JPH08316566A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
- Publication number
- JPH08316566A JPH08316566A JP11871195A JP11871195A JPH08316566A JP H08316566 A JPH08316566 A JP H08316566A JP 11871195 A JP11871195 A JP 11871195A JP 11871195 A JP11871195 A JP 11871195A JP H08316566 A JPH08316566 A JP H08316566A
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- JP
- Japan
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- layer
- optical waveguide
- semiconductor laser
- laser device
- gaas
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 単一縦モード、低いビーム放射角、良好な導
波モードを実現する半導体レーザ素子を提供する。 【構成】 ｎ−ＧａＡｓから成る基板１の上に順次、ｎ
−ＡｌＧａＡｓから成るクラッド層２、ｎ−ＧａＡｓか
ら成る光導波層３、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成るキャリア
ブロック層４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓから成る量子井
戸活性層５、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成るキャリアブロッ
ク層６、ｐ−ＧａＡｓから成る光導波層７、ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓから成るクラッド層８、ｐ−ＧａＡｓから成るコ
ンタクト層９がそれぞれ形成されている。光導波層７の
上面には、周期が約０．２８μｍ、深さが約０．１μｍ
の回折格子１２が形成される。
波モードを実現する半導体レーザ素子を提供する。 【構成】 ｎ−ＧａＡｓから成る基板１の上に順次、ｎ
−ＡｌＧａＡｓから成るクラッド層２、ｎ−ＧａＡｓか
ら成る光導波層３、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成るキャリア
ブロック層４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓから成る量子井
戸活性層５、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成るキャリアブロッ
ク層６、ｐ−ＧａＡｓから成る光導波層７、ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓから成るクラッド層８、ｐ−ＧａＡｓから成るコ
ンタクト層９がそれぞれ形成されている。光導波層７の
上面には、周期が約０．２８μｍ、深さが約０．１μｍ
の回折格子１２が形成される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、単一縦モードで発振
し、かつ低放射角で良好な放射パターンが得られる分布
帰還型（ＤＦＢ）の半導体レーザ素子に関する。
し、かつ低放射角で良好な放射パターンが得られる分布
帰還型（ＤＦＢ）の半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】分布帰還型（Distributed Feedback）の
半導体レーザ素子は、安定に単一縦モードで発振するた
め、１）モードホッピング雑音が発生しない、２）発振
波長の温度変化が小さい、３）回折格子の周期により発
振波長が選択可能である、等の多くの特徴を持ってい
る。このため、許容範囲内への波長安定化が要求される
固体レーザの励起光源や、高安定低雑音レベルが要求さ
れる光通信用や光記録用の光源として好適に用いられ
る。
半導体レーザ素子は、安定に単一縦モードで発振するた
め、１）モードホッピング雑音が発生しない、２）発振
波長の温度変化が小さい、３）回折格子の周期により発
振波長が選択可能である、等の多くの特徴を持ってい
る。このため、許容範囲内への波長安定化が要求される
固体レーザの励起光源や、高安定低雑音レベルが要求さ
れる光通信用や光記録用の光源として好適に用いられ
る。
【０００３】図５は、従来のＤＦＢ半導体レーザの一例
を示す断面図である。図５は、レーザ共振器の共振方向
に沿った断面図を示しており、ヘテロ接合に垂直な方向
（以下、垂直方向と称す）に沿って光およびキャリアを
閉じ込める方式として、分離閉じ込め構造（Separated
Confinement Heterostructure：以下、ＳＣＨと称す）
を採用している。
を示す断面図である。図５は、レーザ共振器の共振方向
に沿った断面図を示しており、ヘテロ接合に垂直な方向
（以下、垂直方向と称す）に沿って光およびキャリアを
閉じ込める方式として、分離閉じ込め構造（Separated
Confinement Heterostructure：以下、ＳＣＨと称す）
を採用している。
【０００４】図５において、ｎ−ＧａＡｓから成る基板
２１の上に順次、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成る第１クラッ
ド層２２、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成る第２クラッド層２
３、ＧａＡｓからなる光導波層２４、ＩｎＧａＡｓから
成る量子井戸活性層２５、ＧａＡｓから成る光導波層２
６、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成る第３クラッド層２７、ｐ
−ＡｌＧａＡｓから成る第４クラッド層２８、ｐ−Ｇａ
Ａｓから成る回折格子層２９、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成
る第５クラッド層３０、ｐ−ＧａＡｓから成るコンタク
ト層３１がそれぞれ形成されている。
２１の上に順次、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成る第１クラッ
ド層２２、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成る第２クラッド層２
３、ＧａＡｓからなる光導波層２４、ＩｎＧａＡｓから
成る量子井戸活性層２５、ＧａＡｓから成る光導波層２
６、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成る第３クラッド層２７、ｐ
−ＡｌＧａＡｓから成る第４クラッド層２８、ｐ−Ｇａ
Ａｓから成る回折格子層２９、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成
る第５クラッド層３０、ｐ−ＧａＡｓから成るコンタク
ト層３１がそれぞれ形成されている。
【０００５】回折格子層２９の上面にはエッチングによ
って周期的な凹凸で構成された回折格子３４が形成され
ている。また、ｐ型コンタクト層３１の上面および基板
２１の下面には、オーミック電極層３２、３３がそれぞ
れ形成される。左右の両端面はへき開などによって光共
振器の反射面が形成される。
って周期的な凹凸で構成された回折格子３４が形成され
ている。また、ｐ型コンタクト層３１の上面および基板
２１の下面には、オーミック電極層３２、３３がそれぞ
れ形成される。左右の両端面はへき開などによって光共
振器の反射面が形成される。
【０００６】次に、このＤＦＢ半導体レーザの動作につ
いて説明する。電極層３２を駆動回路（不図示）の正極
に、電極層３３を負極にそれぞれ接続し、バイアス電圧
を印加すると当該半導体レーザ素子に電流が流れ、量子
井戸活性層２５に注入された電子および正孔（ホール）
は再結合して光を放出する。キャリアの注入レベルを増
やしていくと誘導放出が始まって、やがてレーザ発振に
至る。レーザ光は、２つの光導波層２４、２６によって
導波され、その一部は各クラッド層２２、２３、２７、
２８、３０内にしみ出す。
いて説明する。電極層３２を駆動回路（不図示）の正極
に、電極層３３を負極にそれぞれ接続し、バイアス電圧
を印加すると当該半導体レーザ素子に電流が流れ、量子
井戸活性層２５に注入された電子および正孔（ホール）
は再結合して光を放出する。キャリアの注入レベルを増
やしていくと誘導放出が始まって、やがてレーザ発振に
至る。レーザ光は、２つの光導波層２４、２６によって
導波され、その一部は各クラッド層２２、２３、２７、
２８、３０内にしみ出す。
【０００７】回折格子層２９と第５クラッド層３０との
界面に形成された回折格子３４の周期Λは、次式の関係
を満たすことによって、波長λの光だけが選択的に発振
して、単一縦モード発振が実現する。ここで、ｍは１以
上の自然数、λは発振波長、ｎｅｆｆは光導波路の実効
屈折率である。
界面に形成された回折格子３４の周期Λは、次式の関係
を満たすことによって、波長λの光だけが選択的に発振
して、単一縦モード発振が実現する。ここで、ｍは１以
上の自然数、λは発振波長、ｎｅｆｆは光導波路の実効
屈折率である。
【０００８】
【数１】
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示す従来のＤＦＢ半導体レーザから放射されるレーザビ
ームの放射角は、水平方向が約１０度であるに対して、
垂直方向では実用レベルで約３０度から５０度（半値全
幅）という大きな値になっている。こうした放射角の大
きな半導体レーザを固体レーザ素子の励起光源として用
いたり、光ファイバと直接結合しようとすると、放射ビ
ームを全て捕捉することができず、大きな損失を招くこ
とになる。また、レンズ系を用いてビームを集光する場
合でも、ビーム異方性が大きいため、単一のレンズでコ
リメートすることができず、複数のレンズを用いなけれ
ばならない。このことは装置の大型化やコスト上昇につ
ながる。
示す従来のＤＦＢ半導体レーザから放射されるレーザビ
ームの放射角は、水平方向が約１０度であるに対して、
垂直方向では実用レベルで約３０度から５０度（半値全
幅）という大きな値になっている。こうした放射角の大
きな半導体レーザを固体レーザ素子の励起光源として用
いたり、光ファイバと直接結合しようとすると、放射ビ
ームを全て捕捉することができず、大きな損失を招くこ
とになる。また、レンズ系を用いてビームを集光する場
合でも、ビーム異方性が大きいため、単一のレンズでコ
リメートすることができず、複数のレンズを用いなけれ
ばならない。このことは装置の大型化やコスト上昇につ
ながる。
【００１０】こうした問題を解決する一手法として、レ
ーザビームの垂直方向の放射角を低減化して、ビーム異
方性を改善することが考えられる。
ーザビームの垂直方向の放射角を低減化して、ビーム異
方性を改善することが考えられる。
【００１１】図３（ｂ）は、従来のＤＦＢ半導体レーザ
における屈折率分布および光強度分布を示すグラフであ
る。ここではＤＦＢ半導体レーザの垂直方向の放射角が
２０度（半値全幅）という小さな値になるように設計し
ている。従来の構造では、回折格子３４を形成するため
に、屈折率がクラッド層２８、３０と異なる回折格子層
２９を導入する必要がある。このため、図３（ｂ）から
明らかなように、光導波路の屈折率分布（一点鎖線）に
大きな非対称性が生じてしまい、その結果、光強度分布
（実線）として示す導波モードに第２のピークが発生し
て大きな歪みが生じている。
における屈折率分布および光強度分布を示すグラフであ
る。ここではＤＦＢ半導体レーザの垂直方向の放射角が
２０度（半値全幅）という小さな値になるように設計し
ている。従来の構造では、回折格子３４を形成するため
に、屈折率がクラッド層２８、３０と異なる回折格子層
２９を導入する必要がある。このため、図３（ｂ）から
明らかなように、光導波路の屈折率分布（一点鎖線）に
大きな非対称性が生じてしまい、その結果、光強度分布
（実線）として示す導波モードに第２のピークが発生し
て大きな歪みが生じている。
【００１２】図４は、レーザビームの垂直方向の放射パ
ターンを示すグラフである。図３（ｂ）に対応する従来
のＤＦＢ半導体レーザ素子から得られるビーム放射角は
２０度（半値全幅）であるが、導波モードに第２のピー
クが発生して大きな歪みが生じているため、この歪みに
起因する大きなサイドピークが高放射角領域（図４で−
２０度以下および２０度以上の領域）に現われている。
半値全幅で規定されたビーム放射角に対応する光学系を
使用した場合には、放射パターンの中央部分のみを集光
することになるため、残りのサイドピークの部分は全て
光学損失となる。したがって、サイドピークが多く残存
する場合には、ビーム自体の放射角を低減化したとして
も集光効率の向上があまり期待できない。
ターンを示すグラフである。図３（ｂ）に対応する従来
のＤＦＢ半導体レーザ素子から得られるビーム放射角は
２０度（半値全幅）であるが、導波モードに第２のピー
クが発生して大きな歪みが生じているため、この歪みに
起因する大きなサイドピークが高放射角領域（図４で−
２０度以下および２０度以上の領域）に現われている。
半値全幅で規定されたビーム放射角に対応する光学系を
使用した場合には、放射パターンの中央部分のみを集光
することになるため、残りのサイドピークの部分は全て
光学損失となる。したがって、サイドピークが多く残存
する場合には、ビーム自体の放射角を低減化したとして
も集光効率の向上があまり期待できない。
【００１３】また、サイドピークまで捕捉する光学系を
使用したとしても、放射パターンの単峰性が失われるこ
とになり、レーザビームの集光特性は大幅に劣化する。
特に、小さいスポットサイズが得られなくなることによ
り、たとえば光記録装置への応用において高密度記録が
極めて困難になる。
使用したとしても、放射パターンの単峰性が失われるこ
とになり、レーザビームの集光特性は大幅に劣化する。
特に、小さいスポットサイズが得られなくなることによ
り、たとえば光記録装置への応用において高密度記録が
極めて困難になる。
【００１４】こうした対策として、光導波路の非対称性
の原因となる回折格子層２９を省いて、回折格子３４を
光導波層２６または第３クラッド層２７の上面に直接形
成することが考えられる。しかしながら、このような構
造ではレーザ発振時に電子および正孔が共存する領域
に、結晶再成長界面を導入することになる。再成長界面
にはキャリアの非発光再結合センターとなる格子欠陥が
多く発生するため、非発光再結合センターでの光吸収に
よる微分効率の低下や、そこでの局所的な温度上昇によ
る素子信頼性の悪化等が起こる可能性が高い。したがっ
て、回折格子層２９を省く方法はあまり現実的でない。
の原因となる回折格子層２９を省いて、回折格子３４を
光導波層２６または第３クラッド層２７の上面に直接形
成することが考えられる。しかしながら、このような構
造ではレーザ発振時に電子および正孔が共存する領域
に、結晶再成長界面を導入することになる。再成長界面
にはキャリアの非発光再結合センターとなる格子欠陥が
多く発生するため、非発光再結合センターでの光吸収に
よる微分効率の低下や、そこでの局所的な温度上昇によ
る素子信頼性の悪化等が起こる可能性が高い。したがっ
て、回折格子層２９を省く方法はあまり現実的でない。
【００１５】また、従来の構造において、クラッド層は
キャリア閉じ込めと導波モード制御という２つの機能を
兼ねている。そこで光導波層を厚くするとキャリア閉じ
込めの機能が弱まって微分効率の低下等を招くため、一
般に光導波層は薄く形成されていることが望ましいとさ
れている。一方、図５に示す従来の構造では光導波層２
４、２６は薄く形成されているため、図３（ｂ）の左側
の裾野でもその導波モードは指数関数的な減衰曲線を示
す成分が大きく拡がって、たとえば光を閉じ込めるべき
第１クラッド層２２内での導波モードはガウス型から大
きくずれてしまう。これによって図４に示した従来の光
強度分布の裾野でのサイドピークをさらに大きくしてい
る。こうしたことも低い捕捉効率や大きな光学損失を生
ずる要因の一つとなっている。
キャリア閉じ込めと導波モード制御という２つの機能を
兼ねている。そこで光導波層を厚くするとキャリア閉じ
込めの機能が弱まって微分効率の低下等を招くため、一
般に光導波層は薄く形成されていることが望ましいとさ
れている。一方、図５に示す従来の構造では光導波層２
４、２６は薄く形成されているため、図３（ｂ）の左側
の裾野でもその導波モードは指数関数的な減衰曲線を示
す成分が大きく拡がって、たとえば光を閉じ込めるべき
第１クラッド層２２内での導波モードはガウス型から大
きくずれてしまう。これによって図４に示した従来の光
強度分布の裾野でのサイドピークをさらに大きくしてい
る。こうしたことも低い捕捉効率や大きな光学損失を生
ずる要因の一つとなっている。
【００１６】以上詳述したように、多くの応用分野にお
いて垂直方向のビーム放射角が小さく、かつビーム異方
性の小さいＤＦＢ半導体レーザ素子が強く望まれている
にもかかわらず、従来の構造では実現が困難である。
いて垂直方向のビーム放射角が小さく、かつビーム異方
性の小さいＤＦＢ半導体レーザ素子が強く望まれている
にもかかわらず、従来の構造では実現が困難である。
【００１７】本発明の目的は、上記問題点を一挙に解消
し、単一縦モードで発振するとともに、低いビーム放射
角と良好な導波モードを両立させ、もってビーム異方性
の大幅な改善が可能な分布帰還型の半導体レーザ素子を
提供することである。
し、単一縦モードで発振するとともに、低いビーム放射
角と良好な導波モードを両立させ、もってビーム異方性
の大幅な改善が可能な分布帰還型の半導体レーザ素子を
提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に形成
された第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成さ
れた第１光導波層と、第１光導波層の上に形成された活
性層と、活性層の上に形成された第２光導波層と、第２
光導波層の上に形成された第２クラッド層と、前記活性
層の両側に近接して、活性層ならびに第１および第２光
導波層の禁制帯幅より大きい禁制帯幅を有するキャリア
ブロック層とを具備し、第１光導波層と第１クラッド層
との境界面または第２光導波層と第２クラッド層との境
界面に、縦モードを制御するための周期構造が形成され
ていることを特徴とする半導体レーザ素子である。 本発明において、前記周期構造は、第２光導波層と第２
クラッド層との境界面に形成されていることが望まし
い。 また本発明において、前記周期構造は、Ａｌを含まない
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から成る層の上に形成されて
いることが望ましい。
された第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成さ
れた第１光導波層と、第１光導波層の上に形成された活
性層と、活性層の上に形成された第２光導波層と、第２
光導波層の上に形成された第２クラッド層と、前記活性
層の両側に近接して、活性層ならびに第１および第２光
導波層の禁制帯幅より大きい禁制帯幅を有するキャリア
ブロック層とを具備し、第１光導波層と第１クラッド層
との境界面または第２光導波層と第２クラッド層との境
界面に、縦モードを制御するための周期構造が形成され
ていることを特徴とする半導体レーザ素子である。 本発明において、前記周期構造は、第２光導波層と第２
クラッド層との境界面に形成されていることが望まし
い。 また本発明において、前記周期構造は、Ａｌを含まない
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から成る層の上に形成されて
いることが望ましい。
【００１９】
【作用】本発明に従えば、活性層の両側に近接して、活
性層へのキャリア閉じ込め機能を有するキャリアブロッ
ク層が設けられる。キャリアブロック層は光導波層中を
伝搬する導波モードに大きな影響を与えない程度の薄さ
で形成することができる。活性層に注入された電子およ
び正孔はそれぞれ活性層を越えた位置にあるキャリアブ
ロック層で塞き止められる。これによって活性層を中心
としてキャリアブロック層の外側にある光導波層および
クラッド層の境界面には、電子および正孔のいずれか一
方のみがそれぞれ存在することになる。したがって、光
導波層とクラッド層との境界面に縦モードを制御するた
めの周期構造を形成し、その後結晶再成長を行っても、
再成長界面ではどちらか一方のキャリアしか存在しない
ため、レーザ特性の劣化や素子信頼性の悪化をもたらす
キャリア再結合の確率が極めて小さくなる。このため、
屈折率差を形成するための回折格子層をクラッド層中に
導入する必要がなくなって、光導波路の屈折率分布の大
きな非対称性が解消され、導波モードの対称性を改善す
ることができる。
性層へのキャリア閉じ込め機能を有するキャリアブロッ
ク層が設けられる。キャリアブロック層は光導波層中を
伝搬する導波モードに大きな影響を与えない程度の薄さ
で形成することができる。活性層に注入された電子およ
び正孔はそれぞれ活性層を越えた位置にあるキャリアブ
ロック層で塞き止められる。これによって活性層を中心
としてキャリアブロック層の外側にある光導波層および
クラッド層の境界面には、電子および正孔のいずれか一
方のみがそれぞれ存在することになる。したがって、光
導波層とクラッド層との境界面に縦モードを制御するた
めの周期構造を形成し、その後結晶再成長を行っても、
再成長界面ではどちらか一方のキャリアしか存在しない
ため、レーザ特性の劣化や素子信頼性の悪化をもたらす
キャリア再結合の確率が極めて小さくなる。このため、
屈折率差を形成するための回折格子層をクラッド層中に
導入する必要がなくなって、光導波路の屈折率分布の大
きな非対称性が解消され、導波モードの対称性を改善す
ることができる。
【００２０】さらに、活性層へのキャリアの閉じ込め機
能はキャリアブロック層が担うため、クラッド層と活性
層の距離を大きくしてもよい。したがって、光導波層を
厚く形成でき、そのことによって、ガウス型に近い良好
な導波モードを安定して実現できる。
能はキャリアブロック層が担うため、クラッド層と活性
層の距離を大きくしてもよい。したがって、光導波層を
厚く形成でき、そのことによって、ガウス型に近い良好
な導波モードを安定して実現できる。
【００２１】こうしてビーム放射角を低減化したＤＦＢ
半導体レーザ素子において良好な導波モードを実現し、
しかもビーム異方性を大幅に改善することができる。
半導体レーザ素子において良好な導波モードを実現し、
しかもビーム異方性を大幅に改善することができる。
【００２２】また、周期構造を活性層より上方にある第
２光導波層と第２クラッド層との境界面に形成すること
によって、活性層の成長工程後に周期構造の形成工程が
続くことになる。したがって、周期構造が活性層より下
方の基板側に配置される場合と比べて、周期構造の上に
埋め込み結晶再成長を行うときに発生する結晶欠陥は活
性層に影響を及ぼすことがなく、活性層の発光効率の低
下を防止できる。
２光導波層と第２クラッド層との境界面に形成すること
によって、活性層の成長工程後に周期構造の形成工程が
続くことになる。したがって、周期構造が活性層より下
方の基板側に配置される場合と比べて、周期構造の上に
埋め込み結晶再成長を行うときに発生する結晶欠陥は活
性層に影響を及ぼすことがなく、活性層の発光効率の低
下を防止できる。
【００２３】また、周期構造を、Ａｌを含まないＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体から成る層の上に形成することによ
って、エッチング等による周期構造の形成工程において
大気中の酸素で酸化された表面を容易に清浄化すること
ができる。このため埋め込み結晶再成長で形成されるヘ
テロ界面近傍の結晶性が大幅に向上して、素子の信頼性
を向上できる。
−Ｖ族化合物半導体から成る層の上に形成することによ
って、エッチング等による周期構造の形成工程において
大気中の酸素で酸化された表面を容易に清浄化すること
ができる。このため埋め込み結晶再成長で形成されるヘ
テロ界面近傍の結晶性が大幅に向上して、素子の信頼性
を向上できる。
【００２４】
【実施例】図１および図２は本発明の一実施例の構成を
示す断面図であり、図１はレーザ共振器の共振方向に沿
った断面図を示し、図２は共振方向に垂直な断面図を示
している。本実施例において、ヘテロ接合に垂直な方向
（垂直方向）に沿って光およびキャリアを閉じ込める方
式として、完全分離閉じ込め構造（PerfectSeparated C
onfinement Heterostructure：ＰＳＣＨ）を採用し、一
方、ヘテロ接合に平行な方向（以下、水平方向と称す）
に沿って光およびキャリアを閉じ込める方式として、リ
ッジ型導波路構造を採用している。
示す断面図であり、図１はレーザ共振器の共振方向に沿
った断面図を示し、図２は共振方向に垂直な断面図を示
している。本実施例において、ヘテロ接合に垂直な方向
（垂直方向）に沿って光およびキャリアを閉じ込める方
式として、完全分離閉じ込め構造（PerfectSeparated C
onfinement Heterostructure：ＰＳＣＨ）を採用し、一
方、ヘテロ接合に平行な方向（以下、水平方向と称す）
に沿って光およびキャリアを閉じ込める方式として、リ
ッジ型導波路構造を採用している。
【００２５】図１において、ｎ−ＧａＡｓから成る基板
１の上に順次、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓから成るクラ
ッド層２（厚さ２μｍ）、ｎ−ＧａＡｓから成る光導波
層３（厚さ１μｍ）、ｎ−Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓから成
るキャリアブロック層４（厚さ０．０１５μｍ）、Ｉｎ
0.20Ｇａ0.80Ａｓ／ＧａＡｓから成る量子井戸活性層５
（井戸層厚さ０．００８μｍ、バリア層厚さ０．０５μ
ｍ）、ｐ−Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓから成るキャリアブロ
ック層６（厚さ０．０１５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓから成
る光導波層７（厚さ１μｍ）、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａ
ｓから成るクラッド層８（厚さ２μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ
から成るコンタクト層９がそれぞれ形成されている。
１の上に順次、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａｓから成るクラ
ッド層２（厚さ２μｍ）、ｎ−ＧａＡｓから成る光導波
層３（厚さ１μｍ）、ｎ−Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓから成
るキャリアブロック層４（厚さ０．０１５μｍ）、Ｉｎ
0.20Ｇａ0.80Ａｓ／ＧａＡｓから成る量子井戸活性層５
（井戸層厚さ０．００８μｍ、バリア層厚さ０．０５μ
ｍ）、ｐ−Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓから成るキャリアブロ
ック層６（厚さ０．０１５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓから成
る光導波層７（厚さ１μｍ）、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ａ
ｓから成るクラッド層８（厚さ２μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ
から成るコンタクト層９がそれぞれ形成されている。
【００２６】光導波層７の上面には、二光束干渉露光法
とウェットエッチングによって、周期が約０．２８μ
ｍ、深さが約０．１μｍの凹凸から成る断面三角波形状
の回折格子１２が形成されている。この周期は、発振波
長０．９８μｍに対して２次の回折格子（ｍ＝２）に相
当する。こうして回折格子１２を形成した後、クラッド
層８が結晶再成長によって形成される。また、ｐ型コン
タクト層９の上面および基板１の下面には、オーミック
電極層１０、１１がそれぞれ形成される。左右の両端面
は、へき開などによって光共振器の反射面が形成され、
さらに反射防止膜がコーティングされる。
とウェットエッチングによって、周期が約０．２８μ
ｍ、深さが約０．１μｍの凹凸から成る断面三角波形状
の回折格子１２が形成されている。この周期は、発振波
長０．９８μｍに対して２次の回折格子（ｍ＝２）に相
当する。こうして回折格子１２を形成した後、クラッド
層８が結晶再成長によって形成される。また、ｐ型コン
タクト層９の上面および基板１の下面には、オーミック
電極層１０、１１がそれぞれ形成される。左右の両端面
は、へき開などによって光共振器の反射面が形成され、
さらに反射防止膜がコーティングされる。
【００２７】さらに図２に示すように、光導波層７の上
面に回折格子１２を形成して、その上にクラッド層８が
結晶再成長により形成された後、水平方向の幅が約６μ
ｍのストライプが共振方向にのびるように段差が形成さ
れる。このストライプの両側には、ｎ−Ａｌ0.30Ｇａ
0.70Ａｓから成る低屈折率の電流狭窄層１３が埋め込ま
れており、全体としてリッジ型実屈折率導波路を構成
し、光およびキャリアの閉じ込めを効率よく実現してい
る。
面に回折格子１２を形成して、その上にクラッド層８が
結晶再成長により形成された後、水平方向の幅が約６μ
ｍのストライプが共振方向にのびるように段差が形成さ
れる。このストライプの両側には、ｎ−Ａｌ0.30Ｇａ
0.70Ａｓから成る低屈折率の電流狭窄層１３が埋め込ま
れており、全体としてリッジ型実屈折率導波路を構成
し、光およびキャリアの閉じ込めを効率よく実現してい
る。
【００２８】次に、本発明のＤＦＢ半導体レーザの動作
について説明する。電極層１０を駆動回路（不図示）の
正極に、電極層１１を負極にそれぞれ接続し、バイアス
電圧を印加すると当該半導体レーザ素子に電流が流れ、
量子井戸活性層５に注入された電子および正孔（ホー
ル）は再結合して光を放出する。キャリアの注入レベル
を増やしていくと誘導放出が始まって、やがてレーザ発
振に至る。レーザ光は、２つの光導波層３、７によって
導波される。光導波層７の上面には、上述の式（１）で
定義された周期Λを持つ回折格子１２が形成されている
ため、約０．９８μｍの単一波長が選択され、単一縦モ
ード発振が実現する。また、リッジ型実屈折率導波路を
採用しているため、基本横モードの発振が安定に実現す
る。
について説明する。電極層１０を駆動回路（不図示）の
正極に、電極層１１を負極にそれぞれ接続し、バイアス
電圧を印加すると当該半導体レーザ素子に電流が流れ、
量子井戸活性層５に注入された電子および正孔（ホー
ル）は再結合して光を放出する。キャリアの注入レベル
を増やしていくと誘導放出が始まって、やがてレーザ発
振に至る。レーザ光は、２つの光導波層３、７によって
導波される。光導波層７の上面には、上述の式（１）で
定義された周期Λを持つ回折格子１２が形成されている
ため、約０．９８μｍの単一波長が選択され、単一縦モ
ード発振が実現する。また、リッジ型実屈折率導波路を
採用しているため、基本横モードの発振が安定に実現す
る。
【００２９】図３はＤＦＢ半導体レーザにおける屈折率
分布および光強度分布を示すグラフであり、図３（ａ）
は本実施例を示し、図３（ｂ）は従来例を示す。比較の
ため、両者ともＤＦＢ半導体レーザの垂直方向の放射角
が２０度（半値全幅）になるように設計している。
分布および光強度分布を示すグラフであり、図３（ａ）
は本実施例を示し、図３（ｂ）は従来例を示す。比較の
ため、両者ともＤＦＢ半導体レーザの垂直方向の放射角
が２０度（半値全幅）になるように設計している。
【００３０】本実施例の構造では、回折格子１２を光導
波層７とクラッド層８の境界面に形成しているため、ク
ラッド層８の屈折率と大きく異なる回折格子層を導入す
る必要がない。このため、従来の構造で問題となってい
た光導波層の屈折率分布の大きな非対称性が解消され、
図３（ａ）に示すように、導波モードの形状はほぼ対称
に保たれている。
波層７とクラッド層８の境界面に形成しているため、ク
ラッド層８の屈折率と大きく異なる回折格子層を導入す
る必要がない。このため、従来の構造で問題となってい
た光導波層の屈折率分布の大きな非対称性が解消され、
図３（ａ）に示すように、導波モードの形状はほぼ対称
に保たれている。
【００３１】また、レーザ発振時に注入される電子はｐ
型キャリアブロック層６でせき止められ、ｐ型光導波層
７とｐ型クラッド層８との境界面に到達しなくなる。そ
のため、結晶再成長界面となる該境界面には正孔のみが
存在することになり、ここでのキャリア再結合が起こら
ないと考えられ、レーザ特性の悪化は観測されなかっ
た。
型キャリアブロック層６でせき止められ、ｐ型光導波層
７とｐ型クラッド層８との境界面に到達しなくなる。そ
のため、結晶再成長界面となる該境界面には正孔のみが
存在することになり、ここでのキャリア再結合が起こら
ないと考えられ、レーザ特性の悪化は観測されなかっ
た。
【００３２】さらに、図３（ａ）に示すように、本実施
例の構造では、光導波層３、７が厚く形成されているた
め、導波モードの多くの部分はｎ型光導波層３からｐ型
光導波層７の範囲に分布するようになり、従来の光強度
分布と比べて、指数関数的な減衰を示す裾野部分が非常
に小さくなっている。このため、本実施例の光強度分布
はガウス型に近い良好な導波モード形状が実現してい
る。
例の構造では、光導波層３、７が厚く形成されているた
め、導波モードの多くの部分はｎ型光導波層３からｐ型
光導波層７の範囲に分布するようになり、従来の光強度
分布と比べて、指数関数的な減衰を示す裾野部分が非常
に小さくなっている。このため、本実施例の光強度分布
はガウス型に近い良好な導波モード形状が実現してい
る。
【００３３】図４は、本実施例および従来例のレーザビ
ームの垂直方向の放射パターンを示すグラフである。本
実施例では、レーザビームの垂直放射角は２０度（半値
全幅）を示し、さらにサイドピークの無い単峰性の放射
パターンを示していることが確認された。したがって、
集光レンズの捕捉効率が格段に向上することが期待され
る。
ームの垂直方向の放射パターンを示すグラフである。本
実施例では、レーザビームの垂直放射角は２０度（半値
全幅）を示し、さらにサイドピークの無い単峰性の放射
パターンを示していることが確認された。したがって、
集光レンズの捕捉効率が格段に向上することが期待され
る。
【００３４】下記の表１は、放射角（半値全幅）が２０
度であるレーザビームを種々の開口数（ＮＡ）を持つレ
ンズで捕捉する場合、捕捉効率の違いを従来例と本実施
例とで比較したものである。
度であるレーザビームを種々の開口数（ＮＡ）を持つレ
ンズで捕捉する場合、捕捉効率の違いを従来例と本実施
例とで比較したものである。
【００３５】
【表１】
【００３６】この結果を見ると、開口数が０．２５から
０．３５の範囲において、本実施例の捕捉効率は９０％
を越える数値を示すとともに、従来のものと比べて１６
％も増加していることが判る。
０．３５の範囲において、本実施例の捕捉効率は９０％
を越える数値を示すとともに、従来のものと比べて１６
％も増加していることが判る。
【００３７】なお本発明は上述の実施例に限定されるも
のでなく、たとえば構成材料として、活性層をＩｎＧａ
Ａｓ、その他の層をＡｌＧａＡｓで構成するＩｎＧａＡ
ｓ／ＡｌＧａＡｓ系に限らず、各層をＩｎＧａＡｓＰの
組合せで構成するＩｎＧａＡｓＰ系や、その他のＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体にも適用可能である。
のでなく、たとえば構成材料として、活性層をＩｎＧａ
Ａｓ、その他の層をＡｌＧａＡｓで構成するＩｎＧａＡ
ｓ／ＡｌＧａＡｓ系に限らず、各層をＩｎＧａＡｓＰの
組合せで構成するＩｎＧａＡｓＰ系や、その他のＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体にも適用可能である。
【００３８】また、上述の実施例では水平方向の光およ
びキャリア閉じ込め方式として、リッジ型導波路構造を
例示したが、本発明はＳＡＳ（self-aligned structur
e）型導波路構造や埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造等にも
適用可能である。
びキャリア閉じ込め方式として、リッジ型導波路構造を
例示したが、本発明はＳＡＳ（self-aligned structur
e）型導波路構造や埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造等にも
適用可能である。
【００３９】
【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、光
導波層とクラッド層との境界面において縦モード制御用
の周期構造を形成した後に結晶再成長を行っても、キャ
リアブロック層の存在によって境界面でのキャリア再結
合が起こらなくなるため、レーザ特性と素子信頼性を大
幅に向上させることができる。また屈折率差の大きい回
折格子層をクラッド層中に導入する必要がなくなり、導
波モードの分布形状を大きく改善できる。また、結晶再
成長の工程が改善されるため、製造歩留まりが向上する
とともに、素子の信頼性も向上する。
導波層とクラッド層との境界面において縦モード制御用
の周期構造を形成した後に結晶再成長を行っても、キャ
リアブロック層の存在によって境界面でのキャリア再結
合が起こらなくなるため、レーザ特性と素子信頼性を大
幅に向上させることができる。また屈折率差の大きい回
折格子層をクラッド層中に導入する必要がなくなり、導
波モードの分布形状を大きく改善できる。また、結晶再
成長の工程が改善されるため、製造歩留まりが向上する
とともに、素子の信頼性も向上する。
【００４０】こうして単一縦モードでビーム形状の良好
な半導体レーザ素子を実現することができる。
な半導体レーザ素子を実現することができる。
【図１】本発明の一実施例を示す共振方向に沿った断面
図である。
図である。
【図２】本発明の一実施例を示す共振方向に垂直な断面
図である。
図である。
【図３】ＤＦＢ半導体レーザにおける屈折率分布および
光強度分布を示すグラフであり、図３（ａ）は本実施例
を示し、図３（ｂ）は従来例を示す。
光強度分布を示すグラフであり、図３（ａ）は本実施例
を示し、図３（ｂ）は従来例を示す。
【図４】本実施例および従来例のレーザビームの垂直方
向の放射パターンを示すグラフである。
向の放射パターンを示すグラフである。
【図５】従来のＤＦＢ半導体レーザの一例を示す断面図
である。
である。
１ 基板 ２、８ クラッド層 ３、７ 光導波層 ４、６ キャリアブロック層 ５ 量子井戸活性層 ９ コンタクト層 １０、１１ 電極層 １２ 回折格子 １３ 電流狭窄層
Claims (3)
- 【請求項１】 基板上に形成された第１クラッド層と、 第１クラッド層の上に形成された第１光導波層と、 第１光導波層の上に形成された活性層と、 活性層の上に形成された第２光導波層と、 第２光導波層の上に形成された第２クラッド層と、 前記活性層の両側に近接して、活性層ならびに第１およ
び第２光導波層の禁制帯幅より大きい禁制帯幅を有する
キャリアブロック層とを具備し、 第１光導波層と第１クラッド層との境界面または第２光
導波層と第２クラッド層との境界面に、縦モードを制御
するための周期構造が形成されていることを特徴とする
半導体レーザ素子。 - 【請求項２】 前記周期構造は、第２光導波層と第２ク
ラッド層との境界面に形成されていることを特徴とする
請求項１記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項３】 前記周期構造は、Ａｌを含まないＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体から成る層の上に形成されているこ
とを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11871195A JPH08316566A (ja) | 1995-05-17 | 1995-05-17 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11871195A JPH08316566A (ja) | 1995-05-17 | 1995-05-17 | 半導体レーザ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08316566A true JPH08316566A (ja) | 1996-11-29 |
Family
ID=14743227
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11871195A Pending JPH08316566A (ja) | 1995-05-17 | 1995-05-17 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08316566A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002057405A (ja) * | 2000-08-07 | 2002-02-22 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置及びその製造方法 |
| US6477191B1 (en) | 1999-04-09 | 2002-11-05 | Mitsui Chemicals, Inc. | Semiconductor laser device, semiconductor laser module, rare-earth-element-doped optical fiber amplifier and fiber laser |
| WO2012046639A1 (ja) * | 2010-10-08 | 2012-04-12 | 株式会社Ｑｄレーザ | 半導体レーザ及びその半導体レーザを備える光モジュール、光通信装置、光通信システム |
| JP2012195433A (ja) * | 2011-03-16 | 2012-10-11 | Fujitsu Ltd | 光半導体素子、半導体レーザ、および光半導体素子の製造方法 |
-
1995
- 1995-05-17 JP JP11871195A patent/JPH08316566A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6477191B1 (en) | 1999-04-09 | 2002-11-05 | Mitsui Chemicals, Inc. | Semiconductor laser device, semiconductor laser module, rare-earth-element-doped optical fiber amplifier and fiber laser |
| JP2002057405A (ja) * | 2000-08-07 | 2002-02-22 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置及びその製造方法 |
| WO2012046639A1 (ja) * | 2010-10-08 | 2012-04-12 | 株式会社Ｑｄレーザ | 半導体レーザ及びその半導体レーザを備える光モジュール、光通信装置、光通信システム |
| JP2012195433A (ja) * | 2011-03-16 | 2012-10-11 | Fujitsu Ltd | 光半導体素子、半導体レーザ、および光半導体素子の製造方法 |
| US8891159B2 (en) | 2011-03-16 | 2014-11-18 | Fujitsu Limited | Optical semiconductor element, semiconductor laser, and method of manufacturing optical semiconductor element |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040427 |