JP2661307B2 - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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- JP2661307B2 JP2661307B2 JP2023495A JP2349590A JP2661307B2 JP 2661307 B2 JP2661307 B2 JP 2661307B2 JP 2023495 A JP2023495 A JP 2023495A JP 2349590 A JP2349590 A JP 2349590A JP 2661307 B2 JP2661307 B2 JP 2661307B2
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
- H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1628—Solid materials characterised by a semiconducting matrix
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光通信、光情報処理、光計測などの光源と
して用いられる半導体レーザに関する。
して用いられる半導体レーザに関する。
（従来の技術） 近年の光通信技術の進歩にともない、より長距離、大
容量の光伝送が強く求められている。そのために、１本
の光ファイバの中で複数の信号を同時に伝送する光多重
通信技術や、光信号を強度変調でなく、位相あるいは周
波数変調によって発生させて伝送するより高感度なコヒ
ーレント光通信技術が重要になってきている。
容量の光伝送が強く求められている。そのために、１本
の光ファイバの中で複数の信号を同時に伝送する光多重
通信技術や、光信号を強度変調でなく、位相あるいは周
波数変調によって発生させて伝送するより高感度なコヒ
ーレント光通信技術が重要になってきている。
こうした状況から、信号の絶対波長（周波数）にもよ
り高精度なものが要求される。たとえば、コヒーレント
光周波数分割多重（光FDM）伝送においては、5GHz程度
の周波数間隔で10チャンネル以上の光信号を伝送する方
式が提案されている。多くの光FDM伝送実験では、基準
となる一つの光源の周波数を安定化させ、他の光源の周
波数を、基準光源との周波数間隔が一定値になるような
方法をとっている。
り高精度なものが要求される。たとえば、コヒーレント
光周波数分割多重（光FDM）伝送においては、5GHz程度
の周波数間隔で10チャンネル以上の光信号を伝送する方
式が提案されている。多くの光FDM伝送実験では、基準
となる一つの光源の周波数を安定化させ、他の光源の周
波数を、基準光源との周波数間隔が一定値になるような
方法をとっている。
基準となる絶対周波数の安定化には、現在ガスレーザ
が主に用いられているが、より小型で信頼性にもすぐれ
た半導体レーザが置き換えることが望ましい。そのた
め、希土類金属を活性層にドーピングした半導体レーザ
が検討されている。エルビウム（Er）、イッテルビウム
（Yb）といった希土類金属イオンが、スピン分裂軌道間
の内殻遷移に対応する波長での発光が生じることが知ら
れている。たとえば、Er3+（4f11）では4I13/2 -4I15/2
遷移により、波長1.536μｍの発光が観測される。この
波長はErをドーピングする母体によらず、また温度によ
る変動も屈折率変化のみによるため小さく、絶対波長レ
ーザとして応用する上で有効である。また、1.536μｍ
という波長は石英ファイバの最小損失波長域に近く、現
在の光通信システムに利用できる。また同様な希土類金
属であるネオジウム（Nd）も1.06μｍ、1.3μｍ付近で
発光するため、光ファイバ通信への利用が可能である。
が主に用いられているが、より小型で信頼性にもすぐれ
た半導体レーザが置き換えることが望ましい。そのた
め、希土類金属を活性層にドーピングした半導体レーザ
が検討されている。エルビウム（Er）、イッテルビウム
（Yb）といった希土類金属イオンが、スピン分裂軌道間
の内殻遷移に対応する波長での発光が生じることが知ら
れている。たとえば、Er3+（4f11）では4I13/2 -4I15/2
遷移により、波長1.536μｍの発光が観測される。この
波長はErをドーピングする母体によらず、また温度によ
る変動も屈折率変化のみによるため小さく、絶対波長レ
ーザとして応用する上で有効である。また、1.536μｍ
という波長は石英ファイバの最小損失波長域に近く、現
在の光通信システムに利用できる。また同様な希土類金
属であるネオジウム（Nd）も1.06μｍ、1.3μｍ付近で
発光するため、光ファイバ通信への利用が可能である。
こうした希土類ドープ半導体レーザとしては、AT＆Ｔ
ベル研究所のTsangらにより、ErをInGaAs/InPダブルヘ
テロ構造の活性層にドーピングした構造がアプライドフ
ィジックスレターズに報告されている（Applied Physic
s Letters,49,1986,p.1686）。その構造を第10図に示
す。ｎ型InP基板１上にｎ型InPクラッド層２、Erドープ
InGaAsP活性層３、ｐ型InPクラッド層５を積層した構造
で、これをリッジ型に加工して素子化している。第10図
（ａ）。電流を注入すると、第10図（ｂ）の活性層３内
に示したEr3+の励起準位から基底準位への光学遷移が支
配的に起こり、レーザ発振する。このレーザにおいて、
30dB以上の副モード抑圧比で単一縦モード動作している
こと、２枚のウエハ内での発振波長のばらつきがないこ
と、波長の温度によるシフトが小さいことなどが報告さ
れている。
ベル研究所のTsangらにより、ErをInGaAs/InPダブルヘ
テロ構造の活性層にドーピングした構造がアプライドフ
ィジックスレターズに報告されている（Applied Physic
s Letters,49,1986,p.1686）。その構造を第10図に示
す。ｎ型InP基板１上にｎ型InPクラッド層２、Erドープ
InGaAsP活性層３、ｐ型InPクラッド層５を積層した構造
で、これをリッジ型に加工して素子化している。第10図
（ａ）。電流を注入すると、第10図（ｂ）の活性層３内
に示したEr3+の励起準位から基底準位への光学遷移が支
配的に起こり、レーザ発振する。このレーザにおいて、
30dB以上の副モード抑圧比で単一縦モード動作している
こと、２枚のウエハ内での発振波長のばらつきがないこ
と、波長の温度によるシフトが小さいことなどが報告さ
れている。
（発明が解決しようとする課題） Er等の希土類をドープした半導体はさまざまな結晶成
長方法によって作られ、その結晶性も良好なものが得ら
れているが、レーザの特性はまだ不充分である。先に挙
げた報告もパネル発振にとどまっており、連続発振する
ためにはより発光効率を上げて、利得を増大させなけれ
ばならない。
長方法によって作られ、その結晶性も良好なものが得ら
れているが、レーザの特性はまだ不充分である。先に挙
げた報告もパネル発振にとどまっており、連続発振する
ためにはより発光効率を上げて、利得を増大させなけれ
ばならない。
本発明の目的は室温連続発振する実用性の高い希土類
ドープ半導体レーザを提供することにある。
ドープ半導体レーザを提供することにある。
（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するための半導体レーザは、以下の特
徴を有する。
徴を有する。
（１）希土類金属をドーピングした、エネルギーギャッ
プが前記希土類金属の遷移エネルギーより大きな半導体
からなる活性層、および前記希土類金属のみを励起し、
前記活性層には吸収されない波長の光を発光する半導体
からなる励起層が、共振器方向に接続されており、かつ
前記励起層のエネルギーギャップが前記希土類金属の遷
移エネルギーより大きいことを特徴とする。
プが前記希土類金属の遷移エネルギーより大きな半導体
からなる活性層、および前記希土類金属のみを励起し、
前記活性層には吸収されない波長の光を発光する半導体
からなる励起層が、共振器方向に接続されており、かつ
前記励起層のエネルギーギャップが前記希土類金属の遷
移エネルギーより大きいことを特徴とする。
（２）希土類金属をドーピングした、エネルギーギャッ
プが前記希土類金属の遷移エネルギーより大きな半導体
からなる活性層、および前記希土類金属のみを励起し、
前記活性層には吸収されない波長の光を発光する半導体
からなる励起層が、積層されており、かつ前記励起層の
エネルギーギャップが前記希土類金属の遷移エネルギー
より大きいことを特徴とする。
プが前記希土類金属の遷移エネルギーより大きな半導体
からなる活性層、および前記希土類金属のみを励起し、
前記活性層には吸収されない波長の光を発光する半導体
からなる励起層が、積層されており、かつ前記励起層の
エネルギーギャップが前記希土類金属の遷移エネルギー
より大きいことを特徴とする。
（３）前記第２項の半導体レーザにおいて、活性層およ
び励起層に量子井戸構造の障壁および井戸層を用いるこ
とを特徴とする。
び励起層に量子井戸構造の障壁および井戸層を用いるこ
とを特徴とする。
（４）（１）〜（３）の半導体レーザにおいて、励起層
に発光波長が0.98μｍ帯のInGaAs/AlGaAs歪超格子構造
を用いることを特徴とする。
に発光波長が0.98μｍ帯のInGaAs/AlGaAs歪超格子構造
を用いることを特徴とする。
（５）前記励起層に発光波長が0.98μｍ帯のInGaAs/AlG
aAs歪超格子構造を用いることを特徴とする。
aAs歪超格子構造を用いることを特徴とする。
（６）前記活性層は励起層に挟まれていることを特徴と
する。
する。
（作用） 近年進展が著しい技術に、1.5μｍ帯の光通信で用い
ることができるErドープファイバアンプがある。これ
は、石英ファイバにErをドーピングして、高出力の励起
光を入射させることによりEr3+を励起し、入射してきた
1.536μｍの信号光を増幅するもので、20dB以上の高い
利得が得られている。第９図にErドープファイバのErの
吸収スペクトルを示す。波長1.47μｍ〜1.5μｍ付近に
吸収の肩が見られ、この波長域が励起光波長に用いられ
ている。また、0.98μｍ付近にも強い吸収ピークがあ
り、この波長の光源も励起光源として利用されている。
ることができるErドープファイバアンプがある。これ
は、石英ファイバにErをドーピングして、高出力の励起
光を入射させることによりEr3+を励起し、入射してきた
1.536μｍの信号光を増幅するもので、20dB以上の高い
利得が得られている。第９図にErドープファイバのErの
吸収スペクトルを示す。波長1.47μｍ〜1.5μｍ付近に
吸収の肩が見られ、この波長域が励起光波長に用いられ
ている。また、0.98μｍ付近にも強い吸収ピークがあ
り、この波長の光源も励起光源として利用されている。
Erドープ半導体レーザにおいても、レーザ素子の内部
で励起光を発生させ、レーザ共振器内に閉じ込めて光パ
ワー密度を高めていけば、Er3+の遷移による自然放出光
強度も増加し、利得が増大する。
で励起光を発生させ、レーザ共振器内に閉じ込めて光パ
ワー密度を高めていけば、Er3+の遷移による自然放出光
強度も増加し、利得が増大する。
本発明の半導体レーザにおいては、励起層の禁制帯幅
として希土類ドープ活性層の禁制帯幅より小さく設定
し、注入キャリアを効率よく励起層内に閉じ込め、高出
力の励起光を発生させる。希土類としてErを用いると励
起層はEr3+の遷移により発生する1.536μｍのレーザ光
を吸収せず、光ガイドとしてはたらく。またErドープ活
性層の組成は1.536μｍのレーザ光も、励起光も吸収し
ないように設定し、励起光が直接Er3+を励起するように
している。
として希土類ドープ活性層の禁制帯幅より小さく設定
し、注入キャリアを効率よく励起層内に閉じ込め、高出
力の励起光を発生させる。希土類としてErを用いると励
起層はEr3+の遷移により発生する1.536μｍのレーザ光
を吸収せず、光ガイドとしてはたらく。またErドープ活
性層の組成は1.536μｍのレーザ光も、励起光も吸収し
ないように設定し、励起光が直接Er3+を励起するように
している。
Erドープ活性層と励起層の位置関係は、共振器方向に
接続しても、積層させてもよい。また、量子井戸構造の
障壁層を活性層、井戸層を励起層としてもよい。
接続しても、積層させてもよい。また、量子井戸構造の
障壁層を活性層、井戸層を励起層としてもよい。
励起光波長に0.98μｍ付近を選ぶ時には、現在この波
長の半導体レーザ用活性層に用いられているInGaAs/AlG
aAsを歪超格子を用いることにより0.98μｍ帯の発振光
が得られる。この時は基板をGaAsとすればよい。
長の半導体レーザ用活性層に用いられているInGaAs/AlG
aAsを歪超格子を用いることにより0.98μｍ帯の発振光
が得られる。この時は基板をGaAsとすればよい。
また、励起光波長に0.67μｍ付近を選ぶ時には、現在
この波長の半導体レーザ用活性層に用いられているAlGa
InP系を用いればよい。この時も基板はGaAsとなる。
この波長の半導体レーザ用活性層に用いられているAlGa
InP系を用いればよい。この時も基板はGaAsとなる。
以上述べてきた作用はErについて記したが、使用目的
の波長に応じて、Yb、Nd、Eu、Sm等の他の希土類金属で
もよい。特にNdを用いれば1.06μｍや1.3μｍの発振波
長を得ることができるので、1.3μｍ光ファイバ通信シ
ステムに利用できる。
の波長に応じて、Yb、Nd、Eu、Sm等の他の希土類金属で
もよい。特にNdを用いれば1.06μｍや1.3μｍの発振波
長を得ることができるので、1.3μｍ光ファイバ通信シ
ステムに利用できる。
（実施例） 第１図（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の請求項１の半
導体レーザの発光部を含む断面図、バンド構造図および
構造図であり、第２図はその作製行程を示している。第
１図（ａ）に示すように、ｎ型InP基板１、ｎ型InPクラ
ッド層２の上にErドープInGaAsP活性層３とInGaAsP励起
層４が光の共振方向に接続されており、全面にｐ型InP
クラッド層５か積層されている構造になっている。この
素子では励起層４で発光した1.48μｍの光が活性層３に
入射する。活性層３は1.48μｍの光を吸収しないが、活
性層３中のErがこの波長の光を吸収し励起される。Erは
1.53μｍ付近の波長の光を発光し遷移する。波長1.53μ
ｍの光は励起層４の組成に対し透明であり、この波長で
の共振器損失は小さい。第１図（ｂ）参照。
導体レーザの発光部を含む断面図、バンド構造図および
構造図であり、第２図はその作製行程を示している。第
１図（ａ）に示すように、ｎ型InP基板１、ｎ型InPクラ
ッド層２の上にErドープInGaAsP活性層３とInGaAsP励起
層４が光の共振方向に接続されており、全面にｐ型InP
クラッド層５か積層されている構造になっている。この
素子では励起層４で発光した1.48μｍの光が活性層３に
入射する。活性層３は1.48μｍの光を吸収しないが、活
性層３中のErがこの波長の光を吸収し励起される。Erは
1.53μｍ付近の波長の光を発光し遷移する。波長1.53μ
ｍの光は励起層４の組成に対し透明であり、この波長で
の共振器損失は小さい。第１図（ｂ）参照。
第１図（ｃ）に示すような埋め込みヘテロ構造の半導
体レーザを作製した。第２図は作製行程図で、（ａ）〜
（ｅ）、（ｈ）は共振器方向に平行な断面図（01）面
で、（ｆ）（ｇ）は垂直な断面図（011）面である。（1
00）ｎ型InP基板１上にSiドープｎ型InPクラッド層２
（キャリア濃度１×1018cm-3、膜厚１μｍ）、Erドープ
InGaAsP活性層３（Er濃度１×1019cm-3、1.3μｍ組成、
層厚0.3μｍ）、ノンドープInPエッチングストップ層14
（層厚0.15μｍ）を成長し（第２図（ａ））、SiO2膜16
をマスクとして、選択的にノンドープInPエッチングス
トップ層14およびErドープInGaAsP活性層３をエッチン
グした（第２図（ｂ））後、全面にノンドープInGaAsP
励起層４（1.48μｍ組成、層厚0.3μｍ）、ノンドープI
nPカバー層15（層厚0.15μｍ）を成長し（第２図
（ｃ））、ErドープInGaAsP活性層３の上のノンドープI
nPカバー層15およびノンドープInGaAsP励起層４のみを
選択的にエッチングし（第２図（ｄ））、さらに全面に
Znドープｐ型InPクラッド層５（キャリア濃度７×1017c
m-3、層厚1.5μｍ）を成長した（第２図（ｅ））。次に
埋め込みヘテロ構造とするため、活性層幅が1.5μｍに
なるようにｎ型InPクラッド層２までメサエッチングし
て、Znドープｐ型InP埋め込み層７（キャリア濃度７×1
017cm-3、層厚1.5μｍ）およびSiドープｎ型InP層８
（キャリア濃度１×1018cm-3、層厚1.5μｍ）を埋め込
み成長し（第２図（ｆ））、最後に全面にZnドープｐ型
InPクラッド層５（キャリア濃度７×1017cm-3、層厚１
μｍ）、Znドープｐ型InGaAsPキャップ層６（キャリア
濃度１×1019cm-3、層厚0.3μｍ）を成長した（第２図
（ｇ））。そして両側に電極９、10を形成した。ｐ側電
極９は励起層４の上部にのみ形成し、励起層４のみに電
流が注入される構造とした（第２図（ｈ））。活性層３
と励起層４の長さがそれぞれ300μｍになるようにへき
開してレーザとした。共振方向は（011）方向とした。
結晶成長はすべて有機金属気相成長法（MOVPE）を用い
た。以上の製作方法により、ErドープInGaAsP活性層３
とノンド４ープInGaAsP励起層４は共振器方向に直線的
に結がっているので光学的に良好に結合するものが得ら
れた。
体レーザを作製した。第２図は作製行程図で、（ａ）〜
（ｅ）、（ｈ）は共振器方向に平行な断面図（01）面
で、（ｆ）（ｇ）は垂直な断面図（011）面である。（1
00）ｎ型InP基板１上にSiドープｎ型InPクラッド層２
（キャリア濃度１×1018cm-3、膜厚１μｍ）、Erドープ
InGaAsP活性層３（Er濃度１×1019cm-3、1.3μｍ組成、
層厚0.3μｍ）、ノンドープInPエッチングストップ層14
（層厚0.15μｍ）を成長し（第２図（ａ））、SiO2膜16
をマスクとして、選択的にノンドープInPエッチングス
トップ層14およびErドープInGaAsP活性層３をエッチン
グした（第２図（ｂ））後、全面にノンドープInGaAsP
励起層４（1.48μｍ組成、層厚0.3μｍ）、ノンドープI
nPカバー層15（層厚0.15μｍ）を成長し（第２図
（ｃ））、ErドープInGaAsP活性層３の上のノンドープI
nPカバー層15およびノンドープInGaAsP励起層４のみを
選択的にエッチングし（第２図（ｄ））、さらに全面に
Znドープｐ型InPクラッド層５（キャリア濃度７×1017c
m-3、層厚1.5μｍ）を成長した（第２図（ｅ））。次に
埋め込みヘテロ構造とするため、活性層幅が1.5μｍに
なるようにｎ型InPクラッド層２までメサエッチングし
て、Znドープｐ型InP埋め込み層７（キャリア濃度７×1
017cm-3、層厚1.5μｍ）およびSiドープｎ型InP層８
（キャリア濃度１×1018cm-3、層厚1.5μｍ）を埋め込
み成長し（第２図（ｆ））、最後に全面にZnドープｐ型
InPクラッド層５（キャリア濃度７×1017cm-3、層厚１
μｍ）、Znドープｐ型InGaAsPキャップ層６（キャリア
濃度１×1019cm-3、層厚0.3μｍ）を成長した（第２図
（ｇ））。そして両側に電極９、10を形成した。ｐ側電
極９は励起層４の上部にのみ形成し、励起層４のみに電
流が注入される構造とした（第２図（ｈ））。活性層３
と励起層４の長さがそれぞれ300μｍになるようにへき
開してレーザとした。共振方向は（011）方向とした。
結晶成長はすべて有機金属気相成長法（MOVPE）を用い
た。以上の製作方法により、ErドープInGaAsP活性層３
とノンド４ープInGaAsP励起層４は共振器方向に直線的
に結がっているので光学的に良好に結合するものが得ら
れた。
このレーザは室温で連続発振し、しきい値電流70mA、
効率0.15W/Aで10mWまで副モード抑圧比35dB以上の単一
縦モード動作が得られた。波長は1.538μｍで、温度変
動は0.6Å／℃と小さかった。ただし、励起光（波長1.4
8μｍ）も観測されたが、Er3+からの1.538μｍの発光に
対する光強度比は約−12dBと十分小さかった。本作製例
では活性層３は1.3μｍ組成のInGaAsPとしたが、上に述
べた条件を満たしていれば、他の材料、組成でも差し支
えない。また、第３図に示すように、励起層４を活性層
３の両側においても同様の効果が得られる。両側から励
起できるので効率良く励起できる。
効率0.15W/Aで10mWまで副モード抑圧比35dB以上の単一
縦モード動作が得られた。波長は1.538μｍで、温度変
動は0.6Å／℃と小さかった。ただし、励起光（波長1.4
8μｍ）も観測されたが、Er3+からの1.538μｍの発光に
対する光強度比は約−12dBと十分小さかった。本作製例
では活性層３は1.3μｍ組成のInGaAsPとしたが、上に述
べた条件を満たしていれば、他の材料、組成でも差し支
えない。また、第３図に示すように、励起層４を活性層
３の両側においても同様の効果が得られる。両側から励
起できるので効率良く励起できる。
次に、本発明の請求項２の半導体レーザの断面図と、
バンド構造図を第４図（ａ）（ｂ）に示す。この場合は
前述の請求項１の実施例での活性層３と励起層４は積層
されており、電流を注入すると励起層４にキャリアがた
まり、1.48μｍの励起光が発生し、これが活性層３にド
ープされたErを励起する。その効果は前項と同じで、同
様の埋め込み構造半導体レーザを作製して、ほぼ同等の
特性を得た。
バンド構造図を第４図（ａ）（ｂ）に示す。この場合は
前述の請求項１の実施例での活性層３と励起層４は積層
されており、電流を注入すると励起層４にキャリアがた
まり、1.48μｍの励起光が発生し、これが活性層３にド
ープされたErを励起する。その効果は前項と同じで、同
様の埋め込み構造半導体レーザを作製して、ほぼ同等の
特性を得た。
本発明の請求項３の半導体レーザの断面図とバンド構
造図を第５図（ａ）（ｂ）に示す。この場合は活性層３
と励起層４はそれぞれひとつの量子井戸構造の障壁層と
井戸層になっており、電流を注入すると、励起層４にキ
ャリアがたまり、1.48μｍの励起光が発生し、これが活
性層３にドープされたErを励起する。実際にErドープIn
GaAsP障壁層厚約150Å、InGaAs井戸層厚約70Åで、発光
波長がそれぞれ1.3μｍ、1.48μｍとなるような量子井
戸構造（井戸数10）をInPクラッド層ではさんだ構造を
成長して前項と同様の埋め込み構造レーザを作製し、室
温連続発振を確認した。
造図を第５図（ａ）（ｂ）に示す。この場合は活性層３
と励起層４はそれぞれひとつの量子井戸構造の障壁層と
井戸層になっており、電流を注入すると、励起層４にキ
ャリアがたまり、1.48μｍの励起光が発生し、これが活
性層３にドープされたErを励起する。実際にErドープIn
GaAsP障壁層厚約150Å、InGaAs井戸層厚約70Åで、発光
波長がそれぞれ1.3μｍ、1.48μｍとなるような量子井
戸構造（井戸数10）をInPクラッド層ではさんだ構造を
成長して前項と同様の埋め込み構造レーザを作製し、室
温連続発振を確認した。
次に、本発明の請求項４の半導体レーザの断面図、バ
ンド構造図および構造図を第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）に
示す第６図（ａ）に示すようにｎ型GaAs基板１、ｎ型Al
GaAsクラッド層２の上に、ErドープGaAs活性層３と
（ｂ）InGaAs/AlGaAs歪超格子励起層４が光の共振方向
に接続されており、全面にｐ型AlGaAsクラッド層５が積
層されている構造になっている。この例では歪超格子か
らなる励起層４からの発光波長が0.96〜0.98μｍとなう
ようにし、活性層３中のErはこの波長の光にも吸収帯が
あるので励起され、1.536μｍ付近の波長の光を発光し
遷移する。活性層３は励起光を吸収しないバンドギャッ
プを持つように選んだ。第６図（ｂ）参照。第６図
（ｃ）に示すように、ｎ型GaAs基板１の上にSiドープｎ
型Al0.5Ga0.5Asクラッド層２（キャリア濃度１×1017cm
-3、層厚1.5μｍ）ErドープGaAs活性層３（Er濃度１×1
019cm-3、層厚0.3μｍ）を成長し、活性層３の一分を選
択的に除去した後、Al0.5Ga0.5AsからGaAsに組成がグレ
ーデッド変化したノンドープ層（層厚0.2μｍ）で両側
をはさまれたノンドープIn0.2Ga0.8As井戸層（層厚110
Å）からなるInGaAs/AlGaAs歪超格子励起層４を全面に
成長した。活性層３の上の励起層４を除去した後、全面
にMgドープｐ型Al0.5Ga0.5Asクラッド層５（キャリア濃
度１×1018cm-3、層厚1.5μｍ）、Mgドープｐ型GaAsキ
ャップ層６（キャリア濃度５×1018cm-3、層厚１μｍ）
を成長した。最後にｐ型Al0.5Ga0.5Asクラッド層５の途
中までメサエッチングして、Siドープｎ型GaAs埋め込み
層８（キャリア濃度４×1018cm-3、層厚２μｍ）を埋め
込みし成長し、励起層４の直上の表面および基板側全面
にそれぞれｐ側電極９、ｎ側電極10を形成し。活性層３
と励起層４の長さがそれぞれ300μｍになるようにへき
開してレーザとした。結晶成長はすべて有機金属気相成
長法（MOVPE）を用いた。
ンド構造図および構造図を第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）に
示す第６図（ａ）に示すようにｎ型GaAs基板１、ｎ型Al
GaAsクラッド層２の上に、ErドープGaAs活性層３と
（ｂ）InGaAs/AlGaAs歪超格子励起層４が光の共振方向
に接続されており、全面にｐ型AlGaAsクラッド層５が積
層されている構造になっている。この例では歪超格子か
らなる励起層４からの発光波長が0.96〜0.98μｍとなう
ようにし、活性層３中のErはこの波長の光にも吸収帯が
あるので励起され、1.536μｍ付近の波長の光を発光し
遷移する。活性層３は励起光を吸収しないバンドギャッ
プを持つように選んだ。第６図（ｂ）参照。第６図
（ｃ）に示すように、ｎ型GaAs基板１の上にSiドープｎ
型Al0.5Ga0.5Asクラッド層２（キャリア濃度１×1017cm
-3、層厚1.5μｍ）ErドープGaAs活性層３（Er濃度１×1
019cm-3、層厚0.3μｍ）を成長し、活性層３の一分を選
択的に除去した後、Al0.5Ga0.5AsからGaAsに組成がグレ
ーデッド変化したノンドープ層（層厚0.2μｍ）で両側
をはさまれたノンドープIn0.2Ga0.8As井戸層（層厚110
Å）からなるInGaAs/AlGaAs歪超格子励起層４を全面に
成長した。活性層３の上の励起層４を除去した後、全面
にMgドープｐ型Al0.5Ga0.5Asクラッド層５（キャリア濃
度１×1018cm-3、層厚1.5μｍ）、Mgドープｐ型GaAsキ
ャップ層６（キャリア濃度５×1018cm-3、層厚１μｍ）
を成長した。最後にｐ型Al0.5Ga0.5Asクラッド層５の途
中までメサエッチングして、Siドープｎ型GaAs埋め込み
層８（キャリア濃度４×1018cm-3、層厚２μｍ）を埋め
込みし成長し、励起層４の直上の表面および基板側全面
にそれぞれｐ側電極９、ｎ側電極10を形成し。活性層３
と励起層４の長さがそれぞれ300μｍになるようにへき
開してレーザとした。結晶成長はすべて有機金属気相成
長法（MOVPE）を用いた。
本素子もしきい値65mAで室温連続発振し、波長1.538
μｍで単一縦モード動作が得られた。最大出力は20mW以
上であり、これはInGaAs/AlGaAs歪超格子を用いること
で励起層からの励起光強度が大きいことによる。
μｍで単一縦モード動作が得られた。最大出力は20mW以
上であり、これはInGaAs/AlGaAs歪超格子を用いること
で励起層からの励起光強度が大きいことによる。
なお、本実施例では活性層３にGaAsを用いているが、
AlGaAsなど、励起光を吸収しないバンドギャップを持つ
ものならばよい。
AlGaAsなど、励起光を吸収しないバンドギャップを持つ
ものならばよい。
請求項１の別の実施例の半導体レーザの断面図、バン
ド構造図および構造図を第７図（ａ）（ｂ）（ｃ）に示
す。第７図（ａ）に示すように、ｎ型GaAs基板１、ｎ型
AlGaInPクラッド層２の上に、ErドープAlGaInP活性層３
とGaInP励起層４が光の共振方向に接続されており、全
面にｐ型AlGaInPクラッド層５が積層されている構造に
なっている。この例では励起層４からの発光波長が0.66
〜0.67μｍであり、活性層３中のErはこの波長の光も吸
収するので励起され、1.536μｍ付近の波長の光を発光
し遷移する。活性層３は励起光を吸収しないバンドギャ
ップを持つように選ぶとよい。第７図（ｂ）参照。
ド構造図および構造図を第７図（ａ）（ｂ）（ｃ）に示
す。第７図（ａ）に示すように、ｎ型GaAs基板１、ｎ型
AlGaInPクラッド層２の上に、ErドープAlGaInP活性層３
とGaInP励起層４が光の共振方向に接続されており、全
面にｐ型AlGaInPクラッド層５が積層されている構造に
なっている。この例では励起層４からの発光波長が0.66
〜0.67μｍであり、活性層３中のErはこの波長の光も吸
収するので励起され、1.536μｍ付近の波長の光を発光
し遷移する。活性層３は励起光を吸収しないバンドギャ
ップを持つように選ぶとよい。第７図（ｂ）参照。
第７図（ｃ）に示すように、ｎ型GaAs基板１の上にSi
ドープｎ型（Al0.5Ga0.5）0.51In0.49Ｐクラッド層２
（キャリア濃度１×1018cm-3、層厚1.2μｍ）、Erドー
プGaInP活性層３（Er濃度１×1019cm-3、層厚0.2μｍ）
を成長し、活性層３の一部を選択的に除去した後、（Al
0.3Ga0.7）0.51In0.49Ｐ励起層４（層厚0.3μｍ）を全
面に成長した。活性層３の上の励起層４を除去した後、
全面にZnドープｐ型Al0.5Ga0.5）0.51In0.49Ｐクラッド
層５（キャリア濃度５×1017cm-3、層厚0.3μｍ）、Zn
ドープｐ型GaInPエッチングストップ層11（キャリア濃
度１×1018cm-3、層厚40Å）、Znドープｐ型Al0.5G
a0.5）0.51In0.49Ｐクラッド層12（キャリア濃度５×10
17cm-3、層厚１μｍ）、Znドープｐ型GaAs層13（キャリ
ア濃度２×1018cm-3、層厚0.5μｍ）を成長した。次に
ｐ型GaInPエッチングストップ層11が露出するまでメサ
エッチングして、Siドープ型ｎ型GaAs埋め込み層８（キ
ャリア濃度１×1018cm-3、層厚1.5μｍ）を埋め込み成
長した後、さらに全面にZnドープｐ型GaAs層６（キャリ
ア濃度２×1018cm-3、層厚１μｍ）を成長した。そし
て、励起層４の直上の表面および基板側全面にそれぞれ
ｐ側電極９、ｎ側電極10を形成した。活性層３と励起層
４の長さがそれぞれ300μｍになるようにへき開してレ
ーザとした。結晶成長はすべて有機金属気相成長法（MO
VPE）を用いた。
ドープｎ型（Al0.5Ga0.5）0.51In0.49Ｐクラッド層２
（キャリア濃度１×1018cm-3、層厚1.2μｍ）、Erドー
プGaInP活性層３（Er濃度１×1019cm-3、層厚0.2μｍ）
を成長し、活性層３の一部を選択的に除去した後、（Al
0.3Ga0.7）0.51In0.49Ｐ励起層４（層厚0.3μｍ）を全
面に成長した。活性層３の上の励起層４を除去した後、
全面にZnドープｐ型Al0.5Ga0.5）0.51In0.49Ｐクラッド
層５（キャリア濃度５×1017cm-3、層厚0.3μｍ）、Zn
ドープｐ型GaInPエッチングストップ層11（キャリア濃
度１×1018cm-3、層厚40Å）、Znドープｐ型Al0.5G
a0.5）0.51In0.49Ｐクラッド層12（キャリア濃度５×10
17cm-3、層厚１μｍ）、Znドープｐ型GaAs層13（キャリ
ア濃度２×1018cm-3、層厚0.5μｍ）を成長した。次に
ｐ型GaInPエッチングストップ層11が露出するまでメサ
エッチングして、Siドープ型ｎ型GaAs埋め込み層８（キ
ャリア濃度１×1018cm-3、層厚1.5μｍ）を埋め込み成
長した後、さらに全面にZnドープｐ型GaAs層６（キャリ
ア濃度２×1018cm-3、層厚１μｍ）を成長した。そし
て、励起層４の直上の表面および基板側全面にそれぞれ
ｐ側電極９、ｎ側電極10を形成した。活性層３と励起層
４の長さがそれぞれ300μｍになるようにへき開してレ
ーザとした。結晶成長はすべて有機金属気相成長法（MO
VPE）を用いた。
本素子も室温で連続動作が得られ、波長1.538μｍで
単一縦モード動作が確認された。
単一縦モード動作が確認された。
Ndを希土類金属として用いた実施例について述べる。
半導体レーザの断面図とバンド構造図を第８図（ａ）
（ｂ）に示す。ｎ型GaAs基板１、ｎ型AlGaAsクラッド層
２の上に、NdドープAlGaAs活性層３とAlGaAs励起層４が
光の共振方向に接続されており、全面にｐ型AlGaAsクラ
ッド層５が積層されている構造になっている。この例で
は励起層４からの発光波長が0.81μｍであり、活性層３
中のNdはこの波長の光も吸収するので励起され、Ndの4f
準位間1.085μｍ付近の光を発光し遷移する。活性層３
は励起光を吸収しないバンドギャップを持つように選
ぶ。この素子は発振波長1.085μｍで単一縦モード発振
し、しきい値電流は80mAであった。このように、本発明
を用いることによって、Ndドープ半導体レーザにおいて
も優れた特性が得られることがわかった。
半導体レーザの断面図とバンド構造図を第８図（ａ）
（ｂ）に示す。ｎ型GaAs基板１、ｎ型AlGaAsクラッド層
２の上に、NdドープAlGaAs活性層３とAlGaAs励起層４が
光の共振方向に接続されており、全面にｐ型AlGaAsクラ
ッド層５が積層されている構造になっている。この例で
は励起層４からの発光波長が0.81μｍであり、活性層３
中のNdはこの波長の光も吸収するので励起され、Ndの4f
準位間1.085μｍ付近の光を発光し遷移する。活性層３
は励起光を吸収しないバンドギャップを持つように選
ぶ。この素子は発振波長1.085μｍで単一縦モード発振
し、しきい値電流は80mAであった。このように、本発明
を用いることによって、Ndドープ半導体レーザにおいて
も優れた特性が得られることがわかった。
以上述べたように、本発明による半導体レーザが実用
上優れた特性を持っている。励起光は光フィルタなどに
よって除去すればよい。外部光で希土類金属を励起して
発光させる過程により、その発光効率が増大し、良好な
室温連続発振が得られる。
上優れた特性を持っている。励起光は光フィルタなどに
よって除去すればよい。外部光で希土類金属を励起して
発光させる過程により、その発光効率が増大し、良好な
室温連続発振が得られる。
（発明の効果） 以上述べてきたように、本発明による半導体レーザ構
造により、希土類金属ドープ半導体レーザの利得を効果
的に増大させ、特性を向上させることができた。
造により、希土類金属ドープ半導体レーザの利得を効果
的に増大させ、特性を向上させることができた。
第１図（ａ）は本発明の半導体レーザ構造の概念を表す
断面図、（ｂ）はバンド構造図で、（ｃ）は作製した半
導体レーザの構造図である。第２図（ａ）〜（ｈ）は第
１図（ｃ）に示した半導体レーザの作製行程を表す断面
図である。第３図は本発明の他の実施例による半導体レ
ーザ構造の概念を表す断面図である。第４図（ａ）
（ｂ）、第５図（ａ）（ｂ）は本発明の他の実施例によ
る半導体レーザ構造の概念を表す断面図およびバンド構
造図である。第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）、第７図（ａ）
（ｂ）（ｃ）はそれぞれ本発明の他の実施例による半導
体レーザ構造の概念を表す断面図、バンド構造図およ
び、作製した半導体レーザの構造図である。第８図は本
発明の他の実施囲による半導体レーザ構造の概念を表す
断面図およびバンド構造図である。第９図はErドープフ
ァイバの吸収スペクトルを表す。第10図（ａ）（ｂ）は
従来のErドープ半導体レーザの断面図とバンド構造図で
ある。 図中、１……ｎ型半導体基板、２……ｎ型半導体クラッ
ド層、３……Erドープ半導体活性層、４……半導体励起
層、５……ｐ型半導体クラッド層、６……ｐ型半導体キ
ャップ層、７……ｐ型半導体埋め込み層、８……ｎ型半
導体埋め込み層、９……ｐ型電極、10……ｎ側電極、11
……ｐ型半導体エッチングストップ層、12……ｐ型半導
体クラッド層、13……ｐ型半導体層、14……半導体エッ
チングストップ層、15……半導体カバー層、16……SiO2
膜である。
断面図、（ｂ）はバンド構造図で、（ｃ）は作製した半
導体レーザの構造図である。第２図（ａ）〜（ｈ）は第
１図（ｃ）に示した半導体レーザの作製行程を表す断面
図である。第３図は本発明の他の実施例による半導体レ
ーザ構造の概念を表す断面図である。第４図（ａ）
（ｂ）、第５図（ａ）（ｂ）は本発明の他の実施例によ
る半導体レーザ構造の概念を表す断面図およびバンド構
造図である。第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）、第７図（ａ）
（ｂ）（ｃ）はそれぞれ本発明の他の実施例による半導
体レーザ構造の概念を表す断面図、バンド構造図およ
び、作製した半導体レーザの構造図である。第８図は本
発明の他の実施囲による半導体レーザ構造の概念を表す
断面図およびバンド構造図である。第９図はErドープフ
ァイバの吸収スペクトルを表す。第10図（ａ）（ｂ）は
従来のErドープ半導体レーザの断面図とバンド構造図で
ある。 図中、１……ｎ型半導体基板、２……ｎ型半導体クラッ
ド層、３……Erドープ半導体活性層、４……半導体励起
層、５……ｐ型半導体クラッド層、６……ｐ型半導体キ
ャップ層、７……ｐ型半導体埋め込み層、８……ｎ型半
導体埋め込み層、９……ｐ型電極、10……ｎ側電極、11
……ｐ型半導体エッチングストップ層、12……ｐ型半導
体クラッド層、13……ｐ型半導体層、14……半導体エッ
チングストップ層、15……半導体カバー層、16……SiO2
膜である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 徹 東京都港区芝５丁目33番１号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−73788（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−237784（ＪＰ，Ａ)
Claims (6)
- 【請求項１】希土類金属をドーピングした、エネルギー
ギャップが前記希土類金属の遷移エネルギーより大きな
半導体からなる活性層、および前記希土類金属のみを励
起し、前記活性層には吸収されない波長の光を発光する
半導体からなる励起層が、共振器方向に接続されてお
り、かつ前記励起層のエネルギーギャップが前記希土類
金属の遷移エネルギーより大きいことを特徴とする半導
体レーザ。 - 【請求項２】希土類金属をドーピングした、エネルギー
ギャップが前記希土類金属の遷移エネルギーより大きな
半導体からなる活性層、および前記希土類金属のみを励
起し、前記活性層には吸収されない波長の光を発光する
半導体からなる励起層が、積層されており、かつ前記励
起層のエネルギーギャップが前記希土類金属の遷移エネ
ルギーより大きいことを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項３】前記活性層および励起層に量子井戸構造の
障壁層および井戸層を用いることを特徴とする請求項２
記載の半導体レーザ。 - 【請求項４】前記励起層に発光波長が0.98μｍ帯のInGa
As/AlGaAs歪超格子構造を用いることを特徴とする請求
項１または２記載の半導体レーザ。 - 【請求項５】前記励起層に発光波長が0.67μｍ帯のGaIn
P層を用いることを特徴とする請求項１または２記載の
半導体レーザ。 - 【請求項６】前記活性層は励起層に挟まれていることを
特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023495A JP2661307B2 (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023495A JP2661307B2 (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03227092A JPH03227092A (ja) | 1991-10-08 |
| JP2661307B2 true JP2661307B2 (ja) | 1997-10-08 |
Family
ID=12112082
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2023495A Expired - Lifetime JP2661307B2 (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2661307B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2743664B2 (ja) * | 1991-10-15 | 1998-04-22 | 日本電気株式会社 | 半導体発光素子 |
| JP3584450B2 (ja) * | 1995-03-17 | 2004-11-04 | 住友電気工業株式会社 | レーザー発振素子及びレーザー発振装置 |
| JP2002208730A (ja) * | 2001-01-09 | 2002-07-26 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 |
| JP4815860B2 (ja) * | 2004-11-11 | 2011-11-16 | ソニー株式会社 | 発光素子及びその製造方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0654819B2 (ja) * | 1986-04-08 | 1994-07-20 | 日本電気株式会社 | 半導体レ−ザ励起固体レ−ザ |
| WO1987007447A1 (en) * | 1986-05-30 | 1987-12-03 | Hughes Aircraft Company | Upconversion pumped lasers |
| JPS63229795A (ja) * | 1987-03-19 | 1988-09-26 | Fujitsu Ltd | 半導体レ−ザ |
| JPS6473788A (en) * | 1987-09-16 | 1989-03-20 | Fujitsu Ltd | Light emitting semiconductor device |
| JPS6482586A (en) * | 1987-09-25 | 1989-03-28 | Toshiba Corp | Semiconductor laser |
-
1990
- 1990-01-31 JP JP2023495A patent/JP2661307B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03227092A (ja) | 1991-10-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |