JPH09232692A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JPH09232692A
JPH09232692A JP9018753A JP1875397A JPH09232692A JP H09232692 A JPH09232692 A JP H09232692A JP 9018753 A JP9018753 A JP 9018753A JP 1875397 A JP1875397 A JP 1875397A JP H09232692 A JPH09232692 A JP H09232692A
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optical fiber
laser
semiconductor
mode
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William Scott Hobson
スコット ホブソン ウィリアム
Daryoosh Vakhshoori
ヴァクショーリ ダリューシュ
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LE-SENTO TECHNOL Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低ビーム発散の半導体レーザを提供する。 【解決手段】 基板上に半導体層構造体と、この半導体
層構造体に電流を流す接点とを有する半導体レーザ（７
９）を有する装置において、前記半導体層構造体は、第
１導電型の少なくとも１つの層と第２導電型の少なくと
も１つの層と、前記第１導電型の層と第２導電型の層と
の間に活性領域とを有し、前記下部クラッド層と上部ク
ラッド層の各々は、少なくとも１つのモード整形層（１
３，１７）を有する。本発明の半導体層構造体はＡｌを
含有せず、４元のＩＩＩ／Ｖ属半導体材料を含有しな
い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザに関
する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザは、コンパクトディスクプ
レイヤから光ファイバ通信システムに至るまでの様々な
商業的分野で用いられている。半導体レーザは、楕円状
断面の出力ビームを有し、少なくとも一方向に通常横断
方向（即ち半導体レーザの軸方向と層方向の両方に直交
する方向）にかなり拡散している。このビームの拡散
は、レーザ出力ビームを光ファイバのコアに結合するよ
うな応用分野においては、不利な点であり、そのため大
きな結合損失が生じてしまう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、ビーム発散が少ないの半導体レーザを提供するこ
とである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、請求項１に記載したような構成を有している。本
発明の半導体層構造体はＡｌを含有せず、４元のＩＩＩ
／Ｖ属半導体材料を含有しない。例えば、本発明による
半導体レーザは、エルビウムドープの光ファイバ（ＥＤ
ＦＡ）用の９８０ｎｍのポンプレーザである。本発明の
半導体レーザは、スプレッドインデックス（Spread-Ind
ex（ＳＰＩＮ））レーザと称する。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明のＳＰＩＮレーザの半導体
層構造体を表１に示す。図１には、本発明の層構造体の
導電バンドエッジを示す。このような表現方法は、従来
公知のもので説明の必要はないと考える。
【０００６】 表 １ 材料 ドーピング 層厚 ＧａＡｓキャップ層 ｐ++ − ＩｎＧａＰ ｐ １．３μｍ ＧａＡｓモード整形層 ｐ ７５ｎｍ ＩｎＧａＰ ｐ ０．３μｍ ＧａＡｓエッチストップ層 ｐ ２ｎｍ ＩｎＧａＰ ｐ ０．２μｍ ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ活性層 アンドープ ３×２０ｎｍ／２×７ｎｍ ＩｎＧａＰ ｎ ０．５μｍ ＧａＡｓモード整形層 ｎ ７５ｎｍ ＩｎＧａＰ ｎ １．３μｍ ＧａＡｓ基板 ｎ+ −
【０００７】図１においてｎ+ ＧａＡｓ基板１１の上に
下部クラッド層の下側部分１２０と下部クラッド層の上
側部分１２１が形成されている。アンドープ活性領域１
４は２個の歪んだ７ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓ量子井戸と、
２０ｎｍ厚のＧａＡｓバリア層とを含む。このアンドー
プ活性領域１４の上に（ｐＩｎＧａＰ）上部クラッド層
の各部分１５０，１５１，１５２が形成され、さらにそ
の上にｐ++ＧａＡｓキャップ層１８が形成される。選択
的層として２ｎｍｐＧａＡｓのエッチストップ層１６
は、従来のようなエッチングされたメサの深さを規定す
るよう機能する。モード整形層１３が下部クラッド層の
下側部分１２０と下部クラッド層の上側部分１２１の間
に形成され７５ｎｍ厚のｎＧａＡｓであり、モード整形
層１７が上部クラッド層の各部分１５１と１５２の間に
形成され７５ｎｍ厚のｐＧａＡｓで、それぞれはアンド
ープ活性領域１４から０．５μｍだけ離れて形成されて
いる。別の構成例としてモード整形層１３，１７は、Ｇ
ａＡｓＰ層でもよい。
【０００８】この本発明の半導体層構造体は、従来の成
長技術（例、ＭＯＣＶＤ）により成長され、従来の方法
により処理してストライプ形状層を形成する。一般的に
メサの幅は３μｍである。接点を従来法により具備させ
る。
【０００９】この層構造体は、波長λ（例９８０ｎｍ）
のレーザ放射用の導波路として機能する。特にアンドー
プ活性領域１４の有効屈折率は、隣接する層（１２１と
１５０）の両方の屈折率よりも大きい。このアンドープ
活性領域１４は導波路のコアとして機能し、下部クラッ
ド層の上側部分１２１，下部クラッド層の下側部分１２
０は下部クラッド層として、上部クラッド層の各部分１
５０，１５１，１５２は上部クラッド層として機能す
る。
【００１０】モード整形層１３，１７が存在しない場合
には、基本レーザモードは、図２に示すようにコア領域
にその中心を有する１個のピークを有する。同図は、バ
ンドギャップエネルギと上部表面からの深さとの関係を
示し、特徴点２４と２６は、それぞれアンドープ活性領
域１４，エッチストップ層１６に対応する。モード整形
層１３，１７を具備することにより基本モードの形状を
含めてレーザモードの形状が変化する。これを図３に示
す。同図は、正規化した電界振幅プロファイルとバンド
ギャップエネルギとの関係を示し、両者とも上部表面か
らの深さの関数である。特徴点３３，３７は、それぞれ
モード整形層１３，１７に対応する。
【００１１】本発明のＳＰＩＮレーザは、３つのモード
を有するが、第３次モードは、ゲイン領域とオーバラッ
プし、無視することができる。基本モードは、活性領域
にそのピークを有し、そしてモード整形層に２個の次の
ピークを有する。基本モードの計算上の活性領域閉じ込
め係数は２．３７％である。２次モードは、活性領域に
そのピークを有し、計算上の閉じ込め係数は２．２１％
である。
【００１２】モード整形層の厚さと活性領域からのそれ
ぞれの距離とそれぞれの屈折率は、基本モードをクラッ
ド層に拡散させることに加えて、基本モードが２次モー
ドよりも活性領域でより高い閉じ込め係数を有し、その
結果全ての電流値に対し、レーザ発振動作を支配するよ
う選択される。当業者は容易にモード整形層の厚さと、
活性領域からの距離と屈折率をコンピュータシミュレー
ションにより市販されている様々なプログラムを用いて
計算決定できる。
【００１３】適切な大きさと適切な場所に形成されたモ
ード整形層は、モード整形層を有さないレーザに比較し
て横方向（基本）モードを拡散させ、その結果より広い
ビームスポット（放射面でより低いパワー密度）と、よ
り狭いファーフィールドが発生する。
【００１４】図４は、何種類かの駆動電流値に対し、強
度とファーフィールドの側面方向角（far-field latera
l angle） の関係を示す。測定されたＦＷＨＭ（半値全
幅）の側面方向のファーフィールドアングルは２６゜で
あった。これに対し、モード整形層を具備しないレーザ
のＦＷＨＭの側面方向のファーフィールドアングルは３
４゜である。横方向のファーフィールドアングルは１０
゜で、これは３μｍメサ幅に対応する。本発明のレーザ
は、２９ｍＡのしきい値電流と０．７８Ｗ／Ａの傾斜効
率を有する。
【００１５】あるビームスポットの楕円性に対しては、
結合ファイバは、光ファイバの開口数を適宜選択するこ
とにより最適化できる。最適な光ファイバの開口数（Ｎ
Ａ）は、横断方向（transverse）の開口数と側面方向
（lateral） の開口数の幾何学的平均である。
【００１６】図５は、本発明のスピンレーザのレーザ出
力パワー（λ＝９８０ｎｍ）と、ＤＣ駆動電流との関係
を表すグラフである。
【００１７】本発明のレーザの層構造は、Ａｌを含有す
る半導体層は存在しない。このことは、Ａｌ酸化物を形
成するＡｌの公知の特徴の点から好ましい。さらに本発
明の層構造は、二元および三元の半導体ＩＩＩ／Ｖ属材
料のみを含有する。これは特に活性領域と基板との間の
層に対しては、三元のＩＩＩ／Ｖ属材料は、四元のＩＩ
Ｉ／Ｖ属材料に対し、より大きな伝熱性を有する（通常
４倍大きい）の観点から好ましいものである。このため
熱流通パスに四元の半導体材料が存在しない本発明のレ
ーザ構造は、熱の除去をより効率的に行うことができ、
その結果より高いパワーレベルでもって動作できる。
【００１８】別の構成例としては、ＧａＡｓを層構造体
から取り除くことによりレーザの信頼性を改善すること
ができ、そしてＩｎＧａＡｓＰ層がＧａＡｓ層を置換す
るようなスピンレーザも可能である。
【００１９】図６は、１０゜の横断方向の発散を有し、
レーザビームをＮＡ＝０．４のレンズ付き光ファイバに
結合するためのレーザビームの結合効率と横方向のＦＷ
ＨＭの計算上のカーブで発散との関係を表すグラフであ
る。同図から分かるように理論的には、２６゜の側面Ｆ
ＷＨＭ発散に対しては、６３％の結合効率がある。これ
は必ずしも最適ではない０．４ＮＡのレンズ付き光ファ
イバに結合する、実験的に観測された結合効率値である
６５％と極めて良く一致する。約０．３の最適なＮＡを
有する光ファイバを用いると、７５％以上の結合効率が
得られると予測される。この値は、従来の個別の閉じ込
めヘテロ構造設計のレーザの結合効率よりも約２倍良
い。
【００２０】図７は、本発明による装置、即ち最適に増
幅された光ファイバ通信システム７０を表す。この光フ
ァイバ通信システム７０は、送信器７１と受信機７２と
伝送用光ファイバ７３と稀土類ドープ（Ｅｒドープ）増
幅光ファイバ７４とを有する。送信器７１から信号放射
７５が発振され、信号放射７５が受信機７２に受信され
る。その間にポンプレーザ７９からのポンプ放射７６が
カプラ７８で稀土類ドープ増幅光ファイバ７４と結合さ
れる。稀土類ドープ増幅光ファイバ７４は伝送用光ファ
イバに溶融スプライス７７の手段により信号を透過する
よう結合されたものである。従来のカプラ７８は、ポン
プ放射７６を稀土類ドープ増幅光ファイバ７４に結合す
るよう機能し、ポンプレーザ７９は、ポンプ放射７６を
放出する。このポンプレーザ７９は、本発明の低ビーム
発散のレーザである。
【００２１】
【発明の効果】以上本発明によれば、低ビーム発散の半
導体レーザを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＳＰＩＮレーザの層構造の導電バンド
エッジと横断方向との関係を表す図
【図２】従来技術に係る半導体レーザのバンドギャップ
エネルギプロファイルと電界分布を表す図
【図３】本発明に係るＳＰＩＮレーザのバンドギャップ
エネルギプロファイルと電界分布を表す図
【図４】様々な駆動電流値に対する強度対遠方フィール
ド角（far field angle） との関係を表すグラフ
【図５】本発明のＳＰＩＮレーザの出力パワー対駆動電
流の関係を表すグラフ
【図６】レーザビームの結合効率と横方向発散の計算カ
ーブを表す図
【図７】本発明による光ファイバ通信システムを表す図
【符号の説明】
１０ 本発明の層構造体 １１ ｎ+ ＧａＡｓ基板 １３，１７ モード整形層 １４ アンドープ活性領域 １６ エッチストップ層 １８ ｐ++ＧａＡｓキャップ層 ７０ 光ファイバ通信システム ７１ 送信器 ７２ 受信機 ７３ 伝送用光ファイバ ７４ 稀土類ドープ（Ｅｒドープ）増幅光ファイバ ７５ 信号放射 ７６ ポンプ放射 ７７ 溶融スプライス ７８ カプラ ７９ ポンプレーザ １２０ 下部クラッド層の下側部分 １２１ 下部クラッド層の上側部分 １５０，１５１，１５２ （ｐＩｎＧａＰ）上部クラッ
ド層の各部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ダリューシュ ヴァクショーリ アメリカ合衆国、07928 ニュージャージ ー、チャサム タウンシップ、キャンター バリー ロード 66

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板（１１）上に半導体層構造体と、こ
    の半導体層構造体に電流を流す接点とを有する半導体レ
    ーザ（７９）を有する装置（７０）において、 前記半導体層構造体は、第１導電型の少なくとも１つの
    層と第２導電型の少なくとも１つの層と、前記第１導電
    型の層と第２導電型の層との間に活性領域とを有し、 前記半導体層構造体は、波長λのレーザ放射用の導波路
    を形成し、 前記導波路は、下部クラッド層（１２０，１２１）と、
    上部クラッド層（１５０，１５１，１５２）と、前記下
    部クラッド層と上部クラッド層の間のコア領域（１４）
    とを有し、 前記コア領域（１４）は、前記活性領域の少なくとも一
    部を含み、波長λにおけるコア領域の有効屈折率は、前
    記下部クラッド層と上部クラッド層の少なくとも一部の
    有効屈折率よりも大きく、 前記下部クラッド層と上部クラッド層の各々は、少なく
    とも１つのモード整形層（１３，１７）を有し、 波長λにおけるモード整形層（１３，１７）の屈折率
    は、クラッド層の前記モード整形層に隣接する部分の屈
    折率よりも大きく、 モード整形層とコア領域とのスペースおよびモード整形
    層の屈折率は、レーザモードの直径が増加し、かつ横断
    方向のレーザモードが安定するよう選択されることを特
    徴とする半導体レーザ装置。
  2. 【請求項２】 前記半導体層構造体は、ＩＩＩ／Ｖ属の
    半導体層構造体であることを特徴とする請求項１の装
    置。
  3. 【請求項３】 前記ＩＩＩ／Ｖ属半導体層構造体は、ア
    ルミ含有半導体層を含まないことを特徴とする請求項２
    の装置。
  4. 【請求項４】 前記ＩＩＩ／Ｖ属半導体層構造体は、前
    記活性領域と前記基板との間に４元のＩＩＩ／Ｖ属半導
    体層を含まないことを特徴とする請求項２の装置。
  5. 【請求項５】 前記モード整形層（１３，１７）は、Ｇ
    ａＡｓ，ＧａＡｓＰからなるグループから選択された材
    料から形成されることを特徴とする請求項２の装置。
  6. 【請求項６】 前記半導体レーザ（７９）は、メサ型の
    レーザで、 前記モード整形層（１３，１７）の１つは、メサエッチ
    ングに際し、エッチストップ層として機能することを特
    徴とする請求項５の装置。
  7. 【請求項７】 前記半導体レーザの出力放射を受光する
    光ファイバをさらに有することを特徴とする請求項２の
    装置。
  8. 【請求項８】 前記光ファイバの開口数（ＮＡ）は、
    ０．３であることを特徴とする請求項７の装置。
  9. 【請求項９】 前記装置は、稀土類ドープの増幅光ファ
    イバと、ポンプ放射を前記増幅光ファイバに結合する手
    段とを有する光ファイバ増幅器で、 前記結合手段は、光ファイバを有し、 前記レーザは、ポンプ放射を提供することを特徴とする
    請求項７の装置。
  10. 【請求項１０】 前記装置は、送信器と受信機と、前記
    送信器と受信機とを接続する光ファイバ伝送パスとを有
    する光ファイバ通信システムであり、 前記光ファイバ伝送パスは、光ファイバ増幅器を有する
    ことを特徴とする請求項９の装置。
JP9018753A 1996-02-16 1997-01-31 半導体レーザ装置 Pending JPH09232692A (ja)

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US60242796A 1996-02-16 1996-02-16
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