JP2723888B2 - Semiconductor laser device - Google Patents

Semiconductor laser device

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JP2723888B2
JP2723888B2 JP62001607A JP160787A JP2723888B2 JP 2723888 B2 JP2723888 B2 JP 2723888B2 JP 62001607 A JP62001607 A JP 62001607A JP 160787 A JP160787 A JP 160787A JP 2723888 B2 JP2723888 B2 JP 2723888B2
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laser
face
semiconductor laser
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refractive index
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俊明 田中
直樹 茅根
佑一 小野
慎一 中塚
茂雄 山下
明実 山中
俊 梶村
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S2301/00Functional characteristics
    • H01S2301/18Semiconductor lasers with special structural design for influencing the near- or far-field
    • H01S2301/185Semiconductor lasers with special structural design for influencing the near- or far-field for reduction of Astigmatism
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1082Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region with a special facet structure, e.g. structured, non planar, oblique

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体レーザ素子の構造に係り、特に低非
点収差でコンパクトデイスク・ビデオデイスク用に好適
な光源としての半導体レーザ素子に関する。 〔従来の技術〕 利得導波型の縦マルチモード半導体レーザは雑音を低
減でき、コンパクト及びビデオデイクス用光源に適して
いる。しかし、利得導波型レーザでは非点収差が大きく
レーザキヤビテイ損失により量子効率が低くなり高出力
安定動作が得られない。非点収差を低減するためには、
半導体レーザ端面を曲面状にすることにより低減がはか
られている。また、量子効率を高くして高出力安定動作
をはかるには屈折率導波型構造が有効である。アプライ
ド フイジツクス レター 第47巻 第5号(1985年)
第445頁(Appl.Phys.Lett.Vol.47,No.5(1985)P.445)
には、端面が曲面状である半導体レーザにおいて、屈折
率型導波構造による閾電流の低減・高出力を実現したこ
とが記載されているが、非点収差の低減については十分
検討しておらず実現されていない。また、アプライド
フイジツクスレター第47巻,第10号(1985)第923号(A
ppl.Phys.Lett.Vol.46,No.10(1985)P.923)では、半
導体レーザの非点収差低減について検討を行つている
が、良好な特性結果が得られていない。これは、半導体
レーザのストライプ幅が大きく横モード制御が十分でな
いこと、半導体レーザの非点収差を低減するための条件
として曲端面の曲率半径とレーザキヤビテイ長の関係に
よつて決まるレーザビームウエストの位置に関する十分
な結果が得られていないことによると考えられる。 また、従来の半導体レーザはたとえば第15図に示すよ
うに、GaAs基板に設けた溝状の構造を利用して、導波路
を設けたものであつた。この構造に置いては、レーザの
活性層とGaAs基板との距離が、溝の上の領域とその他の
領域で異なることにより両領域間の実効的屈折率に差が
生じレーザ光が溝領域に閉じ込められていた。両領域間
の屈折率差が十分に大きい場合には、半導体レーザは単
一の縦モードで発振し、レーザの可干渉性が強いためデ
イスク面からの戻り光により発振状態が不安定になる所
謂戻り光ノイズの問題が生じた。一方、屈折率差が小さ
い場合には、電流注入密度の差により生じる活性層の利
得分布による光閉じ込めが、主要な導波機構と成り、縦
多モード発振が起り戻り光ノイズには強くなるが、利得
分布の効果によりレーザの波面に曲がりが生じ、非点収
差が発生した。戻り光雑音に強く、非点収差の小さい素
子を得る手段としては、溝外部における基板と活性層の
距離を最適にすることにより、屈折率差を単一モードと
多モードの中間領域とする方法が取られているが、非点
収差を完全に無くすることはできなかつた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術では、レーザ端面が曲面状の半導体レー
ザで屈折導波型構造として高効率高出力安定動作をはか
り、シングルモードの高出力時でレーザビームの広がり
を小さくすることを試みているが、非点収差をレーザ構
造により低減することについては十分配慮がされておら
ず、低出力時では非点収差が大きくレーザビームを絞り
込めない問題があつた。 本発明の目的は、屈折率導波型構造を有する半導体レ
ーザの高効率高出力安定動作の特徴を生かしながら、レ
ーザの端面部付近に利得導波型構造を設け、ストライプ
幅を考慮してマルチ縦モードとし、曲端面形状の制御に
より非点収差の小さい半導体レーザを提供することおよ
び上記の半導体レーザの問題点を解決し多モード発振を
行いながら、非点収差の全く無い半導体レーザを与える
ことにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、半導体レーザ中央部を屈折率導波型構
造、端面部付近を利得導波型構造としてさらに単一横モ
ードが得られる範囲でストライプ幅を考慮した半導体レ
ーザにおいて、レーザ端面にレーザビームが屈折率導波
路から利得導波路に伝搬する境界点に円弧の中心をもつ
曲面形状を設けることにより達成される。 利得導波型構造の半導体レーザでは、レーザ光波面が
曲面状となつており、出射ビームのみかけ上のウエスト
が素子内部にあり非点収差を生じる。この非点収差は、
半導体レーザ端面部を曲面状とすることにより低減でき
る。しかし、レーザ端面部を曲面形状とした半導体レー
ザでは閾電流が高く、効率が低くなる可能性がある。曲
端面形状を有した半導体レーザの非点収差、効率は、曲
端面の曲率半径とレーザのキヤビテイ長とに関係し、こ
れらを考慮して適当な曲端面曲率半径とキヤビテイ長を
形成することにより、出射ビームの非点収差を低減する
ことが可能である。 なお、第6図(a)および(b)は従来の構造の一例
であり、同図(c)および(d)は本発明の一例であ
る。 また、上記目的を達成する手段として、本発明では半
導体レーザの端面を曲面とするとし、かつ端面の近傍に
実効屈折率の調整・制御が可能な領域を設け、この領域
と通常の導波路領域の界面を曲面状とすることにより端
面に凸レンズ効果をもたせることを検討し、この曲面の
曲率の最適化を図ることによつて達成される。 〔作用〕 半導体レーザのストライプ幅を10μm以上に広くし、
利得導波型構造を有したマルチ縦モードレーザは低雑音
特性が優れているが、低閾電流、高効率の点で劣る。レ
ーザのキヤビテイ損失の少ない屈折率導波型構造を有す
る半導体レーザでは、高効率高出力安定動作が期待でき
る。そこで、レーザ端面部は利得導波型構造とし、中央
部を屈折率導波型構造とする組合せにより、効率を向上
させ高出力動作することができる。端面を曲面状にした
レーザと劈開したレーザの効率比は、レーザのキヤビテ
イ長と曲面の曲率半径の比により決まる。つまり、曲端
面を有するレーザの効率を向上させるためには、レーザ
のキヤビテイ長を小さくしまた曲面の曲率半径を大きく
することである。また、曲端面形状を有する半導体レー
ザで高出力動作時にはビームの広がりが小さくなる可能
性がある。 利得導波型構造を有する半導体レーザの非点収差はビ
ームのスポツト幅と波面の曲率半径により決まる。この
非点収差はレーザ端面を曲端面形状にして低減できる。
つまり、凸端面ではビームスポツトは小さくなり、また
曲面曲率半径を小さくすると波面曲率半径を小さくでき
る。また、凹端面ではビームスポツトは大きくなり、曲
面曲率半径を小さくすると波面曲率半径を小さくでき
る。このとき、曲面曲率半径をレーザ端面部における利
得導波型構造の間隔に相当するように決めるとビームウ
エストを導波構造の境界点におくことができるので屈折
率導波型構造の端部からビームが生じたようにすること
が可能である。また、本発明により、戻り光ノイズに強
い多モード発振を行いながら完全にフラツトな放射波面
を持つ半導体レーザがえられた。しかも、この構造の場
合放射ビームの広がり角が通常の半導体レーザに比べ狭
いので、システムに応用する際のレンズ口径が狭くでき
るという利点もある。 〔実施例〕 次に本発明の実施例を図面とともに説明する。 実施例1 第1図により説明する。半導体レーザ構造のうち、チ
ヤネルドストライププレーナ(CSP)型のレーザで第1
図(a)のようにレーザ中央部に屈折率導波型構造を設
け、端面部に利得導波型構造を設ける。つまり、n型Ga
As基板6(厚み100μm)に対して適当なマスクを用い
てエツチングして中央部にリツジ状1μmの段差を設
け、さらにストライプ方向にチャネル1μmを共振器端
面の一方から他方に延伸して設ける。これにより、n型
GaAs基板6と当該基板上部に形成される活性層8との距
離をレーザ端面部よりレーザ中央部で狭め、当該チャネ
ルとその両側の上方に形成される活性層の実効屈折率差
がレーザ端面部よりレーザ中央部において大きくなるよ
うにして、前者を利得導波型構造、後者を屈折率導波型
構造として構成する。このあと、順次液相結晶成長法に
より、n型Ga1-xAlxAsクラツド層7(厚み0.5μm,x=0.
5)、アンドープGa1-yAlyAs活性層8(厚み0.1μm,y=
0.14)、p型Ga1-xAlxAsクラツド層7(厚み1.5μm,x=
0.5)、p型GaAsキヤツプ層10(厚み1μm)を成長さ
せる。このあと、マスクを用いてp型Zn拡散領域13を形
成し、ストライプ状電流注入領域を設ける。次に、p型
GaAsキヤツプ層上にMo-Au p電極12を、n型GaAs基板上
にAuGeNi/Cr/Au u電極11を蒸着する。さらに、p電極上
に適当なレジストマスクを用いて反応性イオンビームエ
ツチングにより、第1図(a)のような凹曲面をレーザ
端面に形成する。第1図(b),(c)は同図(a)の
レーザ素子をb−b′,c−c′の線で切り出した断面図
である。ストライプ幅は10μm以下で、単一横モードに
適している。このときレーザキヤビテイ長は200μmに
対し曲面の曲率半径20〜50μmが適しており、非点収差
10μm以下とすることができた。また、マルチ縦モード
で閾電流30mA、出力50mV安定動作が実現できた。 実施例2 本発明の他の実施例を第2図により説明する。半導体
レーザ構造のうち、セルフアライン構造(SAS)型のレ
ーザに実施例1と同様な効果をもたらす構造を設ける。
つまり、レーザ中央部が屈折率導波構造で、端面部が利
得導波型構造となるようにするため、n型−GeAs電流挟
窄層14を第2図(a)のようにn型Ga1-xAlxAsクラツド
層9のエツチング段差を利用してリツジ状に形成する。
その他の結晶層成長は実施例1と同様にできる。また、
液相成長法の他に有機金属気相成長法を用いることもで
きる。第2図(b),(c)はそれぞれ同図(a)のb
−b′,c−c′の線で切り出した断面図である。この実
施例においても実施例1と同様の結果を得ることができ
た。 実施例3 本発明の他の実施例を第3図により説明する。半導体
レーザ構造のうち、埋め込み構造(BH)型のレーザに実
施例1と同様な効果をもたらす構造を設ける。つまり、
レーザ中央部が屈折率導波構造で、端面部が利得導波型
構造となるようにするため、通常のダブルヘテロ構造を
作成した後、適当なマスクを用いてレーザ中央部をエツ
チングにより除去し、液晶成長又は有機金属気相成長法
により埋めこみ層15を形成する。その他の結晶層成長は
実施例1と同様にできる。第3図(b),(c)はそれ
ぞれ同図(a)のb−b′,c−c′の線で切り出した断
面図である。この実施例においても実施例1と同様の結
果を得ることができた。 実施例4 本発明の他の実施例を第4,5図を用いて説明する。以
上の実施例では、レーザの中央部を屈折率導波型構造と
し、両面部を利得導波型構造とする方法として活性層を
平坦な層とし、屈折率導波を端面部で弱めるか、屈折率
導波層を端面部に作成しないようにしていた。本実施例
では、レーザの活性層が中央部と端面部とで段差を生じ
るように作成することにより、以上の実施例と同様の効
果をもたらした。第4,5図とも、活性層8を中央部と端
面部で段差を生じるようにエツチングを利用して作成す
る以外は、以上の実施例と全く同様の結晶成長により実
現できる。第4図は第1図のCSP型レーザに適用した場
合の例であり、第4図の(a),(b)は第1図の
(b),(c)に相当するものである。第5図は第2図
のSAS型レーザに適用した場合の例であり、第5図
(a),(b)は第2図の(b),(c)に相当するも
のである。本実施例の他、レーザ端面部に透明な非吸収
領域n型Ga1-xAlxAs層を設けるウインドウ型の構造のレ
ーザも考えられる。本実施例では、レーザの閾電流、高
出力の点で以上の実施例と比べ劣るが、雑音、非点収差
の点は同様の結果であつた。 実施例5 曲端面を有する半導体レーザでは、曲面の曲率半径R
とレーザのキヤビテイ長Lのパラメータを適当な値にす
ることにより、非点収差の低減及び効率の向上をはかる
ことができた。第6図で示したような、レーザのストラ
イプ幅がストレートなもの及び端面部で変化しているも
のに対して、曲面の曲率半径Rとレーザのキヤビテイ長
Lを制御することにより、それぞれの構造で非点収差の
低減・効率の向上をはかつた。レーザの効率と非点収差
は、レーザのキヤビテイ長Lと曲面の曲率半径Rの比に
関係している。レーザの効率は、Lを小さくしRを大き
くすると高くすることができた。また、非点収差はL,R
ともに大きくすることにより低減をはかることができ
る。しかし、Rを大きくすると出射ビームの遠視野像が
広がつてしまうため、できるだけビームの広がりを小さ
くするためには、実用的なレーザキヤビテイ長200μm
程度では曲面の曲率半径20〜50μmとしたときが適して
おり、非点収差10μm程度で遠視野像の広がり20°にお
さえることができた。 また、端面の形状は円弧状としたが他の曲線でもよ
く、直線と曲線の組みあわせでも良い。さらに、GaAlAs
/GaAs系の材料を例としたが、InGaAsP/InP系、InGaAlP/
GaAs系などの他の材料においても全く同様の効果が期待
できることはいうまでもない。 実施例6 実施例の構造を第7図に示す。この構造は第7図
(a)に示すように、レーザ共振器のミラーとなる曲面
状の端面(21)と、この曲面状端面にはさまれたストラ
イプ状の電流注入領域(22)より成つており、電流注入
領域の断面構造は、第9図(b)に示すような、MOCVD
法による2回成長で形成したZn拡散による電流挟窄構造
を持つp−Ga0.5Al0.5As(26)/Ga0.86Al0.14As(25)/
n−Ga0.5Al0.5As(24)ダブルヘテロ構造と成つてい
る。電流注入領域における、光導波機構はいわゆる利得
ガイドであり、レーザは多モード発振をおこなうが、利
得ガイドの特徴である非点収差の原因となる波面の曲が
りが発生している。しかし、従来のへき開面を端面とし
た構造に変わり、RIE(reactive ion etching)法を用
いて曲面状の端面を形成した場合には端面のレンズ効果
により、端面により出射するレーザビームは、非点収差
の無い平面波とすることができる。第8図は、このよう
な平面波を得るために必要な曲面状の端面の形状を求め
るために、端面の曲率1/Rと、放射ビームの波面の曲率
(第8図(a))及び放射角度(第8図(b))の関係
を、電流挟窄幅2,5,10μmの場合について求めた実験結
果である。第2図より、2μmストライプの場合で1/R
が22.6mm1、5μmストライプの場合で1/R=12.3mm、10
μmストライプの場合で1/R=5.4mm付近で波面の曲率が
零となり、ビーム放射角度も極小と成る。以上の結果よ
り、レーザのストライプ幅に対して、端面の曲率を第9
図の斜線の範囲に設定することが適当と考えられる。上
記解析にもとずき端面曲率を最適化した曲端面レーザを
作製したところ、出射ビームの波面の曲がりがほとんど
なく、出射角度が1〜2度という狭いビームが得られ
た。 実施例7 第10図に示すような端面部分に作り付けのレンズ構造
を持つ構造を考案した。本構造を上方より見ると第10図
に示すような電流注入領域22と、この領域と曲面状の界
面を持つて接する、電流注入領域と異なる実効屈折率を
持つレンズ領域32及び共振器のミラーとなる半導体端面
からなつている。電流注入領域の構造はレーザストライ
プの中のみに電流を制限できる構造であればいかなる構
造でも可であるが、本実施例ではイオン打ち込みによる
半絶縁(GaAl)As層により電流挟窄を行う第11図のよう
な断面構造とした。レーザ構造は実施例1の場合と同様
のp−Ga0.5Al0.5As(26)/Ga0.86Al0.14As(25)/n−G
a0.5Al0.5As(24)ダブルヘテロ構造とした。端面のレ
ンズ領域を形成するための端面部分の屈折率の変化は、
基板にストライプと交わる方向の曲線状の段差を設けて
おき端面領域ではレーザ光が活性層から外れるようにし
た第12図のような構造により得た。段差の壁面の垂直性
を良くするため,段差の加工にはRIBE(reactive ion e
tching)法を用いた。導波路領域の実効屈折率は約3.2
でありクラツド層の屈折率は3.4なので約0.2の屈折率の
差が生じる。この場合の領域界面の曲率と、放射ビーム
の波面の曲率及びビーム放射角度の関係はそれぞれ第13
図(a)および(b)に示すようになつた。この結果よ
り放射ビームの波面の曲率が小さく放射角度が小さい条
件は第14図の斜線の領域と考えられる。一般に、レンズ
を形成する二つの媒質の屈折率をn12とした場合、屈
折率n1の媒質と空気により形成されるレンズ等価の効
果を得るには屈折率n1の媒質と空気により形成される
レンズの曲率のn1/(n2‐n1)倍の曲率が必要であ
る。本構造による半導体レーザを試作したところ実施例
1と同様に、出射ビームの波面の曲がりがほとんどな
く、出射角度が1〜2度という狭いビームが得られた。
しかも、本構造の場合は実施例1に比べレンズ部分の屈
折率差が小さいため、曲面加工時の面の荒れによる光の
散乱が少ないことやレンズの焦点距離の制御性が良いこ
となどの利点がある。 〔発明の効果〕 本発明によれば、半導体レーザにおいて単一横モード
でマルチ縦モードを実現でき、非点収差10μm以下で閾
電流30mA,50mWまでの高出力安定動作が確認できた。ま
た、戻り光量5%以内で相対雑音強度が1×10-13Hz-1
以下(温度0〜50℃)の低雑音特性が得られた。これに
より、コンパクト及びビデオデイスク用光源として要求
される条件を満足し、低雑音でビームを十分絞り込むこ
とのできる低収差の半導体レーザを作成できる効果があ
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device having a low astigmatism and suitable as a light source for a compact disk / video disk. [Prior Art] A gain-guided longitudinal multi-mode semiconductor laser can reduce noise, and is suitable for a compact and light source for video disks. However, the gain guided laser has a large astigmatism and a low quantum efficiency due to a loss of laser cavity, so that a high output stable operation cannot be obtained. To reduce astigmatism,
The reduction is achieved by making the end face of the semiconductor laser curved. In addition, a refractive index waveguide structure is effective for increasing the quantum efficiency and stabilizing a high output. Applied Physics Letter Vol. 47 No. 5 (1985)
Page 445 (Appl. Phys. Lett. Vol. 47, No. 5 (1985) P. 445)
Describes that a semiconductor laser with a curved end face has achieved a reduction in threshold current and a high output by means of a refractive index waveguide structure, but sufficient consideration has been given to reducing astigmatism. Not realized. Also Applied
Physics Letter Vol. 47, No. 10 (1985) No. 923 (A
ppl. Phys. Lett. Vol. 46, No. 10 (1985) P. 923) discusses the reduction of astigmatism of a semiconductor laser, but fails to obtain a good characteristic result. This is because the stripe width of the semiconductor laser is large and the lateral mode control is not sufficient, and the position of the laser beam waist determined by the relationship between the radius of curvature of the curved end face and the laser cavity length is a condition for reducing astigmatism of the semiconductor laser. It is considered that sufficient results have not been obtained. Further, a conventional semiconductor laser has a waveguide provided by utilizing a groove-like structure provided in a GaAs substrate, as shown in FIG. 15, for example. In this structure, the distance between the active layer of the laser and the GaAs substrate is different between the region above the groove and the other region, causing a difference in the effective refractive index between the two regions and causing the laser light to reach the groove region. Was trapped. When the refractive index difference between the two regions is sufficiently large, the semiconductor laser oscillates in a single longitudinal mode, and since the coherence of the laser is strong, the oscillation state becomes unstable due to return light from the disk surface. A problem of return light noise has occurred. On the other hand, when the difference in refractive index is small, light confinement due to the gain distribution of the active layer caused by the difference in current injection density becomes the main waveguide mechanism, longitudinal multimode oscillation occurs, and the optical noise becomes strong. The laser wavefront was bent by the effect of the gain distribution, and astigmatism occurred. As a means for obtaining an element that is resistant to return light noise and has small astigmatism, a method in which the refractive index difference is set to an intermediate region between the single mode and the multimode by optimizing the distance between the substrate and the active layer outside the groove. However, astigmatism cannot be completely eliminated. [Problems to be Solved by the Invention] In the above prior art, the laser end face is a curved semiconductor laser, and a high efficiency and high output stable operation is achieved as a refraction waveguide type structure, and the laser beam spreads at the time of single mode high output. However, it has not been sufficiently considered to reduce astigmatism by a laser structure, and there has been a problem that the laser beam is so large at low output that the laser beam cannot be narrowed down. An object of the present invention is to provide a gain-guided structure near the end face of a laser while taking advantage of the characteristics of high-efficiency and high-output stable operation of a semiconductor laser having a refractive index-guided structure, and to take into account the stripe width. To provide a semiconductor laser having a small astigmatism by controlling a curved end face shape in a longitudinal mode, and to provide a semiconductor laser having no astigmatism while performing multi-mode oscillation by solving the above-described problems of the semiconductor laser. It is in. [Means for Solving the Problems] The above-mentioned object is to consider the stripe width in a range where a single transverse mode can be obtained by using a refractive index waveguide structure at the center of the semiconductor laser and a gain waveguide structure near the end face. This is achieved by providing a curved surface shape having the center of an arc at the boundary point where the laser beam propagates from the refractive index waveguide to the gain waveguide on the laser end face. In a semiconductor laser having a gain-guided structure, the laser light wavefront is curved, and the apparent waist of the emitted beam is inside the element, causing astigmatism. This astigmatism is
This can be reduced by making the end face of the semiconductor laser a curved surface. However, a semiconductor laser having a curved laser end face has a high threshold current and may have low efficiency. The astigmatism and efficiency of a semiconductor laser having a curved end surface shape are related to the radius of curvature of the curved end surface and the cavity length of the laser, and by taking these into consideration, forming an appropriate curved end surface curvature radius and cavity length. , It is possible to reduce astigmatism of the output beam. 6 (a) and 6 (b) are examples of a conventional structure, and FIGS. 6 (c) and (d) are examples of the present invention. Further, as means for achieving the above object, in the present invention, the end face of the semiconductor laser is made to be a curved surface, and an area where the effective refractive index can be adjusted and controlled is provided near the end face, and this area and a normal waveguide area are provided. This is achieved by optimizing the curvature of this curved surface by studying that the end surface has a convex lens effect by making the interface of the curved surface a curved surface. [Function] The stripe width of the semiconductor laser is increased to 10 μm or more,
The multi-longitudinal mode laser having the gain waveguide structure has excellent low noise characteristics, but is inferior in low threshold current and high efficiency. In a semiconductor laser having a refractive index guided structure with a small laser cavity loss, high-efficiency, high-output stable operation can be expected. Therefore, by combining the laser end face portion with a gain waveguide structure and the central portion with a refractive index waveguide structure, efficiency can be improved and high output operation can be performed. The efficiency ratio between a laser having a curved end surface and a laser cleaved is determined by the ratio between the laser cavity length and the radius of curvature of the curved surface. That is, in order to improve the efficiency of a laser having a curved end face, it is necessary to reduce the laser cavity length and increase the radius of curvature of the curved surface. Further, in a semiconductor laser having a curved end surface shape, the beam spread may be reduced during high-power operation. The astigmatism of a semiconductor laser having a gain waveguide structure is determined by the spot width of the beam and the radius of curvature of the wavefront. This astigmatism can be reduced by making the laser end face into a curved end face shape.
That is, the beam spot becomes smaller on the convex end face, and the radius of curvature of the wavefront can be reduced by reducing the radius of curvature of the curved surface. Also, the beam spot becomes large on the concave end surface, and the wavefront radius of curvature can be reduced by reducing the radius of curvature of the curved surface. At this time, if the radius of curvature of the curved surface is determined so as to correspond to the interval of the gain waveguide type structure at the laser end face, the beam waist can be placed at the boundary point of the waveguide structure, so that from the end of the refractive index waveguide type structure. It is possible for the beam to occur. Further, according to the present invention, a semiconductor laser having a completely flat radiation wavefront while performing multimode oscillation resistant to return light noise was obtained. In addition, in the case of this structure, since the divergence angle of the radiation beam is narrower than that of a normal semiconductor laser, there is an advantage that the lens aperture when applied to a system can be reduced. Embodiment Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Example 1 Example 1 will be described with reference to FIG. Among the semiconductor laser structures, the first in the channeled stripe planar (CSP) type laser
As shown in FIG. 3A, a refractive index waveguide structure is provided at the center of the laser, and a gain waveguide structure is provided at the end face. That is, n-type Ga
Etching is performed on the As substrate 6 (thickness: 100 μm) using an appropriate mask to provide a ridge-shaped 1 μm step at the center, and a channel of 1 μm is provided extending in the stripe direction from one end face of the resonator to the other. Thereby, n-type
The distance between the GaAs substrate 6 and the active layer 8 formed on the substrate is narrowed at the center of the laser from the laser end face, and the effective refractive index difference between the channel and the active layer formed on both sides of the channel is reduced by the laser end face. The former is configured as a gain waveguide structure and the latter is configured as a refractive index waveguide structure so that the laser beam becomes larger at the center of the laser. Thereafter, an n-type Ga 1-x Al x As cladding layer 7 (thickness 0.5 μm, x = 0.
5), undoped Ga 1-y Al y As active layer 8 (thickness 0.1 μm, y =
0.14), p-type Ga 1-x Al x As clad layer 7 (thickness 1.5 μm, x =
0.5), a p-type GaAs cap layer 10 (1 μm thick) is grown. Thereafter, a p-type Zn diffusion region 13 is formed using a mask to provide a stripe-shaped current injection region. Next, p-type
A Mo-Aup electrode 12 is deposited on the GaAs cap layer, and an AuGeNi / Cr / Au electrode 11 is deposited on the n-type GaAs substrate. Further, a concave curved surface as shown in FIG. 1A is formed on the laser end surface by reactive ion beam etching using a suitable resist mask on the p-electrode. 1 (b) and 1 (c) are cross-sectional views of the laser device of FIG. 1 (a) cut out along the lines bb 'and cc'. The stripe width is 10 μm or less, which is suitable for a single transverse mode. At this time, a laser cavity length of 200 μm is suitable for a curved surface with a radius of curvature of 20 to 50 μm.
It could be 10 μm or less. In addition, stable operation with a threshold current of 30 mA and an output of 50 mV was realized in the multi-vertical mode. Embodiment 2 Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Among the semiconductor laser structures, a self-aligned structure (SAS) type laser is provided with a structure having the same effect as in the first embodiment.
In other words, the n-type-GeAs current pinching layer 14 is made of n-type Ga as shown in FIG. 2 (a) so that the laser center portion has a refractive index waveguide structure and the end surface has a gain waveguide type structure. A 1-x Al x As clad layer 9 is formed in a ridge shape by utilizing an etching step.
Other crystal layer growth can be performed in the same manner as in the first embodiment. Also,
In addition to the liquid phase growth method, a metal organic vapor phase growth method can also be used. FIGS. 2 (b) and 2 (c) respectively show b in FIG.
It is sectional drawing cut out by the line of -b ', cc'. In this example, the same result as that of Example 1 was obtained. Embodiment 3 Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Among the semiconductor laser structures, a structure having the same effect as that of the first embodiment is provided to a buried structure (BH) type laser. That is,
In order to make the laser center part a refractive index waveguide structure and the end face part a gain waveguide structure, after creating a normal double hetero structure, the laser center part is removed by etching using an appropriate mask. The buried layer 15 is formed by liquid crystal growth or metal organic chemical vapor deposition. Other crystal layer growth can be performed in the same manner as in the first embodiment. 3 (b) and 3 (c) are cross-sectional views cut along the lines bb 'and cc' in FIG. 3 (a), respectively. In this example, the same result as that of Example 1 was obtained. Embodiment 4 Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the above embodiment, the active layer is a flat layer, and the refractive index waveguide is weakened at the end face, as a method of forming the central part of the laser with the refractive index guided structure, and the both sides with the gain guided structure. The refractive index waveguide layer was not formed on the end face. In this embodiment, the same effect as in the above embodiment was obtained by forming the active layer of the laser such that a step was formed between the center portion and the end face portion. 4 and 5, the active layer 8 can be realized by crystal growth exactly the same as in the above embodiment, except that the active layer 8 is formed using etching so that a step is formed between the center and the end face. FIG. 4 shows an example in which the present invention is applied to the CSP type laser shown in FIG. 1, and (a) and (b) in FIG. 4 correspond to (b) and (c) in FIG. FIG. 5 shows an example in which the present invention is applied to the SAS type laser shown in FIG. 2, and FIGS. 5 (a) and 5 (b) correspond to FIGS. 2 (b) and 2 (c). In addition to the present embodiment, a laser having a window structure in which a transparent non-absorbing region n-type Ga 1-x Al x As layer is provided on the laser end face is also conceivable. This embodiment is inferior to the above embodiments in terms of the threshold current and high output of the laser, but has similar results in terms of noise and astigmatism. Example 5 In a semiconductor laser having a curved end surface, the radius of curvature R of the curved surface
By setting the parameter of the laser cavity length L to an appropriate value, astigmatism can be reduced and efficiency can be improved. By controlling the radius of curvature R of the curved surface and the cavity length L of the laser for the straight stripe and the laser whose stripe width changes at the end face as shown in FIG. As a result, astigmatism was reduced and efficiency was improved. Laser efficiency and astigmatism are related to the ratio of the laser cavity length L to the radius of curvature R of the curved surface. The efficiency of the laser could be increased by decreasing L and increasing R. The astigmatism is L, R
By increasing both, the reduction can be achieved. However, when R is increased, the far-field image of the output beam is widened. To reduce the beam spread as much as possible, a practical laser cavity length of 200 μm is required.
It is appropriate to set the radius of curvature of the curved surface to 20 to 50 μm, and the spread of the far-field image can be suppressed to 20 ° with astigmatism of about 10 μm. Further, the shape of the end face is arc-shaped, but may be another curve, or a combination of a straight line and a curve. Furthermore, GaAlAs
/ GaAs material was used as an example, but InGaAsP / InP, InGaAlP /
Needless to say, the same effect can be expected with other materials such as GaAs. Embodiment 6 FIG. 7 shows the structure of the embodiment. As shown in FIG. 7 (a), this structure comprises a curved end face (21) serving as a mirror of a laser resonator, and a stripe-shaped current injection region (22) sandwiched between the curved end faces. The cross-sectional structure of the current injection region is MOCVD as shown in FIG.
With current Kyo窄structure by forming the Zn diffusion twice growth by law p-Ga 0.5 Al 0.5 As ( 26) / Ga 0.86 Al 0.14 As (25) /
It has an n-Ga 0.5 Al 0.5 As (24) double heterostructure. In the current injection region, the optical waveguide mechanism is a so-called gain guide, and the laser performs multi-mode oscillation. However, a wavefront bending which causes astigmatism which is a characteristic of the gain guide occurs. However, instead of the conventional structure having a cleaved face as an end face, when a curved end face is formed by using RIE (reactive ion etching), a laser beam emitted from the end face becomes astigmatic due to a lens effect of the end face. A plane wave having no aberration can be obtained. FIG. 8 shows the curvature 1 / R of the end face, the curvature of the wave front of the radiation beam (FIG. 8 (a)) and the radiation to obtain the shape of the curved end face necessary to obtain such a plane wave. The relationship between the angles (FIG. 8 (b)) is an experimental result obtained for current confinement widths of 2, 5, and 10 μm. As shown in FIG. 2, 1 / R is obtained for a 2 μm stripe.
Is 22.6 mm 1 , 5 / μm stripe, 1 / R = 12.3 mm, 10
In the case of a μm stripe, the curvature of the wavefront becomes zero around 1 / R = 5.4 mm, and the beam radiation angle becomes minimal. From the above results, the curvature of the end face was set to the ninth with respect to the stripe width of the laser.
It is considered appropriate to set the range in the shaded area in the figure. Based on the above analysis, a curved end face laser having an optimized end face curvature was produced. As a result, the wave front of the emitted beam was hardly bent, and a narrow beam having an emission angle of 1 to 2 degrees was obtained. Example 7 A structure having a built-in lens structure on the end face as shown in FIG. 10 was devised. When this structure is viewed from above, a current injection region 22 as shown in FIG. 10, a lens region 32 having an effective refractive index different from that of the current injection region, and a mirror of a resonator, which are in contact with this region with a curved interface, are provided. From the end face of the semiconductor. The structure of the current injection region may be any structure as long as the current can be limited only in the laser stripe. In the present embodiment, the eleventh embodiment in which the current is confined by a semi-insulating (GaAl) As layer by ion implantation is used. The sectional structure was as shown in the figure. The laser structure is the same as that of the first embodiment, p-Ga 0.5 Al 0.5 As (26) / Ga 0.86 Al 0.14 As (25) / n-G
a 0.5 Al 0.5 As (24) Double hetero structure. The change in the refractive index of the end face part for forming the lens area of the end face is:
The substrate was provided with a curved step in the direction intersecting with the stripe, and the laser light was deviated from the active layer in the end face region. In order to improve the verticality of the wall surface of the step, RIBE (reactive ion e
tching) method was used. The effective refractive index of the waveguide region is about 3.2
Since the refractive index of the cladding layer is 3.4, a difference in the refractive index of about 0.2 occurs. In this case, the relationship between the curvature of the area interface, the curvature of the wavefront of the radiation beam, and the beam radiation angle is respectively 13th.
The results are as shown in FIGS. From these results, it is considered that the condition that the curvature of the wavefront of the radiation beam is small and the radiation angle is small is the shaded region in FIG. In general, if the refractive index of the two media forming the lens was n 1 n 2, the medium and the air having a refractive index n 1 to obtain the effect of lens equivalent formed by the medium and air refractive index n 1 the curvature of the n 1 / a lens formed (n 2 -n 1) is required times curvature. When a semiconductor laser having this structure was experimentally manufactured, a narrow beam having an emission angle of 1 to 2 degrees was obtained, as in Example 1, with almost no bending of the wavefront of the output beam.
In addition, in the case of this structure, since the difference in the refractive index of the lens portion is smaller than in the first embodiment, there are advantages such as less scattering of light due to surface roughness during curved surface processing and better controllability of the focal length of the lens. There is. [Effects of the Invention] According to the present invention, a multi-longitudinal mode can be realized in a single transverse mode in a semiconductor laser, and high output stable operation up to a threshold current of 30 mA and 50 mW with an astigmatism of 10 μm or less was confirmed. Further, the relative noise intensity is 1 × 10 -13 Hz -1 within 5% of the returning light quantity.
The following low noise characteristics (temperature 0 to 50 ° C.) were obtained. As a result, there is an effect that a semiconductor laser having a low aberration which can satisfy a condition required as a compact and light source for a video disk, and can sufficiently narrow a beam with low noise can be obtained.

【図面の簡単な説明】 第1,2,3図は本発明実施例を示す図で(a)は半導体レ
ーザ素子斜視図、(b)はストライプ方向縦断面図、
(c)はストライプと垂直方向横断面図、第4,5図は第
1,2図に関連する他の実施例を示し、第4,5図の(a),
(b)は第1,2図の(b),(c)に相当する図、第6
図は半導体レーザの曲端面形状と光導波路構造(ストラ
イプ形状の例)を示す図、第7図は実施例6を示す図、
第8図は端面でのビーム広がりを示す図、第9図は電流
挟窄幅と適切な端面曲率の関係図、第10図は実施例2の
装置の構造の表面図、第11図は実施例2の装置の構造の
電流注入領域の断面構造図、第12図は実施例2の装置の
構造のレンズ領域の構造図、第13図は領域界面の曲率半
径とビーム広がり角及び波面の曲率の関係図、第14図は
電流挟窄幅と適切な端面曲率の関係図、第15図は従来の
半導体レーザの構造図である。 1……凹形状レーザ端面、2……凸形状レーザ端面、3
……ストレートストライプ、4……端面部において中央
部より広い幅を有するストライプ、5……端面部におい
て中央部より狭い幅を有するストライプ、6……n−Ga
As基板、7……n−Ga0.5Al0.5Asクラツド層、8……ア
ンドープGa1-xAlxAs活性層、9……P−Ga0.5Al0.5Asク
ラツド層、10……P−GaAsキヤツプ層、11……n電極
(AuGeNi/Cr/Au)、12……P電極(Au/Mo)、13……P
+−Zn拡散層、14……n−GaAs電流挟窄層、15……n−
Ga0.5Al0.5As埋め込み層、16……Al23‐SiO2絶縁層、
21……曲面状の端面、22……電流注入領域、23……GaAs
基板、24……n−GaAlAsクラツド層、x=0.5、25……G
aAlAs活性層、x=0.14、26……p−GaAlAsクラツド
層、x=0.5、27……n−GaAs層、28……p−GaAs埋込
層、29……p電極、30……n電極、32……レンズ領域、
33……水素イオン打ち込み領域、34……基板段差。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIGS. 1, 2 and 3 show an embodiment of the present invention, wherein (a) is a perspective view of a semiconductor laser device, (b) is a longitudinal sectional view in the stripe direction,
(C) is a vertical cross section of the stripe, and FIGS.
Another embodiment related to FIGS. 1 and 2 is shown, and FIGS.
(B) is a diagram corresponding to (b) and (c) in FIGS.
FIG. 7 is a diagram showing a curved end surface shape and an optical waveguide structure (an example of a stripe shape) of a semiconductor laser. FIG. 7 is a diagram showing Example 6.
FIG. 8 is a view showing the beam spread at the end face, FIG. 9 is a view showing the relationship between the current confinement width and an appropriate end face curvature, FIG. FIG. 12 is a cross-sectional structural view of a current injection region in the structure of the device of Example 2, FIG. 12 is a structural diagram of a lens region of the structure of the device in Example 2, and FIG. FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the current pinching width and an appropriate end face curvature, and FIG. 15 is a diagram showing the structure of a conventional semiconductor laser. 1... Concave laser end face, 2... Convex laser end face, 3
... A straight stripe, 4... A stripe having a width wider than the center at the end face, 5... A stripe having a width narrower than the center at the end face, 6.
As substrate, 7 ...... n-Ga 0.5 Al 0.5 As Kuratsudo layer, 8 ...... undoped Ga 1-x Al x As active layer, 9 ...... P-Ga 0.5 Al 0.5 As Kuratsudo layer, 10 ...... P-GaAs cap Layer, 11 n-electrode (AuGeNi / Cr / Au), 12 P-electrode (Au / Mo), 13 P
+ -Zn diffusion layer, 14 ... n-GaAs current pinching layer, 15 ... n-
Ga 0.5 Al 0.5 As buried layer, 16 ...... Al 2 O 3 -SiO 2 insulating layer,
21: curved end face, 22: current injection area, 23: GaAs
Substrate, 24 ... n-GaAlAs clad layer, x = 0.5, 25 ... G
aAlAs active layer, x = 0.14, 26 ... p-GaAlAs cladding layer, x = 0.5, 27 ... n-GaAs layer, 28 ... p-GaAs buried layer, 29 ... p electrode, 30 ... n electrode , 32 ... lens area,
33 ... hydrogen ion implantation area, 34 ... substrate step.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中塚 慎一 国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 山下 茂雄 国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 山中 明実 小諸市大字柏木字東大道下190番地 株 式会社日立製作所小諸分工場内 (72)発明者 梶村 俊 国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭53−80185(JP,A) 特開 昭55−107289(JP,A) 特開 昭61−253881(JP,A) 特開 昭60−66890(JP,A) 特開 昭61−112392(JP,A)   ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Shinichi Nakatsuka               1-280 Higashi Koigabo, Kokubunji-shi               Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Shigeo Yamashita               1-280 Higashi Koigabo, Kokubunji-shi               Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Akemi Yamanaka               190 Komogi-shi               In the Komoro branch factory of Hitachi, Ltd. (72) Inventor Shun Kajimura               1-280 Higashi Koigabo, Kokubunji-shi               Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.                (56) References JP-A-53-80185 (JP, A)                 JP-A-55-107289 (JP, A)                 JP-A-61-253881 (JP, A)                 JP-A-60-66890 (JP, A)                 JP-A-61-112392 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.活性層と該活性層に電流を注入するストライプ状の
電流注入領域とを含む該ストライプ方向にレーザ光を発
振するための共振器構造を有し、 上記共振器構造の端面は曲面状に形成され、 上記共振器構造は上記ストライプ方向に上記曲面状の端
面を含む第1領域と該第1領域に挟まれた第2領域から
なり、且つ上記活性層において上記ストライプ状電流注
入領域に対向する部分と該対向する部分以外の実効屈折
率差は上記第1領域より上記第2領域で大きくなるよう
に構成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
(57) [Claims] A resonator structure for oscillating laser light in a stripe direction including an active layer and a stripe-shaped current injection region for injecting a current into the active layer; an end face of the resonator structure is formed in a curved surface shape; The resonator structure includes a first region including the curved end face in the stripe direction and a second region sandwiched between the first regions, and a portion of the active layer facing the stripe-shaped current injection region. A semiconductor laser device wherein an effective refractive index difference between the first region and the second region is larger than the first region.
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