(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レ−ザが動作する空間モードのシフト判定方法であって：
半導体レーザの駆動電流に対する自然放出を監視する段階；および
スレシホルド電流を超える範囲で、前記駆動電流に対する自然放出の曲線の勾配が不連続に変化する点を識別する段階；
から成ることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記監視する段階は、横方向の自然放出の監視を行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
駆動電流に対する自然放出における曲線の勾配の前記不連続な変化を識別することにより、フィードバックを行い、空間モード制御を維持する段階を更に含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
半導体レーザのスレシホルドを超える自然放出を監視する前記段階は、駆動電流の関数として前記自然放出を計算し、曲線グラフを得る段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記駆動電流に対する自然放出の曲線の勾配が不連続に変化する点を識別する段階は、前記曲線グラフにおいて勾配の不連続な変化を特定する段階を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
半導体レーザ出力の空間モードの制御方法であって：
駆動電流の関数として半導体レーザのスレシホルドを超える自然放出の変化率を監視する段階；
前記駆動電流に対する自然放出の曲線の勾配が不連続に変化する点を識別する段階；および
フィードバックを行って空間モード制御を維持する段階；
から成ることを特徴とする方法。
【請求項７】
前記監視段階は、前記半導体レーザに隣接して配置され、前記半導体レーザから放出された自然放出を受ける検出器で検出する段階を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
垂直空洞表面放出レーザの出力の空間モードの制御方法であって：
垂直空洞表面放出レーザを準備する段階；
前記垂直空洞表面放出レーザに隣接し、スレシホルドを超える電流で前記垂直空洞表面放出レーザから横方向に放出された自然放出を受光する側面検出器を配置する段階；
前記垂直空洞表面放出レーザの駆動電流に対して、前記垂直空洞表面放出レーザの前記スレシホルドを超える自然放出を監視する段階；
前記駆動電流に対する自然放出の曲線の勾配が不連続に変化する点を識別する段階；および
空間モード制御を維持するため、フィ−ドバックを行う段階；から成ることを特徴とする方法。
【請求項９】
フィードバックを用いて空間モード制御を維持する前記段階は、前記側面検出器からの出力を受信し、前記垂直空洞表面放出レーザへの電流を制御する制御手段を用意する段階を含み、前記自然放出は前記電流の関数であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザに関し、更に特定すれば、半導体レーザの動作の監視および制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
垂直空洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）および端面放出レーザ(edge emitting laser) 等の半導体レーザはよく知られており、様々な構成に形成されている。事実上全てのＶＣＳＥＬの構成において基本となるのは、２個のミラー・スタック(mirror stack)間に挿入された活性領域である。この２個のミラー・スタックおよび活性領域に電流を駆動することによって、レーザを活性化(activate)する。通常、これを行うには、レーザの一端にあるミラー・スタック全体に第１電極を、またレーザの他端にある他方のミラー・スタック全体に第２電極を配置する。電極の内一方は、概略的に、光が放出される中央の開口を規定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
多くの用途に用いるために、単一空間モード(single spatial mode) の出力を有するＶＣＳＥＬが必要とされる。単一空間モード出力は、１つの空間モードにおいてのみ動作可能なＶＣＳＥＬを設計することによって得られている。一例として、多くの素子にはメサ(mesa)が用いられており、これを介して電流を注入(inject)する。このメサは、光学モードと厳密に対応するサイズに形成される。このようにして、活性領域への電流の注入は、所望の空間モードに対応した特定の領域に限定される。単一空間モードの出力を得るためのこの方法およびその他の方法には、細密なリソグラフィおよび十分に制御された処理が必要である。この処理には、長時間を要し、製造コストが高いという問題がある。
【０００４】
端面発光型レーザは、典型的に、各々が異なる型の不純物によって処理を施された２個の半導体材料の平面接合(flat junction) から成る。かかる素子に大きな電流を流すと、接合領域の平面からレーザ光が発生する。この場合問題となるのはは、温度の変動がある中で単一空間モードを維持すること、および素子が自然劣化することである。
【０００５】
従って、従来技術に固有の前述およびその他の欠点を除くことは、極めて有利であろう。
【０００６】
よって、本発明の目的は、半導体レーザ出力の空間モードのシフトを判定する方法を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、半導体レーザの空間モードの制御を可能にする方法を提供することである。
【０００８】
また、本発明の更に別の目的は、多モード半導体レーザからの単一空間モード出力を得る方法を提供することである。
【０００９】
【発明を解決するための手段】
端的に言えば、本発明の所望の目的を達成するために、好適実施例によれば、半導体レーザが動作する空間モードを判定する方法が提供される。本方法は、半導体レーザの駆動電流に対する自然放出(spontaneous emissions) を監視する段階，およびスレシホルド電流を超える範囲において、駆動電流に対する自然放出の曲線の勾配が不連続に変化する点を識別する段階を含む。
【００１０】
半導体レーザの出力の空間モードを制御する更に別の方法は、半導体レーザを用意する段階，この半導体レーザに隣接して、スレシホルドを超える電流における半導体レーザからの自然放出を受光する検出器を配置する段階，スレシホルドを超える電流で放出された半導体レーザの自然放出を監視する段階，スレシホルド電流を超える範囲で駆動電流に対する自然放出の曲線の勾配が不連続に変化する点を識別する段階，およびフィードバックを用いて空間モード制御を維持する段階を含む。
【００１１】
【発明の実施の形態】
これより図面を参照しながら本発明の実施例について説明するが、種々の図面を通じて、同様の参照文字は対応する素子を示すものとする。まず図１に注目すると、概略的に１０として示す垂直空洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）が示されている。ＶＣＳＥＬ１０は、第１ミラー・スタック１１，第１クラッド層(cladding layer)１３，活性層１４（１個かそれ以上の量子井戸など），および第２クラッド層１５を有する活性領域１２，ならびに第２ミラー・スタック１７を含む。第２ミラー・スタック１７は、エッチングまたは選択的堆積により、メサ型構造(mesa-like structure) を形成する。電気接点２０は、第２ミラー・スタック１７の少なくとも上端部に接触するように形成されている。電気接点２０は、ＶＣＳＥＬ１０から第２ミラー・スタック１７を通じて光が放出するためのウィンドウ２２を規定する。第１ミラー・スタック１１の下面、典型的に、素子が形成されている基板２６の対向側の表面に、第２電気接点２４を配置する。
【００１２】
接点２０，２４を通して印加される動作電圧により、ＶＣＳＥＬ１０を通じる電流が発生し、これが既知のようにレーザ発振を行う(lasing action) 。一般に、電気接点２０は第２ミラー・スタック１７の表面上に配置されているので、電流は第２ミラー・スタック１７のメサ型構造全体を流れ、レージングは電流が流れる領域全てにおいて維持される。光学モードの範囲外の電流は無駄になり、ＶＣＳＥＬの適切な動作を妨害することもあるので、典型的に、メサの直径寸法はＶＣＳＥＬの動作のモードに依存しており、この直径は動作のモードに厳密に一致させる。このように、通常電流は動作のモードに限定される。ここで問題となるのは、直列抵抗が増大し、単一空間モードの出力を得るには、細密なリソグラフィと、費用が高く長時間を要する十分に制御された処理が必要となることである。
【００１３】
図２を参照すると、本発明を具体化した垂直空洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）３０が示されている。ＶＣＳＥＬ３０は、第１ミラー・スタック３１，活性領域３２，および第２ミラー・スタック３７を含む。第２ミラー・スタック３７は、エッチングまたは選択的堆積により、先に論じたようなメサ型構造を形成する。しかしながら、本発明では、第２ミラー・スタック３７の直径寸法を増すことによって、ＶＣＳＥＬ３０の直列抵抗の減少を図っている。メサ型構造の直径寸法を増すことにより、抵抗が大幅に低下するが、基本光学モードの範囲外の電流が活性領域３２内へ流れるようになり、事実上マルチモード素子となる。活性領域３２内への電流を制御するため、フィード・バック回路を用いて、所望の単一モードの動作のための正確な電流を得る。
【００１４】
更に図２を参照すると、側面検出器(lateral detector)４０がＶＣＳＥＬ３０の周囲に、即ち隣接して形成されており、これは第１ミラー・スタック４１および活性領域３２に対応する活性領域４２および第２ミラー・スタック４４を含む。この実施例では、側面検出器４０はＶＣＳＥＬ３０に一体化され、同時に形成される。即ち、第１ミラー・スタック４1 ，活性領域４２，および第２ミラー・スタック４４は、第１ミラー・スタック３１，活性領域３２，および第２ミラー・スタック３７に概ね同一である。電気接点４６は、第２ミラー・スタック４４の少なくとも上端部に接触するよう形成されている。第２電気接点４８は、第１ミラー・スタック４１の下面に配置される。図３を参照すると、ＶＣＳＥＬ３０および側面検出器４０の簡略平面図が示されている。また、図４には、別の実施例の簡略平面図が示されており、ここではレーザ３０’はエッジ・エミッタ(edge emitter)であり、検出器４０’はそこから横方向に離間されている。
【００１５】
一体化レーザ素子および側面検出器を更に詳細に説明するため、本願と同一日に出願され、本願と同じ譲受人に譲渡された整理番号第ＣＲ９５−１９９号を引用する。尚、この内容は本願でも使用可能である。好適実施例では側面検出器について論じているが、自然放出を監視可能であれば、ほぼあらゆる検出器を使用可能であることは、当業者には容易に理解されよう。
【００１６】
動作において、ＶＣＳＥＬ３０は自然放出を生成し、これは側面検出器４０によって検出可能である。ＶＣＳＥＬ３０からの自然放出を監視することによって、ＶＣＳＥＬ３０が動作する空間モードにおける変化を判定することができる。ＶＣＳＥＬ３０がスレシホルドを超えて動作すると、活性領域３２のキャリア密度は、効果的にクランプ(clamp) される。これがクランプされる程度は、部分的に、光子フィールド(photon field)の活性領域３２との重複によって制御される。レーザ素子が空間モードを変えると、光子フィールドの活性領域との重複が変化する。この重複の変化の結果、固定される活性領域の体積が増大または減少する。本明細書では、モード変化を判定するために、側面検出器４０の光電流(photo current) （自然放出）を、ＶＣＳＥＬ３０への駆動電流の関数として測定している。スレシホルドを超える自然放出は、活性領域の固定された領域／固定されていない領域の比に比例するので、モード変化の際、自然放出の変化率即ち勾配は、急激に変化する（即ち、勾配が不連続に変化する）。
【００１７】
図５を参照すると、曲線５０を示すグラフが示されている。曲線５０は、駆動電流の関数としての自然放出を表わす。水平軸５２はＶＣＳＥＬ３０への駆動電流を示し、垂直軸５４は側面検出器４０における自然放出即ち光電流のレベルを示す。このグラフに見られるように、曲線の勾配は、スレシホルド電流を示す第１の急激な変化点即ち不連続点５６を有し、また、空間モードの変化を示す次の急激な変化点即ち不連続点５８を有する。検出器４０による監視を用いるのは、スレシホルド電流を超えた勾配における急激な変化５８を検出するためである。次に図６に移る。フィードバック・システムを用いることにより、ＶＣＳＥＬ３０の空間モードの制御が可能である。制御装置(control device)６０は、側面検出器４０によって監視された情報を受信しかつ処理し、また、ＶＣＳＥＬ３０を駆動するのに用いられる電流源６２からの電流を調整する。従って、モードが変化する条件を知ることにより、自然放出に基づいて能動的フィードバック(active feedback) を行って、レーザの単一空間モードにおける動作を維持することができる。
【００１８】
これまでの説明では全体を通してＶＣＳＥＬについて論じてきたが、本発明は、端面放出レーザを組み合わせた使用も可能であることは理解されよう。レーザに隣接して検出器を配置させれば、上述のように、自然放出を受光し、急激な変化を判定することができよう。フィードバックの使用により、空間モードを制御することができる。
【００１９】
以上のように、半導体レーザ出力の空間モードにおけるシフトを判定する方法が提供された。また、半導体レーザの空間モードを制御する方法、および、マルチモード半導体レーザからの単一空間モード出力を得る方法も提供された。
【００２０】
本明細書において例示の目的のために選んだ実施例の様々な変形および変更が、当業者には容易に想起されよう。かかる変更および変形は、本発明の趣旨から逸脱しないものについては、特許請求の範囲の公正な解釈によってのみ評価される本発明の範囲に含まれることを意図するものである。
【００２１】
以上、当業者が本発明を理解しかつ実施できるよう、明白かつ簡潔な用語によって本発明を十分に説明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の垂直空洞表面放出レーザの部分断面図。
【図２】垂直空洞表面放出レーザおよび側面検出器の部分断面図。
【図３】図２の構造の一実施例の簡略平面図。
【図４】図２の構造の他の実施例の簡略平面図。
【図５】駆動電流の関数としての自然放出を示すグラフ。
【図６】フィードバック制御システムの簡略ブロック図。
【符号の説明】
１０    垂直空洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）
１１    第１ミラー・スタック
１２    活性領域
１３    第１クラッド層
１４    活性層
１５    第２クラッド層
１７    第２ミラー・スタック
２０    電気接点
２２    開口
２４    第２電気接点
２６    基板
３０    垂直空洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）
３１，４１    第１ミラー・スタック
３２，４２    活性領域
３７，４４    第２ミラー・スタック
４０    側面検出器
４６    電気接点
４８    第２電気接点
３０’    レーザ
４０’    検出器
５０    曲線
５２    水平軸
５４    垂直軸
５６，５８    不連続点
６０    制御装置
６２    電流源
【図１】
0003878286.tif 000002
【図２】
0003878286.tif 000003
【図３】
0003878286.tif 000004
【図４】
0003878286.tif 000005
【図５】
0003878286.tif 000006
【図６】
0003878286.tif 000007