JP2004528705A - 量子ドットレーザ - Google Patents
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Abstract
Description
米国連邦政府によって後援された研究開発に関する記述
米国政府は、米空軍科学研究局によって与えられた許可番号F49620−95−1−0530、米陸軍研究所によって与えられた許可番号DAAL01−96−02−0001、米空軍科学研究局によって与えられた許可番号F4920−99−1−330、および、米国国防総省高等研究計画局によって与えられた許可番号MDA972−98−1−0002、の許可の下に実行された研究に従う本発明についてある一定の権利を有することができるものである。
【0002】
関連出願
この出願は、2000年10月6日に出願された“Broadband Continuously Tunable−Wavelength Quantum Dot and Quantum Dash Semiconductor Lasers with Low−Threshold Injection Current”と題する米国特許出願No.60/238,030、2000年11月21日に出願された“Quantum Dot and Quantum Dash Semiconductor Lasers For Wavelength Division Multiplexing (WDM) System Applications” と題する米国特許出願No.60/252,084、2001年3月16日に出願された“Semiconductor Quantum Dot Laser Active Regions Based On Quantum Dots in a Optimized Strained Quantum Well”と題する米国特許出願No.60/276,186、2001年3月2日に出願された“Techniques for Using Quantum Dot Active Regions In Vertical Cavity Surface Emitting Lasers”、および、2001年8月31日に出願された“Quantum Dot And Quantum Dash Active Region Devices”(本出願時において、その出願番号は米国特許商標庁から未受領)。すべての上記出願の内容全体は本出願において参考として組み込まれている。
【0003】
さらに、本出願は、2001年9月20日に米国特許商標庁に出願され、本出願の譲受人と共同所有されているStintzらによる米国代理人整理No.22920−6391の“Quantum Dash Devices”にも関連しており、その内容全体は本出願において参考として組み込まれている。
【0004】
発明の背景
1.発明の分野
本発明は、自己組織化半導体量子ドットレーザに関する。特に、本発明は、改良された光学的ゲイン特性を有する量子ドットレーザに関する。
【0005】
2.背景技術の説明
量子ドットレーザは、様々な用途において関心が持たれている。量子ドットレーザの各量子は、各次元に沿うサイズが、室温でのブロイ波長より小さい(すなわち、多くの用途においては、100ナノメータ未満の)領域に電子および正孔を閉じ込める3次元量子閉じ込めヘテロ構造である。量子閉じ込めは、各ドット内に電子および正孔のための量子閉じ込めエネルギ状態を作り出す。また、基底状態、第1励起状態遷移エネルギ、第2励起状態遷移エネルギ等に関連づけられる、電子および正孔についての光学遷移エネルギも存在する。典型的には、量子ドットレーザは、ゲイン生成領域内にかなりの数の量子ドットを含む。
【0006】
理論的な研究によると、量子ドットレーザは、従来の量子井戸レーザに対して多くの潜在的な性能上の利点を有する。第1に、量子ドットレーザは、従来の量子井戸レーザに比べて、より低い充填率(fill factor:注入されるべき物質の体積:フィルファクタ)、および、改善された状態密度関数を有する。 図1において,理論的な状態密度関数は、キャリヤの大きさが小さくなるのにしたがって、鋭くなる。図1Aはバルク材料の理論的な状態密度関数を示し、該状態密度関数エネルギに依存した平方根を有する。図1Bは、各量子井戸エネルギレベル毎に階段状に増加する量子井戸(一次元の量子閉じ込め)の理論的な状態密度関数を示す。図1Cは、量子細線(二次元の量子閉じ込め)の理論的な状態密度関数を示す。図1Dは、量子細線(三次元の量子閉じ込め)の理論的な状態密度関数を示す。デルタ状の密度関数(例えは,量子ドットでのみ得ることのできる有限数の状態)を有する量子ドットの理論的な状態密度関数を示す。理論的な計算は、半導体レーザのスレシュホルド電流が、より小さな物質の体積およびより少ない状態数のため、量子ドットの活性領域を使用することによって改善可能である、ということを示している。
【0007】
量子ドットレーザを製作する1つの技術によると、歪んだ層からなる半導体の歪が、あるスレシュホルド歪を超えたときに島を形成する傾向を利用する。特に、InAsは、2つの物質の緩和された格子定数における差に対応した歪みによって、GaAs基板上で仮像的に歪んだ層に十分な厚みのInAsが成長したときに、島を形成する傾向がある。前記InAsの島は、GaAs量子井戸のような他の層に埋め込まれて、量子ドットを形成することができる。
【0008】
スレシュホルド電流の低い自己組織化(self−assembled)量子ドットレーザは、Lesterらによって、(1999年)8月のIEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, No.8における“Optical Characteristics of 1.24−μ InAs Quantum Dot Laser Diodes”と題する記事に開示されている。この参考文献に開示された量子ドットレーザ構造は、自己組織化成長処理によってGaAs基板上に成長させられたInAs量子ドットの単一層を含む。図2Aは、Lesterらの量子ドットレーザ用の異なるキャビティの長さについて測定されたレーザスペクトルを示し、図2Bは、非被覆ファセットを有する従来のFabry−Perot(ファブリ−ペロー)レーザについて測定された電流密度、対、キャビティの長さを示す。
【0009】
図2Bにおいて、略3.94ミリメータのキャビティの長さについて低スレシュホルド電流密度動作が行われ、1.24ミクロンの発光波長が実現された。1.24ミクロンの発光波長は、基底状態遷移エネルギに起因する。前記キャビティの長さが約1ミリメータ未満に減少させられると、第1励起状態の停止のために、レーザ光発光波長は1.15ミクロンにブルーシフト(青色遷移)する。前記キャビティの長さが約500ミクロンまでさらに減少させられると、発光波長は約1.05ミクロンまでさらにブルーシフトされる。
【0010】
前記Lesterらの量子ドットレーザの1つの欠点は、特に1ミリメータ未満のキャビティ長さについて、最大波長が所望のものより短いということである。様々な商業的用途においては、1.260ナノメータ(1.260ミクロン)の波長が望ましい。これは、少なくとも1260ナノメータの波長が短、中波長光ネットワークリンクに使用されるOC−48基準およびOC−192基準に対応したレーザに適しているからである。OC−48基準およびOC−192基準は、SONET基準に適合したファイバ光ネットワークのための光搬送(OC)基準である。OC−48は2.4888Gbpsのデータレートであり、OC−192は9.952Gbpsのデータレートである。
【0011】
前記Lesterらの量子ドットレーザの他の欠点は、基底状態のモードゲインが所望のものより低く、基底状態遷移エネルギレベルからレーザ光線を発する短キャビティを設計することを実現不可能にする、ということである。所望のレーザ長は用途によって決まる。第1に、多くの商業的に入手可能なパッケージは、わずか500ミクロンたらずのキャビティ長用に設計されている。第2に、従来のファセット被覆による直接的変調レーザが、高速の直接電流変調を可能にするのに十分な程度に短い光子寿命を有するためには、典型的には500ミクロン未満で、好ましくは300ミクロン未満のキャビティ長を有する必要がある。Fabry−Perot(ファブリ・ペロー)レーザのスレシュホルドゲインgthはgth=αi−(1/Lcav)In[R]である。なお、ここで、Lcavはキャビティの長さを示し、Rは両ファセットのファセット反射率を示し、αiは内部光学ロスである。これは、被覆されていないファセットを有する典型的な500ミクロンの長さのキャビティについての少なくとも25cm−1の最小モードゲインに対応し、好ましくは被覆されていないファセットを有する典型的な300ミクロンの長さのキャビティについての40cm−1より大きな最小モードゲインに対応するものである。あいにく、Lesterらによって報告された基底状態飽和ゲインは、9cm−1未満である。図2Aにおいて、Lesterらによって開示された量子ドットレーザ構造が、より高い励起エネルギ状態でのレーザ光発光への急上昇に対応づけられて、500ミクロン以下のキャビティ長さについて、約1.05ミクロンの波長のレーザ光を発光するということが分かる。
【0012】
自己組織化量子ドットを形成する処理についての一般的な問題点は、これまで、光学ゲイン特性を決める量子ドットパラメータを調整するのに十分な程度に成長過程が理解されていない、ということである。その結果、自己組織化量子ドットの光学ゲインスペクトルは、所望の波長で十分な飽和したモードゲインに足らず、基底状態遷移エネルギと励起状態遷移エネルギとの分離が所望のものより大きく、
または、不均一な広がりが小さすぎるもしくは大きすぎる、おそれがある。
【0013】
必要なのは、所望の光学ゲイン特性を有する自己組織化量子ドットを形成するための技術である。
【0014】
発明の概要
所望の光学ゲイン特性を有する量子ドット層を有する光学デバイスを製作するための技術が開示されている。1つの実施の形態において、量子ドットは、分子ビームエピキタシによってGaAs基板上に成長させられたInGaAs量子井戸に形成された自己組織化InAs量子ドットである。第1のAlGaAsまたはGaAs障壁層が成長させられる。該第1の障壁層上には、第1のInGaAs井戸層が成長させられる。InAsの十分なモノレイヤ等価厚みが前記InGaA上に成長させられることによって、自己組織化島が形成される。前記量子ドットを埋め込むために、前記InAs島上に第2のInGaAs井戸層が成長させられる。そして、前記量子井戸を完成するために、第2のAlGaAsまたはGaAs障壁層が成長させられる。前記量子井戸層の光学的ゲイン特性は、まわりの層の組成不均一、ドットサイズ分布、ドット密度、および、転移形成のための臨界厚みを超えることなく活性領域内に配置可能なドットレイヤの数によって影響される。
【0015】
一実施の形態において、ドット密度は、ドットが核化するその下方の井戸材料の組成を選択すること、および、前記ドットの成長温度を選択することによって調節される。また、前記成長温度は、一実施の形態において、所望のドットサイズ分布を実現するために前記温度およびドットについてのInAsの等価モノレイヤ領域が選択されるよう、前記ドットのサイズ分布に影響する。一実施の形態において、前記井戸材料は、約In0.15Ga0.85As〜In0.20Ga0.8Asの範囲内のインジウム合金組成を有する。一実施の形態において、前記ドットの成長温度は、約450℃〜540℃の範囲内になるよう選択される。
【0016】
一実施の形態において、前記下方のInGaAsの組成均一性は、InAsの浮動層を堆積させて前記InGaAsを予め飽和させることによって改善され、これにより、ドット形成に先立って、極めて薄い最下位層が成長させられ得る。前記ドットが核化する下方に横たわる最下位層InGaAs井戸層は、約2ナノメータ以下の厚みを有することができ、一実施の形態においては、約1ナノメータの厚みを有することができる。
【0017】
一実施の形態において、前記ドットの空間的均一性は、前記ドット上に成長させられた最上位InGaAs井戸層から過剰なInAsを除去する処理を行うことによって改善される。該除去処理は、560℃〜650℃の温度で実行されてよい。一実施の形態において、前記除去処理は、前記最上位InGaAs井戸層の上方に突出するInAsの一部を平坦化するのに十分な時間長にわたって継続され、これにより、InAsドットの均一性を改善できる。
【0018】
前記量子ドットの後に成長させられる層の成長温度は、前記ドットの発光波長をより短い波長にブルーシフトするのを阻止するよう選択されてよい。一実施の形態において、前記量子ドットの後に成長させられるクラッド層の成長温度は、610℃未満になるよう選択される。
【0019】
一実施の形態において、1つまたは複数の量子ドット層を有する量子ドットレーザが形成される。一実施の形態において、前記成長温度は、光学ゲインスペクトルの実質的に不均一な広がりを生じるサイズ分布を実現するよう選択され、これは、広い範囲の動作波長を有する波長調整(チューニング)可能なレーザおよびレーザアレイにとって有利である。他の実施の形態において、前記層構造および成長条件は、約25cm−1を超える飽和した基底状態モードゲインを実現するよう選択される。
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
【0035】
【0036】
【0037】
【0038】
【0039】
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【0048】
【0049】
【0050】
【0051】
【0052】
【0053】
【0054】
【0055】
【0056】
好ましい実施の形態の詳細な説明
【0057】
本発明は、量子ドットの密度、サイズ分布、均一性、井戸内におけるドットの位置、および、隣り合う量子ドット層間の間隔を制限する歪み−厚み積、等の光学的ゲイン特性を決定する量子ドット特性を制御するための改良制御技術を含む、光学デバイス用の自己組織化(self−assembled)(又は自己集合化)量子ドット層を製作するための技術に関する。さらに、改良された光学的ゲイン特性を有するレーザ構造も開示されている。
【0058】
図3は、障壁層305の間に挟まれた量子井戸層310に埋め込まれた多数の個々の量子ドット320を含む理想的な量子ドット層330を示す斜視図。前記個々の量子ドット320は低バンドギャップ幅の半導体材料らなり、前記量子井戸層310は中間的なバンドギャップ幅のエネルギを有する半導体からなり、前記障壁層305は高バンドギャップ幅の半導体材料からなる。好ましくは、前記半導体材料は、III−V族化合物半導体からなる。
【0059】
なお、前記量子ドット層は、活性領域内で発生した光を光学的に閉じ込めるための光導波構造を備えたp−i−nレーザダイオード構造の活性領域内に含まれていてよい。例えば、前記レーザ構造は、第1のドーピング極性を有する最下位光学クラッド層と、第1のアンドープ導波コア層と、量子ドット活性領域と、第2のアンドープ導波コア層と、第2のドーピング極性を有する最上位光学クラッド層とからなっていてよい。
【0060】
多数の量子ドット320によって提供される巨視的光学的ゲインは、前記量子ドットの集団の光学的ゲインに左右される。単一の量子ドット層330または1列(シーケンス)の量子ドット層を含む活性領域のモードゲインは、前記活性領域内の前記量子ドットの集団の累積的なゲイン、および、(図3に図示していない)他の導波層による前記量子ドット320に対する光結合(しばしば、横方向光導波モードの“光閉じ込め”として知られている)の結果である。波長の関数としてモードゲインは、しばしば、光学ゲインスペクトルとして記述される。
【0061】
個々の量子ドット320は、量子閉じ込め状態の光遷移に対応づけられた、注入された電流に応じた光学的ゲインを有する。1つの理想的な量子ドットは、鋭い原子のような状態密度を有し、該ドットのサイズによって決定される遷移エネルギで鋭いピークを有する発光スペクトルを有することになる。注入された電流の影響で均一な広がりが生じ、個々のドットから20meVを超える発光エネルギの広がりが起こる。
【0062】
量子ドットの集団の遷移エネルギの均一な広がりは、ドットサイズによる影響のためである。量子ドットは、高さと幅と長さとを有する量子箱として設計可能である。前記高さは、前記ドットの成長した状態での厚みに対応する。また、前記幅と長さとは、量子井戸の面内での寸法に対応する。周知のように、一次近似法によると、理想的な量子箱の各次元に沿った第1の閉じ込め量子状態は、前記長さの2乗とは逆比例して変化する。すなわち、長さLx、幅Lyおよび高さLzを有する無限障壁を持つ理想的な量子箱のエネルギレベルEn1,n2,n3は、En1,n2,n3=ΔE0(n1 2/Lx2+n2 2/Ly2+n3 2/Lz2)である。ここで、n1、n2およびn3の各々は、1以上の整数であり、ΔE0は材料定数である。有限障壁を持つ量子箱の場合、量子状態間のエネルギ分離は、障壁層中への量子の機械波動関数の浸透により、より低速で変化する。ドットの集団の場合、各ドットのサイズは、平均値を中心として変化し、各ドットにおける電子および正孔の量子閉じ込めエネルギを拡大する。
【0063】
本発明の実施の形態は、個々のドット、個々の量子ドット層および量子ドット層の列の特性についての改良された制御を可能にする成長技術を含むものである。後で詳述するように、これらの技術は、様々な装置用途について、望ましい光学的ゲイン特性を持つレーザ構造の形成を容易にする。
【0064】
図4A〜4Cは、自己組織化量子ドット層を形成するために使用されるステップのいくつかを例示する成長層シーケンスの図である。しかし、完全なレーザまたは光増幅構造を形成するためには、付加的な層(例えば、導波層)が必要となる、ということが理解されよう。好ましい成長技術は、量子ドット層が450℃〜540℃の温度で成長させられる分子線エピタキシである。前記温度を測定するために、従来の光学パイロメータを使用してよい。好ましくは、ヒ素の安定した面を実現するために、ヒ素フラックスが選択される。図4Aに示すように、基板401上に最下位障壁層402が形成される。一実施の形態において、前記基板はGaAs基板であり、前記最下位障壁層402はGaAs層またはAlGaAs層である。
【0065】
好ましくはInGaAsからなる最下位井戸層404は、厚みTw1まで堆積される。一実施の形態において、前記最下位井戸層404の厚みは、約0.5〜5ナノメータの厚みとされる。一実施の形態において、前記最下位障壁層402の表面は、InGaAs井戸層の成長に先んじて、約約0.5〜1.6モノレイヤのインジウム浮動層で予め飽和される。
【0066】
図4Bに示すように、好ましくはInAsからなるドット層が、前記最下位井戸層404に堆積されて、InAs島406を形成している。前記InAsは、その下方に横たわる半導体層より約2%以上大きい緩和された格子定数を有するので、十分な数のInAsの等価モノレイヤが堆積されたとき、Stranski−Krastanow(S−K)成長モードが発生する。(後で詳述するように、一実施の形態において、前記堆積されたInAsの等価モノレイヤは、前記最下位障壁層402に堆積されたInAsと、前記最下位井戸層404の成長に先立って前記最下位障壁層402にInAsに予め飽和された層を堆積することによるInAsモノレイヤの厚みとを含む)。前記S−K成長モードにおいて、前記島形成のための駆動力は、弾性変形によって与えられる歪みエネルギの減少である。すなわち、S−K成長のためには、転位発生よって歪みを緩和するよりも、島を形成することによって表面エネルギを増加する方が、エネルギ的により好ましい。S−K成長モードにおいて、大きな格子定数の材料が初期ウェット層で臨界厚みまで成長された後、該成長は3次元となる。その結果、InAs島406が、前記最下位InGaAs層404上で成長する。島404を形成するための等価InAsモノレイヤの典型的な範囲は、他の成長パラメータならびに所望のドットサイズおよび密度に応じて、約1.8〜4.0モノレイヤである。大きな等価InAsモノレイヤは、より密および/またはより大きな量子ドットのために使用される。ある成長状態のために、InAsの薄いウェット層405が前記最下位InGaAs層404に残っていてよい。
【0067】
その後、好ましくはInGaAsからなる最上位井戸層408が、成長させられ、前記InAs島404を覆う(埋めこむ)。一実施の形態において、前記最上位InGaAs層408は、4〜12ナノメータの範囲内の厚みを有していてよい。所望の場合、前記最上位井戸層の成長温度を調節しおよび/または前記量子のオズワルド熟成を考慮するために、前記ドット層成長の後に、成長中断を行ってよい。
【0068】
その後、GaAsまたはAlGaAsからなる最上位障壁層410の成長が行われて、前記量子井戸が完成する。一実施の形態において、いくつかのGaAs単分子層が最上位障壁層410で成長させられた後、成長中断が行われ、その成長中断中、温度が580〜650℃の範囲内の温度に上昇させられ、成長面に浮遊している余分なインジウムを除去する。その後の層の成長温度は、前記量子ドットの光学的品質を保つよう選択されてよい。
【0069】
InGaAs井戸のバンドギャップは、InAs島のバンドギャップと、該InAs島を囲むGaAsまたはAlGaAs障壁層のバンドギャップの中間である。一実施の形態において、InxGa1−xAsは、約0.1〜0.3の範囲の合金分率を有する。高いインジウム合金分率は、量子ドットへのキャリア閉じ込めを向上するという利点を有するが、層のひずみも増加させる。各量子ドットは、より高いバンドギャップの材料によって四方が囲まれた低いバンドギャップの材料の島からなる。なお、前記埋め込む処理における相互拡散、相隔離およびスピノーダル分解を考慮する必要がある。というのは、これらが量子ドットの形状および組成に影響する可能性があるからである。
【0070】
成長した構造における量子ドットのコアを形成する前記InAs島は、成長条件に依存する統計的な特性を有する。図5は、InGaAs層上に堆積されたInAs島505の斜視図を示す原子間力顕微鏡による画像である。前記島は、分子線エピキタキシによって成長させられたものである。前記ドットは、前記InGaAs層の面内において約20〜30ナノメータの平均直径を有し、約7ナノメータの高さ(前記InGaAs層の面に対して垂直な高さ)を有する。前記ドットは、典型的には2:1未満の幅、対、長さの比を有する。しかしながら、前記ドットは、平均的なサイズおよびこれに対応する多様性によって特徴づけられ得るようなサイズ分布を有する。十分大きな面積にわたり、ドット層におけるドットは、ドット密度(例えば、単位面積当たりのドット数)によっても特徴づけられ得る。
【0071】
図6は、2つの異なるInGaAs井戸層組成で成長させられた量子ドットについての、量子ドット密度、対、成長温度を示す図。量子ドット密度は温度および最下位井戸層の組成に強く依存している、ことが分かる。約470℃の成長温度では、1 x 1011cm−2のドット密度が実現可能である。470℃から540℃の範囲の成長温度を選択することによって、ドット密度を5倍以上調節可能である。量子ドットがInGaAs層上で成長させられる場合の量子密度は、同等温度でGaAs層上で成長させられる場合に比べて、少なくとも2倍以上高い、ということが実験によって示されている。また、InGaAs合金の組成がIn0.1Ga0.9AsからIn0.2Ga0.8Asに増加させられると、量子密度も増加する。前記最下位InGaAs井戸層の厚みが極めて薄いものの、該最下位InGaAs井戸層の量子ドットの核化に関して、厚い井戸層と同じ効果を有することができる、ということが本発明者の実験によって示された。従って、再現可能なドット密度を実現するためには、前記最下位井戸層が一貫した再現可能な厚みおよび合金組成を有すればよい。約1ナノメータの厚みが再現可能な成長にはより容易であるが、前記最下位井戸層はわずか0.5nmの厚みを有することができる。
【0072】
図6から判るように、成長温度はドット密度に大きな影響を及ぼす。従って、最下位InGaAs層の組成および成長温度を選択することによって、量子ドット密度はかなりの範囲にわたって選択され得る。さらに、成長温度の上昇と共に、ドットサイズは大きくなり、ドット密度は低くなる。また、前記ドットは、成長温度の上昇に伴って、サイズがより均等化する傾向がある。成長条件によるドットサイズの変化は、原子間力顕微鏡によって確認可能である。しかしながら、高バンドギャップ材料に埋められたドットを有する構造にあっては、ドットサイズの変化は、複数の異なる成長条件についての半値全幅(FWHM)のフォトルミネッセンス測定値から推断可能である。一般的に、量子ドットサイズが大きいほど、フォトルミネッセンスFWHM測定値が大きくなる。このため、特定の用途において、一連の複数の量子ドットが異なる温度で成長させられ、前記フォトルミネッセンスFWHM測定値がサイズ不均一性の表示として使用されてよい。
【0073】
量子ドットの後に成長させられる層の成長条件は、量子ドットの光学的品質に影響する。特に、最上位量子井戸層の成長温度は、量子ドットのフォトルミネッセンス品質に影響する。図7は、複数の異なる温度で成長させられた上方InGaAs井戸層を有するInAs量子ドット構造についてのフォトルミネッセンス測定値を示す。フォトルミネッセンスの変化は、高い温度での上方(覆い)井戸層の分解に起因するものである。そのため、一実施の形態において、上方井戸層の成長温度は、量子ドット層の光学的品質を向上するよう選択される。レーザの一実施の形態において、前記上方井戸層の成長温度は、460℃〜490℃の範囲内になるよう選択される。というのは、この温度範囲は、良好な材料品質と比較的長い発光波長に対応する基底状態遷移エネルギとの組合せを実現することを容易にするからである。
【0074】
量子ドット層の後の厚い層の成長は、前記量子ドットの光学的特性にも影響する。図8は、レーザ構造における導波クラッド層の成長をシミュレートするために、複数の異なる温度でアニールされた量子ドットテスト構造についてのフォトルミネッセンススペクトルを示す。高いアニール温度では、かなりのブルーシフト(より短い波長へのシフト)が生じる。これは、長い波長のレーザ(例えば、1.24ミクロンを超える波長のレーザ)にあっては、量子ドット層の後に成長させられるクラッド層について比較的低い成長温度(例えば、約610℃未満のAlGaAsクラッド層成長温度)を選択するのが望ましい、ということを示している。
【0075】
最下位層404を含むInGaAs半導体の表面は、再現可能なInGaAs合金組成を有する、のが望ましい。これは、図6に示すように、部分的には、最下位層404のInGaAs合金組成のドット密度に強く依存しているからである。しかしながら、電界効果型シランジスタの分野においては、InGaAsがインジウムを含まないGaAsまたはAlGaAsのような層の最上部で成長させられる場合、前記InGaAsが有限的な厚みに関して選別された合金組成を有することができる、ということが知られている。これは、分子線エピキタシ成長の間、インジウムがInGaAsの表面において分離する傾向があるからである。このように分離したインジウムは、インジウムの“浮動層”としても知られている。該浮動層におけるインジウムの量は、結局、特定の成長温度および名目上の(厚い膜状)InGaAs成長温度についての定常状態値にまで増加する。約500℃で成長させられるIn0.2Ga0.8Asにあっては、前記インジウムの浮動層は、InAsの略1モノレイヤに対応する。図9は、従来技術による、分離したインジウム(等価モノレイヤ領域)、対、名目的なInGaAsの厚みを示す図である。表面上におけるインジウムの初期的な濃度が(ここで、モノレイヤ(MLs)のX0はゼロ)であるならば、3〜4ナノメータのInGaAsが定常状態まで成長させられなければならない、ということが分かる。
【0076】
図10は、最下位障壁層402の後に成長が中断され、平衡モノレイヤ領域に近似するインジウムノレイヤの厚み(例えば、0.5〜1.5の範囲内の等価モノレイヤ領域が有利であるが、InAsの1等価モノレイヤ)を有するInAsの浮動層1010が堆積される。その後、最下位井戸層404が成長させられる。図9に示すように、前記InGaAs層がその平衡値に近いモノレイヤ領域で始まる場合、比較的薄いInGaAs層が再現可能な合金組成を実現するよう成長させられればよい。その結果、本発明者は、最下位井戸層404の表面の再現可能な合金組成を実現しながら、2ナノメータ未満の厚みを有する最下位井戸層404を成長させることが可能である、ということを認識した。一実施の形態において、最下位井戸層404は、1ナノメータ以下の厚みを有する。なお、InAsの浮動層1010は、ドット406を形成するためのInAsが堆積された場合にドットの形成に至る前記表面上の全体的なInAsモノレイヤ領域に貢献する。従って、一実施の形態において、InAsドット406を形成するための等価モノレイヤ領域は、予備飽和浮動層1010のInAsモノレイヤ領域と組み合わされた最下位井戸層404の成長の後に堆積されるInAsモノレイヤを含む、ことが理解されるであろう。一例として、量子ドットを形成するための前記所望の等価InAsモノレイヤ領域が2.4モノレイヤであり、InAsの1つのモノレイヤがInAsの浮動層1010として堆積される場合、2.4等価モノレイヤの所望の等価InAsモノレイヤ領域を実現するためには、最下位井戸層404の成長の後にInAsの約1.4モノレイヤが堆積されればよい。
【0077】
本発明者のフォトルミネッセンスの研究によって、必ずしも量子ドットの全てが上方障壁層に浸透しない方が望ましい、ということが分かった。図11Aは、最上位InGaAs井戸層408がInAs島406上に成長させられた後の、成長プロセスの一部を示す。上述のように、前記成長プロセスの統計的性質により、InAs島406のサイズはランダムに分布する。従って、前記最上位井戸層408が前記島606の最大厚み変化より厚くされない限り、前記島406のいくつかは前記井戸層408内に埋め込まれない突出部1105を有することになる。本特許出願に係る発明者による研究は、前記突出部1105は、特にアニール直後における前記構造の光学的品質を低下させるとともに、その他の不利な影響を及ぼすおそれがある、ことを示している。前記突出部1105は、これに対応する量子ドット406の光学的特性に実質的な変化を起こす可能性があるので、突出部1105を有するドットの割合を減少させるのが望ましい。
【0078】
図11Bは、量子ドットが量子井戸内に完全に埋め込まれることを確実にするための、層シーケンスを示す側面図である。図11Bに示す実施の形態において、最上位井戸層408の厚みd2は平均的なドットの厚みtdより大きいよう選択されている。なお、量子は井戸層の中心に対照的に配置される必要はない。例えば、一実施の形態において、厚みd2は下方の井戸層404の厚みd1よりかなり厚い。一実施の形態において、最下位井戸層404の厚みは、再現可能な組成を実現しながら、できる限り薄くなるよう選択されている(例えば、1〜2ナノメータの厚み)。一例として、下方の井戸層404は2ナノメータの名目的な厚みを有することができ、上方の井戸層408は8ナノメータの名目的な厚みを有することができる。一定した合計井戸層厚みtwを実現するために、このような構成により、全てのドットが井戸内に埋め込まれた状態で、ドット高さをできる限り広く異ならせることができる。
【0079】
図11Cは、除去ステップを使用して、ドット406の突出部1105が除去される実施の形態における成長シーケンスを示す。この実施の形態において、前記上方井戸層408が成長させられた後、該成長は、十分高い温度で、且、十分長い時間の間中断され、これにより、突出部1105からInAsを放出除去する(突出部1105は、除去ステップの間に、実質的に平坦な面となるよう除去されるので、該突出部1105は図11Cにおいて想像線で示されている)。一実施の形態において、前記除去ステップに先立って、少数のGaAsモノレイヤが成長させられてよい。前記除去ステップの後に前記成長が再開され、障壁層410が成長させられる。
【0080】
前記突出部1105を除去するための除去時間および温度を選択するために、フォトルミネッセンスおよび他の特徴判断技術を使用してよい。典型的な時間および温度としては、ヒ素安定GaAs面を維持するのに十分なヒ素流動率で1分間、590℃の除去温度が使用される。一実施の形態において、GaAs面は安定するがInAsは消失するよう、温度が選択される。上述のように、一実施の形態において、前記除去プロセスの間に前記上方InGaAs井戸層の平坦部分の品質を容易に保持できるよう、前記除去プロセスに先立って、少数のGaAsモノレイヤが堆積されてもよい。斜線部分で示すように、前記除去ステップは、最終的な構造において、結果としての量子ドット406が上方障壁層410中に入り込まない、ことを確実にする。フォトルミネッセンスの実験により、図11Cに示したプロセスが約25〜35meVの量子ドットについて、図11Bに示したプロセスを使用して形成された量子ドットについてのフォトルミネッセンスFWHM測定値より約2倍低いフォトルミネッセンスFWHM測定値を有し、これが量子ドットの厚みにおける均等化の改善によるものである、ということが示された。従って、図11Bに示した実施の形態は、前記突出部分を除去でき、量子ドットの厚み均等化を改善できる、という2つの有利な効果を提供する。一実施の形態において、成長した島の平均的な厚みは、前記上方InGaAs井戸層の厚みより大きいものが選択される。従って、この実施の形態において、前記除去ステップによって、全ての量子ドットの高さが揃えられ、前記上方InGaAs井戸層と略同じ厚みを有することになる。
【0081】
本発明の成長技術による1つの有利な効果は、比較的薄い量子井戸内で成長させられる量子ドットの高い密度を可能にし、これが、特定のドット密度および量子ドットの対応するピーク光学ゲインを実現できるよう歪み−厚み積を減少する、ということである。さらに、これは、少なくとも1260ナノメータの発光波長のような、商業的利用に適した比較的長い基底状態発光波長で、同時に実現されることが可能である。例えば、9ナノメータの井戸厚み、0.15のインジウム合金分率、1平方センチメータ当たり1x1011のドット密度に対応する温度で成長させられた2.1モノレイヤのInAsモノレイヤ領域である場合、これに対応する歪み−厚み積(前記InAsドットおよびInGaAs井戸層に関する等価InAs厚みの加重平均により、20%の前記井戸における平均的インジウム合金分率を算出)は、前記井戸の厚み(90オングストローム)を乗じた平均的組成(1.45%)に対応した歪みであり、すなわち、130.5Å−%である。
【0082】
図12は、光学デバイスの活性領域1200の成長層シーケンスおよび層厚みを示す。なお、前記活性領域1200は、他の光学導波クラッド層内の導波コアの一部または全部からなっていてよい。低い歪み−厚み積を有する個々の量子ドットを形成する能力は、約200〜300ナノメータの範囲内のコア導波路厚みTactiveを有する適当なレーザウェーブガイドの活性領域に4つ以上の量子ドット層を積ね重ねることを容易にする。
【0083】
個々の量子ドット層または量子ドット層シーケンスを設計する上での重要な制約は、活性領域の歪み−厚み積である。GaAs基板上で成長させられるInGaAs層は、歪みのある層である。該歪みのある層の歪み−厚み積が十分に低いものである場合、高い品質の、歪みのある層が実現され得る。しかしながら、前記歪み−厚み積が高すぎる場合、臨界的な厚みを超えると、ぴったり合わない転位が生じがちである。1つの歪みのある層の臨界的な厚みを算出するために、従来より様々な技術が使用されている。
【0084】
図13は、(埋め込まれる量子ドット層の下限を算出するために使用されてよい)均等な合金組成を有する歪みのある層の臨界的な厚みを算出するために一般的に使用されているMatthews−Blakeslee関係を示す。曲線1305は、臨界的な厚みを示す曲線である。該曲線1305の上方の領域は、転位を生じがちである。Matthews−Blakeslee曲線1305は、平均的な井戸層の組成およびIn0.2Ga0.8Asのドットを有する1つの量子ドット層が、せいぜい12ナノメータの臨界的な厚み有する、ことを示している。しかしながら、前記量子ドット自体が転位されない場合、Matthews−Blakeslee臨界的厚みは非平衡結晶成長についての伝統的な概算である。
【0085】
さらに、活性領域1200の量子ドット層シーケンスにおいて、平均的な歪み−厚み積は、スレシュホルド平均的歪み(例えば、0.5%)未満でなければならない。Ewが井戸層の歪み、Twが井戸の厚みとした場合、個々の量子ドット層の歪み−厚み積は、EwTwである。また、Ebが障壁層の歪み、Tbが障壁層の厚みとした場合、個々の障壁層の歪み−厚み積は、EbTbである。nドット層のシーケンスの場合、平均的歪みEavは、
【0086】
【数1】
数式1
【0087】
(歪みの無い)GaAs障壁の場合、これは次のように簡略化される。
【0088】
【数2】
数式2
【0089】
上記数式1は、障壁の厚み、井戸の厚み、修正された平均歪み、障壁の歪み、および、井戸の歪みの間の関係として表現し直すことができる。
【0090】
【数3】
数式3
【0091】
GaAs基板上で成長させられるGaAsまたはAlGaAsの場合、
【数6】
であり、従って、前記障壁の厚みは、
【0092】
【数4】
数式4
【0093】
上記式は、最小の障壁層の厚みについての関係を求めるために使用可能である。平均的歪みが最大平均歪み(例えば、約0.51%未満の平均歪み)Eavmax未満に選択される場合、次の関係が成り立つ。
【0094】
【数5】
数式5
【0095】
一例として、約In0.2Ga0.8Asの平均的In合金組成について、前記Eavmaxが0.4でEWが1.45である場合、Tb>2.625Tw(n/(n+1))である。ある構造についてのTwが9nmである場合、6量子ドットレイヤを要する構造の最小障壁厚みは約20ナノメータである。
【0096】
前記量子ドットは、様々なレーザ構造に利用可能である。例えば、図31において、AlGaAsクラッド層1320および3125を使用して、長さLを有する光学キャビティの量子ドット活性層3105に対して縦方向の光閉じこめを実現してよい。反射ファセットまたはブラッグ格子等の任意の適当な手段を使用して、光学キャビティのための光学フィードバックを行ってよい。任意の適当な処理を使用して、横方向の光閉じこめを実現してよい。例えば、横方向の光閉じこめを実現するために、リッジ導波路を使用してよい。個々のレーザは、ファブリ・ペローレーザ、分散型ブラッグ反射器レーサ゛、分散型フィードバックレーザまたは外部キャビティレーザとして製作されてよい。不利なブルーシフトを回避するよう成長条件を選択することによって、量子ドットのサイズ(高さ、幅および長さ)を、商業的に重要な1.3波長範囲のような様々な波長でのゲインを実現するよう選択され得る。
【0097】
図14Aは、単一の量子ドット層を有するレーザの成長シーケンスを示す図であり、図14Bは、対応する伝導帯エネルギを示す図である。前記伝導帯エネルギ図から理解されるように、前記量子井戸は、中央量子井戸層のバンドギャップエネルギがその周りの量子井戸障壁層に比べて低いことによって、量子ドットが注入されたキャリアを捕捉して保持するのを補助する。図14Aにおいて、n型GaAs緩衝層がGaAs基板上に成長させられる。その後、約2ミクロンの厚みを有する第1のAlGaAsクラッド層が成長させられる。その後、約0.11ミクロンの厚みを有する(非トープ)アンドープGaAs導波層が成長させられる。InAsの約1モノレイヤからなる予備飽和層1415が、成長中断ステップ時に堆積される。前記成長中断時に、成長温度が約490℃に調整される。その後、約2ナノメータのInGaAs最下位井戸層1420が成長させられる。InAs島を形成するために、約1.4モノレイヤの単分子膜被覆率に対応するInAs層が堆積される。なお、InAsの1モノレイヤの予備飽和層1415が前記最下位井戸層1420に先立って堆積させられるので、前記InAs島を形成するInGaAs最下位井戸の表面上におけるInAsの合計被覆率は約2.4等価モノレイヤとなる。その後、約7.6ナノメータの厚みを有するInGaAs最上位井戸層1440が成長させられる。一実施の形態において、その後に、数モノレイヤのGaAsが成長させられ、これに引き続き、基板温度が約610℃に上げられる成長中断ステップが行われる。好ましくは、前記成長中断ステップは、前記第1の導波層と略同じ厚みを有する第2のGaAs導波層1445の成長を開始する前に前記表面から余分な隔離されたインジウムを除去するために、十分長い期間継続される。その後、上方AlGaAsクラッド層1450が成長させられ、しかる後、GaAs被覆層1455が成長させられる。
【0098】
層1410、1420、1430、1440および1445は、その周りのAlGaAsクラッド層1405および1450より高い屈折率を有する導波コア領域を構成する。その結果、横光学モードが前記レーザ構造によって閉じこめられる。前記横光学モードの一部分は、前記レーザ構造における量子ドットによって占拠される部分に閉じこめられることになる。
【0099】
前記p型層、アンドープ層およびn型層は、p−i−nレーザ構造を構成する。1つの基板極性のみが示されているが、前記層のドーピング極性は図示のものとは逆にしてもよい。前記量子井戸層1420および1440は、量子ドットに対するキャリア捕捉を向上するという付加的な効果を実現するとともに、前記ドットからのキャリアの熱放射を減少させる作用も有する。これは、量子ドットレーザに重要な利点をもたらす。量子ドットレーザにおいて、個々の量子ドット層における量子ドットの充填率(フィルファクタ)は、低く、ドット密度および平均的ドットサイズに応じて典型的には10%未満である。場合によっては、前記充填率は5%未満であることもある。量子ドットは量子井戸内に配設されるので、量子井戸の井戸層によって捕捉されるキャリアは、当然、量子ドットに進入する。さらに、前記量子井戸の障壁層も、前記ドットからのキャリアの熱放射を減少させる作用を有する。
【0100】
図15は図14と同様な層シーケンスを示す。しかしながら、図15に示すように、前記活性層の成長温度は、量子ドットの密度を制御するために変化させられてもよい。
【0101】
図16は、測定されたモードゲイン、対、2つの異なるドット密度を実現する成長温度で成長させられたレーザ構造の関係を示す図である。図16において、実験データは、飽和基底状態モードゲインがドット密度に対して略リニアに上昇する、ことを示している。
【0102】
図17は、図14のものと同様なレーザ構造の基底状態モードゲインを示すものであるが、前記InGaAs井戸層の合金組成が変化させられている。飽和(最大)基底状態モードゲインはIn合金成分が増えるに従って増加する、ということが分かる。
【0103】
上述のように、前記量子井戸内の歪みが転位のための臨界厚み未満であり続け、また、前記導波コアによる平均的歪みが平均的歪みスレシュホルド値未満であり続けるのに十分な程度に、量子ドット層間の分離が大きいものである限り、多数の量子ドット層を活性領域に使用できる。図18は、1つの量子ドット層を有するレーザ構造についてのモード、対、電流密度の関係を示す曲線1805、および、3つの量子ドット層を有するレーザ構造についての同様な曲線1820を示し、ここにおいて、各量子ドット層の量子井戸は10ナノメータの厚みの障壁層を介して隣接する量子ドット層から分離している。この例において、個々の量子ドット層は、各量子ドット層の光閉じこめは単一の量子ドット層のものと略同じになる程度に十分近接して離隔しており、その結果、総合的なモードゲインが累積的に3倍増加する。
【0104】
前記量子ドットレーザの成長条件および層シーケンスは、特定の用途に適合されてよい。ある用途においては、比較的高い基底状態飽和モードゲインが望ましい。例えば、OC−48およびOC−192に対応したレーザ等の商業的なレーザの用途において、少なくとも1260ナノメータの発光波長および500ミクロン未満キャビティ長が必要であり、光子の寿命を短くするためには300ミクロンのキャビティ長が望ましい。この波長は、レーザを基底状態(最長波長発光)で動作するよう設計し、且つ、成長時における量子ドットのブルーシフトを最小化する成長条件を選択する(すなわち、上述のようなブルーシフトを最小化するよう被覆層および厚いクラッド層の成長条件を適当に選択することによって)、実現可能である。さらに、ドットの高さ、ドットの直径、ドットの組成、ならびに、InGaAs井戸の幅および組成は、基底状態遷移エネルギに影響し、1260ナノメータを超える発光波長を有する基底状態光遷移を実現するよう選択されてよい。
【0105】
本発明の量子ドットの利点は、これらが極めて低い線幅増大係数を有する、ということである。レーザがその駆動電流(その光出力を変化させるためにp−i−nレーザダイオードに注入される電流)を変化させることによって直接変調される際、低い線幅増大係数は好ましくない波長変動を減少させる。前記線幅増大係数αは、レーザ発光波長λでのある特定のゲインに関して、キャリア密度Nの変化が活性層の屈折率nを変化させる程度を示すものである。該線幅増大係数は、
【0106】
【数7】
のように数学的に表すことができる。
【0107】
本発明者の実験は、前記量子ドットレーザの線幅増大係数がわずか0.1であり、これは略同じ波長の同等の量子井戸レーザに比べて約20倍低い、ということを示している。この低い線幅増大係数は、レーザの高周波数直接変調の波長チャープを減少させる。チャープは、変調データ速度が上がるのに伴い、ファイバオプティクスに使用される従来のレーザにおいてますます深刻な問題となる。従って、ある従来のファイバオプティクスにおいては、レーザの一定のパワー出力を変調するために、外部の変調器(前記レーザとは別個の変調器)が使用される。比較すると、本発明の量子ドットレーザの0.2未満の低い線幅増加係数は、極めてわずかなチャープでレーザの直接的高速変調を可能にする。このため、本発明の量子ドットレーザは、レーザが少なくとも1260ナノメータの波長を有し、1Gbpsより高いデータ速度で直接変調され、これにより外部の変調器を不要にする用途にとって魅力的なものになる。
【0108】
OC−48およびOC−192に対応したレーザ等の様々な商業的なレーザは、1Gbpsを超える変調速度を必要とする。直接変調レーザにおいて、緩和振動周波数frは、
【0109】
【数8】
の式で与えられ、ここで、Pは光子密度、ηは導波路の有効屈折率、cは真空状態での光の速度、τは光子の寿命、dg/dNは差動ゲインを示す。
【0110】
量子ドットレーザの直接変調に関し、高いデータ速度で直接変調されるレーザには短い光子寿命が必要であり、このことは、500ミクロン未満のキャビティ長、好ましくは300ミクロン未満のキャビティ長が必要であることを暗示している。飽和基底状態でのモードゲインは、長さが500ミクロンのキャビティであって前後のファセットのファセット反射率がそれぞれ10%/90%である場合、少なくとも25cm−1でなければならず、また、長さが300ミクロンのキャビティであって前後のファセットのファセット反射率がそれぞれ10%/90%である場合、少なくとも40cm−1でなければならない。さらに、前記レーザは、前記差動ゲイン(dg/dN)が高くあり続けるよう飽和基底状態でモードゲインより十分低く選択されるスレシュホルドゲインで動作するのが望ましい。
【0111】
高い飽和基底状態モードゲインを必要とする用途では、厚みが約300ナノメータ以下の導波コア領域内に複数の量子ドット層が含まれるのが好ましい。というのは、約200〜300ナノメータの範囲内の導波コアの厚みは、量子ドット層毎に最適な光閉じ込めを実現するからである。(なお、200〜300ナノメータの範囲内の厚みは、AlGaAs導波層の屈折率について1.3ミクロンの発光波長の約半分に当たる距離に対応し、これについて量子ドット層毎に高い光閉じ込めが実現され得る)。1つの量子ドット層について、7cm−1を超える飽和基底状態モードゲインを得ることができるので、高いピーク光学ゲインを必要とする多くの用途には、4〜8個の範囲の合計量子ドット層で十分である。合計4〜8個の量子ドット層を有するレーザの成長シーケンスの一例が図19に示されている。前記導波コアの全厚みは、好ましくは約200〜300ナノメータの範囲内であるのが好ましい。というのは、この範囲は、量子ドット層当たりの最高の光閉じこめを実現するからである。対応するAlGaAsクラッド層は、モル分率xが0.6〜0.8(60%〜80%のアルミニウム・ヒ素比率のような百分率で記述されてもよい)の範囲内とするAlxGa1−xAsクラッド層であるのが好ましい。というのは、この範囲が成長中の高品質光学層に一致した高い光閉じこめ率を実現するからである。前記AlGaAsクラッド層はより低いモル分率で成長させられてもよいが、前記AlGaAsにおけるアルミニウムのモル分率が減少させられるのに伴って、光閉じこめ率が幾分低くなる。
【0112】
なお、直接変調レーザ構造はレーザのp−i−nダイオードに対して変調された電流を供給するために任意の公知のパッケージングおよび接点を使用してよい。例えば、前記レーザは、1Gbpsを超える速度で変調される電流をダイオードに供給するようパッケージングされたリッジ導波レーザであってよい。
【0113】
なお、ドット密度を増加させる成長条件とドットのサイズ均一性との間には考慮すべき兼ね合いがある。各レーザにおける高ドット密度は、ゲインを実現するのに役立つドットの数を増加させる。しかしながら、これは、ドット密度を上げる成長条件がドットのサイズにおける差異を大きくもするという事実によって幾分相殺される。高い飽和基底状態光学ゲインを有するレーザ構造については、可能な限り高いドットサイズ均一性(最少の不均一な広がり)を有する量子ドット当たりの高ドット密度に合った成長条件を選択するのが望ましい。従って、マルチ量子ドット層レーザの一実施の形態において、各量子ドット層レーザの成長シーケンスは、図11Cに示した実施の形態と同様な量子ドットをトリムするよう選択される。
【0114】
あるレーザの用途において、比較的低い注入レベルで広い波長範囲にわたって延びる光学ゲインスペクトルを有するのが望ましい。このような状況では、波長調整(チューニング)を容易にするために、比較的低い飽和基底状態モードゲインが望ましい。図20Aは、単一の量子ドットに関する光学遷移エネルギを例示する図である。個々の量子ドットは、その長さ、幅および高さに対応した量子閉じこめエネルギを有する。ここでは、ドットのサイズ、組成および形状に応じて、第1励起状態遷移エネルギ、第2励起状態遷移エネルギ、そして、おそらく、付加的な遷移エネルギが存在することになる。高さがわずか7ナノメータで、直径が30ナノメータであるInAs量子ドットについて、前記基底状態遷移と第1励起状態遷移との間における遷移エネルギの差は、約80meVである。図20Bにおいて、平均サイズを中心とするサイズ分布を有する量子ドットの集団については、斜線領域によって示されるように、サイズ分布に対応する不均一な広がりが生じることになる。量子ドットが注入されると、均一な広がりも生じる。不均一な広がりの程度は、ドットのサイズ変化を増加または減少する成長条件を選択することによって調節可能である。フォトルミネッセンスの研究により、成長条件を調節することによって、前記不均一な広がりを約30meVの最小値から少なくとも70meVに変化させることができる、ということが分かっている。数kA/cm2の注入レベルで、24meVを超える均一な広がりが実現され得る。前記均一な広がりは、例えば、電子と光子および他の電子との衝突に帰因すると思われる。
【0115】
均一な広がりと不均一な広がりとの相互作用は、光学ゲインスペクトルを拡大するよう作用する。該均一な広がりと不均一な広がりとの相互作用は、ゲイン応答の幅を二倍以上に大きくする。レーザ発光モード光子は、エネルギ的に共鳴するドットのみならず、均一な広がり範囲内に存在する他の共鳴しないドットからも、ゲインを得る。従って、中央基底状態遷移エネルギと連続的な励起状態との差が約30meV〜80meVの範囲内である場合、均一な広がりと不均一な広がりが連続したゲインスペクトルを作り出すので、比較的低い電流密度で連続した光学ゲインスペクトルが実現され得る。
【0116】
本発明の一実施の形態において、成長パラメータは、約30〜80meVの範囲内の連続的量子ドット遷移エネルギのエネルギ値における差を実現するよう選択される。特に、一実施の形態において、量子ドットの平均サイズを変化させてそれらの遷移エネルギを調節できるよう、前記成長パラメータを選択してよい。好ましくは、前記成長パラメータは、さらに、十分な程度の不均一な広がりを実現するよう選択されてもよい。一実施の形態において、前記不均一な広がりは、前記基底状態遷移エネルギ値と前記第1励起状態遷移エネルギとの間におけるエネルギ値の差の少なくとも半分になるよう選択される。他の実施の形態において、前記不均一な広がりは、前記均一な広がりと不均一な広がりの組合せが比較的低いスレシュホルド電流で連続した光学ゲインスペクトルを形成するように、前記エネルギレベルの差を下回る約20〜30meVとなるよう選択される。
【0117】
量子ドット活性領域を含む半導体レーザは、比較的低い電流で、広い波長範囲にわたって動作するよう設計される。図21は、選択された電流での、量子ドット活性領域のキャビティ光学ゲインの例示的な曲線2110である(e2gL、ここで、gは単位長さ当たりのゲイン、Lはキャビティにおけるゲイン媒体の長さを示す)。図21において、量子ドット活性領域は、波長λ1でのピーク2105に対応する基底状態量子レベルを有するよう設計されてよい。図において、ミラー損失および吸収損失を含む共鳴損失を克服できるよう、波長λ1での基底状態モードゲインは、最小ゲインgminより大きな飽和値で飽和させられる。より拡張された波長調整範囲が所望の場合、駆動電流は前記励起状態を定住させるよう選択される。例えば、ドットの長方向さおよび幅方向に沿った量子閉じ込めに対応した第1励起量子状態(例えば、第1励起状態2110および第2励起状態2115)は、λ1とλ2との間のピーク2110および2115によって示されるように、付加的なより高いエネルギ状態を実現するよう設計されてもよい。比較すると、同等の波長にわたってゲインを実現する従来の量子ドット活性領域は、量子井戸の第1の基底状態で飽和可能なゲインを得ることができず、全波長範囲にわたって最小ゲインを実現するために極めて高い電流密度を必要とする。本発明者の大雑把な見積もりによると、量子ドットレーザは、従来の同等の量子井戸レーザに比べて約10倍少ない電流によって、広い波長調整範囲を実現することができる。一実施の形態において、前記不均一な広がりならびに前記基底状態遷移エネルギ、第1励起状態遷移エネルギおよび第2励起状態遷移エネルギのエネルギ差は、最大スレシュホルド電流密度について少なくとも150ナノメータの連続した光学ゲインを可能にするよう選択される。好ましくは、駆動電流は、少なくとも基底状態モードゲインを飽和させるよう選択される。量子ドットのマルチ層を有する一実施の形態において、各量子ドット層が、広くて連続した光学ゲインスペクトルを形成するのを容易にする複数層の遷移エネルギ系列を構成するよう選択された異なる遷移エネルギ系列を有するよう、互いに異なる層のドットの成長パラメータを選択してよい。例えば、第1の量子ドット層は、第1の基底状態遷移エネルギとこれに対応した励起状態遷移エネルギレベルを有することができる。また、第2の量子ドット層は、前記第1の量子ドット層の対応する励起状態遷移エネルギレベルに対して、その基底状態遷移エネルギとこれに対応した励起状態遷移エネルギレベル(例えば、第1および第2励起状態遷移エネルギ)の値(例えば、10〜40meV)をオフセットさせるよう選択されるドット特性(例えば、サイズ、形状および組成)を有することができる。
【0118】
図22は、増幅された自然発光強度、対、図14Bに示されたものと同様な構造から製作され1つの量子ドット層を有するレーザキャビティの波長との関係を示す図である。名目的なドットの高さは約490℃の温度で成長させられた約7ナノメータであり、ドット密度は約7.5x1010cm2に対応している。前方ファセットはファブリ−ペローレーザ光発光を抑えるための非反射(AR)コーティングであり、キャビティ長は約1.7mmである。曲線2205は500mAの駆動電流を示し、曲線2210は600mAの駆動電流を示し、曲線2215は700mAの駆動電流を示す。これら3つの曲線に係る駆動電流は基底状態モードゲインが飽和させられるのに十分な程度に高く、これが、1.20〜1.30ミクロンの範囲内での曲線収束の原因である。また、前記駆動電流は、200ナノメータ以上にわたる連続したゲインに対応する励起量子ドット状態が定住するのに十分な程度に大きい。曲線2210および2215のより高い注入レベルでは、第2励起状態(1.05ミクロン)でのレーザ光発光が始まる。
【0119】
図23は、より短い波長に調整(チューニング)されたわずか1.3ミクロンの波長についての、波長調整範囲、対、電流密度の関係を例示する図である。量子ドットを示す曲線2380は、本発明者の実験データに基づいている。量子井戸を示す曲線2390は、文献に発表された様々な数値に基づいている。曲線2280に示すように、量子ドットレーザは、1kA/cm2の注入電流密度の上昇毎に、約70nmの波長調整(チューニング)を可能にする。比較のために言うと、従来の量子井戸は、70nmの波長調整(チューニング)範囲を実現するために約2.3kA/cm2を必要とする。前記曲線2390に示すように、波長調整範囲が名目波長(この場合150nm)の10%を超えると、量子井戸はスレシュホルド電流範囲において急激な増加を示す。10%の波長調整範囲を超えると、バイアス電流は、劇的に上昇し、典型的には10kA/cm2を超える。しかしながら、動作寿命を長くするために、一般的に、波長調整可能なレーザに使用される量子井戸レーザは、約70nmの波長調整に対応する最大電流密度で動作させられる。曲線2380に示すように、本発明の量子ドット活性領域は、2〜3kA/cm2の範囲内の電流密度で、150nmを超える(例えば、200nmを超える)波長に同調され得る。これは、例えば、1つの量子ドットレーザを使用して、従来の量子井戸レーザでは実現不可能であった約3kA/cm2未満の電流密度での180ナノメータの波長調整範囲を実現する、ことを可能にする。
【0120】
本発明の量子ドットレーザは、波長調整可能な外部キャビティレーザの有効ゲイン媒体として使用され得る。図24は、一般的な外部キャビティレーザを示す上端面図である。レーザ光発光のためのスレシュホルド条件は、共鳴器損失(ミラー損失および内部損失)の総和がゲイン媒体の光学ゲインによってバランスさせられる、ということである。波長調整可能なレーザにおいては、波長の関数である反射率を有する波長セレクタ2440が設けられる。典型的には、レーザダイオード2402の後方ファセット2405は高い反射率を保持する一方、該レーザダイオード2402の前方ファセット2410は極めて低い反射率を有するよう処理される。外部キャビティシステムのスレシュホルド条件は、R1e2(g− α i)L1R(λ) e(−2 α eL2)=1であり、ここで、R1は前記レーザダイオードの後方ファセットの反射率を示し、gは該レーザダイオードの単位長さ当たりのゲインを示し、αiは該レーザダイオードの単位長さ当たりの損失を示し、L1は該レーザダイオードのキャビティ長を示し、R(λ)は前記波長セレクタの反射率を示し、αeは前記外部キャビティの単位長さ当たりの平均的損失を示す、L2は前記外部キャビティの有効長さを示す。
【0121】
外部キャビティ、波長調整可能レーザにおいて、前記波長セレクタは、その波長の関数としての透過率または反射率応答が前記レーザに対する光学的フィードバックを狭い波長帯に制限するよう制御され得る外部要素の任意の組合せであってよい。波長調整可能、外部キャビティレーザは、典型的には、波長選択型分散に基づく波長選択型光学フィードバックを実現するよう構成された外部格子を使用する。図25Aおよび25Bに示すように、外部キャビティ、半導体レーザにおいては、典型的には、レーザダイオードの一方のファセットが高い反射率(HR)の材料によってコーティングされ、他方のファセットが反射防止(AR)膜によってコーティングされる。典型的には、外部格子は、レーザダイオードに対して波長選択型フィードバックを実現し、また、出力カプラとして機能するよう構成される。好ましくは、前記AR膜の反射率および前記レーザキャビティの長さは、該レーザにおけるファブリ−ペロー(FP)モードを抑制するよう選択される。なお、例えば、デバイス製作時に非誘導ウィンドウ領域を組み込む、または、劈開ファセットに対してレーザストライプを傾斜させるなどのような、ある波長範囲にわたって劈開ファセットからのファブリ−ペローモードを抑制するための公知技術を使用してもよい。好ましくは、前記半導体レーザの長さおよび前記ARコーティングされたファセットの残留反射率は、前記外部格子のみがレーザ光発光波長を決定するよう選択される。一実施の形態において、前記半導体レーザの長さおよび前記ARコーティングされたファセットの残留反射率は、当該レーザが、外部格子からのフィードバックなしに、量子ドットの基底状態以外および少なくとも第1励起状態でレーザ光を発光することができない、よう選択される。
【0122】
外部キャビティレーザにおいて、最小ゲインは、前記半導体レーザの長さおよび前記ARコーティングされたファセットの残留反射率は、キャビティ損失を上回る必要がある。従って、図24において、広い波長調整範囲を実現するために、基準状態の飽和レーザゲインは、吸収損失およびミラー損失を含む共鳴器損失の総和より大きくなるよう選択すべきである。しかしながら、前記格子によって選択される波長は、約20nmの自走発光波長内のみでのファブリ−ペローモードを抑制するだけで、均一的なゲイン拡大範囲内の光学ゲインを消耗させるのみである。従って、一実施の形態において、好ましくは、高量子状態でのピークゲインgpは、前方ファセットの残留ファセット反射率によるFPモードからの不利なレーザ光発光を阻止するのに十分低いよう選択される。
【0123】
2つの一般的な外部キャビティ構造は、Littman−Metcalf外部キャビティおよびLittrow外部キャビティである。図25Bは、Littman−Metcalfレーザキャビティを例示する図である。また、図25Aは、Littrowレーザキャビティを例示する図である。前記Littrowキャビティにおいては、レーザ2510から格子2530によって受光される光の入射角は、前記レーザキャビティの1つのミラーの機能を実行するレーザにビームが反射され返されるような入射角である。前記格子2530の角度が波長を決定する。キャビティ帯域幅を減少させるために、Littrow構造にエタロンが含まれることがある。前記Littman−Metcalf構造2500において、格子2530は波長調整用ミラー2510(再帰反射器としても知られている)に向けて光を屈折させ、該ミラー2510がフィードバックを決める。典型的には、レーザ出力の前記格子への結合を向上させるために、コリメータレンズ2505が外部キャビティレーザに設けられる。
【0124】
本発明に従う波長調整可能なレーザの1つの用途は、テストおよびモニタ(T&M)用途である。このようなテストおよびモニタ用途の実用的な波長調整可能なレーザは、妥当なレーザ寿命を実現するよう選択される最大動作電流を有さなければならない(例えば、典型的には、10kA/cm2を超える電流密度が寿命低下に関連づけられる)。量子井戸ゲイン媒体を有する商業的に入手可能な波長調整可能なレーザにおいて、量子井戸レーザは、約70ナノメータの有効波長範囲を有する。しかしながら、多くの用途において、大きな波長調整範囲を有するのが望ましい。従来より、200ナノメータの波長調整範囲にわたるテストおよびモニタ用途には、各々が複数の異なる波長範囲について最適化された量子井戸ゲイン媒体を有する3つの波長調整可能なレーザが必要であった。比較のために述べると、本発明の量子ドットレーザは、実用的な電流密度について少なくとも200ナノメータの連続した波長調整範囲を有する。
【0125】
なお、本発明の量子ドット活性領域は、レーザ光波長を調整するために、一体化された波長セレクタ要素を有する。当該技術においては、波長セレクタ要素を有する様々な種類の半導体レーザが公知である。特に、波長整調可能な分散型Bragg反射器(DBR)および分散型フィードバックレーザ構造(DFB)が、レーザ発光技術において公知である。前記DBRレーザは、λm=2nΛ/mによって与えられるBragg波長条件を定義する格子を含み、ここで、Λは格子周期、nは使用されている材料の屈折率を示し、mは回折次数を示す。前記Bragg波長条件は、前記格子に対応した高い有効反射率を有する波長を定義する。図26に示すように、レーザの格子2620の一部の屈折率、すなわち、そのBragg波長を調整するために、前記レーザの1つのセクションにおける電流が調整され得る複数のセクション2605,2610,2615を有するマルチセクションDFBレーザおよびマルチセクションDBRレーザが、当該技術分野において公知である。適当な波長調整可能なDFBレーザまたはDBRレーザが、本発明の量子ドット活性領域2630を含むよう変更されてよい。
【0126】
さらに、量子ドット活性領域を有する半導体レーザの出力波長が、温度に対応して調整されてもよい。図27Aにおいて、量子ドット活性領域を2705有する分散型フィードバックレーザは、複数の異なる屈折指数を有する導波層2720,2730上に製作される格子の周期性からBraggレーザ光発光状態を確立するために任意の適当な格子構造を含んでいてもよい。従来のDFBレーザにおいては、熱膨張および前記屈折指数の温度依存性によって、約0.1nm/℃のBragg波長に変化が生じる。従来の1.3ミクロンのレーザにおいて、ゲインピークは、約0.4℃だけ変化する。その結果、DFBレーザが良好なモード特性を維持する温度範囲が制限される(例えば、典型的には約40℃)。すなわち、ゲインピークが波長においてBragg波長より実質的に長くなるよう温度が上昇すると、前記DFBレーザは高すぎるスレシュホルド電流を有するか、または、乏しいモード識別性を有しがちになる。図27Bは、従来の1.3ミクロンのレーザについてのBragg波長の変化およびゲインピーク、対、温度の関係を示す。量子ドット活性領域は、温度感度の低下に至る量子ドットの三次元の量子閉じこめに関連したデルタ関数状態密度を有する。本発明者による実験は、量子ドットが、前記三次元の量子閉じこめに関連したデルタ関数状態密度によって、わずか約0.17nm/℃のピークゲイン変化を有する、ことを示した。ゲインピークの低下した温度感度は、広いゲイン関数と共に、温度に応じて波長調整されたDFB量子ドットレーザが従来のバルクまたは量子井戸DFBレーザに比べて広い波長調整範囲を実現可能にする。DFBレーザの一実施の形態において、前記Bragg波長は、第1の動作温度では光学ゲインスペクトルの長い波長側で動作するよう選択され、これにより、より高い動作温度で前記レーザを動作させるのを容易にする(これが前記光学ゲインスペクトルをより長い波長にシフトさせる)。
【0127】
本発明の量子ドット活性領域は、レーザのモノリシックのマルチ波長アレイにも使用され得る。図28は、レーザ2820のマルチ波長アレイ2800を示す斜視図である。各レーザ2820はリッジレーザ、埋め込み型ヘテロ構造レーザ、または横光閉じこめを実現するその他のレーザ構造として製作可能である。各レーザは、長手方向キャビティ長Lを有する。従来の劈開またはエッチング処理を使用してレーザファセット2815を形成してよい。前記アレイ2800は、量子ドット活性領域2810を有する共通の基板2805上に形成されている。前記量子ドット活性領域2810の成長パラメータは、所望の電流密度範囲内で所望の波長調整範囲(例えば、100〜200nm)を実現するよう選択される。各前記レーザは、好ましくは、該レーザの所望の波長を実現するよう選択された格子周期性Λを持つ少なくとも1つの格子セクション2830を有するDFBまたはDBRレーザである。前記モノリシックのマルチ波長アレイ2800の1つの利点は、前記量子ドット活性領域2810の大きな波長調整範囲によって、多数の異なる出力波長を有するDFBまたはDBRレーザ2820が密な波長分割多重方式(DWDM)での用途のために同時に製作可能である、ということである。代案として、前記波長アレイ2800は、かなりの波長間隔を持つより少数の波長を有するのが望ましい広い波長分割多重方式(DWDM)での用途に使用されてもよい。例えば、一実施の形態において、前記波長アレイ2800は、1270ナノメータ〜1355ナノメータの波長の範囲(例えば75乃至85ナノメータ範囲)をカバーするよう使用され得る。一実施の形態において、前記不均一な広がりおよび前記基底状態遷移エネルギと第1励起状態遷移エネルギとのエネルギ差は、最大スレシュホルド電流密度について少なくとも75ナノメータの連続した光学ゲインスペクトルを可能にするよう選択される。
【0128】
また、前記アレイ2880の量子ドット活性領域2810の光学特性は、各前記レーザが高いデータ速度で直接変調されることを可能にする。本発明者の理論的研究により、最適化された量子ドットレーザが従来の量子井戸レーザに比べて約5〜10倍低い線幅増大係数、ならびに、より高い差動ゲインを有するはずである、ということが示されている。これにより、受け入れ可能なチャープで、高いデータ速度(例えば、10−40Gbit/s)で量子ドットレーザを直接変調することが実現可能になる。これは、チャープ効果を減少させるために、典型的には外部変調器によって高いデータ速度で変調されていた従来の量子井戸レーザとは対照的である。さらに、本発明の量子ドットレーザの低いスレシュホルド電流密度は、直接レーザ変調を容易にする。典型的には、直接変調される高周波数レーザは、スレシュホルド電流の数倍の駆動電流を必要とする。前記マルチ波長列2800の各レーザの比較的低いスレシュホルド電流は、高いデータ速度での直接変調を容易にする。従って、一実施の形態において、前記マルチ波長列2800の各レーザは、その駆動電流を変化させることによって直接変調される。これにより、従来のDWDMシステムに使用されている外部変調器、フィルタおよび光アイソレータが不要になる。
【0129】
図29に示すように、前記アレイの各レーザが直接変調される場合、それらの出力は、光学結合器(MUX)2950モジュールによって直接受光され、光ファイバに結合されてよい。なお、直接電流変調の実施の形態においては、任意の適当な高周波数パッケージング技術を使用して、マイクロウェーブ周波数の駆動電流を各レーザに結合するのを容易にしてよい。実施の形態において、各レーザはワイヤボンドによって駆動される。しかしながら、ワイヤボンドは、ボンディングワイヤの大きな長さが極めて高いデータ速度での性能を低下させるような寄生インダクタンスを有する。他の実施の形態において、アレイ2900上にマイクロウェーブ送信ラインが形成され、各レーザに対するマイクロウェーブ駆動電流の結合を容易にする。さらに他の実施の形態において、前記アレイ2900は、各レーザにマイクロウェーブ電流を供給するのに適したサブマウント上に取り付けられる。
【0130】
本発明のマルチ波長アレイ2800の1つの利点は、温度調整を使用して多数の波長を細かく調整できる、ということである。図30は、2つの異なる温度についてのゲインスペクトルと (光ネットワークグリッドが”杭柵”形状を有する) レーザアレイのBragg波長とを同じ図に示している。図30において、一実施の形態によると、第1の温度T1での名目的なDFB波長は、ゲインスペクトルの上方波長範囲をカバーするよう選択される。アレイ2800の温度をより高い温度T2で調整することによって、ゲインスペクトルはBragg波長より幾分高いレートのゲインスペクトルを移行させる。ゲイン曲線の大きな初期幅および量子ドットレーザのゲイン応答の温度低下による移行のために、大きな波長範囲にわたるDFBレーザのモノリシックアレイは、広範囲にわたって同時に調整されることができる。
【0131】
前記アレイ280の他の利点は、前記低いしきい電流密度および温度によるゲイン応答のゆるやかなドリフトによって、前記レーザが前記レーザを加熱および温度クロストークの影響を受けにくくなる、ということである。これにより、例えば、個々のレーザは、従来の量子井戸レーザに比べて、より近接してパッケージされ得る(例えば、小さなレーザ間分離)。さらに、前記アレイ2800の温度特性は、アップ状態、すなわち、基板をヒートシンクに取り付けた状態でのアレイ接合を操作するのを容易にする。レーザ技術分野で周知のように、接合ダウン構成(エピタキシャル層がヒートシンクに取り付けられた構成)は、温度抵抗が小さいが、典型的には、パッケージンクの煩雑さおよびコストを増していた。前記アレイ2800のさらに他の利点は、WWDM等の用途に応じて、ヒートシンクを冷却する必要性がなくなる、ということである。
【0132】
以上、InGaAs量子井戸に埋設されたInAsからなる量子ドット層に関連して発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は関連したIII−V族化合物半導体材料に実施されてもよい。例えば、前記InGaAs量子井戸はAlInGaAs井戸に代えてもよい。同様に、前記障壁層は、AlGaAsまたはAlGaInAsPのような各種III−V族材料からなっていてよい。例えば、前記障壁層は、量子ドット層間の障壁層が歪み補償層として機能するよう選択された格子定数を有する材料からなっていてもよい。
【0133】
また、本発明は、GaAs基板上に成長させられるレーザ構造に関連して説明された。該GaAs基板は、他のIII−V族基板に対して、比較的大きなウエーハサイズのような多くの利点を有する。しかし、本発明はGaAs基板上に形成される材料に関連して説明されたが、本発明の実施の形態は、InP基板のような他の種類の基板上に実施されてもよい。さらに、好ましい製作技術として分子線エピキタシを説明したが、本発明の実施の形態は、他のエピキタシ技術を使用して実施されてもよい。
【0134】
また、本発明の特定の実施の形態および用途を図示し説明したが、本発明は、ここに開示された構成および構成要素に限定されるものではなく、添付請求の範囲に定義された発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者に自明様々な一部変更、変更および変形をここに開示された本発明の方法および装置の構成、作用および詳細部分に施してよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1A,図1B,図1Cおよび1Dは、バルク半導体、量子井戸、量子細線および量子ドットに関する状態密度関数を示す図。
【図2A】量子ドット光出力強度、対、様々な長さの量子ドットレーザの波長を示す従来技術説明図。
【図2B】図2Aのレーザについてのスレシュホルド電流、対、キャビティ長を示す従来技術説明図。
【図3】量子井戸に埋め込まれた量子ドットの理想的な量子ドット層を示す斜視図。
【図4A】量子ドット層を形成する成長層シーケンス形態の一部を示す図。
【図4B】量子ドット層を形成する成長層シーケンス形態の一部を示す図。
【図4C】量子ドット層を形成する成長層シーケンス形態の一部を示す図。
【図5】InAs量子ドットの原子間力顕微鏡画像。
【図6】核化層の2つの異なる組成についての量子ドット密度、対、成長温度を示す図。
【図7】いくつかの異なる被覆層成長温度についての、フォトルミネッセンス強度、対、量子ドットの波長を示す図。
【図8】いくつかの異なるアニール温度および時間についての、フォトルミネッセンス強度、対、量子ドットの波長を示す図。
【図9】InGaAs成長の異なる名目的な厚みを示す図。
【図10】最下位InGaAs井戸層をインジウムの浮動層によって予め飽和させる成長シーケンス示す図。
【図11A】量子ドットの厚みにおける変化によって、いくつかの量子ドットの一部が量子井戸から障壁層中に突入する状態を示す側面図。
【図11B】量子ドットを井戸に埋め込むのを容易にするめたの、井戸内にドットを非対称的に配置した層の第1の成長シーケンスを示す図。
【図11C】前記井戸層成長の後、前記量子ドットの厚みを減少させる層成長シーケンスを示す図。
【図12】複数の量子ドット層を有する活性領域の層成長シーケンスを示す図。
【図13】1つの層の臨界厚みを算出するための関係を示す図。
【図14A】量子ドットレーザついての成長シーケンスを示す図。
【図14B】図14Aのレーザ構造の伝導帯を示す図。
【図15】各層を成長させるための好ましい温度範囲を有する量子ドットレーザの成長シーケンスを示す図。
【図16】2つの異なる量子ドット密度を有する量子ドットレーザについての、測定されたモードゲイン、対、スレシュホルド電流密度を示す図。
【図17】前記InGaAs量子井戸の3つの異なる組成を持つ1つの量子ドット層を有する量子ドットレーザについての、基底状態モードゲイン、対、スレシュホルド電流密度を示す図。
【図18】1つの量子ドット層および3つの量子ドット層を有する量子ドットレーザについての、モードゲイン、対、スレシュホルド電流密度を示す図。
【図19】高い基底状態モードゲインを実現するよう選択された量子ドット層シーケンスを有する量子ドットレーザについての成長シーケンスを示す図。
【図20A】1つの理想的な量子ドットの遷移エネルギを示す図。
【図20B】ドット集団のドットサイズ不一致に対応した遷移エネルギの不均一な広がりを示す図。
【図21】拡大された波長範囲にわたる連続的な量子ドット光学ゲインスペクトルを形成する方法を示す図。
【図22】拡大された波長範囲にわたる連続的光学ゲインスペクトルを実現するよう選択された3つの異なる駆動電流による量子ドットレーザ構造のエレクトロルミネッサンス強度、対、波長とを示す図。
【図23】量子ドットおよび量子井戸レーザの波長調整範囲、対、電流とを示す図。
【図24】一般的な外部キャビティレーザ構造を示すブロック図。
【図25A】外部キャビティレーザ構造例を示すブロック図。
【図25B】別の外部キャビティレーザ構造例を示すブロック図。
【図26】波長調整可能レーザの斜視図。
【図27A】ブラッグ(Bragg)格子を有する単一波長レーザ構造を示す。
【図27B】ブラッグ格子の波長応答と比較した、従来の量子井戸活性領域および量子ドット活性領域についての波長応答、対、温度を示す比較図。
【図28】量子ドット活性領域を有するレーザのマルチ波長アレイを示す図。
【図29】図28のマルチ波長アレイが光学的マルチプレクサによって光ファイバに結合される実施の形態を示すブロック図。
【図30】対応するDFB波長を重ねた状態で、2つの異なる動作温度での波長アレイの光学ゲインスペクトルを示す図。
【図31】量子ドットレーザキャビティの側面図。
Claims (27)
- 半導体光導波路と、
量子ドットの集団を有する前記光導波路に対して光学的に結合されていて、注入された電流に応じて、少なくとも約1260ナノメータの発光波長で、約25cm−1を超える飽和基底状態モードゲインを提供するための量子ドット手段と、
前記量子ドット手段に注入される電流のキャリア閉じこめを実現するための量子井戸手段と、
を具備した半導体レーザ。 - 前記レーザは、500ミクロン以下のキャビティ長を有する請求項1に記載のレーザ。
- 半導体光導波路と、
量子ドットの集団を有する前記光導波路に対して光学的に結合されていて、注入された電流に応じて、少なくとも約1260ナノメータの発光波長で約25cm−1より大きな飽和基底状態モードゲインを提供するための量子ドット手段であって、約0.2未満の線幅増大係数を有するものと、
前記レーザの光出力を変化させるために、前記量子ドット手段に変調された電流を注入する手段と、
前記量子ドット手段に対する電流のキャリア閉じ込めを実現する量子井戸手段と、
を具備したレーザ。 - 500ミクロン以下のキャビティ長を有する請求項3に記載のレーザ。
- 300ミクロン以下のキャビティ長を有する請求項3に記載のレーザ。
- 半導体光導波路と、
少なくとも2つの不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスを持つ量子ドットの集団を有する前記光導波路に対して光学的に結合されていて、スレシュホルド駆動電流に応じて、75ナノメータを超える波長範囲わたって連続した光学ゲインスペクトルを実現するための量子ドット手段と、
前記量子ドット手段に注入される電流のキャリア閉じ込めを実現する量子井戸手段と、
を具備した半導体レーザ。 - 半導体光導波路と、
少なくとも3つの不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスを持つ量子ドットの集団を有する前記光導波路に対して光学的に結合されていて、スレシュホルド駆動電流に応じて、150ナノメータを超える波長範囲わたって連続した光学ゲインスペクトルを実現するための量子ドット手段と、
前記量子ドット手段に注入される電流のキャリア閉じ込めを実現する量子井戸手段と、
を具備した半導体レーザ。 - その内部に設けられた活性領域内に複数の相互離隔した量子井戸を含む半導体光導波路と、
前記複数の相互離隔した量子井戸に埋め込まれた複数の量子ドットであって、注入される電流に応じて、少なくとも約1260ナノメータの発光波長で、前記光導波路に対して約25cm−1を超える飽和基底状態モードゲインを提供するよう形づくられ且つ各量子井戸内に配置されたものと、
を具備した半導体レーザ。 - 少なくとも40cm−1の飽和基底状態モードゲインを有する請求項8に記載のレーザ。
- 4乃至8個の量子井戸層を有し、前記活性領域が300ナノメータ以下の厚みを有する請求項8に記載のレーザ。
- 前記活性領域の厚みが、200ナノメータ乃至300ナノメータの範囲内である請求項10に記載のレーザ。
- 隣接した量子井戸の間の障壁層の厚みが、20ナノメータより大きい請求項8に記載のレーザ。
- その内部に設けられた活性領域内に複数の相互離隔した量子井戸を含むGaAs基板上に形成された半導体光導波路と、
前記複数の相互離隔した量子井戸に埋め込まれた複数の量子ドットであって、スレシュホルド駆動電流に応じて、150ナノメータを超える波長範囲にわたって連続した光学ゲインスペクトルを実現するために、少なくとも3つの不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスを形成するサイズ分布を有するものと、
を具備した半導体レーザ。 - その内部に設けられた活性領域内に複数の相互離隔した量子井戸を含む半導体光導波路と、
前記複数の相互離隔した量子井戸に埋め込まれた複数の量子ドットであって、スレシュホルド駆動電流に応じて、少なくとも75ナノメータの波長範囲にわたって連続した光学ゲインスペクトルを実現するために、少なくとも2つの不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスを形成するサイズ分布を有するものと、
を具備した半導体レーザ。 - 第1の障壁層と第2の障壁層との間に挟まれた略平坦な井戸層を有するInGaAs量子井戸半導体量子井戸と、
前記InGaAs量子井戸に埋め込まれた複数のInAs量子ドットであって、室温で少なくとも1260ナノメータの基底状態発光エネルギを有するようなサイズを有するものと、
を具備した光学ゲインを提供するための半導体活性領域。 - 第1の障壁層と第2の障壁層との間に挟まれた略平坦な井戸層を有するInGaAs量子井戸半導体量子井戸と、
前記InGaAs量子井戸に埋め込まれた複数のInAs量子ドットであって、対応する第1の光学遷移エネルギ値を有する基底状態と、対応する第2の光学遷移エネルギ値を有する第1の励起状態とを有し、前記第2の光学遷移エネルギ値が、前記第1の光学遷移エネルギ値より大きな30meV〜80meVの範囲内であるものと、
前記量子ドット中に電流を注入するよう配置されたp型およびn型のダイオード層と、
を具備し、前記光学遷移エネルギのエネルギ分離に関して、前記量子ドットが、スレシュホルド電流密度に応じて、連続した光学ゲインスペクトルを有するのに十分なサイズ変化に対応づけられた不均一な広がりを有する
ことを特徴とする光学ゲインを提供するための半導体活性領域。 - 第1の端部と該第1の端部から離隔した第2の端部とを有する第1の光学キャビティと、
予め選択された電流密度で、150ナノメータを超える波長範囲にわたって連続した光学ゲインを提供するよう選択されたエネルギレベルを有する量子閉じこめエネルギ状態を有する前記第1の光学キャビティ内に配置された量子ドット活性領域と、
前記第1の光学キャビティの前記第1の端部中に光を反射する第1の反射器と、
前記第1の光学キャビティの前記第2の端部中に選択された波長の光を反射する光学要素を含む外部光学キャビティと、
を具備した波長調整可能レーザ。 - 基板と、
拡大された光学ゲンイスペクトルを実現するために、前記基板上に設けられた量子ドット活性領域手段と、
前記量子ドット活性領域手段にキャリアを閉じこめる量子井戸手段と、
前記量子ドット活性領域手段上に形成された複数のレーザであって、前記複数のレーザの各々が、該レーザに対する光学フィードバックを実現するよう配置され、対応する格子周期を有するブラッグ(Bragg)格子を含むものと、
を具備したモノリシックマルチ波長レーザアレイ。 - InGaAs量子井戸に埋め込まれた自己組織化InAs量子ドットを成長させる方法であって、
1.0未満のモル分率xを有する第1のAlxGal−xAs障壁層を成長させるステップと、
バルクInGaAsの成長のために、InAsの定常状態面隔離層に実質的に一致するInAsの浮動層を予備吸着するステップと、
約2ナノメータ未満の厚みを有する最下位AlGaAs障壁層上に第1のInGaAs層を成長させるステップと、
InAsの十分な等価モノレイヤ領域を堆積させることによって、InAs島を形成するステップと、
前記InAs島上に第2のInGaAs層を成長させることによって、InGaAsに前記InAs島を埋め込むステップと、
1.0未満のモル分率xを有する第2のAlxGal−xAs障壁層を成長させるステップと、
を具備した方法。 - 所望のドット密度を得るために、前記InAsの成長温度を選択するステップをさらに具備した請求項19に記載の方法。
- 所望のドット密度を得るために、前記第1のInGaAs層のIn合金組成を選択するステップをさらに具備した請求項19に記載の方法。
- 前記InAs島の上端を平坦化するために十分な時間長だけ、前記第2のInGaAs層が成長させられた後成長を停止し、露出したInAsを除去するステップをさらに具備した請求項19に記載の方法。
- 前記露出したInAsを除去する前に、GaAsの少なくとも1モノレイヤが堆積される請求項22に記載の方法。
- 制御可能なドット密度を有する量子ドットを成長させる方法であって、
再現可能な表面InGaAs合金組成を有する第1のInGaAs層を成長させるステップと、
約450℃〜540℃の範囲内のInAs島形成用成長温度を選択するステップと、
InAs島を形成するための前記成長温度で、約1.8〜4.0の範囲内の選択された等価モノレイヤ領域を実現するためにInAsを成長させるステップと、
複数の量子ドットを形成する前記島を埋め込むための第2のInGaAs層を成長させるステップと、
を具備し、前記複数の量子ドットが、前記第1のInGaAs層の合金組成および前記成長温度によって決定される密度を有することを特徴とする方法。 - InGaAs量子井戸に埋め込まれた自己組織化InAs量子ドットを成長させる方法であって、
1.0未満のモル分率xを有する第1のAlxGal−xAs障壁層を成長させるステップと、
バルクInGaAsの成長のために、InAsの定常状態面隔離層に実質的に一致するInAsの浮動層を予備吸着するステップと、
約2ナノメータ以下の厚みを有する最下位AlGaAs障壁層上に第1のInGaAs層を成長させるステップと、
InAsの十分な等価モノレイヤ領域を堆積させることによって、InAs島を形成するステップと、
前記InAs島上に第2のInGaAs層を成長させるステップであって、該第2のInGaAs層が前記InAs島の略全てをInGaAsに埋め込むよう選択された厚みを有するものであるステップと、
1.0未満のモル分率xを有する第2のAlxGal−xAs障壁層を成長させるステップと、
を具備した方法。 - 約0.2未満の線幅増大係数で、少なくとも1260ナノメータの波長での光学ゲインを提供するための量子ドットの集団を有する量子ドットレーザを動作させる方法であって、
約1Gbpsを超える変調ビットレートを選択するステップと、
前記変調ビットレートで前記レーザを直接変調させるための駆動電流を供給するステップと、
を具備した方法。 - 少なくとも150ナノメータの波長範囲にわたる不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスを持つ量子ドットの集団を有する量子ドットレーザを動作させる方法であって、
光学ゲインスペクトルが前記波長範囲にわたって連続する駆動電流を供給するステップと、
波長選択的な光学フィードバックを提供することによって、前記波長範囲内のレーザ光発光波長を生成するステップと、
を具備した方法。
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