JPH07221399A

JPH07221399A - 同調可能なレーザーダイオード

Info

Publication number: JPH07221399A
Application number: JP7021163A
Authority: JP
Inventors: Markus-Christian Amann; アマンマルクス‐クリスチアン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-01-19
Filing date: 1995-01-13
Publication date: 1995-08-18
Also published as: US5511084A; EP0664587A1; EP0664587B1; DE59500334D1

Abstract

(57)【要約】【目的】非常に大きい波長範囲にわたり同調電流だけ
により一義的に、再現可能にまた広くワンモードに同調
可能であり、技術的にできるだけ簡単でまたできるだけ
短いレーザーダイオードを提供する。【構成】層として構成された２つの導波路２、４が層
平面に関して垂直に重ねて、またクラッド層３により互
いに隔てられて、これらの導波路２、４の間のモード結
合が生ずるように密に互いに隣接して配置され、これら
の導波路の１つ（２）が、共振器として設けられている
レーザーダイオードの区間の全長を含んでいない結合範
囲内にのみ存在しており、これらの導波路２、４が、こ
の結合範囲内で２つの相い異なるモードの結合が行われ
るような寸法および材料組成を有し、結合範囲が少なく
とも１つの関連した区間を有し、その長さがこれらのモ
ードに属する結合長さの自然数倍であり、これらの導波
路２、４内でこの結合範囲内に活性層および同調層が層
平面に関して互いに垂直に配置されて存在しており、ま
たこの活性層およびこの同調層内に互いに別々に電流を
注入し得る手段が存在している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は同調可能なレーザーダイ
オードに関する。

【０００２】最近の進歩した光通信システムには広範囲
にわたり同調可能なレーザーダイオードが必要である。
このようなレーザーダイオードでは簡単な作動の仕方お
よび広い同調範囲が必要である。アイレック（S.Illek
）ほかの論文「広帯域の電子的波長同調のためのコダ
イレクショナルに結合されたツイン‐ガイド‐レーザー
ダイオード」エレクトロニック‐レターズ（Electronic
Letters）２７、第２２０７〜２２０９頁（１９９１
年）には、長さにわたって増幅器範囲、結合器範囲およ
び吸収器範囲に分割されているＡＣＡレーザーと呼ばれ
る同調可能なレーザーダイオードが記載されている。２
つの導波路が互いに垂直に、また１つのクラッド層によ
り互いに隔てられて配置されている。上側の導波路にお
いて、第１のモードで伝播する光が発生かつ増幅され
る。結合器範囲において、この波は下側の導波路内に結
合される。吸収器範囲は上側の導波路におけるモードの
放射を防止する。レーザー作動は両導波路内を導かれる
両モードの間の放射パワーの交換により可能である。

【０００３】キム（I.Kim ）ほかの論文「低い同調電流
による広範囲に同調可能なＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ垂直
‐結合器フィルタされたレーザー」エレクトロニック‐
レターズ（Electronic Letters）２９、第６６４〜６６
６９頁（１９９３年）には、前後して増幅器範囲、結合
器範囲およびいわゆる窓範囲が配置されているＶＣＦレ
ーザーダイオードが記載されている。増幅器範囲および
結合器範囲は別々の電流端子を有する。増幅器範囲は量
子‐ウェル‐層構造を有する。前記論文に記載されてい
る両構造では、波長選択性のフィルタリングおよび同調
が全レーザーダイオードの部分範囲内でしか行われない
ので、縦方向のサイドモードの抑制が比較的わずかであ
る。このことは不十分かつ不安定なワンモード放射に通
じる。

【０００４】この問題は主として、たとえばアマン（M.
-C.Amann）ほか「広範囲に同調可能な分布フェワード結
合（ＤＦＣ）レーザー」エレクトロニック‐レターズ
（Electronic Letters）２９、第７９３〜７９４９頁
（１９９３年）に記載されているＤＦＣレーザー構造の
ように、フィルタリングが全レーザー長さに分配される
ことにより回避され得る。この構造では同じく２つの導
波路が互いに垂直に配置されかつ結合されている。縦方
向にはそれに対して垂直に、フィルタ格子を縦方向に形
成する吸収範囲が配置されている。

【０００５】サイドモードを抑制するための他の解決策
はエベルク（M.Oeberg）ほか「リアサンプルド格子反射
器を有するＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ垂直格子を用いたコ
ダイレクショナル結合器レーザーの７４ｎｍ波長同調範
囲」アイ・イー・イー・イー・フォトニクス・テクノロ
ジー・レターズ（ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅ
ｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ）５、第７３５〜７
３８頁（１９９３年）に記載されている。その際にフィ
ルタリングおよび同調の機能は互いに分離されており、
また別々に最適化される。広帯域の同調のためには上記
のレーザーにおけるように（スペクトル的に近くに置か
れた）サイドモードの比較的わずかなスペクトル的フィ
ルタリングによるコダイレクショナルなモード結合が使
用される。スペクトル的に遠く離されたモードに対する
遠選択はコダイレクショナルなモード結合の際には（特
に結合器長さが１つの結合長さに一致する場合には）良
好である。従ってサイドモードの強い抑制はレーザー端
鏡としての特別なブラッグ格子構造の追加的な使用によ
り達成される。しかしこの特別なブラッグ格子構造の良
好な近選択は悪い遠選択（多義性）により購われる。し
かし、コダイレクショナルな結合器の良好な遠選択に基
づいて、このことは全レーザー構造の作動特性の悪化を
意味しない。この組み合わせの本質的な欠点は比較的大
きい長さとならんでフィルタ機能と同調機能との臨界的
な同期化であり、このことは２つの制御電流の非常に精
密な調節を意味し、また実際的な取扱を決定的に阻害す
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、非常
に大きい波長範囲にわたり同調電流だけにより一義的
に、再現可能にまた広くワンモードに同調可能であり技
術的にできるだけ簡単でまたできるだけ短いレーザーダ
イオードを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題は請求項１のレ
ーザーダイオードにより解決される。他の実施態様は請
求項２以下に記載されている。

【０００８】本発明によるレーザーダイオードでは、フ
ィルタ機能および同調機能が互いに分離されるが、それ
にもかかわらず、近および遠選択が別々に最適化できる
ことが達成される。このレーザーダイオードにおける自
己調節に基づいて制御電流しか必要とされない。さら
に、１つの機能ユニット内にフィルタリングおよび同調
を組み合わせることにより、非常に短い構成要素を製造
することが可能になる。従って、本発明によるレーザー
ダイオードの典型的な長さは２００ないし６００ｎｍで
あり、それに対して、近および遠選択が別々に最適化さ
れる従来公知の構成要素では全構造は通常数ｍｍの長さ
でなければならない。本発明によるレーザーの作動方法
は、レーザーダイオード内に垂直に集積されるマッハ‐
ツェーンダー干渉系の原理に基づいている。従って以下
では短縮略号ＶＭＺレーザーが用いられる。

【０００９】ＶＭＺレーザーでは、レーザー光の導入の
ために設けられている導波路に対して垂直に、それと結
合された別の導波路が配置されている。この別の導波路
はレーザーダイオードの全長の１つの部分区間内にのみ
存在している。両導波路内を伝播可能なモードの結合に
よりフィルタ作用が生ぜしめられる。相い異なる長さの
多くの区間に第２の導波路を構成することにより良好な
近選択も良好な遠選択も達成され得る。

【００１０】

【実施例】以下にＶＭＺレーザーダイオードを図１ない
し図８により説明する。

【００１１】図１に概要断面図を示されているＶＭＺレ
ーザーの最も簡単な実施例では、レーザー共振器が長さ
方向に３つの区間に分割されている。これらの区間は長
さＳ１の第１の一重範囲１１、長さＦ１の二重範囲１２
および長さＳ２の第２の一重範囲１３である。一重範囲
にはそれぞれただ１つの導波路４が存在している。フィ
ルタリングのために設けられている二重範囲１２には別
の導波路２が第１の導波路４に対して平行に配置されて
いる。この二重範囲１２内を２つのモードＲおよびＳが
伝播可能である。図１の簡単な図のなかで構成要素の全
長にわたり存在している導波路４は下側クラッド層また
は基板５の上に施されている。この導波路４は第２の導
波路２が埋め込まれているクラッド層８内に埋められて
いる。境界面Ｈ１およびＨ２において一重範囲１１、１
３のモードＴは二重範囲１２の両モードＲおよびＳと結
合される。両モードＲおよびＳは相い異なる位相速度を
有するので（相い異なる実効屈折率、実効屈折率の差約
０．１）、構造的な干渉がモードＴにより境界面Ｈ１に
おいて励起される境界面Ｈ２におけるモードＲおよびＳ
がモードＴへの新たな結合の際に特定の離散的な波長に
おいてのみ可能である。この波長に対しては結合長さが
決定的である。構造的な干渉は、二重範囲１２の長さＦ
１が結合長さの整数倍であるときに生ずる。結合長さは
波長と実効屈折率の差との商に等しいので、構造的な干
渉の波長は二重範囲１２の長さＦ１と実効屈折率の差と
の積の整数分の一として生ずる。λ＝Ｆ１×（ｎ１−ｎ
２）／Ｎ、ここでｎ１およびｎ２は実効屈折率、またＮ
は自然数である。

【００１２】Ｎが非常に大きいならば、これらの共振波
長は非常に密にまたほぼ等しい間隔で（実効屈折率の無
視可能な分散の際に）並び合っている。従って、長さＦ
１が非常に大きいならば、選択された共振波長のすぐ周
辺の近選択は非常に高くなるが、他方においてフィルタ
曲線の多義性に基づいて遠選択の悪化が生ずる。

【００１３】これらの特性はフィルタ曲線の原理的形状
を示す図５により示されている。図５ａは非常に大きい
Ｎ（たとえばＮ＝２０）に対する特定の共振波長λ0 の
まわりの波長範囲内の伝達特性（フィルタ曲線）の経過
を示す。Ｎ＝１に対してはフィルタ曲線は図５ｂに示さ
れている。この場合の共振極大のより平らな経過はすぐ
次におかれた波長のわずかな選択を引き起こす。しかし
遠選択は図５ａの曲線の例の場合よりもはるかに大き
い。

【００１４】ＶＭＺレーザーダイオードでは波長の同調
は、二重範囲１２内の導波路２、４の１つへの電荷キャ
リア注入により実効屈折率の差を変更することにより行
われる。この目的で電気的接触がダイオードの上側に施
され、またクラッド層８の範囲が、別々に両導波路２、
４に電流が注入され得るようにドープされている。すべ
てのレーザー共振器は図１に示されているようにレーザ
ー端鏡Ｍ１、Ｍ２により境されている。

【００１５】図２に相応して変形された構造により、約
３ｄＢ大きい近選択が可能である。なぜならば、ここで
は二重範囲１２の長さＦ１が右側の共振器端鏡Ｍ２にお
ける放射の反射のゆえに実効的に倍増されているからで
ある。近および遠選択に関する同時の最適化が、図３お
よび４に概要を示されているように、相い異なる長さの
多くのフィルタ範囲を相い前後して接続することにり可
能である。図３にはそれぞれ長さＦ１、Ｆ２およびＦ３
の第１の二重範囲１２、第２の二重範囲１４および第２
の二重範囲１６により中断されているそれぞれ長さＳ
１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４の第１の一重範囲１１、第２
の一重範囲１３、第３の一重範囲１５および第４の一重
範囲１７が示されている。結合のために設けられている
第２の導波路２はそれに応じて長さ方向に、それぞれク
ラッド層８に埋め込まれている長さＦ１、Ｆ２およびＦ
３の区間に分割されている。これらの種々の区間の相い
異なる長さのゆえにすべてのスペクトルからの単一の波
長の良好な選択が達成される。図４に示されている構造
では第１の二重範囲１２が特に大きい長さＦ１を、また
第２の二重範囲１４がはるかに小さい長さＦ２を有す
る。それによって、図５ｂのフィルタ曲線に示されてい
るような良好な遠選択と共に、図５ａのフィルタ曲線に
示されているように、良好な近選択の組み合わせが生ず
る。それによって、図４の実施例に対して伝達特性とし
て図５ｃのフィルタ曲線が得られる。その際に、種々の
区間の共通の接触部において均等で等しい強さの同調が
生じ、従って、波長が同調電流の変更により変更される
ならば、両フィルタ曲線が別の措置なしに原理的に同期
して共通に波長スケールにシフトすることは特に意義が
ある。ＶＭＺレーザーダイオードの取扱の際の決定的な
簡単化を示す（特に冒頭に記載したエベルクほかの論文
に記載されている構造と比較して）。なぜならば、ユー
ザーが近および遠選択の相互調節を気にかけなくてよい
からである。

【００１６】ＶＭＺレーザーの実際的な実施例の層構造
を図６ないし図８および添付の表により説明する。図６
には図１の実施例に相応してＶＭＺレーザーダイオード
の縦断面図が示されている。基板５またはエピタキシァ
ルに成長した半導体円板の最も上の層の上に導波路４が
ストリップ状の層として施されている。この導波路４の
上に別の導波路２の結合のために設けられている区間
（二重範囲）内に、クラッド層１、３の間に埋め込まれ
ている別の導波路２が存在している。結合範囲（一重範
囲）の外側の区間はクラッド層６により満たされてい
る。図６の実施例では別の導波路２は三層に構成されて
おり、活性層２ａ、隔離層２ｓおよび同調層２ｔを含ん
でいる。同調層は代替的に隔離層の基板と反対向きの側
に配置されていてもよい。その場合に活性層は隔離層と
基板との間に位置している。活性層および同調層が一緒
に導波路の１つのなかに配置されていることにより、同
調範囲が同調層と活性層との間の（同調により発生され
る光損失を介しての）交互作用によりこの場合に約３０
ないし５０％大きくなるので、優れた同調特性が生ず
る。その代わりに、両導波路を一層に構成し、その際に
一方の導波路が活性層を、また他方の導波路が同調層を
なすことも可能である。導波路２、４は量子‐ウェル層
または多重‐量子‐ウェル層として製造されていてもよ
い。

【００１７】図６に示されているＶII、ＶIII の断面図
が図７および図８に示されている。図７および図８に
は、二重導波路のストリップ状の層構造を境する横方向
のクラッド層７が示されている。クラッド層７の種々の
範囲の上にそれぞれ高濃度にドープされた接触層９、１
０ａ、１０ｂが施されている。その他の半導体材料は、
クラッド層１、クラッド層３、導波路４、基板５および
クラッド層１の上の接触層９が第１の導電形の電気伝導
のためにドープされているようにドープされている。隔
離層２ｓ、一重範囲内の上側クラッド層６、横方向クラ
ッド層７および横方向クラッド層７の上の接触層１０ａ
および１０ｂは逆の導電形の電気伝導のためにドープさ
れている。第１の導電形がｐ形であり、また第２の導電
形がｎ形であると有利である。接触層９、１０の上およ
び基板５の下に外方への電気的接続のためのそのつどの
接触部Ｋｅ、Ｋｎ、Ｋｓが施されている。上側の接触層
の間の範囲は酸化物層Ｏｘにより平坦化されていてよ
い。

【００１８】個々の層の典型的な材料組成およびドーピ
ングならびに厚みはＩｎＰの材料系の実施例に対して添
付の表１に示されている。活性層および同調層が各々両
導波路２、４の１つにより与えられている場合には、相
応してそれらの間に位置している基板５および上側クラ
ッド層１に対するクラッド層３が逆の導電形にドープさ
れなければならない。クラッド層はその場合にｎ‐Ｉｎ
Ｐであり、導波路２、４はドープされていないＩｎＧａ
ＡｓＰである。この実施例の他のパラメータは表１に続
いて示されている。表２には図１、２および４の典型的
な長さ寸法、、共振波長の間隔および同調範囲が示され
ている。表１には、示されている範囲にそれぞれ括弧内
に典型的な値が示されている。

【００１９】特許請求の範囲では、それぞれ２つの導波
路が互いに垂直に存在しているすべての二重範囲が共通
に結合範囲と呼ばれている。ＶＭＺレーザーダイオード
の実施例に応じてこの結合範囲は１つまたは多くの関連
する区間を有し得る。最も簡単な実施例では下側の導波
路４は基板５の上に直接に施されている。基板の代わり
にこの半導体層が下側のクラッド層であってもよい。活
性層または同調層が下側の導波路４内に構成されてお
り、また電流供給のためにこの下側の導波路４内にドー
プされた下側のクラッド層５が存在している場合には、
付属の接続接触部は、半絶縁性の基板が使用され得るよ
うに、上側に施されていてよい。活性層および同調層に
別々に電流を注入するために設けられている措置は公知
のＴＴＧレーザーダイオード、特に冒頭に記載したＡＣ
Ａレーザーダイオードにおける措置に相当する。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】ＶＭＺレーザーダイオードの１つの実施例の縦
断面図。

【図２】ＶＭＺレーザーダイオードの別の実施例の縦断
面図。

【図３】ＶＭＺレーザーダイオードの別の実施例の縦断
面図。

【図４】ＶＭＺレーザーダイオードの別の実施例の縦断
面図。

【図５】種々の実施例に対するフィルタ曲線。

【図６】１つの実施例の層構造の縦断面図。

【図７】図６に示されているＶII断面の断面図。

【図８】図６に示されているＶIII 断面の断面図。

【符号の説明】

２、４導波路１、３、５、６、７クラッド層２ａ活性層２ｔ同調層２ｓ隔離層９、１０ａ、１０ｂ接触層Ｋｅ、Ｋｎ、Ｋｓ接触部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】層として構成された２つの導波路（２、
４）が層平面に関して垂直に重ねて、またクラッド層
（３）により互いに隔てられて、これらの導波路（２、
４）の間のモード結合が生ずるように密に互いに隣接し
て配置されており、これらの導波路の１つ（２）が、共
振器として設けられているレーザーダイオードの区間の
全長を含んでいない結合範囲内にのみ存在しており、こ
れらの導波路（２、４）が、この結合範囲内で２つの相
い異なるモードの結合が行われるような寸法および材料
組成を有し、結合範囲が少なくとも１つの関連した区間
を有し、その長さがこれらのモードに属する結合長さの
自然数倍であり、これらの導波路（２、４）内でこの結
合範囲内に活性層および同調層が層平面に関して互いに
垂直に配置されて存在しており、またこの活性層および
この同調層内に互いに別々に電流を注入し得る手段が存
在し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。
【請求項２】結合範囲が関連する区間のみを有するこ
とを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオード。
【請求項３】結合範囲が多くの関連する区間を有し、
またこれらの区間が、それぞれ結合すべきモードの結合
長さの自然数倍である相い異なる長さを有することを特
徴とする請求項１記載のレーザーダイオード。
【請求項４】活性層が導波路の１つにより、また同調
層が他方の導波路により形成されており、導波路の間に
位置するクラッド層（３）が第１の導電形の電気的伝導
のためにドープされており、それぞれこのクラッド層
（３）と反対向きの導波路の側の上の半導体層が反対の
導電形の電気的伝導のためにドープされており、両導波
路（２、４）内に別々の電流注入が可能であるように、
このクラッド層（３）およびこれらの半導体層とそれぞ
れ電気的に接続されている接触部（Ｋｅ、Ｋｎ、Ｋｓ）
が存在してい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。
【請求項５】活性層（２ａ）および同調層（２ｔ）が
多層構造により導波路の１つ（２）のなかに構成されて
おり、この層構造がこの活性層（２ａ）とこの同調層
（２ｔ）との間に隔離層（２ｓ）を含んでおり、この隔
離層（２ｓ）が第１の導電形の電気的伝導のためにドー
プされており、それぞれこのクラッド層（３）と反対向
きの導波路の側の上の半導体層が反対の導電形の電気的
伝導のためにドープされており、両導波路（２、４）内
に別々の電流注入が可能であるように、このクラッド層
（３）およびこれらの半導体層とそれぞれ電気的に接続
されている接触部（Ｋｅ、Ｋｎ、Ｋｓ）が存在している
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。
【請求項６】クラッド層（１、３、５、６、７）がＩ
ｎＰであり、導波路（２、４）が少なくともＩｎＧａＡ
ｓＰから成る層部分を有し、また両導波路（２、４）が
相い異なる組成を有す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。
【請求項７】下側クラッド層（５）の上に導波路
（４）がストリップ状に、またレーザー共振器として設
けられている区間の全長にわたり存在しており、この導
波路（４）の上にクラッド層（３、６）が存在してお
り、このクラッド層（３）の上に別の導波路（２）がス
トリップ状に存在しており、この導波路（２）が第１の
導波路（４）に対して平行にかつ層構造に関して垂直に
配置されており、またその全長にわたっては存在してお
らず、この別の導波路（２）の上に上側クラッド層
（１）が存在しており、これらの導波路（２、４）が横
方向のクラッド層（７）の間に位置しており、上側クラ
ッド層（１）および横方向のクラッド層（７）の上に高
濃度にトープされた接触層（９、１０ａ、１０ｂ）が施
されており、接触部（Ｋｅ、Ｋｎ、Ｋｓ）が施されてお
り、またこれらのクラッド層（１、３、５、６、７）
が、これらの接触部（Ｋｅ、Ｋｎ、Ｋｓ）が導波路
（（２、４）に対して垂直に存在しているクラッド層
（１、３、５、６、７）と電気的に接続されているよう
に、これらの導波路（２、４）の１つのなかに構成され
た活性層と、これらの導波路（２、４）の１つのなかに
構成された同調層とに別々の電流が注入され得るよう
に、電気伝導のためにドープされていることを特徴とす
る請求項１ないし６の１つに記載のレーザーダイオー
ド。
【請求項８】活性層（２ａ）および同調層（２ｔ）が
隔離層（２ｓ）により隔てられて導波路の１つ（２）の
なかに構成されており、上側クラッド層（１）が１０¹⁷
ｃｍ^-3ないし１０¹⁸ｃｍ^-3のドーピング濃度でｐ形にド
ープされており、隔離層（２ｓ）が５×１０¹⁷ｃｍ^-3な
いし５×１０¹⁸ｃｍ^-3のドーピング濃度でｎ形にドープ
されており、同調層（２ｔ）がたかだか２×１０¹⁸ｃｍ
^-3のドーピング濃度を有し、導波路（２、４）の間のク
ラッド層（３）が２×１０¹⁷ｃｍ^-3ないし２×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3のドーピング濃度でｐ形にドープされており、活性
層（２ａ）を含んでいない導波路（４）が１０¹⁷ｃｍ^-3
ないし５×１０¹⁸ｃｍ^-3のドーピング濃度でｐ形にドー
プされており、下側クラッド層（５）が５×１０¹⁷ｃｍ
^-3ないし２×１０¹⁸ｃｍ^-3のドーピング濃度でｐ形にド
ープされており、またその他のクラッド層（６、７）が
５×１０¹⁷ｃｍ^-3ないし５×１０¹⁸ｃｍ^-3のドーピング
濃度でｎ形にドープされていることを特徴とする請求項
６または７記載のレーザーダイオード。
【請求項９】上側クラッド層（１）が１μｍないし３
μｍの厚みであり、活性層（２ａ）が０．０５μｍない
し０．３μｍの厚みであり、同調層（２ｔ）が０．０５
μｍないし０．４μｍの厚みであり、導波路（２、４）
の間のクラッド層（３）が０．１μｍないし０．５μｍ
の厚みであり、また活性層（２ａ）を含んでいない導波
路（４）が０．１μｍないし０．７μｍの厚みであるこ
とを特徴とする請求項８記載のレーザーダイオード。
【請求項１０】結合範囲内にのみ存在している導波路
（４）が、レーザー共振器の長さの少なくとも四分の三
の長さを有する関連する区間を有することを特徴とする
請求項１ないし９の１つに記載のレーザーダイオード。