JP3524316B2 - ヘテロ構造レーザ - Google Patents
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エルビウムがドー
プされた増幅器（以下、エルビウム・ドープ増幅器と称
する）を、0.98μｍでポンピングするのに便利なレーザ
・ヘテロ構造ダイオードおよび、新しく開発されたレー
ザ・ダイオードを用いてポンピングされるエルビウム増
幅器装置に関する。
プされた増幅器（以下、エルビウム・ドープ増幅器と称
する）を、0.98μｍでポンピングするのに便利なレーザ
・ヘテロ構造ダイオードおよび、新しく開発されたレー
ザ・ダイオードを用いてポンピングされるエルビウム増
幅器装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】光波通信システムの有効性は、エルビウ
ム・ドープ増幅器、すなわち真の光増幅器の発見によ
り、劇的に向上した。エルビウム増幅器の構造は、一次
エレメントがエルビウム・ドープ・ファイバの長さであ
るという、極めて単純なものである。しかし、この装置
が広く一般に使われるようになるには、有効な光ポンプ
の開発を待たねばならなかったが、これが、エルビウム
・ドープ増幅器それ自体よりも、少々骨の折れることと
なった。エルビウム・ドープ石英ガラスは、非常に効率
的に0.98μｍで吸収するが、エルビウム増幅器が発見さ
れた時点では、0.98μｍの吸収帯を効率よくポンピング
することができるような実用的なレーザは、存在しなか
った。それ以後、適切なレーザが、開発されたが、それ
は、GaAs導波層およびAlGaAs被覆層（クラッド層）を使
った三元GaInAs量子井戸構造であった。アルミニウム含
有率の高い層は、アルミニウムによって誘導される屈折
率変動が大きいために、光閉込めに効果的であるという
ことが分かった。しかし、こういった効果を得るには、
大量のアルミニウムが必要となり、これらの構造中にア
ルミニウムが含有されていることが操作上の問題点を引
き起こすということが現在判っている。アルミニウムは
活性成分であり、十分に保護しないと、これらの構造で
は酸化してしまう傾向がある。さらに、アルミニウム含
有率が高いGaAsは、機械的に頑丈であり、これが、三元
材料に、暗線欠陥伝搬を被りやすくさせる。これらの効
果は両方とも、特に高い出力電源になるまで駆動した場
合、動作寿命を縮める原因となる。
ム・ドープ増幅器、すなわち真の光増幅器の発見によ
り、劇的に向上した。エルビウム増幅器の構造は、一次
エレメントがエルビウム・ドープ・ファイバの長さであ
るという、極めて単純なものである。しかし、この装置
が広く一般に使われるようになるには、有効な光ポンプ
の開発を待たねばならなかったが、これが、エルビウム
・ドープ増幅器それ自体よりも、少々骨の折れることと
なった。エルビウム・ドープ石英ガラスは、非常に効率
的に0.98μｍで吸収するが、エルビウム増幅器が発見さ
れた時点では、0.98μｍの吸収帯を効率よくポンピング
することができるような実用的なレーザは、存在しなか
った。それ以後、適切なレーザが、開発されたが、それ
は、GaAs導波層およびAlGaAs被覆層（クラッド層）を使
った三元GaInAs量子井戸構造であった。アルミニウム含
有率の高い層は、アルミニウムによって誘導される屈折
率変動が大きいために、光閉込めに効果的であるという
ことが分かった。しかし、こういった効果を得るには、
大量のアルミニウムが必要となり、これらの構造中にア
ルミニウムが含有されていることが操作上の問題点を引
き起こすということが現在判っている。アルミニウムは
活性成分であり、十分に保護しないと、これらの構造で
は酸化してしまう傾向がある。さらに、アルミニウム含
有率が高いGaAsは、機械的に頑丈であり、これが、三元
材料に、暗線欠陥伝搬を被りやすくさせる。これらの効
果は両方とも、特に高い出力電源になるまで駆動した場
合、動作寿命を縮める原因となる。
【０００３】アルミニウムを含有していない他のダイオ
ード構造が、被覆材料としてGaInPをベースに、開発さ
れた。こういった他の材料は、三元アルミニウムのよう
に酸化したりしないし、暗線欠陥伝搬を被ることがな
い。しかし、これらの改良点も、電気閉込めおよび光閉
込めの低減によって、相殺される。この材料とGaAs導波
層間との屈折率の差は、アルミニウムを含有する材料を
使った場合よりも小さく、従って、光閉込めの方は効率
が悪く、伝導帯オフセットが少ない方が、結果的に、電
気閉込めの効率が悪くなる。
ード構造が、被覆材料としてGaInPをベースに、開発さ
れた。こういった他の材料は、三元アルミニウムのよう
に酸化したりしないし、暗線欠陥伝搬を被ることがな
い。しかし、これらの改良点も、電気閉込めおよび光閉
込めの低減によって、相殺される。この材料とGaAs導波
層間との屈折率の差は、アルミニウムを含有する材料を
使った場合よりも小さく、従って、光閉込めの方は効率
が悪く、伝導帯オフセットが少ない方が、結果的に、電
気閉込めの効率が悪くなる。
【０００４】単に、被覆層のアルミニウム含有率を減ら
すことは、初めは、第三のオプションと思われるであろ
う。しかし、こうした処置は、それ自体、電気閉込めを
大幅に減らすことになる。同様に、アルミニウム層を非
常に薄くすることにより、構造中のアルミニウムの全含
有量を減らすことになるが、結果的には、不適切な光閉
込めとなる。0.98μｍで放出するレーザを作り出そうと
する従来技術における試みに関する詳細については、１
９９０年９月号の「エレクトロニックレター(Electroni
c Letters)」Vol.26、No.20、第1641頁乃至第1643頁に記
載のＭ・シムズ他による、「11.0dB/mW という極めて高
い利得係数を持つエルビウム・ドープ・ファイバ増幅器
(Erbium-Doped Fiber Amplifiers with an Extremely h
igh GainCoefficient of 11.0 dB/mW) 」に説明されて
いる。
すことは、初めは、第三のオプションと思われるであろ
う。しかし、こうした処置は、それ自体、電気閉込めを
大幅に減らすことになる。同様に、アルミニウム層を非
常に薄くすることにより、構造中のアルミニウムの全含
有量を減らすことになるが、結果的には、不適切な光閉
込めとなる。0.98μｍで放出するレーザを作り出そうと
する従来技術における試みに関する詳細については、１
９９０年９月号の「エレクトロニックレター(Electroni
c Letters)」Vol.26、No.20、第1641頁乃至第1643頁に記
載のＭ・シムズ他による、「11.0dB/mW という極めて高
い利得係数を持つエルビウム・ドープ・ファイバ増幅器
(Erbium-Doped Fiber Amplifiers with an Extremely h
igh GainCoefficient of 11.0 dB/mW) 」に説明されて
いる。
【０００５】
【発明の概要】アルミニウムが含有されたヘテロ構造の
電気的および光学的利点を実現する、0.98μｍで作動す
るレーザを開発したが、しかし、それは、アルミニウム
含有率が高くなることに伴う欠陥を大幅に除去するもの
である。それは、二重の被覆層を使って、前述した構造
のそれぞれのプラスの属性を獲得している。ｎ側および
ｐ側の二重被覆層は、それぞれ異なっており、屈折率お
よびバンドギャップの両方において、縦断面図が非対称
をなしている。ｐ側の二重被覆層は、導波層に近接する
第一のAlGaInP 層および、GaInP の第二の被覆層とを含
む。AlGaInP 層は、従来技術における通常の二重層より
もアルミニウム含有率が低い。ｎ被覆二重層は、AlInP
の第一層とGaInP の第二層とを含む。この非対称をなす
二重被覆層構造は、前述の両方のヘテロ構造のバンドギ
ャップよりも、接合点のｎ側およびｐ側の両方において
の方が、大きなバンドギャップの差がある。その結果、
この構造の搬送波閉込めも、また、従来技術構造のもの
よりも優れており、また、屈折率の差もさらに大きく、
そのため光閉込めも優れている。
電気的および光学的利点を実現する、0.98μｍで作動す
るレーザを開発したが、しかし、それは、アルミニウム
含有率が高くなることに伴う欠陥を大幅に除去するもの
である。それは、二重の被覆層を使って、前述した構造
のそれぞれのプラスの属性を獲得している。ｎ側および
ｐ側の二重被覆層は、それぞれ異なっており、屈折率お
よびバンドギャップの両方において、縦断面図が非対称
をなしている。ｐ側の二重被覆層は、導波層に近接する
第一のAlGaInP 層および、GaInP の第二の被覆層とを含
む。AlGaInP 層は、従来技術における通常の二重層より
もアルミニウム含有率が低い。ｎ被覆二重層は、AlInP
の第一層とGaInP の第二層とを含む。この非対称をなす
二重被覆層構造は、前述の両方のヘテロ構造のバンドギ
ャップよりも、接合点のｎ側およびｐ側の両方において
の方が、大きなバンドギャップの差がある。その結果、
この構造の搬送波閉込めも、また、従来技術構造のもの
よりも優れており、また、屈折率の差もさらに大きく、
そのため光閉込めも優れている。
【０００６】改良形ヘテロ構造レーザは、潜在的に、様
々な用途に有効ではあるが、エルビウム・ドープ・ファ
イバ増幅器をポンピングするために開発された。そし
て、それに適したエルビウム・ドープ・ファイバ導波層
を持つヘテロ構造レーザを、信号入力および出力手段と
組み合わせることにより、本発明の追加実施例を形成す
る。
々な用途に有効ではあるが、エルビウム・ドープ・ファ
イバ増幅器をポンピングするために開発された。そし
て、それに適したエルビウム・ドープ・ファイバ導波層
を持つヘテロ構造レーザを、信号入力および出力手段と
組み合わせることにより、本発明の追加実施例を形成す
る。
【０００７】エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器は、
1.480 μｍまたは、0.98μｍのいずれかでポンピングさ
せることができる。1.480 μｍで放出するポンプ・レー
ザは、信頼性が高いとみなされているが、0.98μｍで作
動するものには、注入電流および冷却が少なくてすむ。
これにより、電気出力の必要量を減らすことができる。
信頼できる性能と、適当な耐用年数を持った、0.98μｍ
で放出するポンプ・レーザが、作り出せるとしたなら
ば、それらは、理論上適切な選択となる。本発明は、そ
の目標を達成することをめざしている。
1.480 μｍまたは、0.98μｍのいずれかでポンピングさ
せることができる。1.480 μｍで放出するポンプ・レー
ザは、信頼性が高いとみなされているが、0.98μｍで作
動するものには、注入電流および冷却が少なくてすむ。
これにより、電気出力の必要量を減らすことができる。
信頼できる性能と、適当な耐用年数を持った、0.98μｍ
で放出するポンプ・レーザが、作り出せるとしたなら
ば、それらは、理論上適切な選択となる。本発明は、そ
の目標を達成することをめざしている。
【０００８】
【発明の詳細な記述】アルミニウム含有率の高いヘテロ
構造の電気および光閉込めの特徴が、図１に示されてい
る。導波層および被覆層を持つレーザ構造が、グラフの
右側の縦座標軸に、距離（ｄ）として示されている。多
重層構造の厚みから、距離（ｄ）が取られる。活性レー
ザ領域は、GaAs導波層によって境界線を付けられたGa
0.8In0.2Asの量子井戸構造を含む。活性レーザ領域の構
成および特徴については、技術上周知である。これま
で、GaInAs量子井戸構造を使った本発明について説明し
てきたが、例えば、0.98μｍで放出するレーザを作るの
に、一部、リンが、ひ素の代用となることは周知であ
る。この説明の中で、この種のレーザ・ダイオード構造
に共通している、多重量子井戸、超格子および、傾斜バ
ンドギャップの領域といった、多くの可能な順列につい
て説明を加えることはしなかった。本発明に関するレー
ザ・ダイオードのほとんどは、GaAsをベースした材料で
あり、GaAsをベースにした活性領域についての参考資料
が、当業者には、意図された意味を伝えるのに十分であ
ることは理解されるであろう。
構造の電気および光閉込めの特徴が、図１に示されてい
る。導波層および被覆層を持つレーザ構造が、グラフの
右側の縦座標軸に、距離（ｄ）として示されている。多
重層構造の厚みから、距離（ｄ）が取られる。活性レー
ザ領域は、GaAs導波層によって境界線を付けられたGa
0.8In0.2Asの量子井戸構造を含む。活性レーザ領域の構
成および特徴については、技術上周知である。これま
で、GaInAs量子井戸構造を使った本発明について説明し
てきたが、例えば、0.98μｍで放出するレーザを作るの
に、一部、リンが、ひ素の代用となることは周知であ
る。この説明の中で、この種のレーザ・ダイオード構造
に共通している、多重量子井戸、超格子および、傾斜バ
ンドギャップの領域といった、多くの可能な順列につい
て説明を加えることはしなかった。本発明に関するレー
ザ・ダイオードのほとんどは、GaAsをベースした材料で
あり、GaAsをベースにした活性領域についての参考資料
が、当業者には、意図された意味を伝えるのに十分であ
ることは理解されるであろう。
【０００９】再び、図１において、閉込めについて、関
連の光学的および電気的特性、（すなわち、屈折率およ
びエネルギー帯）については、図示された通り、二重の
横座標軸にグラフで示されている。屈折率が0.98μｍで
測定された。バンドギャップは、ゼロ磁場の条件下で、
電子ボルト（ｅＶ）で表される。層のそれぞれの特徴的
なバンドギャップが表示されている。この二重グラフを
用いると、多重レベル構造における関連特性の側面が、
検査の際、明らかとなってくる。活性レーザ領域および
閉込め層との間のステップ高は、電気および光閉込めの
有効性を示す。
連の光学的および電気的特性、（すなわち、屈折率およ
びエネルギー帯）については、図示された通り、二重の
横座標軸にグラフで示されている。屈折率が0.98μｍで
測定された。バンドギャップは、ゼロ磁場の条件下で、
電子ボルト（ｅＶ）で表される。層のそれぞれの特徴的
なバンドギャップが表示されている。この二重グラフを
用いると、多重レベル構造における関連特性の側面が、
検査の際、明らかとなってくる。活性レーザ領域および
閉込め層との間のステップ高は、電気および光閉込めの
有効性を示す。
【００１０】明らかなように、AlGaAs被覆層を持つヘテ
ロ構造の閉込め特性は、良好である。しかし、前述の通
り、このヘテロ構造には、望ましくない老化特性があ
る。
ロ構造の閉込め特性は、良好である。しかし、前述の通
り、このヘテロ構造には、望ましくない老化特性があ
る。
【００１１】アルミニウムが含有されていないヘテロ構
造、つまり、GaInP 被覆層を持った構造が、図２に示さ
れている。電気および光封込めの両方を減少させること
は、図１と比較してみると、明白である。よって、有効
耐用年数はより長くなるが、一方、この構造を持つダイ
オードは効率が低くなる。AlGaAsを閉込め層材料として
いる最新鋭の0.98μｍレーザ・ダイオードは、約１Ｗ／
Ａの出力勾配効率を有しているが、一方、GaInP 閉込め
領域を持つダイオードは、通常、0.8 Ｗ／Ａの出力勾配
効率を有する。効率が低いということは、同一の出力に
達成するのに、GaInP 装置では駆動電流をより多く必要
とするということである。駆動電流を高くすればする
程、装置の運転温度を上昇させ、ひいてはそれが老化を
加速させて、別に改良された装置の耐用年数を相殺する
ことになる。
造、つまり、GaInP 被覆層を持った構造が、図２に示さ
れている。電気および光封込めの両方を減少させること
は、図１と比較してみると、明白である。よって、有効
耐用年数はより長くなるが、一方、この構造を持つダイ
オードは効率が低くなる。AlGaAsを閉込め層材料として
いる最新鋭の0.98μｍレーザ・ダイオードは、約１Ｗ／
Ａの出力勾配効率を有しているが、一方、GaInP 閉込め
領域を持つダイオードは、通常、0.8 Ｗ／Ａの出力勾配
効率を有する。効率が低いということは、同一の出力に
達成するのに、GaInP 装置では駆動電流をより多く必要
とするということである。駆動電流を高くすればする
程、装置の運転温度を上昇させ、ひいてはそれが老化を
加速させて、別に改良された装置の耐用年数を相殺する
ことになる。
【０１１２】図３は、ヘテロジャンクション・システム
に関して、実験で確認された伝導帯および価電子帯の不
連続性をグラフに示したものである。 (AlxGa1-x)0.51In0.49P /Ga0.51In0.49P ５Ｋの時の、伝導帯オフセット（ΔＥc）および価電子
帯オフセット（ΔＥv）が、ヘテロジャンクション・シ
ステムのバリヤ構成（ｙ）と対比してグラフに示されて
いる。 Ga0.52In0.48P/(AlyGa1-y)0.52In0.48P 閉じた丸は、ＥΓを示し、破線はＥx を示す。技術上の
詳細については、Ｓ．Ｐ．ナジャ他による１９９５年版
「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」７７の第3412頁を参照された
い。
に関して、実験で確認された伝導帯および価電子帯の不
連続性をグラフに示したものである。 (AlxGa1-x)0.51In0.49P /Ga0.51In0.49P ５Ｋの時の、伝導帯オフセット（ΔＥc）および価電子
帯オフセット（ΔＥv）が、ヘテロジャンクション・シ
ステムのバリヤ構成（ｙ）と対比してグラフに示されて
いる。 Ga0.52In0.48P/(AlyGa1-y)0.52In0.48P 閉じた丸は、ＥΓを示し、破線はＥx を示す。技術上の
詳細については、Ｓ．Ｐ．ナジャ他による１９９５年版
「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」７７の第3412頁を参照された
い。
【００１３】図３にある関連側面については、価電子帯
の不連続性が、Alモル分率が上昇するにつれ、一本調子
で増大し続けるが、一方、伝導帯オフセットは、最大５
０％Al近くまで達する。従って、２つの材料間の屈折率
ステップが、引き続き上昇し続ける（望ましい事）とは
いえ、Al濃度がこの数値を超えると、電子閉込めには、
それ以上何らの改善もみられない。事実、アルミニウム
含有率が、約５０％を超えると、電気閉込めが低下す
る。さらに、電子空乏層はｐタイプであり、抵抗性が低
いｐタイプの(AlxGal-x)0.51In0.49P となるだろう。但
し、Ａｌ＞７５％とするのは難しい。追加加熱（Ｉ
2Ｒ） 損失は、装置の耐用年数に壊滅的な打撃を与える
だろう。
の不連続性が、Alモル分率が上昇するにつれ、一本調子
で増大し続けるが、一方、伝導帯オフセットは、最大５
０％Al近くまで達する。従って、２つの材料間の屈折率
ステップが、引き続き上昇し続ける（望ましい事）とは
いえ、Al濃度がこの数値を超えると、電子閉込めには、
それ以上何らの改善もみられない。事実、アルミニウム
含有率が、約５０％を超えると、電気閉込めが低下す
る。さらに、電子空乏層はｐタイプであり、抵抗性が低
いｐタイプの(AlxGal-x)0.51In0.49P となるだろう。但
し、Ａｌ＞７５％とするのは難しい。追加加熱（Ｉ
2Ｒ） 損失は、装置の耐用年数に壊滅的な打撃を与える
だろう。
【００１４】これらの原則を理解した上で、新しいヘテ
ロ構造を開発した。このヘテロ構造は、図２の構造の耐
用年数中の性能に優れており、且つ図１の構造の閉込め
特性も共に優れている。この新しいヘテロ構造は、ｎ側
とｐ側で異なる構成の閉込め層を有する。そして、それ
らの閉込め特性において、若干非対称をなす。閉込め層
または、被覆層には、次の公称式がある。
ロ構造を開発した。このヘテロ構造は、図２の構造の耐
用年数中の性能に優れており、且つ図１の構造の閉込め
特性も共に優れている。この新しいヘテロ構造は、ｎ側
とｐ側で異なる構成の閉込め層を有する。そして、それ
らの閉込め特性において、若干非対称をなす。閉込め層
または、被覆層には、次の公称式がある。
【００１５】この構造の電気および光閉込め側面図が、
図４に示されている。理解されるように、GaAs導波層と
第一被覆層との間のバンドギャップの差は、ｎ側で、0.
926eV 、ｐ側で、0.776 eVである。この数値は、図１の
構造における0.656eV の差とよい対照をなしている。
図４に示されている。理解されるように、GaAs導波層と
第一被覆層との間のバンドギャップの差は、ｎ側で、0.
926eV 、ｐ側で、0.776 eVである。この数値は、図１の
構造における0.656eV の差とよい対照をなしている。
【００１６】図３の構造における層の厚みに関する数値
の範囲は、好適な実施例に規定することができる。接触
層の厚さは、非臨界であり、通常、0.05乃至１ミクロン
である。アルミニウムを全く含有していない三元（外
側）被覆層は、0.5 乃至2.0 ミクロンと、比較的薄い。
内側の被覆層は、適量のアルミニウムを含有している
が、例えば、1000オングストロームと、薄い。しかし、
厚みは、通常、100 乃至2000オングストロームまでの範
囲で様々に異なる。導波層は、通常、1000乃至1500オン
グストローム厚だが、500 乃至3000オングストロームま
での範囲で様々に異なることがある。量子井戸層は、通
常、５０乃至150 オングストロームと、非常に薄い。厚
みが薄くなればなる程、より多くのインジウムが必要と
なり、厚みが増えれば増える程、インジウムは少なくて
すむ。前述の通り、活性領域には、多くの代替例がある
が、これらは、本発明の一部をなすものではない。
の範囲は、好適な実施例に規定することができる。接触
層の厚さは、非臨界であり、通常、0.05乃至１ミクロン
である。アルミニウムを全く含有していない三元（外
側）被覆層は、0.5 乃至2.0 ミクロンと、比較的薄い。
内側の被覆層は、適量のアルミニウムを含有している
が、例えば、1000オングストロームと、薄い。しかし、
厚みは、通常、100 乃至2000オングストロームまでの範
囲で様々に異なる。導波層は、通常、1000乃至1500オン
グストローム厚だが、500 乃至3000オングストロームま
での範囲で様々に異なることがある。量子井戸層は、通
常、５０乃至150 オングストロームと、非常に薄い。厚
みが薄くなればなる程、より多くのインジウムが必要と
なり、厚みが増えれば増える程、インジウムは少なくて
すむ。前述の通り、活性領域には、多くの代替例がある
が、これらは、本発明の一部をなすものではない。
【００１７】先程述べたヘテロ構造レーザは、エルビウ
ム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のポンプとし
て、理想的な程、適している。そういった装置は、今で
は技術上周知であるが、これらについては、例えば、１
９９２年１月／２月号のＡＴ＆Ｔテクニカル・ジャーナ
ル誌(AT&T Technical Journal)の第５３頁乃至第６２頁
に記載の、ジスキンド他による、「エルビウム・ドープ
・ファイバ増幅器および次世代光波システム(Erbium-Do
pe Fiber Amplifiers and the Next Generation of Lig
htwave System)」に説明されている。ファイバ増幅器
は、信号波長が1550nmの時、高利得、高出力および低ノ
イズで作動する。エルビウム・ファイバは、通常、エル
ビウムが0.1 ％以下（例えば、500ppm）でドープされた
核を持つ光ファイバの短い距離である。エルビウム・ド
ープ・ファイバは、都合の良いことに、技術上周知であ
る、改良された化学物質蒸気沈着の技術によって作られ
る。エルビウム・ファイバ技術についてさらに詳しく
は、1988年１２月号の「ＩＥＥＥ会報(IEEE Proceeding
s) 」、Vol.135、パートＪ、No.6の第385頁乃至第405頁
に記載のＰ．ウルクァントによる「希土類ドープ・ファ
イバ・レーザおよび増幅器に関する考察(Review of Rar
e Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers)」に説明
されている。
ム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のポンプとし
て、理想的な程、適している。そういった装置は、今で
は技術上周知であるが、これらについては、例えば、１
９９２年１月／２月号のＡＴ＆Ｔテクニカル・ジャーナ
ル誌(AT&T Technical Journal)の第５３頁乃至第６２頁
に記載の、ジスキンド他による、「エルビウム・ドープ
・ファイバ増幅器および次世代光波システム(Erbium-Do
pe Fiber Amplifiers and the Next Generation of Lig
htwave System)」に説明されている。ファイバ増幅器
は、信号波長が1550nmの時、高利得、高出力および低ノ
イズで作動する。エルビウム・ファイバは、通常、エル
ビウムが0.1 ％以下（例えば、500ppm）でドープされた
核を持つ光ファイバの短い距離である。エルビウム・ド
ープ・ファイバは、都合の良いことに、技術上周知であ
る、改良された化学物質蒸気沈着の技術によって作られ
る。エルビウム・ファイバ技術についてさらに詳しく
は、1988年１２月号の「ＩＥＥＥ会報(IEEE Proceeding
s) 」、Vol.135、パートＪ、No.6の第385頁乃至第405頁
に記載のＰ．ウルクァントによる「希土類ドープ・ファ
イバ・レーザおよび増幅器に関する考察(Review of Rar
e Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers)」に説明
されている。
【００１８】代表的なＥＤＦＡ装置の構造は、図５の略
図に示されている。ヘテロ構造のレーザ・ポンプが５１
に示されており、波長分割マルチプレクサ５２に連結さ
れている。増幅される信号は、入力５５に示されている
が、マルチプレクサ５２からのポンプ・エネルギーと組
み合わされる。破線の矢印は、ポンプ光を表し、直線の
矢印は信号を表す。組み合わされたポンプと信号光線
は、融着接続５９を介してエルビウム増幅器５３に接続
される。ポンプ光は、ファイバのエルビウム・ドープ部
分５３に添って伝搬していくにつれて、ポンプ・エネル
ギーが、励起状態にまで引き上げられるエルビウム・イ
オンにより吸収されるために、ポンプ光は枯渇してい
く。信号は、励起されたエルビウム・イオンに占領され
ている領域を貫通して伝搬するために、励起されたイオ
ンからのエネルギー放出を刺激し、それにより増幅され
る。増幅された信号は、不要なフィードバックを阻止す
るために、光アイソレータ５７を通して処理され、残り
のポンプ・エネルギーは、光フィルタ５８によって濾過
される。増幅された出力は、５４に示される。
図に示されている。ヘテロ構造のレーザ・ポンプが５１
に示されており、波長分割マルチプレクサ５２に連結さ
れている。増幅される信号は、入力５５に示されている
が、マルチプレクサ５２からのポンプ・エネルギーと組
み合わされる。破線の矢印は、ポンプ光を表し、直線の
矢印は信号を表す。組み合わされたポンプと信号光線
は、融着接続５９を介してエルビウム増幅器５３に接続
される。ポンプ光は、ファイバのエルビウム・ドープ部
分５３に添って伝搬していくにつれて、ポンプ・エネル
ギーが、励起状態にまで引き上げられるエルビウム・イ
オンにより吸収されるために、ポンプ光は枯渇してい
く。信号は、励起されたエルビウム・イオンに占領され
ている領域を貫通して伝搬するために、励起されたイオ
ンからのエネルギー放出を刺激し、それにより増幅され
る。増幅された信号は、不要なフィードバックを阻止す
るために、光アイソレータ５７を通して処理され、残り
のポンプ・エネルギーは、光フィルタ５８によって濾過
される。増幅された出力は、５４に示される。
【００１９】図４の構成によって示されるダイオードの
出力曲線が、図６に示されている。出力（ｍＷ）は、ダ
イオード電流（ｍＡ）に対してグラフで示されている。
しきい値電流は250mA で、電流密度は588A/cm2、そし
て、出力勾配は、0.73W/A である。この装置の出力勾配
はしきい値以下であると考えられる。そして、最適値
は、アルミニウム含有率の高い装置によって得られる最
良の出力傾斜に匹敵するものと思われる。
出力曲線が、図６に示されている。出力（ｍＷ）は、ダ
イオード電流（ｍＡ）に対してグラフで示されている。
しきい値電流は250mA で、電流密度は588A/cm2、そし
て、出力勾配は、0.73W/A である。この装置の出力勾配
はしきい値以下であると考えられる。そして、最適値
は、アルミニウム含有率の高い装置によって得られる最
良の出力傾斜に匹敵するものと思われる。
【００２０】当業者には、本発明にさらに様々な変更修
正を加えることを思いつかれることであろう。例えば、
本明細書で説明された三元および四元の組成物は、本質
的に非化学量論であり、表示されたモル分率が、唯一好
ましい数値である。本発明を実行するのに必要な特性を
そのまま維持しながら、これらの分率とは若干の変動が
生じうる。そういった変動は、特定の組成や他の状況に
よって変わってくるが、一般論としては、本明細書に説
明された測定値を２倍にする目的で、＋／−0.04の変動
が妥当とみなされるであろう。図４に示された装置の層
の構成に関する一般的な公式は、以下の通り。 外側被覆層：GaxIn1-xP ｐタイプの内部被覆層：(AlyGa1-y)zIn1-zP ｎタイプの内部被覆層：AlaIn1-aP 量子井戸：GabIn1-bAs 但し、ｘは0.48乃至0.54の範囲の数値であり、ｙは0.40
乃至0.60の範囲の数値であり、ｚは0.48乃至0.54の範囲
の数値であり、ａは0.48乃至0.60の範囲の数値であり、
そして、ｂは0.15乃至1.0 までの範囲の数値である。
正を加えることを思いつかれることであろう。例えば、
本明細書で説明された三元および四元の組成物は、本質
的に非化学量論であり、表示されたモル分率が、唯一好
ましい数値である。本発明を実行するのに必要な特性を
そのまま維持しながら、これらの分率とは若干の変動が
生じうる。そういった変動は、特定の組成や他の状況に
よって変わってくるが、一般論としては、本明細書に説
明された測定値を２倍にする目的で、＋／−0.04の変動
が妥当とみなされるであろう。図４に示された装置の層
の構成に関する一般的な公式は、以下の通り。 外側被覆層：GaxIn1-xP ｐタイプの内部被覆層：(AlyGa1-y)zIn1-zP ｎタイプの内部被覆層：AlaIn1-aP 量子井戸：GabIn1-bAs 但し、ｘは0.48乃至0.54の範囲の数値であり、ｙは0.40
乃至0.60の範囲の数値であり、ｚは0.48乃至0.54の範囲
の数値であり、ａは0.48乃至0.60の範囲の数値であり、
そして、ｂは0.15乃至1.0 までの範囲の数値である。
【００２１】外側の被覆層が、一般的な公式の範囲内で
あれば、種々様々な構成を有することは明らかであるの
で、従って、「ｘ」は、それぞれの層において、ｘまた
はｘ’と指定することができる。
あれば、種々様々な構成を有することは明らかであるの
で、従って、「ｘ」は、それぞれの層において、ｘまた
はｘ’と指定することができる。
【００２２】先程上述した変動幅とその他の変動幅およ
び同等の実施例は、基本的には、本発明がそれを基に技
術を進歩させることができた教示に依っているが、本明
細書に記載の、且つ特許請求の範囲に記載された本発明
の範囲内であると考えられる。
び同等の実施例は、基本的には、本発明がそれを基に技
術を進歩させることができた教示に依っているが、本明
細書に記載の、且つ特許請求の範囲に記載された本発明
の範囲内であると考えられる。
【図１】横座標軸に二重に屈折率およびエネルギー・レ
ベルをプロットした二重グラフであり、多重レベル構造
の厚みから測定された距離（ｄ）は、右側の縦座標軸に
添ってプロットされている。
ベルをプロットした二重グラフであり、多重レベル構造
の厚みから測定された距離（ｄ）は、右側の縦座標軸に
添ってプロットされている。
【図２】他の多重レベル構造について、図１のものに類
似したグラフである。
似したグラフである。
【図３】アルミニウムが含有されている場合と含有され
ていない場合のGaInPヘテロ構造に関する、伝導帯およ
び価電子帯オフセットと、組成との対比を示すグラフで
ある。
ていない場合のGaInPヘテロ構造に関する、伝導帯およ
び価電子帯オフセットと、組成との対比を示すグラフで
ある。
【図４】本発明による組成を持つヘテロ構造における電
子および光閉込めを示す図１および図２のそれに類似し
たグラフである。
子および光閉込めを示す図１および図２のそれに類似し
たグラフである。
【図５】ポンピング手段が、図１乃至図４と一緒に説明
されたヘテロ構造レーザを含むエルビウム・ドープ増幅
器の略図である。
されたヘテロ構造レーザを含むエルビウム・ドープ増幅
器の略図である。
【図６】図４に示されたヘテロ構造を有するダイオード
の出力曲線である。
の出力曲線である。
フロントページの続き
(72)発明者 ケー−ユン チェン
アメリカ合衆国 61821 イリノイズ,
チャンパイン，プライリー メドー ド
ライヴ 2804
(72)発明者 アルフレッド イー チョー
アメリカ合衆国 07901 ニュージャー
シィ，サミット，ケネス コート 11
(56)参考文献 特開 昭64−81289（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−84582（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−64472（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−64457（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−162094（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−154032（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−99366（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−326406（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−310808（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−69589（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−304332（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−110193（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−333298（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−56183（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−39988（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−209897（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−209892（ＪＰ，Ａ)
特表 平11−506273（ＪＰ，Ａ)
米国特許5058120（ＵＳ，Ａ)
特許5446753（ＪＰ，Ｂ２)
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅ
ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，1992年，72［９
］，ｐ．4447−4448
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ，1993年，29［８］，ｐ．654−655
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01S 5/00 - 5/50
Claims (3)
- 【請求項１】 ａ．基板：GaAsと、 ｂ．第一被覆層：ＰタイプGaｘIn１−ｘＰ（ｘは0.48乃
至0.54の範囲）と、 ｃ．第二被覆層：ＰタイプAlａIn１−ａP （ａは0.48乃
至0.60の範囲）と、 ｄ．第一導波層と、 ｅ．活性層と、 ｆ．第二導波層と、 ｇ．第三被覆層：(AlｙGa１−ｙ)ｚIn１−ｚP （ｙは0.
40乃至0.60の範囲であり、ｚは0.48乃至0.54の範囲）
と、 ｈ．第四被覆層：ｎタイプGaｘ’In１−ｘ’Ｐ（ｘ’は
0.48乃至0.54の範囲）と、 ｉ．接触層と、 の順の層構造からなるヘテロ構造レーザダイオード。 - 【請求項２】 請求項１に記載のヘテロ構造レーザにお
いて、ダイオードｘ、ａおよびｚがおよそ０．５１の数
値であり、ｙがおよそ０．５の数値であるヘテロ構造レ
ーザ。 - 【請求項３】 ａ．エルビウム・ドープ・ファイバ導波
層（５３）と、 ｂ．増幅されるべき信号をエルビウム・ドープ・ファイ
バの導波層に注入する信号入力手段（５５）と、 ｃ．0.98μｍのレーザ放射をエルビウム・ドープ・ファ
イバの導波層にポンピングする、請求項１に記載のヘテ
ロ構造レーザからなるポンプ手段（５１）からなるファ
イバ導波層増幅器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/612,046 US5727012A (en) | 1996-03-07 | 1996-03-07 | Heterostructure laser |
| US08/612046 | 1996-03-07 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09331118A JPH09331118A (ja) | 1997-12-22 |
| JP3524316B2 true JP3524316B2 (ja) | 2004-05-10 |
Family
ID=24451494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05218797A Expired - Fee Related JP3524316B2 (ja) | 1996-03-07 | 1997-03-07 | ヘテロ構造レーザ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5727012A (ja) |
| EP (1) | EP0794601B1 (ja) |
| JP (1) | JP3524316B2 (ja) |
| DE (1) | DE69702675T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS59179909U (ja) * | 1983-05-18 | 1984-12-01 | ワイケイケイ株式会社 | ユニツト体端部と建物壁とのシ−ル装置 |
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| JPH11163458A (ja) * | 1997-11-26 | 1999-06-18 | Mitsui Chem Inc | 半導体レーザ装置 |
| JP4387472B2 (ja) | 1998-02-18 | 2009-12-16 | 三菱電機株式会社 | 半導体レーザ |
| GB2346735B (en) | 1999-02-13 | 2004-03-31 | Sharp Kk | A semiconductor laser device |
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| RU2278455C1 (ru) * | 2004-11-17 | 2006-06-20 | Василий Иванович Швейкин | Гетероструктура, инжекционный лазер, полупроводниковый усилительный элемент и полупроводниковый оптический усилитель |
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- 1996-03-07 US US08/612,046 patent/US5727012A/en not_active Expired - Lifetime
-
1997
- 1997-02-25 EP EP97301249A patent/EP0794601B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1997-02-25 DE DE69702675T patent/DE69702675T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-03-07 JP JP05218797A patent/JP3524316B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH09331118A (ja) | 1997-12-22 |
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