JPH06216365A - 低損失の一体式受動導波路を備えた、独立してアドレス可能な半導体レーザ - Google Patents

低損失の一体式受動導波路を備えた、独立してアドレス可能な半導体レーザ

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JPH06216365A
JPH06216365A JP30927393A JP30927393A JPH06216365A JP H06216365 A JPH06216365 A JP H06216365A JP 30927393 A JP30927393 A JP 30927393A JP 30927393 A JP30927393 A JP 30927393A JP H06216365 A JPH06216365 A JP H06216365A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 モノリシック半導体構造内において、独立し
てアドレス可能な半導体ダイオード・レーザの密度を高
める。 【構成】 モノリシック半導体構造４０内において、受
動光導波路５８が、光波を発生する横方向にオフセット
した発生導波路５６をミラー５２に結合する。受動光導
波路５８は、またレーザ共振空胴内における光の強度を
測定するための検出領域、及び、発生導波路５６によっ
て発生する光波の波長を同調するための可調整吸光領域
も結合する。 【効果】 レーザ共振空胴内における機能装置の電気的
に受動的な相互接続によって、基本装置を横方向にオフ
セットさせることが可能になる。横方向のオフセット及
び受動的な光学相互接続によって、電気的クロスオーバ
の領域が拡大し、この結果、各チップにおける独立して
アドレス可能な装置の接点が大幅に単純化され、その密
度及び数が増すことになる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】〔発明の背景〕本発明は、独立してアドレ
ス可能な半導体ダイオード・レーザに関するものであ
り、とりわけ、半導体ダイオード・レーザの局在(local
ized) 光学利得活性領域に一体接続された、低損失の、
受動導波路(waveguide) に関するものである。
【０００２】独立してアドレス可能な半導体ダイオード
・レーザのモノリシック・アレイは、高速、高解像度
の、電子写真式プリンタ及び光学記憶システムのために
選択される光源である。
【０００３】しかし、モノリシック半導体構造内におけ
る独立してアドレス可能なレーザ・アレイは、いくつか
の問題を生じる。
【０００４】モノリシック半導体構造内のレーザ・エミ
ッタの数が増すと、隣接するレーザ・エミッタの間隔が
狭くなる。この間隔の減少によって、隣接するレーザ・
エミッタ間にクロストークを生じる可能性がある。
【０００５】モノリシック半導体構造の表面積では、エ
ミッタのコンタクト数にとって限界があり、複雑なクロ
スオーバコンタクトパターンを必要とする可能性があ
る。
【０００６】モノリシック半導体構造の表面における領
域には、限界があり、モノリシック半導体構造内の容積
にも限界があるので、各半導体ダイオード・レーザから
放出される光のレベルをモニターする検出器を追加する
と、モノリシック半導体構造内のレーザ・エミッタにと
って利用可能な表面のコンタクト数がさらに減少するこ
とになる。
【０００７】各半導体ダイオード・レーザが、異なる波
長で光を放出し、あるいは、隣接するエミッタが、光学
干渉を生じることなく、部分的に重なる光を放出するよ
うに、モノリシック半導体構造内において、半導体ダイ
オード・レーザの光学利得活性領域を構成するのは、困
難である。
【０００８】本発明の目的は、モノリシック半導体構造
内において、独立してアドレス可能な半導体ダイオード
・レーザの密度を高めることにある。
【０００９】〔発明の概要〕本発明によれば、受動導波
路は、モノリシック半導体構造内において、光波を発生
するための横方向にオフセットした発生導波路(generat
ion waveguide)をミラーに結合する。受動導波路は、発
生導波路内における利得を調整するための検出領域、及
び、光波の波長を発生導波路に同調させるための可調整
吸収領域も結合する。
【００１０】電気的に受動的な透過光導波路が、独立し
てアドレス可能なダイオード・レーザからなるモノリシ
ック・アレイの個々のレーザのミラー間における、空間
的に制限された利得と損失の同軸領域を相互接続するた
めに用いられる。１つ以上の空間的に制限された領域を
利用することによって、アレイをなす各レーザのレーザ
光放射動作が可能になる。空間的に明確に分離した同軸
領域が、電気的に逆バイアスを加えられ、外部回路に接
続されて、レーザ発光出力の強度をモニターし、かつ、
制御を加えるか、あるいは、そのいずれかを行う光検出
器の働きをする。アレイをなす各レーザのレーザ発光の
波長を別個に制御するため、第３の空間的に明確に分離
された、所定の長さを有する同軸領域を含めることがで
きる。この波長制御領域にかかるバイアスの逆バイアス
から順バイアスへの変更を利用して、所定の長さの制御
領域によって設定された公称値から、レーザ発光の波長
にさらに同調が施される。
【００１１】レーザ共振空胴内における機能装置の電気
的に受動的な相互接続によって、基本装置を横方向にオ
フセットさせることが可能になる。横方向のオフセット
及び受動的な光学相互接続によって、電気的クロスオー
バの領域が拡大し、この結果、各チップにおける独立し
てアドレス可能な装置のコンタクトが大幅に単純化さ
れ、その密度及び数が増すことになる。
【００１２】〔図面の簡単な説明〕図１は、本発明に従
って形成されたモノリシック半導体構造内におけるレー
ザ・エミッタの活性領域と同軸で、共面をなす受動光導
波路の略断面平面図である。
【００１３】図２は、本発明に従ってレーザ・エミッタ
の受動光導波路及び活性領域を形成する前における、図
１のモノリシック半導体構造の略断面端面図である。
【００１４】図３は、本発明に従って形成される、不純
物によって選択的に誘発される不規則化の後における、
図１のライン３−３に沿った埋め込み(buried)平面活性
領域を備える、モノリシック半導体構造の略断面端面図
である。
【００１５】図４は、本発明に従って形成される、不純
物によって選択的に誘発される不規則化の後における、
図１のライン４−４に沿った埋め込み平面受動光導波路
を備える、モノリシック半導体構造の略断面端面図であ
る。
【００１６】図５は、本発明によるレーザ・パターン化
脱着によってレーザ・エミッタの活性領域を形成する前
における、モノリシック半導体構造の略断面端面図であ
る。
【００１７】図６は、本発明に従って形成される、レー
ザ・パターン化脱着の後における、埋め込み平面活性領
域を備える、モノリシック半導体構造の略断面端面図で
ある。
【００１８】図７は、本発明によるレーザ・パターン化
脱着によって受動光導波路を形成する前における、モノ
リシック半導体構造の略断面端面図である。
【００１９】図８は、本発明に従って形成される、レー
ザ・パターン化脱着の後における、図７の埋め込み平面
受動光導波路を備える、モノリシック半導体構造の略断
面端面図である。
【００２０】図９は、本発明に従って形成されたモノリ
シック半導体構造内におけるレーザ・エミッタの活性領
域と同軸で、共面をなす受動光導波路を備える、レーザ
・エミッタ・アレイの略断面平面図である。
【００２１】図１０は、本発明に従って形成されたモノ
リシック半導体構造内におけるレーザ・エミッタの活性
領域と同軸で、共面をなす検出器及び受動光導波路を備
える、レーザ・エミッタ・アレイの略断面平面図であ
る。
【００２２】図１１は、本発明に従って形成されたモノ
リシック半導体構造内におけるレーザ・エミッタの活性
領域と同軸で、共面をなす波長制御領域及び受動光導波
路を備える、レーザ・エミッタ・アレイの略断面平面図
である。
【００２３】〔好適な実施例の説明〕次に図１を参照す
ると、受動光導波路１２が、レーザ・エミッタまたは発
生導波路の活性領域１４と同軸及び同一平面をなす、モ
ノリシック半導体構造１０が示されている。受動光導波
路１２は、モノリシック半導体構造内におけるレーザ・
エミッタまたは発生導波路の活性領域１４と一体に形成
することが可能である。
【００２４】図２に示すように、半導体構造１０は、ｎ
−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ（ここで、ｙ≧０．４０）による
第１のクラッド層１８と、Ｇａ1-z Ａｌz Ａｓによる３
つの６ｎｍのバリヤによって隔てられた（ここで、ｚ＝
０．２０）、Ｇａ1-x ＡｌxＡｓによる４つの１２ｎｍ
の量子井戸（ここで、ｘ＝０．０５）からなる複数量子
井戸の活性層２０と、ｐ−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ（ここ
で、ｙ≧０．４０）による第２のクラッド層２２と、ｐ
＋ＧａＡｓからなるキャップ層２４が、エピタキシャル
に堆積した、ｎ−ＧａＡｓの基板１６から構成される。
このモノリシック構造は、構造内の層が異なる半導体材
料からなるため、半導体ヘテロ構造である。
【００２５】活性層２０は、代替案として、ドープしな
いか、ｐタイプ・ドープ、または、ｎタイプ・ドープを
施すか；ＧａＡｓ、Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓ（ここでｙ＞
ｚ）、または、（Ａｌz Ｇａ1-z ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐとす
るか；比較的薄い従来の二重ヘテロ構造（ＤＨ）活性層
とするか；ＧａＡｓまたはＡｌz Ｇａ1-z Ａｓ（ここで
ｚ＜ｙ）のような単一量子井戸とするか；ＧａＡｓ及び
Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓ（ここで、ｚ＜ｙ）による交互層、
または、Ａｌw Ｇａ1-w Ａｓ及びＡｌB Ｇａ1-BＡｓ
（ここで、ｗ＜Ｂ＜ｙ；ｗは井戸の値、Ｂは、バリヤの
値）による交互層のような、複数の量子井戸による超格
子とすることが可能である。また、代替案において、前
述の活性層のうち任意の層をＡｌm Ｇａ1-m Ａｓ及びＡ
ｌn Ｇａ1-nＡｓ（ｍ≠ｎ）による２つの半導体拘束層
の間に堆積させることができるが、禁止帯幅は、独立し
た拘束構造の場合、活性層と第１及び第２のクラッド層
の禁止帯幅の中間に位置する。
【００２６】当該技術において周知のように、半導体構
造１０のエピタキシャル成長は、分子ビーム・エピタキ
シ（ＭＢＥ）または金属有機物化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）
によって実施することができる。基板１６は、約１００
ミクロンの厚さとすることができる。クラッド層１８及
び２２は、０．１〜１ミクロンの範囲の厚さを備えるこ
とが可能である。活性層２０は、厚さ５０ナノメートル
〜２ミクロンの従来の薄い層とすることもできるし、あ
るいは、厚さ３〜５０ナノメートルといった、超格子構
造の量子井戸から構成することも可能である。複数の量
子井戸によるこの活性層２０は、厚さが約６６ｎｍであ
る。キャップ層２４は、厚さが、一般に、０．１〜０．
２ミクロンである。
【００２７】活性層２０内にレーザ・エミッタの発生導
波路と一体化した受動光導波路を形成するための従来の
技術がいくつか存在する。今後の論考は、不純物によっ
て誘発する層の不規則化及びレーザによるパターン化脱
着に制限される。ただし、留意しておくべきは、これら
他の技法及び元素拡散または注入も、等しくて起用する
ことができるという点である。
【００２８】例えば、エピタキシャル成長の完了時、半
導体ヘテロ構造１０のキャップ層２４の上部表面には、
本出願と同じ譲受人を共通の譲渡先とする、参考までに
本書に組み込まれている、ソーントン(Thornton)らに対
する米国特許第４，８０２，１８２号に開示のように、
半導体構造の領域を不純物によって誘発される層の不規
則化にさらす開口部を備えた、Ｓｉ3 Ｎ4 のマスクが形
成される。該マスクによって、発生導波路及び受動光導
波路を形成し、成形することになる、非露出領域が保護
される。
【００２９】発生導波路及び受動光導波路は、まず、マ
スクを介して露出する半導体構造の領域に、シリコンの
ような高濃度のｎ不純物ドーパントを選択的に拡散させ
ることによって設定される。他のｎ不純物ドーパントに
は、Ｇｅ及びＳｎがある。
【００３０】Ｓｉ3 Ｎ4 のマスクの開口部に、シリコン
層が堆積し、さらに、Ｓｉ3 Ｎ4 の追加層によってキャ
ッピングが施される。シリコンの拡散は、約８００゜Ｃ
の温度で実施され、キャップ層２４、第２のクラッド層
２２、及び、活性層２０に浸透し、部分的に第１のクラ
ッド層１８に浸透するのに十分な時間期間、例えば、７
〜８時間にわたって維持される。
【００３１】シリコンが活性層２０、キャップ層２４、
及び、クラッド層１８及び２２に拡散することによっ
て、活性層２０、キャップ層２４、及び、クラッド層１
８及び２２のＧａ及びＡｌが混合され、図３及び４に示
すように、ｎ不純物によって誘発される不規則化領域が
形成される。
【００３２】図３は、図１のライン３−３に沿った半導
体構造１０の断面図である。通常、約４μｍ幅とするこ
とが可能なマスク２６が、半導体構造１０におけるキャ
ップ層２４の上部表面に形成される。マスク２６の幅が
もっと広くなると、不純物によって層の不規則化が誘発
された後、２つの独立した不規則化領域２８が生じるこ
とになる。半導体構造１０の不規則化領域２８の間に
は、キャップ層２４、第２のクラッド層２２、活性層２
０、及び、第１のクラッド層１８の非不規則化領域が残
される。半導体ヘテロ構造１０の不規則化領域２８間に
おける活性層２０の不規則化領域によって、レーザ・エ
ミッタの発生導波路１４が形成される。次に、マスク２
６が、キャップ層２４の表面から除去される。該不規則
化領域は、レーザ・エミッタの発生導波路または半導体
ヘテロ構造の発生導波路を光学的及び電気的に隔離し、
分離する。該活性領域または発生導波路は、垂直方向が
クラッド層によって成形され、水平方向が不規則化領域
によって成形される。
【００３３】図４は、図１のライン４−４に沿った、半
導体構造１０の断面図である。通常、約２μｍ幅とする
ことが可能なマスク３０が、半導体構造１０におけるキ
ャップ層２４の上部表面に形成される。マスク３０の幅
がもっと狭くなると、不純物によって層の不規則化が誘
発された後、２つの重なり合う不規則化領域２８が生じ
ることになる。半導体構造１０の不規則化領域２８に、
キャップ層２４及び第２のクラッド層２２の領域が含ま
れるので、キャップ層２４及び第２のクラッド層２２
は、完全に不規則化される。半導体構造１０の不規則化
領域２８の間には、活性層２０と第１のクラッド層１８
が存在する。活性層は、当初、または、部分的に不規則
化される。半導体ヘテロ構造１０の不規則化領域２８間
における活性層２０の部分的に不規則化した領域によっ
て、受動光導波路１２が形成される。次に、キャップ層
の表面からマスク３０が除去される。該不規則化領域
は、半導体ヘテロ構造の受動光導波路を光学的及び電気
的に隔離し、分離する。該受動光導波路は、垂直方向が
部分的に不規則化した第２のクラッド層、及び、第１の
クラッド層によって成形され、水平方向が不規則化領域
によって成形される。
【００３４】これら特定の例に示されるように、マスク
部分２６は、一般に、約４μｍの幅とすることができ、
マスク３０部分は、一般に、約２μｍの幅とすることが
できる。これら２つのマスク２６及び３０は、同時に、
キャップ層の表面に堆積させることができ、該２つのマ
スクは、同時に、キャップ層の表面から取り除くことも
可能である。発生導波路及び受動光導波路を形成するこ
とになる、不純物によって誘発される層の不均一化も、
同時に実施することが可能である。マスク２６の寸法が
広くなると、発生導波路１４の幅が決まり、マスク３０
の寸法が狭くなると、受動光導波路のためのマスクの下
方に位置する発生導波路部分を貫くほどではないが、実
質的に浸透する、不純物によって誘発される、ある程度
の層の不均一化を達成するのに十分な狭さになる。マス
ク２６の下方に位置する発生導波路１４の中心コアは、
マスク３０によって十分に保護されていない受動光導波
路１２の活性層の隣接する不均一化領域に比べると、不
純物で誘発される層の不均一化プロセスによってそれほ
ど完全には相互拡散されない。
【００３５】モノリシック半導体構造１０の活性層２０
内におけるレーザ・エミッタの発生導波路と一体化した
受動光導波路を形成する代替技法は、本出願と同じ譲受
人を共通の譲渡先とする、参考までに本書に組み込まれ
ている、エプラー(Epler) らに対する米国特許第４，９
６２，０５７号に開示のように、レーザ・パターン化脱
着を利用する。レーザ・エミッタの受動光導波路１２及
び発生導波路１４は、休止時間を変化させながら、厳密
に焦点を合わせたビームで、活性層２０の表面を横切っ
て走査することによって形成される。
【００３６】基板１６及び第１のクラッド層１８の堆積
後、図５の活性量子井戸層２０の堆積を完了すると、エ
ピタキシャル堆積及び成長が、時間的に中断され、米国
特許第４，９６２，０５７号に教示のように、ＭＯＣＶ
Ｄ室に対するトリメチル・ガリウム（ＴＭＧ）供給源を
オフにして、基板温度を約８２５゜Ｃまで上昇させ、１
オングストローム／秒の割合で、第１のクラッド層１８
の表面に対して活性層２０の領域３４を熱的に蒸着させ
るのに十分な時間期間にわたって、活性層２０の表面に
レーザ・ビーム３２または組み合わせたレーザ・ビーム
の焦点が合わせられる。
【００３７】レーザ・ビーム３２の照射強度、角度、及
び、露光の長さを制御することによって、活性層２０の
領域３４は、第１のクラッド層１８との界面まで脱着
し、活性層２０の非照射部分によって第１のクラッド層
１８の表面に発生導波路１４が形成されることになる。
第１のクラッド層１８のＡｌy Ｇａ1-y Ａｓ（ここで、
ｙ≧０．１５）は、活性量子井戸層２０のＧａＡｓの脱
着に比べると、このプロセスによる脱着がはるかに困難
であるため、光学的に誘発される脱着に対するストップ
の働きをする。
【００３８】また、ＧａＡｓの蒸気圧がＡｌＧａＡｓに
比べて高いために、ＡｌＧａＡｓにおけるＡｌの含有量
によって、蒸着速度が低下するので、ＡｌＧａＡｓの動
作温度は、ＧａＡｓに比べて高くなる。
【００３９】米国特許第４，９６２，０５７号の方法に
よれば、活性層の質をレーザ脱着にとって最適なものに
する温度で、活性層を成長させることが可能になる。引
き続き、活性層２０の、発生導波路１４に対して選択的
に薄くする領域３４に伝導する基準温度で、脱着を行う
ことができる。脱着に対するレーザによるアプローチ
は、光の照射強度によって、結果得られる発生導波路の
成形、半導体温度のより迅速な制御、脱着時間の短縮、
及び、望ましくない高温で費やされる時間の短縮が可能
になるので、基板の温度を単純に上昇させて、脱着を誘
発するより望ましい。これら全ての要因によって、光の
照射を利用したプロセスの再現性が大幅に高められるこ
とになる。
【００４０】図６に示すように、光で誘発される脱着の
後、第１のクラッド層１８の表面に、発生導波路１４が
形成されるが、第１のクラッド層１８の表面における領
域３４には、活性層２０がない。次に、半導体レーザ構
造１０のエピタキシャル成長が続行され、第２のクラッ
ド層２２及びキャップ層２４が成長する。これらの層
は、それぞれ、前述の半導体層の上に均一な厚さで形成
される。側部に活性層がないように形成された、埋め込
みヘテロ構造レーザが望ましいが、活性リブ(rib) ・ガ
イドも可能である。
【００４１】受動光導波路１２は、図５及び６の発生導
波路と同じレーザ・パターン化脱着によって形成するこ
とができる。
【００４２】基板１６に第１のクラッド層を堆積させた
後、図７の活性量子井戸層２０の堆積が完了すると、エ
ピタキシャル堆積及び成長が、時間的に中断され、米国
特許第４，９６２，０５７号に教示のように、活性層２
０の領域３４及び３６を熱的に蒸着させるのに十分な時
間期間にわたって、活性層２０の表面にレーザ・ビーム
３２または組み合わせたレーザ・ビームの焦点が合わせ
られる。
【００４３】レーザ・ビーム３２の照射強度、角度、及
び、露光の長さを制御することによって、活性層２０の
領域３４は、第１のクラッド層１８との界面まで脱着さ
れる。活性層２０の領域３６は、レーザ照射によって部
分的にしか脱着されないので、結果として、活性領域２
０の部分的に照射された部分によって、第１のクラッド
層の表面に、受動光導波路１２が形成されることにな
る。活性層２０が部分的に脱着されると、活性量子井戸
は、量子サイズ効果によって、そのエネルギーの禁止帯
幅を上昇させるのに十分な薄さになり、この結果、活性
層２０は、発生導波路１４において発生する放射線に対
して透過性になる。
【００４４】図８に示すように、光で誘発される脱着の
後、第１のクラッド層１８の表面に、受動光導波路１２
が形成されるが、第１のクラッド層１８の表面における
領域３４には、活性層２０がない。次に、半導体レーザ
構造１０のエピタキシャル成長が続行され、第２のクラ
ッド層２２及びキャップ層２４が成長する。これらの層
は、それぞれ、前述の半導体層の上に均一な厚さで形成
される。
【００４５】図４の不純物で誘発される不均一化によっ
て形成される受動光導波路１２は、図３の不純物で誘発
される不均一化によって形成される発生導波路１４に比
べて狭くなり、禁止帯幅が増大する。図７及び８のレー
ザ・パターン化脱着によって形成される受動光導波路
は、図５及び６のレーザ・パターン化脱着によって形成
される発生導波路に比べて、幅が同じか、あるいは、狭
くなり、高さが薄くなって、禁止帯幅が増大する。
【００４６】受動光導波路１２は、モノリシックに、平
面をなすように形成され、レーザ・エミッタのために埋
め込まれた表面下発生導波路と共面及び同軸をなすのが
容易な表面下受動光導波路を形成することができる。こ
れらの２次元受動光導波路を組み込んだ半導体構造は、
単一チップにおける光学及び電子コンポーネントのモノ
リシック集積において極めて重要である。
【００４７】レーザ・エミッタの発生導波路１４及び受
動光導波路１２は、活性層２０の隣接領域に比べて屈折
率が大きく、また、クラッド層１８及び２２に比べても
屈折率が大きい。従って、発生導波路１４によって発生
し、低損失の平行な受動光導波路１２によって伝送され
る光は、モノリシック半導体構造の活性層２０内におけ
る全内反射の周知の現象によって閉じ込められる。
【００４８】受動光導波路１２は、活性層と一体に形成
され、エネルギーの禁止帯幅は、発生導波路のエネルギ
ーよりも大きいので、結合構造は、発生導波路によって
発生する光波に対してほとんど透過性であり、光波を透
過するために順バイアスをかける必要がない。これらの
透過性受動光導波路１２は、発生導波路１４よりも狭
く、あるいは、薄くすることが可能である。受動光導波
路の上方のキャップ層表面は、陽子砲撃されて(proton
bombarded)、この領域を絶縁し、従って、電気的ポンピ
ングが生じないようにすることができる。
【００４９】２次元受動光導波路内における回折及び散
乱損失は、少ない。２次元受動光導波路に沿った伝搬損
失も、その禁止帯幅が増大するため、少ない。
【００５０】モノリシック半導体構造１０の両側におい
て、キャップ層２４及び基板１６上に、コンタクトを形
成することが可能である。標準的なマスキング手段また
は他の技法を用いて、Ｃｒ−ＡｕまたはＴｉ−Ｐｔ−Ａ
ｕまたはＡｕ−Ｇｅの金属コンタクトを形成することが
できる。
【００５１】キャップ層のコンタクトと基板のコンタク
トの間に電流を注入して、ｐクラッド層２２とｎ−クラ
ッド層１８のｐ−ｎ接合に順バイアスをかけることによ
り、レーザ・エミッタの発生導波路１４が単一波長のコ
ヒーレント光を放出する。
【００５２】レーザ・エミッタの発生導波路の場合、電
流は、発生導波路３２に対してほぼ垂直に注入され、キ
ャップ層２４、ｐ−クラッド層２２、発生導波路１４を
通り、さらに、ｎ−クラッド層１８に拡散し、基板１６
に入り、基板のコンタクトから出てゆく。電流を発生導
波路に拘束し、下方に位置する不規則化領域との接触を
断つ必要がある場合には、領域２８を陽子砲撃(proton
bombard)を施すことができる。
【００５３】アースまたは基板コンタクトは、２つ以上
の、あるいは、全てのレーザ・エミッタによって共用す
ることが可能である。しかし、各レーザ・エミッタの各
発生導波路３２には、そのキャップ層のコンタクトを介
して、他の全てとは別個にバイアスが加えられる、ｐ−
ｎ接合が含まれている。各レーザ・エミッタの各発生導
波路には、アースに対して正のバイアスが加えら得るの
で、電流は、各キャップ層のコンタクトからアースに流
れるだけである。
【００５４】電流がレーザ領域を介して加えれる場合に
は、受動光導波路は、光を放出しないし、光の伝送に影
響を及ぼすこともない。受動光導波路１２には、順バイ
アスが加えられないので、受動素子として機能する。受
動光導波路１２のための半導体構造１０の表面には、コ
ンタクトが形成されない。
【００５５】活性層２０に初期または部分的不規則化が
生じ、あるいは、脱着により活性層２０が薄くなること
によって、受動光導波路１２は、活性層２０の他のどこ
かで発生した放射線に対して透過性になる、すなわち、
受動光導波路１２は、レーザ・エミッタの発生導波路１
４の動作波長における放射線を吸収しない。
【００５６】従って、各発生導波路の上に位置するキャ
ップ層の表面における独立したコンタクトによって、モ
ノリシック半導体構造内においてアレイをなす各レーザ
・エミッタに、独立して、別個にアドレス可能になる。
【００５７】図９のコンタクトは、モノリシック半導体
構造４０のキャップ層２４の表面に沿って垂直に延び、
埋め込み受動光導波路に接続された埋め込み発生導波路
の上にまで達している。
【００５８】モノリシック半導体構造４０内に埋め込ま
れた４つのダイオード・レーザ４２、４４、４６、及
び、４８は、半導体構造４０の一方の側における反射率
の高いミラー５０から半導体構造４０のもう一方の側に
おける反射率の低いミラー５２まで垂直に延びている。
出力ミラー５２は、反射率の高いミラー５０に比べて反
射率が低いので、レーザ・エミッタの発生導波路から放
出される光は、出力ミラーによって伝送される。反射率
の高いミラー及び出力ミラーは、半導体へテロ構造の両
側に、ヘテロ構造の活性層を含む、半導体層に対して垂
直に配置されている。
【００５９】各レーザ・エミッタにおける発生導波路
は、エミッタの軸方向の長さの小部分に制限されるが、
該長さの残りの部分は、受動光導波路になる。例示のた
め、図９のレーザ・エミッタは、不純物で誘発される不
規則化によって形成されるが、結果として、広い発生導
波路と狭い受動光導波路が得られることになる。
【００６０】第１のレーザ・エミッタ４２は、ミラー５
２まで延びる短い受動光導波路５８と同軸で、共面をな
し、これに光学的に接続されているレーザ・エミッタの
発生導波路５６と同軸で、共面をなし、これに光学的に
接続されているミラー５６から延びる、長い受動光導波
路５４から構成される。第２のレーザ・エミッタ４４
は、ミラー５２まで延びる長い受動光導波路６４と同軸
で、共面をなし、これに光学的に接続されているレーザ
・エミッタの発生導波路６２と同軸で、共面をなし、こ
れに光学的に接続されているミラー５０から延びる、短
い受動光導波路６０から構成される。
【００６１】第３のレーザ・エミッタ４６は、ミラー５
２まで延びる短い受動光導波路７０と同軸で、共面をな
し、これに光学的に接続されているレーザ・エミッタの
発生導波路６８と同軸で、共面をなし、これに光学的に
接続されているミラー５０から延びる、長い受動光導波
路６６から構成される。第２のレーザ・エミッタ４８
は、ミラー５２まで延びる長い受動光導波路７６と同軸
で、共面をなし、これに光学的に接続されているレーザ
・エミッタの発生導波路７４と同軸で、共面をなし、こ
れに光学的に接続されているミラー５０から延びる、短
い受動光導波路７２から構成される。
【００６２】第１のコンタクト７８は、キャップ層３８
の表面に沿って、モノリシック半導体構造４０の第１の
ミラーのない側８０から第１のレーザ・エミッタ４２の
発生導波路５６の上まで延びている。第２のコンタクト
８２は、キャップ層３８の表面に沿って、第１のミラー
のない側８０から、第１のレーザ・エミッタ４２の長い
受動光導波路５４の上を横切って、第２のレーザ・エミ
ッタ４４の発生導波路６２の上まで延びている。
【００６３】第３のコンタクト８４は、キャップ層３８
の表面に沿って、モノリシック半導体構造４０の第２の
ミラーのない側８６から、第４のレーザ・エミッタ４８
の長い受動光導波路７６の上を横切って、第３のレーザ
・エミッタ４６の発生導波路６８の上まで延びている。
第４のコンタクト８８は、キャップ層３８の表面に沿っ
て、第２のミラーのない側８６から第４のレーザ・エミ
ッタ４８の発生導波路７４の上まで延びている。
【００６４】モノリシック半導体構造内における隣接す
るレーザ・エミッタの発生導波路の千鳥配列、すなわ
ち、横方向のオフセットによって、隣接する発生導波路
の離隔距離がさらに増すことにより、隣接する発生導波
路間の光学的及び電気的クロストークが減少する。この
隣接する発生導波路の軸方向における離隔距離の拡大に
よって、光の自然放出、及び、隣接する発生導波路間に
おける電流の自然な流れも阻止されることになる。
【００６５】この隣接する発生導波路の軸方向における
離隔距離の拡大によって、隣接するエミッタの間隔を近
づけることが可能になる。狭い各受動光導波路によっ
て、各レーザ・エミッタの発生導波路によって決まるサ
イズを超えてレーザ発光モードを広げることが可能にな
る。隣接するエミッタから放出される光の強度プロフィ
ルは、これにより、光学干渉を導入しなくても、部分的
にオーバラップさせることが可能になる。
【００６６】発生導波路は、ミラー位置に形成すること
も可能であるが、全てのレーザ・エミッタのしきい値を
ほぼ同じにすることが重要な場合には、発生導波路は、
おそらく、受動光導波路に対して対称に配置するのが最
も望ましい。各エミッタのしきい電流は、単一の量子井
戸から構成される低しきい値の活性層に関して発生導波
路の長さを最適化することにより、大幅に減少させるこ
とができる。このしきい電流の減少によって、アレイを
なす全レーザ・エミッタ間の熱的クロストークが低下す
る。電気コンタクトクロスオーバに利用可能な面積が大
幅に増すので、コンタクトを単純化し、エミッタ数を増
すことが可能になる。
【００６７】不純物によって誘発される層の不規則化に
よって形成されるような、広い平面発生導波路と狭い平
面受動光導波路の場合、発生導波路の千鳥配列、及び、
発生導波路及び受動光導波路の隣接するレーザ・エミッ
タからの交番によって、モノリシック半導体構造内にお
けるレーザ・エミッタの密度が高くなる。しかし、発生
導波路及び受動光導波路は、同じ幅にすることもできる
し、あるいは、レーザ・エミッタがレーザ・パターン化
脱着によって形成される場合、さらに狭くすることも可
能である。
【００６８】図９に示すように、隣接するレーザ・エミ
ッタのクロスオーバに利用可能な表面積が大幅に増すの
で、各レーザ・エミッタ毎の独立したコンタクトが、大
幅に単純化される。従って、こうしてモノリシックに集
積することの可能なエミッタ数を制限するのは、利用可
能な半導体チップのサイズだけということになる。埋め
込みレーザ・エミッタの横方向のオフセットまたは千鳥
配列によって、外部レーザ・エミッタ４２及び４８の発
生導波路を通り越す必要のない、内部レーザ・エミッタ
４４及び４６の発生導波路のコンタクトを可能にする。
このコンタクトが通り越す受動光導波路は、発光しない
し、あるいは、該コンタクトが、受動光導波路を通る光
の伝搬に影響を及ぼすこともない。コンタクトは、従っ
て、他のレーザ・エミッタに発光させることなく、各レ
ーザ・エミッタ毎に別個にアドレス可能というだけのこ
とである。
【００６９】図１０のモノリシック半導体構造９２のア
レイをなすレーザ・エミッタ９０は、発生導波路９４、
及び、検出領域９６を備えており、該検出領域は、同軸
で、共面をなし、受動光導波路９８によって光学的に接
続されており、受動光導波路９８は、さらに、レーザ・
エミッタを高反射率ミラー１００及び出力ミラー１０２
に接続している。検出領域９６は、発生導波路９４と同
様に形成されるが、その長さ及びバイアス条件だけが異
なっている。検出器の禁止帯幅は、受動光導波路の場合
とは異なり、増大しなかった。
【００７０】検出器にゼロ電圧または逆電圧のバイアス
をかけると、光が吸収されるので、外部回路に電流が生
じる。検出器は、レーザ波長において吸光性のため、レ
ーザ共振空胴内の光学パワーをモニターする一体化検出
器の働きをすることができる。該検出器をフィードバッ
ク構成に利用して、オン状態にあるレーザ・エミッタ内
の利得を調整し、不均一なレーザ発光またはレーザ発光
のしきい値の変化を補正することが可能である。
【００７１】本出願と譲渡先が共通の、引用文献として
本書に組み込まれている米国特許第５，１３６，６０４
号に開示のように、レーザ発光領域と一体化された検出
器が通常遭遇することになる問題の１つが、レーザ放射
線に加えて、レーザ発光領域によって自然放出される光
も、検出器によって吸収されるという点である。しかし
ながら、本発明の場合、利得領域から自然放出される光
が、全方向に放射され、一体化導波路によって検出器に
有効にガイドされない。従って、検出領域と発光領域の
分離によって、自然放出のモニターと有効に弁別され
る。各エミッタの軸上に組み込まれた、別個にアドレス
可能なモニタリング検出器は、従って、エミッタの活性
利得領域によって自然放出される光を本質的に弁別す
る。
【００７２】図９のモノリシック半導体構造におけるレ
ーザ・エミッタのアレイのように、図１０のモノリシッ
ク半導体構造における隣接するレーザ・エミッタの発生
導波路及び検出器は、千鳥配列が施されている、すなわ
ち、横方向にオフセットしているので、発生導波路のコ
ンタクト１０４及び内部レーザ・エミッタ９０の検出器
コンタクト１０６は、外部レーザ・エミッタ１１０の受
動光導波路の上方を横切って延びている。受動光導波路
を用いると、モノリシック半導体構造におけるレーザ・
エミッタの間隔の接近した発生導波路及び検出器に対し
て、電気的接続及びさまざまなバイアス電圧の印加を簡
単に施すことが可能になる。
【００７３】図９及び１０のモノリシック半導体構造の
レーザ・エミッタ・アレイにおける各レーザ・エミッタ
は、異なる波長で発光することが可能である。レーザ・
パターン化脱着または不純物によって誘発される層の不
規則化によって、各発生導波路における量子井戸活性層
の厚さを調整することができる。発生導波路の厚さを変
更することによって、レーザ・エミッタの波長が変化す
る。代替案として、レーザ発光しきい値に必要なキャリ
ヤ密度を変動させるため、各発生導波路の長さが異なる
ようにすることも可能である。帯域充填の結果として、
各エミッタの波長が異なることになる。
【００７４】各エミッタは、各エミッタの発生導波路の
長さまたは厚さを変更することによって、あるいは、各
レーザ共振空胴に異なる長さの非ポンピング領域を含め
ることによって、異なる波長で振動させることも可能で
ある。図１１のモノリシック半導体構造１１２は、それ
ぞれ、異なる波長で発光する、４つのレーザ・エミッタ
１１４、１１６、１１８、及び、１２０を備えている。
レーザ・エミッタ１１４に示すように、発生導波路１２
２、検出器１２４、及び、可調整吸光領域１２６は、同
軸で、共面をなし、受動光導波路１２８によって光学的
に接続されており、受動光導波路１２８は、また、レー
ザ・エミッタを高反射率ミラー１３０及び出力ミラー１
３２に光学的に接続している。可調整吸光領域１２６
は、発生導波路１２２及び検出器１２４と同様に形成さ
れ、波長選択領域として用いられる。可調整吸光領域
は、受動光導波路の場合とは異なり、増大しなかった。
可調整吸光領域波、検出器とバイアス条件が異なってい
る。
【００７５】可調整吸光領域は、レーザ・エミッタの波
長を同調するための可飽和吸光を行うことができる。各
エミッタの公称波長選択は、同調領域に関して異なる長
さを選択することによって行われる。各エミッタの波長
同調は、可調整吸光領域のバイアス・レベルを変更する
ことによって行われる。
【００７６】可調整吸光領域１２６のバイアス・レベル
を変更することによって、レーザ共振空胴において生じ
る損失量が最大値Ｌmax から最低値Ｌmin に制御され
る。最大損失は、バイアスのかかっていない（または逆
バイアスのかかった）可調整吸光領域で得られ、非ポン
ピング発生導波路１２２に固有の吸光によって生じる。
最低損失は、順バイアスのかかった可調整吸光領域１２
６で得られるが、損失は、この損失は、負になる可能性
もある、すなわち、可調整吸光領域１２６によって利得
が生じる可能性もある。可調整吸光領域１２６を最小損
失に設定すると、発生導波路１２２は、必要な最長波長
で放出するように設計される。同調電流が減少するにつ
れて、可調整吸光領域１２６の損失が増大し、波長が短
くなる。可調整吸光領域１２６の長さは、必要とされる
波長のシフト量によって決定される。波長に、ある縦モ
ードから次の縦モードへのホッピングが生じると、同調
は不連続になる。さらに、発生導波路１２２のしきい値
が増すと、レーザ発光波長におけるパワー出力を一定に
保つため、発生導波路１２２に対する電流が増大する。
従って、一定のパワーにおける波長のスイッチングは、
発生導波路１２２と可調整吸光領域１２６の両方に対す
る駆動電流の同時スイッチングによって行われる。
【００７７】可調整吸光領域に接触しなければ、可調整
吸光領域に適合する長さを選択することによって、同調
が行われる。しかし、動作時の波長を調整するため、可
調整吸光領域に部分的に順バイアスをかけることによっ
て、可調整吸光領域に接触することが可能である（図示
せず）。
【００７８】受動光導波路３４のセクション、及び、セ
クション１６の活性層２４の導波強さは、不純物によっ
て誘発される不規則化の時間を変化させ、これによっ
て、図１から４における活性層２４及び受動光導波路３
４の望ましいモードの動作に合わせてその屈折率特性を
微同調することによって、変動させることができる。屈
折率のガイドによって、実際の屈折率の変化によるビー
ムの光学拘束が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って形成された受動光導波路の略
断面平面図である。
【図２】 本発明に従ってレーザ・エミッタの受動光導
波路及び活性領域を形成する前における、図１のモノリ
シック半導体構造の略断面端面図である。
【図３】 本発明に従って形成される、不純物によって
選択的に誘発される不規則化の後における、図１のライ
ン３−３に沿った埋め込み平面活性領域を備える、モノ
リシック半導体構造の略断面端面図である。
【図４】 本発明に従って形成される、不純物によって
選択的に誘発される不規則化の後における、図１のライ
ン４−４に沿った埋め込み平面受動光導波路を備える、
モノリシック半導体構造の略断面端面図である。
【図５】 本発明によるレーザ・パターン化脱着によっ
てレーザ・エミッタの活性領域を形成する前における、
モノリシック半導体構造の略断面端面図である。
【図６】 本発明に従って形成される、レーザ・パター
ン化脱着の後における、埋め込み平面活性領域を備え
る、モノリシック半導体構造の略断面端面図である。
【図７】 本発明によるレーザ・パターン化脱着によっ
て受動光導波路を形成する前における、モノリシック半
導体構造の略断面端面図である。
【図８】 本発明に従って形成される、レーザ・パター
ン化脱着の後における、図７の埋め込み平面受動光導波
路を備える、モノリシック半導体構造の略断面端面図で
ある。
【図９】 本発明に従って形成されたモノリシック半導
体構造内におけるレーザ・エミッタの活性領域と同軸
で、共面をなす受動光導波路を備える、レーザ・エミッ
タ・アレイの略断面平面図である。
【図１０】 本発明に従って形成されたモノリシック半
導体構造内におけるレーザ・エミッタの活性領域と同軸
で、共面をなす検出器及び受動光導波路を備える、レー
ザ・エミッタ・アレイの略断面平面図である。
【図１１】 本発明に従って形成されたモノリシック半
導体構造内におけるレーザ・エミッタの活性領域と同軸
で、共面をなす波長制御領域及び受動光導波路を備え
る、レーザ・エミッタ・アレイの略断面平面図である。
【符号の説明】
１０ モノリシック半導体構造、１２ 受動光導波路、
１４ 活性領域、１６基板、１８ 第１のクラッド層、
２０ 活性領域、２２ 第２のクラッド層、２４ キャ
ップ層、２６ マスク、２８ 不規則化領域、３０ マ
スク、４０ モノリシック半導体構造、４２，４４，４
６，４８ ダイオード・レーザ、５０高反射率ミラー、
５２ 出力ミラー、５６ 発生導波路、５８，６０ 受
動光導波路、６２ 発生導波路、６４，６６ 受動光導
波路、６８ 発生導波路、７０，７２ 受動光導波路、
７４ 発生導波路、７６ 受動光導波路、７８ 第１の
コンタクト、８２ 第２のコンタクト、８４ 第３のコ
ンタクト、８８ 第４のコンタクト、９０ レーザ・エ
ミッタ、９２ モノリシック半導体構造、９４発生導波
路、９６ 検出領域、９８ 受動光導波路、１００ 高
反射率ミラー、１０２ 出力ミラー、１０４ 発生導波
路のコンタクト、１０６ 検出器コンタクト、１１０
外部レーザ・エミッタ、１１２ モノリシック半導体構
造、１１４，１１６，１１８，１２０ レーザ・エミッ
タ、１２２ 発生導波路、１２４検出器、１２６ 可調
整吸光領域、１２８ 受動光導波路、１３０ 高反射率
ミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ４１Ｊ 2/455 Ｇ０２Ｂ 26/10 Ｂ Ｈ０１Ｓ 3/18 3/25

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に複数の半導体へテロ構造層が配置
    され、前記層の少なくとも１つが、光を発生し、伝搬す
    るための活性層をなす、モノリシック半導体構造と、 前記活性層の選択領域に異なる電気的バイアスをかける
    ため電気的に結合された手段と、 前記複数の半導体へテロ構造層及び前記活性層に対し垂
    直で、少なくとも一方のレーザ・ミラーからの光出力に
    関してレーザ共振空胴を形成する、前記モノリシック半
    導体構造の両端に配置された第１と第２のレーザ・ミラ
    ーと、 活性層に配置され、それぞれ、前記電気的順バイアスに
    応答して、所定の波長の光波を発生し、増幅するための
    所定の幅を備えた、複数のほぼ平行な発生導波路と、 活性層に配置され、それぞれ、対応する発生導波路と同
    軸をなすように配向が施されて、前記レーザ共振空胴内
    における光の強度を検出する、複数のほぼ平行な検出領
    域と、 前記活性層に配置され、それぞれ、対応する発生導波路
    及び対応する検出領域と同軸をなすように配向が施さ
    れ、前記第１のレーザ・ミラー、前記対応する発生導波
    路、前記対応する検出領域、及び、前記第２のレーザ・
    ミラーに対し同一の長さで結合され、前記対応する発生
    導波路において発生し、増幅された光波をガイドするた
    めの、複数のほぼ平行な、低損失の受動導波路から構成
    される、 半導体レーザ・アレイ。
  2. 【請求項２】基板上に複数の半導体へテロ構造層が配置
    され、前記層の少なくとも１つが、光を発生し、伝搬す
    るための活性層をなす、モノリシック半導体構造と、 前記活性層の選択領域に異なる電気的バイアスをかける
    ため電気的に結合された手段と、 前記複数の半導体へテロ構造層及び前記活性層に対し垂
    直で、レーザ共振空胴を形成する、前記モノリシック半
    導体構造の両端に配置された第１と第２のレーザ・ミラ
    ーと、 活性層に配置され、それぞれ、電気的順バイアスに応答
    して、所定の波長の光波を発生し、増幅するための所定
    の幅を備えた、複数のほぼ平行な発生導波路と、 活性層に配置され、それぞれ、対応する発生導波路と同
    軸をなすように配向が施されて、前記レーザ共振空胴内
    における光の強度を検出する、複数のほぼ平行な検出領
    域と、 それぞれ、対応する発生導波路及び対応する検出領域に
    対して同軸をなすように配向が施されて、前記対応する
    発生導波路によって発生する前記光波に関して波長の同
    調を行うための、複数のほぼ平行な可調整吸収領域と、 前記活性層に配置され、それぞれ、対応する発生導波
    路、対応する検出領域、及び、対応する可調整吸収領域
    と同軸をなすように配向が施され、前記第１のレーザ・
    ミラー、前記対応する発生導波路、前記対応する検出領
    域、前記対応する可調整吸収領域、及び、前記第２のレ
    ーザ・ミラーに対し同一の長さで結合され、前記対応す
    る結合された発生導波路において発生し、増幅された光
    波をガイドするための、複数のほぼ平行な、低損失の受
    動導波路から構成される、 半導体レーザ・アレイ。
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