JP3566184B2

JP3566184B2 - Surface emitting laser

Info

Publication number: JP3566184B2
Application number: JP2000175852A
Authority: JP
Inventors: 俊明香川; 功太館野; 主税天野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2020-06-12
Also published as: JP2001358403A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、励起の面発光レーザの構造に関し、より詳細には、特に波長１．５５μｍまたは１．３μｍ帯の発振に好適で、かつ高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡と活性層を備えた面発光レーザの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光レーザは、活性層と、この活性層の両側を挟む９９％以上の反射率を有する半導体分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ；ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）から構成されている。波長０．８５μｍ帯の面発光レーザにおいては、異なるＡｌ組成を有する２つのＡｌＧａＡｓ層を交互に積層することによってＤＢＲを形成するのが一般的である。ＤＢＲの反射率は、２つの層の屈折率の違いが大きいほど、少ない積層数で大きくすることが出来る。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌ組成比によって屈折率が大きく異なるために（０．６程度）、２０ペア程度の積層で９９％以上の反射率を得ることが出来る。
【０００３】
一方、１．５５μｍ帯の半導体レーザに一般に用いられるＩｎＰと格子整合したＩｎＧａＡｓＰにおいては、組成比によって屈折率の変化は小さく、最大０．３程度の屈折率差しかとれない。従って、反射率を大きくするために５０ペアを積層しなければならず、活性層の両側にこの様な厚いＤＢＲを結晶成長することは極めて困難である。
【０００４】
また、電流注入によって活性層にキャリアを注入するためには、活性層の両側をｐとｎのＤＢＲで挟まなければならないが、一般にｐ型のＤＢＲの抵抗が大きいために、ここでのジュール熱による活性層の温度上昇は避けられない。１．５５μｍ帯または１．３μｍ帯の光を発生する活性層は、ＧａＡｓ系の活性層に比べて温度依存性が強く、温度上昇によって発光効率が著しく劣化するため、レーザ発振が困難になる。しかも、ｐ型ＤＢＲは１．５５μｍ帯の光の吸収が大きいために光の損失が大きく、これも長波長帯面発光レーザの実現を困難にしている。このような問題点を避けるために、長波長帯面発光レーザーを短波面発光レーザーの光で励起する構造が提案されている。
【０００５】
図１は、従来の面発光レーザを示す構造図である。
ｎ−ＧａＡｓ基板上１にｎ型多層ＡｌＧａＡｓからなるＤＢＲ２とＧａＡｓ系活性層３とｐ型多層ＡｌＧａＡｓからなるＤＢＲ４で０．８５μｍ帯の面発光レーザーを作り、さらにその上に１．３μｍ帯の光に対して高い反射率をもつノンドープのＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲ５を連続的にエピタキシャル成長させる。
【０００６】
これとは別に、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰからなる波長１．３μｍの光を発する活性層６を成長しておき、これをノンドープのＡｌＧａＡｓのＤＢＲ５に張り合わせる。この後、ＩｎＰ基板は選択的にエッチングによって除去し、活性層のみがＤＢＲの上に残る。
【０００７】
さらに、別にＧａＡｓ基板上にノンドープの１．３μｍ用のＡｌＧａＡｓのＤＢＲ７を成長させ、これをＩｎＧａＡｓＰ活性層６の上に張り合わせ、ＧａＡｓ基板を選択的に除去する。
【０００８】
ＩｎＧａＡｓＰ系活性層６とこれを挟むＡｌＧａＡｓのＤＢＲ５とノンドープのＡｌＧａＡｓのＤＢＲ７は格子定数が異なるが、清浄な表面を合わせて圧力をかけながら加熱することによって、融着される。ＩｎＰ系活性層６とＡｌＧａＡｓのＤＢＲ５、ＡｌＧａＡｓのＤＢＲ７のＧａＡｓ系ＤＢＲによって１．３μｍ帯の面発光レーザを形成する。
【０００９】
符号８と９は、それぞれｎとｐのＤＢＲ上の電極であり、これらの間に電流を流すことによって０．８５μｍの面発光レーザを発振させる。このレーザ光はＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲ５の１．３μｍ面発光レーザの下部ＤＢＲを透過して、活性層６で吸収されキャリアを発生する。これによって１．３μｍ帯面発光レーザが励起され、このレーザの発振光は上部ＤＢＲ７を通って出射する。
【００１０】
このような構造によれば、
（１）１．３μｍ帯面発光レーザーを光で励起するため、ＤＢＲでのジュール熱の発生による活性層の温度上昇がない。
（２）１．３μｍ帯面発光レーザーのＤＢＲがノンドープであるために、光の吸収が極めて小さい。
（３）１．３μｍ面発光レーザーのＤＢＲもＡｌＧａＡｓ系で作るため、Ａｌ組成によって大きな屈折率差を作ることができ、高い反射率が容易に得られる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、作製の過程で２回のウエハ融着が必要で、工程が極めて複雑であるばかりでなく、格子定数の異なる結晶を融着するため界面に大きなストレスが残り、信頼性に悪影響を及ぼす。また励起光は、活性層に対して垂直に入射するため、活性層が励起光を十分には吸収できず、殆どの励起光は活性層を透過してしまい、効率が悪いという問題点があった。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、効率よく光ポンプによって長波長帯面発光レーザーを励起し、かつ融着を用いずにＩｎＰ基板上にモノリシックに高反射率のＤＢＲと活性層を作製することを可能にした面発光レーザを提供することにある。
【００１３】
【発明が解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、活性層の両側を半導体分布ブラッグ反射鏡で挟んだ構造を有し、前記活性層の側面から入射する励起光によって励起する面発光レーザであって、前記半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する半導体のバンドギャップが、前記励起光の光子のエネルギーよりも大きく、かつ前記励起光に対して透明であり、前記活性層が、量子井戸層と該量子井戸層を挟むキャリア閉じ込め層からなり、前記量子井戸層のバンドギャップが、前記励起光の光子のエネルギーよりも小さく、かつキャリア閉じ込め層のバンドギャップが、前記励起光の光子のエネルギーよりも大きい面発光レーザにおいて、前記半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する半導体のうち、屈折率の最も小さい半導体と最も大きい半導体の屈折率をそれぞれｎ_Ｄ１，ｎ_Ｄ２とし、前記キャリア閉じ込め層の屈折率をｎ_Ｓとしたとき、ｎ_Ｄ１＜ｎ_Ｓ＜ｎ_Ｄ２の関係が成り立つことを特徴とするものである。
【００１４】
このような本発明においては、面発光レーザの活性層の側面から励起光を入射し、活性層とそれを挟むＤＢＲによって、活性層の側面から入射された励起光に対する導波路を形成し、この導波路の屈折率分布を最適化することによって導波路のモード径を大きくし、活性層を一様に励起することを可能とする。また光励起であり、ＤＢＲに電流を流す必要がないことを最大限に利用し、誘電体や空気層、酸化膜層などの絶縁体のＤＢＲを併用することによって、少ないペア数て反射率を高くする。
【００１５】
【作用】
本発明による面発光レーザは光励起によって発振するため、この部分には電流を流す必要が無い。従って、ＤＢＲ反射鏡は電気伝導の無いものを用いることが出来る。また、電流注入をする場合に問題となるＤＢＲの抵抗によるジュール熱の発生もないため、ＤＢＲの熱抵抗も問題とならない。従って、ＤＢＲにはＩｎＰと空気層を交互に積層したものや、ＩｎＰと酸化膜を交互に積層したものなど、電気伝導が無くかつ熱抵抗が大きいものを用いることが出来る。半導体と空気や酸化膜は極めて大きな屈折率の差があるため、５ペア程度で９９％以上の高反射率が得られる。ＤＢＲを形成する空気層や酸化膜は、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長した層を選択的にエッチングや酸化することによって形成されるため、モノリシックに作製できる。
【００１６】
励起光は、活性層と平行に入射され、導波路を伝搬しながら活性層に吸収される。従って、励起光と活性層は十分に大きな相互作用長をもち、励起光は効率よく吸収される。ただし、吸収が強すぎる場合には、面発光レーザの中心部まで励起光が届かず、周辺部のみが励起されてしまう。これを防ぐために、励起光の導波路のクラッド層として作用するＤＢＲ層の平均的な屈折率を大きくすることが必要である。これによって、励起光の伝搬モードの径を大きくなり、量子井戸活性層での閉じ込め係数が小さくなる。このため、活性層による励起光の吸収が弱くなり、素子の中心部まで励起光が達するようにすることができる。
【００１７】
この励起光には面発光レーザと同一基板上にモノリシックに集積した導波路レーザの光を用いることも可能である。この場合には光学的な位置調節が不要で、励起光であることを意識せずに、励起レーザに電流を流すことによって面発光レーザを発振させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【００１９】
図２は、本発明の面発光レーザの一実施例を示す層構造である。符号１１はＩｎＰ基板、１２はＩｎＡｌＡｓ、１３はＩｎＰ、１４はＩｎＡｌＡｓを選択的にエッチングして除去することによって形成した空気層である。空気層１４の厚さは３８８ｎｍでレーザー発振波長の１／４である。一方、符号１３で示すＩｎＰの厚さは３６９ｎｍで光学長がレーザー発振波長の３／４であり、空気層ＩｎＰが交互に３ペア積層することによって、ＤＢＲ反射鏡を形成する。ＩｎＰと空気との間には２以上の屈折率の差があるために、３ペアで十分大きな反射率を得ることができる。Ｈ_２ＳＯ_４＋Ｈ_２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏのエッチングレートは、ＩｎＰとＩｎＡｌＡｓで選択性が極めて高く、側面からエッチングすることによって、ＩｎＡｌＡｓ層のみを選択的に除去することが出来る。
【００２０】
符号１５は、ＩｎＰと格子整合のとれた厚さ１１３ｎｍのバンドギャップ０．９５ｅＶのノンドープＩｎＧａＡｌＡｓ、符号１６は、厚さ１２３ｎｍのノンドープＩｎＰでそれぞれの光学長は発振波長の１／４である。符号１５で示すＩｎＧａＡｌＡｓと１３で示すＩｎＰのｎ−ＩｎＰは交互に５ペア積層され、活性層の下側のＤＢＲの一部として機能し、同時にエアギャップと活性層の間の距離を保ち信頼性を向上することに役立つ。
【００２１】
符号１７は厚さ２４６ｎｍのＩｎＰであり、光学長は発振波長の１／２である。これは符号１３で示すＩｎＰと空気層１４からなるＤＢＲと符号１５で示すＩｎＧａＡｌＡｓと１６で示すＩｎＰからなるＤＢＲの間にあり、２つのＤＢＲでの光の定在波の位相を合わせるために存在する。
【００２２】
符号１８は、バンドギャップ１．１ｅＶのＩｎＧａＡｌＡｓのキャリア閉じ込め層、符号１９は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＡｓ量子井戸である。これらの層は、ｎ−ＤＢＲと同一基板上に連続成長によって形成される。キャリア閉じ込め層１８とＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＡｓ量子井戸１９が面発光レーザの活性層となり、光学長の合計がレーザ発振波長に等しい。またこれらの層は励起光に対しては導波路のコア層として働き、励起光はこの層を横方向に伝搬しながら量子井戸層１９で吸収される。
【００２３】
活性層の上にも符号１５で示すＩｎＧａＡｌＡｓと１６で示すＩｎＰからなる５ペアのＤＢＲがあり、上部ＤＢＲの一部として働く。これは、励起光の導波路の上部クラッド層としての役割も果たす。以上の半導体の層はいずれもノンドープである。符号２０はＳｉＯ_２、符号２１はＴｉＯ_２で、これらは１０ペア積層し、面発光レーザの上部ＤＢＲとなる。
【００２４】
図３は、本発明の面発光レーザの斜視図と励起光とレーザ発振光の入出射方向を示す図である。励起光は基板１１と平行に入射し、半導体導波路を伝搬しながら吸収される。レーザ発振光は基板面と垂直に出射する。
【００２５】
図４（ａ）は、励起光として波長１．４８μｍの光を、側面から入射した際の導波モードの計算結果を示す図である。上下のＩｎＰとＩｎＧａＡｌＡｓ（バンドギャップＥｇ＝０．９５ｅＶ、屈折率３．４３）のＤＢＲをクラッド層とし、キャリア閉じ込め層のＩｎＧａＡｌＡｓ（Ｅｇ＝１．１ｅＶ、屈折率３．３４）とＩｎＧａＡｓ量子井戸層をコア層として伝搬することが分かる。キャリア閉じ込め層のＩｎＧａＡｌＡｓの屈折率は、ＤＢＲのＩｎＧａＡｌＡｓの屈折率よりも小さいが、励起光はＩｎＰとＩｎＧａＡｌＡｓのＤＢＲの平均的な屈折率であるため、活性層を中心にした導波モードとなっている。しかし、活性層の屈折率が、ＤＢＲのＩｎＧａＡｌＡｓの屈折率よりも小さいことを反映して、導波モードはＤＢＲ層へ大きく拡がっている。
【００２６】
励起光の光子エネルギーは、ＩｎＧａＡｓ量子井戸以外の層のバンドギャップよりも小さいため、励起光は量子井戸層のみで吸収される。従って、吸収の強度は、量子井戸での光のモードの強度（光の閉じこめ係数Γ）に依存し、これが大きいほど吸収が強くなる。本実施例の構造では閉じ込め係数は０．０５６である。吸収係数αが１．５×１０^４ｃｍ^−１とすると、Γα＝８４０ｃｍ^−１となる。
【００２７】
図４（ａ）の曲線は、端面から入射した光が伝搬しながら吸収によって弱くなる様子を示す図である。入射端から５−７μｍまで十分な強度を持っていて、両端から励起光を入射すれば１０−１５μｍの大きさの素子を、均一に励起できることが分かる。
【００２８】
図４（ｂ）は、比較のためにＤＢＲにＥｇ＝１．１ｅＶ、屈折率３．３４のＩｎＧａＡｌＡｓを用い、キャリア閉じ込め層にＥｇ＝０．９５ｅＶ、屈折率３．４３のＩｎＧａＡｌＡｓを用いた場合の励起光の導波モードの計算結果を示す図である。ＤＢＲのキャリア閉じ込め層の屈折率が大きいために、導波モードの分布は狭く、活性層付近に集中していることが分かる。このときの光の閉じ込め係数Γは０．０９８である。図はこのときの励起光強度の分布曲線を示している。これでは吸収が強いために、素子の内部まで励起光が届かず、中心部での利得を発振に必要な十分な値にするためには大きな励起パワーが必要である。
【００２９】
つまり、本発明は、半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する半導体のうち、屈折率の最も小さい半導体と最も大きい半導体の屈折率をそれぞれｎ_Ｄ１，ｎ_Ｄ２とし、キャリア閉じ込め層の屈折率をｎ_Ｓとしたとき、ｎ_Ｄ１＜ｎ_Ｓ＜ｎ_Ｄ２の関係を有し、本実施例ではキャリア閉じ込め層に屈折率が小さく、バンドギャップの大きい半導体を用いているため、量子井戸との間のバンド不連続が大きい利点もある。光励起によって量子井戸内に選択的に電子正孔対が発生するが、熱運動によって量子井戸層から閉じ込め層へ電子が漏れると、発光効率の低下を招く。バンドギャップの大きなＩｎＧａＡｌＡｓを用いることによって伝導帯の不連続が大きくできるため、電子の漏れを防ぎ、高温での安定した動作を行うことが出来る。
【００３０】
本実施例では、ＤＢＲとキャリア閉じ込め層にＩｎＰと格子整合の取れたＩｎＧａＡｌＡｓを用いて説明したが、ＩｎＧａＡｓＰを用いても同様な構造を作ることが出来ることは言うまでもない。
【００３１】
また、下部ＤＢＲにはＩｎＡｌＡｓを選択的にエッチングによって除去した空気層の代わりに、ＩｎＡｌＡｓを選択的に酸化した層に置き換えることも可能である。
【００３２】
図５は、本発明の面発光レーザの第２の実施例を示す層構造である。
面発光レーザの部分である符号１５〜２１の部分は、第１の実施例と同じであるが、本実施例では面発光レーザの励起光を発生するための導波型レーザを同一基板上に集積する。このため基板及び活性層の下側にある符号３１，３２，３３，３５，３６，３７で示す各層はｎ型にドープされている。符号３１はｎ−ＩｎＰ基板、３２はｎ−ＩｎＡｌＡｓ、３３はｎ−ＩｎＰ、３４はｎ−ＩｎＡｌＡｓを選択的にエッチングして除去することによって形成した空気層である。
【００３３】
符号３５は、ＩｎＰと格子整合のとれた厚さ１１３ｎｍのバンドギャップ０．９５ｅＶのｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ、３６は厚さ１２３ｎｍのｎ−ＩｎＰでそれぞれの光学長は発振波長の１／４である。これらの層は、ｎ型にドープされていることを除けば、第１の実施例におけるＩｎＰ基板１１〜ＩｎＰ１７の層と全く同じであるが、励起用導波路レーザの下部クラッド層としても機能する。
【００３４】
また、活性層１８，１９とその上の半導体ＤＢＲのＩｎＧａＡｌＡｓ１５とＩｎＰ１６の各層は本実施例においてもノンドープであり、第１の実施例と同一である。
【００３５】
符号４１〜４５の各層は、面発光レーザを光励起するために同一基板上にモノリシックに作製された導波路型レーザである。４１はバンドギャップ１．０ｅＶのノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、４２は波長１．４８μｍの光を出射するＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸活性層である。この活性層のバンドギャップは面発光レーザの活性層１９のバンドギャップよりも大きい。このため、４２の活性層から出射される光は１９の活性層で効率よく吸収される。４３はｐ−ＩｎＰクラッド層、４４はｐ−ＩｎＧａＡｓオーミックコンタクト層である。
【００３６】
励起導波路レーザと面発光レーザの間には分離エッチング溝があり、この側面は励起導波路レーザのキャビティを形成する鏡となっている。
【００３７】
符号４５と４６の電極の間で電流を流して、励起導波路レーザを発振させると、その発振光はエッチング溝を通って面発光レーザに照射される。面発光レーザにおいて、この光は横方向に導波されながら、活性層がこれを吸収し電子正孔対が生成される。この電子正孔対が、面発光レーザを発振させるのに十分な濃度に達した時点で、面発光レーザが発振し、上部と下部のＤＢＲを通して発振光が出射される。
【００３８】
本実施例においては、ｐ型の層は導波路レーザのみにある。一般にｐ型の半導体は１．５μｍ帯の光に吸収を持つため、長波長帯面発光レーザの特性を著しく劣化させる。この構造においては面発光レーザの出力光がｐ型半導体によって吸収されることがないため、高効率の面発光レーザを実現できる。
【００３９】
本実施例の素子においては、面発光レーザは光励起によって発振するため、この部分へ電流を流す必要がない。また高抵抗なＤＢＲに電流を流す際に発生する、ジュール熱も発生しない。従って、ＤＢＲに空気層の様な電気伝導性が無く熱伝導が悪いものを用いても問題が生じない。むしろ、半導体と空気を様な大きな屈折率の差を持つ材料の組み合わせにより、少ないペア数で大きな反射率を持つＤＢＲを作ることができる。
【００４０】
１．５５μｍ帯の活性層の発光効率は、ＧａＡｓ系の活性層に比べて強い温度依存性を有する。従って、素子抵抗のジュール熱によって活性層の温度が上昇することは、素子特性を著しく劣化させる。本実施例の素子においては、電流は電気抵抗の小さい導波路レーザに流せられるため、ジュール熱の発生は非常に小さく、しかも面発光レーザ部から空間的に分離しているため、面発光レーザの活性層の温度上昇は極めて小さく、素子特性の劣化を押さえることができる。
【００４１】
以上のような特徴により、本発明による長波面発光レーザにおいて５〜１０ｍｗ程度の大きな光出力を得ることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する半導体のうち、屈折率の最も小さい半導体と最も大きい半導体の屈折率をそれぞれｎ_Ｄ１，ｎ_Ｄ２とし、キャリア閉じ込め層の屈折率をｎ_Ｓとしたとき、ｎ_Ｄ１＜ｎ_Ｓ＜ｎ_Ｄ２の関係が成り立つようにしたので、面発光レーザ部には電流を流さず、ジュール熱も発生しないため、ＤＢＲに電気伝導と熱伝導の悪い材料を用いることができる。このため、高反射率のＤＢＲをＩｎＰ基板上にモノリシックに作ることができる。しかも、第２の実施例においては励起用のレーザが同一基板上にあるため、励起用のレーザを別に準備する必要はなく、通常の電流注入型のレーザと同様に使用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の面発光レーザを示す構成図である。
【図２】本発明の面発光レーザの一実施例を示す層構造である。
【図３】本発明の面発光レーザの斜視図である。
【図４】（ａ）は、励起光として波長１．４８μｍの光を、側面から入射した際の導波モードの計算結果を示す図で、（ｂ）は、比較のためにＤＢＲのＩｎＧａＡｌＡｓの屈折率がキャリア閉じ込め層の屈折率よりも小さい場合の励起光のモードの計算結果を示す図である。
【図５】本発明の面発光レーザの他の実施例を示す層構造である。
【符号の説明】
１ｎ−ＧａＡｓ基板
２ｎ型の多層のＡｌＧａＡｓからなるＤＢＲ
３ＧａＡｓ系活性層
４ｐ型の多層のＡｌＧａＡｓからなるＤＢＲミラー
５ノンドープのＡｌＧａＡｓのＤＢＲ
６ＩｎＧａＡｓＰ活性層
７ノンドープのＡｌＧａＡｓのＤＢＲ
８，９それぞれｎとｐのＤＢＲミラー上の電極
１１ＩｎＰ基板
１２ＩｎＡｌＡｓ
１３ＩｎＰ
１４空気層
１５ＩｎＧａＡｌＡｓ
１６ＩｎＰ
１７光の定在波の位相を合わせるためのＩｎＰ
１８バンドギャップ１．１ｅＶのＩｎＧａＡｌＡｓのキャリア閉じ込め層
１９ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＡｓ量子井戸
２０ＳｉＯ_２
２１ＴｉＯ_２
３１ｎ−ＩｎＰ基板
３２ｎ−ＩｎＡｌＡｓ
３３ｎ−ＩｎＰ
３４ｎ−ＩｎＡｌＡｓを選択的にエッチングして除去することによって形成した空気層
３５バンドギャップ０．９５ｅＶのｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ
３６ｎ−ＩｎＰ
４１バンドギャップ１．０ｅＶのノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
４２波長１．４８μｍの光を出射するＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸活性層
４３ｐ−ＩｎＰクラッド層
４４ｐ−ＩｎＧａＡｓオーミックコンタクト層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a pumped surface emitting laser, and more particularly, to a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror and an active layer which are particularly suitable for oscillation in a wavelength of 1.55 μm or 1.3 μm and have high reflectivity. The present invention relates to a structure of a surface emitting laser.
[0002]
[Prior art]
The surface-emitting laser includes an active layer and a semiconductor distributed Bragg reflector (DBR) having a reflectance of 99% or more sandwiching both sides of the active layer. In a surface emitting laser having a wavelength of 0.85 μm, a DBR is generally formed by alternately stacking two AlGaAs layers having different Al compositions. The reflectivity of the DBR can be increased with a smaller number of layers as the difference between the refractive indices of the two layers is larger. In AlGaAs, since the refractive index greatly differs depending on the Al composition ratio (about 0.6), a reflectivity of 99% or more can be obtained by stacking about 20 pairs.
[0003]
On the other hand, in InGaAsP lattice-matched to InP generally used for a 1.55 μm band semiconductor laser, the change in the refractive index is small depending on the composition ratio, and the refractive index cannot be changed up to about 0.3 at the maximum. Therefore, 50 pairs must be stacked to increase the reflectance, and it is extremely difficult to grow such a thick DBR on both sides of the active layer.
[0004]
Further, in order to inject carriers into the active layer by current injection, both sides of the active layer must be sandwiched between p and n DBRs. However, since the resistance of the p-type DBR is generally large, Joule heat here is used. Inevitably, the temperature rise of the active layer is inevitable. An active layer that emits light in the 1.55 μm band or 1.3 μm band has a higher temperature dependency than a GaAs-based active layer, and the luminous efficiency is significantly deteriorated by a rise in temperature, so that laser oscillation becomes difficult. Moreover, the p-type DBR has a large loss of light due to the large absorption of light in the 1.55 μm band, which also makes it difficult to realize a long wavelength band surface emitting laser. In order to avoid such a problem, a structure has been proposed in which a long-wavelength surface emitting laser is excited by light of a short-wavelength surface emitting laser.
[0005]
FIG. 1 is a structural view showing a conventional surface emitting laser.
A 0.85 μm surface emitting laser is formed on an n-GaAs substrate 1 using a DBR 2 made of n-type multilayer AlGaAs, a GaAs-based active layer 3 and a DBR 4 made of p-type multilayer AlGaAs, and a 1.3 μm band light is further formed thereon. , A non-doped AlGaAs-based DBR 5 having a high reflectivity is continuously epitaxially grown.
[0006]
Separately, an active layer 6 made of InGaAsP and emitting light having a wavelength of 1.3 μm is grown on an InP substrate and bonded to a non-doped AlGaAs DBR 5. Thereafter, the InP substrate is selectively removed by etching, leaving only the active layer on the DBR.
[0007]
Further, a non-doped 1.3 μm AlGaAs DBR 7 is separately grown on the GaAs substrate, and the DBR 7 is laminated on the InGaAsP active layer 6 to selectively remove the GaAs substrate.
[0008]
Although the InGaAsP-based active layer 6 and the AlGaAs DBR 5 sandwiching the InGaAsP active layer 6 and the non-doped AlGaAs DBR 7 have different lattice constants, they are fused together by heating while applying pressure to clean surfaces. A 1.3 μm band surface emitting laser is formed by the InP active layer 6, the DBR 5 of AlGaAs, and the DBR 7 of AlGaAs.
[0009]
Reference numerals 8 and 9 denote electrodes on the n and p DBRs, respectively, and oscillate a 0.85 μm surface emitting laser by passing a current between them. This laser light passes through the lower DBR of the 1.3 μm surface emitting laser of the AlGaAs DBR 5 and is absorbed by the active layer 6 to generate carriers. This excites the 1.3 μm band surface emitting laser, and the oscillation light of this laser is emitted through the upper DBR 7.
[0010]
According to such a structure,
(1) Since the 1.3 μm band surface emitting laser is excited by light, there is no temperature rise of the active layer due to generation of Joule heat in the DBR.
(2) Since the DBR of the 1.3 μm band surface emitting laser is non-doped, light absorption is extremely small.
(3) Since the DBR of the 1.3 μm surface emitting laser is also made of an AlGaAs system, a large difference in the refractive index can be made depending on the Al composition, and a high reflectance can be easily obtained.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, two wafer fusions are required during the fabrication process, which not only complicates the process but also causes a large stress to remain at the interface due to fusion of crystals having different lattice constants, which adversely affects reliability. Also, since the excitation light is perpendicularly incident on the active layer, the active layer cannot absorb the excitation light sufficiently, and most of the excitation light passes through the active layer, resulting in poor efficiency. Was.
[0012]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to efficiently excite a long-wavelength band surface emitting laser by an optical pump and to form a monolithic laser on an InP substrate without using fusion. Another object of the present invention is to provide a surface-emitting laser that enables a highly reflective DBR and an active layer to be manufactured.
[0013]
Means for Solving the Invention
In order to achieve such an object, the invention according to claim 1 has a structure in which both sides of an active layer are sandwiched between semiconductor distributed Bragg reflectors, and excitation light incident from a side surface of the active layer is provided. A surface emitting laser excited by light, wherein a band gap of a semiconductor constituting the semiconductor distributed Bragg reflector is larger than a photon energy of the excitation light, and is transparent to the excitation light; The layer comprises a quantum well layer and a carrier confinement layer sandwiching the quantum well layer, the band gap of the quantum well layer is smaller than the energy of photons of the excitation light, and the band gap of the carrier In a surface emitting laser having a larger energy than the photon energy of light, among the semiconductors constituting the semiconductor distributed Bragg reflector, the semiconductor having the lowest refractive index Also large semiconductor refractive index and _n _{D1, n D2} respectively, and the refractive index of the carrier confinement layer was _{n _S,} is characterized in that the relation of _n _D1 _<n S <n _D2 holds.
[0014]
In the present invention, the excitation light is incident from the side of the active layer of the surface emitting laser, and the active layer and the DBR sandwiching the active layer form a waveguide for the excitation light incident from the side of the active layer. By optimizing the refractive index distribution of the waveguide, it is possible to increase the mode diameter of the waveguide and to uniformly excite the active layer. It is photo-excited and maximizes the need for no current to flow through the DBR. By using the DBR of an insulator such as a dielectric, an air layer, or an oxide layer in combination, the number of pairs is reduced to increase the reflectance. I do.
[0015]
[Action]
Since the surface emitting laser according to the present invention oscillates by light excitation, it is not necessary to supply a current to this portion. Therefore, a DBR reflector having no electric conduction can be used. Also, since there is no generation of Joule heat due to the resistance of the DBR, which is a problem when current is injected, the thermal resistance of the DBR does not matter. Therefore, a DBR having no electric conduction and a high thermal resistance, such as a layer in which InP and an air layer are alternately stacked or a layer in which InP and an oxide film are alternately stacked, can be used. Since there is a very large difference in refractive index between the semiconductor and air or an oxide film, a high reflectance of 99% or more can be obtained with about 5 pairs. The air layer and the oxide film forming the DBR are formed by selectively etching or oxidizing the layer epitaxially grown on the InP substrate, and thus can be manufactured monolithically.
[0016]
The excitation light is incident parallel to the active layer, and is absorbed by the active layer while propagating through the waveguide. Therefore, the excitation light and the active layer have a sufficiently large interaction length, and the excitation light is efficiently absorbed. However, if the absorption is too strong, the excitation light does not reach the central part of the surface emitting laser, and only the peripheral part is excited. In order to prevent this, it is necessary to increase the average refractive index of the DBR layer acting as the cladding layer of the waveguide of the excitation light. Thereby, the diameter of the propagation mode of the pump light is increased, and the confinement coefficient in the quantum well active layer is reduced. Therefore, absorption of the excitation light by the active layer is weakened, and the excitation light can reach the center of the device.
[0017]
As the excitation light, light from a waveguide laser monolithically integrated on the same substrate as the surface emitting laser can be used. In this case, the optical position adjustment is not required, and the surface emitting laser can be oscillated by flowing a current to the excitation laser without being conscious of the excitation light.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
FIG. 2 is a layer structure showing one embodiment of the surface emitting laser of the present invention. Reference numeral 11 denotes an InP substrate, 12 denotes InAlAs, 13 denotes InP, and 14 denotes an air layer formed by selectively etching and removing InAlAs. The thickness of the air layer 14 is 388 nm, which is ４ of the laser oscillation wavelength. On the other hand, the thickness of InP indicated by reference numeral 13 is 369 nm, the optical length is ／ of the laser oscillation wavelength, and three pairs of air layers InP are alternately stacked to form a DBR reflecting mirror. Since there is a difference of two or more refractive indices between InP and air, a sufficiently large reflectance can be obtained with three pairs. The etching rate of H ₂ SO ₄ + H ₂ O ₂ + H ₂ O is extremely high for InP and InAlAs, and only the InAlAs layer can be selectively removed by etching from the side.
[0020]
Reference numeral 15 denotes non-doped InGaAlAs having a band gap of 0.95 eV and a thickness of 113 nm which is lattice-matched to InP, and reference numeral 16 denotes non-doped InP having a thickness of 123 nm and each optical length is １／ of the oscillation wavelength. Five pairs of InGaAlAs denoted by reference numeral 15 and n-InP of InP denoted by reference numeral 13 are alternately stacked and function as a part of the DBR below the active layer, and at the same time, maintain the distance between the air gap and the active layer and maintain reliability. Help to improve.
[0021]
Reference numeral 17 denotes InP having a thickness of 246 nm, and the optical length is の of the oscillation wavelength. This is between the DBR consisting of InP 13 and the air layer 14 and the DBR consisting of InGaAlAs 15 and InP 16 and exists to match the phases of the standing waves of light in the two DBRs. I do.
[0022]
Reference numeral 18 denotes a carrier confinement layer of InGaAlAs having a band gap of 1.1 eV, and reference numeral 19 denotes an InGaAs / InGaAsAs quantum well. These layers are formed by continuous growth on the same substrate as the n-DBR. The carrier confinement layer 18 and the InGaAs / InGaAsAs quantum well 19 become the active layer of the surface emitting laser, and the total optical length is equal to the laser oscillation wavelength. These layers also function as a core layer of the waveguide with respect to the excitation light, and the excitation light is absorbed by the quantum well layer 19 while propagating in this layer in the lateral direction.
[0023]
There are also five pairs of DBRs composed of InGaAlAs denoted by reference numeral 15 and InP denoted by reference numeral 16 above the active layer, and function as a part of the upper DBR. This also serves as an upper cladding layer for the waveguide of the excitation light. All of the above semiconductor layers are undoped. Reference numeral 20 denotes SiO ₂ , and reference numeral 21 denotes TiO _2. Ten pairs of these are stacked to form an upper DBR of the surface emitting laser.
[0024]
FIG. 3 is a perspective view of a surface emitting laser according to the present invention, and a diagram showing the directions of input and output of excitation light and laser oscillation light. The excitation light is incident parallel to the substrate 11 and is absorbed while propagating through the semiconductor waveguide. Laser oscillation light is emitted perpendicular to the substrate surface.
[0025]
FIG. 4A is a diagram showing a calculation result of a waveguide mode when light having a wavelength of 1.48 μm is incident from a side surface as excitation light. Upper and lower InP and InGaAlAs (band gap Eg = 0.95 eV, refractive index 3.43) DBR are used as cladding layers, carrier confinement layers InGaAlAs (Eg = 1.1 eV, refractive index 3.34) and InGaAs quantum well layers. Is propagated as a core layer. The refractive index of InGaAlAs of the carrier confinement layer is smaller than the refractive index of InGaAlAs of the DBR, but since the excitation light is the average refractive index of the DBRs of InP and InGaAlAs, it becomes a waveguide mode centering on the active layer. ing. However, the waveguide mode largely extends to the DBR layer, reflecting that the refractive index of the active layer is smaller than the refractive index of InGaAlAs of the DBR.
[0026]
Since the photon energy of the excitation light is smaller than the band gap of the layers other than the InGaAs quantum well, the excitation light is absorbed only by the quantum well layer. Accordingly, the intensity of the absorption depends on the intensity of the light mode in the quantum well (light confinement coefficient Γ), and the greater the intensity, the stronger the absorption. In the structure of the present embodiment, the confinement coefficient is 0.056. When the absorption coefficient α is a 1.5 × ¹⁰ 4 ^{cm -1,} the Γα = 840cm ^-1.
[0027]
The curve in FIG. 4A is a diagram illustrating a state in which light incident from an end face is weakened by absorption while propagating. It can be seen that the element having sufficient intensity from the incident end to 5 to 7 μm and having excitation light incident from both ends can uniformly excite an element having a size of 10 to 15 μm.
[0028]
FIG. 4B shows a case where, for comparison, InGaAlAs having Eg = 1.1 eV and a refractive index of 3.34 was used for the DBR, and InGaAlAs having an Eg = 0.95 eV and a refractive index of 3.43 was used for the carrier confinement layer. FIG. 9 is a diagram showing a calculation result of a waveguide mode of the excitation light of FIG. It can be seen that the distribution of the guided mode is narrow and concentrated near the active layer because the refractive index of the carrier confinement layer of the DBR is large. At this time, the light confinement coefficient Γ is 0.098. The figure shows a distribution curve of the excitation light intensity at this time. In this case, since the absorption is strong, the pumping light does not reach the inside of the element, and a large pumping power is required to make the gain at the center portion a sufficient value required for oscillation.
[0029]
That is, according to the present invention, among the semiconductors constituting the semiconductor distributed Bragg reflector, the refractive index of the semiconductor having the smallest refractive index and the refractive index of the largest semiconductor are n _D1 and n _D2 , respectively, and the refractive index of the carrier confinement layer is n _S. Then, the relationship of n _D1 <n _S <n _D2 is satisfied, and in this embodiment, a semiconductor having a small refractive index and a large band gap is used for the carrier confinement layer. There is also a great advantage. Electron-hole pairs are selectively generated in the quantum well by photoexcitation. However, if electrons leak from the quantum well layer to the confinement layer due to thermal motion, the luminous efficiency is reduced. By using InGaAlAs having a large band gap, discontinuity of the conduction band can be increased, so that leakage of electrons can be prevented and stable operation at high temperatures can be performed.
[0030]
In this embodiment, the DBR and the carrier confinement layer are described using InGaAlAs lattice-matched with InP. However, it is needless to say that a similar structure can be formed by using InGaAsP.
[0031]
The lower DBR can be replaced with a layer in which InAlAs is selectively oxidized, instead of an air layer in which InAlAs is selectively removed by etching.
[0032]
FIG. 5 shows a layer structure of a surface emitting laser according to a second embodiment of the present invention.
The portions denoted by reference numerals 15 to 21 which are the portions of the surface emitting laser are the same as those in the first embodiment, but in this embodiment, a waveguide laser for generating the excitation light of the surface emitting laser is provided on the same substrate. Collect. For this reason, the layers indicated by reference numerals 31, 32, 33, 35, 36 and 37 below the substrate and the active layer are doped n-type. Reference numeral 31 denotes an n-InP substrate, 32 denotes n-InAlAs, 33 denotes n-InP, and 34 denotes an air layer formed by selectively etching and removing n-InAlAs.
[0033]
Reference numeral 35 denotes n-InGaAlAs having a band gap of 0.95 eV and a thickness of 113 nm which is lattice-matched to InP, and 36 denotes n-InP having a thickness of 123 nm, each of which has an optical length of 1/4 of the oscillation wavelength. These layers are exactly the same as the layers of the InP substrates 11 to InP17 in the first embodiment except that they are n-type doped, but also function as the lower cladding layer of the pumping waveguide laser. .
[0034]
Further, the active layers 18 and 19 and the respective layers of the semiconductor DBR, InGaAlAs15 and InP16, are also non-doped in this embodiment, and are the same as those in the first embodiment.
[0035]
Each of layers 41 to 45 is a waveguide type laser monolithically manufactured on the same substrate to optically excite the surface emitting laser. Reference numeral 41 denotes a non-doped InGaAsP light confinement layer having a band gap of 1.0 eV, and reference numeral 42 denotes an InGaAsP / InGaAs multiple quantum well active layer that emits light having a wavelength of 1.48 μm. The band gap of this active layer is larger than the band gap of the active layer 19 of the surface emitting laser. Therefore, light emitted from the 42 active layers is efficiently absorbed by the 19 active layers. 43 is a p-InP cladding layer, and 44 is a p-InGaAs ohmic contact layer.
[0036]
There is a separate etching groove between the excitation waveguide laser and the surface emitting laser, and the side surface is a mirror forming a cavity of the excitation waveguide laser.
[0037]
When a current is caused to flow between the electrodes 45 and 46 to oscillate the excitation waveguide laser, the oscillated light is irradiated on the surface emitting laser through the etching groove. In a surface emitting laser, this light is guided in the lateral direction, and is absorbed by the active layer to generate electron-hole pairs. When the electron-hole pairs reach a concentration sufficient to cause the surface-emitting laser to oscillate, the surface-emitting laser oscillates, and oscillation light is emitted through the upper and lower DBRs.
[0038]
In this embodiment, the p-type layer is only in the waveguide laser. Generally, a p-type semiconductor absorbs light in the 1.5 μm band, so that the characteristics of the long wavelength band surface emitting laser are significantly deteriorated. In this structure, the output light of the surface emitting laser is not absorbed by the p-type semiconductor, so that a highly efficient surface emitting laser can be realized.
[0039]
In the device of this embodiment, since the surface emitting laser oscillates by light excitation, it is not necessary to supply a current to this portion. Further, Joule heat, which is generated when a current flows through the high-resistance DBR, is not generated. Therefore, there is no problem even if a DBR having no electric conductivity such as an air layer and having poor heat conductivity is used. Rather, by combining materials having a large difference in refractive index, such as semiconductor and air, a DBR having a large reflectance can be produced with a small number of pairs.
[0040]
The luminous efficiency of the active layer in the 1.55 μm band has a strong temperature dependence as compared with the GaAs active layer. Therefore, an increase in the temperature of the active layer due to the Joule heat of the element resistance significantly deteriorates the element characteristics. In the device according to the present embodiment, the current can be passed through the waveguide laser having a small electric resistance, so that the generation of Joule heat is very small, and furthermore, since it is spatially separated from the surface emitting laser, The rise in temperature of the active layer is extremely small, so that deterioration of device characteristics can be suppressed.
[0041]
With the above features, a large light output of about 5 to 10 mw can be obtained in the long-wavelength surface emitting laser according to the present invention.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the semiconductors having the lowest refractive index and the highest semiconductor among the semiconductors constituting the semiconductor distributed Bragg reflector have refractive indices n _D1 and n _D2 , respectively. Assuming that the ratio is n _S , the relationship of n _D1 <n _S <n _D2 is satisfied, so that no current flows through the surface emitting laser portion and no Joule heat is generated. Can be used. Therefore, a DBR having a high reflectance can be monolithically formed on the InP substrate. In addition, in the second embodiment, since the pumping laser is on the same substrate, there is no need to prepare a separate pumping laser, and it can be used in the same manner as a normal current injection type laser.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a conventional surface emitting laser.
FIG. 2 is a layer structure showing one embodiment of the surface emitting laser of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view of a surface emitting laser according to the present invention.
FIG. 4A is a diagram showing a calculation result of a waveguide mode when light having a wavelength of 1.48 μm is incident from a side surface as excitation light, and FIG. 4B is a diagram showing a comparison of InGaAlAs of DBR for comparison. FIG. 11 is a diagram illustrating a calculation result of a mode of excitation light when the refractive index is smaller than the refractive index of the carrier confinement layer.
FIG. 5 is a layer structure showing another embodiment of the surface emitting laser of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 n-GaAs substrate 2 n-type multi-layer AlGaAs DBR
Reference Signs List 3 GaAs active layer 4 DBR mirror made of p-type multilayer AlGaAs 5 Non-doped AlGaAs DBR
6 InGaAsP active layer 7 Non-doped AlGaAs DBR
8, 9 Electrodes 11 on n and p DBR mirrors 11 InP substrate 12 InAlAs
13 InP
14 Air layer 15 InGaAlAs
16 InP
17 InP for adjusting the phase of a standing wave of light
18 InGaAlAs carrier confinement layer with band gap of 1.1 eV 19 InGaAs / InGaAsAs quantum well 20 SiO ₂
21 TiO ₂
31 n-InP substrate 32 n-InAlAs
33 n-InP
34 Air layer formed by selectively etching and removing n-InAlAs 35 n-InGaAlAs having a band gap of 0.95 eV
36 n-InP
41 Non-doped InGaAsP light confinement layer having a band gap of 1.0 eV 42 InGaAsP / InGaAs multiple quantum well active layer emitting light having a wavelength of 1.48 μm 43 p-InP cladding layer 44 p-InGaAs ohmic contact layer

Claims

A surface emitting laser having a structure in which both sides of an active layer are sandwiched between semiconductor distributed Bragg reflectors and excited by excitation light incident from a side surface of the active layer,
The bandgap of the semiconductor constituting the semiconductor distributed Bragg reflector is larger than the energy of the photon of the excitation light, and transparent to the excitation light,
The active layer includes a quantum well layer and a carrier confinement layer sandwiching the quantum well layer, the band gap of the quantum well layer is smaller than the energy of photons of the excitation light, and the band gap of the carrier confinement layer is In a surface emitting laser larger than the energy of the photon of the excitation light,
When the refractive index of the semiconductor having the smallest refractive index and the semiconductor having the largest refractive index among the semiconductors forming the semiconductor distributed Bragg reflector are n _D1 and n _D2, and the refractive index of the carrier confinement layer is n _S , n _D1 _<n S _<surface emitting laser characterized by the relationship _{n D2} holds.

2. The surface emitting laser according to claim 1, wherein a semiconductor distributed Bragg reflector made of a dielectric is provided on at least one of the outsides of the semiconductor distributed Bragg reflector provided on both sides of the active layer.

2. The surface emitting device according to claim 1, wherein a semiconductor distributed Bragg reflector comprising a semiconductor and an air layer is provided on at least one of the outsides of the semiconductor distributed Bragg reflector provided on both sides of the active layer. 3. laser.

2. The semiconductor distributed Bragg reflector comprising a semiconductor and a layer obtained by oxidizing a semiconductor is provided on at least one of the outsides of the semiconductor distributed Bragg reflector provided on both sides of the active layer. Surface emitting laser.

The surface emitting laser according to claim 1, wherein the excitation light is emission light oscillated by injecting a current into a waveguide laser monolithically integrated in the structure.