JPH06152047A - 面発光型半導体レーザ装置 - Google Patents

面発光型半導体レーザ装置

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JPH06152047A
JPH06152047A JP4294301A JP29430192A JPH06152047A JP H06152047 A JPH06152047 A JP H06152047A JP 4294301 A JP4294301 A JP 4294301A JP 29430192 A JP29430192 A JP 29430192A JP H06152047 A JPH06152047 A JP H06152047A
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JP
Japan
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layer
semiconductor laser
laser device
clad layer
diffraction grating
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JP4294301A
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English (en)
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Yoshinori Nakano
好典 中野
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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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
    • H01S5/10Construction 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
    • H01S5/185Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL]
    • 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
    • H01S5/10Construction 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
    • H01S5/1042Optical microcavities, e.g. cavity dimensions comparable to the wavelength
    • 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
    • H01S5/10Construction 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
    • H01S5/1071Ring-lasers
    • H01S5/1075Disk lasers with special modes, e.g. whispering gallery lasers

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 歩溜りの悪いDBRを必要とせず、しかも微
小サイズ化が期待できる面発光型半導体レーザ装置を提
供する。 【構成】 円形もしくは多角形状のヘテロ接合を形成す
る活性層8と、該活性層8の上下に設けられた円形もし
くは多角形状の上部クラッド層7及び下部クラッド層9
とを有し、前記上部クラッド層7の周辺部に沿って光共
振器が形成されている半導体レーザ装置において、前記
上部クラッド層7の表面に該上部クラッド層7の周辺部
に対して垂直な方向に2次の回折格子2を形成すること
により、基板3に対して垂直な方向にレーザ光を出射可
能とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、基板に対して垂直な方
向にレーザ光を出射する面発光型半導体レーザ装置に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の面発光型半導体レーザ装置として
は、数μm径の円柱構造で半導体の積層方向に共振器が
形成されたDBR(Distributed Bragg Reflector)形
面発光レーザが報告されている。この構造のレーザでは
共振器長が波長オーダで構成されるため、反射鏡に10
0%に近い高反射率が要求される。従って、半導体層を
λ/4n(nは屈折率、λは波長)の厚さで交互に繰り
返した構造のDBRは、GaAs/AlAsを使用した
場合、基板側のDBRで20〜40ペア、空気側で10
〜25ペア必要となる。この時の各領域の層厚としては
1.5〜6μmであり、一方、活性層の層厚は〜60n
m程度であるため、素子長はほとんどDBRの長さで決
まる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】MOCVD成長による
成長速度は、0.2〜2.0μm/Hであるため、片側
のDBR領域を形成するためにも4〜5時間が必要とな
る。DBRを構成する各半導体層の層厚、組成の変動
は、両方のDBRで形成されるファブリペロー共振器の
特性として敏感に反映されるため、装置性能に近い変動
でもレーザ特性は大きく劣化する。このため、高性能な
DBR形面発光レーザの作製には、長時間に渡って均一
性良くかつ安定に動作する成長方法の確立が不可欠であ
り、現状では良好な素子の作製歩留りは必ずしも充分と
いえなかった。
【0004】本発明は前記従来の問題点に鑑み、歩溜り
の悪いDBRを必要とせず、しかも微小サイズ化が期待
できる面発光型半導体レーザ装置を提供することを目的
とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明では前記目的を達
成するため、請求項1では、円形もしくは多角形状のヘ
テロ接合を形成する活性層と、該活性層の上下に設けら
れた円形もしくは多角形状の上部クラッド層及び下部ク
ラッド層とを有し、前記上部クラッド層の周辺部に沿っ
て光共振器が形成されている半導体レーザ装置におい
て、前記上部クラッド層の表面に該上部クラッド層の周
辺部に対して垂直な方向に2次の回折格子を形成した面
発光型半導体レーザ装置、また、請求項2では、2次の
回折格子の少なくとも一部に周期性の異なる構造を有す
る請求項1記載の面発光型半導体レーザ装置を提案す
る。
【0006】
【作用】半導体薄膜が低屈折率媒質中に置かれ、その薄
膜中を光が伝搬する時は、該半導体薄膜の周辺部に沿っ
た伝搬モード、即ちwhispering-galleryモードが存在す
る(Electronics Lett. vol.28, 17, 1992)。半導体薄
膜として活性層及びクラッド層からなる半導体積層体を
用いて、光励起あるいは電流注入等の方法で活性層中に
キャリアを生成すると、左右に旋回するwhispering-gal
leryモードによる光波が発生する。本発明は、半導体積
層体のクラッド層の表面に、半導体積層体と低屈折率媒
質との境界に対して垂直な方向に溝を有する凹凸溝を設
けて回折格子とし、これらの周期を2次の次数となるよ
うに設定し、DFB(DistributedFeedback)効果によ
って半導体積層体の表面に対して垂直な方向に出射する
レーザ光を得るようにしたものである。
【0007】本発明のような周回形レーザの場合、回折
格子の周期性が周辺部に渡って完全に保たれている時に
は反射面がない。発振モードは左右に旋回する光波が互
いに逆位相で伝搬し、光結合の結果として互いが打ち消
し合うモードとなる。このため、半導体積層体の表面に
対して垂直な方向への光出力は非常に小さくなる。そこ
で、請求項2の発明では、規則正しく配置された回折格
子の列の中に、周期性から予想される形状とは異なる仕
様の格子を配置し、この領域を通過する左右の旋回光の
間に位相差を生じさせて反射を起こさせる。このように
規則性を擾乱させる領域を実効的な反射面とすること
で、DFBによる光結合の結果として、半導体積層体に
対して垂直な方向に効率良くレーザ出力を得ることがで
きるようにしたものである。
【0008】
【実施例】図1は本発明の面発光型半導体レーザ装置の
一実施例を示すもので、図中、1は半導体積層体、2は
回折格子、3は基板、4はp側電極、5はn側電極、6
はバッファ層である。
【0009】半導体積層体1は、外径10μmφの円盤
形状をなした、ノンドープの上部クラッド層7、活性層
8及び下部クラッド層9からなっており、それぞれの詳
細は以下の通りである。
【0010】
【表1】 図2はp側電極4を取り除いた状態の平面図、図3は斜
視図であり、回折格子2は上部クラッド層7上に形成さ
れた、外径10μmφ、内径8μmφ、中心角7度の扇
形のInGaAsP層領域10、中心角7度の扇形のI
nGaAsP層除去領域11及び中心角17度の反射面
形成領域12からなっている。なお、中央のInGaA
sP層領域(外径6μmφ)はp側電極4に対する接触
抵抗を低減するコンタクト層13として機能している。
前記回折格子2及びコンタクト層13を構成するInG
aAsP層としては、層厚0.02μm、キャリア密度
p=2×1010cm-3の1.5μm組成のInGaAs
P層が用いられる。
【0011】基板3はキャリア密度n=3×1010cm
-3のInP基板からなっている。また、p側基板4及び
n側基板5はそれぞれCr/Au及びAuGeNiから
なっている。また、バッファ層6は層厚0.5μm、キ
ャリア密度n=2×1010cm-3のInP層からなって
いる。
【0012】前述した上部クラッド層7、活性層8及び
下部クラッド層9からなる半導体積層体1は、回折格子
2及びコンタクト層13を構成するInGaAsP層並
びにバッファ層6とともに、基板3上に11層構造の結
晶としてMOCVD成長法により形成される。
【0013】前記面発光型半導体レーザ装置の作製手順
は、前記結晶に対し、まず、(1)n側電極5を形成
し、(2)回折格子2を作製し、(3)p側電極4を形
成し、(4)活性領域を形成し、最後に(5)InP領
域を選択エッチングする、である。
【0014】具体的には、n側電極5は基板3を研磨し
た後、AuGeNiを蒸着して形成する。回折格子2は
1.5μm組成のInGaAsP層の表面に、前述した
ようなパターンを形成した後、充分に冷却した硫酸系エ
ッチャントを用いて、上部クラッド層7を構成する1.
3μm組成のInGaAsP層との組成によるエッチン
グレート差を利用して、1.5μm組成のInGaAs
P層だけを選択的にエッチングして形成する。p側電極
4はCr/Auを用いて、2層レジストによるリフトオ
フ法でマッシュルーム形状に形成する。なお、上部の電
極領域は約8μmφとした。活性領域はレジストをマス
クとして、塩素系のRIEを用いて基板3に達する深さ
までドライ加工して形成する。InP領域のエッチング
は塩素系エッチャントを用いて、InP領域だけを選択
的に除去することにより砲台形に形成する。
【0015】前記構成において、回折格子2の凸部に相
当する1.5μm組成のInGaAsP層がある領域1
0の等価屈折率は2.945、一方、凹部に相当する領
域11の等価屈折率は2.903である。前述したよう
に外径10μmφ、中心角7度の扇形で、屈折率が僅か
に異なる領域が交互に配置されたリング状の導波路を波
長1.55μmの光が伝搬する時、2次の回折が起こ
る。本実施例の結合定数κは周囲が空気(n=1)であ
るため、約0.02μmの深さの回折格子で約950c
-1であり、円盤周辺部に沿った結合強度κLとしては
約2.7と見積られ、DFB(Distributed Feedback)
レーザとして充分に期待できる。また、中心角17度の
扇形の反射面形成領域12を形成することにより、この
領域を左右に旋回する光が通過する時に位相差が生じ、
反射面として機能して垂直方向にレーザ光が得られた。
【0016】前記実施例の装置を室温中でデューティ比
1000:1のパルス入力で駆動させた時、レーザ発振
が得られた。しきい電流は5mAであった。最高ピーク
光出力は約1mWであり、微分量子効率は12%であっ
た。発振スペクトルは中心波長が1.550μmで、単
一モードであった。遠視野像から求めたビームの半値全
幅は約10度であった。
【0017】なお、前記実施例では回折格子2の周期性
をくずして効率を上げているが、周期性をくずさなくて
もレーザ発振することは作用の項で述べた通りである。
【0018】前述したように、半導体積層体の表面に凹
凸溝を設け、周辺部に沿って2次の回折格子を形成する
と、whispering-galleryモードによる左右の旋回光が光
結合するDFBによるレーザ発振が起こる。この時、こ
れらの回折格子の一部に、屈折率分布の周期性を乱す反
射面形成領域を設けることで、基板に対して垂直な方向
にレーザ光を出射する面発光型の半導体レーザが実現で
きる。
【0019】また、前記実施例では、半導体積層体が円
形の場合について説明したが、周回形の共振器が形成さ
れていれば、多角形でも同様な効果が得られる。この
時、凹凸溝は光路に対して垂直方向に形成すれば良い。
また、前記実施例では、中心角の異なる扇形を形成する
ことにより反射面を形成したが、凹凸部の層厚を変える
又は他の物資を表面に選択的に堆積させた領域を形成す
ることにより、反射面を形成しても同様な効果が得られ
る。また、前記実施例ではInP基板を用いているが、
シリコン基板を用いた場合でもバッファ層の厚さを充分
大きくするだけで同様な効果が得られる。さらにまた、
前記実施例ではInP系結晶について述べたが、GaA
s系結晶でも半導体積層体の構成を工夫することによ
り、本発明の主旨は基本的に適用できる。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、円
形もしくは多角形状のヘテロ接合を形成する活性層と、
該活性層の上下に設けられた円形もしくは多角形状の上
部クラッド層及び下部クラッド層とからなる半導体積層
体の上部クラッド層の表面に、該上部クラッド層の周辺
部に対して垂直な方向に2次の回折格子を形成するのみ
で良く、歩溜りの悪いDBRを必要とせず、しかも微小
サイズ化が期待できる面発光型半導体レーザ装置を実現
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の面発光型半導体レーザ装置の一実施例
を示す断面図
【図2】図1の装置のp側電極を取り除いた状態の平面
【図3】図1の装置の斜視図
【符号の説明】
1…半導体積層体、2…回折格子、3…基板、4…p側
電極、5…n側電極、6…バッファ層、7…上部クラッ
ド層、8…活性層、9…下部クラッド層、10…InG
aAsP層領域、11…InGaAsP層除去領域、1
2…反射面形成領域、13…コンタクト層。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円形もしくは多角形状のヘテロ接合を形
    成する活性層と、該活性層の上下に設けられた円形もし
    くは多角形状の上部クラッド層及び下部クラッド層とを
    有し、前記上部クラッド層の周辺部に沿って光共振器が
    形成されている半導体レーザ装置において、 前記上部クラッド層の表面に該上部クラッド層の周辺部
    に対して垂直な方向に2次の回折格子を形成したことを
    特徴とする面発光型半導体レーザ装置。
  2. 【請求項2】 2次の回折格子の少なくとも一部に周期
    性の異なる構造を有することを特徴とする請求項1記載
    の面発光型半導体レーザ装置。
JP4294301A 1992-11-02 1992-11-02 面発光型半導体レーザ装置 Pending JPH06152047A (ja)

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Cited By (4)

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