JP2008538255A

JP2008538255A - パターニングされた基板上の成長による水平放出、垂直放出、ビーム形成された、分布帰還型（ｄｆｂ）レーザ

Info

Publication number: JP2008538255A
Application number: JP2007558026A
Authority: JP
Inventors: クロードシー．エー．ワイズバッハ，; オールリエンジェイ．エフ．デイビッド，; ジェームスエス．スペック，; スティーブンピー．デンバース，
Original assignee: THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA
Current assignee: THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2008-10-16
Also published as: US20080128737A1; WO2006093643A3; US20060194359A1; EP1854130A2; WO2006093643A2; US7723745B2; US7345298B2

Abstract

集積光学素子を用いた構造は、基板と、基板上に成長されたバッファ層と、バッファ層に堆積された１つ以上のパターニングされた層と、パターニングされた層の上またはパターニングされた層の間に形成された１つ以上のアクティブ層とを備えており、例えば横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によるものであり、１つ以上の発光種を含んでいる。パターニングされた層は、マスク（絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成されている）と、マスク内のホールを充填する材料とを含んでいる。パターニングされた層は、アクティブ層との大きな屈折率の差、および／またはマスクとマスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、光閉じ込め層、ミラー、回折格子、波長選択要素、ビーム形成要素、またはビーム配向要素として機能する。

Description

（関連出願の引用）
本出願は、同一出願人による以下の同時継続出願に関連する：
米国特許出願第１０／９３８，７０４号、２００４年９月１０日出願、ＣａｒｏｌｅＳｃｈｗａｃｈ、ＣｌａｕｄｅＣ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ、ＨｅｎｒｉＢｅｎｉｓｔｙ、およびＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ、題名「ＷＨＩＴＥ、ＳＩＮＧＬＥＯＲＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲＬＩＧＨＴＥＭＩＴＴＩＮＧＤＩＯＤＥＳＢＹＲＥＣＹＣＬＩＮＧＧＵＩＤＥＤＭＯＤＥＳ」、代理人管理番号第３０７９４．１１５−ＵＳ−０１（２００４−０６４−１）号、
米国特許出願第１１／０６７，９１０号、２００５年２月２８日出願、ＣｌａｕｄｅＣ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、ＡｕｒｅｌｉｅｎＪ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ、題名「ＳＩＮＧＬＥＯＲＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲＨＩＧＨＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹＬＩＧＨＴＥＭＩＴＴＩＮＧＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ）ＢＹＧＲＯＷＴＨＯＶＥＲＡＰＡＴＴＥＲＮＥＤＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」、代理人管理番号第３０７９４．１２２−ＵＳ−０１（２００４−１４５−１）号、ならびに
米国特許出願第１１／０６７，９５６号、２００５年２月２８日出願、ＣｌａｕｄｅＣ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、ＡｕｒｅｌｉｅｎＪ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、およびＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ、題名「ＨＩＧＨＥＦＦＩＣＩＥＣＹＬＩＧＨＴＥＭＩＴＴＩＮＧＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ）ＷＩＴＨＯＰＴＩＭＩＺＥＤＰＨＯＴＯＮＩＣＣＲＹＳＴＡＬＥＸＴＲＡＣＴＯＲ」、代理人管理番号第３０７９４．１２６−ＵＳ−０１（２００５−１９８−１）号
上記出願は、参考のために本明細書に援用される。

（委託研究開発に関する陳述）
本発明は、ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣａｌｉｆｏｒｎｉａ、ＳａｎｔａＢａｒｂａｒａＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＬｉｇｈｔｉｎｇａｎｄＤｉｓｐｌａｙＣｅｎｔｅｒのメンバーカンパニーからの支援のもとでなされたものであり、上記メンバーカンパニーは、ＳｔａｎｌｅｙＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ．、Ｌｔｄ、ＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｒｐ．、ＲｏｈｍＣｏ．、Ｌｔｄ．、Ｃｒｅｅ、Ｉｎｃ．、ＭａｔｓｕｓｈｉｔａＥｌｅｃｔｒｉｃＷｏｒｋｓ、ＭａｔｓｕｓｈｉｔａＥｌｅｃｔｒｉｃＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏ．、およびＳｅｏｕｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＣｏ．、Ｌｔｄを含む。

（本発明の背景）
（１．本発明の分野）
本発明は、レーザに関し、より詳細には、パターニングされた基板上の成長による水平放出、垂直放出、ビーム形成された、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザに関する。

（２．関連技術の記載）
レーザダイオードは、順方向に電気的にバイアスされたときに、誘導放出するように光を放出する半導体デバイスである。自己発振に到達するために要求されるフィードバックは、ミラーによって提供され、通常は劈開面（ｃｌｅａｖｅｄｆａｃｅｔ）によって、あるいは水平インプレーンレーザに対してはミラーコートされた切子面によって、あるいは垂直共振器面内レーザ（ＶＣＳＥＬ）に対しては多層ミラーによって、提供され得る。一部のレーザは、分散要素（例えば、格子）を組み込み、分布帰還（ＤＦＢ）を提供することにより、単一モードの放出を達成する。

レーザは、一般的には、不純物で含浸またはドープされた半導性材料のチップから構成され、ｐｎ接合と称される構造を形成する。順方向にバイアスされると、通常、量子井戸（ＱＷ）と称される薄い放出層において、ｎ領域から接合に電子が射出され、ｐ領域からはホールが射出される。量子井戸における電子およびホールは、それらが再結合する際に、光子の形態で、エネルギーを解放する。光の波長、そしてその色は、ｐｎ接合を形成する材料のバンドギャップエネルギーに依存する。

半導体材料が改良されるにつれて、半導体デバイスの効率もまた改良されてきており、新しい波長範囲もまた、用いられるようになった。窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースのレーザは、おそらく、様々な用途に対して最も有望である。ＧａＮは、例えば、可変濃度のインジウム（Ｉｎ）と混合されたときに、紫外線（ＵＶ）から黄色スペクトルまでの効率的な照射を提供する。

不都合にも、材料に関する大きな挑戦に加え、窒化物層は、製造が困難である。劈開面は、窒化物の低い反射率が原因で、低い反射率を有している。加えて、通常は窒化物レーザと共にサファイア基板が用いられるので、劈開は、実現することが困難である。

良い窒化物レーザを取得するためには、平面製造技術を用いることにより、良いミラーを取得することが必要である。その他の望ましい性質は、垂直放出、高出力、単一モードの放出等を含む。しかしながら、これらの性質、特に垂直放出は、極めて取得することが困難である。なぜならば、垂直共振器面内レーザ（ＶＣＳＥＬ）に必要な高品質のミラーは、製造が極めて困難なことが示されているからである。

本発明は、パターニングされた基板上のデバイス成長技術を用いることにより、これらの挑戦を解決することを目標とする。ここでパターンは、ミラー機能、光閉じ込め層、格子、波長選択要素、ビーム形成要素、またはビーム配向要素を提供する。

（本発明の概要）
本発明は、集積光学素子（例えば、レーザ）の構造を開示しており、上記構造は、サファイア基板、窒化物材料（例えば、ＧａＮ）から形成され上記基板上に成長されたバッファ層、バッファ層上に形成された１つ以上のパターニングされた層、ならびにパターニングされた層上またはパターニングされた層の間に形成された１つ以上のアクティブ層から構成され、例えば横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によるものであり、１つ以上の発光種を含む。各パターニングされた層は、パターニングされ穿孔または貫通されたマスク（絶縁材料または半導性材料または金属材料から構成されている）と、上記マスク内のホールを充填する材料とを含んでいる。パターニングされた層は、アクティブ層との屈折率の大きな差、および／またはマスクとマスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、ミラー、光閉じ込め層、格子、波長選択要素、ビーム形成要素、またはビーム配向要素として機能する。

（本発明の詳細な説明）
好適な実施形態に関する以下の記載では、本明細書の一部を形成する添付の図面に対する参照がなされる。図中では、例示のために、本発明が実施され得る特定の実施形態が示されている。その他の実施形態もまた用いられ得、本発明の範囲から逸れることなしに、構造の変更がなされ得ることが、理解されるべきである。

（概説）
本発明は、単純化された製造プロセスを用いて形成された新しいレーザ構造を記載する。単純化された製造プロセスは、好適には、平面製造プロセスを含んでいる。これは、レーザ構造が低コストで容易に製造され得ることを意味している。

好適には、レーザ構造は、基板、基板上に成長されたバッファ層、バッファ層上に堆積された１つ以上のパターニングされた層、ならびにパターニングされた層上またはパターニングされた層の間に成長された１つ以上のアクティブ層から構成され、例えば横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によるものであり、１つ以上の発光種を含んでいる。上記パターニングされた層は、パターニングされ穿孔または貫通されたマスク（絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成されている）と、マスク内のホールを充填する材料とを含んでいる。パターニングされた層は、アクティブ層との大きな屈折率の差、および／またはマスクとマスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、光閉じ込め層、効果的なミラー（例えば、いわゆるフォトニッククリスタルミラー）、表面に向けての回折格子（例えば、アウトカップラー）、波長選択（分布帰還）要素、ビーム形成要素、またはビーム配向要素として機能する。

パターニングされた層のマスクは、小さなホールのアレイによって穿孔または貫通され、これにより、アクティブ層の成長マスクとして機能し得る。これにより、その後のアクティブ層のＬＥＯ成長において、高品質のエピタキシャル材料が生じる。さらに、複数のパターニングされた層が用いられ、より優れた材料と、より優れた光電的性質とを保証し得る。

例えば、レーザは、パターニングされた層がミラーとして機能する場合に、デバイス平面内で水平に放出し得、あるいはパターニングされた層が埋め込み回折格子として機能する場合に、導波光を抽出光の中に形成することにより、デバイス平面の外に垂直方向に放出し得る。さらに、埋め込み格子であるパターニングされた層は、単一の波長の放出のために、分布帰還型フィードバック（ＤＦＢ）格子として機能し得る。加えて、パターニングされた層は、ビーム形成要素またはビーム配向要素として機能し得る。

（技術的記載）
図１Ａは、レーザデバイス１０の断面側面図であり、図１Ｂは、上記レーザデバイスの上面図である。レーザデバイス１０は、３００ｎｍのアクティブ層１２を有しており、上記アクティブ層１２は、例えばＧａＮのような窒化物材料から構成されており、例えば、３００ｎｍのパターニングされた層１４の上に形成されている。上記パターニングされた層１４は、５ミクロンのバッファ層１６上に堆積されており、上記バッファ層１６は、例えばＧａＮのような窒化物から構成されており、サファイアから構成された基板１８上に成長されている。パターニングされた層１４は、パターニングされ穿孔または貫通されたＳｉＯ_２のマスク２０から形成されており、マスク２０のホール２２を充填するＧａＮのような窒化物材料を有している。

パターニングされた層１４は、主要なコンポーネントとして、パターニングされたＳｉＯ_２のマスクを用い、レーザおよびそのコンポーネントを定義する。特に、パターニングされた層１４は、アクティブ層１２との大きな平均の屈折率の差を有しており、かつ／またはパターニングされた層１４は、パターニングされたマスク２０とパターニングされたマスク２０内のホール２２を充填する材料との間の屈折率の変化を有している。その結果、パターニングされた層１４は、ミラー、光閉じ込め層、格子、波長選択要素、ビーム形成要素、またはビーム配向要素として機能する。このようにして、レーザ１０は、パターニングされた層１４の特定の設計を要求し、最適に配置された発光種（例えば、量子井戸２４）を有する正確に成長された薄いアクティブＧａＮ層１２を要求する。

図２は、レーザ２６の断面図であり、上記レーザは、分離した利得流域２８と、ミラー領域３０、３２とを有しており、パターニングされた層１４に異なるパターンを有している。この構造におけるパターニングされた層１４の領域３０、３２における屈折率の調節は、ミラーとして機能させ、これにより、レーザの自己発振のためのフィードバックを提供する。これは、パターニングされた層１４の適切なパラメータを有することにより、取得され得る。

図３は、レーザ３４の断面側面図であり、上記レーザは、分離した利得領域３６と、ミラー領域３８と、回折アウトカップリングミラー領域４０とを有しており、パターニングされた層１４に異なるパターンを有している。アウトカップリングは、適切な回折条件が満たされたときに、領域４０により、空中へ向けた光の回折を介して発生する。

図４は、パターニングされた層１４による回折による、レーザ導波モードからの光抽出を示す断面側面図である。パターニングされた層１４の少なくとも一部分は、回折格子として機能し得、レーザ１０は、回折格子を用いて導波光４２を抽出光４４に形成することにより、デバイス平面外に、導波光を放出する。

アクティブ層１２およびパターニングされた層１４のパラメータは、構造ごとに変化するか、１つの構造にわたって変化し、異なる機能を生成する（例えば、インプレーンミラー、抽出格子および／または導波体）。パラメータは、アクティブ層１２およびパターニングされた層１４の厚さならびに形状、パターニングされた層１４内のホールのサイズおよび／または周期を含む。例えば、パターニングされた層１４は、アクティブ層１２との大きな屈折率の差に起因して、アクティブ層１２内の発光種の放出パターンを変化させ、それにより、導波モード、放射モード、または漏れモードで放出された光の相対的な量を増加または減少させる。

さらに、パターニングされた層１４の１つ以上の性質は、構造にわたって空間的に変化され得る。パターニングされた層１４のこれらの性質は、マスク２０内のホール２２の厚さ、半径、マスク２０内のホール２２の形状、マスク２０のホール２２のパターンの周期性、あるいはマスク２０内のホール２２のパターンの非周期性を含み得る。

図５は、レーザ４６の断面側面図を示しており、上記レーザは、分離した利得領域４８、ミラー領域５０、５２を有しており、可変の成長深度が、パターニングされた層１４のマスクのエッチングによって定義されている。パターニングされた層１４のマスクの可変のＳｉＯ_２の厚さよって提供される追加設計の可能性に加え、マスクは、アクティブ層１２に対する成長マスク（これは、ＬＥＯによって成長される）として機能する。これにより、パターニングされた層１４のホールの直径を介する成長スピードと成長条件とを制御することができ、ミラー５０、５２内のアクティブ層１２の材料（すなわち、量子井戸２４）と導波モードとのオーバーラップを減少させることが可能になる。ここで、量子井戸２４は、垂直方向に配置されるか、あるいは組成的（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｌｙ）に配置され得、その結果ミラー５０、５２における吸収の損失が減少される。これは、非常に望ましい特徴である。特に、パターニングされた層１４は、増幅領域４８の近くの領域で吸収が減少または抑制されるように設計された成長を有している閉じ込め領域５０、５２を含んでいる。

パターニングされた層１４におけるパターン、穿孔、または貫通に関し、様々な幾何学的形状が用いられ得る。最も単純な幾何学的形状は、様々な周期および充填率の切り込み（ｔｒｅｎｃｈ）であり、これは、図６において５４、５６として示されているように、直線状であり得る。幾何学的形状はまた、正方形または長方形のアレイ内に配列されるホール（例えば、いわゆる周期フォトニッククリスタル）を用い得る。それぞれは、図６において、５８および６０として示されている。図６において６２として示されているアルキメデスタイリングのような、より複雑な幾何学的形状もまた、より効率的な光抽出をもたらし得る。最後に、波長に近い特性相関長（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｌｅｎｇｔｈ）を有しるいくぶんランダムなパターンもまた、効率的な光アウトカップラーとして機能し得る。図６において５６として示されているように、例えば、ブレーズ効果を提供するために、ホールの垂直方向の形状もまた、設計パラメータとして用いられ得る。

本発明を用いて製造され得る様々なタイプのレーザ、ならびにそのようなレーザに関する多くの可能なインプリメンテーションが存在する。例えば、材料の品質を改良するために、図７（これは、複数のパターニングされた層１４を有するデバイス１０のアクティブ領域の断面側面図である）に示されているように、複数のパターニングされた層１４の成長が用いられ得る。

別の例では、パターニングされた層１４のマスクは、様々な材料（金属、誘電体、または半導体を含む）から構成され得る。パターニングされた層１４の屈折率がアクティブ層１２の屈折率とは十分に異なり、高品質なＬＥＯを可能にすることが、要求される。

さらに別の例では、パターニングされた層１４を適切な設計（すなわち、周期）と共に用いることにより、パターニングされた層１４の少なくとも一部分は、レーザ１０からの光の単一の波長の放出のために、分布帰還型（ＤＦＢ）格子として機能する。ここで、ＤＦＢの作用は、利得領域から取得され、その結果、レーザ１０は、単一のモードで放出することができる。

図８は、第１および第２のレーザキャビティ６６、６８を有するレーザ６４を示しており、第１および第２のレーザキャビティ６６、６８は、結合ミラー７０の両側に、そして第１および第２のミラー７２、７４の間に配置されている。この実施形態において、パターニングされた層１４は、複数の結合キャビティ６６、６８を定義し、これは、新しいスペクトル性質を有する複合キャビティを構成する。例えば、このレーザ６４は、単一モードの動作を実現するために用いられ得る。

別の有用なデバイスは、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）であり、これは、高出力な光源である。ＭＯＰＡの様々な要素が、パターニングされた層１４において設計され得る：主発振器（ＭＯ）バックミラーおよび結合ミラー、電力増幅器（ＰＡ）アクティブ領域、および反射防止（ＡＲ）アウトカップラー。（例えば、デバイスの説明については、以下で述べられるＳｕｈａｒａ他の文献を参照のこと）。図９は、ＭＯＰＡのＡＲアウトカップラー７６の断面側面図であり、これは、最初の領域７８、反射防止領域８０（反射とのモード変換を実行する）、および垂直エクストラクター８２（これは、最終的なアウトカップラーである）から構成されている。

ＭＯＰＡの増幅領域に対し、パターニングされた層１４のパターニングされたマスクが用いられ得、可変のマスク充填率を有することにより、インデックスガイディング（ｉｎｄｅｘｇｕｉｄｉｎｇ）を定義する。これは次に、有効なインデックスのマップに変換する。

図１０Ａは、ＭＯＰＡの横方向導波部８４の断面側面図であり、これは、増幅または利得領域８６と、閉じ込め領域８８、９０とを含んでいる。これらの閉じ込め領域８８、９０は、設計された成長を有し得、量子井戸２４の吸収は、増幅領域８６の近くの領域８８、９０において、減少または抑制される。

図１０Ｂは、ＭＯＰＡ９２の上面図であり、これは、主発振器９４、電力増幅器９６、後方反射体９８、中間ミラー１００、反射防止ミラー１０２、およびアウトカップラー１０４を示している。

本発明の別の実施形態は、光の変換を用い、レーザ１０は、光の少なくとも一部分を吸収または再放出する１つ以上の第２の発光種をさらに含んでいる。レーザによって放出された光、または光の一部分は、第２の発光種によって吸収され得、その後、異なる波長で再放出され得る。これは、例えば、白色光源を製造するために有用であり得る。第２の発光種は、レーザのアクティブ層に、パターニングされた層内のホールを充填する材料に、あるいはデバイスのその他の追加的な層に、配置され得る。

窒化物材料の例に関して記載されてきたが、この新しいレーザ製造の枠組みは、そのような成長技術を受け入れる任意の材料に適用され得る。例えば、上述の構造において、様々な層は、半導体、重合体、金属、イオン注入された材料、または有機分子から構成され得る。さらに、半導体材料において、アクティブ領域１２は、上述のように量子井戸２４であり得るが、バルク材料または量子ワイアまたは量子ドットが、用いられ得る。

設計された成長に関するこのコンセプトの応用の、別の広い分野は、集積光学素子である。パターニングされた層の充填率を変化させることによって、あるいはパターニングされた層の深度を横方向に変化させることによって許容される、平均的な有効モードインデックスの横方向変調は、多くの許容可能な設計パラメータによって、効率的で低損失な導波体をもたらす。加えて、穿孔の周期性は、光バンドギャップ効果を介して導波体に依存するように用いられる。集積光学素子のこのインプリメンテーションの出力は、最も重要な製造ステップ（リソグラフィおよびパターンのエッチング）が行われた後に成長される、デバイスのアクティブ部分の出力に相当する。

図１１は、シリカ被覆（この場合は、シリカ列）のバリエーションによって導波体１０６を示す斜視断面図である。図中のように、欠けた列、または可変周期、または可変充填率が存在し得る。可変シリカコンテンツのパターンは、屈折率に対して可変のランドスケープを形成し、これは、この構造１０６の上面に成長されたＧａＮ導波体において伝播する光を閉じ込めたり、ガイドしたりし得る。

図１２は、２つのパターニングされた層１４の使用を示す断面側面図であり、導波モードを垂直方向にさらに閉じ込めるために、各々はアクティブ層１２の領域の各側に存在している。これは、レーザのモードが強吸収領域（例えば、ＧａＮベースのレーザダイオードの場合では、Ｍｇドーピングされた領域）とオーバーラップしない場合に、有用であり得る。

最後に、図１３は、本発明の好適な実施形態にしたがって実行される製造ステップを示すフローチャートである。

ブロック１０８は、基板上にバッファ層を成長させるステップを示している。上記基板がサファイアであり、上記バッファ層が窒化物材料であることが、好適である。

ブロック１１０は、バッファの上面に１つ以上のパターニングされた層を堆積させるステップを示しており、各パターニングされた層は、マスクとマスク内のホールを充填する材料とを含んでいる。パターニングされた層が窒化物材料であり、マスクが絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成され、マスク内のホールを充填する材料が窒化物材料であることが、好適である。各パターニングされた層は、アクティブ層に対し、ミラー、光閉じ込め層、格子、波長選択要素、ビーム形成要素、またはビーム配向要素として機能する。

ブロック１１２は、パターニングされた層の上またはパターニングされた層の間に、１つ以上のアクティブ層を形成するステップを示しており、上記アクティブ層は、１つ以上の発光種を含む。アクティブ層が、窒化物材料であり、ＬＥＯによって成長され、マスクが、アクティブ層に対する成長マスクとして機能することが、好適である。

これらのステップの最終結果は、例えばレーザのような集積光学素子を用いた構造である。上記レーザは、基板、基板上に成長されたバッファ層、バッファの上面に堆積された１つ以上のパターニングされた層（パターニングされた層の各々は、マスクとマスク内のホールを充填する材料とから構成されている）、ならびにパターニングされた層の上またはパターニングされた層の間に形成された１つ以上のアクティブ層（このアクティブ層は、１つ以上の発光種を含む）から構成されたレーザである。

（文献）
以下の文献は、参考のために本明細書に援用される：
１．Ｎ．Ｅｒｉｋｓｓｏｎ、Ｍ．Ｈａｇｂｅｒｇ、およびＡ．Ｌａｒｓｓｏｎ、「ＨＩｇｈｌｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｇｒａｔｉｎｇｏｕｔｃｏｕｐｌｅｓｗｉｔｈｔａｉｌｏｒａｂｌｅｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ」、ＩＥＥＥＪ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ｖｏｌ．３２、１０３８（１９９６）
２．Ｔ．Ｓｕｈａｒａ、Ｍ．Ｕｅｍｕｋａｉ、Ｎ．Ｓｈｉｍａｄａ、およびＡ．Ｌａｒｓｓｏｎ、「ＢｒｏａｄａｒｅａａｎｄＭＯＰＡｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｇｒａｔｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆｏｒｂｅａｍｓｈａｐｉｎｇａｎｄｎｏｖｅｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓ」、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥｖｏｌ．４９９５、１０（２００３）
（結論）
本発明の好適な実施形態の記載を終了する。本発明の１つ以上の実施形態に関する上述の記載は、例示および記載を目的として、示されてきた。網羅的であること、あるいは本発明を開示された形に限定することは、意図されていない。上述の教示を踏まえると、多くの改変およびバリエーションが可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなくむしろ、本明細書に添付された請求の範囲によって限定されることが、意図されている。

ここで図面を参照すると、図中では、複数の図面を通して、同様の参照番号は、対応する部分を表している。
図１Ａは、本発明の好適な実施形態にしたがう、レーザデバイスの断面側面図であり、図１Ｂは、上記レーザデバイスの上面図である。図２は、本発明の好適な実施形態にしたがう、レーザの断面側面図であり、上記レーザは、分離した利得領域とミラー領域とを有している。図３は、本発明の好適な実施形態にしたがう、レーザの断面側面図であり、上記レーザは、分離した利得領域と、ミラー領域と、回折アウトカップリングミラー領域とを有している。図４は、本発明の好適な実施形態にしたがう、回折格子として機能するパターニングされた層による回折による、レーザ導波モードの光抽出を示す断面側面図である。図５は、本発明の好適な実施形態にしたがう、レーザの断面側面図であり、上記レーザは、分離した利得領域と、ミラー領域と、抽出領域とを有しており、可変の成長深度が、パターニングされた層のエッチングによって定義されている。図６は、本発明の好適な実施形態にしたがう、様々な幾何学的形状を示しており、上記幾何学的形状は、パターンとして用いられ得、パターニングされた層のマスク内での穿孔または貫通として用いられ得る。図７は、本発明の好適な実施形態にしたがう、デバイスのアクティブ領域の断面側面図であり、上記デバイスは、複数のパターニングされた層を有している。図８は、本発明の好適な実施形態にしたがう、結合キャビティレーザの断面側面図である。図９は、本発明の好適な実施形態にしたがう、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）の反射防止（ＡＲ）アウトカップラーの断面側面図である。図１０Ａは、本発明の好適な実施形態にしたがう、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）の横方向導波部の断面側面図であり、図１０Ｂは、上記横方向導波部の上面図である。図１１は、本発明の好適な実施形態にしたがう、シリカ被覆のバリエーションによって導波路を示す斜視側面図である。図１２は、本発明の好適な実施形態にしたがう、２つのパターニングされた層の間で定義されたレーザキャビティの断面側面図である。図１３は、本発明の好適な実施形態にしたがって実行される製造ステップを示すフローチャートである。

Claims

集積光学素子を用いた構造であって、
（ａ）基板と、
（ｂ）該基板上に成長されたバッファ層と、
（ｃ）該バッファ層の上部に堆積された１つ以上のパターニングされた層であって、該パターニングされた層の各々は、マスクおよび該マスク内のホールを充填する材料から構成されている、パターニングされた層と、
（ｄ）該パターニングされた層の上または該パターニングされた層の間に形成された１つ以上のアクティブ層と
を備えており、
（ｅ）各パターニングされた層は、該アクティブ層に対し、ミラー、光閉じ込め層、格子、波長選択要素、ビーム形成要素、またはビーム配向要素として機能する、構造。
前記アクティブ層は、１つ以上の発光種を含んでいる、請求項１に記載の構造。
前記光の一部を吸収および再放出する１つ以上の第２の発光種をさらに備えている、請求項２に記載の構造。
前記パターニングされた層は、前記アクティブ層との大きな平均の屈折率の差を有している、請求項１に記載の構造。
前記パターニングされた層の少なくとも一部は、回折格子として機能し、前記構造は、該回折格子を用いて抽出光の中に形成された導波光を有することにより、該導波光をデバイスの外に放出する、請求項１に記載の構造。
前記パターニングされた層の少なくとも一部は、前記構造からの光の単一の波長の放出のために、分布帰還型（ＤＦＢ）格子として機能する、請求項１に記載の構造。
前記パターニングされた層は、複数の結合キャビティを定義する、請求項１に記載の構造。
前記パターニングされた層は、導波モード、放射モード、または漏れモードにおいて放出される光の相対量を増加または減少させるために、前記アクティブ層との大きな屈折率の差に起因して、該アクティブ層における発光種の放出パターンを変化させる、請求項１に記載の構造。
前記パターニングされた層は、主発振器（ＭＯ）バックミラーおよび結合ミラー、電力増幅器（ＰＡ）アクティブ領域、ならびに反射防止（ＡＲ）アウトカップラーを含んでおり、該反射防止アウトカップラーは、最初の領域、反射とのモード変換を実行する反射防止領域、および最終的なアウトカップラーである垂直エクストラクターを含んでいる、請求項１に記載の構造。
前記パターニングされた層は、増幅領域の近くの領域で吸収が減少または抑制されるように設計された成長を有している閉じ込め領域を含んでいる、請求項１に記載の構造。
前記基板は、サファイアであり、前記バッファ層、前記パターニングされた層、および前記アクティブ層は、窒化物材料である、請求項１に記載の構造。
前記アクティブ層は、横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によって成長されている、請求項１に記載の構造。
前記マスクは、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成されている、請求項１に記載の構造。
前記マスクは、前記アクティブ層に対する成長マスクとして機能する、請求項１に記載の構造。
前記パターニングされた層は、前記マスクと該マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化を有している、請求項１に記載の構造。
前記マスク内のホールを充填する前記材料は、窒化物材料である、請求項１に記載の構造。
前記パターニングされた層の１つ以上の性質は、前記構造にわたって空間的に変化され、該パターニングされた層の該性質は、前記マスク内の前記ホールの厚さ、半径、該マスク内の該ホールの形状、該マスクにおけるパターンの周期性、または該マスクにおけるパターンの非周期性を含んでいる、請求項１に記載の構造。
集積光学素子を用いた構造の製造方法であって、
（ａ）基板上にバッファ層を成長させることと、
（ｂ）該バッファ層の上部に１つ以上のパターニングされた層を堆積させることであって、該パターニングされた層の各々は、マスクおよび該マスク内のホールを充填する材料から構成されている、ことと、
（ｃ）該パターニングされた層の上または該パターニングされた層の間に１つまたはいくつかのアクティブ層を形成することと
を包含し、
（ｄ）各パターニングされた層は、該アクティブ層に対し、ミラー、光閉じ込め層、格子、波長選択要素、ビーム形成要素、またはビーム配向要素として機能する、方法。
前記アクティブ層は、１つ以上の発光種を含んでいる、請求項１８に記載の方法。
前記光の一部を吸収および再放出する１つ以上の第２の発光種を成長させることをさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
前記パターニングされた層は、前記アクティブ層との大きな平均の屈折率の差を有している、請求項１８に記載の方法。
前記パターニングされた層の少なくとも一部は、回折格子として機能し、前記構造は、該回折格子を用いて抽出光の中に形成された導波光を有することにより、該導波光をデバイスの外に放出する、請求項１８に記載の方法。
前記パターニングされた層の少なくとも一部は、前記構造からの光の単一の波長の放出のために、分布帰還型（ＤＦＢ）格子として機能する、請求項１８に記載の方法。
前記パターニングされた層は、複数の結合キャビティを定義する、請求項１８に記載の方法。
前記パターニングされた層は、導波モード、放射モード、または漏れモードにおいて放出される光の相対量を増加または減少させるために、前記アクティブ層との大きな屈折率の差に起因して、該アクティブ層における発光種の放出パターンを変化させる、請求項１８に記載の方法。
前記パターニングされた層は、主発振器（ＭＯ）バックミラーおよび結合ミラー、電力増幅器（ＰＡ）アクティブ領域、ならびに反射防止（ＡＲ）アウトカップラーを含んでおり、該反射防止アウトカップラーは、最初の領域、反射とのモード変換を実行する反射防止領域、および最終的なアウトカップラーである垂直エクストラクターを含んでいる、請求項１８に記載の方法。
前記パターニングされた層は、増幅領域の近くの領域で吸収が減少または抑制されるように設計された成長を有している閉じ込め領域を含んでいる、請求項１８に記載の方法。
前記基板は、サファイアであり、前記バッファ層、前記パターニングされた層、および前記アクティブ層は、窒化物材料である、請求項１８に記載の方法。
前記アクティブ層は、横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によって成長されている、請求項１８に記載の方法。
前記マスクは、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成されている、請求項１８に記載の方法。
前記マスクは、前記アクティブ層に対する成長マスクとして機能する、請求項１８に記載の方法。
前記パターニングされた層は、前記マスクと該マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化を有している、請求項１８に記載の方法。
前記マスク内のホールを充填する前記材料は、窒化物材料である、請求項１８に記載の方法。
前記パターニングされた層の１つ以上の性質は、前記構造にわたって空間的に変化され、該パターニングされた層の該性質は、前記マスク内のホールの厚さ、半径、該マスク内の該ホールの形状、該マスクにおけるパターンの周期性、または該マスクにおけるパターンの非周期性を含んでいる、請求項１８に記載の方法。
請求項１８に記載の方法を用いて製造される構造。