JP2913946B2 - 量子井戸型半導体レーザ - Google Patents
量子井戸型半導体レーザInfo
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- JP2913946B2 JP2913946B2 JP3270353A JP27035391A JP2913946B2 JP 2913946 B2 JP2913946 B2 JP 2913946B2 JP 3270353 A JP3270353 A JP 3270353A JP 27035391 A JP27035391 A JP 27035391A JP 2913946 B2 JP2913946 B2 JP 2913946B2
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- Japan
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は量子井戸型半導体レーザ
に関する。具体的にいうと、本発明は、ファブリペロー
型共振器構造をもつ多重量子井戸型半導体レーザに関す
る。
に関する。具体的にいうと、本発明は、ファブリペロー
型共振器構造をもつ多重量子井戸型半導体レーザに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の一般的な半導体レーザでは、周囲
温度の上昇に伴って活性層のバンドギャップが縮小する
ため、発光波長が長波長側へシフトすること（正特性）
が知られており、温度による波長変動（例えば、約０.
２７ｎｍ／℃）が大きかった。
温度の上昇に伴って活性層のバンドギャップが縮小する
ため、発光波長が長波長側へシフトすること（正特性）
が知られており、温度による波長変動（例えば、約０.
２７ｎｍ／℃）が大きかった。
【０００３】半導体レーザから放射されるレーザ光の発
光波長に温度依存性が存在すると、例えばレンズを用い
てレーザ光を集光もしくはコリメートする場合、温度変
化によって焦点位置がずれるという問題を引き起こす。
このため、半導体レーザは、周囲温度の変化に対する波
長変動の小さいこと（温度安定性）が要求される。
光波長に温度依存性が存在すると、例えばレンズを用い
てレーザ光を集光もしくはコリメートする場合、温度変
化によって焦点位置がずれるという問題を引き起こす。
このため、半導体レーザは、周囲温度の変化に対する波
長変動の小さいこと（温度安定性）が要求される。
【０００４】一方、ＯＱＥ（Optical Quantum Electron
ics）；１９９１，Vol.１４（電子情報通信学会発行）
に掲載された論文によれば、量子井戸内に２以上の量子
準位を有する１重量子井戸構造の半導体レーザを用い、
共振器長を最適化することによって特定の温度範囲で波
長の変化が負特性を示すことが報告されている。
ics）；１９９１，Vol.１４（電子情報通信学会発行）
に掲載された論文によれば、量子井戸内に２以上の量子
準位を有する１重量子井戸構造の半導体レーザを用い、
共振器長を最適化することによって特定の温度範囲で波
長の変化が負特性を示すことが報告されている。
【０００５】図７はこの負特性を原理的に説明するため
の図である。図７（ａ）に示すような２準位系の１重量
子井戸構造を考えると、その発光波長の温度特性は図７
（ｂ）で示される。いま、量子準位間の遷移を考慮しな
ければ、最低準位（基底準位）Ｅ0にある電子が誘導放
出するレーザ光の発光波長λは正特性を示し、図７
（ｂ）の破線イに示すように、温度Ｔが上昇すると発光
波長λが長くなる。同様に、上の準位（第１励起準位）
Ｅ1にある電子が誘導放出するレーザ光の発光波長λも
正特性を示すが、最低準位Ｅ0よりもエネルギーが大き
いので、破線イよりも短波長側へシフトした破線ロのよ
うな特性になる。ところが、共振器長を短くすると、上
の量子準位Ｅ1への遷移が起こり易くなり、低温で最低
準位Ｅ0にあった電子は温度Ｔの上昇に伴って次第に上
の準位Ｅ1へ遷移する。半導体レーザは、この遷移過程
においても発光するので、発光波長λの温度特性を示す
曲線は破線イから破線ロへ移行し、実曲線ハのような特
性カーブで表わされる。したがって、破線イから破線ロ
へ変化する途中では負特性を示し、温度Ｔの上昇に伴っ
て発光波長λが短くなる。
の図である。図７（ａ）に示すような２準位系の１重量
子井戸構造を考えると、その発光波長の温度特性は図７
（ｂ）で示される。いま、量子準位間の遷移を考慮しな
ければ、最低準位（基底準位）Ｅ0にある電子が誘導放
出するレーザ光の発光波長λは正特性を示し、図７
（ｂ）の破線イに示すように、温度Ｔが上昇すると発光
波長λが長くなる。同様に、上の準位（第１励起準位）
Ｅ1にある電子が誘導放出するレーザ光の発光波長λも
正特性を示すが、最低準位Ｅ0よりもエネルギーが大き
いので、破線イよりも短波長側へシフトした破線ロのよ
うな特性になる。ところが、共振器長を短くすると、上
の量子準位Ｅ1への遷移が起こり易くなり、低温で最低
準位Ｅ0にあった電子は温度Ｔの上昇に伴って次第に上
の準位Ｅ1へ遷移する。半導体レーザは、この遷移過程
においても発光するので、発光波長λの温度特性を示す
曲線は破線イから破線ロへ移行し、実曲線ハのような特
性カーブで表わされる。したがって、破線イから破線ロ
へ変化する途中では負特性を示し、温度Ｔの上昇に伴っ
て発光波長λが短くなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記のように負特性を
示す量子井戸レーザにおいては、正特性から負特性へ移
行する境界領域Ｒ１、あるいは負特性から正特性へ移行
する境界領域Ｒ２で発光波長λの温度変動が少なくなっ
ている。しかし、このような量子井戸レーザでは、波長
変動の少ない温度領域が狭いという問題がある。
示す量子井戸レーザにおいては、正特性から負特性へ移
行する境界領域Ｒ１、あるいは負特性から正特性へ移行
する境界領域Ｒ２で発光波長λの温度変動が少なくなっ
ている。しかし、このような量子井戸レーザでは、波長
変動の少ない温度領域が狭いという問題がある。
【０００７】本発明は叙上の従来技術の問題点に鑑みて
なされたものであり、その目的とするところは、広い温
度領域にわたって温度安定性が高い量子井戸型反導体レ
ーザを提供することにある。
なされたものであり、その目的とするところは、広い温
度領域にわたって温度安定性が高い量子井戸型反導体レ
ーザを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の量子井戸型半導
体レーザは、ファブリペロー型多重量子井戸半導体レー
ザにおいて、互いに井戸幅の異なる２以上の量子井戸を
設け、高次の量子準位に対応する発光波長での反射率ほ
ど高反射率となった端面コートを少なくとも一方の出射
端面に施したことを特徴としている。
体レーザは、ファブリペロー型多重量子井戸半導体レー
ザにおいて、互いに井戸幅の異なる２以上の量子井戸を
設け、高次の量子準位に対応する発光波長での反射率ほ
ど高反射率となった端面コートを少なくとも一方の出射
端面に施したことを特徴としている。
【０００９】
【作用】本発明にあっては、井戸幅の異なる２以上の量
子井戸を設けているので、各量子井戸毎に量子準位が異
なる。このため、電子（正孔）は、エネルギーレベルの
異なる多数の量子準位を占有することが可能になる。さ
らに、高次の量子準位に対応する発光波長ほど高反射率
となった端面コートを少なくとも一方の出射端面に施し
ているので、短波長側でゲインが高くなって電子が高次
の量子準位へ遷移し易くなる。この結果、温度が上昇し
てゆくと小さな間隔で正特性の領域と負特性の領域が繰
り返され、全体として温度による発光波長の変動が小さ
くなる。
子井戸を設けているので、各量子井戸毎に量子準位が異
なる。このため、電子（正孔）は、エネルギーレベルの
異なる多数の量子準位を占有することが可能になる。さ
らに、高次の量子準位に対応する発光波長ほど高反射率
となった端面コートを少なくとも一方の出射端面に施し
ているので、短波長側でゲインが高くなって電子が高次
の量子準位へ遷移し易くなる。この結果、温度が上昇し
てゆくと小さな間隔で正特性の領域と負特性の領域が繰
り返され、全体として温度による発光波長の変動が小さ
くなる。
【００１０】
【実施例】図１は本発明の一実施例によるファブリペロ
ー型共振器構造を有する多重量子井戸型半導体レーザ素
子１の構造を示す断面図である。これは、ｎ−ＧａＡｓ
基板２の上に例えば分子線エピタキシャル成長（ＭＢ
Ｅ）法によりｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３、厚み
３μｍの活性層４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
５、ｐ−ＧａＡｓキャップ層６を順次成長させ、キャッ
プ層６の上面にｐ型電極７を設け、基板２の下面にｎ型
電極８を設けたものである。
ー型共振器構造を有する多重量子井戸型半導体レーザ素
子１の構造を示す断面図である。これは、ｎ−ＧａＡｓ
基板２の上に例えば分子線エピタキシャル成長（ＭＢ
Ｅ）法によりｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３、厚み
３μｍの活性層４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
５、ｐ−ＧａＡｓキャップ層６を順次成長させ、キャッ
プ層６の上面にｐ型電極７を設け、基板２の下面にｎ型
電極８を設けたものである。
【００１１】上記活性層４は多重量子井戸構造（図２及
び図３では４重量子井戸構造となっている。）となって
おり、井戸層と障壁層とが交互に積層されたＳＣＨ構造
となっている。この量子井戸構造はＡｌxＧａ1-xＡｓの
Ａｌ組成ｘを変化させることによって実現されている。
図２は活性層４付近におけるＡｌ組成比ｘを表わしてお
り、上下クラッド層５，３ではＡｌ組成がｘ＝０.６で
あるのに対し、障壁層１０ａ，１０ｂではＡｌ組成ｘ＝
０.３、井戸層９ａ〜９ｄではＡｌ組成ｘ＝０（ＧａＡ
ｓ）となっている。また、ＧａＡｓ井戸層９ａ〜９ｄの
厚み（井戸幅）は互いに異なり、それぞれＳ１＝１００
Å、Ｓ２＝５０Å、Ｓ３＝１５０Å、Ｓ４＝７０Åの井
戸幅となっている。井戸層９ａ〜９ｄ間のＡｌＧａＡｓ
障壁層１０ｂの厚み（障壁幅）はＳ０＝５０Åとなって
いる。
び図３では４重量子井戸構造となっている。）となって
おり、井戸層と障壁層とが交互に積層されたＳＣＨ構造
となっている。この量子井戸構造はＡｌxＧａ1-xＡｓの
Ａｌ組成ｘを変化させることによって実現されている。
図２は活性層４付近におけるＡｌ組成比ｘを表わしてお
り、上下クラッド層５，３ではＡｌ組成がｘ＝０.６で
あるのに対し、障壁層１０ａ，１０ｂではＡｌ組成ｘ＝
０.３、井戸層９ａ〜９ｄではＡｌ組成ｘ＝０（ＧａＡ
ｓ）となっている。また、ＧａＡｓ井戸層９ａ〜９ｄの
厚み（井戸幅）は互いに異なり、それぞれＳ１＝１００
Å、Ｓ２＝５０Å、Ｓ３＝１５０Å、Ｓ４＝７０Åの井
戸幅となっている。井戸層９ａ〜９ｄ間のＡｌＧａＡｓ
障壁層１０ｂの厚み（障壁幅）はＳ０＝５０Åとなって
いる。
【００１２】図３は図２のようにＡｌ組成を変化させる
ことによって形成された活性層４の多重量子井戸構造を
示しており、各井戸層９ａ〜９ｄ内には離散的な量子準
位が生成している。しかも、この量子準位は、井戸幅が
狭いほど高くなるので、各井戸層９ａ〜９ｄ毎に量子準
位が異なっている。仮に、井戸層９ａにおける量子準位
をＥ1，Ｅ4，Ｅ9とし、井戸層９ｂにおける量子準位を
Ｅ7，Ｅ8とし、井戸層９ｃにおける量子準位をＥ0，
Ｅ2，Ｅ5とし、井戸層９ｄにおける量子準位をＥ3，
Ｅ6，Ｅ10とすると、電子はトンネル効果によって障壁
層１０ｂを透過して隣の井戸層へ滲み出すので、活性層
４内の電子は多数の量子準位Ｅ0，Ｅ1，Ｅ2，…，Ｅ10
を取ることができる。
ことによって形成された活性層４の多重量子井戸構造を
示しており、各井戸層９ａ〜９ｄ内には離散的な量子準
位が生成している。しかも、この量子準位は、井戸幅が
狭いほど高くなるので、各井戸層９ａ〜９ｄ毎に量子準
位が異なっている。仮に、井戸層９ａにおける量子準位
をＥ1，Ｅ4，Ｅ9とし、井戸層９ｂにおける量子準位を
Ｅ7，Ｅ8とし、井戸層９ｃにおける量子準位をＥ0，
Ｅ2，Ｅ5とし、井戸層９ｄにおける量子準位をＥ3，
Ｅ6，Ｅ10とすると、電子はトンネル効果によって障壁
層１０ｂを透過して隣の井戸層へ滲み出すので、活性層
４内の電子は多数の量子準位Ｅ0，Ｅ1，Ｅ2，…，Ｅ10
を取ることができる。
【００１３】また、当該半導体レーザ素子１の共振器長
は３００μｍであって、両出射端面（へき開面）１１に
は、図１に示すように、最低準位Ｅ0に対応する発光波
長λから最高準位Ｅ10に対応する発光波長λまでの波長
領域で短波長側ほど高反射率となるように例えばＳｉＯ
2やＡｌ2Ｏ3等の誘電体膜からなる端面コート１２を施
してある。例えば、図４は、中心波長λ0＝７５０ｎｍ
においてＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3をそれぞれλ0／４の膜厚で
６層づつ積層した端面コート１２の反射率（計算値）を
７５０ｎｍ〜８７０ｎｍの範囲で示している。図３で示
した活性層４内に局在する量子準位Ｅ0〜Ｅ10はすべて
この波長領域に入っている。
は３００μｍであって、両出射端面（へき開面）１１に
は、図１に示すように、最低準位Ｅ0に対応する発光波
長λから最高準位Ｅ10に対応する発光波長λまでの波長
領域で短波長側ほど高反射率となるように例えばＳｉＯ
2やＡｌ2Ｏ3等の誘電体膜からなる端面コート１２を施
してある。例えば、図４は、中心波長λ0＝７５０ｎｍ
においてＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3をそれぞれλ0／４の膜厚で
６層づつ積層した端面コート１２の反射率（計算値）を
７５０ｎｍ〜８７０ｎｍの範囲で示している。図３で示
した活性層４内に局在する量子準位Ｅ0〜Ｅ10はすべて
この波長領域に入っている。
【００１４】図５は上記実施例による発光波長λの温度
特性を示す説明図である。上記のように活性層４内には
縮退していない多数の量子準位Ｅ0〜Ｅ10が存在し、し
かも、高次の量子準位に対応する発光波長λほど端面コ
ート１２の反射率が高くなっているので、温度Ｔの上昇
と共に高次の量子準位が支配的となる。このため、発光
波長λは図５に示す曲線ホのように各量子準位Ｅ0〜Ｅ
10における正特性と、量子準位Ｅ0〜Ｅ10間の移行時に
おける負特性を交互に繰り返し、この結果広い温度範囲
にわたって波長変動が小さくなる。特に、量子準位数を
多くして準位間の間隔を小さくすれば、図５の破線ヘの
ようにほぼフラットな特性を実現することも可能にな
る。
特性を示す説明図である。上記のように活性層４内には
縮退していない多数の量子準位Ｅ0〜Ｅ10が存在し、し
かも、高次の量子準位に対応する発光波長λほど端面コ
ート１２の反射率が高くなっているので、温度Ｔの上昇
と共に高次の量子準位が支配的となる。このため、発光
波長λは図５に示す曲線ホのように各量子準位Ｅ0〜Ｅ
10における正特性と、量子準位Ｅ0〜Ｅ10間の移行時に
おける負特性を交互に繰り返し、この結果広い温度範囲
にわたって波長変動が小さくなる。特に、量子準位数を
多くして準位間の間隔を小さくすれば、図５の破線ヘの
ようにほぼフラットな特性を実現することも可能にな
る。
【００１５】図６は本発明の別な実施例によるファブリ
ペロー型共振器構造をもつ多重量子井戸型半導体レーザ
素子２１の断面図を示す。この実施例のように、端面コ
ート１２はいずれか一方の出射端面１１だけでも差し支
えない。
ペロー型共振器構造をもつ多重量子井戸型半導体レーザ
素子２１の断面図を示す。この実施例のように、端面コ
ート１２はいずれか一方の出射端面１１だけでも差し支
えない。
【００１６】なお、上記実施例では、ＡｌＧａＡｓ系の
材料を用いて説明したが、本発明はこの材料系にのみ限
定されるものでなく、長波長レーザ用材料のＩｎＧａＡ
ｓＰ系、可視光レーザ用材料のＡｌＧａＩｎＰ系にも適
用可能である。
材料を用いて説明したが、本発明はこの材料系にのみ限
定されるものでなく、長波長レーザ用材料のＩｎＧａＡ
ｓＰ系、可視光レーザ用材料のＡｌＧａＩｎＰ系にも適
用可能である。
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、活性層内に多数の量子
準位を形成することができ、しかも、短波長側でゲイン
が高くなって高次の量子準位へ遷移し易くなっているの
で、正特性と負特性とが打ち消し合って全体として温度
による発光波長の変動が小さくなる。従って、温度安定
性の高い半導体レーザ素子を製作することができる。
準位を形成することができ、しかも、短波長側でゲイン
が高くなって高次の量子準位へ遷移し易くなっているの
で、正特性と負特性とが打ち消し合って全体として温度
による発光波長の変動が小さくなる。従って、温度安定
性の高い半導体レーザ素子を製作することができる。
【図１】本発明の一実施例によるファブリペロー型多重
量子井戸半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
量子井戸半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】同上の半導体レーザ素子の活性層におけるＡｌ
組成の変化を示す図である。
組成の変化を示す図である。
【図３】同上の多重量子井戸構造におけるポテンシャル
及び量子準位を示す図である。
及び量子準位を示す図である。
【図４】同上の半導体レーザ素子における端面コートの
反射率と波長の関係を示す図である。
反射率と波長の関係を示す図である。
【図５】同上の実施例における発光波長の温度特性の一
例を示す概略説明図である。
例を示す概略説明図である。
【図６】本発明の別な実施例によるファブリペロー型多
重量子井戸半導体レーザ素子の構造を示す断面図であ
る。
重量子井戸半導体レーザ素子の構造を示す断面図であ
る。
【図７】（ａ）は２準位系の１重量子井戸を示す図、
（ｂ）はその発光波長の温度特性を示す図である。
（ｂ）はその発光波長の温度特性を示す図である。
４ 活性層 ９ａ〜９ｄ 井戸層 １０ａ，１０ｂ 障壁層 １１ 出射端面 １２ 端面コート Ｅ0〜Ｅ10 量子準位
Claims (1)
- 【請求項１】 ファブリペロー型多重量子井戸半導体レ
ーザにおいて、 互いに井戸幅の異なる２以上の量子井戸を設け、高次の
量子準位に対応する発光波長での反射率ほど高反射率と
なった端面コートを少なくとも一方の出射端面に施した
ことを特徴とする量子井戸型半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3270353A JP2913946B2 (ja) | 1991-09-20 | 1991-09-20 | 量子井戸型半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3270353A JP2913946B2 (ja) | 1991-09-20 | 1991-09-20 | 量子井戸型半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0582897A JPH0582897A (ja) | 1993-04-02 |
| JP2913946B2 true JP2913946B2 (ja) | 1999-06-28 |
Family
ID=17485087
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3270353A Expired - Lifetime JP2913946B2 (ja) | 1991-09-20 | 1991-09-20 | 量子井戸型半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2913946B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008244300A (ja) | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ |
| US20240243548A1 (en) * | 2023-01-18 | 2024-07-18 | Ii-Vi Delaware, Inc. | Multi-junction laser diode with improved wavelength stability |
-
1991
- 1991-09-20 JP JP3270353A patent/JP2913946B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0582897A (ja) | 1993-04-02 |
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