(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．少なくとも１つの半導体基板（１０）と、
ｂ．前記半導体基板（１０）上に配設される少なくとも１つの活性層（４０）と、
ｃ．前記活性層（４０）より上に配設される少なくとも１つのリッジ（７０）であって、前記リッジ（７０）の断面、好ましくは該リッジの幅、が少なくとも一方のレーザミラー（９０，１００）の方向に先細りにされ、前記リッジ（７０）の幅が、両レーザミラー（９０，１００）の方向に先細られており、両レーザミラー（９０，１００）の方向への前記リッジ（７０）の幅の先細りが、長手方向及び／又は横方向に対して非対称であるリッジ（７０）と、
ｄ．前記活性層（４０）より上に前記リッジ（７０）に隣接して配設され、エッチング処理後に残存する上側クラッド層（６０）に付着され、レーザ放射を吸収する材料を有する少なくとも１つの周期表面構造（１１０）と、
ｅ．前記活性層（４０）より下及び上に配設される少なくとも１つの導波層（３０，５０）であって、下側導波層（３０）が１μｍないし５μｍの、好ましくは１.５μｍないし３μｍの、特に好ましくは２.０μｍないし２.５μｍの範囲内の厚さを有し、上側導波層（５０）が１５ｎｍないし１００ｎｍの、好ましくは２０ｎｍないし５０ｎｍの範囲内の厚さを有する少なくとも１つの導波層（３０，５０）と、
を有する、横結合を有するＤＦＢレーザダイオード。
【請求項２】
請求項１に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記活性層（４０）と前記導波層（３０，５０）との間の屈折率の差が、０.０４から０.４０までの、好ましくは０.０６から０.３０までの、特に好ましくは０.０８から０.２５までの範囲内であるＤＦＢレーザダイオード。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記導波層（３０，５０）の屈折率が該層の厚さにわたり一定に留まるＤＦＢレーザダイオード。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一項に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記導波層（３０，５０）の屈折率が該層の厚さにわたり、好ましくは線形に、変化するＤＦＢレーザダイオード。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記リッジ（７０）の幅が少なくとも一方のレーザミラー（９０，１００）の方向に線形に先細りにされるＤＦＢレーザダイオード。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか一項に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記リッジ（７０）の幅が少なくとも一方のレーザミラー（９０，１００）の方向に指数関数的に先細りにされるＤＦＢレーザダイオード。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか一項に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記リッジ（７０）が０.５μｍから１０μｍまでの、好ましくは２μｍから７μｍまでの、特に好ましくは２μｍから４μｍまでの範囲内の幅を有するＤＦＢレーザダイオード。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか一項に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、少なくとも一方のレーザミラー（９０，１００）における前記リッジ（７０）の幅が、１００ｎｍから７００ｎｍまでの、好ましくは２００ｎｍから５００ｎｍまでの範囲内であるＤＦＢレーザダイオード。
【請求項９】
請求項１ないし８の何れか一項に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、少なくとも一方のレーザミラー（９０，１００）の方向への前記リッジ（７０）の幅の先細りが、５０μｍから１０００μｍまでの、好ましくは１００μｍから６００μｍまでの、特に好ましくは２００μｍから４００μｍまでの範囲の長さにわたり生じるＤＦＢレーザダイオード。
【請求項１０】
請求項１ないし９の何れか一項に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記周期表面構造（１１０）が、前記リッジ（７０）の断面が変化する領域に沿っては延在しないＤＦＢレーザダイオード。
【請求項１１】
請求項１ないし１０の何れか一項に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記リッジ（７０）内に配設されると共に該リッジ（７０）の屈折率よりも高い屈折率を有する層（１２０）を更に有するＤＦＢレーザダイオード。
【請求項１２】
請求項１１に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記高屈折率の層（１２０）が前記周期表面構造（１１０）よりも上に配設されるＤＦＢレーザダイオード。
【請求項１３】
請求項１１又は請求項１２に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記高屈折率を有する層（１２０）と前記リッジ（７０）との間の屈折率の差が、０.１０から０.４０までの、好ましくは０.１５から０.３５までの、特に好ましくは０.２０から０.３０までの範囲内であるＤＦＢレーザダイオード。
【請求項１４】
請求項１１ないし１３の何れか一項に記載のＤＦＢレーザダイオードであって、前記高屈折率を有する層（１２０）の厚さが、前記リッジ（７０）の厚さの５％以下の範囲内であるＤＦＢレーザダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大出力パワー用の横結合を持つＤＦＢレーザダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオードは、コヒーレントな光の光源として使用することができ、多くの経済的分野において重要な役割を果たしている。例示として、２つの応用分野を解説する。電気通信におけるデータ送信のための使用、及びセンサ技術の分野における分析ツールとしての使用である。これらの及び殆どの他の応用分野においては、レーザダイオードにより放出される放射がレーザ空洞（キャビティ）の単一の固有モードに実質的に対応すること、及びこの単一の固有モードの帯域幅が小さいことが非常に重要である。
【０００３】
半導体レーザは、通常、幾つかの固有モードの光を放出し、これは斯かるレーザの広い増幅スペクトルによるものである。放出されるレーザ放射が実質的に単一の固有モードの光を有することを保証するために、レーザ空洞の両ミラーの間でのレーザ光の分布帰還（ＤＦＢ）の概念がかつて提案された。このようなＤＦＢレーザダイオードを構築するために、レーザダイオードの積層体を半導体基板に付着するために使用されるエピタキシャル工程は中断され、放出される放射の吸収の及び／又は屈折率の周期的変化が活性層自体に又は上又は下の層に導入される。これにより、空洞の固有モードの閾増幅（threshold amplification）が減少され、及び／又は増幅スペクトル内の全ての他の固有モードの閾増幅が増加され、かくして半導体レーザは１つの固有モードの（従って１つの波長の）光のみを発生するようになる。第２エピタキシャル段階では、次いで、残りの層が堆積される。しかしながら、この層成長の中断は、幾つかの問題を有している。即ち、一方において、この製造工程は複雑であり、他方において、レーザダイオードを形成する層の品質が、結晶欠陥に起因して構造化工程及び上記第２エピタキシャル工程により妥協され得る。このことは、効率に対して、特にＤＦＢレーザダイオードの寿命に対して悪影響を有し得る。
【０００４】
数年前に導入され、ヨーロッパ特許第EP0984535B1号に記載されているＤＦＢレーザダイオードの横結合（lateral
coupling）の概念は、前記通常のＤＦＢレーザの上述した欠点を克服する。以下において、横方向とは積層に対して平行であり、且つ、光の伝搬に対して垂直な方向を指す。積層に対して垂直であり、且つ、光の伝搬に対して垂直な方向は垂直方向と称す。以下では、長手方向が、レーザ空洞内のレーザ放射の伝搬方向を示す。
【０００５】
横結合を有するＤＦＢレーザダイオードは、単一のエピタキシャル工程において製造される。レーザの構造を作製した後、該レーザの放出スペクトルを測定することができ、これら測定に基づいて、放射の所望の波長を表面構造の周期を介して正確に調整することができるということが、横方向ＤＦＢ結合の思想の重要な利点である。
【０００６】
単一のエピタキシャル工程における横結合を有するＤＦＢレーザダイオードの製造により、レーザダイオードを形成する積層の結晶品質は、層の成長、構造化工程及び前記第2エピタキシャル工程を中断することにより影響を受け得ない。正確に調整可能な放射波長に関しては、この結果、製造工程における大きな歩留まりが得られる。
【０００７】
横結合を持つＤＦＢレーザダイオードは、好ましくは、小さな又は中程度の出力パワーのための単一モード光源として使用される。分布帰還機構により、ＤＦＢレーザダイオードは、通常、かなり低い出力パワーを有している。しかしながら、幾つかの応用例は、従来技術により製造された横結合を有するＤＦＢレーザダイオードによっては供給され得ないような大きな出力パワーの割り当てを必要とする。
【０００８】
大出力パワー用に構成されたレーザダイオードの場合、最も高い光パワー密度は、通常、レーザ空洞のミラー（又は複数のミラー）において発生する。しばらくの間、酸化物層の形成によるレーザミラーの劣化作用は知られていたが、これらの作用は非常に高い光子密度の存在により増幅される。これらの劣化作用の結果として、半導体材料の局部的溶融によりレーザミラーの突然の破壊が生じる。この作用は、破局的光損傷又はＣＯＤと称される。従って、レーザ空洞から導出することができる光出力、及びレーザミラーにおいて発生し得、且つ、レーザミラーの劣化により当該レーザダイオードの加速された加齢作用を生じさせない光パワー密度を制限することが必須要因である。
【０００９】
劣化作用の速度を低下させる１つの可能性は、レーザミラーに対する誘電体材料によるコーティングの付着である。このコーティング処理は、M. Fukudaにより“半導体レーザ及びＬＥＤ”の第１３４〜１３６頁に記載されている。
【００１０】
米国特許第4328469号は、一対の中間インデックス層により挟まれた活性層を有するヘテロ構造のインジェクションレーザダイオードを開示している。米国特許出願公開第2003/0007766号は、導波器が前側に先細りにされた導波部品を開示している。米国特許出願公開第2004/0017836号は、高次の横方向光モードを減衰させるために隔離層及び吸収層を備えた単一モード光学装置を開示している。米国特許出願公開第2008/0144691号は、導波器の両側に回折格子が配設された光半導体装置を開示している。米国特許出願公開第2002/0141582号は、光学装置に組み込まれたスポットコンバータを開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の技術的課題は、横結合を持つＤＦＢレーザダイオードから大光出力を、前述した劣化作用を回避することができ、且つ、当該レーザダイオードの他の特性が大きく悪化されることがないようにして、導出することを可能にする技術を提供することである。
【００１２】
米国特許第5982804号は、上側及び下側導波層を有する横結合されたＤＦＢ半導体レーザを製造する方法を開示している。更に、該半導体レーザは上側及び下側クラッド層を有している。フォト層を付着する前に、リッジ（畝）の接触層上に保護層が形成される。これにより、格子のエッチングの間に、上記リッジ上にも格子がエッチングされ、その結果、電気接触が不良になることを回避することができる。
【００１３】
特許出願公開第2001-024275号は、横結合されたＤＦＢ量子井戸レーザの製造方法を開示している。該量子井戸レーザは非対称な導波構造を有し、下側のｎドープ導波層は１００ｎｍの厚さを有し、上側のｐドープ導波層は１０ｎｍの厚さを有している。横方向に配設された格子構造は、絶縁材料から形成された回折格子である。一方のレーザファセットは１％までの反射度を持つ反射防止コーティングを有する一方、第２レーザファセットは９０％の反射度を持つ反射層を有している。
【００１４】
IEEE J. of
Selected Topics in Quantum Electronics第１５巻、第３号、２００９年５月／６月、第９７８〜９８３頁のC. Fiebig他による論文“High-Power DBR Tapered Laser
at 980 nm for Single-Path Second Harmonic Generation”は、９８０ｎｍで発光するエッジ発光ＤＦＢテーパ状ダイオードレーザの実験結果を有している。調査されたレーザの出力パワーは、約４５％の変換効率で１２Ｗまでである。該レーザは１５度未満の半値全幅（ＦＷＨＭ）の小さな垂直発散、略回折が制限されたビーム品質及び１２ｐｍより小さなＦＷＨＭの狭いスペクトル線幅も示す。
【００１５】
米国特許出願公開第2007/00002914号は、基板上に形成されたｎドープ下側クラッド層、ｎドープ下側光導波層、活性層、ｐドープ上側光導波層及びｐドープ上側クラッド層を備える半導体レーザダイオードを開示している。上記のｎドープ下側光導波層の厚さは、上記ｐドープ上側導波層のものよりも大きい。
【００１６】
IEEE Phot. Techn. Lett.第２０巻、第３号、2008年2月1日、第２１４〜２１６頁の H.
Wenzel他による論文“Fundamental-Lateral Mode Stabilized
High-Power-Ridge Waveguide Lasers With a Low Beam Divergence”は、５及び２０μｍのトレンチ幅を持つリッジ導波レーザを比較している。放射波長は約１０６４ｎｍであり、リッジ幅は５μｍである。最大出力パワーは２Ｗを越える。垂直遠視野プロファイルの半値全幅は、巨大光空洞により僅か１５度である。
【００１７】
J. of Appl. Phys. 97, (2005)第123103-1〜123103-6頁のB.S. Ryvkin及びE.A. Avrutinによる論文“Asymmetric, nonbroadened
large optical cavity wave guide structures for high-power long-wavelength
semiconductor lasers”は、自由キャリアの損失が大きなバイアス電流では重要になることを証明する、自由キャリアを評価するための簡単な半解析モデルを提示している。拡大されていない非対称導波構造が、閾、近視野及び遠視野特性の僅かな劣化で又は劣化無しで、これらの損失を大幅に低減することができることが示されている。
【００１８】
米国特許第6301283号は、半導体基板と、該半導体基板の上面上に形成された活性層と、該活性層上に形成されたリッジ条片と、該リッジ条片に沿って延びる周期構造とを有し、上記リッジ条片が少なくとも２つの異なる幅を有するようなＤＦＢレーザを開示している。
【００１９】
米国特許出願公開第2003/0007719号は、内部を光が伝搬する第１モードを持つ第１導波器と、内部を光が伝搬する第２モードを持つ第２導波器とを有する光集積回路を開示している。上記光の第１及び第２モードは、異なる実効屈折率を有する。第２導波器内に形成された先細り（テーパ）は、導波器間の光の通信を容易にする。
【００２０】
Semiconductor Conf. 2008, CAS 2008, Intern., IEEE, Piscataway, NJ,アメリカ合衆国の J. Viheriiala 他による論文“Surface-grating-based
distributed feedback lasers fabricated using nanoimprint lithography”は、横方向に波を打つリッジにより形成された三次格子を用いるＤＦＢレーザの製造に関して報告している。これらレーザは、５０ｄＢより大きなサイドモード抑圧比を有する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の一実施例によれば、この課題は、請求項１に記載の装置により解決される。一実施例において、該装置は、少なくとも１つの半導体基板と、該半導体基板上に配設された少なくとも１つの活性層と、該活性層より上に配設された少なくとも１つのリッジ（畝）と、上記活性層より上に配設された少なくとも１つの周期表面構造と、上記活性層の下及び／又は上に配設された１μｍ以上の厚さを持つ少なくとも１つの導波層とを有するような横結合を備えるＤＦＢレーザダイオードを有する。
【００２２】
上記厚い導波層により、この層における、従って当該積層に対して垂直な光強度の空間分布は、大きな距離にわたり拡大し得る。このレーザ放射の垂直方向における拡大の結果、レーザモード内に等しい光パワーを有することにより、当該光強度の最大値が減少する。このように、レーザモードの同じ光パワーを有することにより、レーザミラー上の最大光パワー密度が、従って該レーザミラーの負荷が減少される。このように、レーザミラーの所与の最大負荷に対して、当該レーザ空洞から導出することが可能な光出力を増加させることができる。更に、当該レーザ空洞の積層の方向におけるレーザモードの放射の一層広い分布の結果、該レーザ空洞からの放出後のレーザ光の垂直発散角が減少される。横方向の発散角と類似した、この垂直方向のビーム発散の減少により、光学エレメントへの当該レーザ放射の簡単ではあるが一層効率的な結合が達成される。
【００２３】
活性層より上に配置される上記周期表面構造は、該活性層の全長にわたり長手方向に配設することができる。しかしながら、該周期表面構造が上記活性層の領域にわたり部分的にのみ延在するようにすることもできる。更に、長手方向における上記活性層及び周期表面構造が、互いに完全に分離されて配置されるようにすることもできる。
【００２４】
本発明による横結合を有するＤＦＢレーザダイオードの好ましい実施例において、前記導波層は、１.０μｍないし５.０μｍの、好ましくは１.５μｍないし３.０μｍの、特に好ましくは２.０μｍないし２.５μｍの範囲内の厚さを有する。しかしながら、上記活性層の厚さ及び異なる波長のレーザダイオードの製造のために使用される半導体材料系に依存して、該導波層の厚さを下方及び上方に向かって拡張することも可能である。上記の指定された層厚は９００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲において光を放出する横結合を有するＤＦＢレーザダイオードに対して最適であることが分かった。上記活性層及び導波層の一定の屈折率においては、上記導波層の厚さは当該レーザ光の波長に従って線形に増減する。
【００２５】
本発明の他の態様によれば、潜在的課題は請求項３に記載の装置により解決される。一実施例において、該装置は、少なくとも１つの半導体基板と、該半導体基板上に配設された少なくとも１つの活性層と、該活性層より上に配設された少なくとも１つのリッジと、該リッジに隣接して上記活性層より上に配設された少なくとも１つの周期表面構造と、上記活性層の下及び／又は上に配設された少なくとも１つの導波層とを有する横結合を備えるＤＦＢレーザダイオードを有し、上記各導波層の層厚は相違する。
【００２６】
横結合を有するＤＦＢレーザダイオードの場合、上記活性層上の厚い導波層は、実質的に、上記周期表面構造との空間的重なりを減少させることによる放出レーザ放射の導出につながる。これにより、当該分布帰還の、従って当該増幅帯域幅内でのレーザ空洞の他の固有モードの抑圧が、明らかに減少され得る。活性層より上の薄い導波層と下の厚い導波層との組み合わせにより、周期表面構造の結合係数の減少を広く回避することができる。同時に、この層の組み合わせにより、垂直方向における光強度の伝搬が従来技術による通常の層の設計と比較して増加される。この結果、垂直方向の遠視野角度が一層小さくなる。このことは、当該レーザ放射が回転対称なレンズに導入される場合に一層高度の効率につながり、その結果、当該レーザダイオードにより同一の光出力を放出させることにより、利用可能な光パワーの量が増加する。
【００２７】
特に好ましい実施例によれば、上記活性層より下に配設される導波層は１μｍ以上の層厚を有し、上記活性層より上に配設される導波層は１μｍ以下の厚さを有する。これらのパラメータは、９００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲において光を放出するレーザダイオードに対して最適である。上記活性層及び導波層に対して一定の屈折率を維持することにより、上記厚い導波層（層厚≧１μｍ）の厚さは当該レーザ放射の波長に伴い線形に変化する。
【００２８】
特に好ましい実施例によれば、下側導波層は１.０μｍから５.０μｍまでの、好ましくは１.５μｍから３.０μｍまでの、特に好ましくは２.０μｍから２.５μｍまでの範囲内の厚さを有し、上側導波層は１０ｎｍから５００ｎｍまでの、好ましくは１５ｎｍから１００ｎｍまでの、特に好ましくは２０ｎｍから５０ｎｍまでの範囲内の厚さを有する。
【００２９】
他の好ましい実施例によれば、前記活性層と前記導波層との間の屈折率の差は、０.０４から０.４０までの、好ましくは０.０６から０.３０までの、特に好ましくは０.０８から０.２５までの範囲内である。この屈折率の差も、９００ｎｍから１０００ｎｍまでのレーザ光の波長範囲に対して最適化されている。より長いに波長に対しては、層厚、前記リッジの幅及び格子周期等の幾何学パラメータの増加が必要であり得る。
【００３０】
本発明の他の態様によれば、潜在的な技術課題は、請求項９に記載の装置により解決される。一実施例において、該装置は、少なくとも１つの半導体基板と、該半導体基板上に配設された少なくとも１つの活性層と、該活性層より上に配設された少なくとも１つのリッジと、該リッジに隣接して上記活性層より上に配設された少なくとも１つの周期表面構造とを有する横結合を備えるＤＦＢレーザダイオードを有し、上記リッジの断面、好ましくは該リッジの幅、は少なくとも一方のレーザミラーの方向へと先細りに（テーパ付け）される。
【００３１】
上記リッジを一方のレーザミラーの方向へ先細りとすることにより、レーザモードの強度分布は前記下側導波層の方向へと下方に向かってずらされる。特に厚い下側導波層に関しては、この結果、該下側導波層内においてレーザミラーにおける光強度分布が同時に拡幅される。これに関連されるものは、レーザミラーにおける最大強度密度の減少であり、これも該レーザミラーを用いて当該レーザ空洞から導出することが可能な光出力を増加させるために利用することができる。更に、上記先細りにより生じる垂直強度分布の拡大の結果、当該レーザ空洞から垂直方向に放出される光出力の発散角が減少する。これにより、垂直方向及び横方向の発散角が互いに略等しくなることを達成することができる。このように、上記リッジを先細りにすることにより、レーザ放射の簡単ではあるが効率的な態様での結合が可能となる。
【００３２】
リッジの幅の減少以外に、リッジの高さの減少によっても、光強度分布を下側導波層の方向へずらすことができる。更に、少なくとも一方のレーザミラーの方向へのリッジの高さの減少及び該リッジの先細りを組み合わせることもできる。
【００３３】
特に非常に好ましい実施例は、前記活性層の下及び上に配設された少なくとも１つの導波層を有し、この場合において、両導波層の厚さは相違し、当該リッジの断面、好ましくは該リッジの幅は少なくとも一方のレーザミラーの方向へ先細りとされる。
【００３４】
好ましい実施例において、上記リッジの幅は少なくとも一方のレーザミラーの方向へ線形に先細りとされる。他の好ましい実施例において、該リッジの幅は少なくとも一方のレーザミラーの方向へ指数関数的に先細りとされる。
【００３５】
他の好ましい実施例において、上記リッジの幅は、０.５μｍから１０μｍまでの、好ましくは１.０μｍから７.０μｍまでの、特に好ましくは２.０μｍから４.０μｍまでの範囲内である。他の好ましい実施例において、少なくとも一方のレーザミラーにおける上記リッジの幅は、０ｎｍから１０００ｎｍまでの、好ましくは１００ｎｍから７００ｎｍまでの、特に好ましくは２００ｎｍから５００ｎｍまでの範囲内である。
【００３６】
特に好ましい実施例において、少なくとも一方のレーザミラーの方向への前記リッジの幅の先細りは、５０μｍから１０００μｍまでの、好ましくは１００μｍから６００μｍまでの、特に好ましくは２００μｍから４００μｍまでの範囲の長さにわたり生じる。
【００３７】
特に好ましい実施例において、前記リッジの幅は、両レーザミラーの方向に先細りとされる。
【００３８】
本発明の更なる態様によれば、潜在的な技術課題は請求項１８に記載の装置により解決される。一実施例において、該装置は、少なくとも１つの半導体基板と、該半導体基板上に配設された少なくとも１つの活性層と、該活性層より上に配設された少なくとも１つのリッジと、該リッジに隣接して上記活性層より上に配設された少なくとも１つの周期表面構造と、上記リッジ内に配設されると共に該リッジの屈折率より高い屈折率を持つ層とを有する、横結合を備えるＤＦＢレーザダイオードを有する。
【００３９】
高い屈折率を備えると共に上記リッジ内に埋め込まれた追加の層の結果、光強度分布は該層内において且つ該層の方向へと変形される。該変形された垂直強度分布は、上側導波層上に配設された周期表面構造に対するレーザモードの結合強度を変化させる。これにより、拡大された上側導波層に起因するレーザモードと周期表面構造との間の結合係数の低下を、少なくとも部分的に、補償することができる。リッジ内に埋め込まれた上記層は、高い屈折率を有し、従って当該レーザの他のパラメータの品質を大きく低下させることなくレーザミラー上の最大強度密度を減少させるための更なる自由度を提供する。
【００４０】
特に好ましい実施例は、前記リッジ内に配設されると共に屈折率が該リッジの屈折率よりも高い層を有する一方、前記活性層の下及び上に少なくとも１つの導波層を更に有し、これら両導波層の層厚さは相違する。
【００４１】
他の特に好ましい実施例は、前記リッジ内に配設されると共に屈折率が該リッジの屈折率よりも高い層を有し、当該リッジの断面、好ましくは該リッジの幅、は少なくとも一方のレーザミラーの方向に先細りとされる。
【００４２】
特に非常に好ましい実施例は、前記リッジ内に配設されると共に屈折率が該リッジの屈折率よりも高い層を有する一方、前記活性層の下及び上に配設された少なくとも１つの導波層を更に有し、これら両導波層の厚さは相違すると共に、当該導波器の断面、好ましくは幅、は少なくとも一方のレーザミラーの方向に先細りとされる。
【００４３】
特に好ましい実施例において、高い屈折率を有する上記層は、前記周期表面構造より上に配設される。
【００４４】
好ましい実施例において、前記高屈折率を有する層と前記リッジとの間の屈折率の差は、０.１０から０.４０までの、好ましくは０.１５から０.３５までの、特に好ましくは０.２０から０.３０までの範囲内である。この屈折率の差は、放出波長が９００ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲内である横結合を備えるＤＦＢレーザダイオードにとり特に有利である。異なる波長範囲で光を放出する半導体レーザを製造するために使用される他の材料系に対して、この屈折率の差は変化し得る。
【００４５】
本発明による装置の他の実施例は、従属請求項に記載されている。
【００４６】
後述する詳細な説明においては、本発明の現在のところ好ましい実施例が図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、レーザ空洞内で生成された放射に対する横結合のための周期表面構造を有するＤＦＢレーザダイオードの最も重要な層の概略図を示す。
【図２】図２は、従来技術による導波構造を備えた横結合を有するＤＦＢレーザダイオードに関する、レーザミラーの面内での正規化された表現でのシミュレーションされた二次元光強度分布を示す。
【図３】図３は、光子密度分布の最大点における図２の光強度分布の垂直切断図を示す。
【図４】図４は、図１〜３の横結合を有するＤＦＢレーザダイオードの光強度の横方向及び垂直方向の遠視野分布を示す。
【図５】図５は、横結合を有するＤＦＢレーザ構造の最も重要な層の概略図を示し、上側及び下側導波層は、各々、大きな厚さを有し、従って、大光空洞（ＬＯＣ）のタイプに構築されている。
【図６】図６は、図５による導波構造を備えた横結合を有するＤＦＢレーザダイオードに関する、レーザミラーの面内での正規化された表現でのシミュレーションされた二次元光強度分布を示す。
【図７】図７は、光子密度分布の最大点における図６による光強度分布の垂直切断図を示す。
【図８】図８は、従来技術による導波光構造を備える、及び活性層の上及び下に対称な厚さの導波層（対称ＬＯＣ）を備える、横結合を有するＤＦＢレーザダイオードのシミュレーションされた光強度の垂直方向遠視野分布を示す。
【図９】図９は、横結合を有するＤＦＢレーザ構造の最も重要な層の概略図を示し、下側導波層は上側導波層より大幅に大きな厚さを有し、従って非対称ＬＯＣを形成している。
【図１０】図１０は、図９の導波構造を備えた横結合を有するＤＦＢレーザダイオードに関する、レーザミラーの面内での正規化された表現でのシミュレーションされた二次元光強度分布を示す。
【図１１】図１１は、光子密度分布の最大点における図１０による光強度分布の垂直切断図を示す。
【図１２】図１２は、従来技術による導波光構造（図１）を備える、対称ＬＯＣ（図５）を備える、及び非対称ＬＯＣ（図９）を備える、横結合を有するＤＦＢレーザダイオードのシミュレーションされた光強度の垂直方向遠視野分布を示す。
【図１３】図１３は、図９の概要図を示し、周期格子構造より上のリッジ内に高屈折率の追加の層が埋め込まれている。
【図１４】図１４は、図１３による横結合を有するＤＦＢレーザダイオードに関する、１つのレーザミラーの面内での正規化された表現でのシミュレーションされた二次元光強度分布を示す。
【図１５】図１５は、光子密度分布の最大点における図１４のシミュレーションされた光強度分布の垂直切断図を示す。
【図１６】図１６は、図９の一部の概略図を示し、リッジが付加的にレーザミラーの方向への線形な先細りを有する。
【図１７】図１７は、図９の一部の概略図を示し、リッジが付加的にレーザミラーの方向への指数関数的な先細りを有する。
【図１８】図１８は、図９の導波構造及び図１７の先細りを備える、横結合を有するＤＦＢレーザダイオードに関する、レーザミラー上でのシミュレーションされた二次元光強度分布を正規化された表現で示す。
【図１９】図１９は、従来技術による導波光構造を備える（図１）、対称ＬＯＣを備える（図５）、非対称ＬＯＣを備える（図９）、及びリッジの先細りを備える（図１７）、横結合を有するＤＦＢレーザダイオードのシミュレーションされた光強度の垂直方向遠視野分布を示す。
【図２０】図２０は、図１８によるシミュレーションされた二次元光強度分布を示し、図１３によりリッジ内に高屈折率の層が付加的に埋め込まれている。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本発明による装置の好ましい実施例を詳細に説明する。
【００４９】
図１は、横結合を有するＤＦＢレーザダイオードを表す最も重要な層を概略図示している。異なる層が、エピタキシャル処理を用いて半導体基板１０上に堆積されている。半導体基板１０の材料系は、当該レーザダイオードの所望の波長により定められる。以下に詳細に説明する本発明が基づく原理は、青色（例えば、窒化ガリウム基板）から深赤外波長（例えば、アンチモン化ガリウム基板に基づくもの）の範囲の光を放出するレーザダイオードを製造するために、全ての既知の材料系に適用することができる。III／Ｖ化合物半導体に基づく基板とは別に、開示される原理は、II／ＶI半導体基板又は他の好適な基板に基づく横結合を備えるＤＦＢレーザダイオードにも適用することができる。以下の記載は、本発明の基となる原理を、GaAs/AlxGa(1-x)As（ガリウム砒素／アルミニウムガリウム砒素）なる材料系の横結合を備えるＤＦＢレーザダイオードに関して説明する。
【００５０】
最初に、厚い（ｄ≒１μｍ）下側クラッド層２０（図３参照）が基板１０上に堆積される。この層は、通常、良好な導電性を達成するために高度にドーピングされると共に、低屈折率をもたらすために大きな割合の（ｘ≒０.３）のアルミニウムを有する。簡略化のために、下側クラッド層２０無しとすることもできる。この場合、半導体基板１０が、下側クラッド層２０の機能を果たす。
【００５１】
下側クラッド層２０には下側導波層３０が続き、該下側導波層は、従来技術によれば、横結合を有するＤＦＢレーザダイオードに対しては２００ｎｍの範囲内の厚さを有する。下側導波層３０のアルミニウムの割合は、下側クラッド層２０のものと活性層４０のものとの間である。これにより、当該屈折率は、下側クラッド層２０の低い方の値と活性層４０の高い値との間にあるような数値を有する。
【００５２】
活性層４０は、少なくとも部分的な反転分布が可能であるような層である。この状態の結果、当該半導体材料の増幅帯域幅における反転分布が広がる領域内で非常に大きな自発性光子放出率が生じる。自発性放出により生成され、且つ、実質的に長手方向に放出される光子は、誘導放出による当該レーザミラー上での反射の結果として、増幅帯域幅の極大にある当該レーザ空洞の幾つかのモードのコヒーレントな光強度分布を形成する。横結合を有するＤＦＢレーザダイオードの場合、正味利得、即ち内部吸収により減じられた物質増幅（material amplification）の変調の結果、周期表面構造上での光子の周波数選択的吸収により当該レーザ空洞の単一の長手方向固有モードが選択される。
【００５３】
上記活性層は、アルミニウムの割合を有さないか又は大幅に減少されたアルミニウム割合（ｘ≦０.０５）を有する薄いバルク層（ｄ≒０.２μｍ）として構築することができる。横結合を有する近代的ＤＦＢレーザダイオードにおいては、活性層は、1以上の量子井戸又は1個若しくは複数の量子ドットの形態の非常に精細な追加構造を有する。中間赤外範囲（λ≧４μｍ）に対しては、燐化インジウム（ＩｎＰ）量子カスケードレーザを使用することができ、斯かるレーザは複数の薄いInAlAs/InGaAs周期を含む活性層を有する。更に、量子カスケードレーザは、ガリウム砒素又はアンチモン化ガリウム系に基づくものとすることもできる。
【００５４】
以下に詳細に説明する横結合を備えるGaAs/AlxGa(1-x)ＤＦＢレーザダイオードの活性層４０は、２つの量子井戸を有する。
【００５５】
横結合を有するＤＦＢレーザダイオードに関する従来技術によれば、上側導波層５０は、下側導波層３０と実質的に同一の厚さを有すると共に同一のアルミニウム割合を有する。下側導波層３０は電子を解放する元素によりドーピング（ｎドーピング）され得る一方、上側導波層５０は電子を収集する元素によりドーピング（ｐドーピング）することができる。下側導波層３０及び上側導波層５０のアルミニウム割合は、これら層の厚さにわたり一定とすることができる。しかしながら、導波層３０、５０のアルミニウム割合を活性層４０の方向に先細りさせることも可能である。この先細りの関数の進展は、線形に又はGRINSCH（傾斜屈折率分離閉じ込め ヘテロ構造）構造を有するように選択することができるか、又は如何なる任意の関数に適合させることもできる。
【００５６】
下側クラッド層２０と同様に、上側導波層５０には上側クラッド層６０が続く。下側クラッド層２０は、通常、ｎドープ型であるが、上側クラッド層６０は、通常、Ｐドープ型である。上側クラッド層６０及び下側クラッド層２０の厚さ、アルミニウム割合及びドーピングの量は、同等のものである。
【００５７】
薄い、非常に高くドーピングされたＧａＡｓ接触層８０の堆積により、横結合を有するＤＦＢレーザダイオードの製造のためのエピタキシャル工程は完了する。このように、横結合を有するＤＦＢレーザダイオードの製造のための半導体材料は、単一のエピタキシャル工程において製造される。
【００５８】
図１に示されるように、当該エピタキシャル工程が完了した後、レーザミラー９０、１００の間の上側クラッド層６０は、リッジの外側が小さな残りの厚さを除き単一エッチング工程により除去される。該上側クラッド層６０の残存する中央の部分が、リッジ（畝）７０を形成する。
【００５９】
先に既述したように、ファブリ・ペロ・レーザ空洞のスペクトルから単一固有モード選択するために、周期表面構造１１０が残存する上側クラッド層６０上にリッジ７０に隣接して付着される。必要なら、上側クラッド層６０と周期表面構造１１０との間にパシベーション（不動態化）層（図１には図示せず）を付着することも可能である。周期表面構造１１０は、リッジ７０の一方の側に又は図１に示されるようにリッジ７０の両側に配設することができる。周期表面構造１１０は、ストライプ状の格子構造として形成することができ、これらストライプはリッジ７０に対して垂直に延びることができる。該周期表面構造１１０のストライプは、レーザ放射を吸収する材料、好ましくは金属を有する。該ストライプの幾何学構造及び該周期表面構造１１０の材料の組成により、レーザ放射の吸収の量を調整することができる。
【００６０】
周期表面構造１１０は、リッジ７０の全長の一部に沿って延在することができる。他の例として、周期表面構造１１０はリッジ７０の全長に沿って延在することもできる。更に他の実施例では、周期表面構造及び活性層は、長手方向にではあるが、互いに空間的に分離されて配置することができる。
【００６１】
活性層４０は、下側導波層３０及び上側導波層５０よりも高い屈折率を有する。更に、導波層３０、５０の屈折率は、クラッド層２０、６０の屈折率よりも大きい。このような屈折率の分布の結果、積層体２０〜６０内で光子が案内される。
【００６２】
図２は、従来技術による導波構造及び横結合を有するＤＦＢレーザダイオードの結果としての、レーザミラー９０、１００の一方における光強度分布の横方向及び垂直方向の面内における二次元切断図を示す。この場合、該強度分布は、光子密度分布の最大点が１なる値を持つように正規化されている。最大強度点の周りの同心的曲線は、一定の光子密度の点を示している。最外側曲線の光強度の密度は、それでも、最大値の１２.５％に相当する。図２における中心の最大点と最外側曲線との間の光強度は、線形に変化する。このシミュレーションは、以下のシミュレーション結果の全てと同様に、疑似ベクトル的二次元モードソルバ（pseudo-vectorial two-dimensional mode solver）により達成された。
【００６３】
ここで説明する横結合を備えるGaAs/AlxGa(1-x)AsのＤＦＢレーザダイオードの場合、放出される電磁場のベクトルは横方向に見える。即ち、該放射はＴＥ（横電場：transverse electrical）偏光である。本発明による原理は、ＴＭ（横磁場：transverse magnetic）偏光の光を放出するレーザダイオードにも適用することができ、斯かるＴＭ偏光の光は、例えば、歪量子井戸を備える半導体レーザにより又は量子カスケードレーザにより生成することができる。
【００６４】
図３は、図２の光強度分布の最大点における垂直方向の一次元切断図を示す。図２から理解され得、且つ、図１の対称な導波構造から予測されるように、垂直方向の強度分布は薄い活性層４０に対して対称となっている。レーザモードの強度最大値は活性層４０内にあって、下側導波層３０及び上側導波層５０において急峻に減少し、これにより、当該強度の主要な部分は層２０、３０及び４０における導波領域内で案内される。しかしながら、下側クラッド層２０、上側クラッド層６０及びリッジ７０は、該光子分布の重要な尾部を各々案内する。
【００６５】
当該分布のピークにおける非常に高い光パワー密度は、レーザミラー９０、１００に対する非常に大きな負荷を示す。レーザミラー９０、１００が誘電体コーティングにより保護されていたとしても、該光パワー密度は、当該レーザ空洞からレーザミラー９０、１００を介して導出することが可能な最大パワーを制限することになる。
【００６６】
垂直電界の分布を特徴付ける量的尺度は、有効モード面積Ａeffである。ガウス関数に従う垂直電界分布、即ちＥＴ(ｒ)∝exp(−ｒ２／ｗ0２)、を有するレーザモードの場合、ｗ0と有効モード面積Ａeffとの間の関係は、Ａeff＝π・ｗ0２となる。図２及び３に図示した従来技術による横結合を備えるＧａＡｓのＤＦＢレーザダイオードの強度分布の場合、有効モード面積はＡeff＝０.７８μｍ２となる。
【００６７】
図４は、図２の二次元光強度分布の横方向及び垂直方向の遠視野分布を示している。図２から理解されるように、横方向の光子密度分布は垂直方向より大幅に広がっている。レーザミラー９０、１００からのレーザモードの放射は実質的に回折制限されて生じるので、レーザミラー９０、１００上での非対称な光強度分布は、横方向及び垂直方向における放出された光の強く異なる発散角度により反映される。この放射プロファイルを収束させるためには、複雑で多部品の光学系が必要とされる。それにも拘わらず、光ファイバ等の回転対称性を備えるエレメントに対しては、非常に大きな角度における強度分布の尾部により結合効率が制限される。
【００６８】
図５は、図１の積層体を示し、この場合、下側導波層３０及び上側導波層５０の厚さは約０.２μｍから約１.０μｍへと各々増加され、かくして、両導波層３０、５０が所謂ＬＯＣ（大光空洞）を構築するようにしている。更に詳細には、両導波層３０、５０は同じ厚さを有しているので、これは対称なＬＯＣである。横結合を備える該ＤＦＢレーザダイオードの残りの組み立て部は図１に対して変更されていない。既述したように、該対称ＬＯＣの導波層３０、５０のアルミニウム割合は、当該層の厚さにわたり一定とすることができるか、又は、前述したように、アルミニウム割合を活性層４０の方向に向かって減少されるようにすることもできる。
【００６９】
図６は、横結合及び対称ＬＯＣの形状を有する導波層構造を備えるＤＦＢレーザダイオードに対して測定され得る、レーザミラー９０、１００の面におけるシミュレーションされた光強度分布の二次元切断図を示す。図２及び６を比較することにより、対称ＬＯＣによって横方向及び垂直方向の光子密度分布の非対称性が明らかに減少されることが直接分かる。これは、実質的に、垂直方向のレーザモードの明確な拡幅の結果である。従来技術に対して大幅に増加された８.６３μｍ２なる有効モード面積も、この関係を反映している。
【００７０】
この結論は、図７によっても支持される。図７は、図６の光強度分布の最大点における垂直方向の一次元切断図を示す。図７は、本質的に、２つの結果を与える。即ち、図３と比較して、光パワー密度の最大値は、より低く、Ａeffは０.７８μｍ２から８.６３μｍ２に増加されている。更に、レーザモードは、導波層３０、５０内で略完全に案内されている。
【００７１】
従来技術による横結合を有するＤＦＢレーザダイオードと対称ＬＯＣを備えるものとの間の１０より大きな因数による最大光パワー密度のピークの低下により、レーザミラー９０、１００に対する負荷は、それに応じて、低下される。このように、所与の最大光パワー密度において、当該レーザ空洞から導出することが可能な光出力は、ＣＯＤによる横結合を有するＤＦＢレーザダイオードの寿命の制限となるようなレーザミラー９０、１００の加齢作用を開始させることなく、増加することができる。
【００７２】
図８は、図３及び図７の光強度分布の垂直方向の遠視野分布を、互いに隣り合わせで比較している。発散角の半値全幅は、従来技術と比較して半分に削減されている。これにより、横結合を有する当該ＤＦＢレーザダイオードの遠視野における横方向及び垂直方向における放射分布の非対称性も半分に削減されている。このことは、当該放射プロファイルの、例えば光ファイバへの結合を簡単にすると同時に、結合効率を増加させる。何故なら、非常に大きな発散角においては、当該放射の如何なる部分も存在しないからである。
【００７３】
図６及び７から分かるように、図５の対称ＬＯＣ構造は、厚い上側導波層５０により周期格子構造１１０に対するレーザモードの結合が劇的に低下されるという重大な欠点を有している。このことは、活性層４０の材料の増幅帯域幅内にある当該レーザ空洞の不所望な固有モードの抑圧が明らかに低下されるか、又は完全に失われることを意味する。この場合、横結合を備える該ＤＦＢレーザダイオードは、最早、ＤＦＢレーザとしては作用せず、異なる波長の幾つかの固有振動で光を放出するようなファブリー・ペロ・レーザダイオードとして作用する。
【００７４】
この問題は、上側導波層５０を非常に薄くすることにより解決することができる。これにより、該上側導波層の厚さは、従来技術から既知のものよりも小さくすることができる（ｄ≦０.１μｍ）。しかしながら、下側導波層３０は、図５に見られるように、自身の厚さ（ｄ≒１.０μｍ）を維持する。他の例として、下側導波層３０の厚さは、図５の完全な対称ＬＯＣの厚さを実質的に有するように、拡大することもできる（ｄ≒２.５μｍ）。また、下側導波層３０の厚さは、両代替例の間の全ての他の値をとることもできる。アルミニウムの割合、従って屈折率も、既述したように層の厚さにわたり一定とすることができるか、又は変化するようにすることができる。
【００７５】
図９は図５の積層体を示すが、この場合、導波層３０、５０の厚さは、高度に非対称なＬＯＣを形成するように、上側導波層５０に対しては約１.０μｍから約２５ｎｍに減少される一方、下側導波層３０の厚さは約１.０μｍから約２.５μｍへと増加されている。図９の横結合を有するＤＦＢレーザダイオードは、図５と比較して、それ以上の変更は有していない。
【００７６】
図１０は、横結合及び非対称ＬＯＣの形態の導波層構造を有するＤＦＢレーザダイオードに対して形成される、レーザミラー９０、１００の面におけるシミュレーションされた光強度分布の二次元切断図を示す。非対称ＬＯＣの結果、活性層４０により非対称な垂直方向の光強度分布が生じる。この構造の有効モード面積は０.６３μｍ２であり、従って、従来技術によるＤＦＢレーザダイオードのもの（Ａeff＝０.７８μｍ２）より小さい。このことは、選択された非対称ＬＯＣにおける従来技術から既知の厚さを越えた上側導波層５０の厚さの減少は、有効モード面積の点で、対称ＬＯＣの状態を超えて下側導波層３０の厚さを更に増加させることによっては補償され得ないことを意味する。図６及び１０の比較は、非対称ＬＯＣに対してリッジの範囲内で案内される光強度の寄与度が、図６の対称ＬＯＣに対してよりも大幅に大きいことを明らかに示している。周期格子構造１１０に対するレーザ放射の過度に低い結合という前述した問題を、非対称ＬＯＣは大いに回避する。
【００７７】
図１１は、光強度の最大点における垂直方向の切断図を示す。当該光パワー密度の最高値は、依然として、活性層４０内に位置している。しかしながら、垂直方向の分布は明らかに非対称であり、当該光放射の主要部は下側導波層３０内で案内されている。下側クラッド層２０における放射部分は小さい。上側導波層５０は極めて薄いので、該層は光子密度の極めて大きな勾配を有する。上側クラッド層６０又はリッジ７０は、当該放射のかなりの部分を伝達する当該強度分布の尾部を案内する。既述したように、該非対称ＬＯＣは、従来技術による横結合を有するＤＦＢレーザダイオード（Ａeff＝０.７８μｍ２）と比較して、有効モード面積を低下させる（Ａeff＝０.６３μｍ２）。
【００７８】
図１２は、図３、７及び１１の光強度分布の垂直方向の遠視野分布を互いに隣り合わせで比較している。対称なＬＯＣ及び強く非対称なＬＯＣの発散角の半値全幅は略同一である。何故なら、両分布は５０％より上の発散角に対して同一の特性を示すからである。しかしながら、非対称ＬＯＣ内で案内されるレーザモードの強度分布は、対称ＬＯＣの強度分布よりも広い尾部を示す。
【００７９】
図１０及び１１から分かるように、当該レーザモードのうちの上側クラッド層において案内される割合は、対称ＬＯＣと比較して明らかに増加し、これは非対称ＬＯＣによるものである。このことは、当該レーザモードの周期表面構造１１０との或る程度の重なりを可能にし、これは横結合の機能にとり必要である。当該レーザモードの周期表面構造１１０との結合強度に影響を与えるための追加の可能性は、リッジ７０内で、且つ、周期表面構造１１０より上に高屈折率の薄い層１２０を形成するというものである。図１３に、斯様な層が示されている。他の点では、図１３は非対称ＬＯＣを示す図９と同一である。
【００８０】
図１４は、図１０に示したような、レーザミラー９０、１００の面内でのシミュレーションされた光強度分布の二次元切断図を示し、この場合、高屈折率の追加の層１２０が、図９に示したリッジ７０内で実施化されている。この層１２０により、光強度分布は下側導波層３０から上側クラッド層６０へと僅かに変位される。図１０と図１４との比較から分かるように、高屈折率を持つ層１２０は、非対称ＬＯＣの既に小さな有効モード面積（Ａeff＝０.６３μｍ２）を更に減少させる。周期表面構造１１０より上の上側クラッド層６０内に高屈折率を持つ層１２０（図１３）を有する図１４の非対称ＬＯＣの有効モード面積は、０.４３μｍ２である。
【００８１】
図１５の垂直方向強度密度の一次元切断図から分かるように、高屈折率を持つ層１２０の結果、リッジ７０の範囲内の光パワー密度が僅かに増加する。更に、高屈折率の層１２０の領域内に、略一定な光パワー密度の小さな平坦部が形成される。これは、周期表面構造１１０に対する当該レーザモードの結合を、残りの光強度分布に著しく影響を及ぼすことなく改善する。これにより、非対称ＬＯＣに対する周期表面構造の結合定数を改善することが特に可能となる。しかしながら、リッジ７０内に高屈折率の薄い層１２０を用いることは、非対称ＬＯＣ構造に限定されるものではない。この層は、従来技術による横結合を有するＤＦＢレーザダイオードにも、及び対称ＬＯＣを有する斯様なレーザダイオードにも適用することができる。
【００８２】
高屈折率を備える層１２０は、ＤＦＢレーザダイオードの製造において発生し得る他の問題も克服又は少なくとも明確に減少させることができる。リッジの外側の上側クラッド層６０を除去する際に、該上側カバー層６０を除去するために使用されるエッチング処理の変動により、リッジ７０の外側に上側クラッド層６０の異なる残留厚さが生じる可能性があり得る。図３及び１１に示されるように、この領域においては光強度分布の尾部が大きく変化する。高屈折率の斯様な層１２０は、周期表面構造１１０に対する結合定数の変化を少なくとも部分的に補償するために使用することができる。
【００８３】
図12から分かるように、図９及び１３の非対称ＬＯＣは大きな発散角に対して対称ＬＯＣよりも大きな強度の割合を有している。従来から既知の通常の構造の垂直方向の遠視野と比較して、当該遠視野は極めて発散性が小さく、かくして、光学デバイスへの簡単な結合が可能となる。
【００８４】
対称ＬＯＣ構造（図５）を除き、図３、７、１１及び１５に示された強度分布のピークにおける依然として非常に大きな最大光パワー密度が問題を提起する。この相関関係の量的原因は、今までに説明した導波構造の有効モード面積である。図１６及び１７は、この問題を如何にして解決することができるかの可能性を示している。
【００８５】
図１６は図９の非対称ＬＯＣ構造の一部を示すが、ここでは、リッジ７０がレーザミラー９０、１００の方向に線形に先細りと（テーパ付け）されている。図１７では、リッジ７０の幅の該先細りが、指数関数に従っている。これらの図の両者は、リッジ７０の先細りの単なる例を示している。リッジ７０は、如何なる任意の非線形関数に従って、又は例えばステップ状に先細りとすることもできる。更に、リッジ７０の幅は一方の側においてのみ先細りとされることもできる。従って、図１６及び１７に示されるように、リッジの長軸に対して対称に先細りとする代わりに、リッジ７０の両側に非対称な先細りを構築することも可能であり、その場合、両側の先細りは同一の又は異なる関数依存性に従うことができる。
【００８６】
リッジの斯かる先細りは、レーザミラー９０若しくは１００の方向においてとすることもでき、又は両レーザミラー９０及び１００の方向におけるものとすることもできる。これにより、斯かる先細りは、両レーザミラー９０、１００の方向において等しく又は異なるように実行することができる。
【００８７】
接触層８０の金属化部は、リッジ７０の幅が変化する全範囲にわたって延在することができる。他の例として、接触層８０の金属化部はリッジ７０の幅が変化する範囲の一部にわたり延在することができるか、又は該接触層８０の金属化部はリッジ７０の幅が変化される範囲にわたっては延在しないようにする。更に、リッジ７０の幅にわたる接触層８０の電気メッキが、リッジ７０の幅の先細りが開始する位置で中断されることも考えられる。
【００８８】
図１６及び１７は、上記先細り領域においては周期表面構造１１０を有さない。しかしながら、周期表面構造１１０は、該先細りの範囲へと延びることもできる。これにより、該構造の周期性をリッジ７０の各幅に適合させることができる。代わりに、当該リッジの幅が一定である範囲の周期を、先細り領域内へと維持することもできる。
【００８９】
図１６及び１７に示すようなリッジ７０の幅の減少の代わりに、同一の結果を達成するためにリッジ７０の高さを減少させることも可能である。更に、リッジの幅の先細りと、リッジの高さの減少との組み合わせを有利に使用することもできる。
【００９０】
リッジ７０の先細りを、非対称ＬＯＣの関連において説明した。しかしながら、ＬＯＣが、必ずしもリッジの幅の先細りに関するものであるとは限らない。この原理は、従来技術によるＤＦＢレーザダイオードに対しても適用することができる。
【００９１】
図１８は、非対称ＬＯＣ及び図１６又は１７によるリッジ７０の先細りを備える横結合を有するＤＦＢレーザダイオードから得られる、レーザミラー９０、１００の面内でのシミュレーションされた光強度分布における二次元切断図を示す。リッジ７０の幅は、約２.０μｍからレーザミラー９０、１００上における約０.３μｍまで減少された。一般的に、リッジ７０は、該リッジの幅が当該半導体材料において放出される放射の数波長に対応するように構成される。当該先細りの端部において、リッジ７０の幅は、大凡、当該レーザ空洞におけるレーザ光の波長まで減少される。
【００９２】
レーザモードは、リッジ７０内での収縮を下方に逃れて、レーザミラー上では実質的に全下側導波層３０を占領する。有効モード面積は、リッジ７０の先細りにより、非対称ＬＯＣと比較して約１７なる因数によりＡeff＝１０.７４μｍ２まで増加された。特に、先細り非対称ＬＯＣの有効モード面積は、対称ＬＯＣの有効モード面積（Ａeff＝８.６３μｍ２）より大きい。従来技術による横結合を有するＤＦＢレーザダイオード（Ａeff＝０.７８μｍ２）と比較して、非対称ＬＯＣ及び先細りを備える横結合を有するＤＦＢレーザダイオードは、約１４倍大きな有効モード面積を有する。レーザミラー９０におけるレーザモードの劇的な拡大により、最大光パワー密度は約1桁の大きさ減少される。このことは、レーザミラー９０、１００から導出することが可能な光出力の対応する増加を可能にする。
【００９３】
図１９は、従来技術による（図１）、対称ＬＯＣを備えた（図５）、非対称ＬＯＣを備えた（図９）、並びに非対称ＬＯＣ及びリッジ７０の付加的な先細りを備えた（図１６及び１７）横結合を有するＤＦＢレーザダイオードの光強度分布の垂直方向の遠視野分布を互いに比較して示している。先細りを備える非対称ＬＯＣの発散角の半値全幅は、ここでも、対称ＬＯＣの発散角より小さい。このように、追加の先細りを備える非対称ＬＯＣの横方向及び垂直方向遠視野分布の発散角は、実質的に揃えられている。従って、導出することが可能で、且つ、リッジ７０の先細りにより大幅に増加されている光出力は、光ファイバ等の回転対称な光学エレメントに、大きな労力なく且つ高い効率で導入することができる。
【００９４】
図１４及び１５に関連して既述したように、リッジ７０内で周期格子構造１１０より上の高屈折率を持つ薄い層１２０は、当該周期構造１１０へのレーザモードの結合を増加させ、これにより望ましくない固有モードの抑圧さを増加させることを可能にする。図２０は、図１８のレーザミラー９０、１００の面におけるシミュレーションされた光強度分布の二次元切断図を示し、この場合、高屈折率を持つ層１２０がリッジ７０内に追加的に実施化されている。図１８と図２０との比較から、この層１２０の結果として、リッジ７０の範囲内及び該リッジの両側において光強度が或る程度増加することが分かる。先細りを備える非対称ＬＯＣと比較すると共に、モード面積の減少に関して表した場合、レーザミラー９０、１００上での当該強度分布の悪化は、Ａeff＝９.９６μｍ２へと、８％未満の減少を示す。リッジ７０の先細りを備える非対称ＬＯＣと高屈折率の層１２０との組み合わせは、レーザモードと周期表面構造１１０との間の十分な結合効率及び大きな有効モード面積を同時に達成する。最後に述べた量の大きな値は、レーザミラー９０、１００の一方に関して導出することが可能な大きな光出力にとり必須の要件である。
【００９５】
レーザモードのずれ及び広がりは、リッジ７０が先細りされる範囲内でのみ生じる。図２及び３、図１０及び１１、並びに図１４及び１５から分かるように、レーザ空洞の中心において達成される強度分布は、活性層４０の範囲内に強度の最大点を有する。下記の表１から分かるように、選択された非対称ＬＯＣ及び高屈折率の層１２０を備える非対称ＬＯＣの有効モード面積は、従来技術による横結合を有するＤＦＢレーザダイオードのものより小さい。従って、レーザ空洞の中心における活性層４０の増幅領域内へのレーザモードの閉じ込め係数は、目立って変化されることはない。これにより、本発明による原理の何れも、横結合を備えるＤＦＢレーザダイオードの重要なパラメータを大きく変化させることはない。
【００９６】
下記の表は、本発明の上述した原理における有効モード面積を要約している。
【００９７】
【表１】
0005717726.tif 000002
下記の表には、非対称ＬＯＣ及び高屈折率を持つ層１２０なる本発明の両原理をエピタキシャル処理で実現する、横結合を有するGaAs/AlxGa(1-x)AsのＤＦＢレーザダイオードの例示的積層体が示されている。
【００９８】
【表２】
0005717726.tif 000003
【図１】
0005717726.tif 000004
【図２】
0005717726.tif 000005
【図３】
0005717726.tif 000006
【図４】
0005717726.tif 000007
【図５】
0005717726.tif 000008
【図６】
0005717726.tif 000009
【図７】
0005717726.tif 000010
【図８】
0005717726.tif 000011
【図９】
0005717726.tif 000012
【図１０】
0005717726.tif 000013
【図１１】
0005717726.tif 000014
【図１２】
0005717726.tif 000015
【図１３】
0005717726.tif 000016
【図１４】
0005717726.tif 000017
【図１５】
0005717726.tif 000018
【図１６】
0005717726.tif 000019
【図１７】
0005717726.tif 000020
【図１８】
0005717726.tif 000021
【図１９】
0005717726.tif 000022
【図２０】
0005717726.tif 000023