JPH0728094B2

JPH0728094B2 - 半導体レ−ザ素子

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Publication number: JPH0728094B2
Application number: JP62044939A
Authority: JP
Inventors: 明清水
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1987-02-27
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPS63211787A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に素子に流す電
流の大きさを変えることにより、異なる波長のレーザ光
を発する半導体レーザ素子に関する。

〔従来技術〕

近年、光通信や光学的情報処理の分野における、半導体
レーザ素子の需要は急激に増大してきており、それに伴
って素子の機能に対する要求も多様化しつつある。発振
波長が可変な半導体レーザ素子もそのうちの一つであ
る。例えば、光カードや光デイスク等の媒体にレーザ光
を照射して情報の記録及び再生を行う場合、通常再生光
の出力を記録光よりも低くすることによって、再生光に
よる書き込みを防止している。ここで、波長可変の半導
体レーザ素子を用い、再生光の波長を媒体感度の低い領
域に設定すれば、再生光の出力をそれほど低下させるこ
となく上記書き込み防止出来、S/N比の高い情報の再生
が可能となる。

上記要求に対して、従来、多重量子井戸（MQW）構造の
高次量子準位を用いた波長可変半導体レーザ素子が提案
されている。第10図は、このような従来の半導体レーザ
素子における、発光領域付近のエネルギーバンド図であ
る。ここで発光領域23は、ウエル層22とバリア層21とが
交互に積層されたMQW構造を有している。また、この発
光領域23とバリア層19の両側には、より屈折率の小さい
クラッド層20が設けられ、光導波路構造24が構成されて
いる。この半導体レーザ素子に電流を注入すると、まず
電子25は、E₀で示すエネルギー準位に蓄積され、正孔26
と再結合することにより、ｎ＝０の量子準位間の光（波
長λ_１）が発振する。更に注入電流を流すと、E₁で示す
エネルギー準位のキヤリア密度が増し、再結合によって
ｎ＝１の量子準位間の光（波長λ_２）が発振する。この
ようにして、１つの素子から異なる波長の光を得ること
が出来る。

しかしながら、上記従来の波長可変半導体レーザ素子
は、以下の問題点を有していた。

（Ｉ）異なる波長で発振させる為には、吸収損失やミラ
ー損失を通常の半導体レーザ素子より大幅に大きくする
必要があり、素子としての効率が悪い。

（II）異なる量子準位を用いているだけなので、発振波
長の差はせいぜい数10nm程度しか得られない。

（III）２つ以上の準位を持つ量子井戸を形成する必要
がある為、１準位の量子井戸を用いた方が素子の特性が
向上する場合でも、その構成をとり得ない。

（IV）波長を切り換える（即ち、波長λ_２の光が発振し
たら、波長λ_１の光の発振を止める）のが難かしい。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、波長
可変範囲が広く、高い効率で作動する波長可変半導体レ
ーザ素子を提供することにある。また、本発明の半導体
レーザ素子によれば、発振波長の切り換えを容易に行う
ことが出来るものである。

本発明の上記目的は、異なるバンドギヤツプを有する半
導体を積層して成り、該積層体中に発光層を含む光導波
路構造を備えた半導体レーザ素子において、同一の光導
波路構造内に、互いに発振波長の異なる複数の発光層を
設け、かつ、この素子に発振しきい値近くの電流を流し
たときに、発振波長の長い方の発行層の光利得が、より
発振波長の短い他の発光層のいずれかの発振波長におい
て正となるように構成することによって達成される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明す
る。

第１図は、本発明に基づく半導体レーザ素子の一実施例
の構成を示す略断面図である。図中、１はｎ型GaAs基
板、２はｎ型GaAsバツフア層、５はｎ型AlGaAsクラツド
層、４は光導波路構造部、３はｐ型AlGaAsクラツド層、
６はｐ型GaAsキヤツプ層、７及び８は電極を示す。ま
た、光導波路構造部４は、前記クラツド層５上に、順
次、ｐ型AlGaAsバリア層9₂、ノンドープGaAs第２発光層
12、ｐ型AlGaAsバリア層11、ノンドープAlGaAs第１発光
層10及びｐ型AlGaAsバリア層9₁が積層されて成る。この
素子は、通常の半導体構造法、例えば液相エピタキシー
（LPE）法、有機金属気相成長（MO−CVD）法或いは分子
線エピタキシー（MBE）法を用いて、基板１上に上記異
なるエネルギーギヤツプを有する種々の半導体層を成長
させることによって作製される。レーザ共振面は、例え
ばこのように積層された半導体をへき開することによっ
て形成される。また、電流狭窄層等、良く知られた手段
によつて、共振面と平行な方向に電流注入域を制限し、
ストライプ状の活性領域を形成しても良い。

第２図は、第１図示の素子の光導波路構造部４付近のエ
ネルギーバンド図である。図中、第１図と同一の部分に
は同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図に示す
ように、第１発光層10は、第２発光層12に比べて狭いバ
ンドギヤツプを有する。第１図に示す電極7,8間に電流
を流すと、電子14は、第１発光層10及び第２発光層12に
注入され、まず第１発光層10中で電子14と正孔15との再
結合が生じ、波長λ_１の光が誘導放出される。次に、注
入電流を増していくと、第２発光層12中でも電子14と正
孔15との再結合が生じ、波長λ_２の光が誘導放出され
る。更に注入電流を増加すると、波長λ_１の発振は停止
し、波長λ_２の光のみが発する。

上記の如き電流−光出力特性の概略を第３図に示す。第
３図において、Ｉは電流、P₁，P₂はそれぞれ波長λ_１，
λ_２の光の出力を示す。電流Ｉを増加していくと、まず
第１のしきい値電流Ｉ＝I_1tnで波長λ_１の光が発振し、
続いて第２のしきい値電流Ｉ＝I_2thで波長λ_２の光が発
振する。さらに電流を増していくと、Ｉ＝I_1Vで波長λ
_１の光が発振を停止し、波長λ_２の光のみが発振するよ
うになる。従って、I_1th＜Ｉ＜I_2thを満たす電流値とＩ
＞I_1Vを満たす電流値との間で注入電流を切り換えるこ
とにより、波長λ_１の光と波長λ_２の光とのスイツチン
グを行うことが出来る。

次に、本発明の半導体レーザ素子の動作原理を第６図を
用いて説明する。第６図は、第１図示の素子のエネルギ
ーバンドの上半分を示す図で、第２図と同一の部材には
同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。第６図にお
いて、第１図発光層10及び第２発光層12中のキヤリア密
度を各々n₁及びn₂、注入電流密度をｊとする。また、第
２発光層12に注入されたキヤリアが、r₂の速さで自然放
出又は非発光性の再結合をし、r₂₁の速さで第１発光層1
0に移り、残りが誘電放出で再結合するとする。更に、
第１発光層に移ったキヤリアが、r₁の速さで自然放出又
は非発光性の再結合をし、残りが誘導放出で再結合する
と考えると、このときのレート方程式は、ｅ＝１の単位
を用いて、以下のように表わされる。

但し、ここでは夫々波長λ_１，λ_２の光のエネルギー、S₁，S₂は夫々
波長λ_１，λ_２の光のビーム幅、Γ_１及びg₁（n₁）は夫
々波長λ_１の光の第１発光層における閉じじ込め係数及
び利得、Γ_２及びg₂（n₂）は夫々波長λ_２の光の第２発
光層における閉じ込め係数及び利得、Γ′_２及びｇ′_２
（n₁）は夫々波長λ_２の光の第１発光層における閉じ込
め係数及び利得を示す。

上記レート方程式の定常解は、発振時のキヤリア密度の
飽和を考慮して、次の４つの領域に分けて得られる。

（ｉ）P₁＝P₂＝０（ｊ＜j_1th）（ii）P₁＞0,P₂＝０（j_1thｊ＜j_2th）（iii）P₁＞0,P₂＞０（j_2th≦ｊ＜j_1V）（８） n₁＝n_1th （10）（iv）P₁＝0,P₂＞０（j_1Vｊ） n₂＝n_2th （13）また、（12）式より、以上の式から、第３図のふるまいがわかる。即ち、（1
2）式より、 g₂′（n_1th）＞０（17）であれば、I_2thＩ＞I_1Vの領域でP₁が減少していき、
Ｉ＝I_1Vにおいて、P₁＝０となり、波長λ_１からλ_２へ
のスイツチングが完了する。

更に、理解を容易とするために、注入電流密度ｊに対す
るキヤリア密度の変化を第４図に示す。第１発光層内の
キヤリア密度n₁は、ｊ＝j_1thで飽和して、ｊ＝j_1Vで減
少を始める。また、第２発光層内のキヤリア密度n₂は、
ｊ＝j_2thで飽和する。尚、ここまで、n_1th及びn_2thが一
定であるかのように議論したが、実際は微かづつ変化す
る。しかし、それも考慮に入れても、注入電流の増加に
従って（ｉ）→（ii）→（iii）（iv）と状態が変化し
ていくとに変わりはない。

第５図に、本発明の半導体レーザ素子のI_2th＜Ｉ＜I_1V
における利得分布を示した。17及び16は夫々第１発光層
10及び第２発光層12の光利得である。即ち、第１発光層
10の光利得が、第２発光層12の発光波長λ_２において正
であれば、前述の（iv）の過程が生じ、波長λ_１とλ_２
のスイツチングを行うことが出来る。

また、第１発光層10,第２発光層12或いはギヤツプ層11
の厚さや混晶比、ドープ量等を変化させることによっ
て、上記λ_１，λ_２，I_1th，I_2th，I_1V等は種々の値に
設定出来る。例えば、波長λ_１とλ_２との差を大きくと
る場合、（17）式の条件を満たす為には、第１発光層10
による光利得が正になる波長範囲を広くする必要があ
る。この場合には、第１発光層の幅L₁を小さくすれば良
い。すると、Γ_１が小さくなるのでΓ_１g₁（n₁）がレー
ザ発振に必要な値に達成するのに、より大きなn₁が必要
になり、n_1thが大きくなる。その結果、利得が正である
波長域が広くなる。

尚、本発明の半導体レーザ素子においては、波長λ_１の
光も波長λ_２の光も共に光導波路構造４内で導波される
ので、これらの光はレーザ端面のほとんど同じ場所から
射出される。また、光導波路構造部４の領域の大部分が
Ｐ型にドープされているのは、正孔がクラツド層３から
注入されて、第２発光層12まで行きつくのが大変なの
で、予め、ドーピングにより充分な数の正孔を供給して
おくためである。

本発明の如き波長変化の動作は無条件で起こるものでは
ない。以下にその動作条件と、素子の具体的な設計の仕
方を詳述する。

これを説明するための必要な式として、レーザーの発振
条件を書き下しておく。

とおいたとき、 λ_１の発振条件：G₁＝０（20） λ_２の発振条件：G₂＝０（21）である。但し、 α_１：λ_１の光の損失係数 α_２：λ_２の光の損失係数Ｌ :LDの共振器長Ｒ：共振器端面の（平均）反射率である。これを用いて、（22）式以下の式が導かれる。

（ａ）n_1thとj_1thの表式 n_1thとj_1thは、（４），（18），（20）式より、次のよ
うに求められる。即ち、の解としてn_1thが求まり、によりj_1thが求まる。

（ｂ）λ_１が先に発振する条件（波長可変レーザーとし
ての動作条件）（３），（19），（21）式より、次式が
条件になることがわかる。

（ｃ）n_2thとj_2thの表式（５），（６），（19），（21）式より、の解としてn_2thが求まり、 j_2th＝L₂（r_2th＋r₂）n_2th （26）により、j_2thが求まる。

（ｄ）j_1Vの存在条件（スイツチングの条件）（12）式より、（17）式が条件になる。

（ｅ）j_1Vの表式（16）で与えられる。

g₁（n₁），g₂（n₂）の函数形は、活性層の構造に依存す
るが、「半導体レーザと光集積回路」（末松編著，オー
ム社,1984）や、「Heterostructure Lasers」（Casey a
nd Panish著,Academic,1978）等に書かれている方法を
用いることにより、どんな構造のときに、どんな函数形
になるかどうかを、容易に計算または実測することがで
きる。λ_１，λ_２，r₁，r₂，r₂₁，Γ_１，Γ_２，
Γ_２′，α_１，α_２についても同様である。そのように
して得られた結果を、上記（22）式以下の式に代入する
ことにより、所望の特性を持たせるための条件が得られ
る。

即ち、第２図の各領域でのｘの値や、厚さ（L₁，L₂，
L_B，L_G等）等のいくつかの組合せについて、まず、上述
の方法で、g₁（n₁），g₂（n₂），λ_１，λ_２…等を求め
る。その結果を、（22）式以下の式に代入して、波長可
変レーザとして動作するかどうか（（24）式を満たすか
どうか）とか、j_1th，j_2th，j_1vの値が求まる。そうす
れば、ｘやL₁，L₂…等を、どの値にしたときに、所望の
特性をもつ波長可変レーザになるかどうかがわかるわけ
である。それがわかれば、MBE法,MOCVD法やLPE法等を用
いて、通常の半導体レーザーを作成するのと同様の方法
で、容易に作成できる。

一例として、j_1thの大きさを制御する方法を、さらに具
体的に書くと、j_1thを小さくするには、（23）式より、
L₁を小さくしても良いし、r₂₁を大きくしてもよい。r₂₁
を大きくするには、バリア層11と第２発光層12とのバン
ドギヤツプの差を小さくしてもよいし、バリア層の幅L_B
を小さくしてもよい。また、光導波路構造部の幅L_Gを変
えてΓ_１を大きくしても、j_1thを小さくすることができ
る。他方、j_1thを大きくするには、上記と逆のことを行
えばよい。

以下に本発明の更に具体的な実施例を示す。

〈実施例１〉分子線エピタキシー法を用い、第１図に示す構造の半導
体レーザ素子を作製した。まず、ｎ型GaAs基板１上に、
バツフア層２としてｎ型GaAsを１μｍ、クラツド層５と
してｎ型（不純物濃度５×10¹⁷cm_-3）Al_0.6Ga_0.4Asを２
μｍの厚さに成長させた。次に、このクラツド層５上
に、順次バリア層9₂，第２発光層12,バリア層11,第１発
光層10,バリア層9₁を成長させた。各々の組成は、第１
発光層10がノンドープGaAs、第２発光層12がノンドープ
Al_0.12Ga_0.88As、バリア層11がｐ型（不純物濃度４×10
¹⁸cm_-3）Al_0.28Ga_0.72As、バリア層9₁及び9₂がｐ型（不
純物濃度４×10¹⁸cm_-3）Al_0.3Ga_0.7Asとした。また各層
の厚さは第２図の表記でL₁＝60Å，L₂＝120Å，L_B＝80
Å，L_G＝0.2μｍとした。更にバリア層9₁の上に、クラ
ツド層３としてｐ型（不純物濃度１×10¹⁸cm_-3）Al_0.6G
a_0.4Asを1.5μｍ、キヤツプ層６としてｐ型GaAsを0.5μ
ｍの厚さに成長した。キヤツプ層６とクラツド層３の一
部をバリア層9₁近くまでエツチングし、ストライプ状の
凸状領域を形成した後、誘電体層でマスキングして、エ
ツチングされていないキヤツプ層６の上部のみに接触す
るよう、電極８を蒸着した。更に基板１の底面にも電極
７を蒸着した。この積層体をへき開し、レーザ共振面を
有する半導体レーザ素子を作製した。

この素子に、電流を徐々に増加させながら注入したとこ
ろ、80mAで波長830nmのレーザ光が出射し、85mAでそれ
に加えて波長780nmのレーザ光が出射した。更に電流を
増やすと、88mAで波長830nmの光は発振を停止し、波長7
80nmのレーザ光のみが出射した。

本発明は以上説明した実施例に限らず種々の応用が可能
である。例えば、第７図或いは第８図に示すように、第
１発光層10₁，10₂及び第２発光層12₁，12₂を各々複数設
けることによって、光出力を増大させても良いし、第９
図のように、波長λ_３の光を発する第３発光層18を設け
て３波長のレーザとしても良い。また、同様にして４波
長以上のレーザを構成することも出来る。更に、前述の
実施例ではAlGaAs系の半導体レーザ素子を示したが、本
発明はInGaAsP系等、どのような材料のレーザにも適用
が可能である。尚、第７図〜第９図において、11₁，1
1₂，11₃はバリア層を示し、その他第２図と同一の部分
には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体レーザ素子は、従
来の可変波長半導体レーザ素子に比べ、波長可変範囲を
広げ、発光効率を向上させる効果を有する。更に、本発
明によれば異なる波長を完全に切り換えて発振させるこ
とが可能となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体レーザ素子の一実施例を示す略
断面図、第２図は第１図示の素子のエネルギーバンド
図、第３図は第１図示の素子における電流−光出力特性
を示す図、第４図は第１図示の素子における注入電流密
度に対する発光層内のキヤリア密度の変化を示す図、第
５図は第１図示の素子における光利得特性を示す図、第
６図は第１図示の素子の動作原理を説明する為のエネル
ギーバンド図、第７図乃至第９図は夫々本発明の変形例
を示すエネルギーバンド図、第10図は従来の波長可変半
導体レーザ素子を示すエネルギーバンド図である。１……基板２……バツフア層 3,5……クラツド層４……光導波路構造部６……キヤツプ層 7,8……電極 9,9₂,11……バリア層 10……第１発光層 12……第２発光層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異なるバンドギヤツプを有する半導体を積
層して成り、該積層体中に発光層を含む光導波路構造を
備えた半導体レーザ素子において、前記同一の光導波路構造内に、互いに発振波長の異なる
複数の発光層を有し、かつ、この素子に発振しきい値近
くの電流を流したときに、発振波長の長い方の発光層の
光利得が、より発振波長の短い他の発光層のいずれかの
発振波長において正になっていることを特徴とする半導
体レーザ素子。