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JP2565924B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JP2565924B2
JP2565924B2 JP62240844A JP24084487A JP2565924B2 JP 2565924 B2 JP2565924 B2 JP 2565924B2 JP 62240844 A JP62240844 A JP 62240844A JP 24084487 A JP24084487 A JP 24084487A JP 2565924 B2 JP2565924 B2 JP 2565924B2
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JP
Japan
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semiconductor laser
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JP62240844A
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玄一 波多腰
正行 石川
直人 茂木
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は光通信や光情報処理用の光源として用いられ
る半導体レーザ装置に関する。
(従来の技術) 近年、光通信や光情報処理の分野で半導体レーザが広
く用いられている。一般に端面発光型の半導体レーザは
TEモード(Transverse electric mode)発振、すなわち
出射光の電場ベクトルが、pn接合面に並行方向を向いた
発振となっている。これはTEモードに対する端面反射率
がTMモード(Transverse magnetic mode)に対する反射
率よりも大きいため、共振器損失が、TEモードの方が小
さく、閾電流密度も小さい値となるためである。第9図
〜第11図は従来の半導体レーザの基本構造であるDH(ダ
ブルヘテロ接合)構造の例とこの構造に対する端面反射
率および閾電流密度の活性層厚依存性を示したものであ
る。第10図からわかるように通常の半導体レーザでは端
面反射率RがTEモードの方が大きいため で与えられる閾電流密度J thの低いTEモードで発振す
る。
ところで、光信号処理装置などの光源として半導体レ
ーザを用いる場合に、レーザがTMモードで発振する方が
好ましい場合がある。第12図は光導波路を用いた光合波
器の例を示したもので、光源の半導体レーザ110として
異なる波長λ1,λ2で発振する2つのDFBレーザを一つ
の基板に集積化したものを用いている。半導体レーザか
らの光は光導波路レンズ112によりコリメートされ、導
波路グレーティング114の波長分数を利用して同一方向
に回折される。この回折光はもつ一つの光導波路レンズ
113により収束し、光ファイバ115へ合波される。この装
置において、導波路グレーティング114の回折効率はグ
レーティングの構造、入射角等によって決まるが、入射
波と反射波の伝搬ベクトルのなす角が90°に近い場合に
は、TEモードに対する回折効率を大きくすることが困難
である。これは2つの波の電場ベクトルがほぼ直交する
ため結合係数が非常に小さい値となるからである。した
がってこのような装置では光源としてTMモードで発振す
るレーザを用いた方が高い回折効率が得られる。しかし
ながら前述したように従来の半導体レーザはTEモード発
振であるため、第12図のような配置では高い回折効率が
得られない。
またこの例に限らず、通常の半導体レーザは接合面に
垂直方向と平行方向とでビーム広がり角が異なるため、
このアスペクト比を補正するための光学系に対するレー
ザの接合面の方向は必然的に定まってしまう。したがっ
て使用できる偏光方向が光学系で限定されてしまい自由
度がない。
(発明が解決しようとする問題点) 以上述べたように従来の半導体レーザは偏光方向が接
合面に平行方向のTEモード発振であるため、用途によっ
ては使用し難い場合が生じ、また各種応用において、光
学系が制約を受け、自由度が少ないという問題があっ
た。本発明の目的はこの問題点を解決するため、TMモー
ドで発振する半導体レーザを提供することにある。
〔発明の構成〕
(問題点を解決するための手段) 本発明はクラッド層中にレーザ発振波長に対して吸収
損失を持つ損失層を設け、該損失層によるTEモードに対
する損失がTMモードに対する損失よりも大きくなるよう
に損失層の厚さおよび活性層からの距離とを設定するこ
とによりTMモード発振を可能としたものである。
(作用) 本発明による半導体レーザは、損失層がTEモードに対
して大きな吸収損失を持つ層として作用し、TMモードに
対する損失はそれより小さくできるため、TMモードでの
発振が可能となる。
(実施例) 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第
1図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザ装置の概
略構成を示す図である。図中10はn−GaAs基板、11はn
−InAlPクラッド層、12はアンドープInGaP活性層,13は
p−InAlPクラッド層,14はp−GaAsコンタクト層、15は
p−GaAs損失層をそれぞれ示している。この半導体レー
ザは活性層としてInGaPを用いており、波長〜670nmで発
振する。この構造においてp−GaAs損失層14がTEモード
とTMモードとに対して損失差を与える層として作用し、
この層の厚さtおよび活性層からの距離hの値によって
TEモードに対する損失をTMモードに対する損失より大き
くすることが可能である。以下でこの原理について説明
する。
第2図は最も単純な3層構造の光導波路の屈折率分布
と光強度分布とを示したものである。半導体レーザでは
中央部の屈折率がn1の部分が活性層、その両側の領域が
クラッド層に相当する。第2図(b)にはTEモードおよ
びTMモードの光強度分布を示してあり、全パワーが等し
くなるようにすなわち、各曲線の下の部分の面積が等し
くなるように規格化してある。この図からわかるように
中央部ではTEモードの方が強度が大きく、周辺部ではTM
モードの方が強度が大きい。したがって例えばBの領域
に光吸収層を設けると、TMモードに対する損失が大きく
なるため、このような光導波路はTEモードを選択するフ
ィルタとして用いることができる。従来のTMモードカッ
トフィルタはこの構造を用いたものが多い。
一方これとは逆に第2図(b)のA領域に光吸収層が
あるとTEモードに対する損失が大きいため、TEモードを
カットし、TMモードを選択する働きをする。この構造の
特別な場合として、光導波層に対して薄い損失層を設け
ることにより、TMモード選択フィルタを構成した例があ
る。例えば7059導波路にCdSを装荷した構造(J.Appl.Ph
ys,50,No.11,(1979)p.6694)や,GaAlAs導波路にSiま
たはGeを装荷した構造(Jpn.J.Appl.Phys.Part1.25,No.
8(1986)p.1266,)などが報告されている。
しかしながらこれらの構造を半導体レーザに適用する
ことは困難である。というのは半導体レーザにおいて損
失層となるのは一般に活性層よりバンドキャップの小さ
い材料であるが、このような材料を活性層に接して設け
ると、バンドギャップの小さい層がpn接合の近傍にある
ことになり、むしろこのバンドギャップに相当する波長
で発振することになって損失層を設けたことにはならな
いからである。
本発明のポイントは第1図に示したように損失層をpn
接合の形成されている活性層から離れた位置に設けたこ
とにある。このような構造にすることにより、第1図の
例ではInGaP層12のバンドギャップに相当する波長で発
振し、かつp−GaAs損失層15がTEモードに対して大きな
損失を与える働きをするので、このレーザはTMモードで
発振することになる。第3図に活性層厚d=0.07μmの
場合について、損失層の厚さtおよび活性層からの距離
hと各モードの損失αとの関係を示した。図からt,hの
値によってTEモードおよびTMモードに対する損失の大小
関係が入れ換かっていることがわかる。この図からTEモ
ードに対する損失がTMモードに対する損失よりも大きい
領域にt,hを設定すればTMモード発振レーザが実現され
る。例えばh=0.5μm,t=0.039μmとするとTMモード
の方がTEモードより約40cm-1損失が小さい。
第4図は本発明の第2の実施例を示したものである。
この例ではp−GaAs損失層15の他に、n−InAlPクラッ
ド層11中にもn−GaAs損失層16を設けてある。これによ
りTMモード選択の効果をさらに高めることができる。
第5図および第6図は本発明を横モード制御構造の半
導体レーザに適用した実施例を示したもので、それぞ
れ、リッジストライプ型InGaAlPレーザ(Extcnded Abst
ruct,18th Conf.on Solid State Devices and Materisl
s,Tokyo(1986)pp153−156)およびm−ECO構造GaAlAs
レーザ(Extcnded Abstruct 17th Conf on Solid State
Devices and Materials,Tokyo(1985)pp67−70)を基
本構造としている。第5図において20はn−GaAs基板、
21はn−InGaAlPクラッド層、22はアンドープInGaP活性
層、23,25はp−InGaAlPクラッド層、24はp−GaAs損失
層、26はn−GaAs電流狭窄層、27はp−GaAsコンタクト
層、28はn電極、29はp電極をそれぞれ示している。こ
のレーザは、まずn−GaAs基板20,n−InGaAlPクラッド
層21,In−GaP活性層22,p−InGaAlPクラッド層23,p−GaA
s損失層24、p−InGaAlPクラッド層25を順次成長させた
後、中央のリッジ部分を残してクラッド層25および損失
層24をエッチングにより除去し、n−GaAs電流狭窄層26
をMOCVD選択成長法(SiO2マスク)等によって成長さ
せ、さらにp−GaAsコンタクト層を成長させ、最後に電
極28,29を形成することによって作製される。このレー
ザレーザズは水平方向に光が閉じ込められるリッジスト
ライプ部分に損失層24が設けられており、第1図,第4
図の場合と同様の原理によってTMモード発振が実現され
る。
また第6図において30はn−GaAs基板、31,33はn−G
aAlAsクラッド層、32はn−GaAs損失層、34はアンドー
プGaAlAs活性層、35はp−GaAlAsクラッド層、36はn−
GaAlAs電流狭窄層、37はp−GaAlAs光導波層、38はp−
GaAlAsクラッド層、39はp−GaAsコンタクト層、40はn
電極、41はp電極をそれぞれ示している。
第5図および第6図に示した横モード制御構造の他、
本発明は第1図あるいは第4図のダブルヘテロ構造を基
本構造として各種の屈折率導波型レーザあるいは利得導
波型レーザに適用可能である。またファブリ・ペロー型
半導体レーザのみならず、分布帰還型(DFB)レーザあ
るいは分布反射型(DBR)レーザにも適用できる。
第7図は本発明を5波長集積DFBレーザ(Jan.J.Appl.
Phys,23,No.12(1984)pp.L940−L906)に適用した例を
示したものである。第7図(b)は(a)のA−A′断
面の構造を示したもので、図中50はn−InP基板、51は
n−InGaAsP光導波層、52はn−InP層、53はアンドープ
InGaAsP活性層54,56はp−InPクラッド層、55はp−InG
aAs損失層、57はp−InGaAsPコンタクト層をそれぞれ示
している。この集計化DFBレーザは、回折格子の周期Λ
の制御により、異なる波長λ1〜λ5で波振するレーザを
一つの基板上に集積化したもので、損失層55によりTMモ
ードで発振するため、例えば第12図のような光信号処理
デバイスに応用する場合、高い回折効率が得られる。
第2図および第3図からわかるようにTEモードとTMモ
ードとの損失差は損失層と活性層との距離によって変わ
る。損失層が、活性層から十分に離れている場合には損
失層による両者の損失差はほとんどなくなり、むしろ端
面反射率の違いによる共振器損失の差が支配的になるた
め、運営の半導体レーザと同様にTEモードで発振するこ
とになる。これを利用してTEモード発振のレーザとTMモ
ード発振のレーザとを同一基板上に集積することも可能
である。第8図はこのような集積化に本発明を適用した
例を示したものである。図中、60はn−GaAs基板、61は
n−GaAlAsクラッド層、62はアンドープGaAlAs活性層、
63はp−GaAlAsクラッド層、64はn−GaAs電流狭窄層、
65はp−GaAs損失層、66はp−GaAlAsクラッド層、67は
p−GaAsコンタクト層、68はn電極、69はp電極をそれ
ぞれ示している。このレーザは以下のようにして作製さ
れる。まずn−GaAs基板60の上にnクラッド層61、活性
層62、pクラッド層63、電流狭窄層64を順次成長させ
る。次に、によりストライプ溝70および71を形成する訳
であるが、この際左側の素子と右側の素子のエッチング
を別々に行ない、左側では溝底部と活性層との距離を小
さくして、その後で形成される損失層65による損失がTE
モードの方が大きいような距離にエッチングを行なう。
一方右側の素子では電流狭窄層64の厚さを少し越えた所
でエッチングを止め、活性層と溝底部との距離が十分大
きくなるようにする。以上のエッチングを行なった後、
エッチングマスクのレジストを除去し、その上に損失層
65、pクラッド層66、コンタクト層67を順次形成し、n
電極68およびp電極69をつける。最後に両素子を分離す
るための溝72を形成する。
このようにして作られたレーザは、左側がTMモード、
右側がTEモードで発振する。p電極が別々につけられて
いるので、それぞれのレーザを独立に発振させることが
できる。もちろん、両者を同時に発振させることも可能
である。
〔発明の効果〕
本発明によればTMモードで安定に発振する半導体レー
ザが得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す図、第2図および第3
図は本発明の原理を説明するための図、第4図〜第8図
は本発明の他の実施例を示す図、第9図は従来の半導体
レーザの基本構造を示す図、第10図および第11図は従来
の半導体レーザの発振モードを説明するための図、第12
図は半導体レーザの応用例を示す図である。 10,20,30,60,100……n−GaAs基板、11,21……n−InAl
Pクラッド層、12,22……アンドープInGaP活性層、13,2
3,25……p−InAlPクラッド層、14,27,39,67,104……p
−GaAsコンタクト層、15,24,65……p−GaAs損失層、1
6,32……n−GaAs損失層、26,64……n−GaAs電流狭窄
層、31,33,61,101……n−GaAlAsクラッド層、34,62,10
2……アンドープGaAlAs活性層、35,38,63,66,103……p
−GaAlAsクラッド層、37……p−GaAlAs光導波層、50…
…n−InP基板、51……n−InGaAsP光導波層、52……n
−InP層、53……アンドープInGaAsP活性層、54,56……
p−InPクラッド層、55……p−InGaAsP損失層、57……
p−InGaAsPコンタクト層、28,40,68……n電極、29,4
1,69……p電極、70,71……ストライプ溝、72……素子
分離溝、110……半導体レーザ、111……光導波路基板、
112,113……光導波路レンズ、114……回折格子、115…
…光ファイバ。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】活性層と、該活性層よりバンドギャップが
    大きく、活性層を挟んで両側に位置する2つのクラッド
    層と、該クラッド層のうち少なくとも一方の層中に、活
    性層のバンドギャップによって決まるレーザ発振波長に
    対して吸収損失を持つ損失層を備え、該損失層によるTE
    モードに対する損失がTMモードに対する損失よりも大き
    くなるように前記損失層の厚さ及び前記活性層から前記
    損失層までの距離とが設定されていることを特徴とする
    半導体レーザ装置。
  2. 【請求項2】前記活性層がInGaP層、前記クラッド層がI
    nAIP層、前記損失層がGaAs層であることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項に記載の半導体レーザ装置。
JP62240844A 1987-09-28 1987-09-28 半導体レーザ装置 Expired - Fee Related JP2565924B2 (ja)

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