JP2002518857A - High power semiconductor light source - Google Patents

High power semiconductor light source

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JP2002518857A
JP2002518857A JP2000555342A JP2000555342A JP2002518857A JP 2002518857 A JP2002518857 A JP 2002518857A JP 2000555342 A JP2000555342 A JP 2000555342A JP 2000555342 A JP2000555342 A JP 2000555342A JP 2002518857 A JP2002518857 A JP 2002518857A
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Abstract

(57)【要約】 半導体光源は、ファセットを有する基板58上に配置されたスーパールミネセントダイオード(SLD)110 を具備し、それらの各スーパールミネセントダイオードはチャンネル120 によって分離され、モードエキスパンダ領域160 を有している。各SLDは各スーパールミネセントダイオードの端部の前端部および後端部がテーパーするダイアモンド形状の活性領域を有している。モードエキスパンダ領域160 はSLDのテーパーの少なくとも一方の側部に配置され、ファセットに延在する導波体へとテーパーしている。 The semiconductor light source comprises super luminescent diodes (SLDs) 110 disposed on a faceted substrate 58, each of which is separated by a channel 120 and comprises a mode expander region. 160. Each SLD has a diamond-shaped active region in which the front and rear ends of each superluminescent diode are tapered. The mode expander region 160 is located on at least one side of the taper of the SLD and tapers into a waveguide extending to the facet.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

本発明は、半導体レーザ光源に関し、特に、高い出力パワーに対して十分な容
積を与える利得媒体としてのスーパールミネセントダイオード(以下SLDと言
う)構造のダイアモンド形状の活性構造を使用する半導体レーザに関する。
The present invention relates to a semiconductor laser light source, and more particularly, to a semiconductor laser using a diamond-shaped active structure having a superluminescent diode (hereinafter, referred to as SLD) structure as a gain medium that provides a sufficient volume for high output power.

【0002】[0002]

【従来の技術】[Prior art]

半導体レーザおよびスーパールミネセントダイオードは強力で、コンパクトで
効率のよい光源であり、107 W/cm2 程度のパワー密度容量が1μm以下の
厚さの活性層で発生される。半導体レーザダイオードは、活性層をこの活性層に
比較して少し低い屈折率を有するnドープクラッド層とpドープクラッド層の間
に挟んでそれを通って電流が流れることのできる導波体構造を基板上にエピタキ
シャルに成長させることによって形成される。活性導波体を形成する通常の1方
法では、構造中にチャンネルをエッチングにより形成し、リッジを形成する。チ
ャンネルおよびクラッド領域の屈折率はリッジの下の活性領域の実効屈折率より
も少し低いために、光はリッジ中を全反射により誘導される。典型的にリッジの
壁は平行であり、光は、構造中の伝搬モードによって規定されたある数のディス
クリートな角度でリッジ内をジグザグの経路で伝送される。各モードに対して実
効屈折率が関係し、それはジグザグの角度によって決定される。最低のモードは
ジグザグの角度が最小のものである。
Semiconductor lasers and superluminescent diodes are powerful, compact and efficient light sources, with power density capacities on the order of 10 7 W / cm 2 generated in active layers with a thickness of 1 μm or less. A semiconductor laser diode has a waveguide structure in which an active layer is sandwiched between an n-doped cladding layer and a p-doped cladding layer having a slightly lower refractive index than this active layer, and current can flow therethrough. It is formed by epitaxial growth on a substrate. One common method of forming an active waveguide is to form a channel in the structure by etching to form a ridge. Light is guided through the ridge by total internal reflection because the refractive indices of the channel and cladding regions are slightly lower than the effective refractive index of the active region below the ridge. Typically, the walls of the ridge are parallel and light is transmitted in a zig-zag path through the ridge at a number of discrete angles defined by the propagation modes in the structure. For each mode there is an effective index of refraction, which is determined by the zigzag angle. The lowest mode has the smallest zigzag angle.

【0003】 図1のaは,典型的なリッジ導波体レーザまたはファブリペローレーザの斜
視図である。また図1のbは,伝搬特性を示す上面図である。ファブリペローレ
ーザでは、レーザ発振のためのフィードバックはファセットからの反射によって
行われる。ファセットの1つは部分的にしか反射せず、それ故、光の一部分が放
射される。光のスペクトルは図1のcに示されるように非常に狭く、1オングス
トロームよりも小さいこともしばしばである。リッジの幅が後述する式1によっ
て特定された範囲内であるときには、最低次のモードしか伝搬を許容されない。
その場合レーザはシングルモードと呼ばれ、その出力は、図1のdに示されるよ
うな空間分布を有するガウス関数状の遠フィールドパターンを有する回折制限さ
れたビームである。大抵の応用ではレーザはシングルモードで動作することが要
求される。
FIG. 1a is a perspective view of a typical ridge waveguide laser or Fabry-Perot laser. FIG. 1B is a top view showing the propagation characteristics. In a Fabry-Perot laser, feedback for laser oscillation is provided by reflection from a facet. One of the facets reflects only partially, and thus a portion of the light is emitted. The spectrum of light is very narrow, as shown in FIG. 1c, and is often less than 1 Angstrom. When the width of the ridge is within the range specified by Expression 1 described below, only the lowest-order mode is allowed to propagate.
The laser is then called single mode and its output is a diffraction limited beam with a Gaussian-like far field pattern with a spatial distribution as shown in FIG. 1d. Most applications require that the laser operate in single mode.

【0004】 図1のaのレーザにおいて、活性導波体はファセットに垂直である。同じ構
造は、ファセットに関してある角度で活性導波体を処理することによってSDL
として構成されることができる。図2のaおよびbはSDLとして図1のaの同
じレーザ構造の形態を示している。光導波体ががファセットに垂直ではないとき
、ファセットからの反射はある角度で導波体から離れ、反射された光の非常にわ
ずかな部分だけが導波体に結合されることができる。導波体リッジの角度は図2
のcに示されるようにできるだけ少ない光が反射されて結合されるように選択さ
れることができる。例えば、導波体が約6度の角度であれば反射波10-6程度で
ある。反射がないとフィードバックはなく、出力は図2のdに示されるように広
いスペクトルの自然発生放射光である。
In the laser of FIG. 1a, the active waveguide is perpendicular to the facet. The same structure is achieved by treating the active waveguide at an angle with respect to the facet.
Can be configured as 2a and 2b show the same laser structure configuration of FIG. 1a as SDL. When the optical waveguide is not perpendicular to the facet, the reflection from the facet leaves the waveguide at an angle and only a very small portion of the reflected light can be coupled to the waveguide. Figure 2 shows the waveguide ridge angle.
Can be selected so that as little light as possible is reflected and combined as shown in FIG. For example, if the angle of the waveguide is about 6 degrees, the reflected wave is about 10 -6 . Without reflection, there is no feedback and the output is a broad spectrum of naturally occurring radiation as shown in FIG. 2d.

【0005】 SLDは幾つかの重要な機能を有する光源である。まず第1に、それは数桁
の大きさの光信号の増幅を行うことのできる光増幅器である。第2に、それは光
ファイバジャイロスコープおよび低いコヒーレント性を有する映像に対する光源
のような幾つかの応用で使用される広帯域光源である。第3に、それはファセッ
ト反射によって生じる望ましくないレーザモードのない同調可能なレーザを含み
、レーザを外部空洞(2つの反射鏡間の空間)に挿入されることが可能である。
この3つの機能は本発明において利用することができる。
[0005] SLD is a light source that has several important functions. First, it is an optical amplifier capable of amplifying optical signals of several orders of magnitude. Second, it is a broadband light source used in some applications such as fiber optic gyroscopes and light sources for images with low coherence. Third, it includes a tunable laser without unwanted laser modes caused by facet reflections, allowing the laser to be inserted into an external cavity (the space between the two mirrors).
These three functions can be used in the present invention.

【0006】 約500μmより小さい長さの活性層および約1乃至5μmの幅を有する低
いパワー(数mW)の半導体レーザは、CD、CD−ROM、光データ記憶、お
よび光通信において広く使用されている。しかしながら、シングルモード光ファ
イバに容易に結合することができるシングル“ガイド”モードで約10乃至10
0W(ワット)程度のパワーを必要とする新しい応用が生じている。そのような
応用の例には、プロジェクタまたはレーザプリンタの光源である。それらの高い
飽和パワー密度の観点から、そのようなパワーは十分に大きい幅の活性導波体層
を形成することによって半導体レーザ材料によって達成することが可能である。
例えば、幅1mm、厚さ1μmの活性導波体は10-5cm2 の面積を有し、10
0Wまでの出力パワーを生成するであろう。しかしながら、そのようなパワーは
マルチモードでしか得ることはできず、シングルモードでは得ることはできない
Low power (several mW) semiconductor lasers having an active layer length less than about 500 μm and a width of about 1-5 μm are widely used in CDs, CD-ROMs, optical data storage, and optical communications. I have. However, in a single "guide" mode that can be easily coupled to a single mode optical fiber, about 10 to 10
New applications requiring powers on the order of 0 W (watts) are emerging. Examples of such applications are light sources in projectors or laser printers. In view of their high saturation power density, such power can be achieved by semiconductor laser materials by forming a sufficiently wide active waveguide layer.
For example, an active waveguide having a width of 1 mm and a thickness of 1 μm has an area of 10 −5 cm 2 and has an area of 10 −5 cm 2.
Will produce output power up to 0W. However, such power can only be obtained in multi-mode and not in single mode.

【0007】 上述のように波は複数のモードで伝搬し、それは導波体のディスクリートな
ジグザグ角度によって特徴付けられ、最低モードは最小のジグザグ角度である。
任意の所定の波長において、モードの数は導波体のコアとそれを囲むクラッドの
屈折率によって決定される。その最低モードで動作させるために、導波体幅dは
ある最小値を越えることはできない。コアの屈折率がn1 で、クラッドの屈折率
がn2 、波長がλの導波体に対しては、シングルモードのための幅は次の式1で
決定される。 (1) d≦λ/[2(n1 2 −n2 2 1/2 ] n1 =3.2およびn2 =3.195を有する典型的なレーザに対して、dは
980nmの波長で3μmより小さく、1μmの厚さに対する面積は3×10-8 cm2 よりも小さく、それ故最大出力は約0.3W程度である。半導体レーザ材
料の高いパワー容量にもかかわらず、シングルモードレーザとしてのその出力は
1Wの数分の1に過ぎない。約100μmのストリップ幅を有する広い面積のレ
ーザが数Wの出力パワーに対して製作され、アレイはさらに高い出力が得られた
が、それらはマルチモードであり使用が限定される。
As described above, waves propagate in multiple modes, which are characterized by the discrete zigzag angles of the waveguide, with the lowest mode being the smallest zigzag angle.
At any given wavelength, the number of modes is determined by the refractive index of the waveguide core and the surrounding cladding. In order to operate in its lowest mode, the waveguide width d cannot exceed a certain minimum. For a waveguide with a core refractive index of n 1 , a cladding refractive index of n 2 , and a wavelength of λ, the width for a single mode is determined by Equation 1 below. (1) for a typical laser having a d ≦ λ / [2 (n 1 2 -n 2 2) 1/2] n 1 = 3.2 and n 2 = 3.195, d is a wavelength of 980nm Is less than 3 μm and the area for a thickness of 1 μm is less than 3 × 10 −8 cm 2 , and therefore the maximum output is about 0.3 W. Despite the high power capacity of semiconductor laser materials, its output as a single mode laser is only a fraction of 1W. Large area lasers with strip widths of about 100 μm have been fabricated for output powers of a few watts, and arrays with higher powers have been obtained, but they are multimode and have limited use.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

本発明の目的は、広いストリップ幅の活性領域で利用できるパワーを管理する
ためにシングルモード出力を有する高パワーレーザ(約10乃至100W)を生
成することである。
It is an object of the present invention to generate a high power laser (about 10-100 W) with a single mode output to manage the power available in a wide strip width active area.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

本発明は半導体光源を提供し、その半導体光源は、ファセットを有する第1の
導電型の基板上に配置された複数のスーパールミネセントダイオード(SLD)
を具備し、それらの各SLDは各SLDの端部の前端部および後端部がテーパー
しているようにダイアモンド形状の活性領域を有しており、さらに、各スーパー
ルミネセントダイオードをそれぞれ分離している複数のチャンネルと、SLDの
前記テーパーの少なくとも1つの側部に配置されたモード拡大領域とを有し、こ
のモード拡大領域は前記ファセットまで延在する導波体中にテーパーされている
ことを特徴とする。モード拡大は高いパワーに対して所望されるものであるが、
約3乃至5Wより小さい中間的なパワーに対しても使用されることができる。本
発明の1つの特徴によれば、そのモードにおける光フィードバックの機構を有す
るシングルモード光ファイバであることが望ましいモードフィルタがファセット
に結合される。
The present invention provides a semiconductor light source, the semiconductor light source comprising a plurality of superluminescent diodes (SLD) disposed on a first conductive type substrate having facets.
Each of the SLDs has a diamond-shaped active region such that the front and rear ends of each SLD are tapered, and further separates each superluminescent diode. A plurality of channels and a mode expansion region disposed on at least one side of the taper of the SLD, the mode expansion region being tapered into a waveguide extending to the facet. It is characterized by. Mode expansion is desired for high power,
It can also be used for intermediate powers less than about 3-5W. According to one aspect of the invention, a mode filter, preferably a single mode optical fiber with a mechanism for optical feedback in that mode, is coupled to the facet.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

本発明は以下の添付図面を参照にする好ましい実施形態の詳細な説明により十
分に理解されるであろう。 上述の目的に合致しその他の特徴を提供する本発明のシステムおよび方法の好
ましい実施形態を図3乃至7を参照にして以下説明する。当業者はそれらの図面
を参照にした以下の説明が本発明の技術的範囲を限定するものではなく、単なる
例示であることを容易に認識するであろう。
The present invention will be more fully understood from the following detailed description of the preferred embodiments which refers to the accompanying drawings. Preferred embodiments of the system and method of the present invention that meet the above objectives and provide other features are described below with reference to FIGS. Those skilled in the art will readily recognize that the following description with reference to these drawings does not limit the technical scope of the present invention, but is merely illustrative.

【0011】 本発明の目的は、“ダイアモンド”構造および比較的大きい断面積を有する
モード拡大導波体に対する“断熱的な”パワー転送手段のような高次モードを構
造が発生するのを阻止するための手段を有する広面積の活性導波体中でパワーを
発生するための基本的構造を生成することによって達成される。また、所望され
る大きい受動構造に基本構造をモノリシックに組合わせる手段が設けられ、この
大きい受動構造がシングルモード導波体に断熱的にテーパーされる。レーザの場
合に、フィードバックが所望の振動モードだけで行われることを確実にする手段
がさらに設けられる。
It is an object of the present invention to prevent higher order modes such as "diamond" structures and "adiabatic" power transfer means for mode expanding waveguides having relatively large cross sections. This is achieved by creating a basic structure for generating power in a large area active waveguide having means for generating the same. Means are also provided for monolithically combining the basic structure with the desired large passive structure, which is adiabatically tapered to a single mode waveguide. In the case of a laser, further means are provided to ensure that the feedback takes place only in the desired vibration mode.

【0012】 背景技術で前述したように、シングルモードレーザの出力パワーは伝搬のジ
グザグの性質によりシングルモード動作に対して必要な幅によって決定されるの
で、活性導波体により占有される容積が小さいために1Wの数分の1に制限され
る。導波体部分を広くすれば伝搬モードの数が増加し、モード出力パワーが発生
するが、余分のパワーは浪費される。それはシングルモード光ファイバのように
外部構造に結合されることができないからである。高次モードの発生を阻止する
ためにジグザグ伝搬を阻止することが好ましい。
As mentioned in the background, the output power of a single mode laser is determined by the width required for single mode operation due to the zigzag nature of the propagation, so that the volume occupied by the active waveguide is small. Therefore, it is limited to a fraction of 1W. Widening the waveguide section increases the number of propagation modes and generates mode output power, but wastes extra power. Because it cannot be coupled to an external structure like a single mode optical fiber. It is preferable to prevent zigzag propagation in order to prevent the generation of higher-order modes.

【0013】 高次モードの伝搬を阻止する目的を達成する二重テーパー構造であるダイア
モンド形状のSLDの詳細な説明は米国特許出願08/857929 号明細書に記載され
ている。この特許出願明細書は本明細書の参照文献とされる。このダイアモンド
形状は、2次元で見て実質上菱形、菱形回転体、或いは平行四辺形と呼ばれる。
A detailed description of a diamond-shaped SLD with a double taper structure that achieves the purpose of blocking the propagation of higher-order modes is given in US patent application Ser. No. 08/857929. This patent application is incorporated herein by reference. This diamond shape is substantially called a rhombus, a rhombus rotator, or a parallelogram when viewed in two dimensions.

【0014】 図3は830nmで動作するように設計された例示的なダイアモンドSLD
の1実施形態の上面図である。SLD10は長さ約1.0mmで、中央の腰部分で
幅が約57μm、端部のファセット15, 20で幅が約10μmである。ダイアモン
ド形状の両方の半分の部分のテーパー角度αはジグザグパターンが確実に阻止さ
れるように最低モードのジグザグ角度よりも小さくなるように選択される。放射
損失を防止するために図3に示されるようにダイアモンドの縦方向の中心線に対
して約3度より小さいテーパー角度が選択される。全体のダイアモンド自体はフ
ァセットに関する角度θで配置される。ストリップの角度θは約15度のファセ
ットにおける臨界角度よりも小さいことが好ましい。好ましくはストリップの角
度θは約5乃至10度の範囲である。テーパー角度αはダイアモンドの側壁とス
トリップの中心軸の間の角度であり、ストリップの角度θはファセットの垂線に
対するストリップの縦軸の角度である。
FIG. 3 shows an exemplary diamond SLD designed to operate at 830 nm
It is a top view of one Embodiment of. The SLD 10 has a length of about 1.0 mm, a width of about 57 μm at the central waist, and a width of about 10 μm at the facets 15 and 20 at the ends. The taper angle α of both halves of the diamond shape is selected to be less than the lowest mode zigzag angle to ensure that the zigzag pattern is blocked. To prevent radiation loss, a taper angle of less than about 3 degrees is selected with respect to the longitudinal centerline of the diamond as shown in FIG. The entire diamond itself is arranged at an angle θ with respect to the facet. Is preferably less than the critical angle at the facet of about 15 degrees. Preferably, the strip angle θ ranges from about 5 to 10 degrees. The taper angle α is the angle between the side wall of the diamond and the central axis of the strip, and the angle θ of the strip is the angle of the longitudinal axis of the strip to the normal of the facet.

【0015】 ジグザグ伝搬が阻止される方法は図4に示されている。図4で破線Aは平行
な側壁を有する導波体と内部の光線のジグザグ伝搬とを示している。線Bは左側
のファセット付近のダイアモンドの部分を示し、実線Cは1つの側壁17から反射
された光線が対向する側壁18から発散する状態を示し、ジグザグ伝搬が阻止され
ることを示している。事実テーパーは反射角度を減少し、光を効率よくコリメー
トする。
The way in which zigzag propagation is prevented is shown in FIG. In FIG. 4, dashed line A shows the waveguide with parallel side walls and the zigzag propagation of light rays inside. Line B shows the portion of the diamond near the left facet, and solid line C shows that the light reflected from one side wall 17 diverges from the opposing side wall 18, indicating that zigzag propagation is blocked. In fact, tapers reduce the angle of reflection and collimate light efficiently.

【0016】 ファセット15における幅が約10μm(および断面積約10-7cm2 )で、
図3のSLDは約175mW以上の出力パワーで動作し、レーザとして動作する
ために反射ミラーを設けられたとき、約1.8W程度のガウス分布形状のプロフ
ィールの出力パワーを生成する。断面が依然として大きい地点で活性テーパーの
端部が切取られて、フィールドが、活性層よりも厚く所望の最終寸法間でテーパ
ーすることのできる損失のない受動導波体に拡大することができるならば追加の
パワーが抽出される。
The width at the facet 15 is about 10 μm (and about 10 −7 cm 2 in cross section),
The SLD of FIG. 3 operates at an output power of about 175 mW or more, and when a reflection mirror is provided to operate as a laser, generates an output power of a profile having a Gaussian distribution shape of about 1.8 W. If the end of the active taper is cut off at a point where the cross section is still large, the field can be expanded to a lossless passive waveguide that is thicker than the active layer and can taper to the desired final dimension. Additional power is extracted.

【0017】 本発明の1目的は、利用可能なパワーのすべてをガウス分布形状の出力で抽
出するためにモードエキスパンダ(modex)の構造と図3のダイアモンド二
重テーパー構造の概念とを組合わせることによって達成される。モードエキスパ
ンダは高パワーを駆動するためのパワー密度を減少する。モードエキスパンダを
有するSLDの完全な説明は、米国特許出願08/946180号明細書中に記
載されている。パワーを厚い受動導波体中に捕捉するためのモードエキスパンダ
とダイアモンド構造との組合わせは図5のaに示されている。
One object of the present invention combines the structure of a mode expander (modex) with the concept of the diamond double taper structure of FIG. 3 to extract all available power at the output of a Gaussian distribution shape. Achieved by: Mode expanders reduce the power density for driving high power. A complete description of an SLD with a mode expander is described in US patent application Ser. No. 08 / 946,180. The combination of a mode expander and a diamond structure to capture power in a thick passive waveguide is shown in FIG. 5a.

【0018】 図5のaは半導体チップ40中のモードエキスパンダ領域60を有する裁頭ダイ
アモンドSLD構造50を示している。図5のaでダイアモンドリッジ構造50が示
され、それはファセット52, 54まで延在する代りに半導体構造40中のmodex
領域60内のどこかでダイアモンドが終端することをよ除いて図3のSLD構造10
と類似している。
FIG. 5 a shows a truncated diamond SLD structure 50 having a mode expander region 60 in a semiconductor chip 40. FIG. 5a shows a diamond ridge structure 50, which instead of extending to facets 52, 54, modex in semiconductor structure 40.
3 except that the diamond terminates somewhere in region 60.
Is similar to

【0019】 ダイアモンドの外側の領域60の屈折率はダイアモンド部分50の屈折率よりも
小さい。その結果ダイアモンドSLD構造50中で発生した光フィールドはダイア
モンドの先端に接近するので、それはダイアモンドから低い屈折率modex領
域60へ拡大し、そこでダイアモンド50から離れるように伝搬する。この構造部分
は無損失で受動的である。
The refractive index of the region 60 outside the diamond is smaller than the refractive index of the diamond portion 50. As the light field generated in the diamond SLD structure 50 consequently approaches the diamond tip, it expands from the diamond to a lower index of refraction region 60 where it propagates away from the diamond 50. This structural part is lossless and passive.

【0020】 図5のbは、図5のaの構造の側面図を示し、モードエキスパンダ領域60へ
の変換を示している。図5のbは、装置の層構造およびエキスパンダ領域60中の
性質を示している。通常のレーザまたはSLDは活性層のp側またはn側に1つ
のクラッド層を含み、活性層はSLDを形成する量子構造を含んでいる。本発明
によればn型クラッド層が基板58上に配置され、このn型クラッド層は上述のよ
うにダイアモンドよりも少し低い屈折率を有する1つの厚い層(厚いガイド)70
と同じn型であるが厚いガイド層70よりも低い屈折率を与える別の組成を有する
別の層(外側n型クラッド)73との2つの部分から構成されている。典型的に低
い屈折率のp型クラッド層65はその後ダイアモンドSLD構造50の活性層を覆っ
て付着される。
FIG. 5 b shows a side view of the structure of FIG. 5 a, showing the conversion to the mode expander region 60. FIG. 5 b shows the layer structure of the device and the properties in the expander region 60. A typical laser or SLD includes one cladding layer on the p-side or n-side of the active layer, and the active layer includes a quantum structure that forms the SLD. According to the present invention, an n-type cladding layer is disposed on a substrate 58, which has one thick layer (thick guide) 70 having a slightly lower refractive index than diamond as described above.
And a different layer (outer n-type cladding) 73 having the same n-type but a different composition giving a lower refractive index than the thick guide layer 70. A typically low refractive index p-type cladding layer 65 is then deposited over the active layer of the diamond SLD structure 50.

【0021】 p型クラッド層65と外側クラッド層73の屈折率は厚いガイド層70の屈折率よ
りも低いことによって、光フィールドはp型クラッド層65と外側クラッド層73に
よって厚いガイド70中で伝搬され、厚いガイド70中をファセット80, 82の方向へ
伝搬する。SLD構造50の活性層は全体の厚さが1ミクロンよりも小さいが、厚
いガイド70の厚さは数ミクロン、典型的には3乃至4ミクロンにできる。本質的
に飽和パワー密度に近い高パワーがダイアモンドSLD構造50中に発生し、導波
体シングルモードに等価なフィールド形態およびパワーが活性層領域から抽出さ
れ活性領域ではパワー密度はモード拡大により高い飽和密度の無損失領域となる
。ダイアモンドの腰部分が約20μm程度で、長さが2mm程度であれば、発生
されたパワーは3乃至4W程度であり、図5のaのようにその大部分はテーパー
を使用して(例えば約0.1mm乃至約0.2mmの長さを有する)モードエキ
スパンダ60によって捕捉される。
Since the refractive index of the p-type cladding layer 65 and the outer cladding layer 73 is lower than that of the thick guide layer 70, the light field propagates in the thick guide 70 by the p-type cladding layer 65 and the outer cladding layer 73. And propagates through the thick guide 70 in the direction of the facets 80, 82. While the active layer of the SLD structure 50 has an overall thickness of less than 1 micron, the thickness of the thick guide 70 can be several microns, typically 3-4 microns. A high power essentially close to the saturation power density is generated in the diamond SLD structure 50, and the field configuration and power equivalent to the waveguide single mode are extracted from the active layer region. In the active region, the power density is higher due to mode expansion. It is a lossless region of density. If the waist portion of the diamond is about 20 μm and the length is about 2 mm, the generated power is about 3 to 4 W, and as shown in FIG. (Having a length of 0.1 mm to about 0.2 mm).

【0022】 横方向のガイドなしで、フィールドはファセットまで横方向に拡大し、ダイ
アモンドのテーパー角度により決定される角度幅で放射される。横方向のガイド
はファセットに向かって図5のaでチャンネル領域53を延在することによって、
或いはファセットの近くで所望の出力ビームサイズになるように断熱的にテーパ
ーさせることによって達成される。
Without lateral guidance, the field expands laterally to the facet and is emitted at an angular width determined by the taper angle of the diamond. The lateral guide extends by extending the channel region 53 in FIG.
Alternatively, it may be achieved by adiabatically tapering to the desired output beam size near the facet.

【0023】 図5のbを参照すると、装置は典型的にGaAsやInPのような2元III-
V族化合物によって構成される。GaAsシステムでは構造58は典型的に約10
0μmの厚さのn型GaAsで構成され、(100)結晶平面に平行な、或いは
若干方向が異なっている第1の主面を有する。クラッド層65, 70, 73は典型的に
Alx Ga1-x Asで構成され、xの値は約0.3乃至0.4であり、典型的に
は約0.4である。活性層は典型的には約0.08μmの厚さであり、典型的に
はAlx Ga1-x Asであり、xは一般に約0および0.1であり、放射され波
長に依存している。キャップ層75は典型的には約0.5μmの厚さであり、典型
的にはp型GaAsて構成される。InP構造では、層はInx Ga1-x Asy 1-y であり、xとyは所望の動作波長に対して適切に選択される。
Referring to FIG. 5b, the device is typically a binary III-type device such as GaAs or InP.
It is composed of group V compounds. In a GaAs system, structure 58 is typically about 10
The first main surface is made of n-type GaAs having a thickness of 0 μm and is parallel to the (100) crystal plane or slightly different in direction. The cladding layers 65, 70, 73 are typically composed of Al x Ga 1 -x As, where the value of x is about 0.3 to 0.4, typically about 0.4. The active layer is typically about 0.08 μm thick, typically Al x Ga 1-x As, where x is generally about 0 and 0.1, depending on the emitted wavelength and I have. Cap layer 75 is typically about 0.5 μm thick and is typically composed of p-type GaAs. The InP structure, the layer is In x Ga 1-x As y P 1-y, x and y are appropriately selected for the desired operating wavelength.

【0024】 本発明によれば、高パワーのシングルモード構造がこの幾何学的構成から形
成され、出力はシングルモード光ファイバのような外部装置に効率よく結合する
ための条件を満足するように形成されている。付加的なパワーはダイアモンド構
造50からその腰部分を大きくすることによって生成される。しかしながら、ダイ
アモンド構造50からモードエキスパンダ60への転移はダイアモンドの幅が約5μ
m以下になるまでは生じない。この5μmの地点で利用可能なパワーは飽和を越
える。問題は複数の歯の形状のダイアモンドチップを形成することによって克服
され、それ故、光フィールドは活性領域から逃れ初めて広い幅を有する。しかし
ながら、フィラメント化の問題は、装置の寿命を著しく減少させる可能性がある
広い面積の構造を招じる。非常に高パワー密度で、若干の不純物、若干の屈折率
変化が駆動電流によって誘起され、それはパワー密度の局部的変化を生じる。こ
れらの変化は材料が劣化して高い吸収を生じるホットスポットまたはフィラメン
トを生じる。劣化した領域は時間的にゆっくりと広がり、破滅的な故障になる加
熱を生じる。高パワーをえて信頼性を維持するために、幾つかの比較的狭い活性
ダイアモンドストリップを使用して、それらを並列に組合わせることが好ましい
。このようにすると、ストリップが焼損しても欠陥は局部化されるので、他のス
トリップら影響することがない。
According to the present invention, a high power single mode structure is formed from this geometry, and the output is formed to satisfy conditions for efficient coupling to an external device such as a single mode optical fiber. Have been. Additional power is generated from the diamond structure 50 by increasing its waist. However, the transition from the diamond structure 50 to the mode expander 60 has a diamond width of about 5 μm.
It does not occur until it is less than m. The power available at this 5 μm point exceeds saturation. The problem is overcome by forming a multi-tooth shaped diamond tip, so that the light field has a wide width only when it escapes the active area. However, the problem of filamentation leads to large area structures that can significantly reduce the life of the device. At very high power densities, some impurities, some refractive index changes are induced by the drive current, which results in local changes in power density. These changes result in hot spots or filaments that degrade the material and cause high absorption. The degraded area spreads slowly over time, producing heating that can be a catastrophic failure. To maintain high power and maintain reliability, it is preferable to use several relatively narrow active diamond strips and combine them in parallel. In this way, even if a strip burns out, the defect is localized, so that other strips do not affect it.

【0025】 図6は高パワーを発生する好ましい構造を示し、それにおいてテーパーを有
する複数の個々の薄い活性リッジダイアモンド構造110 のモノリシックアレイが
並列に、狭いチャンネル120 で分離されて設けられている。ダイアモンド構造11
0 の長さは同じである必要はない。腰部分のダイアモンドの幅は20乃至30μ
mであることが好ましい。チャンネル120 の幅は約5μmの狭さでよい。幅は個
々のダイアモンド構造110 のフィールドの重なりを阻止するために十分でなけれ
ばならないが、個々の導波体転移部を越えた厚い導波体モードエキスパンダ領域
160 ではオーバラップすることを可能にする。モードエキスパンダ領域160 は、
すべての個々のダイアモンドからのパワーの組合わせを可能にするように比較的
長い(約1乃至2mm)テーパーされた導波体に形成され、付加的なテーパー17
0 を生成するための厚い導波体受動領域で生成され、ファセット180, 182におい
て所望のモードサイズを達成する。
FIG. 6 shows a preferred structure for generating high power, in which a monolithic array of a plurality of individual thin active ridge diamond structures 110 having a taper is provided in parallel, separated by a narrow channel 120. Diamond structure 11
The lengths of 0 need not be the same. Diamond width at waist is 20-30μ
m is preferable. Channel 120 may be as narrow as about 5 μm. The width must be sufficient to prevent overlapping of the individual diamond structure 110 fields, but the thick waveguide mode expander region beyond the individual waveguide transitions
At 160 it is possible to overlap. The mode expander area 160
A relatively long (approximately 1-2 mm) tapered waveguide is formed to allow the combination of power from all individual diamonds, with an additional taper 17.
It is generated with a thick waveguide passive region to produce 0 and achieves the desired mode size in facets 180,182.

【0026】 図6に示された構造は、レーザを生成するのに十分である。フィードバック
を行うために適当なファセット被覆を設けることが必要である。しかしながら、
実質上全ての利用可能なパワーが単一横モードで存在することが確実になるには
十分ではない可能性がある。シングルモードを達成するためにシングルモードガ
イドセクションを設けて高次シングルモードをフィルタで除去し、所望の最低モ
ードのガイドのためにのみフィードバックが行われる。このようなガイドの長さ
は数cm程度であることが好ましいが、任意の長さも可能である。シングルモー
ドフィルタを設ける1つの方法は構造100 にシングルモード光ファイバを結合す
ることである。しかしながら、幾つかの不所望なモードで発生する振動を生じさ
せることのできるファセット80, 182 からの反射を避けることが重要である。そ
のため個々のダイアモンド構造のアレイ110 はSLDとして構成され、導波体17
0 の中心線に関してある角度(約5乃至10度)でそれを処理する。図7はこの
好ましい実施形態を示している。
The structure shown in FIG. 6 is sufficient to generate a laser. It is necessary to provide a suitable facet coating to provide feedback. However,
It may not be enough to ensure that substantially all available power is present in a single transverse mode. To achieve single mode, a single mode guide section is provided to filter out higher order single modes and feedback is provided only for the desired lowest mode guide. The length of such a guide is preferably on the order of a few cm, but any length is possible. One way to provide a single mode filter is to couple a single mode optical fiber to the structure 100. However, it is important to avoid reflections from facets 80, 182, which can cause vibrations to occur in some unwanted modes. The array 110 of individual diamond structures is therefore configured as an SLD,
Process it at an angle (about 5-10 degrees) with respect to the centerline of 0. FIG. 7 shows this preferred embodiment.

【0027】 図7はSLD構造の好ましい構造100 を示している。2つのファセット80, 1
82 で出力に結合されたシングルモード光ファイバ190, 192を有する。シングル
モード光ファイバ190, 192は上述のようにモードフィルタとして機能する。テー
パーを有する厚い受動導波体170 の出力ディメンションは約3μm×6μm低度
であり、それは光ファイバ190, 192中で利用可能な光の約80%以上を結合する
のに十分である。受動導波体170 は低損失であるため、活性ダイアモンド材料よ
りもはるかに高いパワー密度容量を有する。各素子が約3乃至4Wを与えるなら
ば約20乃至30素子だけがそれを取って約100Wの出力光を生じる。チの小
さい全体的な寸法(ガードスペースおよびチャンネルを含めて約2mm×4mm
)であるから、3インチの直径のウエハは一時に400以上のチップを生成し、
したがって低コストの装置が得られる。
FIG. 7 shows a preferred structure 100 of the SLD structure. Two facets 80, 1
A single mode optical fiber 190, 192 is coupled to the output at 82. The single mode optical fibers 190 and 192 function as mode filters as described above. The output dimension of the thick tapered passive waveguide 170 is about 3 μm × 6 μm low, which is sufficient to couple about 80% or more of the light available in optical fibers 190,192. Passive waveguide 170 has a much higher power density capacity than active diamond material due to its low loss. If each element provides about 3-4 W, only about 20-30 elements take it and produce about 100 W of output light. Small overall dimensions (about 2 mm x 4 mm including guard space and channel)
), A 3 inch diameter wafer produces over 400 chips at a time,
Therefore, a low-cost device is obtained.

【0028】 図7の構造からレーザを製作するために光ファイバモードフィルタ190, 192
の1つの先端部は高い屈折率のミラーで被覆され、または高い反射性格子195 と
して構成され、他方の先端部は部分的反射ミラー、または格子197 を設けられる
。これは半導体構造100 中を伝搬することのできるモードの数に関係なく、光フ
ァイバ中を伝搬するモードでのみフィードバックが行われる。その結果として高
パワーシングルモードレーザが得られ、出力パワーは構造中の素子の数によって
決定される。出力光の全幅の半分の最大ビーム発散は光ファイバの開口数によっ
て決定され、約15度程度である。スロープ効率は約2ボルトの供給電圧で1W
/アンペア低度である。特定モード数のマルチモード出力をポンプに与えるため
にシングルモード光ファイバ190, 192は適当な長さのマルチモード光ファイバに
よって置換されることができる。したがってポンプは光ファイバはセクションを
有するSLDであり、光源がレーザである特定のモードパターンを設定するため
にフィードバックされる。
Optical fiber mode filters 190, 192 to fabricate a laser from the structure of FIG.
One tip is coated with a high refractive index mirror or configured as a highly reflective grating 195, and the other tip is provided with a partially reflecting mirror, or grating 197. This means that feedback is provided only in modes that propagate in the optical fiber, regardless of the number of modes that can propagate in the semiconductor structure 100. The result is a high power single mode laser, the output power of which is determined by the number of elements in the structure. The maximum beam divergence, which is half the full width of the output light, is determined by the numerical aperture of the optical fiber, and is about 15 degrees. Slope efficiency is 1 W at a supply voltage of about 2 volts
/ Ampere low. The single mode optical fibers 190, 192 can be replaced by a suitably long multimode optical fiber to provide a specific mode number of multimode outputs to the pump. Thus, the pump is fed back to set a particular mode pattern where the optical fiber is an SLD with sections and the light source is a laser.

【0029】 10乃至00Wの半導体レーザに対しては多くの応用がある、フィードバッ
クなしで、装置は同じ駆動電流に対して約1/4の等価レーザ出力パワーを有し
、SLDとして機能し、低いコヒーレントな医療用映像、スマートな構造および
時間ドメイン反射計に適用できる。レーザとしての応用にはプレート印刷、外科
、および電子投影システム用の光源等が含まれる。
There are many applications for semiconductor lasers from 10 to 00 W, without feedback, the device has an equivalent laser output power of about 1/4 for the same drive current, acts as an SLD, Applicable to coherent medical imaging, smart structure and time domain reflectometer. Applications as lasers include light sources for plate printing, surgery, and electronic projection systems, and the like.

【0030】 上記のような観点から、本発明による半導体レーザの基本的概念は、高出力
パワーのための十分に容積を与えるために利得媒体としてSLD構造のスーパー
ルミネセント活性構造を使用することである。SLD構造はファセットからのフ
ィードバックを阻止し、それがなければ不所望のモードでレーザを発振させる。
モード楚々とフィードバックは半導体チップの外部の光ファイバ構造のようなそ
うちによって与えられる。
In view of the above, the basic concept of a semiconductor laser according to the invention is to use a superluminescent active structure of the SLD structure as a gain medium to provide sufficient volume for high output power. is there. The SLD structure blocks feedback from the facets and otherwise causes the laser to oscillate in an undesirable mode.
Mode feedback is provided by an optical fiber structure outside the semiconductor chip.

【0031】 特定の実施形態を参照に、ここで図示され、説明されたが、本発明は示され
た詳細な構造に限定されるものではなく、むしろ、種々の変更が本発明の技術的
範囲を逸脱することなく行われることが可能である。したがって、例示された以
外の半導体材料および選択された半導体材料のその他の組成も使用可能である。
Although illustrated and described herein with reference to certain embodiments, the present invention is not limited to the details shown, but rather various modifications may be made within the scope of the present invention. Can be performed without departing from Thus, semiconductor materials other than those illustrated and other compositions of the selected semiconductor material may be used.

【0032】 また、導電型は反対のもので(類似して)置換されてもよい。ここで示され
た製造方法と異なった、変形方法もまた当業者によって可能であり、他の技術、
例えば別の半導体層の形成方法が有効に使用されることができる。
Also, the conductivity types may be reversed (similarly) substituted. Variations, differing from the manufacturing method shown here, are also possible by those skilled in the art, and other techniques,
For example, another method for forming a semiconductor layer can be effectively used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 従来技術のファブリペロー半導体レーザの斜視図および上面図と、その半導体
レーザの出力スペクトルと、その半導体レーザの空間的分布を示す特性図。
FIG. 1 is a perspective view and a top view of a conventional Fabry-Perot semiconductor laser, an output spectrum of the semiconductor laser, and a characteristic diagram showing a spatial distribution of the semiconductor laser.

【図2】 従来技術のスーパールミネセントダイオードの斜視図および上面図と、そのS
LDの反射対対角度の特性図と、その出力スペクトル特性図。
FIG. 2 is a perspective view and a top view of a superluminescent diode of the prior art, and FIG.
FIG. 3 is a characteristic diagram of the reflection versus the angle of the LD, and its output spectrum characteristic diagram.

【図3】 本発明の1実施形態のダイアモンドSLDの上面図。FIG. 3 is a top view of a diamond SLD according to one embodiment of the present invention.

【図4】 本発明のジグザグ伝搬を阻止するテーパーを有する導波体のコリメート効果の
説明図。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a collimating effect of a waveguide having a taper for preventing zigzag propagation according to the present invention.

【図5】 本発明の好ましい実施形態の厚い受動導波体にパワーを捕捉するモードエキス
パンダとダイアモンド構造を組合わせた構造図。
FIG. 5 is a structural diagram of a combination of a mode expander for capturing power in a thick passive waveguide according to a preferred embodiment of the present invention and a diamond structure.

【図6】 狭いチャンネルによって分離された平行な複数のダイアモンドリッジのモノリ
シックアレイを備えた高いパワーを発生するための本発明の好ましい実施形態の
概略図。
FIG. 6 is a schematic diagram of a preferred embodiment of the present invention for generating high power with a monolithic array of parallel diamond ridges separated by narrow channels.

【図7】 2つのファセットで出力に結合されたシングルモード光ファイバを有するSL
D構造の図6のパターンを示す本発明の好ましい実施形態の概略図。
FIG. 7 shows an SL with a single mode optical fiber coupled to the output with two facets
FIG. 7 is a schematic diagram of a preferred embodiment of the present invention showing the pattern of FIG. 6 in a D structure.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ファセットを有する第1の導電型の基板上に配置された複数
のスーパールミネセントダイオードを具備し、それらの各スーパールミネセント
ダイオードは各スーパールミネセントダイオードの前端部および後端部がテーパ
ーしているダイアモンド形状の活性領域を有しており、 さらに、各スーパールミネセントダイオードをそれぞれ分離している複数のチ
ャンネルと、 前記スーパールミネセントダイオードの前記テーパーの少なくとも1つの側部
に配置されたモード拡大領域とを有し、 このモード拡大領域は前記ファセットまで延在する導波体中にテーパーされて
いることを特徴とする半導体光源。
A superluminescent diode disposed on a substrate of a first conductivity type having facets, each superluminescent diode having a front end and a rear end of each superluminescent diode. Having a tapered diamond-shaped active region, and further comprising a plurality of channels respectively separating each superluminescent diode, and disposed on at least one side of the taper of the superluminescent diode. And a mode expansion region, wherein the mode expansion region is tapered in a waveguide extending to the facet.
【請求項2】 前記スーパールミネセントダイオードはモノリシックなアレ
イで配置されている請求項1記載の半導体光源。
2. The semiconductor light source according to claim 1, wherein said superluminescent diodes are arranged in a monolithic array.
【請求項3】 前記各スーパールミネセントダイオードは、第1の導電型の
第1のクラッド層と、活性層と、第2の導電型の第2のクラッド層とが順次前記
基板上に配置された構造を備え、 この構造は前記活性層から前記モード拡大層へ放射される光フィールドを導く
ように配置されている請求項1記載の半導体光源。
3. In each of the superluminescent diodes, a first cladding layer of a first conductivity type, an active layer, and a second cladding layer of a second conductivity type are sequentially arranged on the substrate. The semiconductor light source according to claim 1, further comprising a structure for guiding a light field emitted from the active layer to the mode expansion layer.
【請求項4】 前記第1のクラッド層は第1の層と第2の層から構成され、
前記第1の層は前記第2の層よりも低い屈折率を有し、前記第2の層は前記第1
の層を覆って配置されている請求項3記載の半導体光源。
4. The first cladding layer comprises a first layer and a second layer,
The first layer has a lower refractive index than the second layer, and the second layer has a lower refractive index than the first layer.
4. The semiconductor light source according to claim 3, wherein said semiconductor light source is disposed so as to cover said layer.
【請求項5】 前記チャンネルは前記スーパールミネセントダイオードの光
フィールドのオーバーラップを阻止するのに十分な幅を有しながら、前記拡大領
域でオーバーラップすることを許容している請求項1記載の半導体光源。
5. The invention of claim 1 wherein said channel is allowed to overlap in said enlarged area while having a width sufficient to prevent overlap of the light field of said superluminescent diode. Semiconductor light source.
【請求項6】 ファセットを有する半導体基板上に複数のスーパールミネセ
ントダイオードを配置し、それらの各スーパールミネセントダイオードは各スー
パールミネセントダイオードの前端部および後端部がテーパーしているダイアモ
ンド形状の活性領域を有しており、 各スーパールミネセントダイオードをそれぞれ分離する複数のチャンネルを形
成し、 前記スーパールミネセントダイオードの前記テーパーの少なくとも1つの側部
にモード拡大領域を形成し、 このモード拡大領域は前記ファセットまで延在する導波体中にテーパーされて
いることを特徴とする半導体光源の製造方法。
6. A plurality of superluminescent diodes are arranged on a semiconductor substrate having facets, each of the superluminescent diodes being a diamond-shaped diode having a tapered front and rear end of each superluminescent diode. An active region, forming a plurality of channels respectively separating each superluminescent diode, forming a mode expanding region on at least one side of the taper of the superluminescent diode, Is a taper in a waveguide extending to the facet.
【請求項7】 前記スーパールミネセントダイオードをモノリシックなアレ
イ中に配置するステップを含んでいる請求項6記載の方法。
7. The method of claim 6, including the step of placing said superluminescent diodes in a monolithic array.
【請求項8】 前記各スーパールミネセントダイオードは、第1の導電型の
第1のクラッド層と、活性層と、第2の導電型の第2のクラッド層とを順次基板
上に形成するステップを含み、 前記基板は第1の導電型であり、前記層は前記活性層から前記モード拡大層へ
放射される光フィールドを導くように配置される請求項6記載の方法。
8. Each of the superluminescent diodes includes a step of sequentially forming a first cladding layer of a first conductivity type, an active layer, and a second cladding layer of a second conductivity type on a substrate. 7. The method of claim 6, wherein the substrate is of a first conductivity type, and wherein the layer is arranged to direct a light field emitted from the active layer to the mode expansion layer.
【請求項9】 前記第1のクラッド層を形成するステップは、第1の層を覆
って第2の層を付着させるステップを含み、前記第1の層は前記第2の層よりも
低い屈折率を有している請求項8記載の方法。
9. The method of claim 1, wherein forming the first cladding layer comprises depositing a second layer over the first layer, wherein the first layer has a lower refractive index than the second layer. 9. The method of claim 8, wherein said method has a ratio.
【請求項10】 前記ファセット上にファセット被覆を付着させるステップ
を含んでいる請求項6記載の方法。
10. The method of claim 6, including the step of depositing a facet coating on said facet.
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