JP4094756B2

JP4094756B2 - Semiconductor laser diode

Info

Publication number: JP4094756B2
Application number: JP00036299A
Authority: JP
Inventors: 君男鴫原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-01-05
Filing date: 1999-01-05
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2019-01-05
Also published as: JP2000200940A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として情報処理あるいは光通信等の光源として用いられる半導体レーザダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報処理又は光通信の光源として半導体レーザダイオードが使用されている。これらの用途に使用される半導体レーザダイオードでは、ビーム形状を安定させるために横モードを単一モード化しておく必要がある。横モードを単一化するためには、活性領域をその活性領域より屈折率の低い領域で挟んで活性領域の幅をある一定以下に制限する必要があり、この活性領域の幅を制限する具体的な構造としては、リッジ導波路を形成する構造が、比較的簡単で安価に製造することができることから、広く用いられている。この構造は、半導体レーザダイオードの共振方向に、所定の幅のリッジ部を形成することにより、リッジ部の両側に活性領域より屈折率の低い領域を形成することにより、活性領域の幅を制限して横モードを単一化するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のリッジ部を形成して活性領域の幅を制限する半導体レーザダイオードでは、横モードの単一化を図るために活性領域の幅を比較的狭くする必要があり、その結果、狭い活性領域に光のエネルギーを集中させることになるので、高出力化が困難であるという問題点があった。
【０００４】
そこで、本発明は、従来例の問題点を解決して、横モードの単一化が図れかつ高出力化が可能な半導体レーザダイオードを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザダイオードは、半導体基板上に、下クラッド層と、上クラッドと、上記上クラッド層と上記下クラッド層との間に位置する活性層とを含む複数の半導体層が積層されてなり、該積層された半導体層においてそれぞれ上記上クラッド層の途中まで達しかつ一端から他端に至る２つの溝を形成することによりリッジ部を形成した半導体レーザダイオードであって、
上記リッジ部の一部又は全部を徐々に幅が狭くなるように形成し、上記リッジ部と上記溝とを形成することにより構成される活性領域の一部に、上記半導体レーザダイオードが発振するレーザ光の横モードの基本モードを伝播させかつ上記横モードの高次モードの伝播を阻止するカットオフ領域が形成されるように、上記リッジ部の形状と上記溝の形状とを設定しかつ、
上記レーザ光が伝播する共振器方向に垂直な任意の平面内において、上記リッジ部の上面の位置が上記溝の外側に位置する領域の上面の位置より高くなるようにしたことを特徴とする。
このようにすると、上記カットオフ領域において上記高次モードの伝播を阻止できるので、横モードを単一化することができる。尚、本明細書において、単に基本モード、１次モード、高次モードというときは、特にことわらない限り、横モードについて言うものとする。
【０００８】
また、本発明に係る半導体レーザダイオードでは、上記２つの溝の幅をそれぞれ、上記一端から他端に至るまで一定になるように形成することが好ましい。これによって、リッジ部の形状の設計が容易となる。
【００１１】
また、本発明に係る半導体レーザダイオードでは、上記リッジ部は一端面の幅が他端面の幅より広くなるように形成され、上記一端面から光を出力するようにすると、高出力化に有利であり好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態の半導体レーザダイオードについて説明する。
本実施の形態の半導体レーザダイオードは、下面にｎ側電極が形成されたｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、アンドープＡｌＧａＡｓガイド層４、アンドープＩｎＧａＡｓ活性層５、アンドープＡｌＧａＡｓガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層８を含む半導体層が積層されたリッジ部２１を備え、リッジ部２１の上にｐ側電極９が形成されてなる。また、本実施の形態の半導体レーザダイオードは、リッジ部２１及びリッジ部２１の下に位置する半導体層によって構成される活性領域の横方向に光を閉じ込めるために、活性領域の両側に該活性領域より屈折率の小さいクラッド領域２３を有し、かつクラッド領域２３と活性領域の間にそれぞれ、１対の溝２２ａ，２２ｂが形成されることにより構成された、クラッド領域２３よりさらに屈折率の低い低屈折率領域３２ａ，３２ｂとを有する。
【００１３】
ここで、リッジ部２１は、一方の端面１０４における幅Ｔｆが他方の端面１０５における幅Ｔｒに比較して大きくなるように、テーパ部２１ｂを有し、少なくとも他方の端面１０５側の活性領域では高次モードの伝播を阻止するように形成したことを特徴とし、これによって高次モードのレーザ発振を抑圧でき、基本モードのみのレーザ発振を可能にしている。
【００１４】
すなわち、実施の形態の半導体レーザダイオードを作成する場合、まず、下面にｎ側電極が形成されたｎ型ＧａＡｓ基板２上に、
（１）ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３を形成ための、例えば厚さが１〜２μｍのｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ半導体層、
（２）アンドープＡｌＧａＡｓガイド層４を形成するための、例えば厚さが０．１〜０．２μｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ半導体層、
（３）アンドープＩｎＧａＡｓ活性層５を形成するための、例えば、厚さが０．０１〜０．０２μｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ半導体層、
（４）アンドープＡｌＧａＡｓガイド層６を形成するための、例えば厚さが０．１〜０．２μｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ半導体層、
（５）ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７を形成するための、例えば厚さが１〜２μｍのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ半導体層、
（６）ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８を形成するための、例えば厚さが１μｍのｐ型ＧａＡｓ半導体層、を順次、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を形成する。
【００１５】
次に、リッジ部２１となる部分の両側の半導体層を、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７を形成するためのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ半導体層の途中（クラッド領域２３の上面）まで１回目のエッチングを行う。その後、リッジ部２１の両側に溝２２ａ，２２ｂを形成するために、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７を形成するためのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ半導体層の途中（溝２２ａ，２２ｂの底面）まで、２回目のエッチングを行う。尚、本エッチングは、通常リッジ部を形成するために用いられる方法を用いることができ、ウェット又はドライエッチングのいずれを用いてもよい。また、本実施の形態において、溝２２ａ，２２ｂの幅は、長手方向のいずれの部分でも同じ幅ｄ０となるように形成される。
【００１６】
ここで、本実施の形態において、リッジ部２１は前端面１０４側に位置する幅広部２１ａと後端面１０５側に位置する幅狭部２１ｃと、幅広部２１ａと幅狭部２１ｃとの間に位置するテーパ部２１ｂとを有し、各部の幅は以下のように設定される。すなわち、本実施の形態では、幅狭部２１ｃと該幅狭部２１ｃの直下とによって構成される光導波路が、レーザ発振における基本モードのみを伝送させ１次モード以上の高次モードが伝播できないように、幅狭部２１ｃの幅は設定され、幅広部２１ａの幅は高出力化を図るために、比較的広い幅に設定される。例えば、発振波長が１μ程度の半導体レーザダイオードを構成する場合、前端部１０４における幅広部２１ａの幅Ｔｆは、例えば７μ程度に設定し、後端面１０５の幅狭部２１ｃの幅は、例えば３．５μ程度に設定すると、高次モードの発振を効果的に抑制し、かつ高出力化が図れる。
【００１７】
詳細に説明すると、実施の形態の半導体レーザダイオードでは、
リッジ部２１における屈折率：ｎａ、
クラッド領域２３における屈折率：ｎｃ、
低屈折率領域３２ａ，３２ｂの屈折率：ｎｌ、
活性領域内における基本モードの伝播定数：β₀、
活性領域内における１次モードの伝播定数：β₁、
レーザ発振光の自由空間における波数：ｋ₀
としたときに、幅狭部２１ｃにおいて、ｎｃ＜β₀／ｋ₀＜ｎａ及びｎｌ＜β₁／ｋ₀＜ｎｃを満足するように、幅狭部２１ｃの幅Ｔｒ、溝２２ａ，２２ｂの各幅ｄ０及び深さ（図１におけるｄ１及びｄ２）とを設定している。この様子を模式的に表すと図２（ａ）に示すようになる。
【００１８】
ここで、β₀／ｋ₀は、基本モードに対する実効的な屈折率であり、β₁／ｋ₀は、１次モードの実効的な屈折率である。
尚、ｎｃ＜β₀／ｋ₀＜ｎａ及びｎｌ＜β₁／ｋ₀＜ｎｃを満足する条件は、横モードの基本モードを伝播させ、横モードの１次以上の高次モードを伝播させないようにする条件である。すなわち、ｎｃ＜β₀／ｋ₀＜ｎａ及びｎｌ＜β₁／ｋ₀＜ｎｃの双方を満足する領域は、横モードの基本モードを伝播させ、横モードの１次以上の高次モードを伝播させないカットオフ領域が満足すべき条件である。
【００１９】
以上のようにリッジ部２１の幅をテーパ状に変化させると、すなわち、活性領域の幅をテーパ状に変化させると、図２に模式的に示すように、活性領域３１において幅の広いところ（例えば、図中ｚ₀で示す部分）では、基本モードＢだけではなく高次モード（１次モードＳ１）も活性領域３１に閉じ込められる。一方、活性領域３１の幅の狭いところ（ｎｃ＜β₀／ｋ₀＜ｎａ及びｎｌ＜β₁／ｋ₀＜ｎｃを満足する部分、例えば、図中ｚ₁で示す部分）では、光は活性領域３１の外にも広がり、低屈折率領域３２ａ，３２ｂの外側に位置するクラッド領域２３の影響を強く受けるようになるので、基本モードＢは伝播するが、１次モードＳ１及びそれ以上の高次モードは伝播できなくなる。このように、前端面１０４と後端面１０５との間を光が往復するレーザダイオードでは、活性領域の一部において、高次モード（１次モードを含む）が伝播することができないカットオフ領域を設けると、高次モードはレーザ発振条件を満足しなくなり、その結果、基本モードのみで発振させることが可能となる。
【００２０】
以上のように構成された実施の形態の半導体レーザダイオードは、後端面１０５側に位置する活性領域３１の幅を基本モードのみが伝播できる幅に設定しているので、高次モードの発振を抑圧でき、単一モードで発振させることができる。また、本実施の形態の半導体レーザダイオードは、活性領域３１の後端面１０５側に位置する一部分だけを、狭い幅にして単一モードの発振を実現しているので、その一部分を除く他の部分の幅を比較的広くできるので、高出力化が可能である。
【００２１】
また、以上の実施の形態の半導体レーザダイオードでは、活性領域３１において一部分が高次モードに対してカットオフ領域となるようにすればよいので、比較的設計が容易である。
【００２２】
以上の実施の形態の半導体レーザダイオードでは、リッジ部２１において、幅広部２１ａとテーパ部２１ｂと幅狭部２１ｃとを設けたが、本発明はこれに限られるものではなく、少なくとも一部の活性領域が高次モードに対してカットオフ領域となるようにリッジ部を形成するようにすれば良い。
しかしながら、本発明に係る構成では、安定した発振をさせるために本実施の形態のように一部にテーパ状の部分を設けるか、又はリッジ部全体をテーパ状にする等により、徐々に幅を変化させることが好ましい。
【００２３】
また、本実施の形態の半導体レーザダイオードでは、リッジ部２１の上面が、各溝の外側に位置するクラッド領域の上面より高くなるように形成している。このようにすると、活性領域に効果的に光を閉じ込めることができるので、横方向により安定した振動をさせることができ、より安定した発振をさせることができる。
以上の実施の形態の半導体レーザダイオードでは、低屈折率領域３２ａ，３２ｂの外側にクラッド領域２３を形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、１回のエッチングにより、溝２２ａ，２２ｂを形成することにより、リッジ部２１の両側に低屈折率領域３２ａ，３２ｂのみを形成するようにしてもよい（すなわち、ｎａ＝ｎｃとする。）。この場合、後端面１０５の部分において屈折率ｎｌが、１次モードのβ₁／ｋ₀（１次モードに対する実効的な誘電率）より小さくなるように設定することはいうまでもない。このようにクラッド領域２３を特に設けることなく構成すると、リッジ部２１を形成するためのエッチング工程を一回にでき、製造工程を簡略化できる。
尚、本実施の形態のように、リッジ部２１の上面が、クラッド領域２３の上面より高くなるように形成した場合は、活性領域に効果的に光を閉じ込めることができるので、横方向により安定した振動をさせることができ、より安定した発振をさせることができる。
【００２４】
また、本実施の形態の半導体レーザダイオードは、いわゆるＧａＡｓ系半導体レーザダイオードに限らず、ＩｎＰ系半導体レーザダイオード、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード及びＧａＮ系半導体レーザダイオード等の他の半導体レーザダイオードでも同様に適用できる。
【００２５】
（参考例）
以下、参考例としてテーパ導波路を示す。
図３は、特開平１−１８３６０３で開示されたテーパ導波路の構成を模式的に示す平面図である。図３のテーパ導波路は、溝１０２の間に導波領域１０１が形成され、溝１０２の外側に、導波領域１０１より屈折率が低く溝１０２を形成することにより形成される低屈折率領域より屈折率の高いクラッド領域が形成されて構成されている。すなわち、テーパ導波路の断面における屈折率分布は図３の下図に示すようになる。尚、図３の下図において、ｎ₁₀₁は導波領域１０１の屈折率を示し、ｎ₁₀₂は溝１０２を形成することにより形成される低屈折率領域の屈折率を示し、ｎ₁₀₃はクラッド領域１０３の屈折率を示している。
【００２６】
ここで、図３のテーパ導波路において、導波領域１０１は、前端面１０４における幅Ｔｆが後端面１０５における幅Ｔｒに比較して大きくなるようにテーパ状に形成されている。また、溝１０２は、前端面１０４における幅ｄｆが後端面１０５における幅ｄｒに比較して小さくなるようにテーパ状に形成されている。そして、図３のテーパ導波路では、導波領域１０１及び溝１０２の幅ｄｆ，ｄｒ等を所定の値に設定することにより、図３のテーパ導波路では、導波路内のどの位置においても基本モードを伝播させかつ高次モードをカットするように構成されている。しかしながら、導波路内のいずれの位置においても、基本モードを伝播させかつ高次モードをカットするように各寸法を決定することは、テーパ導波路では、通常のスラブ導波路の考え方が使用できないので、設計には多くの労力を必要とし困難であった。
【００２７】
これに対して、本願発明の半導体レーザダイオードは、テーパ状のリッジ部２１を備えるものであるが、この参考例とは異なり、導波路ではなく半導体レーザダイオードであるために、活性領域３１の全ての位置で高次モードをカットする必要はなく、活性領域３１の一部において高次モードをカットすることができればよい。従って、図３のテーパ導波路に比較すると本願の半導体レーザダイオードにおけるリッジ部２１の形状の設計は比較的容易である。
また、上述したように、本発明の半導体レーザダイオードでは、溝２２ａ，２２ｂを一定の幅にすることも可能であり、溝の幅を一定にするとリッジ部２１の設計はさらに容易となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る第１の半導体レーザダイオードは、上記活性領域と、上記活性領域の両側に上記クラッド領域とを並置して形成することにより上記活性領域に光を閉じ込め、上記活性領域と上記クラッド領域の各間にさらに上記第１と第２の屈折率より小さい第３の屈折率を有する低屈折率領域を設けかつ、上記カットオフ領域が形成されるように、上記活性領域の幅と上記低屈折率領域の幅とを設定しているので、上記カットオフ領域において上記高次モードの伝播を阻止でき横モードを単一化することができる。
また、上記カットオフ領域以外の領域を比較的広くすることができるので、高出力化が可能となる。
従って、本発明の第１の半導体レーザダイオードによれば、横モードの単一化が図れかつ高出力化が可能な半導体レーザダイオードを提供することができる。
【００２９】
また、本発明に係る第１の半導体レーザダイオードでは、上記活性領域に幅が徐々に減少するように形成されたテーパ部を形成することにより、安定したレーザ発振をさせることができる。
【００３０】
また、本発明に係る第２の半導体レーザダイオードは、上記積層された半導体層において上記２つの溝を形成することにより上記リッジ部を形成し、そのリッジ部の一部又は全部を徐々に幅が狭くなるように形成し、上記リッジ部と上記溝とを形成したことにより構成される活性領域の一部に、上記カットオフ領域が形成されるように、上記リッジ部の形状と上記溝の形状とを設定したので、上記カットオフ領域において上記高次モードの伝播を阻止でき、横モードを単一化することができる。
また、上記カットオフ領域以外の領域を比較的広くすることができるので、高出力化が可能となる。
従って、本発明の第２の半導体レーザダイオードによれば、横モードの単一化が図れかつ高出力化が可能な半導体レーザダイオードを提供することができる。
【００３１】
また、本発明に係る第２の半導体レーザダイオードでは、上記２つの溝の幅をそれぞれ、上記一端から他端に至るまで一定になるように形成することにより、リッジ部の形状の設計が容易となるので、設計コストを低減できる。
【００３２】
また、本発明に係る第２の半導体レーザダイオードでは、上記各溝の外側に位置するクラッド領域の上面と上記リッジ部の上面とが実質的に同一平面上に位置するように構成することにより、１度のエッチングで溝を形成することにより構成できるので、製造工程を簡略化でき、製造コストを低減できる。
【００３３】
また、本発明に係る第２の半導体レーザダイオードでは、上記リッジ部の上面が、上記各溝の外側に位置するクラッド領域の上面より高くなるように形成することにより、上記活性領域に効果的に光を閉じ込めることができるので、横方向により安定した振動をさせることができ、より安定した発振をさせることができる。
【００３４】
また、本発明に係る第２の半導体レーザダイオードでは、上記リッジ部は一端面の幅が他端面の幅より広くなるように形成し、上記一端面から光を出力することにより、出射端面における破壊を効果的に防止でき高出力化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の半導体レーザダイオードの構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、実施の形態の半導体レーザダイオードの平面図であり、（ｂ）は、実施の形態の半導体レーザダイオードの幅狭部における縦断面の屈折率分布を示す図であり、（ｃ）は、実施の形態の半導体レーザダイオードの幅広部における縦断面の屈折率分布を示す図である。
【図３】（ａ）は、参考例として示すテーパ導波路の平面図であり、（ｂ）は、該テーパ導波路の幅の狭い部分の縦断面における屈折率分布を示す図である。
【符号の説明】
１ｎ側電極、２ｎ型ＧａＡｓ基板、３ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、４アンドープＡｌＧａＡｓガイド層、５アンドープＩｎＧａＡｓ活性層、６アンドープＡｌＧａＡｓガイド層、７ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、８ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、２１リッジ部、２１ａ幅広部、２１ｂテーパ部、２１ｃ幅狭部、２２ａ，２２ｂ溝、２３クラッド領域、３１活性領域、３２ａ，３２ｂ低屈折率領域。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser diode mainly used as a light source for information processing or optical communication.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor laser diode is used as a light source for information processing or optical communication. In semiconductor laser diodes used for these applications, it is necessary to make the transverse mode a single mode in order to stabilize the beam shape. In order to unify the transverse mode, it is necessary to limit the width of the active region to a certain level by sandwiching the active region with a region having a refractive index lower than that of the active region. As a typical structure, a structure for forming a ridge waveguide is widely used because it is relatively simple and can be manufactured at low cost. This structure limits the width of the active region by forming ridges with a predetermined width in the resonance direction of the semiconductor laser diode, and forming regions with a lower refractive index than the active region on both sides of the ridge. The horizontal mode is unified.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional semiconductor laser diode in which the ridge portion is formed to limit the width of the active region, it is necessary to make the width of the active region relatively narrow in order to unify the transverse mode. Since the light energy is concentrated in the region, there is a problem that it is difficult to increase the output.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser diode which can solve the problems of the conventional example and can achieve the unification of the transverse mode and the high output.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the semi-conductor laser diode according to the present invention, on a semiconductor substrate, an active layer located between the lower cladding layer, and upper cladding, and the upper cladding layer and the lower cladding layer A semiconductor in which a ridge portion is formed by forming two grooves extending from one end to the other end of each of the stacked semiconductor layers reaching the middle of the upper cladding layer. A laser diode,
A laser in which the semiconductor laser diode oscillates in a part of an active region formed by forming part or all of the ridge portion so that the width is gradually narrowed and forming the ridge portion and the groove. Setting the shape of the ridge and the shape of the groove so as to form a cutoff region that propagates the fundamental mode of the transverse mode of light and prevents the propagation of the higher-order mode of the transverse mode; and
The position of the upper surface of the ridge is higher than the position of the upper surface of the region located outside the groove in an arbitrary plane perpendicular to the direction of the resonator in which the laser beam propagates .
In this way, since the higher-order mode can be prevented from propagating in the cut-off region, the transverse mode can be unified. In this specification, when the basic mode, the primary mode, and the high-order mode are simply referred to, the horizontal mode is used unless otherwise specified.
[0008]
Further, a semi-conductor laser diode according to the present invention, each width of the two grooves are preferably formed to be constant up to the other end from the one end. This facilitates the design of the shape of the ridge portion.
[0011]
Further, in the semi-conductor laser diode according to the present invention, the ridge portion is formed such that the width of the one end surface is wider than the width of the other end face and so as to output light from said one end surface, preferably higher output It is preferable.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, semiconductor laser diodes according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the semiconductor laser diode of the present embodiment, an n-type AlGaAs cladding layer 3, an undoped AlGaAs guide layer 4, an undoped InGaAs active layer 5, and an undoped AlGaAs guide layer are formed on an n-type GaAs substrate 2 having an n-side electrode formed on the lower surface. 6, a ridge portion 21 in which a semiconductor layer including a p-type AlGaAs cladding layer 7 and a p-type GaAs contact layer 8 is laminated, and a p-side electrode 9 is formed on the ridge portion 21. In addition, the semiconductor laser diode according to the present embodiment has the active region on both sides of the active region in order to confine light in the lateral direction of the active region formed by the ridge portion 21 and the semiconductor layer located below the ridge portion 21. The clad region 23 having a smaller refractive index and having a lower refractive index than the clad region 23 formed by forming a pair of grooves 22a and 22b between the clad region 23 and the active region, respectively. Low refractive index regions 32a and 32b.
[0013]
Here, the ridge portion 21 has a tapered portion 21b so that the width Tf at one end surface 104 is larger than the width Tr at the other end surface 105, and at least in the active region on the other end surface 105 side, the ridge portion 21 is high. It is characterized in that it is formed so as to prevent the propagation of the next mode, whereby the laser oscillation of the higher order mode can be suppressed, and the laser oscillation of only the fundamental mode is possible.
[0014]
That is, when producing the semiconductor laser diode of the embodiment, first, on the n-type GaAs substrate 2 having the n-side electrode formed on the lower surface,
(1) An n-type Al _0.5 Ga _0.5 As semiconductor layer having a thickness of, for example, 1 to 2 μm for forming the n-type AlGaAs cladding layer 3;
(2) An Al _0.3 Ga _0.7 As semiconductor layer having a thickness of, for example, 0.1 to _0.2 μm for forming the undoped AlGaAs guide layer 4;
(3) For example, an In _0.2 Ga _0.8 As semiconductor layer having a thickness of 0.01 to _0.02 μm for forming the undoped InGaAs active layer 5;
(4) An Al _0.3 Ga _0.7 As semiconductor layer having a thickness of, for example, 0.1 to _0.2 μm for forming the undoped AlGaAs guide layer 6;
(5) Al _0.5 Ga _0.5 As semiconductor layer having a thickness of, for example, 1 to 2 μm for forming the p-type AlGaAs cladding layer 7;
(6) A p-type GaAs semiconductor layer having a thickness of, for example, 1 μm for forming the p-type GaAs contact layer 8 is sequentially formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
[0015]
Next, the first etching is performed on the semiconductor layers on both sides of the portion to become the ridge portion 21 up to the middle of the Al _0.5 Ga _0.5 As semiconductor layer for forming the p-type AlGaAs cladding layer 7 (upper surface of the cladding region 23). . Thereafter, in order to form the grooves 22a and 22b on both sides of the ridge portion 21, the second time until the middle of the Al _0.5 Ga _0.5 As semiconductor layer for forming the p-type AlGaAs cladding layer 7 (the bottom surfaces of the grooves 22a and 22b). Etching is performed. In addition, this etching can use the method normally used in order to form a ridge part, and may use either wet or dry etching. Further, in the present embodiment, the widths of the grooves 22a and 22b are formed so as to be the same width d0 in any part in the longitudinal direction.
[0016]
Here, in the present embodiment, the ridge portion 21 is located between the wide portion 21a located on the front end surface 104 side, the narrow portion 21c located on the rear end surface 105 side, and the wide portion 21a and the narrow portion 21c. The width of each part is set as follows. In other words, in the present embodiment, the optical waveguide constituted by the narrow portion 21c and the portion immediately below the narrow portion 21c transmits only the fundamental mode in laser oscillation so that the higher-order mode higher than the first-order mode cannot propagate. In addition, the width of the narrow portion 21c is set, and the width of the wide portion 21a is set to a relatively wide width in order to increase the output. For example, when a semiconductor laser diode having an oscillation wavelength of about 1 μ is configured, the width Tf of the wide portion 21 a at the front end portion 104 is set to, for example, about 7 μ, and the width of the narrow portion 21 c of the rear end surface 105 is, for example, 3. When set to about 5 μm, high-order mode oscillation can be effectively suppressed and higher output can be achieved.
[0017]
More specifically, in the semiconductor laser diode of the embodiment,
Refractive index at the ridge portion 21: na,
Refractive index in the cladding region 23: nc
Refractive index of the low refractive index regions 32a and 32b: nl
Propagation constant of the fundamental mode in the active region: β ₀ ,
First-order mode propagation constant in the active region: β ₁ ,
Wave number in free space of laser oscillation light: k ₀
In the narrow portion 21c, the width Tr of the narrow portion 21c and the grooves 22a and 22b are satisfied so that nc <β ₀ / k ₀ <na and nl <β ₁ / k ₀ <nc are satisfied. A width d0 and a depth (d1 and d2 in FIG. 1) are set. This is schematically shown in FIG. 2 (a).
[0018]
Here, β ₀ / k ₀ is an effective refractive index for the fundamental mode, and β ₁ / k ₀ is an effective refractive index for the primary mode.
The condition satisfying nc <β ₀ / k ₀ <na and nl <β ₁ / k ₀ <nc is to propagate the fundamental mode of the transverse mode and not to propagate the first and higher order modes of the transverse mode. It is a condition to make. That is, the region satisfying both nc <β ₀ / k ₀ <na and nl <β ₁ / k ₀ <nc propagates the fundamental mode of the transverse mode, and propagates the higher-order modes of the first or higher order of the transverse mode. The cut-off area that is not allowed is a satisfactory condition.
[0019]
As described above, when the width of the ridge portion 21 is changed to a taper shape, that is, when the width of the active region is changed to a taper shape, as shown schematically in FIG. For example, not only the fundamental mode B but also the higher order mode (primary mode S1) is confined in the active region 31 in the portion indicated by z ₀ in the figure. On the other hand, when the width of the active region 31 is narrow (a portion satisfying nc <β ₀ / k ₀ <na and nl <β ₁ / k ₀ <nc, for example, a portion indicated by z ₁ in the figure), light is active. Since it spreads outside the region 31 and is strongly influenced by the cladding region 23 located outside the low refractive index regions 32a and 32b, the fundamental mode B propagates, but the primary mode S1 and higher The next mode cannot be propagated. As described above, in a laser diode in which light travels back and forth between the front end face 104 and the rear end face 105, a cut-off region where a higher order mode (including the first order mode) cannot propagate in a part of the active region. If provided, the higher order mode does not satisfy the laser oscillation condition, and as a result, it is possible to oscillate only in the fundamental mode.
[0020]
In the semiconductor laser diode according to the embodiment configured as described above, the width of the active region 31 located on the rear end face 105 side is set to a width that only the fundamental mode can propagate, so that the higher-order mode oscillation is suppressed. Can be oscillated in a single mode. In addition, since the semiconductor laser diode of the present embodiment realizes single mode oscillation by narrowing only a part located on the rear end face 105 side of the active region 31, other parts excluding the part. Can be made relatively wide, so that high output can be achieved.
[0021]
Further, in the semiconductor laser diode of the above embodiment, since a part of the active region 31 may be a cut-off region with respect to the higher order mode, the design is relatively easy.
[0022]
In the semiconductor laser diode of the above embodiment, the wide portion 21a, the tapered portion 21b, and the narrow portion 21c are provided in the ridge portion 21, but the present invention is not limited to this, and at least a part of the activity is provided. The ridge portion may be formed so that the region becomes a cut-off region for the higher order mode.
However, in the configuration according to the present invention, the width is gradually increased by providing a tapered portion in a part as in the present embodiment or by tapering the entire ridge portion in order to achieve stable oscillation. It is preferable to change.
[0023]
In the semiconductor laser diode of the present embodiment, the upper surface of the ridge portion 21 is formed so as to be higher than the upper surface of the cladding region located outside each groove. In this case, light can be effectively confined in the active region, so that stable vibration can be caused in the lateral direction, and more stable oscillation can be achieved.
In the semiconductor laser diode of the above embodiment, the cladding region 23 is formed outside the low refractive index regions 32a and 32b. However, the present invention is not limited to this, and the grooves 22a and 22b are formed by one etching. Thus, only the low refractive index regions 32a and 32b may be formed on both sides of the ridge portion 21 (that is, na = nc). In this case, it goes without saying that the refractive index nl is set to be smaller than β ₁ / k _{0 of the} first-order mode (effective dielectric constant for the first-order mode) in the rear end face 105 portion. Thus, when it comprises without providing the cladding area | region 23 in particular, the etching process for forming the ridge part 21 can be performed once, and a manufacturing process can be simplified.
If the upper surface of the ridge portion 21 is formed higher than the upper surface of the cladding region 23 as in the present embodiment, light can be effectively confined in the active region, so that the lateral direction is more stable. Vibration can be generated, and more stable oscillation can be achieved.
[0024]
Further, the semiconductor laser diode of the present embodiment is not limited to the so-called GaAs semiconductor laser diode, and is similarly applied to other semiconductor laser diodes such as an InP semiconductor laser diode, an AlGaInP semiconductor laser diode, and a GaN semiconductor laser diode. it can.
[0025]
(Reference example)
Hereinafter, a tapered waveguide is shown as a reference example.
FIG. 3 is a plan view schematically showing the configuration of the tapered waveguide disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-183603. The tapered waveguide of FIG. 3 has a low refractive index region formed by forming a waveguide region 101 between the grooves 102 and forming the grooves 102 having a refractive index lower than that of the waveguide region 101 outside the grooves 102. A clad region having a higher refractive index is formed. That is, the refractive index distribution in the cross section of the tapered waveguide is as shown in the lower diagram of FIG. 3, n ₁₀₁ represents the refractive index of the waveguide region 101, n ₁₀₂ represents the refractive index of the low refractive index region formed by forming the groove 102, and n ₁₀₃ represents the cladding region 103. Is shown.
[0026]
Here, in the tapered waveguide of FIG. 3, the waveguide region 101 is tapered so that the width Tf at the front end face 104 is larger than the width Tr at the rear end face 105. The groove 102 is tapered so that the width df of the front end face 104 is smaller than the width dr of the rear end face 105. In the tapered waveguide of FIG. 3, the width df, dr, etc. of the waveguide region 101 and the groove 102 are set to predetermined values, so that the tapered waveguide of FIG. It is configured to propagate modes and cut higher order modes. However, at any position in the waveguide, determining the dimensions so that the fundamental mode propagates and cuts the higher-order modes is not possible with the tapered waveguide because the normal slab waveguide concept cannot be used. The design required a lot of labor and was difficult.
[0027]
On the other hand, the semiconductor laser diode of the present invention includes a tapered ridge portion 21, but unlike this reference example, since it is not a waveguide but a semiconductor laser diode, all of the active region 31 is provided. It is not necessary to cut the higher order mode at this position, and it is sufficient that the higher order mode can be cut in a part of the active region 31. Therefore, the shape of the ridge portion 21 in the semiconductor laser diode of the present application is relatively easy to design as compared with the tapered waveguide of FIG.
Further, as described above, in the semiconductor laser diode of the present invention, the grooves 22a and 22b can be set to a constant width, and the design of the ridge portion 21 is further facilitated if the width of the grooves is constant.
[0028]
【The invention's effect】
As described above in detail, the first semiconductor laser diode according to the present invention confines light in the active region by forming the active region and the cladding region on both sides of the active region in parallel. A low refractive index region having a third refractive index smaller than the first and second refractive indexes is further provided between the active region and the cladding region, and the cut-off region is formed. Since the width of the active region and the width of the low refractive index region are set, propagation of the higher-order mode can be prevented in the cut-off region, and the transverse mode can be unified.
In addition, since the area other than the cut-off area can be made relatively wide, high output can be achieved.
Therefore, according to the first semiconductor laser diode of the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser diode in which the transverse mode can be unified and the output can be increased.
[0029]
In the first semiconductor laser diode according to the present invention, stable laser oscillation can be achieved by forming a tapered portion formed so that the width gradually decreases in the active region.
[0030]
Further, in the second semiconductor laser diode according to the present invention, the ridge portion is formed by forming the two grooves in the stacked semiconductor layer, and a part or all of the ridge portion is gradually widened. The shape of the ridge portion and the shape of the groove are formed so that the cut-off region is formed in a part of the active region formed by forming the ridge portion and the groove. Therefore, propagation of the higher-order mode can be prevented in the cut-off region, and the transverse mode can be unified.
In addition, since the area other than the cut-off area can be made relatively wide, high output can be achieved.
Therefore, according to the second semiconductor laser diode of the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser diode in which the transverse mode can be unified and the output can be increased.
[0031]
In the second semiconductor laser diode according to the present invention, the width of the two grooves is formed so as to be constant from the one end to the other end, thereby facilitating the design of the shape of the ridge portion. Therefore, the design cost can be reduced.
[0032]
Further, in the second semiconductor laser diode according to the present invention, by configuring the upper surface of the cladding region located outside each of the grooves and the upper surface of the ridge portion to be substantially on the same plane, Since it can comprise by forming a groove | channel by one time of etching, a manufacturing process can be simplified and manufacturing cost can be reduced.
[0033]
Further, in the second semiconductor laser diode according to the present invention, the upper surface of the ridge portion is formed so as to be higher than the upper surface of the cladding region located outside the grooves, so that the active region is effectively prevented. Since light can be confined, stable vibration can be caused in the lateral direction, and more stable oscillation can be achieved.
[0034]
Further, in the second semiconductor laser diode according to the present invention, the ridge portion is formed so that the width of one end face is wider than the width of the other end face, and light is output from the one end face, whereby the destruction at the emission end face is achieved. Can be effectively prevented and high output can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a semiconductor laser diode according to an embodiment of the present invention.
2A is a plan view of the semiconductor laser diode of the embodiment, and FIG. 2B is a diagram showing a refractive index distribution of a longitudinal section in a narrow portion of the semiconductor laser diode of the embodiment. (C) is a figure which shows the refractive index distribution of the longitudinal cross-section in the wide part of the semiconductor laser diode of embodiment.
3A is a plan view of a tapered waveguide shown as a reference example, and FIG. 3B is a diagram showing a refractive index distribution in a longitudinal section of a narrow portion of the tapered waveguide.
[Explanation of symbols]
1 n-side electrode, 2 n-type GaAs substrate, 3 n-type AlGaAs cladding layer, 4 undoped AlGaAs guide layer, 5 undoped InGaAs active layer, 6 undoped AlGaAs guide layer, 7 p-type AlGaAs cladding layer, 8 p-type GaAs contact layer, 21 Ridge portion, 21a Wide portion, 21b Tapered portion, 21c Narrow portion, 22a, 22b Groove, 23 Cladding region, 31 Active region, 32a, 32b Low refractive index region.

Claims

半導体基板上に、下クラッド層と、上クラッドと、上記上クラッド層と上記下クラッド層との間に位置する活性層とを含む複数の半導体層が積層されてなり、該積層された半導体層においてそれぞれ上記上クラッド層の途中まで達しかつ一端から他端に至る２つの溝を形成することによりリッジ部を形成した半導体レーザダイオードであって、
上記リッジ部の一部又は全部を徐々に幅が狭くなるように形成し、上記リッジ部と上記溝とを形成することにより構成される活性領域の一部に、上記半導体レーザダイオードが発振するレーザ光の横モードの基本モードを伝播させかつ上記横モードの高次モードの伝播を阻止するカットオフ領域が形成されるように、上記リッジ部の形状と上記溝の形状とを設定しかつ、
上記レーザ光が伝播する共振器方向に垂直な任意の平面内において、上記リッジ部の上面の位置が上記溝の外側に位置する領域の上面の位置より高くなるようにしたことを特徴とする半導体レーザダイオード。A plurality of semiconductor layers including a lower clad layer, an upper clad, and an active layer located between the upper clad layer and the lower clad layer are laminated on a semiconductor substrate, and the laminated semiconductor layer A semiconductor laser diode in which a ridge portion is formed by forming two grooves extending from one end to the other end of the upper cladding layer.
A laser in which the semiconductor laser diode oscillates in a part of an active region formed by forming part or all of the ridge portion so that the width is gradually narrowed and forming the ridge portion and the groove. Setting the shape of the ridge and the shape of the groove so as to form a cutoff region that propagates the fundamental mode of the transverse mode of light and prevents the propagation of the higher-order mode of the transverse mode; and
A semiconductor characterized in that the position of the upper surface of the ridge portion is higher than the position of the upper surface of the region located outside the groove in an arbitrary plane perpendicular to the direction of the resonator in which the laser beam propagates Laser diode.

上記２つの溝の幅をそれぞれ、上記一端面から他端面に至るまで一定になるように形成した請求項１記載の半導体レーザダイオード。 2. The semiconductor laser diode according to claim 1, wherein the width of each of the two grooves is formed to be constant from the one end surface to the other end surface.

上記リッジ部は一端面の幅が他端面の幅より広くなるように形成され、上記一端面から光を出力するようにした請求項１又は２に記載の半導体レーザダイオード。 3. The semiconductor laser diode according to claim 1, wherein the ridge portion is formed such that a width of one end face is wider than a width of the other end face, and light is output from the one end face.