JP5892534B2 - Semiconductor laser element - Google Patents

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Description

本発明は、回折格子層を備えた半導体レーザ素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser device provided with a diffraction grating layer.

特許文献1は、回折格子を備える分布帰還型半導体レーザ素子(DFB−LD)を開示している。かかる文献には、DFB−LDにおける導波路の幅方向に沿った横モードを制御することで、レーザビームの飽和出力を増大させることができる旨が開示されている。   Patent Document 1 discloses a distributed feedback semiconductor laser element (DFB-LD) including a diffraction grating. This document discloses that the saturation output of the laser beam can be increased by controlling the transverse mode along the width direction of the waveguide in the DFB-LD.

非特許文献1には、二次元回折格子を用いた面発光型の半導体レーザ素子が記載されている。二次元回折格子はフォトニック結晶(PhotonicCrystal:PCと称する)と呼ばれ、光の波長程度の間隔で周期的な凹凸を有する構造であり、光の局在化、伝搬方向・速度の制御など多彩な応用が可能となる。   Non-Patent Document 1 describes a surface emitting semiconductor laser device using a two-dimensional diffraction grating. The two-dimensional diffraction grating is called a photonic crystal (PC), and has a structure with periodic irregularities at intervals of about the wavelength of light. It has various functions such as localization of light and control of propagation direction and speed. Application becomes possible.

二次元回折格子を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子(Photonic Crystal Surface EmittingLaser:PCSELと称する)は、PCを応用したレーザ光源であり、面内に形成したPCにより生じる定在波を、回折効果により面垂直方向に取りだすデバイスである。PCSELでは、原理的には単一モードを維持したままPCを大面積化することができ、高いビーム品質を維持したまま高出力化を図ることができる。   A photonic crystal surface emitting laser (PCSEL) having a two-dimensional diffraction grating is a laser light source to which a PC is applied, and a standing wave generated by the PC formed in the plane is caused by a diffraction effect. This device is taken out in the direction perpendicular to the plane. In PCSEL, in principle, it is possible to increase the area of a PC while maintaining a single mode, and it is possible to achieve high output while maintaining high beam quality.

特開2002−324948号公報JP 2002-324948 A

K.Sakai et al,”Lasing Band-Edge Identfication for a Surface-Emitting PhotonicCrystal Laser”IEEE Journal On Selected Area InCommunications, Vol. 23, No. 7, (2005) pp.1335K. Sakai et al, “Lasing Band-Edge Identification for a Surface-Emitting Photonic Crystal Laser” IEEE Journal On Selected Area In Communications, Vol. 23, No. 7, (2005) pp. 1335 S.Iwahashi et al, " Air-holedesign in vertical direction for high-power two-dimensional photonic-crystalsurface-emiting lasers" J.Opt., Soc. Am. B/Vol.27,No.6/(2010) pp.1204S.Iwahashi et al, "Air-holedesign in vertical direction for high-power two-dimensional photonic-crystalsurface-emiting lasers" J.Opt., Soc. Am. B / Vol.27, No.6 / (2010) pp .1204

しかしながら、レーザビームの強度や安定性の観点から、更に高効率なレーザビームを出力可能な半導体レーザ素子が期待されている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高効率なレーザビームを出力可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。   However, from the viewpoint of the intensity and stability of the laser beam, a semiconductor laser element capable of outputting a more efficient laser beam is expected. The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser element capable of outputting a highly efficient laser beam.

上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子において、半導体からなる下部クラッド層と、半導体からなる上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層とにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、前記下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれよりも平均屈折率が高いコア層と、を備え、前記コア層は、ガイド層に隣接し、量子井戸層からなる活性層と、前記活性層から、前記ガイド層よりもエネルギーバンドギャップが大きいキャリアブロック層を介して、離間した1層のみの回折格子層と、を含み、動作時における前記コア層内の厚み方向の電界強度分布が、2つのピークを有するTE偏波の1次モードで分布しており、前記ピーク間の谷の位置は、前記活性層と前記回折格子層との間の領域内に設定され、前記コア層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、前記上部クラッド層と同一導電型の不純物が添加され、その不純物濃度が1×10 17 /cm 以上のドープ層を更に備え、前記ドープ層の一部又は全部は、前記2つのピーク間の谷の位置の近傍である前記谷の位置から、±50nmの範囲内の位置に設定されることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a semiconductor laser device according to the present invention is sandwiched between a lower clad layer made of a semiconductor, an upper clad layer made of a semiconductor, the lower clad layer, and the upper clad layer. A core layer comprising a plurality of stacked semiconductor layers and having an average refractive index higher than any of the lower cladding layer and the upper cladding layer, the core layer being adjacent to the guide layer, and a quantum well layer And a single diffraction grating layer separated from the active layer via a carrier block layer having an energy band gap larger than that of the guide layer , and in the core layer during operation. The electric field intensity distribution in the thickness direction is distributed in the first-order mode of TE-polarized light having two peaks, and the positions of the valleys between the peaks are the active layer and the Is set in the region between the diffraction grating layer, said core layer is between said active layer and said upper cladding layer, said upper cladding layer and is doped with impurities of the same conductivity type, the impurity concentration thereof is 1 A doped layer of × 10 17 / cm 3 or more is further provided, and a part or all of the doped layer is located within a range of ± 50 nm from the position of the valley that is in the vicinity of the position of the valley between the two peaks. It is characterized by being set to .

この場合、電界強度分布はコア層内にあるものの、その谷の位置は、活性層及び回折格子層のいずれの位置でもないため、レーザ光発生利得の低下を抑制しつつ、これら2つの層におけるレーザ光生成作用を十分に機能させることができ、高効率にレーザ光を発生させることができる。
また、前記ピークの位置が、それぞれ前記活性層内及び前記回折格子層内に設定される場合には、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となる。
In this case, although the electric field intensity distribution is in the core layer, the position of the valley is not the position of either the active layer or the diffraction grating layer. The laser light generation function can be sufficiently functioned, and the laser light can be generated with high efficiency.
In addition, when the positions of the peaks are set in the active layer and the diffraction grating layer, respectively, the electric field intensity at these positions can be increased, and high-intensity laser light can be generated. It becomes possible.

また、前記コア層内において、前記2つのピークを与えるTE偏波の1次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γqw(1)と、0次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γqw(0)とは、関係式Γqw(1)>Γqw(0)を満たすことが好ましい。光閉じ込め係数Γは、光の全強度(S)のうち、対象となる層における強度(S’)の割合(Γ=S’/S)である。すなわち、電界強度の2つのピーク位置を、上記の如くそれぞれ活性層内及び回折格子層内に設定することで、光閉じ込め係数を大きくすることができる。この場合、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となり、0次モードを主として用いた場合よりも、高強度のレーザ光を得ることが可能となる。   Further, in the core layer, the optical confinement coefficient Γqw (1) in the active layer in the first-order mode of TE polarized wave that gives the two peaks, and the optical confinement coefficient Γqw (1 in the active layer in the zero-order mode) 0) preferably satisfies the relational expression Γqw (1)> Γqw (0). The light confinement coefficient Γ is a ratio (Γ = S ′ / S) of the intensity (S ′) in the target layer to the total intensity (S) of light. That is, the optical confinement factor can be increased by setting the two peak positions of the electric field intensity in the active layer and the diffraction grating layer as described above. In this case, it is possible to increase the electric field intensity at these positions, and it is possible to generate high-intensity laser light, and it is possible to obtain high-intensity laser light compared to the case where the 0th-order mode is mainly used. It becomes.

また、前記コア層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、前記上部クラッド層と同一導電型の不純物が添加され、その不純物濃度が1×1017/cm以上のドープ層を更に備え、前記ドープ層の一部又は全部は、前記2つのピーク間の谷の位置の近傍に設定されることが好ましい。なお、「近傍」とは、谷の位置から±50nm以内の領域を意味するものとする。ドープ層を備えることにより、そのフェルミ準位が変化して障壁を構成し、下部クラッド層から流入するキャリアが上部クラッド層方向へ流れるのを抑制することができ、活性層内のキャリア濃度を高めることができる。 The core layer is a doped layer having an impurity concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or more added between the active layer and the upper clad layer with an impurity having the same conductivity type as the upper clad layer. Furthermore, it is preferable that a part or all of the doped layer is set in the vicinity of a valley position between the two peaks. “Nearby” means a region within ± 50 nm from the valley position. By providing the doped layer, the Fermi level changes to form a barrier, and carriers flowing from the lower cladding layer can be prevented from flowing toward the upper cladding layer, and the carrier concentration in the active layer is increased. be able to.

また、不純物濃度が高い場合には、光やキャリアの有するエネルギーが吸収され損失が生じる。1次モードの場合の2つのピークの谷の位置は、0次モードのピーク位置に相当する。したがって、ドープ層を備えることで、0次モードにおけるピーク位置において、光損失を生ぜしめ、0次モードの発生を抑制して1次モードによる発光を安定させ、1次モードを更に有効に利用することができる。   Further, when the impurity concentration is high, energy of light and carriers is absorbed and loss occurs. The positions of the valleys of the two peaks in the first-order mode correspond to the peak positions in the zero-order mode. Accordingly, the provision of the doped layer causes optical loss at the peak position in the 0th-order mode, suppresses the occurrence of the 0th-order mode, stabilizes light emission by the first-order mode, and uses the first-order mode more effectively. be able to.

また、前記回折格子層は、III−V族化合物半導体からなり、III族元素は、Ga、Al及びInからなる群から選択され、V族元素は、As、P、N及びSbからなる群から選択されることを特徴とする。すなわち、これらの元素からなる化合物半導体は、直接遷移型の半導体とすることができるため、キャリア再結合により、容易に発光させることができる。   The diffraction grating layer is made of a group III-V compound semiconductor, the group III element is selected from the group consisting of Ga, Al, and In, and the group V element is selected from the group consisting of As, P, N, and Sb. It is selected. That is, since a compound semiconductor including these elements can be a direct transition semiconductor, light can be easily emitted by carrier recombination.

本発明の半導体レーザ素子によれば、高効率なレーザビームを出力することが可能となる。   According to the semiconductor laser device of the present invention, it is possible to output a highly efficient laser beam.

図3に示す半導体レーザ素子をI−I矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-sectional structure of the semiconductor laser element which cut the semiconductor laser element shown in FIG. 3 along the II arrow. 半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表である。It is a graph which shows the structure and material of each layer of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子の平面図である。It is a top view of a semiconductor laser element. 回折格子層における水平断面を示す図である。It is a figure which shows the horizontal cross section in a diffraction grating layer. 半導体レーザ素子の斜視図である。It is a perspective view of a semiconductor laser element. 他の回折格子層における水平断面を示す図である。It is a figure which shows the horizontal cross section in another diffraction grating layer. 半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor laser element. 図11に示す半導体レーザ素子をX−X矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-sectional structure of the semiconductor laser element which cut the semiconductor laser element shown in FIG. 11 along the XX arrow. 半導体レーザ素子の平面図である。It is a top view of a semiconductor laser element. 回折格子層における水平断面を示す図である。It is a figure which shows the horizontal cross section in a diffraction grating layer. 半導体レーザ素子の斜視図である。It is a perspective view of a semiconductor laser element. 他の回折格子層における水平断面を示す図である。It is a figure which shows the horizontal cross section in another diffraction grating layer. 半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor laser element. 端面発光型の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-section structure of an edge-emitting type semiconductor laser element. 半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表である。It is a graph which shows the structure and material of each layer of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。It is a graph which shows the detailed parameter of each layer of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子の斜視図である。It is a perspective view of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子の厚み方向に沿った電界強度分布を示す図である。It is a figure which shows the electric field strength distribution along the thickness direction of a semiconductor laser element. 端面発光型の半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造(図23(a))、エネルギーバンドギャップ(図23(b))、及び電界強度分布(図23(c):0次モード、図23(d):1次モード)を示す図である。The structure (FIG. 23 (a)), the energy band gap (FIG. 23 (b)), and the electric field intensity distribution (FIG. 23 (c): zero-order mode) along the thickness direction of the main part of the edge-emitting semiconductor laser element. FIG. 23 (d): primary mode). コア層内の積層構造について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the laminated structure in a core layer. 規格化周波数V(Vパラメータ)と規格化伝搬定数bとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the normalized frequency V (V parameter) and the normalized propagation constant b. モード次数に対する規格化周波数Vと、コア層のカットオフ膜厚dcutoff(nm)の関係を示す図表である。It is a graph which shows the relationship between the normalization frequency V with respect to a mode order, and the cutoff film thickness dcutoff (nm) of a core layer. 半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率nと電界強度Eとの関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between the refractive index n and the electric field strength E along the thickness direction of the semiconductor laser element. 回折格子層を有する半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造(図28(a))、エネルギーバンドギャップ(図28(b))、及び電界強度分布(図28(c):0次モード、図28(d):1次モード)を示す図である。Structure (FIG. 28 (a)), energy band gap (FIG. 28 (b)), and electric field intensity distribution (FIG. 28 (c): zero-order mode) along the thickness direction of the main part of the semiconductor laser device having a diffraction grating layer FIG. 28 (d): primary mode). コア層内の積層構造を示す図である。It is a figure which shows the laminated structure in a core layer. 半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。It is a graph which shows the detailed parameter of each layer of a semiconductor laser element. 基本モード(0次モード)と1次モードにおける等価屈折率とバンド端波長(nm)の関係を示す図表である。It is a graph which shows the relationship between the equivalent refractive index and band edge wavelength (nm) in fundamental mode (0th-order mode) and 1st-order mode. 共振が生じる波長及び発光波長と強度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the wavelength in which resonance occurs, the emission wavelength, and the intensity. 各層における光閉じ込め係数を示す図表である。It is a graph which shows the optical confinement factor in each layer. 半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率nと電界強度Eとの関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between the refractive index n and the electric field strength E along the thickness direction of the semiconductor laser element. 回折格子層の厚みDと等価屈折率neffとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and an equivalent refractive index neff. 回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γqwとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and optical confinement coefficient (GAMMA) qw. 回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γgとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and the optical confinement coefficient (GAMMA) g. 各種条件を満たす回折格子層の厚みDの最小値Min(nm)と最大値Max(nm)を示す図表である。It is a graph which shows minimum value Min (nm) and maximum value Max (nm) of thickness D of the diffraction grating layer which satisfy | fill various conditions. 回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γdopeとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and the optical confinement coefficient (GAMMA) dope. 半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。It is a graph which shows the detailed parameter of each layer of a semiconductor laser element. 基本モード(0次モード)と1次モードにおける等価屈折率とバンド端波長(nm)の関係を示す図表である。It is a graph which shows the relationship between the equivalent refractive index and band edge wavelength (nm) in fundamental mode (0th-order mode) and 1st-order mode. 各層における光閉じ込め係数を示す図表である。It is a graph which shows the optical confinement factor in each layer. 半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率nと電界強度Eとの関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between the refractive index n and the electric field strength E along the thickness direction of the semiconductor laser element. 回折格子層の厚みDと等価屈折率neffとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and an equivalent refractive index neff. 回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γqwとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and optical confinement coefficient (GAMMA) qw. 回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γgとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and the optical confinement coefficient (GAMMA) g. 各種条件を満たす回折格子層の厚みDの最小値Min(nm)と最大値Max(nm)を示す図表である。It is a graph which shows minimum value Min (nm) and maximum value Max (nm) of thickness D of the diffraction grating layer which satisfy | fill various conditions. 回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γdopeとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and the optical confinement coefficient (GAMMA) dope. 半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である。It is a graph which shows the detailed parameter of each layer of a semiconductor laser element. 基本モード(0次モード)と1次モードにおける等価屈折率とバンド端波長(nm)の関係を示す図表である。It is a graph which shows the relationship between the equivalent refractive index and band edge wavelength (nm) in fundamental mode (0th-order mode) and 1st-order mode. 各層における光閉じ込め係数を示す図表である。It is a graph which shows the optical confinement factor in each layer. 半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率nと電界強度Eとの関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between the refractive index n and the electric field strength E along the thickness direction of the semiconductor laser element. 回折格子層の厚みDと等価屈折率neffとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and an equivalent refractive index neff. 回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γqwとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and optical confinement coefficient (GAMMA) qw. 回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γgとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and the optical confinement coefficient (GAMMA) g. 各種条件を満たす回折格子層の厚みDの最小値Min(nm)と最大値Max(nm)を示す図表である。It is a graph which shows minimum value Min (nm) and maximum value Max (nm) of thickness D of the diffraction grating layer which satisfy | fill various conditions. 回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γdopeとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness D of a diffraction grating layer, and the optical confinement coefficient (GAMMA) dope. 2次モードが生じず1次モードが生じるコア層の厚みdの最小値Min(nm)と最大値Max(nm)を示す図表である。It is a graph which shows the minimum value Min (nm) and the maximum value Max (nm) of the thickness d of the core layer in which the secondary mode does not occur and the primary mode occurs. 数式を示す図表である。It is a graph which shows numerical formula. 格子定数a、屈折率n、発光波長λ、原子半径の大きな元素の組成比(1−X)、原子半径の小さな元素の組成比X、エネルギーバンドギャップEgの相関関係を示す図表である。5 is a chart showing a correlation among a lattice constant a, a refractive index n, an emission wavelength λ, a composition ratio (1-X) of an element having a large atomic radius, a composition ratio X of an element having a small atomic radius, and an energy band gap Eg.

以下、実施の形態に係る半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, the semiconductor laser device according to the embodiment will be described. In addition, the same code | symbol shall be used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図1は、図3に示す半導体レーザ素子をI−I矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図、図2は、半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表、図3は、半導体レーザ素子の平面図である。   FIG. 1 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of a semiconductor laser element obtained by cutting the semiconductor laser element shown in FIG. 3 along arrows II, and FIG. 2 is a chart and diagram showing the structure and material of each layer of the semiconductor laser element. 3 is a plan view of the semiconductor laser element.

図1に示す半導体レーザ素子は、フォトニック結晶面発光レーザ素子(PCSEL)10であり、化合物半導体からなる半導体基板1上には、それぞれが化合物半導体からなる下部クラッド層2、ガイド層3A、活性層3B、スペーサ層3C、キャリアブロック層3D、回折格子層4、バッファ層4’、上部クラッド層5、及びコンタクト層6が順次積層されている。下部電極E1は、半導体基板1の裏面上に接触して設けられており、上部電極E2は、コンタクト層6上に接触して設けられている。   The semiconductor laser element shown in FIG. 1 is a photonic crystal surface emitting laser element (PCSEL) 10, and on a semiconductor substrate 1 made of a compound semiconductor, a lower clad layer 2, a guide layer 3A each made of a compound semiconductor, and an active layer. The layer 3B, the spacer layer 3C, the carrier block layer 3D, the diffraction grating layer 4, the buffer layer 4 ′, the upper cladding layer 5, and the contact layer 6 are sequentially stacked. The lower electrode E1 is provided in contact with the back surface of the semiconductor substrate 1, and the upper electrode E2 is provided in contact with the contact layer 6.

上記化合物半導体層は、直接遷移型のIII−V族化合物半導体からなることが好ましい。このようなIII−V族化合物半導体では、III族元素は、Ga、Al及びInからなる群から選択され、V族元素は、As、P、N及びSbからなる群から選択されうる。これらの元素からなる化合物半導体は、直接遷移型の半導体とすることができるため、半導体内部におけるキャリア再結合により、容易に発光させることができる。   The compound semiconductor layer is preferably made of a direct transition type III-V compound semiconductor. In such a III-V group compound semiconductor, the group III element can be selected from the group consisting of Ga, Al and In, and the group V element can be selected from the group consisting of As, P, N and Sb. Since a compound semiconductor including these elements can be a direct transition semiconductor, light can be easily emitted by carrier recombination inside the semiconductor.

半導体内部には、下部電極E1と上部電極E2との間にバイアスを印加することで、電子及び正孔からなるキャリアを注入することができる。注入されたこれらのキャリアは、活性層3B内において再結合することができる。   Carriers composed of electrons and holes can be injected into the semiconductor by applying a bias between the lower electrode E1 and the upper electrode E2. These injected carriers can be recombined in the active layer 3B.

活性層3Bは、量子井戸層からなる。量子井戸層には、井戸層を1つ有する単一量子井戸構造(SQW)と、2以上有する多重量子井戸構造(MQW)とがある。量子井戸構造は、異なるエネルギーバンドギャップを有する2種以上の材料を用い、バンドギャップの小さい材料の薄膜(井戸層)を、大きい材料の薄膜(バリア層)で挟んだものである。   The active layer 3B is composed of a quantum well layer. The quantum well layer includes a single quantum well structure (SQW) having one well layer and a multiple quantum well structure (MQW) having two or more well layers. The quantum well structure uses two or more kinds of materials having different energy band gaps, and a thin film (well layer) having a small band gap is sandwiched between thin films (barrier layers) having a large material.

なお、井戸層及びバリア層の厚みは、それぞれnmオーダーである。これにより、キャリアとしての電子又は正孔が、エネルギーバンドギャップの小さい材料の層(井戸)内に閉じ込められる。井戸層内に閉じ込められたキャリアは、井戸層に垂直な方向の自由度が減少して二次元性が現れ、安定した発光が可能となる。なお、井戸層の数を増加させると、光閉じ込め係数は高くなる傾向にあるため、かかる観点からは、SQWよりもMQWの方が好ましい。   The thicknesses of the well layer and the barrier layer are on the order of nm. Thereby, electrons or holes as carriers are confined in a layer (well) of a material having a small energy band gap. Carriers confined in the well layer are reduced in the degree of freedom in the direction perpendicular to the well layer, exhibit two-dimensionality, and enable stable light emission. Note that, when the number of well layers is increased, the optical confinement factor tends to increase, and from this viewpoint, MQW is preferable to SQW.

図2を参照すると、この半導体レーザ素子10の基本構造は、半導体基板上に、下部クラッド層B、コア層A、上部クラッド層C、コンタクト層を積層したものである。半導体基板1はN型のGaAsからなり、下部クラッド層B(下部クラッド層2)はN型のAlGaAsからなり、上部クラッド層C(上部クラッド層5)はP型のAlGaAsからなる。クラッド層B,C間に位置するコア層Aは、ガイド層3A、活性層3B、スペーサ層3C、キャリアブロック層3D、回折格子層4、バッファ層4’からなる。   Referring to FIG. 2, the basic structure of the semiconductor laser device 10 is obtained by laminating a lower clad layer B, a core layer A, an upper clad layer C, and a contact layer on a semiconductor substrate. The semiconductor substrate 1 is made of N-type GaAs, the lower clad layer B (lower clad layer 2) is made of N-type AlGaAs, and the upper clad layer C (upper clad layer 5) is made of P-type AlGaAs. The core layer A located between the clad layers B and C includes a guide layer 3A, an active layer 3B, a spacer layer 3C, a carrier block layer 3D, a diffraction grating layer 4, and a buffer layer 4 '.

活性層3Bの材料は、III−V族化合物半導体からなる。本例では、複数のInGaAs層とAlGaAs層を積層した構造からなる。井戸層としては、エネルギーバンドギャップの狭いInGaAs層を用い、バリア層としてはエネルギーバンドギャップの広いAlGaAsを用いる。   The material of the active layer 3B is made of a III-V compound semiconductor. In this example, it has a structure in which a plurality of InGaAs layers and AlGaAs layers are stacked. An InGaAs layer having a narrow energy band gap is used as the well layer, and AlGaAs having a wide energy band gap is used as the barrier layer.

活性層3Bを挟むガイド層3Aとスペーサ層3Cは、共にAlGaAsからなる。ガイド層3Aは、活性層3B内から溢れるキャリアを抑制し、また、活性層3B内に光を閉じ込める機能を有し、活性層3Bのバリア層と同一か、これ以上のエネルギーバンドギャップを有する。スペーサ層3Cは、必要に応じて、キャリアブロック層3Dとの間の距離を調整するための層であり、活性層3Bと同一のエネルギーバンドギャップを有する。   Both the guide layer 3A and the spacer layer 3C sandwiching the active layer 3B are made of AlGaAs. The guide layer 3A has a function of suppressing carriers overflowing from the active layer 3B and confining light in the active layer 3B, and has an energy band gap equal to or greater than that of the barrier layer of the active layer 3B. The spacer layer 3C is a layer for adjusting the distance from the carrier block layer 3D as necessary, and has the same energy band gap as that of the active layer 3B.

下部クラッド層2は、N型のAlGaAsからなり、活性層3Bのバリア層よりも大きなエネルギーバンドギャップを有し、低い屈折率を有する。上部クラッド層5は、P型のAlGaAsからなり、活性層3Bのバリア層よりも大きなエネルギーバンドギャップを有し、低い屈折率を有する。N型の不純物としてはSe又はSiなどがあり、P型の不純物としてはZn、Mg又はCなどがある。下部クラッド層2の不純物濃度は、1×1017/cm〜1×1019/cm/cm、上部クラッド層5の不純物濃度は、1×1017/cm〜1×1019/cm/cmであり、これらの間のコア層Aは原則的には不純物を添加せず、添加する場合であっても後述のドープ層を除き、1×1017/cm未満に設定することができる。なお、実際には、P型のクラッド層5と活性層3Bとの間の領域の導電型は低濃度のP型であり、N型のクラッド層2と活性層3Bとの間の領域の導電型は低濃度のN型であるとする。 The lower cladding layer 2 is made of N-type AlGaAs, has an energy band gap larger than that of the barrier layer of the active layer 3B, and has a low refractive index. The upper cladding layer 5 is made of P-type AlGaAs, has an energy band gap larger than that of the barrier layer of the active layer 3B, and has a low refractive index. Examples of N-type impurities include Se and Si, and examples of P-type impurities include Zn, Mg, and C. The impurity concentration of the lower cladding layer 2 is 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 19 / cm 3 / cm 3 , and the impurity concentration of the upper cladding layer 5 is 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 19 / It is cm 3 / cm 3 , and the core layer A between them is basically added with no impurities, and even when added, it is set to less than 1 × 10 17 / cm 3 except for a doped layer described later. can do. Actually, the conductivity type in the region between the P-type cladding layer 5 and the active layer 3B is a low-concentration P-type, and the conductivity in the region between the N-type cladding layer 2 and the active layer 3B. The mold is assumed to be a low concentration N type.

活性層3Bと上部クラッド層5との間には、スペーサ層3Cに加えて、キャリアブロック層3D、回折格子層4、及びバッファ層4’が配置されている。キャリアブロック層3D及びバッファ層4’はAlGaAsからなり、回折格子層4は、もともとの基本層4AがGaAsからなり、これとは異なる屈折率を有する異屈折率部4Bが、基本層4Aの内部において二次元的に周期的に埋め込まれ、二次元回折格子を構成している。異屈折率部4Bは、AlGaAsからなり、バッファ層4’の形成時の初期段階において、基本層4Aに形成された複数の穴内に埋め込まれ、埋め込み層として形成される。バッファ層4’の形成が、穴が埋まる時点で終了すれば、基本層4A上の上面よりも上部電極寄りに形成されるバッファ層4’は存在しなくなる。回折格子層4の上部に位置するバッファ層4’は必要に応じて設けられればよく、省略することが可能である。   In addition to the spacer layer 3C, a carrier block layer 3D, a diffraction grating layer 4, and a buffer layer 4 'are disposed between the active layer 3B and the upper cladding layer 5. The carrier block layer 3D and the buffer layer 4 ′ are made of AlGaAs, and the diffraction grating layer 4 is originally made of the basic layer 4A made of GaAs, and the different refractive index portion 4B having a different refractive index is formed inside the basic layer 4A. Are periodically embedded two-dimensionally to form a two-dimensional diffraction grating. The different refractive index portion 4B is made of AlGaAs, and is embedded in a plurality of holes formed in the basic layer 4A and formed as a buried layer in the initial stage when the buffer layer 4 'is formed. If the formation of the buffer layer 4 'is completed when the hole is filled, the buffer layer 4' formed closer to the upper electrode than the upper surface on the basic layer 4A does not exist. The buffer layer 4 ′ located above the diffraction grating layer 4 may be provided as necessary and can be omitted.

キャリアブロック層3Dは、これに隣接するガイド層よりもエネルギーバンドギャップが高く、したがって、屈折率は低く設定される。これにより活性層3B内のキャリアを、キャリアブロック層3Dよりも内側に閉じ込める傾向を高くすることができるが、厚みは比較的小さく、活性層3B内における発光を大きく阻止する機能は有していない。また、キャリアブロック層3Dは、活性層3Bよりも大きなエネルギーバンドギャップと屈折率を有している。   The carrier block layer 3D has an energy band gap higher than that of the guide layer adjacent to the carrier block layer 3D, and thus the refractive index is set low. This can increase the tendency to confine carriers in the active layer 3B to the inside of the carrier block layer 3D, but the thickness is relatively small and does not have a function of greatly preventing light emission in the active layer 3B. . The carrier block layer 3D has a larger energy band gap and refractive index than the active layer 3B.

なお、活性層3Bや回折格子層4は、二次元平面(YZ平面)内において、屈折率分布があるため、他の層との対比においては、面内の平均屈折率をその屈折率とし、面内の平均エネルギーバンドギャップをそのエネルギーバンドギャップとする。また、コア層Aを構成する複数の層は、厚み方向に積層されているので、コア層Aの屈折率は、厚み方向の平均屈折率をその屈折率とし、上記の如くニ次元的に分布がある場合には、面内の平均屈折率を求めた上で、これを厚み方向の平均屈折率とする。すなわち、コア層Aの平均屈折率は、各層の厚みに面内の平均屈折率を乗じた値を、全ての層について求めて、これを積算し、積算値を、全体の厚みで除した値で与えられる。クラッド層の場合も、厚み方向或いは面内方向に分布がある場合には、かかる手法で、その平均値を算出し、これを当該クラッド層の屈折率とし、これを等価屈折率とする。また、エネルギーバンドギャップの場合も、屈折率と同一の手法で、平均値を以って各層のエネルギーバンドギャップとする。   Since the active layer 3B and the diffraction grating layer 4 have a refractive index distribution in the two-dimensional plane (YZ plane), in contrast to other layers, the in-plane average refractive index is the refractive index, The in-plane average energy band gap is defined as the energy band gap. In addition, since the plurality of layers constituting the core layer A are laminated in the thickness direction, the refractive index of the core layer A is distributed two-dimensionally as described above, with the average refractive index in the thickness direction as its refractive index. If there is, the average refractive index in the surface is obtained, and this is set as the average refractive index in the thickness direction. That is, the average refractive index of the core layer A is a value obtained by multiplying the thickness of each layer by the in-plane average refractive index for all layers, integrating the values, and dividing the integrated value by the total thickness. Given in. Also in the case of a clad layer, when there is a distribution in the thickness direction or in-plane direction, the average value is calculated by this method, and this is used as the refractive index of the clad layer, which is the equivalent refractive index. Also, in the case of the energy band gap, the energy band gap of each layer is obtained with the average value by the same method as the refractive index.

なお、エネルギーバンドギャップ及び屈折率の設計においては、各化合物半導体層内の元素の組成比を変更することで、これらを調整することができる。図60は、化合物半導体における格子定数a、屈折率n、発光波長λ、原子半径の大きな元素の組成比(1−X)、原子半径の小さな元素の組成比X、エネルギーバンドギャップEgの相関関係を示す図表である。行の示すパラメータと、列の示すパラメータの交点の値は、これらのパラメータ間の相関を示しており、正の相関がある場合には「+」を、負の相関がある場合には「−」が記載されている。   In designing the energy band gap and the refractive index, these can be adjusted by changing the composition ratio of elements in each compound semiconductor layer. FIG. 60 shows the correlation among the lattice constant a, the refractive index n, the emission wavelength λ, the composition ratio (1-X) of the element having a large atomic radius, the composition ratio X of the element having a small atomic radius, and the energy band gap Eg. It is a chart which shows. The intersection value between the parameter indicated by the row and the parameter indicated by the column indicates the correlation between these parameters. When there is a positive correlation, “+” is indicated. When there is a negative correlation, “−” is indicated. Is described.

化合物半導体の一般的な性質として、原子半径の小さな元素の組成比が大きいほど、例えば、AlGa1−XAsであれば、Alの組成比Xが大きいほど、格子定数aが小さくなる傾向にある。また、格子定数aが小さくなると、屈折率n及び発光波長λが小さくなり(正の相関)、一方で、エネルギーバンドギャップEgが大きくなる(負の相関)。すなわち、格子定数a、屈折率n、発光波長λ、及び、大きな原子半径の元素の組成比(1−X)は、互いに正の相関を有しており、これらとエネルギーバンドギャップEg又は小さな原子半径の元素の組成比Xとは、負の相関を有する傾向にある。 As a general property of a compound semiconductor, as the composition ratio of an element having a small atomic radius increases, for example, for Al X Ga 1-X As, the lattice constant a tends to decrease as the Al composition ratio X increases. It is in. Further, when the lattice constant a is decreased, the refractive index n and the emission wavelength λ are decreased (positive correlation), while the energy band gap Eg is increased (negative correlation). That is, the lattice constant a, the refractive index n, the emission wavelength λ, and the composition ratio (1-X) of the elements having a large atomic radius have a positive correlation with each other, and they are in an energy band gap Eg or small atoms. The composition ratio X of the element of the radius tends to have a negative correlation.

したがって、エネルギーバンドギャップEgを増加させるためには、AlGaAsにおいては、原子半径の小さなAlの組成比Xを増加させればよいし、エネルギーバンドギャップEgを減少させるためには、原子半径の小さなAlの組成比Xを減少させればよい。したがって、AlGaAs系において、エネルギーバンドギャップEgは、Alの組成比Xを減少させて、ゼロとなる場合、すなわちGaAsにおいて極小となるが、さらにエネルギーバンドギャップEgを低下させる場合には、GaAsの各構成元素よりも原子半径の大きなInを混ぜて、InGaAsとすればよい。エネルギーバンドギャップEgと屈折率nは、概ね負の相関があるので、屈折率調整は、エネルギーバンドギャップEgの調整に準じて設計すればよい。   Therefore, in order to increase the energy band gap Eg, in AlGaAs, the composition ratio X of Al having a small atomic radius may be increased, and in order to decrease the energy band gap Eg, Al having a small atomic radius may be used. The composition ratio X may be reduced. Therefore, in the AlGaAs system, the energy band gap Eg becomes zero when the Al composition ratio X is decreased, that is, it becomes minimum in GaAs, but when the energy band gap Eg is further reduced, each of GaAs InGaAs having an atomic radius larger than that of the constituent elements may be mixed to form InGaAs. Since the energy band gap Eg and the refractive index n are generally negatively correlated, the refractive index adjustment may be designed according to the adjustment of the energy band gap Eg.

例えば、回折格子層4においては、ベースとなる基本層4A内に複数の異屈折率部4Bが埋め込んであるが、基本層4AをGaAsとし、異屈折率部4BをAlGaAsとすれば、Alの組成比Xが異屈折率部4Bの方が高い分だけ、異屈折率部4Bの屈折率は低くなり、この屈折率差が大きいほど強く回折が生じる。なお、屈折率は、原則的には内部で発生する光に対する屈折率を意味するが、室温における波長0.9μmでの屈折率は、GaAsの場合にはn=3.59、AlAsの場合にはn=2.97であり、GaAsとAlGaAsを用いた場合には、最大で0.62の屈折率差を得ることができ、十分な回折効果を有する回折格子を作製することができる。もちろん、組成比Xに差があることで異屈折率部として機能できるため、基本層4A及び異屈折率部4Bの双方をAlGaAsとし、異屈折率部4BのAl組成比Xを基本層4Aと変化することで、この場合にも回折格子として有効に機能させることができる。   For example, in the diffraction grating layer 4, a plurality of different refractive index portions 4B are embedded in the base basic layer 4A, but if the basic layer 4A is made of GaAs and the different refractive index portion 4B is made of AlGaAs, then Al The higher the composition ratio X is in the different refractive index portion 4B, the lower the refractive index of the different refractive index portion 4B. The larger this refractive index difference, the stronger the diffraction. The refractive index basically means the refractive index for light generated inside, but the refractive index at a wavelength of 0.9 μm at room temperature is n = 3.59 in the case of GaAs and in the case of AlAs. N = 2.97, and when GaAs and AlGaAs are used, a maximum refractive index difference of 0.62 can be obtained, and a diffraction grating having a sufficient diffraction effect can be manufactured. Of course, since there is a difference in the composition ratio X, it can function as a different refractive index portion. Therefore, both the basic layer 4A and the different refractive index portion 4B are made of AlGaAs, and the Al composition ratio X of the different refractive index portion 4B is changed to the basic layer 4A. By changing, it can function effectively as a diffraction grating also in this case.

この半導体レーザ素子は、面発光型であり、活性層3Bの厚み方向にレーザ光LBが出射する。レーザ光LBの水平断面(YZ断面)形状は、様々な形状を取りうるが、本例の場合、レーザ光LBの水平断面の外縁形状は楕円形,円形或いは長方形であり、図3に示すように、平面視(X軸方向からみたYZ平面内の形状)において、上部電極E2よりも外側の領域まで広がっている。なお、平面視において上部電極E2は回折格子形成領域RPC内に設定され、上部電極E2の面積は回折格子形成領域RPCの面積よりも小さい。   This semiconductor laser element is a surface emitting type, and a laser beam LB is emitted in the thickness direction of the active layer 3B. The horizontal cross section (YZ cross section) of the laser beam LB can take various shapes. In this example, the outer edge of the horizontal cross section of the laser beam LB is an ellipse, a circle, or a rectangle, as shown in FIG. Furthermore, in a plan view (a shape in the YZ plane as viewed from the X-axis direction), the region extends to an area outside the upper electrode E2. In plan view, the upper electrode E2 is set in the diffraction grating formation region RPC, and the area of the upper electrode E2 is smaller than the area of the diffraction grating formation region RPC.

図4は、回折格子層4における水平断面を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a horizontal section in the diffraction grating layer 4.

基本層4A内の回折格子形成領域RPCには、複数の異屈折率部4Bが二次元的に埋め込んである。本例では回折格子形成領域RPCは長方形に設定されている。複数の異屈折率部4Bは、Y軸方向に沿って整列すると共に、Z軸方向に沿って整列し、個々の異屈折率部4Bの重心を格子点と見做して、格子点を通る格子を設定すると、これは長方格子或いは正方格子を構成している。この格子の種類としては、三角格子、斜方格子、六角格子などが適用可能である。個々の異屈折率部4Bは、基本層4Aの厚み方向であるX軸に沿って延びた多角柱形状を有している。ここでの多角形は、三角形、四角形、五角形、六角形の他、無限の角部を有する楕円形の意味を含み、楕円形の意味は円形を含むものとする。なお、本例の異屈折率部4Bの形状は、平面視(X軸方向からみたYZ断面形状)において、円形であるが、実際の製造プロセスにおいては若干の製造誤差があり、完全な円形となるわけではない。   A plurality of different refractive index portions 4B are two-dimensionally embedded in the diffraction grating formation region RPC in the basic layer 4A. In this example, the diffraction grating formation region RPC is set to a rectangle. The plurality of different refractive index portions 4B are aligned along the Y-axis direction and aligned along the Z-axis direction, and the gravity centers of the individual different refractive index portions 4B are regarded as lattice points and pass through the lattice points. When a lattice is set, this constitutes a rectangular lattice or a square lattice. As the type of the lattice, a triangular lattice, an orthorhombic lattice, a hexagonal lattice, or the like is applicable. Each of the different refractive index portions 4B has a polygonal column shape extending along the X axis that is the thickness direction of the basic layer 4A. The polygon here includes not only a triangle, a quadrangle, a pentagon, and a hexagon, but also an elliptical shape having infinite corners, and the elliptical shape includes a circular shape. In addition, although the shape of the different refractive index portion 4B of this example is circular in a plan view (YZ cross-sectional shape viewed from the X-axis direction), there is a slight manufacturing error in the actual manufacturing process, and the complete circular shape is It doesn't mean.

図5は、半導体レーザ素子の斜視図である。   FIG. 5 is a perspective view of the semiconductor laser device.

半導体レーザ素子10の立体形状は、直方体であり、X軸方向に沿ってレーザ光LBを出射する。斜方晶の半導体構成材料を採用する場合には、半導体レーザ素子10の立体形状は平行六面体とすることも可能である。上述のように、半導体レーザ素子10は、半導体基板1上に、下部クラッド層2、発光層3、回折格子層4、バッファ層4’、上部クラッド層5、コンタクト層6を備えている。発光層3は、下部クラッド層2と回折格子層4との間に位置する半導体層とし、本例の場合には、発光層3は、上述のガイド層3A、活性層3B、スペーサ層3C、キャリアブロック層3Dからなる。下部電極E1と上部電極E2との間に駆動電圧を印加し、これらの間の駆動電流を流すと、発光層3における活性層3B内にキャリアが集中し、かかる領域内において注入された電子と正孔が再結合し、発光が生じる。この発光は、クラッド層間の領域、すなわち発光層3及び回折格子層4を含むコア層A内において、共振し、レーザ光LBとして外部へ出力される。回折格子層4は、共振するレーザ光の波長を決定している。   The three-dimensional shape of the semiconductor laser element 10 is a rectangular parallelepiped, and emits laser light LB along the X-axis direction. When an orthorhombic semiconductor constituent material is used, the three-dimensional shape of the semiconductor laser element 10 may be a parallelepiped. As described above, the semiconductor laser device 10 includes the lower cladding layer 2, the light emitting layer 3, the diffraction grating layer 4, the buffer layer 4 ′, the upper cladding layer 5, and the contact layer 6 on the semiconductor substrate 1. The light emitting layer 3 is a semiconductor layer located between the lower cladding layer 2 and the diffraction grating layer 4. In this example, the light emitting layer 3 includes the guide layer 3A, the active layer 3B, the spacer layer 3C, It consists of a carrier block layer 3D. When a driving voltage is applied between the lower electrode E1 and the upper electrode E2 and a driving current is passed between them, carriers are concentrated in the active layer 3B in the light emitting layer 3, and electrons injected in the region Holes recombine and light emission occurs. This light emission resonates in the region between the clad layers, that is, in the core layer A including the light emitting layer 3 and the diffraction grating layer 4, and is output to the outside as the laser light LB. The diffraction grating layer 4 determines the wavelength of the resonating laser light.

発光が生じるのは、原則的には駆動電流が流れる経路、すなわち電気抵抗が小さくなる上部電極E2の直下の領域である。半導体レーザ素子10の上面には、上部電極E2が配置されているので、レーザ光LBは、上部電極E2によって若干妨害されている。上部電極E2の材料としては、Au、Ag、Cu、Ni又はAlなどの金属、これらとGeなどの半導体との混合物、或いは、1×1019/cm以上の高濃度に不純物が添加された化合物半導体を用いることができる。下部電極E1の材料も同様であるが、上部電極E2においては、レーザ光LBを透過させる材料、すなわちITOなどの透明電極を用いることも可能である。 In principle, light emission occurs in a path through which a drive current flows, that is, a region immediately below the upper electrode E2 in which the electric resistance is reduced. Since the upper electrode E2 is disposed on the upper surface of the semiconductor laser element 10, the laser beam LB is somewhat disturbed by the upper electrode E2. As a material for the upper electrode E2, a metal such as Au, Ag, Cu, Ni or Al, a mixture of these with a semiconductor such as Ge, or an impurity was added at a high concentration of 1 × 10 19 / cm 3 or more. A compound semiconductor can be used. The material of the lower electrode E1 is the same, but a material that transmits the laser beam LB, that is, a transparent electrode such as ITO, can be used for the upper electrode E2.

図6は、ストライプパターンを有する他の回折格子層における水平断面を示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing a horizontal cross section in another diffraction grating layer having a stripe pattern.

半導体レーザ素子10における図4の回折格子層を、図6に示すものに置換することができる。基本層4A内の回折格子形成領域RPCには、複数の異屈折率部4Bが埋め込んである。回折格子形成領域RPCは長方形に設定されている。個々の異屈折率部4Bは、平面視においてZ軸方向に沿って直線的に延びており、Y軸方向に沿って整列している。個々の異屈折率部4Bは、基本層4Aの厚み方向であるX軸を深さ方向とし、Z軸を長手方向とし、Y軸を幅方向とし、幅方向最大寸法に対する長手方向最大寸法のアスペクト比の高い(2以上)直方体形状を有している。異屈折率部4Bは、平面視においては、長方形であるが、アスペクト比が高い状態で、三角形、五角形、六角形などのその他の多角形とすることもできる。多角形は、無限の角部を有する楕円形の意味を含む。   The diffraction grating layer of FIG. 4 in the semiconductor laser element 10 can be replaced with that shown in FIG. A plurality of different refractive index portions 4B are embedded in the diffraction grating formation region RPC in the basic layer 4A. The diffraction grating formation region RPC is set to a rectangle. Each of the different refractive index portions 4B extends linearly along the Z-axis direction in plan view and is aligned along the Y-axis direction. Each of the different refractive index portions 4B has an aspect of the maximum dimension in the longitudinal direction with respect to the maximum dimension in the width direction, with the X axis being the thickness direction of the basic layer 4A as the depth direction, the Z axis as the longitudinal direction, and the Y axis as the width direction. It has a rectangular parallelepiped shape with a high ratio (2 or more). The different refractive index portion 4B is rectangular in a plan view, but may be other polygons such as a triangle, a pentagon, and a hexagon with a high aspect ratio. Polygon includes the meaning of an ellipse with infinite corners.

図7〜図9は、図1に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。   7 to 9 are views for explaining a method of manufacturing the semiconductor laser element shown in FIG.

まず、N型(第1導電型とする)の半導体基板(GaAs)1を用意する(図7(a))。次に、半導体基板1上に、N型の下部クラッド層(AlGaAs)2、ガイド層(AlGaAs)3A、活性層(MQW:InGaAs/AlGaAs)3B、光ガイド層(GaAs/AaGaAs)又はスペーサ層(AlGaAs)3C、キャリアブロック層(AlGaAs)3D、回折格子層となる基本層(GaAs又はAlGaAs)4Aを、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いて順次、エピタキシャル成長させる(図7(b))。なお、MOCVD法においては、Al原料はTMA(トリメチルアルミニウム)、Ga原料はTMG(トリメチルガリウム)、In原料はTMI(トリメチルインジウム)から供給することができる。   First, an N-type (first conductivity type) semiconductor substrate (GaAs) 1 is prepared (FIG. 7A). Next, on the semiconductor substrate 1, an N-type lower cladding layer (AlGaAs) 2, a guide layer (AlGaAs) 3A, an active layer (MQW: InGaAs / AlGaAs) 3B, an optical guide layer (GaAs / AaGaAs) or a spacer layer ( AlGaAs) 3C, carrier block layer (AlGaAs) 3D, and basic layer (GaAs or AlGaAs) 4A serving as a diffraction grating layer are epitaxially grown sequentially using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) (FIG. 7B). . In the MOCVD method, the Al source can be supplied from TMA (trimethylaluminum), the Ga source can be supplied from TMG (trimethylgallium), and the In source can be supplied from TMI (trimethylindium).

次に、プラズマCVD法により、SiNからなるマスク層FL1を基本層4A上に形成する(図7(c))。SiNを形成する場合のプラズマCVDの原料ガスとしては、Si原料としてSiHを用い、N原料としてN、NHなどを用い、必要に応じてHでガスを希釈する。更に、マスク層FL1上にレジストRG1を塗布し(図7(d))、電子ビーム描画装置で2次元微細パターンを描画し、現像することでレジストRG1に2次元(又は1次元)の微細パターン(異屈折率部の位置に対応)を形成する(図7(e))。これにより、レジストRG1には微細パターンとなる複数の孔H1が形成され、各孔H1は、マスク層FL1の表面にまで到達している。 Next, a mask layer FL1 made of SiN is formed on the basic layer 4A by plasma CVD (FIG. 7C). As a raw material gas for plasma CVD in forming SiN, SiH 4 is used as a Si raw material, N 2 , NH 3 or the like is used as an N raw material, and the gas is diluted with H 2 as necessary. Further, a resist RG1 is applied on the mask layer FL1 (FIG. 7 (d)), a two-dimensional fine pattern is drawn with an electron beam drawing apparatus, and developed to form a two-dimensional (or one-dimensional) fine pattern on the resist RG1. (Corresponding to the position of the different refractive index portion) is formed (FIG. 7E). As a result, a plurality of holes H1 having a fine pattern are formed in the resist RG1, and each hole H1 reaches the surface of the mask layer FL1.

次に、マスク層FL1を、レジストRG1をマスクとしてエッチングし、レジストの微細パターンをマスク層FL1に転写する(図7(f))。このエッチングには、反応性イオンエッチング(RIE)を用いることができる。SiNのエッチングガスとしては、フッ素系ガス(CF,CHF,C)を一般的に用いることができる。このエッチングにより、マスク層FL1には、孔H2が形成され、各孔H2は、基本層4Aの表面にまで到達している。 Next, the mask layer FL1 is etched using the resist RG1 as a mask, and the fine pattern of the resist is transferred to the mask layer FL1 (FIG. 7F). For this etching, reactive ion etching (RIE) can be used. As the SiN etching gas, a fluorine-based gas (CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 ) can generally be used. By this etching, holes H2 are formed in the mask layer FL1, and each hole H2 reaches the surface of the basic layer 4A.

次に、剥離液をレジストRG1に与え、更に、レジストRGをアッシングすることにより、レジストRG1を除去する(図8(g))。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。これにより、複数の孔H3を有する微細パターンを有するマスク層FL1のみが、基本層4A上に残留することとなる。   Next, the resist RG1 is removed by applying a stripping solution to the resist RG1 and further ashing the resist RG (FIG. 8G). As the ashing, photoexcitation ashing or plasma ashing can be used. As a result, only the mask layer FL1 having a fine pattern having a plurality of holes H3 remains on the basic layer 4A.

しかる後、マスク層FL1をマスクとして、基本層4Aをエッチングし、マスク層FL1の微細パターンを基本層4Aに転写する(図8(h))。このエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Cl、SiCl又はSF等を主なエッチングガスとして、これにArガス等を混入させたものを用いることができる。通常のプラズマエッチングの他、誘導結合型プラズマ(ICP)を用いたエッチングを採用することもできる。このエッチングにより、基本層4A内に形成される孔H4の深さは、200nm程度であり、孔H4の深さは基本層4Aの厚みよりも小さい。なお、孔H4は、基本層4Aの下地となる半導体層の表面まで到達していてもよい。 Thereafter, using the mask layer FL1 as a mask, the basic layer 4A is etched, and the fine pattern of the mask layer FL1 is transferred to the basic layer 4A (FIG. 8H). For this etching, dry etching is used. In dry etching, a chlorine-based or fluorine-based gas can be used as an etching gas. For example, Cl 2 , SiCl 4, SF 6 or the like can be used as a main etching gas, and Ar gas or the like mixed therein can be used. In addition to normal plasma etching, etching using inductively coupled plasma (ICP) can also be employed. By this etching, the depth of the hole H4 formed in the basic layer 4A is about 200 nm, and the depth of the hole H4 is smaller than the thickness of the basic layer 4A. The hole H4 may reach the surface of the semiconductor layer that is the base of the basic layer 4A.

次に、反応性イオンエッチング(RIE)により、SiNからなるマスク層FL1のみを除去し、孔H4に連続した穴H5の開口端面を露出させ、すなわち基本層4Aの表面を露出させる(図8(i))。SiNのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス(CF,CHF,C)を採用することができる。しかる後、基本層4Aのサーマルクリーニングを含めた表面洗浄などの表面処理を行う。 Next, only the mask layer FL1 made of SiN is removed by reactive ion etching (RIE), and the opening end face of the hole H5 continuous to the hole H4 is exposed, that is, the surface of the basic layer 4A is exposed (FIG. 8 ( i)). As the SiN etching gas, a fluorine-based gas (CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 ) can be used as described above. Thereafter, surface treatment such as surface cleaning including thermal cleaning of the basic layer 4A is performed.

次に、MOCVD法を用いて、基本層4Aの穴H5内に異屈折率部(埋め込み層)4Bを形成(再成長)する。この再成長工程では、AlGaAsを基本層4Aの表面に供給する。供給されるAlGaAsは、基本層4AとAlの組成比が異なる。再成長の初期段階においては、AlGaAsは、穴H5内を埋めていき、異屈折率部4Bとなる。穴H5が埋まった場合、その後に供給されるAlGaAsは、バッファ層4’として、基本層4Aの上に積層される。しかる後、MOCVD法により、バッファ層4’上に、P型(第2導電型とする)のクラッド層(AlGaAs)5、P型のコンタクト層(GaAs)6を順次成長させる(図8(j))。P型のクラッド層(AlGaAs)5におけるAlの組成比Xは、バッファ層4’におけるAlの組成比X以上であり、本例ではこれらは等しいとするが、X=0.4を採用することができる。もちろん、異屈折率部4B及びバッファ層4’におけるAlの組成比Xを例えばX=0.35とし、成長に伴って徐々にAlの組成比Xを増加させ、上部クラッド層5におけるAlの組成比XをX=0.4とすることも可能である。なお、上述の結晶成長は全てエピタキシャル成長であり、各半導体層の結晶軸は一致している。   Next, a different refractive index portion (buried layer) 4B is formed (regrown) in the hole H5 of the basic layer 4A by using the MOCVD method. In this regrowth process, AlGaAs is supplied to the surface of the basic layer 4A. The supplied AlGaAs has a different composition ratio between the basic layer 4A and Al. In the initial stage of regrowth, AlGaAs fills the hole H5 and becomes the different refractive index portion 4B. When the hole H5 is filled, AlGaAs supplied thereafter is laminated on the basic layer 4A as the buffer layer 4 '. Thereafter, a P-type (second conductivity type) clad layer (AlGaAs) 5 and a P-type contact layer (GaAs) 6 are sequentially grown on the buffer layer 4 ′ by MOCVD (FIG. 8J). )). The Al composition ratio X in the P-type cladding layer (AlGaAs) 5 is equal to or greater than the Al composition ratio X in the buffer layer 4 ′. In this example, these are equal, but X = 0.4 is adopted. Can do. Of course, the Al composition ratio X in the different refractive index portion 4B and the buffer layer 4 ′ is set to, for example, X = 0.35, and the Al composition ratio X is gradually increased with the growth, so that the Al composition in the upper cladding layer 5 is increased. The ratio X can also be set to X = 0.4. The crystal growth described above is all epitaxial growth, and the crystal axes of the respective semiconductor layers are coincident.

次に、コンタクト層6上に、レジストRG2を塗布する(図8(k))。このレジストRG2に対して、現像処理後に正方形の開口が形成されるようなパターンの露光を行う。すなわち、ポジ型のレジストを用いる場合には、露光領域を正方形とし、ネガ型のレジストを用いる場合には、非露光領域を正方形として周辺領域を露光する。しかる後、レジストRG2に対して現像処理を行い、正方形の開口パターンをレジストRG2の中央に形成する。開口パターンを有するレジストRG2をマスクとして、レジストRG2及びコンタクト層6の露出表面上に、電極材料E2’を堆積する(図8(l))。この電極材料の形成には、蒸着法やスパッタ法を用いることができるが、本例では蒸着法とする。   Next, a resist RG2 is applied on the contact layer 6 (FIG. 8 (k)). The resist RG2 is exposed in a pattern so that a square opening is formed after the development process. That is, when a positive resist is used, the exposure area is square, and when a negative resist is used, the non-exposure area is square and the peripheral area is exposed. Thereafter, the resist RG2 is developed to form a square opening pattern at the center of the resist RG2. Electrode material E2 'is deposited on the exposed surfaces of resist RG2 and contact layer 6 using resist RG2 having the opening pattern as a mask (FIG. 8L). For the formation of this electrode material, an evaporation method or a sputtering method can be used. In this example, the evaporation method is used.

更に、レジストRG2をリフトオフにより除去し、コンタクト層6上に正方形の電極材料を残留させ、上部電極E2を形成する(図9(m))。しかる後、N型の半導体基板1の裏面を研磨し、続いて、研磨された裏面上の全体に下部電極E1を形成する(図9(n))。この電極の形成には、蒸着法又はスパッタ法を用いることができる。   Further, the resist RG2 is removed by lift-off, and a square electrode material is left on the contact layer 6 to form the upper electrode E2 (FIG. 9 (m)). Thereafter, the back surface of the N-type semiconductor substrate 1 is polished, and then the lower electrode E1 is formed on the entire polished back surface (FIG. 9 (n)). The electrode can be formed by vapor deposition or sputtering.

なお、複数の半導体レーザ素子を1枚のウェハから製造する場合には、素子分離用の溝を形成する必要があるが、これはコンタクト層6上に、レジストを塗布し、レジストを感光及び現像することにより、素子分離用の開口パターンを形成し、このレジストを用いて、コンタクト層6をウエットエッチングして溝を形成する。エッチングする深さは10μm程度とする。しかる後、有機溶剤を用いてレジストを除去すればよい。   In the case where a plurality of semiconductor laser elements are manufactured from a single wafer, it is necessary to form a groove for element isolation. This is done by applying a resist on the contact layer 6 and exposing and developing the resist. As a result, an opening pattern for element isolation is formed, and the contact layer 6 is wet etched using this resist to form a groove. The etching depth is about 10 μm. Thereafter, the resist may be removed using an organic solvent.

なお、上記孔H1の作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、集束イオンビーム(FIB)、ステッパを用いた光学露光等、その他の微細加工技術を用いることも可能である。さらに、本例ではレジストに描画したパターンをSiNに一度パターン転写してから、ドライエッチングにより基板に転写する手法を用いたが、SiNを省略してレジストに描画したパターンをそのままドライエッチングにより基板に転写しても良い。なお、上記では、活性層3Bの上側に1つの回折格子層4を備える例について説明したが、これは活性層3Bの下側に回折格子層を備えることとしてもよく、また、活性層3Bの上下それぞれに回折格子層を備える構成とすることもできる。   In the embodiment, the electron beam exposure method has been described as a method for forming the hole H1, but other fine processing such as nanoimprint, interference exposure, focused ion beam (FIB), and optical exposure using a stepper is also used. Techniques can also be used. Furthermore, in this example, the pattern drawn on the resist is once transferred to the SiN, and then transferred to the substrate by dry etching. However, the pattern drawn on the resist is omitted as it is on the substrate by dry etching. It may be transferred. In the above description, the example in which one diffraction grating layer 4 is provided on the upper side of the active layer 3B has been described. However, this may be provided with a diffraction grating layer on the lower side of the active layer 3B. It can also be set as the structure provided with a diffraction grating layer on each of upper and lower sides.

次に、下部電極E1と上部電極E2の構造が上記と異なる半導体レーザ素子について説明する。   Next, a semiconductor laser device in which the structures of the lower electrode E1 and the upper electrode E2 are different from the above will be described.

図10は、図11に示す半導体レーザ素子をX−X矢印に沿って切った半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図、図11は、半導体レーザ素子の平面図、図12は、回折格子層における水平断面を示す図、図13は、半導体レーザ素子の斜視図である。   10 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser element obtained by cutting the semiconductor laser element shown in FIG. 11 along arrows XX, FIG. 11 is a plan view of the semiconductor laser element, and FIG. 12 is a diffraction grating layer. FIG. 13 is a perspective view of the semiconductor laser device.

図10に示す半導体レーザ素子は、フォトニック結晶面発光レーザ素子(PCSEL)10であり、半導体基板1上には、それぞれが化合物半導体からなる下部クラッド層2、ガイド層3A、活性層3B、スペーサ層3C、キャリアブロック層3D、回折格子層4、バッファ層4’、上部クラッド層5、及びコンタクト層6が順次積層されている。これらの構造及び材料は、図1において説明した半導体レーザ素子と同一である。   The semiconductor laser device shown in FIG. 10 is a photonic crystal surface emitting laser device (PCSEL) 10, and on a semiconductor substrate 1, a lower cladding layer 2, a guide layer 3A, an active layer 3B, a spacer each made of a compound semiconductor. The layer 3C, the carrier block layer 3D, the diffraction grating layer 4, the buffer layer 4 ′, the upper clad layer 5, and the contact layer 6 are sequentially stacked. These structures and materials are the same as those of the semiconductor laser element described in FIG.

図1に示したものとの相違点は、2点のみである。   There are only two differences from the one shown in FIG.

1つ目の相違点は、半導体基板1の裏面上に下部絶縁層F1が形成され、この下部絶縁層F1に設けられた開口内に下部電極E1が形成されている点である。下部電極E1の形成領域は、半導体基板1の全面領域ではなく、環状の領域であり、X軸方向から見た場合には、上部電極E2の周囲を囲むように配置されている。   The first difference is that a lower insulating layer F1 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 1, and a lower electrode E1 is formed in an opening provided in the lower insulating layer F1. The formation region of the lower electrode E1 is not an entire region of the semiconductor substrate 1, but an annular region, and is disposed so as to surround the upper electrode E2 when viewed from the X-axis direction.

2つ目の相違点は、コンタクト層6上に上部絶縁層F2が形成され、この上部絶縁層F2に設けられた開口内に上部電極E2が形成されている点である。他の構成は図1に示したものと同一であるため、説明を省略する。   The second difference is that an upper insulating layer F2 is formed on the contact layer 6, and an upper electrode E2 is formed in an opening provided in the upper insulating layer F2. The other configuration is the same as that shown in FIG.

なお、下部電極E1が半導体基板1の裏面に接触しており、上部電極E2がコンタクト層6に接触している点は、図1のものと同一である。   Note that the lower electrode E1 is in contact with the back surface of the semiconductor substrate 1 and the upper electrode E2 is in contact with the contact layer 6 as in FIG.

この半導体レーザ素子において、下部電極E1と上部電極E2との間に駆動電圧を印加し、これらの間の駆動電流を流すと、発光層3における活性層3B内にキャリアが集中し、かかる領域内において注入された電子と正孔が再結合し、発光が生じる。この発光は、クラッド層間の領域、すなわち発光層3及び回折格子層4を含むコア層A内において、共振し、レーザ光LBとして外部へ出力される。回折格子層4は、共振するレーザ光の波長を決定している。   In this semiconductor laser device, when a driving voltage is applied between the lower electrode E1 and the upper electrode E2 and a driving current is passed between them, carriers are concentrated in the active layer 3B in the light emitting layer 3, and the region is in this region. The electrons and holes injected in step recombine to generate light. This light emission resonates in the region between the clad layers, that is, in the core layer A including the light emitting layer 3 and the diffraction grating layer 4, and is output to the outside as the laser light LB. The diffraction grating layer 4 determines the wavelength of the resonating laser light.

発光が生じるのは、原則的には駆動電流が流れる経路、すなわち電気抵抗が小さくなる領域である。半導体レーザ素子10の上面には上部電極E2が配置され、裏面には環状の下部電極E1が配置されているので、発光領域は、これらを結ぶ間の領域となる。上部電極E2に、Al等の反射率の高い金属を用いると、上部電極E2の裏面において、半導体層の厚み方向に進行するレーザ光LBが反射され、下部電極E1の開口からレーザ光LBが出射する(図10、図13参照)。この開口の形状は、円形であってもよいが、長方形であってもよい。なお、上部電極E2の方向へ回折する光の下部電極E1方向への反射の効果を高めるため、Pクラッド層材料として互いにAlの組成の異なる膜厚λ/4波長のAlGaAs層を交互に重ねた半導体多層膜(DistributedeBragg Mirror:DBRと称する)を適切な位置に導入しても良い。   In principle, light emission occurs in a path through which a drive current flows, that is, in a region where electric resistance is reduced. Since the upper electrode E2 is disposed on the upper surface of the semiconductor laser element 10 and the annular lower electrode E1 is disposed on the rear surface, the light emitting region is a region between them. When a metal having high reflectance such as Al is used for the upper electrode E2, the laser beam LB traveling in the thickness direction of the semiconductor layer is reflected on the back surface of the upper electrode E2, and the laser beam LB is emitted from the opening of the lower electrode E1. (See FIGS. 10 and 13). The shape of the opening may be circular or rectangular. In order to enhance the effect of reflection of the light diffracted in the direction of the upper electrode E2 in the direction of the lower electrode E1, AlGaAs layers with different thicknesses of λ / 4 wavelength having different Al compositions are alternately stacked as the P clad layer material. A semiconductor multilayer film (referred to as DBR) can be introduced at an appropriate position.

また、図10〜図13に示した半導体レーザ素子においても、平面パターンがストライプ状の回折格子層4を採用することができる。   Also in the semiconductor laser element shown in FIGS. 10 to 13, the diffraction grating layer 4 having a striped planar pattern can be employed.

図14は、ストライプパターンを有する回折格子層における水平断面を示す図である。   FIG. 14 is a diagram showing a horizontal section in a diffraction grating layer having a stripe pattern.

半導体レーザ素子10における図12の回折格子層を、図14に示すものに置換することができる。基本層4A内の回折格子形成領域RPCには、複数の異屈折率部4Bが埋め込んである。回折格子形成領域RPCは長方形に設定されている。個々の異屈折率部4Bは、平面視においてZ軸方向に沿って直線的に延びており、Y軸方向に沿って整列している。個々の異屈折率部4Bは、基本層4Aの厚み方向であるX軸を深さ方向とし、Z軸を長手方向とし、Y軸を幅方向とし、幅方向最大寸法に対する長手方向最大寸法のアスペクト比の高い(2以上)直方体形状を有している。異屈折率部4Bは、平面視においては、長方形であるが、アスペクト比が高い状態で、三角形、五角形、六角形などのその他の多角形とすることもできる。多角形は、無限の角部を有する楕円形の意味を含む。   The diffraction grating layer of FIG. 12 in the semiconductor laser element 10 can be replaced with that shown in FIG. A plurality of different refractive index portions 4B are embedded in the diffraction grating formation region RPC in the basic layer 4A. The diffraction grating formation region RPC is set to a rectangle. Each of the different refractive index portions 4B extends linearly along the Z-axis direction in plan view and is aligned along the Y-axis direction. Each of the different refractive index portions 4B has an aspect of the maximum dimension in the longitudinal direction with respect to the maximum dimension in the width direction, with the X axis being the thickness direction of the basic layer 4A as the depth direction, the Z axis as the longitudinal direction, and the Y axis as the width direction. It has a rectangular parallelepiped shape with a high ratio (2 or more). The different refractive index portion 4B is rectangular in a plan view, but may be other polygons such as a triangle, a pentagon, and a hexagon with a high aspect ratio. Polygon includes the meaning of an ellipse with infinite corners.

図15〜図17は、図10に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。   15 to 17 are views for explaining a method of manufacturing the semiconductor laser element shown in FIG.

まず、N型(第1導電型とする)の半導体基板(GaAs)1を用意する(図15(a))。次に、半導体基板1上に、N型の下部クラッド層(AlGaAs)2、ガイド層(AlGaAs)3A、活性層(MQW:InGaAs/AlGaAs)3B、光ガイド層(GaAs/AaGaAs)又はスペーサ層(AlGaAs)3C、キャリアブロック層(AlGaAs)3D、回折格子層となる基本層(GaAs又はAlGaAs)4Aを、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いて順次、エピタキシャル成長させる(図15(b))。なお、MOCVD法においては、Al原料はTMA(トリメチルアルミニウム)、Ga原料はTMG(トリメチルガリウム)、In原料はTMI(トリメチルインジウム)から供給することができる。   First, an N-type (first conductivity type) semiconductor substrate (GaAs) 1 is prepared (FIG. 15A). Next, on the semiconductor substrate 1, an N-type lower cladding layer (AlGaAs) 2, a guide layer (AlGaAs) 3A, an active layer (MQW: InGaAs / AlGaAs) 3B, an optical guide layer (GaAs / AaGaAs) or a spacer layer ( AlGaAs) 3C, carrier block layer (AlGaAs) 3D, and basic layer (GaAs or AlGaAs) 4A serving as a diffraction grating layer are epitaxially grown sequentially using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) (FIG. 15B). . In the MOCVD method, the Al source can be supplied from TMA (trimethylaluminum), the Ga source can be supplied from TMG (trimethylgallium), and the In source can be supplied from TMI (trimethylindium).

次に、プラズマCVD法により、SiNからなるマスク層FL1を基本層4A上に形成する(図15(c))。SiNを形成する場合のプラズマCVDの原料ガスとしては、Si原料としてSiHを用い、N原料としてN、NHなどを用い、必要に応じてHでガスを希釈する。更に、マスク層FL1上にレジストRG1を塗布し(図15(d))、電子ビーム描画装置で2次元微細パターンを描画し、現像することでレジストRG1に2次元(又は1次元)の微細パターン(異屈折率部の位置に対応)を形成する(図15(e))。これにより、レジストRG1には微細パターンとなる複数の孔H1が形成され、各孔H1は、マスク層FL1の表面にまで到達している。 Next, a mask layer FL1 made of SiN is formed on the basic layer 4A by plasma CVD (FIG. 15C). As a raw material gas for plasma CVD in forming SiN, SiH 4 is used as a Si raw material, N 2 , NH 3 or the like is used as an N raw material, and the gas is diluted with H 2 as necessary. Further, a resist RG1 is applied on the mask layer FL1 (FIG. 15 (d)), a two-dimensional fine pattern is drawn by an electron beam drawing apparatus, and developed to form a two-dimensional (or one-dimensional) fine pattern on the resist RG1. (Corresponding to the position of the different refractive index portion) is formed (FIG. 15E). As a result, a plurality of holes H1 having a fine pattern are formed in the resist RG1, and each hole H1 reaches the surface of the mask layer FL1.

次に、マスク層FL1を、レジストRG1をマスクとしてエッチングし、レジストの微細パターンをマスク層FL1に転写する(図15(f))。このエッチングには、反応性イオンエッチング(RIE)を用いることができる。SiNのエッチングガスとしては、フッ素系ガス(CF,CHF,C)を一般的に用いることができる。このエッチングにより、マスク層FL1には、孔H2が形成され、各孔H2は、基本層4Aの表面にまで到達している。 Next, the mask layer FL1 is etched using the resist RG1 as a mask, and the fine pattern of the resist is transferred to the mask layer FL1 (FIG. 15F). For this etching, reactive ion etching (RIE) can be used. As the SiN etching gas, a fluorine-based gas (CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 ) can generally be used. By this etching, holes H2 are formed in the mask layer FL1, and each hole H2 reaches the surface of the basic layer 4A.

次に、剥離液をレジストRG1に与え、更に、レジストRGをアッシングすることにより、レジストRG1を除去する(図16(g))。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。これにより、複数の孔H3を有する微細パターンを有するマスク層FL1のみが、基本層4A上に残留することとなる。   Next, the resist RG1 is removed by applying a stripping solution to the resist RG1 and further ashing the resist RG (FIG. 16G). As the ashing, photoexcitation ashing or plasma ashing can be used. As a result, only the mask layer FL1 having a fine pattern having a plurality of holes H3 remains on the basic layer 4A.

しかる後、マスク層FL1をマスクとして、基本層4Aをエッチングし、マスク層FL1の微細パターンを基本層4Aに転写する(図16(h))。このエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Cl、SiCl又はSF等を主なエッチングガスとして、これにArガス等を混入させたものを用いることができる。通常のプラズマエッチングの他、誘導結合型プラズマ(ICP)を用いたエッチングを採用することもできる。このエッチングにより、基本層4A内に形成される孔H4の深さは、200nm程度であり、孔H4の深さは基本層4Aの厚みよりも小さい。なお、孔H4は、基本層4Aの下地となる半導体層の表面まで到達していてもよい。 Thereafter, using the mask layer FL1 as a mask, the basic layer 4A is etched, and the fine pattern of the mask layer FL1 is transferred to the basic layer 4A (FIG. 16H). For this etching, dry etching is used. In dry etching, a chlorine-based or fluorine-based gas can be used as an etching gas. For example, Cl 2 , SiCl 4, SF 6 or the like can be used as a main etching gas, and Ar gas or the like mixed therein can be used. In addition to normal plasma etching, etching using inductively coupled plasma (ICP) can also be employed. By this etching, the depth of the hole H4 formed in the basic layer 4A is about 200 nm, and the depth of the hole H4 is smaller than the thickness of the basic layer 4A. The hole H4 may reach the surface of the semiconductor layer that is the base of the basic layer 4A.

次に、反応性イオンエッチング(RIE)により、SiNからなるマスク層FL1のみを除去し、孔H4に連続した穴H5の開口端面を露出させ、すなわち基本層4Aの表面を露出させる(図16(i))。SiNのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス(CF,CHF,C)を採用することができる。しかる後、基本層4Aのサーマルクリーニングを含めた表面洗浄などの表面処理を行う。 Next, only the mask layer FL1 made of SiN is removed by reactive ion etching (RIE), and the opening end face of the hole H5 continuous to the hole H4 is exposed, that is, the surface of the basic layer 4A is exposed (FIG. 16 ( i)). As the SiN etching gas, a fluorine-based gas (CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 ) can be used as described above. Thereafter, surface treatment such as surface cleaning including thermal cleaning of the basic layer 4A is performed.

次に、MOCVD法を用いて、基本層4Aの穴H5内に異屈折率部(埋め込み層)4Bを形成(再成長)する。この再成長工程では、AlGaAsを基本層4Aの表面に供給する。供給されるAlGaAsは、基本層4AとAlの組成比が異なる。再成長の初期段階においては、AlGaAsは、穴H5内を埋めていき、異屈折率部4Bとなる。穴H5が埋まった場合、その後に供給されるAlGaAsは、バッファ層4’として、基本層4Aの上に積層される。しかる後、MOCVD法により、バッファ層4’上に、P型のクラッド層(AlGaAs)5、P型のコンタクト層(GaAs)6を順次成長させる(図16(j))。P型のクラッド層(AlGaAs)5におけるAlの組成比Xは、バッファ層4’におけるAlの組成比X以上であり、本例ではこれらは等しいとするが、X=0.4を採用することができる。もちろん、異屈折率部4B及びバッファ層4’におけるAlの組成比Xを例えばX=0.35とし、成長に伴って徐々にAlの組成比Xを増加させ、上部クラッド層5におけるAlの組成比XをX=0.4とすることも可能である。なお、上述の結晶成長は全てエピタキシャル成長であり、各半導体層の結晶軸は一致している。   Next, a different refractive index portion (buried layer) 4B is formed (regrown) in the hole H5 of the basic layer 4A by using the MOCVD method. In this regrowth process, AlGaAs is supplied to the surface of the basic layer 4A. The supplied AlGaAs has a different composition ratio between the basic layer 4A and Al. In the initial stage of regrowth, AlGaAs fills the hole H5 and becomes the different refractive index portion 4B. When the hole H5 is filled, AlGaAs supplied thereafter is laminated on the basic layer 4A as the buffer layer 4 '. Thereafter, a P-type cladding layer (AlGaAs) 5 and a P-type contact layer (GaAs) 6 are sequentially grown on the buffer layer 4 'by MOCVD (FIG. 16J). The Al composition ratio X in the P-type cladding layer (AlGaAs) 5 is equal to or greater than the Al composition ratio X in the buffer layer 4 ′. In this example, these are equal, but X = 0.4 is adopted. Can do. Of course, the Al composition ratio X in the different refractive index portion 4B and the buffer layer 4 ′ is set to, for example, X = 0.35, and the Al composition ratio X is gradually increased with the growth, so that the Al composition in the upper cladding layer 5 is increased. The ratio X can also be set to X = 0.4. The crystal growth described above is all epitaxial growth, and the crystal axes of the respective semiconductor layers are coincident.

なお、複数の半導体レーザ素子を1枚のウェハから製造する場合には、素子分離用の溝を形成する必要があるが、これはコンタクト層6上に、レジストを塗布し、レジストを感光及び現像することにより、素子分離用の開口パターンを形成し、このレジストを用いて、コンタクト層6をウエットエッチングして溝を形成する。エッチングする深さは10μm程度とする。しかる後、有機溶剤を用いてレジストを除去する。   In the case where a plurality of semiconductor laser elements are manufactured from a single wafer, it is necessary to form a groove for element isolation. This is done by applying a resist on the contact layer 6 and exposing and developing the resist. As a result, an opening pattern for element isolation is formed, and the contact layer 6 is wet etched using this resist to form a groove. The etching depth is about 10 μm. Thereafter, the resist is removed using an organic solvent.

次に、コンタクト層6上に、SiNからなる上部絶縁層F2を形成する(図16(k))。上部絶縁層F2の形成方法は、プラズマCVD法を用いることができる。プラズマCVDのSi原料としてSiHを用い、N原料としてN、NHなどを用い、必要に応じてHでガスを希釈する。 Next, an upper insulating layer F2 made of SiN is formed on the contact layer 6 (FIG. 16 (k)). A plasma CVD method can be used as a method of forming the upper insulating layer F2. SiH 4 is used as the Si raw material for plasma CVD, N 2 , NH 3 or the like is used as the N raw material, and the gas is diluted with H 2 as necessary.

次に、上部絶縁層F2上に、レジストを塗布し、これを露光、現像することにより、正方形の開口パターンをレジスト上に形成し、しかる後、この開口パターンをマスクとして、上部絶縁層F2をエッチングし、開口パターンを有する上部絶縁層F2を形成する(図16(l))。この時のエッチングには、反応性イオンエッチング(RIE)を用いることができる。SiNのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス(CF,CHF,C)を採用することができる。 Next, a resist is applied on the upper insulating layer F2, and this is exposed and developed to form a square opening pattern on the resist. Thereafter, the upper insulating layer F2 is formed using the opening pattern as a mask. Etching is performed to form an upper insulating layer F2 having an opening pattern (FIG. 16L). For the etching at this time, reactive ion etching (RIE) can be used. As the SiN etching gas, a fluorine-based gas (CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 ) can be used as described above.

次に、上部絶縁層F2及びコンタクト層6の露出表面上にレジストRG3を塗布し(図17(m))、現像処理後に正方形の開口が形成されるようなパターンの露光を行う。ポジ型のレジストを用いる場合には、露光領域を正方形とし、ネガ型のレジストを用いる場合には、非露光領域を正方形として周辺領域を露光する。しかる後、レジストRG3に対して現像処理を行い、正方形の開口パターンをレジストRG3の中央に形成する(図17(n))。なお、上部絶縁層F2における開口パターンは、レジストRG3の開口パターンの内側に設定され、面積はレジストRG3の開口パターンよりも小さい。なお、本例のレジストRG3としてはネガ型を用いる。   Next, a resist RG3 is applied on the exposed surfaces of the upper insulating layer F2 and the contact layer 6 (FIG. 17M), and a pattern exposure is performed so that a square opening is formed after the development process. When a positive resist is used, the exposure area is square, and when a negative resist is used, the non-exposure area is square and the peripheral area is exposed. Thereafter, the resist RG3 is developed to form a square opening pattern at the center of the resist RG3 (FIG. 17 (n)). The opening pattern in the upper insulating layer F2 is set inside the opening pattern of the resist RG3, and the area is smaller than the opening pattern of the resist RG3. Note that a negative type is used as the resist RG3 in this example.

開口パターンを有するレジストRG3をマスクとして、レジストRG3、上部絶縁層F2及びコンタクト層6の露出表面上に、電極材料を堆積した後、レジストRG3をリフトオフすることで、上部電極E2を開口パターン内に形成する(図17(o))。この電極材料の形成には、蒸着法やスパッタ法を用いることができるが、本例では蒸着法とする。   Using the resist RG3 having an opening pattern as a mask, an electrode material is deposited on the exposed surfaces of the resist RG3, the upper insulating layer F2, and the contact layer 6, and then the resist RG3 is lifted off so that the upper electrode E2 is brought into the opening pattern. It forms (FIG. 17 (o)). For the formation of this electrode material, an evaporation method or a sputtering method can be used. In this example, the evaporation method is used.

しかる後、N型の半導体基板1の裏面を機械研磨及び化学機械研磨(CMP)して鏡面にする。次に、プラズマCVD法を用いて、半導体基板1の裏面上にSiNからなる下部絶縁層F1を堆積する。プラズマCVDのSi原料としてSiHを用い、N原料としてN、NHなどを用い、必要に応じてHでガスを希釈する。下部絶縁層F1の光学膜厚は、半導体レーザ素子の発光波長をλとした場合、λ/4に設定され、下部絶縁膜F1による反射光は入射光に対して逆相となり、減衰する。 Thereafter, the back surface of the N-type semiconductor substrate 1 is mirror-polished by mechanical polishing and chemical mechanical polishing (CMP). Next, a lower insulating layer F1 made of SiN is deposited on the back surface of the semiconductor substrate 1 using a plasma CVD method. SiH 4 is used as the Si raw material for plasma CVD, N 2 , NH 3 or the like is used as the N raw material, and the gas is diluted with H 2 as necessary. The optical film thickness of the lower insulating layer F1 is set to λ / 4 when the emission wavelength of the semiconductor laser element is λ, and the reflected light from the lower insulating film F1 has an opposite phase to the incident light and attenuates.

次に、下部絶縁層F1上には、レジストを塗布し後、このレジストに環状の開口パターンが形成されるように露光、現像し、当該レジストの環状開口パターンをマスクとしてSiNからなる下部絶縁層F1をエッチングし、しかる後、レジストを除去する(図17(p))。これにより、下部絶縁層F1は、環状開口パターンを有するように加工される。SiNはドライエッチング又はRIEを用いてエッチングすることができる。SiNのドライエッチング用のエッチングガスとしては、上述の通り、塩素系(Cl、SiCl)又はフッ素系(SF)のガスを用いることができ、RIE用のエッチングガスとしては、フッ素系ガス(CF,CHF,C)を採用することができる。 Next, after applying a resist on the lower insulating layer F1, exposure and development are performed so that an annular opening pattern is formed in the resist, and the lower insulating layer made of SiN is used with the annular opening pattern of the resist as a mask. F1 is etched, and then the resist is removed (FIG. 17 (p)). Thereby, the lower insulating layer F1 is processed to have an annular opening pattern. SiN can be etched using dry etching or RIE. As described above, chlorine-based (Cl 2 , SiCl 4 ) or fluorine-based (SF 6 ) gas can be used as an etching gas for dry etching of SiN, and fluorine-based gas can be used as an etching gas for RIE. (CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 ) can be employed.

最後に、環状開口パターンを有する下部絶縁層F1及び半導体基板1の露出した裏面上にレジストを塗布した後、このレジストに下部絶縁層F1の開口パターンよりも大きな幅の環状の開口パターンが形成されるように露光、現像し、当該レジストの環状開口パターンをマスクとして、電極材料をレジスト上及びその環状開口パターン開口内に堆積し、続いて、レジストをリフトオフにより除去する(図17(q))。この電極材料の形成には、蒸着法又はスパッタ法を用いることができる。   Finally, after applying a resist on the lower insulating layer F1 having the annular opening pattern and the exposed back surface of the semiconductor substrate 1, an annular opening pattern having a larger width than the opening pattern of the lower insulating layer F1 is formed on the resist. Then, using the annular opening pattern of the resist as a mask, an electrode material is deposited on the resist and in the opening of the annular opening pattern, and then the resist is removed by lift-off (FIG. 17 (q)). . The electrode material can be formed by vapor deposition or sputtering.

なお、上述の孔(穴)H1の作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、集束イオンビーム(FIB)、ステッパを用いた光学露光等、その他の微細加工技術を用いることも可能である。さらに、本例ではレジストに描画したパターンをSiNに一度パターン転写してから、ドライエッチングにより基板に転写する手法を用いたが、SiNを省略してレジストに描画したパターンをそのままドライエッチングにより基板に転写しても良い。なお、上記では、活性層3Bの上側に1つの回折格子層4を備える例について説明したが、これは活性層3Bの下側に回折格子層を備えることとしてもよく、また、活性層3Bの上下それぞれに回折格子層を備える構成とすることもできる。   In addition, although the manufacturing method by the electron beam exposure method was described in the embodiment as the manufacturing method of the above-described hole (hole) H1, nanoimprint, interference exposure, focused ion beam (FIB), optical exposure using a stepper, etc. Other microfabrication techniques can also be used. Furthermore, in this example, the pattern drawn on the resist is once transferred to the SiN, and then transferred to the substrate by dry etching. However, the pattern drawn on the resist is omitted as it is on the substrate by dry etching. It may be transferred. In the above description, the example in which one diffraction grating layer 4 is provided on the upper side of the active layer 3B has been described. However, this may be provided with a diffraction grating layer on the lower side of the active layer 3B. It can also be set as the structure provided with a diffraction grating layer on each of upper and lower sides.

次に、クラッド層間に位置するコア層内を伝搬する光の電界強度分布の設計手法について、端面発光型の通常の半導体レーザを例にとり説明する。   Next, a method for designing the electric field intensity distribution of light propagating in the core layer located between the clad layers will be described by taking an edge-emitting normal semiconductor laser as an example.

図18は、端面発光型の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図、図19は、半導体レーザ素子の各層の構造と材料を示す図表、図20は、半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表、図21は、半導体レーザ素子の斜視図である。   18 is a diagram showing a longitudinal sectional configuration of an edge-emitting semiconductor laser device, FIG. 19 is a chart showing the structure and material of each layer of the semiconductor laser device, and FIG. 20 is a detailed parameter of each layer of the semiconductor laser device. FIG. 21 and FIG. 21 are perspective views of the semiconductor laser device.

図18に示す半導体レーザ素子10は、回折格子層を備えない端面発光型のレーザ素子であり、半導体基板1上に、それぞれが化合物半導体からなる下部クラッド層2、ガイド層3A、活性層3B、キャリアブロック層3D、ガイド層4G、上部クラッド層5、及びコンタクト層6が順次積層されている。   A semiconductor laser element 10 shown in FIG. 18 is an edge-emitting laser element that does not include a diffraction grating layer. On the semiconductor substrate 1, a lower cladding layer 2, a guide layer 3A, an active layer 3B, each made of a compound semiconductor, The carrier block layer 3D, the guide layer 4G, the upper cladding layer 5, and the contact layer 6 are sequentially stacked.

図19を参照すると、この半導体レーザ素子10の基本構造は、半導体基板上に、下部クラッド層B、コア層A、上部クラッド層C、コンタクト層を積層したものである。半導体基板1はN型のGaAsからなり、下部クラッド層B(下部クラッド層2)はN型のAlGaAsからなり、上部クラッド層C(上部クラッド層5)はP型のAlGaAsからなる。クラッド層B,C間に位置するコア層Aは、ガイド層3A、活性層3B、キャリアブロック層3D、ガイド層4Gからなる。この半導体レーザ素子は、図1に示した半導体レーザ素子と比較して、スペーサ層、回折格子層、バッファ層がなく、代わりにガイド層4Gがある点が異なり、その他の点は同一である。   Referring to FIG. 19, the basic structure of the semiconductor laser device 10 is obtained by laminating a lower clad layer B, a core layer A, an upper clad layer C, and a contact layer on a semiconductor substrate. The semiconductor substrate 1 is made of N-type GaAs, the lower clad layer B (lower clad layer 2) is made of N-type AlGaAs, and the upper clad layer C (upper clad layer 5) is made of P-type AlGaAs. The core layer A located between the clad layers B and C includes a guide layer 3A, an active layer 3B, a carrier block layer 3D, and a guide layer 4G. This semiconductor laser device is different from the semiconductor laser device shown in FIG. 1 in that it does not have a spacer layer, a diffraction grating layer, and a buffer layer, and instead has a guide layer 4G, and the other points are the same.

図20を参照して、光伝搬に寄与するコア層Aとクラッド層B,Cの構造を詳説すると、下部クラッド層2はN型のAlGa1−XAs(X=0.7)からなり、ガイド層3AはAlGa1−XAs(X=0.1)からなり、活性層3BはInGaAs/AlGa1−XAs(X=0.1)の多重量子井戸構造(MQW)からなり、キャリアブロック層3DはAlGa1−XAs(X=0.4)からなり、ガイド層4GはAlGa1−XAs(X=0.1)からなり、上部クラッド層5はAlGa1−XAs(X=0.4)からなる。MQWにおける井戸数は1又は2以上に設定することができる。 Referring to FIG. 20, the structure of the core layer A and the cladding layers B and C that contribute to light propagation will be described in detail. The lower cladding layer 2 is made of N-type Al X Ga 1-X As (X = 0.7). will guide layer 3A is made of Al X Ga 1-X As ( X = 0.1), the active layer 3B is InGaAs / Al X Ga 1-X As multi-quantum well structure (X = 0.1) (MQW The carrier block layer 3D is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.4), the guide layer 4G is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.1), and the upper cladding layer 5 is made of Al X Ga 1-X As ( X = 0.4). The number of wells in MQW can be set to 1 or 2 or more.

厚みに関して、好適には、例えば、下部クラッド層2の厚みは2000nm、ガイド層3Aの厚みは50nm、活性層3Bの厚みは40nm、キャリアブロック層3Dの厚みは30nm、ガイド層4Gの厚みは420nm〜430nm、上部クラッド層5の厚みは2000nmとすることができる。   Regarding the thickness, preferably, for example, the thickness of the lower cladding layer 2 is 2000 nm, the thickness of the guide layer 3A is 50 nm, the thickness of the active layer 3B is 40 nm, the thickness of the carrier block layer 3D is 30 nm, and the thickness of the guide layer 4G is 420 nm. The thickness of ˜430 nm and the upper cladding layer 5 can be 2000 nm.

図21に示すように、端面発光型の半導体レーザ素子10は、Z軸方向に共振長を有しており、半導体レーザ素子内部においては、光出射端面(Z軸の正方向端部に位置するXY平面)と光反射端面(Z軸の負方向端部に位置するXY平面)との間でレーザ光が往復し、Z軸方向に向けてレーザ光LBが出射する。上部電極E2の平面形状は、Z軸に平行に延びた長方形であり、裏面側の下部電極E1は、半導体基板1の裏面全面上に形成されている。また、上部電極E2は、光出射端面から光反射端面に至るまで延びており、Z軸方向の共振長の範囲内においてキャリアが供給される構成になっている。   As shown in FIG. 21, the edge-emitting semiconductor laser element 10 has a resonance length in the Z-axis direction, and is located at the light emitting end face (at the positive end of the Z-axis in the semiconductor laser element). The laser light reciprocates between the XY plane) and the light reflection end face (XY plane located at the negative end of the Z axis), and the laser light LB is emitted in the Z axis direction. The planar shape of the upper electrode E <b> 2 is a rectangle extending in parallel with the Z axis, and the lower electrode E <b> 1 on the back surface side is formed on the entire back surface of the semiconductor substrate 1. The upper electrode E2 extends from the light emitting end face to the light reflecting end face, and is configured such that carriers are supplied within the resonance length range in the Z-axis direction.

図22は、半導体レーザ素子の厚み方向(X方向)に沿った電界強度分布を示す図である。   FIG. 22 is a diagram showing an electric field intensity distribution along the thickness direction (X direction) of the semiconductor laser element.

駆動電流が下部電極E1と上部電極E2との間に供給されると、半導体レーザ素子10の内部でレーザ光が生成され、外部に出力されるが、このレーザ光の強度ピーク(電界強度のピーク)はコア層A内に存在している。   When the drive current is supplied between the lower electrode E1 and the upper electrode E2, a laser beam is generated inside the semiconductor laser device 10 and output to the outside. The intensity peak of this laser beam (the peak of the electric field strength) ) Exists in the core layer A.

コア層Aの厚み方向の中心位置を原点Oとし、コア層Aの厚みをd1とする。この場合、コア層A内の電界強度分布(TEモードにおけるY軸方向の電界強度Ey)は、基本モード(0次モード)においては、原点Oの付近に単峰性の強度ピークを有する(図22(a))。   The center position in the thickness direction of the core layer A is the origin O, and the thickness of the core layer A is d1. In this case, the electric field intensity distribution in the core layer A (the electric field intensity Ey in the Y-axis direction in the TE mode) has a unimodal intensity peak in the vicinity of the origin O in the fundamental mode (0th order mode) (FIG. 22 (a)).

一方、コア層Aの厚み方向の中心位置を原点Oとし、コア層Aの厚みをd2(d2>d1)とすると、コア層内の電界強度分布が1次モードに変化する。この場合、コア層A内の電界強度分布(TEモードにおけるY軸方向の電界強度Ey)は、1次モードにおいては、原点Oの付近に強度ピークの谷を有し、その両側に2つの強度ピークを有する(図22(b))。同図では、1次モードにおけるピーク位置は、概ね+(d2)/4と、−(d2)/4の位置に設定されている。   On the other hand, when the center position in the thickness direction of the core layer A is the origin O and the thickness of the core layer A is d2 (d2> d1), the electric field strength distribution in the core layer changes to the primary mode. In this case, the electric field intensity distribution in the core layer A (the electric field intensity Ey in the Y-axis direction in the TE mode) has an intensity peak valley in the vicinity of the origin O in the primary mode, and two intensities on both sides thereof. It has a peak (FIG. 22 (b)). In the figure, the peak positions in the primary mode are set to positions of approximately + (d2) / 4 and − (d2) / 4.

図23は、端面発光型の半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造(図23(a))、エネルギーバンドギャップ(図23(b))、及び電界強度分布(図23(c):0次モード、図23(d):1次モード)を示す図である。電界強度Eyは、TEモードにおけるY軸方向の電界強度を示す。   FIG. 23 shows the structure (FIG. 23 (a)), the energy band gap (FIG. 23 (b)), and the electric field strength distribution (FIG. 23 (c)) along the thickness direction of the main part of the edge-emitting semiconductor laser device. It is a figure which shows 0th mode, FIG.23 (d): primary mode). The electric field strength Ey indicates the electric field strength in the Y-axis direction in the TE mode.

コア層Aの平均のエネルギーバンドギャップEgは、クラッド層B,Cの平均のエネルギーバンドギャップEgよりも小さく、キャリアブロック層3DのエネルギーバンドギャップEgは、活性層3BにおけるエネルギーバンドギャップEgの最大値よりも大きい。また、図60に示すように、エネルギーバンドギャップEgと屈折率nとは、負の相関があるため、コア層Aの平均の屈折率nは、クラッド層B,Cの平均の屈折率nよりも高く、キャリアブロック層3Dの屈折率nは、活性層3Bにおける屈折率nの最大値よりも小さい。光は屈折率の高いところを伝搬するため、3層スラブ構造においては、コア層A内を光が伝搬する。   The average energy band gap Eg of the core layer A is smaller than the average energy band gap Eg of the cladding layers B and C, and the energy band gap Eg of the carrier block layer 3D is the maximum value of the energy band gap Eg in the active layer 3B. Bigger than. As shown in FIG. 60, since the energy band gap Eg and the refractive index n have a negative correlation, the average refractive index n of the core layer A is greater than the average refractive index n of the cladding layers B and C. The refractive index n of the carrier block layer 3D is smaller than the maximum value of the refractive index n in the active layer 3B. Since light propagates through a high refractive index, light propagates through the core layer A in the three-layer slab structure.

0次モードの場合においては(図23(c))、活性層3Bの位置における電界強度Eyはピーク位置における電界強度Eyよりも小さく、レーザ光の強度が高くはない。一方、1次モードの場合においては(図23(d))、活性層3Bは電界強度Eyの1つのピーク位置に位置しており、レーザ光の強度は高くなる。   In the case of the 0th-order mode (FIG. 23C), the electric field intensity Ey at the position of the active layer 3B is smaller than the electric field intensity Ey at the peak position, and the intensity of the laser beam is not high. On the other hand, in the case of the primary mode (FIG. 23 (d)), the active layer 3B is located at one peak position of the electric field intensity Ey, and the intensity of the laser light is increased.

なお、1次モードは、基本モードの高次モードであるため、1次モードの光伝搬が行われている場合においても、基本モード(0次モード)の電界強度分布は存在している。   Since the primary mode is a higher-order mode of the fundamental mode, the electric field intensity distribution of the fundamental mode (zero-order mode) exists even when light propagation in the primary mode is performed.

図24は、コア層A内の積層構造について説明するための図である。   FIG. 24 is a view for explaining a laminated structure in the core layer A. FIG.

コア層Aが積層された複数の層(Layer1〜Layer(i+1))を含んでいる場合(但しiは自然数)、これらの層がそれぞれ誘電率(ε(1)〜ε(i+1))を有し、膜厚(d(1)〜d(i+1))を有しているものとする。このコア層Aにおいて、1次横モードが生じる導波路構造を製造するためには、幾つかの条件を満たす必要がある。すなわち、コア層Aの膜厚は、1次の高次モードが固有状態として存在するような屈折率(n)、膜厚(d)をとる必要がある。   When the core layer A includes a plurality of stacked layers (Layer 1 to Layer (i + 1)) (where i is a natural number), each of these layers has a dielectric constant (ε (1) to ε (i + 1)). And a film thickness (d (1) to d (i + 1)). In order to manufacture a waveguide structure in which a primary transverse mode occurs in the core layer A, it is necessary to satisfy several conditions. That is, the film thickness of the core layer A needs to have a refractive index (n) and a film thickness (d) such that the first-order higher mode exists as an eigenstate.

このような屈折率、膜厚の範囲は下記の手法で計算される。   Such a range of refractive index and film thickness is calculated by the following method.

導波構造内に存在する電磁界分布はMaxwellの波動方程式を境界条件の元で数値的に解くことにより、計算することができる。図20に示した層構造は、図22に示したように等価的に2層非対称スラブ導波路構造とみなすことができる。このとき、コア層Aにおける各層の誘電率と膜厚は、図24のように定義する。この場合、等価誘電率(平均誘電率)εEqを、図59に示す式(1)のように算出する。 The electromagnetic field distribution existing in the waveguide structure can be calculated by numerically solving Maxwell's wave equation under boundary conditions. The layer structure shown in FIG. 20 can be equivalently regarded as a two-layer asymmetric slab waveguide structure as shown in FIG. At this time, the dielectric constant and film thickness of each layer in the core layer A are defined as shown in FIG. In this case, an equivalent dielectric constant (average dielectric constant) ε Eq is calculated as shown in Expression (1) shown in FIG.

また、図59に示す式(2)は、規格化周波数V(Vパラメータ)を示している。式(2)において、k=2π/λであって(λはレーザ光波長)、真空中の平面波の伝搬定数(波数)を示し、n1はコア層Aの平均屈折率(コア層Aの平均誘電率εEqから求める)。なお、屈折率(n1)は、誘電率(εEq)の平方根と正の相関がある。また、式(2)において、Δはコア層Aとクラッド層Bとの比屈折率差を示し、dはコア層の膜厚を示している。 Also, equation (2) shown in FIG. 59 represents the normalized frequency V (V parameter). In Equation (2), k 0 = 2π / λ (λ is the laser beam wavelength), which indicates the propagation constant (wave number) of a plane wave in vacuum, and n1 is the average refractive index of the core layer A (the core layer A ( Determined from the average dielectric constant ε Eq ). The refractive index (n1) has a positive correlation with the square root of the dielectric constant (ε Eq ). In equation (2), Δ represents the relative refractive index difference between the core layer A and the clad layer B, and d represents the film thickness of the core layer.

なお、比屈折率差Δ=(n −n )/2n で与えられる。ここで、コア層Aの平均屈折率をnとし、クラッド層Bの平均屈折率をnとする。クラッド層B,Cの平均屈折率が異なる場合にも、比屈折率Δは上式で与えられる。 Incidentally, it is given by the relative refractive index difference Δ = (n 1 2 -n 2 2) / 2n 1 2. Here, the average refractive index of the core layer A and n 1, the average refractive index of the cladding layer B and n 2. Even when the average refractive indexes of the cladding layers B and C are different, the relative refractive index Δ is given by the above equation.

なお、伝搬モードとは、ある特定の角度で反射しながら消減せずに伝搬していく光の組のことであり、入射角度の小さいものから、0次モード、1次モード、2次モードと言われる。コア層Aの長手方向(Z軸)に対して光の伝搬する角度(伝搬角)をθとすると、伝搬定数β=kcosθで与えられる。式(3)は規格化伝搬定数bを示しており、規格化伝搬定数bは屈折率nと伝搬定数βで与えられる。 Note that the propagation mode is a set of light that propagates without being reflected while being reflected at a specific angle. From the one having a small incident angle, the zero-order mode, the first-order mode, the second-order mode, and the like. Said. When the angle (propagation angle) of light propagation with respect to the longitudinal direction (Z-axis) of the core layer A is θ, the propagation constant β = k 0 n 1 cos θ is given. Equation (3) shows the normalized propagation constant b, which is given by the refractive index n and the propagation constant β.

また、Vパラメータは、規格化伝搬定数bを用いて表現することができ、これは図59の式(4)に示されている。なお、式(4)におけるa’は非対称パラメータであり、式(5)で与えられ、χiは式(6)で与えられ、Nはモード次数に対応し、πは円周率を示している。また、式(6)におけるni(i=2、3)はそれぞれクラッド層B、Cにおける平均屈折率を示している。   Further, the V parameter can be expressed using the normalized propagation constant b, which is shown in the equation (4) in FIG. In Equation (4), a ′ is an asymmetric parameter, which is given by Equation (5), χi is given by Equation (6), N corresponds to the mode order, and π represents the circular ratio. . Further, ni (i = 2, 3) in the formula (6) indicates the average refractive index in the cladding layers B and C, respectively.

以上のように、Vパラメータと規格化伝搬定数bとの間には相関があり、規格化伝搬定数bは、伝搬角θで伝搬する特定モードにおける伝搬定数βにより与えられる。したがって、伝搬モードが変わる場合には、規格化伝搬定数bが変わり、これを満たすVパラメータが変化する。3層非対称スラブ導波路におけるモード数は、Vパラメータおよび規格化伝搬定数bにより特徴付けられる。   As described above, there is a correlation between the V parameter and the normalized propagation constant b, and the normalized propagation constant b is given by the propagation constant β in the specific mode propagating at the propagation angle θ. Therefore, when the propagation mode changes, the normalized propagation constant b changes, and the V parameter that satisfies this changes. The number of modes in the three-layer asymmetric slab waveguide is characterized by the V parameter and the normalized propagation constant b.

図25は、規格化周波数V(Vパラメータ)と規格化伝搬定数bとの関係を示すグラフである。このグラフは、図20に示した構造におけるTEモードにおいて求めたものである。波長λ=980nmとし、コア層Aの屈折率n=3.45、下部クラッド層Bの屈折率n=3.26、上部クラッド層Cの屈折率n=3.11とする。 FIG. 25 is a graph showing the relationship between the normalized frequency V (V parameter) and the normalized propagation constant b. This graph is obtained in the TE mode in the structure shown in FIG. The wavelength λ is 980 nm, the refractive index n 1 of the core layer A is 3.45, the refractive index n 2 of the lower cladding layer B is 3.26, and the refractive index n 3 of the upper cladding layer C is 3.11.

図25に示す規格化周波数Vの値が、斜線で示される範囲にある場合(3.756≦V≦6.898)、規格化伝搬定数bは、式(4)において、N=0,N=1の場合において、2つの解を有する。換言すれば、規格化周波数Vが、斜線範囲内の値である場合、0次モードの光の伝搬と、1次モードの光の伝搬が可能となる。   When the value of the normalized frequency V shown in FIG. 25 is in the range indicated by oblique lines (3.756 ≦ V ≦ 6.898), the normalized propagation constant b is N = 0, N in the equation (4) For = 1, we have two solutions. In other words, when the normalized frequency V is a value within the hatched range, it is possible to propagate the 0th-order mode light and the first-order mode light.

規格化周波数Vは、コア層Aの膜厚dに比例するが、膜厚dが所定値よりも小さくなると、N次モードが遮断され、存在できなくなる。この時の膜厚dを、カットオフ膜厚dcutoff(nm)とする。 The normalized frequency V is proportional to the film thickness d of the core layer A. However, when the film thickness d is smaller than a predetermined value, the N-order mode is cut off and cannot exist. The film thickness d at this time is defined as a cut-off film thickness d cutoff (nm).

図26は、モード次数(N=0,1,2,3)に対する規格化周波数Vと、コア層のカットオフ膜厚dcutoff(nm)の関係を示す図表である。本手法で計算した1次モードのカットオフ膜厚dcutoff=515(nm)である。すなわち、1次モード(N=1)が存在している状態から、膜厚dを減少させると、規格化周波数Vが減少し、dcutoff=515(nm)、V=3.756となった時点で、1次モードの規格化伝搬定数b=0となり、これよりも膜厚dが小さい場合には、0次モード(N=0)のみしか存在しなくなる。同様に、0次モードのカットオフ膜厚dcutoff=84(nm)、2次モードのカットオフ膜厚dcutoff=946(nm)、3次モードのカットオフ膜厚dcutoff=1377(nm)である。 FIG. 26 is a chart showing the relationship between the normalized frequency V with respect to the mode order (N = 0, 1, 2, 3) and the cutoff film thickness d cutoff (nm) of the core layer. The cut-off film thickness d cutoff of the first-order mode calculated by this method is 515 (nm). That is, when the film thickness d is decreased from the state where the primary mode (N = 1) exists, the normalized frequency V decreases, and d cutoff = 515 (nm) and V = 3.756. At that time, the normalized propagation constant b of the first order mode becomes 0, and when the film thickness d is smaller than this, only the 0th order mode (N = 0) exists. Similarly, the cut-off film thickness d cutoff of the zeroth-order mode is 84 (nm), the cut-off film thickness of the second-order mode is d cutoff = 946 (nm), and the cut-off film thickness of the third-order mode is d cutoff = 1377 (nm). It is.

換言すれば、1次モードのレーザ光の発振を行わせ、2次モードの発振を行わせないためには、コア層Aの膜厚dは、515nm以上とし、946nmよりも小さくする必要がある。   In other words, the thickness d of the core layer A needs to be 515 nm or more and smaller than 946 nm in order to oscillate the primary mode laser beam and not to oscillate the secondary mode. .

なお、1次モードが遮断されるコア層の膜厚dcutoffについて、Maxwell方程式の数値計算法である階段行列法によって計算した結果、1次モードの膜厚dcutoffは、545nmとなった。これらの計算手法による誤差は、6%と小さい値となる。そのため、本手法を用いても、コア層Aの屈折率n、膜厚dの範囲を定めることができるし、階段行列法を用いても、これらのパラメータを設定することが可能である。 The thickness d cutoff of the core layer in which the primary mode is blocked was calculated by the step matrix method, which is the numerical calculation method of the Maxwell equation. As a result, the thickness d cutoff of the primary mode was 545 nm. The error due to these calculation methods is as small as 6%. Therefore, even if this method is used, the ranges of the refractive index n 1 and the film thickness d of the core layer A can be determined, and these parameters can also be set using the step matrix method.

図27は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率nと電界強度E(Y軸方向の電界強度Ey)との関係を示すグラフである。このグラフは、階段行列法によって求めたものである。なお、同図にはコア層A、下部クラッド層B、上部クラッド層Cの領域が示されている。また、一点鎖線は屈折率nを示し、実線は1次モードの電界強度分布を示し、点線は0次モードの電界強度分布を示している。また、電界強度Eに関しては、1次モードの演算データ曲線を、0次モードの演算データ曲線から若干上方にシフトして示してある。   FIG. 27 is a graph showing the relationship between the refractive index n along the thickness direction of the semiconductor laser element and the electric field intensity E (electric field intensity Ey in the Y-axis direction). This graph is obtained by the staircase matrix method. In the figure, regions of the core layer A, the lower clad layer B, and the upper clad layer C are shown. The alternate long and short dash line indicates the refractive index n, the solid line indicates the electric field intensity distribution in the first-order mode, and the dotted line indicates the electric field intensity distribution in the zero-order mode. Regarding the electric field strength E, the calculation data curve in the first-order mode is shown slightly shifted upward from the calculation data curve in the zero-order mode.

図27(a)は、コア層Aの厚みd=540nmの場合のデータを示し、図27(b)は、コア層Aの厚みd=545nmの場合のデータを示し、図27(c)は、コア層Aの厚みd=550nmの場合のデータを示している。   FIG. 27A shows data when the thickness d of the core layer A is 540 nm, FIG. 27B shows data when the thickness d of the core layer A is 545 nm, and FIG. The data when the thickness d of the core layer A is 550 nm is shown.

コア層Aの屈折率は、クラッド層B,Cの屈折率よりも高く、また、活性層3Bにおける井戸層の屈折率はこれに隣接するバリア層の屈折率よりも高く、キャリアブロック層3Dの屈折率は、これに隣接するガイド層4Gの屈折率よりも低い。なお、図60に示したように、各層におけるエネルギーバンドギャップEgの関係は、屈折率nの関係とは逆となる。   The refractive index of the core layer A is higher than the refractive indexes of the cladding layers B and C, and the refractive index of the well layer in the active layer 3B is higher than the refractive index of the barrier layer adjacent thereto, and the carrier block layer 3D The refractive index is lower than the refractive index of the guide layer 4G adjacent thereto. As shown in FIG. 60, the relationship of the energy band gap Eg in each layer is opposite to the relationship of the refractive index n.

同図に示すように、コア層Aの厚みdが545nm以上になると((b)、(c))、1次モードが存在し、一方の強度ピーク位置近傍に活性層3Bの位置を合わせることで、レーザ光強度を高めることが可能となる。   As shown in the figure, when the thickness d of the core layer A is 545 nm or more ((b), (c)), the primary mode is present, and the position of the active layer 3B is aligned in the vicinity of one intensity peak position. Thus, the laser light intensity can be increased.

この原理は、以下のように、図1〜図17に示した回折格子層を備えた半導体レーザ素子に適用することができる。以下の半導体レーザ素子は、図1〜図9又は図10〜図17に示した半導体レーザ素子におけるコア層の変形例を示している。   This principle can be applied to the semiconductor laser device including the diffraction grating layer shown in FIGS. 1 to 17 as follows. The following semiconductor laser elements show modifications of the core layer in the semiconductor laser elements shown in FIG. 1 to FIG. 9 or FIG.

図28は、回折格子層を有する半導体レーザ素子主要部の厚み方向に沿った構造(図28(a))、エネルギーバンドギャップ(図28(b))、及び電界強度分布(図28(c):0次モード、図28(d):1次モード)を示す図である。電界強度Eyは、TEモードにおけるY軸方向の電界強度を示す。   FIG. 28 shows a structure (FIG. 28 (a)), an energy band gap (FIG. 28 (b)), and an electric field intensity distribution (FIG. 28 (c)) along the thickness direction of the main part of the semiconductor laser device having a diffraction grating layer. : 0th-order mode, FIG. 28 (d): first-order mode). The electric field strength Ey indicates the electric field strength in the Y-axis direction in the TE mode.

コア層Aの平均のエネルギーバンドギャップEgは、クラッド層B,Cの平均のエネルギーバンドギャップEgよりも小さく、キャリアブロック層3DのエネルギーバンドギャップEgは、活性層3BにおけるエネルギーバンドギャップEgの最大値よりも大きい。また、図60に示すように、エネルギーバンドギャップEgと屈折率nとは、負の相関があるため、コア層Aの平均の屈折率nは、クラッド層B,Cの平均の屈折率nよりも高く、キャリアブロック層3Dの屈折率nは、活性層3Bにおける屈折率nの最大値よりも小さい。光は屈折率の高いところを伝搬するため、3層スラブ構造においては、コア層A内を光が伝搬する。   The average energy band gap Eg of the core layer A is smaller than the average energy band gap Eg of the cladding layers B and C, and the energy band gap Eg of the carrier block layer 3D is the maximum value of the energy band gap Eg in the active layer 3B. Bigger than. As shown in FIG. 60, since the energy band gap Eg and the refractive index n have a negative correlation, the average refractive index n of the core layer A is greater than the average refractive index n of the cladding layers B and C. The refractive index n of the carrier block layer 3D is smaller than the maximum value of the refractive index n in the active layer 3B. Since light propagates through a high refractive index, light propagates through the core layer A in the three-layer slab structure.

0次モードの場合においては(図28(c))、活性層3Bの位置における電界強度Eyはピーク位置における電界強度Eyよりも小さく、レーザ光の強度が高くはない。一方、1次モードの場合においては(図28(d))、活性層3Bは、電界強度Eyの1つのピーク位置に位置しており、また、回折格子層4(4A,4B)は、電界強度Eyのもう1つのピーク位置に位置しており、レーザ光の強度は高くなる。   In the case of the 0th order mode (FIG. 28C), the electric field intensity Ey at the position of the active layer 3B is smaller than the electric field intensity Ey at the peak position, and the intensity of the laser beam is not high. On the other hand, in the case of the primary mode (FIG. 28 (d)), the active layer 3B is located at one peak position of the electric field strength Ey, and the diffraction grating layer 4 (4A, 4B) It is located at another peak position of the intensity Ey, and the intensity of the laser light is increased.

次に、コア層A内の積層構造について説明する。   Next, the laminated structure in the core layer A will be described.

図29は、コア層A内の幾つかの積層構造を示す図である。いずれも図1〜図9に示した半導体レーザ素子、又は、図10〜図17に示した半導体レーザ素子におけるコア層Aの変形例を示している。   FIG. 29 is a diagram showing several stacked structures in the core layer A. FIG. Each of them shows a modification of the core layer A in the semiconductor laser element shown in FIGS. 1 to 9 or the semiconductor laser element shown in FIGS.

図29(a)は、図1及び図28に示したタイプのコア層Aであり、ガイド層3A、活性層3B、スペーサ層3C、キャリアブロック層3D、回折格子層4(4A,4B)を順次積層したものである。なお、回折格子層4上には、図1に示したバッファ層4’が位置することとしてもよい。   FIG. 29A shows a core layer A of the type shown in FIGS. 1 and 28, and includes a guide layer 3A, an active layer 3B, a spacer layer 3C, a carrier block layer 3D, and a diffraction grating layer 4 (4A, 4B). They are sequentially stacked. Note that the buffer layer 4 ′ shown in FIG. 1 may be positioned on the diffraction grating layer 4.

図29(b)は、ドープ層を備えるタイプのコア層Aであり、ガイド層3A、活性層3B、スペーサ層3C、キャリアブロック層3D、ガイド層3E、ドープ層3F、回折格子層4(4A,4B)を順次積層したものである。なお、回折格子層4上には、図1に示したバッファ層4’が位置することとしてもよい。なお、スペーサ層3Cの構成は、図1及び図28に示した通りである。   FIG. 29B shows a core layer A of a type having a doped layer, which is a guide layer 3A, an active layer 3B, a spacer layer 3C, a carrier block layer 3D, a guide layer 3E, a doped layer 3F, and a diffraction grating layer 4 (4A). , 4B) are sequentially laminated. Note that the buffer layer 4 ′ shown in FIG. 1 may be positioned on the diffraction grating layer 4. The structure of the spacer layer 3C is as shown in FIGS.

図29(c)は、図29(b)に示したコア層Aからスペーサ層3Cを除いたタイプのコア層Aであり、ガイド層3A、活性層3B、キャリアブロック層3D、ガイド層3E、ドープ層3F、回折格子層4(4A,4B)を順次積層したものである。なお、回折格子層4上には、図1に示したバッファ層4’が位置することとしてもよい。この構造のコア層Aの詳細については、後述の図30(構造(1))、図40(構造(2))、図49(構造(3))において説明する。   FIG. 29 (c) shows a core layer A of the type obtained by removing the spacer layer 3C from the core layer A shown in FIG. 29 (b). The guide layer 3A, the active layer 3B, the carrier block layer 3D, the guide layer 3E, A doped layer 3F and a diffraction grating layer 4 (4A, 4B) are sequentially laminated. Note that the buffer layer 4 ′ shown in FIG. 1 may be positioned on the diffraction grating layer 4. Details of the core layer A having this structure will be described later with reference to FIG. 30 (structure (1)), FIG. 40 (structure (2)), and FIG. 49 (structure (3)).

図29(d)は、図29(c)に示したコア層Aに新たにガイド層3Gを追加したタイプのコア層Aであり、ガイド層3A、活性層3B、キャリアブロック層3D、ガイド層3E、ドープ層3F、ガイド層3G、回折格子層4(4A,4B)を順次積層したものである。なお、回折格子層4上には、図1に示したバッファ層4’が位置することとしてもよい。ガイド層3Gの構成は、ガイド層3Eの構成と同様に設定することができる。   FIG. 29D shows a core layer A of a type in which a guide layer 3G is newly added to the core layer A shown in FIG. 29C. The guide layer 3A, the active layer 3B, the carrier block layer 3D, and the guide layer 3E, a doped layer 3F, a guide layer 3G, and a diffraction grating layer 4 (4A, 4B) are sequentially laminated. Note that the buffer layer 4 ′ shown in FIG. 1 may be positioned on the diffraction grating layer 4. The configuration of the guide layer 3G can be set similarly to the configuration of the guide layer 3E.

図30は、図29(c)に示したコア層Aを有する半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である(構造(1)とする)。   FIG. 30 is a chart showing detailed parameters of each layer of the semiconductor laser device having the core layer A shown in FIG. 29C (referred to as structure (1)).

図30を参照して、光伝搬に寄与するコア層Aとクラッド層B,Cの構造を詳説すると、下部クラッド層2はN型のAlGa1−XAs(X=0.7)からなり、ガイド層3AはAlGa1−XAs(X=0.1)からなり、活性層3BはInGaAs/AlGa1−XAs(X=0.1)の多重量子井戸構造(MQW)からなり、キャリアブロック層3DはAlGa1−XAs(X=0.4)からなり、ガイド層3EはAlGa1−XAs(X=0.1)からなり、ドープ層3FはP型のAlGa1−XAs(X=0.4)からなり、回折格子層4は、基本層4AがAlGa1−XAs(X=0.1)からなり、異屈折率部4BがAlGa1−XAs(X=0.4)からなり、上部クラッド層5はAlGa1−XAs(X=0.4)からなる。MQWにおける井戸数は1又は2以上に設定することができる。 Referring to FIG. 30, the structure of the core layer A and the clad layers B and C that contribute to light propagation will be described in detail. The lower clad layer 2 is made of N-type Al X Ga 1-X As (X = 0.7). becomes, the guide layer 3A is made of Al X Ga 1-X As ( X = 0.1), the active layer 3B is InGaAs / Al X Ga 1-X As multi-quantum well structure (X = 0.1) (MQW The carrier block layer 3D is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.4), the guide layer 3E is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.1), and the doped layer 3F Is made of P-type Al X Ga 1-X As (X = 0.4), and the diffraction grating layer 4 has a basic layer 4A made of Al X Ga 1-X As (X = 0.1). rate unit 4B is a Al X Ga 1-X As ( X = 0.4), upper-cladding layer 5 l X Ga 1-X As consists (X = 0.4). The number of wells in MQW can be set to 1 or 2 or more.

厚みに関して、好適には、例えば、下部クラッド層2の厚みは2000nm、ガイド層3Aの厚みは50nm、活性層3Bの厚みは40nm、キャリアブロック層3Dの厚みは30nm、ガイド層3Eの厚みは260nm、ドープ層3Fの厚みは40nm、回折格子層4の厚みは300nm、上部クラッド層5の厚みは2000nmとすることができる。   Regarding the thickness, for example, the thickness of the lower cladding layer 2 is 2000 nm, the thickness of the guide layer 3A is 50 nm, the thickness of the active layer 3B is 40 nm, the thickness of the carrier block layer 3D is 30 nm, and the thickness of the guide layer 3E is 260 nm. The thickness of the doped layer 3F can be 40 nm, the thickness of the diffraction grating layer 4 can be 300 nm, and the thickness of the upper cladding layer 5 can be 2000 nm.

また、回折格子層4の回折格子形成領域RPC(図4参照)内における異屈折率部4Bの占有面積率(フィリングファクタ:FF)は、20%に設定することができる。占有面積率FF(%)は、水平断面(YZ平面)内における、回折格子形成領域RPCの面積に対する複数の異屈折率部4Bの面積の合計の比率である。換言すれば、占有面積率FF(%)は、単位面積当たりにおいて異屈折率部4Bの占める面積の比率である。1つの異屈折率部4Bの形状は本例では円形とし、円の面積は、例えば格子定数300nmの正方格子では、18000nmであることとし、基本層4A内に埋め込まれたX軸方向の深さは300nmであることとする。すなわち、1cm当たり0.2cmの異屈折率部4Bが存在する。 Further, the occupation area ratio (filling factor: FF) of the different refractive index portion 4B in the diffraction grating formation region RPC (see FIG. 4) of the diffraction grating layer 4 can be set to 20%. The occupied area ratio FF (%) is a ratio of the total area of the plurality of different refractive index portions 4B to the area of the diffraction grating formation region RPC in the horizontal cross section (YZ plane). In other words, the occupied area ratio FF (%) is a ratio of the area occupied by the different refractive index portion 4B per unit area. The shape of one different refractive index portion 4B is circular in this example, and the area of the circle is, for example, 18000 nm 2 for a square lattice having a lattice constant of 300 nm, and the depth in the X-axis direction embedded in the basic layer 4A The thickness is assumed to be 300 nm. That is, there are 0.2 cm 2 of different refractive index portions 4B per 1 cm 2 .

図31は、図30に示した構造を有する半導体レーザ素子において、基本モード(0次モード)と1次モードにおけるTEモードの等価屈折率neffと、回折格子層4におけるフォトニックバンドギャップのバンド端波長(nm)の関係を示す図表である。発振波長λ=980nmとする。回折格子層4の厚みD=300nm(0.3μm)であり、コア層Aの厚みd=720nmである。活性層3Bにおける量子井戸数は2とする。   31 shows an equivalent refractive index neff of the TE mode in the fundamental mode (0th order mode) and the first order mode, and the band edge of the photonic band gap in the diffraction grating layer 4 in the semiconductor laser device having the structure shown in FIG. It is a graph which shows the relationship of a wavelength (nm). The oscillation wavelength λ is 980 nm. The thickness D of the diffraction grating layer 4 is 300 nm (0.3 μm), and the thickness d of the core layer A is 720 nm. The number of quantum wells in the active layer 3B is 2.

なお、コア層Aの屈折率n=3.42、下部クラッド層Bの屈折率n=3.10、上部クラッド層Cの屈折率n=3.26とした。これらの屈折率は、MSEO(Modified Single Effective Oscillator)法と式(1)により、波長980nmにおける屈折率の値を求めた。この場合、伝搬モードに1次モードが生じるカットオフ膜厚dcutoff(1)と、2次モードが生じるカットオフ膜厚dcutoff(2)は、573(nm)と1047(nm)となる。すなわち、コア層Aの厚みdが、573(nm)以上1047(nm)未満であれば、1次モードが発生し、2次モードが発生しない条件が成立する。1次高次モードを取る領域範囲は、階段行列法による電磁界計算から600(nm)〜1040(nm)と計算されるが、これらの範囲は概ね一致している。 The refractive index n 1 of the core layer A = 3.42, the refractive index n 2 of the lower cladding layer B = 3.10, and the refractive index n 3 of the upper cladding layer C = 3.26. As for these refractive indexes, the value of the refractive index at a wavelength of 980 nm was obtained by MSEO (Modified Single Effective Oscillator) method and Equation (1). In this case, the cut-off thickness d cutoff the primary mode to the propagation mode occurs (1), the cut-off thickness d cutoff the second-order mode occurs (2) is 573 and (nm) 1047 and (nm). That is, if the thickness d of the core layer A is not less than 573 (nm) and less than 1047 (nm), the condition that the primary mode is generated and the secondary mode is not generated is satisfied. The range of the region taking the first-order higher-order mode is calculated as 600 (nm) to 1040 (nm) from the electromagnetic field calculation by the staircase matrix method, and these ranges are almost the same.

上述のようにコア層Aの全体の膜厚d=720nmであるため、1次モードの発生条件は満たされ、TEモードの電磁界モードは、基本0次モードと1次モードが形成される。   Since the total film thickness d of the core layer A is 720 nm as described above, the primary mode generation condition is satisfied, and the TE mode electromagnetic field mode includes the fundamental 0th mode and the primary mode.

図31に示す等価屈折率neffの差から、回折格子層4に格子定数344nmの三角格子のフォトニック結晶を用いる場合、基本0次モードと1次モードのバンド端波長(1009.03nm、980.43nm)差は、30nm程度となる。   From the difference in the equivalent refractive index neff shown in FIG. 31, when a triangular lattice photonic crystal having a lattice constant of 344 nm is used for the diffraction grating layer 4, the band edge wavelengths (1009.03 nm, 980. 43 nm) difference is about 30 nm.

図32は、共振が生じる波長と強度の関係(a)と、発光波長と強度の関係(b)を示すグラフである。   FIG. 32 is a graph showing the relationship (a) between the wavelength and intensity at which resonance occurs, and the relationship (b) between the emission wavelength and intensity.

上述の通り、回折格子層4のフォトニックバンドギャップの0次モードにおけるバンド端波長λp0と、1次モードにおけるバンド端波長λp1とは、約30nmの差がある。それぞれの波長においてレーザ光を生成するための発光の共振を起こすことができるが、一方で、量子井戸からなる活性層3Bにおける発光の利得スペクトルのピーク波長λpは、活性層3Bの組成やエネルギーバンドギャップ等を変更することによって移動させることができる。したがって、利得スペクトルのピーク波長λpと1次モードのバンド端波長λp1(980nm)とを一致させれば、1次モードのレーザ発振が支配的となり、0次モードのレーザ発振は抑制されることになる。上記の場合、バンド端波長差は約30nmであるため、利得スペクトルのピーク波長λp±5nmの範囲内に、1次モードのバンド端波長λp1が存在すれば、1次モードが選択的且つ効率的に発生することになる。   As described above, there is a difference of about 30 nm between the band edge wavelength λp0 in the 0th order mode of the photonic bandgap of the diffraction grating layer 4 and the band edge wavelength λp1 in the 1st order mode. Resonance of light emission for generating laser light can be generated at each wavelength. On the other hand, the peak wavelength λp of the gain spectrum of light emission in the active layer 3B made of a quantum well is the composition and energy band of the active layer 3B. It can be moved by changing the gap or the like. Therefore, if the peak wavelength λp of the gain spectrum and the band edge wavelength λp1 (980 nm) of the first-order mode are matched, the first-order mode laser oscillation becomes dominant and the zero-order mode laser oscillation is suppressed. Become. In the above case, since the band edge wavelength difference is about 30 nm, if the band edge wavelength λp1 of the primary mode exists within the range of the peak wavelength λp ± 5 nm of the gain spectrum, the primary mode is selective and efficient. Will occur.

図33は、各層における光閉じ込め係数を示す図表である。   FIG. 33 is a chart showing optical confinement factors in each layer.

上記図30の設定の場合、活性層(量子井戸層)3B内の光閉じ込め係数Γqwは、基本モード(0次モード)の場合では1.62(%)、1次モードの場合には2.28(%)であり、1次モードの場合に、活性層3B内により多くの光を閉じ込めることができる。また、回折格子戸層4内の光閉じ込め係数Γgは、基本モード(0次モード)の場合では30.1(%)、1次モードの場合には39.3(%)であり、1次モードの場合に、回折格子層4内により多くの光を閉じ込めることができる。更に、ドープ層3F内の光閉じ込め係数Γdopeは、基本モード(0次モード)の場合では6.7(%)、1次モードの場合には0.2(%)であり、1次モードの場合に、ドープ層3F内の光の影響はさらに抑制され、0次モードの光はドープ層3F内の不純物により損失を受けることになる。   In the case of the setting shown in FIG. 30, the optical confinement coefficient Γqw in the active layer (quantum well layer) 3B is 1.62% in the case of the fundamental mode (0th order mode) and 2 in the case of the primary mode. In the case of the primary mode, more light can be confined in the active layer 3B. The optical confinement coefficient Γg in the diffraction grating door layer 4 is 30.1 (%) in the case of the fundamental mode (0th order mode) and 39.3 (%) in the case of the first order mode. In the mode, more light can be confined in the diffraction grating layer 4. Further, the optical confinement coefficient Γdope in the doped layer 3F is 6.7 (%) in the case of the fundamental mode (0th-order mode) and 0.2 (%) in the case of the first-order mode. In this case, the influence of the light in the doped layer 3F is further suppressed, and the 0th-order mode light is lost by the impurities in the doped layer 3F.

上記のように、1次モードでは、活性層3B内における光閉じ込め係数Γqwが高くなるため、低い閾値でのレーザ発振が可能となるという利点がある。   As described above, in the first-order mode, since the optical confinement coefficient Γqw in the active layer 3B is high, there is an advantage that laser oscillation with a low threshold is possible.

また、1次モードの回折格子層4内の光閉じ込め係数Γgは、基本0次モードに比べて高い。光閉じ込め係数Γgは、面垂直方向への回折効果の大きさを表す結合係数κに比例し、回折格子層4が十分に機能することになる。なお、光閉じ込め係数Γg=39.3%という値は、非特許文献1の半導体レーザ素子の光閉じ込め係数Γg=18.1%と比較しても、十分に高い値となる。   Further, the optical confinement coefficient Γg in the diffraction grating layer 4 in the first order mode is higher than that in the fundamental 0th order mode. The optical confinement coefficient Γg is proportional to the coupling coefficient κ representing the magnitude of the diffraction effect in the direction perpendicular to the plane, and the diffraction grating layer 4 functions sufficiently. Note that the value of the optical confinement factor Γg = 39.3% is sufficiently high even when compared with the optical confinement factor Γg = 18.1% of the semiconductor laser element of Non-Patent Document 1.

更に、ドープ層3Fには1×1017/cm以上のP型の不純物が添加されている。なお、本例では、ドープ層3FのP型の不純物濃度は1×1018/cmである。これにより、ドープ層3Fのフェルミ準位を価電子帯側へシフトすることができ、N型の下部クラッド層2側から注入された電子を効率的にブロックしつつ、抵抗なくホールを活性層3B内に注入することができるようになる。また、ドープ層3Fの光閉じ込め係数Γdopeは、基本0次モードの6.7(%)に対して1次モードでは0.2(%)と非常に小さい値となる。この差により、基本0次モードで選択的に光の損失が大きくなるため、より安定に1次モードが単一モードで発振ができるようになる。なお、ドープ層3FのP型の不純物濃度は、ドーパントの拡散による光吸収の増大および結晶性という観点から、1×1020/cm以下であることが好ましい。 Further, P-type impurities of 1 × 10 17 / cm 3 or more are added to the doped layer 3F. In this example, the P-type impurity concentration of the doped layer 3F is 1 × 10 18 / cm 3 . As a result, the Fermi level of the doped layer 3F can be shifted to the valence band side, and electrons injected from the N-type lower cladding layer 2 side can be blocked efficiently, and holes can be formed without resistance in the active layer 3B. Can be injected into the inside. In addition, the optical confinement coefficient Γdope of the doped layer 3F is a very small value of 0.2 (%) in the first-order mode as compared with 6.7 (%) in the basic 0th-order mode. Due to this difference, the optical loss is selectively increased in the fundamental 0th order mode, so that the primary mode can oscillate in a single mode more stably. In addition, it is preferable that the P-type impurity concentration of the doped layer 3F is 1 × 10 20 / cm 3 or less from the viewpoint of increase in light absorption due to diffusion of the dopant and crystallinity.

また、回折格子層4においては、異屈折率部3Bを埋め込むための穴を事前にドライエッチングにより形成しているため、穴の底面には加工損傷が残留している。換言すれば、回折格子層4を構成する基本層4Aの底部から数十nm程度の領域に、加工による損傷領域が形成されている。損傷領域では格子欠陥、不純物準位等が形成されるため、光吸収の原因となり得る。そこで、回折格子層4の底部付近(或いは穴の底面付近)において、電界強度を低下させれば、当該光吸収の影響を低減することが可能となる。   Moreover, in the diffraction grating layer 4, since the hole for embedding the different refractive index part 3B is formed in advance by dry etching, processing damage remains on the bottom surface of the hole. In other words, a damaged region due to processing is formed in a region of about several tens of nanometers from the bottom of the basic layer 4A constituting the diffraction grating layer 4. In the damaged region, lattice defects, impurity levels, and the like are formed, which can cause light absorption. Therefore, if the electric field strength is reduced in the vicinity of the bottom of the diffraction grating layer 4 (or in the vicinity of the bottom of the hole), the influence of the light absorption can be reduced.

0次モードでは、上記底部又は底面付近における電界強度を小さくすることが困難となる。これは、0次モードが基本的に単峰性であり、活性層3Bの光閉じ込め係数Γqwと回折格子層4の光閉じ込め係数Γgを共に大きくするためには、その中間にある回折格子の底部では電界強度を小さくすることができないためである。   In the 0th-order mode, it is difficult to reduce the electric field strength near the bottom or bottom. This is because the zero-order mode is basically unimodal, and in order to increase both the optical confinement coefficient Γqw of the active layer 3B and the optical confinement coefficient Γg of the diffraction grating layer 4, the bottom of the diffraction grating in the middle thereof This is because the electric field strength cannot be reduced.

一方、1次モードを利用する場合、図34に示すように、1次モードにおける2つの強度ピーク間の谷の位置を、ドープ層3Fの近傍に設定することで、この上に位置する回折格子層4の底部においても、電界強度を小さくし、損傷領域における光吸収を低減することが可能となる。なお、図34は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率nと電界強度Eとの関係を示すグラフであり、1次モードのデータは基本モードのデータよりも若干上方にシフトして示してある。   On the other hand, when the primary mode is used, as shown in FIG. 34, the position of the valley between the two intensity peaks in the primary mode is set in the vicinity of the doped layer 3F, so that the diffraction grating positioned above this is set. Also at the bottom of the layer 4, the electric field strength can be reduced and light absorption in the damaged region can be reduced. FIG. 34 is a graph showing the relationship between the refractive index n and the electric field strength E along the thickness direction of the semiconductor laser element, and the primary mode data is shown slightly shifted from the fundamental mode data. It is.

なお、電界強度の谷(節)の位置においては、電界強度を0とすることもできる。このため、回折格子層底部の損傷領域に電界強度の節を配置することができ、損傷領域の影響を抑えることができる。また、0次モードに比べ、回折格子層4底部から活性層3B層を離して配置することが出来るため、活性層3Bへの直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。   It should be noted that the electric field strength can be zero at the position of the valley (node) of the electric field strength. For this reason, the node of the electric field strength can be arranged in the damaged region at the bottom of the diffraction grating layer, and the influence of the damaged region can be suppressed. Further, since the active layer 3B layer can be disposed away from the bottom of the diffraction grating layer 4 as compared with the 0th mode, the influence of direct processing damage to the active layer 3B can be suppressed.

かかる観点から、X軸に沿った位置関係を考える場合、回折格子層4の活性層3B側の端面(底面)は、上記1次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±50nmの範囲内の位置に存在することが好ましく、ドープ層3Fの厚み方向の中心位置は、1次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±50nmの範囲内の位置に存在することが好ましい。また、1次モードの2つの強度ピークを効率的に利用するためには、回折格子層4の活性層3B側の端面(底面)は、活性層3Bの中心位置から、発振波長λに対して、λ/(4×neff)nm程度離間していることが望ましいが、回折格子層4の影響を活性層3Bに及ぼすためには、これらの中心位置の距離はλ/(2×neff)nm程度であることが好ましい。   From this point of view, when considering the positional relationship along the X axis, the end surface (bottom surface) of the diffraction grating layer 4 on the active layer 3B side is within a range of ± 50 nm from the position of the valley of the electric field strength peak in the primary mode. The center position in the thickness direction of the doped layer 3F is preferably located within a range of ± 50 nm from the position of the valley of the electric field intensity peak in the primary mode. In order to efficiently use the two intensity peaks of the first mode, the end face (bottom face) of the diffraction grating layer 4 on the active layer 3B side is from the center position of the active layer 3B with respect to the oscillation wavelength λ. , Λ / (4 × neff) nm is desirable, but in order to exert the influence of the diffraction grating layer 4 on the active layer 3B, the distance between these center positions is λ / (2 × neff) nm. It is preferable that it is about.

また、1次モードでは0次モードに比べ、電界が広く分布するため、上部クラッド層5の光閉じ込め係数が大きくなり、λ=1μm程度の波長領域では自由電子吸収の影響で内部損失を大きくする要因も存在する。実際に、上部クラッド層5全体の光閉じ込め係数は25.0%となるため、吸収損失が大きくなり得る。しかしながら、1次モードは回折格子層4の近傍に光の大部分が閉じ込められ、回折格子層4の上部クラッド層5側の端面から200nmの領域に上部クラッド層全体のうち75%の光が集中するため、その領域におけるP型の不純物濃度を1×1016〜3×1017cm−3の範囲内に低減することで内部損失の小さいレーザ構造が実現できる。 In addition, since the electric field is more widely distributed in the primary mode than in the 0th mode, the optical confinement coefficient of the upper cladding layer 5 is increased, and the internal loss is increased in the wavelength region of about λ = 1 μm due to the influence of free electron absorption. There are also factors. Actually, since the optical confinement coefficient of the entire upper cladding layer 5 is 25.0%, the absorption loss can be increased. However, in the first-order mode, most of the light is confined in the vicinity of the diffraction grating layer 4, and 75% of the entire upper cladding layer is concentrated in a region 200 nm from the end surface of the diffraction grating layer 4 on the upper cladding layer 5 side. Therefore, a laser structure with a small internal loss can be realized by reducing the P-type impurity concentration in the region within the range of 1 × 10 16 to 3 × 10 17 cm −3 .

図35は、回折格子層の厚みDと等価屈折率neffとの関係を示すグラフである。図30及び図31に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、等価屈折率neffが0次モードでは3.3870、1次モードでは3.2910となる。占有面積率FFが10%の場合、20%の場合、30%の場合のいずれにおいても、等価屈折率neffは1次モードの方が0次モードの場合よりも小さく、回折格子層Dの厚みが増加するにしたがって、等価屈折率neffは増加していることが分かる。   FIG. 35 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the equivalent refractive index neff. As shown in FIGS. 30 and 31, when the occupation area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the equivalent refractive index neff is 3.3870 in the 0th-order mode and 3 in the first-order mode. 2910. When the occupied area ratio FF is 10%, 20%, or 30%, the equivalent refractive index neff is smaller in the first-order mode than in the zero-order mode, and the thickness of the diffraction grating layer D It can be seen that the equivalent refractive index neff increases as increases.

図36は、回折格子層の厚みDと活性層3Bにおける光閉じ込め係数Γqwとの関係を示すグラフである。図30及び図33に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、活性層3Bにおける光閉じ込め係数Γqwは0次モードでは1.62(%)、1次モードでは2.28(%)である。1次モードにおける光閉じ込め係数Γqwが、0次モードの場合の光閉じ込め係数Γqwよりも大きくなる(条件Aとする)のは、厚みDが所定値以上の場合であり、少なくとも厚みDが600nmまでは、この大小関係は維持される。条件Aを満たす厚みDの最小値(所定値)と最大値は、図38に示す通りである。   FIG. 36 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the optical confinement coefficient Γqw in the active layer 3B. As shown in FIGS. 30 and 33, when the occupation area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the optical confinement coefficient Γqw in the active layer 3B is 1.62 (% ) 2.28 (%) in the primary mode. The optical confinement coefficient Γqw in the first-order mode is larger than the optical confinement coefficient Γqw in the 0th-order mode (condition A) when the thickness D is a predetermined value or more, and at least the thickness D is up to 600 nm. This magnitude relationship is maintained. The minimum value (predetermined value) and maximum value of the thickness D that satisfy the condition A are as shown in FIG.

図37は、回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γgとの関係を示すグラフである。図30及び図33に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、回折格子層4における光閉じ込め係数Γgは0次モードでは30.1(%)、1次モードでは39.3(%)である。1次モードにおける光閉じ込め係数Γgが、0次モードの場合の光閉じ込め係数Γgよりも大きくなる(条件Bとする)のは、厚みDが所定範囲内の場合である。条件Bを満たす厚みDの所定範囲(最小値と最大値)は、図38に示す通りである。   FIG. 37 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the optical confinement coefficient Γg. As shown in FIGS. 30 and 33, when the occupied area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the optical confinement coefficient Γg in the diffraction grating layer 4 is 30.1 ( %) 39.3 (%) in the primary mode. The optical confinement factor Γg in the first-order mode is larger than the optical confinement factor Γg in the zero-order mode (referred to as condition B) when the thickness D is within a predetermined range. A predetermined range (minimum value and maximum value) of the thickness D satisfying the condition B is as shown in FIG.

図38は、構造(1)において、条件Aと条件Bを満たす回折格子層の厚みDの最小値Min(nm)と最大値Max(nm)を示す図表である。   FIG. 38 is a chart showing the minimum value Min (nm) and the maximum value Max (nm) of the thickness D of the diffraction grating layer that satisfies the conditions A and B in the structure (1).

占有面積率FFが10%の場合には、条件Aを満たすためには、厚みDは180nm以上である必要があり、600nm以下であればこの条件は満たされる。条件Bを満たすためには、厚みDは200nm以上300nm以下である必要がある。すなわち、双方の条件を満たすためには、厚みDは200nm以上300nm以下である必要がある。   When the occupied area ratio FF is 10%, in order to satisfy the condition A, the thickness D needs to be 180 nm or more, and this condition is satisfied if it is 600 nm or less. In order to satisfy the condition B, the thickness D needs to be 200 nm or more and 300 nm or less. That is, in order to satisfy both conditions, the thickness D needs to be 200 nm or more and 300 nm or less.

占有面積率FFが20%の場合には、条件Aを満たすためには、厚みDは200nm以上である必要があり、600nm以下であればこの条件は満たされる。条件Bを満たすためには、厚みDは200nm以上450nm以下である必要がある。すなわち、双方の条件を満たすためには、厚みDは200nm以上450nm以下である必要がある。   When the occupied area ratio FF is 20%, in order to satisfy the condition A, the thickness D needs to be 200 nm or more, and if it is 600 nm or less, this condition is satisfied. In order to satisfy the condition B, the thickness D needs to be 200 nm or more and 450 nm or less. That is, in order to satisfy both conditions, the thickness D needs to be 200 nm or more and 450 nm or less.

占有面積率FFが30%の場合には、条件Aを満たすためには、厚みDは270nm以上である必要があり、600nm以下であればこの条件は満たされる。条件Bを満たすためには、厚みDは200nm以上600nm以下である必要がある。すなわち、双方の条件を満たすためには、厚みDは270nm以上600nm以下である必要がある。   When the occupation area ratio FF is 30%, in order to satisfy the condition A, the thickness D needs to be 270 nm or more, and if it is 600 nm or less, this condition is satisfied. In order to satisfy the condition B, the thickness D needs to be 200 nm or more and 600 nm or less. That is, in order to satisfy both conditions, the thickness D needs to be 270 nm or more and 600 nm or less.

占有面積率FFが10%〜30%の場合、厚みDが200nm以上300nm以下である場合には、双方の条件は常に満たされることになる。   When the occupation area ratio FF is 10% to 30%, when the thickness D is 200 nm or more and 300 nm or less, both conditions are always satisfied.

図39は、回折格子層の厚みDとドープ層の光閉じ込め係数Γdopeとの関係を示すグラフである。図30及び図33に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、ドープ層3Fにおける光閉じ込め係数Γdopeは0次モードでは6.7(%)、1次モードでは0.2(%)である。1次モードにおける光閉じ込め係数Γdopeが、0次モードの場合の光閉じ込め係数Γdopeよりも小さくなる(条件Cとする)のは、少なくとも厚みDが150nm以上600nm以下である。   FIG. 39 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the optical confinement coefficient Γdope of the doped layer. As shown in FIGS. 30 and 33, when the occupation area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the optical confinement coefficient Γdope in the doped layer 3F is 6.7 (%) in the 0th-order mode. ) 0.2 (%) in the primary mode. The optical confinement coefficient Γdope in the first-order mode becomes smaller than the optical confinement coefficient Γdope in the 0th-order mode (condition C) at least in the thickness D of 150 nm to 600 nm.

図40は、図29(c)に示したコア層Aを有する別の構造の半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である(構造(2)とする)。   FIG. 40 is a chart showing detailed parameters of each layer of the semiconductor laser device having another structure having the core layer A shown in FIG. 29C (referred to as structure (2)).

図40に示した構造の図30に示したものとの相違点は、アルミニウムの組成比Xと膜厚のみであり、その他の基本的構造は同一である。以下、詳説する。   The difference between the structure shown in FIG. 40 and that shown in FIG. 30 is only the composition ratio X and the film thickness of aluminum, and the other basic structures are the same. The details will be described below.

図40を参照して、光伝搬に寄与するコア層Aとクラッド層B,Cの構造を詳説すると、下部クラッド層2はN型のAlGa1−XAs(X=0.7)からなり、ガイド層3AはAlGa1−XAs(X=0.25)からなり、活性層3BはInGaAs/AlGa1−XAs(X=0.25)の多重量子井戸構造(MQW)からなり、キャリアブロック層3DはAlGa1−XAs(X=0.7)からなり、ガイド層3EはAlGa1−XAs(X=0.25)からなり、ドープ層3FはP型のAlGa1−XAs(X=0.7)からなり、回折格子層4は、基本層4AがAlGa1−XAs(X=0.25)からなり、異屈折率部4BがAlGa1−XAs(X=0.6)からなり、上部クラッド層5はAlGa1−XAs(X=0.6)からなる。MQWにおける井戸数は1又は2以上に設定することができる。 Referring to FIG. 40, the structure of the core layer A and the clad layers B and C that contribute to the light propagation will be described in detail. The lower clad layer 2 is made of N-type Al X Ga 1-X As (X = 0.7). becomes, the guide layer 3A is made of Al X Ga 1-X As ( X = 0.25), the active layer 3B is InGaAs / Al X Ga 1-X As multi-quantum well structure (X = 0.25) (MQW The carrier block layer 3D is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.7), the guide layer 3E is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.25), and the doped layer 3F Is made of P-type Al X Ga 1-X As (X = 0.7), and the diffraction grating layer 4 has a basic layer 4A made of Al X Ga 1-X As (X = 0.25). rate portion 4B consists Al X Ga 1-X As ( X = 0.6), the upper cladding Layer 5 is made of Al X Ga 1-X As ( X = 0.6). The number of wells in MQW can be set to 1 or 2 or more.

厚みに関して、好適には、例えば、下部クラッド層2の厚みは2000nm、ガイド層3Aの厚みは50nm、活性層3Bの厚みは40nm、キャリアブロック層3Dの厚みは30nm、ガイド層3Eの厚みは100nm、ドープ層3Fの厚みは30nm、回折格子層4の厚みは300nm、上部クラッド層5の厚みは2000nmとすることができる。   Regarding the thickness, for example, the thickness of the lower cladding layer 2 is 2000 nm, the thickness of the guide layer 3A is 50 nm, the thickness of the active layer 3B is 40 nm, the thickness of the carrier block layer 3D is 30 nm, and the thickness of the guide layer 3E is 100 nm. The thickness of the doped layer 3F can be 30 nm, the thickness of the diffraction grating layer 4 can be 300 nm, and the thickness of the upper cladding layer 5 can be 2000 nm.

また、回折格子層4の回折格子形成領域RPC(図4参照)内における異屈折率部4Bの占有面積率(フィリングファクタ:FF)は、20%に設定することができる。1つの異屈折率部4Bの形状は本例でも円形とし、円の面積は、例えば格子定数300nmの正方格子では、18000nmであることとし、基本層4A内に埋め込まれたX軸方向の深さは300nmであることとする。すなわち、1cm当たり0.2cmの異屈折率部4Bが存在する。 Further, the occupation area ratio (filling factor: FF) of the different refractive index portion 4B in the diffraction grating formation region RPC (see FIG. 4) of the diffraction grating layer 4 can be set to 20%. The shape of one of the different refractive index portions 4B is also circular in this example, and the area of the circle is, for example, 18000 nm 2 for a square lattice with a lattice constant of 300 nm, and the depth in the X-axis direction embedded in the basic layer 4A The thickness is assumed to be 300 nm. That is, there are 0.2 cm 2 of different refractive index portions 4B per 1 cm 2 .

図41は、図40に示した構造を有する半導体レーザ素子において、基本モード(0次モード)と1次モードにおけるTEモードの等価屈折率neffと、回折格子層4におけるフォトニックバンドギャップのバンド端波長(nm)の関係を示す図表である。発振波長λ=800nmとする。回折格子層4の厚みD=300nm(0.3μm)であり、コア層Aの厚みd=550nmであり、回折格子層4を除いた厚みは250nmである。活性層3Bにおける量子井戸数は2とする。   41 shows the equivalent refractive index neff of the TE mode in the fundamental mode (0th order mode) and the first order mode, and the band edge of the photonic band gap in the diffraction grating layer 4 in the semiconductor laser device having the structure shown in FIG. It is a graph which shows the relationship of a wavelength (nm). The oscillation wavelength λ is 800 nm. The thickness D of the diffraction grating layer 4 is 300 nm (0.3 μm), the thickness d of the core layer A is 550 nm, and the thickness excluding the diffraction grating layer 4 is 250 nm. The number of quantum wells in the active layer 3B is 2.

なお、コア層Aの屈折率n=3.42、下部クラッド層Bの屈折率n=3.19、上部クラッド層Cの屈折率n=3.25とした。これらの屈折率は、MSEO法及び式(1)により波長980nmにおける屈折率の値を求めた。この場合、伝搬モードに1次モードが生じるカットオフ膜厚dcutoff(1)と、2次モードが生じるカットオフ膜厚dcutoff(2)は、428(nm)と800(nm)となる。すなわち、コア層Aの厚みdが、428(nm)以上800(nm)未満であれば、1次モードが発生し、2次モードが発生しない条件が成立する。1次高次モードを取る領域範囲は、階段行列法による電磁界計算から430(nm)〜800(nm)と計算される。 The refractive index n 1 of the core layer A = 3.42, the refractive index n 2 of the lower cladding layer B = 3.19, and the refractive index n 3 of the upper cladding layer C = 3.25. For these refractive indexes, the value of the refractive index at a wavelength of 980 nm was determined by the MSEO method and the formula (1). In this case, the cut-off thickness d cutoff the first-order mode occurs in propagation mode (1), second order mode occurs cutoff thickness d cutoff (2) becomes 428 and (nm) 800 and (nm). That is, if the thickness d of the core layer A is not less than 428 (nm) and less than 800 (nm), the condition that the primary mode is generated and the secondary mode is not generated is satisfied. The region range where the first-order higher-order mode is taken is calculated as 430 (nm) to 800 (nm) from the electromagnetic field calculation by the staircase matrix method.

上述のようにコア層Aの全体の膜厚d=550nmであるため、1次モードの発生条件は満たされ、TEモードの電磁界モードは、基本0次モードと1次モードが形成される。   As described above, since the total film thickness d of the core layer A is 550 nm, the conditions for generating the first-order mode are satisfied, and the fundamental zero-order mode and the first-order mode are formed in the electromagnetic field mode of the TE mode.

図41に示す等価屈折率neffの差から、回折格子層4に格子定数281nmの三角格子のフォトニック結晶を用いる場合、基本0次モードと1次モードのバンド端波長(821.51nm、799.04nm)差は、20nm程度となる。したがって、構造(1)の場合と同様に(図32参照)、利得スペクトルのピーク波長λpと1次モードのバンド端波長λp1(799nm)とを一致させれば、1次モードのレーザ発振が支配的となり、0次モードのレーザ発振は抑制されることになる。上記の場合、バンド端波長差は約20nmであるため、利得スペクトルのピーク波長λp±5nmの範囲内に、1次モードのバンド端波長λp1が存在すれば、1次モードが選択的且つ効率的に発生することになる。   From the difference in the equivalent refractive index neff shown in FIG. 41, when a triangular lattice photonic crystal having a lattice constant of 281 nm is used for the diffraction grating layer 4, the band edge wavelengths (821.51 nm, 799. 04 nm) difference is about 20 nm. Therefore, as in the case of the structure (1) (see FIG. 32), if the peak wavelength λp of the gain spectrum is matched with the band edge wavelength λp1 (799 nm) of the primary mode, the laser oscillation of the primary mode is dominant. Thus, laser oscillation in the 0th order mode is suppressed. In the above case, since the band edge wavelength difference is about 20 nm, if the band edge wavelength λp1 of the primary mode exists within the range of the peak wavelength λp ± 5 nm of the gain spectrum, the primary mode is selective and efficient. Will occur.

図42は、各層における光閉じ込め係数を示す図表である。   FIG. 42 is a chart showing optical confinement factors in each layer.

上記図40の設定の場合、活性層(量子井戸層)3B内の光閉じ込め係数Γqwは、基本モード(0次モード)の場合では2.67(%)、1次モードの場合には4.15(%)であり、1次モードの場合に、活性層3B内により多くの光を閉じ込めることができる。また、回折格子戸層4内の光閉じ込め係数Γgは、基本モード(0次モード)の場合では50.1(%)、1次モードの場合には33.8(%)であり、1次モードの場合に、回折格子層4内により多くの光を閉じ込めることができる。更に、ドープ層3F内の光閉じ込め係数Γdopeは、基本モード(0次モード)の場合では6.3(%)、1次モードの場合には0.5(%)であり、1次モードの場合に、ドープ層3F内の光の影響はさらに抑制され、0次モードの光はドープ層3F内の不純物により損失を受けることになる。   40, the optical confinement coefficient Γqw in the active layer (quantum well layer) 3B is 2.67 (%) in the fundamental mode (0th order mode), and is 4. in the primary mode. 15 (%), and more light can be confined in the active layer 3B in the primary mode. The optical confinement coefficient Γg in the diffraction grating door layer 4 is 50.1 (%) in the fundamental mode (0th order mode) and 33.8 (%) in the 1st order mode. In the mode, more light can be confined in the diffraction grating layer 4. Furthermore, the optical confinement coefficient Γdope in the doped layer 3F is 6.3 (%) in the case of the fundamental mode (0th order mode) and 0.5 (%) in the case of the first order mode. In this case, the influence of the light in the doped layer 3F is further suppressed, and the 0th-order mode light is lost by the impurities in the doped layer 3F.

上記のように、1次モードでは、活性層3B内における光閉じ込め係数Γqwが高くなるため、低い閾値でのレーザ発振が可能となるという利点がある。   As described above, in the first-order mode, since the optical confinement coefficient Γqw in the active layer 3B is high, there is an advantage that laser oscillation with a low threshold is possible.

また、構造(1)の場合と同様に、1次モードの回折格子層4内の光閉じ込め係数Γgは、基本0次モードに比べてさほど低い値ではなく、回折格子層4が十分に機能することになる。   As in the case of the structure (1), the optical confinement coefficient Γg in the diffraction grating layer 4 in the first-order mode is not so low as compared with the fundamental zero-order mode, and the diffraction grating layer 4 functions sufficiently. It will be.

更に、ドープ層3Fには1×1017/cm以上のP型の不純物が添加されている。なお、本例では、ドープ層3FのP型の不純物濃度は1×1018/cmである。構造(1)の場合と同様に、N型の下部クラッド層2側から注入された電子を効率的にブロックしつつ、抵抗なくホールを活性層3B内に注入することができ、また、基本0次モードで選択的に光の損失が大きくなるため、より安定に1次モードが単一モードで発振ができるようになる。なお、ドープ層3FのP型の不純物濃度は、ドーパントの拡散による光吸収の増大および結晶性という観点から、1×1020/cm以下であることが好ましい。 Further, P-type impurities of 1 × 10 17 / cm 3 or more are added to the doped layer 3F. In this example, the P-type impurity concentration of the doped layer 3F is 1 × 10 18 / cm 3 . Similar to the structure (1), holes can be injected into the active layer 3B without resistance while efficiently blocking electrons injected from the N-type lower cladding layer 2 side. Since the light loss selectively increases in the next mode, the primary mode can oscillate in a single mode more stably. In addition, it is preferable that the P-type impurity concentration of the doped layer 3F is 1 × 10 20 / cm 3 or less from the viewpoint of increase in light absorption due to diffusion of the dopant and crystallinity.

また、構造(1)の場合と同様に、1次モードを利用する場合、図43に示すように、1次モードにおける2つの強度ピーク間の谷の位置を、ドープ層3Fの近傍に設定することで、この上に位置する回折格子層4の底部においても、電界強度を小さくし、回折格子層4における穴形成時の損傷領域における光吸収を低減することが可能となる。なお、図43は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率nと電界強度Eとの関係を示すグラフであり、1次モードのデータは基本モードのデータよりも若干上方にシフトして示してある。   Similarly to the case of the structure (1), when the primary mode is used, as shown in FIG. 43, the position of the valley between the two intensity peaks in the primary mode is set in the vicinity of the doped layer 3F. Thus, even at the bottom of the diffraction grating layer 4 positioned above, it is possible to reduce the electric field strength and reduce light absorption in the damaged region at the time of hole formation in the diffraction grating layer 4. FIG. 43 is a graph showing the relationship between the refractive index n and the electric field strength E along the thickness direction of the semiconductor laser element, and the primary mode data is shown slightly shifted from the fundamental mode data. It is.

なお、電界強度の谷(節)の位置においては、電界強度を0とすることもできる。このため、回折格子層底部の損傷領域に電界強度の節を配置することができ、損傷領域の影響を抑えることができる。また、0次モードに比べ、回折格子層4底部から活性層3B層を離して配置することが出来るため、活性層3Bへの直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。   It should be noted that the electric field strength can be zero at the position of the valley (node) of the electric field strength. For this reason, the node of the electric field strength can be arranged in the damaged region at the bottom of the diffraction grating layer, and the influence of the damaged region can be suppressed. Further, since the active layer 3B layer can be disposed away from the bottom of the diffraction grating layer 4 as compared with the 0th mode, the influence of direct processing damage to the active layer 3B can be suppressed.

かかる観点から、X軸に沿った位置関係を考える場合、回折格子層4の活性層3B側の端面(底面)は、上記1次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±50nmの範囲内の位置に存在することが好ましく、ドープ層3Fの厚み方向の中心位置は、1次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±50nmの範囲内の位置に存在することが好ましい。また、1次モードの2つの強度ピークを効率的に利用するためには、回折格子層4の活性層3B側の端面(底面)は、活性層3Bの中心位置からλ/(4×neff)nm程度離間していることが望ましいが、回折格子層4の影響を活性層3Bに及ぼすためには、これらの中心位置の距離はλ/(2×neff)nm程度であることが好ましい。   From this point of view, when considering the positional relationship along the X axis, the end surface (bottom surface) of the diffraction grating layer 4 on the active layer 3B side is within a range of ± 50 nm from the position of the valley of the electric field strength peak in the primary mode. The center position in the thickness direction of the doped layer 3F is preferably located within a range of ± 50 nm from the position of the valley of the electric field intensity peak in the primary mode. In order to efficiently use the two intensity peaks of the first mode, the end face (bottom face) of the diffraction grating layer 4 on the active layer 3B side is λ / (4 × neff) from the center position of the active layer 3B. Although it is desirable that the distance is about nm, in order to influence the diffraction grating layer 4 on the active layer 3B, the distance between the center positions is preferably about λ / (2 × neff) nm.

また、λ=1μm程度波長領域では自由電子吸収の影響で内部損失を大きくする要因を低減するためには、回折格子層4の上部クラッド層5側の端面から200nm以下の領域におけるP型の不純物濃度を1×1016/cm〜3×1017/cmの範囲内にして低減することで、内部損失の小さいレーザ構造が実現できる。 In order to reduce the factor of increasing the internal loss due to the influence of free electron absorption in the wavelength range of about λ = 1 μm, a P-type impurity in a region of 200 nm or less from the end surface on the upper cladding layer 5 side of the diffraction grating layer 4 is used. By reducing the concentration within the range of 1 × 10 16 / cm 3 to 3 × 10 17 / cm 3, a laser structure with small internal loss can be realized.

図44は、回折格子層の厚みDと等価屈折率neffとの関係を示すグラフである。図40及び図41に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、等価屈折率neffが0次モードでは3.3758、1次モードでは3.2835となる。占有面積率FFが10%の場合、20%の場合、30%の場合のいずれにおいても、等価屈折率neffは1次モードの方が0次モードの場合よりも小さく、回折格子層Dの厚みが増加するにしたがって、等価屈折率neffは増加していることが分かる。   FIG. 44 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the equivalent refractive index neff. As shown in FIGS. 40 and 41, when the occupation area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the equivalent refractive index neff is 3.3758 in the 0th-order mode and 3 in the first-order mode. 2835. When the occupied area ratio FF is 10%, 20%, or 30%, the equivalent refractive index neff is smaller in the first-order mode than in the zero-order mode, and the thickness of the diffraction grating layer D It can be seen that the equivalent refractive index neff increases as increases.

図45は、回折格子層の厚みDと活性層3Bにおける光閉じ込め係数Γqwとの関係を示すグラフである。図40及び図42に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、活性層3Bにおける光閉じ込め係数Γqwは0次モードでは2.67(%)、1次モードでは4.15(%)である。1次モードにおける光閉じ込め係数Γqwが、0次モードの場合の光閉じ込め係数Γqwよりも大きくなる(条件Aとする)のは、厚みDが所定値以上の場合であり、少なくとも厚みDが550nmまでは、この大小関係は維持される。条件Aを満たす厚みDの最小値(所定値)と最大値は、図47に示す通りである。   FIG. 45 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the optical confinement coefficient Γqw in the active layer 3B. As shown in FIGS. 40 and 42, when the occupation area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the optical confinement coefficient Γqw in the active layer 3B is 2.67 (% ) 4.15 (%) in the primary mode. The optical confinement coefficient Γqw in the first-order mode is larger than the optical confinement coefficient Γqw in the 0th-order mode (condition A) when the thickness D is a predetermined value or more, and at least the thickness D is up to 550 nm. This magnitude relationship is maintained. The minimum value (predetermined value) and maximum value of the thickness D that satisfy the condition A are as shown in FIG.

図46は、回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γgとの関係を示すグラフである。図40及び図42に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、回折格子層4における光閉じ込め係数Γgは0次モードでは50.1(%)、1次モードでは33.8(%)である。1次モードにおける光閉じ込め係数Γgが、0次モードの場合の光閉じ込め係数Γgよりも大きくなる(条件Bとする)ことはない。   FIG. 46 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the optical confinement coefficient Γg. As shown in FIGS. 40 and 42, when the occupied area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the optical confinement coefficient Γg in the diffraction grating layer 4 is 50.1 ( %) 33.8 (%) in the primary mode. The optical confinement factor Γg in the first-order mode does not become larger than the optical confinement factor Γg in the zero-order mode (condition B).

図47は、構造(2)において、条件Aを満たす回折格子層の厚みDの最小値Min(nm)と最大値Max(nm)を示す図表である。   FIG. 47 is a chart showing the minimum value Min (nm) and the maximum value Max (nm) of the thickness D of the diffraction grating layer that satisfies the condition A in the structure (2).

占有面積率FFが10%の場合には、条件Aを満たすためには、厚みDは200nm以上である必要があり、550nm以下であればこの条件は満たされる。   When the occupied area ratio FF is 10%, in order to satisfy the condition A, the thickness D needs to be 200 nm or more, and this condition is satisfied if it is 550 nm or less.

占有面積率FFが20%の場合には、条件Aを満たすためには、厚みDは230nm以上である必要があり、550nm以下であればこの条件は満たされる。   When the occupied area ratio FF is 20%, in order to satisfy the condition A, the thickness D needs to be 230 nm or more, and this condition is satisfied if it is 550 nm or less.

占有面積率FFが30%の場合には、条件Aを満たすためには、厚みDは270nm以上である必要があり、550nm以下であればこの条件は満たされる。   When the occupied area ratio FF is 30%, in order to satisfy the condition A, the thickness D needs to be 270 nm or more, and this condition is satisfied if it is 550 nm or less.

占有面積率FFが10%〜30%の場合、厚みDが270nm以上550nm以下である場合には、条件Aは常に満たされることになる。   When the occupation area ratio FF is 10% to 30%, the condition A is always satisfied when the thickness D is 270 nm or more and 550 nm or less.

図48は、回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γdopeとの関係を示すグラフである。図40及び図42に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、ドープ層3Fにおける光閉じ込め係数Γdopeは0次モードでは6.3(%)、1次モードでは0.5(%)である。1次モードにおける光閉じ込め係数Γdopeが、0次モードの場合の光閉じ込め係数Γdopeよりも小さくなる(条件Cとする)のは、少なくとも厚みDが150nm以上D以下である。占有面積率FFが10%の場合には厚みDcは480nmであり、占有面積率FFが20%の場合には厚みDcは540nmであり、占有面積率FFが30%の場合には厚みDcは540nmである。 FIG. 48 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the optical confinement coefficient Γdope. As shown in FIGS. 40 and 42, when the occupation area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the optical confinement coefficient Γdope in the doped layer 3F is 6.3 (% in the 0th-order mode. ) 0.5 (%) in the primary mode. Optical confinement factor Γdope in the primary mode, 0-order mode is smaller than the light confinement coefficient Γdope the case of (a condition C) is at least the thickness D is less than 150nm or more D C. When the occupied area ratio FF is 10%, the thickness Dc is 480 nm, when the occupied area ratio FF is 20%, the thickness Dc is 540 nm, and when the occupied area ratio FF is 30%, the thickness Dc is 540 nm.

図49は、図29(c)に示したコア層Aを有する更に別の構造の半導体レーザ素子の各層の詳細なパラメータを示す図表である(構造(3)とする)。   FIG. 49 is a chart showing detailed parameters of each layer of the semiconductor laser device having still another structure having the core layer A shown in FIG. 29C (referred to as structure (3)).

図49に示した構造の図30に示したものとの相違点は、ドープ層3Fにおけるアルミニウムの組成比Xと、キャリアブロック層4Dの膜厚のみであり、その他の構造は同一である。以下、詳説する。すなわち、ドープ層3Fにおけるアルミニウムの組成比XをX=0.1とし、キャリアブロック層3Dの厚みを40nmに変更したものである。その他の構造については、同一であるため説明を省略する。   The difference between the structure shown in FIG. 49 and that shown in FIG. 30 is only the composition ratio X of aluminum in the doped layer 3F and the film thickness of the carrier block layer 4D, and the other structures are the same. The details will be described below. That is, the aluminum composition ratio X in the doped layer 3F is set to X = 0.1, and the thickness of the carrier block layer 3D is changed to 40 nm. Since other structures are the same, description thereof is omitted.

図50は、図49に示した構造を有する半導体レーザ素子において、基本モード(0次モード)と1次モードにおけるTEモードの等価屈折率neffと、回折格子層4におけるフォトニックバンドギャップのバンド端波長(nm)の関係を示す図表である。発振波長λ=980nmとする。回折格子層4の厚みD=300nm(0.3μm)であり、コア層Aの厚みd=730nmであり、回折格子層4を除いた厚みは430nmである。活性層3Bにおける量子井戸数は2とする。   FIG. 50 shows the equivalent refractive index neff of the TE mode in the fundamental mode (0th order mode) and the first order mode, and the band edge of the photonic band gap in the diffraction grating layer 4 in the semiconductor laser device having the structure shown in FIG. It is a graph which shows the relationship of a wavelength (nm). The oscillation wavelength λ is 980 nm. The thickness D of the diffraction grating layer 4 is 300 nm (0.3 μm), the thickness d of the core layer A is 730 nm, and the thickness excluding the diffraction grating layer 4 is 430 nm. The number of quantum wells in the active layer 3B is 2.

なお、コア層Aの屈折率n=3.44、下部クラッド層Bの屈折率n=3.10、上部クラッド層Cの屈折率n=3.26とした。これらの屈折率は、MSEO法及び式(1)により波長980nmにおける屈折率の値を求めた。この場合、伝搬モードに1次モードが生じるカットオフ膜厚dcutoff(1)と、2次モードが生じるカットオフ膜厚dcutoff(2)は、541(nm)と992(nm)となる。すなわち、コア層Aの厚みdが、541(nm)以上992(nm)未満であれば、1次モードが発生し、2次モードが発生しない条件が成立する。1次高次モードを取る領域範囲は、階段行列法による電磁界計算から570〜1040nmと計算され、大きなずれはない。 The refractive index n 1 of the core layer A = 3.44, the refractive index n 2 of the lower cladding layer B = 3.10, and the refractive index n 3 of the upper cladding layer C = 3.26. For these refractive indexes, the value of the refractive index at a wavelength of 980 nm was determined by the MSEO method and the formula (1). In this case, the cut-off thickness d cutoff the primary mode to the propagation mode occurs (1), the cut-off thickness d cutoff the second-order mode occurs (2) is 541 (nm) 992 and (nm). That is, if the thickness d of the core layer A is not less than 541 (nm) and less than 992 (nm), the condition that the primary mode is generated and the secondary mode is not generated is satisfied. The region range where the first-order higher-order mode is taken is calculated as 570 to 1040 nm from the electromagnetic field calculation by the staircase matrix method, and there is no significant deviation.

上述のようにコア層Aの全体の膜厚d=730nmであるため、1次モードの発生条件は満たされ、TEモードの電磁界モードは、基本0次モードと1次モードが形成される。   Since the total film thickness d of the core layer A is 730 nm as described above, the primary mode generation condition is satisfied, and the TE mode electromagnetic field mode includes a fundamental 0th order mode and a primary mode.

図50に示す等価屈折率neffの差から、回折格子層4に格子定数344nmの三角格子のフォトニック結晶を用いる場合、基本0次モードと1次モードのバンド端波長(1013.34nm、980.70nm)差は、30nm程度となる。したがって、構造(1)の場合と同様に(図32参照)、利得スペクトルのピーク波長λpと1次モードのバンド端波長λp1(980nm)とを一致させれば、1次モードのレーザ発振が支配的となり、0次モードのレーザ発振は抑制されることになる。上記の場合、バンド端波長差は約30nmであるため、利得スペクトルのピーク波長λp±5nmの範囲内に、1次モードのバンド端波長λp1が存在すれば、1次モードが選択的且つ効率的に発生することになる。   From the difference in the equivalent refractive index neff shown in FIG. 50, when a triangular lattice photonic crystal having a lattice constant of 344 nm is used for the diffraction grating layer 4, the band edge wavelengths (1013.34 nm, 980. 70 nm) difference is about 30 nm. Therefore, as in the case of the structure (1) (see FIG. 32), if the peak wavelength λp of the gain spectrum is matched with the band edge wavelength λp1 (980 nm) of the first mode, the laser oscillation of the first mode is dominant. Thus, laser oscillation in the 0th order mode is suppressed. In the above case, since the band edge wavelength difference is about 30 nm, if the band edge wavelength λp1 of the primary mode exists within the range of the peak wavelength λp ± 5 nm of the gain spectrum, the primary mode is selective and efficient. Will occur.

図51は、各層における光閉じ込め係数を示す図表である。   FIG. 51 is a chart showing optical confinement factors in each layer.

上記図49の設定の場合、活性層(量子井戸層)3B内の光閉じ込め係数Γqwは、基本モード(0次モード)の場合では1.2(%)、1次モードの場合には2.39(%)であり、1次モードの場合に、活性層3B内により多くの光を閉じ込めることができる。また、回折格子戸層4内の光閉じ込め係数Γgは、基本モード(0次モード)の場合では32.0(%)、1次モードの場合には37.7(%)であり、1次モードの場合に、回折格子層4内により多くの光を閉じ込めることができる。更に、ドープ層3F内の光閉じ込め係数Γdopeは、基本モード(0次モード)の場合では8.2(%)、1次モードの場合には0.2(%)であり、1次モードの場合に、ドープ層3F内の光の影響はさらに抑制され、0次モードの光はドープ層3F内の不純物により損失を受けることになる。   49, the optical confinement coefficient Γqw in the active layer (quantum well layer) 3B is 1.2 (%) in the case of the fundamental mode (0th order mode) and 2 in the case of the primary mode. 39 (%), and more light can be confined in the active layer 3B in the primary mode. The optical confinement coefficient Γg in the diffraction grating door layer 4 is 32.0 (%) in the case of the fundamental mode (0th order mode) and 37.7 (%) in the case of the first order mode. In the mode, more light can be confined in the diffraction grating layer 4. Further, the optical confinement coefficient Γdope in the doped layer 3F is 8.2 (%) in the case of the fundamental mode (0th order mode) and 0.2 (%) in the case of the first order mode. In this case, the influence of the light in the doped layer 3F is further suppressed, and the 0th-order mode light is lost by the impurities in the doped layer 3F.

上記のように、1次モードでは、活性層3B内における光閉じ込め係数Γqwが高くなるため、低い閾値でのレーザ発振が可能となるという利点がある。   As described above, in the first-order mode, since the optical confinement coefficient Γqw in the active layer 3B is high, there is an advantage that laser oscillation with a low threshold is possible.

また、構造(1)の場合と同様に、1次モードの回折格子層4内の光閉じ込め係数Γgは、基本0次モードに比べて高く、回折格子層4が十分に機能することになる。   As in the case of the structure (1), the optical confinement coefficient Γg in the diffraction grating layer 4 in the first-order mode is higher than that in the fundamental zero-order mode, and the diffraction grating layer 4 functions sufficiently.

更に、ドープ層3Fには1×1017/cm以上のP型の不純物が添加されている(本例では1×1018/cm)。構造(1)の場合と同様に、N型の下部クラッド層2側から注入された電子を効率的にブロックしつつ、抵抗なくホールを活性層3B内に注入することができ、また、基本0次モードで選択的に光の損失が大きくなるため、より安定に1次モードが単一モードで発振ができるようになる。なお、ドープ層3FのP型の不純物濃度は、ドーパントの拡散による光吸収の増大および結晶性という観点から、1×1020/cm以下であることが好ましい。 Further, P-type impurities of 1 × 10 17 / cm 3 or more are added to the doped layer 3F (1 × 10 18 / cm 3 in this example). Similar to the structure (1), holes can be injected into the active layer 3B without resistance while efficiently blocking electrons injected from the N-type lower cladding layer 2 side. Since the light loss selectively increases in the next mode, the primary mode can oscillate in a single mode more stably. In addition, it is preferable that the P-type impurity concentration of the doped layer 3F is 1 × 10 20 / cm 3 or less from the viewpoint of increase in light absorption due to diffusion of the dopant and crystallinity.

また、構造(1)の場合と同様に、1次モードを利用する場合、図52に示すように、1次モードにおける2つの強度ピーク間の谷の位置を、ドープ層3Fの近傍に設定することで、この上に位置する回折格子層4の底部においても、電界強度を小さくし、回折格子層4における穴形成時の損傷領域における光吸収を低減することが可能となる。なお、図52は、半導体レーザ素子の厚み方向に沿った屈折率nと電界強度Eとの関係を示すグラフであり、1次モードのデータは基本モードのデータよりも若干上方にシフトして示してある。   Similarly to the case of the structure (1), when the primary mode is used, as shown in FIG. 52, the position of the valley between the two intensity peaks in the primary mode is set in the vicinity of the doped layer 3F. Thus, even at the bottom of the diffraction grating layer 4 positioned above, it is possible to reduce the electric field strength and reduce light absorption in the damaged region at the time of hole formation in the diffraction grating layer 4. FIG. 52 is a graph showing the relationship between the refractive index n and the electric field intensity E along the thickness direction of the semiconductor laser element, and the primary mode data is shown slightly shifted from the fundamental mode data. It is.

なお、電界強度の谷(節)の位置においては、電界強度を0とすることもできる。このため、回折格子層底部の損傷領域に電界強度の節を配置することができ、損傷領域の影響を抑えることができる。また、0次モードに比べ、回折格子層4底部から活性層3B層を離して配置することが出来るため、活性層3Bへの直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。   It should be noted that the electric field strength can be zero at the position of the valley (node) of the electric field strength. For this reason, the node of the electric field strength can be arranged in the damaged region at the bottom of the diffraction grating layer, and the influence of the damaged region can be suppressed. Further, since the active layer 3B layer can be disposed away from the bottom of the diffraction grating layer 4 as compared with the 0th mode, the influence of direct processing damage to the active layer 3B can be suppressed.

かかる観点から、X軸に沿った位置関係を考える場合、回折格子層4の活性層3B側の端面(底面)は、上記1次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±50nmの範囲内の位置に存在することが好ましく、ドープ層3Fの厚み方向の中心位置は、1次モードにおける電界強度ピークの谷の位置から、±50nmの範囲内の位置に存在することが好ましい。また、1次モードの2つの強度ピークを効率的に利用するためには、回折格子層4の活性層3B側の端面(底面)は、活性層3Bの中心位置からλ/(4×neff)nm程度離間していることが望ましいが、回折格子層4の影響を活性層3Bに及ぼすためには、これらの中心位置の距離はλ/(2×neff)nm程度であることが好ましい。   From this point of view, when considering the positional relationship along the X axis, the end surface (bottom surface) of the diffraction grating layer 4 on the active layer 3B side is within a range of ± 50 nm from the position of the valley of the electric field strength peak in the primary mode. The center position in the thickness direction of the doped layer 3F is preferably located within a range of ± 50 nm from the position of the valley of the electric field intensity peak in the primary mode. In order to efficiently use the two intensity peaks of the first mode, the end face (bottom face) of the diffraction grating layer 4 on the active layer 3B side is λ / (4 × neff) from the center position of the active layer 3B. Although it is desirable that the distance is about nm, in order to influence the diffraction grating layer 4 on the active layer 3B, the distance between the center positions is preferably about λ / (2 × neff) nm.

また、λ=1μm程度波長領域では自由電子吸収の影響で内部損失を大きくする要因を低減するためには、回折格子層4の上部クラッド層5側の端面から200nm以下の領域におけるP型の不純物濃度を1×1016/cm〜3×1017/cmの範囲内にして低減することで、内部損失の小さいレーザ構造が実現できる。 In order to reduce the factor of increasing the internal loss due to the influence of free electron absorption in the wavelength range of about λ = 1 μm, a P-type impurity in a region of 200 nm or less from the end surface on the upper cladding layer 5 side of the diffraction grating layer 4 is used. By reducing the concentration within the range of 1 × 10 16 / cm 3 to 3 × 10 17 / cm 3, a laser structure with small internal loss can be realized.

図53は、回折格子層の厚みDと等価屈折率neffとの関係を示すグラフである。図49及び図50に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、等価屈折率neffが0次モードでは3.4015、1次モードでは3.2919となる。占有面積率FFが10%の場合、20%の場合、30%の場合のいずれにおいても、等価屈折率neffは1次モードの方が0次モードの場合よりも小さく、回折格子層Dの厚みが増加するにしたがって、等価屈折率neffは増加していることが分かる。   FIG. 53 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the equivalent refractive index neff. As shown in FIGS. 49 and 50, when the occupation area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the equivalent refractive index neff is 3.4015 in the 0th-order mode and 3 in the first-order mode. 2919. When the occupied area ratio FF is 10%, 20%, or 30%, the equivalent refractive index neff is smaller in the first-order mode than in the zero-order mode, and the thickness of the diffraction grating layer D It can be seen that the equivalent refractive index neff increases as increases.

図54は、回折格子層の厚みDと活性層3Bにおける光閉じ込め係数Γqwとの関係を示すグラフである。図49及び図51に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、活性層3Bにおける光閉じ込め係数Γqwは0次モードでは1.20(%)、1次モードでは2.39(%)である。1次モードにおける光閉じ込め係数Γqwが、0次モードの場合の光閉じ込め係数Γqwよりも大きくなる(条件Aとする)のは、厚みDが所定値以上の場合であり、占有面積率FFが30%以下の場合、少なくとも厚みDが600nmまでは、この大小関係は維持される。条件Aを満たす厚みDの最小値(所定値)と最大値は、図56に示す通りである。   FIG. 54 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the optical confinement coefficient Γqw in the active layer 3B. As shown in FIGS. 49 and 51, when the occupation area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the optical confinement coefficient Γqw in the active layer 3B is 1.20 (% ) 2.39 (%) in the primary mode. The optical confinement coefficient Γqw in the first-order mode is larger than the optical confinement coefficient Γqw in the 0th-order mode (condition A) when the thickness D is equal to or greater than a predetermined value and the occupation area ratio FF is 30. In the case of% or less, this magnitude relationship is maintained at least until the thickness D is 600 nm. The minimum value (predetermined value) and maximum value of the thickness D that satisfy the condition A are as shown in FIG.

図55は、回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γgとの関係を示すグラフである。図49及び図51に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、回折格子層4における光閉じ込め係数Γgは0次モードでは32.0(%)、1次モードでは37.7(%)である。1次モードにおける光閉じ込め係数Γgが、0次モードの場合の光閉じ込め係数Γgよりも大きくなる(条件Bとする)のは、回折格子層の厚みDが200nm以上の場合であり、図56に示す通りである。   FIG. 55 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the optical confinement coefficient Γg. As shown in FIGS. 49 and 51, when the occupation area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the optical confinement coefficient Γg in the diffraction grating layer 4 is 32.0 ( %) 37.7 (%) in the primary mode. The optical confinement coefficient Γg in the first-order mode is larger than the optical confinement coefficient Γg in the zero-order mode (condition B) when the thickness D of the diffraction grating layer is 200 nm or more. As shown.

図56は、構造(3)において、条件A及び条件Bを満たす回折格子層の厚みDの最小値Min(nm)と最大値Max(nm)を示す図表である。   FIG. 56 is a chart showing the minimum value Min (nm) and the maximum value Max (nm) of the thickness D of the diffraction grating layer that satisfies the conditions A and B in the structure (3).

占有面積率FFが10%の場合には、条件Aを満たすためには、厚みDは150nm以上である必要があり、600nm以下であればこの条件は満たされる。条件Bを満たすためには、厚みDは200nm以上である必要があり、300nm以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが200nm以上300nm以下の場合に満たされる。   When the occupation area ratio FF is 10%, in order to satisfy the condition A, the thickness D needs to be 150 nm or more, and if it is 600 nm or less, this condition is satisfied. In order to satisfy the condition B, the thickness D needs to be 200 nm or more, and this condition is satisfied if it is 300 nm or less. Both conditions are satisfied when the thickness is 200 nm or more and 300 nm or less.

占有面積率FFが20%の場合には、条件Aを満たすためには、厚みDは150nm以上である必要があり、600nm以下であればこの条件は満たされる。条件Bを満たすためには、厚みDは200nm以上である必要があり、600nm以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが200nm以上600nm以下の場合に満たされる。   When the occupied area ratio FF is 20%, in order to satisfy the condition A, the thickness D needs to be 150 nm or more, and if it is 600 nm or less, this condition is satisfied. In order to satisfy the condition B, the thickness D needs to be 200 nm or more, and this condition is satisfied if it is 600 nm or less. Both conditions are satisfied when the thickness is 200 nm or more and 600 nm or less.

占有面積率FFが30%の場合には、条件Aを満たすためには、厚みDは180nm以上である必要があり、600nm以下であればこの条件は満たされる。条件Bを満たすためには、厚みDは200nm以上である必要があり、600nm以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが200nm以上600nm以下の場合に満たされる。   When the occupied area ratio FF is 30%, in order to satisfy the condition A, the thickness D needs to be 180 nm or more, and if it is 600 nm or less, this condition is satisfied. In order to satisfy the condition B, the thickness D needs to be 200 nm or more, and this condition is satisfied if it is 600 nm or less. Both conditions are satisfied when the thickness is 200 nm or more and 600 nm or less.

占有面積率FFが40%の場合には、条件Aを満たすためには、厚みDは210nm以上である必要があり、450nm以下であればこの条件は満たされる。条件Bを満たすためには、厚みDは210nm以上である必要があり、600nm以下であればこの条件は満たされる。双方の条件は、厚みが210nm以上450nm以下の場合に満たされる。   When the occupied area ratio FF is 40%, in order to satisfy the condition A, the thickness D needs to be 210 nm or more, and if it is 450 nm or less, this condition is satisfied. In order to satisfy the condition B, the thickness D needs to be 210 nm or more, and this condition is satisfied if it is 600 nm or less. Both conditions are satisfied when the thickness is 210 nm or more and 450 nm or less.

占有面積率FFが10%〜40%の場合、厚みDが210nm以上450nm以下である場合には、条件A及び条件Bは常に満たされることになる。   When the occupation area ratio FF is 10% to 40%, the condition A and the condition B are always satisfied when the thickness D is 210 nm or more and 450 nm or less.

図57は、回折格子層の厚みDと光閉じ込め係数Γdopeとの関係を示すグラフである。図49及び図51に示したように、占有面積率FFが20%であり、厚みD=0.3μmの場合には、ドープ層3Fにおける光閉じ込め係数Γdopeは0次モードでは8.2(%)、1次モードでは0.2(%)である。1次モードにおける光閉じ込め係数Γdopeが、0次モードの場合の光閉じ込め係数Γdopeよりも小さくなる(条件Cとする)のは、少なくとも厚みDが150nm以上600nm以下である   FIG. 57 is a graph showing the relationship between the thickness D of the diffraction grating layer and the optical confinement coefficient Γdope. As shown in FIGS. 49 and 51, when the occupation area ratio FF is 20% and the thickness D = 0.3 μm, the optical confinement coefficient Γdope in the doped layer 3F is 8.2 (%) in the 0th-order mode. ) 0.2 (%) in the primary mode. The optical confinement coefficient Γdope in the first-order mode is smaller than the optical confinement coefficient Γdope in the 0th-order mode (condition C) at least in the thickness D of 150 nm to 600 nm.

図58は、上述の構造(1)、(2)、(3)において、2次モードが生じず1次モードが生じるコア層Aの厚みdの最小値Min(nm)と最大値Max(nm)を示す図表である。構造(1)においては、573(nm)以上1047(nm)未満において、1次モードが生じ、構造(2)においては、428(nm)以上800(nm)未満において、1次モードが生じ、構造(3)においては、541(nm)以上992(nm)未満において、1次モードが生じる。   58 shows the minimum value Min (nm) and the maximum value Max (nm) of the thickness d of the core layer A in which the secondary mode does not occur and the primary mode occurs in the structures (1), (2), and (3) described above. It is a chart showing. In the structure (1), a primary mode occurs at 573 (nm) or more and less than 1047 (nm), and in the structure (2), a primary mode occurs at 428 (nm) or more and less than 800 (nm), In the structure (3), a primary mode occurs at 541 (nm) or more and less than 992 (nm).

このような関係を半導体レーザ素子における発振波長λとの関係で考えると、コア層Aの厚みdは、構造(1)においては、0.585×λ≦d<1.068×λの関係を満たし、構造(2)においては、0.535×λ≦d<1×λの関係を満たし、構造(3)においては、0.552×λ≦d<1.012×λの関係を満たしている。すなわち、いずれの構造においても、0.585×λ≦d<1×λの関係を満たしており、この場合には、コア層A内において1次モードを選択的に発生させることが可能となる。   Considering such a relationship in relation to the oscillation wavelength λ in the semiconductor laser element, the thickness d of the core layer A is 0.585 × λ ≦ d <1.068 × λ in the structure (1). In the structure (2), the relationship of 0.535 × λ ≦ d <1 × λ is satisfied, and in the structure (3), the relationship of 0.552 × λ ≦ d <1.012 × λ is satisfied. Yes. That is, in any structure, the relationship of 0.585 × λ ≦ d <1 × λ is satisfied, and in this case, the primary mode can be selectively generated in the core layer A. .

なお、上述の構造(1)〜(3)において、占有面積率FFを大きく増加させると、0次モードのΓqwの方が、高次1次モードのΓqwよりも、大きくなるという逆転現象が生じる。また、占有面積率FFを更に増加させ、80%以上となる場合には、1次高次モードがコア層内に閉じ込められなくなる。これは、回折格子層の屈折率が低くなるため、光閉じ込め効果が弱くなるためである。したがって、いずれの構造(1)〜(3)においても、占有面積率FF<80%とすることが望ましい。   In the above-described structures (1) to (3), when the occupied area ratio FF is greatly increased, the inversion phenomenon that the Γqw in the 0th-order mode becomes larger than the Γqw in the higher-order 1st-order mode occurs. . Further, when the occupation area ratio FF is further increased to 80% or more, the first-order higher-order mode is not confined in the core layer. This is because the optical confinement effect is weakened because the refractive index of the diffraction grating layer is lowered. Accordingly, in any of the structures (1) to (3), it is desirable that the occupied area ratio FF <80%.

構造(1)においては、占有面積率FFが40%以上で、上記逆転現象が生じる。したがって、占有面積率FF<40%とすることが望ましい。   In the structure (1), the inversion phenomenon occurs when the occupation area ratio FF is 40% or more. Therefore, it is desirable that the occupied area ratio FF <40%.

構造(2)においても、占有面積率FFが40%以上で、上記逆転現象が生じる。したがって、占有面積率FF<40%とすることが望ましい。   Also in the structure (2), the reverse phenomenon occurs when the occupied area ratio FF is 40% or more. Therefore, it is desirable that the occupied area ratio FF <40%.

構造(3)においては、占有面積率FFが50%以上で、上記逆転現象が生じる。したがって、占有面積率FF<50%とすることが望ましい。   In the structure (3), the inversion phenomenon occurs when the occupied area ratio FF is 50% or more. Therefore, it is desirable that the occupied area ratio FF <50%.

なお、回折格子層における異屈折率部の形状は、円形や矩形など任意の形状を選択することも出来る。また、上述の原理は、2次元DFB(分布帰還型)の面発光素子に限定されず、同様の構造を有する端面発光素子にも適用が可能となる。また、回折格子層4を1次元構造とすれば、1次元DFB構造に適用することができ、回折格子層4のパターンと上部電極構造を図21のように長くすることで、通常の端面出射型の1次元DFBレーザ素子に適用することも可能となる。もちろん、上部電極の形状は任意のアスペクト比を取り、上部電極は端面に接さなくても良い。なお、端面出射型構造では各種の端面処理を行うことができる。   In addition, the shape of the different refractive index portion in the diffraction grating layer can be selected from an arbitrary shape such as a circle or a rectangle. The principle described above is not limited to a two-dimensional DFB (distributed feedback type) surface light emitting element, and can also be applied to an end surface light emitting element having a similar structure. Further, if the diffraction grating layer 4 has a one-dimensional structure, it can be applied to a one-dimensional DFB structure. By making the pattern of the diffraction grating layer 4 and the upper electrode structure longer as shown in FIG. It is also possible to apply to a type of one-dimensional DFB laser element. Of course, the shape of the upper electrode takes an arbitrary aspect ratio, and the upper electrode may not be in contact with the end face. In the end face emission type structure, various end face treatments can be performed.

以上、説明したように、叙述の半導体レーザ素子においては、以下のような利点があることが判明した。   As described above, it has been found that the semiconductor laser device described above has the following advantages.

(1)モード選択性
基本0次モードと1次モードの等価屈折率差が大きいため、それぞれのモードの形成するバンド端波長の差を20nm以上大きくすることができる。このため、利得スペクトルのピーク波長を1次モードのバンド端波長に合わせこむことで、1次モードのみ発振させることができる。他方、2次以上のモードでは、1次モードとの等価屈折率差が小さくなり、利得スペクトルのピーク波長の相対位置を利用してモードを選択することが困難となる。
(2)低閾値、高効率、モード安定化
1次モードでは一般的に電界強度が空間的に2つの位置にピークを有するが、そのピーク位置に回折格子層と活性層を配置することで、回折格子層および活性層の光閉じ込め係数を大きくすることができ、結果的に、低閾値、高効率かつモード安定したフォトニック結晶面発光レーザ素子(PCSEL)を実現することができる。
(3)キャリアブロック層への高濃度ドーピング
キャリア閉じ込めおよび電気伝導の観点からは、ガイド層内部のキャリアブロック層へ高濃度のドーピングを行うことが望ましい。しかしながら、0次モードではキャリアブロック層の光閉じ込め係数を小さくすることが困難なため、光吸収が大きくなってしまう。一方、1次モードでは、キャリアブロック層に電界強度の節が位置するよう設計でき、低損失かつ優れたキャリア閉じ込めの高出力化に適した構造を実現できる。
(4)加工損傷の影響を抑制
回折格子層をドライエッチングにより加工する場合、回折格子の底部から数十nm程度の領域に加工による損傷領域が形成される。損傷領域では格子欠陥、不純物準位等が形成されるため、光吸収の原因となり得る。回折格子層の底部付近は、0次モードでは電界強度を小さくすることが困難となるが、1次モードでは電界強度の節を位置させることが出来、損傷領域の光吸収の影響を抑えることができる。また、1次モードでは基本0次モードに比べ、電界分布が広がるため、活性層を損傷領域から離して配置することが出来、活性層への直接的な加工損傷の影響を抑えることができる。
(5)ビームパターン
通常の1次元端面出射型DFBレーザで本構造を適用する場合、1次モードでは空間的に電界強度ピークが2つとなるため、端面出射の場合、出射ビームのX軸方向の遠視野像(Far Field Pattern:FFP)は2ピークとなるが、このようなビームであっても、加工用途など高出力レーザ用の固体励起用光源などの用途では、低閾値、高効率かつ電気特性に優れた本構造の利点が活かすことができる。また、2次の回折を利用した面垂直方向出射のレーザ素子では、原理的には均一なビームを得ることができる。
(1) Mode selectivity Since the equivalent refractive index difference between the fundamental 0th-order mode and the first-order mode is large, the difference between the band edge wavelengths formed by each mode can be increased by 20 nm or more. For this reason, only the primary mode can be oscillated by adjusting the peak wavelength of the gain spectrum to the band edge wavelength of the primary mode. On the other hand, in the second or higher order mode, the equivalent refractive index difference from the first order mode becomes small, and it becomes difficult to select the mode using the relative position of the peak wavelength of the gain spectrum.
(2) Low threshold, high efficiency, mode stabilization Generally, in the first-order mode, the electric field strength has spatially peaks at two positions. By arranging a diffraction grating layer and an active layer at the peak positions, The optical confinement coefficients of the diffraction grating layer and the active layer can be increased, and as a result, a photonic crystal surface emitting laser element (PCSEL) having a low threshold, high efficiency, and mode stability can be realized.
(3) High concentration doping to carrier block layer From the viewpoint of carrier confinement and electrical conduction, it is desirable to perform high concentration doping to the carrier block layer inside the guide layer. However, since it is difficult to reduce the optical confinement coefficient of the carrier block layer in the 0th-order mode, light absorption increases. On the other hand, the primary mode can be designed so that the node of the electric field strength is located in the carrier block layer, and a structure suitable for high output with low loss and excellent carrier confinement can be realized.
(4) Suppressing the effect of processing damage When processing the diffraction grating layer by dry etching, a damaged region is formed in the region of several tens of nanometers from the bottom of the diffraction grating. In the damaged region, lattice defects, impurity levels, and the like are formed, which can cause light absorption. Near the bottom of the diffraction grating layer, it is difficult to reduce the electric field strength in the 0th-order mode, but the node of the electric field strength can be located in the first-order mode, and the influence of light absorption in the damaged region can be suppressed. it can. Further, since the electric field distribution is wider in the primary mode than in the basic 0th order mode, the active layer can be arranged away from the damaged region, and the influence of direct processing damage to the active layer can be suppressed.
(5) Beam pattern When this structure is applied to a normal one-dimensional edge-emitting DFB laser, there are two electric field intensity peaks spatially in the primary mode. The far field pattern (FFP) has two peaks, but even in such a beam, it is low threshold, high efficiency and electric in applications such as solid excitation light sources for high power lasers such as processing applications. The advantages of this structure with excellent characteristics can be utilized. In addition, in a laser beam emitting in the direction perpendicular to the plane using second-order diffraction, a uniform beam can be obtained in principle.

以上の観点から、1つの偏波モードにおける電界の固有モードが基本0次モードと1次の高次モードの2つであり、1次モードの電界強度の節Aが回折格子層と量子井戸層の間にあるPCSEL構造では、従来の構造に対し、低閾値、高効率かつモード安定したPCSEL構造を実現することができる。また、各半導体層の組成や膜厚のみを変更するだけで、低閾値、高効率かつモード安定したPCSEL構造を容易に作製することができる。   From the above viewpoint, the two eigenmodes of the electric field in one polarization mode are the fundamental 0th-order mode and the first-order higher-order mode, and the node A of the electric field strength of the first-order mode is the diffraction grating layer and the quantum well layer. In the PCSEL structure between the two, a PCSEL structure having a low threshold, high efficiency, and mode stability can be realized as compared with the conventional structure. In addition, a PCSEL structure with a low threshold, high efficiency, and mode stability can be easily manufactured by changing only the composition and film thickness of each semiconductor layer.

以上、説明したように、上述の半導体レーザ素子10は、半導体レーザ素子において、半導体からなる下部クラッド層Bと、半導体からなる上部クラッド層Cと、下部クラッド層Bと上部クラッド層Cとにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、下部クラッド層B及び上部クラッド層Cのいずれよりも平均屈折率が高いコア層Aと、を備え、コア層Aは、量子井戸層からなる活性層3Bと、回折格子層4と、を含み、動作時におけるコア層A内の厚み方向の電界強度分布Eyが、少なくとも2つのピークを有しており、ピーク間の谷の位置は、活性層3Bと回折格子層4との間の領域内に設定されている。   As described above, the semiconductor laser device 10 described above is sandwiched between the lower cladding layer B made of semiconductor, the upper cladding layer C made of semiconductor, the lower cladding layer B, and the upper cladding layer C in the semiconductor laser device. A core layer A comprising a plurality of stacked semiconductor layers and having a higher average refractive index than any of the lower clad layer B and the upper clad layer C, the core layer A being an active layer comprising a quantum well layer 3B and the diffraction grating layer 4, and the electric field strength distribution Ey in the thickness direction in the core layer A during operation has at least two peaks, and the position of the valley between the peaks is the active layer 3B. And in the region between the diffraction grating layer 4.

この場合、電界強度分布はコア層A内にあるものの、その谷の位置は、活性層3B及び回折格子層4のいずれの位置でもないため、レーザ光発生利得の低下を抑制しつつ、これら2つの層におけるレーザ光生成作用を十分に機能させることができ、高効率にレーザ光を発生させることができる。   In this case, although the electric field intensity distribution is in the core layer A, the position of the valley is not in any position of the active layer 3B and the diffraction grating layer 4, so that these two are suppressed while suppressing a decrease in laser light generation gain. The laser light generating action in the two layers can sufficiently function, and the laser light can be generated with high efficiency.

また、前記ピークの位置が、それぞれ活性層3B内及び回折格子層4内に設定される場合には、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となる。   Further, when the positions of the peaks are set in the active layer 3B and the diffraction grating layer 4, respectively, the electric field strength at these positions can be increased, and high-intensity laser light can be generated. It becomes possible.

また、コア層A内において、前記2つのピークを与えるTE偏波の1次モードにおける活性層3B内の光閉じ込め係数Γqw(1)と、0次モードにおける活性層3B内の光閉じ込め係数Γqw(0)とは、関係式Γqw(1)>Γqw(0)を満たす。電界強度の2つのピーク位置を、上記の如くそれぞれ活性層3B内及び回折格子層4内に設定することで、光閉じ込め係数を大きくすることができる。この場合、これらの位置における電界強度を大きくすることができ、高強度のレーザ光を発生することが可能となり、0次モードを主として用いた場合よりも、高強度のレーザ光を得ることが可能となる。なお、ΓはX軸方向に沿って、電界E(x)を−無限大から+無限大まで積分したものを分母とし、電界E(x)を特定の区間x1〜x2で積分したものを分子とした値である(図59の式(7)参照)。   Further, in the core layer A, the optical confinement coefficient Γqw (1) in the active layer 3B in the first-order mode of TE polarized wave that gives the two peaks, and the optical confinement coefficient Γqw (in the active layer 3B in the zero-order mode) 0) satisfies the relational expression Γqw (1)> Γqw (0). By setting the two peak positions of the electric field intensity in the active layer 3B and the diffraction grating layer 4 as described above, the optical confinement factor can be increased. In this case, it is possible to increase the electric field intensity at these positions, and it is possible to generate high-intensity laser light, and it is possible to obtain high-intensity laser light compared to the case where the 0th-order mode is mainly used. It becomes. Note that Γ is a numerator obtained by integrating the electric field E (x) from −infinity to + infinity along the X-axis direction, and integrating the electric field E (x) in a specific section x1 to x2. (See equation (7) in FIG. 59).

また、コア層Aは、活性層3Bと上部クラッド層Cとの間に、上部クラッド層Cと同一導電型の不純物が添加され、その不純物濃度が1×1017/cm以上のドープ層3Fを更に備え、ドープ層の一部又は全部は、上記2つのピーク間の谷の位置の近傍に設定される。なお、「近傍」とは、谷の位置から±50nm以内の領域を意味するものとする。ドープ層3Fを備えることにより、そのフェルミ準位が変化して障壁を構成し、下部クラッド層から流入するキャリアが上部クラッド層方向へ流れるのを抑制することができ、活性層3B内のキャリア濃度を高めることができる。 The core layer A is doped with an impurity having the same conductivity type as that of the upper clad layer C between the active layer 3B and the upper clad layer C, and the impurity concentration thereof is 1 × 10 17 / cm 3 or more. And part or all of the doped layer is set in the vicinity of the position of the valley between the two peaks. “Nearby” means a region within ± 50 nm from the valley position. By providing the doped layer 3F, the Fermi level changes to form a barrier, and carriers flowing from the lower cladding layer can be prevented from flowing toward the upper cladding layer, and the carrier concentration in the active layer 3B can be suppressed. Can be increased.

また、不純物濃度が高い場合には、光やキャリアの有するエネルギーが吸収され損失が生じる。1次モードの場合の2つのピークの谷の位置は、0次モードのピーク位置に相当する。したがって、ドープ層3Fを備えることで、0次モードにおけるピーク位置において、光損失を生ぜしめ、0次モードの発生を抑制して1次モードによる発光を安定させ、1次モードを更に有効に利用することができる。   Further, when the impurity concentration is high, energy of light and carriers is absorbed and loss occurs. The positions of the valleys of the two peaks in the first-order mode correspond to the peak positions in the zero-order mode. Therefore, by providing the doped layer 3F, light loss is caused at the peak position in the 0th-order mode, the occurrence of the 0th-order mode is suppressed, the light emission by the first-order mode is stabilized, and the primary mode is used more effectively. can do.

また、回折格子層4は、III−V族化合物半導体からなり、III族元素は、Ga、Al及びInからなる群から選択され、V族元素は、As、P、N及びSbからなる群から選択され、これらの元素からなる化合物半導体は、直接遷移型の半導体とすることができるため、キャリア再結合により、容易に発光させることができる。   The diffraction grating layer 4 is made of a group III-V compound semiconductor, the group III element is selected from the group consisting of Ga, Al, and In, and the group V element is selected from the group consisting of As, P, N, and Sb. Since the selected compound semiconductor composed of these elements can be a direct transition semiconductor, it can easily emit light by carrier recombination.

面垂直方向への出射の場合、非特許文献2に示されるように、回折格子の深さは深さ方向の消失性干渉の影響により、垂直方向の放射係数が小さくなる深さが存在する。本願でも、垂直方向の放射係数が小さくならないように、回折格子層厚を選ぶことが望ましい。なお、端面方向の出射では、上記効果は影響しない。   In the case of emission in the direction perpendicular to the surface, as shown in Non-Patent Document 2, the depth of the diffraction grating has a depth at which the radiation coefficient in the vertical direction becomes small due to the influence of vanishing interference in the depth direction. Also in the present application, it is desirable to select the diffraction grating layer thickness so that the vertical emission coefficient does not become small. It should be noted that the above effect is not affected by the emission in the end face direction.

また、回折格子層4の1つの異屈折率部4Bの形状は、エピ層厚に沿うX軸方向に対し、均一な形状でなくてもよく、またX軸方向に対し、傾斜していても良い。   Further, the shape of one different refractive index portion 4B of the diffraction grating layer 4 may not be uniform with respect to the X-axis direction along the epilayer thickness, and may be inclined with respect to the X-axis direction. good.

A…コア層、B,C…クラッド層、3B…活性層、3F…ドープ層、4…回折格子層。
A ... core layer, B, C ... cladding layer, 3B ... active layer, 3F ... doped layer, 4 ... diffraction grating layer.

Claims (4)

半導体レーザ素子において、
半導体からなる下部クラッド層と、
半導体からなる上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層とにより挟まれ、積層された複数の半導体層からなり、前記下部クラッド層及び上部クラッド層のいずれよりも平均屈折率が高いコア層と、
を備え、
前記コア層は、
ガイド層に隣接し、量子井戸層からなる活性層と、
前記活性層から、前記ガイド層よりもエネルギーバンドギャップが大きいキャリアブロック層を介して、離間した1層のみの回折格子層と、
を含み、
動作時における前記コア層内の厚み方向の電界強度分布が、2つのピークを有するTE偏波の1次モードで分布しており、
前記ピーク間の谷の位置は、前記活性層と前記回折格子層との間の領域内に設定され
前記コア層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、前記上部クラッド層と同一導電型の不純物が添加され、その不純物濃度が1×10 17 /cm 以上のドープ層を更に備え、
前記ドープ層の一部又は全部は、前記2つのピーク間の谷の位置から、±50nmの範囲内の位置に設定される、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
In a semiconductor laser device,
A lower cladding layer made of semiconductor;
An upper cladding layer made of semiconductor;
A core layer sandwiched between the lower clad layer and the upper clad layer and composed of a plurality of stacked semiconductor layers, having a higher average refractive index than any of the lower clad layer and the upper clad layer,
With
The core layer is
An active layer adjacent to the guide layer and comprising a quantum well layer;
Only one diffraction grating layer separated from the active layer via a carrier block layer having an energy band gap larger than that of the guide layer ;
Including
The electric field strength distribution in the thickness direction in the core layer during operation is distributed in the first-order mode of the TE polarized wave having two peaks,
The position of the valley between the peaks is set in a region between the active layer and the diffraction grating layer ,
The core layer further includes a doped layer in which an impurity having the same conductivity type as that of the upper clad layer is added between the active layer and the upper clad layer, and the impurity concentration thereof is 1 × 10 17 / cm 3 or more. ,
Part or all of the doped layer is set at a position within a range of ± 50 nm from the position of the valley between the two peaks.
A semiconductor laser device.
前記ピークの位置は、それぞれ前記活性層内及び前記回折格子層内に設定される、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。   2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the positions of the peaks are set in the active layer and the diffraction grating layer, respectively. 前記コア層内において、前記2つのピークを与えるTE偏波の1次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γqw(1)と、0次モードにおける前記活性層内の光閉じ込め係数Γqw(0)とは、関係式Γqw(1)>Γqw(0)を満たす、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ素子。
In the core layer, the optical confinement factor Γqw (1) in the active layer in the first-order mode of TE polarized wave giving the two peaks, and the optical confinement factor Γqw (0) in the active layer in the zero-order mode Satisfies the relational expression Γqw (1)> Γqw (0).
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is a semiconductor laser device.
前記回折格子層は、III−V族化合物半導体からなり、
III族元素は、Ga、Al及びInからなる群から選択され、
V族元素は、As、P、N及びSbからなる群から選択される、
ことを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
The diffraction grating layer is made of a III-V group compound semiconductor,
The group III element is selected from the group consisting of Ga, Al and In;
The group V element is selected from the group consisting of As, P, N and Sb;
The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that.
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