JPH05243689A - 半導体光素子 - Google Patents

半導体光素子

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JPH05243689A
JPH05243689A JP7931692A JP7931692A JPH05243689A JP H05243689 A JPH05243689 A JP H05243689A JP 7931692 A JP7931692 A JP 7931692A JP 7931692 A JP7931692 A JP 7931692A JP H05243689 A JPH05243689 A JP H05243689A
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semiconductor laser
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layer
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Kimio Shigihara
君男 鴫原
Toshitaka Aoyanagi
利隆 青柳
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    • 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
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/028Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体レーザ素子の端面に設ける無反射膜を
容易に作製する。 【構成】 実効屈折率がnC の半導体レーザ素子端面1
01に、任意の屈折率を有する第1の膜1、第2の膜
2、第3の膜3を、これら3層膜全体としての特性行列
が、理想的な屈折率と膜厚を有する単層膜でのみ実現で
きる無反射膜の特性行列と一致するように、それぞれの
厚さを適切に選択して設ける。 【効果】 理想的な屈折率と膜厚を有する単層膜でのみ
実現できる無反射膜と等価な無反射膜を、任意でかつ異
なる屈折率を有する3層膜で置き換えて実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は半導体光素子に関し、
特に、レーザ構造の出射端面に無反射率膜を有し、スー
パールミネッセントダイオード又は半導体レーザ増幅器
として動作する半導体光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図8は、例えば文献 ジャーナル オブ
ザ オプティカル ソサイエティオブ アメリカ 1
961年 第51巻 714頁〜718頁(J.T. Cox,
G.Hass and G.F.Jacobus, Journal of the Optical Soc
iety of America, Vol. 51,pp.714-718,1961) に示さ
れた従来の半導体レーザ装置における無反射膜の構成を
示す図であり、図において、50は屈折率がn1 で膜厚
がd1 =λ/4n1 (但し、λは半導体レーザの発振波
長)である第1の膜、51は屈折率がn2 で、膜厚がd
2 =λ/4n2 である第2の膜、52は屈折率がn3
膜厚d3 =λ/4n3 である第3の膜、100は実効屈
折率がnC である半導体レーザ、101は半導体レーザ
の端面である。また、各屈折率は次の関係を満たす。
【0003】 n2 2 =n1 3 =nC C >n1 >n2 >n3 …(1)
【0004】次に動作について説明する。半導体レーザ
端面101に設けた第1の膜50,第2の膜51及び第
3の膜53の屈折率は上記式(1) を満たし、かつ膜厚が
λ/4ni (i=1,2,3)であるので、半導体レー
ザ中において端面に向かう光と該端面から反射してくる
光の位相は180°ずれ、かつ振幅が等しくなる。この
ため、半導体レーザ端面101で反射がなくなる。した
がって、このように構成された半導体レーザは活性層内
で発生した光が素子内部で繰り返し反射されて増幅され
ることがないため、レーザ発振を行なわない。
【0005】このように半導体レーザ素子の端面に無反
射膜を設けることにより、半導体レーザ発振が抑えら
れ、出射光がインコヒーレントでスペクトルの拡がりを
持つスーパールミネッセントダイオードや、素子に入射
する光を増幅する半導体レーザ増幅器を構成することが
できる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体光素子の
無反射膜は以上のように構成されているので、無反射膜
を実現するには、式(1) の関係を厳密に満たす屈折率を
有する物質を用いなければならず、無反射膜の作製が非
常に困難であるという問題点があった。
【0007】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、容易に作製できる無反射膜を有
する半導体光素子を得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体光
素子は、実効屈折率がnC の半導体レーザ素子と、該半
導体レーザ素子の端面に施された、屈折率がn1 で厚さ
がd1 の第1の膜,屈折率がn2 で厚さがd2 の第2の
膜,屈折率がn3 で厚さがd3 の第3の膜からなる3層
膜のコーティングとを備え、かつ、前記第1ないし第3
の膜のそれぞれの屈折率及び膜厚を、前記3層膜の全体
としての特性行列(Xa)が、屈折率nf が前記半導体
レーザ素子の実効屈折率nC の平方根の値であり,厚さ
が前記半導体レーザ素子の発振波長λを4nf で割った
値である単層膜の特性行列(Y)と一致するように、下
記の式、
【0009】
【数2】
【0010】ただし、 φ1 =2πn1 1 /λ φ2 =2πn2 2 /λ φ3 =2πn3 3 /λ を満たすように決定したことを特徴とするものである。
【0011】また、この発明に係る半導体光素子は、前
記第1の膜と第3の膜の屈折率および膜厚を同じにした
ものである。
【0012】さらに、この発明に係る半導体光素子は、
前記半導体レーザ素子と第1の膜の間、第1の膜と第2
の膜の間、第2の膜と第3の膜の間、及び第3の膜と空
気との間の1箇所以上に、任意の屈折率na を有し、か
つ厚さが半導体レーザ素子の発振波長λを2na で割っ
た値である膜を1層あるいは複数層挿入したものであ
る。
【0013】
【作用】この発明においては、半導体レーザ素子の端面
に設ける無反射膜を、第1,第2,第3の膜からなる3
層構造とし、かつその各々の膜が、3層膜の全体として
の特性行列(Xa)が、屈折率nf が半導体レーザ素子
の実効屈折率nC の平方根の値であり,厚さが半導体レ
ーザ素子の発振波長λを4nf で割った値である単層膜
の特性行列(Y)と一致するような屈折率及び膜厚を有
するものとしたから、任意の屈折率を有する第1ないし
第3の膜を選定し、その全体の特性行列が理想的な屈折
率と膜厚を有する単層膜で実現できる無反射膜の特性行
列と一致するように前記3種類の膜の膜厚を決定するこ
とにより、半導体レーザ素子の発振波長で無反射となる
膜が実現でき、無反射膜の形成を容易とできる。
【0014】また、この発明においては、第1の膜と第
3の膜の屈折率および膜厚を同じにしたので、任意の屈
折率を有する2種類の膜を選定し、これを用いた第1な
いし第3の膜からなる3層膜の全体の特性行列が理想的
な屈折率と膜厚を有する単層膜で実現できる無反射膜の
特性行列と一致するように2種類の膜の膜厚を決定する
ことにより、2種類の物質のみで、半導体レーザ素子の
発振波長で無反射となる膜が実現でき、無反射膜の形成
を容易とできる。
【0015】また、この発明においては、さらに、半導
体レーザ素子と第1の膜の間、第1の膜と第2の膜の
間、第2の膜と第3の膜の間、及び第3の膜と空気との
間の1箇所以上に、任意の屈折率na を有し、かつ厚さ
が半導体レーザ素子の発振波長λを2na で割った値で
ある膜を1層あるいは複数層挿入したので、任意の屈折
率を有する第1ないし第3の膜を選定し、その全体の特
性行列が理想的な屈折率と膜厚を有する単層膜で実現で
きる無反射膜の特性行列と一致するように3種類の膜の
膜厚を決定することにより半導体レーザ素子の発振波長
で無反射となり、半導体レーザ素子の発振波長以外のと
ころでは前記理想的な単層膜と特性行列が大幅に異なり
高反射率となる無反射膜を容易に作製でき、高性能な波
長フィルタとして働く無反射膜を備えた半導体光素子を
容易に実現できる。
【0016】
【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図1はこの発明の第1の実施例による半導体光素
子の一部断面図であり、図において、100は実効屈折
率がnC の半導体レーザ素子、101は半導体レーザ素
子の端面、1は半導体レーザ素子端面101に設けた屈
折率がn1 ,膜厚がd1 の第1の膜、2は半導体レーザ
素子端面101に設けた屈折率がn2 ,膜厚がd2 の第
2の膜、3は半導体レーザ素子端面101に設けた屈折
率がn3 ,膜厚がd3 の第3の膜である。
【0017】図2はこの第1の実施例を詳細に説明する
ための図であり、11は理想的な屈折率と膜厚を有する
単層膜で実現できる無反射膜で、その屈折率nf ,膜厚
fの間には次式の関係がある。
【0018】 nf =√nCf =λ/4nf …(2) ただし、λは半導体レーザの発振波長である。
【0019】幾何光学によると、図2の単層膜11は反
射率が零の完全無反射膜となる。本実施例では前記完全
無反射膜を図1で示す3層膜で実現することを考える。
即ち、図1の第1ないし第3の膜からなる3層膜の全体
としての特性行列を(Xa)、図2の単層膜の特性行列
(Y)とすると、(Xa)が(Y)に一致するように、
下記の式、
【0020】
【数3】
【0021】ただし、 φ1 =2πn1 1 /λ φ2 =2πn2 2 /λ φ3 =2πn3 3 /λ …(4) この条件を満たすように、屈折率n1 の第1の膜1、屈
折率n2 の第2の膜2、及び屈折率n3 の第3の膜3の
膜厚d1 ,d2 及びd3 をそれぞれ決定し、このように
決定された膜厚を有する3層膜を半導体レーザ素子の端
面101にEB(Electron Beam)蒸着あるいはスパッタ
リングあるいは, 熱CVDによる堆積により形成する。
【0022】以上のように、本実施例によれば、理想的
な屈折率と膜厚を有する単層膜11でのみ実現できる無
反射膜を、任意の屈折率を有する第1ないし第3の膜か
らなる3層膜の膜厚を適切に選択することで実現でき、
今まで理想的な屈折率を有する単層膜でしか実現できな
かった無反射膜を、任意の屈折率をもつ3種類の膜を用
いその膜厚を選択することにより容易に作製できる。
【0023】また、図3はこの発明の第2の実施例によ
る半導体光素子を示す一部断面図である。図において、
図1と同一符号は同一または相当部分を示しており、1
aは半導体レーザ素子端面101に設けた屈折率が
1 ,膜厚がd1 の第1の膜、2aは半導体レーザ素子
端面101に設けた屈折率がn2 ,膜厚がd2 の第2の
膜、3aは半導体レーザ素子端面101に設けた第3の
膜であり、屈折率及び膜厚は第1の膜1aのそれと同一
である。
【0024】図2に示した理想的な屈折率と膜厚を有す
る単層膜11で実現される無反射膜の特性行列(Y)
と、この第2の実施例による3層膜の特性行列(Xb)
が一致する条件は次式のようになる。
【0025】
【数4】 上式を整理すると、次の連立方程式となる。
【0026】
【数5】
【0027】上記第1ないし第3の膜の屈折率を与え、
上記連立方程式(6) を解くと、各膜の膜厚が求められ
る。
【0028】一例として、半導体レーザ素子の発振波長
λを1.3μm,半導体レーザ素子の実効屈折率nC
3.2とし、かつ第1の膜1aと第3の膜3aをアルミ
ナ(Al2 3 ,n1 =1.60)、第2の膜2aをア
モルファスシリコン(a−Si,n2 =3.4)で形成
するとすると、第1の膜1a及び第3の膜3aの膜厚と
第2の膜2aの膜厚はそれぞれ902.3オングストロ
ーム,82.5オングストロームとなる。ここで、この
膜厚は最小の値を示したのみで、実際は無数の周期的な
値となる。実際、発振波長が1.3μmの半導体レーザ
端面に上記無反射膜を形成したところ、前記半導体レー
ザの発振を抑えることができた。スペクトルを調べたと
ころ、約0.08%の反射率であった。
【0029】このように本実施例によれば、理想的な屈
折率と膜厚を有する単層膜でのみ実現できる無反射膜
を、任意の屈折率を有する2種類の物質を用いて2種類
の物質の一方を他方の物質で挟みこんだ3層膜構造と
し、その各膜の膜厚を適切に選ぶことで実現したので、
今まで理想的な屈折率と膜厚を有する単層膜でしか実現
できなかった無反射膜を2種類の物質のみで容易に作製
することができる。
【0030】次にこの発明の第3の実施例を図4を用い
て説明する。図4において、図1と同一符号は同一また
は相当部分を示し、20は屈折率がna で、厚さda
λ/2na の膜、21は屈折率がnb で、厚さdb =λ
/2nb の膜、22は屈折率がnC で、厚さdC =λ/
2nC の膜、23は屈折率がnd で、厚さdd =λ/2
d の膜である。
【0031】本実施例は前記第1の実施例による半導体
光素子の半導体レーザ素子100と第1の膜1の間に前
記膜20を、第1の膜1と第2の膜2の間に前記膜21
を、第2の膜2と第3の膜3の間に前記膜22を、及び
第3の膜3と外側の空気との間に前記膜23を挿入した
ものである。
【0032】以下、本実施例の動作原理を図5を用いて
説明する。図5において、破線は上記第1の実施例によ
る無反射膜、実線は本第3の実施例による無反射膜によ
る反射率と波長の関係を示したものであり、図の破線で
示すように、3つの膜のみで無反射膜が構成されている
ときは、発振波長λ以外の波長域でも低反射率となる。
一方、本実施例による膜で無反射膜が構成されている時
は、反射率は図5の実線のようになり、発振波長λのと
ころでは、前記3つの膜による無反射膜による反射率と
同じく零であるが、発振波長λから少しでも波長がずれ
ると、急激に反射率が増加し、高反射率となる。これは
屈折率がN(但し、Nはna ,nb ,nC ,nd を含
む)で、厚さがλ/2Nである膜は波長λのところでは
反射率に何ら影響を与えないが、波長λからずれると、
反射率に影響を与えることになるからである。
【0033】なお、本実施例では図4に示すように、半
導体レーザ素子と第1の膜,第1の膜と第2の膜、第2
の膜と第3の膜、第3の膜と空気の全ての境界に、屈折
率がNで厚さがλ/2Nの膜を1層挿入したものについ
て示したが、屈折率がNで厚さがλ/2Nの膜は、任意
の場所に任意の数だけ挿入してもよい。
【0034】このような本実施例の無反射膜は、理想的
な屈折率と膜厚を有する単層膜でのみ実現できる無反射
膜と同等の反射率を半導体レーザの発振波長のところで
実現できるとともに、その他の波長域では高反射率とで
きるので、高性能な波長フィルタとしての効果があり、
半導体レーザ増幅器等のようにある1つの波長だけを増
幅したいものに使用すると有効である。
【0035】以下、この発明の具体的な構成例を図につ
いて説明する。図6はこの発明の第4の実施例による半
導体光素子であるスーパールミネッセントダイオードの
斜視図を示しており、図において、4は上記第1の実施
例,第2の実施例,あるいは第3の実施例による無反射
膜、30は半導体レーザ素子の活性層、31はp側ある
いはn側電極、32はn側あるいはp側電極である。
【0036】次にこのスーパールミネッセントダイオー
ドの動作について説明する。電極31,32より、半導
体レーザのpn接合に対して順方向の電圧を印加するこ
とにより、活性層30にキャリアが注入される。注入さ
れたキャリアは活性層30内で再結合し、活性層のバン
ドギャップエネルギに対応する波長の光を発生する。発
生した光は活性層に沿って導波され端面101に達する
が、端面101には上記第1の実施例,第2の実施例,
あるいは第3の実施例による無反射膜4が設けられてい
るため、通常の半導体レーザ素子で生ずる端面101で
反射されて素子内部に折り返すという動作は行なわれ
ず、すべて素子外に放出される。従って、出射される光
はレーザ光ではなく、スペクトルの拡がりを持つインコ
ヒーレント光となる。
【0037】このように、半導体レーザ素子端面101
に本発明の第1ないし第3の実施例による無反射膜のい
ずれかを設置すると、半導体レーザの発振は抑えられ、
かつスペクトルが拡がったスーパールミネッセントダイ
オードとなる。
【0038】なお、本実施例では、半導体レーザ素子の
一方の端面にのみ無反射膜を設けてスーパールミネッセ
ントダイオードを構成しているが、両方の端面に設けて
もよい。
【0039】このような本実施例によれば、上記第1な
いし第3の実施例により形成された、理想的な屈折率と
膜厚を有する単層膜でのみ実現できる無反射膜と同等な
無反射膜を、半導体レーザ素子の一方あるいは両方の端
面に形成したので、半導体レーザ発振が抑えられかつス
ペクトルが拡がった、特性の優れたスーパールミネッセ
ントダイオードが容易に得られる。
【0040】また、図7はこの発明の第5の実施例によ
る半導体光素子である半導体レーザ増幅器の構成を示す
斜視図であり、図7において、図6と同一符号は同一ま
たは相当部分を示す。前記第1ないし第3の実施例に記
載のいずれかの無反射膜4が半導体レーザ素子の両端面
101に設けられている。33は模式的に表わした半導
体レーザ増幅器の入射光、34は模式的に表わした半導
体レーザ増幅器の出射光である。
【0041】入射光33は図に示すように半導体レーザ
素子外部より無反射膜4を通して半導体レーザ素子の活
性層30内に入射される。半導体レーザ素子の活性層に
は電極31,32よりキャリアが注入され、活性層30
内で発光が生ずる。入射光は活性層30内で発生した光
により増幅され、入射端面と対向する端面より出射光3
4として外部に出力される。
【0042】このように本実施例では、理想的な屈折率
と膜厚を有する単層膜のみで実現できる無反射膜と同等
な上記第1ないし第3の実施例のいずれかの無反射膜
を、半導体レーザの両方の端面に形成したので、高性能
な半導体レーザ増幅器が容易に得られる。特に、無反射
膜4として上記第3の実施例による無反射膜を使用する
と高性能な波長フィルタとしての効果があるため、雑音
除去の効果のある高性能の半導体レーザ増幅器を得るこ
とができる。
【0043】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、半導体
レーザ素子の端面に設ける無反射膜を、第1,第2,第
3の膜からなる3層構造とし、かつその各々の膜が、3
層膜の全体としての特性行列(Xa)が、屈折率nf
半導体レーザ素子の実効屈折率nC の平方根の値であ
り,厚さが半導体レーザ素子の発振波長λを4nf で割
った値である単層膜の特性行列(Y)と一致するような
屈折率及び膜厚を有するものとしたから、理想的な屈折
率と膜厚を有する単層膜で実現される無反射膜と等価の
無反射膜を、任意の屈折率を有する3層膜の膜厚を適切
に選択することで実現でき、無反射膜の作製を容易とで
きる効果がある。
【0044】またこの発明によれば、上記の構成におい
て第1の膜と第3の膜の屈折率および膜厚を同じにした
ので、理想的な屈折率と膜厚を有する単層膜でのみ実現
できる無反射膜を、任意の屈折率を有する2種類の物質
で、かつ前記2種類の物質の一方を他方の物質で挟みこ
んだ3層膜の膜厚を適切に選ぶことで実現でき、より容
易に無反射膜を作製できる効果がある。
【0045】さらにこの発明によれば、上記構成におい
て、半導体レーザ素子と第1の膜の間,第1の膜と第2
の膜の間,第2の膜と第3の膜の間,及び第3の膜と空
気との間の1箇所以上に、任意の屈折率na を有し、か
つ厚さが半導体レーザ素子の発振波長λを2na で割っ
た値である膜を1層あるいは複数層挿入したので、任意
の屈折率を有する第1ないし第3の膜を選定し、その全
体の特性行列が理想的な屈折率と膜厚を有する単層膜で
実現できる無反射膜の特性行列と一致するように3種類
の膜の膜厚を決定することにより、半導体レーザ素子の
発振波長で無反射となり半導体レーザ素子の発振波長以
外のところでは前記理想的な単層膜と特性行列が大幅に
異なり高反射率となる無反射膜を容易に作製でき、これ
により高性能な波長フィルタとして働く無反射膜を備え
た半導体光素子を容易に実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施例による半導体光素子の
無反射膜の構成を示す断面図である。
【図2】理想的な屈折率と膜厚を有する単層膜で実現し
た無反射膜を半導体レーザ端面に形成したときの断面図
である。
【図3】この発明の第2の実施例による半導体光素子の
無反射膜の構成を示す断面図である。
【図4】この発明の第3の実施例による半導体光素子の
無反射膜の構成を示す断面図である。
【図5】この発明の第3の実施例の動作を説明するため
のグラフ図である。
【図6】この発明の第4の実施例による半導体光素子で
あるスーパールミネッセントダイオードを示す斜視図で
ある。
【図7】この発明の第5の実施例による半導体光素子で
ある半導体レーザ増幅器を示す斜視図である。
【図8】従来の半導体レーザ素子の端面に形成される無
反射膜を示す断面図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ端面に設けた第1の膜(屈折率n
1 ,膜厚d1 ) 2 半導体レーザ端面に設けた第2の膜(屈折率n
2 ,膜厚d2 ) 3 半導体レーザ端面に設けた第3の膜(屈折率n
3 ,膜厚d3 ) 1a 半導体レーザ端面に設けた第1の膜(屈折率n
1 ,膜厚d1 ) 2a 半導体レーザ端面に設けた第2の膜(屈折率n
2 ,膜厚d2 ) 3a 半導体レーザ端面に設けた第3の膜(屈折率n
1 ,膜厚d1 ) 4 本発明による無反射膜 11 理想的な屈折率と膜厚を有する単層膜で実現さ
れる無反射膜(屈折率nf =√nC ,膜厚df =λ/4
f ) 20 屈折率na ,厚さda =λ/2na の膜 21 屈折率nb ,厚さdb =λ/2nb の膜 22 屈折率nc ,厚さdc =λ/2nc の膜 23 屈折率nd ,厚さdd =λ/2nd の膜 30 半導体レーザの活性層 31 p側あるいはn側電極 32 n側あるいはp側電極 33 模式的に表わした半導体レーザ増幅器の入射光 34 模式的に表わした半導体レーザ増幅器の出射光 50 半導体レーザ端面に設けた第1の膜(屈折率n
1 ,膜厚d1 =λ/4n1 ) 51 半導体レーザ端面に設けた第2の膜(屈折率n
2 ,膜厚d2 =λ/4n2 ) 52 半導体レーザ端面に設けた第3の膜(屈折率n
3 ,膜厚d3 =λ/4n3 ) 100 実効屈折率nC の半導体レーザ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 実効屈折率がnC の半導体レーザ素子
    と、 該半導体レーザ素子の端面に設けられた、屈折率がn1
    で厚さがd1 の第1の膜、屈折率がn2 で厚さがd2
    第2の膜、屈折率がn3 で厚さがd3 の第3の膜からな
    る3層膜を備え、 かつ、上記第1ないし第3の膜のそれぞれの屈折率及び
    膜厚が、上記3層膜の全体としての特性行列(Xa)
    が、屈折率nf が上記半導体レーザの実効屈折率nC
    平方根の値であり,厚さが上記半導体レーザ素子の発振
    波長λを4nf で割った値である単層膜の特性行列
    (Y)と一致するように、下記の式、 【数1】 ただし、 φ1 =2πn1 1 /λ φ2 =2πn2 2 /λ φ3 =2πn3 3 /λ を満たすことを特徴とする半導体光素子。
  2. 【請求項2】 上記第1の膜と第3の膜の屈折率および
    膜厚が同じであることを特徴とする請求項1記載の半導
    体光素子。
  3. 【請求項3】 上記半導体レーザ素子端面と第1の膜の
    間、第1の膜と第2の膜の間、第2の膜と第3の膜の
    間、及び第3の膜と空気との間の1箇所以上に、任意の
    屈折率na を有し、かつ厚さが半導体レーザ素子の発振
    波長λを2naで割った値である膜を1層あるいは複数
    層挿入したことを特徴とする請求項1記載の半導体光素
    子。
  4. 【請求項4】 上記半導体光素子はスーパールミネッセ
    ントダイオードであることを特徴とする請求項1ないし
    請求項3のいずれか記載の半導体光素子。
  5. 【請求項5】 上記半導体光素子は半導体レーザ増幅器
    であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいず
    れか記載の半導体光素子。
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