JP2003524890A - 改良されたビームダイバージェンス優先順位を有する半導体ダイオードレーザ - Google Patents

改良されたビームダイバージェンス優先順位を有する半導体ダイオードレーザ

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JP2003524890A
JP2003524890A JP2001557127A JP2001557127A JP2003524890A JP 2003524890 A JP2003524890 A JP 2003524890A JP 2001557127 A JP2001557127 A JP 2001557127A JP 2001557127 A JP2001557127 A JP 2001557127A JP 2003524890 A JP2003524890 A JP 2003524890A
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カールフィン、ビクター・ビー
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Abstract

(57)【要約】 半導体ダイオードレーザは単一モードの垂直ファーフィールドダイバージェンスを有する特徴的な出力を有する。半導体ダイオードレーザは第１の屈折率を有する導波体103 と導波体の中心部に埋設された量子ウェル104 を含んでいる。導波体103 の一方の側面には第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有するｐ型のクラッド層105 が位置する。導波体103 の他方の側面には第１の屈折率よりも小さく第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有するｎ型のクラッド層102 が位置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体ダイオードレーザ、特にｎおよびｐ型のクラッド層で非対称的
なバンドギャップおよび屈折率を有する半導体ダイオードレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ダイオードレーザは半導体材料、または導波体領域とその各側面上のク
ラッド層領域を有する材料の本体を典型的に含んでいる。導波体領域内には量子
ウェル領域等の別の領域が存在し、その領域ではダイオードが電流により適切に
バイアスされるときに光子が発生される。通常、クラッド層領域は相互に反対の
導電型であるようにドープされ、光子を導波体領域に閉じ込めようとするために
導波体領域の材料よりも低い屈折率の材料である。
【０００３】 半導体レーザダイオードの多数の応用は、導波体の厚さＷが、光学的なゼロ
次数のモードと量子ウェル領域との最大のオーバーラップを与える通常のレーザ
の導波体の厚さであるＷ0 よりも３−４倍大きい広い導波体レーザ設計から利点
を得られる。ここで参考文献とされる米国特許第5,818,860 号明細書に記載され
ているように、広い導波体の使用は光学的なゼロ次数のモードとクラッド層との
オーバーラップを最小にできる。導波体を広くすることは、クラッド層の減少さ
れた吸収のためにレーザのパワー出力を最大にし、ニアフィールド膨張のために
ミラーファセットの破局的な光学的損傷の確率を減少する二重の利点を有する。
【０００４】 広い導波体から得られる利点に加えて、多数の応用は単一モード出力を必要
とする。例えば半導体ダイオードレーザはしばしば光ファイバ通信で信号増幅用
のポンプソースとして使用される。信号増幅がエルビニウムドープされたファイ
バ増幅器（ＥＤＦＡ）に依存するとき、単一モードのレーザ出力は増幅器に結合
する高い効率を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ある材料依存しきい値（例えば本発明により使用される材料では約
１μｍ）を超えて導波体領域を広くすることは付加的な光モードの発生につなが
り、したがってレーザ出力の増幅器への結合を減少する。したがって既知のダイ
オードレーザ構造はニアフィールド膨張と垂直（構造面に対して垂直）のファー
フィールドビームダイバージェンスを狭めることとの両者で限定される。前者は
レーザが所望のパワーで動作されるときにレーザファセットに損傷を起し、後者
はレーザ出力と他の装置との結合の効率を減少させる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
既知のシステムの問題を軽減するため、実質上導波体中心部に１つまたは多数
の量子ウェルを有する高パワー半導体ダイオードレーザがここで論じられる。
【０００７】 本発明の実施形態は改良されたニアフィールド分布とファーフィールドダイ
バージェンスでレーザの単一モード特性を維持しながら、従来設計されたダイオ
ードよりも導波体を広くすることを可能にする。これらの結果を得るために、種
々の実施形態は導波体領域の一方の側面のクラッド層から導波体領域の他の側面
（即ち垂直方向）のクラッド層まで測定したときに屈折率分布が非対称的である
ように構成される。さらに、本発明の実施形態は量子ウェルが導波体領域の中心
に位置される種々の構造を含んでいる。
【０００８】 屈折率分布の非対称性は、量子ウェルの中心位置によって導波体領域のレー
ザ放射の奇数モードを阻止しながら、ゼロではない偶数モードの導波体領域のレ
ーザ放射を阻止する。本発明の目的に対しては、用語“ゼロではない偶数モード
”と“奇数モード”は基本モードを除外する他の高次のモードを表している。
【０００９】 レーザの垂直設計は、１実施形態では約２０度のファーフィールドビームダ
イバージェンスを提供し、これは０．２の開口数を有する直径４μｍのコアを具
備したＥＤＦＡに容易に結合される。
【００１０】 本発明の１実施形態では、単一モードの半導体ダイオードレーザは導波体領
域と、ｐ型のクラッド層とｎ型のクラッド層を含んでいる。導波体領域は第１の
屈折率ｎ1 を有し、ｐ型のクラッド層は第２の屈折率ｎ2 を有し、ｎ型のクラッ
ド層は第１の屈折率よりも小さく第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率ｎ3 を
有する。ｐ型のクラッド層と導波体領域間のバンドギャップ差はｎ型のクラッド
層と導波体との間のバンドギャップ差よりも大きい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態は垂直構造の半導体ダイオードレーザを提供し、それは改良
された単一モードの垂直ニアフィールドビーム分布とファーフィールドビームダ
イバージェンスを与える。所望ならば、本発明の実施形態は広い導波体を有する
半導体ダイオードレーザを与える。
【００１２】 本発明の実施形態は、以下説明するように、第２の装置への結合を容易にす
るファーフィールドダイバージェンスを可能にするように設計されている。例え
ば本発明の実施形態は適切なファーフィールドダイバージェンスが与えられたＥ
ＤＦＡ装置用のポンプとして使用されることができる。本発明の目的に対しては
、広い導波体は、レーザの量子ウェル領域とオーバーラップする最大の光モード
を与える通常のレーザの導波体の厚さであるＷ0 よりも少なくとも約３倍以上の
厚さＷを有する導波体である。
【００１３】 図１は本発明の第１の実施形態による装置のバンドギャップの断面図である
。この実施形態の例はＥＤＦＡに結合するために０．９８μｍ放射光を放射する
半導体ダイオードレーザである。装置は基板101 、ｎ型のクラッド層102 、導波
体層の中心部に位置する量子ウェル104 を含む導波体領域103 、ｐ型のクラッド
層105 を含んでいる。バンドギャップエネルギの差101aはｎ型のクラッド層と導
波体との間に存在し、バンドギャップエネルギの差102aはｎ型のクラッド層と導
波体との間に存在する。図１により表される実施形態では、ｐ型のクラッド層と
導波体との間のバンドギャップエネルギの差105aはｎ型のクラッド層と導波体と
の間のバンドギャップエネルギの差102aよりも大きい。さらに、層102 のエネル
ギバンドギャップは層103 のエネルギバンドギャップよりも大きいが、層105 の
エネルギバンドギャップよりも小さい。
【００１４】 本発明のこの実施形態では、基板101 はＧａＡｓ化合物であり、ｎ型のクラ
ッド層102 はＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ化合物であり、導波体103 はＩ
ｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＡｓ化合物であり、ｐ型のクラッド層105 はＡｌＧ
ａＡｓまたはＩｎＧａＰ化合物であり、量子ウェル104 はＩｎＧａＡｓまたはＩ
ｎＧａＡｓＰ化合物を含んでいる。しかしながら本発明はこれらの化合物に限定
されない。むしろ本発明はこのような装置に実用される任意の化合物を使用する
ことができる。
【００１５】 図２は、本発明の実施形態にしたがった装置の屈折率の図である。図２で見
られるように、ｐ型のクラッド層と導波体との屈折率の差はｎ型のクラッド層と
導波体との屈折率の差よりも大きく、したがって導波体で単一モードビームを伝
播するため非対称的な光閉込めを形成する。
【００１６】 図３は、与えられた材料のセットに対する導波体幅の関数としての、半値全
幅（ＦＷＨＭ）により測定された本発明の０．９８μｍの実施形態のファーフィ
ールドダイバージェンスを表したグラフである。この図は所望のファーフィール
ドダイバージェンスを有する装置を設計するために使用されることができる。例
えばこの図で認められるように、２０度のＦＷＨＭを有するファーフィールドダ
イバージェンスが所望ならば、導波体を０．５μｍ乃至２．７μｍの幅にするこ
とができる。
【００１７】 ２０度の垂直ダイバージェンスを与える導波体の厚さの値はクラッド層と導
波体の化合物に依存するが、ほぼレーザの出力波長に比例する。ドープレベルお
よびクラッド層におけるドープ不純物の垂直分布は２つの条件に基づいて最適に
されるべきである。第１に、装置の抵抗は最小にされるべきである。第２に、非
均一性による散乱とアクチブ領域における吸収によって生じる他の型の内部損失
よりも高い付加的な光の損失が発生することを避ける必要がある。
【００１８】 第２の条件は、クラッド層に対する光フィールド貫通が非対称的な広い導波
体構造の場合に非常に小さいので、少なくとも中程度の導波体の厚さの設計につ
いて考慮されるべきである。非対称構造では、光フィールドはｎ型のクラッド層
でのみ貫通し、ｎドープ処理は付加的な光損失により限定されるべきである。ｐ
型のクラッド層では、１〜３×１０18ｃｍ-3の等級のドープ濃度が使用されるこ
とができる。
【００１９】 当業者はクラッド層領域の厚さが基板（または接触層（図面では図示せず）
）に対する光フィールド貫通による損失を防止するのに十分な大きさであるべき
であることを認識するであろう。例えば、前述の化合物では、厚さが１乃至１．
５μｍの厚さを有するｐ型のクラッド層が十分である。ｎ型のクラッド層では、
厚さは広い導波体（例えば２．７μｍ）を示す実施形態と中程度の厚さの導波体
（例えば０．５μｍ）を示す実施形態とでは異なる。広い導波体の実施形態では
、ｎ型のクラッド層の厚さはｐ型のクラッド層の厚さ（例えば〜１μｍ）と同一
であることができる。中程度の厚さの導波体の実施形態では、３〜４μｍのクラ
ッド層の厚さが使用されることができる。
【００２０】 図４は本発明の実施形態にしたがった装置のエネルギのバンドギャップの断
面図である。この実施形態では、半導体ダイオードレーザは１．４μｍの放射光
を放射する。この実施形態では、基板401 はＩｎＰ化合物であり、ｎ型のクラッ
ド層402 はＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓ化合物であり、導波体403 は
ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓ化合物であり、ｐ型のクラッド層405 は
ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓ化合物である。量子ウェルはＩｎＧａＡｓＰまたはＩ
ｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓ化合物である。典型的なケースでは、導波体
403 は中心に位置するまたは複数の量子ウェル404 を含んでいる。図１の実施形
態のように、ｎ型のクラッド層402 と導波体403 との間のバンドギャップ差402a
はｐ型のクラッド層405 と導波体403 との間のバンドギャップ差405aよりも小さ
い。
【００２１】 図５は図４で示されている実施形態のレーザ構造の垂直距離の関数としての
屈折率のグラフであるが、２つの量子ウェルを有している。このコンテキストで
は、用語“垂直”はこの図のコンテキストで理解されるものであり、絶対的な方
向ではないことが認識されるべきである。換言すると、屈折率は図５では図４で
示されている下から上のレーザ構造に対応して、左から右の距離の関数として示
されている。本発明の実施形態の特徴のように、ｐ型のクラッド層405 と導波体
403 間の屈折率の差はｎ型のクラッド層402 と導波体403 間の屈折率の差よりも
大きい。
【００２２】 図４および図５の実施形態の垂直のファーフィールドビームダイバージェン
スは図６に示されているように導波体幅の関数である。この図面で見られるよう
に、２０度のＦＷＨＭを有するファーフィールドダイバージェンスが所望ならば
、約０．５μｍ（中程度の導波体の厚さ）または３．５μｍ（広い導波体）の導
波体の厚さを選択することができる。
【００２３】 図７および図８は、導波体幅の関数としての光閉じ込め係数のグラフである
。図７は０．９８μｍの光閉じ込め係数を表し、図８は１．４８μｍレーザの光
閉じ込め係数を表している。これらの図面の垂直の破線は約２０°〜２２°の垂
直ダイバージェンスを与える導波体の厚さを意味する。破局的な光学的損傷が生
じるパワーレベルは光閉じ込め係数に反比例するので、この光閉じ込めの減少は
高パワー動作に対して有効である。約２．５μｍの導波体の厚さでは、光閉じ込
め係数は半分にされ、最大の出力パワーは２倍になることが予測される。
【００２４】 ２つの屈折率ステップ（即ち一方ではｐ型のクラッド層と導波体との間、他
方ではｎ型のクラッド層と導波体との間）の非対称性を最大にすることにより、
発生されたレーザ放射に付加的な横方向モードを導入せずに使用されることがで
きる導波体の幅を最大にできる。２つの屈折率ステップの非対称性は２つのバン
ドギャップ差（即ち一方ではｐ型のクラッド層と導波体との間のバンドギャップ
差、他方ではｎ型のクラッド層と導波体との間のバンドギャップ差）間の非対称
性に依存する。したがって、導波体のｎ型のクラッド層側の屈折率ステップを最
小にしながら、導波体のｐ型のクラッド層側の屈折率ステップを最大にすること
によってゼロではない偶数の横方向モードを導入せずに最も広い導波体を可能に
する。
【００２５】 屈折率ｎ2 とｎ3 における最大の導波体の厚さＷ2 の依存は式（１）により
与えられる。勿論、この式は論理的な最大値を与え、実際には等号は正確に等し
いわけではない。選択されたｎ2 とｎ3 では、厚さＷ2 を有する中心に位置する
量子ウェルを有する導波体は横方向（垂直）ゼロ次のモードでレーザ動作を行い
、最大の広いニアフィールド分布と最小のファーフィールドダイバージェンスを
有する。第１および他の偶数のモードはＷ≦Ｗ2 で存在しない（実際には、この
不等号は“より小さいかまたはほぼ等しい”になる）。さらに、奇数モードレー
ザ放射は導波体中の量子ウェルを中心に位置させることにより消去される。
【数３】
【００２６】 この式で、λは放射波長であり、ｎ1 は導波体の屈折率であり、ｎ3 はｎクラッ
ド層の屈折率であり、ｎ2 はｐクラッド層の屈折率であり、ηは次式で与えられ
る。
【数４】
【００２７】 所望の屈折率分布は以下の２つの基準が満たされたとき、本発明の１実施形態
で実現されることができる。第１に、ｐ型のクラッド層はバンドギャップが最大
にされるように選択されなければならない。第２に、ｎ型のクラッド層は、導波
体のバンドギャップをｋＴ程度の量だけ超えるバンドギャップをｎ型のクラッド
層が有するように選択されなければならない。ここでｋはボルツマン定数であり
、Ｔは動作中の装置の絶対温度である。
【００２８】 本発明を単に例示の目的で幾つかの実施形態に関して説明した。当業者は、
この説明から、本発明が説明した実施形態に限定されるのではなく、特許請求の
範囲によってのみ限定を受ける変形と変更を伴って実施されてもよいことを認識
するであろう。特に、説明と理解を容易にするため、本発明を特定の実施形態（
０．９８μｍレーザと１．４８μｍレーザ）に関して説明した。しかしながら、
任意の既知の実施可能な材料とそれらの対応する厚さは、前述したバンドギャッ
プ、屈折率、導波体の厚さ間の機能関係が前述の光閉じ込めおよび分布／ダイバ
ージェンスの基準を満たす限り使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態にしたがった装置のバンドギャップ断面図。
【図２】 本発明の第１の実施形態にしたがった装置の屈折率分布図。
【図３】 本発明の１実施形態にしたがった導波体幅の関数としての、半値全幅により測
定されたファーフィールドダイバージェンスのグラフ。
【図４】 本発明の１実施形態にしたがった装置のバンドギャップ断面図。
【図５】 本発明の１実施形態にしたがった装置の屈折率分布図。
【図６】 本発明の１実施形態にしたがった導波体幅の関数としての、半値全幅により測
定されたファーフィールドダイバージェンスのグラフ。
【図７】 本発明の１実施形態にしたがった導波体の幅の関数としての光閉じ込め係数の
グラフ。
【図８】 本発明の１実施形態にしたがった導波体の幅の関数としての光閉じ込め係数の
グラフ。
───────────────────────────────────────────────────── 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)，ＣＡ，Ｃ Ｎ，ＪＰ (72)発明者 カールフィン、ビクター・ビー アメリカ合衆国、ニュージャージー州 08520 ハイツタウン、ヒッコリー・コー ナー・ロード 152、アパートメント 915 (72)発明者 コノリー、ジョン・シー アメリカ合衆国、ニュージャージー州 08510 クラークスバーグ、ライト・コー ト ５ Ｆターム(参考） 5F073 AA45 AA74 CA07 CA13 CA15 CB02 EA19 EA24 EA28

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する垂直のファーフィールドダイ
    バージェンスを有する特性の出力を有する半導体ダイオードレーザにおいて、 （ａ）第１の屈折率を有し、実質上中心に位置する量子ウェルと、第１の側面
    と第２の側面とを有している導波体領域と、 （ｂ）第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、第１の側面上に位置す
    るｐ型のクラッド層と、 （ｃ）第１の屈折率よりも小さく第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有
    し、第２の側面上に位置するｎ型のクラッド層とを具備している半導体ダイオー
    ドレーザ。
  2. 【請求項２】 導波体領域は、ファーフィールドダイバージェンスが出力と
    第２の装置との結合を容易にするような幅を有している請求項１記載の半導体ダ
    イオードレーザ。
  3. 【請求項３】 前記導波体領域は広い導波体領域である請求項１記載の半導
    体ダイオードレーザ。
  4. 【請求項４】 前記（ｃ）で示されている制約を受けて、第２の屈折率は最
    小にされ、第３の屈折率は最大にされる請求項３記載の半導体ダイオードレーザ
    。
  5. 【請求項５】 前記導波体領域は幅Ｗ2 を有し、前記レーザは波長λの放射
    を発生し、幅Ｗ2 は次式、即ち、 【数１】 により定められ、λは放射波長であり、ｎ1 は第１の屈折率であり、ｎ3 は第３
    の屈折率であり、ｎ2 は第２の屈折率であり、ηは、 【数２】 によって与えられる請求項１記載の半導体ダイオードレーザ。
  6. 【請求項６】 導波体領域はＦＷＨＭが約２０度のみであるように選択され
    た幅を有する請求項１記載の半導体ダイオードレーザ。
  7. 【請求項７】 ｐ型のクラッド層は化合物ＡｌＧａＡｓと、化合物ＩｎＧａ
    Ｐの少なくとも１つであり、ｎ型のクラッド層は化合物ＡｌＧａＡｓと、化合物
    ＩｎＧａＡｓＰの少なくとも１つである請求項５記載の半導体ダイオードレーザ
    。
  8. 【請求項８】 ｐ型のクラッド層は化合物ＩｎＰであり、ｎ型のクラッド層
    は化合物ＩｎＧａＡｓＰである請求項５記載の半導体ダイオードレーザ。
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