JPH08130348A - 集積導波レンズを有する半導体レーザ装置 - Google Patents

集積導波レンズを有する半導体レーザ装置

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JPH08130348A
JPH08130348A JP7180528A JP18052895A JPH08130348A JP H08130348 A JPH08130348 A JP H08130348A JP 7180528 A JP7180528 A JP 7180528A JP 18052895 A JP18052895 A JP 18052895A JP H08130348 A JPH08130348 A JP H08130348A
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lens
laser
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Kang-Yih Liou
リオウ カン・イー
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 外部導波路あるいは光ファイバーに結合でき
る光出力が空間コーヒレトな半導体レーザを提供するこ
と。 【構成】 本発明の半導体レーザは、半導体材料に形成
されたレーザキャビティに配設された活性利得領域を有
する。レンズと導波路は、レーザキャビティ内に配設さ
れている。レンズは活性利得領域により発生される光エ
ネルギーを受け、このエネルギーを導波路の一端面に方
向付ける。導波路はレーザから外部ファイバーあるいは
導波路に光エネルギーを伝搬する。導波路は活性領域に
より発生される全モードから所定モード数を選択する単
一モード導波路あるいは多モード導波路でもよい。単一
モード導波路が採用される場合は、出力エネルギーは、
活性領域で発生される基本周波数より構成されている。
多モード導波路が採用される場合は、出力エネルギー
は、導波路により選択された所定モードより構成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザに係わり、
特に集積導波レンズを有する半導体レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】光学システムや回路には、光学構造物を
結合する種々の光学装置が要求される。例えば、ネット
ワークに情報を送信する高能力光学通信システムは光学
的伝送節点、ファイバー、導波路、その他光エネルギー
の高出力供給源を要する単光、空間コーヒレンスのよう
なもので構成されている。このような光学エネルギーを
発生させる理想的なエネルギー供給源は半導体レーザで
ある。半導体レーザの一周知タイプは、広域半導体レー
ザであり、このレーザは高出力供給源を要し外形寸法が
大きくなる。
【0003】このようなレーザの一例としては、 ”IEE
E Photonics Technorogy Letter、Vol.3,NO.4,P.308,199
1,に掲載された「InGaAs歪量子井戸層レーザの高
温作動」でフュー等により開示され、また 1992年
にマサセチューセッツ州ボストン市で開催されたProc.C
onf.IEEE/LEOS Annu.Meeting,資料PD2の”高出力先
細半導体増幅器と980nmレーザ”に開示されてい
る。広域半導体レーザは半導体レーザの他のタイプより
も多くの長所を持っている。例えば、このようなレーザ
は、高出力のほかに、高信頼性、および組立が比較的容
易な単純な構造を有している。しかしながら、広域半導
体レーザに関連する重要な欠点は光エネルギーの側方制
限への備えがないことであり、かつこのような周知の広
域半導体レーザは高度の空間コーヒレンスを欠く出力エ
ネルギーにより特徴付けられる。さらに、相対的に大き
い装置の外形寸法は、導波路のような外部装置に光出力
を効率よく結合するのを困難にする。これらの欠点の結
果として、広域レーザは通信システムに使用されず、特
徴ある種々の材料の使用、光の高輝度供給源が要求され
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、光出力が空間コーヒレンスの高度合を示し、かつ、
光通信システムに採用することができるように効率的に
外部導波路、ファイバーに結合できる広域レーザのよう
な半導体レーザを提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の一実施例では、
レーザは、活性利得領域が半導体材料に形成されたレー
ザキャビティに配設されている。レンズと導波路は又レ
ーザキャビティ内に配設されている。レンズは活性利得
領域により発生される光エネルギーを受け、このエネル
ギーを導波路の一端面に方向付ける。導波路はレーザか
ら外部ファイバーあるいは導波路に光エネルギーを伝搬
する。導波路は、活性領域により発生される全モードか
ら所定モード数を選択する単一モード導波路あるいは多
モード導波路でもよい。単一モード導波路が採用される
場合は、出力エネルギーは、活性領域で発生される基本
周波数より構成されている。多モード導波路が採用され
る場合は、出力エネルギーは、導波路により選択された
所定モードより構成されている。他の実施例では、活性
領域は矩形あるいは先細形状をしている。採用される形
状に関わりなく、レンズは通過する光エネルギーが活性
領域を実質的に満たすように回折されるような形状でよ
い。また、レンズは光エネルギーが導波路の一端面に集
中されるような形状でよい。
【0006】
【実施例】最も簡単な形状の半導体レーザは直接ギャッ
プ半導体で組み立てられた順方向バイアス、ヘビードー
プPN接合である。光フィードバックは光共振器を形成
するため結晶板に沿って半導体材料を切り開いて普通に
得られる反射面によりもたらされる。PN結合は光共振
器内に形成され、光エネルギーを発生させる能動媒質の
ような働きをする。半導体レーザの一つのクラスは典型
的にはガリュウムヒ素(GaAs)やアルミニュウムガ
リュウムヒ素(AlGaAs)のような一以上の半導体
材料で形成される半導体ヘテロ接合を用いる。半導体ヘ
テロ接合レーザは光閉じ込めを成し遂げるために異なる
光屈折係数も電気キャリア閉じ込めを成し遂げるために
異なる禁制帯幅エネルギーをも有する半導体材料の組み
合わせにより形成されている。
【0007】図1は反射面26と32間に形成された半
導体キャビティに位置する活性領域2を有する半導体レ
ーザの平面図を示す。一般に、半導体レーザは直禁制帯
幅半導体3成分あるいは4成分合金組織より成り、その
種々の合金は、例えばGaAsやInPのような基板結
晶の格子定数に近い格子定数を有するように選択され
る。本発明の半導体レーザを作る材料組織は、例えばI
nGaAsP/InP、GaAs/AlGaAs、Ga
As/AlAs、InGaAs/InAlAs、InG
aAs/InGaAlAs、GaAsSb/GaAlA
sSbを含む。さらに不整合が歪んだ層を構成するため
基板材料に生成される活性領域に計画される。また、素
子構造の外延は2−6族で混ぜ合わされた半導体を含む
ように計画されている。ヘテロ接合レーザの活性領域の
一つの例は、図2で示されるように3層の半導体材料で
構成されている。
【0008】比較的高禁制帯幅を有するpタイプ材料
12と同様に比較的高禁制帯幅を有するnタイプ材料
14は素子のクラッド層を形成する。クラッド層12、
14は例えばGaAlAsで構成されている。導波路コ
アを規定する活性導波路層16はクラッド層12、14
にサンドウィツチされ、GaAsのような比較的低禁制
帯幅を有する材料あるいは複数の複合層シーケンスで形
成されている。AuZn/Auのような電極18がクラ
ッド層12の上に被覆される。pーータイプGaAsで構
成される接触層は、例えば電導率を高める電極18とク
ラッド層12間に挿入されている。ヘテロ接合レーザの
活性領域の他の例は、図3で示されるように4層の半導
体材料で構成されている。クラッド層15、10は例え
ばnタイプAlGaAsやpタイプInGaPのよう
な比較的高禁制帯幅を有する材料で構成されている。活
性導波路層11と活性層13は近接しクラッド層10、
15にサンドウィツチされている。活性導波路層11と
活性層13とで素子の導波路コアを形成する。
【0009】活性導波路層11は、活性層13の禁制帯
幅より高いが、クラッド層15、10の禁制帯幅より低
い禁制帯幅エネルギーを有するGaAsのような非ドー
プ材料で形成されている。活性層13はGaAs/In
GaAs複合量子整構造のような合成複合層構成を有す
る材料で形成されている。図2に示す構成では、電極1
7はクラッド層15上に被覆されかつ両者間に接触層が
挿入される。上述の層構造よりなる半導体レーザの多く
にタイプは、高出力、連続波動作をたらすものとして知
られている。そのようなタイプのひとつは、広域レーザ
であり、これは約数10ないし数100ミクロンの横寸
法により特徴づけられる。この寸法は従来の単横モード
半導体レーザの横寸法より10ー100大きい。広域レ
ーザの活性は領域図1で示すような方形あるいは、図4
で示す光伝搬の方向に沿い指数関数的にあるいは直線的
に増加する活性領域の幅で先細の形状を有する。方形あ
るいは先細の活性領域の形状はレーザウェーハの表面に
パターン化された誘電体層を設けることにより形成され
る。
【0010】例えば、先細の活性領域は電極の被覆に先
だって全レーザ構造の表面にSiO2を被覆することに
より形成される。そして先細を形成する酸化層の部分は
取り除かれる。この酸化層の部分が取り除かれた後、電
気接触子が表面の先細で露出された部分と素子の残部間
にだけ形成されるように電極は被覆される。活性層の面
内の構造の残部は高電気抵抗を有する半導体材料で形成
されている。このケースの場合、クラッド層の一部を形
成するこの高抵抗材料上の層は高抵抗半導体材料で構成
されている。
【0011】図5は本発明の半導体レーザを示す。レー
ザは活性領域2、受動領域20、22、レンズ24およ
び単一モード導波路34で構成される。図5で示される
本発明の実施例で活性領域2は先細形状を有するが、活
性領域は所望のいかなる形状でも良い。活性領域2、レ
ンズ24および単一モード導波路34は全て同じ基板に
集積され、かつ反射面21、32で規定されるレーザキ
ャビティ内に形成される。反射面21、32は必要なら
薄いフィルムコーティングにより能力を高められる。受
動領域20、22は、通過する光エネルギーがこの光エ
ネルギーに対し利得の増加をもたらさない領域である。
もしレーザが図3に示されるような構造を有する活性領
域2を採用するなら、活性層13が取り除かれ、クラッ
ド層15がクラッド層から分離して生成される以外は、
受動領域20、22は同様の構造でよい。
【0012】別法として、受動領域20、22は同一の
基板上であるが活性領域2から独立して生成された複層
導波路構造を構成する。このケースの場合、図2では突
合接続により受動領域20、22のコアは活性導波路層
に接続されている。受動領域20、22内のクラッド層
はドープしてもドープしなくてもよい。非ドープクラッ
ド層は受動領域内での導波路伝播損を減じることができ
る。図5で示される本発明の実施例では、レンズ24は
活性領域2と受動領域20間の境界の活性領域2に形成
される。図5の光線で示されるように、導波路34はレ
ーザキャビティを規定する小面の一つに結合された第一
端面40およびレンズ24の焦点に位置する第二端面4
2を有するよう単一モード導波路34はレーザキャビテ
ィ内に集積されている。導波路34の第一端面40は光
エネルギーが、例えば他の導波路あるいはレーザの外部
に位置するファイバーに透過するレーザの出力として役
立つ。
【0013】Appl.Phys.Lett 62(8),1993,でベルディー
ル(Verdiell)等が引例により具体化し、開示している
ように、レンズは導波路層の厚さの変化により効果的な
屈折率を変化させられるように平面的な導波路に形成さ
れている。 図5で示される本発明の実施例では、レン
ズの屈折率の差分は活性領域2と受動領域22間のコア
の厚さの差分により発生させる。この厚さの変化はコア
が受動導波路層11のみにより構成されるように活性領
域の欠落によりもたらされる。レンズの形状は従来の光
線追跡法あるいはビーム伝搬計算により設計される。動
作中、活性領域2は反射面21、32で形成されるレー
ザキャビティ内で共振するレーザの発光しきい値を上回
る光エネルギーを発生させる。レンズ24は、レンズ2
4の焦点に位置し、エネルギーが導波路34の第二端面
42に到着するよう反射面32から反射する光エネルギ
ーを集束する。
【0014】次に説明するように、単一モード導波路3
4は活性領域2により発生されるすべてのモードの中か
ら基本モードを選択するモードスタビライザとして機能
する。単一モード導波路34は、活性領域2により発生
される基本モードだけを閉じ込め、活性領域2によりま
た発生されるより高い命令横モードは閉じ込めない。そ
れ故、より高いモードは反射面21、32間で劣等な結
合効率を有し、低損失で両反射面で基本モードだけが発
信できる。従って、基本モードが最低損失しきい値を有
するので、基本モードはキャビティ内のモードの中から
選択される。導波路34はこのようにレーザキャビティ
内で共振し、外部の導波路にこのモードを接合する基本
モードを選択する。
【0015】図6は本発明の他の実施例を示し、本実施
例では活性領域2は図5に示すような先細形状よりむし
ろほぼ矩形状を有する。このケースの場合、レンズ24
は単一モード導波路34のように活性領域2と同じ側に
位置する。図5に示す本実施例と同様に、導波路34の
第2の端面42はレンズ24の焦点に位置する。レンズ
24の焦点から伝搬する光エネルギーは、光エネルギー
がほぼ垂直方向に反射面32から反射するようレンズを
通して伝送される。図5に示す本実施例と同様に、本実
施例では、単一モードは活性領域により発生する光エネ
ルギーの基本モードを選択する。当業者が図5、6の上
記説明から認めるように、レーザキャビティ内のレンズ
24の最適な位置、形状は活性領域の形状により決定さ
れる。特に、レンズ24は活性領域2を十分満たすよう
にそれらを通して伝送される光エネルギーが回折するよ
うに形成されている。
【0016】従って、本発明は異なる形状の活性領域、
異なるレンズ形状を有するレーザ形状を意図し、その結
果本発明は図に示される形状に限定されるものではな
い。勿論、一実施例では他の実施例で有効でない有利な
特徴を有する。例えば、図5に示される実施例におい
て、光強度は活性領域の隅から隅まで一定ではなく、飽
和が非均一な方法で生じる。従って、光利得は飽和効果
のため活性領域の隅から隅まで均一ではない。対象的
に、図6で示される実施例では、光強度は活性領域の隅
から隅まで一定であり、従って利得はそれを通じて均一
である。受動領域22は レンズ24から離れた側面で
活性領域2と反射面32間に挿入されている。
【0017】図7は本発明の他の実施例を示し、図7で
は活性領域2は受動領域22を削除して、反射面32に
直接隣接する。また、図7は反射面41と42を示す
が、図7では受動導波路層11は受動導波路34により
選択されない命令モードのそれ以上の抑制バック反射を
完全に取り除く。受動導波路層11のそのような削除は
図7の本発明の実施例のみならず、図4ー5で示される
本発明の実施例でも採用される。本発明の実施例におい
て、レンズは両者間の境界というよりは活性領域ないし
受動領域内に配設されている。これらの実施例では、屈
折率の変化はレンズを規定する位置で活性領域および、
または受動領域の厚さを変えることにより成し遂げられ
る。本発明のレーザは2スッテプMOVPEプロセスに
より製造される。
【0018】しかし、他のプロセスは例えば複数ステッ
プLPE、MBEあるいはCBEのようなものを用いて
もよい。本発明の実施例では、構造は0.8ミクロン厚
nータイプAl0.5GaAsボトムクラッド層10で構
成される。図3に示されるように、0.2ミクロン非ド
ープGaAs層は受動導波路層11を形成する。この薄
いInGaPストップエッチング層は受動導波路層11
に被覆されている。この活性層13は500ÅGaAs
ボトムバリヤー層、80ÅGaAsバリヤー層を有する
3個の40Å圧縮変形したIn0.3Ga0.7As量子井戸
および700ÅGaAsトップバリヤー層で構成されて
いる。1ミクロンP+タイプInGaPはトップクラッ
ド層15を形成し、この層の上ににはPタイプGaA
s層コンスタント層が被覆されている。クラッド層1
5、活性層13は受動領域20、22を形成するため基
板の一部からエッチングされる。
【0019】受動領域22が形成される一方、レンズは
ウェットケミカルエッチングによって形成され、上述の
方法の一つによって決定される形状を有するように形成
される。単モード導波路はクラッド層15と活性層13
が取り除かれた受動領域に組み立てられる。図3の導波
路112は例えば約2ミクロンの細長いリブロード導波
路を形成するように部分的にエッチングされている。埋
め込みヘテロ接合あるいはリッジ導波路を含む単一モー
ド導波路として働く。レンズや単一モード導波路の配列
に従って、1.2ミクロン厚非ドープInGaP層は受
動領域20、22にクラッド層15を形成するため第2
MOVPEステップで被覆される。非ドープInGaP
層は増幅活性領域2からエッチングで取り去られる。本
発明は活性領域により発生される基本モードを選択する
ために単一モード導波路と合同する半導体レーザの条件
で説明されている。当業者は単一モードを選択する半導
体の使用に限定されず、活性領域により発生する全ての
モードから所定の数のモードを選択する導波路を採用し
てもよいことを認めるであろう。
【0020】例えば、第1の10モードあるいは第1の
100モードを選択できる導波路を提供することは利益
のあることである。動作中本発明のレーザからの出力は
導波路34に近接する、あるいは反射面32に近接する
広域側から取り出される。受動導波路34に近接する出
力は外部導波路あるいはファイバーに結合し、あるいは
広域側が自由空間適応として有用である。本発明の他の
実施例として、分布するブラグ反射レーザを提供するた
め受動導波路領域34内で組立られる。さらに、モノシ
リック集積素子よりむしろ、このような構造はハイブリ
ットブラグ反射レーザとして組立られる。図1に示され
るような従来の広域レーザの反射コーティング反射面に
外部レンズを通して光学的に結合されている外部単モー
ドファイバー内で組み立てられている。
【発明の効果】本発明によれば、所定数のモードを外部
ファイバーないし導波路に効率的に伝搬できる半導体レ
ーザが開発された。
【図面の簡単な説明】
【図1】レーザキャビティに配設された活性領域を有す
る周知の半導体レーザの平面概略図である。
【図2】半導体レーザに使用された周知の活性領域の断
面図である。
【図3】半導体レーザに使用された周知の活性領域の断
面図である。
【図4】周知の先細光増幅器の平面図である。
【図5】本発明の一実施例の半導体レーザの平面図であ
る。
【図6】本発明の他の実施例の半導体レーザの平面図で
ある。
【図7】本発明のさらに他の実施例の半導体レーザの平
面図である。
【符号の説明】
2 活性領域 10 クラッド層 11 受動導波路層 12 クラッド層 13 活性層 14 クラッド層 15 クラッド層 16 活性導波路層 17 電極 18 電極 20 受動領域 21 反射面 22 受動領域 24 レンズ 32 反射面 34 単一モード導波路 40 第1端面 42 第2端面

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a)その間にレーザキャビティを有する
    対向する反射面を有する基板と、前記レーザキャビティ
    が活性利得領域と受動領域とを有し、(b)半導体材料
    から形成されるボトムクラッド層、コア層、およびトッ
    プクラッド層と、これらは、基板の前記活性利得領域お
    よび受動利得領域に配設され、前記活性利得領域にある
    前記コア層の一部は、連続する光エネルギーモードに利
    得を供給し、前記受動領域にあるコア層の一部は、利得
    を供給しない受動導波部層を形成し、(c)所定の形状
    を有し、かつ前記コア層内を伝搬する光エネルギーが通
    過するような位置で前記基板に集積されたレンズと、
    (d)前記基板に集積され、前記レンズからの光エネル
    ギーを受光する導波路とを有し、 前記導波路は、光出力として、連続する光エネルギーモ
    ードの中から部分集合モードを選択的に伝搬し、前記部
    分集合モードは、外部光ファイバーに結合することを特
    徴とするモノリシック半導体レーザ装置。
  2. 【請求項2】 前記レンズは、前記活性利得領域と受動
    領域間の境界に配設されており、前記レンズは、活性利
    得領域状態のコア層と受動領域状態にあるコア層間の厚
    さの違いで形成さる屈折ステップ率を生成することによ
    って形成されることを特徴とした請求項1の装置。
  3. 【請求項3】(a)その間にレーザキャビティを有する
    対向する反射面を有する基板と、前記レーザキャビティ
    が活性利得領域と受動領域とを有し、(b)半導体材料
    から形成されるボトムクラッド層、コア層、およびトッ
    プクラッド層と、これらは、基板の前記活性利得領域お
    よび受動利得領域に配設され、前記活性利得領域にある
    前記コア層の一部は、光エネルギーに利得を供給し、前
    記受動領域にあるコア層の一部は、利得を供給しない受
    動導波部層を形成し、(c)所定の形状を有し、かつ前
    記コア層内を伝搬する光エネルギーが通過するような位
    置で前記基板に集積されたレンズと、(d)前記基板に
    集積され、前記レンズからの光エネルギーを受光し光エ
    ネルギーを出力する導波路と、を有し、 導波路に光エネルギーを伝搬するために、前記レンズ
    は、その焦点を前記導波路の一端と実質的に一致して配
    設されることを特徴とするモノリシック半導体レーザ装
    置。
  4. 【請求項4】(a)半導体材料に形成された対向する反
    射面で規定されるレーザキャビティと(b)前記キャビ
    ティ内に配設された活性利得領域と、(c)前記活性利
    得領域底部で発生する光エネルギーを受けるレンズと、
    (d)前記レンズからの光エネルギーを受け、かつ共通
    基板にモノリシイカルに集積され前記キャビティ内に配
    設された前記レンズおよび前記導波路に光出力エネルギ
    ーを供給するための導波路と、を具備する半導体レー
    ザ。
  5. 【請求項5】(a)半導体材料に形成された対向する反
    射面で規定されるレーザキャビティと、(b)前記キャ
    ビティ内に配設された活性利得領域と、(c)前記活性
    利得領域底部で発生する光エネルギーを受けるレンズ
    と、(d)前記レンズからの光エネルギーを受け、かつ
    共通基板にモノリシックに集積され前記キャビティ内に
    配設された前記レンズおよび前記導波路に光出力エネル
    ギーを供給するための導波路とを有し、前記導波路は、
    レンズの焦点に位置する第一端面を有することを特徴と
    した半導体レーザ。
  6. 【請求項6】 前記活性利得領域は、伝搬軸に沿って幅
    が増加する先細形状を有し、 前記レンズは、活性利得領域の幅が最大であり前記伝搬
    軸に沿った点に位置し、 前記導波路は、前記レンズからはなれた前記活性領域の
    側に位置していることを特徴とした請求項5のレーザ。
  7. 【請求項7】 前記レンズは、光エネルギーを前記導波
    路に伝搬するため前記導波路の一端と実質的に一致して
    位置する焦点を有することを特徴とした請求項1の装
    置。
  8. 【請求項8】 前記導波路はレンズの焦点に位置する第
    一の端面を有することを特徴とした請求項6のレーザ。
  9. 【請求項9】 前記活性利得領域は伝搬軸に沿って幅が
    増加する先細形状を有し、 前記レンズは、活性利得領域の幅が最大であり前記伝搬
    軸に沿った点に位置し前記導波路は前記レンズからはな
    れた前記活性領域の側に位置していることを特徴とした
    請求項5のレーザ。
  10. 【請求項10】(a)半導体材料に形成された対向する
    反射面で規定されるレーザキャビティと、(b)キャビ
    ティ内に配設された活性利得領域と、(c)活性利得領
    域により発生する光エネルギーを受けためレーザキヤビ
    ティに配設されたレンズと、(d)前記導波路が光エネ
    ルギーを受け、光出力ビームを伝搬するように前記活性
    利得領域外面に位置するキャビティ内に配設された導波
    路と、を有する半導体レーザ。
  11. 【請求項11】 前記レーザは伝搬する光エネルギーが
    活性利得領域を満たすような位置関係にレーザキャビテ
    ィ内に配設され規定形状を有することを特徴とした請求
    項10のレーザ。
  12. 【請求項12】 前記レンズは光エネルギーを前記導波
    路に伝搬するため前記導波路の一端と実質的に一致して
    位置する焦点を有することを特徴とした請求項10のレ
    ーザ。
  13. 【請求項13】 前記活性利得領域は伝搬軸に沿って幅
    が増加する先細形状を有し、前記レンズは、活性利得領
    域の幅が最大であり前記伝搬軸に沿った点に位置し、前
    記導波路は前記レンズから離れた前記活性領域の側に位
    置していることを特徴とした請求項10のレーザ。
JP7180528A 1994-06-30 1995-06-26 集積導波レンズを有する半導体レーザ装置 Pending JPH08130348A (ja)

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