JP2005538532A - 傾斜型共振器半導体レーザー（ｔｃｓｌ）及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

新しい種類の半導体レーザー（即ち、傾斜型共振器レーザー）は、電流の注入とミラーによって光学利得を生成する活性領域を有する少なくとも１つの活性要素を含んでいる。活性要素は、共振器内に配置されている。共振器は、共振光学モードの光学経路が垂直方向及び横方向の面の両方に対して傾斜するように設計されている。従って、共振光学モードに対して、垂直及び横方向の両方における帰還が提供される。このレーザーは、実施例に応じて、面発光レーザー及びエッジ発光レーザーの両方として動作する。傾斜光学モードを採用することにより、従来のレーザーに比べ、下部及び上部干渉反射器内において使用するレイヤの数を格段に減らすことができる。そして、この場合にも、必要な高反射係数は維持される。又、エッジエミッタの場合には、波長安定化レーザーが実現する。この波長安定化は、異なる屈折率を有するレイヤ内における傾斜光学モードの分散法則における差によるものである。

Description

本発明は、半導体デバイスの分野に関するものである。更に詳しくは、本発明は、面発光レーザー及び波長安定化エッジ発光レーザーに関するものである。

半導体レーザーは、光ファイバ伝送及び信号増幅システム、波長分割多重伝送システム、波長分割スイッチングシステム、及び波長交差接続（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｒｏｓｓ−ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）システム、並びに光学測定の分野において、重要な役割を果たしている。

半導体レーザーに伴う主な問題点の１つが、温度によるエネルギーバンドギャップの変動であり、この結果、特に、高出力パワー動作において、放出光波長の望ましくない温度依存性をもたらされる。波長安定化の方法には、分布帰還型レーザーを使用するものが含まれる。この方法の例としては、１９７３年９月１８日に発行された「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＦＥＥＤＢＡＣＫ ＬＡＳＥＲ」という名称の米国特許第３，７６０，２９２号、及び１９８８年４月２６日に発行された「ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ−ＦＥＥＤＢＡＣＫ ＬＡＳＥＲ ＨＡＶＩＮＧ ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＭＯＤＥ ＳＥＬＥＣＴＩＶＩＴＹ」という名称の米国特許第４，７４０，９８７号が挙げられる。エッジ発光型半導体レーザーの場合には、分布帰還は、通常、半導体内における屈折率の横方向の変調によるか、或いは光ファイバの形状変調（ｓｈａｐｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって実現される。分布帰還によれば、レーザー放射の光学モードの選択性が向上する。この場合には、放出光の波長がデバイス設計によって固定され、屈折率の温度変動に起因する温度依存性は存在するものの、これらは、エネルギーバンドギャップの温度依存性に比べれば格段に小さい。しかしながら、この方法には、一般的なレーザーのエピタキシャル成長と比べて、非常に複雑な技術的段階が必要である。

別の方法としては、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を使用するものが挙げられる。この場合には、通常、交互に変化する高／低屈折率レイヤのペアから形成されたｎ型及びｐ型の両方からなる多層Ｂｒａｇｇスタックミラーが利用される。これらミラーの高反射率により、鋭い共振がもたらされ、選択波長は、共振器の厚さによって決定される。波長の温度依存性は、屈折率の温度変動に起因する。ＶＣＳＥＬの設計における要点は、異なる屈折率を有するレイヤが、基板に対して格子整合していなければならないことである。この要件により、Ｂｒａｇｇミラーに使用可能な材料の数は劇的に減少する。通常のＢｒａｇｇミラーには、ＧａＡｓベースレーザーの場合には、異なる組成のＧａＡｌＡｓの交互に変化するレイヤ、又はＧａＡｌＡｓ及びＧａＡｓの交互に変化するレイヤが含まれる。一方、ＩｎＰベースレーザーの場合には、異なる組成のＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＡｌＩｎＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰの交互に変化するレイヤが使用される。これらのレイヤは、結晶内において光波長のλ／２の周期性を提供するべく調節されている。交互に変化するレイヤ間の屈折率の差がかなり小さいことから、Ｂｒａｇｇ反射器の製造に通常使用される様々な材料においては、レーザー動作に必要な高反射率を実現するために、通常、ミラーに２０〜１００のレイヤが必要となる。従って、従来のＢｒａｇｇスタックミラー構成の主要な欠点は、完全なＶＣＳＥＬを製造するのに、４０〜２００を上回る高品質レイヤが必要となることである。

従って、当技術分野においては、ミラーの製造に必要なレイヤ数の削減に対するニーズが存在している。当分野における従来技術には、２０００年１１月２８日に発行された「ＶＥＲＴＩＣＡＬ−ＣＡＶＩＴＹ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＬＡＳＥＲ ＡＲＲＡＹ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ ＧＵＩＤＥＤ−ＭＯＤＥ ＲＥＳＯＮＡＮＣＥ ＥＦＦＥＣＴＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＭＡＫＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥ」という名称の米国特許第６，１５４，４８０号明細書に開示されている導波モード共振効果を内蔵したレーザーが含まれる。この特許においては、１つ（又は、２つ）のＢｒａｇｇミラーが、横方向の光学モードの導波路を形成する格子によって置換されている。この格子における回折により、特定波長の放出光が導波路モードに結合し、この結果、レーザー発振に必要な強い反射が格子レイヤから提供される。しかしながら、この設計の重大な欠点は、横方向の周期性を有する１つ又は２つの格子を製造する際に不可避なリソグラフ段階にあり、このために、単一のエピタキシャルプロセスによってレーザーを製造することができない。又、１つの上部格子のみを使用する場合には（これは、実際に使用されることの多い構成である）、従来のＶＣＳＥＬの特徴である制約と欠点のすべてを依然として下部Ｂｒａｇｇ反射器が有することになる。

従って、当技術分野においては、多層Ｂｒａｇｇミラーを使用しない面発光レーザーに対するニーズと、更に一般的には、波長安定化レーザーの完全な構造を単一のエピタキシャルプロセスによって製造する方法に対するニーズが存在している。

新種の半導体レーザー（即ち、傾斜型共振器レーザーは、電流の注入とミラーによって光学利得を生成する活性領域を有する少なくとも１つの活性要素を含んでいる。この活性要素は、共振器内に配置される。共振器は、共振光学モードの光学経路が垂直方向及び横方向の面に対して傾斜するように設計されている。従って、共振光学モードに対して垂直及び横方向の両方における帰還が提供される。このレーザーは、実施例に応じて、面発光レーザー及びエッジ発光レーザーの両方として動作する。傾斜光学モードを採用することにより、従来のレーザーと比べて、下部及び上部干渉反射器に使用するレイヤの数を格段に減らすことができる。そして、この場合にも、必要な高反射係数は維持される。又、エッジエミッタの場合には、波長安定化レーザーが実現される。この波長安定化は、異なる屈折率を有するレイヤ内の傾斜光学モードの分散法則における差に起因するものである。

図１には、従来技術による面発光レーザー（具体的には、垂直共振器面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ））が示されている。面発光レーザーの場合には、通常、活性領域は、共振器内に挿入されている。ドーピングされていない（又は、わずかにドーピングされている）活性領域は、ｎ及びｐ接触レイヤによって囲まれており、これらのレイヤは、通常、ミラーによって囲まれている。そして、この構造は、基板（１０）上に、エピタキシャル成長によって生成されている。下部ミラー（１０２）には、Ｂｒａｇｇ反射器が使用されている。ＶＣＳＥＬの残りの部分は、活性要素である。

第１金属接点（１５）を有するｎドーピングされた電流拡散レイヤ（１４）は、電流アパーチャ（１３）により、活性領域（１７）を囲むわずかにドーピングされた閉じ込めレイヤ（１６）から分離されている。又、わずかにドーピングされた閉じ込めレイヤ（１６）は、第２電流アパーチャ（１３）により、第２金属接点（１９）を有するｐドーピングされた電流拡散レイヤ（１８）から分離されている。ｎドーピングされた電流拡散レイヤ（１４）は、下部ミラー（１０２）上に直接位置している。活性要素は、順バイアス（１１）下において動作する。そして、活性領域（１７）によって光が生成される。閉じ込めレイヤ（１６）は、活性領域内においてトラップされたキャリアに対して電気的な閉じ込めを提供するべく機能する。光は、上部ミラー（１１０）を通じて出射される（１１２）。

基板（１０）は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料またはＩＩＩ−Ｖ族半導体混晶（例：ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ）から形成可能である。通常、レーザー放射の所望の放出波長に応じて、ＧａＡｓ又はＩｎＰが使用される。ｎドーピングされたレイヤ（１４）は、基板（１０）に対して格子整合している（又は、略格子整合している）と共に、生成される光に対して透明であって、ドナー不純物によってドーピングされた材料から形成しなければならない。このｎドーピングされたレイヤ（１４）は、好ましくは、基板（１０）の材料と同一の材料である（例：ＧａＡｓ）。可能なドナー不純物には、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、並びにＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどの両性不純物が含まれるが（但し、これらに限定されない）、後者は、陽イオンの副格子内に主に内蔵されてドナー不純物として機能し得る技術的条件下において導入される。

ｐドーピングされたレイヤ（１８）は、基板（１０）に対して格子整合している（又は、略格子整合している）と共に、生成された光に対して透明であって、アクセプタ不純物によってドーピングされた材料から形成しなければならない。このｐドーピングされたレイヤ（１８）は、好ましくは、基板（１０）と同一の材料である（例：ＧａＡｓ）。可能なアクセプタ不純物には、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｍｎ、並びにＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどの両性不純物が含まれるが（但し、これらに限定されない）、後者は、陰イオンの副格子内に主に内蔵されてアクセプタ不純物として機能し得る技術的条件下において導入される。

金属接点（１５）及び（１９）は、好ましくは、多層金属構造から形成されている。金属接点（１５）は、好ましくは、Ｎｉ−Ａｕ−Ｇｅ構造を含む構造から形成される（但し、これらに限定されない）。一方、金属接点（１９）は、好ましくは、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ構造を含む構造から形成される（但し、これらに限定されない）。

閉じ込めレイヤ（１６）は、基板（１０）に対して格子整合している（又は、略格子整合している）と共に、放出光に対して透明であって、ドーピングされていない（又は、わずかにドーピングされた）材料から形成しなければならない。この閉じ込めレイヤは、好ましくは、基板（１０）と同一の材料から形成される。

閉じ込めレイヤ（１６）内に配置されている活性領域（１７）は、好ましくは、挿入によって形成されており、このエネルギーバンドギャップは、基板（１０）のエネルギーバンドギャップよりも狭くなっている。可能な活性領域（１７）には、量子井戸、量子細線、量子ドットの単一層又は多層システム、或いはこれらの組み合わせが含まれる（但し、これらに限定されない）。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合には、活性領域（１７）の例には、ＩｎＡｓ、In_1-xＧａ_xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-x-yＡｌ_yＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＮ_y、又はこれらに類似の材料の挿入のシステムが含まれる（但し、これらに限定されない）。

それぞれのレイヤは、電流遮断レイヤとして動作すると共にＡｌ（Ｇａ）Ｏレイヤ又は陽子照射レイヤを含む材料（但し、これらに限定されない）から形成可能な電流アパーチャ（１３）によって隣接レイヤから分離されている。

例えば、Ｄ． Ｇ． Ｄｅｐｐｅによる「Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ」（Ｖｏｌ．１０， Ｖｅｒｔｉａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒｓ： Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｊ． Ｃｈｅｎｇ ａｎｄ Ｎ． Ｋ． Ｄｕｔｔａ， Ｇｏｒｄｏｎ ａｎｄ Ｂｒｅａｃｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ， ２０００， ｐｐ． １〜６１）に記述されているものなどの下部ミラー（１０２）及び上部ミラー（１１０）の様々な設計を使用可能である。代表的な設計には、ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合には、ＧａＡｓ／Ｇａ_1-xＡｌ_xＡｓ多層半導体ミラーが含まれ、ＩｎＰ基板上のデバイスの場合には、交互に変化する組成を有するＩｎ_xＧａ_1-x-yＡｌ_yＡｓ四元混晶の多層構造が含まれる（但し、これらに限定されない）。

この設計を使用する際の欠点は、Ｂｒａｇｇミラーレイヤの生成に適した材料の選択肢が非常に制限されているため、Ｂｒａｇｇミラーを極めて多数のレイヤから製造する必要があるという点にある。すべてのレイヤは、基板に対して格子整合（或いは、略格子整合）していなければならない。ＧａＡｓベースのＶＣＳＥＬの場合には、これらのレイヤは、ＡｌＡｓ及びＧａ_1-xＡｌ_xＡｓ混晶である。放出波長λ＝０．９８μｍの場合には、ＧａＡｓとＡｌＡｓ間の屈折率の差は非常に小さく（Δｎ＝０．５７）、９９．５％の反射率に到達するためには、Ｂｒａｇｇミラーにおいて、約３０周期（６０レイヤ）が必要である（米国特許第６，１５４，４８０号明細書を参照されたい）。ＩｎＰベースのＶＣＳＥＬの場合には、好適な格子整合した材料は、Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓ混晶、及びｘ＝１−０．４７（１−ｙ）という関係に従う組成（ｘ，ｙ）を有する対応するＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＰ_y四元混晶、又は組成ｘ＝０．５３及び任意のｙを有するＩｎ_xＧａ_1-x-yＡｌ_yＡｓ四元混晶である。この場合には、レイヤ間における屈折率の差が、更に小さいため（Δｎ≒０．３）、Ｂｒａｇｇミラーにおいては、約１００周期（２００レイヤ）が必要となる。

本発明においては、ミラーに対して傾斜するように共振光学モードを設計した活性要素を使用することにより、この多数のレイヤに対する要件の問題点を解決している。２つのレイヤ間の単一の境界において光が反射する際には、傾斜角の増加に伴って入射光の反射係数が増大することから、従来のＶＣＳＥＬに比べて格段に少ない数のレイヤから構成される共振多層ミラーにより、例えば、０．９９５などの必要とされる大きな反射係数を実現することができる。特に、２つのレイヤ間の境界における全内部反射の角度を入射角が上回る場合には、共振器の屈折率よりも低い屈折率を有する単一レイヤによって反射器を構成可能である。以下、本明細書においては、本発明によるこのレーザーを「傾斜型共振器レーザーと呼ぶことにする。尚、この設計を使用する半導体デバイスの具体的な例には、光検出器と増幅器も含まれる。

共振器が、異なる屈折率を有する少なくとも２つのレイヤを有する場合には、両方の材料内における共振状態により、放出光の波長と光学モードの傾斜角の両方が安定する。この代わりに、共振器が、多層干渉ミラーによって囲まれた単一レイヤのみから構成されている場合には、波長の安定化が実現する。共振器と、共振器の屈折率とは異なる屈折率を有する多層ミラーのレイヤの両方の内部における共振状態により、放出光の波長と光学モードの傾斜角の両方が安定する。別の実施例においては、２つの半導体レイヤ間の境界において全内部反射を示すべく、この光学モードが使用される。一方における下部及び上部ミラーを通じた放射損失と、他方における側部表面を通じた放射損失間の相互作用により、放出光の波長をが安定する。

一実施例においては、このレーザーに対して、レーザー生成の波長よりも短い波長側において強力な狭い光学吸収ピークを示す変調器を含む位相制御要素が追加される。そして、電気光学効果を使用することによって波長の制御が実現される。逆バイアスが印加されると、Ｓｔａｒｋ効果のために、吸収最大値が長い波長の方向にシフトする。一方、順バイアスが印加された場合には、電流が注入され、この結果、ブリーチングとピーク吸収の減少がもたらされる。いずれの場合にも、位相制御要素内において、屈折率の強力な変調が発生する。そして、この効果により、共振器モードの波長を調節する。

別の実施例においては、レーザーに対して、レーザー生成の波長よりも短い波長側において穏やかな（又は、わずかな）光学吸収ピークを示すアブソーバを含むパワー変調要素が追加される。そして、電気光学効果を利用することによってパワー変調が実現される。逆バイアスが印加されると、Ｓｔａｒｋ効果のために、吸収最大値が長い波長の方向にシフトする。この結果、光学モードの内部損失が増大し、出力パワーが減少する。一方、順バイアスが印加された場合には、電流が注入され、これにより、ブリーチングとピーク吸収の減少がもたらされ、この結果、光学モードの内部損失が減少して出力パワーが増大する。

図２には、傾斜光学モードを使用するレーザーの原理が概略的に示されている。この装置（２００）は、下部反射器（２０２）と上部反射器（２１０）によって囲まれた共振器（２２０）を有している。この共振器（２２０）は、わずかにドーピングされた（又は、ドーピングされていない）閉じ込めレイヤ（１０６）によって囲まれた活性領域（１０７）を含んでいる。尚、わかりやすくするために、この図には、基板、電流拡散レイヤ、金属接点、及びバイアスは示されていない。下部反射器（２０２）と上部反射器（２１０）は、いずれも角度及び波長の特定の範囲において高反射率を示す共振多層構造となっている。それぞれの反射器（２０２）及び（２１０）内のレイヤ数は可変である。尚、この図においては、それぞれの反射器（２０２）及び（２１０）は、多層構造となっているが、これらの反射器のいずれか又は両方を単一レイヤのみによって構成することも可能である（図３を参照されたい）。この挿入により、レイヤ間の境界上への光入射の傾斜角θが規定されることになる。

反射器（２０２）及び（２１０）は、従来のミラー（１０２）及び（１１０）と同一の材料からなる積層構造を有しているが、含まれているレイヤの数は少ない。又、一方の高屈折率を有するレイヤと、他方の低屈折率を有するレイヤは、その厚さが大幅に異なるものであってよい。傾斜モード（２１３）の光学経路は、閉じたラインとして示されている。下部（２０２）及び上部（２１０）反射器により、垂直方向における帰還が提供されている。そして、この特定の実施例においては、共振器（２２０）の側部ミラー（２２１）により、横方向の帰還が提供されている。

図３には、傾斜光学モードを使用し、下部及び上部反射器からの全内部反射の条件下において動作するレーザーの原理が概略的に示されている。この装置（３００）は、反射器（３０２）及び（３１０）によって囲まれた共振器（３２０）を有している。この共振器（３２０）は、ドーピングされていない（又は、わずかにドーピングされた）閉じ込めレイヤ（１０６）によって囲まれた活性領域（１０７）を含んでいる。尚、わかりやすくするために、この図には、基板、電流拡散レイヤ、金属接点、及びバイアスは示されていない。傾斜モード（３１３）の光学経路は、閉じたラインとして示されている。そして、下部反射器（３０２）及び上部反射器（３１０）は、いずれも光学モードの大きな減衰を提供する単一のレイヤとなっている。

レイヤ（３０２）及び（３１０）のそれぞれは、好ましくは、基板に対して格子整合しており（又は、略格子整合しており）、放出光に対して透明であって、共振器（３２０）の屈折率ｎ₁よりも小さな屈折率ｎ₂を有している。傾斜光学モードを生成するレーザーは、光を放出し、垂直方向において、面発光レーザーとして動作すると共に、横方向において、エッジ発光レーザーとして動作することができる。

実際的なケースにおいて、更に詳細な検討が可能であり、この場合には、図２及び図３の両方に示されているように、活性領域の横方向の寸法（Ｌ）は、その垂直方向の厚さ（Ｄ）よりも大きくなっている（即ち、次式のとおりである）。

Ｌ＞＞Ｄ （１）

図３に示されている単純なケースにおいては、構造を３レイヤのスラブ導波路として取り扱うことができる。この場合には、ＴＥ光学モードにおける電界は、次のように表すことができる（Ｈ． Ｃ． Ｃａｓｅｙ， Ｊｒ．及びＭ． Ｂ． Ｐａｎｉｓｈによる「Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｌａｓｅｒｓ」， Ｐａｒｔ Ａ， Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９７８， ｐｐ． ３４〜５７）。

Ｅ_y＝Ｃ₁ｃｏｓ（ｋ_xｘ）ｅｘｐ［−ｋ｜ｚ｜］（ｚ＜０の場合） （２ａ）

Ｅ_y＝ｃｏｓ（ｋ_xｘ）［Ａｃｏｓ（ｋ_zｚ）＋Ｂｓｉｎ（ｋ_zｚ）］（０＜ｚ＜Ｄの場合） （２ｂ）

Ｅ_y＝Ｃ₂ｃｏｓ（ｋ_xｘ）ｅｘｐ「−ｋ（ｚ−Ｄ）］（ｚ＞Ｄの場合） （２ｃ）

波動ベクトルの成分ｋ_x及びｋ_zは、活性領域内における次の分散関係によって結合している。

ｋ_x ²＋ｋ_z ²＝ｎ₁ ²（２π／λ）² （３）

そして、減衰係数Kは、反射器における次の分散関係から判定される。

ｋ_x ²−Ｋ²＝ｎ₂ ²（２π／λ）² （４）

ここで、λは、真空中における放射光の波長である。許容される波動ベクトルｋ_xは、ｚ＝０及びｚ＝Ｄにおける境界条件が課された場合に、標準的な手順によって見いだすことができる。

共振器内おける様々なタイプの光学モードを分析するには、図２に定義されているように、波長λ及び角度θによってそれらの特徴を判定するのが便利である。この場合には、ｋ_x＝（２π／λ）ｎ₁ｓｉｎθである。活性領域及び隣接するレイヤ（３０２）及び（３１０）間の境界における全内部反射の条件は、次の場合に満足される。

ｓｉｎθ＞ｎ₂／ｎ₁ （５）

波長λ＝０．９８μｍの場合には、屈折率ｎ₁＝３．５２（ＧａＡｓの屈折率）とｎ₂＝２．９５（ＡｌＡｓの屈折率）を代入することにより、θ＞５７°が得られる。光学モードが式（５）を満足する場合には、図３の構造により、共振器内における光学モードの閉じ込めと反射器からの高反射係数が実現する。

次のように小さな傾斜角の場合には、

ｓｉｎθ＜ｎ₂／ｎ₁ （６）

光は、屈折率ｎ₂によってレイヤ内を伝播する。この場合には、多層干渉反射器を有する図２の構造により、光学モードの閉じ込めが実現する。傾斜光学モードの場合には、垂直入射モードと比べて、反射器内において必要とされるレイヤの数は少ない。

反射器を通じて出射される共振光学モードは、傾斜角θが「半導体／真空」境界における全内部反射の角度を上回っている場合には（即ち、次式）、真空中に出てくることはできない。

１／ｎ₁＜ｓｉｎθ （７）

ＧａＡｓの場合には、この角度θ＞１７°である。入射角度が小さい場合には、従来のＶＣＳＥＬと比べ、ほとんど利点は存在しない。従って、傾斜光学モードにおいて、垂直方向の光出力を提供する方法が必要である。

共振器が、一面においては、多層干渉反射器によって囲まれ、他面においては、単一レイヤの反射器によって囲まれた本発明の別の実施例も可能である。多層干渉反射器は、交互に変化する屈折率ｎ₁及びｎ₂を有する一連のレイヤを有し、傾斜光学モードの入射角θがｓｉｎθ＜ｎ₂／ｎ₁となるように選定されており、従って、多層反射器を有するレイヤ間の境界において全内部反射は発生しない。一方、単一レイヤの反射器は、ｓｉｎθ＞ｎ₃／ｎ₁となる屈折率ｎ_３を有するレイヤであり、屈折率ｎ₁を有する共振器と屈折率ｎ₃を有する反射器間の境界において全内部反射が発生する。可能な実施例には、共振器がＧａＡｓのレイヤであり、多層反射器がＧａＡｓとＧａ_1-x2Ａｌ_x2Ａｓの一連のレイヤであり、単一レイヤの反射率がＧａ_1-x3Ａｌ_x3Ａｓのレイヤであって、ｘ₃＞ｘ₂である構造が含まれる（但し、これに限定されない）。このような装置においては、下部反射器が多層干渉反射器であり、上部反射器が単一レイヤの反射器であってよい。或いは、この代わりに、下部反射器が単一レイヤの反射器であり、上部反射器が多層反射器であってもよい。

図４は、本発明の一実施例を示しており、この場合には、上部反射器（４１０）のいくつかのレイヤの選択的且つ部分的な除去により、光学アパーチャ（４１４）が生成されている。活性領域を形成するべく、第１金属接点（１０５）を有するｎドーピングされた電流拡散レイヤ（１０４）が、電流アパーチャ（１０３）により、活性領域（１０７）を囲むわずかにドーピングされた（又は、ドーピングされていない）閉じ込めレイヤ（１０６）から分離されいる。又、わずかにドーピングされた（又は、ドーピングされていない）閉じ込めレイヤ（１０６）も、第２電流アパーチャ（１０３）により、第２金属接点（１０９）を有するｐドーピングされた電流拡散レイヤ（１０８）から分離されている。活性要素は、順バイアス（１１１）下において動作する。そして、活性領域（１０７）により、光が生成される。閉じ込めレイヤ（１０６）は、活性領域（１０７）内においてトラップされたキャリアに電気的閉じ込めを提供するべく機能する。

基板（１０１）は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料またはＩＩＩ−Ｖ族半導体混晶から形成可能である（例：ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ）。レーザー放射の所望の放出波長に応じて、通常、ＧａＡｓ又はＩｎＰが使用される。ｎドーピングされたレイヤ（１０４）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合している（又は、略格子整合している）と共に、生成された光に対して透明であって、ドナー不純物によってドーピングされた材料から形成される。このｎドーピングされたレイヤ（１０４）は、好ましくは、基板（１０１）の材料と同一の材料である（例：ＧａＡｓ）。可能なドナー不純物には、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、並びにＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどの両性不純物が含まれており（但し、これらに限定されない）、後者は、陽イオンの副格子内に主に内蔵されてドナー不純物として機能し得る技術的条件下において導入される。

ｐドーピングされたレイヤ（１０８）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合している（又は、略格子整合している）と共に、生成された光に対して透明であって、アクセプタ不純物によってドーピングされた材料から形成される。このｐドーピングされたレイヤ（１０８）は、好ましくは、基板（１０１）と同一の材料である（例：ＧａＡｓ）。可能なアクセプタ不純物には、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｍｎ、並びにＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどの両性不純物が含まれており（但し、これらに限定されない）、後者は、陰イオンの副格子内に主に内蔵されてアクセプタ不純物として機能し得る技術的条件下において導入される。

金属接点（１０５）及び（１０９）は、好ましくは、多層金属構造から形成されている。金属接点（１０５）は、好ましくは、Ｎｉ−Ａｕ−Ｇｅ構造を含む構造から形成される（但し、これらに限定されない）。一方、金属接点（１０９）は、好ましくは、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ構造を含む構造から形成される（但し、これらに限定されない）。

閉じ込めレイヤ（１０６）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合している（又は、略格子整合している）と共に、放出光に対して透明であって、ドーピングされていない（又は、わずかにドーピングされた）材料から形成される。この閉じ込めレイヤ（１０６）は、好ましくは、基板（１０１）と同一の材料から形成される。

閉じ込めレイヤ（１０６）内に配置されている活性領域（１０７）は、好ましくは、挿入によって形成され、このエネルギーバンドギャップは、基板（１０１）のエネルギーバンドギャップよりも狭くなっている。可能な活性領域（１０７）には、量子井戸、量子細線、量子ドットの単一レイヤ又は多層システム、又はこれらの組み合わせが含まれる（但し、これらに限定されない）。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合には、活性領域（１０７）の例に、ＩｎＡｓ、In_1-xＧａ_xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-x-yＡｌ_yＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＮ_y、又はこれらに類似の材料の挿入のシステムが含まれる（但し、これらに限定されない）。

それぞれのレイヤは、電流遮断レイヤとして動作すると共にＡｌ（Ｇａ）Ｏレイヤ又は陽子照射レイヤを含む材料（但し、これらに限定されない）から形成可能な電流アパーチャ（１０３）によって隣接レイヤから分離されている。

傾斜型共振器（４２０）には、レイヤ（１０３）、（１０４）、（１０５）、（１０６）、（１０７）、及び（１０８）が含まれている。傾斜型共振器（４２０）は、垂直方向においては、下部反射器（２０２）と上部反射器（４１０）によって閉じ込められている。又、横方向の面においては、傾斜型共振器（４２０）は、電流アパーチャ（１０３）によって閉じ込められている。共振光学モード（４１３）の光は、上部反射器（４１０）を通じて出射する。光学アパーチャ（４１４）が存在しない場合には、真空との境界による全内部反射のために、光はこの構造から出射しない。光学アパーチャ（４１４）によって光が回折し、ある程度の光の回折成分が出射される（４１２）。特定形状の実施例は、例えば、Ｒ． Ｄ． Ｍｅａｄｅ他による「Ａｃｃｕｒａｔｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ−ｇａｐ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ４８：１１， １９９３， ｐｐ． ８４３４〜８４３７）において開発された方法などを使用することにより、不均一な媒体内における光伝播の三次元問題を解くことによって算出される。具体的には、代表的な実施例には、傾斜光学モード（４１３）の強度の最大値に活性領域（１０７）を配置した構造が含まれる（但し、これに限定されない）。

図５は、本発明の別の実施例を示しており、この場合には、上部多層反射器（２１０）上に光学アパーチャ（５１４）が導入されている。共振器（５２０）には、レイヤ（１０３）、（１０４）、（１０５）、（１０６）、（１０７）、及び（１０８）が含まれている。共振光学モード（５１３）の光は、上部反射器（２１０）を通じて出射する。ある程度の光の回折成分により、垂直方向における光出力（５１２）が提供されるのである。

所与の実施例において選択される共振光学モードを算出するには、次の傾斜光学モード（２１３）の放射損失を検討すればよい。

α_rad≒α_bottom＋α_top＋α_side （８）

ここで、図２の構造の下部、上部、及び側部表面を介した損失は、次式のとおりである。

α_bottom＝（（ｃｏｓθ）／Ｄ）ｌｎ（１／ｒ_bottom） （９ａ）

α_top＝（（ｃｏｓθ）／Ｄ）ｌｎ（１／ｒ_top） （９ｂ）

α_side＝（（ｓｉｎθ）／Ｌ）ｌｎ（１／ｒ_side） （９ｃ）

下部及び上部Ｂｒａｇｇミラーにおける振幅反射係数ｒ_bottom及びｒ_topについては、Ｍ． Ｂｏｒｎ及びＥ． Ｗｏｌｆによる「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ」（６ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ， （１９８０） ｐｐ． １〜７０）に詳しく記述されている方法を使用して算出可能である。

側部表面における振幅反射係数は、厚い共振器の場合には、容易に記述可能であって、この場合には、所与のｋ_zを有する平面波によって光学モードを近似することができる。この結果、次のようになる。

ここで、ｋ₀＝２π／λは、真空中における光の波動ベクトルである。式（１０）は、Ｈ． Ｃ． Ｃａｓｅｙ， Ｊｒ．及びＭ． Ｂ． Ｐａｎｉｓｈによる「Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｌａｓｅｒｓ， ＰａｒｔＡ」という名称の書籍（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９７８， ｐｐ． ７１〜７９）に記述されている方法を適用することにより、ｚ方向における光学モードの実際のプロファイルに拡張することができる。この方法は、半導体レイヤ間の屈折率の差が半導体と真空間の屈折率の差よりも小さいという近似（即ち、次式）に基づいたものである。

｜ｎ₁−ｎ₂｜＜＜ｎ_１−１ （１１）

この場合には、振幅反射係数の式（１０）は、次のように一般化することができる。

ここで、量

は、次式によって表される平均値であり、

そして、

は、次式によって表される光学モード内の電界強度のフーリエ変換である。

図６には、放射損失の算出を完了した共振器の一例が表示されている。下部及び上部Ｂｒａｇｇ反射器（２０２）及び（２１０）は、ＧａＡｓ（屈折率ｎ₁＝３．５２）とＧａ_0.75Ａｌ_0.25Ａｓ（屈折率ｎ₂＝３．３８）の交互に変化するレイヤから構成されている。これらの多層反射器（２０２）及び（２１０）は、０．２５λ／１．７５λの３レイヤ構造として構築されている。活性領域の厚さＤ＝９６４ｎｍであり、反射器内におけるＧａＡｓレイヤの厚さは、Ｈ₁＝２４１ｎｍであり、Ｇａ_0.75Ａｌ_0.25Ａｓレイヤの厚さは、Ｈ₂＝２６９１ｎｍである。そして、共振器の横方向の寸法は、Ｌ＝５０μｍである。

図７は、所与の共振器について、式（８）、（９）、及び（１２）を利用して算出された傾斜光学モードの放射損失を角度θの関数として表している。傾斜角が小さい及び中程度の場合には、損失は、主に下部及び上部多層反射器を通じた光の透過に起因している。一方、傾斜角が大きい場合には、損失は、共振器の側部表面を通じた光の透過に起因する。図７には、約７２°の角度において、放射損失の鋭い最小値が表示されている。この最小値により、所与のレーザー構造によって生成される光学モードを効率的に選択することができる。

図８は、α_radの最小値近傍の放射損失を波長の関数として表示している。それぞれのバーは、共振器の様々な横モードに対応している。この図には、次のスペクトル範囲が表示されている。

約１４ｎｍというかなり狭いスペクトル範囲は、放出光波長の効果的な安定化の可能性を実証している。

図９は、活性領域（９０７）が内部に配置されたレイヤ（９０６）と、レイヤ（９１６）という２つのレイヤを共振器（９２０）内に含むレーザー（９００）を示している。これらのレイヤは、それぞれｎ₁及びｎ₂という異なる屈折率を有している。例えば、１つのレイヤ（９０６）が高屈折率を有し、レイヤ（９１６）が中程度の屈折率を有することができる。或いは、この代わりに、１つのレイヤ（９０６）が低屈折率を有し、レイヤ（９１６）が中程度の屈折率を有することも可能である。尚、この図においては、活性領域（９０７）は、レイヤ（９０６）内に位置しているが、活性領域は、レイヤ（９０６）又は（９１６）のどちらかの内部に配置可能である。これらの例においては、下部反射器（２０２）の最上位レイヤと上部反射器（２１０）の最下位レイヤは、好ましくは、高屈折率を有している。

傾斜光学モードの経路は、レイヤ（９０６）内の経路（９１３）とレイヤ（９１６）内の経路（９１５）から構成されており、２つのレイヤ間の境界において、光の反射と透過の両方が発生する。この傾斜光学モードは、両方のレイヤ（９０６）及び（９１６）による共振状態にある。これらのレイヤ（９０６）及び（９１６）のそれぞれは、好ましくは、基板に対して格子整合している（又は、略格子整合している）と共に、放出光に対して透明であって、ドーピングされていない（又は、わずかにドーピングされた）材料から形成されている。

図１０は、それぞれｎ₁及びｎ₂という異なる屈折率を有するレイヤ（１００６）及びレイヤ（１０１６）という２つのレイヤを共振器（１０２０）内に有するレーザー（１０００）を示している。傾斜光学モードの経路には、レイヤ（１００６）内の経路（１０１３）とレイヤ（１０１６）内の経路（１０１５）が含まれている。活性領域（１００７）は、レイヤ（１００６）とレイヤ（１０１６）間の境界に配置されている。この傾斜光学モードは、レイヤ（１００６）及び（１０１６）の両方による共振状態にある。

図１０の共振器の放射損失を算出するべく、Ｍ． Ｂｏｒｎ及びＥ． Ｗｏｌｆによる「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ」（６ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ， （１９８０）， ｐｐ． １〜７０）に詳しく記述されている方法を使用することにより、次式が得られる。

ここで、ｒ₁及びｒ₂は、それぞれ下部及び上部ミラーにおける振幅反射係数である。損失（１６）の最小値は、次の場合に発生する。

ｒ₁＞０、ｒ₂＞０、（１−ｒ₁）＜＜１、（１−ｒ₂）＜＜１、２ｋ_z ⁽¹⁾Ｄ₁＝２ｍ₁π、
２ｋ_z ⁽²⁾Ｄ₂＝２ｍ₂π （１７ａ）

又は、

ｒ₁＜０、ｒ₂＜０、（１＋ｒ₁）＜＜１、（１＋ｒ₂）＜＜１、２ｋ_z ⁽¹⁾Ｄ₁＝（２ｍ₁＋１）π、２ｋ_z ⁽²⁾Ｄ₂＝（２ｍ₂＋１）π （１７ｂ）

ここで、ｍ₁及びｍ₂は整数である。式（１７ａ）の条件は、レイヤ（１００６）の屈折率が下部多層反射器の最上位レイヤの屈折率よりも大きく、レイヤ（１０１６）の屈折率が上部多層反射器の最下位レイヤの屈折率よりも大きい場合に満足される。レイヤ（１００６）の屈折率をｎ₁、レイヤ（１０１６）の屈折率をｎ₂とし、多層反射器が、屈折率ｎ₁及びｎ₃を有する一連の交互に変化するレイヤを有しているとしよう。この場合には、式（１７ａ）は、ｎ₁＞ｎ₃であり、且つｎ₂＞ｎ₃である場合に、満足される。一方、式（１７ｂ）の条件は、レイヤ（１００６）の屈折率が下部多層反射器の最上位レイヤの屈折率よりも小さく、レイヤ（１０１６）の屈折率が上部多層反射器の最下位レイヤの屈折率よりも小さい場合に、満足される（即ち、ｎ₁＜ｎ₃及びｎ₂＜ｎ₃である）。屈折率のこれらの組み合わせのそれぞれは、適切な組成の半導体混晶を使用することによって実現可能である（例えば、ＧａＡｓベースのデバイスの場合には、波長λ＝９８０ｎｍにおいて格子整合した混晶Ｇａ_1-xＡｌ_xＡｓは、屈折率ｎ（ｘ）＝３．５２−０．５７ｘを有している）。従って、混晶の組成ｘを調節することにより、必要な屈折率のプロファイルを実現することができる。

２つのレイヤ内における波動ベクトルのｚ成分は、次の関係に従っている。

ここで、ｋ_xは、波動ベクトルのｘ成分であり、これは、所与の光学モードにおいて、２つのレイヤ内において同一である。この成分は、横モードごとに異なっている。式（１７ａ）又は（１７ｂ）の共振条件により、未知の波長λ及び波動ベクトル成分ｋ_xに関する２つの式が得られる。そして、これにより、光学モードが一意に定義される。

本発明のその他の実施例は、異なる屈折率を有する３つ以上のレイヤを有するマイクロ共振器を含んでおり、これらのレイヤの中の１つの内部、或いは異なるレイヤの中の２つの間の境界に活性レイヤを配置することができる。

図１１は、傾斜モードにおける下部及び上部多層反射器を通じた放射損失の式（１６）によるモデル演算の結果を示している。この例においては、０．５λ−０．５λ共振器は、屈折率ｎ₁＝３．５２を有するＧａＡｓと屈折率ｎ₂＝３．３８を有するＧａ_0.75Ａｌ_0.25Ａｓのレイヤを含んでいる。選定した傾斜モードは、傾斜角θ＝７２°を有するものであり、これは、２つの半導体の境界における全内部反射の角度（７３．７°）に近い。レイヤの厚さは、Ｄ₁＝４５１ｎｍであり、Ｄ₂＝１０５１ｎｍである。下部及び上部多層反射器の振幅反射係数は、いずれも０．９９５である。この構造は、波長λ＝０．９８μｍを有する光学モードにおいて共振状態にある。図１１は、Δλ＝１．４ｎｍの幅を有する放射損失における極めて鋭い共振を実証している。

図１２は、図１０の共振器の傾斜光学モードの放射損失を示しており、これらのモードは、レイヤ（１００６）による正確な共振状態にあり（即ち、ｋ_τ ⁽¹⁾Ｄ₁＝π）、様々な波長は、共振器の様々な横モードに対応している。共振器の横方向の寸法は、３００μｍであった。この共振器は、エッジ発光レーザーとして代表的なものである。この図１２の結果は、放射損失の最小値の近傍に位置する単一の横モードを実証している。これは、単一の横モードのみを生成するレーザーを構築可能であることを示している。

図１３は、図３の共振器における傾斜光学モードの放射損失を表示しており、この光学モードの傾斜角は、共振器（３２０）と下部反射器（３０２）間の境界並びに共振器（３２０）と上部反射器（３１０）間の境界における全内部反射の角度を上回っている。Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3Ａｓのクラッドレイヤ（屈折率ｎ＝３．３５）によって囲まれたＧａＡｓ共振器（屈折率ｎ＝３．５２）について演算を実行した。この例においては、共振器の厚さは、２４５ｎｍであり、それぞれのクラッドレイヤの厚さは、１４００ｎｍであって、共振器の長さは、Ｌ＝５０μｍである。傾斜角が小さい及び中程度の場合には、損失は、主に下部（３０２）及び上部反射器（３１０）を通じた光の透過に起因している。一方、傾斜角が大きい場合には、損失は、共振器の側部表面を通じた光の透過に主に起因する。この図１３は、約７２°の角度において、放射損失の鋭い最小値を表示している。この最小値により、所与のレーザー構造によって生成される光学モードを効率的に選択することができる。

図１４は、α_radの最小値に近い放射損失を波長の関数として表示している。それぞれのバーは、共振器の様々な横モードに対応している。約１７μｍの幅のスペクトル範囲がこれらの光学モードに対応しており、この損失は、最小損失の２倍を超過していない。すべてを考慮した共振器の設計により、傾斜光学モードから出力される光を上部（及び下部）反射器並びに側部表面の両方を通じて提供可能である。

図１５は、本発明の別の実施例を示しており、この場合には、上部多層反射器（２１０）上に吸収要素（１５１７）が配置されており、この吸収要素（１５１７）内には、吸収領域（１５１８）が配置されている。この結果、多層反射器（２１０）により、損失が最小の波長を選択することができる。上部反射器（２１０）を通じて透過した光は、吸収領域（１５１８）によって吸収される。そして、吸収領域（１５１８）は、反射器（２１０）を通じて透過した光を吸収し、横方向における光出力を提供する。従って、共振器の側部表面を通じて光（１５１９）がレーザーから出射されることになり、このレーザーは、波長安定化エッジ発光レーザーとして動作する。

この実施例の変形においては、吸収要素（１５１７）は、基板（１０１）と下部反射器（２０２）間に挟持されており、吸収レイヤ（１５１８）は、下部反射器（２０２）を通じて透過した光を吸収する。別の変形においては、下部（２０２）又は上部反射器（２１０）を通じて透過した光が接触レイヤによって吸収される。

傾斜光学モード（１５１３）の横方向における帰還は、通常、屈折率の１つ又は複数の段階によって提供可能である。例えば、これは、共振器の表面、共振器と誘電体被覆間のインターフェイス、エッチングされた反射器、又は上部反射器の上に製造された格子であってよい。

図１６は、本発明の別の実施例を示しており、この場合には、上部多層反射器（１６１０）が選択的にエッチングされており（１６２１）、これによって、傾斜光学モード（１６１３）に対する横方向の更なる帰還を促進している。この結果、光（１６１９）は、共振器（４２０）の側部表面を通じてレーザーから出射することになり、波長安定化エッジ発光レーザーとして動作する。この実施例は、次のような点が図４の実施例とは異なっている。即ち、選択的なエッチング（１６２１）により、上部多層反射器（１６１０）の厚さの周期的な変調が生成され、この結果、横方向における更なる帰還が促進され、放出光の波長における選択性が向上する。一方、図４の実施例の上部アパーチャ（４１４）は、垂直方向における光の出力を促進するためにのみ設計されており、垂直方向における出力は、単一のアパーチャによって実現可能であって、上部反射器の周期的なエッチングは不要である。

図１７は、本発明の別の実施例を示しており、この場合には、上部多層反射器（１７１０）上に、格子（１７２２）が製造されている。この格子（１７２２）により、傾斜光学モード（１７１３）に対する横方向の更なる帰還が促進される。光（１７１９）は、共振器（４２０）の側部表面を通じてレーザーから出射される。

図１８は、本発明の別の実施例を示しており、この場合には、共振器（１８２０）が、活性領域に加え、位相制御要素を有している。この位相制御要素は、両側をドーピングされていない（又は、わずかにドーピングされた）レイヤによって囲まれた変調器であり、これらのレイヤは、ｎ及びｐ接触レイヤによって囲まれている。電界を使用して、この変調器の屈折率を調節する。この変調器の屈折率の変動により、共振光学モード（１８１３）の波長が変化する。この結果、波長の調節が可能な傾斜型共振器半導体レーザーが実現することになる。

位相制御要素を形成するために、変調器（１８２７）を囲む２つのわずかにドーピングされたレイヤ（１８２６）は、第３電流アパーチャ（１０３）により、ｐドーピングされた電流拡散レイヤ（１０８）から分離されている。又、わずかにドーピングされたレイヤ（１８２６）は、第４電流アパーチャ（１０３）により、第３金属接点（１８２９）を有する第２のｎドーピングされた電流拡散レイヤ（１８２８）から分離されている。位相制御要素は、逆バイアス（１８３１）下において動作する。

わずかにドーピングされたレイヤ（１８２６）及びｎドーピングされたレイヤ（１８２８）の材料は、好ましくは、基板に対して格子整合しており（又は、略格子整合しており）、放射光に対して透明である。わずかにドーピングされたレイヤは、好ましくは、レイヤ（１０６）と同一の材料から成長したものであり、ｎドーピングされたレイヤ（１８２８）は、好ましくは、ｎドーピングされたレイヤ（１０４）と同一の材料から成長したものである。金属接点（１８２９）は、好ましくは、金属接点（１０５）と同一の構造から形成されている。

変調器（１８２７）は、挿入によって形成可能であり、このエネルギーバンドギャップは、基板（１０１）のエネルギーバンドギャップよりも狭くなっている。可能な材料及び構造は、活性領域と同一であるが、特定の設計においては、レーザーの放射波長よりも高エネルギー側（短い波長側）において変調器が強力な吸収ピークを示すようにする必要がある。

位相制御要素に逆バイアス（１８３１）を印加することにより、Ｓｔａｒｋ効果によって吸収ピークのスペクトルポイントがシフトする。この結果、これに対応して、吸収ピーク近傍のスペクトルにおいて変調器の屈折率が変化する。そして、この変動が共振光学モード（１８１３）に影響を与え、結果的に放出光の波長がシフトすることになる。

図１８の傾斜型共振器レーザーの代表的な実施例には、活性領域（１０７）と変調器（１８２７）の両方が傾斜型共振器モード（１８２７）の強度の局部最大値に配置された構造が含まれている（但し、これに限定されない）。更に正確には、好ましい位置は、変調器（１８２７）の吸収係数及び屈折率の共振変動を考慮することによって（即ち、例えば、Ｍ． Ｂｏｒｎ及びＥ． Ｗｏｌｆによる「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ」（６ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｐｅｒｇａｍｏｎ ｐｒｅｓｓ， （１９８０）， ｐｐ． １〜７０）に記述されているように、多層構造内における光の伝播に関するＭａｘｗｅｌｌの方程式を正確に解くことにより）、算出しなければならない。

波長調節可能な傾斜型共振器レーザーの別の実施例が図１９に示されている。レーザーに対して、上部多層反射器レイヤの選択的且つ部分的な除去によって製造された光学アパーチャ（４１４）が追加されている。この光学アパーチャ（４１４）は、垂直方向において出射される共振光学モード（１９１３）の光（１９１２）を提供する。

波長調節可能な傾斜型共振器レーザーの別の実施例が図２０に示されている。吸収領域（１５１８）を含む吸収要素（１５１７）が上部反射器（２１０）上に配置されている。この吸収レイヤ（１５１８）は、反射器（２１０）を通じて透過した光を吸収し、横方向における光出力を提供する。

波長調節可能な傾斜型共振器レーザーの更に別の実施例が図２１に示されている。この実施例は、活性要素と、変調器を有する位相制御要素と、を含んでいる。位相制御要素に対して順バイアスを印加する。この順バイアス（２１３２）の結果として、位相制御領域内におけるキャリアの注入、金属接点（２１２９）からｎドーピングされたレイヤ（２１２８）を通じたわずかにドーピングされたレイヤ（２１２６）及び変調器（２１２７）への電子の注入、金属接点（１０９）からｐドーピングされたレイヤ（１０８）を通じたわずかにドーピングされたレイヤ（２１２６）及び変調器（２１２７）へのホールの注入が実現する。そして、変調器（２１２７）の屈折率の変動により、共振光学モード（２１１３）の波長が変化することになる。変調器（２１２７）内におけるキャリアの再結合により、ブリーチングが生成され、エキシトン吸収ピークが減少して消滅し、場合によっては、システム内における第２利得領域の生成に至る。

わずかにドーピングされたレイヤ（２１２６）の材料は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合しており（又は、略格子整合しており）、放出光に対して透明である。このわずかにドーピングされたレイヤ（２１２６）は、好ましくは、レイヤ（１０６）と同一の材料である。ｎドーピングされたレイヤ（２１２８）の材料は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合しており（又は、略格子整合しており）、放出光に対して透明である。このｎドーピングされたレイヤは、好ましくは、ｎドーピングされたレイヤ（１０４）と同一の材料であって、同一のドナー不純物を有している。金属接点（２１２９）は、好ましくは、金属接点（１０５）と同一の構造を有している。

変調器（２１２７）は、挿入によって形成可能であり、このエネルギーバンドギャップは、基板（１０１）のエネルギーバンドギャップよりも狭くなっている。可能な材料及び構造は、活性領域と同一であるが、特定の設計においては、変調器がレーザー放射の波長よりも高エネルギー側（短い波長側）において強力な吸収ピークを示すようにする必要がある。

この実施例の変形においては、上部反射器上に位置し、垂直方向に光出力を提供する光学アパーチャが含まれている。別の変形には、横方向に光出力を提供するべく上部反射器上に配置された吸収レイヤを有する吸収要素が含まれている。

波長調節可能な傾斜型共振器レーザーのその他の実施例には、異なる屈折率を有するレイヤを含み、共振器内の屈折率プロファイルが垂直方向において不均一であり、これにより、図９及び図１０の実施例に類似した放出波長の高い選択性を提供する実施例が含まれている。一実施例においては、活性要素のレイヤは、１つの屈折率を有し、位相制御要素のレイヤは、異なる屈折率を有している。その他の実施例においては、活性要素、位相制御要素、又はこれらの両方が、異なる屈折率を有する複数のレイヤを有している。

波長調節可能な傾斜型共振器レーザーのその他の実施例は、下部反射器と活性要素間に挟持された共振器内に位相制御要素が配置されたものを含んでいる。波長調節可能な傾斜型共振器レーザーの更にその他の実施例には、位相制御要素が下部又は上部反射器内に配置されたものが含まれている。

別の実施例が図２２に示されており、この場合には、マイクロ共振器（２２２０）は、活性要素とパワー変調要素を含んでいる。パワー変調要素は、両側をドーピングされていない（又は、わずかにドーピングされた）レイヤによって囲まれたアブソーバであり、これらのレイヤは、ｎ及びｐ接触レイヤによって囲まれている。この吸収レイヤは、穏やかなピーク吸収を有する狭い吸収スペクトルを示すレイヤであって、屈折率に対する影響は、無視可能なほどに小さい。電界を使用して、この吸収ピークのスペクトル位置を調節することにより、この位置を放出光のスペクトルラインの近くへ／から遠くにシフトさせる。この結果、共振光学モードの内部光学損失が変調され、出力パワーの変調がもたらされる。

このパワー変調要素を形成するために、変調器（２２２７）を囲む２つのわずかにドーピングされたレイヤ（２２２６）は、第３電流アパーチャ（１０３）により、ｐドーピングされた電流拡散レイヤ（１０８）から分離されている。又、わずかにドーピングされたレイヤ（２２２６）は、第４電流アパーチャより、を第３金属接点（２２２９）を有する第２のｎドーピングされた電流拡散レイヤ（２２２８）から分離されている。このパワー変調要素は、逆バイアス（２２３１）下において動作する。

わずかにドーピングされたレイヤ（２２２６）とｎドーピングされたレイヤ（２２２８）の材料は、好ましくは、基板に対して格子整合しており（又は、略格子整合しており）、放出光に対して透明である。わずかにドーピングされたレイヤは、好ましくは、レイヤ（１０６）と同一の材料から成長したものであり、ｎドーピングされたレイヤ（２２２８）は、好ましくは、ｎドーピングされたレイヤ（１０４）と同一の材料から成長している。そして、金属接点（２２２９）は、好ましくは、金属接点（１０５）と同一の構造から形成されている。

変調器（２２２７）は、挿入によって形成可能であり、このエネルギーバンドギャップは、基板のエネルギーバンドギャップよりも狭くなっている。可能な材料及び構造は、活性要素と同一であるが、特定の設計においては、変調器がレーザー放射の波長よりも高エネルギー側（短い波長側）において穏やかな（又は、わずかな）吸収ピークを示すようにする必要がある。

パワー変調要素に逆バイアス（２２３１）を印加することにより、Ｓｔａｒｋ効果のために、吸収ピークのスペクトル位置がシフトする。吸収ピークがかなり弱いために、屈折率の変動と放出光の波長に対するその影響は無視することができる。放出光のスペクトル位置近傍への／から遠くへの吸収ピークのシフトにより、それぞれ、共振光学モード（２２１３）の内部損失の増大又は減少がもたらされる。この結果、出力パワーが変調され、パワー調節可能な傾斜型共振器レーザーが実現する。

この実施例の変形は、上部反射器上に位置する光学アパーチャを含んでおり、これにより、垂直方向における光出力が提供される。別の変形には、横方向に光出力を提供するベく上部反射器上に配置された吸収レイヤを有する第２吸収要素が含まれている。

パワー調節可能な傾斜型共振器レーザーの別の実施例においては、パワー変調要素は、順バイアス下において動作する。この結果、ブリーチングが発生し、これにより、エキシトン吸収ピークが減少してレーザーの出力パワーが増大する。更に別の実施例においては、パワー変調要素は、下部又は上部多層反射器内に配置される。

図２３は、傾斜型共振器レーザーの別の実施例を示している。図１８の実施例との違いは、共振器（２３２０）が、活性要素と位相制御要素に加え、位相制御要素と上部反射器間に挟持されたパワー変調要素を有していることである。この実施例においては、パワー変調要素は、順バイアス（２３３１）下において動作する。この実施例においては、放出光の波長と出力パワーの両方の独立した変調が実現している。

パワー変調要素は、わずかにドーピングされたレイヤ（２２２６）、変調器（２２２７）、及びｐドーピングされた電流拡散レイヤ（２３２８）を有している。ｐドーピングされた電流拡散レイヤ（２３２８）は、好ましくは、基板に対して格子整合しており（又は、略格子整合しており）、放出光に対して透明な材料から形成される。このレイヤ（２３２８）は、好ましくは、ｐドーピングされたレイヤ（１０８）と同一の材料から形成される。金属接点（２３２９）は、好ましくは、金属接点（１０９）と同一の構造から形成される。

位相制御要素にバイアス（１８３１）を印加すると共に、パワー変調要素にバイアス（２３３１）を印加することにより、放出光の波長と出力パワーの独立した調節が実現する。

図２４は、傾斜型共振器レーザーの別の実施例を示している。共振器（２４２０）は、ｎドーピングされた電流拡散レイヤ（１０４）、活性領域（１０７）を有するわずかにドーピングされた（又は、ドーピングされていない）閉じ込めレイヤ（１０６）、ｐドーピングされた電流拡散レイヤ（１０８）、わずかにドーピングされた（又は、ドーピングされていない）レイヤ（２４３２）及び（２４３４）、及び変調器（２４３３）を有している。傾斜光学モード（２４１３）の光は、活性領域（１０７）及び変調レイヤ（２４３３）の両方を通過する。図１８〜図２３の実施例とは異なり、変調器に対するバイアスの印加は不要である。図２５は、この図２４の実施例に示されているレーザーの動作原理を示している。変調器（２４３３）は、放出光（２５３５）よりも大きな光子エネルギーの位置において光の共振吸収（２５３６）を示すレイヤである（図２５（ａ））。この吸収ピークにより、吸収ピーク近傍において屈折率の強力な分散がもたらされる（図２５（ｂ））。通常、レーザーが動作すると、レーザー構造の温度が上昇し、これに対応してすべての半導体レイヤの屈折率が変動する。この主原因は、温度によるエネルギーバンドギャップの減少である。そして、これに相応して、Ｔ₂＞Ｔ₁において、変調器の吸収ピークの位置が低い光子エネルギー（２５３７）の方向にシフトする（図２５（ｃ））。このレーザーは、変調器の屈折率が光子エネルギーに伴って減少するスペクトル領域内に放出光のスペクトル位置（２５３５）が位置するように設計されている。従って、放出光のエネルギー位置における変調器（２４３３）の屈折率は、温度の上昇に伴って減少する（図２５（ｄ））。共振器（２４２０）を構成するその他のすべてのレイヤは、放出光による共振からはるかに離隔しており、これらの屈折率は、温度の上昇によって増大する。従って、薄い変調レイヤ（２４３３）の屈折率の共振減少により、共振器（２４２０）のその他のすべてのレイヤの屈折率の非共振増加を補償することができる。この結果、放出光の温度安定性が向上する。

レイヤ（２４３２）及び（２４３４）は、好ましくは、基板に対して格子整合しており、放出光に対して透明な材料から形成される。特定の実施例は、基板（１０１）と同一の材料から製造されたレイヤを含んでいる（但し、これに限定されない）。変調器レイヤ（２４３３）は、好ましくは、挿入によって形成され、このエネルギーバンドギャップは、基板（１０１）のエネルギーバンドギャップよりも狭くなっている。可能な変調器は、量子井戸、量子細線、量子ドットの単一レイヤ又は多層システム、又はこれらの組み合わせを含んでいる（但し、こららに限定されない）。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合には、変調器（２４３３）の例に、ＩｎＡｓ、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xーyＡｌ_yＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＮ_y、又はこれらに類似の材料が含まれている（但し、これらに限定されない）。

本発明の別の実施例が図２６に示されており、傾斜型共振器装置の概念が光検出器において使用されている。図４に示されている傾斜型共振器レーザーとは異なり、この図２６の光検出器は、逆バイアス（２６１１）下において動作するものである。外部光（２６３８）は、アパーチャ（２６１４）において回折する。下部（２０２）及び上部（２６１０）多層共振反射器により、共振器（２６２０）の傾斜光学モード（２６１３）が定義されている。この設計により、傾斜光学モード（２６１３）と共振状態にある外部光を選択的に吸収する光検出器が提供される。吸収領域（２６０７）による光の吸収によって光電流が生成され、これをマイクロ電流計（２６３９）によって計測するのである。

吸収領域（２６０７）を実現可能なものには、量子井戸、量子細線、量子ドットの単一レイヤ又は多層システム、或いはこれらの組み合わせが含まれる（但し、こららに限定されない）。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合には、吸収領域（２６０７）の例には、ＩｎＡｓ、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xーyＡｌ_yＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＮ_y、又はこれらに類似の材料が含まれる（但し、これらに限定されない）。

図２７は、本発明の別の実施例を示しており、この場合には、外部光（２７４０）は、側部表面を通じて入射しており、共振器（２７２０）の傾斜光学モード（２７１３）を励起し、吸収領域（２６０７）による吸収によって光電流が生成され、これをマイクロ電流計（２６３９）によって計測する。

図２８は、本発明の別の実施例を示している。これは、傾斜型共振器の光学モードの概念を使用した増幅器である。光学共振器（２８２０）が下部多層共振反射器（２８０２）と上部多層共振反射器（２８１０）間に配置されている。この構造は、ｎ接点（２８０５）、ｎドーピングされた基板（２８０１）、ｎドーピングされた下部多層共振反射器（２８０２）、ｎドーピングされたレイヤ（２８０４）、内部に活性領域（２８０７）が配置されたドーピングされていない（又は、わずかにドーピングされた）閉じ込めレイヤ（２８０６）、ｐドーピングされたレイヤ（２８０８）、ｐドーピングされた上部多層共振反射器（２８１０）、及びｐ接点（２８０９）を順番に有している。本発明のその他の実施例とは異なり、基板（２８０１）及び下部反射器（２８０２）はｎドーピングされており、上部反射器（２８１０）はｐドーピングされ、接点（２８０５）及び（２８０９）は、基板（２８０１）の下及び上部反射器（２８１０）の上にそれぞれ配置されている。接点（２８０５）及び（２８０９）を介して、順バイアス（２８１１）を活性領域（２８０７）に印加する。共振器（２８２０）、下部多層反射器（２８０２）、及び上部反射器（２８１０）は、傾斜光学モード（２８１３）がこの構造の共振モードとなるように設計されている。上部接点（２８０９）が、共振光学モードの光伝播の横方向に対して横方向の面内で回転しており、この結果、横方向における帰還は発生しない。従って、この装置は、レーザーとしては動作しない。そして、活性領域（２８０７）に順バイアス（２８１１）を印加した場合に、この装置は増幅器として機能する。入力光（２８４１）は、共振傾斜型共振器モード（２８１３）に変換され、強度が増幅された光が出射される（２８４２）。入射光の傾斜光学モード（２８１３）への変換と、この傾斜光学モードの出射光（２８４２）への変換により、光波長の高い選択性を有する増幅器が生成される。

基板（２８０１）は、好ましくは、本発明のその他の実施例の基板（１０１）と同一の材料から形成されており、入射光に対して透明であるが、好ましくは、ｎドーピングされている。下部多層反射器（２８０２）は、好ましくは、材料の高／低屈折率が交互に変化し、入射光に対して透明であって、基板に対して格子整合しており（又は、略格子整合しており）、ｎドーピングされたレイヤから形成されている。代表的な設計は、ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合には、多層半導体ミラーＧａＡｓ／Ｇａ_1-xＡｌ_xＡｓであり、ＩｎＰ基板上のデバイスの場合には、交互に変化する組成を有するＩｎ_xＧａ_1-x-yＡｌ_yＡｓ四元混晶の多層構造が含まれており、すべてのレイヤはｎドーピングされている（但し、これらに限定されない）。レイヤ（２８０４）は、好ましくは、基板に対して格子整合しており（又は、略格子整合しており）、入射光に対して透明であって、ｎドーピングされた材料から形成される。

閉じ込めレイヤ（２８０６）は、好ましくは、基板に対して格子整合しており（又は、略格子整合しており）、入射光に対して透明であって、ドーピングされていない（又は、わずかにドーピングされた）材料から形成される。好適な実施例においては、閉じ込めレイヤ（２８０６）は、基板（２８０１）と同一の材料から形成されるが、ドーピングされてはいない（又は、わずかにドーピングされている）。レイヤ（２８０８）は、好ましくは、基板に対して格子整合しており（又は、略格子整合しており）、入射光に対して透明であって、ｐドーピングされた材料から形成される。

上部多層反射器（２８１０）は、好ましくは、材料の高／低屈折率が交互に変化し、入射光に対して透明であって、ｐドーピングされたレイヤから形成される。代表的な設計には、下部反射器の材料と同一の材料から形成されたレイヤが含まれるが、ｐドーピングされている。

活性領域（２８０７）は、好ましくは、挿入によって形成され、このエネルギーバンドギャップは、基板（２８０１）のエネルギーバンドギャップよりも狭くなっている。可能な活性領域（２８０７）には、量子井戸、量子細線、量子ドットの単一レイヤ又は多層システム、或いはこれらの組み合わせが含まれる（但し、これらに限定されない）。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合には、活性領域（２８０７）の例には、ＩｎＡｓ、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xーyＡｌ_yＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＮ_y、又はこれらに類似の材料が含まれる（但し、これらに限定されない）。

ｎ接点（２８０５）は、好ましくは、本発明のその他の実施例のｎ接点（１０５）と同一の材料から製造される。ｐ接点（２８０９）も、好ましくは、本発明のその他の実施例のｐ接点（１０９）と同一の材料から製造される。

放出光の波長と出力パワーの独立した調節を有する傾斜型共振器レーザーの変形も可能であって、この場合には、位相制御要素とパワー変調要素の両方が逆及び順バイアス下において動作する。別の実施例においては、垂直方向における光出力を提供するべく、上部反射器上に光学アパーチャが配置されている。別の実施例は、横方向において光出力を提供するべく、上部反射器上に配置された吸収レイヤを含む第２吸収要素を有している。その他の変形においては、共振器が、異なる屈折率を有する複数のレイヤを有している。

本発明の代替実施例においては、レーザー構造の一部のみが傾斜型共振器から形成されている。活性領域と傾斜型共振器が、空間的に分離しており、レーザー構造の異なる部分に配置された更なる実施例も本発明に含まれる。本発明の別の実施例は、多層被覆を有する光ファイバを有している。この多層被覆は、特定の波長区間内の光のみが伝播できるように設計されており、これにより、波長安定化システムが提供される。

本発明の代替実施例は、全内部反射の物理特性に関連するものである。２つの媒質間の境界における光の全内部反射とは、第１媒質から境界に到来した光が、同じ第１媒質に向かって反射し、第２媒質に伝播しないことを意味するものである。しかしながら、これは、第２媒質内における遠距離場（ここで光は消滅する）にのみ関係するものであって、境界に近い近距離ゾーンにおいては、光は、一時的な電磁波の形態で存在し、これは、境界から離れるに伴って幾何級数的又は振動性の減衰を示す。そして、この近距離ゾーン内において、光を互いの媒質に結合させ、境界から離れる方向に導波することができる。

例えば、単一層又は多層被覆により、傾斜型共振器の少なくとも１つの側部表面を被覆可能である。このような被覆により、傾斜型共振器のこの側部表面を通じた光の透過状態が変化する。そして、被覆のレイヤの数、その厚さ、及び屈折率を変化させることにより、横方向における光出力を制御することができる。

別の可能性は、上部又は小平面反射器を通じた光出力に関係するものである。１つ又は複数の光ファイバを上部反射器の最上位表面の近傍又はこれに直接装着するか、或いは側部小平面の近傍に装着することにより、傾斜型共振器の共振傾斜型共振器モードの光が、光ファイバアパーチャにおける回折を経て、ファイバに沿って伝播するようになる。

以上において説明した傾斜型共振器半導体レーザー、光検出器、又は増幅器の実施例のそれぞれにおける要素の好適な順番、それぞれのレイヤの厚さ、共振器、反射器、及び変調器の設計は、放出波長の最強の安定化、最大出力パワー、並びに（必要に応じて）放出光の波長及びパワーの最大調節可能性間における好ましい相互作用を提供する最適化の結果として得られるものである。

以上、その模範的な実施例に関連し、本発明について例示及び説明したが、当業者であれば、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、前述及び様々なその他の変更、省略、及び追加を実行可能であることを理解するであろう。従って、本発明は、前述の特定の実施例に限定されるものではなく、添付の請求項に記述された特徴に関連して包含される範囲及びその等価物内において実施可能なすべての実施例を含むものと理解されたい。

垂直共振器面発光レーザーの従来技術の概略図を示している。 ２つの多層干渉反射器によって囲まれた共振器の傾斜モードの概略図を示している。 光が反射器における全内部反射を示す共振器の傾斜モードと、それぞれ単一のレイヤが使用された反射器の概略図を示している。 本発明の一実施例の概略図を示しており、この場合には、多層反射器の選択的且つ部分的な除去によって製造された光学アパーチャが垂直方向における光出力を提供している。 本発明の一実施例の概略図を示しており、この場合には、多層干渉反射器上に更に形成されたレイヤによって製造された光学アパーチャが垂直方向における光出力を提供している。 共振器、３周期下部干渉反射器、及び３周期上部干渉反射器を有する本発明の特定の構造の概略図を示している。 図６の構造対傾斜角θについて算出された傾斜光学モードの放射損失を示している。 図６の構造について算出された傾斜光学モードの放射損失の同一の概略図を示しており、この場合には、放出放射波長の関数として提示されている。 異なる屈折率を有する２つのレイヤを含む共振器の概略図を示しており、この場合には、共振器の２つのレイヤの中の１つのレイヤ内に活性レイヤが配置されている。 異なる屈折率を有する２つのレイヤを含む共振器の概略図を示しており、この場合には、２つのレイヤ間の境界に活性レイヤが配置されている。 図１０の共振器における傾斜光学モードについて算出された放射損失を波長の関数として示している。 図１０の共振器の様々な横光学モードについて算出された放射損失を示している。 図３の構造対傾斜角θについて算出された傾斜光学モードの放射損失を示している。 図３の構造について算出された傾斜光学モードの放射損失の同一の概略図を示しており、この場合には、放出放射波長の関数として提示されている。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、吸収領域を含む吸収要素が上部反射器上に配置されている。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、上部多層干渉反射器が部分的にエッチングされ、傾斜光学モードに対して横方向における帰還を提供している。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、上部多層干渉反射器上に格子が製造され、傾斜光学モードに対して横方向における帰還を提供している。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、共振器に、活性要素と、Ｓｔａｒｋ変調器を含む位相制御要素が含まれている。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、共振器に、活性要素と、Ｓｔａｒｋ変調器を含む位相制御要素が含まれており、上部多層干渉反射器上の光学アパーチャによって光出力を提供している。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、上部反射器上に配置された吸収要素が含まれている。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、共振器に、活性要素と位相制御要素が含まれている。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、共振器に、活性要素とパワー変調要素が含まれている。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、共振器に、活性要素と、位相制御要素と、パワー変調要素と、が含まれている。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、共振器に、活性要素と、放出光波長の温度安定性を向上させる変調器が含まれている。 温度変動に対する変調器の使用による波長安定化の原理を示している。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、傾斜型共振器装置は、垂直方向から到来する入射光を検出する波長選択性光検出器として動作する。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、傾斜型共振器装置は、横方向から到来する光を検出する波長選択性光検出器として動作する。 本発明の別の実施例の概略図を示しており、この場合には、傾斜共振器装置は、波長選択性増幅器として動作する。

Claims (90)

1. 半導体レーザーであって、
   （ａ）下部反射器と、
   （ｂ）上部反射器と、
   （ｃ）前記下部反射器と前記上部反射器間に配置された共振器であって、前記共振器内に配置された活性領域を有し、前記共振器及び前記活性領域は、光が、前記共振器内において、横方向の面に対する法線と前記横方向の面自体の両方に対して傾斜した方向に伝播するように設計されている、共振器と、
   を有する半導体レーザー。
2. 前記下部反射器の下に基板を更に有する請求項１記載の半導体レーザー。
3. （ａ）前記活性領域は、順バイアスが印加された際の注入電流に晒された場合に光を放出し、
   （ｂ）前記共振器は、
   （ｉ）前記活性領域の下に位置する第１閉じ込め領域と、
   （ｉｉ）前記活性領域の上に位置する第２閉じ込め領域と、
   （ｉｉｉ）前記基板の上及び前記第１閉じ込め領域の下に位置する第１のｎドーピングされた電流拡散領域と、
   （ｉｖ）前記第２閉じ込め領域の上及び前記上部反射器の下に位置する第１のｐドーピングされた電流拡散領域と、
   （ｖ）それぞれの隣接する領域間に配置された電流アパーチャと、
   （ｖｉ）電流を前記活性領域内に注入して光を生成することができる、前記第１のｎドーピングされた電流拡散領域と前記第１のｐドーピングされた電流拡散領域間に位置するバイアス制御装置と、
   を更に有する請求項２記載の半導体レーザー。
4. 前記活性領域は、
   （ａ）少なくとも１つの量子井戸と；
   （ｂ）少なくとも１枚の量子細線と；
   （ｃ）少なくとも１枚の量子ドットと；
   （ｄ）（ａ）〜（ｃ）の組み合わせと；
   から構成される群から選択される請求項１記載の半導体レーザー。
5. 帰還メカニズムを更に有する請求項４記載の半導体レーザー。
6. 前記下部反射器及び上部反射器は、多層である請求項１記載の半導体レーザー。
7. （ａ）前記共振器は、高屈折率を有する少なくとも１つのレイヤと、中程度の屈折率を有する少なくとも１つのレイヤと、を更に有し、
   （ｂ）前記下部反射器は、高屈折率を有する最上位レイヤを有し、
   （ｃ）前記上部反射器は、高屈折率を有する最下位レイヤを有する、
   請求項６記載の半導体レーザー。
8. 前記活性領域は、前記高屈折率を有するレイヤ内に配置される請求項７記載の半導体レーザー。
9. 前記活性領域は、前記中程度の屈折率を有するレイヤ内に配置される請求項７記載の半導体レーザー。
10. （ａ）前記共振器は、低屈折率を有する少なくとも１つのレイヤと、中程度の屈折率を有する少なくとも１つのレイヤと、を更に有し、
    （ｂ）前記下部反射器は、高屈折率を有する最上位レイヤを有し、
    （ｃ）前記上部反射器は、高屈折率を有する最下位レイヤを有する、
    請求項６記載の半導体レーザー。
11. 前記活性領域は、前記低屈折率を有するレイヤ内に配置される請求項１０記載の半導体レーザー。
12. 前記活性領域は、前記中程度の屈折率を有するレイヤ内に配置される請求項１０記載の半導体レーザー。
13. 前記活性領域は、前記低屈折率を有するレイヤと前記中程度の屈折率を有するレイヤの間に配置される請求項１０記載の半導体レーザー。
14. 前記レーザーは、垂直方向に光を放出し、この結果、前記レーザーは、面発光レーザーとして機能する請求項１記載の半導体レーザー。
15. 前記生成された光が前記構造から出射できるようにする光学アパーチャを更に有する請求項１４記載の半導体レーザー。
16. 前記光学アパーチャは、前記上部反射器のいくつかのレイヤの選択的部分除去によって製造される請求項１５記載の半導体レーザー。
17. 前記光学アパーチャは、前記上部反射器上に配置された更なるレイヤによって製造される請求項１５記載の半導体レーザー。
18. 前記レーザーは、横方向において光を放出し、この結果、前記レーザーは、エッジ発光レーザーとして機能する請求項１記載の半導体レーザー。
19. 前記垂直方向における帰還は、多層下部及び上部反射器によって提供される請求項１記載の半導体レーザー。
20. 前記上部反射器は、単一レイヤを有し、前記下部反射器は、複数のレイヤを有しており、この結果、これらの反射器は、垂直方向における帰還を提供する請求項１記載の半導体レーザー。
21. 前記上部反射器は、複数のレイヤを有し、前記下部反射器は、単一レイヤを有し、この結果、これらの反射器は、垂直方向における帰還を提供する請求項１記載の半導体レーザー。
22. 前記上部反射器と前記下部反射器は、それぞれ単一レイヤを有し、この結果、垂直方向における帰還を提供する請求項１記載の半導体レーザー。
23. 傾斜光学モードは、前記共振器と前記上部反射器間の境界と前記共振器と前記下部反射器間の境界の両方における全内部反射の角度よりも大きな角度で前記レイヤの法線に対して傾斜している請求項２２記載の半導体レーザー。
24. 前記共振器は、前記共振器のそれぞれの側部に、横方向における帰還を提供する少なくとも１つのミラーを更に有する請求項１記載の半導体レーザー。
25. 前記上部反射器は、部分的にエッチングされ、横方向における分布帰還を提供する請求項１記載の半導体レーザー。
26. 前記上部反射器上に製造された回折格子を更に有し、前記回折格子は、横方向における分布帰還を提供する請求項１記載の半導体レーザー。
27. （ｄ）前記上部反射器上に位置する吸収要素であって、前記上部反射器を通じて透過した光を吸収する吸収領域を含む吸収要素を更に有する請求項３記載の半導体レーザー。
28. （ｄ）前記基板と前記下部反射器間に挟持された吸収要素であって、前記下部反射器を通じて透過した光を吸収する吸収領域を含む吸収要素を更に有する請求項３記載の半導体レーザー。
29. （ｄ）位相制御要素であって、
    （ｉ）前記第１のｐドーピングされた電流拡散領域上に配置された変調領域であって、電気光学効果を利用して光の波長を変調する変調領域と、
    （ｉｉ）前記変調領域上に位置する第２のｎドーピングされた電流拡散領域と、
    （ｉｉｉ）前記位相制御要素のそれぞれの隣接する領域間に配置された電流アパーチャと、
    （ｉｖ）前記変調領域が光の波長を変調するための電界を生成することができる、前記第２のｎドーピングされた電流拡散領域と前記第１のｐドーピング電流拡散領域間に位置する、位相制御要素のバイアス制御装置と、
    を有する位相制御要素を更に有する請求項３記載の半導体レーザー。
30. 前記変調領域は、逆バイアスが印加された際の電界に晒された場合に光の波長を変調する請求項２９記載の半導体レーザー。
31. 前記生成された光が前記構造から出射できるようにする光学アパーチャを更に有する請求項３０記載の半導体レーザー。
32. 前記光学アパーチャは、前記上部反射器のいくつかのレイヤの選択的部分除去によって製造される請求項３１記載の半導体レーザー。
33. 前記光学アパーチャは、前記上位反射器上に配置された更なるレイヤによって製造される請求項３１記載の半導体レーザー。
34. 横方向における光出力を提供するべく前記上部反射器上に配置された吸収領域を含む吸収要素を更に有する請求項３０記載の半導体レーザー。
35. 前記変調領域は、順バイアスが印加された際の注入電流に晒された場合に光の波長を変調する請求項２９記載の半導体レーザー。
36. 前記生成された光が前記構造から出射できるようにする光学アパーチャを更に有する請求項３５記載の半導体レーザー。
37. 前記光学アパーチャは、前記上部反射器のいくつかのレイヤの選択的部分除去によって製造される請求項３６記載の半導体レーザー。
38. 前記光学アパーチャは、前記上部反射器上に位置する更なるレイヤによって製造される請求項３６記載の半導体レーザー。
39. 横方向における光出力を提供するべく前記上部反射器上に配置された吸収領域を含む吸収要素を更に有する請求項３６記載の半導体レーザー。
40. （ｅ）パワー変調要素であって、
    （ｉ）前記第２のｎドーピングされた電流拡散領域上に配置された第１吸収領域であって、電気光学効果を使用して、吸収したパワーを変調する第１吸収領域と、
    （ｉｉ）前記第１吸収領域上に位置する第２のｎドーピングされた電流拡散領域と、
    （ｉｉｉ）前記パワー変調要素のそれぞれの隣接する領域間に配置された電流アパーチャと、
    （ｉｖ）前記第１吸収領域によって吸収ピークのスペクトル位置をシフトさせ、これにより、前記放出光の所与の波長における吸収を変調する電界を生成することができる、前記第２のｎドーピングされた電流拡散領域と前記第２のｐドーピング電流拡散領域間に位置する、パワー変調要素のバイアス制御装置と、
    を含むパワー変調要素を更に有する請求項２９記載の半導体レーザー。
41. 前記第１吸収領域は、逆バイアスが印加された際に電界に晒される請求項４０記載の半導体レーザー。
42. 前記生成された光が前記構造から出射できるようにする光学アパーチャを更に有する請求項４１記載の半導体レーザー。
43. 横方向における光出力を提供するべく前記上部反射器上に配置された第２吸収領域を含む吸収要素を更に有する請求項４１記載の半導体レーザー。
44. 前記第１吸収領域は、順バイアスが印加された際に注入電流に晒される請求項４０記載の半導体レーザー。
45. 前記生成された光が前記構造から出射できるようにする光学アパーチャを更に有する請求項４４記載の半導体レーザー。
46. 横方向における光出力を提供するべく前記上部反射器上に配置された第２吸収領域を含む吸収要素を更に有する請求項４４記載の半導体レーザー。
47. （ｅ）パワー変調要素であって、
    （ｉ）前記第１のｐドーピングされた電流拡散領域上に配置された第１吸収領域であって、電気光学効果を使用して、吸収したパワーを変調する第１吸収領域と、
    （ｉｉ）前記吸収領域上に位置する第２のｎドーピングされた電流拡散領域と、
    （ｉｉｉ）それぞれの隣接する領域間に配置された電流アパーチャと、
    （ｉｖ）前記吸収領域によって吸収ピークのスペクトル位置をシフトさせ、これにより、光の所与の波長における吸収を変調する電界を生成することができる、前記第２のｎドーピングされた電流拡散領域と前記第１のｐドーピング電流拡散領域間に位置する、パワー変調要素のバイアス制御装置と、
    を含むパワー変調要素を更に有する請求項３記載の半導体レーザー。
48. 前記第１吸収領域は、逆バイアスが印加された際の電界に晒された場合に前記吸収したパワーを変調する請求項４７記載の半導体レーザー。
49. 前記生成された光が前記構造から出射できるようにする光学アパーチャを更に有する請求項４８記載の半導体レーザー。
50. 前記光学アパーチャは、前記上部反射器のいくつかのレイヤの選択的部分除去によって製造される請求項４９記載の半導体レーザー。
51. 前記光学アパーチャは、前記上部反射器上に配置された更なるレイヤによって製造される請求項５０記載の半導体レーザー。
52. 横方向における光出力を提供するべく前記上部反射器上に配置された第２吸収領域を含む吸収要素を更に有する請求項４８記載の半導体レーザー。
53. 前記吸収領域は、順バイアスが印加された際に注入電流に晒される請求項４７記載の半導体レーザー。
54. 前記生成された光が前記構造から出射できるようにする光学アパーチャを更に有する請求項５３記載の半導体レーザー。
55. 前記光学アパーチャは、前記上部反射器のいくつかのレイヤの選択的部分除去によって製造される請求項５４記載の半導体レーザー。
56. 前記光学アパーチャは、前記上部反射器上に配置された更なるレイヤによって製造される請求項５４記載の半導体レーザー。
57. 横方向における光出力を提供するべく前記上部反射器上に配置された第２吸収領域を含む吸収要素を更に有する請求項５３記載の半導体レーザー。
58. １つの反射器は、多層反射器であり、もう一方の反射器は、単一レイヤ反射器である請求項１記載の半導体レーザー。
59. 前記下部反射器は、単一レイヤの反射器であり、前記上部反射器は、多層反射器である請求項５８記載の半導体レーザー。
60. 前記傾斜光学モードは、前記共振器と前記下部反射器間の境界における全内部反射の角度よりも大きな角度で前記レイヤの法線に対して傾斜している請求項５９記載の半導体レーザー。
61. 前記下部反射器は、多層反射器であり、前記上部反射器は、単一レイヤ反射器である請求項５８記載の半導体レーザー。
62. 前記傾斜光学モードは、前記共振器と前記上部反射器間の境界における全内部反射の角度よりも大きな角度で前記レイヤの法線に対して傾斜している請求項６１記載の半導体レーザー。
63. 前記活性領域は、前記共振傾斜光学モードの強度の局部最大値に配置されている請求項３記載の半導体レーザー。
64. 前記変調領域は、前記共振傾斜光学モードの強度の局部最大値に配置されている請求項２９記載の半導体レーザー。
65. 前記活性領域及び前記変調領域は、いずれも前記共振傾斜光学モードの強度の局部最大値に配置されている請求項２９記載の半導体レーザー。
66. 前記吸収領域は、前記共振傾斜光学モードの強度の局部最大値に配置されている請求項４７記載の半導体レーザー。
67. 前記活性領域及び前記吸収領域は、いずれも前記共振傾斜光学モードの強度の局部最大値に配置されている請求項４７記載の半導体レーザー。
68. 前記活性領域、前記変調領域、及び前記吸収領域は、前記共振傾斜光学モードの強度の局部最大値に配置されている請求項４０記載の半導体レーザー。
69. 前記共振器は、
    （ａ）前記第１のｐドーピングされた電流拡散領域上に配置された変調領域と、
    （ｂ）前記第１のｐドーピングされた電流拡散領域と前記変調領域間に配置された電流アパーチャと、
    を更に有する請求項３記載の半導体レーザー。
70. 前記変調領域は、生成された光のスペクトルライン近傍のスペクトル範囲内において吸収ピークを示す変調レイヤを有する請求項６９記載の半導体レーザー。
71. 前記変調レイヤは、温度の上昇によるその屈折率の共振減少により、前記共振器の有効屈折率の平均的な非共振増加を補償し、これにより、温度変動に対する放出光のライン幅の更なる安定化を提供するべく設計されている請求項７０記載の半導体レーザー。
72. 前記変調レイヤは、前記共振傾斜光学モードの局部最大値に配置されている請求項７１記載の半導体レーザー。
73. 前記活性領域と前記変調レイヤは、いずれも前記共振傾斜光学モードの局部最大値に配置されている請求項７１記載の半導体レーザー。
74. 光検出器であって、
    （ａ）下部反射器と、
    （ｂ）上部反射器と、
    （ｃ）前記下部反射器と前記上部反射器間に配置された共振器であって、前記共振器内に配置された光吸収領域を有し、前記共振器の共振光学モードにおける光の伝播方向が、横方向の面に対する法線と前記横方向の面自体の両方に対して傾斜するように設計されている、共振器と、
    を有する光検出器。
75. 前記下部反射器の下に基板を更に有する請求項７４記載の光検出器。
76. （ａ）前記光吸収領域は、光を吸収した際に電子／ホールペアを生成し、
    （ｂ）前記共振器は、
    （ｉ）前記光吸収領域の下に位置する第１閉じ込め領域と、
    （ｉｉ）前記光吸収領域の上に位置する第２閉じ込め領域と、
    （ｉｉｉ）前記基板の上及び前記第１閉じ込め領域の下に位置する第１のｎドーピングされた電流拡散領域と、
    （ｉｖ）前記第２閉じ込め領域の上及び前記上部反射器の下に位置する第１のｐドーピングされた電流拡散領域と、
    （ｖ）それぞれの隣接する領域間に配置された電流アパーチャと、
    （ｖｉ）前記光吸収レイヤ内における前記光の吸収によって生成された電子及びホールによって外部回路内に光電流を生成させる、前記第１のｎドーピングされた電流拡散領域と前記第１のｐドーピングされた電流拡散領域間に位置するバイアス制御装置と、
    を更に有する請求項７５記載の光検出器。
77. 前記光検出器は、垂直方向において到来する光を検出する請求項７６記載の光検出器。
78. 前記光検出器は、横方向において到来する光を検出する請求項７６記載の光検出器。
79. 増幅器であって、
    （ａ）下部反射器と、
    （ｂ）上部反射器と、
    （ｃ）前記下部反射器と前記上部反射器間に配置された共振器であって、前記共振器内に配置された活性領域を有し、前記共振器の共振光学モードにおける光伝播の方向が、横方向の面に対する法線と前記横方向の面自体の両方に対して傾斜するように設計されている、共振器と、
    を有する増幅器。
80. 前記底部反射器の下に基板を更に有する請求項７９記載の増幅器。
81. （ａ）前記活性領域は、順バイアスが印加された際の注入電流に晒された場合に光を増幅し、
    （ｂ）前記共振器は、
    （ｉ）前記活性領域の下に位置する第１閉じ込め領域と、
    （ｉｉ）前記活性領域の上に位置する第２閉じ込め領域と、
    （ｉｉｉ）前記基板の上及び前記第１閉じ込め領域の下に位置する第１のｎドーピングされた電流拡散領域と、
    （ｉｖ）前記第２閉じ込め領域の上及び前記上部反射器の下に位置する第１のｐドーピングされた電流拡散領域と、
    （ｖ）電流を前記光生成レイヤ内に注入して光を増幅することができる、前記第１のｎドーピングされた電流拡散領域と前記第１のｐドーピングされた電流拡散領域間に位置するバイアス制御装置と、
    を更に有する請求項８０記載の増幅器。
82. 前記基板は、ｎドーピングされており、前記下部反射器は、ｎドーピングされ、前記上部反射器は、ｐドーピングされている請求項８０記載の増幅器。
83. （ｄ）前記基板の下に配置されたｎ接点と、
    （ｅ）前記上部反射器の上に配置されたｐ接点と、
    を更に有する請求項８２記載の増幅器。
84. 前記ｐ接点は、前記傾斜光学モードの伝播の横方向に対して横方向の面内において回転しており、この結果、前記増幅器はレーザーとして動作しない請求項８３記載の増幅器。
85. 前記レーザー構造の一部のみが傾斜型共振器から形成される請求項１記載の半導体レーザー。
86. 前記傾斜型共振器の少なくとも１つの側部表面は、単一レイヤ被覆及び多層被覆からなる群から選択された被覆によって被覆されており、
    前記被覆により、横方向における光出力を制御する請求項１記載の半導体レーザー。
87. 少なくとも１本の光ファイバが、前記共振器の側部表面近傍における電磁界の近距離ゾーン内に装着されており、これにより、前記共振器の共振光学モードの前記光ファイバへの結合を提供する請求項１記載の半導体レーザー。
88. 少なくとも１本の光ファイバが、前記上部反射器の最上位表面近傍における電磁界の近距離ゾーン内に装着されており、これにより、前記共振器の共振光学モードの前記光ファイバへの結合を提供する請求項１記載の半導体レーザー。
89. 少なくとも１本の光ファイバが、前記上部反射器の最上位表面上における電磁界の近距離ゾーン内に装着されており、これにより、前記共振器の共振光学モードの前記光ファイバへの結合を提供する請求項１記載の半導体レーザー。
90. 光ファイバであって、
    （ａ）コアと、
    （ｂ）特定の波長区域内の光のみが伝播できるように設計されており、これにより、波長安定化システムを提供する多層被覆と、
    を有する光ファイバ。

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