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JPS625355B2 - - Google Patents
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JPS625355B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS625355B2
JPS625355B2 JP12029879A JP12029879A JPS625355B2 JP S625355 B2 JPS625355 B2 JP S625355B2 JP 12029879 A JP12029879 A JP 12029879A JP 12029879 A JP12029879 A JP 12029879A JP S625355 B2 JPS625355 B2 JP S625355B2
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JP
Japan
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layer
light
active layer
light guide
conductivity type
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JP12029879A
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English (en)
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JPS5643793A (en
Inventor
Isamu Sakuma
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication of JPS5643793A publication Critical patent/JPS5643793A/ja
Publication of JPS625355B2 publication Critical patent/JPS625355B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01S5/22Structure 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
    • H01S5/223Buried stripe structure
    • H01S5/2232Buried stripe structure with inner confining structure between the active layer and the lower electrode
    • H01S5/2234Buried stripe structure with inner confining structure between the active layer and the lower electrode having a structured substrate surface

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発振モードの制御に有効な構造を有す
る半導体レーザに関するものである。
半導体レーザの基本モード化は光フアイバー通
信に於ける広帯域、長距離伝送や低歪アナログ変
調等を実用化するために必要なことである。
最初、発振モードの制御は、光の損失と、むだ
な再結合を最小にする特定領域に光エネルギー及
び注入電流を閉じ込める構造のいわゆる電極スト
ライプレーザで実現された。その後、各種のスト
ライプレーザが開発され現在に至つているが、い
ずれも、それぞれの欠点を有し、特性上に不満足
なものであつた。
たとえば、電極ストライプレーザ等、単に電流
分布のみ横方向に閉じ込めた場合には、レーザ光
は主として利得分布によりストライプ方向に導か
れるが、この利得による導波路作用は不安定であ
り、電流を増していくと、容易に高次横モード発
振を起し、更には電流−光出力特性が歪む場合も
多い。これは、電極ストライプレーザが活性層の
横方向に対して、キヤリア及び光を閉じ込める構
造となつていないためである。
そこで、上記の欠点を補うために、導波路機構
を構造的に半導体レーザの内部に作り込んだいわ
ゆる、リブガイド、ストライプレーザが提案され
た。この構造は発光領域に光ガイド、リブ構造の
導波路を形成して、安定な基本モード発振を得よ
うとするものである。
本発明に先行する従来技術としては、このリブ
ガイドストライプレーザを挙げるべきであり、ま
ずこの型式のGaAs−AlGaAs系半導体レーザに
ついて、その構造、機構等を簡単に説明する。第
1図はその概略的斜視図である。1は帯状の凹溝
10を形成したn型GaAs基体で、この上に以下
の層が積層されている。n型Al0.3Ga0.7Asの光を
閉じ込める層2、n型Al0.3Ga0.9Asで、中央部が
厚くなつている光ガイド及びキヤリアを閉じ込め
る層3(以下光ガイド層と略記する)、GaAsの活
性層4、p型Al0.3Ga0.7As層の光及びキヤリアを
閉じ込める層5であり、光を閉じ込める層2の中
央部は、半導体基板1内に形成された溝10のた
めくぼんだわん状となつている。電極7,9が半
導体基体1及び、電極容易化層のp型GaAs6の
上に付けたSiO2膜8を介してそれぞれ接触され
ている。この様な構造を有すると、活性層4で発
生した光は一部分が、光ガイド層3にしみ出す。
光ガイド層3は活性層4で発生した光に対して十
分に透明なため、この層内で発振光が損失するこ
とはない。そこで光はガイド層3と活性層4の間
に拡がつて伝播する。更にこれらの半導体層3,
4は屈折率の低い各々光を閉じ込める層2と光及
びキヤリアを閉じ込める層5に挾まれることで縦
方向に光はこの低い屈折率の層2,5にガイドさ
れ層3,4領域に閉じ込められる。又、横方向
は、光ガイド層3が溝9領域に於いて、その中央
部で層厚を最大として、溝10の外側になるにし
たがつて厚さを薄くすることで、実効的屈折率の
高くなつた光ガイド層3の中央部に閉じ込められ
る。故に、この構造は、発光領域の横方向に屈折
率分布による光導波路機構を設けたと等価となる
ため、高光出力でも安定した基本モード発振を得
る特徴がある。しかしこのリブガイドストライプ
レーザは横方向のキヤリアの閉じ込めが不十分な
ことによる、下記の様な欠点を有する。
すなわち、活性層4に注入されたキヤリアは拡
散効果により、活性層4の横方向に拡がり、実効
的発光領域は、実際の電極幅に比較して、相当に
広くなる。たとえば4μm電極幅のストライプレ
ーザに於いて、活性層の発光領域は電極の真下か
ら、横方向に指数函数的にその強度を減衰しなが
ら、片側約20〜30μ幅に広がつている。電極の真
下以外のキヤリアは直接発振に寄与しないため、
この横方向の電流成分が動作電流を高める原因と
なる横方向広がり電流成分は電極幅が10μm以下
と狭ストライプレーザになるにしたがい実効発振
電流成分に比較して数倍も占めるため設計上、こ
のキヤリアの横方向閉じ込めが重要な課題とな
る。動作電流を高める他に活性層の温度上昇が大
きくなり、微分量子効率が低下し、高出力動作を
不可能とする。
更に光出力がある出力以上になると、光によつ
て半導体レーザの出力端面が破損し、発振が止ま
る現象がある。この端面破損する程度は、活性層
結晶の材質や、活性層が、発振光に対して、どれ
ほどの吸収量を持つかでも異なる。上記構造の光
ガイド層付半導体レーザは普通の光ガイド層の無
い半導体レーザと比較すれば、端面破損は生じに
くい。しかし、活性層端面が存在する限りやはり
高出力下では、動作が困難となる。
この発明の目的は従来の半導体レーザが有して
いる欠点を除去し、基本モード発振が容易で、発
振閾値電流が低く、微分量子効率も高く、高出力
化も可能な半導体レーザの構造を提供することで
ある。
本発明は以下に述べるような半導体レーザの構
造によつて解決される。
本発明の半導体レーザの構造の骨子は次の通り
である。
半導体基体上に光閉じ込め層、光ガイド及びキ
ヤリア閉じ込め層、(以下光ガイド層と略記す
る)、活性層、光及びキヤリア閉じ込め層が普通
のエピタキシアル成長法によつて連続的に成長
し、形成されている。光及びキヤリア閉じ込め層
は片面の中央部分がストライプ状にくぼんだわん
状で、光ガイド層で完全に埋め込まれるように形
成することで、光ガイド層にわん状ガイド領域を
備える。
更にわん状ガイド領域に相当する活性層を少な
くとも、光出力端面近傍領域を除いて、ストライ
プ状に導電型を変換されたものである。第2図、
第3図を参照しながら本発明の基本原理を説明す
る、第2図は本発明をGaAs−AlGaAs半導体に
実施した場合の半導体レーザの代表例で、その概
略的斜視図、第3図は主要な部分の概略断面を示
すものであり、第3図Aは−′部(第2図に
示した)の断面、第3図Bは−′部の断面第
3図Cは−′部の断面を示す。半導体基体1
1はn型GaAs、光閉じ込め層12はn型
Al0.3Ga0.7As層、光ガイド層13もn型
Al0.1Ga0.9As層で、GaAs活性層14、
Al0.3Ga0.7Asの光及びキヤリア閉じ込め層15は
最初n型導電型である。
半導体基体11に設けた溝18部分の光ガイド
層13は半導体基体11の方に内方に弓形にされ
た光閉じ込め層12に接し、その中央部が凸で表
面が平坦な、すなわち平凸形状の断面を有する。
更に活性層14と光及びキヤリア閉じ込め層15
の平凸状ガイド領域に相対する部分がそれぞれ端
面近傍を除いて、ストライプ状にp型領域19,
20に変換されている。電極16,17のn型電
極16は半導体基体に又p型電極はp型領域のp
型Al0.3Ga0.7As層20の表面にそれぞれ接触する
様に設ける。典型的な各層厚は溝18の中央部で
それぞれ、層12が0.8μm層13が0.4μm、層
14が0.1μm、層15が1.5μmである。
動作は電極17に正、電極16に負を印加する
ことにより、整流接合21は順方向バイアスされ
る。整流接合21は、Al0.3Ga0.7Asホモ接合、
GaAsホモ接合、GaAs−Al0.1Ga0.9Asヘテロ接合
による並列結合から成る。故に注入電流の大部分
は拡散電位の低い接合から流れだす。活性層14
の禁止帯幅が最も狭いため、電流はGaAsホモ接
合と、GaAs−Al0.1Ga0.9Asヘテロ接合の両方に
流れる。従つてレーザ発振は活性層14のp型領
域19で起る。p型領域活性層19に注入された
キヤリアは縦方向に対して、隣接する各半導体1
3,15と横方向にはGaAsホモ接合により、拡
散することなく、このp型領域19内に完全に閉
じ込められる。十分な注入キヤリアによつて、利
得が損失にうち勝つたとき、p型領域19からレ
ーザ発振が生じる。このレーザ光は光ガイド層1
3にしみ出し、屈折率の低い光閉じ込め層12と
光及びキヤリア閉じ込め層15によつて導かれ
る。光ガイド層13の中央部の厚さは、その外側
とで異なる、従つて、光ガイド層13の横方向屈
折率分布は中央部が外側に比らべて、大きくな
る。すなわち、光導波機構を発光領域に作り込ん
だことになり、光の横方向閉じ込め作用により、
安定した基本モード発振する。
端面近傍の非励起活性層部も、縦、横方向とも
屈折率変化の光導波機構を有するため、レーザ光
は、その基本モードを変形することなく伝播が可
能である。
活性領域へのキヤリア注入が、整流接合の拡散
電位の違を利用した閉じ込め効果のよりなされる
ため、電流注入効率が高まり、発光効率も大きく
なる利点がある。
これは、余分の電流を流す必要がないことか
ら、動作電流が少なくてすむ利点がある。
更に別な特徴は、活性層14にp−n接合を形
成する際、外側のn領域のキヤリア濃度n〓3×
1018cm-3、p領域のキヤリア濃度p〓5×1018cm
-3の範囲で制御すると、その濃度差により、端面
近傍のn型領域がレーザ光に対し透明にする事が
出来る。活性層の励起領域端面が露出してなく、
レーザ光に対して透明である結晶で包囲されてい
る事は、端面破損が起り難く、高出力に耐える。
ストライプ状p型領域19,20を形成する場
合、p型領域が活性層を貫通し、n型光ガイド層
13内にp−n接合を設けた構造としても、スト
ライプ状p型領域の幅がキヤリアの拡散長程度な
らば、得られる効果作用は同じであるがp型領域
を形成する製作上の困難さが除去される利点を有
する。
以上詳述したように本発明による半導体レーザ
は、基本モード制御が容易になされ、更に高出力
動作で長寿命にたえる等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の半導体レーザの概略的斜視図、
第2図は本発明の一実施例における半導体レーザ
の概略的斜視図、第3図はその主要部分の概略的
断面図をそれぞれ示す。 図面において、1,11……半導体基体、2,
12……光閉じ込め層、3,13……光ガイド
層、4,14……活性層、5,15……光及びキ
ヤリア閉じ込め層、6……電極容易化層、8……
SiO2膜、7,16……n型電極、9,17……
p型電極、10,18……溝、19,20……p
型変換領域、21……整流接合、をそれぞれ示
す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 第1導電型の活性層に隣接して、該活性層よ
    りも屈折率が小さく禁止帯幅の広い第1導電型の
    光ガイド及びキヤリア閉じ込め層を形成した2層
    構造を前記活性層よりも屈折率の小さい第1導電
    型の光閉じ込め層及び第1導電型の光及びキヤリ
    ア閉じ込め層で挾み込んだ層構造を有し、前記光
    ガイド及びキヤリア閉じ込め層の層厚は中心部で
    ストライプ状に厚くなつており、さらに前記光ガ
    イド及びキヤリア閉じ込め層の層厚の厚い部分に
    相当する位置の前記活性層と前記光及びキヤリア
    閉じ込め層との一部が少なくとも、光出力端面及
    び光出力端面近傍領域を除いてストライプ状に第
    2導電型を有する半導体領域に変換されているこ
    とを特徴とする半導体レーザ。
JP12029879A 1979-09-18 1979-09-18 Semiconductor laser Granted JPS5643793A (en)

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