JP4094756B2

JP4094756B2 - 半導体レーザダイオード

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。

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。
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。
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。