JP6842422B2 - 改善された導電特性を有するレーザーダイオード - Google Patents

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Description

本発明は、改善された導電特性を有するレーザーダイオード及び対応するダイオードレーザーに関する。
高性能な実装では、ダイオードレーザーは、熱伝導性のキャリアにはんだ付けされる。したがって、エピタキシャル層（通常はｐドープされた面）は、最適な冷却のために支持体上に直接はんだ付けされる。この構成では、ｐ側全体が電気的に接触し、これにより共通電圧で動作する。例えば材料加工に代表される多くの分野では、より高性能な大型システムが必要とされる。かかる目的のために、ダイオードレーザーは、より大きな平面領域（アレイ）に配置され、いわゆるレーザーバーを形成する。全てのレーザーバーは共同で制御される。
改善された電気光学特性、例えば改善されたビーム品質を実現するために、レーザーダイオードの個々のセクションが頻繁に個別に制御される。このような既知の構成要素は、例えば、台形レーザーダイオードである。
図１は、従来の台形レーザーダイオード５６の概略図を示す。基板５８上には、ｎ型クラッド層６２、ｎ型導波路層６４、活性領域６６を有する層、ｐ型導波路層６８、ｐ型クラッド層７０が設けられている。さらに、台形レーザーダイオード５６は、ｐドープドコンタクト領域７２及びｎドープドコンタクト領域７４を有する。ｐドープドコンタクト領域７２は、リブ導波路領域７６及び台形領域７８を備える。台形レーザーダイオード５６は、前方端面８０及び後方端面により区切られる。
例えば、「C. Fiebig et al. IEEE JSTQE 15 (3) pp.978‐983 (2009), K. Paschke et al. IEEE JSTQE 11 (5) pp. 1223‐1226 (2005) and B. Sumpf et al. Opt. Quant. Electron. 35, pp. 21‐532 (2003)」に示されるように、ビーム品質、達成可能な最大性能及びこれらの変換効率は、リブ導波路領域７６及び台形領域７８に流入する電流比並びにこれらの形状に依存する。
リブ導波路領域７６及び台形領域７８にそれぞれ流入する電流比は、リブ導波路領域及び台形領域の個別の制御を介して個々に設計された台形レーザー上に設定される。しかしながら、これは、より大きなシステムにおける冷却及び性能のスケーリングの点と同様に、製造コストにおいて不利な点をもたらす。共通の制御を可能にするためにリブ導波路７６及び台形領域７８が短絡されていても、性能、効率、ビーム品質等の特性が劣化する。これに対抗するための既知の措置は、特に、台形領域の縮小と同時にリブ導波路領域の拡張することからなる。しかし、これらの措置は、未だ不利な点を補うに至っていない。
従来のブロードストライプレーザーダイオード８４を図２に示す。同様の設計に基づいて、図１の台形レーザーダイオード５６の場合と同じ参照符号を付している。ブロードストライプレーザーダイオード８４はまた、前方端面８０及び後方端面８２を備える。基板５８には、ｎ型クラッド層６２、ｎ型導波路層６４、活性領域６６を有する層、ｐ型導波路層６８、ｐ型クラッド層７０が設けられている。さらに、ブロードストライプレーザーダイオード８４は、ｐドープドコンタクト領域７２及びｎドープドコンタクト領域７４を備える。
例えば、「H.Wenzeletal.NJPhysics12,p085007(2010)」に示されるように、ホールバーニング効果が発生すると、ブロードストライプレーザーダイオードに対して良くない影響を及ぼすことが知られている。これは、（レーザープロセスにあまり寄与しない）レーザーダイオードの空間領域の形成を指す。例えば、空間的ホールバーニングによるゲインの局所的な減少、又は所望の周波数の増幅の低下（スペクトルホールバーニング）が挙げられる。縦方向のホールバーニングの問題は、例えば、「Ｆｅｎｇ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６６，２０２８」に示されるように、個別接触により解決される。しかし、かかる手法は複雑であり、それゆえコストがかかる。別の欠点は、熱レンズの形成である。光学媒質中の不均一な温度分布（例：電流の流れにより引き起こされ、その結果局所的な自己発熱が生じる）は、追加の導波路を生成し、その結果、発散角の望ましくない増加をもたらす(P. Crump et al., Semicond., Sci. Technol., 27, 045001 (2012))。
熱レンズの問題は、例えば「E. O'Neill, Proc IEE 147, p. 31 (2000)」に示されるように、外部加熱素子（外部レーザ放射）によって解決される。しかし、かかる手法は複雑であり、それゆえコストがかかる。
従って、本発明の目的は、異なる領域が共同で制御される場合に上記に関連する欠点を持たない改良された設計の台形レーザーダイオードを提供することである。本発明の他の目的は、ホールバーニング効果の発生及び熱レンズの形成を回避する改良された設計を有するブロードストライプレーザーダイオードを提供することである。さらに他の目的は、より安定した発光スペクトルを有する改良された設計を有するブロードストライプレーザーダイオードを提供することである。
これらの目的は、独立請求項１及び６の特徴によって達成される。本発明のさらなる有利な実施形態は、従属請求項に記載の特徴から生じる。本発明の第１の態様によれば、
レーザーダイオードであって、
少なくとも１つの活性層、共振器、及びアウトカップリング要素と、
少なくとも１つのコンタクト層及び活性層と、を有し、
前記活性層は、前記共振器内に配置され且つ前記アウトカップリング要素に動作可能に接続され、
前記コンタクト層は、電荷キャリアを前記活性層に結合するように構成され、
前記共振器は、少なくとも第１セクション及び第２セクションを備え、
前記第１セクションにおける前記活性層の最大幅と、前記第２セクションにおける前記活性層の最大幅が異なり、
前記コンタクト層の射影は、第１セクション及び第２セクションの両方と重なり、前記コンタクト層は、活性層に垂直に延在する第１軸に沿っており、
前記第２セクションは、複数の離間した抵抗素子を備える、レーザーダイオードが提供される。
また、本発明によれば、
前記抵抗素子の電気抵抗率は、隣接する抵抗素子間の領域における電気抵抗率よりも大きく構成され、
前記活性層の縦軸に沿った抵抗素子の幅が２０μｍ未満であり、
前記活性層上の前記抵抗素子の射影が、前記活性層の少なくとも１０％と重なるように構成され、
前記活性層は前記第１軸に沿っている。
本発明の利点は、第２セクションにおける全体的な電気抵抗が、第１セクションを流れる電流の割合が大きくなる程度に増加することである。個別解釈によるディメンションを使用することにより、第１セクションの電流部分と第２セクションの電流部分との間の最適な比率を設定することができる。第１セクションと第２セクションが共通に接触しているにも関わらず、最適な電流分布が設定される。
好ましくは、第１セクションは抵抗素子を含まない。
好ましくは、第２セクションは、第２セクション（増幅器セクションとも呼ばれる）内の電流密度が、各抵抗素子及び２つの抵抗素子の間の各領域にわたって縦方向に均一であるように設計されることが好ましい。これは、動作中における各抵抗素子及び２つの抵抗素子の間の各領域の最大電流密度及び最小電流密度が、好ましくは２０％未満、さらに好ましくは１０％未満、さらに好ましくは５％未満、さらに好ましくは２％未満、さらに好ましくは１％未満であることを意味する。同様に、第２セクションは、第２セクション内における電気抵抗率が、各抵抗素子及び２つの抵抗素子の間の各領域にわたって縦方向に均一であるように設計されることが好ましい。これは、好ましくは、縦方向（縦軸（図３の軸Ｘ１）に沿った方向）に関し、各抵抗素子及び２つの抵抗素子の間の各領域にわたって、特定の電気抵抗率の最大値が、特定の電気抵抗率の最小値と異なることを意味する。具体的には、２０％未満、さらに好ましくは１０％未満、さらに好ましくは５％未満、さらに好ましくは２％未満、さらに好ましくは１％未満異なる。その結果、電流密度を第１セクション（シングルモードセクションとも呼ばれる）でのみ増加させることができる。
好ましくは、第２セクションの長さは、（＝第１セクションと第２セクションの長さの和）の５０％より大きく、さらに好ましくは６０％より大きく、これにより、十分な補強が実現される。
好ましくは、装置は台形状の増幅部を１つだけ有する。
好ましくは、「（出口）端面（最大幅領域）の領域内における台形状の第２セクションの幅」に対する「（対向）端面（最大幅）の領域内における第１セクションの幅」の比（商）の値が、１０より大きく、さらに好ましくは２５より大きく、さらに好ましくは３０より大きく、さらに好ましくは５０より大きく、さらに好ましくは７５より大きく、さらに好ましくは１００より大きい。これにより、特に高い増幅を達成することが可能になる。
好ましくは、デバイスは、半導体導波路層及び半導体クラッド層を含む。好ましくは、導波路層はヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ（１‐ｘ）Ａｓｍｉｔ０≦ｘ≦１）を有する。好ましくは、クラッド層はヒ化アルミニウムガリウムを含む。
好ましくは、抵抗素子は、第２セクションの全領域にわたって（縦方向に）延在する。
すなわち、好ましくは、第２セクションの少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも９０％、さらにより好ましくは少なくとも９５％の第２の部分のほぼ全域に延在する。すなわち、好ましくは、少なくとも８０％、さらに好ましくは、少なくとも９０％、さらに好ましくは、少なくとも９５％にわたって延在する。
関連する設計パラメータの設定は、本発明の好ましい実施形態において特に重要である。このように、第１軸に沿った活性層上の抵抗素子への活性層の射影が重なる割合は、電流分布に影響を及ぼすのに有効なほど、十分に大きい。抵抗素子は、光損失又は電荷キャリア損失を最小限にするのに十分なほど狭くなければならない。
好ましくは、第１軸に沿った活性層上の抵抗素子（活性層に垂直）への射影は、同一軸に沿った活性層の全射影面のうち、少なくとも２０％、好ましくは、少なくとも３０％、さらに好ましくは、少なくとも４０％、さらに好ましくは、少なくとも５０％重なる。また、好ましくは９５％以下、特に好ましくは９９％以下である。さらに、活性層の縦軸に沿った各抵抗素子の最大範囲は、１５μｍ以下であることが好ましく、１１μｍ以下であることがより好ましく、６μｍ以下であることが特に好ましい。また、好ましくは１μｍ以上である。これは、かかる設計パラメータの設定により、改善された性能及び効率をもたらすことが分かったためである。
抵抗素子は、好ましくは、使用されるエピタキシャル層構造の特定の電気抵抗率（以後、σｃと称する。ここで、例えば、σｃ＝１．０×１０‐３Ω・ｍとする）よりも著しく高い電気抵抗率を有する。好ましくは、抵抗素子の特定の電気抵抗率は、２σｃ（例：２．０×１０‐３Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０σｃ（例：１．０×１０‐２Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０２σｃ（例：１．０×１０‐１Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０３σｃ（例：１．０×Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０４σｃ（例：１．０×１０１Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０５σｃ（例：１．０×１０２Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０６σｃ（例：１．０×１０３Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０７σｃ（例：１．０×１０４Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０８σｃ（例：１．０×１０５Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０９σｃ（例：１．０×１０６Ω・ｍ）より大きい。
さらに好ましい実施形態では、第１セクションはリブ導波路領域として設計され、第２セクションは台形領域として設計される。これは、既知の台形レーザーの特性が、より高い性能及び改善されたビーム品質に関して使用され得るという利点を提供し、上記目的のために必要とされていた既知の台形レーザーの分散制御はもはや必要でなくなった。換言すると、リブ導波路領域（第１セクション）及び台形領域（第２セクション）は、電荷キャリアと結合又はアウトカップリングする共通の（１又は複数の）コンタクト層を有する。好ましくは、台形領域は、活性層の縦軸に対して軸対称且つ三角形に設計される。
本発明の別の有利な実施形態では、抵抗素子は、面平行な少なくとも２つの表面を備える。表面の法線ベクトルは、活性層の縦軸に平行に配向されている。これは、側方局所フィラメント化が減少するという利点を提供する。（縦方向にわたって）均一な層厚さを有する（好ましくは帯状の）抵抗素子が特に好ましい。
好ましい実施形態では、各抵抗素子は、面平行な少なくとも２つの表面を備える。かかる表面は、各抵抗素子の全長にわたって延在し、表面の法線ベクトルは、活性層の縦軸に平行に配向されている。これにより、フィラメント形成が有効に回避される。換言すると、かかる実施形態では、抵抗素子は各位置で一定の幅を有し、さらに、すべての抵抗素子は互いに平行に設けられる。これは、光損失及び電荷キャリア損失が最小限に抑えられるという利点も提供する。
さらに好ましい実施形態では、抵抗素子は互いに等距離に配置される。すなわち、抵抗素子は活性層の縦軸に沿って周期的に配置される。これは、第２セクションの電気的特性及び熱的特性を、各抵抗素子及び２つの抵抗素子の間の各領域にわたって平均化し、活性層の縦軸（すなわち、縦方向）に沿って一定にし、ビーム品質を含むパフォーマンスの向上に寄与する。
さらに好ましい実施形態では、抵抗素子の抵抗値に対する、隣接する抵抗素子間の領域における抵抗値の比の値が２より大きく、さらに好ましくは、１０より大きく、さらに好ましくは、１０２より大きく、さらに好ましくは、１０３より大きく、さらに好ましくは、１０４より大きく、さらに好ましくは、１０５より大きく、さらに好ましくは、１０６より大きく、さらに好ましくは、１０７より大きく、さらに好ましくは、１０８より大きく、さらに好ましくは、１０９より大きい。
さらに、本発明の少なくとも１つのレーザーダイオードを含むレーザーの提供も本発明の目的である。いくつかのレーザーダイオードを統合することにより、例えば材料処理に供されるシステムの全体的な性能を高めることができる。好ましい実施形態では、本発明による複数のレーザーダイオードは、システム全体の性能を高めるために、互いに組み合わせることができる。いわゆるアレイへの複数のレーザーダイオードの並列接続が特に好ましい。これにより、個々のレーザーダイオード又はボルトユニット内のレーザーダイオード（いわゆるレーザーバー）のコンタクト層を、共通の回路基板上に配置することができ、又は共同して制御することができる。さらに、複数のレーザーダイオード又はレーザーバーと、いわゆるスタックとの直列接続が好ましい。これは、水平面の制限に関し、設置スペースが縮小されるという利点をもたらす。また、他の観点では、レーザーダイオードの共通の制御は、ボルトユニットのレーザーダイオードの最下層及び最上層の各コンタクト層を接触させることにより実現される。これは、最大の性能密度と最小限の製造コストのためである。
本発明のさらなる実施形態では、
レーザーダイオードであって、
共振器内に配置された少なくとも１つの活性層を備え、
前記活性層は、第１端面及び第２端面に動作可能に接続され、
前記第２端面は、アウトカップリング要素として設計され、
前記活性層に電荷キャリアに結合するように構成された少なくとも１つのコンタクト層（４４）と、複数の離間した抵抗素子をさらに備え、前記複数の離間した抵抗素子は、前記第１端面と前記第２端面の間に配置され、
前記抵抗素子の電気抵抗率は、隣接する抵抗素子間の領域における電気抵抗率よりも大きく構成される、レーザーダイオードが提供される。
また、本発明によれば、
前記活性層の縦軸に沿った抵抗素子の最大拡張幅は２０μｍ以下であり、
前記抵抗素子の全表面は、前記抵抗素子の全表面以上の面積を有し、
前記抵抗素子は、前記共振器の半分に設けられ、
前記共振器の半分は、前記第１端面に対向し、
前記抵抗素子は、前記共振器の半分に設けられ、
前記共振器の半分は、前記第２端面に対向する。
これにより、レーザーダイオード全体に電気エネルギーを供給するためのコンタクト層が単純な電気的接触である場合、レーザーダイオード内の電流分布が選択的に調整可能となる。
好ましい実施形態では、レーザーダイオードは、電荷キャリアを活性層の内外に結合させるためのコンタクト層を２つ有する。
抵抗素子は、好ましくは、使用されるエピタキシャル層構造の特定の電気抵抗率（以後、σｃと称する。ここで、例えば、σｃ＝１．０×１０‐３Ω・ｍとする）よりも著しく高い電気抵抗率を有する。好ましくは、抵抗素子の特定の電気抵抗率は、２σｃ（例：２．０×１０‐３Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０σｃ（例：１．０×１０‐２Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０２σｃ（例：１．０×１０‐１Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０３σｃ（例：１．０×Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０４σｃ（例：１．０×１０１Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０５σｃ（例：１．０×１０２Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０６σｃ（例：１．０×１０３Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０７σｃ（例：１．０×１０４Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０８σｃ（例：１．０×１０５Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０９σｃ（例：１．０×１０６Ω・ｍ）より大きい。
ファセットは、共振器を制限する要素として、好ましくは平面を有する。共振器の半分は、（好ましくは）平面又は端面に平行に配向された分割平面によって画定される。換言すると、共振器の半分は、活性層の縦軸によって通常の交差がなされる。また、共振器の半分は、第１端面の平面から第２端面の平面までの途中に位置する。ここで、第２端面は、活性層の縦軸に沿った共振器の第２端面である。
本発明のさらなる有利な実施形態は、従属請求項に記載の特徴から生じる。
好ましい実施形態では、第２端面に対向する共振器の半分に設けられた抵抗素子の全表面は、第１端面に対向する共振器の半分に設けられた抵抗素子の全表面の９０％、すなわち０．９倍である。第２のファセットに面する共振器の半分における抵抗素子の全表面は、第１のファセットに面する共振器の半分における抵抗素子の全表面の９０％、すなわち０．９倍である。さらに好ましくは、かかる割合は、８０％（又は０．８倍）、さらに好ましくは７０％、さらに好ましくは６６％、さらに好ましくは６０％、さらに好ましくは５０％、さらに好ましくは４０％、さらに好ましくは３０％、さらに好ましくは２０％、さらに好ましくは１０％である。
最後に、変形例は、抵抗素子が第１端面に対向する共振器の半分にのみ配置される態様を表す。これにより、第２端面に対向する共振器の半分に設けられた抵抗素子の全表面は、第１端面に対向する共振器の半分に設けられた抵抗素子の全表面の０％となる。これらの実施形態により、アウトカップリングファセットとして設計された第２端面の領域に対して調節可能な追加電流を供給し、それにより、ホールバーニング効果を打ち消すことができる。
さらに好ましい実施形態では、抵抗素子は、活性層の部分領域にわたってのみ、活性層の横軸に沿って延在する。活性層は同じ軸に沿って延在し、したがって抵抗素子よりも長い距離にわたって延在する。好ましくは、抵抗素子は、この横軸に対して軸対称又は点対称に延在する。このように、抵抗素子の存在しない領域が活性層のエッジに形成される。これにより、レーザーダイオードのエッジに追加の電流が供給され、これにより、電流に起因する熱レンズの形成を打ち消すことができる。
好ましくは、「抵抗素子の拡張幅」に対する「活性層の縦軸に横向きな活性層の全幅」の比の値は、１〜０．１である。さらに好ましくは０．９〜０．５、さらに好ましくは０．８〜０．６である。本発明のさらなる有利な実施形態では、面平行な少なくとも２つの表面を備える。表面の法線ベクトルは、活性層の縦軸に平行に配向されている。これにより、フィラメント化を低減することができる。特に好ましくは、抵抗素子は、（縦方向にわたって）均一な層厚さを有する帯形状である。
好ましい実施形態では、各抵抗素子は、面平行な少なくとも２つの表面を備える。かかる表面は、各抵抗素子の全長にわたって延在し、表面の法線ベクトルは、活性層の縦軸に平行に配向されている。これにより、フィラメント形成が有効に回避される。換言すると、かかる実施形態では、抵抗素子は各位置で一定の幅を有し、さらに、すべての抵抗素子は互いに平行に設けられる。これは、光損失及び電荷キャリア損失が最小限に抑えられるという利点も提供する。
さらに好ましい実施形態では、抵抗素子は互いに等距離に配置される。すなわち、抵抗素子を備えた領域において、抵抗素子は活性層の縦軸に沿って周期的に配置される。これは、活性層の縦軸に沿った電気的及び熱的特性は、各抵抗素子及び２つの抵抗素子の間の各領域にわたって平均して一定となることに寄与する。これにより、パフォーマンス及びビーム品質が向上する。
抵抗素子は、好ましくは、使用されるエピタキシャル層構造の特定の電気抵抗率（以後、σｃと称する。ここで、例えば、σｃ＝１．０×１０‐３Ω・ｍとする）よりも著しく高い電気抵抗率を有する。好ましくは、抵抗素子の特定の電気抵抗率は、２σｃ（例：２．０×１０‐３Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０σｃ（例：１．０×１０‐２Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０２σｃ（例：１．０×１０‐１Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０３σｃ（例：１．０×Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０４σｃ（例：１．０×１０１Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０５σｃ（例：１．０×１０２Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０６σｃ（例：１．０×１０３Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０７σｃ（例：１．０×１０４Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０８σｃ（例：１．０×１０５Ω・ｍ）より大きく、さらに好ましくは、１０９σｃ（例：１．０×１０６Ω・ｍ）より大きい。
Λλ0
別の有利な実施形態では、レーザーダイオードは、単一のブロードストライプレーザーダイオードである。これは、既知の柔軟で安価に使用可能なレーザーダイオードの設計に基づいており、同時に性能及びビーム品質が向上又は改善される。さらに有利な実施形態では、抵抗素子が周期的に割り当てられる。かかる周期は、ブラッグの法則に対応する周期「Λ」である。これにより、波長が安定する。波長λ０でダイオードレーザーを安定化させるのに必要な周期は、以下の式により計算できる。
ここで、Ｎは格子配置を指し、ｎｅｆｆは考慮される光学モードの実効屈折率を指す。
さらに、本発明の少なくとも１つのレーザーダイオードを含むレーザーの提供も本発明の目的である。いくつかのレーザーダイオードを統合することにより、例えば材料処理に供されるシステムの全体的な性能を高めることができる。好ましい実施形態では、本発明による複数のレーザーダイオードは、システム全体の性能を高めるために、互いに組み合わせることができる。好ましくは、いわゆるアレイ（又はレーザーバー）へ複数のレーザーダイオードが並列接続される。これにより、個々のレーザーダイオードのコンタクト層を、共通の回路基板上に配置することができ、又は共同して制御することができる。さらに、複数のレーザーダイオードの直列接続が、いわゆるスタック（又はボルトユニット）の形成に好ましい。これは、水平面の制限に関し、設置スペースが縮小されるという利点をもたらす。また、他の観点では、レーザーダイオードの共通の制御は、ボルトユニットのレーザーダイオードの最下層及び最上層の各コンタクト層を接触させることにより実現される。
本発明の様々な態様において言及された特徴の有利な組み合わせにより、さらなる他の実施形態が得られる。かかる組み合わせは、他の特徴をいかなる順序で組み合わせてもよい。さらに、固体に基づく他の既知のレーザーダイオードレーザシステムへの有利な適用が可能である。さらに、固体に基づく他の既知のレーザーダイオード及びレーザーシステムへの有利な適用が可能である。
本発明は、以下の２つの例示的な実施形態及び添付の図面において、より詳細に説明される。
従来の台形レーザーダイオード示す模式的な斜視図である。 従来のブロードストライプレーザーを表す模式的な斜視図である。 本発明の第１実施形態のレーザーダイオードを表す模式的な斜視図である。 本発明のさらに好ましいレーザーダイオードの例示的な実施形態を表す模式的な斜視図である。 本発明のレーザーダイオードに用いられる抵抗素子の幅Ｗ３と最大レーザー性能Ｐの関係を表す例示的なグラフである。 本発明のレーザーダイオード（重なり：５０％）と、従来技術のレーザーダイオード（重なり：０％）の総電流Ｉと最大レーザー性能Ｐの関係を表す例示的なグラフである。 抵抗素子のさらなる好ましい実施形態の概略図である。 従来のブロードストライプレーザーダイオードの縦断面における光増幅Ｇの典型的な曲線である。 従来のブロードストライプレーザーダイオードの横断面における温度Ｔの例示的な曲線である。
図３は、本発明の第１実施形態に係るレーザーダイオード１０を示す。参照符号は、それらが同一の特徴に関連する場合、図１で説明した従来技術のものと同一の符号を付している。レーザーダイオード１０は、共振器１４内に配置され且つアウトカップリング要素１６に動作可能に接続された活性層１２を有する。さらに、レーザーダイオード１０は、電荷キャリアを活性層１２に結合するための第１コンタクト層１８と、電荷キャリアを活性層１２から結合解除（以下、アウトカップリング）させるためのコンタクト層３２を含む。さらに、レーザーダイオード１０は、基板５８と、ｎ型クラッド層６２と、ｎ型導波路層６４と、ｐ型導波路層６８と、ｐ型クラッド層７０を備える。それぞれの層の厚さ及び材料を表１に示す。
共振器１４は、第１セクション２０と第２セクション２２とを備える。第１セクション２０は、リブ導波路領域２８を備え、第２セクション２２は、台形領域３０を備える。第１セクション２０内の活性層１２の最大幅Ｗ１（４μｍ）は、第２セクション２２内の活性層１２の最大幅Ｗ２（４２６μｍ）よりも小さい。第１セクション２０内の活性層１２の幅は一定であり、第２セクション２２に向かうにつれ、最大幅Ｗ２まで均一に拡張する。第１セクション２０の長さは２ｍｍであり、第２セクション２２の長さは４ｍｍである。コンタクト層１８の射影は、第１セクション２０と第２セクション２２の両方と重なっている。ここで、コンタクト層１８は、活性層１２に対して垂直に伸びる第１軸Ｚ１に沿っている。第２セクション２２は、複数の離間した抵抗素子２４を備える。抵抗素子２４は、イオン注入されて構成されたものであり、電気抵抗率は１×１０‐１Ω・ｍである。そして、抵抗素子２４の電気抵抗率は、隣接する抵抗素子２４間の領域２６における電気抵抗率よりも約１００倍大きく構成される。ＡｌｘＧａ１‐ｘＡｓベースの例示的なダイオードレーザーの層構造が用いられる場合、全体の電気抵抗率は、例示的なブロードストライプレーザーダイオード８４において、２０Ω・ｍのときに共振器の長さが３ｍｍ、ストリップ幅が９０μｍ、エピタキシャル層の厚さが５μｍである。特定の電気抵抗率σＣは、約１．０×１０‐３Ω・ｍである。したがって、例えば、高ドープＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層の比抵抗（約４．２×１０‐４Ω・ｍ）よりも幾分大きい。
抵抗素子２４は帯状である。換言すると、各抵抗素子２４は、面平行な２つの表面を備える。かかる表面は、各抵抗素子２４の全長にわたって延在し、表面の法線ベクトルは、共振器１４の縦軸Ｘ１に平行に配向されている。つまり、抵抗素子２４は、互いに平行且つ共振器１４に平行となるように設けられる。活性層１２の縦軸Ｘ１に沿う抵抗素子２４の幅Ｗ３は、各抵抗素子２４の位置において５μｍである。従って、その長さ方向又は横軸Ｙ１に沿った抵抗素子２４の幅は一定である。抵抗素子２４は、周期的又は等間隔に配列されている。周期長は１０μｍである。第１軸Ｚ１に沿った活性層１２上への抵抗素子２４の射影は、活性層と５０％重なる。さらに、レーザーダイオード１０は、１．２〜１．６ボルトの範囲、好ましくは１．４ボルト〜１．６ボルトの範囲の直流電圧で動作するように設計されている。
図４は、本発明によるレーザーダイオード３４のさらに好ましい例示的な実施形態を示す。これは、単一のブロードストライプレーザーダイオードである。なお、図中において、図２に示される先行技術又は図３に示される本発明のレーザーダイオード１０と同一の特徴については、同じ符号を付している。様々な層６０が基板５８に設けられる。これらは、ｎ型クラッド層６２、ｎ型導波路層６４、ｐ型導波路層６８、ｐ型クラッド層７０を備える。この実施形態では、レーザーダイオード３４は、共振器３８内に配置された少なくとも１つの活性層３６をさらに備え、第１端面４０及び第２端面４２に動作可能に接続される。第２端面４２は、アウトカップリング要素として設計される。レーザーダイオード３４は、コンタクト層４４及びコンタクト層３２をさらに備える。コンタクト層４４は、ｐ型コンタクト領域７２として機能し、電流を活性層３６に供給するように設計される。コンタクト層３２は、ｎ型コンタクト領域７４として機能し、活性層３６から電流を流出させるように設計される。それぞれの層の厚さ及び材料を表２に示す。
第１端面４０と第２端面４２の間には、複数の離間した抵抗素子４６が周期的（周期長１０μｍ）又は等間隔に配置される。ここで、抵抗素子４６の特定の電気抵抗率は、隣接する抵抗素子４６間の領域４８の電気抵抗率より１００倍大きい。抵抗素子４６の特定の電気抵抗率は、１×１０‐１Ωｍ未満である。各抵抗素子４６は、面平行な２つの表面を備える。かかる表面は、各抵抗素子４６の全長にわたって延在し、表面の法線ベクトルは、活性層３６又は共振器３８の縦軸Ｘ２に平行に配向されている。つまり、抵抗素子４６は、互いに平行且つ共振器３８に平行となるように設けられる。活性層３２の縦軸Ｘ２に沿う抵抗素子４６の拡張幅Ｗ３は、各抵抗素子２４の位置において５μｍである。従っ
て、かかる幅は一定である。抵抗素子４６の長さＬは６０μｍである。
第２端面４２に対向する共振器３８の半分５２に設けられた抵抗素子４６の全表面は、第１端面４０に対向する共振器３８の半分５０に設けられた抵抗素子４６の全表面の約６６％である。
共振器３８の半分５０，５２は、縦軸Ｘ２に沿って延在する。共振器３８の全長にわたる活性層３６の幅Ｗは一定であり、９０μｍである。抵抗素子４６が設けられた領域では、抵抗素子４６は互いに一定の距離を空けて設けられる。抵抗素子４６は、縦軸Ｘ２から横軸Ｙ２に沿って、縦軸Ｘ２に対して軸対称に延在する。各抵抗素子４６の長さＬは、横軸Ｙ２に沿った活性層３６の幅Ｗの６５％である。したがって、各エッジ８５は、抵抗素子４６の存在しない領域を有する。かかる領域は、Ｙ２に沿った範囲であり、活性層３６の幅Ｗの３５％に相当する。活性層３６の幅Ｗに対する抵抗素子４６の長さＬの比の値は、０．７である。ここで、幅Ｗ及び長さＬは、活性層の縦軸に平垂直である。さらに、レーザーダイオード３４は、１．２〜１．６ボルトの範囲、好ましくは１．４ボルト〜１．６ボルトの範囲の直流電圧で動作するように設計されている。
図５及び図６は、本発明によるレーザーダイオードの最適設計パラメータを決定するために実行された測定の例示的な評価を示す。なお、図中において、図３と同じ参照符号を付している。かかる測定では、台形領域３０に抵抗素子２４を備える台形レーザーを設けた。抵抗素２４は、５μｍ〜１５μｍの異なる幅で作成した。第１軸Ｚ１に沿った活性層１２上への抵抗体２４の投影は、活性層１２との重なりが０％、３０％及び５０％で行った。
本発明によるレーザーダイオード１０における抵抗素子２４の幅Ｗ３と最大レーザー性能Ｐの関係の例示的なグラフは、一定の重複Ｕに関して図５に示される。ここで、重なりＵは、軸Ｚ１に沿った活性層１２上への抵抗素子２４の投影の重複である。また、抵抗素子２４は、活性層１２，３６に垂直に延在し、活性層１２の全表面が同じ軸Ｚ１に沿って投影されている。この図は、一定電流Ｉで動作させた本発明によるレーザーダイオード１０に基づいている。この場合、リブ導波路領域２８と台形領域３０を電気的に接触させた。かかる測定は、本発明のレーザーダイオード１０を３つ用いて行われた。具体的には、レーザーダイオード１０は、重なりＵが５０％で一定とし、抵抗体２４の幅Ｗ３を５μｍ〜１５μｍまで変化させた。ここで、重なりが０％であるものは、従来の台形レーザーダイオードに相当し、比較対象として記載している。測定の結果、最大レーザー性能Ｐが従来技術の基準値を上回るような、抵抗素子２４の幅Ｗ３の設計のための好ましいウィンドウ８６を得た。抵抗体２４の幅Ｗ３の好ましい範囲は、１μｍ〜９μｍ、さらに好ましくは３μｍ〜７μｍ、さらに好ましくは４μｍ〜６μｍである。
本発明によるレーザーダイオードの抵抗素子２４の一定の幅Ｗ３における、重なりＵ対する最大レーザー性能Ｐの依存性の例示的なグラフが図６に示される。ここで、重なりＵは、軸Ｚ１に沿った活性層１２上への抵抗素子２４の投影の重複である。また、抵抗素子２４は、活性層１２に垂直に延在し、活性層１２の全表面が同じ軸Ｚ１に沿って投影されている。かかる測定は、レーザーダイオード１０を２つ用いて行われた。抵抗素子２４の幅Ｗ３は５μｍで一定であり、２つのレーザーダイオードの特性曲線を記録するために、台形（３０）とリブ導波路領域（２８）に供給する総電流Ｉを変化させた。図６では、重なりＵが０％のレーザーダイオード１０（従来技術に相当）及び重なりＵが５０％のレーザーダイオード１０の特性曲線が示されている。図６に示されるように、重なりＵが増加すると、最大性能Ｐも増加することが分かる。かかる測定結果より、重なりＵは、１０％より大きい、好ましくは３０％より大きい、さらに好ましくは５０％より大きい範囲において好ましいことが判明した。好ましくは９５％以下、さらに好ましくは９９％以下の重なりＵまで有利な結果が得られた。
図７は、抵抗２４，４６のさらなる好ましい実施形態の概略図を示す。構成要素及び参照符号は、図４に準ずる。しかし、抵抗素子２４，４６の異なる形状は、本発明の全ての態様によるレーザーダイオードに適用可能である。
図８は、Ｘ軸（図２を参照）に沿った従来のブロードストライプレーザーダイオード８４の縦断面における光増幅又はゲインＧの例示的な曲線を示す。セクション平面はＸ‐Ｚ平面内にあり、ブロードストライプレーザーダイオード８４と中心で交差する。本発明によるレーザーダイオード３４のさらに好ましい実施形態の設計ルールは、位置Ｘにおけるゲイン曲線から導き出すことができる。ここで、Ｘゼロ点（位置Ｘの原点）は、アウトカップリングファセット８０平面内にある。図８から明らかなように、領域Ｂでは光増幅又は利得Ｇが領域Ａよりも著しく小さい。ここで、領域Ｂは、その大部分が前方端面８０に対向している。また、領域Ａは、その大部分が後方端面８２に対向している。この例示的なケースでは、より小さいゲインＧを有する領域Ｂは、共振器の全長の約６３％、すなわち、前端面８０から後端面８２までの長さの約６３％にわたって延在している。したがって、ゲインＧの差を補償するために、領域Ｂにおける電流の流れの増加と、領域Ａにおける電流の減少を実現することが目的となる。ここで、この典型的な場合には、領域Ａは、後面８２から前面８０までの長さの約３７％にわたって延在する。したがって、抵抗素子４６は、領域Ａに設けられることになる。この設計ルールは、例えば、電流の流れが低減されるべき領域に抵抗素子４６を設けることにより、光増幅の任意の特性曲線に適用することができる。対応する設計手段は、抵抗素子が設けられていない領域を通る電流の流れの増加を効果的にもたらし、それにより、縦方向のホールバーニングに対して有利に作用する。抵抗素子４６が設けられる領域Ａの好ましい大きさは、後端面８２から前端面８０までの距離の１０％より大きく、さらに好ましくは３０％より大きく、さらに好ましくは５０％より大きく、特に好ましくは６０％より大きいものであることが判明した。これは、既知のブロードストライプレーザーダイオード８４の典型的なゲイン分布に相当する。
図９は、従来のブロードストライプレーザーダイオード８４のＹ軸（図２参照）に沿った横断面における温度Ｔの例示的な曲線を示す。セクション平面はＹ‐Ｚ平面内にあり、ブロードストライプレーザーダイオードと中央で交差する。本発明によるレーザーダイオード３４のさらに好ましい実施形態の設計ルールは、位置Ｙにおけるゲイン曲線から導き出すことができる。ここで、Ｙゼロ点（位置Ｙの原点）は、ブロードストライプレーザーダイオード８４の中央に位置する。図９に示す位置Ｙの０ｍｍは、中方向においてレーザーダイオードの中心点に対応する。図９から、この位置（位置Ｙの０ｍｍ）及び中心領域Ｃの温度Ｔが、他の領域の温度Ｔよりも高いことがわかる。さらに、図９は、コンタクト領域７２のエッジＡ１，Ａ２の温度Ｔが、中央領域Ｃの温度Ｔよりも低いことを示している。この例示的なケースでは、領域Ｃは、コンタクト領域７２の幅Ｗの約６６％にわたって、Ｙ方向に延在する。エッジＡ１，Ａ２はそれぞれ、コンタクト領域７２の幅Ｗの約１７％の長さにわたって、Ｙ方向に延在する。したがって、エッジＡ１，Ａ２における電流の流れの増加と、領域Ｃにおける電流の減少を実現することが目的となる。したがって、抵抗素子４６は、領域Ｃに設けられることになる。この設計ルールは、電流の流れが低減されるべき領域に抵抗素子４６を設けることにより、温度の任意の特性曲線に適用することができる。対応する設計手段は、抵抗素子が埋め込まれていない領域を通る電流の流れの増加を効果的にもたらし、それにより、熱レンズの形成を効果的に妨げる。
１０：レーザーダイオード
１２：活性層
１４：共振器
１６：アウトカップリング要素
１８：コンタクト層
２０：第１セクション
２２：第２セクション
２４：抵抗素子
２６：領域
２８：リブ導波路領域
３０：台形領域
３２：コンタクト層
３４：レーザーダイオード
３６：活性層
３８：共振器
４０：第１端面
４２：第２端面
４４：コンタクト層
４６：抵抗素子
４８：領域
５０：半分
５２：半分
５４：レーザー
５６：台形レーザーダイオード
５８：基板
６０：層
６２：ｎ型クラッド層
６４：ｎ型導波路層
６６：活性領域
６８：ｐ型導波路層
７０：ｐ型クラッド層
７２：ｐドープドコンタクト領域
７４：ｎドープドコンタクト領域
７６：リブ導波路領域
７８：台形領域
８０：前方端面
８２：後方端面
８４：ブロードストライプレーザーダイオード
８５：エッジ
８６：設計のウィンドウ
８７：ローカルゲイン定数の理想的な均一縦分布
Ａ：背面端面に対向する領域
Ａ１：コンタクト領域のレフトエッジ
Ａ２：コンタクト領域のライトエッジ
Ｂ：前方端面に対向する領域
Ｃ：コンタクト領域の中心領域
Ｇ：光増幅（ゲイン）
Ｉ：電流
Ｌ：長さ
Ｐ：レーザーの最大性能
Ｔ：温度
Ｕ：重なり
Ｗ：幅
Ｗ１：最大幅
Ｗ２：最大幅
Ｗ３：幅
Ｘ：縦軸（縦方向）
Ｘ１：縦軸（縦方向）
Ｘ２：縦軸（縦方向）
Ｙ：横軸（横方向）
Ｙ１：横軸（横方向）
Ｙ２：横軸（横方向）
Ｚ１：第１軸（垂直方向）
Ｚ２：第１軸（垂直方向）
Ｚ３：第１軸（垂直方向）
η：変換効率

Claims (15)

  1. レーザーダイオード（１０）であって、
    少なくとも１つの活性層（１２）、共振器（１４）、及びアウトカップリング要素（１６）と、
    少なくとも１つのコンタクト層（１８）と、を有し、
    前記活性層（１２）は、前記共振器（１４）内に配置され且つ前記アウトカップリング要素（１６）に動作可能に接続され、
    前記コンタクト層（１８）は、電荷キャリアを前記活性層（１２）に結合するように構成され、
    前記共振器（１４）は、少なくとも第１セクション（２０）及び第２セクション（２２）を備え、
    前記第２セクション（２２）における前記活性層（１２）の最大幅（Ｗ２）は、前記第１セクション（２０）における前記活性層（１２）の最大幅（Ｗ１）よりも、長く、
    前記コンタクト層（１８）の前記活性層（１２）へ向かう方向への射影は、第１セクション（２０）及び第２セクション（２２）の両方と重なり、
    前記第２セクション（２２）は、複数の離間した抵抗素子（２４）を備え、
    前記抵抗素子（２４）の電気抵抗率は、隣接する抵抗素子（２４）間の領域（２６）における電気抵抗率よりも大きく構成され、
    前記活性層（１２）の縦軸（Ｘ１）に沿った抵抗素子（２４）の幅（Ｗ３）が２０μｍ未満であり、
    前記活性層（１２）上の前記抵抗素子（２４）は、前記抵抗素子（２４）を前記活性層（１２）上に射影したとき、前記活性層（１２）の少なくとも１０％と重なるように構成され、
    複数の前記抵抗素子（２４）は、前記活性層（１２）の縦軸（Ｘ１）方向において、互いに等距離に離間しており、
    複数の前記抵抗素子（２４）は、前記第２セクションの全域にわたって配置されており、
    各前記抵抗素子は、前記活性層（１２）の縦軸（Ｘ１）方向に沿う一定の範囲を有する、
    レーザーダイオード（１０）。
  2. 各前記抵抗素子（２４）の電気抵抗率は、均一であり、且つ、各前記領域（２６）の電気抵抗率は、均一であり、
    前記領域（２６）は、前記活性層（１２）の前記縦軸（Ｘ１）に沿った２つの前記抵抗素子（２４）の間に位置している、
    請求項１に記載のレーザーダイオード（１０）。
  3. 全ての前記抵抗素子（２４）が、前記第２セクション（２２）内で互いに等距離に配置されている、
    請求項１又は請求項２に記載のレーザーダイオード（１０）。
  4. 前記抵抗素子（２４）の電気抵抗の前記領域（２６）の電気抵抗に対する比の値は、１０００を上回る、
    請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のレーザーダイオード（１０）。
  5. 前記第１セクション（２０）と前記第２セクション（２２）は、２つの端面間の共振器内に配置され、
    前記第２セクション（２２）の最大幅の前記第１セクション（２０）の最大幅に対する比の値は、３０を上回る、
    請求項１〜請求項４の何れか１つに記載のレーザーダイオード（１０）。
  6. 前記活性層（１２）上の前記抵抗素子（２４）は、前記抵抗素子（２４）を前記活性層（１２）上に射影したとき、前記活性層（１２）の全表面の少なくとも５０％と重なるように構成される、
    請求項１〜請求項５の何れか１つに記載のレーザーダイオード（１０）。
  7. 前記活性層（１２）の縦軸（Ｘ１）に沿った抵抗素子（２４）の最大拡張幅（Ｗ３）は１１μｍ以下である、
    請求項１〜請求項６の何れか１つに記載のレーザーダイオード（１０）。
  8. 前記抵抗素子（２４）は、互いに面平行な少なくとも２つの表面を備え、
    前記表面の法線ベクトルは、前記活性層（１２）の縦軸（Ｘ１）に平行に配向されている、
    請求項１〜請求項７の何れか１つに記載のレーザーダイオード（１０）。
  9. 前記第１セクション（２０）はリブ導波路領域（２８）を含み、前記第２セクション（２２）は台形領域（３０）を含む、
    請求項１〜請求項８の何れか１つに記載のレーザーダイオード（１０）。
  10. レーザーダイオード（３４）であって、
    共振器（３８）内に配置された少なくとも１つの活性層（３６）を備え、
    前記活性層（３６）は、第１端面（４０）及び第２端面（４２）に動作可能に接続され、
    前記第２端面（４２）は、アウトカップリング要素として設計され、
    電荷キャリアを前記活性層（３６）に結合させるための少なくとも１つのコンタクト層（４４）と、複数の離間した抵抗素子（４６）をさらに備え、前記複数の離間した抵抗素子（４６）は、前記第１端面（４０）と前記第２端面（４２）の間に配置され、
    前記レーザーダイオードは、前記共振器（３８）の横軸（Ｙ２）方向の幅が、縦軸（Ｘ２）方向において一定である、ブロードストライプレーザーダイオードであり、
    前記抵抗素子（４６）の電気抵抗率は、隣接する抵抗素子（４６）間の領域（４８）における電気抵抗率よりも大きく構成され、
    前記活性層（３６）の縦軸（Ｘ２）に沿った抵抗素子（４６）の最大拡張幅は２０μｍ以下であり、
    前記抵抗素子（４６）は、前記共振器（３８）の半分（５０）に設けられ、
    前記共振器（３８）の半分（５０）は、前記第１端面（４０）に対向し、
    前記抵抗素子（４６）は、前記共振器（３８）の半分（５２）に設けられ、
    前記共振器（３８）の半分（５２）は、前記第２端面（４２）に対向し、
    前記半分（５０）の前記抵抗素子（４６）の全表面は、前記半分（５２）の前記抵抗素子（４６）の全表面以上の面積を有し、
    各前記抵抗素子（４６）は、前記共振器（３８）の幅に沿って延びる横軸（Ｙ２）に沿う、等しい範囲を有しており、
    複数の前記抵抗素子（２４）は、前記活性層（１２）の縦軸（Ｘ１）方向において、互いに等距離に離間しており、
    各前記抵抗素子は、前記活性層（１２）の縦軸（Ｘ１）方向に沿う一定の範囲を有する、
    レーザーダイオード（３４）。
  11. 前記抵抗素子（４６）は、互いに面平行な少なくとも２つの表面を備え、
    前記表面の法線ベクトルは、前記活性層（３６）の縦軸（Ｘ２）に平行に配向されている、
    請求項１０に記載のレーザーダイオード（３４）。
  12. 複数の前記抵抗素子（４６）は、前記活性層（３６）の縦軸（Ｘ２）に対して軸対称、又は、複数の前記抵抗素子（４６）における中心に対して点対称に延在する、
    請求項１０又は請求項１１に記載のレーザーダイオード（３４）。
  13. コンタクト層（４４）の横軸（Ｙ２）方向の長さに対する抵抗素子（４６）の横軸（Ｙ２）方向の長さの比の値は０．６である、
    請求項１０〜請求項１２の何れか１つに記載のレーザーダイオード（３４）。
  14. 前記縦軸（Ｘ２）に沿った前記抵抗素子（４６）の最大拡張幅は６μｍである、
    請求項１０〜請求項１３の何れか１つに記載のレーザーダイオード（３４）。
  15. 請求項１〜請求項１４の何れか１つに記載のレーザーダイオード（１０，３４）を少なくとも１つ備えるレーザー（５４）。
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