JP2015511071A - 能動コアがカスケード段でつくられている中ｉｒ多波長連鎖型分布帰還レーザのための導波路構造 - Google Patents

能動コアがカスケード段でつくられている中ｉｒ多波長連鎖型分布帰還レーザのための導波路構造 Download PDF

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Abstract

新規な導波路を有する連鎖型分布帰還レーザが開示される、導波路は能動導波路構造と受動導波路構造の間のレーザビームの結合を可能にし、改善されたデバイス設計及び向上した出力効率を可能にする。そのようなデバイスの作製方法も、使用方法とともに、開示される。

Description

関連出願の説明
本出願は２０１２年３月１９日に出願された米国仮特許出願６１/６１２４４０号の米国特許法第１１９条の下の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記仮特許出願の明細書の内容に依存し、上記仮特許出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。
本明細書は、全般には半導体ベースレーザに関し、さらに詳しくは、改善された性能を可能にするために改変された導波路をさらに含むカスケード区画でつくられた能動コアを有する中赤外領域における分布帰還レーザに関する。そのような素子の作製方法及び使用方法も開示される。
分布帰還（ＤＦＢ）レーザは、レーザの能動領域に回折格子を組み込む、固体ダイオードレーザ技術である。ＤＦＢ構成により、安定で、温度変化によりいくらかは可変の単一波長の、発光が可能になる。複数のＤＦＢレーザの連鎖型ＤＦＢ量子カスケードレーザへの複合により、この技術の波長可変範囲の拡張が可能になる。
しかし、連鎖型ＤＦＢ-ＱＣＬには、使用されていないレーザ区画が無バイアスであるときの高い損失及びバイアス印加時の大きな使用電力量の問題がある。電力効率がさらに高く、それでも、連鎖型ＤＦＢ-ＱＣＬにみられる拡張された波長範囲を提供する、ＤＦＢ-ＱＣＬをつくることができれば、有益であろう。
一実施形態は、光利得材料でつくられた能動半導体光導波路、ブリッジ及び受動光導波路を有し、ブリッジが空間的に能動導波路と受動導波路の間に配置され、能動導波路、ブリッジ及び受動導波層が光導波路材料によって物理的に連結されてはいない、導波路構造を含む。いくつかの実施形態において、ブリッジは、ある波長の受動光導波路への結合を選択的に可能にする、周期構造を有する。いくつかの実施形態において、能動導波路、ブリッジ及び受動導波路はＧａＩｎＡｓまたはＧａＡｌＩｎＡｓを含む。いくつかの実施形態において、能動導波路とブリッジは平行であり、最近接点において約１μｍから約８μｍ離れている。いくつかの実施形態において、ブリッジと受動導波路は平行であり、最近接点において約１μｍから約８μｍ離れている。いくつかの実施形態において、能動導波路とブリッジは平行であって最近接点において約２μｍから約６μｍ離れており、ブリッジと受動導波路は平行であって最近接点において約１μｍから約８μｍ離れている。
別の実施形態は、
超格子を形成する、少なくとも２つの、組成が同等ではない、層を含む利得材料であって、サブバンド間遷移またはバンド間遷移によって光子を発生する利得材料、
直列に配置された少なくとも２つのレーザ発振区画であって、それぞれが不等周期すなわち不等ブラッグ波長を有するグレーティングを含み、電気絶縁領域によって分離されるレーザ発振区画、
及び
利得材料と接している能動導波路、少なくとも１つのブリッジ、及び受動導波路を含む導波路構造であって、ブリッジのそれぞれは物理的に能動導波路と受動導波路の間に配置され、能動導波路、ブリッジ及び受動導波路は導波路材料を介して物理的に連結されてはいない、導波路構造、
を有するレーザを含む。いくつかの実施形態において、グレーティングは位相シフトグレーティングを含む。いくつかの実施形態において、ブリッジは能動導波路に対して平行であり、空間的中心は光強度が最高である位置におかれる。いくつかの実施形態において、能動導波路とブリッジは平行であり、最近接点において約１μｍから約８μｍ離れている。いくつかの実施形態において、ブリッジと受動導波路は平行であり、最近接点において約１μｍから約８μｍ離れている。いくつかの実施形態において、能動導波路とブリッジは平行であって、最近接点において約２μｍから約６μｍ離れており、ブリッジと受動導波路は平行であって最近接点において約１μｍから約８μｍ離れている。いくつかの実施形態において、能動導波路、ブリッジ及び受動導波路はＧａＩｎＡｓまたはＧａＡｌＩｎＡｓを含む。
上述したレーザの実施形態において、レーザ発振区画は、ｎ型クラッド層内のｐ型層を含む電気絶縁領域によるかまたはｎ型クラッド層内の高ドープ部の除去によって分離される。いくつかの実施形態において、レーザ発振区画の少なくとも１つからの発光波長は約２.５μｍから約１５μｍである。いくつかの実施形態において、超格子の少なくとも１つの層はＧａｘＩｎ１−ｘＡｓであり、ｘは０〜１である。いくつかの実施形態において、超格子の少なくとも１つの層はＡｌｙＩｎ１−ｙＡｓであり、ｙは０〜１である。いくつかの実施形態において、能動領域は少なくとも２つのスタックを含み、最短波長でレーザ発振する区画を含むスタックはデバイスの中央に配置される。いくつかの実施形態において、レーザ発振区画はパルスモードでレーザ発振する。いくつかの実施形態において、レーザパルス幅は約１０ｎｓから約１ｍｓである。他の実施形態において、レーザ発振区画は連続モードでレーザ発振する。いくつかの時実施形態において、全てのレーザ発振区画は同時にレーザ発振を開始することができる。他の実施形態において、レーザ発振区画は順次にレーザ発振が開始される。
別の実施形態はサンプルからの信号を検出する方法を含み、方法は、特許請求項７に記載のレーザからの少なくとも１つのレーザイベントをサンプルに印加する工程、及び、光がサンプルと相互作用した後に、光の少なくともいくらかを収集する工程を含む。いくつかの実施形態において、レーザ波長は赤外領域にある。いくつかの実施形態において、光を収集する工程はサンプルの赤外吸光度に関する情報を提供する。いくつかの実施形態において、サンプルは気相にある。他の実施形態において、サンプルは液相にある。また他の実施形態において、サンプルは固相にある。いくつかの実施形態において、光を収集する工程はサンプルの赤外反射率に関する情報を提供する。
図１は２３５０ｃｍ−１近傍におけるＣＯ２の吸収スペクトルを示す。 図２はブドウ糖の吸収スペクトルを示す。 図３は能動コアがカスケード段でつくられている中ＩＲ多波長連鎖型ＤＦＢ-ＱＣＬを有する実施形態を示す。 図４は、第２または第３のＤＦＢ区画において発せられた光がその前方にある無バイアスコア区画において大きな損失を受けるであろう、図３の実施形態を示す。 図５は第２のＤＦＢ-ＱＣＬのパルス光−電流曲線を前面ファセットに一番近い第１のＤＦＢ-ＱＣＬのＤＣバイアスの関数として示す。バイアスは、１１Ｖ（黒色の間隔が狭い破線）、１０Ｖ（黒色の間隔が広い破線）、９Ｖ（灰色の実線）、８Ｖ（灰色の長破線）、４Ｖ（灰色の点線）及び０Ｖ（黒色の実線）である。 図６ＡはＱＣコアの下側に受動導波路があるＱＣＬ構造の縦断面図を示す。 図６Ｂは図６Ａと同じ導波路構造の（ファセットをのぞく）前面図を示す。 図７Ａは図６に示されるようなＱＤＬ構造の、光がＧａＩｎＡｓ受動導波路層内に伝搬しているが、高次モードにあることを示す、近視野像を示す。 図７Ｂは図６に示されるようなＱＤＬ構造の、光がＧａＩｎＡｓ受動導波路層内に伝搬しているが、高次モードにあることを示す、遠視野像を示す。 図８は、図６に示されるような、ただし短ＧａＩｎＡｓが無い、ＱＣＬ構造の遠視野像を示す。これは良好な基本モードをもつＦＦ像の一例であって、下側ＧａＩｎＡｓ層内に伝搬している光がないことを示している。 図９Ａは提案される多波長連鎖型ＤＦＢ-ＱＣＬ構造をもつ導波路構造の縦断面図を示す。短ＧａＩｎＡｓ層は下側の受動導波路層内に光を誘導するためのブリッジとしてはたらく。 図９Ｂは図９Ａの導波路構造の横断面図を示す。 図１０は図６に示されるＱＣＬ導波路構造についてのＦＦ角並びに頂角が１０°及び５°の光円錐内のパワー（％）の対照シミュレーションを示すグラフを示す。導波路構造は間隔がd＝３.５μｍの三ＧａＩｎＡｓ層（０.６７μｍ，０.６５μｍ，０.６５μｍ）である。短ＧａＩｎＡｓインサートは３００μｍの位置から始まる。ＦＦ角の減少及び頂角が１０°及び５°の光円錐内のパワーの増大は光が受動導波路内に伝搬することを示す。安定するまでに約３００〜４００μｍかかる。λ＝４.６μｍでシミュレーションを行った。 図１１Ａは別の構造の上面図を示す。受動ＩｎＧａＡｓ導波路構造及びブリッジＩｎＧａＡｓ構造はレーザリッジの側方にある。 図１１Ｂは多波長連鎖型ＤＦＢ-ＱＣＬと複合されている別の導波路構造の縦断面を示す。短ＧａＩｎＡｓ層は上側の受動導波路層内に光を誘導するためのブリッジとしてはたらく。トレンチは（鉄ドープ）半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ-ＩｎＰ）で置き換えることができる。
本説明は、以下の実施形態、図面、実施例及び特許請求の範囲、並びにそれぞれの先の説明及び以降の説明を参照することで、より容易に理解することができる。しかし、本発明の組成、物品、デバイス及び方法の開示及び説明の前に、本説明が、別途に指定されない限り、開示される特定の組成、物品、デバイス及び方法に限定されず、したがって、もちろん変わり得ることは当然である。本明細書に用いられる術語が特定の態様を説明することだけが目的とされており、限定は目的とされていないことも当然である。
以下の説明は現在知られている実施形態において教示を可能にするとして与えられる。この目的のため、当業者であれば、本明細書に説明される本発明の様々な態様に多くの変更を行うことができ、それでも本発明の有益な結果が得られることを認め、理解するであろう。望ましい利点の内のいくつかが特徴の内のいくつかを選択することによって、他の特徴は用いずに、得られ得ることも明らかであろう。したがって、当業者であれば、多くの改変及び改訂が可能であり、いくつかの状況においては望ましくさえあり得ることを認めるであろう。したがって、以下の説明は本発明の例証として与えられており、本発明を限定するものではない。
開示される方法及び組成物のために用いることができ、それらとともに用いることができ、それらの準備／作製に用いることができ、あるいはそれらの実施形態である、材料、化合物、組成物及びコンポーネントが開示される。上記及びその他の材料が本明細書に開示され、そのような材料の組合せ、サブセット、相互作用、群等が開示される場合、それらの化合物の様々な個別的及び総括的な組合せ及び置換のそれぞれへの特定の言及は明示的に開示されていないかもしれない場合であっても、それぞれが特定的に本明細書で考えられ、説明されていると理解される。すなわち、置換要素Ａ，Ｂ及びＣからなる群が、また置換要素Ｄ，Ｅ及びＦからなる群も、開示され、組合せ実施形態の例Ａ−Ｄが開示されていれば、それぞれは個別的及び総括的に考えられている。すなわち、この例においては、組合せＡ−Ｅ，Ａ−Ｆ，Ｂ−Ｄ，Ｂ−Ｅ，Ｂ−Ｆ，Ｃ−Ｄ，Ｃ−Ｅ及びＣ−Ｆのそれぞれも特定的に考えられていて、Ａ，Ｂ及び／またはＣ、Ｄ，Ｅ及び／またはＦ、及び組合せ例Ａ−Ｄの開示により、開示されていると見なされるべきである。同様に、これらのいかなるサブセットまたは組合せも特定的に考えられ、開示されている。すなわち、Ａ，Ｂ及び／またはＣ、Ｄ，Ｅ及び／またはＦ、及び組合せ例Ａ−Ｄの開示によって、例えば、Ａ−Ｅ，Ｂ−Ｆ及びＣ−Ｅからなる部分群が特定的に考えられていて、開示されていると見なされるべきである。この概念は、開示される組成物の作製及び使用の方法における組成物のいかなる組成物の成分及び工程も含むがこれらには限定されない、本開示の全ての態様に適用される。すなわち、実施することができる様々な付加工程があれば、そのような付加工程のそれぞれが開示される方法のいずれか特定の実施形態または実施形態の組合せとともに実施することができ、そのような組合せのそれぞれが特定的に考えられていて、開示されていると見なされるべきであると、理解される。
本明細書及び添付される特許請求の範囲においては、以下の意味を有すると定義される、多くの用語への言及がなされるであろう。
単数形及び複数形の「含む」または同様の用語は包含を意味するが、限定は意味しない。すなわち、包括的であるが、排他的ではない。
用語「約」は、別途に言明されない限り、その範囲にある全ての事物を指す。例えば、約１，２または３は約１，約２または約３と等価であり、さらに、約１〜３，約１〜２及び約２〜３を含む。組成物、コンポーネント、構成成分、添加物及び同様の態様並びにこれらの範囲について開示される特定の及び好ましい値は説明だけのためであり、他の定められた値または定められた範囲内の他の値を排除しない。本開示の組成物及び方法は、本明細書に説明される、いずれの値の、あるいは、値、詳しい値、一層詳しい値及び好ましい値のいずれの組合せも有する組成物及び方法を含む。
本明細書に用いられるように、不定冠詞‘a’または‘an’及び対応する定冠詞‘the’は、別途に指定されない限り、少なくとも１つ、すなわち１つ以上を意味する。
本明細書に用いられるように、「超格子」は、量子井戸閉じ込め及びサブバンド間遷移を生じさせる、バンドギャップが異なる少なくとも２つの半導体材料を含む（例えば、米国仮特許出願第６１/５６４３７５号明細書を見よ。この明細書はその全体が本明細書に参照として含められる）。少なくとも２つの半導体材料の厚さは格子内で変わることができ、あるいは一定の厚さとすることができる。材料の厚さが変わる場合、厚さは線形または非線形の態様で変わることができる。
本明細書に用いられるように、「段」は、電子の注入領域から能動領域への遷移を可能にする、超格子によって形成された一連の量子井戸を含む。本明細書に用いられるように、「スタック」は一連の段を含む。「能動領域」または「コア」は少なくとも１つのスタックからなり、光放射を生じるレーザの領域を表すために用いられる。
本明細書に用いられるように、「光導波路」は、１つ以上の屈折率または誘電定数が低い誘電材料で囲まれている、屈折率または誘電定数が高い誘電材料を含み、屈折率は注目する波長において測定される。本明細書で用いられるように、「導波路材料」は注目する波長における屈折率が高い誘電材料を含む。
連鎖型ＤＦＢ-ＱＣＬ構造により多波長（単一モード）の、図３に示され、米国仮特許出願第６１/５８６３２７号明細書に説明されるような、単一ファセットからの発光が可能になる。第１のＤＦＢ区画はλ１でレーザ発振し、第２のＤＦＢ区画はλ２でレーザ発振し、以下同様である。しかし、第２の区画により、または第１の区画以外のいずれかの区画により、発せられた光は、図４に示されるように、その区画より前方にあるＤＦＢ区画を通って伝搬しなければならないであろう。前方にあるそれぞれの区画にバイアスが印加されていない場合、そのような無バイアス領域における損失は高く（＞２０ｃｍ−１に）なり得る。損失はほとんどλ２（または、λ３，λ４，λ５，等）の無バイアス領域通過によって生じる。例えば、λ２の光強度はλ１の光強度より、２つのＤＦＢ区画の利得／コアが共有され、λ１とλ２の間の差が小さいとしても、かなり低い。
区画２が動作しているときの区画１における損失は、区画１を同時に（閾電圧以下に）バイアスすることで低減することができる。λ２の強度は、図５に示されるように、高くなるであろう。バイアスは、１１Ｖ（黒色の間隔が狭い破線）、１０Ｖ（黒色の間隔が広い破線）、９Ｖ（灰色の実線）、８Ｖ（灰色の破線）、４Ｖ（灰色の点線）及び０Ｖ（黒色の実線）である。図示されるように、バイアスを０Ｖから１１Ｖまで高めるとパワーは４倍になる。しかし、総電力消費量がそれに見合って大きくなり、したがって電力変換効率（ＷＰＥ）が低下する。
無バイアス領域通過にともなう損失を回避するため、光（例えば、λ２，λ３，λ４，λ５，等）を別の導波路を通してデバイスの外に誘導し、前方にある区画の無バイアスコアを避けることが可能である。
第１の実施形態は利得領域から隣接する導波路層内に光を受動的に誘導する導波路構造を含む。いくつかの実施形態において、隣接する光導波路は利得区画に電磁的に結合されるが、物理的には転結されない、適する材料の１つ以上の層を有することができる。この導波路構造の実施形態は、前方にある区画のコアではなく、隣接する導波路を光が通過するであろうから、強度の減損を少なくすることができる。いくつかの実施形態において、この導波路構造は非発光ＤＦＢ区画を無バイアス状態に維持し、レーザ出力に影響させないでおくことを可能にする。
別の実施形態は、利得領域から隣接する導波路層内に光を受動的に誘導する導波路構造をさらに有する、連鎖型ＤＦＢレーザを含む。いくつかの実施形態において、導波路構造は１つ以上の隣接光導波路を有し、隣接光導波路は利得区画に電磁的に結合されるが、物理的には連結されない、適する材料の１つ以上の層を有することができる。多波長連鎖型ＤＦＢ（ｃＤＦＢ）レーザは複数の波長を同時に、または時間的に順次に、発生するための、一連のカスケード区画でつくられた能動コアを有することができる。いくつかの実施形態において、ｃＤＦＢレーザは赤外（ＩＲ）領域でレーザ発振する。いくつかの実施形態において、ｃＤＦＢレーザは約２.５μｍから約１５μｍの領域においてレーザ発振する。そのようなデバイスは、単分子の広い吸収線または異なる分子からの幾本かの吸収線をサンプリングすることができる。実施形態を形成する方法は、分布帰還（ＤＦＢ）量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）に用いられる作製プロセスと同様の作製プロセスの使用を含むことができる。本明細書における実施形態は、寸法が小さくなり、速度が速くなり、コストが低くなることから，波長可変外部キャビティ（ＥＣ）ＱＣＬに置き換わることができる点で有利である。さらに、実施形態は、ＤＦＢ-ＱＣＬアレイにはアレイの出力を結合して１本の光ビームにするための光結合光学系が必要であるから、ＤＦＢ-ＱＣＬアレイに優る、寸法及びコスト上の利点も有する。
実施形態が有用であり得る特定の応用の１つは赤外（ＩＲ）分光法による化学分析にある。化学結合の振動による中ＩＲ領域における強い吸収線は分子組成を同定するために用いることができる。ＤＦＢ-ＱＣＬのような可変中ＩＲ波長源は吸収線の周りの波長をスキャンするために用いることができる。従来のＤＦＢ-ＱＣＬは波長可変範囲が約１０ｃｍ−１と狭く、小分子の吸収線（例として、図１は２３５０ｃｍ−１近傍の、すなわち約４.２〜４.３μｍにある、ＣＯ２の吸収線を示す）のような狭い吸収線の１つの検出に用いられることが多いが、実施形態は波長カバレッジがかなり広く、大分子の広い吸収線（図２はブドウ糖の９５０〜１２００ｃｍ−１における吸収を示す）の検出に用いることができる。
コアはレーザ発振を達成するに必要な光利得を提供する。レーザのコアは量子カスケード（ＱＣ）領域またはバンド間カスケード（ＩＣ）領域のスタックを含むことができる。幅広い光利得をもついかなるＱＣ構造またはＩＣ構造も用いることができる。いくつかの実施形態において、コアはＱＣ構造を含む。いくつかの実施形態において、コアはＩＣ構造を含む。それぞれのコアの利得ピークは、図６に示されるように、サンプリング波長の１つの近くになるように設計される。短波長側の光モードは長波長側の光モードより狭くなるから、通常は、光利得が短波長側にあるコアほど光モードの中心に近づけて配置されるべきである。
実施形態は、超格子を形成する少なくとも２つの、組成が同等ではない、層を有する利得材料を含むことができる。層厚の適切な設計により、レーザ発光を達成するに必要な系内の２つのサブバンド間の反転分布を工学的につくりだすことが可能である。層厚は所望の設計に応じて、同じとすることができ、または異なることができる。いくつかの実施形態において、層は約１Åから約５００Åの厚さを有する。いくつかの実施形態において、層は約１０Åから約１００Åの厚さを有する。いくつかの実施形態において、層は約１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３１，３５，４０，４５，５０，５５，６０，７０，８０，９０，１００，１２５，１５０，１７５，２００，２５０，３００，３５０，４００，４５０または５００Åの厚さを有する。
利得材料内の層の形成に用いられ得る材料は一般に、IV族、III-Ｖ族、及びII-VI族半導体のような、半導体を含む。いくつかの実施形態において、層は、ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＡｓ，ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ，ＳｉｘＧｅ１−ｘ，あるいはＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ，ＡｌｙＩｎ１−ｙＡｓ，ＧａｘＩｎ１−ｘＳｂ，及びＡｌｙＩｎ１−ｙＳｂを含むことができ、ここでｘ及びｙは０〜１である。
超格子利得材料は様々な手法、例えば、分子ビームエピタキシャル成長成長（ＭＢＥ）（ガスソースＭＢＥ及びＭＯ-ＭＢＥを含む）、有機金属エピタキシャル成長成長（ＭＯＶＰＥ）またはスパッタリングを用いて作製することができる。これらの方法は厚さが数原子間隔でしかない層の作製を可能にする。
実施形態は光導波路をさらに含む。光導波路は、本明細書に用いられるように、光スペクトル内の電磁波を誘導する物理的構造を含む。実施形態は、非使用区画を無バイアス状態に維持し、レーザ出力に影響を与えさせずにおくことを可能にする、光導波路を含む。本明細書に具現化される光導波路は、例えば図９に示されるように、電磁的に結合されているが、物理的には連結されていない、適する材料の複数の層を含むことができる。いくつかの実施形態において、能動導波路層は、量子カスケード利得材料に平行トレンチをエッチングして、隔離されたＱＣ材料ストライプをつくることで形成された、リッジ導波路を含む。
本明細書に具現化される光導波路はブリッジ層（ブリッジ）を含むことができる。ブリッジは、ＧａＩｎＡｓのような、導波路に適する材料の短区画を含む。ブリッジは、ＤＦＢ区画が１/４波長シフトされていれば、それぞれのＤＦＢ区画の中央に配置することができる。あるいは、ブリッジは光強度が軸方向で最大化されている場所に配置することができる。いくつかの実施形態において、ブリッジはグレーティング層を含むことができる。いくつかの実施形態において、ブリッジは実効屈折率が異なる２つの導波路を選択的に波長結合することができる。
波長λｉに対するそれぞれのＤＦＢ区画と相互作用するブリッジの屈折率、幅及び長さは、波長λｉの光が受動導波路層内に伝搬できるような態様で決定することができる。屈折率はドーピング濃度を変えるかまたは組成を変える（少量のＡｌＩｎＡｓを添加する）ことで、変えることができる。ブリッジは、ビームが下側の受動導波路内に入ることを保証するため、ある値より長くすべきである。例えば、図１０に示されるように、λ〜４.６μｍの導波路構造に対し、ブリッジ長は約３００〜４００μｍとすべきである。図１０は、λ＝４.６μｍの図６に示されるＱＣＬ導波路構造に対する、ＦＦ角及び頂角が１０°及び５°の光円錐内のパワー（％）の対照シミュレーションを示す。導波路構造は間隔がd＝３.５μｍの三ＧａＩｎＡｓ層（０.６７μｍ，０.６５μｍ，０.６５μｍ）である。領域３００は推移区間である。短ＧａＩｎＡｓインサートが位置１００に始まって、ほぼ３００μｍ入り、位置２００で終わる。ビームの縦方向遠視野角（Ａ）及び横方向遠視野角（Ｂ）は導波路を出る前の光モード径を反映し、インサートと相互作用すると小さくなる。頂角が１０°の光円錐内の％パワー（Ｃ）及び頂角が５°の光円錐内の％パワー（Ｄ）は、インサートと相互作用すると着実に大きくなる、かなりの増加を示す。ＦＦ角の減少及び、頂角が１０°及び５°の光円錐内の、光強度の増大は、光が受動導波路内に伝搬すること、及び安定するには約３００〜４００μｍかかることを示す。
いくつかの実施形態において、ブリッジ長は、約１００，１５０，２００，２５０，３００，３５０，４００，１５０，５００，５５０，６００，６５０，７００，８００．９００．１０００．１１００，１２００，１３００，１４００．１５００．１６００．１７００，１８００，１９００または２０００μｍである。ブリッジと上側導波路の間（及びブリッジと下側導波路の間）の距離は、上側導波路内（または下側導波路）内の光モードがブリッジ構造内の光モードと小さい（有限である）がゼロではない重なりを有するような態様で決定することができる。したがって、上側導波路内のモードはブリッジ構造内に、さらに下側導波路層内に、効率的に遷移（または没入）することができる。距離は波長の関数であり、また導波路構造（それぞれの層の厚さ及び屈折率）の関数でもある。λ〜４.６μｍに対する導波路構造の場合、距離は約３.５μｍを含み、ＧａＩｎＡｓのブリッジ（及び下側導波路層）の厚さは約６.５μｍである。いくつかの実施形態において、ブリッジと上側導波路の間の距離には、約０.５，０.７５，１.０，１.２５，１.５，１.７５，２.０，２.２５，２.５，２.７５，３.０，３.２５，３.５，３.７５，４.０，４.２５，４.５，４.７５，５.０，５.２５，５.５，５.７５，または６.０μｍがある。いくつかの実施形態において、ブリッジと受動（下側）導波路の間の距離には、約０.５，０.７５，１.０，１.２５，１.５，１.７５，２.０，２.２５，２.５，２.７５，３.０，３.２５，３.５，３.７５，４.０，４.２５，４.５，４.７５，５.０，５.２５，５.５，５.７５，または６.０μｍがある
本明細書に具現化される光導波路は受動導波路層を含むことができる。受動導波路層は、所望の波長におけるレーザ伝搬を可能にする、ＧａＩｎＡｓのような、適する材料を含むことができる。受動導波路は約１μｍから約２０μｍの幅及び数ｍｍまでの長さ（長さは通常、劈開によって定められる）の諸元を有することができる。いくつかの実施形態において、受動導波路は幅が約１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０．１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９または２０μｍであり、長さが約１００，１５０，２００，２５０，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００，１５００，２０００，３０００，４０００，５０００，６０００，７０００，８０００，９０００または１００００μｍである。いくつかの実施形態において、ブリッジ及び受動導波路の厚さは、それぞれ独立に、約０.０５，０.１，０.２，０.３，０.４，０.４５，０.５，０.５５，０.６，０.６５，０.７，０.７５，０.８，０.９，１.０，１.１，１.２，１.３，１.４，１.５，１.６，１.７，１.８，１.９または２.０μｍである。横モード閉じ込めは誘電材料のトレンチ内堆積によって達成することができ、次いでリッジ全体を、光発生時のリッジからの熱の除去に役立たせるため、金で被覆することができる。さらに一般には、横モード閉じ込めは、レーザがＩｎＰ基板上に成長されている場合にＩｎＰのような半絶縁性材料をトレンチ内に成長させることで達成される。光は受動導波路の劈開端面から放射させることができる。
ブリッジ及び受動導波路層は、能動導波路に及び／または相互に対して平行であるように構成することができる。本明細書に用いられるように「平行」は構造の長さ及び幅で形成される平面が共通平面に対してどこでもほぼ等距離にあること及び／または同じ角度を有していることを意味する。いくつかの実施形態において、平行は平面が±５°，±４°，±３°，±２°または±１°で同じ角度を有していることを意味する。
さらに、この設計では、長波長側のＤＦＢ区画は全体構造の前方部分に配置されるべきであって、短波長側のＤＦＢ区画は後方に配置されるべきである。「ブリッジ」ＧａＩｎＡｓ層へのモード重なりは波長が短くなるほど益々小さくなるから、短波長側の光は、長波長側の前方ＤＦＢ区画に漏洩せずに受動導波路層を通って伝搬するであろう。
実施形態は反射防止膜または無反射（ＡＲ）層をさらに含むことができる。本明細書に用いられるように、ＡＲ層はデバイスの少なくとも１つの端面（ファセット）に施された、特にＩＲ領域において反射を低減する、光学コーティングを含む。ＡＲ層は、屈折率整合層、単層干渉層、多層干渉層、またはモスアイ（ナノ構造化）層のような、いずれかのタイプの層とすることができる。いくつかの実施形態において、ＡＲコーティングは損失を約１０％、５％、４％、３％、２％、１％、０.５％、０.１％、０.０１％、０.００１％または０.０１％より小さく、あるいは０％に、する。
実施形態は、それぞれのレーザ区画が位相シフト型グレーティングを有する、直列に配置された少なくとも２つのレーザ区画をさらに含み、グレーティングは不等周期すなわち不等ブラッグ波長を有する。本明細書に用いられるように、グレーティングは、屈折率が変化するか、または（高さのような）いくつかの性質の周期的変化による結果、導波路内に実効屈折率の周期的変化が生じる、交互する材料の複数の層で形成された構造を含む。それぞれの層境界は光波の部分反射を生じさせる。ｍ次のクレーティングを伝搬している、その波長が周期と屈折率の積の２/ｍ倍に近い、波については、多くの反射が強め合う干渉によって結合され、グレーティングは高品質反射器としてはたらく。位相シフト型グレーティングは、例えば、１/８位相シフト型グレーティング，１/４位相シフト型グレーティングまたはその他の位相シフト型グレーティングを含む。
ダイオードレーザにおける１/４波長シフト型分布帰還共振器の使用は、両側の共振器より高いＱ値をもつ、グレーティング阻止帯域の中心における共振を与えるから、有利である。１/４波長シフト型ＤＦＢ透過型共振器の狭帯域共振はローレンツ型応答を有する。１/４波長シフト型共振器の使用に関するさらなる情報は、エイチ・ハウス(H. Haus)及びワイ・レイ(Y. Lai)，「カスケード１/４波長シフト型分布帰還共振器の理論(Theory of Cascaded Quarter Wave Shifted Distribution Resonators)」，IEEE J. Quantum Elec.，１９９２年，第２８巻，第１号，ｐ.２０５〜２１３，に見ることができる。この文献はその全体が本明細書に参照として含められる。
複数の周期をもつグレーティングは、電子ビーム（ｅビーム）書込または、ｅビームリソグラフィで作製された、グレーティングマスクのコンタクトプリンティングによってパターン形成することができる。
実施形態に見ることができるその他のコンポーネントには、利得材料の上側及び／または下側のｎ型クラッド層がある。能動利得区画及び能動波長選択区画は、異なるレーザ区画のそれぞれに専用の制御電極を含む、パターン化電気コンタクト層で覆うことができる。レーザ構造の個々の領域を電気的に絶縁するため、パターン化電気コンタクト層の適切な領域に絶縁性流電材料を被着することができる。
いくつかの実施形態において、レーザ発振区画は、米国特許出願第１３/０５００２６号明細書に説明されるように、ｐ型絶縁領域によって分離される。この特許出願明細書はその全体が本明細書に参照として含められる。例えば、能動導波路コアは上側ｎ型クラッド層と下側ｎ型クラッド層の間に挟み込むことができる。活性コア及び下側ｎ型クラッド層は、また上側ｎ型クラッド層の少なくとも一部も、実施形態の電気的に絶縁されたレーザ区画を貫通する。上側ｎ型クラッド層の１つ以上の部分は、実施形態の区画を分離している射影に沿って上側ｎ型クラッド層の厚さの一部にかけて延びる、ｐ型電気絶縁領域を定めるに十分なｐ型ドーパントを含む。上側及び下側のｎ型クラッド層は、ＩｎＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ、またはその他の従来の適するクラッド材料あるいはこれから開発されるであろう適するクラッド材料を含むことができる。限定ではなく、例として、II-VI族半導体、Ｓｉ-ＧｅまたはＧａＮベース材料、等を含む、様々なクラッド材料が適し得るであろうと考えられる。レーザ区画を分離する別の方法が米国仮特許出願第６１/５８６３２７号明細書に説明されている。この仮特許出願明細書はその全体が本明細書に参照として含められる。
限定ではなく例として、上側及び下側のｎ型クラッド層はＧａＡｓベースクラッド層とすることができる。クラッド層のいくつかは、ただのＧａＡｓの代わりに、ＡｌＧａＡｓまたは(Ａｌ)ＧａＩｎＰとすることができる。ＧａＡｓベースクラッド層に対して。コアは、ＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓ，(Ａｌ)ＧａＩｎＰ/(Ａｌ)ＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＡｓ/(Ａｌ)ＧａＡｓとすることができる。構造の残りの層についても同様の組成の別の層が考えられ、ＧａＩｎＡｓとＧａＡｓ基板の間のいかなる格子不整合も補償するように選ばれるべきである。限定ではなく、例として、他の考え得る層は、ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＡｓＰ及びＧａＩｎＡｓＰである。ＧａＡｓベースクラッド層に対し、半絶縁性(Ａｌ)ＧａＡｓをつくるために用いるに適するドーパントはＣｒ及びＯであるが、これらには限定されない。非常に低い温度での成長では、いかなるドーパントも用いずに、半絶縁性(Ａｌ)ＧａＡｓを得ることができる。
本明細書の実施形態はパルスモードまたは連続波モードのいずれでも用いることができる。レーザパルス幅は約１ｎｓから約１ｍｓとすることができる。いくつかの実施形態において、ＦＷＨＭ（半値全幅）におけるパルス幅は、約１ｎｓ，２ｎｓ，３ｎｓ，４ｎｓ，５ｎｓ，６ｎｓ，７ｎｓ，８ｎｓ，９ｎｓ，１０ｎｓ，２０ｎｓ，５０ｎｓ，６０ｎｓ，７０ｎｓ，８０ｎｓ，９０ｎｓ，１００ｎｓ，２００ｎｓ，４００ｎｓ，５００ｎｓ，６００ｎｓ，７００ｎｓ，８００ｎｓ，９００ｎｓ，１μｓ，１０μｓ，１００μｓまたは１ｍｓである。いくつかの実施形態において、本明細書に具現化されるデバイスは、レーザ区画を、全て同時に、個々に、及び／または順次にあるいはプログラムされた順序で、レーザ発振を開始するように設計することができる。
本明細書に説明される実施形態は、１００ｃｍ−１をこえる、２００ｃｍ−１をこえる、３００ｃｍ−１をこえる、４００ｃｍ−１をこえる、あるいは５００ｃｍ−１をこえる、波長可変性を有する。いくつかの実施形態において、ｃＤＢＦ実施形態は約１００ｃｍ−１から約５００ｃｍ−１の波長幅を有する。
レーザ区画のピーク波長は１分子の広い吸収線または異なる分子からの数本の吸収線のサンプリング波長（λｓＩ，Ｉ＝１からｎ）であるように選ぶことができる。いくつかの実施形態において、ｃＤＦＢは約２.５，２.６，２.７，２.８，２.９，３.０，３.１，３.２，３.３，３.４，３.５，３.６，３.７，３.８，３.９，４.０，４.１，４.２，４.３，４.４，４.５，４.６，４.７，４.８，４.９，５.０，５.１，５.２，５.３，５.４，５.５，５.６，５.７，５.８，５.９，６.０，６.５，７.０，７.５，８.０，８.５，９.０，９.５，１０.０，１０.５，１１.０，１１.５，１２.０，１２.５，１３.０，１３.５，１４.０，１４.５または１５.０μｍでレーザ発振する。
実施形態は、ＩＲ光、特にＩＲレーザ光が有益であろう、いかなる数の方法においても用いることができる。特定の用途には、ＩＲ吸光度または反射率測定、ＩＲ及びＦＴＩＲ分光法、ラマン分光法、ガス及び／または化学兵器検出、化学動力学及び化学反応速度測定、熱実験、等がある。一実施形態において、実施形態は分子組成を同定するためのＩＲ吸光度測定に用いられる。
実施例１
図６の導波路構造は、コア層の下側のＧａＩｎＡｓの導波路層内に光を誘導し、光モードを拡張することによって、小遠視野角を実証するために設計した。光が前面ファセットに近い導波路層内にだけ誘導され得るように、短ＧａＩｎＡｓ層（コア下の第１の層）を前面ファセットの近くに配置した。ある程度の成功しか得られなかった。図７に示されるように、光は設計通りに導波路構造内に誘導され、したがって短いＧａＩｎＡｓの第１の層を配置することで、選んだどこのポイントにおいても光を外に誘導できることが証明された。しかし、（小遠視野角の目的のための）導波路層の大きい幅により、基本モードの代わりに、高次モードが励起された。図８はＧａＩｎＡｓの第１の層が無いと２つの光モード間の重なりが小さすぎて、光は第２の導波路層に誘導されないであろうことを示す。
実施例２（有望）
多波長連鎖型ＤＦＢ-ＱＣＬ構造に対して提案される導波路構造が図９に示される。それぞれのＤＦＢ区画によって発生される光は（例えば、ＧａＩｎＡｓを含む）ブリッジ層を介してそれぞれの区画の下側の導波路層（例えばＧａＩｎＡｓ）内に誘導されるであろう。ブリッジは、１/４波長シフト型ＤＦＢ構造内で光強度が最大に達する、それぞれのＤＦＢ区画の中央に配置することができる。この構造は構造全体を貫く単一の受動導波路層を有し、この導波路層の設計は高次モードを回避するために十分に狭く（〜８μｍ）すべきである。低ドープＧａＩｎＡｓの損失は１〜２ｃｍ−１の範囲にあるから、受動導波路を通して光を誘導することで光が受ける損失をかなり小さくすることが可能になるであろう。ＧａＩｎＡｓ層のドープ量を減らすことにより、損失をさらに低めることができる。
実施例３（有望）
多波長連鎖型ＤＦＢ-ＱＣＬ構造に対して提案される別の導波路構造が図１１に示される。図１１Ａは、ブリッジ及び受動導波路がレーザリッジの側方に配置されている構造の上面図を示す。図１１Ｂはこの別の導波路構造の縦断面を表し、ブリッジが受動導波路と能動層の間の高さに配置されていることを示す。導波路層は、所要の波長において透過性である、いかなる数の組成も含むことができる。

Claims (8)

  1. 導波路構造において、
    ａ．光利得材料でつくられた能動半導体光導波路、
    ｂ．ブリッジ、及び
    ｃ．受動光導波路、
    を有し、
    前記ブリッジが空間的に前記能動導波路と前記受動導波路の間に配置され、
    前記能動導波路、前記ブリッジ及び前記受動導波路が光導波路材料を介して物理的に連結されてはいない、
    ことを特徴とする導波路構造。
  2. 前記能動導波路と前記ブリッジが平行であって、最近接点において約１μｍから約８μｍ離れており、前記ブリッジと前記受動導波路が平行であって、最近接点において約１μｍから約８μｍ離れていることを特徴とする請求項１に記載の導波路構造。
  3. レーザにおいて、
    ａ．超格子を形成する少なくとも２つの、組成が同等ではない、層を含む利得材料であって、サブバンド間またはバンド間の遷移によって光子を発生する利得材料、
    ｂ．直列に配置された少なくとも２つのレーザ発振区画であって、それぞれが不等周期すなわち不等ブラッグ波長を有するグレーティングを含み、電気絶縁領域によって分離される、レーザ発振区画、
    及び
    ｃ．導波路構造であって、
    ｉ．利得材料と接している能動導波路、
    ii．少なくとも１つのブリッジ、及び
    iii．受動導波路、
    を有する導波路構造であり、
    １．前記ブリッジのそれぞれが空間的に前記能動導波路と前記受動導波路の間に配置され、
    ２．前記能動導波路、前記ブリッジ及び前記受動導波路が光導波路材料を介して物理的に連結されてはいない、
    導波路構造、
    を有することを特徴とするレーザ。
  4. 前記能動導波路と前記ブリッジが平行であって、最近接点において約１μｍから約８μｍ離れており、前記ブリッジと前記受動導波路が平行であって、最近接点において約１μｍから約８μｍ離れていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ。
  5. 前記レーザ発振区画が、ｎ型クラッド層内のｐ型層を含む電気絶縁領域によるか、または前記ｎ型クラッド層の高ドープ領域の除去によって、分離されることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ。
  6. 前記レーザ発振区画の少なくとも１つからの発光波長が約２.５μｍから約１５μｍであることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載のレーザ。
  7. サンプルからの信号出力を検出する方法において、
    ａ．請求項３に記載のレーザからの少なくとも１つのレーザイベントを前記サンプルに印加する工程、及び
    ｂ．光が前記サンプルとの相互作用した後に、前記光の少なくともいくらかを収集する工程、
    を含むことを特徴とする方法。
  8. 前記レーザの波長が赤外領域にあることを特徴とする請求項７に記載の方法。
JP2015501849A 2012-03-19 2013-03-19 能動コアがカスケード段でつくられている中ｉｒ多波長連鎖型分布帰還レーザのための導波路構造 Pending JP2015511071A (ja)

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