JP7361728B2 - 量子井戸オフセットおよび効率的な単一モードレーザ発光を速軸に沿って有する大光共振器（ｌｏｃ）レーザダイオード - Google Patents

量子井戸オフセットおよび効率的な単一モードレーザ発光を速軸に沿って有する大光共振器（ｌｏｃ）レーザダイオード Download PDF

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Description

関連出願
本出願は、米国仮特許出願第６２／６７７，７４８号（出願日：２０１８年５月３０日）の恩恵を主張する。本明細書中、同文献は参考のため援用される。
技術分野
本開示は、レーザダイオードに関する。
いくつかのレーザダイオード（例えば、出願人であるｎＬＩＧＨＴ，Ｉｎｃ．から入手可能な高出力８ｘｘ－および９ｘｘ－ｎｍの商用レーザダイオードアセンブリに含まれるもの）には、高出力および高効率性能のために大光共振器（ＬＯＣ）が含まれる。
ＬＯＣレーザダイオード構造のいくつかの実施形態が、記載される。実施形態は、ｐ－導波路厚さを比較的薄くしつつも、垂直方向における単一モードレーザ処理を高出力および高効率にて提供する。高出力のレーザダイオードが、パワースケーリングおよび価格（ワットあたりのコストにて測定）の削減の点において所望されている。高効率のレーザダイオードが、エネルギー消費低減およびデバイス長寿化の点において所望されている。
いくつかの例において、レーザダイオードは、一次およびより高次のモードのレーザ処理をレーザダイオードから出射された光学ビームの速軸に沿って抑制するように構成される。レーザダイオードは、レーザダイオードのｐ－側、レーザダイオードのｎ－側、およびｐ－側とｎ－側との間に配置された活性領域によって規定された光共振器であって、ｎ－側は、ｐ－側へ向かう量子井戸オフセットを有する導波路のうち少なくとも一部を形成するｎ－導波層を含む、光共振器と、ｐ－側およびｎ－側の片方または双方上に設けられた隣接クラッド層であって、隣接クラッド層は、外側クラッド層および内側クラッド層を含み、内側クラッド層は、導波路と外側クラッド層との間に導波路と外側クラッド層に隣接して位置し、外側クラッド層および内側クラッド層はそれぞれ、第１の屈折率および第２の屈折率を有し、外側クラッド層の第１の屈折率は、内側クラッド層の第２の屈折率よりも高く、一次モードの有効屈折率よりも高いため、導波路からこれをアウトカップルする、隣接クラッド層と、を有する。いくつかの例において、グレーデッドインデックスまたはステップインデックスの屈折率プロファイルは、活性領域へ隣接し得る。
他の例において、レーザダイオードは、一次およびより高次のモードのレーザ処理をレーザダイオードから出射された光学ビームの速軸に沿って抑制するように構成される。レーザダイオードは、レーザダイオードのｐ－側、レーザダイオードのｎ－側およびｐ－側とｎ－側との間に配置された活性領域によって規定された光共振器と、二重導波路のうち少なくとも一部を形成するｎ－側上に設けられた１組のｎ－導波層であって、１組のｎ－導波層は、一次およびより高次のモードへ付加された光学利得を低減するように、外側ｎ－導波層および内側ｎ導波層を含む、１組のｎ導波層と、を有する。導波路は、いくつかの例において対称であり、他の例において（屈折率に対して）非対称である。
さらなる態様および利点が、添付図面を参照して続けられる以下の実施形態の詳細な説明から明らかである。
従来技術による従来のレーザダイオードのブロック図である。 エピタキシャル層スタックの注釈付きブロック図であり、エピタキシャル層スタック内には、クラッディング（クラッドとも呼ばれる）、導波路および活性層が、薄いｐ－導波路厚さ（すなわち、大きな量子井戸オフセット）および二重ｎ－クラッド構造を有する第１の単一モードレーザダイオード設計パラダイム（すなわち、設計１ａ）に基づいて垂直軸に沿って配置される。 設計１ａの屈折率プロファイル（ＲＩＰ）のグラフであり、破線によって示された有効屈折率を有する基本モードおよび一次モードそれぞれの光強度プロファイルのモデルを、図２において導入されている二重クラッドパラダイムの内側ｎ－クラッド層および外側ｎ－クラッド層の屈折率との比較のために示している。 単一のｎ－クラッド設計変形例のＲＩＰのグラフであり、小さな屈折率段差（Δｎ）があり、変形例および設計１ａ双方について基本モードの光強度プロファイルのモデルが示される。 大きなΔｎを有する単一ｎ－クラッド設計変形例のＲＩＰのグラフであり、どちらとも導波路内に閉じ込められるため複数の光学モードの誘導放出に繋がる基本モードおよび一次モードの光強度プロファイルのモデルを示す。 極めて大きな（すなわち、実質的にゼロのｐ－導波路厚さ）の量子井戸オフセットを有する単一モードレーザダイオード設計１ｂのＲＩＰの注釈付きグラフである。 二重ｐ－クラッド構造および薄いｐ－導波路厚さ（すなわち、大きな量子井戸オフセット）を有する単一モードレーザダイオード設計のＲＩＰの注釈付きグラフである。 ステップインデックスＲＩＰ層およびグレーテッドインデックス形ＲＩＰ層をそれぞれ有する２つの対応する大きな量子井戸オフセット設計２ａおよび２ｂを含む第２の設計パラダイムの２つのＲＩＰの注釈付きグラフである。 高角度サイドローブ中に存在する光パワーが比較的低い垂直遠方場強度プロファイルのモデルである図８の設計２ａおよび２ｂについて、対数スケールにより示す注釈付きグラフである。 ステップインデックスＲＩＰ層および非対称グレーテッドインデックス形ＲＩＰ層をそれぞれ有する２つの対応する極めて大きな量子井戸オフセット設計２ｃおよび２ｄを含む第２の設計パラダイムの２つのＲＩＰの注釈付きグラフである。 高角度サイドローブ中に存在する光パワーが比較的低い垂直遠方場強度プロファイルのモデルである図１０の設計２ｃおよび２ｄについて、対数スケールにより示す注釈付きグラフである。 第３の大きな量子井戸オフセット設計パラダイムのＲＩＰの注釈付きグラフであり、本図において、外側ｎ－導波路の屈折率は内側ｎ－導波路よりも低く、基本モードの光閉込係数は０．５％まで向上する一方、一次モードの光閉込係数は０．３％まで低下している。 第４の大きな量子井戸オフセット設計パラダイムのＲＩＰの注釈付きグラフであり、本図において、肉薄クラッド層により二重導波路構造が分離され、基本モードの光閉込係数は０．４％まで向上する一方、一次モードの光閉込係数は０．２％まで低下している。 開示の設計パラダイムのうち１つ以上に従って構築されたレーザダイオードを含むレーザダイオードアセンブリのブロック図である。 図１４Ａの線Ｂ－Ｂに沿ったステアステップレーザダイオードマウントの側方立面図である。 従来のＬＯＣ設計と、設計１ａおよび１ｂについて図３および図６中に図示された線に沿った段階的に（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｌｙ）肉薄のｐ－導波路を有するいくつかの薄いｐ－導波路設計とについて、シミュレートされたレーザダイオード電圧（Ｖ）を駆動電流（ａｍｐｓ、Ａ）の関数として示すグラフである。 従来のＬＯＣレーザダイオード設計および設計１ａそれぞれについて、高出力動作下のシミュレートされた電子およびホール濃度および伝導帯端のグラフである。 従来のＬＯＣレーザダイオード設計および設計１ａそれぞれについて、高出力動作下のシミュレートされた電子およびホール濃度および伝導帯端のグラフである。 電圧の測定を電流の関数として示すグラフであり、本図から分かる点として、設計１ａおよび１ｂについて図３および図６に示す線に沿った段階的に肉薄のｐ－導波路を有するいくつかの薄いｐ－導波路設計について、ｐ－導波路厚さの低下と共に、電力消費が低下する点がある。 図１８の最も薄いｐ－導波路設計の速軸遠方場測定のグラフであり、ここから分かる点として、１０Ａ～２５Ａの測定電流について速軸に沿って単一モード出力が得られる点がある。 従来のレーザダイオード設計と、設計２ａに示す線に沿ってステップインデックスＲＩＰ層を用いた設計向上とについて、電圧および出力電力の測定を電流の関数として示すグラフである。 従来のレーザダイオード設計および図２０の設計向上について、効率測定を電流の関数として示すグラフである。 図２０の設計向上について、速軸遠方場測定を角度の関数として示すグラフである。 別の実施形態による、二重導波路および二重クラッディングの組み合わせを示すＲＩＰの注釈付きグラフである。
広範囲の波長にわたる動作のためのレーザダイオードを、選択された材料に応じて作製することができる。例えば、このようなレーザダイオードは、少なくとも約４００ｎｍ（ＩｎＧａＮ）～約３．４μｍ（ＧａＩｎＡｓＳｂ）の範囲のレーザ処理波長において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂまたはＧａＩｎＡｓＳｂによって構成され得る。レーザ処理波長は、レーザダイオードの実際の発光波長を指す。実際の発光波長は、温度、駆動電流、レーザ処理空洞長さと共に変化する。本明細書中用いられるように、レーザ処理波長は、典型的には半値全幅または全幅１／ｅ２の強度について定量化される、レーザダイオードの発光が可能になるスペクトル帯域幅も指す。
例えば、図１は、従来のレーザダイオード１１２の垂直導波路１００を示す。従来のレーザダイオード１１２は、１方向において直角方向よりも長い前部ファセット１１８からレーザ放射１１４を出射し、これにより、出射されたレーザ放射１１４は、より長いファセット寸法に平行な方向においてより小さな開散を有し、より小さなファセット寸法に平行な方向において大きな開散を有する。より長いファセット寸法に対して平行かつより長いファセット寸法に沿った軸を遅軸１２０と呼び、より小さなファセット寸法に対して平行かつより小さなファセット寸法に沿った軸を速軸１２４と呼ぶ。また、図１に示すように、垂直導波路１００は、ｐ－ｎ接合のｐ－側１３２のｐ－導波路１３０と、ｐ－ｎ接合のｎ－側１３６上のｎ－導波路１３４と、１つ以上の量子井戸層および光学利得を生成する他の部分を有する活性層１３８（活性領域とも呼ばれ、スタックの部分の記述においてワード層を省略する場合がある）と、を含む。Ｎ－導波層およびｐ－導波層と、中間層とを、導波路として総称する（すなわち、図１中の垂直導波路１００）。
レーザダイオードの活性領域は、真性領域内に有り、キャリア（電子およびホール）は、この領域内にｎ領域およびｐ領域それぞれからポンプされる（すなわち、ｐ－ｎ接合の対向しあう側のｎ－およびｐ－ドープ材料）。活性領域という用語は、レーザダイオードのうち光学利得を生成する部分を一般的に指すためにも用いられる。量子井戸レーザにおいて、量子井戸層は、活性領域として機能する。よって、以下の例において、いわゆる量子井戸レーザダイオードは、量子井戸に基づいた活性領域を含む。
従来のレーザダイオード１１２において、ｐ－導波路１３０は、垂直導波路１００の全体厚さの有意な部分を構成する。換言すると、ｐ－側１３２とｎ－側１３６との間に位置している量子井戸は、垂直導波路１００のおおよそ中間位置に配置される。しかし、Ｐ．Ｃｒｕｍｐらの文献［「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｈｉｇｈ－Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ．１９， ｎｏ．４， ｐ．１５０１２１１， ２０１３年７月～８月］に記載のように、高電流１４０において発生する電圧および光損失のうち大部分は、ｐ－導波路１３０の厚さに起因する。
いくつかのレーザダイオード設計の場合、厚さ低減を試行しているため、必然的に量子井戸が垂直導波路の肉薄のｐ－側へオフセットされる。大きな量子井戸オフセットに起因して、ｐ－導波路に起因する電気直列抵抗が低下し、大きな順バイアス下のｐ－導波路中のキャリア蓄積と関連付けられた光損失および漏洩電流が低減するため、出力および効率の向上に繋がる。しかし、ＬＯＣ構造内の導波路のｐ－側へ大きな量子井戸オフセットがある場合、垂直方向においてより高次のモードが開始する。これは、一次モードの開始について特にあてはまり、その結果、垂直方向におけるビーム質の悪化、ならびにダイオードの出力および効率の低下に繋がる。
Ｐ．Ｃｒｕｍｐらによれば、ｐ－導波路厚さの低減と、単一モード出射を垂直方向において試行するフィーチャとを有する設計についての記載がある。詳細には、Ｐ．Ｃｒｕｍｐらの図１０（ｂ）に示す設計の場合、例えば、ｐ－導波路厚さが小さく、一次（より高次の）光学モードを優先的にアウトカップルできるように、導波路とｎ－クラッディング（Δｎ＝０．０２）との間の屈折率段差が小さくなっている。その結果、垂直方向において単一モード出射が発生するが、本発明者らが理解する特定の欠陥の原因になる。例えば、基本モードはクラッディング中に有意に延びる結果、大きな不明確な近接場が発生し、ビーム質が劣化し、クラッディングとの重複からの固有損失がより高くなる。また、比較的小さなΔｎの結果、小さなエネルギー障壁がｎ－クラッドから発生する（すなわち、ｎ－クラッド屈折率が導波路のｎ－クラッド屈折率を若干下回る）が、これでは、（キャリア漏洩に起因するレーザダイオードの固有効率の低下の原因となる）クラッディング中へのキャリア／ホール漏洩をブロックするには不十分であり得る。換言すると、Δｎ値を下回る限り、導波路は、１つの閉込モード（すなわち、基本モードの単一モードレーザ処理のための小さいΔｎ）を支援し、Δｎ値を上回る限り、導波路は、一次モード（すなわち、一次モードを含むマルチモードレーザ処理の原因となる大きなΔｎ）を閉じ込める。
設計パラダイム１：二重クラッド構造
図２は、二重（すなわち、内側および外側の）ｎ－クラッド構造を特徴とする設計１ａを示すレーザダイオード２００を示す。レーザダイオード２００は、ｐ－導波路２１４とｎ－導波路２１６との間に位置する活性領域２１０を含む。ｎ－導波路２１６は、活性領域２１０と内側ｎ－クラッド２２０との間にある。別の外側ｎ－クラッド２３０が、内側ｎ－クラッド２２０と、エピタキシャル層スタック底部にあるｎ－基板２４０との間にある。ｐ－キャップ２５０が、ｐ－キャップ２５０とｐ－導波路２１４との間のｐ－クラッド２５４の上にある。上記および他の例において、方向について「上」、「下」、「上側」、「下側」、「垂直」、「水平」などと記載しているが、これらの用語は、説明を分かり易くするために用いたものであり、いかなる特定の空間的向きまたは制限を示すものではない点に留意されたい。また、グラフ中、水平矢印は、どのプロットにどの垂直軸が対応するかを示す。
図３は、外側ｎ－クラッド３１２および比較的肉薄の内側ｎ－クラッド３１６を有する二重ｎ－クラッド構造３１０を含む設計１ａについてのグラフ３００を示す。ｎ－導波路３２０とｐ－導波路３２６（後者は、ｐ－クラッド３３８に隣接する）との間において、量子井戸３４４を含む活性領域３４０が設けられる。ｎ－導波路３２０およびｐ－導波路３２６ならびに活性領域３４０の組み合わせにより、導波路３５０が形成される。導波路３５０の全体厚さは、合理的に小さな遠方場開散角度のために、（従来のＬＯＣ設計と同様に）大きなままである。垂直方向における複数の光学モードを、このような大光共振器下において抑制することができる。
比較的薄いｐ－導波路３２６により、量子井戸３４４を導波路３５０のｐ－側へ有意にオフセットさせることができ、これにより、出力および効率の向上に繋がる大きな量子井戸オフセットが確立される。それにも関わらず、以下に述べる理由のために望ましくないモードを抑制する機能を有する外側ｎ－クラッド３１２無しでは、大きな量子井戸オフセットの場合、一次モードの閉込係数（Γ、光学モードの量子井戸との重複として測定される）が双方のモードの基本モードレーザ処理の一次モードの閉込係数以上になり、その結果、レーザダイオード性能が悪化する。しかし、図３に示すように、外側ｎ－クラッド３１２の屈折率は、基本モード３５６の有効屈折率３５２よりも低くかつ一次モード３７０の有効屈折率３６０よりも高くなるように、選択される。また、外側ｎ－クラッド３１２の屈折率は、導波路３５０よりも若干低い。内側ｎ－クラッド３１６の利点については、図４および図５を参照して後述するが、内側ｎ－クラッド３１６の屈折率は、導波路３５０および外側ｎ－クラッド３１２よりも実質的に低い。このような配置構成により、確実に基本モード３５６が導波路３５０によりガイドされるモードとなる一方、望ましくないモード３７０は、光損失が大きくなり、アンチガイドされる（すなわち、漏洩モード）。基本モード３５６は、導波路３５０によって良好に閉じ込められるが、一次（およびより高次の）モード３７０は、高損失と共にクラッディングへアウトカップルされるため、設計１ａのレーザダイオードは、単一モードと共に垂直方向においてレーザ放出する。
有効屈折率３５２および３６０により、二重ｎ－クラッド構造が基本モードを閉じ込めて、一次（より高次の）モードを拒絶する様態が支援される。導波路光学の文脈において、有効屈折率という用語は、導波路モードの伝搬に関連する指数を意味するものとして一般的に理解される。有効屈折率は、波長に依存するだけでなく、（マルチモード導波路の場合には）光の伝播モードにも依存する。そのため、モード指数とも呼ばれる。有効屈折率は、例えば数値モード計算によって得ることが可能である。
図４は、設計１ａの基本モード３５６を、（ｎ－導波路４０６と単一ｎ－クラッド４０８との間に比較的小さなΔｎ４０４がある）別の設計の基本モード４０２と比較したグラフ４００である。上記したように、図４のいわゆる小Δｎ設計の場合、内側ｎ－クラッド３１６（図３）が無いため、その基本モード４０２が（基本モード３５６と比較して）有意に４１４単一ｎ－クラッド４０８中に延びて、その結果、大きな近接場、ビーム質低下、およびｎ－クラッド４０８との重複からの固有損失の増大に繋がる。一方、図５のグラフ５００に示すように、大Δｎ設計の場合、導波路５５０に閉じ込められたより高次のモードのレーザ処理が用いられる。そのため、小Δｎ設計および大Δｎ設計の欠陥を解消するために、設計１ａは、内側ｎ－クラッド３１６によってもたらされる高バンドギャップエネルギー障壁を有する。この高バンドギャップエネルギー障壁により、ｎ－クラッド３１０中へのキャリア（ホール）漏洩が抑制され、これにより、より高次のモードを拒絶しつつ、二重ｎ－クラッドレーザダイオード設計の高固有効率が確保される。
図６は、極端な量子オフセットを有する設計１ｂを示すグラフ６００である。設計１ａと同様に、二重ｎ－クラッド構造６１０が用いられる。設計１ａと対照的に、設計１ｂは、極端に肉薄のｐ－導波路６２０を有するかまたはｐ－導波路６２０を有しない。上記したような同様の理由により、設計１ｂのレーザダイオードも、単一モードによりレーザ放出する。二重ｎ－クラッド設計１ａおよび１ｂ（主に設計１と呼ぶ）双方により、クラッディングおよび良好に規定されたモード近接場へのモード拡張の抑制のために、十分な損失の導入によってより高次のモードを抑制しつつ、基本モードの十分な閉じ込めが可能になる。
以下の表に、設計１ａおよび１ｂの例示的な厚さおよび屈折率を記載する。
Figure 0007361728000001
Figure 0007361728000002
当業者であれば、所望の光結合の提供のために、実際の層厚さは一般的に独立して選択されることを理解する。層厚さの一部または全てを、所望に調節することが可能である。一般的に、内側ｎ－クラッド３１６（屈折率および層厚さの選択を含む）は、導波路よりも屈折率がずっと低くなるように選択され、通常、バンドギャップエネルギーも導波路よりずっと高い。
図７は、ｎ－側ではなくｐ－側の別の二重クラッド設計を示すグラフ７００である。二重ｐ－クラッド構造７１０の場合、モード損失内への電子漏洩がより大きく、またｐ－クラッドからのモード損失もはっきりしているが、それでも、この設計によれば、外側ｎ－クラッド３１２および内側ｎ－クラッド３１６と機能的に類似する外側ｐ－クラッド７１２および内側ｐ－クラッド７１６の位置および屈折率に起因して、より高次のモード抑制のための同様のモード判別を達成する。
設計パラダイム２：高い指数ＲＩＰを有する活性領域
設計パラダイム１において、大きな量子井戸オフセットに起因して、閉込係数は、従来のＬＯＣレーザダイオードよりも低い。例えば、従来のＬＯＣ設計の場合は０．５～０．６％であるのと比較すると、設計１ａおよび設計１ｂの閉込係数は、それぞれ０．２６％および０．１％未満である。その結果、モード利得の低下および閾電流の増加に繋がり、いくつかの用途によってはレーザダイオードの出力および効率の制限に繋がる可能性がある。
設計パラダイム２（変形例２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄを含む）は、設計１と同様の二重ｎ－クラッド構造を有するものの、量子井戸における光閉込を向上させる活性領域に隣接して高い指数ＲＩＰを有するため、より高いモード利得および閾電流の低下を可能にする。図８において、設計２ａを設計２ｂよりも全般的に屈折率が低いものとして図示しているが、この差は単にそうなっているだけであり、１つの設計によりその他の屈折率が排除されることはなく、実際の屈折率は類似し得る点に留意されたい。同様に、図１０は、設計２ｃと設計２ｄとの間の同様の全般的差を示すが、これも明確さのためのものである。
図８は、設計２ａおよび２ｂを示すグラフ８００である。双方の設計において、高指数ＲＩＰが量子井戸８４４を包囲することにより、量子井戸とのモード重複の増加が支援され、導波路８５０よりも屈折率が高くなる。換言すると、高指数ＲＩＰは、より高い指数層として機能して、閉込係数の向上を支援する。
設計２ａにおいて、高指数ＲＩＰは、ステップインデックス層８６２である。設計２ｂにおいて、グレーテッドインデックス形ＲＩＰ８７０が用いられる。どちらの設計も、閉込係数は０．５２％であり、設計１ａの約２倍である。他の可能な設計は、設計２ａと同様の設計であるが、活性領域を包囲する非対称高指数ステップインデックスＲＩＰを備えた設計（すなわち、ｐ－側のステップインデックス層がｎ－側のステップインデックス層よりも薄いかまたは厚さが全く無いもの）と；設計２ｂと同様の設計であるが、より高速の屈折率変化を有するかまたは厚さが全く無いグレーテッドインデックス形ＲＩＰのｐ－側を備えたものと；を含む。
図９のグラフ９００に示すのは、設計２ａおよび２ｂのＲＩＰにより、垂直遠方場中に高角度サイドローブが得られるが、サイドローブは、出力全体のごく一部のみを含むことである。どちらの設計の場合も、例えば、出力の約１％がサイドローブ中に封入される。換言すると、高遠方場角度における出力が失われたと仮定した場合、サイドローブは、設計１ａにおける出力損失に対して約ａ１％になる。
図１０のグラフ１０００は、それぞれ極端な量子井戸オフセットを含む設計２ｃおよび２ｄのＲＩＰを示す。極端な量子井戸オフセットを含む設計の場合、閉込係数が低いため（例えば、設計１ｂの場合に（＜０．１％））、図１０中において量子井戸１０４４の周囲の指数プロファイルが変更されている。
設計２ｃは、高指数ステップインデックスＲＩＰ層１０６２を量子井戸１０４４のいずれかの側に含むが、これは、上記した設計２ａに類似する。設計２ｃの閉込係数は０．２６％であるが、これは、ｐ－導波路が完全に除去されている場合であっても、設計１ａと同じである。設計２ｃは、活性領域を包囲する非対称ステップインデックスＲＩＰも有し得る（すなわち、ｐ－側のステップインデックス層は、ｎ－側のステップインデックス層よりも薄いかまたは厚さが全く無い）。
設計２ｄは、非対称グレーテッドインデックス形ＲＩＰ層１０７０を含み、層のｐ－側は、より早い屈折率変化を有するかまたは厚さが全く無い。非対称ＲＩＰ層の目的は、ｐ－導波路厚さを最小化しつつ閉込係数を向上させることである。詳細には、設計２ｄにおいて、極端な量子井戸オフセット設計において、閉込係数として０．３８％が達成され、設計２ｃと比較して大きな向上が得られる。しかし、他の設計において、対称グレーテッドインデックス形ＲＩＰ層（図示せず）または他の種類のＲＩＰ層を閉込係数の向上のために用いてもよい。
図１１のグラフ１１００は、設計２ｃおよび２ｄについてモデル化された垂直遠方場強度プロファイルのプロットである。どちらの設計の場合も、高角度サイドローブの出力損失は小さく、設計２ｃにおいては１％未満であり、設計２ｄにおける出力損失は２％未満である。
この設計パラダイム２の変形例の例示的な厚さおよび屈折率について、このような厚さおよび屈折率は、量子井戸を包囲するこの薄い高指数ＲＩＰを除いて、表１および表２の厚さおよび屈折率と同様である。
設計パラダイム３：非対称屈折率を有する二重導波路構造
図１２は、設計パラダイム３のＲＩＰを示すグラフ１２００である。設計は、外側ｎ－導波層１２６０と、内側ｎ－導波層１２６２と、導波路１２５０のｐ－側の薄いｐ－導波路１２６６への大きな量子井戸オフセットとを含む二重導波路１２５０を含む。
外側ｎ－導波路１２６０の屈折率は、内側ｎ－導波路１２６２および薄いｐ－導波路１２６６の屈折率よりも若干低い。よって、二重導波路１２５０は、導波路１２５０の対向する側において異なるため、屈折率について非対称である。後段において述べるように、外側ｎ－導波路１２６０中に存在する基本モードの出力は有意である。そのため、外側ｎ－導波層１２６０は、内側ｎ－クラッド層と呼ばれない。呼び名に関係無く、内側ｎ－クラッドまたは外側ｎ－導波路は、作動原理にほとんど無関係である：すなわち、基本モードおよびより高次（すなわち、一次）のモードはどちらとも、設計パラダイム１および２と対照的に、設計パラダイム３における閉込モードである。一次モードが設計パラダイム３中において抑制されているのは、一次モードがアウトカップルされているからではなく、モード利得が基本モードよりも低いからである。
二重導波路１２５０下において、基本モード１２５６は、内側ｎ－導波路１２６２のより高い指数領域とより重複する傾向があり、一次モード１２７０は、外側ｎ－導波路１２６０のより低い指数領域とより重複する。特定の構造の基本モード１２５６の閉込係数は０．５％であり、同じ厚さおよび量子井戸オフセットの対称導波路下の０．２％と比較して向上している。一次モード１２７０の閉込係数は０．３％であり、対称導波路における０．４％よりも有意に低下している。基本モード１２５６の向上したモード判別は、一次モード１２７０に相対する向上モード利得の向上から得られており、これにより、レーザダイオードが単一モードにおいて垂直方向において動作することが可能になる。比較のため、設計パラダイム１および２は、一次モードの損失増大を通じて、基本モードのモード判別向上を達成する。
以下の表に、設計３の例示的な厚さおよび屈折率を記載する。
Figure 0007361728000003
設計パラダイム４：対称屈折率を有する二重導波路構造
図１３は、設計パラダイム４のＲＩＰを示すグラフ１３００である。この設計は、より肉厚の導波路１３６２よりも肉薄の導波路１３６０へとオフセットする肉薄クラッド層１３５４によって分離された２つの導波路から形成された二重導波路１３５０を含む。より肉厚の導波路１３６２は、肉薄クラッド層１３５４の右側のｎ－導波路およびｐ－導波路１３６６双方を含む。肉薄クラッド層１３５４は、二重導波路１３５０と比較して、より低い屈折率（および典型的にはより高いバンドギャップエネルギー）を有する。量子井戸は、二重導波路１３５０のｐ－側へオフセットして位置し、ｐ－導波路１３６６の厚さは極めて薄い。
２つの導波路間における厚さが不均一である二重導波路下において、一次モード１３７０は、肉薄クラッド層１３５４のｎ－側へ肉薄の導波路１３６０とより重複する一方、基本モード１３５６は、クラッド層のｐ－側へより肉厚の導波路１３６２とより重複する傾向となる。図１３の特定の構造について、基本モード１３５６は、向上した閉込係数として０．４％を有し、一次モード１３７０の閉込係数は０．２％であり、その結果、モード間のモード判別が向上し、単一モード動作が垂直方向において得られる。
一例による上記の向上を特徴付けると、固有モード損失が０．９ｃｍ-１未満であるレーザ構造において、モード判別係数が２倍（またはそれ以上の）閾（下記に説明）を生成する場合に、このモード判別係数は、単一モード動作のための適切なモード判別とみなされる点に留意されたい。この閾において、実際は、より高次のモードが抑制されるものとみなされる。しかし、当業者であれば、より高次のモードの閾電流を基本モードの閾電流よりも高い所望の量まで増加させるために、異なる用途に適した他の閾があり得ることを理解する。実際、閾電流は、閉込係数（モード利得）および固有モード損失（モードが異なると、損失も異なる）に関連するため、閾電流は閉込係数のみには依存しない。閾電流が基本モードの閾電流の約２～３倍を超えるより高次のモードはレーザ放出を全く行わない場合があり得、これを換言すると、このような範囲は、実行特有のものであり、閉込係数との直接対応関係を持つ必要が無い。
クラッド層１３５４の厚さおよび屈折率は、基本モードと一次モードとの間の最大モード判別を達成するように選択すると賢明である。すなわち、層が薄すぎると、モード判別が低下するが、層が厚すぎると、モードが個々の導波路に閉じ込められることになり、ＬＯＣ設計原理から逸脱する。換言すると、クラッド層１３５４が肉厚すぎると、２つの結合解除された導波路が発生し、光が、量子井戸を有する１つの導波路へ閉じ込められ、二重導波路設計パラダイムが、動作不能となる。
以下の表に、設計４の例示的な厚さおよび屈折率を記載する。
Figure 0007361728000004
レーザダイオードアセンブリ
上記した設計パラダイムは、特に、ファイバー結合ポンプ製品（例えば、出願人であるｎＬＩＧＨＴ，Ｉｎｃ．（Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ）から入手可能であるｅｌｅｍｅｎｔ（登録商標）およびｐｅａｒｌ（商標）レーザダイオード）において適用され得る。例えば、単一発光体ダイオードあたりの出力電力を高効率において増加させることにより出力を（ポンプ設計または部品カウントの変更無しに）スケールする能力が有ると、ポンプコスト（ワットあたりのコスト）が有意に低減される。また、効率向上により、エネルギー消費の低減と、レーザダイオードおよびそのようなデバイスを用いたレーザダイオード製品の寿命の長寿化が支援される。
図１４Ａを参照して、レーザダイオードアセンブリ１４００について、右回りのｘｙｚ座標系１４８０を参照して説明する。ｘｙｚ座標系１４８０において、ｚ軸は、図１４Ａの面から上方に延びる。レーザダイオードアセンブリ１４００は、レーザビームを対応する位相マスクと、反射器と、速軸および遅軸コリメータ１４１２～１４１５とへ出射するように配置された複数組のコヒーレントレーザダイオード１４０２～１４０５を含む。例えば、組１４０２のレーザダイオードは、ビームをｘ軸方向に沿って出射し、その後、これらのビームは、ｙ軸方向に沿って伝播するように組１４１２の各反射器によって再度方向付けされる。各組のレーザダイオードは、同じ組の他のレーザダイオードからｚ軸および関連反射器（この組からのレーザビームが反射器によって遮断されないように位置する）に沿って変位またはオフセットされる。図１４Ｂに示すように、１組のレーザダイオード１４０２は、適切なｚ軸オフセットを提供するように段付きマウント１４２０へ固定される。類似のマウントが、残りの組のレーザダイオードへ提供される。便宜上、ビーム伝搬軸１４２２～１４２５を各組の最下部のレーザダイオードについて図示しているが、各組の残りのレーザダイオードのビーム伝搬軸も類似しており、ｚ軸に沿って変位している。
１組のレーザダイオード１４０２からのレーザビームは、半波リターダ１４３０へ方向付けられた後、１組のレーザダイオード１４０３からのレーザビームと偏光ビームスプリッタ１４３２において組み合わされ、これにより、垂直スタックされた１組のビームがビーム間隔調整コンプレッサ１４４０へ入射する。ビーム間隔調整コンプレッサ（ｂｅａｍ ｓｐａｃｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）１４４０は、１対の円柱レンズとして設けられ得る。１組のレーザダイオード１４０５からのレーザビームは、１組１４１５の反射器によって半波リターダ１４３４へ方向付けられた後、１組１４１４の反射器によって偏光ビームスプリッタ１４３５において再度方向付けられるような１組のレーザダイオード１４０４からのレーザビームと組み合わせられ、これにより、垂直スタックされた１組のビームがビームコンプレッサ１４４０へ入射する。
実験結果およびシミュレート結果：設計パラダイム１および２
本開示のＬＯＣレーザダイオードによれば、より低い光損失からの電気直列抵抗低下およびより高いスロープ効率からの動作電圧低下に起因して、出力および効率が向上する（すなわち、閾電流を超えるレーザ出力特性の直線部分からの出力／電流のスロープ効率）。セルフコンシステントな物理学に基づくレーザダイオードシミュレーションツールを用いて、設計パラダイム１および２のレーザダイオード性能をシミュレートした。比較のため、従来のＬＯＣレーザダイオードのシミュレーション結果も記載する。
図１５において、従来のＬＯＣ設計と、設計パラダイム１の二重クラッドの薄いｐ－導波路のパラダイムに追随するいくつかの薄いｐ－導波路設計とについて、シミュレートされたレーザダイオード電圧を駆動電流の関数としてプロットしている。ホールの移動度は低いため、従来のＬＯＣにおける電気抵抗の大部分は、比較的肉厚のｐ－導波路から来る。図１５に示すように、ｐ－導波路を肉薄にすることにより、電気直列抵抗が有意に低下し、よってレーザダイオード中の電圧が低下する。
ｐ－導波路中へのバイアス駆動型キャリア漏洩は、特に高出力高電流の動作において、従来のＬＯＣにおける主要な出力および効率の低下の原因である。図１６は、高出力動作下における従来のＬＯＣレーザダイオード設計のシミュレートされた電子、ホール濃度および伝導帯端を示す。バンド屈曲（図中の伝導帯端）が発生すると、キャリア漏洩および蓄積（図示のように電子およびホール双方）がｐ－導波路中において増加する。その結果、高注入電流におけるキャリアの有意な蓄積に起因して、ｐ－導波路中の自由キャリア吸収（特に、インターバレンスバンド吸収（ｉｎｔｅｒ－ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ））を通じて光損失が増大し、電流増加と共に出力飽和が発生する。例えば設計パラダイム１に示すようなＬＯＣ構造中のｐ－導波路の低減により、肉薄のｐ－導波路中のバンド屈曲およびキャリア蓄積が軽減されることが図示される（図１７中のシミュレーション結果に示す）。出力飽和効果が最小化され、光損失低下からの高注入電流において効率が有意に向上する。
設計パラダイム１に基づいたＬＯＣレーザダイオードに対して、性能確認のための試験を行った。図１８は、２００μｍ（遅軸幅）のストライプ幅を有するように作製された９７６ｎｍレーザダイオードのいくつかの肉薄のｐ－導波路設計の測定電圧を示す。最も薄いｐ－導波路設計を従来のＬＯＣ設計と比較すると、５．３％もの電圧低下が観察された。図１９は、最も薄いｐ－導波路設計の測定された速軸遠方場のプロットであり、２５Ａまでの全測定電流について、従来のＬＯＣ設計と同様の相当する遠方場開散角度だけでなく、垂直方向における単一モード動作も示す。
図２０は、従来のＬＯＣ設計と、設計２ａに従って構築されたレーザダイオード設計とについて、測定されたレーザダイオード出力および電圧を駆動電流の関数として示す。標準的な（すなわち、図１５のような従来のＬＯＣの）デバイスの結果も図示される。標準的なデバイスと、設計２ａに従って実行されたデバイスとの間の比較について、グラフは、設計２ａによって実現される電圧低下を示す。これは、ｐ－導波路厚さの低減の結果得られたものである。
電圧低下により、効率（図２１を参照）は、設計２ａに関連して上昇している。詳細には、図２１は、従来のＬＯＣ設計と、設計２ａに従って構築されたレーザダイオード設計とについて、測定された電気／光パワー変換効率を駆動電流の関数として示す。電気／光パワー変換効率は、出力電力を電圧および電流の積によって除算した値として規定される。光パワーは、典型的には熱電対列を用いて測定される。従来のＬＯＣデバイスは、約６．５Ａおよびより高い電流においてより低い効率を示す。
最後に、図２２の速軸遠方場に示すように、ｐ－導波路を劇的に薄くしているが、デバイスは、単一モード動作を維持している。そのため、図２２は、設計２ａに従って最も薄いｐ－導波路設計を用いて構築されたレーザダイオードの測定された速軸遠方場のプロットであり、垂直方向における単一モード動作も示す。
結論
当業者であれば、上記した実施形態の詳細における変更が、本発明の基本的原理から逸脱することなく可能であり得ることを理解する。例えば、図２３は、図３および図１２に示すフィーチャの組み合わせを示す別の実施形態を示す。詳細には、グラフ２３００は、二重ｎ－クラッディング（図３中に示すものと同様）および二重導波路（図１２中に示すものと同様）を示す。これらのフィーチャの組み合わせにより、二重ｎ－クラッディングフィルタリングによるさらなるモデル判別と、設計パラダイム１ａおよび３それぞれに関連して既述したような二重導波路に起因する閉込係数の判別と、が可能になる。よって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲のみによって決定される。

Claims (15)

  1. 大光共振器（ＬＯＣ）レーザダイオードであって、
    前記ＬＯＣレーザダイオードは、基本モードでレーザ放出し、一次およびより高次のモードのレーザ放出を前記ＬＯＣレーザダイオードから出射された光学ビームの速軸に沿って抑制するように構成され、前記ＬＯＣレーザダイオードは、
    前記ＬＯＣレーザダイオードのｐ－側、前記ＬＯＣレーザダイオードのｎ－側、および前記ｐ－側と前記ｎ－側との間に配置された活性領域によって規定された光共振器であって、前記ｎ－側は、前記ｐ－側へ向かってオフセットされる量子井戸を有する導波路のうち少なくとも一部を形成するｎ－導波層を含む、光共振器と、
    前記ｐ－側および前記ｎ－側の片方または双方上に設けられた隣接クラッド層であって、前記隣接クラッド層は、外側クラッド層および内側クラッド層を含み、前記内側クラッド層は、前記導波路と前記外側クラッド層との間に前記導波路と前記外側クラッド層に隣接して位置し、前記外側クラッド層および前記内側クラッド層はそれぞれ、第１の屈折率および第２の屈折率を有し、前記外側クラッド層の第１の屈折率は、前記内側クラッド層の第２の屈折率よりも高く、前記一次モードの有効屈折率よりも高いため、前記導波路からこれをアウトカップルする、隣接クラッド層と、を含む、ＬＯＣレーザダイオード。
  2. 前記ｎ－側は、前記隣接クラッド層を含む、請求項１に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  3. 前記ｐ－側は、前記隣接クラッド層を含む、請求項１に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  4. 前記ｐ－側は、前記ｎ－導波路が実質的に前記導波路の全体を含むように、前記活性領域に隣接するｐ－クラッド層を含む、請求項１に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  5. 前記活性領域に隣接するグレーテッドインデックス形屈折率プロファイルをさらに含む、請求項１～４のうちいずれか一項に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  6. 前記活性領域に隣接するステップインデックス屈折率プロファイルをさらに含む、請求項１～４のうちいずれか一項に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  7. 前記活性領域に隣接する非対称グレーテッドインデックス形屈折率プロファイルをさらに含む、請求項４に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  8. 前記活性領域に隣接する非対称ステップインデックス屈折率プロファイルをさらに含む、請求項４に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  9. 大光共振器（ＬＯＣ）レーザダイオードであって、
    前記ＬＯＣレーザダイオードは、基本モードでレーザ放出し、一次およびより高次のモードのレーザ放出を前記ＬＯＣレーザダイオードから出射された光学ビームの速軸に沿って抑制するように構成され、前記ＬＯＣレーザダイオードは、
    前記ＬＯＣレーザダイオードのｐ－側、前記レーザダイオードのｎ－側、および前記ｐ－側と前記ｎ－側との間に配置された活性領域によって規定された光共振器と、
    前記ｐ－側へ向かってオフセットされる量子井戸を有するＬＯＣ導波路と、を含み、
    前記ＬＯＣ導波路は、二重導波路のうち少なくとも一部を形成する前記ｎ－側上に設けられた１組のｎ－導波層を有し、前記１組のｎ－導波層は、前記一次およびより高次のモードへ付加された光学利得が、前記基本モードへ適用される光学利得に相対して低減される外側ｎ－導波層および内側ｎ－導波層を含む、レーザダイオード。
  10. 前記内側ｎ－導波層は、前記活性領域と前記外側ｎ－導波層との間に前記活性領域および前記外側ｎ－導波層に隣接して位置し、前記外側ｎ－導波層および前記内側ｎ－導波層は、それぞれ第１の屈折率および第２の屈折率を有し、前記外側ｎ－導波層の第１の屈折率は、前記内側ｎ－導波層の第２の屈折率よりも低い、請求項９に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  11. 前記二重導波路は、非対称屈折率を有する、請求項９または１０に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  12. 隣接ｎ－クラッド層をさらに含み、前記隣接ｎ－クラッド層は、外側クラッド層および内側クラッド層を含み、前記内側クラッド層は、前記外側ｎ－導波層と前記外側クラッド層との間に前記外側ｎ－導波層および前記外側クラッド層に隣接して位置し、前記外側クラッド層および前記内側クラッド層はそれぞれ、第１の屈折率および第２の屈折率を有し、前記外側クラッド層の第１の屈折率は、前記内側クラッド層の第２の屈折率よりも高く、前記一次モードの有効屈折率よりも高いため、少なくとも前記内側ｎ－導波層からこれをアウトカップルする、請求項９または１０に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  13. 前記１組のｎ－導波層により、整合する屈折率を有しかつ前記１組のｎ－導波層よりも屈折率が低いクラッド層によって分離された対称導波路のうち少なくとも一部が形成される、請求項９に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  14. 前記クラッド層は、前記ｎ－側へオフセットされるため、前記二重導波路の第１の部分は、前記二重導波路の第２の部分よりも幅広であり、前記第１の部分は、前記内側ｎ－導波路およびｐ－導波層を含み、前記第２の部分は、前記外側ｎ－導波層を含む、請求項１３に記載のＬＯＣレーザダイオード。
  15. 請求項１または９に記載の大光共振器（ＬＯＣ）レーザダイオードを含むダイオードレーザアセンブリ。
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