JPS6354794A - 半導体レ−ザ - Google Patents

半導体レ−ザ

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JPS6354794A
JPS6354794A JP17597286A JP17597286A JPS6354794A JP S6354794 A JPS6354794 A JP S6354794A JP 17597286 A JP17597286 A JP 17597286A JP 17597286 A JP17597286 A JP 17597286A JP S6354794 A JPS6354794 A JP S6354794A
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JP
Japan
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resonator
loss
layer
semiconductor laser
laser
Prior art date
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Pending
Application number
JP17597286A
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English (en)
Inventor
Teruhito Matsui
松井 輝仁
Yoshitoku Nomura
野村 良徳
Yasuki Tokuda
徳田 安紀
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Priority to DE3751549T priority patent/DE3751549T2/de
Priority to DE87306520T priority patent/DE3787769T2/de
Priority to EP93200581A priority patent/EP0547038B1/en
Priority to EP93200588A priority patent/EP0547043B1/en
Priority to EP93200589A priority patent/EP0547044B1/en
Priority to EP19930200587 priority patent/EP0547042A3/en
Priority to EP87306520A priority patent/EP0254568B1/en
Priority to DE3751535T priority patent/DE3751535T2/de
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は半導体レーザに関し、特に活性層が量子井戸
型である半導体レーザの発振波長の制御に関するもので
ある。
〔従来の技術〕
第4図は例えば、アプライド フィジクス レターズ、
39巻、134頁〜137頁、 (1981年)(Ap
pl。
Phys、Lett、vol、39.p、134437
(1981) )に示された従来の里子井戸型半導体レ
ーザを示す断面図であり、図において、21はn’−G
aAs基板、22はn  A l z G a I−2
A sクラッド層、23はn−A11l Ga+−g 
As放物型屈折率分布層(2は徐々にyに変化)、24
はp−AIX’Ga、−。
AsQ子井戸活性層、25はp−Al、Ga、−。
ノルS放物型屈折率分布層(yは徐々にZに変化)、2
6はp ” ’z Ga、−、Asクランド層、27は
P” −GaAsコンタクト層である。
次に動作について説明する。
第6図のように薄い半導体層を禁制帯幅の大きい半導体
障壁層ではさんで量子井戸を構成すると、この薄い半導
体層はポテンシャルの井戸層を形成し、この井戸に閉じ
込められた電子(または正札)の伝導帯の底から測った
固有エネルギーEnはSchrodinger方程式よ
り となり、離散的なエネルギー準位を形成する。ここで、
m、′は電子の有効質量、hはブランク定数を2πで割
ったもの、L2は量子井戸層の厚さである。ただし、簡
単の為に、障壁層の厚さおよび障壁の高さを無限大とし
て一次元的に取り扱っている。
このように電子は量子化されたエネルギーEnを持ち電
子の状態密度ρ(E)は第5図に示すように、バルク結
晶では破線で示す放物線であったものが、量子井戸中で
は実線で示すように階段型となる。
従って、量子井戸層を活性層として、両側を禁制帯幅の
大きい、p型半導体クラッド層、n型半導体層クラッド
層とすると、キャリア(電子および正孔)と光を閉じ込
めることができ、量子井戸型半導体レーザを作ることが
できる。このようにした作られた半導体レーザは通常の
ダブルへテロ接合により構成された半導体レーザに比べ
、活性層の禁制帯幅が同じ材料で作られていれば、最低
量子準位であるn=1のエネルギー準位が伝導帯の底よ
りも高く (第5図の実線)、伝導帯の底と価電子帯の
上部のエネルギー差で発振する通常のダブルへテロ接合
半導体レーザに比べて、エネルギー差が大きいため、よ
り短波長で発振する。また、量子井戸型半導体レーザで
は、エネルギー準位が離散的であるため、そのスペクト
ル線幅も狭く単色性の良いレーザ光が得られるといった
特徴を持っている。
第4図の従来例について説明する。
まず、n”−GaAs基板21上に、クラ・ノド層とな
るn−A I、Ga、−、As 22を成長させ、続い
て、放物型屈折率分布層nA12Gar−mAs  (
Zは徐々にyに変化する)23、量子井戸型活性層p−
At、G” r −X A S24 、放物型屈折率分
布層p  A ly cat−V As  (yは徐々
に2に変化する)25、p  A 1 t G a +
−m A 5クラッド層16、p” −GaAsコンタ
クト層17を成長させる(ただし、z>y>xである)
。第4図(blはこのようにして作られた半導体レーザ
のクラッド層、屈折率分布層、活性層のエネルギーバン
ド構造を示す。上記の半導体に対し、順方向にバイアス
してキャリア(電子、正孔)を注入すると、キャリアは
量子井戸活性N24に閉じ込められ、離散的なエネルギ
ー準位間で電子と正札が再結合し、発光する。なおこの
際、エネルギー準位に応じた鋭い発光波長ピークが得ら
れるものである。
一方、活性層24の上下にはAIの組成比を活性層から
離れる程太き(してあり、屈折率も減少し、活性層24
で発光した光は、この放物型屈折率分布層で閉じ込めら
れ、活性層24と垂直な端面を反射面として形成し、横
閉じ込めをしてやればレーザ発振させることが可能にな
る。この型のレーザは放物型の屈折率分布導波路と、キ
ャリアと光の閉じ込めを分離した構造からGRIN−3
CH(Graded−index waveguide
 and 5eparate carrier and
 opHcal confinements)レーザと
呼ばれている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来の半導体レーザは以上のように構成されていて、ど
のエネルギー単位で発振するか制御されておらず一般的
にキャリア濃度の高いn−1の準位で発振し、n=2の
短波長で発振させることは難しいという問題点があった
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、同じ材料でも短い波長で発振することのでき
る半導体レーザを得ることを目的としている。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明に係る半導体レーザは、量子井戸構造の活性層
をもつ半α体レーザのたとえば光導波路内部に光吸収領
域を設けるなどして共振器1員失を高めたものである。
〔作用〕
この発明においては、量子井戸構造の活性層を持つ半導
体レーザの共振器損失を高めたから、該共振器損失と注
入電流による利得との関係により高い量子準位での発振
を行う。
〔実施例〕  。
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第1
図において、1はれ一電極、2はn−GaAs基板、3
はn−AlGaAsクラッド層、4はGaAs量子井戸
活性層、5はP−AlGaAsクラッド層、6はP−G
aAsコンタクト層、7はP−電極、8は端面ミラー、
9は光吸収領域である。
次にこの発明の動作原理について説明する。
−taにレーザ発振は、光が共振器を一往復して利得(
gain)が共振器損失(cavity 1oss) 
(有限な反射率のため透過重分だけ光が放出されたしま
うことによる反射援失と、活性層を伝しする際に受ける
吸収および散乱損失)に打ち勝てば起こる。
すなわち(2)式の左辺が右辺より大きくなった時に生
じる。たたし、gいは活性層利得、ξは光の閉じ込め係
数(横モードの内、活性層内の光電力の割合)、αは吸
収あるいは散乱損失、βは共振器長、R,、R,は端面
の反射率(一般的にはR1=R,=R)を表す。
また、αは次式のように書ける。
α−αllc・ξ+α□(1−ξ)      ・・・
(3)α1cは活性層内の吸収および散乱1員失、αQ
えはクラッド層の吸収および散乱損失を表す。ところで
、量子井戸を活性層にもつ半導体レーザでは、第5図に
示すように、共振器のとり得るエネルギー準位が量子化
されているため、−1’M的に利得と波長の関係は第2
図で示すような特性を示す。
注入電流を増加させてゆくと、まずn−1の量子準位の
波長にピークがあり、次にn=2の量子準位の波長にピ
ークが移る。波長はn=2の方が短い。
例えば、この発明のように、活性層の光導波路内部の吸
収による損失を増加させて、第2図の破線で示すような
値に設定すれば、n=1での発振は生ぜずn=2の発振
ピークが得られる。従って、共振器損失を予め調整する
ことにより、注入電流を変えるだけでn=1とn=2の
レーザ光が、あるいはn=2の高いエネルギー準位のレ
ーザ光を得ることができる。
第1図のこの発明の一実施例について説明する。
GaAs1子井戸活性層4の上下にはクラッド層となる
P−AlGaAs層5、n−AlGaAs層3があり、
活性層4より禁制帯幅は大きく、屈折率は小さい。この
ため、共振器(電子および正孔)の閉じ込めと、光の閉
じ込めがなされており、光は共振器の反射端面8間で増
幅発振させることができる。
このレーザでは、p−電極7のある部分ではキャリアの
再結合が起こり、利得があるが、電極のない部分ではそ
の下の光導波路は光吸収領域9となり、損失α、Cが大
きくなる。この損失のため、αは増加し、共振器1員失
が増加する。このようにして、活性層利得のしきい値g
いを大きくすることにより、第2図の破線の位置に設定
することができ、n=1の準位の波長では発振せず、n
=2の波長で発振させることができる。あるいは、上述
のように、共振器1員失を調整することにより、注入電
流を変えるだけでn=1とn−2の準位のレーザ光を得
ることが可能であり、光波長のスイッチとしても利用で
きる。
ここで本発明による半導体レーザにおいては光伝播の損
失を大きくするとともに注入されたキャリアがエネルギ
ー緩和されに<クシで高次の量子準位の占有率が高めら
れるようにするために量子井戸活性層の層厚は300Å
以下、横とじこめによる光導波路のストライプ幅は3ミ
クロン以下にすることが望ましい。
なお、上記実施例では光導波路内部の光吸収損失を増加
させるために、半導体レーザの上部電tスのない部分を
設けて光吸収領域を形成する方法のものを示したが、第
3図の他の実施例に示すように、光導波路(活性層4)
の一部にプロトン(陽子)を照射して高抵抗層12を形
成して、光吸収令頁域としても上記実施例と同様の効果
が期待できる。
また、上記実施例では光の横閉じ込めについては言及し
なかったが、通常の埋込み(BH)レーザ構造等いかな
るタイプの構造のレーザにも適用できる。
また、上記実施例では、GaAs系の半導体を用いたレ
ーザについて述べたが、InP系や他の材料系の半導体
を用いたものであってもよく、上記実施例と同様の効果
を奏する。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば、半導体レーザの光導
波路内部に光吸収領域を設け、共振器損失を増大する構
成にしたので、簡単な方法で発光波長を短波長化でき、
安価で、精度の高いものが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例による半導体レーザを示す
断面図、第2図はこの発明の詳細な説明するための発光
波長と利得の関係を示す図、第3図はこの発明の他の実
施例を示す断面図、第4図(a)は従来の半導体レーザ
を示す断面図、第4図(′b)はGRI N−3CH構
造の半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す図、第
5図は量子井戸の状態密度とエネルギー準位を示す図、
第6図は量子井戸構造の活性層のエネルギーバンド構造
を示す図である。 1はn電極、2はn−GaAs基キ反、31まn−Al
GaAsクラッド層、4はGaAs1子井戸活性層、5
はP−AIGaAsクラッド層、7はP−電極、9は吸
収領域、10は伝導帯、11は価電子帯、12はプロト
ン照射部である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザにお
    いて、 共振器損失を高め、高い量子準位による発振を行わせる
    ようにしたことを特徴とする半導体レーザ。
  2. (2)上記活性層の光導波路内部に光吸収の大きい領域
    を設け、該領域により上記共振器損失を高めたことを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体レーザ。
  3. (3)上記光吸収の大きい領域は、共振器の一部に設け
    られた電流を注入しない領域であることを特徴とする特
    許請求の範囲第2項記載の半導体レーザ。
  4. (4)上記電流を注入しない領域は、共振器の一部に電
    極のない部分を設けて形成したことを特徴とする特許請
    求の範囲第3項記載の半導体レーザ。
  5. (5)上記電流を注入しない領域は、共振器内の一部を
    プロトン照射により高抵抗化することにより形成したこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の半導体レー
    ザ。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5161164A (en) * 1990-08-28 1992-11-03 Mitsubishi Deni Kabushiki Kaisha Semiconductor laser device

Cited By (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5161164A (en) * 1990-08-28 1992-11-03 Mitsubishi Deni Kabushiki Kaisha Semiconductor laser device
US5177749A (en) * 1990-08-28 1993-01-05 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor laser device

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