JP2913947B2 - Quantum well semiconductor laser - Google Patents

Quantum well semiconductor laser

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JP2913947B2 JP3270355A JP27035591A JP2913947B2 JP 2913947 B2 JP2913947 B2 JP 2913947B2 JP 3270355 A JP3270355 A JP 3270355A JP 27035591 A JP27035591 A JP 27035591A JP 2913947 B2 JP2913947 B2 JP 2913947B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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量子井戸型半導体レーザに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quantum well semiconductor laser. Specifically, the present invention relates to a quantum well semiconductor laser having a Fabry-Perot resonator structure.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In a conventional general semiconductor laser, the emission wavelength shifts to a longer wavelength side (positive characteristic) because the band gap of the active layer decreases with an increase in ambient temperature.
Is known, and the wavelength variation with temperature (for example, about 0.
27 nm / ° C).

【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。
If the emission wavelength of laser light emitted from a semiconductor laser has temperature dependence, for example, when focusing or collimating the laser light using a lens, a problem arises that the focal position is shifted due to a change in temperature.
For this reason, the semiconductor laser is required to have a small wavelength variation (temperature stability) with respect to a change in the ambient temperature.

【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。
On the other hand, OQE (Optical Quantum Electron)
ics); 1991, Vol. 14 (published by the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers)
According to a paper published in, a semiconductor laser with a single quantum well structure having two or more quantum levels in a quantum well is used.
It has been reported that a change in wavelength exhibits a negative characteristic in a specific temperature range by optimizing the cavity length.

【0005】図8はこの負特性を原理的に説明するため
の図である。図8(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8
(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8
(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)
1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、破線イの上から破
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。
FIG. 8 is a diagram for explaining this negative characteristic in principle. Considering a two-level single quantum well structure as shown in FIG. 8A, the temperature characteristic of the emission wavelength is as shown in FIG.
It is shown in (b). If the transition between the quantum levels is not taken into account, the emission wavelength λ of the laser light stimulated by the electrons at the lowest level (ground level) E 0 shows a positive characteristic.
As shown by the broken line A in FIG. 3B, when the temperature T increases, the emission wavelength λ increases. Similarly, the upper level (first excitation level)
The emission wavelength λ of the laser light stimulated by the electrons at E 1 also shows a positive characteristic, but the energy is larger than the lowest level E 0 , so that a characteristic like a broken line B shifted to a shorter wavelength side than the broken line A. become. However, when the resonator length is shortened, the transition to the upper quantum level E 1 is more likely to occur, and the electrons at the lowest level E 0 at a low temperature gradually increase in the upper level E 1 as the temperature T increases. Transition to. Since the semiconductor laser also emits light in this transition process, the curve showing the temperature characteristic of the emission wavelength λ shifts from the broken line A to the broken line B and is represented by a characteristic curve such as a real curve C. Therefore, a negative characteristic is exhibited during the transition from the top of the broken line A to the broken line B, and the emission wavelength λ becomes shorter as the temperature T increases.

【0006】[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
変動の少なく領域が狭いという問題点があった。
In the quantum well laser exhibiting the negative characteristic as described above, the emission wavelength is determined at the boundary region R1 at which the positive characteristic shifts to the negative characteristic or at the boundary region R2 at which the negative characteristic shifts to the positive characteristic. The temperature fluctuation of λ is reduced. However, such a quantum well laser has a problem that the wavelength fluctuation is small and the region is narrow.

【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。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a quantum well type anti-conductor laser having high temperature stability over a wide temperature range. is there.

【0008】[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、ファブリペロー型量子井戸半導体レーザに
おいて、2以上の量子準位を備えた少なくとも1つの量
子井戸を設け、いずれかの量子準位に対応する発光波長
での反射率と当該量子準位よりも1だけ高次の量子準位
に対応する発光波長での反射率とのいずれよりも中間の
発光波長での反射率の方が高く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。
According to a quantum well semiconductor laser of the present invention, at least one quantum well having two or more quantum levels is provided in a Fabry-Perot quantum well semiconductor laser. The reflectance at the intermediate emission wavelength is higher than the reflectance at the emission wavelength corresponding to the quantum level and the reflectance at the emission wavelength corresponding to the quantum level higher by one than the quantum level. The raised end face coat is applied to at least one of the emission end faces.

【0009】[0009]

【作用】本発明にあっては、2以上の量子準位を有する
量子井戸構造において、低次の量子準位と高次の量子準
位に対応する各発光波長での反射率よりも中間の発光波
長での反射率の方が高くなった端面コートを施している
ので、中間の発光波長領域でのレーザ動作が支配的とな
り、低次の量子準位から高次の量子準位へ移行する過程
において広い範囲で波長変動の小さな領域が生じる。
According to the present invention, in a quantum well structure having two or more quantum levels, the reflectance is lower than the reflectance at each emission wavelength corresponding to the lower quantum level and the higher quantum level. Since the end face coat with higher reflectance at the emission wavelength is applied, laser operation in the middle emission wavelength region becomes dominant, and shifts from a lower quantum level to a higher quantum level. In the process, a region having a small wavelength variation occurs in a wide range.

【0010】[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。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a multiple quantum well semiconductor laser device 1 having a Fabry-Perot resonator structure according to one embodiment of the present invention. This is n-GaAs
For example, molecular beam epitaxial growth (MB
The N-AlGaAs lower cladding layer 3, the active layer 4 having a thickness of 3 μm, the p-AlGaAs upper cladding layer 5, and the p-GaAs cap layer 6 are sequentially grown by the method E). And an n-type electrode 8 provided on the lower surface of the substrate 2.

【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S1=120Åとなっており、井戸層
9a〜9d間のAlGaAs障壁層10bの厚み(障壁
幅)はS0=80Åとなっている。
The active layer 4 has a multiple quantum well structure (a quad quantum well structure in FIGS. 2 and 3), and has an SCH structure in which well layers and barrier layers are alternately stacked. Has become. This quantum well structure is realized by changing the Al composition x of Al x Ga 1 -x As.
FIG. 2 shows the Al composition ratio x in the vicinity of the active layer 4. In the upper and lower clad layers 5, 3, the Al composition is x = 0.6, whereas in the barrier layers 10a, 10b, the Al composition x =.
0.3, and in the well layers 9a to 9d, the Al composition x = 0 (GaAs
s). The thickness (well width) of the GaAs well layers 9a to 9d is S1 = 120 °, and the thickness (barrier width) of the AlGaAs barrier layer 10b between the well layers 9a to 9d is S0 = 80 °.

【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E0及びE1が生成している。この最低の量子準位E0
は850nmの発光波長に対応しており、高次の量子準
位E1は790nmの発光波長に対応している。
FIG. 3 shows a multiple quantum well structure of the active layer 4 formed by changing the Al composition as shown in FIG. 2. In each of the well layers 9a to 9d, a discrete quantum level E 0 and E 1 are generated. This lowest quantum level E 0
Corresponds to an emission wavelength of 850 nm, and the higher quantum level E 1 corresponds to an emission wavelength of 790 nm.

【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、最低量子準位E0に対応する発
光波長λ=850nmと高次の量子準位E1に対応する
発光波長λ=790nmの中間の発光波長で最低量子準
位E0に対応する発光波長での反射率と高次の量子準位
1に対応する発光波長での反射率よりも高反射率とな
るように例えばSiO2やAl23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=820nmにおいてSiO2とAl23をそれ
ぞれλ0/4の膜厚で5層づつ積層した端面コート12
の反射率(計算値)を790nm〜850nmの範囲で
示している。
The cavity length of the semiconductor laser device 1 is 300 μm, and both emission end faces (cleavage faces) 11 have an emission wavelength λ corresponding to the lowest quantum level E 0 as shown in FIG. = 850 nm, the emission wavelength corresponding to the higher quantum level E 1 corresponding to the higher quantum level E 1 , and the reflectance at the emission wavelength corresponding to the lowest quantum level E 0 and the higher quantum level E 1 at the emission wavelength corresponding to the lowest quantum level E 0. An end face coat 12 made of a dielectric film such as SiO 2 or Al 2 O 3 is applied so that the reflectivity is higher than the reflectivity at the corresponding emission wavelength. For example, FIG. 4, the central wavelength lambda 0 = 820 nm facet coating 12 of SiO 2 and Al 2 O 3 and five layers one by lamination with a film thickness of lambda 0/4, respectively, in
(Calculated value) in the range of 790 nm to 850 nm.

【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
2つの量子準位E0,E1が存在し、しかも、最低量子準
位E0と高次の量子準位E1に対応する各発光波長での反
射率よりも中間の発光波長での反射率の方が高くなって
いるので、中間の発光波長領域でのレーザ動作が支配的
となる。その結果、温度が上昇すると、高次の量子準位
1へ移行し易くなるが、最低量子準位E0から高次の量
子準位E1へ遷移するまでに大きな温度変化が必要とな
り、負特性の領域が長くなると共に負特性の勾配が緩や
かとなり、発光波長λは図5に示す曲線トのように広い
温度範囲にわたって波長変動が小さくなる。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the temperature characteristics of the emission wavelength λ according to the above embodiment. As described above, two quantum levels E 0 and E 1 exist in the active layer 4, and the reflection at each emission wavelength corresponding to the lowest quantum level E 0 and the higher-order quantum level E 1. Since the reflectance at the intermediate emission wavelength is higher than the reflectance, the laser operation in the intermediate emission wavelength region becomes dominant. As a result, when the temperature rises, the transition to the higher-order quantum level E 1 becomes easier, but a large temperature change is required before the transition from the lowest quantum level E 0 to the higher-order quantum level E 1 . As the region of the negative characteristic becomes longer, the gradient of the negative characteristic becomes gentler, and the wavelength variation of the emission wavelength λ decreases over a wide temperature range as shown by a curve G in FIG.

【0015】図6は同上の半導体レーザ素子1に用いら
れる別な端面コート12における反射率と波長との関係
を示す図である。これは、2つの量子準位E0,E1に対
応する発光波長(850nm,790nm)の中間の波
長820nmを中心波長λ0とし、組成の異なるAlG
aAsをλ0/4の膜厚で交互に15層形成した端面コ
ート12の反射率(計算結果)を示している。この反射
率カーブでは、中間の発光波長における反射率が最低の
量子準位E0及び高次の量子準位E1に対応する発光波長
での反射率よりも顕著に高くなっている。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the reflectance and the wavelength in another end face coat 12 used in the semiconductor laser device 1 according to the first embodiment. This is because an intermediate wavelength 820 nm between the emission wavelengths (850 nm and 790 nm) corresponding to the two quantum levels E 0 and E 1 is set as a center wavelength λ 0, and AlG having different compositions is used.
shows the reflectance of the GaAs lambda 0/4 of the thickness facet coating 12 formed 15 layers alternately (the calculation result). In this reflectivity curve, the reflectivity at the intermediate emission wavelength is significantly higher than the reflectivity at the emission wavelength corresponding to the lowest quantum level E 0 and the higher-order quantum level E 1 .

【0016】図7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。
FIG. 7 is a sectional view of a multiple quantum well semiconductor laser device 21 having a Fabry-Perot resonator structure according to another embodiment of the present invention. As in this embodiment, the end face coat 12 may be any one of the emission end faces 11.

【0017】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。
Although the above embodiment has been described using an AlGaAs-based material, the present invention is not limited only to this material system.
The present invention is also applicable to sP-based materials and AlGaInP-based materials for visible light lasers.

【0018】[0018]

【発明の効果】本発明によれば、中間の発光波長領域で
のレーザ動作が支配的となるので、低次の量子準位から
高次の量子準位へ移行する過程において広い範囲で波長
変動の小さな領域が生じる。この結果、広い温度範囲に
おいて波長変動の小さな半導体レーザを作製することが
できる。
According to the present invention, since the laser operation in the intermediate emission wavelength region becomes dominant, the wavelength variation in a wide range during the transition from the lower quantum level to the higher quantum level. A small area of As a result, a semiconductor laser having a small wavelength fluctuation over a wide temperature range can be manufactured.

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

【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。
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a Fabry-Perot multiple quantum well semiconductor laser device according to one embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 2 shows Al in an active layer of the semiconductor laser device according to the first embodiment;
It is a figure which shows the change of a composition.

【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。
FIG. 3 is a diagram showing a potential and a quantum level in the multiple quantum well structure according to the first embodiment;

【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。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a reflectance of an end face coat and a wavelength in the semiconductor laser device according to the first embodiment.

【図5】同上の実施例における発光波長の温度特性を示
す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a temperature characteristic of an emission wavelength in the embodiment.

【図6】同上の半導体レーザ素子に用いられる別な端面
コートの反射率と波長の関係を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the reflectance and wavelength of another end face coat used in the semiconductor laser device of the above.

【図7】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。
FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a Fabry-Perot multiple quantum well semiconductor laser device according to another embodiment of the present invention.

【図8】(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。
FIG. 8A is a diagram showing a two-level single quantum well;
(B) is a diagram showing the temperature characteristics of the emission wavelength.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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,E1 量子準位Reference Signs List 4 active layer 9a to 9d well layer 10a, 10b barrier layer 11 emission end face 12 end face coat E 0 , E 1 quantum level

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ファブリペロー型量子井戸半導体レーザ
において、 2以上の量子準位を備えた少なくとも1つの量子井戸を
設け、いずれかの量子準位に対応する発光波長での反射
率と当該量子準位よりも1だけ高次の量子準位に対応す
る発光波長での反射率とのいずれよりも中間の発光波長
での反射率の方が高く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。
In a Fabry-Perot quantum well semiconductor laser, at least one quantum well having two or more quantum levels is provided. At least one of the emission end faces has a reflectivity at an intermediate emission wavelength that is higher than the reflectance at an emission wavelength corresponding to a quantum level higher by one than the quantum level. A quantum well type semiconductor laser characterized by the above-mentioned.
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