ってしきい値電流が大幅に増加するという問題がある。そのため、従来はペルティエ素子等によって冷却を行っていたが、高価なために半導体レーザ素子を含めた全体のコストアップが避けられなかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、周囲温度が上昇した場合にもしきい値電流の温度変化を抑制できる半導体レーザ素子を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟む２つのクラッド層とを含む積層構造体と、
前記活性層及び前記クラッド層に平行に発振されるレーザ光の光軸方向について前記積層構造体の相対する２つの端面部のうち、少なくとも一方の端面部に光軸方向を法線方向として積層された多層反射膜と
を備えた半導体レーザ素子であって、
前記多層反射膜は、前記積層構造体の実効屈折率の平方根より大きい屈折率を有する第１反射膜と、前記実効屈折率の平方根より小さい屈折率を有する第２反射膜とのそれぞれ一層以上が積層されて構成されており、
前記多層反射膜は、前記半導体レーザ素子の２５℃での発振波長より１０ｎｍ以上短い波長において反射率の極小値を有し、前記極小値の波長から前記発振波長までの波長範囲において、前記多層反射膜の反射率は波長の増大に依存して増加することを特徴とする。
【０００９】
また、前記多層反射膜は、前記発振波長よりも１０ｎｍ短い波長において、反射率が１％以下であることが好ましい。
【００１０】
さらに、前記多層反射膜は、前記第１反射膜と、前記第２反射膜とが、交互に積層されていることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００１２】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子について、図１から図５を用いて説明する。図１は、レーザ光の光軸方向をｚ軸方向とした場合において、半導体レーザ素子の光軸方向に垂直なｘ−ｙ面の断面構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子２０は、リッジ導波路型半導体レーザ素子であって、量子井戸活性層６ａ、６ｂと、該活性層６ａ、６ｂを挟む２枚のクラッド層３、１０とからなる導波層を備えた積層構造体を有する。この積層構造体は、積層方向について、順に、ｎ側電極１、ｎ−ＧａＡｓ基板２、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３、ｎ側アンドープＡｌＧａＡｓガイド層４、ｎ側アンドープＧａＡｓガイド層５、アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層６ａ、アンドープＧａＡｓバリア層７、アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層６ｂ、ｐ側アンドープＧａＡｓガイド層８、ｐ側アンドープＡｌＧａＡｓガイド層９、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１０、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１１、Ｓｉ_３Ｎ_４絶縁層１２及びｐ側電極１３が順に積層されている。さらに、絶縁層１２には、凸部形状のリッジ領域１５の頂部で開口が設けられ、キャップ層１１とｐ側電極１３とが電気的に接続されている。また、ｐ側電極１３には金線１４が接続され、外部との電気的接続が行われる。このようにＳｉ_３Ｎ_４絶縁層１２に開口を設けることによって電流を閉じ込めることができる。
【００１３】
さらに、この半導体レーザ素子２０では、リッジ領域１５が光軸方向に延在して設けられており、該リッジ領域１５を挟んで２列の低屈折率領域１６が光軸方向に延在して設けられている。さらに、該リッジ領域１５と２列の低屈折率領域１６とを挟んで２列の高屈折率領域１７が光軸方向に延在して設けられている。この半導体レーザ素子２０は、リッジ領域１５の外側に低屈折率領域１６を設けているので、リッジ領域１５にレーザ光を効率的に閉じ込めることができる。
【００１４】
また、図２は、この半導体レーザ素子２０の上記積層構造体の端面部に設けられた多層反射膜３０の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子２０では、２枚の上下クラッド層及び該クラッド層に挟まれた活性層とを含む導波層（実効屈折率ｎｃ＝３．３７）の端面に光軸方向のｚ軸を法線方向として多層反射層が積層されている。この多層反射層３０は、導波層の端面から、酸化タンタルＴａ_２Ｏ_５の第１層膜２１（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚ｄ１＝６９．１６ｎｍ）、アルミナＡｌ_２Ｏ_３の第２層膜２２（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚ｄ２＝８３．５６ｎｍ）が順に積層された２層反射膜３０で構成されている。２層反射膜３０のそれぞれの膜厚を上記のように設定することにより、２層反射膜３０の反射率が極小値を示す波長を９５０ｎｍに設定することができる。室温２５℃における発振波長が９８０ｎｍである場合、発振波長の温度係数が最大でも０．４℃であるので、通常使用される下限温度の０℃では、発振波長はおよそ室温２５℃の場合より１０ｎｍ程度短波長側にシフトする。そこで、上記のように２層反射膜の反射率の極小値を、２５℃の場合の発振波長より１０ｎｍ以上の短波長側にあらかじめ設定しておく。これにより、通常使用される０℃から８５℃の温度範囲において、発振波長は、２層反射膜の反射率が波長と共に増加する領域内にある。後述するように、反射膜の反射率が波長に依存して大きくなる場合には損失も波長に依存して変化する。発振は利得と損失が釣り合う波長で起こる。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。通常、上述の通り、しきい値電流は温度上昇に伴って大きくなるが、これを相殺するように、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００１５】
なお、多層反射膜は、上記アルミナ、酸化タンタルに限定されない。また、２５℃での発振波長をファイバアンプ用の９８０ｎｍの場合について説明したが、これに限定されない。
【００１６】
次に、２層反射膜３０の反射率の極小値を所定値に設定する条件について説明する。２層反射膜３０を構成する第１層膜２１及び第２層膜２２の位相変化をそれぞれφ１、φ２とすると、下記式（２）及び（３）のように定義される。
【数２】

【数３】

【００１７】
この場合に、振幅反射率ｒは次式（４）で表される。
【数４】

【００１８】
上記式（４）の分母分子における実部Ｒｅ１、Ｒｅ２と虚部Ｉｍ１，Ｉｍ２は、それぞれ次式（５ａ）から式（５ｄ）のように表される。
【数５】

【数６】

【数７】

【数８】

【００１９】
また、電力反射率Ｒは、上記振幅反射率ｒを用いて｜ｒ｜^２で表される。この電力反射率Ｒは、次式（６ａ）、（６ｂ）をそれぞれ満たす場合にその大きさがゼロとなる。
【数９】

【数１０】

【００２０】
この半導体レーザ素子２０では、導波層の等価屈折率ｎｃ＝３．３７、第１層膜が酸化タンタル（ｎ１＝２．０５７）、第２層膜がアルミナ（ｎ２＝１．６２）である。そこで、上記式（６ａ）、（６ｂ）を用いて、反射率の極小値が、２５℃での発振波長９８０ｎｍより１０ｎｍ以上短波長側の９５０ｎｍとなる条件を求める。この場合、第１層膜２１の膜厚ｄ１＝６９．１６ｎｍ、第２層膜の膜厚ｄ２＝８３．５６ｎｍとが得られる。図３は、この２層反射膜３０の反射率の波長依存性を示すグラフである。グラフの横軸は波長であり、縦軸は反射率である。このグラフに示すように、２層反射膜３０の反射率は、９５０ｎｍで極小値を示し、それより長波長側で単調増加する。単層膜では最適な反射率が得られない場合にも上記のように多層膜を積層することによって所望の反射率の条件を満足することができる。
【００２１】
図４及び図５は、半導体レーザ素子の損失と利得との関係を示すグラフである。グラフの横軸は波長、縦軸は損失又は利得の大きさである。また、各図には低温（実線）及び高温（点線）のそれぞれの場合の利得について示している。この損失と波長との関係について説明する。半導体レーザ素子における単位長さ当りの全損失α_ｔは、内部損失α_ｉｎと反射損失（ミラー損失：ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ）とを用いて下記式（７）のように表すことができる。
【数１１】

ここで、Ｌは共振器長（１５００μｍ）、Ｒ_ｆは前端面反射率、Ｒ_ｒは後端面反射率である。また、裏面反射率Ｒｒは９８％で波長に依存しないものとし、内部損失α_ｉｎは０とする。なお、共振器長Ｌは上記１５００μｍに限られない。また、裏面反射率Ｒｒは９８％に限定されず、内部損失α_ｉｎも０に限定されない。
【００２２】
半導体レーザ素子は、低温では短波長側で利得と損失が釣り合うが、温度が上昇すると半導体レーザ素子の活性層におけるバンドギャップが収縮するため、長波長側で利得と損失とが釣り合うようになる。例えば、端面反射率Ｒ_ｆ、Ｒ_ｔが波長に依存しない場合には、全損失α_ｔも波長に依存せず、図４に示すように、周囲温度が高温となって利得ピーク波長がλ_ｌからλ_ｈへ長波長側にシフトした場合にも損失は変化しない。一方、端面反射率Ｒ_ｆ、Ｒ_ｔが波長に依存して大きくなる場合には全損失α_ｔも波長に依存して変化する。そこで、図５に示すように、周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになり、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００２３】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子について、図６及び７を用いて説明する。図６は、この半導体レーザ素子２０の端面部に設けられた多層反射膜３０の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子２０は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子と比較すると、端面部における反射膜が酸化タンタルとアルミナの２層膜を２段重ねられた４層反射膜４０で構成されている点で相違する。この４層反射膜４０は、２枚の上下クラッド層及び該クラッド層３、１０に挟まれた活性層６ａ、６ｂとを含む導波層（実効屈折率ｎｃ＝３．３７）の端面に、酸化タンタルＴａ_２Ｏ_５の第１層膜２１（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ａｄ１）、アルミナの第２層膜２２（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ａｄ２）、酸化タンタルの第３層膜２３（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｂｄ１）、アルミナＡｌ_２Ｏ_３の第４層膜２４（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｂｄ２）が順に積層されている。また、この４層反射膜４０は屈折率１．０の自由空間４５と接している。ここで、Ａ、Ｂはパラメータであり、Ａ＝１．２、Ｂ＝０．８とし、ｄ１＝６１．８５ｎｍ、ｄ２＝１６９．４７ｎｍとしている。そこで、第１層膜２１から第４層膜２４にわたる膜厚は、順に、７４．２２ｎｍ／２０３．３６ｎｍ／４９．４８ｎｍ／１３５．５８ｎｍである。４層反射膜４０のそれぞれの膜厚を上記のように設定することにより、４層反射膜４０の反射率が極小値を示す波長を９５０ｎｍに設定することができる。これにより、通常使用される０℃から８５℃の温度範囲において、発振波長は、４層反射膜４０の反射率が波長と共に増加する領域内にある。前述の通り、反射膜の反射率が波長に依存して大きくなる場合には損失も波長に依存して変化する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００２４】
次に、この４層反射膜４０の反射率が所定波長で極小値をとるように設定する条件について検討する。４層反射膜４０の場合には、振幅反射率は下記式で表される。
【数１２】

【００２５】
ここで、上記ｍ_ｉｊ（ｉ，ｊは１又は２）は下記式で表される。
【数１３】

なお、Ａ，Ｂは、第１層膜２１の膜厚Ａｄ１、第２層膜２２の膜厚Ａｄ２、第３層膜２３の膜厚Ｂｄ１、第４層膜２４の膜厚Ｂｄ２とした場合のパラメータである。
【００２６】
そこで、実施の形態１の２層膜の場合と同様に、波長λ＝９５０ｎｍにおいて振幅反射率ｒの実部及び虚部が共にゼロとなる各層の厚さを求める。その結果、パラメータＡ＝１．２、Ｂ＝０．８とした場合、ｄ１＝６１．８５ｎｍ、ｄ２＝１６９．４７ｎｍが得られる。そこで、第１層膜２１から第４層膜２４までの膜厚は、順に、７４．２２ｎｍ／２０３．３６ｎｍ／４９．４８ｎｍ／１３５．５８ｎｍである。図７は、この４層反射膜４０の反射率の波長依存性を示すグラフである。グラフの横軸は波長であり、縦軸は反射率である。このグラフに示すように、４層反射膜４０の反射率は、９５０ｎｍで極小値を示し、それより長波長側で単調増加する。なお、パラメータＡ，Ｂは上記値の組み合わせに限定されない。
【００２７】
実施の形態３．
本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子について、図８から１０を用いて説明する。図８は、この半導体レーザ素子２０の端面部に設けられた多層反射膜５０の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子は、実施の形態１及び２に係る半導体レーザ素子と比較すると、端面部における多層反射膜がアルミナと酸化タンタルとの２層膜が３段重ねられ、さらにその上に積層された最外層のアルミナ膜との７層反射膜５０で構成されている点で相違する。単層膜では最適な反射膜が得られない場合にも多層膜とすることによって最適な反射率とすることができる。また、一対の２層膜の組み合わせを交互に積層することによって、反射率の算出が可能となり、パラメータを用いることで所望の反射率の波長依存性を設計することができる。
【００２８】
この半導体レーザ素子２０の端面部に設けられた反射膜５０の積層構造について図８を用いて説明する。反射膜５０は、２枚の上下クラッド層３、１０及び該クラッド層に挟まれた活性層６ａ、６ｂとを含む導波層（実効屈折率ｎｃ＝３．３７）の端面の上に、アルミナＡｌ_２Ｏ_３の第１層膜３１（屈折率ｎ１＝１．６２、層厚Ａｄ１）、酸化タンタルＴａ_２Ｏ_５の第２層膜３２（屈折率ｎ２＝２．０５７、層厚Ａｄ２）、アルミナの第３層膜３３（屈折率ｎ１＝１．６２、層厚Ｂｄ１）、酸化タンタルの第４層膜３４（屈折率ｎ２＝２．０５７、層厚Ｂｄ２）、アルミナの第５層膜３５（屈折率ｎ１＝１．６２、層厚Ｃｄ１）、酸化タンタルの第６層膜３６（屈折率ｎ２＝２．０５７、層厚Ｃｄ２）、アルミナの第７層膜３７（屈折率ｎ１＝１．６２、層厚Ｄｄ１）が順に積層されている。この７層反射膜５０は、屈折率１．０の自由空間と接している。ここで、Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃはパラメータであり、Ａ＝０．８、Ｂ＝２．０、Ｃ＝２．０、Ｄ＝２．０とした場合、第１層膜３１から第７層膜３７のそれぞれの膜厚は、順に、５１．９２ｎｍ／６２．１９ｎｍ／１２９．８０ｎｍ／１５５．４９ｎｍ／１５５．４９ｎｍ／１２９．８０ｎｍである。なお、この場合、アルミナ及び酸化タンタルの各層の位相変化φ１及びφ２をそれぞれφ１＝０．６９５３８８、φ２＝１．０５７６８とする。７層反射膜５０のそれぞれの膜厚を上記のように設定することにより、７層反射膜５０の反射率が極小値を示す波長を９５０ｎｍに設定することができる。これにより、通常使用される０℃から８５℃の温度範囲において、発振波長は、７層反射膜５０の反射率が波長と共に増加する領域内にある。前述の通り、反射膜の反射率が波長に依存して大きくなる場合には損失も波長に依存して変化する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００２９】
図９は、この７層反射膜５０の反射率の波長依存性を示すグラフである。グラフの横軸は波長であり、縦軸は反射率である。このグラフに示すように、７層反射膜５０の反射率は、９５０ｎｍで極小値を示し、それより長波長側で単調増加する。
【００３０】
図１０は、この半導体レーザ素子２０の損失と利得との関係を示すグラフである。グラフの横軸は波長、縦軸は損失又は利得の大きさである。また、図には低温（実線）及び高温（点線）のそれぞれの場合の利得について示している。この半導体レーザ素子２０では、波長の増加に応じて損失は減少する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には、利得と一致する損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００３１】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ素子について、図１１を用いて説明する。図１１は、この半導体レーザ素子の端面部に設けられた反射反射膜の波長依存性を示すグラフである。この半導体レーザ素子は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子と比較すると、端面部に設けられた反射膜がアルミナと酸化タンタルの層が交互に積層された７層反射膜である点で同じである。一方、７層反射膜のそれぞれの膜厚について相違する。多層反射膜の各膜の膜厚を種々変化させることにより、反射膜全体の反射率の波長依存性を変化させ、反射率が極小値をとる波長を所定波長に設定することができる。それにより、波長の増加に対応して損失が減少する波長範囲を所望の発振波長を含むように設定することができる。
【００３２】
具体的には、この７層反射膜５０は、２枚の上下クラッド層３、１０及び該クラッド層に挟まれた活性層６ａ、６ｂとを含む導波層（実効屈折率ｎｃ＝３．３７）の端面の上に、アルミナＡｌ_２Ｏ_３の第１層膜３１（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｏｄ２）、酸化タンタルＴａ_２Ｏ_５の第２層膜３２（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ａｄ１）、アルミナの第３層膜３３（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ａｄ２）、酸化タンタルの第４層膜３４（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｂｄ１）、アルミナの第５層膜３５（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｂｄ２）、酸化タンタルの第６層膜３６（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｃｄ１）、アルミナの第７層膜３７（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｃｄ２）が順に積層されている。この７層反射膜５０は、屈折率１．０の自由空間と接している。ここで、Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃはパラメータであり、Ｏ＝０．２、Ａ＝２．０、Ｂ＝２．０、Ｃ＝２．０のとした場合、第１層膜３１から第７層膜３７までの膜厚は、順に、１４．５９ｎｍ／９２．５２ｎｍ／１４５．８７ｎｍ／９２．５２ｎｍ／１４５．８７ｎｍ／９２．５２ｎｍ／１４５．８７ｎｍである。７層反射膜５０のそれぞれの膜厚を上記のように設定することにより、図１１に示すように、７層反射膜５０の反射率が極小値を示す波長を９００ｎｍに設定することができる。これにより、通常使用される０℃から８５℃の温度範囲において、発振波長は、７層反射膜５０の反射率が波長と共に増加する領域内にある。前述の通り、反射膜の反射率が波長に依存して大きくなる場合には損失も波長に依存して変化する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には、損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００３３】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ素子について、図１２から図１４を用いて説明する。図１２は、この半導体レーザ素子の端面部における多層反射膜６０の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子２０は、実施の形態１から４に係る半導体レーザ素子と比較すると、端面部の多層反射膜が１層のアルミナ膜３１の上に、酸化タンタルとアルミナとの２層膜を４段重ねた９層反射膜６０で構成されている点で相違する。具体的には、この９層反射膜６０は、活性層６ａ、６ｂと該活性層を挟む２枚のクラッド層３、１０とを含む導波層（実効屈折率ｎ＝３．３７）の端面に、アルミナＡｌ_２Ｏ_３の第１層膜３１（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｏｄ２）、酸化タンタルＴａ_２Ｏ_５の第２層膜３２（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ａｄ１）、アルミナの第３層膜３３（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ａｄ２）、酸化タンタルの第４層膜３４（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｂｄ１）、アルミナの第５層膜３５（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｂｄ２）、酸化タンタルの第６層膜３６（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｃｄ１）、アルミナの第７層膜３７（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｃｄ２）、酸化タンタルの第８層膜３８（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｄｄ１）、アルミナの第９層膜３９（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｄｄ２）が順に積層されている。また、該９層反射膜６０は、屈折率が１．０の自由空間４５に接している。この自由空間４５は、空気又は窒素等の気体が充満していてもよい。なお、Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃはパラメータである。ここでは、各パラメータをＯ＝０．５８、Ａ＝２．０、Ｂ＝２．０、Ｃ＝２．０、Ｄ＝２．０と設定している。反射膜の各膜の膜厚は、第１層膜３１から第９層膜３９にわたって順に５５．１３ｎｍ／５４．３９ｎｍ／１９０．１１ｎｍ／５４．３９ｎｍ／１９０．１１ｎｍ／５４．３９ｎｍ／１９０．１１ｎｍ／５４．３９ｎｍ／１９０．１１ｎｍである。各膜の膜厚を上記のように設定することによって、多層反射膜６０の反射率が９２０ｎｍで極小値を持つように設定することができる。これにより、通常使用される０℃から８５℃の温度範囲において、発振波長は、９層反射膜６０の反射率が波長と共に増加する領域内にある。前述の通り、反射膜の反射率が波長に依存して大きくなる場合には損失も波長に依存して変化する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には、損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００３４】
図１３は、この９層反射膜６０の反射率の波長依存性を示すグラフである。グラフの横軸は波長であり、縦軸は反射率である。このグラフに示すように、９層反射膜６０の反射率は、９２０ｎｍで極小値を示し、それより長波長側で単調増加する。
【００３５】
図１４は、この半導体レーザ素子２０の損失と利得との関係を示すグラフである。グラフの横軸は波長、縦軸は損失又は利得の大きさである。また、図には低温（実線）及び高温（点線）のそれぞれの場合の利得について示している。この半導体レーザ素子２０では、波長の増加に応じて損失は減少する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には、利得と一致する損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明に係る半導体レーザ素子によれば、端面部に波長の増加に応じて反射率が増加する反射膜を設けているので、反射損失が波長に依存して小さくなる。このため、全損失も波長に依存して小さくなる。一方、高温になるにつれて長波長側で利得と損失が釣り合うようになる。そこで、周囲温度が高温になった場合でも少ない注入電流で発振に至るため、周囲温度が変化した場合でもしきい値電流の変化を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の端面部の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子における端面部に設けられた反射膜の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図４】半導体レーザ素子の端面部における端面反射率が波長に依存しない場合の利得と損失との関係を示すグラフである。
【図５】半導体レーザ素子の端面部における端面反射率が長波長側で波長依存を示し、反射率が増加する場合の利得と損失の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子の端面部の構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子における端面部に設けられた反射膜の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子の端面部の構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子における端面部に設けられた反射膜の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子の利得と損失との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ素子の利得と損失との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ素子の端面部の構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ素子における端面部に設けられた反射膜の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ素子の利得と損失との関係を示すグラフである。
【図１５】従来の半導体レーザ素子における光出力電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１　ｎ側電極、２　ｎ−ＧａＡｓ基板、３　ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、４　ｎ側アンドープＡｌＧａＡｓガイド層、５　ｎ側アンドープＧａＡｓガイド層、６、６ａ、６ｂ　アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層、７　アンドープＧａＡｓバリア層、８　ｐ側アンドープＧａＡｓガイド層、９　ｐ側アンドープＡｌＧａＡｓガイド層、１０　ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１　ｐ−ＧａＡｓキャップ層、１２　Ｓｉ_３Ｎ_４絶縁層、１３　ｐ側電極、１４　金線、１５　リッジ領域、１６　低屈折率領域、１７　高屈折率領域、１８　導波層、２０　半導体レーザ素子、２１　第１層膜（酸化タンタル）、２２　第２層膜（アルミナ）、２３　第３層膜（酸化タンタル）、２４　第４層膜（アルミナ）、３０　２層反射膜、３１　第１層膜（アルミナ）、３２　第２層膜（酸化タンタル）、３３第３層膜（アルミナ）、３４　第４層膜（酸化タンタル）、３５　第５層膜（アルミナ）、３６　第６層膜（酸化タンタル）、３７　第７層膜（アルミナ）、３８　第８層膜（酸化タンタル）、３９　第９層膜（アルミナ）、４０　４層反射膜、４５　自由空間、５０　７層反射膜、６０　９層反射膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device used as a light source for optical information processing, a signal source for optical communication, or a pump light source for a fiber amplifier.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor laser devices are used in a wide variety of applications such as optical information processing, optical communication, and fiber amplifiers. When the injection current exceeds a predetermined threshold current, the semiconductor laser element satisfies an oscillation condition in which the loss and the gain match, generates laser oscillation, and is irradiated with laser light.
[0003]
2. Description of the Related Art Conventionally, a study on a temperature change of an injection current in a semiconductor laser device has been known (Michael Choy et. , Optical Fiber Communication Conference and Exhibit (OFC20002), Anaheim, California, USA, No. ThGG77, pp 719-721, March 2002). According to the above study, the threshold current I of the semiconductor laser is _th Is given by the following equation (1)
(Equation 1)
I _th ∝exp (T / T ₀ (1)
It changes with the temperature rise as represented by. Here, T is the temperature (K) of the active layer, and T ₀ Is a characteristic temperature serving as a measure of temperature dependency, and is usually 45 to 60K. Therefore, as shown in FIG. 15, as the ambient temperature rises from 0 ° C. (273.15 K) to 85 ° C., the threshold current I _th Has increased from about 12 mA to about 30 mA. This is a phenomenon caused by a decrease in luminous efficiency with an increase in temperature.
[0004]
Conventionally, there is a semiconductor laser device having a loss that decreases with an increase in wavelength and a peak reflectance centered on a laser light wavelength corresponding to a maximum operating temperature (for example, see Patent Document 1). In addition, there is a semiconductor laser having a reflectance that increases with wavelength at an end face (for example, see Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-6-85403
[Patent Document 2]
JP-A-7-74427
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the semiconductor laser element has a problem that the threshold current increases significantly with an increase in the ambient temperature. For this reason, cooling has conventionally been performed by a Peltier element or the like, but since it is expensive, an increase in the overall cost including the semiconductor laser element cannot be avoided.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that can suppress a temperature change of a threshold current even when an ambient temperature increases.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor laser device according to the present invention is a stacked structure including an active layer and two clad layers sandwiching the active layer,
With respect to the optical axis direction of the laser light oscillated in parallel with the active layer and the clad layer, the laser beam is laminated on at least one of the two end face portions of the laminated structure with the optical axis direction as a normal direction. With multilayer reflective film
A semiconductor laser device comprising:
The multilayer reflective film has at least one of a first reflective film having a refractive index larger than the square root of the effective refractive index of the laminated structure and a second reflective film having a refractive index smaller than the square root of the effective refractive index. It is configured to be laminated,
The multilayer reflective film has a minimum value of reflectance at a wavelength shorter than the oscillation wavelength of the semiconductor laser device at 25 ° C. by 10 nm or more, and the multilayer reflection film has a wavelength range from the minimum value wavelength to the oscillation wavelength. The reflectivity of the film is characterized by increasing with increasing wavelength.
[0009]
Further, it is preferable that the multilayer reflective film has a reflectance of 1% or less at a wavelength 10 nm shorter than the oscillation wavelength.
[0010]
Further, in the multilayer reflective film, it is preferable that the first reflective film and the second reflective film are alternately stacked.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, substantially the same members are denoted by the same reference numerals.
[0012]
Embodiment 1 FIG.
First Embodiment A semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of an xy plane perpendicular to the optical axis direction of the semiconductor laser device when the optical axis direction of the laser light is the z-axis direction. This semiconductor laser device 20 is a ridge waveguide type semiconductor laser device, and includes a waveguide layer including quantum well active layers 6a and 6b and two

cladding layers

3 and 10 sandwiching the active layers 6a and 6b. Having a laminated structure. The laminated structure has an n-side electrode 1, an n-GaAs substrate 2, an n-AlGaAs cladding layer 3, an n-side undoped AlGaAs guide layer 4, an n-side undoped GaAs guide layer 5, and an undoped InGaAs quantum well in the stacking direction. Active layer 6a, undoped GaAs barrier layer 7, undoped InGaAs quantum well active layer 6b, p-side undoped GaAs guide layer 8, p-side undoped AlGaAs guide layer 9, p-AlGaAs cladding layer 10, p-GaAs cap layer 11, Si ₃ N ₄ The insulating layer 12 and the p-side electrode 13 are sequentially stacked. Further, an opening is provided in the insulating layer 12 at the top of the ridge region 15 having a convex shape, and the cap layer 11 and the p-side electrode 13 are electrically connected. Further, a gold wire 14 is connected to the p-side electrode 13 to make an electrical connection to the outside. Thus, Si ₃ N ₄ By providing an opening in the insulating layer 12, current can be confined.
[0013]
Further, in the semiconductor laser device 20, the ridge region 15 is provided extending in the optical axis direction, and two rows of low refractive index regions 16 extend in the optical axis direction with the ridge region 15 interposed therebetween. Is provided. Further, two rows of high refractive index regions 17 are provided extending in the optical axis direction with the ridge region 15 and two rows of low refractive index regions 16 interposed therebetween. In the semiconductor laser device 20, the low refractive index region 16 is provided outside the ridge region 15, so that the laser light can be efficiently confined in the ridge region 15.
[0014]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the multilayer reflective film 30 provided on the end face of the laminated structure of the semiconductor laser device 20. In this semiconductor laser device 20, the z-axis in the optical axis direction is measured by using the end surface of a waveguide layer (effective refractive index nc = 3.37) including two upper and lower clad layers and an active layer sandwiched between the clad layers. A multilayer reflective layer is stacked in the line direction. The multi-layer reflective layer 30 is made of tantalum oxide Ta from the end face of the waveguide layer. ₂ O ₅ First layer film 21 (refractive index n1 = 2.057, layer thickness d1 = 69.16 nm), alumina Al ₂ O ₃ The second layer film 22 (refractive index n2 = 1.62, layer thickness d2 = 83.56 nm) is sequentially laminated. By setting the respective film thicknesses of the two-layer reflecting film 30 as described above, the wavelength at which the reflectance of the two-layer reflecting film 30 shows the minimum value can be set to 950 nm. When the oscillation wavelength at room temperature 25 ° C. is 980 nm, the temperature coefficient of the oscillation wavelength is 0.4 ° C. at the maximum. It shifts to a shorter wavelength side. Therefore, as described above, the minimum value of the reflectance of the two-layer reflecting film is set in advance to a shorter wavelength side of 10 nm or more than the oscillation wavelength at 25 ° C. As a result, in the temperature range of 0 ° C. to 85 ° C., which is usually used, the oscillation wavelength is in a region where the reflectance of the two-layer reflecting film increases with the wavelength. As will be described later, when the reflectance of the reflection film increases depending on the wavelength, the loss also changes depending on the wavelength. Oscillation occurs at a wavelength where gain and loss are balanced. When the ambient temperature rises and the gain peak wavelength shifts to the longer wavelength side, the loss decreases and oscillation occurs with a small injection current. Normally, as described above, the threshold current increases as the temperature rises. To offset this, the change in the threshold current can be suppressed even when the ambient temperature changes.
[0015]
The multilayer reflection film is not limited to the above-mentioned alumina and tantalum oxide. Also, the case where the oscillation wavelength at 25 ° C. is 980 nm for a fiber amplifier has been described, but the invention is not limited to this.
[0016]
Next, conditions for setting the minimum value of the reflectance of the two-layer reflecting film 30 to a predetermined value will be described. Assuming that the phase changes of the first layer film 21 and the second layer film 22 constituting the two-layer reflecting film 30 are φ1 and φ2, respectively, they are defined as the following equations (2) and (3).
(Equation 2)

[Equation 3]

[0017]
In this case, the amplitude reflectance r is expressed by the following equation (4).
(Equation 4)

[0018]
The real parts Re1 and Re2 and the imaginary parts Im1 and Im2 in the denominator of the above equation (4) are expressed as in the following equations (5a) to (5d).
(Equation 5)

(Equation 6)

(Equation 7)

(Equation 8)

[0019]
The power reflectivity R is calculated by using the amplitude reflectivity r as | r | ² Is represented by The magnitude of the power reflectivity R becomes zero when each of the following expressions (6a) and (6b) is satisfied.
(Equation 9)

(Equation 10)

[0020]
In this semiconductor laser element 20, the equivalent refractive index nc of the waveguide layer is 3.37, the first layer film is tantalum oxide (n1 = 2.057), and the second layer film is alumina (n2 = 1.62). . Therefore, using the above equations (6a) and (6b), a condition is determined in which the minimum value of the reflectance is 950 nm which is at least 10 nm shorter than the oscillation wavelength of 980 nm at 25 ° C. In this case, the thickness d1 of the first layer film 21 is 69.16 nm, and the thickness d2 of the second layer film is 83.56 nm. FIG. 3 is a graph showing the wavelength dependence of the reflectance of the two-layer reflecting film 30. The horizontal axis of the graph is the wavelength, and the vertical axis is the reflectance. As shown in this graph, the reflectance of the two-layer reflective film 30 shows a minimum value at 950 nm, and monotonically increases on the longer wavelength side. Even when an optimum reflectance cannot be obtained with a single-layer film, a desired reflectance condition can be satisfied by laminating the multilayer films as described above.
[0021]
4 and 5 are graphs showing the relationship between the loss and the gain of the semiconductor laser device. The horizontal axis of the graph is the wavelength, and the vertical axis is the magnitude of the loss or gain. Each figure shows the gain at each of the low temperature (solid line) and the high temperature (dotted line). The relationship between the loss and the wavelength will be described. Total loss α per unit length in semiconductor laser device _t Is the internal loss α _in And reflection loss (mirror loss: reflection loss) can be expressed as in the following equation (7).
[Equation 11]

Here, L is the cavity length (1500 μm), R is _f Is the front end face reflectance, R _r Is the rear end face reflectivity. The back surface reflectivity Rr is 98% and does not depend on the wavelength, and the internal loss α _in Is 0. Note that the resonator length L is not limited to 1500 μm. Further, the back surface reflectance Rr is not limited to 98%, and the internal loss α _in Is not limited to zero.
[0022]
In a semiconductor laser device, the gain and the loss are balanced on the short wavelength side at a low temperature, but the gain and the loss are balanced on the long wavelength side because the band gap in the active layer of the semiconductor laser device shrinks when the temperature rises. For example, the end face reflectance R _f , R _t Is independent of wavelength, the total loss α _t Also does not depend on the wavelength, and as shown in FIG. _l To λ _h The loss does not change when the wavelength shifts to the longer wavelength side. On the other hand, the end face reflectance R _f , R _t Is large depending on the wavelength, the total loss α _t Also changes depending on the wavelength. Therefore, as shown in FIG. 5, when the ambient temperature becomes high and the gain peak wavelength shifts to the long wavelength side, the loss decreases, oscillation starts with a small injection current, and the ambient temperature changes. Even so, a change in threshold current can be suppressed.
[0023]
Embodiment 2 FIG.
A semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the multilayer reflective film 30 provided on the end face of the semiconductor laser device 20. Compared with the semiconductor laser device according to the first embodiment, the semiconductor laser device 20 is configured such that the reflection film on the end face is a four-layer reflection film 40 in which two layers of tantalum oxide and alumina are stacked in two stages. They differ in points. The four-layer reflecting film 40 is formed on an end face of a waveguide layer (effective refractive index nc = 3.37) including two upper and lower clad layers and active layers 6a and 6b sandwiched between the

clad layers

3 and 10. Tantalum oxide Ta ₂ O ₅ First layer film 21 (refractive index n1 = 2.057, layer thickness Ad1), alumina second layer film 22 (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Ad2), and tantalum oxide third layer film 23 ( Refractive index n1 = 2.057, layer thickness Bd1), alumina Al ₂ O ₃ The fourth layer film 24 (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Bd2) is sequentially laminated. The four-layer reflecting film 40 is in contact with a free space 45 having a refractive index of 1.0. Here, A and B are parameters, A = 1.2, B = 0.8, d1 = 61.85 nm, and d2 = 169.47 nm. Therefore, the film thickness from the first layer film 21 to the fourth layer film 24 is 74.22 nm / 203.36 nm / 49.48 nm / 135.58 nm in order. By setting the respective film thicknesses of the four-layer reflecting film 40 as described above, the wavelength at which the reflectance of the four-layer reflecting film 40 shows the minimum value can be set to 950 nm. As a result, in the temperature range of 0 ° C. to 85 ° C. which is normally used, the oscillation wavelength is in a region where the reflectance of the four-layer reflecting film 40 increases with the wavelength. As described above, when the reflectance of the reflective film increases depending on the wavelength, the loss also changes depending on the wavelength. When the ambient temperature rises and the gain peak wavelength shifts to the longer wavelength side, the loss decreases and oscillation occurs with a small injection current. Therefore, even when the ambient temperature changes, the change in the threshold current can be suppressed.
[0024]
Next, conditions for setting the reflectivity of the four-layer reflecting film 40 to have a minimum value at a predetermined wavelength will be examined. In the case of the four-layer reflecting film 40, the amplitude reflectance is represented by the following equation.
(Equation 12)

[0025]
Where m _ij (I, j is 1 or 2) is represented by the following equation.
(Equation 13)

Note that A and B represent the case where the film thickness Ad1 of the first layer film 21, the film thickness Ad2 of the second layer film 22, the film thickness Bd1 of the third layer film 23, and the film thickness Bd2 of the fourth layer film 24. Parameter.
[0026]
Therefore, as in the case of the two-layer film of the first embodiment, the thickness of each layer at which both the real part and the imaginary part of the amplitude reflectance r are zero at the wavelength λ = 950 nm is obtained. As a result, when parameters A = 1.2 and B = 0.8, d1 = 61.85 nm and d2 = 169.47 nm are obtained. Therefore, the film thickness from the first layer film 21 to the fourth layer film 24 is 74.22 nm / 203.36 nm / 49.48 nm / 135.58 nm in order. FIG. 7 is a graph showing the wavelength dependence of the reflectance of the four-layer reflecting film 40. The horizontal axis of the graph is the wavelength, and the vertical axis is the reflectance. As shown in this graph, the reflectivity of the four-layer reflecting film 40 shows a minimum value at 950 nm, and monotonically increases on the longer wavelength side. Note that the parameters A and B are not limited to the combination of the above values.
[0027]
Embodiment 3 FIG.
The semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of the multilayer reflective film 50 provided on the end face of the semiconductor laser device 20. In this semiconductor laser device, as compared with the semiconductor laser devices according to the first and second embodiments, the multilayer reflection film on the end face portion is formed by stacking two layers of alumina and tantalum oxide in three stages and further stacking thereon. It is different in that it is composed of a seven-layer reflecting film 50 with the outermost alumina film. Even when an optimal reflection film cannot be obtained with a single-layer film, an optimal reflectance can be obtained by forming a multilayer film. In addition, by alternately stacking a combination of a pair of two-layer films, the reflectance can be calculated, and the wavelength dependence of the desired reflectance can be designed by using parameters.
[0028]
The laminated structure of the reflection film 50 provided on the end face of the semiconductor laser device 20 will be described with reference to FIG. The reflection film 50 is formed on the end face of a waveguide layer (effective refractive index nc = 3.37) including two upper and lower

clad layers

3 and 10 and active layers 6a and 6b sandwiched between the clad layers. Al ₂ O ₃ First layer film 31 (refractive index n1 = 1.62, layer thickness Ad1), tantalum oxide Ta ₂ O ₅ Second layer film 32 (refractive index n2 = 2.057, layer thickness Ad2), alumina third layer film 33 (refractive index n1 = 1.62, layer thickness Bd1), and tantalum oxide fourth layer film 34 ( Refractive index n2 = 2.057, layer thickness Bd2), fifth layer film 35 of alumina (refractive index n1 = 1.62, layer thickness Cd1), sixth layer film 36 of tantalum oxide (refractive index n2 = 2.057) , A layer thickness Cd2), and a seventh layer film 37 of alumina (refractive index n1 = 1.62, layer thickness Dd1). The seven-layer reflecting film 50 is in contact with a free space having a refractive index of 1.0. Here, O, A, B, and C are parameters, and when A = 0.8, B = 2.0, C = 2.0, and D = 2.0, the first to third layers 31 to The thickness of each of the layer films 37 is, in order, 51.92 nm / 62.19 nm / 129.80 nm / 155.49 nm / 155.49 nm / 129.80 nm. In this case, the phase changes φ1 and φ2 of the alumina and tantalum oxide layers are φ1 = 0.695388 and φ2 = 1.05768, respectively. By setting the respective film thicknesses of the seven-layer reflecting film 50 as described above, the wavelength at which the reflectance of the seven-layer reflecting film 50 shows the minimum value can be set to 950 nm. As a result, in the temperature range of 0 ° C. to 85 ° C., which is normally used, the oscillation wavelength is in a region where the reflectance of the seven-layer reflecting film 50 increases with the wavelength. As described above, when the reflectance of the reflective film increases depending on the wavelength, the loss also changes depending on the wavelength. When the ambient temperature rises and the gain peak wavelength shifts to the longer wavelength side, the loss decreases and oscillation occurs with a small injection current. Therefore, even when the ambient temperature changes, the change in the threshold current can be suppressed.
[0029]
FIG. 9 is a graph showing the wavelength dependence of the reflectance of the seven-layer reflecting film 50. The horizontal axis of the graph is the wavelength, and the vertical axis is the reflectance. As shown in this graph, the reflectance of the seven-layer reflecting film 50 shows a minimum value at 950 nm, and monotonically increases on the longer wavelength side.
[0030]
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the loss and the gain of the semiconductor laser device 20. The horizontal axis of the graph is the wavelength, and the vertical axis is the magnitude of the loss or gain. Further, the figure shows the gain in each case of low temperature (solid line) and high temperature (dotted line). In this semiconductor laser device 20, the loss decreases as the wavelength increases. When the ambient temperature rises and the gain peak wavelength shifts to the longer wavelength side, the loss corresponding to the gain decreases, and oscillation occurs with a small injection current. Therefore, even when the ambient temperature changes, the change in the threshold current can be suppressed.
[0031]
Embodiment 4 FIG.
Fourth Embodiment A semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a graph showing the wavelength dependence of the reflective film provided on the end face of the semiconductor laser device. This semiconductor laser device is the same as the semiconductor laser device according to the third embodiment in that the reflection film provided on the end face is a seven-layer reflection film in which alumina and tantalum oxide layers are alternately stacked. is there. On the other hand, the film thickness of the seven-layer reflecting film is different. By varying the thickness of each film of the multilayer reflective film, the wavelength dependence of the reflectance of the entire reflective film can be changed, and the wavelength at which the reflectance has a minimum value can be set to a predetermined wavelength. Thereby, the wavelength range in which the loss decreases in response to the increase in the wavelength can be set to include the desired oscillation wavelength.
[0032]
Specifically, this seven-layer reflecting film 50 is a waveguide layer including two upper and

lower cladding layers

3, 10 and active layers 6a, 6b sandwiched between the cladding layers (effective refractive index nc = 3.37). ) On the end face ₂ O ₃ First layer film 31 (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Od2), tantalum oxide Ta ₂ O ₅ Second layer film 32 (refractive index n1 = 2.057, layer thickness Ad1), alumina third layer film 33 (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Ad2), and tantalum oxide fourth layer film 34 ( Refractive index n1 = 2.057, layer thickness Bd1), fifth layer film 35 of alumina (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Bd2), sixth layer film 36 of tantalum oxide (refractive index n1 = 2.057) , A layer thickness Cd1), and a seventh layer film 37 of alumina (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Cd2). The seven-layer reflecting film 50 is in contact with a free space having a refractive index of 1.0. Here, O, A, B, and C are parameters, and if O = 0.2, A = 2.0, B = 2.0, and C = 2.0, the first to third layers 31 to The film thickness up to the seven-layered film 37 is, in order, 14.59 nm / 92.52 nm / 145.87 nm / 92.52 nm / 145.87 nm / 92.52 nm / 145.87 nm. By setting the respective film thicknesses of the seven-layer reflecting film 50 as described above, the wavelength at which the reflectance of the seven-layer reflecting film 50 shows the minimum value can be set to 900 nm as shown in FIG. As a result, in the temperature range of 0 ° C. to 85 ° C., which is normally used, the oscillation wavelength is in a region where the reflectance of the seven-layer reflecting film 50 increases with the wavelength. As described above, when the reflectance of the reflective film increases depending on the wavelength, the loss also changes depending on the wavelength. If the gain peak wavelength shifts to the longer wavelength side due to a higher ambient temperature, the loss decreases and oscillation occurs with a small injection current. Therefore, even when the ambient temperature changes, the change in the threshold current can be suppressed.
[0033]
Embodiment 5 FIG.
A semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is a sectional view showing the structure of the multilayer reflective film 60 at the end face of the semiconductor laser device. Compared with the semiconductor laser devices according to the first to fourth embodiments, the semiconductor laser device 20 has a multi-layer reflection film of tantalum oxide and alumina on a single-layer alumina film 31 with a multilayer reflection film on the end face. It is different in that it is composed of a nine-layer reflecting film 60 that is superposed. Specifically, the nine-layer reflecting film 60 is formed by an end face of a waveguide layer (effective refractive index n = 3.37) including the active layers 6a and 6b and the two

clad layers

3 and 10 sandwiching the active layers. And alumina Al ₂ O ₃ First layer film 31 (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Od2), tantalum oxide Ta ₂ O ₅ Second layer film 32 (refractive index n1 = 2.057, layer thickness Ad1), alumina third layer film 33 (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Ad2), and tantalum oxide fourth layer film 34 ( Refractive index n1 = 2.057, layer thickness Bd1), fifth layer film 35 of alumina (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Bd2), sixth layer film 36 of tantalum oxide (refractive index n1 = 2.057) , Layer thickness Cd1), alumina seventh layer film 37 (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Cd2), tantalum oxide eighth layer film 38 (refractive index n1 = 2.057, layer thickness Dd1), alumina The ninth layer film 39 (refractive index n2 = 1.62, layer thickness Dd2) is sequentially laminated. The nine-layer reflecting film 60 is in contact with the free space 45 having a refractive index of 1.0. This free space 45 may be filled with a gas such as air or nitrogen. O, A, B, and C are parameters. Here, each parameter is set as O = 0.58, A = 2.0, B = 2.0, C = 2.0, and D = 2.0. The thickness of each reflective film is 55.13 nm / 54.39 nm / 190.11 nm / 54.39 nm / 190.11 nm / 54.39 nm / 190.11 nm in order from the first layer film 31 to the ninth layer film 39. /54.39 nm / 190.11 nm. By setting the film thickness of each film as described above, it is possible to set the reflectivity of the multilayer reflective film 60 to have a minimum value at 920 nm. As a result, in the temperature range of 0 ° C. to 85 ° C. which is usually used, the oscillation wavelength is in a region where the reflectance of the nine-layer reflecting film 60 increases with the wavelength. As described above, when the reflectance of the reflective film increases depending on the wavelength, the loss also changes depending on the wavelength. If the gain peak wavelength shifts to the longer wavelength side due to a higher ambient temperature, the loss decreases and oscillation occurs with a small injection current. Therefore, even when the ambient temperature changes, the change in the threshold current can be suppressed.
[0034]
FIG. 13 is a graph showing the wavelength dependence of the reflectance of the nine-layer reflecting film 60. The horizontal axis of the graph is the wavelength, and the vertical axis is the reflectance. As shown in this graph, the reflectivity of the nine-layer reflective film 60 shows a minimum value at 920 nm, and monotonically increases on the longer wavelength side.
[0035]
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the loss and the gain of the semiconductor laser device 20. The horizontal axis of the graph is the wavelength, and the vertical axis is the magnitude of the loss or gain. Further, the figure shows the gain in each case of low temperature (solid line) and high temperature (dotted line). In this semiconductor laser device 20, the loss decreases as the wavelength increases. When the ambient temperature rises and the gain peak wavelength shifts to the longer wavelength side, the loss corresponding to the gain decreases, and oscillation occurs with a small injection current. Therefore, even when the ambient temperature changes, the change in the threshold current can be suppressed.
[0036]
【The invention's effect】
According to the semiconductor laser device of the present invention, since the reflection film whose reflectivity increases with an increase in the wavelength is provided at the end face, the reflection loss decreases depending on the wavelength. Therefore, the total loss also decreases depending on the wavelength. On the other hand, as the temperature increases, the gain and the loss balance on the long wavelength side. Therefore, even when the ambient temperature becomes high, oscillation occurs with a small injection current. Therefore, even when the ambient temperature changes, the change in the threshold current can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a structure of an end face portion of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a graph showing the wavelength dependence of the reflectance of a reflection film provided on an end face in the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between gain and loss when the end face reflectance at the end face of the semiconductor laser element does not depend on the wavelength.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between gain and loss when the reflectivity at the end face of the semiconductor laser device at the longer wavelength side shows wavelength dependence and the reflectivity increases.
FIG. 6 is a sectional view showing a structure of an end face portion of a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a graph showing the wavelength dependence of the reflectance of a reflective film provided on an end face in a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view showing a structure of an end face portion of a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the wavelength dependence of the reflectance of a reflective film provided on an end face in a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing a relationship between a gain and a loss of the semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing a relationship between gain and loss of a semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view showing a structure of an end face part of a semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the wavelength dependence of the reflectance of a reflective film provided on an end face in a semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a graph showing a relationship between gain and loss of a semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing light output current characteristics in a conventional semiconductor laser device.
[Explanation of symbols]
1 n-side electrode, 2 n-GaAs substrate, 3 n-AlGaAs cladding layer, 4 n-side undoped AlGaAs guide layer, 5 n-side undoped GaAs guide layer, 6, 6 a, 6 b undoped InGaAs quantum well active layer, 7 undoped GaAs barrier Layer, 8 p-side undoped GaAs guide layer, 9 p-side undoped AlGaAs guide layer, 10 p-AlGaAs cladding layer, 11 p-GaAs cap layer, 12 Si ₃ N ₄ Insulating layer, 13p-side electrode, 14 gold wire, 15 ridge region, 16 low refractive index region, 17 high refractive index region, 18 waveguide layer, 20 semiconductor laser device, 21 first layer film (tantalum oxide), 22nd 2 layer film (alumina), 23 3rd layer film (tantalum oxide), 24 4th layer film (alumina), 30 2 layer reflection film, 31 1st layer film (alumina), 32 2nd layer film (tantalum oxide) , 33 third layer film (alumina), 34 fourth layer film (tantalum oxide), 35 fifth layer film (alumina), 36 sixth layer film (tantalum oxide), 37 seventh layer film (alumina), 38 th layer 8-layer film (tantalum oxide), 39 ninth layer film (alumina), 404 layer reflection film, 45 free space, 507 layer reflection film, 609 layer reflection film

Claims

An active layer, a laminated structure including two clad layers sandwiching the active layer;
With respect to the optical axis direction of the laser beam oscillated in parallel with the active layer and the cladding layer, the laser beam is laminated on at least one of the two end face portions of the laminated structure with the optical axis direction as the normal direction. Semiconductor laser device comprising:
The multilayer reflective film has at least one of a first reflective film having a refractive index larger than the square root of the effective refractive index of the laminated structure and a second reflective film having a refractive index smaller than the square root of the effective refractive index. It is configured to be laminated,
The multilayer reflective film has a minimum value of the reflectance at a wavelength shorter than the oscillation wavelength of the semiconductor laser device at 25 ° C. by 10 nm or more, and the multilayer reflection film has a wavelength within the wavelength range from the minimum value to the oscillation wavelength. A semiconductor laser device wherein the reflectivity of a film increases depending on an increase in wavelength.

2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the multilayer reflective film has a reflectance of 1% or less at a wavelength 10 nm shorter than the oscillation wavelength.

2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein in the multilayer reflection film, the first reflection film and the second reflection film are alternately stacked. 3.