JP2514096B2 - Semiconductor laser device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor laser device and manufacturing method thereof

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体レーザ装置に係り、特に単一縦モー
ドで発振する半導体レーザ装置、及び、低戻り光雑音高
出力半導体レーザ装置及び、その製造方法に関する。
The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device that oscillates in a single longitudinal mode, a low return optical noise and high output semiconductor laser device, and the same. It relates to a manufacturing method.

(従来の技術) 従来、単一縦モードで発振するレーザ構造として、C3
(Cleaved−Couple−Cavity)レーザがある。
(Prior Art) Conventionally, as a laser structure that oscillates in a single longitudinal mode, C 3
There is a (Cleaved-Couple-Cavity) laser.

第3図は従来のC3レーザ10の構造を示す概略斜視図で
ある。
FIG. 3 is a schematic perspective view showing the structure of a conventional C 3 laser 10.

同図において、11、12はそれぞれ異なった共振器長
L1、L2のレーザであり、ギャップ13を介して、光学的に
結合している。また、14は発光領域であり、活性層から
なっている。
In the figure, 11 and 12 are different resonator lengths.
L 1 and L 2 lasers, which are optically coupled via a gap 13. Further, 14 is a light emitting region, which is composed of an active layer.

この従来のC3レーザが単一縦モードで発振する理由を
以下に説明する。
The reason why this conventional C 3 laser oscillates in a single longitudinal mode is explained below.

第4図(A)〜(F)は、単一縦モード発振を説明す
るためのスペクトル図であり、同図(A)はレーザ11の
共振モード、同図(B)はレーザ12の共振モード、
(C)はレーザ11、レーザ12に共通の共振モード、
(D)はレーザ10の利得、(E)はレーザ10の発振モー
ドを示している。
4 (A) to 4 (F) are spectrum diagrams for explaining single longitudinal mode oscillation. FIG. 4 (A) is a resonance mode of the laser 11, and FIG. 4 (B) is a resonance mode of the laser 12. ,
(C) is a resonance mode common to the laser 11 and the laser 12,
(D) shows the gain of the laser 10, and (E) shows the oscillation mode of the laser 10.

同図(A)、(B)に示した様な、レーザ11、12の共
振波長間隔は、近似的に、 Δλ=λ0 2/2nL1 …(1)、 Δλ=λ0 2/2nL2 …(2) (ただし、ここでΔλ、Δλはレーザ11及び12の共
振器間隔、λは発振波長、nは屈折率、L1、L2はレー
ザ11及び12の共振器長) |Δλ−Δλ2|≪Δλ、Δλの時、2つの共振
器条件を同時に満足する共振波長の間隔Λは、 Λ=Δλ・Δλ2/|Δλ−Δλ2| =λ0 2/2n|L1−L2| …(3) この時、|L1−L2|をL1やL2の1/10程度に設定すること
は容易であり、そのとき(3)式より、共振波長の間隔
Λは10倍程度となり、レーザ10の利得範囲(発振可能な
波長域)で共振する波長が1つだけとなり、単一縦モー
ド発振を行なうレーザ10が得られるものである。
The resonance wavelength intervals of the lasers 11 and 12 as shown in FIGS. 9A and 9B are approximately Δλ 1 = λ 0 2 / 2nL 1 (1), Δλ 2 = λ 0 2 / 2nL 2 (2) (where Δλ 1 and Δλ 2 are resonator intervals of the lasers 11 and 12, λ 0 is the oscillation wavelength, n is the refractive index, and L 1 and L 2 are the resonators of the lasers 11 and 12 Long) | Δλ 1 −Δλ 2 | << Δλ 1 and Δλ 2 , the resonant wavelength interval Λ that simultaneously satisfies the two resonator conditions is Λ = Δλ 1 · Δλ 2 / | Δλ 1 −Δλ 2 | λ 0 2 / 2n | L 1 −L 2 | (3) At this time, it is easy to set | L 1 −L 2 | to about 1/10 of L 1 or L 2 and then (3 ), The resonance wavelength interval Λ becomes about 10 times, and only one wavelength resonates in the gain range (wavelength range in which oscillation is possible) of the laser 10, so that the laser 10 performing single longitudinal mode oscillation can be obtained. Is.

この従来のC3レーザ10は1つ1つのレーザを別々に製
作しギャップ13を介して光学的に結合して得られるもの
であった。
This conventional C 3 laser 10 was obtained by manufacturing each laser separately and optically coupling them via a gap 13.

(発明が解決しようとする課題) この様な、従来のレーザ10においては、2つの独立し
たレーザ11、12を光学的に結合させるのが難しかった。
また、この構造では、端面の反射率を下げて、高出力で
しかも戻り光ノイズに強いレーザを作製する場合、ギャ
ップ13の形成される端面を低反射率端面にすることが難
しいといった欠点があった。
(Problems to be Solved by the Invention) In such a conventional laser 10, it is difficult to optically couple two independent lasers 11 and 12.
In addition, this structure has a drawback that it is difficult to make the end face on which the gap 13 is formed a low-reflectance end face when a laser having high output and strong resistance to return light noise is manufactured by lowering the reflectance of the end face. It was

(課題を解決するための手段) 本発明は、上記課題を解決するためになされたもので
あり、共振器内に、ハーフミラー機能を有する半導体多
層膜と、全反射機能を有する半導体多層膜を有す単一縦
モード発振を行なう半導体レーザであって、前記2種の
半導体多層膜によって2つの異なった光路長の共振器が
形成されてなることを特徴とする半導体レーザ装置とそ
の製造方法を提供しようとするものである。
(Means for Solving the Problems) The present invention has been made to solve the above problems, and a semiconductor multilayer film having a half mirror function and a semiconductor multilayer film having a total reflection function are provided in a resonator. A semiconductor laser device for oscillating a single longitudinal mode, comprising: a semiconductor laser device and a method of manufacturing the same, wherein two kinds of semiconductor multilayer films form two resonators having different optical path lengths. It is the one we are trying to provide.

(実施例) 第1図は、本発明になる半導体レーザ20の構造を示す
一部概略断面図である。
(Embodiment) FIG. 1 is a partial schematic sectional view showing the structure of a semiconductor laser 20 according to the present invention.

同図において、21は表上部に45゜の傾斜面21aを有す
る基板であり、GaAsなどからできている。また、22は全
反射機能を有する多層膜であり、前記基板21上に形成さ
れている。
In the figure, reference numeral 21 denotes a substrate having a 45 ° inclined surface 21a at the upper part of the table, which is made of GaAs or the like. Reference numeral 22 denotes a multilayer film having a total reflection function, which is formed on the substrate 21.

また、23はクラッド層であり、多層膜22上に形成され
ている。24はこのクラッド層23上に形成された活性層
で、この上にはクラッド層25が前記同様に形成されてい
る。このクラッド層25の上には、さらに、ハーフミラー
機能を有する多層膜26が形成されている。
Further, 23 is a clad layer, which is formed on the multilayer film 22. 24 is an active layer formed on the clad layer 23, on which a clad layer 25 is formed in the same manner as described above. A multilayer film 26 having a half mirror function is further formed on the clad layer 25.

この、全反射機能を有する多層膜22及びハーフミラー
機能を有する多層膜26は、共に2種類の屈折率の異なる
半導体を多層に積層して形成されている。
The multilayer film 22 having the total reflection function and the multilayer film 26 having the half mirror function are both formed by laminating two kinds of semiconductors having different refractive indexes in a multilayer.

例えば、半導体aの屈折率をn1、半導体bの屈折率を
n2とし、半導体レーザの発振波長をλとすると、膜厚
d1、d2が、 d1=λ/4・n1 …(4) d2=λ/4・n2 …(5) である半導体a、bを2k層重ね合わせると、反射率Rk
は、 となる。ここで、ns、ncは基板及びクラッド層の屈折率
である。
For example, the refractive index of the semiconductor a is n 1 , and the refractive index of the semiconductor b is
If n 2 and the oscillation wavelength of the semiconductor laser are λ, the film thickness
When the semiconductors a and b in which d 1 and d 2 are d 1 = λ / 4 · n 1 (4) d 2 = λ / 4 · n 2 (5) are overlaid by 2k layers, the reflectance Rk is
Is Becomes Here, n s and n c are the refractive indices of the substrate and the cladding layer.

また、ハーフミラー機能を有する多層膜26は、入射角
が45゜になることを考慮して、 d1=21/2・λ/4・n1 …(6) d2=21/2・λ/4・n2 …(7) とし、希望の反射率になる様に積層数を決定する。
In addition, the multilayer film 26 having the half-mirror function has d 1 = 2 1/2 · λ / 4 · n 1 (6) d 2 = 2 1/2 in consideration of the incident angle of 45 °.・ Λ / 4 ・ n 2 (7), and determine the number of layers so that the desired reflectance can be obtained.

さらに、上記多層膜26の上には光を吸収しないウィン
ドウ層27、及び、電極との導通を図るための、ギャップ
層28が形成されている。
Further, a window layer 27 that does not absorb light and a gap layer 28 for establishing conduction with the electrodes are formed on the multilayer film 26.

この様にして積層して形成された本発明になる半導体
レーザ20の端面29及び30は一方には高反射率膜、他方に
は低反射率膜を形成してある。
The end faces 29 and 30 of the semiconductor laser 20 according to the present invention formed by laminating in this manner have a high reflectance film on one side and a low reflectance film on the other side.

上記の様な、本発明になる半導体レーザ20を用いた場
合、まず活性層24を直進した光は、ハーフミラー機能を
有する多層膜26の傾斜面26aにおいて一部は反射し、下
方へ向い、前記多層膜22で全反射する。一方、多層膜26
で反射されずに直進した光は、そのまま直進し端面30で
反射して元に戻り、共振器長L1+L0の共振器を形成す
る。また、活性層24を直進する光に対し、多層膜26は傾
斜面26aにおいて45゜の角度を持っているので、全反射
した光は、元に戻り、共振器長L2+L0の共振器を形成す
る。
As described above, when using the semiconductor laser 20 according to the present invention, the light that travels straight through the active layer 24 is partially reflected by the inclined surface 26a of the multilayer film 26 having a half mirror function, and faces downward. Total reflection is performed by the multilayer film 22. On the other hand, the multilayer film 26
The light traveling straight without being reflected by the light travels as it is, is reflected by the end face 30 and returns to the original state, forming a resonator having a resonator length L 1 + L 0 . Further, since the multilayer film 26 has an angle of 45 ° on the inclined surface 26a with respect to the light traveling straight through the active layer 24, the totally reflected light returns to the original state and the resonator having the resonator length L 2 + L 0 . To form.

従来同様、共振器長差L1−L2を10μm程度にするのは
容易であるので、共振モード間隔は通常のレーザ構造の
数十倍となり、単一モード発振を実現できる。
As in the conventional case, it is easy to set the cavity length difference L 1 -L 2 to about 10 μm, so that the resonance mode interval is several tens of times that of the ordinary laser structure, and single mode oscillation can be realized.

次に本発明になる半導体レーザ20の製造方法の説明を
する。
Next, a method of manufacturing the semiconductor laser 20 according to the present invention will be described.

ところで、一般にIII−V族半導体においては、基板
の一部分をフォトレジスト等でマスキングして異方性エ
ッチングを行なった場合、結晶面の中で(111)面のエ
ッチングレートが他の面よりも、遅いため(111)面が
でてくることが知られている。
By the way, generally in III-V semiconductors, when a part of the substrate is masked with photoresist or the like and anisotropically etched, the etching rate of the (111) plane in the crystal plane is higher than that of other planes. It is known that the (111) plane appears because it is slow.

この時、底面となる(100)と(111)面とは、54.7゜
の角度をなす。
At this time, the (100) and (111) planes, which are the bottom surfaces, form an angle of 54.7 °.

第2図(a)〜(d)は半導体レーザ20の製造方法を
説明するための概略断面図である。
2A to 2D are schematic cross-sectional views for explaining the method for manufacturing the semiconductor laser 20.

以下同図を用い番号順に説明する。 Hereinafter, description will be made in the order of numbers using the same drawing.

(1)先ず、前記結晶面(100)面から、結晶軸、<110
>方向に9.7゜傾いた方向にスライスしたGaAs基板21を
使用し、一部分をフォトレジスト等でマスキングし、例
えば、硫酸系のエッチング液でエッチングすると、前記
(100)面に対して片方が45゜、他方が63゜の傾斜面21a
を有する台形状の凸部が形成される。(同図(a)) (2)この基板21上に、例えば、有機金属気相成長法
や、MBE法等の基板形状を維持しうる薄膜成長方法を用
いて、全反射機能を有する多層膜22、クラッド層23、活
性層24、クラッド層25、ハーフミラー機能を有する多層
膜26、ウィンドウ層27、ギャップ層28を順次形成する。
(同図(b)) (3)次に、例えば、ドライエッチング法等を用いて、
前記台形状の凸部の上面に対して、垂直に切断し、共振
器を形成する。(同図(c)) (4)続いて、低反射率の反射膜29と高発射率の反射膜
30を上記共振器の両端面に形成する。(同図(d)) この様に、本発明になる半導体レーザの製造方法によ
れば、2つのレーザを光学的に結合する必要がなく、一
度の結晶成長法で、前述の共振器長L1と共振器長L2を有
する共振器を形成することが可能である。
(1) First, from the crystal plane (100) plane, the crystal axis, <110
Using a GaAs substrate 21 sliced in a direction tilted by 9.7 ° to the> direction and masking part of it with photoresist or the like, and etching with a sulfuric acid-based etching solution, for example, one side is 45 ° with respect to the (100) plane. , The other is 63 ° inclined surface 21a
A trapezoidal convex portion having is formed. ((A) in the same figure) (2) A multilayer film having a total reflection function is formed on the substrate 21 by using, for example, a metal organic chemical vapor deposition method or a thin film growth method capable of maintaining the substrate shape such as MBE method. 22, a clad layer 23, an active layer 24, a clad layer 25, a multilayer film 26 having a half mirror function, a window layer 27, and a gap layer 28 are sequentially formed.
((B) in the figure) (3) Next, for example, by using a dry etching method or the like,
The upper surface of the trapezoidal convex portion is cut perpendicularly to form a resonator. ((C) in the figure) (4) Subsequently, the reflective film 29 having a low reflectance and the reflective film having a high emission rate
30 is formed on both end faces of the resonator. ((D) of the same figure) As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor laser of the present invention, it is not necessary to optically couple two lasers, and the above-mentioned resonator length L can be obtained by a single crystal growth method. It is possible to form a resonator with 1 and resonator length L 2 .

[実施例1] GaAsを活性層24、Ga Al Asをクラッド層23とし、全反
射機能を有する多層膜22として、厚さ70nmのAlAsと、Ga
Al Asを交互に計40層積層して、反射率90%のを作成
し、ハーフミラー機能を有する多層膜26として、90nmの
AlAsと91nmのGa Al Asを交互に計12層積層して、反射率
約50%の膜を作製した。
Example 1 GaAs was used as the active layer 24, Ga Al As was used as the cladding layer 23, and a multilayer film 22 having a total reflection function was used.
A total of 40 layers of Al As are alternately laminated to create a reflectance of 90%, and as a multilayer film 26 having a half mirror function, 90 nm
A total of 12 layers of AlAs and 91 nm Ga Al As were alternately laminated to form a film having a reflectance of about 50%.

上記の様にして、作製した本発明になる半導体レーザ
は発振波長約900nmで単一縦モード発振をした。
The semiconductor laser according to the present invention produced as described above oscillated in a single longitudinal mode at an oscillation wavelength of about 900 nm.

なお、本実施例においては、ハーフミラー機能を有す
る多層膜26の反射率を約50%としたが、必ずしもこの値
に限定する必要はないのはもちろんのことである。
Although the reflectance of the multilayer film 26 having the half mirror function is set to about 50% in this embodiment, it is needless to say that the reflectance is not necessarily limited to this value.

(発明の効果) 上述の様に本発明においては、共振器内に、ハーフミ
ラー機能を有する半導体多層膜と、全反射機能を有する
半導体多層膜を有す単一縦モード発振を行なう半導体レ
ーザであって、前記2種の半導体多層膜によって2つの
異なった光路長の共振器が形成されてなることを特徴と
したので、低戻り光ノイズ高出力の半導体レーザの提供
を可能とする、しかも、1回の成長方法で製造できるの
で、信頼性の高い製造方法を提供することも可能であ
る。
(Effects of the Invention) As described above, in the present invention, a semiconductor laser that has a semiconductor multi-layer film having a half mirror function and a semiconductor multi-layer film having a total reflection function in a resonator and performs single longitudinal mode oscillation is provided. Since the two kinds of semiconductor multilayer films form two resonators having different optical path lengths, it is possible to provide a semiconductor laser with low optical feedback noise and high output. Since it can be manufactured by a single growth method, it is possible to provide a highly reliable manufacturing method.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明になる半導体レーザの概略断面図、第2
図(a)〜(d)は半導体レーザの製造方法を説明する
ための概略断面図、第3図は従来のC3レーザの構造を示
す概略斜視図、第4図(A)〜(E)は、単一縦モード
発振を説明するためのスペクトル図である。 20……半導体レーザ、21……基板、21a,26a……傾斜
面、22……全反射機能を有する多層膜、23,25……クラ
ッド層、24……活性層、26……ハーフミラー機能を有す
る多層膜、27……ウィンドウ層、28……キャップ層、29
……低反射率膜、30……高反射率膜。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor laser according to the present invention, and FIG.
FIGS. 4A to 4D are schematic cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a semiconductor laser, FIG. 3 is a schematic perspective view showing the structure of a conventional C 3 laser, and FIGS. 4A to 4E. FIG. 4 is a spectrum diagram for explaining single longitudinal mode oscillation. 20 ... Semiconductor laser, 21 ... Substrate, 21a, 26a ... Inclined surface, 22 ... Multi-layer film having total reflection function, 23, 25 ... Cladding layer, 24 ... Active layer, 26 ... Half mirror function Multi-layer film having 27, ... window layer, 28 ... cap layer, 29
…… Low reflectivity film, 30 …… High reflectivity film.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】共振器内に、ハーフミラー機能を有する半
導体多層膜と、全反射機能を有する半導体多層膜を有す
単一縦モード発振を行なう半導体レーザであって、前記
2種の半導体多層膜によって2つの異なった光路長の共
振器が形成されてなることを特徴とする半導体レーザ装
置。
1. A semiconductor laser which has a semiconductor multilayer film having a half-mirror function and a semiconductor multilayer film having a total reflection function in a resonator and performs single longitudinal mode oscillation. A semiconductor laser device comprising a resonator having two different optical path lengths formed by a film.
【請求項2】高反射率端面と低反射率端面を、全反射機
能を有する半導体多層膜に垂直に形成してなることを特
徴とする請求項第1項記載の半導体レーザ装置。
2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the high-reflectance end face and the low-reflectance end face are formed perpendicularly to the semiconductor multilayer film having a total reflection function.
【請求項3】III−V族半導体結晶の(100)面よりも<
110>軸方向に所定の角度傾けてウェットエッチングを
行ない、一部に底面と45゜の角度をなす傾斜面を有する
基板を形成する工程と、上記基板上に、順次全反射機能
を有する半導体多層膜、クラッド層、活性層、クラッド
層、及びハーフミラー機能を有する半導体多層膜、ウィ
ンドウ層及び、キャップ層を一回の結晶成長法により形
成する工程と、ドライエッチングにより共振器端面を形
成する工程と、共振器端面に反射膜を形成する工程とか
らなることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
3. A (100) plane of a III-V group semiconductor crystal
110> A step of forming a substrate having a tilted surface forming an angle of 45 ° with a bottom surface by performing wet etching with a predetermined angle in the axial direction, and a semiconductor multilayer having a total reflection function sequentially on the substrate. A step of forming a film, a clad layer, an active layer, a clad layer, a semiconductor multilayer film having a half mirror function, a window layer and a cap layer by a single crystal growth method, and a step of forming a cavity end face by dry etching And a step of forming a reflective film on the end face of the resonator, the method of manufacturing a semiconductor laser device.
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