(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）横方向に、基板、活性領域、前記活性領域を包囲するように、前記活性領域の上部の上部光閉じ込め層と、前記活性領域の下部の下部光閉じ込め層、及び前記活性領域を包囲するように、前記活性領域の上部の上部クラッド層と、前記活性領域の下部の下部クラッド層、を有する半導体構造を備え、
（ｂ）前記半導体構造は、発光が生じる少なくとも１つのコア要素、及び前記コア要素の側部に隣接した介在要素領域を有し、前記コア要素は発光した光に対して選択された実効屈折率を有し、前記介在要素領域の実効屈折率は、前記コア要素内で発光した光の効果的な反導波作用をもたらすように前記コア要素の実効屈折率より高く、更に
（ｃ）(i) 前記上部と下部光閉じ込め層は、相互に異なる屈折率を有し、又は(ii) 前記上部と下部クラッド層は、相互に異なる屈折率を有し、又は前記(i)と(ii)の両方であり、非対称で且つ基本横方向モードにおいてのみレージングを可能にする光導波路構造を前記コア要素内の横方向に作り出すことを特徴とする半導体光源。
【請求項２】
前記閉じ込め層及びクラッド層は、前記活性領域における横方向光閉じ込め係数を２％未満とし、前記コア要素と前記介在要素領域との間の実効屈折率は、０．０５より低く、且つ前記介在要素領域における減衰係数は、１００ｃｍ-1より低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項３】
前記コア要素と前記介在要素領域との間の側部屈折率段差は、少なくとも１×１０-2であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項４】
前記コア要素内にレージング作用を引き起こすために光学的フィードバックをもたらす手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項５】
前記光学的フィードバックをもたらす手段は、前記基板に垂直な、前記半導体構造の縦方向端面に設けられたファセットを含み、前記ファセットは、光を反射して前記コア要素へ戻す鏡面を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体光源。
【請求項６】
前記介在要素領域は、活性領域、及び閉じ込め層及びクラッド層を有し、且つ、前記活性領域の１側部の前記介在要素領域内の１つのクラッド層は、基本横方向モードに関して、前記介在要素領域の屈折率を前記コア要素の屈折率より高くするために、前記コア要素内の隣接するクラッド層よりも高い屈折率を持つように形成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項７】
前記コア要素は１つであり、前記介在要素領域は、基本横モードに関する反共振状態にほぼ対応する幅とした前記コア要素の各側部の側方に境界領域を定め、簡易反共振反射光導波路構成を作り出すことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項８】
前記コア要素は単一であり、前記介在要素領域は、前記半導体構造内において前記コア要素に隣接して側方に形成された反共振反射光導波路反射体の要素を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項９】
前記コア要素及び前記反共振反射光導波路反射体の横幅は、テーパが付けられた反共振反射光導波路構造を作り出すように縦方向に変化することを特徴とする請求項８に記載の半導体光源。
【請求項１０】
前記コア要素は、前記介在要素領域によって３つに分離されて三重反共振反射光導波路構造を形成し、且つ、前記介在要素領域は、前記半導体構造内において前記３つのコア要素の各側部側方に形成された側部反共振反射光導波路反射体の要素を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項１１】
前記コア要素は、前記介在要素領域によって複数に分離され、共振光導波路アレーを作り出すようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項１２】
前記コア要素は、前記介在要素領域によって複数に分離され、フレア反導波ＭＯＰＡを作り出すようにされたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項１３】
前記コア要素は、前記介在要素領域によって複数に分離されるとともに、前記半導体光源が反共振反射光導波路増幅器として作動するに充分な反射性であるファセットを前記半導体構造の端面に設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項１４】
前記ファセットに対し角度を成すストライプを備えたことを特徴とする請求項１３に記載の半導体光源。
【請求項１５】
前記活性領域は、二重量子井戸を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項１６】
前記半導体構造は、外側表面、及び前記半導体構造を通して電流を印加することが可能な前記外側表面上の電極を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光源。
【請求項１７】
前記半導体構造の前記表面間に印加される電流を前記コア要素に対して制限する手段を備えたことを特徴とする請求項１６に記載の半導体光源。
【請求項１８】
前記電流を制限する手段は、前記介在要素領域内の半導体層に設けられたｐ−ｎ接合領域を有し、前記ｐ−ｎ接合領域の電流の流れを遮断するように逆バイアスをかけるようにしたことを特徴とする請求項１７に記載の半導体光源。
【請求項１９】
前記電流を制限する手段は、前記コア要素領域上に形成されたストライプ開口を作り出す酸化物を含むことを特徴とする請求項１７に記載の半導体光源。
【請求項２０】
前記電流を制限する手段は、前記半導体構造にわたって延びる逆バイアスｐ−ｎ接合部を作り出す層、及び前記コア要素上の前記半導体構造の表面から前記ｐ−ｎ接合部に至る導電性不純物の選択的拡散部を備え、前記コア要素上の前記接合部を通じて導電的連続性を与えるようにしたことを特徴とする請求項１７に記載の半導体光源。
【請求項２１】
前記電流を制限する手段は、前記活性領域の少なくとも１側部に形成されたＡｌ含有化合物から成る選択的に酸化された薄層を備え、前記コア要素領域近傍にストライプ開口を作り出すようにしたことを特徴とする請求項１７に記載の半導体光源。
【請求項２２】
前記Ａｌ含有化合物から成る選択的に酸化された薄層は、クラッド層内に埋め込まれていることを特徴とする請求項２１に記載の半導体光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、全体的には、半導体ダイオードレーザ及び増幅器に係り、特に、反導波型ダイオードレーザ及び増幅器に関する。
【０００２】
（発明の背景）
半導体ダイオードは、半導体材料から成る複数層で構成される。典型的な半導体レーザは、ｎ型層、ｐ型層、光閉じ込め層、及びそれらの間に設けられた非ドープ構造を備え、このダイオードに順方向バイアスが印加されると、電子と正孔とが活性構造において再結合することにより発光するようになっている。通常、活性構造を包囲する層は、活性構造より低い屈折率を有しているため、この活性構造を包囲する層により、活性構造に対し横方向に放射光線を閉じ込める誘導体導波路が作り出される。半導体レーザは、側面発光或いは表面発光のいずれにも構成することができる。
【０００３】
放射光線を側方に閉じ込めるために、正の屈折率又は負の屈折率のガイド（反導波型）構造をレーザ又は増幅器のダイオードアレーに採用することができる。正の屈折率ガイド構造では、レーザ光線のフィールド密度が高い領域において屈折率が最も高く、フィールド密度の低い領域で屈折率が低いので、光線は、高屈折率領域つまりレーザアレー要素内に効果的に閉じ込められる。負の屈折率ガイドつまり反導波型構造では、レーザ光線のフィールド密度が最大となる領域つまりレーザアレー要素において屈折率が最も低くなるとともに光利得は最大となり、一方、相対的に低いフィールド密度を持つ領域において屈折率が最大となるとともに光利得はわずかなもの或いは皆無となる。従って、発生した光線の一部は、屈折率がより高い介在要素領域に入りレージング要素領域に閉じ込められないことになるが、この失われた光線分はアレー要素領域で得られる過剰利得により補填される。
【０００４】
通常、レーザ発光体アレーは、可能な様々なモードで発振することが可能である。基本的な即ち同位相アレーモードでは、全ての発光体が各々同位相で発振し、完全に回析が制限された単一のローブに大半のエネルギを集中させ遠視野像が作り出される。一般的に、複数要素アレーに関しては、可能な多くのモードが存在し、多くのレーザアレーが同時に２つ或いは３つのアレーモードで作動し、通常、回析限界の２倍から３倍の幅を持つビームが作り出される。「高出力・高品質ビームの半導体レーザアレー」と題する米国特許第４，９８５，８９７号には、レーザアレーを、高出力でしかも高品質のビームを持つように作動させることに関連する課題が論じられている。この特許には、反導波型構成において実施可能なレーザダイオードアレー構造が記載されており、この構造は、アレー要素全ての間で同様に共役が発生する同位相モードの共振状態又はその近傍で作動される。
【０００５】
（１ワットを越える）高出力の干渉ダイオードレーザ源の開発は、継続的な研究努力がなされている領域である。正屈折率ガイドの単一要素を備えた素子は、最大０．６ワット（Ｗ）の連続波（ＣＷ）干渉性出力を発揮し、しかも約０．２Ｗを実証する高い信頼性を持って作動するが、主に最大約３μｍという比較的小さな導波路による制約を受ける。また、単一要素の反共振反射光導波路（ＡＲＲＯＷ）型レーザは、開口幅が４から６μｍの素子において、横光学モードの強力な閉じ込めにより、最大約０．５Ｗの単一モード光出力を発揮し、更に駆動独立型のビームパターンとされている。これについては、Ｌ．Ｊ．Ｍａｗｓｔ、Ｄ．Ｂｏｔｅｚ、Ｃ．Ｚｍｕｄｚｉｎｓｋｉ、及びＣ．Ｔｕの「ＡＲＲＯＷ型ダイオードレーザの最適設計」ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．４、１２０４−１２０６頁、１９９２年１１月を参照されたい。事実、最大１０μmの開口幅の単一モードＡＲＲＯＷ型素子は実現可能であり、それは非吸収ミラーを備えた素子により約０．５Ｗ  ＣＷの出力を確実に見込めるはずである。
【０００６】
開口幅と作動出力を増加させようとする位相同期型のダイオードレーザアレーに関する研究では、共振光導波路（ＲＯＷ）反導波型アレーが開発されるまでは、複雑なモード構造の制御に成功したことはほとんどなかった。このようなアレーは、Ｄ．Ｂｏｔｅｚ、Ｌ．Ｊ．Ｍａｗｓ、Ｇ．Ｌ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ、及びＴ．Ｊ．Ｒｏｔｈの「位相同期反導波アレー：モード内容とその分解能」ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、Ｖｏｌ．２６、４８２−４９５頁、１９９０年３月に記載されている。反導波型アレーは、開口１２０μｍで１Ｗ、遠視野発光モードの中央ローブにおいて最大０．６Ｗのほぼ回析が制限されたＣＷ作動を実証するとともに、０．５Ｗ  ＣＷ出力で３５００時間にわたる信頼性ある作動を実現した。これにより、現在まで、ＲＯＷは、この実証された長期信頼性を有する唯一の高出力干渉素子形式とされてきた。しかしながら、このような素子は、（側部の）光共振状態の達成を前提としており、それらの構造指数に関する製造公差は、特に、要素数量の増加に伴い、実験に基づき論理的に極めて厳密に設定されてきた。これについては、Ｄ．Ｂｏｔｅｚ、Ａ．Ｎａｐａｒｏｖｉｃｈ、及びＣ．Ｚｍｕｄｚｉｎｓｋｉの「位相同期反導波アレー：分析理論ＩＩ」ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、Ｖｏｌ．３１、２４４−２５３頁、１９９５年２月を参照されたい。
【０００７】
反導波型要素及び損失係数の高い介在要素構造を備えた半導体レーザについては、「介在要素損失を有する反導波型高出力半導体レーザ」と題するＢｏｔｅｚ他に付与された米国特許第５，６０６，５７０号に記載されている。このような構造は、共振同位相モードと不要な非共振モードとの優れた分解能を提供するために使用することができ、比較的大きな製造公差とすることが可能である。
【０００８】
今日、対称横方向導波路レーザでは、量子井戸サイズに対する導波路を増すことにより出力を大幅に増加することができる。これにより、横方向の光閉じ込め係数Γ（活性領域における光エネルギのパーセント）は大幅に減少し、次に、等価横方向スポットサイズｄ／Γも大きくなる。ここで、ｄは量子井戸の総厚みである。Γの減少は、内部損失係数が小さい（１−２ｃｍ-1）限り、閾値電流密度に有意な影響を与えることはなく、空洞長さもおおよそΓの減少と同じ割合で増加する。このような構造を使用することにより、幅広い線（１００μｍ）の素子により、空間非干渉性の極めて高い出力（例えば、８−１０Ｗ  ＣＷ）が実現される。しかし、光学モードは、横方向に対しほとんどクラッド層に浸透しないため、実際には、２次元空間モード干渉に有効な横モードの閉じ込めを達成することは不可能である。
【０００９】
（発明の概要）
本発明によれば、レーザや増幅器等の半導体発光源は、反導波型の放射光線側部閉じ込めを具体化した多層半導体構造とされる。また、本発明の半導体構造は、非対称の横方向光導波路を組み込み、大きな等価横方向スポットサイズを作り出す。更に、内部要素利得空間の穴あき効果は大幅に減少されるので、コア要素を従来のコアと比較して大幅に大きくすることができる。これらの構成により、従来の方法で構成された類似半導体構造と比較して、全体のスポットサイズを大幅に増加した半導体光源とすることが可能となる。従来構造に比し最大５倍の大きさのスポットサイズにできる可能性は高く、このような構造を組み込んだ半導体レーザを５倍のより信頼性の高い出力に、或いは半導体増幅器を５倍のより高い飽和出力ＰSATとすることが可能となる。
【００１０】
本発明の半導体発光源は、横方向に、基板、活性領域、及び活性層を包囲するように活性層の各側部に閉じ込め層及びクラッド層を備えた多層半導体構造から構成される。少なくとも１つのコア要素つまりコア要素領域は、発光が主に生じる構造の側部に形成され、介在要素領域は、コア要素に隣接して形成される。コア要素は、放射光線に対する選択した実効屈折率を有し、介在要素領域の実効屈折率は、活性領域に発生する光の効果的な反導波作用をもたらすためにコア要素の実効屈折率よりも高くされる。活性領域の向かい合う各側部に設けられた光閉じ込め層及びクラッド層は、非対称であり且つ基本横光学モードでのみレージングに有利に働く光導波路構造をコア要素内の横方向に作り出すための異なる屈折率を有する。光閉じ込め層及びクラッド層は、約２％未満の実効屈折率を活性領域に与えるようにするのが好ましく、その場合、コア要素と介在要素領域との間には約０．０５より低い実効屈折率の段差があり、介在要素領域においては約１００ｃｍ-1より低い減衰係数が存在する。半導体光源がレーザとして作動される場合、光学的フィードバックをもたらす手段が構造内に組み込まれ、コア要素内にレージング作用を引き起こす。増幅器への組み込については、半導体光源が増幅器として作動し得る反反射性を持つようにするために、半導体構造の縦方向端面にファセットが形成される。
【００１１】
本発明は、簡易化したＡＲＲＯＷ型構造、単一コア要素ＡＲＲＯＷ型構造、又は複数コア（例えば、３コア）ＡＲＲＯＷ型構造として含む様々な側部反導波構造を用いて構成することができる。複数コア要素は、ＲＯＷアレーを作り出すために介在要素領域によって分離することができる。必要であれば、ＡＲＲＯＷ型構造は、コア要素が構造の一端において他端よりも幅広くなるように縦方向にテーパを付けることができる。半導体構造に印加される電流をコア要素に対し制限するために、様々な手段を半導体構造に設けることができる。
他の目的、構成、及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面と関連させて理解することにより明らかになると考える。
【００１２】
（発明の詳細な説明）
本発明は、２次元の空間モード干渉のための横モード閉じ込めを実現することによって、半導体レーザ及び増幅器（本明細書においては全体として、半導体光源という）において高出力レベルの達成を可能とする。非対称の横方向光導波路構造を使用して、横方向の大きなスポットサイズ（ｄ／Γ）及び強力な横モード閉じ込めを達成する。本発明の光源構造のコア要素における横方向屈折率プロフィルを例示する略図が図１に示される。屈折率は、下部クラッド層において第１レベル２０で、閉じ込め層において第２のより高いレベル２１、（幅ｄの）活性領域では更に高い屈折率レベル２２、この活性領域近傍の上面の閉じ込め層においてはレベル２３にあり、そして上部クラッド層においては低いレベル２４にあるが、このレベル２４は下部クラッドの屈折率レベル２０よりも高い。また、上部閉じ込め層２３の厚みは、下部閉じ込め層２１よりも厚いことが望ましい。その結果が、グラフ２６で示される光学モードプロフィルである。このような構成により、従来の対称ガイドで側部反導波型の干渉レーザ構造の少なくとも３倍のｄ／Γ値を有する単一（光学）横方向モードにおいてのみレージングすることが可能となる。図１に示されるプロフィルを有するコア要素は、本発明による反導波構造としてコア要素より高い実効屈折率を有する介在領域によって側部に境界付けされている。図２に示されるように、介在領域の屈折率プロフィルは、屈折率レベル２０、２１、２２、２３、及び２４のコア要素と同じ層、及び介在要素全体つまり境界領域に対しコア要素よりも高い実効屈折率を与える高い屈折率レベル２８の付加層を有することができる。介在要素領域での光学モードプロフィルは、図２にグラフ２９で示される。図１及び２に示されるように、適切な側部反導波作用を与えるために、コア要素と介在領域におけるフールド間に充分なフィールドの重なりがある。
【００１３】
図１に示されるように非対称屈折率プロフィルを有するコア要素を備え、図２に示されるようにより高い実効屈折率の介在要素領域によって境界付けられた半導体光源は、比較的小さなΓ値による主な２つの利点があり、１つは大きな等価横方向スポットサイズｄ／Γであり、２つ目は内部要素利得空間の穴あき効果が大幅に減少することにより、1／√Γに比例した係数でコア要素を従来レーザ構造のものより大きくすることが可能となる。例えば、Γが（従来のレーザ構造で典型的な）４．３％から１．３％というように１／３に減少されると、ｄ／Γが３倍となり、コア要素サイズを√３の係数で増加させることができる。その結果、全体のスポットサイズは約５の係数で増加する。スポットサイズが５倍に拡大されるということは、レーザに関しては５倍のより信頼性ある出力を得ることができ、増幅器に関しては５倍の飽和出力ＰSATを得ることができるということを意味する。例としては、非吸収ミラーを備えた典型的な３μm幅のリッジガイド型素子に関して、通常の信頼性ある単一モード出力レベルは、約０．２Wである。従って、５倍の大きさの開口に関しては、この出力を５倍した、例えば１Ｗ  連続波（ＣＷ）の出力で単一空間モードにおける信頼性ある作動を達成することができる。
【００１４】
本発明の第１の例示的実施形態が図３に示されており、それは、大きな側方スポットサイズの反導波構造を作るために必要なエッチング及び再生技術に最も相応しい無アルミニウム活性領域である。図３の例示的構造は、屈折率レベル３１のｎ型ＧａＡｓから成る基板、（例えば、０．７から１．５μｍ幅の）より低い屈折率レベル３３のｎ型Ｉｎ0.5（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｐから成る下部クラッド層３２、屈折率レベル３５で、例えば５００Å幅のＩｎＧａＡｓＰから成る下部閉じ込め層３４、ＩｎＧａＡｓＰバリア層及び（例えば、各井戸が７０Åの寸法で、各井戸３８間及び井戸と活性領域との間の距離が１００Åの）二重量子井戸構造のための屈折率レベル３７の活性領域３６、（例えば、６５００Å幅の）屈折率レベル４１の上部閉じ込め層４０、及び屈折率レベル４３の上部クラッド層４２を備えている。言うまでもなく、「上部」「下部」というのは便宜上使用するもので、活性領域の一方側又は他方側にある層を区別するに過ぎないことは分るはずである。図示されるように、上部クラッド層４２の屈折率レベル４３は、下部クラッド層４２の屈折率レベル３３よりも高い。上部クラッド層４２は、ｐ型ＩｎＧａＰで形成される。例示的介在要素領域の屈折率プロフィルが図４に示される。介在要素領域の構造は、上部クラッド層４２の屈折率レベル４３より高い屈折率レベル５１のｎ型ＧａＡｓから成る層５０を上部クラッド層４２内に追加している以外は、コア要素の構造と同様である。代替的介在領域の屈折率プロフィルが図５に示される。これは、ｎ型ＧａＡｓから成る層５０が（例えば、７０Å幅の）Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓから成る薄層５２層５０内に備えていることを除いて図４に示されるものと同様である。層５０は、介在要素領域の実効屈折率をコア要素の実効屈折率よりも大きくする。図５の層５２は、モード間の分解能（例えば、三重コアＡＲＲＯＷ型レーザ構造）に必要な素子における介在要素の吸収損失を生み出す。Ａｐ＋型ＧａＡｓ接点層４４は、クラッド層４２の上面に形成される。
【００１５】
図３の構成は、基本横方向光学モードにおいてのみレージングするのに有利に働くように設計されている。確実に非対称とするために、下部クラッド層３２を、（ｐ型ＩｎＧａＰから成る）上部クラッド層４２より高い禁止帯の幅とそれより低い屈折率の材料であるｎ型ＩｎＧａＡｌＰとしている。
【００１６】
図３，４、及び５に示される横方向の構造は、本発明による様々な側部構造に利用することができる。第１のこのような側部構造が、図６に参照番号５３で示された簡易ＡＲＲＯＷ（Ｓ−ＡＲＲＯＷ）型構成である。Ｓ−ＡＲＲＯＷ型構成は、単一コア要素の各側部にただ１つの反共振介在要素領域を有するＡＲＲＯＷ型構造である。本明細書で使用されるように、介在要素領域は、単一コア要素の側部境界に配置するか、複数コア要素間及び最も外側の各要素の境界に配置することができる。Ｓ−ＡＲＲＯＷ型構造は、従来の単一コアＡＲＲＯＷ型又は複数コアＡＲＲＯＷ型の素子に比較してより簡単に製造できる利点があり、更に競合する横モードが２つしかないために有効なモード間の分解能を比較的簡単に達成することができる。コア要素５４は、分離閉じ込めヘテロ接合（ＳＣＨ）二重量子井戸（ＤＱＷ）活性領域を使用して、図３に示される層構造により形成することができる。このコア要素は、図４に示される層構造を有する介在領域５５によって境界付けられ、この場合には単一コア要素が存在するために、介在領域は、境界領域としての役割を果たし、より高い屈折率領域５０と、全体構造にわたって延びるｎ型ＡｌＩｎＰ５７及びｎ型ＧａＡｓ５８から成る付加層とを備える。ｎ型領域５７及び５８には、ｐ型層４２との逆バイアスｎ−ｐ接合部を設ける。従って、半導体構造５３に電流を流すためにこの構造の対向する表面に形成された導電性電極６０及び６１間に電圧が印加されると、この電流は、コア要素５４に対する逆バイアスｐ−ｎ接合部によって制限されるので、活性領域、つまり主として又は全体的にコア要素において埋め込まれた量子井戸層３８において発光が生じる。コア要素に対する電流の流れを制限する他の様々な代替手段を使用することも可能である。これらには、コア要素５４の周りにストライプ形状の開口を有し、このストライプ開口がコア幅より狭い幅（例えば、ｄCORE＝１０μｍに対し７μｍのストライプ幅）を持ちコア周りに集中するようにしたｐ＋ＧａＡｓ層４４の上面に酸化物層を組み込む方法が含まれる。従って、電極６０に電流を印加すると、この電流は、酸化物の設けられたストライプ接点のみを通じて流れる。他の代替案が図７に示されており、そこでは、ｎ型ＧａＡｓから成る層が、逆バイアスｐ−ｎ接合部を形成するためにｐ型ＩｎＧａＰから成る層４２の上面に形成されている。酸化物層６４は、開口６５を除く全体構造を覆うように形成することができ、開口６５には、図７に示すように、導電性接点領域６６を設けるために、開口６５及び層６３、４２間のｐ−ｎ接合部を介して導電性不純物材料（例えば、Ｚｎ）を拡散することもできる。コア要素に対する電流の流れを制限する他の手段は、ＡｌＧａＡｓの選択的湿式酸化技術を利用することである。これについては、例えば、Ｋ．Ｄ．Ｃｈｏｑｕｅｔｔｅ、Ｋ．Ｍ．Ｇｅｉｂ、Ｃ．Ｉ．Ｈ．Ａｓｈｂｙ、Ｒ．Ｄ．Ｔ．Ｗｅｓｔｅｎ、Ｏ．Ｂｌｕｍ、Ｈ，Ｑ．Ｈｏｕ、Ｄ．Ｍ．Ｆｏｌｌｓｔａｅｄｔ、Ｂ．Ｅ．Ｈａｍｍｏｎｓ、Ｄ．Ｍａｔｈｅｓ、Ｒ．Ｈｕｌｌの「ＡｌＧａＡｓ合金の選択的湿式酸化における進歩」ＩＥＥＥ  Ｓｅｔｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、Ｖｏｌ．３、９１６−９２５頁、１９９７年６月に論じられている。ストライプ開口つまりコア要素領域近傍の複数開口を形成するために、活性領域の少なくとも一側部にＡｌ含有化合物から成る選択的に酸化された薄層を形成することができる。例えば、高Ａｌ含有のＡｌXＧａ1-XＡｓ（Ｘ≧０．９５）から成る層を、上部又は下部クラッド層（図６の層４２又は２２）内に埋め込むか、或いはそれを図６の層５７の代わりに使用することができる。成長後の処理には、素子構造の側部端面から開始されるコア要素外側のＡｌXＧａ1-XＡｓ層の選択的湿式酸化が含まれる。
【００１７】
境界介在要素領域５５は、簡易ＡＲＲＯＷ型構造５３についての側部クラッド領域として機能し、基本横モードのための反共振状態にほぼ対応するように選定される。高屈折率介在要素クラッド層５５は、側部反導波及び側部導波を各々発生する偶数及び奇数の次数の横方向モード双方をサポートする。簡易コアＡＲＲＯＷ型構造の理論及び構成は、Ｉ．Ｖ．Ｇｏｌｔｓｅｒ、Ｌ．Ｊ．Ｍａｗｓｔ、及びＤ．Ｂｏｔｅｚの「単一クラッド反共振反射光導波路型ダイオードレーザ」Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｅｔｔｅｒ、Ｖｏｌ．２０、Ｎｏ．２１、２２１９−２２２１頁、１９９５年１１月１日に更に論じられている。
【００１８】
この構造の例は、Ｄ．Ｂｏｔｅｚの「反導波型半導体ダイオードレーザの高出力モノリシック位相同期アレー」Ｐｒｏｃ．ＩＥＥ−Ｊ、Ｖｏｌ．１３９、Ｎｏ．１、１４−２３頁、１９９２年２月に記述された２次元（２Ｄ）計算用のＭＯＤＥＮコードを使用してモデル化される。以下の主要パラメータが使用される：Γ＝１．４５％、ｄｃ＝１０μｍ、介在領域幅ｓ＝２．５５μｍ、及び屈折率段差Δｎ＝０．０２２．端部放射損失を示す算出グラフが、図８に参照番号６８で基本モード及び参照番号６９で１次モードに関して示されている。このような計算は、ＧａＡｓ受動的導波路厚みの広い範囲にわたる１０から１５ｃｍ-1の分解能を示している。本発明の例示的構造に関し、ｄｃ＝１０μｍで、ｄACTIVE／Γは１．０μｍにほぼ等しい。比較すると、ｄｃ＝４−６μｍでΓ＝４．３％の従来の簡易ＡＲＲＯＷ（Ｓ−ＡＲＲＯＷ）型では、ｄACTIVE／Γは０．３μｍにほぼ等しい。このように本発明の例示的構造に関しては、レーザスポットは、従来のＳ−ＡＲＲＯＷ型より側方で１．７倍大きく、横方向に３倍大きく、言換えると、レージングスポットは、従来のＳ−ＡＲＲＯＷ型のものより面積が５倍大きい。
【００１９】
従来の方法でレージング作用の光学的フィードバックを行うために、鏡映ファセットを構造の縦方向端面に設けることができる。その代わりとして、単一周波数作動も必要とされる場合に認められる埋め込みＤＦＢによってフィードバックするようにしてもよい。
【００２０】
従来の単一コア要素５４を備えたＡＲＲＯＷ型構造が図９に示されている。この従来構造においては、ｎ型ＧａＡｓから成る付加層７１が層５７及び５８を覆うように形成され、その付加層は開口７２によって層５０と隔てられている。図９の構造は、縦方向に均質とすることができ、或いは、図１０に示されるように、レーザ構造の先端７４でコア要素５４の幅ｄｃが後端７５の幅より大きくなるようにテーパを付けることもできる。端面７４及び７５は、光学的フィードバック用の鏡映ファセットとすることができる。
【００２１】
従来のＡＲＲＯＷ型素子は、コア要素幅ｄCOREが約４μｍ又はそれ未満である限り、（単一モード高出力素子を含み）良好に作動すると考えられてきた。この幅を超えるコア要素では、高次数モードが高負荷駆動レベルにおいて励起されるため、深刻な問題に遭遇する。Γ＝１．４５％、Δｎ＝０．０２２、及び最大１０μｍの様々なコア幅とした本発明による単一コアＡＲＲＯＷ型素子に関するＭＯＤＥＭで行った２Ｄ計算では、従来のＡＲＲＯＷ型構造を越える大幅な改善を達成できることを明らかにする。ｄCORE＝１０μｍ、発光波長λ＝０．９８μｍ、及び２．５μｍの反射介在要素領域の幅についての計算結果が、図１１に示されており、この図１１は、基本モード（モード４）及び１次とそれより高い次数のモードにつての、側部クラッド領域５９における端部放射損失とＧａＡｓ受動的ガイド層（層５０）の厚みとの関係を示す。ｄｃ＝１０μｍに関して、基本モードの損失は、非常に小さく（１ｃｍ−１未満）、これはＳ−ＡＲＲＯＷ型のものより相当少ない。モード間の分解能は高く、受動的ガイド層厚みの広い範囲にわたって１０から１５ｃｍ-1の範囲である。モード７は、閾値を越える問題であるが、図１０に示すようにテーパを付けたＡＲＲＯＷ型構造を利用することができ、その理由は、ｄｃが約６μｍ未満の場合モード７は強く減衰されて問題にならないためにためｄc,back＝４μｍでｄc、front＝１０μｍのテーパを付けたＡＲＲＯＷ型設計がモード７を取り除くことになるからである。再度触れると、従来のＡＲＲＯＷ型素子より少なくとも５倍大きい面積を有するレージングスポットサイズが得られる。
【００２２】
また、本発明は、複数コア（例えば、３コア）ＡＲＲＯＷ型素子に組み込むことができる。本発明による３コアＡＲＲＯＷ型構造の例が図１２に示されている。全ての介在領域は、図５に示される横方向の構造を有する。３つのコア要素５４は、境界介在要素領域５９’と同じ複数層構造を有する介在要素領域５９”により分離されている。層７１、５７、５８、及び間隙部７２により構成されるＡＲＲＯＷ型端部構造は、層７１が図５に示す吸収層５２を備えていることを除き、図９のＡＲＲＯＷ型構造と同様である。三重コアのＡＲＲＯＷ型素子に関して、開口は、Ｓ−ＡＲＲＯＷ又は従来の単一コアＡＲＲＯＷ型素子のものの３倍大きいが、光の約６０％だけが遠視野中央ローブ内に存在する。従って、Ｓ−ＡＲＲＯＷ及びＡＲＲＯＷ型素子と比較して約２倍の単一モード出力を達成するとともに、２Ｗ  ＣＷの回析限界出力を得ることが可能である。三重コアＡＲＲＯＷ型に関する算出モード損失と受動的ガイド厚みとの関係を示すグラフが、８．５μｍに等しい幅のコア要素について図１３に、１０μｍ幅のコア要素について図１４に示される。一連の計算のいずれに関しても、境界介在要素領域５９’の幅は２．５５μｍであり、介在要素領域５９”の幅は１．７μｍであり、３つのコア要素間の共振光伝送部にほぼ相当する。１０μｍに等しい幅のコア要素５４に関して、同相モード（基本モード）は、約０．５ｃｍ-1の低損失であり、モード間の分解能は、（約６６ｃｍ-1の介在要素吸収損失のために）ガイド層厚み変化の広い範囲にわたる（４ｃｍ−１より大きい）のが分る。再度触れると、このような素子についてのスポットサイズは、従来の三重コアＡＲＲＯＷ型素子のものの約５倍になることが分る。介在要素損失を持つ複数コア、特に３コアＡＲＲＯＷ型素子の構造は、前述の「介在要素損失を持つ高出力反導波型半導体レーザ」と題するＢｏｔｅｚ他に対する米国特許第５，６０６，５７０号に記載されている。
【００２３】
また、本発明は、ＲＯＷアレーに組み込むことができる。通常、２０要素で１２０μｍ開口の反導波型アレー（所謂、ＲＯＷアレー）は、０．５から０．６Ｗの干渉高信頼出力を提供する。ｄ／Γの値を３倍又は４倍にすれば、それにより信頼できる出力は、１．５から２Ｗとなる。非吸収ミラーを利用することにより、信頼できる干渉出力を３−５Ｗに増加することが可能である。
【００２４】
従来のフレア反導波型ＭＯＰＡの１３０μｍ幅開口素子については、Ｄ．Ｂｏｔｅｚ、Ｍ．Ｊａｎｓｅｎ、Ｃ．Ｚｍｕｄｚｉｎｓｋｉ、Ｌ．Ｊ．Ｍａｗｓｔ、Ｐ．Ｈａｙａｓｈｉｄａ、Ｃ．Ｔｕ、及びＲ．Ｎａｂｉｅｖの「共振光導波路構造を用いた均一位相フロントファンアウト出力増幅器」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．６３、Ｎｏ．２３、３１１３−３１１５頁、１９９３年１２月に示されるように実証された。本発明により横方向スポットサイズを３倍又は４倍にするとともに非吸収ミラーを使用することにより、このような素子を用いて得られる高信頼出力は、３から５Ｗの高信頼の空間的且つ時間的な干渉性出力に高めることができる。
【００２５】
また、本発明は、ＡＲＲＯＷ又はＳ−ＡＲＲＯＷ型素子を備えるＡＲＲＯＷ型増幅器に適用することができる。Γ＝１．４５％及びΔｎ＝０．０２２の素子は、最大１０μｍ幅のコア要素サイズｄｃを利用することができる。レーザ発振を防止するために端面ファセットを反反射性（ＡＲ）コート（好ましくは０．１％未満の反射率）することを除いて、前述したレーザ用と同じ構造が増幅器のためにに使用される。増幅器用としての他の代替案は、低反射（ＬＲ）コーティング（反射率約１％）の（分割ファセットに対し２−７°の）アングルストライプ素子を使用することである。単一モード素子のスポットサイズが５倍に増加するため、不飽和方式の（例えば光ファイバ通信用の）増幅器素子に実施され、飽和出力（ＰSAT）は、従来の値である１０ｍＷに比較し５倍の５０ｍＷに増加する。飽和方式の素子に関しては、２から４ｍｍ長さの素子で０．８から１．０Ｗの増幅出力を生み出す。適切なファセットの不動態化を利用することにより、このような出力を確実に生み出すことができ、（例えば、増幅器が外部空洞制御型のダイオードレーザの出力部に配置される場合）高出力化の調整可能な単一周波数光源とすることが可能となる。
【００２６】
他の代替案として、低屈折率コア要素を横方向に非対称に形成するが、導波路を１つでなく、図１５に示すように、活性領域を組み込んだ狭いガイドと、モードを広げるとともに活性領域に対し非対称とするための幅広のガイドとから成る２つの導波路で構成することにある。コア要素領域は、図１５に示すような基本屈折率８０の屈折率プロフィルを有し、低い屈折率レベルの領域８３によって活性領域及び閉じ込め層８２から分離したより高い屈折率レベル８１の光トラップ、及び再び屈折率レベル８４に上向きに近接する層を備える。結果としての光学モードは、グラフ８６に示される。光トラップは、ｄ√Δ（ｎ2）がλ／４未満の幅を有する。図１６に示す介在要素領域は、活性領域及び閉じ込め層８２から分離した付加的光トラップ８７を備え、図１６にグラフ８８で示されるようなフィールド分布を有する。このフィールド分布により、効果的な側部反導波作用のための充分な重なりが提供される。
【００２７】
更に、本発明は、アルミニウムを基盤とした、例えばＡｌＧａＡｓを基盤とした素子に組み込むことができる。このような材料系でのＳ−ＡＲＲＯＷ型素子に関する概略構造を図１７に示す。この素子は、ＡｌＧａＡｓのｎ型クラッド層９０、閉じ込め層９１、二重量子井戸活性領域９２、及び上部閉じ込め層９３を備える。図１７の構造は、ＧａＡｓから成るエッチング阻止層９６が内部に形成されたＡｌＧａＡｓ層９４を更に備える。以下に更に説明されるような離れた位置に形成された井戸９９を有するＧａＡｓ９７及びＧａＡｓ９８から成る付加層がＡｌＧａＡｓ層９４を覆うように形成される。更に、この構造は、ＡｌＧａＡｓから成るｐ型クラッド層１００、及びＧａＡｓから成るｐ＋キャッピング層１０１を備える。酸化物を設けたストライプ、（図７に示すような）選択的Ｚｎ拡散、プロトン注入、又はコア領域より狭い酸化物を設けたストライプとともに、高屈折率領域外側の（例えば、２−３μｍ幅の）Ｖ溝を利用することにより、電流制限を達成することができる。この構造に電力を供給するために、最上面と底面とに導通する電極１０３及び１０４を形成することができ、必要に応じ、電流制限を考慮した前記した方式を使用することもできる。コア要素１０５は、井戸９９間に設けられ、コア要素自体が介在要素領域１０６となる。図１８の例示的な閉じ込め層、活性層、及びクラッド層の構造図は、コア要素領域におけるこのような構造に関する屈折率プロフィルを示し、図１９は、コア要素領域１０５（図１７）及び介在要素領域１０６双方に関する例示的な各層の構成及び厚みを示す。以下の主要パラメータが使用される：（２Ｄ  ＭＯＤＥＭ計算において）Γ＝１．３８％、ｄｃ＝１０μｍ、介在要素領域幅ｓは約２．５μｍまで、及び屈折率段差Δｎは約０．０２３まで。
本発明は、本明細書において例として述べた特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内にある形態の全てを含むと考える。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明による半導体光源の発光コア要素内での横方向における屈折率のプロフィル及び光学モードのプロフィルを例示する略図である。
【図２】  図２は、本発明による半導体光源の単一コア要素（又は複数のコア要素）近傍にある介在要素内での横方向における屈折率のプロフィル及び光学モードのプロフィルを示す略図である。
【図３】  図３は、ＩｎＧａＡｓＰ二重量子井戸を備えたＩｎＧａＡｓＰ活性領域を有する本発明による半導体光源のコア要素における例示的な横方向屈折率プロフィルの図である。
【図４】  図３に示されるプロフィルを有するコア要素近傍にあるより高い実効屈折率の介在領域における例示的横方向屈折率プロフィルの図である。
【図５】  図３に示されるプロフィルを有するコア要素近傍にあるより高い実効屈折率の介在領域における他の例示的横方向屈折率プロフィルの図である。
【図６】  簡易化されたＡＲＲＯＷ（Ｓ−ＡＲＲＯＷ）型側部構造を有する本発明による半導体光源の例示的横断面図である。
【図７】  図６の光源に対する例示的電流遮断構造の一部の部分断面図である。
【図８】  図６の光源の基本モード及び１次モードに関するクラッド領域における正の導波路厚みの関数としての算出端部放射損失を示すグラフである。
【図９】    単一コア及びＡＲＲＯＷ型側部構造を有する本発明による半導体光源の例示的横断面図である。
【図１０】  テーパが付けられた側部寸法を有する図９の場合のようなＡＲＲＯＷ型構造に関するコア要素及び隣接要素の平面図である。
【図１１】  基本モード（モード４）及びより高い次数のモードを示す、図９の半導体光源のクラッド層における算出端部反射損失と受動的導波路の厚みとの関係を示すグラフである。
【図１２】  三重コアＡＲＲＯＷ型側部構造を有する本発明による半導体光源の例示的横断面図である。
【図１３】  基本モード（モード８）、隣接モード、及び位相外れモードに対し８．５μｍのコア幅を有する図１２の半導体光源に関する受動的導波路厚みの関数としての算出端部損失を示すグラフである。
【図１４】  コア幅１０μｍとした図１３に場合のような図１２のレーザに関し算出されたグラフである。
【図１５】  狭い活性領域から離れた狭い光トラップを有するコア要素の横方向屈折率プロフィル及び光学モードプロフィルの略図である。
【図１６】  図１５のコア要素近傍の介在構造に関する横方向屈折率プロフィル及び光学モードプロフィルの略図である。
【図１７】  単一クラッドＡＲＲＯＷ型構造を備えるＡｌＧａＡｓを基盤としたシステムの半導体光源構造の例示的横断面図である。
【図１８】  図１７の光源構造に関するコア要素の例示的横方向屈折率である。
【図１９】  図１８の半導体構造における各層（上面列）及び介在領域の各層（底面列）に関する例示的層厚み及びＡｌパーセントを示す表である。
【図１】
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【図２】
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【図７】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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