JPH0466116B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は各素子が互いに実質的同相で発振し
得るようにするための移相器を内蔵する位相固定
半導体レーザの単板型配列体に関する。

〔発明の背景〕

半導体注入型レーザは一般に薄い活性層とその
両側の反対導電型のクラツド層とを有する半導体
材料の基体を含んでいる。出力を増すために一方
のクラツド層と活性層の間にこの両層のそれの中
間の屈折率を有する導波層を挾むこともある。活
性層で発生した光は活性層と導波層を伝播してそ
の基体の放射面でより大きいビームを形成する。
活性層またはこれと導波層の組合せによつて構成
される空胴領域は各層の平面に垂直な方向である
縦方向の振動を基本光学モードに制限する。各層
の平面内で光の伝播方向に垂直な横方向では、振
動を基本光学モードに制限する光波長を生ずる構
造変化を導入することが有用なことが判つてい
る。米国特許第4347486号開示のような縦方向と
横方向の導波層を備えたレーザは、基本横および
縦モードで約40mW以上の出力を発することがあ
る。

レーザービームのエネルギをこのような個別レ
ーザの能力以上に増すために、1983年６月17日付
米国特許願第505489号（特開60−501634号公報対
応）に開示のような、個々のレーザの発振モード
を互いに結合して１つの位相固定結合発振器を形
成する互いに間隔をおいたレーザ装置の単板配列
体が作られ、この配列体が単一縦型モードで動作
して80mWもの出力を出したことが観測されてい
るが、一般の位相固定型配列体には、殆んど全装
置が、横方向の遠距離電磁界輻射パタンが配列体
の放射面に対する垂線に関して対称に位置する２
つのローブから構成されるように動作するという
問題があつた。この遠フイールド分布は隣接装置
を相対位相180°で動作させる利得の考察から得ら
れるが、その遠距離電磁界パタンは、放射ビーム
の平行化に極めて大きな光学系を必要とするた
め、装置の視点から不都合である。単一縦横モー
ドで動作し、レーザの放射面に垂直な単一ローブ
から成る遠距離電磁界輻射パタンを持つ位相固定
式半導体レーザが望ましい。

〔発明の概要〕

位相固定レーザ配列体は１対の反射面を有する
半導体の基体を含み、その基体はその第１の主表
面内に実質的に平行な複数本の凹溝を有する。こ
の基体の第１の主表面とその凹溝は第１のクラツ
ド層、空胴領域および第２のクラツド層で順次蔽
われている。各凹溝は１つおきにその上の空胴領
域を伝播するレーザービームの位相を移動する移
相手段を含み、その移相手段は少なくとも本体か
ら光を放射する反射面で実質的に同相の振動をす
るように配置されている。この基体の放射面にお
ける振動が実質的に同相のため、この配列体から
の出力は単一の優勢なローブで構成されている。

〔推奨実施例の詳細な説明〕

各図面において、この発明のレーザ配列体の同
じ素子は同じ引用数字で表されている。

第１図ないし第３図において、この発明を実施
したレーザ配列体１０は互いに平行な反射面１４
ａ，１４ｂを持つ単結晶の半導体材料の基体１２
を含み、その反射面１４ａは一部透明（半透明）
でそこからレーザ光が放射し得るようになつてい
る。基体１２はまたその反射面１４ａ，１４ｂに
垂直でその間に互いに実質的に平行に拡がる側面
１６を有する。

半導体基体１２はまた反射面１４ａ，１４ｂお
よび側面１６の双方に垂直にその間に拡がる第１
および第２の主表面２０，２２を有する基板１８
を含み、その第１の主表面２０には互いに実質的
に平行な複数本の凹溝２４とその間の突稜２６と
を含むメサを有する。この基板１８の表面２０と
突稜２６は第１のクラツド層２８で被覆され、そ
の層２８が凹溝２４を埋めている。この第１のク
ラツド層２８は空胴領域３０で被覆され、その空
胴領域３０は第１のクラツド層２８の上の導波層
３２とこの導波層３２を蔽う活性層３４とを含ん
でいる。この空胴領域３０は第２のクラツド層３
６によつて被覆され、その第２のクラツド層３６
は上被層３８で被覆されている。上被層３８上に
は各凹溝２４上に透孔４２を持つ電気絶縁層４０
があり、その層４０の開孔４２の領域の上被層３
８上に電気接点４４が設けられている。第２の電
気接点４６は基板１８の第２の主表面２２の上に
ある。

この配列体の各層に用いられる合金は、活性層
３４の屈折率が導波層３２の屈折率より大きく、
導波層のそれがクラツド層２８，３６のそれより
さらに大きくなるように選ぶ必要がある。この発
明のレーザ配列体はこの屈折率差の条件を満足す
るGaAsやAlGaAsのような材料で形成すること
ができるが、またIn，Ga，Ｐ，Sb，As等の第
族または第族の元素の合金も使用し得る。

基板１８と第１のクラツド層２８は一方の導電
型を有し、第２のクラツド層３６と上被層３８は
反対の導電型を有する。空胴領域３０において導
波層３２と活性層３４は交換可能である。導波層
３２は第１図に示すように第１クラツド層２８と
活性層３４の間に来るのが好ましく、この場合第
１クラツド層２８と同じ導電型を持つが、場合に
よつては導波層３２を活性層３４と第２クラツド
層３６の間に置いてもよく、この場合は導波層３
２と第２クラツド層３６の導電型が同じになる。
その他の場合では導波層３２がなくてもよい。

この発明のレーザ配列体は第２図に示すように
１つおきの凹溝２４内に移相器５０を備えてい
る。この移相器５０は凹溝２４の一部であつてそ
の基板１８への陥没の深さが凹溝２４の残部より
浅いものである。第３図はレーザービームの伝播
方向に平行な配列体１０の断面図で、１つおきの
凹溝内の移相器５０を示す。移相器の基板内への
陥没は凹溝２４の深さより小さい。第４図はレー
ザービームの伝播方向に垂直な配列体１０の断面
図で、全凹溝２４か同じ形状と深さを持ち、移相
器がない配列体の部分を示している。

配列体１０の動作時には、適当極性のバイアス
電圧を電気接点に印加して、空胴領域の各凹溝上
にレーザ作用を起させる。光は活性層と導波層の
双方を伝播するが、導波層のないときは活性層だ
けを伝播し、この輻射分布の減衰尾部がクラツド
層中に横方向に延びる。凹溝全体に亘る空胴領域
と基板との距離の横方向変化により、横方向の屈
折率の横変化を生じ、これによつて各凹溝上の光
伝播のための局部屈折率導波器を形成する。前述
のように、大抵の配列体では、利得の関係と各凹
溝上の各レーザ作用領域の結合により、隣接領域
が180°相対位相差で動作するようになる。移相器
５０は１つおきの凹溝上のレーザ輻射の位相に対
して隣接凹溝２４上のレーザ輻射を移相して、す
べてのレーザ作用領域からの輻射がうまく同相に
なるようにする。

移相器５０は１つおきの凹溝のレーザ作用領域
の横方向有効屈折率がその凹溝の残部と異る１つ
またはそれ以上の部分である。この屈折率の差は
凹溝の中心における移相器５０の表面とその凹溝
の残部の表面との空胴領域３０からの距離の差に
よつて生ずる。基板１８が隣接するクラツド層２
８の材料と屈折率の異る材料で構成されているた
め、移相器５０上を伝播するレーザービームに対
する横方向の屈折率は凹溝２４上を伝播する同じ
ビームに対する有効屈折率と異る。横方向屈折率
は、アイ・イー・イー・イー・ジヤーナル・オ
ブ・クアンタム・エレクトロニクス（IEEE
Journal of Quantum Electronics）1982年第
QE17号第178頁にボーツ（Botez）が開示した技
法を用いて与えられた構造について計算すること
ができる。移相器上を伝播するレーザービームの
位相は、屈折率の差の符号により、隣接チヤンネ
ルの同じ部分を伝播するレーザービームに対して
進むか遅れる。

伝播軸に沿う長さｌを有する移相器上を伝播し
た後におけるビームの位相の変化は次式で表され
る。

△φ＝2π（n_s−n_c）ｌ／λ₀ ここでλ₀はレーザービームの空気中の波長、n_s
およびn_cはそれぞれ移相器５０と凹溝２４上の横
方向有効屈折率である。従つて180°またはその奇
数Ｊ倍の移相を生ずるに要する移相器の長さＬ
は、 Ｌ＝（2J＋１）λ₀／２（n_s−n_c） 第１図の移相器５０の長さはＪ＝０に対する
180°の移相を生ずるように選ぶのが好ましい。凹
溝２４に沿う移相器５０の長さと各凹溝２４間の
突稜部２６の表面からの移相器５０の深さは、そ
の深さが浅いほど基板の影響が大きくなつて屈折
率差（n_s−n_c）が大きくなるため、互いに関係が
ある。

第５図ないし第７図は上側の層を被着する前の
基板１８の平面図で、凹溝２４と移相器５０の数
種の配列を示す。基板１８の側面は１４ｃ，１４
ｄで表され、この面が第１図の半導体基体１２の
反射面１４ａ，１４ｂと一致することを示してい
る。

第５図の実施例では、移相器５０が側面１４ｃ
に近いがこれから離れた凹溝２４の中断部として
示され、第６図の実施例では移相器５０が側面１
４ｄから離れた凹溝２４の中断部として、また反
対側の側面１４ｃから進入した基板の部分として
示されている。第６図は各移相器５０を両側面ま
たはその近傍に配置し、その移相器５０が充分な
大きさ好ましくは180°の移相を行うようにしたこ
の発明の他の原理を示す。第７図は凹溝２４が側
面１４ｃ，１４ｄまで延びている必要のないこの
発明の他の原理を示す。各凹溝２４の長さが異つ
ていて、１つおきの各凹溝上を伝播するレーザー
ビームの位相に対して充分な大きさの位相を行う
ような１つおきの凹溝における横方向有効屈折率
の乱れがあることで充分である。移相器５０を内
蔵する有効レーザ作用領域の空胴の光学長は隣接
凹溝のそれと異なるため、ここでは側面１４ｄで
ある対向面近傍の１つおきの凹溝に移相器５０ａ
を挿入して、異なるレーザ作用領域の光学長を等
しくすることが望ましいこともある。

移相器５０は光が放射される反射面１４ａに近
傍するがそれから離して位置決めするのが好まし
い。この位置は表面またはその近傍における光の
吸収を最小にし、最適の利得と隣接凹溝間の結合
を与える。これは180°離相した１つおきのビーム
に対する自然結合が反射面間の共振空胴の短い部
分で乱されるだけのためである。しかし、異なる
レーザ作用領域から周囲に放射されるレーザービ
ームは同相で、単一ロープの遠距離電磁界輻射パ
タンを生成する。

この発明の原理を第１図のレーザ配列体１０に
ついて説明したが、この原理はレーザ作用領域が
基板またはその上層の１つにおいて各チヤンネル
の中心にあるような任意のレーザ配列体に同様に
適用し得る。

この発明の原理を実施したレーザ配列体は、公
知の写真食刻法を用いて凹溝を形成した後、標準
の液相エピタキシヤル生長法によりその凹溝を含
む表面に各層を被着することにより製造し得る。
各凹溝を形成する食刻法は、特殊な結晶方位を持
つ表面の選択的化学エツチングまたは当業者に公
知の技法を用いるイオンエツチングを含むことも
ある。適当な液相エピタキシヤル成長法が米国特
許第4347486号および米国特許願第505489号に開
示されている。特に第１図のレーザ配列体１０は
上記開示の液相エピタキシヤル成長法によつて製
造すればよい。

基板１８は結晶面１００に平行が僅かに傾斜し
た第１の主表面２０を持つｎ型GaAsから成るこ
とが好ましい。凹溝２４は間隔が一様であること
が望ましく、一般に深さ約1.5〜2.5μ、表面２０
における幅約３〜4μ、代表的中心間距離約４〜
6μである。これより大きい中心間距離のものも
有用なことがあり、この場合はその他の寸法もこ
れに従つて変る。凹溝２４は一般にＶ字型で、そ
の間に平面状の表面を持つ突稜部２６があるが、
他の形状でもよい。また基板１８は凹溝２４が形
成される表面２０上にエピタキシヤル層を持つこ
ともあることを理解すべきである。

第１クラツド層２８は一般にｎ型Al_rGa_1-rAs
から成り、ここでｒは約0.20〜0.45、好ましくは
約0.25〜0.35である。この層は各凹溝２４間の突
稜部上において比較的薄く、約0.1〜0.4μであつ
て、一般に第１クラツド層２８の平面状表面を形
成し、この上に順次各層が被着される。また第１
クラツド層２８の被着を凹溝２４が埋まらないよ
うに制御して第１クラツド層２８の表面を彎曲さ
せることもできる。

導波層３２は一般にｎ型Al_xGa_1-xAsから成り、
そのｘは約0.15〜0.30、好ましくは約0.18〜0.25
である。この層は一般に平面状で、その厚さは約
0.3〜0.6μ、好ましくは約0.4μである。この層が平
面状でなければ、その厚さは一般に凹溝上で約
0.3〜0.6μ、凹溝間の突稜上で約1.0〜0.4μである。

活性層３４は一般にAl_yGa_1-yAsから成り、そ
のｙは約0.0〜0.15、好ましくは約0.03〜0.12で無
ドープが望ましい。活性層３４が平面状であれ
ば、その厚さは一般に約0.05〜0.12μであるが、
曲面上に形成されれば、その厚さは一般に凹溝上
で約0.05〜0.12μ、凹溝間の突稜上では更に薄い
が０ではない。

第２クラツド層３６は一般に厚さ約0.18〜1.5μ
で、Ｐ型Al_zGa_1-zAsから成り、そのｚは約0.25〜
0.45、好ましくは約0.28〜0.35である。

上被層３８は一般に厚さ約0.5〜1.0μで、Ｐ型
GaAsから成り、その下層の半導体材料と上層の
金属接触との間のオーム接触を容易にするために
用いられる。

電気絶縁層４０は酸素または水蒸気中でシラン
等のシリコン含有ガスを熱分解して上被層３８上
に被着された２酸化シリコンより成ることが好ま
しい。この絶縁層には標準の写真食刻法を用いて
凹溝２４上に上被層３８に達する開孔４２が形成
され、その開孔４２に露出された上被層３８上に
大面積の電気接触４４が被着される。この大面積
電気接触４４はチタン、白金および金を順次蒸着
したものが好ましい。基板１８の主表面２２上に
はゲルマニウム、金、ニツケルおよび金を順次蒸
着した後焼結して基板電気接触４６が形成され
る。

この配列体の反射面１４ａは一般に米国特許第
4178564号開示のようにレーザ波長の約1/2の光学
的厚さを有するAl₂O₃または同様の材料の層で被
覆されている。また反射面１４ｂは米国特許第
3701047号開示のように金を被着したSiO₂のよう
な電気絶縁体から成る反射層で被覆されている。
またこの鏡面は米国特許第4092659号開示のよう
な多層反射器とすることもできる。

移相器５０は一般にその表面を突稜部２６の表
面と一致するように選ぶと凹溝と同じ段階で形成
されるが、その表面が突稜部２６の表面と異るよ
うに選ぶときは、各別の写真食刻法を用いて形成
される。

一般に反射面１４ａ，１４ｂの間隔は約250〜
300μで、移相器５０の長さは凹溝２４と移相器
５０上の横方向有効屈折率の差に依存し、これが
さらに活性層に対する移相器表面の位置、各層に
用いた材料、伝播モードの横方向空間的拡がり等
の多数の因子に依存する。移相器５０の伝播方向
の長さは一般に約20〜150μで、利得と隣接レー
ザ作用領域間の結合に対するその存在の効果を可
及的小さくするために可及的短かく保つべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の位相固定的配列体の斜視
図、第２図、第３図および第４図はそれぞれ第１
図の線２−２、３−３、４−４に沿う断面図、第
５図、第６図および第７図はこの発明の一体の移
相器の凹溝内の各種の位置を示す基板の平面図で
ある。 １０……レーザ配列体、１２……基体、１４
ａ，１４ｂ……第１および第２の反射面、１８…
…基板、２０，２２……対向主表面、２４……凹
溝、２６……突稜、２８……第１のクラツド層、
３０……空胴領域、３６……第２のクラツド層、
４４，４６……第１および第２の電気接触、５０
……移相手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１および第２の反射性表面を有し、少なく
   ともその第１の反射性表面がレーザ波長において
   半透明で、ここから光を放射し得るようになつた
   半導体材料の基体を含み、この基体が、１対の対
   向主表面を有し、その第１の主表面が上記反射性
   表面間に延びる実質的に平行な複数本の凹溝とそ
   の間の突稜を有し、上記凹溝が１つおきにその凹
   溝上の空胴領域を伝播するレーザービームの位相
   を隣接する凹溝上を伝播するレーザービームの位
   相に対して偏移させる移相手段を含むような基板
   と、上記基板、凹溝および移相手段の表面を蔽う
   第１のクラツド層と、この第１のクラツド層を蔽
   う空胴領域と、この空胴領域を蔽う第２のクラツ
   ド層と、それぞれ上記第２のクラツド層と上記基
   板の第２の主表面に対する第１および第２の各電
   気接触とを含み、上記各凹溝上にレーザ発振が起
   り、各凹溝上のレーザ発振が互いに位相固定され
   て放射される各レーザービームが互いに実質的同
   相になるように各凹溝が有効距離を隔てているこ
   とを特徴とする位相固定半導体レーザ配列体。