JPH05283809A

JPH05283809A - 熱クロストークを減じた被変調固体レーザアレイを動作させる改良型アレイ及び方法

Info

Publication number: JPH05283809A
Application number: JP5029442A
Authority: JP
Inventors: Thomas L Paoli; トーマス・エル・パオリ
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1993-10-29
Anticipated expiration: 2011-02-14
Also published as: DE69305885D1; US5267255A; EP0558220B1; DE69305885T2; JPH0815232B2; EP0558220A1

Abstract

(57)【要約】【目的】モノリシックマルチレーザアレイをなす個別
にアドレス可能なレーザ間における変調を誘導する熱ク
ロストークを軽減あるいは除去すること。【構成】光学的に結合された２つの活性領域（増幅領
域（５６，６８）及び変調領域（６０，７０））を備え
た各レーザ（５２，５４）を形成し、レーザ出力の変調
を、Ｑスイッチングとして知られる変調領域の内部光学
損失を変動させることによって行う。損失の制御は、
変調領域に印加される逆バイアス電圧を変動させる、
変調領域におけるｐタイプ及びｎタイプの領域を互いに
選択的に接続及び切断する、大地電位に対して変調領
域を選択的に接続及び切断する、あるいは増幅領域の
電流を増大させて、レーザ発光を可能にし、同時に、放
出される光学パワーの増大によって生じる熱的影響を相
殺すること、によって行う。レーザのＱスイッチ動作に
よって、動作中のレーザが冷却される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の背景〕本発明は、固体レーザの出
力を制御する方法に関するものであり、とりわけ、各レ
ーザ毎に、電圧の選択的印加によって損失の変調が可能
な損失領域を設けることによって、個別に変調されるレ
ーザのモノリシックアレイにおける過渡熱クロストーク
を減少させる方法、及び、損失領域に対する電圧の印加
に関連して、レーザの増幅領域に印加されるバイアスを
制御するための手段に関するものである。

【０００２】本書において開示され、請求される内容
は、本出願の譲受人に譲渡された同時係属の米国特許出
願第０７／６３４，９８９号に関連している。

【０００３】半導体レーザまたはレーザダイオードとも
呼ばれる、固体レーザは、当該技術において周知のとこ
ろである。これらの装置は、半導体からのｐ−ｎ接合及
びレーザからの量子エレクトロニクスに基づくものであ
る。該装置は、一般に、ミラーの働きをするへき開ファ
セットによって両端の境界が形成された、１つ以上の層
を備えた層化半導体構造から構成される。これによっ
て、光共振器、すなわち、いわゆる、ファブリーペロー
キャビティが形成される。１つ以上の活性層に対して、
電位が印加される。この電圧によって、ｐ−ｎ接合にお
いてホールと電子のいずれか、または、両方が駆動され
（すなわち、それらが「注入」され）、これらのキャリ
ヤが再結合すると、光を放出する。へき開ファセットに
よって、コヒーレントな放出を生じる再結合を「誘発」
可能にする、光学フィードバックが得られる。

【０００４】このタイプのレーザは、該デバイスのサイ
ズが小さいこと、動作電流が少ないこと、及び、その他
の特性が有益となる、通信システム、レーザゼログラフ
ィ、及び、その他の用途において用いられる。これらの
用途に関して現在のところ積極的に研究及び開発が行わ
れている領域は、いくつかの固体レーザ、または、固体
レーザとその他のデバイスの単一基板に対する集積化で
ある。例えば、個別にアドレス可能な固体レーザのモノ
リシックアレイ（本書では、「マルチレーザアレイ」と
呼ぶ）が、高速、高解像度レーザゼログラフィプリンタ
のために選択される光源である。

【０００５】こうしたレーザのほぼ全ての用途におい
て、レーザの出力を変調することが必要とされる。いく
つかの固体レーザを単一の基板に集積化する場合、ほと
んど必ずと言っていいほど、各レーザの出力を個別に変
調することが必要になる。用途によっては、この変調が
極めて高い周波数で行われる場合もあり、低周波数で行
われる場合もあり、さらには、この周波数が変動する場
合もある。レーザ光の発生は、活性領域に流入する電流
によって左右されるので、レーザの光出力に変調を加え
るための明白な方法の１つは、駆動電流に変調を施すこ
とである。実際、駆動電流を変動させるのが、最も一般
的で、常套的なレーザ出力の変調方法である。しかし、
この変調方法には、いくつかの際だった欠点及び不利な
点があり、そのうちでも、１つまたは複数のレーザが形
成されるチップの過渡加熱が、問題である。

【０００６】〔発明の概要〕本発明によれば、各レーザ
が、動作時に、レーザチップ内における無視できるレベ
ルの熱変動を抑えるため、電圧制御式Ｑスイッチングモ
ードで動作する、光学的に結合された増幅領域と変調領
域を含んでいる、モノリシックレーザアレイのレーザ間
における熱クロストークを最小限にとどめる方法が提供
される。各レーザの増幅領域は、所望の出力強度を得る
のに必要なほぼ全ての利得を生じさせる。変調領域は、
レーザの内部損失を高い値から低い値にスイッチするこ
とによって、出力強度の制御を行う。変調領域の接点
は、全ての増幅領域の接点及び他の全ての変調領域の接
点から分離されている。増幅領域と変調領域は、低損失
の２次元導波路を用いて光学的に結合することもできる
し、あるいは、互いの光学的直接結合を可能にするのに
十分なほど近接して配置することも可能である。光ビー
ムは、変調領域に隣接するファセットから取り出され
る。

【０００７】その駆動電流を変動させることによる、レ
ーザの出力の変調に本質的に伴うことになる熱変動を解
消するため、本発明は、変調領域に印加される電圧を変
動させることによって、レーザ出力に変調を施す。さら
に、変調領域に印加される電圧の変動に関連して、増幅
領域に加えられる電流を変動させる。この方法によれ
ば、レーザは、幾分高めではあるが、安定した温度で動
作することになる。変調領域の電位を変化させることに
よって、レーザを非発光状態すなわちＯＦＦ状態から発
光状態すなわちＯＮ状態に変調すると、上述のように、
クロストークを生じる可能性のある動作温度が、わずか
に低下することになる。また、上述のように、増幅領域
に対する電流を増大させると、動作温度が上昇すること
になる。従って、変調領域に対する電位の印加（冷却）
と、増幅領域における動作電流の増大（加熱）の協調を
とることによって、レーザの正味動作温度を一定に維持
することが可能になり、クロストークが解消される。

【０００８】本発明は、レーザの動作時に、損失領域の
導入を必要とし、従って、レーザのしきい値が増すこと
になるが、これは、当該技術における教示とは逆にな
る。しかし、こうした動作案によって、（１）出力パワ
ーが完全に変調されるので、レーザチップの温度が、安
定したままである；（２）レーザアレイに関する低しき
い値、高Ｔ₀、及び、小動作電流の要件は、レーザアレ
イの従来の動作に比べると、大幅に緩和されるので、し
きい値及び動作電流が、比較的大きいか、あるいは、温
度の変動に対して比較的敏感なＡｌＧａＩｎＰレーザの
ような構造にとってはかなり有利になる；（３）該動作
方法及びレーザアレイ構造は、簡単に実現するので、許
容可能なレーザの歩留りが大幅に増し、システムの寿命
が大幅に延長されることによって、マルチレーザアレイ
の製造コストが低下するといったことを含めて、いくつ
かの利点が得られる。

【０００９】〔図面の簡単な説明〕図１は、デバイスの加熱を示す、当該技術において既知
のタイプの固体レーザに関するパワー出力対入力電流の
プロットである。図２は、パワー出力の「垂下」を示
す、当該技術において既知のタイプの固体レーザに関す
るパワー出力対時間のプロットである。図３は、２つの
素子（レーザ）を示す、モノリシック固体レーザアレイ
の一部に関する平面図である。図４は、図３のモノリシ
ック固体レーザアレイの断面図である。図５は、図４の
断面図に対して垂直方向に見た、図３のモノリシック固
体レーザアレイの断面図である。図６は、第１のレーザ
に対する変調の第２のレーザの出力に及ぼす影響をテス
トするように設けられた、２素子モノリシック固体レー
ザアレイの概略図である。図７は、図６と共に検分する
と、各レーザに対する個別の変調のための構成が明らか
になる、２素子モノリシック固体レーザアレイの部分概
略図である。図８は、本書に開示のタイプの固体レーザ
に関するパワー出力対入力電流のプロットである。図９
は、図８の出力を発生するような、２素子モノリシック
固体レーザアレイの平面図である。図１０は、本発明に
従って変調領域に対する電圧の印加と増幅領域に対する
電流の変動との協調をとるための手段を含む、デバイス
の概略図である。

【００１０】〔詳細な説明〕本発明の解説が基づく論拠
を明らかにするため、まず、図３〜５に１０で示すレー
ザアレイのうち任意の１つにとりわけ留意して、本発明
に従って動作可能なレーザアレイ構造について述べるこ
とにする。ただし、この特定のレーザ構造の解説は、本
発明の動作環境を例示するものであって、本発明の範囲
には、多種多様なレーザ構造による動作が包含されるこ
とになるのは明らかである。

【００１１】アレイ１０は、その出力が個別に制御可能
な、２つの隣接したレーザ構造１２から構成される。レ
ーザ１２は、本書に組み込まれたソーントン (Thornto
n) らの米国特許第４，８０２，１８２号明細書に詳述
されているタイプの、不純物で導入する不規則化によっ
てその活性領域を形成することが可能な、半導体ヘテ
ロ構造デバイスである。この構造は、レーザの特定の応
用例について論述するので、多重量子井戸であっても、
あるいは、なかってもかまわない。レーザ１２には、一
般に、それぞれ、増幅領域１６及び変調領域１８として
指定される２つの活性領域を接続する受動導波路領域１
４が含まれている。増幅領域及び変調領域は、下方に、
それぞれ、活性領域の接点、すなわち、増幅領域接点２
０及び変調領域接点２２が形成されている。増幅領域
は、所望の出力強度を得るのに必要なほぼ全ての利得を
生じさせる。変調領域は、内部損失を高い値から低い値
にスイッチすることによって、レーザ１２の出力を制御
する。増幅領域と変調領域の間に受動導波路が設けられ
ていない場合、その間の直接光結合を可能にするのに十
分なだけ近接して形成される。こうした場合、活性層と
プロトンボンバードの両方または一方による拡散が、当
該技術において周知の電気的絶縁を施すのに役立つ可能
性がある。光ビームは、ＯＦＦ状態における自発放出を
最小限に抑えるため、変調領域に隣接したファセットか
ら取り出される。

【００１２】レーザ１２には、ｎ−ＧａＡｓで構成する
ことが可能な基板２２が含まれており、当該技術におい
て周知のように、ＭＯＣＶＤリアクタ内において、該基
板に、エピタキシャル層２４〜３０が連続して被着させ
られる。該エピタキシャル層は、例えば、ｎ−Ｇａ_1-y
Ａｌ_yＡｓによるクラッド層２４（ここで、例えば、ｙ
≒０．４７）、Ｇａ_1-xＡｌ_xＡｓによる（ここで、ｙ
＞ｘ、例えば、ｘ≒０．０５）厚さ１０５ｎｍの層、ま
たは、代替案として、ＧａＡｓの単一の量子井戸層、ま
たは、ＧａＡｓとＧａ_1-xＡｌ_xＡｓが交互になった、
あるいは、Ｇａ_1-xＡｌ_xＡｓとＧａ_1-zＡｌ_zＡｓが
交互になった（ここで、ｙ＞ｚ＞ｘ））多重量子井戸層
から成る活性領域２６、及び、ｐ−Ｇａ_1-yＡｌ_yＡｓ
（上述のように、ここで、例えば、ｙ≒０．４７）のク
ラッド層２８が考えられる。ここで、適当なｐ⁺ＧａＡ
ｓのキャップ層３０がクラッド層２８の上に被着され
る。マスキングを利用することによって、例えば、ドー
ピングされるＳｉのような不純物源が、クラッド層２８
の部分に形成されるか、あるいは、キャップ層３０が被
着されている場合には、そのキャップ層に形成される。
焼きなまし時に、この不純物層から下方の層に不純物が
送り込まれ、この結果、選択された不規則なプロファイ
ルが形成されるが、例えば、この概略が、図３に３２で
示されており、領域３４は、選択的に不規則化された領
域であり、領域３６は、不規則化されなかった領域であ
る。図３に示す構造の断面で表した部分は、増幅領域１
６と変調領域１８のいずれにも等しく当てはめることが
できる。

【００１３】こうした複数のレーザ構造１２は、アレイ
１０をなすように、モノリシックに形成される。各レー
ザ１２は、寸法及び組成を同じにすることもできるし、
あるいは、特定の要求に適合するように、１つ以上のレ
ーザをカスタム化することも可能である。例えば、パオ
リ(Paoli) らに対する米国特許出願第４，８３１，６２
９号には、レーザを分離して、それぞれの出力を固有の
ものにするため、１つ以上の各種領域の形状寸法が不均
一なモノリシックアレイのなすレーザが開示されてお
り、これは、本発明に関連して用いることが可能であ
る。

【００１４】出力強度の変調は、電流を、例えば、１．
０ｍＡ以下に保った状態で、変調セクションにおける電
圧を、例えば、０〜３ボルトの間で変動させることによ
って得られる。これは、変調領域のｐ接点とｎ接点を接
続し、変調領域に順バイアスをかけ、変調領域に逆バイ
アスをかけるという、３つの代替動作条件に分割するこ
とができる。さらに、レーザは、変調セクションに印加
される電圧を変動させることによって、ＯＦＦ状態から
ＯＮ状態に変調されるので、増幅領域に加えられる電流
が、増大する。この増大によって、増幅領域の動作温度
が上昇し、光学パワーの放出が増すことによって生じる
温度の低下が相殺されることになる。レーザの動作パラ
メータを適正に制御することによって、正味動作温度を
一定に保つことができる。

【００１５】次に、図８を参照すると、パワー出力対電
流入力のプロットが、レーザ１２のようなレーザについ
て示されているが、この場合、変調領域は、小損失状態
が曲線１００で示され、大損失状態が曲線１０２で示さ
れている。レーザの利得は、伝導帯に位置するキャリヤ
に入射する第１のフォトンによって、該キャリヤが価電
子帯になり、第１のフォトンを吸収せずに、第２のフォ
トンを放出するという事実に基づくものである。変調領
域における損失は、該領域における伝導帯に対し、価電
子帯のキャリヤ数が多いという概念に基づくものであ
る。価電子帯のキャリヤに入射する、禁止帯の幅を超え
るエネルギを有するフォトンが、該キャリヤによって吸
収され、その結果、伝導帯に入り込むことになる。十分
な数のフォトンが、変調領域に入ると、該領域における
キャリヤの割合の高い部分が、伝導帯に移行し、光学的
損失が、減少を始める。これが、それぞれ、曲線１００
及び１０２に関するしきい値電流Ｉth₁₀₀及びＩth₁₀₂
より下方の領域の、電流入力に関するパワー出力の増大
によって示されている。変調領域に入るフォトン数が十
分に大きい値まで増加すると、損失の飽和が生じること
になる。この結果、該領域における利得がトリガされ
て、フォトンの数が増し、さらに、価電子帯におけるキ
ャリヤ数が減少するので、損失は一層少なくなる。これ
が、それぞれ、しきい値電流Ｉth₁₀₀及びＩth₁₀₂に対
応する、曲線１００及び１０２によって描かれた急激な
上昇で示すしきい値領域である。飽和点を超えてフォト
ンの数が増大すると、変調領域の損失の完全な「ブリー
チアウト」が生じるが、これは、該領域におけるしきい
値電流Ｉth₁₀₀及びＩth₁₀₂を超える状態である。しか
し、キャリヤが価電子帯に戻るための代替経路が設けら
れている場合、フォトンの入射時以外に、該領域の利得
が減少することになる。十分な数のキャリヤが、この代
替経路を介して価電子帯に戻ると、該領域の損失は、レ
ーザ光の発生を阻止することが可能なポイントまで、増
大することが可能である。本発明によれば、この代替経
路は、変調領域１８におけるｐ接点及びｎ接点を互いに
電気的に接続することによって、形成することが可能で
ある。変調領域１８のｐ接点及びｎ接点をスイッチング
可能に接続することによって、該領域の損失、従って、
レーザの出力に変調を施すことが可能になる。

【００１６】図６を参照すると、レーザの１つ５２の変
調による第２のレーザ５４の出力に対する影響を評価す
るために設けられた、２素子マルチレーザアレイデバイ
ス５０が示されている。第１のレーザ５２の増幅領域５
６は、加減抵抗器５８を介して直接電圧源Ｖ_Cに接続さ
れており、この結果、スイッチング素子６４を開位置に
することによって、レーザ発光を生じさせるのに十分な
定バイアスの印加が可能になり、さらに、所望に応じ
て、加減抵抗器５８によって概略が示されている適合す
る回路構成によって、最小値を超えるまでバイアスを上
昇させることが可能になる。この誘発放出の一部は、第
１のレーザ５２の変調領域６０と同軸をなして放出され
る。この放出は、例示のため抵抗器６２で表した、ある
程度の損失を生じることになる、導波路によってガイド
される。変調領域６０は、所定の周波数でコントローラ
６６の駆動を受けるスイッチング素子６４を介して、大
地電位に接続される。第２のレーザ５４の増幅領域６８
及び変調領域７０は、第１のレーザ５２について上に述
べたのと同様に、小損失導波路７２によって結合され
る。評価のため、増幅領域６８及び変調領域７０には、
両方とも、連続電圧源Ｖ_Cによってバイアスが加えら
れ、増幅領域６８及び変調領域７０の両方に、誘発放出
が発生する。次に、第１のレーザ５２の変調中に、第２
のレーザ５４の出力が観測される。全ての図面につい
て、同様の参照番号が、同様の構成要素を表している
が、図７に示す第１のレーザ５２と同様の方法で第２の
レーザ５４の変調を行うことによって、個別にアドレス
可能な光源としての２つのレーザ５２及び５４の動作を
実現することが可能になる。

【００１７】増幅領域の動作状態及び出力パワーによっ
て、アースに対するスイッチング可能な接続では、レー
ザ発光を阻止するのに十分なキャリヤのチャネリングが
行えない可能性がある。こうした場合、変調領域に逆バ
イアスをかけて、伝導帯から除去されるキャリヤの埋め
合わせを行うことも可能である。変調領域に対する逆バ
イアスの必要、及び、そのレベルの判定は、増幅領域の
バイアスだけでなく、増幅領域及び変調領域の形状寸法
（すなわち、比較長）によっても左右される。例えば、
増幅領域の長さが、変調領域の長さに対して増大するに
つれて、しきい値電流Ｉth₁₀₂が、減少し、図８のＩ
_bias以下になるので、Ｑスイッチ動作が阻止される。こ
の場合、変調領域に対する逆バイアスによって、Ｉth
₁₀₂がＩ_biasを超える値に保たれ、所望の出力パワーに
おけるＱスイッチが可能になる。

【００１８】変調領域１８（図３）にｐ−ｎ接合が存在
するため、たとえ、ゼロバイアスであっても、この領域
に電界が生じることになる。ｐ−ｎ接合に順バイアスを
かけると、この電界の大きさが減少して、吸収帯のエッ
ジがより高いエネルギ（より短い波長）にシフトし、増
幅領域において最大利得の波長における吸収量が減少す
ることになる。従って、正の印加電圧によるバイアスが
増すと、レーザ発光のしきい値の低下が、観測される。
印加される正電圧が、禁止帯の幅のエネルギにほぼ等し
い値になると、電子が伝導帯に注入され、ホールが価電
子帯に注入されるので、変調領域に電流が流入するにつ
れて、光学的損失はさらに減少する。この電流がさらに
増大すると、光学的損失はゼロに近づき、それを超える
と、電流がさらに増大することによって、光学的利得が
生じる。

【００１９】変調領域に印加される電圧を変動させるこ
とによって、出力曲線が、図８の１００で示す曲線から
１０２で示す曲線にシフトする。この時点で明らかなよ
うに、増幅領域に対する電流をＩ_biasに一定に保ってい
る間に、レーザの出力に十分な変調を施すことが可能で
ある。順バイアスモードか、逆バイアスモードかは別に
して、変調領域における電圧の変調によるレーザ出力の
制御は、選択された形状寸法に適した条件下で、最低量
の電流によって行うことができる。この変調を実施する
ため、単一接点レーザにおいて、電流を変動させるべき
場合には、例えばほぼ１０ｍＡ以上とすることが考えら
れる、図１のＩth〜Ｉ₀の間で電流を変動させることが
必要になる。これは、４０〜５０ｍＡ以上のバイアス電
流を必要とするレーザが、極めて高い出力パワーで動作
する場合には、禁止されることになる。こうした場合、
ｌth〜ｌ₀の間における電流の変動による熱過渡現象に
よって、制御不能で、有害な熱クロストークを生じるこ
とになる。

【００２０】Ｑスイッチフォーマットで動作する基本分
割接点装置の場合に生じる過渡熱の数量化は、この場
合、Ｉth＝Ｉ₀という点で、上記式（１）〜（３）で表
したものとは異なる。すなわち、図８に示す２つの曲線
の間におけるスイッチングによって、光の強度に変調を
施す間、駆動電流は、Ｉ₀で一定のままである。この変
調フォーマットに関する熱入力は、 ΔＱ＝［Ｉ₀Ｖ_I−Ｐ₀−Ｐ_spth］−［Ｉ₀Ｖ_nI−Ｐ_sp0］＝Ｉ₀（Ｖ_I−Ｖ_nI）−Ｐ₀−Ｐ_spth＋Ｐ_sp0 （４）によって得られるが、ここで、Ｖ_Iは、レーザ発光が生
じるＩ₀における電圧であり、Ｖ_nIは、レーザ発光の生
じないＩ₀における電圧である。Ｐ_sp0−Ｐ_spthは、Ｐ
₀よりもはるかに小さいので、この式は、 ΔＱ＝−［Ｐ₀＋Ｉ₀（Ｖ_nI−Ｖ_I）］（５）になる。しかし、（Ｖ_nI−Ｖ_I）は、せいぜい数ｍＡの
ため、Ｉ₀（Ｖ_I−Ｖ_nI）は、５０ｍＡほどの動作電流
の場合、０．１〜０．２ｍＷにしかならず、従って、 ΔＱ≒−Ｐ₀ （６）

【００２１】従って、Ｑスイッチ動作における主熱入力
は、負の放出される光学パワーになることが予測され
る。負の符号は、光学パワーがオンになると、冷却され
ることを表している。Ｑスイッチ変調による冷却は、上
述の同時係属の米国特許出願第０７／６３４，９８９号
において論じられているデバイスの動作において、実験
によって確認されたものであり、この場合、クロストー
クが、Ｑスイッチデバイスに関する光変調と同相になる
ことが観測された。電流変調による加熱は、上述の特許
出願において論じられている単一接点レーザの動作にお
いて確認されたものであり、この場合、クロストーク
が、光変調と位相外れになることが観測された。

【００２２】すなわち、従来の単一接点レーザとして動
作させた図９の分割接点のデュアルレーザチップは、低
効率、高しきい値のレーザである。典型的なデバイスに
ついて測定されたパラメータは、Ｉth＝２７．０ｍＡ、
Ｖ_th＝１．７３０ボルト、Ｉ₀＝４９．４ｍＡ、Ｒ_s＝
２．６２オーム、及び、η＝０．４０ｍＷ／ｍＡであ
る。これらの値を式（３）に代入すると、ΔＱ＝３．６
７Ｐ₀になる。Ｑスイッチモードで動作する場合、Ｉ₀
（Ｖ_nI−Ｖ_I）＝５４．７ｍＡ×２ｍＶ＝０．１１ｍＷ
のため、式５によって、ΔＱ≒−Ｐ₀が得られるが、こ
れは、Ｐ₀＝８ｍＡに比べると取るに足らない値であ
る。従って、Ｑスイッチングによって、電流変調フォー
マットにおける単一接点による動作に比べて、３〜４倍
も過渡熱が低くなることが分かった。この熱の低下によ
って、エミッタ間における熱クロストークが減少する。
例えば、図９に示すレーザ５２のＱスイッチ変調に関す
るクロストークは、上述の同時係属の米国特許第０７／
６３４，９８９号では、部分クロストーク＝（レーザ５４の出力パワーにおける変調の振幅）／（レーザ５４が放出する平均出力パワー）＝（１．７×２０ｍＶ）／（４．８×５００ｍＶ）＝．０１４、すなわち、１．４％と求められ、漏洩は、部分漏洩＝（レーザ５４をオフにして測定した信号の振幅）／（オン時にレーザ５４が放出する平均出力パワー）＝（０．３×５ｍＶ）／（４．８×５００ｍＶ）＝．０００６、すなわち、０．６％と求められており、従って、漏洩
は、クロストークと同相をなすので、正味クロストーク
は、１．４％−０．０６％＝１．３４％になる。電流変
調フォーマットにおいて単一接点デバイスとして動作す
るレーザ５２の場合、上述の同時係属の米国特許第０７
／６３４，９８９号では、部分クロストーク＝（レーザ５４の出力パワーにおける変調の振幅）／（レーザ５４が放出する平均出力パワー）＝（１．８×５０ｍＶ）／（４．８×５００ｍＶ）＝．０３７５、すなわち、３．７５％と求められ、漏洩は、部分漏洩＝（レーザ５４をオフにして測定した信号の振幅）／（オン時にレーザ５４が放出する平均出力パワー）＝（０．３×５ｍＶ）／（４．８×５００ｍＶ）＝．０００６、すなわち、０．６％と求められており、従って、漏洩
は、クロストークと位相外れをなすので、正味クロスト
ークは、３．７５％＋０．０６％＝３．８１％になる。

【００２３】従って、上記によるＱスイッチフォーマッ
トで、モノリシックレーザアレイをなすレーザを動作さ
せることによって、隣接するレーザの変調による熱的影
響に対するそれぞれのレーザの分離が改良され、その結
果として実現する実際の冷却効果によって、レーザの出
力振幅、波長等に対する制御が向上するといったことを
含めた、いくつかの利点を明らかにすることができる。
この冷却効果は、式（６）で得られる負の値によって表
される。レーザアレイのうちの１つのアレイにおける動
作温度が上昇する場合と同様に、動作温度が低下する
と、やはり、隣接するレーザの動作条件に影響を及ぼす
ことになる。上記に従って動作するレーザの冷却効果を
補償するため、レーザ１２の増幅領域２０（図３）に加
えられる動作電流は、レーザ１２の変調領域２２に印加
される逆電圧の絶対値が低下するにつれて、増大する。
この結果、上述の式３に従ってレーザに熱が発生する。

【００２４】Ｑスイッチ変調は、次のように分析するこ
とができる。ΔＱ_currが、レーザをＯＮにして、すなわ
ち、スイッチ６４を開いて、第１の電流Ｉから第２の電
流Ｉにインクリメントすることによって発生する熱と定
義する。従って、 ΔＱ_curr＝Ｉ₁［Ｖ₀＋（Ｉ₁−Ｉ₀）Ｒs］−Ｉ₀Ｖ₀ （７）ここで、Ｖ₀は、Ｉ₀における電圧である。Ｉ₁＝ΔＩ
＋Ｉ₀と定義し、式（７）に代入すると、次のようにな
る。 ΔＱ_curr＝Ｉ₁［Ｖth＋（ΔＩ＋ΔＩ₀）Ｒ_S］−Ｉ₀［Ｖth＋（ΔＩ₀）Ｒ_S］＝ΔＩＶth＋Ｉ₁（ΔＩ＋ΔＩ₀）Ｒ_S−Ｉ₀（ΔＩ₀）Ｒ_S ＝ΔＩＶth＋Ｉ₁（ΔＩ）Ｒ_S＋ΔＩΔＩ₀Ｒ_S ＝ΔＩＶth＋（ΔＩ＋Ｉ₀）（ΔＩ）Ｒ_S＋ΔＩΔＩ₀Ｒ_S ＝（ΔＩ)²Ｒ_S＋（ΔＩ）［Ｖ₀＋Ｉ₀Ｒ_S］（８）この熱と光の冷却との平衡をとることが所望のため、（ΔＩ)²Ｒ_S＋（ΔＩ）［Ｖ₀＋Ｉ₀Ｒ_S］−Ｐ₀＝０（９）とし、ΔＩについてこの２次方程式を解く。この解は、
ほぼΔＩ＝Ｐ₀／ｂになるが、ここで、４Ｒ_SＰ₀／ｂ
²＜＜１のため、ｂ＝Ｖ₀＋Ｉ₀Ｒ_Sになる。従って、
Ｉ₀、Ｒ_S、ΔＩ₀、及び、Ｖ₀が分かれば、任意のＰ
₀についてΔＩを求めることが可能である。Ｑスイッチ
変調で動作する増幅領域の場合、Ｉ₀＝５４．７ｍＡ、
Ｒ_S＝４．４１オーム、Ｉth＝１６．０ｍＡ、及び、Ｖ
₀＝Ｖth＋（Ｉ₀＋Ｉth）Ｒ_S＝１．７３ボルト＋３
８．７ｍＡ×４．４１オーム＝１．９０ボルトである。
この結果、Ｐ₀＝８ｍＷの場合、ΔＩ＝Ｐ₀／１．９０
ボルト＝４．２１ｍＡになる。従って、Ｉが、Ｉ₀を超
えて、４．２１ｍＡだけインクリメントすると、正味熱
クロストークは、ゼロになる。従って、変調領域に対す
る電圧の印加と増幅領域に対する電流の変動との協調を
とることが可能である。例えば、参考までに本書に組み
込まれている同時係属の米国特許出願第０７／５００，
８１４号に詳述されている検出手段を含む、装置８２に
おける制御手段８０が、図１０に概略を示すように、こ
の機能を果たすことになる。

【００２５】本発明のもう１つの実施例の場合、スイッ
チング素子６４は開いた状態に保持され、増幅領域５６
には、Ｉ_bias＞Ｉth₁₀₂−ΔＩでバイアスがかけられる
が、ここで、ΔＩは、上述のレーザ放出の冷却を補償す
るように選択される。次に、レーザは、増幅領域に加え
られる電流をＩ_biasからＩ_bias＋ΔＩに変調することに
よって、ＯＮ状態にスイッチされるが、ここで、Ｉth
₁₀₂＞Ｉ_bias＞Ｉth₁₀₂−ΔＩである。ΔＩは、放出さ
れるレーザ光の冷却と平衡をとるのに十分な熱を発生す
る大きさになるように選択される。動作電流は、レーザ
が、Ｉ_bias＋ΔＩにおいて、所望の光学パワーＰ₀を放
出するように選択される。

【００２６】結論として、レーザの出力に関して図６及
び７に示す案は、低電圧スイッチング信号しか必要とせ
ず、従って、電圧または電流変調駆動電子回路の必要を
なくし、正味熱クロストークをゼロにするので、有効で
ある。ただし、Ｑスイッチングに関して本発明と整合す
る、例えば、変調領域の電圧変調回路の集積化といっ
た、他の多くの制御案を実現することも可能である。ま
た、スイッチ６６（または７６）の代わりに、トランジ
スタまたはダイオードを用いて、チップ上でレーザと集
積化することも可能である。一般に、本発明に関連した
技術の熟練者であれば、本発明の精神及び範囲を逸脱す
ることのない、本発明の構成に対する多くの変更、及
び、多種多様な実施例及び用途が思い浮かぶことであろ
う。従って、本書における開示及び説明は、例示であっ
て、いかなる意味合いにおいても、制限を意図したもの
ではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】デバイスの加熱を示す、当該技術において既
知のタイプの固体レーザに関するパワー出力対入力電流
のプロットである。

【図２】パワー出力の「垂下」を示す、当該技術にお
いて既知のタイプの固体レーザに関するパワー出力対時
間のプロットである。

【図３】２つの素子（レーザ）を示す、モノリシック
固体レーザアレイの一部に関する平面図である。

【図４】図３のモノリシック固体レーザアレイの断面
図である。

【図５】図４の断面図に対して垂直方向に見た、図３
のモノリシック固体レーザアレイの断面図である。

【図６】第１のレーザに対する変調の第２のレーザの
出力に及ぼす影響をテストするように設けられた、２素
子モノリシック固体レーザアレイの概略図である。

【図７】図６と共に検分すると、各レーザに対する個
別の変調のための構成が明らかになる、２素子モノリシ
ック固体レーザアレイの部分概略図である。

【図８】本書に開示のタイプの固体レーザに関するパ
ワー出力対入力電流のプロットである。

【図９】図８の出力を発生するような、２素子モノリ
シック固体レーザアレイの平面図である。

【図１０】本発明に従って変調領域に対する電圧の印
加と増幅領域に対する電流の変動との協調をとるための
手段を含む、デバイスの概略図である。

【符号の説明】

１０レーザアレイ、１２レーザ、１４受動導波路
領域、１６増幅領域、１８変調領域、５２，５４
レーザ、５６増幅領域、５８加減抵抗器、６０変
調領域、６２抵抗器、６４スイッチ素子、６８増
幅領域、７０変調領域、７２導波路、８０制御手
段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に複数の半導体の層を備
え、前記層の少なくとも１つが、少なくとも、光増幅領
域及び変調領域を含む複数の領域に分割された活性領域
から構成されるタイプの、モノリシックに形成された、
個別にアドレス可能な半導体レーザアレイを動作せる、
次のステップを含む方法：増幅領域に十分な順バイアス
をかけて、誘発放出を生じさせる；前記誘発放出の一部
を前記変調領域に送り込む；変調領域に印加される電圧
を変化させることによって、変調領域の内部損失を変化
させ、第１の電圧の場合には、レーザ内における誘発放
出によるレーザ光の発生を阻止し、第２の電圧の場合に
は、レーザ内における誘発放出によるレーザ光の発生を
可能にする；そして増幅領域に印加される順バイアスを
変化させることによって、変調領域に印加される電圧の
変動による熱損失または利得が、増幅領域に印加される
バイアスの変動による熱利得または損失によって、ほぼ
等しくなるように相殺されるようにする。
【請求項２】次のものを含む、モノリシックに形成さ
れた、個別にアドレス可能なレーザアレイを有する発光
装置：半導体基板；前記半導体基板上に形成され、その
少なくとも１つが、隣接する層に比べて禁止帯の幅の狭
い活性層を形成している、複数の半導体の層；レーザと
して機能する２次元の光共振器を含む、各レーザ毎に前
記活性層に形成される第１の活性領域；光学変調器とし
て機能する、前記第１の活性領域の前記光共振器と同軸
をなす２次元光共振器を含む、アレイをなすレーザの少
なくとも１つの前記活性層に形成される第２の活性領
域；および前記第１と第２の活性領域のそれぞれに対し
て、個別に可変バイアスをかけるための手段；前記にお
いて、該アレイをなす少なくとも１つのレーザの前記第
１の活性領域に十分な順バイアスをかけて誘発放出を生
じさせ、前記誘発放出の一部を前記少なくとも１つのレ
ーザの前記第２の活性領域に送り込み、前記少なくとも
１つのレーザの第２の活性領域に印加される電圧を変化
させることによって第２の活性領域の内部損失を変化さ
せ、第１の電圧の場合には、前記少なくとも１つのレー
ザ内における誘発放出によるレーザ光の発生を阻止し、
第２の電圧の場合には、前記少なくとも１つのレーザ内
における誘発放出によるレーザ光の発生を可能にし、第
１の活性領域に印加される順バイアスを変化させること
によって第２の活性領域に印加される電圧の変動による
熱損失または利得が、第１の活性領域に印加されるバイ
アスの変動による熱利得または損失によって、ほぼ等し
くなるように相殺されるものである前記装置。