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JPH03505653A - 波長共振型表面発振半導体レーザー - Google Patents
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JPH03505653A - 波長共振型表面発振半導体レーザー - Google Patents

波長共振型表面発振半導体レーザー

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JPH03505653A
JPH03505653A JP1505876A JP50587689A JPH03505653A JP H03505653 A JPH03505653 A JP H03505653A JP 1505876 A JP1505876 A JP 1505876A JP 50587689 A JP50587689 A JP 50587689A JP H03505653 A JPH03505653 A JP H03505653A
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シャウス,クリスチャン エフ.
オシンスキー,マレック エイ.
マクイナーニー,ジョン ジー.
ラジャ,エム.ヤシン エイ.
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ハモンズ,ブレル イー.
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 波長共振型大面発振半導体1ノ一ザー 発明の1−Y景及び分野 従来の半導体1.・・−(ヂ・−はつ]、バー・の表面に沿って平行な方向にも り、 =、−サー光を発11i口ノ゛Cいる。このような特徴を持つ半導体し・ −ザーは、同一のつ1ハ・−・(,1″種々の光電子工学デバイス4.・配置す る多くの場合に都合が悪い。効率の良い表面発振半導体1ノーザー・の開発は、 モノリシック・オブトエレクトロニクスインテグ1)・−ジョンや光相互通信等 の分野における技術開発を叉し・く促進するであろう、 関連技術の説明 縦方向のキトビディを惟えた現存の表面発振半導体1.・・−ザーは、つエバ・ −の表面に対して垂直に発振される所望の発振(emission)と、派生的 に発生して増幅されウェハーの表面と平行な活性領域(active regi on)内を伝達する自然発振とが干渉し合うため、効率が悪い。特にこれは、ビ ー、エル、ゴーレイ及びティー7 リュー、ドルモントがrAIGaAs/Al As4分の1波長高反射体(high reflectors)及びA I G  a A s /GaAs多重員子井戸量子ultiple quantum  well 5tructure)を惟えたエピタキシャル・ファプリー−へロー 共振器(reso口at、or)を用いた可視・常温・表面発振レーザ・−」( 応用物理学Lett。
第50号、1225〜1227ページ、1987年5月)で開示しているような 構造のレーザーの場合に問題である。彼らは、光励起表面発ti(optiea lly pumpud surface−emitting)半導体レーザー内 にインテグラル(i ntegra l )高反射体を使用した。ゲイン領域( gain region)は従来の多重量子井戸構造であり、10nmのG a  A s量子井戸と20nmのスペーサを有していた。
媒体内の量子井戸間の空間はレーザーの波長よりずフと小さかった。
その他の構造の半導体レーザーで同様の問題があるものとしては、エム、オグラ 、ダブリュー、シン、エム、シー。ウー、ニス、ワン、ジュー。アール、ウィネ リー、ニス、シー、ワン、及びリュー。ジェー、ヤンがr G a A s /  G a A I A s 4分の1波長垂直型多層構造及び水平埋設型へテロ 構造を備えた表面発振レーザータイオード」 (応用物理学Lett、第51号 、1655−・−1657ページ、1987年1.1月)で開示されたものが挙 げられる。この構造では反射体として多重4分の1波長層を複数積Nuたものと TE入射(transverse electricalinjection  )の均質ゲイン媒体(gain medium)とが採用されている。量子井戸 は用いられておらず、ゲイン媒体は等方性である。
発明の概要 本発明は、表面発振レーザー用の電磁波(レーザー)増幅半導体構造を提供する ものであり、これによつ゛Cレーザー・の単位長に合わせた効果的なゲインを実 現する。これは、惰ζ6書会って交互に間隔をおいて配置された薄い半導体と、 厚い半導体平板(即ち本体或いはN)を積層しIてなる多重量子井戸構造のゲイ ン媒体であって、隣合う薄い半導体と厚い半導体を合わせた1(さが増幅される 波長の0. 5倍の整数倍にほぼ等しいものを用いることによって達成される。
小幅厚の各半導体層、即ち量子井戸、の幅厚はレーザーの波長よりずっと小さく な・−)ており、レーザーの増幅に必要な小さな禁止帯(barIdgap)の 量子井戸として働く。寸法をこのよ・うにしておくことによフて、軸に対して垂 直に定在的増轄電磁波(standin3 eleetromagnetic)  (E M)を発振することができる。この電磁波の波腹(ant i nod e)、すなわち干渉最大値、は量子井戸構造と一致4−るようにな−ノている。
図面の簡単な説明 図面中の番号は対応する部材を示している。
第1図は本発明の一実施例の波長共振活性層構造の詳細を示す模式図である。。
第2図は重子井戸ゲイン層と一致4″る光電気領域の最大値を有する本発明の− ・実施例の波長共振活性層構造の作用を説明するグラフである。
第3図は金属性の反射体と4分の1波長噺エンドキヤツプとを取(=jけた本発 明の一実施例の波長共振活性層構造の11子細図7子ある。
第4図は本発明の一実施例の表面発振レーザ・−構造を示す模式図下ある。
第561は波長共振活性層と内部の反射層のいくつかを通して配置される複数の 追加ゲイン要素と7 さらに複数のゲイン層を設け、さC1うに別の反l3−1 層を設・けな本発明の一実施例のハイブリッl−構造を示す模式図である。
第6図ζj−多岨4、分の1波長反射層と組み合わされた波長共振活性層を有す るハ、イブリット檜′造の作mを説明するグラフ−?jある。
第7図は、波長共振表面発振し・・−ザーの電流供給(〔:旧−rentpum pin)用の横方向接続室を示すグラフである。
好適実施例の説明 本発明の表面発振レーザーは、第1図に示すように、多重量子井戸構造を採用し ている。複数の活性ゲイン層すなわち量子井戸lは、より幅厚の大きい禁止帯部 (bandgap regions) 2を間に挟んで個々に分断されており、 −周期(□ne period)の総幅厚は(−周期とは一つの量子井戸1の幅 厚と一つの禁止帯部(separattion reHion)2の幅厚とを合 わせた長さ)媒体内のレーザーの波長の0,5倍の整数倍(integral  multiple of one−half)となっている。エンドキャップ3 はレーザー波の反射体における境界条件に適合したものである必要がある。例え ば、金属製の単一層反射体を使用する場合は、その幅厚がほぼ波長の4分の1の ものを使用する。量子井戸の幅厚は通常5〜20nmであり、レーザーの波長よ りもずっと小さくなっている。
GaAs−AlGaAsシステムの場合は、媒体内の波長が約240nmである のに対し、発振レーザーの波長は約820nmとなる。このような寸法で構成す ることにより、量子井戸の面及びスペーサ部分と垂直に発振される定在的電磁波 (定在波)が最も効率よく増幅できるようにしである。なぜこの場合に最も効率 よく増幅ができるかというと、第2図に示すように、この寸法のとき、量子井戸 1が定在波Eの波腹(干渉最大値)1aと一致するからである。一方で、量子井 戸の面に沿って平行に発振する電磁波にとり、量子井戸ゲイン層の幅厚が非常に 小さいために、はとんど重なり合うことができず、ゲインが減少する。実際、こ のためにゲイン媒体は異方性を持つことになり、増幅に伴う自然発振に基づく派 生的ロスが従来の表面発振半導体レーザーよりも少なくなるために、より効率よ くレーザー発振ができるようになる。本構造におけるその他の重要な特徴として は、ゲイン媒体を周期的にしたことにより、狭いゲイン帯域(band−wid th)が得られたことと、量子井戸に電子が閉じ込められること(confin ement)により、空間ホールバーニング効果(spacial hole− burning effect)が抑制されることとが挙げられる。
第3図に示すように、本発明による波長共振活性層構造は、量子井戸1よりも屈 折率の小さな2分の1波長スペーサ(禁止帯部)2により分離された幅厚の小さ なゲイン領域即ち量子井戸lが交互に配設されて積層構造を形成している。両端 には4分の1波長位相同調キ+’7ブ(phase−matching end  cap)3が設けられており、共振鏡すなわち反射体4が一方のエンドキャッ プ3に隣接して備えられている。
反射体4によって、この構造内のレーザーのモード(lasingmode)   (定在電磁波EM)が左右される。反射体4の反射率が高ければ高いほど、レ ーザー発振しきい値(lasing threshold)は低くなる。金属製 の高い反射率を持つ反射体の場合、両端部のエンドキャップ層の光学的な厚さは 、4分の1波長となるように構成するのが最適である。このような構造は第3図 に示されている。レーザー発振のためのしきい値を低くするための積層構成室と してはその他に、複数の高反射鏡を半導体構造の内部の主要部として配置したも のが挙げられる。この構成は第4図に示され、この図では、周期的ゲイン媒体( 第1図に示す量子井戸lと禁止帯部2とを複数積層させて構成した波長共振活性 層構造のこと)は部材番号5で表わされている。高反射の複数積層反射層6が両 端部に設けられている。
第5図及び第6図に示されている本発明の一実施例は、ハイブリッド表面発振レ ーザー構造であり、これは波長共振多重層周期ゲイン媒体(wavelengt h−resonant multilayer periodicgain m edium)を有している。この構造では、量子井戸1と2分の1波長スペーサ (禁止帯部)2とを第1図のように配置してなる前記波長共振活性領域(ゲイン 媒体)5に加えて、複数積層反射N(高屈折率の層と低屈折率の層が交互に配置 されてなる)6内に複数積層されたゲイン部即ち量子井戸8を備えており、以上 はすべて共通の基盤7上に構成されている。各ゲイン部8は交互に配置された4 分の1波長層9.10を有しており、これらはゲイン媒体5の両端部に集積され ている。以上の要素から構成される共振器(resonator)部分の両端部 にはさらに、4分の1波長の反射層11.12がそれぞれ設けられている。従っ て、この構造では複数積層反射層6の部分にさらに量子井戸よりなるゲイン部8 を複数配設したハイブリッド共振構造を採用している。
第6図に示すように、上記のような構造では、定在電磁波の波腹1bは、第2図 に示されるように活性領域(ゲイン媒体)5の量子井戸1と一致するだけでなく 、複数積層反射F!6の量子井戸でも一致するようになっていることがわかる。
第6図ではさらに、複数積層反射層6の量子井戸(ゲイン部)8を有する部分を 示しており、IC11dはそれぞれ高屈折率、低屈折率の材料よりなる4分の1 波長層(9,10)に対応している。
この構造の最大の利点は、より多くの量子井戸の使用が可能なことであり、その 結果、定められた長さのキャビティーに対してより長いゲイン媒体を得ることが 可能である。
第7図は、本発明の一実施例である第4図あるいは第5図に示される波長共振表 面発振レーザーへ電源から電流を供給するための横方向接続部分を示すものであ る。波長共振多数層である周期的ゲイン媒体5は、基盤7上に配設され、その端 部に高反射率の複数積層反射層6を有しており、さらにN型領域13とP型頭域 14が拡散形成(diffuse)、打ち込み形成(implant)、あるい は他の方法により形成されており、開領域13.14にはそれぞれ負の接触子1 5と正の接触子16が接続されており、絶縁体あるいは半絶縁体よりなる絶縁部 17によって互いに分断されている。複数組のP−N接触子を形成することによ り複数のレーザー発振ストライブを定義することが可能であり、これらは単体で 設置することも、図に示すように並べて連結して設置することも可能である。
高光度・高効率の半導体レーザーを実現するためには、横方向モード制御(tr ansverse mode controりを行うと良い、横方向モード制御 を行うための構造はいくつか考えられる。外部キャビティが最もまともな方法で ある。半導体レーザーを形成していく過程でモノリシックな非平面状(a+on olithic nonplanar)の端部反射体を設けることも可能である 。そのような表面発振レーザーの位相の並びの組合せ(phase locki ng of arrays)のために、レーザーの発振方向と垂直(nora+ al)に回折格子(または2重回折格子)構造を設けて、近接するレーザー発振 構造の間に発生ずる光学領域の一部を結合させることがtIf:ibい。これは 、ゲイン領域の量子井戸の成長前後いずれζこおいてもR構成が可能である。
好適実施例の作用 第1.2.3図によると、非常に薄いゲイン層である量子井戸1は量子井戸lよ りも層厚の大きいく屈折率が小さい)スペーサとしての禁止帯部2の開に挟み込 まれでいる。各スベー・ザ(禁止帯部)2の層厚りは、スペーサ材料内での量子 井戸の17一ザー発振波長の最大値の2分の1にほぼ等1ノくなっている。
即ち、 となる。ただし!、λは量子井戸のゲイン最大値C3ain peak) CX :対応する自由空間での波長を表1ノ、ノJはこの波長におけるスペーサ材料の 屈折率を表す。レーザー活性層の両端に配置されたキャップ+!!3は、レーザ ー波長の4分の1の光学的厚とを有している。このようにして、活性層内で増幅 された定在的光学的電気領域(standin3 optieai elect ric field)  の各波腹は、第2図に示すように、量子井戸のゲイン 層1と一致するよう誘導若しくは強制され、その結果前記領域と垂直方向に沿っ たゲインの配置との間の空間的な重なりインテグラル(overlap)int egral)を最適にする。従って、さらに波長選択機構を内蔵させることによ り、量子井戸の面に対して垂直な軸(キャビティの軸と呼ばれる)ζ1τ沿った この構造による効果的なゲインはより高められる。
第11−図ζ・°示される波長共振活性層(ゲイン媒体)5は、光の吸収あるい はキャリアの人!11じよ−)で励起され、この上うムで発生したゲインは、活 性領域に対し・て垂直な方向への1・−ザー発振4・伴う。)V面方向への発振 で(1iなく、垂直方向への発振は5、高効率の複数層圧a4層6を使用4゛ろ ことによりより確かなものとなる。本発明の波長共振活性Iり構造は、所望の波 長−rの垂直方向への発振jmおけるゲイン要素全体(to↑、al zain  far↑or) f;:最適なものとすることができる。この構造は全で強固 な基盤7の1−に形成され、構造全体の強度を高めろように基盤゛7−Lにとど まる。
本発明による波長共振活性層構造の増幅帯域は狭いので、不都合な自然発振を防 止するこ大かてきる。
第5図に示される本発明の実施例では、上記したようζ’、−、M数の2分の1 波長スペーサ(禁止帯部)を用いた複数の量子井戸活性領域からなる通常のダブ ルへテロ接合構造が採用されている。キャビ・)−イの残りの部分は、」二部と 底部の複数層反射体chu−R)より構成されている。底部の反射体ではほぼ1 00%に近い反射率(R)が得られ、上部の複数層反射体(MLR)ではレー・ グー光が脱出できるように幾分低い反射率とな一部ている。実際ζ4二は、底部 で約99.8%R1上部で97%Rであると好ましい。反射体は、レーザー光が 活性領域を脱出する際に、反射率の低いものが反射率の高いものより先に位置す るように形成されており、こうすることによフて最大の反射率を得ることができ る。反射率は複数層反射体の周期の数を変λることによって変化させることがで きる。また、この構造の別の利点として、活性領域が同一の材料・均一の厚さで 形成されており、周囲の反射体やキャビティがフィードバックデバイスとして働 くよう配置されていることであり、これはキャビティがブラッグ(Bragg) 反射体タイプとなフている従来の構造とは対照的である。
第7図に示す実施例の形成には、非液相(undoped)エピタキシャル成長 による構造、またSiおよびZn原子の高精度の拡散(マスクを通す)が使用さ れる。不純物誘導不規則化(!mpurity Induced Disord ering)を起こし、また横方向のキャビティと、活性領域に電気的に入射す るキャリアを形成するようSiとZnはパターン形成され、順次拡散していく。
オ・−八(ohmie)接続子どポンディングパッドの形成には従来の技術を用 いる7図面に示すようにこの構造は、大面積の高出力の発振装置となるように互 いに組み付ける(interijigit沌tion)のに適している。層の平 面における2次ブラッグ結合(2nd−orde「Brag3 eoupl i ng)により、あるいは(ノイズが充分小さい場合は極小結合(evanesc ent eoupl ing)によりストライブ同士の横方向結合は達成されろ 。
本発明の原理では、光り、−よる励起、電そビームによる励起あるいは電流によ る励起及び第7図に示される構造の横方向の電源(TE主電流による励起を含む 複数のレーザー発振励起機構の採用が可能である。
光による励起では、通常その光子エネルギーはレーザー活性材料のJネルキーバ ンドギャップよりも大きな外部から光のビームを吸収することによってしきい値 以上の密度に励起されたキャリアのベアを作り出すことによりゲインを得る。。
電流による励起、特に横方向の電流(TE主電流による励起はより効果的であり 、商業的な利用により好ましい。このような励起におい′Cは、臨界しきい値よ り高い密度の少数のキー・リアが、横方向のP−N領域あるいはP−1(絶縁体 )−N領域から入射され、レーザー発振のためのゲインを得る。2つの標準横方 向入射構造原器が使用できる。横方向P〜・・N接合部u P型ドーパント(d opant)をN型構造の中へ拡散、V穏ることζ青より、またその逆を行・う ことにより、形成できる。ヤヤリアの量子井戸への入射は、そのエネルギ・−ギ ャップが低いため、選択的に行われる。第7図に示す実施例でも同様の現象が起 こるが、この場合その材料は本質的なものであるが、N型・P型領域はN−拡散 ・P−拡散と量子井戸の不純物誘導不規則化によプで形成されCいる。横方向の 電流入射によってし・−・ザーを励起J−るために可能なその他の構成としては 、トド−I−P−Iの構造を有するN型・P型液相成長スペーサNを交互に使用 することである。
FIG、  1 FIG、5 FIG、6 FIG  7 補正書の写しく翻訳文)提出iF(特許法第184条の8)平成02年10月2 2日

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.エネルギー供給用の励起手段(pumping means)からエネルギ ーを受けるゲイン媒体(gain medium)と、小さな禁止帯(band gap)の量子井戸として作用すると共に各々が空間によって均等に分断されて 構成されている複数の薄い半導体(semiconductor bodies )と、前記小さな禁止帯よりも実質的に(substantially)大きな 禁止帯を有すると共に隣接する二つの前記最初の(第一の)半導体の間の空間を 埋める複数の厚い半導体とからなり、前記両複数の半導体は、厚い半導体と薄い 半導体とを一直線上に交互に積み重ねた構造であって、前記直線に沿った各薄い 半導体の厚さは、前記媒体中の電磁波の波長より実質的に小さく、かつ、各厚い 半導体の厚さより実質的に小さく、しかも、一組の隣合う薄い半導体と厚い半導 体とを合わせた厚さは、前記媒体によって増幅される電磁波の波長の0.5倍の 整数倍(integral multiple of one−half)にほ ぼ等しいものであることを特徴とするエネルギー供給用の励起手段を備えた電磁 波増幅半導体デバイス。
  2. 2.エネルギー供給用の励起手段(pumping means)からエネルギ ーを受けて定在電磁波(standing electromagnetic  waves)を発生させる共振ゲイン媒体(resonating gain  medium)と、小さな禁止帯(bandgap)の量子井戸として作用する と共に各々が空間によって均等に分断された複数の薄い第一の半導体と、前記小 さな禁止帯よりも実質的に(substantially)大きな禁止帯を有す ると共に隣接する二つの前記第一の半導体の問の空間を埋める複数の厚い第二の 半導体とから構成され、前記両複数の半導体は、厚い半導体と薄い半導体とを一 直線上に交互に積み重ねた構造であって、前記直線に沿った各薄い半導体の厚さ は、各厚い半導体の厚さのほぼ10分の1であり、しかも、一組の隣合う薄い半 導体と厚い半導体とを合わせた厚さは、前記媒体によるレーザー波長の0.5倍 の整数倍にほぼ等しく、前記媒体の電磁領域(electromagnetic field)の各定在波の最大値が各薄い半導体とほぼ一致(inapprox imate registration)して表れるものであることを特徴とす るエネルギー供給用の励起手段を備えた半導体レーザー媒体。
  3. 3.前記各厚い半導体は、第一及び第二の半導体部分からなり、前記直線方向に 沿った光学的厚さはそれそれ前記媒体内のレーザー波長のほぼ4分の1である請 求項2記載の半導体レーザー媒体。
  4. 4.前記第一及び第二の複数の半導体に共通する基盤をさらに有する請求項2記 載の半導体レーザー媒体。
  5. 5.前記ゲイン媒体の両端部に4分の1波長層を有すると共に、少なくとも一組 の前記4分の1波長層の間に量子井戸としてのさらに別の複数の半導体が挿入さ れている請求項1記載の半導体レーザー媒体。
  6. 6.前記第一及び第二の半導体とそれぞれ同一の構造を持つ複数組の別の半導体 を有すると共に、前記第一及び第二の半導体と前記複数組の半導体は、前記基盤 上において複重積層列構造(multiplicity of arrays) を構成して、位相情報の相互交換が可能となるように光学的に接合されている請 求項4記載の半導体レーザー媒体。
  7. 7.前記積層列構造に選択的に対応するために前記励起手段に接合される手段を さらに有する請求項6記載の半導体レーザ一媒体。
  8. 8.前記積層構造は二つの端部を有し、同各端部に反射手段を有する請求項2記 載の半導体レーザー媒体。
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