JPS5931997B2 - 電気的にポンピングされるダイオ−ドレ−ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気的にポンピングされるダイオードレーザ
に関する。

最近になつてダイオードレーザに関する研究が多くなさ
れるようになつてきた。

このダイオードレーザの利点は、寸法が小さいこと、低
コストであること、低電力しか必要でないことおよび極
めて高速データにて変調できる点にある。加うるにこの
ダイオードレーザは、不整列になり易いガラス製放電管
または外部ミラーを使用しないので極めて頑丈な装置で
ある。更にダイオードレーザの電力から光への変換効率
は、常温にて作動するレーザのうちで最も高いものとな
つている。種々の分野での使用条件を満すため、下記の
ような特性をもつたダイオードレーザを提供しなければ
ならない。

すなわち出力ビーム発散が極めて小さく、高ポンピング
電流レベルでの横モードが最低次であり、ピークパルス
出力パワーが高く、量子効率差が大きく、通常高電力密
度から生じるファセット減衰が比較的少ないことである
。従つて、本発明の目的は、改良されたダイオードレー
ザを提供することにある。本発明の別の目的は、出力ビ
ーム発散が少ないダイオードレーザを提供するにある。

本発明の更に別の目的は、最低次数の横モードにて作動
できるダイオードレーザを提供するにある。

本発明の更に別の目的は、高ピークにてパルス化された
出力を有するダイオードレーザを提供するにある。

本発明の更に別の目的は、電力効率差の大きいダイオー
ドレーザを提供するにある。

本発明の更に別の目的は、フアセツト減衰の小さなダイ
オードレーザを提供するにある。

本発明によれば、上記目的は、漏洩波結合を利用するヘ
テロ接合型ダイオードレーザによつて達成される。

この漏洩波作動は、レーザ活性層と実施例中の極めて薄
いレーザ基体との間に光閉じ込め層を設けかつレーザ化
波長での電力吸収が小さくなるよう基体の組成を選択す
ることによつて行われる。光閉じ込め層の薄さによりレ
ーザの整流接合部に対して角度をなすようこの出力漏洩
波がレーザ基体中に発射する。この漏洩放射線は、基体
中にて若干吸収された後、基体のへき開面（フアセツト
）を照射しレーザ出力を発生する。基体のへき開面（フ
アセツト）の極めて広い領域にわたつてこの漏洩波出力
ビームが発射されるので、出力ビームのコリメーシヨン
に優れる。すなわち出力ビームの発散は極めて小さい。
更にこの漏洩波レーザは、最低次横モードにて作動する
。その理由は、これより次数の大きな横モードでは、最
低次の横モードの場合よりも電力消費量が多いからで、
このため最低次より大きな次数の横モードでは閾値がか
なり高くなつている。レーザ基体面の全長にわたつてパ
ワーが抽出されるので、この漏洩波レーザの出力パワー
は大となり、基体面の極めて広い領域にわたつてパワー
が広がるためフアセツトの損傷は最小となる。また漏洩
波の基体内での吸収量が最小となるような基体のドーピ
ングおよび組成が選択してあるため量子効率差が大きく
、このためこの漏洩波ヘテロ接合型ダイオードレーザは
、種々の実際的利用分野に必要な特性を多数有している
。第１図は、活性領域層４に境界を接する第１および第
２の放射線およびキヤリヤ閉じ込め層６および８、基体
層１０および超基体層１１からなる本発明によるダイオ
ードレーザ２を示す。

活性領域層４を構成する材料の屈折率は、層６および８
の材料の屈折率より大きい。層１０の厚さは、層４およ
び８の厚さよりかなり大きく、層１０の屈折率は、層８
の材料の屈折率より大きい。層４，６および１１は、ド
ーピングされたｐ型であり、層８および１０は、ドーピ
ングされたｎ型であるため、層４と８の界面に整流接合
部１２が形成され、層４と６、層８と１０および層６と
１１の界面に非整流接合部が形成される。これとは別に
、層８と１０をｐ型にし、層４，６および１１をｎ型に
すると、１２に整流接合部が形成される。又は、これら
の層を別にドーピングすると、層４と６の間に、又は他
の層の間に整流接合部が形成される。第１図に示したよ
うに、電極１６に印加したポテンシヤルより大きいポテ
ンシヤルを電極１４に印加して、順方向バイアス状態に
すると、キヤリヤ（電子と正孔）が、活性領域層４に注
入され、そこに閉じ込められ、キヤリヤが再結合するた
め放射線が発生する。通常のデユアルヘテロ接合型ダイ
オードレーザは、活性領域層が薄く、すなわち、０．１
〜０．５ミクロンであり、そして閉じ込め層が比較的厚
い、すなわち、１ミクロ７以上であるため、閉じ込め層
を通つて放射線が基体へ漏れることによつて惹起される
電力損失を防いでいる。

この損失は、活性領域層が放射する波長では非常に大き
くなる。活性領域層の厚さが比較的小さいため、公知の
ダイオードレーザにおいては、ビーム発散が比較的大き
い。本発明のダイオードレーザでは、活性領域層４の厚
さを、閉じ込め層８の厚より幾分厚くすることができる
。

すなわち、活性領域層４の厚さを０．１〜０．２ミクロ
ンにし、閉じ込め層８の厚さを０．５〜０．０６ミクロ
ンにすることができる。層８が薄いため、全光学閉じ込
めが層８によつては得られず、順方向バイアスにより活
性領域層４に発生した放射線の一部が、接合部１２の面
に対して非常に小さな角度θｌで、層８を通つて基体１
０に放散する。層８に通つて放散した放射線は、非常に
厚い（２５〜１００ミタロン）基体１０に幾分吸収され
た後、基体１０のへき開面すなわちフアセツ口０′を照
射する。この場合、基体一空気界面における漏洩波の屈
折角は、漏洩波が基体１０に存在する場合、漏洩波１８
の整流接合１２に対する角度をθ。に増加させる。前述
したように、層６と８の材料が、活性領域層４の材料よ
り低い屈折率を有し、そして基体層１０の材料が、層８
の材料より高い屈折率を有しているため、漏洩波１８の
接合部１２に対する角度が、非常に小さくなる。

活性領域層４の案内波によつてみた等価屈折率およびレ
ーザ波長における基体１０の屈折率は、ほぼ等しいが、
層１０の方がわずかに大きい屈折率を有している。例え
ば、層４，６，８および１０は、三元化合物ＧａＡｌＡ
ｓから構成し、活性領域層４及び基体１０のアルミニウ
ム含有量を、層６および８より少なくして、層４および
基体１０の屈折率を、層６および８より高くすることが
できる。例えば、活性領域層４および基体１０をＧａ，
−ＺＡｌｚＡｓ（０くＺ＜０．３）、そして層６および
８をＧａｌ−ＺＡｌｚＡｓ（０．１５くＺ＜０．８）に
することができる。赤外線領域近くでレーザを作動させ
たい場合、層４および基体１０のアルミニウム含有量を
ごくわずかにするか、又はゼロにする。ｐ一型ドーパン
トを含有するＧａＡｓ層の屈折率が、ｎ型ドーノマント
を含有するＧａＡｓ層よりごくわずかに大きいため、層
４および基体１０が共にＧａＡｓである場合、層４の屈
折率は大きくなる。ヘテロ接合ダイオードレーザ２を、
順方向にバイアスさせ、ポンピング電流を必要な閾値（
７アンペア、Ｊ＝６，０００Ａ／（Ｖ７ｌｌ絶対温度３
０００）以上にすると、第２図に示したようにレーザ２
に、ＴＥＯモードパターンが形成し、モードが、図示し
た方向に伝搬する。

層６の屈折率が低いため、モードが該層中で指数関数的
に減衰するが、層８の屈折率が低いにもかかわらず、層
８においてはわずかしか減衰しない。なぜなら、層８が
非常に薄いからである。しかし、モードが基体１０に放
射して、漏洩波を発生する。良く知られているように、
レーザ２を構成する全材料の屈折率から誘導するレーザ
２の等価屈折率Ｎ。ｑより、基体１０の屈折率が大きい
ため、基体１０への放射が起こる。等価屈折率はＮｅｑ
＝βＺス。／２πで示される。式βＺは、レーザのモー
ド伝搬定数である。接合１２の面に対する漏洩波放射線
１８の角度はθ１であり、この放射線が広範囲な領域に
わたつて層１０の面１０′を照射する。この領域の距離
ｄは、ｄ＝Ｌｔａｎ（θ１）で概算できる。式中、Ｌは
、図示したように、ダイオード２の長さである。放射線
の外部角は、式ＳｌｎＯＯ＝ＮｌＯｓｉｎＯｉで表わさ
れる。式中、ＮｌＯは基体１０の材料の屈折率である。
角θ。およびθ１は、式βｚ＝２πＮＯ，／λｏを使用
してモードパターンおよび伝搬定数βＺを求めることに
より、測定できる。式中、ＮＯ，は前に定義したもので
あり、λｏはモードの自由空間光学波長である。漏洩波
はθｉで基体１０にんＩＧｌｌｌＯ伝搬し、この場合の
伝搬定数はβ１０＝？である。

第３図のベクトル図に示したように、βＺβ１０Ｃ０Ｓ
（θｉ）であり、式中、β，ｏは基体１０の放射線の伝
搬定数である。βＺとβ，ｏを代人すると、ＳｉｎＯｌ
＝（ｎで。−ｎ％ｑ）％／ＮｌＯとＳｉｎＯＯ＝（ｎ￥
ｏ−ｎ％ｑ）ｈが得られる。これらの値は、特定の角度
θｉに対するＮｌＯの条件を示し、従つて、前記の式ｄ
＝Ｌｔａｎ（θｉ）からｄの値を求めることができる。
漏洩波出力ビームは、基体表面１０′の非常に大きな領
域ｄに放射されるので、ビーム１８のコリメーシヨンが
すぐれている。

すなわち、出力ビーム１８の発散がきわめて小さい。レ
ーザ２は、最低次の横モード（ＴＥＯ）において作動す
る。なぜなら、高次のモードは漏洩波に対して電力の損
失量が大きく、従つてきわめて高い閾値を有する。レー
ザの全長Ｌにそつて電力を抽出するので、レーザは高い
出力を有する。出力結合が非常に大きく、従つてデユア
ル出力を形成するので、レーザの効率差が大きい。これ
らデユアル出力のうちひとつは、通常のダブルヘテロ構
造レーザと同様に、活性領域からの正規放射から発生し
、他のひとつは漏洩波によるものである。出力ビーム電
力は、ｄによつて指示される広い領域に分布しているの
でへき面で損傷が最小となる。当業者には公知の従来の
液相エピタキシャル技術を使えばこのヘテロ接合型ダイ
オードレーザを成長できるが、分子ビームエピタキシャ
ル法および気相エピタキシャル法も使用できる。

このような方法で製造されかつ第１ａ図に示すような寸
法と組成の特定レーザは、接合部１２に垂直で２度に発
散する出力ビームを発生し、極めて高ポンピングレベル
にて最低次のＴＥＯプラスＴＭＯモードで作動でき、絶
対３０００にて３ワツトピークの出力電力を発生でき３
５〜４０％の効率差となる。第１ａ図のレーザでは、θ
１は約３度であり、θｏは約１０．５度で、Ｌは約４０
０岬となつている。第４図に第１ａ図のレーザのフアー
フイールド（遠視野）走査を示す。ポーピングされてい
ない基体中には多量のモード電力が存在しているので、
本発明に係るレーザのポンピング閾値は高く、従来の厚
みの閉じ込め層を有する同じ従来のレーザのレベルより
約２倍になつている。当然この電流閾値は、ストリツプ
形状にすることによつて減少できる。第５図に示すよう
に、第１図のレーザの活性領域４の両端にあるへき開面
には高次反射性コーテイング層２０を設けて活性領域か
ら伝達される電力を減少できる。

このようなコーテイングは、シヤドウ・マスク法を使つ
て、整流接合部１２の一側面を電気メツキするか、活性
層からの熱によつて金メツキ溶液中で活性層４のエツジ
からバインダーを除去すれば製造できる。（基体１０の
端部はより電力が拡散してしまいかつバインダーを除去
する程十分に加熱されていないので、層４の端部程温く
ないはずである。）レーザの性能を最適化するもう一つ
の方法は、コーテイング２２が光を高度に反射するよう
になつている第６図に示すように第１図のレーザの１つ
のへき開面が完全反射するようこれをコーテイングする
方法がある。

このコーテイング２２によつてレーザ内を反射面から離
間するよう伝播する進行波は、この反射面へ向つて伝播
する進行波より大きくなり、このため一方向への漏洩波
が他方向の漏洩波より強度が大きくなる。他方の・＼き
開面には、非光反射性コーテイング２４を設けてもよい
。第７図は、第６図のレーザによつて得られるレーザモ
ードの電界強度対距離の関係を示す。非反射コーテイン
グ２４は、活性領域層４からの正規放射の好ましい反射
および漏洩波１８の好ましい透過を行う手段となる。こ
れは、コーテイング２４の厚みがλ（漏洩波）Ｘ１Δに
等しく（またはこの値の奇数整数倍）（ここで漏洩波は
角度θｉにて発生する）なるよう製造すれば得られる。
正規放射は、コーテイング２４に対し垂直に入射するの
でλ（漏洩波長）×１／４の厚みのコーテイングは、活
性領域層４からの正規放射の波長の１／／４の倍数とは
ならないはずである。λ／４通路を移動する波（漏洩波
）はλ／４通路を移動しない波（正規放射波）よりも反
射率が低い。次に第８図を説明すると、本図には漏洩波
出力レーザの更なる設計変更例が示してある。この第８
図のレーザの層８は、従来と同じ厚さ（１ミクロン以上
）の部分８ａを有し、極めて薄い部分８ｂ（０．５から
０．０６ミクロン）を有している。この漏洩波は、薄い
部分８ｂのみに沿つて発生するため装置の閾値が低下し
、基体１０による漏洩波減衰も少なくなる。本発明に係
る上記レーザでは、閉じ込め層１つだけを極めて薄くし
、活性領域層の１側面のみから漏洩波出力が出るように
してある。

第９図は、本発明に係るレーザを示す。ここで閉じ込め
層６および８の双方は極めて薄く（０．５から０．０６
ミクロン）、層６および８の双方は、上記のような相対
的反射率条件を満足する。すなわち活性領域層４の材料
および層１０および１１の材料の屈折率は、層６および
８の材料より屈折率が大きく、案内波から見た活性領域
層４内は等価屈折率となつており、層１０および１１の
屈折率はほぼ等しくすることが好ましいが、等価屈折率
より若干大きくすることが好ましい。層１０の屈折率は
、異なる材料またはドーピングによつて層１１の屈折率
と異なるようにすることができるため、接合部１２に対
して同一角度にて２つの漏洩波を発射することができな
い。これまで述べた活性領域層は、従来ＧａＡｓであつ
た。

この活性領域は、半導体レーザに一般に使用されている
別の材料から構成でき、第１０図は、活性領域４、閉じ
込め層６および８、超基体層１５のすべてがＧａＡｌＡ
ｓから成り、層４および１５の屈折率がより少量の含有
アルミニウムのため層８より低くなつている本発明に係
るレーザを示す。第１０図のレーザは、活性領域が少な
くとも１つの薄い閉じ込め層と境界を接し、種々の屈折
率が上記のような正しい関係に従えば種々の組成から構
成できる。ＧａＡｌＡｓＰは、これに適す材料組成物の
１例であり、一般に使用されている固体レーザ材料；例
えばＧａ，Ａｌ，Ａｓ，Ｐ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｓｎお
よびＴｅから成る組成物も他に使用できる。第１１図に
示すように閉じ込め層は、基本の一部を強くドーピング
した基体部分８ｄによつて強くドーピングし正しい屈折
率関係を有する薄い閉じ込め層を設けることによつて得
られる。上記本発明に係るすべてのレーザでは、漏洩波
結合をする層は、レーザ活性領域と平行になつている。
レーザは１方向のみに伝播するため漏洩波結合する薄い
層を置く側面は２つある。第１２ａ図および第１２ｂ図
がそれぞれ平面図および端面図となつている第１２図の
レーザでは、薄い層３０は、レーザ整流接合部の平面１
２に平行でなくて垂直となつており層３０を通して漏洩
波出力を得るようになつている。第１２図の構造は、埋
め込み型ヘテロ接合レーザに利用できる。第１３図は、
リングレーザ内で漏洩波出力を利用する方法を示す。

光漏洩層４０は、レーザ整流接合部の平面に垂直である
。活性領域層内で進行するビームがへき開面によつて内
部で全反射するが、漏洩波（この放射角は屈折率を変え
ることによつて調節できる）は、（図示するように）ほ
ぼ直角にてへき開面に入射するようにし漏洩波が全反射
しないようにすることができる。活性領域内のビームは
全反射するため、第１３図のレーザの閾値は、漏洩波出
力があつても比較的低い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による漏洩波ヘテロ接合ダイオードレ
ーザの側面図である。 第１ａ図は、図示した組成および厚さを有する本発明に
よる漏洩波ヘテロ接合ダイオードレーザの側面図である
。第２図は、第１図のレーザに伝搬するＴＥＯモードの
振幅および相を示す。第３図は、第１図のレーザの出力
角を計算するために使用するベクトル図である。第４図
は、第２ａ図のレーザのフアーフイールド（遠視野）走
査を示す。第５図は、本発明による漏洩波ヘテロ接合ダ
イオードレーザの別な実施態様の側面図である。第６図
は、本発明による漏洩波ヘテロ接合ダイオードレーザの
別な実施態様の側面図である。第７図は、第６図のレー
ザによつて得られるレーザモードの電界強度を示す。第
８図は、本発明による漏洩波レーザのさらに別な実施態
様の側面図である。第９図は、２つの漏洩波出力を有す
るレーザの側面図である。第１０図は、別な組成を有す
る漏洩波ヘテロ接合ダイオードレーザの側面図である。
第１１図は、ドーピング層を介して漏れる漏洩波レーザ
の側面図である。第１２図は、レーザ活性領域と直角に
なつた層を介して設けた漏洩するレーザの頂面および端
面図である。第１３図は、漏洩波リングレーザの頂面図
である。２・・・・・・ダイオードレーザ、４・・・・
・・活性領域層、６，８・・・・・・閉じ込め層、１０
・・・・・・基体層、１１・・・・・超基体層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の隣接層から成り、該隣接層のうちのひとつが
   半導体材料から成る活性領域層である本体と、上記活性
   領域層の少なくとも一方の主面側に設けてあり、上記活
   性領域層の半導体材料の屈折率よりも低い屈折率を有す
   る半導体材料から成るキャリア閉じ込め層と、上記活性
   領域層とは反対側の上記キャリア閉じ込め層の他の主面
   に設けてあり、上記キャリア閉じ込め層の材料の屈折率
   よりも高い屈折率を有する半導体材料から成る付加層と
   、上記半導体本体中に設けた整流接合部と、上記整流接
   合部にバイアスをかけこの整流接合部を越えてキャリア
   を注入し、そのキャリアを上記活性領域層内で再結合さ
   せて所定の波長およびモードパターンの放射線を発生さ
   せる手段とから成り、上記発生放射線のモードパターン
   の一部が上記付加層内に進入しこの付加層において導波
   されない漏洩波となるよう上記閉じ込め層が十分薄くし
   てあり、上記漏洩波が上記整流接合部と所定の角度をな
   しかつ前記整流接合に対してある角度をなして前記本体
   から放射され、上記付加層の吸収係数は、上記モードパ
   ターンの上記漏洩波部分が上記付加層によつて実質的に
   減衰されないような値に定められている、電気的にポン
   ピングされるヘテロ接合型ダイオードレーザ。