JP3356436B2

JP3356436B2 - レーザ装置

Info

Publication number: JP3356436B2
Application number: JP53176898A
Authority: JP
Inventors: ブロヴェリ、ルイジ; ハーダー、クリストフ、エス
Original assignee: インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 2002-12-16
Anticipated expiration: 2017-01-27
Also published as: DE69730872T2; EP1012933A1; DE69730872D1; WO1998033249A1; JP2000509913A; EP1012933B1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、レーザ装置に関し、より詳細には、電流が
供給されるとレーザ・キャビティ内部にコヒーレントな
定在光波を生じさせる活性媒体を有する半導体レーザ・
ダイオードに関する。

半導体レーザ・ダイオードは、コンパクトなサイズの
ためと、その技法が付随する電子回路の技法に対応して
いるために、多様な情報処理システムで応用されてい
る。半導体レーザ・ダイオードは、データ通信、光記
憶、オプティカル・プリンティングなどの分野で使用さ
れている。最も一般的に使用されているのは、III/V族
化合物材料である。特に、AlGaAsおよびInGaAs/GaAsレ
ーザが広く使用されているが、現今では他の材料も使用
される。

高出力を有する半導体レーザの需要が高まっている。
このようなデバイスは、高出力のレーザ発生源を使用し
た場合に増幅器の数を削減することができる通信回線で
の使用にきわめて適している。高出力レーザ・ダイオー
ドは、たとえば、ある種の医療システムや材料の切断に
使用される工具でも使用することができる。

米国特許第5349596号は、非対称半導体ヘテロ構造レ
ーザ・キャビティおよびそのキャビティを備えたレーザ
を対象としている。この非対称設計は、外部ポンピング
・レーザの動作しきい値の低下につながると考えられ
る。

エルビウムがドープされたファイバ増幅器をポンプす
るために、たとえば980nm近い波長のレーザ光を発する
高出力InGaAs/GaAs量子井戸レーザが広く使用されてい
る。単一モード・ファイバへの結合が必要なこのような
応用分野では、レーザ・ダイオードからの最大使用可能
出力は、出力ビーム品質が低下する出力レベルである。

弱屈折率導波型リッジ導波路レーザは、一般には高次
横モードのカットオフ付近に設計されている。このよう
な構造では、光損傷しきい値を大幅に下回る出力レベル
で回折限界基本モード動作から非回折限界モード動作へ
の遷移が観察され、したがって、基本モード動作からの
この逸脱は、レーザのパフォーマンスにおける制約要因
となる。出力対電流特性は、開口数が小さい検出器によ
って測定した場合、一般に、非回折限界動作への遷移点
でキンクを示す。したがって、最大基本モード出力を、
「一次出力」または「キンク出力」とも呼ぶ。出力をキ
ンク出力を超えて増大させると、レーザはしばしば基本
モード動作に戻る。同様の効果は、他の半導体レーザで
も観察することができる。

上記で概説したように、現在の半導体レーザの大きな
問題点は、基本モード動作からの逸脱を示し、それによ
って、多くの高出力応用分野で使用できないことであ
る。本発明の主な目的は、改良された、より信頼性の高
い半導体ダイオード・レーザと、そのようなレーザの設
計および製作方法を提供することである。

シェマン（Schemmann）等の「Kink power in weakly
index guided semiconductor lasers」（Appl.Phys.Let
ters 66（８）、1995年２月20日、pp920−922）という
論文には、キンク出力のレーザ長に対する依存について
記載されている。最適回折限界出力は、適切なレーザ長
を選定することによって得られると予測されている。

米国特許第5438585号では、従来のファブリー・ペロ
・キャビティと平板井戸分布屈折率分離閉じ込めヘテロ
構造（QWGRINSCH）活性領域とを使用した単一回折限界
ファーフィールド・ローブで高い光出力を出す半導体レ
ーザ・ダイオードが記載されている。レーザの活性領域
にアンチガイド領域を光結合する。一実施形態では、ア
ンチガイド領域は、有効屈折率に横変動があり、これが
発散媒体を形成し、それによって高次光モードが共振キ
ャビティで高い損失を生じる。

米国特許第5394424号には、レーザ動作のための基本
横モードを安定して生じさせるように保証するための活
性層上の上部クラッド層と、活性層の発行領域に並置さ
れた上部クラッド層から突出したうね状のクラッド層と
を有する半導体レーザ素子が記載されている。

米国特許第4761791号には、レーザ活性領域に沿った
リッジの横および場合によってはリッジの上に、不連続
構造を有する単一縦モード・ダイオード・レーザが記載
されている。この不連続構造は、リッジの長さ、または
それぞれ横領域の長さのかなりの部分にわたって、所期
の効果を生じさせるのに十分な頻度で分散して配置され
る。個々の不連続部の長手方向の寸法は、それぞれのレ
ーザ放射波長の半波長から最大３波長までの範囲であ
る。

発明の目的および利点請求する本発明は、周知の半導体レーザ・ダイオード
の欠点を改善することを意図している。

請求項１に記載の特徴を有する半導体レーザ素子は、
少なくとも１つの高次横モードが基本モードよりも強く
減衰する。これによって、この高次横モードと基本モー
ドとの間の結合が弱くなり、それによって、半導体レー
ザ素子のキンク出力が増大する。

従属請求項に記載の手段によって、請求項１に記載の
半導体レーザ素子の様々な改善および修正が可能であ
る。

高次横モードが相対的最大値を有する箇所に損失要素
を配置すれば有利である。これは、その箇所に高次横モ
ードの最大振幅があり、それによって減衰の可能性が高
くなるためである。

伝導層よりも光導波路に近くに達する伝導層の突出部
を含む光波減衰材料の形態の損失要素の実施形態は、い
かなる場合でもすでに存在する層、たとえばレーザ素子
の端子として使用される接続層を伝導層として使用する
ことができるという利点がある。

損失要素が、互いに所定の距離を置いて配置されたい
くつかの損失要素部分を含む場合、各損失要素部分の中
間、すなわち基本モードの相対最大値がある箇所では減
衰が起こらないため、達成可能な減衰がより選択的にな
る。

光導波路に存在するモードのうちの縦モード次数の差
に依存して損失要素を配置すれば有利であることがわか
る。これは、この差によって、伝搬モードの相対最大値
の位置が互いに最も異なる箇所が自動的に決まるからで
ある。光導波路における基本モードと最初の高次モード
との縦モード次数の差を、本明細書ではｍと略記する。

損失要素を、光励起電荷キャリヤのトラップの役割を
果たす１つまたは複数の飽和性光吸収領域を含むように
設計すれば、これらの飽和性光吸収領域を形成するため
に周知のエピタキシャル核成長プロセスを使用すること
ができるという利点がある。さらに、飽和性領域として
どのような飽和性吸収材料でも選択可能であり、したが
って、たとえばプロセスの複雑性や材料の価格など異な
る条件に適するように選定することができる。

飽和性光吸収領域（たとえば量子ドット）の局所閉じ
込めによって、電荷キャリヤが隣接領域に流れ込むのが
防止される。したがって、基本モードによって飽和した
吸収がその空間分解能を保持し、それによって、厳密に
非飽和光吸収領域の位置、特に、基本モード強度が低
く、飽和性吸収損失要素がなかったとすればより弱い高
次モード強度最大値が現れることになる位置においての
み光を減衰させる精度が保持される。

反射面のうちの１つの反射面の離調反射率が、たとえ
ばブロードエリア多モードにおける横モード次数を安定
させる損失要素と組合わさって、有利な方式で横モード
の数を減少させる役割を果たす。

図面の説明以下に、本発明について、特定の実施形態および本発
明の教示により製作された素子のパフォーマンス特性が
図示された図面を参照しながら詳述する。

第１図は、様々な電流レベルにおけるレーザ・ダイオ
ードの測定ファーフィールド強度分布を示すプロットで
ある。

第２図は、開口数の小さい検出器によって測定され
た、レーザ・ダイオードの出力と電流の関係（実線）お
よびレーザ・ダイオードの出力の変動と電流との関係
（破線）を示すプロットである。

第３図は、共通のｍ数値によって規定された様々な密
度クラスタの推測領域を使用した、キンク出力とFWHM＠
Ｐ＝30mWとの関係を示す図の形で数千個のレーザ・ダイ
オードの入口点の密度を示す等高線プロットである。

第4a図は、u_tot＝u₀＋u₁のスーパーモードのエネルギ
ーの流れを示す略図である。

第4b図は、u_tot＝u₀＋iu₁のスーパーモードのエネル
ギーの流れを示す略図である。

第5a図は、ｍ＝３の半導体レーザ素子の最初のキンク
におけるスペクトル積分電界発光強度差を示す図であ
る。

第5b図は、ｍ＝４の半導体レーザ素子の最初のキンク
におけるスペクトル積分電界発光強度差を示す図であ
る。

第5c図は、ｍ＝５の半導体レーザ素子の最初のキンク
におけるスペクトル積分電界発光強度差を示す図であ
る。

第6a図は、本発明によるレーザ素子の第１の実施形態
を示す前面断面図である。

第6b図は、第6a図の素子の上面図である。

第6c図は、第6a図の素子の側面図である。

第７図は、リッジ導波路レーザ素子の様々なモード次
数差ｍの存在を説明する図である。

第8a図は、キャビティに沿った基本モードの周期性を
示す略図である。

第8b図は、キャビティに沿った一次横モードの周期性
を示す略図である。

第8c図は、第8a図の基本モードと第8c図の一次横モー
ドのコヒーレントな重ね合わせを示す略図である。

第９図は、本発明によるレーザ素子の第２の実施形態
を示す透視図である。

上記の各図は、図がわかりやすいように、必ずしも実
寸で示してあるとは限らず、各寸法間の関係も実際の一
様な縮尺で示してあるとは限らない。略語（a.u.）は、
「恣意的単位」を意味し、図中の情報が、記載されてい
る点または曲線の絶対値とはあまり関係がなく、他の図
示されている点または曲線と関係したそれぞれの点また
は曲線の相対的な差で記載されているという意味で使用
している。

詳細な説明第１図には、100〜250mAの様々なレベルの動作電流Ｉ
におけるレーザ・ダイオード、具体的にはひずみInGaAs
/GaAs単一量子井戸リッジ・レーザ素子の測定横ファー
フィールド角強度分布のプロットが示されている。強度
は、光出力Ｐとして示されており、低い値の動作電流Ｉ
の場合に角度α＝０度において出力ピークを示し、角度
αが大きくなるにつれて出力Ｐが対称的に減少する様子
が図示されている。この例のひずみInGaAs/GaAs単一量
子井戸リッジ・レーザ素子は、150mWを超える回折限界
出力を有し、特定の出力レベルにおいてレーザ・ビーム
の横ステアリングに伴う回折限界基本モード動作からの
逸脱を示す。この例では、横ファーフィールドのステア
リングは、210〜230mAの動作電流Ｉの値で見られる。よ
り高い動作電流Ｉの場合、レーザ素子は第２のキンクが
発生するまで基本動作モードに戻る。レーザ素子の出力
Ｐは、加熱などの他の限定決定効果によってパフォーマ
ンスが低下するまでいくつかのキンクを示す。

多くの半導体レーザ素子は、回折限界基本モード動作
から非回折限界動作への遷移を示す。場合によっては、
基本モード動作からのこの逸脱はレーザ・パフォーマン
スにおける制限要因になることがある。

この動作は、基本モードと、活性領域における局所加
熱によって生じるレーザ素子の横屈折率プロフィールの
変形によってレーザ・キャビティに追加的に導かれる横
高次モードとの共鳴結合によって説明される。高次横モ
ードは、中位の出力レベルですでに導かれることがあ
る。ファーフィールドの横ステアリングは、基本モード
と高次横モードとの位相固定重ね合わせを仮定すること
によって説明することができる。

開口数（NA）の小さい検出器によって測定された、対
応する出力と電力特性との関係を、第２図の図に示す。
図には、出力Ｐと共に、出力と電流特性との関係の平滑
化二次微分として規定された出力の変動varが図示され
ている。小NA検出器は基本モード動作からの逸脱に対し
てきわめて感度が高いため、ビーム・ステアリングは出
力と電流特性との関係および出力Ｐの変動varの強い増
大における「キンク」として観察することができる。

レーザ光を単一モード・ファイバ結合するためには、
最初のキンクより下の特性の線形部分しか使用すること
ができない。したがって、「線形出力」または「キンク
出力」は、最大使用可能回折限界出力Ｐとして、または
より正確には、出力Ｐの変動が所定の値、たとえば0.2m
Wを超えない最大出力として定義される。キンクは、検
出器として積分球光度計を使用しても観察することがで
きるが、一般により弱くなる。これは、基本モードで放
出される出力だけでなく、全放出出力Ｐもキンクを受け
ることを意味する。

複数のレーザ素子の二次元ヒストグラムの形の統計値
例を第３図に示す。この図では、等高線が図示されてお
り、各等高線は一定の点密度を示し、各点は、この例で
は１つのレーザ素子の30mWの出力およびキンク出力値に
おけるFWHM（半値全幅最大）値を表す。所定の出力Ｐ値
で測定されたレーザ素子の横ファーフィールドのFWHM
を、レーザ素子のリッジ高の等価値として使用すること
ができる。一様な点密度がある領域が図の固定した領域
にあるということは、キンク出力の値がランダムな値で
はないことを示している。それに対して、導波路リッジ
の高さに対するキンクの規則的な鋸歯状の依存関係が発
生する。この高さは、横ファーフィールドの幅に直接関
係する。すなわち平坦なレーザ・リッジによってモード
閉じ込めがより強力になり、横ファーフィールド角度が
より大きくなる。出力が高くなると、熱効果が横ファー
フィールドと導波路幾何形状との相関関係に影響を与え
る。

リッジ幾何形状と実効屈折率n_effの熱変形とに対する
キンク出力の規則的依存によって、異なるクラスタ、す
なわち、点密度のより低い領域によって囲まれた高点密
度の領域の区別が可能になる。クラスタは、伝搬横モー
ドの縦モード次数の差ｍを共通して有する理論上存在す
る領域の実験的に判明済みの証拠を示す。これらの領域
は普遍的特性を有し、これはそれらの領域がプロセス・
ランごとにその位置を変えないことを意味する。したが
って、リッジ深さに対するキンク・レベルの依存は、導
波路幾何形状の基本特性である。

レーザ・キャビティにおける伝搬モードのモード次数
ｍの差の数値ｍを、第３図の４つのクラスタの各クラス
タに割り当てることができる。左から２番目のクラスタ
内のレーザ素子はｍ＝３のキンクを有し、３番目のクラ
スタ内のレーザ素子はｍ＝４のキンクを有し、４番目の
クラスタ内のレーザ素子はｍ＝５のキンクを有する。し
たがって、全クラスタは、その領域内に含まれるすべて
のレーザ素子について、特定の共通のｍ数値のキンクが
発生する領域である。実際には、クラスタは第３図で破
線によって図示されているその上限まで続く。第３図で
は各レーザ素子の最初のキンクだけを調べたため、実験
により導き出されたクラスタの見かけの上限は人為的な
ものである。第３図の各クラスタは、単純に次に低いｍ
数値を有する次のクラスタの始まりによって終わる。こ
れは、レーザ素子は出力が増大するとｍ数値が増大する
一連のキンクを示すという実験による観察とも一致して
いる。

キンクは、横ビーム・ステアリングおよび増大する自
然放出で現れるだけでなく、レーザ波長の分割とシフト
にも現れる。通常、キンク箇所には、まずレーザ波長の
分割がある。次に、短い方の波長を持つ分岐が「消滅」
し、レーザはより長い波長で発振する。キンク出力より
上の出力レベルで、波長は再びその通常値を有する。

以下の項では、横モード結合について、観察されたキ
ンク動作およびクラスタの説明を示す。

安定した非対称ファーフィールドは、基礎モードと高
次横モードのコヒーレントな、すなわち位相固定された
重ね合わせによって説明することができる。レーザ素子
が単色光を放射する場合のこの２つのモードのコヒーレ
ントな重ね合わせの存在のための必要条件は、２つのモ
ードの周波数νの縮退、すなわち［１］ ν_０＝ν_１＝ν である。

さらに、レーザ・キャビティ内に定在波を生じさせる
ことができるためには、２つのモードがレーザ・キャビ
ティと共振していなければならない。

上記の各式は、レーザ・キャビティ長Ｌ、２つのモー
ドの縦モード次数l₀、l₁、および実効屈折率n_e ⁰およびn
_e ¹を使用する。モード次数ｍは、小さい整数であり、た
とえばｍ＝１、２、３、４などである。式［１］〜［2
b］から、以下のようにコヒーレント・スーパーモード
の形成のための必要条件が得られる。

実効屈折率n_e ⁰とn_e ¹の差は、以下の整倍数でなければ
ならない。

したがって、原理的に混成スーパーモードは理論上存
在しない。導波路は、条件［３］を満たす実効屈折率n_e
⁰およびn_e ¹を有する２つのモードを導かなければならな
い。この条件は「低温」導波路の場合は満たされない
が、光導波路の局所的加熱により、２つのモードの実効
屈折率n_e ⁰およびn_e ¹を条件［３］が満たされるまでシフ
トさせることができる。満たされた時点で、基本モード
は、高次横モードにエネルギーを共鳴伝達し、キンクが
発生する。電流を増大させ、それと共に出力Ｐを増大さ
せると、さらに、光導波路がより強力に加熱され、実効
屈折率n_e ⁰およびn_e ¹がさらにシフトし、条件［３］は満
たされなくなる。その後、共鳴結合はなくなり、レーザ
素子は基本モード動作に戻る。

２つのモードは同じ周波数νで発振し、同じ自由空間
波長を有するが、異なる実効屈折率n_e ⁰およびn_e ¹のため
にレーザ・キャビティ内部の波長は異なる。ビート長Λ
は以下の式によって求められる。

ビート長Λは、その後で２つのモードが２πの位相差
角を有する長さである。式［2a」〜［４］の結果として
直接、以下の式になる。

したがって、２つのモードの定在波パターンの重ね合
わせの場合、その２つのモードの半ビート長Λ/2がレー
ザ・キャビティ内に「収まる」ことが必要である。レー
ザ・キャビティ内の定在波強度分布を考慮すると、２つ
のモード間の相対的位相を恣意的に選定することができ
る。すなわちスーパーモードの振幅u_totは、複素振幅u₀
およびu₁と恣意的複素定数ｃを使用して以下のように書
くことができる。

［６］ u_tot＝u₀＋cu₁ 反射面のうちの１つから始まって、ビート長Λの４分
の１の後に、高次横モードは基本モードと比較してπ/2
の位相シフトを有し、したがってそのモード・ピークは
基本モードのモード・ピークの間に現れる。いくつかの
波長の平均をとると、強度分布はレーザ・キャビティに
沿って均一であるが、基本モードの強度分布と比較する
と広がっている。スーパーモードの最大強度の位置が導
波路の一方の側から他方の側まで移動する実数のｃの場
合にはそうではない。この重ね合わせでは非対称なニア
フィールドになるのに対し、虚数のｃでは対称なニアフ
ィールドになる。

第4a図に、実数のｃによる重ね合わせのエネルギーの
流れを示し、第4b図に虚数のｃによる重ね合わせのエネ
ルギーの流れを示す。両図に示すモードはｍ＝２に対応
する。キャビティ長L_cは半ビート長Λ/2の整数倍数であ
ることが明らかになる。また、実数のｃでは対称ファー
フィールドになるのに対し、虚数のｃでは非対称なファ
ーフィールドになり、したがってビーム・ステアリング
になることもわかる。したがって、キンクは虚数のｃに
よる２つのモードのコヒーレントな重ね合わせの結果で
ある。この結果、キンクにおけるニアフィールドは対称
のままである。

第4a図に示すモードは、u_tot＝u₀＋u₁に対応し、その
結果として非対称ニアフィールドおよび対称ファーフィ
ールドが生じるのに対し、第4b図に示すモードはu_tot＝
u₀＋iu₁に対応し、対称ニアフィールドおよび非対称フ
ァーフィールドが生じる。

したがって、キンクはコヒーレントな位相固定重ね合
わせ、すなわち２つの横モードのスーパーモードの結果
である。２つのモードが縮退される条件、すなわち２つ
のモードが同じ周波数νで発振する条件である。その場
合、共振結合が起こり、基本モードから高次横モードに
エネルギーが共鳴伝達され、その結果、横シフトされた
ファーフィールド強度分布が生じる。キンクは、２つの
モードの縦モード次数の差であるｍ数値によって特徴づ
けることができる。

横ステアリングの方向がある。u_tot＝u₀−iu₁モード
は、レーザ・キャビティ内部でu_tot＝u₀＋iu₁モードと
全く同じ強度分布を生じさせるが、他方の側へのファー
フィールド・ステアリングが生じ、このスーパーモード
は第4b図に示すものとは逆に伝わる。これは、ステアリ
ングの方向はレーザ素子ごとにランダムに異なるが、１
つのレーザ素子については一定しているという実験結果
と一致する。

キンクにおいて、ニアフィールドは対称を維持すると
予想される。ニアフィールドは、第１図に示すファーフ
ィールドの大きな横ステアリングと比較して、一方の側
へのシフトをわずかしか示さないことを観察することが
できる。これによって、主として虚数の定数ｃの仮定が
立証される。しかし、ニアフィールドのわずかなシフト
は、定数ｃが純虚数ではなく、小さい実数部を含むこと
を示している。

あらゆるレーザについて、キンクにおけるレーザ・キ
ャビティに沿った電界発光強度の増大を観察することが
できる。第5a図、第5b図、および第5c図に、それぞれｍ
＝３、４、５の半導体レーザ素子の最初のキンクとキン
クよりわずかに下の電流Ｉとにおけるキャビティの縦軸
ｘに沿った電界発光強度の相違を示す。これらの測定値
は、２つのモード間のビートを直接示しており、損失要
素の理想的位置の正確な予測を可能にする。

第5a図で、第１の相対強度差最大値は約230μｍにお
いて見られる。ただし、キャビティ長L_cはすべての図で
750μｍである。第２の相対強度差最大値は約500μｍに
おいて見られる。これは、これらの位置において２つの
モードが同相であるという事実に対応している。したが
って、これらの位置からシフトした４分の１ビート長
は、２つのモードが最も位相外れした位置にある。した
がって、損失要素10を配置する最良の場所ａ、ｂ、ｃが
ある。

ｍ＝４の場合について、第5b図に電界発光強度差の交
互の最大値と最小値を示す。この場合、４個の配置可能
損失要素10のための４箇所の場所ａ、ｂ、ｃ、ｄを表す
４個の最小値が現れている。第5c図はｍ＝５の場合の規
則を立証しており、したがって５箇所の場所ａ、ｂ、
ｃ、ｄ、ｅになる。場所ｅの上の最小値は他の最小値ほ
ど明らかではないという事実は、この場所が、散光の増
大により測定電界発光強度差のひずみが起こる反射面14
に最も近くにあるという事実に由来する。

したがって、ｍ数値によって、損失要素10を配置する
具体的な基礎が得られる。

本発明により、伝搬スーパーモードのキャビティ内強
度分布の知識に基づいて、高次横モードに損失をもたら
し、したがってスーパーモードを安定させると同時に、
基本モードには影響を与ない損失要素が配置されるとい
う点で、レーザ素子のキンク動作を向上させることがで
きる。この手法は、キンクを移動させずに、キンクを低
減し、最良の場合はキンクをなくす。

以下では、損失要素を有する半導体レーザ素子の例を
示し、説明する。

第6a図および第6b図に、本発明による半導体レーザ素
子の第１の実施形態を示す。第6c図に、それぞれ屈折率
ｎの半導体レーザの構成側面図を示す。第6a図は、第6b
図に示す切断面Ａ−Ａに沿ったレーザ素子の図である。

この例のレーザ素子は、注入型レーザ・ダイオードで
あり、層状構造を有し、中央層として量子井戸帯１を含
む平行六面体バーの全体的形態を有する。量子井戸帯１
は、その上側上で上部半導体閉じ込め帯２によって閉じ
込められている。上部閉じ込め帯２の組成は、ギャップ
・エネルギーが上面から量子井戸帯１に向かって減少す
るようにその上面から量子井戸帯１との界面に向かって
変化している。上部半導体閉じ込め帯２の屈折率は、逆
にその上面から量子井戸帯１に向かって大きくなる。量
子井戸帯１はその下側上で下部半導体閉じ込め帯３によ
って閉じ込められており、下部閉じ込め帯３の組成は、
下面から量子井戸帯１との界面に向かってギャップ・エ
ネルギーが減少するようにその下面から量子井戸帯１と
の界面に向かって変化している。下部半導体閉じ込め帯
３の屈折率は逆にその下面から量子井戸帯１との界面に
向かって増大する。下部半導体閉じ込め帯３の下面に隣
接して、下部クラッド層４が配置され、下部クラッド層
４は、隣接する下部半導体閉じ込め帯３の屈折率と共通
の界面において最大限等しくなるような組成を有する。
電荷キャリヤを閉じ込めるために、量子井戸帯１は隣接
する閉じ込め帯２、３より低いギャップ・エネルギーを
有する量子井戸によって構成されている。量子井戸帯１
の屈折率は、ランダム性とすることができ、隣接帯２、
３の屈折率よりも低くすることさえできる。上部閉じ込
め帯２の上に、縦リッジ12を含む上部クラッド層５が配
置されている。量子井戸帯１は、光閉じ込めおよび導光
にはわずかしか関与せず、導光は閉じ込め帯２、３とク
ラッド層４、５によって保証される。下部クラッド層４
は半導体基板17上に配置されている。

この平行六面体バーは、４つの垂直面によって限られ
ており、そのうちの２面は特定の反射特性を持たない
が、第３の面は反射面14であり、第４の面はレーザ・ビ
ーム出口面の役割を果たす半透明反射面13である。反射
面14と半透明反射面13との間の距離はキャビティ長L_cで
ある。リッジ12は底部幅W_cを有し、反射面14から半透明
反射面13まで延びている。上部クラッド層５は、いくつ
かの立方形状の穴をさらに含み、穴の縦軸はリッジ12の
縦軸に対して垂直になっており、ここでは例示として４
つの穴から成るグループにグループ化されている。これ
らのグループは、リッジ12の左右に対に配置されてい
る。さらに、上部クラッド層５は、分離材料から成る埋
込み層とも呼ぶ被覆層６によってリッジ12の高さまで覆
われている。被覆層６は、立方形状の穴も示している。
このレーザ素子は、リッジ12および被覆層６上に配置さ
れ、第１の接触要素９に接続された第１の電気導体層７
をさらに含む。電気導体層７のうちの穴のグループ中に
突出した部分は、そこに光波減衰損失要素10を形成して
おり、この損失要素10は、いくつかの損失要素部分を含
み、各損失要素部分が１つの充填された穴である。した
がって、ここではリッジ12に沿って４箇所に損失要素10
が設けられ、その位置は伝搬モードの縦モード次数の差
ｍに応じて選定される。

反対側では、半導体基板17が、第２の接触要素11に接
続された第２の電気導体層８に取り付けられている。閉
じ込め帯２、３は量子井戸帯１と共に、厚さH_cの光導波
路15を形成し、光導波路15は活性領域として量子井戸帯
１を有するレーザ・キャビティとして機能する。レーザ
・キャビティは、レーザ・キャビティ長L_c、レーザ・キ
ャビティ高H_c、およびレーザ・キャビティ幅W_cを有する
ファブリー・ペロ型である。

このレーザ素子は電気的にポンピングされる。したが
って、レーザは２つのタイプのドーピング、すなわちｎ
ドーピングとｐドーピングを示し、これらはｐ−ｎ接合
と、さらに２つの接触電極９、11を形成する。この２つ
の電極接触部９、11は、活性領域１を通る電流を伝える
ように機能し、この電流が誘導電荷キャリヤ再結合を生
じさせる。電荷キャリヤは活性帯に注入され、そこで再
結合して発光を生じさせる。GRINSCH（分布屈折率分離
閉じ込めヘテロ構造）とは、レーザ素子が分布屈折率導
波路と、キャリヤおよび光の別個の閉じ込め機構とを有
することを意味する。分離層６は、電流をリッジ12に限
定し、光導波路15上の導体層７の減衰効果を少なくする
役割を果たす。

MBEの場合の原子ビームまたは分子ビームを発生する
噴出セルの温度を変更することによって、またはビーム
の組成の連続的変更によって、組成の変化を得ることが
できる。

レーザ素子の活性帯は、ここでは対称な組成段階変化
構造の中心に配置された量子井戸帯１によって構成され
ている。量子井戸帯１は、隣接する閉じ込め帯２、３を
下回るエネルギー・ギャップを有する半導体材料の薄い
層である。組成の段階的変化には、ギャップの段階的変
化と光屈折率段階的変化が含まれる。ギャップ段階的変
化は、注入電流によって供給されるキャリヤの収集効率
を向上させる。屈折率段階的変化は、活性帯１上に導波
光モードを集中させることを可能にする。これによっ
て、利得帯（量子井戸）と導波光モードの最適重ね合わ
せが得られる。

損失要素10は、高次横モードを減衰させる。ここでは
損失要素10の材料はきわめて有効な光波減衰材料である
ことが知られている金属である。第6b図には、基本モー
ドと、減衰させる第１の高次横モードの縦モード次数の
差ｍがｍ＝２である例が図示されている。したがって、
基本モードの縦モード次数はたとえば2001であり、第１
の高次横モードの縦モード次数はたとえば2003である。
したがって、第１の高次横モードと基本モードの相対強
度最大値が互いに最も離れて現れる位置が光導波路に沿
って２箇所ある。これは、第１の高次横モードを減衰さ
せることができると同時に、この減衰が基本モードに与
える影響を最小限にすることができる最適な場所であ
る。リッジ12の両側と、この２つの位置のそれぞれの位
置に、損失要素10の１つを配置する。ｍに比較して縦モ
ード次数がきわめて高いため、損失要素10は１つの減衰
要素から成るだけでなく、いくつかの損失要素部分を含
み、これらの損失要素部分は、この例では分離されたス
トライプの形で実施されている。２つのモードの相対最
大値の完全な重なりと２つのモードの相対最大値の完全
な分離との間の移行部は、長ければ長いほど差ｍが小さ
くなる距離にあり、一般には、すなわち、実際のレーザ
素子の場合には、基本モードの隣接する２つの強度最大
値間の距離よりもはるかに大きい。したがって、１つの
位置における第１の高次横モードの相対最大値だけでな
く、基本モードの相対最大値からかなり離れた隣接する
相対最大値も減衰させることが可能である。これは、損
失要素10を、光導波路に沿って一列に配置され、２つの
モードの相対強度最大値が互いに最も離れた位置の付近
に配置されたいくつかの分離要素部分に分けることによ
って実現される。しかし、損失要素部分の間の空間によ
って基本モードに作用する減衰（これは通常は望ましく
ない結果である）も生じさせることになるため３損失要
素部分が互いに分離されていない場合は悪化させること
になる。損失要素部分の数の選定は、特定のレーザ素子
の効果の最適化の問題である。損失要素10を形成する光
波減衰材料は、導体層７と同じ材料である必要はなく、
導体層７に接続されている必要もない。損失要素10のた
めの穴を形成する適切な方法は、集束イオン・ビーム・
エッチングである。

これらの様々な層の材料の一例は、基板17はGaAsであ
り、クラッド層４、５はAl_0.3Ga_0.7As、閉じ込め帯２、
３はAl_0.1Ga_0.9As、量子井戸帯１はIn_0.1Ga_0.9Asであ
る。導体層７は金から成ることができ、分離層はSi₃N₄
またはSiO_xとすることができる。

一般に、損失要素は、たとえば基本モードと第１の高
次モードの重なり合いの定在波パターンに従って配置さ
れる。

第７図に、２つの異なるリッジ設計の高次モードの存
在の開始を示す。

左側には、３つの異なる状態におけるフラットリッジ
設計による第１のレーザ素子の実効屈折率n_effの略図が
リッジ12までの断面で図示されている。右側には、３つ
の状態におけるハイリッジ設計による第２のレーザ素子
の実効屈折率n_effの略図が図示されている。したがっ
て、縦座標はリッジ高さまたは横ファーフィールド角度
Θを表し、横軸は出力Ｐを表す。

出力Ｐが高いと自動的に活性領域の温度が高くなる。
温度の上昇によって、実効屈折率プロフィールが変形す
る。すなわち、人為的に高められる。図からわかるよう
に、リッジが高い方が２つのモード間に多くの空間が残
され、これはそれぞれのモード次数の差ｍと等価であ
る。したがって、温度の上昇につれて、基本モードと第
１の高次横モードとの間の差ｍが大きくなる。したがっ
て、レーザ素子は、出力Ｐを上昇させている間に異なる
次数ｍになる。これは、出力Ｐの上昇による異なるキン
ク・レベルの存在があるという立証である。

出力Ｐを増大させることによって、第７図の第１のレ
ーザ素子は、２つのモードの実効屈折率n_effの差を拡大
させる屈折率プロフィールの熱変形により、まずｍ＝２
のキンクに達し、次にｍ＝３でもう一つのキンクに達す
る。第２のレーザ素子は、より高いリッジを有し、これ
は、ｍ＝２の重ね合わせにとって高過ぎる２つのモード
の屈折率n_effの最小差があることをすでに示している。
したがって、その最初のスパーモードはｍ＝３で発生す
る。したがって第７図の左側のレーザは、第３図の最初
のクラスタに入れることができ、右側のレーザは２番目
のクラスタに入れることができる。

第8a図から第8c図に、基本モードと高次横モードとの
コヒーレントな重ね合わせを説明する理論略図が図示さ
れている。

第8a図に、活性帯１における基本モードの光強度分布
の図を示す。楕円はこのモードの相対最大値を囲む領域
を示している。図からわかるように、基本モードは、リ
ッジ12の縦軸に関して対称であり、直交方向に１つの相
対最大値しか示さない。この例では、キャビティ長L_cに
沿って合計７個の相対最大値を数えることができる。

第8b図に、活性帯１における第１の高次横モードの光
強度分布の略図を示す。このモードもリッジ12の縦軸に
関して対称であるが、直交方向に２つの相対最大値を示
す。この例では、キャビティ長L_cに沿って合計９個の相
対最大値を数えることができる。レーザ・キャビティに
沿った相対最大値の数の差は縦モード次数の差ｍであ
り、したがってこの場合はｍ＝２である。図示されてい
ないのは、第１の高次横モードの相対最大値の大きさ
が、基本モードの相対最大値の大きさより小さいことで
ある。

第8c図に、虚数定数ｃによる２つのモードの重ね合わ
せの推定図を示す。２箇所で、高次横モードの相対最大
値が分離された領域16を形成している。この領域は、損
失要素10の減衰効果が高次横モードにのみ作用し、基本
モードには作用しないため損失要素10を配置する最適な
場所である。しかし、半波長だけ離れた隣接する位置
も、重ね合わせモードの相対最大値が互いの間の距離が
まだ十分に大きく、それによって第１の高次横モードの
減衰が基本モードに極度の影響を与えないため、きわめ
て好適な場所である。したがって、この場合も各損失要
素10が、互いに所定の距離だけ離して配置された（この
例では）３つの損失要素部分から成るグループとして実
施される。したがって、最適な場所は、損失要素10を配
置するおおよその位置を表し、隣接する場所はやはり減
衰が可能な良好な位置を表す。したがって、モードの相
対最大値がレーザ・キャビティの縦軸に沿った異なる位
置を有するすべての場所が、損失要素10、損失要素部分
をそれぞれ、高次横モードを基本モードよりも強く減衰
させるように配置することができる場所である。損失要
素10が配置された場所における２つ以上のモードの相対
最大値の分離が大きければそれだけ、基本モードの安定
化のための減衰の効果が高くなる。

第９図に、本発明による半導体レーザ素子の他の実施
形態を示す。図が見やすいように、レーザ素子の選択さ
れた部分、すなわち、閉じ込め帯２、３、量子井戸帯
１、リッジ12を有するおよびクラッド層５のみが図示さ
れている。上部クラッド層５はこの例では、損失要素10
を含み、各損失要素10は１組の可飽和減衰領域を含む。
これらの各領域は隣接領域から電子的に分離された位置
にある。これらの領域は、量子ドットの形で示すことが
できる。この例ではこれらの量子ドットは、電荷キャリ
ヤの生成により光を吸収する、上部クラッド層５内の領
域であり、キャリヤは次にこれらの量子ドット内に捕獲
される。量子ドットは、吸収がより弱いかまたはまった
く吸収しない上部クラッド層５の材料によって互いに分
離されているため、吸収は局所的に限定されたままであ
り、したがって、生成された電荷は流れ出すことができ
ない。量子ドットの配置位置を限定することによって、
光吸収を空間的に制御することができる。したがって、
高次横モードの相対強度最大値が基本モードの相対最大
値から離れている位置を損失要素10の配置場所として選
択することによって、高次横モードを減衰させることが
できる。可飽和光吸収領域の分離は、それらの領域を吸
収がより弱いかまたはまったく吸収しない周囲材料内に
埋め込むことによって実現することができる。

量子ドットは、固有飽和性を有するため、量子ドット
を上述の選択位置に限定しない他の実施形態も可能であ
る。実際には、量子ドットは、リッジ12上のあらゆる場
所に配置可能であり、それによって当然ながら基本モー
ドと高次横モードの両方のモードを減衰させることがで
きる。前述のように、高次横モードの相対最大値の大き
さは、基本モードの相対最大値の大きさよりも小さいた
め、たとえば減衰が基本モードを消滅させず、高次横モ
ードを大幅に減衰させるように量子ドットの濃度を決定
することによって、可飽和吸収を調整することができ
る。

言い換えると、大規模には、損失要素10は基本モード
と高次モードの強度最大値の空間的分離が大きい位置に
配置することができる。小規模には、基本モードは、吸
収飽和が、減衰によって基本モードを消滅させず、高次
横モードを大幅に減衰させる効果をもたらすことによっ
て、損失要素部分の形成に寄与する。

一般に、損失要素10は様々な形態で実施することがで
きる。リッジ12の側部に配置する必要はない。リッジの
上部に配置することもでき、リッジ12内の半導体層また
はその他の層のうちの１層に埋め込むこともできる。具
体的には、量子ドットは、イオン・ボンバードメントや
リソグラフィなどの共通のプロセス・ステップ、また
は、「ストランスキー−クラスタノフ（Stranski−Kras
tanov）」成長と呼ばれるエピタキシャル成長中の自己
組織化核成長プロセスを使用して製作することができ
る。可飽和量子ドットの可能な材料はInGaAsまたはInAs
である。

損失要素10は、いくつかの高次横モードのために同時
に配置し、それに応じて複数の高次横モードを減衰させ
るようにすることもできる。その場合、損失要素10の場
所は、単一高次横モードの場所の重ね合わせとして選定
することができる。

以上、本発明について、特定のリッジ・レーザ・ダイ
オードに適用されるものとして詳述した。しかし、本発
明は、使用する化合物半導体には関係なく、他のレーザ
・ダイオード構造にも同様に適用可能であるものと理解
されたい。また、プロセスおよび素子のパラメータは本
明細書の上記で示したものとは異なっていてもよい。量
子井戸帯１は、１つの量子井戸に限定する必要はなく、
複数量子井戸（MQW）構造を含むこともできる。

類似した態様の本提案の概念は、多モード・ブロード
・エリア・レーザ素子にも適用可能である。その場合、
損失要素によって、発振するのに十分な利得を有する伝
搬横高次モードの数が少なくなる。これは、損失要素10
によってすべてのモードについて縦モード次数を決定す
ることができ、安定させることができるためである。こ
れにより、基本モードと比較して高次モードの周波数ま
たは自由空間波長が縮小し、周波数が増大する。したが
って、高次横モードの周波数を、量子井戸帯が生じさせ
る光利得が少ない領域にシフトさせることができる。高
次横モードの減少はファーフィールド角度を減少させ、
レーザ光輝度を増加させる。ブロード・エリア・レーザ
の出力は、フィラメンテーションの開始によってしばし
ば制約される。フィラメンテーションはレーザ・ビーム
の自己収束であり、その後に破壊的な光学ミラー損傷が
起こる。損失要素が光利得のスペクトル形状と共に引き
起こす高次モード選択によって、横フィールドひずみが
安定化し、フィラメンテーションのしきい値が上昇す
る。レーザ素子を最適化することによって、基本モード
・ブロードエリア・レーザの製作も可能である。このた
めに、反射面のうちの１つの反射面、具体的にはビーム
出口面の反対側の面の離調反射率によって、レーザ素子
の利得曲線の波長選択性を強化することができる。反射
面の反射率最大値をより長い波長に移動することによっ
て、高次モードのより短い波長における反射率が少なく
なり、それによってそれらの高次モードの損失が増大す
る。

リッジ12の縦軸方向の損失要素10、それぞれ損失要素
部分のサイズは、損失要素10によって達成可能な効果に
関する最も重要なサイズである。このサイズを、キャビ
ティ内のモードの波長の４分の１より小さく選定するこ
とが、適切な効果を得るのに有効な規則であると考えら
れる。

原則として、損失要素、それぞれ損失要素部分のこの
寸法および縦方向の位置は、損失要素、それぞれ損失要
素部分が高次モードに与える影響が最大化され、基本モ
ードへの影響が最小化されるように選定する必要があ
る。これによって、様々な損失要素、それぞれ損失要素
部分のサイズ、形状、位置、および材料または飽和度あ
るいはその両方が互いに異なるように選定することもで
きることが明らかになる。損失要素部分は、この場合
も、達成する安定化効果を最適化する企図に従って互い
に接続または分離された個々の要素で構成することがで
きる。

本明細書に記載の本発明の実施形態はすべて、全体ま
たは細部を互いに組み合わせることもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭55−156381（ＪＰ，Ａ) 特開平９−307178（ＪＰ，Ａ) 特開平４−82289（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−134094（ＪＰ，Ａ) 特開2000−124544（ＪＰ，Ａ) 独国特許出願公開3914001（ＤＥ，Ａ１) ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，1995年，31［８］，ｐ．648−650 ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，1995年，66［８］，ｐ. 920−922 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも部分的に反射する面（13、14）
によってその対向し合う両端部において終端された縦光
導波路（15）を含み、前記光導波路（15）が光導波路
（15）内部でコヒーレントな光波の基本モードと少なく
とも１つの高次横モードとを発生させる電荷キャリア再
結合のための誘導可能な活性領域（１）を含むレーザ素
子であって、少なくとも１つの損失要素（10）が前記光導波路（15）
における、前記高次横モードの相対強度最大値と前記基
本モードの相対強度最大値とが異なる位置にある位置の
少なくともほぼ近くであって、前記高次横モードの相対
強度最大値が配置されることになる場所に配置され、前記損失要素（10）が前記高次横モードを減衰させるこ
とを特徴とする、レーザ素子。
【請求項２】前記損失要素（10）が、導体層（７）の突
出部分を含む光波減衰材料を含み、前記突出部分が被覆
層（６）よりも前記光導波路（15）の近くに達している
ことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ素子。
【請求項３】前記損失要素（10）が、互いからの所定の
距離に配置されたいくつかの損失要素部分を含むことを
特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ素子。
【請求項４】前記損失要素（10）の位置が、前記光導波
路（15）内に存在する前記基本モードと前記高次横モー
ドの縦モード次数の差（ｍ）に応じて選定されることを
特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の
レーザ素子。
【請求項５】前記損失要素（10）が、より弱い吸収周囲
材料または非吸収周囲材料内に埋め込まれた１つまたは
複数の可飽和光吸収領域を含むことを特徴とする、請求
項１ないし４のいずれか一項に記載のレーザ素子。
【請求項６】吸収効果を局所的に閉じ込めるために前記
可飽和光吸収領域が互いに分離されていることを特徴と
する、請求項５に記載のレーザ素子。
【請求項７】前記少なくとも部分的に反射する面（13、
14）のうちの少なくとも１つの面が離調反射率を有する
ことを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に
記載のレーザ素子。
【請求項８】少なくとも部分的に反射する面（13、14）
によってその対向し合う両端部において終端された縦光
導波路（15）を含み、前記光導波路（15）が光導波路
（15）内部でコヒーレントな光波の基本モードと少なく
とも１つの高次横モードとを発生させる電荷キャリア再
結合のための誘導可能な活性領域（１）を含むレーザ素
子であって、量子ドットよりなる少なくとも１つの損失要素（10）が
前記光導波路（15）における、前記高次横モードの相対
強度最大値と前記基本モードの相対強度最大値とが異な
る位置にある位置の少なくともほぼ近くに配置され、前記損失要素（10）が前記高次横モードを減衰させるこ
とを特徴とする、レーザ素子。