JPS63211787A - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents
半導体レ−ザ素子Info
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- JPS63211787A JPS63211787A JP4493987A JP4493987A JPS63211787A JP S63211787 A JPS63211787 A JP S63211787A JP 4493987 A JP4493987 A JP 4493987A JP 4493987 A JP4493987 A JP 4493987A JP S63211787 A JPS63211787 A JP S63211787A
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
-
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
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。
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。
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−っである
。例えば、光カードや光ディ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。
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−っである
。例えば、光カードや光ディ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、再再光の
波長を媒体感度の低い領域に設定すれば、再生光の出力
を尋れほど低下させることなく上記書き込みを防止出来
、Ｓ／Ｎ比の高い情報の再生が可能となる。
波長を媒体感度の低い領域に設定すれば、再生光の出力
を尋れほど低下させることなく上記書き込みを防止出来
、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。
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、ウェル層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、Ｅｏ 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＝ｏ
の量子準位間の光（波長λ１ ）が発振する。更に注入
電流を増すと、Ｅｌ で示すエネルギー準位のキャリア
密度が増し、再結合によってｎ＝１の量子準位間の光（
波長λ２ ）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。
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、Ｅｏ 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＝ｏ
の量子準位間の光（波長λ１ ）が発振する。更に注入
電流を増すと、Ｅｌ で示すエネルギー準位のキャリア
密度が増し、再結合によってｎ＝１の量子準位間の光（
波長λ２ ）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。
、以下の問題点を有していた。
（１）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。
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。
（ｎ）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。
長の差はせいぜい数１０ｎｍ程度しか得られない。
（■）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、ｌ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。
ある為、ｌ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λ２ の光が発
振したら、波長λ１ の光の発振を止める）のが難かし
い。
振したら、波長λ１ の光の発振を止める）のが難かし
い。
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。
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、異なるバンドギャップを有する半
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倍返（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
て正となるように構成することによって達成される。
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倍返（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
て正となるように構成することによって達成される。
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、■はｎ型ＧａＡｓ
基板、２はｎ型ＧａＡｓバッファ層、３はｎ型Ａｉ’Ｇ
ａＡｓクラッド層、４は光導波路構造部、５はｐ型Ａｆ
ＧａＡｓクラッド層、６はｐ型ＧａＡｓキャップ層、７
及び８は電極を示す。また、光導波路構造部４は、前記
クラッド層３上に、順次、ｐ型Ａｊｉ！ＧａＡｓバリア
層９１ 、ノンドープＧａＡｓ第１発光層１０、ｐ型Ａ
ｆＧａＡｓバリア層１１、ノンドープＡｊ！ＧａＡｓ第
２発光層１２及びｐ型ＡｆＧａＡｓバリア層９２ が積
層されて成る。
の構成を示す略断面図である。図中、■はｎ型ＧａＡｓ
基板、２はｎ型ＧａＡｓバッファ層、３はｎ型Ａｉ’Ｇ
ａＡｓクラッド層、４は光導波路構造部、５はｐ型Ａｆ
ＧａＡｓクラッド層、６はｐ型ＧａＡｓキャップ層、７
及び８は電極を示す。また、光導波路構造部４は、前記
クラッド層３上に、順次、ｐ型Ａｊｉ！ＧａＡｓバリア
層９１ 、ノンドープＧａＡｓ第１発光層１０、ｐ型Ａ
ｆＧａＡｓバリア層１１、ノンドープＡｊ！ＧａＡｓ第
２発光層１２及びｐ型ＡｆＧａＡｓバリア層９２ が積
層されて成る。
この素子は、通常の半導体製造法、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ャップを有する種々の
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関
することによって形成される。また、電流狭窄層等、良
（知られた手段によって、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。
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ャップを有する種々の
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関
することによって形成される。また、電流狭窄層等、良
（知られた手段によって、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
いバンドギャップを有する。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１
４と正孔１５との再結合が生じ、波長λ、の光が誘導放
出される。次に、注入電流を増してい（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
λ２の光が誘導放出される。更に注入電流を増加すると
、波長λ１ の発振は停止し、波長λ２ の光のみが発
する。
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
いバンドギャップを有する。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１
４と正孔１５との再結合が生じ、波長λ、の光が誘導放
出される。次に、注入電流を増してい（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
λ２の光が誘導放出される。更に注入電流を増加すると
、波長λ１ の発振は停止し、波長λ２ 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、■は電流、Ｐ、、Ｐ２はそれぞれ波長λ
１ 、λ２ の光の出力を示す。
３図において、■は電流、Ｐ、、Ｐ２はそれぞれ波長λ
１ 、λ２ の光の出力を示す。
電流■を増加していくと、まず第１のしきい値電流！＝
１．．． で波長λ１ の光が発振し、続いて第２の
しきい値電流１＝１．．． で波長λ２の光が発振す
る。さらに電流を増してい（と、１＝Ｉ、、で波長λ１
の光が発振を停止し、波長λ２ の光のみが発振する
ようになる。従って、１ａｔｈ ＜Ｉ＜１ａｔｈ
を満たす電流値とＩ＞Ｉ＋ｖ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λ１ の光と波長
λ２ の光とのスイッチングを行うことが出来る。
１．．． で波長λ１ の光が発振し、続いて第２の
しきい値電流１＝１．．． で波長λ２の光が発振す
る。さらに電流を増してい（と、１＝Ｉ、、で波長λ１
の光が発振を停止し、波長λ２ の光のみが発振する
ようになる。従って、１ａｔｈ ＜Ｉ＜１ａｔｈ
を満たす電流値とＩ＞Ｉ＋ｖ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λ１ の光と波長
λ２ の光とのスイッ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発光層１０及び第２発光層１，２中のキャリ
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に注入されたキャリアが、ｒ
２ の速さで自然放出又は非発光性の再結合をし、ｒ２
１の速さで第１発光層１０に移り、残りが誘電放出で再
結合するとする。更に、第１発光層く移ったキャリアが
、ｒｌ 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。
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発光層１０及び第２発光層１，２中のキャリ
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に注入されたキャリアが、ｒ
２ の速さで自然放出又は非発光性の再結合をし、ｒ２
１の速さで第１発光層１０に移り、残りが誘電放出で再
結合するとする。更に、第１発光層く移ったキャリアが
、ｒｌ 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。
い り
但し、ここでπＷ１ 、πＷ２ は夫々波長λ１ 。
λ２ の光の光子エネルギー、Ｓｌ ＋ ８２ は
夫々波長λ１ 、λ、の光のビーム幅、ｒ、 及びｇ
＋（ｎ＋）は夫々波長λ、の光の第１発光層における閉
じじ込め係数及び利得、ｒ２ 及びｇ２（ｎ２）は夫々
波長λ２ の光の第２発光層における閉じ込め係数及び
利得、Ｆ″、及びｇ’ｚ（ｎ＋）は夫々波長λ２ 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。
夫々波長λ１ 、λ、の光のビーム幅、ｒ、 及びｇ
＋（ｎ＋）は夫々波長λ、の光の第１発光層における閉
じじ込め係数及び利得、ｒ２ 及びｇ２（ｎ２）は夫々
波長λ２ の光の第２発光層における閉じ込め係数及び
利得、Ｆ″、及びｇ’ｚ（ｎ＋）は夫々波長λ２ 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、発振時のキャリア密度の
飽和を考慮して、次の４つの領域に分けて得られる。
飽和を考慮して、次の４つの領域に分けて得られる。
（ｉ） Ｐ＋＝Ｐｚ＝Ｏ（ｊ＜ｊ＋＋ｈ）（ｉｉ）
Ｐ＋ ＞ｏ、 Ｐ２ ＝Ｏ（Ｊ ＋ｔｈ≦ｊ＜ｊｚＪ
（ｉｉｔ） Ｐ＋ ＞Ｏ，Ｐｚ ＞０ （ｊｚ＋ｈ≦Ｊ
＜ Ｊ ＋ｖ） （８）ｎ＋ ＝
ｌｌ、、、
（１０）ｇｚ（ｎ２ｔｈ） ’ ｇｚ’（ｎ＋
＋ｈ）ｒ、 ｒ、・ −（ｊ−ｊ・・・）） （１
２）（ｉｖ） Ｐ＋ ＝０． Ｐ２ ＞０ （ＪＩ
Ｖ＜Ｊ）ｎ２ ＝ｎ２ｔｈ
（１３）ｐ２ ｒ、’
・ Ｌ＋ Ｐ＋ Ｐ＋ ＋−・−Ｑｇｚ（Ｐ＋）Ｉｗ２Ｓ
２ ψ ２ ｒ２ ＝ｊ Ｌｌ ｒ２ｎ２＋ｈ ” ｇｒ（ｎｚ＋
ｈ） （１４）ＩＴＷ２８２ 勘 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°（ｎＢｈ ） ＞０ （
１７）であれば、Ｉ Ｈｈ≦ｒ ＜ Ｉ ＋ｖの領域で
Ｐｌ が減少していき、Ｔ＝１．ｖにおいて、Ｐｌ ＝
０となり、波長λ１ からλ２ へのスイッチングが完
了する。
Ｐ＋ ＞ｏ、 Ｐ２ ＝Ｏ（Ｊ ＋ｔｈ≦ｊ＜ｊｚＪ
（ｉｉｔ） Ｐ＋ ＞Ｏ，Ｐｚ ＞０ （ｊｚ＋ｈ≦Ｊ
＜ Ｊ ＋ｖ） （８）ｎ＋ ＝
ｌｌ、、、
（１０）ｇｚ（ｎ２ｔｈ） ’ ｇｚ’（ｎ＋
＋ｈ）ｒ、 ｒ、・ −（ｊ−ｊ・・・）） （１
２）（ｉｖ） Ｐ＋ ＝０． Ｐ２ ＞０ （ＪＩ
Ｖ＜Ｊ）ｎ２ ＝ｎ２ｔｈ
（１３）ｐ２ ｒ、’
・ Ｌ＋ Ｐ＋ Ｐ＋ ＋−・−Ｑｇｚ（Ｐ＋）Ｉｗ２Ｓ
２ ψ ２ ｒ２ ＝ｊ Ｌｌ ｒ２ｎ２＋ｈ ” ｇｒ（ｎｚ＋
ｈ） （１４）ＩＴＷ２８２ 勘 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°（ｎＢｈ ） ＞０ （
１７）であれば、Ｉ Ｈｈ≦ｒ ＜ Ｉ ＋ｖの領域で
Ｐｌ が減少していき、Ｔ＝１．ｖにおいて、Ｐｌ ＝
０となり、波長λ１ からλ２ へのスイッチングが完
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
るキャリア密度の変化を第４図に示す。
るキャリア密度の変化を第４図に示す。
第１発光層内のキャリア密度ｎ１ は、ｊ＝ｊ１１ｈで
飽和して、Ｊ ” Ｊ ＋ ｖで減少を始める。また、
第２発光層内のキャリア密度ｎ２ は、Ｊ”Ｊ２ｔｈで
飽和する。尚、ここまで、ｎ＋１． 及びｎ ２ ｔ
ｈ 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） → （ｉ
ｉｉ）→（ｉｖ） と状態が変化していくことに変わ
りはない。
飽和して、Ｊ ” Ｊ ＋ ｖで減少を始める。また、
第２発光層内のキャリア密度ｎ２ は、Ｊ”Ｊ２ｔｈで
飽和する。尚、ここまで、ｎ＋１． 及びｎ ２ ｔ
ｈ 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） → （ｉ
ｉｉ）→（ｉｖ） と状態が変化していくことに変わ
りはない。
第５図に、本発明の半導体レーザ素子の１２１ｈ＜ Ｉ
＜ Ｉ ＋ ｖ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の発振波長λ２ において正であれば、前述の（ｉ
ｖ）の過程が生じ、波長λ１ とλ２ のスイッチング
を行うことが出来る。
＜ Ｉ ＋ ｖ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の発振波長λ２ において正であれば、前述の（ｉ
ｖ）の過程が生じ、波長λ１ とλ２ のスイッチング
を行うことが出来る。
また、第１発光層１０．第２発光層１２或いはギャップ
層１１の厚さや混晶比、ドープ量等を変化させることに
よりて、上記λ１ 、λ２ 。
層１１の厚さや混晶比、ドープ量等を変化させることに
よりて、上記λ１ 、λ２ 。
Ｉ ｌｌｂ ｒ １ｔｃｈ ＋ Ｉ＋’ｖ等は
種々の値に設定出来る。例えば、波長λ１ とλ、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、ｒｌが小さくなるので
Ｐ＋ ｇｒ （Ｐ＋ ）がレーザ発振に必要な値
に達するのに、より大きなｎｌが必要になり、ｎ 、＋
６ 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。
種々の値に設定出来る。例えば、波長λ１ とλ、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、ｒｌが小さくなるので
Ｐ＋ ｇｒ （Ｐ＋ ）がレーザ発振に必要な値
に達するのに、より大きなｎｌが必要になり、ｎ 、＋
６ 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λ１
の光も波長λ２ の光も共に光導波路構造部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。
の光も波長λ２ の光も共に光導波路構造部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。
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。
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。
条件を書き下しておく。
Ｇ＋ ＝［’、 ｇｒ（１１＋）−（Ｉｔ −Ｈ！！、
（Ｈ） （１８）Ｇ２ ＝ｒ、 ｇｚ（ｎ
ｚ）＋ｒ’ｉ°、＋ （Ｐ＋）−ａａ −Ｌ＊、（’）
（１９）Ｒ とおいたとき、 λ１ の発振条件： Ｇ、 ＝０ （２
０）λ２ の発振条件： Ｇ、 ＝０
（２１）である。但し、 α、：λ１ の光の損失係数 α、：λ、の光の損失係数 Ｌ：Ｉ、、 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）弐以下の式が導かれる
。
（Ｈ） （１８）Ｇ２ ＝ｒ、 ｇｚ（ｎ
ｚ）＋ｒ’ｉ°、＋ （Ｐ＋）−ａａ −Ｌ＊、（’）
（１９）Ｒ とおいたとき、 λ１ の発振条件： Ｇ、 ＝０ （２
０）λ２ の発振条件： Ｇ、 ＝０
（２１）である。但し、 α、：λ１ の光の損失係数 α、：λ、の光の損失係数 Ｌ：Ｉ、、 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）弐以下の式が導かれる
。
（ａ） ｎ１ｌｂとｊｌｌ、の要式
ｎ＋＋ｈとＪ ａｈは、（４） 、 （１８）、 （２
０）式より、次のように求められる。即ち、 ｇｒ（Ｐ＋ｔｈ）＝ ｒ、 （α、 ＋、−ｊｌ！、（
Ｈ） ） （２２）の解としてｎｌ、が求ま
り、 Ｊｌｌｋ”見二±二Ｑ。１３、 ｒ２、 （２３）によりｊ＋＋
ｈ が求まる。
０）式より、次のように求められる。即ち、 ｇｒ（Ｐ＋ｔｈ）＝ ｒ、 （α、 ＋、−ｊｌ！、（
Ｈ） ） （２２）の解としてｎｌ、が求ま
り、 Ｊｌｌｋ”見二±二Ｑ。１３、 ｒ２、 （２３）によりｊ＋＋
ｈ が求まる。
（ｂ）λ、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。
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） ｎ２１ｈとＪ ２＋ｈ の表底（５）、 （
６）、 （１９）、 （２１）式より、の解としてｎ２
１ｂ が求まり、 Ｊ ２１１１ ＝Ｌ２ （ｒｚ＋＋ ｒ＊ ） ｎｚｔ
ｈ （２６）により、Ｊ２＋ｈ
が求まる。
６）、 （１９）、 （２１）式より、の解としてｎ２
１ｂ が求まり、 Ｊ ２１１１ ＝Ｌ２ （ｒｚ＋＋ ｒ＊ ） ｎｚｔ
ｈ （２６）により、Ｊ２＋ｈ
が求まる。
（ｄＮ＋ｖの存在条件（スイッチングの条件）（１２）
式より、（１７）式が条件になる。
式より、（１７）式が条件になる。
（ｅ）ｊ＋ｖの表底
％式％
ｇ＋（ｎ＋）９ｇ２（ｎａ ）の函数形は、活性層の構
造に依存するが、［半導体レーザーと光集積回路」（末
松編著、オーム社、１９８４）や、ｒＨｅｔｅｒｏｓｔ
ｒｕｃｔｕｒｅ Ｌａ５ｅｒｓＪ （Ｃａｓｅｙａ
ｎｄ Ｐａｎ１ｓｈ著、 Ａｃａｄｅｍｉｃ、 １９７
８）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。λ２．λ、。
造に依存するが、［半導体レーザーと光集積回路」（末
松編著、オーム社、１９８４）や、ｒＨｅｔｅｒｏｓｔ
ｒｕｃｔｕｒｅ Ｌａ５ｅｒｓＪ （Ｃａｓｅｙａ
ｎｄ Ｐａｎ１ｓｈ著、 Ａｃａｄｅｍｉｃ、 １９７
８）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。λ２．λ、。
ｒｌ ＋ ｒ２ ＋ ｒ２１＋ ｒ’、 ｌ ｒ２ ＋
ｒ’２Ｚα１．α２ 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）弐以下の式に代
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。
ｒ’２Ｚα１．α２ 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）弐以下の式に代
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、厚さくり、、 Ｌ
２． Ｌ、、 Ｌ、等）等のい（つかの組合せについて
、まず、上述の方法で、ｇ＋ （ｎ＋ ） ２ｇ２（ｎ
２） ＋λ３．λ、・・・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＋＋ｈ＋３ｚ＋ｈ＋ ３１Ｖの値が求まる。そうすれ
ば、ＸやＬｌ、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。
２． Ｌ、、 Ｌ、等）等のい（つかの組合せについて
、まず、上述の方法で、ｇ＋ （ｎ＋ ） ２ｇ２（ｎ
２） ＋λ３．λ、・・・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＋＋ｈ＋３ｚ＋ｈ＋ ３１Ｖの値が求まる。そうすれ
ば、ＸやＬｌ、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。
−例として、ｊ＋ｌｈ の大きさを制御する方法を、
さらに具体的に書（と、ｊ６．、を小さくするには、（
２３）式より、Ｌ＋ を小さくしても良いし、ｒ２＋
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とのバンドギャップの差を小さ
くしてもよいし、バリア層の幅り、を小さくしてもよい
。また、光導波路構造部の幅Ｌ６ を変えてｒｌ を大
きくしても、Ｊ＋＋ゎ を小さくすることができる。
さらに具体的に書（と、ｊ６．、を小さくするには、（
２３）式より、Ｌ＋ を小さくしても良いし、ｒ２＋
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とのバンドギャップの差を小さ
くしてもよいし、バリア層の幅り、を小さくしてもよい
。また、光導波路構造部の幅Ｌ６ を変えてｒｌ を大
きくしても、Ｊ＋＋ゎ を小さくすることができる。
他方、ｊ＋＋ｈ を大きくするには、上記と逆のこと
を行えばよい。
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、バッファ層２としてｎ型ＧａＡｓを１μｍ１クラツ
ド層３としてｎ型（不純物濃度５ｘｌＯ１７ｃｍ−３）
Ａｌｏ、ａ Ｇａｏ、４Ａｓを２μｍの厚さに成長さ
せた。次に、このクラッド層３上に、順次バリア層９１
、第１発光層１０．バリア層１１．第２発光層１２゜
バリア層９．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Ａ ｌ １１．１２Ｇ ａｏ、 ｓｓＡ Ｓ 。
体レーザ素子を作製した。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１上
に、バッファ層２としてｎ型ＧａＡｓを１μｍ１クラツ
ド層３としてｎ型（不純物濃度５ｘｌＯ１７ｃｍ−３）
Ａｌｏ、ａ Ｇａｏ、４Ａｓを２μｍの厚さに成長さ
せた。次に、このクラッド層３上に、順次バリア層９１
、第１発光層１０．バリア層１１．第２発光層１２゜
バリア層９．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Ａ ｌ １１．１２Ｇ ａｏ、 ｓｓＡ Ｓ 。
バリア層１１がｐ型（不純物濃度４Ｘ１０”ｃ ｍ−”
） Ａ ｌ ｏ、 ｘｓＧ ａ ０．７２Ａ Ｓ ｓバ
リア層９１及び９．がｐ型（不純物濃度４ｘ １０”ｃ
ｍ−３）Ａム、ｓＧａ、、７ＡＢとした。また各層の厚
さは第２図の表記でり、 ＝６０人、 Ｌ、 ＝１２０
人、Ｌ、＝８０人。
） Ａ ｌ ｏ、 ｘｓＧ ａ ０．７２Ａ Ｓ ｓバ
リア層９１及び９．がｐ型（不純物濃度４ｘ １０”ｃ
ｍ−３）Ａム、ｓＧａ、、７ＡＢとした。また各層の厚
さは第２図の表記でり、 ＝６０人、 Ｌ、 ＝１２０
人、Ｌ、＝８０人。
Ｌ、＝０．２μｍとした。更にバリア層９．の上に、ク
ラッド層５としてｐ型（不純物濃度Ｉ Ｘ １０１８ｃ
ｍ−’）ＡＩ！ｏ、ｓ Ｇａｏ、、 Ａｓを１．５．ｃ
ｚｍ、キャップ層６としてｎ型ＧａＡｓを０．５μｍの
厚さに成長し↓ た。キャップ層６とクラッド層の一部をバリア層９２
近（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
ていないキャップ層６の上部のみに接触するよう、電極
８を蒸着した。
ラッド層５としてｐ型（不純物濃度Ｉ Ｘ １０１８ｃ
ｍ−’）ＡＩ！ｏ、ｓ Ｇａｏ、、 Ａｓを１．５．ｃ
ｚｍ、キャップ層６としてｎ型ＧａＡｓを０．５μｍの
厚さに成長し↓ た。キャップ層６とクラッド層の一部をバリア層９２
近（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
ていないキャップ層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。
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、８
５ｍＡ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７８０ｎｍのレーザ光の
みが出射した。
ろ、８０ｍＡで波長８３０ｎｍのレーザ光が出射し、８
５ｍＡ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７８０ｎｍ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１０．．１０２ 及び第２発光層１２．．１２
． を各々複数段けることによって、光出力を増大さ
せても良いし、第９図のように、波長λ３ 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
。
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１０．．１０２ 及び第２発光層１２．．１２
． を各々複数段けることによって、光出力を増大さ
せても良いし、第９図のように、波長λ３ 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、１１．．１１□ 、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。
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、１１．．１１□ 、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。
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。
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。
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ャ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−−−−−−−−−−−−−−−−−一基板２−−−
−−−一−−−−−−−−−−−バッファ層３、５−−
一−−−−−−−−−−−クラッド層４−−−−−−−
−−−−−−−−−−一光導波路構造部６−−−−−−
−−−−−−−一−−−−キャップ層７ 、８−−−−
−−−−−−−−−一電極９゜９゜、１１−−−−バ
リ ア 層１０−−−−−−−−−−−−−−−一第１
発光層１２−−−−−一−−−−−−−−−−第２発光
層躬 １ 図 貸 弔 ３図 １１ｔｈ ｌ２ｅｈ τ４ Ｖ
＠Ａｚ、、 Ｉ。 ｉ！八へ；ぴりり 招７乙 ｔｏ、 ｔｏ。 手糸売ネ甫正書（自発） 昭和６３年 ５月２７日 １、事件の表示 昭和６２年特許願第４４９３９号 ２、発明の名称 半導体レーザ素子 ３、補正をする者 事件との関係 特許出願人 住所 東京都大田区下丸子３−３０−２名称 （１００
） キャノン株式会社代表者 賀 来 龍 三
部 ４、代理人 ５、補正の対象 明細書及び図面 ６、補正の内容 （１）明細書を下表のように補正する。 （２）明細書第１３頁第１３行ｒ射出される。」の後に
以下の文章を追加する。 「また、先導波路構造部４の領域の大部分がＰ型にドー
プされているのは、正孔がクラッド層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。」 （３）図面の第１図及び第２図を別紙の通り補正する。
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ャ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−−−−−−−−−−−−−−−−−一基板２−−−
−−−一−−−−−−−−−−−バッファ層３、５−−
一−−−−−−−−−−−クラッド層４−−−−−−−
−−−−−−−−−−一光導波路構造部６−−−−−−
−−−−−−−一−−−−キャップ層７ 、８−−−−
−−−−−−−−−一電極９゜９゜、１１−−−−バ
リ ア 層１０−−−−−−−−−−−−−−−一第１
発光層１２−−−−−一−−−−−−−−−−第２発光
層躬 １ 図 貸 弔 ３図 １１ｔｈ ｌ２ｅｈ τ４ Ｖ
＠Ａｚ、、 Ｉ。 ｉ！八へ；ぴりり 招７乙 ｔｏ、 ｔｏ。 手糸売ネ甫正書（自発） 昭和６３年 ５月２７日 １、事件の表示 昭和６２年特許願第４４９３９号 ２、発明の名称 半導体レーザ素子 ３、補正をする者 事件との関係 特許出願人 住所 東京都大田区下丸子３−３０−２名称 （１００
） キャノン株式会社代表者 賀 来 龍 三
部 ４、代理人 ５、補正の対象 明細書及び図面 ６、補正の内容 （１）明細書を下表のように補正する。 （２）明細書第１３頁第１３行ｒ射出される。」の後に
以下の文章を追加する。 「また、先導波路構造部４の領域の大部分がＰ型にドー
プされているのは、正孔がクラッド層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。」 （３）図面の第１図及び第２図を別紙の通り補正する。
Claims (1)
- （１）異なるバンドギャッ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。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62044939A JPH0728094B2 (ja) | 1987-02-27 | 1987-02-27 | 半導体レ−ザ素子 |
| DE3850139T DE3850139T2 (de) | 1987-02-27 | 1988-02-24 | Halbleiterlaser mit variabler Oszillationswellenlänge. |
| EP88102756A EP0280281B1 (en) | 1987-02-27 | 1988-02-24 | Variable oscillation wavelength semiconductor laser device |
| US07/511,921 US4982408A (en) | 1987-02-27 | 1990-04-16 | Variable oscillation wavelength semiconduction laser device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62044939A JPH0728094B2 (ja) | 1987-02-27 | 1987-02-27 | 半導体レ−ザ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63211787A true JPS63211787A (ja) | 1988-09-02 |
| JPH0728094B2 JPH0728094B2 (ja) | 1995-03-29 |
Family
ID=12705453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62044939A Expired - Lifetime JPH0728094B2 (ja) | 1987-02-27 | 1987-02-27 | 半導体レ−ザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0728094B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02260489A (ja) * | 1989-03-30 | 1990-10-23 | Canon Inc | 半導体レーザ素子 |
| US5365535A (en) * | 1992-01-13 | 1994-11-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser and beam splitting devices, and optical information recording/reproducing, optical communication, and optomagnetic recording/reproducing apparatuses using semiconductor laser and beam splitting devices |
-
1987
- 1987-02-27 JP JP62044939A patent/JPH0728094B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| APPLá PHYS. LETT.=1980 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02260489A (ja) * | 1989-03-30 | 1990-10-23 | Canon Inc | 半導体レーザ素子 |
| US5365535A (en) * | 1992-01-13 | 1994-11-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser and beam splitting devices, and optical information recording/reproducing, optical communication, and optomagnetic recording/reproducing apparatuses using semiconductor laser and beam splitting devices |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0728094B2 (ja) | 1995-03-29 |
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