JPS5857774A - 半導体レ−ザ - Google Patents

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】 本発明は、一般に、活性層、該活性層の相対する側の第
１および第２のクラッド層を有する半導体レーザに係る
。

たとえば、数ピコ秒またはそれ以下というような非常に
短い可干渉性光放射パルスを発生させることは、現在技
術的に関心の持たれている領域である。そのようなパル
スは高速光電子デバイス及びきわめて高いデータ速度を
有する光伝送システムのような様々な実際的な用途で有
用であろう。

非常に短い光パルスを発生させるために、いくつかの方
法がとられてきた。一つの方法は、空胴内の往復パルス
走行時間に関連したくり返し周期を有する周期的パルス
をレーザが発生するモード同期である。ダイオードレー
ザの強制およ゛び受動モード同期の両方が実現された。

前者の技術はモード同期を起すために、音響−光変調器
のような要素を用いる。

しかし、その要素は一般に限定されたパルス幅を得るに
はあまりにも遅い。

受動モード同期は短いパルス幅を実現し、可能な最も短
いパルスを得るためには、可飽和吸収領域が必要である
と信じられている。

たとえば、外部レンズおよび鏡を有する修正されたスト
ライプ埋込みへテロ構造ＡＩ　Ｇａ　Ａ　ｓダイオード
レーザは、約５．１　ｐ　ｓｅｃの持続時間を有するパ
ルスを発生した。たとえば、アプライド書フィジックス
・レターズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｌ
ｅｒｓ　）、３７，２６７−２６９頁１９８０年８月１
日を参照のこと。これまで報告された最も短いパルスは
、ダークライン欠陥の拡大により閾値電流がかなシ増加
する壕で古くなったダイオードレーザで観察された。短
いパルス長は、少なくとも一部は、飽和吸収を起すダー
クライン欠陥が導入した老化プロセスに伴なう飽和吸収
損失によるという仮説がある。飽和吸収体として働くと
仮定されている欠陥を含むストライプ埋め込みへテロ構
造レーザでは、１．３　ｐ　ｓｅｃもの短いパルスが得
られたことが、第１１回インターナショナル・カンタム
・エレクトロニクス・コンファレンス、論文Ｗ、３．ボ
ストン、マサチューセッツ、１９８０年６月２３日−２
６日で報告された。

報告されたこれら両方のレーザには欠点がある。たとえ
ば、レーザ中の可飽和吸収体と信じられているものの密
度は、老化とともに増加し、従ってかなりの部分は制御
できず１つ変化する。もちろん、このことは時間ととも
に変化する特性を有するデバイスをもたらす。更に、ダ
ークライン欠陥が存在することは、劣化とレーザの損傷
を加速させた。更になお短いパルスを発生でき、安定な
デバイス特性を有するデバイスが望まれるから、注意深
く制御でき、すなわち時間とともに安定できサブピコ秒
の光パルスを発生させるのに適した可飽和吸収風域を有
し、制御され且つ非破壊的にレーザ動作させちれるデバ
イスが望ましい。

これらの問題は、活性層が可飽和吸収領域から成ること
を特徴とする本発明の半導体レーザで解決される。吸収
領域は、活性層の一部をプロトン照射することにより作
成すると好ましい。

出願人は、サブピコ秒の光パルスが、レーザの活性層中
の可飽和吸収領域によって、半導体レーザの受動モード
同期で発生させることができ、しかもそれは制御され且
つ非破壊的に行なえることを見出しだ。好ましい実施例
において、レーザの活性層はレーザの出力面に隣接した
可飽和領域から成り、それはプロトン照射により形成す
ると便利である。プロトン照射により導入された可飽和
吸収領域は、動作とともに劣化せず、欠陥の数が制御さ
れるという利点を有する。好捷しい実施例において、レ
ーザは活性層、活性層より低い屈折率を有する活性層の
相対する面上の二つのクラッド層、少なくとも３Ｘ　１
０１５ｆｆｉ−２のプロトンドーズ量のプロトン照射に
より形成された出力面に隣接した可飽和吸収領域から成
る。レーザは光を平行にするだめの鏡およびレンズから
成る外部空胴から成ってもよい。

プロトン照射されなかったレーザ而に隣接する領域は、
ファプリーペローモード構造を減少させるだめの、５１
０２　　のλ／４層のような反射防止膜で被覆してもよ
い。

明瞭にすることと便利であるという理由により、デバイ
スの要素は図面において実際の比率とは異なって描かれ
ている。デバイスは一般的に（１００）と示されており
、鏡（１）。

レンズ（６）、レーザ（６）、出力レンズ（７）２反射
防止被膜（９）および可飽和吸収領域（１１）から成る
。反射防止被膜（９）はレーザの１出力面上に形成され
、可飽和吸収領域は活性層中にあり、レーザの相対する
面に隣接する。光線は鎖線で示されている。

鏡（１）および（６）は外部空胴がら成る。

プロトン照射されない内部のレーザー空気面は、周知の
技術で形成されたＳ　＋　０２　　のλ／４のような反
射防止被膜を有する。反射防止をすることにより、レー
ザのファプリーペローモード構造を減少させる。マイク
ロレンズのようなレンズが光を平行にする。レンズと鏡
の間隔および方向は、周知の技術により、反射防止被膜
面からの放射が活性領域中に再入射するように調整され
る。描かれている光空胴の長さは、約１５ｃｍで約１０
　秒の往復走行時間にＺ−１応する。

描かれている構造の修正も可能である。レンズは省いて
もよく、その結果は光エネルギーのより多くが、レーザ
ビームの広がシにより空胴から失なわれる。この結果、
電流閾値は増加する。他の外部空胴構造も可能である。

たとえば、一端が反射鏡で被覆された光ファイバおよび
他端がファイバの一部分であるレンズを用いてもよい。

外部空胴も壕だ省くことができる。これにより短いパル
スが生じ、外部空胴なしに出力の方向変調が可能となる
。

モード同期、従って超短パルスが好ましくはレーザ空胴
の一端すなわち外部面に隣接した活性層中に、可飽和吸
収領域を含めることにより得られる。他の位置、たとえ
ば活性層の中央も可能であるが、多重パルスが導かれる
。可飽和吸収領域は、プロトン照射のような禁制帯中に
非放射トラップを発生する技術により作られる。パルス
幅は、この領域内の飽和吸収の幅Ｗおよび程度により制
御される。

可飽和吸収領域の最短長は、約３μｍで、領域の長さは
６μｍおよび５０μｍの間が望ましい。

デバイスのプロトン照射により飽和吸収領域を発生させ
るために、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジック
ス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃ
ｓ）　４Ｌ　　２７７９　−　２７８５頁、　　１９７
７年７月に述べられているような標準的な技術を用いる
ことができる。たとえば、６００ＫｃＶのプロトンはＱ
ａＡｓ　　中に約６　ｔｔ　ｍの浸入深さを有し、キャ
リヤの拡散によりキャリヤ密度は更に数μｍ減少する。

その結果、入射プロトンビームが活性層に平行であると
き、非線形領域は出力面から約８ないし１０μｍ延びる
。これらの手法をもつ非線形領域を通る往復走行時間は
、後に述べるように、測定されるパルス幅の半分より短
い。出力面における鏡の裏の領域は、”パルス幅を最も
短くするためには、可飽和吸収領域であることが望捷し
い。もし必要ならば、両端をプロトン照射してもよい。

あるいは、入射プロトンビームは活性領域に垂直にして
もよい。可飽和吸収領域が出力面の一つに隣接した位置
以外の位置にあることが望ましいならば、このことは好
ましい技術である。プロトンドーズ量は、３×１０　お
よび１０　／α　の間が望ましい。飽和吸収が十分でな
いためこれより低い値は望ましくなく、吸収領域を飽和
させるのが難しく、且つ電流閾値が高くなり過ぎるため
、これより高い値は望１しくない。プロトン照射により
禁制帯中に非放射トラップが発生することによって吸収
が起り、同時に高抵抗領域も生じ、それは電流の注入を
制限する。

本発明によるレーザの断面が、第２図に示されている。

一般的に（２００）と記されているレーザは、埋め込み
光ガイドレーザで。

基板（１０）、第１のクラッド層（１２）、第１の導波
層（１４）、活性層（１６）、第２のクラッド層（１８
）、層（２０）、電流閉じ込め層（２４，２６）および
（２８）、オーム性′市極（６０）および（３２）、金
パツド（３４）から成る。第１のクラッドおよび第１の
導波層は第１の伝導形を有し、第２のクラッド層は第２
の伝導形を有する。電流閉じ込め層（２４）および（２
８）は第２の伝導形を有し、一方、電流閉じ込め層（２
６）は第１の伝導形を有する。活性層は、いずれの伝導
形をもってもよく、更に可飽和吸収領域から成る。層（
２０）は高ドープ層で、オーム性電極（６２）の固着性
をよくすることにより、デバイスのプロセスを助ける。

ここで示された実施例において、第１の伝導形はｎ杉で
、第２の伝導形はｐ形であった。活性層はｐ形であった
。基板はｎ形ガリウムひ素であった。活性層は、ＡＩ、
。ａ　Ｏａ、ｑ２Ａｓの組成と０．２　ｔｚ　ｍの厚さ
を有した。活性層は導θＵ層より大きな屈折率を有する
。有用な活性層の組成は、Ｘが０．０８より小さいか等
しいＡｌ０ａ、−ｘＡｓである。第１および第２のクラ
ッド層は、組成Ａ１．．６０ａ、６４Ａｓを有し、厚さ
は、それぞれ２．０μｍおよび１．５μｍであった。第
１の導波層は組成Ａ１．２０ａ、８Ａｓ　を有し、厚さ
は１．０μｍであった。電流閉じ込め層は組成Ａ１．６
６　　Ｑａ、Ｈ５Ａｓを有した。光学用は導波層及び活
性層により形成された。

構造は、当業者には周知の液相エピタキシープロセスに
より成長してもよい。ｐ形側にＺｎ　　を拡散したのち
、ウェハは約１００μｍに薄くされ、Ａｕ　−Ｐｔ　−
ＡｌｌおよびＡｕ−８ｎ金属電極が、それぞれｐ形およ
びｎ形側で合金化された。電極のボンディングを可能に
すＡため、ｐ形側にＡｕパッドをメッキによシ付は加え
た。上に述べた構造の変形が、当業者には容易に考えら
れるであろう。プロトン照射ストライプレーザ捷たは酸
化物ストライプレーザなどの他のストライプ構造のレー
ザも用いることができる。

本発明の受動モード同期レーザからの放射の光スペクト
ルが、第３図に示されている。

放出された放射の波長がμｍ単位で水平軸にプロットさ
れ、放射の強度が任意単位で垂直にプロットされている
。光スペクトルは、いくつかのファプリーペローモード
から成り、それはレーザ空胴の反射防止破覆し−ザ面の
残留反射から生じる。モード間隔は、約２．１オングス
トロームであり、対応するレーザ中のくり返し走行時間
は約１１ｐｓ−Ｃある。ファプリーペローモードは約０
．４オングストロームだけ広がる。この広がりはパルス
の放出中、モードが長波長側ヘシフトすることから生じ
、これはキャリヤ依存性屈折率の増加により起る。誘電
定数が増加すると、レーザを通る往復走行時間は、時間
△Ｔ＝Ｔ、（△λ／λ）（１−λ△／口△λ）だけ増加
する。

分散係数として典型的な値を用いると、走行時間は約６
．６Ｘ　１０”　ｐ　ｓだけ増加し、これはパルス幅に
比べ無視できる。

パルス幅は、位、相整合のとれたＬｉ　ＩＯ，結晶中の
第２高調波を用いた非線形オートコリレータで測定した
。この方法については、ジャ−ナル・オブ・アプライド
・フィジックス、５１．３０５３−３０３７頁、１９８
０に述べられている。オートコリレータの二つのビーム
は空間的に分離され、Ｌ　ｉ　１０　、結晶内の焦点で
再結合される。光電管前面の開孔により高調波ビームの
中央を選択することにより、高調波強度の検出が可能に
なった。二つの入射基本ビームが重なるためである。

ビームの一つの遅延時間の関数として、第２高調波自己
相関が第４図に示されている。

自己相関は、最大値の半分（ＦＷＨＭ　）における１　
ｐ　ｓｅｃの全幅をもつ一連のピークから成る。パルス
強度が５ｅｃｈ２（ハイパポリツク・セカンド２乗）の
形状をもつと仮定するとレーザパルスは０．６５　ｐ　
ｓｅｃ　ＰＷＩＩＭを有する。多重パルスはＡＢ被覆面
におけるパルスの一部の反射により生じ、利得媒体によ
るその後の増幅および飽和吸収によりパルスの形状が変
る。このプロセスは、利得媒体が消費され、パルス列が
活性媒体を離れる１で続く。

第４図中の遅延ゼロにおける自己相関は、パルスの自己
相関の合計である。１１　ｐ　ｓｅｃの往復走行時間の
倍数におけるピークは、この時間間隙により分離された
パルスの相関の合計である。その相関は、同一の幅をも
ち、パルス幅は等しいことを示している。外部空胴の長
さを変えることにより、０．６ないし２．７ＧＨｚ　　
の往復速度で、サブピコ秒のパルスが得られた。上限の
周波数は、平行対物レンズの長さによれ決まる空胴の短
い方の限界であり、往復速度に対する根本的な制約では
ない。

放射の時間依存性は、光スペクトルのフーリエ変換であ
る。多重パルスの現象は、光スペクトルが完全には満ち
ていないことにより説１ｊＪ］される。短いパルスは可
干渉波の干渉により生じる。

パルス強度の包絡線の最大値の半分における全幅は、約
２０．ｐ　ｓｅｅと計算される。モードシフトおよびス
ペクトロメータのデコンボリューション後のファプリー
ペローモードの７ｊ応するスペクトル幅は、約０．４オ
ングストロームである。この幅は合成空胴の約１７モー
ドに対応する。

この結果は、全モードスペクトルにわたるモードの同期
が得られたことを明らかに示す。

これはレーザのファプリーペローモード群に対応する合
成空胴のモードのみの同期がとれ他のファプリーペロー
モード群の合成空胴モードは、同期がとれない従来のモ
ード同期実験とは異なる。モード群間に可干渉性位相関
係がないことにより、レーザを通る往復走行時間だけ隔
たった自己相関に鋭いスパイクが生じ、それに広いピー
クが重畳される。

モード群間の可干渉性は、サブピコ秒の変換制限パルス
の原因となる。これらモードの可干渉性は、第２高調波
強度の約１桁に及ぶ著るしい増大と共に広い下のバンド
と自己相関データがないことから明らかである。

ここで述べた具体的な実施例の修正について考える。た
とえば、より長波長の放射が必要ならば、活性層はＩｎ
　（ｈ　Ａｓ　Ｐから成ってもよく、クラッド層につい
ても同様である。さらに、スペクトル幅を単一レーザモ
ード群に限定するために、ファプリーペローエタロンを
挿入してもよい。加えて、飽和損失を発生するプロトン
以外の技術を用いてもよい。たとえば、デバイスに酸素
ビームを照射する技術も用いてよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の受動モード同期レーザの概略を示す図
、 第２図は本発明のレーザの断面を概略的に示す図、 第３図は本発明の受動モード同期レーザからの放射の光
スペクトルを示す図、 第４図は本発明の受動モード同期レーザの第２高調波自
己相関パルスを示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 活性層・−一−−−−−−−−−−−〜−一−−−−−
−−−−一−−−−−−−１６第１のクラッド層　−、
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−１
２第２のクラッド層　−−−−−−−−−−−−−−−
−−−一−−−−１８数艮　（Ｐｍｌ 堀巨 篤 ；−！ 和姻

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　活性層、該活性層の両側にある第１および第２の
   クラッド層を有する半導体レーザにおいて、 該活性層は更に可飽和吸収領域を含むことを特徴とする
   半導体レーザ。 ２、特許請求の範囲第１項に記載された半導体レーザに
   おいて、 該可飽和吸収領域はプロトン照射領域であることを更に
   特徴とする半導体レーザ。 ３、特許請求の範囲第２項に記載された半導体レーザに
   おいて、 該プロトン照射領域は該活性層の出力面に隣接すること
   を更に特徴とする半導体レーザ。 ４、特許請求の範囲第３項に記載された半導体レーザに
   おいて、 該プロトン照射領域は少くとも５　Ｘ　１０”α　のド
   ーズ量において形成されることを史に特徴とする半導体
   レーザ。 ５、特許請求の範囲第４項に記載された半導体レーザに
   おいて、 該プロトン照射領域は１Ｑ　”　ｃ＋ｎ−’より低いド
   ーズ蛍で形成されることを更に特徴とする半導体レーザ
   。 ６、特許請求の範囲第５項に記載された半導体レーザに
   おいて、 該可飽和吸収領域は６　ｉｔ　ｍないし５０　ｌ１ｍの
   長さを有することを特徴とする半導体レーザ。 ２、特許請求の範囲オ６項に記載された半導体レーザに
   おいて、 該レーザは更に外部空胴から成ることを更に特徴とする
   半導体レーザ。 ８、特許請求の範囲オフ環に記載された半導体レーザに
   おいて、 該外部空胴は鏡およびレンズから成ることを更に特徴と
   する半導体レーザ。 ９　特許請求の範囲オ８項に記載された半導体レーザに
   おいて、 該鏡および該レンズは光ファイバにより光学的に結合さ
   れ、該鏡およびレンズは該ファイバに一体的な一部を形
   成することを更に特徴とする半導体レーザ。 １０、特許請求の範囲オ６項又は矛９項に記載された半
   導体レーザにおいて、 該活性層はＸが約０．０８より小さいが等しいＡＪｘＧ
   ａ、−ｘＡｓから成ることを特徴とする半導体レーザ。