JPH0122753B2 - - Google Patents

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JPH0122753B2
JPH0122753B2 JP58183445A JP18344583A JPH0122753B2 JP H0122753 B2 JPH0122753 B2 JP H0122753B2 JP 58183445 A JP58183445 A JP 58183445A JP 18344583 A JP18344583 A JP 18344583A JP H0122753 B2 JPH0122753 B2 JP H0122753B2
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JP
Japan
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semiconductor laser
current
electrodes
light
deflection
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JP58183445A
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JPS6076182A (ja
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Hiroyoshi Yajima
Katsuhiro Suzuki
Akihiro Sone
Seiji Mukai
Shinichiro Uekusa
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication of JPH0122753B2 publication Critical patent/JPH0122753B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/04Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04256Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06233Controlling other output parameters than intensity or frequency
    • H01S5/0624Controlling other output parameters than intensity or frequency controlling the near- or far field

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
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  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は注入電流を制御することにより、放射
ビームの偏向方向をスイツチすることができるよ
うにした半導体レーザに関する。
半導体レーザは小型化、高効率化、高出力を可
能とする発光素子として光通信用光源に現在使用
され出している。光通信用光源には最初気体レー
ザが用いられ、その変調には超音波素子、電気光
学素子等の外部変調素子がこれまで用いられてき
た。
これに対して半導体レーザでは注入する電流を
変調することにより出力光強度を変化させる所謂
直接変調が可能であり、したがつてシステム構成
の簡素化、信頼性の向上等が可能となり、実用上
極めて有効な手段となり得る。
一方、以上のような時間域の変調技術に対して
空間域における光の変調技術(ビームの偏向、走
査等)もまた、光が画像等の2次元的情報処理技
術を得意とするところから応用上極めて重要な技
術である。
このような空間的光変調技術については従来、
ミラーを回転する方法、超音波偏向素子や電気光
学素子を利用する方法等が採用されている。しか
しながらミラーを回転させる方法では高速化を図
ることができないこと、また超音波偏向素子や電
気光学素子では大きな偏向角を得ることができな
い等の欠点の他、いずれの方法においても外部変
調方式のため、システム構成が複雑になり、装置
の小型化を図ることができない等の欠点がある。
光の空間的変調が半導体レーザへの注入電流を制
御することにより直接実現できるようになればシ
ステムの小型化、信頼性の大巾な向上が図れるこ
とになり、光情報処理技術の発展に貢献するとこ
ろ大である。
そこで本願発明者等は、特に注入電流を制御す
ることにより放射ビームの偏向方向をスイツチす
ることができる半導体レーザを開発する目的で鋭
意研究の結果、本発明を完成したものである。
ここで電流注入型半導体レーザの動作原理を行
い、次に本発明の原理について説明する。
第1図は利得導波型と呼ばれる半導体レーザの
構造例を示すもので、1はn―GaAs基板、n―
GaAs基板1には低屈折率層であるn―AlXGa1-X
Asバツフア層2、AlYGa1-YAs活性層3、低屈折
率層であるp―AlXGa1-XAsバツフア層4、p―
GaAs層5、SiO2絶縁層6が順に積層され、更に
SiO2絶縁層6の一側面にはP側電極7が設けら
れ、n―GaAs基板1の一側面には注入電流用電
極であるn側電極8が設けられ、またn側電極8
には電流注入部9が設けられる。
そして、電流注入部9から半導体層へ注入され
た電流はAlYGa1-YAs活性層3の中心部3aにお
いて光エネルギーに変換されるが、この光は上下
の低屈折率層4,2に挾まれて活性層3に閉じこ
められ、横方向の光分布は注入電流密度によつて
決定される。
第2図は注入電流密度分布が中心部3aに沿つ
て―aからaまで一様に分布した場合の横方向基
本モードa、1次モードb、2次モードcの光強
度分布を示す。また、これら導波モードが半導体
レーザ端面から放射された時の遠視野像を第3図
に示す。
ここで、横軸は半導体レーザ端面から見た放射
角度、縦軸は放射光強度である。基本モードの遠
視野像aは中心軸上が最大強度となり、中心軸か
ら周辺へ単調に減少する光強度分布を持つのに対
し、1次モードの遠視野像bは双峰性を示し、2
次モードの遠視野像cは中央のピークが小さく、
両端のピークが大きい双蜂性を示す。いずれの場
合も遠視野像は中心軸に対して対称である。
一方、注入電流密度分布が活性部3a内で非一
様に分布すると、各導波モードの放射ビームの角
度分布も中心軸に対して非対称になる。第4図
は、注入電流密度が非一様に分布した場合の各導
波モードに対する遠視野像の分布例を示す。
これによれば、遠視野像の変化の仕方は基本モ
ードと高次モードの間では本質的相違がある。即
ち、基本モードの放射ビームパターンaは注入電
流密度に勾配を持たせることにより、その最大強
度角度が左右いずれかに移動する変化を示す。こ
れに対して1次モードの放射ビームパターンb、
2次モードの放射ビームパターンcでは双蜂性の
放射ビーム強度のピーク位置は殆んど変化しない
代りに、いずれか一方のピーク強度が減少する
と、他方のピークが最大強度となる変化を示す。
これ等の結果から一般に次のようなことが言え
る。即ち、半導体レーザの活性層内で横方向の基
本モードが励振されている場合に注入電流密度分
布を一様分布からある勾配をもつ不均一分布に
徐々に変化させると、放射ビーム角度を中心から
連続的に左右に変化させることができ、したがつ
て注入電流分布を変化させることにより放射ビー
ムの空間的掃引(走査)が可能となる。
これに対して、活性層内に高次モードが励振さ
れている場合、注入電流密度分布に勾配を持たせ
ると、遠視野像としての双蜂性ピークのいずれか
一方の強度が増大し、同時に他方のピーク強度が
減少する。
この原理を応用すると、放射ビームの偏向スイ
ツチングが可能になる。
一方半導体レーザの活性層内に注入電流の不均
一分布を形成する基本的方法は第5図に示すよう
に、注入電流用電極8を2つの電極8a,8bに
分け、更に電極8a,8bの電流注入部9a,9
bをSiO2絶縁層6に埋設した構造で、この電極
8a,8bからの注入電流比を変化させることに
より活性層3内の電流分布を制御するものであ
る。しかし、この構造ではp―AlXGa1-XAsバツ
フア層4、p―GaAs層5の横方向組成が一様な
ため、電流が左右に拡散してしまい、特に活性層
中央部3aの電流密度が減少しないので基本モー
ド発振を生じ易い。この構造で基本モード発振を
抑制し、高次モード発振のみを行わせるために
は、電極間隙を可成り拡げる必要があるが、あま
り間隙を拡げると高次モード間に結合発振を生
じ、安定な偏向スイツチが実現されない。
そこで、本発明では上記原理に基いて出射ビー
ムの安定な偏向スイツチを実現するために、独立
した2つの電流注入用電極を有する半導体レーザ
において上記両電極間を電気的に絶縁するもので
ある。
そして、以上の構成により活性層中央部の電流
密度を減少させ、基本モードの発振を抑え、高次
モードのみを励起させることができる。この状態
において上記2つの電極へ注入する電流比を変化
させることにより出射ビームの安定な偏向スイツ
チを実現することができるのである。
本発明において独立した2つの電流注入用電極
間を電気的に絶縁する方法としては種々の方法が
考えられるが、以下にこれを例示する。
第6〜第9図は、この実施例を示すもので、第
1図、第5図と共通する部分については符号を共
通して説明を省略する。
第6図の構造は、電流注入部9a,9bの直下
に位置する半導体層4,5部分に異種材料(例え
ば、亜鉛)を拡散またはイオン注入することによ
り低抵抗層10a,10bを形成するものであ
る。
以上の構造においては電流注入部9a,9bよ
り注入された電流は低抵抗層10a,10bに集
中し易くなり、電極8a,8b間の絶縁度が改善
される。その結果活性層の電流分布もまた、双蜂
性を有するようになり、基本モードの発振が抑制
され、高次モード発振が生じ易くなる。
この方法によると、電極間隙を余り拡げる必要
がないので高次モード間の競合発振も起りにくゝ
なり、安定した偏向ビームスイツチングが実現で
きる。
第7図aは電極8a,8b間の絶縁度を向上さ
せるために、電極8a,8b間に半導体層4,5
部分を穿つ溝11を形成するもので、この構造に
よつても活性層中心部3aへの電流注入が妨げら
れ、高次モードのみの発振が可能となる。
第7図bは、第7図bの溝11に替えて電極8
a,8b間の半導体層4,5にプロトン照射等を
行い、ここに高抵抗層12を形成し、高次モード
のみの発振を可能とする半導体レーザの素子構造
の例である。
第8図aは、第7図aの素子構造において発光
領域外側の半導体層4,5をエツチング等により
取除いたものであり、これにより注入電流が電流
注入部9a,9b下に効率良く集中し、高次モー
ド発振をより効率良く行うことのできる半導体レ
ーザの素子構造とすることができる。
第8図bは、第7図bの素子構造において発光
領域外側の半導体層4,5をエツチング等により
取除いたものであり、第8図aと同様に高次モー
ド発振を効率良く行うことのできる素子構造の例
である。
第9図は、n―GaAs基板1を用いた以上の実
施例に対してp―GaAs基板12を用いた偏向ス
イツチ機能を有する半導体レーザの構成例であ
り、この構成ではp―GaAs基板12とn―AlX
Ga1-XAsバツフア層2との間にn―GaAs層から
なる逆バイアス層13を設け、電極8a,8b下
にあるn―GaAs層13、p―GaAs基板12に
はエツチング等によりV溝14a,14bを形成
する。この素子構造において電極8a,8bより
電流を注入すると、n―GaAs層13、p―
GaAs基板12のP―N接合部分には逆バイアス
が加わることになり、この領域を電流は通過する
ことができず、電流はV溝14a,14bから基
板12側に抜けることになる。したがつて注入電
流はV溝14a,14bに近接した活性部分3
b,3cのみを通過することになり、基本モード
発振が抑制され、高次モード発振が可能な半導体
レーザが形成される。
次に、以上のように形成される偏向スイツチ機
能を有する半導体レーザの応用例について述べる
と、第10図は光フアイバー15,16への光信
号入力を半導体レーザ上の電極8a,8bへの注
入電流を変化させることによりスイツチする様子
を示すものである。
本発明に係る偏向スイツチ機能を有する半導体
レーザの場合、放射ビームの角度が一定してお
り、したがつて光フアイバー15,16を所定の
位置に設置すれば、半導体レーザからの出射光は
光フアイバー15,16のいずれか一方には必ず
入り、外部への漏れ光を生ずることがない。
これに対して基本モードが励起されるビーム掃
引レーザでは注入電流を変化させると、ビームが
一方の光フアイバーから他方の光フアイバーへ移
動する際、光がフアイバー外に漏れてしまう。
また以上の偏向スイツチではフアイバー断面上
を光ビームが横切るため、パルス的な信号切換え
を行う際のパルス信号波形の立上り、立下がり部
分に横断時間分のなまりを生ずる。これに対して
本発明の偏向スイツチ機能を有する半導体レーザ
ではビーム位置が変化しないため、注入電流パル
ス波形そのまゝが光パルスとなつて光フアイバー
中に伝送される。このことは将来の超高速光スイ
ツチを実現する上で最も重要な特長となる。
また従来の電気光学結晶を用いた光偏向器の偏
向角度が1〜2℃しかないのに対して、本発明の
偏向スイツチ機能を有する半導体レーザでは、ビ
ーム偏向角度を1次モードで10゜前後、2次モー
ドでは14〜15゜前後とれ、その実用上の価値は頗
る大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は、単一電極を有する利得導波型半導体
レーザの原理構成図、第2図a,b,cは同上の
利得導波型半導体レーザの各発振モードの横方向
光強度分布図、第3図a,b,cは、同上の各導
波モードがレーザ端面から出射したときの遠視野
像図の例、第4図a,b,cは活性層内の注入電
流密度分布が不均一な場合の各導波モードに対す
る出射ビームの遠視野像図の例、第5図は活性層
中に不均一な注入電流分布を生じさせるための独
立した2つの電流注入用電極を有する半導体レー
ザの原理構成図、第6図は同上の両電極間を電気
的に絶縁した本発明の半導体レーザの一実施例を
示す原理構成図、第7図a,bは両電極間を他の
方法で絶縁した本発明の半導体レーザの他の実施
例で、第7図aは両電極間に溝を設けて絶縁した
例、第7図bは高抵抗層を形成することにより絶
縁した例、第8図a,bは同上の第7図a,bの
改良例で、それぞれの半導体層4,5の発光領域
外側をエツチングすることにより高次モード発振
を効率良く行わせるようにした半導体レーザの構
成図、第9図は両電極間に電気的に絶縁するため
の他の実施例を示す構成図、第10図は、本発明
の半導体レーザの適用例を示す斜視図である。 図中、8a,8bは2つの独立した電流注入用
電極、3aは活性層3の中央部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 独立した2つの電流注入用電極を有し、高次
    モードの発振状態において上記2つの電極へ注入
    する電流比を変化させることにより出射ビームの
    偏向スイツチを行う半導体レーザにおいて、 上記両電極間を電気的に絶縁することにより、
    活性層中央部の電流密度を減少させ、基本モード
    の発振を抑え、高次モードのみを励起させるよう
    にしたことを特徴とする出射ビームの偏向スイツ
    チ機能を有する半導体レーザ。
JP58183445A 1983-10-01 1983-10-01 出射ビ−ムの偏向スイツチ機能を有する半導体レ−ザ Granted JPS6076182A (ja)

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JP58183445A JPS6076182A (ja) 1983-10-01 1983-10-01 出射ビ−ムの偏向スイツチ機能を有する半導体レ−ザ

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JPS6076182A JPS6076182A (ja) 1985-04-30
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JPS62281383A (ja) * 1986-05-29 1987-12-07 Omron Tateisi Electronics Co 半導体レ−ザ
JPS63177490A (ja) * 1987-01-17 1988-07-21 Mitsubishi Electric Corp 半導体レ−ザ装置
JP4912719B2 (ja) * 2006-03-30 2012-04-11 アンリツ株式会社 半導体光素子及び光スイッチングシステム並びに波長可変レーザ
JP6331447B2 (ja) * 2014-02-14 2018-05-30 オムロン株式会社 静電容量型圧力センサ及び入力装置

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