JP3590277B2 - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザ Download PDFInfo
- Publication number
- JP3590277B2 JP3590277B2 JP32417698A JP32417698A JP3590277B2 JP 3590277 B2 JP3590277 B2 JP 3590277B2 JP 32417698 A JP32417698 A JP 32417698A JP 32417698 A JP32417698 A JP 32417698A JP 3590277 B2 JP3590277 B2 JP 3590277B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- composition
- refractive index
- semiconductor laser
- sch
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信などの分野において光ファイバ増幅器用励起光源などに用いて好適な半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、波長多重通信では、ファイバ内の光信号が異なる波長で多重化されているため、使用する多重度が増すに従い、広範囲の波長領域をカバーし、かつ高出力のファイバアンプが必要となる。１．５５μｍ帯でのファイバ増幅としては、Ｅｒ３＋イオンがドープされている光ファイバが用いられ、１．３μｍ帯では、Ｐｒ３＋イオンドープの光ファイバが用いられる。
【０００３】
前者のＥｒ３＋イオンドープ光ファイバに対しては、Ｅｒ３＋イオンを励起するための光源として、１．４８μｍ，０．９８μｍ，０．８２μｍなどの波長を持つ光源が有望である。これら波長の光源の内、波長がファイバアンプの出力波長に近い方が励起効率が良いので、その意味から１．４８μｍ帯の高出力励起用光源の開発が盛んである。しかし、この１．４８μｍ帯の光源は、逆に０．９８μｍ帯の光源と比較してノイズ指標で劣る。このために、ファイバアンプの前段では０．９８μｍ帯励起用光源を用いて、後段では１．４８μｍ帯励起用光源を用いる、などの工夫がなされている。
【０００４】
また、波長が０．９８μｍ、１．０２μｍ帯の励起用光源は、１．３μｍ帯のファイバアンプのＰｒ３＋イオンを励起するための光源として、注目されている。上記の波長帯の光源として、図５に示すような構造の半導体レーザが知られている。この半導体レーザの構成を見ると、図５に示すように、まず、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓクラッド層２が形成され、その上にｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ光導波路層３が形成され、さらに、その上に組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；分離閉じこめヘテロ構造）層４が形成されている。そして、前記ＳＣＨ層４の上に、活性層１００が形成され、この活性層１００の上に、順次、組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層８および組成ｐ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第２の光導波路層９が形成されている。前記第２の光導波路層９の上部は、リッジ構造を成しており、そのリッジの上に、組成ｐ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第２のクラッド層１０が形成され、その上の最外層にｐ＋ −ＧａＡｓキャップ層１１が形成されている。前記活性層１００は、順次積層された３つの層、Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓ量子井戸層５、Ａｌｒ Ｇａ１−ｒ Ａｓ障壁層６、およびＩｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓ量子井戸層７から構成されている。このように図５（ａ）に示した半導体レーザは、ＩｎＧａＡｓを活性層とする０．９８μｍ／１．０２μｍの歪量子井戸構造半導体レーザであり、この従来の半導体レーザは、小型、低ノイズであるために注目されており、近年の波長多重の要請から、この半導体レーザの高出力化の検討が盛んに行われている。この半導体レーザは、活性層の埋め込みを伴わず、製造が簡単であることから、図５に示したように、主にリッジ型が採用されている。このリッジ型の半導体レーザは、リーク電流が殆どなく、かつ高効率であるために、高出力動作においても、利点がある。しかしながら、この半導体レーザでは、（Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ 社 ９８０Ｌ−ＮＳ Ｓｅｒｉｅｓ Ｄｅｖｉｃｅ ＳＵ３６７３Ｃ ＣＯ５３２）に報告されている遠視野像（ＦＦＰ：Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ ）の半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）が、水平６．８度に対して垂直３０．２度であるように、アンバランスが大きく、シングルモードファイバとの結合効率が十分でない。また、そのままのデバイス構成で、この結合効率を高めるには、非球面レンズで集光しなければならず、モジュールが高価になるという問題点があった。さらに、駆動電流を増加させて高出力動作をさせると、横モードが安定せず、シングルモードファイバとの結合が十分でない、という問題があった。
【０００５】
シングルモードファイバとの光結合を改善するには、レーザ出射端の近視野像（ＮＦＰ：Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）をファイバ中を伝搬するガウス型の分布に近づければ良く、このことは、遠視野像が真円に近くなることを意味している。このような改善のために、多くの取り組みがなされてきた。例えば、Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ ｓのＡｌの含有量ｙを調整し、低屈折率層を上下のクラッドと導波路層の間にそれぞれ一層づつ挿入することにより、従来、２３°あった垂直方向の遠視野像の半値全幅が１８°と改善され、この時の水平方向の遠視野像の半値全幅としては９°が得られている（Ｊ．Ｔｅｍｍｙｏ ａｎｄ Ｍ．Ｓｕｇｏ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．３１，ｐｐ．６４２−６４４，Ａｐｒｉｌ．１９９５）。しかし、垂直方向の遠視野像の半値全幅値は、水平方向の遠視野像の半値全幅値と比較して、まだ２倍程度大きい、という問題がある。また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ系で、上下のクラッド層の間に高屈折率のＧａＡｓ層をそれぞれ一層づつ挿入し、光強度分布を上下に引っ張ることで、垂直方向の遠視野像の半値全幅が１７°、水平方向の遠視野像の半値全幅が１５°というように、真円に近い値が得られている（Ｄ．Ｖａｋｈｏｏｒｉ ｅｔ ａｌ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．３２，ｐｐ．１００７−１００８，Ｍａｙ １９９６）。
【０００６】
この従来例では、材料系の組み合わせが複雑であること、さらに、クラッド層としてＩｎＧａＰが用いられており、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ界面では、特に価電子帯のバンド不連続性が増し、直列抵抗が大きくなり、高出力特性が問題であり、結合効率が９０％にも達しているにもかかわらず、レーザの出力は１２０ｍＷに過ぎない。また、光閉じこめを弱くして出射ビームを単に広げる手法では、有効なゲインも減少してしまう。したがって、前記従来の半導体レーザでは、光閉じこめを大きく変えることなく、光ファイバとの結合を改善することが課題であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の半導体レーザでは、光ファイバと結合して容易に高出力特性を実現することは困難であった。また、上記の問題を解決するためのＩｎＧａＰを用いて高結合効率を実現した従来例もあるが、パワーの出力値が十分でないこと、材料系が複雑で量産に適さない、という問題があった。
【０００８】
本発明の課題は、前記従来技術の問題点を解決し、光ファイバとの結合において、高結合効率を有するとともに、高い出力を持つ半導体レーザを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、従来材料の枠組みの中で、深さ方向の層構造を変化させるという構成上の変更が容易にもかかわらず、改善効果の高い方法によって、高結合効率を有し、高い出力を持つ半導体レーザを得たことにある。
【００１１】
すなわち、前記課題を解決するための本発明の半導体レーザは、半導体基板と、この半導体基板の上に形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層の上に形成された第１の光導波路層と、この第１の光導波路層の上に形成された第１のＳＣＨ層と、この第１のＳＣＨ層の上に形成された活性層と、この活性層の上に形成された第２のＳＣＨ層と、この第２のＳＣＨ層の上に形成された第２の光導波路層と、第２の導波路層の上に形成された第２のクラッド層と、第２のクラッド層の上に形成されたキャップ層とを有し、前記第２の導波路層、第２のクラッド層およびキャップ層がリッジ型に加工された半導体レーザにおいて、前記第２のＳＣＨ層と第２の導波路層との間にその両者よりも屈折率が高い高屈折率層が設けられたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体レーザの別の形態は、前記半導体レーザの第１の光導波路層と第１のクラッド層との間にその両者よりも屈折率が低い低屈折率層がさらに設けられたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態：参考例）
図１（ａ）は、本発明に係るリッジ型半導体レーザの参考例である第１の実施形態を示す断面図であり、同図（ｂ）は、図１（ａ）の積層構造に対応して示した積層中のＡｌ組成とＩｎ組成の濃度分布を示すグラフである。図１（ａ）において、図５（ａ）と同一構成要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
【００１５】
本実施形態の半導体レーザでは、図１（ａ）に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１上に組成ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第１のクラッド層２が設けられている。そして、この第１のクラッド層２の上に、深さ方向の光強度分布を上部に押し上げるために、ｎ−Ａｌｓ Ｇａ１−ｓ Ａｓ低屈折率層１２が設けられ、その上に、第１の光導波路層３が設けられている。この第１の光導波路層３の上には、ＳＣＨ層４が設けられ、さらに、その上には、活性層１００が設けられている。この活性層は、Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓ量子井戸層５，７と、これらに挟まれているＡｌｒ ａ１−ｒ Ａｓ障壁層６とから構成されている。
【００１６】
このように、本実施形態の半導体レーザの特徴は、前記従来の図５（ａ）に示した半導体レーザに比較すると、組成ｎ−Ａｌｓ Ｇａ１−ｓ Ａｓの低屈折率層１２を介装することによって第１の光導波路層３を構成するｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓとの界面での屈折率差を大きくした構造にあり、前述のように、ＳＣＨ層４は導波路層３の上部に位置し、活性層１００はＳＣＨ層４の上に位置している。なお、結晶性の観点から、ｎ−ＧａＡｓ基板１の一部にバッファ層としてのｎ＋ −ＧａＡｓ層を含んでもよい。
【００１７】
本参考例では、活性層１００は、ＩｎｑＧａ１−ｑＡｓ量子井戸層５，７と、ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ障壁層６からなっているが、発振波長が所望のものであれば、量子井戸の多重度には自由度があり、バルク構造でも構わない。活性層１００上部には、組成ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓのＳＣＨ層８、組成ｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓの第２の光導波路層９があり、さらに、組成ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの第２のクラッド層１０と、組成ｐ＋−ＧａＡｓのキャップ層１１から構成され、前記キャップ層１１および第２のクラッド層１０と、第２の光導波路層９の一部とが、１．５〜３．５μｍ程度のリッジを形成している。
【００１８】
また、組成ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第１のクラッド層２と、組成ｎ−Ａｌｓ ａ１−ｓ Ａｓの低屈折率層１２と、組成ｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第１の光導波路層３との屈折率の関係を実現するには、組成で、以下の関係があれば良い。
【００１９】
ｓ≧ｘ≧ｙ
また、典型例では、これらは０．１〜０．３の組成が用いられる。
【００２０】
図５に示す従来の半導体レーザは、低屈折率層１２を含まない組成、層厚を調整し、それにより、遠視野像の半値全幅の水平値に対する垂直値（扁平率）を改善した従来構造である。従来構造における遠視野像の半値全幅値は水平方向で９．７度、垂直方向で１９．５度であった。この構造に対して、図１（ａ）のように、ｓ＝０．２５の低屈折率層１２を挿入して、この挿入層の厚さと、遠視野像の半値全幅とを水平、垂直で調べ、扁平率を算出した。この得られた扁平率をプロットした結果が、図２である。低屈折率層１２の厚さが６００ｎｍの構造における遠視野像の半値全幅値は、水平方向で１２．１度、垂直方向で１４．９度であり、扁平率は、従来構造の２．０から１．２へ大きく改善され、真円に近いものとなった。もちろん、これらの遠視野像の値は、第２の光導波路層９のエッチングで残された部分の深さにも依存する。
【００２１】
本参考例では、光強度分布をリッジ面方向に引っ張り、引っ張り上げられた光分布が、横方向に空気、半導体、空気と屈折率差が大きいリッジによって、真円に近い遠視野像へと整形するものである。そして、本参考例では、低屈折率層１２の挿入によって、本質的には大きく光閉じこめを変化させるものではなく、図５の従来構造と同様に、光閉じこめは２．１％であった。さらに、挿入した低屈折率層は、低ロスのため、活性層の閉じこめが小さく、しみ出し光強度が大きいこの種のデバイスでは、トータルロスを下げる効果もある。
【００２２】
以上のように、本参考例は、従来構造で単に光強度分布（ＮＦＰ）を深さ方向に広げて、ＦＦＰ値を改善しようとした従来の試みと大きく異なる。すなわち、従来の光強度分布を広げる手法では、光閉じこめが小さくなり、垂直方向の遠視野像の半値全幅値を実現しようとすれば、光閉じこめは、約１．５％と落ちてしまい、ゲイン媒質を十分に活用することができなく、トータルで高出力を達成する妨げとなっていた。すなわち、本参考例によれば、発振しきい値の劣化、温度特性には全く影響されずに、従来、４８０ｍＷ、５３０ｍＡであったシングルモード発振限界が、５９０ｍＷ、６５０ｍＡにまでになり、高出力化が図れることが確認された。
【００２３】
また、シングルモードファイバとの結合効率については、位置合わせ精度が大幅に緩和され、球面レンズを用いても、８０〜９０％の結合効率が容易に得られるようになった。以上述べたように、本参考例によれば、高出力、低価格な０．９８μｍ／１．０２μｍ帯でのファイバアンプ励起用レーザを実現することができた。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図３（ａ）は、本発明に係るリッジ型半導体レーザの第２の実施形態を示す断面図であり、同図（ｂ）は、図３（ａ）の積層構造に対応して示した積層中のＡｌ組成とＩｎ組成の濃度分布を示すグラフである。図３（ａ）において、図５（ａ）および図２（ａ）と同一構成要素には同一符号を付して説明を簡略化する。図３（ａ）に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１上に、順次、組成ｎ−Ａｌｘ ａ１−ｘ Ａｓの第１のクラッド層２、第１の光導波路層３を構成するｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ、活性層１００への光閉じこめを促進するＳＣＨ層４が積層されており、活性層１００は前記ＳＣＨ層４の上部に位置している。なお、結晶性の観点から、基板１の一部にバッファ層としてのｎ−ＧａＡｓ層を含んでもよい。
【００２５】
本実施例では、活性層１００は、組成Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓの量子井戸層５，７と、Ａｌｒ Ｇａ１−ｒ Ａｓ障壁層６からなっているが、発振波長が所望のものであればシングル井戸構造でも、バルク構造でも構わない。活性層１００の上部には、順次、組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層８と、深さ方向の光強度分布を上部に押し上げるための組成ｐ−Ａｌｔ Ｇａ１−ｔ Ａｓの高屈折率層１３とを設け、その上に、さらに、組成ｐ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第２の光導波路層９が設けられ、さらに、組成ｐ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第２のクラッド層１０と、組成ｐ＋ −ＧａＡｓのキャップ層１１が形成されている。前記キャップ層１１および第２のクラッド層１０と、第２の光導波路層９の一部とが、１．５〜３．５μｍ程度のリッジを形成している。なお、ＳＣＨ層８，高屈折率層１３，および第２の光導波路層９の屈折率の関係を実現するには、組成で、以下の関係があれば良い。
【００２６】
ｙ≧ｚ≧ｔ
また、典型例では、これらは、０．０〜０．２５の組成が用いられる。
【００２７】
図５に示した従来の半導体レーザでは、高屈折率層１３を含まない組成であり、層厚を調整して、遠視野像（ＦＦＰ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）の扁平率を改善していた。この従来構造における遠視野像の半値全幅値は、水平方向で９．７度、垂直方向で１９．５度であった。この従来構造に対して、図３（ａ）のように、ｔ＝０．０９、厚さ２０ｎｍの高屈折率層１３を挿入すると、遠視野像の半値全幅値は、水平方向で１０．５度、垂直方向で１８．２度であり、扁平率は、従来構造が２．０であったものから、１．７へと改善された。もちろん、これらの遠視野像の値は、第２の光導波路層９のエッチングで残された部分の深さにも依存する。高屈折率層１３の挿入は、漏れた光のロスを上げるけれども、層の厚さが２０ｎｍと十分に狭いために、この領域でのロス増は、レーザのしきい値には影響を与えない。
【００２８】
本実施形態の半導体レーザでは、高屈折率層１３によって、光強度分布をリッジ面方向に引っ張り、引っ張り上げられた光分布が、リッジによってより真円に近い遠視野像へと整形するものである。そして、本実施形態の半導体レーザは、本質的には大きく光閉じこめを変化させるものではなく、図５の従来構造同様に光閉じこめは、２．１％であった。これは、実施形態例１と同様に、単に光強度分布（ＮＦＰ）を深さ方向に広げて、ＦＦＰ値を改善しようとした従来の試みと大きく異なる。すなわち、従来のＮＦＰを広げる手法では、光閉じこめが小さくなり、垂直方向の遠視野像の半値全幅値を実現しようとすれば、光閉じこめは約１．５％と落ちてしまい、ゲイン媒質を十分に活用することができなくなり、トータルで高出力を達成する妨げとなっていた。
【００２９】
すなわち、本発明によれば、発振しきい値の劣化、温度特性には全く影響されずに、従来構造の半導体レーザでは、４８０ｍＷ、５３０ｍＡのシングルモード発振限界が、５２０ｍＷ、５６５ｍＡにまで高出力化が図れることが確認された。
【００３０】
また、シングルモードファイバとの結合効率については、位置合わせ精度が緩和され、球面レンズを用いても、７５〜８５％の結合効率が容易に得られるようになった。以上述べたように、本実施例によれば、高出力、低価格な０．９８μｍ／１．０２μｍ帯でのファイバアンプ励起用レーザを実現できた。
【００３１】
（第３の実施の形態）
図４（ａ）は、本発明に係るリッジ型半導体レーザの第３の実施形態を示す断面図であり、同図（ｂ）は、図４（ａ）の積層構造に対応して示した積層中のＡｌ組成とＩｎ組成の濃度分布を示すグラフである。図４（ａ）において、図５（ａ）、図２（ａ）および図３（ａ）と同一構成要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
【００３２】
図４（ａ）に示すように、本実施例の半導体レーザは、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１上に、順次、組成ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第１のクラッド層２、深さ方向の光強度分布を上部に押し上げるための組成ｎ−Ａｌｓ Ｇａ１−ｓ Ａｓの低屈折率層１２が設けられており、第１の光導波路層３を構成するｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓとの界面での屈折率差を大きくした構造に特徴がある。そして、前記第１の光導波路層３の上部にはＳＣＨ層４が位置し、このＳＣＨ層４の上には、活性層１００が位置している。なお、結晶性の観点から、基板１の一部にバッファ層としてのｎ−ＧａＡｓ層を含んでもよい。
【００３３】
本実施例では、活性層１００は、組成Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓの量子井戸層５、７と、組成Ａｌｒ Ｇａ１−ｒ Ａｓの障壁層６とからなっているが、発振波長が所望のものであれば、量子井戸構造には自由度があり、バルク構造でも構わない。
【００３４】
本実施例では、さらに、前記活性層１００の上部には、順次、組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層８、相乗効果で深さ方向の光強度分布を上部に押し上げるための組成ｐ−Ａｌｔ Ｇａ１−ｔ Ａｓの高屈折率層１３を設け、その上に、組成ｐ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第２の光導波路層９が設けられ、さらに、組成ｐ−Ａｌｘ ａ１−ｘ Ａｓの第２のクラッド層１０と、組成ｐ＋ −ＧａＡｓのキャップ層１１が形成されている。前記キャップ層１１および第２のクラッド層１０と、第２の光導波路層９の一部とが、１．５〜３．５μｍ程度のリッジを形成している。
【００３５】
また、組成ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第１のクラッド層２、組成ｎ−Ａｌｓ Ｇａ１−ｓ Ａｓの低屈折率層１２、組成ｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第１の光導波路層３、組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層８、組成ｐ−Ａｌｔ Ｇａ１−ｔ Ａｓの高屈折率層１３、および組成ｐ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第２の光導波路層９の屈折率の関係を実現するには、組成で、以下の関係があれば良い。
【００３６】
ｓ≧ｘ≧ｙ≧ｚ≧ｔ
また、典型例では、これらは、０．０〜０．３の組成が用いられる。
【００３７】
図５に示した従来の半導体レーザでは、低屈折率層１２および高屈折率層１３を含まないで、組成、層厚を調整して、遠視野像の半値全幅の扁平率を改善していた。この従来構造における遠視野像の半値全幅値は、水平方向で９．７度、垂直方向で１９．５度であった。この従来構造に対して、図４（ａ）のように、ｓ＝０．２５組成である低屈折率層１２の厚さが６００ｎｍ、ｔ＝０．０９組成である高屈折率層１３の厚さが２０ｎｍの各層を挿入すると、遠視野像の半値全幅値は水平方向で１２．５度、垂直方向で１３．８度であり、扁平率は、従来構造で２．０であったものから１．１へと大幅に改善された。もちろん、これらの遠視野像の値は、第２の光導波路層９のエッチングで残された部分の深さにも依存する。
【００３８】
本実施形態例では、第１の実施形態と同様に、光強度分布をリッジ面方向に引っ張り、引っ張り上げられた光分布がリッジによってより真円に近い遠視野像へと整形するものであり、本質的には、大きく光閉じこめを変化させるものではなく、本実施形態例では、図５の従来構造同様に光閉じこめは２．１％であった。これは、単に光強度分布（ＮＦＰ）を深さ方向に広げて、ＦＦＰ値を改善しようとした従来の試みと、大きく異なる。すなわち、従来のＮＦＰを広げる手法では、光閉じこめが小さくなり、垂直方向の遠視野像の半値全幅値を実現しようとすれば、光閉じこめは約１．５％と落ちてしまい、ゲイン媒質を十分に活用することができなくなり、トータルで高出力を達成する妨げとなっていた。これに対して、本発明によれば、発振しきい値の劣化、温度特性には全く影響されずに、従来、４８０ｍＷ、５３０ｍＡであったシングルモード発振限界が、６０５ｍＷ、６６８ｍＡにまで高出力化が図れることが確認された。
【００３９】
また、シングルモードファイバとの結合効率については、位置合わせ精度が緩和され、球面レンズを用いても、８５〜９３％の結合効率が容易に得られるようになった。
【００４０】
以上述べたように、本実施形態によれば、高出力、低価格な０．９８μｍ／１．０２μｍ帯でのファイバアンプ励起用レーザを実現できる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これら実施の形態では、上部リッジ構造部分の周囲は、空気層とした構成であった。これは、リッジ部分と周囲との間で屈折率差を生じさせて、素子特性の向上を図るためである。この目的を達するために、本発明では、上部にリッジを形成したものであり、このリッジ部分と屈折率差を生じさせる周囲の媒質は、空気に限らず、他の液体や固体材料であっても良い。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の半導体レーザは、深さ方向の光強度分布を上部（リッジ方向）に引き上げるために、第２のＳＣＨ層と第２の導波路との間に高屈折率層を挿入した構成、あるいは、第１の導波路と第１のクラッド層の間に低屈折率層を挿入するとともに、第２のＳＣＨ層と第２の導波路との間に高屈折率層を挿入した構成を特徴としており、引っ張られた分布がリッジを構成する横方向の空気・半導体・空気からなる大きな屈折率差で整形されて、真円に近い遠視野像を実現するものである。本発明の半導体レーザでは、遠視野像の水平、垂直方向の扁平比が小さいために、シングルモードファイバとの結合は、球面レンズを用いた高精度な位置合わせを要することなく、高効率に行うことができる。また、活性層領域の光閉じこめを減少させることなく、ゲイン媒質を有効に利用でき、デバイス全体としてのロスの低減効果でより高出力特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の半導体レーザの参考例である第１の実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は同半導体レーザの積層構造に対応して示した積層中のＡｌとＩｎの組成分布を示すグラフである。
【図２】第１の実施形態にかかる半導体レーザの低屈折率層の厚さと、水平および垂直方向の遠視野像（ＦＦＰ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）値と、これらの水平および垂直値の比の値で定義される扁平率との関係を示すグラフである。
【図３】（ａ）は本発明の半導体レーザの第２の実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は同半導体レーザの積層構造に対応して示した積層中のＡｌとＩｎの組成分布を示すグラフである。
【図４】（ａ）は本発明の第３の実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は同半導体レーザの積層構造に対応して示した積層中のＡｌとＩｎの組成分布を示すグラフである。
【図５】（ａ）は半導体レーザの従来構造の形態を示す断面図であり、（ｂ）は同半導体レーザの積層構造に対応して示した積層中のＡｌとＩｎの組成分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ｎ＋ −ＧａＡｓ基板
２ ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓクラッド層（第１のクラッド層）
３ ｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ光導波路層（第１の光導波路層）
４ 組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層
５ Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓ量子井戸層（活性層）
６ Ａｌｒ Ｇａ１−ｒ Ａｓ障壁層（活性層）
７ Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓ量子井戸層（活性層）
８ 組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層
９ ｐ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ光導波路層（第２の光導波路層）
１０ ｐ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓクラッド層（第２のクラッド層）
１１ ｐ＋ −ＧａＡｓキャップ層
１２ ｎ−Ａｌｓ Ｇａ１−ｓ Ａｓ低屈折率層
１３ ｐ−Ａｌｔ Ｇａ１−ｔ Ａｓ高屈折率層
１００ 活性層
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信などの分野において光ファイバ増幅器用励起光源などに用いて好適な半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、波長多重通信では、ファイバ内の光信号が異なる波長で多重化されているため、使用する多重度が増すに従い、広範囲の波長領域をカバーし、かつ高出力のファイバアンプが必要となる。１．５５μｍ帯でのファイバ増幅としては、Ｅｒ３＋イオンがドープされている光ファイバが用いられ、１．３μｍ帯では、Ｐｒ３＋イオンドープの光ファイバが用いられる。
【０００３】
前者のＥｒ３＋イオンドープ光ファイバに対しては、Ｅｒ３＋イオンを励起するための光源として、１．４８μｍ，０．９８μｍ，０．８２μｍなどの波長を持つ光源が有望である。これら波長の光源の内、波長がファイバアンプの出力波長に近い方が励起効率が良いので、その意味から１．４８μｍ帯の高出力励起用光源の開発が盛んである。しかし、この１．４８μｍ帯の光源は、逆に０．９８μｍ帯の光源と比較してノイズ指標で劣る。このために、ファイバアンプの前段では０．９８μｍ帯励起用光源を用いて、後段では１．４８μｍ帯励起用光源を用いる、などの工夫がなされている。
【０００４】
また、波長が０．９８μｍ、１．０２μｍ帯の励起用光源は、１．３μｍ帯のファイバアンプのＰｒ３＋イオンを励起するための光源として、注目されている。上記の波長帯の光源として、図５に示すような構造の半導体レーザが知られている。この半導体レーザの構成を見ると、図５に示すように、まず、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓクラッド層２が形成され、その上にｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ光導波路層３が形成され、さらに、その上に組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；分離閉じこめヘテロ構造）層４が形成されている。そして、前記ＳＣＨ層４の上に、活性層１００が形成され、この活性層１００の上に、順次、組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層８および組成ｐ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第２の光導波路層９が形成されている。前記第２の光導波路層９の上部は、リッジ構造を成しており、そのリッジの上に、組成ｐ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第２のクラッド層１０が形成され、その上の最外層にｐ＋ −ＧａＡｓキャップ層１１が形成されている。前記活性層１００は、順次積層された３つの層、Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓ量子井戸層５、Ａｌｒ Ｇａ１−ｒ Ａｓ障壁層６、およびＩｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓ量子井戸層７から構成されている。このように図５（ａ）に示した半導体レーザは、ＩｎＧａＡｓを活性層とする０．９８μｍ／１．０２μｍの歪量子井戸構造半導体レーザであり、この従来の半導体レーザは、小型、低ノイズであるために注目されており、近年の波長多重の要請から、この半導体レーザの高出力化の検討が盛んに行われている。この半導体レーザは、活性層の埋め込みを伴わず、製造が簡単であることから、図５に示したように、主にリッジ型が採用されている。このリッジ型の半導体レーザは、リーク電流が殆どなく、かつ高効率であるために、高出力動作においても、利点がある。しかしながら、この半導体レーザでは、（Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ 社 ９８０Ｌ−ＮＳ Ｓｅｒｉｅｓ Ｄｅｖｉｃｅ ＳＵ３６７３Ｃ ＣＯ５３２）に報告されている遠視野像（ＦＦＰ：Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ ）の半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）が、水平６．８度に対して垂直３０．２度であるように、アンバランスが大きく、シングルモードファイバとの結合効率が十分でない。また、そのままのデバイス構成で、この結合効率を高めるには、非球面レンズで集光しなければならず、モジュールが高価になるという問題点があった。さらに、駆動電流を増加させて高出力動作をさせると、横モードが安定せず、シングルモードファイバとの結合が十分でない、という問題があった。
【０００５】
シングルモードファイバとの光結合を改善するには、レーザ出射端の近視野像（ＮＦＰ：Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）をファイバ中を伝搬するガウス型の分布に近づければ良く、このことは、遠視野像が真円に近くなることを意味している。このような改善のために、多くの取り組みがなされてきた。例えば、Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ ｓのＡｌの含有量ｙを調整し、低屈折率層を上下のクラッドと導波路層の間にそれぞれ一層づつ挿入することにより、従来、２３°あった垂直方向の遠視野像の半値全幅が１８°と改善され、この時の水平方向の遠視野像の半値全幅としては９°が得られている（Ｊ．Ｔｅｍｍｙｏ ａｎｄ Ｍ．Ｓｕｇｏ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．３１，ｐｐ．６４２−６４４，Ａｐｒｉｌ．１９９５）。しかし、垂直方向の遠視野像の半値全幅値は、水平方向の遠視野像の半値全幅値と比較して、まだ２倍程度大きい、という問題がある。また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ系で、上下のクラッド層の間に高屈折率のＧａＡｓ層をそれぞれ一層づつ挿入し、光強度分布を上下に引っ張ることで、垂直方向の遠視野像の半値全幅が１７°、水平方向の遠視野像の半値全幅が１５°というように、真円に近い値が得られている（Ｄ．Ｖａｋｈｏｏｒｉ ｅｔ ａｌ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．３２，ｐｐ．１００７−１００８，Ｍａｙ １９９６）。
【０００６】
この従来例では、材料系の組み合わせが複雑であること、さらに、クラッド層としてＩｎＧａＰが用いられており、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ界面では、特に価電子帯のバンド不連続性が増し、直列抵抗が大きくなり、高出力特性が問題であり、結合効率が９０％にも達しているにもかかわらず、レーザの出力は１２０ｍＷに過ぎない。また、光閉じこめを弱くして出射ビームを単に広げる手法では、有効なゲインも減少してしまう。したがって、前記従来の半導体レーザでは、光閉じこめを大きく変えることなく、光ファイバとの結合を改善することが課題であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の半導体レーザでは、光ファイバと結合して容易に高出力特性を実現することは困難であった。また、上記の問題を解決するためのＩｎＧａＰを用いて高結合効率を実現した従来例もあるが、パワーの出力値が十分でないこと、材料系が複雑で量産に適さない、という問題があった。
【０００８】
本発明の課題は、前記従来技術の問題点を解決し、光ファイバとの結合において、高結合効率を有するとともに、高い出力を持つ半導体レーザを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、従来材料の枠組みの中で、深さ方向の層構造を変化させるという構成上の変更が容易にもかかわらず、改善効果の高い方法によって、高結合効率を有し、高い出力を持つ半導体レーザを得たことにある。
【００１１】
すなわち、前記課題を解決するための本発明の半導体レーザは、半導体基板と、この半導体基板の上に形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層の上に形成された第１の光導波路層と、この第１の光導波路層の上に形成された第１のＳＣＨ層と、この第１のＳＣＨ層の上に形成された活性層と、この活性層の上に形成された第２のＳＣＨ層と、この第２のＳＣＨ層の上に形成された第２の光導波路層と、第２の導波路層の上に形成された第２のクラッド層と、第２のクラッド層の上に形成されたキャップ層とを有し、前記第２の導波路層、第２のクラッド層およびキャップ層がリッジ型に加工された半導体レーザにおいて、前記第２のＳＣＨ層と第２の導波路層との間にその両者よりも屈折率が高い高屈折率層が設けられたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体レーザの別の形態は、前記半導体レーザの第１の光導波路層と第１のクラッド層との間にその両者よりも屈折率が低い低屈折率層がさらに設けられたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態：参考例）
図１（ａ）は、本発明に係るリッジ型半導体レーザの参考例である第１の実施形態を示す断面図であり、同図（ｂ）は、図１（ａ）の積層構造に対応して示した積層中のＡｌ組成とＩｎ組成の濃度分布を示すグラフである。図１（ａ）において、図５（ａ）と同一構成要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
【００１５】
本実施形態の半導体レーザでは、図１（ａ）に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１上に組成ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第１のクラッド層２が設けられている。そして、この第１のクラッド層２の上に、深さ方向の光強度分布を上部に押し上げるために、ｎ−Ａｌｓ Ｇａ１−ｓ Ａｓ低屈折率層１２が設けられ、その上に、第１の光導波路層３が設けられている。この第１の光導波路層３の上には、ＳＣＨ層４が設けられ、さらに、その上には、活性層１００が設けられている。この活性層は、Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓ量子井戸層５，７と、これらに挟まれているＡｌｒ ａ１−ｒ Ａｓ障壁層６とから構成されている。
【００１６】
このように、本実施形態の半導体レーザの特徴は、前記従来の図５（ａ）に示した半導体レーザに比較すると、組成ｎ−Ａｌｓ Ｇａ１−ｓ Ａｓの低屈折率層１２を介装することによって第１の光導波路層３を構成するｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓとの界面での屈折率差を大きくした構造にあり、前述のように、ＳＣＨ層４は導波路層３の上部に位置し、活性層１００はＳＣＨ層４の上に位置している。なお、結晶性の観点から、ｎ−ＧａＡｓ基板１の一部にバッファ層としてのｎ＋ −ＧａＡｓ層を含んでもよい。
【００１７】
本参考例では、活性層１００は、ＩｎｑＧａ１−ｑＡｓ量子井戸層５，７と、ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ障壁層６からなっているが、発振波長が所望のものであれば、量子井戸の多重度には自由度があり、バルク構造でも構わない。活性層１００上部には、組成ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓのＳＣＨ層８、組成ｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓの第２の光導波路層９があり、さらに、組成ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの第２のクラッド層１０と、組成ｐ＋−ＧａＡｓのキャップ層１１から構成され、前記キャップ層１１および第２のクラッド層１０と、第２の光導波路層９の一部とが、１．５〜３．５μｍ程度のリッジを形成している。
【００１８】
また、組成ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第１のクラッド層２と、組成ｎ−Ａｌｓ ａ１−ｓ Ａｓの低屈折率層１２と、組成ｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第１の光導波路層３との屈折率の関係を実現するには、組成で、以下の関係があれば良い。
【００１９】
ｓ≧ｘ≧ｙ
また、典型例では、これらは０．１〜０．３の組成が用いられる。
【００２０】
図５に示す従来の半導体レーザは、低屈折率層１２を含まない組成、層厚を調整し、それにより、遠視野像の半値全幅の水平値に対する垂直値（扁平率）を改善した従来構造である。従来構造における遠視野像の半値全幅値は水平方向で９．７度、垂直方向で１９．５度であった。この構造に対して、図１（ａ）のように、ｓ＝０．２５の低屈折率層１２を挿入して、この挿入層の厚さと、遠視野像の半値全幅とを水平、垂直で調べ、扁平率を算出した。この得られた扁平率をプロットした結果が、図２である。低屈折率層１２の厚さが６００ｎｍの構造における遠視野像の半値全幅値は、水平方向で１２．１度、垂直方向で１４．９度であり、扁平率は、従来構造の２．０から１．２へ大きく改善され、真円に近いものとなった。もちろん、これらの遠視野像の値は、第２の光導波路層９のエッチングで残された部分の深さにも依存する。
【００２１】
本参考例では、光強度分布をリッジ面方向に引っ張り、引っ張り上げられた光分布が、横方向に空気、半導体、空気と屈折率差が大きいリッジによって、真円に近い遠視野像へと整形するものである。そして、本参考例では、低屈折率層１２の挿入によって、本質的には大きく光閉じこめを変化させるものではなく、図５の従来構造と同様に、光閉じこめは２．１％であった。さらに、挿入した低屈折率層は、低ロスのため、活性層の閉じこめが小さく、しみ出し光強度が大きいこの種のデバイスでは、トータルロスを下げる効果もある。
【００２２】
以上のように、本参考例は、従来構造で単に光強度分布（ＮＦＰ）を深さ方向に広げて、ＦＦＰ値を改善しようとした従来の試みと大きく異なる。すなわち、従来の光強度分布を広げる手法では、光閉じこめが小さくなり、垂直方向の遠視野像の半値全幅値を実現しようとすれば、光閉じこめは、約１．５％と落ちてしまい、ゲイン媒質を十分に活用することができなく、トータルで高出力を達成する妨げとなっていた。すなわち、本参考例によれば、発振しきい値の劣化、温度特性には全く影響されずに、従来、４８０ｍＷ、５３０ｍＡであったシングルモード発振限界が、５９０ｍＷ、６５０ｍＡにまでになり、高出力化が図れることが確認された。
【００２３】
また、シングルモードファイバとの結合効率については、位置合わせ精度が大幅に緩和され、球面レンズを用いても、８０〜９０％の結合効率が容易に得られるようになった。以上述べたように、本参考例によれば、高出力、低価格な０．９８μｍ／１．０２μｍ帯でのファイバアンプ励起用レーザを実現することができた。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図３（ａ）は、本発明に係るリッジ型半導体レーザの第２の実施形態を示す断面図であり、同図（ｂ）は、図３（ａ）の積層構造に対応して示した積層中のＡｌ組成とＩｎ組成の濃度分布を示すグラフである。図３（ａ）において、図５（ａ）および図２（ａ）と同一構成要素には同一符号を付して説明を簡略化する。図３（ａ）に示すように、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１上に、順次、組成ｎ−Ａｌｘ ａ１−ｘ Ａｓの第１のクラッド層２、第１の光導波路層３を構成するｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ、活性層１００への光閉じこめを促進するＳＣＨ層４が積層されており、活性層１００は前記ＳＣＨ層４の上部に位置している。なお、結晶性の観点から、基板１の一部にバッファ層としてのｎ−ＧａＡｓ層を含んでもよい。
【００２５】
本実施例では、活性層１００は、組成Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓの量子井戸層５，７と、Ａｌｒ Ｇａ１−ｒ Ａｓ障壁層６からなっているが、発振波長が所望のものであればシングル井戸構造でも、バルク構造でも構わない。活性層１００の上部には、順次、組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層８と、深さ方向の光強度分布を上部に押し上げるための組成ｐ−Ａｌｔ Ｇａ１−ｔ Ａｓの高屈折率層１３とを設け、その上に、さらに、組成ｐ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第２の光導波路層９が設けられ、さらに、組成ｐ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第２のクラッド層１０と、組成ｐ＋ −ＧａＡｓのキャップ層１１が形成されている。前記キャップ層１１および第２のクラッド層１０と、第２の光導波路層９の一部とが、１．５〜３．５μｍ程度のリッジを形成している。なお、ＳＣＨ層８，高屈折率層１３，および第２の光導波路層９の屈折率の関係を実現するには、組成で、以下の関係があれば良い。
【００２６】
ｙ≧ｚ≧ｔ
また、典型例では、これらは、０．０〜０．２５の組成が用いられる。
【００２７】
図５に示した従来の半導体レーザでは、高屈折率層１３を含まない組成であり、層厚を調整して、遠視野像（ＦＦＰ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）の扁平率を改善していた。この従来構造における遠視野像の半値全幅値は、水平方向で９．７度、垂直方向で１９．５度であった。この従来構造に対して、図３（ａ）のように、ｔ＝０．０９、厚さ２０ｎｍの高屈折率層１３を挿入すると、遠視野像の半値全幅値は、水平方向で１０．５度、垂直方向で１８．２度であり、扁平率は、従来構造が２．０であったものから、１．７へと改善された。もちろん、これらの遠視野像の値は、第２の光導波路層９のエッチングで残された部分の深さにも依存する。高屈折率層１３の挿入は、漏れた光のロスを上げるけれども、層の厚さが２０ｎｍと十分に狭いために、この領域でのロス増は、レーザのしきい値には影響を与えない。
【００２８】
本実施形態の半導体レーザでは、高屈折率層１３によって、光強度分布をリッジ面方向に引っ張り、引っ張り上げられた光分布が、リッジによってより真円に近い遠視野像へと整形するものである。そして、本実施形態の半導体レーザは、本質的には大きく光閉じこめを変化させるものではなく、図５の従来構造同様に光閉じこめは、２．１％であった。これは、実施形態例１と同様に、単に光強度分布（ＮＦＰ）を深さ方向に広げて、ＦＦＰ値を改善しようとした従来の試みと大きく異なる。すなわち、従来のＮＦＰを広げる手法では、光閉じこめが小さくなり、垂直方向の遠視野像の半値全幅値を実現しようとすれば、光閉じこめは約１．５％と落ちてしまい、ゲイン媒質を十分に活用することができなくなり、トータルで高出力を達成する妨げとなっていた。
【００２９】
すなわち、本発明によれば、発振しきい値の劣化、温度特性には全く影響されずに、従来構造の半導体レーザでは、４８０ｍＷ、５３０ｍＡのシングルモード発振限界が、５２０ｍＷ、５６５ｍＡにまで高出力化が図れることが確認された。
【００３０】
また、シングルモードファイバとの結合効率については、位置合わせ精度が緩和され、球面レンズを用いても、７５〜８５％の結合効率が容易に得られるようになった。以上述べたように、本実施例によれば、高出力、低価格な０．９８μｍ／１．０２μｍ帯でのファイバアンプ励起用レーザを実現できた。
【００３１】
（第３の実施の形態）
図４（ａ）は、本発明に係るリッジ型半導体レーザの第３の実施形態を示す断面図であり、同図（ｂ）は、図４（ａ）の積層構造に対応して示した積層中のＡｌ組成とＩｎ組成の濃度分布を示すグラフである。図４（ａ）において、図５（ａ）、図２（ａ）および図３（ａ）と同一構成要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
【００３２】
図４（ａ）に示すように、本実施例の半導体レーザは、ｎ＋ −ＧａＡｓ基板１上に、順次、組成ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第１のクラッド層２、深さ方向の光強度分布を上部に押し上げるための組成ｎ−Ａｌｓ Ｇａ１−ｓ Ａｓの低屈折率層１２が設けられており、第１の光導波路層３を構成するｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓとの界面での屈折率差を大きくした構造に特徴がある。そして、前記第１の光導波路層３の上部にはＳＣＨ層４が位置し、このＳＣＨ層４の上には、活性層１００が位置している。なお、結晶性の観点から、基板１の一部にバッファ層としてのｎ−ＧａＡｓ層を含んでもよい。
【００３３】
本実施例では、活性層１００は、組成Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓの量子井戸層５、７と、組成Ａｌｒ Ｇａ１−ｒ Ａｓの障壁層６とからなっているが、発振波長が所望のものであれば、量子井戸構造には自由度があり、バルク構造でも構わない。
【００３４】
本実施例では、さらに、前記活性層１００の上部には、順次、組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層８、相乗効果で深さ方向の光強度分布を上部に押し上げるための組成ｐ−Ａｌｔ Ｇａ１−ｔ Ａｓの高屈折率層１３を設け、その上に、組成ｐ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第２の光導波路層９が設けられ、さらに、組成ｐ−Ａｌｘ ａ１−ｘ Ａｓの第２のクラッド層１０と、組成ｐ＋ −ＧａＡｓのキャップ層１１が形成されている。前記キャップ層１１および第２のクラッド層１０と、第２の光導波路層９の一部とが、１．５〜３．５μｍ程度のリッジを形成している。
【００３５】
また、組成ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓの第１のクラッド層２、組成ｎ−Ａｌｓ Ｇａ１−ｓ Ａｓの低屈折率層１２、組成ｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第１の光導波路層３、組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層８、組成ｐ−Ａｌｔ Ｇａ１−ｔ Ａｓの高屈折率層１３、および組成ｐ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓの第２の光導波路層９の屈折率の関係を実現するには、組成で、以下の関係があれば良い。
【００３６】
ｓ≧ｘ≧ｙ≧ｚ≧ｔ
また、典型例では、これらは、０．０〜０．３の組成が用いられる。
【００３７】
図５に示した従来の半導体レーザでは、低屈折率層１２および高屈折率層１３を含まないで、組成、層厚を調整して、遠視野像の半値全幅の扁平率を改善していた。この従来構造における遠視野像の半値全幅値は、水平方向で９．７度、垂直方向で１９．５度であった。この従来構造に対して、図４（ａ）のように、ｓ＝０．２５組成である低屈折率層１２の厚さが６００ｎｍ、ｔ＝０．０９組成である高屈折率層１３の厚さが２０ｎｍの各層を挿入すると、遠視野像の半値全幅値は水平方向で１２．５度、垂直方向で１３．８度であり、扁平率は、従来構造で２．０であったものから１．１へと大幅に改善された。もちろん、これらの遠視野像の値は、第２の光導波路層９のエッチングで残された部分の深さにも依存する。
【００３８】
本実施形態例では、第１の実施形態と同様に、光強度分布をリッジ面方向に引っ張り、引っ張り上げられた光分布がリッジによってより真円に近い遠視野像へと整形するものであり、本質的には、大きく光閉じこめを変化させるものではなく、本実施形態例では、図５の従来構造同様に光閉じこめは２．１％であった。これは、単に光強度分布（ＮＦＰ）を深さ方向に広げて、ＦＦＰ値を改善しようとした従来の試みと、大きく異なる。すなわち、従来のＮＦＰを広げる手法では、光閉じこめが小さくなり、垂直方向の遠視野像の半値全幅値を実現しようとすれば、光閉じこめは約１．５％と落ちてしまい、ゲイン媒質を十分に活用することができなくなり、トータルで高出力を達成する妨げとなっていた。これに対して、本発明によれば、発振しきい値の劣化、温度特性には全く影響されずに、従来、４８０ｍＷ、５３０ｍＡであったシングルモード発振限界が、６０５ｍＷ、６６８ｍＡにまで高出力化が図れることが確認された。
【００３９】
また、シングルモードファイバとの結合効率については、位置合わせ精度が緩和され、球面レンズを用いても、８５〜９３％の結合効率が容易に得られるようになった。
【００４０】
以上述べたように、本実施形態によれば、高出力、低価格な０．９８μｍ／１．０２μｍ帯でのファイバアンプ励起用レーザを実現できる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これら実施の形態では、上部リッジ構造部分の周囲は、空気層とした構成であった。これは、リッジ部分と周囲との間で屈折率差を生じさせて、素子特性の向上を図るためである。この目的を達するために、本発明では、上部にリッジを形成したものであり、このリッジ部分と屈折率差を生じさせる周囲の媒質は、空気に限らず、他の液体や固体材料であっても良い。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の半導体レーザは、深さ方向の光強度分布を上部（リッジ方向）に引き上げるために、第２のＳＣＨ層と第２の導波路との間に高屈折率層を挿入した構成、あるいは、第１の導波路と第１のクラッド層の間に低屈折率層を挿入するとともに、第２のＳＣＨ層と第２の導波路との間に高屈折率層を挿入した構成を特徴としており、引っ張られた分布がリッジを構成する横方向の空気・半導体・空気からなる大きな屈折率差で整形されて、真円に近い遠視野像を実現するものである。本発明の半導体レーザでは、遠視野像の水平、垂直方向の扁平比が小さいために、シングルモードファイバとの結合は、球面レンズを用いた高精度な位置合わせを要することなく、高効率に行うことができる。また、活性層領域の光閉じこめを減少させることなく、ゲイン媒質を有効に利用でき、デバイス全体としてのロスの低減効果でより高出力特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の半導体レーザの参考例である第１の実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は同半導体レーザの積層構造に対応して示した積層中のＡｌとＩｎの組成分布を示すグラフである。
【図２】第１の実施形態にかかる半導体レーザの低屈折率層の厚さと、水平および垂直方向の遠視野像（ＦＦＰ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）値と、これらの水平および垂直値の比の値で定義される扁平率との関係を示すグラフである。
【図３】（ａ）は本発明の半導体レーザの第２の実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は同半導体レーザの積層構造に対応して示した積層中のＡｌとＩｎの組成分布を示すグラフである。
【図４】（ａ）は本発明の第３の実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は同半導体レーザの積層構造に対応して示した積層中のＡｌとＩｎの組成分布を示すグラフである。
【図５】（ａ）は半導体レーザの従来構造の形態を示す断面図であり、（ｂ）は同半導体レーザの積層構造に対応して示した積層中のＡｌとＩｎの組成分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ｎ＋ −ＧａＡｓ基板
２ ｎ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓクラッド層（第１のクラッド層）
３ ｎ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ光導波路層（第１の光導波路層）
４ 組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層
５ Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓ量子井戸層（活性層）
６ Ａｌｒ Ｇａ１−ｒ Ａｓ障壁層（活性層）
７ Ｉｎｑ Ｇａ１−ｑ Ａｓ量子井戸層（活性層）
８ 組成Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ ＡｓのＳＣＨ層
９ ｐ−Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ光導波路層（第２の光導波路層）
１０ ｐ−Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓクラッド層（第２のクラッド層）
１１ ｐ＋ −ＧａＡｓキャップ層
１２ ｎ−Ａｌｓ Ｇａ１−ｓ Ａｓ低屈折率層
１３ ｐ−Ａｌｔ Ｇａ１−ｔ Ａｓ高屈折率層
１００ 活性層
Claims (2)
- 半導体基板と、この半導体基板の上に形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層の上に形成された第１の光導波路層と、この第１の光導波路層の上に形成された第１のＳＣＨ層と、この第１のＳＣＨ層の上に形成された活性層と、この活性層の上に形成された第２のＳＣＨ層と、この第２のＳＣＨ層の上に形成された第２の光導波路層と、第２の導波路層の上に形成された第２のクラッド層と、第２のクラッド層の上に形成されたキャップ層とを有し、前記第２の導波路層、第２のクラッド層およびキャップ層がリッジ型に加工された半導体レーザにおいて、
前記第２のＳＣＨ層と第２の導波路層との間にその両者よりも屈折率が高い高屈折率層が設けられたことを特徴とする半導体レーザ。 - 半導体基板と、この半導体基板の上に形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層の上に形成された第１の光導波路層と、この第１の光導波路層の上に形成された第１のＳＣＨ層と、この第１のＳＣＨ層の上に形成された活性層と、この活性層の上に形成された第２のＳＣＨ層と、この第２のＳＣＨ層の上に形成された第２の光導波路層と、第２の導波路層の上に形成された第２のクラッド層と、第２のクラッド層の上に形成されたキャップ層とを有し、前記第２の導波路層、第２のクラッド層およびキャップ層がリッジ型に加工された半導体レーザにおいて、
前記第２のＳＣＨ層と第２の導波路層との間にその両者よりも屈折率が高い高屈折率層が設けられ、前記第１の光導波路と第１のクラッド層との間にその両者者よりも屈折率が低い低屈折率層が設けられたことを特徴とする半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32417698A JP3590277B2 (ja) | 1998-11-13 | 1998-11-13 | 半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32417698A JP3590277B2 (ja) | 1998-11-13 | 1998-11-13 | 半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000151018A JP2000151018A (ja) | 2000-05-30 |
| JP3590277B2 true JP3590277B2 (ja) | 2004-11-17 |
Family
ID=18162945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32417698A Expired - Fee Related JP3590277B2 (ja) | 1998-11-13 | 1998-11-13 | 半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3590277B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4163343B2 (ja) * | 1999-09-22 | 2008-10-08 | 三菱化学株式会社 | 発光素子および発光素子モジュール |
| JP2004111535A (ja) * | 2002-09-17 | 2004-04-08 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置 |
| DE102007061458A1 (de) * | 2007-11-30 | 2009-06-04 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements und strahlungsemittierendes Bauelement |
| JP6123427B2 (ja) | 2013-03-29 | 2017-05-10 | 三菱電機株式会社 | 半導体レーザ装置 |
-
1998
- 1998-11-13 JP JP32417698A patent/JP3590277B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000151018A (ja) | 2000-05-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4743867B2 (ja) | 面発光レーザ | |
| US7463663B2 (en) | Semiconductor laser diode and integrated semiconductor optical waveguide device | |
| JPH08116124A (ja) | 半導体光素子 | |
| US6873635B2 (en) | Nitride semiconductor laser device and optical information reproduction apparatus using the same | |
| EP0790685B1 (en) | Semiconductor laser with low beam divergence | |
| JP2010232424A (ja) | 半導体光増幅装置及び光モジュール | |
| JPH05235470A (ja) | レーザダイオード | |
| JPH08195529A (ja) | 半導体レーザエピタキシャル結晶積層体および半導体レーザ | |
| JP2003168844A (ja) | 半導体レーザ装置および光増幅装置 | |
| JP3183683B2 (ja) | 窓型半導体レーザ素子 | |
| JP3590277B2 (ja) | 半導体レーザ | |
| JP2004281826A (ja) | 半導体レーザ装置およびそれを用いた光ピックアップ装置 | |
| JP3472177B2 (ja) | 垂直共振器型半導体レーザ素子の製造方法および垂直共振器型半導体レーザ | |
| JPH0856045A (ja) | 半導体レーザ装置 | |
| WO2009119131A1 (ja) | 半導体発光素子及びその製造方法 | |
| US5394424A (en) | Semiconductor laser device | |
| JP2004266095A (ja) | 半導体光増幅器 | |
| JP4345673B2 (ja) | 半導体レーザ | |
| JP2000357841A (ja) | 半導体レーザ素子、半導体レーザモジュール、希土類添加光ファイバ増幅器、およびファイバレーザ | |
| JP3766738B2 (ja) | 半導体レーザ装置の製造方法 | |
| JPH0974243A (ja) | 半導体レーザ | |
| JPH10270791A (ja) | 光情報処理装置およびこれに適した半導体発光装置 | |
| JP2000232254A (ja) | 半導体レーザおよび半導体レーザの製造方法 | |
| JP2002237657A (ja) | 半導体レーザアレイおよび電子写真システムおよび光通信システムおよび光ピックアップシステム | |
| JP3071031B2 (ja) | 半導体レーザ装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040210 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040412 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040813 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040819 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080827 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080827 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090827 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090827 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100827 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100827 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110827 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120827 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130827 Year of fee payment: 9 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |