JPH04206791A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JPH04206791A
JPH04206791A JP2337115A JP33711590A JPH04206791A JP H04206791 A JPH04206791 A JP H04206791A JP 2337115 A JP2337115 A JP 2337115A JP 33711590 A JP33711590 A JP 33711590A JP H04206791 A JPH04206791 A JP H04206791A
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JP
Japan
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semiconductor laser
transparent waveguide
waveguide
laser device
transparent
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JP2337115A
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Misuzu Yoshizawa
吉沢 みすず
Hiroaki Inoue
宏明 井上
Kimio Tateno
立野 公男
Masahiro Oshima
尾島 正啓
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1028Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
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    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/223Buried stripe structure
    • H01S5/2232Buried stripe structure with inner confining structure between the active layer and the lower electrode

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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1 本発明は半導体レーザ装置の構造に係り、特に民生用に
おいて、要求される短波長半導体レーザ装置に関する。 r従来の技t#3 レーザ光の短波長化として2次高調波発生(SHG :
 5econd Harmonic Generati
on)による方法が注目されている。現在、LN、KD
PなどによるSHGが実現されている。この方法は、レ
ーザ光をレンズによりLNやKDPに集光させ、SHG
を発生させようというものである。半導体レーザを励起
光源としたLiNO3薄膜導波路のチェレンコフ放射に
ょるSHGについては、谷内らにより、1987年度シ
ー・エル・イー・オー、第196頁および第199頁1
g!演番号WP6 (CLEO(Conference
 ol 1asers and elecjro、−o
p+1cs)、pp+96 and 199.WF2)
やオープラスイー。 1988年、103号、第93頁から第97頁(Opl
usE、 1988゜vol、103. pp、93−
97)によって報告されている。その具体的構造を第6
図に示す。 一方、半導体レーザ自身からSHGが発生することが知
られている。これは、半導体レーザの構成物質が大きな
非線形光学定数をもち、且つ、半導体レーザのキャビテ
ィ内部では光密度が大きいことによる。半導体レーザ自
、身の5HGQ生については、例えば、J、A、、Ar
msltongらにより、アプライドフィジックス レ
ターズ1963年第3巻第52頁(APPl、PhYs
、Len、、 vnl、3−、 pp、52)において
、GaAs半導体レーザの場合について報告されている
。 この場合、SHG光はGaAsでの光吸収が大きいため
、レーザ端面から垂直方向に放射される光は、レーザ端
面から100A以内の領域で発生した光に限られる。 【発明が解決しようとする課題】 上記従来技術の前者の方法は、光学系のアライメントが
重要であるにもかかわらず、これが非常に難しい。従っ
て、信頼性に欠け、コストも高い。 また、後者の方法は、発生した2次高調波のレーザ物質
による吸収が非常に大きく、その出力は基本波の出力に
対して高々10−6倍程度のものであった。 本発明の目的は、大きな2次高調波出力を有する半導体
レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的は、透明導波路をその長さ方向が半導体レーザ
の共振器の長さ方向に対しほぼ平行になるように、半導
体レーザに一体的に設けること、およびこれらを構成す
る材料を次の条件を満たすように選ぶことにより達成で
きる。 すなわち、半導体レーザの活性層の屈折率をnl、透明
導波路の屈折率を02、基本波(波長λ)に対する半導
体レーザと透明導波路とで構成される光導波路の実効屈
折率をntとしたとき、n2(λ)<  nl(λ)、 Il& < 112(λ/2)[チェレンコフ放射の条
件]、透明導波路は2次高調波に対して透明、であると
いう3つの条件を満たすように構成材料を選ぶ。 また透明導波路の2次高調波出射部の形状を。 出射方向に沿い出射面に向かって細くなる半円錐状等の
錐状にすることにより、2次高調波の集光性を向上させ
ることができる。 【作用1 本発明の作用を第2図を用いて説明する。第2図には、
半導体レーザの活性層としてGaAsを用いた場合の、
GaAsと透明導波路の各々の屈折率n、およびn2の
グラフが示されている。 また、基本波(波長λ)に対する半導体レーザと透明導
波路とで構成される光導波路の実効屈折率nよは、透明
導波路の屈折率n2 (λ)より上に位置しており、基
本波は光導波路中を導波する。 また、活性層と透明導波路間の距離は十分に小さいので
、基本波の発生に伴って発生する2次高調波は、基本波
に対しチェレンコフ放射角α(n2(λ/2)cosα
−01)を保って、透明導波路中に放射される。そして
透明導波路中を導波して外部に出射される。 また、透明導波路の2次高調波出射部の形状を、出射方
向に沿い出射面に向かって細くなる半円錐状等の錐状に
することにより、2次高調波の出射光をレーザ共振器長
方向に平行にでき集光性が向上する。 【実施例1 実施例1゜ 実施例1を第1図(a)、第1図(b)を用いて説明す
る。 第1図(a)は、素子の正面図であり、第1図(b)は
、第1図(a)におけるA−A’断面図である。活性層
3で発光した基本波のレーザ光は、活性層中のG a 
A sの非線形現象により2次高調波を発生する。透明
導波路1は活性層3に十分近づけである。従って、活性
層3で発生した2次高調波は効率良く透明導波路1にチ
ェレンコフ放射される。さらに、透明導波路1の一端は
、チェレンコフ放射した2次高調波を平行光にするため
に、第1図(a)、第1図(b)で示したように、頂角
θの半円錐形となっている。 次に、素子の作製方法について述べる。高抵抗G a 
A s基板結晶5上にアンドープA1.35G a 、
65A sクラッド層4、G a A s活性層3、ア
ンドープA l 、35G a 、ssA Sクラッド
層2をMBE法により順次形成する。次に5i02、S
iNをCVD法により順次形成する。次にRIEにより
、この5i02、SiNをストライプ形成部上に拡散マ
スクとして残す。つぎにこの拡散マスクの片側のアンド
ープA l 、35G a 、65A 5クラッド層2
上だけに、リフトオフ法を用いて電子ビーム蒸着法を用
いてSiを蒸着する。さらに全面に熱CVD法により5
i02を堆積させ、この状態でn型不純物Siの拡散を
行なう。その結果、n型不純物拡散領域7が形成される
。その後、拡散マスクに対してSiを拡散した側とは反
対側の部分の5102をエツチングしてZn拡散の窓と
する。その後、Zn拡散を行ないp型不純物拡散領域6
を形成する。これと同時にストライプが形成される。そ
の後、リフトオフ法によりp、0両電極を形成する。こ
こで、p側電極としてはA u /Crを、n側電極と
してはA u / Cr / A u G eNiを用
いる。素子は共振器長3mmに襞間し、両端面には膜厚
が1/4波長の810.とa〜Siの多重膜からなる高
反射膜8を蒸着する。ここで、高反射膜は襞間面より反
射率が大きい膜をさす(以下同様)。次に、圧着法によ
り透明導波路1を半導体レーザと一体化する。透明導波
路1の材料にはa−SiまたはTiOを用いる。透明導
波路1はあらかじめ、その一端を研磨により頂角がθの
半円錐形としておき、他端には2次高調波に対して高反
射となる膜9(付けることにより反射率が高くなる膜)
を蒸着しておく。 本実施例の素子は、基本波の発振波長870nmにおい
て室温連続発振する。しきい値電流は1mAである。ま
た、2次高調波12の波長は435nmである。2次高
調波出力は、基本波1mWに対して10mWである。ま
た、発生した2次高調波はレンズによるコリメートが可
能である。 実施例2゜ 実施例2を第3図(a)、第3図(b)を用いて説明す
る。 第3図(a>は、素子の正面図であり、第3図(b)は
、第3図(a)におけるA−A’断面図である。活性層
14で発光した基本波のレーザ光は、活性層中のGaA
sの非線形現象により2次高調波を発生する。n側電極
46には透明電極を用いる。従って、p−n接合方向を
活性層平面に対して垂直に形成することができる。透明
電極は、5n02、T i 02またはAuを、噴霧法
により形成する。透明導波路20は活性層14に十分近
づけである。従って、活性層14で発生した2次高調波
は効率良く透明導波路20にチェレンコフ放射される。 さらに、透明導波路20の一端は、チェレンコフ放射し
た2次高調波を平行光にするために、第3図(a)、第
3図(b)で示したように、頂角θの半円錐形となって
いる。 次に、素子の作製方法について述べる。p型G a A
 s基板結晶18上にp型A I 、35G a 、6
5Asクラッド層16をMOCVD法により形成する。 次に5i02をマスクにしてストライプがメサ状に残る
ようにp型A 1−35G a 、a5A sクラッド
層16をエツチングする。図ではp型A l 、35G
 a 、65A sクラッド層16を貫通しp型GaA
s基板まで達する場合を示しているが、0. 6μm以
上の深さがあれば、p型G a A s基板18まで達
する必要は無い。次に、この5i02を選択成長のマス
クとして、エツチング溝が埋まり、表面が平らになるま
で、n型Ga A s光吸収電流狭搾層17をMOCV
D法により形成する。SiO2を除去した後、再びMO
CVD法によりp型A l 、35G a 、65A 
sクラッド層15、G a A s活性層14、n型A
 1.35G a 、65A sクララド層13をMO
CVD法により順次形成する。その後、A u / C
tからなるp側電極19を形成する。素子は共振器長3
mmに襞間し、両端面には膜厚が1/4波長のSiO□
とa  Siの多重膜からなる高反射膜22を蒸着によ
り形成する。次に、圧着法により透明導波路20を半導
体レーザと一体化する。透明導波路20の材料はZnG
eP2またはZn5eを用いる。また、Zn5eに代え
て、禁制帯幅が基本波の波長相当よりも大きい他の■−
Vl族半導体を用いることができる。透明導波路はあら
かじめ、その一端を研磨により頂角がθの半円錐形とし
ておき、他端には2次高調波に対して高反射となるよう
な膜23を蒸着しておく。また、半導体レーザとの接着
面となる半円錐形の平面部を含む面には、n側透明電極
46を形成しておく。 本実施例の素子は、基本波の発振波長870nmにおい
て室温連続発振する。しきい値電流は1mAである。ま
た、2次高調波21の波長は435nmである。2次高
調波出力は、基本波1mWに対して10mWである。ま
た、発生した2次高調波はレンズによるコリメートが可
能である。 実施例3゜ 実施例3を第4図(a)、第4図(b)を用いて説明す
る。 第4図(a)は、素子の正面図であり、第4図(b)は
、第4図(a)におけるA−A”断面図である。活性層
26で発光した基本波のレーザ光は、活性層中のG a
 A sの非線形現象により2次高調波を発生する。n
 (till電極は透明電極47を用いる。従って、p
n接合方向を活性層平面に対して垂直に形成することが
できる。透明電極は、5n02、TlO2またはAuを
、噴霧法により形成する。この透明導波路24は活性層
26に十分近づけである。従って、活性層26で発生し
た2次高調波は効率良く透明導波路24にチェレンコフ
放射される。さらに、透明導波路24の一端は、チェレ
ンコフ放射した2次高調波を平行光にするために、第4
図(a)、第4図(b)で示したように、頂角θの半円
錐形となっている。 次に、素子の作製方法について述べる。p型G a A
 s基板結晶29上にn型GaAs光吸収電流狭搾層2
8をLPE法を用いて形成する。次に、第4図(a)に
示したように、ストライプ幅1から20μm、ストライ
プ開路[0,2から5μ。、ストライプ本数1から20
本のストライプをホトエソチング工程により形成する。 この時二ノチングはn型Ga As光吸収電流狭搾層2
8を貫通し、p型G a A s基板結晶29に達する
ようにする。 その後、LPE法により、p型A 1.35G a 、
65Asクラッド層27、G a A s活性層26、
n型A l 、35G a 、65A Sクラッド層2
5をLPE法により形成する。その後、A u / C
rからなるp側電極30を形成する。素子は共振器長3
mmに襞間し、両端面には1/4波長の5iOzとa−
81の多重膜からなる高反射膜32を蒸着により形成す
る。次に、圧着法により透明導波路24を半導体レーザ
と一体化する。透明導波路24の材料は(半導体レーザ
側) / S i 02/ S i N/ a−3iの
積層体を用いる。屈折率の大小関係は半導体レーザから
遠ざかるにつれて大きくなっている。この関係は他の構
成としてもよい。また、5i02、SiN層の厚さは数
100〜1000Aである。透明導波路24はあらかじ
め、その一端を研磨により頂角がθの半円錐形としてお
き。 他端には2次高調波に対して高反射となるような膜33
を蒸着しておく。また、半導体レーザとの接着面となる
半円錐形の平面部を含む面には、n側透明電極47を形
成しておく。 本実施例の素子は、基本波の発振波長870nmにおい
て室温連続発振する。また、2次高調波31の波長は4
35nmである。しきい値電流はストライプ3本の場合
は3mA、ストライプ10本の場合は10mA、ストラ
イプ20本の場合は20mAである。2次高調波出力は
、ストライプ3本の場合は基本波3mWに対して30m
W、ストライプ10本の場合は基本波10mWに対して
100mW、ストライプ20本の場合は基本波20mW
に対して200mWである。発生した2次高調波はレン
ズによるコリメートが可能である。 以上実施例1〜3に示したように、本発明によれば、2
次高調波の出力を基本波の10−5倍以上にでき、従来
の10−6倍程度よりも大きくできる。 なお、本発明は、実施例1〜3に示した波長870nm
前後に限らず、波長680−890nmのA I G 
a A s系半導体レーザ装置で、室温連続発振できる
全範囲にわたって実施可能である。 また、上記実施例において導電型をすべて反対にした構
造(p型をn型に、n型をp型に置き換えた構造)にす
ることができる。 また、上記実施例では、A I G a A s系の材
料を用いているが、AlGa P、AsAl I nP
、AsAlGa InP、AlGa InAsなど、す
べての材料系に適応できることはいうまでもない。 実施例4゜ 実施例4を、第5図を用いて説明する。第5図はワンチ
ップの2次高調波光ヘツドの構成図である。 半導体レーザ素子34は、実施例1と同じものであり、
これが2次元透明導波路を構成する音響光学結晶材料か
らなる基板35の一端に埋め込まれている。また、基板
35の片面には、半導体レーザ素子34からチェレンコ
フ放射された2次高調波を導波し基板35の他端から出
射させる2次光導波路薄膜36が形成されている。さら
(こ、2次元導波路薄膜36には、チェレンコフ放射さ
れた2次高調波44を2次元導波路薄膜36内(こ導く
グレーティングカップラー45.2次元導波路薄膜36
を伝播する平行ビームを回折してその向きを変える表面
弾性波48を発生する表面弾性波発生器(具体的には、
結晶表面の2次元導波路薄膜に高電圧を印加するための
電極)37が形成されている。また、基板35の他端に
相当する部分には、光ディスク39上に平行ビームをフ
ォーカスするグレーティング対物レンズ40が形成され
ている。さらには、光ディスク39からの反射光処理用
のグレーティングビームスプリンタ41およびディテク
タ対42.43が、グレーティング対物レンズ40側か
ら順次形成されている。 これらは、以下で述べるような働きをする。半導体レー
ザ34からチェレンコフ放射された2次高調波44は円
錐を進行方向に重ねた形で放射され、グレーティングカ
ップラー45によって2次元導波路薄膜36に導かれて
、平行ビームとじて2次元導波路薄膜36を伝播する。 表面弾性波48は回折格子の働きをし、平行ビームを回
折して、その光の向きを変える。ユニで光の向きを変え
る理由は、最終的に得られた光スポット38を光ディス
ク39上で、このディスク39上に蓄力)れたピントの
列を追随すなわちトラッキングできるようにするためで
ある。さて、表面弾性波46を経たビームは、グレーテ
ィング対物レンズ40によって光ディスク39上にフォ
ーカスされ、光スポット38を形成する。この光スポッ
トは、光ディスク39上に記録されたピット列より信号
を読み取る。光ディスク39からの反射光は、グレーテ
ィング対物レンズ40により集光され、元の2次元導波
路薄膜36を逆方向に伝播する。そして、グレーティン
グビームスプリッタ41を通って、ディテクタ対42.
43に至り、記録信号を検出するとともに、オートフォ
ーカス信号及びトラッキング信号を得て常にフォーカス
スポットが光ディスク上のピット列に当たるべく作用す
る。 なお、ここで用いる半導体レーザ34は、実施例1〜実
施例3のいずれを用いても良い。 【発明の効果1 本発明によれば、ワンチップで2次高調波による短波長
光を取り出すことができる。従って、このチップを光デ
ィスクの読みだし、書き込みの光源として用いることに
より、従来の4倍の密度の情報量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は実施例1の正面図、第1図(b)は第1
図(a)におけるA−A’断面図、第2図はQ a A
 s、透明導波路、基本波の実効屈折率の波長分散を示
した図、第3図(a)は実施例2の正面図、第3図(b
)は第3図(a)におけるA−A″断面図、第4図(a
)は実施例3の正面図、第4図(b)は第4図(a)に
おけるA−A’断面図、第5図は実施例4の斜視図、第
6図はチェレンコフ放射による2次高調波発生の従来技
術の斜視図である。 符号の説明 1・・・透明導波路、2・・・アンドープA I G 
a A sクランド層、3・・・G a A s活性層
、4・・アンドープA I G a A sクラッド層
、5・・・高抵抗GaAs基板結晶、6・ n型不純物
拡散領域、7・・・n型不純物拡散領域、訃・高反射膜
、9・・高反射膜、10・p側電極、11− n (I
II [極、12・ SMC光、13− n型AlGa
Asクラッド層、14−GaAs活性層、15− p型
A I G a A sクラッド層、16 =・p型A
 I G a A sクラッド層、l’7”’n型G 
a A s光吸収電流狭搾層、18− p型GaAs基
板結晶、19・・p側電極、20・・透明導波路、21
・・SMC光、22・・高反射膜、23・・・高反射膜
、24−・透明導波路、25− n型AlGaAsクラ
ッド層、26・・・G a A s活性層、27・・p
型AlGaAsクラッド層、28− n型G a A 
s光吸収電流狭搾層、29・・・p型Ga A s基板
結晶、30・・・p側電極、31・・・SMC光、32
・・・高反射膜、33・・高反射膜、34・・半導体レ
ーザ、35・基板、36・・・2次元導波路薄膜、37
・表面弾性波発生器、38・・光スポット、39・・光
ディスク、40・・グレーティング対物レンズ、41・
・・グレーティングビームスプリンタ、42 ディテク
タ、43−ディテクタ、44 ・チェレンコフ光、45
・グレーティングカップラー、46・・n側透承 打 プ入 ジ良長 3/ J7゜ 3? y 劣5図 名乙画

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、基本波発振する半導体レーザと、該半導体レーザの
    共振器長方向に対しほぼ平行になるように該半導体レー
    ザに一体的に設けられた透明導波路を有する半導体レー
    ザ装置であって、上記基本波の2次高調波が上記透明導
    波路を導波して外部に出射され、かつ上記2次高調波の
    出力は上記基本波の出力の10^−^5倍以上であるこ
    とを特徴とする半導体レーザ装置。 2、基本波発振する半導体レーザと、該半導体レーザの
    共振器長方向に対しほぼ平行になるように該半導体レー
    ザに一体的に設けられた透明導波路を有する半導体レー
    ザ装置であって、上記基本波の2次高調波が上記透明導
    波路を導波して外部に出射され、かつ上記半導体レーザ
    および透明導波路の構成材料は、上記基本波(波長λ)
    に対する上記半導体レーザの活性層の屈折率をn_1(
    λ)、上記透明導波路の屈折率をn_2(λ)、上記半
    導体レーザと上記透明導波路とで構成される光導波路の
    実効屈折率をn_1としたとき、 n_2(λ)<n_1(λ)、 n_λ<n_2(λ/2) の条件を満たす材料からなることを特徴とする半導体レ
    ーザ装置。 3、上記透明導波路の2次高調波出射部の形状は、出射
    方向に沿い出射面に向かって細くなる錐状である請求項
    2記載の半導体レーザ装置。 4、上記錐状は半円錐状である請求項3記載の半導体レ
    ーザ装置。 5、上記半導体レーザは半導体基板上に形成されたダブ
    ルヘテロ構造体を有しており、上記透明導波路は上記基
    板に対し遠い側のクラッド層と接している請求項4記載
    の半導体レーザ装置。 6、上記半導体基板は高抵抗半導体基板であり、上記ダ
    ブルヘテロ構造体は上記半導体レーザの共振器長方向に
    発光領域を挾んで延在しているpおよびn側電極層を有
    しており、該pおよびn側電極層は上記基板に対し遠い
    側のクラッド層表面まで延在している請求項5記載の半
    導体レーザ装置。 7、上記半導体基板は導電性半導体基板であり、該基板
    と上記基板に対し遠い側のクラッド層は各々反対導電型
    の電極と接続しており、該電極のうち上記クラッド層と
    接続した電極は透明電極である請求項5記載の半導体レ
    ーザ装置。 8、上記半導体レーザの発光領域は上記半導体レーザの
    共振器長方向に延在している複数本のストライプからな
    る請求項7記載の半導体レーザ装置。 9、上記透明電極はn側電極である請求項6乃至8のい
    ずれかに記載の半導体レーザ装置。 10、上記透明導波路は、該透明導波路の上記2次高調
    波に対する実効屈折率より、屈折率の大きな層1層以上
    と、小さな層1層以上の2層以上の層から構成されてい
    る請求項2乃至9のいずれかに記載の半導体レーザ装置
    。 11、上記透明導波路の屈折率は、上記半導体レーザか
    ら遠ざかるにつれて順次大きくなっている請求項10記
    載の半導体レーザ装置。 12、上記透明導波路はII−VI族半導体からなる請求項
    2乃至11のいずれかに記載の半導体レーザ装置。 13、上記半導体レーザの両端面には、劈開面の反射率
    より高反射率の膜が形成されており、上記透明導波路の
    2次高調波出射部と反対側の端面には、上記2次高調波
    の反射率を高める膜が形成されている請求項2乃至12
    のいずれかに記載の半導体レーザ装置。 14、透明導波路基板と、該透明導波路基板の一端に埋
    め込まれている半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素
    子からチェレンコフ放射された2次高調波を上記透明導
    波路基板の他端に導波する上記透明導波路基板の一表面
    に形成された2次元導波路薄膜と、該2次元導波路薄膜
    に形成された上記チェレンコフ放射2次高調波を上記2
    次元導波路薄膜に導くカップラー、上記2次元導波路薄
    膜を伝播する平行ビームを偏向する手段、光ディスク上
    に平行ビームをフォーカスする対物レンズ、および光デ
    ィスクからの反射光を順に処理するビームスプリッタお
    よびディテクタ対を有していることを特徴とする半導体
    レーザ装置。
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