JPS59208889A - 半導体レ−ザ - Google Patents

半導体レ−ザ

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JPS59208889A
JPS59208889A JP59093091A JP9309184A JPS59208889A JP S59208889 A JPS59208889 A JP S59208889A JP 59093091 A JP59093091 A JP 59093091A JP 9309184 A JP9309184 A JP 9309184A JP S59208889 A JPS59208889 A JP S59208889A
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JP
Japan
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semiconductor laser
optical cavity
layer
large optical
group
Prior art date
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JP59093091A
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English (en)
Inventor
ウオン−テイエン・ツアング
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AT&T Corp
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
AT&T Corp
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Publication date
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Publication of JPS59208889A publication Critical patent/JPS59208889A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure 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
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/40Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031Edge-emitting structures
    • H01S5/4043Edge-emitting structures with vertically stacked active layers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure 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
    • H01S5/2004Confining in the direction perpendicular to the layer structure

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Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は一般に半導体レーザ、特に大きな光学空胴内に
複数の活性層を有するようなレーザに係る。
本発明の背景 多くの商業的用途に対し、比較的高パワー、すなわち数
ワット以上の強度において放射を放出可能な半導体レー
ザが望せしい。そのようなレーザは、長距離光通信シス
テム及び光記録用の光源のような用途に有用であろう、
半導体注入レーザからのパワー出力は、レーザを流れる
電流を増し、それにより放射を誘導する電子〜正孔再結
合を増すことにより、容易に増すことができることは、
自然に考えられる。しかし、この解は比較的限られた電
流範囲以上では容易に得られない。なせならば、単一半
導体レーザから最大パワー出力は、光密度が閾値を越え
た時、レーザの光学空胴を形成するべき開鏡面に、破滅
的損傷が生じるという事実を観察することにより、制限
されるからである。破滅的損傷に対する閾値は、レーザ
毎に異るが、典型的な場合3ないし5MW/cA  f
ある。従って、なおより高パワー出力を放出可能な半導
体レーザを考案することに、努力が向けられてきた。
そのような努力の一つは、当業者には3犬型光学空胴レ
ーザ″とよばれるもので、たとえばアプライド・フィジ
ックス・レターズ(Applied Physics 
Letters )、17 、499−502頁、19
70年12月1日に述べられている。上で述べた構造に
おいて、再結合又は活性領域すなわち電子及び正孔の再
結合が放射を生じる領域は、光エネルギーが閉じ込めら
れる領域より、はるかに小さく、従ってゝゝ大型元学空
胴“とよけれる。大型光学空胴は、放射が大型光学空胴
の比較的大きな端面から放出される鏡面に、破滅的損傷
を生じることなく、より高い放射パワーの放射が可能で
ある。しかし、大型光学空胴レーザは著しい数のキャリ
ヤが活性領域を離打るVtCつれ、常に高効率でキャリ
ヤを使うわけではなく、従って放出される放射には寄J
−jシない(1従って、大型光学卒胴内の活性層の配置
を、キャリヤの利用に関して最適化することにも、努力
が向けられてきた。
別の努力は、たとえばともに合金化されたGaAs Z
 #XGa、−XAS  の複数の単一へテロ構造を有
するデバイスにあった。この努力により改善された点に
ついては、アプライド・フィジックス・レターズ(Ap
plied PhysicsLetters 141 
、499〜50 ]貞、1982年9月15日に述べら
れている。この実施例においては、逆バイアスされたp
−i−nl結晶トンネル接合が、合金化接合に代ってい
る。1しかし、上で述べた後者の方法(Cば、いくつか
の欠点がある。たとえば、発光すなわち活性層は、合金
接合又はトンネル接合のいずれかによる材料吸収を避け
るため、比較的遠く離れていなければならない。この比
較的人きな間隔は、個々のレーザからの光出力は、相互
には結合されず、従って可干渉性ではなく、同じスペク
トル特性をもたないことを意味する。加えて、もし複数
のレーザから成るデバイスが、線形の光出力対電流特性
をもたなければならないならば、すべてのレーザは本質
的に同一でなければならず、同時にレーザ発振しなけれ
ばならない。これはきわめて厳密な条件で、実際に実現
するのはしばしば困難である。
本発明の目的は、上で述べた欠点の影響を除くかあるい
は小さくするレーザからの高パワー出力を得ることであ
る。
本発明の要約 大型光学空胴から成シ、更に、第2の禁制帯を有する複
数のスペーサ層を伴った間にはさまれた第1の禁制帯を
有する複数の活性層から成る半導体レーザは、比較的高
パワー出力能力を有する。第1の禁制帯は第2の禁制帯
より小さい。大型光学空胴の全厚は、キャリヤの拡散長
より小さい。これは”xGa+−xAsでは約3μm 
である。レーザは更に、それぞれ第1及び第2の伝導形
を有し、レーザ光空胴の相対する側に配置された第1及
び第2のクラッド層から成る。クラッド層は光を閉じ込
めるために、大型光学空胴レーザの誘電定数よシ小さな
誘電定数を有する。たとえばレーザはIIl、 −■化
合物半導体で作られる。本発明に従って作られるレーザ
は、高パワー出力を放出するという目的を達成する。
詳細な記述 本発明に従い、複数の活性層を有する大型光学空胴レー
ザの実施例が、第1図に断面で示されている。明瞭にす
るため、デバイスの要素の相対的寸法は実際と異なる。
デバイスは基板1、第1のクラッド層3、大型光学空胴
5、第2のクラッド層7及び電極層9から成る。基板1
及び電極層9にはそれぞれオーム性電極11及び13に
より、電気的接触が作られており、良好な電気的接触の
形成を容易にするために、両方とも高濃度ドープされて
いる。基板及び第1のクラッド層は、第1の伝導形を有
し、第2のクラッド層及び電極層は、第2の伝導形を有
する。
大型光学空胴は複数の活性層15及び複数のスペーサ層
17から成る。活性層15及びスペーサ層は、交互には
さまれている。すなわち、大型光学空胴中の層は、順に
活性、スペーサ、活性等である。活性層及びスペーサ層
の精密な数は、厳密でなくてよい。クラッド層は光場の
閉じ込めをするために、大型光学空胴よシ小さな誘電定
数を有する。大型光学空胴内の層は、キャリヤの拡散を
容易にするため、名目上ドープされていない。活性層は
第1の禁制帯を有し、スペーサ層は第2の禁制帯を有す
る。第1の禁制帯は第2の禁制帯より/JSさい。活性
層とスペーサ層の禁制帯の差は、一つの活性層から別の
活性層へ、熱放出によりキャリヤが移動できるよう、十
分小さいことが望ましい。活性層は量子効果が著しくな
いように、十分大きな厚さをもつ。
スペーサ層はキャリヤトンネル長より大きく、キャリヤ
拡散長よりは小さい厚さをもつことが望ましい。
一実施例において、第1の伝導形はn形で、  −第2
の伝導形はp形である。デバイスの層は、たとえばA/
!XGa1−xAs又はInGaAsPのような■1−
■化合物半導体から成シ、二元、゛三元又は四元化合物
でもよい。レーザはエピタキシャル層の一般的で周知の
技術のいずれかで成長させればよい。しかし、比較的薄
い活性及びスペーサ層をはさむためには、たとえば分子
線エピタキシーといった技術を選択することが必要で、
それはそのような構造を製作するのに適しており、望ま
しい。層は少くとも相互にほぼ格子整合がとられる。
大型光学空胴レーザは大型光学空胴内でのキャリヤの拡
散長を増すため、名目上アンドープである。大型光学空
胴の全厚は、キャリヤの拡散長より小さくすべきである
。活性層及びスペーサ層間の禁制帯の差は、キャリヤが
熱放出により活性層から活性層へ移動できるよう十分小
さいため、いくつかの活性層中には、木質的に一様なキ
ャリヤ注入が行われる。AI XGa l−XASから
成る活性層と#yGa1−yAsから成るスペーサ層の
場合、yは約0.2+xより小さくすべきである。活性
層の厚さ及びスペーサ層の厚さは、活性層が光学的に相
互に密接に結合されるように、すなわち光陽が全大型光
学空胴に渡り、二つのクラッド層間に延びるように選択
される。その結果、複数の活性層及びスペーサ層から成
る全大型光学空胴は、単一波長を形成する。
説明のため、二つの実施例について述べる。
両方の実施例において、クラッド層は Alo、5 G ao、5 A sから成り、電極層及
び基板はGaAs  から成った。第]の伝導形はn形
で、第2の伝導形はp形であった。一実施例において、
それぞれ700オングストロームの厚さをもつ4つのG
aAs  活性層があり、それらはAlO,I Gao
、o A”から成る3200オンクストローム厚のスペ
ーサ層により分離された。、大型光学空胴全体の厚さは
、1.、24. ilm  であった、。
第2の実施例は、それぞれ900オンクストロームの厚
さをもち、340.0オングストロームの厚さのAlo
、+ Gao、g Asのスペーサ層をもつ6個のGa
As  活性層から成った。得られた大型光学空胴の全
厚は、2.24. ttm  であった。
エピタキシャル層は分子線エピタキシーにより、成長さ
せた。オーム性接触は周知の一般的な方法で形成した。
長さ400μmで、幅250μm のソーカット側壁を
有するタイオードを形成するため、標準的なへき開プロ
セスを用いた。タイオードは銅ヒートシンク」−に、イ
ンジウムでp形の側を下りこして接着した。
第2図は4個のGaAS  活性層を有する本発明に従
うレーザの場合の、ワット単位で表しり出力パワーのピ
ークを縦軸に、アン/< 7 即位で表した電流を水平
軸にプロットした図である。電流はl KHzにおいて
、500ns  のパルス持続時間のパルスとした。図
かられかるように、飽和特性を示すことなく、4ワツト
/ミラーもの高いパワー出力まで、非常に直線的な光出
力と電流曲線が得られている。
斗だ、レーザの発振はきわめて急激に起り、それによっ
て個々の活性層がすべて同時にレーザ発振を開始するこ
とが示されていることにも、注意すべきである。
これらの広い領域のダイオード内では、内部循環モード
が存在する可能性があるが、外部微分量子効率は、約6
0パーセントと測定され、それは比較的高い。複数の活
性層により、効率よくキャリヤが利用されるため、効率
は高いと信じられる。閾値電流密度は、約43r<AI
ctd で、比較的低い。高外部量子効率と低閾値電流
密度が組合さるということは、大型光学空胴中に注入さ
れたキャリヤが、活性層により効率よく利用され、再結
合によってフォトンを発生することを示す。もし、複数
の活性層のすべてが組合さり、等価な全厚をもつ単一の
活性層を形成するならば、キャリヤは活性層から導波路
中に漏れ、それ以上利用されないであろう。その結果、
閾値電流は著しく高くなるであろう。しが1〜、キャリ
ヤが大型光学空胴内の第1の活性層を離れた時、それら
はそれに続く活性層により、更に集められ、利用される
。加えて、活性層の相互のフォト−ポンピンクがある可
能性がある。
パルス閾値の温度依存性が測定され、約80℃以下の温
度に対しては、175にという高い温度係数が測定され
た。この値は良好な注入キャリヤ閉じ込めを有する別々
の閉じ込めをするためのへテロ構造レーザの場合に、通
常のタプルへテロ構造レーザて得られる値と同様である
。このことは更に、大型光学空胴は厚いが、注入された
キャリヤは複数の活性層により、放射発生に有効に利用
されることを示している。
ここで述べた実施例の修正は、当業者には容易に考えら
れるであろう。たとえば、スペーサ層の組成及び厚さは
同一である必要はなく、活性層の組成及び厚さは同一で
ある必要はない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に従う複数の活性層を有する大型光学空
胴レーザの断面図、 第2図はワット単位の出力パワーを縦軸に、アンペア単
位の電流を横軸にとってプロットした図である。 〔主要部分のrj号の説明〕 3・・第1のクラッド層 7−・第2のクラッド層 5・大型光学空胴 17・・スペーサ層 15・・・活性層 FIG、/ FIG、2 電流 427

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、第1の伝導形を有する第1のクラッド層、第2の伝
    導形を有する第2のクラッド層及び大型光学空胴から成
    る半導体レーザにおいて、 該大型光学空胴は該第1のクラッド層と#第2のクラッ
    ド層間にあシ、該大型光学空胴は第2の禁制帯を有する
    複数のスペーサ層を間にはさんだ第1の禁制帯を有する
    複数の活性層から成り、該第1の禁制帯は該第2の禁制
    帯より小さいことを特徴とする半導体レーザ。 2、特許請求の範囲第1項に記載された半導体レーザに
    おいて、 該スペーサ層はキャリヤの拡散長よシ小さな厚さを有す
    ることを特徴とする半導体レーザ。 3、特許請求の範囲第2項に記載された半導体レーザに
    おいて、 該大型光学空胴はキャリヤの拡散長より小さな厚さを有
    することを特徴とする半導体レーザ。 4、特許請求の範囲第3項に記載された半導体レーザに
    おいて、 該スペーサ層はキャリヤのトンネル距離よシ大きな厚さ
    を有することを特徴とする半導体レーザ。 5、特許請求の範囲第4項に記載された半導体レーザに
    おいて、 該第1及び第2の禁制帯の差により、キャリヤは該大型
    光学空胴中の活性層間で、熱放出により動くことができ
    ることを特徴とする半導体レーザ。 6、特許請求の範囲第5項に記載された半導体レーザに
    おいて、 該層は■−v族及び■−■族化合物半導体から成る群か
    ら選択された材料から成ることを特徴とする半導体レー
    ザ。 7 特許請求の範囲第6項に言己載された半導体レーザ
    において、 該利料は川−V族化合物半導体から成る群から選択され
    ることを特徴とラーる半導体レーザ。 8 特許請求の範囲第7項に記載さね、た半導体レーザ
    において、 該lll−〜7族化合物半導体は、/14GaAs、I
    nGaAsP及びGa/1JInAs  から成る群力
    )ら選択されることを特徴とする半導イ本し−サ。 9、 特許請求の範囲第8項に言己載さitだ半導体レ
    ーザにおいて、 該活性層は#xGa、−xAsから成9、該スペーサ層
    はAlXGa1−xA3から成ることを特徴とする半導
    体レーザ。 10 特許請求の範囲第9項に記載された半導体レーザ
    において、 yは約02+xより小さいことf:%徴とする半導体レ
    ーザ。
JP59093091A 1983-05-12 1984-05-11 半導体レ−ザ Pending JPS59208889A (ja)

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US493792 1983-05-12
US06/493,792 US4602370A (en) 1983-05-12 1983-05-12 Large optical cavity laser having a plurality of active layers

Publications (1)

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JPS59208889A true JPS59208889A (ja) 1984-11-27

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