JP3863577B2

JP3863577B2 - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP3863577B2
Application number: JP27922294A
Authority: JP
Inventors: 正治本多
Original assignee: Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1994-11-14
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JPH08139406A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、十分なモニタ電流を確保できる半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザ素子の端面に多層膜を設け、高反射率を得る半導体レーザが例えば米国特許４，０９２，６５９に開示され、それを図６の断面図で示す。この図に於て、半導体レーザ素子２１の発光端面の上に第１層２２と第２層２３が積層されている。第１層２２は厚さλ／（４・ｎ₁）の二酸化シリコンからなり、第２層２３は厚さλ／（４・ｎ₂）のシリコンからなり、約８０％の高反射率を得ており、第３層２４を介して主出射光が放出されている（λは発振波長、ｎ₁とｎ₂は各々第１層２２、第２層２３の屈折率である）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この様に従来の半導体レーザでは、反射率が高いので、第１層２２と第２層２３を介して放出される副出射光の量が少なく、この光量を受光素子（図示せず）で受光し、それのモニタ電流により動作電流を制御する回路に於て、制御しにくい第１の欠点がある。
【０００４】
この欠点を解消するために本発明者は、第２層２３の厚さを例えば１５nmと薄くし、４４％の低反射率を得た。しかし、このポイントは図３の反射率特性図のＢ点に示す様に、膜厚のわずかな差により反射率が大きく変わる特性上にあり、反射率の制御がしにくい第２の欠点がある。
【０００５】
更に図４のモニタ電流特性の一点鎖線と図５の動作電流特性の一点鎖線に示す様に、両方共に運転時間の経過と共に電流値が高がる第３の欠点がある。これは薄い第２層２３が露出しているため、第２層２３の組織が劣化し、第１層２２と第２層２３による反射率が徐々に下がるためである。故に、本発明はこの様な従来の欠点を考慮して、十分かつ安定した副出射光が得られ、反射率の制御のし易い、かつ動作電流すなわち主出射光量の経時変化が少ない半導体レーザを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、半導体レーザ素子と、それの少なくとも一つの発光端面の上に積層された第１層と第２層と第３層とを備え、前記半導体レーザ素子の発振波長をλ、前記第１層と第２層の屈折率を各々ｎ₁とｎ₂、ａを任意の整数、ｂを任意の奇数として、前記第１層は厚さ略ａ・λ／（４・ｎ₁）の低屈折率材料からなり、前記第２層は厚さ略ｂ・λ／（８・ｎ₂）の高屈折率材料からなり、前記第３層は低屈折率材料からなり、３０〜５０％の反射率が得られるように前記第１層〜第３層の屈折率が設定されている事を特徴とする。
【０００７】
本発明は更に望しくは、第３層の屈折率をｎ₃として、第２層を厚さ１５nm乃至４０nmのシリコンまたは非晶質シリコンからなし、第３層を厚さ２０nm乃至λ／（４・ｎ₃）からなすものである。
【０００８】
【作用】
上述の様に、半導体レーザ素子の発光端面上に、厚さ略ａ・λ／（４・ｎ₁）の低屈折率材料からなる第１層と、厚さ略ｂ・λ／（８・ｎ₂）の高屈折率材料からなる第２層と、低屈折率材料からなる第３層とを積層する。その結果、比較的低い反射率（３０〜５０％）が安定して得られ、この積層を介して取出される副出射光量が十分に得られ、十分なモニタ電流が得られる。また、第１層と第２層上に第３層を積層する事により、第３層の膜厚を少し変化させても反射率の変化は少ないので、反射率の制御がし易い。
【０００９】
更に望しくは、第２層を厚さ１５nm乃至４０nmのシリコン又は非晶質シリコンからなし、第３層を厚さ２０nm乃至λ／（４・ｎ₃）に設ける事により、この積層の構造が安定し反射率が安定し、積層と反対側から出力される主出射光量の経時変化が少なくなる。
【００１０】
【実施例】
以下に本発明の実施例を図１に従い説明する。図１は本実施例に係る半導体レーザの断面図である。この図に於て、金を主体とする材料からなる裏面電極１上にｎ型ガリウム砒素からなる半導体基板２が設けられ、その半導体基板２上にｎ型アルミニウム・ガリウム・インジュウム・燐、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｎ型クラッド層３が設けられている。
【００１１】
そのｎ型クラッド層３の上に、不純物が添加されないアルミニウム・ガリウム・インジュウム・燐、（Ａｌ×Ｇａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる活性層４が設けられ、活性層４の上にＰ型アルミニウム・ガリウム・インジュウム・燐、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5ＰからなるＰ型クラッド層５が設けられている。そのＰ型クラッド層５の上にｎ型ガリウム・砒素からなるブロック層６が設けられているが、Ｐ型クラッド層５のリッジ頂部７には設けられていない。
【００１２】
そして、Ｐ型クラッド層５の頂部７とブロック層６の上に、Ｐ型ガリウム・砒素からなるキャップ層８が設けられ、そのキャップ層８の上に金を主体とする表面電極９が設けられている。これらの層により、半導体レーザ素子１０が構成されている。
【００１３】
この半導体レーザ素子１０の両端面は壁開され、一つの発光端面１１と他の発光端面１２が設けられている。そして例えば波長６８５nmの光を発振している。
【００１４】
発光端面１１の上にスパッタ蒸着法等により第１層１３が形成されている。第１層１３は、厚さが略ａλ／４ｎ₁の低屈折率材料からなる。但しａは任意の整数、λは発振波長、ｎ₁は屈折率を示す。例えば第１層１３は、ｎ₁＝１．６７のアルミナ（Ａｌ₂０₃）からなり、ａ＝１、λ＝６８５nmとして、厚さは６８５／（４×１．６７）＝１０２．５nmである。また低屈折率材料として他に、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、沸化マグネシウム（ＭｇＦ₂）等も使用できる。
【００１５】
そして、第１層１３の上に第２層１４が形成されている。第２層１４は、厚さが略ｂ・λ／（８・ｎ₂）の高屈折率材料からなる。但しｂは任意の奇数、λは発振波長、ｎ₂は屈折率を示す。例えば第２層１４は、ｎ₂＝３．６の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）からなり、ｂ＝１、λ＝６８５nmとして、厚さは例えば２４nmである。これとは違って、第２層１４の厚さとして、ｂ・λ／（４・ｎ₂）にした時、第２層１４上に後述の第３層を設けると、反射率が５０〜８０％になるので好ましくない。従って第２層１４は例えばｂ＝１として、λ／（１２・ｎ₂）乃至λ／（５・ｎ₂）の厚さが望ましい。また、高屈折率材料として、他にシリコン等を用いる事ができる。
【００１６】
そして、第２層１４の上に第３層１５が形成されている。第３層１５は低屈折率材料からなる。例えば第３層１５は、ｎ₃＝１．６７のアルミナからなり、λ ／（４・ｎ₃）＝１０２．５nmの厚さに形成されている。これらの第１層１３と第２層１４と第３層１５により積層１６が構成され、反射率が約３１％と比較的低くなり、積層１６を介して副出射光１７が放出される。
【００１７】
また、半導体レーザ素子１０の他の発光端面１２には、第４層１８が形成されている。第４層１８は、厚さが約λ／（２・ｎ₄）からなる低屈折率材料からなり（ｎ₄は屈折率）、例えば厚さ２０５nmのアルミナからなる。この様にして、第４層１８を介して主出射光１９が放出される。これらの層により、本実施例の半導体レーザ２０が構成されている。
【００１８】
次にこの半導体レーザ２０の反射特性を図３に従い説明する。この図３に於て横軸は積層１６の膜厚（nm）であり、縦軸は積層１６に於ける反射率である。この特性図に於て、実線は本実施例の特性である。そして、１点鎖線は従来の様に厚さλ／（４・ｎ₁）の二酸化シリコンと厚さλ／（４・ｎ₂）のシリコンと厚さλ／（４・ｎ₃）の二酸化シリコンを積層した半導体レーザの特性である。
【００１９】
この様に、第２層１４の厚さを１５nm乃至４０nmに設ける事により、積層１６の反射率が比較的低くなり、積層１６を介して取出される副出射光１７の光量が十分確保できる。また、第３層１５の厚さを２０nm（Ｃ点で示したポイント）乃至λ／（４・ｎ₃）（Ｄ点で示したポイント）に設ける事により、反射率を５０〜３１％に設定する事ができる。更にポイントＣからＤまでに第３層１５の厚さを任意に設定する事により、この間の特性の変化は比較的緩やかであるので、膜厚のわずかな差により反射率が大きく変化する事がない。故に反射率の大きさの制御がし易くなる。
【００２０】
次に、モニタ電流特性を図４に従い説明する。横軸は、一定電流を供給する経過時間（ｈ）を示す。縦軸は、主出射光からの光量が一定になる様に電流を供給した時のモニタ電流値（相対値）を示し、試験開始時のモニタ電流値を１としている。
【００２１】
この特性図の実線は本実施例の半導体レーザ２０の特性であり、１点鎖線は従来の、厚さλ／（４・ｎ₁）の二酸化シリコンと厚さ１５nmのシリコンが積層された半導体レーザの特性である。この特性図に於て、半導体レーザ２０は従来と違ってモニタ電流値の変化量が極めて小さく、実用上支障のない程度のものである。
【００２２】
この様にモニタ電流値の変化量が少ない理由は、半導体レーザ２０に於て、第１層１３上に１５nm以上の厚さを持つ第２層１４と、その上に２０nm以上の厚さを持つ第３層１５により、積層１６が構成され、これにより積層１６の組織が強固にかつ安定し、積層１６の反射率の変化が小さくなったためである。
【００２３】
また、第２層１４の厚さを１５nm未満としたり、又は第３層１５の厚さを２０nm未満に形成すると、積層１６の組織が急激に弱体化し、反射率が運転時間と共に急激に低下する事がわかった。
【００２４】
更に、動作電流特性を図５に従い説明する。横軸は、経過時間である。縦軸は主出射光からの光量が一定になる様に電流を供給した時の、供給電流値（動作電流値）を示し、試験開始時の動作電流値を１としている。
【００２５】
この特性図の実線は本実施例の半導体レーザ２０の特性であり、１点鎖線は図４について述べた従来の半導体レーザの特性である。この特性図に於て、半導体レーザ２０は従来と違って、動作電流値の変化量が極めて小さい事がわかる。
【００２６】
この事は、逆の見方をすれば、半導体レーザ２０に於て、一定の電流を供給すれば、運転時間が経過しても、主出射光の光量が略一定となる事を示す。その理由は上述した様に、半導体レーザ２０の積層１６の組織が強固になったため、積層１６での反射率の変化が小さくなり、発光端面１２での光出力が一定となるからである。
【００２７】
【発明の効果】
上述の様に、半導体レーザ素子の発光端面上に、ａ・λ／（４・ｎ₁）の厚さの低屈折率材料からなる第１層と、ｂ・λ／（４・ｎ₂）を除く所定の厚さの高屈折率材料からなる第２層と、低屈折率材料からなる第３層とを積層する。その結果、比較的低い反射率（３０〜５０％）が安定して得られ、この積層を介して取出される副出射光量が十分に得られ、十分なモニタ電流が得られる。また、第１層と第２層上に第３層を積層する事により、第３層の膜厚を少し変化させても反射率の変化は少ないので、反射率の制御がし易い。
【００２８】
更に望しくは、第２層を厚さ１５nm乃至４０nmのシリコン又は非晶質シリコンからなし、第３層を厚さ２０nm乃至λ／（４・ｎ₃）に設ける事により、この積層の構造が安定し反射率が安定し、積層と反対側から出力される主出射光量の経時変化が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る半導体レーザの断面図である。
【図２】図１のＡＡ断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る半導体レーザおよび従来の半導体レーザに於ける、反射率特性図である。
【図４】本発明の実施例に係る半導体レーザおよび従来の半導体レーザに於ける、モニタ電流特性図である。
【図５】本発明の実施例に係る半導体レーザおよび従来の半導体レーザに於ける、動作電流特性図である。
【図６】従来の半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
１０半導体レーザ素子
１１発光端面
１３第１層
１４第２層
１５第３層

Claims

半導体レーザ素子と、それの少なくとも一つの発光端面の上に積層された第１層と第２層と第３層とを備え、前記半導体レーザ素子の発振波長をλ、前記第１層と第２層の屈折率を各々ｎ₁とｎ₂、ａを任意の整数、ｂを任意の奇数として、前記第１層は厚さ略ａ・λ／（４・ｎ₁）の低屈折率材料からなり、前記第２層は厚さ略ｂ・λ／（８・ｎ₂）の高屈折率材料からなり、前記第３層は低屈折率材料からなり、３０〜５０％の反射率が得られるように前記第１層〜第３層の屈折率が設定されている事を特徴とする半導体レーザ。
前記第３層の屈折率をｎ₃として、前記第２層は厚さ１５nm乃至４０nmのシリコン又は非晶質シリコンからなり、前記第３層は厚さ２０nm乃至λ／（４・ｎ₃）からなる事を特徴とする請求項１の半導体レーザ。