JP3102742B2 - 面発光半導体レーザ装置とこの装置を用いた光通信システム - Google Patents

面発光半導体レーザ装置とこの装置を用いた光通信システム

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JP3102742B2 JP06056798A JP5679894A JP3102742B2 JP 3102742 B2 JP3102742 B2 JP 3102742B2 JP 06056798 A JP06056798 A JP 06056798A JP 5679894 A JP5679894 A JP 5679894A JP 3102742 B2 JP3102742 B2 JP 3102742B2
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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、垂直キャビティ面発光
半導体レーザ装置とこのレーザから放射出力を集光する
手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】垂直キャビティ面発光半導体レーザ装置
は、その高出力パワーと空間コヒーレンスの可能性の故
に注目されている。これに関しては、R.A.Morgan 等、A
ppliedPhysics Letter,Vol.61,p.1160(1992).を参照の
こと。この空間コヒーレンスは光ビームの集光（すなわ
ち、光ファイバ増幅器のポンプレーザ）及び／またはビ
ームの方向性を有するような応用について必要とされ
る。
【０００３】光ビーム集光は、現在のところ、適当な個
別な集光手段、例えば、レンズのような装置を必要とし
ている。このことはコストの増加及び整合ステップを含
むような複雑さが増加する不利な点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、集光出力手段を一体に有するような半導体レーザ装
置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の面発光半導体レ
ーザ装置は、一体形成された集光出力手段を有し、この
手段によりレーザがその外部の点で集光するように、光
放射をさせる。このレーザが集束光ビームであると、レ
ーザから最小距離（焦点距離）の点で、最初の交差部分
を有する。
【０００６】本発明の半導体レーザ装置は、特許請求の
範囲１に記載した通りである。本発明の第１の反射手段
と第２の反射手段は、複数の半導体層からなり、この半
導体層に平行な表面を有し、その放射はこの面を介して
行われる。本発明の半導体レーザ装置は、このレーザ装
置に一体に形成されて、反射率及び／またはゲイン／損
失の空間的変動を有し、この変動は、最も発光しやすい
横断レーザモードでは、レーザ開口からある距離の点で
集光するような遠領域パターンを有するようなモードで
ある。また、この集光手段は、その表面に複数のほぼ同
心状の環状特徴を有する。この実施例においては、この
特徴は、適当に離間した溝で、レーザキャビティに関連
する反射率の局部的変化をもたらす。かくして、得られ
た横断レーザモードは、凸レンズあるいはフレネルゾー
ンプレートを介して、面波が通過するときのような領域
分布に似た領域分布をレーザ内に有する。
【０００７】さらに、本発明はこのようなレーザの放射
出力を利用する装置も有する。例えば、このような装置
である光ファイバ通信システムは、光増幅器とレーザの
放射出力はポンプ放射で、その出力が光ファイバ内に入
射するように光ファイバに集光するよう構成されてい
る。
【０００８】
【実施例】図１は、本発明の一実施例の部分を表す図で
ある。本発明の垂直キャビティ面発光半導体レーザ１０
は、半導体層構造体１４を有し、この半導体層構造体１
４は、多層の第１ミラー１１と、多層の第２ミラー１２
と、クラッド層１１０と、クラッド層１１１と、活性領
域１３とを有する。この半導体層構造体１４の上部表面
に接点層１５が配置されている。これ以外の接点（図示
せず）は公知のものである。接点層１５内のウィンドウ
（通常円形）は、半導体層構造体１４の上部表面１６か
ら光放射を行い、そして、複数の溝状特徴部溝（１７、
１８、１９、…）が上部表面１６に形成されている。好
ましくは、この「溝」は円形で、同心状で、その表面領
域はフレネルゾーンに対応するよう、その半径は選択さ
れている。この溝の間隔は、隣接するゾーンの中心から
焦点までの光学パスの位相が、ｎπだけ異なるように、
選択される。ここで、ｎ＝１、３、５、…、一般的には
ｎ＝１である。
【０００９】他の分離方法も用いることもできる。図１
に示した垂直キャビティ面発光半導体レーザ１０におい
ては、これらの溝は、この溝の位置で最低の強度を有す
るような横断（transverse）レーザモードは、最小の損
失となるように、反射率を規定する。かくして、レーザ
モードとなる。このようにして得られた領域プロファイ
ルは、図２に示したようなものである。レーザ発振領域
２０は、プロトン注入領域で、ｘｙ−平面においてレー
ザ発振を規定し、発振放射はｚ−面となる。
【００１０】本発明によるレーザ装置は、レーザ製造に
適した如何なる方法でも形成できる。例えば、図１、２
に示したレーザは以下のようにして形成できる。従来の
ｎ+ＧａＡｓ基板（１０18ｃｍ-3Ｓｉ）上に、従来のＭ
ＢＥ法により約６００℃で、次の構成を有する層構造を
成長させる。順に、０．５μｍｎ+ＧａＡｓバッファ層
（２×１０18ｃｍ-3Ｓｉ）と、ｎ+ＡｌＧａＡｓ底部ミ
ラー（２×１０18ｃｍ-3Ｓｉ）と、８０ｎｍｎ-Ａｌ
0.16Ｇａ0.84Ａｓの底部クラッド層（１０17ｃｍ-3Ｓ
ｉ）と、アンドープ活性領域と、８０ｎｍｐ-Ａｌ0.16
Ｇａ0.84Ａｓ上部クラッド層（５×１０17ｃｍ-3Ｂｅ）
と、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部ミラーと、５ｎｍｐ++ＡｌＡ
ｓキャップ層（２×１０19ｃｍ-3Ｂｅ）である。底部ミ
ラーは３０対の層からなり、その層厚は、各対の光学厚
さがλ／２であるよう選択される（ここで、λはレーザ
光の波長である）。この対は、Ａｌ0.56Ｇａ0.44Ａｓの
層と、ＡｌＡｓの層と、Ａｌ0.56Ｇａ0.44Ａｓの層と、
Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ａｓの層とからなる。上部ミラーは底
部ミラーと同一である。但し、２０対の層のみを含み、
その最初の２対は、２×１０18ｃｍ-3Ｂｅでドープして
あり、次の１４対は、５×１０18ｃｍ-3Ｂｅでドープし
てあり、最後の４対は、２×１０19ｃｍ-3Ｂｅでドープ
してある。活性領域は、５層の７ｎｍＧａＡｓ量子井戸
とその量子井戸の間に７ｎｍＡｌ0.16Ｇａ0.84Ａｓのバ
リア層を有する。
【００１１】従来の光リソグラフと反応性イオンエッチ
ングを用いて、半導体層構造体１４の上部表面に同心状
の環状の溝状特徴物（約１μｍの幅で、０．３５μｍの
深さ）を数個形成した。溝の間の間隔は、０．８５μｍ
の波長に対して、前記した条件に応じて選択された。本
発明の面発光レーザにおいては、最も外側の溝の直径
は、約１２０μｍであった。従来の光リソグラフと蒸着
を用いて、１５０ｎｍの金層を形成し、溝のそれぞれの
組を包囲する環状の開口を有し、その後、１５ｎｍのＡ
ｕ層を開口を含む全表面に堆積した。この１５ｎｍの層
は、溝に連続的になるようにする必要がある。本発明に
おいては、オフアクシス（off-axis）蒸着ソースを用い
て行った。パターン化されたフォトレジストをプロトン
注入用（３００ｋｅＶで、２．３μｍの深さの注入）の
マスクとして用い、レーザの活性領域を規定した。従来
の酸素注入を用いて、レーザを分離した（ウェーハがク
リーブされた他の場合には、レーザのアレイまたは個別
のアレイが形成される）。基板の裏面を従来通り研磨し
た後、接点金属（ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ）を堆積し、オ
ーミック接点を形成して、このレーザをテストした。
【００１２】実験においては、１２０μｍの直径の開口
を有する上記の方法で製造したレーザのパルスしきい電
流は、２５０ｍＡ（１．８ｋＡ／ｃｍ2）であった。近
領域（near field）ビームパターンと遠領域（far fiel
d）ビームパターン（どちらでも２倍のしきい電流）を
図３と４にそれぞれ示す。遠領域焦点スポット（farfie
ld focal spot）の直径は、約１７μｍ（回折限界の３
倍）、また遠領域焦点は、はっきりと光ビームのコヒー
レンス性を示した。このレーザのスペクトルを、図５に
表す。このレーザのライン幅はスペクトルメーターの限
界であった。このレーザの出力は２００ｍＷ以上であ
る。
【００１３】本発明は、ＧａＡｓ−系光レーザ以外
（例、ＩｎＰ系のレーザ）のような様々な面発光レーザ
において実現することができる。さらに、また本発明の
溝形状は前記したものに限定されるのではなく、レーザ
キャビティに関連する反射率及び／またはゲイン／また
は損失を局部的に変更するようなすべての手段がこの溝
の特徴物と等価のものである。
【００１４】図６は本発明のレーザ装置を用いた光増幅
の６０を表す。信号源６１は、外部信号に応答して、光
放射６２を生成する。この光放射６２は、光ファイバ６
３を介して検知器６４に伝搬する。信号源６１と検知器
６４の間にポンプレーザ６５とポンプ放射６６を増幅フ
ァイバ６７に結合する結合手段６８を有する光増幅器が
配置されている。信号源６１と検知器６４との間の光伝
送パスには、回折格子手段６９を有し、この回折格子手
段６９は、ポンプ放射を反射し、信号放射を通過させ
る。ポンプレーザ６５は、光ファイバの端部に波長９８
０ｎｍのポンプ放射を集光する本発明の面発光レーザで
ある。
【００１５】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明の面発光レ
ーザは従来のレーザとは異なり、集光手段（レンズ）を
内蔵しているために、光ファイバとの結合が効率よく行
うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の垂直キャビティ面発光半導体レーザの
斜視図。
【図２】本発明の垂直キャビティ面発光半導体レーザの
断面図。
【図３】本発明の面発光半導体レーザの近領域パターン
を示す図。
【図４】本発明の面発光半導体レーザの遠領域パターン
を示す図。
【図５】本発明の面発光半導体レーザの出力スペクトル
を表すグラフ。
【図６】本発明の面発光半導体レーザを用いた光ファイ
バ通信システムを表すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 垂直キャビティ面発光半導体レーザ １１ 第１ミラー １２ 第２ミラー １３ 活性領域 １４ 半導体層構造体 １５ 接点層 １６ 上部表面 １７、１８、１９ 溝 ２０ レーザ発振領域 ６１ 信号源 ６２ 放射 ６３ 光ファイバ ６４ 検知器 ６５ ポンプレーザ ６６ ポンプ放射 ６７ 増幅ファイバ ６８ 結合手段 ６９ 回折格子手段 １１０、１１１ クラッド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−1290（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−38271（ＪＰ，Ａ) Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ 16 ［12］（1991）ｐ．919−921 ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ ｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｍｅｅｔｉｎｇ（1993）ｐ．593−595 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01S 3/10 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 垂直共振器型面発光レーザを有する装置
    において、該レーザは、 レーザキャビティを定める第１および第２のミラー（１
    １，１２）と、該第１および第２のミラーの間に該ミラ
    ーと平行に配置された活性領域（１３）とからなる半導
    体層構造体（１４）と、 光放射出力を生成できるよう前記半導体層構造体に電流
    を流す接点手段（１５）と、 相異なる半径を有するほぼ同心円状の特徴構造（１７，
    １８，...）とを有し、 前記特徴構造は、 （ｉ）少なくとも一方のミラーの反射率の局所的変化、
    または、 （ｉｉ）前記レーザの利得もしくは損失の局所的変化、
    または、 （ｉｉｉ）少なくとも一方のミラーの反射率の局所的変
    化と、前記レーザの利得もしくは損失の局所的変化の両
    方、 を生じるように選択され、 前記局所的変化どうしの間の間隔は半径方向に一定では
    なく、前記局所的変化によって前記レーザは高次の横モ
    ードで発振することにより、前記レーザキャビティおよ
    び前記ミラーから離れた集光手段を通らずに、前記レー
    ザの光放射出力が前記レーザから離れた焦点にほぼ集光
    することを特徴とする、面発光レーザを有する装置。
  2. 【請求項２】 前記第１および第２のミラー（１１，１
    ２）はそれぞれ複数の半導体層からなり、 前記半導体層構造体（１４）は、半導体基板上に形成さ
    れ、該半導体基板から離れた前記半導体層にほぼ平行な
    表面を有し前記表面は前記特徴構造を有し、 前記特徴構造はミラーの反射率の局所的変化を生じるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記特徴構造は、前記表面の凹部からな
    ることを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記特徴構造は、前記表面に形成された
    環状の溝であり、すべての溝はほぼ同じ幅であることを
    特徴とする請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記光放射出力は前記表面を通して放射
    されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記装置は、信号源（６１）と、検知器
    （６４）と、該信号源と検知器の間に配置される光ファ
    イバ増幅器手段（６３）とを有する光通信システムであ
    り、 前記光ファイバ増幅器手段は、 ポンプ放射（６６）を出力するポンプ放射源（６５）
    と、前記光ファイバ増幅器手段に前記ポンプ放射を結合
    する結合手段（６８）とを有し、 前記ポンプ放射源は前記レーザであることを特徴とする
    請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】 共通の基板上に複数のレーザを有するこ
    とを特徴とする請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】 ｎを奇数として、前記局所的変化どうし
    の間の間隔は、１つの局所的変化の中心から前記焦点ま
    での光路に対応する位相が、該１つの局所的変化の隣の
    局所的変化の中心から前記焦点までの光路に対応する位
    相とｎπだけ異なることを特徴とする請求項１に記載の
    装置。
JP06056798A 1993-03-04 1994-03-03 面発光半導体レーザ装置とこの装置を用いた光通信システム Expired - Lifetime JP3102742B2 (ja)

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