JPH0669111B2 - 自己整合性リブ導波路高出力レーザー - Google Patents

自己整合性リブ導波路高出力レーザー

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JPH0669111B2
JPH0669111B2 JP60153940A JP15394085A JPH0669111B2 JP H0669111 B2 JPH0669111 B2 JP H0669111B2 JP 60153940 A JP60153940 A JP 60153940A JP 15394085 A JP15394085 A JP 15394085A JP H0669111 B2 JPH0669111 B2 JP H0669111B2
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テムキン ヘンリツク
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アメリカン テレフオン アンド テレグラフ カムパニー
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Description

【発明の詳細な説明】 近年、光デイスク記録、プリンテイング、光フアイバー
・データ分配システムなど、高出力で安定した基本モー
ド動作を行うレーザーを必要とする応用が数多く見られ
る。このような基準に適合すると言われている素子構造
のいくつかを挙げると、ツイン・リツジ(twin ridge)
基体〔アプライド・フイジクス・レターズ(Applied Ph
ysics Letters)、第42巻、853頁(1983)参照〕、コン
ストリクテツド(constricted)・ダブルヘテロ構造ラ
ージ・オプテイカル・キヤビテイ(large optical cavi
ty)〔アプライド・フイジクス・レターズ、第36巻、4
頁(1980)およびアプライド・フイジクス・レターズ、
第38巻、658頁(1981年)参照〕、チヤネルド・サブス
トレート・プレーナー(channeled substrate planar)
〔アイ・イー・イー・イー・ジヤーナル・オブ・クオン
タム・エレクトロニクス(IEEE Journal of Quantum El
ectronics)、キユー・イー(QEー)14巻、87頁(197
8)およびエレクトロニクス・レターズ(Electronics L
etters)、第19巻、1頁(1983年)参照〕テラスト(te
rraced)・ヘテロ構造ラージ・オプテイカル・キヤビテ
イ〔アプライド・フイジクス・レターズ、第41巻、310
頁(1982年)参照〕、亜鉛を深く拡散させた細いストラ
イプ構造のレーザー〔アプライド・フイジクス・レター
ズ、第40巻、208頁(1982年)参照〕、ウインドウ・ヴ
イー・チヤネルド・サブストレート・インナー・ストラ
イプ(window V−channeled substrate inner stripe)
〔アプライド・フイジクス・レターズ、第42巻、406頁
(1983年)参照〕、および非プレーナー型ラージ・オプ
テイカル・キヤビテイ〔アプライド・フイジクス・レタ
ーズ、第35巻、734頁(1979年)参照〕がある。これら
の構造は、長さ約200μmの素子に対するしきい値電流
の中央値(メジアン)が20−80mAであり、微分量子効率
が20−60%であり、連続波出力が20−70mWであることに
より特徴づけられる。しかしながらこれらの素子構造の
作製には、典型的にはいくつかの臨界的(critical)工
程が含まれる:たとえば、Znの拡散の精密な制御、非プ
レーナー型表面上のエピタキシヤル成長のための基体の
選択的エツチング、およびコンタクトのストライプと表
面下の構造との精密な整合など。
本発明は、高出力単一モード動作用の新しいリブ(ri
b)導波路ラージ・オプテイカル・キヤビテイであり、
電流の制限および光の閉込めのために、プレーナー型エ
ピタキシヤル成長と単一の自己整合型エツチング工程だ
けを必要とする。我々はこの素子をリブ・ロツク(Rib
−Loc)構造と呼び、ここにその作製、動作原理、素子
の性質を定めるための測定の結果、およびいくつかの応
用におけるその重要性に対する考察を示す。これらのデ
ータは、リブ・ロツク・レーザーの電気的および光学的
性質が、他のAlGaAs高出力レーザーのそれと同等または
それを凌ぐものであることを示している。
リブ・ロツク構造は、単一のエピタキシヤル成長工程に
よつて作製される。これを第1図に示す。この構造は、
単一の自己整合型コンタクトが電流注入用のストライプ
状オーミツク・コンタクトおよびそのストライプの外側
の電流閉じ込め用のシヨツトキー障壁として作用する、
利得導波型シヨツトキー障壁閉じ込め(SBR)レーザー
の延長である。リブ・ロツク内のP型三元層を深くエツ
チングすることにより、屈折率導波型構造が形成され
る。
他のエピタキシヤル成長技術を用いることもできたが、
ここに記述するレーザーは、閉じこめられたメルトのサ
フアイア・ボート内における液相エピタキシー(LPE)
により、n−GaAs基体上に成長させたものである〔ジヤ
ーナル・オブ・アプライド・フイジクス(Journal of A
ppjied Physics)、第53巻、9217頁(1982年)参照〕。
その基本構造は基体上の次に挙げる5つの連続した層か
ら成つている: N−Al0.4Ga0.6As:Te(2.4μm) (クラツド層) n−Al0.22Ga0.78As:Te(0.1−0.15μm) (ラージ・オプテイカル・キヤビテイ) Al0.07Ga0.93As:ドーピングせず(0.05−0.1μm) (活性層) P−Al0.4Ga0.6As:Mg(1.3μm) p−GaAs:Ge(0.3μm) 成長の後、ウエハにZnを拡散させてp+コンタクト層を
形成し、n−GaAs基体をラツピングして約100μmと
し、みがき仕上げを行う。N側金属被覆(N−metalliz
ation)のため、Sn/Pd/Auをスパツタリング堆積さ
せ、合金化する。P側にホトリソグラフイーで6μm幅
のストライプを描き、そのp層をH3PO4:H2O2:H2O(1:1:
8)で、活性層から0.2μm以内の所までエツチングし
て、幅5μmのリブ導波路を形成する。次に、p側に従
来の金属被覆たとえばTi/Pt/Auを堆積させて合金化
し、続いて両側にTi/Auを堆積させる。2種の鏡面コー
テイング法を採用した。端面当り33%の反射率を有する
対称コーテイング、および一方の端面を反射防止(AR)
コーテイングとし他方を33%の反射率とした非対称鏡面
コーテイングである。これらのレーザーチツプは幅250
μmおよび長さ380μmで、Cuヒートシンク上にp側を
下にしてInフラツクスで接着される。
本発明の効力を実証するために用いられたレーザーの構
造および作製に関する前記の詳細な記述は、当分野に既
知の広い選択範囲から代表例を示したものである。たと
えば、活性層はドーピングされていなくともよいし、わ
ずかにp型またはn型にドープされて隣り合う層の1つ
とp−n接合を形成していてもよい。種々の既知のドー
プ剤が選択しうる。第1図に示された構造と同等な構造
は用いることができる。第1図に付された表中の各層の
厚さは模範的に示したものである。活性層の厚さは0.03
乃至0.2μmの比較的広い範囲内で変えることができ、L
OC層の厚さは0.05乃至1.0μmの間で変えることができ
る。ここでは本発明が実施できる範囲の可能な限りの変
化を網羅しようという試みはなされていない。
リブロツク構造内への電流の閉込めはSBRレーザーと同
様であり、金属と高濃度にドーピングされたGaAsのp型
キヤツプ層とのコンタクト(オーミツク・コンタク
ト)、およびP−AlGaAsクラツド層とのコンタクト(シ
ヨツトキー障壁)の間の質的相違によるものである。リ
ブ・ロツク・レーザーにおいては、リブ領域外への電流
の広がりは薄い(0.2μm以下)クラツド層のために制
限される。p型クラツド層の厚さの急激な変化による屈
折率の相対的変化が横方向の屈折率導波作用をもたらす
のである。このため、リブ・ロツク・レーザーは単一横
モード動作を行う。同様の電流閉込め方式が低出力のGa
Asレーザーにおいて報告されている〔エレクトロニクス
・レターズ、第15巻、441頁(1979年)参照〕。リツジ
・レーザーそれ自身は、InGaAsPでも作製されている
〔エレクトロニクス・レターズ、第15巻、763頁(1979
年)およびアイ・イー・イー・イー・ジヤーナル・オブ
・クオンタム・エレクトロニクス、キユー・イー19巻、
1312頁(1983年)参照〕。(また、プレーナー型利得導
波型構造については、米国特許第4,238,764号も参照さ
れたい。)。ラージ・オプテイカル・キヤビテイは端面
におけるレーザー作用スポツトの大きさを増大させるこ
とにより、得られる最大出力を増大させ、出力ビームの
広がりを減少させる。以下に、5枚のウエハから製造し
たレーザー(複数個)について、その試験結果を示す。
非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロツク・レーザ
ーの電流に対する連続波光出力の特性を第2図に示す。
非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロツク・レーザ
ーは反射防止コーテイングを施された端面における最大
光出力が45〜50mWであり出力効率(slope effciency)
が0.7mW/mAであるのに対し、対称鏡面コーテイングを
有するレーザーは1端面当り30〜35mW以下および出力効
率0.35mW/mAで単一横モードで動作する。最大光出力は
瞬間的な劣化により制限される。ロツクを有しないリブ
導波路構造は多数横モード動作および10mW以下でのロー
ルオーバー(rollover)を示した。
第3図は、2種類の鏡面コーテイング方式を有するリブ
・ロツク・レーザーのしきい値電流の分布を示す。しき
い値電流の中央値は、対称鏡面コーテイングを有するレ
ーザーで40mA、非対称鏡面コーテイングを有するレーザ
ーで65mAである。両方の分布の中から、10mWまでの直線
性および良好な電気的特性を有するレーザーを選んだ。
1つの反射防止端面コーテイングを有するレーザーにお
けるしきい値の中央値の上昇は、端面の反射率の低下に
帰因する。同じチツプサイズの利得導波型SBRレーザー
のしきい値電流の中央値は97mAであり、リブ・ロツク構
造はしきい値電流密度の40乃至60%の低下をもたらす。
リブ・ロツク・レーザーにおけるしきい値電流の温度感
受性は、60℃以上においてもToが高い値であるというこ
とにより特徴づけられる。低いデユーテイ・フアクター
(0.1%)でパルス発振させたときのリブ・ロツク・レ
ーザーのL−I曲線を、10℃乃至100℃の温度範囲にお
いて第4図に記録する。このL−I曲線は直線であり出
力効率は100℃まで一定である。第4図内挿入図に示さ
れた温度に対するI−thの対数値の関係から、60℃以下
におけるToが270Kであり60℃以上におけるToが192Kであ
ると求まる。Toに対するこれらの値は、利得導波型AlGa
Asレーザーにおける0℃と60℃の間のToの値が典型的に
は160〜190Kであることと比較されるべきである。リブ
・ロツク構造における温度に対するしきい値電流の相対
的非感受性は、リブ導波路によつてもたらされる強力な
電流閉込めによるものである〔アイ・イー・イー・イー
・ジヤーナル・オブ・クオンタム・エレクトロニクス、
キユーイー17巻2290頁(1981年)、およびアイ・イー・
イー・イー・ジヤーナル・オブ・クオンタム・エレクト
ロニクス、キユー・イー18巻、44頁(1982年)参照〕。
リブ・ロツク・レーザーの最も魅力的な性質の1つは、
その光ビームの質の高さである。他の屈折率導波型レー
ザーに見られるように、リブ・ロツク・レーザーは非点
収差が零である。40mW出力時(パルス発振、0.1%デユ
ーテイ・サイクル動作)における典型的な低しきい値レ
ーザーの接合に平行な方向の遠視野像を第5図に示す。
遠視野はなめらかで半値全幅(FWHM)ビーム角が約9゜
の単一のローブを有し、しきい値から瞬間破壊限界に至
るまで本質的には一定である。直角方向の遠視野像もな
めらかで単一のローブを有し、ビームの偏平比は典型的
には3:1である。この出力ビーム特性のため、リブ・ロ
ツク・レーザーは単一モード・フアイバーとの結合が可
能である。コア直径5μmの0.82μm単一モード偏光保
持型フアイバーをリブ・ロツク・レーザーの端面につき
合わせ結合した。それから得られたフアイバーを介した
場合と介さない場合のL−I曲線を第6図にプロツトす
る。結合効率が25%であることが示される。この結合効
率はレンズ端付フアイバーを用いることにより2.5倍向
上させることができた。リブ・ロツクからの出力光は典
型的な50μmコア多モード・フアイバーあるいは光学的
結像用のレンズ・システムに容易に結合されると考えら
れる。
リブ・ロツク・レーザーの動的性質もまた興味深い。第
7図は縦モードスペクトルに対する高周波変調の影響を
示す。しきい値電流が45mAのレーザーの直流54mAにおけ
る連続波スペクトルを第7図(a)に示す。単一モード
は波長8481Aにあり、より弱い副モードに対する強度比
は約40:1である。第7図(b)は直流レベルに重ねた18
mA(ピーク・トウ・ピーク)、500MHの正弦波変調に
よるスペクトルを示す。第7図(c)は変調周波数を90
0MHに増加させたときのスペクトルを示す。第7図
(b)における単一モードの強度は連続波スペクトルに
比べて約5%低下している。この低下はおそらく変調に
よるスペクトル線の広がりによるものであり、主モード
の時間平均強度は第7図(a)と同じであろう。900MH
においては強度の低下はより著しく、レーザー線幅が
約2Aに増加するのはモード・チヤーピングによる。他の
レーザーも屈折率導波型AlGaAsレーザーに対して以前に
報告された結果と一致する同様な挙動を示す〔アプライ
ド・フイジクス・レターズ、第43巻、619頁(1983年)
参照〕。
第8図は、同じレーザーをしきい値にバイアスし、15mA
の正弦波発振を加えた場合である。光出力は信号分析器
に接続された高速検知器で検知される。変調周波数は10
0MHから2GHまで掃引される。測定は垂直の矢印の所
で始まり、水平の矢印は掃引の向きを示している。オン
ロスコープに描かせると周波数応答曲線が示された。垂
直スケールは1目盛5dBであるので、3dBロスの点は2GH
である。
リブ・ロツク・レーザーの性質を評価するためには、そ
れを他の高出力AlGaAsレーザーと比較するのが有用であ
る。現在入手できる最も成功をおさめた2つの高出力レ
ーザーはチヤネルド・サブストレート・プレーナー(CS
P)およびコンストリクテツド・ダブルヘテロ構造ラー
ジ・オプテイカル・キヤビテイ(CDH−LOC)である。こ
れら両者の構造は単一のLPE成長を必要とするだけであ
るが、横方向光閉込め効果をもたらす非プレーナー基体
上に成長させることになる。この為、基体をエツチング
する際にはその方向づけに細心の注意を払わねばなら
ず、またそのエピタキシヤル層の厚みを非常な注意を払
つて制御しなくてはならない。というのは、これら因子
はレーザーの性能に強く影響をおよぼすからである。電
流閉込めにはまた別の整合性が要求され、酸化膜または
p−n接合のいずれかに対するエツチング工程が必要に
なる。この整合性もやはりレーザーの性能および歩止り
にとつて臨界的である。一方、リブ・ロツク・レーザー
は液相のみならず気相または分子線でも成長を行えるプ
レーナー型エピタキシヤル成長技術と整合を必要としな
い1回のエツチングの歩止りを必要とするだけである。
層の厚みの一様性はエツチングの法止りを向上させるの
が、層の厚みの絶対値はレーザーの動作に対して臨界的
ではない。
リブ・ロツクのしきい値電流は長さ380μmの素子に対
して典型的には40〜60mAであるのに比べ、CDH−LOCのし
きい値は長さ130μmの素子に対して75mAである〔アプ
ライド・フイジクス・レターズ、第36巻、190頁(1980
年)参照〕。非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロ
ツク・レーザーの出力効率は0.7mW/mAであるのに比
べ、L=130μmCDH−LOCのそれは0.4mW/mAである。出
力効率はキヤビテイの長さが減少するにしたがつて上昇
することが期待させる。第2図に示されるリブ・ロツク
・レーザーのL−I特性は40mWまで直線性があるが、CD
H−LOCは20mW連続波を越えるとロール・オーバーを示
す。我々はリブ・ロツク・レーザーをヒート・シンク温
度100℃にて連続波で動作させたのに対し、CDH−LOCに
おいては70℃が上限であり、また10℃と60℃の間でリブ
・ロツクのToが270Kであるのに対し、CDH−LOCのToは13
5Kである。これはラージ・オプテイカル・キヤビテイを
有する構造に対してこれまで報告されたうちで最も高い
Toであつた。接合に平行な遠視野像はリブ・ロツクの場
合は単一のローブを示すのに対し、CDH−LOCは高出力時
において副ローブを示し、これが外部光学要素に対する
結合効率を制限する可能性がある。
リブ・ロツク・レーザーの性能はCSPレーザーにも勝る
とも劣らないものである。リブ・ロツクはCSPに比べて
より低いしきい値電流とより高い出力効率を示すととも
に、安定した横モードおよび単一の縦モードを維持す
る。リブ・ロツクはまた高い変調電流に対してCSPより
も広い3dBの帯域幅(band width)を有する。
リブ・ロツク・レーザーの質の高い出力ビームは光デイ
スク記録への応用および単一モード・フアイバー・シス
テムとの結合を可能にする。その高い出力光はデータ分
配システムたとえばカプラー、スイツチおよびフイルタ
ーからの損失がシステム全体の損失を支配するローカル
・エリア・ネツトワークのための光源として魅力のある
存在である。リブ・ロツク・レーザーの温度に対する非
感受性は広い範囲の環境条件において有用である。
上記の記述はガリウムヒ素ダブルヘテロ構造レーザーを
対象としたものであるが、その知見にしたがつて他のヘ
テロ構造レーザーを作ることもできる。たとえば、長波
長高出力リブ・ロツク・レーザーはインジウム・ガリウ
ム・アルミニウム・リンをもとにして作ることができ
る。種々の他のIII−V族およびII−VI族ヘテロ構造も
提案されている。リブ・ロツク構造の本質は、ラージ・
オプテイカル・キヤビテイとメサ様構造(リブ)との結
合にあり、これがリブとその周囲(エツチング除去され
た部分)との間の屈折率差による両方の光閉込めおよび
シヨツトキー障壁(エツチング除去された部分)による
電流閉込めに寄与しているのである。この新しい構造的
結合はさまざまな材料の組み合わせによつて実施するこ
とができる。
本発明の1つの重要な局面は第1図に示されるp型クラ
ツド層の2つの厚みである。このような2つの厚みを持
つ層を有する構造を活性層の両側に作製するように工夫
することもできる。この2つの厚みを持つ層を形成する
方法としては、一様に第1層を堆積させてから、リフト
・オフ(lift−off)または同様の技術によつてリブを
形成する方法が考えられる。このように、リブを形成す
るのに用いられる方法は本発明にとつて臨界的なもので
はない。
リブの厚みとリブに隣接するクラツド層の厚みとの関係
は素子の性能には影響を及ぼさないと思われる。素子は
クラツド層のステツプ部において屈折率差が形成される
ように設計される。リブに隣接するクラツド層は、この
ステツプ状屈折率が活性層における光導波作用をもたら
すために、十分に薄く(0.5μm以下)作られる。この
ステツプは有効な屈折率のステツプΔnが10-3以上好ま
しくは3×10-3以上生ずるのに十分であることが望まし
い。この結果を生ずる相対的厚み(第1図におけるa対
b)はある程度変わり得る(例えば100対1)。
いくつかの応用においては単一の基体上に多数のリブを
作製してレーザー配列を作り出すと有利であることも見
い出されよう。ここで記述された閉込め方式は、そのよ
うなデバイスの設計に特に適していると思われる。複雑
で非常に密度の濃いリブ・パターンを、既知の選択的エ
ツチング技術によつて信頼性高く作り得るのである。
【図面の簡単な説明】
第1図はリブ・ロツク構造であり、層組成、ドーピン
グ、および素子の形を示す。 第2図は、非対称鏡面コーテイングを有するリブ・ロツ
ク・レーザーにおける電流に対する光出力(L−I)の
プロツトである。 第3図は、対称鏡面コーテイングを有する3個のウエハ
および非対称鏡面コーテイングを有する2個のウエハに
よるレーザーのしきい値電流の確率分布のプロツトであ
る。 第4図は、T=10℃〜100℃におけるパルス発振のL−
I曲線からToを求めたものである。 第5図は、40mWにおけるリブ・ロツク・レーザーの接合
に平行な方向の遠視野像である。 第6図は、レーザー端面からの光およびリブ・ロツク・
レーザーに結合された単一モード・フアイバーの端から
の光に対するL−I曲線である。η=25%。 第7図は、リブ・ロツク・レーザーの縦モード・スペク
トルで、a)連続波b)500MHc)900MHである。 第8図は、リブ・ロツク・レーザーの変調周波数スペク
トルである(垂直な矢は試験の開始を示し、水平の矢は
掃引の方向を示す。)。
フロントページの続き (72)発明者 ジユリー アン シマー アメリカ合衆国 18017 ペンシルヴアニ ア,ベセレヘム,イリツクス ミル ロー ド 9 (72)発明者 ヘンリツク テムキン アメリカ合衆国 07922 ニユージヤーシ イ,バークレイ ハイツ,ロレイン ドラ イヴ 130 (56)参考文献 特開 昭56−18484(JP,A) 特開 昭57−152181(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体レーザーであって、 半導体クラッド層、 該クラッド層上のラージ・オプティカル・キャビティ
    (LOC)層、 該LOC層上の活性層、 該活性層上のクラッド層を有し、 該活性層は該各クラッド層の1つとp−n接合を形成
    し、該p−n接合は電気的にバイアスされたときに該活
    性層中に光を発生し、該光を該LOC層中に放出すること
    が可能であり、 該各クラッド層の少なくとも1つがリブ部を有し、該リ
    ブ部は該クラッド層の残りの部分よりも厚く、 該半導体レーザーはさらに、 該リブの頂部を被うオーミック・コンタクト層と 該リブの側面及び該クラッド層の該残りの部分を被う障
    壁層とを有し、 該障壁層は、バイアスされたとき、該リブのエッジ部の
    該クラッド層中に10-3以上の屈折率差Δnを生ぜしめる
    ことによりショットキー障壁を形成することを特徴とす
    る半導体レーザー。
JP60153940A 1984-07-13 1985-07-12 自己整合性リブ導波路高出力レーザー Expired - Lifetime JPH0669111B2 (ja)

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