JP2007220692A - Semiconductor laser - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high output power semiconductor laser for communication capable of realizing a high optical output power with a low operating current, high optical fiber coupling efficiency, and excellent high-temperature characteristics without impairing mass productivity. <P>SOLUTION: An n-type InGaAsP mode-expansion layer 102 is provided between an n-type InP substrate 101 and an n-type InP clad layer 103. An n-side optical guiding layer 104 and a p-side optical guiding layer 106 are different from each other in composition or layer thickness, or in the both. The mode-expansion layer 102 is a high refractive index layer consisting of one or more layers having a different refractive index from that of the n-type clad layer 103, and its effective refractive index is higher than that of a p-type clad layer 107. The distance is 0.2 μm or more between the n-side optical guiding layer 104 and the mode-expansion layer 102. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体レーザに関し、特に、高い光出力を低い動作電流で実現する通信用半導体レーザに関する。   The present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a communication semiconductor laser that realizes a high optical output with a low operating current.

通信用高出力半導体レーザ、例えば光ファイバアンプ励起用半導体レーザでは、高い光出力を得るために、共振器長を長くすることで、素子の発熱を抑制し放熱性を改善する工夫がなされている。   In high-power semiconductor lasers for communication, for example, semiconductor lasers for pumping optical fiber amplifiers, in order to obtain a high optical output, the device is designed to suppress heat generation and improve heat dissipation by increasing the resonator length. .

しかし、従来の半導体レーザは、レーザ光に対する内部損失(光吸収)が大きいため、長共振器化に伴い量子効率(電気−光変換効率)が大きく低下し、動作電流が増大するという問題があった。従って、高い光出力を低い動作電流で実現するには、内部損失を低減することが重要となる。    However, since the conventional semiconductor laser has a large internal loss (light absorption) with respect to the laser beam, there is a problem that the quantum efficiency (electric-to-optical conversion efficiency) is greatly lowered and the operating current is increased with the increase in the length of the resonator. It was. Therefore, it is important to reduce the internal loss in order to achieve a high optical output with a low operating current.

GaAs系等の化合物半導体を用いた半導体レーザとして、活性層を活性層よりもバンドギャップの大きい半導体(クラッド層)で挟んだ、いわゆるダブルヘテロ構造(Double Heterostructure:以下「DH」という)を有する半導体レーザが知られており、電子と正孔の再結合、発光領域での光閉じ込め効果に優れている。さらに、低しきい値電流への要求に対して、活性層とクラッド層の間に、クラッド層よりも屈折率が高く、活性層より屈折率の低い光ガイド層を形成したSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造や、その光ガイド層の屈折率を連続的に変化させたGRIN−SCH(Graded Index Separate Confinement Heterostructure)構造などが提案されている。   As a semiconductor laser using a compound semiconductor such as GaAs, a semiconductor having a so-called double heterostructure (hereinafter referred to as “DH”) in which an active layer is sandwiched between semiconductors (clad layers) having a band gap larger than that of the active layer. Lasers are known, and are excellent in the recombination of electrons and holes and the light confinement effect in the light emitting region. Furthermore, in response to a demand for a low threshold current, an SCH (Separate Confinement Heterostructure) in which a light guide layer having a refractive index higher than that of the cladding layer and lower than that of the active layer is formed between the active layer and the cladding layer. And a GRIN-SCH (Graded Index Separate Confinement Heterostructure) structure in which the refractive index of the light guide layer is continuously changed.

図6は、DH構造の通信用半導体レーザにおいて、内部損失を低減する工夫がなされた半導体レーザの層構造である。通常はInP(屈折率≒3.18)で構成されるn型クラッド層が、InPより僅かに屈折率の高いInGaAsP602(屈折率≒3.20)で構成されており、その上に活性層603、p型InPクラッド層604がこの順で設けられている。この半導体レーザでは、n型InGaAsPクラッド層602の屈折率がp型InPクラッド層604に比べて僅かに高いため、レーザ光分布がn側にシフトする。これにより、内部損失の主要因である価電子帯間吸収(p型InPクラッド層での光吸収)が抑制され、内部損失を低減することが可能となる(参照:非特許文献1)。   FIG. 6 shows a layer structure of a semiconductor laser that is devised to reduce internal loss in a communication semiconductor laser having a DH structure. Usually, an n-type cladding layer composed of InP (refractive index≈3.18) is composed of InGaAsP602 (refractive index≈3.20) having a slightly higher refractive index than InP, and an active layer 603 is formed thereon. The p-type InP cladding layer 604 is provided in this order. In this semiconductor laser, since the refractive index of the n-type InGaAsP clad layer 602 is slightly higher than that of the p-type InP clad layer 604, the laser light distribution is shifted to the n side. As a result, absorption between valence bands (light absorption in the p-type InP cladding layer), which is a main cause of internal loss, is suppressed, and internal loss can be reduced (see Non-Patent Document 1).

一方、光ディスク用光源等の半導体レーザとして、0.6μm帯に発振波長を有するAlGaInP系可視半導体レーザが知られている。例えば、特許文献1では、AlGaInP活性層の両側に光ガイド層を設けたSCH構造において、n側の光ガイド層の膜厚をp側の光ガイド層の膜厚より大きくした非対称SCH構造とし、nクラッド層内にクラッド層よりも屈折率の高いAlGaInPからなる高屈折率層を設け、高屈折率層の屈折率を活性層および光ガイド層からなるSCH構造(導波層)の平均屈折率と同程度とした半導体レーザが開示されている。該構造によって、レーザ内部の導波モードの中心をnクラッド層側にシフトさせることにより、レーザ端面近傍での光吸収が低減され、光損傷レベルを高めてレーザの高出力化が図れるとしている。また、導波モードをnクラッド層側にシフトさせることで、光の大部分がnクラッド層側に集中してpクラッド層への光の漏れが減少するため、pクラッド層を0.8μmと薄くでき、比較的抵抗率の高いp型AlGaInPクラッド層を薄くすることによって、素子抵抗の低減が図れるというものである。
学会誌・論文等(刊行物)記載 筆者 アンリツ株式会社 刊行物の題名 ニュースリリース(Web掲載) 発行年月日 2002年12月9日 説明ページ・行・図面 http://www.anritsu.co.jp/J/news_events/PressRelease/021209.asp 特開平5−243669号公報
On the other hand, an AlGaInP-based visible semiconductor laser having an oscillation wavelength in the 0.6 μm band is known as a semiconductor laser such as an optical disk light source. For example, in Patent Document 1, in an SCH structure in which light guide layers are provided on both sides of an AlGaInP active layer, an asymmetric SCH structure in which the film thickness of the n-side light guide layer is larger than the film thickness of the p-side light guide layer, A high refractive index layer made of AlGaInP having a higher refractive index than the cladding layer is provided in the n cladding layer, and the refractive index of the high refractive index layer is the average refractive index of the SCH structure (waveguide layer) consisting of the active layer and the light guide layer. A semiconductor laser having the same level as that of the semiconductor laser is disclosed. With this structure, the center of the waveguide mode inside the laser is shifted to the n-cladding layer side, so that the light absorption near the laser end face is reduced, the optical damage level is increased, and the output of the laser can be increased. Also, by shifting the waveguide mode to the n-cladding layer side, most of the light is concentrated on the n-cladding layer side and light leakage to the p-cladding layer is reduced. The device resistance can be reduced by reducing the thickness of the p-type AlGaInP cladding layer that can be made thinner and has a relatively high resistivity.
Journals and papers (publications) listed by author Anritsu Co., Ltd. Title of publication News release (published on the web) Date of publication December 9, 2002 Description page / line / drawing http://www.anritsu.co. jp / J / news_events / PressRelease / 021209.asp JP-A-5-243669

しかし、非特許文献1の半導体レーザの場合、n型InGaAsPクラッド層602の屈折率があまり高くないため、レーザ光をn側へ十分にシフトさせるには、n型InGaAsPクラッド層602を7μm以上と相当厚くする必要がある。従って、エピタキシャル成長時間が従来に比べて倍以上かかるなど、量産性が著しく低下してしまう。   However, in the case of the semiconductor laser of Non-Patent Document 1, since the refractive index of the n-type InGaAsP cladding layer 602 is not so high, the n-type InGaAsP cladding layer 602 has a thickness of 7 μm or more in order to sufficiently shift the laser beam to the n side. It needs to be quite thick. Therefore, the mass productivity is remarkably lowered such that the epitaxial growth time takes twice or more as compared with the conventional case.

また、この半導体レーザの場合、n型クラッド層の屈折率を変えると、素子の水平横方向の屈折分布が変化するため、光ファイバとの高効率結合に適した出射ビーム形状を得るには導波路幅を変更する必要があるなど、導波路の設計や製造工程に制約が生ずるという欠点がある。   In the case of this semiconductor laser, if the refractive index of the n-type cladding layer is changed, the horizontal and horizontal refraction distribution of the element changes, so that it is possible to obtain an output beam shape suitable for high-efficiency coupling with an optical fiber. There is a drawback in that the waveguide design and manufacturing process are restricted, such as the need to change the waveguide width.

一方、特許文献1では、本発明の目的とするInGaAsP系またはInGaAlAs系とは異なるAlGaInP系半導体レーザであり、該構成をそのままInGaAsP系またはInGaAlAs系半導体レーザへと適用できるものではない。なお、該特許文献1では、高屈折率層と光ガイド層との間に設ける低屈折率のバリア層膜厚を5nm〜40nmにすることが請求項7に開示されているが、その根拠について何ら記載していない。   On the other hand, Patent Document 1 is an AlGaInP-based semiconductor laser different from the InGaAsP-based or InGaAlAs-based semiconductor that is the object of the present invention, and the configuration cannot be applied to an InGaAsP-based or InGaAlAs-based semiconductor laser as it is. In Patent Document 1, it is disclosed in claim 7 that the film thickness of the low refractive index barrier layer provided between the high refractive index layer and the light guide layer is 5 nm to 40 nm. Nothing is stated.

本発明は、通信用高出力半導体レーザ、特に光ファイバアンプ励起用半導体レーザにおいて、量産性を損なうことなく、高い光出力を低い動作電流で実現でき、且つ、高い光ファイバ結合効率と優れた高温特性を実現できる半導体レーザの構造を提供することを目的とする。   The present invention is a high-power semiconductor laser for communication, particularly a semiconductor laser for pumping an optical fiber amplifier, which can realize a high optical output with a low operating current without impairing mass productivity, and has a high optical fiber coupling efficiency and an excellent high temperature. An object of the present invention is to provide a semiconductor laser structure capable of realizing the characteristics.

上記課題を解決するための本発明は、以下の(1)〜(10)からなる。   The present invention for solving the above problems comprises the following (1) to (10).

(1)半導体基板上に、InGaAsP系またはInGaAlAs系化合物半導体からなる活性層を有し、n型クラッド層、n側光ガイド層、活性層、p側光ガイド層、p型クラッド層をこの順で有する半導体レーザにおいて、n型クラッド層中の一部に、n型クラッド層とは屈折率の異なる単数もしくは複数の層で構成された高屈折率層が設けられ、その高屈折率層の実効屈折率がp型クラッド層の実効屈折率と比べて高く、前記n側光ガイド層と前記高屈折率層との間に、前記活性層の実効屈折率および前記高屈折率層の実効屈折率より低い実効屈折率を有するn型クラッド層が介在し、該介在するn型クラッド層の層厚が0.2μm以上であることを特徴とする半導体レーザ。   (1) An active layer made of an InGaAsP-based or InGaAlAs-based compound semiconductor is provided on a semiconductor substrate, and an n-type cladding layer, an n-side light guide layer, an active layer, a p-side light guide layer, and a p-type cladding layer are arranged in this order. The high-refractive index layer composed of one or more layers having a refractive index different from that of the n-type cladding layer is provided in a part of the n-type cladding layer. The refractive index is higher than the effective refractive index of the p-type cladding layer, and the effective refractive index of the active layer and the effective refractive index of the high refractive index layer are between the n-side light guide layer and the high refractive index layer. An n-type cladding layer having a lower effective refractive index is interposed, and the thickness of the interposed n-type cladding layer is 0.2 μm or more.

(2)前記高屈折率層は、層厚が0.01μm以上1μm以下であり、且つ、前記介在するn型クラッド層の層厚が2μm以下であることを特徴とする、(1)に記載の半導体レーザ。   (2) The high refractive index layer has a layer thickness of 0.01 μm or more and 1 μm or less, and the intervening n-type cladding layer has a layer thickness of 2 μm or less. Semiconductor laser.

(3)前記高屈折率層の実効屈折率は、前記p型クラッド層の実効屈折率と比べて1.5%以上高いことを特徴とする、(1)または(2)に記載の半導体レーザ。   (3) The semiconductor laser according to (1) or (2), wherein an effective refractive index of the high refractive index layer is 1.5% or more higher than an effective refractive index of the p-type cladding layer. .

(4)前記p型クラッド層の屈折率が一様であるか、または層厚方向で単調に変化していることを特徴とする(1)から(3)のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   (4) The semiconductor according to any one of (1) to (3), wherein a refractive index of the p-type cladding layer is uniform or monotonously changes in a layer thickness direction. laser.

(5)前記n側光ガイド層と前記p側光ガイド層とは、その実効屈折率、層厚のいずれかまたはその両方が異なることを特徴とする、(1)から(4)のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   (5) Any one of (1) to (4), wherein the n-side light guide layer and the p-side light guide layer are different in effective refractive index and / or layer thickness. 2. The semiconductor laser according to item 1.

(6)前記n型クラッド層、n側光ガイド層、活性層、p側光ガイド層、p型クラッド層がメサ構造であることを特徴とする、(1)から(5)のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   (6) Any one of (1) to (5), wherein the n-type cladding layer, the n-side light guide layer, the active layer, the p-side light guide layer, and the p-type cladding layer have a mesa structure. The semiconductor laser according to item.

(7)前記n側光ガイド層の層厚が0.01μm以上0.5μm以下であり、且つ、前記p側光ガイド層の層厚が0.01μm以上0.1μm以下であることを特徴とする、(1)から(6)のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   (7) The layer thickness of the n-side light guide layer is 0.01 μm or more and 0.5 μm or less, and the layer thickness of the p-side light guide layer is 0.01 μm or more and 0.1 μm or less. The semiconductor laser according to any one of (1) to (6).

(8)前記高屈折率層の屈折率分布が層厚方向で変化していることを特徴とする、(1)から(7)のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   (8) The semiconductor laser as set forth in any one of (1) to (7), wherein the refractive index distribution of the high refractive index layer changes in the layer thickness direction.

(9)前記n側光ガイド層と前記p側光ガイド層のいずれかまたはその両方が、屈折率の異なる複数の層で構成されていることを特徴とする、(1)から(8)のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   (9) One or both of the n-side light guide layer and the p-side light guide layer are composed of a plurality of layers having different refractive indexes, (1) to (8) The semiconductor laser according to any one of claims.

(10)前記n側光ガイド層と前記p側光ガイド層のいずれかまたはその両方の屈折率分布が層厚方向で変化していることを特徴とする、(1)から(9)のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   (10) The refractive index distribution of one or both of the n-side light guide layer and the p-side light guide layer is changed in the layer thickness direction, and any one of (1) to (9) The semiconductor laser according to claim 1.

本発明によれば、内部損失が低く、高い光出力を低い動作電流で実現できる半導体レーザを、量産性を損なうことなく実現できる。加えて、光ファイバ結合効率の向上、温度特性の改善を同時に実現することが可能となる。   According to the present invention, a semiconductor laser with low internal loss and capable of realizing high optical output with low operating current can be realized without impairing mass productivity. In addition, the optical fiber coupling efficiency and the temperature characteristics can be improved at the same time.

本発明になる半導体レーザの構造は、半導体基板上に、InGaAsP系またはInGaAlAs系化合物半導体からなる活性層を有する半導体レーザにおいて、p型InPクラッド層より十分に高い実効屈折率を有する高屈折率層がn型InPクラッド層中に設けられていることを特徴とする。加えて、光ガイド層(SCH;Separate Confinement Heterostructure)の実効屈折率、層厚のいずれかまたはその両方が、n側とp側で異なることを特徴とする。便宜上、本発明では、前記n型InPクラッド層中の高屈折率層を「モード拡大層」と呼ぶ。モード拡大層は、例えば、組成波長が1μm以上のInGaAsPまたはInGaAlAsで構成される。以下、InGaAsPモード拡大層を例として説明する。   The structure of the semiconductor laser according to the present invention is a semiconductor laser having an active layer made of an InGaAsP-based or InGaAlAs-based compound semiconductor on a semiconductor substrate, and a high refractive index layer having an effective refractive index sufficiently higher than that of a p-type InP cladding layer. Is provided in the n-type InP clad layer. In addition, one or both of the effective refractive index and the layer thickness of the light guide layer (SCH: Separate Confinement Heterostructure) are different between the n side and the p side. For convenience, in the present invention, the high refractive index layer in the n-type InP cladding layer is referred to as a “mode expansion layer”. The mode expansion layer is made of, for example, InGaAsP or InGaAlAs having a composition wavelength of 1 μm or more. Hereinafter, an InGaAsP mode expansion layer will be described as an example.

n側InPクラッド層中に実効屈折率の高いモード拡大層を挿入することで、比較的薄いInGaAsP層厚であっても、レーザ光をn側へ十分にシフトできる。従って、エピタキシャル成長時間の増加を極力抑えた構造でありながら、内部損失を十分に低減できる。   By inserting a mode expansion layer having a high effective refractive index in the n-side InP cladding layer, the laser beam can be sufficiently shifted to the n-side even with a relatively thin InGaAsP layer thickness. Therefore, the internal loss can be sufficiently reduced while the structure in which the increase in the epitaxial growth time is suppressed as much as possible.

更に、本発明の半導体レーザは、導波路の設計や製造工程を変更することなく、光ファイバとの高効率結合が可能となる。その理由を、発明者らのシミュレーション検討および実験結果を踏まえて、以下に述べる。   Furthermore, the semiconductor laser of the present invention enables high-efficiency coupling with an optical fiber without changing the design or manufacturing process of the waveguide. The reason for this will be described below based on the inventors' simulation studies and experimental results.

垂直横方向のレーザ光分布は、モード拡大層の実効屈折率、層厚、および光ガイド層からの距離でほぼ決定され、光ガイド層の実効屈折率および層厚にはほとんど影響されない。一方、水平横方向のレーザ光分布は、素子の水平横方向の屈折率分布に大きく依存するため、モード拡大層(実効屈折率、層厚、距離)および光ガイド層(実効屈折率、層厚)の両方から決定される。従って、垂直横方向のビーム形状をモード拡大層で設計した後、水平横方向のビーム形状を光ガイド層で設計することで、両者を独立に最適化することが可能となる。これにより、導波路幅を変更することなく高効率光ファイバ結合を実現できる。   The laser light distribution in the vertical transverse direction is substantially determined by the effective refractive index, the layer thickness, and the distance from the light guide layer of the mode expanding layer, and is hardly affected by the effective refractive index and the layer thickness of the light guide layer. On the other hand, since the horizontal and horizontal laser light distribution largely depends on the horizontal and horizontal refractive index distribution of the device, the mode expansion layer (effective refractive index, layer thickness, distance) and the light guide layer (effective refractive index, layer thickness) ) Determined from both. Therefore, by designing the beam shape in the vertical and transverse directions with the mode expansion layer and then designing the beam shape in the horizontal and transverse directions with the light guide layer, both can be optimized independently. Thereby, high-efficiency optical fiber coupling can be realized without changing the waveguide width.

更に、本発明の半導体レーザは、上記の効果に加えて、高温特性を改善することが可能である。その理由を、発明者らのシミュレーション検討および実験結果を踏まえて、以下に述べる。   Furthermore, the semiconductor laser of the present invention can improve high temperature characteristics in addition to the above effects. The reason for this will be described below based on the inventors' simulation studies and experimental results.

p側光ガイド層は、有効質量の小さい電子に対するポテンシャル障壁の役割を有するため、その組成、層厚を変えると、電子のオーバーフローが大きく変化する。一方、n側光ガイド層は、有効質量の大きい正孔に対するポテンシャル障壁となるため、その組成、層厚を変えても、素子の電気的特性にはほとんど影響しない。従って、モード拡大層の最適化で垂直横方向のビーム形状を制御し、p側光ガイド層の最適化で電子オーバーフローを最小化し、n側光ガイド層の最適化で水平横方向のビーム形状を制御することで、内部損失の低減、光ファイバ結合効率の向上、温度特性の改善を同時に実現することができる。   Since the p-side light guide layer has a role of a potential barrier against electrons having a small effective mass, the overflow of electrons greatly changes when the composition and layer thickness thereof are changed. On the other hand, the n-side light guide layer becomes a potential barrier against holes having a large effective mass, and therefore, even if the composition and layer thickness are changed, the electrical characteristics of the device are hardly affected. Therefore, the beam shape in the vertical and lateral directions is controlled by optimizing the mode expansion layer, the electron overflow is minimized by optimizing the p-side light guide layer, and the horizontal and horizontal beam shape is optimized by optimizing the n-side light guide layer. By controlling, it is possible to simultaneously realize reduction of internal loss, improvement of optical fiber coupling efficiency, and improvement of temperature characteristics.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1の実施の形態である半導体レーザの断面を示す図である。n型InP基板101上に形成された、n型InGaAsPモード拡大層102、n型InPクラッド層103、n側光ガイド層104、活性層105、p側光ガイド層106、p型InPクラッド層107からなるメサ108が、p型InP電流ブロック層109およびn型InP電流ブロック層110で埋め込まれており、メサ108およびn型InP電流ブロック層110の上面がp型InPクラッド層111で覆われた、いわゆるBH(Buried Heterostructure)レーザである。   FIG. 1 is a view showing a cross section of a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention. An n-type InGaAsP mode expansion layer 102, an n-type InP cladding layer 103, an n-side light guide layer 104, an active layer 105, a p-side light guide layer 106, and a p-type InP cladding layer 107 are formed on the n-type InP substrate 101. The mesa 108 made of is embedded with the p-type InP current blocking layer 109 and the n-type InP current blocking layer 110, and the upper surfaces of the mesa 108 and the n-type InP current blocking layer 110 are covered with the p-type InP cladding layer 111. This is a so-called BH (Buried Heterostructure) laser.

図2は、本発明の第1の実施の形態である半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。本発明の特徴は、n型InP基板201とn型InPクラッド層203との間にn型InGaAsPモード拡大層202が挿入されている点である。あるいは、n型InGaAsPモード拡大層202と活性層205の間にn型InPクラッド層203を備える点である。加えて、n側光ガイド層204とp側光ガイド層206とが、その実効屈折率、層厚のいずれかまたはその両方が異なる点である。   FIG. 2 is a diagram showing the refractive index distribution in the vertical direction in the mesa of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. A feature of the present invention is that an n-type InGaAsP mode expansion layer 202 is inserted between the n-type InP substrate 201 and the n-type InP cladding layer 203. Alternatively, an n-type InP cladding layer 203 is provided between the n-type InGaAsP mode expansion layer 202 and the active layer 205. In addition, the n-side light guide layer 204 and the p-side light guide layer 206 are different in the effective refractive index, the layer thickness, or both.

図7は、本発明の第1の実施の形態におけるシミュレーション例であり、内部損失のモード拡大層屈折率依存性を示したグラフである。モード拡大層の屈折率が高くなるに従い、レーザ光のn側へのシフト量が大きくなり、内部損失を低減できることが計算により示された。我々の計算によれば、p型InPクラッド層の実効屈折率に対するモード拡大層の屈折率が1.5%以上高ければ、内部損失の低減効果が十分に得られることがわかった。一方、モード拡大層の屈折率が活性層の実効屈折率より高くなると、活性層への光閉じ込め率が小さくなりすぎて素子特性が悪化するため、モード拡大層の実効屈折率は活性層の実効屈折率以下とするのが望ましい。   FIG. 7 is a simulation example in the first embodiment of the present invention, and is a graph showing the dependence of the internal loss on the mode expansion layer refractive index. Calculations show that as the refractive index of the mode expansion layer increases, the amount of shift of the laser light toward the n side increases and the internal loss can be reduced. According to our calculation, it was found that if the refractive index of the mode expanding layer is higher than the effective refractive index of the p-type InP cladding layer by 1.5% or more, the effect of reducing the internal loss can be sufficiently obtained. On the other hand, if the refractive index of the mode expansion layer is higher than the effective refractive index of the active layer, the optical confinement ratio in the active layer becomes too small and the device characteristics deteriorate, so the effective refractive index of the mode expansion layer is the effective refractive index of the active layer. It is desirable that the refractive index be equal to or lower than the refractive index.

図8は、本発明の第1の実施の形態におけるシミュレーション例であり、内部損失のモード拡大層厚依存性を示したグラフである。モード拡大層厚が厚くなるに従い、レーザ光のn側へのシフト量が大きくなり、内部損失を低減できることが計算により示された。我々の計算によれば、モード拡大層厚が10nm以上であれば、内部損失の低減効果が十分に得られることがわかった。なお、モード拡大層厚が1μmより厚くなると、活性層の光閉じ込め率が小さくなりすぎて素子特性が悪化し、また厚くなるほどエピタキシャル成長時間の増加を招き量産性が低下するため、モード拡大層の上限は1μm以下とするのが望ましい。   FIG. 8 is a simulation example in the first embodiment of the present invention, and is a graph showing the dependence of the internal loss on the mode expansion layer thickness. Calculations show that as the mode expansion layer thickness increases, the shift amount of the laser light toward the n side increases, and the internal loss can be reduced. According to our calculation, it was found that if the thickness of the mode expansion layer is 10 nm or more, the effect of reducing the internal loss can be sufficiently obtained. If the thickness of the mode expansion layer is greater than 1 μm, the optical confinement ratio of the active layer becomes too small and the device characteristics deteriorate, and as the thickness increases, the epitaxial growth time increases and the mass productivity decreases. Is preferably 1 μm or less.

図9は、本発明の第1の実施の形態におけるシミュレーション例であり、内部損失のn側光ガイド層〜モード拡大層間距離依存性の例を示したグラフであり、層厚0.15μmのモード拡大層において、屈折率3.25の場合(「低」と表示)と、屈折率3.4の場合(「高」と表示)を示している。モード拡大層が光ガイド層から離れる、すなわち、両者の間に設ける低屈折率のn型クラッド層の層厚が大きくなるに従い、レーザ光のn側へのシフト量が大きくなり、内部損失を低減できることが計算により示された。ただし、モード拡大層が光ガイド層から離れすぎると、モード拡大層の光閉じ込め率が小さくなるため、レーザ光のn側へのシフト量が小さくなり、内部損失は増加することがわかった。屈折率や層厚の異なる種々のモード拡大層について検討した結果、モード拡大層の光ガイド層からの距離が0.2μm以上2μm以下の範囲で、内部損失の低減効果が十分に得られることがわかった。   FIG. 9 is a simulation example in the first embodiment of the present invention, which is a graph showing an example of the dependence of internal loss on the n-side light guide layer to the mode expansion interlayer distance, and a mode having a layer thickness of 0.15 μm. In the enlarged layer, the refractive index is 3.25 (displayed as “low”) and the refractive index is 3.4 (displayed as “high”). As the mode expansion layer moves away from the light guide layer, that is, as the layer thickness of the low refractive index n-type cladding layer provided therebetween increases, the amount of shift of laser light to the n side increases, reducing internal loss. Calculations have shown that this is possible. However, it has been found that if the mode expansion layer is too far from the light guide layer, the optical confinement ratio of the mode expansion layer is reduced, so that the shift amount of the laser light to the n side is reduced and the internal loss is increased. As a result of examining various mode expansion layers having different refractive indexes and layer thicknesses, it is possible to sufficiently reduce the internal loss when the distance from the light guide layer of the mode expansion layer is 0.2 μm or more and 2 μm or less. all right.

以上のように、n型InGaAsPモード拡大層202を、屈折率がp型InPクラッド層207の実効屈折率と比べて1.5%以上高く且つ活性層の実効屈折率以下、n型InGaAsPモード拡大層202の層厚が0.01μm以上1μm以下、n側光ガイド層からの距離が0.2μm以上2μm以下の範囲で最適に設計することで、量産性を損なうことなく、内部損失を大幅に低減することができる。   As described above, the n-type InGaAsP mode expansion layer 202 has a refractive index higher than the effective refractive index of the p-type InP cladding layer 207 by 1.5% or more and below the effective refractive index of the active layer. Optimum design with the layer 202 having a thickness of 0.01 μm or more and 1 μm or less and a distance from the n-side light guide layer of 0.2 μm or more and 2 μm or less greatly reduces internal loss without sacrificing mass productivity. Can be reduced.

より具体的には、例えばn型InGaAsPモード拡大層202の屈折率を3.3、層厚を0.2μm、n側光ガイド層との距離を0.5μmとすることで、モード拡大層がない構造と比べて内部損失を30%以上低減できる。この時、エピタキシャル層厚増加分は、n型InGaAsPモード拡大層202がない構造と比べて高々0.7μmである。このように、本発明によると、図6に示した従来の構造と比べて、層厚増加分が1/10以下でありながら同等以上の内部損失低減効果が得られる。   More specifically, for example, when the refractive index of the n-type InGaAsP mode expansion layer 202 is 3.3, the layer thickness is 0.2 μm, and the distance from the n-side light guide layer is 0.5 μm, the mode expansion layer is The internal loss can be reduced by 30% or more compared to a structure having no structure. At this time, the increase in the thickness of the epitaxial layer is at most 0.7 μm as compared with the structure without the n-type InGaAsP mode expansion layer 202. Thus, according to the present invention, compared with the conventional structure shown in FIG. 6, an internal loss reduction effect equal to or higher than that of the conventional structure shown in FIG.

また、モード拡大層は、他の組成、層厚、距離の組み合わせでも同様の効果が得られる。例えばモード拡大層の屈折率を3.35、層厚を0.1μm、n側光ガイド層との距離を0.6μmとしても、内部損失を30%以上低減できる。従って、内部損失低減と同時に、それ以外の特性改善、例えば、垂直横方向のレーザ光分布が高効率光ファイバ結合に適した形状となるように最適化設計することが可能である。   Further, the mode expansion layer can obtain the same effect even when other compositions, layer thicknesses, and distances are combined. For example, even if the refractive index of the mode expansion layer is 3.35, the layer thickness is 0.1 μm, and the distance from the n-side light guide layer is 0.6 μm, the internal loss can be reduced by 30% or more. Accordingly, it is possible to optimize the design so that the internal loss is reduced and other characteristics are improved, for example, the laser light distribution in the vertical and lateral directions is a shape suitable for high-efficiency optical fiber coupling.

図10は、本発明の第1の実施の形態におけるシミュレーション例であり、電子オーバーフローのp側ガイド層厚依存性を示したグラフである。p側SCH構造は、有効質量の小さな電子に対するポテンシャル障壁の役割を有するため、p側ガイド層厚を最適化することで、電子オーバーフローを最小化できることが計算により示された。同様に、p側ガイド層の屈折率についても最適化が可能である。   FIG. 10 is a simulation example in the first embodiment of the present invention, and is a graph showing the dependence of electron overflow on the p-side guide layer thickness. Since the p-side SCH structure has a role of a potential barrier for electrons with a small effective mass, it has been calculated by optimizing the p-side guide layer thickness to minimize the electron overflow. Similarly, the refractive index of the p-side guide layer can be optimized.

以上のように、p側光ガイド層206は、実効屈折率をp型InPクラッド層207の実効屈折率以上且つ活性層の実効屈折率以下、層厚を0.01μm以上0.1μm以下の範囲で最適に設計することで、電子のオーバーフローを効果的に抑制できる。具体的には、例えばp側光ガイド層206の実効屈折率を3.35、層厚を0.03μmとすることで、電子のオーバーフローは極小値となる。この時、本発明による半導体レーザの垂直横方向のレーザ光分布は、活性層205とモード拡大層202でほぼ決定されるため、p側光ガイド層206の組成、層厚を変えてもほとんど変化しない。従って、p側光ガイド層206を最適に設計することで、内部損失と光ファイバ結合効率を悪化させることなく、高温特性を改善することができる。   As described above, the p-side light guide layer 206 has an effective refractive index that is greater than or equal to the effective refractive index of the p-type InP cladding layer 207 and less than or equal to the effective refractive index of the active layer, and a thickness of 0.01 μm to 0.1 μm. By optimizing the design, the overflow of electrons can be effectively suppressed. Specifically, for example, by setting the effective refractive index of the p-side light guide layer 206 to 3.35 and the layer thickness to 0.03 μm, the overflow of electrons becomes a minimum value. At this time, the laser beam distribution in the vertical and lateral directions of the semiconductor laser according to the present invention is substantially determined by the active layer 205 and the mode expansion layer 202, and therefore changes substantially even if the composition and layer thickness of the p-side light guide layer 206 are changed. do not do. Therefore, by appropriately designing the p-side light guide layer 206, the high temperature characteristics can be improved without deteriorating internal loss and optical fiber coupling efficiency.

また、p側光ガイド層は、他の組成、層厚の組み合わせでも同様の効果が得られる。例えばp側光ガイド層を、屈折率が3.3および3.4の2段で構成し、それぞれの層厚を0.02μmとしても、電子のオーバーフローを極小とすることができる。同様に、3段以上の多段構造としてもよい。また、層厚方向で組成が徐々に変化する、いわゆるGRIN−SCH(Graded Index Separate Confinement Heterostructure)としてもよい。   In addition, the p-side light guide layer can achieve the same effect even when other compositions and layer thickness combinations are used. For example, even if the p-side light guide layer is composed of two stages having a refractive index of 3.3 and 3.4, and the thickness of each layer is 0.02 μm, the overflow of electrons can be minimized. Similarly, a multistage structure having three or more stages may be used. Moreover, it is good also as what is called GRIN-SCH (Graded Index Separate Confinement Heterostructure) from which a composition changes gradually in the layer thickness direction.

図11は、本発明の第1の実施の形態におけるシミュレーション例であり、ファイバ結合効率のn側ガイド層厚依存性を示したグラフである。本例の場合、n側光ガイド層厚が厚くなるに従い、素子の水平方向の屈折率分布が大きくなり、水平横モードのビーム形状がファイバ結合に適した形状に近づくため、ファイバ結合効率を向上できることが計算により示された。我々の計算によれば、n側光ガイド層厚が10nm以上であれば、ファイバ結合効率の改善効果が十分に得られることがわかった。また、n側光ガイド層厚が0.5μmより厚くなると、素子の等価屈折率が大きくなりすぎて基本モードのカットオフ条件を満たさなくなることもわかった。   FIG. 11 is a simulation example according to the first embodiment of the present invention, and is a graph showing the dependence of the fiber coupling efficiency on the n-side guide layer thickness. In this example, as the n-side light guide layer thickness increases, the refractive index distribution in the horizontal direction of the element increases and the beam shape in the horizontal transverse mode approaches that suitable for fiber coupling, thus improving fiber coupling efficiency. Calculations have shown that this is possible. According to our calculation, it was found that if the n-side light guide layer thickness is 10 nm or more, the effect of improving the fiber coupling efficiency can be sufficiently obtained. It was also found that when the n-side light guide layer thickness is greater than 0.5 μm, the equivalent refractive index of the element becomes too large to satisfy the fundamental mode cutoff condition.

以上のように、n側光ガイド層204は、実効屈折率をn型InPクラッド層203の実効屈折率以上且つ活性層の実効屈折率以下、層厚を0.01μm以上0.5μm以下の範囲で最適に設計することで、水平横方向のレーザ光分布が高効率光ファイバ結合に適した形状となるように制御可能である。具体的には、例えばn側光ガイド層204の実効屈折率を3.35、層厚を0.1μmとすることで、導波路幅を変えることなく、90%以上の光ファイバ結合効率を実現できる。この時、n側光ガイド層204の組成、層厚を変えても、垂直横方向のレーザ光分布、および正孔オーバーフローにはほとんど影響を与えない。従って、n側光ガイド層204を最適に設計することで、内部損失と高温特性を悪化させることなく、高効率光ファイバ結合を実現できる。   As described above, the n-side light guide layer 204 has an effective refractive index that is greater than or equal to the effective refractive index of the n-type InP cladding layer 203 and less than or equal to the effective refractive index of the active layer, and a layer thickness of 0.01 μm to 0.5 μm. By designing optimally, it is possible to control the horizontal and horizontal laser light distribution so as to have a shape suitable for high-efficiency optical fiber coupling. Specifically, for example, by setting the effective refractive index of the n-side light guide layer 204 to 3.35 and the layer thickness to 0.1 μm, an optical fiber coupling efficiency of 90% or more is achieved without changing the waveguide width. it can. At this time, even if the composition and the layer thickness of the n-side light guide layer 204 are changed, the laser light distribution in the vertical transverse direction and the hole overflow are hardly affected. Therefore, by designing the n-side light guide layer 204 optimally, high-efficiency optical fiber coupling can be realized without deteriorating internal loss and high temperature characteristics.

また、n側光ガイド層は、他の組成、層厚の組み合わせでも同様の効果が得られる。例えばn側光ガイド層を、屈折率が3.3および3.4の2段で構成し、それぞれの層厚を0.04μmおよび0.06μmとしても、90%以上の光ファイバ結合効率を実現できる。同様に、3段以上の多段構造としてもよい。また、層厚方向で組成が徐々に変化する、いわゆるGRIN−SCHとしてもよい。   In addition, the n-side light guide layer can obtain the same effect even when other compositions and layer thicknesses are combined. For example, the n-side light guide layer is composed of two stages with refractive indexes of 3.3 and 3.4, and the optical fiber coupling efficiency of 90% or more is realized even when the respective layer thicknesses are 0.04 μm and 0.06 μm. it can. Similarly, a multistage structure having three or more stages may be used. Moreover, it is good also as what is called GRIN-SCH from which a composition changes gradually in the layer thickness direction.

なお、前記の範囲で最適に設計した結果であれば、p側光ガイド層とn側光ガイド層の組成および層厚は如何様でもよい。   Note that the composition and the layer thickness of the p-side light guide layer and the n-side light guide layer may be arbitrary as long as the results are optimally designed within the above range.

屈折率の調整は、InGaAsPまたはInGaAlAs系半導体においてGaまたはAsの組成比を調整することで任意に調整することができる。具体的には、GaまたはAsの少なくとも一方の組成比を多くすると屈折率が高くなる傾向がある。   The refractive index can be arbitrarily adjusted by adjusting the composition ratio of Ga or As in the InGaAsP or InGaAlAs semiconductor. Specifically, when the composition ratio of at least one of Ga or As is increased, the refractive index tends to increase.

図3は、本発明の第2の実施の形態である半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。第1の実施の形態との違いは、モード拡大層302が屈折率の異なる複数の高屈折率層間に低屈折率層を挟んだ多重構造(「多重モード拡大層」という)である点である。この場合、垂直横方向のレーザ光分布を、より精密に制御することが可能となるため、光ファイバ結合効率をさらに高めることができる。なお、図3では、モード拡大層302が活性層305から離れるに従い、屈折率が低く、層厚が厚く、間隔が広くなる場合を示したが、垂直方向のレーザ光分布を高効率光ファイバ結合に適した形状に制御する点においては、モード拡大層302の組成、層厚、間隔は如何様でもよい。例えば、組成、層厚、間隔のいずれかもしくは全てが同じであってもよい。また、モード拡大層302の層数は3層に限らず、2層でもよく、4層以上の多重構造でもよい。   FIG. 3 is a view showing the refractive index distribution in the vertical direction in the mesa of the semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the mode expansion layer 302 has a multiple structure (referred to as “multimode expansion layer”) in which a low refractive index layer is sandwiched between a plurality of high refractive index layers having different refractive indexes. . In this case, the laser light distribution in the vertical and lateral directions can be controlled more precisely, so that the optical fiber coupling efficiency can be further increased. FIG. 3 shows a case where the refractive index decreases, the layer thickness increases, and the interval increases as the mode expansion layer 302 moves away from the active layer 305. However, the vertical laser beam distribution is changed to high-efficiency optical fiber coupling. The mode expansion layer 302 may have any composition, layer thickness, and spacing in terms of controlling the shape suitable for the above. For example, any or all of the composition, the layer thickness, and the interval may be the same. The number of mode expansion layers 302 is not limited to three, but may be two layers or a multi-layer structure of four or more layers.

図4は、本発明の第3の実施の形態である半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。第1の実施の形態との違いは、モード拡大層402が多段である点である(「多段モード拡大層」という)。この場合、垂直横方向のレーザ光分布を、より精密に制御することが可能となるため、光ファイバ結合効率をさらに高めることができる。なお、図4では、モード拡大層402内で最も屈折率の高い層が1段設けられ、その両側の低屈折率層の組成、層厚が異なる場合を示したが、垂直方向のレーザ光分布を高効率光ファイバ結合に適した形状に制御する点においては、モード拡大層402を構成する層の組成、層厚、間隔は如何様でもよい。例えば、モード拡大層402内で最も屈折率の高い層の両側に設けられた低屈折率層の組成、層厚が同じでもよい。また、モード拡大層402内で最も屈折率の高い層の片側のみに低屈折率層を有する構造でもよい。また、本発明の第2の実施の形態と組み合わせて、モード拡大層402内で屈折率の高い層が複数設けられてもよい。同様に、第2の実施の形態で示したモード拡大層302の各層が、それぞれ多段で構成されてもよい。   FIG. 4 is a diagram showing the refractive index distribution in the vertical direction in the mesa of the semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the mode expansion layer 402 is multistage (referred to as “multistage mode expansion layer”). In this case, the laser light distribution in the vertical and lateral directions can be controlled more precisely, so that the optical fiber coupling efficiency can be further increased. FIG. 4 shows a case where one layer having the highest refractive index in the mode expansion layer 402 is provided, and the composition and thickness of the low refractive index layers on both sides thereof are different, but the laser beam distribution in the vertical direction is shown. Is controlled to a shape suitable for high-efficiency optical fiber coupling, the composition, layer thickness, and spacing of the layers constituting the mode expansion layer 402 may be arbitrary. For example, the composition and layer thickness of the low refractive index layers provided on both sides of the highest refractive index layer in the mode expansion layer 402 may be the same. Further, a structure having a low refractive index layer only on one side of the layer having the highest refractive index in the mode expanding layer 402 may be used. In combination with the second embodiment of the present invention, a plurality of layers having a high refractive index may be provided in the mode expansion layer 402. Similarly, each layer of the mode expansion layer 302 shown in the second embodiment may be configured in multiple stages.

図5は、本発明の第4の実施の形態である半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。第1の実施の形態との違いは、モード拡大層502の組成が層厚方向で徐々に変化する点である(「傾斜モード拡大層」という)。この場合、垂直横方向のレーザ光分布を、より精密に制御することが可能となるため、光ファイバ結合効率をさらに高めることができる。なお、図5では、モード拡大層502の屈折率分布が非対称の場合を示したが、垂直方向のレーザ光分布を高効率光ファイバ結合に適した形状に制御する点においては、モード拡大層502の層厚方向に対する組成の変化は如何様でもよい。例えば、モード拡大層502の屈折率分布が対称でもよい。また、モード拡大層502の組成の変化が直線状でもよい。また、本発明の第2の実施の形態、あるいは、第3の実施の形態、あるいはその両方と組み合わせた構造であってもよい。   FIG. 5 is a view showing the refractive index distribution in the vertical direction in the mesa of the semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the composition of the mode expansion layer 502 gradually changes in the layer thickness direction (referred to as “gradient mode expansion layer”). In this case, the laser light distribution in the vertical and lateral directions can be controlled more precisely, so that the optical fiber coupling efficiency can be further increased. FIG. 5 shows a case where the refractive index distribution of the mode expansion layer 502 is asymmetric. However, the mode expansion layer 502 is controlled in that the laser light distribution in the vertical direction is controlled to a shape suitable for high-efficiency optical fiber coupling. Any change in the composition with respect to the thickness direction of the film may be used. For example, the refractive index distribution of the mode expansion layer 502 may be symmetric. Further, the change in the composition of the mode expansion layer 502 may be linear. Moreover, the structure combined with the 2nd Embodiment of this invention, 3rd Embodiment, or both may be sufficient.

なお、モード拡大層はInGaAsPまたはInGaAlAs系化合物半導体に限定されることはなく、p型クラッド層に対して実効屈折率の高い他の材料で構成してもよい。   Note that the mode expansion layer is not limited to an InGaAsP or InGaAlAs-based compound semiconductor, and may be composed of another material having a higher effective refractive index than the p-type cladding layer.

また、n型クラッド層およびp型クラッド層はInPに限定されることなく、他の組成、あるいは他の材料で構成された半導体レーザにも適用できる。また、n型クラッド層とp型クラッド層とが異なる組成、材料で構成された半導体レーザにも適用できる。この場合にも、モード拡大層はp型クラッド層に対して実効屈折率の高い組成、あるいは材料で構成すればよい。   Further, the n-type cladding layer and the p-type cladding layer are not limited to InP, and can be applied to semiconductor lasers composed of other compositions or other materials. The present invention can also be applied to a semiconductor laser in which the n-type cladding layer and the p-type cladding layer are made of different compositions and materials. Also in this case, the mode expansion layer may be made of a composition or material having a higher effective refractive index than the p-type cladding layer.

なお、n型クラッド層の多数キャリアである電子は有効質量が小さいため、n型クラッド層中にモード拡大層のような比較的ポテンシャル障壁の大きい層が存在していても、電流−電圧特性などの素子特性をほとんど悪化させることはない。ただし、p型クラッド層の多数キャリアである正孔は有効質量が大きく、ポテンシャル障壁の存在が素子特性に与える影響が大きいため、p型クラッド層はポテンシャル障壁がないか、もしくは、層厚方向で単調に変化していることが望ましい。あるいは、p型クラッド層の屈折率が一様であるか、もしくは、層厚方向で単調に変化していることが望ましい。   Since electrons which are majority carriers in the n-type cladding layer have a small effective mass, even if a layer having a relatively large potential barrier such as a mode expansion layer exists in the n-type cladding layer, the current-voltage characteristics, etc. The device characteristics are hardly deteriorated. However, since holes that are majority carriers in the p-type cladding layer have a large effective mass, and the presence of the potential barrier has a large influence on the device characteristics, the p-type cladding layer has no potential barrier or is in the layer thickness direction. It is desirable to change monotonously. Alternatively, it is desirable that the refractive index of the p-type cladding layer is uniform or changes monotonously in the layer thickness direction.

また、活性層は、バルク、単一量子井戸、多重量子井戸など、如何様の構造であっても適用できる。   The active layer can be applied to any structure such as a bulk, a single quantum well, and a multiple quantum well.

また、BHレーザに限らず、他の構造を有する半導体レーザにも適用できる。例えば、DC−PBH(Double Channel Planar Buried Heterostructure)レーザにも適用できる。   Further, the present invention can be applied not only to the BH laser but also to a semiconductor laser having another structure. For example, the present invention can be applied to a DC-PBH (Double Channel Planar Buried Heterostructure) laser.

本発明の第1の実施の形態の半導体レーザの断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor laser of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。It is the figure which showed the refractive index distribution of the perpendicular direction in the mesa of the semiconductor laser of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態の半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。It is the figure which showed the refractive index distribution of the perpendicular direction in the mesa of the semiconductor laser of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態の半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。It is the figure which showed the refractive index distribution of the perpendicular direction in the mesa of the semiconductor laser of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態の半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。It is the figure which showed the refractive index distribution of the perpendicular direction in the mesa of the semiconductor laser of the 4th Embodiment of this invention. 従来の半導体レーザの断面図である。It is sectional drawing of the conventional semiconductor laser. 本発明の第1の実施の形態におけるシミュレーション例(内部損失のモード拡大層屈折率依存性)を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a simulation (mode expansion layer refractive index dependence of internal loss) in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態におけるシミュレーション例(内部損失のモード拡大層厚依存性)を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a simulation (mode expansion layer thickness dependence of an internal loss) in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態におけるシミュレーション例(内部損失のn側光ガイド層〜モード拡大層間距離依存性)を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a simulation in the 1st Embodiment of this invention (The n side light guide layer-mode expansion interlayer distance dependence of an internal loss). 本発明の第1の実施の形態におけるシミュレーション例(電子オーバーフローのp側光ガイド層厚依存性)を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a simulation in the 1st Embodiment of this invention (the p side light guide layer thickness dependence of an electronic overflow). 本発明の第1の実施の形態におけるシミュレーション例(ファイバ結合効率のn側光ガイド層厚依存性)を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a simulation in the 1st Embodiment of this invention (The n side light guide layer thickness dependence of fiber coupling efficiency).

符号の説明Explanation of symbols

101・・・n型InP基板
102・・・n型InGaAsPモード拡大層
103・・・n型InPクラッド層
104・・・n側光ガイド層
105・・・活性層
106・・・p側光ガイド層
107・・・p型InPクラッド層
108・・・メサ
109・・・p型InP電流ブロック層
110・・・n型InP電流ブロック層
111・・・p型InPクラッド層
201・・・n型InP基板
202・・・n型InGaAsPモード拡大層
203・・・n型InPクラッド層
204・・・n側光ガイド層
205・・・活性層
206・・・p側光ガイド層
207・・・p型InPクラッド層
301・・・n型InP基板
302・・・多重モード拡大層
303・・・n型InPクラッド層
304・・・n側光ガイド層
305・・・活性層
306・・・p側光ガイド層
307・・・p型InPクラッド層
401・・・n型InP基板
402・・・多段モード拡大層
403・・・n型InPクラッド層
404・・・n側光ガイド層
405・・・活性層
406・・・p側光ガイド層
407・・・p型InPクラッド層
501・・・n型InP基板
502・・・傾斜モード拡大層
503・・・n型InPクラッド層
504・・・n側光ガイド層
505・・・活性層
506・・・p側光ガイド層
507・・・p型InPクラッド層
601・・・n型InP基板
602・・・n型InGaAsPクラッド層
603・・・活性層
604・・・p型InPクラッド層
605・・・p型InP電流ブロック層
606・・・n型InP電流ブロック層
607・・・p型InPクラッド層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... n-type InP substrate 102 ... n-type InGaAsP mode expansion layer 103 ... n-type InP clad layer 104 ... n-side light guide layer 105 ... active layer 106 ... p-side light guide Layer 107 ... p-type InP cladding layer 108 ... mesa 109 ... p-type InP current blocking layer 110 ... n-type InP current blocking layer 111 ... p-type InP cladding layer 201 ... n-type InP substrate 202 ... n-type InGaAsP mode expansion layer 203 ... n-type InP cladding layer 204 ... n-side light guide layer 205 ... active layer 206 ... p-side light guide layer 207 ... p Type InP cladding layer 301... N type InP substrate 302... Multi-mode expansion layer 303... N type InP cladding layer 304... N-side light guide layer 305. Side light guide layer 307... P-type InP cladding layer 401... N-type InP substrate 402... Multistage mode expansion layer 403... N-type InP cladding layer 404. Active layer 406... P-side light guide layer 407... P-type InP cladding layer 501... N-type InP substrate 502... Inclined mode expansion layer 503. n-side light guide layer 505 ... active layer 506 ... p-side light guide layer 507 ... p-type InP clad layer 601 ... n-type InP substrate 602 ... n-type InGaAsP clad layer 603 ... Active layer 604... P-type InP cladding layer 605... P-type InP current blocking layer 606... N-type InP current blocking layer 607.

Claims (11)

半導体基板上に、InGaAsP系またはInGaAlAs系化合物半導体からなる活性層を有し、n型クラッド層、n側光ガイド層、活性層、p側光ガイド層、p型クラッド層をこの順で有する半導体レーザにおいて、n型クラッド層中の一部に、n型クラッド層とは屈折率の異なる単数もしくは複数の層で構成された高屈折率層が設けられ、該高屈折率層の実効屈折率がp型クラッド層の実効屈折率と比べて高く、前記n側光ガイド層と前記高屈折率層との間に、前記活性層の実効屈折率および前記高屈折率層の実効屈折率より低い実効屈折率を有するn型クラッド層が介在し、該介在するn型クラッド層の層厚が0.2μm以上であることを特徴とする半導体レーザ。   A semiconductor having an active layer made of an InGaAsP-based or InGaAlAs-based compound semiconductor on a semiconductor substrate, and an n-type cladding layer, an n-side light guide layer, an active layer, a p-side light guide layer, and a p-type cladding layer in this order. In the laser, a part of the n-type cladding layer is provided with a high refractive index layer composed of one or more layers having a refractive index different from that of the n-type cladding layer, and the effective refractive index of the high refractive index layer is An effective refractive index that is higher than the effective refractive index of the p-type cladding layer and lower than the effective refractive index of the active layer and the effective refractive index of the high refractive index layer between the n-side light guide layer and the high refractive index layer. A semiconductor laser, wherein an n-type cladding layer having a refractive index is interposed, and the thickness of the interposed n-type cladding layer is 0.2 μm or more. 前記高屈折率層は、層厚が0.01μm以上1μm以下であり、且つ、前記介在するn型クラッド層の層厚が2μm以下であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体レーザ。   2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the high refractive index layer has a layer thickness of 0.01 μm or more and 1 μm or less, and a thickness of the intervening n-type cladding layer is 2 μm or less. . 前記高屈折率層の実効屈折率は、前記p型クラッド層の実効屈折率と比べて1.5%以上高いことを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体レーザ。   3. The semiconductor laser according to claim 1, wherein an effective refractive index of the high refractive index layer is 1.5% or more higher than an effective refractive index of the p-type cladding layer. 前記p型クラッド層の屈折率が一様であるか、または層厚方向で単調に変化していることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   4. The semiconductor laser according to claim 1, wherein a refractive index of the p-type cladding layer is uniform or monotonously changes in a layer thickness direction. 5. 前記n側光ガイド層と前記p側光ガイド層とは、その実効屈折率、層厚のいずれかまたはその両方が異なることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   The n-side light guide layer and the p-side light guide layer are different from each other in effective refractive index, layer thickness, or both, according to any one of claims 1 to 4. Semiconductor laser. 前記n型クラッド層、n側光ガイド層、活性層、p側光ガイド層、p型クラッド層がメサ構造に形成されていることを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   The n-type cladding layer, the n-side light guide layer, the active layer, the p-side light guide layer, and the p-type cladding layer are formed in a mesa structure, according to any one of claims 1 to 5. The semiconductor laser described. 前記n側光ガイド層の層厚が0.01μm以上0.5μm以下であり、且つ、前記p側光ガイド層の層厚が0.01μm以上0.1μm以下であることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   The layer thickness of the n-side light guide layer is 0.01 μm or more and 0.5 μm or less, and the layer thickness of the p-side light guide layer is 0.01 μm or more and 0.1 μm or less. Item 7. The semiconductor laser according to any one of Items 1 to 6. 前記高屈折率層の屈折率分布が層厚方向で変化していることを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   8. The semiconductor laser according to claim 1, wherein a refractive index distribution of the high refractive index layer changes in a layer thickness direction. 9. 前記n側光ガイド層と前記p側光ガイド層のいずれかまたはその両方が、屈折率の異なる複数の層で構成されていることを特徴とする、請求項1から8のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   9. The device according to claim 1, wherein one or both of the n-side light guide layer and the p-side light guide layer is composed of a plurality of layers having different refractive indexes. The semiconductor laser described. 前記n側光ガイド層と前記p側光ガイド層のいずれかまたはその両方の屈折率分布が層厚方向で変化していることを特徴とする、請求項1から9のいずれか1項に記載の半導体レーザ。   10. The refractive index distribution of one or both of the n-side light guide layer and the p-side light guide layer changes in the layer thickness direction, according to claim 1. Semiconductor laser. n型InP半導体基板上に、n型InPクラッド層、n側光ガイド層、InGaAsP系またはInGaAlAs系化合物半導体からなる活性層、p側光ガイド層、p型InPクラッド層をこの順で有する半導体レーザにおいて、n型InPクラッド層中の一部に単数もしくは複数の層で構成されたn型InGaAsPまたはn型InGaAlAs高屈折率層が設けられ、その高屈折率層の実効屈折率が、活性層の実効屈折率以下であって、p型InPクラッド層の実効屈折率よりも高いことを特徴する半導体レーザ。   A semiconductor laser having an n-type InP cladding layer, an n-side light guide layer, an active layer made of an InGaAsP-based or InGaAlAs-based compound semiconductor, a p-side light guide layer, and a p-type InP cladding layer in this order on an n-type InP semiconductor substrate In the n-type InP cladding layer, an n-type InGaAsP or n-type InGaAlAs high refractive index layer composed of one or more layers is provided in a part of the n-type InP cladding layer, and the effective refractive index of the high refractive index layer is A semiconductor laser having an effective refractive index or lower and higher than an effective refractive index of a p-type InP cladding layer.
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