JPH01313980A - Second harmonic wave generating device - Google Patents

Second harmonic wave generating device

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JPH01313980A
JPH01313980A JP14486788A JP14486788A JPH01313980A JP H01313980 A JPH01313980 A JP H01313980A JP 14486788 A JP14486788 A JP 14486788A JP 14486788 A JP14486788 A JP 14486788A JP H01313980 A JPH01313980 A JP H01313980A
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Japan
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region
semiconductor laser
shg
diffraction grating
harmonic
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JP14486788A
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Japanese (ja)
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Sotomitsu Ikeda
外充 池田
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    • H01S5/227Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H01S5/2275Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching

Abstract

PURPOSE:To increase conversion efficiency, and realize high density integration by arranging a second harmonic wave generating region composed of II-VI compound semiconductor crystal, on a semiconductor laser layer composed of III-V compound semiconductor, and providing a diffraction grating at a position, in the region, where laser light diffracted by a diffraction grating in a semiconductor laser arrives. CONSTITUTION:A second harmonic wave generating region (SHG region) II is constituted of II-VI compound semiconductor crystal. For example, epitaxial growth is enabled on an AlGaAs system semiconductor laser, and the SHG region II can be easily formed in a unified body. Since the fundamental wave from the semiconductor laser I couples with the SHG region II without passing the external space, the intensity of the fundamental wave can be increased. By a diffraction grating GI in the semiconductor laser I, the fundamental wave generated from the semiconductor laser I is diffracted in the direction of the SHG region II and introduced. By diffracting the introduced fundamental wave with a diffraction grating GII in the SHG region II, the fundamental wave is effectively converted into the second harmonic wave. Thereby high density integration is enabled, and the conversion efficiency is increased.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は、半導体レーザ光の第2高調波を発生させる装
置に関する。この装置は、例えば光記録媒体の記録や再
生において、また例えば半導体製造プロセス等において
有用である。 〔従来の技術] 従来より、基本波に対して波長カ月/2(角周波数が2
倍)の波、すなわち第2高調波を発生させる装置として
、例えば第6図(a)および(b)に模式的に示すよう
な装置が知られている。この装置は、基本波レーザ光の
波長を変換する為の変換素子61と基本波発生光源60
とを有する装置である。なお、第6図(a)の変換素子
61は第6図(b)に示すB−B線の模式的断面図であ
り、第6図(b)は変換素子61の模式的側面図である
。 この図に示すように、基本波(角周波数:W、波長:λ
0)を、基本波発生光源60から変換素子61の導波路
62に導入すると、その基本波の一部が導波路62に対
して斜め下方向の領域63を伝搬して第2高調波(角周
波数=2W、波長:λo/2)に変換される。なお、第
2高調波の伝搬領域63が斜め下方向なのは、この方向
において第2高調波が基本波と位相整合するからである
。 変換素子61としてLiNbO5結晶を採用し、LxN
bOs結晶のLi″″をHoでイオン交換することによ
り光導波路62を形成した変換素子が、松下電器産業側
半導体研究センターで開発され、既に発表されている。 上記発表によれば、この変換素子に対して波長0.84
7L11の半導体レーザ光を基本波として導入すると、
波長0.42μの第2高調波が発生する。 このような第2高調波発生装置を、例えば光ディスクな
どの光記録媒体の記録や再生に使用すれば、レーザ光の
波長を1/2にすることにより、光スポツト面積を1/
4にすることができるので、光記録密度を4倍に向上す
ることができる。また、例えば露光、エツチング、ドー
ピング等の光を利用する半導体製造プロセスなどに使用
する場合もパターン密度を向上□できる。
The present invention relates to a device for generating second harmonics of semiconductor laser light. This device is useful, for example, in recording and reproducing optical recording media, and in, for example, semiconductor manufacturing processes. [Prior art] Conventionally, wavelength/month/2 (angular frequency is 2
For example, a device schematically shown in FIGS. 6(a) and 6(b) is known as a device for generating a second harmonic wave, that is, a second harmonic wave. This device includes a conversion element 61 for converting the wavelength of a fundamental laser beam and a fundamental wave generation light source 60.
It is a device having the following. Note that the conversion element 61 in FIG. 6(a) is a schematic cross-sectional view taken along the line BB shown in FIG. 6(b), and FIG. 6(b) is a schematic side view of the conversion element 61. . As shown in this figure, the fundamental wave (angular frequency: W, wavelength: λ
0) is introduced into the waveguide 62 of the conversion element 61 from the fundamental wave generation light source 60, a part of the fundamental wave propagates in a region 63 diagonally downward with respect to the waveguide 62 and becomes a second harmonic (angle Frequency = 2W, wavelength: λo/2). Note that the propagation region 63 of the second harmonic is diagonally downward because the second harmonic is phase matched with the fundamental wave in this direction. A LiNbO5 crystal is adopted as the conversion element 61, and LxN
A conversion element in which an optical waveguide 62 is formed by ion-exchanging Li'''' of a bOs crystal with Ho has been developed at the Matsushita Electric Industrial Semiconductor Research Center and has already been announced. According to the above announcement, the wavelength is 0.84 for this conversion element.
When 7L11 semiconductor laser light is introduced as the fundamental wave,
A second harmonic with a wavelength of 0.42μ is generated. If such a second harmonic generator is used for recording or reproducing an optical recording medium such as an optical disk, the area of the light spot can be reduced to 1/2 by reducing the wavelength of the laser beam to 1/2.
4, the optical recording density can be increased four times. Furthermore, pattern density can also be improved when used in semiconductor manufacturing processes that utilize light, such as exposure, etching, and doping.

【発明が解決しようとする課題】[Problem to be solved by the invention]

上述したような従来の第2高調波発生装置には、更なる
小型集積化が要求されている。また更には、変換効率な
どの諸性能が従来の装置より劣ることなく、望ましくは
それら諸性能が向上されたものである小型集積化第2高
調波発生装置が要求されている。 以下、従来例として第2高調波発生装置の性能の一つで
ある変換効率について述べる。通常、変換効率は基本波
の強度に比例して向上するのであるが、先に述べたLi
Nb0.結晶から成る装置においては、基本波発生光源
60から出射した光は、いったん外部の空間に出るので
変換素子61との結合効率が小さくなり、変換素子61
内の基本波の強度を効率的に強くすることができない。 したがって、その変換効率は2.5%程度と低い。 本発明の目的は、変換効率などの諸性能が十分であり、
且つ小型集積化された第2高調波発生装置装置を提供す
ることにある。 [課題を解決するための手段J 本発明は、m−v族化合物半導体結晶から成る半導体レ
ーザ層の上に、■−■族化合物半導体結晶から成る第2
高調波発生領域を載設した素子を有し、且つ前記半導体
レーザ内において該半導体レーザの活性層からの基本波
レーザ光が到達する位置に回折格子を有し、前記第2高
調波発生領域内において前記半導体レーザ内の回折格子
により回折されたレーザ光が到達する位置に回折格子を
有することを特徴とする第2高調波発生装置である。 つまり、本発明の装置は1、基本波発生光源と変換素子
とが一体化され、モノリシックなデバイスとして小型集
積化された素子を有する装置である。 以下、本発明の装置が有する小型集積化された素子につ
いて、詳細に説明する。 本発明の装置における半導体レーザは、■−■族化合物
半導体結晶から成るものであり、例えばAlGaAs系
半導体、Ga1nAs系半導体、GaAsSb系半導体
、Ga1nAsP系半導体などを挙げることができる。 これらの■−v族化合物半導体レーザの第2高調波は、
TV−Vl族化合物(pb系)の第2高調波と比較して
、波長が短いので、先に述べたような光記録媒体の記録
や再生、半導体製造プロセスなどに使用するに適したも
のである。 本発明の装置における第2高調波発生領域(以下、SH
G領域と称す)は、II−Vl族化合物半導体結晶から
成るものであり、例えばZn5eS系結晶、Zn5eT
e系結晶、Cd)1gTe系結晶などを挙げることがで
きる。SHG領域として■−■族化合物を採用するので
、例えばA I GaAs系半導体レーザ上にエピタキ
シャル成長さることができ、SHG領域を容易に一体化
形成することができるm LtNbOs系結晶ではこの
ような事はできない。 更に、半導体レーザからの基本波が外部の空間を通らず
にSHG領域と結合するので、基本波の強度を強くする
ことができ、高い変換効率が得られる。 本発明の装置において、半導体レーザから発生した基本
波をSHG領域に導入し光結合させるには、半導体レー
ザ内の、該半導体レーザの活性層からの基本波レーザ光
が到達する位置の回折格子と、SHG領域内に、半導体
レーザ内の回折格子により回折されたレーザ光が到達す
る位置の回折格子とにより行う。 つまり、半導体レーザ内の回折格子によって、半導体レ
ーザから発生した基本波をSHG領域の方向に回折させ
て導入し、その導入した基本波をSHG領域内の回折格
子によって回折させて有効に第2高調波に変換できる。 なお、ここでいう「回折格子」とは、屈折率の異なる二
層が積層されており、その眉間の界面が規則的な凹凸面
状に形成されている場合のその界面などである。 この回折格子の凹凸のピッチや回折角などについては、
後述する実施例1において説明する。 また、本発明の装置が有する素子においては、第2高調
波と基本波とが共存するのであるが、第2高調波を選択
的に素子から出射させる必要が有る場合には、例えば、
半導体レーザから発振する基本波レーザ光を反射し、か
つ該基本波レーザ光の第2高調波を透過する端面を本発
明の装置に設ければ良い。 本発明の装置は、少なくとも以上説明したような構成の
素子を有することを特徴とする第2高調波発生装置であ
り、更に必要に応じて、例えば半導体レーザの順方向に
電圧を印加する手段など、適宜、種々の構成要素が付加
される。
The conventional second harmonic generator as described above is required to be further miniaturized and integrated. Furthermore, there is a need for a compact integrated second harmonic generation device that is not inferior in performance such as conversion efficiency to conventional devices, and preferably has improved performance. The conversion efficiency, which is one of the performances of the second harmonic generator, will be described below as a conventional example. Normally, the conversion efficiency improves in proportion to the intensity of the fundamental wave, but the Li
Nb0. In a device made of a crystal, the light emitted from the fundamental wave generating light source 60 once exits to the outside space, so the coupling efficiency with the conversion element 61 becomes small, and the light emitted from the fundamental wave generation light source 60 is
It is not possible to efficiently increase the strength of the fundamental wave within. Therefore, its conversion efficiency is as low as about 2.5%. The purpose of the present invention is to achieve sufficient performance such as conversion efficiency,
Another object of the present invention is to provide a second harmonic generator device that is small and integrated. [Means for Solving the Problems J] The present invention provides a second semiconductor laser layer made of a ■-■ group compound semiconductor crystal on a semiconductor laser layer made of an m-v group compound semiconductor crystal.
an element on which a harmonic generation region is mounted, and a diffraction grating within the semiconductor laser at a position where the fundamental laser beam from the active layer of the semiconductor laser reaches, and within the second harmonic generation region. The second harmonic generation device is characterized in that it has a diffraction grating at a position where the laser light diffracted by the diffraction grating in the semiconductor laser reaches. In other words, the apparatus of the present invention is an apparatus in which a fundamental wave generating light source and a conversion element are integrated, and the element is compactly integrated as a monolithic device. Hereinafter, the small integrated elements included in the device of the present invention will be explained in detail. The semiconductor laser in the device of the present invention is made of a ■-■ group compound semiconductor crystal, and examples thereof include AlGaAs-based semiconductors, Ga1nAs-based semiconductors, GaAsSb-based semiconductors, and Ga1nAsP-based semiconductors. The second harmonic of these ■-v group compound semiconductor lasers is
Compared to the second harmonic of TV-Vl group compounds (pb series), it has a shorter wavelength, so it is suitable for use in recording and reproduction of optical recording media, semiconductor manufacturing processes, etc. as mentioned earlier. be. The second harmonic generation region (hereinafter referred to as SH) in the device of the present invention
(referred to as G region) is composed of II-Vl group compound semiconductor crystals, such as Zn5eS-based crystals, Zn5eT
Examples include e-based crystals, Cd)1gTe-based crystals, and the like. Since a ■-■ group compound is used as the SHG region, it can be grown epitaxially on, for example, an AI GaAs semiconductor laser, and the SHG region can be easily integrated. Can not. Furthermore, since the fundamental wave from the semiconductor laser is coupled to the SHG region without passing through the external space, the intensity of the fundamental wave can be increased and high conversion efficiency can be obtained. In the device of the present invention, in order to introduce and optically couple the fundamental wave generated from the semiconductor laser into the SHG region, a diffraction grating in the semiconductor laser at a position where the fundamental wave laser light from the active layer of the semiconductor laser reaches. , and a diffraction grating in the SHG region at a position where the laser light diffracted by the diffraction grating in the semiconductor laser reaches. In other words, the fundamental wave generated from the semiconductor laser is diffracted and introduced in the direction of the SHG region by the diffraction grating in the semiconductor laser, and the introduced fundamental wave is diffracted by the diffraction grating in the SHG region to effectively produce the second harmonic. Can be converted into waves. Note that the term "diffraction grating" as used herein refers to an interface where two layers with different refractive indexes are laminated, and the interface between the eyebrows is formed in a regular uneven surface shape. Regarding the pitch and diffraction angle of the unevenness of this diffraction grating,
This will be explained in Example 1, which will be described later. Further, in the element included in the device of the present invention, the second harmonic and the fundamental wave coexist, but if it is necessary to selectively emit the second harmonic from the element, for example,
The device of the present invention may be provided with an end face that reflects the fundamental laser beam oscillated from the semiconductor laser and transmits the second harmonic of the fundamental laser beam. The device of the present invention is a second harmonic generating device characterized by having at least an element having the configuration as described above, and further includes means for applying a voltage in the forward direction of a semiconductor laser, etc., if necessary. , various components are added as appropriate.

【実施例】【Example】

以下、実施例により、本発明を更に詳細に説明する。 実施例1 第1図(a)および(b)は、本発明の装置における素
子の一実施例を示す図であり、第1図(a)は第1図(
b)に示したA−A線の断面図、第1図(b)は共振面
に平行な方向の断面図である。 本実施例の素子は、p”−GaAs基板25の上にGa
As/AlGaAs系半導体レーザ(I)が形成され、
更にその上にZeSeS系SHG領域(II )をMB
E法によりエピタキシャル成長で形成された素子である
。 更に、この半導体レーザ(1)の内部には回折格子G 
(I)が形成されており、SHG領域(II)の内部に
は回折格子G(II)が形成されている。また、この素
子に順方向(積層膜に対する垂直方向)の電圧を印加す
る為に、Auから成るp型電極26が基板25の下側に
形成されており、Auから成るn型電極!lが、電流注
入窓を構成する5isN<やSiO□等の絶縁層12を
介して、SHG領域(II)の上に形成されいる。 以下、本実施例の半導体レーザ(I)およびSHG領域
(II )の構成について、更に詳細に説明する。 QaAs/ AlGaAs系半導体レーザ(I)の構成
は、厚さ0.tuのp−GaAs活性層22が、p−A
lo、 a Gao、 sAs p−クラッド層23と
n−Alo、t Gao、a As n−クラッド層1
9および21ではさまれたダブルへテロ構造から成り、
n−Ale、 4 Gao、 8 As暦20とn−ク
ラッド層19との間には、回折格子G (I)が形成さ
れた構成を含む。また、電流を狭窄する目的でi−AI
o、2 Gao、s As層18をロークラッド層19
の成膜後エツチングして再成長させて埋込んである。ま
た、基板25とp−クラッドl1f23との間にはp”
−GaAsバッファ層24が形成されている。 以下、回折格子G(1)のピッチについて説明する。 本実施例においては、半導体レーザ(I)とSHG領域
(ir )が、それぞれの導波路が平行になるように接
合しており、回折格子G(I)およびG(II)もそれ
と平行であるので、回折格子G(I)のピッチΔ(I)
は、下記式(1)により定めることができる。 Δ(I)−J2・ (λO/2π)  ・・・・・・(
1)℃:次数、すなわち1以上の整数 なお、℃≧2であることが必要である。また、本実施例
においては、β=3の場合のピッチを採用した。βを小
さくすると結合効率は良くなるのであるが、βが大きい
方が回折格子の形成が容易なので、β=3程度が最も適
当と思われる。 本実施例においては、活性層22から発振する基本波レ
ーザ光が、λ6 = 900nm、π= 3.385な
ので、前記式(1)に従い、ピッチΔ(I ) = 3
99nmとなる。 Zn5eS系SHG領域(II)の構成は、Gaドープ
のn−Zn5eのSHG層14および16の両層の間に
、n−Zn5eo、 e So、 r層15が形成され
ており、層15と層16との界面が回折格子G(II)
として形成されている。すなわち、その回折格子G(I
I)の形成は、Gaドープの+rZnSe層の中央付近
にn−Zn5ea、 e So、 rを加えることによ
り行なわれたものである。 また、5HGIii14および16が導波路となるよう
に、つまりSHG層14および16の内部に光が閉じ込
められるように、5HGJif14および16は、no
−Zn5eo、 9 So、 r層13および17では
さまれている。また、5HGJi13および17は、オ
ーミックコンタクトを良好にする目的で、キャリア濃度
が高くされている。 回折格子G(II)の格子ピッチは、半導体レーザ内の
回折格子G (1)からの回折光が回折格子G(II)
に入射結合できるように、前記式(1)に従い、且つ回
折格子G (I)と同次数CI)にして設定する0本実
施例の場合には、!=3である。 !=3、λ、) = 900nm、π= 2.485と
して前記式(1)からピッチを求めると、ピッチΔ(I
I)=543nmとなる。 また、本実施例の素子の後側端面(b)は、例えばTi
O2や5iOa等の誘電体多層膜でコーティングされて
おり、基本波と第2高調波の双方に対する反射率は90
%以上である。また、前側端面(a)は誘電体多層膜の
構成を変えてコーティングされており、基本波に対する
反射率は90%以上であるが、第2高調波に対してはl
O%程度と低い。 本実施例の装置は、以上説明したような構成の素子を有
する第2高調波発生装置である。 次に、本実施例の装置において、第2高調波が発生する
過程の例を説明する。 まず、第1図(b)に示すように、素子の順方向に電流
を注入する。つまり、キャリアをn形電極11およびp
形電極26から注入する。なお、n形電極11からのキ
ャリアは、電流注入窓(すなわち絶縁層12が形成され
ていない部分)から、まずSHG領域(II)に注入さ
れ、SHG領域(II)がn形である故に、そのキャリ
アは半導体レーザ(I)に注入されることになる。 すると基本波レーザ光(波長λ6 = 900nm、レ
ーザ内における有効屈折率π=3.385 )が、第1
図(a)に示すようなモードw(I)の光強度分布で発
振する。 モードw(1)に示されるように、その発振した基本波
レーザ光は、回折格子G(I)部分にも十分に存在して
おり、その部分の基本波レーザ光は図中のc、 d、 
e、 fの方向に回折される。その各々の回折角(回折
光が回折格子面の法線と成す角)は下記式(2)により
算出できる。 sinθ=(2m/jり −1・・・・・・(2)θ:
回折角 m:0.1.2または3 f2:前記式(1)における次数 本実施例においてはβ=3なので、上記式(2)は、次
式(3)になる。 sinθ=(2m/3)−1・・・・・・(3)θ:回
折角 m:Oll、2または3 したがって、上記式(3)より、回折角θは、各/r 
O” 、70.5@、 109.5°、 180” と
なルコトが分かる。 この4種の回折光のうち、回折角が70.5°および1
09.5°の回折光(eおよびf方向)は、SHG領域
(II)に入り、回折格子G(II)に入射結合する。 回折格子G(II)に入射した基本波回折光は、図中の
g、h、i、jの方向に回折される。なお、先に述べた
ように、回折格子G(II)は、回折格子G(I)と同
次数<t=s)なので、前記式(3)から、回折角は、
各々O” 、70.5”、 109.5”、180°と
なることが分かる。 この4種の回折光のうち、回折角がOoおよび180°
の回折光(jおよびg方向)は、5HGN14および1
6に留まるので、第1図(a)示すモードw(II)の
光強度分布の基本波レーザ光が存在することになる。こ
のモードw(II)の基本波の一部は、5HGIJ14
および16における2次の非線形効果によって、第1図
(a)示すようなモード2w(II)の光強度分布の第
2次高調波に変換される。 この第2高調波は、SHG領域を伝搬中に位相整合し、
前側端面(a)から出射する。なお、先に述べたように
、前側端面(a)は、第2高調波に対する反射率はlO
%程度と低いが、基本波に対する反射率は90%以上な
ので、モードw(I)およびモードw(II)の基本波
はほとんど出射しない。 以上説明したように、回折格子G(I)およびG(II
)によって、半導体レーザ(I)とSHG領域(II)
とが光結合されることとなる。 なお、半導体レーザ(1)内において、AlGaAsの
非線形性により、基本波レーザ光の一部は第2高調波に
変換されるが、その多くは半導体レーザ(I)内で吸収
されてしまう、また、吸収されなかった一部の第2高調
波については、回折格子G(I)およびG (II)が
6次(71=6)の回折格子として作用するので、基本
波と共にSHG領域(II)へ入射結合され、前側端面
(a)から出射される。 実施例2 第2図は、本発明の装置における素子の他の実施例を示
し、共振面に平行な方向の断面図である。 本実施例の素子は、SHG領域(IT)をリッジ形状に
した以外は、実施例1の装置とほぼ同様の構成を有する
素子である。 SHG領域(II)をリッジ形状にすることにより、第
2高調波の横方向の閉じ込めが良好になり、また、それ
故に実施例1における電流を狭窄する為のi−Alo、
 x Gao、 a AsN13が必要ないので、その
層18を有さない。 また、本実施例の半導体レーザ(I)については、リッ
ジ下部の等低屈折率を大きくしであるので、その発振光
は、等側屈折率差によってリッジ下部に閉じ込められる
。つまり、本実施例の半導体レーザ(I)は、屈折率導
波型の効率の良いレーザである。 本実施例の装置は、以上説明したような構成の素子を有
する第2高調波発生装置である。すなわち、実施例1と
同様に良好に第2高調波を発生でき、且つ第2高調波の
横方向の閉じ込めが良好な屈折率導波型素子を有する第
2高調波発生装置である。 実施例3 第3図は、本発明の装置における素子の他の実施例を示
し、共振面に平行な方向の断面図である。 本実施例の素子は、絶縁層12により構成される電流注
入窓が、リッジの上面ではなく、リッジの低部両側にお
よび!に形成された以外は、実施例2の装置とほぼ同様
の構成を有する装置である。 また、オーミックコンタクトを良好に保つ目的で、低い
抵抗のn”−GaAsキャップ層27も新たに設けられ
ている。 本実施例においては、電気抵抗の高いIf−■族化合物
半導体結晶から成るSHG領域(II)に電流が直接流
れることが無い、したがって、例えばレーザ駆動時にS
HG領域(II )に直接電流を流すと、SHG領域(
II)が数十ボルトの高電圧になってしまうという事が
無くなる。 更に、本実施例においては、SHG領域(II)に電流
を直接流さないので、SHG領域(II)を構成するI
I−Vll族環導体結晶対する不純物ドープの必要が無
く、レーザ駆動電圧を低減でき、またSHG領域(II
)のエネルギーギャップの低下による高調波の吸収も減
少する。更には、SHG領域(II)に電流を直接流す
場合には、SHG領域(II)がn形なので基板26は
p形にする必要が生じるが、本実施例においては、p形
およびn形の両方の基板が使用可能である。 また更に、本実施例においては、リッジの低部両側にお
よびlから電流を注入するので、半導体レーザ(1)か
ら発振される基本波レーザ光の横モードの安定性に優れ
る。それは、以下の理由による。 ・ つまり、通常の半導体レーザにおいては、キャリア濃度
が増加した部分は、その濃度に比例して屈折率が低下す
るというプラズマ効果が生じる。 したがって、例えばリッジ上部から電流を注入するとキ
ャリア分布(利得分布)のピーク付近の屈折率は低下し
、その低下の分だけレーザ光が横方向に漏れてしまう、
しかしながら、本実施例においては、リッジの低部両側
におよびlから電流を注入するので、活性N22におけ
るキャリア分布は、ブロードなガウシアン状または双峰
状になる。そして、kおよび1の下側はプラズマ効果に
より等偏屈折率が低下する。本実施例の素子は、実施例
2と同様にリッジ下部の等偏屈折率を大きくしであるの
で、キャリアはリッジ下部に閉じ込められるが、kおよ
び!の下側の等偏屈折率が低下することにより、等偏屈
折率の差が更に大きくなり、その閉じ込めがより良好に
行なわれるのである。 本実施例の装置は、以上説明したような構成の素子を有
する第2高調波発生装置である。すなわち、実施例2と
同様に良好に第2高調波を発生でき、且つ上述したよう
な利点を示す素〜子を有する第2高調波発生装置である
。 実施例4 第4図は、本発明の装置における素子の他の実施例を示
し、共振面に平行な方向の断面図である。 本実施例の素子は、半導体レーザ(I)を横方向注入型
(TJS)構造にした以外は実施例3とほぼ同様の構成
の素子である。 以下、本実施例の素子の半導体レーザ(I)部分の構造
を、詳細に説明する。 半導体レーザ(I)においては、絶縁性1−GaAs基
板30の上にn形のAlGaAs形半導体結晶がエピタ
キシャル成長され、活性層28はダブルへテロ構造であ
る。n形AlGaAsを成膜後、Znの拡散により低濃
度Zn拡散領域(p)と高濃度Zn拡散領域(o)を作
り、n−GaAs活性層28において横方向にp−p”
−nのホモ接合を形成し、再結合領域となっている。キ
ャリアはp側電極26とn側電極11を通して半導体レ
ーザ(I)中に注入される。 本実施例の装置は、以上説明したような構成の素子を有
する第2高調波発生装置である。すなわち、実施例2と
同様に良好に第2高調波を発生でき、更には、絶縁性基
板を用いるために集積化に向いているというTJS構造
に起因する利点を示す。 以上、本発明の実施例1〜4を説明したが、本発明はこ
れらに限定されるものではない。 例えば、実施例1〜4においては、SHG領域は、Zn
5eのダブルへテロ構造を採っているが、超格子構造、
例えばZn5e 50 A/ Zn5eo、 * So
、 +5OAの多周期構造などであってもよい。 また例えば、実施例1〜4におけるSHG領域の回折格
子G(II)のピッチは一定としたが、第5図に示すよ
うに、第2高調波が位相整合するように、格子ピッチの
一部を変更して設定すれば、端面から垂直に高調波を出
射させることができる。 以下、第2次高調波が位相整合するような、格子ピッチ
の変更設定について説明する。 実施例1〜4においては、半導体レーザの側の回折格子
ピッチΔ1とSHG側の回折格子ピッチ△2とは、基本
波の波長λ。と有効屈折率πに基づき、前記式(1)に
より算出されている。 したがって、第2次高調波を位相整合させるには、前記
式(1)からそのまま算出はできない。なぜならば、5
)(G領域(II)で発生する第2高調波は、波長がλ
o/2であるので、当然、有効屈折率も基本波のそれと
は異なるからである。 すなわち、第2高調波の位相整合の為の格子ピッチΔ3
は次式(4)により定めることができる。 Δ3 =β′ ・ (λo / 2 ) / 2π′ 
 ・・・・・・(4)λ0;真空中での基本波レーザ光
の波長π’:SHG領域における第2高調波の有効屈折
率 β′=1以上の整数 したがって、例えば第5図に示すように、回折格子G(
II)の一部(ピッチΔ2の部分)でレーザ光の光結合
を行ない、また一部(ピッチ△3の部分)で高調波の位
相整合を行なえばよい。 実施例1〜4においては、基本波レーザ光の波長はλ6
 = 900nmであり、第2高調波の有効屈折率下′
は2.60である。したがって、前記式(4)は、Δ3
=86.5412′となる。ピッチΔ3をピッチΔ2と
近似の値(= 543nm)にするには、c′=6とす
ればよく、その場合Δ3 = 519nmとなる。 (発明の効果〕 以上説明したように、本発明の第2高調波発生装置装置
は、基本波発生光源と変換素子とが一体化され、モノリ
シックなデバイスとして小型集積化された素子を有する
高集積化された装置であり、かつ変換効率などの諸性能
も十分である。
Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples. Example 1 FIGS. 1(a) and 1(b) are diagrams showing an example of an element in an apparatus of the present invention, and FIG.
FIG. 1(b) is a cross-sectional view taken along the line A-A shown in FIG. 1(b) in a direction parallel to the resonance plane. The device of this example has Ga on a p''-GaAs substrate 25.
An As/AlGaAs semiconductor laser (I) is formed,
Furthermore, a ZeSeS-based SHG region (II) is added on top of it.
This is an element formed by epitaxial growth using the E method. Furthermore, inside this semiconductor laser (1), there is a diffraction grating G.
(I) is formed, and a diffraction grating G (II) is formed inside the SHG region (II). In addition, in order to apply a voltage in the forward direction (perpendicular to the laminated film) to this element, a p-type electrode 26 made of Au is formed on the underside of the substrate 25, and an n-type electrode made of Au! 1 is formed on the SHG region (II) via an insulating layer 12 such as 5isN< or SiO□, which constitutes a current injection window. The configurations of the semiconductor laser (I) and the SHG region (II) of this example will be explained in more detail below. The QaAs/AlGaAs semiconductor laser (I) has a thickness of 0. The p-GaAs active layer 22 of tu is p-A
lo, a Gao, sAs p-clad layer 23 and n-Alo, t Gao, a As n-clad layer 1
Consists of a double heterostructure sandwiched between 9 and 21,
A configuration is included in which a diffraction grating G (I) is formed between the n-Ale, 4 Gao, 8 As layer 20 and the n-cladding layer 19. In addition, i-AI is used for the purpose of confining the current.
o, 2 Gao, s As layer 18 as low cladding layer 19
After the film is formed, it is etched, regrown, and buried. Furthermore, there is a p'' between the substrate 25 and the p-clad l1f23.
- A GaAs buffer layer 24 is formed. The pitch of the diffraction grating G(1) will be explained below. In this example, the semiconductor laser (I) and the SHG region (ir) are joined so that their respective waveguides are parallel, and the diffraction gratings G(I) and G(II) are also parallel to it. Therefore, the pitch Δ(I) of the diffraction grating G(I)
can be determined by the following formula (1). Δ(I)−J2・(λO/2π) ・・・・・・(
1) °C: degree, that is, an integer of 1 or more. Furthermore, it is necessary that °C≧2. Further, in this embodiment, the pitch in the case of β=3 was adopted. Although the coupling efficiency improves as β becomes smaller, it is easier to form a diffraction grating when β is larger, so β=3 is considered to be the most appropriate value. In this example, since the fundamental laser beam oscillated from the active layer 22 has a wavelength of λ6 = 900 nm and π = 3.385, the pitch Δ(I) = 3 according to the above formula (1).
It becomes 99 nm. The structure of the Zn5eS-based SHG region (II) is that an n-Zn5eo, eSo, r layer 15 is formed between Ga-doped n-Zn5e SHG layers 14 and 16, and the layer 15 and the layer The interface with 16 is the diffraction grating G(II)
It is formed as. That is, the diffraction grating G(I
The formation of I) was carried out by adding n-Zn5ea, eSo, r near the center of the Ga-doped +rZnSe layer. In addition, 5HGJif 14 and 16 are no.
-Zn5eo, 9 So, sandwiched between r layers 13 and 17. Further, 5HGJi 13 and 17 have a high carrier concentration for the purpose of improving ohmic contact. The grating pitch of the diffraction grating G(II) is such that the diffracted light from the diffraction grating G(1) in the semiconductor laser is
In the case of this embodiment, the diffraction grating G (I) and the same order CI) are set in accordance with the above formula (1) so that the input coupling can be made into ! =3. ! = 3, λ, ) = 900 nm, π = 2.485, and the pitch is determined from the above equation (1), the pitch Δ(I
I)=543 nm. Further, the rear end surface (b) of the element of this example is made of, for example, Ti.
It is coated with a dielectric multilayer film such as O2 or 5iOa, and has a reflectance of 90 for both the fundamental wave and the second harmonic.
% or more. In addition, the front end surface (a) is coated with a dielectric multilayer film with a different configuration, and the reflectance for the fundamental wave is 90% or more, but the reflectance for the second harmonic is l
It is as low as 0%. The device of this embodiment is a second harmonic generation device having the elements configured as described above. Next, an example of a process in which the second harmonic is generated in the apparatus of this embodiment will be described. First, as shown in FIG. 1(b), a current is injected in the forward direction of the element. In other words, carriers are transferred to the n-type electrode 11 and the p-type electrode 11.
injection from the shaped electrode 26. Note that carriers from the n-type electrode 11 are first injected into the SHG region (II) from the current injection window (that is, the part where the insulating layer 12 is not formed), and since the SHG region (II) is n-type, The carriers will be injected into the semiconductor laser (I). Then, the fundamental laser beam (wavelength λ6 = 900 nm, effective refractive index π = 3.385 in the laser) becomes the first
It oscillates with a light intensity distribution of mode w(I) as shown in Figure (a). As shown in mode w(1), the oscillated fundamental wave laser light is also sufficiently present in the diffraction grating G(I) part, and the fundamental wave laser light in that part is shown in c and d in the figure. ,
It is diffracted in the directions of e and f. Each diffraction angle (the angle that the diffracted light forms with the normal to the diffraction grating surface) can be calculated using the following equation (2). sinθ=(2m/jri -1...(2)θ:
Diffraction angle m: 0.1.2 or 3 f2: Order in the above equation (1) In this example, β=3, so the above equation (2) becomes the following equation (3). sin θ = (2m/3)-1 (3) θ: diffraction angle m: Oll, 2 or 3 Therefore, from the above formula (3), the diffraction angle θ is
O", 70.5@, 109.5°, 180". Among these four types of diffracted light, the diffraction angles are 70.5° and 1
The diffracted light at 09.5° (e and f directions) enters the SHG region (II) and is injected into the diffraction grating G (II). The fundamental wave diffracted light incident on the diffraction grating G(II) is diffracted in directions g, h, i, and j in the figure. As mentioned earlier, the diffraction grating G(II) has the same order as the diffraction grating G(I)<t=s), so from the above formula (3), the diffraction angle is
It can be seen that the diffraction angles are O", 70.5", 109.5", and 180°, respectively. Among these four types of diffracted lights, the diffraction angles are Oo and 180°.
The diffracted light (j and g directions) of 5HGN14 and 1
6, there is a fundamental laser beam with a light intensity distribution of mode w(II) shown in FIG. 1(a). A part of the fundamental wave of this mode w(II) is 5HGIJ14
Due to the second-order nonlinear effect at 16 and 16, the light is converted into a second-order harmonic of the light intensity distribution of mode 2w (II) as shown in FIG. 1(a). This second harmonic is phase matched while propagating in the SHG region,
The light is emitted from the front end surface (a). As mentioned earlier, the reflectance of the front end face (a) for the second harmonic is lO
%, but the reflectance for the fundamental wave is 90% or more, so the fundamental waves of mode w(I) and mode w(II) are hardly emitted. As explained above, diffraction gratings G(I) and G(II
), the semiconductor laser (I) and the SHG region (II)
will be optically coupled. Note that in the semiconductor laser (1), due to the nonlinearity of AlGaAs, a part of the fundamental laser light is converted into second harmonics, but most of it is absorbed in the semiconductor laser (I). , for some of the second harmonics that are not absorbed, the diffraction gratings G(I) and G(II) act as 6th-order (71=6) diffraction gratings, so they are in the SHG region (II) along with the fundamental wave. The light is coupled into the front end face (a), and is emitted from the front end face (a). Embodiment 2 FIG. 2 shows another embodiment of the element in the device of the present invention, and is a sectional view in a direction parallel to the resonance plane. The device of this example has almost the same configuration as the device of Example 1, except that the SHG region (IT) has a ridge shape. By making the SHG region (II) into a ridge shape, the lateral confinement of the second harmonic becomes good, and therefore, the i-Alo for confining the current in Example 1,
x Gao, a Since AsN 13 is not needed, it does not have that layer 18. Further, in the semiconductor laser (I) of this embodiment, since the equal low refractive index of the lower part of the ridge is increased, the oscillation light is confined in the lower part of the ridge due to the difference in the equal refractive index. In other words, the semiconductor laser (I) of this example is a refractive index guided laser with high efficiency. The device of this embodiment is a second harmonic generation device having the elements configured as described above. That is, the second harmonic generation device has a refractive index waveguide type element that can generate the second harmonic well as in Example 1 and has good lateral confinement of the second harmonic. Embodiment 3 FIG. 3 shows another embodiment of the element in the device of the present invention, and is a sectional view in a direction parallel to the resonance plane. In the device of this example, the current injection window formed by the insulating layer 12 extends not over the top surface of the ridge but on both sides of the bottom of the ridge! This device has almost the same configuration as the device of Example 2, except that it is formed in the following manner. In addition, in order to maintain good ohmic contact, a low resistance n''-GaAs cap layer 27 is newly provided. No current flows directly through (II). Therefore, for example, when driving a laser, S
When a current is passed directly to the HG region (II), the SHG region (
II) will no longer become a high voltage of several tens of volts. Furthermore, in this embodiment, since no current is directly passed through the SHG region (II), the I constituting the SHG region (II)
There is no need to dope the I-Vll group ring conductor crystal with impurities, the laser drive voltage can be reduced, and the SHG region (II
) The absorption of harmonics due to the lowering of the energy gap also decreases. Furthermore, when a current is directly passed through the SHG region (II), since the SHG region (II) is n-type, the substrate 26 needs to be p-type; however, in this embodiment, p-type and n-type Both substrates are available. Furthermore, in this embodiment, since the current is injected to both sides of the lower part of the ridge and from l, the stability of the transverse mode of the fundamental laser beam oscillated from the semiconductor laser (1) is excellent. This is due to the following reasons. - That is, in a normal semiconductor laser, a plasma effect occurs in which the refractive index decreases in proportion to the concentration in a portion where the carrier concentration has increased. Therefore, for example, when current is injected from the top of the ridge, the refractive index near the peak of the carrier distribution (gain distribution) decreases, and laser light leaks laterally by the amount of the decrease.
However, in this embodiment, since current is injected from both sides of the lower part of the ridge and from l, the carrier distribution in the active N22 becomes broad Gaussian or bimodal. Further, below k and 1, the equipolar refractive index decreases due to the plasma effect. In the element of this example, as in Example 2, the equipolarized refractive index of the lower part of the ridge is increased, so carriers are confined to the lower part of the ridge, but k and ! By lowering the equipolar refractive index on the lower side of , the difference in the equipolar refractive index becomes even larger, and its confinement is performed better. The device of this embodiment is a second harmonic generation device having the elements configured as described above. That is, this is a second harmonic generation device that can generate the second harmonic well as in Example 2 and has elements that exhibit the advantages described above. Embodiment 4 FIG. 4 shows another embodiment of the element in the device of the present invention, and is a sectional view in a direction parallel to the resonance plane. The device of this example has almost the same structure as that of Example 3 except that the semiconductor laser (I) has a lateral injection type (TJS) structure. The structure of the semiconductor laser (I) portion of the device of this example will be described in detail below. In the semiconductor laser (I), an n-type AlGaAs type semiconductor crystal is epitaxially grown on an insulating 1-GaAs substrate 30, and the active layer 28 has a double heterostructure. After forming the n-type AlGaAs film, a low concentration Zn diffusion region (p) and a high concentration Zn diffusion region (o) are created by diffusion of Zn, and the n-GaAs active layer 28 is laterally p-p”.
-n homozygous and serves as a recombination region. Carriers are injected into the semiconductor laser (I) through the p-side electrode 26 and the n-side electrode 11. The device of this embodiment is a second harmonic generation device having the elements configured as described above. That is, the second harmonic can be generated well as in Example 2, and furthermore, since an insulating substrate is used, it is suitable for integration, which is an advantage due to the TJS structure. Although Examples 1 to 4 of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these. For example, in Examples 1 to 4, the SHG region is Zn
Although it has a double heterostructure of 5e, it has a superlattice structure,
For example, Zn5e 50 A/Zn5eo, *So
, +5OA multi-periodic structure. For example, although the pitch of the diffraction grating G(II) in the SHG region in Examples 1 to 4 was constant, as shown in FIG. By changing the settings, harmonics can be emitted vertically from the end face. Hereinafter, a description will be given of how to change the grating pitch so that the second harmonic is phase matched. In Examples 1 to 4, the diffraction grating pitch Δ1 on the semiconductor laser side and the diffraction grating pitch Δ2 on the SHG side are the wavelength λ of the fundamental wave. It is calculated by the above formula (1) based on the effective refractive index π and the effective refractive index π. Therefore, in order to phase match the second harmonic, calculation cannot be made directly from the above equation (1). Because, 5
) (The second harmonic generated in the G region (II) has a wavelength of λ
o/2, the effective refractive index is naturally different from that of the fundamental wave. That is, the grating pitch Δ3 for phase matching of the second harmonic
can be determined by the following equation (4). Δ3 = β' ・ (λo / 2) / 2π'
......(4) λ0: Wavelength of the fundamental laser beam in vacuum π': Effective refractive index of the second harmonic in the SHG region β' = An integer greater than or equal to 1 Therefore, for example, as shown in FIG. As such, the diffraction grating G(
It is sufficient to optically couple the laser beams in a part of II) (the part with a pitch Δ2), and perform phase matching of harmonics in a part (the part with a pitch Δ3). In Examples 1 to 4, the wavelength of the fundamental laser beam is λ6
= 900 nm, below the effective refractive index of the second harmonic'
is 2.60. Therefore, the above formula (4) is expressed as Δ3
=86.5412'. In order to set the pitch Δ3 to a value similar to the pitch Δ2 (=543 nm), c'=6 may be used, and in that case, Δ3 = 519 nm. (Effects of the Invention) As explained above, the second harmonic generator device of the present invention is a highly integrated device in which the fundamental wave generation light source and the conversion element are integrated, and the element is small and integrated as a monolithic device. It is a highly standardized device and has sufficient performance such as conversion efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図(a)および(b)は、実施例1の素子を示す断
面図、 第2図〜第4図は、各々実施例2〜4の素子を示す断面
図、 第5図は、本発明の素子の回折格子の態様を示す模式図 第6図(a)および(b)は、従来の第2高調波発生装
置の一例を示す模式図である。 11.27・・・n形電極   12・・・・・・絶縁
層13、17 ・=n”−ZnSeo、 e So、 
r層14、16 ・S HGN n−Zn5e15・=
 −n−Zn5eo、 * So、 r層18=−i−
Ala、z Gao、a As層19.21・・・n−
クラッド層 20−− n−Alo、 4 Gao、 s As層2
1− ++jl−Alo、 a Gao、 s Asf
f1F22、28・・・活性層    23・・・・・
・p−クラッド層24・・・・・・バッファ層   2
5,3θ・・・基板26・・・・・・p型電捲28・・
・・・・活性層29・・・・・・クラッド層 G (I)、 G (II)・・・回折格子(a)・・
・前側端面    (b)・・・後側端面60・・・・
・・基本波発生光源 61・・・・・・変換素子62・
・・・・・導波路 63・・・・・・第2高調波伝搬領域 特許出願人  キャノン株式会社
FIGS. 1(a) and (b) are cross-sectional views showing the device of Example 1, FIGS. 2-4 are cross-sectional views showing the devices of Examples 2-4, respectively, and FIG. A schematic diagram showing an aspect of a diffraction grating of an element of the invention. FIGS. 6(a) and 6(b) are schematic diagrams showing an example of a conventional second harmonic generator. 11.27... N-type electrode 12... Insulating layer 13, 17 ・=n"-ZnSeo, e So,
r layer 14, 16 ・S HGN n-Zn5e15・=
-n-Zn5eo, *So, r layer 18=-i-
Ala, z Gao, a As layer 19.21...n-
Cladding layer 20 -- n-Alo, 4 Gao, s As layer 2
1- ++jl-Alo, a Gao, s Asf
f1F22, 28...active layer 23...
・P-cladding layer 24...Buffer layer 2
5,3θ...Substrate 26...P-type capacitor 28...
... Active layer 29 ... Cladding layer G (I), G (II) ... Diffraction grating (a) ...
・Front end face (b)...Rear end face 60...
... Fundamental wave generation light source 61 ... Conversion element 62 ...
... Waveguide 63 ... Second harmonic propagation region Patent applicant Canon Corporation

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)III−V族化合物半導体結晶から成る半導体レー
ザ層の上に、II−VI族化合物半導体結晶から成る第2高
調波発生領域を載設した素子を有し、且つ前記半導体レ
ーザ内において該半導体レーザの活性層からの基本波レ
ーザ光が到達する位置に回折格子を有し、前記第2高調
波発生領域内において前記半導体レーザ内の回折格子に
より回折されたレーザ光が到達する位置に回折格子を有
することを特徴とする第2高調波発生装置。
(1) It has an element in which a second harmonic generation region made of a group II-VI compound semiconductor crystal is mounted on a semiconductor laser layer made of a group III-V compound semiconductor crystal, and A diffraction grating is provided at a position where the fundamental laser beam from the active layer of the semiconductor laser reaches, and a diffraction grating is provided at a position where the laser beam diffracted by the diffraction grating in the semiconductor laser reaches within the second harmonic generation region. A second harmonic generator characterized by having a grating.
(2)前記素子が、半導体レーザから発振する基本波レ
ーザ光を反射し、かつ該基本波レーザ光の第2高調波を
透過する端面を有する請求項1記載の第2高調波発生装
置。
(2) The second harmonic generation device according to claim 1, wherein the element has an end face that reflects the fundamental laser beam oscillated from the semiconductor laser and transmits the second harmonic of the fundamental laser beam.
(3)前記半導体レーザの順方向に電圧を印加する手段
を有する請求項1または2記載の第2高調波発生装置。
(3) The second harmonic generation device according to claim 1 or 2, further comprising means for applying a voltage in the forward direction of the semiconductor laser.
JP14486788A 1987-12-28 1988-06-14 Second harmonic wave generating device Pending JPH01313980A (en)

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JP14486788A JPH01313980A (en) 1988-06-14 1988-06-14 Second harmonic wave generating device
US07/288,457 US4930132A (en) 1987-12-28 1988-12-22 Second harmonic wave generating device having active layer and second harmonic wave generating layer on same substrate
EP88121690A EP0322847B1 (en) 1987-12-28 1988-12-27 Second harmonic wave generating device having active layer and second harmonic wave generating layer on same substrate
DE88121690T DE3884366T2 (en) 1987-12-28 1988-12-27 Second harmonic generation device, wherein the active layer and the second harmonic generation layer are on the same substrate.

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