JPH0376287A - Broad area laser - Google Patents
Broad area laserInfo
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Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
産皇上坐剋里公亙
本発明は、数十〜数百μmの発光幅を有し光情報処置お
よびレーザ加工等に用いられる半導体レーザに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor laser having a light emission width of several tens to several hundreds of micrometers and used for optical information processing, laser processing, and the like.
従来生技歪
上記半導体レーザの応用分野が拡大するにつれて、近年
、半導体レーザの高出力化の要求が高まっている。現在
ワットクラスの光出力が得られるものとしては、半導体
レーザアレイとブロードエリアレーザとが知られている
。BACKGROUND OF THE INVENTION As the field of application of the above-mentioned semiconductor lasers has expanded, the demand for higher output semiconductor lasers has increased in recent years. Semiconductor laser arrays and broad area lasers are currently known as devices capable of producing watt-class optical output.
ここで、前者は導波路間の距離を短くして導波路を多数
並設し、隣接する導波路間でレーザ光をカップリングさ
せ、すべての導波路の位置を同期させることによって高
出力化を図るものである。The former method shortens the distance between waveguides, installs many waveguides in parallel, couples laser light between adjacent waveguides, and synchronizes the positions of all waveguides to achieve high output. This is what we aim to do.
しかしながら、このような構成では、ファーフィールド
パターンが双峰となるものが多く、且つ製造工程が複雑
化するという課題を有していた。However, such a configuration has problems in that the far field pattern often has two peaks and the manufacturing process becomes complicated.
一方、後者は導波路幅を数十〜数百μmと広くとり、レ
ーザ出射端面の発光面積を大きくすることにより高出力
化を図っている。このように簡単な構造であるので、前
者に比べて製造工程が簡略化できるという利点がある。On the other hand, in the latter case, the waveguide width is widened to several tens to hundreds of micrometers, and the light emitting area of the laser emitting end face is increased to achieve high output. Since it has such a simple structure, it has the advantage that the manufacturing process can be simplified compared to the former.
しかしながら、発振横モードがマルチモード或いはフィ
ラメント発振となるため、小さなスボッ゛トに集光でき
ないという課題を有していた。このため、応用面ではエ
ネルギー源等への利用に限定されていた。However, since the oscillation transverse mode is multi-mode or filament oscillation, there is a problem that light cannot be focused on a small spot. Therefore, in terms of applications, it has been limited to use as an energy source.
そこで、ブロードエリアレーザの発振横モードを制al
l(基本モード化)すべく、前端面中央部に高反射部を
設けるようなものが提案されている(レーザ学会研究会
報告RTM−88−25)。Therefore, it is necessary to control the oscillation transverse mode of a broad area laser.
1 (fundamental mode), it has been proposed to provide a high reflection portion at the center of the front end face (Laser Society Research Group Report RTM-88-25).
り°′−
しかしながら、このような構造では、端面において微細
加工が必要となるため、製造が難しくなり、量産性に欠
けるという課題を有していた。However, since such a structure requires microfabrication on the end face, it becomes difficult to manufacture and has a problem in that it lacks mass productivity.
本発明はかかる現状に鑑みてなされたものであり、発振
横モードの制御を可能とし且つ量産性に優れたブロード
エリアレーザを提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the current situation, and it is an object of the present invention to provide a broad area laser that enables control of the oscillation transverse mode and is excellent in mass production.
° ための
本発明は上記百的を達成するために、導波路幅が大きな
ブロードエリアレーザにおいて、pn接合と水平方向の
等価屈折率が、前記導波路の中央部から両端部に向かっ
てステップ状に小さくなるように形成されていることを
特徴とする。° In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a broad area laser having a large waveguide width, in which the equivalent refractive index of the pn junction and the horizontal direction is stepped from the center of the waveguide toward both ends. It is characterized by being formed to be small.
また本発明は、導波路の活性層上にクラッド層が形成さ
れたブロードエリアレーザにおいて、前記導波路の中央
部を除く前記クラッド層から約0゜4〜0.7μm上方
位置に、前記活性層に電流注入が可能な導電型で且つ発
振波長に対して大きな吸収係数をもつ半導体層を形成し
たことを特徴とする。The present invention also provides a broad area laser in which a cladding layer is formed on an active layer of a waveguide, in which the active layer is located approximately 0°4 to 0.7 μm above the cladding layer, excluding the central portion of the waveguide. The present invention is characterized in that a semiconductor layer is formed which is of a conductivity type that allows current injection and has a large absorption coefficient for the oscillation wavelength.
更に本発明は、導波路幅が大きなブロードエリアレーザ
において、前記導波路の中央部のキャリア注入量が両端
部のキャリア注入量よりも大きくしてあることを特徴と
する。Furthermore, the present invention is characterized in that, in a broad area laser having a large waveguide width, the amount of carriers injected into the center of the waveguide is larger than the amount of carriers injected at both ends.
立−一一里
従来のブロードエリアレーザは導波路内でpn接合に平
行な方向には屈折率の差を設けていないので、第4図に
示すように、基本横モードに加え多数の横モードで発振
する所謂多モード発振となるか、或いは組成や膜厚の僅
かなムラによってフィラメント状の発振となる。Since conventional broad area lasers do not have a difference in refractive index in the direction parallel to the pn junction within the waveguide, many transverse modes are generated in addition to the fundamental transverse mode, as shown in Figure 4. This results in so-called multi-mode oscillation, or filamentary oscillation due to slight irregularities in composition or film thickness.
ところが、上記第1発明の如く導波路中央部から両端部
に向かって等価屈折率がステップ状に小さくなっていれ
ば、第2図に示すように、発生した光は導波路中央部に
集まりやくずなり、かつフィラメント発振を防止するこ
とが可能となる。However, if the equivalent refractive index decreases stepwise from the center of the waveguide toward both ends as in the first invention, the generated light will not gather at the center of the waveguide, as shown in FIG. It is possible to prevent breakage and filament oscillation.
また、第2発明によれば、以下に示す理由により基本横
モードによる発振が起こりやすくなる。Further, according to the second invention, oscillation due to the fundamental transverse mode is likely to occur for the reasons described below.
即ち、一般にm次横モード利得は下記(1)式により表
されるが、第1図に示すように高次モードの光強度は導
波路中央部よりも端に近い領域で大きなピークを有して
いる。That is, the m-th transverse mode gain is generally expressed by the following equation (1), but as shown in Figure 1, the optical intensity of the higher-order mode has a large peak in the region closer to the end than in the center of the waveguide. ing.
1s (y):接合に対し水平方向の活性層で光強こ
の場合、本第2発明の如く導波路端部における活性層か
ら所定距離だけ離れた部位に、発振波長に対して大きな
吸収係数を有する半導体層が設けられていれば、導波路
内の両端に近い領域で発生した光の一部は上記半導体材
料によって吸収される。したがって、第3図に示すよう
に、これらの領域では利得が抑えられるので、高次モー
ドのモード利得は基本モードよりも小さくなり、基本横
モードによる発振が起こりやすくなる。1s (y): Light intensity in the active layer in the horizontal direction with respect to the junction In this case, as in the second invention, a large absorption coefficient with respect to the oscillation wavelength is provided at a portion at a predetermined distance from the active layer at the end of the waveguide. If a semiconductor layer is provided, part of the light generated in the region near both ends of the waveguide will be absorbed by the semiconductor material. Therefore, as shown in FIG. 3, since the gain is suppressed in these regions, the mode gain of the higher-order mode becomes smaller than that of the fundamental mode, and oscillation due to the fundamental transverse mode is more likely to occur.
本第3発明の如く、導波路中央部のキャリア注入量が他
の領域よりも大きくしてあれば、導波路中央部は電流流
入量が大きくなって発振しやすくなる。しかもこの際、
上記第4図に示すように、導波路中央部に基本横モード
の光強度のピークが存在する。したがって、第3発明に
より基本横モードが最も発振しやすい状態となる。If the amount of carrier injection into the central portion of the waveguide is larger than that in other regions as in the third aspect of the invention, the amount of current flowing into the central portion of the waveguide will be large and oscillation will occur more easily. Moreover, at this time,
As shown in FIG. 4 above, there is a peak of light intensity in the fundamental transverse mode at the center of the waveguide. Therefore, according to the third invention, the fundamental transverse mode is in a state where it is most likely to oscillate.
直−施一員
本発明の一実施例を、第1図に基づいて、以下に説明す
る。An embodiment of the direct-operation member of the present invention will be described below with reference to FIG.
第1図に示すように、面方位(100)のn型GaAs
から成る基板1の表面には、厚み2.0μmのn型Ga
a、 ssA j! 41.41ASから成るクラッド
層(Seドープ、 n −5XIO”(:II−’)
2と厚み0.08μmのGas、 weA l e、
ohAsから成る活性層〔ノンドープ〕3と、厚み0
.2μmのp型Gas、 ssA 1゜、、1Asから
威るクラッド層(Znドープ、 p−2X10”3−
”)4とが順に形成されている。上記クラッド層4上の
一部には、p型Gas、 ?oA II o、 x5A
sから成る光ガイド層[Znドープ、p=2xlon値
3]5が形成されており、この光ガイド層5と上記クラ
ッド層4上にはp型Ga・、 、、A 1・、、、As
から成るクラッド層(Znドープ、 p wr 2
XIO”cs−コ〕6が設けられている。このクラッド
層6は、図中中央部(光ガイド層5の近傍)の厚み(t
g −2゜0/Jm)が図中端部の厚み(t+−0,4
μm〉より大きくなるように形成されている。上記クラ
ッド層6上には厚み0.5μmのp型GaAsから成る
キャップ層(Znドープ、1)”5XIQI・cs −
” )7が形成されており、このキャップ層7における
電流注入部分以外の部位にはS i 02から威る絶縁
層8が設けられている。この絶縁層8と絶縁層8が設け
られていないキャンプ層7との表面には表電極9が設け
られており、また前記基板1の裏面には裏電極10が形
成されている。As shown in Figure 1, n-type GaAs with (100) plane orientation
On the surface of the substrate 1 consisting of
a, ssA j! 41. Cladding layer consisting of 41AS (Se-doped, n-5XIO"(:II-')
2 and 0.08 μm thick Gas, weA le,
An active layer (non-doped) 3 made of ohAs and a thickness of 0
.. A cladding layer (Zn doped, p-2X10"3-
”) 4 are formed in this order. On a part of the cladding layer 4, p-type Gas, ?oA II o, x5A
A light guide layer [Zn doped, p=2xlon value 3] 5 is formed of p-type Ga.
A cladding layer consisting of (Zn doped, p wr 2
XIO"cs-co] 6 is provided. This cladding layer 6 has a thickness (t
g -2゜0/Jm) is the thickness of the edge in the figure (t+-0,4
μm>. On the cladding layer 6 is a cap layer (Zn doped, 1) made of p-type GaAs with a thickness of 0.5 μm.
” ) 7 is formed, and an insulating layer 8 that is exposed to Si 02 is provided in a portion of the cap layer 7 other than the current injection portion. A front electrode 9 is provided on the surface opposite to the camp layer 7, and a back electrode 10 is formed on the back surface of the substrate 1.
尚、クラッド層6とキャップ層7における光ガイド層5
に対応する部位には、Zn拡散によってキャリア濃度を
高くしたZn拡散領域11が形成されており、このZn
拡散領域11の深さは0゜5〜0.7μmとなるように
槽底されている。Note that the light guide layer 5 in the cladding layer 6 and the cap layer 7
A Zn diffusion region 11 is formed in which the carrier concentration is increased by Zn diffusion, and this Zn
The depth of the diffusion region 11 is 0.5 to 0.7 μm at the bottom of the tank.
また、上記実施例においては、電流注入幅(Slot層
8が設けられていない部位の幅)WIは150μmとし
、且つクラフト層6が盛り上がっている部位の幅(吸収
損失が少ない領域の幅)W2は90μm1光ガイド層5
に対応する部位の幅W、は25μmとしている。In addition, in the above embodiment, the current injection width (the width of the area where the slot layer 8 is not provided) WI is 150 μm, and the width of the area where the craft layer 6 is raised (the width of the area where absorption loss is small) W2 is 90 μm 1 light guide layer 5
The width W of the portion corresponding to is 25 μm.
更に、実施例のエピタキシャル結晶成長法としては薄厚
の均一性がよいMO−CVD法やMB2法を用い、これ
に加えてフォトリソグラフィーの技術を用いて素子を作
製した。Furthermore, as the epitaxial crystal growth method of the example, the MO-CVD method and the MB2 method, which have good thin thickness uniformity, were used, and in addition, the device was manufactured using photolithography technology.
ここで本実施例によれば、等偏屈折率は領域C(クラッ
ド層6の薄い部位)く領域B(クランド層6の厚い部位
のうち光ガイド層5が無い部位)く領域A(光ガイド層
5が設けられている部位)の順となる。このように導波
路中央部から両端部に向かって等偏屈折率がステップ状
に小さくなっていれば、発生した光は導波路中央部に集
まりやくずなり、かつフィラメント発振を防止すること
ができる。According to this embodiment, the equipolarized refractive index is as follows: Region C (thin portion of the cladding layer 6), Region B (thick portion of the cladding layer 6, without the optical guide layer 5), Region A (light guide layer 5), (parts where layer 5 is provided). If the equipolarized refractive index decreases stepwise from the center of the waveguide toward both ends, the generated light will gather at the center of the waveguide and break up, and filament oscillation can be prevented. .
また、上記領域Cでは活性層3で発生した光がキャップ
層7に僅かにしみ出して吸収されることとなる。ここで
、上記キャンプ層7下に設けられたクラッド層6の厚み
hは、上記実施例では0゜4μmとしているが、これ以
上りを小さくすると領域Cでの光吸収が増加して発振し
きい値の増加と外部微分量子効果の低下を招く、一方、
1゜を0.7μmより大きくすると、光はキャップ層7
に達せず領域Bと実質的に差がなくなる。したがって、
t、は0.4μm以上0.7μm以下にするのが良い。Further, in the region C, light generated in the active layer 3 slightly seeps into the cap layer 7 and is absorbed. Here, the thickness h of the cladding layer 6 provided under the camp layer 7 is set to 0°4 μm in the above example, but if it is made smaller than this, the light absorption in the region C will increase and the oscillation threshold will be exceeded. while leading to an increase in the value and a decrease in the external differential quantum effect.
When 1° is larger than 0.7 μm, the light passes through the cap layer 7.
, and there is virtually no difference from region B. therefore,
It is preferable that t is 0.4 μm or more and 0.7 μm or less.
更に、領域Aでは活性層における光の閉じ込めが悪いが
、Zn拡散領域11を設けることにより領域Aにおける
利得が減少するのを防ぐことができ且つキャリアの高注
入状態を作り出すことができる。これにより、基本横モ
ードのピークが存在する領域Aにおいて発振し易くなる
ので、ブロードエリアレーザにおいて基本横モードが発
振し易くなる。Further, in region A, light confinement in the active layer is poor, but by providing the Zn diffusion region 11, it is possible to prevent the gain in region A from decreasing and to create a high carrier injection state. This makes it easier to oscillate in the region A where the peak of the fundamental transverse mode exists, making it easier for the fundamental transverse mode to oscillate in the broad area laser.
尚、光ガイド層5の厚みは、領域A、Bの間の屈折率差
や、垂直横モードの高次モードのカントオフ条件等を考
慮し’?’0.4μmに形成するのが望ましい。The thickness of the optical guide layer 5 is determined by taking into account the difference in refractive index between regions A and B, the cant-off conditions for higher-order modes of the vertical transverse mode, etc. It is desirable that the thickness be 0.4 μm.
また、本実施例ではGaAj!As系DHレーザを例に
とり説明したが、これに限定するものではなく、InG
aAsPp系、InGaAsP系等他の材料の半導体レ
ーザや、量子井戸構造、SCH構造の半導体レーザにも
応用することができる。Moreover, in this example, GaAj! Although the explanation has been given using an As-based DH laser as an example, the invention is not limited to this, and InG
It can also be applied to semiconductor lasers made of other materials such as aAsPp-based and InGaAsP-based, and semiconductor lasers with quantum well structure and SCH structure.
発」4」と勤−果
4゜
以上説明したように本発明によれば、数百〜数千mWの
光出力を得ることができ、且つ横モードの制御が可能で
ある。したがって、大出力のレーザ光をレンズ等により
1点に集光できるので、レーザを用いた微細加工、光情
報処理等幅広い分野への応用が可能となるという効果を
奏する。As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an optical output of several hundred to several thousand mW, and it is also possible to control the transverse mode. Therefore, since a high-output laser beam can be focused on a single point using a lens or the like, it is possible to apply the present invention to a wide range of fields such as microfabrication using lasers and optical information processing.
第1図は本発明の一実施例のブロードエリアレーザを示
す断面図、第2図は本発明のブロードエリアレーザのp
n接合と水平方向の屈折率分布を示すグラフ、第3図は
本発明のレーザの吸収損失と利得との分布を示すグラフ
、第4図は従来のブロードエリアレーザの横モード分布
を示すグラフである。
1・・・基板、2・・・クラッド層、3・・・活性層、
4・・・クラッド層、5・・・光ガイド層、6・・・ク
ラッド層、7・・・キャップ層、8・・・絶縁層、9.
10・・・電極、11・・・Zn拡散N域。
第1図
第2図
位置yFIG. 1 is a sectional view showing a broad area laser according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a broad area laser according to an embodiment of the present invention.
A graph showing the refractive index distribution in the n-junction and the horizontal direction, FIG. 3 is a graph showing the absorption loss and gain distribution of the laser of the present invention, and FIG. 4 is a graph showing the transverse mode distribution of the conventional broad area laser. be. 1... Substrate, 2... Clad layer, 3... Active layer,
4... Cladding layer, 5... Light guide layer, 6... Cladding layer, 7... Cap layer, 8... Insulating layer, 9.
10... Electrode, 11... Zn diffusion N region. Figure 1 Figure 2 Position y
Claims (3)
、 pn接合と水平方向の等価屈折率が、前記導波路の中央
部から両端部に向かってステップ状に小さくなるように
形成されていることを特徴とするブロードエリアレーザ
。(1) A broad area laser with a large waveguide width, characterized in that the equivalent refractive index of the pn junction in the horizontal direction decreases stepwise from the center of the waveguide toward both ends. Broad area laser.
ードエリアレーザにおいて、 前記導波路の中央部を除く前記クラッド層から約0.4
〜0.7μm上方位置に、前記活性層に電流注入が可能
な導電型で且つ発振波長に対して大きな吸収係数をもつ
半導体層を形成したことを特徴とするブロードエリアレ
ーザ。(2) In a broad area laser in which a cladding layer is formed on the active layer of the waveguide, about 0.4% from the cladding layer excluding the central part of the waveguide.
A broad area laser characterized in that a semiconductor layer is formed at a position ~0.7 μm above the active layer, the semiconductor layer having a conductivity type that allows current injection into the active layer and having a large absorption coefficient with respect to the oscillation wavelength.
、 前記導波路の中央部のキャリア注入量が両側部のキャリ
ア注入量よりも大きくしてあることを特徴とするブロー
ドエリアレーザ。(3) A broad area laser having a large waveguide width, characterized in that the amount of carriers injected into the center of the waveguide is larger than the amount of carriers injected into both sides.
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JP1213248A JP2846668B2 (en) | 1989-08-18 | 1989-08-18 | Broad area laser |
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