JPS6140159B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ダイオードレーザさらに詳しくは、
少なくとも1.5ボルトの順方向バイアス電圧を印
加すると発光する半導体ダイオードレーザに関す
る。この電圧により正孔が電子のいずれかまたは
その両方がｐ−ｎ接合を横切るように励起され、
正孔と電子とが再結合すると光を発生する。正孔
と電子とが再結合するまでの時間、正孔及び電子
は光により誘導されてさらに多量のコヒーレント
光を発生する。この誘導放出現象は増幅するのと
等価であり、レーザ発振器の２つの必要条件の第
１条件に関係している。詳しくいうと第１必要条
件とは、レーザはあらゆる損失を克服するほど大
きな利得すなわち増幅率を有していなければなら
ないということである。レーザ発振器の第２の必
要条件は光学帰還機構である。従来のダイオード
レーザでは光学帰還は、半導体結晶の面をへき開
するだけによつて行なわれている。このへき開に
より平担で平行なミラー状面が形成されて光の一
部をｐ−ｎ接合領域に反射させる。反射された光
が増幅されてレーザ内のエネルギー密度が蓄積さ
れ続けて強度の強いレーザビームを発生する。

しかるに前記へき開した面のダイオードレーザ
の有益性及び融通性を小さくしてしまう問題がい
くつかある。第１の問題として、これらのダイオ
ードレーザは、前記へき開したミラー上に高強度
の光が入射することによつて生じた損傷のために
数百時間の使用に対して10時間以内の故障時間が
ある。第２の問題として、第１の問題と同様に重
要な問題であるが、これらのダイオードレーザを
一体化して集積光学装置を形成する手段は周知で
はないことである。

米国特許第4111521号明細書には、半導体装置
が導波管構造体によりダイオードレーザ源に連結
され、干渉の原理に基づいて光を反射させたり透
過させたりして光の振幅変調を行なうように作動
することが記載されている。この装置は、ダイオ
ードレーザを一体化して集積光学回路を形成しか
つ分布帰還形レーザ装置にはない電気的制御とい
う利点を包含している。しかしながら、光学帰還
機構をレーザ構造体に直接組込むためにレーザ活
性領域の一部として干渉反射器を有することが望
ましい。

本発明の目的は、改良したダイオードレーザを
堤供することである。

さらに、本発明の目的は、一体となつた干渉反
射器を有するダイオードレーザを提供することで
ある。

本発明によれば、光波の干渉を用いてレーザに
光学帰還機構を与えるダイオードレーザが設けら
れている。レーザの注入活性領域は、カツプラ部
分とそのカツプラ部分において閉じている閉ルー
プすなわちリング状の部分とから成つている。閉
ループすなわちリング状部分の光路長は、光波が
カツプラ部分から始まつて閉ループすなわちリン
グ状部分のまわりを進行して再びカツプラ部分に
到達するときにはその光路差がλｇ／２となつて
いるように選択されている。そこで２つの波は破
壊的すなわちぶつかり合うように干渉し、光エネ
ルギーはカツプラ部分に連結された導波管に伝達
されない。これは、ループすなわちリング状部分
を進行した光波がループすなわちリング状部分へ
反射され、従つて光学帰還は、へき開端面または
分布帰還構造を用いずに行なわれていることを意
味する。大きな反射率を有するためには３デジベ
ルのカツプラ部分が好ましい。

ループすなわちリング状のレーザ活性領域は両
側に２つのカツプラ部分を有してもよい。このカ
ツプラ部分もまた干渉現象によりある波長の光を
反射して帰還させる。カツプラ部分の対称性に依
存してカツプラ部分の出力光（すなわち反射光）
は変化し、それによつて光がカツプラ部分の１つ
に連結された所望の導波管に伝達される。

第１図、第１Ａ図および第１Ｂ図を参照すれ
ば、光波の間の破壊的干渉作用を利用して光学帰
還機構を与える半導体装置２の実施例を示してい
る。半導体装置２は、基体４と層５，６，８及び
１０とから成り、かつレーザ部分２ａと導波管の
部分２ｂとに分かれている。レーザ部分２ａは、
基体４の一部分と、層５の一部分５′と、層６の
一部分６′と、層８及び１０とから成つている。
層６′は、レーザ部分２ａの活性領域を構成して
おり、３デシベルのカツプラ部分６ｂとこのカツ
プラ部分６ｂにおいて閉じる閉ループすなわちリ
ング状部分６ａとから成つている。この３デシベ
ルのカツプラ部分６ｂはレーザ部分２ａのリング
状部分６ａを導波管部分２ｂの導波管領域６ｃに
連結している。層５′，８及び１０は、層６の部
分６′とほぼ同形状であり、すなわち、層５′，８
及び１０は閉ループすなわちリングの形状をなし
ている。レーザ部分２ａは、活性領域６′の１つ
の面において整流（ｐ−ｎ）接合部を設けるよう
にドープされる。整流接合部に十分な順方向バイ
アスをかけると、キヤリヤが整流接合部を横切る
ように励起されて他のキヤリヤと結合して光を発
生する。

層５及び８は、光を閉じ込めるように層６の物
質よりも屈折率の低い物質から形成されている。
詳しくいえば、半導体装置２は、たとえば、第１
１Ａ図に図示した層組成やドープ型を有すること
ができる。この２重ヘテロ接合構造体により、層
５の部分５′と層６の部分６′との間に整流接合を
与え、電極（図示せず）によりその整流接合部分
１２に十分な順方向バイアスを印加すると光を発
生する。層６の部分６′で発生した光が発生物質
内に残存しているならば、その光は短時間で吸収
される。従つて、発生した光が層６の導波管領域
６ｃ内を伝播するならば、導波管領域６ｃは第１
Ａ図に図示するようにリング状部分並びにカツプ
ラ部分６ａ及び６ｂとは異なるバンドギヤツプを
有さなければならない。前記米国特許明細書に説
明されたように、また第１Ａ図に関して記載した
ように、１つの導電型の活性領域と逆の導電型の
導波管の領域とを突合せ結合したり、または、発
光領域がテーパ部分を有して発生した光を発光領
域の構成とは異なる構成を有する層の方へ向ける
ようにするテーパ結合や消失波結合等の、別の構
造か、または当業界に周知の他の手段によつて光
を導波管の方へ向けることができる。

レーザ作用を与えるのに十分に発生した光を光
学帰還させることは、層６のリング状部分６ａと
３デシベルのカツプラ部分６ｂによつて行なわれ
る。３デシベルのカツプラ部分により、カツプラ
部分６ｂとリング部分６ａとの接合は対称的な接
合であり、すなわち、カツプラ部分の１点からリ
ング部分の方へ進む光波は等しく分割されて、等
しい強度の光がループのまわりに沿つてどちらの
方向へも伝播する。レーザを発生するのに十分な
光学帰還は３デシベルのカツプラ部分６ｂで光波
を干渉させることによつて行なわれる。３デシベ
ルのカツプラ部分６ｂを出発し、リング状部分６
ａのいずれかの方向に伝播した光波（波長λｇ）
が３デシベルのカツプラ部分６ｂの出発点に再び
到達するとき、光路差がλｇ／２となつているな
らば、２つの波、すなわち、リングのまわりを通
過すなわち循環した光の部分とリングのまわりを
まだ通過すなわち循環していない光波の部分とが
破壊的に干渉して光のエネルギーは導波管領域６
ｃへ伝達されない。言換えれば、戻つてきた光に
その出発点の位相に対して180゜の位相ずれがあ
るならば、２つの波は位相がずれており破壊的に
干渉する。この破壊的に干渉することによつて、
循環光はリング部分６ａに反射され、光学帰還を
与える。レーザ部分２ａはｐλ＋λ／２の光路に
対応した波長で発振する。ただし、ｐは、整数で
ある。というのはこの波長は破壊（すなわち反
射）が最大となる波長でありかつ、レーザのしき
い値が最少となる波長であるからである。

レーザから導波管への出力は、非対称的な結合
部分（３デシベルのカツプラではない）を用いる
ことにより得ることができる。この場合には、一
方のビームが、反対方向に進行するビームよりも
強度が高く、部分反射（及び部分透過）が得られ
る。カツプラの形状を変えることにより、特定の
レーザや導波管を用いた場合に反射特性や透過特
性を最適にすることができる。

第１図の半導体装置は、従来の液相エピタキシ
ヤル技術かまたは分子ビームのエピタクシ成長技
術と、標準の平板写真マスキング法とエツチング
技術とによつて製造することができる。たとえ
ば、層５，６，８及び１０は、従来の液相エピタ
キシヤル成長技術により、基体４上で成長し、そ
の後、リング状部分と直線状カツプラ部分の形状
の抵抗マスクを層１０の上面に塗布してその面に
酸性エツチング剤を塗布する。酸性エツチング剤
は、抵抗マスクにより防護されない半導体物質の
部分を除去する。これとは別に、第１図の半導体
装置は、リングパターンを有するシリコンニトラ
イドマスクを通して成長することによつて作られ
る。液相エピタキシヤル成長は、ニトライドマス
クの開口部を通してのみ生じる。分子線エピタク
シを用いるならば、不導電領域がSi₃N₄部分上で
成長し、一方導電領域が開口に形成される。これ
とは別に、層６がｎ型である場合にも、層５，
６，８及び１０は成長する。次に、Si₃N₄のリン
グ状マスクが形成されてZnがＰ型領域６を形成
するよう拡散される。この方法は、カツプラとリ
ングの形状も同時に形成する。

リング部分６ａの半径は、リングの周囲におけ
る放射線の損失が、発光し続けるのに十分な強度
をもつた光波を帰還させる臨界値内に維持される
ように十分大きくなければならない。たとえば、
活性領域の層が、同じ物質で異なるドープ型の物
質の層と隣接しているとき、すなわち、Ｐ型ドー
プの部分６′とｎ型ドープの基体４の場合、リン
グ部分６ａの半径は、約0.4ミリメートルよりも
大きくなければならない。第２図の断面図に図示
した埋込みヘテロ接合装置すなわちエツチングし
たメサ装置１８のように、活性領域の層が実質的
に屈折率の低い層の間に狭まれているならば、リ
ング半径をもつと小さくすることができる。装置
１８は、基体２０と層２１と活性領域層２２と該
層２２に接する光閉じ込め層２４及び２６と接触
促進層２８とを包む。埋込みヘテロ接合すなわち
エツチングしたメサ装置１８は、第２図に示した
ドープ型の物質から成つており、第１図の装置と
同じ原理に基づいて動作するが、突合め結合せず
に活性層２２の３デシベルの結合部分のテーパ部
分２３を用いて層２４により設けられた導波部分
に光を向けるようにしている。

光波を２つ以上の導波管へ向けることができ
る。ダイオードレザーが第３図及び第３Ａ図に図
示されている。第３図の装置は、基体４０と、活
性領域層４２と、光閉じ込め層４４と、接触促進
層４６と、活性領域層に隣接した整流接合部分４
８とを包含する。第３Ａ図に図示したように活性
領域層４２は、注入レーザ領域４２ａと右側導波
管４２ｂと左側導波管４２ｃとから成つている。
第３図のダイオードレーザの動作原理は、第１図
及び第２図のリング状レーザに記載した原理と同
一であり、カツプラ部分４９及び５０が、破壊的
干渉現象によりある波長の光を反射させる。この
ようにして帰還が達成できる。カツプラの対称性
に依存して、光出力（及び反射）が一端から他端
へと変化する。

本発明のリング状ダイオードレーザは、同一接
合、単一ヘテロ接合あるいは２重ヘテロ接合型の
どれであつてもよいことは注目されたい。また、
他の型のレーザ形状を用いることもできる。たと
えば、光閉じ込め部分とキヤリヤ閉じ込め部分と
を分離した対になつたガイドをもつレーザや、埋
込みヘテロ構造をもつレーザを用いてもよい。さ
らに、第３図の一方のカツプラ部分の代わりに分
布した帰還装置または別個の反射器を用いてもよ
い。このように、本発明の技術は、非常に融通性
があり、かつ製造を容易にし、集積光学装置の１
体となつたダイオードレーザを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第１Ａ図及び第１Ｂ図は、本発明によ
る半導体装置の１形状の図である。第２図は、本
発明による半導体装置の別の形状の図である。第
３図及び第３Ａ図は、多数の導波管を連結した本
発明の半導体装置の図である。 ２……半導体装置、４，２０，４０……基体、
５，６，８，１０……層、２ａ……レーザ部分、
２ｂ……導波管部分、６ａ……リング状部分、６
ｂ……カツプラ部分、６ｃ……導波管領域、２
４，２６，４４……光閉じ込め層、２２，４２…
…活性層、２８，４６……接触促進層、１２，４
８……整流接合部分、４９，５０……カツプラ部
分、４２ａ……注入レーザ領域、４２ｃ……左側
導波管、４２ｂ……右側導波管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ リング状部分と該リング状部分のループを閉
   じるような位置に連結されたカツプラ部分とを有
   すレーザ活性領域を含むレーザ部分と、導波管部
   分とから成り、前記レーザ部分内の整流接合部分
   に十分な順方向バイアスを加えるとその接合部分
   を横切るようにキヤリヤが注入されて波長λの光
   波を発生し、発生したその光波の少なくとも一部
   は、前記活性領域の前記リング状部分のまわりを
   進行し、該リング状部分は、前記光波が前記カツ
   プラ部分との連結部からリング状部分の周囲をま
   わつて進行して前記連結部に戻るとき、出発時の
   位相に対して位相のずれをひき起こさせる光路長
   を有し、この位相差により、光波は、前記リング
   状部分と前記カツプラ部分とへ光を反射するため
   に破壊的に干渉し、そのリング状部分へ反射した
   光が前記レーザ部分のレーザ作動に必要な帰還量
   を与え、前記カツプラ部分は、前記導波管部分に
   結合され、それにより前記カツプラ部分へ反射し
   た光波の少なくともいくらかが導波管部分へ伝播
   することを特徴とする半導体装置。