(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テーパーが付けられた複数の半導体レーザーのアレイ（１０）であり、各レーザーが、反射端ファセット間に定められたレーザー空洞を有する導波管を含み、各導波管（１２）はテーパー領域（１６）と狭いまっすぐな領域（１４）とを有し、前記アレイ（１０）の出力端（１８）が、テーパー領域（１６）を備える端を有するアレイにおいて、
隣接する導波管（１２）は、これら導波管の間での光学的結合を防止するように、十分に離れており、狭いまっすぐな領域の幅および／または導波管とその周りの媒体の間の屈折率ステップが、前記領域が、基本的に単一の横モードを有するレーザー光を発生するように選択され、各テーパー領域（１６）が、テーパー領域を進行する光のほぼ全てが単一の横モードに留まることを保証するように十分小さく選択されたテーパー角度を有し、アレイの出力端の幅を横切って均一な輝度を有するレーザー光のアレイ出力を提供する、前記アレイ（１０）。
【請求項２】
テーパー領域（１６）が、実質的に放物線形状の側面によって画定されていることを特徴とする請求項１記載のアレイ（１０）。
【請求項３】
テーパー領域（１６）の側面が、狭いまっすぐな領域（１４）の近くで最も大きく散開し、狭いまっすぐな領域（１４）から離れるにしたがってより小さく散開することを特徴とする請求項２記載のアレイ（１０）。
【請求項４】
各導波管が出力端に反射率の小さい反射膜を有する請求項１または請求項２に記載のアレイ(１０)。
【請求項５】
レーザーが実質上同一波長でレーザー光を発生する請求項１乃至４いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項６】
各テーパー領域のテーパー角度が２度より小さい請求項１乃至５いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項７】
出力端（２０）における隣接する導波管（１２）間の間隔が５〜１００μｍである請求項１乃至６いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項８】
導波管（１２）がリッジ装荷構造である請求項１乃至７いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項９】
各導波管と周りの媒質の間の屈折率ステップが０．００５〜０．０１５である請求項１乃至８のいずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項１０】
導波管（１２）の長さが５００〜２０００μｍである請求項１乃至９いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項１１】
導波管（１２）の長さが７００〜１２００μmである請求項１乃至１０いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項１２】
各導波管の狭くまっすぐな領域（１４）の長さが１００〜３００μｍ、そしてテーパー領域（１６）の長さが６００〜９００μｍである請求項１乃至１１いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項１３】
各導波管の狭くまっすぐな領域（１４）の長さが、約２００μｍであり、テーパー領域(１８)の長さが、約８００μｍである請求項１乃至１２いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項１４】
導波管の狭くまっすぐな領域が１０μｍより小さい幅を有している請求項１乃至１３いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項１５】
導波管のテーパー領域（１６）が、５〜１００μｍの幅に広がっている請求項１乃至１４いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項１６】
レーザーが、９８０nmで動作する請求項１乃至１５いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項１７】
単一レーザーチップ上に形成される請求項１乃至１６いずれかに記載のアレイ(１０)。
【請求項１８】
導波管の狭くまっすぐな領域が約３μｍの幅を有している請求項１４記載のアレイ（１０）。
【請求項１９】
導波管のテーパー領域（１６）が、約３０μｍの幅に広がっている請求項１５記載のアレイ（１０）。
【発明の詳細な説明】
この発明は、レーザーに関する。
高出力半導体レーザーに適した用途が多数あり、特に近赤外線において動作が要求される場合がそうである。それには材料加工や微細加工が含まれる。これらの用途では、化学的変化、削摩、または燃焼を起こすのに十分なほどに材料を加熱するために、レーザー出力を小さなスポットに集中する必要がある。他の用途として、測距およびファイバーレーザー用ポンピングがある。これらの用途では、光学的輝度がキーパラメータであり、できるだけ大きくする必要がある。放射光を集中できるスポットの大きさを決定する光学的輝度は、単位立体角当りかつ単位面積当りのパワーによって与えられる。
半導体レーザーによって放射されうる光の輝度には制限がある。これは光が放射される表面またはファセットの光学的パワー容量に因る。この領域における光学的パワー密度が大き過ぎる場合には、レーザーが劣化する。そのために、最大光学的パワー密度においては、レーザーからのビームの開きを減らすことによって輝度を増加することができる。
これまでに半導体レーザーの輝度を増加する多くの方法が提案された。これらには、テーパー・レーザー（K.A. Williams et al “Q-switched bow-tie lasers for high energy picosecond pulse generation”, Electronic Letters, volume 30, no. 4, pp320-321, 1994）、テーパー・レーザー増幅器(D. Mehuys“5.25-W CW near diffraction limited tapered stripe semiconductor optical amplifier”, IEEE Photonic Technical Letters volume 5. No. 10, pp1179-1182, 1993)およびアンチガイド・レーザーアレイ(D. Botez,“High power monolithic phase-locked arrays of anti-guide semiconductor diode lasers”, IEEE, Proceedings, volume 139, pp14-23, 1992)から成る導波管の製造を含む。テーパー・レーザー導波管およびテーパー・レーザー増幅器の欠点は、狭い横方向のビームの開きが維持されるパワー範囲が限定されることである。この限定範囲を超える導波管では、光学的およびキャリア誘導インデックス変化が導波管を破壊し、ビームの開きの増加につながる放射光のフィラメンテーションを起こす。アンチガイド・レーザーはこの問題に対する一つの回答として提案されたが、それは導波管幅に要求される公差が非常にきびしいので製造しにくい。さらに加えて、出力パワーのかなりの部分がサイドローブで放射されるので、これらのデバイスの輝度が減少する。
この発明は、テーパー半導体レーザーの非干渉性アレイを提供する。
なるべくなら、テーパー・レーザーアレイは複数の導波管から成る。各導波管は個別のテーパー・レーザーから構成されてもよい。なるべくなら、各導波管は唯一の横方向光学モードに対応する。一方、二つ以上の光学モードに対応するかもしれない。なるべくなら、各導波管は狭い領域および広い出力領域に向けてテーパーを付けられたテーパー領域を備える。
なるべくなら、層を単一の基板上に堆積することによって、アレイを形成する。なるべくなら、アレイを単一のレーザーチップ上に形成する。一つ以上の層をエッチングする工程によって、チップ上に導波管を形成するかもしれない。すべてのテーパー・レーザーを一緒に形成するかもしれない。
各導波管で発生するモード数を制限すると、輝度が増加し、内部損失が減少し、そしてデバイスの内部効率が向上する。
なるべくなら、レーザーはリッジ装荷構造とする。一方、それらは埋め込み構造かもしれない。
小さい屈折率ステップを備えることによって、モード数を制限することができる。また、導波管の一端の幅を狭くすることによっても、モード数を制限することができる。これによって高次モードが遮断される。一実施例では、導波管の狭い領域は10μm未満の幅を備えるかもしれない、なるべくなら、それは5μm以下、最も望ましいのは3〜5μmである。屈折率ステップは0.3未満かもしれない。なるべくなら、それは0.2以下、最も望ましいのは0.005〜0.015である。また、幅と屈折率ステップの他の組み合わせによって、適当なモードを選択することができる。狭い端は、出力端に対して導波管の他端にあるので、入力端と呼ばれる。
なるべくなら、各導波管は広い出力端に向けてテーパーを付けられる。「広い」という語は比較的ということであり、狭い領域より広いということを意味する。出力端での各導波管の幅は、光学的輝度が出力端でのファセットを損傷するのに十分ではないように選択する。なるべくなら、テーパーは5〜100μmの幅に広がる。最も望ましい幅は約30μmである。その幅は、結果として得られるテーパー角度が高次モードへのカップリングを防止するのに十分なほどに小さくなるように、テーパーの長さに比較して小さくする必要がある。
各導波管は、まっすぐな部分とテーパーの付いた部分から成るかもしれない。テーパーの付いた部分の側面はまっすぐかもしれないし、または他の形をしているかもしれない。それらは放物線状かもしれない。放物線状テーパーには、まっすぐな側面を有するテーパーよりも低い横方向モードカップリングを与えるという利点がある。放物線状の形状では、テーパーの側面はまっすぐな部分近くの領域で最も大きく散開し、そしてまっすぐな部分からテーパーに沿って離れるにしたがってより小さく散開するかもしれない。テーパーの側面は出力端でほぼ平行であるかもしれない。
アレイが放射するビームの幅は導波管の数に依存する。そのために、小さい発散出力を保ったままで導波管の数を増やすことによって、アレイを大きくするかもしれない。
導波管の長さは500〜2000μmであるかもしれない。なるべくなら、それは700〜1200μmがよい。最も望ましいのは約1000μmである。一実施例では、各導波管のまっすぐな部分の長さは100〜300μmであり、テーパーの付いた部分の長さは600〜900μmである。テーパー角度を単一モード動作に十分なほど浅く保ったままで、導波管の外部量子効率を最適化するようにその長さを設定できる。
なるべくなら、適当な形、例えば、テーパーの付いた導電性構造によって能動層中に導波管を画定する。
導波管の端と導波管の縦軸によって規定される角度は、テーパー角度と呼ばれる。なるべくなら、テーパー角度は２度より小さいほうがよい。
なるべくなら、各導波管の各端に反射膜を塗布する。なるべくなら、高反射率の膜を入力端に塗布する。なるべくなら、その反射率は95%より大きくする。最も望ましいのは約98%である。なるべくなら、低反射率の膜を出力端に塗布する。なるべくなら、その反射率は3%より小さくする。最も望ましいのは、0.5〜1%である。
なるべくなら、アレイの出力端の幅を横切って比較的均一な輝度を生ずるように、導波管を接近して配置する。なるべくなら、出力端で隣接する導波管の間の間隔を500μmより短くする、より望ましくは200μmより短いほうがよい。最も望ましいのは、5〜100μmである。いくつかの好ましい実施例において、それは約10、20、30、40、50、60、70、80または90μmである。
なるべくなら、レーザーを0.8〜2.5μmで動作させる。最も望ましいのは、0.8〜1μmでの動作である。しかし、GaNのような適正な材料を選択することによって、レーザーは0.4μmぐらい短くても動作する。
テーパーの付いたレーザーのアレイを使用することによって、狭い横方向ビームの開きと高い出力の両方を備える光を放射するかもしれない。
この発明の実施の形態を例を使い付図を参照して述べる、付図は次のとうりである。
図１はテーパーの付いたレーザー導波管のアレイを示す。
図２は図１のアレイの出力端の端面図である。
図３はテーパーの付いたレーザー導波管のアレイの他の実施例を示す。
図４はアレイの層構造を示す。
図５はアレイのパワー・電流特性を示す図である。
図１は、テーパー・レーザーの非干渉性アレイ10を示す。アレイ10中の各テーパー・レーザーは導電性構造12を含み、導電性構造12の下の能動材料中に導波管を画定する。このようにして、互いに近接する７つの導波管を画定する。導波管はテーパー領域16につながる狭いまっすぐな領域14を備える。この実施例では、テーパー領域16はまっすぐな側面を有する。テーパー領域16は、アレイ10の出力面20上の出力端18に向かって次第に広くなる。アレイの他端は入力端22と呼ばれる。これは単に便宜上であり、その機能を正確に表わしていない。
レーザー光学モード特性を良好に表わす簡単な導波管伝播モデル(2D BPM)を、パワーの大部分が最低次元横モードにとどまるように導波管の寸法および屈折率ステップを決定するために使用する。パワーの大部分を最低次元モードにすると、有害なホットスポットが出力端18で発生する確率が減少する。
狭い領域14は幅が約3μm、そして長さが200μmである。テーパー領域は長さが約800μmであり、そして幅が3μmから約30μmへと次第に広くなる。アレイ10は長さが約1000μmである。出力端18での隣接する導波管の間の間隔は約15μmである。したがって、特定の導波管の中心線から隣接する導波管の中心線までの距離は約45μmである。
導波管の長さは、テーパー・レーザーを構成する能動材料の利得と能動材料内の吸収に因る損失を天秤にかけて結締される妥協である。そのために、導波管の長さは、使われる能動材料の性質とレーザーのタイプによって、ある程度決まる。
導波管とその周りの媒質の間の実効屈折率ステップは0.005〜0.015である。テーパー角度が十分小さいので、屈折率ステップと導波管幅(または、特に導波管幅の変化)の組み合わせで、パワーの大部分または全部が基本横モードにとどまる。この実施例では、テーパー角度は２度より小さい。
入出力面22、20はクリービングによって形成され、そして各々に反射膜を施す。アレイ10の入力端22には高反射率(HR)膜を施す。出力端18には反射防止(AR)膜を施す。これらの膜はレーザーの出力パワーを高める。特にAR膜は、レーザー中を後ろに進行する光(即ち、出力端18から入力端22への方向に進行する光)が入力端22を損傷するパワーまで強まるのを防止する。ここに述べた実施例では、テーパーの入力端22でのファセットの反射率は98%であり、そしてテーパーの出力端18でのファセットの反射率は0.5〜1%である。各導波管は出力端18に向かって外側に次第に広がるので、この端における光学強度は出力面20を損傷するほど大きくない。この実施例の幅は30μmであるが、5〜100μmの出力幅が使われるかもしれない。これによって、出力端18が放射する光の横発散に変化が起きる。
図２はアレイの端面を示す。アレイの構造およびその製造について以下に詳述する。
アレイ10は、GaAs、InP、または他のIII-Ｖ族半導体材料である基板30を含む。しかし、この発明は光学的導波管を画定できるどんな装置にも応用できる。基板30の上面に、導波管のレーザー空洞を含む能動領域32をMOVPEによって成長させる。能動領域32は、バリヤー層(例えば、GaAlAs)とInGaAsのような量子井戸を形成する層から成り、そして傾斜インデックス分離コンファインメント・ヘテロ構造である多重半導体層を有する。それは以下に詳述する。
リッジ構造12は、半導体層の上面(またはクラッディング)でドライエッチングされる。リッジ構造12は導波管を能動領域32中に画定する、エッチングはイオンビーム技術を使って行うことができるが、他の適当な方法を用いてもできる。アレイは、導波管領域でエッチング除去される誘電性絶縁層で覆われ、そして次に、導電層で覆われる。図３は、導波管のテーパーは放物線形状を各々有するテーパーの付いた領域１６を有するアレイ１０の別の実施例を示す。この形状の利点は、直線テーパーよりも低い横方向モードカップリングを与える点にある。
実施例の形態において、能動領域32は、傾斜インデックスAlGaAsクラッディング層を備えた二つのInGaAs量子井戸から成る。ヘテロ構造の実施例は、クラッディング層中のAlの比率を変えることによって製造される。例えば、比率は25%、および35%である。25%のAlを含む実施例ではより軟らかなガイディング導波管が得られ、そのために35%のAlを含む実施例より大きいモードサイズとより狭い縦方向発散を生ずる。また、このためにファセットのパワー強度が減少するので、破局的光学損傷(COD)閾値が大きくなる。平衡傾斜外側AlGaAs層を使用することによって、縦モードプロフィールはさらに広げられる。横コンファインメントがリッジ構造12によって前述のように課せられる。図中、(40)はAlGaAs層、(42)は傾斜AlGaAs層、(44)はGaAs層、そして(46)はInGaAs量子井戸を示す。
動作において、縦コンファインメントはヘテロ構造によって与えられ、そして横コンファインメントはリッジ装荷によって生ずる導波管間の屈折率差によって与えられる。他の実施例では、アレイ10は埋め込み構造かもしれない、その場合には、横コンファインメントは材料の差に因る屈折率差によって与えられる。
本質において、導波管が動作すると、狭い領域(レーザー領域)14はテーパー領域(増幅器領域)16の基本モードをポンピングする。一周利得をデバイス中に確立するのに必要なフィードバックは非常に小さい。狭い領域14中のパワー強度を限定するためにARおよびHR膜を使用する。熱処理を効率良く行うために、チップ状のアレイ10をダイアモンドのヒートシンク上にｐ側を下にして取り付ける。
寸法、テーパー角度および屈折率ステップのような導波管のパラメータを、導波管が唯一の横方向レーザーモードをサポートするように選択する。これによって、アレイ10中の個々のテーパー・レーザーは単一モードの光ビームを放射する。これはより均一な出力を与え、そして損傷の原因となるホットスポットが出力面20を横切って発生する確率が減少する。しかし実際に、一つ以上のモードが多分アレイの製造プロセスまたは動作によって発生するかもしれない。パラメータ(特に、幅や屈折率ステップのパラメータ)は、光が単一モード(または二つ、または三つのモード)として放射されるよう維持するために、他のアレイ、例えば、他の材料から成るアレイまたは構造が異なるアレイとは違うかもしれない。個々の導波管のモードは分離している。
導波管間の間隔は次の要因によって決定される。
ｉ）所要の輝度がアレイから得られるように、間隔をできるだけ詰める。
ii）多重ローブド・ファーフィールドを生じ、また出力面を損傷する原因となる隣接する導波管間の光学的結合を防止するために、導波管を十分離す必要がある。
iii）加熱防止のためにアレイから効率良く熱を抽出するように、導波管を十分離す必要がある。
図４で、テーパーのファーフィールド角分布は、2 WまでのCW出力パワーに対して通常２度(FWHM)である。クラッディング層内に35%のAlを有する実施例の縦ファーフィールドは、36度FWHMである。クラッディング層内に25%のAlを有する実施例の縦ファーフィールドは、26度FWHMである。
25%Alと35%Alの実施例に対するテーパー・レーザーアレイの閾値電流密度は、各々、350 Acm-2、520 Acm-2である。外部量子効率は、3 W(パルス)出力パワーで動作した場合に、Alの含有が高い実施例に対する約0.9 W/AからAlの含有が低い実施例に対する0.75 W/Aまで変化する。
図５は、35%Alの実施例についての電流に対するCWパワーの特性を示す。8 Wの出力パワーが達成された。デバイスの熱インピーダンスを減らすことによって、熱的ロールオーバーの開始前に到達可能な最大CWパワーを大きくすることができる。21 Aまでの駆動電流そして3μs（0.3%のデューティサイクルで）のパルス幅においてCODを観測することなしに、15 Wを超えるパルス化出力パワーがこれらのアレイで実証された。これは、μm facet当り70 Mwを超える出力ファセット強度に相当する。
図４と５の結果は、0.98μmで動作するレーザーアレイから得られた。このアレイはInGaAs量子井戸を有する。しかし、GaN量子井戸を有するレーザーアレイは0.4μmぐらい小さくとも動作する。
隣接する導波管間の間隔は、レーザーの輝度と駆動パワー要求および導波管の屈折率ステップに依存して、5μmから100μmを超えて変化する。
本発明のアレイは、空間的に広い出力ビーム(多数の個別ビームから成る)を生成するのに非常に適している。各テーパー・レーザーは限定された数のモード、または単一のモードさえもサポートするので、このアレイはホットスポットやフィラメンテーションの問題があまり起きない。したがって、それは他のレーザーをポンピングしたり材料処理に使用するのに特に適する半導体レーザーを生成する。
【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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