JPS6329439B2 - - Google Patents

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JPS6329439B2
JPS6329439B2 JP57197758A JP19775882A JPS6329439B2 JP S6329439 B2 JPS6329439 B2 JP S6329439B2 JP 57197758 A JP57197758 A JP 57197758A JP 19775882 A JP19775882 A JP 19775882A JP S6329439 B2 JPS6329439 B2 JP S6329439B2
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JP
Japan
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optical
refractive index
active layer
light
end surface
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JP57197758A
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JPS5988885A (ja
Inventor
Akira Mita
Noriaki Tsukada
Kyoshi Asakawa
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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Publication of JPS6329439B2 publication Critical patent/JPS6329439B2/ja
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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
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0267Integrated focusing lens
    • 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
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022Mountings; Housings
    • H01S5/0225Out-coupling of light
    • H01S5/02251Out-coupling of light using optical fibres

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体レーザ素子と集光素子を化合
物半導体基板結晶上に一体化して形成した集積化
光発振器に関する。
近年通信情報量の顕著な増大と半導体レーザ素
子、光フアイバ等の光通信用デバイスの性能、信
頼性の向上と価格の低減によつて光を媒体とした
通信方式が急速に普及しつつある。現在の光通信
方式の性能並びに価格を決定する最大の要因は光
源である半導体レーザ素子であり、低い閾値電
流、高効率化に加えて他の半導体素子との整合性
が良く、集積化が容易であることなどが要求され
ている。
このような観点から、これまで一般に使用され
ていたダブルヘテロ接合型半導体レーザ素子に代
つて屈折率勾配を有する分離閉じ込め型半導体レ
ーザ素子が提案され(W.T.Tsang.“A graded
−index waveguide separate−confinement
laser with very low threshold and a
narrow Gaussian beam”Appl.Phys.Lett.、
Vol.39、No.2、p134−136、15 July1981)、活性
層の厚さを0.05μm以下まで薄くし、発振閾値電
流を著しく低減させることを可能としている。
一般に集積化半導体レーザを製造するためには
縦方向の制御には例えば分子線成長法によつて可
成り広い面積に亘り可成りの厚さまで精密な制御
を容易に行つて製作することが可能で複雑なプロ
フイルを実現できる反面、それ以後の工程、例え
ばストライプ、電極、共振器の構成などを多数の
素子にわたつて高品質で且つ、再現性良く製造す
るのは容易でなく、良品率を向上して集積化を達
成するための手段が求められていた。
半導体レーザ素子の次に問題となつている点は
発振光を光伝送路である光フアイバに導入するた
めの光学系であり、現在ではセルクオツクレンズ
或は球レンズ等の光学部品を半導体レーザ素子と
共にセラミツク基板などの上に光学的アライメン
トをとりうるように調整を行いつつ接着剤等で固
定されていた。上述の如き方法によつて一体化さ
れた光発振器は製造に高度の技術と熟練を要し、
高価であるばかりでなく、温度変化などによつて
長時間のうちに機械的変形が生じ、性能が劣化し
て光通信システムの信頼性を低下させる原因とな
ることが知られている。更に多数の半導体レーザ
素子を並列に使用した半導体レーザアレイを製造
する場合、多数のセルクオツクレンズを使用する
のが容易でないなどの理由により性能の低い円柱
レンズを光学系として使用することを余儀なくさ
れるなどの問題を有していた。
この発明の目的は発振閾値電流が低く、しかも
光フアイバの光学的結合が極めて容易にできる集
積化光発振器を提供する。
このため、本発明による集積化光発振器は最小
禁制帯幅を有する極薄の活性層の上下に放物線状
にそれぞれ活性層と接触している面より外方に向
つて減少する屈折率分布を持つ一対の光閉じ込め
層、更にその上下に光閉じ込め層より屈折率が低
く且つ高い禁制帯幅を有する一対のクラツド層か
ら形成された層状体で構成され、光軸方向に両端
面を有する母体素子と、この母体素子を上面に一
体的に形成した結晶基板とから成り、該母体素子
は一端面は側面から見て発振光が集光する点に平
面から見た発振光が集光するような曲面の放射端
面であり、上記両端面間の途中が光軸に直交した
細隙によつて、その一端面側が集光素子、他端面
側がレーザ素子となるように分断されていること
を特徴とする。
以下図面により本発明の集積化光発振器の一例
を説明すると、第1図はその側断面図であつて、
GaAsの如き−族化合物半導体基板結晶1上
に半導体レーザ素子2と上記レーザ素子2のレー
ザ光発振端面11より細隙4を隔てて集光素子3
とが一体的に設けられている。
上記のレーザ素子2及び集光素子3は最も低い
禁制帯幅を有し、0.05μm或はそれ以下の極めて
薄い活性層5の上下に活性層より屈折率が低くし
かも活性層と接触している面より外方に向つて放
物線状に減少する屈折率分布を有する一対の上部
及び下部光閉じ込め層6,7、更にその上下に光
閉じ込め層より屈折率が低く、且つ高い禁制帯幅
を有する一対の上部及び下部クラツド層8,9、
上部クラツド層8の上面に周知の方法で蒸着され
たストライプ状電極部分10を層状に堆積した層
状体で構成された基板結晶1上の母体素子を長さ
方向(光軸方向)に直交したほぼ垂直な壁面を有
する細隙4で分断することにより構成される。上
述の基板結晶上の母体素子の形成は分子線成長法
或は化学気相成長法で行われ、母体素子の分断並
びに曲面の形成はドライエツチングにより行われ
る。
上述のように、レーザ素子2と集光素子3は全
く同じ層状に堆積された層状体で構成されてお
り、屈折率(n)及び禁制帯幅(EG)について
も同じ分布形状を有していることとなり、その屈
折率分布の一例を第3図に示すと、17は基板結
晶1、18は下部クラツド層9、19は下部光閉
じ込め層7、20は活性層5、21は上部光閉じ
込め層6、22は上部クラツド層8の屈折率をそ
れぞれ示し、放物線状に変化する屈折率を有する
光閉じ込め層はGaxAl1-xAs等の化合物半導体の
xを空間的に変化させることにより実現すること
ができ、いずれの素子においてもこの光閉じ込め
層は集光作用をもつ。
レーザ素子2の細隙4に面している端面11は
レーザ光の発振端面となり、集光素子3の細隙に
面している端面12はレーザ素子より発振された
レーザ光15の入射端面となり、両端面11,1
2は共に基板結晶1に対してほぼ垂直な壁面を構
成している。一方、集光素子3の入射端面12と
反対側の端面13はレーザ光の放射端面となり、
レーザ光15は、第2図に示すように、平面より
見て或る拡りを持つて集光素子3へ入射するか
ら、上記の放射端面13は平面的に見て放射され
たレーザ光16が特定の点14′で集光(結像)
するように曲面を構成する。
上述の如き構成において、レーザ素子2のスト
ライプ状電極10に電流を供給すると、発振端面
11より光軸方向に沿つてレーザ光15が出射
し、集光素子3の入射端面12の活性層5を中心
として上下両光閉じ込め層6,7を所定の厚さと
幅を持つて照射する。両端面11,12間の細隙
4は光の発散による光損失を少くするため小さい
方が有利であり、具体的には0.1〜1μmの範囲で
ある。また入射端面12においては活性層5に照
射した光は活性層の吸収率が大きいため吸収さ
れ、損失となるが、活性層の厚さは0.05μm或は
それ以下と極めて薄く、上下に位置する2μm或
はそれ以上の厚さの光閉じ込め層6,7によつて
受光される光量に較べると殆ど無視できるような
値である。
上述の如く、集光素子3の入射端面12によつ
て、レーザ素子2よりの発振光15の殆どが受光
され、上下閉じ込め層6,7の有する屈折率分布
に従つて屈折、前進するが、集光素子の長さを屈
折率分布の曲率から決定される適当な長さになる
ように設定することにより、放射端面13よりの
発振光16は側面から見て、第1図の如く、点1
4で集光されることになる。ところで放射端面1
3は平面より見て第2図の如く、特定の値の曲面
とし、発振光16が点14′で集光するように構
成されている。従つて、点14と点14′を端面
13より同じ距離と設定することにより発振光1
6は三次元的に集光され、一点に集中するので、
この集光点に光伝送路用光フアイバ端面(図示せ
ず)を設定することによりレーザ素子2よりの発
振光は光フアイバへ有効に導入されることにな
る。上述の集光点14,14′を一致させるため
の集光素子の長さ、放射端面13の曲率半径は素
子を構成している各層の屈折率分布、厚さ、レー
ザ光の波長、光フアイバの位置等が決まれば、周
知の方法によつて算出することができる。
上記の説明において、本発明はGaAs結晶基板
にGaAlAs 3元系混晶を使用した実施例を説明
したが、InPを基板結晶としてInGaAsP 4元系
混晶を用いても同様の効果を得ることができる。
なお集光素子3の上部クラツド層上の電極10′
は光の存在を電気的に検出するモニター用電極と
して用い得る。
本発明による光集積化発振器は上記の説明で明
らかなように一つの母体素子を分断してレーザ素
子と集光素子を構成しており、レーザ素子は屈折
率勾配を有する分離閉じ込め型半導体レーザ装置
を構成しているため、発振閾値電流を低減させる
ことができ、集光素子は上記レーザ素子よりの発
振光を殆ど光損失することなく直接に三次元的に
集光することができ光フアイバへの導入が容易に
行ない得る。このような光発振器はこれまでの半
導体製造技術により製造することができ、他の部
品を設けたり接着加工を要しないため著しく小型
化することができ、且つ信頼度の高いものとな
り、更に多数のレーザ素子を集積したレーザアレ
イを容易に形成することができ、この場合、各レ
ーザ素子を独立して駆動させたり、各レーザ素子
を相互間に光学的に結合して大出力化を図ること
もできる。
次に本発明を実施例によつて具体的に説明す
る。
n型GaAs基板結晶上に下部クラツド層として
厚さ1μmのn型Ga0.6Al0.4As、下部屈折率勾配層
として厚さ1μmのn型Ga1-xAlxAsを用い、xを
活性層に向つて厚さ方向に0.2より0.4へ変化さ
せ、活性層として厚さ0.04μmのGaAs層、上部屈
折率勾配層として厚さ1μmのp型Ga1-xAlxAs層
を用い、xを活性層に向つて厚さ方向に0.2より
0.4へ変化させ、上部クラツド層として厚さ1μm
のp型Ga0.6Al0.4As層を順次分子線気相成長法で
形成し、上部クラツド層上には幅3μmのストラ
イプ状のアルミニウム電極を蒸着した。この時屈
折率勾配層の屈折率は活性層に隣接する部分で
3.45クラツド層と接する部分で3.32となる。
上記の如くして層積状母体素子は光軸を直交す
るようにしてドライエツチングにより0.5μmの細
隙によつて分断し長さ200μmのレーザ素子と長
さ4μmの集光素子とし、集光素子の光の放射端
面は平面から見て半径が8μmの曲面とした。
上記のレーザ素子に50mAの電流を印加したと
ころ出力30mWのレーザ光が発振して集光素子に
入射し、集光素子の放射端面より100μm離れた
位置で放射された光は三次元的に集光され、その
位置に設けられた直径800μmの光フアイバ(コ
ア直径50μm)に放射された光エネルギーのう
ち、15mWのレーザ光が入射した。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による光集積化発振器の一実施
例を示す断面図、第2図は同上発振器の平面図、
第3図は同上発振器の厚さ方向の屈折率分布形状
図である。 図中、1は結晶基板、2はレーザ素子、3は集
光素子、4は間隙、5は活性層、6,7は屈折率
勾配層、8,9はクラツド層、11はレーザ素子
発振端面、12は集光素子入射端面、13は同上
放射端面、14,14′は集光点を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 最小禁制帯幅を有する極薄の活性層の上下に
    該活性層と接触している面より放物線状に外方に
    向つて減少する屈折率分布を持つ一対の光閉じ込
    め層、更にその上下に光閉じ込め層より屈折率が
    低く且つ高い禁制帯幅を有する一対のクラツド層
    を層状に堆積した層状体で構成され、光軸方向に
    両端面を有する母体素子と、この母体素子を上面
    に一体的に形成した結晶基板とから成り、該母体
    素子の一端面は側面から見て発振光が集光する点
    に平面から見た発振光が集光するような曲面の放
    射端面であり、上記両端面間の途中が光軸に直光
    した細隙によつて、その一端面側が集光素子、他
    端面側がレーザ素子となるように分断されている
    ことを特徴とする集積化光発振器。
JP57197758A 1982-11-12 1982-11-12 集積化光発振器 Granted JPS5988885A (ja)

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JP57197758A JPS5988885A (ja) 1982-11-12 1982-11-12 集積化光発振器

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JP57197758A JPS5988885A (ja) 1982-11-12 1982-11-12 集積化光発振器

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JPS5988885A JPS5988885A (ja) 1984-05-22
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ID=16379854

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JP57197758A Granted JPS5988885A (ja) 1982-11-12 1982-11-12 集積化光発振器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2516953B2 (ja) * 1987-02-17 1996-07-24 松下電器産業株式会社 半導体レ―ザ装置の製造方法
JPH0744313B2 (ja) * 1989-02-24 1995-05-15 日本電信電話株式会社 半導体レーザ装置

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JPS5988885A (ja) 1984-05-22

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