JP2007534155A - レンズ付き表面放射入射光子デバイス - Google Patents

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Abstract

ほぼ４５度に傾斜したファセットから一端にて光が垂直に放射される、表面放射レーザーは、モニターのために、光が水平に放射される垂直なファセットを有する第２端を含む。上記表面放射レーザーは、ほぼ４５度に傾斜した上記ファセットの上方の表面に分岐補償レンズを備える。

Description

本出願は、米国仮出願番号６０／５１２１８９、２００３年１０月２０日出願、及び米国仮出願番号６０／５７８２８９、２００４年６月１０日出願の利益を主張し、それらの開示内容は、参考としてここに組込まれる。
本発明は、一般的には、改良された表面放射入射光子デバイス及びその製造方法に関し、特に、効率を改善するためのレンズを組込んだ表面放射光子デバイスに関する。
半導体レーザーは、一般的に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって基板表面と平行に活性層を形成するために、基板上に適切に積層された半導体材料を成長させることにより作製される。上記材料は、上記活性層を組込んだレーザの光キャビティを生成するため、様々な半導体処理工具で処理され、そして金属のコンタクトが上記半導体材料に取り付けられる。最後に、バイアス電圧がコンタクトに加えられたとき、それによる活性層を通る電流が電流の流れに垂直な方向に活性層の切子端面から光子を放出させるように、レーザー鏡ファセットは、エッジ、即ちレーザ光キャビティの端部を形成するために上記半導体材料を劈開することによってレーザー・キャビティの端部に形成される。
従来技術は、また、エッチングによって半導体レーザーの鏡ファセットを形成する工程を開示し、それにより、レーザーが同じ基板上に他の光子デバイスとともにモノリシックに統合されることを可能にする。上記キャビティ内の光伝搬用の臨界角よりも大きな角度でそのようなファセットを生成することにより、光キャビティ内の全内部反射ファセットの形成も知られている。
直線的なレーザー・キャビティの各端での２つの全内部反射ファセットを形成するエッチング工程の使用も、各ファセットが活性層の面に対して４５度の角度で位置決めされる状態で、先行技術に記述されている。そのようなデバイスでは、キャビティ内の光は、キャビティの一方端で垂直に上方へ向けられてもよく、その結果、一方端で表面放射となり、一方、キャビティの他方端のファセットは、光を垂直に下方へ、例えばレーザー構造より下の高反射率のスタック（stack）に向けるように反対の角度としてもよい。
先行技術は、また、劈開面とエッチングされた４５度のファセットとを組み合わせたデバイスを記載する。合成されたデバイスは、全てのウエハー及び劈開ファセットデバイスと同じ欠陥に苦しむようなものにおいてテストすることができない。更に、それらは、劈開の必要性から、モノリシックな一体化と互換性がない。しかしながら、Ｃｈａｏ等による、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒ、第７巻、８３６〜８３８頁では、遮断導波路構造を設けることで、それらの欠点を克服することが試みられたが、しかし、その結果のデバイスは、レーザー・キャビティの各端での散乱に苦しんだ。先行技術は、また、コリメートＩｎＰレンズの使用を記載する。しかしながら、それらは、基板が５０μｍまで薄くされた後、４５度より小さいファセットにエッチングされ、上記レンズは、上記基板の側面に形成される。
垂直キャビティ面放射レーザー（ＶＣＳＥＬｓ）は、過去数年にわたって人気を獲得した。しかしながら、ＶＣＳＥＬｓは、複数のデバイスの面内のモノリシック集積を可能にせず、垂直の投射角にてそれらの表面鏡から光を出すことのみを可能にする。従来のこれらの面放射デバイスに共通の態様は、活性層の水平面に垂直な方向にて光キャビティから光子が常に放射されるということである。
ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒ、第７巻、８３６〜８３８頁 Ｃｈａｏ等 著
発明の要約
本発明によれば、レーザー活性層の水平面に垂直な方向に、光キャビティの放射端にて光が放射され、活性層の水平面にて上記キャビティの反対側の端の反射領域にて光が放射される、改善された表面放射半導体レーザーが提供される。この配置は、光出力に悪影響を与えることなくレーザ動作をモニターすることを容易にする。本発明の一形態によれば、反射修正層つまりスタックが上記放射端に設けられ、本発明の別の形態によれば、本質的に単一の縦方向のモードにおけるレーザー動作を可能にするために、フィルタエレメントがレーザー・キャビティ内に設けられる。更に、本発明によれば、表面及び面内（in-plane）検知器がレーザーと同じ基板上に設けられ、複数のレーザー・キャビティが共通の場所で複数の波長の放射を可能にするために位置決めされる。
本発明の一つの実施形態は、改善された表面放射レーザーに向けられている。ここで、基板上で伸長されたキャビティの形の半導体レーザーは、第１放射端にて角度をなしたファセットを有する、基板表面に平行な活性層、上部及び下部のクラッド層、並びに上部コンタクト層を含む一連の層で作られ、また、第２反射面での垂直なファセットを含む反射領域で作られる。上記レーザは、放射端にて外側へ傾斜したリッジ導波路の形をしていてもよく、一方、レーザの第２端での反射領域は、本発明の一つの形態において、上記ファセットに隣接する分布ブラグ反射器（ＤＢＲ）を含んでいてもよい。また、レーザデバイスは、レーザーの強度をモニターするために上記反射領域のファセットから放射される小量の光に応答する、上記ＤＢＲに隣接したモニタリング光検知器（ＭＰＤ）を含んでいてもよい。上記ＭＰＤの後部は、光キャビティ及び上記ＭＰＤデバイスにおける光伝搬に本質的に反射しないように、ブルースター角（Brewster angle）に近い角度を有するように設計されるのが好ましい。上記ＭＰＤは、上記第２端でレーザー反射率に寄与するように上記ＤＢＲの肝要な部分として形成されてもよいし、又は、別個の要素として形成されてもよい。上記ＤＢＲは、反射率修正層又はスタックと取り替えることができる。
オーミック接続が形成されることを可能にする低バンドギャップの半導体材料であってもよい上部コンタクト層は、表面から光吸収層を取り除き、かつデバイスの効率を改善するために、傾斜したファセットの領域に開口を組み入れるのが好ましい。
本発明の他の実施形態では、上記傾斜したファセットを覆い延在しかつ上記開口を含み、また、その表面が上記活性層と平行である、上記放射端での光キャビティの上面部分は、レーザー出力で反射率を修正するために、誘電性の層又はスタックで覆われている。
デバイスが本質的に単一の縦方向モードで作動可能な、さらに他の実施形態を生成するために、レーザデバイスは、また、反射領域にて複数のフィルタを組み込んでもよい。そのようなフィルタは、レーザーの端部ファセットと、第一実施形態にて設けられた分布ブラッグ反射器との間に、一定間隔で配置されたフィルタエレメントを直列にて形成するために、半導体層を通してエッチングすることにより形成することができる。あるいは、縦方向モードは、反射領域におけるレーザーの端部ファセットで反射修正層又はスタックにより、生成することができる。
本発明の他の実施形態によれば、光検波器は、レーザーのそばの基板上に位置し、レーザーに用いられるのと同じ基板上のエピタキシャル構造を用いるという点でレーザーとともに一体的に形成される。この場合、エピタキシャル層は、レーザーに隣接する基板表面を占める検知器領域を形成するために、レーザー・キャビティのエッチングの間にエッチングされる。検出器に当たる光が検出されるように、上記検出器領域に適切な電極が検知器領域に堆積される。このことは、光放射器及び光検出器の両方が単一の基板上に並んで一体的に形成されることを可能にする。
本発明のさらに他の実施形態では、光検出器は、レーザーのそばに位置し、レーザーに用いられるのと同じエピタキシャル構造から形成される４５度の傾斜したファセットを有する合体した面検知器である。検知器は、細長く、基板上のスペースを節約するようにレーザー軸にほぼ平行にしてもよい。検出される光は、傾斜したファセットの上の検知器表面に当たり、傾斜したファセットの全内部反射を通じて検知器の活性領域に向けられる。この表面入射検知器は、その長さと幅とを制御することにより非常に高速になるように作成することができる。活性層に平行な４５度の傾斜ファセット上の表面は、検知器のより良い動作のため反射防止するように、誘電性の層又はスタックで覆うことができる。
選択可能な波長出力を提供するために、本発明の他の実施形態によれば、複数の表面放射レーザー・キャビティが外側に延在した状態で、例えば中央ハブを取り囲むスポークのように、上記表面放射レーザー・キャビティの放射端が互いに隣接して集まるように、上記キャビティは、位置決めされてもよい。各レーザデバイスにおけるエピタキシャル構造は、各々から異なった波長を放射するためにわずかに異なってもよい。そして、放射端が近接していることは、全てのレーザからの出力がファイバーのような一つの入射媒体に容易に組み込まれることを可能にし、そして、選択的に、レーザ、一つの選択された波長、又は複数の波長を活性化することにより、上記ファイバーへ転送することができる。
さらに他の実施形態では、化学的補助イオン・ビーム・エッチング（ＣＡＩＢＥ）がデバイスを形成するために用いられるので、本発明によるレーザーは、それらの梱包密度を最大にするために基板上にいずれの所望角度でも位置決めすることができ、このプロセスは、半導体材料の結晶面に依存することなく一様にエッチングする。したがって、例えば、それらは、長方形基板に対角線上に配置することができる。従来の劈開は、そのような配向を可能にしない。
本発明のさらに他の実施形態では、垂直ファセットを有するレーザーの反射端を形成する代わりに、両端で垂直放射又は入射を生成する角度でそれをエッチングすることは望ましいかもしれない。この第二の傾斜したファセット上の表面は、吸収を防ぐためにコンタクト層に開口を有することができ、また、反射修正層又はスタックを組み込むこともできる。
上述の様々な実施形態に共通の問題は、傾斜したファセットで生成された、レーザーにおける伝搬光の分岐の問題である。レーザー・キャビティで生成された光は、キャビティに沿って軸方向に移動し、キャビティの軸に垂直である放射ビームを生成するため、傾斜したファセットによって上方へ反射される。反射光は、全内部反射ファセットにて回折を経験し、レーザーの上部クラッド層を通り上方へ移動するように、分岐する。上記光は、レーザーの上部部分的反射表面に当たり、ある光は放射され、残った光は傾斜したファセットの方へ戻り反射される。戻された光は、さらに分岐し、その結果、その光の一部分のみが、ガイドされたモードにてレーザーの光キャビティ、すなわち導波路内へ戻り結合される。このことは、レーザーの効率を減少する。
本発明の好ましい形式では、表面放射または入射光子デバイスは、キャビティにおける光分岐の上述の影響を克服するために、傾斜ファセットの上の表面に形成あるいは堆積されたレンズを組み込む。このレンズは、開口上に堆積され、かつそのような分岐を補うために形づくられた、例えば誘電材料であってもよい。
本発明の様々な実施形態では、表面放射又は入射光子デバイス用の傾斜したファセットは、垂直放射ビームを生成するか、又はデバイスの上表面に実質的に垂直に当たる光を受け入れるように、約４５度の角度での全内部反射ファセットである。
本発明の、上述の及び追加の目的、並びに特徴及び利点は、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から当業者に明らかとなる。
さて、本発明のより詳しい説明に移って、基板１２上に作製された表面放射半導体レーザー１０が図１〜図３に図示されている。本発明は、リッジ・レーザーに関して記述されるが、ここに記載されるような本発明の特徴を利用して、他のタイプのレーザーが作製できることが理解されるだろう。
固体リッジ・レーザーの製作において従来のものとして、基板１２は、例えば適宜ドープされたＩＩＩ−Ｖ族化合物、又はそれの合金にて形成することができる。上記基板は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）のようなエピタキシャルデポジションにて堆積された上表面１４、及び、活性領域２０を含む光キャビティ１８を形成する、１６にて広く示された層群を含む。光キャビティ１８のような水平キャビティ半導体レーザ構造は、典型的に、上部及び下部のクラッド領域１９，１９’を含み、クラッド領域１９，１９’は、隣接する活性領域２０の屈折率（index）よりも低い屈折率を有するＩｎＰのような半導体材料から形成される。この領域２０は、ＩｎＡｌＧａＡｓベースの量子井戸及び障壁とともに形成されてもよい。ＩｎＧａＡｓＰの遷移層２１は、クラッド領域１９の上表面上に形成される。
傾斜したファセット２２は、第１端、つまりキャビティ１８の放射端２４にて、表面１４に対して好ましくは４５度もしくは４５度近辺の角度にてファセットが下方及び内側にエッチングされるマスキング及びエッチングプロセスにて形成される。このファセットは、光キャビティにて発生した光を、本質的に、活性領域２０の水平面及び表面１４に垂直若しくは垂直近くの方向に放射するように傾斜されている。図に示すように、光キャビティ１８の長手方向軸に沿った光伝達がこの軸に垂直な方向に反射しそして矢印２６の方向にて垂直に上方へ進むように、放射端ファセット２２は、実質的に全内部反射である。
第２端、つまり光キャビティの反射端にて、２８で広く示された端部ファセット３０は、キャビティの長手方向軸に関して９０度の角度で形成され、よって、レーザーの活性領域２０に実質的に垂直である。さらに、分布ブラッグ反射器エレメント３２及びモニタリング光検出器（ＭＰＤ）３４が端２８に形成され、ファセット３０、及びエレメント３２、３４は、既知の方法におけるマスキング及びエッチングによって形成される。放射端２４と反射端２８との間に延在するリッジ３６は、リッジ・タイプ・レーザー１０を形成するために活性領域２０上の光キャビティ１８をマスキング及びエッチングすることにより形成される。放射端２４にて、リッジ３６は、歪むことなく光キャビティ１８の上表面４２を通してビーム２６を出射させるようにファセット２２上に広いエリア４１を設けるため、端３８、４０として広げられるか、又は外側に先細にされる。
図１〜図３にて図示されるように左手端であるＭＰＤ部分３４の後部は、出口ファセット４４を形成するためにエッチングされる。ファセット４４の表面に垂直な線４５は、レーザー１０が作製される材料用のブルースターの角度、又はその近辺の角度にて、光キャビティ１８（図３）の長手方向軸に関して角度４６を形成し、その結果、ファセット４４は、キャビティ１８にて生成された光に関してゼロ又はほぼゼロの反射率を有する。光キャビティ１８で生成され、長手方向に伝達されるレーザー光のいくらかは、ファセット３０で放射され、ブラッグ反射器３２を通り抜けて、レーザーの動作をモニターするＭＰＤ３４にて受信される。この光の一部分は、ファセット４４に達するが、その０又はほぼ０の反射率のために、そのファセットで消散される。このことは、望ましくないレーザーへの戻り反射を防止する。
リッジ３６の上表面４２の上部電気コンタクト層４８は、それに適用される金属層にてオーミック接続を形成可能にするＩｎＧａＡｓのような、典型的に低バンドギャップの半導体である。遷移層２１は、典型的には上部クラッド層１９のバンドギャップとコンタクト層４８のそれとの間のバンドギャップを有する半導体であり、ある場合には、可変バンドギャップを有することもできる。上記コンタクト層及び遷移層は、レーザーで生成された光を吸収してもよい。例えば、上述した材料を有する光キャビティ１８が１３１０ｎｍの波長を有するレーザー光を生成するならば、ＩｎＧａＡｓコンタクト層４８は、２２にて示される４５度全内部反射ファセットから上方に反射された後、この光を吸収するであろう。さらに、もしＩｎＧａＡｓＰ遷移層２１のバンドギャップが１３１０ｎｍの波長に対応する約０．９５ｅＶよりも小さければ、上記遷移層もまた吸収するであろう。したがって、いずれかの吸収層の除去は、レーザーの効率的な及び信頼できる動作にとって重要である。このことは、本発明の第１実施形態により、図１に示されるように開口５２を設けることにより達成される。一方、レーザー波長が９８０ｎｍで、コンタクト層がＧａＡｓである場合、コンタクト層はその波長で透明であるので、ＧａＡｓコンタクト層を除去する必要はない。しかし、レーザー光の波長が８３０ｎｍならば、ＧａＡｓコンタクト層は、除去可能であろう。開口５２は、該開口が放射端部２４のリッジの広いエリア４１に位置決めされた状態で、パターニング及びエッチング工程によりコンタクト層４８に形成される。上述するように、この開口は光がレーザー・キャビティから放射されることを可能にする。ビームは、通常、円形又は楕円形を有するであろうことが注目される。
上部電極は、レーザー及びＭＰＤ上のコンタクト層４８に堆積され、第２電極５４は基板の底表面５６に堆積される。その結果、レーザー光を生成するように上記電極の間のリッジ３６を横切り、バイアス電圧を印加することができる。ＭＰＤに当たる光に基づいてＭＰＤが電流を生成するのを可能にするように、０又は負のバイアスもＭＰＤを横切って印加することができる。光キャビティ１８内を伝搬するレーザー光は、矢印２６で示すように、第１端２４にて垂直に出射されるために、ファセット２２にて反射されるだろう。また、ある光は、第２端２８のファセット３０を通して活性領域２０の水平面にて水平に出射されるであろう。ファセット３０を通り出射される光のうちのいくらかは、ＤＢＲ反射器３２によって反射されキャビティ内へ戻るだろう。また、それが検出されるであろうＭＰＤ３４の前面５８に当たるように、いくらかの光は反射器３２を通過するであろう。ＭＰＤの後部にて、矢印６０にて示すように（図３）、ＭＰＤを通過した光は、ファセット４４によって消散されるであろう。この構成にてその強度を測定することによるように、モノリシックに作製されたＭＰＤ３４は、レーザーの動作を監視することに限定されず、要求があるならば、ＭＰＤは、レーザを駆動する回路へのフィードバックのために非常に高速な検知器として使用することもできる。
レーザー・キャビティは、反射率修正コーティングを用いることにより最適化することができる。従来の劈開ファセットレーザでは、一方のファセットが例えば９０％の高反射率コーティングを有することができ、一方、他方のファセットは例えば１０％の低反射率にてコーティング可能である。その結果、ほとんどのレーザー光は、より低反射率のファセットから出てくる。短いキャビティでは、両方のファセットは、キャビティ往復ロスを減じるため高反射率を有することができるが、しかし、一般的には、ほとんどのレーザー光を低反射率のファセットから出射させるように、それぞれ例えば９９．９％と９９．０％との公称反射率のように、一方のファセットは、他方に比べて低い反射率を有するであろう。本発明の第２実施形態では、図４に示すように、同じ参照符号を有する共通の構成部分で、上述の方法にて、レーザー１０は作製される。しかしながら、この場合、放射されたビーム２６が体験する反射率をそれが修正するように、誘電層又はスタック７０は、リッジ３６の第１端２４の広いエリア４１に堆積される。さらに、図５に示すように、光キャビティ１８の反射器端２８でのファセット３０は、ブラッグ反射器３２の代わりに光学層つまりスタック７２を組み込むことができる。約５μｍよりも小さい非常に短いキャビティの両端に、非常に高反射率のコーティングを使用することは、非常に短いキャビティの大きな長手方向モード間隔により、単一モードの動作を生成することができる。反射率における修正は、レーザー・キャビティの性能を最適化するために用いることができる。
レーザー・キャビティ１８の後部ファセット３０が垂直ファセットである代わりに、そのファセットは、図６に示すような約４５度の角度にてエッチングすることもできる。この図では、上述のように作製されるレーザー・キャビティ８０は、傾斜したファセット８２，８４を提供するように両端でエッチングされる。この種のレーザーは、開口９０、９２上に形成された、対応する反射コーティング８６、８８に関して水平面をそれぞれ備える。図示する構造は、コンタクト層及び遷移層における吸収を避けるように開口が設けられた状態で、後部ファセット８４及び前面ファセット８２の両方にて基板に垂直な光を放射することができる。
単一の縦方向モードのレーザーは、多くの応用例において、マルチ縦方向モードのレーザーよりも望ましい。そのような応用例の一つは、より長い範囲の通信がマルチ縦方向モードのレーザーに比べて単一の縦方向モードのレーザーにて得られるところのデータ通信におけるものである。図７は、単一縦方向モード表面放射半導体レーザ１００が基板１１４の上表面１１２に作製される本発明の実施形態を図示する。レーザー１０に関して上述したように、一連の層１１６は、上述のように作製された活性領域（不図示）を含む光キャビティ１１８を形成する。傾斜したファセット１２２は、表面１１２に対して４５度又はほぼ４５度の角度で、下方及び内側へマスキング及びエッチングにて、第１端１２０に形成される。上記ファセットは、出力ビーム１２６に本質的に垂直又は垂直近くにてレーザ光が放出されるように、実質的に全内部反射である。光キャビティの第２端１２８において、レーザーの活性層に垂直である垂直ファセット１３０、複数のフィルタ・エレメント１３２、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）エレメント１３４、及びモニタリング光検知器（ＭＰＤ）１３６は、マスキング及びエッチングにより、キャビティ１１８の光軸に沿って形成される。長方形のリッジ１４０は、マスキング及びエッチング工程によって、キャビティ１１８から形成される。
レーザーの放射端１２０にて、図１に関して上述したように、ビーム１２６が歪むことなく第１端の表面を通り放射可能な広いエリア１４５を形成するため、側壁１４２，１４４にて図示されるように、リッジ１４０は、拡大つまり外側に傾斜される。第２端１２８にて、０又はほぼ０の反射率を有するように、ＭＰＤ部分１３６の後部は、レーザー材料用のブルースター角度又はその近辺の角度を形成するように設計された出口ファセット１４６を形成するためにエッチングされる。フィルタ・エレメント１３２及びＤＢＲエレメント１３４を通過した後に、光キャビティ１１８で生成されたレーザー光のうちのいくらかは、ＭＰＤ１３６にて受信され、それは、レーザーの動作測定を提供する。ファセット１４６に達するいかなる光も、レーザへ戻る望ましくない反射を防止するため、０又はほぼ０の反射率のため消散される。
上述したエッチング工程の後、図１に関して記載したような上部電気コンタクト層（不図示）がリッジの上表面及びＭＰＤ上に形成され、この層は、広いエリア１４５におけるコンタクト層にて開口１４８を設けるように、パターン化される。この開口は、端部１２０にてファセット１２２の上方に位置し、レーザー・キャビティで生成された光がビーム１２６として円形又は楕円形状にて放射されることを可能にする。
第２電気コンタクト層（不図示）は、基板の底表面に堆積され、その結果、レーザーを生成するようにバイアス電圧がリッジを横切り印加可能であり、ＭＰＤに当たる光に基づきＭＰＤに電流を発生させるように、０又は負のバイアスがＭＰＤを横切り印加することができる。そうして光キャビティで生成されたレーザー光は、矢印１２６にて示すように第１端１２０にて垂直に出射され、長手方向の第２端１２８では、いくらかの光は、ファセット１３０，フィルター１３２、及びＤＢＲエレメント１３４を通り伝搬され、ＭＰＤにより検出されるようにＭＰＤ１３６の前面１５０に当たり、そして、ＭＰＤの後端部１４６で消散される。
図１から図３のデバイスの場合のように、図７の単一長手方向モードのデバイス１００は、図４に示された方法で、リッジの第１放出端１２０に堆積された誘電性層つまりスタック（不図示）を有することができ、その結果、それは、上記放出端の反射率を修正する。
単一のＤＢＲエレメント３２及び１３４が図１及び図７の実施形態にてそれぞれ示されているが、複数のＤＢＲエレメントが第２端２８，１２８にて高反射率を得るためにそれぞれ使用されてもよいことが理解できよう。上記ＤＢＲエレメントは、図１のエレメント３２の形態を採ることができ、ここでは、ＤＢＲがリッジ構成を得ないように、リッジエッチングの間にＤＢＲはパターン化されない。又は、上記ＤＢＲエレメントは、図５のエレメント１３４の形態を採ることができ、ここでは、上記エレメントがリッジ形状を有する。一若しくは複数のＤＢＲエレメントは、誘電性反射率修正層つまりスタックにより置き換え可能であることが理解されよう。
現代のシステムでは、単一の基板又はチップ上に、光の発信機及び光の検知器を並んで有することは非常に望ましい。デバイスが同じ材料で作られているならば、そのような組み合わせを有することはさらに望ましい。従って、図８及び図９に示される本発明の実施形態において、表面放射又は垂直放射のレーザ１５８は、図１のレーザー１０のようなレーザーであってもよく、図１の基板１２のような共通の基板上に光放射及び光検出の両方を設けるため検知器１６０と結合される。表面放射レーザー１５８は、図示のため、図１のレーザーに類似し、また、共通の特徴部は同様の符号が付されている。しかしながら、表面放射の変化が使用可能であることは明らかであろう。図９は、検知器１６０の構造を示すために、図８のライン９−９における断面図である。明瞭にするため、図９では、検知器はレーザーより小さな高さを有して示されるが、しかし、このことは要件ではない。
エリア検知器１６０は、図示するように、表面放射レーザー１５８に隣接して位置し、光キャビティを形成するために基板上に堆積されたのと同じ層１６から作製される。上記検知器は、上記レーザーの第２端２８を形成するために使用されるマスキング及びエッチングの工程の間に、これらの層においてマスキングされエッチングされる。それらの工程は、垂直の端部ファセット３０（それはレーザーの活性層に垂直である）、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）エレメント３２、及びモニタリング光検知器（ＭＰＤ）３４の形成を含む。
上記エリア検知器１６０は、図示する構成において、衝突ビーム１６４を検出領域１６６内に受け入れる上表面１６２を有するほぼ長方形であってもよく、レーザー１０にて使用されるのと同じ活性層２０を使用する。上部電気コンタクト１６８は、検出エリア１６６が該コンタクトにて制限を受けないようにしながら、検出器の上表面１６２に設けられる。また底部コンタクト１７０が基板１２の後ろに形成され、入射するビーム１６４が該検出器にて検出可能となるように、上部及び底部のコンタクト１６８，１７０間に負若しくは０のバイアスが印加される。
図１０及び図１１に示される、本発明の他の実施形態では、図示上、図１のレーザー１０に類似可能である表面放射レーザー１７６は、基板１７８上で面内検知器１８０を兼ね備える。図１〜図３の表面放射レーザー１０と共通する特徴部分は、同じ符号を付し、図１１は図１０のライン１１−１１における断面図である。明確にするため、検知器１８０は、図１１にてレーザー１７６より小さな高さを有して示されている。
面内検知器１８０は、表面放射レーザー１７６に隣接して、かつほぼ平行に位置する。検知器１８０は、レーザー１０の光キャビティ１８の軸に平行であるように示される長手方向軸を有する長方形の本体部１８２を組み込む。しかしながら、これらの軸が平行である必要はないことは理解できよう。検知器本体は、同じマスキング及びエッチング工程を使用して、レーザー光キャビティが形成される堆積層１６にて作製される。反射する入射ファセット１８４は、レーザー１０にファセット２２を形成する間に、基板１７８の表面に対して４５度又はほぼ４５度の角度でファセット１８４がエッチングされた状態で、検出器の第１の、入力端１８６に形成される。本体部１８２及び後部ファセット１８８は、レーザー１７６の、第２端つまり反射器２８、垂直の端部ファセット３０、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）エレメント３２、及びモニタリング光検知器（ＭＰＤ）３４を形成するために使用されるマスキング及びエッチング工程の間に形成される。検知器の後部ファセット１８８は、堆積された材料の活性層２０の面に垂直なように示されているが、このファセットは垂直以外の角度でエッチング可能であることが理解されるだろう。
面内検知器１８０は、レーザーにて使用されるのと同じ活性層２０において、検出される衝突する光ビーム２０２（図１１）を受けるための上表面領域２００を含む。上部の電気的に導電性のコンタクト２０４は、検出領域２００におけるコンタクトに開口が形成され、その結果、衝突する光はブロックされない状態で、検知器１８０の上表面２０６上に設けられる。底部の電気的に導電性のコンタクト２０８は、検知器の領域における基板１２の後部に設けられ、負又は０のバイアスが上部及び底部のコンタクト間に印加される。入射光ビーム２０２は、領域２００における上表面を通り検知器に入り、既知の方法における検出のために、矢印２１０にて示されるように検知器活性層２０の軸に沿って長手方向に振り向けられるように、内部に反射するファセット１８４によって反射される。
領域１６６（図８）及び２００（図１０）の反射率は、これらの領域に誘電体層を堆積することにより又はスタックにより、修正可能であり、入射ビーム１６４、２０２用の反射防止表面を設けることになる。このことは、検知器による光のより効率的な収集を可能にするであろう。
上述したような複数のレーザー及び／又は検出器は、配列形態において単一の基板上に作製することができ、それにより平行光相互接続、波長選択、等のような応用例を可能にすることが理解されよう。例えば、図１２及び図１３に示す配列２１８のように異なる波長の複数のレーザーを同一のチップ又は基板に設けることができ、かつ、例えばファイバーのような単一の出力媒体へそれらの出力を向けるために位置決めすることができる。従って、図７に１００にて図示される種類の４つのレーザー２２０，２２２、２２４及び２２６が共通の基板上で、各レーザーの第２端がハブから外側へ放射状に延在して、それぞれの出力端２３０，２３２、２３４及び２３６が互いにほぼ近接して中心軸２４０の周りに集まるような方法にて位置決めされた状態で、レーザーの配列２１８は、共通の中央部つまりハブ２１９から放射状に延在するよう構成することもできる。それらのレーザーからの出力ビームは、基板２２８の表面に垂直又はほぼ垂直で軸２４０に平行な方向において、垂直に上方へ放射される。各々に異なったバンドギャップを有する４つのレーザーを設けることで、各レーザーは、異なった波長を有する出力ビームを生成する。その結果、配列２１８は、軸２４０に沿って、選択された波長又は光ファイバー２４２のような共通の出力装置に向けられてもよい波長の組み合わせの出力を生成する。４つのレーザーが示されているが、これは例示の目的のためのもので、他の数のレーザーが用いられてもよいことが理解されるだろう。各レーザーのバンドギャップは、この分野で良く知られている技術にて、不純物無しの空孔拡散又は再生のようなプロセスを通じて選択されてもよい。
４つのレーザーの出力端２３０，２３２、２３４及び２３６は、各々、傾斜したファセットを含んでおり、それらは、同じマスキング工程において形成されるが、４つの別個のエッチング工程にて形成される。各エッチング工程において、４５度のエッチングからのわずかなズレは、４つのビームがファイバー２４２のような中心に位置された対象物に当たるように、垂直から僅かに離れた４つのビームを案内するのに使用可能である。４つのレーザーの後部ファセット、フィルタ・エレメント、及びＭＰＤは、共通のマスキング及びエッチング工程によって形成される。最後に、リッジ構造がマスキング及びエッチングによって形成され、そして、上述したように、電気コンタクトを設けるためにデバイスは上部及び底部の表面に金属が設けられる。
レーザーの作製に用いられるＣＡＩＢＥプロセスは半導体結晶の結晶面に依存することなく均一のエッチングを提供するので、レーザーの半径方向の配列２１８は、可能である。このことは、図１２に示すように、表面放射レーザーをいずれの所望の構成において基板に置くことを可能にし、また、さらに図１４に示すように、ここでは、半導体レーザー２５０は、長方形基板２５２に対角線上に置かれる。例えばファセットを形成するために劈開を使用する従来の方法は、そのような配置を可能にしない。
上述したように、図１５（ａ）におけるビーム２６２及び２６４にて模式的に示されるように、レーザー・キャビティ１８を伝搬する光２６０（ｌ１）は、傾斜したファセット２２にて全内部反射され、上方へ反射される。反射した光は、反射ビーム２６２が図示した方法にて分岐して、上記レーザー・キャビティの上部クラッド層を通り進むように回折を経験する。上記光は、開口５２（図１を参照）の領域においてキャビティの上表面から部分的に放射され及び部分的に後ろに反射される。ビーム２６６及び２６８によって示された反射光は、上部のクラッド層によって下へ進むように、さらに分岐を経験する。全内部反射ファセット２２から戻された光は、もう一度反射するが、しかし、それが経験した分岐により、その光の一部のみがガイドモード２７０（ｌ２）として導波路へ戻り結合され、２７２で示された残りは、非ガイドモードになり失われる。
図１５（ｂ）は、例えば、http://www.rsoftdesiqnaroup.com/products/component design/FullWAVE/ 等で利用可能な市販のプログラムにて得られる、図１５（ａ）に示された表面放射レーザー構造と同じ領域の２次元の有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーション２７４を示す。図１６のグラフ２８０に示されるように、図示する分岐は、導波路キャビティ１８への結合において有害な影響がありえる。グラフの縦軸は、１まで規格化されたｌ２とｌ１との比率であり、ここで、ｌ１は、傾斜ファセット２２に当たる導波された光２６０であり、ｌ２は、レーザー導波路へ戻り結合されるビーム２７０である。グラフ２８０は、上部クラッドの厚さが増加するとき上記比率が減少することを示す。多くの状況では、レーザーの効率的な動作を可能にするため、上部クラッドの厚さはある最小の厚さである必要がある。しかしながら、導波路へ戻る乏しい結合は、レーザーの非能率的な動作に帰着する場合がある。
上述したビーム分岐の影響は、本発明によれば、レーザーの光キャビティ１８の上表面２８４上にレンズ２８２を設けたことにより補償することができる。図１７に示すように、上記レンズは、例えば図１のデバイスにおける開口５２の場所にて、傾斜したファセット２２の上の表面２８４に置かれ、戻りビーム２８６、２８８にて示すように、分岐したビーム２６２，２６４を反射して同じ経路に沿ってファセット２２へ戻すように形作られる。その後、それらの戻されたビームは、ファセット２２から反射され、結合されたビーム２７０としてキャビティ１８へ軸方向に結合され、改善されたレーザー効率を提供する。
レンズ２８２は、分岐を補償するため図１７に示されるように、例えば開口５２において、傾斜したファセットの上方の上表面２８４に、ｅ−ビーム蒸着シリコンのようなフィルムの堆積によって作製可能である。所定半径の表面２９０を有する半円筒状に形づくられたシリコン・レンズは、蒸着の間に、従来のリフトオフパターン、シリコンのｅ−ビーム蒸着、及びレーザー・キャビティの軸に沿った試料の振動運動の使用により作製することができる。もし、半球状のレンズ（即ち、半円筒状と半球状との間の形状を有するレンズ）が必要ならば、レーザーキャビティの軸に垂直な軸に沿って上記振動運動もまた行われる。あるいは、分岐補償レンズ２８２が、ＩｎＰクラッド層のような半導体レーザー構造の適切な層をエッチングすることにより形成することができる。これは、例えば、従来のリソグラフィーパターニング及びＣＡＩＢＥにより、行なうことができる。
例として、図１７のレーザー１８のようなレーザー構造は、図１について上述したように、ＩｎＰの下部及び上部のクラッド層及びＩｎＡＩＧａＡｓの約０．２５μｍの量子井戸障壁の活性層と共に、一方、ＩｎＧａＡｓＰの遷移層及びＩｎＧａＡｓのコンタクト層が開口を形成するために傾斜したファセットの上方で除去された状態で、ＩｎＰ基板に基づいてもよい。上部クラッドは、この例のレーザー構造では１．３７５μｍである。レーザーの外側媒体は、空気となるように選択された。キャビティ１８内のモード反射率は、軸に沿って反射され戻された光２７０と、ファセット２２に当たる軸方向に伝搬する光２６０との比率として規定され、即ち、ｌ２とｌ１との比で、しかし、この値は、また、表面２８４における反射率を含み（レンズ有又は無で）、又、この定義は、以下の説明にて使用されるであろう。
レーザーの長手方向の軸に対する全内部反射ファセット２２の角度は、モード反射率に影響を及ぼす。図１８のグラフ２９２は、全内部反射ファセット２２の角度を４５度以上及び以下に変化させたときのモード反射率への影響を示す。このグラフは、例示のレーザー構造を用いて、２−ｄＦＤＴＤシミュレーションによって得られる。４５度以下の角度は、ファセットが基板に垂直近辺にエッチングされたことを意味する。このグラフは、モード反射率のピークが約４５．５度で得られたことを示す。シミュレーションは、また、矢印２６にて示される、出射するレーザー光のビームの位置は、ファセットの角度を変更することにより補償可能であることを示している。
分散補償レンズの最適化は、全内部反射ファセット２２の角度が４５．５度にセットされた状態で、図示のレーザー構造と同じものを使用して決定される。図１９のグラフ２９４は、２−ｄＦＤＴＤシミュレーションを用いて、半円筒状のシリコン・レンズ２８２の様々な半径で得られたモード反射率を示す。このグラフは、最適のモード反射率がシリコンレンズの３．７５μｍの曲率半径にあることを示す。同様に、図２０のグラフ２９６は、最適のモード反射率がＩｎＰレンズの３．２５μｍの曲率半径にあることを示す。
分岐補償レンズ２８２及び角度修正が表面放射レーザーの点から記載されているが、他の表面放射及び入射装置に同じ解決策が適用されてもよいことは理解される。さらに、本発明の実施形態を例示するために、材料及びレーザー構造の特別な例が用いられたが、他の材料及びレーザー構造（例えばＩｎＰ、ＧａＡｓ及びＧａＮに基づいた他のレーザー構造）が用いられてもよいことは理解されるだろう。
反射率修正層、つまり図４に示されたスタック７０のようなスタックが図２１に示された方法において分岐補償レンズ２８２の頂部に位置することができ、また、上記レンズが図１〜図１４に図示された種々の実施形態との組み合わせにて使用可能であることは、理解されるだろう。従って、図示するように、レンズ２８２は、スタック７０が作製された、あるいはレンズの上方に位置する状態にて、開口５２内に作製可能である。このように、放射面及びレンズによって反射される光が、光キャビティ１８において軸方向に伝搬する光に結合される間に、垂直のビーム２６は、デバイスからレンズ２８２及びスタック７０を通り放射される。
本発明は好ましい実施形態の点から示されたが、変更及び修正が、請求範囲で述べられるようなそれの真情及び権利範囲から逸脱することなくなされても良いことは理解されるであろう。
図１は、本発明に係る表面放射レーザーの第１実施形態の上部の斜視図である。 図２は、図１のレーザーの側面図である。 図３は、図１のレーザーの平面図である。 図４は、本発明に係る表面放射レーザーの第２実施形態の側面図である。 図５は、本発明に係る表面放射レーザーの第３実施形態の側面図である。 図６は、本発明に係る表面放射レーザーの第４実施形態の側面図である。 図７は、本発明に係る表面放射レーザーの第５実施形態の上部の斜視図である。 図８は、表面放射レーザー及びエリア検知器を組み込んだ本発明の第６実施形態の平面図である。 図９は、図８のレーザー及びエリア検知器の部分的な一部分における側面図である。 図１０は、表面放射レーザー及び面内検知器を組み込んだ本発明の第７実施形態の平面図である。 図１１は、図１０のレーザー及び面内検知器の一部分における側面図である。 図１２は、本発明による複合表面放射レーザーを組み込んだ本発明の第８実施形態の上部の斜視図である。 図１３は、図１２の複数のレーザーの表面放射領域の拡大図である。 図１４は、改善された梱包密度のために位置決めしたレーザーの平面図である。 図１５（ａ）は、発散によるモード不整合を説明する表面放射又は入射光子デバイスの断面図である。 図１５（ｂ）は、発散によるモード不整合を説明する表面放射又は入射光子デバイスの断面図である。 図１６は、図１５の（ａ）及び（ｂ）のモード不整合の影響を示す図である。 図１７は、上表面レンズを組み込んだ表面放射又は入射光子デバイスの断面図である。 図１８は、図１５の（ａ）及び（ｂ）のデバイスにおける全内部反射ファセットの角度を変更する効果を示す図である。 図１９は、図１７のデバイス用のシリコンレンズの様々な半径用のモード反射率を示す図である； 図２０は、図１７のデバイス用のＩｎＰレンズの様々な半径用のモード反射率を示す図である。 図２１は、誘電性層を組み込む図１７のデバイスの断面図である。

Claims (27)

  1. 基板と、
    上記基板に位置する光伝送媒体と、
    上記基板に垂直な上記媒体に位置する少なくとも一つの第１ファセットと、
    上記基板にある角度にて上記媒体に位置する少なくとも一つの第２ファセットと、
    上記第２ファセットの上方で上記媒体の表面に位置するレンズと、
    を備えた表面放射光デバイス。
  2. 上記媒体は、レーザー光を生成するための活性領域を組み込んだ半導体材料である、請求項１記載のデバイス。
  3. 上記第２ファセットは、上記基板に対して４５度又は約４５度の角度にてなる、請求項２記載のデバイス。
  4. 上記第２ファセットは、内部反射するものであり、上記活性領域にて生成された光を上記基板に実質的に垂直な方向にて放射させるように傾斜している、請求項２記載のデバイス。
  5. 上記媒体上に、上記放射された光をフィルタリングするためのフィルタをさらに備えた、請求項４記載のデバイス。
  6. 上記第１ファセットは部分的に反射するものであり、
    さらに、上記第１ファセットに隣接しかつ上記媒体と軸方向に配向されたモニタリング光検知器を含む、請求項４記載のデバイス。
  7. 上記第１ファセットと上記光検出器との間に置かれた分布ブラッグ反射器エレメントをさらに含む、請求項６記載のデバイス。
  8. 上記第１ファセットと上記光検出器との間に置かれた複数のフィルタをさらに含む、請求項６記載のデバイス。
  9. 上記基板上で上記媒体内に作製された表面エリア検出器をさらに含む、請求項１記載のデバイス。
  10. 上記基板上で上記媒体内に作製された面内検知器をさらに含む、請求項１記載のデバイス。
  11. 上記検出器は、当該検出器へ当たる光を反射する傾斜したファセットを組み込んだ入口端を含む、請求項１０記載のデバイス。
  12. 上記検出器へ当たる光を反射する傾斜した上記ファセットの上方で上記入口端の表面にレンズをさらに含む、請求項１１記載のデバイス。
  13. 上記光伝送媒体は、上記基板の上表面に複数の層を備え、上記上表面に実質的に平行な活性領域を設ける、請求項１記載のデバイス。
  14. レーザー出力ビームを生成するために上記媒体を活性化するバイアス電圧を受け入れるため上記媒体及び上記基板に電極をさらに含む、請求項１３記載のデバイス。
  15. 上記媒体はリッジレーザーである、請求項１４記載のデバイス。
  16. 上記媒体は、延在するレーザーキャビティを形成するために形作られ、かつ上記キャビティの第１端に上記第１ファセットを有し、上記キャビティの第２端に上記第２ファセットを有する、請求項１３記載のデバイス。
  17. 上記媒体は、複数の延在するレーザーキャビティを形成するために形作られ、各キャビティは、第１端に位置する第１ファセットを有しかつ第２端に第２ファセットを有し、上記第２端は共通の軸に沿って光を放射するように集まっている、請求項１３記載のデバイス。
  18. 基板と、
    上記基板に位置する光伝送媒体と、
    上記基板に垂直な上記媒体に位置する少なくとも一つの第１ファセットと、
    上記基板にある角度にて上記媒体に位置する少なくとも一つの第２ファセットと、
    上記第２ファセットの上方で上記媒体の表面に位置するレンズと、
    を備えた表面入射検出器。
  19. 基板と、
    上記基板上の半導体構造であって、該構造は、上記半導体構造にオーミック接続を提供するコンタクト層を含み、上記コンタクト層は、ファセットの領域に開口を設けるため上記構造から除去される、半導体構造と、
    上記構造に含まれる光伝送媒体と、
    上記基板に所定角度にてなる上記媒体の少なくとも一つのファセットと、
    上記開口に位置するレンズと、
    を備えた半導体光デバイス。
  20. 上記少なくとも一つのファセットは、上記基板に所定角度にてなる上記媒体からの光を上記開口及び上記レンズを通して振り向ける、請求項１９記載のデバイス。
  21. 上記基板に所定角度にてなる上記媒体の第２ファセットをさらに備え、上記コンタクト層は、上記第２ファセットの領域に第２開口を設けるため上記構造から除去される、請求項２０記載のデバイス。
  22. 上記第２開口にレンズをさらに有する、請求項２１記載のデバイス。
  23. 基板と、
    レーザー光を生成する活性領域を組み込む光伝送媒体又は上記基板と、
    上記媒体の第１端に位置する第１ファセットと、
    生成されたレーザー光を上記媒体の上表面に向けて振り向けるため上記基板に対して所定角度で位置する、上記媒体の第２端における第２完全内部反射ファセットと、
    生成されたレーザー光を入射しかつ上記光の一部を上記媒体の外へ伝送し上記光の残りを上記媒体内へ反射し戻すための、上記上表面に位置するレンズと、
    を備えた表面放射光デバイス。
  24. 上記第２ファセットは、上記媒体においてモード反射率を最大化するように選択された、上記基板に対する角度にてなる、請求項２３記載のデバイス。
  25. 上記第２ファセットは、約４５度の角度にてなる、請求項２４記載のデバイス。
  26. 上記レンズは、上記媒体においてモード反射率を最大化するように選択された半径を有する曲面を有する、請求項２３記載のデバイス。
  27. 上記第２ファセットは、上記モード反射率を最大化するように選択された、上記基板に対する角度にてなる、請求項２６記載のデバイス。
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