(57)【要約】本発明は、光通信の分野におけるファイバ増幅器用の、例えばエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）用またはラマン増幅器用の、主にいわゆるポンプレーザとして、オプトエレクトロニクスで一般に使用されるタイプの高出力半導体ダイオードレーザーに関する。単一キャビティを有し、かつ単一横モードで動作するこのようなレーザーは、形成されたクラッド層の少なくとも一つに多層大型光超格子構造（ＬＯＳＬ）を配置することによって改善される。このＬＯＳＬは、出射ビームの大幅に改善された形状を提供し、オプトエレクトロニクネットワークのファイバへの効果的な高出力結合を可能にする。
2006521012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長のレーザー光線を発生させるための高出力半導体レーザーにおいて、前記レーザーが、
利得領域および導波路を備える活性領域と、
その１つにおける大型光超格子構造（ＬＯＳＬ）によって特徴付けられる、１つまたは複数のクラッド層とを備え、
前記超格子構造が、それぞれの屈折率の異なる少なくとも２つの超格子層であるか、または少なくとも２つの超格子層を備え、前記各層が前記活性領域における電子のドブロイ波長より大きな厚さを有していることを特徴とするレーザー。
【請求項２】
前記各超格子層が、少なくとも２０ｎｍの、好ましくは２０ｎｍと５００ｎｍの間の厚さを有する、請求項１に記載のレーザー。
【請求項３】
前記超格子構造が、少なくとも２つの交互に積み重ねられた超格子層を備え、それらの全体で前記超格子構造の所定の全体の屈折率になる、請求項１又は２に記載のレーザー。
【請求項４】
前記異なる屈折率が、前記超格子層の異なる材料組成、および／または異なるドープレベル、および／または異なる寸法によってもたらされる、請求項１に記載のレーザー。
【請求項５】
前記異なる屈折率が前記超格子層の異なる厚さによってもたらされる、請求項４に記載のレーザー。
【請求項６】
前記少なくとも２つの超格子層が基本的に同じ厚さを有する、請求項４に記載のレーザー。
【請求項７】
前記同じ屈折率の少なくとも２つの超格子層が基本的に同じ厚さを有する、請求項４に記載のレーザー。
【請求項８】
超格子層の厚さが基本的に均質である、請求項４に記載のレーザー。
【請求項９】
前記屈折率の１つを有する複数の超格子層が提供され、かつ、前記超格子層が、それらの厚さにおいて異なる、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項１０】
前記超格子層が、それらの厚さにおいて異なり、前記活性領域の近くの最大厚さから縦方向に減少する、請求項９に記載のレーザー。
【請求項１１】
前記超格子層が、それらの厚さにおいて異なり、前記活性領域の近くの最小厚さから縦方向に増加する、請求項９に記載のレーザー。
【請求項１２】
前記超格子層が、それらの厚さにおいて縦方向に異なり、前記活性領域の近くで最小厚さを有し、続いて最大厚さが中央に位置し、かつ最小厚さが前記活性領域から離れて位置する、請求項９に記載のレーザー。
【請求項１３】
前記超格子層が、それらの厚さにおいて縦方向に異なり、前記活性領域の近くで最大厚さを有し、続いて最小厚さが中央に位置し、かつ最大厚さが前記活性領域から離れて位置する、請求項９に記載のレーザー。
【請求項１４】
ＩｎＰベースの化合物またはＩｎＰが、前記超格子層の少なくとも一つに使用される、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項１５】
少なくとも２つの超格子層が、おおよそ同じドープレベル、好ましくはｎ形ドープレベルを呈する、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項１６】
少なくとも２つの超格子層が、異なるドープレベル、好ましくはｎ形ドープレベルを呈するが、前記２つの超格子層の寸法および／または材料が、おおよそ同じものである、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項１７】
少なくとも１つの超格子層が、変化するドープレベル、好ましくはｎ形ドープレベルを呈する、すなわち、前記レーザーの高強度の高次モードを有する位置で高ドープレベル、および前記０次モードと前記高次モードの低重なりを有する、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項１８】
前記２つの超格子層の寸法および／または材料がおおよそ同じものである、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項１９】
約１４００ｎｍから１５５０ｎｍまでの波長を有するレーザーに対して、前記超格子層が、
９４０ｎｍと１３００ｎｍの間の発光波長を有するＩｎＧａＡｓＰ  ４元化合物から選択され、約１ｘ１０１７ｃｍ−３と５ｘ１０１８ｃｍ−３の間でｎ形ドープされる、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項２０】
約１２００ｎｍから１３００ｎｍまでの波長を有するレーザーに対して、前記超格子層が、
９４０ｎｍと１１００ｎｍの間の発光波長を有するＩｎＧａＡｓＰ  ４元化合物から選択され、約１ｘ１０１７ｃｍ−３と５ｘ１０１８ｃｍ−３の間でｎ形ドープされる、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項２１】
前記超格子層の１つが、前記クラッド層の１つと少なくともおおよそ同じ大きさの屈折率を呈する、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項２２】
前記超格子層の一つが、隣接したクラッド層の格子定数に少なくともほぼ等しい格子定数を呈する、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項２３】
前記活性領域に隣接した前記超格子層が、前記少なくとも２つの屈折率のより低い方の屈折率を呈する、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項２４】
前記活性領域に隣接した前記超格子層が、前記クラッド層の１つと同じ大きさの屈折率を呈する、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項２５】
前記超格子層の１つが、前記クラッド層の１つと同じ材料から成り、前記材料が好ましくはＩｎＰである、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項２６】
前記超格子層の前記ｎ形ドープレベルが、隣接したクラッド層のｎ形ドープレベルに少なくともほぼ等しい、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項２７】
前記大型光超格子構造が、少なくとも２つの異なる屈折率を有する４と２０の間の超格子層を備える、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【請求項２８】
約１４００ｎｍと１５５０ｎｍの間の波長で発光するレーザーの前記光超格子構造の前記全厚さが、１０００ｎｍと７０００ｎｍの間である、先行する請求項のいずれかに記載のレーザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信の分野におけるファイバ増幅器用の、例えばエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）用の、またはラマン増幅器用の主にいわゆるポンプレーザとして、オプトエレクトロニクスで一般に使用されるタイプの高出力半導体ダイオードレーザーに関する。このようなレーザーは、通常単一キャビティを有しかつ単一横方向および縦方向モードで動作する。それらは、所定の周波数帯において高出力で狭帯域幅の光放射を提供する。特に、本発明は１１００ナノメートルを超える波長で動作するようなレーザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、前述のタイプの半導体レーザーは、特にこのようなレーザーが光学的方法によって直ちに光信号を増幅するのに使用できるので、光通信技術における重要な構成部品になってきた。これは、全光ファイバ通信システムの設計を可能にし、伝送すべき信号のあらゆる複雑な変換を回避して、このようなシステム内で速度と同様に信頼性をも改善する。
ある種の光ファイバ通信システムにおいては、レーザーは、エルビウムドープファイバ増幅器、いわゆるＥＤＦＡ、をポンピングするために使用されており、これは、当業者にとって公知の様々な特許および刊行物において記述されている。技術的に重要な例は、３つの主要なタイプであり、一般的に、エルビウムの吸収波長に対応するエルビウム増幅器に使用される。歪み量子井戸ＩｎＧａＡｓレーザーが９８０ｎｍで使用され、ＧａＡｌＡｓレーザーが８２０ｎｍ、およびＩｎＧａＡｓＰおよび多重量子井戸ＩｎＧａＡｓレーザーが１４８０ｎｍで使用される。本発明は、特に後者のタイプのレーザーに向けたものであり、すなわち１１００ｎｍを超える波長用のレーザー、および例えば、ＩｎＧａＡｓＰ、多重量子井戸ＩｎＧａＡｓレーザーまたはＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰにおいて１４８０ｎｍで実施できる。
【０００３】
このようなレーザーダイオードで所望の結果を達成するためには、レーザーの出射ビームの縦方向遠視野が低いほうが有利であると考えられ、これは近視野の縦方向の拡がりを大きくすることと関連しており、これによりレーザー内の光出力密度を下げるとともにファイバ結合の結合効率も強化する。さらに、効率的な高出力動作にとっては内部損失が低いことが不可欠である。しかし、ここで取り上げるレーザー群にとってこれを達成することは、容易な課題ではない。
ここで、このようなレーザーダイオードの技術的実現性についてのいくつかの意見は、適切なようである。当業者は、光近視野、すなわちレーザキャビティ内の光モ−ドと光遠視野、すなわちレーザーの外側のモードとを区別する。近視野の横方向寸法は、レーザーダイオードの横方向の構造によって決定される。これは、高次モードのレーザー動作を回避するためになされる。横方向寸法は、通常、数マイクロメートル、一般的に２から５マイクロメートルの間である。大きな縦方向光近視野で効率的なレーザー構造を実現するのは困難なため、縦方向の寸法は、一般的に非常に小さく、通常１マイクロメートルを下回り、しばしば数十分の１マイクロメートルの範囲である。
【０００４】
近視野の縦方向寸法が横方向寸法より非常に小さいので、それに対応する遠視野は、大きな縦方向遠視野角を有し、一方、横方向遠視野角は一般的に非常に小さい。これはビームがレーザキャビティを出るときの回折の結果である。その結果、ここで論じられるタイプの導波路レーザーにおいて、近視野は、一般に横方向に拡がる楕円の形状を有し、一方、遠視野は縦方向に拡がる楕円の形状を有する。この状況は、図１に示すように水平に設置されたレーザーに基づく。
【０００５】
ファイバーネットワークの残りの重要な構成部品である光ファイバは、一般に、円形断面を有し、残念なことに、遠視野の楕円の断面とは適合しない。この不適合によって発生する損失を回避するために、多大な努力がなされてきた。なぜなら、レーザーダイオードの「生の」パワーではなく、最終的にファイバに結合するパワーが、ファイバーネットワークの性能を決定するからである。これらの努力の一つが、レーザーの遠視野とファイバとの間の結合を改善することである。したがって遠視野の形態を整形することは、特に有望なアプローチと思われる。
【０００６】
光ファイバの断面を適合させるために、縦方向遠視野の低減が、有利である。これは、縦方向近視野を大きくすることによって達成できる。このような縦方向の拡がりの大きな楕円の光近視野は、光モ−ドを縦方向に弱く導波することによって得ることができる。良い熱除去にとって重要な特に長いキャビティでの高効率を得るために、レーザー構造の内部光損失を低くする必要がある。ＩｎＰベースの材料系にとって、光損失への主要な寄与が、主にｐ形ドープ領域内の自由キャリア吸収から発生することは公知である。したがって、モードは好ましくは非対称導波路配列においてレーザー構造のｎ形ドープ部分に導波される。
【０００７】
大型導波路内にモードを導波するためには、導波路層と周囲の（クラッド）層の間の屈折率の差異を小さくする必要がある。ＩｎＰベースの材料において、ＩｎＰでできたクラッド層を選択することは、三元合金または四元合金と比較して二元合金は電気伝導および熱伝導が改善されるので有利である。クラッド層に対する導波路の屈折率の差異を小さくするために、比較的低屈折率の四元材料が、必要とされる。これは、約１０００ｎｍ（１．０μｍ）を下回る必要がある光ルミネセンス波長（λＰＬ）によって、特徴づけられる。
【０００８】
このような構造の図面を図１内に示しており、以下に更に説明する。これらの材料の厚い層の構成は、制御するのが困難なことが公知である。制御が不足する結果、容易にモードプロフィルの歪みをもたらし、レーザーダイオードの性能を低下させ、かつ製造工程の効率を著しく減少させる。したがって、低屈折率導波路は、例えばＩｎＰおよび通常Ｑ１．１０材料と呼ばれる１１００ｎｍ（１．１０μｍ）以上のλＰＬを有する材料の様な、より簡単な制御が可能な材料のセットでできている。導波路に必要とされる平均的な屈折率は、一対のＩｎＰおよびＱ１．１０材料層の厚さの適切な変更によって現在容易に取得できる。
【０００９】
大きな拡がりをもつ導波路内に弱く導波されたモードと関連する別の問題は、これらの導波路が、潜在的に多重モード導波路である、すなわち、より高次モードの生成および導波を可能にすることである。本発明の解決策によって、０次および高次モードのモードプロフィルを形成することが可能であり、任意の傾斜屈折率プロフィルを使用して潜在的に多重モードの縦方向導波路において高次モードの弁別を可能にする。
【００１０】
第３の問題は、非対称導波路における弱い導波モードと関連する。非対称導波路は、モードのほとんどの強度が、自由キャリア吸収がより支配的でない区域のｎ形ドープ部分に導波されるので有利である。しばしば非対称導波路は、活性導波路の近くでレーザー構造のｎ−クラッド内に埋め込まれた追加の小さな導波路の利点を用いて実現される。このような非対称導波路におけるモードの寸法を増加させる一方、これらの導波路は、追加の導波路がきわめて大きくなり、かつ活性導波路に対して著しい距離になる必要があるので（例えば加熱またはキャリア密度の変化による）屈折率の変化に対して不安定な傾向がある。本発明の大型光超格子（ＬＯＳＬ）のアプローチを使用すると、追加の導波路の効果がクラッド層に対する平均化された低い屈折率差異で大型導波路にわたって分布するので、モードがずっと安定して導波される。
【００１１】
多くの解決策が、上記の諸問題を解決するために試みられた。しかし、これらの解決策のいずれも、満足に機能しなかった。より良い理解のために、試みられたいくつかの最も関連した解決策を、以下に記載する。
１つの解決策が、Ｔ．  Ｎａｍｅｇａｙａ，  Ｒ．  Ｋａｔｓｕｍｉ、その他によってＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖ．  ２９  Ｎｏ．６、１９９３年６月、ｐｐ  １９２４−１９３１において表題「高出力１．４８μｍ  ＧａＩｎＡｓＰ−ＩｎＰ傾斜屈折率分離閉じ込めヘテロ構造多重量子井戸レーザーダイオード（１．４８μｍ  ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ＧａＩｎＡｓＰ−ＩｎＰ  ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ  ｓｅｐａｒａｔｅ−ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ−  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅｓ）」の下で記述された、対称性の小型導波路を使用することである。これらは、材料波長より非常に小さい寸法を有する導波路である。それらはモードを緩く導波して、大きな近視野およびしたがって、小さな遠視野を実現するのに使用できる。残念なことに、これらの導波路は、ｐ形ドープ材料のモードの重なりから高自由キャリア吸収に伴う光損失が大きい。したがって、ＩｎＰベースの材料系においては、これらのレーザーは一般的に低い効率を示す。
【００１２】
別の公知の解決策は、Ｍ．  Ｍａｉｏｒｏｖその他によってＯｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｘｈｉｂｉｔ（２００１）ＯＦＣ  ２００１、Ｖ．  ３、２００１年、ｐｐ．  ＷＣ２−１−３第３巻、表題「高出力ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ広域導波路単一モードリッジ導波路レーザー（Ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ  ｂｒｏａｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ｒｉｄｇｅ−  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｌａｓｅｒｓ）」に記載されたように、低屈折率材料を含む対称の大型導波路を使用する。これらは、材料波長より非常に大きな寸法を有するドープされていない導波路であり、それらもまたモードを緩く導波し、したがって大きな近視野およびしたがって、小さな遠視野を実現するのに使用できる。ドープされていない導波路における光損失は低いが、これらの導波路は、次の理由であまり適切でない。
−  低屈折率材料の制御は困難である。
−  大きなドープされていない領域によって、追加の不必要な電圧降下が発生する。
−  横方向の単一モード動作で動作するべきレーザーに対して、十分に強い横方向の導波を得るために導波路にエッチングを行う必要がある。これは、（例えばリッジ導波路レーザーにおけるエッチング深度の制御が困難であるので）製造問題および（レーザーのエッチングされた表面でのキャリアの高濃度化による）信頼性問題、の双方をもたらす。
【００１３】
本発明の譲受人に譲渡された、Ｂ．  Ｒｅｉｄその他による米国特許出願第１０／１４１９１４号に示すように、更なる解決策が、追加の導波路を使用した非対称導波路である。これらのデバイスは、レーザー構造のｎ形部分に最も有益に配置された追加導波路を有し、光損失の減少を可能にする。追加の導波路は、モードに対する軽い外乱として作用し、したがって、ある減少した厚さおよび活性導波路からある距離に限られており、超低遠視野角に到達するのを抑制する。追加の導波路の拡張した寸法および距離において、特に、例えば加熱またはキャリア密度の変化のために、屈折率が変化する場合、このような構造は、性能の劣化をもたらし不安定になりやすい。
【００１４】
なお更なる解決策が、ディジタル合金および小型電子超格子の試みであった。そのアイデアは、低い平均的な屈折率が、半導体材料中のキャリア（電子）のドブロイ波長のオーダーの厚さの（多くの場合二元または三元合金）交互層によって得られ、小型電子超格子になるというものであった。これは、また、極めて微細なスケールでその厚さが単分子層の範囲である層を交互にすることによって、すなわち、Ａ．  Ｇｉｎｔｙその他によって表題「ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ超格子光閉じ込めおよび障壁層を有する長波長量子井戸レーザー（Ｌｏｎｇ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｌａｙｅｒｓ）」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖ．  ２９、Ｎｏ．８、１９９３年４月１５日、ｐｐ  ６８４−６８５に記載されているように、ディジタル合金を作ることによって得ることができる。
両方の方法が、平均的な電子特性、すなわち平均バンドギャップエネルギーを発生するために使用される。さらに、最初の方法は、Ｒ．  Ｖ．  Ｃｈｅｌａｋａｒａその他によって表題「ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料システムの超格子障壁によるポテンシャル障壁高の向上（Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｈｅｉｇｈｔ  ｂｙ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｂａｒｒｉｅｒｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｓｙｓｔｅｍ）」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖ．  ３１、Ｎｏ．  ４、１９９５年２月１６日、ｐｐ  ３２１−３２３において示されているように、キャリアに対して追加のエネルギーギャップを与える共振構造として一般的に実施される。しかし、２つの方法のいずれも、光導波路に必要とされる非常に大きな寸法に対しては適切でない。これは、この技術と関連する多数のインタフェース、場合によっては電子移動度の減少および歪んだ形態をもたらすインタフェースに起因する。さらに、必要平均屈折率を得るために層の厚さの的確な制御が必要とされるので所望の成長を達成することは、困難である。
【００１５】
大型縦方向遠視野を得る別の解決策が、Ｍ．Ｗａｄａその他によって表題「横方向テーパーを有するスポットサイズコンバータ統合レーザーダイオードの製造およびファイバ結合特性（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ−ｔｏ−ｆｉｂｒｅ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅｓ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ａ  ｓｐｏｔ−ｓｉｚｅ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｈａｖｉｎｇ  ａ  ｌａｔｅｒａｌ  ｔａｐｅｒ）」  ＩＥＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖ．  １４４、Ｎｏ．２、１９９７年４月、ｐｐ  １０４−１０８に開示されているスポットサイズコンバータである。この解決策は、追加の導波路を有する非対称構造における縦方向モードの導波と関連する不安定性の影響を使用して、基板に向かう導波モードを活性導波路の下の大型追加導波路内に抑制する。これは、断熱的に行わなければならず、かつ追加の処理工程または成長工程を必要とする。さらに、レーザーダイオードの一部としてのスポットサイズコンバータは受動であり、このようなデバイスを高出力レーザーダイオードとして使用するにはあまり効果的ではないものにする。
【００１６】
更なる解決策が、反共振反射型光導波路（ＡＲＲＯＷ）を提供することで構成されている。このような解決策は、Ｍ．  Ｇａｌａｒｚａその他によって表題「効率的なファイバ結合のためのＡＲＲＯＷ導波路を使用したモード拡張１．５５−／ｓｐｌ  ｍｕ／ｍ  ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓＰファブリペローレーザー（Ｍｏｄｅ−ｅｘｐａｎｄｅｄ  １．５５−／ｓｐｌ  ｍｕ／ｍ  ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓＰ  Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ  ｌａｓｅｒｓ  ｕｓｉｎｇ  ＡＲＲＯＷ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｆｉｂｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）」、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｎ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖ．  ８、Ｎｏ．６、２００２年１１月／１２月、ｐｐ  １３８９−１３９８に、および、Ａ．  Ｍ．  Ｋｕｂｉｃａによってｔｈｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ａｎｎｕａｌ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  １９９４、ＬＥＯＳ’９４  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓにおいて表題「任意の屈折率プロフィルコアレイヤを有する反共振反射型光導波路の設計（Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ａｎ  ａｒｂｉｔｒａｒｙ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ｐｒｏｆｉｌｅ  ｃｏｒｅ  ｌａｙｅｒ）」ＩＥＥＥ、Ｖ．  ２、１９９４年１０月３１日−１１月３日、ｐｐ  ６３−６４に記載されている。このような縦方向ＡＲＲＯＷ構造は、ガラスにおいてと同様に半導体材料においても実現されてきた。これらの構造において、モードが共振を経験するように、関連する層は特定の寸法を有する必要がある。これらの必要とされる寸法は、設計可能性を制限し、ＡＲＲＯＷ構造を多くの実際的な目的の使用に耐えなくする。さらに、ＡＲＲＯＷ構造は、実際には限られた性能だけを示すが、これは主に、全動作状況に対して共振条件が得られる必要があるが、一方拡張すなわち「導波」モードが基本的には損失性モードであるという事実による。
【００１７】
一般にレーザーの「高傾斜効率」、すなわち高放射出力対電流入力比は、加熱によって生じる熱運動のために出力パワーが低下し始める前に高出力パワーに到達するために、明らかに低い内部損失を必要とする。一方、効率的な熱除去は、大型チップサイズを必要とするが、それは、キャビティを出ることができる光がより少ないので残念なことに、傾斜効率を減少させる。したがって、レーザーの内部損失およびどのようにそれらを最小限に抑えるべきかが現在、レーザー設計において支配的な役割を果たすだけでなく、達成可能なパワー出力を実際に制限もする。それがわかると、最も効率的にレーザーの出力を使用し、かつあらゆる不必要な損失を回避することがより重要になる。ここで本発明のレーザーは、縦方向遠視野を減少させることによって、レーザーとファイバとの間の結合効率を著しく改善し、したがって、レーザー設計の重要な前進ステップを意味する。
【００１８】
したがって、更に上で取り上げられた問題に対する解決策を提供し、かつ、記載された従来技術設計の欠点および限界を克服することが本発明の主要な目的である。これは、製造が簡単でかつ高歩留を与える単純なかつ信頼性が高い高出力レーザー構造を考案することによって達成される。このようなレーザーは、光ファイバ通信システムにおけるポンプレーザー、例えば高出力ＥＤＦＡおよびラマンポンプレーザー設計として特に有用となるには、安定した出力を提供しなければならず、同時に、最先端の性能を示さなければならない。
【発明の開示】
【００１９】
本発明の新規な高出力レーザー構造は、利得領域と、導波路と、縦方向部分が光超格子から成るかまたは光超格子を備えるクラッド層内の光導波路とを備える連続的活性領域を有する。ここで、超格子自体が交互の屈折率を有する層の配列から構成されるかまたは含んでいる。これは、高出力動作の必要に応じ、例えばラマン増幅器用の励振源として縦方向遠視野の低減および光損失の減少を可能にする。大型光超格子（ＬＯＳＬ）は、近視野モードの拡張をもたらす光モ−ドの弱い縦方向導波によって所望の低い縦方向遠視野を発生するように設計されている。これは、大型光超格子（ＬＯＳＬ）の個々の層から得られる低い平均屈折率による。
【００２０】
このレーザー構造におけるＬＯＳＬの提供は、低屈折率、すなわちクラッド層の値の近くの屈折率を有する材料の成長と関連する問題を克服する。これは、特に四元合金の場合、例えば１１００ｎｍより著しく小さい光ルミネセンス波長を有する四元合金の材料系ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰにおける場合である。この波長域においては、組成の良い制御を達成するのが難しいことは周知である。本発明に関しては、ＬＯＳＬの個々の層は、組成を制御するのが簡単な材料でできており、かつ、層は光の材料内波長、すなわち真空内の波長を材料の屈折率で割った商、以下の寸法を有する。したがって、電子的性質が個々の層の性質にとどまる一方、光学的性質の平均化が起こる。個々の層の厚さを変化させると、ＬＯＳＬの平均屈折率の簡単な調整が可能となる。それはまた、意図的な厚さ変動によって、導波されたゼロおよび高次モードのプロフィル整形を可能にする。
【００２１】
この技術の使用は、一定、または線形傾斜（Ｇ−ＬＯＳＬ）、または任意形状（Ｓ−ＬＯＳＬ）屈折率プロフィルを有する大型光導波路の相対的に単純な製造を可能にする。ＬＯＳＬは、モードの非対称導波をサポートする構造、すなわち、モードが主にレーザー構造のｎ形ドープ部分内に導波され、自由キャリア吸収を減少させる構造にとって特に有利である。これは、非対称大型光超格子（Ａ−ＬＯＳＬ）によって達成できる。
【００２２】
本発明のＬＯＳＬは、また、回折格子、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザー用のブラッグ回折格子と組み合わせることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、基本的レイアウト、すなわち本発明による半導体レーザーダイオードの基本的部分の断面図を、右側の関連した屈折率の分布と共に示す。図１内に示される構造の最下部から始めて、ｎ＋形ＩｎＰ層は、レーザー構造のエピタキシャル成長用のＩｎＰ基板を表し、その上にｎ形ＩｎＰ層が続く。両方とも、従来技術から公知である。この下部クラッド層の上に光超格子が位置し、その上に利得領域および導波路を有するレーザーの活性領域が続く。好ましくは、光超格子は、低屈折率したがって高バンドギャップの材料で活性領域に向かって終了する。最も好ましくは、低屈折率を有する材料がＩｎＰから成る。活性領域の上に、別のクラッド層、ここではｐ形ＩｎＰが位置し、このリッジの上に狭いｐ＋形ＩｎＧａＡｓ層でレーザーリッジを形成する。構造全体に、最上部に金属被覆を載せる。
【００２４】
したがってこの新規なレーザー設計は、ｐ形ドープおよびｎ形ドープクラッド層内に埋め込まれる活性導波路を取り入れている。本発明の焦点はクラッド層の一つに位置する大型光超格子（ＬＯＳＬ）である。図１のＬＯＳＬはｎ形ＩｎＰクラッド層内に示されているが、それは、ｐ形ＩｎＰ層と活性領域の間、すなわち活性領域の上にまたは活性領域の両側に位置して、クラッド層の「端部」を形成することも同様に可能である。
【００２５】
しかし、ＬＯＳＬが、この構造のｎ形側に向けた非対称大型光超格子（Ａ−ＬＯＳＬ）として非対称に配置され、したがって、モードを主に光損失が低い構造のｎ形ドープ層内に導波可能にすることが最も有益であるようにみえる。
図１の図表、レーザーの右は、レーザーの断面に沿った、すなわちレーザーの長手方向の拡がりに対して垂直な屈折率の分布を示し、ここで、左側ほどより高い屈折率を表す。図１内の図表の方向は、レーザーの所定の方向にとどめるために選択された。したがってより高い屈折率値が左側に伸び、これは矢印「屈折率」によって示されている。屈折率がより低くなればなるほど、半導体材料のバンドギャップのエネルギーがより高くなる。これは図表上部に矢印によって示されており、「エネルギー」とラベルがついている。
図１の屈折率線図に示したように、大型光超格子（ＬＯＳＬ）は、レーザーの縦方向拡がりにおいて屈折率の交互の分布を与える構造を有する。これは、本発明についての中心的な革新的アイデアの１つの可能な実現であり、その変形および調整において従来技術に比べて上記した利点をもたらす。
【００２６】
この一般原理、すなわちレーザーの活性層に隣接した大型光超格子（ＬＯＳＬ）の提供から始めて、可能な種々の変形を残りの図を参照して次に論じる。
図２は、図１の線図と同様の線図で、しかしここでは水平方向に、従来技術において用いられているレーザーダイオード全体の屈折率の分布を示す。基板（図示せず）上のｎ形クラッド層（右側に示す）に、低屈折率を有する大型非対称導波路が続く。後者の上に位置するのが活性領域および量子井戸（ＱＷ）で、別のクラッド層、通常ｐ形クラッド層がそれに続く。
【００２７】
上で議論したように、本発明は、従来技術に従う基本的に均質の導波路を、特定の方法で、すなわち、定義された全体の屈折率を有する大型光超格子構造（ＬＯＳＬ）として構築された少なくとも一つの不均質な導波路によって置換する。
要するに、このＬＯＳＬは、縦方向に非常に弱くモードを導波し、したがって近視野においてモードの大きな拡がりを可能にし、それが今度は縦方向遠視野の圧縮をもたらす。
本発明のＬＯＳＬは、好ましくは多層構造である。個々の層間の界面でキャリア輸送と関連する問題を回避するために、ドープすることができる。個々の層の厚さは、非常に低い平均屈折率、好ましくはクラッド層の屈折率に近くなるように設計される。したがってＬＯＳＬは、特に数ミクロンのオーダーの所望の大きな厚さに成長させるのが困難な低屈折率の均質材料を置換する。
【００２８】
ＬＯＳＬの個々の層の厚さは、導波モード、すなわち、近視野モードがＬＯＳＬ層の光学的性質の平均を「見る」、すなわち屈折率を平均するように選択される。しかし電子的特性は、個々の層の特性にとどまる。
ＬＯＳＬ層の典型的な厚さは、２０ｎｍから５００ｎｍの範囲に及ぶ。下限は、キャリアの共振反射のような望ましくない効果となる量子効果の発生によって与えられている。これは、２０ｎｍ以下の範囲かもしれない材料内のドブロイ波長より大きい下限の厚さ許容値に対応する。上限値は、近視野モードで見られる個々の層の光学的性質の平滑化が不完全になり始める材料内の光の波長によって決定される。
【００２９】
図３は、ＬＯＳＬの一定の「平均化」設計に対する屈折率を示す。屈折率および厚さは、様々な交互のＬＯＳＬ層の各々に対して同じであり、全体のＬＯＳＬ構造に対して一定の平均屈折率になる。
図３において上記したＬＯＳＬによってもたらされる屈折率のだいたい均質の平均値に加えて、特に０次および高次モードの近視野モードプロフィルを整形することもまた可能である。
【００３０】
図４は、このようなＬＯＳＬを実施する１つの可能性を示す。各々の層に対して全く同一の屈折率であるが異なる厚さを有するＬＯＳＬ構造を使用すると、特に、活性領域から隣接したクラッド層に向かって１つの層の厚さを減少させていくように選択すると、線形傾斜光超格子（Ｇ−ＬＯＳＬ）になる。このようなＧ−ＬＯＳＬは、導波路からクラッド層に向かっていわば徐々に終了する屈折率プロフィルを呈する。
【００３１】
図５は、潜在的に多重モードの縦方向導波路において、高次モードの弁別をもまた可能にする別の形状の屈折率プロフィルを示す。各々の層に対して全く同一の屈折率であるがＬＯＳＬの中央で厚さの最大を有するＬＯＳＬ構造を使用すると成形光超格子（Ｓ−ＬＯＳＬ）になる。
【００３２】
縦方向モードの弁別が、導波路の縦方向に沿ってＬＯＳＬ層の一定のまたは変更された厚さと共にドープレベルを選択し、かつ変更することによって更に強化できることは当業者にとって明らかである。一般に、縦方向ＬＯＳＬ導波路内の高次モードの強度が高くかつ０次モードの強度が低い位置へ、高ドープレベルを配置することが選択されるであろう。
高次モードが強度の複数の最大値を示す一方、０次モードは単一の最大値を示すだけである。したがって、モード弁別のための高ドープレベルを配置する最も適切な位置は、高次モードの強度が高く、かつ同時に高次モードと０次モードの重なりが最小の位置である。この場合、高次モードは０次モードのために低い内部損失を犠牲にせずに、付加損に起因する効果的な減衰を経験する。
【００３３】
現在、本発明を具体化する最も好ましい方法は、以下のとおりである。
ＩｎＰベースの化合物でのＬＯＳＬ構想は、レーザーの活性領域についての先験的な知識によって実現される。これは、レーザーの放射波長およびデバイスの基本モードに対する所望の有効屈折率の第１近似を決定する。
それから、レーザーの活性構造が作られるにつれて同じ成長行程で成長できる材料の対が、ＬＯＳＬに対して選択される。最良の選択は、前述の第１の屈折率近似より小さい屈折率を有する１つの材料と前記第１の近似より大きい屈折率を有する別の材料とを有することから成る。
【００３４】
しかし、純粋に光学的なものから離れた考察は、選択の可能性を制限するかもしれない。材料のエピタキシャル成長の実現可能性を、考慮に入れなければならない。最良の選択は、格子定数がすべての層が公知の技術の一つを使用してエピタキシャル成長される半導体基板の格子定数に厳密に等しい２つの材料を利用することにある。明らかに、ＬＯＳＬのために選択された２つの材料のいずれも、レーザー光線を構成するフォトンのエネルギーより少ないバンドギャップエネルギーを備えているべきでない。２つのＬＯＳＬ材料の電気特性および熱特性は、高出力レーザーダイオードにおいて使用される材料に期待される通常の特性と両立しなければならない。特に、両方の材料におけるｎ形ドープのレベルは、レーザー構造のクラッド層のレベルと、ほとんど等しくするべきである。
【００３５】
１４００ｎｍから１５５０ｎｍの発光波長を有するレーザーに対して、最も適切な材料は、いわゆる「ＩｎＰの格子定数に整合した」ＩｎＧａＡｓＰ  ４元化合物の中の１つで、室温で９４０ｎｍｍと１３００ｎｍの間の発光波長を有し、１ｘ１０１７ｃｍ−３と５ｘ１０１８ｃｍ−３の間でｎ形ドープされるものである。
１２００ｎｍから１３００ｎｍの波長を有するレーザーに対して材料の最良の選択は、「ＩｎＰの格子定数に整合した」ＩｎＧａＡｓＰ  ４元化合物の中の１つで、室温で９４０ｎｍと１１００ｎｍの間の発光波長を有し、再び１ｘ１０１７ｃｍ−３と５ｘ１０１８ｃｍ−３の間でｎ形ドープされるものである。
【００３６】
理想的には、２つの材料の１つは、直列抵抗、キャリア封じ込め特性および良い熱伝導率においてその優れた品質の理由からＩｎＰ自体である。
ＬＯＳＬの選ばれた全厚さは、所望の特定の設計点に基づく。１４００ｎｍから１５５０ｎｍの波長を有するレーザーに対して、ＬＯＳＬの全厚さは、好ましくは１０００ｎｍから７０００ｎｍまでの間に及ぶ。
【００３７】
２つのＬＯＳＬ間の交互の選ばれた総数は、複数の界面を有するエピタキシャル層における結晶品質に対して、成長システムによって課される限界に依存する。今までのところ記載する実施態様において、４と２０の間のこのような交互が使用できる。
ＬＯＳＬの屈折率プロフィルの選択は、所望の製造工程の複雑さに依存する。一定不変のプロフィルは、簡単に実現できるという大きな利点を有するが、傾斜プロフィルは、前述したように特に線形または放物線状プロフィルで、より良いレーザーになる。傾斜プロフィルを使用して、局所的に平均化された屈折率は、レーザーダイオードの活性領域の近傍でより高く、かつ反対端、すなわちＬＯＳＬのレーザキャビティからより遠いところでより低くすべきである。
【００３８】
当業者は、レーザーダイオードの所望の機能に依って最良の選択を決定するのになんら問題がないはずである。様々な厚さを有する２つの材料の交互層の結果として生じる順序は、所定の材料屈折率値に適用される標準アルゴリズムを使用して算出することができる。より低バンドギャップ材料の個々の厚さを横方向電子運動の量子化が起こる典型的な厚さより上に、すなわち、典型的に２０ｎｍ以下かもしれないドブロイ波長より上に保つよう注意を払わなければならない。また、典型的に１光学波長より薄いすなわち約５００ｎｍ未満のＬＯＳＬ層を選択するよう注意を払わなければならない。
【００３９】
異なる材料の一対の連続的な層に対して、局所的希釈係数が、より低いバンドギャップ材料の厚さを２つの層の厚さの合計で割った商として定義される。高レーザー効率のためにおよび低縦方向ビーム拡がりおよび／または低内部損失レベルを達成するために、希釈係数は、５％と３０％の間にすべきである。
【００４０】
図３に従うＬＯＳＬに対して、以下の材料および寸法が、選択される。
低率材料は、４３０ｎｍの厚さを有するＩｎＰの層である。高率材料は、Ｑ１．１０の波長および７０ｎｍの厚さに従う組成を有するＩｎＧａＡｓＰである。合計１０の交互層が、全厚さ５０００ｎｍのＬＯＳＬになる。すべての層が、約５ｘ１０１７ｃｍ−３のｎ形ド      ープである。
ＬＯＳＬの機能に対して、ＩｎＰ基板とＬＯＳＬの間のｎ形ドープのＩｎＰ層は決定的ではなく、約１．５μｍに選択でき、かつ約５ｘ１０１７ｃｍ−３までドープされることができる。
【００４１】
薄い導波路領域内に埋め込まれた複数の量子井戸を有する活性領域、ｐ形ドープされた上部クラッド層およびＩｎＧａＡｓコンタクト層が、この構造を完成させる。これは、基本的に公知技術である。
横方向の単一モードレーザダイオードのようなレーザーを実現するのに、例えばｐ形ドープのクラッド層内にリッジ導波路を実現することによって、有利にＩｎＧａＡｓＰの薄いエッチング停止層をｐクラッド層内の所望の位置で使用できる。
リッジ導波路レーザーダイオードとして実現されるこのようなレーザー構造によって、連続波動作の下で２０°Ｃで１Ｗ超の出力が得られる。横方向および縦方向の遠視野像は、それぞれ半値全幅（ＦＷＨＭ）で７°および１３．８°に達する。発光は、全励振電流に対して横方向および縦方向の双方で単一モードである。これは、ＦＷＨＭ２５°またはさらに４０°もの大きさの縦方向遠視野で４００−７００ｍＷ前後の出力レベルになる従来技術アプローチに比べて顕著な改善である。低内部損失によって、長さ３．６ｍｍのレーザー素子に対して０．４５Ｗ／Ａを上回る傾斜効率が、本発明のレーザーによって得られた。このようなキャビティ長の従来技術デバイスでは、わずか約０．２７から０．３５Ｗ／Ａの傾斜効率が達成されただけであった。
【００４２】
概ね上記した様々な実施態様のいずれも、図１内に示される概略図構造と同様にまたはむしろ同一であるように見え、および、当業者は何ら問題なく技術的細目、特に空間配列を決定しかつ変更するはずである。明確に記載されたように、本発明の重要な態様は、最高水準の技術に反した様々な寸法の通常でない選択である。これらの通常でない寸法が、本発明の所望の改善された機能を提供するのである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
本発明の機能および好ましい実施態様を、図面を参照して以下に記載する。図面は、図示する目的で提供され、必ずしも一定の比率であるというわけではない。
【図１】本発明による超格子を含む様々な層を有する半導体レーザーダイオードの断面概略図。
【図２】従来技術による低屈折率材料を有する大型非対称導波路の屈折率分布。
【図３】本発明による非対称大型光超格子（ＬＯＳＬ）を有する導波路の第１の屈折率分布。
【図４】本発明による線形傾斜大型光超格子（Ｇ−ＬＯＳＬ）を有する導波路の第２の屈折率分布。
【図５】本発明による非対称形状大型光超格子（Ｓ−ＬＯＳＬ）を有する導波路の第３の屈折率分布。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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