JPS63211786A - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に素子に流す電
流の大きさを変えることにより、異なる波長のレーザ光
を発する半導体レーザ素子に関する。

〔従来技術〕

近年、光通信や光学的情報処理の分野における、半導体
レーザ素子の需要は急激に増大してきており、それに伴
って素子の機能に対する要求も多様化しつつある。発振
波長が可変な半導体レーザ素子もそのうちの一つである
。例えば、光カードや光ディスク等の媒体にレーザ光を
照射して情報の記録及び再生を行う場合、通常再生光の
出力を記録光よりも低（することによって、再生光によ
る書き込みを防止している。

ここで、波長可変の半導体レーザ素子を用い、再生光の
波長を媒体感度の低い領域に設定すれば、再生光の出力
をそれほど低下させることな（上記書き込みを防止出来
、Ｓ／Ｎ比の高い情報の再生が可能となる。

上記要求に対して、従来、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造
の高次量子準位を用いた波長可変半導体レーザ素子が提
案されている。第１０図は、このような従来の半導体レ
ーザ素子における、発光領域付近のエネルギーバンド図
である。

ここで発光領域２３は、ウェル層２２とバリア層２１と
が交互に積層されたＭ　Ｑ　Ｗ構造を有している。また
、この発光領域２３とバリア層１９の両側には、より屈
折率の小さいクラッド層２０が設けられ、光導波路構造
２４が構成されている。この半導体レーザ素子に電流を
注入すると、まず電子２５は、Ｅｏ　で示すエネルギー
準位に蓄積され、正孔２６と再結合することにより、ｎ
＝０の量子準位間の光（波長λ、）が発振する。更に注
入電流を増すと、Ｅｌ　で示すエネルギー準位のキャリ
ア密度が増し、再結合によってｎ＝１の量子準位間の光
（波長λ２　）が発振する。このようにして、１つの素
子から異なる波長の光を得ることが出来る。

しかしながら、上記従来の波長可変半導体レーザ素子は
、以下の問題点を有していた。

（Ｉ）異なる波長で発振させる為には、吸収損失やミラ
ー損失を通常の半導体レーザ素子より大幅に大きくする
必要があり、素子としての効率が悪い。

（ｎ）異なる量子準位を用いているだけなので、発振波
長の差はせいぜい数１０ｎｍ程度しか得られない。

（■）２つ以上の準位を持つ量子井戸を形成する必要が
ある為、１準位の量子井戸を用いた方が素子の特性が向
上する場合でも、その構成をとり得ない。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、波長
可変範囲が広く、高い効率で作動する波長可変半導体レ
ーザ素子を提供することにある。

本発明の上記目的は、異なるバンドギャップを有する半
導体を積層して成り、該積層体中に発光層を含む光導波
路構造を備えた半導体レーザ素子において、同一の光導
波路構造内に、互いに発振波長の異なる複数の発光層を
設けるこ〆によって達成される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する
。

第１図は、本発明に基づく半導体レーザ素子の一実施例
の構成を示す略断面図である。図中、１はｎ型ＧａＡｓ
基板、２はｎ型ＧａＡｓバッファ層、３はｎ型Ａｊ！Ｇ
ａＡｓクラッド層、４は光導波路構造部、５はｐ型Ａｊ
！ＧａＡｓクラッド層、６はｐ型ＧａＡｓキャップ層、
７及び８は電極を示す。また、光導波路構造部４は、前
記クラッド層３上に、順次、ｐ型ＡｆＧａＡｓバリア層
９１　、ノンドープＧａＡｓ第１発光層１０、ｐ型Ａｌ
ＧａＡｓバリア層１１、ノンドープＡＩ！ＧａＡｓ第２
発光層１２及びｐ型Ａｊ！ＧａＡｓバリア層９２　が積
層されて成る。

この素子は、通常の半導体製造法、例えば液相エピタキ
シー（ＬＰＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）
法或いは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて、基
板１上に上記具なるエネルギーギャップを有する種々の
半導体層を成長させることによって作製される。レーザ
共振面は、例えばこのように積層された半導体をへき関
することによって形成される。また、電流狭窄層等、良
く知られた手段によって、共振面と平行な方向に電流注
入域を制限し、ストライプ状の活性領域を形成しても良
い。

第２図は、第１図示の素子の先導波路構造部４付近のエ
ネルギーバンド図である。図中、第１図と同一の部分に
は同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図に示す
ように、第１発光層１０は、第２発光層１２に比べて狭
いバンドギャップを有する。第１図に示す電極７，８間
に電流を流すと、電子１４は、第１発光層１０及び第２
発光層１２に注入され、まず第１発光層１０中で電子１
４と正孔１５との再結合が生じ、波長λ１　の光が誘導
放出される。次に、注入電流を増していくと、第２発光
層１２中でも電子１４と正孔１５との再結合が生じ、波
長λ２の光が誘導放出される。

上記の如き電流−光出力特性の概略を第３図に示す。第
３図において、■は電流、Ｐ、、Ｐ２はそれぞれ波長λ
１　、λ２　の光の出力を示す。

電流■を増加していくと、まず第１のしきい倍電流Ｉ＝
１．．．　　で波長λ１　の光が発振し、続いて第２の
しきい倍電流Ｉ　＝　Ｉ　２．ｈ　　で波長λ２の光が
発振する。

次に、本発明の半導体レーザ素子の動作原理を第６図を
用いて説明する。第６図は、第１図示の素子のエネルギ
ーバンドの上半分を示す図で、第２図と同一の部材には
同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。第６図にお
いて、第１発光層１０及び第２発光層１２中のキャリア
密度を各々ｎｌ　　及びｎ２　　、注入電流密度をｊと
する。また、第２発光層１２に注入されたキャリアが、
ｒ２　の速さで自然放出又は非発光性の再結合をし、ｒ
２＋の速さで第１発光層１０に移り、残りが誘電放出で
再結合するとする。更に、第１発光層に移ったキャリア
が、ｒ、の速さで自然放出又は非発光性の再結合をし、
残りが誘導放出で再結合すると考えると、このときのレ
ート方程式は、ｅ＝１の単位を用いて、以下のように表
わされる。

但し、ここで？Ｉ％＋、１１％２　は夫々波長λ、。

λ２　の光の光子エネルギー、Ｓ、、Ｓ、　　は夫々波
長λ１　、λ２　の光のビーム幅、Ｆｌ　及びｇ　Ｉ（
ｎ　＋）は夫々波長λ１　の光の第１発光層における閉
じじ込め係数及び利得、ｒ２　及びｇ　２　（ｎ　２　
）は夫々波長λ２　の光の第２発光層における閉じ込め
係数及び利得、Ｆ′２及びｇ’２（ｎ＋）は夫々波長λ
２　の光の第１発光層における閉じ込め係数及び利得を
示す。

上記レート方程式の定常解は、発振時のキャリア密度の
飽和を考慮して、次の３つの領域に分けて得られる。

（ｉ）　　Ｐ＋　＝Ｐ２　＝Ｏ（ｊ＜ｊ＋＋７）（ｉｉ
）　　Ｐ＋　＞Ｏ，Ｐ２＝０　（Ｊ＋ｔｈ≦ｊ＜ｊ２．
ｈ）叩 （ｉｉｉ）　Ｐ、　＞ｏ、　Ｐ２　＞Ｏ（Ｌ＋ｈ≦ｊ＜
ｊ＋ｖ）　　　　　　　　（ｓ）ｎ＋　＝ｎ＋ｔｈ　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１０）
更に、理解を容易とするために、注入電流密度ｊに対す
るキャリア密度の変化を第４図に示す。

第１発光層内のキャリア密度ｎ１　は、ｊ−」１、ゎで
飽和する。また、第２発光層内のキャリア密度密度ｎ２
　は、Ｊ”Ｊ２＋ｈ　　で飽和する。尚、ここまで、ｎ
１ｌｈ　　及びｎ　２１１　が一定であるかのように議
論したが、実際は微かづつ変化する。しかし、それも考
慮に入れても、注入電流の増加に従って（ｉ）　　→（
ｉｉ）　　→　（ｉｉｉ）と状態が変化してい（とに変
わりはない。

第５図に、本発明の半導体レーザ素子の１２１１１〈Ｉ
における利得分布を示した。１７及び１６は夫々第１発
光層１０及び第２発光層１２の光利得である。

また、第１発光層１０．第２発光層１２或いはギャップ
層１１の厚さや混晶比、ドープ量等を変化させることに
よって、上記λ１　、λ２　。

Ｉ　ｌｌｈ　　＋　　１２＋ｈ　　等は種々の値に設定
出来る。

尚、本発明の半導体レーザ素子においては、波長λ、の
光も波長λ２　の光も共に光導波路構造部４内で導波さ
れるので、これらの光はレーザ端面のほとんど同じ場所
から射出される。

本発明の如き波長変化の動作は無条件で起こるものでは
ない。以下にその動作条件と、素子の具体的な設計の仕
方を詳述する。

これを説明するための必要な式として、レーザーの発振
条件を書き下しておく。

とおいたとき、 λ、の発振条件：　Ｇ、　＝Ｏ（２０）λ２　の発振条
件：　Ｇ２＝０　　　　　　　　（２１）である。但し
、 α１：λ１　の光の損失係数 α２．λ２　の光の損失係数 Ｌ：Ｌｏ　　の共振器長 Ｒ：共振器端面の（平均）反射率 である。これを用いて、（２２）弐以下の式が導かれる
。

（ａ）　ｎ１ｌｂとｊｅ＋、の要式 ｎ　＋　ｌｈとＪ＋＋ｈは、（４）　、　（１８）、　
（２０）式より、次のように求められる。即ち、 の解としてｎ１ｌｈ　　が求まり、 により３１＋ｈ　　が求まる。

（ｂ）λ１　が先に発振する条件（波長可変レーザーと
しての動作条件）　　（３）　、　（１９）、　（２１
）式より、次式が条件になることがわかる。

（Ｃ）　ｎｚ’＋ｈとＪ　２ｔｈ°　の要式（５）、　
（６）、　（１９）、　（２１）式より、の解としてｎ
２１．が求まり、 Ｊｓ＋ｈ　＝Ｌ２　　（ｒ２＋＋ｒ２）　ｎ２ｔｈ　　
　　　　　　　　　　（２６）により、ｊｚ＋ｈ　　が
求まる。

ｇ　＋（ｎ　＋）＋　ｇｚ（ｎ２）の函数形は、活性層
の構造に依存するが、「半導体レーザーと光集積回路」
（米松編著、オーム社、１９８４）や、ｒＨｅｔｅｒｏ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　Ｌａ５ｅｒｓＪ　（Ｃａｓｅｙ
ａｎｄ　Ｐａｎ１ｓｈ著、　Ａｃａｄｅｍｉｃ、　１９
７８）等に書かれている方法を用いることにより、どん
な構造のときに、どんな函数形になるかどうかを、容易
に計算または実測することができる。λ１．λ２゜ｒｌ
＋　ｒ２＋　ｒ２１＋　ｒ’ｌ＋　Ｉ”２１　ｒ’２’
＋　ａｌｌ　（Ｚ２　　についても同様である。そのよ
うにして得られた結果を、上記（２２）式以下の式に代
入することにより、所望の特性を持たせるための条件が
得られる。

即ち、第２図の各領域でのＸの値や、厚さくり、　、　
Ｌ２．　Ｌ、、　Ｌ６　等）等のい（つかの組合セニツ
イて、まず、上述の方法で、ｇ＋　（ｎ＋）＋　ｇ２（
ｎｇ。

λ１．λ２　・・・等を求める。その結果を、（２２）
式以下の式に代入して、波長可変レーザとして動作する
かどうか（（２４）式を満たすかどうか）とか、ｊ＋＋
、。

ｊ２．、の値が求まる。そうすれば、Ｘやり、、Ｌ。

・・・等を、どの値にしたときに、所望の特性をもつ波
長可変レーザになるかどうかがわかるわけである。それ
がわかれば、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法やＬＰＥ法等を用
いて、通常の半導体レーザーを作成するのと同様の方法
で、容易に作成できる。

−例として、Ｊ＋ｌｈ　　の大きさを制御する方法を、
さらに具体的に書くと、Ｊ＋＋ｈ　　を小さくするには
、（２３）式より、Ｌ、　　を小さくしても良い１し、
ｒ２＋を大きくしてもよい。ｒ２１を大きくするには、
バリア層１１と第２発光層１２とのバンドギャップの差
を小さくしてもよいし、バリア層の幅り、を小さくして
もよい。また、先導波路構造部の幅り。を変えてｒ、を
大きくしても、Ｊ＋ｔｈ　　を小さくすることができる
。

他方、Ｊ＋＋ｈ　　を大きくするには、上記と逆のこと
を行えばよい。

以下に本発明の更に具体的な実施例を示す。

〈実施例１〉 分子線エピタキシー法を用い、第１図に示す構造の半導
体レーザ素子を作製した。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１上
に、バッファ層２としてｎ型ＧａＡｓを１μｍ１クラツ
ド層３としてｎ型（不純物濃度５Ｘ１０１７ｃｍ−”）
Ａｌｌ！ｏ、ｔ　　Ｇａｏ、ｓＡｓを２μｍの厚さに成
長させた。次に、このクラッド層３上に、順次バリア層
９１＋第１発光層１０、バリア層１１．第２発光層１２
．バリア層９□　を成長させた。各々の組成は、第１発
光層１０がノンドープＧａＡＳ、第２発光層１２がノン
ドープＡ　１　ｏ　、　＋　　Ｇ　ａ　ｏ　、　９　　
Ａ　Ｓ　、バリア層９．。

１１及び９□　がｐ型（不純物濃度３Ｘ１０”ｃｍ−３
）Ａｌｏ、ｓ　Ｇａｏ、ｔ　Ａｓとした。また各層の厚
さは第２図の表記でり、　＝２００人、　Ｌ、　＝２０
０人、Ｌ、＝８０人。

ＬＧ＝０．１μｍとした。更にバリア層９２　の上に、
クラッド層５としてｐ型（不純物濃度）　Ｘ　１０”ｃ
ｍ−３）ＡＩ！ｏ、ｔ　Ｇａｏ、ｓ　Ａｓを１．５μｍ
１キヤツプ層６と層９２　近くまでエツチングし、スト
ライプ状の凸状領域を形成した後、誘電体層でマスキン
グして、エツチングされていないキャップ層６の上部の
みに接触するよう、電極８を蒸着した。

更に基板１の底面にも電極７を蒸着した。この積層体を
へき開し、レーザ共振面を有する半導体レーザ素子を作
製した。

この素子に、電流を徐々に増加させながら注入したとこ
ろ、１１０ｍＡで波長８７０ｎｍのレーザ光が出射し、
１２０ｍＡでそれに加えて波長８００ｎｍのレーザ光が
出射した。

本発明は以上説明した実施例に限らず種々の応用が可能
である。例えば、第７図或いは第８図に示すように、第
１発光層１０．．１０□　及び第２発光層１２．．１２
□　を各々複数段けることによって、光出力を増大させ
ても良いし、第９図のように、波長λ、の光を発する第
３発光層１８を設けて３波長のレーザとしても良い。

また、同様にして４波長以上のレーザを構成することも
出来る。更に、前述の実施例ではＡｎ！ＧａＡｓ系の半
導体レーザ素子を示したが、本発明はＩｎＧａＡｓＰ系
等、どのような材料のレーザにも適用が可能である。尚
、第７図〜第９図において、１１．．１１□　、１１３
　はバリア層を示し、その他第２図と同一の部分には同
一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体レーザ素子は、従
来の可変波長半導体レーザ素子に比べ、波長可変範囲を
広げ、発光効率を向上させる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体レーザ素子の一実施例を示す略
断面図、第２図は第１図示の素子のエネルギーバンド図
、第３図は第１図示の素子における電流−光出力特性を
示す図、第４図は第１図示の素子における注入電流密度
に対する発光層内、のキャリア密度の変化を示す図、第
５図は第１図示の素子における光利得特性を示す図、第
６図は第１図示の素子の動作原理を説明する為のエネル
ギーバンド図、第７図乃至第９図は夫々本発明の変形例
を示すエネルギーバンド図、第１０図は従来の波長可変
半導体レーザ素子を示すエネルギーバンド図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）異なるバンドギャップを有する半導体を積層して
   成り、該積層体中に発光層を含む光導波路構造を備えた
   半導体レーザ素子において、前記同一の光導波路構造内
   に、互いに発振波長の異なる複数の発光層を設けたこと
   を特徴とする半導体レーザ素子。