JPS5934153Y2 - レ−ザ光学結合装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、レーザの光出力を利用装置に結合するための
簡単で、有効な装置に関するものである。

特に、結合は導波管の隣接床壁を通して直接に行なわれ
、レンズ、ファイバ、格子のような追加の光学素子を必
要としない。

先行技術の半導体ダイオードレーザで発生される直接光
ビームは、たとえば、通常のガスレーザから発生される
光ビームと比較して本質的に発散ｉ牛であり、したがっ
て通常ダイオードレーザ光ビームを収集し、平行にし、
かつ集束するためにレンズが要求される。

半導体レーザからの光を収集するために平形オプチカル
ファイバ束も使用された。

このようなファイバ束で収集された光は、束の出力端と
導波管の端縁とを突合せることによって薄膜導波管に結
合することができる。

ミニアチュア円筒形または球形レンズの使用が半導体レ
ーザを光学導波管に結合するためのより直接的な手段と
して提案された。

しかしながら、各先行技術結合装置は多少の欠点を有す
る。

特に、本質的にミニチュア装置である半導体レーザと共
に巨視的な素子を使用すると、そのミニチュア特性を完
全に保持する目的が失なわれる。

プリズム、テーパ、格子などを使用すると、既知の超重
形回路技術の適用による製造に完全に適したミニチュア
設計の可能性が低減する。

このような結合器は一般にレーザ光を収集するのに有効
であるが、結合機能は効率の悪い方法で行なわれる。

本考案は、半導体レーザ装置で発生される光エネルギを
基体支持薄膜光学導波管または厚膜導波管に有効に結合
する技術の改良である。

本考案により、レーザ装置からの光は誘電光学導波管に
有効かつ直接に結合され、結合は追加の光学素子の介在
を必要とすることなく達成される。

レーザ体内の全内部反射を使用する振動レーザモードが
使用され、レーザ体の一面が導波管の光結合床壁と緊密
に接触する。

本考案の主要実施態様では改変半導体注入レーザが利用
されるが、本考案は、光学注入レーザチップの場合のよ
うに、放射が平面内に制限される任意のレーザに適用す
ることができる。

第１，２図は、第５図に示すような新規な装置の代表的
実施態様の設計が如何にして達成されるかを理解するた
めの助けとなるであろう。

第１図において、直角長方形平行六面体の結晶半導体レ
ーザスラブまたはチップ１は、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、１９７４年１０月号、
の論文ＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＧａＡｓ
Ｓ ｉｎｇｌｅ ＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＬ
ａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ第４５２０頁に）（、Ｔ 、Ｍ
ｉｎｄｅｎおよびＲ４Ｐｒｅｍｏが記載している、典型
的な多層重ヘテロ接合ＧａＡｓレーザダイオードのよう
な通常の型のものでありうる。

他の単へテロ接合装置、ならびに文献に広く記載されて
いる多重へテロ接合装置を使用してもよく、また本技術
分野でタイプＩＩＩ〜■化合物と呼ばれる材料を含む、
直接バンドギャップを有するＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡ
ｓその他の半導体化合物を使用してもよい。

レーザチップ１は好適には直角スラブとして形成され、
その対向平行面３，５および２，４は２つの広面がラッ
プ仕上により平滑にされた後、エピタキシアル法で形成
した結晶をその１１０結晶面に沿って鏡面へき開するこ
とにより通常の方法で形成される。

典型的には、スラブまたはチップ１ははじめに、レーザ
動作に通常要求される、種々にドープしたＧａＡｓその
他の材料の連続層の液相エピタキシアル段階沈着によっ
て形成されたものである。

内部層の１つは二方向光エネルギ伝搬導波管として作用
し、特性屈折率ｎ５を有する。

へき開面３，５および２，４は内部レーザ光伝搬層また
は導波管と協同し、内部モードレーザキャビティのファ
ブリーペｏ −（Ｆａｂｒｙ Ｐｅｒａｔ） ミラーを
形成する。

レーザチップまたはスラブ１の面２，４の幅はＬｘであ
り、面３，５の高さはＬｙである。

幅Ｌｘの面４は、本考案により、透明な誘電薄膜導波管
１０の露出研摩面９と緊密に接触させて置かれる。

フィラメント振動モードにおいては、簡単な閉路７はレ
ーザ内部導波管内の光エネルギによってとられ、光は両
頭矢印１４で示すように二方向に同等に進む。

このモードでは、光は一連の面２，３，４．５から連続
的に反射される。

たとえば、光は面２の点８において完全に内部反射され
、以下同様である。

第２図に見られるように、面４の入射角Ｑｉはｊａｎ
”（Ｌｘ／Ｌｙ）である。

このモードの動作は理想的には３つの空気界面において
放射線の逃出がなく、主寸法ＬｘとＬｙの相対的大きさ
に依存する。

したがって全内部反射は次の式を満足するときに得られ
る。

Ｆ□□不＞Ｌｙ／Ｌｘ（１） ここで、半導体装置ははＧａＡｓから構成され、屈折率
ｎ５は約３．６である。

一方、光は本考案により面４から外部導波管１０内へ結
合されるべきであり、面４からは比較的低い内部反射が
あるべきである。

導波管１０はＮｂ２Ｏ５、Ｔａ２０５またはそれらの混
合物のような既知の透明誘電材料から構成され、これら
の材料は通常の熱分解法によって生成され、約２．０の
特性屈折率ｎ。

を有する。したがって、界面４における条件は次の式に
よって限定される。

Ｌｙ／Ｌｘ＞戸口齢、）”−１（２） 有用は屈折率を有するこれらおよび他の適当な材料は文
献に広く記載されており、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ
素、ケイ素富化窒化ケイ素、またはケイ素富化オキシ窒
化ケイ素、またはこれらの混合物のような材料、すなわ
ち、ケイ素の窒化物として一般に分類される材料が含ま
れる。

このような材料の層を形成するための制御方法は、米国
特許第３５７３０９６号、第３４２２３２１号および第
３６２９０８８号に開示されている。

このような典型的材料においてはｎ５〉ｎｏであるから
、レーザチップ１の面４を通った光は、１３で示されて
いるように、導波管１０の平面内へ有利に屈折される。

垂直基準線１７に関する屈折角Ｑｒは次のスネル（Ｓｎ
ｅｌｌ）の法則から容易に予測される。

５ｉｎＱｒ／５ｉｎＱｉ＝ｎ、、／ｎｏ（３）自然の順
序により屈折角Ｑｒはまた、光が導波管１０と平面基体
１１間の界面１５に入射する角であり、基体は石英のよ
うな材料から構成される。

界面１５において、光は、導波管１０の面９，１５から
交番する内部全反射の連続進行により導波管１０に沿っ
て連続伝搬するために、再び内部全反射されるべきであ
る。

このためには、界面１５において次の条件が必要である
。

Ｌｙ／Ｌｘ＜７ｇ面７砥）”１ （４）ここで、ｎ
、は基体１１の屈折率であり、融解石英基体が使用され
る場合には約１．５である。

不等式（１） 、 （２） 、 （４）を組合せると、
次の式が得られる。

ｎ”ｓ １（ｎｓ／ ｎｑ）２１＞Ｌｙ／Ｌｘ）２＞
（ｎｓ／ｎ、）２−１ （５
）簡単な数値代入により、前記材料が使用される場合、
不等式（５）は２ ＞ Ｌｙ／Ｌｘ ＞ １．５ならば
満足される。

レーザダイオードしたがって新規な結合器は二方向性で
あり、２つの、等振幅の、反対方向の光線１３゜１３ａ
が形成される。

光線１３のみが使用される場合には、結合器はレーザ１
で実際に発生される光エネルギの３ｄＢ損失を生ずる。

しかしながら、この損失は、光反射膜１２を置き、導波
管１０内の光線１３ａの流れ方向を有効に逆転するよう
にすることにより（第１図）、容易に回復される。

さらに、第１図の装置は、基体１１が他の光学または電
気素子の共通のベースを与える光学装置の一部であり、
導波管１０と基体１１が位置１６を越えて延長接続され
うろことを理解すべきである。

第３，４図は第１，２図に光路７で示された好適な斜行
モードのみの存在を可能にするために、レーザ１の動作
が拘束される一態様を示す。

光路７が選択されるのは、光線１３，１３ ａが外部導
波管１０内の内部全反射によって伝搬し続けるようにす
るためで゛ある。

コノ目的のためＩコ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓＬｅｔｔｅｒｓ、 １９６７年２月１日号、第８４頁
のＪ、Ｃ。

Ｄｙｍｅｎｔｃ７）技術論文Ｈｅｒｍｉｔｅ Ｇａｕｓ
ｓｉａｎ ＭｏｄｅＰａｔｔｅｒｎｓ ｉｎ ＧａＡｓ
Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｌａ５ｅｒｓに記載された、Ｇａ
Ａｓ接合レーザの新規な改変がなされる。

通常の方法では、レーザはオームベース接点３７を含み
、これに活性半導体が固定される。

半導体はｐ＋−ｎ−ｎ＋ＧａＡＳ＋イオードの形態をと
り、低抵抗形ｎ＋層３８と低抵抗形ｐ＋層４０間に挿入
されたｎ層３９内に光放射線が発生される。

第二のオーム接点４３はｐ＋層４０の外面４６に取付け
られる。

先行技術装置は、レーザ接合の活性部分を、狭いストリ
ップ接点下の局部的注入により狭いが正確に対称的に配
置された位置に限定するために、オーム接点４３を一般
的に形成したが、本考案は新規な非対称的または斜行形
態を与え、外部導波管の有効な励振を可能にするもので
ある。

この改変は、通常の技術を使用してダイオードを構威し
、しかも第二オーム接点４３の改良形態を“達成するこ
とによって行なわれる。

ｐ＋形半導体層４０が形成されかつその表面４６が適当
に調整されたとき、二酸化ケイ素のような絶縁材料の層
４１が該表面４６上に約１５０ＯＡの深さまで形成され
る。

層４１は該表面４６を斜めに横切って延在する狭いスト
ライプを除いてｐ＋形衣表面４６被覆し、該ストライプ
では絶縁層の形成が任意の適当な方法で禁止される。

あるいは、ｐ＋＋層４０が二酸化ケイ素の層で完全に被
覆され、ついで斜行ストライプがエツチングによって除
去される。

ｐ＋形衣表面、活性レーザ動作が所望される斜行領域上
においてのみ露出される。

絶縁層部分４１．４２およびｐ＋形層の表面の斜行スト
リップ剃はついで、通常の技術により第二オーム接点４
３で連続的に被覆され、接点４３は任意の適宜な方法を
使用して導電性金属から作られる。

第３図に見られるように、実際のオーム接点４４は図の
前面４４から構造体の後部の反対側コーナまで構造体を
斜めに横切って延在する。

第３図の前面と後面の中間位置における断面は第４図の
外観を有する。

すなわち、凹部４５下方の狭いオーム接点４４は、それ
を支持する三角形絶縁層４１．４２を貫通してｐ＋＋層
４０との実際のストリップ接点４４を形成している。

このようにして、発光機構は所望の斜行領域においての
み動作するように拘束され、所望の斜行配置光路７が外
部導波管１０に有効な注入を行なうために励起される。

レーザ発生領域をレーザのへき開面４に適当な角度で配
置された狭いストリップに拘束するために、図示の形状
以外の形状を使用することもできる。

たとえば、最近の拘束方法はメサエッチング法で形成さ
れたメサストリップ形状である。

当業者には明らかであるように、他のモードの拘束方式
を本考案にしたがって使用するために容易に適応させる
こともできる。

つぎに第５図を参照すると、出力導波管を示す新規な装
置の端面図が示されており、これは本考案の代表的な実
態態様である。

第５図において、延長した融解石英基体１１が設けられ
、導波管１０はやはりその表面１５上に形成されている
。

半導体レーザ１は所望の結合界面４を与えるために導波
管１０上に装着されている。

図において、界面４は発生光を導波管１０から観察者の
目の方向に結合する。

通例のように、半導体スラブ１内のレーザ作用を促進す
るために必要なパワーは、矢印１８の方向に電流を通す
ことによって発生される。

この目的のために、半導体レーザは層３７．４３のよう
な外部接触オーム層を備えており、これに通常の方法で
電気接点が取付けられる。

第５図の実施態様において、成形ワイヤまたはストリッ
プ２５ 、２６が基体１１の延長表面１５上の２２ 、
２３のような通常のオーム接点にそれぞれ固着されてい
る。

ワイヤまたはストリップ２５．２６は熱圧縮結合、ろう
付けまたは他の周知の方法により２７．２８において接
点２２．２３に接合されている。

ワイヤまたはストリップ２５゜２６は同様に接触面３７
．４３に２９．３０においてそれぞれ結合されている。

通常の電力供給源がレーザの連続またはパルス動作のた
めにリード線２０．２１を介して適当な電流を与える。

ワイヤまたはストリップ２５．２６は、レーザスラブ１
を界面４において導波管１０の上表面９に強固に押付け
るのに十分なばね性こわさを持つストノツプを含む、各
種の形態をとりうる。

レーザスラブ１は通常の急速硬化性エポキシ材料の使用
により表面９に直接に固定することもできる。

界面４は光学的に完全に平滑になるように先に研摩され
、導波管１０と半導体スラブ１の最大分離が動作光の波
長のｈ以下になるようにする。

各図は本考案の所望の新規な特徴を示し、半導体レーザ
ダイオード内で発生される光エネルギを基体で支持され
た薄膜誘電導波管内へ有利がつ有効に直結するための本
技術分野における改良が与えられる。

光はレーザダイオードから外部出力導波管内へ直接に結
合され、この結合はレンズその他の大型光学素子を使用
することなく遠戚される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一般的形態を示す立面面である。 第２図は各光路を説明するために使用する第１図の拡大
部分図である。 第３図は第１図の装置で使用する新規なレーザダイオー
ドの斜視図である。 第４図は第３の４−４線断面図である。第５図は本考案
の好適形態の立面図である。 １：半導体レーザスラブ、２，３，４．５ ：へき開面
、７：斜行閉路、９：研摩面、１０・・・導波管、１１
：基体、２２．２３ ：接点、２５．２６ ：ワイヤ、
３７，４３ ：接触面。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 レーザ光放射領域が斜行ストライプであるところの活性
   層および活性層にそれぞれ垂直な光出力第一へき開面お
   よび内部反射第二、第三および第四へき開面を含む屈折
   率ｎ５の光路を有する主要寸法Ｌｘおよび土つの長方形
   平行六面体の半導体レーザ； レーザ光出力を受入れるためのかつ第−床壁と屈折率ｎ
   、の基体と接触することによって支持される第二床壁と
   を有する屈折率ｎ。 の均質の誘電導波管； 前記レーザ寸法および屈折率が不等式 ％式％（５ ） に従って選択され、レーザ光出力面がそれを導波管の第
   −床壁と光学接触させることにより介在屈折率数合層ま
   たは装置なしに導波管に直接に効果的に結合されうるよ
   うにしたこと； からなることを特徴とするレーザ光学結合装置。