JPS6412114B2 - - Google Patents

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JPS6412114B2
JPS6412114B2 JP14812682A JP14812682A JPS6412114B2 JP S6412114 B2 JPS6412114 B2 JP S6412114B2 JP 14812682 A JP14812682 A JP 14812682A JP 14812682 A JP14812682 A JP 14812682A JP S6412114 B2 JPS6412114 B2 JP S6412114B2
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JP
Japan
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active layer
laser
refractive index
vertical oscillation
wavelength
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JP14812682A
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Japanese (ja)
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JPS5936988A (en
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Mutsuro Ogura
Takafumi Yao
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B5/20Filters
    • G02B5/28Interference filters
    • G02B5/285Interference filters comprising deposited thin solid films
    • 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
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18302Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] comprising an integrated optical modulator
    • HELECTRICITY
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    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ヘテロ半導体薄膜の多層構造を用い
た垂直発振型レーザに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a vertical oscillation type laser using a multilayer structure of hetero semiconductor thin films.

垂直発振型レーザは、レーザ光の出射方向が基
板に垂直であるため、へき開による光共振器の製
作が不要であり、半導体レーザの集積化、高出力
化、高信頼性化の有力な手段として有望視されて
きた。しかし、垂直発振器レーザにおいては、活
性層の“厚さ”がレーザの有効長になるため、同
一励起条件でのレーザ利得が、従来構造の数十分
の一となり、室温連続発振が困難になることは免
れなかつた。
Vertical oscillation lasers emit laser light perpendicular to the substrate, so there is no need to create an optical resonator by cleavage, making it an effective means of integrating semiconductor lasers, increasing output power, and improving reliability. It has been viewed as promising. However, in vertical oscillator lasers, the "thickness" of the active layer determines the effective length of the laser, so the laser gain under the same excitation conditions is a few tenths of that of the conventional structure, making continuous oscillation at room temperature difficult. This was inevitable.

また、実際の素子を作成する場合、基板側のミ
ラーの形成が困難であり、例えば、1活性層に用
いる材料を、基板よりも低エネルギバンドギヤツ
プ側に選び、基板をレーザ光に対して透明とした
上で基板に、金属反射膜を設ける、2基板を裏側
からエツチングし、下部クラツド層を露出した上
で、金属反射膜を設ける、等の方法が提案されて
いるが、前者は、活性層と基板との組み合せが限
定されること、基板でのレーザ光の損失が無視で
きない等の欠点があり、また後者は、基板のエツ
チングを必要とするため、集積化が難しいこと、
エツチング後の活性層およびクラツド層の厚さの
合計は十数μm程度と極めて薄く、機械的な強度
が弱くなるという欠点があつた。
In addition, when creating an actual device, it is difficult to form a mirror on the substrate side. For example, the material used for one active layer is selected on the lower energy bandgap side than the substrate, and the substrate is exposed to laser light. Some methods have been proposed, such as making the substrate transparent and then providing a metal reflective film on the substrate, or etching the two substrates from the back side to expose the lower cladding layer, and then providing a metal reflective film. , the combination of the active layer and the substrate is limited, and the loss of laser light in the substrate cannot be ignored, and the latter requires etching of the substrate, making it difficult to integrate.
The total thickness of the active layer and cladding layer after etching was extremely thin, about 10-odd micrometers, and had the disadvantage of low mechanical strength.

これに対し、従来からも、特開昭56―48192号
公報に認められるように、金属ミラーに代え、ヘ
テロ半導体多層構造を反射層として用いる試みが
提案されていたが、厳密な位相条件に対する配慮
とか要部膜厚に対する条件等の開示が不十分で、
当該公報開示の事実からだけをしては、実際上、
満足に機能する垂直発振型レーザを提供すること
はできなかつた。
In response to this, attempts have been made to use a hetero-semiconductor multilayer structure as a reflective layer instead of a metal mirror, as seen in Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-48192, but consideration has been given to strict phase conditions. In other words, the conditions for the film thickness of important parts were not sufficiently disclosed.
In practice, based only on the fact of the disclosure in the publication,
It has not been possible to provide a vertical oscillation laser that functions satisfactorily.

本発明は、このような実情下にあつて、発振波
長が安定であり、集積化も容易である外、大出力
を得ることもできる垂直発振型半導体レーザの提
供のため、具体的な各条件と、それぞれに固有の
付加的機能ないし付加的効果を有する新規なる構
成を開示せんとするものである。
Under these circumstances, the present invention aims to provide a vertical oscillation type semiconductor laser that has a stable oscillation wavelength, is easy to integrate, and can also obtain high output power. The present invention aims to disclose novel configurations having additional functions and effects unique to each of them.

本発明の原理乃至基本的実施例を示す第1図に
おいて、1は多層ヘテロ半導体薄膜により構成さ
れた上部リフレクタ乃至波長選択性ミラー、2は
少数キヤリア注入が行なわれ、発光領域となる活
性層、3は、上部リフレクタと同一構造を有する
下部リフレクタ乃至波長選択性ミラー、4は、上
記構造を保持する基板、7はレーザ光の出射方向
である。
In FIG. 1 showing the principles and basic embodiments of the present invention, 1 is an upper reflector or wavelength selective mirror made of a multilayer hetero semiconductor thin film, 2 is an active layer where minority carrier injection is performed and becomes a light emitting region; 3 is a lower reflector or wavelength selective mirror having the same structure as the upper reflector, 4 is a substrate that holds the above structure, and 7 is the emission direction of the laser beam.

上部および下部リフレクタは、その屈折率変化
の基本周期がレーザ光の管内波長の1/2となつて
いる。この1/2の屈折率の基本周期は、1/4管内波
長の整数倍の厚みを持つ高屈折率媒質5と、同じ
く1/4管内波長の整数倍の厚みを持つ低屈折率媒
質6とから構成された多層薄膜で構成するか、あ
るいはリフレクタの厚み方向の組成等を1/2管内
波長を周期として、連続的に変化させることによ
り得る。
The basic period of the refractive index change of the upper and lower reflectors is 1/2 of the wavelength of the laser beam in the tube. The fundamental period of the refractive index of 1/2 is the same for the high refractive index medium 5, which has a thickness that is an integral multiple of the 1/4 tube wavelength, and the low refractive index medium 6, which also has a thickness that is an integral multiple of the 1/4 tube wavelength. The reflector can be constructed from a multilayer thin film made up of , or can be obtained by continuously changing the composition in the thickness direction of the reflector with a period of 1/2 the wavelength in the tube.

活性層の厚さは、位相条件より1/2管内波長の
整数倍に設定される。
The thickness of the active layer is set to be an integral multiple of 1/2 the tube wavelength based on the phase condition.

活性層は、第1図に示すように、上記位相条件
を満たす均質な半導体のpn接合で構成される場
合と、活性層自体が1/2波長の整数倍の基本周期
を持つ場合が考えられる。
As shown in Figure 1, the active layer may be composed of a homogeneous semiconductor p-n junction that satisfies the above phase conditions, or the active layer itself may have a fundamental period that is an integral multiple of 1/2 wavelength. .

リフレクタおよび活性層における屈折率の分布
は、本発明によれば第2図a〜gが考えられる。
第2図aは、活性層2がn/2管内波長の均質な
半導体のpn接合で構成され、リフレクタ1,3
が1/4管内波長の高屈折率媒質5と低屈折率媒質
6との重畳構造で構成された例を示す。第2図b
は、屈折率が連続的に、管内波長の1/2の周期で
変化することにより干渉性リフレクタ1,3を構
成した例を示す。第2図cは、活性層2も1/2波
長の周期の屈折率変化を持つ例で、いわゆる
DFB(distributted feed back;分布帰還)型の
レーザを構成した例である。活性層の位相条件を
満たすために、中央の高屈折率媒質の厚さが1/2
管内波長に設定されている。
According to the present invention, the refractive index distributions in the reflector and the active layer are considered to be as shown in FIGS. 2a to 2g.
In FIG. 2a, the active layer 2 is composed of a homogeneous semiconductor pn junction with an internal wavelength of n/2, and the reflectors 1 and 3
An example is shown in which a high refractive index medium 5 and a low refractive index medium 6 having a 1/4 tube wavelength are superimposed. Figure 2b
shows an example in which the interferometric reflectors 1 and 3 are constructed by changing the refractive index continuously at a period of 1/2 of the tube wavelength. Figure 2c shows an example in which the active layer 2 also has a refractive index change with a period of 1/2 wavelength, so-called
This is an example of a DFB (distributed feed back) type laser. To satisfy the phase condition of the active layer, the thickness of the central high refractive index medium is 1/2
It is set to the local wavelength.

第2図dは、上部および下部反射層に活性層よ
りも広バンドギヤツプで低屈折率の材質を選んだ
場合を示す。本構造では、反射層による光の吸収
が低減され特に短波長域でのレーザ発振に有利と
なる。
FIG. 2d shows the case where the upper and lower reflective layers are made of a material with a wider bandgap and lower refractive index than the active layer. This structure reduces absorption of light by the reflective layer and is especially advantageous for laser oscillation in a short wavelength range.

第2図eは、上部反射層の多層膜の重畳回数よ
りも下部反射層の多層膜の重畳回数を増し、下部
の反射層の反射率を増加させた例を示す。下部の
反射層の反射率を増加することにより、レーザ光
出力の基板側への放出を除去することが可能とな
るため、レーザの効率を増加することができる。
FIG. 2e shows an example in which the number of times the multilayer film of the lower reflective layer is superimposed is greater than the number of times of superimposition of the multilayer film of the upper reflective layer, thereby increasing the reflectance of the lower reflective layer. By increasing the reflectance of the lower reflective layer, it is possible to eliminate emission of the laser light output to the substrate side, thereby increasing the efficiency of the laser.

第2図fは、活性層内に反射層とは異なつた周
期の屈折率の分布を形成した例を示す。本例で
は、上部および下部反射層はそれぞれ1/4管内波
長の高屈折率媒質と低屈折率媒質との周期構造か
ら構成され、活性層は1/2管内波長の半導体と1/4
管内波長の低屈折率媒質の周期構造により構成さ
れている。後述するように、周期の異なつた屈折
率分布により、シングルモード発振に必要な広い
縦モード間隙と光共振器の鋭い波長選択性を同時
に満たすことができる。本例では活性層は、その
中央に、移相板を兼ねた1管内波長の厚さの半導
体層2′を含んでいる。
FIG. 2f shows an example in which a refractive index distribution with a period different from that of the reflective layer is formed in the active layer. In this example, the upper and lower reflective layers are each composed of a periodic structure of a high refractive index medium and a low refractive index medium of 1/4 of the tube wavelength, and the active layer is composed of a semiconductor of 1/2 of the tube wavelength and a 1/4
It is composed of a periodic structure of a low refractive index medium of the tube wavelength. As will be described later, the refractive index distribution with different periods can simultaneously satisfy the wide longitudinal mode gap required for single mode oscillation and the sharp wavelength selectivity of the optical resonator. In this example, the active layer includes, at its center, a semiconductor layer 2' having a thickness of one tube wavelength and also serving as a phase shift plate.

第2図gは、上部および下部の反射層内と活性
層内で屈折率の変化の周期を変化させた場合を示
す。このように、1/4管内波長を基本長として、
活性層媒質、低屈折率反射層、高屈折率反射層を
自由に設置することにより、任意の光共振器特性
を持つ垂直発振型半導体レーザを構成することが
可能となる。
FIG. 2g shows the case where the period of change in the refractive index is varied in the upper and lower reflective layers and the active layer. In this way, with 1/4 pipe wavelength as the basic length,
By freely arranging the active layer medium, the low refractive index reflective layer, and the high refractive index reflective layer, it is possible to construct a vertical oscillation type semiconductor laser having arbitrary optical cavity characteristics.

上記垂直発振型レーザは、第3図a,bに示す
ように2種類の電流注入の方法が考えられる。第
3図aは、pn接合を基板4に平行に、レーザ光
の出射方向7に垂直に形成した場合、bは、pn
接合を基板4に垂直に、レーザ光の出射方向7に
平行に形成した場合を示す。aの構造の利点とし
ては、n層およびp層を順次エピタキシヤル成長
するのみでpn接合が形成されるため、製作が容
易であること、pn接合がレーザ出射方向に対し
て面状に広がるため、レーザ光の出射面積および
積分強度が強いこと等が挙げられる。
For the vertical oscillation type laser, two types of current injection methods can be considered, as shown in FIGS. 3a and 3b. Figure 3a shows that when the pn junction is formed parallel to the substrate 4 and perpendicular to the laser beam emission direction 7, b is the pn junction.
A case where the bond is formed perpendicular to the substrate 4 and parallel to the laser beam emission direction 7 is shown. The advantage of structure a is that it is easy to manufacture because a pn junction is formed by simply epitaxially growing the n layer and p layer in sequence, and that the pn junction spreads planarly in the laser emission direction. , the emission area and integrated intensity of the laser beam are strong.

bにおいては、電流を多層反射層を通じて流す
必要がないため、レーザの寄生抵抗を減少できる
こと、pn接合がレーザの共振器に沿つて形成さ
れるため、レーザ利得の得られる距離が長いこと
等の利点があり、低しきい値電流で高効率な動作
が期待できる。
In b, the parasitic resistance of the laser can be reduced because the current does not need to flow through a multilayer reflective layer, and the pn junction is formed along the laser cavity, so the distance over which the laser gain can be obtained is long. It has the following advantages: high efficiency operation with low threshold current can be expected.

もつとも、第3図aに示される言わば縦方向注
入型の構造と、第3図bに示される横方向注入型
とを比較した場合には、横方向注入型の方が有利
である。
However, when comparing the so-called vertical injection type structure shown in FIG. 3a with the lateral injection type shown in FIG. 3b, the lateral injection type is more advantageous.

縦方向注入型は、レーザ長が少数キヤリアの拡
散長(2〜3μm)で制限されるために短く、十分
な利得が得られ難いことがあるのに対し、横方向
注入型の場合には、この点では端面出射型レーザ
(横型レーザ)と同様に、光共振器とキヤリアの
注入方向が直交するため、活性層の厚さ(レーザ
長)に原理的には制限がなく、十分な利得を稼げ
ること、換言すれば、低しきい値電流で効率的な
動作が期待できる点で優れている。
In the case of the vertical injection type, the laser length is short because it is limited by the diffusion length of minority carriers (2 to 3 μm), and it may be difficult to obtain sufficient gain, whereas in the case of the lateral injection type, In this respect, like edge-emitting lasers (horizontal lasers), the optical resonator and carrier injection directions are perpendicular, so there is no limit in principle to the active layer thickness (laser length), and sufficient gain can be achieved. In other words, it is excellent in that efficient operation can be expected with a low threshold current.

また、光出射面を電極と共用する必然性もない
ので、縦型注入機構を用いた場合のように、そう
した電極による吸収が必ずにして生ずるという問
題も避けることができる。さらに、電流を多層反
射層のエネルギ・ギヤツプを越えさせて流す必要
のないこと、レーザの寄生抵抗を減少できること
等の利点もあり、こうしたことから総合的に比較
対照すると、実用上、この横型注入機構の方が望
ましい。
Furthermore, since there is no necessity of sharing the light emitting surface with an electrode, it is possible to avoid the problem that absorption by such an electrode inevitably occurs as in the case of using a vertical injection mechanism. Furthermore, there are other advantages such as the fact that the current does not need to flow across the energy gap of the multilayer reflective layer and the parasitic resistance of the laser can be reduced. A mechanism is preferable.

以下本発明による垂直発振型レーザをGaAs/
AlGaAs多層ヘテロ構造で実現した具体例を述
べ、基本特性および応用例につき詳述する。
The vertical oscillation type laser according to the present invention will be described below with reference to GaAs/
A specific example realized using an AlGaAs multilayer heterostructure will be described, and the basic characteristics and application examples will be explained in detail.

第4図は、第2図aおよび、第3図aに示した
構成をMBE(molecular beam epitaxy)あるい
はMOCVD(metal organic vapour phase
deposition)法により実現した例を示す。図中第
3図と同じ番号は、同一部分を示し、5は、上部
p型電極、6は下部n型電極を示す。活性層2の
上下は、干渉型反射層1,3にはさまれており、
n+GaAs基板4に対して垂直に光キヤビテイを形
成する。
Figure 4 shows the configuration shown in Figures 2a and 3a using MBE (molecular beam epitaxy) or MOCVD (metal organic vapor phase).
Here is an example realized using the (deposition) method. In the figure, the same numbers as in FIG. 3 indicate the same parts, 5 indicates the upper p-type electrode, and 6 indicates the lower n-type electrode. The upper and lower parts of the active layer 2 are sandwiched between interference type reflective layers 1 and 3,
An optical cavity is formed perpendicularly to the n + GaAs substrate 4.

第5図に、第4図で示した垂直発振レーザのバ
ンド図を示す。上部および下部干渉型反射膜1,
3は、それぞれレーザ光(0.9μm)の1/4キヤビ
テイ波長に対応する63nmのGaAs薄膜11,31
66nmのGa0.7、Al0.3As層12,32との数十層程度
の積層構造を持つ。また、活性層2は、それぞれ
厚さ3μm程度のP-GaAs層21およびn-GaAs層2
から構成される。上部電極5を下部電極6に対
して、2V程度の電位に保持することにより、電
子および正孔電流がそれぞれp型およびn型の上
部および下部反射層を通じて中央の活性層に供給
され、再結合して発光する。発光スペクトラムの
うち、波長0.9μmのもののみは、上部および下部
反射層1,3により閉じ込められ、レーザ発振状
態となる。レーザ光の一部は、上部電極5の中央
に設けられた窓から垂直に放射される。
FIG. 5 shows a band diagram of the vertical oscillation laser shown in FIG. 4. Upper and lower interference reflective films 1,
3 are 63 nm GaAs thin films 1 1 and 3 1 corresponding to 1/4 cavity wavelength of laser light (0.9 μm), respectively.
It has a laminated structure of about several dozen layers including Ga 0.7 and Al 0.3 As layers 1 2 and 3 2 of 66 nm. The active layer 2 includes a P - GaAs layer 2 1 and an n - GaAs layer 2 each having a thickness of about 3 μm.
Consists of 2 . By keeping the upper electrode 5 at a potential of about 2V with respect to the lower electrode 6, electron and hole currents are supplied to the central active layer through the p-type and n-type upper and lower reflective layers, respectively, and are recombined. and emit light. Of the emission spectrum, only the wavelength of 0.9 μm is confined by the upper and lower reflective layers 1 and 3, resulting in a laser oscillation state. A portion of the laser light is vertically emitted from a window provided at the center of the upper electrode 5.

第5図においては、上部干渉型反射層1は、
P+GaAs11とP+GaAlAs12とから構成されてい
るが、GaAs11あるいはGaAlAs12のいずれか
は、ノンドープで差支えない。同様に下部干渉型
反射層3は、n+GaAs31とn+GaAlAs32とから
構成されているが、GaAs31あるいはGaAlAs3
のいずれかがノンドーブであつても導電性は妨
げられない。また、第5図において、活性層2を
省略し、第2図cに原理を示したように上部およ
び下部反射層におけるGaAs層11,31を発光領
域として利用することも可能である。
In FIG. 5, the upper interference type reflective layer 1 is
Although it is composed of P + GaAs1 1 and P + GaAlAs1 2 , either GaAs1 1 or GaAlAs1 2 may be non-doped. Similarly, the lower interference type reflective layer 3 is composed of n + GaAs3 1 and n + GaAlAs3 2 , but GaAs3 1 or GaAlAs3
Even if any of 2 is non-doped, conductivity is not hindered. It is also possible to omit the active layer 2 in FIG. 5 and utilize the GaAs layers 1 1 and 3 1 in the upper and lower reflective layers as light emitting regions as shown in the principle in FIG. 2c.

第6図は、第2図aおよび第3図bに示した構
成を、GaAs/AlGaAs系のヘテロエピタキシヤ
ル技術と、拡散技術により実現した例を示す。図
中、第4図と同じ符号を記した部分は同一構成要
素を示し、8は、p型拡散領域9はn型拡散領域
を示す。
FIG. 6 shows an example in which the configurations shown in FIGS. 2a and 3b are realized by GaAs/AlGaAs-based heteroepitaxial technology and diffusion technology. In the figure, parts marked with the same reference numerals as in FIG. 4 indicate the same components, and 8 indicates a p-type diffusion region 9 and an n-type diffusion region.

GaAs/AlGaAs系に代表される、―Vある
いは―化合物の連続ヘテロエピタキシヤル技
術を用いると、第2図および第3図に示したすべ
ての構成は、成長時における膜厚のコントロール
により実現することができる。
Using continuous heteroepitaxial technology of -V or - compounds, such as GaAs/AlGaAs, all the structures shown in Figures 2 and 3 can be realized by controlling the film thickness during growth. I can do it.

以下では、第2各図中に示した種々の屈折率分
布、膜厚分布および反射層の重畳回数と、光共振
器の損失および波長特性の数値計算例を示し、本
垂直発振型レーザの実現性、特性等を説明する。
Below, examples of numerical calculations of the various refractive index distributions, film thickness distributions, and number of superimpositions of the reflective layer shown in each figure 2, as well as the loss and wavelength characteristics of the optical resonator are shown, and the realization of this vertical oscillation laser is shown. Explain the characteristics, characteristics, etc.

第7図は、第4,5,6図に示された、
GaAs/Al0.3Ga0.7As多層反射層の重畳回数と反
射率およびこれらの上下多層反射層で両端をはさ
まれた光共振器の0.9μmにおける反射損失の伝達
マトリクス法による計算結果を示す。前述のよう
に、反射層は一層が63nmのGaAs層と66nmの
Al0.3Ga0.7As層とから構成されており、重畳回数
1回につき反射層の厚みは0.13μm増加する。反
射層の両端は、GaAs層に接続されているとして
反射率が計算されている。従つて、上部反射層が
空気に接している実際のレーザ共振器の場合より
は、高い反射損失を与えている。
FIG. 7 shows the steps shown in FIGS. 4, 5 and 6.
The calculation results using the transfer matrix method of the number of superimpositions and reflectance of GaAs/Al 0.3 Ga 0.7 As multilayer reflective layers and the reflection loss at 0.9 μm of an optical resonator sandwiched at both ends by these upper and lower multilayer reflective layers are shown. As mentioned above, the reflective layer consists of a 63nm GaAs layer and a 66nm GaAs layer.
The reflective layer is composed of Al 0.3 Ga 0.7 As layers, and the thickness of the reflective layer increases by 0.13 μm for each superposition. The reflectance is calculated assuming that both ends of the reflective layer are connected to the GaAs layer. Therefore, higher reflection loss is provided than in the case of an actual laser resonator in which the upper reflective layer is in contact with air.

尚、この計算に用いた屈折率は、GaAsに対し
て3.590、Al0.3Ga0.7Asに対して3.385である。ま
た0.9μmに対するGaAsの損失aは26cm-1を用い
た。また反射層内のGaAs層が励起された場合を
想定して、a=0、 a=−30(30cm-1の利得)
の場合も図示している。0.9μmにおけるAlGaAs
層の損失は無視している。
Note that the refractive index used in this calculation is 3.590 for GaAs and 3.385 for Al 0.3 Ga 0.7 As. Further, the loss a of GaAs for 0.9 μm was 26 cm −1 . Also, assuming that the GaAs layer in the reflective layer is excited, a=0, a=-30 (gain of 30 cm -1 )
The case of is also illustrated. AlGaAs at 0.9μm
Layer losses are ignored.

第7図中の曲線Aは、励起されていないGaAs
層とAl0.3Ga0.7As層の多層反射層の、共振器損失
と、重畳回数の関係を示したもので、第2図aの
構成に対応するものである。共振器損失は、70層
付近まで、20層の重畳ごとに1桁ずつ減少してい
る。
Curve A in Figure 7 represents unexcited GaAs.
This figure shows the relationship between the resonator loss and the number of superimpositions of a multilayer reflective layer of Al 0.3 Ga 0.7 As layers, and corresponds to the configuration shown in FIG. 2a. The resonator loss decreases by one order of magnitude for every 20 layers up to around 70 layers.

図中の横破線は、GaAsと空気との境界による
反射率(0.565)を示す。損失曲線との交点の位
置から明らかなように、本干渉型反射層がGaAs
―空気界面の反射率を示すには、約10層すなわち
1.3μmの厚さが必要である。また60層の繰り返し
を有する干渉反射層は反射率で、0.997、共振器
損失で0.64×10-2を示す。半導体レーザの発振条
件は、活性層におけるレーザ利得が光共振器の損
失を越える状態すなわち (g―a)・L>ln(1/r2) で示される。ここでgおよびaは、単位長当りの
レーザ利得および媒質の損失、Lは、活性層の実
効長(厚さ)、ln(1/r2)は、光共振器の損失、
rは電界反射率である。例えば、4μmの厚さの活
性層が、25cm-1の平均利得を持つ程度に励起され
たとすると、その積分利得は10-2のレベルとな
る。この積分利得は60層の繰り返しを有する光共
振器の損失レベル0.64×10-2を越えている。25cm
-1の平均利得は、室温にて、3K A/cm2―μm程
度の励起レベルで実現できることから、以下の結
論を導くことができる。すなわち、4μmの厚さの
活性層を、上下60層(7.7μm)の干渉型反射層で
はさんだ構造を持つ垂直発振型レーザにおいて、
3K A/cm3―μmの励起電流を加えることによ
り、室温連続発振が可能となる。
The horizontal broken line in the figure indicates the reflectance (0.565) due to the boundary between GaAs and air. As is clear from the position of the intersection with the loss curve, this interference type reflective layer is made of GaAs.
-To indicate the reflectance of the air interface, approximately 10 layers, i.e.
A thickness of 1.3 μm is required. Furthermore, the interference reflection layer having 60 repeated layers exhibits a reflectance of 0.997 and a resonator loss of 0.64×10 -2 . The oscillation condition of a semiconductor laser is expressed as a state in which the laser gain in the active layer exceeds the loss in the optical resonator, that is, (ga)·L>ln(1/r 2 ). Here, g and a are the laser gain and medium loss per unit length, L is the effective length (thickness) of the active layer, ln (1/r 2 ) is the loss of the optical resonator,
r is the electric field reflectance. For example, if a 4 μm thick active layer is excited to such an extent that it has an average gain of 25 cm −1 , its integral gain will be at the level of 10 −2 . This integral gain exceeds the loss level of 0.64×10 −2 for an optical cavity with 60 layer repetitions. 25cm
Since an average gain of -1 can be achieved at room temperature and at an excitation level of about 3K A/cm 2 -μm, the following conclusion can be drawn. In other words, in a vertical oscillation laser that has a structure in which a 4 μm thick active layer is sandwiched between 60 upper and lower (7.7 μm) interference reflective layers,
Continuous oscillation at room temperature is possible by applying an excitation current of 3K A/cm 3 -μm.

第7図中の曲線BおよびCは、GaAs中の損失
が0および−30cm-1(30cm-1の利得)の時の共振
器損失を示し、第2図cの構成を想定している。
GaAs層が励起され、媒質の損失が打ち消された
曲線Bの場合は、繰り返し回数が数十層以上にお
いても、光共振器ロスは飽和することなく単調に
減少する。曲線Cは、反射層中のGaAs層が、30
cm-1の利得を持つ場合を示す。曲線Cは、反射層
の繰り返し回数が60層にて共振器損失が零となる
ことを示しており、上下各60層の干渉型反射層の
GaAsの部分に、30cm-1のレーザ利得が生ずると、
レーザ発振が可能であることが分かる。以上述べ
た例は、レーザ利得が均一な活性層あるいは、反
射層のいずれか一方のみに発生した場合を示す
が、レーザ利得を活性層と、反射層(周期構造を
持つ活性層)の両方に分担させることも可能で、
後述するように、発振スペクトラムの安定化を目
的とした、光共振器の設計が可能となる。
Curves B and C in FIG. 7 show the resonator loss when the loss in GaAs is 0 and −30 cm −1 (gain of 30 cm −1 ), assuming the configuration of FIG. 2 c.
In the case of curve B in which the GaAs layer is excited and the loss of the medium is canceled out, the optical resonator loss monotonically decreases without being saturated even when the number of repetitions is several tens of layers or more. Curve C shows that the GaAs layer in the reflective layer is 30
The case with a gain of cm -1 is shown. Curve C shows that the resonator loss becomes zero when the number of repetitions of the reflective layer is 60.
When a laser gain of 30cm -1 occurs in the GaAs part,
It can be seen that laser oscillation is possible. The example described above shows a case where laser gain occurs only in either the uniform active layer or the reflective layer, but the laser gain is generated in both the active layer and the reflective layer (active layer with a periodic structure). It is also possible to share the
As will be described later, it becomes possible to design an optical resonator for the purpose of stabilizing the oscillation spectrum.

発振波長を900nmから875nmへ短縮すると、
GaAsの損失は26cm-1から1000cm-1へ増加する。
その結果GaAsを反射層の高屈折率媒質に用いた
場合には、第8図の破線に示すように、光共振器
の損失は10-1以下には下がらなくなる。第8図は
反射層に用いる高屈折率媒質に、活性層よりもエ
ネルギーギヤツプの大きなAl0.1Ga0.9Asを用いる
ことにより、反射層による吸収の効果を除去した
場合を示す。反射層がAl0.1Ga0.9AsとAl0.3Ga0.7
Asとの積層で構成された場合、約50層で0.1、80
層で0.01の共振器損失を示している。GaAs/
Al0.3Ga0.7Asで構成された反射層に比較して、重
畳回数に対応した共振器損失の低下は少ないが、
反射層の損失による共振器損失の停留は消滅して
いる。GaAs/Al0.3GaAsと同程度の屈折率比を
持つたAl0.1Ga0.9As/Al0.4Ga0.6Asで構成された
反射層を用いた場合、第7図Bに示した共振器損
失曲線とほぼ同程度の値が得られている。更に
Al0.1Ga0.9As/Al0.6Ga0.4Asで構成された反射層
を用いると、30層程度の重畳回数で共振器損失
0.01が得られている。以上示したように、反射層
は、活性層よりもエネルギーギヤツプの大きなも
のを用い、更に反射層内の屈折率比すなわち組成
比の差を大きく取ることが、損失の少ない共振器
を作るためには重要である。AlGaAs系において
は、Alの組成が0.3を越えるとキヤリア濃度が減
少し伝達率を高く保つことが難しくなる。このよ
うな場合には、AlGaAsを通して電流を流す第3
図aの方式よりは、活性層のみに電流を通ずる第
3図bの方式の方が有利となる。
When the oscillation wavelength is shortened from 900nm to 875nm,
GaAs losses increase from 26 cm -1 to 1000 cm -1 .
As a result, when GaAs is used as the high refractive index medium of the reflective layer, the loss of the optical resonator does not fall below 10 -1 , as shown by the broken line in FIG. FIG. 8 shows a case where the effect of absorption by the reflective layer is eliminated by using Al 0.1 Ga 0.9 As, which has a larger energy gap than the active layer, as a high refractive index medium used for the reflective layer. Reflective layer is Al 0.1 Ga 0.9 As and Al 0.3 Ga 0.7
When composed of laminated with As, 0.1, 80 in about 50 layers
It shows a resonator loss of 0.01 in the layer. GaAs/
Compared to a reflective layer composed of Al 0.3 Ga 0.7 As, the decrease in resonator loss corresponding to the number of overlaps is small;
The stagnation of resonator loss due to loss in the reflective layer has disappeared. When using a reflective layer composed of Al 0.1 Ga 0.9 As/Al 0.4 Ga 0.6 As, which has a refractive index ratio similar to that of GaAs/Al 0.3 GaAs, the resonator loss curve is approximately the same as that shown in Figure 7B. Similar values were obtained. Furthermore
When using a reflective layer composed of Al 0.1 Ga 0.9 As/Al 0.6 Ga 0.4 As, the resonator loss can be reduced by overlapping about 30 layers.
0.01 is obtained. As shown above, by using a reflective layer with a larger energy gap than the active layer and by increasing the difference in the refractive index ratio, that is, the composition ratio, within the reflective layer, a resonator with low loss can be created. It is important for In the AlGaAs system, when the Al composition exceeds 0.3, the carrier concentration decreases and it becomes difficult to maintain a high transmission rate. In such a case, a third
The method shown in FIG. 3B, in which current is passed only through the active layer, is more advantageous than the method shown in FIG. 3A.

60層のGaAs/Al0.3Ga0.7Asで構成された多層
反射層を用いた光共振器の損失および位相の波長
依存性を第9図に示す。この例では、各層の膜厚
は、900nmの1/4管内波長に設定されていて、か
つ、光共振器の中央には1/2管内波長に相当する
移相板を有するため、900nmで1次波と2回反射
波との位相差は零となり、損失0.64×10-2を得て
いる。但し位相条件を無視した光共振器損失は媒
質の損失が短波長側で増加するために、若干長波
側で最小限を持ち、また、このように移相板を設
けずに多層膜が同一周期で連続している場合に
は、反射層のブラツク条件と光共振器の位相条件
とが一致しないため、そうした最小値も、移相板
を設けた本例に比すと、二桁程度は大きくなつて
しまう。また、本例は、移相板部分を構成する活
性層の厚さを1/2管内波長すなわち0.12μmとして
いるため、位相の回転すなわち縦モードの間隙が
20nm程度に拡大されている。活性層を厚くする
ことにより、波長の変化に対する位相の回転は大
きくなり、第9図の損失曲線を包絡線とする共振
曲線が得られる。
Figure 9 shows the wavelength dependence of the loss and phase of an optical resonator using a multilayer reflective layer composed of 60 layers of GaAs/Al 0.3 Ga 0.7 As. In this example, the film thickness of each layer is set to 1/4 of the internal wavelength of 900 nm, and the optical resonator has a phase shift plate corresponding to 1/2 of the internal wavelength at the center of the optical resonator. The phase difference between the next wave and the second reflected wave becomes zero, resulting in a loss of 0.64×10 -2 . However, optical resonator loss ignoring the phase condition has a slight minimum on the long wavelength side because the loss of the medium increases on the short wavelength side. , the black condition of the reflective layer and the phase condition of the optical resonator do not match, so the minimum value is about two orders of magnitude larger than in this example with a phase shift plate. I get used to it. In addition, in this example, the thickness of the active layer constituting the phase shift plate portion is set to 1/2 the tube wavelength, or 0.12 μm, so that the phase rotation, that is, the gap in the longitudinal mode, is reduced.
It has been enlarged to about 20 nm. By increasing the thickness of the active layer, the rotation of the phase with respect to a change in wavelength increases, and a resonance curve whose envelope is the loss curve shown in FIG. 9 is obtained.

第10図a,b,c,dは、活性層の厚さがそ
れぞれ1/2λ(0.13μm)、10/λ(1.3μm)、30/λ
(3.8μm)、100/λ(13μm)と変化させた時の共
振曲線、第11図a,b,c,dは、各共振曲線
の900nm付近を拡大したものである。第10図か
ら明らかなように、900nmにおける共振点と、次
の縦モードの間隙およびピーク比は、活性層が厚
くなる程小さくなつており、一方第11図に示す
ように、活性層が厚くなる程900nmにおける共振
曲線は、鋭くなつている。すなわち、縦モードの
安定性を示す縦モード間隙、ピーク比は、活性層
が短い方が有利であるが、レーザ光のスペクトラ
ム純度あるいは雑音に対応する共振器の鋭さは、
活性層が厚い方が有利となり、目的に応じて活性
層の厚さを選ぶ必要がある。実際、活性層の厚さ
が13μmの第10図dの場合は、900nmと、
903nmにおける共振値がほぼ等しくなり単一縦モ
ード発振は望めない。
In Figure 10 a, b, c, and d, the active layer thicknesses are 1/2λ (0.13 μm), 10/λ (1.3 μm), and 30/λ, respectively.
(3.8 μm) and 100/λ (13 μm), Figure 11 a, b, c, and d are enlarged views of the vicinity of 900 nm of each resonance curve. As is clear from Fig. 10, the resonance point at 900 nm and the gap and peak ratio of the next longitudinal mode become smaller as the active layer becomes thicker.On the other hand, as shown in Fig. 11, as the active layer becomes thicker, Indeed, the resonance curve at 900 nm is sharp. In other words, the longer the active layer is, the more advantageous it is for the longitudinal mode gap and peak ratio, which indicate the stability of the longitudinal mode, but the spectral purity of the laser light or the sharpness of the resonator, which corresponds to noise,
A thicker active layer is more advantageous, and the thickness of the active layer must be selected depending on the purpose. In fact, in the case of Figure 10d, where the active layer thickness is 13 μm, it is 900 nm.
The resonance values at 903 nm are almost equal, and single longitudinal mode oscillation cannot be expected.

一方、第11図に示すように、光共振器のQ
は、活性層の厚さが0.13μmのa図に対し、13μm
のd図は、約10倍大きくなつており、レーザ光の
雑音の帯域巾も、約100倍程度、小さいことが予
想される。
On the other hand, as shown in FIG.
The thickness of the active layer is 13μm, whereas the thickness of the active layer is 0.13μm.
The d diagram is about 10 times larger, and the noise bandwidth of the laser beam is also expected to be about 100 times smaller.

縦モードの安定性と、雑音特性との排他関係
は、第2図fおよびgに示すように、活性層ある
いは、多層反射層に周期の異なつた屈折率分布を
設けることによつて解消される。第12図a,b
は、それぞれGaAs10/4管内波長ごとにAl0.3Ga0.7
As1/4管内波長を挿入し、0.7μm周期の屈折率分
布を上下10層ずつ計20層作成した場合と、GaAs
5/4管内波長ごとにAl0.3Ga0.7As1/4管内波長を挿
入し、0.38μm周期の屈折率分布を上下20層ずつ
計40層作成した場合の共振曲線を示す。活性層の
長さがa図においては15μm、bにおいては16μm
と第10図dに比して長いにもかかわらず、主ピ
ークと副ピークとの比はそれぞれ4:1、50:1
と単一縦モード発振が可能な大きさになつてい
る。第13図a,bに、第12図の共振曲線のピ
ーク付近を拡大した図を示す。第13図a,b
は、第11図dと同程度の共振器Qを持つことが
分かる。
The exclusive relationship between longitudinal mode stability and noise characteristics can be resolved by providing refractive index distributions with different periods in the active layer or multilayer reflective layer, as shown in Figure 2 f and g. . Figure 12 a, b
are Al 0.3 Ga 0.7 for each GaAs10/4 tube wavelength, respectively.
A case in which a 1/4 wavelength of As was inserted and a total of 20 layers of refractive index distribution with a period of 0.7 μm were created, 10 layers each on the top and bottom, and a GaAs
The resonance curve is shown when an Al 0.3 Ga 0.7 As 1/4 tube wavelength is inserted for each 5/4 tube wavelength and a refractive index distribution with a period of 0.38 μm is created for a total of 40 layers with 20 layers on the top and bottom. The length of the active layer is 15 μm in figure a and 16 μm in figure b.
Although it is longer than that shown in Fig. 10d, the ratio of the main peak to the sub-peak is 4:1 and 50:1, respectively.
The size is such that single longitudinal mode oscillation is possible. FIGS. 13a and 13b are enlarged views of the vicinity of the peak of the resonance curve in FIG. 12. Figure 13 a, b
It can be seen that has a resonator Q of the same order as that in FIG. 11d.

以上示したように、本発明による垂直発振型レ
ーザは、屈折率分布の周期や重畳回数を各仕様に
応じた最適化することによつて、発振波長や、縦
モード安定度、雑音特性、出力等を自由に設定す
ることが可能となる。
As shown above, the vertical oscillation laser according to the present invention can improve the oscillation wavelength, longitudinal mode stability, noise characteristics, and output by optimizing the period and number of superimpositions of the refractive index distribution according to each specification. etc. can be set freely.

以上、1/4管内波長を基本周期とした、
GaAs/AlGaAs系多層膜で説明を進めたが、連
続ヘテロエピタキシイが可能で格子整合を取るこ
とが可能な系であれば、本発明を適用することが
可能である。適用可能な例としては、―族で
は、GaAs基板上亜鉛カルコゲナイド系が、また
―族においては、GaInAsP系、GaAlInp系、
GaAlSb系、が挙げられる。
Above, with 1/4 tube wavelength as the fundamental period,
Although the explanation has been given using a GaAs/AlGaAs multilayer film, the present invention can be applied to any system in which continuous heteroepitaxy is possible and lattice matching can be achieved. Applicable examples include zinc chalcogenide systems on GaAs substrates for the - group, and GaInAsP, GaAlInp, and GaAlInp systems for the - group.
Examples include GaAlSb.

また、以上の議論は、1/4管内波長すなわち数
十nmの範囲では均質な屈折率分布を仮定してし
たが、1/4管内波長を基本周期とした屈折率分布
に重畳して、数十Å程度のエネルギーギヤツプの
周期を付けることにより光に対しては従来の議論
が成立し、キヤリアに対しては、量子効果が発生
するような構造も考えられる。第14図は、上部
および下部リフレクタの高屈折率媒質および活性
層を60ÅのGaAsと、AlGaAsの超格子で形成し
た例を示す。電子および正孔は、巾60Åの量子井
戸10に閉じ込められて、量子化される一方、レ
ーザ光は、GaAs/AlGaAs超格子の平均的な屈
折率nWと、反射層の大エネルギーギヤツプにお
ける屈折率nCとの差を感じて、回折を受ける。
In addition, the above discussion assumed a homogeneous refractive index distribution in the 1/4 tube wavelength, that is, in the range of several tens of nanometers, but if the refractive index distribution with the fundamental period of 1/4 tube wavelength is By adding an energy gap period of about 10 Å, the conventional argument holds true for light, and for carriers, a structure in which quantum effects occur can also be considered. FIG. 14 shows an example in which the high refractive index medium and active layer of the upper and lower reflectors are formed of GaAs of 60 Å and a superlattice of AlGaAs. Electrons and holes are confined in quantum wells 10 with a width of 60 Å and are quantized, while laser light is transmitted through the average refractive index n W of the GaAs/AlGaAs superlattice and the large energy gap of the reflective layer. Sensing the difference between the refractive index n and C , it undergoes diffraction.

一般に、量子井戸分布の単位体積あたりの密度
を変化することにより、量子井戸を形成するのに
必要な数十Å巾の低エネルギーギヤツプ領域と、
数十nmを周期とした屈折率分布を同時に形成す
ることが可能となり、量子井戸を有するために、
しきい値電流の温度依存性が小さい、母結晶より
も高エネルギ側の発光が得られる等の利点を持つ
た垂直発振型半導体レーザを得ることができる。
In general, by changing the density per unit volume of the quantum well distribution, a low energy gap region of several tens of angstroms wide, which is necessary to form a quantum well, can be created.
It is possible to simultaneously form a refractive index distribution with a period of several tens of nanometers, and because it has quantum wells,
It is possible to obtain a vertical oscillation type semiconductor laser which has advantages such as having a small temperature dependence of threshold current and being able to emit light with higher energy than that of the host crystal.

第10図から第13図において、活性層の厚さ
および屈折率分布による。共振曲線の差異を示し
たが、この差異は主に、活性層における位相回転
の変化によると考えられる。そこで、更に活性層
内部あるいは、活性層に隣接して、外部変調可能
な移相器を設けることにより、外部から発振条件
を変化させることが可能となる。第15図a,b
は、活性層に隣接して、pn接合の空乏層を利用
した移相器を設けた例を示す。
10 to 13, depending on the thickness and refractive index distribution of the active layer. Although differences in resonance curves were shown, this difference is thought to be mainly due to changes in phase rotation in the active layer. Therefore, by further providing a phase shifter capable of external modulation inside the active layer or adjacent to the active layer, it becomes possible to change the oscillation conditions from the outside. Figure 15 a, b
shows an example in which a phase shifter using a pn junction depletion layer is provided adjacent to the active layer.

第15図aは、第4図に示したGaAs/
GaAlAs系垂直発振レーザの活性層を形成するpn
接合2に重畳して、基板に対して平行なnp接合
11と、このnp接合に、上層反射層1を通じて
逆バイアスを加えるための電極12とから形成さ
れる変調器付垂直発振レーザを示す。本レーザ
は、上部電極5と下部電極6とに順方向電流を通
じ、活性層2を励起状態に保つた後に、変調用電
極14と上部電極5に逆バイアスを加えることに
より、キヤリアの空乏による位相条件の変化を利
用して位相整合を行なうものである。第15図b
は、第6図に示した、垂直発振型レーザの構造を
基本とした、変調器付垂直発振レーザを示す。第
6図における活性層2に重畳して、GaAlAs絶縁
層16、上部反射層1が形成されており、上部反
射層1中に形成されたn型拡散層14およびp型
拡散層15をn型電極12およびp型電極13を
用いて逆バイアス状態に保つことにより、上部反
射層の屈折率を変化させることができる。上部反
射層の屈折率の変化は、多層反射層の光学的距離
を変化させるため、多層反射層の最大反射率を示
す波長を変化させることが可能となる。
Figure 15a shows the GaAs/
pn forming the active layer of GaAlAs vertical oscillation laser
A vertical oscillation laser with a modulator is shown superimposed on the junction 2 and formed of an np junction 11 parallel to the substrate and an electrode 12 for applying a reverse bias to this np junction through the upper reflective layer 1. In this laser, a forward current is passed through the upper electrode 5 and the lower electrode 6 to keep the active layer 2 in an excited state, and then a reverse bias is applied to the modulation electrode 14 and the upper electrode 5, whereby the phase due to carrier depletion is Phase matching is performed using changes in conditions. Figure 15b
shows a vertical oscillation laser with a modulator based on the structure of the vertical oscillation laser shown in FIG. A GaAlAs insulating layer 16 and an upper reflective layer 1 are formed to overlap the active layer 2 in FIG. By maintaining a reverse bias state using the electrode 12 and the p-type electrode 13, the refractive index of the upper reflective layer can be changed. Since the change in the refractive index of the upper reflective layer changes the optical distance of the multilayer reflective layer, it is possible to change the wavelength at which the multilayer reflective layer exhibits the maximum reflectance.

すなわち、np接合を用いた移相器を用いると、
振巾変調と同時に、レーザ光の周波数変調が可能
となる。
In other words, when using a phase shifter using an np junction,
Simultaneously with amplitude modulation, frequency modulation of laser light becomes possible.

半導体レーザは、順方向通電により外部変調す
ることが可能であるが、pn接合等を用いた移相
器を用いると、 1 少数キヤリア励起に必要な大電流を制御する
必要がないので、高速変調が容易である。実
際、Karr効果や、空乏効果を利用した移相器
は、電気的には、キヤパシクンスに見えるの
で、発振条件を変化させるためにほとんど電力
を必要としない。
Semiconductor lasers can be externally modulated by forward energization, but if a phase shifter using a pn junction or the like is used, 1. There is no need to control the large current required for minority carrier excitation, so high-speed modulation is possible. is easy. In fact, phase shifters that utilize the Karr effect or depletion effect appear electrically capacitive, so they require almost no power to change the oscillation conditions.

2 変調に伴つて、少数キヤリアの空間的な分布
を変化させないので、少数キヤリアの再拡散に
伴う変調遅れ、変調波形の歪が少ない。
2. Since the spatial distribution of minority carriers is not changed with modulation, there is less modulation delay and distortion of the modulated waveform due to re-spreading of minority carriers.

3 位相条件を変化させることにより、順方向通
電による変調では不可能であつた半導体レーザ
の周波数変調が可能となる。
3. By changing the phase condition, it becomes possible to modulate the frequency of the semiconductor laser, which was impossible with modulation by forward energization.

等の利点があり、特に本発明が提供する垂直発振
型レーザのように、従来の端面発光型(横型)レ
ーザに比べるとキヤビテイ長が短く、隣接する縦
モード間隔が広い構造においては、上記のような
各効果を伴つての位相変調方式は極めて有利であ
る。
In particular, in structures such as the vertical oscillation laser provided by the present invention, which has a shorter cavity length and a wider spacing between adjacent longitudinal modes than conventional edge-emitting (horizontal) lasers, A phase modulation method with such effects is extremely advantageous.

第16図は、第4図に示した垂直発振型レーザ
の上部および下部電極5,6をそれぞれ、5a〜
5d,6a〜6dにまで4分割した場合を示す。
例えば上部電極の5a,5bと、下部電極6b間
にバイアス電圧を加えた場合、上部および下部の
導電性反射層および活性層を流れる電流は、図中
の流線Aに示すように鉛直方向から傾く。従つ
て、活性層の上部では、右側での励起が強く、下
部では左側の励起が強くなるため、レーザ光の出
力は、若干斜に傾いてくる。また、レーザ光を鉛
直に出射したい場合には、4組の電極すべてに電
流を通じれば良い。
FIG. 16 shows upper and lower electrodes 5a to 5, respectively, of the vertical oscillation type laser shown in FIG.
This shows the case where the image is divided into four parts, 5d, 6a to 6d.
For example, when a bias voltage is applied between the upper electrodes 5a and 5b and the lower electrode 6b, the current flowing through the upper and lower conductive reflective layers and the active layer will flow from the vertical direction as shown by streamline A in the figure. Lean. Therefore, in the upper part of the active layer, the excitation on the right side is stronger, and in the lower part, the excitation on the left side is stronger, so that the output of the laser light is slightly tilted. Furthermore, if it is desired to emit laser light vertically, it is sufficient to pass current through all four sets of electrodes.

レーザの出射角度による発振しきい値を適当に
補正しながら、上部と下部電極の対を適当に選ん
でゆくと、第16図に示した構造で、任意の角度
にレーザ光を偏向させることが可能となる。
By appropriately selecting the pair of upper and lower electrodes while appropriately correcting the oscillation threshold depending on the laser emission angle, it is possible to deflect the laser beam to any angle with the structure shown in Figure 16. It becomes possible.

第17図は、前記垂直発振型レーザを用いて、
GaAs半絶縁性基板上にレーザマトリクスを作成
した実施例である。本実施例のレーザマトリクス
は、上部電極1、反射層2,4、活性層8からな
るレーザ本体2,3,4、n+導電層17、素子
分離用絶縁膜18およびGaAs半絶縁性基板19
とから構成されている。上部電極1とn+導電層
17との組み合わせを選ぶことにより、上部電極
1とn+導電層17が交叉した場所でのレーザ本
体2,3,4を順方向通電することができる。従
つて、n+導電層17の任意の本数に負電圧を加
えながら上部電極1を順次アース電位に保持して
ゆくと、水平方向のレーザアレイの発光パタンを
変化させながら順次垂直に掃引することができ
る。本実施例は8×8のマトリクスを形成した例
であるが、適当な駆動装置を使用して、例えば、
文字発生器に用いることができる。また、1024列
の一直線状のレーザアレイを用いて高速ラインプ
リンタあるいは、256×256のレーザアレイを用い
ることにより、画像パターン発生器や、立体ホロ
グラム発生器を構成することができる。
FIG. 17 shows that using the vertical oscillation laser,
This is an example in which a laser matrix was created on a GaAs semi-insulating substrate. The laser matrix of this example includes a laser body 2, 3, 4 consisting of an upper electrode 1, reflective layers 2, 4, and an active layer 8, an n + conductive layer 17, an insulating film 18 for element isolation, and a GaAs semi-insulating substrate 19.
It is composed of. By selecting a combination of the upper electrode 1 and the n + conductive layer 17, the laser bodies 2, 3, and 4 can be energized in the forward direction at the location where the upper electrode 1 and the n + conductive layer 17 intersect. Therefore, by sequentially holding the upper electrode 1 at ground potential while applying a negative voltage to any number of n + conductive layers 17, the light emitting pattern of the laser array in the horizontal direction can be sequentially swept vertically while changing the light emission pattern. I can do it. This example is an example in which an 8×8 matrix is formed, but by using an appropriate driving device, for example,
Can be used as a character generator. Further, by using a 1024-column linear laser array to construct a high-speed line printer or a 256×256 laser array, an image pattern generator or a three-dimensional hologram generator can be constructed.

以上述べたように、本発明は、ヘテロ半導体多
層膜を用いた垂直発振型半導体レーザとして、位
相整合条件を開示することにより、十分に実用的
なものを提供するもので、要すれば満足な長さの
レーザ長を確保できるし、発振しきい値電流特性
やスペクトラム特性をも大いに向上させることが
できる。さらには光共振器内に変調器を組込んだ
超高速変調レーザの実現をも可能とするものであ
る。
As described above, the present invention provides a fully practical vertical oscillation semiconductor laser using a hetero-semiconductor multilayer film by disclosing the phase matching conditions. The laser length can be secured, and the oscillation threshold current characteristics and spectrum characteristics can also be greatly improved. Furthermore, it also makes it possible to realize an ultrahigh-speed modulation laser that incorporates a modulator within an optical resonator.

したがつてまた、結局の所、本発明は、端面発
光型ないし横型半導体レーザとして従来実用化さ
れているフアブリペロー型、あるいはブラツグリ
フレクタ型半導体レーザに比較しても、出力、寿
命、発振波長安定性、集積の容易さ、製造時の歩
留り等、ほとんどすべての点で優れており、今後
半導体が進出するであろうすべての分野、例え
ば、光通信、ビデオデイスク、レーザプリンタ
ー、画像パターン発生器、パワーレーザ光メモリ
等で従来の構造を置き換えると思われる。
Therefore, in the end, the present invention has improved output, lifetime, and oscillation wavelength stability compared to Fabry-Perot or Bratz reflector semiconductor lasers that have been put to practical use as edge-emitting or horizontal semiconductor lasers. It is superior in almost all aspects such as performance, ease of integration, and manufacturing yield, and is suitable for all fields in which semiconductors will expand in the future, such as optical communications, video disks, laser printers, image pattern generators, It is thought that the conventional structure will be replaced with power laser light memory and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の垂直発振型レーザの概略構成
図、第2図は同垂直発振型レーザの様々な屈折率
及びバンド図、第3図は異なる電流注入構造の概
略構成図、第4図は一実施例の斜視図的な概略構
成図、第5図は第4図示構成の一実施例における
バンド図、第6図は第2図a、第3図bに示した
構成による実施例の概略構成図、第7,8図は第
4〜6図示構成による実施例のリフレクタの重畳
回数と共振器損失の説明図、第9図は発振波長対
共振器損失の説明図、第10図は各実施例におけ
る共振曲線図、第11図は第10図中の波長
900nm付近の拡大説明図、第12図は他の実施例
の共振曲線図、第13図は第12図中のピーク付
近の拡大説明図、第14図は量子井戸を持つ実施
例の屈折率及びバンドの説明図、第15図は移相
器を有する実施例の概略構成図、第16図はレー
ザ光偏向能を有する実施例の概略構成図、第17
図は本発明レーザにてレーザマトリクスを組んだ
応用例の概略構成図、である。 図中、1は上部リフレクタ、2は活性層、3は
下部リフレクタ、4は基板、5はリフレクタを構
成する高屈折率媒質、6は低屈折率媒質、7はレ
ーザ光ないしその出射方向、8はp型拡散領域、
9はn型拡散領域、10は量子井戸、11は移相
器用pn接合、12は変調器用電極、13は変調
器用p型電極、14はn型拡散層、15はp型拡
散層、16はAlGaAs絶縁層、17はn+導電層、
18は分離用絶縁膜、19はGaAs半絶縁性基
板、である。
Fig. 1 is a schematic diagram of the vertical oscillation type laser of the present invention, Fig. 2 is a diagram of various refractive indexes and band diagrams of the vertical oscillation type laser, Fig. 3 is a schematic diagram of the configuration of different current injection structures, and Fig. 4 5 is a band diagram of an embodiment of the configuration shown in FIG. Schematic configuration diagram, Figures 7 and 8 are explanatory diagrams of the number of overlaps of the reflector and resonator loss of the embodiment according to the configuration shown in Figures 4 to 6, Figure 9 is an explanatory diagram of oscillation wavelength versus resonator loss, and Figure 10 is an explanatory diagram of the resonator loss versus oscillation wavelength. Resonance curve diagrams for each example, Figure 11 is the wavelength in Figure 10
An enlarged explanatory diagram around 900 nm, Fig. 12 is a resonance curve diagram of another example, Fig. 13 is an enlarged explanatory diagram of the vicinity of the peak in Fig. 12, and Fig. 14 is an explanatory diagram of the refractive index of an example with quantum wells. An explanatory diagram of the band, FIG. 15 is a schematic diagram of an embodiment having a phase shifter, FIG. 16 is a schematic diagram of an embodiment having a laser beam deflection ability, and FIG.
The figure is a schematic configuration diagram of an application example in which a laser matrix is assembled using the laser of the present invention. In the figure, 1 is an upper reflector, 2 is an active layer, 3 is a lower reflector, 4 is a substrate, 5 is a high refractive index medium constituting the reflector, 6 is a low refractive index medium, 7 is a laser beam or its emission direction, 8 is a p-type diffusion region,
9 is an n-type diffusion region, 10 is a quantum well, 11 is a pn junction for a phase shifter, 12 is an electrode for a modulator, 13 is a p-type electrode for a modulator, 14 is an n-type diffusion layer, 15 is a p-type diffusion layer, 16 is a AlGaAs insulating layer, 17 is n + conductive layer,
18 is an isolation insulating film, and 19 is a GaAs semi-insulating substrate.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 半導体基板上に、該基板の主面に対して縦方
向に連続的に形成された下部リフレクタ、活性
層、上部リフレクタを有し、該下部及び上部リフ
レクタは、レーザ光の媒質内波長の1/4の整数倍
の膜厚を有するヘテロ半導体薄膜の多層構造から
成り、かつ、上記活性層の厚さはレーザ光の媒質
内波長の1/2の整数倍であることを特徴とする垂
直発振型半導体レーザ。 2 活性層の屈折率の基本周期が、同一のレーザ
共振器内で変化することを特徴とする特許請求の
範囲1に記載の垂直発振型半導体レーザ。 3 ヘテロ半導体薄膜の多層構造における屈折率
の厚さ方向の分布周期が同一レーザ共振器内で変
化することを特徴とする特許請求の範囲1に記載
の垂直発振型半導体レーザ。 4 活性層は1/4管内波長を基本周期とした屈折
率分布を持ち、内部に1/2管内波長の整数倍の厚
さの移相板を含むことを特徴とする特許請求の範
囲1に記載の垂直発振型半導体レーザ。 5 上部および下部リフレクタの屈折率の基本周
期と、活性層の屈折率の基本周期が同一レーザ共
振器内で変化することを特徴とする特許請求の範
囲1に記載の垂直発振型半導体レーザ。 6 活性層は左右に併置された関係のp型、n型
半導体により構成され、それらにより構成される
活性層内pn接合は、レーザ光に平行に、かつ基
板に対しては垂直に伸びていて、該pn接合を介
しての上記活性層に対するキヤリア注入は、基板
に平行な横方向に行なわれることを特徴とする特
許請求の範囲1から5までのどれか一つに記載の
垂直発振型半導体レーザ。 7 ヘテロ半導体薄膜の多層構造の少なくとも一
部が活性層と同一の半導体材料で構成され、この
同一の半導体材料部分にも少数キヤリアを注入す
ることにより、反射層を構成する該多層構造部分
にても利得を持たせたことを特徴とする特許請求
の範囲1から6までのどれか一つに記載の垂直発
振型半導体レーザ。 8 レーザ共振器内部にあつて活性層に隣接した
部位に電気的に制御可能な移相器を設置し、高速
変調機能を有することを特徴とする特許請求の範
囲1から7までのどれか一つに記載の垂直発振型
半導体レーザ。 9 半導体pn接合の逆バイアス条件時に発生す
る空乏層を移相器として用いたことを特徴とする
特許請求の範囲8に記載の垂直発振型半導体レー
ザ。 10 移相器は活性層に隣接した部位においてマ
トリツクス状に設けられていることを特徴とする
特許請求の範囲8または9に記載の垂直発振型半
導体レーザ。
[Scope of Claims] 1. A semiconductor substrate has a lower reflector, an active layer, and an upper reflector that are continuously formed in the vertical direction with respect to the main surface of the substrate, and the lower and upper reflectors are configured to absorb laser light. consisting of a multilayer structure of hetero semiconductor thin films having a film thickness that is an integral multiple of 1/4 of the wavelength within the medium of the active layer, and the thickness of the active layer is an integral multiple of 1/2 of the wavelength within the medium of the laser beam. A vertical oscillation type semiconductor laser featuring: 2. The vertical oscillation semiconductor laser according to claim 1, wherein the fundamental period of the refractive index of the active layer changes within the same laser resonator. 3. The vertical oscillation type semiconductor laser according to claim 1, wherein the distribution period of the refractive index in the thickness direction in the multilayer structure of the hetero semiconductor thin film changes within the same laser resonator. 4. Claim 1, characterized in that the active layer has a refractive index distribution with a basic period of 1/4 internal wavelength, and includes therein a phase shift plate having a thickness that is an integral multiple of 1/2 internal wavelength. The vertical oscillation semiconductor laser described above. 5. The vertical oscillation type semiconductor laser according to claim 1, wherein the fundamental period of the refractive index of the upper and lower reflectors and the fundamental period of the refractive index of the active layer change within the same laser resonator. 6 The active layer is composed of p-type and n-type semiconductors placed side by side on the left and right, and the pn junction in the active layer composed of them extends parallel to the laser beam and perpendicular to the substrate. , wherein the carrier injection into the active layer via the pn junction is performed in a lateral direction parallel to the substrate. laser. 7 At least a part of the multilayer structure of the hetero semiconductor thin film is made of the same semiconductor material as the active layer, and by injecting minority carriers also into this same semiconductor material part, the multilayer structure forming the reflective layer is 7. The vertical oscillation type semiconductor laser according to claim 1, wherein the vertical oscillation type semiconductor laser has a gain. 8. Any one of claims 1 to 7, characterized in that an electrically controllable phase shifter is installed in a portion adjacent to the active layer inside the laser resonator and has a high-speed modulation function. The vertical oscillation semiconductor laser described in . 9. The vertical oscillation type semiconductor laser according to claim 8, characterized in that a depletion layer generated under reverse bias conditions of a semiconductor pn junction is used as a phase shifter. 10. The vertical oscillation semiconductor laser according to claim 8 or 9, wherein the phase shifters are provided in a matrix in a portion adjacent to the active layer.
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