JPH06302916A - 半導体光素子 - Google Patents

半導体光素子

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JPH06302916A
JPH06302916A JP11222293A JP11222293A JPH06302916A JP H06302916 A JPH06302916 A JP H06302916A JP 11222293 A JP11222293 A JP 11222293A JP 11222293 A JP11222293 A JP 11222293A JP H06302916 A JPH06302916 A JP H06302916A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
absorption
layer
semiconductor optical
oscillation
Prior art date
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Pending
Application number
JP11222293A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenji Kawashima
健児 川島
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 集積化及び小型化を容易に行え、パルス光を
発する半導体光素子を提供すること。 【構成】 超格子構造の吸収層6を備える吸収部Bに電
圧が印加され2準位間エネルギーギャップが高くなり、
発振する光に対する吸収係数が小さくなる。このとき、
活性層11を備える利得部Cでは利得に比べて共振器内
の損失が小さくなり光が発振する。光が発振した状態で
は、吸収部Bと直列接続された抵抗Rにかかる電圧が増
加して吸収部Bにかかる電圧が減少し、吸収層6の吸収
係数は大きくなる。このとき、吸収層6での光の吸収が
大きくなり、活性層11の光利得に比べて共振器内の損
失が大きくなり、光の発振が停止する。光の発振が停止
すると吸収部Bにかかる電圧が増加し、吸収層6の吸収
係数が小さくなり、共振器全体の損失が活性層11の光
利得より小さくなって光が発振する。これを繰り返すこ
とによって、パルス光が出力される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、活性層及び吸収層を備
える垂直共振器型の半導体光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】図8は、パルス光を発振する従来のレー
ザ装置の構造を示す模式的断面図である。図に示すレー
ザ装置はストライプ構造であり、n−GaAsからなる
基板51上にクラッド層52,AlGaAsからなる活
性層53,クラッド層54及びコンタクト層55が、こ
の順に積層され、コンタクト層55上の中央には電極5
6が形成され、電極56を挟んで両側に電極57,58
が形成されている。
【0003】このようなストライプ構造のレーザ装置
は、電極57,58に電圧が印加され、電極56に逆バ
イアス電圧が印加されており、適切な値の電流を流した
場合に、キャリアが活性層53へ注入され、装置内での
光強度が次第に増加する。このとき、電極56により逆
バイアス電圧が印加されている活性層53の中央部、即
ち可飽和吸収領域SAで光の一部が吸収される。このた
めに、装置内での光密度はレーザ光発振に十分な程度ま
で達しない。
【0004】そして、可飽和吸収領域SAが飽和状態に
なったときには、光が吸収されなくなり、装置内の光強
度が急に増加して、活性層53にてキャリアの反転分布
が生じ、レーザ光が発振する。この瞬間にキャリア放出
により反転分布がなくなり、装置内で光強度が弱い状態
に戻る。そして、再び光強度が増加するに従って可飽和
吸収領域SAで光の一部が吸収される。
【0005】このようにして、上述のレーザ装置ではレ
ーザ光の発振と停止が交互に起こり、パルス光が出力さ
れる。このようにパルス光が出力されるレーザ装置は、
Appl.Phys.Lett.58 (12), 25 March 1991 に提案されて
いる。このようなレーザ装置に、過大な電流を流した場
合は、光発振したときにキャリアが放出されても反転分
布が消滅せず、この結果レーザ光の発振が停止しないの
で、光を発振した状態が続き、パルス光は出力されな
い。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザ装置
は前記ストライプ型と垂直共振器型とに大別され、垂直
共振器型は、基板,活性層及び反射鏡等の構成層の積層
方向に光を発振させるレーザ装置である。上述したパル
ス光を出力するストライプ型のレーザ装置は、これを2
次元的に集積化する場合に、装置が大きくなるという問
題がある。これに対して、垂直共振器型のレーザ装置は
2次元で集積化しても小型化が可能である。このような
2次元でパルス光を出力する垂直共振器型のレーザ装置
は、例えば2次元で発振する光コンピュータ用のクロッ
クに応用することが考えられる。
【0007】本発明は、吸収領域での光の吸収双安定特
性を利用することにより、光の発振,停止が繰り返され
ることに着目してなされたものであり、集積化及び小型
化が容易に行え、パルス光を出力する半導体光素子を提
供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】第1発明に係る半導体光
素子は、積層方向に活性層を挟んで両側に反射鏡を備
え、この両反射鏡間での吸収損失より大きな光利得で積
層方向に光を発振させる半導体光素子において、前記両
反射鏡間に、前記光に対して吸収係数の双安定性を有す
る吸収層を備えることを特徴とする。
【0009】第2発明に係る半導体光素子は、第1発明
において、前記吸収層が超格子構造であることを特徴と
する。
【0010】
【作用】本発明の半導体光素子では、両側に備える反射
鏡の間に吸収層を備えており、この吸収層は、吸収係数
の双安定性を有する、即ち発振すべき光に対して2通り
の吸収係数α1 ,α2 で安定状態を保つ。この2通りの
安定状態を以下に説明する。図9は、発振する光強度と
吸収係数との関係を示したグラフであり、縦軸は吸収係
数を、横軸は光強度を表している。図から、小さい吸収
係数α1 での安定状態で光強度は増加する。この結果、
大きい吸収係数α2 での安定状態へ遷移し、光強度はL
1 に達してから次第に減少する。この結果、小さい吸収
係数α1 での安定状態へ遷移し、光強度がL2 まで減少
してから次第に増加する。そして、再び大きい吸収係数
α2 での安定状態へ遷移する。このように、前記吸収層
は、光強度により2通りの吸収係数α1 ,α2 での安定
状態を繰り返す。
【0011】本発明では、以上のような吸収層に活性層
からの光が吸収される。図10は、垂直共振器型の半導
体光素子の発振特性を示すグラフであり、縦軸は光強度
を横軸は電流値を表している。図中aは、反射鏡間での
吸収損失が少ない場合の、即ち吸収係数が小さい場合の
発振光について示しており、IOPよりも小さい電流値で
2 以上の光強度で発振する。また、bは吸収係数が大
きい場合の発振光について示しており、IOPよりも大き
い電流値でL2 以上の光強度で発振する。このような発
振特性を有する半導体光素子に上述の吸収層を形成する
ことによって、活性層に電流IOPを流すと、光が発振し
て(L1 )大きい吸収係数α2 になり、吸収係数α2
なると光の発振が停止し(L2 )、光の発振が停止する
と、小さい吸収係数α1 になって光を発振する。このよ
うに光の発振,停止を繰り返すことによって、パルス光
が出力する。
【0012】
【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図面に基づ
き具体的に説明する。図1は、本発明の半導体光素子の
模式的斜視図である。図1に示すように、本発明の光半
導体素子Mは直方体形状の基板部A上に吸収層を備える
吸収部Bが形成されており、吸収層Bは基板部Aよりも
底面積を小さくして基板部Aの一角領域上に積層されて
いる。そして、吸収部B上には活性層を備える略円柱形
状の利得部Cが、吸収部Bの一角領域上に積層されてい
る。そして、利得部B及び基板部A表面に電極17が、
吸収部B及び基板部A表面に電極16が、そして基板部
A表面に電極15が形成されている。
【0013】図2〜図5は、このような半導体光素子を
製造する過程を示す図1のII−II線から見た模式的断面
図である。半導体光素子Mの構造をさらに具体的に以下
に説明する。図2に示すように、n−GaAsからなる
基板1上に、MBE(分子線エピタキシャル)法によ
り、以下の層が順次積層される。 バッファ層2:n−GaAs DBR3(ブラグ反射鏡):n−GaAs/AlAs
(59nm/73nm)20ペア 第1のクラッド層4:n−Alx Ga1-x As 第2のクラッド層5:Alx Ga1-x As 吸収層6:GaAs/AlAs(8nm/0.49nm)5ペア
の超格子構造 第3のクラッド層7:Alx Ga1-x As 第4のクラッド層8:p−Alx Ga1-x As 第1のコンタクト層9:p−Al0.1 Ga0.9 As(
0.5μm) 第5のクラッド層10:Alx Ga1-x As 活性層11:Al0.3 Ga0.7 As/GaAs(7nm/
9nm)3ペア 第6のクラッド層12:n−Alx Ga1-x As DBR13(ブラグ反射鏡):n−GaAs/AlAs
の20ペア 第2のコンタクト層14:n−GaAs
【0014】このように積層された最上層の第2のコン
タクト層14を、フォトリソグラフィ及びエッチングに
より、DBR13のほぼ中央にDBR13よりも小さい
面積を残存させて除去する。そして、光を出射すべき直
径2μm程度の領域以外の領域に、第5のクラッド層1
0の深さまでのプロトン照射を行い、電流ブロック領域
D,Dを形成する。
【0015】次に、図3に示すように、フォトリソグラ
フィ及び第1のコンタクト層9に到達する深さまでのエ
ッチングにより、第2のコンタクト層14を含めた直径
10μmの円柱形状の利得部Cを残存させて、DBR1
3,第6のクラッド層12,活性層11及び第5のクラ
ッド層10を除去する。次に、図4に示すように、フォ
トリソグラフィ及びバッファ層2に到達する深さまでの
エッチングにより、利得部Cよりも底面積を大きくし
て、吸収部Bを形成する。そして、図5に示すように、
バッファ層2上に電極15を、第1のコンタクト層9上
に電極16を、第2のコンタクト層14上に電極17を
形成する。
【0016】このような構造の半導体光素子Mは、活性
層11の組成が所望する発振光の波長によって設定され
る。また、超格子構造はワニエ・シュタルク局在性を有
し、電界印加時と無印加時とで2準位間エネルギーギャ
ップが大きく変化するので、超格子構造における光の吸
収係数は大きく変化する。このような超格子構造の吸収
層6の組成及び厚みは、前記発振光のエネルギーが、吸
収層6の印加電圧の大小による夫々の2準位間エネルギ
ーギャップの間となるように設定される。
【0017】図6は、以上のように形成された半導体光
素子Mの電極に電源及び抵抗を接続した場合の模式的断
面図である。電極17及び電極16間に電源を設け、電
極15側には電源を電極16側には抵抗Rを、吸収部B
及び抵抗Rが直列接続されるように設ける。このような
構成の面発光レーザ装置においては、吸収部Bに電圧が
印加されて超格子構造の2準位間エネルギーギャップが
高くなり、発振される光に対する吸収係数が小さく(α
1 )なる。このとき、電流が注入された利得部Cでは活
性層11の利得が共振器内の損失を上回り、しきい値を
越えて光を発振させる。
【0018】光を発振している状態では、抵抗Rにかか
る電圧が増加して吸収部Bにかかる電圧は減少し、吸収
層6の発振する光に対する吸収係数は大きく(α2 )な
る。このとき、吸収層6での光の吸収が大きくなり、活
性層11の利得に比べ共振器内の損失が低くなって、光
の発振が停止される。光の発振が停止されると吸収部B
にかかる電圧が増加し、吸収層6の吸収係数が小さくな
って(α1 )、再び活性層11の利得が共振器内の損失
を上回り光を発振させる。以上のような動作を繰り返す
ことによって、パルス光が出力する。図7は、発振され
た光の動作特性を示す説明図であり、縦軸は光出力を横
軸は時間を表している。
【0019】このようにパルス光を出力する半導体光素
子は、発振する光のビームパターンが円形であり、ま
た、垂直共振器型であるので光の反射率が高く、利得部
Cと吸収部Bとの光の結合効率が良い。また上述のよう
に、吸収層6を超格子構造とすることにより、吸収係数
の変動差が大きくなり、発振光の動作特性を向上させ
る。
【0020】なお、本実施例では半導体光素子はn型の
基板上に形成された場合を説明しているが、これに限る
ものではなく、p型の基板上に形成されていても良い。
また、半導体光素子の積層構造及び組成は、上述に示さ
れた限りではなく、InGaAs系であっても良いし、
吸収層6での発振光に対して吸収係数が双安定性を保持
するものであれば良い。さらに、本実施例では吸収層6
を超格子構造で形成しているが、これに限るものではな
く、吸収係数の双安定特性を有する組成であれば良い。
【0021】また、本実施例では電流狭窄のためにプロ
トン照射を行った場合を説明しているが、これに限るも
のではなく、電流狭窄機能を有する電流ブロック層を形
成した構造のものであっても良い。また、上述の実施例
では吸収部Bに抵抗Rを接続しているが、これに限るも
のではなく、例えばダイオードのようなものでも良い。
【0022】
【発明の効果】以上のように、本発明においては、発振
すべき光に対して吸収係数の双安定性を有する吸収層
を、垂直共振器型の半導体光素子に備えることにより、
光の発振,停止が交互に行われてパルス光が出力し、2
次元集積で小型化できる等、本発明は優れた効果を奏す
るものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体光素子の模式的斜視図である。
【図2】本発明の半導体光素子を製造する過程を示す図
1のII−II線から見た模式的断面図である。
【図3】本発明の半導体光素子を製造する過程を示す図
1のII−II線から見た模式的断面図である。
【図4】本発明の半導体光素子を製造する過程を示す図
1のII−II線から見た模式的断面図である。
【図5】本発明の半導体光素子を製造する過程を示す図
1のII−II線から見た模式的断面図である。
【図6】本発明の半導体光素子Mの電極に電源及び抵抗
を接続した場合の模式的断面図である。
【図7】発振された光の動作特性を示す説明図である。
【図8】パルス光を出力する従来のレーザ装置の構造を
示す模式的断面図である。
【図9】発振する光強度と吸収係数との関係を示したグ
ラフである。
【図10】垂直共振器型の半導体光素子の発振特性を示
すグラフである。
【符号の説明】
1 基板 3,13 多層膜反射鏡 6 吸収層 11 活性層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 積層方向に活性層を挟んで両側に反射鏡
    を備え、この両反射鏡間での吸収損失より大きな光利得
    で積層方向に光を発振させる半導体光素子において、 前記両反射鏡間に、前記光に対して吸収係数の双安定性
    を有する吸収層を備えることを特徴とする半導体光素
    子。
  2. 【請求項2】 前記吸収層が超格子構造であることを特
    徴とする請求項1記載の半導体光素子。
JP11222293A 1993-04-14 1993-04-14 半導体光素子 Pending JPH06302916A (ja)

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JP11222293A JPH06302916A (ja) 1993-04-14 1993-04-14 半導体光素子

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JP11222293A JPH06302916A (ja) 1993-04-14 1993-04-14 半導体光素子

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003523092A (ja) * 2000-02-11 2003-07-29 ギガテラ・アクチェンゲゼルシャフト 受動モード同期光ポンピング半導体の外部空洞共振器面発光レーザ
KR100716645B1 (ko) * 2005-10-31 2007-05-09 서울옵토디바이스주식회사 수직으로 적층된 발광 다이오드들을 갖는 발광 소자

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