JPH05259559A - 同調可能なレーザーダイオード - Google Patents

同調可能なレーザーダイオード

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JPH05259559A
JPH05259559A JP5023257A JP2325793A JPH05259559A JP H05259559 A JPH05259559 A JP H05259559A JP 5023257 A JP5023257 A JP 5023257A JP 2325793 A JP2325793 A JP 2325793A JP H05259559 A JPH05259559 A JP H05259559A
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layer
laser diode
waveguide
cover layer
absorber
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JP5023257A
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Markus-Christian Amann
アマン マルクス‐クリスチアン
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Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単に製造可能であり、また特に広い同調範
囲を有する同調可能なレーザーダイオードを提供する。 【構成】 ２つの導波体層５、７を層平面に対して横方
向に互いに平行に配置し、これらの導波体層５、７の間
に位置する中間層６により両導波体層５、７の各々に別
々の電流注入が可能であり、層平面に対して横方向に導
波体層５、７に対して平行に、導波体層５、７の縦方向
に周期的に中断された吸収体層４を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＴＴＧレーザーダイオー
ドを基礎とする同調可能なレーザーダイオードに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】最近の光通信技術（たとえば波長多重化
システム）、測定技術（たとえば距離測定）およびセン
サ技術（たとえば赤外分光による空気分析）では、非常
に大きい同調範囲を有する電子的に同調可能なレーザー
ダイオードが必要とされる。互いに横方向に配置された
能動層および同調層を有する同調可能なレーザーダイオ
ードはたとえばヨーロッパ特許出願第EP 0 360 011号明
細書に記載されている（ＴＴＧレーザー）。特に広い同
調範囲のためにこれまで主としてレーザーダイオードお
よび機械的波長設定を有する外部共振器から成るハイブ
リッド構造が存在している。モノリシックに集積された
解決策はたとえばＡＣＡレーザーまたはＹレーザーであ
る。ＡＣＡレーザー（ＥＣＯＣ´９１／ＩＯＯＣ´９
１、第２１〜２４頁参照）では同調範囲の拡大のために
フォワード結合の原理が利用される。ＡＣＡレーザーの
１つの欠点は、構成要素の製造を困難にし、またレーザ
ー長さを高める３つの領域への縦方向のセクション化で
ある。Ｙレーザー（M.Schllingほか：“広く同調可能な
Ｙ結合されたキャビティ集積インターフェロメトリック
注入レーザー”、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．２６、
２４３〜２４４（１９９０）参照）は４つの制御電流に
よる非常に複雑な駆動の決定的な欠点を有し、その際に
制御機能、光パワーおよび波長が正確に分離されておら
ず、同時にすべての４つの制御電流により影響される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、簡単
に製造可能であり、また特に広い同調範囲を有する同調
可能なレーザーダイオードを提供することである。
【０００４】上述の課題を解決するため、本発明におい
ては、２つの導波体層が層平面に対して横方向に互いに
平行に配置されており、これらの導波体層の間に位置す
る中間層により両導波体層の各々に別々の電流注入が可
能であり、層平面に対して横方向に導波体層に対して平
行に、導波体層の縦方向に周期的に中断された吸収体層
が配置されている。
【０００５】本発明によるレーザーダイオードでは２つ
の導波体層がＴＴＧレーザーダイオードの原理に従って
横方向に互いに平行に配置されている。これらの導波体
層はその間に位置する１つの層および分離した接触部を
介して別々に駆動され得る。さらに周期的に中断された
吸収体層がこの導波体構造の付近に配置されている。導
波体層のなかに２つの異なるモードが導かれる。両モー
ドは吸収体層の周期的に相続く存在または不存在により
その形態を影響され、それによってこれらのモードの場
の強さがさまざまな仕方で影響される。さもなければ結
合されていない場のこの周期的な乱れは両モードの結合
に通ずる。両モードは等しい方向に走るので、その際に
同一方向結合またはフォワード結合が存在する。
【０００６】結合強度が消滅しない虚数部を有する複素
数であることは本発明の主要な構成部分である。理想的
な場合には結合強度は純粋に虚数である。結合の強度
は、境する吸収体層なしの導波体構造の１つの領域のな
かの各１つのモードの、境する吸収体層を有する領域内
のそれぞれ他のモードとの重なりに対する積分により決
定される。この結合強度の０と異なる虚数部により、フ
ィルタ作用がレーザー作動の際に生ずることが保証され
ている。この結合強度の０と異なる実数部は帯域フィル
タリングの代わりに帯域遮断を生じさせ、このことはレ
ーザー作動に対して望ましくないであろう。なぜなら
ば、それにより同調すべき波長が抑制され、または少な
くとも十分に増幅されないからである。この同調すべき
波長は結合波長、すなわち最大のフィルタ作用を有する
波長である。それは、同調のために設けられている導波
体層のなかへの電荷担体注入を生じさせる電流により広
い範囲で設定され得る。この同調の機構は同調のために
設けられている導波体層の屈折率をそのなかへ注入され
る電荷担体により変更することである。前記のＡＣＡレ
ーザーダイオードから知られているように、同調範囲の
大きさは最適なディメンジョニングの際のフォワード結
合に基づいてレーザー増幅曲線の材料依存性の幅によっ
てのみ制限されている。
【０００７】
【実施例】以下、図１ないし図８により本発明によるレ
ーザーダイオードの実施例を説明する。
【０００８】図１の縦断面図および付属の図２の横断面
図には導波体層５、７、中間層６および周期的中断部を
有する吸収体層４が示されている。図２に示されている
ような横方向構造はそれ自体はＴＴＧレーザーから知ら
れており、またこの個所で単に横からの電流および波案
内の実現のための例としての役割をする。しかし他の適
当な横方向構造も全く同様に良好に使用され得る。しか
し、本発明にとって図１に示されているようなレーザー
共振器の軸線方向構造は決定的である。吸収体層のその
つどのセクションの長さＳおよびそのつどの中断の長さ
Ｔは周期Ｐに加わる。特別な実施例では、図１に示され
ているように、基板８ａの上に重なり合って、下側のカ
バー層８、下側の導波体層７、中間層６、上側の導波体
層５および吸収体層４を埋込まれた上側のカバー層３が
成長させられている。これらの層は、図２からわかるよ
うに、１つのブリッジを形成している。下側のカバー層
８の側方範囲は横方向のカバー層１５により満たされて
いる。この横方向のカバー層１５はブリッジを完全に覆
い得る。
【０００９】導波体層５、７は好ましくはドープされて
いない。中間層６は第１の導電形に対して導電性にドー
プされている。導波体層５、７に上下に続く層はそれぞ
れ第１の導電形に対して導電性にドープされている。横
方向のカバー層１５は中間層６の導電形に対してドープ
されている。ブリッジがこの横方向のカバー層により完
全に覆われている場合には、ブリッジの上側にこの横方
向のカバー層１５のなかに拡散またはインプランテーシ
ョンにより上側のカバー層と同一の符号を有する接続範
囲１５ａが構成されている。
【００１０】ブリッジを超えて上側のカバー層３の上ま
たは接続範囲１５ａの上にストリップ状に、横方向に絶
縁体層１０により制限される接触層２が被覆されてい
る。この接触層２の上に中央接触部１が位置している。
ブリッジの横方向には横方向のカバー層１５の上にスト
リップ状に重なり合って中間層１２、エッチング停止層
１３および横方向の接触層１４が被覆されている。この
横方向の接触層１４は横方向の接触部１１を設けられて
いる。横方向の絶縁は同じく絶縁体層１０により行われ
る。下側のカバー層８と（たとえば導電性にドープされ
た基板８ａにより）導電性に接続されて対向接触部９が
被覆されている。接続範囲１５ａは図１および図２中に
鎖線により示されている。これらの図面には吸収体層４
の各セクションの上側または下側の上側カバー層３の上
側部分３ａおよび下側部分３ｂは別々に参照符号を付さ
れている。
【００１１】下記の表１はｐ基板上の本発明によるレー
ザーダイオード構造（図１、図２および図６参照）の典
型的なデータを含んでいる。
【００１２】
【表１】
【００１３】そのつどの層または領域の参照符号の後に
付属の厚み（μｍ）が、その後にこの層の機能が、また
その後に材料の組成およびドーピング濃度が記入されて
いる。
【００１４】Ｑはこの表中でそれぞれ４元の材料を意味
し、その際に添字は相応の波長、従ってまたエネルギー
帯間隔を示す。この実施例では上側の導波体層５は能動
層として構成されており、また下側の導波体層７は同調
層として構成されている。吸収体層４は上側の導波体層
５の上側に配置されている。吸収体層４はその代わりに
導波体層５、７の間に、すなわち中間層６のなかに埋込
まれて配置されていてもよく、または下側の導波体層７
の下側に、すなわち基板のほうを向いた側に配置されて
いてもよい。同じく導波体層５、７の順序は逆にされて
いてもよい（上に同調層、下に能動層）。ドーピング符
号は表中の表示と逆でもよい。その場合、中央の接触部
１および対向接触部９の機能は同じく交換されている。
すなわち中央の接触部１が同調接触部であり、また対向
接触部９がレーザー接触部である。
【００１５】表に示されている補償層４ａ、４ｂおよび
間隔層４ｃは、導波体層５、７のなかの屈折率の実数部
をレーザーダイオードの長さにわたって一定に保つ役割
をし、また後でさらに図５および図６により説明する。
レーザー放射を発生するための能動層に対する制御電流
はＩa で示されており、また同調のための電流はＩtで
示されている。吸収体層４（図１）の周期Ｐはこの吸収
体層４の長さＳを有する各セクションおよび長さＴの各
中断部から成っている。周期は結合された両モードの有
効（実）屈折率Ｎe1およびＮe2および波長λから Ｐ＝λ／｜Ｎe1−Ｎe2｜ （１） として計算される。その際に差｜Ｎe1−Ｎe2｜は典型的
に０．１である。図面に示されているように、Ｓ＝Ｔに
選ぶことは可能である。しかし長さＳおよびＴは異なっ
ていてもよく、このことは本発明によるレーザーダイオ
ードでは一般に有利である。レーザーダイオードがＩｎ
ＧａＡｓＰから成り、また１，５５μｍの波長で動作す
るならば、周期Ｐは典型的に約２０μｍである。
【００１６】レーザーの鏡端面、すなわち図１中で左お
よび右に記入されているレーザーダイオードの縁は、吸
収体層４の部分セクションまたはそれらの中断部がそれ
ぞれ中央で切断されるように配置されていなければなら
ないであろう。その際に図１におけるようにレーザーダ
イオードの一端において吸収体層４の１つのセクション
が鏡端面により二等分されており、また他方の側で鏡端
面が中断部の半分の間隔を吸収体層４の１つのセクショ
ンから隔てられて配置されている。同じく良好に鏡端面
は両端において吸収体層４のそれぞれ１つのセクション
を二等分し、または両端において中断部の半分の間隔を
吸収体層４の１つのセクションから離されて延びていて
よい。層のブリッジ状の配置の幅Ｗは約１ないし２μｍ
であることが有利である。
【００１７】図３は図１の縦断面の１つの断片を示す。
この図３には２つの交叉平面ＡおよびＢが記入されてい
る。結合された両モード１および２の場の強さ（たとえ
ば紙面に対して垂直なＥ場成分）は図４にこれらの両交
叉平面に対して垂直方向ｘに場所に関係して記入されて
いる。実線の曲線はそれぞれ、吸収体層４が中断されて
いる領域内の断面Ｂに関する。鎖線の曲線は吸収体層４
の領域（断面Ａ）内の場の強さを示す。吸収体層４の領
域内の場の強さの変化は０から消滅する結合度の虚数部
を有する結合を生じさせる。
【００１８】図５および図６には、吸収体層４のセクシ
ョンの間の中断部がそれぞれ補償層４ａの部分により満
たされている各縦断面が示されている。本発明の主要な
特徴は、吸収体層４による虚数の結合強度の実際的な実
現である。このような吸収体層４に対して使用され得る
通常の半導体材料は虚数の結合強度を得るために必要な
導波体層のなかの屈折率の虚数部を変化させるだけでな
く、有効屈折率の実数部をも変化させる。従って、吸収
体層４が理想的な場合に屈折率の従って結合強度の専ら
虚数の変化を生じさせるように、補償による屈折率の実
数部の変化は除かれなければならない。このことは吸収
体層４のセクションの間の範囲を上側のカバー層３より
も屈折率が高い材料により満たすことにより行われ得
る。しかしその際にこの材料は吸収しない。このことは
ＢＩＧレーザーの原理から知られている（たとえば Y.T
ohmoriほか“新規な構造のＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ１．
５〜１．６μｍバンドル集積ガイド（ＢＩＧ）分布ブラ
ッグ反射器レーザー、Ｊａｐ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．２４、Ｌ３９９／Ｌ４０１（１９８３）参照）。補
償層４ａは可能なかぎり導波体層５から吸収体層４と同
一の間隔に存在しているべきである。この補償層４ａの
厚みＤc はほぼ、吸収体層４の厚みＤc により近似的に
下記の式から得られる値を有するべきであろう。 Ｄc （Ｎ4a−Ｎ3 ）＝Ｄt （Ｎ4 −Ｎ3 ） （２） その際にＮn は参照符号ｎを付されている層の屈折率の
実数部である。
【００１９】図５による配置はたとえば選択的なエピタ
キシーにより製造され得る。吸収体層４の製造、すなわ
ち続く中断部のエッチングを有する全面の成長の後に、
この吸収体層４はマスクにより覆われ、中断部が補償層
４ａにより満たされる。図６による構成を実現するなら
ば、選択的エピタキシーなしですませられる。その際に
吸収体層４に追加して間隔層４ｃが全面に成長させられ
る。吸収体層およびこの間隔層４ｃは共通に吸収体層４
の中断部の範囲内でエッチングされる。その後に全面に
補償層４ａ、４ｂが成長させられ、その際に間隔層４ｃ
の部分の上の補償層の部分４ａは導波体層５、７から、
これらの導波体層５、７のなかで有効屈折率の実数部の
変化が実際上生じないように離されている。吸収体層４
および補償層４ａから構成された層は上側のカバー層３
の上側部分３ａにより全面を覆われ、またプレーナ構造
化される。
【００２０】本発明によるレーザーダイオードにとって
主要なことは、際立って狭いフィルタ曲線、すなわち波
長にわたってとられた逆行程長さの単位での相対的な光
学的増幅である。このフィルタ曲線の高さおよびその幅
は純粋に虚数の結合強度の際にそれぞれこの結合強度の
虚数部に比例している。フィルタ曲線の高さはさらに導
波体層のなかの両モードに対する有効屈折率の差に比例
している。それによってフィルタ曲線は材料増幅により
発生される波長依存性よりも明らかに急峻である。この
ことは電流Ｉt を介してのフォワード結合による周波数
または波長離調を可能にする。Ｉt による同調は電荷担
体注入に基づいて導波体層７の屈折率を変化させる。し
かし屈折率の変化は、導波体層７が量子井戸構造を有す
るならば、量子閉じ込めシュタルク効果を利用しても可
能である。その場合、対向接触部９の阻止極性の際に
は、電流が流れることなしに（Ｉt ＝０）、屈折率が減
ぜられる。導波体層７のなかの屈折率の変化は両モード
１および２の有効屈折率Ｎe1およびＮe2に影響し、従っ
て式（１）により一定の周期Ｐに基づいて相対的な波長
変化は差｜Ｎe1−Ｎe2｜の相対的な変化に比例してい
る。吸収体層４の周期ＰはＤＦＢ格子の周期よりも約１
０倍ないし１００倍大きい。
【００２１】本発明によるレーザーダイオードは原理的
に、増幅する層により吸収体層４を置換しても実現され
得る。同じく導波体層５は２つまたはそれ以上の層に分
割することができる。その際に導波体機能は部分的に、
増幅しない層（たとえばλ＝１．５５μｍにおいて
Ｑ1 、3 ）により引き受けることができる。このような
実施例がたとえば図７に断片的に示されている。その際
に層５ａはその構成のなかの元の層５に相当し、層５ｂ
はたとえば上側のカバー層３のように構成されていてよ
く、また層５ｃはたとえば４元材料（Ｑ1 、3 、ｎドー
プされている）から成る。典型的な層厚みは層５ａ、５
ｂ、５ｃに対して０．１μｍ、０．０５μｍ、０．２μ
ｍである。図８には図５に相応する縦断面が図５に示さ
れている導波体５の代わりに層５ａおよび５ｃを有する
１つの代替的な実施例により示されている。層４、４
ａ、５ａ、５ｃ、６および７の厚みはそれぞれ０．０７
μｍ、０．１５μｍ、０．１５μｍ、０．２μｍ、０．
３μｍおよび０．２μｍである。層５ａの材料組成は層
５のそれと等しい。層５ｃは４元材料（Ｑ1 、3 ）であ
り、５×１０17ｃｍ-3の濃度にドープされておりｎ伝導
性である。この実施例は波長１．５５μｍおよび寸法Ｗ
＝１．５μｍ、Ｐ＝１５．５μｍ、Ｓ＝４．５μｍおよ
びＴ＝１１μｍに対して示されている。その他の層に対
する指示は上記の表に示されている。
【００２２】本発明によるレーザーダイオードの主要な
特徴は横方向に二重化された導波体構造、それに対して
横方向に配置された周期的に中断された吸収体層および
それにより生ずる２つの異なるモードのフォワード結合
である。両導波体層のなかへの別々の電流注入のための
層の配置およびドーピングならびに層の寸法は、個々の
実施例で広い限度で変更することができる。それによっ
て簡単な仕方で多数の簡単に製造可能で広帯域に同調可
能な種々のレーザーダイオードが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の縦断面図。
【図２】本発明の実施例の図１中の切断線ＩＩによる横
断面図。
【図３】図１の一部分の拡大縦断面図。
【図４】図３のＩＶA −ＩＶA 面、ＩＶB −ＩＶB 面に
おける層構造に対して垂直な場の強さを定性的に示す線
図。
【図５】補償層を付加した本発明によるレーザ‐ダイオ
ードの縦断面図。
【図６】補償層を付加した本発明によるレーザ‐ダイオ
ードの縦断面図。
【図７】本発明の異なる実施例の縦断面図。
【図８】本発明の更に異なる実施例の縦断面図。
【符号の説明】
１、９、１１ 接触部 ３、８ カバー層 ４ 吸収体層 ４ａ 補償層 ５、７ 導波体層 ６ 中間層 ８ａ 基板 １５ 横方向のカバー層 Ｐ 周期

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２つの導波体層（５、７）が層平面に対
    して横方向に互いに平行に配置されており、これらの導
    波体層（５、７）の間に位置する中間層（６）により両
    導波体層（５、７）の各々に別々の電流注入が可能であ
    り、層平面に対して横方向に導波体層（５、７）に対し
    て平行に、導波体層（５、７）の縦方向に周期的に中断
    された吸収体層（４）が配置されていることを特徴とす
    る同調可能なレーザーダイオード。
  2. 【請求項２】 吸収体層（４）の周期（Ｐ）の長さが、
    レーザーダイオードにより空気中に放射される放射の波
    長の少なくとも１０倍であることを特徴とする請求項１
    記載のレーザーダイオード。
  3. 【請求項３】 吸収体層（４）の周期（Ｐ）の長さが、
    レーザーダイオードにより空気中に放射される放射の波
    長と結合された両モードの有効屈折率の実数部の差の絶
    対値との商に少なくとも近似的に等しいことを特徴とす
    る請求項１記載のレーザーダイオード。
  4. 【請求項４】 導波体層（５、７）が４元の半導体材料
    であり、また吸収体層（４）が３元の半導体材料である
    ことを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載のレー
    ザーダイオード。
  5. 【請求項５】 基板（８ａ）の上にブリッジ状の配置で
    重なり合って、中間層（６）により隔てられた導波体層
    （５、７）が下側のカバー層（８）と上側のカバー層
    （３）ならびに吸収体層（４）との間に成長させられて
    おり、このブリッジ状の配置が横方向のカバー層（１
    ５）により囲まれており、導波体層（５、７）がドープ
    されておらず、中間層（６）および横方向のカバー層
    （１５）が第１の導電形の電気伝導のためにドープされ
    ており、下側のカバー層（８）、上側のカバー層（３）
    および吸収体層（４）が第２の伝導形の電気伝導のため
    にドープされており、別々の接触部（１、９、１１）が
    存在しており、そのそれぞれ１つが下側のカバー層
    （８）、上側のカバー層（３）および横方向のカバー層
    （１５）と導電接続されていることを特徴とする請求項
    １ないし４の１つに記載のレーザーダイオード。
  6. 【請求項６】 導波体層（５、７）のなかの有効屈折率
    の実数部をレーザーダイオードの長さにわたって可能な
    かぎり一定に保つため、吸収体層（４）のセクション間
    の中断部にそれぞれ補償層（４ａ）のセクションが存在
    していることを特徴とする請求項１ないし５の１つに記
    載のレーザーダイオード。
JP5023257A 1992-01-20 1993-01-18 同調可能なレーザーダイオード Pending JPH05259559A (ja)

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