JP2002514016A - キャビティ内量子ウェル吸光器を有する垂直キャビティ表面放射式レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザ(２０)は、能動領域制御信号を受信する第１の接点、吸光器制御信号を受信する第２の接点および分散形ブラッグ反射ミラー・スタックのサンドイッチを包含する。各分散形ブラッグ反射ミラー・スタック（３６、６０）は、隣接した分散形ブラッグ反射ミラー・スタックに関して別のドーピングを有する。能動領域（２６）は、能動領域制御信号に応答して光学ゲインを与えるようにサンドイッチ内に設置される。吸光器（１５０）が、サンドイッチ内に位置する。吸光器は、吸光器制御信号に応答する波長依存吸光作用を有する。本発明の装置は、統合した検出器、自己脈動式レーザ、高速キャビティ内モジュレータまたは光学ピックアップ装置として利用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本出願は、「Intracavity Quantum Well Photodetector Integrated within a
Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser」なる名称で、１９９６年１０月１
６日に出願され、現在、米国特許第５，＿＿、＿＿として発行されている出願の
一部継続である。 この発明は、海軍調査局によって与えられた認可（契約）N00014-96-l-0583の
下に政府支持体でなされたものである。よって、政府は、この発明に或る程度の
権利を持つ。

【０００２】 （技術分野） 本発明は、全般的にレーザに関する。一層詳しくは、本発明は、統合検出器、
自己脈動レーザ、高速キャビティ内モジュレータまたは光学ピックアップ装置と
して使用し得る波長依存性キャビティ内吸光器を有する垂直キャビティ表面放射
式レーザに関する。

【０００３】 （背景技術） 垂直キャビティ表面放射式レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、光ファイバ通信、レーザ
印刷および光学式データ保存を含む種々の電子用途における光源として使用され
る。或るＶＣＳＥＬは、半導体ｐｎ接合平面に対して垂直にレーザ発振および出
力が生じる注入ダイオード・レーザである。縁部放射式レーザ・ダイオードにお
いては、レーザ発振および出力は、半導体ｐｎ接合平面で生じる。ＶＣＳＥＬは
、縁部放射式レーザ・ダイオードと比較して多くの利点を持つ。これらの利点と
しては、発散円形出力が引くこと、シングル長手方向モード動作であること、そ
して、二次元記録密度が高いことがある。 すべてのレーザは、励起放射線放出によって電磁波を増幅する原理を使用する
。レーザという用語は、light amplification by stimulated emission of radi
ationの頭字語である。

【０００４】 励起放射のプロセスは、次ぎのように説明できる。原子、イオンまたは分子が
エネルギーを吸光するとき、自発的に光を発することがある（たとえば、白熱ラ
ンプ）、または、光波によって励起されて放射を行うことがある。原子の集合体
がポンピングされて、最初により多くの原子が励起された場合、入射光波は、吸
光より多くの放出を行うように励起することになり、入射光線の正味増幅が行わ
れる。これが、レーザ・アンプが作動する方法である。 レーザ・アンプは、アンプの両端に適当なミラーを配置して共振器を形成する
ことによってレーザ発振器にすることができる。したがって、レーザ発振器の必
須のパーツは、増幅用媒体、ポンプパワー源および共振器である。軸線に沿って
まっすぐに送られる放射線は、ミラー間で前後に跳ね返り、充分に共振器内に留
まって強い発振を確立することができる。１つのミラーを部分的に透明にするこ
とによって放射線が結合し、このミラーを通って増幅された光が出射することが
できる。

【０００５】 注入ダイオード・レーザ（たとえば、ＶＣＳＥＬ）の基本的光発生機構は、過
剰な伝導帯電子および価電子帯ホールの再結合である。この再結合動作は、或る
接合部を横切って過剰なキャリアをポンピングすることによって生じる。すなわ
ち、過剰な電子が半導体ｎ層から、過剰なホールが半導体ｐ層から能動導波管領
域に射出され、そこにおいて、再結合し、励起放射を経て所望のゲインを生成す
る。光学損失が光学ゲインと釣り合ったとき、レージング閾値が達成される。 半導体レーザの多くの用途では、外部環境の変動に対して光出力の動的な安定
化を必要とする。また、レーザおよびそのドライブ回路における長期ドリフトを
監視することも必要である。大部分の市販ダイオード・レーザにおいては、これ
は、個別の外部監視用フォトダイオード・チップを使用することによって行われ
る。外部検出器によって発生した光電流は、レーザ注入電流を調整するためにフ
ィードバック回路において使用される。

【０００６】 最近、ＶＣＳＥＬと一緒に使用するためのモノリシック・フォトダイオードの
代わりに個別の外部監視フォトダイオード・チップを使用することが提案された
。この方式では、フォトダイオードが、ＶＣＳＥＬの頂部、底部、側部あるいは
周縁に沿って設置される。この位置においては、フォトダイオードは、装置を出
るレーザ放射線を直接さえぎり、サンプリングする。 このモノリシック法は、別体の監視フォトダイオード・チップを用いることに
伴う問題の多くを回避できるが、その性能は決して理想的ではない。これらの装
置に伴う主要な問題は、あまりに多くの自然発光を検知してしまうということで
ある。それに加えて、周囲光に影響されやすい。したがって、提案されたモノリ
シック・フォトダイオードの性能は、別体の監視フォトダイオード・チップのそ
れより劣る。こうして、ＶＣＳＥＬで使用するための改良型のモノリシック光検
出器を開発することが非常に望ましい。

【０００７】 ＶＣＳＥＬで使用するための改良型のモノリシック光検出器の必要に加えて、
高周波でのＶＣＳＥＬの変調を改良する必要がある。ＶＣＳＥＬ変調における主
たる関心のある特徴としては、高速、高変調深度および低周波チャープがある。
変調技術およびそれに伴う用途に応じて、これらの特徴の任意の組み合わせを証
明することができる。たとえば、変調要素がレージング・キャビティの外側にあ
るので、ＶＣＳＥＬと統合した外部モジュレータは周波数チャーピングを除去す
る。しかしながら、吸光層が薄い場合（すなわち、シングル量子ウェルの場合）
、速度は高いが、小さい一回限りの吸光作用は低い変調深度に通じる。吸光層が
厚い場合、大容量層にとって必要な厚さが非常に大きくなり、シングル量子ウェ
ルを横切る電界と同じ電界を得るのに大きな電圧を必要とする。これは、垂直キ
ャビティ内の相互作用長がインプレース・レーザよりもかなり短いからである。
量子ウェルの数が、数十から数百となり、これは非実用的な成長である。 高速度および高変調深度のために、直流変調が行われてきた。しかしながら、
キャリア密度の変化が周波数チャープを招き、これが、周波数安定性を必要とす
る用途にとって適切とはなり得ないのである。

【０００８】 ＶＣＳＥＬから変調した光出力を得る１つの技術は、装置に自己脈動を発生さ
せることである。自己脈動式ＶＣＳＥＬは、直流入力から得た交流出力を持つ。
公知の自己脈動式レーザは、エッジ・エミッタである。表面垂直幾何学形状が二
次元アレイ構造およびウェーハ・スケール製作を容易にするので、自己脈動式Ｖ
ＣＳＥＬを開発することが非常に望ましい。それに加えて、ＶＣＳＥＬの円形ビ
ーム出力も利用できよう。 ＶＣＳＥＬにおける自己脈動が、MHz範囲までの反復率で以前に分析され、観
察されているが、ＶＣＳＥＬが高周波数または制御可能な可飽和吸光体で自己脈
動するのはまだ観察されていない。従来技術においては、故意にまたは不注意で
、装置キャビティを取り囲んでいる可飽和吸光センタを導入することによって、
自立した発振が観察された。こういことから、波長依存性キャビティ内量子ウェ
ル吸光器を介して自己脈動を改良できるＶＣＳＥＬを得ることが非常に望ましい
。

【０００９】 レーザは、光学ピックアップ検出のために従来技術で使用されている。しかし
ながら、現在の光ディスク読み出し方式は、光源として縁部放射式レーザを使用
し、別体の外部光検出器を使用している。光源および検出器を単一の装置に組み
込むことが非常に望ましい。このような方法により、不必要な大容量光学素子か
らの反射によるノイズを除き、また、装置の物理的な寸法を最小限にすることが
できよう。また、端部放射式レーザを使用することも望ましい。このレーザの円
形ビーム出力が、縁部放射式装置のものより小さいスポット・サイズまで出力ビ
ームを合焦させるのを可能にする。より小さいスポット・サイズにビームを合焦
させるということは、光ディスクでの許容情報密度を高めるということである。 要するに、従来のＶＣＳＥＬ技術と関連した前述の限界を克服するために改良
されたＶＣＳＥＬを開発することが非常に望ましいということである。

【００１０】 （発明の開示） レーザは、能動領域制御信号を受信する第１の接点と、吸光器制御信号を受信
する第２の接点と、分散形ブラッグ反射ミラー・スタックのサンドイッチとを包
含する。各分散形ブラッグ反射ミラー・スタックは、隣接した分散形ブラッグ反
射ミラー・スタックに関して別のドーピングを有する。能動領域は、能動領域制
御信号に応答して光学ゲインを与えるようにサンドイッチ内に設置してある。吸
光器は、サンドイッチ内に設置してある。吸光器は、波長依存吸光作用を有する
。 レーザまたはＶＣＳＥＬ構造それ自体は、意図的に設計した特徴的な伝送波長
を有する。信号を吸光器に与えるのに用いるバイアス回路と連動して、吸光器バ
ンド・エッジと関連するこの特徴ある伝送波長（ファブリペロー波長とも呼ばれ
る）のはっきり区別できる位置が、装置の機能を決定する。ファブリペロー波長
および吸光バンド・エッジは、異なった装置機能を生じさせる。ファブリペロー
波長および吸光バンド・エッジは、吸光器が、その電流・電圧トレースが測定さ
れるときに、負の抵抗差によって特徴付けられるように設計され得る。吸光器が
どのようにバイアスされるかに依存して（すなわち、どのような種類の負荷線／
外部回路が吸光器に適用されるかに依存して）、装置は、（ａ）双安定性、それ
故、光学ピックアップ検出のために使用されること、あるいは、（ｂ）自己脈動
を示す。光学ピックアップ構造において、吸光器の主要な機能は、（ａ）外部フ
ィードバックからの信号を検出すること、そして、（ｂ）慎重に設計された吸光
器およびＶＣＳＥＬ構造から生じる双安定性を通じて応答信号を増幅することに
ある。光学ピックアップ構造は、低いノイズ（既存の大容量エッジ・エミッタお
よび外部光検出器読み出し方式に比して、ノイズが低く、コンパクトなものを提
供する。

【００１１】 本発明の装置は、従来技術の縁部放射式装置以上の多数の有する。これらの利
点は、円形ビーム出力、ウェーハ・スケール製作および潜在的な二次元アレイ構
造を含む。 発明の特徴および目的をより良く理解して貰うために、添付図面に関連した以
下の詳細な説明を参照されたい。 図面のいくつかの図を通じて類似した参照符号は、対応する部分を示す。

【００１２】 （発明を実施するための最良の形態） 図１は、本発明の一実施例による垂直キャビティ表面放射式レーザ２０内に統
合したキャビティ内量子ウェル光検出器を示している。本発明の一実施例におい
て、装置２０は、ｎ＋ドープＧａＡｓ基板２２を包含する。基板２２上では、ｎ
ドープ分配型ブラッグ反射（ＤＢＲ）ミラー・スタック２４が成長させられる。
ＤＢＲミラー・スタックは、この技術分野では公知である。特に、特定の用途の
ためのこのような構造の最適化は、従来技術において公知である。能動ゲイン領
域２６が、ｎドープＤＢＲミラー・スタック２４の頂面に構成される。能動ゲイ
ン領域２６は、一波長スペーサ２８と、そこに位置する量子ウェル・スタック３
０とを有する。量子ウェル・スタック３０は、２つの８０オングストローム厚の
In_0.2Ga_0.8As量子ウェルを包含する。 ｐドープＤＢＲミラー・スタック３６は、能動ゲイン領域２６の頂面に位置す
る。１つまたはそれ以上の電流制限層３８が、スタック３６内に形成される。電
流制限層３８は、能動領域２６から離れた３つのＤＢＲ対である。電流制限層３
８は、3／4λ厚のＡｌＡｓ（アルミニウム・ヒ化物）酸化層の形であってもよい
。Al_xGa_1-xAsの酸化層（ここで、ｘは、ほぼ１である）も使用され得る。代替案
として、エアギャップも使用し得る。エアギャップは、犠牲層をエッチングする
ことによって形成することができる。その後、再成長を実行するか、あるいは、
エアブリッジを構成してもよい。シャドウ・マスキングまたは同様の技術による
陽子移植を使用して、電流制限層を形成することもできる。環状の接点４０が、
ｐドープＤＢＲミラー・スタック３６上に形成される。

【００１３】 次に、キャビティ内量子ウェル光検出器５０をｐドープＤＢＲミラー・スタッ
ク３６上に形成する。キャビティ内量子ウェル光検出器５０は、５λ／４スペー
サ５２と、そこに検出器として形成される１つの８０ÅIn_0.2Ga_0.8As（インジウ
ム・ヒ化ガリウム）量子ウェル５４とを包含する。 次に、ｎドープＤＢＲミラー・スタック６０が、キャビティ内量子ウェル光検
出器５０上で成長させられる。ｎ接点６２が、装置２０の頂面に堆積させられる
。ｐドープＤＢＲミラー・スタック３６のp+ドープ層までエッチングした後、ｐ
接点４０が堆積させられる。ｐ接点４０は、能動領域３２を順方向バイアスする
のに使用され、ｎ接点６２は、量子ウェル検出器５０を横切る電圧を制御するの
に使用される。さらに、接点６２、４０は、検出器をバイアスするのに用いられ
る。レーザは、接点４０および基板２２を使用してバイアスされる。

【００１４】 図１の実施例において、光は基板２２の底面７０から出てくる。したがって、
それは、底部放射式装置と呼ばれる。装置は、また、頂面から光を放出するよう
にも設計され得る。頂部放射式装置は、光がその開口を通して逃げ得る環状Ｎ接
点で構成し得る。ＤＢＲ対の異なった構成が、頂部放射式装置においては使用さ
れる。要するに、図１は、ｎ−ｐ−ｎＶＣＳＥＬ装置２０が構成される本発明の
実施例を示している。一般に、この装置は、既存のＶＣＳＥＬ装置と一致する方
法で作動する。すなわち、過剰な電荷担体が、装置のｎ層およびｐ層領域から能
動領域２６に射出される。光学損失が光学ゲインと釣り合ったときに、レージン
グ閾値に達する。従来の装置において、この動作は、個別の外部光検出器または
ＶＣＳＥＬの頂面または底に構成された光検出器によって監視される。しかしな
がら、本発明によれば、装置は、キャビティ内量子ウェル光検出器５０と連動し
て作動させられる。すなわち、本発明のキャビティ内量子ウェル光検出器５０は
、標準方法でレーザ注入電流を調整するのに使用される標準のフィードバック回
路で使用するための改良光電流を提供する。当然、改良された光電流信号は、他
の目的にも同様に使用し得る。このキャビティ内量子ウェル光検出器５０の特定
の利点を以下に説明する。ここで、本発明の装置を構成するのに用いられ得る処
理段階の説明に目を転じる。

【００１５】 図１の装置は、任意の方法で構成し得る。本発明の１つ利点は、その処理段階
が周知の処理段階と一致しており、互換性を持つということにある。以下の処理
段階は、本発明の一実施例に従って使用され得る。 ウェーハが、図２に示す屈折率分布を有する分子線エピタキシを経てＧａＡｓ
基板上で成長させられる。図２の波形８２は、ＤＢＲスタック２４、３６によっ
て構成される共振キャビティ内の強度・磁界分布を示している。この強度・磁界
分布のピークは量子ウェルと重なる。円で囲んだ領域８４内に示される波形８０
の不連続性は、量子ウェル検出器５０のスペーサに対応する。ピーク８６は、量
子ウェル５４に対応する。 次に、ウェーハは、処理を容易にするために、より小さい単位にさいの目に切
られる。次に、ＡｌＡｓの層を酸化して電流制限層を得る。これは、標準のフォ
トリソグラフィによってサンプルをパターン形成してフォトレジストの９０ミク
ロン円を生成することによって行われる。次いで、サンプルは、ＡｌＡｓ層が露
出するまで、１：８：４０の硫酸：過酸化水素：脱イオン水でエッチングされる
。次に、アセトン、次いでメタノールを使用してフォトレジストを洗い落とす。
次に、所望の開口を得るまで、サンプルを酸化炉（摂氏ほぼ４２５度で水蒸気に
流す）内に置く。酸化時間は、通常、最初に較正する必要がある。所望の開口は
、直径約１０ミクロンである。

【００１６】 次に、ｎ接点６２を堆積させる。これは、標準のフォトリソグラフィを使用し
てサンプルをパターン形成し、９０ミクロン・エッチング円を覆って位置するフ
ォトレジストの約２０ミクロン円を生成することによって行うことができる。次
に、１５０オングストロームのニッケル、３５０オングストロームのゲルマニウ
ム、５００オングストロームの金、３５０オングストロームのニッケル、最後に
１５００オングストロームの金を蒸着させる。次いで、アセトン、次いでメタノ
ールを使用して、フォトレジストを剥ぎ取る。 次に、ｐ接点４０を形成する。これは、標準のフォトリソグラフィを使用して
サンプルをパターン形成し、中央にあるフォトレジストの約３４ミクロン直径円
を生成することによって行うことができる。次いで、ｐ＋ドープ層に達するまで
、サンプルを、１：８：４０の硫酸：過酸化水素：脱イオン水でエッチングする
。次に、サンプルを、１０：１の緩衝酸化物エッチ液：脱イオン水または１：４
０のフッ化水素酸：脱イオン水に浸漬し、いかなるAlGaAs酸化物をも除去する。
次いで、フォトレジストを洗い落とす。次に、サンプルを標準のフォトリソグラ
フィによってパターン形成し、環体幅で直径約７０ミクロンおよび直径約１６ミ
クロンの環状の暗視野リング（中央位置）を生成する。次に、約２００オングス
トロームのチタンおよび２０００オングストロームの金を蒸着する。最後に、フ
ォトレジストを洗い落とす。 同様の段階を、キャビティ内量子ウェル光検出器を有する頂部放射式ＶＣＳＥ
Ｌについて実施する。ｎ接点を最初に蒸着し、次に、ｐ接点を蒸着する。次いで
、これら２つの金属接点を急速熱焼鈍器内で焼鈍し、伝導率を向上させる。最後
に、サンプルをエッチングし、酸化させる。頂部放射式装置のキャビティ内の強
度・磁界分布が、図３に示してある。

【００１７】 本発明の動作およびその利点は、以下の図を参照してより充分に理解できる。
図４は、本発明による底部放射式装置の光−電流（Ｌ−I）特性を示している。
この図は、内部光検出器電流と外部光検出器電流（出力パワーのミリワットまで
較正されている）を比較している。これら２つのＬ−I曲線は、非常に密接に一
致している。実質的に、自然放出（たいていは、レージング閾値より下であるこ
とが明白である、放射された光の非連続性のランダムな変動）はまったく検知さ
れない。しかしながら、それが底部放射式レーザであるから、外部検出器トレー
スで明らかなように、基板インターフェイスからの後方反射が出力パワーにリッ
プルを生じさせる。こえらのリップルは、反射防止コーティングを用いて除去す
ることができる。V_detは、内部光検出器に印加される逆バイアス電圧である。 図５は、頂部放射式装置の光−電流（Ｌ−I）特性を示している。このグラフ
は、内部光検出器電流と外部光検出器電流とを比較している。有効検出感度（す
なわち、応答性）は、１．２Ａ／Ｗである。ここでも、実質的に、自然放出は内
部検出器によって検知されていない。Ｌ−I曲線は、底部放射式装置の場合と同
じほど接近していない。

【００１８】 図６は、ファブリペロー波長（λ_FP）および吸光器バンド・エッジ（λ_abs）
の相対的な整合の重要な性質を示している。この場合、λ_FPはλ_absより長い。
これら２つの波長は先に指摘したように異なった率で赤色シフトするので、レー
ジング波長（λ_FP）は、ポンプ電流の増加（温度の増加）と共に吸光曲線を立ち
上げ、それ故、吸光作用が一定とはならず、精密な統合検出器としての装置に悪
影響を与える。 図７は、頂部放射式装置についての最小検出自然放出を示している。一方、図
８は、底部放射式装置についての最小検出自然放出を示している。これらの図は
、実際に、先に図のＬ−I曲線の動作を増幅している。底部放射式、頂部放射式
構造の両方の場合、内部検出器で検出された自然放出量は、低く（底部放射の場
合）、外部検出器よりも低い（頂部放射の場合）。この効果は、量子ウェルが共
振位置に置かれてファブリペロー波長しか検出せず、それ故、自然放出の広帯域
性に対してかさばった材料ほど感度がよくないという事実による。

【００１９】 図９は、外光に対する頂部放射式装置の反応性を示している。特に、この図は
、装置が外光に対してどのくらい鈍感かを示している。実線は、実験測定セット
アップになんら外光が与えられない状態での内外の検出器を表している。点線は
、外光がセットアップに当たっているときの応答性を示している。外部検出器の
反応性は、大きいジャンプを示していり、一方、内部検出器は実質的に影響を受
けていない。 図１０は、本発明の装置の暗電流特性を示している。暗電流は、検出すべき光
または信号がまったくないときに検出器が示す電流の量である。暗電流が低けれ
ば低いだけ、それだけ検出器の感度が任意信号に対して敏感になる。本発明の装
置は、暗電流をｐＡ（ピコアンペア）で表しており、これは任意の市販検出器と
同じくらい低い。実際、測定値は、測定機器のノイズ・フロアによって制限され
、真の暗電流はさらに低くなる可能性がある。 図１１は、本発明の装置の内部有効検出感度を示している。この図は、レーザ
・ポンプ電流の関数として有効検出感度を示している。有効検出感度は、閾値に
ついて少なくとも１Ａ／Ｗである。この高い応答性は、検出器量子ウェルの、レ
ージング・キャビティ内の強度磁界分布のピークとのオーバーラップを調整する
ことから生じる。ポンプ電流と共に検出感度が増大すると、検出器の励起ピーク
を通ってレージング波長がシフトすることになる。

【００２０】 図１２は、内部有効検出感度対波長のプロット図である。この図は、同じサイ
ズ、特性の３つの装置を比較している。有効検出感度は、波長がなくなるにつれ
て上昇し、検出器量子ウェルによる励起強化の説明を支援する。 図１３は、本発明の装置の電流・電圧（I−Ｖ）特性を示している。この図は
、２．２Vの装置閾値電圧を示している。 図１４は、本発明による頂部放射式装置のスペクトルを示している。装置の出
力スペクトルは、特定の用途に合うように変えられる。この実施例の装置は、９
８０ｎｍでレーザ光線を出すように設計された。発生する実際の波長は、プロッ
ト図に示すように、約９６６ｎｍである。装置は、シングルモード（横モードに
よるサイドローブがない）で始動し、ポンプ電流が増加するにつれて長い波長で
のマルチ・モードになる。

【００２１】 今や、本発明を充分に説明した。ここで、本発明に伴う利点についての説明に
関心を向ける。その後、本発明による代替実施例を説明する。 本発明の主要な利点は、かさばった外部検出器およびそれに付随する光学素子
を避けているということである。本発明の他の主要な利点は、その性能が、ＶＣ
ＳＥＬの頂部、底部または側部に設置した他のモノリシック・センサより優れて
いるということである。有利には、ｐドープＤＢＲミラー・スタック３６とｎド
ープＤＢＲミラー・スタック６０と間に埋め込んだ量子ウェル光検出器５０の性
質は、光検出器を自然放出および周囲光に対して非常に敏感にする。これは、光
検出器が本質的に外部検出器である既存のモノシリック装置とは対照的である。
量子ウェルは、その埋め込まれた位置で、パワー検出および監視と干渉する迷光
を阻止すると共に、その薄い能動領域が暗電流を最小限に抑える。 有利には、装置は、かさばった材料の代わりに、検出媒体あるいは吸光媒体と
して量子ウェルを使用する。これは、そのキャビティ内位置と相まって、量子ウ
ェルがレージング・キャビティ内の強度分布のピークで作動するのを可能とし、
その結果、装置は、大量の光をサンプリングでき、それ故、応答性が非常に高く
なる。本発明は、また、ＶＣＳＥＬのファブリペロー波長で量子ウェルが共振す
るという事実を利用している。

【００２２】 本発明のキャビティ内共振量子ウェル光検出器は、１Ａ／Ｗ（アンペア／ワッ
ト）のオーダーで、非常に高い有効応答性を達成する。通常の外部シリコン光検
出器は、約０．６Ａ／W応答性である。 光検出器は、実質的に、自然放出を検出しない。このことは、閾値近くで変調
することが望ましく、自然放出がきれいな信号にとって必要なオン／オフ比率を
低減することになるので、重要である。また、自然放出の最小検出ということは
、正確に閾値電流を決定するのに必要な非常にきれいな出力光−電流（Ｌ−I）
に通じる。従来の装置は、普通、自然放出を減ずることによってそのＬ−I曲線
を補正している。 本発明の種々の別の実施例を構成し得る。たとえば、量子ウェル設計パラメー
タ（たとえば、量子ウェル最も厚さおよびエネルギ深度、構造内の量子ウェル位
置および量子ウェルの数を変えることができる。それに加えて、能動、光検出器
量子ウェルは、励起強化およびバイアス動作を制御するように異なった組成のも
のであってもよい。 湿式エッチング・プロセスを説明したが、反応性イオン・エッチングまたはイ
オン・ミリングを通じての乾式エッチングも使用し得る。それに加えて、種々の
波長でのレーザ出力について他の材料系、たとえば、GaAs、InGaP、InGaAsPを使
用し得る。種々の基板も、異なった材料系で使用し得る。

【００２３】 ウェーハは、吸光作用を減らすために半絶縁性基板上で成長させてもよい。別
の例において、ウェーハは、集積回路ドライバとの互換性のためにp+基板上で成
長させてもよい。装置の接点とより大きい接点パッドとの間にエアブリッジ接点
を使用してもよい。この概念を示している構造が、図１５に示してある。 図１５の装置９０は、図１の装置２０にほぼ対応する。特に、装置９０は、Ｇ
ａＡｓ基板２２、ｎドープＤＢＲミラー・スタック２４、能動ゲイン領域２６、
そして、ｐドープＤＢＲミラー・スタック３６を包含する。図１５の実施例にお
いては、制限層３８は、エアギャップの形をしている。スペーサ９１が、構造支
持のために電流チャネルとして使用されているが、スペーサ９１の平面における
残りの領域が空気である。 装置９０は、また、量子ウェル検出器５０およびｎドープ・ミラー・スタック
６０を包含する。ｎドープ・ミラー・スタック６０の頂部にある接点９２は環状
であり、それによって、光がその開口を通して出射することができる。したがっ
て、図１５の装置は、頂部放射式装置である。 図１５は、また、ｐ接点４０から延びているエアブリッジ９４も示している。
エアブリッジ９４の末端は、プローブ９６と接触していてもよい。絶縁層９８（
たとえば、窒化ケイ素）が絶縁のために使用されており、その結果、ポンプ電流
が装置９０に直接入ることがない。エアギャップ３８の直ぐ上のプローブ圧力が
ギャップを破壊することになるので、エアブリッジ９４を使用してｐ接点４０を
延長させる。それに加えて、この幾何学的形状は、測定を容易にするためにより
大きなプローブ・チップを使用するのを可能にする。当然、この技術は、エアギ
ャップの代わりに酸化ＡｌＡｓまたは他の誘電層を使用する場合に使うことがで
きる。

【００２４】 本発明の装置は、リッジ導波管幾何学形状で形成してもよい。図１６が、この
ような装置を示している。図１６の装置１００は、図１の装置２０にほぼ対応す
る。特に、装置１００は、ＧａＡｓ基板２２、ｎドープＤＢＲミラー・スタック
２４および能動ゲイン領域２６を包含する。しかしながら、図１の装置とは異な
り、リッジ導波管幾何学形状は、ｐドープＤＢＲミラー・スタック１０２に存在
する。ｐ接点１０４は、誘電層１０６に形成されている。荷電担体が絶縁体を通
れないので、誘電層１０６は、電流経路を構成するのに使用される。 装置１００は、また、量子ウェル検出器５０およびｎドープ・ミラー・スタッ
ク６０を包含する。環状の接点９２は、装置１００が頂部放射式装置であること
を示している。

【００２５】 本発明は、また、埋設ヘテロ構造設計でも実施され得る。このような構造が、
図１７に示してある。図１７の装置１１０は、ＧａＡｓ基板２２と、その上に設
置したｎドープＤＢＲミラー・スタック２４とを有する。本発明のこの実施例に
おいては、量子ウェル検出器５０は、ｎドープＤＢＲミラー・スタック２４の頂
部に設置してある。ｐドープＤＢＲミラー・スタック１１２は、ドープＤＢＲミ
ラー・スタック１１２の頂部に設置してある。能動領域２６は、ｐドープＤＢＲ
ミラー・スタック１１２の頂部に設置してある。ｎドープＤＢＲミラー・スタッ
ク６０は、能動領域２６の頂部に設置してあり、Ｎ−接点６２は、装置１１０の
頂部に設けてある。再成長した埋設ヘテロ構造（ＢＨ）層１１４は、ピラー１１
５をエッチングした後、装置上で成長させられる。これらのＢＨ層１１４は、光
のためのインデックス・ガイディングならびに或る種の電流制限を提供する。 図１８は、陽子移植を通じて電流制限を行う装置を示している。装置１１８は
、図１の装置にほぼ対応している。しかしながら、図１８の装置における電流制
限は、陽子移植１２０によって達成される。特に、この図は、電流を制限するの
に役立つ陽子（H+）移植構造１２０を示している。この陽子注入は、シャドウ・
マスキングを介して達成され得る（すなわち、サンプル上に適切なマスクを置き
、サンプルまたは基板全体を陽子ビームに対して傾け、或る程度のエネルギで、
陽子が所望の層まで浸透し、頂部層を損傷のない状態に残す）。

【００２６】 この位置まで、本発明の装置は、統合検出器を持つＶＣＳＥＬとして説明して
きた。ここで、吸光器変調、双安定動作、自己脈動および光学ピックアップのた
めに装置を使用することに関心を向ける。図１９は、自己脈動、光学双安定性ま
たは光学ピックアップを得るために本発明で使用されるＶＣＳＥＬを示している
。矢印１３２で示すように、装置１３０は、その頂面から光を発する。 装置１３０は、ＧａＡｓ基板１３４上に構成される。ｎドープ底部ミラー・ス
タック１３６は、２６対のAlAs/Al_0.15Ga_0.85As ＤＢＲと、それに続く１０対の
Al_0.2Ga_0.1As/Al_0.15Ga_0.85As DBRと、３λ／４厚のAl_{0 .98}Ga_0.02As酸化層１３
８（能動領域１４２から離れた一対である）とを包含する。ｎドープ底部ミラー
・スタック１３６は、また、底部ｎ接点１４０を包含する。 未ドープ能動領域１４２は、３つの７０ÅのＧａＡｓ量子ウェルと、１００Å
のAl_0.15Ga_0.85Asバリアとからなり、これらはすべて１−λスペーサ内にある。 ｐドープ・ミラー・スタック１４４は、能動領域１４２から離れた一対である
ｐドープ３λ／4厚Al_0.98Ga_0.02As酸化層１４５を包含する。このスタック１４
４は、また、５対のｐドープAl_0.9Ga_0.1As/GaAsと、ｐ接点１４６のための４対
のP+ドープAl_0.9Ga_0.1As/Al_0.15Ga_0.85Asとを包含する。

【００２７】 装置１３０は、また、吸光器１５０（ここでは、量子ウェル吸光器またはモジ
ュレータ１５０とも呼ぶ）を包含する。吸光器１５０は、90ÅGaAs未ドープ量子
ウェル吸光器と、９０ÅAl_0.15Ga_0.85Asバリアとを包含し、すべて５λ／４スペ
ーサ内にある。量子ウェルは、基板側からスペーサ内への途中、３λ／４のとこ
ろに位置する。 ｎドープ頂部ミラー・スタック１５２が、装置１３０の頂部のところにある。
このスタックは、１９．５対のｎドープAl_0.9Ga_0.1As／Al_0.15Ga_0.85Asで実行し
てもよい。スタック１５２は、頂部ｎ接点１５４を包含する。 上記のｎ−ｐ−ｎ装置１３０は、底部ＤＢＲスタック１３６と、頂部ＤＢＲス
タック１６０とを包含すると考えてもよく、能動領域１４２、ｐドープ・ミラー
・スタック１４４、吸光器１５０、ｎドープ頂部ミラー・スタック１５２を包含
する。底部スタック１３６と頂部スタック１６０との間のｐｎ接合は、能動要素
またはゲイン要素１４２として役立つ。頂部ｎ−ｐ接合（ｐドープ・ミラー・ス
タック１４４とｎドープ頂部ミラー・スタック１５２との間）は、電圧制御式吸
光器１５０として役立つ。

【００２８】 吸光器１５０は、ＤＢＲスタック内の光強度ピークのところに設置されていた
ので、小さい変調電圧についての装置出力に高い衝撃をあたえる結果となってい
た。吸光器１５０は、ファブリペロー波長で光学磁界強度のピークのところに配
置された１つまたはそれ以上の量子ウェルを含むスペーサ（少なくとも３λ／４
厚）からなる。吸光量子ウェルの吸光作用縁は、印加電圧バイアスがゼロで、フ
ァブリペロー波長（λ_FP）が吸光作用縁（λ_abs）より長い、すなわち、赤寄り
にあるように設置しなければならない。この波長差は、量子ウェル組成に依存す
る。ファブリペロー波長は、ゼロ・バイアスで量子ウェル吸光作用スペクトルの
テールとオーバーラップするように設置しなければならないが、ゼロでないバイ
アスが印加されたとき（吸光作用縁を長い方の波長にシフトさせるとき）、ファ
ブリペロー波長を通して走査するときに励起ピークがなお十分に顕著でなければ
ならない。吸光器１５０は、また、オフピーク位置で実行されてもよい。

【００２９】 装置１３０は、８５２ｎｍ（意図したファブリペロー波長λ_FP）において９９
．９９５％の底部ミラー反射率で実行されてきた。吸光なしの頂部ミラー反射率
は、λ_FPで９９．８９％であるように設計される。吸光量子ウェルに５０００ｃ
ｍ^-1のロスがあると仮定すると、頂面ミラー反射率は、８５２ｎｍで９９．６８
％に低下し、レーザをオフにすることが可能になる。 自己脈動を確立するために、装置は、ファブリペロー波長が吸光器バンド・エ
ッジより大きく（λ_FP>λ_abs）、吸光器に負の差抵抗を得るように設計される。
装置は、図２０に示す回路を使用してバイアスされる。以下に説明するように、
直流吸光器・バイアス負荷Ｒ、Ｖ₀は、図３８に示すように、作動負荷ラインが
吸光器I_a-V_aトレースに対して接線方向となるように選ぶ。この作動状態が、装
置の制御可能な自己脈動に通じる。単に電気バイアス状態を変化させることによ
って、ユーザは、自己脈動をオン、オフすることができ、自己脈動が生じる周波
数を調整することができる。さらに、装置が吸光器において非常に鋭い負抵抗差
を得るように設計されている（λ_FP>λ_abs）ので、小さい吸光器を使用して高い
レーザ・パワーで自己脈動を得ることができる。

【００３０】 図２０は、本発明の装置１３０で自己脈動を確立するのに用いられる回路を示
している。装置１３０の吸光器１５０は、電圧源でバイアスされ、図２０に示す
ように、可変抵抗器Rと直列に電圧Ｖ₀を発生する。吸光器内の任意の発生した交
流信号のために、終端経路が設けてある。図２０の回路によって、ユーザは、自
己脈動、双安定性または垂直レージングを達成するために装置作動位置を制御す
ることができる。吸光器接合（ゲイン領域と共有する端部）のノード１７０は、
接地されている。ノード１７２は、任意の発生した交流信号のための経路を与え
るように５０オーム・抵抗器と直列のコンデンサCを包含する第１分岐部と、ポ
テンショメータ（可変抵抗値Rを発生する）と直列のインダクタL電圧Ｖ₀を発生
する直流電圧源を包含する第２分岐部とを備えたバイアスＴ回路１７４に取り付
けられている。吸光器接合のための負荷ラインが負の抵抗差の領域に対して接線
方向であるように、ＲおよびＶ₀は調節される。

【００３１】 図２１は、装置１３０を変調するのに用い得る駆動回路を示している。吸光器
１５０は、直流電圧源によって逆バイアスされる。吸光器に対する交流信号は、
先に述べたバイアスＴ回路を介して直流信号に重畳される。ｐ接点１４６は、吸
光器１５０および能動領域１４２の両方のための共通アースとして作用する。直
流電流源は、能動領域１４２をポンピングするのに使用され、５０Ω終端経路は
、ゲイン領域で発生した任意の交流信号のために設けてある。 図２２は、本発明の実施例のL-I_laserおよびI_laser-V_laser特性を示している
。閾値電流は、１．７mAである。ｐ接点１４６と底部ｎ接点１４０との間の接合
部で測定したとき、閾値電圧は５．６Vである。出力パワーは、代表的には、０
．７ｍＷがピークとなる。吸光器がオンのとき（たとえば、Ｖ₀＝２Ｖ）、閾値
電流はこれといって変わらない。これは、約２ｋＡ／ｃｍ³の閾値電流密度が、
λ_FPとゲインの不一致によりすでにかなり高くなっているからである。しかしな
がら、差量子効率η_dは、ミラー損失により強く依存し、吸光器逆バイアスが増
大するにつれて減少する（η_dは、ΔＶ₀＝２Ｖの場合、０．２％低下し、ピーク
・パワーは、２０％だけ低減する）。

【００３２】 図２３は、ゲイン領域についてのいくつかの直流バイアス状態（I_laser）の下
で吸光器変調に応答する装置を示している。実験の結果は、０．６％の変調深度
の場合にI_laser=8mAで９GHzの３dB小信号帯域幅を示す。普通の変調において予
想されるように、帯域幅ならびに緩和発振周波数は、レーザ・バイアス電流I_{las er} と共に増大する。この機能依存性が、図２４に示してある。 異なった直流吸光器での固定レーザ・バイアス電流に対する吸光器変調応答性
を測定した。図２５は、帯域幅が、可変吸光器直流バイアスと共にこれといって
変わらないことを示している。 吸光器がＶＣＳＥＬミラー・スタックの一部であるから、本発明の吸光器変調
技術は、効果的にミラー損失を変調する。ミラー損失変調は、光子寿命の変調に
通じる。

【００３３】 本発明の装置の１つの設計基準は、３つの波長の相対的な配置である。すなわ
ち、ゲイン（λ_gain）、吸光器（λ_abs）およびファブリペロー伝送ピーク（λ_{F P} ）である。理想的には、λ_FPでのゲイン・ピークの最大オーバーラップについ
ては、ポンプ電流を増大させ、その結果加熱を行ってゲイン・ピークの赤色シフ
トを行わせることを勘案するためにλ_gain＜λ_FPであることが望ましい。同時に
、量子ウェル変調の吸光作用縁は、吸光器を横切って印加された電圧における小
さい変化が吸光作用における大きい変化を誘発するように位置させなければなら
ない。この要件は、λ_abs＜λ_FPであるが、これらの２つの波長が非常に接近し
ている状態に通じる。電圧バイアスされた吸光器の波長がポンピングされたゲイ
ン領域ほど徹底的にシフトすることがないので、３つの波長の理想的な相対位置
は、λ_gain＜λ_abs＜λ_FPでなければならない。 λ_abs＜λ_FPがゲインまたは吸光器に比べて大きすぎる場合には、吸光器を横
切る電圧を増大させ、吸光作用縁をシフトさせ、変調を得る必要がある。これは
、変調効率が劣る結果となる。また、ゲイン・ピークとλ_FPとのオーバーラップ
が小さい場合には、帯域幅が小さくなる。 ファブリペロー波長を吸光器量子ウェル・バンド・エッジよりも赤色側になる
ように整列させることによって、大きい変調深度を得ることができる。これは、
この吸光器変調技術で優れた変調深度を生じさせることになる。吸光器を横切る
逆バイアスを次に使用して、レーザ放出を横切って吸光作用縁を掃引させ、非常
に高いオン・オフ率を得ることができる。

【００３４】 図２６は、バイアス電流の関数としての出力パワーを示している。ｄＬ／ｄI_g における目立った不連続性およびヒステリシス・ループが、閾値のところで観察
される。これは、双安定動作を示している。吸光器バイアス電圧および抵抗が変
化するにつれて、ヒステリシス・ループが図に示すように閉じるようになり、レ
ーザが自己脈動し始める。双安定性、自己脈動間の移行は、図２７における吸光
器I_a-V_a特性を使用しても説明できる。負荷線が３回吸光器I_a-V_aと交差するよう
にＲ、Ｖ₀を調整した場合、双安定性が観察される。I_a-V_aの負勾配により密接に
一致するように負荷線が傾くにつれて、システムは不安定状態を入り、自己脈動
が始まる。２５μｍ開口自己脈動式レーザの代表的な閾値は、約８．５ｍＡで生
じ、能動領域を横切る電圧が約３．３ボルト、ピーク出力パワーが約１．５mWと
なる。 前記説明は、本発明の動作において負の抵抗差（ＮＤＲ）を仮定する重要性を
示している。吸光器I_a-V_aトレースによって示される負の抵抗差（ＮＤＲ）は、
この装置の異常な動作の原因である。吸光器バイアス（Ｒ、Ｖ₀）を調整して作
動負荷線が単一の吸光器I_a-V_aトレースと３回交差するようにした場合、装置は
双安定状態で作動する。その代わりに、負荷線が吸光器I_a-V_aトレースの負の抵
抗差の領域に対して接線方向にある場合、装置は、不安定な状態で作動する。こ
れが自己脈動のレジメである。装置は、吸光器I_a-V_a特性における急勾配の負の
抵抗差の領域を得て、比較的低い吸光器バイアス（たとえば、Ｒ＝１０〜１００
ｋＷ、Ｖ₀＝５〜５Ｖ）が自己脈動を得るのに必要とされるように設計される。

【００３５】 自己脈動を達成することができるかどうかを確認するために、吸光器について
の電流・電圧（I_a-V_a）トレースを測定した。図２７の代表的な可飽和吸光器のI _a -V_a特性によって示されるように、レーザ・バイアス電流の或る範囲にわたって
負の抵抗差（ＮＤＲ）が得られた。吸光器電流は、吸光器接合を横切る印加電界
と光学的出力に比例する。吸光器が順方向にバイアスされたとき、それは通常の
ダイオードとして動作する。吸光器逆バイアスが増加するにつれて（同じレーザ
・バイアスで）、２つの競合するプロセスが吸光器電流に影響を及ぼす。電界が
電流を増大させるのに対して、レーザ・パワーを減らす増大した吸光作用は吸光
器電流を減少させる。小さいＶ_aの場合、前者の効果が支配的であり、大きいＶ_a の場合、後者の効果が強くなる。逆バイアス電圧がさらに増大すると、吸光器接
合の吸光作用は大きくなりすぎ、ＶＣＳＥＬはレージングを停止する。こうして
生じた光学パワーの低下は、吸光器電流を低下させ、印加電界によってのみ決定
される値に近づく。ＮＤＲは、逆バイアスの増大につれて吸光器電流が減少する
領域に現れる。

【００３６】 本発明の装置の動作は、I_a-V_a.における素晴らしい特徴に反映されるように、
吸光器１５０の量子ウェル・サブバンドによっても影響される。これらの特徴は
以下のように説明できる。ＮＤＲは、吸光器の戦略的な配置およびファブリペロ
ー波長によって強化される。異なった逆バイアス電圧についての吸光器スペクト
ルが、波長の関数として、図２８に示してある。垂直の矢印は、レーザ・バイア
ス電流が一定のときに固定されるレーザ放出（λ_lasing）の位置を示している。
位置αは、V_a=V₁であるとき、λ_lasingでの吸光量を示している。逆バイアスがV ₂ まで増大するとき、位置βで示すように、量子ウェル吸光作用エッジが赤色シ
フトするにつれて、吸光作用、それ故、吸光器電流が増大する。V₁が充分に増大
すると、吸光作用は位置γまで減少し、吸光器電流をほとんど一定の値まで戻す
。こうして、ファブリペロー波長の戦略的な設置および量子ウェル吸光作用縁が
ＮＤＲをかなり強化し、自己脈動または双安定性のための設計に融通性を与える
。

【００３７】 高速検出器およびＲＦスペクトル・アナライザを使用して自己脈動を測定した
。安定動作状態下での非自己脈動状態が、図２９の（ａ）に示してある。装置が
普通のレーザとしてふるまうとき、トレースは、本質的に、相対的な強度ノイズ
を表す。図２９の（ｂ）は、１．８６Ｇｈｚに集中した自己脈動のトレースを示
しており、レーザ・バイアス電流についてせいぜい１０ＭｈｚのＦＷＨＭ（−３
ｄＢ）がI_g=9mAにセットされ、可飽和吸光器バイアス電圧がV₀=2Vにセットされ
、可変抵抗器がＲ＝１０ｋΩにセットされる。 図２９の（ｃ）は、１．３４Ｇｈｚでの自己脈動周波数を示しており、６ｍＡ
のレーザ・バイアス電流についてＲ＝７５ｋΩ、Ｖ₀＝６Ｖである。同様に、図
２８（ｄ）に示す自己脈動は、周波数１．１Ｇｈｚ、I_g＝５．５mAのレーザ・バ
イアス電流についてＲ＝１００ｋΩ、Ｖ₀＝１０Ｖで生じる。

【００３８】 図３０は、レーザ・バイアス電流I_gの関数としての自己脈動周波数のプロット
を示している。この周波数は、レーザ・バイアス電流I_gならびに可飽和吸光器回
路パラメータ（すなわち、Ｖ₀およびＲ）を調整することによって調整すること
ができる。 本発明の装置は、光学ピックアップ検出のために使用できる。たとえば、本装
置は、既存の大容量エッジ・エミッタおよび外部光検出器読み出し方式に代わる
低ノイズ、コンパクトな代替装置となる統合光ディスク読み出し装置として使用
し得る。自己脈動と関連して述べた負の抵抗差は、この機能に必要な双安定性を
得ることを必要とする。双安定レーザ出力は、負荷線が吸光器I−Ｖ（電流−電
圧）と３回（それ故、２つの安定解と１つの不安定解）交差するようにＲおよび
Ｖ₀を選ぶことによって達成される。吸光器バイアスＲおよびＶ₀は、L-I_gトレー
スのヒステリシス・ループの幅を最小にすると共にdL/dIにおける不連続性の大
きさを最大にするように選ぶ。 最適な効率のよいピックアップ検出は、光発生吸光器電流における小さい変化
が吸光器電圧における大きい変化を生じさせることを意味している。したがって
、負荷線、それ故、負の抵抗差の勾配は、自己脈動の場合、かなり急になる必要
がある。吸光器において量子ウェルおよびそれらの励起ピークの使用が、このよ
うな特徴を可能にする。

【００３９】 電流光ディスク読み出し方式は、光源としての縁部放射式レーザおよび別体の
外部光検出器を使用する。本発明は、光源と検出器を単一の装置に組み込む。こ
の方法は、不必要に大容量の光学素子からの反射によるノイズを排除し、また、
装置の物理的な大きさを最小限に抑える。さらに、円形ビーム出力によって、出
力ビームが縁部放射式装置のそれより小さいスポット・サイズに合焦できる。よ
り少ないスポット・サイズにビームを合焦することで、光ディスク上の許容情報
密度が増大する。垂直キャビティ幾何学形状は、二次元アレイの使用を可能にし
、これが並列読み出しを可能にする。ＶＣＳＥＬの二次元性は、また、ウェーハ
・スケール製作を意味し、装置生産性を高め、各ウェーハ上の装置密度を高める
。

【００４０】 図３１の（ａ）は、光学ピックアップのために構成した本発明の装置を示して
いる。図３１の（ａ）は、光学ピックアップ用途で使用され得るバイアス回路１
８０を示している。吸光器１５０は、コンデンサC（たとえば、Ｃ＝０．２μＦ
）およびインダクタL（たとえば、L=10H）と並列にバイアスされる。インダクタ
Ｌを有する分岐部を通して直流電流のみが流れることができるのに対し、コンデ
ンサＣを有する分岐部を通しては交流電流のみが流れることができる。直流電圧
バイアスV₀（たとえば、V₀＝９V）および抵抗負荷R₂（たとえば、R₂=112kΩ）は
、インダクタＬと直列に配置される。第２の抵抗器R₁は、吸光器１５０と直列に
配置される。複合荷重R₁+ R₂およびV₀は、吸光器についての直流バイアス状況を
決定する。すなわち、R₁+ R₂およびV₀は、作動負荷線が吸光器電流電圧（I−Ｖ
）トレースと３回交差して双安定装置動作を得るように選ばれる。吸光器で発生
した交流電流は、R₁およびコンデンサを有する分岐部を通ってアースに流れ、測
定電圧V₂における時間変動を生じさせる。この測定電圧は、交流電流の大きさと
比例する。 図３１の（ｂ）は、光学ピックアップを実施するために本発明の装置と共に使
用される光学キャビティを示している。装置１３０によって発せられる光は、一
連のコリメート用、合焦用レンズ１８２を通して光ディスク１８４上へ合焦する
。光ディスク１８４から反射した光は、同じレンズ列１８２を通して装置１３０
上へ戻ってそこに合焦する。装置１３０に組み込まれたキャビティ内吸光器１５
０は、反射光に応答し、上記した装置回路を使用して経時変化する吸光器電流を
測定する。

【００４１】 光ディスク読み出しを実施するために、装置は、図３１の（ａ）に示す回路を
使用してバイアスされ、図３１の（ｂ）に示す外部光学キャビティ内に置かれる
。直流ゲイン・バイアスが装置に印加され、装置がレーザ光線を発し、出力光が
読み出されるべき光ディスク１８４上へ緊密に合焦する。光ディスク１８４は、
光学パワーの変化量を反映する。次に、これが、同じレンズ列１８２を通して装
置１３０上に戻って、そこに合焦する。装置のキャビティ内吸光器は、変化する
吸光器電流I_aを有する変化する光学パワーに応答し、光学ピックアップ読み出し
信号として機能する吸光器電圧V_aの測定可能な変動を生じさせる。 吸光器電流、それ故、読み出し信号における変動を増幅するために、装置およ
びバイアス回路は、次のように設計される。装置は、ファブリペロー波長が吸光
器バンド・エッジよりも長くなり、それ故、図３６の（ｂ）に示すように、キャ
ビティ内吸光器が負の抵抗差を示すように設計される。直流吸光器バイアス回路
は、図３７に示すように、装置のについての動作負荷線が吸光器電流・電圧（I_a -V_a）トレースと３回交差するように構成される。これにより、装置は、図３２
に示すように、双安定方法で作動する。吸光器バイアスRおよびV₀は、L-I_gトレ
ースにおけるヒステリシス・ループの幅を最小にすると共に、dL/dI_gの不連続性
の大きさを最大にするように選ばれる。直流ゲイン・バイアス電流I_gは、光学フ
ィードバックの有無にかかわらず、吸光器電流の変動が最大となる値にセットさ
れる。これは、図３３の位置Cである。この技術によって、読み出し信号の劇的
な増幅が行われる。

【００４２】 図３２は、Ｒ＝２０ｋΩ、Ｖ₀＝４Ｖの代表的なバイアス状態の下で、所望のL
-I_gトレースを示している。この図に示したように、光学フィードバックが外部
キャビティによって与えられ、L-I_gトレースが上方へシフトする。これは、光学
スイッチングが生じたことを示す。 図３３は、光スイッチングが統合吸光器を横切る電圧Ｖ₂のスイッチングを伴
うことを示している。レーザ・バイアス電流I_gは、ＶＣＳＥＬがこの図でマーク
した位置Cで作動するように選ばれる。この作動位置は、吸光器電圧におけるス
イッチングの大きさを最大にする。フィードバックの有無にかかわらず、吸光器
I_a-V_aトレースが、Ｒ＝２０ｋΩおよびV₀=4Vのバイアス状態に対応する負荷線と
共に、図３４に示してある。I_a-V_asを有する負荷線の交差位置から、光学フィー
ドバックがこれらバイアス状態の下で印加されるときの、０．５V、２４μＡの
吸光器電圧、電流揺動を予測することができる。この電圧、電流揺動の実験的な
測定値は、実質的に負荷線によって予測される量と同じである。

【００４３】 図３５は、Ｒ=180ｋΩ、V₀＝9VおよびI_g＝２．５ｍＡのバイアス状態の下での
本発明の装置の動作を示している。フィードバックが２．５kHzの率でオン、オ
フされるとき、吸光器を横切る電圧は２２０mVで変化し、ノイズが非常に低くな
る。したがって、本装置は、コンパクトな統合光ディスク読み出し装置として良
好に機能する。 結論として、ファブリペロー波長（λ_FP）の、吸光器バンド・エッジ（λ_abs
）に対する配置は、説明した種々の装置の明示にとって重大である。正確なパワ
ー追跡と共に統合検出器を得るために、λ_FPは、λ_absより小さく設定される。
この設計の場合、図３６の（ａ）に示すように、キャビティ内吸光器は、統合光
検出器と同様に機能し、印加された光学パワーに線形に応答する。キャビティ内
吸光器の負の抵抗差（ＮＤＲ）を確立するためには、λ_FPは、λ_absより大きく
設定される。この設計による吸光器の応答性が、図３６の（ｂ）に示してある。
このＮＤＲは、吸光器がどのようにバイアスされるかに依存して、異なった装置
動作を得るために利用できる。図３７に示すように、直流吸光器バイアス（Rお
よびVo；図２０、３１参照）によって決定される負荷線が吸光器電流・電圧（I_a -V_a）特性トレースと３回交差する場合、双安定動作が確立され、これは光学ピ
ックアップのために使用し得る。図３８に示すように、負荷線がＮＤＲの領域に
おいて吸光器I_a-V_aトレースに対して接線方向である場合、そのときには自己脈
動が得られる。

【００４４】 説明を目的とする前記の記述は、本発明の完全な理解を得るために特別な命名
法を使用した。しかしながら、当業者であれば、発明を実施するのに具体的な細
部が不要であることは明らかであろう。他の例においては、基礎となる発明から
の不必要な混乱を避けるために周知の回路および装置がブロック図の形態で示さ
れる。したがって、本発明の特定の実施例についての前記の説明は、図示、例示
のために与えられたものであり、排他的であることも、開示した特定の形態に発
明を限定することも意図していない。多くの修正、変更が上記の教示から可能で
あることは明らかである。実施例は、発明の原理およびその実際の用途を最も良
く説明するために選び、記載したものであり、当業者であれば、意図した特定の
用途に合うように種々の修正をもって発明および種々の実施例を最も良く利用で
きよう。発明の範囲は以下のクレームおよびそれらの均等物によって定義される
ことを意図している。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に従って構成した注入型ダイオード・レーザの断面図である
。

【図２】 本発明の一実施例による底部放射式装置の共振キャビティ内の強度・磁界分布
を示している。

【図３】 本発明の一実施例による頂部放射式装置の共振キャビティ内の強度・磁界分布
を示している。

【図４】 本発明によるキャビティ内（または内部）および外部光検出器によって検知さ
れるような、底部放射式装置の光−電流（Ｌ−I）特性を示している。

【図５】 本発明によるキャビティ内（または内部）および外部光検出器によって検出さ
れるような、頂部放射式装置の光−電流（Ｌ−I）特性を示している。

【図６】 検出器量子ウェル励起ピークを通じてのレージング波長赤色シフトによる光−
電流（Ｌ−I）不一致を示している。

【図７】 本発明の一実施例に従って構成された頂部放射式装置についての最小検出自然
放出を示している。

【図８】 本発明の実施例に従って構成された底部放射式装置についての最小検出自然放
出を示している。

【図９】 本発明による装置が、外部光検出器よりも外部光にかなり鈍感であることを示
している。

【図１０】 本発明の一実施例に従って構成された装置と関連する暗電流を示している。

【図１１】 本発明に従って構成された装置についての、レーザ・ポンプ電流の関数として
の、内部検出器の有効検出感度を示している。

【図１２】 本発明に従って構成された３つの装置の有効検出感度を示しており、波長の増
加と共に増加する検出感度を示している。

【図１３】 本発明の一実施例による装置の電圧動作を示している。

【図１４】 本発明の一実施例による頂部放射式装置の出力スペクトルを示している。

【図１５】 本発明の一実施例によるエアブリッジ接点構造を示している。

【図１６】 本発明の一実施例によるリッジ導波管構造を示している。

【図１７】 本発明の一実施例による埋設されたヘテロ構造層を示している。

【図１８】 本発明の一実施例による陽子移植電流制限構造を示している。

【図１９】 本発明の一実施例によるキャビティ内量子ウェル吸光器を有するＶＣＳＥＬを
示している。

【図２０】 本発明の一実施例と関連して作動するバイアスＴ回路を示している。

【図２１】 本発明に従って構成された装置の動作に伴う測定値を蓄積するのに用いられ得
る回路を示している。

【図２２】 本発明の一実施例に従って構成された装置の、L-I_laserおよびI_laser-V_laser
特性を示している。

【図２３】 いくつかの直流バイアス状態（I_laser）の下で吸光器変調に応答する装置を示
している。

【図２４】 本発明の一実施例に従って構成された装置についての、レーザ・バイアス電流
の関数としての、帯域幅を示している。

【図２５】 異なった直流吸光バイアスでの固定レーザ・バイアス電流についての吸光器変
調反応と関連した比較的一定の帯域幅を示している。

【図２６】 本発明の装置についてのバイアス電流の関数としての出力パワーを示している
。

【図２７】 本発明の装置についての吸光器I_a-V_a特性を示している。

【図２８】 異なった逆バイアス電圧についての波長関数としての測定吸光作用を示してい
る。この図では、レージング波長は、垂直線として示してあり、吸光作用スペク
トルが逆バイアス電圧と共にシフトするときにレーザによって見える相対的な吸
光作用の変動を示している。

【図２９】 （ａ）−（ｄ）は、本発明の装置の自己脈動特性を示している。

【図３０】 レーザ・バイアス電流I_gの関数としての自己脈動周波数のプロット図である。

【図３１】 （ａ）−（ｂ）は、光学ピックアップ装置として構成した本発明の装置を示し
ている。

【図３２】 代表的なバイアス状態下での、図３１の装置についての所望のL-Igトレースを
示している。

【図３３】 図３１の装置の光学スイッチングが統合吸光器を横切る電圧V_aのスイッチング
によって達成されることを示している。

【図３４】 フィードバックの有無による吸光器I_a-V_aトレースと選定したバイアス状態に
対応する負荷線とを示している。

【図３５】 光ディスク読み出し装置として作動する本発明の装置を示している。

【図３６】 （ａ）−（ｂ）は、異なった設計基準の下で本発明の装置について測定した吸
光器電流対電圧（I_a−V_a）トレースを示している。図３６の（ａ）において、装
置は、吸光器バンド・エッジよりも短いファブリペロー波長で設計してあり、図
３６の（ｂ）においては、装置は、吸光器バンド・エッジよりも長いファブリペ
ロー波長で設計してあり、負の抵抗差を示すI_a-V_a応答を生じる。

【図３７】 直流吸光器バイアス（図２０におけるＲ、Ｖ₀、図３１におけるＲ₁＋Ｒ₂およ
びＶ₀）を選択して作動負荷線が吸光器電流対電圧（I_a−V_a）トレースと３回交
差するようにすることを示している。この負荷線の選択は双安定装置動作を与え
る。

【図３８】 直流吸光器バイアスを（図２０におけるＲおよびＶ₀）を選択して、作動負荷
線が吸光器電流対電圧（I_a-V_a）トレースにたいして接線方向となるようにする
ことを示している。この負荷線の選択は、装置の自己脈動を与える。

【符号の説明】

２０ レーザ ２６ 能動領域 ３６、６０ 分散形ブラッグ反射ミラー・スタック １５０ 吸光器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ハッジングス ジャニス エイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94618 オークランド コロナード アベ ニュー 5165 (72)発明者 ラウ カム イン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94506 ダンヴィル ブラックホーク ド ライヴ 5204 (72)発明者 チャン ハスナイン コニー ジェイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94587 ユニオン シティー レモーラ ドライヴ 4387 Ｆターム(参考） 5F073 AA51 AA65 AA74 AB13 AB17 AB21 BA05 CA04 DA23

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学ピックアップ装置として構成したレーザであり、能動領
   域制御信号を受信する第１の接点と、吸光器制御信号を受信する第２の接点と、
   分散形ブラッグ反射ミラー・スタックのサンドイッチであり、各分散形ブラッグ
   反射ミラー・スタックが隣接した分散形ブラッグ反射ミラー・スタックに関して
   別のドーピングを有するサンドイッチと、このサンドイッチ内に位置していて、
   制御信号に応答して光学ゲインを与える能動領域と、前記サンドイッチ内に位置
   した吸光器であり、吸光器制御信号に応答して波長依存性吸光作用を有する吸光
   器とを包含することを特徴とするレーザ。