JPS63257286A

JPS63257286A - 光電子装置

Info

Publication number: JPS63257286A
Application number: JP62090874A
Authority: JP
Inventors: Takeo Takahashi; 健夫高橋; Takahiko Kondo; 近藤　隆彦
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Tohbu Semiconductor Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Renesas Eastern Japan Semiconductor Inc
Priority date: 1987-04-15
Filing date: 1987-04-15
Publication date: 1988-10-25
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: JP2670046B2

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。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体レーザ素子、特に、戻り光による雑音を
低減できる半導体レーザ素子に関する。

〔従来の技術〕

半導体レーザは、光フアイバ通信を中心にした通信分野
、あるいは光デイスクファイル、ディジタルオーディオ
ディスク、ビデオディスク、レーザビームプリンタ等を
中心とする情報端末分野等に使用されている。前者は、
発振波長が１．３μｍ、１．５μｍの長波長帯レーザダ
イオード（ＬＤ）であり、後者は発振波長が０．７８μ
ｍ、０゜８３μｍの可視・赤外帯レーザダイオードであ
る。

ところで、コパクトディスク（ＣＤ）やビデオディスク
（ＶＤ）、特にＶＤにおいては、徂み込む半導体レーザ
における低雑音化は重要である。

レーザダイオードの戻り光ノイズによるＳ　／　Ｎが劣
化すると、ビデオディスクにあっては画質が劣化する。

レーザ光の戻り光による雑音を許容値以下に抑えた半導
体レーザとしては、たとえば、日経マグロウヒル社発行
「日経エレクトロニクス」１９８３年１０月１０日号、
Ｐ１７３〜Ｐ１９３に記載されたものがある。

この文献には、屈折率導波型の単一モードで発振する半
導体レーザの駆動電流（直流バイアス電流）に、Ｉ　Ｇ
　Ｈｚ前後の高周波電流を重畳して、多モード発振させ
ることによって、戻り光による雑音を許容値に抑える技
術が開示されている。また、この文献には、共振周波数
付近で自助発振（パルセーション）を起こさせることが
できる旨記載されている。また、このパルセーションを
生じている素子では、上記の高周波重畳方式のレーザと
同じく、比較的低雑音で戻り光に対して安定な特性が得
られていることも記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように、パルセーションが生じている素子では比
較的低雑音で戻り光に対して安定な特性が得られる。本
出願人にあっては、コンパクトディスクやビデオディス
ク用光源として、自助発振する半導体レーザ素子を開発
しているが、このような半導体レーザ素子において、よ
り−５の特性の安定化を図ることが要請されている。

本発明の目的は、戻り光による雑音の発生が少ない自励
発振性が高い半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明の他の目的は戻り光による雑音の発生が起き難い
光電子装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細どの記述および添付図面からあきらかになるであ
ろう。

〔問題点を解決するための手段〕

本朝において開示される発明のうち代表的なものの概要
を節単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明の光電子装置は、半導体レーザ素子か
ら発光されたレーザ光をディスク面に照射する構造とな
っている。また、この半導体レーザ素子は自助発振する
が、その活性層には自助発振周波数を増大させるように
Ｍｇが添加されている。また、この半導体レーザ素子の
自励発振周波数と、前記ディスク面までの光路長（外部
共振器）の往復周期の逆数とが一致した構造となってい
〔作用〕上記のように、本発明の光電子装置は、半導体レーザ素
子の自励発振周波数と外部共振器の光往復周期の逆数が
一敗する構造となっているため、両者の相乗効果によっ
て自助発振は増大され、縦モードはより深いパルセーシ
ョンとなり、戻り光との干渉性は低くなるため、戻り光
による雑音の発生が抑止される。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の一実施例について説明する
。

第１図は本発明の一実施例による半導体レーザ素子の要
部を示す断面図、第２図は同じく光電子装置の要部を示
す模式図、第３［ＸＪはシングル縦モードを示すグラフ
、第４図はマルチ縦モードを示すグラフ、第５図はパル
セーション縦モードを示すグラフ、第６図は本発明によ
るＭｇをドープした半導体レーザ素子とドープしない半
導体レーザ素子の自励発振周波数特性を示すグラフであ
る。

この実施例による半導体レーザ素子は、第１図に示され
るようなｐ−Ｃ３Ｐ　（ｐ−ｃｈａｎｎｅ−１ｅｄ−３
ｕｂｓｔｒａ’ｔｅ−ｐｌａｎａｒ）構造となっている
。この半導体レーザ素子は、ｐ形のＧａＡｓからなる基
板１を有している。また、この基Ｆｉ１の主面ムこはｎ
形ＧａＡｓからなる電流狭窄層２が設けられている。こ
の電流狭窄層２はその中央をストライプ状の溝３で区画
されている。

この溝３は、下層の基板１に迄入り込むように形成され
ている。なお、この溝３は、前記基板１の主面全域にＭ
ＯＣＶＤによってｎ形ＧａＡｓ層を形成した後、部分的
エツチングによって形成される。

一方、前記電流狭窄層２および露出する基板１上にはｐ
形ＧａＡｌＡｓからなるｐ形りラッド層４と、このｐ形
りラッド層４の上面に形成されたＧａＡｕＡｓからなる
活性層５と、この活性層５の上面に形成されたｎ形Ｇａ
ＡＪＩＡｓからなるｎ形りラッド層６と、このｎ形りラ
ッド層６の上面に形成されたｎ形Ｇａｆｉ、ｓからなる
キャップ層７とが、液層エビクキシャル成長によって形
成されている。また、前記キャップ層７上にはカソード
電極８が設けられているとともに、基板１の裏面にはア
ノード電極９が設けられている。

この半導体レーザ素子１０にあっては、前記電流狭窄層
２がＴＬ流の流れる領域を狭窄している。

また、この半導体レーザ素子１０は、前記ｐ形クラッド
層４の厚さと活性層５の厚さを変えることによって、屈
折率導波の度合を変えることができる。これにより、縦
モードを、第３図に示されるような単一モード１１から
、第４図に示されるようなマルチモード１２に変えるこ
とができる。したがって、自励発振（パルセーション）
は、シングルとマルチの間で発生することから、前記ｐ
形りラ・２ド層４および活性層５の厚さを選択すること
によって、第５図に示されるようなパルセーション（自
励発振）１３を起こす半導体レーザ素子とすることがで
きる。このパルセーションを起こす半導体レーザ素子の
縦モードは、第５図に示されるように、スペクトルの一
本一本の幅が太（、発振するレーザ光の干１歩性が弱い
。したがって、戻り光雑音に対しては、通常のマルチモ
ード半導体レーザよりも有利である。

ここで、半導体レーザ素子１０の各部の寸法について説
明する。前記基板１の厚さは、たとえば、１００μｍ、
電流狭窄層２の厚さは０．８μｍ、溝３の幅は３〜５μ
ｍで深さは１．２μｍに形成されている。また、前記ｐ
形りラッド肋４はパルセーションが発生するように、０
．３５μｍと厚く形成されている。ｎ；１記活性層５は
パルセーションが起きるように０．０７μｍと極めて薄
い。また、この活性層５にはパルセーション周波数を高
くさせるために、不純物としてＭｇ（マグネシウム）が
１×１０ＩｓｃＩｎ−３程度添加（ドープ）されている
。前記ｎ形りラッド層６の厚さは２μｍ、キャップ層７
の厚さは１μｍ程度に形成されている。

このような半導体レーザ素子１０は、光電子装置の光源
として機器に組み込まれる。たとえば、半導体レーザ素
子１０は第２図に示されるように、コンパクトディスク
のピックアップ部に組み込まれる。第２図は説明のため
の便宜的な図である。

半導体レーザ素子１０から発光されたレーザ光１４は、
カップリングレンズ１５１回折格子１６を通ってハーフ
プリズム１７に進む。また、ハーフプリズム１７を通っ
たレーザ光１４は、直角プリズム１８で方向を変えられ
（同図では直線となっている。）、・対物レンズ１９で
絞られて光スポット２０となり、ディスク２１面上に焦
点を結ぶようになっている。また、対物レンズ１９は２
次元アクチュエータ２２によって制御される。なお、前
記半導体レーザ素子１０からディスク２１に至る距離り
が光路長、すなわち外部共振器となる。

一方、前記ハーフプリズム１７は、センサレンズ２３お
よび光検出器２４が光学的に接続されている。そして、
この光検出器２４では、前記ディスク２１面で反射した
反射光２５が検出される。

前記光検出器２４は図示はしないが、中央に４分割フォ
トダイオードが配されている。この４分割フォトダイオ
ードで信号読み取りと、シリンドリカルレンズとの組み
合わせによって焦点ずれが検出される。また、この４分
割フォトダイオードの両側には別の素子が配設されてい
て、この両側の素子と回折格子との組み合わせによって
、その出力の差を取ることにより、トラックずれ検出が
行われるようになっている。

ところで、このようなコンパクトディスクプレーヤ（光
電子装置）において、前記半導体レーザ素子１０の自励
発振周波数ｒ、は、コンパクトディスクプレーヤのシス
テムの光路長（外部共振器長）Ｌの往復周期の逆数ｆ　
ｔｔｘｔ　と一致するように構成されている。

なお、自励発振周波数ｆ０およびレーザ光の外部共振器
往復周期の逆数ｔ　ｅｘｔについては、次の関係式が成
り立つ。

Ｌここで、ｄｇ／ｄｎ：微分利得ｇ：利得ｎ：キャリア濃度ＬＣ：キャビティ長Ｃ：光速Ｌ：外部共振器長である。

半導体レーザは、外部共振器の往復周期の逆数ｔ　ｅｘ
ｔに相当する周波数によって被変調を受ける。

この周波数が自励発振周波数ｆ０と一致、または近接し
ている場合には、両者の相乗効果により、半導体レーザ
の自励発振は深くなり、縦モードはより深いパルセーシ
ョンとなって、干渉性は低下し低ノイズとなる。しかし
、ｆｌ、ｘｔが自励発振周波数ｆ０と離れていると、上
記の効果は生じない。

ｆｏをｆ　ｅＸｔと一致させるためには、半導体レーザ
の活性層にＭｇ等の不純物を適量ドープすると効果があ
る。前記（１）弐において、不純物濃度（ギヤリア濃度
）を上げると、微分利得ｄ　ｇ／ｄｎが上昇しｆｏが増
大する。したがって、キャリア濃度を適当に選択すれば
、ｆｏとｆ　ｅｘｔを一致あるいは近接させることがで
きる。

第６図のグラフは、縦軸に変調度ｍの平方根を、横軸に
自助発振周波数を取ったグラフである。このグラフにお
いて、白丸は活性層にＭｇをドープしないもの、黒丸は
活性層にＭｇをｌＸｌ０”ｃｍ−’ドープしたものを示
す。このグラフは、非ドープ品、Ｍｇトド−品を出力３
ｍＷとし、アバランシェ・フォトダイオードと、高周波
スペクトラム・アナライザを用いて、自助発振周波数と
変調の′深さを測定して得たものである。同グラフに示
したように、Ｍｇドープと非ドープでは、傾向が明確に
分かれた。同一の変調度では、Ｍｇドープの方が自励発
振周波数が高い。

なお、活性層に添加する不純物は他のものでも良い。ま
た、この不純物の添加は以下の経緯により採用された。

すなわち、実装評価系で雑音評価データが積み上がるに
つれ、同−縦モード形状でも雑音特性がさらに良好な素
子群があることがわかってきた。これらの素子は、ロフ
ト依存性をもち、ｐ形クラッド層のＺｎの濃度が高いロ
フトに集中する傾向が認められた。これはｐ形クラッド
層のＺｎが活性層に拡散したことによるのではないかと
考え、意識的に活性層に不純物を高濃度ドープしたサン
プルを作成し、評価してみた。この結果、同グラフに示
されるように、予想通りの結果を得た。ただし、不純物
はｎ形りラッド層への拡散のおそれが少ないＭｇとした
。この場合、Ｍｇの濃度は結晶性に悪影響を与えない程
度の１×ＩＱ１８ｃｍ−’とした。

このような実施例によれば、つぎのような効果が得られ
る。

（１）本発明の半導体レーザ素子は、活性層にバルセー
ンヨンを増大させることができ、不純物が添加されてい
るため、自励発振性が大きくなり、低雑音化が達成でき
るという効果が得られる。

（２）本発明の光電子！Ａ置は、上記（１）のように、
自励発振性を高くできる半導体レーザ素子が組み込まれ
ていることから、外部共振器に対して戻り光ノイズが最
小となる自励発振周波数を選択できるという効果が得ら
れる。

（３）上記（２）により、本発明によれば、半導体レー
ザの自励発振周波数と、外部共振器の往復周期の逆数を
一致させるようにすることによって、戻り光ノイズの少
ない光電子装置を提供することができるという効果が得
られる。

（４）上記（３）により、本発明によれば、戻り光に対
して安定して動作する信幀度の裔い光電子装置を提供す
ることができるという相乗効果が得られる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野であるコンパクト・ディス
ク・プレーヤに適用した場合について説明したが、それ
に限定されるものではない。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりであ
る。

すなわち、本発明の光電子装置は、半４体レーザ素子の
自励発振周波数と外部共振器の光往復周期の逆数が一致
する構造となっているため、両者の相乗効果によって自
励発振は増大され、縦モードはより深いパルセーション
となり、戻り光との干渉性は低くなるため、戻り光によ
る雑音の発生が抑止される。また、半導体レーザ素子は
、活性層にＭｇが添加されていることから自助発振周波
数が増大されるため、戻り光との干渉性が低下し、低雑
音化が達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による半導体レーザ素子の要
部を示す断面図、第２図は同じく光電子装置の要部を示す模式図、第３図
はシングル縦モードを示すグラフ、第４図はマルチ縦モ
ードを示すグラフ、第５図はパルセーション縦モードを
示すグラフ、第６図は本発明によるＭｇをドープした半
４体レーザ素子とドープしない半導体レーザ素子の自励
発振周波数特性を示すグラフである。１　・　・　・基板、２　・　・　・電ＩＡ狭窄層、３
　・　・　・溝、４・・・ｐ形りラッド層、５・・・活
性層、６・・・ｎ形りラ／ド層、７・　・　・キャップ
層、８・　・・カソード電極、９・・・アノード電↑ｊ
、１０・・・半導体レーザ素子、１１・・・ｊｌｉ−モ
ード、１２・・・マルチモード、１３・・・パルセージ
コン、１４・・・レーザ光、１５・・・カップリングレ
ンズ、１６・・・回折格子、１７・・・ハーフプ゛ノズ
ム、１８・・・直角プリズム、１９・・・対物レンズ、
２０・・・光スポット、２１・・・ディスク、２２・・
・２次元アクチュエータ、２３・・・センサレンズ、２
４・・・先竿　　３　　図第　　４　　図第　　５　　図

Claims

【特許請求の範囲】１、自励発振する半導体レーザ素子であって、活性層に
は自励発振周波数を増大する不純物が添加されているこ
とを特徴とする半導体レーザ素子。２、前記活性層には１×１０＾１＾８ｃｍ＾−＾３のＭ
ｇが添加されていることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の半導体レーザ素子。３、自励発振する半導体レーザ素子を組み込んだ光電子
装置であって、前記半導体レーザ素子の自励発振周波数
と、外部共振器の光往復周期の逆数とが一致しているこ
とを特徴とする光電子装置。