KR0128711B1 - Semiconductor lasers - Google Patents
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- H01S5/223—Buried stripe structure
- H01S5/2231—Buried stripe structure with inner confining structure only between the active layer and the upper electrode
Abstract
본 발명은 반도체레이저에 관한 것으로서, 제1의 클레드층과 활성층과 제2의 클레드층과 전류통로를 제한하는 동시에 상기 활성층으로부터 발진하는 광에 대한 광흡수층이 순차 접하여 배설되며, 이 광흡수층에는 전류통로를 형성하는 스트라이프형의 제거부가 형성되고, 이 제거부의 폭 W와 상기 활성층의 두께 d1와 상기 활성층과 상기 광흡수층과의 거리 d2가 각각 W=1~4㎛, d1 500Å, d2=0.2~0.7㎛로 선정된 것이며, 모드호핑노이즈가 없고, 또한 이득가이드형에 비해 노이즈 및 Ith의 저감화, 화필드 패턴의 개선을 도모함으로써 예를 들면 비디오디스크, 디지탈오디오디스크의 기입, 독출광원으로서 이용하여 해상도 및 S/N의 향상과 함께 광학계의 구성의 간략화를 도모할 수 있는 등 많은 이익이 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser, in which a first absorbing layer, an active layer, a second cladding layer, and a current path are restricted, and a light absorbing layer for light emitted from the active layer is sequentially disposed in contact with the light absorbing layer. The stripe-shaped removal portion forming a current path is formed in the width W, the width W of the removal portion, the thickness d 1 of the active layer, and the distance d 2 of the active layer and the light absorption layer are W = 1 to 4 μm, d 1 , respectively. 500 Å, d 2 = 0.2 ~ 0.7㎛, it has no mode hopping noise, and compared with gain guide type, it aims to reduce noise and Ith and improve the field pattern, for example of video disc and digital audio disc. There are many advantages, such as being able to use as a writing and reading light source, to improve the resolution and S / N, and to simplify the structure of the optical system.
Description
제1도는 종래의 반도체레이저의 약선적 확대단면도.1 is an enlarged cross sectional view of a conventional semiconductor laser device.
제2도는 반도체레이저의 순방향전류에 대한 노이즈레벨과 파워를 나타낸 곡선도.2 is a curve diagram showing the noise level and power with respect to the forward current of the semiconductor laser.
제3도는 본 발명에 의한 반도체레이저의 일예의 약선적 확대단면도.3 is a schematic enlarged cross-sectional view of an example of a semiconductor laser of the present invention.
제4도는 광흡수층의 제거부의 폭에 대한 한계치전류밀도의 관계를 나타낸 곡선도.4 is a curve diagram showing the relationship between the threshold current density and the width of the removal portion of the light absorption layer.
제5도는 활성층으로부터의 광의 삼출의 분포곡선도.5 is a distribution curve of the exudation of light from the active layer.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
31 : 기체 32,34 : 제 1 및 제 2의 클레드층31
33) : 활성층 35 : 광흡수층33): active layer 35: light absorption layer
35a : 제거부 36 : 캡층35a: Remover 36: Cap Layer
37,38 : 전극.37,38: electrode.
본 발명은 반도체레이저에 관한 것이다. 종래, 일반의 반도체레이저는 그 종(縱)모드의 광 및 캐리어의 폐입(閉入)기구에 의해 굴절율가이드(인덱스가이드)형과 이득가이드(게인가이드)형으로 대별된다.The present invention relates to a semiconductor laser. 2. Description of the Related Art A conventional semiconductor laser is roughly classified into a refractive index guide (index guide) type and a gain guide (gain guide type) type by a closing mode of light and carrier in its longitudinal mode.
굴절율가이드형의 반도체레이저로서, 예를 들면 제1도에 나타낸 구조의 것이 제안되어 있다. 이 반도체레이저는 예를 들면 N형의 GaAs 기체(基體)(1)상에 N형의 AlzGal-zAs로 이루어지는 제1의 클래드층(2)과 P형 또는 N형의 AlxGal-xAs로 이루어지는 활성층(3)과 P형의 AlzGal-zAs로 이루어지는 제2의 클래드층(4)과 이 제2의 클래드층(4)내에 매입된 N형의 AlyGal-yAs로 이루어지는 광흡수층(5)과 P형의 고불순물농도의 캡층(6)을 가지고 이루어진다. 광흡수층(5)은 예를 들면 그 중앙에 제1도에 있어서 지면(紙面)과 직교하는 방향으로 연장되는 폭 W의 스트라이프형으로 이 광흡수층(5)이 제거된 제거부(5a)를 가지고 이루어진다. 이 광흡수층(5)은 그 금지대폭(禁止帶幅)이 활성층(3)의 그것보다 작아서, 활성층(3)의 발광영역으로부터 발진한 광에 대한 굴절율이 발광영역, 즉 활성층(3)보다 높아지도록 그 조성이 선정되어 이루어진다. 즉 전술한 각 층(3) 및 (5)의 조성에 있어서, xy로 선정된다. 도면에 있어서, (7) 및 (8)은 각각 캡층(6)과 기체(8)에 오믹(Ohmic)으로 피착된 전극을 나타낸다.As a refractive index guide type semiconductor laser, for example, one having a structure shown in FIG. 1 is proposed. This semiconductor laser comprises, for example, a
이와 같은 구성에 있어서 전극(7) 및 (8) 사이에 소정의 순방향전압을 인가하면, 제 1 및 제 2의 클래드층(2) 및 (4)에 의해 폐입된 활성층(3)에 있어서 발광한다. 이 경우, 이 활성층(3)과 광흡수층(5)과의 사이의 간격 d2을 활성층(3)으로부터 발진한 광이 광흡수층(5)에 도달할 수 있는 거리의 예를 들면 d2=0.3~0.4㎛ 정도로 선정해 두는 것으로서, 이와 같이 할 때는 광흡수층(5)에 삼출(渗出)된 활성층(3)으로부터의 광이 이 광흡수층(5)에 있어서 흡수되므로, 이 광흡수층(5)하에 있어서의 부분과 광흡수층(5)이 존재하지 않는 중앙의 스트라이프형의 제거부(5a)에 대응하는 부분의 광의 흡수가 거의 생기지 않는 부분에서, 실효굴절율의 차, 즉 횡방향으로 조정된 굴절율의 차n가 형성된다. 이 경우, 광흡수층(5)의 스트라이프형의 제거부(5a)의 폭 W은 5~8㎛로 선정되며, 전술한 거리 d2의 선정과 함께 활성층(3)에 있어서의 제거부(5a)와 정면대응하는 부분(이하 중앙부분이라고 함)의 겉절을 n1과 그 양측부의 굴절율 n2과의 차n=n1-n2a가 예를 들면 +10-2~10-3이 얻어지도록 한다. 이와 같이하여 활성층(3)에 있어서, 제거부(5a)에 대향하는 중앙부분에 횡발진형태의 폐입의 효과가 생기게 하여, 여기에 발광영역의 규제가 생기도록 하고 있다.In such a configuration, when a predetermined forward voltage is applied between the
그리고, 굴절율가이드형 반도체레이저로서는, 광흡수층(5)이 매입된 구조뿐만 아니고, C.S.P(채널드서브스트레이트 플레이너)로서 알려져 있는 일본국 특개소 52-143,787호 공개공보에 개시된 것에 있어서와 같이, 예를 들면 기체(1)를 광흡수층으로 하는 구조를 채용할 경우에도 전술한 바와 같은 동작으로서 설명된다.As the refractive index guide type semiconductor laser, not only the structure in which the
전술한 바와 같이, 제1도의 구조에 있어서의 굴절율가이드형의 반도체레이저가 구성되는 것이지만, 이 구조에 있어서, 이득가이드형으로 구성할 수도 있다. 즉, 제1도의 구조에 있어서, 그 광흡수층(5)은 제2의 클레드층(4)과는 상이한 도전형으로 선정되어 있으므로 이 광흡수층(5)이 존재하는 부분에 있어서, P-N-P-N의 다이리스터구조가 형성되어 전류의 통로가 제한되는 효과도 갖고 있으므로, 이 광흡수층(5)을 전류제한영역으로서 이용하여, 이득가이드형 구성으로 할 수도 있다. 즉, 정성적(定性的)으로 설명하면, 전술한 굴절율가이드형에 비해 제거부(5a)의 폭 W을 작게 하여 스트라이프부에 강한 전류집중이 생기게 하거나, 활성층(3)의 두께 d1를 크게 하거나, 활성층(3)과 전류제한영역(즉 광흡수층)(5)과의 사이의 거리 d2를 크게 하거나 하는 구성으로 하여 광흡수층(5)에 의한 활성층(3)으로부터의 광의 흡수효과의 저감화를 도모함으로써 주입캐리어에 의한 마이너스의 굴절율변화분-ne이 조정된 굴절율의 변화분n 에 비해 지배적으로 되도록 하여, 활성층(3)의 중앙부와 양측부와의 실효굴절율의 차 (여기서 ≡n-ne)가 -10-2~10-3정도로 되도록 하면, 이득가이드형 구성으로 된다.As mentioned above, although the refractive index guide type semiconductor laser in the structure of FIG. 1 is comprised, you may comprise a gain guide type in this structure. That is, in the structure of FIG. 1, since the
그러나, 전술한 굴절율가이드형의 반도체레이저도, 이득가이드형의 반도체레이저도 각각 장단점을 가지며, 예를 들면 비디오디스크의 기입 및 독출광원으로서 이용할 경우 등에 있어서, 모두 문제점이 있는 것이다.However, the above-mentioned refractive index guide semiconductor lasers and gain guide semiconductor lasers each have advantages and disadvantages, and both have problems, for example, when used as a write and read light source of a video disc.
즉, 굴절율가이드형에 의한 것에 있어서는, 그 종모드가 단일모드이미로 예를 들면 광학식비디오디스크 등에 있어서의 그 기입 또는 독출용 광원으로서 이용한 경우에 귀환광에 의한 모드호핑노이즈가 생긴다고 하는 결점이 있다. 제2도는 반도체레이저에 대한 순방향전류에 대한 노이즈를 측정한 결과를 나타낸 것으로서, 도면중 곡선(21)은 굴절율가이드형의 반도체레이저의 그것이고, 이로써 명백한 바와 같이 모드호핑노이즈가 생기고 있다. 그러나, 반면 이 굴절율가이드형에 의한 것은 이른바 빔웨이스트위치(beam waist position)가 발광영역의 광단면 근방에 존재하므로 실제의 사용시에 있어서의 원거리상(遠距離像), 이른바 화필드패턴(far field pattern)이 좌우대칭적이며 마찬가지로 예를 들면 실제의 사용에 있어서의 독출 또는 기입광으로서 왜곡이 작은 스포트형상을 얻기 쉽다고 하는 이점이 있다. 이에 비해 전술한 이득가이드형 반도체레이저에 있어서는, 빔웨이스트위치가 발광영역의 광단면보다 내측 20㎛정도의 곳에 존재하게 되며, 또한 화필드패턴이 좌우비대칭의 경우가 많고, 또한 비점수차(非点收差)가 크며 스포트왜곡이 비교적 커진다고 하는 결점이 있다. 그리고, 이 이득가이드형 반도체레이저는 제2도중 곡선(22)으로 그 노이즈특성을 나타낸 바와 같이, 노이즈레벨은 곡선(21)에 의한 굴절율가이드형의 경우에 비해 높지만, 그 종모드가 멀티모드이므로 귀환광에 의한 모드호핑노이즈가 생기지 않는다고 하는 이점을 갖는다.In other words, the refractive index guide type has a drawback that mode hopping noise due to feedback light occurs when the longitudinal mode is a single mode, for example, when used as a light source for writing or reading in an optical video disc. . FIG. 2 shows the results of measuring the noise of the forward current with respect to the semiconductor laser, and the
본 발명은 전술한 굴절율가이드형 반도체레이저와 이득가이드형 반도체레이저의 말하자면 중간적 특성을 갖는 반도체레이저를 제공하며, 양자의 이점을 살려서, 양자의 결점을 상호 보완하도록 하여 특히 저노이즈화를 도모하고, 예를 들면 광학식 비디오디스크 또는 디지탈오디오디스크 등의 기입 또는 독출 광원으로서 이용하기에 적합하게 한 것이다.The present invention provides a semiconductor laser having the intermediate characteristics of the above-mentioned refractive index guide type laser and gain guide type semiconductor laser, taking advantage of both of them, and complementing the drawbacks of both, thereby achieving particularly low noise, For example, it is suitable for use as a writing or reading light source such as an optical video disk or a digital audio disk.
본 발명에 있어서는 제1의 클래드층과 활성층과 제2의 클래드층과 전류통로를 제한하는 동시에 활성층으로부터 발진하는 광에 대한 광흡수층을 순차 접하여 배설하고, 광흡수층에는 전류통로를 형성하는 스트라이프형의 제거부를 형성하고, 이 제거부의 폭 W과 활성층의 두께 d1와 활성층과 광흡수층과의 사이의 거리 d2를 각각 W=1~4㎛, d1 500Å, d2=0.2~0.7㎛로 선정하는 것이다.In the present invention, the first cladding layer, the active layer, the second cladding layer, and the current path are restricted, and the light absorbing layer for light emitted from the active layer is sequentially disposed in contact with each other. The removal portion was formed, and the width W of the removal portion, the thickness d 1 of the active layer, and the distance d 2 between the active layer and the light absorbing layer were W = 1 to 4 µm and d 1 , respectively. 500 Å, d 2 = 0.2 ~ 0.7㎛.
다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 도면에 따라서 상세히 설명한다.Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
제3도를 참조하여 본 발명의 일예에 대하여 설명한다. 이 예는 제1도에서 설명한 바와 마찬가지로, 일도전형 예를 들면 N형의 GaAs 기체(基體)(31)상에 N형의 AlzGal-zAs로 이루어지는 제1의 클래드층(32)과 P형 또는 N형의 AlxGal-xAs로 이루어지는 활성층(33)과 제1의 클래드층(32)과는 상이한 다른 도전형의 P형의 AlzGal-zAs로 이루어지는 제2의 클래드층(34)과 AlyGal-yAs로 이루어지며, 전류통로를 제한하는 효과를 갖는 동시에 활성층(33)으로부터의 광을 흡수하는 광흡수층(35)과 제2의 클래드층(34)과 동일 도전형 P형의 고불순물농도의 캡층(36)을 배설한다.An example of the present invention will be described with reference to FIG. This example is similar to that illustrated in FIG. 1, and the
광흡수층(35)은 제2의 클래드층(34)과는 상이한 도전형, 이 예에서는 N형을 가지며, 이 클래드층(34)을 통해 활성층(33)과 거리 d2를 두고 대향하도록, 예를 들면 클래드층(34)내에 매입되도록 형성한다. 또, 이 광흡수층(35)의 예를 들면 그 중앙에는 제3도에 있어서 지면(紙面)과 직교하는 방향으로 연장되는 폭의 스트라이프형으로 이 광흡수층(35)이 제거된 제거부(35a)를 형성한다.The
클래드층(32) 및 (34)은 그 금지대폭이 활성층(33)의 그것보다 커지도록 zx로 선택된다. 또, 광흡수층(35)은 그 금지대폭의 활성층(33)의 그것보다 작으며, 활성층(33)의 발광영역으로부터 발진한 광에 대한 굴절율이 발광영역, 즉 활성층(33)보다 높아지도록 그 조성이 선정되어 이루어진다. 즉, 전술한 각 활성층(33) 및 광흡수층(35)의 조성에 있어서, xy로 선정된다. 그리고 캡층(36)과 기체(31)에 각각 오믹으로 전극(37) 및 (38)이 피착된다.The
그리고, 이 구조에 있어서, 광흡수층(35)의 제거부(35a)의 폭 W을 W =1~4㎛, 바람직하게는 2~4㎛로 선정하고, 활성층(33)의 두께 d1를 d1 500Å , 바람직하게는 1500Åd1700Å로 선정하고, 활성층(33)과 광흡수층(35)과의 간격 d2을 d2=0.2~0.7㎛, 바람직하게는 0.3~0.5㎛로 선정한다.In this structure, the width W of the removal portion 35a of the
이 구성에 의한 반도체레이저에 있어서, 전극(37) 및 (38) 사이에 순방향전압을 인가했을 때의 양전극(37) 및 (38) 사이의 순방향 전류 I에 대한 노이즈특성은 제2도중 곡선(23)으로 나타낸 바와 같이 된다. 그리고, 제2도중 곡선(24)은 전류 I와 파워 P와의 관계를 나타낸다.In the semiconductor laser having this configuration, the noise characteristic of the forward current I between the
곡선(23)을 곡선(22)과 비교하여 명백한 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체레이저는 이득가이드형 반도체레이저에 비해 그 노이즈레벨이 저감화되어 있다. 즉, 이제 예를 들면 5mW의 파워로 사용할 경우를 생각하면, 이 때 통하는 전류 I1에서 곡선(22)과 (23)과의 차를 보면 약 5dBm로 된다. 즉, 5mW의 출력에서의 사용시에서 본 발명에 의할 때는 이득가이드형 구성에 비해 약 5dBm의 노이즈의 저감화를 도모할 수 있게 된다. 그리고, 본 발명에 의한 반도체레이저에서는, 곡선(23)을 보아 명백한 바와 같이 곡선(21)에서 생기고 있는 것과 같은 모드호핑노이즈의 발생도 볼 수 있다. 즉, 본 발명의 구성에 의한 경우, 종래의 굴절율가이드형과 이득가이드형과의 중간적인 광 및 캐리어의 폐입양태에 의해 자여발진(自勵發振)이 생기고 있는 것으로 생각된다. 즉, 본 발명에 의한 반도체레이저에 있어서는 전술한 가 종래의 굴절율가이드형이나 이득가이드형의 각 반도체레이저에 비해, 플러스 또는 마이너스의 매우 작은 값의 영역에서 동작하고 있다고 생각된다.As is apparent from comparing the
또, 본 발명에 의한 반도체레이저는 이득가이드형에 비해, 화필드패턴의 대칭성의 개선도 도모할 수 있어서 빔스포트경이 작아지는 것이며, 이 때문에 실질적으로 그 한계치전류의 저감화가 도모할 수 있었다. 이들에 대하여도, 본 발명에 의한 반도체레이저가 굴절율가이드형과 이득가이드형의 중간적 동작에 의한 것으로서 이해할 수 있는 것이다.In addition, the semiconductor laser according to the present invention can improve the symmetry of the field field pattern compared to the gain guide type, and thus the beam spot diameter is reduced, thereby substantially reducing the threshold current. Also with respect to these, the semiconductor laser according to the present invention can be understood as being an intermediate operation between the refractive index guide type and the gain guide type.
그리고, 전술한 모드호핑노이즈의 해소, 저노이즈화, 한계치전류의 저감화, 화필드패턴의 개선은 광흡수층(35)의 제거부(35a)의 폭 W, 활성층(33)과 광흡수층(35)과의 거리 d2, 활성층(33)의 두께 d1의 3자를 동시에 특정함으로써, 즉 W=1~4㎛, 바람직하게는 W=2~4㎛, d1 500Å(바람직하게는 1500Åd1700Å), d2=0.2~0.7㎛(바람직하게는 d2=0.3~0.5㎛)로 함으로써 얻어진다. 다음에, 이들에 대해 고찰하면, 이제 광흡수층(35)의 제거부(35a)의 폭 W에 대하여 보면, 전술한 바와 같이 W가 크다고 하면 전류집중이 약해지므로 캐리어의 주입에 의한 굴정율변화┃ne┃가 작아지며, 또한 W를 크게 하면, 조정된 굴절율의 변화가 지배적으로 되어 굴절율가이드형의 동작으로 되지만, 이 W는 반도체레이저의 발진의 한계치전류 Ith를 결정하는 한 인자로도 되어 있다. 즉, 한계치전류 Ith는 한계치전류 밀도 Jth와 발광영역의 면적의 적(積)으로서 주어지므로, W가 커질 때 발광영역의 폭, 따라서 면적이 커져서, Ith를 커지게 하지만, 한편 Jth와 W는 제4도에 나타낸 바와 같이 W가 커지면, Jth가 작은 값을 나타내므로, W가 어떤 범위에서 한계치전류 Ith를 작게 억제할 수 있는 것이며, 여기서 Ith의 저감화에 있어서도 W의 선정은 중요한 인자로 된다.In addition, the above-mentioned mode hopping noise reduction, low noise reduction, limit current reduction, and fire field pattern improvement include the width W of the removal portion 35a of the
또한, 활성층(33)의 두께 d1는이것을 크게 하면, 발광영역의 면역의 증가를 초래함으로써 전술한 바와 같이 Ith의 증가를 초래하므로, Ith의 저감화에서는 이것이 지나치게 크지 않을 것이 요망된다. 그리고, 이제 활성층(33)으로부터의 클래드층(32) 및 (34)에의 광의 삼출에 대하여 보면, 이것은 제5도에 나타낸 바와 같이 d1이 작을 때에는 이 도면중 곡선(51)으로 나타낸 바와 같은 급경사의 분포를 나타내며, d1이 클 때에는 이 도면중 곡선(52)으로 나타낸 바와 같이 완경사의 분포로 되므로, d1이 커질 때 광흡수층(35)에 의한 광흡수의 효과가 작아져서 이득가이드형동작, 즉 모드호평노이즈의 발생을 회피할 수 있게 된다.In addition, when the thickness d 1 of the active layer 33 is increased, it causes an increase in the Ith as described above by causing an increase in the immunity of the light emitting region. Therefore, it is desired that this is not too large in reducing the Ith. And now with respect to the outflow of light from the active layer 33 to the cladding layers 32 and 34, this is a steep slope as indicated by the
또한, 활성층(33)과 광흡수층(35)과의 간격 d2도 활성층(33)으로부터의 광을 광흡수층(35)에 의해 흡수하는 효과를 결정하는 것이며, d2가 작으면 광의 흡수효과가 커져서, 굴절율가이드형이 강해지며, d2가 커지면 흡수효과가 감소 내지는 소멸하여 이득가이드형으로 된다.The distance d 2 between the active layer 33 and the
이러한 것으로부터 전술한 W와 d1과 d2가 동시에 특정되어서, 전술한 모드호핑노이즈의 발생이 없고, 또한 이득가이드형에 비해 낮은 노이즈레벨을 나타내며, 또 그 한계치전류 Ith는 이득가이드형의 그것의 Ith에 비해 낮고, 화필드패턴의 개선을 도모할 수 있다.From this, the above-described W, d 1 and d 2 are simultaneously specified, resulting in no occurrence of the mode hopping noise described above, and showing a lower noise level than the gain guide type, and the threshold current Ith is that of the gain guide type. It is lower than Ith, and the field pattern can be improved.
전술한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면 모드호핑노이즈가 없고, 또한 이득가이드형에 비해 노이즈 및 Ith의 저감화, 화필드패턴의 개선을 도모함으로써 예를 들면 비디오디스크, 디지탈오디오디스크의 기입, 독출광원으로서 이용하여 해상도 S/N의 향상과 함께 광학계의 구성의 간략화를 도모할 수 있는 등 많은 이익을 가져오는 것이다.As described above, according to the configuration of the present invention, there is no mode hopping noise, and compared with the gain guide type, the reduction of noise and Ith and the improvement of the field pattern are achieved, for example, writing and reading of a video disc and a digital audio disc. The use as a light source brings about a lot of benefits, such as the improvement of the resolution S / N and the simplification of the structure of the optical system.
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