JPH04226094A - 半導体レーザ素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、通信に代表される光伝
送用の光源として、シングルモードを発振することので
きる半導体レーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】縦シングルモード発振を実現するための
半導体レーザ素子構造として、図３に示す分布帰還型（
ＤＦＢ）、図４に示す分布反射型（ＤＢＲ）、図５に示
す外部複合共振型などが知られている。

【０００３】図３に示すＤＦＢ型半導体レーザ素子は、
基板６の上に、下部クラッド層４、活性層１、回折格子
７を有する光ガイド層２、上部クラッド層３、キャップ
層５が順次積層されたものである。図４示すＤＢＲ型半
導体レーザ素子は、基板６の上に、下部クラッド層４、
回折格子７を有する活性層１、上部クラッド層３、キャ
ップ層５が順次積層されたものである。図５に示す外部
複合共振型半導体レーザ素子は、基板６の上に、下部ク
ラッド層４、活性層１、上部クラッド層３、キャップ層
５が順次積層され、これら積層構造の外側に外部ミラー
８備えられたものである。

【０００４】これ以外に、ＭＱＷのごとき量子井戸構造
の活性層と、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造（Ｇｒａｄｅｄ　Ｉ
ｎｄｅｘ　Ｓｅｐａｒａｔｅ　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ
　Ｈｅｔｒｏ　Ｓｔｒｕｃｔｕｅｒ）　の光閉じ込め層
とを備え、対をなす劈開面を介して共振器が構成された
半導体レーザ素子が、下記の文献１に発表されている。 文献１：Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．，　Ａ．Ｋａｓｕｋａｗａ，
　ｅｔ　ａｌ．，　ｖｏｌ．１２８，　ｐｐ．　６６１
−６６３　（１９８９）　文献１に記載された半導体レ
ーザ素子は、最近のＭＯＣＶＤ技術の発展にともない案
出されたものであり、この半導体レーザ素子の場合、λ
＝１．３〜１．５μｍの長波長帯においてシングルモー
ドを発振できると報告されている。

【０００５】従来、これらシングルモード半導体レーザ
素子は、スペクトル分散により伝送帯域の制限を受ける
高速・長距離デジタル通信の光源として用いられていた
が、当該素子の強度雑音特性が、マルチモード半導体レ
ーザ素子に対し、１０ｄＢ／Ｈｚ程度優れていることか
ら、最近、アナログ用の光源としても使用されはじめて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したＤＦＢ型、Ｄ
ＢＲ型半導体レーザ素子の場合、これらに回折格子７を
形成しなければならないので、製作工程が複雑になる。

【０００７】特に、ＤＦＢ型半導体レーザ素子について
は、つぎの文献２で指摘されているように、良品の歩留
率が低下する。文献２：電子情報通信学会誌　　Ｓ．Ａ
ｋｉｂａ，　ｖｏｌ．７０，　ｐｐ．　４７１−４７４
　（Ｍａｙ　１９８７）　すなわち、文献２から明らか
なように、ＤＦＢ−ＬＤは、劈開面と回折格子との位相
が特定の範囲をとる場合を除き、ブラッグ反射条件を満
たす下記（１）式のブラッグ波長λＢ　に対し、λＢ　
両側の２波長で発振する性質を有するので、つぎのよう
な技術的配慮が要求される。 λＢ　＝２ｎｅ　λ‥‥‥‥‥（１） ｎｅ　：等価屈折率 λ：回折格子周期 その一つは、ＤＦＢ−ＬＤをλＢ　の片側の波長で発振
させるために、その前端面を無反射コーティングするこ
と、他の一つは、ちょうどλＢ　の波長で発振させるた
めに、その前端面を無反射コーティングし、その後端面
を高反射コーティングするか、または、回折格子の位相
を共振器の中央において１／４λだけずらせることであ
る。しかし、これらいずれの場合も、ＤＦＢ型半導体レ
ーザ素子の製作工程が繁雑化し、良品の得られる歩留が
低下する。

【０００８】上述した外部複合共振型半導体レーザ素子
の場合、外部ミラーを再現性よく作製するのが困難であ
り、それゆえ、発振波長特性などの再現性が得られない
。

【０００９】上述したＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ型半導
体レーザ素子は、端面出力を大きくしたとき、出力がシ
ングルモードからマルチモードに遷移し、この遷移に起
因して相対雑音強度が１０ｄＢ／Ｈｚ程度大きくなるの
で、シングルモードの端面出力を大きくすることができ
ない。

【００１０】本発明はかかる技術的課題に鑑み、ＧＲＩ
Ｎ−ＳＣＨ−ＭＱＷ型、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＳＱＷ型な
ど、これらの半導体レーザ素子に改良を加えることによ
り、シングルモードの端面出力を大きくすることのでき
る半導体レーザ素子を新規に提供しようとするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は所期の目的を達
成するため、基板上に形成された活性層が、単一、多重
、いずれかの量子井戸構造からなり、活性層を挟む光閉
じ込め層が、その活性層から遠ざかるにしたがい屈折率
の小さくなるＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造からなり、共振器が
対をなす劈開面を介して構成されている半導体レーザ素
子において、上記一方の劈開面が、その劈開面反射率よ
りも高反射率をもつべく誘電体膜で覆われており、上記
他方の劈開面が、その劈開面反射率よりも低反射率をも
つべく誘電体膜で覆われていることを特徴とする。本発
明半導体レーザ素子における活性層は、単一または多重
の量子井戸構造からなるが、この活性層としては、Ｇａ
ＩｎＡｓ系材料またはＧａＩｎＡｓＰ系材料が望ましい
。本発明半導体レーザ素子の場合、高反射率誘電体膜の
反射率が８０〜９５％、低反射率誘電体膜の反射率が１
５％以下であることが望ましい。本発明半導体レーザ素
子において、基板上の各半導体層は、ＭＯＣＶＤ法のご
とき気相成長法で形成されたものが望ましい。

【００１２】

【作用】本発明に係る半導体レーザ素子の場合、量子井
戸構造の活性層、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造の光閉じ込め層
を備えているほか、高反射率を有すべく誘電体膜により
覆われた一方の劈開面と、低反射率を有すべく誘電体膜
により覆われた他方の劈開面とで、共振器が構成されて
いるから、後述の実施例で説明するように、所定の端面
よりシングルモードを高出力で発振することができる。

【００１３】

【実施例】本発明に係る半導体レーザ素子を、図１の（
Ａ）（Ｂ）に例示した実施例に基づいて説明する。図１
の（Ａ）（Ｂ）において、ｎ−ＩｎＰ基板１６の上に、
ｎ−ＩｎＰクラッド層１４、ｎ−ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造
の光閉じ込め層１２ａ、量子井戸構造の活性層１１、ｐ
−ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造の光閉じ込め層１２ｂ、ｐ−Ｉ
ｎＰクラッド層１３、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰキャップ層１
５が順次積層されているとともに、活性層１１の両側に
は、それぞれｐ−ＩｎＰ電流阻止層１７、ｎ−ＩｎＰ電
流阻止層１８が、ｎ−ＩｎＰクラッド層１４とｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層１３との間に介在されて形成されている。 かかる構成を有する半導体レーザ素子の場合、出射端面
（前端面）となる一方の劈開面を低反射率とし、その反
対端面（後端面）となる他方の劈開面を高反射率とすべ
く、これら前端面、後端面が誘電体膜１９、２０により
それぞれ覆われている。

【００１４】上記において、活性層１１は、単一の量子
井戸構造（ＳＭＱ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のい
ずれかからなる。活性層１１がＭＱＷからなるとき、こ
れは、交互に積層された複数の井戸層とバリア層とで形
成される。

【００１５】上記において、活性層１１から遠ざかるに
したがい屈折率の小さくなるＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造の光
閉じ込め層１２ａ、１２ｂは、波長組成λが段階的に大
きくなる二層以上（例：四層）の薄膜が擬似的に放物線
状を呈するように積層されて形成される。

【００１６】これら活性層１１、光閉じ込め層１２ａ、
１２ｂは、公知ないし周知の気相成長法を主体にしてｎ
−ＩｎＰ基板１６上に形成され、クラッド層１４、キャ
ップ層１５、電流阻止層１７、１８も、気相成長法を主
体にして形成される。具体的一例として、薄膜の厚さ、
組成などの制御性に優れるＭＯＣＶＤ法とメサエッチン
グ法とが採用されて図示のごとき半導体レーザ素子が作
製される。

【００１７】誘電体膜（低反射膜）１９と誘電体膜（高
反射膜）２０とで構成される共振器のキャビティ長は、
一例として、５００μｍである。この場合、誘電体膜１
９は、厚さ約１／４λ、反射率約１〜１５％のＳｉＯｘ
　またはＳｉＮｘ　により形成され、誘電体膜２０は、
ＳｉＯｘ　（１／４λに相当）とアモルファスＳｉ（１
／４λに相当）とによる三対の複合膜と、これにプラス
されたＳｉＯｘ　（１／４λに相当）とで、反射率８０
〜９５％の多層膜構造に形成される。

【００１８】図１の（Ａ）（Ｂ）に示した半導体レーザ
素子において、基板１６のラッピングされた裏面には図
示しないｎ電極が設けられ、キャップ層１５の上面には
図示しないｐ電極が設けられる。

【００１９】図１の（Ａ）（Ｂ）に示した半導体レーザ
素子において、ｐ電極、ｎ電極間に電流を注入すると、
活性層１１領域が発光し、その発光状態が活性層１１領
域内で反射かつ増幅されて誘導放出が起こり、活性層領
域３０から所定の方向にレーザ光が誘導放出される。

【００２０】図２は、上記レーザ発振において前端面の
反射率を変え、シングルモード動作の最大出力を測定し
た結果を示している。図２から明らかなように、誘電体
膜（低反射膜）１９の反射率が１０％以下の場合は、誘
電体膜１９のない劈開面のみの場合と比較し、シングル
モード出力が３０〜４０％増加している。

【００２１】図２の実験は、シングルモード動作するこ
とのできる共振器内において、最大レーザパワーＰｉｍ
ａｘ　の比較的小さいロットで行なわれた。この他の素
子両端面が劈開面のままであっても、出力２０ｍＷ程度
まではシングルモードのロットの存在することが確認さ
れた。このようなロットで、素子劈開面に上記反射膜を
形成すれば、３０ｍＷに近い出力まで、シングルモード
動作すると予測される。

【００２２】本発明の半導体レーザ素子において、上述
した好結果が得られる理由は、つぎのように考えられる
。シングルモードレーザ発振において、レーザ共振器内
の出力端面付近のレーザパワーをＰｉとすると、共振器
内のパワー密度は、共振器中央部がＰｉよりも小さくな
るものの、近似的にはＰｉに等しいとみなせる。したが
って、半導体レーザ素子の出力Ｐｆは、出射端面の反射
率をＲｆとすると、下記（２）式のようになる。 Ｐｆ＝（１−Ｒｆ）Ｐｉ‥‥‥‥（２）さらに、シング
ルモード動作を行うことのできる共振器内の最大レーザ
パワーＰｉｍａｘ　が、何らかのメカニズムで一定値に
制限されたと仮定すると、この条件下において反射率Ｒ
ｆを変えたときのシングルモード動作可能な半導体レー
ザ素子の最大出力Ｐｆｍａｘ　は、下記（３）式のよう
になる。 Ｐｆｍａｘ　＝（１−Ｒｆ）Ｐｉｍａｘ　‥‥‥‥（３
）上記（３）式において、Ｐｉｍａｘ　を一定としてＰ
ｆｍａｘ　のＲｆ依存度を計算したところ、その計算結
果は、前記図２の実験結果とよく一致する傾向を示した
。これは、量子井戸構造の活性層１１、ＧＲＩＮ−ＳＣ
Ｈ構造の各光閉じ込め層１２ａ、１２ｂを備えた半導体
レーザ素子において、共振器を構成する一方の劈開面が
低反射率の誘電体膜１９で覆われ、共振器を構成する他
方の劈開面が高反射率（反射率８０〜９５％）の誘電体
膜２０で覆われた場合に、シングルモード動作の出力上
限が内部光パワーの最大値で規定されていることを示す
と解釈できる。したがって、本発明に係る半導体レーザ
素子の場合は、この点に依存してシングルモードの端面
出力を大きくすることができる。

【００２３】つぎに、高反射率の誘電体膜：低反射率の
誘電体膜＝０．８５：０．１にて両劈開面が端面コーテ
ィングされたＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ−ＬＤ（本発明
の実施例）と、このような端面コーティングのないＧＲ
ＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ−ＬＤ（従来例）について、これ
らの出力特性の非直線性を図６、図７に基づいて説明す
る。図６、図７において、左縦軸は前端面出力Ｐｆ（ｍ
Ｗ）、右縦軸は外部微分量子効率ηＤ　（％）、横軸は
注入電流Ｉｆ（ｍＡ）をそれぞれあらわし、点線はシン
グルモード出力（光量）、実線はこれの微分値をそれぞ
れ示す。なお、ＬＤの出力特性の非直線性は、ηＤ　の
低下量（ΔηＤ　）を用いて、たとえば、下記（４）式
のように定義できる。 　　　　　　　　　　ΔηＤ　＝〔ηＤ（２０ｍＷ）−
ηＤ（ｍａｘ）〕／ηＤ（ｍａｘ）‥‥‥‥（４）

【０
０２４】本発明係る半導体レーザ素子は、図６に示すご
とく、２０ｍＷ出力における外部微分量子効率ηＤ　の
低下が約８％に抑えられている。これに対する従来例の
半導体レーザ素子は、図７に示すごとく、２０ｍＷ出力
での外部微分量子効率ηＤ　が、閾値での値に比べ、約
２４％も低下している。このように、本発明係る半導体
レーザ素子は、従来例のものに比較して、出力特性の非
直線性が大きく改善されている。

【００２５】

【発明の効果】本発明半導体レーザ素子の場合、活性層
が量子井戸構造からなり、活性層を挟む光閉じ込め層が
ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造からなるだけでなく、共振器を構
成する一対の劈開面が誘電体膜で覆われ、素子一端面が
高反射、素子他端面が低反射となるから、シングルモー
ドを高出力させることができ、その上、活性層、光閉じ
込め層などは、技術的に完熟した薄膜積層手段で形成す
ることができ、低反射率膜、高反射率膜なども、これを
素子の劈開面に堆積するだけであるから、素子の作製に
際して技術的難度をともなわず、良品の歩留率を高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明半導体レーザ素子の一実施例を示した正
面構造図（Ａ）と縦断面構造図（Ｂ）である。

【図２】本発明半導体レーザ素子における出力端面側反
射膜の反射率とシングルモード最大出力との関係を示し
た特性図である。

【図３】従来例に係る分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レー
ザ素子の断面図である。

【図４】従来例に係る分布反射型（ＤＢＲ）半導体レー
ザ素子の断面図である。

【図５】従来例に係る外部複合共振型半導体レーザ素子
の断面図である。

【図６】本発明の半導体レーザ素子における外部微分量
子効率および出力特性の非直線性が改善されていること
を示した図である。

【図７】従来の半導体レーザ素子における外部微分量子
効率および出力特性の非直線性を示した図である。

【符号の説明】

１１　　　　活性層 １２ａ　　光閉じ込め層 １２ｂ　　光閉じ込め層 １３　　　　クラッド層 １４　　　　クラッド層 １５　　　　キャップ層 １６　　　　基板 １７　　　　電流阻止層 １８　　　　電流阻止層 １９　　　　誘電体膜 ２０　　　　誘電体膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板上に形成された活性層が、単一、
   多重、いずれかの量子井戸構造からなり、活性層を挟む
   光閉じ込め層が、その活性層から遠ざかるにしたがい屈
   折率の小さくなるＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造からなり、共振
   器が対をなす劈開面を介して構成されている半導体レー
   ザ素子において、上記一方の劈開面が、その劈開面反射
   率よりも高反射率をもつべく誘電体膜で覆われており、
   上記他方の劈開面が、その劈開面反射率よりも低反射率
   をもつべく誘電体膜で覆われていることを特徴とする半
   導体レーザ素子。
2. 【請求項２】　　活性層が、ＧａＩｎＡｓ系材料、Ｇａ
   ＩｎＡｓＰ系材料のいずれかからなる請求項１記載の半
   導体レーザ素子。
3. 【請求項３】　　高反射率誘電体膜の反射率が８０〜９
   ５％であり、低反射率誘電体膜の反射率が１５％以下で
   ある請求項１記載の半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】　　基板上の各半導体層が気相成長法によ
   り形成されたものからなる請求項１〜３いずれかに記載
   の半導体レーザ素子。