JP4479214B2 - Semiconductor laser - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザに関し、特に、ブロードエリア型の半導体レーザに関する。   The present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a broad area type semiconductor laser.

半導体レーザは、CD(コンパクトディスク)やDVD(デジタルビデオディスク)のような光ディスク装置における光源としての用途以外に、ディスプレイや印刷機器、あるいは材料の加工、医療など様々な分野に応用されている。これらの応用においては、高い出力が要求されることが多いため、最近では高出力の半導体レーザの開発が盛んに行われている。   Semiconductor lasers are applied to various fields such as displays, printing equipment, material processing, and medical care, in addition to use as light sources in optical disk devices such as CDs (compact disks) and DVDs (digital video disks). In these applications, high output is often required, and recently, high-power semiconductor lasers have been actively developed.

半導体レーザの出力を高くするための一つの方法として、ストライプ状の発光領域を持つ半導体レーザにおいて、そのストライプ幅を広くすることが有効である。例えば、光ディスク用の半導体レーザにおけるストライプ幅の典型値が2〜3μmであるのに対し、高出力用の半導体レーザではストライプ幅を50μmや100μmに広げた、いわゆるブロードエリア型の半導体レーザも出現している。一般にブロードエリア型と呼ばれる半導体レーザにおいては、発光ストライプの幅が少なくとも5μm以上で、その殆どは10μm以上(最大幅で数100μm程度)に設定されている。ブロードエリア型の半導体レーザに関する技術としては、下記特許文献1に記載されたものが公知となっている。   As one method for increasing the output of a semiconductor laser, it is effective to widen the stripe width of a semiconductor laser having a striped light emitting region. For example, the typical value of the stripe width in a semiconductor laser for optical disks is 2 to 3 μm, whereas in a high-power semiconductor laser, a so-called broad area type semiconductor laser in which the stripe width is increased to 50 μm or 100 μm also appears. ing. In a semiconductor laser generally called a broad area type, the width of the light emission stripe is at least 5 μm or more, most of which is set to 10 μm or more (the maximum width is about several hundreds of μm). As a technique related to the broad area type semiconductor laser, one described in Patent Document 1 below is known.

特開2003−60288号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-60288

しかしながら、ブロードエリア型の半導体レーザの場合は、発光領域における光強度の分布を示すNFP(Near Field Pattern)が不均一になるという問題がある。この問題はストライプ幅方向で発光強度のムラを引き起こすため、ディスプレイや印刷機器に応用するうえで大きな障害になる。また、上記問題の原因の一つとして、ストライプ状発光領域の幅が広いために、その中で特定の部分から他の部分よりも強い光が発生する現象(以下「フィラメンテーション」と記す)が指摘されている。したがって、NFPをより均一化なものとするには、フィラメンテーションの発生を抑制する必要がある。また、ストライプ幅の拡大によって活性領域が広くなると、その中に複数の縦モードが立つことになるが、それらの縦モードは相互に影響し合うことが少ないため、結果的に発光スペクトルの幅が広くなってしまう。   However, in the case of a broad area type semiconductor laser, there is a problem that the NFP (Near Field Pattern) indicating the light intensity distribution in the light emitting region becomes non-uniform. Since this problem causes unevenness in emission intensity in the stripe width direction, it becomes a major obstacle to application to displays and printing equipment. In addition, one of the causes of the above problem is a phenomenon in which light is generated from a specific portion more intensely than other portions (hereinafter referred to as “filamentation”) because the stripe-shaped light emitting region is wide. It has been pointed out. Therefore, in order to make the NFP more uniform, it is necessary to suppress the occurrence of filamentation. In addition, when the active region becomes wider by increasing the stripe width, a plurality of longitudinal modes stand in the active region. However, since these longitudinal modes rarely affect each other, the width of the emission spectrum is consequently reduced. It becomes wide.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、ブロードエリア型の半導体レーザにおいて、NFPの均一化を図ることにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to make NFP uniform in a broad area type semiconductor laser.

本発明に係る半導体レーザは、活性層と2つのクラッド層とを用いて光の導波路を形成するとともに、導波路の軸方向の両端に設けられたレーザ端面のうち、少なくとも一方のレーザ端面の近傍に、導波路内を導波される光を活性層と平行な面内で導波路の軸方向と異なる方向に回折する回折部を設けてなり、回折部は二次元のフォトニック結晶からなり、フォトニック結晶中に線状欠陥部を設けた構成となっている。 The semiconductor laser according to the present invention forms an optical waveguide using an active layer and two cladding layers, and at least one of the laser end faces provided at both ends in the axial direction of the waveguide. A diffractive part that diffracts light guided in the waveguide in a direction different from the axial direction of the waveguide in a plane parallel to the active layer is provided in the vicinity, and the diffractive part is made of a two-dimensional photonic crystal. In the photonic crystal, a linear defect is provided .

本発明に係る半導体レーザにおいては、レーザ端面の近傍に設けた、結晶中に線状欠陥部を有する二次元のフォトニック結晶からなる回折部によって光を回折することにより、レーザ端面の近傍で導波路の軸方向と直交する方向に光が分散される。そのため、導波路の軸方向と直交する方向で光の強度が均一化される。 In the semiconductor laser according to the present invention, light is diffracted by a diffractive portion made of a two-dimensional photonic crystal having a linear defect portion in the crystal provided in the vicinity of the laser end face, thereby guiding it in the vicinity of the laser end face. Light is dispersed in a direction perpendicular to the axial direction of the waveguide. Therefore, the light intensity is made uniform in a direction perpendicular to the axial direction of the waveguide.

本発明に係る半導体レーザによれば、レーザ端面の近傍に回折部設けられ回折部は結晶中に線状欠陥が設けられた二次元のフォトニック結晶からなる。このため、導波路内を導波される光を回折部で回折することにより、導波路の軸方向と直交する方向で光の強度を均一化し、良好なNFPを得ることができる。 According to the semiconductor laser of the present invention, a diffractive part is provided in the vicinity of the laser end face, and the diffractive part is made of a two-dimensional photonic crystal in which a linear defect is provided in the crystal. For this reason, by diffracting the light guided in the waveguide by the diffraction section, the intensity of the light is made uniform in the direction orthogonal to the axial direction of the waveguide, and a good NFP can be obtained.

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施形態に係る半導体レーザの構成例を示すもので、(A)はその平面図、(B)はその断面図である。図示した半導体レーザは、ブロードエリア型の半導体レーザであって、ベースとなるn型の基板(半導体基板)1と、この基板1上に順に積層されたn型のクラッド層2と、n型のガイド層3と、活性層4と、p型のガイド層5と、p型のクラッド層6と、p型のキャップ層(コンタクト層)7とを備えて構成されている。   1A and 1B show a configuration example of a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view thereof. The semiconductor laser shown in the figure is a broad area type semiconductor laser, which is an n-type substrate (semiconductor substrate) 1 serving as a base, an n-type cladding layer 2 sequentially stacked on the substrate 1, and an n-type substrate. The guide layer 3 includes an active layer 4, a p-type guide layer 5, a p-type cladding layer 6, and a p-type cap layer (contact layer) 7.

基板1は、例えばn型のGaAs基板からなるものである。n型のクラッド層2は、例えばn型のAl0.35Ga0.65As層からなるものである。このクラッド層2はn型の基板1上に形成されている。n型のガイド層3は、例えばn型のAl0.30Ga0.70As層からなるものである。このガイド層3はn型のクラッド層2上に形成されている。活性層4は、例えばAl0.03Ga0.97As層からなる、量子井戸構造を有するものである。この活性層4はn型のガイド層3上に形成されている。 The substrate 1 is made of, for example, an n-type GaAs substrate. The n-type cladding layer 2 is made of, for example, an n-type Al 0.35 Ga 0.65 As layer. This clad layer 2 is formed on an n-type substrate 1. The n-type guide layer 3 is made of, for example, an n-type Al 0.30 Ga 0.70 As layer. The guide layer 3 is formed on the n-type cladding layer 2. The active layer 4 has a quantum well structure made of, for example, an Al 0.03 Ga 0.97 As layer. The active layer 4 is formed on the n-type guide layer 3.

p型のガイド層5は、例えばAl0.30Ga0.70As層からなるものである。このガイド層5は活性層4上に形成されている。p型のクラッド層6は、例えばAl0.35Ga0.65As層からなるものである。このクラッド層6はp型のガイド層5上に形成されている。p型のキャップ層7は、例えばGaAs層からなるものである。このキャップ層7はp型のクラッド層6上にストライプ状に形成されている。また、キャップ層7の両側には電流狭窄層8が形成されている。電流狭窄層8は、p側の電流通路を所定のストライプ幅に制限するもので、例えば窒化シリコンや酸化シリコンなどの絶縁層や、不純物イオンの注入によって得られる高抵抗層によって構成されている。また、図示はしないが、キャップ層7の上には、例えばTi、Pt、Auなどの電極材料を用いてp側の電極が形成され、その反対側となる基板1の裏面には、例えばGe、Auなどの電極材料を用いてn型の電極が形成される。 The p-type guide layer 5 is made of, for example, an Al 0.30 Ga 0.70 As layer. The guide layer 5 is formed on the active layer 4. The p-type cladding layer 6 is made of, for example, an Al 0.35 Ga 0.65 As layer. The clad layer 6 is formed on the p-type guide layer 5. The p-type cap layer 7 is made of, for example, a GaAs layer. The cap layer 7 is formed in a stripe shape on the p-type cladding layer 6. A current confinement layer 8 is formed on both sides of the cap layer 7. The current confinement layer 8 limits the p-side current path to a predetermined stripe width, and is constituted by an insulating layer such as silicon nitride or silicon oxide, or a high resistance layer obtained by implantation of impurity ions. Although not shown, a p-side electrode is formed on the cap layer 7 using an electrode material such as Ti, Pt, or Au, and a reverse side of the substrate 1 on the opposite side is formed on, for example, Ge. An n-type electrode is formed using an electrode material such as Au.

上記構成の半導体レーザにおいては、n型のクラッド層2と、n型のガイド層3と、活性層4と、p型のガイド層5と、p型のクラッド層6とによって光の導波路が形成されるとともに、この導波路の軸方向となるX方向両端のレーザ端面9A,9Bがそれぞれ反射鏡面となって共振器が形成されている。一方のレーザ端面9Aにおける光の反射率は他方のレーザ端面9Bにおける光の反射率よりも低くなっている。例えば、レーザ端面9Aの反射率はほぼ10%、レーザ端面9Bの反射率はほぼ100%となっている。これにより、半導体レーザを駆動した際には、導波路内をX方向に進行(往復)する光が所定の周波数に発振した状態で低反射側のレーザ端面9Aから矢印方向に出射されるものとなる。なお、図1に示すX方向は、上述した導波路の軸方向だけでなく、半導体レーザの共振器軸方向やストライプ軸方向などとも一致する方向となる。   In the semiconductor laser having the above configuration, an optical waveguide is formed by the n-type cladding layer 2, the n-type guide layer 3, the active layer 4, the p-type guide layer 5, and the p-type cladding layer 6. At the same time, the laser end faces 9A and 9B at both ends in the X direction, which is the axial direction of the waveguide, serve as reflecting mirror surfaces to form a resonator. The light reflectance at one laser end face 9A is lower than the light reflectance at the other laser end face 9B. For example, the reflectance of the laser end surface 9A is approximately 10%, and the reflectance of the laser end surface 9B is approximately 100%. As a result, when the semiconductor laser is driven, the light traveling (reciprocating) in the X direction in the waveguide is emitted in the direction of the arrow from the laser end surface 9A on the low reflection side in a state of oscillating at a predetermined frequency. Become. Note that the X direction shown in FIG. 1 is a direction that coincides not only with the axial direction of the waveguide described above, but also with the resonator axis direction and the stripe axis direction of the semiconductor laser.

また、レーザ光の出射側と反対側のレーザ端面9B近傍には回折部10が設けられている。回折部10は、導波路内をX方向に進行する光を、X方向(導波路の軸方向)と異なる方向に回折するもので、X方向におけるレーザ端面9Bの近傍に半導体レーザの全幅にわたって形成されている。また、半導体レーザの厚み方向においては、p型のキャップ層7、p型のクラッド層6及びp型のクラッド層5をほぼ貫通する状態で回折部10が形成されている。また、半導体レーザの長さ方向においては、レーザ端面9Bからレーザ全長の1/5〜1/10程度の寸法範囲に回折部10が形成されている。   In addition, a diffractive portion 10 is provided in the vicinity of the laser end surface 9B opposite to the laser beam emission side. The diffractive portion 10 diffracts light traveling in the X direction in the waveguide in a direction different from the X direction (axial direction of the waveguide), and is formed over the entire width of the semiconductor laser in the vicinity of the laser end face 9B in the X direction. Has been. In the thickness direction of the semiconductor laser, the diffractive portion 10 is formed so as to substantially penetrate the p-type cap layer 7, the p-type cladding layer 6 and the p-type cladding layer 5. Further, in the length direction of the semiconductor laser, the diffractive portion 10 is formed in a dimension range of about 1/5 to 1/10 of the total length of the laser from the laser end face 9B.

回折部10は、二次元のフォトニック結晶によって構成されている。フォトニック結晶とは、光の波長と同程度かそれよりも若干小さい周期で、屈折率が異なる2種類の媒質を配置することにより、周期的な屈折率分布をもたせた構造体である。また、2次元のフォトニック結晶とは、屈折率分布が2次元方向(平面状)に設けられたフォトニック結晶である。   The diffraction unit 10 is configured by a two-dimensional photonic crystal. A photonic crystal is a structure having a periodic refractive index distribution by arranging two types of media having different refractive indexes at a period that is the same as or slightly smaller than the wavelength of light. The two-dimensional photonic crystal is a photonic crystal in which a refractive index distribution is provided in a two-dimensional direction (planar shape).

フォトニック結晶からなる回折部10の構造例を図2(A),(B)に示す。図2(A)はフォトニック結晶からなる回折部10の斜視図であり、図2(B)はその拡大平面図である。図示のように回折部10には、活性層4と平行な面内で円形の小さな穴部(穴径は一定)11が一定の周期で二次元的に配置されている。すなわち、導波路の軸方向Xとほぼ45度をなす直交2軸方向においては、その結晶構造が正方格子となっていることから、互いに隣り合う穴部11の配列ピッチ(中心ピッチ)P1,P2がそれぞれ等しく設定されている。各々の穴部11はフォトニック結晶の格子点を形成するもので、図示したものでは正方格子の円穴の二次元フォトニック結晶となっている。   2A and 2B show an example of the structure of the diffractive portion 10 made of a photonic crystal. 2A is a perspective view of the diffractive portion 10 made of a photonic crystal, and FIG. 2B is an enlarged plan view thereof. As shown in the drawing, in the diffractive portion 10, small circular holes 11 (having a constant hole diameter) 11 are two-dimensionally arranged at a constant period in a plane parallel to the active layer 4. That is, in the orthogonal biaxial direction that forms approximately 45 degrees with the axial direction X of the waveguide, since the crystal structure is a square lattice, the arrangement pitches (center pitches) P1, P2 of the holes 11 adjacent to each other. Are set equal to each other. Each hole 11 forms a lattice point of the photonic crystal, and in the illustrated case, it is a two-dimensional photonic crystal having a square hole of a square lattice.

また、格子点を結んで形成される最も小さな正方形の各辺は、導波路の軸方向となるX方向に対してほぼ45度の傾きを有するものとなっている。また、穴部11の屈折率をnaとし、穴部11以外の部分の屈折率をnbとすると、それらの関係はna≠nb(na>nb又はna<nb)となっている。   Each side of the smallest square formed by connecting the lattice points has an inclination of approximately 45 degrees with respect to the X direction that is the axial direction of the waveguide. Further, when the refractive index of the hole 11 is na and the refractive index of the portion other than the hole 11 is nb, the relationship thereof is na ≠ nb (na> nb or na <nb).

続いて、本発明の実施形態に係る半導体レーザの製造方法について図3を用いて説明する。   Next, a semiconductor laser manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

先ず、図3(A),(B)に示すように、半導体レーザのベースとなるウエハ状態の基板1を用意するとともに、この基板1上に例えばMOCVD法(有機金属気相成長法)によってn型のクラッド層2、n型のガイド層3、活性層4、p型のガイド層5、p型のクラッド層6及びp型のキャップ層7を順に積層して形成する。   First, as shown in FIGS. 3A and 3B, a wafer-like substrate 1 serving as a base of a semiconductor laser is prepared, and n on the substrate 1 is formed by, for example, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). A type cladding layer 2, an n-type guide layer 3, an active layer 4, a p-type guide layer 5, a p-type cladding layer 6 and a p-type cap layer 7 are sequentially stacked.

次に、図3(C)に示すように、キャップ層7が形成されている基板1の表面にエッチングマスク12を形成する。このエッチングマスク12は、フォトリスグラフィー(レジスト塗布、プリベイク、電子線描画による露光、現像、洗浄など)によって所定のパターンに形成される。このマスクパターンは、フォトニック結晶からなる回折部10の形成領域で上記穴部11(図2参照)に対応する箇所を円形に開口させたパターンとなる。   Next, as shown in FIG. 3C, an etching mask 12 is formed on the surface of the substrate 1 on which the cap layer 7 is formed. The etching mask 12 is formed in a predetermined pattern by photolithography (resist application, pre-baking, exposure by electron beam drawing, development, washing, etc.). This mask pattern is a pattern in which a portion corresponding to the hole 11 (see FIG. 2) is opened in a circle in the formation region of the diffractive portion 10 made of a photonic crystal.

続いて、図3(D)に示すように、例えばRIE(反応性イオンエッチング)や高周波誘導結合プラズマ(ICP)エッチングなどのドライエッチング法によって基板1上の半導体層(キャップ層7、p型のクラッド層6、p型のガイド層5)を表面側から掘り込む(削り込む)ことにより、図3(E)に示すように、キャップ層7、p型のクラッド層6及びp型のガイド層5にほぼ貫通する多数の穴部11を形成する。エッチングマスク12はエッチング終了後に除去される。   Subsequently, as shown in FIG. 3D, the semiconductor layer (cap layer 7, p-type layer) on the substrate 1 is formed by a dry etching method such as RIE (reactive ion etching) or high frequency inductively coupled plasma (ICP) etching. As shown in FIG. 3E, the cladding layer 6 and the p-type guide layer 5) are dug (cut) from the surface side, so that the cap layer 7, the p-type cladding layer 6 and the p-type guide layer are formed. 5 is formed with a large number of holes 11 penetrating substantially. The etching mask 12 is removed after the etching is completed.

エッチングに際しては、穴部11の底部が活性層4まで達しない(換言すると活性層4がエッチングによるダメージを受けない)ようにエッチング条件を適宜設定(選択)することが望ましい。ただし、穴部11の深さが浅すぎると、活性層4に光を閉じ込めて導波するときに、フォトニック結晶の存在によって光が感じる屈折率差が小さくなってしまう。そのため、穴部11の底部が少なくともp型のガイド層4に達するようにエッチング量(穴部11の深さ)を制御することが望ましい。   In etching, it is desirable to appropriately set (select) the etching conditions so that the bottom of the hole 11 does not reach the active layer 4 (in other words, the active layer 4 is not damaged by the etching). However, if the depth of the hole 11 is too shallow, the difference in refractive index that the light feels due to the presence of the photonic crystal when light is confined and guided in the active layer 4 becomes small. Therefore, it is desirable to control the etching amount (depth of the hole 11) so that the bottom of the hole 11 reaches at least the p-type guide layer 4.

このことから半導体レーザの構成としては、図4に示すように、フォトニック結晶からなる回折部10(穴部11)の底部と活性層4との間にΔTのギャップが介在し、このギャップ部分がp型のガイド層5で埋め込まれたものとなっていてもよい。エッチング終了後は、電極形成プロセスによって基板1の表面側(p側)と裏面側(n側)にそれぞれ金属の蒸着によって電極を形成する。   Therefore, as shown in FIG. 4, a semiconductor laser has a ΔT gap between the bottom of the diffractive portion 10 (hole 11) made of photonic crystal and the active layer 4, and this gap portion. May be embedded in the p-type guide layer 5. After completion of the etching, electrodes are formed by vapor deposition of metal on the front surface side (p side) and the back surface side (n side) of the substrate 1 by an electrode formation process.

このような製造方法によって得られた半導体レーザでは、電極形成プロセスで金属を蒸着したときに、フォトニック結晶の形成領域(以下、フォトニック結晶領域とも記す)に設けられた各々の穴部11に金属が入り込んだ構造となる。そのため、フォトニック結晶の形成領域では、活性層4に隣接するp型のガイド層5を構成する半導体材料の中に、これと屈折率が異なる金属材料が周期的に規則正しく並んだ構造となる。   In a semiconductor laser obtained by such a manufacturing method, when metal is deposited by an electrode formation process, each hole 11 provided in a photonic crystal formation region (hereinafter also referred to as a photonic crystal region) is provided. It has a structure that contains metal. Therefore, in the photonic crystal formation region, a metal material having a refractive index different from that of the semiconductor material constituting the p-type guide layer 5 adjacent to the active layer 4 is periodically and regularly arranged.

ここで、フォトニック結晶の周期構造は、導波路内を導波される光の波長と同程度かそれ以下の場合に光学的に有効に機能することから、例えばAlGaAs系材料で光の波長が約800nmとなる場合は、実効的な屈折率(導波される光が平均的に感じる屈折率)をneff=4とし、この値で光の波長を割った値200nm(=800÷4)かそれ以下の値を屈折率分布の周期に設定することが望ましい。例えば、図2に示すフォトニック結晶構造体においては、屈折率分布の周期となる穴部11の間隔P1,P2を共に200nmに設定するとともに、それぞれの穴径(直径)を上記間隔の1/2相当の100nmに設定することが好ましい。 Here, the periodic structure of the photonic crystal functions optically effectively when the wavelength of the light guided in the waveguide is equal to or less than the wavelength of the light. When it is about 800 nm, the effective refractive index (refractive index that the guided light feels on average) is n eff = 4, and the value obtained by dividing the light wavelength by this value is 200 nm (= 800 ÷ 4). It is desirable to set a value less than or equal to the period of the refractive index distribution. For example, in the photonic crystal structure shown in FIG. 2, the intervals P1 and P2 of the holes 11 that are the period of the refractive index distribution are both set to 200 nm, and the respective hole diameters (diameters) are 1 / 2 is preferably set to 100 nm.

また、他の材料系として、例えばGaInP/AlGaInP系材料で光の波長が約650nmとなる場合は、同じく実効的な屈折率をneff=4とし、この値で光の波長を割った値160nm(≒650÷4)かそれ以下の値を屈折率分布の周期に設定することが望ましい。また、GaInN/AlGaInN系材料で光の波長が約405nmとなる場合は、実効的な屈折率をneff=2.5とし、この値で光の波長を割った値160nm(≒405÷2.5)かそれ以下の値を屈折率分布の周期に設定することが望ましい。また、GaInNAs/GaAsN系材料で光の波長が約1300nm(1.3μm)となる場合は、実効的な屈折率をneff=3.5とし、この値で光の波長を割った値370nm(≒1300÷3.5)かそれ以下の値を屈折率分布の周期に設定することが望ましい。 As another material system, for example, when the wavelength of light is about 650 nm with a GaInP / AlGaInP-based material, the effective refractive index is n eff = 4, and the value obtained by dividing the light wavelength by this value is 160 nm. It is desirable to set a value of (≈650 ÷ 4) or less as the period of the refractive index distribution. When the light wavelength is about 405 nm in a GaInN / AlGaInN-based material, the effective refractive index is n eff = 2.5, and the value obtained by dividing the light wavelength by this value is 160 nm (≈405 ÷ 2. It is desirable to set a value of 5) or less as the period of the refractive index distribution. Further, when the wavelength of light is about 1300 nm (1.3 μm) with a GaInNAs / GaAsN-based material, the effective refractive index is n eff = 3.5, and the value obtained by dividing the light wavelength by this value is 370 nm ( It is desirable to set a value of approximately 1300 ÷ 3.5) or less as the period of the refractive index distribution.

ちなみに、ここでは活性層4の下層にn型のガイド層3、上層にp型のガイド層5が形成されたものを例示しているが、本発明はいずれか一方のガイド層が無しのものや両方のガイド層が無しものにも適用可能である。例えば、図5に示すように、活性層4をn型のクラッド層2とp型のクラッド層6でサンドイッチした3層スラブ導波路を採用したもの(ガイド層無しのもの)では、レーザ光の出射側と反対側のレーザ端面の近傍に、フォトニック結晶からなる回折部10が設けられるとともに、この回折部10の底部が、活性層4の上面に隣接する半導体層、つまりp型のクラッド層6に達するように配置される。   Incidentally, here, an example in which the n-type guide layer 3 is formed in the lower layer of the active layer 4 and the p-type guide layer 5 is formed in the upper layer is illustrated, but the present invention does not have any one of the guide layers. It can also be applied to those without both guide layers. For example, as shown in FIG. 5, in the case of employing a three-layer slab waveguide in which the active layer 4 is sandwiched between an n-type cladding layer 2 and a p-type cladding layer 6 (without a guide layer), the laser beam A diffractive portion 10 made of a photonic crystal is provided in the vicinity of the laser end surface opposite to the emission side, and the bottom of the diffractive portion 10 is a semiconductor layer adjacent to the upper surface of the active layer 4, that is, a p-type cladding layer. It is arranged to reach 6.

また、半導体レーザの製造方法としては、図6(A)〜(F)に示すフローに基づくものであってもよい。この製造方法について説明すると、先ず、図6(A),(B)に示すように、半導体レーザのベースとなるウエハ状態の基板1を用意するとともに、この基板1上に例えばMOCVD法によってn型のクラッド層2、n型のガイド層3、活性層4、p型のガイド層5及びp型のクラッド層6を順に積層して形成する。このとき、p型のクラッド層6の一部又は全部を結晶成長させたところで、一旦基板1を結晶成長装置から取り出す。   Further, the semiconductor laser manufacturing method may be based on the flow shown in FIGS. The manufacturing method will be described. First, as shown in FIGS. 6A and 6B, a wafer-like substrate 1 serving as a base of a semiconductor laser is prepared, and an n-type is formed on the substrate 1 by, for example, MOCVD. The clad layer 2, the n-type guide layer 3, the active layer 4, the p-type guide layer 5, and the p-type clad layer 6 are sequentially laminated. At this time, when part or all of the p-type cladding layer 6 is crystal-grown, the substrate 1 is once taken out of the crystal growth apparatus.

次に、図6(C)に示すように、p型のクラッド層6が形成されている基板1の表面にエッチングマスク12を形成する。このエッチングマスク12は、フォトリスグラフィー(レジスト塗布、プリベイク、電子線描画による露光、現像、洗浄など)によって所定のパターンに形成される。このマスクパターンは、フォトニック結晶からなる回折部10の形成領域で上記穴部11(図2参照)に対応する箇所を円形に開口させたパターンとなる。   Next, as shown in FIG. 6C, an etching mask 12 is formed on the surface of the substrate 1 on which the p-type cladding layer 6 is formed. The etching mask 12 is formed in a predetermined pattern by photolithography (resist application, pre-baking, exposure by electron beam drawing, development, washing, etc.). This mask pattern is a pattern in which a portion corresponding to the hole 11 (see FIG. 2) is opened in a circle in the formation region of the diffractive portion 10 made of a photonic crystal.

続いて、図6(D)に示すように、例えばRIE(反応性イオンエッチング)や高周波誘導結合プラズマ(ICP)エッチングなどのドライエッチング法によって基板1上の半導体層(p型のクラッド層6、p型のガイド層5)を表面側から掘り込む(削り込む)ことにより、図6(E)に示すように、p型のクラッド層6及びp型のガイド層5にほぼ貫通する多数の穴部11を形成する。エッチングマスク12はエッチング終了後に除去される。このエッチングに際しても穴部11の底部がp型のガイド層5に達し、かつ活性層4までは達しないように、エッチング条件を適宜設定することが望ましい。   Subsequently, as shown in FIG. 6D, the semiconductor layer (p-type cladding layer 6) on the substrate 1 is formed by a dry etching method such as RIE (reactive ion etching) or high frequency inductively coupled plasma (ICP) etching. By digging (scraping) the p-type guide layer 5) from the surface side, as shown in FIG. 6E, a large number of holes almost penetrating the p-type cladding layer 6 and the p-type guide layer 5 are obtained. Part 11 is formed. The etching mask 12 is removed after the etching is completed. It is desirable to appropriately set the etching conditions so that the bottom of the hole 11 reaches the p-type guide layer 5 and does not reach the active layer 4 during this etching.

次いで、図6(F)に示すように、基板1を結晶成長装置に再投入して、p型のクラッド層6の残り、又はp型のキャップ層7を上記同様の方法(例えば、MOCVD法)で形成した後、電極形成プロセスによって基板1の表面側(p側)と裏面側(n側)にそれぞれ金属の蒸着によって電極を形成する。この製造方法においては、フォトニック結晶の形成領域に設けられた各々の穴部11にp型のクラッド層6又はキャップ層7の形成材料が入り込んだ構造となる。そのため、フォトニック結晶の形成領域では、活性層4に隣接するp型のガイド層5を構成する半導体材料の中に、これと屈折率が異なるp型のクラッド層材料又はp型のキャップ層材料が周期的に規則正しく並んだ構造となる。また、2回目の結晶成長の条件によっては、表面張力などの影響で穴部11に半導体材料が入り込まず、穴部11が空隙のままで結晶成長が進行することも考えられるが、その場合でもガイド層5の材料中に、これと屈折率の異なる空隙が周期的に規則正しく並んだ構造となる。   Next, as shown in FIG. 6 (F), the substrate 1 is reintroduced into the crystal growth apparatus, and the remaining p-type cladding layer 6 or the p-type cap layer 7 is formed by a method similar to the above (for example, MOCVD method). Then, electrodes are formed by vapor deposition of metal on the front surface side (p side) and the back surface side (n side) of the substrate 1 by an electrode formation process. This manufacturing method has a structure in which the material for forming the p-type cladding layer 6 or the cap layer 7 enters each hole 11 provided in the formation region of the photonic crystal. Therefore, in the photonic crystal formation region, a p-type cladding layer material or a p-type cap layer material having a refractive index different from that of the semiconductor material constituting the p-type guide layer 5 adjacent to the active layer 4. Becomes a structure that is regularly arranged regularly. Further, depending on the conditions of the second crystal growth, it is conceivable that the semiconductor material does not enter the hole 11 due to the influence of the surface tension and the like, and the crystal growth proceeds while the hole 11 remains void. The material of the guide layer 5 has a structure in which voids having different refractive indexes are periodically arranged regularly.

上記構成の半導体レーザを動作させるにあたって、ストライプ状の電流注入領域から順方向の電流を流すと、活性層4中にストライプ状の反転分布領域が形成されるとともに、この反転分布領域の形成に伴う誘導放出によって活性層4の内部に光が発生する。こうして発生した光は導波路に沿ってX方向に進行するとともに、レーザ端面9A,9Bで反射(フィードバック)を繰り返しながら増幅し、ある発振波長で低反射側のレーザ端面9Aから出射する。   In operating the semiconductor laser having the above configuration, when a forward current is passed from the stripe-shaped current injection region, a stripe-shaped inversion distribution region is formed in the active layer 4 and is accompanied by the formation of the inversion distribution region. Light is generated inside the active layer 4 by stimulated emission. The light thus generated travels in the X direction along the waveguide, is amplified while being repeatedly reflected (feedback) at the laser end faces 9A and 9B, and is emitted from the laser end face 9A on the low reflection side at a certain oscillation wavelength.

その際、レーザ端面9Bの近傍に回折部10が存在すると、導波路内を導波される光(導波光)は、回折部10による周期的な屈折率差を感じるため、活性層(pn接合層)4と平行な面内でX方向とは異なる方向に回折する。この場合、フォトニック結晶は、活性層4に平行な面状に形成されているため、その周期的な屈折率差によってレーザ光が受ける影響は、活性層4に垂直な面内で振動(縦方向に振動)している場合、つまりTM(Transverse Magnetic)成分が強くなるほど大きくなる。   At this time, if the diffractive portion 10 exists in the vicinity of the laser end surface 9B, light guided in the waveguide (guided light) feels a periodic refractive index difference due to the diffractive portion 10, so that the active layer (pn junction) Layer) diffracts in a direction different from the X direction in a plane parallel to layer 4. In this case, since the photonic crystal is formed in a plane parallel to the active layer 4, the influence of the laser beam due to the periodic refractive index difference is vibration (longitudinal in the plane perpendicular to the active layer 4). (In other words, the greater the TM (Transverse Magnetic) component), the larger it becomes.

また、フォトニック結晶が形成された領域では、X方向に対して±45度をなす軸上にそれぞれ一定の周期(間隔)で穴部11が配置されるため、回折部10はこれと同じ45度方向に周期性をもった回折格子のように作用する。したがって、レーザ端面9Bの近傍では、図7(A)に示すように、レーザ端面9Bに向けてX方向に進行する光(導波光)の一部が、フォトニック結晶による周期的な屈折率差を感じて、もともとの導波方向となるX方向とは異なる方向に90度回折する。さらに、こうして回折した光の一部は、フォトニック結晶の形成領域内で再びフォトニック結晶による周期的な屈折率差を感じて90度回折する。その結果、光の進行方向はレーザ端面9A側を向くように180度変換される。   Further, in the region where the photonic crystal is formed, the holes 11 are arranged at a constant period (interval) on the axis forming ± 45 degrees with respect to the X direction. It acts like a diffraction grating with periodicity in the direction of degrees. Therefore, in the vicinity of the laser end face 9B, as shown in FIG. 7A, a part of the light (guided light) traveling in the X direction toward the laser end face 9B is caused by a periodic refractive index difference due to the photonic crystal. And diffracted by 90 degrees in a direction different from the X direction, which is the original waveguide direction. Further, a part of the light diffracted in this way is diffracted by 90 degrees while feeling the periodic refractive index difference due to the photonic crystal again in the formation region of the photonic crystal. As a result, the light traveling direction is converted by 180 degrees so as to face the laser end face 9A side.

このような光の回折はフォトニック結晶の形成領域内で連続的に生じる。そのため、フォトニック結晶領域に入射した光(導波光)は、フォトニック結晶による周期的な屈折率差を感じて90度の回折を不規則に何度も繰り返すことになる。したがって、フォトニック結晶の形成領域に入射した光(導波光)は、図7(B)に示すように、X方向と直交する方向(ストライプ幅方向)に分散してフィードバックされるようになる。このとき、一部の光は、フォトニック結晶領域を通してレーザ端面9Bに達し、そこで反射してフィードバックされる。   Such diffraction of light occurs continuously in the formation region of the photonic crystal. Therefore, the light (guided light) incident on the photonic crystal region feels a periodic refractive index difference due to the photonic crystal and repeats diffraction of 90 degrees irregularly and repeatedly. Therefore, the light (guided light) incident on the photonic crystal formation region is distributed and fed back in a direction (stripe width direction) orthogonal to the X direction, as shown in FIG. 7B. At this time, a part of the light reaches the laser end face 9B through the photonic crystal region, and is reflected and fed back there.

その結果、従来のブロードエリア型の半導体レーザの場合は、レーザ端面で反射されるレーザ光がX方向だけに進行(往復)するため、例えば、図8(A)に示すように、ストライプ幅方向(X方向と直交する方向)の特定の部分Pwで強い光が発生した場合は、この光がストライプ幅方向の同じ位置でX方向に進行(往復)することになる。したがって、半導体レーザからは、ストライプ幅方向の特定の部分の光強度が他の部分よりも大きくなった状態でレーザ光が出射されるため、NFPが悪化してしまう。   As a result, in the case of a conventional broad area type semiconductor laser, the laser beam reflected by the laser end face travels (reciprocates) only in the X direction. For example, as shown in FIG. When intense light is generated in a specific portion Pw (direction orthogonal to the X direction), this light travels (reciprocates) in the X direction at the same position in the stripe width direction. Therefore, since the laser light is emitted from the semiconductor laser in a state where the light intensity of a specific portion in the stripe width direction is larger than that of other portions, NFP is deteriorated.

これに対して、フォトニック結晶からなる回折部10を備えたブロードエリア型の半導体レーザの場合は、X方向に進行する光がレーザ端面9Bの近傍でフォトニック結晶の存在により回折してストライプ幅方向に分散するため、例えば、図8(B)に示すように、ストライプ幅方向(X方向と直交する方向)の特定の部分Pwで強い光が発生した場合でも、この光がストライプ幅方向に広がるように分散してX方向に進行(往復)することになる。したがって、半導体レーザからは、ストライプ幅方向の特定の部分の光強度を他の部分に分散(分配)した状態でレーザ光が出射されるため、NFPが良好なものとなる。   On the other hand, in the case of a broad area type semiconductor laser having a diffractive portion 10 made of a photonic crystal, the light traveling in the X direction is diffracted by the presence of the photonic crystal in the vicinity of the laser end face 9B, resulting in a stripe width. For example, as shown in FIG. 8B, even when intense light is generated in a specific portion Pw in the stripe width direction (direction orthogonal to the X direction), the light is dispersed in the stripe width direction. It spreads and spreads in the X direction (reciprocates). Therefore, the laser light is emitted from the semiconductor laser in a state where the light intensity of a specific portion in the stripe width direction is dispersed (distributed) to other portions, so that the NFP is good.

また、フォトニック結晶領域で光がストライプ幅方向に分散すると、レーザ発振時に生じる複数の縦モードが互いに影響し合うようになるため、それらの相互作用によって複数の縦モードのうち単一または複数の特定モードが顕在化する。これにより、導波路内を導波される光はスペクトルの限られた波長に収束するため、全体的なスペクトル幅が小さくなるという光学的に好ましい効果が得られる。その結果、半導体レーザから出射されるレーザ光の単色性を向上させることができる。   In addition, when light is dispersed in the stripe width direction in the photonic crystal region, a plurality of longitudinal modes generated during laser oscillation influence each other. A specific mode becomes apparent. As a result, since the light guided in the waveguide converges to a wavelength having a limited spectrum, an optically advantageous effect that the overall spectrum width is reduced can be obtained. As a result, the monochromaticity of the laser light emitted from the semiconductor laser can be improved.

なお、上記の例では、フォトニック結晶の結晶構造として、格子点を構成する穴部11が正方対称に並んだ正方格子を例に挙げて説明したが、これ以外にも、例えば穴部11が三方対称に並んだ三方格子を採用してもよい。三方格子の二次元フォトニック結晶を採用した場合は、最も近い3つの穴部(格子点)11を結んだときに正三角形が形成される。そこで、この正三角形の1辺がX方向に対して直角をなすような位置関係で回折部10にフォトニック結晶を形成する。   In the above example, as a crystal structure of the photonic crystal, a square lattice in which holes 11 constituting lattice points are arranged in a square symmetry has been described as an example. A three-way lattice arranged in three-way symmetry may be adopted. When a three-dimensional lattice two-dimensional photonic crystal is employed, an equilateral triangle is formed when the three nearest holes (lattice points) 11 are connected. Therefore, a photonic crystal is formed in the diffraction section 10 in such a positional relationship that one side of the equilateral triangle is perpendicular to the X direction.

このように三方格子のフォトニック結晶を形成した場合は、X方向に対して±30度をなす軸上と90度をなす軸上にそれぞれ一定の周期(間隔)で穴部11が配置されることから、図9に示すように、レーザ端面9Bに向けてX方向に進行する光(導波光)の一部が、フォトニック結晶による周期的な屈折率差を感じて、もともとの導波方向となるX方向とは異なる方向に60度回折する。さらに、こうして回折した光の一部は、フォトニック結晶の形成領域内で再びフォトニック結晶による周期的な屈折率差を感じて60度ずつ回折する。その結果、光の進行方向はレーザ端面9A側を向くように180度変換される。   When the photonic crystal having a trigonal lattice is formed in this way, the holes 11 are arranged at a constant period (interval) on the axis forming ± 30 degrees and the axis forming 90 degrees with respect to the X direction. Therefore, as shown in FIG. 9, a part of the light (guided light) traveling in the X direction toward the laser end face 9B feels a periodic refractive index difference due to the photonic crystal, and the original waveguide direction. Diffracts 60 degrees in a direction different from the X direction. Furthermore, a part of the light diffracted in this way is diffracted by 60 degrees in a region where the photonic crystal is formed, again feeling a periodic refractive index difference due to the photonic crystal. As a result, the light traveling direction is converted by 180 degrees so as to face the laser end face 9A side.

このような光の回折はフォトニック結晶の形成領域内で連続的に生じる。そのため、フォトニック結晶領域に入射した光(導波光)は、フォトニック結晶による周期的な屈折率差を感じて60度の回折を不規則に何度も繰り返すことになる。したがって、三方格子の結晶構造からなるフォトニック結晶を採用した場合でも、その形成領域に入射した光(導波光)はX方向と直交する方向(ストライプ幅方向)に分散してフィードバックされるため、正方格子の結晶構造を採用した場合と同様の効果が得られる。   Such diffraction of light occurs continuously in the formation region of the photonic crystal. Therefore, the light (guided light) incident on the photonic crystal region feels a periodic refractive index difference due to the photonic crystal and repeats diffraction of 60 degrees irregularly and repeatedly. Therefore, even when a photonic crystal having a crystal structure of a three-way lattice is adopted, light (guided light) incident on the formation region is distributed and fed back in a direction (stripe width direction) perpendicular to the X direction. The same effects as those obtained when a square lattice crystal structure is employed can be obtained.

また、上記の例では、回折部10を構成するフォトニック結晶領域で多数の穴部11が一定の周期で規則的に並んだものとなっているが、例えば図10(A)に示すように、ストライプ幅方向(X方向と直交する方向)の任意の位置で、X方向に沿って1列分の穴部(黒丸部分)11Aを意図的に取り除くことにより、図10(B)に示すように、穴部が存在しない所定本数(図例では2本)の線状欠陥部14を設けた構成としてもよい。   In the above example, a large number of holes 11 are regularly arranged in a constant cycle in the photonic crystal region constituting the diffractive portion 10, but for example as shown in FIG. As shown in FIG. 10B, by intentionally removing the holes (black circle portions) 11A for one row along the X direction at an arbitrary position in the stripe width direction (direction orthogonal to the X direction). In addition, a predetermined number (two in the illustrated example) of linear defect portions 14 having no holes may be provided.

かかる構成を採用した場合は、フォトニック結晶中の線状欠陥部14が光の導波路として機能することになる。そのため、フォトニック結晶領域に入射した光をX方向と異なる方向(90度方向、60度方向)に回折する際には、図11に示すように、線状欠陥部14の導波作用によって回折光の多くが線状欠陥部14に沿って進行するようになる。これにより、ストライプ幅方向の任意に位置に意図的に線状欠陥部14を形成して、その形成箇所により多くの光を集めることができる。   When such a configuration is employed, the linear defect portion 14 in the photonic crystal functions as a light waveguide. Therefore, when the light incident on the photonic crystal region is diffracted in a direction different from the X direction (90 degree direction and 60 degree direction), as shown in FIG. Most of the light travels along the linear defect portion 14. Thereby, the linear defect part 14 can be intentionally formed at an arbitrary position in the stripe width direction, and more light can be collected at the formation place.

その結果、ブロードエリア型の半導体レーザのNFPを均一化することが可能となる。すなわち、ブロードエリア型の半導体レーザの場合は、その構造上、ストライプ幅方向の中央部分に電流が集まりやすくなるため、その部分の光強度が他の部分(ストライプ幅方向の端部)よりも大きくなる。これに対して、ストライプ幅方向の端部に線状欠陥部14を設けることにより、その部分の光強度が相対的に大きくなる。そのため、ストライプ幅方向で光の強度分布をより均一に近づけることが可能となる。   As a result, the NFP of the broad area type semiconductor laser can be made uniform. That is, in the case of a broad area type semiconductor laser, current tends to gather at the central portion in the stripe width direction due to its structure, so that the light intensity at that portion is larger than the other portions (edge portions in the stripe width direction). Become. On the other hand, by providing the linear defect portion 14 at the end in the stripe width direction, the light intensity at that portion becomes relatively large. Therefore, the light intensity distribution can be made more uniform in the stripe width direction.

また、上記実施形態においては、レーザ端面9Bの近傍に回折部10を設けた構成としたが、本発明はこれに限らず、レーザ端面9Aの近傍に回折部10を設けた構成や、両方のレーザ端面9A,9Bの近傍に回折部10を設けた構成としてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although it was set as the structure which provided the diffraction part 10 in the vicinity of the laser end surface 9B, this invention is not restricted to this, The structure which provided the diffraction part 10 in the vicinity of the laser end surface 9A, and both It is good also as a structure which provided the diffraction part 10 in the vicinity of laser end surface 9A, 9B.

本発明の実施形態に係る半導体レーザの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the semiconductor laser which concerns on embodiment of this invention. フォトニック結晶からなる回折部の構造例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the diffraction part which consists of photonic crystals. 本発明の実施形態に係る半導体レーザの製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the semiconductor laser which concerns on embodiment of this invention. 半導体レーザの他の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structural example of a semiconductor laser. 本発明が適用された半導体レーザの他の構成例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the other structural example of the semiconductor laser to which this invention was applied. 半導体レーザの製造方法の他の例を説明する図である。It is a figure explaining the other example of the manufacturing method of a semiconductor laser. フォトニック結晶による光の回折現象を説明する図である。It is a figure explaining the diffraction phenomenon of the light by a photonic crystal. 回折部の有無による光導波の違いを比較した図である。It is the figure which compared the difference of the optical waveguide by the presence or absence of a diffraction part. 異なる結晶構造を採用した場合の光の回折現象を説明する図である。It is a figure explaining the diffraction phenomenon of light at the time of employ | adopting a different crystal structure. 線状欠陥部の形成例を説明する図である。It is a figure explaining the example of formation of a linear defect part. 線状欠陥部を設けた場合の光導波の状態を説明する図である。It is a figure explaining the state of the optical waveguide at the time of providing a linear defect part.

符号の説明Explanation of symbols

1…基板、2…n型のクラッド層、3…n型のガイド層、4…活性層、5…p型のガイド層、6…p型のクラッド層、9A,9B…レーザ端面、10…回折部、11…穴部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... n-type cladding layer, 3 ... n-type guide layer, 4 ... Active layer, 5 ... p-type guide layer, 6 ... p-type cladding layer, 9A, 9B ... Laser end face, 10 ... Diffraction part, 11 ... hole

Claims (3)

活性層と2つのクラッド層とを用いて光の導波路を形成するとともに、前記導波路の軸方向の両端に設けられたレーザ端面のうち、少なくとも一方のレーザ端面の近傍に、前記導波路内を導波される光を前記活性層と平行な面内で前記導波路の軸方向と異なる方向に回折する回折部を設けてなり、
前記回折部は二次元のフォトニック結晶からなり、
前記フォトニック結晶中に線状欠陥部を設けてなる
半導体レーザ。
An optical waveguide is formed using the active layer and the two cladding layers, and among the laser end faces provided at both ends in the axial direction of the waveguide, in the vicinity of at least one laser end face, the Ri and light guided by said active layer in a plane parallel to name provided a diffractive portion diffracted in a different direction to the axial direction of the waveguide,
The diffraction part is made of a two-dimensional photonic crystal,
A semiconductor laser in which a linear defect is provided in the photonic crystal .
前記導波路内を導波される光の波長を実効屈折率で割った値に基づいて、前記フォトニック結晶における屈折率分布の周期を設定してなる請求項記載の半導体レーザ。 The wavelength in the waveguide of the waveguide is an optical based on the value obtained by dividing the effective refractive index, obtained by setting the period of the refractive index distribution in the photonic crystal, a semiconductor laser according to claim 1, wherein. 前記フォトニック結晶の結晶構造を正方格子又は三方格子としてなる請求項記載の半導体レーザ。 Comprising the crystal structure of the photonic crystal as a square lattice or trigonal lattice, the semiconductor laser according to claim 1, wherein.
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