JPH012387A - 半導体ダイオード・レーザ・アレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体ダイオード・レーザ・アレイ装置に関す
るものである。

［従来の技術］ 単一素子のレーザ・ダイオードは、それが数多くの利点
を有しているので、極めて有力な光源である。これらの
利点としては、寸法が小さいこと、堅牢な構造体である
こと、高い効率を有すること、直流電流でボンピングが
できること、および製造コストを安くしかつ集積化しう
る可能性を有することである。けれども、このようなダ
イオードで得られる出力光エネルギはそれ程大きくはな
い。

もし出力光エネルギの大ぎさに関する特性が改善される
ならば、ダイオードはまた新しい応用に使用することが
できるようになり、レーザ・ダイオードが有している利
点のいくつかを有していないレーザ光源を置き換えるこ
とになるであろう。

従来のレーザ・ダイオードは横幅が数ミクロンの活性領
域を有している。このために、レーザは空間的に単一の
横光モードで安定に動作する。活性領域の幅を大きくす
ることにより、光エネルギを大きくすることが出来るよ
うに思われるが、しかしそうすると、通常、動作が不安
定になり、かつ、レーザ作用がフィラメント状になって
、光ビームの品質が劣化する。

光エネルギの分布が均一でなくなると、効率もまた低下
する。のみならず、光エネルギの大きさも限定されてし
まう。それは、光エネルギが局所領域に集中して、そこ
での光エネルギのピーク値が極めて大きくなるからであ
る。

これまでに、出力光エネルギを大ぎくづるための努力が
なされてきた。例えば、１個以上の活性ストライプ領域
を有する種々のレーザ・アレイ装置が開発されている。

この種の装置において、もしアレイを構成する素子間の
距離が個々の素子のスポット寸法に比べて大きいとする
と、素子相互間の結合はもはや実質的に存在しないであ
ろう。

このことは、出力光エネルギはインコヒーレントに側口
されることを意味する。したがって、光ビームの発散度
は単一素子の発散度と同じものとなり、不都合である。

そこでこれらの問題点を解決するために、活性ストライ
プ領域を相互に接近させ、位相ロック動作をさせること
が行なわれた。このような方法により、多数の活性スト
ライプ領域を有する構造体により、２．６ワツト以上の
光エネルギ出力が得られている。また、結合したストラ
イプ領域の群を数個有する装置では、１１ワツトという
光エネルギ出力が得られている。

けれども、レーザ・アレイの光ビームの品質は、個々の
光ビームをコヒーレントに加算した時に期待される品質
よりも、数段劣っていることがしばしば観察された。往
々にして、遠視野像が２つのローブを有することがあっ
た。このような挙動を示す理由は、多数の単純アレイ構
造体において、横導波特性が良好でないためである。そ
の代りに、導波特性が帯電したキャリアによって誘起さ
れる場合、それは「利得導波」としばしば呼ばれる。

キャリア密度分布と光強度分布との間に非線形な相互作
用があるから、空間的安定性の問題点が多分起こるであ
ろう。回折効果で定まる単一〇−ブ遠視野像を得るため
に、各々のアレイ素子に対しである程度の横導波作用を
組み込む必要があることは、現今では一般的に承認され
ていることのように思われる。そして、このこと自体は
、多くの方法２で実施することができる。

大光エネルギにおいては、屈折率の導波アレイにおいて
も、要求された単一ローブ遠視野像を有しないことが観
察されている。その代りに、隣接するアレイ素子の位相
が１８０゛異なる高次［−ドでアレイが動作し、それに
より、２重ローブ遠視野像が得られる。光ビームの品質
を改良するために、もしアレイ素子の間に十分な光利得
があるならば、改良された特性を達成できることが示さ
れた。

この問題点を解決する別の方法は、出願中特許、出願番
号第８６２８３６８号に開示されているように、アレイ
を高度の均一度をもって設計することである。この出願
中の特許に開示されているし−ザ・アレイ装置では、１
つの素子の中の光電磁界が隣接する素子の光電電磁界と
部分的に重なっており、その際、伝播定数と隣接する素
子に対する結合パラメータとの和がアレイの中のすべて
の素子に対して同じ値であるように、レーザ索子が間隔
を置いて配置される。伝播定数とは、光の角周波数をこ
の構造体の中の光の伝播速度で割ったものとして定義さ
れる。結合パラメータとは、１つの素子の中の光電磁界
と隣接する素子の中の光電磁界との重なりの程度を表す
パラメータである。

大きな光エネルギ出力を得る際における問題点を解決す
るための別の方法は、表面放射レーザ・ダイオードを利
用することである。この構成によるいくつかの実施例で
は、光エネルギを結合させるために、傾斜した反射器ま
たは傾斜した回折格子を使用している。後者の構成では
、放射は受動部分から生じ、そして活性領域は出力結合
領域から離れたところに配置される。このことは、出力
結合が回折格子の結合長の程度の距離にわたって起こる
ことを意味し、そして出力光エネルギは、結合領域を結
合長よりも艮くすることにより、縁でのみ増大する。

［発明の要約］ 本発明により、大きな光エネルギを細い光ビームで放射
することができる半導体ダイオード・レーザ・アレイ装
置が得られる。この半導体ダイオード・レーザ・アレイ
装置δは、この装置の縦寸法と横寸法との両方を占めて
いる表面から空間的にコヒーレントな放射が起こり１１
Ｉる構造体を有している。おのおのの場合の前記寸法は
、放射される光の波長よりもはるかに大きい。前記寸法
のうちの１つの寸法の安定度は、１つの素子の中の光電
磁界が隣接する素子中の光の電磁界と部分的に重なるよ
うにして間隔を防いで配置されたレーザ素子の配列をそ
なえたアレイ設計によって定まる。

伝播定数と隣接する素子に対する結合パラメータとの和
が、このアレイの中のすべての素子に対して同じ値をも
つ。

この半導体ダイオード・レーザ・アレイ装置の出力結合
領域は回折格子結合器によって形成される。回折格子結
合器はシャドｅり被覆体を有することができる。

この装置は大きな反射率をもった端部小面を有すること
が好ましい。もし必要ならば、基板光ビーム反射器を備
えることができる。

［実施例］ 本発明のいくつかの具体的な実施例を、例示の目的のた
めに、添付図面を参照して説明する。

第１図に示されているように、レーザ・アレイ装置はヒ
化ガリウムの基板１を有する。この基板１は放熱体２に
取り付けられている。基板１は活性領域３を有し、そし
てこの活性Ｗ域３の中に、回折格子結合器４を有する。

回折格子結合器４のおのおのの側辺に、リッジ導波器６
が配置される。

基板１の端部は反射面７を有する。

第２図は、反射面７をそなえた回折格子結合器４のｔＭ
造を示した平面図である。回折格子結合器は平行な溝を
有する構造体であって、おのおのの溝の底表面は周期構
造を有する。この囚！１１１構造の周期は光の波長と同
程度である。この構造体の１つの例は波状表面を有する
構造体であり、また他の例は三角形状プリズムの配列体
である。

第３図は横断面の右部分だけを示した拡大横断面図であ
る。基板１はヒ化ガリウム・アルミニウムで作成された
導波領域８を保持する。この導波領域８はまた活性領１
ｆｉ３を保持し、そして活性領域３はヒ化ガリウム・ア
ルミニウムで作成されたまた別の導波領域９を保持する
。回折格子結合器４の大部分は導波領域９の中に作成さ
れる。リッジ導波器６の凸部の上に、ヒ化ガリウム層１
１がざらに沈着され、そしてこのヒ化ガリウム層１１が
接触体金属層１２によって被覆される。回折格子領域の
端では、接触体金属層１２が沈着される前に、電気絶縁
体層１３が沈着される。

リッジ専波器金属層１２は、空中矯渡し法による横多重
電気接続体を備えている。このことは橋渡し用導線１４
によって実施される。この橋渡し導線１４により、層１
２を構成している接触体金属のすべての領域を互いに接
続する。実際の構造体では、複数個の橋渡し導線を、装
置の長さ方向に、平行に配置することがよく行なわれる
。このことにより、電流がより均一に分布するようにな
る。

回折格子の外での結合の場合が第４図に示されている。

第４図は、回折格子４の１つの溝の底表面の長さ方向の
拡大横断面図である。この図面において、図示を簡単か
つ明確にするために、通常は波状底表面の背後に存在す
る溝構造体の側壁が省略されている。

第４図は、全体的に左を向いて、及び、右を向いて交番
する小面で形成されるｔｆＷの底表面の波状の形状を示
している。交代する小面のうちの１つの組の小面の上に
、大きな反射率をもつ被覆体１６が沈着され、そして他
の組の小面の上には、小さな反射率の被覆体１７が沈着
される。主要な出力光線１８の方向が矢印で示されてい
る。

回折格子のビツヂは、ただ１つの部分波光線が存在する
ように、選定することができる。このためには、ピッチ
は導波領域の材料内の光の波長よりは小さいことが必要
である。この場合には、ブラッグ反射による利１す帯域
内のレーザ・モードへの大きな寄与はない。この結合３
ｓよ、法線から例えば約４５°の角度の光モードｔこ整
合するように設計することができる。回折格子（よブレ
ーズされ、そして選択的に被覆されて、ただ１つの横モ
ードの光線を増強することができる。下記で説明される
ように、ＴＪ、＃ｌの中に入った対応する光モードは、
最適化された装置では、活性領域の下の半導体多層ブラ
ッグ反ｍ器によって反射される。

回折格子のピッチが導波領域の材料内の波長の約０．８
５倍である場合、それは約２２０ナノメートルに対応す
る。この寸法は最近の回折格子技術によって作製できる
範囲内にある。または、より大きいピッチ、例えば、波
長の約１．２５倍のピッチを用いることができる。より
大ぎなピッチの場合には、回折格子の形状を制御するの
がより容易になるので、設計上の自由度が増す。しかし
、この場合には、このピッチで存在する第２部分波光線
を抑制しなければならない。

種々の回折光線をベクトル図（第５図および第６図を見
よ）で表すと便利である。これらの図面において、水平
線は、導波領域く水平線より下の領域）と空気（水平線
より上の部分）との境界線を表す。これらの図面の中に
用いられている種々の記号は、この分野において用いら
れる通常の意味を持っている記号である。簡単にするた
めに、これらの図面では、左から右へ伝播するレーザ・
モードに対応する波動ベクトルだけが示されている。完
全な図面にするには、右から左へ伝播するベクトル図を
重ね合わせなければならない。これらの図面は互いに鏡
像の関係にある。第５図において、λ０は自由空間での
波長であり、βは導波領域の伝播定数であり、八は回折
格子のピッチである。第５図においては、ＩＫ＋≧１正
。１であり、そして−１次の回折光線だけが存在してい
る。

これは、回折格子のピッチがΔ〜０．８５λＱの場合に
対応する。第６図においては、 ＩＫＩ≧１！！、ｏｌであり、そして′ａ＠個の回折次
数が存在し１いる。例示されている場合は、Δ〜１．２
５λｑの場合であり、そして−１次と一２次の回折次数
の両方が存在している。

光を、回折格子パラメータと導波器パラメータの関数と
して、放射光モードに結合することは、明らかに重要な
問題であって、回折格子を注意深く設計する必要がある
。具体的には、基板に対して比較的小さな角度で、ブラ
ッグ条件に近い条件で、結合を行なうことが好ましい。

約０．８５ピツチでレーザ発振波長が８５０ナノメート
ルである場合、レーザ・モードへのブラッグ反射は約７
７０ナノメートルと約１５４０ナノメートルのところで
起こる。約１．２５ピツチの場合の対応する値は、それ
ぞれ、約７００ナノメートルと１０５０ナノメートルで
ある。これらの波長は利得ピークから完全に除去され、
レーザ作用に影響を与えることはないであろう。

回折格子の横断面の形状については、前記で説明したよ
うに、引き続いて並んでいる小面の上に交互に、高い反
射率を有する被覆体材料とおよび低い反射率を有する被
覆体材料とで、被覆を行なうことができる。または、回
折格子にイオン・ご−ム・エツチングを行なうことによ
って、非対称ブレーズを実施することができる。

この構造体では、回折格子はレーザへの周波数選択フィ
ードバックを行なわなく、したがって、多重縦モードで
動作すると期待することができる。

隣接する縦モード間の相対的な光ビーム発散度は、３Ｈ
ｎチップ開口に対する回折限界光ビーム幅（≦１０　’
ｒａｄ　）と同程度であるであうろ。

回折格子結合出力の効率を改善するために、小面の反射
率を大きくすることが好ましい。この場合には、この装
置は数個の縦モードで動作するであろう。

縦モードの選択は回折格子結合器を動作させることによ
って行なわれ、それにより、分布形フィードバック（Ｄ
ＦＢ、Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ＞　
／分布形ブラッグ反射器（ＤＢＲ，Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔ
ｅｄ　ＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ　）レーザのよう
に、レーザ発振モードへのフィードバックがえられる。

この場合には、２次においてフィードバックが得られそ
して１次では結合しない、２次回折格子が適切である。

小面での反ＯＡ率が残留している場合には、問題点が生
じうる。それは、その場合には、装置が正規のブラッグ
・モードで動作することを妨げるからである。回折格子
を注意深く設δ１して、レーザ発振モードへのフィード
バッグ結合が正しい程度に得られるようにすることが必
要である。このことは、回折格子が効率的に結合しない
ように設計する際の自由度を小さくする。縦モード安定
化のためのより満足すべき方法は、レーザ作用ストライ
ブ領域の端部に、回折格子反射器領域を付加的に備える
ことであり、それにより、必要な周波数選択フィードバ
ックかえられる。

■−■族半導体材料の多ｆｆ１ｌａａ体の中でのブラッ
グ反射は、表面放射レーザに用いられることが示されて
いる。（Ｎ０１ｎｔｌｒａほか、Ｊ、ＡＩ）ｐｌ、Ｐｈ
ｙｓ、　　第６０巻、８７４頁−８７７頁、１９８６年
）このような構造体はまた波長のマルチブレキシング／
デマルチブレキシング機能のために研究されており、そ
して、多層ＧａＡＳ／ＧａＡｊ！Ａｓ積層体を用いて、
強い狭帯域反射（５０％、Δλ〜４ｒｖ）を示した。本
発明による回折格子結合表面放９Ａ購造体では、レーザ
光エネルギは、回折格子結合器により、空気中と結合す
ると共に、基板とも結合する。このレーザ光エネルギは
、レーザ作用ストライブ領域の下にこのような多層ブラ
ッグ反射器を付加することにより、上方に再放射される
。レーザ作用の波長において透明であるように、材料の
組成が選定され、そして回折格子は、スペーサ層の厚さ
を適切に選定することにより、２つの光ビームが同位相
になるように、配δされる（第７図）。

第７図において、基板が、活性領域３の下の基板の中に
配置されたブラッグ反射器１９を有していることがわか
る。表面光ビーム２１は回折格子表面から直接に放射さ
れ、一方、基板光ビーム２２は基板の中を通過する。ブ
ラッグ反射器１９で反射された光ビームは表面に戻り、
そしてそこで屈折して、表面光ビーム２１と平行に進む
。

平面状２次元アレイの熱的性質は本来優れたものであっ
て、比較的大きな放射面積（約１００フイクロメートル
Ｘ３０００マイクロメートル）にわたって、熱発生と放
熱がある。この構造体の主な熱抵抗はヒ化ガリウム基板
によるものである。

下方に接合された基板を用いることは、光を効率的に取
り出すのに必要である。基板を薄くすることにより、そ
して装置を熱伝導率の大きな適当な放熱体に接合するこ
とにより、熱抵抗は小さくなる。

この装量は、アレイが大エネルギで連続動作するのに必
要な、大きな駆動電流に耐えられるように設計されなけ
ればならない。このために上側メタライゼーションを特
別に設計することが要求される。それは、チップに沿っ
て均一のボンピングを行なうための要求であり、それに
より光ビームの品質が保持される。リッジ導波領域メタ
ライゼーションに対する横接続を、誘電体による分離ま
たは空中橋渡し法のいずれかを用いて、行なうことが必
要である。これらの技術は電力電界効果トランジスタと
ミリメートル波集積回路（ＨＨＩＣ。

Ｍｉｌｌｉｍｅｔｒｅ　Ｗａｖｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ
ｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ　）　Ｕ）技術における標準的な
工程であり、本発明のレーザに適用するのは容易である
。交差接続の際の穴あき効果は、電流の要請を取り入れ
ることにより、最小に抑えることができる。厚くて導電
率の大きなメタライゼーションを用いることにより、こ
の問題点はさらに小さくなるであろう。この技術は、リ
ッジ導波器について、ヒ化ガリウム／ヒ化ガリウム・ア
ルミニウムの進行波光変調器に対して立証されている。

基板の選定（欠陥密度の小さな基板）と、高品質材料の
育成（ＭＯＣＶＤ＞と、光学内設Δ１と電気的設計（小
面の劣化と金属の移動とを小さくするために電流密度と
電力とを最小にする）と、接合応力を小さくすることに
より、高い信頼性を有する装置が確実にえられる。従来
の小面に高い反射率を持たせることにより、従来の１次
元アレイのものよりも光エネルギ密度のビーク１ａが小
さくなるであろう。２次元コヒーレント出ノＪビームに
おける光エネルギ密度は１０ＫＷ１０２以下であるであ
ろう。この値は、損傷を与える閾値より、おそらく、数
桁小さいであろう。活性領域内の欠陥が放射表面から多
分観察可能であるので、通切なスクリーニング・テスト
がこのｔｉＧ　造林に対し行なうことができるであろう
。

本発明の構造体により、次の特性を有するレーザ・ダイ
オード・アレイがＩＪられると期待される。

波長　　　　　　　　　：約８５０ナノメートル装置の
活性領域面積　　：　　１ｏＯＸ　３０００マイクロメ
ートル 等画素子　　　　　　　：１０Ｘ１０ 囮１′ｆ１電流　　　　　　　　　　　　　　：　２八
効率、その変化　　　　−３０％最小（考察された増強
と共に増大） 位相ロックされた最大　：　１０Ａで約３ワツト（効ｆ
ｆｆｆ１力（Ｗ続動作（１：ｅ＞　　率増強と共に増大
）位相ロックされた最大　：６０＾で２０ワツト（同上
）電力（パルス動作のとぎ） アレイ禿頭率　　　　　：約０．５（Ｐ平均／Ｐ最大で
定義） 出カスベクトル　　　　：多重縦モード、モード間隔約
０．３ナノメート ル 遠視野像、横　　　　　：　１°単・−〇−ブ出力光ビ
ーム 遠視野像、縦　　　　　：０．１°単・−〇−ブ出力光
ビーム 連続動作とパルス動作のいずれにおいても、究極的な効
率は５０％以上になると思われる。

また別の実施例では、結合を解くことと端面での反射と
が、結合器と反射器の両方の作用をする回折格子を用い
ることにより、行なわれる。具体的には、結合器と反射
器の両方に対して同じ回折格子周期をもつが、しかし異
なる回折格子形状をもつことによって、このことが実行
される。例えば、出力結合ｇＡ域の中の回折格子は、効
率的な出力結合（回折次数−１次）を与えるが、逆に伝
播する光ビーム（回折次数−２次）との結合は小さくし
なければならず、これに対して反射器は、回折次数−２
次に対しては効率的な結合を与えるが、回折次数−１次
に対しては弱い結合を与えなげればならない。第８図を
見ると、回折格子反射器により、縦モードの選択が得ら
れることが判る。この第８図の上の図は、第４図に示さ
れた縦断面の一部分を示したものである。第８図の下の
図は別の構造体を示しており、そこでは回折格子の形状
が位置２３で変化しており、それにより、回折格子４に
端部が反射器２４として動作する。このように、反射器
部分２４は回折格子リッジに対し異なる形状を有するが
、回折格子周期は依然として同じである。したがって、
これは波長選択鏡として動作し、したがって、装置の端
部に高い反ＯＡ率を有する端部小面を備えることはもは
や必要ない。

本発明の前記説明は例示の目的で行なわれたものであっ
て、請求項に記載されている本発明の請求範囲内におい
て、多くの変更をなすことができる。例えば、横すッジ
椙造林はＹ結合器構造体に基づく構造を有するようにし
てもよいし、または前記で説明したリッジとは異なるよ
うに設計されたものにすることも可能である。重要な点
は、横モード安定性が確実に得られることである。

また別の材料を用いることもできる。具体的に云えば、
基板材料としてＩｎＰを用い、そしてＧａ１ｎＡｓＰ化
合物を用いることができる。このことにより、レーザ発
振波長において、基板が透明であるという利点が得られ
、したがって、放熱体のすぐ近くに活性領域が配置され
るように装置を取り付けることができ、それにより、装
置の熱特性が改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の構造を示す立体図、第２図は平
面図、第３図は第２図の線■−■に沿って横断面部分図
、第４図は第２図の線ｉｖ　−ｉｖに沿っての横断面部
分図、第５図および第６図は回折格子で結合した光のベ
クトル空間図、第７図はレーザ・ストライブの下に配置
されたブラッグ反射器の作用を示した図、第８図は２つ
の可能な実施例を示した図面であって、１つは単純な小
面反（ト）器を備えた実施例を示し、他の１つは回折格
子反射器を備えた実施例を示す。 ［符号の説明］ ４　　　　　回折格子結合器 ３　　　　　活性領域 ８．９　　　導波領域 １６．１７　　シャドウ被覆体 １９　　　　積板ビーム反射器

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）縦及び横の装置寸法の双方を規定する表面から空
   間的にコヒーレントな光放射を発生し得る構造体を有し
   、該構造体における前記各寸法を放射される光の波長よ
   りはるかに大きくしたことを特徴とする細いビームで大
   出力の光エネルギを放射する半導体ダイオード・レーザ
   ・アレイ装置。
2. （２）請求項１において、１つの素子の中の光の電磁界
   が隣接する素子の中の光の電磁界と部分的に重なるよう
   に配置されたレーザ素子の間隔を有する配列を備えたア
   レイ設計によつて前記寸法のうちの１つの寸法の安定度
   が得られる、前記半導体ダイオード・アレイ装置。
3. （３）請求項２において、伝播定数と隣りの素子に対す
   る結合パラメータとの和が前記アレイの中のすべての素
   子に対して同じ値である、前記半導体ダイオード・レー
   ザ・アレイ装置。
4. （４）請求項１、請求項２および請求項３のいずれかに
   おいて、出力結合領域が回折格子結合器によつて形成さ
   れる、前記半導体ダイオード・レーザ・アレイ装置。
5. （５）請求項４において、前記回折格子の周期が非結合
   の光の予め定められた角度を与えるように設定される、
   前記半導体ダイオード・レーザ・アレイ装置。
6. （６）請求項４または請求項５において、前記回折格子
   結合器被覆体がシヤドウ被服体を有する、前記半導体ダ
   イオード・レーザ・アレイ装置。
7. （７）請求項１から請求項６までのいずれかにおいて、
   高反射率端部小面を有する、前記半導体ダイオード・レ
   ーザ・アレイ装置。
8. （８）請求項１から請求項７までのいずれかにおいて、
   回折格子端部反射器を有する、前記半導体ダイオード・
   レーザ・アレイ装置。
9. （９）請求項１から請求項８までのいずれかにおいて、
   基板光ビーム反射器を有する、前記半導体ダイオード・
   レーザ・アレイ装置。