JPH01204488A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光情報処理に用いられる半導体レーザ、特に光
デイスクファイルシステムに用いられる低雑音レーザに
関するものである。

〔従来の技術〕

半導体レーザはコンパクトディスク、ビデオディスクを
はじめとして多くの記録媒体の光ピンクアップ用光源に
使われている。その際、現在問題となっているものの一
つが、読み込み時に記録媒体から半導体レーザに戻るレ
ーザ光による雑音の発生である。

この雑音の発生のメカニズムを以下に簡単に述べる。半
導体レーザの共振器面から出射されたレーザ光が記録媒
体によって反射され、一部はレーザ内部へ戻ることによ
り内部レーザ光と結合し、一部は半導体レーザの共振器
表面でさらに反射されることにより外部共振器を形成す
る。この外部共振器長は常に変化し、また半導体レーザ
の共振器長に比べ極端に長いため軸モード間隔が短いの
で軸モードの競合が起こり易くなり、モードホッピング
に伴って雑音が発生する。

この戻り光雑音を軽減するために、いくつかの方法が提
案されている。そのうちの一つが可飽和吸収体を利用し
た自動発振型マルチ軸モードレーザである。この代表的
な例としてｒｓｓｓレーザがある（鈴木他、ｒｒｓｓｓ
レーザの雑音特性と自己パルス変調の機構」電子通信学
会・光量子エレクトロニクス研究会０ＱＥ８４−５７）
。

まずこの従来例について簡単に説明する。第７図はｌ５
ＳＳレーザの構造を示す模式断面図である。その製作方
法は、まず、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ法）に
より、ｐ−ＧａＡｓＭ４反２１上に反履１上なる電流ブ
ロック層２２〜２６を成長させる。その構造は下からｎ
−ＧａＡｓ層２２、ＡｌＧａＡｓ層２３、ｎ　　ＧａＡ
ｓ層２４、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２５、ｎ−ＧａＡｓ層２
６である。このうち、ブロック層２３と２５のＡ／Ｇａ
Ａｓは後に行う液相成長時のメルトバンクを防ぐための
ものである。

この多層からなるブロック層２２〜２６を積層したウェ
ハにＢ　Ｃｌ　ｘ　／　Ｃ（ｌ　ｚをエツチングガスと
する反応性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ　：　Ｒｅａｃ
ｔｉｖｅ　ＩｏｎＩＥｔｃｈｉｎｇ）によりＴ字型の溝
を形成する。この工程は２回のエツチングからなり、溝
の先端は基板に達するようｔＥを制御しなければならな
い。

次に、このＴ字溝付きウェハに液相成長法（ＬＰＥ）に
よって、ｐ　ＡｌＧａＡｓクランド層２７、ｐ−Ａｊ２
ＧａＡｓ活性層２８、ｎ−ＡｆＧａＡｓクラッド層２９
、お上２９−ＧａＡｓキャンプＮ３０を順次成長するこ
とによりレーザの結晶構造は完成する。

このレーザ構造の特徴は、活性層２８の電流注入領域が
Ｔ溝の先端の狭い部分の幅で決まるのに対して、等測的
な光ガイド領域はＴ溝肩部の幅によって独立に制御でき
る点にある。

第８図は１ｓｓｓレーザのキャリア密度分布と光強度分
布の関係を模式的に表したものである。

図中、破線３５は横方向に導波される光の強度分布を、
実線３４は活性層２ｇへの注入キャリア密度分布をそれ
ぞれ表している。また、３２はブロック層を示している
。光ガイド領域に比べ電流注入領域が狭いから、光ガイ
ド領域中の活性層のキャリア注入レベルが低い部分（斜
線で示した部分）が可飽和吸収体３３として機能する。

可飽和吸収体が自動発振を引き起こす機構は未だ明確で
はないが、定性的には可飽和吸収体がＱスイッチ発振を
引き起こすものとして理解されており、Ｉ　ＳＳＳレー
ザだけでなく類似の構造で自動発振動作が確認されてい
る。その際、可飽和吸収領域ではギガヘルツオーダーの
周波数でキャリア密度が変動することにより屈折率も変
化する。このため軸モードが極めて高速にモードホップ
するため、空間的にはあたかもマルチモード発振の様に
観測される。この結果、高周波重畳回路等の外部装置を
付加することなく、レーザ光のコヒーレンスは低下し戻
り光に対して雑音を発生しにくいという特長を有してい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このｌ５ＳＳレーザあるいは類似の構造
のレーザには多くの問題点がある。まず、マルチ軸モー
ド発振を起こし易くするために利得導波性を強めなけれ
ばならず、そのためのデバイス構造パラメータが極めて
微妙で製作の歩どまりが極めて低いということである。

実際、Ｉ　ＳＳＳレーザで−は層厚制御のためのＭＯ−
ＶＰＥおよび平坦化のためのＬＰＥの２回の結晶成長、
ＲＩＥによる２工程の微細加工を必要としている。さら
に決定的な問題点として、注入量が上がるにつれてキャ
リアの拡散により可飽和吸収領域が減少し安定な多モー
ド発振は得られにくくなる、つまり低雑音となる光出力
の領域が低出力領域に限られてしまう。またキャリア及
び利得の温度依存性のために安定なマルチ軸モード動作
は困難である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、広い範囲の光出力にわたって安定なマ
ルチ軸モード発振を維持し、戻り光に対して安定な低雑
音動作が可能な半導体レーザを再現性良く提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、化合物半導体の多層構造からなる半導体レー
ザにおいて、レーザの共振器が一対の曲面鏡からなるこ
とを特徴とする。

〔作　用〕

本発明の骨子は共振器面形状を曲面とすることで端面各
部で反射率を変化させ、半導体レーザのしきい値利得の
空間分布を制御し、軸モード選択比を弱めキャリアの高
注入時においてもマルチ軸モード発振を維持し、空間的
コヒーレンシーを低下させ、戻り光雑音を低く抑えるこ
とにある。本発明の作用を明確にするために以下に補足
的説明を行う。

半轟体レーザの発振に必要な利得Ｇｔｈは、次のように
表せる。

ここで、Ａは内部損失、Ｌは共振器長、Ｒ１，Ｒ２は共
振器前面後面の端面反射率である。また利得Ｇの電流密
度依存性は、以下の関係がある。

Ｇ＝Ｂ　−Ｊ　　　　　　　　　　　　　　（２）ここ
で、Ｊは電流密度、Ｂは比例定数である。

（２）式より利得はキャリア分布と相似形であり、レー
ザ媒質が均一であれば、（１）式よりレーザ内部ではし
きい値利得は一定となる。この結果、発振波長は最小し
きい値利得ピークに最も近い軸モードとして選択される
。

通常の利得導波型レーザの場合、電流注入領域幅がキャ
リアの拡散長よりも十分広い時には、キャリア分布は釣
鐘状であり、利得分布もそれを反映している。このため
低注入レベルでは、キャリアのホールバーニングのため
本質的にマルチ軸モード発振し易い傾向にある。しかし
キャリアの注入レベルが上がると利得はその軸モードで
消費されるので軸モードの選択性が強まり、原理的には
単一軸モードで動作する。しかし実際には自然放出光成
分や利得の不均一があるため、何本かのサブモードが観
測される。

一方、屈折率導波型の基本横モード制御されたレーザで
は、キャリアの注入領域はキャリアの拡散長程度であり
、しきい値利得は実効的なキャリア注入領域内でほぼ一
定である。また光強度は注入領域中央に集中するため、
キャリア分布は空間的ホールバーニングの影響を受は易
くなり、しきい値利得も一様となり低レベルから単一軸
モード性が強くなる。このため屈折率導波型レーザでは
戻り光雑音に弱いとされている。この様子を第５図に示
した。図中、（ａ）および（ｂ）において、横軸は横モ
ード方向にとってあり、−ａ＜ｘ＜ａの領域は実効的な
キャリア注入領域を表している。

縦軸にはしきい値利得Ｇい（ｘ）およびキャリア密度ｎ
　（ｘ）をそれぞれとっである。（ｂ）において破線１
３１は発振直後の低キヤリア密度時のキャリア密度分布
を示し、実線１３２は高注入時におけるキャリア密度分
布をそれぞれ示している。また（Ｃ）は高注入時におけ
る波長スペクトルを表している。

ここでもしキャリア分布に対応したしきい値利得に変化
をつけることができれば、発振時の利得分布に変化をつ
けることができ、軸モードの選択比が弱まり常に安定し
たマルチ軸モード発振を維持することができる。第６図
は、その様子を示したものである。第６図における表記
は第５図とまったく同じである。第６図（ｂ）のように
低注入レベル１３３では第５図に比ベキャリア分布に変
化がなくとも第６図（ａ）の様にキャリア密度に依存し
ないしきい値利得を形成すれば、高注入レベル】３４で
はしきい値利得を反映したキャリア密度分布を形成する
。その結果、第６図（Ｃ）のように高注入時においても
マルチ軸モードを維持できる。

従来例が可飽和吸収体を用いて時間的にマルチモード発
振させていたのに対し、本発明は共振器形状を変化させ
ることにより各部において反射率、即ち共振器損失を制
御して空間的にしきい値利得に変化をつけることによっ
て空間的にマルチモード発振を得るものである。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例の模式的斜視図、第２図はそ
の平面図である。

まずこのレーザの結晶構造について説明する。

第３図はレーザ結晶の断面図である。層構造は以下のご
とくである。（１００）面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１
０１上に＜０１１＞方向に沿って幅３μｍ、深さ１．５
μｍの溝１０２をエツチングで形成した後、液相成長法
によりｎ型ＡＡＧａＡｓクラッド層１０３　、ｎ型Ａｌ
ＧａＡｓ光ガイド層１０４、アンドープＡｌＧａＡｓ活
性層１０５　、ｐ型ＡＩＧａＡｓ光反射１１０６　、ｐ
型Ａｊ２ＧａＡｓクラッド層１０７　、ｎ型ＧａＡｓキ
ャップ層１０８を積層する。

この後、結晶の表面から溝１０２に沿って幅４μｍの領
域のみに亜鉛拡散することで電流注入領域１０９とする
。この構造は基板に形成した溝によって横方向の層厚を
変化させることで屈折率差をつけ、高出力まで安定な基
本横モード動作が可能である。本発明の場合、レンズに
よる集光性を重視しているので安定な基本横モード動作
に優れることは、ぜひ必要である。

次に共振器面形成工程について説明する。まず共振器面
の設計について説明する。（１）式において共振器面が
曲面となることによるしきい値利得の変化ΔＧｔｈは、
共振器長及び反射率が微小変化するとして以下のように
表される。

ΔＧｔｈ” ここで端面反射率は前後対称としてＲ１＝Ｒ２＝Ｒとし
た。共振器長りを３００μｍ程度とすると、曲率半径を
１０μｍとかなり小さくとった場合でも、ΔＬ／Ｌは十
分率さいので共振器長が変化するごとによるしきい値利
得が変化する割合は無視できる。しきい値利得分布はキ
ャリア注入密度が小さい部分はど小さく設定する必要が
ある。つまり電流注入領域の中央よりも周辺部で、しき
い値利得が小さいことが望ましい。この条件を満たす共
振器形状として周辺部から中央部に行くにつれ、曲面の
曲率半径が小さくなっていればよい。

さて、第１図および第２図に戻り、本実施例の場合、共
振器面１２３ａ、　　１２３ｂは中央から５μｍ離れた
位置で４０μｍの曲率半径、中央位置で５μｍの曲率半
径が連続的に変化するよう共振器形状を設定した。この
ときのΔＲ／Ｒの空間分布を第４図に模式的に示した。

この結果、第６図（ａ）のような理想的なしきい値利得
分布が得られる。

このしきい値利得分布は高注入になっても保たれるので
、マルチ軸モードで発振が可能である。

次に本実施例の製作方法について説明する。第３図で示
したレーザウェハ上にレジストで共振器形状をパターニ
ングし、これをエツチングマスクとして反応性イオンビ
ームエツチング（ＲｒＢＥ：　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｊｏ
ｎ　Ｂｅａｍ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　）により、ＧａＡＳ基
板１０１に達するまでエツチングを行う。ＲＩＢＥは指
向性及び異方性に優れエツチング面に与える損傷も小さ
いので本発明の目的に適している。

共振器を形成した後、共振器面１２３ａ、　　１２３ｂ
のバンシベーションを行い端面を保護する。次に電流注
入領域１０９上のウェハ表面に正電極１２１、裏面全面
に負電極１２２を形成して完成する。

本実施例では、凸形状の共振器面を用いたが凹形状のも
のを用いることももちろん可能である。

特にレーザ構造が利得ガイド型の場合には、非点隔差が
大きいので凹形状のものの方が非点隔差をも小さくでき
るという利点ある。

第４図のように本実施例の場合、反射率は通常のへき開
面よりも低下するのでしきい値の増大および微分効率の
低下による動作電流の増加を招く恐れがある。しかし、
この問題は後の端面を高反射率コーティングすることに
より容易に解決することができる。

〔発明の効果〕

本発明の最大の効果は屈折率導波型の半導体レーザにお
いて、高注入時においてもマルチ軸モード発振が得られ
ることにある。この結果、基本横モードを保ったままで
レーザ光の空間的コヒーレンスが高くならないために、
ディスク媒体からの戻り光が数パーセントと大きい場合
でも雑音レベルが高くなることを避けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である半導体レーザの模式的
斜視図、 第２図は第１図の半導体レーザの平面図、第３図は第１
図の半導体レーザのレーザ結晶の断面図、 第４図は曲面共振器による横方向各部の反射率分布、 第５図は通常の屈折率導波型レーザのしきい値利得分布
、キャリア密度分布、高注入時の軸モートスベクトルを
示す図、 第６図は本発明の半導体レーザのしきい値利得分布、キ
ャリア密度分布、高注入時の軸モードスペクトル、 第７図は従来例の半導体レーザのレーザの構造を表す断
面図、 第８図は第７図の半導体レーザのキャリア密度分布と光
強度分布の関係をそれぞれ示す図である。 １０１　　・・・・・ＧａＡｓ基板 １０２　　・・・・・エノチンク溝 １０３　　・・・・・ＡｆＧａＡｓクラッド層１０４　
　・・・・・ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５　・・・・
・ＡＩＧａＡＳ活性層ｌＯ６・・・・・ＡＩＧａＡＳ中
間層 １０７　　・・・・・Ａ／ＧａＡｓクラッド層１０８　
　・・・・・Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ、　Ａ　Ｓキヤ・ノブ層１
０９　　・・・・・電流注入領域 １２１　　・・・・・正電極 １２２　　・・・・・負電極 １２３ａ、　１２３ｂ　・・・共振器面１３１．１３３
　　・・・低注入時のキャリア分布１３２．１３４　　
・・・高注入時のキャリア分布代理人　弁理士　　岩　
佐　　義　幸 第１図 第２図 １０９電、茄注入領域 圭ソ汁 −ａ　　　　　　　　　　　　　　　ａ第４図 Ｇ＋ｈ　（Ｘ）　　　　　　　　　　　　　　　　Ｇｔ
ｈ（ｘ）ｎ（ｘ）　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　ｎ（ｘ）（ｂ）　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂン第５図
　　　　第６図 第７図 第８図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）化合物半導体の多層構造からなる半導体レーザに
   おいて、レーザの共振器が一対の曲面鏡からなることを
   特徴とする半導体レーザ。
2. （２）前記半導体レーザの構造が屈折率導波型であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. （３）前記１対の曲面鏡の各部の曲率半径が連続的に変
   化し、各部の注入キャリア密度との間に正の相関がある
   ことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ
   。