(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域に前端面および後端面を有するリッジ導波路を備える半導体レーザ・ダイオードであって、該半導体の本体が、前記両端面の間に延びる、
実質的に一定の第一の断面を持ち、前記前端面を一端に持つ第一の直線セグメントである第一端部セグメントと、
前記第一の直線セグメントの前記前端面とは反対側の自由端から延び、断面が前記第一の断面より小さい第二の断面へと減少し、長さが前記レーザ・ダイオードの３０〜６０％である第一のフレアセグメントと、
前記第一のフレアセグメントの自由端から延び、前記第二の断面と等しくて実質的に一定である断面を持ち、長さが前記レーザ・ダイオードの４０〜７０％である、中央セグメントとしての第二の直線セグメントと、
前記中央セグメントの自由端から延び、断面が前記第二の断面より大きい第三の断面へ増加し、長さが前記レーザ・ダイオードの最大１０％である、第二のフレアセグメントと、
前記第二のフレアセグメントの自由端から延び、前記第三の断面と等しくて実質的に一定である断面を持ち、前記レーザ・ダイオードの後端面を一端に持つ第三の直線セグメントである第二端部セグメント
からなり、前記第一の直線セグメントと前記第二の直線セグメントが、同じ断面を有しており、前記二つの端面が同一であり、複数のレーザの共通の製造を可能にしている半導体レーザ・ダイオード。
【請求項２】
前記２つの端部セグメントが、実質的に同じ長さを有している請求項１に記載のレーザ・ダイオード。
【請求項３】
前記リッジ導波路が、自身の長さに沿って本質的に一定の厚さを備えつつ自身の長手軸に沿って対称に構成されており、前記広がりおよび前記異なる断面が、前記リッジ導波路の幅の変化によってもたらされている請求項１または２のいずれかに記載のレーザ・ダイオード。
【請求項４】
前記中央セグメントが第１の幅を有し、前記広げられた端部セグメントが第２の幅を有し、該第２の幅が前記第１の幅の約２倍である請求項３に記載のレーザ・ダイオード。
【請求項５】
前記中央セグメントが少なくとも３μｍの幅であり、前記端部セグメントが少なくとも６μｍの幅であり、したがって前記中央セグメントと前記端部セグメントを接続している前記テーパ付きセグメントが、少なくとも３〜６μｍの間の幅である請求項３または４に記載のレーザ・ダイオード。
【請求項６】
少なくとも１つの端部セグメントが、レーザ・ダイオードの全長の最大５％の長さを有する請求項１から７のいずれかに記載のレーザ・ダイオード。
【請求項７】
前端面および後端面を有するリッジ導波路を、活性領域に備える高出力リッジ導波路型レーザ・ダイオードで、
実質的に一定の第一の断面を持ち、長さが前記レーザ・ダイオードの最大１０％であり、前記前端面を一端に持つ第一の直線セグメントである第一端部セグメントと、
前記第一の直線セグメントの前記前端面とは反対側の自由端から延び、断面が前記第一の断面より小さい第二の断面へと減少し、長さが前記レーザ・ダイオードの３０〜６０％である第一のフレアセグメントと、
前記第一のフレアセグメントの自由端から延び、前記第二の断面と等しくて実質的に一定である断面を持ち、長さが前記レーザ・ダイオードの４０〜７０％である、中央セグメントとしての第二の直線セグメントと、
前記中央セグメントの自由端から延び、断面が前記第二の断面より大きい第三の断面へ増加し、長さが前記レーザ・ダイオードの最大１０％である、第二のフレアセグメントと、
前記第二のフレアセグメントの自由端から延び、前記第三の断面と等しくて実質的に一定である断面を持ち、長さが前記レーザ・ダイオードの最大１０％であり、前記レーザ・ダイオードの後端面を一端に持つ第三の直線セグメントである第二端部セグメント
とを持ち、前記第一及び第三の直線セグメント及び前記両端面が鏡像を構成する同一の断面を有することによって、ストライプ様の製造と引き続くレーザ・ダイオードの分割を可能にしていることを特徴とするレーザ・ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ・ダイオードに関し、とくに、高出力なＡｌＧａＡｓベースのレーザ・ダイオードに関する。そのようなレーザ・ダイオードは、オプトエレクトロニクスにおいて広く用いられ、例えばエルビウム添加ファイバ増幅器など、光通信の分野におけるファイバ増幅器のためのいわゆるポンプ・レーザとして頻繁に使用されている。具体的には、リッジ導波路型レーザ・ダイオードが、所与の周波数帯において安定した光出力で所望の狭バンド幅の光放射をもたらすために適している。当然ながら、そのようなレーザ・ダイオードの出力および安定性は、重大な関心事である。本発明は、とくにリッジ導波路の構造および設計について改良がなされたレーザ・ダイオードに関し、さらに、そのようなレーザ・ダイオードの製造プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
上述の形式の半導体レーザ・ダイオードは、とくにそのようなレーザを、光学手段によって光信号を直接増幅するために使用することができるため、光通信の技術において重要な構成部品となってきている。これにより、全光ファイバ通信システムが設計可能になり、送信すべき信号の複雑な変換を避けることができ、そのようなシステムにおける速度ならびに信頼性を向上させることができる。
【０００３】
或る種類の光ファイバ通信システムにおいては、レーザ・ダイオードが、エルビウム添加ファイバ増幅器いわゆるＥＤＦＡをポンプするために使用されるが、ＥＤＦＡについては、当業者にとって公知の種々の特許明細書および文献に記載されている。いくつかの技術的重要性の一例は、１５０ｍＷ以上の出力を有し、波長がエルビウムの吸収線と合致して雑音の少ない増幅を実現するリッジ導波路型レーザ・ダイオードである。いくつかのレーザ・ダイオードがこの目的を十分に果たすことが見出されており、かなりの数が今日使用されている。しかしながら、本発明は、そのようなレーザ・ダイオードには決して限定されず、あらゆるリッジ導波路型レーザ・ダイオードに適用可能である。
【０００４】
一般に、ファイバ増幅器の用途に使用されるレーザ・ダイオード・ポンプ源は、単一モード・ファイバへの効率的な接続のため単一横モードで動作し、多くの場合、多重縦モード・レーザすなわちファブリ・ペロー・レーザである。通常、エルビウム増幅器のためには、エルビウムの吸収波長に対応し、１４８０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰおよび９８０ｎｍ近辺のひずみ量子井戸ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓレーザ・ダイオードという２つのタイプが主に使用される。
【０００５】
上述したタイプの半導体レーザ・ダイオードは、多くの問題をかかえている。とくに重要な問題の１つは、縦および横単一モード半導体レーザ・ダイオードの動作光出力が大きくなるにつれ、使用可能な光出力の最大値が制限されるという点である。これは、さまざまな理由によるものと考えられている。
・ゼロ次モードと高次モードのコヒーレント結合ゆえの限られた線形出力。
・オーム加熱による熱ロールオーバ、すなわち光出力効率の低下。過剰な加熱が、レーザ・ダイオード・ヘテロ障壁を越えるキャリア漏れの劇的な増加につながる。結果として、温度が上昇するにつれ光出力が低下する。
・いわゆるＣＯＤとして知られる光学ミラーの致命的損傷。
【０００６】
これら限界／損傷は、或る出力レベルにおいて生じると考えられ、例えば屈折率ｎが自由キャリア密度Ｎｅ，ｐおよび温度Ｔによって決まる（ｎ＝ｎ（Ｎｅ，Ｎｐ，Ｔ））ため空間的なホール・バーニングおよびオーム加熱が屈折率の局所的増加を引き起こす可能性があるなど、導波路における熱的およびオプトエレクトロニクス的影響の増大によって引き起こされると考えられている。端面放射単一モード導波路レーザ・ダイオードにおいては、典型的には、光強度が前面に向かって増加する。通常、前面は鏡面コーティングゆえ後面に比べて反射率が小さい。前面のコーティングが０．１％と１０％の間の反射率を有する一方、後面のコーティングは７０％と１００％の間の反射率を有する。
【０００７】
したがって、上述の損傷を防止し限界を克服するための方法が求められている。半導体レーザ・ダイオードの光出力を向上させる試みの１つが、ラング（Ｌａｎｇ）らの米国特許第６０１４３９６号明細書に記載されている。ラングらは、リッジ導波路の断面を前端面および後端面に向かって同じ開口までわずかに広げる方法を開示している。これにより、標準的な狭ストライプの装置に比べ直列抵抗が低下すると報告されている。さらに、前面および後面ミラーの非対称ミラー・コーティングによってパワー密度が増加し、ラテラル・ゲイン・レジームが増加する。空間的なホール・バーニングの影響が、標準的な狭ストライプのリッジ導波路と比べて小さくなると報告されている。
【０００８】
しかしながら、ラングらによって提案された設計は、レーザ・ダイオードのようなリッジ導波路についてのすべての観点から、満足できるものではない。ラングらは、導波路を２０〜５０μｍへと広げることを提案しているが、幅が６〜７μｍよりも大きい標準的な単一モード・レーザは、とくに光フィードバックすなわちファイバ・ブラッグ・グレーティングが導入された場合、動作体制内の横単一モード動作に関し不安定であることが知られている。また、ラングらは、断面の異なる面すなわち開口を使用することを提案している。これは、レーザ・ダイオードが組になって対称にウエハ上に位置する製造プロセスを必要とする。換言すれば、リッジ導波路の後部が直線であり、前方領域がフレア状である場合、製造プロセスにおけるチップのパターンは、隣接するレーザ・ダイオードが向かい合わせで配置されるように設計される。しかしながら、この配置は、チップの取り扱い、レーザ・ダイオードの特性、および信頼性における問題につながり、かなり煩わしい。すべてのレーザ・ダイオードが同じ方向を向いているプロセスが、レーザ・ダイオードなどのリッジ導波路の実現のために、はるかに好ましいことは明らかである。
【０００９】
したがって、本発明の大きな目的は、高出力レーザ・ダイオードの上述の問題を避けることができ、詳しくは、あらゆる動作状況下で安定かつ高出力を提供でき、そのようなレーザ・ダイオードに充分な長寿命をもたらすことができる高出力リッジ導波路のための信頼できる設計を導出することにある。
【００１０】
本発明のより特定の目的は、導波路の端部の１つへと向かう少なくとも１つの特有のテーパ付きのセグメントすなわちフレア部を備えるリッジ導波路型レーザ・ダイオードを提供し、所望の安定な高出力をもたらすことにある。
【００１１】
本発明のさらなる主な目的は、新規なリッジ導波路型レーザ・ダイオードのための好都合かつ経済的な製造方法を提供し、そのようなレーザ・ダイオードの信頼できる大量生産を可能にすることにある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
原理的には、本発明は、リッジ導波路を特定のやり方で成形することによって対象となるリッジ導波路型レーザ・ダイオードを改良する。焦点は、前端面および／または後端面に向かって広がり、すなわちフレア状をなす導波路の特別な構成にある。光出力を改善するため、リッジ導波路の断面が、前端面および／または後端面に向かって、好ましくは同じ開口になるようごくわずかに広げられる。これにより、有効接触面積を標準的な狭ストライプ・ダイオード・レーザとくらべて大きくしても、標準的な狭ストライプ・ダイオード・レーザとくらべ、直列抵抗を小さくできる。さらに、ラテラル・ゲイン・レジームが増加してパワー密度が向上する。標準的なリッジ導波路型レーザ・ダイオードにおいては、増幅が低い出力レベルで局所的に飽和するのに対し、前端面に向かうラテラル・インデュースド・ゲイン領域ゆえ、ビームをさらに増幅することができる。このように、標準的な狭ストライプ導波路にくらべ、空間的なホール・バーニングの影響が低減される。
【００１３】
本質的に、この新規な導波路設計は、「長手方向屈折率管理」（ＬＩＭ）と表現することができる。ＬＩＭは、以下をもたらす。
１．導波路の広がりは通常のフレア型レーザ構造と比べて小さく、通常は１０μｍ未満であり、
２．前端部および後端部が、局所的に直線導波路形状で終わっており、本質的に標準の「狭ストライプ」製造プロセスが利用でき、さらに
３．好ましくは前端部および後端部が、同じ開口幅または断面を有している。
【００１４】
さらに、上記特徴を備えたフレア状すなわちテーパ付きのリッジ導波路設計を実現するため、とくにはこれを本質的に標準的な製造プロセスを用いて実現するため、新規なリソグラフィック・パターンが設計された。これについては、以下でさらに説明する。
【００１５】
要約すると、本発明は、前端面および後端面を有するリッジ導波路を活性領域に有する半導体レーザ・ダイオードに関する。このリッジ導波路は、その縦軸方向に沿って複数の異なったセグメントを含む導波路であって、
実質的に一定の第１断面を備えた中央セグメント
前記両端面に向かって拡がるわずかにテーパのついた２つのセグメント
実質的に一定の第２の断面、即ち端面の断面または開口を備えた端面に近い２つの終端セグメント
の少なくとも３つの区別可能なセグメントからなる。
【００１６】
言い換えると、リッジ導波路はリッジに沿って中央部から広がる、２つのテーパ付きのセグメントを有している。第１のセグメントは導波路の前端面に向かって広がり、第２のセグメントは後端面に向かって広がっている。リッジ導波路はさらに２つの終端セグメントを有し、それぞれ１つずつが各端面に関連している。
【００１７】
２つの終端セグメントは同じ断面を、すなわち関連する開口を有しており、つまり前端面及び後部又は後端面が実質的に同一である。これにより、以下に述べるようなレーザー・ダイオードのストライプ様製造を可能にする。
【００１８】
通常、２つのテーパ付き、またはフレアードセグメントは異なった長さを有し、特に第１のテーパ付きセグメントは第２のテーパ付きセグメントより長く、それらは好ましくは同じ断面を有している。２つの終端セグメントは実質的に同じ長さを有しているがこれは必ずしも必要ではない。セグメントのサイズは添付されている請求項に記載されている。
【００１９】
また通常、リッジ導波路はその全体に渡って本質的に一定の厚さで対称的な構造をしており、広がりや異なった断面はリッジ導波路の幅を変更することによって実現される。好ましくは、中央セグメントは第１の幅、即ち３μｍ幅で終端セグメントはその２倍即ち６μｍである。
【００２０】
換言すると、リッジ導波路が、実質的に一定の第１の断面を有する長さの長い中央セグメント、両端面の一方に向かって広がる少なくとも１つのフレア状のセグメント、および、このテーパ付きのセグメントと前記両端面の間に位置し、前記第１の断面よりも大きくかつ実質的に一定である第２の断面を有する少なくとも１つの短い端部セグメントを有している。好ましくは、リッジ導波路が、前記中央セグメントから前記両端面に向かって反対方向に延びて広がって前記長い中央セグメントを前記短い端部セグメントへと連続的に接続する２つのフレア状セグメントを有している。
【００２１】
両端面が鏡像を構成する同一の断面を有している高出力リッジ導波路型レーザ・ダイオードの新規な製造方法は、リッジ導波路のフレア状すなわちテーパ付きの構造にもかかわらず、ストライプ様の製造と引き続くレーザ・ダイオードの分割を可能にする。これは、フレア状の設計においては今まで不可能であった。
【００２２】
本発明に従って構成したリッジ導波路型レーザ・ダイオードは、従来技術のレーザ・ダイオードに対し、とくに長期にわたる安定性および信頼性に関し、きわめて大きな改善を示す。
【００２３】
この大きな改善は、中央の直線状のセグメントによってビームの安定性を与えつつ、主に、増加した接触面積にわたって電流の注入を可能にする広い端部セグメントによってもたらされたものと考えられる。
【００２４】
さらなる本質的な改善を、ＬＩＭ設計手法を「非ポンプ端末部」と称され同時係属中の「高出力半導体レーザ・ダイオード（Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）」という名称の米国特許出願第０９／８５２９９４号に記載されているダイオード・レーザの設計と組み合わせることによって達成できる。この米国特許出願は、ここでの言及によって本明細書に組み入れられたものとする。ＬＩＭ‐「非ポンプ端末部」の組み合わせは、ポンプ・レーザ・デバイスの信頼性をさらに向上させる。理由は、デバイスの劣化を引き起こすであろうと考えられる電流密度が、損傷しやすいレーザの前端部および後端部において局所的に低減されるからである。
【００２５】
好都合なことに、この改善は、製造上の複雑性をほとんど増加させなくて済み、従来からの製造設備を使用でき、通常の製造プロセスを適用することができる。さらに、レーザ・ダイオード自身も、以前と同じ寸法を有しており、全体構成の変更や組み込みにおける問題を避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を、構造および製造プロセスの両方について、図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は、以下に詳しく説明する本発明の好ましい実施の形態について、基本的レイアウトを示している。
【００２８】
この例は、ＡｌＧａＡｓ９８０ｎｍポンプ・レーザ・ダイオードのリッジ導波路を、上面図で示している。半導体本体が、ここでは図示されていないＧａＡｓ基板であるが、レーザ・ダイオードの基礎を形成している。レーザ・ダイオードは、本質的に、２つのＡｌＧａＡｓクラッド層に挟まれたひずみ量子井戸（ＳＱＷ）活性領域から構成されている。やはり図示されていないが上部ｐ‐メタライゼーションが、通常、半導体リッジ導波路をいくつかの埋め込み材料と一緒に覆っている。
【００２９】
このようなＡｌＧａＡｓ９８０ｎｍリッジ導波路型レーザ・ダイオードの物理的寸法はかなり小さく、幅が約０．４ｍｍ、長さが２〜４ｍｍで、厚さが約０．１５ｍｍである。
【００３０】
図１に示したリッジ導波路レイアウトは、「直線−フレア−直線−フレア−直線」形式である。それは５つのセグメントから構成され、右側の前端部から始まって次のとおりである。
・レーザ・ダイオードの出口開口で終わる直線部、すなわち一定の断面または幅を有するセグメント。この直線セグメントは、この例では、幅が６〜８μｍ、長さが約２０μｍである。
・フレア部、すなわち断面または幅が減少しているセグメント。幅が６〜８μｍから約４μｍへと減少し、長さは約１．２ｍｍ、正確には１．１８０ｍｍである。
・中央の直線部分、すなわち一定の断面または幅を有するもう１つのセグメントで  あり、断面または幅がレーザ・ダイオードの出口開口よりも小さい。この直線セグメントは、幅が約４μｍであり、長さが約１．２ｍｍ、正確には１．１１６ｍｍである。
・もう１つのフレア部、すなわち断面または幅が変化している第２のセグメント。幅が約４μｍから６〜８μｍまで増加し、長さは約２０μｍである。したがって、第１のフレア・セグメントよりもかなり短く、すなわち、かなり急な開放角度を有している。
・レーザ・ダイオードの後面ミラーで終わっている第３の直線部、すなわち一定の断面または幅を有する第３のセグメント。この直線セグメントは、やはり幅が６〜８μｍであり、長さが約２０μｍである。
【００３１】
他の寸法を有するレーザ・ダイオード・チップについては、種々の部分すなわちセグメントの相対的なサイズおよび寸法が、おおむね次のように与えられる。
・第１の直線部、すなわちレーザ・ダイオードの出口開口と同じ一定の断面または幅を有するセグメントは、長さがチップ全長の最大５％である。
・第１のフレア部、すなわち断面または幅が減少しているセグメントは、長さがチップ長さの最大３０〜６０％である。幅は、広い出口断面からその一部分まで減少する。
・中央の直線部分、すなわち一定の断面／幅を有する第２のセグメントは、長さがチップ長さの４０〜７０％である。
・第２のフレア部、すなわち断面／幅が変化している第２のセグメントは、やはり長さがチップ全長の最大５％である。幅は、中央の直線部分の断面から、出口開口の広い断面まで増加する。
・第３の直線部、すなわち一定の断面または幅を有する第３のセグメントは、レーザ・ダイオードの後面ミラーで終わっている。後者は、好ましくは出口開口と同じ断面を有する。この第３の直線セグメントは、やはり長さがチップ全長の最大５％である。
【００３２】
レーザ・ダイオードのリッジ導波路の一例の全般的レイアウトは、以上のとおりである。
【００３３】
前述のとおり、ＬＩＭ導波路設計は、ポンプ・レーザ・ダイオードの効率および線形光出力を向上させる。導波路の幾何形状によって、直列抵抗したがってジャンクション温度が低減され、信頼性の向上がもたらされる。
【００３４】
本発明によるＬＩＭ設計を使用すると、長い中央の直線セグメントが通常のリッジ導波路部分に比肩する導波特性を有する一方で、断熱曲線的に広げられた前部すなわち図１における右側のフレア・セグメントが、レーザのゼロ次モードをさらに増幅する。フレア状設計の原理そのものは、半導体光増幅器から公知である。しかしながら、この原理の横単一モード・ポンプ・レーザ・ダイオードへの適用は、単純な調整以上のものを必要とする。標準的なリッジ導波路製造プロセスに適するようにするための変更も、多少なりとも必要である。さらに、中央の直線状のセグメントおよびレーザの出力面に向かって断熱曲線的に広くなっているセグメントは、全体の動作体制においてさえ横安定単一モード特性を発するため、良好に設計されなければならない。これは、ファイバ・ブラッグ・グレーティングを装備するレーザ・ダイオードにも当てはまる。
【００３５】
この例においては、前端面の開口幅、したがってレーザの出力面に結合する直線セグメントの幅は、１μｍすなわち１０００ｎｍ付近の波長においては、最大約８μｍに抑えられなければならない。そうでない場合、標準のレンズを備えるファイバ先端への結合効率が、大きく低下してしまう。
【００３６】
本発明は、当初はＡｌＧａＩｎＡｓ材料系の９８０ｎｍレーザについて実施されたが、例えば１３００μｍから１６００μｍの範囲の波長にあるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰやＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰのような材料系など、他の波長での使用にも適用することができる。
【００３７】
本発明によるレーザ・ダイオードの実施の形態については、以上のとおりである。以下は、本発明によるレーザ・ダイオードの好都合な製造プロセスについての詳しい詳細に関する。
【００３８】
図２および３は、製造プロセスにおける３つのレーザ・ダイオードの上面図を描いている。通常は、ここで記載した種類のレーザ・ダイオードが数百個、１つの半導体ウエハ上に製造される。したがって、製造プロセスおよびその詳細について、多大な注意を払う必要がある。
【００３９】
図２は従来技術を示す。通常レーザ・ダイオード製造プロセス中のフレアード・リッジ導波路は導波路の後セグメントは常に直線で前領域が広がるリソグラフパターンを形成して実現される。このようにしてチップパターンは隣接するレーザ・ダイオードが図２に示されるように向かい合わせに配置されるように設計された。しかしながらこの配置は製造中のチップのハンドリングに問題があるだけでなく、レーザ・ダイオード製造の特性を変化させ、信頼性が低いことが明らかになった。
【００４０】
図３は本発明の特定の側面に従った新規設計を示している。全てのデバイス、即ちレーザ・ダイオードは同一であり、同一の方向に配列されているので、新しいパターンは図３に示すようにウエハ全体に渡って同じデバイスをもたらす。この設計は最大光出力および効率に関してデバイス性能の改良をもたらす。
【００４１】
製造プロセスの多数のほかのステップは本質的に標準で当業者に既知である。
【００４２】
追加の便宜および修正は当業者によって容易に実行され、従って本発明は上記に示され、記述された特定の実施例、詳細、ステップに限るものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明によるレーザ・ダイオードのリッジ導波路の一般的構造の概要を示している。
【図２】従来技術による製造プロセスにおける３つのレーザ・ダイオードのリッジ導波路を示している。
【図３】本発明による製造プロセスにおける２つの「連続」レーザ・ダイオードを描写している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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