JP2545165B2 - 半導体レ―ザ - Google Patents

半導体レ―ザ

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JP2545165B2 JP3191251A JP19125191A JP2545165B2 JP 2545165 B2 JP2545165 B2 JP 2545165B2 JP 3191251 A JP3191251 A JP 3191251A JP 19125191 A JP19125191 A JP 19125191A JP 2545165 B2 JP2545165 B2 JP 2545165B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザに係り、特
にミラーの反射率を制御してレーザしきい値及び放射光
強度を調整する半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザは、通信システムやコンパ
クトディスクプレーヤ等の光源として現代技術において
広く使用されている。代表的な半導体レーザは、狭バン
ドギャップの高屈折率層が広バンドギャップの低屈折率
層によって挟まれたダブルヘテロ構造を有している。狭
バンドギャップ層は「活性層」と呼ばれている。これら
バンドギャップ及び屈折率の差によって電荷キャリア及
び光エネルギの双方が活性層（又は活性領域）に閉じ込
められる。活性層の両端はミラーファセットを有しレー
ザ共振器を構成する。クラッド層は反対導電形を有し、
電流がこの構造を通過するとき、電子及び正孔は活性層
内で結合し光を発する。
【０００３】上記構造には２つの問題点がある。第１
に、活性層はその構造及び基板の主表面に平行な長手方
向の軸を有し、光はその長軸にほぼ平行な方向に放出さ
れる。即ち、この構造のレーザはエッジ放射デバイスと
なる。しかし、多くの場合、光は基板に垂直な方向に放
射される面放射デバイスであることが望ましい。なぜな
らば、例えば、面放射デバイスはエッジ放射デバイスよ
りもアレイ状に製造することが比較的容易であり、アレ
イ構造はイメージ処理やインターチップ通信、即ち光相
互接続などの種々の応用例において有利だからである。
【０００４】第２に、上記構造のレーザは、デバイスを
通過する電流を変化させることによってＯＮ／ＯＦＦ制
御される。このために比較的大きな電流変化が必要とな
り、これは望ましくないことである。
【０００５】種々の面放射デバイスが開発されている
が、この中で有望なものは「垂直キャビティ面放射レー
ザ」である。例えば、オプティカル・エンジニアリング
２９（ｐｐ２１０−２１４、１９９０年３月）、またエ
レクトロニクス・レターズ２６（ｐｐ７１０−７１１、
１９９０年３月２４日）を参照されたい。ここに記載さ
れたレーザは１層以上の量子井戸層の活性層を有してい
る。この量子井戸層にはバリア層が差し込まれている
（インターリーブされている(interleaved)）。活性層
の両側には、インターリーブ半導体層によって形成され
たミラースタックが設けられている。各半導体層は当該
波長の１／４波長厚を有し、レーザ共振器のためのミラ
ーを構成する。活性層の両側には反対導電形の領域が存
在し、レーザは活性層を通る電流を変化させることによ
ってＯＮ及びＯＦＦされる。絶縁体及び金属のミラーと
金属コンタクトを含む種々の変形例も提案開発されてい
る。
【０００６】レーザアレイは基板上に所望層を成長さ
せ、それらの層をパターニングすることによって形成さ
れる。個々のレーザは個別に特定コンタクトと接触す
る。レーザ密度は１００万個／ｃｍ2を超えるものが現
在得られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、垂直キ
ャビティ面放射レーザをＯＮ／ＯＦＦする技術及び垂直
キャビティ面放射レーザから放射される光強度を変化さ
せる技術を更に進歩させることが望ましい。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による垂直キャビ
ティ面放射レーザは、活性領域と、その活性領域の両側
に設けられた第１及び第２のミラーと、前記活性領域へ
キャリアを注入する手段とを有し、前記ミラーのうち少
なくとも一方のミラーの反射率は制御可能となってい
る。前記注入手段は、前記活性層の両側に第１及び第２
の導電形を有する第１及び第２の領域を有しても良い。
一実施例において、活性層は、隣接するミラー領域と導
電率において整合した量子井戸バリア層を有する少なく
とも１つの量子井戸からなる。
【０００９】望ましい実施例において、反射率制御可能
なミラーは、電圧によって光学的特性を制御できる領域
を有する。光学的特性の一例は吸収である。更に望まし
い実施例では、反射率制御可能なミラーは、少なくとも
１つの量子井戸と、その量子井戸の活性層とは反対側に
第１の導電形の領域と、を有する。その量子井戸は、活
性層へキャリアを注入する手段の第２導電形領域に隣接
する真性導電形領域内に存在する。従って、レーザは第
１、第２、真性及び第１導電形の各領域を有する。この
実施例では、ミラーは量子閉じ込めシュタルク効果を用
いてミラーの光学的吸収を変化させ、ミラーの反射率を
制御する。ミラーの反射率は光学的に又は電気的に制御
され得る。
【００１０】
【実施例】図１は、本発明による垂直キャビティ面放射
レーザの一実施例の概略的断面構成図である。ここでは
説明のために単一レーザのみを図示しているが、そのレ
ーザアレイをも考慮していることは明かである。本実施
例における単一レーザは、基板１、第１導電形領域３、
活性層５、第２導電形領域７及び９、量子井戸領域１１
及び第１導電形領域を有する領域１３から構成されてい
る。
【００１１】量子井戸領域１１は真性導電形を有し、１
以上の量子井戸からなる。領域３、７、９及び１３は干
渉ミラーである。領域３は第１ミラーである。領域３及
び７の少なくとも一部は各々第１及び第２導電形を有す
る。残りの部分は同じ導電形を有するか、又は真性導電
形を有しても良い。
【００１２】領域７、９、１１及び１３は反射率を制御
可能な第２の分布ミラーを形成する。典型的な活性層は
バリア層が差し込まれた（インターリーブされた）１以
上の量子井戸領域からなる。このバリア層は量子井戸領
域のバンドギャップより広いバンドギャップを有する層
である。しかしながら、バルク半導体を用いることを排
除するものではない。領域３、７及び１３には、それぞ
れ電気的コンタクト１５、１７及び１３が設けられてい
る。もし基板１が伝導性で半絶縁性でないならば、コン
タクト１５は基板１に物理的に形成されても良い。分離
領域２１は活性層を流れる電流の範囲をほぼ領域１３の
下の範囲に制限する。分離領域２１は例えばディープイ
オン注入によって形成され得る。なお、電流及び光の閉
じ込めには他の方式も可能である。
【００１３】第１及び第２導電形を有する領域３及び７
は活性層へのキャリア注入手段を形成する。第１干渉ミ
ラー及び第２干渉ミラーは、共に複数のインターリーブ
された第１及び第２の半導体層から構成されている。こ
の各層は、当該波長の１／４波長厚を有し、それによっ
て干渉ミラーとなるように構成されている。活性領域及
び干渉ミラーの個々の層は、当業者の知るところである
から個別に図示はしない。
【００１４】本実施例において、基板１は半絶縁性Ｇａ
Ａｓであり、領域３、７、９及び１３は上述したように
ＡｌＡｓ及びＡｌＧａＡｓが交互に積層された構造を有
する。活性領域は、ＡｌＧａＡｓバリア層でインターリ
ーブされた１〜４個のＧａＡｓ量子井戸から構成されて
いる。領域３及び７はＭＢＥ成長層であり、それらは第
１及び第２の導電形を与えるために、それぞれＳｉ及び
Ｂｅでドープされる。量子井戸領域１１は光学的に領域
７に結合されている。即ち、量子井戸による吸収は分布
ミラー内で生じる。領域１１は、ＡｌＧａＡｓバリア層
で分離された少なくとも１つのＧａＡｓ量子井戸を有
し、ＡｌＧａＡｓ真性導電形領域内に位置する。領域１
３は、例えばＡｌＡｓ及びＡｌＧａＡｓの干渉ミラー層
からなり、第１導電形を有する。これらの層の厚さは、
当業者ならば容易に選定できるために詳述しない。他の
半導体を使用することもできる。例えば、ＩＩＩ−ＩＶ
族半導体などである。
【００１５】上記層の形成には、ＭＢＥ（分子線エピタ
キシー）又は有機金属化学気相成長のような周知のエピ
タキシャル成長技術が用いられる。それらの層を成長さ
せた後で、通常のパターニング技術によりアレイ状の個
々のレーザが形成される。個々のレーザへの電気的コン
タクトも形成される。
【００１６】デバイスからの発光強度はミラーの反射率
を制御することによって変化させることができる。量子
閉じ込めシュタルク効果を用いた一実施例を説明する。
このシュタルク効果については周知であり、ミラー、チ
ュムラおよびシュミット−リクが「半導体における光学
的非線形性及び非安定性」（ｐｐ３３９−３４７、アカ
デミック プレス １９８８年）に記載している。基本
的に、励起子吸収は量子井戸における電界の強さに依存
する。図２のグラフは、ゼロ電界励起子の波長より長い
波長での印加電圧（横軸）に対する量子井戸領域の吸収
係数（縦軸）をプロットしたものである。その電圧はコ
ンタクト１９と１７との間、即ちｐ−ｉ−ｎ接合の逆バ
イアスであり、電圧の増大（減少）が電界の増大（減
少）に対応している。なお、説明のために任意の単位が
用いられている。初期電圧はＶｂであり、レーザはその
電圧でＯＦＦである。吸収係数は、比較的小さな電圧変
化でかなり大きく変化し得る。
【００１７】この特性が本実施例で用いられる。垂直キ
ャビティ面放射レーザはレーザ発振のための両ミラース
タックにおいて比較的大きな反射率を必要とする。典型
的にはミラースタックの反射率は９９％以上必要であ
る。量子井戸領域はバイアスに依存するミラーとして機
能し、そのバイアスを適切に変化させることによって、
その吸収の大きさがシフトしてレーザのＯＮ又はＯＦＦ
を行うことができる。例えば、レーザが駆動電流Ｉ1、
印加電圧ＶｂでＯＦＦであったとする。その電圧をゼロ
へ向けて減少させると吸収も減少し、それによってミラ
ースタックの反射率が大きくなる。そしてそのレーザが
ＯＮとなり、低吸収高反射状態での特定光出力が得られ
る。
【００１８】図３には、Ｖ＝Ｖａの時のこの状態が示さ
れている。容易に分かるように、量子井戸領域は、レー
ザがＯＮの時に最小吸収を示す。量子井戸領域は、上述
したように、逆バイアスp-i-n構造の部分を形成する真
性導電形領域に組込まれることが望ましい。小さな電圧
変化だけでミラーの反射率を変化させることができる。
しかし、コンタクト１５及び１７を通して供給される電
流の大きさは、レーザがＯＮ及びＯＦＦに切り換わると
きでも本質的に一定に維持される。このことがアレイ構
造における電源（図示せず）の設計を簡単にし、またそ
れ以外の場合に生じうるレーザアレイからの発熱量の変
化、活性領域のキャリア密度の変化及び共振器での屈折
率変化に起因する諸々の問題を軽減する。
【００１９】面放射レーザの光空間分布及び量子井戸ア
ブソーバ（吸収体）の位置は共に工学的パラメータであ
る。アブソーバをノード近くに置くか又は離して置くか
によって、より大きな吸収又はより小さな吸収がそれぞ
れ得られる。領域７の反射率を増大又は減少させること
によっても、より大きな吸収又はより小さな吸収がそれ
ぞれ得られ、それによって分布ミラーにおける量子井戸
吸収を比較的小さく又は大きくする。更に、量子井戸の
設計及びその数も変更可能である。当業者ならば容易に
適切なパラメータを選択できるであろう。
【００２０】本実施例のレーザは自己ラッチングモード
で使用され得る。レーザがある駆動電流でＯＮになった
後では、光空間の強度は十分大きく、バイアスがＶｂに
復帰したときでも、量子井戸アブソーバはブリーチ状
態、即ち飽和状態である。正確な動作は吸収係数及びレ
ーザパワー、その他パラメータに依存する。レーザ発振
があるレーザ駆動電流で生ずる前では、量子井戸領域で
の吸収は高く共振Ｑは低い。バイアスがゼロボルトへ減
少すると、垂直キャビティのゲインは損失を超え、レー
ザはＯＮとなる。高光強度がアブソーバを飽和させる
と、レーザをＯＦＦにするためにはＶｂではもはや十分
でなく、バイアスを例えば２Ｖｂまで増大させる必要が
あろう。
【００２１】なお、上記制御可能ミラーは電圧制御可能
効果を用いても良い。光は基板又は上部ミラーのいずれ
を通して放射されても良い。また、「垂直」という用語
は基板の主表面に直交するという意味である。また、前
記注入手段は前記活性領域の両側に、第１ミラー、活性
領域及び第２ミラーにより形成される軸に沿って、又は
他の軸に沿って、第１及び第２の導電形領域を設けるこ
ともできる。
【００２２】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
る垂直キャビティ面放射レーザは、レーザ共振器を構成
するミラーの反射率を変化させることでレーザの光強度
変化又はＯＮ／ＯＦＦ制御を行うために、低電流で駆動
できアレイ構成に有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザの一実施例の概略的断面構
成図である。
【図２】本実施例において、印加電圧（横軸）に対する
量子井戸領域の吸収係数（縦軸）をプロットしたグラフ
である。
【図３】本実施例において、２つの電圧レベルにより生
成された２つの異なる反射率条件での駆動電流に対する
光出力をプロットしたグラフである。
【符号の説明】
１ 基板 ３ 第１導電形領域 ５ 活性領域 ７，９ 第２導電形領域 １１ 量子井戸領域 １３ 第１導電形領域を有する領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レオ エム エフ チロブスキー アメリカ合衆国 08807 ニュージャー ジィ、ブリッジウォータ、コーネル ロ ード 1256 (72)発明者 エル エイ ダサーロ アメリカ合衆国 07940 ニュージャー ジィ、マディソン、ウッドクリフ ドラ イブ ７ (72)発明者 ビンセント ディ マテラ アメリカ合衆国 08822 ニュージャー ジィ、フレミントン、レッドウッド テ ラス 23 (72)発明者 ロバート アンソニー モルガン アメリカ合衆国 19562 ペンシルベニ ア、トップトン、イースト スミス ス トリート 20 (56)参考文献 特開 昭60−32381（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−94689（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 活性領域(5)を有する垂直キャビティ面
    放射レーザから成る半導体レーザにおいて、前記活性領
    域の両側に設けられ、少なくとも１つは反射率が制御可
    能な第１ミラー(3)及び第２ミラー(7,9,11,13)と；前記
    活性領域へキャリアを注入する注入手段(17,15)と；を
    有することを特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項２】 前記注入手段は、前記活性領域の両側に
    第１及び第２導電形を有する第１及び第２領域(3,7)を
    有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  3. 【請求項３】 反射率が制御可能な前記ミラーは少なく
    とも１つの量子井戸(11)と第１導電形を有する領域(13)
    とを更に有し、前記第２導電形領域(7)が前記第１導電
    形領域(3,13)の間に存在することを特徴とする請求項２
    記載の半導体レーザ。
  4. 【請求項４】 真性導電形領域(11)を更に有し、その領
    域内に前記少なくとも１つの量子井戸が存在することを
    特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
  5. 【請求項５】 前記ミラー(7,9,11,13)の反射率が光学
    的に制御されることを特徴とする請求項１記載の半導体
    レーザ。
  6. 【請求項６】 前記ミラー(7,9,11,13)の反射率が電気
    的に制御されることを特徴とする請求項１記載の半導体
    レーザ。
  7. 【請求項７】 前記ミラーの少なくとも１つは干渉ミラ
    ーであることを特徴とする請求項２記載の半導体レー
    ザ。
  8. 【請求項８】 前記活性領域は少なくとも１つの量子井
    戸からなることを特徴とする請求項１記載の半導体レー
    ザ。
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