JP2005517281A - 内部ミラーをもつレーザ・ダイオード - Google Patents

Abstract

半導体レーザ（１０）は分布帰還型レーザ部（１２）と増幅器部（１４）とを含む。増幅器部（１４）は、特にレーザの出力面（１８）での光パワー密度を低くするためにテーパにすることができる。半導体レーザ（１０）はまた、光（１７）を分布帰還型レーザ部（１２）から増幅器部（１４）に反射する反射要素（２４）を含む。反射要素（２４）は光ビーム（１７）の光学経路（Ｏ_p）を曲げる。光学経路（Ｏ_p）を曲げることで半導体レーザ・ダイ・サイズを拡大せずに増幅器部（１４）領域を大きくすることができる。増幅器部（１４）が大きくなるとレーザの出力パワーが増大する。同様に、反射要素（２４）によりレーザの光パワーを減少させずに半導体レーザ・ダイ・サイズを縮小することができる。

Description

関連出願

（関連出願の相互参照）
本出願は２００１年６月６日に出願された仮出願第６０２９６６３０号に対する米国特許法第１１９（ｅ）条による優先権を主張するものである。

開示される主題は一般に半導体レーザの分野に関する。

半導体レーザは様々なシステム・アプリケーションで使用される。例えば、光ファイバ通信システムでは半導体レーザは光源として使用される。一般に、パワー出力の高い半導体レーザを備えることが望ましい。パワー出力が高ければ光学システムに必要な中継器と増幅器の数が少なくて済む。

半導体レーザのパワーを増大させるとレーザの光パワー密度が高くなる。パワー密度が高いとレーザが、特にその出力ミラーに損傷を受け、デバイスの有効寿命が短くなることがある。さらに、光パワー密度が高いとレーザ・ビームに非線形効果がもたらされることがある。非線形効果はビームの特性および光学システムの全体的性能を劣化させる。アクティブな光を発生する部分の幅を大きくすれば光パワー密度を低くすることができる。残念ながら、この部分を広くするとレーザが多数の横モードで発光し、それによりレーザ出力の光学的特性が劣化する。

Ｕｎｇａｒに発行された米国特許第４８５６０１７号には分布帰還型レーザ部と増幅器部とを有する半導体レーザが開示されている。分布帰還型レーザ部はコヒーレントな光ビームを発生するための回折格子を含む。次いでコヒーレントな光ビームが増幅器部で増幅される。増幅器部は出力面が比較的広くなるようにテーパが付けられている。出力面が広いとその面での光学パワー密度が低くなる。光パワー密度が低くなると半導体レーザの寿命および得られる光ビームの特性が向上する。
米国特許第４８５６０１７号

Ｕｎｇａｒの半導体レーザのパワーをさらに増大させるには増幅器部およびダイの全体的サイズを拡大しなければならない。ダイを拡大すると半導体レーザを大量生産するコストが増大し、その効率が低下する。ダイを拡大せずに半導体レーザの出力パワーを増大させることが望ましいであろう。逆に、光出力を小さくせずにダイ・サイズを縮小することも望ましいであろう。

本発明は分布帰還型レーザ部と増幅器部とを含む半導体レーザである。本半導体レーザは、分布帰還型レーザ部と増幅器部との間の光学経路に沿って配置された湾曲した反射要素を含む。

分布帰還型レーザ部と増幅器部とを含む半導体レーザが開示される。増幅器部は、特にレーザの出力面での光パワー密度を低くするためにテーパにすることができる。半導体レーザはまた、光を分布帰還型レーザ部から増幅器部に反射する湾曲した反射要素を含む。反射要素は光ビームの光学経路を曲げ、ビームを広くする。光学経路を曲げることで半導体レーザ・ダイ・サイズを拡大せずに増幅器部領域を大きくすることができ、光パワーがより広い領域に広がる。増幅器部が大きくなるとレーザの出力パワーが増大する。同様に、反射要素によりレーザの光パワーを減少させずに半導体レーザ・ダイの長さを短縮することができる。

図面を参照番号によってより詳細に参照すると、図１には半導体レーザ１０が示されている。半導体レーザ１０は分布帰還型レーザ部１２と半導体ダイ１６内に配置された増幅器部１４とを含む。分布帰還型レーザ部１２はコヒーレントな光ビーム１７を発生する。コヒーレントな光ビーム１７は光学経路Ｏ_pに沿って増幅器部１４まで進行する。増幅器部１４はコヒーレントな光ビーム１７の光パワーを増幅し、増大させる。増幅された光ビームはレーザ１０の出力面１８を出る。

分布帰還型レーザ部１２は回折格子２０を含んでもい。格子２０が図示され説明されているが、分布帰還セクション１２はコヒーレントな光を発生するための他の手段を有することができることを理解されたい。例えば、レーザ部１２は分布ブラッグ反射器形状とすることができる。

増幅器部１４は好ましくは、出力面１８の近くで最も広くなる一対のテーパ・エッジ２２を含む。エッジは光ビームの拡大プロファイルに最も効率的に一致するようなテーパにされている。半導体レーザ１０を使用すると５ワットの範囲内の高い光出力パワーを発生することができる。

半導体レーザ１０は光ビーム１７を分布帰還型レーザ部１２から増幅器部１４まで反射する反射要素２４を含む。反射要素２４は凸面発散ミラーとすることができる。反射要素２４は、ダイ１６の長さを変えずに増幅器部１４の幅を大きくできるように光学経路Ｏ_pを曲げ、光ビームを拡大させる。増幅器部１４が大きくなると半導体レーザ１０の出力パワーが増大する。

図２に半導体レーザ１０の一実施形態の異なる層３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４および４６を示す。レーザ１０は、基板３０上に形成された下側クラッディング３２を含む。基板３０はｎドープ・インジウムリン（ＩｎＰ）またはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）材料とすることができる。クラッディング３２はｎドープＩｎＰまたはＧａＡｓ材料とすることができる。

レーザ１０はさらに、閉じ込め層３４と３８の間に配置された多重量子井戸（multi-quantum well）活性層３６を有する。閉じ込め層３４はｎドープＩｎＧａＡｓまたはＡｌ_yＧａ_1−yＡｓ材料でよい。閉じ込め層３８はｐドープＩｎＧａＡｓまたはＡｌ_yＧａ_1−yＡｓ材料でよい。層４０、４２、４４はｐドープ材料を含む上側クラッディングである。例えば、層４０はｐドープＩｎＧａＡｓまたはＡｌ_xＧａ_1−xＡｓ材料でよい。層４２はｐドープＩｎＧａＡｓまたはＡｌ_xＧａ_1−xＡｓ材料でよい。層４４はｐドープＩｎＧａＡｓまたはＡｌ_xＧａ_1−xＡｓ材料でよい。層４６は、ｐ＋ドープＩｎＧａＡｓまたはＧａＡｓ材料を含有する電気コンタクト層である。

層３４、３６、３８は、電流の流れに応答して誘導光放出を発生するＰＮ接合を作っている。クラッディング層３２、４０、４２、４４は光を案内する導波路を形成する。分布帰還型レーザ部１２内の格子は一般に層３４、３６、３８内に形成される。電流は分布帰還型レーザ部１２と増幅器部１４の上に配置されたコンタクトを介してこれらのセクション１２、１４の両方を通過する。電流はコヒーレントな光が形成される分布帰還型レーザ部１２中に誘導放出を引き起こす。電流は、レーザ１０の光パワーを増大させる増幅器部１４内でさらなる誘導放出を引き起こす。

半導体レーザ１０は、最初に基板３０上に層３２、３４、３６、３８を形成させる。次いで層３４、３６、３８の分布帰還型レーザ部１２中に格子を形成させる。次いで層３８上に残りの層４０、４２、４４、４６を連続的に形成する。すべての層は知られているエピタキシャル半導体製作プロセスで形成することができる。

層３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４をエッチングして反射要素２４を形成させる。空気とダイの境界面に反射平面を作る。さらに、空気とダイの境界面上に反射材料の層４８を被覆することによって要素２４の反射率を向上させることができる。あるいは、分布帰還型レーザ部中で発生した光を反射させ、再集束させるためにレンズ（図示せず）をダイ中に形成してもよい。

図３に半導体レーザ１００の代替実施形態を示す。レーザ１００は分布帰還型レーザ部１０２、第１の反射要素１０４、第２の反射要素１０６、一対の増幅器部１０８、１１０を含む。第１の反射要素１０４は凸面発散ミラーであり、第２の反射要素１０６は凹面収束ミラーである。発散ミラーと収束ミラーとの組合せにより２つの面に集束する出力ビームが得られる。図１の実施形態に示すように収束ミラーが１つしかないと非点出力ビームが生じることがある。

２つの増幅器部１０８と１１０が図示されているが、半導体レーザ１００はただ１つの増幅器部１０８または１１０、または３つ以上の増幅器部を有することができることを理解されたい。増幅器部１０８は、反射要素１０４によって反射された発散ビームに対応する発散テーパ・エッジ１１２を有し、同様に、増幅器部１１０は、反射要素１０６によって反射された収束ビームに対応する収束エッジ１１４を有している。

以上、いくつかの例示的な実施形態を添付の図面で説明し図示したが、そのような実施形態は広い本発明を例示するものにすぎず、限定するものではないこと、および当業者なら他の変更形態を思い付くので、本発明は図示し説明した特定の構成および配置に限定されないことを理解されたい。

半導体レーザの図である。 半導体レーザの各層を示す図である。 半導体レーザの代替実施形態の図である。

Claims (26)

1. 第１の増幅器部と、
   分布帰還型レーザ部と、
   前記第１の増幅器部と前記分布帰還型レーザ部の間の光学経路に沿って配置された第１の反射要素とを備える半導体レーザ。
2. 前記分布帰還型レーザ部が格子を含む請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記分布帰還型レーザ部がファブリ−ペロー空洞を含む請求項１に記載の半導体レーザ。
4. 前記第１の増幅器部が一対のテーパ・エッジを有する請求項１に記載の半導体レーザ。
5. 前記第１の反射要素が面発散ミラーである請求項１に記載の半導体レーザ。
6. 光学経路に沿って配置された第２の反射要素をさらに備える請求項１に記載の半導体レーザ。
7. 前記第２の反射要素が面収束ミラーである請求項６に記載の半導体レーザ。
8. 光学経路に沿って配置された第２の増幅器部をさらに備える請求項６に記載の半導体レーザ。
9. 前記第２の増幅器部が一対のテーパ・エッジを有する請求項８に記載の半導体レーザ。
10. 前記面発散ミラーが反射材料の層を含む請求項５に記載の半導体レーザ。
11. コヒーレントな光ビームを発生する分布帰還型レーザ手段と、
    コヒーレントな光ビームを光学的に増幅する増幅器手段と、
    コヒーレントな光ビームを前記分布帰還型レーザ手段から前記増幅器手段に再指向させる反射手段とを備える半導体レーザ。
12. 前記分布帰還型レーザ手段が格子を含む請求項１１に記載の半導体レーザ。
13. 前記分布帰還型レーザ手段がファブリ−ペロー空洞を含む請求項１１に記載の半導体レーザ。
14. 前記増幅器手段が一対のテーパ・エッジを有する請求項１１に記載の半導体レーザ。
15. 前記反射手段が面発散ミラーを含む請求項１１に記載の半導体レーザ。
16. 前記反射手段が面収束ミラーを含む請求項１５に記載の半導体レーザ。
17. 前記増幅器手段が第１の増幅器部および第２の増幅器部を含む請求項１６に記載の半導体レーザ。
18. 前記第１および第２の増幅器部がそれぞれ一対のテーパ・エッジを有する請求項１７に記載の半導体レーザ。
19. 前記面発散ミラーが反射材料の層を含む請求項１５に記載の半導体レーザ。
20. コヒーレントな光ビームを発生させるステップと、
    コヒーレントな光ビームを反射させるステップと、
    コヒーレントな光ビームを増幅させるステップとを含む、半導体レーザを作動させる方法。
21. コヒーレントな光ビームが面発散ミラーによって反射させられる請求項２０に記載の方法。
22. コヒーレントな光ビームがさらに面収束ミラーによって反射させられる請求項２１に記載の方法。
23. 基板上に下側クラッディング層を形成するステップと、
    下側クラッディング層の上に活性層を形成するステップと、
    活性層の上に上側クラッディング層を形成するステップと、
    クラッディング層の上にコンタクト層を形成するステップと、
    下側クラッディング層、活性層および上側クラッディング層に反射要素を形成するステップとを含む、半導体レーザを製作する方法。
24. 反射要素が下側クラッディング層、活性層および上側クラッディング層の各部分をエッチングすることによって形成される請求項２３に記載の方法。
25. 下側クラッディング層、活性層および上側クラッディング層のエッチングされた各部分に反射材料の層が被覆される請求項２４に記載の方法。
26. 活性層中に回折格子を形成するステップをさらに含む請求項２３に記載の方法。

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