JPH0477478B2 - - Google Patents
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- JPH0477478B2 JPH0477478B2 JP26229387A JP26229387A JPH0477478B2 JP H0477478 B2 JPH0477478 B2 JP H0477478B2 JP 26229387 A JP26229387 A JP 26229387A JP 26229387 A JP26229387 A JP 26229387A JP H0477478 B2 JPH0477478 B2 JP H0477478B2
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- JP
- Japan
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- active layer
- layer
- raman
- entrance window
- excitation light
- Prior art date
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- Lasers (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、半導体ラマンレーザに係り、特に光
通信及び分光計測に利用される半導体ラマンレー
ザに関するものである。光通信においては特に光
ヘテロダイン検波方式遠赤外線領域の光波発生、
波長純度と安定性の極めて高いキヤリア光波の発
生手段として利用される。
通信及び分光計測に利用される半導体ラマンレー
ザに関するものである。光通信においては特に光
ヘテロダイン検波方式遠赤外線領域の光波発生、
波長純度と安定性の極めて高いキヤリア光波の発
生手段として利用される。
半導体ラマンレーザは従来、本発明者により
GaP単結晶及びエピタキシヤル結晶において実現
されているが、そのポンピング光は、YAGレー
ザや大出力半導体レーザなどのパルス動作が主で
あつた。光通信に利用するには、低出力の半導体
レーザでしかも連続波（CW）で励起する必要が
あり、また分光計測用に利用するにも、CWダイ
レーザのごとき、いずれの場合も1Wから10mW
という極めて小さいパワの励起レーザ光で動作す
る半導体ラマンレーザが必要となる。すでに光励
起レーザ光のパワ密度としては、１〜0.7×106
Ｗ／cm2においてラマン発振することを確認してい
る。このことは入射光を1μ角の領域に集中でき
れば、わずか10mWの励起光パワで発振すること
を原理的には意味している。一方、本発明者はア
イ イー イー プロシーデイングズ（IEE
Proceedings）Vol.134，Pt.J，No.．４，August
1987の第215頁乃至第220頁に記載の第１図に示す
ような構造のラマンレーザを発表した。第１図に
おいて１はGaP基板結晶、２はAlxGa1-xＰ第一
クラツド層、３はGaPラマン活性層、４は
AlxGa1-xＰ第二クラツド層、５，６は高反射率
誘電体膜、７は入射励起光を示す。入射側蒸着膜
は蒸着用マスクを使つてストライプ状に形成さ
れ、幅は１mm程度であつて、また共振器長は３〜
４mmである。励起光は蒸着膜端から斜め前方に７
で示すように入射させ５，６によつて構成される
共振器領域を励起する。これによつてストークス
光が増幅され上下方向には屈折率の低い
AlxGa1-xＰクラツド層によつて閉じこめられ、
横方向には特に閉じこめ効果がないが共振器領域
の幅が１mmと広いため容易に発振する。
GaP単結晶及びエピタキシヤル結晶において実現
されているが、そのポンピング光は、YAGレー
ザや大出力半導体レーザなどのパルス動作が主で
あつた。光通信に利用するには、低出力の半導体
レーザでしかも連続波（CW）で励起する必要が
あり、また分光計測用に利用するにも、CWダイ
レーザのごとき、いずれの場合も1Wから10mW
という極めて小さいパワの励起レーザ光で動作す
る半導体ラマンレーザが必要となる。すでに光励
起レーザ光のパワ密度としては、１〜0.7×106
Ｗ／cm2においてラマン発振することを確認してい
る。このことは入射光を1μ角の領域に集中でき
れば、わずか10mWの励起光パワで発振すること
を原理的には意味している。一方、本発明者はア
イ イー イー プロシーデイングズ（IEE
Proceedings）Vol.134，Pt.J，No.．４，August
1987の第215頁乃至第220頁に記載の第１図に示す
ような構造のラマンレーザを発表した。第１図に
おいて１はGaP基板結晶、２はAlxGa1-xＰ第一
クラツド層、３はGaPラマン活性層、４は
AlxGa1-xＰ第二クラツド層、５，６は高反射率
誘電体膜、７は入射励起光を示す。入射側蒸着膜
は蒸着用マスクを使つてストライプ状に形成さ
れ、幅は１mm程度であつて、また共振器長は３〜
４mmである。励起光は蒸着膜端から斜め前方に７
で示すように入射させ５，６によつて構成される
共振器領域を励起する。これによつてストークス
光が増幅され上下方向には屈折率の低い
AlxGa1-xＰクラツド層によつて閉じこめられ、
横方向には特に閉じこめ効果がないが共振器領域
の幅が１mmと広いため容易に発振する。
前述のような方法で、励起光を入射させるに
は、当然励起光のビーム断面が第１図に示すよう
にある程度の幅、即ち100μ以上の幅を持つてい
なければならず、又発振するべきストークス光も
横方向に広がるから通常は10W以上のパルスの励
起光を必要とし、励起光強度を1W以下にして発
振させることは困難であつた。本発明は、強度
1Wから10mW程度の極めて低い入射パワで発振
する半導体ラマンレーザを提供することを目的と
する。即ち、CW出力の光通信用注入形半導体レ
ーザや分光計測用のCWダイレーザを励起レーザ
として発振する半導体ラマンレーザを提供するこ
とを目的とする。
は、当然励起光のビーム断面が第１図に示すよう
にある程度の幅、即ち100μ以上の幅を持つてい
なければならず、又発振するべきストークス光も
横方向に広がるから通常は10W以上のパルスの励
起光を必要とし、励起光強度を1W以下にして発
振させることは困難であつた。本発明は、強度
1Wから10mW程度の極めて低い入射パワで発振
する半導体ラマンレーザを提供することを目的と
する。即ち、CW出力の光通信用注入形半導体レ
ーザや分光計測用のCWダイレーザを励起レーザ
として発振する半導体ラマンレーザを提供するこ
とを目的とする。
本発明はその実施例図面第２図乃至第８図に示
すようにGaPラマン活性層を極めて滑らかな側面
を持つストライプ状に形成し、その断面周囲を完
全にAlxGa1-xＰクラツド層で囲む。更に、端面
の一部分のみに高反射率蒸着面に活性層端面に比
べて充分小さな穴を設け、注入形半導体レーザ光
又はダイレーザ光をレンズあるいはフアイバで集
光して穴の部分即ち入射窓より入射する。活性層
及びクラツド層は充分に低キヤリア密度であり、
吸収が少なく、かつ端面は高反射率であるので入
射励起光は活性層内に広がつて導波し、結局、入
射用の窓から失われるまで多重に反射を繰り返
す。従つてラマン活性層の全ての部分で入射光の
入射窓における光強度とほぼ等しくなり、入射窓
に比べて充分大きな端面を有する活性層全体でス
トークス光の発振を実現できる。窓の大きさは、
レンズで集光しえる限界の大きさでよく、この部
分で発振の閾値パワ密度１×106Ｗ／cm2に達して
いればよいことは前述のことから理解しえる。例
えばレンズによる集光では、1μφまで集光するこ
とはレンズの組合わせを使えば可能であり、また
簡便なレンズでも5μφにしぼられるから、前者で
は約8mW、後者では約20mWの励起光強度で発
振することができ通常のCW出力注入形半導体レ
ーザで励起されて発振する半導体ラマンレーザが
得られるのである。増幅さるべきストークス光は
一部分、入射窓から失われるが、平行ビームが回
折により窓に達する割合を充分小さくなるように
入射窓に対して、またレーザ長に対してストライ
プ幅を選ぶのである。つまり入射窓は活性層端面
に比し小さいが、それでもストークス光の損失の
原因となる。これを減らすためには、第１にスト
ライプ幅を入射窓の大きさに比し、回折損失が少
なくなる程度に大きくかつ活性層内部での励起光
の多重反射による吸収損失が問題とならない程度
に小さく設計しなければならない。この回折効果
はレーザの長さに依存する。更に改善された方法
として、活性層ストライプに第４図に示すような
傾斜を持たせ、回折損失を減少させるか、又は第
５図のように励起光導入層を別に設ける。ラマン
活性層クラツド層、励起光導入層の屈折率をそれ
ぞれn1，n2，n3とした時n1＞n3＞n2とすれば励起
光はラマン活性層にまで広がるが、クラツド層に
よつて閉じこめが行なわれ、一方ストークス光は
活性層内のみに閉じこめられ入射窓への回折損失
を無くすことができる。
すようにGaPラマン活性層を極めて滑らかな側面
を持つストライプ状に形成し、その断面周囲を完
全にAlxGa1-xＰクラツド層で囲む。更に、端面
の一部分のみに高反射率蒸着面に活性層端面に比
べて充分小さな穴を設け、注入形半導体レーザ光
又はダイレーザ光をレンズあるいはフアイバで集
光して穴の部分即ち入射窓より入射する。活性層
及びクラツド層は充分に低キヤリア密度であり、
吸収が少なく、かつ端面は高反射率であるので入
射励起光は活性層内に広がつて導波し、結局、入
射用の窓から失われるまで多重に反射を繰り返
す。従つてラマン活性層の全ての部分で入射光の
入射窓における光強度とほぼ等しくなり、入射窓
に比べて充分大きな端面を有する活性層全体でス
トークス光の発振を実現できる。窓の大きさは、
レンズで集光しえる限界の大きさでよく、この部
分で発振の閾値パワ密度１×106Ｗ／cm2に達して
いればよいことは前述のことから理解しえる。例
えばレンズによる集光では、1μφまで集光するこ
とはレンズの組合わせを使えば可能であり、また
簡便なレンズでも5μφにしぼられるから、前者で
は約8mW、後者では約20mWの励起光強度で発
振することができ通常のCW出力注入形半導体レ
ーザで励起されて発振する半導体ラマンレーザが
得られるのである。増幅さるべきストークス光は
一部分、入射窓から失われるが、平行ビームが回
折により窓に達する割合を充分小さくなるように
入射窓に対して、またレーザ長に対してストライ
プ幅を選ぶのである。つまり入射窓は活性層端面
に比し小さいが、それでもストークス光の損失の
原因となる。これを減らすためには、第１にスト
ライプ幅を入射窓の大きさに比し、回折損失が少
なくなる程度に大きくかつ活性層内部での励起光
の多重反射による吸収損失が問題とならない程度
に小さく設計しなければならない。この回折効果
はレーザの長さに依存する。更に改善された方法
として、活性層ストライプに第４図に示すような
傾斜を持たせ、回折損失を減少させるか、又は第
５図のように励起光導入層を別に設ける。ラマン
活性層クラツド層、励起光導入層の屈折率をそれ
ぞれn1，n2，n3とした時n1＞n3＞n2とすれば励起
光はラマン活性層にまで広がるが、クラツド層に
よつて閉じこめが行なわれ、一方ストークス光は
活性層内のみに閉じこめられ入射窓への回折損失
を無くすことができる。
前述したように、入射窓へ集光された励起光、
ストークス光ともにストライプ内に閉じこめられ
かつ励起光は多重反射して吸収による損失が問題
とならずに活性層全体が入射窓での励起光のパワ
密度と同程度のレベルに達し、かつ発振すべきス
トークス光が入射窓から失われる損失が実質的に
問題とならず極めて低いCWの励起光パワでの発
振が可能となる。
ストークス光ともにストライプ内に閉じこめられ
かつ励起光は多重反射して吸収による損失が問題
とならずに活性層全体が入射窓での励起光のパワ
密度と同程度のレベルに達し、かつ発振すべきス
トークス光が入射窓から失われる損失が実質的に
問題とならず極めて低いCWの励起光パワでの発
振が可能となる。
このようにして形成された半導体ラマンレーザ
は、既に提案してある光ヘテロダイン検波及び遠
赤外光発生用に極めて適している。更に本発明の
半導体ラマンレーザは励起レーザを含めて全て半
導体で構成されるので長寿命で信頼性が高く小形
である。更に、本発明の半導体ラマンレーザは、
共振器の反射、吸収、回折損失が著しく低いすな
わちＱの著しく高い光共振器で構成されているた
め、発振周波数の安定度が注入形半導体レーザに
比べて極めて高い。つまりＱの値は端面反射率か
ら比較して半導体注入形レーザの70倍程度になつ
ておりそれだけ周波数の純度が高い。またラマン
散乱の半値幅がゲインバントであるがGaPの場合
30GHz程度であり、入射レーザ1μ程度のときは、
対応するスペクトル幅は0.5Å程度である。つま
りこの程度のゆらぎを励起光が持つていても構わ
ない。一方、半導体ラマンレーザの共振器長から
決まる縦モード間隔は15GHz（長さ４mmの時）程
度であるから、縦モードはシングルモードであ
る。
は、既に提案してある光ヘテロダイン検波及び遠
赤外光発生用に極めて適している。更に本発明の
半導体ラマンレーザは励起レーザを含めて全て半
導体で構成されるので長寿命で信頼性が高く小形
である。更に、本発明の半導体ラマンレーザは、
共振器の反射、吸収、回折損失が著しく低いすな
わちＱの著しく高い光共振器で構成されているた
め、発振周波数の安定度が注入形半導体レーザに
比べて極めて高い。つまりＱの値は端面反射率か
ら比較して半導体注入形レーザの70倍程度になつ
ておりそれだけ周波数の純度が高い。またラマン
散乱の半値幅がゲインバントであるがGaPの場合
30GHz程度であり、入射レーザ1μ程度のときは、
対応するスペクトル幅は0.5Å程度である。つま
りこの程度のゆらぎを励起光が持つていても構わ
ない。一方、半導体ラマンレーザの共振器長から
決まる縦モード間隔は15GHz（長さ４mmの時）程
度であるから、縦モードはシングルモードであ
る。
またラマン散乱は吸収現象ではないから内部で
の熱発生が無視でき、注入形レーザのような熱に
よる周波数不安定はない。従つて光通信のキヤリ
ア光波としても著しく周波数安定度が高く、超多
重通信に最適となる。
の熱発生が無視でき、注入形レーザのような熱に
よる周波数不安定はない。従つて光通信のキヤリ
ア光波としても著しく周波数安定度が高く、超多
重通信に最適となる。
以下図面に示した実施例に基づいて本発明を詳
細に説明する。
細に説明する。
（実施例 １）
第２図は本発明の一実施例を示す半導体ラマン
レーザである。この図において１はGaP結晶基
板、２はAlxGa1-xＰ第一クラツド層、３はスト
ライプ状に形成されたGaPラマン活性層であり、
４はラマン活性層の上面、側面を被うAlxGa1-x
Ｐ第二クラツド層、９はGaPバツフア層である。
５は入射側の誘電体高反射膜で反射率99％又はそ
れ以上である。８は励起光入射窓であり、ラマン
活性層端面の一部にホトレジスト技術であけた極
めて小さな穴である。６は出力側の高反射率膜で
あり反射率は99％というやはり高い値を有してい
る。７はレンズや光フアイバによつて集光されて
８よりストライプ領域に入射する励起レーザ光で
ある。
レーザである。この図において１はGaP結晶基
板、２はAlxGa1-xＰ第一クラツド層、３はスト
ライプ状に形成されたGaPラマン活性層であり、
４はラマン活性層の上面、側面を被うAlxGa1-x
Ｐ第二クラツド層、９はGaPバツフア層である。
５は入射側の誘電体高反射膜で反射率99％又はそ
れ以上である。８は励起光入射窓であり、ラマン
活性層端面の一部にホトレジスト技術であけた極
めて小さな穴である。６は出力側の高反射率膜で
あり反射率は99％というやはり高い値を有してい
る。７はレンズや光フアイバによつて集光されて
８よりストライプ領域に入射する励起レーザ光で
ある。
ラマン活性層の長さは３mm〜４mm、各層の厚み
はAlxGa1-xＰクラツド層１〜5μm，GaPラマン
活性層１〜10μmまたはGaPラマン活性層のスト
ライプ幅は100μmから10μm程度である。入射光
用の窓は端面全面に蒸着された誘電体膜を第２図
のようにストライプ状に除去することによつて形
成される。GaPラマン活性層の厚み5μ、入射窓
の幅5μとすれば入射窓の面積は25μm2であり、こ
こから入つた光が、吸収や誘電体の残留の透過率
によつて失われないかぎり、活性層内部全体でほ
ぼ同じ強度に達するまで多重反射を繰り返す。す
ると約１×106Ｗ／cm2つまり1μ角当り10mWが
GaPの場合の閾値パワ密度だから、必要な励起光
パワは250mWとなり1W以下の出力のCWダイレ
ーザ、波長0.6〜1.1μm高出力の注入形CW半導体
レーザ（波長0.8〜0.85μ）で励起することができ
る。このときの活性層のストライプ幅は活性層の
キヤリア密度によつて異なる。即ち、半導体ラマ
ンレーザはGaPのように極めて透明度の高い媒質
ではじめて発振可能となるのであるが、それでも
キヤリア密度にほぼ比例する残留吸収が存在し、
GaPの場合1μ帯では、吸収係数α、キヤリア密
度をＮとしたときα／Ｎ0.05cm-1／1016cm-3程
度である。従つてキヤリア密度が１×1016cm-3の
ときは、共振器長を４mmとすると、約17回往復す
ると吸収によつてその強度が約1/2に低下する。
従つてストライプ幅はおよそ5μ程度の穴の幅の
17倍程度、つまり85μ程度としておけば活性層内
部の励起光強度は入射窓での集光された励起光強
度程度にはなるのである。ストライプ幅をこれ以
上にすれば活性層内部の光強度は低下し、入射パ
ワを上げなければならないので好ましくない。ま
た、ストライプ幅をこれより小さくすれば、それ
だけ励起光からストークス光への変換効率が低下
する。またストークス光の強度分布は第３図のよ
うになつており入射窓側で減少しているが回折に
よつてストークス光が入射窓から失われるのでス
トライプ幅を狭くするほど回折損が増大する。即
ち、ストライプ幅Ｓ，波長λ、屈折率ｎ、共振器
長ｌとすると回折によつて入射窓側へのストーク
ス光の広がり幅δはおおよそ δλ／2nS・ｌ ……(1) によつて見積ることができ、Ｓ〜85μ、λ〜1μ、
ｎ〜3.1、ｌ〜４mmとするとδ7.6μmとなる。即
ちこの分は回折によつて入射窓に達しそこから外
部へ出て損失となる。
はAlxGa1-xＰクラツド層１〜5μm，GaPラマン
活性層１〜10μmまたはGaPラマン活性層のスト
ライプ幅は100μmから10μm程度である。入射光
用の窓は端面全面に蒸着された誘電体膜を第２図
のようにストライプ状に除去することによつて形
成される。GaPラマン活性層の厚み5μ、入射窓
の幅5μとすれば入射窓の面積は25μm2であり、こ
こから入つた光が、吸収や誘電体の残留の透過率
によつて失われないかぎり、活性層内部全体でほ
ぼ同じ強度に達するまで多重反射を繰り返す。す
ると約１×106Ｗ／cm2つまり1μ角当り10mWが
GaPの場合の閾値パワ密度だから、必要な励起光
パワは250mWとなり1W以下の出力のCWダイレ
ーザ、波長0.6〜1.1μm高出力の注入形CW半導体
レーザ（波長0.8〜0.85μ）で励起することができ
る。このときの活性層のストライプ幅は活性層の
キヤリア密度によつて異なる。即ち、半導体ラマ
ンレーザはGaPのように極めて透明度の高い媒質
ではじめて発振可能となるのであるが、それでも
キヤリア密度にほぼ比例する残留吸収が存在し、
GaPの場合1μ帯では、吸収係数α、キヤリア密
度をＮとしたときα／Ｎ0.05cm-1／1016cm-3程
度である。従つてキヤリア密度が１×1016cm-3の
ときは、共振器長を４mmとすると、約17回往復す
ると吸収によつてその強度が約1/2に低下する。
従つてストライプ幅はおよそ5μ程度の穴の幅の
17倍程度、つまり85μ程度としておけば活性層内
部の励起光強度は入射窓での集光された励起光強
度程度にはなるのである。ストライプ幅をこれ以
上にすれば活性層内部の光強度は低下し、入射パ
ワを上げなければならないので好ましくない。ま
た、ストライプ幅をこれより小さくすれば、それ
だけ励起光からストークス光への変換効率が低下
する。またストークス光の強度分布は第３図のよ
うになつており入射窓側で減少しているが回折に
よつてストークス光が入射窓から失われるのでス
トライプ幅を狭くするほど回折損が増大する。即
ち、ストライプ幅Ｓ，波長λ、屈折率ｎ、共振器
長ｌとすると回折によつて入射窓側へのストーク
ス光の広がり幅δはおおよそ δλ／2nS・ｌ ……(1) によつて見積ることができ、Ｓ〜85μ、λ〜1μ、
ｎ〜3.1、ｌ〜４mmとするとδ7.6μmとなる。即
ちこの分は回折によつて入射窓に達しそこから外
部へ出て損失となる。
従つてこの回折損失はLDδ／Ｓで与えられ
約９％となり反射膜による損失LRと吸収損失L〓
の和約６％に対して無視することはできなくな
る。上記の回折損失はフラウンホーフア回折によ
る近似であつて、実際はフレネル回折であるから
回折損失は２〜３％に低下する。しかしながら、
ストライプ幅を狭くしていけば明らかに回折損失
は大きくなり、もはや無視できず入射パワを上げ
ざるを得ない。
約９％となり反射膜による損失LRと吸収損失L〓
の和約６％に対して無視することはできなくな
る。上記の回折損失はフラウンホーフア回折によ
る近似であつて、実際はフレネル回折であるから
回折損失は２〜３％に低下する。しかしながら、
ストライプ幅を狭くしていけば明らかに回折損失
は大きくなり、もはや無視できず入射パワを上げ
ざるを得ない。
活性層のキヤリア密度が２×1016cm-3のとき
は、活性層のストライプ幅は上記の1/2、つまり
40μm程度またはそれ以下にしなければならない。
は、活性層のストライプ幅は上記の1/2、つまり
40μm程度またはそれ以下にしなければならない。
従つて、回折損失は増大し、励起光として必要
な強度は250mWより大きくならざるを得ない。
な強度は250mWより大きくならざるを得ない。
AlPとGaPの屈折率の差は正確には知られてい
ないが、AlPの方が屈折率が小さく、およそΔn
0.5のオーダーであり上記の例ではAlxGa1-xＰ
層のｘの値は0.3〜0.07の間が適当であり、ｘ
0.1が最適である。ストライプ、特に滑らかな側
面を有するストライプの形成法は実施例の最後に
まとめて記載する。
ないが、AlPの方が屈折率が小さく、およそΔn
0.5のオーダーであり上記の例ではAlxGa1-xＰ
層のｘの値は0.3〜0.07の間が適当であり、ｘ
0.1が最適である。ストライプ、特に滑らかな側
面を有するストライプの形成法は実施例の最後に
まとめて記載する。
（実施例 ２）
実施例１においては、ストークス光はほぼ平行
なビームであるが入射窓の部分では強度が低下し
第３図に示したような強度分布を有するが、回折
によつて一部分入射窓に達するので入射窓からの
損失が大きくなる。そこで上から見たラマン活性
層ストライプの形状を第４図に示すように入射窓
側で傾斜を持つようにし、ストークス光が入射窓
に回折によつて達し外へ失われる効果を減少させ
る。つまりストークス光は図の点線に沿つて進
む。実施例１と同じくレーザ長４mm、活性層スト
ライプの幅Ｓが85μ、入射窓の幅Ｗが5μの場合、
傾斜を有する部分の長さl′を100μ、入射側ストラ
イプ幅90μとすればl′の部分での回折による損失
は(1)式のｌをl′で置き替え1/40以下に減少し、全
く無視しえる。l′を小さくすればそれだけ回折損
は減少するが、入射光の入射角が大きくなるた
め、ストライプ側面での反射による損失が大きく
なりまた極端な場合は励起光に対する屈曲率差に
よる閉じこめ効果が失われる。しかしレンズ等で
集光される入射光はいずれにしろ結晶内部で広が
るのでその広がり角程度の傾斜角θ≒Ｗ／l′を有
していても構わない。典型的な例としては、励起
光の結晶内部での広がり角は0.01程度であり、傾
斜部l′は50μ程度までは許される。
なビームであるが入射窓の部分では強度が低下し
第３図に示したような強度分布を有するが、回折
によつて一部分入射窓に達するので入射窓からの
損失が大きくなる。そこで上から見たラマン活性
層ストライプの形状を第４図に示すように入射窓
側で傾斜を持つようにし、ストークス光が入射窓
に回折によつて達し外へ失われる効果を減少させ
る。つまりストークス光は図の点線に沿つて進
む。実施例１と同じくレーザ長４mm、活性層スト
ライプの幅Ｓが85μ、入射窓の幅Ｗが5μの場合、
傾斜を有する部分の長さl′を100μ、入射側ストラ
イプ幅90μとすればl′の部分での回折による損失
は(1)式のｌをl′で置き替え1/40以下に減少し、全
く無視しえる。l′を小さくすればそれだけ回折損
は減少するが、入射光の入射角が大きくなるた
め、ストライプ側面での反射による損失が大きく
なりまた極端な場合は励起光に対する屈曲率差に
よる閉じこめ効果が失われる。しかしレンズ等で
集光される入射光はいずれにしろ結晶内部で広が
るのでその広がり角程度の傾斜角θ≒Ｗ／l′を有
していても構わない。典型的な例としては、励起
光の結晶内部での広がり角は0.01程度であり、傾
斜部l′は50μ程度までは許される。
（実施例 ３）
第５図のａは上面図、ｂは入射側から見た端面
の図である。ラマン活性層３は幅Ｓのストライプ
状をしておりその上に活性層幅に等しいかそれ以
下の幅S′を持つ励起光導入層１０を形成する。後
者はAlyGa1-yＰなる層でありｙ＜ｘである。
の図である。ラマン活性層３は幅Ｓのストライプ
状をしておりその上に活性層幅に等しいかそれ以
下の幅S′を持つ励起光導入層１０を形成する。後
者はAlyGa1-yＰなる層でありｙ＜ｘである。
活性層、クラツド層、励起光導入層の屈折率を
それぞれn1，n2，n3とすればn1＞n3＞n2となり、
励起光は活性層全体に広がるがストークス光は活
性層のみに閉じこめられる。入射窓はｂ図の励起
光導入層の端面１０そのものである。これは、蒸
着膜５の一部分１１をフオトリソグラフイによつ
て除去することにより形成される。
それぞれn1，n2，n3とすればn1＞n3＞n2となり、
励起光は活性層全体に広がるがストークス光は活
性層のみに閉じこめられる。入射窓はｂ図の励起
光導入層の端面１０そのものである。これは、蒸
着膜５の一部分１１をフオトリソグラフイによつ
て除去することにより形成される。
例としてｘ＝0.15，ｙ＝0.1，AlyGa1-yＰ層の
幅2μ、厚み2μ、活性層の幅20μ〜50μである。励
起光導入層の長さは、共振器長全長にわたる必要
はない。すなわち、入射窓から入つた入射光は活
性層を含めた層全体に広がるので第６図のように
途中で狭くなり消失する構造にしてもよい。入射
窓の面積は4μm2だから約40mWの注入形CW半導
体レーザで励起することができる。
幅2μ、厚み2μ、活性層の幅20μ〜50μである。励
起光導入層の長さは、共振器長全長にわたる必要
はない。すなわち、入射窓から入つた入射光は活
性層を含めた層全体に広がるので第６図のように
途中で狭くなり消失する構造にしてもよい。入射
窓の面積は4μm2だから約40mWの注入形CW半導
体レーザで励起することができる。
（実施例 ４）
活性層のストライプを全長４mmの途中の大部分
でテーパ部分を経て狭くし、入射端出力端付近の
み実施例２に示した寸法及び構造を有する。第７
図に示すストライプの上面図において広い部分の
ストライプ幅S1、狭い部分の平均的なストライプ
幅S2、長さl2とすれば狭い部分での励起光強度
が、従つてゲインがS1／S2倍になるから、実施例
３に比べて励起光パワは ｆ＝〔１＋l2／ｌ（S1／S2−１）〕-1 ……(2) で与えられるフアクターだけ小さくて済む。ｌ＝
４mm、l2＝３mm、S1＝85μ、S2＝10μmとすればこ
のフアクタは0.15となり、必要な励起光パワは実
施例２の250mWに比べて38mWで済む。
でテーパ部分を経て狭くし、入射端出力端付近の
み実施例２に示した寸法及び構造を有する。第７
図に示すストライプの上面図において広い部分の
ストライプ幅S1、狭い部分の平均的なストライプ
幅S2、長さl2とすれば狭い部分での励起光強度
が、従つてゲインがS1／S2倍になるから、実施例
３に比べて励起光パワは ｆ＝〔１＋l2／ｌ（S1／S2−１）〕-1 ……(2) で与えられるフアクターだけ小さくて済む。ｌ＝
４mm、l2＝３mm、S1＝85μ、S2＝10μmとすればこ
のフアクタは0.15となり、必要な励起光パワは実
施例２の250mWに比べて38mWで済む。
テーパの形状はなだらかであれば任意でよい。
典型的な例としては、テーパ部分の長さはそれぞ
れ250μm、又幅の広い部分の長さもそれぞれ
250μmである。
典型的な例としては、テーパ部分の長さはそれぞ
れ250μm、又幅の広い部分の長さもそれぞれ
250μmである。
（実施例 ５）
全く同様な構造のストライプは実施例３の構造
においても可能なことは言うまでもない。例えば
実施例３において活性層の幅S1を20μmとし狭い
部分を励起光導入層と同じ幅、即ちS2＝2μmとす
れば、フアクタｆは0.13となり、励起光パワは先
の40mWから5mWにまで低下させることができ
る。このようにストライプをテーパ状部分によつ
て狭くすることは、励起光パワを下げられるだけ
でなく端面近くでの光の強度が下げられ、光の強
電界による表面破壊現象を避けることができる。
においても可能なことは言うまでもない。例えば
実施例３において活性層の幅S1を20μmとし狭い
部分を励起光導入層と同じ幅、即ちS2＝2μmとす
れば、フアクタｆは0.13となり、励起光パワは先
の40mWから5mWにまで低下させることができ
る。このようにストライプをテーパ状部分によつ
て狭くすることは、励起光パワを下げられるだけ
でなく端面近くでの光の強度が下げられ、光の強
電界による表面破壊現象を避けることができる。
（実施例 ６）
以上はストライプの幅を狭くするのであるが、
もちろん第８図のように厚みを端面付近を除く部
分で徐々に狭くしてもよい。第８図は側面図であ
つて長さを縮めて模式的に表した。また両方を同
時に行なつてもよい。例えば実施例４において端
面近くでの厚みd1を5μとし、中央近くでの平均的
厚みd2を1μ、その部分の長さを３mm、全長を４mm
とすれば、フアクタｆは(2)式と同様な式で与えら
れるから、0.25となり、必要な励起パワは実施例
４の38mWから9.5mWにまで減少する。
もちろん第８図のように厚みを端面付近を除く部
分で徐々に狭くしてもよい。第８図は側面図であ
つて長さを縮めて模式的に表した。また両方を同
時に行なつてもよい。例えば実施例４において端
面近くでの厚みd1を5μとし、中央近くでの平均的
厚みd2を1μ、その部分の長さを３mm、全長を４mm
とすれば、フアクタｆは(2)式と同様な式で与えら
れるから、0.25となり、必要な励起パワは実施例
４の38mWから9.5mWにまで減少する。
実施例１，２，４の製作方法は次のようなもの
である。
である。
GaP基板上に温度差法液相成長法により、不純
物無添加のAlxGa1-xＰ第一クラツド層及びGaP
活性層を成長する。次にGaP活性層上にリソグラ
フイ技術によりストライプ状レジスト膜を形成し
これをマスクとしてPCl3ガスによるリアクテイ
ブイオンエツチング（RIE）を行なう。
物無添加のAlxGa1-xＰ第一クラツド層及びGaP
活性層を成長する。次にGaP活性層上にリソグラ
フイ技術によりストライプ状レジスト膜を形成し
これをマスクとしてPCl3ガスによるリアクテイ
ブイオンエツチング（RIE）を行なう。
PCl3ガスはGaPに対して特に有効である。こ
れによつてほぼ垂直に近く滑らかな側面が形成さ
れる。
れによつてほぼ垂直に近く滑らかな側面が形成さ
れる。
ラマンレーザのゲインは小さいので側面におい
て数％の散乱損失があつても閾値が決定的に増大
するがPCl3ガスによつてエツチングすれば側面
は充分に滑らかになり散乱損失は実質的に生じな
い。
て数％の散乱損失があつても閾値が決定的に増大
するがPCl3ガスによつてエツチングすれば側面
は充分に滑らかになり散乱損失は実質的に生じな
い。
活性層ストライプは2μから10μと比較的深く、
かつ光の散乱を生じないようにまた垂直に近くエ
ツチングする必要がある。PCl3ガスを対向電極
を有する真空チエンバに導き、約0.05Torrの圧
力で3.2MHz，1200Wの高周波電力を加えること
により1μm／minという高速でエツチングでき
る。エツチングマスクとしては通常のポジテイブ
ホトレジストでよい。ストライプ形成プロセス
後、同じ成長法によりAlxGa1-xＰ第二クラツド
層及びGaPバツフア層を成長する。
かつ光の散乱を生じないようにまた垂直に近くエ
ツチングする必要がある。PCl3ガスを対向電極
を有する真空チエンバに導き、約0.05Torrの圧
力で3.2MHz，1200Wの高周波電力を加えること
により1μm／minという高速でエツチングでき
る。エツチングマスクとしては通常のポジテイブ
ホトレジストでよい。ストライプ形成プロセス
後、同じ成長法によりAlxGa1-xＰ第二クラツド
層及びGaPバツフア層を成長する。
実施例３，５の場合ははじめに第一クラツド
層、活性層、励起光導入層を成長する。次に励起
光導入層用のマスクによりこの層のみ先述のRIE
プロセスによりストライプを形成する。次に活性
層用のマスクを使い今度はレジスト膜を活性層の
幅に塗付し、同様のRIE行程を再度行なえばよ
い。その後第二クラツド層とバツフア層を成長す
る。
層、活性層、励起光導入層を成長する。次に励起
光導入層用のマスクによりこの層のみ先述のRIE
プロセスによりストライプを形成する。次に活性
層用のマスクを使い今度はレジスト膜を活性層の
幅に塗付し、同様のRIE行程を再度行なえばよ
い。その後第二クラツド層とバツフア層を成長す
る。
厚みを徐々に変化させる実施例６においては活
性層を成長後ストライプの中心近く３mmの長さの
部分に開口を有するレジスト膜を用いてこの部分
を1μの深さまでRIEプロセスでエツチングする。
次に新たに両側に100μ程度広い開口を有する即
ち開口幅3.2mmのレジスト膜を形成し再び1μエツ
チングする。順次同じように開口を広げてRIEプ
ロセスを４回行なえば狭い部分の厚みは1μとな
りテーパ部分の長さはそれぞれ300μとなる。２
度目のRIEではじめのエツチングによる段差は滑
らかになるがなお滑らかにするには通常のウエツ
トエツチングを最後に追加すればよい。
性層を成長後ストライプの中心近く３mmの長さの
部分に開口を有するレジスト膜を用いてこの部分
を1μの深さまでRIEプロセスでエツチングする。
次に新たに両側に100μ程度広い開口を有する即
ち開口幅3.2mmのレジスト膜を形成し再び1μエツ
チングする。順次同じように開口を広げてRIEプ
ロセスを４回行なえば狭い部分の厚みは1μとな
りテーパ部分の長さはそれぞれ300μとなる。２
度目のRIEではじめのエツチングによる段差は滑
らかになるがなお滑らかにするには通常のウエツ
トエツチングを最後に追加すればよい。
本発明の半導体ラマンレーザは、以上のような
構成よりなるものであり、従来のものに比し、は
るかに低いパワすなわち250mWから10mWある
のはそれ以下のパワを有するCWの励起用レーザ
で動作する。特にCW動作の注入形半導体レーザ
を励起レーザとして動作するので励起源を含めて
半導体で構成されたCW動作の半導体ラマンレー
ザが提供される。放電管や大型の電源を必要とし
ないので極めて長寿命で信頼性が高く小形であ
る。半導体ラマンレーザは光ヘテロダイン検波方
式及び遠赤外光波発生に及び非常に波長純度安定
度の高いキヤリア光波発生用に使用しえることは
本発明者が既に提案しているが、CW動作の比較
的低パワ注入形半導体レーザで動作するから現在
の光通信用注入形半導体レーザがそのまま使用で
き、光通信を超広帯域、即ち超多重化する手段を
提供するものであり、極めて産業上価値の高いも
のである。
構成よりなるものであり、従来のものに比し、は
るかに低いパワすなわち250mWから10mWある
のはそれ以下のパワを有するCWの励起用レーザ
で動作する。特にCW動作の注入形半導体レーザ
を励起レーザとして動作するので励起源を含めて
半導体で構成されたCW動作の半導体ラマンレー
ザが提供される。放電管や大型の電源を必要とし
ないので極めて長寿命で信頼性が高く小形であ
る。半導体ラマンレーザは光ヘテロダイン検波方
式及び遠赤外光波発生に及び非常に波長純度安定
度の高いキヤリア光波発生用に使用しえることは
本発明者が既に提案しているが、CW動作の比較
的低パワ注入形半導体レーザで動作するから現在
の光通信用注入形半導体レーザがそのまま使用で
き、光通信を超広帯域、即ち超多重化する手段を
提供するものであり、極めて産業上価値の高いも
のである。
第１図は従来の半導体ラマンレーザを示す図、
第２図乃至第８図は本発明にかかわる半導体ラマ
ンレーザの実施例の構造を示す図である。 １……GaP結晶基板、２……AlxGa1-xＰ第一
クラツド層、３……GaPラマン活性層、４……
AlxGa1-xＰ第二クラツド層、５……入射側高反
射率誘電体膜、６……出力側高反射率誘電体膜、
７……集光された入射励起光、８……入射窓、９
……GaP…バツフア層、１０……励起光導波層、
１１……誘電体膜の除去部。
第２図乃至第８図は本発明にかかわる半導体ラマ
ンレーザの実施例の構造を示す図である。 １……GaP結晶基板、２……AlxGa1-xＰ第一
クラツド層、３……GaPラマン活性層、４……
AlxGa1-xＰ第二クラツド層、５……入射側高反
射率誘電体膜、６……出力側高反射率誘電体膜、
７……集光された入射励起光、８……入射窓、９
……GaP…バツフア層、１０……励起光導波層、
１１……誘電体膜の除去部。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ GaP基板結晶上にエピタキシヤル成長により
形成されるAlxGa1-xＰの第一クラツド層、前記
第一クラツド層の上にストライプ状に形成される
GaPのラマン活性層、前記ラマン活性層の上に形
成され前記ラマン活性層の上及びその側面を囲む
AlxGa1-xＰの第二クラツド層とからなり対向す
る二つの端面に高い反射率を有する誘電体膜が形
成されており前記誘電体膜の一部分に、集光され
た励起光をラマン活性層に導入する入射窓が開け
られ入射窓から入射された励起光がクラツド層の
内側に閉じこめられて多重反射を行なうことによ
つてその強度が略々入射窓における強度に達し、
かつストークス光の入射窓からの損失が充分に小
さくなるように入射窓の面積が小さく設計された
ことを特徴とする半導体ラマンレーザ。 ２ 前記ラマン活性層のストライプが、入射窓の
近くで傾斜を持つことによつて入射窓からのスト
ークス光の損失を少なくしたことを特徴とする前
記特許請求の範囲第１項記載の半導体ラマンレー
ザ。 ３ 前記ラマン活性層に接して前記クラツド層の
内側に励起光導入層AlyGa1-yＰ層が設けられ、
ラマン活性層、クラツド層励起光導入層の屈曲率
をそれぞれn1，n2，n3としたときn1＞n3＞n2とな
ることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記
載の半導体ラマンレーザ。 ４ 前記ラマン活性層のストライプが、テーパ状
部分を経て少なくとも一部分狭くされたことを特
徴とする前記特許請求の範囲第１項乃至第３項の
いずれか一項に記載の半導体ラマンレーザ。 ５ 前記ラマン活性層のストライプがPCl3ガス
によるエツチングで形成されることを特徴とする
前記特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか
一項に記載の半導体ラマンレーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26229387A JPH01105589A (ja) | 1987-10-17 | 1987-10-17 | 半導体ラマンレーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26229387A JPH01105589A (ja) | 1987-10-17 | 1987-10-17 | 半導体ラマンレーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01105589A JPH01105589A (ja) | 1989-04-24 |
| JPH0477478B2 true JPH0477478B2 (ja) | 1992-12-08 |
Family
ID=17373771
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26229387A Granted JPH01105589A (ja) | 1987-10-17 | 1987-10-17 | 半導体ラマンレーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01105589A (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2619717B2 (ja) * | 1989-05-25 | 1997-06-11 | 財団法人 半導体研究振興会 | 光変調器 |
| JP2639394B2 (ja) * | 1990-10-13 | 1997-08-13 | 科学技術振興事業団 | 半導体ラマンレーザ |
| JP2002124733A (ja) * | 2000-08-09 | 2002-04-26 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体レーザダイオード |
| JPWO2007097228A1 (ja) | 2006-02-23 | 2009-07-09 | 日本板硝子株式会社 | 導波路型光学素子 |
| JP2018085468A (ja) * | 2016-11-25 | 2018-05-31 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 半導体レーザ、光源ユニット及びレーザ光照射装置 |
| JP2021073725A (ja) * | 2021-02-02 | 2021-05-13 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 半導体レーザ、光源ユニット及びレーザ光照射装置 |
-
1987
- 1987-10-17 JP JP26229387A patent/JPH01105589A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01105589A (ja) | 1989-04-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |