JP2740762B2 - Integrated semiconductor laser device - Google Patents

Integrated semiconductor laser device

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JP2740762B2 JP60240534A JP24053485A JP2740762B2 JP 2740762 B2 JP2740762 B2 JP 2740762B2 JP 60240534 A JP60240534 A JP 60240534A JP 24053485 A JP24053485 A JP 24053485A JP 2740762 B2 JP2740762 B2 JP 2740762B2
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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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/40Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031Edge-emitting structures

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、集積型半導体レーザ装置に係り、特にそ
のモード制御に関するものである。 〔従来の技術〕 第3図は従来の集積型半導体レーザ装置の断面図であ
り、図に於て(1)はP型GaAsからなる半導体基板、
(2)はこの半導体基板(1)上に形成されたn型GaAs
からなる半導体層、(3)はこの半導体層(2)を間隔
(d)を2〔μm〕でストライプ状にエッチングして形
成された幅(W)が3.5(μm)の導波路となるストラ
イプ溝で、このストライプ溝(3)の屈折率とストライ
プ溝(3)間における等価屈折率差が0.002のものであ
る。(4)は上記半導体層(2)上及びストライプ溝
(3)部に形成されたP型AlGaAsからなる下クラッド
層、(5)はこの下クラッド層(4)上に形成されたP
型AlGaAsからなる活性層、(6)は上記ストライプ溝
(3)上の活性層(5)に形成される活性領域、(7)
は上記活性層(5)に形成されたn型AlGaAsからなる上
クラッド層である。 次に第3図についてその動作を説明する。レーザチッ
プに電圧を印加すると、電流は半導体層(2)で阻止さ
れ、ストライプ溝(3)だけを集中して流れる。そのた
め、この部分の活性層(5)だけが活性領域(6)とな
る。活性領域で生じた光は、上クラッド層(7)と下ク
ラッド層(4)によって上下方向に、またストライプ溝
(3)とその外側との等価屈折率及び損失の差により水
平方向に閉じ込められ発振する。 個々のストライプ溝で発振したレーザ光は、互いに光
結合を起こし全体で固有のモードすなわち、スーパーモ
ードを形成する。ストライプ溝数がN個あれば、N個の
スーパーモードが存在し、ν=1,2,……,Nで記述され
る。ほとんどの集積レーザでは、電解強度分布と利得分
布の形が似ているν=Nの最高次のスーパーモード
(8)が最も利得が大きく、次にν=1の基本モード
(9)が大きいことが知られている(第4図)。 〔発明が解決しようとする問題点〕 従来の集積型半導体レーザ装置は、以上のように構成
されているので、ストライプ溝(3)間部の半導体層
(2)で電解強度が0になる最高次のスーパーモード
(8)が最も損失が少ないから最も立ち易く、その為、
遠視野像はレーザ光を出射する端面に対し法線方向で極
小となるから、例えばファイバーとの結合を図る場合、
非常に結合がしにくくなる等の問題点があった。 この発明は遠視野像を端面に対し法線方向で極大にし
得る集積型半導体レーザ装置を得ることを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明に係る集積型半導体レーザ装置は、各導波路
における等価屈折率とこの導波路に隣接した各導波路間
における等価屈折率差との差の値に対応して上記各導波
路間に於る半導体層の幅および上記各導波路の幅を制限
することにより、互いに光結合によって生ずる固有のモ
ードを除去するようにしたものである。 〔作 用〕 この発明に係る集積型半導体レーザ装置は、光結合に
よって生ずる固有のモードすなわち、スーパーモードの
うちの最高次のスーパーモードを除去するように構成さ
れているから、上記最高次のスーパーモードの次に利得
の大きい基本モードが立ち易くなるものである。Maxwel
lの方程式より第2図の最高次スーパーモードのカット
オフ条件を導いた過程を詳述する。 Maxwellの方程式は、 ▽×E=−∂B/∂t ▽×H=i+∂D/∂t ▽・D=ρ ▽・B=0 ここでE:電界、B:磁束密度 B=μH、μ:透磁率、
H:磁界、i:電流密度 i=σE、σ:導電率、D:電束密
度 D=εEである。 損失のない半導体層で、μ=μ(μ0:真空の透磁
率)、σ=0となるから、上式は ▽×E−μ∂H/∂t ▽×H=ε∂E/∂t となる。 第5図において、TEモードの場合x方向の電界は、 ∂2Ey/∂x2+(n2k0 2−β)Ey=0 に従う。ここでn:各半導体層の屈折率、β:ωμ
ε、ω=2πν、ν:周波数、k0=2π/λ0 λ0:真
空中の波長である。 この解は、一般に各半導体層毎に Ey=Aexp(jγx)+Bexp(−jγx) で表されるが実際に半導体層I〜IV全体で存在が許容さ
れる電界強度分布(モード)は各半導体層の境界で、連
続、滑らかな分布をするものだけである。 ここでA,B:定数、j:複素数、γ=n2k0 2+βであ
る。 即ち第5図では3つの境界があるので、 x=0の境界で、Ey I=Ey II,∂Ey I/∂x=∂Ey II/
∂x x=wの境界で、Ey II=Ey III,∂Ey II/∂x=∂Ey I
II/∂x x=w+dの境界で、Ey III=Ey IV,∂Ey III/∂x=
∂Ey IV/∂x の6つの方程式が成り立つモードだけが実際に存在し得
る。 ここでEy I、Ey II、Ey III、Ey IVは各半導体層中で
の電界である。第1図のストライプ数が10ある場合に
は、半導体層の境界が20ある場合に相当する。従って、
このアレイレーザに存在が可能な電界強度分布(スーパ
ーモード)は、計40の境界条件を満たすものだけにな
る。通常ストライプ数が10の場合には、10のスーパーモ
ードが立ち得るが、ストライプ幅w、ストライプ間隔d
および各領域の屈折率nの値を調整することによって、
この40個の境界条件を満たすスーパーモード数を最高次
のスーパーモードを許容できなくした9個にすることが
できる。 [実施例] 以下、この発明の一実施例を第1図を用いて説明す
る。図に於て、(1)ないし(7)は従来と同一のもの
であり、(11)は半導体層(2)をエッチングして形成
された10連のストライプ溝よりなる10連の導波路で、こ
の導波路(11)は、導波路(11)における等価屈折率と
この導波路(11)に隣接した導波路(11)間における等
価屈折率との差の値すなわち等価屈折率差(Δn)を0.
002とし、この差の値(Δn)に応じて上記各導波路(1
1)の幅(W)を2〔μm〕とし、各導波路(11)間に
於る各半導体層(2)の幅(d)を2〔μm〕としたも
のであり、これによって最高次のスーパーモードを除去
するようにしたものである。 すなわち、固有のモードは、屈折率分布と光の波長が
決っていれば一義的に定まる。つまり、電磁気の基本方
程式であるMaxwellの方程式をこの屈折率分布の境界条
件で解くと各モードを決定する伝播定数が求まる。しか
しながら、ある屈折率差Δnに対し、導波路(11)の幅
(W)とその間隔(d)を小さくしていくと、高い次数
のモードから、それに対する解が存在しなくなる。すな
わち、そのモードはカットオフされ、伝播定数は存在し
なくなる。これが、固有のモードが除去でる理由であ
る。 以上の様に構成された集積型半導体レーザ装置は、最
高次のスーパーモードを除去するように構成されている
ので、最高次のスーパーモードは如何にモード利得が高
いとしても決して励起されることはなく、従って2番目
にモード利得が高いν=1の基本モードで発振し、これ
によって遠視野像が端面に対し法線方向で極大になるも
のである。また、等価屈折率差(Δn)は安定した発振
を持続させるために活性領域へのキャリアの注入による
屈折率の低下を考慮して選択され、かつ導波路となるス
トライプ溝(11)の幅(W)及びその間隔(d)は現存
の技術をもって容易に形成できる大きさであるので、歩
留り良くかつ信頼性を有して製造することができるもの
である。 なお、上記実施例に於ては、等価屈折率差(Δn)を
0.002、導波路(11)の幅(W)及びその間隔(d)を
2〔μm〕としたが、これらの値に限られるものではな
く、マックスウエルの方程式により導出される最高次の
スーパーモードを除去するための条件を満たすものであ
れば良く、例えば第2図に示す様に、等価屈折率差(Δ
n)を0.0015,0.0034,0.002とした時に描かれる各々の
曲線の左側に於て導波路(11)の幅(W)及び間隔
(d)を選択し、その値でストライプ溝(11)を形成す
れば良いものである。 また、上記実施例に於ては、導波路(11)をストライ
プ状の溝にて形成したが、リッジと呼ばれる突出体によ
って導波路を形成しても良いものである。 〔発明の効果〕 この発明は以上説明した様に、各導波路の屈折率とこ
の導波路に隣接した各導波路間における等価屈折率差と
の差の値に対応して上記各導波路間に於る半導体層の幅
および上記各導波路の幅を制限することにより、互いに
光結合によって生ずる固有のモードすなわち最高次のス
ーパーモードを除去するようにしているから、上記最高
次のスーパーモードの次に利得の大きい基本モードが立
ち易くなり、これによって遠視野像を端面に対し法線方
向で極大にすることができるという効果を有するもので
ある。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an integrated semiconductor laser device, and more particularly to a mode control thereof. [Prior Art] FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional integrated semiconductor laser device, in which (1) is a semiconductor substrate made of P-type GaAs,
(2) is an n-type GaAs formed on the semiconductor substrate (1).
A semiconductor layer (3) is formed by etching the semiconductor layer (2) in a stripe shape at an interval (d) of 2 [μm] and forming a waveguide having a width (W) of 3.5 (μm). The difference between the refractive index of the stripe groove (3) and the equivalent refractive index between the stripe grooves (3) is 0.002. (4) is a lower cladding layer of P-type AlGaAs formed on the semiconductor layer (2) and the stripe groove (3), and (5) is a P-type AlGaAs layer formed on the lower cladding layer (4).
(6) is an active region formed in the active layer (5) on the stripe groove (3); (7)
Is an upper cladding layer made of n-type AlGaAs formed on the active layer (5). Next, the operation will be described with reference to FIG. When a voltage is applied to the laser chip, the current is blocked by the semiconductor layer (2) and flows only in the stripe groove (3). Therefore, only the active layer (5) in this portion becomes the active region (6). Light generated in the active region is vertically confined by the upper cladding layer (7) and the lower cladding layer (4), and horizontally confined by the difference in equivalent refractive index and loss between the stripe groove (3) and the outside thereof. Oscillate. The laser beams oscillated in the individual stripe grooves cause optical coupling with each other to form a unique mode as a whole, that is, a super mode. If the number of stripe grooves is N, there are N super modes, which are described by ν = 1, 2,..., N. For most integrated lasers, the highest-order supermode (8) with ν = N, which has a similar shape of the field strength distribution and the gain distribution, has the largest gain, and the fundamental mode (9) with ν = 1 next has the largest. Is known (FIG. 4). [Problems to be Solved by the Invention] Since the conventional integrated semiconductor laser device is configured as described above, it is the highest that the electrolytic strength becomes zero in the semiconductor layer (2) between the stripe grooves (3). The next super mode (8) is the easiest to stand because it has the least loss,
Since the far-field image is minimized in the normal direction to the end face from which the laser light is emitted, for example, when coupling with a fiber,
There have been problems such as extremely difficult bonding. An object of the present invention is to provide an integrated semiconductor laser device capable of maximizing a far-field image in a direction normal to an end face. [Means for Solving the Problems] The integrated semiconductor laser device according to the present invention is characterized in that the value of the difference between the equivalent refractive index in each waveguide and the equivalent refractive index difference between each waveguide adjacent to this waveguide is reduced. Correspondingly, by limiting the width of the semiconductor layer between the respective waveguides and the width of the respective waveguides, an inherent mode caused by optical coupling with each other is eliminated. [Operation] The integrated semiconductor laser device according to the present invention is configured to remove a unique mode generated by optical coupling, that is, the highest-order supermode among the supermodes. The basic mode having the largest gain next to the mode is easily set. Maxwel
The process of deriving the cutoff condition of the highest-order supermode in FIG. 2 from the equation of l will be described in detail. Maxwell's equation is as follows: ▽ × E = −∂B / ∂t ▽ × H = i + ∂D / ∂t ▽ · D = ρ ▽ · B = 0 where E: electric field, B: magnetic flux density B = μH, μ : Magnetic permeability,
H: magnetic field, i: current density i = σE, σ: conductivity, D: electric flux density D = εE. Since μ = μ 00 : magnetic permeability in vacuum) and σ = 0 in a semiconductor layer without loss, the above equation is expressed as ▽ × E−μ 0 ∂H / ∂t ▽ × H = ε∂E / ∂t. In FIG. 5, in the case of the TE mode, the electric field in the x direction follows ∂ 2 Ey / ∂x 2 + (n 2 k 0 22 ) Ey = 0. Where n: refractive index of each semiconductor layer, β: ω 2 μ
0 ε, ω = 2πν, ν: frequency, k 0 = 2π / λ 0 λ 0 : wavelength in vacuum. This solution is generally expressed as Ey = Aexp (jγx) + Bexp (−jγx) for each semiconductor layer, but the electric field intensity distribution (mode) that is actually allowed to exist in the entirety of the semiconductor layers I to IV is as follows. At the boundaries of, only those that have a continuous and smooth distribution. Here, A and B are constants, j is a complex number, and γ = n 2 k 0 2 + β 2 . That is, since there are three boundaries in FIG. 5, at the boundary of x = 0, Ey I = Ey II, ∂Ey I / ∂x = ∂Ey II /
At the boundary of ∂xx = w, Ey II = Ey III, ∂Ey II / ∂x = ∂Ey I
II / ∂xx At the boundary of x = w + d, Ey III = Ey IV, ∂Ey III / ∂x =
Only the mode in which the six equations of ∂Ey IV / ∂x hold can actually exist. Here, Ey I, Ey II, Ey III, and Ey IV are electric fields in each semiconductor layer. The case where there are 10 stripes in FIG. 1 corresponds to the case where there are 20 boundaries between semiconductor layers. Therefore,
The electric field intensity distribution (super mode) that can be present in this array laser is only one that satisfies a total of 40 boundary conditions. Normally, when the number of stripes is 10, a super mode of 10 can be established.
And by adjusting the value of the refractive index n of each region,
The number of super modes satisfying these 40 boundary conditions can be reduced to nine, where the highest-order super mode is no longer allowed. Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. In the figure, (1) to (7) are the same as those of the prior art, and (11) is a 10-waveguide consisting of 10 stripe grooves formed by etching the semiconductor layer (2). The waveguide (11) has a value of a difference between an equivalent refractive index in the waveguide (11) and an equivalent refractive index between the waveguides (11) adjacent to the waveguide (11), that is, an equivalent refractive index difference (Δn ) To 0.
002, and each of the above waveguides (1
The width (W) of (1) is 2 [μm], and the width (d) of each semiconductor layer (2) between the waveguides (11) is 2 [μm]. The super mode is removed. That is, the unique mode is uniquely determined if the refractive index distribution and the wavelength of light are determined. That is, when Maxwell's equation, which is a basic equation of electromagnetics, is solved under the boundary condition of the refractive index distribution, a propagation constant that determines each mode is obtained. However, when the width (W) of the waveguide (11) and the interval (d) thereof are reduced with respect to a certain refractive index difference Δn, there is no solution for a higher-order mode. That is, the mode is cut off and the propagation constant no longer exists. This is why unique modes can be eliminated. The integrated semiconductor laser device configured as described above is configured to remove the highest-order supermode, so that the highest-order supermode is never excited no matter how high the mode gain is. Therefore, oscillation occurs in the fundamental mode with the second highest mode gain, ν = 1, whereby the far-field image is maximized in the direction normal to the end face. The equivalent refractive index difference (Δn) is selected in consideration of a decrease in the refractive index due to injection of carriers into the active region in order to maintain stable oscillation, and the width of the stripe groove (11) serving as a waveguide ( Since W) and the interval (d) are of a size that can be easily formed by existing technology, they can be manufactured with good yield and reliability. In the above embodiment, the equivalent refractive index difference (Δn) is
Although 0.002, the width (W) of the waveguide (11) and the interval (d) thereof were set to 2 [μm], the present invention is not limited to these values, and the highest-order supermode derived from Maxwell's equation What is necessary is to satisfy the condition for removing the refractive index. For example, as shown in FIG. 2, the equivalent refractive index difference (Δ
The width (W) and interval (d) of the waveguide (11) are selected on the left side of each curve drawn when n) is set to 0.0015, 0.0034, 0.002, and the stripe groove (11) is formed with the values. It is good to do. In the above embodiment, the waveguide (11) is formed by a stripe-shaped groove, but the waveguide may be formed by a protrusion called a ridge. [Effects of the Invention] As described above, the present invention relates to the above-described waveguides corresponding to the difference between the refractive index of each waveguide and the equivalent refractive index difference between the waveguides adjacent to the waveguide. By limiting the width of the semiconductor layer and the width of each of the above-mentioned waveguides, a unique mode caused by optical coupling with each other, that is, the highest-order supermode is removed. Next, a fundamental mode having the next largest gain is easily formed, which has an effect that the far-field image can be maximized in the normal direction to the end face.

【図面の簡単な説明】 第1図(a)はこの発明の一実施例を示す集積型半導体
レーザ装置の断面図、第1図(b)は第1図(a)に於
る装置の屈折率分布を示す図、第2図は固有のモードを
除去しうる導波路の幅、及び導波路間に於る半導体層の
幅、並びに等価屈折率差の関係を示す図、第3図は従来
の集積型半導体レーザ装置を示す断面図、第4図は基本
モード及び最高次のスーパーモードを示す図、第5図は
半導体層の座標軸を示す模式図である。 図に於て(2)は半導体層、(5)は活性層、(8)は
固有のモード、(11)は導波路である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示すもの
である。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 (a) is a sectional view of an integrated semiconductor laser device showing one embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is the refraction of the device shown in FIG. 1 (a). FIG. 2 is a diagram showing a refractive index distribution, FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the width of a waveguide capable of removing an inherent mode, the width of a semiconductor layer between waveguides, and the equivalent refractive index difference, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing a fundamental mode and a highest-order super mode, and FIG. 5 is a schematic diagram showing coordinate axes of a semiconductor layer. In the figure, (2) is a semiconductor layer, (5) is an active layer, (8) is an inherent mode, and (11) is a waveguide. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.活性層で生じたレーザ光が複数のストライプにより
形成された複数個の導波路を伝搬する集積型半導体レー
ザ装置において、各導波路の屈折率とこの導波路に隣接
した各導波路間における半導体層の屈折率との差の値に
対応して上記各導波路間における半導体層の幅および上
記各導波路の幅をマックスウエルの方程式により導出さ
れる最高次のスーパーモードを除去するための条件を満
たすように決定することにより、互いに光結合によって
生ずるスーパーモードのうち最高次のモードを除去する
ようにしたことを特徴とする集積型半導体レーザ装置。
(57) [Claims] In an integrated semiconductor laser device in which a laser beam generated in an active layer propagates through a plurality of waveguides formed by a plurality of stripes, a refractive index of each waveguide and a semiconductor layer between each waveguide adjacent to the waveguide. The width of the semiconductor layer between the waveguides and the width of the waveguides corresponding to the value of the difference between the refractive index and the width of the waveguide are defined as conditions for removing the highest-order supermode derived from Maxwell's equation. An integrated semiconductor laser device wherein the highest order mode among super modes generated by optical coupling with each other is removed by determining to satisfy the condition.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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電子通信学会技術研究報告OQE86−64(1986年)P.25〜30

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