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JP2003520455A - 高出力分布帰還型リッジ導波路レーザー - Google Patents

高出力分布帰還型リッジ導波路レーザー

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Publication number
JP2003520455A
JP2003520455A JP2001553629A JP2001553629A JP2003520455A JP 2003520455 A JP2003520455 A JP 2003520455A JP 2001553629 A JP2001553629 A JP 2001553629A JP 2001553629 A JP2001553629 A JP 2001553629A JP 2003520455 A JP2003520455 A JP 2003520455A
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JP
Japan
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laser diode
semiconductor laser
waveguide region
region
ridge structure
Prior art date
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Pending
Application number
JP2001553629A
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English (en)
Inventor
ジョセフ・エイチ・エイブルズ
Original Assignee
プリンストン・ライトウェーブ・インク
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 プリンストン・ライトウェーブ・インク filed Critical プリンストン・ライトウェーブ・インク
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Abstract

(57)【要約】 分布帰還型リッジ導波路半導体レーザーダイオード（１０）は、少なくとも500nmの典型的な厚さと、リッジ構造（３１）と0.001以下の該リッジ構造を囲繞する導波路領域の露出部との間の有効屈折率差とを有する。これによって、リッジ（３１）の幅（Ｗ）を3.5μｍを超えて拡がり、そのため、1.55μｍ波長で高出力に直接につながることを可能とするものであり、この場合、キャリヤ拡散及びキャリヤ熱が活性領域（２４）に注入される電流密度を制限するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、増大した出力を有するリッジ導波路（ＲＷＧ）半導体レーザーダイ
オード、増大した出力を伴ってダイナミック（動的）単一縦モードを示す分布帰
還型ＲＷＧ半導体レーザーダイオード、さらに詳細には、大きめの単一モードガ
イドを利用可能にする導波路内でのアンチガイド（antiguiding）効果が低減さ
れたＤＦＢ ＲＷＧ半導体レーザーダイオードのような高出力ＲＷＧ半導体レー
ザーダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
高効率・高出力レーザーは長く、固体及びファイバレーザーの光ポンピング、
直接材料プロセッシング、印刷、通信、センシング等の応用が追求されてきた。
例えば、デビッド・サーノフ・リサーチセンター社に譲渡された“高出力半導体
レーザーダイオード”の発明の名称の米国特許第５，８１８，８６０号明細書で
は、高出力ＤＦＢレーザーを製造する拡張（幅広）型導波路技術について記載さ
れている。
【０００３】 米国特許第５，８１８，８６０号明細書に記載された拡張導波路概念は、マル
チモード源で低損失でそのため高出力のレーザー処理を可能にするものである。
この概念に固有の他の特徴は、高出力単一空間モード及びダイナミック単一空間
モードレーザー処理に対して特に有望である。拡張導波路を1.55μｍ単一モード
ＤＦＢ ＲＷＧダイオードレーザーに組み込まれた初期の試みの結果として、0か
ら2GHzの165dBm/Hz RINで、1.5mmキャビティ長に対して200kHzの200mW出力単一
モードを得た。さらに、図１は、拡張導波路ＤＦＢレーザーを用いて実現された
RINパフォーマンスと300MHz線幅を示している。図２に示されたように、このレ
ーザーは、1.55μｍ波長で200mWを出力した。
【０００４】 高出力リッジ導波路（ＲＷＧ）レーザーは、冷キャビティ屈折率、例えば、有
効屈折率、〜Δn＝0.01を用い、電流注入の下でのこの値はアンチガイドによっ
て小さくなる。アンチガイドは定量的に精密に評価するのが難しく、変数である
が、専有的な実験及び多くの従来型ＲＷＧレーザー構造によって、Δｎの選択の
許容範囲はアンチガイド現象によって厳しく制限されることになる。結果として
、Δｎは最大予測アンチガイド減少を実質的に超えるように設計しなければなら
ない。従来のＲＷＧレーザーに対しては、アンチガイドはΔｎの値として非常に
大きな値を必要とするので、リッジ幅は安定な単一導波路モードを得るために〜
3.5μｍ若しくはそれ以下に制限しなければならない。リッジ幅の制限は複数の
理由のためにレーザーによって実現可能な出力を制限する：第１に、半導体の活
性領域に有効にポンピングすることができる最大電流密度は、得られる最大出力
に影響する最大実現可能伝導バンドオフセット若しくは他の現象のような現象に
よって制限されてもよい。広めのリッジに対しては、単位長当たり大きめの電流
を活性領域に有効にポンピングすることができ、それによって、高めの出力を放
射することが可能となる。このような効果は、ｃｗ及びパルスの両方の状態下で
のＲＷＧレーザーによって放射される最大出力を制限する。第２に、増大された
リッジ幅は熱散逸に対して大きめの表面領域を提供する。レーザーダイオードの
パフォーマンスは温度の上昇によって厳しく制限されるので、広めのリッジは大
きめの電流をＲＷＧレーザーにポンピングし、大きめの出力を放射することを可
能にする。このような効果は、ｃｗ状態下のＲＷＧレーザーによって放射される
最大出力を実際に制限する。
【０００５】 従って、ＤＦＧ ＲＷＧレーザーのようなＲＷＧレーザーからの出力における
より大きな増幅率（ゲイン）を提供するのに〜3.5μｍより大きなリッジ幅を有
する高出力ＲＷＧレーザーが必要となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
半導体レーザーダイオードは、少なくとも実質的に3mmの長さを有する半導体
材料のボディと；そのボディに形成され、少なくとも500nmの厚さを有する低伝
播損失導波路領域と；導波路領域の側部に配備されたリッジ構造と、を備える。
ダイナミック単一縦モード作動を要する応用品に対して、ダイオードは、導波路
領域及びリッジ構造のうちの少なくとも一と関連した分布帰還型構造も含む。リ
ッジ構造と該リッジ構造を囲繞する導波路領域の露出部との間の有効屈折率差は
、0.003以下である。従って、リッジ幅は3.5μｍを超えて拡がることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の利点、性質及び種々の特徴は、添付図面を参照してこれから詳細に記
載する実施形態を考慮して、さらによく理解されるだろう。
【０００８】 さらに詳細に述べる本発明の高出力ＤＦＧ ＲＷＧレーザーは、本願に参考と
して組み込まれている米国特許第５，８１８，６５０号明細書に記載の拡張導波
路技術を利用して、3.5μｍを超えてレーザーのリッジ幅を拡大している。米国
特許第５，８１８，６５０号特許の拡張導波路レーザーで生じ、活性領域がアン
チガイドを同時に低減する低めのゲイン（及び低めのキャリヤ濃度）で作動する
ことができるにように、低減された形式上のドーピングされた領域との重なりに
より低減された伝搬損失によって、レーザーは、低減された量子井戸との重なり
をもって作動することが可能となる。これは、リッジを囲繞する材料と比較して
、屈折率の低下が単位長さ当たりの光学ゲインの増加に比例するのがアンチガイ
ド効果の性質だからである。この効果によって、リッジ領域と囲繞するエッチン
グされた領域との間の低めの有効屈折率若しくは屈折率差を可能として、そして
、広めの単一モードリッジ導波路を可能とする。これによって、例えば、1.55mm
の波長での高めの出力に直接言い替えることができ、この場合、キャリヤ拡散及
びキャリヤ熱は、特にInGaAsPレーザーにおいて活性領域に有効に注入できる電
流密度を制限する。
【０００９】 図３では、本発明の実施形態によるＤＦＧ ＲＷＧ半導体レーザーダイオード
１０を示している。レーザーダイオード１０は、底面１４、上面１６、端面１８
及び側面２０を有する半導体材料等のボディ１２から成る。ボディ１２は、その
間に延びる導波路領域２２を含む。適当な電気バイアスをダイオード１０間に印
加したときに、光子を生成する活性領域２４が導波路２２内にある。活性領域２
４は、拡張導波路デザイン若しくはその均等物を介した低光伝搬損失を得るとい
う要求に合致する光子を生成できるレーザーダイオードの従来技術において公知
の構造であってもよい。活性領域２４は一又は二以上の量子井戸から成る。導波
路領域２２は、活性領域２４の第１の側における“ドーピングされていない”半
導体材料の第１の層２５と、活性領域２４の第２の側における“ドーピングされ
ていない”第２の層２６とを含む。ドーピングされていない半導体材料の第１及
び第２の層２５及び２６は、わずか約5x1016 atoms/cm3のドーピングレベルを有
する。
【００１０】 第１のクラッド領域２８は導波路領域２２の第１の側に形成されている。第１
のクラッド領域２８は、ｐ型伝導性の半導体材料から成ってもよい。ｎ型伝導性
から成ってもよい第２のクラッド領域３０は、導波路領域の第２の側に形成され
ている。第１のクラッド領域２８はエッチングして、ドーピングされていない半
導体材料の基礎となっている第１の層２５の部分を露出する。エッチングされた
クラッド領域２８は、幅Ｗを有するリッジ様構造３１を画定する。ダイナミック
な単一縦モード作動に対して、コルゲーション３３によって形成された分布帰還
型構造は、示したようなリッジ形状クラッド領域２８において、又は、ドーピン
グされていない半導体材料の第１の層２５において、エッチングされる。
【００１１】 半導体材料の第１及び第２のクラッド領域２８及び３０の組成は、導波路２２
の第１及び第２の層２５の材料より屈折率が低い。第１及び第２のクラッド領域
２８及び３０におけるドーピングレベルは通常、約5x1017 atoms/cm3から2x1019 atoms/cm3の間である。
【００１２】 金属のような導電性の材料の接触層３２は、ｐ型伝導性のリッジ形状クラッド
領域２８とオーム接触している。接触層３２は、ボディ１２の端面１８間に延び
るストリップ形状であり、ボディの幅、すなわち、ボディの側面２０間の距離よ
り狭くてもよい。金属のような導電性材料の接触層３４は、ｎ型伝導性クラッド
領域３０とオーム接触している。接触層３４は、ボディ１２の底面１４の全領域
間に延びる。
【００１３】 導波路領域２２の厚さと導波路２２及びクラッド領域２８、３０の組成は、活
性領域２４によって生成した光学モードは、導波路領域２２からさらに大きくド
ーピングされたクラッド領域２８及び３０へ５％以上、好適には２％より大きく
なく重ならないようになっていなければならない。しかしながら、光子のクラッ
ド領域２８及び３０への重なり量が１％より少なくないことが必要である。これ
は、主に導波路領域２２における光学モードであってクラッド領域２８及び３０
へ延びる光学モードの量は、全光学モードの約５％より大きくないことを意味す
る。これを達成するために、導波路の厚さは少なくとも500nmであり、導波路２
２及びクラッド領域２８、３０の組成は、その領域の屈折率が、クラッド領域２
８及び３０への光学モードの重なりが５％を超えない程度に導波路領域２２に光
学モードを閉じ込めを可能とするようになっているべきである。ボディ１２の種
々の領域は、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン化物、
インジウムガリウムヒ素や、インジウム、ガリウムヒ素リン化物のような四元材
料に限定されない、レーザーダイオードを作るのに用いられる周知の材料から成
ってもよい。しかしながら、様々な領域に対して用いられる材料は、光学モード
の所望の閉じ込めを提供する屈折率を持っていなければならない。クラッド領域
２８及び３０はその厚さ方向に均一にドーピングされ、導波路領域２２について
はほとんど若しくは全くドーピングされていなく、ボディ１２の各面で最も大き
なドーピングがされているというものでもよい。
【００１４】 本発明のレーザーダイオード１０は、実質的に3mm若しくはそれ以上の長さの
従来型のレーザーダイオードより長く製造することができる。というのは、本発
明のレーザーダイオードは光伝播損失が低いからである。さらに、アンチガイド
効果が低減された拡張型導波路領域２２をエッチングして、リッジ構造３１と該
リッジ構造３１を囲繞するドーピングされていない半導体材料の下にある第１の
層２５の露出部との間の有効屈折率すなわち屈折率差Δｎは、実質的に約0.0007
から0.002の間に低下することができる。これによって、リッジの幅Ｗを従来の
デザインの3.5μｍ幅より実質的に大きく5μｍ若しくはそれ以上の幅へ増大する
ことが可能となり、この場合、1.55μｍで単位長さ当たりの出力をより高くし、
キャリヤ拡散及びキャリヤ熱が特にInGaAsPにおいて活性領域へ入射する電流密
度を制限する。すなわち、米国特許第５，８１８，８６０号明細書で示されてい
るようなダイオードの増大された長さに起因した出力増大は、ＲＷＧ ＤＦＢレ
ーザーダイオードのような屈折率誘導型ＲＷＧレーザーについてリッジ幅を増大
することによって本願明細書で示したような構造においてさらに50％から100％
だけ拡張される。
【００１５】 また、分布帰還型構造は、リッジ構造の幅が３倍大きいことによって従来型レ
ーザーダイオードの同様な構造より約３倍のカップリング定数κを作り出す。結
果として、本発明のレーザー構造によって、熱散逸及び出力密度のさらなる改善
が実現されている。
【００１６】 本発明を上述の実施形態によって記載してきたが、本発明の精神の範囲内にお
いて種々の変更及び変形が可能である。また、そのような変更及び変形は全て特
許請求の範囲内になるように考慮されている。
【００１７】 本出願は、２０００年１月２０日に仮出願された米国特許仮出願第60/176,915
号明細書の利益を主張するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の拡張型導波路ＤＦＢレーザーの幅と出力との関係を示すグ
ラフである。
【図２】 従来の拡張型導波路ＤＦＢレーザーの出力と注入電流との関係を
示すグラフである。
【図３】 本発明の実施形態によるＤＦＢ ＲＷＧ半導体レーザーダイオー
ドの斜視図である。
【符号の説明】 １０ レーザーダイオード １２ ボディ ２２ 導波路領域 ２４ 活性領域 ２５ 第１の層 ２６ 第２の層 ２８ 第１のクラッド領域 ３０ 第２のクラッド領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも長さ2.5mmを有する半導体材料から成るボディで
    あって、該ボディに形成された導波路領域が光学モードの光子を生成するための
    活性領域を含み、かつ、高ドーピングｐ型クラッド層と５％若しくはそれ以下の
    重なりを示すモードを支持する厚さを有しているところのボディと； 導波路領域の側部に形成されたリッジ構造と；を備え、 リッジ構造と該リッジ構造を囲繞する導波路領域の露出部との間の有効屈折率
    差が0.002以下である半導体レーザーダイオード。
  2. 【請求項２】 分布帰還型構造が、導波路領域及びリッジ構造のうちの少な
    くとも一方と結合している請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
  3. 【請求項３】 導波路領域が、約5x1016 atoms/cm3の超えないドーピングレ
    ベルを有する請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
  4. 【請求項４】 リッジ構造が、導波路領域の両側に形成された２つのクラッ
    ド領域のうちの一方によって画定され、クラッド領域は反対の伝導型となるよう
    に少なくとも部分的にドーピングされている請求項１に記載の半導体レーザーダ
    イオード。
  5. 【請求項５】 導波路領域とクラッド領域の材料が、５％より大きくないク
    ラッド領域への光学モードの重なりによって光学モードを導波路領域へ閉じ込め
    るような屈折率を有する請求項３に記載の半導体レーザーダイオード。
  6. 【請求項６】 半導体材料のクラッド領域は、クラッド領域に隣接する導波
    路領域の一部の材料より低い屈折率を有する請求項３に記載の半導体レーザーダ
    イオード。
  7. 【請求項７】 リッジ構造が、5μｍ若しくはそれ以上の幅を有する請求項
    ３に記載の半導体レーザーダイオード。
  8. 【請求項８】 分布帰還型構造がコルゲーションを備えた請求項１に記載の
    半導体レーザーダイオード。
  9. 【請求項９】 分布帰還型構造がリッジ構造に形成された請求項１に記載の
    半導体レーザーダイオード。
  10. 【請求項１０】 分布帰還型構造が導波路領域に形成された請求項１に記載
    の半導体レーザーダイオード。
  11. 【請求項１１】 ボディの少なくとも一部が、ガリウムヒ素、アルミニウム
    ガリウムヒ素、インジウムリン化物、インジウムガリウムヒ素、及び、インジウ
    ムガリウムヒ素リン化物から成る群の中から選択された半導体材料から成る請求
    項１に記載の半導体レーザーダイオード。
  12. 【請求項１２】 リッジ構造がｐ型伝導型を有する請求項１に記載の半導体
    レーザーダイオード。
  13. 【請求項１３】 少なくとも長さ3mmを有する半導体材料から成るボディで
    あって、該ボディに形成された導波路領域が光学モードの光子を生成するための
    活性領域を含み、かつ、高ドーピングｐ型クラッド層と５％若しくはそれ以下の
    重なりを示すモードを支持する厚さを有しているところのボディと； 導波路領域の側部に形成されたリッジ構造と；を備え、 リッジ構造が3.5mmより大きな幅を有する半導体レーザーダイオード。
  14. 【請求項１４】 分布帰還型構造が、導波路領域及びリッジ構造のうちの少
    なくとも一方と結合している請求項１３に記載の半導体レーザーダイオード。
  15. 【請求項１５】 リッジ構造と該リッジ構造を囲繞する導波路領域の露出
    部との間の有効屈折率差が0.002以下である請求項１３に記載の半導体レーザー
    ダイオード。
  16. 【請求項１６】 導波路領域が、約5x1016 atoms/cm3の超えないドーピング
    レベルを有する請求項１３に記載の半導体レーザーダイオード。
  17. 【請求項１７】 リッジ構造が、導波路領域の両側に形成された２つのクラ
    ッド領域のうちの一方によって画定され、クラッド領域は反対の伝導型となるよ
    うに少なくとも部分的にドーピングされている請求項１３に記載の半導体レーザ
    ーダイオード。
  18. 【請求項１８】 導波路領域とクラッド領域の材料が、５％より大きくない
    クラッド領域への光学モードの重なりによって光学モードを導波路領域へ閉じ込
    めるような屈折率を有する請求項１７に記載の半導体レーザーダイオード。
  19. 【請求項１９】 半導体材料のクラッド領域が、クラッド領域に隣接する導
    波路領域の一部の材料より低い屈折率を有する請求項１７に記載の半導体レーザ
    ーダイオード。
  20. 【請求項２０】 分布帰還型構造がコルゲーションを備えた請求項１３に記
    載の半導体レーザーダイオード。
  21. 【請求項２１】 分布帰還型構造がリッジ構造に形成された請求項１３に記
    載の半導体レーザーダイオード。
  22. 【請求項２２】 分布帰還型構造が導波路領域に形成された請求項１３に記
    載の半導体レーザーダイオード。
  23. 【請求項２３】 ボディの少なくとも一部が、ガリウムヒ素、アルミニウム
    ガリウムヒ素、インジウムリン化物、インジウムガリウムヒ素、及び、インジウ
    ムガリウムヒ素リン化物から成る群の中から選択された半導体材料から成る請求
    項１３に記載の半導体レーザーダイオード。
  24. 【請求項２４】 リッジ構造がｐ型伝導型を有する請求項１３に記載の半導
    体レーザーダイオード。
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