JPH08195529A - 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 - Google Patents
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Info
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- JPH08195529A JPH08195529A JP522195A JP522195A JPH08195529A JP H08195529 A JPH08195529 A JP H08195529A JP 522195 A JP522195 A JP 522195A JP 522195 A JP522195 A JP 522195A JP H08195529 A JPH08195529 A JP H08195529A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 光ファイバ増幅器の励起波長で発振可能であ
り、狭垂直放射角を有し、高光出力時でも横モードが安
定した高信頼性の半導体レーザおよびそれに用いられる
半導体レーザエピタキシャル結晶積層体の提供を目的と
する。 【構成】 活性層７および９を挟む上下クラッド層３お
よび１３と、これらクラッド層と活性層との間に設けら
れた上下ガイド層５および１１との間には、それぞれク
ラッド層よりも低い屈折率を有する低屈折率層４および
１２が設けられている。上下クラッド層および上下ガイ
ド層は、そのＡｌ組成または厚さに関して上下で非対称
となっていてもよい。
り、狭垂直放射角を有し、高光出力時でも横モードが安
定した高信頼性の半導体レーザおよびそれに用いられる
半導体レーザエピタキシャル結晶積層体の提供を目的と
する。 【構成】 活性層７および９を挟む上下クラッド層３お
よび１３と、これらクラッド層と活性層との間に設けら
れた上下ガイド層５および１１との間には、それぞれク
ラッド層よりも低い屈折率を有する低屈折率層４および
１２が設けられている。上下クラッド層および上下ガイ
ド層は、そのＡｌ組成または厚さに関して上下で非対称
となっていてもよい。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信などに用いられ
る光ファイバ増幅器用励起光源並びにＳＨＧ（光第２高
調波発生）光源としての利用が可能な半導体レーザおよ
びその半導体レーザを形成するための半導体エピタキシ
ャル結晶積層体に関する。
る光ファイバ増幅器用励起光源並びにＳＨＧ（光第２高
調波発生）光源としての利用が可能な半導体レーザおよ
びその半導体レーザを形成するための半導体エピタキシ
ャル結晶積層体に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｅｒ3+イオンがドープされたシリカ系フ
ァイバを増幅媒体とする光ファイバ増幅器は、石英系シ
ングルモードファイバ（ＳＭＦ）の光伝搬損失が最小に
なる１．５５μｍ帯での動作が可能であるため、光通信
のキーデバイスとして注目を集めている。レーザ発振あ
るいは増幅に用いるＥｒ3+イオン励起光源波長としては
１．４８μｍ、０．９８μｍ、０．８２μｍ帯が検討さ
れている。また、最近ではＰｒ3+イオンがドープされた
フッ化物ファイバを用いた１．３μｍ帯光ファイバ増幅
器も提案され実験が進められている。この場合、最適励
起波長は１．０１７μｍである。特に、０．９８μｍ帯
では、増幅効率が高く、ノイズ特性が良いことが確認さ
れており、１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器の励起波長
として有望である。この０．９８μｍ／１．０２μｍ波
長帯の実験用励起レーザとしてはＴｉ：サファイアレー
ザが用いられてきた。
ァイバを増幅媒体とする光ファイバ増幅器は、石英系シ
ングルモードファイバ（ＳＭＦ）の光伝搬損失が最小に
なる１．５５μｍ帯での動作が可能であるため、光通信
のキーデバイスとして注目を集めている。レーザ発振あ
るいは増幅に用いるＥｒ3+イオン励起光源波長としては
１．４８μｍ、０．９８μｍ、０．８２μｍ帯が検討さ
れている。また、最近ではＰｒ3+イオンがドープされた
フッ化物ファイバを用いた１．３μｍ帯光ファイバ増幅
器も提案され実験が進められている。この場合、最適励
起波長は１．０１７μｍである。特に、０．９８μｍ帯
では、増幅効率が高く、ノイズ特性が良いことが確認さ
れており、１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器の励起波長
として有望である。この０．９８μｍ／１．０２μｍ波
長帯の実験用励起レーザとしてはＴｉ：サファイアレー
ザが用いられてきた。
【０００３】一方、最近、図２に示すような層構造を持
つＩｎＧａＡｓ層を活性層とする歪量子井戸レーザが、
上記波長帯で発振するところから、小型の励起用半導体
レーザとして盛んに研究されている。このような半導体
レーザに関しては、低しきい値、高効率特性を有する
０．９８μｍ／１．０２μｍレーザが報告されている
が、垂直光放射角が大きく、シングルモードファイバと
の結合効率が十分でなく、また、駆動電流を増加させた
高光出力時になると、横モードが安定せず、シングルモ
ードファイバ内に光が十分結合しないという問題があっ
た。
つＩｎＧａＡｓ層を活性層とする歪量子井戸レーザが、
上記波長帯で発振するところから、小型の励起用半導体
レーザとして盛んに研究されている。このような半導体
レーザに関しては、低しきい値、高効率特性を有する
０．９８μｍ／１．０２μｍレーザが報告されている
が、垂直光放射角が大きく、シングルモードファイバと
の結合効率が十分でなく、また、駆動電流を増加させた
高光出力時になると、横モードが安定せず、シングルモ
ードファイバ内に光が十分結合しないという問題があっ
た。
【０００４】シングルモードファイバとの光結合効率を
改善するためには、光垂直放射角の低減による真円化並
びにスポットサイズの拡大が重要である。これらは、ク
ラッド層の屈折率を活性層の屈折率に近づけるか、ある
いは活性層を薄くすることで、活性層への光閉じ込めを
緩めることにより実現できる。これまでの検討結果よ
り、光垂直放射角２３°並びに特性温度１００Ｋ、シン
グルモードファイバへの結合効率５０％程度のものが得
られているが、さらに、結合効率の改善を狙って、狭放
射角にするために光閉じ込めを減らすと、発振しきい値
の急激な増大、外部微分量子効率の劣化、可飽和吸収の
発現並びに温度特性、信頼性の劣化が発生し、問題にな
っていた。
改善するためには、光垂直放射角の低減による真円化並
びにスポットサイズの拡大が重要である。これらは、ク
ラッド層の屈折率を活性層の屈折率に近づけるか、ある
いは活性層を薄くすることで、活性層への光閉じ込めを
緩めることにより実現できる。これまでの検討結果よ
り、光垂直放射角２３°並びに特性温度１００Ｋ、シン
グルモードファイバへの結合効率５０％程度のものが得
られているが、さらに、結合効率の改善を狙って、狭放
射角にするために光閉じ込めを減らすと、発振しきい値
の急激な増大、外部微分量子効率の劣化、可飽和吸収の
発現並びに温度特性、信頼性の劣化が発生し、問題にな
っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、０．
８６μｍ〜１．０７μｍ帯、特に波長０．９８μｍ並び
に１．０２μｍで発振し、２０°以下の狭垂直放射角を
有し、かつ高光出力時においても横モードが安定した高
信頼半導体レーザおよびその作製に用いられる半導体レ
ーザエピタキシャル結晶積層体を提供することにある。
８６μｍ〜１．０７μｍ帯、特に波長０．９８μｍ並び
に１．０２μｍで発振し、２０°以下の狭垂直放射角を
有し、かつ高光出力時においても横モードが安定した高
信頼半導体レーザおよびその作製に用いられる半導体レ
ーザエピタキシャル結晶積層体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、活性層と、該活性層を上下
方向から挟む上部クラッド層および下部クラッド層と、
該両クラッド層と前記活性層との間にそれぞれ設けられ
た上部ガイド層および下部ガイド層と、を含む半導体エ
ピタキシャル結晶積層体において、前記上部クラッド層
と前記上部ガイド層との間および前記下部クラッド層と
前記下部ガイド層との間には、それぞれ近傍のクラッド
層より屈折率の小さい低屈折率層が設けられたことを特
徴とする。
に、請求項１記載の発明は、活性層と、該活性層を上下
方向から挟む上部クラッド層および下部クラッド層と、
該両クラッド層と前記活性層との間にそれぞれ設けられ
た上部ガイド層および下部ガイド層と、を含む半導体エ
ピタキシャル結晶積層体において、前記上部クラッド層
と前記上部ガイド層との間および前記下部クラッド層と
前記下部ガイド層との間には、それぞれ近傍のクラッド
層より屈折率の小さい低屈折率層が設けられたことを特
徴とする。
【０００７】ここで、請求項１記載の半導体レーザエピ
タキシャル結晶積層体において、前記活性層は少なくと
も一層の
タキシャル結晶積層体において、前記活性層は少なくと
も一層の
【０００８】
【外２】
【０００９】からなるものであり、前記上部または下部
クラッド層はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓからなるものであり、
前記上部または下部ガイド層はＡｌy Ｇ1-y Ａｓ（ｙ＜
ｘ）からなるものであり、前記低屈折率層はＡｌz Ｇａ
1-z Ａｓ（ｚ＞ｘ）からなるものであってもよい。
クラッド層はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓからなるものであり、
前記上部または下部ガイド層はＡｌy Ｇ1-y Ａｓ（ｙ＜
ｘ）からなるものであり、前記低屈折率層はＡｌz Ｇａ
1-z Ａｓ（ｚ＞ｘ）からなるものであってもよい。
【００１０】また、上下のクラッド層のＡｌ組成が非対
称でもよく、上下のガイド層並びに上下の低屈折率層の
Ａｌ組成が非対称かつ厚さも非対称の構造を有してもよ
い。
称でもよく、上下のガイド層並びに上下の低屈折率層の
Ａｌ組成が非対称かつ厚さも非対称の構造を有してもよ
い。
【００１１】さらに、各層はＩｎが１×１０19〜２×１
０20ｃｍ-3の濃度でドープされ、かつ、前記各層からな
る積層体は前記範囲のＩｎ濃度を有するＩｎコドープＧ
ａＡｓ基板上に設けられてもよい。
０20ｃｍ-3の濃度でドープされ、かつ、前記各層からな
る積層体は前記範囲のＩｎ濃度を有するＩｎコドープＧ
ａＡｓ基板上に設けられてもよい。
【００１２】また、請求項８記載の発明は、半導体レー
ザであって、上記各半導体エピタキシャル結晶積層体を
含むことを特徴とするものである。
ザであって、上記各半導体エピタキシャル結晶積層体を
含むことを特徴とするものである。
【００１３】
【作用】本発明の半導体エピタキシャル結晶積層体にお
いては、クラッド層とガイド層との間にクラッド層より
屈折率の小さい低屈折率層を導入したことにより、活性
層への光閉じ込めを若干増加させ、あるいは若干低下さ
せる程度に抑えながら、クラッド層への光のモレの距離
を増大させることができる。従って、光導波路内の活性
層近傍の光閉じ込めをほとんど劣化させないまま、クラ
ッド層遠方まで光のモレだしを制御し発光領域を拡大で
きる。
いては、クラッド層とガイド層との間にクラッド層より
屈折率の小さい低屈折率層を導入したことにより、活性
層への光閉じ込めを若干増加させ、あるいは若干低下さ
せる程度に抑えながら、クラッド層への光のモレの距離
を増大させることができる。従って、光導波路内の活性
層近傍の光閉じ込めをほとんど劣化させないまま、クラ
ッド層遠方まで光のモレだしを制御し発光領域を拡大で
きる。
【００１４】一般に、結晶端面から放射された光は、回
折されて有限の放射角を有する放射パタン（遠視野像）
となるが、光源が小さければ回折が大きくなるので、本
発明のように光のモレだしが大きければ、放射角も小さ
くなることが予想される。
折されて有限の放射角を有する放射パタン（遠視野像）
となるが、光源が小さければ回折が大きくなるので、本
発明のように光のモレだしが大きければ、放射角も小さ
くなることが予想される。
【００１５】ここで、遠視野像は、近似的には、近視野
における電界分布（近視野像）のフーリエ変換で与えら
れ、これは、スリットによる回折像の場合と一致する。
スリットが大きければ回折は大きく、スリットが小さけ
れば回折は小さくなる現象と、定性的にも理解できる。
における電界分布（近視野像）のフーリエ変換で与えら
れ、これは、スリットによる回折像の場合と一致する。
スリットが大きければ回折は大きく、スリットが小さけ
れば回折は小さくなる現象と、定性的にも理解できる。
【００１６】また、低屈折率層を有する構造に加え、上
下の屈折率分布の非対称構造を導入することにより、光
強度最大のポイントを、電子とホールが再結合している
量子井戸層からＳＣＨ層あるいはガイド層へ若干ずらせ
ば、端面溶融による劣化（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐ
ｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）を抑えること
ができ、また低屈折率層の存在により、高電流動作時、
キャリアのオーバーフローによる光出力特性劣化も改善
される。従って、低屈折率層と非対称屈折率構造によ
り、垂直狭放射角と安定した高光出力動作が可能とな
る。
下の屈折率分布の非対称構造を導入することにより、光
強度最大のポイントを、電子とホールが再結合している
量子井戸層からＳＣＨ層あるいはガイド層へ若干ずらせ
ば、端面溶融による劣化（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐ
ｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）を抑えること
ができ、また低屈折率層の存在により、高電流動作時、
キャリアのオーバーフローによる光出力特性劣化も改善
される。従って、低屈折率層と非対称屈折率構造によ
り、垂直狭放射角と安定した高光出力動作が可能とな
る。
【００１７】さらに、基板としてＩｎコドープｎ−Ｇａ
Ａｓ基板を用いて、各エピタキシャル層に、ほぼ同濃度
のＩｎをコドープし、上述したような屈折率構造をもた
せれば、上記特性を有しながら、かつ、長期間にわたる
レーザの劣化特性を飛躍的に改善できる。劣化モードの
大きな要因である結晶転移の伝搬をＩｎがピニングする
ためである。
Ａｓ基板を用いて、各エピタキシャル層に、ほぼ同濃度
のＩｎをコドープし、上述したような屈折率構造をもた
せれば、上記特性を有しながら、かつ、長期間にわたる
レーザの劣化特性を飛躍的に改善できる。劣化モードの
大きな要因である結晶転移の伝搬をＩｎがピニングする
ためである。
【００１８】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。
する。
【００１９】（第１実施例）図１の（ａ）は本発明であ
る半導体レーザエピタキシャル結晶積層体の第１の実施
例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の構造における
Ａｌ組成とＩｎ組成を示すグラフである。図１におい
て、１はｎ+ −ＧａＡｓ基板、２はｎ+ −ＧａＡｓバッ
ファ層、３はｎ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層（下部
クラッド層）、５および１１はＡｌz Ｇａ1-z Ａｓガイ
ド層（下部ガイド層および上部ガイド層）、６および１
０はＡｌＧａＡｓ ＳＣＨ層（ＳＣＨ：Ｓｅｐａｒａｔ
ｅ−Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ−Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃ
ｔｕｒｅ，ＡｌＧａＡｓ：Ａｌ組成比は０からガイド層
組成比ｚまでの間のいずれかの値である）、８はＡｌＧ
ａＡｓバリア層（Ａｌ組成はＳＣＨ層と等しいかまたは
小さい）、７および９は
る半導体レーザエピタキシャル結晶積層体の第１の実施
例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の構造における
Ａｌ組成とＩｎ組成を示すグラフである。図１におい
て、１はｎ+ −ＧａＡｓ基板、２はｎ+ −ＧａＡｓバッ
ファ層、３はｎ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層（下部
クラッド層）、５および１１はＡｌz Ｇａ1-z Ａｓガイ
ド層（下部ガイド層および上部ガイド層）、６および１
０はＡｌＧａＡｓ ＳＣＨ層（ＳＣＨ：Ｓｅｐａｒａｔ
ｅ−Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ−Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃ
ｔｕｒｅ，ＡｌＧａＡｓ：Ａｌ組成比は０からガイド層
組成比ｚまでの間のいずれかの値である）、８はＡｌＧ
ａＡｓバリア層（Ａｌ組成はＳＣＨ層と等しいかまたは
小さい）、７および９は
【００２０】
【外３】
【００２１】（図では２重量子井戸であるが、単層から
５層の範囲で選ぶことができる）、１３はｐ−Ａｌx Ｇ
ａ1-x Ａｓクラッド層（上部クラッド層）、１４はｐ+
−ＧａＡｓキャップ層である。本実施例の半導体エピタ
キシャル結晶積層体においては、上下クラッドＡｌx Ｇ
ａ1-x Ａｓ層１３および３と上下ガイドＡｌy Ｇａ1-y
Ａｓ層１１および５との間に近傍のクラッド層よりＡｌ
組成の大きいＡｌz Ｇａ1-z Ａｓ低屈折率層１２および
４（上部低屈折率層および下部低屈折率層）があること
を特徴とする。上記ガイド層の厚さｄg は０．１〜０．
５μｍとされ、上記低屈折率層の厚さｄn は０．１〜
０．５μｍとされる。図２に、比較のため、上記のよう
な低屈折率層を有さない従来例の構造を示す。
５層の範囲で選ぶことができる）、１３はｐ−Ａｌx Ｇ
ａ1-x Ａｓクラッド層（上部クラッド層）、１４はｐ+
−ＧａＡｓキャップ層である。本実施例の半導体エピタ
キシャル結晶積層体においては、上下クラッドＡｌx Ｇ
ａ1-x Ａｓ層１３および３と上下ガイドＡｌy Ｇａ1-y
Ａｓ層１１および５との間に近傍のクラッド層よりＡｌ
組成の大きいＡｌz Ｇａ1-z Ａｓ低屈折率層１２および
４（上部低屈折率層および下部低屈折率層）があること
を特徴とする。上記ガイド層の厚さｄg は０．１〜０．
５μｍとされ、上記低屈折率層の厚さｄn は０．１〜
０．５μｍとされる。図２に、比較のため、上記のよう
な低屈折率層を有さない従来例の構造を示す。
【００２２】図１の（ａ）に示した構造を実現するため
には、まず、エピタキシャル結晶成長装置（ＭＯＶＰＥ
法：有機金属気相成長法あるいはＭＢＥ法：分子線エピ
タキシー法）を用いて、エピタキシャル層２から１４ま
で成長する。典型的な値として下部クラッド層３および
上部クラッド層１３とのＡｌ組成ｘを０．１５〜０．３
５μｍとし、下部ガイド層５および上部ガイド層１１の
Ａｌ組成ｚを０．１〜０．３μｍとし、ｎドーパントと
してＳｅ，Ｓｉ等を下部クラッド層３，下部低屈折率層
４および下部ガイド層５に５×１０17ｃｍ-3程度ドープ
する。ｐドーパントとしてＺｎ，Ｍｇ，Ｂｅ等を用い、
上部ガイド層１１，上部低屈折率層１２および上部クラ
ッド層１３にそれぞれ５×１０17ｃｍ-3程度ドープす
る。下部ガイド層５および上部ガイド層１１はそれぞれ
ｎあるいはｐを低濃度ドープするか、あるいはアンドー
プで用いられる。また、０．９８μｍ／１．０２μｍで
レーザ発振を可能とするためには、
には、まず、エピタキシャル結晶成長装置（ＭＯＶＰＥ
法：有機金属気相成長法あるいはＭＢＥ法：分子線エピ
タキシー法）を用いて、エピタキシャル層２から１４ま
で成長する。典型的な値として下部クラッド層３および
上部クラッド層１３とのＡｌ組成ｘを０．１５〜０．３
５μｍとし、下部ガイド層５および上部ガイド層１１の
Ａｌ組成ｚを０．１〜０．３μｍとし、ｎドーパントと
してＳｅ，Ｓｉ等を下部クラッド層３，下部低屈折率層
４および下部ガイド層５に５×１０17ｃｍ-3程度ドープ
する。ｐドーパントとしてＺｎ，Ｍｇ，Ｂｅ等を用い、
上部ガイド層１１，上部低屈折率層１２および上部クラ
ッド層１３にそれぞれ５×１０17ｃｍ-3程度ドープす
る。下部ガイド層５および上部ガイド層１１はそれぞれ
ｎあるいはｐを低濃度ドープするか、あるいはアンドー
プで用いられる。また、０．９８μｍ／１．０２μｍで
レーザ発振を可能とするためには、
【００２３】
【外４】
【００２４】のＩｎ組成比αおよび厚さｔは、典型例と
してそれぞれα＝０．２，ｔ＝１０ｎｍまたはα＝０．
３，ｔ＝７．５ｎｍとする。キャップ層１４にはオーミ
ック電極をとるため５×１０19ｃｍ-3以上のＺｎ等のｐ
ドーパントの高濃度ドープを行う。
してそれぞれα＝０．２，ｔ＝１０ｎｍまたはα＝０．
３，ｔ＝７．５ｎｍとする。キャップ層１４にはオーミ
ック電極をとるため５×１０19ｃｍ-3以上のＺｎ等のｐ
ドーパントの高濃度ドープを行う。
【００２５】結晶成長の後、キャップ層（コンタクト
層）１４およびクラッド層１３を加工して、図３に示す
ような幅１．５〜３μ程度のリッジを形成する。このリ
ッジ形成のためには、ホトリソグラフィーでレジストを
パターニングし、これをマスクとしウエットあるいはド
ライのエッチングでコンタクト層１４およびクラッド層
１３をエッチングする。深さは横モードを考慮して高次
モードが立たない範囲で決定され、上部低屈折率層１２
あるいは上部ガイド層１１までエッチングする場合もあ
る。リッジ形成後、マスクを剥離し、スパッタリング等
で絶縁膜１５（ＳｉＯ2 ，ＳｉＮ等）を表面全体に形成
し、リッジ上部の絶縁膜をエッチオフした後、リッジ上
部および絶縁膜１５表面にＣｒ／ＡｉあるいはＴｉ／Ｐ
ｔ／Ａｕ等のｐ電極１６を形成すると共にｎ+ −ＧａＡ
ｓ基板１の下面にＡｕＧｅＮｉ等のｎ電極１７を形成す
る。その後、オーミックシンターし、図３の半導体レー
ザ構造を得る。
層）１４およびクラッド層１３を加工して、図３に示す
ような幅１．５〜３μ程度のリッジを形成する。このリ
ッジ形成のためには、ホトリソグラフィーでレジストを
パターニングし、これをマスクとしウエットあるいはド
ライのエッチングでコンタクト層１４およびクラッド層
１３をエッチングする。深さは横モードを考慮して高次
モードが立たない範囲で決定され、上部低屈折率層１２
あるいは上部ガイド層１１までエッチングする場合もあ
る。リッジ形成後、マスクを剥離し、スパッタリング等
で絶縁膜１５（ＳｉＯ2 ，ＳｉＮ等）を表面全体に形成
し、リッジ上部の絶縁膜をエッチオフした後、リッジ上
部および絶縁膜１５表面にＣｒ／ＡｉあるいはＴｉ／Ｐ
ｔ／Ａｕ等のｐ電極１６を形成すると共にｎ+ −ＧａＡ
ｓ基板１の下面にＡｕＧｅＮｉ等のｎ電極１７を形成す
る。その後、オーミックシンターし、図３の半導体レー
ザ構造を得る。
【００２６】なお、本実施例では、屈折率導波構造とし
て、リッジレーザの例を示したが、埋め込みレーザなど
他のレーザ構造も当然考えられる。
て、リッジレーザの例を示したが、埋め込みレーザなど
他のレーザ構造も当然考えられる。
【００２７】図４に従来の低屈折率層を含まない半導体
レーザエピタキシャル構造を含む半導体レーザの導波路
内での光フィールド分布（近視野像）の例を示し、図５
に本発明の低屈折率層を挟んだ構造を含む半導体レーザ
の導波路内での光フィールド分布（近視野像）の例を示
す。図５に示すように本発明では低屈折率層の導入によ
り活性層への光閉じ込めは若干増え、かつ活性層からク
ラッド層への光のしみだしは増大していることが分か
る。図６および図７はそれぞれのファーフィールドパタ
ーン（遠視野像）の計算値を示す。それぞれ、垂直放射
角半値全巾は２３°並びに１３°である。図７に示すよ
うに、本実施例では、低屈折率層の導入により、フィー
ルド分布が広がり、垂直放射角が低減されていることが
わかる。
レーザエピタキシャル構造を含む半導体レーザの導波路
内での光フィールド分布（近視野像）の例を示し、図５
に本発明の低屈折率層を挟んだ構造を含む半導体レーザ
の導波路内での光フィールド分布（近視野像）の例を示
す。図５に示すように本発明では低屈折率層の導入によ
り活性層への光閉じ込めは若干増え、かつ活性層からク
ラッド層への光のしみだしは増大していることが分か
る。図６および図７はそれぞれのファーフィールドパタ
ーン（遠視野像）の計算値を示す。それぞれ、垂直放射
角半値全巾は２３°並びに１３°である。図７に示すよ
うに、本実施例では、低屈折率層の導入により、フィー
ルド分布が広がり、垂直放射角が低減されていることが
わかる。
【００２８】図８の（ａ）に光閉じ込め効率と垂直光放
射角との関係を示し、（ｂ）に発振しきい値並びに特性
温度の関係の実験結果を示す。図８の（ａ）および
（ｂ）中において丸印が本発明の結果である。光閉じ込
め効率を低下させず、垂直光放射角として、実験的にも
１６°（計算値１３°）が得られ、この結果より、本発
明によれば、光閉じ込め効率を落すことなく、即ち、発
振しきい値Ｉｔｈの上昇、並びに特性温度Ｔｏの劣化を
引き起こさないで、光垂直放射角の低減を図れることが
分かる。また、（ｂ）に示すように、しきい値の温度特
性において、低屈折率層がない場合に比べ、６０℃以上
での特性温度の劣化が改善されると共に、従来５００ｍ
Ｗ程度で熱飽和していた光出力特性も、高Ａｌ組成の低
屈折層の存在により、キャリアのクラッドへの熱オーバ
ーフローが抑えられるため、６００ｍＷ程度まで高出力
化が図れることが確認された。
射角との関係を示し、（ｂ）に発振しきい値並びに特性
温度の関係の実験結果を示す。図８の（ａ）および
（ｂ）中において丸印が本発明の結果である。光閉じ込
め効率を低下させず、垂直光放射角として、実験的にも
１６°（計算値１３°）が得られ、この結果より、本発
明によれば、光閉じ込め効率を落すことなく、即ち、発
振しきい値Ｉｔｈの上昇、並びに特性温度Ｔｏの劣化を
引き起こさないで、光垂直放射角の低減を図れることが
分かる。また、（ｂ）に示すように、しきい値の温度特
性において、低屈折率層がない場合に比べ、６０℃以上
での特性温度の劣化が改善されると共に、従来５００ｍ
Ｗ程度で熱飽和していた光出力特性も、高Ａｌ組成の低
屈折層の存在により、キャリアのクラッドへの熱オーバ
ーフローが抑えられるため、６００ｍＷ程度まで高出力
化が図れることが確認された。
【００２９】一方、リッジレーザの水平放射角はリッジ
深さで制御可能であり、６〜１３°の範囲に垂直放射角
とはほぼ独立に実現できる。従って、本発明のエピタキ
シャル構造を有する半導体レーザは、垂直放射角と水平
放射角の比（楕円比）を従来の２〜３の値に比べ、１．
２〜２程度まで大幅に低減できスポットの真円化が図
れ、シングルモードファイバとの結合率も垂直放射組角
絶対値の低減とあいまって７０〜８０％のものが容易に
得られることがわかった。
深さで制御可能であり、６〜１３°の範囲に垂直放射角
とはほぼ独立に実現できる。従って、本発明のエピタキ
シャル構造を有する半導体レーザは、垂直放射角と水平
放射角の比（楕円比）を従来の２〜３の値に比べ、１．
２〜２程度まで大幅に低減できスポットの真円化が図
れ、シングルモードファイバとの結合率も垂直放射組角
絶対値の低減とあいまって７０〜８０％のものが容易に
得られることがわかった。
【００３０】以上述べたように、本実施例によれば、高
寿命の０．９８μｍ／１．０２μｍ帯で光通信に必要な
高出力光ファイバ励起用レーザを容易に実現できた。
寿命の０．９８μｍ／１．０２μｍ帯で光通信に必要な
高出力光ファイバ励起用レーザを容易に実現できた。
【００３１】（第２実施例）図９は本発明の半導体レー
ザエピタキシャル結晶積層体の第２の実施例を示す断面
図である。本実施例では、下部クラッド層３、下部低屈
折率層４および下部ガイド層５の各Ａｌ組成が上部の各
層１１〜１３のＡｌ組成に比べ低く、また、低屈折率層
４および１２並びにガイド層５および１１膜厚について
は上部の方が薄く、活性層を中心に上部各層と下部各層
で非対称の構造となっている。
ザエピタキシャル結晶積層体の第２の実施例を示す断面
図である。本実施例では、下部クラッド層３、下部低屈
折率層４および下部ガイド層５の各Ａｌ組成が上部の各
層１１〜１３のＡｌ組成に比べ低く、また、低屈折率層
４および１２並びにガイド層５および１１膜厚について
は上部の方が薄く、活性層を中心に上部各層と下部各層
で非対称の構造となっている。
【００３２】本実施例では、先の第１実施例に比べ、導
波路内の光強度の最大になる場所を、半導体レーザエピ
タキシャル構造に導入された屈折率分布の非対称性によ
り、活性層からずらしているため、高光出力時でのモー
ド安定性が増し、また、狭垂直放射角、低しきい値を実
現しながら、活性層の結晶学的なダメージを受けにくい
ことがわかった。また、本実施例では、上部ガイド層へ
の光の漏れだしを下部クラッド層のそれに比べ小さく選
べば、上部クラッド層をそれほど厚くしなくても発振し
きい値の劣化を抑えられることもわかった。
波路内の光強度の最大になる場所を、半導体レーザエピ
タキシャル構造に導入された屈折率分布の非対称性によ
り、活性層からずらしているため、高光出力時でのモー
ド安定性が増し、また、狭垂直放射角、低しきい値を実
現しながら、活性層の結晶学的なダメージを受けにくい
ことがわかった。また、本実施例では、上部ガイド層へ
の光の漏れだしを下部クラッド層のそれに比べ小さく選
べば、上部クラッド層をそれほど厚くしなくても発振し
きい値の劣化を抑えられることもわかった。
【００３３】（第３実施例）図１０の（ａ）は本発明の
半導体レーザエピタキシャル結晶積層体の第３の実施例
を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の構造におけるＡ
ｌ組成とＩｎ組成を示すグラフである。本実施例では、
ＩｎコドープＧａＡｓ基板１８上に全層Ｉｎドープされ
た第１実施例と同様の構成のレーザエピタキシャル層が
積層されている。図１０の（ａ）では、先の第１実施例
のエピタキシャル構造を示すが、第２実施例のエピタキ
シャル構造の積層体をＩｎコドープＧａＡｓ基板１８上
に積層してもよい。得られた結晶の表面モホロジーは、
Ｉｎをコドープした基板１８に格子整合され、クラック
等の発生はみられず、通常のＧａＡｓ基板に比べて遜色
ない。本実施例に用いられるＩｎコドープＧａＡｓ基板
は、例えば、水平／垂直ブリッジマン法あるいは引上げ
法によるＧａＡｓ結晶成長時にＩｎをコドープする方法
により製造することができる。
半導体レーザエピタキシャル結晶積層体の第３の実施例
を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の構造におけるＡ
ｌ組成とＩｎ組成を示すグラフである。本実施例では、
ＩｎコドープＧａＡｓ基板１８上に全層Ｉｎドープされ
た第１実施例と同様の構成のレーザエピタキシャル層が
積層されている。図１０の（ａ）では、先の第１実施例
のエピタキシャル構造を示すが、第２実施例のエピタキ
シャル構造の積層体をＩｎコドープＧａＡｓ基板１８上
に積層してもよい。得られた結晶の表面モホロジーは、
Ｉｎをコドープした基板１８に格子整合され、クラック
等の発生はみられず、通常のＧａＡｓ基板に比べて遜色
ない。本実施例に用いられるＩｎコドープＧａＡｓ基板
は、例えば、水平／垂直ブリッジマン法あるいは引上げ
法によるＧａＡｓ結晶成長時にＩｎをコドープする方法
により製造することができる。
【００３４】本実施例の構造は、レーザとしての光出力
特性並びに電気的な抵抗値も、Ｉｎをドーピングしない
場合に比べ、変化はなく、Ｉｎコドープによる静的な特
性への悪影響は見られなかった。また、本実施例では、
先の各実施例における狭垂直放射角、低しきい値特性に
加え、Ｉｎコドープによるクリスタルハードニング効果
により転位が入りにくい等、長期的にも従来にない高安
定な高出力レーザが得られた。
特性並びに電気的な抵抗値も、Ｉｎをドーピングしない
場合に比べ、変化はなく、Ｉｎコドープによる静的な特
性への悪影響は見られなかった。また、本実施例では、
先の各実施例における狭垂直放射角、低しきい値特性に
加え、Ｉｎコドープによるクリスタルハードニング効果
により転位が入りにくい等、長期的にも従来にない高安
定な高出力レーザが得られた。
【００３５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の半導体レー
ザエピタキシャル結晶積層体は、クラッド層とガイド層
との間に、クラッド層より低屈折率な層を導入したこと
により、活性層への光閉じ込めを低減することなく、等
価的に光のモレをクラッド層に広げることができる。従
って、通常従来見られる、発振しきい値の増大、温度特
性の劣化を引き起こすことなく、垂直狭放射角化を実現
できる。シングルモードファイバへの結合も、放射角の
低減、ビームの楕円比の改善により、飛躍的に改善され
る。さらに、低屈折率層のバリア効果により、高電流動
作時にキャリアのオーバフローが抑えられ、従来に比
べ、より高光出力が得られる。また、基板をはじめ、エ
ピ全層にＩｎをコドープすることにより、高光出力時に
おいても、上記特長を維持しつつ、さらに、結晶内の転
位の伝搬が抑えられ、より、高信頼のレーザが実現でき
る。
ザエピタキシャル結晶積層体は、クラッド層とガイド層
との間に、クラッド層より低屈折率な層を導入したこと
により、活性層への光閉じ込めを低減することなく、等
価的に光のモレをクラッド層に広げることができる。従
って、通常従来見られる、発振しきい値の増大、温度特
性の劣化を引き起こすことなく、垂直狭放射角化を実現
できる。シングルモードファイバへの結合も、放射角の
低減、ビームの楕円比の改善により、飛躍的に改善され
る。さらに、低屈折率層のバリア効果により、高電流動
作時にキャリアのオーバフローが抑えられ、従来に比
べ、より高光出力が得られる。また、基板をはじめ、エ
ピ全層にＩｎをコドープすることにより、高光出力時に
おいても、上記特長を維持しつつ、さらに、結晶内の転
位の伝搬が抑えられ、より、高信頼のレーザが実現でき
る。
【図１】（ａ）は本発明の半導体レーザエピタキシャル
結晶積層体の第１の実施例を示す断面図であり、（ｂ）
は（ａ）の構造におけるＡｌ組成とＩｎ組成を示すグラ
フである。
結晶積層体の第１の実施例を示す断面図であり、（ｂ）
は（ａ）の構造におけるＡｌ組成とＩｎ組成を示すグラ
フである。
【図２】（ａ）は従来の半導体レーザエピタキシャル結
晶積層体の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の構造におけ
るＡｌ組成とＩｎ組成を示すグラフである。
晶積層体の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の構造におけ
るＡｌ組成とＩｎ組成を示すグラフである。
【図３】本発明の半導体レーザエピタキシャル結晶積層
体の構造を有するエピタキシャル膜を用いたレーザ構成
例を示す断面図である。
体の構造を有するエピタキシャル膜を用いたレーザ構成
例を示す断面図である。
【図４】従来例のエピタキシャル構造を有する半導体レ
ーザ内の活性層を中心とする導波路内の光強度分布計算
値を示すグラフである。
ーザ内の活性層を中心とする導波路内の光強度分布計算
値を示すグラフである。
【図５】本発明のエピタキシャル構造を有する半導体レ
ーザ内の活性層を中心とする導波路内の光強度分布計算
値を示すグラフである。
ーザ内の活性層を中心とする導波路内の光強度分布計算
値を示すグラフである。
【図６】図４の近視野像に対応した遠視野像（計算値）
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図７】図５の近視野像に対応した遠視野像（計算値）
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図８】（ａ）は光閉じ込め計数と光垂直放射角の関係
を示すグラフであり、（ｂ）は光閉じ込め係数としきい
値電流値ならびに特性温度の関係を示すグラフである。
を示すグラフであり、（ｂ）は光閉じ込め係数としきい
値電流値ならびに特性温度の関係を示すグラフである。
【図９】（ａ）は本発明の半導体レーザエピタキシャル
結晶積層体の第２の実施例を示す断面図であって、非対
称な屈折率分布ならびに厚さを有する構造を示し、
（ｂ）は（ａ）の構造におけるＡｌ組成とＩｎ組成を示
すグラフである。
結晶積層体の第２の実施例を示す断面図であって、非対
称な屈折率分布ならびに厚さを有する構造を示し、
（ｂ）は（ａ）の構造におけるＡｌ組成とＩｎ組成を示
すグラフである。
【図１０】（ａ）は本発明の半導体レーザエピタキシャ
ル結晶積層体の第３の実施例を示す断面図であって、Ｉ
ｎコドープ基板上に形成され、かつ、全層Ｉｎがドープ
されたレーザエピ構造を示し、（ｂ）は（ａ）の構造に
おけるＡｌ組成とＩｎ組成を示すグラフである。
ル結晶積層体の第３の実施例を示す断面図であって、Ｉ
ｎコドープ基板上に形成され、かつ、全層Ｉｎがドープ
されたレーザエピ構造を示し、（ｂ）は（ａ）の構造に
おけるＡｌ組成とＩｎ組成を示すグラフである。
１ ｎ+ −ＧａＡｓ基板 ２ ｎ+ −ＧａＡｓバッファ層 ３ ｎ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層（下部クラッド
層） ４ ｎ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓ低屈折率層（下部低屈折率
層） ５ ｎ−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓガイド層（下部ガイド層） ６ ＡｌＧａＡｓ ＳＣＨ層
層） ４ ｎ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓ低屈折率層（下部低屈折率
層） ５ ｎ−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓガイド層（下部ガイド層） ６ ＡｌＧａＡｓ ＳＣＨ層
【外５】 ８ ＡｌＧａＡｓバリア層 １０ ＡｌＧａＡｓ ＣＳＨ層 １１ ｐ−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓガイド層（上部ガイド
層） １２ ｐ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓ低屈折率層（上部低屈折
率層） １３ ｐ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層（上部クラッ
ド層） １４ ｐ+ −ＧａＡｓキャップ層 １５ 絶縁層 １６ ｐ電極 １７ ｎ電極 １８ Ｉｎコドープｎ−ＧａＡｓ基板
層） １２ ｐ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓ低屈折率層（上部低屈折
率層） １３ ｐ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層（上部クラッ
ド層） １４ ｐ+ −ＧａＡｓキャップ層 １５ 絶縁層 １６ ｐ電極 １７ ｎ電極 １８ Ｉｎコドープｎ−ＧａＡｓ基板
Claims (8)
- 【請求項１】 活性層と、該活性層を上下方向から挟む
上部クラッド層および下部クラッド層と、該両クラッド
層と前記活性層との間にそれぞれ設けられた上部ガイド
層および下部ガイド層と、を含む半導体エピタキシャル
結晶積層体において、 前記上部クラッド層と前記上部ガイド層との間および前
記下部クラッド層と前記下部ガイド層との間には、それ
ぞれ近傍のクラッド層より屈折率の小さい低屈折率層が
設けられたことを特徴とする半導体レーザエピタキシャ
ル結晶積層体。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体レーザエピタキシ
ャル結晶積層体において、前記活性層は少なくとも一層
の 【外１】 からなるものであり、前記上部または下部クラッド層は
Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓからなるものであり、前記上部また
は下部ガイド層はＡｌy Ｇ1-y Ａｓ（ｙ＜ｘ）からなる
ものであり、前記低屈折率層はＡｌz Ｇａ1-z Ａｓ（ｚ
＞ｘ）からなるものであることを特徴とする半導体レー
ザエピタキシャル結晶積層体。 - 【請求項３】 請求項２記載の半導体レーザエピタキシ
ャル結晶積層体において、前記上部クラッド層と前記下
部クラッド層とは、そのＡｌ組成が異なることを特徴と
する半導体レーザエピタキシャル結晶積層体。 - 【請求項４】 請求項２記載の半導体レーザエピタキシ
ャル結晶積層体において、前記上部ガイド層と前記下部
ガイド層とは、そのＡｌ組成が異なることを特徴とする
半導体レーザエピタキシャル結晶積層体。 - 【請求項５】 請求項２記載の半導体レーザエピタキシ
ャル結晶積層体において、前記上部クラッド層と前記下
部クラッド層とは、その厚さが異なることを特徴とする
半導体レーザエピタキシャル結晶積層体。 - 【請求項６】 請求項２記載の半導体レーザエピタキシ
ャル結晶積層体において、前記上部ガイド層と前記下部
ガイド層とは、その厚さが異なることを特徴とする半導
体レーザエピタキシャル結晶積層体。 - 【請求項７】 請求項２ないし６のいずれかの項に記載
の半導体レーザエピタキシャル結晶積層体において、前
記各層はＩｎが１×１０19〜２×１０20ｃｍ-3の濃度で
ドープされ、かつ、前記各層からなる積層体は前記範囲
のＩｎ濃度を有するＩｎコドープＧａＡｓ基板上に設け
られたことを特徴とする半導体レーザエピタキシャル結
晶積層体。 - 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれかの項に記載
の半導体レーザエピタキシャル結晶積層体を含むことを
特徴とする半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP522195A JPH08195529A (ja) | 1995-01-17 | 1995-01-17 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP522195A JPH08195529A (ja) | 1995-01-17 | 1995-01-17 | 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 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08195529A true JPH08195529A (ja) | 1996-07-30 |
Family
ID=11605149
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP522195A Pending JPH08195529A (ja) | 1995-01-17 | 1995-01-17 | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08195529A (ja) |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11233883A (ja) * | 1998-02-18 | 1999-08-27 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ |
| JP2001144372A (ja) * | 1999-08-27 | 2001-05-25 | Mitsui Chemicals Inc | 半導体レーザ装置 |
| WO2004023614A1 (ja) * | 2002-09-06 | 2004-03-18 | Mitsubishi Chemical Corporation | 半導体発光素子および半導体発光素子モジュール |
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| US6947461B2 (en) | 2002-09-17 | 2005-09-20 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
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| JP2008085367A (ja) * | 2007-12-17 | 2008-04-10 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置 |
| JP2008113038A (ja) * | 2008-01-28 | 2008-05-15 | Sony Corp | 自励発振型半導体レーザ |
| JP2008124485A (ja) * | 2001-02-14 | 2008-05-29 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子およびそれを用いた光学式情報再生装置 |
| JP2008135786A (ja) * | 1996-11-27 | 2008-06-12 | Trumpf Photonics Inc | 高出力半導体レーザダイオード |
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| CN104734015A (zh) * | 2015-02-02 | 2015-06-24 | 中国科学院半导体研究所 | 具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器 |
| JP2017084845A (ja) * | 2015-10-22 | 2017-05-18 | 三菱電機株式会社 | 半導体レーザ装置 |
-
1995
- 1995-01-17 JP JP522195A patent/JPH08195529A/ja active Pending
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|---|---|---|---|---|
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| JPH11233883A (ja) * | 1998-02-18 | 1999-08-27 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ |
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