JPH05145173A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

半導体レーザ素子

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JPH05145173A
JPH05145173A JP30515291A JP30515291A JPH05145173A JP H05145173 A JPH05145173 A JP H05145173A JP 30515291 A JP30515291 A JP 30515291A JP 30515291 A JP30515291 A JP 30515291A JP H05145173 A JPH05145173 A JP H05145173A
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JP
Japan
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semiconductor laser
laser device
film
multilayer film
multilayered
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JP30515291A
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English (en)
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Shoji Kitamura
祥司 北村
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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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
    • H01S5/005Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0092Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • 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
    • H01S5/0604Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium comprising a non-linear region, e.g. generating harmonics of the laser frequency
    • HELECTRICITY
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    • 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
    • H01S5/10Construction 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
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement

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Abstract

(57)【要約】 【目的】短波長のレーザ光を得るために面発光レーザ素
子上にSHG素子を一体として形成した構造の半導体レ
ーザ素子とする。 【構成】垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の光出射
面の反射鏡上部に、一定の周期で分極を反転したLiN
bO3 多層膜を積層し、またはLiNbO3 多層膜の上
下両面にレーザ光の波長に対する反射鏡を設けて光共振
器構造とすることにより、垂直共振器半導体レーザ素子
とSHG素子とが一体として結合された青色発光可能な
半導体レーザ素子とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、垂直共振器型面発光レ
ーザ素子の上部に、LiNbO3 で構成する第2高調波
発生(SHG)素子を配置した半導体レーザ素子に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザ装置は、小型で高出力のコ
ヒーレントな光を発振する光源として、各種の光通信機
器や光情報機器に使用されている。現在、この半導体レ
ーザ素子から得られる光の波長は、0.78〜1.55
μmの近赤外線領域の波長である。この半導体レーザ装
置を光メモリー等へ応用する場合、より短波長の光が求
められているが、現在の技術では、この種の半導体レー
ザ装置を容易に実現するのは難しい。したがって、半導
体レーザ装置の出力程度の低入力パワーでも、効率よく
波長変換できる波長変換素子を得ることができればその
効果は極めて大きい。
【0003】波長変換素子とくに第2高調波発生(SH
G)素子は、エキシマレーザなどでは得難いコヒーレン
トな短波長光を得るデバイスとして重要であり、最近、
LiNbO3 で構成されるSHG素子を用いて、波長8
40nmのレーザダイオードと一体化したモジュール
が、既に一部で実用化され始めている。これは、LiN
bO3 基板に幅2μm,深さ0.4μmの光導波路を形
成し、変換効率の改善を図ったものであり、このモジュ
ールは、大別して半導体レーザ素子,レンズ系,SHG
素子の組み合わせで構成されるものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】以上のような半導体レ
ーザ素子,レンズ系,SHG素子の組み合わせからなる
装置では、これらの光軸アライメント方法の良否が容器
の大きさ,コスト,特性,信頼性に大きな影響を及ぼ
す。また、半導体レーザ光を2μm×0.4μmの入射
断面積を持つLiNbO3 光導波路に効率よく入射する
には限界があり,SHG素子の変換効率を向上させるの
に障害となっている。さらに、結合レンズ系を必要とす
るので、大きさや重さの点で光ピックアップ等への応用
上不利である。これらのことから、同一基板上に半導体
レーザ素子とSHG素子がモノリシックに構成され、レ
ンズ系を介することなく直接結合されることが望まし
い。
【0005】一方、面発光レーザ素子は、基板に垂直に
光を取り出すものであり、基板に平行に光を取り出す通
常の半導体レーザ素子に比べて、単一縦モード動作,大
放射面積,狭出射角,2次元アレー化など多くの利点が
あり、近年開発が進められている。本発明の目的は、上
述の問題点を克服して、この面発光レーザ素子上にSH
G素子をモノリシックに一体として構成した半導体レー
ザ素子を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の半導体レーザ素子は、垂直共振器型面発
光半導体レーザ素子の光出射面の反射鏡上部に、一定の
周期で分極を反転したLiNbO3 多層膜を積層し、ま
たはLiNbO3 多層膜の上下両面にレーザ光の波長に
対する反射鏡を設けて光共振器構造とするものである。
【0007】
【作用】本発明の半導体レーザ素子は上記のように構成
したため、LiNbO3 膜に入射した波長λのレーザ光
は、2次高調波(波長λ/2)を発生する。一定周期、
特にコヒーレンス長の整数倍の膜厚で分極反転して積層
したLiNbO3 多層膜内では、2次高調波が打ち消し
合わずに増大し、擬似位相整合が行なわれる。また、L
iNbO3 多層膜の上下両面に設けた反射鏡により構成
する共振器内では、レーザ光強度は増幅され、効率よく
2次高調波が発生する。面発光半導体レーザ素子とLi
NbO3 多層膜とはモノリシックに一体化されているか
ら、結合効率は100%に近い。以上のことから、高効
率のSHG素子を有する半導体レーザ素子を実現するこ
とができる。
【0008】
【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例について
説明する。図1は垂直共振器型半導体レーザ素子の上部
に、LiNbO3 分極反転多層膜9を形成した本発明の
素子構造を示す模式断面図である。この素子の特徴的な
構造は、AlGaAsの埋め込み高抵抗層5で電流を狭
窄し、活性層4上下に半導体多層膜反射鏡3,6を形成
してあり、さらにその上部にLiNbO3 を厚さの周期
10.7μmで分極を反転し、500層のLiNbO3
分極反転多層膜9を形成したことにある。2はn型Ga
As基板,7はp側リング電極,8はSiO2 膜,1は
n側電極を表わす。
【0009】図2(a)〜(d)に本発明素子を製作す
る工程を示し、図1と共通部分を同一符号で表わす。ま
ず、厚さ100μm,キャリア密度1×1018cm-3
n−GaAs基板2の上にALE(Atomic La
yer Epitaxy)技術を用いた分子線気相成長
法(MBE法)でAl1 Ga0.9 As/をλ/4厚さづ
つ40ペアー積層した半導体多層膜反射鏡3を形成す
る。このとき、各層にはSeを1×1018cm-3レベル
ドーピングしてn型の低抵抗とする。次に、厚さ3μ
m,キャリア密度1×1017cm-3のp−Al0.15Ga
0.85As活性層4を形成する[図2(a)]。
【0010】この後、半導体多層膜反射鏡3上の全面に
SiO2 膜(図示を省略)を形成し、中央の直径10m
mの円形部分以外をエッチングにより除去した後、残さ
れたSiO2 膜をマスクにして活性層4の外周部分を除
去し、得られた円形の活性層4を厚さ3μm,抵抗率1
6 Ωcm以上の高抵抗Al0.5 Ga0.5 As層5で埋
め込み、SiO2 マスクを除去する[図2(b)]。
さらに、再び前述と同一の半導体多層膜反射鏡6を形成
する。各層には、Znを1×1018cm-3レベルドーピ
ングしてp型とする。[図2(c)]。
【0011】次いで、基板2の下面全面にAuGe/A
u2層からなるn電極1を、エピタキシャル層側上面に
SiO2 膜をマスクとしてAuZn/Au2層からなる
pリング電極7を形成し、オーミック特性にするため
に、H2 /N2 混合気中で450℃,10分間アニール
を施す[図2(d)]。
【0012】さらに、マスクのSiO2 膜を除去し、成
長温度450℃としてMBE法によりLiNbO3 の多
層膜を積層するが、このときLiNbO3 は厚さの周期
10.7μm毎に、LiとNbの組成比を変化させ、一
方は成膜後のLi/Nb比が0.95,他方はLi/N
b比が0.92となるように成長条件をコントロールす
る。このような交互にLi/Nb比が異なる一層10.
7μmのLiNbO3 層を500層形成した後、LiN
bO3 のキューリー点直下の1080℃で、90分間熱
処理を行ない、分極反転構造を形成する。リング電極7
の一部は、金属マスクでLiNbO3 形成前にマスクし
て電極面を露出させておく。なお、LiNbO3 形成前
に、リング電極7付加による凹凸を平坦化するために、
SiO2 膜またはAl2 3 膜をレーザ発振波長のλ/
2の整数倍の厚さ堆積させてもよい。かくして図1に示
す構造の半導体レーザ素子を得ることができる。この素
子を室温で作動させたところ、レーザ光出力/mW(推
定)で15nW,発振波長415nmが得られた。変換
効率は0.0015%であった。
【0013】本発明の半導体レーザ素子は、LiNbO
3 分極反転多層膜9の上下に反射膜を形成することも有
効である。この場合は、図2(d)の工程に続き、Al
2 3 λ/4膜,TiO2 λ/4膜,Al2 3 λ/2
膜を順次電子ビーム蒸着法で形成し、次いで、LiNb
3 分極反転多層膜9を形成後、最上層にAl2 3 λ
/4膜,TiO2 λ/4膜,Al2 3 λ/2膜を順次
形成することにより素子を構成する。これらの膜の反射
率は共に50%とした。このようにして、LiNbO3
多層膜9で構成されるSHG素子を共振器化することに
より、レーザ光基本波のパワーを増幅する。共振器の反
射率は、下部の半導体レーザ素子および取り出すSHG
の出力を考慮して任意に選択する。
【0014】以上の共振器型構造をとることにより、前
述と同様の動作条件において、SHG出力は950μ
W,発振波長415nmとなり、変換効率は0.095
%であった。なお、この素子のLiNbO3 膜厚は、全
体で約5.3mmである。変換効率はこの長さの2乗に
比例し、基本波出力10mWに換算すると、3.8%と
なり、良好な結果が得られる。
【0015】これまでの例では、SHG材料としてLi
NbO3 を用いた分極反転構造としたが、LiTaO3
分極反転構造とすることも可能である。これはLiNb
3 の場合と同様に、NBE法における膜形成条件およ
びLi/Ta比を変え、キューリー点直下600℃で9
0分間アニールすることにより分極反転構造が形成され
る。またKTP(KTiOPO4 ),ZnSeを用いて
同様な分極反転構造を形成し、SHG素子を実現するこ
ともできる。
【0016】
【発明の効果】短波長の半導体レーザ光を得るために、
半導体レーザ素子とSHG素子との組み合わせが有効で
あるが、基板の主面と平行な方向にレーザ光を出射する
半導体レーザ素子では、レンズ系を必要とし光軸の整合
などに困難な点があるのに対して、本発明の半導体レー
ザ素子は、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の光出
射面に形成した半導体多層膜反射鏡上に、一定周期で分
極を反転したLiNbO 3 多層膜を備え、また、LiN
bO3 多層膜の上下両端面に、この半導体レーザ素子の
発振波長に対応する反射鏡を形成して共振器構造とする
ことにより、垂直共振器半導体レーザ素子とSHG素子
とが一体として結合され、レンズ系を介することなく青
色発光可能な半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体レーザ素子の構造を示す模式断
面図
【図2】(a)〜(d)は本発明の半導体レーザ素子の
製造工程図
【符号の説明】
1 n側電極 2 n型GaAs基板 3 半導体多層膜反射鏡 4 活性層 5 埋め込み高抵抗層 6 半導体多層膜反射鏡 7 p側リング電極 8 SiO2 膜 9 LiNbO3 分極反転多層膜

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の光
    出射面に形成した半導体多層膜反射鏡上に、一定の周期
    で分極を反転したLiNbO3 多層膜を備えたことを特
    徴とする半導体レーザ素子。
  2. 【請求項2】請求項1記載の半導体レーザ素子のLiN
    bO3 多層膜の代わりに、LiTa3 多層膜,KTiO
    PO4 多層膜,ZnSe多層膜のうちのいずれかを用い
    ることを特徴とする半導体レーザ素子。
  3. 【請求項3】請求項1記載の半導体レーザ素子のLiN
    bO3 多層膜の上下両端面に形成し、この半導体レーザ
    素子の発振波長に対応する反射鏡を備えたことを特徴と
    する半導体レーザ素子。
  4. 【請求項4】請求項3記載の半導体レーザ素子のLiN
    bO3 多層膜の代わりに、LiTa3 多層膜,KTiO
    PO4 多層膜,ZnSe多層膜のうちのいずれかを用い
    ることを特徴とする半導体レーザ素子。
JP30515291A 1991-11-21 1991-11-21 半導体レーザ素子 Pending JPH05145173A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0654874A1 (en) * 1993-11-22 1995-05-24 Hewlett-Packard Company Semiconductor laser that generates second harmonic light with attached nonlinear crystal
US5513204A (en) * 1995-04-12 1996-04-30 Optical Concepts, Inc. Long wavelength, vertical cavity surface emitting laser with vertically integrated optical pump
US5724375A (en) * 1996-07-17 1998-03-03 W. L. Gore & Associates, Inc. Vertical cavity surface emitting laser with enhanced second harmonic generation and method of making same

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