JPS60143684A - 半導体レ−ザ - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光を用いた通信、計測、制御に関する分野へ、
極めて単色性の高い光源を供するものである。

従来例の構成とその問題点 従来よシ半導体レーザの改良の試みは、主にしきい値電
流の低減に対してなされ、ストライプレ２７、ソ ーザ、埋込み型レーザ等多くのアイデアが出されている
。さらに、このしきい値電流低減への努力は、このよう
な電流の閉じ込め、光の閉じ込めといった定性的な段階
から、活性層の厚さ及び幅を極限まで小さくすることに
及んだ。この結果、発振光の遠視野像が１つの楕円状の
ものとなり、単一化がはかられたのである。また、実用
面からの条件として、この楕円形状をなるべく円形に近
いものが要求され、追求されている。

然るに、発振光の波長の単色化即ち、縦モードの単一化
については、まだ多くの問題がある。これ壕での試みと
して、分布帰還型（ＤＦＢ）、分布ブラッグ反射型（Ｄ
ＢＲ）レーザ等の提案がなされ、縦モード単一化に対し
て、実験的には良好な結果を得ている。

しかし、有効反射率が低いことや損失の増大に伴うしき
い値電流の上昇、微分量子効率の低下を生じている上に
、製作上の問題点として、レーザ素子と同一基板上ある
いは素子内部に回折格子を極めて高い精度で形成しなけ
ればならないという３ペソ 欠点がある。例えば、レーザ光による干渉露光により、
発光の利得ピーク波長に整合した周期の回折格子を形成
するには、高精度の光学系を必要とし、また非常に高度
なエツチング加工技術を要する。さらに、回折格子形成
後の結晶成長条件には低温にしなければいけないという
制約があり、必らずしも最良の結晶品質を得られない。

最近、これとは別にギャップを隔てた２個の素子の連絡
、あるいは、近接させた並列複合構造による位相同期レ
ーザなる例も見られるが、これら複合素子には、それぞ
れ多くの問題点がある。例えば、前者の例では、一定の
ギャップを有し導波路の軸を再現性よく完全に一致させ
ることは非常に難しい。また、後者では、１８０°位相
差モードの確率が高く、これを避けるには、構造及びそ
れを構成している結晶の一様性、均−性が極限まで高め
る必要がある。

一般に半導体レーザは、活性層をそれよシも屈折率の小
さな材料で囲んだ導波路と見ることができる。例えば、
埋込み型ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体し特開昭ＧＯ−
１４３６８４（２） −ザでは、Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐを材料とする活性層に対
して、その周辺部すべてをＩｎＰで囲み、光を活性層に
閉じ込める構造となっている。このような導波路中の光
は、注入キャリアの誘導再結合にょシもたらされている
ものであるが、その利得スペクトル（波長に対する利得
分布）の幅は、発振しきい値付近でほぼ３００人と広い
。一方共振器長によって決る縦モード間隔は、通常共振
器長（Ｌ）が２００〜３００μｍであるので、１０λ前
後となる。従って、主発振モードと近接モードの利得差
が非常に少ない為、主モードの発振が、その波長の誘導
再結合をもたらすことによる、近接モード抑制効果が十
分なものとなり得す、わずかな不安定性、不均一性が引
き金となって、近接モード発振が同時に生ずることにな
る。この結果、縦モードの単一性が悪くなる。利得スペ
クトルは殆んど材料によシ決ってしまい変更できない。

また、縦モード間隔は、共振器長に逆比例するので、短
共振器を形成することにより単一性を向上できるが、共
振器長を短くするには、素子形成上の問題と、光出力５
ペーワ 等の特性上の問題があり限度がある。

発明の目的 本発明は、前述のような回折格子や、複合形を用いず、
縦モードを制御した半導体レーザを提供することを目的
としたものである。

発明の構成 本発明は、内部反射による干渉効果を生せしめることに
より、近接モードに対する有効反射率を低減させて、近
接モードの抑制をはかり、縦モード単一度を高める極め
て有効な半導体レーザである。すなわち、本発明は、こ
のような内部反射効果をレーザの共振器内部にもたらす
ために、その共振器中央部でＩｎＧａＡｓＰ導波路の極
めて短い一部をＩｎＰ層によって途切れるようにし、Ｉ
　ｎＧａＡｓ　ＰとＩｎＰの屈折率の差によシ、わずか
ではあるが干渉効果をもたらすに十分な内部反射を起さ
せる半導体レーザである。

実施例の説明 具体的構成について述べる前に内部反射と近接モード抑
制について説明する。

６１−、ジ 主発振モードは、共振器長すなわち結晶の端面間の距！
（第１図のＬ１＋Ｌ２）で定まる縦モードのうち、内部
反射光の位相が一致したもので、かつ、利得ピークにも
っとも近接するものとなる。これに対して近接縦モード
は、内部反射による干渉効果において位相ずれを生じて
いるため、内部反射によって近接縦モードを極端に抑制
されるのである。換言すれば、共振器全体としての有効
反射率が、主発振モードに比して著しく低下する。また
、この主発振モードについで、内部反射光が同位相とな
り、有効反射率が大きい近接モードの間隔は共振器縦モ
ードの間隔の数倍あるため、そのモードでの利得がピー
クからずれて非常に小さくなっている。従って、その発
振は十分抑制される。よって、電流、温度の変動により
利得ピークが少しずれても、モードポツピングを起さず
非常に安定である。このように、注入電流、素子温度に
対して十分安定な、単一度の高い縦モードが実現される
のである。

〔実施例〕

７ペク 第１図（ａ）に示すように液相エピタキシャル法によっ
て（ｏｏｌ）ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ　−Ｉ　ｎ　１
−８ＧａｘＡｓ、Ｐｌ−ｙ　（Ｅｇ　−０、９５４ｅＶ
　）層２．ｎ−ＩｎＰ層３　、　ｐ−ＩｎＰ層４．ｎ−
ＩｎＰ層６＋　Ｐ”１−ｘｔＧａｘＡｓｙＰｌ−ｙｚ　
（Ｅｇ＝１．１８　ｅＶ）層６を順次成長させたのち、
２７０μｍ間隔で長さ１μｍの溝を形成し、溝間２６０
μｍ間隔で幅２μｍのＳｉｏ２膜で接続したストライプ
マスク層７をつけて溝形成のためエツチングを行った。

ストライプの部分のみ結晶が露出しているので、結晶に
ストライプ状の溝が形成される。このエツチングにより
形成された溝は、２７０μｍの間隔で長さが約１μｍだ
け溝が形成されていない破線状のものである。この溝に
、第１図（ｂ）に示すようにｎ−ＩｎＰ層８゜ｎ−Ｉｎ
１−ｘＧａｘＡｓ、Ｐｌ−ア（活性層）　９　、　ｐ−
ＩｎＰ層１０、ｐ−■ｎ１−！１Ｇａｘ／ＡＢｙｌＰ１
−７１層１１を順次成長させ、三日月状活性層９を埋込
んだ。なお、溝が形成されていない１μｍの領域は、Ｓ
　ｉＯ２膜を残しておいたので、第２成長を行っても結
晶が成長せず、８１０２表面のままとなり、その位置が
識特開昭ＧＯ−１４３６８４（３） 別される。この場所は活性層が欠落しており内部反射面
となる。電極１２．１３形成後、骨間し素子を作成した
。ただし、内部反射面が中心より３６μずれるようにし
た。

このようにして形成した素子の発振特性を以下に示す。

しきい値電流Ｉｔｈｌｄ、２６ｍＡである。

発振直前のスペクトルと、発振スペクトルを第２図（ａ
）、　（ｂ）に示す。また、発振波長の温度変化、単一
度の電流変化を第３図（ａ）、（ｂ）に示す。単一度と
して、主発振モードの全出力に対する比をめた第２図（
ａ）から、骨間端面より形成された共振器（全長２７０
μｍ）による８、５人周期の振動モードの他に、６６人
周期の振動モードが生じているのが分る。これは内部反
射面による部分反射に基ずく干渉効果のためである。

この効果が如何に縦モードの単一化に有効であるかは、
第２図（ｂｌおよび第３図Ｃａ）、（ｂ）から明白であ
る。電流がしきい値電流Ｉｔｈの１．２倍から６倍の広
範囲にわたり、単一度が０．９９以上であり、この間モ
ードホッピングもなかった。発振波長の９ペジ 温度変化は０．６へ／℃、１６℃〜４０℃の範囲でモー
ドポツピングは見られず、非常に安定した高年一度の発
振が得られた。

なお、上記実施例においてはＬｌ−Ｌ２が７膜μｍニツ
イテテあるが、Ｌ、−１２層２５μｍ、Ｌ１−Ｌ２＝１
００１膜ｍとなるように骨間して作った素子では、同様
に高い単一度を安定に得られた。

しかし、内部反射面の中心からのずれが１０μｍ以内（
Ｌ１〜Ｌ２〈２膜μｍ）の場合、および１１００ｐ以上
（Ｌ１〜Ｌ２〉２膜Ｏμｍ）の場合には、高い単一度は
得られなかった。このことは、以下に述べる解析結果と
一致している。Ｌ１〜Ｌ　２　＜　２０μｍでは、有効
反射率の振動周期が、２６０Å以上となり、利得スペク
トル幅と同程度となるため、多少、近接モードの抑制効
果を生じるが不十分である。また、Ｌ１〜Ｌ２〉２００
μｍでは、有効反射率の振動周期は２６人以内となシ、
端面共振器モード間隔の３倍以内となり、利得スペクト
ルの差が小さい近接モードの抑制が不十分となる。

なお、共振器長２７０μｍの三日月状活性層埋１０７、
、ブ 込み構造において、内部反射面を中心から２０μｍ〜１
００μｍずらして導入したものについて、本発明が非常
に有効であることを述べたが、例えばＢＨ槽構造ど他の
構造においても、本発明の適用で同様の効果が期待され
る。ＢＨ槽構造場合には、第１成長で活性層を形成した
後、エツチングでストライプを残す工程で内部反射面を
形成すべく、一部をエツチングし、第２成長の埋込みで
、この部分をＩｎＰで埋込む手順となる。このように他
の構造では内部反射面を形成する具体的手順を多少変更
する必要があるけれども、骨間により共振器を形成する
際、内部反射面を中央より２０μ〜１００μずらして作
成することが重要である。

発明の効果 本発明は内部反射による干渉効果を生ぜしめ、近接モー
ドの抑制をはかることにより、縦モード単一度を高めら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例の半導体レー
ザの構成図、第２図（ａ）、　（ｂ）は各々同レーザー
の発１１　ページ 撮直前のスペクトルおよび発振スペクトル、第３図（ａ
）、（ｂ）は各々レーザーの温度−波長特性図および電
流−光出力特性図である。 １−−−・−・ＩｎＰ基板、２　・−・−ｎ−Ｉｎ１−
ｘＧａｘＡｓｙＰｌ−ｙ層、３・・・・・・ｎ−ＩｎＰ
層、４・・・・・・ｐ−ＩｎＰ、５・・・・・・ｎ−Ｉ
ｎＰ層６・・・・・・ｐ−Ｉｎ１−ｘｌＧａｘｌＡｓｙ
ｌＰｌ−ｙｌ、７・・川・ストライフマスク、８・・・
・・・ＩｎＰ、９・・・・・・ｎ−Ｉｎに、ＧａｘＡｓ
ｙＰｌ−ｙ、　１０−・＝−ｐ−ＩｎＰ　、　１１・・
−・−ｐ−１ｎ１．、−ｘｔＧａ！ｔＡｓｙｔＰ１−ｙ
ｔ　、　１２　、１３−−−−−・電流。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名特開
昭ＧＯ−１４３６８４（４） ｑ−Ｊｊ５／３ 第２図 Ｗ（ＬＶｅ）ｅｎｇｔｈ　（ｐｍ） 銅製Ｐ、奴

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性層もしくはそれと隣接しである導波路の一部
   を、それより屈折率の小さな材料によって直接せしめた
   内部反射面をもつ半導体レーザ。
2. （２）活性層がＩ　ｎ　１−！Ｇａ！Ａｓ　、Ｐｌ−ｙ
   　（０（ｘ　（１。 ０＜ｙ＜１　）結晶であシ、かつ内部反射面の位置が、
   共振器を形成する結晶端面間中央より、２０μｍから１
   ００μｍずらしたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の半導体レーザ。