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JPH01105590A - 分布帰還型半導体発光素子 - Google Patents

分布帰還型半導体発光素子

Info

Publication number
JPH01105590A
JPH01105590A JP62262368A JP26236887A JPH01105590A JP H01105590 A JPH01105590 A JP H01105590A JP 62262368 A JP62262368 A JP 62262368A JP 26236887 A JP26236887 A JP 26236887A JP H01105590 A JPH01105590 A JP H01105590A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
distributed feedback
light emitting
diffraction grating
emitting device
semiconductor light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP62262368A
Other languages
English (en)
Inventor
Junichi Kinoshita
順一 木下
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.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP62262368A priority Critical patent/JPH01105590A/ja
Publication of JPH01105590A publication Critical patent/JPH01105590A/ja
Pending legal-status Critical Current

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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
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • 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
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • 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
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/185Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL]
    • H01S5/187Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL] using Bragg reflection
    • 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
    • H01S5/005Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
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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】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、回折格子を用いて光帰還を行う分布帰還型半
導体発光素子に係り、特に光出力を共振器軸方向に対し
て垂直に取出すことが可能な面発光型の分布帰還型半導
体発光素子に関する。
(従来の技術) 近年、光通信や光デイスク用の光源として各種の半導体
発光素子が盛んに使用されている。
この半導体発光素子例えば、半導体レーザ装置としては
、へき開面を反射鏡として共振器を形成し、共振器内で
光波を往復させて、増幅された光をへき開面からの光出
力として取出す、へき開面反射構造のものがある。また
、光導波路の少なくとも一部に、2次以上のブラッグ回
折をする回折格子を設け、この回折格子に光結合(分布
帰還)して外部に光出力を取出す、放射モードを利用す
る構造のものがある。
この放射モードを利用したm遺の半導体レーザは、GC
L (grating coup!ed 1aser 
)型と呼ばれ、周知の技術である(たとえばR,D、 
8tlrnahlet、al、 ’s*note−ne
terostructure Distributed
−Feedback GaAs−Diode La5e
rs ” 、IEEE、QEll。
p、439〜a48.j975) 。
この放射モードを利用した表面発光型の発光素子は、そ
の軸方向のビームの拡がりが非常に狭いため、集光しや
すいことが大きな特徴である。これに対し、面発光型の
LEDではその光が自然放出光であるため、そのビーム
拡がりは極めて大きく、半値全幅にして60度以上もあ
る。
近年の報告では、長波長(Ga I nAsP/InP
)系分布帰還型レーザの開発成功を背景に、GaAs系
の横方向接合ストライプ型レーザ(以下、TJSレーザ
)で面発光型の分布帰還型(DFB)発光素子が試作さ
れている(光永他、電子情報通信学会0QE86−15
2 ) 。
第4図はこの面発光型の分布帰還型発光素子(以下、D
FB−TJS発光素子)の構造を示す図である。
このようなりFB−TJS発光素子の製造は、まず、半
絶縁性のGaAs基板1上にGa、Al1−x A s
 (X = 0.35 >第1クラッド層2、GaAs
活性眉3、Ga  A、121−xAs (x=0.1
5)光導波路層4を順次結晶成長させた後、光導波路層
4表面に2次の回折格子5のパターンを転写し、この回
折格子5上にGa  AJ?1−xAs (x=0.3
5)第2クラツド眉6とGaAsオーミックコンタクト
層7を成長させる。このようにエピタキシャル成長によ
りn形のみ多層形成した後、亜鉛を選択拡散して亜鉛拡
散領域8を形成しTJS構遺とする。
こうして亜鉛拡散領域8を形成した後、P電極9とnt
電極1を設け、GaAs層を選択的に取除いた光取出し
窓11を設ける。
この発光素子における2次の回折格子は、導波路モード
の光結合(分布帰還)を2次の散乱波で行い、1次の散
乱波は回折格子を通して放射モードとして共振器軸方向
にほぼ垂直に出射する。
このような発光素子では、第5図に示したように前進波
Rと後進波Sの両方から出射され、若干の垂直方向のず
れは双峰性の遠視野像を生じるものの、共振軸方向に対
しては回折限界に近い鋭いビームが得られる。
このDFB−TJSレーザは、出射ビームの遠視野像が
共振器軸方向の半値全角θ2で約9度という狭いビーム
を得ることができること、素子分離にへき開を用いなく
ても良いため、素子分離する前のウェハ状態でのチエツ
クが可能であること、LEDと比較して応答速度が速い
こと等の利点がある。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、上述した従来の分布帰還型半導体発光素
子では、発光パターンが線状であるため、集光には特殊
なレンズ系が必要となり、また発光効率が共振器内部の
界分布が回折格子を介して放射モードに変換される1次
の結合効率で決定され、1本の共振器だけでは大きな光
出力は期待できなという問題があった。
本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
で、小さな出射点から等方的で鋭いビームを面発光とし
て出力し、かつ大きな光出力を取出すことが可能な分布
帰還型半導体発光素子を提供することを目的とする。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 本発明の分布帰還型半導体発光素子は、光帰還を行う回
折格子を先導波路上に沿って形成した分布帰還型半導体
発光素子において、共振器中央部に導波光に対してnλ
/4近傍(ただし、λ=導波光波長、n=整数)の位相
シフトを行う位相シフト領域または等偏屈折率の変化領
域を有する回折格子が形成され、前記回折格子上に低反
射率の端部を有するストライプ状の活性領域層が形成さ
′れ、表面中央部に前記活性領域層の中央部近傍領域か
ら基板垂直方向に出射される出射光を取出すための光取
出し窓部が形成されていることを特徴とするものである
また、効果を大きくするために、リング状回折格子を形
成し、複数個の上記発光素子を、その中央部が交差する
ように放射状に配置し、中央部表面に窓を設けたもので
ある。
(作 用) 本発明は、λ/4シフト領域を有する分布帰還構造の中
央部への光の集中を利用し、さらに、それらを複数個放
射状に配置することにより、光出力の数段の向上と、鋭
い等方的出射ビームの実現を図ったものである。このと
き、回折格子は2次の回折格子であり、にLの値は1.
25より大きくなければいけない、また、放射状に配列
されたストライプ状の素子の夫々は、その端面を埋込み
等により、反射率を低く抑える構造とすることが効果的
である。
(実施例) 以下、本発明の一実施例を図を参照して説明する。
第1図は、本発明を半導体発光素子として、Ga I 
nAsP/I nP系の材料を用いた分布帰還型半導体
レーザに適用した実施例の模式的な構成を示す平面およ
び断面図である。
本例の半導体レーザの製造は、まず、n型InP基板2
1上に、放射状に動径方向で2次の回折を生じるような
周期のリング状回折格子22を形成する。このとき、リ
ング状回折格子22の中央部は、管内波長λの1/4の
整数倍の位相シフトを生じる位相不連続部23が形成さ
れるように、リングのパターンを描画する。リング状回
折格子22のパターンは、電子ビーム露光法を用いて周
期は4800人に形成し、1゜55μ階波長帯の発振動
作が可能なように構成した。
次に液相成長法を用いて、Ga I nAsPから成る
光導波層および活性層の混成層24を成長させ、さらに
、P型InP層25を成長させた。
そしてこのウェハを放射状の複数のストライプ26が形
成されるようにメサ・エツチングを施し、各メサ・スト
ライプ部26をp型1nPとn型InPの逆接合電流ブ
ロック層で埋込んだ、このとき、メサ・ストライプの端
部も上記各InP層で埋込んで各端面の反射が小さくな
るようにする。
ところで、メサ・エツチングにより中心部の混成層24
の幅が等価的に広くなるので、これによる等偏屈折率の
変化を考慮して、対角線上を進む光波がλ/4の位相不
連続部23を感じるように設計した。
次に基板表面にpt[!層27、基板裏面にn電極層2
8を夫々形成した後、n電極層28の中央部を除去して
光取出し用の窓部29を形成し、p側を下側にしてマウ
ントした。
このようにしてI!!遺した分布帰還型半導体レーザで
は、リング状回折格子22の中央部に管内波長λの17
4の大きさに相当するλ/4位相シフト部すなわち位相
不連続部23を形成し、かつ両端面の反射率が小さくな
るようにして構成したので、分布帰還型レーザの結合係
数にと共振器長しとの積にLが1.25以上のときにお
いては、その位相不連続部23に電界が集中する。
この電界の集中は、位相シフトがλ/4の整数倍に近い
値を有しているほど、またにLの大きさが大きいほど顕
著である。たとえば第2図に示したように、中央部にλ
/4シフト領域を有し、にLが3.0の半導体発光素子
では、その中央部に端部の7倍以上のパワーが集中する
ことになる。この方式により、全共振器の光出力を共振
器中央部に集中することができる。
さらに、放射状の枚数のストライプ26が形成されるよ
うにメサ・エツチングを施し、各メサ・ストライプ部2
6の両側面および端部をp型InPとn型InPの逆接
合電流ブロック層で埋込むことで、放射状樟複数設けた
レーザ素子が全て共振器中央部で交差するような構造と
なるため、複数個の分布帰還型素子の出力を共振器中央
部の一点に集中させることが可能となる。
すなわち、第3図に示したように、各分布帰還型発光素
子の回折格子の周期を2次のブラッグ回折をするものに
固定し、中央部に光取出し窓29を設けることにより、
基板の垂直方向に対し、大きな光出力を鋭いビームとし
て取出すことが可能となる。
上述実施例により製造した分布帰還型半導体レーザを駆
動したところ、10011W以上のパワーが集中した鋭
い等友釣ビームを、基板の垂直方向に取出すことができ
た。
ところで、本発明は、上述実施例に用いた発光素子の構
造に限定されるものではなく、例えばGaAs系の材料
を用いた構造の分布帰還型半導体レーザにも適用が可能
である。但し、この場合、光の取出し窓はGaAs基板
が光を吸収することから、基板の一部を井戸状に形成す
ることが必要である。
[発明の効果] 以上説明したように本発明の分布帰還型半導体発光素子
は、端面から光を取出すレーザ発光素子や、自然放出光
を基板に垂直に取出す面発光LEDとも異なる全く新し
いタイプの発光素子である。
すなわち、出射端面(共振器反射面)を必要とせず、分
布帰還型レーザ本来の特徴を活すことができ、また基板
の垂直方向に光を取出すことが可能であるため、ウェハ
状態でのチエツクも可能である。
また、従来の分布帰還型発光素子と興なり、端面の位相
による発振モードのあいまいさを心配する必要がなくな
り、さらには鋭い高出力ビームが基板に垂直に得られる
ことにより、ファイバとの結合等、各種光学素子への結
合時において大幅な結合効率の改善が可能となる。
そして、従来の発光素子と本発明の発光素子の決定的な
相異としては、電流を注入している領域と光が集中する
領域がほぼ分離した構造であることで、周辺部に大きな
電流を流しても光が集中している中央部での電流!度は
それほど大きくならなす、しかも活性層の一部を数十μ
lにわたって除去して、2次の回折格子のみを残して光
を取出すことが可能となり、熱的に安定した状態で大出
力動作が行える。また、発振状態での動作であることか
ら、自然放出光を用いる従来の面発光LEDよりも数段
速い高速応答が可能となる。
このように本発明は、半導体発光素子の性能向上に大幅
に貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例の分布帰還型半導体発光素
子の#I造を模式的に示す平面および断面図、第2図は
実施例において両端面無反射で共振器中央にλ74位相
シフト領域が設けられ、かつにLの値が3.0であると
きの軸方向の光強度分布を示す図、第34図は実施例に
よる発光素子の放射ビームパターンを示す図、第4図は
従来の面発光型レーザ素子(DFB−TJS)を示す斜
視図、第5図は放射モードが導波モードの進行に応じて
ほぼ垂直に出射される様子を示す模式的な断面図である
。 21・・・・・・・・・n型1nP基板22・・・・・
・・・・リング状回折格子23・・・・・・・・・位相
不連続部 24・・・・・・・・・n型GaInAsP光導波路層
と活性層の混成層 25・・・・・・・・・p型InPクラッド層26・・
・・・・・・・活性ストライプ部27・・・・・・・・
・p電極 28・・・・・・・・・n電極 29・・・・・・・・・出力光取出し窓用願人    
  株式会社 東芝 代理人 弁理士  須 山 佐 − 第1図 丹散話軸 第2図 第3図 第4図 第5図

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)光帰還を行う回折格子を光導波路上に沿つて形成
    した分布帰還型半導体発光素子において、共振器中央部
    に導波光に対してnλ/4近傍(ただし、λ=導波光波
    長、n=整数)の位相シフトを行う位相シフト領域また
    は等価屈折率の変化領域を有する回折格子が形成され、
    前記回折格子上に低反射率の端部を有するストライプ状
    の活性領域層が形成され、表面中央部に前記活性領域層
    の中央部近傍領域から基板垂直方向に出射される出射光
    を取出すための光取出し窓部が形成されていることを特
    徴とする分布帰還型半導体発光素子。
  2. (2)上記分布帰還型半導体発光素子は、基板上に径方
    向に所定の間隔を有し、かつ中央部に径方向の導波光に
    対してnλ/4近傍(ただし、λ=導波光波長、n=整
    数)の位相シフトを行う位相シフト領域または等価屈折
    率の変化領域を有するリング状回折格子が形成され、前
    記リング状回折格子上に低反射率の端部を有する複数の
    ストライプ状の活性領域層が夫々中央部で交差するよう
    に放射状に形成され、表面中央部に前記各活性領域層の
    交差部近傍領域から基板垂直方向に出射される出射光を
    取出すための光取出し窓部が形成されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の分布帰還型半導体発
    光素子。
  3. (3)活性領域層が、その径方向における共振器長とブ
    ラッグ回折による前進波と後進波の結合を表す結合係数
    との積が1.5より大きく、かつ各端部での反射率が5
    %以下に形成されていることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項または第2項記載の分布帰還型半導体発光素子
  4. (4)位相シフト領域および等価屈折率の変化領域が径
    方向の導波光に対し nλ/4±λ/8 の位相シフトをするように形成されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項または第2項記載の分布帰還
    型半導体発光素子。
  5. (5)回折格子が、2次のブラッグ回折をする周期を有
    することを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2
    項記載の分布帰還型半導体発光素子。
JP62262368A 1987-10-16 1987-10-16 分布帰還型半導体発光素子 Pending JPH01105590A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03257888A (ja) * 1990-03-07 1991-11-18 Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> 面発光半導体レーザ
FR2688637A1 (fr) * 1991-03-13 1993-09-17 France Telecom Laser de puissance a emission par la surface et procede de fabrication de ce laser.
WO2003067724A1 (fr) * 2002-02-08 2003-08-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Dispositif semi-conducteur electroluminescent et procede de fabrication de celui-ci

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