(57)【要約】  レーザダイオードの波長選択区画が、Ｐ＋型電流閉込層と、電流閉込層に重ねて形成された第１及び第２の櫛形ヒータ電極列とを有する半導体レーザ源が提供される。第１及び第２の櫛形ヒータ電極列の個々の櫛歯電極は、レーザダイオードの活性導波路層によって定められる光伝搬方向に沿って次々に交互する。第１の櫛形ヒータ電極列は、レーザダイオードカソードに対して、また第２の櫛形ヒータ電極列に対して、相対バイアスがＰ-Ｎ接合の順バイアス導通電圧より小さいか、またはＰ-Ｎ接合の逆バイアス降伏電圧より小さい絶対値を有するように、正または負にバイアスされる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオード及びコントローラを備えるレーザ源において、
前記レーザダイオードが、アノード、カソード及び、Ｐ-Ｎ接合を定めるＰ型半導体層とＮ型半導体層の間に形成された活性導波路層を有する半導体へテロ構造として、構成され、
前記レーザダイオードが、前記半導体へテロ構造内にそれぞれが定められた、波長選択区画、位相整合区画及び利得区画を有し、
前記波長選択区画が、前記Ｐ型半導体層に重ねて形成されたＰ＋型電流閉込層及び、前記電流閉込層に重ねて形成された、第１の櫛形ヒータ電極列及び第２の櫛形ヒータ電極列を有し、
前記第１の櫛形ヒータ電極列及び前記第２の櫛形ヒータ電極列の個々の櫛歯電極が前記活性導波路層によって定められる光伝搬方向に沿って次々に交互し、
前記コントローラが、前記第１の櫛形ヒータ電極列が前記レーザダイオードカソードに対して、また前記第２の櫛形ヒータ電極列に対して、正にバイアスされるように、前記カソード並びに前記第１の櫛形ヒータ電極列及び前記第２の櫛形ヒータ電極列に接続され、
前記レーザダイオードカソードに対する前記第１の櫛形ヒータ電極列の前記相対バイアス(＋Ｖバイアスまたは−Ｖバイアス)が、前記Ｐ-Ｎ接合の順バイアス導通電圧より小さいか、または前記Ｐ-Ｎ接合の逆バイアス降伏電圧より小さい絶対値を有する、
ことを特徴とするレーザ源。
【請求項２】
前記Ｐ＋型電流閉込層が、前記波長選択区画及び前記位相整合区画において前記Ｐ型半導体層に重ねて形成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ源。
【請求項３】
前記位相整合区画において前記電流閉込層に重ねて別の櫛形ヒータ電極列が形成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ源。
【請求項４】
前記コントローラが、前記第１の櫛形ヒータ電極列が前記レーザダイオードカソードに対して、また前記第２の櫛形ヒータ電極列に対して、正にバイアスされるように、アノード電圧ＶＡ，カソード電圧ＶＣ，並びに前記第１の櫛形ヒータ電極列の電圧及び前記第２の櫛形ヒータ電極列の電圧を設定するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ源。
【請求項５】
前記レーザ源が、前記レーザダイオードの光出力に結合された波長変換素子及び前記波長変換素子の変換出力に基づいて前記相対バイアス，＋Ｖバイアスを制御するように構成された光フィードバックループをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ源。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、名称を「櫛形ヒータ電極及び下部電流閉込層をもつレーザ源(Laser Source With Interdigital Hearer Electrodes and Underlying Current Confinement Layer)」とする、２００７年１０月１日に出願された、米国特許出願第１１/９０６２１３号の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は波長選択型レーザダイオード及びこれを組み込んでいるレーザ源に関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一実施形態にしたがえば、レーザダイオードの波長選択区画がＰ＋型電流閉込層及び電流閉込層に重ねて形成された第１及び第２の櫛形ヒータ電極列を有する半導体レーザ源が提供される。第１及び第２の櫛形ヒータ電極列の個々の櫛歯電極は、レーザダイオードの活性導波路層で定められる光伝搬方向に沿って次々に交互する。第１の櫛形ヒータ電極列は、レーザダイオードカソードに対して、また第２の櫛形ヒータ電極列に対して、正にバイアスされる。第１の櫛形ヒータ電極列のレーザダイオードカソードに対する相対バイアス，＋ＶバイアスはＰ-Ｎ接合の順バイアス導通電圧より小さい。
【０００４】
本発明の別の実施形態にしたがえば、Ｐ＋型電流閉込層はレーザダイオードの波長選択区画のＰ型半導体層及び位相整合区画に重ねて形成される。位相整合区画の電流閉込層に重ねて別の櫛形ヒータ電極層群を形成することができる。
【０００５】
本発明の別の実施形態にしたがえば、第１の櫛形ヒータ電極列に印加されるバイアスは、レーザダイオードカソードに対して、また第２の櫛形ヒータ電極列に対して、無視できるほど小さく、レーザダイオードカソードに対する第１の櫛形ヒータ電極列の相対バイアス，−ＶバイアスはＰ-Ｎ接合の逆方向降伏電圧より小さい絶対値を有する。
【０００６】
本発明のまた別の実施形態にしたがえば、レーザ源はレーザダイオードの光出力に結合された波長変換素子を有する。相対バイアス，＋Ｖバイアスを波長変換素子の変換出力に基づいて制御するための光フィードバックループを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の態様を示す、レーザ源の略図である。
【図２】図２は、本発明の態様を示す、半導体ヘテロ構造の一部の略図である。
【図３】図３は本発明の一実施形態にしたがうレーザ源の一部の電気的等価回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、添付図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
【０００９】
初めに図１を参照すれば、本発明の様々な態様は、図１に簡略に示されるＤＢＲレーザダイオード１０の情況において説明することができる。一般に、ＤＢＲレーザダイオードは、波長選択区画１２，位相整合区画１４及び利得区画１６を有する。レーザダイオード１０のＤＢＲ区画とも称することもできる、波長選択区画１２は一般にレーザキャビティの活性領域の外側に配置された一次または二次のブラッグ格子を有する。この区画は、その反射係数が波長に依存するミラーとして格子が作用するから、波長選択を提供する。レーザダイオード１０の利得区画１６はレーザの光出力の大半を提供し、位相整合区画１４は利得区画１６の利得材料と波長選択区画１２の反射材料の間の可調位相シフトを生じさせる。波長選択区画１２は、ブラッグ格子を用いても用いなくても差し支えない、多くの適する代替構成を有することができる。
【００１０】
レーザダイオード１０は、Ｐ型半導体層１３とＮ型半導体層１７の間に形成された活性導波路層１５を有する半導体ヘテロ構造を有し、Ｐ型半導体層１３とＮ型半導体層１７は活性導波路層１５においてＰ-Ｎ接合を定める。Ｐ型半導体層１３及びＮ型半導体層１７はクラッド層として機能し、それぞれ、正孔及び電子を活性導波路層１５に注入する。活性導波路層１５及びその周囲の導波路材料はクラッド層１３，１７の屈折より高い屈折率を有するから、活性導波路層１５で発生した光は活性導波路層１５及びその周囲の導波路材料内に閉じ込められる。波長選択区画１２，位相整合区画１４及び利得区画１６はそれぞれ半導体へテロ構造内に定められる。
【００１１】
図２を参照すれば、波長選択区画１２はＰ型半導体層１３に重ねて形成されたＰ＋型電流閉込層２０を有する。レーザダイオード１０の波長選択区画１２において、第１の櫛形ヒータ電極列２２及び第２の櫛形ヒータ電極列２４が電流閉込層２０に重ねて形成される。本発明を説明し、定める目的のため、「櫛形」電極は、一方の電極列の１つ以上の櫛歯電極が他方の電極列の櫛歯電極の間に差し挟まれ、逆もまた同じである、電極として定義されることに注意されたい。櫛形電極構成の比較的単純な一例が図１に示され、図１では、第１の櫛形ヒータ電極列２２の個々の櫛歯電極２３と第２の櫛形ヒータ電極列２４の個々の櫛歯電極２５が活性導波路層１５によって定められる光伝搬方向３０に沿って次々に交互している。第１及び第２の櫛形ヒータ電極列２２，２４は適する導電材料のいずれでも形成することができるが、ＴｉＰｔが選ばれることが多い。
【００１２】
Ｐ＋型電流閉込層２０は隣接する櫛歯電極２３，２５間に電流が流れると熱を発生する電気抵抗層である。一般に、発生する熱量は電流に比例するが、レーザダイオードへテロ構造の特性によりヒータ電力に制限が課せられる。詳しくは、レーザダイオード１０の波長選択区画１２の電流閉込層２０部分及びＰ-Ｎ接合部分のいずれも含む、波長選択区画１２の電気的等価回路を示す図３を参照すれば、Ｐ-Ｎ接合の電気抵抗がＲ１として示され、電流閉込層２０で定められるヒータの電気抵抗がＲ２として示されている。Ｐ-Ｎ接合に２つの櫛形電極の内の１つによって逆バイアスが印加され、Ｐ-Ｎ接合の信頼性を保証するために逆バイアスが降伏電圧より小さい電圧に維持されていれば、最大加熱電力，Ｐ最大は：
Ｐ最大＝Ｖ降伏２/Ｒ２
である。ここで、Ｖ降伏はＰ-Ｎ接合の降伏電圧である。この関係式により、ヒータ電力を大きくするにはヒータ抵抗が小さいほど望ましいことが明らかになる。
【００１３】
しかし本発明の発明者等は、Ｐ-Ｎ接合への逆バイアス印加が波長選択区画１２で発生する光電流を除去し、光パワーの低下を生じさせ得ること気付いた。光パワーの損失に加えて、光強度が十分に大きければ、逆バイアスはＰ-Ｎ接合を損傷させ得る比較的大きな光電流を発生させることができる。
【００１４】
図２において、第１の櫛形ヒータ電極列２２は、レーザダイオードカソード２６に対して、また第２の櫛形ヒータ電極列２４に対して、正にバイアスされる。図１に簡略に示されるコントローラ４０は、アノード電圧ＶＡ，カソード電圧Ｖｃ，並びに第１及び第２の櫛形ヒータ電極列２２，２４の電圧を上記の態様で設定するように、構成することができる。レーザダイオードカソード２６に対する第１の櫛形ヒータ電極列２２の相対バイアス，＋Ｖバイアスは、Ｐ-Ｎ接合の順バイアス導通電圧より小さい。図２に示される態様でレーザダイオード１０にバイアスを印加することによって、好ましくない光電流効果を生じさせずに波長選択区画１２を動作させることができる。一般に、安定動作を保証するため、カソード電圧ＶＣに対する第１の櫛形ヒータ電極列の相対バイアス，＋Ｖバイアスは、Ｐ-Ｎ接合の順バイアス導通電圧の約９０％より小さい。図２に示される構成で得られる最大加熱電力，Ｐ最大は：
Ｐ最大＝Ｖ導通２/Ｒ２
と表すことができる。ここで、Ｖ導通はＰ-Ｎ接合の導通電圧である。
【００１５】
本発明の実施形態及び特徴は、主として、レーザダイオードカソード２６に対する第１の櫛形ヒータ電極列２２の相対バイアスが正(＋Ｖバイアス)であり、Ｐ-Ｎ接合の順バイアス導通電圧より小さい、実施形態に関して説明されるが、代わりに、レーザダイオードカソード２６に対する第１の櫛形ヒータ電極列２２の相対バイアスを負(−Ｖバイアス)とすることもできると考えられる。この場合、レーザダイオードカソード２６に対する第１の櫛形ヒータ電極列２２の相対負バイアス(−Ｖバイアス)はＰ-Ｎ接合の逆バイアス降伏電圧より小さい絶対値を有するであろう。
【００１６】
ヒータ電力を大きくするにはヒータ抵抗が小さいほど望ましいことに留意すれば、第１及び第２の櫛形ヒータ電極列２２，２４の櫛形構成により、レーザの損傷または光パワーの損失を生じさせずに適切な電圧によって所望の加熱電力が得られるように２つの対向する電極間の間隙を選ぶことによるヒータ抵抗Ｒの簡便な調整が可能になる。導波路に沿うヒータ電流路は活性導波路層１５の上に局限される。Ｐ＋型電流閉込層２０による熱は活性導波路層１５の近くで発生するから、図２に示されるヒータ構成によって活性導波路層１５の温度は極めて高効率かつ高速で変化する。したがって、図２に示されるヒータ構成により、レーザダイオード１０の屈折率及びレーザ発振波長の高効率かつ高速の変化も得られ、よって、レーザダイオード並びに、レーザダイオード及び、ＳＨＧ結晶のような、波長変換素子を用いる、レーザ源における波長制御の電気的ウォールプラグ効率及び速度を改善するための好ましい手段が提供される。
【００１７】
図２に示される本発明の実施形態において、レーザダイオードカソード２６及び第２の櫛形ヒータ電極列２４は共通のカソード電圧ＶＣに保たれる。これは簡便な構成であるが、本発明の様々な概念はレーザダイオードカソード２６及び第２の櫛形ヒータ電極列２４が共通のカソード電圧ＶＣに保たれる制御方式に限定されるべきではない。レーザダイオードカソード２６に対する第１の櫛形ヒータ電極列２２の相対バイアス，＋ＶバイアスがＰ-Ｎ接合の順バイアス導通電圧より小さい限りにおいて、相対バイアス，＋Ｖバイアスに対して適する様々な値があるであろうと考えられる。レーザダイオードカソード２６及び第２の櫛形ヒータ電極列２４が異なる電圧に保たれる場合、レーザダイオードカソード２６の電圧及び第２の櫛形ヒータ電極列２４の電圧に対する＋Ｖバイアスの値は、それぞれの場合において＋ＶバイアスがＰ-Ｎ接合の順バイアス導通電圧より小さくなるように、設定されることが好ましいであろうことを明確にしておくべきである。
【００１８】
電流閉込層２０の抵抗値及び第１及び第２の櫛形ヒータ電極列２２，２４の個々の櫛歯電極２３，２５の間隔も、適する様々な値をとり得ると考えられる。電流閉込層２０の抵抗値は第１及び第２の櫛形ヒータ電極列２２，２４の個々の櫛歯電極２３，２５の適切な間隔を選ぶことによって簡便に調整できる。限定としてではなく、例として、本発明の一実施形態において、電流閉込層２０の抵抗値及び個々の櫛歯電極２３，２５の間隔は、ほぼ０Ｖとほぼ２.２Ｖの間の相対バイアス，＋Ｖバイアスがレーザダイオードのレーザ発振波長に少なくともほぼ３ｎｍのフトを生じさせるような、抵抗値及び間隔である。さらに詳しくは、本発明の一実施形態にしたがえば、レーザダイオードのレーザ発振波長に３.７ｎｍのシフトを生じさせるには、２.２Ｖの相対バイアス，＋Ｖバイアスで十分であった。
【００１９】
本発明の態様はレーザダイオード１０の波長選択区画１２の情況において説明されているが、Ｐ＋型電流閉込層２０は、位相整合区画１４のＰ型半導体層１３に重ねて形成することもできると考えられる。この場合、別の櫛形ヒータ電極列３２，３４を位相整合区画１４の電流閉込層２０に重ねて形成することができる。さらに、レーザダイオードアノードとも称される、駆動電極２８が利得区画１６のＰ型半導体層１３に重ねて形成されている、図１を参照すれば、駆動電極２８とＰ型半導体層１３の間にＰ＋電流閉込層を介在させずに駆動電極２８を形成することができる。
【００２０】
上述したように、コントローラ４０は、レーザダイオードカソード２６に対し、また第２の櫛形ヒータ電極列２４に対し、櫛形ヒータ電極列２２が正にバイアスされるように、アノード電圧ＶＡ，カソード電圧ＶＣ，並びに第１及び第２の櫛形ヒータ電極２２，２４の電圧を設定するように構成される。図１に簡略に示されるように、カソード電圧ＶＣ及び第２の櫛形ヒータ電極列２４に対する第１の櫛形ヒータ電極列２２の相対バイアス，＋Ｖバイアスは、第１の櫛形ヒータ電極２２と第２の櫛形ヒータ電極２４の間で発生した電流の大半がＰ＋型電流閉込層２０内に閉じ込められ、Ｐ-Ｎ接合を通ってレーザダイオード２６に流れる電流は最小限に抑えられるような、バイアスである。多くの場合、第１の櫛形ヒータ電極２２と第２の櫛形ヒータ電極２４の間で発生した電流の全てがＰ＋型電流閉込層２０内に閉じ込められ、Ｐ-Ｎ接合を通ってレーザダイオードカソード２６に流れる電流は全く無いであろう。
【００２１】
本明細書に述べられる設計上の制約を前提として、本明細書に説明されるレーザダイオード１０のヘテロ構造のＰ型半導体層１３，Ｎ型半導体層１７，カソード層１６及びアノード電極２８の特定の組成はＤＢＲレーザダイオードの設計及び動作に関する既存の、及びこれからから開発される、教示にしたがって選ぶことができる。Ｐ＋型電流閉込層２０の組成はＰ型半導体層１３の材料及び第１及び第２の櫛形ヒータ電極列２２，２４の材料と同等であるように選ばれるべきである。例えば、Ｐ型半導体層１３がＰ型ＡｌＧａＡｓクラッド層からなる場合、Ｐ＋型電流閉込層２０は高濃度ドープＧａＡｓからなることができる。Ｐ＋型電流閉込層２０に適するその他の候補には、高濃度ドープＧａＩｎＡｓ，高濃度ドープＧａＩｎＡｓＰ，高濃度ドープＩｎＰ及びこれらの組合せがあるが、これらには限定されない。Ｐ＋型電流閉込層２０の厚さも、用いられる特定のＤＢＲレーザダイオードの構成に相補であるように調整することができる。このことに留意すれば、約５０ｎｍから約３００ｎｍの閉込層厚がほとんどの情況に適しているであろうと考えられる。
【００２２】
図１を詳しく参照すれば、周波数２逓倍型または波長変換型のレーザ光源の情況において、本発明にしたがうレーザ源を用いることもできる。図示される実施形態において、レーザ源１００はさらに、レーザダイオード１０の光出力に結合された波長変換素子５０を備える。波長変換素子は一般に、ＤＢＲレーザダイオード１０からの基本光信号の高調波を発生するように構成された、ＭｇＯドープ周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ)のような、二次高調波発生(ＳＨＧ)結晶を有する。波長変換素子５０の変換出力に基づいて相対バイアス，＋Ｖバイアスを制御することによってＳＨＧ結晶のスペクトル帯域幅にレーザダイオード１０の波長を同調させるため、光フィードバックループを構成することができる。この目的のため、光フィードバックループには、ビームスプリッタ５２，光検出器５４及びコントローラ４０が含まれる。あるいは、例えば、波長選択区画１２または位相整合区画１４に、あるいはいずれにも、第１の櫛形ヒータ電極２２または第２の櫛形ヒータ電極２４に印加される電圧をランダムに変化させて、印加される制御信号のランダムなディザまたは擾乱を導入することによって、相対バイアス，＋Ｖバイアスを制御するための開ループ制御方式を実行するように、コントローラ４０をプログラムすることができる。
【００２３】
光検出器５４及びビームスプリッタ５２はレーザダイオード１０の波長変換出力の強度を表す電気信号を発生するように構成される。コントローラ４０は、光検出器５４及びビームスプリッタ５２によって発生される強度信号に基づいて相対バイアス，＋Ｖバイアスを制御することによって波長変換素子５０の変換出力における強度変動を安定化するように、プログラムされる。上述したように、レーザダイオード１０の位相整合区画１４の電流閉込層２０に重ねて別の櫛形ヒータ電極列３２，３４を形成することができ、さらに別の櫛形ヒータ電極列３２，３４に印加される相対バイアス，＋Ｖバイアスを制御するように光フィードバックループを構成することができる。さらにアノード電極２８の駆動電圧を制御するように光フィードバックループを構成することもできると考えられる。
【００２４】
特定の特性、特定の態様における機能、等を具現化するように「構成され」ている本発明のコンポーネントに関する本明細書における叙述は、目的とされる用途の叙述ではなく、構造の叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「構成され」る態様への本明細書における言及は、コンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがって、コンポーネントの構造上の特徴の限定された言及としてとられるべきである。さらに、別の層または材料に「重ねて」形成されている層または材料への本明細書における言及は２つの層の間の介在層または介在材料の配置の可能性を排除するととられるべきではないことに注意されたい。
【００２５】
「好ましい」、「普通に」及び「一般に」のような語句は、特許請求される本発明の範囲を限定するために、あるいはある特徴が特許請求される本発明の構造または機能に必須であるか、肝要であるかまたは重要であることさえ、意味するために、用いられてはいない。むしろ、これらの語句は、本発明の特定の実施形態に利用され得るかまたは利用され得ない別のまたは追加の特徴を強調することが意図されているに過ぎない。
【００２６】
本発明の特定の実施形態を参照して本発明を詳細に説明したが、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱せずに改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本発明のいくつかの態様は本明細書に好ましいかまたは特に有利であると認定されているが、本発明が本発明のそのような好ましい態様には必ずしも限定されないと考えられる。
【符号の説明】
【００２７】
１０    ＤＢＲレーザダイオード
１２    波長選択区画
１３    Ｐ型半導体層
１４    位相整合区画
１５    活性導波路層
１６    利得区画
１７    Ｎ型半導体層
２０    Ｐ＋型電流閉込層
２２，２４，３２，３４    櫛形ヒータ電極列
２３，２５    櫛歯電極
２６    レーザダイオードカソード
２８    駆動電極
３０    光伝搬方向
４０    コントローラ
５０    波長変換素子
５２    ビームスプリッタ
５４    光検出器
１００    レーザ源
【図１】
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【図２】
2010541278.tif 000004
【図３】
2010541278.tif 000005
【国際調査報告】
2010541278.tif 000006
2010541278.tif 000007
2010541278.tif 000008