JP2000504152A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 「ビッグスポット」半導体レーザはレーザの活性領域（１）と縦に一体化されて形成される不活性モーダルスポットサイズ変換器（２）を有する。不活性変換器は限定された組のモードを持つ層構造（５，６）を有し、レーザ周波数において、その長さによって隣接する次数のモードの間にπの位相ずれが与えられるよう設計されている。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体レーザ 発明の背景 本発明は半導体レーザに関し、特にそのようなレーザに対してその出力ファセ ットにおいて拡大されたモーダルスポットサイズを与える手段を組み込んだ半導 体レーザに関する。 主に効率性のために、典型的な半導体レーザの層構造は層の面に対して直角の 方向に比較的強い導波作用を与え、以下この方向は「垂直」方向と称される。次 にこの強い導波作用は、典型的には１０μｍである従来の単一モード光ファイバ のモーダルスポットサイズと比較して小さい、即ち典型的には約２μｍの、垂直 の寸法を有するモーダルスポットサイズを発生させる。 従って、そのようなレーザから単一モード光ファイバへの効率的に光を結合さ せるためにモーダルスポットサイズ変換器の幾つか形状が要求される。 半導体レーザから単一モード光ファイバへ効率的に光を発することに関する問 題は、単一モード光ファイバ及び集積光半導体チップに形成された光導波路の間 で効率の良い光学的結合を得ることに関する従来の問題との類似点を有する。 スポットサイズ変換器が取りうる一つの形状はマイクロレンズの形状である。 これはファイバの端に形成されたレンズ、又はファイバから離れた不連続なレン ズ素子によって構成されうる。不連続なレンズの代わりに他の形状の不連続モー ダルスポットサイズ変換器、又はレーザ又は集積光半導体チップと一体化されて 形成されるモーダルスポットサイズ変換器が使用されうる。断熱テーパを使用す るそのようなモーダルスポットサイズ変換器の例は文献の中に示され ている。従って例えば、「Uncladded Thickness Tapers Integrated with InGaA sP/InP Rib Wave guides for efficient Fibre-Chip Coupling」（ブリュッセル 、ＥＣＯＣ ９５，第２１回欧州光通信に関する会議の議事録第４６１乃至４６ ４頁）なる名称のL Morl外による文献、「Low-loss Fibre-Chip Coupling by Bu ried Laterally Tapered InP/InGaAsP Waveguide Structure」（Electronics Le tt第２８巻第７号第６３１乃至６３２頁）なる名称のR Zengerle外による文献及 び「Design and Fabrication of Monolithic Optical Spot Size Transformers （MOST's）for Highly Efficient Fiber-Chip Coupling」（J.Lightwave Techno logy第１２巻第１０号第１７６２乃至１７９０頁）なる名称のG Wenger外による 文献は夫々、単一モード光ファイバを集積光半導体チップ上に形成された導波路 と結合させるモーダルスポットサイズ変換器の夫々の例を記載している。そのよ うな変換器は夫々のチップ導波路と正確に整列されねばならず、文献は各変換器 及びその関連するチップ導波路を一体化された形状で形成することによってその ような整列が達成される変換器に関する。 「Spot Size Expansion for Laser-to-Fibre Coupling Using an Integrated Multimode Coulper」（J.Lightwave Technology第１２巻第１０号第１７６２乃 至１７９０頁）なる名称のJ Buus外による文献はレンズに基づくもの又はテーパ に基づくもののいずれでもないモーダルスポットサイズ変換器の他の形式を記載 する。これは代わりに限られた数のモードをサポートすることが可能な導波路の 長さの中でモード分散効果を利用する多層結合導波路構造を使用する。構造は半 導体レーザを含む半導体材料の中の導波路と共に使用されるよう設計され、また 構造は半導体レーザ又は導波路と一体化されることに適していることが記述され ているが、いかにしてそのような一体化が達成されるかは実際には記載されてい ない。構造の動作は、その導波路層の対称面が半導体チップの中の導波路の中心 と整列されることを必要とする。これはチップ導波路層構造と変換器層構造との 間に高さに関して少なくとも幾らかの重なりが必要とされることを意味する。平 面層構造のエピタキシアル再成長が試みられるとき、平面的な成長はその成長を 囲む側壁の近傍で非常に乱されやすいため、一体化された形状の中のそのような 重なりを装備することは複雑である。従って、Buus外による変換器と集積光半導 体チップ又は半導体レーザとの一体化は完全に自明なタスクではないことが分か る。 テーパに基づくモーダルスポットサイズ変換器を利用して半導体レーザを単一 モード光ファイバに結合させる場合、例えば、Y Tohmon外による「Spot-Size Co nverted 1.3 μｍ Laser with Butt Jointed Selectively Grown Vertically Ta pered Waveguide」（Electronics Lett．第３１巻ｍ第１０６９乃至１０７０頁 ）なる名称の文献、H Sato外による「1.3 μｍ Beam-Expander Integrated Lase Grown by Single-Step MOVPE」（Electronics Lett．第３１巻第１５号第１２ ４１乃至１２４２頁）なる名称の文献、M Wada外による「Laser Diodes Monolit hically Integrated with Spot-Size Converters Fabricated in 2 inch InP Su bstrates」（Electronics Lett．第３１巻第１５号第１２５２乃至１２５４頁） なる名称の文献及びR Ben-Michael 外による「InP-Based Multiple Quantum Wel l Lasers with an Integrated Tapered Beam Expander Waveguide」（ＩＥＥＥ Photonics Tech．lett．第６巻第１２号第１４１２乃至１４１４頁）なる名称 の文献に記載されるように、変換器はそのレーザの光空洞の中に組み入れられ得 る。これらの各例はレーザのモーダルスポットサイズの垂直方向の拡張のために テーパを使用し、そのようなテーパが略断熱的である（即ちテーパの短いために 追加的な損失を導入しない）ようにその長さはいかなる形状のモーダルスポット サイズ変換器も有さない典型的な半導体レーザの長さ、即ち約３００μｍ、と少 なくとも匹敵するように形成される必要が ある。 発明の概要 半導体レーザの光学空洞の長さを過度に延伸させたくないと望むことについて は多くの理由がある。このようにレーザの活性領域の長さと比較して過度の長さ を有する不活性モーダルスポットサイズ変換器を含むことは、過剰な吸収を導入 しうる。これはまたレーザが直接変調されうる上限を低下させる。材料費は増加 され、構造をヒートシンクにうまく結合させることに関するより多くの問題が生 じうる。本発明は、テーパに基づく構造によって容易に達成可能な距離よりも短 い距離でより充分にレーザのモーダルスポットの垂直拡張を達成しうるレーザの 光学空洞に組み込まれるのに適したモーダルスポットサイズ変換器に関する。 本発明によれば、追加的な多層導波路構造と積み重ねられた関係にされた活性 多重量子井戸導波路層構造が形成された光レーザ空洞を有する半導体レーザであ って、上記追加的な多層導波路構造はレーザ光学空洞の端まで延在し、一方多重 量子井戸導波路構造は上記の端よりも短い所定の距離で急に終端し、上記所定の 距離を超えると、上記追加的な多層導波路構造は少なくともゼロ次、１次及び２ 次のモードを有する偶数及び奇数の次数のモードを持つ多層結合導波路構造であ り、追加的な多層導波路構造の層の相対的な厚さ及び間隔は、上記所定の距離を 超え、レーザが放出する周波数において、また偶数の次数のモードの夫々に対し ては、その偶数の次数のモードと他の偶数の次数のモードとの間に略２π、又は その整数倍の位相ずれがあり、奇数の次数のモードに対しては、その奇数の次数 のモードと任意の偶数の次数のモードとの間に略π、又はその奇数倍の位相ずれ がある半導体レーザが提供される。 望ましくは、追加的な多層導波路構造の層の相対的な厚さ及び間 隔は、放出波長において、隣接する次数のモードの間の位相ずれは、多重量子井 戸構造が追加的な導波路多層構造の端よりも短く終端する所定の距離にわたって 略πに等しいよう配置される。 図面の簡単な説明 以下、本発明の望ましい実施例である半導体レーザを説明する。 説明では添付の図面を参照し、図中： 図１はレーザの概略的な斜視図であり、 図２，３及び４は比誘電率及び正規化電界強度をレーザ中の異なる位置におけ る基板からの距離の関数としてプロットするプロットを示す図である。 望ましい実施例の詳細な説明 図１の半導体レーザは、λ＝１．３μｍで放射し、その光学的空洞と縦列に並 んでおり電気的にポンピングが行われると光学的利得を与える活性部１と、モー ダルスポットサイズ変換器として作用する不活性部２とを有するファブリー・ペ ロレーザである。本例では活性部は長さ約３００μｍであり、一方不活性部は長 さ約１１５μｍである。 活性部１は本質的には下層の１組の追加的な導波路層を有する隆起構造の多重 量子井戸（ＭＱＷ）レーザ構造である。これは１２個の厚さ５．３ｎｍのＩｎＧ ａＡｓの量子井戸と交互に配置される１１個の厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰの バリア層とからなる従来のＭＱＷ層構造３を有する。ＭＱＷ層３とｐ形ＩｎＰ基 板４との間には、不均等な厚さの４つのＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．１５μｍ）導 波路層５及び交互に配置されるやはり不均等な厚さの３つのＩｎＰ層６の１つの 組が配置される。層５は、ＭＱＷ構造層３から離れる ほど次第により薄くなり、夫々厚さ０．１４５μｍ、０．１３０μｍ、０．１２ ０μｍ及び０．１００μｍとなる。層６はＭＱＷ構造層３から離れるほど次第に より厚くなり、夫々厚さ１．２０μｍ、１．３１μｍ及び１．３７μｍとなる。 最も上の層５はＩｎＰのエッチング停止層７によって最も下のＭＱＷ層から離間 されている。ＭＱＷ層の他の側では、最も上のＭＱＷ層とＩｎＰの被覆層９との 間の１対の厚さ２０乃至３０ｎｍの四基材層からなる徐々に減少される構造８の 存在により、屈折率が徐々に減少されている。この被覆層９の上には金属化接触 層１０が配置される。 始めはＭＱＷ層は活性部１だけでなく不活性部２も含む全領域に亘って広がっ ている。不活性部２はエッチング停止層７までエッチングされ、ＩｎＰの層１１ はそれにより露出されたエッチング停止層の部分の上に成長される。 チャネル１２は、この部分で発生される光の横方向の導波作用を与える幅約２ μｍのリブ１３を画成するよう、金属化部を通りＩｎＰ層９の中まで活性部１の 中にエッチングされる。不活性部２でもエッチングが行われ、これは層５及び６ からなる追加的な導波路層構造全体を通り、ＩｎＰ基板４の材料の中へ進む。不 活性部２のエッチングは、活性部１に隣接する約３μｍの幅からその自由端にお ける約１２μｍの幅まで略放物線状に延びる断熱的にテーパされた隆起部を画成 するために行われる。このテーパはモーダルスポットの幅を拡張するよう設計さ れる。 モーダルスポットの垂直的な拡張（高さの拡張）は追加的な導波路層構造の層 の配置によって影響を受ける。層が活性領域のＭＱＷ層構造３の代わりにＩｎＰ の層９によって覆われる不活性領域では、これらの層はその界分布が実質的に４ つの導波路全てに亘って延びるゼロ次、１次、２次及び３次モードを持つ。更に 層は、これら４つのモードの伝搬定数が、レーザ放射波長において、不活性部２ の伝搬距離に亘って、隣接する次数のモードの間にはπの位相ずれが あるという性質を備えた規則的な系列を形成するよう配置される。 活性領域では、ＭＱＷ層構造３の追加的な高い屈折率の材料は、このＭＱＷ層 構造及び層５の最上層の組み合わせを活性領域において層５の他の３つの層に実 質的に結合されていないゼロ次モード、及びより下層の層に実質的に限定される より高次のモードを持つ構造とさせるような範囲まで装荷する効果を有する。 図２は、活性領域１の一部分について、４つの層５のうちの最も上及び上から ２番目の２つの層の間にある任意の平面からの高さの関数としてプロットされた 構造の比誘電率（屈折率の平方）のプロット２０を示す図である。これはゼロ次 のＴＥ偏光モード正規化電界のプロット２１（ニア・フィールド・パターンのプ ロット）と共にプロットされる。図３は不活性領域に関する同等のプロットを示 す図であり、プロット３０は４つの層５の第２及び第３の層の間にある任意の平 面からの高さの関数としてプロットされた比誘電率のプロットであり、またプロ ット３１ａ，３１ｂ，３１ｃ及び３１ｄはこの不活性領域２の４つの層５によっ て形成される結合導波路構造のゼロ次、１次、２次及び３次のモードの夫々のＴ Ｅ偏光モード正規化電界のプロットである。 図４は図３の繰り返しであるが、４つの単一モードプロット３１ａ乃至３１ｄ は２つの混合モードプロット４１ａ及び４１ｂによって置き換えられている。プ ロット４１ａのモード混合物は図２のニア・フィールド・パターンによって励起 されるようにそのような相対的な（正規化された）部分におけるゼロ次、１次、 ２次及び３次のモードのプロットの同位相混合であり、一方プロット１４ｂの混 合物はプロット４１ａの相対的な部分と同じ相対的な部分を有するが、２次構成 要素はまだゼロ次の構成要素と同位相であるが、１次及び３次の構成要素はゼロ 次及び２次の構成要素とは反位相である。不活性領域２の長さは隣接する次数の モードの間にπのずれをもたらすような長さであるため、不活性領域２の一端へ 放射されたプ ロット４１ａに対応するニア・フィールド・パターンは不活性領域を通る伝搬の 間にプロット４１ｂに対応するニア・フィールド・パターンヘ変換される。従っ て不活性領域を通る通過はモーダルスポットの垂直の寸法（高さ）に有効な拡大 を生じさせることがわかる。 追加的な導波層の設計、その厚さ及び間隔については、そのモード間の所望の 位相関係を確実にするために変化されうる多数のパラメータがある。隣接する次 数のモードの間の伝搬定数に特定の大きさの等しい大きさのステップを有し、Ｎ 個の層５を有する構造では出力において光学界の特定の分布を発生させる設計を 与えるには、（２Ｎ−２）個のパラメータの調整を必要とする。ガイドが等しい 屈折率のステップを有すると仮定すると、１つのガイドの幅は特定され、本質的 に充分な数の変数を与えるための（Ｎ−１）のガイド幅及び（Ｎ−１）のガイド 間隔を残しうる。結合器の長さは、伝搬定数中のステップのサイズに依存し、個 々のガイドの強さを減少させること（より小さいガイド幅又はより小さい屈折率 のステップ）によって、及びガイドの数を増加させることによって固定された全 体の長さに対して減少されうる。調整の範囲はしかしながら、最も高い次数の結 合モードがカットオフに近すぎないという要件によって制限されている。この限 界において、より多くのガイドを有する構造は、ガイドはより強くなくてはなら ないが、より短い結合部を与える。 Ｎ個のガイドの出力界分布とファイバの出力界分布との一致を改善させるため には、ファイバの幅に近い界分布のエンベロープ及び同様の形状を有するだけで なく、ガイドの間で過剰に降下しない界を有することが有利である。過剰に降下 しないという性質は上述のようにカットオフによって設定される近接するガイド 間隔又は弱い導波作用の限界の付近で行うことによって達成される。これらの状 況下ではより多くのガイドによってより大きな平坦さが与えられる ことはない。 レーザから結合器の全てのモードへの伝送効率は、殆ど完全にＭＱＷ層が終端 する点における入力ガイドの相対的な導波強度のステップによって決定される。 換言すれば、入力ガイドが結合器の最も上のガイドと連続していれば結合器への 伝送効率は殆ど１００％となる。上述の要件は、最も上のガイドに対する適当な 導波強度を決定する。例えば、１．３μｍの波長で１２個の量子井戸では、その 実行屈折率とクラッド屈折率との間のステップδｎ_effによって測定される最も 上のガイドの強度は、約０．３ｄＢ以下の全体伝送損失を発生するには約０．０ ２０以上でなくてはならない。クラッド及びガイドのコア層の間の０．１６の屈 折率の典型的なステップでは、これは約０．１５μｍのコア層の厚さに対応する 。多くのより少ない量子の井戸では、伝送効率には問題はないが、代わりにδｎ_eff に対する上限が適用される。特にガイドが近接した間隔とされていれば、そ の限界以上では、ＭＱＷ層はレーザ領域におけるより低いガイドへの結合を抑制 するのに充分ではない。 一度δｎ_effが確立すると、他の設計パラメータが続く。光学界において最小 の降下、最小の結合器の長さ及び付随的にカットオフに近い最も高い次数の結合 器モードをもたらすガイド間の平均間隔は、δｎ_eff ^-1/2に比例する。上述の時 点ではこれは約１．２μｍである。これら状況下では結合器の長さは、約（Ｎ− １）／δｎ_effとしてδｎ_effとガイド数Ｎとに依存し、また最も外側のガイドの 間の幅は約（Ｎ−１）／δｎ_eff ^1/2だけ変化する。従って一定の結合器の長さ では、全体の長さはδｎ_eff及び（Ｎ−１）の両方を比例的に増加させることに よって増加されうる。上述の望ましい実施例の現時点においては、４つのガイド を有する結合の長さは約１２０μｍであり、約３．６μｍの全体の長さを与える 。これは約０．８ｄＢの損失でファイバに結合する。増加された結合器の長さが 制限とならなければ、ガイド間隔を増加させることはガイド間の 界の降下を増加させるが、全体の長さはガイド間隔を増加させること、又はガイ ド数を増加させることによって明らかな方法で増加されうる。 ガイドの厚さ及び間隔の細部を設計及び分析するためには、結合モードの横界 分布と、その伝搬定数と、入力ガイド及び出力ファイバの界分布を伴う重なり積 分とを得ることが必要である。重なり積分は様々なモードへの伝送効率を与え、 全体の伝送効率は全ての個々の結合モードの入力と適当な位相とされた出力との 積を合計することによって獲得される。所与の強度の入力ガイド及び所与のガイ ド総数を有する良い設計の規準は、結合モードの伝搬定数は最も高い次数の結合 モードをカットオフに近くしたときに所望の結合器の長さ及び最も短い結合の長 さに対して適当な間隔で等しく分離されるべきであり、結合モードはレーザから 励起されたかファイバから励起されたかに拘わらず同じ比率で発生されるべきで あるということである。結合モードの界分布、伝搬定数及び重なり積分は、組み 合わされた構造のための波動方程式を解くことによって正確に獲得される必要が ある。単純な結合モードの理論の近似法はこれらの構造に含まれるしっかりとし た結合には適していない。最適な設計は反復法によって最もよく達せられる。（ ２Ｎ−２）の性能係数（入力ガイド及びファイバによって発生される結合モード の相対的な振幅の間の差、及び隣接する結合モードの伝搬定数の間の差）、例え ばＹ_jは夫々、（２Ｎ−２）の寸法（ガイドの間隔及び入力を除く全てのガイド の幅）、例えばＸ_iによって影響を受け、従って（２Ｎ−２）ｘ（２Ｎ−２）の マトリックスによって関係付けられる。勾配マトリックス∂Ｙ_j／∂Ｘ_iは全ての 寸法の中の摂動δＸ_iによって発生される全てのＹ_jの中の変化δＹ_jを見つける ことによって獲得される。これは次に、性能係数中の誤りδＹ_jに関して寸法の 修正が見つけられることを可能にするよう∂Ｘ_i／∂Ｙ_jの形に逆転される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 追加的な多層導波路構造と積み重ねられた関係にされた活性多重量子井戸 導波路層構造が形成された光レーザ空洞を有する半導体レーザであって、 上記追加的な多層導波路構造はレーザ光学空洞の端まで延在し、一方多重量子 井戸導波路構造は上記の端よりも短い所定の距離で急に終端し、 該所定の距離を超えると、上記追加的な多層導波路構造は少なくともゼロ次、 １次及び２次のモードを有する偶数及び奇数の次数のモードを持つ多層結合導波 路構造であり、 追加的な多層導波路構造の層の相対的な厚さ及び間隔は、該所定の距離を超え 、レーザが放出する周波数において、また偶数の次数のモードの夫々に対しては 、その偶数の次数のモードと他の偶数の次数のモードとの間に略２π、又はその 整数倍の位相ずれがあり、奇数の次数のモードに対しては、その奇数の次数のモ ードと任意の偶数の次数のモードとの間に略π、又はその奇数倍の位相ずれがあ る、半導体レーザ。 ２． 該所定の距離を超え、レーザが放出する周波数では、上記位相ずれは隣接 する次数のモードの間ではπに等しい、請求項１記載の半導体レーザ。 ３． 上記追加的な多層導波路構造は夫々両面でより低い屈折率の材料によって 結合される３つの材料層からなる、請求項１又は２記載の半導体レーザ。 ４． 上記追加的な多層導波路構造は夫々両面でより低い屈折率の材料によって 結合される４つの材料層からなる、請求項１又は２記 載の半導体レーザ。