JP2002368341A - Semiconductor laser element and exciting light source using the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は多重量子井戸(mult
iple quantum well:MQW)構造を有する活性層(発
光領域)を備えたタイプの半導体レーザ素子に関する。
更に詳しくは、キャリア注入効率が高く、そして高光出
力動作を実現するMQW半導体レーザ素子に関する。本
発明は、また、それを用いた励起用光源に関する。The present invention relates to a multiple quantum well (mult)
The present invention relates to a semiconductor laser device having an active layer (light emitting region) having an iple quantum well (MQW) structure.
More specifically, the present invention relates to an MQW semiconductor laser device having a high carrier injection efficiency and realizing a high light output operation. The present invention also relates to an excitation light source using the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】MQW構造を活性層(発光領域)とする
半導体レーザ素子は、バルク活性層を有する半導体レー
ザ素子に比べて低いしきい値電流で発振し、また高光出
力動作が可能であることが知られている。このような公
知のMQW構造のレーザ素子の断面構造の1例を図1
(a)に示す。2. Description of the Related Art A semiconductor laser device having an MQW structure as an active layer (light emitting region) oscillates at a lower threshold current and can operate at a higher light output than a semiconductor laser device having a bulk active layer. It has been known. FIG. 1 shows an example of a cross-sectional structure of such a known MQW laser device.
(A).
【0003】図1(a)で示したレーザ素子は、例示で
はn型半導体である半導体基板の上に公知の方法を用い
て形成される多数の半導体層から成る。各種の層は、n
型の下部クラッド層2A、ノンドープの下部光閉じ込め
層3A、活性層4、ノンドープの上部光閉じ込め層3
B、p型の上部クラッド層2B、およびp型のキャップ
層5を含む。これらの層は、基板1の上に、例えば有機
金属化学気相成長(MOCVD)法のような公知のエピ
タキシャル結晶成長方法のいずれかで順次形成される。
更に、n型の下部電極6Aが基板1の下側の面に形成さ
れ、またp型の上部電極がキャップ層5の上に形成され
ている。The laser device shown in FIG. 1A is composed of a large number of semiconductor layers formed on a semiconductor substrate, which is illustratively an n-type semiconductor, using a known method. The various layers are n
Type lower cladding layer 2A, undoped lower optical confinement layer 3A, active layer 4, undoped upper optical confinement layer 3
B, a p-type upper cladding layer 2 </ b> B, and a p-type cap layer 5. These layers are sequentially formed on the substrate 1 by any of known epitaxial crystal growth methods such as a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.
Further, an n-type lower electrode 6A is formed on the lower surface of the substrate 1, and a p-type upper electrode is formed on the cap layer 5.
【0004】図1(a)で示したように、活性層4と、
隣接する光閉じ込め層3A,3Bは、常法のホトリソグ
ラフィー技術を用いて、長いメサ構造に形成される。つ
いで、電流狭搾用の、p型半導体層7Aとn型半導体層
7Bが、駆動時に、電流を狭い領域に注入するために、
メサ構造と隣接した場所に形成される。得られた構造物
はついで劈開され、一方の劈開面に形成され、発光に用
いる前端面(S1)と、反対側の劈開面に形成される後
端面(S2)とを有する所定長さの共振器長(L)のレ
ーザ素子にする。前端面S1は、共振器の前面からの発
光を促進するための低反射膜を備え、また後端面は、背
面からの発光を抑制するための高反射膜を備えている。As shown in FIG. 1A, the active layer 4
The adjacent light confinement layers 3A and 3B are formed in a long mesa structure using a conventional photolithography technique. Next, the p-type semiconductor layer 7A and the n-type semiconductor layer 7B for current narrowing are used to inject a current into a narrow region during driving.
It is formed adjacent to the mesa structure. The obtained structure is then cleaved and formed on one cleavage plane, and has a predetermined length having a front end face (S 1 ) used for light emission and a rear end face (S 2 ) formed on the opposite cleavage plane. Laser element having a cavity length (L) of The front end face S1 has a low reflection film for promoting light emission from the front face of the resonator, and the rear end face has a high reflection film for suppressing light emission from the back face.
【0005】活性層4は、半導体材料から成る交互の井
戸層のヘテロ接合から本質的には構成されるMQW構造
を有するように設計されることが知られている。各ヘテ
ロ接合は、一対の半導体層、すなわち、狭いバンドギャ
ップエネルギーの井戸層と、障壁層で構成される。障壁
層のバンドギャップエネルギーは、井戸層のそれよりも
広い。MQW構造における各種の構成層(sub-layers)
のそれぞれの厚みは数nmである。It is known that the active layer 4 is designed to have an MQW structure consisting essentially of a heterojunction of alternating well layers of semiconductor material. Each heterojunction is composed of a pair of semiconductor layers, that is, a well layer having a narrow band gap energy and a barrier layer. The bandgap energy of the barrier layer is wider than that of the well layer. Various sub-layers in MQW structure
Have a thickness of several nm.
【0006】活性層4に隣接する下部および上部光閉じ
込め層3A,3Bのそれぞれは、活性層4で発生したレ
ーザ光の閉じ込めを強め、そのことによりレーザ素子の
外部微分量子効率を高めて高光出力動作を達成するため
に、分離閉じ込めヘテロ接合構造(SCH)を有するよ
うに設計されている。図1(a)のレーザ素子は、パッ
ケージ内に配置されて、光通信システムの信号光源とし
て、またはエルビウムドープファイバ増幅器(EDF
A)やラマン増幅器のような光ファイバ増幅器を励起す
るための光源として好適なレーザモジュールに組み立て
られることが知られている。パッケージ内では、レーザ
素子はペルチェ素子から成る冷却素子と熱的に結合され
る。更に、このパッケージは、発生熱と光出力を監視し
て制御し、また光ファイバへのレーザ出力の良好な光結
合を確実にするために、公知の素子を備えている。Each of the lower and upper light confinement layers 3A and 3B adjacent to the active layer 4 enhances the confinement of the laser light generated in the active layer 4, thereby increasing the external differential quantum efficiency of the laser device and increasing the light output. To achieve operation, it is designed to have an isolated confinement heterojunction structure (SCH). The laser device of FIG. 1A is arranged in a package and used as a signal light source of an optical communication system or an erbium-doped fiber amplifier (EDF).
It is known that a laser module suitable as a light source for exciting an optical fiber amplifier such as A) or a Raman amplifier can be assembled. Within the package, the laser element is thermally coupled to a cooling element comprising a Peltier element. In addition, the package is equipped with known elements to monitor and control the heat generated and the light output and to ensure good optical coupling of the laser output to the optical fiber.
【0007】近年、インターネットと他の通信システム
における急速な成長は、それらシステムにおける増大す
るデータ伝送容量を提供するために、光ファイバの波長
分割多重(WDM)システムの発展を引き出している。
増大するチャンネル数の要求に応えるように高出力動作
する光ファイバ増幅器を提供するために、光ファイバに
結合される高光出力のポンピングレーザ素子が求められ
ている。光ファイバ増幅器用のポンピングレーザは、光
出力が光ファイバと、常時、より高く光結合され、また
とくに光ファイバラマン増幅器に使用するためには、狭
スペクトル幅で安定駆動することが求められる。In recent years, the rapid growth of the Internet and other communication systems has led to the development of optical fiber wavelength division multiplexing (WDM) systems in order to provide increased data transmission capacity in those systems.
In order to provide an optical fiber amplifier that operates at a high output so as to meet the demand for an increased number of channels, a pumping laser device having a high optical output coupled to an optical fiber is required. Pumping lasers for optical fiber amplifiers are required to be constantly optically coupled to an optical fiber at a higher optical output, and to be driven stably with a narrow spectral width in order to use the laser in an optical fiber Raman amplifier.
【0008】MQWを備えた高出力のポンピングレーザ
素子を実現する1つの方法は、共振器長(L)を長くす
ることである。共振器長を長くすると、レーザ素子の電
気抵抗と熱抵抗の双方が低減する。このことは、最大光
出力が起こる飽和駆動電流Isatをより大きくする。熱
による光出力飽和を抑制するからである。しかしなが
ら、出力端面の反射率がある一定での場合には、Lを長
くすることは、図1(b)で示したように、外部微分量
子効率を低めることになる。図1(b)から明らかなよ
うに、長い共振器のレーザ素子にとって、出力−電流曲
線は最初から比較的低位にある。このように、共振器長
が長くなるにつれて外部微分量子効率は低減していくの
で、ある駆動電流で高光出力動作のために長い共振器の
レーザ素子を使用することは不利である。[0008] One method of realizing a high-power pumped laser device with MQW is to increase the cavity length (L). Increasing the cavity length reduces both the electrical resistance and the thermal resistance of the laser element. This further increases the saturation drive current Isat at which the maximum light output occurs. This is because light output saturation due to heat is suppressed. However, when the reflectivity of the output end face is constant, increasing L increases the external differential quantum efficiency, as shown in FIG. 1B. As is clear from FIG. 1B, the output-current curve is relatively low from the beginning for a long-cavity laser device. As described above, since the external differential quantum efficiency decreases as the cavity length increases, it is disadvantageous to use a long cavity laser element for high light output operation at a certain drive current.
【0009】この問題は、出力端面の反射率を減ずるこ
とによってある程度改善することができる。しかしなが
ら、レーザ素子の出力端面の反射率をある値より小さく
すると、レーザ素子の微分量子効率の低減を招き、そし
て最大光出力の低下を招く。このような低下に関する報
告された機構には、MQW構造から光閉じ込め層および
クラッド層へのキャリアの漏洩、このキャリア漏洩に基
づく光吸収損失と再結合キャリアの損失の増大、および
MQW構造への非均質なホールの注入が含まれている。This problem can be alleviated to some extent by reducing the reflectivity at the output end face. However, if the reflectance of the output end face of the laser element is made smaller than a certain value, the differential quantum efficiency of the laser element is reduced, and the maximum light output is reduced. The reported mechanisms for such degradation include leakage of carriers from the MQW structure to the optical confinement and cladding layers, increased light absorption and recombination loss due to this carrier leakage, and non- Includes homogeneous hole injection.
【0010】低出力、短い共振器レーザ素子では、GR
IN−SCH構造は有効であることが知られている。連
続するGRIN構造、または多重層のGRIN構造が低
しきい値電流の動作を実現するために報告されている。
高出力のレーザ素子に対しては、報告された結果は、2
段のGRIN構造が高光出力の利点を有することを示し
ている。In a low-power, short-cavity laser device, GR
The IN-SCH structure is known to be effective. A continuous GRIN structure or a multi-layer GRIN structure has been reported to achieve low threshold current operation.
For high power laser devices, the reported results are 2
It shows that the GRIN structure of the stage has the advantage of high light output.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したレ
ーザ素子の高光出力動作を制限する上記した問題を回避
する新規にして改良された半導体レーザ素子の提供を目
的とする。とくに、本発明のレーザ素子は、光ファイバ
増幅器用の高キャリア注入効率を有するポンピング光源
として有用である。本発明は、無効電流が増加すること
なく高キャリア注入を実現することができ、またMQW
構造を有する他のレーザ素子に比べて光出力を高めるこ
とができる。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a new and improved semiconductor laser device which avoids the above-mentioned problem of limiting the high light output operation of the above laser device. In particular, the laser device of the present invention is useful as a pumping light source having high carrier injection efficiency for an optical fiber amplifier. According to the present invention, high carrier injection can be realized without increasing reactive current.
Light output can be increased as compared with other laser devices having a structure.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、複数の井戸層および複数の
障壁層を有するMQW構造の活性層に接合する光閉じ込
め層の上に配置されたクラッド層を有し、800nm以上
の共振器長を備えており、活性層内の少なくとも1個の
井戸層とその井戸層に隣接する少なくとも1個の障壁層
には不純物がドーピングされており、かつ、前記光閉じ
込め層の厚みが20〜50nmであることを特徴とする半
導体レーザ素子が提供される。In order to achieve the above-mentioned object, according to the present invention, there is provided an optical confinement layer arranged on an active layer of an MQW structure having a plurality of well layers and a plurality of barrier layers. A cavity length of at least 800 nm, and at least one well layer in the active layer and at least one barrier layer adjacent to the well layer are doped with impurities. In addition, a semiconductor laser device is provided, wherein the thickness of the light confinement layer is 20 to 50 nm.
【0013】また、本発明においては、冷却素子、光レ
ンズ、およびホトディテクタを有するパッケージの中に
前記半導体レーザ素子が配置され、その半導体レーザ素
子の光出力端面に光ファイバが結合されていることを特
徴とする、光ファイバ増幅器用ポンピング装置が提供さ
れる。Further, in the present invention, the semiconductor laser element is disposed in a package having a cooling element, an optical lens, and a photodetector, and an optical fiber is coupled to an optical output end face of the semiconductor laser element. A pumping device for an optical fiber amplifier is provided.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】一面では、本発明は、高光出力を
生産するための性能を有するレーザ構造(またレーザ素
子として参照される)を目的とする。本発明のレーザ素
子は、好ましくは、既に説明した図1(a)の断面構造
例で示した層構造を有している。本発明の活性層4のM
QW構造(図1(a)には示していない)は、隣接する
光閉じ込め層3Aと3Bの間に挟まれている。高出力レ
ーザ素子の製造目的との関係では、図1(a)で示した
タイプのうち、800μmまたはそれ以上の共振器長
(L)を有するレーザ素子がとくに有用である。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In one aspect, the present invention is directed to a laser structure (also referred to as a laser element) having the capability to produce high light output. The laser device of the present invention preferably has the layer structure shown in the cross-sectional structure example of FIG. M of the active layer 4 of the present invention
The QW structure (not shown in FIG. 1A) is sandwiched between adjacent light confinement layers 3A and 3B. In relation to the purpose of manufacturing a high-power laser element, a laser element having a cavity length (L) of 800 μm or more is particularly useful among the types shown in FIG.
【0015】MQW活性層を有する半導体レーザ素子か
らより高い光出力を得るために考えられる1つの方法
は、SeまたはSのようなn型ドーパントを有する障壁
層の間にノンドープ井戸層を挟み込むことである。この
いわゆる障壁層の変調ドーピングは、それによりMQW
構造の内部損失を抑制し、その結果、高光出力動作を可
能にする。One possible way to obtain higher light output from a semiconductor laser device having an MQW active layer is to sandwich a non-doped well layer between barrier layers having an n-type dopant such as Se or S. is there. This so-called modulation doping of the barrier layer is thereby controlled by the MQW
The internal loss of the structure is suppressed, thereby enabling a high light output operation.
【0016】しかしながら、MOCVDによる場合、障
壁層のみにn型ドーパントを選択的にドーピングするこ
とが必要であるため、活性層内にこのタイプの変調ドー
プされた構造を形成することは非常に困難である。例え
ば、n型ドーパントがSである場合、素子製造時の温度
下で、Sは障壁層から隣接する井戸層へ拡散する。同様
に、Seを使用すると、よく知られているSeのメモリ
ー効果が結晶成長の過程で起こって井戸層に包含される
結果を引き起こす。結晶成長工程を完全に中断すること
は、界面準位を形成し、素子の光出力を制限する。However, in the case of MOCVD, it is necessary to selectively dope only the barrier layer with an n-type dopant, so that it is very difficult to form this type of modulation-doped structure in the active layer. is there. For example, when the n-type dopant is S, S diffuses from the barrier layer to the adjacent well layer at the temperature at the time of device manufacture. Similarly, when Se is used, the well-known memory effect of Se occurs during the crystal growth and results in well layers being included. Completely interrupting the crystal growth process creates interface states and limits the light output of the device.
【0017】本発明のレーザ素子の伝導帯と価電子帯の
エネルギーバンド図の1例を図2に示す。図2は、伝導
帯と価電子帯の間のバンドギャップを示し、また、下部
クラッド層2Aの上に下部光閉じ込め層3A、活性層
4、上部光閉じ込め層3B、および上部クラッド層2B
がこの順序で形成されていることを示す。図2で示され
ているように、活性層4は井戸層4Aと障壁層4Bの交
互のヘテロ接合から成り、そのことによって、5個の井
戸を有するMQW構造を提供している。活性層4とクラ
ッド層2A,2Bの間に配置されている光閉じ込め層3
A,3Bは、それぞれの組成と厚みが活性層4に対して
対称となるようにして形成されている。各光閉じ込め層
3A,3Bは、図2で示したように、それぞれのエネル
ギーバンドにおいて多数の階段を有する。FIG. 2 shows an example of an energy band diagram of the conduction band and the valence band of the laser device of the present invention. FIG. 2 shows the band gap between the conduction band and the valence band, and shows a lower optical confinement layer 3A, an active layer 4, an upper optical confinement layer 3B, and an upper clad layer 2B on the lower clad layer 2A.
Are formed in this order. As shown in FIG. 2, the active layer 4 comprises an alternating heterojunction of a well layer 4A and a barrier layer 4B, thereby providing an MQW structure having five wells. Light confinement layer 3 disposed between active layer 4 and cladding layers 2A and 2B
A and 3B are formed such that their compositions and thicknesses are symmetrical with respect to the active layer 4. Each of the light confinement layers 3A and 3B has a number of steps in each energy band as shown in FIG.
【0018】図2で示したように、バンドギャップは、
活性層4のMQW構造の井戸で最も小さく、MQWの障
壁層ではより大きく、光閉じ込め層では更に大きく、そ
してクラッド層で最も大きくなっている。本発明のレー
ザ素子の第1の基本的な特徴は、活性層4の少なくとも
1個の井戸層4Aとそれに隣接する障壁層4Bにドーパ
ントが導入され、そのことによりドープ領域8を形成し
ていることである。図3(c)は1個の障壁層と井戸層
のみを有するようなドープ領域8を示しているが、本発
明によれば、ドープ領域8は、いかなる対の数の井戸層
と障壁層に広げられていてもよい図3(b)。事実、本
発明によれば、全活性層がドープ領域8に包含されてい
てもよい。本発明者らは、全活性層にドープ領域を広げ
るとレーザ素子の直列抵抗と熱抵抗が低減することを測
定している。直列抵抗と熱抵抗の低減は、熱発生を減
じ、最大光出力を増大させる。As shown in FIG. 2, the band gap is
It is smallest in the well of the MQW structure of the active layer 4, larger in the MQW barrier layer, larger in the optical confinement layer, and largest in the cladding layer. A first basic feature of the laser device of the present invention is that a dopant is introduced into at least one well layer 4A of the active layer 4 and a barrier layer 4B adjacent thereto, thereby forming a doped region 8. That is. FIG. 3 (c) shows a doped region 8 having only one barrier layer and well layer, but according to the present invention, the doped region 8 may have any number of pairs of well layers and barrier layers. FIG. 3 (b), which may be unfolded. In fact, according to the invention, the entire active layer may be included in the doped region 8. The present inventors have measured that increasing the doped region in all active layers reduces the series resistance and thermal resistance of the laser device. Reduction of series resistance and thermal resistance reduces heat generation and increases maximum light output.
【0019】ドープ領域8を形成するために用いるドー
パントは、SとSi、またはそれらの組み合わせのよう
なn型不純物が好適である。ドーピング濃度は、1×1
017〜3×1018cm-3程度に設定することが好ましい。
本発明者らは、ドーピング濃度が約1×1017cm-3より
低い場合は、活性層4の中にドープ領域8を創りあげる
という前記した利益が得られず、そのため、光出力を意
図するように強めることは実現されないということを見
出した。他方、本発明者らは、ドーピング濃度が約3×
1018cm-3より高くなる場合は、活性層4の結晶性が劣
化して非発光成分の同様な増加を引き起こすことを見出
している。このことは、得られたレーザ素子の高出力動
作を制限する。The dopant used to form the doped region 8 is preferably an n-type impurity such as S and Si, or a combination thereof. Doping concentration is 1 × 1
It is preferable to set to about 0 17 to 3 × 10 18 cm −3 .
We do not obtain the aforementioned benefit of creating a doped region 8 in the active layer 4 if the doping concentration is lower than about 1 × 10 17 cm −3 , so that the light output is intended. That strengthening will not be realized. On the other hand, we have a doping concentration of about 3 ×
It has been found that, when it is higher than 10 18 cm -3 , the crystallinity of the active layer 4 is degraded, causing a similar increase in non-light-emitting components. This limits the high power operation of the resulting laser device.
【0020】n型ドーパントが好適であるが、本発明で
用いるドーパントはp型ドーパントに代えてもよい。そ
の場合のp型ドーパントは、Be,MgまたはZnのい
ずれか1つ、またはそれらの組み合わせであればよい。
本発明のもう1つの重要な特徴は、図2で示されている
光閉じ込め層3A,3Bが、それぞれの厚みが20〜5
0nmの範囲内に設定されるように配置されていることで
ある。仮に光閉じ込め層3A,3Bの厚みが20nmより
薄い場合は、得られる光出力が電子のオーバフローによ
って低い駆動電流で飽和に達し得る。他方、光閉じ込め
層の厚みが50nmまたはそれより厚くなると、レーザ素
子の直流抵抗が増加する。このことは、熱飽和による光
出力の飽和を引き起こすことでもある大きな熱発生を引
き起こす。While an n-type dopant is preferred, the dopant used in the present invention may be replaced by a p-type dopant. In this case, the p-type dopant may be any one of Be, Mg, and Zn, or a combination thereof.
Another important feature of the present invention is that the light confinement layers 3A and 3B shown in FIG.
That is, they are arranged so as to be set within the range of 0 nm. If the thickness of the optical confinement layers 3A and 3B is thinner than 20 nm, the obtained optical output can reach saturation with a low drive current due to overflow of electrons. On the other hand, when the thickness of the optical confinement layer is 50 nm or more, the DC resistance of the laser device increases. This causes significant heat generation, which can also cause light output saturation due to thermal saturation.
【0021】光閉じ込め層3A,3Bは、活性層4とヘ
テロ接合を形成する。同様に、更に光閉じ込め層は上部
および下部クラッド層2B,2Aとヘテロ接合を形成す
る。クラッド層2B,2Aのバンドギャップエネルギー
は活性層4のバンドギャップエネルギーよりも大きい。
図2で示したように、光閉じ込め層3B,3Aの最小バ
ンドギャップエネルギーE1と、光閉じ込め層の最大バ
ンドギャップエネルギーE2との差は、約90meV以上で
あることが好ましい。The light confinement layers 3A and 3B form a heterojunction with the active layer 4. Similarly, the optical confinement layer further forms a heterojunction with the upper and lower cladding layers 2B and 2A. The band gap energy of the cladding layers 2B and 2A is larger than the band gap energy of the active layer 4.
As shown in FIG. 2, the light confinement layer 3B, the minimum bandgap energy E 1 of 3A, the difference between the maximum band gap energy E 2 of the optical confinement layer is preferably about 90meV more.
【0022】図2で示したように、光閉じ込め層3A,
3Bを、例えば構成層(sublayer)3B1,3B2,・・
・・・3Bn,および3A1,3A2,・・・・・3Anの
ように3個以上の構成層で構成することが好ましい。本
発明によれば、これらそれぞれの構成層のバンドギャッ
プエネルギーは、図2と図3(a)で示したように、活
性層4から遠くなるにつれて階段状に増加していく。図
3は、構成層3B1,3B2,・・・・・3Bnで構成さ
れている光閉じ込め層3Bのバンドギャップの階段の端
部における一連の点A1,A2,・・・・・An,A0を示
している。点A 0は、光閉じ込め層3Bnとそれに隣接す
るクラッド層2Bの間の階段に形成されていることに注
目されたい。また、図3(a)には、層3B1とそれに
隣接する活性層4の間のバンドギャップエネルギー内の
階段に位置する点A0’が示されている。点A0’,
A1,A2,・・・・・AnおよびA0は、層群のバンドギ
ャップエネルギーの包絡線を定める(以後、この包絡線
をバンドギャップエネルギー線と呼ぶことにする)。こ
のバンドギャップエネルギー線は、直線であるか、また
は、図3(a)の破線で示したように、連続する、上向
きもしくは下向きの曲線形状であることが好ましい。こ
の上向きまたは下向きの曲線形状は、例えば、パラボリ
ックであってもよい。As shown in FIG. 2, the optical confinement layers 3A,
3B, for example, a sublayer 3B1, 3BTwo, ...
... 3Bn, And 3A1, 3ATwo, ..... 3Anof
As described above, it is preferable to configure with three or more constituent layers. Book
According to the invention, the band gap of each of these constituent layers is provided.
As shown in FIG. 2 and FIG.
It increases stepwise as it gets farther from the active layer 4. Figure
3 is a constituent layer 3B1, 3BTwo, ..... 3BnComposed of
Of the step of the band gap of the confined light confinement layer 3B
Series of points A in the part1, ATwo, .... An, A0Shows
are doing. Point A 0Is the light confinement layer 3BnAnd adjacent to it
Note that the step is formed between the cladding layers 2B.
I want to be watched. FIG. 3A shows the layer 3B.1And it
In the band gap energy between adjacent active layers 4
Point A located on stairs0'It is shown. Point A0’,
A1, ATwo, .... AnAnd A0Is a band group
Define the envelope of the cap energy (hereinafter this envelope
Is referred to as a band gap energy ray). This
The bandgap energy ray of is straight or
Is continuous and upward as shown by the broken line in FIG.
Or a downward curved shape. This
The upward or downward curved shape of
It may be a lock.
【0023】図3(a)の場合、かくして、バンドギャ
ップエネルギー線が全体として直線形状を有するよう
に、バンドギャップエネルギー線は層3Bnのバンドギ
ャップエネルギー線と点Anで交差する。この場合、光
閉じ込め層3Bは、線形GRIN−SCH構造を有する
といわれる。既に指摘したように、光閉じ込め層3A,
3Bは、3層構造例のみに限定されるものではない。構
成層(sub-layers)の数を増すことが好ましい。しかし
ながら、層数を増すことは各層の組成の慎重な制御が必
要である−仮に、それらの1つでさえもが特定の格子整
合条件から外れると、結晶劣化が起こり、それは結晶欠
陥によりレーザ動作を劣化させることが懸念される。[0023] For FIG. 3 (a), thus, to have a linear shape as a whole a band gap energy rays, a band gap energy rays intersect at the band gap energy beam and the point A n of the layer 3B n. In this case, the light confinement layer 3B is said to have a linear GRIN-SCH structure. As already pointed out, the light confinement layer 3A,
3B is not limited to only the three-layer structure example. It is preferred to increase the number of sub-layers. However, increasing the number of layers requires careful control of the composition of each layer-if even one of them deviates from certain lattice-matching conditions, crystal degradation will occur, which will cause laser operation due to crystal defects. It is feared that it deteriorates.
【0024】本発明のレーザ素子は、その井戸層4Aの
それぞれが基板1に対して約0.5と約1.5%の間の圧
縮歪みを有するように形成されていることが好ましい。
更には、本発明のレーザ素子は、その障壁層4Bのそれ
ぞれが井戸層4Aの圧縮歪みを補償するために引っ張り
歪みを有するように形成されていることが好ましい。と
くに、本発明のレーザ素子は、その障壁層4Bが井戸層
4Aの1.5%より大きい圧縮歪みを補償するために引
っ張り歪みを有するように形成されている。The laser element of the present invention is preferably formed so that each of the well layers 4A has a compressive strain of about 0.5 and about 1.5% with respect to the substrate 1.
Further, the laser device of the present invention is preferably formed so that each of the barrier layers 4B has a tensile strain in order to compensate for the compressive strain of the well layer 4A. In particular, the laser device of the present invention is formed so that the barrier layer 4B has a tensile strain in order to compensate for a compressive strain larger than 1.5% of the well layer 4A.
【0025】上に指摘したように、本発明のレーザ素子
は、約800μm以上の共振器長(L)を有することが
好ましい。より好ましくは、Lは約1000μmより長
い。共振器長が約800μmより短いと、レーザ素子の
電気抵抗と熱インピーダンスはより大きくなり、飽和電
流を低下させる。このことは、熱飽和が飽和電流を抑制
するからである。このように、共振器長が約800μm
より短いと、本発明の利益は完全には実現しない。例え
ば共振器長が約800μm以上の、比較的長い共振器を
用いる場合には、レーザ素子の前端面の反射率が約5%
以下、そして後端面の反射率が90%以上であることが
好ましい。レーザ素子の前端面に低反射膜を形成するこ
とは、長くした共振器を用いることによって引き起こさ
れる全体の損失に対するミラー損失の割合が低減するこ
とに基づいて他方では起こるであろう外部量子効率の減
少を補償する。1000μm以上の共振器長を有するレ
ーザ素子にとっては、低反射膜が概ね1.5%の反射率
を有することが好ましい。As pointed out above, the laser device of the present invention preferably has a cavity length (L) of about 800 μm or more. More preferably, L is greater than about 1000 μm. When the cavity length is shorter than about 800 μm, the electric resistance and the thermal impedance of the laser element become larger, and the saturation current is reduced. This is because thermal saturation suppresses the saturation current. Thus, the resonator length is about 800 μm
If shorter, the benefits of the present invention will not be fully realized. For example, when a relatively long resonator having a cavity length of about 800 μm or more is used, the reflectance of the front end face of the laser element is about 5%.
Hereinafter, it is preferable that the reflectance of the rear end face is 90% or more. Forming a low-reflection coating on the front end face of the laser device reduces the external quantum efficiency that would otherwise occur based on the reduced mirror loss to total loss caused by the use of a longer cavity. Compensate for the decrease. For a laser device having a cavity length of 1000 μm or more, it is preferable that the low reflection film has a reflectance of about 1.5%.
【0026】次に、本発明のレーザ部品の例を図4を参
照して説明する。このレーザ部品40は、パッケージ1
0内に密封されたレーザ素子41を備える。レーザ素子
41は、多数のペルチェ素子9aから成る冷却素子9の
上に配置されている。コリメータレンズ11aがレーザ
素子41の出力端面に近接して配置され、また光集光ま
たは光焦点レンズ11bがパッケージ10の壁部近くに
配置されている。レーザ素子41による光が光ファイバ
12に光結合されるように、光ファイバ12がレンズ1
1bに隣接してパッケージ10の前部に配置されてい
る。ホトダイオード13がレーザ素子41の後端面に近
接して配置され、素子からの光出力を監視する。コリメ
ータレンズ11aとレンズ11bの間にはアイソレータ
14が配置されて、光ファイバからの戻り光が抑制され
る。Next, an example of the laser component of the present invention will be described with reference to FIG. This laser component 40 is package 1
The laser element 41 is hermetically sealed in the area 0. The laser element 41 is arranged on the cooling element 9 composed of a number of Peltier elements 9a. The collimator lens 11a is arranged close to the output end face of the laser element 41, and the light focusing or light focusing lens 11b is arranged near the wall of the package 10. The optical fiber 12 is connected to the lens 1 so that the light from the laser element 41 is optically coupled to the optical fiber 12.
1b, and is disposed at the front of the package 10. The photodiode 13 is arranged close to the rear end face of the laser element 41 and monitors the light output from the element. An isolator 14 is disposed between the collimator lens 11a and the lens 11b, and suppresses return light from the optical fiber.
【0027】好ましくは、光ファイバ12はその中央コ
ア12aに形成された光ファイバグレーティング12b
を有する。ファイバグレーティング12bの反射帯域幅
は約3nm以下であることが好ましい。(この反射帯域幅
は、ファイバグレーティング12bの反射スペクトルの
full width of half maximums(FWHM)として定義
される)。更に好ましくは、ファイバグレーティングの
反射帯域幅は約2nm以下、そしてまた更に好ましくは約
1.5nm以下に設定される。しかしながら、ファイバグ
レーティング12bの反射帯域幅は、レーザ素子8から
の光における縦モードの波長間隔よりも大きくなるべき
である。このようにグレーティングの帯域幅を設定する
と、光ファイバ12からのレーザ光の電流−光出力特性
における縦モードキンクを減少または除去し、同時に、
光のスペクトル幅を狭くして多重化を高めることができ
る。図4のこの発明のレーザモジュールはより高い出力
を実現し、また公知のレーザモジュールよりもより安定
した動作をする。Preferably, the optical fiber 12 has an optical fiber grating 12b formed on its central core 12a.
Having. The reflection bandwidth of the fiber grating 12b is preferably about 3 nm or less. (This reflection bandwidth corresponds to the reflection spectrum of the fiber grating 12b.
full width of half maximums (FWHM)). More preferably, the reflection bandwidth of the fiber grating is set to about 2 nm or less, and even more preferably to about 1.5 nm or less. However, the reflection bandwidth of the fiber grating 12b should be larger than the longitudinal mode wavelength interval of the light from the laser element 8. By setting the bandwidth of the grating in this way, the longitudinal mode kink in the current-light output characteristics of the laser light from the optical fiber 12 is reduced or eliminated, and at the same time,
Multiplexing can be enhanced by narrowing the spectrum width of light. The laser module of the present invention of FIG. 4 achieves higher output and operates more stably than known laser modules.
【0028】[0028]
【実施例】1480nmの波長と図1(a)で示した層構
造を有する、本発明による多数の半導体レーザ素子が以
下のようにして製作され、製作された素子の各種パラメ
ータを変えながら、パラメータとレーザ特性との関係が
分析された。活性層への不純ドーピングの影響 n型InPから成るn型クラッド層2Aがn型InPの
基板1の上に形成された。この下部クラッド層2Aの上
に、図3(b)で示すように、下部光閉じ込め層3Aが
形成された。下部光閉じ込め層3Aは、以下のようなG
RIN−SCH構造でアンドープInGaAsP系の半
導体材料で製造された:第1層3A2,λg=1.1μ
m,厚み20nm;そして、第2層3A1,λg=1.2μ
m,厚み20nmが形成された。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A number of semiconductor laser devices according to the present invention having a wavelength of 1480 nm and the layer structure shown in FIG. 1A were manufactured as follows, and the parameters were changed while changing various parameters of the manufactured devices. And the relationship between laser characteristics were analyzed. Effect of Impurity Doping on Active Layer An n-type cladding layer 2A made of n-type InP was formed on the substrate 1 of n-type InP. As shown in FIG. 3B, a lower light confinement layer 3A was formed on the lower clad layer 2A. The lower light confinement layer 3A has the following G
Manufactured in undoped InGaAsP-based semiconductor material with RIN-SCH structure: first layer 3A 2 , λg = 1.1 μ
m, thickness 20 nm; and second layer 3A 1 , λg = 1.2 μm
m and a thickness of 20 nm.
【0029】以下に詳細に述べるが、ついで活性層4が
この下部光閉じ込め層3Aの上に形成された。次に、そ
の上に、第1層3B1,λg=1.2μm,厚み20nm
と、第2層3B2,λg=1.1μm,厚み20nmから成
る、InGaAsPの上部光閉じ込め層3Bが形成され
た。このように、上部および下部光閉じ込め層3A,3
Bが活性層4に対して対称であるように製造された。As will be described in detail below, an active layer 4 was then formed on the lower optical confinement layer 3A. Next, a first layer 3B 1 , λg = 1.2 μm and a thickness of 20 nm are formed thereon.
Then, an upper optical confinement layer 3B of InGaAsP having a thickness of 20 nm and a second layer 3B 2 , λg = 1.1 μm was formed. Thus, the upper and lower light confinement layers 3A, 3A
B was manufactured to be symmetric with respect to the active layer 4.
【0030】MQW活性層4は、それぞれ厚み4nmを有
し、InGaAsPから成る5個の井戸4Aで形成され
た。井戸層のそれぞれは、厚み10nmで、InGaAs
P(λg=1.2μm)から成る障壁層で囲まれた。こ
のMQW活性層構造は、各井戸において1%の圧縮歪み
を有するべく形成された。n型ドーパントSeがMQW
活性層の層群に注入され、以下のような不純物ドープ領
域8を形成した:素子の第1セットは、井戸層4Aと障
壁層4Bの全てにドーパント濃度5×1017cm-8で、全
てのMQW層にドーピングして製造された(図3(b)
で示されているこの場合を“フルドープ”と呼ぶ)。素
子の第2セットは、中央に位置する井戸層4Aとそれに
隣接する1個の障壁層4Bから成る1対にのみ、5×1
0 17cm-8ドーパント濃度でドーピングして製造された
(図3(c)で示されているこの場合を“中央ドープ”
という)。更に、比較例としてアンドープ活性層4を有
して素子セットが製造された(以後、“アンドープ”と
いう)。Each of the MQW active layers 4 has a thickness of 4 nm.
And made of InGaAsP5Formed of 4A wells
Was. Each of the well layers has a thickness of 10 nm and is made of InGaAs.
It was surrounded by a barrier layer made of P (λg = 1.2 μm). This
MQW active layer structure has 1% compressive strain in each well
It was formed to have. n-type dopant Se is MQW
Injected into the layer group of the active layer,
Region 8 was formed: a first set of devices was formed with a well layer 4A and a barrier.
All the wall layers 4B have a dopant concentration of 5 × 1017cm-8And all
All MQW layers were manufactured by doping (FIG. 3 (b)
This case is referred to as “full doping”). Elementary
The second set of children consists of a central well layer 4A and
Only one pair of one adjacent barrier layer 4B has 5 × 1
0 17cm-8Manufactured by doping with dopant concentration
(In this case, shown in FIG.
). Further, an undoped active layer 4 is provided as a comparative example.
The device set was manufactured (hereinafter referred to as “undoped”).
Say).
【0031】その後、通常のホトリソグラフィーとエッ
チング技術を用いて各素子の上にメサ構造が形成され、
ついで、得られたメサに近接した領域に、電流狭搾用の
p型電流ブロッキング層7Aとn型電流ブロッキング層
7Bが形成された。ついで、p型InPから成る上部ク
ラッド層2Bが上部光閉じ込め層3Bの上に形成され、
その上にp型InGaAsPから成るコンタクト層5が
形成された。ついで、p型の上部電極がコンタクト層の
上に形成され、基板1の背面が研磨された。得られた研
磨面にn型の電極6Aが形成された。Thereafter, a mesa structure is formed on each element by using ordinary photolithography and etching techniques.
Next, a p-type current blocking layer 7A and an n-type current blocking layer 7B for current constriction were formed in a region close to the obtained mesa. Next, an upper cladding layer 2B made of p-type InP is formed on the upper optical confinement layer 3B,
A contact layer 5 made of p-type InGaAsP was formed thereon. Next, a p-type upper electrode was formed on the contact layer, and the back surface of the substrate 1 was polished. An n-type electrode 6A was formed on the polished surface obtained.
【0032】得られた構造物は、ついで、劈開され、1
000μmで共振器長(L)が設定され、前端面S1上
に低反射膜(反射率1%)が形成され、後端面S2上に
高反射膜(反射率95%)が形成され、レーザ素子の製
作を完成した。3個の異なったタイプのレーザ素子に関
し、電流駆動時における最大光出力(Pmax)が測定さ
れた。得られた結果は、また下の表1にまとめられる。The resulting structure is then cleaved and
The cavity length (L) is set to 000 μm, a low reflection film (reflectance 1%) is formed on the front end face S1, and a high reflection film (reflectance 95%) is formed on the rear end face S2. Completed. For three different types of laser devices, the maximum light output (Pmax) during current driving was measured. The results obtained are also summarized in Table 1 below.
【0033】[0033]
【表1】 [Table 1]
【0034】表1は、異なったドーピング状態と共振器
長1000μmを有する3つのタイプのレーザ素子にと
っての最大光出力Pmaxを対比している。表1からは、
活性層の井戸層と障壁層が全てドーピングされると、高
光出力駆動が達成されることがわかる。次に、フルドー
プ素子に対し、Pmaxとn型(Se)ドーピング濃度間
の関係が調査された。この調査に使用されたレーザ素子
は、共振器長(L)が1300μmに設定されたことを
除いては、上記した構造と同じであった。結果は図5に
示される。Table 1 compares the maximum optical power Pmax for three types of laser devices having different doping states and a cavity length of 1000 μm. From Table 1,
It can be seen that high light output driving is achieved when all the well layers and barrier layers of the active layer are doped. Next, the relationship between Pmax and n-type (Se) doping concentration was investigated for fully doped devices. The laser device used in this study had the same structure as that described above, except that the cavity length (L) was set to 1300 μm. The results are shown in FIG.
【0035】図5に示されているように、Pmax値は、
Seのドーピング濃度が1×1018cm-3に設定される
と、調査される素子にとって、約400mWである明確な
最大値に達する。より低い、またはより高いドーパント
濃度では、ドーピングの効果は相対的に減退する。この
ように、本発明によれば、活性層におけるドーピング濃
度の最適化された値は、Pmax値を最大にするように設
定される。As shown in FIG. 5, the Pmax value is
When the Se doping concentration is set to 1 × 10 18 cm −3 , a distinct maximum value of about 400 mW is reached for the investigated device. At lower or higher dopant concentrations, the effect of doping is relatively diminished. Thus, according to the present invention, the optimized value of the doping concentration in the active layer is set to maximize the Pmax value.
【0036】GRIN−SCH構造の厚みの調査 厚みの違いがレーザ出力にどのように影響するかを調査
するために、光閉じ込め層のGRIN−SCH構造を変
えたことを除いては、既に述べたと同様にしてレーザ素
子を製作した。調査で使用されたレーザ素子の共振器長
は1300μmに設定された。前記したように、上部光
閉じ込め層3Bと下部光閉じ込め層3Aは、それぞれ、
構成層3B1,3B2,および3A1,3A2を有する2層
構造から成る。調査のこの部分に対しては、素子の各活
性層はフルドープであった(Seドーピング濃度1×1
018cm-3)。 Investigation of GRIN-SCH Structure Thickness As described above, except that the GRIN-SCH structure of the optical confinement layer was changed to investigate how the difference in thickness affects the laser output. A laser device was manufactured in the same manner. The resonator length of the laser element used in the investigation was set to 1300 μm. As described above, the upper light confinement layer 3B and the lower light confinement layer 3A respectively
It has a two-layer structure having constituent layers 3B 1 , 3B 2 and 3A 1 , 3A 2 . For this part of the study, each active layer of the device was fully doped (Se doping concentration 1 × 1
0 18 cm -3 ).
【0037】得られたレーザ素子のPmax値が測定さ
れ、その結果は図6(a)に示される。再び、データ
は、約40nmの光閉じ込め層の厚みに対し、約400mW
で非常に明瞭な最大値を示している。また、図6(a)
は、光閉じ込め層の厚みが約20〜50nmの範囲内にあ
ると、360mWより高い光出力駆動が得られたことを示
している。The Pmax value of the obtained laser device was measured, and the result is shown in FIG. Again, the data is about 400 mW for a light confinement layer thickness of about 40 nm.
Shows a very clear maximum value. FIG. 6 (a)
Indicates that when the thickness of the optical confinement layer is in the range of about 20 to 50 nm, an optical output drive higher than 360 mW was obtained.
【0038】Pmaxと光閉じ込め層内の階段の数との関
係の調査 つぎに、フルドープ素子に対し、Pmaxと光閉じ込め層
内の階段の数との関係が調査された。図6(b)は、光
閉じ込め層3A,3B内に多数のバンドギャップ階段を
有する構造を示す。光閉じ込め層3Aは、アンドープI
nGaAsP系半導体材料から成り、以下の順序で形成
されたGRIN−SCH構造を備えている: (1)層3A6,λg=0.95μm,厚み8nm;(2)
層3A5,λg=1.0μm,厚み7nm;(3)層3
A4,λg=1.05μm,厚み7nm;(4)層3A 3,
λg=1.1μm,厚み6nm;(5)層3A2,λg=
1.15μm,厚み6nm;および(6)層3A1,λg=
1.2μm,厚み6nm。[0038]The relationship between Pmax and the number of steps in the optical confinement layer
Engagement investigation Next, for the fully doped device, Pmax and the light confinement layer
The relationship with the number of stairs inside was investigated. FIG. 6B shows light.
Numerous band gap steps in the confinement layers 3A and 3B
1 shows a structure having the same. The light confinement layer 3A is made of undoped I
Made of nGaAsP-based semiconductor material, formed in the following order
(1) Layer 3A6, Λg = 0.95 μm, thickness 8 nm; (2)
Layer 3AFive, Λg = 1.0 μm, thickness 7 nm; (3) Layer 3
AFour, Λg = 1.05 μm, thickness 7 nm; (4) Layer 3A Three,
λg = 1.1 μm, thickness 6 nm; (5) Layer 3ATwo, Λg =
1.15 μm, thickness 6 nm; and (6) layer 3A1, Λg =
1.2 μm, thickness 6 nm.
【0039】ついで、後述する活性層4がこの下部光閉
じ込め層3Aの上に形成された。次に、その上に、以下
のアンドープInGaAsP層が順次形成されて成る上
部光閉じ込め層3Bが形成された: (1)層3B1,λg=1.2μm,厚み6nm;(2)層
3B2,λg=1.15μm,厚み6nm;(3)層3
B3,λg=1.1μm,厚み6nm;(4)層3B4,λ
g=1.05μm,厚み7nm;(5)層3B5,λg=
1.0μm,厚み7nm;および(6)層3B6,λg=
0.95μm,厚み8nm。このように、上部および下部
光閉じ込め層が活性層の周りで対称となるように製造さ
れた。Next, an active layer 4 described later was formed on the lower light confinement layer 3A. Next, an upper optical confinement layer 3B was formed thereon by successively forming the following undoped InGaAsP layers: (1) layer 3B 1 , λg = 1.2 μm, thickness 6 nm; (2) layer 3B 2 , Λg = 1.15 μm, thickness 6 nm; (3) Layer 3
B 3 , λg = 1.1 μm, thickness 6 nm; (4) Layer 3B 4 , λ
g = 1.05 μm, thickness 7 nm; (5) Layer 3B 5 , λg =
1.0 μm, thickness 7 nm; and (6) layer 3B 6 , λg =
0.95 μm, thickness 8 nm. Thus, the upper and lower light confinement layers were fabricated to be symmetric about the active layer.
【0040】活性層4は、それぞれが4nmの厚みを有
し、InGaAsPから成る5個の井戸4Aをもって形
成された。井戸層のそれぞれは、InGaAsP(λg
=1.2μm)から成り、10nmの厚みを備えた障壁層
4Bで囲まれた。全てのMQW活性層構造は1%の圧縮
歪みを有するべく形成され、また、井戸層4Aと障壁層
4Bの全てにドーパント濃度5×1018cm-8で“フルド
ープ”された。共振器長(L)は1300μmである。The active layer 4 has a thickness of 4 nm, and is formed with five wells 4A made of InGaAsP. Each of the well layers is formed of InGaAsP (λg
= 1.2 μm) and is surrounded by a barrier layer 4B having a thickness of 10 nm. All of the MQW active layer structure is formed to have a compressive strain of 1%, was also "Furudopu" in dopant concentration 5 × 10 18 cm -8 to all the well layer 4A and the barrier layer 4B. The resonator length (L) is 1300 μm.
【0041】Pmaxと光閉じ込め層の階段数との関係は
図6(c)に示される。活性層がドーピングされている
とき、またアンドープであるときの両方で、レーザ素子
内の階段の数が増すにつれてPmaxは増加していくこと
が明らかである。本発明の好適例によれば、光閉じ込め
層は、Pmaxを高めるために、少なくとも3個の階段を
有する。図6(c)に示されているデータが、上記した
ように、光閉じ込め層を形成することにより、しかし層
内の階段の数を変えることにより得られた。各例におい
て、光閉じ込め層3A,3Bの全体の厚みは約40nmで
あった。図6(c)は、アンドープの素子に対比する
と、活性ドーピングはPmax値を高めることを再度示し
ている。FIG. 6C shows the relationship between Pmax and the number of steps of the light confinement layer. It is clear that Pmax increases as the number of steps in the laser element increases, both when the active layer is doped and when it is undoped. According to a preferred embodiment of the present invention, the light confinement layer has at least three steps to increase Pmax. The data shown in FIG. 6 (c) was obtained by forming a light confinement layer as described above, but by changing the number of steps in the layer. In each example, the entire thickness of the light confinement layers 3A and 3B was about 40 nm. FIG. 6 (c) again shows that active doping increases the Pmax value as compared to the undoped device.
【0042】最も外側の光閉じ込め層のバンドギャップ
エネルギー(E2)と最も内側の光閉じ込め層(E1)間
のバンドギャップエネルギーとの差の調査 ついで、最外側の光閉じ込め層と最内側の光閉じ込め層
間のバンドギャップエネルギー差(E2−E1)の影響を
調べるために、既に述べたと同じ構造を有し、共振器長
が1300μmに設定され、そして活性層のSeドーピ
ング濃度が5×1017cm-3に設定されたフルドープレー
ザ素子が製作された。更に、E2−E1=0であるレーザ
素子もまた製造された。 The band gap of the outermost light confinement layer
Between the energy (E 2 ) and the innermost light confinement layer (E 1 )
Investigation of the difference between the band gap energy and the band gap energy difference between the outermost light confinement layer and the innermost light confinement layer (E 2 −E 1 ). Then, a fully-doped laser device in which the cavity length was set to 1300 μm and the Se doping concentration of the active layer was set to 5 × 10 17 cm −3 was manufactured. Further, a laser device in which E 2 −E 1 = 0 was also manufactured.
【0043】これらのレーザ素子のPmax値が測定さ
れ、そしてその結果は図7に示されている。光出力飽和
時の駆動電流(飽和電流)を決定するために、レーザ素
子の光出力−電流特性もまた測定され、そしてその結果
は、E2−E1値の関数として飽和電流のグラフの形で図
8に示されている。図7は、E2−E1値が増加するにつ
れて光出力は増加することを示している。E2−E1値が
約90meVまたはそれ以上であると、360mWより高い
光出力が得られた。調査する素子において、出力の飽和
は約400mWで起こった。図8は、90meVのE2−E1
を有するレーザ素子は約1200mAより高い飽和電流を
有し、そのことにより、大きな注入電流で駆動できるこ
と、換言すれば、高い最大光出力を得ることを可能にす
ることを示している。The Pmax values of these laser elements were measured, and the results are shown in FIG. To determine the light output at saturation drive current (saturation current), the optical output of the laser device - current characteristics are also measured, and the results, the form of a graph of the saturation current as a function of E 2 -E 1 value Is shown in FIG. Figure 7 shows the optical output increases as E 2 -E 1 value increases. When E 2 -E 1 value is about 90meV or more, a high light output than 360mW was obtained. In the device under investigation, output saturation occurred at about 400 mW. 8, 90 meV of E 2 -E 1
Has a saturation current higher than about 1200 mA, which indicates that it can be driven with a large injection current, in other words, a high maximum light output can be obtained.
【0044】1480nmのレーザ素子を有した実施例で
あるが、本発明は、このようなレーザ素子に限定されな
いことは当業者にとって明らかであろう。とくに、本発
明の素子は1200〜1550nmの帯域で駆動するラマ
ン増幅器のポンピング光源としてもまたとくに有用であ
ることが理解されるだろう。また、本発明はInP基板
上のInGaAsP系レーザ素子の1例に関して説明さ
れているが、この本発明がこのような構造に限定されな
いこと;例えば、本発明はInP基板上のAlGaIn
AsP系のレーザ素子およびGaAs基板上のAlGa
InP,AlGaInNAsPまたはGaInAsP系
のレーザ素子への応用性を備えていることは当業者にと
って明らかであるだろう。更に、当業者は基板がp型基
板に変えてもよいことを理解するだろう。Although the embodiment has a 1480 nm laser device, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to such a laser device. In particular, it will be appreciated that the devices of the present invention are also particularly useful as pumping sources for Raman amplifiers operating in the 1200-1550 nm band. Also, while the invention has been described with respect to an example of an InGaAsP-based laser device on an InP substrate, the invention is not limited to such a structure;
AsP laser device and AlGa on GaAs substrate
It will be apparent to those skilled in the art that it has applicability to InP, AlGaInNAsP or GaInAsP based laser devices. Further, those skilled in the art will appreciate that the substrate may be changed to a p-type substrate.
【0045】[0045]
【発明の効果】本発明のレーザ素子は、キャリア注入効
率が高く、また高光出力動作過程での光閉じ込め層の光
閉じ込め効果が大きく、そのため、ポンピング光ファイ
バ増幅器用の光源としての使用に有効に対応可能であ
る。したがって、本発明レーザ素子は、例えば、エルビ
ウムドープ光ファイバ増幅器および/またはラマン増幅
器のように、Wレベルの光出力動作という厳しい要求下
にある最近のシステムで使用するための光源として用い
ることにとくに適している。According to the laser device of the present invention, the carrier injection efficiency is high, and the light confinement effect of the light confinement layer in the process of high light output operation is large. Therefore, the laser device is effectively used as a light source for a pumping optical fiber amplifier. Available. Accordingly, the laser device of the present invention is particularly useful as a light source for use in modern systems under severe demands of W-level light output operation, such as, for example, erbium-doped fiber amplifiers and / or Raman amplifiers. Are suitable.
【0046】本発明はその特定の例に関して説明されて
いるが、当業者は、他の変形例が本発明の精神から外れ
ることなくなされるであろうことを理解するだろう。そ
れゆえ、本発明は特許請求の範囲によって限定されるの
みと解釈されるべきである。Although the invention has been described with respect to particular embodiments thereof, those skilled in the art will recognize that other modifications may be made without departing from the spirit of the invention. Therefore, the present invention should be construed as limited only by the appended claims.
【図1】(a)は半導体レーザ素子の断面図である。ま
た(b)は従来素子の駆動電流と共振器長の関数として
光出力を示すグラフである。FIG. 1A is a cross-sectional view of a semiconductor laser device. (B) is a graph showing the optical output as a function of the drive current and the cavity length of the conventional device.
【図2】本発明の1例によるレーザ構造において、MQ
W活性層とそれに隣接する光閉じ込め層およびクラッド
層のバンドギャップエネルギーを示すエネルギーバンド
図である。FIG. 2 shows an example of a laser structure according to an embodiment of the present invention;
FIG. 4 is an energy band diagram showing band gap energies of a W active layer and a light confinement layer and a cladding layer adjacent thereto.
【図3】(a)は本発明の1例で、クラッド層と活性層
の間の層群にとってのバンドギャップエネルギーを示す
エネルギーバンド図である。(b)は本発明の1例によ
るフルドープ活性層を示し、クラッド層の間に位置す
る、本発明のレーザ素子内の層群にとってのバンドギャ
ップエネルギーを示すエネルギーバンド図である。また
(c)はクラッド層間に位置する、本発明のレーザ素子
内の層群のバンドギャップエネルギーを示し、また本発
明の1例による中央ドープ活性層を示すエネルギーバン
ド図である。FIG. 3A is an energy band diagram showing a band gap energy for a layer group between a cladding layer and an active layer according to an example of the present invention. (B) is an energy band diagram showing a fully doped active layer according to an example of the present invention and showing a band gap energy for a layer group in a laser device of the present invention located between cladding layers. (C) is an energy band diagram showing the band gap energy of the layer group in the laser device of the present invention located between the cladding layers, and showing the centrally doped active layer according to an example of the present invention.
【図4】本発明のレーザモジュールの1例の断面概略図
である。FIG. 4 is a schematic sectional view of an example of the laser module of the present invention.
【図5】1300μmの共振器長を有するフルドープ素
子に対し、本発明の活性なMQW層におけるSeドーピ
ング濃度を関数とした最大レーザ光出力(Pmax)を示
すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the maximum laser light output (Pmax) as a function of the Se doping concentration in the active MQW layer of the present invention for a fully doped device having a cavity length of 1300 μm.
【図6】(a)1×1018cm-3のドーピング濃度で13
00μmの共振器長を有する本発明のフルドープレーザ
構造内の光閉じ込め層の厚みを関数とした最大光出力
(Pmax)を示すグラフである。(b)はフルドープ活
性層を有する本発明の他の例によるレーザ構造内で、M
QW活性層と隣接する光閉じ込め層とクラッド層のバン
ドギャップエネルギーを示すエネルギーバンド図であ
る。また(c)はPmaxと光閉じ込め層内の階段の数と
の関係を示すグラフであって、アンドープおよび活性層
ドーピングした活性層を比較している。FIG. 6 (a) shows a 13 × 10 18 cm −3 doping concentration.
5 is a graph showing the maximum light output (Pmax) as a function of the thickness of the light confinement layer in a fully doped laser structure of the present invention having a cavity length of 00 μm. (B) In a laser structure according to another embodiment of the present invention having a fully doped active layer, M
FIG. 4 is an energy band diagram showing band gap energies of a light confinement layer and a cladding layer adjacent to a QW active layer. Also, (c) is a graph showing the relationship between Pmax and the number of steps in the light confinement layer, comparing the undoped and active layer doped active layers.
【図7】1×1017cm-3のドーピング濃度で1300μ
mの共振器長を有する本発明のフルドープレーザ構造例
における最も外側の光閉じ込め層のバンドギャップエネ
ルギー(E2)と最も内側の光閉じ込め層のバンドギャ
ップエネルギー(E1)間のエネルギー差の関数として
最大光出力(Pmax)を示すグラフである。FIG. 7: 1300 μ at a doping concentration of 1 × 10 17 cm −3
A function of the energy difference between the bandgap energy of the outermost light confinement layer (E 2 ) and the bandgap energy of the innermost light confinement layer (E 1 ) in an example of a fully doped laser structure of the present invention having a cavity length of m 7 is a graph showing a maximum light output (Pmax) as a graph.
【図8】1例のレーザ素子において、光出力が飽和した
ときの飽和電流を最も外側の光閉じ込め層のバンドギャ
ップエネルギー(E2)と最も内側の光閉じ込め層のバ
ンドギャップエネルギー(E1)間のエネルギー差の関
数として示すグラフである。[8] In the laser device of the example, the band gap energy of the outermost optical confinement layer saturation current when the light output is saturated (E 2) and the innermost optical confinement layer band gap energy of the (E 1) 4 is a graph shown as a function of the energy difference between them.
1 基板 2A 下部クラッド層 2B 上部クラッド層 3A 下部光閉じ込め層 3B 上部光閉じ込め層 4 活性層 4A 井戸層 4B 障壁層 5 コンタクト層 6A 下部電極 6B 上部電極 7A p型半導体層 7B n型半導体層 9 冷却素子 9a ペルチェ素子 10 ハウジング 11a コリメータレンズ 11b 集光レンズ 12 光ファイバ 12a コア 12b ファイバグレーティング 13 ホトディテクタ 14 アイソレータ 40 光部品 41 半導体レーザ素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2A Lower cladding layer 2B Upper cladding layer 3A Lower light confinement layer 3B Upper light confinement layer 4 Active layer 4A Well layer 4B Barrier layer 5 Contact layer 6A Lower electrode 6B Upper electrode 7A P-type semiconductor layer 7B N-type semiconductor layer 9 Cooling Element 9a Peltier element 10 Housing 11a Collimator lens 11b Condensing lens 12 Optical fiber 12a Core 12b Fiber grating 13 Photodetector 14 Isolator 40 Optical component 41 Semiconductor laser element
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 剛 東京都千代田区丸の内2丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 入野 聡 東京都千代田区丸の内2丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 湊 龍一郎 東京都千代田区丸の内2丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内 Fターム(参考) 5F073 AA22 AA46 AA74 AB27 AB28 AB30 BA01 CA12 CB02 CB13 DA05 DA21 DA31 EA24 FA01 FA06 FA25 FA29 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tsuyoshi Saito 2-6-1 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Inside Furukawa Electric Co., Ltd. (72) Inventor Satoshi Irino 2-6-1 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Furukawa Electric Co., Ltd. (72) Inventor Ryuichiro Minato 2-6-1 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Furukawa Electric Co., Ltd. F-term (reference) 5F073 AA22 AA46 AA74 AB27 AB28 AB30 BA01 CA12 CB02 CB13 DA05 DA21 DA31 EA24 FA01 FA06 FA25 FA29
Claims (19)
る障壁層の間に形成されて成り、前記井戸層の少なくと
も1個および前記障壁層の少なくとも1個はドーピング
されている、800μm以上の共振器長を有する多重量
子井戸構造の活性層と、前記活性層に隣接する上部およ
び下部光閉じ込め層とを備えていることを特徴とする半
導体レーザ素子。1. A plurality of individual well layers, each formed between adjacent barrier layers, wherein at least one of said well layers and at least one of said barrier layers are doped and have a thickness of 800 μm or more. A semiconductor laser device comprising: an active layer having a multiple quantum well structure having a cavity length; and upper and lower optical confinement layers adjacent to the active layer.
0〜50nmである請求項1の半導体レーザ素子。2. The optical confinement layer having a thickness of 2
2. The semiconductor laser device according to claim 1, which has a thickness of 0 to 50 nm.
少なくとも1個の障壁層が、n型ドーパントで濃度1×
1017〜3×1018cm-3にドーピングされている請求項
1または2の半導体レーザ素子。3. The method according to claim 1, wherein the at least one well layer and the at least one barrier layer have a concentration of 1 × with an n-type dopant.
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is doped with 10 17 to 3 × 10 18 cm −3 .
Siの群から選ばれる請求項3の半導体レーザ素子。4. The semiconductor laser device according to claim 3, wherein said n-type dopant is selected from the group consisting of Se, S and Si.
求項1〜4のいずれかの半導体レーザ素子。5. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein said cavity length is longer than 1000 μm.
ーピングされている請求項1〜5のいずれかの半導体レ
ーザ素子。6. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a plurality of well layers and adjacent barrier layers are doped.
グされている請求項6の半導体レーザ素子。7. The semiconductor laser device according to claim 6, wherein all the well layers and all the barrier layers are doped.
ネルギーが異なる複数の層で形成されている請求項1〜
7のいずれかの半導体レーザ素子。8. The light confinement layer is formed of a plurality of layers having different band gap energies.
7. The semiconductor laser device according to any one of 7.
層から、隣接する光閉じ込め層の末端表面に至るまで階
段状に増大していく請求項8の半導体レーザ素子。9. The semiconductor laser device according to claim 8, wherein the band gap energy increases stepwise from the active layer to the end surface of the adjacent optical confinement layer.
び下部クラッド層が形成され、それらクラッド層のバン
ドギャップエネルギーは、活性層およびそれに隣接する
光閉じ込め層のバンドギャップエネルギーのいずれより
も大きい請求項1〜9のいずれかの半導体レーザ素子。10. The method according to claim 1, wherein upper and lower cladding layers are formed adjacent to the light confinement layer, and the band gap energies of the cladding layers are larger than any of the band gap energies of the active layer and the light confinement layer adjacent thereto. Item 10. The semiconductor laser device according to any one of Items 1 to 9.
ドギャップエネルギーはバンドギャップ包絡線で決ま
り、かつ前記バンドギャップ包絡線が直線である請求項
1〜10のいずれかの半導体レーザ素子。11. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a band gap energy at a boundary between adjacent various layers is determined by a band gap envelope, and said band gap envelope is a straight line.
ドギャップエネルギーはバンドギャップ包絡線で決ま
り、かつ前記バンドギャップ包絡線が(上向きまたは下
向き)の曲線である請求項1〜10のいずれかの半導体
レーザ素子。12. The semiconductor according to claim 1, wherein the band gap energy at the boundary between the various adjacent layers is determined by a band gap envelope, and the band gap envelope is a curve (up or down). Laser element.
る請求項12の半導体レーザ素子。13. The semiconductor laser device according to claim 12, wherein said curve is substantially parabolic.
みを有する請求項1〜13のいずれかの半導体レーザ素
子。14. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein said well layer has a compressive strain of 0.5 to 1.5%.
射率を有し、かつ後端面は90%より大きい反射率を有
する請求項1〜14のいずれかの半導体レーザ素子。15. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the emission end face of the resonator has a reflectance of less than 5%, and the rear end face has a reflectance of more than 90%.
nm(の間にある)である請求項1〜15のいずれかの半
導体レーザ素子。16. The wavelength of emitted light is 1200 to 1550.
The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 15, which has a value of nm (between).
ーザ素子が組み込まれているレーザ部品であって、更に
前記半導体レーザ素子の出力を光ファイバの端面に光結
合する少なくとも1個のレンズを有し、かつ前記半導体
レーザ素子が冷却素子に熱的に結合されていることを特
徴とするレーザ部品。17. A laser component incorporating the semiconductor laser device according to claim 1, further comprising at least one lens for optically coupling an output of said semiconductor laser device to an end face of an optical fiber. A laser component comprising: the semiconductor laser element; and the semiconductor laser element is thermally coupled to a cooling element.
グが形成されており、そのグレーティングは3nm以下の
帯域幅を有している請求項17のレーザ部品。18. The laser component according to claim 17, wherein a grating is formed inside the optical fiber, and the grating has a bandwidth of 3 nm or less.
る、階段状の上部および下部光閉じ込め層と、複数の個
々の井戸層が、それぞれ隣接する障壁層の間に形成され
て成り、800μmより長い共振器長を有する多重量子
井戸構造を有し、前記光閉じ込め層の間に配置された活
性層とを備えた半導体レーザ素子であって、前記光閉じ
込め層の段数が少なくとも3個であることを特徴とする
半導体レーザ素子。19. A stepped upper and lower light confinement layer, each having a thickness of 20-50 nm, and a plurality of individual well layers formed between adjacent barrier layers, each having a length of more than 800 μm. A semiconductor laser device having a multiple quantum well structure having a cavity length and an active layer disposed between the optical confinement layers, wherein the number of stages of the optical confinement layer is at least three. Characteristic semiconductor laser device.
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