JP2011181974A - Semiconductor laser element - Google Patents

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Satoshi Murasawa
智 村沢
Toru Takayama
徹 高山
Isao Kidoguchi
勲 木戸口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser element which stably maintains multimode oscillation characteristics and temperature characteristics in a longitudinal mode in a wide temperature range and has good temperature characteristics. <P>SOLUTION: The semiconductor laser element is equipped with a light emitter comprising: a first clad layer 103 on a substrate 101; an active layer 104 formed on the first clad layer 103; a second clad layer 105 which is formed on the active layer 104 and has a ridge stripe 111 for injecting a current into the active layer 104; and a current constriction layer 109 which is formed on both sides of the ridge stripe 111 so that a current may be constricted by the ridge stripe 111. Here, a distance d1 from a lower surface of the current constriction layer 109 to an upper surface of the active layer 104 is a value in a prescribed range. The current expands wider than the width of the ridge stripe 111 after passing the ridge stripe 111 before reaching the active layer 104. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に縦モードがマルチモードである自励発振型を含む半導体レーザ素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device including a self-pulsation type whose longitudinal mode is a multimode.

近年、光ディスク及び光磁気記録ディスク等の記録媒体に対する光学的記録装置及び読み出し装置等に用いる光ピックアップ光源として、半導体レーザ素子が多用されている。その用途としては、レコーダー用、PC用及び車載用等の多岐にわたり、光ディスク市場は拡大し続けている。特に、カーナビゲーションに代表される車載用の要望は高く、CD及びDVD全ディスクの再生が可能な光ピックアップ装置の需要が拡大している。   2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor laser elements are frequently used as optical pickup light sources used in optical recording devices and reading devices for recording media such as optical disks and magneto-optical recording disks. The optical disc market continues to expand for a wide variety of uses such as recorders, PCs, and in-vehicle use. In particular, the demand for in-vehicle use represented by car navigation is high, and the demand for optical pickup devices capable of reproducing all CD and DVD discs is increasing.

車載用光ピックアップ装置に強く求められることとして、(1)光ピックアップ装置の小型化、(2)低温から高温まで動作し得る幅広い動作温度保証、及び(3)信号劣化抑制(低雑音化)が挙げられる。   There are strong demands for in-vehicle optical pickup devices: (1) miniaturization of optical pickup devices, (2) wide operating temperature guarantees capable of operating from low to high temperatures, and (3) suppression of signal degradation (low noise). Can be mentioned.

まず、(1)光ピックアップ装置の小型化のためには、光学部品を低減して装置を簡略化することが有効であり、その一つの方法として、DVD用の650nm帯の赤色半導体レーザとCD用の780nm帯の赤外半導体レーザを同一の半導体基板上に集積化したモノリシック半導体レーザにすることが挙げられる。これにより、半導体レーザ自体を一つの部品に集約できるだけでなく、コリメータレンズやビームスプリッタ等の光学部品を赤色半導体レーザと赤外半導体レーザで共用化でき、装置の小型化に有効である。   First, (1) In order to reduce the size of the optical pickup device, it is effective to simplify the device by reducing the number of optical components. As one method, a 650 nm band red semiconductor laser for DVD and a CD are used. And a monolithic semiconductor laser in which an infrared semiconductor laser of 780 nm band is integrated on the same semiconductor substrate. As a result, not only the semiconductor laser itself can be integrated into one component, but also optical components such as a collimator lens and a beam splitter can be shared by the red semiconductor laser and the infrared semiconductor laser, which is effective for downsizing of the apparatus.

また、(2)幅広い動作温度保証としては、半導体レーザ素子自体の温度特性を向上させる必要がある。そのための一つの方法として、特許文献1が知られている。特許文献1には、光路方向にリッジの幅が変化するテーパストライプ構造とすることにより、通常のストレートストライプ構造に比べ低電流密度になること、及び、リッジ幅が広いことによる微分抵抗の低下により素子の発熱を抑制し、温度特性を向上できることが記されている。   In addition, (2) as a wide operating temperature guarantee, it is necessary to improve the temperature characteristics of the semiconductor laser element itself. As one method for that purpose, Patent Document 1 is known. In Patent Document 1, the taper stripe structure in which the width of the ridge changes in the optical path direction results in a lower current density than the normal straight stripe structure, and the decrease in differential resistance due to the wide ridge width. It is described that heat generation of the element can be suppressed and temperature characteristics can be improved.

次に、(3)信号劣化抑制(低雑音化)について、まず、雑音の発生要因を考える。   Next, regarding (3) signal deterioration suppression (low noise reduction), first, the cause of noise is considered.

半導体レーザ素子に対して、光ディスク、光記録媒体及び光学系等からの戻り光がわずかに存在する。このため、レーザ光の可干渉性が高い場合には、共振器内の光と戻り光とが互いに作用を及ぼし合い、結果的に半導体レーザ素子の出力に雑音が生じてしまうことが判っている。   There is a slight amount of return light from the optical disk, the optical recording medium, the optical system, and the like for the semiconductor laser element. For this reason, it is known that when the coherence of the laser beam is high, the light in the resonator and the return beam interact with each other, resulting in noise in the output of the semiconductor laser element. .

このような、戻り光に起因する雑音の解決法としては、半導体レーザ素子を高速変調する、半導体レーザ素子の発振モードを多モード化する又は半導体レーザ素子それ自体をパルス発振状態にする等の方法が取られている。   As a method for solving such noise caused by the return light, a method such as high-speed modulation of the semiconductor laser element, multi-mode oscillation of the semiconductor laser element, or a pulse oscillation state of the semiconductor laser element itself is used. Has been taken.

しかしながら、半導体レーザ素子を高速変調する方法は、高周波重畳モジュールを使用することになり、部品点数が増大するため光ピックアップの小型化又はコストの面で不利である。また、最近の車には半導体レーザ素子を高速変調する高周波重畳モジュール以外に高周波を用いた装備品(例えば、ETC機器:Electronic Toll Collection system)が多く搭載されている。このため、機器同士の周波数が共鳴し、機器の誤動作等の問題が発生する可能性がある。したがって、半導体レーザ素子を高速変調する方法は最善の方法とは言い難い。   However, the method for high-speed modulation of the semiconductor laser element uses a high-frequency superposition module, which increases the number of components, and is disadvantageous in terms of downsizing or cost of the optical pickup. Further, in recent cars, in addition to a high-frequency superposition module that modulates a semiconductor laser element at high speed, many equipment (for example, ETC equipment: Electronic Toll Collection system) using high frequency is installed. For this reason, the frequencies of the devices may resonate and problems such as device malfunction may occur. Therefore, it is difficult to say that the method of modulating the semiconductor laser element at high speed is the best method.

一方、発振モードを多モード化する方法としては、その光導波機構を利得ガイド構造とすることはよく知られているが、反面この利得ガイド構造では発振閾値が高くなるため、動作電力が大きくなり、温度特性に不利である。   On the other hand, as a method of making the oscillation mode multi-mode, it is well known that the optical waveguide mechanism has a gain guide structure, but on the other hand, this gain guide structure has a higher oscillation threshold value, which increases the operating power. , Disadvantageous to temperature characteristics.

また、パルス発振させる方法としては、電流の広がりを光の広がりよりも狭くし、活性層に可飽和吸収体を形成させる方法がある。その一つの手段として、特許文献2が知られている。特許文献2には、電流狭窄層と活性層との間にある半導体層を活性層よりも高抵抗化することにより、電流の広がりをリッジストライプの幅と同程度にして電流を活性層まで到達させる一方、ストライプ幅以外のところでは電流が存在しないため光の供給はなくなり、その部分にレーザ光が吸収され可飽和吸収体が形成、自励発振が可能であることが記されている。   Further, as a method of causing pulse oscillation, there is a method in which a current spread is made narrower than a light spread and a saturable absorber is formed in an active layer. As one of the means, Patent Document 2 is known. In Patent Document 2, the resistance of the semiconductor layer between the current confinement layer and the active layer is made higher than that of the active layer, so that the current spread reaches the active layer with the same extent as the width of the ridge stripe. On the other hand, since there is no current outside the stripe width, there is no supply of light, and laser light is absorbed in that portion to form a saturable absorber, and self-oscillation is possible.

尚、このような半導体レーザ素子において、電流狭窄層と活性層との間にある半導体層の膜厚は、赤外レーザ素子において0.45μm〜0.65μm程度、赤色レーザ素子において0.25μm〜0.4μmである。   In such a semiconductor laser element, the film thickness of the semiconductor layer between the current confinement layer and the active layer is about 0.45 μm to 0.65 μm for the infrared laser element, and 0.25 μm to about 0.25 μm for the red laser element. 0.4 μm.

特開2000−174385号公報JP 2000-174385 A 特許第3183692号公報Japanese Patent No. 31836992

上記の構造によると、ストライプ幅と同等の電流広がりであるため、室温では安定した自励発振が可能である。しかしながら、高温では、電流広がりが抑制されていることから活性層に注入される電流がストライプ直下の部分に集中し、動作電流密度が増大する。これにより、漏れ電流が増加して素子の発熱量が増加し、発光効率の低下をもたらすことになる。そのため高温では、電流−光出力特性(I−L特性)において、素子の発熱により光出力が熱飽和するという問題が発生し、幅広い動作温度保証を必要とする車載用のレーザに対しては多大な影響を与える。よって、この解決が課題となっている。   According to the above structure, since the current spread is equal to the stripe width, stable self-oscillation is possible at room temperature. However, at a high temperature, since current spreading is suppressed, the current injected into the active layer is concentrated in the portion immediately below the stripe, and the operating current density increases. As a result, the leakage current increases, the amount of heat generated by the element increases, and the light emission efficiency decreases. For this reason, at high temperatures, there is a problem that the light output is thermally saturated due to heat generation of the element in the current-light output characteristics (IL characteristics), which is great for in-vehicle lasers that require a wide operating temperature guarantee. Will have an impact. Therefore, this solution is a problem.

以上の課題に鑑み、本発明の目的は、低温から高温までの幅広い温度範囲において、縦モードがマルチモード発振(自励発振を含む)特性及び温度特性を安定に維持することができる半導体レーザ素子を提供することである。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device in which a longitudinal mode can stably maintain multimode oscillation (including self-excited oscillation) characteristics and temperature characteristics in a wide temperature range from low temperature to high temperature. Is to provide.

前記の目的を達成するために、本発明に係る第1の半導体レーザ素子は、基板上に、第1のクラッド層と、第1のクラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成され且つ活性層に電流を注入するためのリッジストライプを有する第2のクラッド層と、リッジストライプの両側に形成され且つ電流がリッジストライプに狭窄されるようにするための電流狭窄層とを有する発光部を備え、電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離が所定の範囲の値であり、電流は、リッジストライプを通過した後、活性層に到達するまでにリッジストライプの幅以上に広がっている。   In order to achieve the above object, a first semiconductor laser device according to the present invention includes a first clad layer, an active layer formed on the first clad layer, and an active layer. A second clad layer formed and having a ridge stripe for injecting current into the active layer; and a current confinement layer formed on both sides of the ridge stripe and configured to confine the current to the ridge stripe A light emitting portion is provided, and the distance from the lower surface of the current confinement layer to the upper surface of the active layer is a value within a predetermined range, and the current exceeds the width of the ridge stripe after passing through the ridge stripe and reaching the active layer. It has spread.

ここで、電流の広がりとして、電流分布の半値全幅を考えるものとする。つまり、第1の半導体レーザ素子において、リッジストライプを通過した電流の活性層上面における電流分布の半値全幅は、リッジストライプの幅以上に拡がっている。また、幅及び横広がりとの表現は、平行方向の距離について言っているものとする。   Here, the full width at half maximum of the current distribution is considered as the current spread. In other words, in the first semiconductor laser element, the full width at half maximum of the current distribution on the upper surface of the active layer of the current that has passed through the ridge stripe extends beyond the width of the ridge stripe. Also, the expressions width and lateral spread refer to distances in the parallel direction.

第1の半導体レーザ素子によると、電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離(残し厚)を所定の値以上としていることにより、リッジストライプを通過した電流は活性層上面に到達するまでに横方向(平行方向)に拡がり、電流分布の半値全幅がリッジストライプの幅以上に拡がる。しかし、光分布はこのような電流広がり以上に横に拡がるため、結果として十分な可飽和吸収体が形成され、マルチモード発振が安定して発生する。また、残し厚に上限を設けることにより、高次横モードの発振を抑制して基本横モードのみで発振するようにしている。   According to the first semiconductor laser element, since the distance (remaining thickness) from the lower surface of the current confinement layer to the upper surface of the active layer is a predetermined value or more, the current that has passed through the ridge stripe reaches the upper surface of the active layer. In the horizontal direction (parallel direction), the full width at half maximum of the current distribution extends beyond the width of the ridge stripe. However, since the light distribution spreads laterally beyond such current spread, a sufficient saturable absorber is formed as a result, and multimode oscillation is stably generated. In addition, by setting an upper limit on the remaining thickness, oscillation in the high-order transverse mode is suppressed and oscillation is performed only in the fundamental transverse mode.

尚、所定の範囲は、距離(電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離、つまり残し厚)の増加に対する電流の横広がりの増加が緩やかになる点における距離を下限とすると共に、該距離の増加に対するNFPの半値全幅の増加が緩やかになる点における距離を上限とする範囲であることが好ましい。   The predetermined range has a lower limit at a point at which an increase in the lateral spread of the current with respect to an increase in the distance (distance from the lower surface of the current confinement layer to the upper surface of the active layer, that is, the remaining thickness) becomes gentle, It is preferable that the upper limit is the distance at the point where the increase in the full width at half maximum of NFP is moderate with respect to the increase in distance.

このよう所定の範囲を定めることにより、マルチモード発振の安定及び基本横モードによる発振等の効果が確実に得られる。尚、電流の横広がり及びNFPの半値全幅について、残し厚の増加に対する増加が緩やかになる点は、実験的に求めることができる。   By defining the predetermined range in this way, it is possible to reliably obtain the effects of stable multimode oscillation and oscillation in the fundamental transverse mode. It can be experimentally obtained that the increase in the remaining thickness is moderate for the lateral spread of the current and the full width at half maximum of NFP.

具体的には、所定の範囲は、0.65μm以上で且つ1.2μm以下であるのが好ましい。残し厚をこの範囲とすることにより、基本横モードで且つマルチ縦モードの発振を実現することができる。   Specifically, the predetermined range is preferably 0.65 μm or more and 1.2 μm or less. By setting the remaining thickness within this range, it is possible to realize oscillation in the basic transverse mode and the multi-longitudinal mode.

また、第1の半導体レーザ素子によると、電流狭窄層を通過した電流は横方向に拡がるため、活性層においても電流が集中して電流密度が上昇することは避けられている。このため、半導体レーザ素子における漏れ電流の発生及び発熱が抑制され、高温においても安定に動作する。   Further, according to the first semiconductor laser element, the current that has passed through the current confinement layer spreads in the lateral direction, so that it is avoided that the current is concentrated in the active layer and the current density is increased. For this reason, generation of leakage current and heat generation in the semiconductor laser device are suppressed, and the semiconductor laser device operates stably even at high temperatures.

以上にように、第1の半導体レーザ素子によると、幅広い動作温度保証と基本横モードで且つマルチ縦モードの発振とを両立することができる。   As described above, according to the first semiconductor laser element, it is possible to achieve both a wide operating temperature guarantee and oscillation in the basic transverse mode and the multi-longitudinal mode.

尚、活性層は、Alx Ga1-x As(0≦x≦1)により形成されていると共に、第1のクラッド層及び前記第2のクラッド層は、AlGaInP系の材料により形成されていることが望ましい。 The active layer is made of Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 1), and the first cladding layer and the second cladding layer are made of an AlGaInP-based material. It is desirable.

このような構成の半導体レーザ素子とすると、幅広い動作温度保証と基本横モードで且つマルチ縦モードの発振とを両立することが確実にできる。   With the semiconductor laser device having such a configuration, it is possible to ensure both a wide operating temperature guarantee and oscillation in the basic transverse mode and the multi-longitudinal mode.

尚、AlGaInP系の材料とは、(Alw Ga1-w z In1-z P(0<w<1、0<z<1)と表される組成の材料を意味する。 Note that the material of AlGaInP system, means (Al w Ga 1-w) z In 1-z P (0 <w <1,0 <z <1) and the material of the composition represented.

また、リッジストライプの幅が、1μm以上で且つ4μm以下であることが好ましい。   The width of the ridge stripe is preferably 1 μm or more and 4 μm or less.

このようにすると、4μm以下であることにより水平方向のファー・フィールド・パターン(Far Field Pattern :FFP)が双峰性となるのを防ぐことができる。また、リッジストライプの幅が小さすぎると抵抗が高くなるために発熱を生じることになり、結果として温度特性が劣化する。これを避けるために、リッジストライプの幅は1μm以上であることが好ましい。また、1μm以上であることは、リッジストライプを形成するためのプロセス上、実現できる最細幅の一例を示すものでもある。   By doing so, it is possible to prevent the horizontal far field pattern (FFP) from being bimodal due to being 4 μm or less. On the other hand, if the width of the ridge stripe is too small, the resistance becomes high and heat is generated, resulting in deterioration of temperature characteristics. In order to avoid this, the width of the ridge stripe is preferably 1 μm or more. Further, being 1 μm or more also shows an example of the narrowest width that can be realized in the process for forming the ridge stripe.

また、所定の範囲は、0.4μm以上で且つ0.7μm以下であることも好ましい。また、活性層は、Gay In1-y P(0<y<1)により形成されていると共に、第1のクラッド層及び第2のクラッド層は、AlGaInP系の材料により形成されていることも好ましい。更に、リッジストライプの幅が、2.5μm以上で且つ5.5μm以下であることも好ましい。 The predetermined range is preferably 0.4 μm or more and 0.7 μm or less. The active layer is made of Ga y In 1-y P (0 <y <1), and the first cladding layer and the second cladding layer are made of an AlGaInP-based material. Is also preferable. Furthermore, it is also preferable that the width of the ridge stripe is 2.5 μm or more and 5.5 μm or less.

これらの場合にも、同様に本発明の半導体レーザ素子の効果が確実に得られる。   In these cases as well, the effect of the semiconductor laser device of the present invention can be reliably obtained.

また、リッジストライプの側面が、いずれも前記基板の主面に対して垂直であることが好ましい。   Further, it is preferable that the side surfaces of the ridge stripe are all perpendicular to the main surface of the substrate.

このように垂直リッジとなっていると、リッジストライプの上面の幅が下面の幅より小さいようなリッジストライプに比べ、微分抵抗Rsを低減することができるため、素子の発熱が抑制される。この結果、半導体レーザ素子のより広い動作温度保証を実現することができる。   When the vertical ridge is thus formed, the differential resistance Rs can be reduced as compared with the ridge stripe in which the width of the upper surface of the ridge stripe is smaller than the width of the lower surface, so that the heat generation of the element is suppressed. As a result, a wider operating temperature guarantee of the semiconductor laser element can be realized.

前記の目的を達成するため、本発明の第2の半導体レーザ素子は、基板上に、少なくとも第1の発光部及び第2の発光部を備え、第1の発光部及び第2の発光部は、それぞれ、第1のクラッド層と、第1のクラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成され、活性層に電流を注入するためのリッジストライプを有する第2のクラッド層と、リッジストライプの両側に形成され、電流がリッジストライプに狭窄されるようにするための電流狭窄層とを有し、第1の発光部及び第2の発光部の両方において、電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離がそれぞれ所定の範囲の値であると共に、電流は、リッジストライプを通過した後、活性層に到達するまでに当該リッジストライプの幅以上に広がっている。   In order to achieve the above object, a second semiconductor laser device of the present invention comprises at least a first light emitting part and a second light emitting part on a substrate, and the first light emitting part and the second light emitting part are A first cladding layer, an active layer formed on the first cladding layer, and a second cladding layer formed on the active layer and having a ridge stripe for injecting current into the active layer, And a current confinement layer that is formed on both sides of the ridge stripe so that the current is confined to the ridge stripe, and the lower surface of the current confinement layer in both the first light-emitting portion and the second light-emitting portion. The distance from the active layer to the upper surface of the active layer is a value in a predetermined range, and the current spreads beyond the width of the ridge stripe after passing through the ridge stripe and reaching the active layer.

ここでも、第1の半導体レーザ素子の場合と同様に、電流の広がりとしては半値全幅を考えるものとする。   Here, as in the case of the first semiconductor laser element, the full width at half maximum is considered as the current spread.

第2の半導体レーザ素子によると、第1及び第2の発光部において、それぞれ電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離(残し厚)を規定することにより、基本横モードで且つマルチ縦モードの発振を安定して生じさせることができる。これと共に、活性層において電流が拡がっていることにより電流密度の上昇が避けられており、高温においても安定動作するモノシリック2波長レーザ素子となっている。   According to the second semiconductor laser device, in the first and second light-emitting portions, the distance (remaining thickness) from the lower surface of the current confinement layer to the upper surface of the active layer is defined, so that both the basic transverse mode and the multi-vertical mode are achieved. Mode oscillation can be generated stably. At the same time, since the current spreads in the active layer, an increase in current density is avoided, and the monolithic two-wavelength laser element that operates stably even at high temperatures is obtained.

具体的には、第1の発光部における所定の距離が0.65μm以上で且つ1.2μm以下であると共に、第2の発光部における所定の距離が0.4μm以上で且つ0.7μm以下であることが好ましい。   Specifically, the predetermined distance in the first light emitting unit is 0.65 μm or more and 1.2 μm or less, and the predetermined distance in the second light emitting unit is 0.4 μm or more and 0.7 μm or less. Preferably there is.

残し厚をそれぞれこのような範囲の値とすることにより、異なる種類のレーザを発光するそれぞれの発光部において、幅広い動作温度保証と発振モードの安定性とを実現することができる。   By setting the remaining thickness to a value in such a range, it is possible to realize a wide operating temperature guarantee and oscillation mode stability in each of the light emitting units that emit different types of lasers.

尚、第1の発光部及び第2の発光部がそれぞれ有するリッジストライプは、同時に形成されていることが好ましい。   Note that the ridge stripes included in each of the first light-emitting portion and the second light-emitting portion are preferably formed at the same time.

このようにすると、第1の発光部と第2の発光部との発光点間隔(それぞれが有するリッジストライプ同士の間隔)が、それぞれのリッジストライプを別個に形成する場合よりも高精度となる。このことは、光ピックアップ装置等においてレーザ素子と光学部品とを実装する際に非常に有利である。つまり、発光点間隔にバラツキがあると、バラツキに対応して光学部品を実装することが必要となり、組み立て工程の難度増加及びレーザ光の取り込み効率低下等の特性劣化を起こす。しかし、複数のリッジストライプが同時に形成されることにより、このような問題は回避されている。尚、別個に形成する場合に比べて製造工程における工数が削減されるという効果も存在する。   In this way, the light emitting point interval between the first light emitting unit and the second light emitting unit (the interval between the ridge stripes that each has) is more accurate than when each ridge stripe is formed separately. This is very advantageous when a laser element and an optical component are mounted in an optical pickup device or the like. In other words, if there is a variation in the light emitting point interval, it is necessary to mount an optical component corresponding to the variation, resulting in characteristic deterioration such as an increase in the difficulty of the assembly process and a reduction in the efficiency of capturing the laser beam. However, such a problem is avoided by forming a plurality of ridge stripes at the same time. In addition, there exists an effect that the man-hour in a manufacturing process is reduced compared with the case where it forms separately.

また、第1の発光部及び第2の発光部の少なくとも一方におけるリッジストライプの側面が、基板の主面に対して垂直であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the side surface of the ridge stripe in at least one of the first light emitting unit and the second light emitting unit is perpendicular to the main surface of the substrate.

このようにすると、リッジストライプの上面の幅が下面の幅より小さいようなリッジストライプに比べ、微分抵抗Rsを低減することができるため、素子の発熱が抑制される。この結果、半導体レーザ素子のより広い動作温度保証を実現することができる。   In this way, the differential resistance Rs can be reduced as compared with the ridge stripe in which the width of the upper surface of the ridge stripe is smaller than the width of the lower surface, so that the heat generation of the element is suppressed. As a result, a wider operating temperature guarantee of the semiconductor laser element can be realized.

また、第1の発光部が有する活性層は、Alx Ga1-x As(0≦x≦1)により形成され、第2の発光部が有する活性層は、Gay In1-y P(0<y<1)により形成され、第1のクラッド層及び第2のクラッド層は、いずれもAlGaInP系の材料により形成されていることが好ましい。 The active layer included in the first light-emitting portion is formed of Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 1), and the active layer included in the second light-emitting portion is Ga y In 1-y P ( Preferably, the first cladding layer and the second cladding layer are both formed of an AlGaInP-based material.

このようにすると、それぞれの発光部において、幅広い動作温度保証と発振モードの安定性とを実現することが確実にできる。   In this way, it is possible to reliably achieve a wide operating temperature guarantee and oscillation mode stability in each light emitting section.

また、第1の発光部が有するリッジストライプの幅が1.0μm以上で且つ4.0μm以下であると共に、第2の発光部が有するリッジストライプの幅が2.5μm以上で且つ5.5μm以下であることが好ましい。   The width of the ridge stripe included in the first light-emitting portion is 1.0 μm or more and 4.0 μm or less, and the width of the ridge stripe included in the second light-emitting portion is 2.5 μm or more and 5.5 μm or less. It is preferable that

このようにすると、リッジストライプの幅が、第1の発光部においては4μm以下であること、第2の発光部においては5.5μm以下であることにより、水平方向のFFPが双峰性となるのを防ぐことができる。また、第1の発光部における幅の下限(1μm)は、プロセス上の最細幅を例示するものであり、第2の発光部における幅の下限(2.5μm)は、I−L特性において外部微分効率Seに非線形性が生じるのを避けることのできる値として得られている。   In this case, the width of the ridge stripe is 4 μm or less in the first light emitting part and 5.5 μm or less in the second light emitting part, so that the horizontal FFP becomes bimodal. Can be prevented. In addition, the lower limit (1 μm) of the width in the first light emitting part is an example of the narrowest width in the process, and the lower limit (2.5 μm) of the width in the second light emitting part is an IL characteristic. It is obtained as a value that can avoid the occurrence of nonlinearity in the external differential efficiency Se.

また、第1の発光部及び前記第2の発光部がそれぞれ有するリッジストライプの少なくとも一方は、幅に変化のあるテーパストライプ構造を有していることが好ましい。   In addition, it is preferable that at least one of the ridge stripes included in each of the first light emitting portion and the second light emitting portion has a taper stripe structure having a change in width.

このようなテーパストライプ構造とすると、ストレートストライプよりもストライプ幅を広くすることができるため、微分抵抗Rsを低減して素子の発熱を抑制し、温度特性を向上することができる。   With such a taper stripe structure, since the stripe width can be made wider than that of the straight stripe, the differential resistance Rs can be reduced to suppress the heat generation of the element, and the temperature characteristics can be improved.

更に、テーパストライプ構造は、光が出射される光出射端面の側から、前記光出射端面に対向する後端面の側に向かって徐々に幅が広くなる構造であることが好ましい。   Furthermore, the taper stripe structure is preferably a structure in which the width gradually increases from the light emitting end face side from which light is emitted toward the rear end face side facing the light emitting end face.

また、テーパストライプ構造は、中央部から、光が出射される光出射端面の側と、前記光出射端面に対向する後端面の側とに向かってそれぞれ徐々に幅が狭くなる構造であることも好ましい。   Further, the taper stripe structure may be a structure in which the width gradually decreases from the central portion toward the light emitting end face side from which light is emitted and toward the rear end face side facing the light emitting end face. preferable.

テーパストライプ構造の具体的な構造として、このようになっていても良い。尚、このようなテーパストライプ構造の場合、リッジストライプの幅とは、テーパストライプ構造をストレートとして換算した平均幅を考える。   A specific structure of the taper stripe structure may be as described above. In the case of such a taper stripe structure, the width of the ridge stripe is an average width obtained by converting the taper stripe structure as a straight line.

本発明の半導体レーザ素子によると、電流狭窄層の下面から活性層の上面までの距離を所定の範囲に規定することにより、活性層における横方向の電流広がりを制御する。これにより、基本横モードで且つマルチ縦モードの発振を実現すると共に、活性層における電流密度の上昇が抑制されていることから漏れ電流の発生及び発熱が抑制され、高温においても安定動作するようになっている。   According to the semiconductor laser device of the present invention, the current spread in the lateral direction in the active layer is controlled by defining the distance from the lower surface of the current confinement layer to the upper surface of the active layer within a predetermined range. As a result, oscillation in the basic transverse mode and multi-longitudinal mode is realized, and since the increase in current density in the active layer is suppressed, generation of leakage current and generation of heat are suppressed, and stable operation is performed even at high temperatures. It has become.

図1(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を示す図であり、図1(a)は断面、図1(b)は活性層の詳しい構造、図1(c)はストライプ部分の平面形状を示す。FIGS. 1A to 1C are diagrams showing a configuration of a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross section, and FIG. 1B is a detailed active layer. The structure, FIG. 1 (c) shows the planar shape of the stripe portion. 図2(a)は、第1の実施形態において、電流狭窄層下面から活性層の上面までの距離(残し厚)d1と、発振スペクトルの半値全幅との関係を示し、図2(b)〜(d)は、それぞれのd1に対するスペクトルを示す。FIG. 2A shows the relationship between the distance (remaining thickness) d1 from the lower surface of the current confinement layer to the upper surface of the active layer and the full width at half maximum of the oscillation spectrum in the first embodiment. (D) shows the spectrum for each d1. 図3(a)は、第1の実施形態の半導体レーザ素子における発振閾値状態のNFP像であり、図3(b)は、残し厚d1に対する横方向拡がり電流とNFPの半値全幅を示す。FIG. 3A is an NFP image in the oscillation threshold state in the semiconductor laser device of the first embodiment, and FIG. 3B shows the lateral expansion current and the full width at half maximum of NFP with respect to the remaining thickness d1. 図4(a)は、第1の実施形態の半導体レーザ素子に電流を10mA流した場合のNFP像を示し、図4(b)は、ストライプ幅とNFPの半値全幅との関係を示す図である。FIG. 4A shows an NFP image when a current of 10 mA is passed through the semiconductor laser device of the first embodiment, and FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the stripe width and the full width at half maximum of NFP. is there. 図5(a)は、第1の実施形態の半導体レーザ素子におけるストライプ幅と発振スペクトルの半値全幅との関係を示す図であり、図5(b)〜(d)は、それぞれのストライプ幅に対する発振スペクトルを示す図である。FIG. 5A is a diagram showing the relationship between the stripe width and the full width at half maximum of the oscillation spectrum in the semiconductor laser device of the first embodiment. FIGS. It is a figure which shows an oscillation spectrum. 図6(a)は、第1の実施形態及び従来技術についてそれぞれI−L特性を示す図であり、図6(b)は、第1の実施形態における25℃及び85℃の発振スペクトルを示す図であり、図6(c)は、従来技術の25℃、85℃の発振スペクトルを示す図である。FIG. 6A is a diagram showing IL characteristics for the first embodiment and the related art, and FIG. 6B shows an oscillation spectrum at 25 ° C. and 85 ° C. in the first embodiment. FIG. 6 (c) is a diagram showing oscillation spectra at 25 ° C. and 85 ° C. of the prior art. 図7(a)〜(c)は、第1の実施形態の半導体レーザ素子において垂直リッジを形成している場合の構造を示す図である。FIGS. 7A to 7C are views showing a structure when a vertical ridge is formed in the semiconductor laser device of the first embodiment. 図8(a)〜(c)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を示す図であり、図8(a)は断面、図8(b)は赤色レーザ部における活性層の詳しい構造、図8(c)はストライプ部分の平面形状を示す。FIGS. 8A to 8C are diagrams showing the configuration of the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8A is a cross section, and FIG. 8B is a red laser portion. The detailed structure of the active layer, FIG. 8C, shows the planar shape of the stripe portion. 図9(a)は、第2の実施形態の赤色レーザ部において、電流狭窄層下面から活性層の上面までの距離(残し厚)d2と、発振スペクトルの半値全幅との関係を示し、図9(b)〜(d)は、それぞれのd2に対するスペクトルを示す。FIG. 9A shows the relationship between the distance (remaining thickness) d2 from the lower surface of the current confinement layer to the upper surface of the active layer and the full width at half maximum of the oscillation spectrum in the red laser portion of the second embodiment. (B)-(d) show the spectrum with respect to each d2. 図10(a)は、第2の実施形態の半導体レーザ素子における赤色レーザ部の発振閾値状態のNFP像であり、図10(b)は、残し厚d2に対する横方向拡がり電流及びNFPの半値全幅を示す。FIG. 10A is an NFP image of the oscillation threshold state of the red laser part in the semiconductor laser device of the second embodiment, and FIG. 10B is a lateral expansion current and a full width at half maximum of NFP with respect to the remaining thickness d2. Indicates. 図11(a)は、第2の実施形態の半導体レーザ素子における赤色レーザ部に電流を10mA流した場合のNFP像を示し、図11(b)は、ストライプ幅とNFPの半値全幅との関係を示す図である。FIG. 11A shows an NFP image when a current of 10 mA is passed through the red laser part in the semiconductor laser device of the second embodiment, and FIG. 11B shows the relationship between the stripe width and the full width at half maximum of NFP. FIG. 図12(a)は、第2の実施形態の半導体レーザ素子における赤色レーザ部のストライプ幅と発振スペクトルの半値全幅との関係を示す図であり、図12(b)〜(d)は、それぞれのストライプ幅に対する発振スペクトルを示す図である。FIG. 12A is a diagram showing the relationship between the stripe width of the red laser portion and the full width at half maximum of the oscillation spectrum in the semiconductor laser device of the second embodiment, and FIGS. It is a figure which shows the oscillation spectrum with respect to the stripe width | variety. 図13(a)は、第2の実施形態における赤色レーザ部及び従来技術についてそれぞれI−L特性を示す図であり、図13(b)は、第2の実施形態の赤色レーザ部における25℃及び85℃の発振スペクトルを示す図であり、図13(c)は、従来技術の25℃、85℃の発振スペクトルを示す図である。FIG. 13A is a diagram showing the IL characteristics of the red laser unit and the conventional technology in the second embodiment, and FIG. 13B is a diagram showing 25 ° C. in the red laser unit of the second embodiment. And FIG. 13 (c) is a diagram showing the oscillation spectra at 25 ° C. and 85 ° C. of the prior art. 図14(a)〜(c)は、第2の実施形態の半導体レーザ素子において垂直リッジを形成している場合の構造を示す図である。FIGS. 14A to 14C are views showing the structure when a vertical ridge is formed in the semiconductor laser device of the second embodiment. 図15は、本発明の第3の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を示す図であり、図15(a)は断面、図15(b)は活性層の詳しい構造、図15(c)はストライプ部分の平面形状を示す。15A and 15B are diagrams showing the configuration of a semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 15A is a cross-sectional view, FIG. 15B is a detailed structure of an active layer, and FIG. Indicates the planar shape of the stripe portion.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ素子について説明する。図1(a)、(b)及び(c)は、本発明の半導体レーザ素子の一例を示す図である。まず、図1(a)には、断面図を示している。
(First embodiment)
A semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIGS. 1A, 1B and 1C are views showing an example of the semiconductor laser device of the present invention. First, FIG. 1A shows a cross-sectional view.

半導体レーザ素子は、n形GaAs基板101上に、n形GaAsバッファ層102、n形(AlGa)InPクラッド層103、活性層104、p形(AlGa)InP第1クラッド層105、p形GaInPエッチングストップ層106、p型(AlGa)InP第2クラッド層107、p形GaInP中間層108及びp形GaAsコンタクト層110が、下からこの順に積層された構造を有する。これにより、半導体レーザ素子は、活性層104が、n形(AlGa)InPクラッド層103とp形(AlGa)InP第1クラッド層105との二つのクラッド層によって挟持されたダブルへテロ構造を備える。   The semiconductor laser device includes an n-type GaAs buffer layer 102, an n-type (AlGa) InP cladding layer 103, an active layer 104, a p-type (AlGa) InP first cladding layer 105, a p-type GaInP etching on an n-type GaAs substrate 101. The stop layer 106, the p-type (AlGa) InP second cladding layer 107, the p-type GaInP intermediate layer 108, and the p-type GaAs contact layer 110 are stacked in this order from the bottom. As a result, the semiconductor laser device has a double hetero structure in which the active layer 104 is sandwiched between two clad layers of the n-type (AlGa) InP clad layer 103 and the p-type (AlGa) InP first clad layer 105. .

ここで、活性層104は、図1(b)に示すように、井戸数が三層である量子井戸活性層となっている。つまり、下から順に3つのGaAs井戸層1045w、1043w及び1041wが、2つの(AlGa)InPバリア層1044b及び1042bをそれぞれ間に挟んで形成され、これら五層の積層構造が、2つの(AlGa)InPガイド層1040g及び1046gに挟まれた構造となっている。結果として、下側(n形(AlGa)InPクラッド層103の側)から順に、1046g、1045w、1044b、1043w、1042b、1041w及び1040gの順に積層されている。尚、最も上に位置する(AlGa)InPガイド層1040gの上に、p形(AlGa)InP第1クラッド層105が位置する。   Here, as shown in FIG. 1B, the active layer 104 is a quantum well active layer having three wells. That is, three GaAs well layers 1045w, 1043w, and 1041w are formed in order from the bottom, with two (AlGa) InP barrier layers 1044b and 1042b sandwiched between them, and a laminated structure of these five layers has two (AlGa) layers. The structure is sandwiched between InP guide layers 1040g and 1046g. As a result, 1046g, 1045w, 1044b, 1043w, 1042b, 1041w, and 1040g are stacked in this order from the lower side (n-type (AlGa) InP cladding layer 103 side). Note that the p-type (AlGa) InP first cladding layer 105 is positioned on the uppermost (AlGa) InP guide layer 1040g.

また、図1(a)に示すように、p形(AlGa)InP第2クラッド層107、p形GaInP中間層108及びp形GaAsコンタクト層110は、リッジストライプとしてメサ型のストライプ形状に加工され、下面における幅が上面における幅よりも広い形状のストライプ部分111を構成している。更に、該ストライプ部分111の両側にはn形GaAs電流狭窄層109が埋め込むように形成されている。このようにp形(AlGa)InP第1クラッド層105上に構成されたストライプ部分111及びn形GaAs電流狭窄層109により、活性層104に注入される電流の領域を狭窄する電流狭窄構造が構成されている。   Further, as shown in FIG. 1A, the p-type (AlGa) InP second cladding layer 107, the p-type GaInP intermediate layer 108, and the p-type GaAs contact layer 110 are processed into a mesa-type stripe shape as a ridge stripe. The stripe portion 111 has a shape in which the width on the lower surface is wider than the width on the upper surface. Further, an n-type GaAs current confinement layer 109 is embedded on both sides of the stripe portion 111. As described above, the stripe portion 111 and the n-type GaAs current confinement layer 109 formed on the p-type (AlGa) InP first clad layer 105 constitute a current confinement structure for confining the region of current injected into the active layer 104. Has been.

ここで、図1(a)において、n形電流狭窄層109の下面(言い換えると、リッジストライプの下面)から活性層104の上面までの距離(残し厚)をd1として示している。   Here, in FIG. 1A, the distance (remaining thickness) from the lower surface of the n-type current confinement layer 109 (in other words, the lower surface of the ridge stripe) to the upper surface of the active layer 104 is shown as d1.

このような電流狭窄構造の平面構成を図1(c)に模式的に示す。ここでは、ストライプ部分111の下面の形状111aを示しており、光出射端面Aから後端面Bまでに亘って同じ幅となっている。このようなストライプ部分111の下面における幅を、ストライプ幅Wsとする。平面形状の残りの部分は、n形電流狭窄層109の下面の形状109aである。   A planar configuration of such a current confinement structure is schematically shown in FIG. Here, the shape 111a of the lower surface of the stripe portion 111 is shown, and the width is the same from the light emitting end surface A to the rear end surface B. The width on the lower surface of the stripe portion 111 is defined as a stripe width Ws. The remaining portion of the planar shape is the shape 109 a of the lower surface of the n-type current confinement layer 109.

更に、いずれも図示は省略しているが、p形GaAsコンタクト層110及びn形電流狭窄層109の上にはp形電極が形成されていると共に、n形GaAs基板101の裏面にはn形電極が形成されている。以上により、半導体レーザ素子が構成されており、これは赤外レーザを発光するレーザ素子である。   Further, although not shown in the drawings, a p-type electrode is formed on the p-type GaAs contact layer 110 and the n-type current confinement layer 109, and an n-type is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 101. An electrode is formed. As described above, a semiconductor laser element is configured, which is a laser element that emits an infrared laser.

ここで、各層を構成する材料の組成比について一例を示すと、n形(AlGa)InPクラッド層103、p形(AlGa)InP第1クラッド層105及びp型(AlGa)InP第2クラッド層107は、(Al0.7 Ga0.3 0.51In0.49Pである。また、(AlGa)InPガイド層1040g及び1046gと、(AlGa)InPバリア層1042b及び1044bとに関しては、(Al0.4 Ga0.6 0.51In0.49Pとしている。 Here, as an example of the composition ratio of the material constituting each layer, an n-type (AlGa) InP cladding layer 103, a p-type (AlGa) InP first cladding layer 105, and a p-type (AlGa) InP second cladding layer 107 are shown. Is (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.51 In 0.49 P. Further, (AlGa) and InP guide layer 1040g and 1046 g, with respect to the (AlGa) InP barrier layer 1042b and 1044b are set to (Al 0.4 Ga 0.6) 0.51 In 0.49 P.

以上のような構成を有する半導体レーザ素子について、残し厚d1の変化に対するマルチモード性(発振スペクトルの半値全幅)の挙動を図2(a)に示す。ここで、ストライプ幅Wsは1.5μmで一定、測定条件は室温で且つ4mW時とする。   FIG. 2A shows the behavior of the multimode property (full width at half maximum of the oscillation spectrum) with respect to the change in the remaining thickness d1 of the semiconductor laser device having the above configuration. Here, the stripe width Ws is constant at 1.5 μm, and the measurement conditions are room temperature and 4 mW.

図2(a)に示すように、残し厚d1が増加すると、これに伴って当初は発振スペクトルの半値全幅が増加し、残し厚d1が1μm以上となると発振スペクトルの半値全幅は概ね一定となる。図2(b)、(c)及び(d)には、順に残し厚d1が0.6μm、0.95μm、1.45μmの場合の実際のスペクトル波形を示す。発振スペクトルは、図2(b)に示す残し厚が0.6μmの場合にはシングルピークに近く、図2(c)に示す0.95μmの場合には半値全幅の広いマルチモードであり、図2(d)に示す1.45μmの場合には双峰性を示し始めている。   As shown in FIG. 2A, when the remaining thickness d1 is increased, the full width at half maximum of the oscillation spectrum is increased accordingly, and when the remaining thickness d1 is 1 μm or more, the full width at half maximum of the oscillation spectrum is substantially constant. . FIGS. 2B, 2C, and 2D show actual spectrum waveforms when the thickness d1 remains in order is 0.6 μm, 0.95 μm, and 1.45 μm. The oscillation spectrum is close to a single peak when the remaining thickness shown in FIG. 2B is 0.6 μm, and is a multimode with a wide full width at half maximum when it is 0.95 μm shown in FIG. In the case of 1.45 μm shown in 2 (d), bimodality has begun to be exhibited.

このことは、ストライプ部111に対応する部分とその両側に対応する部分との実効屈折率差(Δn)により説明できる。   This can be explained by the effective refractive index difference (Δn) between the portion corresponding to the stripe portion 111 and the portions corresponding to both sides thereof.

残し厚d1が0.6μmの場合は、Δn=1×10-3程度であり、この比較的大きいΔnのために光がリッジの横に染み出すことができず、可飽和吸収体が形成され難い状況になる。この結果として、発振スペクトルの半値全幅が小さくなる。 When the remaining thickness d1 is 0.6 μm, Δn = 1 × 10 −3 or so, and because of this relatively large Δn, light cannot bleed out to the side of the ridge, and a saturable absorber is formed. A difficult situation. As a result, the full width at half maximum of the oscillation spectrum is reduced.

これに対し、残し厚が1.45μmの場合は、Δn=1×10-5程度と小さいために光がリッジの横に染み出すことができるが、同時に残し厚が厚過ぎるために電流も広がり過ぎる。この結果、広い波長範囲に対しゲインを持ち、マルチモード発振を生じやすくなると共に、高次横モードの発振も可能となる。高次横モードと基本横モードとでは伝播定数が異なるため、発振スペクトルについても、高次横モードに対応するものと基本横モードに対応するものとの2つの発振スペクトルを発生する。このことが、図2(d)に示すような双峰性のスペクトルとなる原因と考えられる。 On the other hand, when the remaining thickness is 1.45 μm, Δn = 1 × 10 −5 is so small that light can ooze out to the side of the ridge, but at the same time the remaining thickness is too thick to spread the current. Pass. As a result, there is gain over a wide wavelength range, multimode oscillation is likely to occur, and higher order transverse mode oscillation is also possible. Since the propagation constants are different between the high-order transverse mode and the fundamental transverse mode, two oscillation spectra corresponding to the higher-order transverse mode and those corresponding to the fundamental transverse mode are generated as oscillation spectra. This is considered to be a cause of a bimodal spectrum as shown in FIG.

以上のようなことから、図2(c)に代表されるような安定な基本横モードを保ち且つマルチモード発振が可能となる残し厚d1の範囲は、0.65μm〜1.2μm程度であることが確認された。   As described above, the range of the remaining thickness d1 that maintains the stable fundamental transverse mode as shown in FIG. 2C and enables multimode oscillation is about 0.65 μm to 1.2 μm. It was confirmed.

ここで、従来一般に用いられている半導体レーザ素子による、赤外レーザの自励発振のための残し厚d1は、0.45μm〜0.65μm(Δn:3×10-3〜1×10-3)である。これに対し、本実施形態の場合には、前記のように残し厚d1の範囲が0.65μm〜1.2μm(Δn:1×10-3〜5×10-5)と厚いにもかかわらずマルチモード発振(自励発振を含む)が可能である。この理由を以下に説明する。 Here, a remaining thickness d1 for self-excited oscillation of an infrared laser by a semiconductor laser element generally used in the past is 0.45 μm to 0.65 μm (Δn: 3 × 10 −3 to 1 × 10 −3. ). On the other hand, in the present embodiment, the remaining thickness d1 is as thick as 0.65 μm to 1.2 μm (Δn: 1 × 10 −3 to 5 × 10 −5 ) as described above. Multimode oscillation (including self-excited oscillation) is possible. The reason for this will be described below.

図3(a)は、ストライプ幅Wsが1.5μmの一定であり且つ残し厚d1が0.9μmである試料における発振閾値状態のニア・フィールド・パターン(Near Field Pattern:NFP)像である。NFP像は、光分布(光強度の分布)を示しており、この光分布から得られる半値全幅を用いて光の広がりの程度を示すことが出来る。   FIG. 3A shows a near field pattern (NFP) image in an oscillation threshold state in a sample in which the stripe width Ws is constant at 1.5 μm and the remaining thickness d1 is 0.9 μm. The NFP image shows a light distribution (light intensity distribution), and the extent of light spread can be shown using the full width at half maximum obtained from this light distribution.

図3(b)に、残し厚d1=0.6μmを基準として規格化したときの発振閾値状態のNFPの半値全幅(点線で記載)と、残し厚d1=0μmを基準として規格化したときの横方向拡がり電流(計算値:実線で記載)とを示している。つまり、それぞれ基準とした値に対する比をもって示している。NFPの半値全幅は、当初は残し厚d1が厚くなるほど大きくなり、残し厚d1が1.2μm程度を超えると増加が緩やかになって概ね一定の値となる。一方、横方向拡がり電流は、残し厚d1が0.65μm程度までは増加し、それ以後は概ね飽和傾向にある(つまり、増加が緩やかになる)。   FIG. 3B shows the full width at half maximum (denoted by a dotted line) of the NFP in the oscillation threshold state when normalized with the remaining thickness d1 = 0.6 μm as a reference, and when normalized with the remaining thickness d1 = 0 μm as the reference. The lateral spreading current (calculated value: indicated by a solid line) is shown. That is, each is shown as a ratio to the reference value. The full width at half maximum of NFP initially increases as the remaining thickness d1 increases, and when the remaining thickness d1 exceeds approximately 1.2 μm, the increase becomes moderate and becomes a substantially constant value. On the other hand, the lateral spreading current increases until the remaining thickness d1 is about 0.65 μm, and thereafter tends to be saturated (that is, the increase becomes moderate).

このように、残し厚d1が0.65〜1.2μmの範囲において、横方向の電流広がりは概ね飽和傾向にあると共に光分布(広がり)は増加しているため、この範囲は可飽和吸収体が増加する領域であると言える。これに対し、残し厚d1が1.2μm以上では、光分布(広がり)及び横方向電流が共に概ね一定であるため、可飽和吸収体に増加は見られず、この結果として発振スペクトルの半値全幅も概ね一定になったと考えられる。これらのことから、可飽和吸収体を形成しやすい領域は、残し厚d1が0.65μm以上の領域である。前述した発振スペクトルが双峰性にならないための領域は残し厚d1が1.2μm以下の領域であるから、安定したマルチモード発振が可能な残し厚d1の望ましい範囲は、0.65μm〜1.2μmとなる。   Thus, in the range where the remaining thickness d1 is 0.65 to 1.2 μm, the current spread in the lateral direction is generally saturated and the light distribution (spread) is increased, so this range is a saturable absorber. It can be said that this is an area where the increase is made. On the other hand, when the remaining thickness d1 is 1.2 μm or more, the light distribution (spreading) and the lateral current are both substantially constant, so that the saturable absorber is not increased. As a result, the full width at half maximum of the oscillation spectrum is obtained. Is considered to be almost constant. Therefore, the region where the saturable absorber is easily formed is a region where the remaining thickness d1 is 0.65 μm or more. Since the region where the oscillation spectrum is not bimodal is the region where the remaining thickness d1 is 1.2 μm or less, the desirable range of the remaining thickness d1 capable of stable multimode oscillation is 0.65 μm to 1. 2 μm.

以上のように、本実施形態の半導体レーザ素子においては、従来技術の場合よりも残し厚が厚いために電流の横方向の広がりが大きくなるが、発光する範囲がそれ以上に拡がる。この結果として可飽和吸収体は十分に形成され、安定な基本横モードを保ち且つマルチモード発振が可能となる。   As described above, in the semiconductor laser device of the present embodiment, the remaining thickness is larger than in the case of the prior art, so that the current spread in the lateral direction is increased, but the light emission range is further expanded. As a result, saturable absorbers are sufficiently formed, and a stable fundamental transverse mode is maintained and multimode oscillation is possible.

次に、ストライプ幅Wsに対する電流の広がりの程度を、レーザ発振前のNFP像を用いて示す。発振前のNFP像は、活性層に注入される電流密度分布と強い相関があるため、これによって電流の広がりを検証することができる。   Next, the extent of current spreading with respect to the stripe width Ws is shown using an NFP image before laser oscillation. Since the NFP image before oscillation has a strong correlation with the current density distribution injected into the active layer, it is possible to verify the spread of current.

図4(a)は、ストライプ幅Wsが1.7μmで且つ残し厚d1が0.9μmの場合に電流を10mA流したときのNFP像であり、前記の強い相関のため電流分布とも考えることができる。図4(a)に示すように、残し厚d1が0.9μmと比較的厚いため、電流は横方向に広く拡がっており、半値全幅によって表すと5.8μmである。ストライプ幅Wsは1.7μmであるから、これに比べて三倍以上と大きく拡がっていることになる。   FIG. 4A is an NFP image when a current of 10 mA is passed when the stripe width Ws is 1.7 μm and the remaining thickness d1 is 0.9 μm, and may be considered as a current distribution due to the strong correlation. it can. As shown in FIG. 4 (a), since the remaining thickness d1 is relatively large at 0.9 μm, the current spreads widely in the lateral direction, which is 5.8 μm in terms of the full width at half maximum. Since the stripe width Ws is 1.7 μm, the stripe width Ws is greatly expanded by more than three times.

これと同様にして、ストライプ幅Wsを変化させたときの電流の広がり幅の挙動を半値全幅によって表したものが図4(b)である。図4(b)によると、ストライプ幅Wsが1μmの時に半値全幅は5.7μmであり、ストライプ幅Wsの増加に従って電流広がりも増加し、ストライプ幅Wsが5μmの時には半値全幅で8μm以上となっている。   Similarly to this, FIG. 4B shows the behavior of the current spreading width when the stripe width Ws is changed by the full width at half maximum. According to FIG. 4B, the full width at half maximum is 5.7 μm when the stripe width Ws is 1 μm, the current spread increases as the stripe width Ws increases, and the full width at half maximum is 8 μm or more when the stripe width Ws is 5 μm. ing.

このように、従来の半導体レーザ素子の場合には電流の横広がりがストライプ幅と同等であったのに対し、本実施形態の半導体レーザ素子の場合、残し厚d1が厚いことにより電流広がりがストライプ幅以上になることが確認された。   As described above, in the case of the conventional semiconductor laser element, the lateral spread of the current is equal to the stripe width, whereas in the case of the semiconductor laser element of the present embodiment, the remaining thickness d1 is large and the current spread is striped. It was confirmed that it would be more than the width.

更に、残し厚d1を0.85μmの一定とし、ストライプ幅を変化させたときのマルチモード性(発振スペクトルの半値全幅)の挙動を図5(a)に示す。ここで、ストライプ幅Wsがそれぞれ1.3μm、2.3μm及び4.2μmのときの発振スペクトルを、順に図5(b)、(c)及び(d)に示す。図5(b)〜(d)に示されたように、ストライプ幅Wsが広くなるほど発振スペクトルの半値全幅が減少することが確認できる。   Further, FIG. 5A shows the behavior of the multimode property (full width at half maximum of the oscillation spectrum) when the remaining thickness d1 is constant at 0.85 μm and the stripe width is changed. Here, the oscillation spectra when the stripe width Ws is 1.3 μm, 2.3 μm, and 4.2 μm, respectively, are shown in FIG. 5B, FIG. 5C, and FIG. As shown in FIGS. 5B to 5D, it can be confirmed that the full width at half maximum of the oscillation spectrum decreases as the stripe width Ws increases.

これは、次のような理由によると考えられる。まず、ストライプ幅Wsが広いほど、電流のリッジストライプ部分下方における横方向の拡散距離が大きくなる。このため、リッジストライプ部分下方において電流注入される活性層の体積が大きくなる。この結果、電流狭窄層の下方において活性層に形成される可飽和吸収体の体積が、前記の電流注入される活性層の体積に対して相対的に小さくなる。このことから、自励発振が生じにくくなったものと考えられる。   This is considered to be due to the following reasons. First, the wider the stripe width Ws, the greater the lateral diffusion distance under the ridge stripe portion of the current. For this reason, the volume of the active layer into which current is injected is increased below the ridge stripe portion. As a result, the volume of the saturable absorber formed in the active layer below the current confinement layer is relatively small with respect to the volume of the active layer into which the current is injected. From this, it is considered that self-excited oscillation is less likely to occur.

また、ストライプ幅Wsが4.2μmの場合には、水平方向のファー・フィールド・パターン(Far Field Pattern :FFP)が双峰性となり、9mW付近においてキンクが発生するといった現象が確認された。このことより、特性上、ストライプ幅Wsの上限は4μm程度であると考えられる。また、ストライプ幅1μmがストライプを形成する際のプロセス上の限界であるため、下限については1μmとする。ストライプ幅が該下限よりも更に狭くなると、微分抵抗が高くなるために発熱を起こし、温度特性に悪影響を与えることになる。   In addition, when the stripe width Ws is 4.2 μm, a phenomenon that a horizontal far field pattern (Far field pattern: FFP) becomes bimodal and a kink occurs near 9 mW is confirmed. From this, it is considered that the upper limit of the stripe width Ws is about 4 μm due to characteristics. Further, since the stripe width of 1 μm is a process limit when forming a stripe, the lower limit is set to 1 μm. When the stripe width is further narrower than the lower limit, the differential resistance becomes high, so that heat is generated and the temperature characteristics are adversely affected.

以上の結果を基に、本実施形態に係る半導体レーザ素子の構造と、従来技術の構造とについて、温度特性の比較を行なった。この結果として、図6(a)はI−L特性の温度依存性、図6(b)及び(c)は、順に本実施形態及び従来技術における発振スペクトルの温度依存性を示している。ここで、本実施形態の構造においては残し厚d1が0.83μm、従来技術の構造においては残し厚が0.5μmである。この残し厚d1をΔnに換算すると、本実施形態の構造においてはΔn=4×10-4、従来技術の構造においてはΔn=2.5×10-3である。尚、ストライプ幅Wsは両構造とも2.7μmであり、組成比は先に記したような値としている。 Based on the above results, the temperature characteristics of the structure of the semiconductor laser device according to this embodiment and the structure of the prior art were compared. As a result, FIG. 6A shows the temperature dependence of the IL characteristic, and FIGS. 6B and 6C show the temperature dependence of the oscillation spectrum in this embodiment and the prior art in order. Here, the remaining thickness d1 is 0.83 μm in the structure of the present embodiment, and the remaining thickness is 0.5 μm in the structure of the prior art. When this remaining thickness d1 is converted to Δn, Δn = 4 × 10 −4 in the structure of the present embodiment and Δn = 2.5 × 10 −3 in the structure of the prior art. The stripe width Ws is 2.7 μm for both structures, and the composition ratio is as described above.

図6(a)に示されたように、25℃におけるI−L特性としては、従来技術構造の方が低い発振閾値を有する。しかし、85℃においては、本実施形態構造の方が発振閾値が低くなっている。これは、25℃の場合には、従来技術構造の方が本実施形態よりも残し厚が薄いことより、電流の横方向の広がりが小さくなるため発振に寄与しない無効電流が小さくなり、効率的に光に変換されるためと考えられる。また、Δnが比較的大きいため、活性層における導波路損失が減少するのもI−L特性が良好な一因であると考えられる。一方、85℃の場合、従来技術構造によると活性層に注入される電流がストライプ直下の部分に集中して電流密度が増加するため、素子に漏れ電流が発生し発熱につながる結果、温度特性が劣化してしまうものと考えられる。このように、本実施形態の半導体レーザ素子は、従来のものよりも幅広い動作温度保証を有する。   As shown in FIG. 6A, the IL structure at 25 ° C. has a lower oscillation threshold in the prior art structure. However, at 85 ° C., the oscillation threshold is lower in the structure of the present embodiment. This is because, in the case of 25 ° C., the structure of the prior art has a smaller thickness than the present embodiment, so that the lateral spread of the current is reduced, and the reactive current that does not contribute to oscillation is reduced, which is efficient. It is thought that it is converted into light. In addition, since Δn is relatively large, the waveguide loss in the active layer is also considered to be a cause of good IL characteristics. On the other hand, in the case of 85 ° C., according to the prior art structure, the current injected into the active layer is concentrated in the portion immediately under the stripe and the current density is increased. It is thought that it will deteriorate. Thus, the semiconductor laser device of this embodiment has a wider operating temperature guarantee than the conventional one.

また、図6(b)及び(c)に示すように、発振スペクトルの半値全幅は25℃及び85℃の何れにおいても従来技術構造よりも本実施形態構造の場合に大きく、良好な自励発振を生じていると考えられる。   As shown in FIGS. 6B and 6C, the full width at half maximum of the oscillation spectrum is larger in the case of the structure of the present embodiment than in the structure of the prior art at both 25 ° C. and 85 ° C. It is thought that it has produced.

以上に説明したように、残し厚d1の範囲を規定することにより、発振スペクトルの半値全幅が広いマルチモード特性を安定に維持しながら、温度特性も良好な半導体レーザ素子を実現できる。つまり、残し厚d1を、残し厚d1の増加に対して電流の広がりが概ね一定であると共に、残し厚d1の増加に伴って活性層における横方向の光の広がりが顕著に増加する範囲とする。   As described above, by defining the range of the remaining thickness d1, it is possible to realize a semiconductor laser device with good temperature characteristics while stably maintaining multimode characteristics with a wide full width at half maximum of the oscillation spectrum. That is, the remaining thickness d1 is set to a range in which the current spread is substantially constant with respect to the increase in the remaining thickness d1, and the lateral light spread in the active layer is significantly increased as the remaining thickness d1 is increased. .

このためには、残し厚d1の増加に関わらず電流の広がりが概ね一定になり始める残し厚を基準とし、光分布(NFPの半値全幅)がストライプ幅に対して3倍以下程度になる領域に設定すればよい。   For this purpose, in the region where the light distribution (full width at half maximum of NFP) is about three times or less than the stripe width with reference to the remaining thickness at which the current spread starts to become substantially constant regardless of the increase in the remaining thickness d1. You only have to set it.

具体的な寸法としては、既に説明したように、n形電流狭窄層109の下面から活性層104の上面までの距離(残し厚)d1を0.65〜1.2μm(Δn=1×10-3〜5×10-5)とすると共に、ストライプ幅Wsを1.0〜4.0μmとすればよい。 Specifically, as described above, the distance (remaining thickness) d1 from the lower surface of the n-type current confinement layer 109 to the upper surface of the active layer 104 is set to 0.65 to 1.2 μm (Δn = 1 × 10 −). 3 to 5 × 10 −5 ) and the stripe width Ws may be set to 1.0 to 4.0 μm.

尚、各クラッド層の材料は、0.1Ωcm以上の抵抗を有することが望ましく、具体例としては、AlGaInPを用いることが望ましい。クラッド層の抵抗が小さすぎる(例えば、AlGaAsを用いて0.1Ωcm未満となっている)場合、電流が横方向に拡がり過ぎて可飽和吸収体が形成されなくなる。そこで、確実に可飽和吸収体が形成されるためには、前記のような抵抗値であることが望ましい。   The material of each clad layer preferably has a resistance of 0.1 Ωcm or more, and as a specific example, AlGaInP is preferably used. If the resistance of the cladding layer is too small (for example, less than 0.1 Ωcm using AlGaAs), the current spreads in the lateral direction and no saturable absorber is formed. Therefore, in order to reliably form the saturable absorber, the resistance value as described above is desirable.

また、本実施形態において、リッジストライプとしては、傾斜リッジ、つまり、図1(a)に示すように下面における幅が上面における幅よりも広い形状のストライプ部分111を用いている。しかし、これに代えて、下面における幅が上面における幅と等しい垂直リッジとしてもよい。このような場合について、図7(a)〜(c)に示す。これらは、それぞれ図1(a)〜(c)に対応するものであり、図7(a)に示すように、p形(AlGa)InP第2クラッド層107、p形GaInP中間層108及びp形GaAsコンタクト層110により、下面における幅が上面における幅と等しいストライプ部分211を構成している。この場合にも、ストライプ部分211の側面を覆うように電流狭窄層209が形成されている。   In this embodiment, as the ridge stripe, an inclined ridge, that is, a stripe portion 111 having a shape in which the width on the lower surface is wider than the width on the upper surface as shown in FIG. However, instead of this, a vertical ridge whose width on the lower surface is equal to the width on the upper surface may be used. Such a case is shown in FIGS. These correspond to FIGS. 1A to 1C, respectively, and as shown in FIG. 7A, the p-type (AlGa) InP second cladding layer 107, the p-type GaInP intermediate layer 108, and the p-type layer. The GaAs contact layer 110 forms a stripe portion 211 whose width on the lower surface is equal to the width on the upper surface. Also in this case, the current confinement layer 209 is formed so as to cover the side surface of the stripe portion 211.

その他の点については、図1(a)〜(c)に示した半導体レーザ素子と同様である。例えば、図7(b)に示す活性層104の構成は、図1(b)に示すものと同様である。また、図7(c)にはストライプ部分211の平面構成を模式的に示しており、具体的には、ストライプ部分211の下面の形状211a及びn形電流狭窄層209の下面の形状209aが示されている。その他、同じ構成要素には同じ符号を付し、詳しい説明は省略する。   The other points are the same as those of the semiconductor laser element shown in FIGS. For example, the configuration of the active layer 104 shown in FIG. 7B is the same as that shown in FIG. FIG. 7C schematically shows the planar configuration of the stripe portion 211, and specifically shows the shape 211a of the lower surface of the stripe portion 211 and the shape 209a of the lower surface of the n-type current confinement layer 209. Has been. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and detailed description is abbreviate | omitted.

このように垂直リッジを用いる場合、図1(a)に示す傾斜リッジの場合に比べてストライプ部分211の上面の幅が広いため、微分抵抗Rsを低減することができる。この結果として素子の発熱が抑制され、温度特性が向上する。   When the vertical ridge is used in this way, the differential resistance Rs can be reduced because the width of the upper surface of the stripe portion 211 is wider than that of the inclined ridge shown in FIG. As a result, heat generation of the element is suppressed and temperature characteristics are improved.

(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態に係る半導体レーザ素子について説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a semiconductor laser device according to the second embodiment will be described.

図8(a)、(b)及び(c)は、本発明の半導体レーザ素子の一例を示す図である。まず、図8(a)には、断面図を示している。半導体レーザ素子は、赤外レーザ部700と、赤色レーザ部730とを同一のn形GaAs基板701に搭載したモノリシック2波長レーザ素子である。   FIGS. 8A, 8B and 8C are diagrams showing an example of the semiconductor laser device of the present invention. First, FIG. 8A shows a cross-sectional view. The semiconductor laser element is a monolithic two-wavelength laser element in which an infrared laser part 700 and a red laser part 730 are mounted on the same n-type GaAs substrate 701.

まず、赤外レーザ部700は、第1の実施形態の半導体レーザ素子と同様の構造を有している。つまり、赤色レーザ部730と共通のn形GaAs基板701上に、赤色レーザ部730とは独立して、n形GaAsバッファ層702、n形(AlGa)InPクラッド層703、活性層704、p形(AlGa)InP第1クラッド層705、p形GaInPエッチングストップ層706、p型(AlGa)InP第2クラッド層707、p形GaInP中間層708及びp形GaAsコンタクト層710が、下からこの順に積層されている。これにより、活性層が2つのクラッド層に挟持されたダブルへテロ構造となっている。   First, the infrared laser unit 700 has a structure similar to that of the semiconductor laser device of the first embodiment. That is, the n-type GaAs buffer layer 702, the n-type (AlGa) InP cladding layer 703, the active layer 704, and the p-type are formed on the n-type GaAs substrate 701 common to the red laser unit 730, independently of the red laser unit 730. A (AlGa) InP first cladding layer 705, a p-type GaInP etching stop layer 706, a p-type (AlGa) InP second cladding layer 707, a p-type GaInP intermediate layer 708, and a p-type GaAs contact layer 710 are stacked in this order from the bottom. Has been. As a result, a double heterostructure is formed in which the active layer is sandwiched between two clad layers.

また、活性層704は、図1(b)に示した第1の実施形態の半導体レーザ素子における活性層104と同様に、井戸数が3層である量子井戸活性層となっている。   Further, the active layer 704 is a quantum well active layer having three wells, like the active layer 104 in the semiconductor laser device of the first embodiment shown in FIG.

また、図8(a)に示すように、p形(AlGa)InP第2クラッド層707、p形GaInP中間層708、p形GaAsコンタクト層710は、リッジストライプとしてメサ型のストライプ形状に加工され、下面における幅が上面における幅よりも広いストライプ部分711を構成している。該ストライプ部分711の両側には、n形GaAs電流狭窄層709が形成されており、これによって、活性層704に注入される電流の領域を狭窄する電流狭窄構造が構成されている。このような構造についても、図1(a)に示したものと同様である。   Further, as shown in FIG. 8A, the p-type (AlGa) InP second cladding layer 707, the p-type GaInP intermediate layer 708, and the p-type GaAs contact layer 710 are processed into a mesa-type stripe shape as a ridge stripe. The stripe portion 711 is configured such that the width on the lower surface is wider than the width on the upper surface. An n-type GaAs current confinement layer 709 is formed on both sides of the stripe portion 711, thereby forming a current confinement structure for constricting a region of current injected into the active layer 704. Such a structure is also the same as that shown in FIG.

また、電流狭窄層709の下面から活性層704までの距離(残し厚)をd1として記している。   Further, the distance (remaining thickness) from the lower surface of the current confinement layer 709 to the active layer 704 is indicated as d1.

ここで、赤外レーザ部700の各層を構成する材料の組成比について、n形(AlGa)InPクラッド層703、p形(AlGa)InP第1クラッド層705及びp型(AlGa)InP第2クラッド層707は、(Al0.7 Ga0.3 0.51In0.49Pである。また、活性層704を構成する(AlGa)InPバリア層1042b及び1044bに関しては、(Al0.4 Ga0.6 0.51In0.49Pとしている(図1(b)を参照)。 Here, regarding the composition ratio of the materials constituting each layer of the infrared laser part 700, the n-type (AlGa) InP cladding layer 703, the p-type (AlGa) InP first cladding layer 705, and the p-type (AlGa) InP second cladding. The layer 707 is (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.51 In 0.49 P. The (AlGa) InP barrier layers 1042b and 1044b constituting the active layer 704 are (Al 0.4 Ga 0.6 ) 0.51 In 0.49 P (see FIG. 1B).

次に、赤色レーザ部730について、その基本的な構成は赤外レーザ部700と同様である。つまり、赤外レーザ部700と共通のn形GaAs基板701上に、赤外レーザ部700とは独立して、n形GaAsバッファ層732、n形(AlGa)InPクラッド層733、活性層734、p形(AlGa)InP第1クラッド層735、p形GaInPエッチングストップ層736、p形(AlGa)InP第2クラッド層737、p形GaInP中間層738およびp形GaAsコンタクト層740が下からこの順に積層されている。これにより、活性層が2つのクラッド層に挟持されたダブルへテロ構造となっている。   Next, the basic configuration of the red laser unit 730 is the same as that of the infrared laser unit 700. That is, an n-type GaAs buffer layer 732, an n-type (AlGa) InP cladding layer 733, an active layer 734, and an n-type GaAs substrate 701 common to the infrared laser unit 700 are provided independently of the infrared laser unit 700. A p-type (AlGa) InP first cladding layer 735, a p-type GaInP etching stop layer 736, a p-type (AlGa) InP second cladding layer 737, a p-type GaInP intermediate layer 738, and a p-type GaAs contact layer 740 in this order from the bottom. Are stacked. As a result, a double heterostructure is formed in which the active layer is sandwiched between two clad layers.

但し、活性層734は、図8(b)に示すように、井戸数が五層である量子井戸活性層となっている。つまり、下から順に5つのGaInP井戸層7349w、7347w、7345w、7343w及び7341wが、4つの(AlGa)InPバリア層、7348b、7346b、7344b及び7342bをそれぞれ間に挟んで形成され、これら九層の積層構造が、2つの(AlGa)InPガイド層7350g及び7340gにより下と上から挟まれた構造となっている。結果として、下側(n形(AlGa)InPクラッド層733の側)から順に、7350g、7349w、7348b、7347w、7346b、7345w、7344b、7343w、7342b、7341w及び7340gの順に積層されている。   However, the active layer 734 is a quantum well active layer having five wells, as shown in FIG. 8B. That is, five GaInP well layers 7349w, 7347w, 7345w, 7343w, and 7341w are formed in order from the bottom, with four (AlGa) InP barrier layers 7348b, 7346b, 7344b, and 7342b being interposed between these nine layers. The laminated structure is a structure sandwiched from below and above by two (AlGa) InP guide layers 7350g and 7340g. As a result, 7350g, 7349w, 7348b, 7347w, 7346b, 7345w, 7344b, 7343w, 7342b, 7341w and 7340g are laminated in this order from the lower side (n-type (AlGa) InP cladding layer 733 side).

また、図8(a)に示すように、赤外レーザ部700と同様に、p形(AlGa)InP第2クラッド層737、p形GaInP中間層738及びp形GaAsコンタクト層740によりメサ型のストライプ形状(ストライプ部分741)が形成されると共に、その両側にはn形GaAs電流狭窄層709が埋め込まれ、これにより、電流狭窄構造が形成されている。   Further, as shown in FIG. 8A, similar to the infrared laser unit 700, the p-type (AlGa) InP second cladding layer 737, the p-type GaInP intermediate layer 738, and the p-type GaAs contact layer 740 make a mesa type. A stripe shape (stripe portion 741) is formed, and an n-type GaAs current confinement layer 709 is embedded on both sides thereof, thereby forming a current confinement structure.

更に、電流狭窄層709の下面(言い換えるとリッジストライプの下面)から活性層734までの距離(残し厚)を、d2として記している。   Furthermore, the distance (remaining thickness) from the lower surface of the current confinement layer 709 (in other words, the lower surface of the ridge stripe) to the active layer 734 is indicated as d2.

また、赤色レーザ部730の各層を構成する材料の組成比について、n形(AlGa)InPクラッド層733、p形(AlGa)InP第1クラッド層735及びp型(AlGa)InP第2クラッド層737は、(Al0.7 Ga0.3 0.51In0.49Pである。また、(AlGa)InPガイド層7340g及び7350gと、(AlGa)InPバリア層7342b、7344b、7346b及び7348bとに関しては、(Al0.5 Ga0.5 0.51In0.49Pとしている。更に、GaInP井戸層7349w、7347w、7345w、7343w及び7341wについては、Ga0.43In0.57Pとしている。 Further, regarding the composition ratio of the materials constituting each layer of the red laser portion 730, the n-type (AlGa) InP cladding layer 733, the p-type (AlGa) InP first cladding layer 735, and the p-type (AlGa) InP second cladding layer 737 are used. Is (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.51 In 0.49 P. Further, (AlGa) and InP guide layer 7340g and 7350g, (AlGa) InP barrier layer 7342b, 7344b, terms and 7346b and 7348b are set to (Al 0.5 Ga 0.5) 0.51 In 0.49 P. Further, the GaInP well layers 7349w, 7347w, 7345w, 7343w and 7341w are Ga 0.43 In 0.57 P.

次に、図8(c)には、赤外レーザ部700におけるストライプ部分711及び赤色レーザ部730におけるストライプ部分741の平面形状を示している。ここで、ストライプ部分711の下面の形状は、図1(c)と同様に、光出射端面Aから後端面Bまで同じ幅の形状711aとなっている。これに対し、赤色レーザ部730におけるストライプ部分741の平面形状は、光出射端面Aから後端面Bに向かって次第に幅が広くなるテーパストライプ構造の形状741aとなっている。ここで、赤色レーザ部730においては、光出射端面A側のストライプ幅をWsと表すことにする。   Next, FIG. 8C shows the planar shapes of the stripe portion 711 in the infrared laser portion 700 and the stripe portion 741 in the red laser portion 730. Here, the shape of the lower surface of the stripe portion 711 is a shape 711a having the same width from the light emitting end surface A to the rear end surface B, as in FIG. On the other hand, the planar shape of the stripe portion 741 in the red laser portion 730 is a tapered stripe structure shape 741a that gradually increases in width from the light emitting end surface A toward the rear end surface B. Here, in the red laser part 730, the stripe width on the light emitting end face A side is expressed as Ws.

尚、赤外レーザ部700におけるストライプ部分711と、赤色レーザ部730におけるストライプ部分741とは同時に形成される。また、電流狭窄層709についても、赤外レーザ部700及び赤色レーザ部730において同時に形成される。更に、いずれも図示は省略しているが、p形GaAsコンタクト層710及び740と、n形電流狭窄層709との上にはp形電極が形成されていると共に、n形GaAs基板701の裏面にはn形電極が形成されている。これらのp型電極及びn型電極についても、やはり、赤外レーザ部700及び赤色レーザ部730において、同時に形成される。   The stripe portion 711 in the infrared laser portion 700 and the stripe portion 741 in the red laser portion 730 are formed simultaneously. The current confinement layer 709 is also formed simultaneously in the infrared laser portion 700 and the red laser portion 730. Further, although not shown in the drawings, a p-type electrode is formed on the p-type GaAs contact layers 710 and 740 and the n-type current confinement layer 709, and the back surface of the n-type GaAs substrate 701. Is formed with an n-type electrode. These p-type electrode and n-type electrode are also formed simultaneously in the infrared laser part 700 and the red laser part 730.

以上のように、本実施形態の半導体レーザ素子は、赤外レーザ部700と赤色レーザ部730とを備えるモノリシック2波長レーザ素子となってる。該半導体レーザ素子について、第1の実施形態と同様に、残し厚を変化させた際のマルチモード性(発振スペクトルの半値全幅)の挙動を図9(a)に示す。但し、赤外レーザ部700については第1の実施形態の半導体レーザ素子と同じであるから省略し、赤色レーザ部730についてのみ示す。   As described above, the semiconductor laser device of this embodiment is a monolithic two-wavelength laser device including the infrared laser unit 700 and the red laser unit 730. FIG. 9A shows the behavior of the multimode property (full width at half maximum of the oscillation spectrum) when the remaining thickness of the semiconductor laser element is changed as in the first embodiment. However, since the infrared laser unit 700 is the same as the semiconductor laser device of the first embodiment, it is omitted and only the red laser unit 730 is shown.

ここで、ストライプ幅は、光出射端面Aにおいて3μmで且つ後端面Bにおいて5μmとし、測定条件としては、室温及び3.5mW時である。   Here, the stripe width is 3 μm at the light emitting end face A and 5 μm at the rear end face B, and the measurement conditions are room temperature and 3.5 mW.

図9(a)に示すように、残し厚d2が増加すると、当初はこれに伴って発振スペクトルの半値全幅が増加し、残し厚d2が0.45μm以上となると発振スペクトルの半値全幅は概ね一定となる。図9(b)、(c)及び(d)に、順には、残し厚d2が0.39μm、0.47μm、0.72μmの場合の実際のスペクトル波形を示した。発振スペクトルは、図9(b)に示す残し厚が0.39μmの場合にはシングルピークに近く、図9(b)に示す0.47μmの場合及び図9(d)に示す0.72μmの場合には半値全幅の広いマルチモードスペクトルが得られている。   As shown in FIG. 9A, when the remaining thickness d2 is increased, the full width at half maximum of the oscillation spectrum is initially increased accordingly, and when the remaining thickness d2 is 0.45 μm or more, the full width at half maximum of the oscillation spectrum is substantially constant. It becomes. 9B, 9C, and 9D show actual spectrum waveforms in the case where the remaining thickness d2 is 0.39 μm, 0.47 μm, and 0.72 μm in order. The oscillation spectrum is close to a single peak when the remaining thickness shown in FIG. 9B is 0.39 μm, and is 0.47 μm shown in FIG. 9B and 0.72 μm shown in FIG. 9D. In some cases, a multimode spectrum with a wide full width at half maximum is obtained.

このことは、ストライプ部分741に対応する部分と、その両側に対応する部分との実効屈折率差(Δn)により説明できる。   This can be explained by the effective refractive index difference (Δn) between the portion corresponding to the stripe portion 741 and the portions corresponding to both sides thereof.

残し厚d2が0.39μmの場合は、Δn=1.2×10-3程度であり、この比較的大きいΔnのために光がリッジの横に染み出すことができず、可飽和吸収体が形成され難い状況になる。この結果として、発振スペクトルの半値全幅が小さくなる。 In the case where the remaining thickness d2 is 0.39 μm, Δn = 1.2 × 10 −3 or so, and this relatively large Δn prevents light from leaking out to the side of the ridge. It becomes difficult to form. As a result, the full width at half maximum of the oscillation spectrum is reduced.

これに対し、残し厚d2が0.47μm及び0.72μmである場合には、それぞれΔnがΔn=3.8×10-4及び3.6×10-5程度と小さいために光がリッジの横に染み出すことができ、可飽和吸収体が十分に形成され、マルチモード発振したものと考えられる。但し、残し厚d2が0.72μmの場合、図示は省略するが、水平方向に関するFFPが双峰性になるという現象が発生した。このため、安定したマルチモード性と基本横モード発振とを共に実現できる残し厚d2は、0.4〜0.7μmであることが確認された。 On the other hand, when the remaining thickness d2 is 0.47 μm and 0.72 μm, Δn is as small as about Δn = 3.8 × 10 −4 and 3.6 × 10 −5 , respectively. It is considered that the saturable absorber is sufficiently formed and multimode oscillation occurs. However, when the remaining thickness d2 is 0.72 μm, although not shown in the figure, a phenomenon occurs in which the FFP in the horizontal direction becomes bimodal. For this reason, it was confirmed that the remaining thickness d2 capable of realizing both stable multi-mode properties and fundamental transverse mode oscillation was 0.4 to 0.7 μm.

ここで、一般に、従来の半導体レーザ素子による赤色レーザの自励発振のための残し厚d2は、0.25μm〜0.4μm(Δn:3×10-3〜1×10-3)である。これに対し、本実施形態の場合には、前記のように残し厚d2の範囲が0.4μm〜0.7μm(Δn:1×10-3〜5×10-5)と厚いにもかかわらずマルチモード発振(自励発振を含む)が可能である。この理由を以下に説明する。 Here, generally, the remaining thickness d2 for self-excited oscillation of the red laser by the conventional semiconductor laser element is 0.25 μm to 0.4 μm (Δn: 3 × 10 −3 to 1 × 10 −3 ). On the other hand, in the present embodiment, the remaining thickness d2 is as thick as 0.4 μm to 0.7 μm (Δn: 1 × 10 −3 to 5 × 10 −5 ) as described above. Multimode oscillation (including self-excited oscillation) is possible. The reason for this will be described below.

図10(a)は、ストライプ幅が光出射端面Aにおいて3μm、後端面において5μmであり、残し厚d2が0.47μmである場合の発振閾値状態におけるNFP像を示している。第1の実施形態の場合と同様、NFP像が示す光分布から得られる半値全幅を用いて、光の広がりの程度を示すことができる。   FIG. 10A shows an NFP image in the oscillation threshold state when the stripe width is 3 μm at the light emitting end face A, 5 μm at the rear end face, and the remaining thickness d2 is 0.47 μm. As in the case of the first embodiment, the full width at half maximum obtained from the light distribution indicated by the NFP image can be used to indicate the degree of light spread.

図10(b)に、残し厚d2=0.39μmを基準として規格化したときの発振閾値状態のNFPの半値全幅(点線で記載)と、残し厚d2=0μmを基準として規格化したときの横方向拡がり電流(計算値:実線で記載)とを示している。NFPの半値全幅は、当初は残し厚d2が厚くなるほど大きくなり、残し厚d2が0.7μm程度を超えるとほぼ一定になる。一方、横方向拡がり電流は、残し厚d2が0.4μm程度までは増加し、それ以後は概ね飽和傾向にある。   FIG. 10B shows the full width at half maximum (denoted by a dotted line) of NFP in the oscillation threshold state when normalized with reference to the remaining thickness d2 = 0.39 μm, and when normalized with reference to the remaining thickness d2 = 0 μm. The lateral spreading current (calculated value: indicated by a solid line) is shown. The full width at half maximum of NFP initially increases as the remaining thickness d2 increases, and becomes substantially constant when the remaining thickness d2 exceeds approximately 0.7 μm. On the other hand, the lateral spreading current increases until the remaining thickness d2 is about 0.4 μm, and thereafter tends to be saturated.

このように、残し厚d2が0.4μm〜0.7μmの範囲において、横方向の電流広がりは概ね飽和傾向にあると共に光分布(広がり)は増加しているため、この範囲は可飽和吸収体が増加する領域であると言える。これに対し、残し厚d2が0.7μm以上では、光分布(広がり)及び横方向電流が共に概ね一定であるため、可飽和吸収体に顕著な増加は見られず、この結果として発振スペクトルの半値全幅も概ね一定になったと考えられる。これらのことから、可飽和吸収体を形成しやすい領域は、残し厚d2が0.4μm以上の領域である。前述したFFPが双峰性にならないための領域は残し厚d1が0.7μm以下の領域であるから、安定したマルチモード発振が可能な残し厚d1の範囲は、0.4μm〜0.7μmとなる。   Thus, in the range where the remaining thickness d2 is 0.4 μm to 0.7 μm, the current spread in the lateral direction is generally saturated and the light distribution (spread) is increased, so this range is a saturable absorber. It can be said that this is an area where the increase is made. On the other hand, when the remaining thickness d2 is 0.7 μm or more, the light distribution (spreading) and the lateral current are both substantially constant, so that there is no significant increase in the saturable absorber. It is thought that the full width at half maximum was also almost constant. Therefore, the region where the saturable absorber is easily formed is a region where the remaining thickness d2 is 0.4 μm or more. Since the region where the FFP is not bimodal is the region where the remaining thickness d1 is 0.7 μm or less, the range of the remaining thickness d1 capable of stable multimode oscillation is 0.4 μm to 0.7 μm. Become.

次に、ストライプ幅に対する電流の広がりの程度を、レーザ発振前のNFP像を用いて示す。図11(a)は、ストライプ幅が光出射端面Aで3.3μm、後端面Bで6μmとなっており、残し厚d2が0.43μm、電流が10mA流されたときのNFP像である。これは、活性層に注入される電流密度分布と強い相関があるため、電流分布として見ることができる。図11(a)に示すように、残し厚d2が0.43μmと比較的厚いため、電流は横方向に広く拡がっており、半値全幅によって表すと5.9μmである。この値は、光出射端面Aにおけるストライプ幅Wsの3.3μmと比べて2倍近くのかなり大きな広がりをもっていることになる。   Next, the extent of current spreading with respect to the stripe width is shown using an NFP image before laser oscillation. FIG. 11A shows an NFP image when the stripe width is 3.3 μm at the light emitting end face A and 6 μm at the rear end face B, the remaining thickness d2 is 0.43 μm, and the current is supplied at 10 mA. This has a strong correlation with the current density distribution injected into the active layer and can be viewed as a current distribution. As shown in FIG. 11A, since the remaining thickness d2 is relatively large at 0.43 μm, the current spreads widely in the lateral direction and is 5.9 μm in terms of the full width at half maximum. This value has a considerably large spread that is nearly twice as large as the stripe width Ws of 3.3 μm at the light exit end face A.

これと同様にして、後端面B側のストライプ幅を6μmで一定とし、光出射端A側のストライプ幅Wsを変化させたときのNFPによる電流分布の半値全幅の挙動を示したのが図11(b)である。図11(b)によると、光出射端A側のストライプ幅Wsが2.9μmの時に電流広がり(半値全幅)は5.3μmであり、ストライプ幅の増加に従って電流広がりも増加し、ストライプ幅が5μmの時には半値全幅で8μm以上となっている。このように、従来よりも残し厚d2を大きくすると、電流広がりがストライプ幅よりも大きくなることが確認された。   Similarly to this, the behavior of the full width at half maximum of the current distribution by NFP when the stripe width on the rear end face B side is constant at 6 μm and the stripe width Ws on the light emitting end A side is changed is shown in FIG. (B). According to FIG. 11B, the current spread (full width at half maximum) is 5.3 μm when the stripe width Ws on the light emitting end A side is 2.9 μm, and the current spread increases as the stripe width increases. At 5 μm, the full width at half maximum is 8 μm or more. As described above, it was confirmed that when the remaining thickness d2 is increased as compared with the conventional case, the current spread becomes larger than the stripe width.

次に、残し厚d2を0.45μmで一定、後端面Bのストライプ幅を6μmで一定とし、光出射端面Aのストライプ幅Wsを変化させたときのマルチモード性(発振スペクトルの半値全幅)の挙動を図12(a)に示す。ここで、光出射端面Aのストライプ幅Wsがそれぞれ2.2μm、4.2μm及び5.8μmのときの発振スペクトルを、順に図12(b)、(c)及び(d)に示す。図12(b)〜(d)に示されたように、光出射端面Aのストライプ幅Wsが広くなるほど発振スペクトルの半値全幅が減少することが確認できる。これは、第1の実施形態の場合と同様の理由によると考えられる。つまり、光出射端面Aのストライプ幅Wsの増加に伴ってリッジストライプ部分下方において電流注入される活性層の体積が大きくなるため、電流狭窄層の下方において活性層に形成される可飽和吸収体の体積が相対的に小さくなることから、自励発振が生じにくくなったものと考えられる。   Next, the multimode property (full width at half maximum of oscillation spectrum) when the remaining thickness d2 is constant at 0.45 μm, the stripe width of the rear end face B is constant at 6 μm, and the stripe width Ws of the light exit end face A is changed. The behavior is shown in FIG. Here, the oscillation spectra when the stripe width Ws of the light emitting end face A is 2.2 μm, 4.2 μm, and 5.8 μm are shown in FIGS. 12B, 12C, and 12D in order. As shown in FIGS. 12B to 12D, it can be confirmed that the full width at half maximum of the oscillation spectrum decreases as the stripe width Ws of the light emitting end face A becomes wider. This is considered to be due to the same reason as in the first embodiment. That is, as the stripe width Ws of the light emitting end face A increases, the volume of the active layer into which current is injected is increased below the ridge stripe portion, so that the saturable absorber formed in the active layer below the current confinement layer. Since the volume is relatively small, it is considered that self-excited oscillation is less likely to occur.

また、ストライプ幅が5.8μmの場合は、水平方向のFFPが双峰性の高次横モード発振を生じ、7mW付近でキンクが発生するといった現象が確認された。このことより、特性上、ストライプ幅の上限は5.5μm程度であると考えられる。   In addition, when the stripe width is 5.8 μm, it has been confirmed that the FFP in the horizontal direction causes bimodal high-order transverse mode oscillation and kinks are generated around 7 mW. From this, the upper limit of the stripe width is considered to be about 5.5 μm due to characteristics.

また、ストライプ幅2.2μmのときは、I−L特性において、外部微分効率Seに非線形性が生じた。これは、可飽和吸収体の体積が大きくなり、可飽和吸収体が透明になると、導波路損失が急激に小さくなることに起因する。このようなI−L特性は、実用上、APC(Auto Power Control)動作させにくいため好ましくない。このことより、ストライプ幅の下限は2.5μm程度となる。   Further, when the stripe width was 2.2 μm, nonlinearity occurred in the external differential efficiency Se in the IL characteristic. This is because the waveguide loss rapidly decreases when the volume of the saturable absorber increases and the saturable absorber becomes transparent. Such an IL characteristic is not preferable because it is difficult to make an APC (Auto Power Control) operation practically. Therefore, the lower limit of the stripe width is about 2.5 μm.

以上の結果を基に、実際に本実施形態に係る半導体レーザ素子の構造と、従来技術の構造とについて、温度特性の比較を行なった。この結果として、図13(a)はI−L特性の温度依存性、(b)及び(c)は順に本実施形態及び従来技術における発振スペクトルの温度依存性を示している。ここで、本実施形態の構造においては残し厚d2が0.42μm、従来技術構造においては残し厚が0.33μmである。この残し厚d2をΔnに換算すると、本発明構造ではΔn=5×10-4、従来技術構造ではΔn=1.4×10-3である。尚、ストライプ幅は両構造とも光出射端面A側は3.2μm、後端面B側は5.2μmであり、組成比は先に記したような値としている。 Based on the above results, the temperature characteristics of the structure of the semiconductor laser device according to the present embodiment and the structure of the prior art were actually compared. As a result, FIG. 13A shows the temperature dependence of the IL characteristic, and FIGS. 13B and C show the temperature dependence of the oscillation spectrum in this embodiment and the prior art in order. Here, the remaining thickness d2 is 0.42 μm in the structure of the present embodiment, and the remaining thickness is 0.33 μm in the prior art structure. When this remaining thickness d2 is converted to Δn, Δn = 5 × 10 −4 in the structure of the present invention and Δn = 1.4 × 10 −3 in the conventional structure. In both structures, the stripe width is 3.2 μm on the light emitting end face A side and 5.2 μm on the rear end face B side, and the composition ratio is the value described above.

図13(a)に示されたように、25℃におけるI−L特性としては、従来技術構造の方が低い発振閾値を有する。しかし、85℃では、本実施形態の構造の方が発振閾値が低くなっている。この理由も、第1の実施形態の場合と同様と考えられる。つまり、まず、25℃では、従来技術の構造は残し厚が薄いことより電流が横方向に大きく広がることがなく、このため発振に寄与しない無効電流が小さくなって効率的に光に変換されるためと考えられる。また、Δnが比較的大きいため、活性層での導波路損失が減少するのもI−L特性が良好な一因であると考えられる。一方、85℃の場合、従来技術の構造によると活性層に注入される電流がストライプ直下の部分に集中して電流密度が増加するため、素子に漏れ電流が発生して発熱につながり、これが原因となって温度特性が劣化してしまうものと考えられる。本実施形態の半導体レーザ素子の場合、電流の横広がりが従来技術よりも大きくなるため、電流密度も従来よりも低くなっており、漏れ電流の発生が抑制されている結果、幅広い動作温度保証を有している。   As shown in FIG. 13A, the IL structure at 25 ° C. has a lower oscillation threshold value in the prior art structure. However, at 85 ° C., the oscillation threshold is lower in the structure of the present embodiment. This reason is also considered to be the same as in the case of the first embodiment. That is, first, at 25 ° C., the current structure does not spread greatly in the lateral direction due to the remaining thickness of the structure of the prior art, so that the reactive current that does not contribute to oscillation is reduced and converted to light efficiently. This is probably because of this. In addition, since Δn is relatively large, the waveguide loss in the active layer is also considered to be a cause of good IL characteristics. On the other hand, in the case of 85 ° C., according to the structure of the prior art, the current injected into the active layer is concentrated in the portion immediately under the stripe and the current density increases, so that a leakage current is generated in the element, leading to heat generation. It is considered that the temperature characteristics deteriorate. In the case of the semiconductor laser device of the present embodiment, the current spread is larger than that of the conventional technique, so the current density is also lower than that of the conventional technique, and the generation of leakage current is suppressed. Have.

また、図13(b)及び(c)に示すように、発振スペクトルの半値全幅は25℃及び85℃の何れにおいても従来技術構造よりも本実施形態構造の場合に大きく、良好なマルチモード特性が得られている。   Further, as shown in FIGS. 13B and 13C, the full width at half maximum of the oscillation spectrum is larger in the case of the structure of the present embodiment than in the structure of the prior art at 25 ° C. and 85 ° C., and good multimode characteristics are obtained. Is obtained.

以上に説明したように、第1の実施形態の場合と同様に、本実施形態によると、残し厚d2の範囲を規定することにより、発振スペクトルの半値全幅が広いマルチモード特性を安定に維持しながら、温度特性も良好な半導体レーザ素子を実現できる。つまり、残し厚d2を、残し厚d2の増加に対して電流の広がりが概ね一定であると共に、残し厚d2の増加に伴って活性層における横方向の光の広がりが増加する範囲とする。このためには、残し厚d2の増加に関わらず電流の広がりが概ね一定になり始める残し厚を基準とし、光分布(NFPの半値全幅)がストライプ幅に対して2倍以下程度になる領域に設定すればよい。   As described above, as in the case of the first embodiment, according to the present embodiment, by defining the range of the remaining thickness d2, it is possible to stably maintain the multimode characteristics with a wide full width at half maximum of the oscillation spectrum. However, a semiconductor laser device with good temperature characteristics can be realized. That is, the remaining thickness d2 is set to a range in which the current spread is substantially constant with the increase in the remaining thickness d2 and the lateral light spread in the active layer increases with the increase in the remaining thickness d2. For this purpose, in the region where the light distribution (full width at half maximum of NFP) is less than twice the stripe width with reference to the remaining thickness at which the current spread begins to become substantially constant regardless of the increase in the remaining thickness d2. You only have to set it.

具体的な寸法としては、既に示したように、n形電流狭窄層709の下面から活性層734の上面までの距離(残し厚)d2を0.4〜0.7μm(Δn=1×10-3〜5×10-5)とすると共に、平均のストライプ幅(テーパストライプ構造をストレートなストライプとして換算した場合の平均幅)を2.5〜5.5μmとすればよい。このようにすると共に、赤外レーザ部700については第1の実施形態の半導体レーザ素子と同様に構成されていると、モノリシック2波長レーザとして、安定した特性を得ることができる。 As specific dimensions, as already indicated, the distance from the lower surface of the n-type current blocking layer 709 to the upper face of the active layer 734 (remaining thickness) d2 of 0.4~0.7μm (Δn = 1 × 10 - 3 to 5 × 10 −5 ) and the average stripe width (average width when the taper stripe structure is converted as a straight stripe) may be 2.5 to 5.5 μm. In addition to the above, when the infrared laser unit 700 is configured in the same manner as the semiconductor laser element of the first embodiment, stable characteristics can be obtained as a monolithic two-wavelength laser.

尚、各クラッド層の材料は、0.1Ωcm以上の抵抗を有することが望ましく、具体例としては、AlGaInPを用いることが望ましい。   The material of each clad layer preferably has a resistance of 0.1 Ωcm or more, and as a specific example, AlGaInP is preferably used.

また、本実施形態において、リッジストライプとしては、傾斜リッジ、つまり、図8(a)に示すように下面における幅が上面における幅よりも広い形状のストライプ部分711を用いている。しかし、第1の実施形態の場合と同様に、これに代えて、下面における幅が上面における幅と等しい垂直リッジとしてもよい。具体的な構造の一例を、図14(a)〜(c)に示す。これは、図8(a)〜(c)に順に対応し、図14(a)に示すように、p形(AlGa)InP第2クラッド層707、p形GaInP中間層708及びp形GaAsコンタクト層710により、下面における幅が上面における幅と等しいストライプ部分811を構成している。また、p形(AlGa)InP第2クラッド層737、p形GaInP中間層738及びp形GaAsコンタクト層740により、下面における幅が上面における幅と等しいストライプ部分841を構成している。尚、ストライプ部分811及び841の側面を覆うように、電流狭窄層809が形成されている。   In this embodiment, as the ridge stripe, an inclined ridge, that is, a stripe portion 711 having a shape in which the width on the lower surface is wider than the width on the upper surface as shown in FIG. However, as in the case of the first embodiment, instead of this, a vertical ridge whose width on the lower surface is equal to the width on the upper surface may be used. An example of a specific structure is shown in FIGS. This corresponds to the order of FIGS. 8A to 8C. As shown in FIG. 14A, the p-type (AlGa) InP second cladding layer 707, the p-type GaInP intermediate layer 708, and the p-type GaAs contact. The layer 710 forms a stripe portion 811 whose width on the lower surface is equal to the width on the upper surface. The p-type (AlGa) InP second cladding layer 737, the p-type GaInP intermediate layer 738, and the p-type GaAs contact layer 740 constitute a stripe portion 841 having a width on the lower surface equal to that on the upper surface. A current confinement layer 809 is formed so as to cover the side surfaces of the stripe portions 811 and 841.

この他の点については、図8(a)〜(c)に示した半導体レーザ素子と同様であるから、同様の符号を付すことによって詳しい説明は省略する。   Since the other points are the same as those of the semiconductor laser element shown in FIGS. 8A to 8C, detailed description will be omitted by giving the same reference numerals.

このように、垂直リッジを用いる場合、図8(a)に示す傾斜リッジの場合に比べてストライプ部分811及び841の上面の幅が広いため、微分抵抗Rsを低減することができる。この結果として素子の発熱が抑制され、温度特性が向上する。   As described above, when the vertical ridge is used, the differential resistance Rs can be reduced because the width of the upper surface of the stripe portions 811 and 841 is wider than that of the inclined ridge shown in FIG. As a result, heat generation of the element is suppressed and temperature characteristics are improved.

また、本実施形態においては、第1の実施形態と同様の赤外レーザ部700と、赤色レーザ部730とが共通のn形GaAs基板701上に形成されたモノリシック2波長レーザ素子を説明した。しかし、レーザを発振する発光部としては赤色レーザ部730だけが搭載されたレーザ素子を形成することは、当然可能である。この場合にも、言うまでもなく、本実施形態において説明したような残し厚を有する赤色レーザ部とすることにより、従来よりも幅広い温度範囲において安定に動作するレーザ素子を得ることができる。   In the present embodiment, the monolithic two-wavelength laser element in which the same infrared laser unit 700 and red laser unit 730 as those in the first embodiment are formed on the common n-type GaAs substrate 701 has been described. However, as a matter of course, it is possible to form a laser element on which only the red laser part 730 is mounted as the light emitting part for oscillating the laser. Also in this case, needless to say, by using the red laser portion having the remaining thickness as described in the present embodiment, a laser element that operates stably in a wider temperature range than before can be obtained.

(第3の実施形態)
以下、第3の実施形態に係る半導体レーザ素子について説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a semiconductor laser device according to the third embodiment will be described.

図15(a)、(b)及び(c)は、本発明の半導体レーザ素子の一例を示す図である。ここで、半導体レーザ素子は、第2の実施形態の半導体レーザ素子とは一部を除いて同じ構造を有している。このため、構造の相違点についてのみ詳しく説明することにする。半導体レーザ素子と同じ構成要素について、図13(a)〜(c)において、図8(a)〜(c)と同じ符号を付している。   FIGS. 15A, 15B and 15C are views showing an example of the semiconductor laser device of the present invention. Here, the semiconductor laser element has the same structure as the semiconductor laser element of the second embodiment except for a part thereof. For this reason, only the differences in structure will be described in detail. The same constituent elements as those of the semiconductor laser element are denoted by the same reference numerals in FIGS. 13A to 13C as in FIGS.

本実施形態の半導体レーザ素子は、p型(AlGa)InP第2クラッド層707、p形GaInP中間層708及びp形GaAsコンタクト層710からなるストライプ部分911と、p形(AlGa)InP第2クラッド層737、p形GaInP中間層738及びp形GaAsコンタクト層740からなるストライプ部分941とについて、第2の実施形態の半導体レーザ素子とは平面形状が異なっている。   The semiconductor laser device of this embodiment includes a p-type (AlGa) InP second cladding layer 707, a stripe portion 911 composed of a p-type GaInP intermediate layer 708 and a p-type GaAs contact layer 710, and a p-type (AlGa) InP second cladding. The stripe portion 941 including the layer 737, the p-type GaInP intermediate layer 738, and the p-type GaAs contact layer 740 has a planar shape different from that of the semiconductor laser device of the second embodiment.

具体的には、ストライプ部分911及び941について、いずれも、図15(c)に示すように、光出射端面Aから内側に向かって徐々にストライプ幅が広くなり、中央部分は均一な幅のストレートストライプとなっており、その後、後端面Bに向かって徐々に幅の狭くなる形状となっている。言い換えると、ストライプ幅が一定の部分が内側に存在し、その両端から、それぞれ光出射端面A及び後端面Bに向かってテーパ状に細くなる部分が連続して形成されている。   Specifically, for both the stripe portions 911 and 941, as shown in FIG. 15C, the stripe width gradually increases inward from the light emitting end face A, and the central portion is a straight having a uniform width. It becomes a stripe and then has a shape that gradually decreases in width toward the rear end face B. In other words, a portion having a constant stripe width exists on the inner side, and a portion that tapers from both ends toward the light emitting end surface A and the rear end surface B is continuously formed.

このような、テーパストライプ構造は、ストレートストライプよりもストライプ幅を広くすることができるため、微分抵抗Rsを低減して素子の発熱を抑制し、温度特性を向上することができる。   In such a taper stripe structure, since the stripe width can be made wider than that of the straight stripe, the differential resistance Rs can be reduced, the heat generation of the element can be suppressed, and the temperature characteristics can be improved.

ただし、赤外レーザ部700におけるストライプ部分911の幅の平均(テーパストライプ構造をストレートとして換算した平均幅)は1〜4μm、赤色レーザ部730におけるストライプ部分730の幅の平均は2.5〜5.5μmとする必要がある。これは、第1及び第2の実施形態において説明したのと同じ寸法の範囲である。この範囲から外れると、キンクが発生する、発振スペクトルやFFPが双峰性を示す、レーザ素子の製造歩留りが低下する等の問題が発生する。   However, the average width of the stripe portions 911 in the infrared laser portion 700 (average width converted as a straight stripe structure) is 1 to 4 μm, and the average width of the stripe portions 730 in the red laser portion 730 is 2.5 to 5. Must be 5 μm. This is the same size range as described in the first and second embodiments. Outside this range, problems such as kinks occur, the oscillation spectrum and FFP exhibit bimodality, and the manufacturing yield of the laser device decreases.

尚、以上の第1、第2及び第3の実施形態においては、電流狭窄層としてn形GaAs層を用いた。しかし、これに代えて、Ti/Auのような金属、AlGaAs、AlInPやα−Siのような半導体、SiNx 、SiOx のような絶縁膜を用いることにはなんら問題は無い。更に、(Al0.5Ga0.50.51In0.49P等の組成比も、特にこれに限るものではない。 In the first, second and third embodiments described above, an n-type GaAs layer is used as the current confinement layer. However, there is no problem in using a metal such as Ti / Au, a semiconductor such as AlGaAs, AlInP or α-Si, or an insulating film such as SiN x or SiO x instead. Further, the composition ratio of (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.51 In 0.49 P or the like is not particularly limited to this.

また、活性層における井戸数を赤外側3層、赤色側5層としたが、赤外側3〜5層、赤色側4〜7層の範囲であれば良好な特性を得られる。   Moreover, although the number of wells in the active layer is 3 layers on the infrared side and 5 layers on the red side, good characteristics can be obtained in the range of 3 to 5 layers on the infrared side and 4 to 7 layers on the red side.

更に、ストライプ構造は、ストレートストライプ構造、光出射端面A側が狭く後端面B側が広くしたテーパストライプ構造、及び、中央部が広く両端面にしたがって狭くなる構造の3つを説明した、しかし、これらに限らず、後端面B側が狭く光出射端面A側が広い構造、中央部が狭く両端面側に向かって広くなる構造等であっても良い。但し、平均ストライプ幅(テーパストライプ構造をストレートとして換算した平均幅)として、赤外レーザ部において1〜4μm、赤色レーザ部において2.5〜5.5μmとすることが要求される。   Furthermore, the stripe structure has been described in three ways: a straight stripe structure, a tapered stripe structure in which the light exit end face A side is narrow and the rear end face B side is wide, and a structure in which the central part is wide and narrows according to both end faces. Not limited to this, a structure in which the rear end surface B side is narrow and the light emission end surface A side is wide, a structure in which the central portion is narrow and widens toward both end surface sides, and the like may be used. However, it is required that the average stripe width (average width in which the taper stripe structure is converted as a straight) is 1 to 4 μm in the infrared laser portion and 2.5 to 5.5 μm in the red laser portion.

更に、本発明がAlGaAs/GaAs系、AlGaN/InGaN系、ZnMgSSe/ZnS系など、種々のレーザに適用できることは言うまでもない。   Furthermore, it goes without saying that the present invention can be applied to various lasers such as AlGaAs / GaAs, AlGaN / InGaN, and ZnMgSSe / ZnS.

本発明の半導体レーザ素子は、高温動作時にも安定して基本横モードで且つマルチ縦モードの発振を行ない且つ温度特性が良好であるため、幅広い動作温度保証が要求される半導体レーザ素子として有用であり、特に、光ディスクシステムの分野におけるレーザ光源等として有用である。   The semiconductor laser device of the present invention is stable as a fundamental transverse mode and multi-longitudinal mode oscillation even at high temperature operation, and has good temperature characteristics. In particular, it is useful as a laser light source or the like in the field of optical disk systems.

101 n形GaAs基板
102 n形GaAsバッファ層
103 n形(AlGa)InP第1クラッド層
104 活性層
1040g (AlGa)InP第1ガイド層
1041w GaAs第1ウェル層
1042b (AlGa)InP第1バリア層
1043w GaAs第2ウェル層
1044b (AlGa)InP第2バリア層
1045w GaAs第3ウェル層
1046g (AlGa)InP第2ガイド層
105 p形(AlGa)InP第1クラッド層
106 p形エッチングストップ層
107 p形(AlGa)InP第2クラッド層
108 p形GaInP中間層
109 n形GaAs電流狭窄層
109a n形GaAs電流狭窄層下面の形状
110 p形GaAsコンタクト層
111 ストライプ部分
111a ストライプ部分下面の形状
d1 残し厚
211 ストライプ部分

700 赤外レーザ部
701 n形GaAs基板
702 n形GaAsバッファ層
703 n形(AlGa)InP第1クラッド層
704 活性層
705 p形(AlGa)InP第1クラッド層
706 p形エッチングストップ層
707 p形(AlGa)InP第2クラッド層
708 p形GaInP中間層
709 n形GaAs電流狭窄層
709a n形GaAs電流狭窄層下面の形状
710 p形GaAsコンタクト層
711 ストライプ部分
711a ストライプ部分下面の形状
d1 残し厚

730 赤色レーザ部
732 n形GaAsバッファ層
733 n形(AlGa)InP第1クラッド層
734 活性層
7340g (AlGa)InP第1ガイド層
7341w GaAs第1ウェル層
7342b (AlGa)InP第1バリア層
7342w GaAs第2ウェル層
7343b (AlGa)InP第2バリア層
7345w GaAs第3ウェル層
7346b (AlGa)InP第3バリア層
7347w GaAs第4ウェル層
7348b (AlGa)InP第4バリア層
7349w GaAs第5ウェル層
7350g (AlGa)InP第2ガイド層
735 p形(AlGa)InP第1クラッド層
736 p形エッチングストップ層
737 p形(AlGa)InP第2クラッド層
738 p形GaInP中間層
740 p形GaAsコンタクト層
741 ストライプ部分
741a ストライプ部分下面の形状
d2 残し厚

811、841、911、941 ストライプ部分
101 n-type GaAs substrate 102 n-type GaAs buffer layer 103 n-type (AlGa) InP first cladding layer 104 active layer 1040 g (AlGa) InP first guide layer 1041 w GaAs first well layer 1042 b (AlGa) InP first barrier layer 1043 w GaAs second well layer 1044b (AlGa) InP second barrier layer 1045w GaAs third well layer 1046g (AlGa) InP second guide layer 105 p-type (AlGa) InP first cladding layer 106 p-type etching stop layer 107 p-type ( AlGa) InP second cladding layer 108 p-type GaInP intermediate layer 109 n-type GaAs current confinement layer 109a n-type GaAs current confinement layer bottom surface shape 110 p-type GaAs contact layer 111 stripe portion 111a stripe-side bottom surface Jo d1 remaining thickness 211 stripe part

700 Infrared laser part 701 n-type GaAs substrate 702 n-type GaAs buffer layer 703 n-type (AlGa) InP first cladding layer 704 active layer 705 p-type (AlGa) InP first cladding layer 706 p-type etching stop layer 707 p-type (AlGa) InP second cladding layer 708 p-type GaInP intermediate layer 709 n-type GaAs current confinement layer 709a shape of n-type GaAs current confinement layer lower surface 710 p-type GaAs contact layer 711 stripe portion 711a shape of stripe portion lower surface d1 remaining thickness

730 Red laser part 732 n-type GaAs buffer layer 733 n-type (AlGa) InP first cladding layer 734 active layer 7340 g (AlGa) InP first guide layer 7341 w GaAs first well layer 7342 b (AlGa) InP first barrier layer 7342 w GaAs Second well layer 7343b (AlGa) InP second barrier layer 7345w GaAs third well layer 7346b (AlGa) InP third barrier layer 7347w GaAs fourth well layer 7348b (AlGa) InP fourth barrier layer 7349w GaAs fifth well layer 7350g (AlGa) InP second guide layer 735 p-type (AlGa) InP first cladding layer 736 p-type etching stop layer 737 p-type (AlGa) InP second cladding layer 738 p-type GaInP intermediate layer 740 p-type Remaining thickness aAs contact layer 741 stripe portion 741a stripe partial bottom of the shape d2

811, 841, 911, 941 Striped portion

Claims (3)

基板上に、少なくとも第1の発光部及び第2の発光部を備え、
前記第1の発光部及び前記第2の発光部は、それぞれ、第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、前記活性層に電流を注入するためのリッジストライプを有する第2のクラッド層と、前記リッジストライプの両側に形成され、前記電流が前記リッジストライプに狭窄されるようにするための電流狭窄層とを有し、
前記第1の発光部が有する前記リッジストライプと前記第2の発光部が有する前記リッジストライプは同時に形成され、
前記リッジストライプの断面形状は垂直リッジであり、
前記第1の発光部及び前記第2の発光部がそれぞれ有する前記リッジストライプは、幅に変化のあるテーパストライプ構造を有しており、
前記第1の発光部及び前記第2の発光部の両方において、前記電流狭窄層の下面から前記活性層の上面までの距離がそれぞれ所定の範囲の値であると共に、前記電流は、前記リッジストライプを通過した後、前記活性層に到達するまでに当該リッジストライプの幅以上に広がり、
前記第1の発光部における所定の距離が0.65μm以上で且つ1.2μm以下であると共に、
前記第2の発光部における所定の距離が0.4μm以上で且つ0.7μm以下であり、
前記第1の発光部が有する前記リッジストライプの幅が1.0μm以上で且つ4.0μm以下であると共に、
前記第2の発光部が有する前記リッジストライプの幅が2.5μm以上で且つ5.5μm以下であり、
前記第1の発光部における所定の距離は、前記第2の発光部における所定の距離よりも大きく、
前記第1の発光部が有する前記リッジストライプの幅は、前記第2の発光部が有する前記リッジストライプの幅よりも小さく、
前記第1の発光部が有する前記活性層は、Alx Ga1-x As(0≦x≦1)により形成され、
前記第2の発光部が有する前記活性層は、Gay In1-y P(0<y<1)により形成され、
前記第1のクラッド層及び前記第2のクラッド層は、いずれもAlGaInP系の材料および同一組成から形成されており、
自励発振型であることを特徴とする半導体レーザ素子。
On the substrate, at least a first light emitting unit and a second light emitting unit are provided,
The first light emitting unit and the second light emitting unit are formed on the active layer, the active layer formed on the first clad layer, the active layer formed on the first clad layer, respectively. A second clad layer having a ridge stripe for injecting a current into the ridge stripe, and a current confinement layer formed on both sides of the ridge stripe so that the current is confined to the ridge stripe,
The ridge stripe of the first light emitting unit and the ridge stripe of the second light emitting unit are formed simultaneously,
The cross-sectional shape of the ridge stripe is a vertical ridge,
Each of the ridge stripes included in each of the first light emitting unit and the second light emitting unit has a taper stripe structure having a change in width.
In both the first light emitting unit and the second light emitting unit, the distance from the lower surface of the current confinement layer to the upper surface of the active layer is a value within a predetermined range, and the current is the ridge stripe. After passing through the width of the ridge stripe to reach the active layer,
The predetermined distance in the first light emitting unit is 0.65 μm or more and 1.2 μm or less,
The predetermined distance in the second light emitting unit is 0.4 μm or more and 0.7 μm or less;
The width of the ridge stripe included in the first light emitting unit is 1.0 μm or more and 4.0 μm or less,
The width of the ridge stripe of the second light emitting part is 2.5 μm or more and 5.5 μm or less;
The predetermined distance in the first light emitting unit is larger than the predetermined distance in the second light emitting unit,
The width of the ridge stripe included in the first light emitting unit is smaller than the width of the ridge stripe included in the second light emitting unit.
The active layer of the first light emitting unit is formed of Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 1),
The active layer of the second light emitting unit is formed of Ga y In 1-y P (0 <y <1),
The first cladding layer and the second cladding layer are both made of an AlGaInP-based material and the same composition,
A semiconductor laser element characterized by being a self-excited oscillation type.
請求項1において、
前記テーパストライプ構造は、中央部から、光が出射される光出射端面の側と、前記光出射端面に対向する後端面の側とに向かってそれぞれ徐々に幅が狭くなる構造であることを特徴とする半導体レーザ。
In claim 1,
The taper stripe structure is a structure in which the width gradually decreases from a central portion toward a light emitting end face side from which light is emitted and a rear end face side facing the light emitting end face. A semiconductor laser.
請求項1において、
前記テーパストライプ構造は、光が出射される光出射端面の側から、前記光出射端面に対向する後端面の側に向かって徐々に幅が広くなる構造であることを特徴とする半導体レーザ素子。
In claim 1,
2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the taper stripe structure has a structure in which a width gradually increases from a light emitting end face side from which light is emitted toward a rear end face side facing the light emitting end face.
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