JPH11307860A - Semiconductor laser and semiconductor optical amplifier - Google Patents

Semiconductor laser and semiconductor optical amplifier

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JPH11307860A
JPH11307860A JP10107737A JP10773798A JPH11307860A JP H11307860 A JPH11307860 A JP H11307860A JP 10107737 A JP10107737 A JP 10107737A JP 10773798 A JP10773798 A JP 10773798A JP H11307860 A JPH11307860 A JP H11307860A
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quantum dot
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Yoshihiro Nanbu
芳弘 南部
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the transverse mode controllability, by spatially controlling the distribution density of quantum dots in an active layer of a surface-emitting semiconductor laser having the active layer including a quantum dot structure. SOLUTION: A quantum dot-contg. active layer 22 is formed horizontal, two end faces 21 form a resonator, the active layer 22 is sandwiched between clad layers 23, the quantum dot density in the active layer 22 is modulated to spatially change so as to be low on the laser resonator axis and it increases gradually away from the resonator axis, resulting in that the spatial change ratio of the laser emission light intensity near the laser resonator axis in this direction is small and the light intensity in the wave guide in this direction is in approximately a uniform transverse mode. Desired transverse mode in the transverse direction can be obtd. by changing the quantum dot density distribution.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理や光通
信などの分野で用いられる半導体レーザや半導体光アン
プの実現方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for realizing a semiconductor laser and a semiconductor optical amplifier used in fields such as optical information processing and optical communication.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体レーザや光アンプは小型、低消費
電力、量産化可能で、安定した光出力が得られ、かつ出
力光に比較的簡単な手段により変調をかけることができ
るなどの、他のレーザにみられない優れた特徴を有する
ため、各種光情報処理機器や光通信機器に広く使われて
いる。
2. Description of the Related Art Semiconductor lasers and optical amplifiers are compact, have low power consumption, can be mass-produced, can obtain a stable optical output, and can modulate the output light by relatively simple means. Because it has excellent features not found in conventional lasers, it is widely used in various optical information processing equipment and optical communication equipment.

【0003】半導体レーザは半導体結晶作製技術に依存
して作製されるが、これにより作製されうる光学活性媒
質は通常薄膜の形態を有する。半導体レーザは光共振器
の形成方法により端面発光型レーザと面発光レーザに大
きく分類される。端面発光型レーザは、光学共振器がこ
の光学活性な薄膜の面内に光軸があるように作製され、
面発光レーザは、光学共振器がこの光学活性な薄膜の面
の法線方向に光軸があるように作製されたものである。
A semiconductor laser is manufactured depending on a semiconductor crystal manufacturing technique, and an optically active medium that can be manufactured by this method usually has a thin film form. Semiconductor lasers are broadly classified into edge-emitting lasers and surface-emitting lasers according to the method of forming the optical resonator. Edge-emitting lasers are fabricated such that the optical resonator has an optical axis in the plane of the optically active thin film,
The surface emitting laser is manufactured so that the optical resonator has an optical axis in the normal direction of the surface of the optically active thin film.

【0004】光学活性薄膜は、当初バルク材料とみなし
て構わないほど大きな厚さを有するものであったが、薄
膜作製技術の進歩に従い、キャリアの運動が薄膜面の法
線方向に閉じこめられ、量子化されているとみなされる
ほど小さな厚みを有する量子井戸材料が実現され、しき
い電流の低減、変調特性改善、温度特性改善などの性能
の向上が実現された。
At first, the optically active thin film had a thickness so large that it could be considered as a bulk material. However, with the progress of thin film fabrication technology, the movement of carriers was confined in the normal direction of the thin film surface, and the quantum effect was reduced. A quantum well material having a thickness small enough to be considered as being realized has been realized, and improvements in performance such as reduction of threshold current, improvement of modulation characteristics, and improvement of temperature characteristics have been realized.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体レーザや光アンプには、以下に示すような問
題点があった。
However, such semiconductor lasers and optical amplifiers have the following problems.

【0006】レーザにおいては、出力光ビームの形状お
よび空間強度分布を決める横モードを制御することが重
要である。例えば、半導体レーザの光出力を光ファイバ
ーに結合する場合、出力光ビームの形状および空間強度
分布を光ファイバーへの結合効率が最も高くなるように
制御できることが望ましい。また、例えば半導体レーザ
をレーザディスクやデジタルビデオディスクなどの光学
的情報記憶装置の光ピックアップに用いる場合を考える
と、記憶媒体の記録可能量の最大値や、読みとり精度な
どは、出力光ビームの形状や空間強度分布に依存する。
従って、この場合にも出力光の横モードを自在に制御で
きることが求められる。
In a laser, it is important to control the transverse mode that determines the shape and spatial intensity distribution of the output light beam. For example, when coupling the optical output of a semiconductor laser to an optical fiber, it is desirable to be able to control the shape and spatial intensity distribution of the output light beam so that the coupling efficiency to the optical fiber is maximized. Further, for example, when a semiconductor laser is used for an optical pickup of an optical information storage device such as a laser disk or a digital video disk, the maximum value of the recordable amount of the storage medium and the reading accuracy are determined by the shape of the output light beam. And spatial intensity distribution.
Therefore, in this case as well, it is required that the transverse mode of the output light can be freely controlled.

【0007】従来の半導体レーザや光アンプでは横モー
ド制御は主に活性層の形状を物理的に変化させることで
行っている。例えば端面発光レーザの場合、活性層の不
要部分をエッチングなどの方法により物理的に除去し、
横幅が数ミクロン程度のストライプ状の活性層を作製し
たり、活性層上に横幅が数ミクロン程度のストライプ状
の光導波層を作製したり、あるいは電流狭窄構造を作製
することにより活性層内の幅が数ミクロン程度のストラ
イプ状の領域のみに電流を注入するなどの方法により、
活性層に光導波路を物理的に作製することにより横モー
ド制御を行っている。
In conventional semiconductor lasers and optical amplifiers, lateral mode control is mainly performed by physically changing the shape of the active layer. For example, in the case of an edge emitting laser, unnecessary portions of the active layer are physically removed by a method such as etching.
By creating a stripe-shaped active layer with a width of about several microns, by forming a stripe-shaped optical waveguide layer with a width of about several microns on the active layer, or by creating a current confinement structure, By a method such as injecting current only into a stripe-shaped area with a width of about several microns,
Transverse mode control is performed by physically fabricating an optical waveguide in the active layer.

【0008】面発光レーザにおいても基本的には同様な
手法により活性層の形状を物理的に変化させることによ
り横モード制御を行っている。
In a surface emitting laser, the transverse mode control is basically performed by physically changing the shape of the active layer by basically the same method.

【0009】しかしながら、このような方法のみから実
現されるレーザ光の横モード形状は限られている。例え
ば、基本モードに関して言えば、その光強度は導波路の
対称軸上で最大値を持ち、周辺部になるに従って減少す
るようなものだけが許される。従って、導波路内のいた
るところで均一な光強度分布を持つような横モードを有
する半導体レーザは、実現不可能であった。
[0009] However, the transverse mode shape of the laser beam realized only by such a method is limited. For example, as for the fundamental mode, only the light intensity having the maximum value on the axis of symmetry of the waveguide and decreasing toward the periphery is allowed. Therefore, it has been impossible to realize a semiconductor laser having a transverse mode having a uniform light intensity distribution throughout the waveguide.

【0010】ところで、近年半導体レーザの一層の性能
向上を目指して、キャリアの運動を2次元的に閉じこめ
ることで量子化する量子細線材料や、キャリアの運動を
3次元的に閉じこめることで量子化する量子ドット材料
が研究されている。
In recent years, with the aim of further improving the performance of semiconductor lasers, quantum wire materials that quantize the movement of carriers two-dimensionally or quantize the movement of carriers three-dimensionally to further improve the performance of semiconductor lasers. Quantum dot materials are being studied.

【0011】量子ドットと呼ばれる微小サイズの3次元
的キャリア閉じ込め構造は、キャリア閉じ込めサイズが
キャリア系の熱的ド・ブロイ波長λT(λT=h/(2π
mk BT)1/2、ここでh:プランク定数、m:キャリア
の有効質量、kB:ボルツマン定数、T:温度)程度で
あることが特徴であり、このためにいわゆる量子効果と
呼ばれる効果が発現することが期待される。
[0011] A microscopic three-dimensional structure called a quantum dot
Carrier confinement structure has a carrier confinement size
Thermal de Broglie wavelength λ of carrier systemTT= H / (2π
mk BT)1/2, Where h: Planck's constant, m: carrier
Effective mass of kB: Boltzmann constant, T: temperature)
It is characterized by the so-called quantum effect and
It is expected that the so-called effect will appear.

【0012】量子力学的サイズの3次元的キャリア閉じ
込め構造(以下量子閉じ込め構造と呼ぶ)を光デバイス
に適用した場合、その状態密度が急峻になる利点があ
る。これは、物理的に言えば媒質中に存在しうる双極子
(電子−ホール対)を、ある離散的な遷移エネルギー状
態に集中できるということを意味している。このような
ことが可能になるのは、キャリアを空間的に閉じ込める
ことによってキャリアの非個別性が失われ、その結果パ
ウリの排他律が緩和されるためである(パウリの排他律
が効かないと、交換相互作用が生じないためエネルギー
準位の縮退が解けない。)。
When a three-dimensional carrier confinement structure having a quantum mechanical size (hereinafter referred to as a quantum confinement structure) is applied to an optical device, there is an advantage that the state density becomes steep. This means that physically speaking, dipoles (electron-hole pairs) that can exist in the medium can be concentrated in a certain discrete transition energy state. This is possible because the non-individuality of the carrier is lost by spatially confining the carrier, and as a result, the Pauli exclusion rule is relaxed. (If the Pauli exclusion rule does not work, , The degeneracy of the energy level cannot be solved because no exchange interaction occurs.)

【0013】また、量子ドットは人工的に自由に設計/
制御可能なパラメータがバルクや量子井戸に比べて多い
利点がある。例えば、量子ドットのサイズは制御可能な
パラメータであり、これを制御することにより遷移エネ
ルギーを制御することができる。また、量子ドット系全
体の状態密度のスペクトル形状を制御し、利得スペクト
ルの形状を制御することも可能である。本発明者は、こ
の考えに基づき、量子ドットを光学活性層に用い利得ス
ペクトルの形状を制御することにより広帯域な可変波長
レーザや光アンプが得られることを、特願平09−10
0332号に、安定なモード同期レーザが得られること
を特願平08−240347号にすでに提案した。
Also, quantum dots can be artificially designed freely.
There is an advantage that the controllable parameters are larger than those of the bulk or the quantum well. For example, the size of the quantum dot is a controllable parameter, and by controlling this, the transition energy can be controlled. It is also possible to control the shape of the spectrum of the state density of the entire quantum dot system and control the shape of the gain spectrum. Based on this idea, the inventor of the present invention has disclosed that a wide-band tunable laser or optical amplifier can be obtained by controlling the shape of a gain spectrum by using quantum dots for an optically active layer.
Japanese Patent Application No. 08-240347 has already proposed that a stable mode-locked laser can be obtained.

【0014】しかしながら、このような量子ドット構造
を用いて横モード形状を制御することは従来全く知られ
ていなかった。
However, control of the transverse mode shape using such a quantum dot structure has not been known at all.

【0015】即ち、本発明はこのような問題点に鑑みて
なされたものであり、横モード制御性に優れた半導体レ
ーザや半導体光アンプを提供することを目的とする。
That is, the present invention has been made in view of such problems, and has as its object to provide a semiconductor laser and a semiconductor optical amplifier having excellent transverse mode controllability.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明は、量子ドット構
造を含む活性層を備えた面発光型の半導体レーザにおい
て、前記活性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制
御されていることを特徴とする面発光型半導体レーザに
関する。
According to the present invention, there is provided a surface emitting semiconductor laser having an active layer including a quantum dot structure, wherein the distribution density of quantum dots in the active layer is spatially controlled. And a surface emitting semiconductor laser characterized by the following.

【0017】また、本発明は量子ドット構造を含む活性
層を備えた端面発光型の半導体レーザにおいて、前記活
性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御されてい
ることを特徴とする端面発光型半導体レーザに関する。
According to the present invention, there is provided an edge-emitting semiconductor laser having an active layer including a quantum dot structure, wherein the distribution density of quantum dots in the active layer is spatially controlled. The present invention relates to a light emitting semiconductor laser.

【0018】さらに本発明は、量子ドット構造を含む活
性層を備えた面型の半導体光アンプにおいて、前記活性
層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御されている
ことを特徴とする面型半導体光アンプに関する。
Further, according to the present invention, in a surface type semiconductor optical amplifier provided with an active layer having a quantum dot structure, the distribution density of quantum dots in the active layer is spatially controlled. Type semiconductor optical amplifier.

【0019】さらに本発明は、量子ドット構造を含む活
性層を備えた端面型の半導体光アンプにおいて、前記活
性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御されてい
ることを特徴とする端面型半導体光アンプに関する。
Further, according to the present invention, in an end face type semiconductor optical amplifier provided with an active layer having a quantum dot structure, the distribution density of quantum dots in the active layer is spatially controlled. Type semiconductor optical amplifier.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明では、このように量子ドッ
トの空間的配置を制御することにより、半導体レーザや
光アンプの横モード制御を行うものである。このような
空間制御は量子ドット独特の特性であり、量子井戸やバ
ルク材料のような空間的に一様な構造では実現できな
い。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, lateral mode control of a semiconductor laser or an optical amplifier is performed by controlling the spatial arrangement of quantum dots as described above. Such spatial control is a characteristic unique to quantum dots, and cannot be realized with a spatially uniform structure such as a quantum well or bulk material.

【0021】まず、図1を参照しながら、本発明の面発
光型レーザの概念を説明する。この例は、導波路内での
光強度がほぼ一様となるような横モードを得るための方
法である。
First, the concept of the surface emitting laser of the present invention will be described with reference to FIG. This example is a method for obtaining a transverse mode such that the light intensity in the waveguide becomes substantially uniform.

【0022】図1中段は、面発光型レーザは構造であ
り、ミラー11、出力ミラー12の間に量子ドットを含
む活性層(量子ドット活性層13)が形成されている。
この活性層内における量子ドットの空間的配置は、図1
上段に示すようにレーザ共振器軸上で密度が小さく、共
振器軸から離れるに従って密度が大きくなるように同心
円状に空間的に変調されている。活性層の正味利得は量
子ドット密度にほぼ比例し、同様の正味利得の空間変調
が生じる。
In the middle part of FIG. 1, the surface emitting laser has a structure, and an active layer containing quantum dots (quantum dot active layer 13) is formed between a mirror 11 and an output mirror 12.
The spatial arrangement of quantum dots in this active layer is shown in FIG.
As shown in the upper part, the density is spatially modulated concentrically so that the density is small on the laser resonator axis and increases with distance from the resonator axis. The net gain of the active layer is approximately proportional to the quantum dot density and a similar net gain spatial modulation occurs.

【0023】このような空間的変調された正味利得によ
り発振するレーザモードは、図1下段に示すように、レ
ーザ共振器軸近辺でその光強度の空間的分布がなだらか
になる。
In the laser mode that oscillates by such a spatially modulated net gain, the spatial distribution of the light intensity becomes gentle near the laser resonator axis, as shown in the lower part of FIG.

【0024】このように量子ドット密度の空間的変調特
性を制御することにより、導波路内で光強度がほぼ一様
となるような横モードを得ることができる。
By controlling the spatial modulation characteristics of the quantum dot density in this way, it is possible to obtain a transverse mode in which the light intensity becomes substantially uniform in the waveguide.

【0025】この例ではレーザ共振器軸近辺での光強度
が平坦になるように制御したが、密度分布を変えること
により所望の横モード特性をもつ半導体レーザを得るこ
とができる。
In this example, the light intensity near the laser resonator axis is controlled to be flat. However, by changing the density distribution, a semiconductor laser having desired transverse mode characteristics can be obtained.

【0026】尚、本発明において、量子ドット構造によ
って前述の量子効果を利用するものでは必ずしもないの
で、量子ドットとは必ずしも厳密な量子力学的サイズの
3次元的キャリア閉じ込め構造を意味するものではな
く、発光部がドット状になっていれば良い。従って量子
ドットのサイズとして熱的ド・ブロイ波長λTより大き
くても良く、例えばλTの10倍程度の大きさ以下であ
ればよい。
In the present invention, since the quantum effect described above is not necessarily utilized by the quantum dot structure, the quantum dot does not necessarily mean a three-dimensional carrier confinement structure having a strict quantum mechanical size. It is only necessary that the light-emitting portion has a dot shape. Therefore, the size of the quantum dot may be larger than the thermal de Broglie wavelength λ T , and may be, for example, not more than about 10 times λ T.

【0027】次に、端面発光型レーザの横モード特性を
制御する例について、その概念を図2を参照しながら説
明する。
Next, an example of controlling the lateral mode characteristics of the edge emitting laser will be described with reference to FIG.

【0028】図2(a)は、端面発光型レーザを共振器
軸に平行で、量子ドット活性層22に垂直な面で切った
断面図であり、図2(b)は、端面21から共振器軸方
向を見た側面図である。この端面発光型レーザにおい
て、量子ドットを含む活性層(量子ドット活性層22)
が水平方向の層として形成され、2つの端面21により
共振器構造を形成し、上下に電極が設けられている。
FIG. 2A is a cross-sectional view of the edge-emitting laser cut along a plane parallel to the resonator axis and perpendicular to the quantum dot active layer 22. FIG. It is the side view which looked at the container axis direction. In this edge-emitting laser, an active layer containing quantum dots (quantum dot active layer 22)
Are formed as layers in the horizontal direction, a resonator structure is formed by the two end faces 21, and electrodes are provided above and below.

【0029】図2(b)中段に示すように、量子ドット
活性層22はクラッド23に挟まれ、量子ドット活性層
22内での量子ドット密度は、図2(b)上段に示すよ
うにレーザ共振器軸上で小さく、共振器軸から離れるに
従って大きくなるように空間的に変調されている。この
ため、レーザ共振器軸近辺におけるこの方向のレーザ発
振光強度の空間変化は小さくなり、図2(b)下段に示
すようにこの方向に導波路内で光強度がほぼ一様となる
ような横モードを得ることができる。
As shown in the middle part of FIG. 2B, the quantum dot active layer 22 is sandwiched between claddings 23, and the quantum dot density in the quantum dot active layer 22 is as shown in the upper part of FIG. It is spatially modulated so that it is small on the resonator axis and increases with distance from the resonator axis. For this reason, the spatial variation of the laser oscillation light intensity in this direction near the laser resonator axis becomes small, and the light intensity becomes substantially uniform in the waveguide in this direction as shown in the lower part of FIG. A lateral mode can be obtained.

【0030】さらに量子ドットの密度分布を変更するこ
とにより、図2(b)の横方向に対して所望の横モード
特性を持つ端面発光型の半導体レーザを得ることができ
る。次に、図3を参照しながら、図2で示した方向に垂
直方向の横モード制御を行う方法の概念を説明する。
Further, by changing the density distribution of the quantum dots, it is possible to obtain an edge-emitting semiconductor laser having a desired transverse mode characteristic with respect to the transverse direction in FIG. Next, the concept of a method for performing the transverse mode control in the direction perpendicular to the direction shown in FIG. 2 will be described with reference to FIG.

【0031】図3中央の構造図は、端面発光型レーザを
共振器軸に平行で、量子ドット活性層32に垂直な面で
切った断面図である。この端面発光型レーザにおいて、
量子ドットを含む活性層(量子ドット活性層32)が水
平方向の層として形成され、2つの端面31により共振
器構造を形成し、上下に電極が設けられている。
FIG. 3 is a sectional view of the edge-emitting laser taken along a plane parallel to the resonator axis and perpendicular to the quantum dot active layer 32. In this edge-emitting laser,
An active layer containing quantum dots (quantum dot active layer 32) is formed as a layer in the horizontal direction, a resonator structure is formed by two end faces 31, and electrodes are provided above and below.

【0032】図3左に示すように、量子活性層32面と
垂直な方向について、量子ドット密度がレーザ共振器軸
上で小さく、共振器軸から離れるに従って大きくなるよ
うに空間的に変調されている。このため、図3右に示す
ように、レーザ共振器軸近辺におけるこの方向のレーザ
発振光強度の空間変化は小さくなり、この方向に導波路
内で光強度がほぼ一様となるような横モードを得ること
ができる。
As shown on the left side of FIG. 3, in a direction perpendicular to the surface of the quantum active layer 32, the quantum dot density is spatially modulated so that it is small on the laser resonator axis and increases with distance from the resonator axis. I have. Therefore, as shown on the right side of FIG. 3, the spatial change of the laser oscillation light intensity in this direction near the axis of the laser resonator is small, and the transverse mode in which the light intensity becomes almost uniform in the waveguide in this direction. Can be obtained.

【0033】尚、図3中央の構造では、量子ドット活性
層として3層だけを示したが、所望の密度分布が得られ
るように適宜層数を調整することが好ましい。
Although only three quantum dot active layers are shown in the structure in the center of FIG. 3, it is preferable to appropriately adjust the number of layers so as to obtain a desired density distribution.

【0034】さらに、量子ドットの密度分布を変更する
ことにより、図3の垂直な方向に対して所望の横モード
特性を持つ端面発光型の半導体レーザを得ることができ
る。
Further, by changing the density distribution of the quantum dots, it is possible to obtain an edge-emitting semiconductor laser having a desired transverse mode characteristic in the vertical direction in FIG.

【0035】また、図2に示したような量子ドット活性
層内での量子ドット密度を変調する方法と、図3で示し
たような量子ドット活性層間で量子ドット密度を変調す
る方法とを方法を併用することにより、端面から出射す
るレーザ光が、直交する二方向に対して所望の横モード
特性を持つ半導体レーザを得ることができる。
A method of modulating the quantum dot density in the quantum dot active layer as shown in FIG. 2 and a method of modulating the quantum dot density between the quantum dot active layers as shown in FIG. By using together, it is possible to obtain a semiconductor laser in which laser light emitted from the end face has desired transverse mode characteristics in two orthogonal directions.

【0036】また、空間的に変調した量子ドット密度を
媒質として用いて半導体光アンプを構成することも可能
である。図4(a)中央に、端面出射型の半導体光アン
プの構造を示す。この半導体光アンプにおいて、量子ド
ットを含む活性層(量子ドット活性層44)が水平方向
の層として形成され、その上下にクラッド45が設けら
れ、さらにその外側に電極43が設けられている。ま
た、2つの端面41により共振器構造が形成され、端面
41に低反射コート42が形成されている。
It is also possible to configure a semiconductor optical amplifier using a spatially modulated quantum dot density as a medium. FIG. 4A shows the structure of an edge-emitting semiconductor optical amplifier in the center. In this semiconductor optical amplifier, an active layer containing quantum dots (quantum dot active layer 44) is formed as a layer in the horizontal direction, cladding 45 is provided above and below it, and electrodes 43 are provided outside the cladding 45. Further, a resonator structure is formed by the two end faces 41, and a low reflection coat 42 is formed on the end faces 41.

【0037】図4(a)右の構造図は、この半導体光ア
ンプを端面方向から見た断面図であり、量子ドット活性
層44は横方向においてもクラッド45に挟まれてい
る。量子ドット活性層44内での量子ドット密度は、横
方向について見ると、図4(a)右の上段に示すように
レーザ共振器軸上で小さく、共振器軸から離れるに従っ
て大きくなるように空間的に変調されている。また、縦
方向、即ち量子ドット活性層に垂直方向に見ると、図4
(a)左に示すように、これも共振器軸から離れるに従
って大きくなるように空間的に変調されている。
FIG. 4A is a cross-sectional view of the semiconductor optical amplifier viewed from the end face direction. The quantum dot active layer 44 is also sandwiched by the cladding 45 in the lateral direction. When viewed in the lateral direction, the quantum dot density in the quantum dot active layer 44 is small on the laser resonator axis as shown in the upper right part of FIG. 4A, and becomes larger as the distance from the resonator axis increases. Modulated. When viewed in the vertical direction, that is, in the direction perpendicular to the quantum dot active layer, FIG.
(A) As shown on the left, this is also spatially modulated so that it increases as the distance from the resonator axis increases.

【0038】このような半導体光アンプに対して、図4
(b)左に示すような、通常の半導体レーザ光を入力す
ると、横モード変換が起こり、導波路内で光強度がほぼ
一様となるような横モード出力光を得ることができる。
このように、通常の半導体レーザと本発明の半導体光ア
ンプを組み合わせて用いることにより、光ファイバーと
の結合効率の改善や、出力光の拡がりの低減、遠視野像
の改善等を図ることができる。
For such a semiconductor optical amplifier, FIG.
(B) When a normal semiconductor laser beam as shown on the left is input, a transverse mode conversion occurs, and a transverse mode output light having a substantially uniform light intensity in the waveguide can be obtained.
As described above, by using the ordinary semiconductor laser and the semiconductor optical amplifier of the present invention in combination, it is possible to improve the coupling efficiency with the optical fiber, reduce the spread of the output light, and improve the far-field image.

【0039】[0039]

【実施例】以下に実施例を示してさらに本発明を詳細に
説明する。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

【0040】図5に、GaAs基板上の面発光レーザに
本発明を適用した場合の一例の断面図を示した。始め
に、MBE法により、SiドープGaAs基板57上に
GaAs/AlAsの多層構造よりなる分布型ブラッグ
反射鏡54を成長し、その後クラッド層としてAlGa
AsまたはGaAs層を形成する。さらに約6nm厚の
In0.2Ga0.8As量子井戸層を形成し、その表面をG
aAs層で覆う。
FIG. 5 is a sectional view showing an example in which the present invention is applied to a surface emitting laser on a GaAs substrate. First, a distributed Bragg reflector 54 having a multilayer structure of GaAs / AlAs is grown on a Si-doped GaAs substrate 57 by MBE, and then AlGa is used as a cladding layer.
An As or GaAs layer is formed. Further, an In 0.2 Ga 0.8 As quantum well layer having a thickness of about 6 nm is formed, and the surface thereof is G
Cover with aAs layer.

【0041】次に、表面にレジストを塗布し、電子ビー
ムで露光する事により、直径が10nmの円形パターン
を形成する。このレジストをマスクとして用いて、反応
性イオンビームエッチングにより、In0.2Ga0.8As
量子井戸層をエッチングすると、このパターン下部にI
0.2Ga0.8As量子井戸層がドット状に残る。その
後、レジストを除去し、その表面にクラッド層としてA
lGaAsまたはGaAs層を成長させると、ドット状
のIn0.2Ga0.8As量子井戸層はAlGaAsまたは
GaAs層の中に埋め込まれ、量子ドットを含む活性層
53が形成されることになる。
Next, a resist is applied to the surface and is exposed with an electron beam to form a circular pattern having a diameter of 10 nm. Using this resist as a mask, In 0.2 Ga 0.8 As
When the quantum well layer is etched, I
The n 0.2 Ga 0.8 As quantum well layer remains in a dot shape. After that, the resist is removed, and A
When the lGaAs or GaAs layer is grown, the dot-like In 0.2 Ga 0.8 As quantum well layer is buried in the AlGaAs or GaAs layer to form the active layer 53 containing the quantum dots.

【0042】このとき、レジストで形成する量子ドット
パターンの密度を、例えば共振器軸近辺では面密度6.
25×1010cm-2(40nm間隔)程度になるように
し、周辺部に向かうほどr2(rは共振器軸からの距
離)に比例して密度が増大するようにし、後述する電極
51の大きさで決まる活性層3の最周辺部(r=約5μ
m)では、1012cm-2(10nm間隔)程度になるよ
うにする。
At this time, the density of the quantum dot pattern formed by the resist is set to, for example, a surface density of 6.about.
The density is set to about 25 × 10 10 cm −2 (40 nm interval), and the density increases in proportion to r 2 (r is the distance from the resonator axis) toward the peripheral portion. The outermost portion of the active layer 3 determined by the size (r = about 5 μm)
m), it is set to be about 10 12 cm -2 (10 nm intervals).

【0043】この表面に再度クラッド層を成長させ、量
子ドット活性層53上部にGaAs/AlAsの多層構
造よりなる分布型ブラッグ反射鏡52を成長し、表面に
オーミック接合のためのGaAs層を成長する。
A cladding layer is grown again on this surface, a distributed Bragg reflector 52 having a multilayer structure of GaAs / AlAs is grown on the quantum dot active layer 53, and a GaAs layer for ohmic junction is grown on the surface. .

【0044】その後、通常のフォトリソグラフィーおよ
びウエットエッチングにより、電流を注入するための電
極51、55を形成する。電極51の大きさは直径10
μm程度であり、電極51下部の量子ドット活性層53
の直径10μm程度の領域に電流が注入され利得を生じ
る。
Thereafter, electrodes 51 and 55 for injecting current are formed by ordinary photolithography and wet etching. The size of the electrode 51 is 10 in diameter.
μm, and a quantum dot active layer 53 below the electrode 51.
Current is injected into a region having a diameter of about 10 μm to generate a gain.

【0045】本発明の実施例で作製した面発光レーザの
場合、共振器軸を中心としてr≦4μm以内の範囲では
光強度がほとんど変化しない横モード特性を持ったレー
ザ発振が得られることが確認された。
In the case of the surface emitting laser manufactured in the embodiment of the present invention, it was confirmed that laser oscillation having a transverse mode characteristic in which the light intensity hardly changes in a range of r.ltoreq.4 .mu.m around the resonator axis was obtained. Was done.

【0046】尚、この実施例において、量子ドット活性
層を形成する際に多重量子井戸層を形成した後に、量子
ドット形状にパターニングするようにしても良い。ま
た、この実施例ではInGaAsを量子閉じ込め構造
に、GaAsをバリア層に用いた例を説明したが、In
P、InGaAs、InGaAsPなどの他の半導体材
料を用いてもよい。また、本実施例では面発光型レーザ
で半導体反射鏡を用いる例について示したが、他の構
造、例えば端面出射型レーザや半導体光アンプに適用し
てもよく、反射鏡として誘電体多層膜を用いた場合にも
適用できる。
In this embodiment, the quantum dot active layer may be formed into a quantum dot shape after forming the multiple quantum well layer. In this embodiment, an example in which InGaAs is used for the quantum confinement structure and GaAs is used for the barrier layer has been described.
Other semiconductor materials such as P, InGaAs, and InGaAsP may be used. In this embodiment, an example in which a semiconductor reflecting mirror is used in a surface emitting laser has been described. However, the present invention may be applied to other structures, for example, an edge emitting laser or a semiconductor optical amplifier. It is also applicable when used.

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明によれば、横モード制御性に優れ
た半導体レーザや半導体光アンプを提供することができ
る。このような半導体レーザや半導体光アンプを用いる
ことにより、光ファイバーへの光結合率に優れた半導体
レーザや半導体光アンプ、大記憶容量を実現する光ピッ
クアップなどを実現することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser and a semiconductor optical amplifier having excellent lateral mode controllability. By using such a semiconductor laser or a semiconductor optical amplifier, a semiconductor laser or a semiconductor optical amplifier having an excellent optical coupling rate to an optical fiber, an optical pickup realizing a large storage capacity, and the like can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の面発光型レーザの1例を説明する概念
図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an example of a surface emitting laser according to the present invention.

【図2】本発明の端面発光型レーザの1例を説明する概
念図である。
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an example of an edge emitting laser according to the present invention.

【図3】本発明の端面発光型レーザの1例を説明する概
念図である。
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an example of an edge emitting laser according to the present invention.

【図4】本発明の端面型半導体光アンプの1例を説明す
る概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating an example of an end-face type semiconductor optical amplifier according to the present invention.

【図5】本発明の面発光型レーザの1例を説明するため
の図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a surface emitting laser according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 ミラー 12 出力ミラー 13 量子ドット活性層 21 端面 22 量子ドット活性層 23 クラッド 31 端面 32 量子ドット活性層 41 端面 42 低反射コート 43 電極 44 量子ドット活性層 45 クラッド 51 カソード電極 52 上部分布ブラッグ反射鏡 53 活性層 54 下部分布ブラッグ反射鏡 55 アノード電極 56 イオン注入領域 57 GaAs 基板 REFERENCE SIGNS LIST 11 mirror 12 output mirror 13 quantum dot active layer 21 end face 22 quantum dot active layer 23 clad 31 end face 32 quantum dot active layer 41 end face 42 low reflection coat 43 electrode 44 quantum dot active layer 45 clad 51 cathode electrode 52 upper distributed Bragg reflector 53 Active layer 54 Lower distributed Bragg reflector 55 Anode electrode 56 Ion implantation area 57 GaAs substrate

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 量子ドット構造を含む活性層を備えた面
発光型の半導体レーザにおいて、 前記活性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御さ
れていることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
1. A surface emitting semiconductor laser comprising an active layer having a quantum dot structure, wherein the distribution density of quantum dots in the active layer is spatially controlled. laser.
【請求項2】 前記量子ドットの分布密度が、前記活性
層面内で2次元的に制御されていることを特徴とする請
求項1記載の面発光型半導体レーザ。
2. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein the distribution density of the quantum dots is controlled two-dimensionally in the plane of the active layer.
【請求項3】 前記量子ドットの分布密度が、前記活性
層面内において、共振器軸付近で小さく、共振器軸から
離れるに従って同心円状に密度が大きくなり、共振器軸
近傍でのレーザ光強度が平坦になるように制御されてい
ることを特徴とする請求項1記載の面発光型半導体レー
ザ。
3. The distribution density of the quantum dots in the plane of the active layer is small near the resonator axis, and increases concentrically as the distance from the resonator axis increases, and the laser light intensity near the resonator axis decreases. 2. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein the surface emitting semiconductor laser is controlled to be flat.
【請求項4】 量子ドット構造を含む活性層を備えた端
面発光型の半導体レーザにおいて、 前記活性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御さ
れていることを特徴とする端面発光型半導体レーザ。
4. An edge emitting semiconductor laser having an active layer including a quantum dot structure, wherein the distribution density of quantum dots in the active layer is spatially controlled. laser.
【請求項5】 前記量子ドットの分布密度が、前記活性
層面内で、共振器軸方向と直交する方向に1次元的に制
御されていることを特徴とする請求項4記載の端面発光
型半導体レーザ。
5. The edge emitting semiconductor according to claim 4, wherein the distribution density of the quantum dots is controlled one-dimensionally in a direction orthogonal to a resonator axis direction in a plane of the active layer. laser.
【請求項6】 前記活性層は多層からなり、前記量子ド
ットの分布密度が、前記活性層の層毎に異なり、活性層
に垂直方向に1次元的に制御されていることを特徴とす
る請求項4記載の端面発光型半導体レーザ。
6. The active layer is composed of multiple layers, and the distribution density of the quantum dots is different for each layer of the active layer, and is controlled one-dimensionally in a direction perpendicular to the active layer. Item 5. An edge-emitting semiconductor laser according to Item 4.
【請求項7】 前記活性層は多層からなり、前記量子ド
ットの分布密度が、前記活性層の層毎に異なり、活性層
に垂直方向に1次元的に制御されていると共に、前記活
性層面内で、共振器軸方向と直交する方向に1次元的に
制御されていることを特徴とする請求項4記載の端面発
光型半導体レーザ。
7. The active layer is composed of a plurality of layers, and the distribution density of the quantum dots is different for each layer of the active layer, is controlled one-dimensionally in a direction perpendicular to the active layer, and is formed within the active layer plane. 5. The edge-emitting semiconductor laser according to claim 4, wherein the laser is controlled one-dimensionally in a direction orthogonal to the resonator axis direction.
【請求項8】 量子ドット構造を含む活性層を備えた面
型の半導体光アンプにおいて、 前記活性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御さ
れていることを特徴とする面型半導体光アンプ。
8. A planar semiconductor optical amplifier having an active layer including a quantum dot structure, wherein the distribution density of quantum dots in the active layer is spatially controlled. Amplifier.
【請求項9】 前記量子ドットの分布密度が、前記活性
層面内で2次元的に制御されていることを特徴とする請
求項8記載の面型半導体光アンプ。
9. The planar semiconductor optical amplifier according to claim 8, wherein the distribution density of the quantum dots is controlled two-dimensionally in the plane of the active layer.
【請求項10】 前記量子ドットの分布密度が、前記活
性層面内において、共振器軸付近で小さく、共振器軸か
ら離れるに従って同心円状に密度が大きくなり、共振器
軸近傍でのレーザ光強度が平坦になるように制御されて
いることを特徴とする請求項8記載の面型半導体光アン
プ。
10. The distribution density of the quantum dots in the plane of the active layer is small near the resonator axis, and increases concentrically as the distance from the resonator axis increases, and the laser light intensity near the resonator axis decreases. 9. The surface type semiconductor optical amplifier according to claim 8, wherein the surface type semiconductor optical amplifier is controlled to be flat.
【請求項11】 量子ドット構造を含む活性層を備えた
端面型の半導体光アンプにおいて、 前記活性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御さ
れていることを特徴とする端面型半導体光アンプ。
11. An edge type semiconductor optical amplifier having an active layer including a quantum dot structure, wherein the distribution density of quantum dots in the active layer is spatially controlled. Amplifier.
【請求項12】 前記量子ドットの分布密度が、前記活
性層面内で、共振器軸方向と直交する方向に1次元的に
制御されていることを特徴とする請求項11記載の端面
型半導体光アンプ。
12. The end face type semiconductor light according to claim 11, wherein the distribution density of the quantum dots is controlled one-dimensionally in a direction orthogonal to a resonator axis direction in the plane of the active layer. Amplifier.
【請求項13】 前記活性層は多層からなり、前記量子
ドットの分布密度が、前記活性層の層毎に異なり、活性
層に垂直方向に1次元的に制御されていることを特徴と
する請求項11記載の端面型半導体光アンプ。
13. The active layer is composed of multiple layers, and the distribution density of the quantum dots differs for each layer of the active layer, and is controlled one-dimensionally in a direction perpendicular to the active layer. Item 12. An end-face type semiconductor optical amplifier according to Item 11.
【請求項14】 前記活性層は多層からなり、前記量子
ドットの分布密度が、前記活性層の層毎に異なり、活性
層に垂直方向に1次元的に制御されていると共に、前記
活性層面内で、共振器軸方向と直交する方向に1次元的
に制御されていることを特徴とする請求項11記載の端
面型半導体光アンプ。
14. The active layer is composed of a plurality of layers, and the distribution density of the quantum dots is different for each layer of the active layer, is controlled one-dimensionally in a direction perpendicular to the active layer, and is formed within the active layer plane. 12. The end-face type semiconductor optical amplifier according to claim 11, wherein the semiconductor laser is controlled one-dimensionally in a direction orthogonal to the resonator axis direction.
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