JPH01105589A - Semiconductor raman laser - Google Patents

Semiconductor raman laser

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JPH01105589A
JPH01105589A JP26229387A JP26229387A JPH01105589A JP H01105589 A JPH01105589 A JP H01105589A JP 26229387 A JP26229387 A JP 26229387A JP 26229387 A JP26229387 A JP 26229387A JP H01105589 A JPH01105589 A JP H01105589A
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layer
light
raman
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潤一 西澤
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建 須藤
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Abstract

PURPOSE:To oscillate with an extremely low CW exciting optical power by introducing an exciting light from an incident window to a Raman active layer, and enclosing the light inside a clad layer to multiplex reflecting it. CONSTITUTION:A GaP Raman active layer 3 is formed in a stripe shape having an extremely smooth side face, and its sectional periphery is completely surrounded by an AlxGa1-xP clad layer 2. Further, a hole 8 sufficiently smaller than the end face of the active layer is formed at a high reflectivity deposited face on only part of the end face, an injected semiconductor laser light 7 is condensed, and incident from the hole. Since the layers 3, 2 have sufficiently low carrier density, less absorption, and the end face has high reflectivity, the incident light 7 is broadened and guided in the layer 3. Accordingly, it becomes substantially equal to the optical intensity of the incident window of the incident light on the whole part of the active layer, and the oscillation of a stokes light is performed on the whole active layer having an end face sufficiently larger than the incident window.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体ラマンレーザに係り、特に光通信及び
分光計測に利用される半導体ラマンレーザに関するもの
である。光通信においては特に光ヘテロダイン検波方式
遠赤外線領域の光波発生、波長純度と安定性の極めて高
いキャリア光波の発生手段として利用される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a semiconductor Raman laser, and particularly to a semiconductor Raman laser used for optical communication and spectroscopic measurement. In optical communications, it is particularly used as a means for generating light waves in the far infrared region using optical heterodyne detection, and for generating carrier light waves with extremely high wavelength purity and stability.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体ラマンレーザは従来、本発明者によりGaP単結
晶及びエピタキシャル結晶において実現されているが、
そのボンピング光は、YAGレーザや大出力半導体レー
ザなどのパルス動作が主であった。光通信に利用するに
は、低出力の半導体レーザでし、かも連続波(GW)で
励起する必要があり、また分光計測用に利用するにも、
CWダイレーザのごとき、いずれの場合も1Wから10
m Wという極めて小さいパワの励起レーザ光で動作す
る半導体ラマンレーザが必要となる。すでに光励起レー
ザ光のパワ密度としては、1〜0.7×10 W/Ce
においてラマン発振することを確認している。このこと
は入射光を1μ角の領域に集中できれば、わずか10m
Wの励起光パワで発振することを原理的には意味してい
る。一方、本発明者はアイイー イー プロシーディン
グズ(IEEProceedings) Vol、  
134 、  Pt 、 J 、 N。
Semiconductor Raman lasers have been realized by the present inventor using GaP single crystals and epitaxial crystals, but
The bombing light has mainly been pulsed by a YAG laser or a high-output semiconductor laser. To use it for optical communication, it is a low-power semiconductor laser that must be excited with continuous wave (GW), and for use in spectroscopic measurements,
For example, CW dye laser, in any case from 1W to 10
A semiconductor Raman laser that operates with excitation laser light with an extremely low power of mW is required. The power density of the optical excitation laser beam is already 1 to 0.7×10 W/Ce.
It has been confirmed that Raman oscillation occurs. This means that if the incident light can be concentrated in a 1μ square area, it will only be 10m
In principle, this means that it oscillates with the power of W excitation light. On the other hand, the present inventor has published IEE Proceedings Vol.
134, Pt, J, N.

、 Il、 Auaust  1987の第215頁乃
至第220頁に記載の第1図に示すような構造のラマン
レーザを発表した。第1図において1はGap基板結品
、2はAj、XGa、−xP第−クラッド層、3はGa
Pラマン活性図、4はAt工Ga、−Xp第二クラッド
層、5.6は高反射率誘電体膜、7は入射励起光を示す
。入射側蒸着膜は蒸着用マスクを使ってストライプ状に
形成され、幅は111−程度であって、また共振器長は
3〜4n+*である。励起光は蒸着膜端から斜め前方に
7で示ずように入射させ5.6によって構成される共振
器領域を励起する。これによってストークス光が増幅さ
れ上下方向には屈折率の低いALXGa、、XPクラッ
ド層によって閏じこめられ、横方向には特に閉じこめ効
果がないが共振器領域の幅が111と広いため容易に発
振する。
, Il, Auaust 1987, pages 215 to 220, published a Raman laser having a structure as shown in FIG. In Fig. 1, 1 is a Gap substrate, 2 is Aj, XGa, -xP-th cladding layer, and 3 is Ga.
P Raman activity diagram, 4 indicates At-Ga, -Xp second cladding layer, 5.6 indicates high reflectance dielectric film, and 7 indicates incident excitation light. The evaporated film on the incident side is formed in a stripe shape using a evaporation mask, has a width of about 111-, and a resonator length of 3 to 4n+*. The excitation light is incident obliquely forward from the end of the deposited film as shown at 7 and excites the resonator region constituted by 5.6. As a result, the Stokes light is amplified and confined in the vertical direction by the ALXGa, XP cladding layer with a low refractive index, and although there is no particular confinement effect in the lateral direction, the width of the resonator region is as wide as 111, making it easy to oscillate. do.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

前述のような方法で、励起光を入射させるには、当然励
起光のビーム断面が第1図に示すようにある程度の幅、
即ち100μ以上の幅を持っていなければなら゛ず、又
発振するべきストークス光も横方向に広がるから通常は
10W以上のパルスの励起光を必要とし、励起光強度を
1W以下にして発振させることは困難であった。
In order to make the excitation light incident using the method described above, the beam cross section of the excitation light must have a certain width as shown in Figure 1.
In other words, it must have a width of 100μ or more, and since the Stokes light to be oscillated also spreads in the lateral direction, it usually requires a pulsed excitation light of 10W or more, and the intensity of the excitation light must be set to 1W or less for oscillation. was difficult.

本発明は、強度1Wから10mW程度の極めて低い入射
パワで発振する半導体ラマンレーザを提供することを目
的とする。即ち、CW出力の光通信用注入形半導体レー
ザや分光計測用のCWダイレーザを励起レーザとして発
振する半導体ラマンレーザを提供することを目的とする
An object of the present invention is to provide a semiconductor Raman laser that oscillates with an extremely low incident power of about 1 W to 10 mW. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor Raman laser that oscillates using a CW output injection type semiconductor laser for optical communication or a CW dye laser for spectroscopic measurement as an excitation laser.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明はその実施例図面第2図乃至第8図に示すように
GaPラマン活性層を極めて滑らかな側面を持つストラ
イプ状に形成し、その断面周囲を完全にA、l、Ga、
−XPクラッド層で囲む。更に、端面の一部分のみに高
反射率蒸着面に活性層端面に比べて充分小さな穴を、設
け、注入形半導体レーザ光又はダイレーザ光をレンズあ
るいはファイバで集光して穴の部分即ち入射窓より入射
する。活性層及びクラッド層は充分に低キヤリア密度で
あり、吸収が少なく、かつ端面は高反射率であるので入
射励起光は活性層内に広がって導波し、結局、入射用の
窓から失われるまで多重に反射を繰り返す。従ってラマ
ン活性層の全ての部分で入射光の入射窓における光強度
とほぼ等しくなり、入射窓に比べて充分大きな端面を有
する活性層全体でストークス光の発振を実現できる。窓
の大きさは、レンズで集光しえる限界の大きさでよく、
この部分で発振の閾値パワ密度1 x 10”W/am
JLに達していればよいことは前述のことから理解しえ
る。例えばレンズによる集光では、1μφまで集光する
ことはレンズの組合わせを使えば可能であり、また簡便
なレンズでも5μφにしぼられるから、前者では約8−
W、後者では約2On+Wの励起光強度で発振すること
ができ通常のCW出力注入形半導体レーザで励起されて
発振する半導体ラマンレーザが得られるのである。増幅
さるべきストークス光は一部分、入射窓から失われるが
、平行ビームが回折により窓に達する割合を充分小さく
なるよう入射窓に対して、またレーザ長に対してストラ
イプ幅を選ぶのである。つまり入111y/lは活性層
端面に比し小さいが、それでもストークス光の損失の原
因となる。これを減らすためには、第1にストライプ幅
を入射窓の大きさに比し、口折損失が少なくなる程度に
大きくかつ活性層内部での励起光の多重反射による吸収
損失が問題とならない程度に小さく設計しなければなら
ない。この回折効果はレーザの長さに依存する。更に改
善された方法として、活性層ストライプに第4図に示す
ような傾斜を持たせ、回折損失を減少させるか、又は第
5図のように励起光導入層を別に設ける。ラマン活性層
クラッド層、励起光導入層の屈折率をそれぞれn、、n
、、n、とした時nt>n、>n、とすれば励起光はラ
マン活性層にまで広がるが、クラッド層によって閉じこ
めが行なわれ、一方ストークス光は活性層内のみに閉じ
こめられ入射窓への回折損失を無くすことができる。
As shown in FIGS. 2 to 8 of the embodiment drawings of the present invention, a GaP Raman active layer is formed in a stripe shape with extremely smooth sides, and the periphery of the cross section is completely covered with A, L, Ga,
- Surrounded by XP cladding layer. Furthermore, a hole that is sufficiently small compared to the end surface of the active layer is provided in the high-reflectance vapor-deposited surface only in a portion of the end surface, and the injection type semiconductor laser light or dye laser light is focused with a lens or fiber and is emitted from the hole portion, that is, the entrance window. incident. Since the active layer and cladding layer have sufficiently low carrier density, absorption is low, and the end face has high reflectance, the incident excitation light spreads within the active layer and is guided, and is eventually lost through the input window. Repeat multiple reflections until Therefore, the light intensity of the incident light at all parts of the Raman active layer is approximately equal to the light intensity at the entrance window, and Stokes light oscillation can be realized in the entire active layer having a sufficiently large end face compared to the entrance window. The size of the window should be the maximum size that can be focused by the lens.
In this part, the threshold power density of oscillation is 1 x 10”W/am
It can be understood from the above that it is sufficient to reach JL. For example, when concentrating light with a lens, it is possible to condense light down to 1μφ by using a combination of lenses, and even a simple lens can narrow down the light to 5μφ, so in the former case, it is possible to focus light down to 1μφ.
W, the latter can oscillate with a pumping light intensity of about 2On+W, and a semiconductor Raman laser that oscillates when excited by a normal CW output injection type semiconductor laser can be obtained. A portion of the Stokes light to be amplified is lost through the entrance window, but the stripe width is selected with respect to the entrance window and with respect to the laser length so that the proportion of the collimated beam reaching the window due to diffraction is sufficiently small. In other words, although the input 111y/l is smaller than the end face of the active layer, it still causes loss of Stokes light. In order to reduce this, the first step is to make the stripe width large enough to reduce the bending loss compared to the size of the entrance window, and to the extent that absorption loss due to multiple reflections of the excitation light inside the active layer does not become a problem. must be designed to be small. This diffraction effect depends on the length of the laser. As a further improved method, the active layer stripes may be sloped as shown in FIG. 4 to reduce diffraction loss, or an excitation light introduction layer may be provided separately as shown in FIG. 5. The refractive index of the Raman active layer cladding layer and the excitation light introduction layer are n, , n, respectively.
,,n, and if nt>n, >n, the excitation light spreads to the Raman active layer, but is confined by the cladding layer, while the Stokes light is confined only within the active layer and enters the entrance window. Diffraction loss can be eliminated.

(作用) 1y+述したように、入射窓へ集光された励起光、スト
ークス光ともにストライプ内に閉じこめられかつ励起光
は多重反射して吸収による損失が問題とならずに活性層
全体が入射窓での励起光のパワ密度と同程度のレベルに
達し、かつ発振すべきストークス光が入射窓から失われ
る損失が実質的に問題とならず極めて低いCWの励起光
パワでの発振が可能となる。
(Function) 1y+ As mentioned above, both the excitation light and Stokes light focused on the entrance window are confined within the stripe, and the excitation light is multiple-reflected, so that loss due to absorption does not become a problem, and the entire active layer is covered by the entrance window. The power density of the excitation light reaches the same level as the power density of the excitation light in the CW, and the loss of the Stokes light to be oscillated through the entrance window is virtually no problem, making it possible to oscillate with an extremely low CW excitation light power. .

このようにして形成された半導体ラマンレーザは、既に
提案しである光ヘテロゲイン検波及び遠赤外光発生用に
極めて適している。更に本発明の半導体ラマンレーザは
励起レーザを含めて全て半導体で構成されるので長寿命
で信頼性高く小形である。更に、本発明の半導体ラマン
レーザは、共振器の反射、吸収、回折損失が著しく低い
すなわちQの著しく^い光共振器で構成されているため
、発振周波数の宥定度が注入形半導体レーザに比べて極
めて高い。つまりQの値は端面反射率から比較して半導
体注入形レーザの70倍程度になっておりそれだけ周波
数の純度が高い。またラマン散乱の半値幅がゲインバン
ドであるがGa Pの場合30GHz程度であり、大剣
レーザ1μ程度のときは、対応するスペクトル幅は0.
5A程度である。つまりこの程度のゆらぎを励起光が持
っていても構わない。一方、半導体ラマンレーザの共振
器長から決まる縦モード間隔は15GHz(長さ4+u
eの時)程度であるから、縦モードはシングルモードで
ある。
The semiconductor Raman laser thus formed is extremely suitable for optical heterogain detection and far-infrared light generation, which have already been proposed. Furthermore, since the semiconductor Raman laser of the present invention is entirely composed of semiconductors, including the excitation laser, it has a long life, high reliability, and is compact. Furthermore, since the semiconductor Raman laser of the present invention is composed of an optical resonator with extremely low reflection, absorption, and diffraction losses, that is, with a significantly high Q, the oscillation frequency accommodation is higher than that of an injection type semiconductor laser. It's extremely expensive. In other words, the Q value is about 70 times that of a semiconductor injection laser compared to the end face reflectance, and the frequency purity is correspondingly higher. Also, the half-value width of Raman scattering is the gain band, which is about 30 GHz in the case of GaP, and when the diameter of the Daiken laser is about 1 μ, the corresponding spectral width is 0.
It is about 5A. In other words, it does not matter if the excitation light has this degree of fluctuation. On the other hand, the longitudinal mode spacing determined from the cavity length of the semiconductor Raman laser is 15 GHz (length 4+u
e), the longitudinal mode is a single mode.

またラマン散乱は吸収現象ではないから内部での熱発生
が無視でき、注入形レーザのような熱による周波数不安
定はない。従って光通信のキャリア光波としても著しく
周波数安定度が高く、超多重通信に最適となる。
In addition, since Raman scattering is not an absorption phenomenon, internal heat generation can be ignored, and there is no frequency instability due to heat as in injection lasers. Therefore, it has extremely high frequency stability as a carrier light wave for optical communications, making it ideal for super-multiplex communications.

(実施例) 以下図面に示した実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。・ (実施例1) 第2図は本発明の一実施例を示す半導体ラマンレーザで
ある。この図において1はGa P結晶基板、2はAt
xGa、−XP第一クラッド層、3はストライプ状に形
成されたGa Pラマン活性層であり、4はラマン活性
層の上面、側面を被うAlXGa、−XP第二クラッド
層、9はGaPバッファ層である。5は入射側の誘電体
高反射膜で反射率99%又はそれ以上である。
(Example) The present invention will be described in detail below based on the example shown in the drawings. - (Example 1) FIG. 2 shows a semiconductor Raman laser showing an example of the present invention. In this figure, 1 is a GaP crystal substrate, 2 is an At
xGa, -XP first cladding layer, 3 is a GaP Raman active layer formed in a stripe shape, 4 is an AlXGa, -XP second cladding layer covering the top and side surfaces of the Raman active layer, 9 is a GaP buffer It is a layer. 5 is a dielectric high reflection film on the incident side and has a reflectance of 99% or more.

8は励起光入射窓であり、ラマン活性層端面の一部、に
ホトレジスト技術であけた極めて小さな穴である。6は
出力側の高反射率膜であり反射率は99%というやはり
高い値を有している。
Reference numeral 8 denotes an excitation light entrance window, which is an extremely small hole made in a part of the end face of the Raman active layer using photoresist technology. 6 is a high reflectance film on the output side and has a reflectance of 99%, which is also a high value.

7はレンズや光ファイバによって集光されて8よりスト
ライプ領域に入射する励起レー゛ザ光である。
Reference numeral 7 denotes excitation laser light that is focused by a lens or optical fiber and enters the stripe region from 8.

ラマン活性層の長さは3m1Il〜4mm、各層の厚み
はA 、L、 G 、11、−、Pクララ11M1〜5
μs、Gapミルラマン層1〜10μmまたGaPラマ
ン活性層のストライプ幅は100μmから10μm程度
である。入射光用の窓は端面全面に蒸着された誘電体膜
を第2図のようにストライプ状に除去することによって
形成される。GaPラマン活性層の厚み5μ、入射窓の
幅5μとすれば入射窓の面積は25μm であり、ここ
から入った光が、吸収や誘電体の残留の透過率によって
失われないかぎり、活性層内部全体でほぼ同じ強度に達
するまで多重反射を繰り返す。
The length of the Raman active layer is 3m1Il~4mm, and the thickness of each layer is A, L, G, 11, -, P Clara 11M1~5.
The stripe width of the GaP Raman active layer is about 100 μm to 10 μm. The window for incident light is formed by removing the dielectric film deposited on the entire end face in stripes as shown in FIG. If the thickness of the GaP Raman active layer is 5 μm and the width of the entrance window is 5 μm, the area of the entrance window is 25 μm, and unless the light that enters through this is lost due to absorption or residual transmittance of the dielectric, it will not be absorbed into the active layer. Multiple reflections are repeated until the overall intensity is approximately the same.

すると約I X 10  W/C蒙 つまり1μ角当り
10m WがGaPの場合の閾値パワ密度だから、必要
な励起光パワは、250mWとなり1W以下の出力のC
Wダイレーザ、波長0.6〜1゜1μm高出力の注入形
CW半導体レーザ(波長0.8〜0.85μ)で励起す
ることができる。このときの活性層のストライプ幅は活
性層のキャリア密度によって異なる。即ち、半導体ラマ
ンレーデはGa Pのように極めて透明度の高い媒質で
はじめて発振可能となるのであるが、それでもキャリア
密度にほぼ比例する残留吸収が存在し、GaPの場合1
μ帯では、吸収係数α、キャリア密度をNとしたときα
/N=Q。
Then, the threshold power density for GaP is approximately I x 10 W/C, or 10 mW per 1μ square, so the required pumping light power is 250 mW, which is C with an output of 1 W or less.
It can be excited by a W dye laser, a wavelength of 0.6 to 1.degree. 1 .mu.m, and a high output injection type CW semiconductor laser (wavelength of 0.8 to 0.85 .mu.m). The stripe width of the active layer at this time varies depending on the carrier density of the active layer. In other words, the semiconductor Raman lede can only oscillate in an extremely transparent medium such as GaP, but even then there is residual absorption that is approximately proportional to the carrier density, and in the case of GaP, 1
In the μ band, the absorption coefficient α is α, where N is the carrier density.
/N=Q.

05cm  /1’Ocm  ’!Iiaである。従っ
てキャリア密度がlX10c+e  のときは、共振器
長を411IIllとすると、約17回往復すると吸収
によってその強度が約1/2に截下する。従ってストラ
イプ幅はお′よそ5μの穴の幅の17倍程度、つまり8
5μ程度としておけば活性層内部の励起光′強度は入射
窓での集光された励起光強度程度にはなるのである。ス
トライプ幅をこれ以上にすれば活性層内部の光強度は低
下し、入射パワを上げなければならない−ので好ましく
ない。また、ストライプ幅をこれより小さくすれば、そ
れだけ励起光からストークス光への変換効率が低下する
。またストークス光の強度分布は第3図のようになって
おり入射窓側で減少しているが回折によってストークス
光が入射窓から失われるのでストライプ幅を狭くするほ
ど回折損が増大する。即ら、ストライプ幅81波長λ、
屈折率n、共振器長りとすると回折によって入射窓側へ
のストークス光の広がり幅δはおおよイ ^ δユ□・L   ・・・(1)  n S によって見積ることができ、S〜85μ、λ〜1μ、n
−1,1,1〜4mmとするとδ)7゜6μmとなる。
05cm /1'Ocm'! It is Iia. Therefore, when the carrier density is lX10c+e and the resonator length is 411IIll, the intensity will be cut to about 1/2 by absorption after about 17 reciprocations. Therefore, the stripe width is approximately 17 times the width of the 5μ hole, or 8
If it is set to about 5μ, the intensity of the excitation light inside the active layer will be about the same as the intensity of the excitation light focused at the entrance window. If the stripe width is made larger than this, the light intensity inside the active layer decreases and the incident power must be increased, which is not preferable. Furthermore, if the stripe width is made smaller than this, the conversion efficiency from excitation light to Stokes light will decrease accordingly. Furthermore, the intensity distribution of the Stokes light is as shown in FIG. 3, and it decreases on the entrance window side, but since the Stokes light is lost from the entrance window due to diffraction, the narrower the stripe width, the more the diffraction loss increases. That is, the stripe width is 81 wavelengths λ,
If the refractive index is n and the resonator length is, then the spread width δ of the Stokes light towards the entrance window due to diffraction can be estimated by approximately λ~1μ, n
-1, 1, 1 to 4 mm, it becomes δ)7°6 μm.

即ちこの分は回折によって入射窓に達しそこから外部へ
出て損失となる。
That is, this portion reaches the entrance window through diffraction and exits from there, resulting in a loss.

従ってこの回折損失はl)=δ/Sで与えられ約9%と
なり反射膜による損失しRと吸収損失り、の和約6%に
対して無視することはできなくなる。上記の回折損失は
フラウンホーフッ回折による近似であって、実際はフレ
ネル回折であるから回折損失は2〜3%に低下する。し
かしながら、ストライプ幅を狭くしていけば明らかに口
折損失は大ぎくなり、もはや無視できず入射パワを上げ
ざるを得ない。
Therefore, this diffraction loss is given by l) = δ/S and is approximately 9%, which cannot be ignored compared to the sum of the loss due to the reflective film, R, and absorption loss, which is approximately 6%. The above diffraction loss is an approximation by Fraunhoof diffraction, and since it is actually Fresnel diffraction, the diffraction loss is reduced to 2 to 3%. However, if the stripe width is made narrower, the breakage loss obviously increases, and it can no longer be ignored and the incident power must be increased.

活性層のキャリア密度が2 X 10  cn+−3の
ときは、活性層のストライプ幅は上記の1/2、つまり
40μm程度またはそれ以下にしなければならない。
When the carrier density of the active layer is 2×10 cn+−3, the stripe width of the active layer must be 1/2 of the above value, that is, about 40 μm or less.

従って、回折損失は増大し、励起光として必要な強度は
25()mWより大きくならざるを得ない。
Therefore, the diffraction loss increases, and the intensity required as the excitation light must be greater than 25 mW.

ALPとGa Pの屈折率の差は正確には知られていな
いが、ALPの方が屈折率が小さく、およそ八〇≦0.
5のオーダーであり上記の例ではA L、 Ga t−
z pHのχの値は0.3〜0.07の間が適当であり
、X−> Q 、lが最適である。ストライプ、特に滑
らかな側面を有するストライプの形成法は実施例の最後
にまとめて記載する。
The difference in refractive index between ALP and GaP is not precisely known, but ALP has a smaller refractive index, approximately 80≦0.
In the above example, A L, Ga t-
The value of χ of z pH is suitably between 0.3 and 0.07, and X->Q, l is optimal. Methods for forming stripes, especially stripes with smooth sides, are summarized at the end of the examples.

(実施例2) 実施例1においては、ストークス光はほぼ平行なビーム
であるが入射窓め部分では強・度が低下し第3図に示し
たような強度分布を有するが、回折によって一部分入射
窓に達するので入射窓からの損失が大きくなる。そこで
上から見たうマン活性層ストライプの形状を第4図に示
すように入射窓側で傾斜を持つようにし、ストークス光
が入l)l窓に回折によって達し外へ失われ゛る効果を
減少させる。つまりストークス光は図の点線に沿って進
む。実施例1と同じくレーザ長4IllI11活性層ス
トライプの幅Sが85μ、入射窓の幅Wが5μの場合、
傾斜を有する部分の長さL′を100μ、入射側ストラ
イプ幅90μとすればL′の部分での回折による損失は
(1)式の見をL′で置き替え1/40以下に減少し、
全く無視しえる。L′を一小ざくすればそれだけ回折損
は減少するが、入射光の入射角が大きくなるため、スト
ライプ側面での反射による損失が大きくなりまた極端な
場合は励起光に対する屈折率差による閉じこめ効果が失
われる。しかしレンズ等で集光される入射光はいずれに
しろ結晶内部で広がるのでその広がり角程度の傾斜角θ
8−!W/J、’を有していても構わない。Ill型的
な例としては、励起光の結晶内部での広がり角は0.0
1程度であり、傾斜部L′は50uni!’度までは許
される。
(Example 2) In Example 1, the Stokes light is a nearly parallel beam, but the intensity and intensity decrease at the entrance window part, resulting in an intensity distribution as shown in Figure 3. Since the light reaches the window, the loss from the entrance window becomes large. Therefore, the shape of the Mann active layer stripe viewed from above is made to have an inclination toward the entrance window as shown in Figure 4, thereby reducing the effect of Stokes light entering the window and reaching the window through diffraction and being lost to the outside. let In other words, Stokes light travels along the dotted line in the figure. As in Example 1, when the laser length is 4IllI11, the width S of the active layer stripe is 85μ, and the width W of the entrance window is 5μ,
If the length L' of the sloped part is 100μ and the stripe width on the incident side is 90μ, the loss due to diffraction at the part L' can be reduced to 1/40 or less by replacing the equation (1) with L'.
It can be completely ignored. If L' is reduced by a small amount, the diffraction loss will be reduced accordingly, but since the angle of incidence of the incident light will increase, the loss due to reflection on the stripe side will increase, and in extreme cases, there will be a confinement effect due to the difference in refractive index for the excitation light. is lost. However, since the incident light focused by a lens etc. spreads inside the crystal, the inclination angle θ is about the same as the spread angle.
8-! W/J,' may also be included. As an example of type Ill, the spread angle of the excitation light inside the crystal is 0.0.
1, and the slope L' is 50 uni! 'It is allowed up to a degree.

(実施例3) 第5図の(a )は上面図、(b)は入射側から見た端
面の図である。ラマン活性層3は幅Sのストライプ状を
しておりその上に活性層幅に等しいかそれ以下の幅S′
を持つ励起光導入層10を形成する。後者はAAGaP
なるy    1−7 層でありχくχである。
(Example 3) FIG. 5(a) is a top view, and FIG. 5(b) is an end view as seen from the incident side. The Raman active layer 3 is in the form of a stripe with a width S, and on top of it is a stripe with a width S' equal to or less than the active layer width.
The excitation light introduction layer 10 having the following properties is formed. The latter is AAGaP
This is the y 1-7 layer, which is χ×χ.

活性層、クラッド層、励起光導入層の屈折率をそれぞれ
nl 、nよ、n、とすればn、>n、>n2となり、
励起光は活性層全体に広がるがストークス光は活性層の
みに閉じこめられる。へ〇’l窓は(b)図の励起光導
入図の端面10そのものである。これは、蒸着膜5の一
部分11をフォトリソグラフィによって除去することに
より形成される。
If the refractive indices of the active layer, cladding layer, and excitation light introduction layer are nl, n, and n, respectively, then n, >n, and >n2,
The excitation light spreads throughout the active layer, but the Stokes light is confined only to the active layer. The 〇'l window is the end face 10 itself in the excitation light introduction diagram in Fig. 1(b). This is formed by removing a portion 11 of the deposited film 5 by photolithography.

例としてχ−0,15、Y−0,1、Ai。Examples are χ-0,15, Y-0,1, Ai.

Ga 、−y P層の幅2μ、厚み2μ、活性層の幅2
0μ〜50μである。励起光導入層の長さは、共振器長
全長にわたる必要はない。すなわち、入射窓から入った
入射光は活性層を含めた層全体に広がるので第6図のよ
うに途中で狭くなり消失する構造にしてもよい。入射窓
の面積は4μm lだから約40mWの注入形CW半導
体レーザで励起することができる。
Ga, -y P layer width 2μ, thickness 2μ, active layer width 2
It is 0μ to 50μ. The length of the excitation light introduction layer does not need to span the entire length of the resonator. That is, since the incident light that enters through the entrance window spreads over the entire layer including the active layer, a structure may be adopted in which the light narrows in the middle and disappears as shown in FIG. Since the area of the entrance window is 4 μm 1, it can be excited with an injection type CW semiconductor laser of about 40 mW.

(実施例4) 活性層のストライプを全長4■の途中の大部分でデーパ
部分を経て狭くし、入射端出力端付近のみ実施例2に示
した寸法及び構造を有する。第7図に示すストライプの
上面図において広い部分のストライプ幅S1、狭い部分
の平均的なストライプ幅8z、長さLよとすれば狭い部
分での励起光強度が、従ってゲインが8./82倍にな
るから、実施例3に比べて励起光パワは で与えられるファクターだけ小さくて済む。L−4nu
e、  見2−3mm、 S、−85μ、 S 2 =
 10μ晴とすればこのファクタは0.15となり、必
要な励起光パワは実施例2の250mWに比べて38m
Wで済む。
(Embodiment 4) The stripe of the active layer is narrowed through a tapered part in most of the middle part of the total length of 4 cm, and only the vicinity of the input end and the output end have the dimensions and structure shown in Example 2. In the top view of the stripe shown in FIG. 7, if the stripe width in the wide part is S1, the average stripe width in the narrow part is 8z, and the length is L, then the excitation light intensity in the narrow part, and therefore the gain, is 8. /82 times, so compared to the third embodiment, the excitation light power can be reduced by the factor given by. L-4nu
e, 2-3mm, S, -85μ, S 2 =
If the light is 10 μ, this factor becomes 0.15, and the required excitation light power is 38 mW compared to 250 mW in Example 2.
W will do.

テーパの形状はなだらかであれば任意でよい。典型的な
例としては、テーパ部分の長さはそれぞれ250μm1
又幅の広い部分の長さもそれぞれ250μmである。
The shape of the taper may be arbitrary as long as it is gentle. As a typical example, the length of each tapered portion is 250 μm1
The length of each wide portion is also 250 μm.

(実施例5) 全く同様な構造のストライプは実施例3の構造において
も可能なことは言うまでもない。例えば実施例3におい
て活性層の幅S、を20μ讃とし狭い部分を励起光導入
層と同じ幅、即ち5t−2μmとすれば、ファクタ「は
0.13となり、励起光パワは先の40mWから5mW
にまで低下させることができる。このようにストライプ
をテーパ状部分によって狭くすることは、励起光パワを
下げられるだけでなく端面近くでの光の強度が下げられ
、光の強電界による表面破壊現象を避けることができる
(Example 5) It goes without saying that stripes having a completely similar structure are also possible in the structure of Example 3. For example, in Example 3, if the width S of the active layer is 20μm and the narrow part is the same width as the excitation light introduction layer, that is, 5t−2μm, the factor ``is 0.13, and the excitation light power is changed from 40mW. 5mW
can be reduced to. By narrowing the stripes by the tapered portions in this way, not only can the power of the excitation light be lowered, but also the intensity of the light near the end facets can be lowered, thereby making it possible to avoid the surface breakdown phenomenon caused by the strong electric field of the light.

(実施例6) 以上はストライプの幅を狭くするのであるが、もちろん
第8図のように厚みを端面付近を除く部分で徐々に狭く
してもよい。第8図は側面図であって長さを縮めて模式
的に表した。また両方を同時に行なってもよい。例えば
実施例4において端面近くでの厚みdlを5μとし、中
央近くでの平均的厚みdよを1μ、その部分の長さを3
Il111全長を4+esとすれば、ファクタfは(2
)式と同様な式で与えられるから、0゜25となり、必
要な励起パワは実施例4の38111Wから9.5mW
にまで減少する。
(Embodiment 6) In the above, the width of the stripe is narrowed, but of course the thickness may be gradually narrowed in the portions excluding the vicinity of the end face, as shown in FIG. FIG. 8 is a side view and is schematically shown with its length shortened. Moreover, both may be performed simultaneously. For example, in Example 4, the thickness dl near the end face is 5 μ, the average thickness d near the center is 1 μ, and the length of that portion is 3 μ.
If the total length of Il111 is 4+es, the factor f is (2
), it is 0°25, and the required excitation power is 9.5mW from 38111W in Example 4.
decreases to .

実施例1.2.4の製作方法は次のようなものである。The manufacturing method of Example 1.2.4 is as follows.

GaP基板上にvA喰差法液相成長法により、不純物無
添加のALxGa、−xP第−クラッド層及びGa P
活性層を成長する。次にGa P活性層上にリソグラフ
ィ技術によりストライプ状レジスト膜を形成しこれをマ
スクとしてPCl、ガスによるリアクティブイオンエツ
チング(RIE)を行なう。
Impurity-free ALxGa, -xP-th cladding layer and GaP were grown on a GaP substrate by vA differential liquid phase growth.
Grow the active layer. Next, a striped resist film is formed on the GaP active layer by lithography, and using this as a mask, reactive ion etching (RIE) is performed using PCl gas.

PCl、ガスはGaPに対して特に有効である。これに
よってほぼ垂直に近く滑らかな側面が形成される。
PCl, a gas, is particularly effective for GaP. This creates a nearly vertical and smooth side surface.

ラマンレーザのゲインは小さいので側面において数%の
故乱闘失があっても閾値が決定的に増大するがPCl、
、ガスによってエツチングすれば側面は充分に滑らかに
なり散乱損失は実質的に生じない。
Since the gain of the Raman laser is small, even if there is a few percent scuffle loss on the side, the threshold will decisively increase, but PCl,
When etched with a gas, the side surfaces become sufficiently smooth and scattering loss does not substantially occur.

活性層ストライプは2μから10μと比較的深く、かつ
光の散乱を生じないようにまた垂直に近くエツチングす
る必要がある。PCJL、ガスを対向電極を有する真空
チェンバに導き、約0.05Torrの圧力で3.2M
Hz 、1200Wの高周波電力を加えることにより1
μIIl/winという高速でエツチングできる。エツ
チングマスクとしては通常のポジティブホトレジストで
よい。ストライプ形成プロセス後、同じ成長法によりA
LえGa、−χP第二クラッド層及びGaPバッファ層
を成長する。
The active layer stripes are relatively deep, from 2 to 10 microns, and must be etched nearly vertically to prevent light scattering. PCJL, the gas is introduced into a vacuum chamber with counter electrodes and 3.2 M at a pressure of approximately 0.05 Torr.
Hz, by applying high frequency power of 1200W.
Etching can be performed at a high speed of μIIl/win. An ordinary positive photoresist may be used as the etching mask. After the stripe formation process, A
A Ga, -xP second cladding layer and a GaP buffer layer are grown.

実施例3.5の場合ははじめに第一クラッド層、活性層
、励起光導入層を成長する。次に励起光導入層用のマス
クによりこの層のみ先述のRIEプロセスによりストラ
イプを形成する。
In the case of Example 3.5, first the first cladding layer, the active layer, and the excitation light introduction layer are grown. Next, using a mask for the excitation light introduction layer, stripes are formed only in this layer by the above-mentioned RIE process.

次に活性層用のマスクを使も)今度はレジスト族を活性
層の幅に塗付し、同様のRIE行程を再度行なえばよい
。その後第二クラッド層とバッフ7層を成長する。
Next, using a mask for the active layer, a resist group is applied to the width of the active layer, and the same RIE process is performed again. After that, a second cladding layer and seven buff layers are grown.

厚みを徐々に変化させる実施例6においては活性層を成
長後ストライプの中心近(3+u++の長さの部分に開
口を有するレジスト膜を用いてこの部分を1μの深さま
でRIEプロセスでエツチングする。次に新たに両側に
100μ程度広い開口を有する即ち開口幅3.2mgの
レジスト膜を形成し再び1μエツチングする。順次同じ
ように開口を広げてRIEプロセスを4回行なえば狭い
部分の厚みは1μとなりテーパ部分の長さはそれぞれ3
00μとなる。2度目のRIEではじめのエツチングに
よる段差は滑らかになるがなお滑らかにするには通常の
ウェットエツチングを最後に追加すればよい。
In Example 6, in which the thickness is gradually changed, after the active layer is grown, a resist film having an opening near the center of the stripe (3+u++ length part) is used, and this part is etched to a depth of 1 μm by RIE process.Next A new resist film with openings about 100μ wide on both sides, that is, an opening width of 3.2mg, is formed and etched again by 1μ.If the openings are expanded in the same way and the RIE process is performed four times, the thickness of the narrow part becomes 1μ. The length of each tapered part is 3
It becomes 00μ. The second RIE will smooth out the step caused by the first etching, but to make it even smoother, normal wet etching can be added at the end.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明の半導体ラマンレーザは、以上のような構成より
なるものであり、従来のものに比し、はるかに低いパワ
すなわち250mWから10mWあるのはそれ以下のパ
ワを有するCWの励起用レーザで動作する。特にCW釣
動作注入形半導体レーザを励起レーザとして動作するの
で励起源を含めて全て半導体で構成されたCW釣動作半
導体ラマンレーザが提供される。放電管や大型のTi源
を必要としないので極めて長寿命で信頼性が高く小形で
ある。半導体ラマンレーザは光ヘテロダイン検波方式及
び遠赤外光波発生に及び非常に波長純度安定度の高いキ
ャリア光波発生用に使用しえることは本発明者が既に提
案しているが、CW釣動作比較的低パワ注入形半導体レ
ーザで動作するから現在の光通信用注入形半導体レーザ
がそのまま使用でき、光通信を超広帯域、即ち超多重化
する手段を提供入射も・ g3  図  4 W (良 ) <b) w!is 図 s6ae
The semiconductor Raman laser of the present invention has the above-described configuration, and operates with a CW excitation laser having a much lower power than conventional ones, that is, 250 mW to 10 mW or less. . In particular, since a CW fishing injection type semiconductor laser is operated as an excitation laser, a CW fishing injection semiconductor Raman laser is provided which is composed entirely of semiconductors including the excitation source. Since it does not require a discharge tube or a large Ti source, it has an extremely long life, high reliability, and is compact. The present inventor has already proposed that semiconductor Raman lasers can be used for optical heterodyne detection, far-infrared light wave generation, and carrier light wave generation with extremely high wavelength purity stability, but the CW fishing operation is relatively low. Since it operates with a power injection type semiconductor laser, current injection type semiconductor lasers for optical communication can be used as is, and it provides a means for ultra-wideband optical communication, that is, ultra-multiplexing. Lol! is figure s6ae

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)GaP基板結晶上にエピタキシャル成長により形
成されるAl_xGa_1_−_xPの第一クラッド層
、前記第一クラッド層の上にストライプ状に形成される
GaPのラマン活性層、前記ラマン活性層の上に形成さ
れ前記ラマン活性層の上及びその側面を囲むAl_xG
a_1_−_xPの第二クラッド層とからなり対向する
二つの端面に高い反射率を有する誘電体膜が形成されて
おり前記誘電体膜の一部分に、集光された励起光をラマ
ン活性層に導入する入射窓が開けられ入射窓から入射さ
れた励起光がクラッド層の内側に閉じこめられて多重反
射を行なうことによってその強度が略々入射窓における
強度に達し、かつストークス光の入射窓からの損失が充
分に小さくなるように入射窓の面積が小さく設計された
ことを特徴とする半導体ラマンレーザ。
(1) A first cladding layer of Al_xGa_1_-_xP formed by epitaxial growth on a GaP substrate crystal, a Raman active layer of GaP formed in a stripe shape on the first cladding layer, and a Raman active layer formed on the Raman active layer. Al_xG surrounding the Raman active layer and its sides
A dielectric film having a high reflectance is formed on two opposing end faces of the a_1_-_xP second cladding layer, and the focused excitation light is introduced into a part of the dielectric film into the Raman active layer. The entrance window is opened, and the excitation light incident from the entrance window is confined inside the cladding layer and undergoes multiple reflections, so that its intensity almost reaches the intensity at the entrance window, and the loss of Stokes light from the entrance window A semiconductor Raman laser characterized in that the area of the entrance window is designed to be small so that the area of the incident window is sufficiently small.
(2)前記ラマン活性層のストライプが、入射窓の近く
で傾斜を持つことによつて入射窓からのストークス光の
損失を少なくしたことを特徴とする前記特許請求の範囲
第1項記載の半導体ラマンレーザ。
(2) The semiconductor according to claim 1, wherein the stripes of the Raman active layer have an inclination near the entrance window to reduce loss of Stokes light from the entrance window. Raman laser.
(3)前記ラマン活性層に接して前記クラッド層の内側
に励起光導入層Al_yGa_1_−_yP層が設けら
れ、ラマン活性層、クラッド層励起光導入層の屈折率を
それぞれn_1、n_2、n_3としたときn_1>n
_3>n_2となることを特徴とする前記特許請求の範
囲第1項記載の半導体ラマンレーザ。
(3) An excitation light introduction layer Al_yGa_1_-_yP layer is provided inside the cladding layer in contact with the Raman active layer, and the refractive index of the Raman active layer and the cladding excitation light introduction layer are n_1, n_2, and n_3, respectively. When n_1>n
The semiconductor Raman laser according to claim 1, characterized in that _3>n_2.
(4)前記ラマン活性層のストライプが、テーパ状部分
を経て少なくとも一部分狭くされたことを特徴とする前
記特許請求の範囲第1項乃至第3項のいずれか一項に記
載の半導体ラマンレーザ。
(4) The semiconductor Raman laser according to any one of claims 1 to 3, wherein the stripe of the Raman active layer is at least partially narrowed through a tapered portion.
(5)前記ラマン活性層のストライプがPCl_3ガス
によるエッチングで形成されることを特徴とする前記特
許請求の範囲第1項乃至第4項のいずれか一項に記載の
半導体ラマンレーザ。
(5) The semiconductor Raman laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the stripes of the Raman active layer are formed by etching with PCl_3 gas.
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