JP3468612B2 - Semiconductor laser device - Google Patents

Semiconductor laser device

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JP3468612B2
JP3468612B2 JP14585695A JP14585695A JP3468612B2 JP 3468612 B2 JP3468612 B2 JP 3468612B2 JP 14585695 A JP14585695 A JP 14585695A JP 14585695 A JP14585695 A JP 14585695A JP 3468612 B2 JP3468612 B2 JP 3468612B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザの構造に係
り、特に、光通信システム、光情報システムにおける高
出力半導体レーザ及び低コスト半導体レーザなど、共振
器方向にストライプ幅が変化する構造を有する半導体レ
ーザに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a semiconductor laser, and more particularly, it has a structure in which a stripe width is changed in a resonator direction, such as a high power semiconductor laser and a low cost semiconductor laser in an optical communication system and an optical information system. Regarding semiconductor lasers.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、光ディスクや光磁気ディスクの書
き込み用として高出力高信頼半導体レーザが求められて
いる。また、光伝送システムで中継器あるいは受信器に
用いられる希土類添加光ファイバ増幅器励起用光源とし
て高出力高信頼0.98μm帯半導体レーザが盛んに研
究されている。さらに、低コスト化を目的としてパッシ
ブアライメントが可能な半導体レーザが研究されてい
る。これらの半導体レーザには安定な基本モードで動作
し且つ光出射端面で広い光スポットサイズを有すること
が要求される。半導体レーザでは共振器方向に実効的に
屈折率の高い領域をストライプ状に設けることにより横
モード制御を行っている。このストライプと呼ばれる領
域の幅は一般的に共振器方向に沿って一定である。とこ
ろで、安定な横モード特性を得るためにはこのストライ
プ幅を狭くする必要がある。一方、広い光スポットを実
現するためにはストライプ幅を広くすることが有効な方
法である。この2つの相反する要求を満たすために共振
器方向にストライプ幅を変化させた構造が報告されてい
る。たとえば、SPIE vol.893、79ページ
に記載のKenji IKEDAらによる報告があげら
れる。
2. Description of the Related Art Currently, there is a demand for a high-power and high-reliability semiconductor laser for writing on optical disks and magneto-optical disks. Further, a high output and high reliability 0.98 μm band semiconductor laser has been actively studied as a light source for exciting a rare earth-doped optical fiber amplifier used in a repeater or a receiver in an optical transmission system. Further, a semiconductor laser capable of passive alignment is being researched for the purpose of cost reduction. These semiconductor lasers are required to operate in a stable fundamental mode and have a wide light spot size at the light emitting end face. In a semiconductor laser, lateral mode control is performed by providing stripe-shaped regions having a high refractive index in the cavity direction. The width of the region called the stripe is generally constant along the cavity direction. By the way, in order to obtain stable transverse mode characteristics, it is necessary to narrow the stripe width. On the other hand, widening the stripe width is an effective method for realizing a wide light spot. In order to satisfy these two contradictory requirements, a structure in which the stripe width is changed in the resonator direction has been reported. For example, SPIE vol. There is a report by Kenji IKEDA et al. Described on pages 893 and 79.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】図3にKenji I
KEDAらにより報告されたストライプ構造を示す。ス
トライプ幅は共振器方向に直線的に増加している。とこ
ろが、このような方法によりストライプ幅を共振器方向
に変化させるとストライプ幅の変化に伴う横モード変換
をスムーズに行うことができない。このため、変換時に
モード損失が生じたり、また、モード変換不良に帰因す
る活性層水平方向の遠視野像のサイドピーク発生等横モ
ードが不安定となり、実用には不適であった。
[Problems to be Solved by the Invention] FIG.
3 shows the stripe structure reported by KEDA et al. The stripe width increases linearly in the resonator direction. However, if the stripe width is changed in the resonator direction by such a method, the transverse mode conversion due to the change of the stripe width cannot be smoothly performed. For this reason, mode loss occurs during conversion, and lateral modes such as side peaks in the far-field image in the horizontal direction of the active layer due to defective mode conversion become unstable, which is not suitable for practical use.

【0004】本発明は、ストライプ幅を共振器方向に変
化させる構造を有する半導体レーザにおいて、モード変
換に伴うモード損失が生じず且つ横モードが安定な半導
体レーザを提供することにある。
It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser having a structure in which the stripe width is changed in the cavity direction, in which no mode loss occurs due to mode conversion and the transverse mode is stable.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体基板
上に光を発生する活性層と光を閉じ込める半導体クラッ
ド層と発生した光からレーザ光を得るための共振器構造
と共振器方向に沿ってストライプ状に他の部分よりも実
効屈折率の高い領域を有する半導体レーザ装置におい
て、上記実効屈折率の高い領域の幅が共振器方向に沿っ
て変化し、且つその幅の共振器方向の1次微分が共振器
方向で連続であり変曲点を有さずに変化する半導体レー
ザ装置において達成される。また、上記目的は、実効屈
折率の高い領域の幅を共振器方向に沿って指数関数に従
って変化させることにより達成される。さらに、実効屈
折率の高い領域の幅が共振器方向に沿って指数関数に従
って変化し、且つ端面近傍では上記実効屈折率の高い領
域の幅が一定である場合に達成される。特に、この実効
屈折率の高い領域の幅が一定である部分が100μm以
下である場合に達成される。さらに、上記目的は、これ
らの半導体レーザ装置を用いた半導体レーザモジュール
において効果が著しい。また、上記目的は発振波長0.
9μmから1.1μmの半導体レーザ装置において、上
記実効屈折率の高い領域の幅が共振器内部で一定で且つ
端面では上記実効屈折率の高い領域の幅が共振器内部よ
りも1μm以上広く且つ上記実効屈折率の高い領域の幅
が変化する長さが60μm以上200μm以下である場
合に達成される。
The above object is to provide an active layer for generating light on a semiconductor substrate, a semiconductor clad layer for confining the light, a resonator structure for obtaining laser light from the generated light, and a resonator structure along the resonator direction. In a semiconductor laser device having a region having a higher effective refractive index than other portions in a stripe shape, the width of the region having a higher effective refractive index changes along the cavity direction, and the width of the region is 1 in the cavity direction. This is achieved in a semiconductor laser device in which the second derivative is continuous in the cavity direction and changes without an inflection point. Further, the above object is achieved by changing the width of a region having a high effective refractive index along the resonator direction according to an exponential function. Further, it is achieved when the width of the region having a high effective refractive index changes along the resonator direction according to an exponential function, and the width of the region having a high effective refractive index is constant in the vicinity of the end face. In particular, this is achieved when the portion where the width of the region having a high effective refractive index is constant is 100 μm or less. Furthermore, the above-mentioned object is significantly effective in a semiconductor laser module using these semiconductor laser devices. Further, the above-mentioned purpose is to set the oscillation wavelength to 0.
In a semiconductor laser device of 9 μm to 1.1 μm, the width of the region having a high effective refractive index is constant inside the resonator and the width of the region having a high effective refractive index at the end face is 1 μm or more wider than inside the resonator, and It is achieved when the length of the width of the region having a high effective refractive index changes from 60 μm to 200 μm.

【0006】[0006]

【作用】以下、本発明の作用について説明する。The function of the present invention will be described below.

【0007】はじめに、共振器方向のストライプ幅変化
について述べる。まず、高出力高信頼レーザの実現につ
いて述べる。高出力動作を制限する主要因はキンクの発
生である。キンクはビームシフトまたは高次モードの発
振開始により発生する。いずれの場合においても実用上
問題となる。これらのキンクは光密度が大きいストライ
プ中央部のキャリア密度が周辺部と比較して減少するこ
とによりストライプ内部の利得分布が周辺部で大きくな
るために起こる。従って、キンク発生光出力を増大させ
るためにはキャリアの拡散長に対して光分布が小さくな
るように導波路を形成すればよい。すなわち、ストライ
プ幅を狭くすることが有効である。一方、高出力動作時
の素子劣化原因は端面部における高光密度部の結晶の溶
融である。これをCOD(Catastrophic
Optical Damage)劣化と呼ぶ。このCO
D劣化を抑制するためには、端面における動作光密度を
低減すればよい。すなわち、光スポットサイズを拡大す
ればよい。このためには、ストライプ幅を広くすること
が有効である。このように、高出力高信頼レーザを実現
するためには以上で述べた相反する条件を満足させなけ
ればならない。このため、高光密度が問題となる前面で
広ストライプとし光スポットを広げることにより光密度
の低減を図り、光密度が比較的小さい後端面を狭ストラ
イプとすることにより横モードの安定化を図るといった
共振器方向にストライプ幅が変化する構造は高出力高信
頼レーザを実現するためには有効な方法である。また、
横モードをきめる素子内部でストライプ幅を狭くし、高
光密度が問題となる端面部でストライプ幅を広くするこ
とは別の有効な方法である。このとき、端面部でのスト
ライプ幅は素子内部と比較して1μm以上広くすること
により十分な効果が得られる。次に、低コスト化を目的
としたパッシブアライメントが可能な半導体レーザにつ
いて述べる。現在、半導体レーザを用いてモジュールを
作製する際、光ファイバとアライメントを行うときには
軸ずれ許容度が約1μmと小さいため半導体レーザを動
作させながら光軸調整を行う。この工程を省くことによ
り大幅な低コスト化をはかることができる。すなわち、
半導体レーザを動作させることなく光ファイバとのアラ
イメントを行うことにより低コスト化を実現できる。こ
のため、軸ずれ許容度を約10μm程度に大きくする必
要がある。半導体レーザに対してはその光出射端面での
スポットサイズを約10μmにすることが要求される。
このためのアプローチとしてリッジ導波路構造を有する
レーザについて端面でのストライプ幅を1.5μm以下
と極端に狭くする方法がある。この方法によるとストラ
イプ幅が狭くなることにより光電界分布が大きくストラ
イプの外側にしみ出すため実効的にリッジの外側の低屈
折率の部分により光電界分布が大きく基板側に押し出さ
れる形となりスポットサイズの拡大を図ることができ
る。この方法ではストライプ幅が小さい部分では光の活
性層への閉じ込め係数が小さくなるため共振器内全てを
同一の狭ストライプ構造にするとしきい値電流の上昇を
招き、素子特性を劣化させる。したがって、素子の光出
射端面ではストライプ幅を狭く、それ以外の部分ではス
トライプ幅を広くすることが望ましい。以上のように、
高出力高信頼レーザ及び低コスト化を目的としたパッシ
ブアライメントが可能な半導体レーザの実現の際に、共
振器方向にストライプ幅が変化する構造はきわめて有効
であることがわかる。
First, the change in stripe width in the resonator direction will be described. First, the realization of a high power and high reliability laser will be described. The main factor limiting high power operation is the occurrence of kinks. The kink is generated by the beam shift or the start of oscillation in the higher order mode. In any case, this is a practical problem. These kinks occur because the carrier density in the central portion of the stripe, where the optical density is high, decreases as compared with the peripheral portion, and the gain distribution inside the stripe becomes large in the peripheral portion. Therefore, in order to increase the kink generation light output, the waveguide may be formed so that the light distribution becomes smaller with respect to the carrier diffusion length. That is, it is effective to reduce the stripe width. On the other hand, the cause of element deterioration during high-power operation is melting of crystals in the high light density portion of the end face portion. This is COD (Catastrophic)
This is called Optical Damage) deterioration. This CO
In order to suppress the D deterioration, the operating light density at the end face may be reduced. That is, the light spot size may be increased. For this purpose, it is effective to widen the stripe width. Thus, in order to realize a high-power and high-reliability laser, the contradictory conditions described above must be satisfied. Therefore, a wide stripe is formed on the front surface where high light density is a problem to widen the light spot to reduce the light density, and a narrow stripe is formed on the rear end surface where the light density is relatively small to stabilize the transverse mode. The structure in which the stripe width changes in the cavity direction is an effective method for realizing a high power and high reliability laser. Also,
Another effective method is to narrow the stripe width inside the element that determines the transverse mode and widen the stripe width at the end face where high light density is a problem. At this time, a sufficient effect can be obtained by making the stripe width at the end face portion 1 μm or more wider than that inside the element. Next, a semiconductor laser capable of passive alignment for the purpose of cost reduction will be described. At present, when a module is manufactured using a semiconductor laser, an axis deviation tolerance is as small as about 1 μm when performing alignment with an optical fiber, so that the optical axis is adjusted while operating the semiconductor laser. By omitting this step, it is possible to significantly reduce the cost. That is,
Cost reduction can be realized by performing alignment with the optical fiber without operating the semiconductor laser. Therefore, it is necessary to increase the axis deviation tolerance to about 10 μm. For a semiconductor laser, it is required that the spot size on the light emitting end face be about 10 μm.
As an approach for this, there is a method in which the stripe width at the end face of a laser having a ridge waveguide structure is extremely narrowed to 1.5 μm or less. According to this method, since the stripe width becomes narrow and the optical field distribution is large and exudes to the outside of the stripe, the area of the low refractive index outside the ridge effectively pushes the optical field distribution largely to the substrate side. Can be expanded. In this method, since the confinement coefficient of light into the active layer is small in the portion where the stripe width is small, if the same narrow stripe structure is used in all the resonators, the threshold current is increased and the device characteristics are deteriorated. Therefore, it is desirable that the stripe width is narrow at the light emitting end face of the element and wide at the other portions. As mentioned above,
It can be seen that the structure in which the stripe width changes in the cavity direction is extremely effective in realizing a high-power high-reliability laser and a semiconductor laser capable of passive alignment for the purpose of cost reduction.

【0008】次に、高効率で且つモード変換損失無く共
振器方向にストライプ幅を変化させる方法について述べ
る。ストライプ内に導波されている光電界分布E(x,
y,z)は以下の式に従う。
Next, a method of changing the stripe width in the resonator direction with high efficiency and without mode conversion loss will be described. Optical field distribution E (x,
y, z) follows the following formula.

【0009】E(x,y,z)=X(x,z)Y(y)
exp(i(ωt−βz)) ここで、ωは角周波数を、βは伝搬定数を表している。
また、x,y,zはそれぞれ活性層に水平方向、垂直方
向、共振器方向を示している。この式で示すように光電
界分布は共振器方向に指数関数で分布していることがわ
かる。ストライプ幅の変化に帰因した光電界分布の変化
はX(x,z)中に表される。X(x,z)のz方向依
存性は主にストライプ幅の変化に依存するため、ストラ
イプ幅の変化を指数関数とすることにより共振器方向に
モードをなめらかに変化させることができる。
E (x, y, z) = X (x, z) Y (y)
exp (i (ωt−βz)) where ω is the angular frequency and β is the propagation constant.
Further, x, y, and z respectively indicate the horizontal direction, the vertical direction, and the resonator direction in the active layer. As shown in this equation, it is understood that the optical electric field distribution is distributed in the cavity direction by an exponential function. The change in the optical electric field distribution due to the change in stripe width is represented in X (x, z). Since the z-direction dependence of X (x, z) mainly depends on the change in stripe width, the mode can be smoothly changed in the resonator direction by using the change in stripe width as an exponential function.

【0010】[0010]

【実施例】以下、本発明の実施例を図1〜2、4〜8を
用いて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0011】[実施例1]本発明の第1の実施例を図1
〜2を用いて説明する。本実施例は、本発明を光伝送シ
ステムで中継器あるいは受信器に用いられる希土類添加
光ファイバ増幅器励起用0.98μm帯高出力半導体レ
ーザに適用したものである。図1はストライプ構造を、
図2(a)は、断面構造を、図2(b)は活性層の拡大
図を示している。次に、素子の作製方法について述べ
る。n−GaAs基板1上にGaAsバッファ層2、G
aAs基板に格子整合したn−InGaPクラッド層
3、In(1−x)Ga(x)As(y)P(1−y)
障壁層(x=0.82、y=0.63、障壁層厚35n
m)13及び15とIn(z)Ga(1−z)As歪量
子井戸層(z=0.16、井戸層厚7nm)14から構
成される歪量子井戸活性層4、GaAs基板に格子整合
したp−InGaPクラッド層5、p−GaAs光導波
路層6、GaAsに格子整合したp−InGaPクラッ
ド層7、p−GaAsキャップ層8をMOVPE法、ま
たはガスソースMBE法、またはCBE法により順次形
成する。次に、酸化膜をマスクに、ホトエッチング工程
により図2(a)に示すようなリッジを形成する。この
ときのエッチングはウエット、RIE、RIBE、イオ
ンミリング等、方法を問わない。また、マスクとなる酸
化膜は図1で示した形状をしている。エッチングはp−
GaAs光導波路層6を完全に除去し、且つ歪量子井戸
活性層4に達しないようにp−InGaPクラッド層5
の途中で止まるようにする。次に、エッチングマスクと
して用いた酸化膜を選択成長のマスクとして、図2
(a)に示すようにn−InGaP電流狭窄層9をMO
VPE法により選択成長する。その後成長炉からウエフ
ァを取りだし、選択成長マスクとして用いた酸化膜をエ
ッチングにより除去する。その後、p−GaAsコンタ
クト層10をMOVPE法またはMBE法により形成す
る。p側電極11、n側電極12を形成した後、劈開法
により共振器長約900μmのレーザ素子を得た。この
後、素子の前面(ws(L)側)にλ/4(λ:発振波
長)の厚みのAl2O3による低反射膜を、素子の後面
(ws(0)側)にSiO2とa−Siからなる4層膜
による高反射膜を形成した。その後、素子を接合面を下
にして、ヒートシンク上にボンディングした。試作した
素子は、しきい値電流約10mAで室温連続発振し、そ
の発振波長は約0.98μmであった。また、素子は6
00mWまで安定に横単一モード発振した。このときの
遠視野像にはサイドピークは見られなかった。また、光
出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力8
00mWは熱飽和により制限された。また、30素子に
ついて環境温度80℃の条件下で200mW定光出力連
続駆動させたところ、初期駆動電流は約250mAであ
り、全ての素子で10万時間以上安定に動作した。
[Embodiment 1] A first embodiment of the present invention is shown in FIG.
The description will be made using .about.2. In this embodiment, the present invention is applied to a 0.98 μm band high power semiconductor laser for pumping a rare earth-doped optical fiber amplifier used in a repeater or a receiver in an optical transmission system. Figure 1 shows a striped structure
FIG. 2A shows a sectional structure, and FIG. 2B shows an enlarged view of the active layer. Next, a method of manufacturing the device will be described. GaAs buffer layer 2, G on n-GaAs substrate 1
n-InGaP cladding layer 3 lattice-matched to an aAs substrate, In (1-x) Ga (x) As (y) P (1-y)
Barrier layer (x = 0.82, y = 0.63, barrier layer thickness 35n
m) 13 and 15 and a strained quantum well active layer 4 composed of In (z) Ga (1-z) As strained quantum well layers (z = 0.16, well layer thickness 7 nm) 14, lattice-matched to a GaAs substrate. The p-InGaP cladding layer 5, the p-GaAs optical waveguide layer 6, the p-InGaP cladding layer 7 lattice-matched to GaAs, and the p-GaAs cap layer 8 are sequentially formed by the MOVPE method, the gas source MBE method, or the CBE method. To do. Next, using the oxide film as a mask, a ridge as shown in FIG. 2A is formed by a photoetching process. Etching at this time may be performed by any method such as wet etching, RIE, RIBE, and ion milling. The oxide film that serves as a mask has the shape shown in FIG. Etching is p-
The GaAs optical waveguide layer 6 is completely removed, and the p-InGaP clad layer 5 is formed so as not to reach the strained quantum well active layer 4.
Stop halfway through. Next, the oxide film used as the etching mask is used as a mask for selective growth, as shown in FIG.
As shown in (a), the n-InGaP current confinement layer 9 is
Selective growth is performed by the VPE method. After that, the wafer is taken out from the growth furnace, and the oxide film used as the selective growth mask is removed by etching. Then, the p-GaAs contact layer 10 is formed by MOVPE method or MBE method. After forming the p-side electrode 11 and the n-side electrode 12, a laser device having a cavity length of about 900 μm was obtained by the cleavage method. After that, a low reflection film made of Al2O3 having a thickness of λ / 4 (λ: oscillation wavelength) is formed on the front surface (ws (L) side) of the element, and SiO2 and a-Si are formed on the rear surface (ws (0) side) of the element. A high-reflectivity film consisting of a four-layer film was formed. Then, the device was bonded on a heat sink with the bonding surface facing down. The prototype device continuously oscillated at room temperature with a threshold current of about 10 mA, and its oscillation wavelength was about 0.98 μm. The element is 6
Transverse single mode oscillation was stably performed up to 00 mW. No side peak was observed in the far-field image at this time. Even if the light output is increased, the end face deterioration does not occur, and the maximum light output is 8
00 mW was limited by thermal saturation. Further, when 30 elements were continuously driven at a constant light output of 200 mW under an environment temperature of 80 ° C., the initial drive current was about 250 mA, and all the elements stably operated for 100,000 hours or more.

【0012】[実施例2]本発明の第2の実施例を図4
及び5を用いて説明する。本実施例は、光ディスクや光
磁気ディスクの書き込み用として用いられる0.8μm
帯高出力半導体レーザに適用したものである。図4
(a)は、断面構造を、図4(b)は活性層の拡大図
を、図5はストライプ構造を示している。ここで、本実
施例の場合、ストライプ幅が一定な領域の長さ(Lc)
は50μmである。次に、素子作製方法について述べ
る。n−GaAs基板16上にGaAsバッファ層1
7、n−Al(x)Ga(1−x)Asクラッド層(x
=0.5)18、Al(y)Ga(1−y)As障壁層
(y=0.3、障壁層厚5nm)28とAl(z)Ga
(1−z)As量子井戸層(z=0.1、井戸層厚7n
m)29、及びAl(s)Ga(1−s)As SCH
(Separate Confinement Het
erostructure)層(s=0.35、層厚1
0nm)30とから構成される量子井戸活性層19、p
−Al(t)Ga(1−t)Asクラッド層(t=0.
5)20、p−Al(u)Ga(1−u)Asビーム拡
大層(u=0.3)21、p−Al(v)Ga(1−
v)Asクラッド層(v=0.55)22、p−GaA
sキャップ層23をMOVPE法、またはMBE法によ
り順次形成する。次に、酸化膜をマスクに、ホトエッチ
ング工程により図4(a)に示すようなリッジを形成す
る。このときのエッチングはウエット、RIE、RIB
E、イオンミリング等、方法を問わない。また、マスク
となる酸化膜は図5で示した形状をしている。エッチン
グはp−Al(u)Ga(1−u)Asビーム拡大層
(u=0.3)21を完全に除去し、且つ量子井戸活性
層19に達しないようにp−Al(t)Ga(1−t)
Asクラッド層(t=0.5)20の途中で止まるよう
にする。次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を
選択成長のマスクとして、図4(a)に示すようにn−
GaAs電流狭窄層24をMOVPE法により選択成長
する。その後成長炉からウエファを取りだし、選択成長
マスクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去す
る。その後、p−GaAsコンタクト層25をMOVP
E法またはMBE法により形成する。p側電極26、n
側電極27を形成した後、劈開法により共振器長約60
0μmのレーザ素子を得た。この後、素子の前面(ws
(L)側)にλ/4(λ:発振波長)の厚みのSiO2
による低反射膜を、素子の後面(ws(0)側)にSi
O2とa−Siからなる4層膜による高反射膜を形成し
た。その後、素子を接合面を上にして、ヒートシンク上
にボンディングした。試作した素子は、しきい値電流約
14mAで室温連続発振し、その発振波長は約0.78
μmであった。また、素子は300mWまで安定に横単
一モード発振した。また、最大光出力として500mW
以上の光出力を得た。また、30素子について環境温度
80℃の条件下で150mW定光出力連続駆動させたと
ころ、初期駆動電流は約200mAであり、全ての素子
で5万時間以上安定に動作した。
[Embodiment 2] A second embodiment of the present invention is shown in FIG.
And 5 will be described. The present embodiment is used for writing on an optical disk or a magneto-optical disk, 0.8 μm.
It is applied to a high power semiconductor laser. Figure 4
FIG. 4A shows a sectional structure, FIG. 4B shows an enlarged view of the active layer, and FIG. 5 shows a stripe structure. Here, in the case of the present embodiment, the length (Lc) of the region where the stripe width is constant
Is 50 μm. Next, a device manufacturing method will be described. GaAs buffer layer 1 on n-GaAs substrate 16
7, n-Al (x) Ga (1-x) As cladding layer (x
= 0.5) 18, Al (y) Ga (1-y) As barrier layer (y = 0.3, barrier layer thickness 5 nm) 28 and Al (z) Ga
(1-z) As quantum well layer (z = 0.1, well layer thickness 7n
m) 29, and Al (s) Ga (1-s) As SCH
(Separate Confinement Het
erostructure) layer (s = 0.35, layer thickness 1
0 nm) 30 and the quantum well active layer 19, p
-Al (t) Ga (1-t) As cladding layer (t = 0.
5) 20, p-Al (u) Ga (1-u) As beam expanding layer (u = 0.3) 21, p-Al (v) Ga (1-)
v) As clad layer (v = 0.55) 22, p-GaA
The s cap layer 23 is sequentially formed by MOVPE method or MBE method. Next, a ridge as shown in FIG. 4A is formed by a photoetching process using the oxide film as a mask. Etching at this time is wet, RIE, RIB
Any method such as E or ion milling may be used. The oxide film that serves as a mask has the shape shown in FIG. The etching completely removes the p-Al (u) Ga (1-u) As beam expanding layer (u = 0.3) 21 and p-Al (t) Ga so as not to reach the quantum well active layer 19. (1-t)
The As clad layer (t = 0.5) 20 is stopped halfway. Next, using the oxide film used as the etching mask as a mask for selective growth, as shown in FIG.
The GaAs current confinement layer 24 is selectively grown by the MOVPE method. After that, the wafer is taken out from the growth furnace, and the oxide film used as the selective growth mask is removed by etching. After that, the p-GaAs contact layer 25 is formed by MOVP.
It is formed by the E method or the MBE method. p-side electrode 26, n
After forming the side electrode 27, the resonator length is about 60 by the cleavage method.
A laser device of 0 μm was obtained. After this, the front surface of the device (ws
SiO2 with a thickness of λ / 4 (λ: oscillation wavelength) on the (L) side
On the rear surface (ws (0) side) of the element,
A high-reflection film composed of a four-layer film composed of O2 and a-Si was formed. Then, the device was bonded on a heat sink with the bonding surface facing upward. The prototype device continuously oscillates at room temperature with a threshold current of about 14 mA and its oscillation wavelength is about 0.78.
was μm. The device stably oscillated in the transverse single mode up to 300 mW. Also, the maximum light output is 500 mW
The above optical output was obtained. Further, when 30 elements were continuously driven at a constant light output of 150 mW under an environmental temperature of 80 ° C., the initial drive current was about 200 mA, and all the elements stably operated for 50,000 hours or more.

【0013】[実施例3]本発明の第3の実施例を図
1、6を用いて説明する。本実施例は、低コスト化を目
的としたパッシブアライメントが可能な1.3μm帯半
導体レーザに適用したものである。図6は、断面構造
を、また、図1はストライプ構造を示す。次に、素子作
製方法について述べる。n−(100)InP基板31
上にn−InGaAsP層(組成波長1.10μm、層
厚0.05μm)とn−InP層(層厚0.05μm)
の10周期の超格子構造補助導波路層32、n−InP
スペーサ層33、InGaAsP井戸層(組成波長1.
37μm、井戸層厚6nm)とInGaAsP障壁層
(組成波長1.10μm、障壁層厚8nm)からなる7
周期の多重量子井戸活性層34、InGaAsP上側光
ガイド層(組成波長1.10μm)35、p−InPク
ラッド層36、p−InGaAsキャップ層37をMO
VPE法により順次形成する。次に、酸化膜をマスク
に、ホトエッチング工程により図6に示すようなリッジ
を形成する。マスクとなる酸化膜は図1で示した形状を
している。ストライプ方向は[011]方向とする。こ
のとき、p−InPクラッド層36のエッチングは臭化
水素酸と燐酸の混合液によるウェットエッチングを用い
ることにより図に示すような(111)A面を側壁にも
つ逆メサ形状のリッジ導波路を形成することができる。
次に基板全面にシリコン酸化膜38を形成した後、ポリ
イミド樹脂39を基板全面に形成する。さらに、リッジ
上面にエッチバック法を用いてシリコン酸化膜窓を形成
する。最後にp側電極40、n側電極41を形成した
後、劈開法により共振器長約400μmのレーザ素子を
得た。この後、素子の後面(ws(L)側)にSiO2
とa−Siからなる4層膜による高反射膜を形成した。
その後、素子を接合面を上にして、ヒートシンク上にボ
ンディングした。試作した素子は、素子前端面(ws
(0))のストライプ幅0.5μm、素子後端面(ws
(L)側)のストライプ幅2.5μmの素子においてし
きい値電流約10mAで室温連続発振し、発光効率0.
53W/Aであった。また、素子前端面からのレーザ出
射ビームのスポット径は10μmとリッジ幅2.5μm
の後端面でのビームスポット径約2.5μmに比べて4
倍に拡大された。これらのことから、モード変換が損失
無く効率よく行われていることがわかる。このレーザと
コア径10μmの単一モードファイバとの結合を光学レ
ンズを用いて行ったところ、結合損失2dB以下を水
平、垂直方向の位置決め精度±3μmで実現した。さら
に、このレーザ及びコア径10μmの単一モードファイ
バを用いてモジュールを作製したところ、レーザとファ
イバのアライメント時にレーザを駆動させることなく歩
留まり90%で結合損失2dB以下のモジュールを得る
ことができた。また、30素子について環境温度90℃
の条件下で長期信頼性を評価したところ、全ての素子で
10万時間以上安定に動作した。
[Embodiment 3] A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment is applied to a 1.3 μm band semiconductor laser capable of passive alignment for the purpose of cost reduction. FIG. 6 shows a sectional structure, and FIG. 1 shows a stripe structure. Next, a device manufacturing method will be described. n- (100) InP substrate 31
N-InGaAsP layer (composition wavelength: 1.10 μm, layer thickness: 0.05 μm) and n-InP layer (layer thickness: 0.05 μm)
10-period superlattice structure auxiliary waveguide layer 32, n-InP
The spacer layer 33, the InGaAsP well layer (composition wavelength: 1.
37 μm, well layer thickness 6 nm) and InGaAsP barrier layer (composition wavelength 1.10 μm, barrier layer thickness 8 nm) 7
The periodic multiple quantum well active layer 34, the InGaAsP upper optical guide layer (composition wavelength 1.10 μm) 35, the p-InP cladding layer 36, and the p-InGaAs cap layer 37 are MO.
The layers are sequentially formed by the VPE method. Next, using the oxide film as a mask, a ridge as shown in FIG. 6 is formed by a photoetching process. The oxide film serving as a mask has the shape shown in FIG. The stripe direction is the [011] direction. At this time, the p-InP clad layer 36 is etched by wet etching using a mixed solution of hydrobromic acid and phosphoric acid to form an inverted mesa-shaped ridge waveguide having a (111) A plane as a side wall as shown in the figure. Can be formed.
Next, a silicon oxide film 38 is formed on the entire surface of the substrate, and then a polyimide resin 39 is formed on the entire surface of the substrate. Further, a silicon oxide film window is formed on the upper surface of the ridge by the etch back method. Finally, after forming the p-side electrode 40 and the n-side electrode 41, a laser element having a cavity length of about 400 μm was obtained by the cleavage method. After that, SiO2 is formed on the rear surface (ws (L) side) of the device.
And a highly reflective film composed of a four-layer film of a-Si was formed.
Then, the device was bonded on a heat sink with the bonding surface facing upward. The prototype device has the element front end face (ws
(0) stripe width 0.5 μm, device rear end face (ws
A device having a stripe width of 2.5 μm (on the (L) side) continuously oscillates at room temperature with a threshold current of about 10 mA and has a luminous efficiency of 0.
It was 53 W / A. The spot diameter of the laser beam emitted from the front facet of the element is 10 μm and the ridge width is 2.5 μm.
4 compared to the beam spot diameter of about 2.5 μm at the rear end face
It was doubled. From these, it is understood that the mode conversion is efficiently performed without loss. When this laser and a single mode fiber with a core diameter of 10 μm were coupled using an optical lens, a coupling loss of 2 dB or less was realized with horizontal and vertical positioning accuracy of ± 3 μm. Furthermore, when a module was produced using this laser and a single mode fiber having a core diameter of 10 μm, a module with a yield of 90% and a coupling loss of 2 dB or less could be obtained without driving the laser during alignment of the laser and the fiber. . Also, the ambient temperature for 30 elements is 90 ° C
When the long-term reliability was evaluated under the above condition, all the devices operated stably for 100,000 hours or more.

【0014】[実施例4]本発明の第4の実施例を図
2、7、8を用いて説明する。本実施例は、本発明を光
伝送システムで中継器あるいは受信器に用いられる希土
類添加光ファイバ増幅器励起用0.98μm帯高出力半
導体レーザに適用したものである。図7、8はストライ
プ構造を、図2(a)は、断面構造を、図2(b)は活
性層の拡大図を示している。次に、素子の作製方法につ
いて述べる。n−GaAs基板1上にGaAsバッファ
層2、GaAs基板に格子整合したn−InGaPクラ
ッド層3、In(1−x)Ga(x)As(y)P(1
−y)障壁層(x=0.82、y=0.63、障壁層厚
35nm)13及び15とIn(z)Ga(1−z)A
s歪量子井戸層(z=0.16、井戸層厚7nm)14
から構成される歪量子井戸活性層4、GaAs基板に格
子整合したp−InGaPクラッド層5、p−GaAs
光導波路層6、GaAsに格子整合したp−InGaP
クラッド層7、p−GaAsキャップ層8をMOVPE
法、またはガスソースMBE法、またはCBE法により
順次形成する。次に、酸化膜をマスクに、ホトエッチン
グ工程により図2(a)に示すようなリッジを形成す
る。このときのエッチングはウエット、RIE、RIB
E、イオンミリング等、方法を問わない。また、マスク
となる酸化膜は図7または8で示した形状をしている。
エッチングはp−GaAs光導波路層6を完全に除去
し、且つ歪量子井戸活性層4に達しないようにp−In
GaPクラッド層5の途中で止まるようにする。次に、
エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマス
クとして、図2(a)に示すようにn−InGaP電流
狭窄層9をMOVPE法により選択成長する。その後成
長炉からウエファを取りだし、選択成長マスクとして用
いた酸化膜をエッチングにより除去する。その後、p−
GaAsコンタクト層10をMOVPE法またはMBE
法により形成する。p側電極11、n側電極12を形成
した後、劈開法により共振器長約900μmのレーザ素
子を得た。このとき、ストライプ幅が変化する領域の長
さ(Lt)は100μmとした。図8で示されたストラ
イプ形状の素子においては、端面近傍でストライプ幅が
一定の領域(Lf)は5〜20μmとした。また、いず
れの場合も、素子内部のストライプ幅(wi)は2.5
μm、端面でのストライプ幅(wf)は4.5μmとし
た。この後、素子の前面にλ/4(λ:発振波長)の厚
みのAl2O3による低反射膜を、素子の後面にSiO
2とa−Siからなる6層膜による高反射膜を形成し
た。その後、素子を接合面を下にして、ヒートシンク上
にボンディングした。試作した素子は、いずれのストラ
イプ形状の場合も、しきい値電流約10〜14mAで室
温連続発振し、その発振波長は約0.98μmであっ
た。また、素子は580mWまで安定に横単一モード発
振した。このときの遠視野像にはサイドピークは見られ
なかった。また、光出力を増加させても端面劣化は起こ
らず、最大光出力800mWは熱飽和により制限され
た。また、30素子について環境温度80℃の条件下で
200mW定光出力連続駆動させたところ、初期駆動電
流は約240mAであり、全ての素子で10万時間以上
安定に動作した。
[Fourth Embodiment] A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the present invention is applied to a 0.98 μm band high power semiconductor laser for pumping a rare earth-doped optical fiber amplifier used in a repeater or a receiver in an optical transmission system. 7 and 8 show a stripe structure, FIG. 2A shows a sectional structure, and FIG. 2B shows an enlarged view of the active layer. Next, a method of manufacturing the device will be described. A GaAs buffer layer 2 on the n-GaAs substrate 1, an n-InGaP clad layer 3 lattice-matched to the GaAs substrate, In (1-x) Ga (x) As (y) P (1
-Y) barrier layers (x = 0.82, y = 0.63, barrier layer thickness 35 nm) 13 and 15 and In (z) Ga (1-z) A
s strained quantum well layer (z = 0.16, well layer thickness 7 nm) 14
Strained quantum well active layer 4, p-InGaP clad layer 5 lattice-matched to a GaAs substrate, p-GaAs
Optical waveguide layer 6, p-InGaP lattice-matched to GaAs
The cladding layer 7 and the p-GaAs cap layer 8 are MOVPE
Method, gas source MBE method, or CBE method. Next, using the oxide film as a mask, a ridge as shown in FIG. 2A is formed by a photoetching process. Etching at this time is wet, RIE, RIB
Any method such as E or ion milling may be used. The oxide film that serves as a mask has the shape shown in FIG. 7 or 8.
The etching completely removes the p-GaAs optical waveguide layer 6 and p-In so as not to reach the strained quantum well active layer 4.
The GaP clad layer 5 is made to stop halfway. next,
Using the oxide film used as the etching mask as a selective growth mask, the n-InGaP current confinement layer 9 is selectively grown by the MOVPE method as shown in FIG. After that, the wafer is taken out from the growth furnace, and the oxide film used as the selective growth mask is removed by etching. Then p-
The GaAs contact layer 10 is formed by MOVPE or MBE.
It is formed by the method. After forming the p-side electrode 11 and the n-side electrode 12, a laser device having a cavity length of about 900 μm was obtained by the cleavage method. At this time, the length (Lt) of the region where the stripe width changes was 100 μm. In the stripe-shaped element shown in FIG. 8, the region (Lf) having a constant stripe width near the end face was set to 5 to 20 μm. In any case, the stripe width (wi) inside the element is 2.5.
and the stripe width (wf) at the end face was 4.5 μm. After that, a low reflection film of Al2O3 having a thickness of λ / 4 (λ: oscillation wavelength) is formed on the front surface of the element, and SiO 2 is formed on the rear surface of the element.
A high reflection film was formed by a 6-layer film composed of 2 and a-Si. Then, the device was bonded on a heat sink with the bonding surface facing down. The prototype device produced continuous oscillation at room temperature at a threshold current of about 10 to 14 mA and an oscillation wavelength of about 0.98 μm in any stripe shape. The device stably oscillated in transverse single mode up to 580 mW. No side peak was observed in the far-field image at this time. Further, even if the light output was increased, the end face deterioration did not occur, and the maximum light output 800 mW was limited by heat saturation. Further, when 30 elements were continuously driven at a constant light output of 200 mW under an environmental temperature of 80 ° C., the initial drive current was about 240 mA, and all the elements stably operated for 100,000 hours or more.

【0015】なお、上述した実施例の活性層をSCH層
の組成を段階的に変化させたGRIN−SCH(Gra
ded Index−Separate Confin
ement Heterostructure)活性層
としてもよい。また、本発明は導波路構造によらないの
で、たとえば、上述した実施例のほかに導波路構造とし
てBH(Buried Heterostructur
e)構造を用いても良い。また、本発明は材料系にもよ
らないので、上述したInP基板上のInGaAsP
系、GaAs基板上のInGaAsP系、GaAs基板
上のAlGaAs系のみでなく、InP基板上のAlI
nGaAsP系、GaAs基板上のInAlGaP系等
にも適用できる。さらに、発振波長として上述した0.
98μm帯、0.8μm帯、1.3μm帯のほか0.6
μm帯、1.55μm帯等、半導体レーザで実現できる
全ての波長範囲に適用できることは言うまでもない。
The GRIN-SCH (Gra) in which the composition of the SCH layer is changed stepwise in the active layer of the above-mentioned embodiment.
ded Index-Separate Confin
element Heterostructure) As an active layer. Further, since the present invention does not depend on the waveguide structure, for example, in addition to the above-described embodiment, a BH (Buried Heterostructure) is used as the waveguide structure.
e) A structure may be used. Further, since the present invention does not depend on the material system, InGaAsP on the InP substrate described above is used.
System, InGaAsP system on GaAs substrate, AlGaAs system on GaAs substrate, as well as AlI on InP substrate
It can also be applied to nGaAsP type, InAlGaP type on a GaAs substrate, and the like. Further, as the oscillation wavelength, the above-mentioned 0.
98 μm band, 0.8 μm band, 1.3 μm band, and 0.6
It goes without saying that the present invention can be applied to all wavelength ranges that can be realized by a semiconductor laser, such as the μm band and the 1.55 μm band.

【0016】[0016]

【発明の効果】本発明により、ストライプ幅を共振器方
向に変化させる構造を有する半導体レーザにおいて、モ
ード変換に伴うモード損失が生じず且つ横モードが安定
な半導体レーザを実現した。このため、高出力半導体レ
ーザにおいて高信頼化を実現した。さらに、パッシブア
ライメントが可能な半導体レーザを容易な方法で実現し
歩留まり向上、低コスト化を実現した。
According to the present invention, in a semiconductor laser having a structure in which the stripe width is changed in the cavity direction, a semiconductor laser in which a mode loss due to mode conversion does not occur and a transverse mode is stable is realized. Therefore, high reliability is realized in the high power semiconductor laser. Furthermore, we have realized a semiconductor laser that can be passively aligned by an easy method to improve yield and reduce cost.

【0017】[0017]

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

【図1】本発明によるストライプ構造を示した図。FIG. 1 is a diagram showing a stripe structure according to the present invention.

【図2】本発明による第1の実施例を示した図。FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment according to the present invention.

【図3】従来構造によるストライプ構造示した図。FIG. 3 is a diagram showing a stripe structure according to a conventional structure.

【図4】本発明による第2の実施例を示した図。FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment according to the present invention.

【図5】本発明による別のストライプ構造を示した図。FIG. 5 is a diagram showing another stripe structure according to the present invention.

【図6】本発明による第3の実施例を示した図。FIG. 6 is a diagram showing a third embodiment according to the present invention.

【図7】本発明による別のストライプ構造を示した図。FIG. 7 is a diagram showing another stripe structure according to the present invention.

【図8】本発明による別のストライプ構造を示した図。FIG. 8 is a diagram showing another stripe structure according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n−GaAs基板、 3 n−InGaPクラッド層、 4 歪量子井戸活性層、 5 p−InGaPクラッド層、 6 p−GaAs光導波路層、 7 p−InGaPクラッド層、 16 n−GaAs基板、 18 n−AlGaAsクラッド層、 19 量子井戸活性層、 20 p−AlGaAsクラッド層、 21 p−AlGaAsビーム拡大層、 22 p−AlGaAsクラッド層、 31 n−InP基板、 32 補助導波路層、 34 量子井戸活性層、 36 p−クラッド層。 1 n-GaAs substrate, 3 n-InGaP clad layer, 4 strained quantum well active layer, 5 p-InGaP clad layer, 6 p-GaAs optical waveguide layer, 7 p-InGaP clad layer, 16 n-GaAs substrate, 18 n-AlGaAs cladding layer, 19 quantum well active layer, 20 p-AlGaAs cladding layer, 21 p-AlGaAs beam expanding layer, 22 p-AlGaAs cladding layer, 31 n-InP substrate, 32 auxiliary waveguide layer, 34 quantum well active layer, 36 p-cladding layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 篠田 和典 東京都国分寺市東恋ケ窪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 魚見 和久 東京都国分寺市東恋ケ窪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 青木 雅博 東京都国分寺市東恋ケ窪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 佐藤 宏 東京都国分寺市東恋ケ窪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 平5−67845(JP,A) 特開 平6−174982(JP,A) 特開 平9−23036(JP,A) 特開 平7−106686(JP,A) 特開 昭59−144193(JP,A) 特開 平1−140787(JP,A) IEEE Journal of Q uantum Electronics ,1992年,28[2], p.447−458 Electronics Lette rs ,1988年,24[18],p.1182− 1183 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kazunori Shinoda 1-280 Higashi Koigokubo, Kokubunji City, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Kazuhisa Uomi 1-280 Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo Hitachi Ltd. (72) Inventor Masahiro Aoki 1-280, Higashi Koigokubo, Kokubunji, Tokyo Hitachi, Ltd. Central Research Laboratory (72) Inventor, Hiroshi Sato 1-280, Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo Hitachi Central Lab. 56) References JP 5-67845 (JP, A) JP 6-174982 (JP, A) JP 9-23036 (JP, A) JP 7-106686 (JP, A) JP 59-144193 (JP, A) JP-A-1-140787 (JP, A) IEEE Journal of Quantu Electronics, 1992 years, 28 [2], p. 447-458 Electronics Letters, 1988, 24 [18], p. 1182-1183 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板上に光を発生する活性層と光を
閉じ込める半導体クラッド層と発生した光からレーザ光
を得るための共振器構造と共振器方向に沿ってストライ
プ状に他の部分よりも実効屈折率の高い領域を有する半
導体レーザ装置において、上記実効屈折率の高い領域の
幅が共振器方向に沿って指数関数に従って変化し、且つ
その幅の共振器方向の1次微分が共振器方向で連続であ
り変曲点を有さずに変化するものであり、かつ、そのレ
ーザからの光出射端面での前記幅の方が前記光出射端面
とは反対側の端面よりも大きいことを特徴とする半導体
レーザ装置。
1. A resonator structure for obtaining a laser beam from the generated light, an active layer for generating light on a semiconductor substrate, a semiconductor clad layer for confining the light, and a stripe structure along the resonator direction from other portions. Also in a semiconductor laser device having a region with a high effective refractive index, the width of the region with a high effective refractive index changes along the cavity direction according to an exponential function , and the first derivative of the width in the cavity direction is the cavity. It is continuous in the direction and changes without an inflection point , and
The width at the light emitting end face from the laser is the light emitting end face
A semiconductor laser device characterized in that it is larger than the end face on the side opposite to .
【請求項2】半導体基板上に光を発生する活性層と光を
閉じ込める半導体クラッド層と発生した光からレーザ光
を得るための共振器構造と共振器方向に沿ってストライ
プ状に他の部分よりも実効屈折率の高い領域を有する半
導体レーザ装置において、上記実効屈折率の高い領域の
幅が共振器方向に沿って指数関数に従って変化し、且つ
端面近傍では上記実効屈折率の高い領域の幅が一定であ
り、かつ、そのレーザからの光出射端面での前記幅の方
が前記光出射端面とは反対側の端面よりも大きいことを
特徴とする半導体レーザ装置。
2. A resonator structure for obtaining a laser beam from the generated light, an active layer for generating light, a semiconductor clad layer for confining the light, and a stripe structure along the resonator direction from other portions. Also in a semiconductor laser device having a region with a high effective refractive index, the width of the region with a high effective refractive index changes along the cavity direction according to an exponential function, and the width of the region with a high effective refractive index is near the end face. A semiconductor laser device, wherein the width is constant at the light emitting end face from the laser and is larger than the end face on the side opposite to the light emitting end face.
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