WO1996037024A1 - Semiconductor laser and optical disk device - Google Patents

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WO1996037024A1
WO1996037024A1 PCT/JP1996/001291 JP9601291W WO9637024A1 WO 1996037024 A1 WO1996037024 A1 WO 1996037024A1 JP 9601291 W JP9601291 W JP 9601291W WO 9637024 A1 WO9637024 A1 WO 9637024A1
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WO
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layer
semiconductor laser
self
saturable
spacer
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Application number
PCT/JP1996/001291
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French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Hideto Adachi
Satoshi Kamiyama
Isao Kidoguchi
Takeshi Uenoyama
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. filed Critical Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0601—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium comprising an absorbing region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0658—Self-pulsating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/223—Buried stripe structure
    • H01S5/2231—Buried stripe structure with inner confining structure only between the active layer and the upper electrode

Definitions

  • the present invention relates to a low-noise self-oscillation type semiconductor laser used for a light source of an optical disk system and the like, and an optical disk device using the semiconductor laser.
  • a 1 G a InP semiconductor laser device, laser oscillation at 630 to 690 nm (red region) is possible.
  • a 1 Ga I n PJ is,... (A ⁇ Ga - x) 0 6 I n 0 5 P (0 ⁇ x rather 1) is to be calculated and simplified representation the Semiconductor laser devices can emit laser light of the shortest wavelength among various semiconductor laser devices that are currently in practical use, so they can replace the widely used AI GaAs-based semiconductor lasers. It is promising as a next-generation light source for large-capacity optical information storage. For evaluation of semiconductor laser devices, not only the wavelength of the laser light but also the intensity noise
  • the laser oscillates in a single longitudinal mode if a disturbance such as feedback of laser light to the element or a temperature change enters, the vertical mode in which the laser oscillates by a minute change of the gain peak Laser oscillation in another longitudinal mode close to the laser starts, causing competition with the original oscillation mode (Modec omp etition). This is a cause of noise.
  • the longitudinal mode is multiplied, the intensity change of each mode is averaged, and since it does not change due to disturbance, stable low noise characteristics can be obtained.
  • a prior art capable of obtaining a stable self-sustained pulsation characteristic is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-202083.
  • a self-sustained pulsation type semiconductor laser (Self-Sustained-Pulsation-on-Tip elaserdiode) is realized by providing an eyebrow capable of absorbing the light generated in the active layer. ing.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a conventional self-pulsation type semiconductor laser device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-260716. Hereinafter, this semiconductor laser device will be described with reference to FIG.
  • a buffer layer 202 composed of n-type Ga 1 nP, a cladding layer 203 composed of n-type A 1 G a InP, and a G a In P are formed on a substrate 1601 composed of n-type Ga As.
  • Strained quantum well activity (active 1 ayer) 204 is sequentially formed.
  • a strained quantum well saturable absorption (strained quan tum wellsaturable absorb ng l ay er) 205 force is formed, and a ridge-shaped cladding layer 206 and a p-type Ga A contact exhibition 207 composed of l nP is formed.
  • Both sides of the ridge-shaped cladding layer 206 and the contact layer 207 are buried with current block debris 208 composed of an n-type GaAs layer. Further, a cap extension 209 made of p-type Ga As is formed on the contact layer 207 and the block layer 208, and a P-type electrode 210 is provided on the cap extension 20 ⁇ , and an n3 ⁇ 4 electrode 211 is provided on the substrate 201 side. It is formed.
  • FIG. 5 shows an energy band diagram of the strained quantum well saturable absorbing layer 205 (A 1 7 G a 0 . 3) o. 5 I n 0. 5 barrier layer 301 made of P and G a x I n
  • the well layers 302 made of P (film thickness 100, strain + 0.5-1.0%) are alternately formed, and in the conventional example, three well layers 302 are formed.
  • the band gap of the strained quantum well active layer 204 is substantially equal to that of the strained quantum well saturable absorption layer 205. With this configuration, an attempt is made to obtain good self-excited oscillation characteristics.
  • Ga A s and GaInP are materials mainly used for an active layer of an A1GaAs-based semiconductor laser and an A1GaInP-based semiconductor laser, respectively.
  • the rate of increase in gain with respect to increase in carrier density (the slope of the gain curve) is required to be large.
  • the slope of the gain curve of GaInP was smaller than the slope of the gain curve of GaAs, it was found that self-excited oscillation was relatively difficult to achieve.
  • the active layer and the saturable absorption eyebrow are different from the conventional example due to the difference in the gain characteristics described above. It was found that it was difficult to obtain a stable self-excited vibration only by making the band gears equal.
  • the active eyebrow and the saturable absorption layer were different from the conventional example due to the difference in the humiliation characteristics. It was found that it was difficult to obtain a stable self-excited oscillating simply by making the band gaps equal.
  • the carrier lifetime can be shortened by increasing the doping amount of the impurity. This is because the recombination velocity is proportional to the product of the probability of occupation of electrons and holes.
  • an impurity doping amount of 1 ⁇ 101 cnT 3 or more is required. It has been found by experiments of the present inventor that if the height is increased in the immediate vicinity of the active layer and a layer having a doping level is added, the reliability decreases. This is due to the diffusion of Zn, which is a p-type dopant. Therefore, effective S doping for self-sustained pulsation is problematic from a reliability standpoint.
  • the present invention has been made in view of such a point, and particularly, by setting the doping degree and thickness of the saturable absorbing layer and the spacer eyebrow which constitute the semiconductor laser to be stable, self-sustained pulsation can be achieved. It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser having characteristics and high reliability.
  • Another object is to provide an optical disk device using such a semiconductor laser.
  • a self-pulsation type semiconductor laser is a self-pulsation type semiconductor laser comprising an active layer and a cladding structure sandwiching the active layer, wherein the cladding structure has a saturable doped impurity.
  • An absorbing layer wherein the saturable absorbing layer is disposed at a position distant from the active layer, and the density of heterobarrier molecules from the active layer to the saturable absorbing layer is 1 ⁇ 10 cm That is all.
  • the saturable absorption-doped impurity is p-type.
  • a spacer layer is provided between the active layer and the saturable absorbing layer, and the thickness of the spacer eyebrows is preferably 500 A or less.
  • the height and the thickness of the falling wall in the conduction band of the spacer layer are set so that the heteroparia leak electron density is 1 ⁇ 10 cnT 3 or more.
  • a height of a barrier in a conduction band of the spacer layer is higher than a height of a barrier in an n-type portion of the clad structure.
  • the barrier height in the conduction band of the spacer layer is lower than the barrier height of the n-type portion of the clad structure.
  • the saturable absorber layer is formed from a compressively strained quantum well. Has been established.
  • the active extension and the saturable absorption layer are both formed of strained quantum wells having a compressive strain.
  • the active layer and the saturable absorption layer are both formed of strained quantum wells having tensile strain.
  • the spacer shield preferably has an impurity concentration of: L 0 X 10 cm— or more and 1.0 ⁇ 10 8 cm — 3 or less.
  • the saturable absorption layer preferably has an impurity concentration of 1.0 ⁇ 10 3 cm ⁇ 3 or less.
  • the heterobarrier leak electron density is preferably 4 ⁇ 10 cnT 3 or less. Simple sharps of the drawing
  • FIG. 1A is a sectional structural view of a first embodiment of a semiconductor laser device according to the present invention
  • FIG. 1B is a diagram showing a configuration of an A1 composition of a main part thereof.
  • Figure 2A is a diagram showing the change in carrier lifetime with respect to the photoexcited carrier density at the eyebrow, with saturable absorption doped with p-type impurities at a concentration of 5 x 10 cm ', and Figure 2B schematically shows the heterobarrier leakage.
  • FIG. 2A is a diagram showing the change in carrier lifetime with respect to the photoexcited carrier density at the eyebrow, with saturable absorption doped with p-type impurities at a concentration of 5 x 10 cm '
  • Figure 2B schematically shows the heterobarrier leakage.
  • FIG. 3 is a diagram showing the dependence of the heterobarrier leak electrons on the spacer layer thickness.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a conventional self-pulsation type semiconductor laser.
  • FIG. 5 is an energy band diagram of the strained quantum well saturable absorber layer.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating gain characteristics of Ga As and GalnP.
  • FIGS. 7A, 7B and 7C are compositional diagrams near the active layer in the second embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention.
  • FIG. 8 is a sectional structural view of a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a composition structure diagram near an active layer in a third embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing a configuration of an embodiment of an optical disk device according to the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view of a laser unit used in the optical disk device according to the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing the configuration of another embodiment of the optical disc device according to the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing the function of the hologram element used in the embodiment of the optical disk device according to the present invention.
  • FIG. 1'5 is a plan view showing a photodetector used in the embodiment of the optical disk device according to the present invention.
  • the semiconductor laser of the present invention has a saturable absorption layer doped with impurities, and a spacer layer (thickness of 50 nm or less) made of a material having a band gap larger than that of the active layer and the saturable absorption layer. Between the active layer and the saturable absorption layer. From the standpoint of reliability, the impurity concentration of the spacer layer is suppressed to below 1 X 10 18 c m_ 3 ing.
  • the semiconductor laser of the present invention by adjusting the thickness of the spacer layer and the band gap, an appropriate amount of electrons is injected from the active spread to the saturable absorbing layer, thereby achieving self-pulsation. . More specifically, by setting the saturable absorption layer at a position close to the active layer while setting the impurity concentration of the saturable absorption layer relatively low, the saturable absorption layer is injected from the active layer to the saturable absorption layer. It increases the amount of electrons, thereby shortening the life of the electrons in the saturable absorption debris and realizing self-pulsation.
  • the saturable absorbing layer should be provided at a position, for example, at least 1,000 people away from the active layer. The reason is that if the saturable absorbing debris is too close to the active layer, it is thought that the saturable absorbing layer has a gain and self-oscillation does not occur.
  • the saturable absorption layer is brought close to the active layer, if the density of the electrons injected into the saturable absorption layer is within a predetermined range, no gain occurs, and However, self-sustained pulsation is likely to occur because the life of electrons is shortened.
  • Figure 1 A is a first c
  • This semiconductor laser shows a cross-sectional structure of an embodiment of a semiconductor laser according to the present invention includes a Ga As substrate 101 of n-type, semiconductor lamination was made form on Ga As substrate 101 It has a structure.
  • This semiconductor multilayer structure is an n-type G a I nP Buffer layer 102, n-type A] Ga I nP cladding layer 103, Ga I nP active layer 104, p-type A 1 G a I n P spacer layer 105, p-type G a I n P saturable absorption It includes a layer 106, a first mold 108 1 108 111 cladding layer 107, a mold 03 111 etching stop layer 108, and a second p-type A 1 Ga InP cladding layer 109.
  • the second p-type A 1 Ga InP cladding layer 109 has a stripe shape (width: about 2.0 to 7.0 m) extending in the resonator length direction.
  • a contact layer 110 is formed on the upper surface of the second p-type cladding calendar 109.
  • n-type GaAs current blocking layers 111 are formed on both sides of the SI 10.
  • a p-type GaAs cap layer 112 is formed on the contact layer 110 and the current block layer 111.
  • a p electrode 113 is formed on the upper surface of the cap layer 112, and an n electrode 114 is formed on the back surface of the substrate 101.
  • the remaining portion of the semiconductor multilayer structure excluding the buffer layer, the active layer, the contact layer, the cap layer, and the heat blocking layer is referred to as a “cladding structure” as a whole.
  • each semiconductor layer constituting the laminated structure of the present embodiment is as follows.
  • FIG. 1B shows the composition of these layers.
  • the p-type cladding Exhibition 107 and the n-type cladding layer 103 and the spacer layer 1 05 (A 1 0. 7 G a 0. 8) 0. 5 I n 0. with 5 P, the active layer 1 04, variable the saturated absorption layer 1 06 and etch stop employment 1 08 is used Gs 0. B I n 0, 5 P.
  • FIG. 2A shows the change in carrier lifetime with respect to the photoexcited carrier density of the saturable absorber layer 106 doped with a p-type impurity at a temperature of 5 ⁇ 10 1 cnT.
  • the photoexcited carrier density is the density of electron-hole pairs excited by light.
  • the n-type cladding layer The excess electrons injected into the saturable absorption layer 106 are called "heterobarrier leak electrons".
  • FIG. 2A multiple curves are shown, with the density of “heterobarrier leak electrons” as a parameter.
  • Fig. 2 As the heterobarrier leak electron density increases, the recombination rate of electron-hole pairs in the saturable absorber layer 106 increases, and the carrier lifetime tends to decrease. Understand. As the carrier lifetime becomes shorter, the contribution of spontaneous emission to the time change rate of the carrier increases, self-sustained pulsation can easily occur, and the relative noise can be reduced. According to experiments by the inventors, it was found that the life time is desirably about 7 nanoseconds or less. From Fig. 2A, it can be seen that if the heterobarrier leak electron density is greater than 1.0x10 cm, the carrier lifetime for the photoexcited carrier density is less than 7 nm, and stable self-sustained pulsation is possible.
  • impurities may be diffused into the active exhibition from the spacer layer It was found that the reliability of the semiconductor laser device was reduced. Te, impurities ⁇ of scan Bae one support layer, 1. 0 X 10 is preferably set to 1 cm or less. On the other hand, when the impurity Ed is too low, resulting in summer high electrical resistance of the saturable absorbing layer.
  • the impurity concentration of the spacer layer is preferably not less than 1.0 ⁇ 10 17 cm _S and not more than 1. Ox 10 18 cnT 3. As shown in FIG.
  • Electrons injected into the active debris 104 from 103 are not sufficiently confined in the active layer 104 and are p-type This means that it diffuses into the cladding layer 107.
  • the heterobarrier leak electron density greatly depends on the thickness of the spacer layer 105.
  • FIG. 3 shows the relationship between the theoretically obtained thickness of the spacer layer 105 and the density of the heterobarrier leak electrons injected into the saturable absorption layer 106.
  • the smaller the gap in the spacer layer the more electrons will leak into the saturable absorber.
  • the band gap between the n-type cladding layer 103 and the spacer eyebrow 105 is the same, as the thickness of the spacer layer 105 becomes thinner, the heteroparalia leaks from the active layer 104 to the saturable absorbing layer 106. There is a tendency for leakage electrons to increase.
  • self-sustained pulsation can be achieved without performing doping of a high concentration of 1.0 ⁇ 10 18 cm_ or more on the SJ saturated absorption layer 106, thereby achieving both low noise and high reliability.
  • the density of electrons (heterobarrier leak electron density) injected into the saturable absorbing debris 106 is controlled by changing the thickness of the spacer layer 105.
  • the hetero barrier leak electron density is controlled by changing the thickness of the barrier in the conduction band of the monolayer 105 instead of the thickness of the spacer 105.
  • FIG. 7A to 7C show the band structure of the conduction band of the n-type clad eyebrow 103, the active layer 104, the spacer layer 105, the saturable absorber 106, and the p-type clad layer 107.
  • FIG. 7B shows a structure in which the band gap of the spacer layer is increased and the thickness is reduced.
  • Figure 7C shows the bandgear of the spacer layer. It shows a structure with a small gap and a large thickness.
  • Composition X of P spacer layer 105 is 1. 0 and a thickness of 20 OA. If the thickness is smaller than this, a large amount of electrons leaks to the saturable absorption layer due to the tunnel effect, and the saturable absorption layer has a gain. If the thickness of the spacer layer exceeds 600, a sufficiently large heterobarrier leak electron density cannot be obtained. Therefore, the thickness of the spacer layer is preferably 200 to 600 A.
  • composition x of S P spacer layer 105 is 0.35, a thickness of 1000A.
  • FIG. 4 is a diagram showing the thickness (t) of the IS.
  • the heterobarrier leak electron density is preferably 1.0 ⁇ 10 cnT 3 or more.
  • the semiconductor laser of this embodiment uses a multiple quantum well structure for the active layer, the efficiency is high and a higher optical output can be obtained.
  • the semiconductor laser includes an n-type Ga As substrate 801 and a semiconductor multilayer structure formed on the Ga As substrate 801.
  • This semiconductor waste structure is composed of n-type GaInP buffer debris 802, n-type A1GaInP cladding exhibition 803, multiple quantum well active layer 804, p-type A] GaInP spacer Layer 805, p -Type GalnP saturable absorption layer 806, light guide layer 814, first p-type A1GaInP cladding layer 807, p-type GaInP etch stop layer 808, second p-type A1Ga An InP clad layer 809 is included.
  • the second p-type A] GaInP cladding layer 809 has a stripe-like shape (width: about 2.0 to 7.0 m) extending in the resonator length direction.
  • ⁇ Contact debris 810 is formed on the upper surface of the p-type grad layer 809 of FIG.
  • An n-type GaAs current block layer 811 is formed on both sides of the second p-type cladding layer 809 and the contact Jg810.
  • a p-type GaAs cap 812 is formed on the contact layer 810 and the flow block layer 811.
  • a p-electrode 813 is formed on the upper surface of the cap layer 812, and an n-electrode 814 is formed on the lining surface of the substrate 801.
  • the active layer 804 has a multi-quantum well structure composed of a 3 jg well layer and a wall.
  • each semiconductor layer constituting this semiconductor laser device is the same as those of the first embodiment.
  • the features of the semiconductor laser device of this embodiment are as follows.
  • Multiple quantum well active 804 is used as the active layer.
  • the optical guide layer has a refractive index smaller than the refractive index of the saturable absorbing debris 806 and larger than the refractive index of the spacer layer 805 and the first p-type cladding layer 807. 814 is provided near the saturable absorption extension 806.
  • the saturable absorption layer 806 When the saturable absorption layer 806 is made thin so as to have a quantum well structure, self-excited oscillation cannot be generated as it is as a result of an extremely reduced light confinement coefficient.
  • another big refractive index than parts of (A 1 0. 5 G a 0. 5) 0. BI n 0.
  • the light guide ⁇ 8 1 4 saturable absorbing layer consisting of S P output clad structure
  • the saturable absorption eyebrows 8 06 are quantum wells, their thickness is so thin that the confinement coefficient cannot be set to the size required for self-pulsation without the light guide eyebrows 8 14. Also, if the number of saturable absorber layers 806 is increased to increase the confinement coefficient, conversely, the body implant of the saturable absorber layer 806 increases, the carrier density decreases, and self-pulsation Will not occur. Therefore, by providing the light guide layer 814 in the saturable absorber 806, self-sustained pulsation was newly realized.
  • the band gap of the light guide eyebrows 8 14 is preferably larger than the saturable absorption
  • the multiple decimation well active debris 800 contains three quantum well eyebrows, each quantum well layer being 50 A thick.
  • the maximum optical output (P mex ) of the semiconductor laser device of this embodiment can be increased by introducing a quantum well structure into the multiple quantum well active layer 804, thereby increasing the maximum optical output of the semiconductor laser device using the Balta active layer. Was increased by about 20%. Also, the threshold current is reduced. Therefore, operation is possible even at high temperatures. Further, the quantum well saturable absorption layer 806 may be provided in the vicinity of the multiple quantum well active eyebrow 804 as long as the dopant is not diffused.
  • the self-excited emission phenomenon is obtained by the semiconductor laser of this embodiment, and a relative noise intensity (RIN) of less than 130 dB / Hz is obtained.
  • RIN relative noise intensity
  • the characteristics of the semiconductor laser of the present embodiment adopt a novel structure of a quantum well active eyebrow, a spacer layer, a low concentration saturable absorption layer, and a light guide layer.
  • the semiconductor laser device of this embodiment has the same configuration as the semiconductor laser device of FIG.
  • the characteristic point of the present embodiment is that, as shown in Table 2 below, various strains are applied to the active debris and / or the saturable absorbing layer. Table 2
  • Tensile strain (M mode) Tensile strain (TM mode)
  • M mode Tensile strain
  • TM mode Tensile strain
  • Table 2 the oscillation mode when compressive strain and tensile strain are applied to the active layer and the saturable absorber layer is shown in Table 2. The correspondence with the absorption mode is shown.
  • the active layer is not strained, the laser beam oscillates in TE mode. Therefore, compressive strain is also applied to the saturable absorption to absorb the TE mode.
  • the saturable absorber layer absorbs both TE and TM modes when no distortion is applied, If the mode of the saturable absorption layer is made easier to absorb, the effect of self-excitation can be easily obtained even if the thickness (volume) of the saturable absorption layer is reduced. it can.
  • the absorption efficiency of laser light in the saturable absorption layer increases, and the thickness of the saturable absorption layer increases. Even if the height is reduced, self-excited oscillation characteristics can be obtained.
  • the present invention can be applied to a semiconductor laser made of any material.
  • This optical disk device comprises a semiconductor laser element 901 according to the present invention and a collimator lens 9 for converting laser light (wavelength: 650 nm) 902 emitted from the semiconductor laser element 901 into parallel light.
  • a diffraction grating 90 that divides the parallel light into three laser beams (only one laser is shown in the figure), and a half prism 90 that transmits / reflects a specific component of the laser beam 5.
  • a condenser lens 906 for condensing the laser light emitted from the half prism 905 on the optical disk 907.
  • a laser beam spot having a diameter of about 1 is formed.
  • the optical disc 907 is not limited to a read-only disc, but may be a rewritable disc.
  • the reflected laser light from the optical disk 907 is reflected by the half prism 905 and then passes through the light receiving lens 908 and the cylindrical lens 909 to form the light receiving element 9 1 Incident at 0.
  • the light receiving element 910 has a plurality of divided photodiodes, and generates an information reproduction signal, a tracking signal, and a focus error signal based on the laser light reflected from the optical disk 907.
  • the drive system 911 drives the optical system based on the tracking signal and the focus error signal, thereby adjusting the position of the laser beam spot on the optical disc 907.
  • the semiconductor laser device 901 has a saturable absorbing element that is heavily doped. Therefore, even if a part of the laser light reflected from the optical disk 907 passes through the half prism 905 and the diffraction grating 904 and returns to the semiconductor laser element 901, the relative intensity noise of low noise is low. Is maintained at a low level.
  • self-sustained pulsation occurs up to an optical output level of about 1 OmW, but as the optical output is increased beyond that level, the oscillation state gradually becomes self-excited. It changes from the vibration to the single mode oscillation. For example, when the light output is about 15 mW, no self-excited oscillation occurs.
  • the semiconductor laser element should be in a state where no optical noise occurs due to self-excited oscillation.
  • it is not necessary to perform self-excited excitation. Absent. For example, record information with an optical output of about 15 mW and reproduce information with an output of about 5 mW: K enables recording as well as low distortion reproduction of information.
  • reproduction with low distortion can be achieved at a wavelength of 630-680 nm without using circuit components for high-frequency superposition.
  • This optical disk apparatus is an apparatus using a laser unit including the aforementioned semiconductor laser device according to the present invention.
  • the laser unit includes a silicon substrate on which a photodiode is formed, and a semiconductor laser mounted on the silicon substrate.
  • the silicon substrate reflects the laser light emitted from the semiconductor laser device. A mirror is formed.
  • a recess 2 is formed in the center of the main surface 1 a of a silicon substrate (7 mm ⁇ 3.5 mm) 1, and a semiconductor laser probe 3 is arranged on the bottom of the recess 2. ing.
  • One side surface of the concave portion 2 is inclined and functions as a micro mirror 4.
  • the main surface 1a of the silicon substrate 1 has a plane orientation of (100)
  • the (111) plane is exposed to S by anisotropic etching and can be used as the micromirror 4.
  • the (1 1 1) plane is inclined 54 ° from (100), so if the off-substrate whose main surface 1a is inclined by 9 ° in the 1 10> direction from the (100) plane is used, the main surface (1 1 1) plane inclined at 45 ° to 1a is obtained.
  • the (1 1 1) plane provided at a position facing this (1 1 1) plane is 63 with respect to the substrate main surface 1a. Will be inclined.
  • the micromirror 4 is not formed, and a light output monitoring diode 5 described later is formed.
  • the (1 1 1) surface formed by anisotropic etching is a smooth mirror surface, so it functions as an excellent micromirror 4. However, it increases the reflection efficiency of the micromirror 14 and hardly absorbs laser light. It is preferable to deposit a metal film on at least the inclined surface of the silicon substrate 1.
  • the optical disc device of the present embodiment will be described.
  • the laser light emitted from the semiconductor laser element (not shown in FIG. 13) of the laser unit 10 having the above-described structure is reflected by a micromirror (not shown in FIG. 13), and is reflected on the lower surface of the hologram element 11.
  • the beam is separated into three beams by the formed grating (only one beam is shown in the figure for simplicity). After that, the laser beam passes through the quarter-wave plate (1Z4 ⁇ plate) 12 and the objective lens 13 and is focused on the optical disk 14.
  • the laser light reflected from the optical disc 14 is transmitted through the objective lens 13 and 14 ⁇ ⁇ 12, and then diffracted by the grating formed on the upper surface of the hologram element 11. Due to this diffraction, as shown in FIG. 14, —first-order light and + first-order light are formed.
  • the primary light is applied to the light receiving surface 15a located on the left in the figure
  • the + primary light is applied to the light receiving surface 15b located on the right in the figure.
  • the grating pattern formed on the upper surface of the holographic element 11 is adjusted so that the focal length force differs between the primary light and the + 1st order light. As shown in FIG.
  • the shape of the spot of the reflected laser light formed on the light receiving surface 15a of the laser unit 10 is formed on the light receiving surface 15b. It is equal to the shape of the spot of the reflected laser light to be reflected.
  • the shape of the spot of the reflected laser light formed on the light receiving surface of the laser unit is different between the two light receiving surfaces 15a and 15b:
  • the size of the light spot formed on the left and right light receiving surfaces as described above is detected as a focus error signal FES as follows.
  • S1 to S3 mean the signal intensities output from the central three photodiodes among the five photodiodes constituting the light receiving surface 15a
  • S4 to S6 mean the signal intensities output from the central three photodiodes among the five photodiodes constituting the light receiving surface 15b.
  • T1 and T2 mean the signal intensities output from the two photodiodes at both ends of the five photodiodes constituting the light receiving surface 15a
  • T3 and T4 are the light receiving surfaces 15b It means the signal intensity output from the two photodiodes at both ends of the five photodiodes that make up.
  • the information signal RES is obtained as follows.
  • a laser unit in which a semiconductor laser element and a photodiode are integrated is used, but these may be separated.
  • the optical disk device can be downsized.
  • the photodiode and the micromirror are formed in advance on the silicon substrate, the optical alignment only needs to be performed for the alignment of the semiconductor laser element with respect to the silicon substrate. Since the optical alignment is easy, the assembling accuracy is high and the manufacturing process is simplified. ⁇ Possibility of industrial use
  • the semiconductor laser of the present invention by adjusting the thickness of the spacer layer, it is possible to control the density of particles injected into the saturable absorbing layer beyond the lower wall of the spacer eyebrow. As a result, the life time of carriers can be reduced, and stable self-excited oscillation characteristics can be realized. High reliability because the diffusion of dopants can be prevented. Laser characteristics will be obtained,

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Abstract

A semiconductor laser is composed of an n-type GaAs substrate (101), an active layer (104), and a pair of clad layers sandwiching the layer (104). A spacer layer (105) and a saturable absorption layer (106) are provided adjacent to the active layer (104). The thickness of the spacer layer (106) is controlled so that the carrier life of the layer (106) can be prolonged and a highly reliable self-oscillation type layer can be obtained.

Description

明 細 害  Harm
半導体レーザ及び光ディスク装置 技術分野 Semiconductor laser and optical disk device
本発明は、 光ディスクシステムの光源などに用いられる低雑音自励発振型半導 体レーザ及び該半導体レーザを用いた光ディスク装置に関する。 背:^技術  The present invention relates to a low-noise self-oscillation type semiconductor laser used for a light source of an optical disk system and the like, and an optical disk device using the semiconductor laser. Height: ^ technology
近年、 光通信、 レーザプリンタ、 光ディスクなどの分野で、 半導体レーザ （レ 一ザダイオード） の S要が高まり、 Ga As系および I nP系半導体レーザ素子 を中心として、 種々の半導体レーザ素子の研究開発が活発に進められてきた。 光 情報処理分野においては、 特に発振波長 （ I a s i n g a v e 1 e n g t h)が 780 nmの A 1 Ga A s系半導体レーザ （780 nm-B and A 1 GaAs La s e r D i o d e s ) を光源に用いて情報の記録'再生を行う システムが実用化されており、 コンパクトディスクの記録.再生システムとして 広く普及するに至っている。  In recent years, the demand for semiconductor lasers (laser diodes) has increased in the fields of optical communication, laser printers, and optical disks, and research and development of various semiconductor laser devices, mainly Ga As and InP semiconductor laser devices. Has been actively pursued. In the field of optical information processing, information is recorded using an A1GaAs semiconductor laser (780 nm-B and A1GaAs Laser Diodes) with an oscillation wavelength (I asingave 1 length) of 780 nm as a light source. 'Playback systems have been put into practical use, and have become widespread as compact disc recording and playback systems.
しかし、 最近、 これらの光ディスクの記憶容量の増加が強く求められるように なり、 それに伴い、 より短波長のレーザ光を放射できる半導体レーザ素子が必要 になってきた。  However, recently, there has been a strong demand for an increase in the storage capacity of these optical disks, and accordingly, a semiconductor laser device capable of emitting laser light of a shorter wavelength has been required.
A 1 G a I nP系半導体レーザ素子によれば、 630〜 690 n m (赤色領 域） でのレーザ発振が可能である。 なお、 本願明細書において、 「A 1 Ga I n PJは、 （A^Ga — x) 0.6 I n0.5P (0≤xく 1) を簡略的に表現したも のである。 この半導体レーザ素子は、 現在、 実用レベルにある種々の半導体レー ザ素子の中で最も短い波長のレーザ光を放射することができるので、 従来から広 く使用されていた A I GaAs系半導体レーザに代わって、 次世代の大容量光情 報記錄用光源として有望である。 半導体レーザ素子の評価にとっては、 レーザ光の波長だけではなく、 強度雑音According to the A 1 G a InP semiconductor laser device, laser oscillation at 630 to 690 nm (red region) is possible. In this specification, "A 1 Ga I n PJ is,... (A ^ Ga - x) 0 6 I n 0 5 P (0≤x rather 1) is to be calculated and simplified representation the Semiconductor laser devices can emit laser light of the shortest wavelength among various semiconductor laser devices that are currently in practical use, so they can replace the widely used AI GaAs-based semiconductor lasers. It is promising as a next-generation light source for large-capacity optical information storage. For evaluation of semiconductor laser devices, not only the wavelength of the laser light but also the intensity noise
(I n t ens i t y N o i s e )や、 温度特性が重要な要素である。 特に、 半導体レーザ素子が光ディスクの再生用光源として使用される場合、 強度雑音の 少ないことが極めて重要である。 強度雑音は、 光ディスクに記録されている信号 の読取エラーを誘発するからである。 半導体レーザ素子の強度雑音は、 幂子の温 度変ィヒによって引き起こされるだけではなく、 光ディスクの表面から反射された 光の一部が半導体レーザ素子に帰運してしまうことによつても生じる。 したがつ て、 このような反射光の帰還が生じても、 強度雑音の少ない半導体レーザ素子が 光ディスクの再生用光源には不可欠となる。 (I n t ens i t y N o i s e) and temperature characteristics are important factors. In particular, when a semiconductor laser element is used as a light source for reproducing an optical disk, it is extremely important that the intensity noise is small. This is because the intensity noise causes an error in reading a signal recorded on the optical disk. The intensity noise of the semiconductor laser device is caused not only by the temperature change of the element but also by the return of a part of the light reflected from the surface of the optical disk to the semiconductor laser device. . Therefore, even if such reflected light returns, a semiconductor laser element with low intensity noise is indispensable as a light source for reproducing an optical disk.
従来、 光ディスクの再生専用低出力光源として A 1 Ga As系半導体レーザ素 子を用いる場合、 雑音を低減するために素子内のリッジストライプの両側に意図 的に可飽和吸収体 (s a t u rab l e ab s o rb e r )が形成されていた。 このような構造を採用することによって、 レーザ発提の縱モード （Long i t u d i n a 1 mode)をマルチ化することかできる。 レーザが単一縦乇ード で発振しているときには、 レーザ光の素子への帰還や温度変化等の外乱が入ると、 利得ピークの微少な変ィ匕によって、 それまで発振していた縦モードに近接する他 の縦モードでのレーザ発振が開始し、 元の発振モードとの間で競合 （Mo d e c omp e t i t i o n)を起こす。 これが雑音の原因となっており、 縱モード をマルチ化すると各モードの強度変化が平均化され、 しかも外乱によって変化し ないので安定な低雑音特性を得ることができる。  Conventionally, when an A1GaAs-based semiconductor laser device is used as a low-power light source exclusively for reproduction of an optical disc, a saturable absorber (satu rable absolute) is intentionally placed on both sides of the ridge stripe in the device to reduce noise. rb er) had been formed. By adopting such a structure, the longitudinal mode (Longitudina1 mode) provided by the laser can be multiplied. When the laser oscillates in a single longitudinal mode, if a disturbance such as feedback of laser light to the element or a temperature change enters, the vertical mode in which the laser oscillates by a minute change of the gain peak Laser oscillation in another longitudinal mode close to the laser starts, causing competition with the original oscillation mode (Modec omp etition). This is a cause of noise. When the longitudinal mode is multiplied, the intensity change of each mode is averaged, and since it does not change due to disturbance, stable low noise characteristics can be obtained.
また、 安定な自励発振特性を得ることのできる先行技術が特開昭 63 - 202 083号公報に示されている。 この先行技術では、 活性層で生成された光を吸収 することのできる眉を設けることによって、 自励発振型半導体レーザ （S e l f — Su s t a i ne d Pu l s a t i on t yp e l a s e r d i od e)を実現している。  A prior art capable of obtaining a stable self-sustained pulsation characteristic is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-202083. In this prior art, a self-sustained pulsation type semiconductor laser (Self-Sustained-Pulsation-on-Tip elaserdiode) is realized by providing an eyebrow capable of absorbing the light generated in the active layer. ing.
また、 特開平 6— 260716号公報は、 活性層のバンドギャップと吸収屑の ノ、'ンドギャップをほぼ等しくすることによつて赤色半導体レ一ザ素子の特性を改 善したと記載している。 図 4は、 特開平 6— 260716号公報に開示されてい る従来の自励発振型の半導体レーザ素子を示す模式断面図である。 以下、 図 4を 参照しながら、 この半導体レーザ素子を説明する。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-260716 discloses that the band gap of the active It is stated that the characteristics of the red semiconductor laser element were improved by making the end gaps substantially equal. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a conventional self-pulsation type semiconductor laser device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-260716. Hereinafter, this semiconductor laser device will be described with reference to FIG.
図 4において、 n型の Ga Asからなる基板 1601上に n型の Ga 1 nPか らなるバッファ層 202、 n型の A 1 G a I nPからなるクラッド層 203、 G a I n Pからなる歪量子井戸活性 （ s t r a i n e d quan t um we 1 】 a c t i v e 1 a y e r) 204が順次形成される。 ここでクラッド厣 203中には歪量子井戸可飽和吸 (s t r a i n e d quan t um w e l l s a t u r a b l e ab s o rb i ng l ay e r) 205力 <形成 され、 その上部にはリッジ状のクラッド層 206と p型の Ga l nPからなるコ ンタクト展 207が形成されている。 このリッジ状のクラッド層 206およびコ ンタクト層 207の両側は n型の G a As層からなる電流のブロック屑 208に よって埋め込まれている。 さらにコンタクト層 207とブロック層 208上には p型の G a Asからなるキャップ展209が形成されており、 キャップ展 20 Θ 上には P型電極 210、 基板 201側には n¾極 211がそれぞれ形成されてい る。  In FIG. 4, a buffer layer 202 composed of n-type Ga 1 nP, a cladding layer 203 composed of n-type A 1 G a InP, and a G a In P are formed on a substrate 1601 composed of n-type Ga As. Strained quantum well activity (active 1 ayer) 204 is sequentially formed. Here, in the cladding 厣 203, a strained quantum well saturable absorption (strained quan tum wellsaturable absorb ng l ay er) 205 force is formed, and a ridge-shaped cladding layer 206 and a p-type Ga A contact exhibition 207 composed of l nP is formed. Both sides of the ridge-shaped cladding layer 206 and the contact layer 207 are buried with current block debris 208 composed of an n-type GaAs layer. Further, a cap extension 209 made of p-type Ga As is formed on the contact layer 207 and the block layer 208, and a P-type electrode 210 is provided on the cap extension 20 Θ, and an n¾ electrode 211 is provided on the substrate 201 side. It is formed.
また、 図 5は歪量子井戸 飽和吸収層 205のエネルギバンド図を示しており (A 1 7G a0. 3) o. 5 I n0.5 Pからなるバリア層 301と G ax I n P (膜厚 100人、 歪 +0. 5-1. 0%)からなる井戸層 302とを交互に穑層 してあり、本従来例では井戸層 302が 3層形成されている。 ここで、 歪量子井 戸活性層 204のバンドギヤップと歪量子井戸可飽和吸収層 205のそれがほぼ 等しくなつている。 この構成によって良好な自励発振特性を得ようとしている。 Further, FIG. 5 shows an energy band diagram of the strained quantum well saturable absorbing layer 205 (A 1 7 G a 0 . 3) o. 5 I n 0. 5 barrier layer 301 made of P and G a x I n The well layers 302 made of P (film thickness 100, strain + 0.5-1.0%) are alternately formed, and in the conventional example, three well layers 302 are formed. Here, the band gap of the strained quantum well active layer 204 is substantially equal to that of the strained quantum well saturable absorption layer 205. With this configuration, an attempt is made to obtain good self-excited oscillation characteristics.
A】 G a I n P系半導体の利得特性は、 A 1 G a A s系半導体の利得特性から 大きく異なり、 その結果、 自励発振しにくいことが明らかとなった。 図 6は、 G a】 nPと Ga Asについて、 利得のキャリア密度依存性を示している。 Ga A sおよび G a I n Pは、 それぞれ、 A 1 G a A s系半導体レーザおよび A 1 G a I n P系半導体レーザの活性層に主に用いられる材料である。 A] The gain characteristics of the GaInP-based semiconductor differ greatly from the gain characteristics of the A1GaAs-based semiconductor, and as a result, self-excited oscillation was found to be difficult. Figure 6 shows the carrier density dependence of the gain for G a nP and Ga As. Ga A s and GaInP are materials mainly used for an active layer of an A1GaAs-based semiconductor laser and an A1GaInP-based semiconductor laser, respectively.
自励発振を達成するためには、 キヤリァ密度の増加に対する利得の増加の割合 (利得曲線の傾き） 力、'大きいことが要求される。 ところが、 G a I n Pの利得曲 線の傾きは G a A sの利得曲線の傾きよりも小さいため、 相対的に自励発振が達 成されにくいことが判明した。  In order to achieve self-sustained pulsation, the rate of increase in gain with respect to increase in carrier density (the slope of the gain curve) is required to be large. However, since the slope of the gain curve of GaInP was smaller than the slope of the gain curve of GaAs, it was found that self-excited oscillation was relatively difficult to achieve.
また、 本願発明者らの実験結果によると、 赤色半導体レーザ （A ] G a I n P 系半導体レーザ） の場合、 上記の利得特性の違いにより、 従来例のように活性層 と可飽和吸収眉とのバンドギヤッブを等しくしただけでは安定した自励 振を得 ることが困難であることがわかった。  Further, according to the experimental results of the present inventors, in the case of a red semiconductor laser (A) GaInP-based semiconductor laser, the active layer and the saturable absorption eyebrow are different from the conventional example due to the difference in the gain characteristics described above. It was found that it was difficult to obtain a stable self-excited vibration only by making the band gears equal.
本願発明者らの実験結果によると、 赤色半導体レーザ （A 1 G a I n P系半導 体レーザ） の場合、 利辱特性の違いにより、 従来例のように活性眉と可飽和吸収 層とのバンドギヤップを等しくしただけでは安定した自励癸振を得ることが困難 であることがわかつた。  According to the experimental results of the present inventors, in the case of a red semiconductor laser (A1GaInP-based semiconductor laser), the active eyebrow and the saturable absorption layer were different from the conventional example due to the difference in the humiliation characteristics. It was found that it was difficult to obtain a stable self-excited oscillating simply by making the band gaps equal.
不純物のドーピング量を増加させることでキャリア寿命を短くすることが可能 である。 再結合速度が電子、 およびホールの占有確率の積に比例するためである。 しかし、 キャリア寿命を短くするためには 1 X 1 0 1 c nT 3以上の不純物のド 一ピング量が必要となる。 活性層のすぐ近くに高し、ドービングレベルの層を付加 すると'、 信頼性が低下することが本願発明者の実験でわかった。 これは p型ドー パントである Z nの拡散によるものである。 したがって、 自励発振には有効な S いドーピングは信頼性の観点から見ると、 問題となる。 The carrier lifetime can be shortened by increasing the doping amount of the impurity. This is because the recombination velocity is proportional to the product of the probability of occupation of electrons and holes. However, in order to shorten the carrier lifetime, an impurity doping amount of 1 × 101 cnT 3 or more is required. It has been found by experiments of the present inventor that if the height is increased in the immediate vicinity of the active layer and a layer having a doping level is added, the reliability decreases. This is due to the diffusion of Zn, which is a p-type dopant. Therefore, effective S doping for self-sustained pulsation is problematic from a reliability standpoint.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、 特に半導体レーザを構成する 可飽和吸収層ゃスぺーサ眉のドーピングの程度や厚さなどを最適に設定すること によって、 安定な自励発振特性を有し、 かつ、 信頼性の高い半導体レーザを提供 することを目的とする。  The present invention has been made in view of such a point, and particularly, by setting the doping degree and thickness of the saturable absorbing layer and the spacer eyebrow which constitute the semiconductor laser to be stable, self-sustained pulsation can be achieved. It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser having characteristics and high reliability.
他の目的は、 このような半導体レーザを用いた光ディスク装置を提供すること にあ 発明の開示 Another object is to provide an optical disk device using such a semiconductor laser. DISCLOSURE OF THE INVENTION
本発明の自励発振型半導体レーザは、 活性層と、 該活性層を挟むクラッド構造 とを備えた自励発振型半導体レーザであって、 該クラッド構造は、 不純物がドー プされている可飽和吸収層を含んでおり、 該可飽和吸収層は、 該活性餍から離れ た位置に配ほされ、 該活性層から該可飽和吸収層へのヘテロバリァリ一ク 子密 度か、 1 X 1 0 c m 以上である。 好ましい実施形態では、 前記可飽和吸収屈にドープされた不純物は、 p型であ る。 前記活性層と前記可飽和吸収層との間にはスぺーサ層が設けられ、該スぺーサ 眉の厚さが 5 0 0 A以下であることが好ましい。 好ましい実施形想では、 前記スぺーサ層の伝導帯における降壁の高さと厚さは、 前記へテロパリアリーク電子密度が 1 X 1 0 c nT 3以上にするように設定さ れている。 ある実施形態では、 前記スぺーサ層の伝導帯における障壁の高さが、 クラッド 構造の n型部分の障壁高さよりも高い。 ある実施形態では、 前記スぺーサ層の伝導帯における障壁の高さが、 クラッ ド 構造の n型部分の障壁高さよりも低い。 ある実施形態では、 前記可飽和吸収層は、 圧縮歪の与えられた量子井戸から形 成されている。 ある実施形憇では、 前記活性展および前記可飽和吸収層が、 ともに圧縮歪を もつ歪量子井戸から形成されている。 ある実施形態では、 前記活性層および前記可飽和吸収層が、 ともに引張り歪を もつ歪量子井戸から形成されている。 前記スぺーサ盾の不純物澳度は、 ： L 0 X 10 cm— 以上、 1. 0x 10 8 cm_ 3以下であることが好ましい。 前記可飽和吸収層の不純物搔度は、 1. 0 x 10し cm_3以下であることが 好ましい。 前記へテロバリアリーク電子密度は、 4x 10 cnT3以下であることが好 ましい。 図面の簡単な鋭明 A self-pulsation type semiconductor laser according to the present invention is a self-pulsation type semiconductor laser comprising an active layer and a cladding structure sandwiching the active layer, wherein the cladding structure has a saturable doped impurity. An absorbing layer, wherein the saturable absorbing layer is disposed at a position distant from the active layer, and the density of heterobarrier molecules from the active layer to the saturable absorbing layer is 1 × 10 cm That is all. In a preferred embodiment, the saturable absorption-doped impurity is p-type. Preferably, a spacer layer is provided between the active layer and the saturable absorbing layer, and the thickness of the spacer eyebrows is preferably 500 A or less. In a preferred embodiment, the height and the thickness of the falling wall in the conduction band of the spacer layer are set so that the heteroparia leak electron density is 1 × 10 cnT 3 or more. In one embodiment, a height of a barrier in a conduction band of the spacer layer is higher than a height of a barrier in an n-type portion of the clad structure. In one embodiment, the barrier height in the conduction band of the spacer layer is lower than the barrier height of the n-type portion of the clad structure. In one embodiment, the saturable absorber layer is formed from a compressively strained quantum well. Has been established. In one embodiment, the active extension and the saturable absorption layer are both formed of strained quantum wells having a compressive strain. In one embodiment, the active layer and the saturable absorption layer are both formed of strained quantum wells having tensile strain. The spacer shield preferably has an impurity concentration of: L 0 X 10 cm— or more and 1.0 × 10 8 cm — 3 or less. The saturable absorption layer preferably has an impurity concentration of 1.0 × 10 3 cm −3 or less. The heterobarrier leak electron density is preferably 4 × 10 cnT 3 or less. Simple sharps of the drawing
図 1 Άは、 本発明による半導体レーザ素子の第 1の実施例の断面構造図であり、 図 1 Bは、 その主要部の A 1組成の構成を示す図である。  FIG. 1A is a sectional structural view of a first embodiment of a semiconductor laser device according to the present invention, and FIG. 1B is a diagram showing a configuration of an A1 composition of a main part thereof.
図 2 Aは、 5 x 10 cm' の濃度で p型不純物がドープされた可飽和吸収 眉の光励起キャリア密度に対するキャリア寿命の変化を示す図であり、 図 2 Bは ヘテロバリアリークを模式的に示す図である。  Figure 2A is a diagram showing the change in carrier lifetime with respect to the photoexcited carrier density at the eyebrow, with saturable absorption doped with p-type impurities at a concentration of 5 x 10 cm ', and Figure 2B schematically shows the heterobarrier leakage. FIG.
図 3は、 ヘテロバリアリーク電子のスぺーサ層厚依存性を示す図である。  FIG. 3 is a diagram showing the dependence of the heterobarrier leak electrons on the spacer layer thickness.
図 4は、 従来の自励発振型の半導体レーザの模式断面図である。  FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a conventional self-pulsation type semiconductor laser.
図 5は、 歪量子井戸可飽和吸収層のエネルギバンド図である。 図 6は、 Ga Asと Ga l nPの利得特性を示す図である。 FIG. 5 is an energy band diagram of the strained quantum well saturable absorber layer. FIG. 6 is a diagram illustrating gain characteristics of Ga As and GalnP.
図 7A、 図 7B及び図 7Cは、 本発明による半導体レーザ素子の第 2の実施例 に於ける活性層近傍の組成構造図である。  FIGS. 7A, 7B and 7C are compositional diagrams near the active layer in the second embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention.
図 8は、 本発明による半導体レーザ素子の第 3の実施例に於ける断面構造図で ¾^>o  FIG. 8 is a sectional structural view of a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
図 9は、 本発明による半導体レーザ素子の第 3の実施例に於ける活性層近傍の 組成構造図である。  FIG. 9 is a composition structure diagram near an active layer in a third embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention.
図 10は、 (A lxGaい x) 5 I n0. s Pスぺーサ層の組成 xに対してへテ ロバリアリーク電子密度がどのように変化するかを、 スぺーサ展の厚さごとに示 す図である。 10, (A l x Ga have x) 5 I n 0. S P scan the relative composition x of spacer layer or Te Robariariku electron density how to change, the spacer Exhibition thickness FIG.
図 11は、 本発明による光ディスク装置の実施例の構成を模式的に示す図であ る。  FIG. 11 is a diagram schematically showing a configuration of an embodiment of an optical disk device according to the present invention.
図 12は、 本発明による光ディスク装置に使用されるレーザュニットの斜視図 である。  FIG. 12 is a perspective view of a laser unit used in the optical disk device according to the present invention.
図 13は、本発明による光ディスク装置に他の実施例の構成を模式的に示す図 である。  FIG. 13 is a diagram schematically showing the configuration of another embodiment of the optical disc device according to the present invention.
図 14は、 本発明による光ディスク装置の実施例に用いられるホログラム素子 の働きを示す図である。  FIG. 14 is a diagram showing the function of the hologram element used in the embodiment of the optical disk device according to the present invention.
図 1'5は、 本発明による光ディスク装置の実施例に用いられる光検出器を示す 平面図である。 発明を実施するための最良の形想  FIG. 1'5 is a plan view showing a photodetector used in the embodiment of the optical disk device according to the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
本発明の半導体レーザは、 不純物がドープされた可飽和吸収層を有し、 バンド ギヤップが活性層及び可飽和吸収層のバンドギヤップよりも大きい材料から成る スぺーサ層 （厚さ 50 nm以下） を活性層と可飽和吸収層の間に有している。 信 頼性の観点から、 スぺーサ層の不純物濃度は 1 X 1018 c m_3以下に抑えられ ている。 The semiconductor laser of the present invention has a saturable absorption layer doped with impurities, and a spacer layer (thickness of 50 nm or less) made of a material having a band gap larger than that of the active layer and the saturable absorption layer. Between the active layer and the saturable absorption layer. From the standpoint of reliability, the impurity concentration of the spacer layer is suppressed to below 1 X 10 18 c m_ 3 ing.
本発明の半導体レーザでは、スぺーサ層の厚さ及びバンドギヤップを調整する ことによって、 活性展から可飽和吸収履へ適当な量の電子を注入し、 それによつ て自励発振を達成する。 より詳細には、 可飽和吸収層の不純物濃度を比較的に低 く設定しながら、 可飽和吸収層を活性層に近い位置に配置することによって、 活 性層から可飽和吸収層へ注入される電子の量を大きくし、 それによつて可飽和吸 収屑中の電子の寿命を短縮し、 自励発振を実現する。 可飽和吸収層に注入された 電子の密度が 1 X 10 cm—3よりも高くなると、 可飽和吸収層の不純物濃度 が l xl 018 cm— よりも小さい場合でも、 自励発振が達成されることを発明 者らは見いだした。 In the semiconductor laser of the present invention, by adjusting the thickness of the spacer layer and the band gap, an appropriate amount of electrons is injected from the active spread to the saturable absorbing layer, thereby achieving self-pulsation. . More specifically, by setting the saturable absorption layer at a position close to the active layer while setting the impurity concentration of the saturable absorption layer relatively low, the saturable absorption layer is injected from the active layer to the saturable absorption layer. It increases the amount of electrons, thereby shortening the life of the electrons in the saturable absorption debris and realizing self-pulsation. When the density of electrons injected into the saturable absorber is higher than 1 X 10 cm— 3 , self-sustained pulsation is achieved even when the impurity concentration of the saturable absorber is lower than l xl 0 18 cm—. The inventors have found that.
従来、 可飽和吸収層は活性層から例えば 1000人以上離れた位置に設けられ るべきものと考えられていた。 その理由は、 可飽和吸収屑を活性層に近づけすぎ ると、 可飽和吸収層が利得を持ち、 自励発振が生じなくなると考えられていたか らである。 しかしながら、 本発明者らの研究によれば、 可飽和吸収層を活性層に 近づけても、 可飽和吸収層に注入される 子の密度が所定範囲内にあれば、 利得 は生じず、 そのかわり、 電子の寿命が短縮されるために自励発振が生じやすくな ることカゎカゝつた。  Conventionally, it has been considered that the saturable absorbing layer should be provided at a position, for example, at least 1,000 people away from the active layer. The reason is that if the saturable absorbing debris is too close to the active layer, it is thought that the saturable absorbing layer has a gain and self-oscillation does not occur. However, according to the study of the present inventors, even if the saturable absorption layer is brought close to the active layer, if the density of the electrons injected into the saturable absorption layer is within a predetermined range, no gain occurs, and However, self-sustained pulsation is likely to occur because the life of electrons is shortened.
なお、 可飽和吸収層に注入される電子の密度が 5x 1018cm_—よりも高く なると 可飽和吸収層が利得を持っため、可飽和吸収層に注入される電子の密度 は 5x10 cm 以下、 特に 4 X I 01 & c m_3以下に抑制されることが好ま しい。 以下、 図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の実施例を説明する。 図 1 Aは、本発明による半導体レーザの第 1の実施例の断面構造を示している c この半導体レーザは、 n型の Ga As基板 101と、 Ga As基板 101上に形 成された半導体積層構造を備えている。 この半導体積層構造は、 n型 G a I nP バッファ層 102、 n型 A ] Ga I nPクラッド層 103、 Ga I nP活性層 1 04、 p型の A 1 G a I n Pスぺーサ層 105、 p型の G a I n P可飽和吸収層 1 06、 第1の 型八 1 08 111?クラッド層107、 型の03 111?ェッチ ング停止層 108、 第 2の p型 A 1 Ga I nPクラッド層 109を含んでいる。 第 2の p型 A 1 Ga I nPクラッド層 109は、 共振器長方向に延びるストラ イブ状の形状 （幅：約 2. 0~7. 0 m)を有している。 When the density of the electrons injected into the saturable absorbing layer is higher than 5 × 10 18 cm _ —, the density of the electrons injected into the saturable absorbing layer is 5 × 10 cm or less because the saturable absorbing layer has a gain. particularly 4 XI 0 1 & c m_ 3 arbitrariness preferable to be suppressed to below. Hereinafter, embodiments of the semiconductor laser device according to the present invention will be described with reference to the drawings. Figure 1 A is a first c This semiconductor laser shows a cross-sectional structure of an embodiment of a semiconductor laser according to the present invention includes a Ga As substrate 101 of n-type, semiconductor lamination was made form on Ga As substrate 101 It has a structure. This semiconductor multilayer structure is an n-type G a I nP Buffer layer 102, n-type A] Ga I nP cladding layer 103, Ga I nP active layer 104, p-type A 1 G a I n P spacer layer 105, p-type G a I n P saturable absorption It includes a layer 106, a first mold 108 1 108 111 cladding layer 107, a mold 03 111 etching stop layer 108, and a second p-type A 1 Ga InP cladding layer 109. The second p-type A 1 Ga InP cladding layer 109 has a stripe shape (width: about 2.0 to 7.0 m) extending in the resonator length direction.
第 2の p型クラッド暦 109の上面には、 コンタクト層 110が形成されてい る。 第 2の p型クラッド屑 109及びコンタクト] SI 10の両側には、 n型の G a As電流ブロック層 111が形成されている。 コンタクト層 110と電流プロ ック層 111の上には p型の G a Asキャップ層 112が形成されている。 キヤ ップ層 112の上面には p電極 113が形成され、 基板 101の裏面には n電極 114が形成されている。  On the upper surface of the second p-type cladding calendar 109, a contact layer 110 is formed. Second p-type cladding debris 109 and contact] On both sides of the SI 10, n-type GaAs current blocking layers 111 are formed. On the contact layer 110 and the current block layer 111, a p-type GaAs cap layer 112 is formed. A p electrode 113 is formed on the upper surface of the cap layer 112, and an n electrode 114 is formed on the back surface of the substrate 101.
本願明細書では、 半導体積層構造から、 バッファ層、 活性層、 コンタクト層、 キャップ層および ¾流ブロック層を除いた残りの部分を、 全体として、 「クラッ ド構造」 と呼ぶことにする。 本実施例の場合は、 n型 A 1 Ga I nPクラッ ド層 103、 可飽和吸収層 106、 p型の G a l nPエッチング停止眉 108、 第 1 の p型 A】 Ga I nPクラッド層 107、 第 2の p型 A 1 Ga】 nPクラッド層 109が、 クラッド構造を構成している。  In the present specification, the remaining portion of the semiconductor multilayer structure excluding the buffer layer, the active layer, the contact layer, the cap layer, and the heat blocking layer is referred to as a “cladding structure” as a whole. In the case of this embodiment, the n-type A 1 GaI nP cladding layer 103, the saturable absorption layer 106, the p-type Gal nP etching stop eyebrow 108, the first p-type A] Ga I nP cladding layer 107, The second p-type A 1 Ga] nP cladding layer 109 forms a cladding structure.
レー 発振のために、 p電極 113と n¾極 11 との間に罨圧を印加して p 電極 113から n電極 114に電流 （駆動 S流） を流すとき、 電流は、 コンタク 卜層 110及び第 2の p型クラッ ド Jgl 09を流れるように電流ブロック層 11 1によって狭窄される。 このため、 流は、 活性層 104のうち、 第 2の p型ク ラッド層 109の真下の領域 （ 流注入領域） を流れ、 電流ブロック層 111の 真下の領域は流れない。 活性層 104の電流注入領域内で光が発生し、 その光は 電流注入 域より外側にもある程度広がる。 この光の一部が可飽和吸収層 106 と相互作用することによって、 自励発振が引き起こされる。  When a compressive force is applied between the p-electrode 113 and the n-electrode 11 to cause a current (driving S flow) to flow from the p-electrode 113 to the n-electrode 114 for the Lae oscillation, the current flows through the contact layer 110 and the The current is blocked by the current blocking layer 111 so as to flow through the p-type clad Jgl 09 of FIG. Therefore, the current flows in a region (flow injection region) immediately below the second p-type cladding layer 109 in the active layer 104, and does not flow in a region directly below the current blocking layer 111. Light is generated in the current injection region of the active layer 104, and the light spreads to some extent outside the current injection region. A part of this light interacts with the saturable absorbing layer 106 to cause self-pulsation.
g 本実施例の積層構造を構成する各半導体層のドービングレベルおよび厚さは以 下の通りである。 g The doping level and thickness of each semiconductor layer constituting the laminated structure of the present embodiment are as follows.
表 1  table 1
名 称 番号 ドーピングレベル 厚さ  Name Number Doping level Thickness
一 3  One three
キャップ層 ' · 1 12 C> ハ I丄 0リ 18 し Π1 ■ '3 Cap layer '· 1 12 C > C I 丄 0 丄18し Π1 ■' 3
一 3  One three
コンダクト層 • • 1 1 0 1 X 1 0 c m 50 OA  Conductive layer • • 1 1 0 1 X 10 cm 50 OA
.18 一 3  .18 one three
第 2の p型グラッ ■ • 1 09 1 x 1 0 c m 0. 9  2nd p-type gr ■ • 109 1 x 10 cm 0.9
17 - s  17-s
エッチング停止層 ■ - 1 08 5 1 0 c m 1 00 A  Etching stop layer ■-1 08 5 10 cm 100 A
- 3  -3
第 1の p型クラッド層 · ' • 1 07 5 10 c m 1 35 OA  1st p-type cladding layer · '• 107 5 10 cm 1 35 OA
17 -3  17 -3
可飽和吸収眉 ' · 1 06 5 X 10 cm 1 5 OA Saturable Absorbing Eyebrow '· 106 5 X 10 cm 15 OA
■ -3 ■ -3
スぺーサ層 • • 105 5 x 1 0 " c m 40 OA 活性 S • ' 104 アンドープ 500 A  Spacer layer • • 105 5 x 10 "cm 40 OA Active S • '104 Undoped 500 A
17 —3  17 —3
n型クラッド JS • • 1 03 5 X 1 0 c m 1. 0  n-type cladding JS • • 103 5 X 10 cm 0
- a  -a
ハ *ッファ雇 • · 1 02 1 X 1 0 " c m 0. 3 μτα  Hauffa hire • · 102 1 X 1 0 "cm 0.3 μτα
活性層 104の近傍に位置するスぺーサ層 1 05、 可飽和吸収眉 1 06、 第 1 の Ρ型クラッド層 1 07はレ、ずれもドーピング濃度が 5 X 1 017 c m _ 3と低く 抑えられているので、 活性層 104への不純物の固相拡散が少なく、 素子の信頼 性が損なわれることはない。 なお、 これらの層の組成を図 1 Bに示している。 p 型クラッド展 107および n型クラッド層 103とスぺーサ層 1 05には （A 1 0. 7G a0. 8) 0. 5 I n0. 5Pを用い、 活性層 1 04、 可飽和吸収層 1 06およ びエッチング停止雇 1 08には Gs0. B I n0, 5Pを用いている。 Spacer layer 1 05 located in the vicinity of the active layer 104, the saturable absorber eyebrows 1 06, suppressing the first Ρ type clad layer 1 07 Les deviation is low doping concentration and 5 X 1 0 17 cm _ 3 Therefore, the solid phase diffusion of impurities into the active layer 104 is small, and the reliability of the device is not impaired. FIG. 1B shows the composition of these layers. The p-type cladding Exhibition 107 and the n-type cladding layer 103 and the spacer layer 1 05 (A 1 0. 7 G a 0. 8) 0. 5 I n 0. with 5 P, the active layer 1 04, variable the saturated absorption layer 1 06 and etch stop employment 1 08 is used Gs 0. B I n 0, 5 P.
図 2Aに、 5X 101 cnT の澳度で p型不純物がドープされた可飽和吸収 層 1 06の光励起キャリア密度に対するキャリア寿命の変ィヒを示す。 光励起キヤ リア密度とは、 光によって励起された電子一ホール対の密度である。 本願明細書 では、 図 2 Bに示されるように、 n型クラッド層 1 03から活性層 1 04を越え て可飽和吸収層 106に注入される過剰な電子を 「ヘテロバリアリーク電子」 と 呼ぶ。 図 2 Aでは、 「ヘテロバリアリーク電子」 の密度をパラメ一夕として、 複 数の曲線が示されている。 FIG. 2A shows the change in carrier lifetime with respect to the photoexcited carrier density of the saturable absorber layer 106 doped with a p-type impurity at a temperature of 5 × 10 1 cnT. The photoexcited carrier density is the density of electron-hole pairs excited by light. In the present specification, as shown in FIG. 2B, the n-type cladding layer The excess electrons injected into the saturable absorption layer 106 are called "heterobarrier leak electrons". In FIG. 2A, multiple curves are shown, with the density of “heterobarrier leak electrons” as a parameter.
図 2 A力、ら、 ヘテロバリアリーク電子密度が増加すると、 可飽和吸収層 106 中での電子一ホール対の再結合速度が増大し、 キャリア寿命が減少していく傾向 が現れていることがわかる。 キャリア寿命が小さいほどキャリアの時間変化率に 対する自然放出の寄与が増大し、 自励発振を容易に生じることができ、 相対雑音 を下げることができる。 発明者らの実験によれば、 その寿命時間は、約 7ナノ秒 以下が望ましいことがわかった。 図 2 Aより、ヘテロバリアリーク電子密度が 1. 0x 10 cm 以上あれば、 光励起キャリア密度に対するキャリア寿命は 7 nm以下となるので、 安定した自励発振が可能であることがわかる。  Fig. 2 As the heterobarrier leak electron density increases, the recombination rate of electron-hole pairs in the saturable absorber layer 106 increases, and the carrier lifetime tends to decrease. Understand. As the carrier lifetime becomes shorter, the contribution of spontaneous emission to the time change rate of the carrier increases, self-sustained pulsation can easily occur, and the relative noise can be reduced. According to experiments by the inventors, it was found that the life time is desirably about 7 nanoseconds or less. From Fig. 2A, it can be seen that if the heterobarrier leak electron density is greater than 1.0x10 cm, the carrier lifetime for the photoexcited carrier density is less than 7 nm, and stable self-sustained pulsation is possible.
この図では、 可飽和吸収層に p型不純物を、 5x1017cnT3濃度にドーピ ングしたものである力 <、 可飽和吸収層の濃度を上げて、 1 X 1018 cnT3にし たときも、 ヘテロバリアリーク電子密度が 1. 0 X 101 cm"3以上であれば、 可飽和吸収層でのキヤリァ寿命が小さくなり、 キヤリアの時間変化率に対する自 然放出の寄与が増大し、 自励発振を容易に生じることができ、 相対雑音を下げる ことができる。 ただし、 信頼性の観点から、 スぺーサ層のドーピングレベルを髙 くすることは好ましくない。 スぺーサ層は活性層に隣接しているからである。 発 明者ら'の実験では、 スぺーサ眉の不純物濃度が 1. oxi oi8cnTaを越える と、 不純物がスぺーサ層から活性展に拡散する可能性があり、 半導体レーザ素子 の惯頼性が低下することがわかった。 よって、 スぺ一サ層の不純物涯度は、 1. 0 X 101 cm 以下にすることが好ましい。 他方、 不純物獲度が低すぎると、 可飽和吸収層の電気抵抗が高くなつてしまう。 スぺーサ層の不純物濃度は、 1. 0x1017cm_S以上、 1. Ox 1018cnT3以下であることが好ましい。 図 2 Bに示すように、 ヘテロバリアリーク電子は、 n型クラッ ド層 103から 活性屑 104に注入された電子が、 活性層 104内に十分閉じ込められずに p型 クラッド層 107へ拡散していくものを意味している。 ヘテロバリアリーク電子 密度は、 スぺーサ層 105の厚さに大きく依存する。 In this figure, the force that is obtained by doping the saturable absorption layer with p-type impurity to a concentration of 5 × 10 17 cnT 3 <<When the concentration of the saturable absorption layer is increased to 1 × 10 18 cnT 3 , If the heterobarrier leak electron density is 1.0 × 10 1 cm " 3 or more, the carrier lifetime in the saturable absorbing layer becomes shorter, and the contribution of natural emission to the time change rate of the carrier increases, and self-pulsation However, it is not preferable to increase the doping level of the spacer layer from the standpoint of reliability, because the spacer layer is adjacent to the active layer. and it is because the experiments. shots inventor et al ', when the impurity concentration of the spacer eyebrows exceeds 1. oxi o i8 cnT a, impurities may be diffused into the active exhibition from the spacer layer It was found that the reliability of the semiconductor laser device was reduced. Te, impurities涯度of scan Bae one support layer, 1. 0 X 10 is preferably set to 1 cm or less. On the other hand, when the impurity Ed is too low, resulting in summer high electrical resistance of the saturable absorbing layer. The impurity concentration of the spacer layer is preferably not less than 1.0 × 10 17 cm _S and not more than 1. Ox 10 18 cnT 3. As shown in FIG. Electrons injected into the active debris 104 from 103 are not sufficiently confined in the active layer 104 and are p-type This means that it diffuses into the cladding layer 107. The heterobarrier leak electron density greatly depends on the thickness of the spacer layer 105.
A 1 G a I n P系では伝導帯のへテロ障壁が小さいためにへテロバリアリーク 子は、 特に顕著に存在する。 図 3に理論的に求めたスぺーサ層 105の厚さと 可飽和吸収層 106に注入されるへテロバリアリーク電子密度との関係を示す。 スぺーサ層のノくンドギヤップが小ざければ、 電子が可飽和吸収屑へとリークする は多くなる。 n型クラッド層 103とスぺーサ眉 105とのバンドギャップが 同じであるという条件でも、 スぺーサ層 105の厚さが薄くなるほど活性層 10 4から可飽和吸収層 106へリークするへテロパリアリーク電子が増加する傾向 が見られる。 そしてスぺーサ屑 105の厚さが約 50 OA (オングストローム） で、 前述の 7ナノ秒以下のキャリア寿命が得られる 1. 0 X 1 018のへテロバ リアリーク ¾子密度となる。 その結杲、 "SJ飽和吸収層 106に1. 0 X 1018 c m_ 以上もの高い濃度のドービングを行わなくても、 自励発振が可能となり、 低雑音と高信頼性とを両立できる。 In the A 1 G a In P system, heterobarrier leaks are particularly prominent because the conduction band heterobarrier is small. FIG. 3 shows the relationship between the theoretically obtained thickness of the spacer layer 105 and the density of the heterobarrier leak electrons injected into the saturable absorption layer 106. The smaller the gap in the spacer layer, the more electrons will leak into the saturable absorber. Even under the condition that the band gap between the n-type cladding layer 103 and the spacer eyebrow 105 is the same, as the thickness of the spacer layer 105 becomes thinner, the heteroparalia leaks from the active layer 104 to the saturable absorbing layer 106. There is a tendency for leakage electrons to increase. Then in the spacer 50 thickness of approximately debris 105 OA (Å), the Teroba Riariku ¾ element density 1. to 0 X 1 0 18 of the aforementioned 7 nanoseconds or less of the carrier lifetime. As a result, self-sustained pulsation can be achieved without performing doping of a high concentration of 1.0 × 10 18 cm_ or more on the SJ saturated absorption layer 106, thereby achieving both low noise and high reliability.
(実施例 2)  (Example 2)
前述のように実施例 1の半導体レーザ紫子では、 可飽和吸収屑 106に注入さ れる電子の密度 （ヘテロバリアリーク電子密度） が、 スぺ一サ層 105の厚さを 変えることにより制御された。 本実施例では、 スぺーサ屈 105の厚さではなく、 スぺ一 層 105の伝導帯における障壁の髙さを変更することによって、 ヘテロ バリアリーク電子密度を制御する。  As described above, in the semiconductor laser purple of Example 1, the density of electrons (heterobarrier leak electron density) injected into the saturable absorbing debris 106 is controlled by changing the thickness of the spacer layer 105. Was. In this embodiment, the hetero barrier leak electron density is controlled by changing the thickness of the barrier in the conduction band of the monolayer 105 instead of the thickness of the spacer 105.
図 7Aから図 7Cは、 n型クラッド眉 103、 活性層 104、 スぺーサ層 10 5、 可飽和吸収屑 106、 p型クラッド層 107の伝導帯のバンド構造を示して いる。  7A to 7C show the band structure of the conduction band of the n-type clad eyebrow 103, the active layer 104, the spacer layer 105, the saturable absorber 106, and the p-type clad layer 107.
図 7 Aは実施例 1と同様の構造を示しており、スぺーサ層 105の厚さ d == 5 0 OA, ΔΕ=0. 16 eVである。 図 7 Bはスぺーサ層のバンドギャップを大 きくして、 厚さを小さくした構造を示している。 図 7 Cはスぺーサ層のバンドギ ヤップを小さくして、 厚さを大きくした構造を示している。 FIG. 7A shows a structure similar to that of the first embodiment, in which the thickness d of the spacer layer 105 is d == 50 OA, ΔΕ = 0.16 eV. FIG. 7B shows a structure in which the band gap of the spacer layer is increased and the thickness is reduced. Figure 7C shows the bandgear of the spacer layer. It shows a structure with a small gap and a large thickness.
図 7Bの例では、 （A l^Ga^) 0, s I n0. 5Pスぺーサ層 105の組成 X は 1. 0であり、 厚さは 20 OAである。 これよりも厚さが小さくなると、 大量 の電子がトンネル効果によって可飽和吸収層ヘリークし、 可飽和吸収層が利得を 持つに至ってしまう。 また、 スぺーサ層の厚さが 600人を越えて厚くなると、 充分な大きさのヘテロバリアリーク電子密度が得られなくなる。 このためスぺー サ層の厚さは 200〜600 Aが好ましい。 In the example of FIG. 7B, (A l ^ Ga ^ ) 0, s I n 0. 5 Composition X of P spacer layer 105 is 1. 0 and a thickness of 20 OA. If the thickness is smaller than this, a large amount of electrons leaks to the saturable absorption layer due to the tunnel effect, and the saturable absorption layer has a gain. If the thickness of the spacer layer exceeds 600, a sufficiently large heterobarrier leak electron density cannot be obtained. Therefore, the thickness of the spacer layer is preferably 200 to 600 A.
図 7 Cの例では、 (A 1XG a o. 5 I n0. SPスぺーサ層 105の組成 x は 0. 35であり、 厚さは 1000Aである。 In the example of FIG. 7 C, (A 1 X G a o. 5 I n 0. The composition x of S P spacer layer 105 is 0.35, a thickness of 1000A.
図 10は、 （A l^Ga^) 0. s I n0. SPスぺーサ層の組成 Xに対してへテ ロバリアリーク ¾子密度がどのように変ィ匕するかを、 スぺーサ ISの厚さ （t) ご とに示す図である。 ヘテロバリアリーク電子密度は、 前述のように、 1. 0x1 0 cnT3以上であることが好ましい。 また、 可飽和吸収層でゲインか生まれ ないようにするためには、 4. 0 X 10 cm_3以下であることが好ましい。 従って、 図 10のグラフにおいて、 1. 0x 10 cnT3以上で 4. 0 X 101 cm 以下の範囲內になる A I組成 （X)及び厚さ （t) を持つように、スぺ ーサが形成されること力好ましい。 10, (A l ^ Ga ^) 0. s I n 0. Or S P Te Robariariku ¾ element density to relative composition X of the spacer layer is how to Heni spoon, spacer FIG. 4 is a diagram showing the thickness (t) of the IS. As described above, the heterobarrier leak electron density is preferably 1.0 × 10 cnT 3 or more. In order to prevent the gain from being generated in the saturable absorption layer, it is preferable to be 4.0 × 10 cm — 3 or less. Therefore, in the graph of FIG. 10, the spacer has an AI composition (X) and a thickness (t) that are in the range of not less than 1.0 × 10 cnT 3 and not more than 4.0 × 10 1 cm. The force to be formed is preferable.
(実 is例 3) (Real is example 3)
以下に、 図 8及び図 9を参照しながら、 本堯明による半導体レーザ素子の第 3 の実 例を説明する。 本実施例の半導体レーザは、 活性層に多重量子井戸構造を 用いているため、 高効率となり、 より高い光出力を得ることができる。  Hereinafter, a third example of the semiconductor laser device according to the present invention will be described with reference to FIG. 8 and FIG. Since the semiconductor laser of this embodiment uses a multiple quantum well structure for the active layer, the efficiency is high and a higher optical output can be obtained.
図 8に示されるように、 この半導体レーザは、 n型の Ga As基板 801と、 Ga As基板 801上に形成された半導体積層構造を備えている。 この半導体積 屑構造は、 n型 G a I n Pバッファ屑 802、 n型 A 1 G a I n Pクラッド展 8 03、 多重量子井戸活性層 804、 p型の A】 Ga I nPスぺーサ層 805、 p 型の Ga l nP可飽和吸収層 806、 光ガイド層 814、 第 1の p型 A 1 Ga I nPクラッド層 807、 p型の Ga I nPエッチング停止層 808、 第 2の p型 A 1 G a I n Pクラッド層 809を含んでいる。 As shown in FIG. 8, the semiconductor laser includes an n-type Ga As substrate 801 and a semiconductor multilayer structure formed on the Ga As substrate 801. This semiconductor waste structure is composed of n-type GaInP buffer debris 802, n-type A1GaInP cladding exhibition 803, multiple quantum well active layer 804, p-type A] GaInP spacer Layer 805, p -Type GalnP saturable absorption layer 806, light guide layer 814, first p-type A1GaInP cladding layer 807, p-type GaInP etch stop layer 808, second p-type A1Ga An InP clad layer 809 is included.
第 2の p型 A】 Ga I nPクラッド層 809は、 共振器長方向に延びるストラ イブ状の形状 （幅：約 2. 0〜7. 0 m)を有している。  The second p-type A] GaInP cladding layer 809 has a stripe-like shape (width: about 2.0 to 7.0 m) extending in the resonator length direction.
笫 2の p型グラッド層 809の上面には、 コンタクト屑 810が形成されてい る。 第 2の p型クラッド層 809及びコンタクト Jg810の両側には、 n型の G a A s電流プロック層 811が形成されている。 コンタクト層 810と 流プロ ック層 811の上には p型の G a Asキャップ履 812が形成されている。 キヤ ップ層 812の上面には p¾極 813が形成され、基板 801の裹面には n¾極 814が形成されている。 活 ' 層 804は 3 jgの井戸層と陣壁届からなる多重量 子井戸構造を有している。  屑 Contact debris 810 is formed on the upper surface of the p-type grad layer 809 of FIG. An n-type GaAs current block layer 811 is formed on both sides of the second p-type cladding layer 809 and the contact Jg810. On the contact layer 810 and the flow block layer 811, a p-type GaAs cap 812 is formed. A p-electrode 813 is formed on the upper surface of the cap layer 812, and an n-electrode 814 is formed on the lining surface of the substrate 801. The active layer 804 has a multi-quantum well structure composed of a 3 jg well layer and a wall.
この半導体レーザ素子を構成する各半導体層の種類、 厚さ、 不純物潘度などは、 第 1の実施例のそれらと同様である。 本実施例の半導体レーザ素子の特徴は以下 の通りである。  The type, thickness, impurity concentration, etc. of each semiconductor layer constituting this semiconductor laser device are the same as those of the first embodiment. The features of the semiconductor laser device of this embodiment are as follows.
1 ) 可飽和吸収層として量子井戸可飽和吸収眉 （厚さ : 30 A〜 150人） 806が用いられている。  1) The saturable absorbing layer of quantum well saturable absorbing eyebrows 806 (thickness: 30 A-150 persons) is used.
2) 活性層として多重量子井戸活性 ® 804が用いられている。  2) Multiple quantum well active 804 is used as the active layer.
3) ' 可飽和吸収層 806に隣接する位置に （A 10.6G 0.5) 0. B I n 0 SPからなる光ガイド層 （厚さ ： 300 A~l 500 A) 814が設けられてい る。■■ .. 3) 'to a position adjacent to the saturable absorbing layer 806 (A 1 0 6 G 0 5) 0. B I n 0 S optical guide layer made of P (thickness: 300 A ~ l 500 A) 814 is Provided. ■■
以下、 図 9を参照しながら、 本実施例の半導体レーザ素子をより詳細に説明す る。  Hereinafter, the semiconductor laser device of this example will be described in more detail with reference to FIG.
図 9から明らかなように、 本実施例では、 屈折率が可飽和吸収屑 806の屈折 率より小さく、 スぺーサ層 805や第 1の p型クラッド層 807の屈折率よりも 大きな光ガイド層 814が可飽和吸収展 806の近傍に設けられている。 O 9 3 02 As is clear from FIG. 9, in the present embodiment, the optical guide layer has a refractive index smaller than the refractive index of the saturable absorbing debris 806 and larger than the refractive index of the spacer layer 805 and the first p-type cladding layer 807. 814 is provided near the saturable absorption extension 806. O 9 3 02
可飽和吸収層 8 0 6を量子井戸構造を持つように薄くした場合、 光の閉じ込め 係数が極端に減少する結果、 このままでは自励発振を生じることはできない。 本実施例では、 クラッド構造の他の部分よりも屈折率の大きな （A 1 0. 5 G a 0. 5 ) 0. B I n 0. S Pからなる光ガイド厣8 1 4を可飽和吸収層 8 0 6の近傍に 配置することによって、 可飽和吸収層 8 0 6の閉じ込め係数を増加させている。 光ガイド層 8 1 4の挿入によつて可飽和吸収層 8 0 6への閉じ込め係数を少なく とも 1 . 5 ½程度以上にすると、 安定な自励発振を生じることが可能となる。 可飽和吸収眉 8 0 6を量子井戸にした場合、 その膜厚が薄いため、 光ガイド眉 8 1 4なしで閉じ込め係数を自励発振に必要な大きさに設定することはできない。 また、 閉じ込め係数を増加させるために、 可飽和吸収層 8 0 6の層数を増加する と、 逆に可飽和吸収層 8 0 6の体植が増加してキヤリァ密度が小さくなり、 自励 発振は生じなくなる。 したがって可飽和吸収屋 8 0 6に光ガイド層 8 1 4を設け ることによって新たに自励発振を実現することができた。 When the saturable absorption layer 806 is made thin so as to have a quantum well structure, self-excited oscillation cannot be generated as it is as a result of an extremely reduced light confinement coefficient. In this embodiment, another big refractive index than parts of (A 1 0. 5 G a 0. 5) 0. BI n 0. The light guide厣8 1 4 saturable absorbing layer consisting of S P output clad structure By placing the saturable absorption layer 806 near the 806, the confinement coefficient of the saturable absorption layer 806 is increased. When the confinement coefficient in the saturable absorption layer 806 is made at least about 1.5 mm or more by inserting the light guide layer 814, stable self-pulsation can be generated. When the saturable absorption eyebrows 8 06 are quantum wells, their thickness is so thin that the confinement coefficient cannot be set to the size required for self-pulsation without the light guide eyebrows 8 14. Also, if the number of saturable absorber layers 806 is increased to increase the confinement coefficient, conversely, the body implant of the saturable absorber layer 806 increases, the carrier density decreases, and self-pulsation Will not occur. Therefore, by providing the light guide layer 814 in the saturable absorber 806, self-sustained pulsation was newly realized.
光ガイド眉 8 1 4のバンドギャップは、 可飽和吸収 |g 8 0 6のハ'ンドギャップ よりも大きくスぺーサ層 8 0 5のバンドギャップよりも小さいことが好ましい。 ただし、光ガイド層 8 1 4のバンドギヤップが可飽和吸収層 8 0 6のバンドギヤ ップに近すぎると、 可飽和吸収層 8 0 6への光の閉じ込めが大きくなりすぎ、 光 吸収の飽和特性を示さなくなるからである。  The band gap of the light guide eyebrows 8 14 is preferably larger than the saturable absorption | g 806 hand gap and smaller than the spacer layer 805 band gap. However, if the band gap of the light guide layer 814 is too close to the band gap of the saturable absorption layer 806, the light confinement in the saturable absorption layer 806 becomes too large, and the light absorption saturation characteristics Is no longer shown.
多重直子井戸活性屑 8 0 4は 3つの量子井戸眉を含み、 各量子井戸層の厚さは 5 0 Aである。 量子井戸可飽和吸収層 8 0 6のための光ガイド層 8 1 4は、 組成  The multiple decimation well active debris 800 contains three quantum well eyebrows, each quantum well layer being 50 A thick. The light guide layer 8 1 4 for the quantum well saturable absorption layer 8 6
5で膜厚 1 5 0 O Aの層から形成されている。 この厚さは 2 0 0人以上 で有効となることが分かっている。 本実施例の半導体レーザ素子の最高光出力 （P m e x ) は、 多重量子井戸活性層 8 0 4に量子井戸構造を導入することによって、 バルタ活性層を用いた半導体レ 一ザ素子の最高光出力よりも 2割程度増加できた。 また、 しきい値電流が低減さ れ、 萵温でも動作が可能となる。 また量子井戸可飽和吸収層 8 0 6は、 ドーパン トの拡散がない範囲で多重量子井戸活性眉 8 0 4近傍に設けてもかまわない。 本実施例の半導体レーザにより、 自励発提現象が得られ、 一 1 3 0 d B /H z 以下の相対雑音強度 （R I N) も得られている。 以上説明したように、 本実施例 の半導体レーザの特性は、 量子井戸活性眉、 スぺーサ層、 低濃度可飽和位吸収層、 および光ガイド層という新親な構造を採用している。 It is formed of a layer having a thickness of 150 and a thickness of 150 OA. This thickness has been found to be effective for more than 200 people. The maximum optical output (P mex ) of the semiconductor laser device of this embodiment can be increased by introducing a quantum well structure into the multiple quantum well active layer 804, thereby increasing the maximum optical output of the semiconductor laser device using the Balta active layer. Was increased by about 20%. Also, the threshold current is reduced. Therefore, operation is possible even at high temperatures. Further, the quantum well saturable absorption layer 806 may be provided in the vicinity of the multiple quantum well active eyebrow 804 as long as the dopant is not diffused. The self-excited emission phenomenon is obtained by the semiconductor laser of this embodiment, and a relative noise intensity (RIN) of less than 130 dB / Hz is obtained. As described above, the characteristics of the semiconductor laser of the present embodiment adopt a novel structure of a quantum well active eyebrow, a spacer layer, a low concentration saturable absorption layer, and a light guide layer.
(実施例 4 ) (Example 4)
本発明による半導体レーザ素子の第 4の実施例を説明する。  A fourth embodiment of the semiconductor laser device according to the present invention will be described.
本実施例の半導体レーザ素子は、 図 1の半導体レーザ素子と同様の構成を有し ている。 本実施例に特徴的な点は、下記表 2に示すように、 活性屑及び 又は可 飽和吸収層に種々の歪みが与えられている亊ことである。 表 2  The semiconductor laser device of this embodiment has the same configuration as the semiconductor laser device of FIG. The characteristic point of the present embodiment is that, as shown in Table 2 below, various strains are applied to the active debris and / or the saturable absorbing layer. Table 2
活性層 可 1¾和吸収 JB 歪なし （T Eモー ) 圧縮歪 （T Eモード）  Active layer OK 1¾ absorption JB No distortion (TE mode) Compressive strain (TE mode)
圧縮歪 （丁£モード） 圧縮歪 （T Eモード）  Compressive strain (cinch mode) Compressive strain (TE mode)
引張歪 （丁 Mモード） 引張歪 （TMモード） この実施例の半導体レーザは、 表 2に示すように、 活性層と可飽和吸収層に圧 縮歪と引張り歪をかけた場合の発振モードと吸収モードとの対応を示している。 活性層に歪をかけない場合、 レーザ光は T Eモードで発振する。 したがって可 飽和吸叹展にも圧縮歪をかけて T Eモードを吸収するようにする。 可飽和吸収層 は、 歪をかけない場合では T E、 TMの両方のモードを吸収するが、 レーザ発振 している方のモードを吸収しやすいようにしておけば、 吸収効率があがるため、 可飽和吸収層の厚さ （体積） を小さくしても自励 振の効果を容易に得ること力、' できる。 Tensile strain (M mode) Tensile strain (TM mode) As shown in Table 2, the oscillation mode when compressive strain and tensile strain are applied to the active layer and the saturable absorber layer is shown in Table 2. The correspondence with the absorption mode is shown. When the active layer is not strained, the laser beam oscillates in TE mode. Therefore, compressive strain is also applied to the saturable absorption to absorb the TE mode. The saturable absorber layer absorbs both TE and TM modes when no distortion is applied, If the mode of the saturable absorption layer is made easier to absorb, the effect of self-excitation can be easily obtained even if the thickness (volume) of the saturable absorption layer is reduced. it can.
同様に、 表 2に示すように活性層に圧縮歪をかけたときは、 T Eモードで発振 するため、 可飽和吸収層には圧縮歪をかけて、 T Eモードの吸収効率を大きくす る。 逆に、 活性層に引張り歪をかけたときは、 T Mモードで癸振するため、 可飽 和吸収層にも引張り歪をかけて、 T Mモードの吸収効率を大きくする。  Similarly, as shown in Table 2, when compressive strain is applied to the active layer, the active layer oscillates in the TE mode. Therefore, compressive strain is applied to the saturable absorbing layer to increase the TE mode absorption efficiency. Conversely, when tensile strain is applied to the active layer, the active layer is oscillated in the TM mode. Therefore, tensile strain is also applied to the saturable absorbing layer to increase the absorption efficiency in the TM mode.
このように活性 )Sの歪により、 レーザ発振するモードと、 可飽和吸 Φϋΐのモー ドとをあわせることにより、 可飽和吸収層でのレーザ光の吸収効率が大きくなり、 可飽和吸収層の厚さを小さくしても、 自励発振特性を得ることができる。  By combining the mode of laser oscillation and the mode of saturable absorption Φϋΐ due to the strain of active) S, the absorption efficiency of laser light in the saturable absorption layer increases, and the thickness of the saturable absorption layer increases. Even if the height is reduced, self-excited oscillation characteristics can be obtained.
本発明の各実施例では、 A 1 G a I n P系材料を用いた場合について説明して いるが、 いかなる材料から成る半導体レーザにも適用できる。  In each of the embodiments of the present invention, the case where the A1GaInP-based material is used is described, but the present invention can be applied to a semiconductor laser made of any material.
(実施例 5 ) (Example 5)
次に、 図 1 1を参照しながら、本発明による光ディスク装笸を説明する。  Next, an optical disc device according to the present invention will be described with reference to FIG.
この光ディスク装置は、 前述の本発明による半導体レーザ素子 9 0 1と、 半導 体レーザ素子 9 0 1から放射されたレーザ光（波長 6 5 0 n m) 9 0 2を平行光 にするコリメータレンズ 9 0 3と、 その平行光を 3本のレーザ光 （図では 1本の レーザ のみ示されている） に分餱する回折格子 9 0 と、 レーザ光の特定成分 を透過/反射するハーフプリズム 9 0 5.と、 ハーフプリズム 9 0 5から出たレー ザ光を光ディスク 9 0 7上に集光する集光レンズ 9 0 6とを備えている。 光ディ スク 9 0 7上では、 例えば、 直径 1 程度のレーザビームスポットが形成され る。 光ディスク 9 0 7は、 読み出し専用のものに限定されず、 書き換え可能なも のでもよい。  This optical disk device comprises a semiconductor laser element 901 according to the present invention and a collimator lens 9 for converting laser light (wavelength: 650 nm) 902 emitted from the semiconductor laser element 901 into parallel light. 0 3, a diffraction grating 90 that divides the parallel light into three laser beams (only one laser is shown in the figure), and a half prism 90 that transmits / reflects a specific component of the laser beam 5. and a condenser lens 906 for condensing the laser light emitted from the half prism 905 on the optical disk 907. On the optical disk 907, for example, a laser beam spot having a diameter of about 1 is formed. The optical disc 907 is not limited to a read-only disc, but may be a rewritable disc.
光ディスク 9 0 7からの反射レーザ光は、 ハーフプリズム 9 0 5で反射された 後、 受光レンズ 9 0 8及びシリンドリカルレンズ 9 0 9を透過し、 受光素子 9 1 0に入射する。 受光素子 9 1 0は、 複数に分割されたフォトダイオードを有して おり、 光ディスク 9 0 7から反射されたレーザ光に基づいて、 情報再生信号、 ト ラッキング信号及びフォーカスエラ一信号を生成する。 トラッキング信号及びフ オーカスエラー信号に基づいて駆動系 9 1 1が光学系を駆動することによって、 光ディスク 9 0 7上のレーザ光スポットの位置を調整する。 The reflected laser light from the optical disk 907 is reflected by the half prism 905 and then passes through the light receiving lens 908 and the cylindrical lens 909 to form the light receiving element 9 1 Incident at 0. The light receiving element 910 has a plurality of divided photodiodes, and generates an information reproduction signal, a tracking signal, and a focus error signal based on the laser light reflected from the optical disk 907. The drive system 911 drives the optical system based on the tracking signal and the focus error signal, thereby adjusting the position of the laser beam spot on the optical disc 907.
この光ディスク装置において、 半導体レーザ素子 9 0 1以外の構成要素は、 公 知の素子を用いてよい。前^のように、 本実施例の半導体レーザ素子 9 0 1は、 髙饞度にドープされた可飽和吸収履を有している。 このため、 光ディスク 9 0 7 から反射されたレーザ光の一部がハーフプリズム 9 0 5と回折格子 9 0 4を透過 して半導体レーザ素子 9 0 1に戻ってきても、 低ノイズの相対強度雑音は低いレ ベルに維持される。  In this optical disc device, known components may be used as components other than the semiconductor laser device 901. As described above, the semiconductor laser device 901 according to the present embodiment has a saturable absorbing element that is heavily doped. Therefore, even if a part of the laser light reflected from the optical disk 907 passes through the half prism 905 and the diffraction grating 904 and returns to the semiconductor laser element 901, the relative intensity noise of low noise is low. Is maintained at a low level.
図 1に示す半導体レーザ素子によれば、 光出力が約 1 O mWのレベルまでは自 励発振が生じるが、 そのレベルを越えて光出力を大きくして行くと、 発振状態は 徐々に自励究振から単一モード発振に変化して行く。 例えば、 光出力が約 1 5 m W場合、 自励癸振は生じない。 光ディスクに記録された情報を再生するときには、 半導体レーザ素子は自励発振によって戾り光雑音の生じない状態にあるべきだが、 光ディスク上に情報を記録するときには自励究振をしている必要はない。 例えば、 約 1 5 mWの光出力で情報の記録を行い、 約 5 mWの出力で情報の再生を行うよ うにす: Kば、 情報の低歪み再生だけではなく記録も可能になる。  According to the semiconductor laser device shown in Fig. 1, self-sustained pulsation occurs up to an optical output level of about 1 OmW, but as the optical output is increased beyond that level, the oscillation state gradually becomes self-excited. It changes from the vibration to the single mode oscillation. For example, when the light output is about 15 mW, no self-excited oscillation occurs. When reproducing information recorded on an optical disk, the semiconductor laser element should be in a state where no optical noise occurs due to self-excited oscillation. However, when recording information on an optical disk, it is not necessary to perform self-excited excitation. Absent. For example, record information with an optical output of about 15 mW and reproduce information with an output of about 5 mW: K enables recording as well as low distortion reproduction of information.
このように、 本発明の光ディスク装置によれば、 高周波重畳用の回路部品を用 いることなく、 波長が 6 3 0 - 6 8 0 n m帯で低歪みの再生が達成される。  As described above, according to the optical disk device of the present invention, reproduction with low distortion can be achieved at a wavelength of 630-680 nm without using circuit components for high-frequency superposition.
これに対して、 従来の波長が 6 3 0〜6 8 0 n m帯 A 1 G a I n p系半導体レ —ザ素子は、 安定な自励発振を起こせなかったため、 従来の A 1 G a I n P系半 導体レーザ素子を光ディスク装置に用いる場合、 高周波を駆動電流に重璺するこ とによって、 戻り光雑音を抑制する必要があった。 そのためには、 大型の高周波 重畳回路が必要となり、 光ディスク装置の小型化に不適当であった。 (実施例 6) In contrast, conventional wavelength 6 3 0~6 8 0 nm band A 1 G a I n p type semiconductor laser - The device, because it was not Okose stable self-oscillation, conventional A 1 G a I When an nP-based semiconductor laser element is used in an optical disc device, it is necessary to suppress the return light noise by superimposing a high frequency on the drive current. For that purpose, a large high-frequency superimposing circuit was required, which was inappropriate for miniaturization of the optical disk device. (Example 6)
次に、 本発明による光ディスク装置の他の実施例を説明する。  Next, another embodiment of the optical disk device according to the present invention will be described.
この光ディスク装置は、 前述の本発明による半導体レーザ素子を含むレーザュ ニットを用いた装置である。 このレーザユニットは、 フォトダイオードの形成さ れたシリコン基板と、 その上にマウントされた半導体レーザ衆子とを含んでいる。 更に、 シリコン基板には半導体レーザ素子から放射されたレーザ光を反射させる ミイク。ミラーが形成されている。  This optical disk apparatus is an apparatus using a laser unit including the aforementioned semiconductor laser device according to the present invention. The laser unit includes a silicon substrate on which a photodiode is formed, and a semiconductor laser mounted on the silicon substrate. In addition, the silicon substrate reflects the laser light emitted from the semiconductor laser device. A mirror is formed.
まず、 図 12を参照しながら、 このレーザユニットを説明する。 図 12に示さ れるように、 シリコン基板 （7ミリ X 3. 5ミリ） 1の主面 1 aの中央に凹部 2が形成されており、 その凹部 2の底面に半導体レーザ索子 3が配置されている。 凹部 2の一側面は傾斜しており、 マイクロミラー 4として機能する。 シリコン基 板 1の主面 1 aが面方位 （100) の場合、 異方性エッチングによって、 （1 1 1) 面を S出させ、 マイクロミラー 4として利用することができる。 （1 1 1) 面は、 （100)から 54° 傾斜しているので、 主面 1 aが (1 00)面からぐ 1 10 >方向に 9° だけ傾斜したオフ基板を用いれば、 主面 1 aに対して 45° 傾斜した （1 1 1) 面が得られる。 なお、 この （1 1 1) 面に対向する位置に設 けられた （1 1 1) 面は基板主面 1 aに対して 63。 傾斜することになる。 この 面には'、 マイクロミラー 4が形成されず、 後述する光出力モニター用フォ十ダイ オード 5が形成される。 異方性エッチングによって形成した （1 1 1) 面は平滑 なミラー面であるので、 優れたマイクロミラー 4として機能するが、 マイクロミ ラ一4の反射効率を高めるために、 レーザ光を吸収しにくい金属膜を少なくとも シリコン基板 1の傾斜面上に蒸着することが好ましい。  First, the laser unit will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 12, a recess 2 is formed in the center of the main surface 1 a of a silicon substrate (7 mm × 3.5 mm) 1, and a semiconductor laser probe 3 is arranged on the bottom of the recess 2. ing. One side surface of the concave portion 2 is inclined and functions as a micro mirror 4. When the main surface 1a of the silicon substrate 1 has a plane orientation of (100), the (111) plane is exposed to S by anisotropic etching and can be used as the micromirror 4. The (1 1 1) plane is inclined 54 ° from (100), so if the off-substrate whose main surface 1a is inclined by 9 ° in the 1 10> direction from the (100) plane is used, the main surface (1 1 1) plane inclined at 45 ° to 1a is obtained. The (1 1 1) plane provided at a position facing this (1 1 1) plane is 63 with respect to the substrate main surface 1a. Will be inclined. On this surface, the micromirror 4 is not formed, and a light output monitoring diode 5 described later is formed. The (1 1 1) surface formed by anisotropic etching is a smooth mirror surface, so it functions as an excellent micromirror 4. However, it increases the reflection efficiency of the micromirror 14 and hardly absorbs laser light. It is preferable to deposit a metal film on at least the inclined surface of the silicon substrate 1.
シリコン基板 1には、 半導体レーザ素子 3の光出力モニター用フォトダイォー ド 5以外にも、 光信号検出用の 5分割フォトダイオード 6 a及び 6 bが形成され ている。 図 13を参照しながら、 本実施例の光ディスク装置を説明する。 前述したよう な構造を持つレーザユニット 10の半導体レーザ素子 （図 13において不図示） から放射されたレーザ光は、 マイクロミラー （図 13において不図示） によって 反射された後、 ホログラム素子 11の下面に形成されたグレーティングによって 3本のビームに分離される （図中では簡単化のため 1本のビームのみ示されてい る） 。 その後、 レーザ光は四分の一波長板（1Z4 λ板） 12と対物レンズ 13 を透過し、 光ディスク 14上に集光される。 光ディスク 14から反射されたレー ザ光は、 対物レンズ 13及び 1 4 λ扳 12を透過した後、 ホログラム素子 11 の上面に形成されたグレーティングによって回折される。 この回折によって、 図 14に示されるように、 — 1次光と + 1次光とが形成される。 例えば、 一 1次光 は図中左に位置する受光面 15 aに照射され、 + 1次光は図中右に位置する受光 面 15bに照射される。 一 1次光と +1次光とで焦点距離力異なるように、 ホロ グラム素子 11の上面に形成されたグレーティングのパターンが調整される。 図 15に示されるように、 レーザ光が光ディスク上で焦点を結んでいるときに は、 レーザュニット 10の受光面 15 aに形成される反射レーザ光のスポッ 卜の 形状は、 受光面 15 bに形成される反射レーザ光のスポットの形状と等しくなる。 レーザ光が光ディスク上で焦点を結んでいないときは、 レーザュニッ 卜の受光面 に形成される反射レーザ光のスポットの形状が 2つの受光面 15 a及び 15 bで 異なる： On the silicon substrate 1, in addition to the photodiode 5 for monitoring the optical output of the semiconductor laser element 3, five-division photodiodes 6a and 6b for detecting an optical signal are formed. With reference to FIG. 13, the optical disc device of the present embodiment will be described. The laser light emitted from the semiconductor laser element (not shown in FIG. 13) of the laser unit 10 having the above-described structure is reflected by a micromirror (not shown in FIG. 13), and is reflected on the lower surface of the hologram element 11. The beam is separated into three beams by the formed grating (only one beam is shown in the figure for simplicity). After that, the laser beam passes through the quarter-wave plate (1Z4λ plate) 12 and the objective lens 13 and is focused on the optical disk 14. The laser light reflected from the optical disc 14 is transmitted through the objective lens 13 and 14λ 扳 12, and then diffracted by the grating formed on the upper surface of the hologram element 11. Due to this diffraction, as shown in FIG. 14, —first-order light and + first-order light are formed. For example, the primary light is applied to the light receiving surface 15a located on the left in the figure, and the + primary light is applied to the light receiving surface 15b located on the right in the figure. The grating pattern formed on the upper surface of the holographic element 11 is adjusted so that the focal length force differs between the primary light and the + 1st order light. As shown in FIG. 15, when the laser light is focused on the optical disk, the shape of the spot of the reflected laser light formed on the light receiving surface 15a of the laser unit 10 is formed on the light receiving surface 15b. It is equal to the shape of the spot of the reflected laser light to be reflected. When the laser light is not focused on the optical disk, the shape of the spot of the reflected laser light formed on the light receiving surface of the laser unit is different between the two light receiving surfaces 15a and 15b:
こ øように左右の受光面上に形成される光スポットの大きさは、 次のようにし てフォーカスエラ一信号 FE Sして検出される。  The size of the light spot formed on the left and right light receiving surfaces as described above is detected as a focus error signal FES as follows.
FES= (S 1 + S3 + S5) - CS2 + S4 + S6)  FES = (S 1 + S3 + S5)-CS2 + S4 + S6)
ここで、 S 1〜S 3は、 図 15に示すように、 受光面 15 aを構成している 5 つのフォトダイオードの内の中央の 3つのフォトダイォードから出力された儍号 強度を意味し、 S4〜S 6は、 受光面 15 bを構成している 5つのフォトダイォ 一ドの内の中央の 3つのフォトダイオードから出力された信号強度を意味してい る。 フォーカスエラー信号 FESがゼロのとき、 レーザ光は光ディスク上に焦点 を結んでいる （on f 0 c u s ) 。 図 13のァクチユエータ 15によって、 フ オーカスエラー懦号 FE Sがゼロになるように対物レンズ 13が駆動される。 トラッキングエラー信号 TESは、 次のようにして求められる。 Here, S1 to S3 mean the signal intensities output from the central three photodiodes among the five photodiodes constituting the light receiving surface 15a, as shown in FIG. S4 to S6 mean the signal intensities output from the central three photodiodes among the five photodiodes constituting the light receiving surface 15b. You. When the focus error signal FES is zero, the laser beam is focused on the optical disk (on f 0 cus). The objective lens 13 is driven by the actuator 15 shown in FIG. 13 such that the focus error FES becomes zero. The tracking error signal TES is obtained as follows.
TES= (T1-T2) + (T3-T4)  TES = (T1-T2) + (T3-T4)
ここで、 T1及び T 2は、 受光面 15 aを構成している 5つのフォトダイォー ドの内の両端の 2つのフォトダイオードから出力された信号強度を意味し、 T3 及び T4は、 受光面 15 bを構成している 5つのフォトダイオードの內の両端の 2つのフォトダイオードから出力された侰号強度を意味している。  Here, T1 and T2 mean the signal intensities output from the two photodiodes at both ends of the five photodiodes constituting the light receiving surface 15a, and T3 and T4 are the light receiving surfaces 15b It means the signal intensity output from the two photodiodes at both ends of the five photodiodes that make up.
情報信号 RESは、 次のようにして求められる。  The information signal RES is obtained as follows.
RE S= (S 1 + S3 + S5) + (S 2 + S + S 6)  RE S = (S 1 + S3 + S5) + (S 2 + S + S 6)
なお、 本実施例では、 半導体レーザ素子とフォトダイオードとが一体化された レーザュニットを用いたが、 これらが分離されていてもよい。  In this embodiment, a laser unit in which a semiconductor laser element and a photodiode are integrated is used, but these may be separated.
このように、 半導体レーザ素子とフォトダイォードとが一体的に構成されたレ —ザュニッ卜を用いることによって、 光ディスク装置の小型化が可能となる。 ま た、 フォトダイオード及びマイクロミラーがシリコン基板に予め形成されている ので、 光学的なァライメントは、 シリコン基板に対する半導体レーザ素子の位置 あわせだけを行えば良い。 このように光学的なァライメントが容易であるので、 組立精'度が高く、 製造工程が簡単になる。 產業上の利用の可能性  As described above, by using the laser unit in which the semiconductor laser element and the photodiode are integrally formed, the optical disk device can be downsized. In addition, since the photodiode and the micromirror are formed in advance on the silicon substrate, the optical alignment only needs to be performed for the alignment of the semiconductor laser element with respect to the silicon substrate. Since the optical alignment is easy, the assembling accuracy is high and the manufacturing process is simplified.利用 Possibility of industrial use
以上のように本発明の半導体レーザは、 スぺーサ層の厚さを調整することで、 スぺーサ眉の降壁を越えて可飽和吸収層に注入される ¾子密度を制御することが でき、 その結果、 キャリアの寿命時間を減少させることができ、 安定した自励発 振特性を実現するとともに、 自励発振特性を得るために可飽和吸収層を髙澳度に ドーピングする必要がなく、 ドーパントの拡散も防止できるので、 信頼性の高い レ一ザ特性が得られることになる, As described above, in the semiconductor laser of the present invention, by adjusting the thickness of the spacer layer, it is possible to control the density of particles injected into the saturable absorbing layer beyond the lower wall of the spacer eyebrow. As a result, the life time of carriers can be reduced, and stable self-excited oscillation characteristics can be realized. High reliability because the diffusion of dopants can be prevented. Laser characteristics will be obtained,

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
1 . 活性 と、 該活性層を挟むクラッド構造とを備えた自励発振型半導体レ 一ザであって、 1. A self-sustained pulsation type semiconductor laser having an activity and a cladding structure sandwiching the active layer,
該クラッド構造は、 不純物がドープされている可飽和吸収層を含んでおり、 該可飽和吸収層は、 該活性展から離れた位置に配置され、 該活性層から該可飽 和吸収屈へのヘテロバリアリーク電子密度が、 1 x 1 0 c m—3以上である自 励発振型半導体レーザ。 The cladding structure includes a saturable absorber layer doped with impurities, the saturable absorber layer is disposed at a position away from the active layer, and is configured to move the active layer from the active layer to the saturable absorber. A self-pulsating semiconductor laser with a heterobarrier leak electron density of 1 x 10 cm- 3 or more.
2 . 前記可飽和吸収層にドープされた不純物は、 p型である請求項 1に記載 の自励発振型半導体レーザ。 2. The self-pulsation type semiconductor laser according to claim 1, wherein the impurity doped in the saturable absorption layer is a p-type.
3 . 前記活性展と前記可飽和吸収展との間にはスぺーサ層が設けられ、 該スぺーサ層の厚さが 5 0 0 A以下である請求項 1に記載の自励発振型半導体 レーザ。 3. The self-excited oscillation type according to claim 1, wherein a spacer layer is provided between the active extension and the saturable absorption extension, and the thickness of the spacer layer is 500 A or less. Semiconductor laser.
4 . 前記スぺーサ麿の伝導帯における降壁の高さと厚さは、 前記へテロバリ ァリーク電子密度が 1 X 1 0 1 c m 以上にするように設定されている請求項 3に記 の自励発振型半導体レーザ。 4. The scan height and thickness of Fukabe in the conduction band of the spacer Malo, the to Terobari Ariku electron density 1 X 1 0 1 set to the above cm are to claim 3 and serial free running Oscillation type semiconductor laser.
5. 前記スぺーサ層の伝導帯における障壁の高さが、 クラッ ド構造の n型部 分の障壁高さよりも高い請求項 4に記載の自励発振型半導体レーザ。 5. The self-pulsation type semiconductor laser according to claim 4, wherein a height of a barrier in a conduction band of the spacer layer is higher than a barrier height of an n-type portion of the clad structure.
6 . 前記スぺーサ眉の伝導帯における障壁の高さが、 クラッド構造の n型部 分の障壁高さよりも低い請求項 4に記載の自励発振型半導体レーザ。 6. The self-pulsation type semiconductor laser according to claim 4, wherein the height of the barrier in the conduction band of the spacer eyebrows is lower than the height of the barrier of the n-type portion of the clad structure.
7. 前記可飽和吸収層は、 圧縮歪の与えられた量子井戸から形成されている 請求項 1に記載の自励発振型半導体レーザ。 7. The self-pulsation type semiconductor laser according to claim 1, wherein the saturable absorption layer is formed of a quantum well having a compressive strain.
8. 前記活性層および前記可飽和吸収層が、 ともに圧縮歪をもつ歪量子井戸 から形成されている請求項 1に記載の自励発振型半導体レーザ。 8. The self-pulsation type semiconductor laser according to claim 1, wherein the active layer and the saturable absorption layer are both formed of strained quantum wells having a compressive strain.
Θ. 前記活性層および前記可飽和吸収層が、 ともに引張り歪をもつ歪量子井 戸から形成されている請求項 1に記載の自励発振型半導体レーザ。 2. The self-pulsation type semiconductor laser according to claim 1, wherein both the active layer and the saturable absorption layer are formed of strain quantum wells having tensile strain.
10. 前記スぺーサ層の不純物港度が 1. 0X 10 cm 以上、 1. 0 X 10 cm_ 以下である請求項 1に記載の自励発振型半導体レーザ。 10. The scan impurities Minatodo the spacer layer 1. 0X 10 cm or more, 1. 0 X 10 self-pulsation type semiconductor laser according to claim 1 cm _ less.
11. 前記可飽和吸収暦の不純物濃度が 1. 0x 1 o 18cnT3以下である 請求項 1に記載の自励発振型.半導体レーザ。 11. The impurity concentration of the saturable absorber calendar 1. 0x 1 o 18 cnT 3 self-pulsating according to the is claim 1 below. The semiconductor laser.
12. 前記へテロバリアリーク鼋子密度が 4 1018 cnTS以下である請 求項 3に記載の自励発振型半導体レーザ。 12. self-pulsation type semiconductor laser according to請Motomeko 3 hetero barrier leakage鼋子density of less 4 10 18 cnt S to the.
13： 半導体レーザ素子と、 該半導体レーザ素子から放射されたレーザ光を 記録媒体に集光する集光光学系と、 該記録媒体によつて反射されたレーザ光を検 出する光検出器とを備えた光ディスグ装置であって、 13: a semiconductor laser element, a condensing optical system for condensing laser light emitted from the semiconductor laser element on a recording medium, and a photodetector for detecting laser light reflected by the recording medium An optical digging device comprising:
該半導体レーザ素子は、 該クラッ ド構造は、 不純物がドープされている可飽和 吸収層を含んでおり、 該可飽和吸収層は、 該活性層から雔れた位置に配 S:され、 該活性層から該可飽和吸収層へのヘテロバリアリーク電子密度が、 1 X 1018 cm 以上である、 光ディスク装置。 In the semiconductor laser device, the cladding structure includes a saturable absorbing layer doped with impurities, the saturable absorbing layer is disposed at a position separated from the active layer, An optical disc device, wherein a hetero barrier leak electron density from the layer to the saturable absorption layer is 1 × 10 18 cm or more.
1 4. 前記半導体レーザ素子は、 情報を前記記録媒体に記録するときには単 一モードで発振し、 該記録媒体に記録されている情報を再生するときには、 自励 発振モードで動作する請求項 1 3に記載の光ディスク装笸。 1 5'. 前記半導体レーザ素子の近傍に前記光検出器が配置されている請求項 1 3に記載の光ディスク装置。 14. The semiconductor laser device oscillates in a single mode when information is recorded on the recording medium, and operates in a self-excited oscillation mode when reproducing information recorded on the recording medium. An optical disk device according to claim 1. 15. The optical disk device according to claim 13, wherein the photodetector is arranged near the semiconductor laser device.
1 6. 前記光検出器は、 シリコン基板に形成された複数のフォトダイオード を有しており、 前記半導体レーザ素子は該シリコン基板上に配置されている請求 項 1 5に記戦の光ディスク装置。 16. The optical disc device according to claim 15, wherein the photodetector has a plurality of photodiodes formed on a silicon substrate, and the semiconductor laser element is disposed on the silicon substrate.
1 7 . 前記シリコン基板は、 その主面に形成された凹部と、 該シリコン基板 の凹部の一側面に形成されたマイクロミラーとを有しており、 17. The silicon substrate has a concave portion formed on the main surface thereof, and a micromirror formed on one side surface of the concave portion of the silicon substrate.
前記半導体レーザ素子は、 該シリコン基板の該凹部内に配置され、 該半導体レ 一ザ素子から故射されたレーザ光が該マイクロミラーによって反射された後、 該 シリコン基板の主面にほぽ垂直な方向に進むように該マイクロミラーと該主面と の角度が設定されている、 請求項 1 6に記載の光ディスク装置。  The semiconductor laser device is disposed in the concave portion of the silicon substrate, and after a laser beam emitted from the semiconductor laser device is reflected by the micromirror, the semiconductor laser device is substantially perpendicular to the main surface of the silicon substrate. 17. The optical disk device according to claim 16, wherein an angle between the micromirror and the main surface is set so as to proceed in a different direction.
1 8 ·' 前記マイクロミラーの表面には、 金厲膜が形成されている請求項 1 7に 記載の光ディスク装 g0 The 1 8-'surface of the micro mirror, the optical disk instrumentation g 0 of claim 1 7 in which the gold厲膜is formed
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