JPH0669111B2 - 自己整合性リブ導波路高出力レーザー - Google Patents
自己整合性リブ導波路高出力レーザーInfo
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- JPH0669111B2 JPH0669111B2 JP60153940A JP15394085A JPH0669111B2 JP H0669111 B2 JPH0669111 B2 JP H0669111B2 JP 60153940 A JP60153940 A JP 60153940A JP 15394085 A JP15394085 A JP 15394085A JP H0669111 B2 JPH0669111 B2 JP H0669111B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure 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
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
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-
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 近年、光デイスク記録、プリンテイング、光フアイバー
・データ分配システムなど、高出力で安定した基本モー
ド動作を行うレーザーを必要とする応用が数多く見られ
る。このような基準に適合すると言われている素子構造
のいくつかを挙げると、ツイン・リツジ（twin ridge）
基体〔アプライド・フイジクス・レターズ（Applied Ph
ysics Letters）、第42巻、853頁（1983）参照〕、コン
ストリクテツド（constricted）・ダブルヘテロ構造ラ
ージ・オプテイカル・キヤビテイ（large optical cavi
ty）〔アプライド・フイジクス・レターズ、第36巻、４
頁（1980）およびアプライド・フイジクス・レターズ、
第38巻、658頁（1981年）参照〕、チヤネルド・サブス
トレート・プレーナー（channeled substrate planar）
〔アイ・イー・イー・イー・ジヤーナル・オブ・クオン
タム・エレクトロニクス（IEEE Journal of Quantum El
ectronics）、キユー・イー（QEー）14巻、87頁（197
8）およびエレクトロニクス・レターズ（Electronics L
etters）、第19巻、１頁（1983年）参照〕テラスト（te
rraced）・ヘテロ構造ラージ・オプテイカル・キヤビテ
イ〔アプライド・フイジクス・レターズ、第41巻、310
頁（1982年）参照〕、亜鉛を深く拡散させた細いストラ
イプ構造のレーザー〔アプライド・フイジクス・レター
ズ、第40巻、208頁（1982年）参照〕、ウインドウ・ヴ
イー・チヤネルド・サブストレート・インナー・ストラ
イプ（window V−channeled substrate inner stripe）
〔アプライド・フイジクス・レターズ、第42巻、406頁
（1983年）参照〕、および非プレーナー型ラージ・オプ
テイカル・キヤビテイ〔アプライド・フイジクス・レタ
ーズ、第35巻、734頁（1979年）参照〕がある。これら
の構造は、長さ約200μｍの素子に対するしきい値電流
の中央値（メジアン）が20−80mAであり、微分量子効率
が20−60％であり、連続波出力が20−70mWであることに
より特徴づけられる。しかしながらこれらの素子構造の
作製には、典型的にはいくつかの臨界的（critical）工
程が含まれる：たとえば、Znの拡散の精密な制御、非プ
レーナー型表面上のエピタキシヤル成長のための基体の
選択的エツチング、およびコンタクトのストライプと表
面下の構造との精密な整合など。
・データ分配システムなど、高出力で安定した基本モー
ド動作を行うレーザーを必要とする応用が数多く見られ
る。このような基準に適合すると言われている素子構造
のいくつかを挙げると、ツイン・リツジ（twin ridge）
基体〔アプライド・フイジクス・レターズ（Applied Ph
ysics Letters）、第42巻、853頁（1983）参照〕、コン
ストリクテツド（constricted）・ダブルヘテロ構造ラ
ージ・オプテイカル・キヤビテイ（large optical cavi
ty）〔アプライド・フイジクス・レターズ、第36巻、４
頁（1980）およびアプライド・フイジクス・レターズ、
第38巻、658頁（1981年）参照〕、チヤネルド・サブス
トレート・プレーナー（channeled substrate planar）
〔アイ・イー・イー・イー・ジヤーナル・オブ・クオン
タム・エレクトロニクス（IEEE Journal of Quantum El
ectronics）、キユー・イー（QEー）14巻、87頁（197
8）およびエレクトロニクス・レターズ（Electronics L
etters）、第19巻、１頁（1983年）参照〕テラスト（te
rraced）・ヘテロ構造ラージ・オプテイカル・キヤビテ
イ〔アプライド・フイジクス・レターズ、第41巻、310
頁（1982年）参照〕、亜鉛を深く拡散させた細いストラ
イプ構造のレーザー〔アプライド・フイジクス・レター
ズ、第40巻、208頁（1982年）参照〕、ウインドウ・ヴ
イー・チヤネルド・サブストレート・インナー・ストラ
イプ（window V−channeled substrate inner stripe）
〔アプライド・フイジクス・レターズ、第42巻、406頁
（1983年）参照〕、および非プレーナー型ラージ・オプ
テイカル・キヤビテイ〔アプライド・フイジクス・レタ
ーズ、第35巻、734頁（1979年）参照〕がある。これら
の構造は、長さ約200μｍの素子に対するしきい値電流
の中央値（メジアン）が20−80mAであり、微分量子効率
が20−60％であり、連続波出力が20−70mWであることに
より特徴づけられる。しかしながらこれらの素子構造の
作製には、典型的にはいくつかの臨界的（critical）工
程が含まれる：たとえば、Znの拡散の精密な制御、非プ
レーナー型表面上のエピタキシヤル成長のための基体の
選択的エツチング、およびコンタクトのストライプと表
面下の構造との精密な整合など。
本発明は、高出力単一モード動作用の新しいリブ（ri
b）導波路ラージ・オプテイカル・キヤビテイであり、
電流の制限および光の閉込めのために、プレーナー型エ
ピタキシヤル成長と単一の自己整合型エツチング工程だ
けを必要とする。我々はこの素子をリブ・ロツク（Rib
−Loc）構造と呼び、ここにその作製、動作原理、素子
の性質を定めるための測定の結果、およびいくつかの応
用におけるその重要性に対する考察を示す。これらのデ
ータは、リブ・ロツク・レーザーの電気的および光学的
性質が、他のAlGaAs高出力レーザーのそれと同等または
それを凌ぐものであることを示している。
b）導波路ラージ・オプテイカル・キヤビテイであり、
電流の制限および光の閉込めのために、プレーナー型エ
ピタキシヤル成長と単一の自己整合型エツチング工程だ
けを必要とする。我々はこの素子をリブ・ロツク（Rib
−Loc）構造と呼び、ここにその作製、動作原理、素子
の性質を定めるための測定の結果、およびいくつかの応
用におけるその重要性に対する考察を示す。これらのデ
ータは、リブ・ロツク・レーザーの電気的および光学的
性質が、他のAlGaAs高出力レーザーのそれと同等または
それを凌ぐものであることを示している。
リブ・ロツク構造は、単一のエピタキシヤル成長工程に
よつて作製される。これを第１図に示す。この構造は、
単一の自己整合型コンタクトが電流注入用のストライプ
状オーミツク・コンタクトおよびそのストライプの外側
の電流閉じ込め用のシヨツトキー障壁として作用する、
利得導波型シヨツトキー障壁閉じ込め（SBR）レーザー
の延長である。リブ・ロツク内のＰ型三元層を深くエツ
チングすることにより、屈折率導波型構造が形成され
る。
よつて作製される。これを第１図に示す。この構造は、
単一の自己整合型コンタクトが電流注入用のストライプ
状オーミツク・コンタクトおよびそのストライプの外側
の電流閉じ込め用のシヨツトキー障壁として作用する、
利得導波型シヨツトキー障壁閉じ込め（SBR）レーザー
の延長である。リブ・ロツク内のＰ型三元層を深くエツ
チングすることにより、屈折率導波型構造が形成され
る。
他のエピタキシヤル成長技術を用いることもできたが、
ここに記述するレーザーは、閉じこめられたメルトのサ
フアイア・ボート内における液相エピタキシー（LPE）
により、ｎ−GaAs基体上に成長させたものである〔ジヤ
ーナル・オブ・アプライド・フイジクス（Journal of A
ppjied Physics）、第53巻、9217頁（1982年）参照〕。
その基本構造は基体上の次に挙げる５つの連続した層か
ら成つている： Ｎ−Al0.4Ga0.6As:Te（2.4μｍ） （クラツド層） ｎ−Al0.22Ga0.78As:Te（0.1−0.15μｍ） （ラージ・オプテイカル・キヤビテイ） Al0.07Ga0.93As:ドーピングせず（0.05−0.1μｍ） （活性層） Ｐ−Al0.4Ga0.6As:Mg（1.3μｍ） ｐ−GaAs:Ge（0.3μｍ） 成長の後、ウエハにZnを拡散させてｐ＋コンタクト層を
形成し、ｎ−GaAs基体をラツピングして約100μｍと
し、みがき仕上げを行う。Ｎ側金属被覆（Ｎ−metalliz
ation）のため、Sn／Pd／Auをスパツタリング堆積さ
せ、合金化する。Ｐ側にホトリソグラフイーで６μｍ幅
のストライプを描き、そのｐ層をH3PO4:H2O2:H2O（1:1:
8）で、活性層から0.2μｍ以内の所までエツチングし
て、幅５μｍのリブ導波路を形成する。次に、ｐ側に従
来の金属被覆たとえばTi／Pt／Auを堆積させて合金化
し、続いて両側にTi／Auを堆積させる。２種の鏡面コー
テイング法を採用した。端面当り33％の反射率を有する
対称コーテイング、および一方の端面を反射防止（AR）
コーテイングとし他方を33％の反射率とした非対称鏡面
コーテイングである。これらのレーザーチツプは幅250
μｍおよび長さ380μｍで、Cuヒートシンク上にｐ側を
下にしてInフラツクスで接着される。
ここに記述するレーザーは、閉じこめられたメルトのサ
フアイア・ボート内における液相エピタキシー（LPE）
により、ｎ−GaAs基体上に成長させたものである〔ジヤ
ーナル・オブ・アプライド・フイジクス（Journal of A
ppjied Physics）、第53巻、9217頁（1982年）参照〕。
その基本構造は基体上の次に挙げる５つの連続した層か
ら成つている： Ｎ−Al0.4Ga0.6As:Te（2.4μｍ） （クラツド層） ｎ−Al0.22Ga0.78As:Te（0.1−0.15μｍ） （ラージ・オプテイカル・キヤビテイ） Al0.07Ga0.93As:ドーピングせず（0.05−0.1μｍ） （活性層） Ｐ−Al0.4Ga0.6As:Mg（1.3μｍ） ｐ−GaAs:Ge（0.3μｍ） 成長の後、ウエハにZnを拡散させてｐ＋コンタクト層を
形成し、ｎ−GaAs基体をラツピングして約100μｍと
し、みがき仕上げを行う。Ｎ側金属被覆（Ｎ−metalliz
ation）のため、Sn／Pd／Auをスパツタリング堆積さ
せ、合金化する。Ｐ側にホトリソグラフイーで６μｍ幅
のストライプを描き、そのｐ層をH3PO4:H2O2:H2O（1:1:
8）で、活性層から0.2μｍ以内の所までエツチングし
て、幅５μｍのリブ導波路を形成する。次に、ｐ側に従
来の金属被覆たとえばTi／Pt／Auを堆積させて合金化
し、続いて両側にTi／Auを堆積させる。２種の鏡面コー
テイング法を採用した。端面当り33％の反射率を有する
対称コーテイング、および一方の端面を反射防止（AR）
コーテイングとし他方を33％の反射率とした非対称鏡面
コーテイングである。これらのレーザーチツプは幅250
μｍおよび長さ380μｍで、Cuヒートシンク上にｐ側を
下にしてInフラツクスで接着される。
本発明の効力を実証するために用いられたレーザーの構
造および作製に関する前記の詳細な記述は、当分野に既
知の広い選択範囲から代表例を示したものである。たと
えば、活性層はドーピングされていなくともよいし、わ
ずかにｐ型またはｎ型にドープされて隣り合う層の１つ
とｐ−ｎ接合を形成していてもよい。種々の既知のドー
プ剤が選択しうる。第１図に示された構造と同等な構造
は用いることができる。第１図に付された表中の各層の
厚さは模範的に示したものである。活性層の厚さは0.03
乃至0.2μｍの比較的広い範囲内で変えることができ、L
OC層の厚さは0.05乃至1.0μｍの間で変えることができ
る。ここでは本発明が実施できる範囲の可能な限りの変
化を網羅しようという試みはなされていない。
造および作製に関する前記の詳細な記述は、当分野に既
知の広い選択範囲から代表例を示したものである。たと
えば、活性層はドーピングされていなくともよいし、わ
ずかにｐ型またはｎ型にドープされて隣り合う層の１つ
とｐ−ｎ接合を形成していてもよい。種々の既知のドー
プ剤が選択しうる。第１図に示された構造と同等な構造
は用いることができる。第１図に付された表中の各層の
厚さは模範的に示したものである。活性層の厚さは0.03
乃至0.2μｍの比較的広い範囲内で変えることができ、L
OC層の厚さは0.05乃至1.0μｍの間で変えることができ
る。ここでは本発明が実施できる範囲の可能な限りの変
化を網羅しようという試みはなされていない。
リブロツク構造内への電流の閉込めはSBRレーザーと同
様であり、金属と高濃度にドーピングされたGaAsのｐ型
キヤツプ層とのコンタクト（オーミツク・コンタク
ト）、およびＰ−AlGaAsクラツド層とのコンタクト（シ
ヨツトキー障壁）の間の質的相違によるものである。リ
ブ・ロツク・レーザーにおいては、リブ領域外への電流
の広がりは薄い（0.2μｍ以下）クラツド層のために制
限される。ｐ型クラツド層の厚さの急激な変化による屈
折率の相対的変化が横方向の屈折率導波作用をもたらす
のである。このため、リブ・ロツク・レーザーは単一横
モード動作を行う。同様の電流閉込め方式が低出力のGa
Asレーザーにおいて報告されている〔エレクトロニクス
・レターズ、第15巻、441頁（1979年）参照〕。リツジ
・レーザーそれ自身は、InGaAsPでも作製されている
〔エレクトロニクス・レターズ、第15巻、763頁（1979
年）およびアイ・イー・イー・イー・ジヤーナル・オブ
・クオンタム・エレクトロニクス、キユー・イー19巻、
1312頁（1983年）参照〕。（また、プレーナー型利得導
波型構造については、米国特許第4,238,764号も参照さ
れたい。）。ラージ・オプテイカル・キヤビテイは端面
におけるレーザー作用スポツトの大きさを増大させるこ
とにより、得られる最大出力を増大させ、出力ビームの
広がりを減少させる。以下に、５枚のウエハから製造し
たレーザー（複数個）について、その試験結果を示す。
様であり、金属と高濃度にドーピングされたGaAsのｐ型
キヤツプ層とのコンタクト（オーミツク・コンタク
ト）、およびＰ−AlGaAsクラツド層とのコンタクト（シ
ヨツトキー障壁）の間の質的相違によるものである。リ
ブ・ロツク・レーザーにおいては、リブ領域外への電流
の広がりは薄い（0.2μｍ以下）クラツド層のために制
限される。ｐ型クラツド層の厚さの急激な変化による屈
折率の相対的変化が横方向の屈折率導波作用をもたらす
のである。このため、リブ・ロツク・レーザーは単一横
モード動作を行う。同様の電流閉込め方式が低出力のGa
Asレーザーにおいて報告されている〔エレクトロニクス
・レターズ、第15巻、441頁（1979年）参照〕。リツジ
・レーザーそれ自身は、InGaAsPでも作製されている
〔エレクトロニクス・レターズ、第15巻、763頁（1979
年）およびアイ・イー・イー・イー・ジヤーナル・オブ
・クオンタム・エレクトロニクス、キユー・イー19巻、
1312頁（1983年）参照〕。（また、プレーナー型利得導
波型構造については、米国特許第4,238,764号も参照さ
れたい。）。ラージ・オプテイカル・キヤビテイは端面
におけるレーザー作用スポツトの大きさを増大させるこ
とにより、得られる最大出力を増大させ、出力ビームの
広がりを減少させる。以下に、５枚のウエハから製造し
たレーザー（複数個）について、その試験結果を示す。
非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロツク・レーザ
ーの電流に対する連続波光出力の特性を第２図に示す。
非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロツク・レーザ
ーは反射防止コーテイングを施された端面における最大
光出力が45〜50mWであり出力効率（slope effciency）
が0.7mW／mAであるのに対し、対称鏡面コーテイングを
有するレーザーは１端面当り30〜35mW以下および出力効
率0.35mW／mAで単一横モードで動作する。最大光出力は
瞬間的な劣化により制限される。ロツクを有しないリブ
導波路構造は多数横モード動作および10mW以下でのロー
ルオーバー（rollover）を示した。
ーの電流に対する連続波光出力の特性を第２図に示す。
非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロツク・レーザ
ーは反射防止コーテイングを施された端面における最大
光出力が45〜50mWであり出力効率（slope effciency）
が0.7mW／mAであるのに対し、対称鏡面コーテイングを
有するレーザーは１端面当り30〜35mW以下および出力効
率0.35mW／mAで単一横モードで動作する。最大光出力は
瞬間的な劣化により制限される。ロツクを有しないリブ
導波路構造は多数横モード動作および10mW以下でのロー
ルオーバー（rollover）を示した。
第３図は、２種類の鏡面コーテイング方式を有するリブ
・ロツク・レーザーのしきい値電流の分布を示す。しき
い値電流の中央値は、対称鏡面コーテイングを有するレ
ーザーで40mA、非対称鏡面コーテイングを有するレーザ
ーで65mAである。両方の分布の中から、10mWまでの直線
性および良好な電気的特性を有するレーザーを選んだ。
１つの反射防止端面コーテイングを有するレーザーにお
けるしきい値の中央値の上昇は、端面の反射率の低下に
帰因する。同じチツプサイズの利得導波型SBRレーザー
のしきい値電流の中央値は97mAであり、リブ・ロツク構
造はしきい値電流密度の40乃至60％の低下をもたらす。
・ロツク・レーザーのしきい値電流の分布を示す。しき
い値電流の中央値は、対称鏡面コーテイングを有するレ
ーザーで40mA、非対称鏡面コーテイングを有するレーザ
ーで65mAである。両方の分布の中から、10mWまでの直線
性および良好な電気的特性を有するレーザーを選んだ。
１つの反射防止端面コーテイングを有するレーザーにお
けるしきい値の中央値の上昇は、端面の反射率の低下に
帰因する。同じチツプサイズの利得導波型SBRレーザー
のしきい値電流の中央値は97mAであり、リブ・ロツク構
造はしきい値電流密度の40乃至60％の低下をもたらす。
リブ・ロツク・レーザーにおけるしきい値電流の温度感
受性は、60℃以上においてもToが高い値であるというこ
とにより特徴づけられる。低いデユーテイ・フアクター
（0.1％）でパルス発振させたときのリブ・ロツク・レ
ーザーのＬ−Ｉ曲線を、10℃乃至100℃の温度範囲にお
いて第４図に記録する。このＬ−Ｉ曲線は直線であり出
力効率は100℃まで一定である。第４図内挿入図に示さ
れた温度に対するＩ−thの対数値の関係から、60℃以下
におけるToが270Kであり60℃以上におけるToが192Kであ
ると求まる。Toに対するこれらの値は、利得導波型AlGa
Asレーザーにおける０℃と60℃の間のToの値が典型的に
は160〜190Kであることと比較されるべきである。リブ
・ロツク構造における温度に対するしきい値電流の相対
的非感受性は、リブ導波路によつてもたらされる強力な
電流閉込めによるものである〔アイ・イー・イー・イー
・ジヤーナル・オブ・クオンタム・エレクトロニクス、
キユーイー17巻2290頁（1981年）、およびアイ・イー・
イー・イー・ジヤーナル・オブ・クオンタム・エレクト
ロニクス、キユー・イー18巻、44頁（1982年）参照〕。
受性は、60℃以上においてもToが高い値であるというこ
とにより特徴づけられる。低いデユーテイ・フアクター
（0.1％）でパルス発振させたときのリブ・ロツク・レ
ーザーのＬ−Ｉ曲線を、10℃乃至100℃の温度範囲にお
いて第４図に記録する。このＬ−Ｉ曲線は直線であり出
力効率は100℃まで一定である。第４図内挿入図に示さ
れた温度に対するＩ−thの対数値の関係から、60℃以下
におけるToが270Kであり60℃以上におけるToが192Kであ
ると求まる。Toに対するこれらの値は、利得導波型AlGa
Asレーザーにおける０℃と60℃の間のToの値が典型的に
は160〜190Kであることと比較されるべきである。リブ
・ロツク構造における温度に対するしきい値電流の相対
的非感受性は、リブ導波路によつてもたらされる強力な
電流閉込めによるものである〔アイ・イー・イー・イー
・ジヤーナル・オブ・クオンタム・エレクトロニクス、
キユーイー17巻2290頁（1981年）、およびアイ・イー・
イー・イー・ジヤーナル・オブ・クオンタム・エレクト
ロニクス、キユー・イー18巻、44頁（1982年）参照〕。
リブ・ロツク・レーザーの最も魅力的な性質の１つは、
その光ビームの質の高さである。他の屈折率導波型レー
ザーに見られるように、リブ・ロツク・レーザーは非点
収差が零である。40mW出力時（パルス発振、0.1％デユ
ーテイ・サイクル動作）における典型的な低しきい値レ
ーザーの接合に平行な方向の遠視野像を第５図に示す。
遠視野はなめらかで半値全幅（FWHM）ビーム角が約９゜
の単一のローブを有し、しきい値から瞬間破壊限界に至
るまで本質的には一定である。直角方向の遠視野像もな
めらかで単一のローブを有し、ビームの偏平比は典型的
には3:1である。この出力ビーム特性のため、リブ・ロ
ツク・レーザーは単一モード・フアイバーとの結合が可
能である。コア直径５μｍの0.82μｍ単一モード偏光保
持型フアイバーをリブ・ロツク・レーザーの端面につき
合わせ結合した。それから得られたフアイバーを介した
場合と介さない場合のＬ−Ｉ曲線を第６図にプロツトす
る。結合効率が25％であることが示される。この結合効
率はレンズ端付フアイバーを用いることにより2.5倍向
上させることができた。リブ・ロツクからの出力光は典
型的な50μｍコア多モード・フアイバーあるいは光学的
結像用のレンズ・システムに容易に結合されると考えら
れる。
その光ビームの質の高さである。他の屈折率導波型レー
ザーに見られるように、リブ・ロツク・レーザーは非点
収差が零である。40mW出力時（パルス発振、0.1％デユ
ーテイ・サイクル動作）における典型的な低しきい値レ
ーザーの接合に平行な方向の遠視野像を第５図に示す。
遠視野はなめらかで半値全幅（FWHM）ビーム角が約９゜
の単一のローブを有し、しきい値から瞬間破壊限界に至
るまで本質的には一定である。直角方向の遠視野像もな
めらかで単一のローブを有し、ビームの偏平比は典型的
には3:1である。この出力ビーム特性のため、リブ・ロ
ツク・レーザーは単一モード・フアイバーとの結合が可
能である。コア直径５μｍの0.82μｍ単一モード偏光保
持型フアイバーをリブ・ロツク・レーザーの端面につき
合わせ結合した。それから得られたフアイバーを介した
場合と介さない場合のＬ−Ｉ曲線を第６図にプロツトす
る。結合効率が25％であることが示される。この結合効
率はレンズ端付フアイバーを用いることにより2.5倍向
上させることができた。リブ・ロツクからの出力光は典
型的な50μｍコア多モード・フアイバーあるいは光学的
結像用のレンズ・システムに容易に結合されると考えら
れる。
リブ・ロツク・レーザーの動的性質もまた興味深い。第
７図は縦モードスペクトルに対する高周波変調の影響を
示す。しきい値電流が45mAのレーザーの直流54mAにおけ
る連続波スペクトルを第７図（ａ）に示す。単一モード
は波長8481Aにあり、より弱い副モードに対する強度比
は約40:1である。第７図（ｂ）は直流レベルに重ねた18
mA（ピーク・トウ・ピーク）、500MHＺの正弦波変調に
よるスペクトルを示す。第７図（ｃ）は変調周波数を90
0MHＺに増加させたときのスペクトルを示す。第７図
（ｂ）における単一モードの強度は連続波スペクトルに
比べて約５％低下している。この低下はおそらく変調に
よるスペクトル線の広がりによるものであり、主モード
の時間平均強度は第７図（ａ）と同じであろう。900MH
Ｚにおいては強度の低下はより著しく、レーザー線幅が
約2Aに増加するのはモード・チヤーピングによる。他の
レーザーも屈折率導波型AlGaAsレーザーに対して以前に
報告された結果と一致する同様な挙動を示す〔アプライ
ド・フイジクス・レターズ、第43巻、619頁（1983年）
参照〕。
７図は縦モードスペクトルに対する高周波変調の影響を
示す。しきい値電流が45mAのレーザーの直流54mAにおけ
る連続波スペクトルを第７図（ａ）に示す。単一モード
は波長8481Aにあり、より弱い副モードに対する強度比
は約40:1である。第７図（ｂ）は直流レベルに重ねた18
mA（ピーク・トウ・ピーク）、500MHＺの正弦波変調に
よるスペクトルを示す。第７図（ｃ）は変調周波数を90
0MHＺに増加させたときのスペクトルを示す。第７図
（ｂ）における単一モードの強度は連続波スペクトルに
比べて約５％低下している。この低下はおそらく変調に
よるスペクトル線の広がりによるものであり、主モード
の時間平均強度は第７図（ａ）と同じであろう。900MH
Ｚにおいては強度の低下はより著しく、レーザー線幅が
約2Aに増加するのはモード・チヤーピングによる。他の
レーザーも屈折率導波型AlGaAsレーザーに対して以前に
報告された結果と一致する同様な挙動を示す〔アプライ
ド・フイジクス・レターズ、第43巻、619頁（1983年）
参照〕。
第８図は、同じレーザーをしきい値にバイアスし、15mA
の正弦波発振を加えた場合である。光出力は信号分析器
に接続された高速検知器で検知される。変調周波数は10
0MHＺから2GHＺまで掃引される。測定は垂直の矢印の所
で始まり、水平の矢印は掃引の向きを示している。オン
ロスコープに描かせると周波数応答曲線が示された。垂
直スケールは１目盛5dBであるので、3dBロスの点は2GH
Ｚである。
の正弦波発振を加えた場合である。光出力は信号分析器
に接続された高速検知器で検知される。変調周波数は10
0MHＺから2GHＺまで掃引される。測定は垂直の矢印の所
で始まり、水平の矢印は掃引の向きを示している。オン
ロスコープに描かせると周波数応答曲線が示された。垂
直スケールは１目盛5dBであるので、3dBロスの点は2GH
Ｚである。
リブ・ロツク・レーザーの性質を評価するためには、そ
れを他の高出力AlGaAsレーザーと比較するのが有用であ
る。現在入手できる最も成功をおさめた２つの高出力レ
ーザーはチヤネルド・サブストレート・プレーナー（CS
P）およびコンストリクテツド・ダブルヘテロ構造ラー
ジ・オプテイカル・キヤビテイ（CDH−LOC）である。こ
れら両者の構造は単一のLPE成長を必要とするだけであ
るが、横方向光閉込め効果をもたらす非プレーナー基体
上に成長させることになる。この為、基体をエツチング
する際にはその方向づけに細心の注意を払わねばなら
ず、またそのエピタキシヤル層の厚みを非常な注意を払
つて制御しなくてはならない。というのは、これら因子
はレーザーの性能に強く影響をおよぼすからである。電
流閉込めにはまた別の整合性が要求され、酸化膜または
ｐ−ｎ接合のいずれかに対するエツチング工程が必要に
なる。この整合性もやはりレーザーの性能および歩止り
にとつて臨界的である。一方、リブ・ロツク・レーザー
は液相のみならず気相または分子線でも成長を行えるプ
レーナー型エピタキシヤル成長技術と整合を必要としな
い１回のエツチングの歩止りを必要とするだけである。
層の厚みの一様性はエツチングの法止りを向上させるの
が、層の厚みの絶対値はレーザーの動作に対して臨界的
ではない。
れを他の高出力AlGaAsレーザーと比較するのが有用であ
る。現在入手できる最も成功をおさめた２つの高出力レ
ーザーはチヤネルド・サブストレート・プレーナー（CS
P）およびコンストリクテツド・ダブルヘテロ構造ラー
ジ・オプテイカル・キヤビテイ（CDH−LOC）である。こ
れら両者の構造は単一のLPE成長を必要とするだけであ
るが、横方向光閉込め効果をもたらす非プレーナー基体
上に成長させることになる。この為、基体をエツチング
する際にはその方向づけに細心の注意を払わねばなら
ず、またそのエピタキシヤル層の厚みを非常な注意を払
つて制御しなくてはならない。というのは、これら因子
はレーザーの性能に強く影響をおよぼすからである。電
流閉込めにはまた別の整合性が要求され、酸化膜または
ｐ−ｎ接合のいずれかに対するエツチング工程が必要に
なる。この整合性もやはりレーザーの性能および歩止り
にとつて臨界的である。一方、リブ・ロツク・レーザー
は液相のみならず気相または分子線でも成長を行えるプ
レーナー型エピタキシヤル成長技術と整合を必要としな
い１回のエツチングの歩止りを必要とするだけである。
層の厚みの一様性はエツチングの法止りを向上させるの
が、層の厚みの絶対値はレーザーの動作に対して臨界的
ではない。
リブ・ロツクのしきい値電流は長さ380μｍの素子に対
して典型的には40〜60mAであるのに比べ、CDH−LOCのし
きい値は長さ130μｍの素子に対して75mAである〔アプ
ライド・フイジクス・レターズ、第36巻、190頁（1980
年）参照〕。非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロ
ツク・レーザーの出力効率は0.7mW／mAであるのに比
べ、Ｌ＝130μmCDH−LOCのそれは0.4mW／mAである。出
力効率はキヤビテイの長さが減少するにしたがつて上昇
することが期待させる。第２図に示されるリブ・ロツク
・レーザーのＬ−Ｉ特性は40mWまで直線性があるが、CD
H−LOCは20mW連続波を越えるとロール・オーバーを示
す。我々はリブ・ロツク・レーザーをヒート・シンク温
度100℃にて連続波で動作させたのに対し、CDH−LOCに
おいては70℃が上限であり、また10℃と60℃の間でリブ
・ロツクのToが270Kであるのに対し、CDH−LOCのToは13
5Kである。これはラージ・オプテイカル・キヤビテイを
有する構造に対してこれまで報告されたうちで最も高い
Toであつた。接合に平行な遠視野像はリブ・ロツクの場
合は単一のローブを示すのに対し、CDH−LOCは高出力時
において副ローブを示し、これが外部光学要素に対する
結合効率を制限する可能性がある。
して典型的には40〜60mAであるのに比べ、CDH−LOCのし
きい値は長さ130μｍの素子に対して75mAである〔アプ
ライド・フイジクス・レターズ、第36巻、190頁（1980
年）参照〕。非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロ
ツク・レーザーの出力効率は0.7mW／mAであるのに比
べ、Ｌ＝130μmCDH−LOCのそれは0.4mW／mAである。出
力効率はキヤビテイの長さが減少するにしたがつて上昇
することが期待させる。第２図に示されるリブ・ロツク
・レーザーのＬ−Ｉ特性は40mWまで直線性があるが、CD
H−LOCは20mW連続波を越えるとロール・オーバーを示
す。我々はリブ・ロツク・レーザーをヒート・シンク温
度100℃にて連続波で動作させたのに対し、CDH−LOCに
おいては70℃が上限であり、また10℃と60℃の間でリブ
・ロツクのToが270Kであるのに対し、CDH−LOCのToは13
5Kである。これはラージ・オプテイカル・キヤビテイを
有する構造に対してこれまで報告されたうちで最も高い
Toであつた。接合に平行な遠視野像はリブ・ロツクの場
合は単一のローブを示すのに対し、CDH−LOCは高出力時
において副ローブを示し、これが外部光学要素に対する
結合効率を制限する可能性がある。
リブ・ロツク・レーザーの性能はCSPレーザーにも勝る
とも劣らないものである。リブ・ロツクはCSPに比べて
より低いしきい値電流とより高い出力効率を示すととも
に、安定した横モードおよび単一の縦モードを維持す
る。リブ・ロツクはまた高い変調電流に対してCSPより
も広い3dBの帯域幅（band width）を有する。
とも劣らないものである。リブ・ロツクはCSPに比べて
より低いしきい値電流とより高い出力効率を示すととも
に、安定した横モードおよび単一の縦モードを維持す
る。リブ・ロツクはまた高い変調電流に対してCSPより
も広い3dBの帯域幅（band width）を有する。
リブ・ロツク・レーザーの質の高い出力ビームは光デイ
スク記録への応用および単一モード・フアイバー・シス
テムとの結合を可能にする。その高い出力光はデータ分
配システムたとえばカプラー、スイツチおよびフイルタ
ーからの損失がシステム全体の損失を支配するローカル
・エリア・ネツトワークのための光源として魅力のある
存在である。リブ・ロツク・レーザーの温度に対する非
感受性は広い範囲の環境条件において有用である。
スク記録への応用および単一モード・フアイバー・シス
テムとの結合を可能にする。その高い出力光はデータ分
配システムたとえばカプラー、スイツチおよびフイルタ
ーからの損失がシステム全体の損失を支配するローカル
・エリア・ネツトワークのための光源として魅力のある
存在である。リブ・ロツク・レーザーの温度に対する非
感受性は広い範囲の環境条件において有用である。
上記の記述はガリウムヒ素ダブルヘテロ構造レーザーを
対象としたものであるが、その知見にしたがつて他のヘ
テロ構造レーザーを作ることもできる。たとえば、長波
長高出力リブ・ロツク・レーザーはインジウム・ガリウ
ム・アルミニウム・リンをもとにして作ることができ
る。種々の他のIII−Ｖ族およびII−VI族ヘテロ構造も
提案されている。リブ・ロツク構造の本質は、ラージ・
オプテイカル・キヤビテイとメサ様構造（リブ）との結
合にあり、これがリブとその周囲（エツチング除去され
た部分）との間の屈折率差による両方の光閉込めおよび
シヨツトキー障壁（エツチング除去された部分）による
電流閉込めに寄与しているのである。この新しい構造的
結合はさまざまな材料の組み合わせによつて実施するこ
とができる。
対象としたものであるが、その知見にしたがつて他のヘ
テロ構造レーザーを作ることもできる。たとえば、長波
長高出力リブ・ロツク・レーザーはインジウム・ガリウ
ム・アルミニウム・リンをもとにして作ることができ
る。種々の他のIII−Ｖ族およびII−VI族ヘテロ構造も
提案されている。リブ・ロツク構造の本質は、ラージ・
オプテイカル・キヤビテイとメサ様構造（リブ）との結
合にあり、これがリブとその周囲（エツチング除去され
た部分）との間の屈折率差による両方の光閉込めおよび
シヨツトキー障壁（エツチング除去された部分）による
電流閉込めに寄与しているのである。この新しい構造的
結合はさまざまな材料の組み合わせによつて実施するこ
とができる。
本発明の１つの重要な局面は第１図に示されるｐ型クラ
ツド層の２つの厚みである。このような２つの厚みを持
つ層を有する構造を活性層の両側に作製するように工夫
することもできる。この２つの厚みを持つ層を形成する
方法としては、一様に第１層を堆積させてから、リフト
・オフ（lift−off）または同様の技術によつてリブを
形成する方法が考えられる。このように、リブを形成す
るのに用いられる方法は本発明にとつて臨界的なもので
はない。
ツド層の２つの厚みである。このような２つの厚みを持
つ層を有する構造を活性層の両側に作製するように工夫
することもできる。この２つの厚みを持つ層を形成する
方法としては、一様に第１層を堆積させてから、リフト
・オフ（lift−off）または同様の技術によつてリブを
形成する方法が考えられる。このように、リブを形成す
るのに用いられる方法は本発明にとつて臨界的なもので
はない。
リブの厚みとリブに隣接するクラツド層の厚みとの関係
は素子の性能には影響を及ぼさないと思われる。素子は
クラツド層のステツプ部において屈折率差が形成される
ように設計される。リブに隣接するクラツド層は、この
ステツプ状屈折率が活性層における光導波作用をもたら
すために、十分に薄く（0.5μｍ以下）作られる。この
ステツプは有効な屈折率のステツプΔｎが10-3以上好ま
しくは３×10-3以上生ずるのに十分であることが望まし
い。この結果を生ずる相対的厚み（第１図におけるａ対
ｂ）はある程度変わり得る（例えば100対１）。
は素子の性能には影響を及ぼさないと思われる。素子は
クラツド層のステツプ部において屈折率差が形成される
ように設計される。リブに隣接するクラツド層は、この
ステツプ状屈折率が活性層における光導波作用をもたら
すために、十分に薄く（0.5μｍ以下）作られる。この
ステツプは有効な屈折率のステツプΔｎが10-3以上好ま
しくは３×10-3以上生ずるのに十分であることが望まし
い。この結果を生ずる相対的厚み（第１図におけるａ対
ｂ）はある程度変わり得る（例えば100対１）。
いくつかの応用においては単一の基体上に多数のリブを
作製してレーザー配列を作り出すと有利であることも見
い出されよう。ここで記述された閉込め方式は、そのよ
うなデバイスの設計に特に適していると思われる。複雑
で非常に密度の濃いリブ・パターンを、既知の選択的エ
ツチング技術によつて信頼性高く作り得るのである。
作製してレーザー配列を作り出すと有利であることも見
い出されよう。ここで記述された閉込め方式は、そのよ
うなデバイスの設計に特に適していると思われる。複雑
で非常に密度の濃いリブ・パターンを、既知の選択的エ
ツチング技術によつて信頼性高く作り得るのである。
第１図はリブ・ロツク構造であり、層組成、ドーピン
グ、および素子の形を示す。 第２図は、非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロツ
ク・レーザーにおける電流に対する光出力（Ｌ−Ｉ）の
プロツトである。 第３図は、対称鏡面コーテイングを有する３個のウエハ
および非対称鏡面コーテイングを有する２個のウエハに
よるレーザーのしきい値電流の確率分布のプロツトであ
る。 第４図は、Ｔ＝10℃〜100℃におけるパルス発振のＬ−
Ｉ曲線からToを求めたものである。 第５図は、40mWにおけるリブ・ロツク・レーザーの接合
に平行な方向の遠視野像である。 第６図は、レーザー端面からの光およびリブ・ロツク・
レーザーに結合された単一モード・フアイバーの端から
の光に対するＬ−Ｉ曲線である。η＝25％。 第７図は、リブ・ロツク・レーザーの縦モード・スペク
トルで、ａ）連続波ｂ）500MHＺｃ）900MHＺである。 第８図は、リブ・ロツク・レーザーの変調周波数スペク
トルである（垂直な矢は試験の開始を示し、水平の矢は
掃引の方向を示す。）。
グ、および素子の形を示す。 第２図は、非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロツ
ク・レーザーにおける電流に対する光出力（Ｌ−Ｉ）の
プロツトである。 第３図は、対称鏡面コーテイングを有する３個のウエハ
および非対称鏡面コーテイングを有する２個のウエハに
よるレーザーのしきい値電流の確率分布のプロツトであ
る。 第４図は、Ｔ＝10℃〜100℃におけるパルス発振のＬ−
Ｉ曲線からToを求めたものである。 第５図は、40mWにおけるリブ・ロツク・レーザーの接合
に平行な方向の遠視野像である。 第６図は、レーザー端面からの光およびリブ・ロツク・
レーザーに結合された単一モード・フアイバーの端から
の光に対するＬ−Ｉ曲線である。η＝25％。 第７図は、リブ・ロツク・レーザーの縦モード・スペク
トルで、ａ）連続波ｂ）500MHＺｃ）900MHＺである。 第８図は、リブ・ロツク・レーザーの変調周波数スペク
トルである（垂直な矢は試験の開始を示し、水平の矢は
掃引の方向を示す。）。
フロントページの続き (72)発明者 ジユリー アン シマー アメリカ合衆国 18017 ペンシルヴアニ ア，ベセレヘム，イリツクス ミル ロー ド ９ (72)発明者 ヘンリツク テムキン アメリカ合衆国 07922 ニユージヤーシ イ，バークレイ ハイツ，ロレイン ドラ イヴ 130 (56)参考文献 特開 昭56−18484（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−152181（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】半導体レーザーであって、 半導体クラッド層、 該クラッド層上のラージ・オプティカル・キャビティ
（LOC）層、 該LOC層上の活性層、 該活性層上のクラッド層を有し、 該活性層は該各クラッド層の１つとｐ−ｎ接合を形成
し、該ｐ−ｎ接合は電気的にバイアスされたときに該活
性層中に光を発生し、該光を該LOC層中に放出すること
が可能であり、 該各クラッド層の少なくとも１つがリブ部を有し、該リ
ブ部は該クラッド層の残りの部分よりも厚く、 該半導体レーザーはさらに、 該リブの頂部を被うオーミック・コンタクト層と 該リブの側面及び該クラッド層の該残りの部分を被う障
壁層とを有し、 該障壁層は、バイアスされたとき、該リブのエッジ部の
該クラッド層中に10-3以上の屈折率差Δｎを生ぜしめる
ことによりショットキー障壁を形成することを特徴とす
る半導体レーザー。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/630,691 US4615032A (en) | 1984-07-13 | 1984-07-13 | Self-aligned rib-waveguide high power laser |
| US630691 | 1990-12-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6135587A JPS6135587A (ja) | 1986-02-20 |
| JPH0669111B2 true JPH0669111B2 (ja) | 1994-08-31 |
Family
ID=24528202
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60153940A Expired - Lifetime JPH0669111B2 (ja) | 1984-07-13 | 1985-07-12 | 自己整合性リブ導波路高出力レーザー |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4615032A (ja) |
| JP (1) | JPH0669111B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7492801B2 (en) | 2003-11-11 | 2009-02-17 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser element, manufacturing method thereof, optical disk apparatus and optical transmission system |
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