JP2004327992A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】レーザの寿命を実質的に縮めることなく、また電力消費を増大させることなく、リンギングを低減する。
【解決手段】レーザ、ｐスペーサ(67)、ｎスペーサ(66)および活性領域(63)が開示される。ｐスペーサはｐドープ領域(57)および非ドープ領域(58)を有し、ｎスペーサはｎドープ領域(69)および非ドープ領域(68)を有する。活性領域は、ｐスペーサの非ドープ領域とｎスペーサの非ドープ領域の間に位置付けられる。活性領域は、正孔および電子の再結合を介して波長λの光を生成する。ｐスペーサの非ドープ領域の厚さは、ｎスペーサの非ドープ領域の厚さとは異なり、一実施形態では、前者は後者よりも大きい。
【選択図】図５

Description

本発明は半導体レーザに関する。

通信システムの帯域幅および距離に対する要件は増加の一途であり、現在では光ファイバ上でデータが送信されている。従来の電気通信およびインターネットなどのデータネットワークは、短距離送信でも長距離送信でも光ファイバを使用するようになってきている。光通信チャネルは、比較的安価に１０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃを超えるデータレートを提供する。このようなチャネルで下流に送信されるデータは、典型的には電気信号の形態で生成され、該電気信号は、光ファイバの一端でレーザを直接変調させることによって光信号に変換される。

垂直共振器面発光レーザ（vertical cavity surface emitting laser; ＶＣＳＥＬ）は、高ビットレート（＞１Ｇｂ／ｓ）の光通信リンク内の送信器として商業的に重要になってきている。このような光通信リンクでは、ＶＣＳＥＬは、デジタルビットパターンを伴う大きな信号形態で変調されるので、ＶＣＳＥＬの特性は、電気ビットパターンを光パターンに変換する忠実度に大きな影響を与える。非常に短い期間に０から或る所定値にスイッチするステップ関数を含む電気信号によって変調されるＶＣＳＥＬを考えてみる。理想的には、レーザの出力は、同様の期間内に強度ゼロから或る所定の強度値にスイッチする光信号である。残念ながら、非常に速いスイッチング速度においては、レーザの出力は、ステップ関数に重畳される、ゆっくり減少するリンギングパターン（ringing pattern）を呈する。リンギングパターンの振動周波数は、レーザの緩和周波数(relaxation frequency)に関連し、これは、レーザキャビティの電気−光共振周波数すなわち緩和周波数によって決定される。キャビティ内部の減衰(damping)が、リンギングが消えるレートを決定する。

変調信号が１から０へ遷移したことによってレーザがオフにされると、同様なリンギング現象が起こる。高い変調周波数においては、光強度の該リンギングが、受信器においてデータエラーを引き起こす可能性がある。したがって、このリンギング効果を低減することは、レーザの設計と変調プロトコルにおいて重要な考慮点である。

リンギング効果を低減し、これによって変調周波数を増加させる従来の手法の１つは、減衰係数（ダンピング・ファクタ(dumping factor)）および緩和周波数の両方が、電力レベルまたはバイアス電流の増加と共に増加するという観察に基づいている。このような手法の目的は、緩和周波数を変調周波数よりも十分大きな値に動かし、できるだけ早く振動を減衰させることである。緩和周波数が十分に変調周波数より高い場合、レーザは、大きなリンギングなしに、駆動信号に従うことができる。適切な低域フィルタを使用すると、残余の低レベルのリンギングをも除去することができる。同様に、減衰係数が増加すると、リンギングの振幅および持続時間が低減される。したがってＶＣＳＥＬを流れる電力を増加させることによって、リンギングの効果を低減することができる。

残念ながら、ＶＣＳＥＬの動作寿命は、ＶＣＳＥＬが駆動される電力レベルに関連する。たとえば、ＶＣＳＥＬの故障率は、デバイス内の電流密度の３乗で増加する。すなわち、電流密度が２倍になると故障率は８倍になる。したがって、上記のリンギング効果を低減する方法は、ＶＣＳＥＬの寿命を実質的に縮めることになる。また、バイアス電流が高いと、データ通信のトランシーバの電力消費も増加する。

本発明は、レーザ、ｐスペーサ、ｎスペーサ、および活性領域を含む。ｐスペーサは、ｐドープ領域および非ドープ領域を有し、ｎスペーサは、ｎドープ領域および非ドープ領域を含む。活性領域は、ｐスペーサの非ドープ領域およびｎスペーサの非ドープ領域の間に配置される。活性領域は、正孔と電子を再結合して波長λの光を生成する。ｐスペーサの非ドープ領域は、ｎスペーサの非ドープ領域とは異なる厚さを有する。一実施形態では、ｐスペーサの厚さは、ｎスペーサの厚さよりも大きい。レーザがＶＣＳＥＬである場合、ｐスペーサとｎスペーサは、厚さＬ_ｃ＝（ｎ＋１）λ／２を有する光キャビティを形成し、ｎは２より大きな整数である。別の実施形態では、キャビティは電磁定在波(standing electromagnetic wave)を有しており、活性層は、該電磁定在波の最大の所に配置される。

本発明がどのように利点を提供するかは、図１を参照するとより容易に理解できる。図１は、本発明の一実施形態に従う典型的なＶＣＳＥＬ１０における各層を示す。図面を簡単にするために、種々の層の厚さはスケールどおりには描かれていない。ＶＣＳＥＬ１０は基板１１上に構成され、本実施形態では、基板１１は、活性領域の下部に電力を供給するのに必要な任意のコンタクト層を含む。ＶＣＳＥＬ１０は、下部ミラー１２、光キャビティ１３、および上部ミラー１４を含む。電力は、上部のコンタクト層２０を介して供給される。ミラーは、従来のＤＢＲミラーであるので、本明細書では詳細に説明しない。本説明の目的からすれば、隣接する層が異なる屈折率を有するように材料の層を交互に成長させることによって、該ミラーが構成される点に注意すれば十分である。典型的には、下部ミラーはｎタイプの材料で構成し、上部ミラーはｐタイプの材料で構成する。しかし、本発明の教示から離れることなく、他の設計を使用することもできる。

レーザキャビティは活性領域１５を含む。活性領域は、図１に示された活性領域の拡大図である図２に詳細に示されている。活性領域は、バリア層２６で分離された量子井戸層２５から構成される。２７と２８で示されるスペーサ層は、生成される光の波長についての所望の長さに、キャビティの長さを設定するのに使用される。また、該スペーサ層は、上部ミラーと下部ミラーの間に形成されたキャビティ内の定在波のピークに活性領域を位置づけるのに使用される。本発明の各層と該各層の順序は、従来技術のＶＣＳＥＬで使用されるものと同様である。しかし次に詳細に説明するように、本発明では、層の厚さと、ドーピングの開始ポイントおよび終了ポイントが変更されている。従来技術のＶＣＳＥＬでは、スペーサ層は、典型的には、２つのスペーサ層と活性領域を組み合わせた厚さがλに等しくなるよう設定された厚さを有する。ここでλは、光キャビティ内の材料で放出される光の波長である。活性領域の厚さはλに比べると薄いので、スペーサ層は、従来技術のデバイスでは約λ／２である。ＶＣＳＥＬでは、活性領域は、キャビティ内の光定在波のピークに位置づけられる。

図３を参照すると、ｔ＝０においてゼロから固定値に増加するステップ関数で駆動された時の、典型的な従来技術のＶＣＳＥＬの光出力が示されている。図から分かるように、レーザの出力は、ほぼグラフの領域３１に示される期間にわたって振動している（リンギング）。該リンギングの振幅によって、論理１に対応する光レベルの半分以下に信号が低減してしまうと、ファイバの他端にある受信器は、このようなリンギングを、１から０への遷移と間違える可能性がある。

本発明は、正孔（ホール）または電子が活性領域に達するのに必要な時間に遅延を導入すれば、デバイスを駆動する電力レベルを変化させずにリンギングの振幅を低減することができる、という観察に基づいている。ＶＣＳＥＬ内のミラーは通常ドープされているが、従来技術のＶＣＳＥＬにおけるスペーサ領域も軽くドープされており、該スペーサ領域のドーピングは、活性領域から数十ｎｍ離れた位置で終了する。ミラー全体に電位が印加されると、ｐドープミラーに隣接するスペーサ内に正孔が注入され、電子は、ｎドープミラーに隣接するスペーサ内に注入される。正孔と電子は活性領域に移動し、該活性領域において結合して光を生成する。従来技術のＶＣＳＥＬでは、ドーピングは活性領域の近くで終了し（すなわち、活性領域から数十ｎｍの所）、キャリアが量子井戸に到達するための時間を最小化している。

レーザの動作においては、固定ＤＣ電流のバイアスをレーザに印加し、変調されたＡＣバイアスが重畳される。ＡＣ電流の変化により、スペーサ層内の電子と正孔の濃度が変化し、これにより、正孔と電子が最終的に再結合するのに活性領域に移動する時間がある程度かかる。この時間遅延は、レーザの変調応答に影響を与える。次に図４を参照すると、典型的なＶＣＳＥＬにおけるレーザキャビティの領域内のドーピングパターンが示されている。５１と５２で示されるミラーが、キャビティを画定する。ミラー５１はｐタイプの材料でドープされ、ミラー５２はｎタイプの材料でドープされる。ミラー間の距離Ｌ_ｃは、通常は１λに設定され、ここでλは、ＶＣＳＥＬが生成する光の波長である。しかし、Ｌ_ｃが（ｎ＋１）λ／２に等しく、ｎは１より大きな整数である実施形態もまた、当該技術分野で知られている。一般に、ｐドープ領域とｎドープ領域は、５４と５５で示されるように、スペーサ領域において終了する。ｐドープ領域で生成される正孔は、５３で示される量子井戸層でキャプチャ（捕獲）される前に、ｐドープミラーに隣接するスペーサ内の長さＬ_ｈの非ドープ領域を介して拡散しなければならない。同様に、スペーサ５５のｎドープ領域を離れた電子も、ｎドープミラーに隣接するスペーサの長さＬ_ｅの非ドープ領域を介して拡散しなければならない。非ドープ領域は、５×１０^１７ｃｍ^−３より小さいドーピング濃度を有する。従来技術のＶＣＳＥＬでは、拡散時間を低減するために、Ｌ_ｈとＬ_ｅは２５ｎｍより小さい。典型的なＩＩＩ−Ｖ半導体では、電子拡散時間は正孔拡散時間の５分の１である。

本発明は、減衰係数が、電子と正孔がこれらの非ドープ領域を介して拡散するのに必要な時間に関連する、という観察に基づいている。この遅延が増加すると、減衰係数も増加することが示される。特に、スペーサ領域を介した遅延が、電気回路における寄生ＲＣ時定数と同様に作用することを示すことができる。該遅延は、次式（１）によって与えられる。

式（１）で、Ｌ_ｈは、正孔が拡散して量子井戸に達するために必要な距離であり、Ｌ_ｅは、電子が拡散して量子井戸に達するために必要な距離である。Ｄ_ｈとＤ_ｅは、正孔と電子の拡散係数である。Ｄ_ｈはおよそ４ｃｍ^２／ｓｅｃであるが、Ｄ_ｅはおよそ２０ｃｍ^２／ｓｅｃである。したがって、活性層の正孔側上のスペーサ層内を正孔が拡散する距離の増加がわずかであっても、遅延すなわちキャプチャ時間は大きく増加する。したがって、本発明の好ましい実施形態は、この距離を増加させることにより実現される。

次に図５を参照すると、本発明に従うＶＣＳＥＬ内のレーザキャビティの領域内のドーピングパターンが示されている。キャビティは、６１と６２で示されるミラーで画定される。ミラー６１はｐタイプの材料でドープされ、ミラー６２はｎタイプの材料でドープされる。ミラー間の距離Ｌ_ｃは（ｎ＋１）λ／２に設定され、λは、キャビティ材料内でＶＣＳＥＬが生成する光の波長である。本発明の好ましい実施形態では、ｎ＞２である。ｐタイプのドーピングは、ｐタイプスペーサ６７内の位置６４で終了し、該ｐタイプのスペーサ６７は、ドープ領域５７と非ドープ領域５８を有する。該非ドープ領域は、正孔が、６３で示される量子井戸層に達する前に拡散する距離Ｌ_ｈを提供する。同様に、ｎタイプのスペーサ６６は、非ドープ領域６８とドープ領域６９を含む。ｎタイプのドーピングはｎタイプのスペーサの位置６５で終了し、電子が、量子井戸層に入る前に拡散する距離Ｌ_ｅが提供される。本発明の１つの好ましい実施形態では、ｐスペーサ層の厚さはλ／２より大きくなるように選択され、ｎスペーサ層の厚さはλ／２より小さくなるように選択される。ｐスペーサ層の非ドープ領域の厚さ（Ｌ_ｈ）は２０ｎｍより大きくなるように選択され、ｎスペーサ層内の非ドープ領域の厚さ（Ｌ_ｅ）は４０ｎｍより小さくなるように選択される。

Ｌ_ｈとＬ_ｅの正確な値は、望ましい緩和周波数と必要な減衰の程度によって決定される。緩和周波数は、変調周波数より高くなければならない。緩和周波数は、デバイスを流れる電流によって設定される。したがって、変調周波数が設定されると、適切な緩和周波数が従来の手段で決定される。本説明の目的からいえば、緩和周波数が、活性領域の差動利得、光学モード(optical mode)の大きさ、およびバイアス電流によって決定されることに注意すれば十分である。これはさらに、デバイスを介して流れなければならない電流密度をも定義する。上記のように、デバイスの寿命を向上させるには、電流密度を低くすることが好ましい。したがって、緩和周波数の目標値をできるだけ低く設定して、変調された信号を送信後に復調(decode)しなければならない復調回路と整合性のとれた、最も低いバイアスおよび変調電流を提供するようにする。

電流密度を設定したら、Ｌ_ｈを変化させＬ_ｅは一定にして、この電流密度において最適な減衰を提供する値を見つける。典型的には、必要な減衰量は、量子井戸の材料特性とレーザキャビティ内の光損失に強く依存するので、該値の決定は実験的に行われる。

上部ミラーと下部ミラーの間の領域は、電流がレーザを流れているときに電磁定在波を有するキャビティを形成する。通常、量子井戸層がこの定在波の最大値の所に位置付けられるように、レーザの活性層は配置される。従来のＶＣＳＥＬでは、キャビティの中央にこのような最大値が１つあり、ミラー／スペーサの境界の各々にこのような最大値が１つある。本発明に従うＶＣＳＥＬでは、キャビティ内にいくつかの追加の最大値があるようにすることができる。ｐスペーサだけを拡大すると、これらの追加の最大値は、量子井戸のｐスペーサ側にあることとなる。しかしながら、好ましくは、量子井戸は、ｎタイプのミラーに最も近い定在波の最大の所に位置づけられる。

本発明の上記の実施形態は、ｐタイプスペーサにおいて拡大された非ドープ領域を使用する。しかし、上記のように、キャリアを非ドープスペーサ領域に注入することと、量子井戸がキャリアをキャプチャすることの間の遅延時間を増加させるという目的は、ｎタイプスペーサの非ドープ領域の厚さを増加することによっても達成できる。しかし、典型的には、遅延時間の所与の増加を得るために、ｎタイプのスペーサに必要な厚さの増加は、ｐタイプスペーサを使用して遅延させるために必要な厚さの増加の５倍であるので、上記の方法が好ましい。

本発明の方法は、端面発光型レーザ（edge-emitting laser）にも適用できる。端面発光型レーザで本発明を使用する方法は、図６を参照するとより容易に理解される。図６は、端面発光型レーザ７０の基本的な構造を示す。端面発光型レーザは当該技術分野ではよく知られているので、レーザ７０の詳しい構造は本明細書では説明しない。本説明の目的からすれば、レーザ７０が、基板７１上に堆積されたｐ−ｉ−ｎダイオード構造であることに注意すれば十分である。典型的には、いくつかの層を基板上に堆積させ、ｎ領域７２、スペーサ領域７５、１つまたは複数の量子井戸層を有する活性領域７４、第２のスペーサ領域７６、ｐ領域７３を形成する。該多層構造をエッチング処理し、導波管として作用するリッジ（ridge）７９すなわち埋め込み構造を形成する。共振周波数は、ミラーを形成するよう劈開されるリッジ構造の端と端の間の距離Ｌ_ｃで設定される。

ｐ領域のエッジ（端部）とｎ領域のエッジ（端部）の間の距離は、導波管が垂直方向でサポートする光学モード(optical mode)は１つだけでなくてはならないという要件によって決定される。２つのスペーサ領域と活性領域の厚さは１波長より短く、かつｐスペーサはｎスペーサより厚いので、活性領域は、必ずしもキャビティ内の電場の最大の所に正確に配置されるわけではない。しかし、活性領域は、レーザが満足に動作できるような、最大の電場の箇所に十分に近いところに配置されることができる。

本発明に従う端面発光型レーザでは、活性領域とｐドーピングの終端の間の距離を調節して、上記と同様な方法で減衰を導入する。図７を参照すると、端面発光型レーザ７０内のレーザキャビティの領域におけるドーピングパターンが示されている。スペーサ領域と活性領域を介した垂直距離をＬ_ｖで示す。ｐ領域７３のドーピングは、スペーサ領域７６内のポイント８４まで連続することができる。同様に、ｎ領域７２のドーピングはスペーサ領域７５内のポイント８５まで連続することができる。

本発明の上記の実施形態は、従来のｐ−ｉ−ｎレーザダイオード構造を使用する。しかし、本発明は、逆バイアストンネル接合を使用したレーザ構造内でも実現されることができる。このタイプのレーザでは、上部のコンタクト層も下部のコンタクト層もｎタイプである。レーザは、典型的には、下部のｎタイプのコンタクト層上に構成される活性層を有する。ｎ−ｐ逆バイアストンネルダイオード接合は、活性領域のｐタイプスペーサ上に堆積され、該接合のｐ層は、該ｐスペーサのｐドープ領域と接する。上部のミラーと上部のコンタクトは、ｎタイプ層から構成される。このタイプの構造により、従来のレーザで使用されるｐタイプのコンタクト層に伴う、電流の拡散と抵抗の問題が低減される。このタイプの発光デバイスは、２０００年６月２日に出願された、米国特許出願第０９／５８６，４０６号に教示されており、この出願は参照により本明細書に組み込まれる。

当業者であれば、上述の説明と図面から、本発明の種々の変形形態が明らかになろう。したがって、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明の１実施形態に従う、典型的なＶＣＳＥＬ１０の各層を示す図。 図１に示される活性領域の拡大図。 ｔ＝０で０から固定値に増加するステップ関数によって駆動される、典型的な従来技術のＶＣＳＥＬの光出力を示す図。 典型的なＶＣＳＥＬ内のレーザキャビティの領域のドーピングパターンを示す図。 本発明の別の実施形態に従う、ＶＣＳＥＬ内のレーザキャビティの領域におけるドーピングパターンを示す図。 本発明の別の実施形態に従う、端面発光型レーザの基本的な構造を示す図。 本発明の別の実施形態に従う、端面発光型レーザのレーザキャビティの領域におけるドーピングパターンを示す図。

符号の説明

１０ ＶＣＳＥＬ
１２ 下部ミラー
１３ 光キャビティ
１４ 上部ミラー
１５ 活性領域
２５ 量子井戸層
２７ スペーサ層
２８ スペーサ層
６７ ｐスペーサ
６６ ｎスペーサ
５７ ｐドープ領域
５８ 非ドープ領域
６９ ｎドープ領域
６８ 非ドープ領域
６３ 活性領域

Claims (6)

1. ｐドープ領域および非ドープ領域を有するｐスペーサと、
   ｎドープ領域および非ドープ領域を有するｎスペーサと、
   前記ｐスペーサの前記非ドープ領域および前記ｎスペーサの前記非ドープ領域の間の活性領域であって、正孔と電子の再結合によって波長λの光を生成する活性領域と、を有し、
   前記ｐスペーサの前記非ドープ領域は、前記ｎスペーサの前記非ドープ領域とは異なる厚さを有する、
   レーザ。
2. 前記ｐスペーサは、前記ｎスペーサより大きな厚さを有する、請求項１に記載のレーザ。
3. 前記ｐスペーサおよび前記ｎスペーサは、厚さＬ_ｃ＝（ｎ＋１）λ／２を有する光キャビティを形成し、ｎは、２より大きい整数である、請求項１に記載のレーザ。
4. 前記ｐスペーサの前記非ドープ領域は、２０ｎｍより大きな厚さを有する、請求項１に記載のレーザ。
5. 前記ｎスペーサの前記の非ドープ領域は、４０ｎｍより小さな厚さを有する、請求項１に記載のレーザ。
6. 前記キャビティは電磁定在波を有し、前記活性層は、該電磁定在波の最大値に位置する、請求項３に記載のレーザ。

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