JPH0552073B2 - - Google Patents
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- JPH0552073B2 JPH0552073B2 JP62239087A JP23908787A JPH0552073B2 JP H0552073 B2 JPH0552073 B2 JP H0552073B2 JP 62239087 A JP62239087 A JP 62239087A JP 23908787 A JP23908787 A JP 23908787A JP H0552073 B2 JPH0552073 B2 JP H0552073B2
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明は希土類のドープされた半導体レーザ
に関する。
に関する。
発明の背景
希土類イオンはレーザ動作のための利得媒体と
して絶縁結晶内で利用されてきた。これらのイオ
ンは又−族の半導体内に、そして、シリコン
に組み込まれて従来のレーザ・システムで利得媒
体となつている。これらのシステムでは、３価の
希土類イオンの結晶場分割スピン軌道レベル間の
中心内4f−4f遷移から生じるフオト・ルミネツセ
ンス帯が低温で、一般的には、77Kより低い又は
等しい温度で観察された。この観察された放出物
の波長はホスト半導体材料のバンドギヤツプ・エ
ネルギーに依存せず、むしろ、ドーパントとして
使用された特定の希土類イオンに依存することが
発見された。
して絶縁結晶内で利用されてきた。これらのイオ
ンは又−族の半導体内に、そして、シリコン
に組み込まれて従来のレーザ・システムで利得媒
体となつている。これらのシステムでは、３価の
希土類イオンの結晶場分割スピン軌道レベル間の
中心内4f−4f遷移から生じるフオト・ルミネツセ
ンス帯が低温で、一般的には、77Kより低い又は
等しい温度で観察された。この観察された放出物
の波長はホスト半導体材料のバンドギヤツプ・エ
ネルギーに依存せず、むしろ、ドーパントとして
使用された特定の希土類イオンに依存することが
発見された。
従来技術の方式の全てにおいては、希土類イオ
ンは常に、ホスト半導体材料のバンドギヤツプ放
出波長よりも長い主放出波長を持つように常に選
ばれた。従来技術で研究された組合せのいくつか
は次の通りである。即ち、GaAs、GaP、InP及
びSiにおけるエルビウム、GaPにおけるネオジ
ム、サマリウム及びユウロピウム、及びInP、
GaP及びGaAsにおけるイツタルビウムである。
これらの従来の方式は第２図に示した電子エネル
ギー図により描くことができる。第２図は希土類
元素がドーパントとして使用されている従来技術
の代表的な希土類をドープした半導体材料のため
の電子エネルギー対状態密度のグラフである。第
２図に示したように、希土類イオンのためのエネ
ルギー遷移２０３−２０４は半導体材料のバンド
ギヤツプのエネルギー差２０５−２０６より少な
い。従つて、希土類遷移のための放出波長は半導
体材料のバンドギヤツプに対応する波長より長
い。1980年３月11日付けのシー．エー．モリソン
（C.A.Morrison）外に対して発行された米国特許
第4193044号で指摘されているように、希土類半
導体レーザにおけるホスト半導体材料は「レージ
ング・イオンにより放出された光を透過するに十
分な広さのバンドギヤツプ」を有するように要求
された。
ンは常に、ホスト半導体材料のバンドギヤツプ放
出波長よりも長い主放出波長を持つように常に選
ばれた。従来技術で研究された組合せのいくつか
は次の通りである。即ち、GaAs、GaP、InP及
びSiにおけるエルビウム、GaPにおけるネオジ
ム、サマリウム及びユウロピウム、及びInP、
GaP及びGaAsにおけるイツタルビウムである。
これらの従来の方式は第２図に示した電子エネル
ギー図により描くことができる。第２図は希土類
元素がドーパントとして使用されている従来技術
の代表的な希土類をドープした半導体材料のため
の電子エネルギー対状態密度のグラフである。第
２図に示したように、希土類イオンのためのエネ
ルギー遷移２０３−２０４は半導体材料のバンド
ギヤツプのエネルギー差２０５−２０６より少な
い。従つて、希土類遷移のための放出波長は半導
体材料のバンドギヤツプに対応する波長より長
い。1980年３月11日付けのシー．エー．モリソン
（C.A.Morrison）外に対して発行された米国特許
第4193044号で指摘されているように、希土類半
導体レーザにおけるホスト半導体材料は「レージ
ング・イオンにより放出された光を透過するに十
分な広さのバンドギヤツプ」を有するように要求
された。
希土類のエネルギー・レベルはこの半導体バン
ドギヤツプ内に存在するので、4f−4fレベル間の
電子遷移は、希土類イオンのより低いレベルへの
放射遷移２０１と、最終的に、半導体材料の価電
子帯への弛緩を伴なう、希土類イオンのより高い
レベルへ導電帯から弛緩する電子を含む。このよ
うなマルチ・プロセス遷移は一般的に、第２図に
２０２として示した直接のバンド対バンドの遷移
よりも起こる可能性が少ない。結果として、希土
流遷移のルミネツセンス効率は極めて低く、従つ
てこれらの遷移は第３図に示したように光利得が
小さいことになる。従つて、希土類イオン遷移に
おけるレージング作用はこの従来技術の方式では
実際に達成されなかつた。第３図に更に示したよ
うに、希土類の遷移のための利得とバンド対バン
ドの遷移のための利得は明確に異なる波長で行わ
れる。
ドギヤツプ内に存在するので、4f−4fレベル間の
電子遷移は、希土類イオンのより低いレベルへの
放射遷移２０１と、最終的に、半導体材料の価電
子帯への弛緩を伴なう、希土類イオンのより高い
レベルへ導電帯から弛緩する電子を含む。このよ
うなマルチ・プロセス遷移は一般的に、第２図に
２０２として示した直接のバンド対バンドの遷移
よりも起こる可能性が少ない。結果として、希土
流遷移のルミネツセンス効率は極めて低く、従つ
てこれらの遷移は第３図に示したように光利得が
小さいことになる。従つて、希土類イオン遷移に
おけるレージング作用はこの従来技術の方式では
実際に達成されなかつた。第３図に更に示したよ
うに、希土類の遷移のための利得とバンド対バン
ドの遷移のための利得は明確に異なる波長で行わ
れる。
あるいは又、ホスト半導体材料のバンド対バン
ドの遷移２０２から生じるより高いエネルギー放
出により、希土類イオンの低レベルからより高い
レベルよりも高いエネルギーへ電子を光学的に励
起することができる。これらのより高いエネルギ
ー・レベルから希土類イオンのより高いレベルへ
の電子の弛緩により、より高いレベルからより低
いレベルへの放射遷移２０７が生じ、これにより
より長い波長でホトンを放出する。このより高い
エネルギーでのポンピング方法は直接的なバンド
対バンドの遷移に比較して依然として不充分であ
る。それは、それが非共鳴ポンピング方法である
からである。希土類レベル間の遷移から放射を生
じさせる２つの場合において、希土類遷移のポン
ピングは非共鳴型である。量子効率、即ち、これ
らの従来方式の全てで達成される出力光パワーに
対する入力ポンピング・パワーの変換効率は10-4
のオーダであつた。
ドの遷移２０２から生じるより高いエネルギー放
出により、希土類イオンの低レベルからより高い
レベルよりも高いエネルギーへ電子を光学的に励
起することができる。これらのより高いエネルギ
ー・レベルから希土類イオンのより高いレベルへ
の電子の弛緩により、より高いレベルからより低
いレベルへの放射遷移２０７が生じ、これにより
より長い波長でホトンを放出する。このより高い
エネルギーでのポンピング方法は直接的なバンド
対バンドの遷移に比較して依然として不充分であ
る。それは、それが非共鳴ポンピング方法である
からである。希土類レベル間の遷移から放射を生
じさせる２つの場合において、希土類遷移のポン
ピングは非共鳴型である。量子効率、即ち、これ
らの従来方式の全てで達成される出力光パワーに
対する入力ポンピング・パワーの変換効率は10-4
のオーダであつた。
発明の要約
この発明は効率が増加し、出力波長帯が狭い希
土類ドープの半導体レーザを具体化するものであ
る。希土類イオンは半導体のホスト材料内におけ
るドーパントとして利用される。希土類イオン遷
移からの支配的な放出物はホスト半導体材料のバ
ンドギヤツプ放出物のそれよりも波長が短い。な
るべくなら、希土類材料とホスト半導体材料は、
支配的な放出物に対応する希土類のエネルギー・
レベルがエネルギーに関し最高のキヤリア濃度点
において一致するように選ばれることが望まし
い。
土類ドープの半導体レーザを具体化するものであ
る。希土類イオンは半導体のホスト材料内におけ
るドーパントとして利用される。希土類イオン遷
移からの支配的な放出物はホスト半導体材料のバ
ンドギヤツプ放出物のそれよりも波長が短い。な
るべくなら、希土類材料とホスト半導体材料は、
支配的な放出物に対応する希土類のエネルギー・
レベルがエネルギーに関し最高のキヤリア濃度点
において一致するように選ばれることが望まし
い。
本発明により構成された特定実施例において
は、エルビウムはガリウム・インジウム・ヒ素・
リン（GaInAsP）の４元層を持つレーザにおけ
る希土類ドーパントとして選ばれる。この第４級
層はヘテロエピタキシヤル・リツジ、オーバグロ
ーン・レーザ構造内におけるリン化インジウムの
広ギヤツプ・クラデイング層により包囲された。
エルビウムは1.53μｍにおける放出物を持つ中心
内４13／２−４15／２遷移を有しており、第
４級GaInAsPにおける材料は1.55μｍの放出物に
対応するバンドギヤツプを持つように選ばれた。
は、エルビウムはガリウム・インジウム・ヒ素・
リン（GaInAsP）の４元層を持つレーザにおけ
る希土類ドーパントとして選ばれる。この第４級
層はヘテロエピタキシヤル・リツジ、オーバグロ
ーン・レーザ構造内におけるリン化インジウムの
広ギヤツプ・クラデイング層により包囲された。
エルビウムは1.53μｍにおける放出物を持つ中心
内４13／２−４15／２遷移を有しており、第
４級GaInAsPにおける材料は1.55μｍの放出物に
対応するバンドギヤツプを持つように選ばれた。
本発明は図面と共に次の詳細な説明を読むこと
により容易に理解されよう。
により容易に理解されよう。
詳細な説明
本発明によれば、希土類元素と、これらの希土
類元素がドーパントとして使用されるべきである
半導体層の組成は、希土類イオン遷移からの支配
的な放出物の波長が、第４図と第５図に示したよ
うにホスト半導体層のバンドギヤツプに対応する
放出物の波長よりも短くなるように選ばれてい
る。第４図で、活性層内へのキヤリアの注入のた
めの内蔵pn接合を持つ二重ヘテロ構造（DH）レ
ーザは高注入レベルの下に示されている。結果と
して、電子とホールに対する擬フエルミ準位（そ
れぞれEFC、EFV）は第５図に示したように、それ
ぞれ、導電帯と価電子帯内に存在する。図示の実
施例では、希土類イオンの上方レベル４０１（励
起状態）はホスト半導体の導電帯縁４０２の上に
存在し、一方、希土類イオンの下方レベル４０３
（接地状態）は価電子帯の縁４０４のすぐ上か下
に存在する。
類元素がドーパントとして使用されるべきである
半導体層の組成は、希土類イオン遷移からの支配
的な放出物の波長が、第４図と第５図に示したよ
うにホスト半導体層のバンドギヤツプに対応する
放出物の波長よりも短くなるように選ばれてい
る。第４図で、活性層内へのキヤリアの注入のた
めの内蔵pn接合を持つ二重ヘテロ構造（DH）レ
ーザは高注入レベルの下に示されている。結果と
して、電子とホールに対する擬フエルミ準位（そ
れぞれEFC、EFV）は第５図に示したように、それ
ぞれ、導電帯と価電子帯内に存在する。図示の実
施例では、希土類イオンの上方レベル４０１（励
起状態）はホスト半導体の導電帯縁４０２の上に
存在し、一方、希土類イオンの下方レベル４０３
（接地状態）は価電子帯の縁４０４のすぐ上か下
に存在する。
半導体のバンド縁に関して希土類エネルギー・
レベル上の相対位置に関する確固とした実験デー
タは存在しないが、本発明において、重要なのは
主にエネルギー差である。それらの相対位置は次
の観察から推測することができる。大部分の希土
類の外殻電子配置はＡ族の元素であるバリウム
のそれ、5S25p66S2と同じであるので、未擾乱
族の格子原子に代わる希土類不純物は単一のアク
セプタとして振舞うはずである。従つて、希土類
イオンの下方レベル４０３はホスト半導体の価電
子帯縁４０４に接近しているはずであり、そし
て、電子により占有されないまま残る。これは、
レージング時の高注入の下でのEFVは第５図に示
したように価電子帯の縁の下にあるからである。
ホスト半導体の組成は希土類イオンの上方レベル
４０１が価電子帯縁４０２の上にあり、なるべく
なら、第５図に示したようにEFCに接近している
ように調節されることが好ましい。希土類ドーパ
ントと半導体材料の組成のこのような組合せによ
り次の２つの重要な結果が得られる。(1)導電帯か
ら希土類イオンの励起状態への電子の遷移は共鳴
方法により行なわれ、そして、上方レベル４０１
は電子密度が極大となるエネルギー近くに位置付
けられる。下方レベル４０３はEFVの上にあるの
で、励起状態からホトンを放出する接地状態への
電子の遷移は直ちに価電子帯へ弛緩する。(2)スペ
クトル的に、希土類遷移による狭い光利得は第６
図に示したようにホスト半導体の広い利得プロフ
イルの頂部に重なる。
レベル上の相対位置に関する確固とした実験デー
タは存在しないが、本発明において、重要なのは
主にエネルギー差である。それらの相対位置は次
の観察から推測することができる。大部分の希土
類の外殻電子配置はＡ族の元素であるバリウム
のそれ、5S25p66S2と同じであるので、未擾乱
族の格子原子に代わる希土類不純物は単一のアク
セプタとして振舞うはずである。従つて、希土類
イオンの下方レベル４０３はホスト半導体の価電
子帯縁４０４に接近しているはずであり、そし
て、電子により占有されないまま残る。これは、
レージング時の高注入の下でのEFVは第５図に示
したように価電子帯の縁の下にあるからである。
ホスト半導体の組成は希土類イオンの上方レベル
４０１が価電子帯縁４０２の上にあり、なるべく
なら、第５図に示したようにEFCに接近している
ように調節されることが好ましい。希土類ドーパ
ントと半導体材料の組成のこのような組合せによ
り次の２つの重要な結果が得られる。(1)導電帯か
ら希土類イオンの励起状態への電子の遷移は共鳴
方法により行なわれ、そして、上方レベル４０１
は電子密度が極大となるエネルギー近くに位置付
けられる。下方レベル４０３はEFVの上にあるの
で、励起状態からホトンを放出する接地状態への
電子の遷移は直ちに価電子帯へ弛緩する。(2)スペ
クトル的に、希土類遷移による狭い光利得は第６
図に示したようにホスト半導体の広い利得プロフ
イルの頂部に重なる。
第６図は、しきい値電流における希土類元素ド
ーパントを伴つた半導体ホストの光利得対波長特
性の概略を示すものである。広い利得プロフイー
ルは、ホスト半導体のものであり、また狭い利得
スパイクは希土類のものである。希土類（例え
ば、Er3+）遷移に起因する狭い光利得は、半導体
ホストの広い利得プロフイールの頂点上に重な
る。第６図においては、狭い光利得は広い利得プ
ロフイールの中央に位置しているがこのような状
況は必ずしも常に起こるものではない。なぜな
ら、それらのピークはホスト材料に依存して互い
にシフトし得るものだからである。
ーパントを伴つた半導体ホストの光利得対波長特
性の概略を示すものである。広い利得プロフイー
ルは、ホスト半導体のものであり、また狭い利得
スパイクは希土類のものである。希土類（例え
ば、Er3+）遷移に起因する狭い光利得は、半導体
ホストの広い利得プロフイールの頂点上に重な
る。第６図においては、狭い光利得は広い利得プ
ロフイールの中央に位置しているがこのような状
況は必ずしも常に起こるものではない。なぜな
ら、それらのピークはホスト材料に依存して互い
にシフトし得るものだからである。
光フイードバツクが従来のフアブリ・ペロー半
導体レーザの場合のように１対の分割された小面
によつて当えられる場合、希土類のイオン遷移波
長における利得はまず空洞損失を克服し、そし
て、レージング作用を達成する。例えば、1.55μ
ｍ波長の約250μｍの長さの半導体レーザの空洞
部において、長手方向のモード間隔は約2nｍで
あり、単一の長手方向モード動作は第６図で概略
示したように、希土類のイオン遷移波長において
生じる。この希土類遷移は事実上原子レベルであ
るので、同一のレージング波長を正確に得る再生
可能な方法は、希土類の遷移波長における利得全
体が最高の場合にウエーハからウエーハへ、そし
て、装置から装置へと達成することができる。更
に、このラインの波長はホスト半導体の材料分散
にのみ原因して約0.1nｍ／℃の遅い速度でヒート
シンクの温度と共に移動することが解つた。他の
重要な結果は原子レベル遷移及び外部の光反射に
対する不感応のために線幅の狭くなることであ
る。
導体レーザの場合のように１対の分割された小面
によつて当えられる場合、希土類のイオン遷移波
長における利得はまず空洞損失を克服し、そし
て、レージング作用を達成する。例えば、1.55μ
ｍ波長の約250μｍの長さの半導体レーザの空洞
部において、長手方向のモード間隔は約2nｍで
あり、単一の長手方向モード動作は第６図で概略
示したように、希土類のイオン遷移波長において
生じる。この希土類遷移は事実上原子レベルであ
るので、同一のレージング波長を正確に得る再生
可能な方法は、希土類の遷移波長における利得全
体が最高の場合にウエーハからウエーハへ、そし
て、装置から装置へと達成することができる。更
に、このラインの波長はホスト半導体の材料分散
にのみ原因して約0.1nｍ／℃の遅い速度でヒート
シンクの温度と共に移動することが解つた。他の
重要な結果は原子レベル遷移及び外部の光反射に
対する不感応のために線幅の狭くなることであ
る。
この発明の実施例は第１図に絵画的に示した種
類のGaInAsPのヘテロ−エピタキシヤル・リツ
ジ−オーバーグローン・レーザ１００を使用して
構成された。ｎ型リン化インジウムの基板１０１
は液相エピタキシヤル成長装置内に置かれ、そし
て、ｎ型リン化インジウムのバツフア層１０２が
基板上に成長された。これにはｎ型GaInAsP層
１０３が伴い、この中ではインジウムの溶融物が
エルビウムを約0.5重量％ドープされた。第４級
GaInAsPの組成は、そのバンドギヤツプが1.55μ
ｍの放出波長に対応するように選ばれた。上記層
１０３はｐ型GaInAsP反メルトバツク層１０４
を伴なう。この層１０４の組成はそのバンドギヤ
ツプが約1.3μｍの放出物に対応するように選ばれ
る。二酸化ケイ素の膜１０５は次に上記層１０４
の上に成長され、そして、チヤネルがこの二酸化
ケイ素の層１０５内にエツチングされ、このチヤ
ネルの上にｐ型InPの隆起部１０６が成長するこ
とができる。最後に、構造全体が、標準的なオー
ミツク接触形成方法を用いて頂部をオーミツク接
触１０７で覆い、基板の底部をオーミツク接触１
０８で覆う。標準的な分割方法を用いて、第１図
に示した種類の空洞レーザ・ダイオードが構成さ
れる。各ダイオードは約300μｍの長さを有し、
その特性は、１秒間あたり約1000パルスの繰り返
し率で100nsパルスを用いて室温で試験された。
同様なヘテロ−エピタキシヤル・リツジ・オーバ
ーグローン・レーザは、アプライド・フイジク
ス・レター（Applied physics Letters）、
Vol.45、pp.1025−1027、1984においてダビリ
ユ・テー・サング（W.T.Tsang）とアール．エ
ー．ローガン（R.A.Logan）により「1.5μｍでの
新しい高電力細ビーチ縦モード安定化半導体レー
ザ：ヘテロエピタキシヤル・リツジ オーバグロ
ーレーザ」（Ａ new high−power、narrow−
beam transverse mode stabilized
semiconductor laser at 1.5μｍ：the
heteroepitaxial ridge−overgrown laser）なる
題名の論文に記載されている。
類のGaInAsPのヘテロ−エピタキシヤル・リツ
ジ−オーバーグローン・レーザ１００を使用して
構成された。ｎ型リン化インジウムの基板１０１
は液相エピタキシヤル成長装置内に置かれ、そし
て、ｎ型リン化インジウムのバツフア層１０２が
基板上に成長された。これにはｎ型GaInAsP層
１０３が伴い、この中ではインジウムの溶融物が
エルビウムを約0.5重量％ドープされた。第４級
GaInAsPの組成は、そのバンドギヤツプが1.55μ
ｍの放出波長に対応するように選ばれた。上記層
１０３はｐ型GaInAsP反メルトバツク層１０４
を伴なう。この層１０４の組成はそのバンドギヤ
ツプが約1.3μｍの放出物に対応するように選ばれ
る。二酸化ケイ素の膜１０５は次に上記層１０４
の上に成長され、そして、チヤネルがこの二酸化
ケイ素の層１０５内にエツチングされ、このチヤ
ネルの上にｐ型InPの隆起部１０６が成長するこ
とができる。最後に、構造全体が、標準的なオー
ミツク接触形成方法を用いて頂部をオーミツク接
触１０７で覆い、基板の底部をオーミツク接触１
０８で覆う。標準的な分割方法を用いて、第１図
に示した種類の空洞レーザ・ダイオードが構成さ
れる。各ダイオードは約300μｍの長さを有し、
その特性は、１秒間あたり約1000パルスの繰り返
し率で100nsパルスを用いて室温で試験された。
同様なヘテロ−エピタキシヤル・リツジ・オーバ
ーグローン・レーザは、アプライド・フイジク
ス・レター（Applied physics Letters）、
Vol.45、pp.1025−1027、1984においてダビリ
ユ・テー・サング（W.T.Tsang）とアール．エ
ー．ローガン（R.A.Logan）により「1.5μｍでの
新しい高電力細ビーチ縦モード安定化半導体レー
ザ：ヘテロエピタキシヤル・リツジ オーバグロ
ーレーザ」（Ａ new high−power、narrow−
beam transverse mode stabilized
semiconductor laser at 1.5μｍ：the
heteroepitaxial ridge−overgrown laser）なる
題名の論文に記載されている。
動作において、レーザ１００は接点１０７と１
０８の間に接続された電池（図示せず）のよう
な、適当なエネルギー源によつて順方向にバイア
スされる。このエネルギー源により供給される電
流がレージング閾値を越えると、励起されたコヒ
ーレント放射が層１０３のホールと電子の放射再
結合によつて発生される。この放射により空洞共
鳴器を形成するために分割され光学的に磨かれる
ことができる端面の一方又は両方から上記放射が
発生する。
０８の間に接続された電池（図示せず）のよう
な、適当なエネルギー源によつて順方向にバイア
スされる。このエネルギー源により供給される電
流がレージング閾値を越えると、励起されたコヒ
ーレント放射が層１０３のホールと電子の放射再
結合によつて発生される。この放射により空洞共
鳴器を形成するために分割され光学的に磨かれる
ことができる端面の一方又は両方から上記放射が
発生する。
第７図は第１図に示した種類の高品質のErを
ドープしたダイオードの光出力対パルス電流を示
す。Erの濃度が一様な層のエピタキシヤル成長
に干渉するほどは充分高くはない場合に、Erの
ドーピングは閾値電流又は出力パワーに影響する
ようには見えなかつた。第８図には、単一の長手
方向モード動作の点で得られる最良のスペクトル
が示されている。30dBより大きい幅モード抑圧
比が得られた。更に、GaInAsPの４元組成から
期待される1.55μｍの代わりにレーシング波長は
1532.2nｍまでシフトアツプされることが発見さ
れた。２つの（Erのない）HRO制御レーザのウ
エーハと、Erドーピングの0.5重量％の２つのレ
ーザが数ケ月の期間にわたつて成長させられた。
そのドーピングのない制御ウエーハは、1.55μｍ
の意図した公称波長からの組成のばら付きのため
に約20nｍの一般的な波長分散を示した。一方、
Erをドープしたレーザ・ウエーハの両方は0.55μ
ｍ波長からシフトアツプされた1532.2nｍとほと
んど正確な同じ波長でレージングした。LPEに
よるGaInAsPの第４級レーザのレージング波長
のこの正確な再生は制御ウエーハにより又確認さ
れるように非常に起こりにくいことである。同一
ウエーハ内からErドーピングを用いていくつか
の装置を検査することにより３つの長手方向モー
ド間隔に等価な約3.0nｍのばらつきが生じる。こ
のフアブリ・ペローの半導体レーザにおけるこの
非特徴的な挙動は第４図と第５図に開示したエネ
ルギー遷移が作用しているということを強く示唆
した。Er3+の遷移の調査により4I13/2−4I15/2の遷
移がホスト半導体材料に依存して1.53μｍと1.54μ
ｍの間の範囲の波長を有するフオトンを放出する
ということが直ちに示される。
ドープしたダイオードの光出力対パルス電流を示
す。Erの濃度が一様な層のエピタキシヤル成長
に干渉するほどは充分高くはない場合に、Erの
ドーピングは閾値電流又は出力パワーに影響する
ようには見えなかつた。第８図には、単一の長手
方向モード動作の点で得られる最良のスペクトル
が示されている。30dBより大きい幅モード抑圧
比が得られた。更に、GaInAsPの４元組成から
期待される1.55μｍの代わりにレーシング波長は
1532.2nｍまでシフトアツプされることが発見さ
れた。２つの（Erのない）HRO制御レーザのウ
エーハと、Erドーピングの0.5重量％の２つのレ
ーザが数ケ月の期間にわたつて成長させられた。
そのドーピングのない制御ウエーハは、1.55μｍ
の意図した公称波長からの組成のばら付きのため
に約20nｍの一般的な波長分散を示した。一方、
Erをドープしたレーザ・ウエーハの両方は0.55μ
ｍ波長からシフトアツプされた1532.2nｍとほと
んど正確な同じ波長でレージングした。LPEに
よるGaInAsPの第４級レーザのレージング波長
のこの正確な再生は制御ウエーハにより又確認さ
れるように非常に起こりにくいことである。同一
ウエーハ内からErドーピングを用いていくつか
の装置を検査することにより３つの長手方向モー
ド間隔に等価な約3.0nｍのばらつきが生じる。こ
のフアブリ・ペローの半導体レーザにおけるこの
非特徴的な挙動は第４図と第５図に開示したエネ
ルギー遷移が作用しているということを強く示唆
した。Er3+の遷移の調査により4I13/2−4I15/2の遷
移がホスト半導体材料に依存して1.53μｍと1.54μ
ｍの間の範囲の波長を有するフオトンを放出する
ということが直ちに示される。
第８図と第９図は、それぞれ、1.5x閾値電流
（Ith）の電流注入レベルにおけるErドープの
HROレーザと制御HROレーザに関するレージン
グ・スペクトルの比較を示す。第９図は、Er3+ド
ーピングなしのレーザについての閾値電流の1.5
倍でのホスト材料に関係する広い利得プロフイー
ルの一部分を示している。第６図との関連では、
第９図に示される特性はEr3+ドーピングに起因す
る狭い利得スパイクが存在しない場合の特性に相
当する。その結果として、ホスト半導体の広い利
得ピークは多くの長手方向モード（多放射波長）
を生じる。一方、第８図は、Er3+ドープされたレ
ーザについてのしきい値電流の1.5倍でのEr3+ド
ーピングに起因する狭い利得スパイクを示してい
る。
（Ith）の電流注入レベルにおけるErドープの
HROレーザと制御HROレーザに関するレージン
グ・スペクトルの比較を示す。第９図は、Er3+ド
ーピングなしのレーザについての閾値電流の1.5
倍でのホスト材料に関係する広い利得プロフイー
ルの一部分を示している。第６図との関連では、
第９図に示される特性はEr3+ドーピングに起因す
る狭い利得スパイクが存在しない場合の特性に相
当する。その結果として、ホスト半導体の広い利
得ピークは多くの長手方向モード（多放射波長）
を生じる。一方、第８図は、Er3+ドープされたレ
ーザについてのしきい値電流の1.5倍でのEr3+ド
ーピングに起因する狭い利得スパイクを示してい
る。
第６図に関連して、Er3+ドーピングによりホス
ト半導体の広い利得ピークの頂点に追加された狭
い利得ピークをもたらされる。このような狭い利
得ピークは、単一の縦方向モード（単一の放射波
長）を発生させる。約1.3〜1.7xIthまで、Erドー
プのレーザは、全く明確な単一長手方向動作を示
し、一方、制御HROレーザは閾値の近くで典型
的なマルチ長手方向モード・パターンを示した。
時々、Er3+のレージング線の外にマルチ長手方向
モード動作も又Erドープのダイオードで観察さ
れた。この動作は恐らく非一様なErドーピング
及び（又は）ウエーハ内からの組成のばらつきか
ら生じたものである。約1.7xIth（図示せず）にお
けるスペクトルは、Er3+の線に原因する利得ピー
クが、高電流注入の下での両ピーク場所で同時の
レージングをもたらすGaInAsPのホスト半導体
の利得ピークから離れたところに恐らく位置して
いるということを示唆した。
ト半導体の広い利得ピークの頂点に追加された狭
い利得ピークをもたらされる。このような狭い利
得ピークは、単一の縦方向モード（単一の放射波
長）を発生させる。約1.3〜1.7xIthまで、Erドー
プのレーザは、全く明確な単一長手方向動作を示
し、一方、制御HROレーザは閾値の近くで典型
的なマルチ長手方向モード・パターンを示した。
時々、Er3+のレージング線の外にマルチ長手方向
モード動作も又Erドープのダイオードで観察さ
れた。この動作は恐らく非一様なErドーピング
及び（又は）ウエーハ内からの組成のばらつきか
ら生じたものである。約1.7xIth（図示せず）にお
けるスペクトルは、Er3+の線に原因する利得ピー
クが、高電流注入の下での両ピーク場所で同時の
レージングをもたらすGaInAsPのホスト半導体
の利得ピークから離れたところに恐らく位置して
いるということを示唆した。
もし、この明確な単一長手方向モードが実際
Er3+遷移線に起因するのであれば、ヒートシンク
の温度に伴なうその波長シフトは材料分散にのみ
依存する約0.1nｍ／℃の遅い速度で生じるはずで
ある。一方、それがホスト半導体のバンド縁の遷
移のためであるならば、それは温度に対するバン
ドギヤツプのばらつきのために約0.5nｍ／℃の速
度でシフトするはずである。これを最も納得でき
る仕方で示すために、室温で、仮定のEr3+の線
（単一長手方向）及び広いバンド縁遷移（マルチ
長手方向）において同時のレージングを示した
ErドープのHROダイオードが選ばれ、そして、
それらの波長シフトのそれぞれの速度がヒートシ
ンクの温度に関して観察された。マルチ長手方向
モード群のピークは約0.65nｍ／℃の平均シフト
速度を持つ４元の半導体レーザの特徴的なモー
ド・ホツピングを示した。一方、単一の長手方向
モードは約20℃の全温度範囲にわたつて0.11μ
ｍ／℃の速度で円滑にシフトした。今まで記載し
たものは本発明の例示的な実施例である。数多く
の変更は本発明の意図及び範囲から逸脱せずに当
業者により行なうことができよう。例えば、半導
体材料はシリコン、ゲルマニウム又は、元素の周
期率表のと又はとの欄から選んだ元素の
化合物とすることができる。との欄からの適
当な元素は亜鉛、カドミウム、水銀、硫黄、セレ
ニウム及びテルルからなる群から選ぶことができ
る。同様に、との欄からの適当な元素は錫、
鉛、セレニウム及びテルルからなる群から選ぶこ
とができる。更に、プラセオジム、ネオジム、ユ
ウロピウム、ホルミウム、ツリウム、又はイツテ
ルビウムのような他の希土類元素もエルビウムの
代わりのドーパントとして使用することができ
る。
Er3+遷移線に起因するのであれば、ヒートシンク
の温度に伴なうその波長シフトは材料分散にのみ
依存する約0.1nｍ／℃の遅い速度で生じるはずで
ある。一方、それがホスト半導体のバンド縁の遷
移のためであるならば、それは温度に対するバン
ドギヤツプのばらつきのために約0.5nｍ／℃の速
度でシフトするはずである。これを最も納得でき
る仕方で示すために、室温で、仮定のEr3+の線
（単一長手方向）及び広いバンド縁遷移（マルチ
長手方向）において同時のレージングを示した
ErドープのHROダイオードが選ばれ、そして、
それらの波長シフトのそれぞれの速度がヒートシ
ンクの温度に関して観察された。マルチ長手方向
モード群のピークは約0.65nｍ／℃の平均シフト
速度を持つ４元の半導体レーザの特徴的なモー
ド・ホツピングを示した。一方、単一の長手方向
モードは約20℃の全温度範囲にわたつて0.11μ
ｍ／℃の速度で円滑にシフトした。今まで記載し
たものは本発明の例示的な実施例である。数多く
の変更は本発明の意図及び範囲から逸脱せずに当
業者により行なうことができよう。例えば、半導
体材料はシリコン、ゲルマニウム又は、元素の周
期率表のと又はとの欄から選んだ元素の
化合物とすることができる。との欄からの適
当な元素は亜鉛、カドミウム、水銀、硫黄、セレ
ニウム及びテルルからなる群から選ぶことができ
る。同様に、との欄からの適当な元素は錫、
鉛、セレニウム及びテルルからなる群から選ぶこ
とができる。更に、プラセオジム、ネオジム、ユ
ウロピウム、ホルミウム、ツリウム、又はイツテ
ルビウムのような他の希土類元素もエルビウムの
代わりのドーパントとして使用することができ
る。
第１図は本発明により構成された半導体レーザ
を示す図であり、第２図と第３図は希土類イオン
を使用して半導体材料の従来のドーピング動作を
説明する場合に有用な電子エネルギー図及び利得
プロツト図であり、及び第４図ないし第９図は本
発明の動作を説明するに有用な、エネルギー図、
光利得プロツト及び他の曲線を示す図である。 （主要部分の符号の説明）、GaInAsP・ヘテロ
−エピタキシヤル・リツジ・オーバーグローン・
レーザ……１００、ｎ型インジウム・リン基板…
…１０１、ｎ型インジウム・リン・バツフア層…
…１０２、ｎ型GaInAsP層……１０３、ｐ型
GaInAsP反メルトバツク層……１０４、二酸化
ケイ素層……１０５、ｐ型InP隆起部……１０
６、オーミツク接触……１０７，１０８。
を示す図であり、第２図と第３図は希土類イオン
を使用して半導体材料の従来のドーピング動作を
説明する場合に有用な電子エネルギー図及び利得
プロツト図であり、及び第４図ないし第９図は本
発明の動作を説明するに有用な、エネルギー図、
光利得プロツト及び他の曲線を示す図である。 （主要部分の符号の説明）、GaInAsP・ヘテロ
−エピタキシヤル・リツジ・オーバーグローン・
レーザ……１００、ｎ型インジウム・リン基板…
…１０１、ｎ型インジウム・リン・バツフア層…
…１０２、ｎ型GaInAsP層……１０３、ｐ型
GaInAsP反メルトバツク層……１０４、二酸化
ケイ素層……１０５、ｐ型InP隆起部……１０
６、オーミツク接触……１０７，１０８。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 固体レーザであつて、フアブリ・ペロー空洞
に配列された半導体材料の活性層を有し、この半
導体材料はその価電子帯とその導電帯との間にバ
ンドギヤツプを有し、そして、前記半導体材料の
活性層を電気的にポンピングするための前記固体
レーザの電極よりなる手段を備えた固体レーザに
おいて、前記半導体材料の活性層１０３は支配的
な放射波長を有する希土類のドーパントを有し、
そして、前記半導体材料は、前記希土類のドーパ
ントの前記放射波長よりも長い波長に前記バンド
ギヤツプが対応するように選ばれていることを特
徴とする固体レーザ。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の固体レーザで
あつて、前記半導体材料は元素の周期率表の欄３
及び５から選ばれた元素の化合物である固体レー
ザ。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の固体レーザに
おいて、前記半導体材料の元素はガリウム、イン
ジウム、アルミニウム、ヒ素、アンチモン及びリ
ンからなる群から選ばれたものである固体レー
ザ。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載の固体レーザに
おいて、前記希土類イオンはエルビウムである固
体レーザ。 ５ 特許請求の範囲第１項に記載の固体レーザに
おいて、前記半導体材料は元素の周期率表の欄
及びから選ばれた元素の化合物である固体レー
ザ。 ６ 特許請求の範囲第５項に記載の固体レーザに
おいて、前記半導体材料の元素は亜鉛、カドミウ
ム、水銀、硫黄、セレニウム及びテルルからなる
群から選ばれたものである固体レーザ。 ７ 特許請求の範囲第１項に記載の固体レーザに
おいて、前記半導体材料は元素の周期率表の欄
とから選ばれた元素よりなる化合物である固体
レーザ。 ８ 特許請求の範囲第７項に記載の固体レーザに
おいて、前記半導体材料の元素は錫、鉛、セレニ
ウム及びテルルからなる群から選ばれた固体レー
ザ。 ９ 特許請求の範囲第１項に記載の固体レーザに
おいて、前記半導体材料はシリコン又はゲルマニ
ウムである固体レーザ。
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| JP62239087A Granted JPS63102292A (ja) | 1986-09-26 | 1987-09-25 | 希土類をドープした半導体レーザ |
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