JP2018527755A - 半導体レーザおよび半導体レーザの加工方法 - Google Patents

Abstract

半導体レーザ（１００）および半導体レーザの加工方法を提供する。これにより、変調帯域幅を増大させることができる。半導体レーザ（１００）は、共振キャビティ（１１０）と活性層（１２０）とを備え、共振キャビティ（１１０）は、上側反射層（１１１）および下側反射層（１１２）を有し、少なくとも２つの凹部（１１４）が、半導体レーザ（１１０）の上側反射層（１１１）または下側反射層（１１２）の少なくとも一方に配され、少なくとも２つの凹部（１１４）を水平面上に投影したものは、第１軸上に位置し、劈開面（１１３）が第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｌ_Ｖは、活性層（１２０）によって放出されるビームの波長λおよび自由スペクトル領域ＦＳＲに従って定められ、少なくとも２つの凹部（１１４）のいずれか１つと劈開面（１１３）との間の最短距離Ｌ_１は、距離Ｌ_Ｖおよび酸化孔（１３０）の半径Ｒ_Ｏに従って定められ、これにより、活性層（１２０）によって第１軸に平行な方向に放出され、劈開面（１１３）に達した後に反射される第１ビームと、活性層（１２０）によって第１軸に平行な方向に放出される第２ビームとが、光子共振を生じさせる。

Description

本発明は、光通信分野に関し、より具体的には、半導体レーザおよび半導体レーザの加工方法に関する。

半導体レーザは、光ファイバ通信システムにおける光源発光の要となるコンポーネントである。通信技術が発達し、情報量が増大していることに伴い、長距離かつ高速な伝送を実現するための光ファイバ通信システムを提供する必要がある。現在、垂直共振器面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ、略称「ＶＣＳＥＬ」）のような長波長半導体レーザが、光ファイバ通信における長距離伝送のための理想的な光源発光コンポーネントとなっている。

通信技術の普及に伴って、変調帯域幅に関する要件がますます高まっている。半導体レーザの変調帯域幅をいかに増大させるかが、解決されるべき至急の課題となっている。

本発明の実施形態は、半導体レーザおよび半導体レーザの加工方法を提供する。これにより、半導体レーザの変調帯域幅を増大させることができる。

第１態様によれば、半導体レーザであって、共振キャビティに入射する光子が利得を得ることを可能とするよう構成された共振キャビティであって、共振キャビティは、半導体材料で作製された上側反射層および下側反射層を有し、上側反射層は、下側反射層の上方に位置し、上側反射層を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層を水平面上に投影した範囲に収まり、上側反射層の側面の一部または全体および下側反射層の側面の一部または全体が、半導体レーザの劈開面を形成し、劈開面は、水平面に垂直である、共振キャビティと、ビームを放出するよう構成された活性層であって、活性層は、半導体材料で作製され、活性層は、上側反射層と下側反射層との間に位置し、活性層を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層を水平面上に投影した範囲に収まり、酸化孔が、活性層の上方に配され、酸化孔は、ビームの横モードを制限するよう構成される、活性層とを備え、少なくとも２つの凹部が、上側反射層または下側反射層の少なくとも一方に配され、少なくとも２つの凹部を水平面上に投影したものは、第１軸上に位置し、第１軸は、劈開面の接線方向に垂直であり、かつ第１軸は、活性層の中心を水平面上に投影したものを通過し、または第１軸は、劈開面に垂直であり、劈開面が第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｌ_Ｖは、ビームの波長λおよび自由スペクトル領域ＦＳＲに従って定められ、少なくとも２つの凹部の各々と劈開面との間の最短距離Ｌ_１は、距離Ｌ_Ｖおよび酸化孔の半径Ｒ_Ｏに従って定められ、これにより、活性層によって第１軸に平行な方向に放出され、劈開面に達した後に反射される第１ビームと、活性層によって第１軸に平行な方向に放出される第２ビームとが、光子共振を生じさせる、半導体レーザが提供される。

第１態様に関連して、第１態様の第１の実現形態において、距離Ｌ_Ｖは、
を満たし、式中、ｎ_ｇは、半導体レーザのキャビティ内の媒質の群屈折率である。

第１態様および第１態様の前述の実現形態に関連して、第１態様の第２の実現形態において、最短距離Ｌ_１は、
を満たす。

第１態様および第１態様の前述の実現形態に関連して、第１態様の第３の実現形態において、各凹部を水平面上に投影したものと、活性層の中心を水平面上に投影したものとの間の距離Ｌ_２、および同一の凹部が第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｗは、Ｒ_Ｏ＞Ｗ＋Ｌ_２＞Ｒ_Ｓを満たし、式中、Ｒ_Ｓは、半導体レーザのシングル横モードスポットの半径である。

第１態様および第１態様の前述の実現形態に関連して、第１態様の第４の実現形態において、酸化孔の半径Ｒ_Ｏは、Ａよりも大きく、これにより半導体レーザは、マルチ横モード状態であり、Ａは、半導体レーザがシングル横モード状態であるかマルチ横モード状態であるかを定める予め設定された拘束因子であり、各凹部の深さＨは、波長λに従って定められ、これにより半導体レーザは、マルチ横モード状態からシングル横モード状態に切り替えられる。

第１態様および第１態様の前述の実現形態に関連して、第１態様の第５の実現形態において、深さＨは、
を満たし、式中、ｍ≧０であり、ｍは整数であり、ｎ_ｅｆｆは、少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、半導体レーザの実効屈折率である。

第１態様および第１態様の前述の実現形態に関連して、第１態様の第６の実現形態において、各凹部を水平面上に投影したものと、活性層の中心を水平面上に投影したものとの間の距離Ｌ_２は、
およびＢ＜Ｖ_ｅｆｆ＜Ｃを満たし、式中、ＢおよびＣは、半導体レーザがシングル縦モード状態であることを定める予め設定された拘束因子であり、Ｖ_ｅｆｆは、正規化周波数パラメータであり、γは、凹部の深さＨの影響因子であり、ｎ_ｅｆｆは、少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、半導体レーザの実効屈折率である。

第１態様および第１態様の前述の実現形態に関連して、第１態様の第７の実現形態において、上側反射層は、分布ブラッグ反射器であり、下側反射層は、分布ブラッグ反射器であり、半導体レーザは、垂直共振器面発光レーザである。

第２態様によれば、半導体レーザの加工方法であって、共振キャビティを形成する段階であって、共振キャビティは、共振キャビティに入射する光子が利得を得ることを可能とするよう構成され、共振キャビティは、半導体材料で作製された上側反射層および下側反射層を有し、上側反射層は、鉛直方向において下側反射層の上方に位置し、上側反射層を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層を水平面上に投影した範囲に収まり、上側反射層の側面の一部または全体および下側反射層の側面の一部または全体が、半導体レーザの劈開面を形成し、劈開面は、水平面に垂直である、段階と、活性層を形成する段階であって、活性層は、ビームを放出するよう構成され、活性層は、半導体材料で作製され、活性層は、上側反射層と下側反射層との間に位置し、活性層を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層を水平面上に投影した範囲に収まり、酸化孔が、活性層の上方に配され、酸化孔は、ビームの横モードを制限するよう構成される、段階と、少なくとも２つの凹部を上側反射層または下側反射層の少なくとも一方に加工する段階であって、少なくとも２つの凹部を水平面上に投影したものは、第１軸上に位置し、第１軸は、劈開面の接線方向に垂直であり、かつ第１軸は、活性層の中心を水平面上に投影したものを通過し、または第１軸は、劈開面に垂直であり、劈開面が第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｌ_Ｖは、ビームの波長λおよび自由スペクトル領域ＦＳＲに従って定められ、少なくとも２つの凹部の各々と劈開面との間の最短距離Ｌ_１は、距離Ｌ_Ｖおよび酸化孔の半径Ｒ_Ｏに従って定められ、これにより、活性層によって第１軸に平行な方向に放出され、劈開面に達した後に反射される第１ビームと、活性層によって第１軸に平行な方向に放出される第２ビームとが、光子共振を生じさせる、段階とを備える、加工方法が提供される。

第２態様に関連して、第２態様の第１の実現形態において、距離Ｌ_Ｖは、
を満たし、式中、ｎ_ｇは、半導体レーザのキャビティ内の媒質の群屈折率である。

第２態様および第２態様の前述の実現形態に関連して、第２態様の第２の実現形態において、最短距離Ｌ_１は、
を満たす。

第２態様および第２態様の前述の実現形態に関連して、第２態様の第３の実現形態において、各凹部を水平面上に投影したものと、活性層の中心を水平面上に投影したものとの間の距離Ｌ_２、および同一の凹部が第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｗは、Ｒ_Ｏ＞Ｗ＋Ｌ_２＞Ｒ_Ｓを満たし、式中、Ｒ_Ｓは、半導体レーザのシングル横モードスポットの半径である。

第２態様および第２態様の前述の実現形態に関連して、第２態様の第４の実現形態において、酸化孔の半径Ｒ_Ｏは、Ａよりも大きく、これにより半導体レーザは、マルチ横モード状態であり、Ａは、半導体レーザがシングル横モード状態であるかマルチ横モード状態であるかを定める予め設定された拘束因子であり、少なくとも２つの凹部を上側反射層または下側反射層の少なくとも一方に加工する段階は、凹部の深さＨを波長λに従って定める段階と、深さＨに従って少なくとも２つの凹部を上側反射層または下側反射層の少なくとも一方に加工する段階であって、これにより半導体レーザは、マルチ横モード状態からシングル横モード状態に切り替えられる、段階とを有する。

第２態様および第２態様の前述の実現形態に関連して、第２態様の第５の実現形態において、波長λに従って凹部の深さＨを定める段階は、凹部の深さＨを
に従って定める段階であって、式中、ｍ≧０であり、ｍは整数であり、ｎ_ｅｆｆは、少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、半導体レーザの実効屈折率である、段階を有する。

第２態様および第２態様の前述の実現形態に関連して、第２態様の第６の実現形態において、各凹部を水平面上に投影したものと、活性層の中心を水平面上に投影したものとの間の距離Ｌ_２は、
およびＢ＜Ｖ_ｅｆｆ＜Ｃを満たし、式中、ＢおよびＣは、半導体レーザがシングル縦モード状態であることを定める予め設定された拘束因子であり、ｎ_ｅｆｆは、少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、半導体レーザの実効屈折率である。

第２態様および第２態様の前述の実現形態に関連して、第２態様の第７の実現形態において、上側反射層は、分布ブラッグ反射器であり、下側反射層は、分布ブラッグ反射器であり、半導体レーザは、垂直共振器面発光レーザである。

本発明の実施形態における半導体レーザおよび半導体レーザの加工方法によれば、少なくとも２つの凹部が上側反射層または下側反射層の少なくとも一方に配され、各凹部の位置およびサイズ、ならびに半導体レーザの部分的な構造およびサイズが制限され、これにより、半導体レーザ内を横方向に伝送される進行波と反射波とが光子共振を生じさせる。従って、コンポーネントの変調帯域幅が増大する。

本発明の実施形態における技術的解決手段をより明確に説明すべく、以下、実施形態または従来技術の説明に必要な添付図面について簡潔に説明する。以下の説明における添付図面は、本発明のいくつかの実施形態のみを示し、当業者であれば、これらの添付図面から創造的努力なく他の図面をさらに導き出し得ることは明らかである。

本発明の一実施形態に係る半導体レーザの概略構造図である。

本発明の一実施形態に係る半導体レーザの別の概略構造図である。

本発明の一実施形態に係る半導体レーザの別の概略構造図である。

本発明の一実施形態に係る半導体レーザの加工方法の概略フローチャートである。

以下、本発明の実施形態における添付図面に関連して、本発明の実施形態における技術的解決手段を明確かつ完全に説明する。説明されている実施形態は、本発明の実施形態の一部であって全てではないことは明らかである。当業者によって、本発明の実施形態に基づいて創造的努力なく得られる全ての他の実施形態が、本発明の保護範囲に属するものとする。

本発明における技術的解決手段は、端面発光レーザ（Ｅｄｇｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ、略称「ＥＥＬ」）、垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬ、および別の半導体レーザのような様々な半導体レーザに適用されてよい。

説明および理解を容易にするために、以下では、本発明の実施形態における半導体レーザおよび半導体レーザの加工方法を詳細に説明するための一例として、ＶＣＳＥＬを用いる。ＶＣＳＥＬは、単に説明のための一例である。これは本発明において限定されるものではない。本発明における技術的解決手段はさらに、別のタイプの半導体レーザに適用されてよい。

図１および図２は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ１００の概略構造図である。図１は、半導体レーザ１００の切取図であり、図２（図２ａおよび図２ｂを含む）は、半導体レーザ１００の上面図である。図２ａは、円形半導体レーザ１００の上面図であり、図２ｂは、正方形半導体レーザ１００の上面図である。図１および図２に示すように、半導体レーザ１００は、共振キャビティ１１０に入射する光子が利得を得ることを可能とするよう構成される共振キャビティ１１０であって、共振キャビティ１１０は、半導体材料で作製された上側反射層１１１および下側反射層１１２を有し、上側反射層１１１は、下側反射層１１２の上方に位置し、上側反射層１１１を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層１１２を水平面上に投影した範囲に収まり、上側反射層１１１の側面の一部または全体および下側反射層１１２の側面の一部または全体が、半導体レーザ１００の劈開面１１３を形成し、劈開面１１３は、水平面に垂直である、共振キャビティ１１０と、ビームを放出するよう構成された活性層１２０であって、活性層１２０は、半導体材料で作製され、活性層１２０は、上側反射層１１１と下側反射層１１２との間に位置し、活性層１２０を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層１１２を水平面上に投影した範囲に収まり、酸化孔１３０が、活性層１２０の上方に配され、酸化孔１３０は、ビームの横モードを制限するよう構成される、活性層１２０とを備える。

少なくとも２つの凹部１１４が、上側反射層１１１または下側反射層１１２の少なくとも一方に配され、少なくとも２つの凹部１１４を水平面上に投影したものは、第１軸上に位置し、第１軸は、劈開面１１３の接線方向に垂直であり、かつ第１軸は、活性層１２０の中心を水平面上に投影したものを通過し、または第１軸は、劈開面１１３に垂直であり、劈開面１１３が第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｌ_Ｖは、半導体レーザ１００によって放出されるビームの波長λ、および自由スペクトル領域ＦＳＲに従って定められ、少なくとも２つの凹部の各々と劈開面との間の最短距離Ｌ_１は、距離Ｌ_Ｖおよび酸化孔１３０の半径Ｒ_Ｏに従って定められ、これにより、活性層１２０によって第１軸に平行な方向に放出され、劈開面１１３に達した後に反射される第１ビームと、活性層１２０によって第１軸に平行な方向に放出される第２ビームとが、光子共振を生じさせる。

具体的には、半導体レーザ１００において、下側反射層１１２は、エピタキシャル方式で基板上に成長し、活性層１２０は、下側反射層１１２の上面に隣接し、酸化孔１３０は、活性層１２０の上方に配される。例えば、酸化孔１３０は、活性層１２０の上方の上側反射層１１１中に配される、または活性層１２０の上面にその近傍で隣接する媒質層中に配される。活性層１２０によって放出されるビームは、酸化孔１３０を通る全ての方向に放出される。酸化孔１３０は、ビームの横モードを制限してよく、酸化孔の直径Ｒ_Ｏは、半導体レーザがマルチ横モード状態であるかシングル横モード状態であるかを定める。活性層１２０を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層１１２を水平面上に投影した範囲に収まる。すなわち、活性層１２０は、下側反射層１１２と同一のサイズおよび同一の形状を有する、または下側反射層１１２よりも小さいサイズを有する。例えば、下側反射層１１２は正方形であってよく、活性層１２０は円形であり、これら２つの層は１つの中心軸を有する。代替的に、下側反射層１１２および活性層１２０の両方が正方形であり、同一のサイズおよび形状を有する。同様に、上側反射層１１１は、活性層１２０の上方に位置し、上側反射層１１１を水平面上に投影したものも、下側反射層１１２を水平面上に投影した範囲に収まる。

上に挙げた、半導体レーザ１００における全ての層の具体的な形状およびサイズは、限定的なものではなく一例であることに留意されたい。半導体レーザ１００の形状は限定されるものではなく、台形または楕円のような形状であってよい。

さらに、上に挙げた酸化孔のサイズ（半径など）は、限定的なものではなく単に一例であることに留意されたい。半導体レーザにおける酸化孔の形状は、円形に限定されるものではなく、正方形または別の形状であってよい。これは、本発明において具体的に限定されるものではない。

概して、本発明の本実施形態において、半導体レーザ１００における全ての層が、異なる半導体材料で作製される。上側反射層１１１および下側反射層１１２は、比較的高い反射率（例えば、９９．９％）を有する半導体材料で作製される。加えて、上側反射層１１１および下側反射層１１２は各々、高い屈折率を有する半導体材料および低い屈折率を有する半導体材料を用いて、交互にエピタキシャル成長させることにより形成される。上側反射層１１１は、正孔を提供するＰ型半導体材料で作製されてよく、下側反射層１１２は、電子を提供するＮ型半導体材料で作製されてよい。代替的に、上側反射層１１１は、Ｎ型半導体材料で作製されてよく、下側反射層１１２は、Ｐ型半導体材料で作製されてよい。上側反射層１１１および下側反射層１１２はそれぞれ、電子および正孔（まとめてキャリアと呼称する）を提供するよう構成される。

活性層１２０は、高い光学利得を有する極めて薄い半導体材料、例えば量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ、略称「ＱＷ」）で作製されてよく、これにより、電流の刺激によって活性層１２０でキャリア（電子および正孔など）が再結合して光子を形成し、光子が放出される。

刺激に起因して放出された光子は、共振キャビティ１１０に入射した後、共振キャビティ内で上側反射層１１１と下側反射層１１２との間を振動する。共振キャビティ１１０は、特定の周波数および同一の方向の光子を、選択によって最も優先的に増幅し、別の周波数および別の方向の光子を抑制する。例えば、共振キャビティの軸に沿って移動しないあらゆる光子は、速やかにキャビティから流出し、それ以降作動媒質と接触することはない。軸に沿って移動する光子は、キャビティ内を継続して進み、上側反射層１１１および下側反射層１１２による反射によって引き起こされる継続的な往復運動に起因して振動する。光子は、運動中、刺激された粒子と継続的に衝突し、これにより誘導放射が生じる。軸に沿って移動する光子は、継続的に増殖し、キャビティ内で同一の伝播方向、同一の周波数、および同一の位相を有する高強度のビーム、すなわちレーザ光を形成する。ビームは、上側反射層１１１を用いて放出される。

本発明の本実施形態における半導体レーザ１００において、少なくとも２つの凹部が、上側反射層１１１または下側反射層１１２の少なくとも一方に配される。少なくとも２つの凹部は、同一直線上、すなわち第１軸上に位置する。第１軸は、劈開面１１３の接線方向に垂直であり、かつ第１軸は、活性層１２０の中心を水平面上に投影したものを通過する、または第１軸は、劈開面１１３に垂直である。すなわち、半導体レーザが円形である場合、第１軸は、劈開面の接線方向に垂直であり、活性層１２０の中心を水平面上に投影したものを通過する。半導体レーザが正方形である場合、第１軸は、劈開面に垂直である。従って、第１軸は、少なくとも２つの凹部において各凹部１１４の側壁を垂直に通過する。本発明においては、凹部の位置およびサイズ、ならびに半導体レーザ１００の構造およびサイズが制限され、これにより、半導体レーザ１００内で第１軸の方向に放出されるビームの位相が制御される。劈開面１１３が第１軸と交差する２つの点の間の距離を、Ｌ_Ｖと表記する（説明を容易にするために、以下では半導体チップ横長さと呼称する）。各凹部１１４と劈開面との間の最短距離を、Ｌ_１と表記する（説明を容易にするために、以下では最短距離Ｌ_１と呼称する）。

シミュレーションおよび実験より、半導体チップ横長さは、半導体レーザ１００の活性層１２０によって放出されるビームの波長λ、および自由スペクトル領域（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ、略称「ＦＳＲ」）に従って定められ、最短距離Ｌ_１は、距離Ｌ_Ｖおよび酸化孔の半径Ｒ_Ｏに従って定められる。これは、ビームが半導体レーザ１００内で共振を生じさせること、すなわち、半導体レーザ１００の活性層１２０によって第１軸に平行な方向（説明を容易にするために、以下では横方向と呼称する）に放出され、劈開面１１３に達した後に反射される第１ビーム（光は波の形態で伝播するので、これを光波と呼称してもよい）と、活性層１２０によって横方向に放出される第２ビームとが光子共振を生じさせることを促進する。従って、半導体レーザ１００の変調帯域幅が増大する。

任意選択的に、距離Ｌ_Ｖは、
を満たす。式中、ｎ_ｇは半導体レーザのキャビティ内の媒質の群屈折率である。

具体的には、半導体チップ横長さＬ_Ｖは、
に従って定められてよい。半導体レーザ１００について、λ、ｎ_ｇ、およびＦＳＲは全て、既定の値である。半導体チップ横長さＬ_Ｖが定められた後に、光波の位相が制御されてよく、これにより光子共振が実現する。

半導体レーザは、種々の形状および構造を有することに留意されたい。例えば、面発光レーザは、円形または楕円形であってよい。円形半導体レーザでは、半導体チップ横長さＬ_Ｖが、円形半導体レーザの直径であってよい。楕円形半導体レーザでは、半導体チップ横長さＬ_Ｖが、凹部の位置に従って定められてよい。凹部が楕円の短軸上にある場合、半導体チップ横長さＬ_Ｖは、楕円の短軸の長さである。凹部が楕円の長軸上にある場合、半導体チップ横長さＬ_Ｖは、楕円の長軸の長さである。別の例では、別のタイプの半導体レーザが正方形であってよい。正方形半導体レーザの半導体チップ横長さＬ_Ｖは、正方形半導体レーザの２つの平行な劈開面の間の平面距離であってよい。異なる形状および構造を有する半導体レーザは、異なる劈開面および異なる半導体チップ横長さＬ_Ｖを有することを理解されたい。上に挙げた、劈開面の定め方および半導体の形状のような具体的な内容は、本発明において具体的に限定されるものではない。

さらに、図１の切取図における平面で示される凹部は矩形または正方形であり、図２の上面図における平面で示される凹部は矩形であることに留意されたい。これは本発明において限定されるものではない。凹部は、正方形の溝、矩形の溝、または円筒形の溝などであってよい。さらに、屈折率がｎ_ｅｆｆよりも小さい半導体材料の媒質が、凹部に充填されてよい。ｎ_ｅｆｆは、少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、半導体レーザの実効屈折率である。上に挙げた凹部の構造（正方形の溝、矩形の溝、または円筒形の溝などを含む）および凹部に充填される媒質を、光学構造と呼称してよい。

本発明の本実施形態において、最短距離Ｌ_１は、劈開面１１３と、正方形の溝、矩形の溝、または円筒形の溝などのような各凹部を水平面上に投影したものが第１軸と交差する２つの点の各々との間の垂直距離のうち、より小さい方の値であってよい。

任意選択的に、最短距離Ｌ_１は、
を満たす。

具体的には、最短距離Ｌ_１は、
に従って定められてよく、これにより、光波の位相が制御され、光子共振が実現する。

本発明の本実施形態において、シミュレーションおよび実験より、半導体チップ横長さＬ_Ｖが
に従って定められ、最短距離Ｌ_１が
に従って定められる場合、これは、光波が半導体レーザ１００内で光子共振を生じさせること、すなわち、半導体レーザ１００の活性層１２０によって横方向に放出され、劈開面１１３に達した後に反射される第１ビームと、活性層１２０によって横方向に放出される第２ビームとが光子共振を生じさせることをより促進し、これにより、微分モード利得
が増大する。変調帯域幅は、
に正比例する。従って、光子共振を生じさせるべく光学的フィードバックが導入される前よりも、コンポーネントの変調帯域幅を増大させることができる。

さらに、本発明の本実施形態においては、シミュレーションおよび実験より、凹部がＶＣＳＥＬに導入される前よりもチャープが減少する。例えば、チャープは、１０Ｇｂ／ｓのレートで、凹部が導入される前よりも２５％減少する。

ＶＣＳＥＬは、限定的なものではなく単に一例であることを理解されたい。本発明の本実施形態における凹部は、別の半導体レーザまたは連続多波長種光源に適用されてもよい。これは、本発明において具体的に限定されるものではない。

既定の構造および既定のサイズを有する半導体レーザでは、酸化孔の半径Ｒ_Ｏが既定の値であることに留意されたい。半導体レーザ１００の酸化孔の半径Ｒ_Ｏは、測定によって、または別の方式で得られてよい。

従って、本発明の本実施形態における半導体レーザによれば、少なくとも２つの凹部が上側反射層または下側反射層の少なくとも一方に配され、各凹部の位置およびサイズ、ならびに半導体レーザの部分的な構造およびサイズが制限され、これにより、半導体レーザ内を横方向に伝送される進行波と反射波とが光子共振を生じさせる。従って、コンポーネントの変調帯域幅が増大するとともに、伝送レートが向上する。

任意選択的に、各凹部１１４を水平面上に投影したものと、活性層１２０の中心を水平面上に投影したものとの間の距離Ｌ_２、および同一の凹部１１４が第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｗは、Ｒ_Ｏ＞Ｗ＋Ｌ_２＞Ｒ_Ｓを満たす。式中、Ｒ_Ｓは、半導体レーザのシングル横モードスポットの半径である。

本発明の本実施形態において、凹部は正方形の溝、矩形の溝、または円筒形の溝などであってよいので、少なくとも２つの凹部の各々が第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｗ（理解および説明を容易にするために、以下ではこれを凹部幅Ｗと呼称する）は、正方形の溝または矩形の溝の第１軸の方向における幅であってよい、または円筒形の溝の直径であってよいことに留意されたい。

さらに、本発明の本実施形態において、距離Ｌ_２は、活性層の中心を水平面上に投影したものと、正方形の溝、矩形の溝、または円筒形の溝などを水平面上に投影したものが第１軸と交差する２つの点の各々との間の距離のうち、より小さい方の値であってよいことに留意されたい。

さらに、本発明の本実施形態において、最短距離Ｌ_１、凹部を水平面上に投影したものと活性層の中心を水平面上に投影したものとの間の距離Ｌ_２（説明を容易にするために、以下ではこれを距離Ｌ_２と呼称する）、凹部幅Ｗ、および半導体チップ横長さＬ_Ｖの間の関係は、Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｗ＝Ｌ_Ｖ／２を満たすことに留意されたい。従って、半導体レーザ１００が対称的な構造を有する（例えば、円筒形または正方形である）場合、Ｗ＋Ｌ_２＜Ｒ_Ｏは、
と等価である。

さらに、既定の構造および既定のサイズを有する半導体レーザでは、シングル横モードスポットの半径Ｒ_Ｓが既定の値であることに留意されたい。半導体レーザ１００のシングル横モードスポットの半径Ｒ_Ｓは、測定によって、または別の方式で得られてよい。

具体的には、半導体レーザ１００が対称的な構造を有する場合、半導体チップ横長さＬ_Ｖは、ＦＳＲ、および半導体レーザ１００の活性層１２０によって放出されるビームの波長λに従って定められる。加えて、距離Ｌ_２および凹部幅ＷがＲ_Ｏ＞Ｗ＋Ｌ_２＞Ｒ_Ｓを満たす場合、光波がさらに制限されてよく、これにより、半導体レーザ１００の活性層１２０によって横方向に伝送される進行波と反射波とが光子共振を生じさせる。シミュレーションおよび実験から、半導体チップ横長さＬ_Ｖが
を満たし、凹部幅Ｗおよび距離Ｌ_２がＲ_Ｏ＞Ｗ＋Ｌ_２＞Ｒ_Ｓを満たす場合、半導体レーザ１００の活性層１２０によって横方向に伝送される進行波と反射波とが、最大の振幅を有する最適な光子共振を生じさせ得、これにより変調帯域幅が大幅に増大する、と判断してよい。

従って、本発明の本実施形態における半導体レーザによれば、少なくとも２つの凹部が上側反射層または下側反射層の少なくとも一方に配され、各凹部の位置およびサイズ、ならびに半導体レーザの部分的な構造およびサイズが厳密に制限され、これにより、半導体レーザ内を横方向に伝送される進行波と反射波とが光子共振を生じさせる。従って、コンポーネントの変調帯域幅が増大するとともに、チャープが減少する。

本発明の本実施形態におけるＶＣＳＥＬの構造的特徴に起因して、ＶＣＳＥＬの縦サイズおよび横サイズは大幅に異なる。コンポーネントの縦サイズは比較的小さく、縦モード間隔は比較的大きい。これにより、シングル縦モード状態での動作を実現するのが容易になる。コンポーネントの横サイズは比較的大きく、モード制限は比較的弱い。複数の横モードが存在する。異なる横モードは、分布が異なるとともに、互いに重なり合っており、全ての横モードが互いに強く競合し合う。これは、半導体レーザの出力光パワーに大幅に影響を与える。

シングルモードの出力光パワーは、マルチモードの出力光パワーよりも低いが、シングルモードの伝送損失は小さく、長距離伝送を実現するのが容易である。従って、ＶＣＳＥＬが長距離かつ高速な光ファイバ通信を行うための主な要因は、ＶＣＳＥＬが、高い出力光パワー、高い変調帯域幅、およびシングルモード出力を満足できることである。

本発明の本実施形態において、酸化孔１３０の半径Ｒ_Ｏが制御され、これにより半導体レーザ１００はマルチ横モード状態となる。少なくとも２つの凹部１１４が上側反射層１１１または下側反射層１１２の少なくとも一方に配され、凹部の位置（例えば最短距離Ｌ_１または距離Ｌ_２）およびサイズ（例えば凹部幅Ｗおよび凹部深さＨ）が制御された後に、モード制限が導入される。これにより、マルチ横モード半導体レーザの高次モードは制限されるが、基本横モードはなおも正常に動作できる。従って、半導体レーザは、マルチ横モードからシングル横モードに切り替えられる。しかしながら、マルチ横モードの出力光パワーはなおも存在するので、前述のサイズが制限された後にモード制限によって半導体レーザがマルチ横モードからシングル横モードに切り替えられたとしても、出力光パワーは、純粋なシングル横モードの出力光パワーよりもはるかに高い。

任意選択的に、酸化孔の半径Ｒ_ＯはＡよりも大きく、これにより半導体レーザはマルチ横モード状態となる。Ａは、半導体レーザがシングル横モード状態であるかマルチ横モード状態であるかを定める、予め設定された拘束因子である。凹部１１４の深さＨは、波長λに従って定められ、これにより半導体レーザはマルチ横モード状態からシングル横モード状態に切り替えられる。

限定的なものではなく一例として、本発明の本実施形態におけるＶＣＳＥＬにおいて、酸化孔の半径Ｒ_Ｏが２．５μｍよりも大きい場合、半導体レーザはマルチ横モードのＶＣＳＥＬである。酸化孔の半径Ｒ_Ｏが２．５μｍよりも小さい場合、半導体レーザはシングル横モードのＶＣＳＥＬである。

本発明の本実施形態において、半導体チップ横長さＬ_Ｖ、凹部幅Ｗ、および最短距離Ｌ_１または距離Ｌ_２が既定である場合、凹部の深さＨが、半導体レーザ１００の活性層１２０によって放出されるビームの波長λに従ってさらに定められてよく、これにより、ＶＣＳＥＬはマルチ横モード状態からシングル横モード状態に切り替えられる。

凹部の深さＨは、半導体レーザの発光効率に直接的に影響を与える。例えば、凹部の深さＨが比較的小さい場合、高次モードの損失は比較的小さく、シングル横モードを実現することができない。凹部の深さＨが比較的大きい場合、高次モードおよび基本横モードの両方が損失を有し、シングルモード動作中の比較的高い出力光パワーを得ることができない。凹部が活性層に近い場合、活性層１２０の発光効率が影響を受ける。従って、凹部の深さＨは、厳密に制御される必要があり、これにより、半導体レーザ１００の活性層１２０によって横方向に伝送される進行波と反射波とが光子共振を生じさせ、変調帯域幅が増大しつつ半導体レーザの出力光パワーが向上する。

上に挙げた、出力光パワーに影響を与える要因（すなわち凹部の深さＨ）は、単に説明のための一例であることに留意されたい。これは本発明において限定されるものではない。凹部の位置のような要因も、半導体レーザの出力光パワーに影響を与える。

任意選択的に、深さＨは、
を満たす。式中、ｍ≧０であり、ｍは整数であり、ｎ_ｅｆｆは、少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、半導体レーザの実効屈折率である。

具体的には、本発明の本実施形態において、半導体チップ横長さＬ_Ｖ、凹部幅Ｗ、および最短距離Ｌ_１または距離Ｌ_２が制限される場合、凹部の深さＨがさらに制御され、これにより深さＨは
を満たす。従って、高次モードを最も効果的に制限することができ、半導体レーザはシングル横モード状態で動作する。

本発明の本実施形態において、シミュレーションおよび実験から、半導体チップ横長さＬ_Ｖが
を満たし、距離Ｌ_２および凹部幅ＷがＲ_Ｏ＞Ｗ＋Ｌ_２＞Ｒ_Ｓを満たし、凹部１１４の深さＨが
を満たす場合、半導体レーザ１００の活性層１２０によって横方向に放出される光波は、最大の振幅を有する最適な光子共振を生じさせてよく、最も高い出力光パワーが得られる、と判断してよい。

従って、本発明の本実施形態において、酸化孔の半径Ｒ_Ｏ、最短距離Ｌ_１または距離Ｌ_２、および凹部深さＨが制御されてよい。全てのサイズ間で調整をし合うことによって、半導体レーザの出力光パワーが向上する。これらのサイズのうちいずれか１つを変更すると、出力光パワーが影響を受け、結果として最適な値に達することができない。

任意選択的に、各凹部を水平面上に投影したものと、活性層の中心を水平面上に投影したものとの間の距離Ｌ_２は、
およびＢ＜Ｖ_ｅｆｆ＜Ｃを満たす。式中、ＢおよびＣは、半導体レーザがシングル縦モード状態であることを定める予め設定された拘束因子であり、Ｖ_ｅｆｆは、正規化周波数パラメータであり、γは、凹部の深さＨの影響因子であり、ｎ_ｅｆｆは、少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、半導体レーザの実効屈折率である。

本発明において、マルチモードＶＣＳＥＬの構造、ならびに凹部の位置およびサイズが制限され、これにより、半導体チップ横長さＬ_Ｖは
を満たし、距離Ｌ_２および凹部幅ＷはＲ_Ｏ＞Ｗ＋Ｌ_２＞Ｒ_Ｓを満たし、凹部深さＨは
を満たす。従って、マルチモードＶＣＳＥＬは、シングルモード動作を実現すること、向上した出力光パワーを得ること、および増大した変調帯域幅を得ることができる。

加えて、さらに、凹部が導入されているので、ＶＣＳＥＬのシングル縦モード状態が不安定になり得る。従って、正規化周波数パラメータが制御され、これにより０．６＜Ｖ_ｅｆｆ＜２．４０５となる。最短距離Ｌ_１または距離Ｌ_２は、正規化周波数パラメータＶ_ｅｆｆと密接に関連する、すなわち、
であるので、Ｌ_１またはＬ_２が制御される必要があり、これによりＶ_ｅｆｆは０．６＜Ｖ_ｅｆｆ＜２．４０５を満たす。従って、マルチモードＶＣＳＥＬは、シングル縦モード状態またはシングル横モード状態で安定的に動作し得、熱揺らぎが低減され得て、信頼性の高い動作が実現し、比較的高い出力光パワーが得られる。

上に挙げた、半導体レーザがシングル横モード状態であるかマルチ横モード状態であるかを定める予め設定された拘束因子Ａ、および半導体レーザがシングル縦モード状態であることを定める予め設定された拘束因子ＢおよびＣの具体的な値は、限定的なものではなく単に一例であることを理解されたい。異なるタイプの半導体レーザでは、これらの値が異なっていてよい。これは、本発明において具体的に限定されるものではない。

任意選択的に、活性層１２０の中心に関して対称な２つの凹部１１４が、半導体レーザ１００の上側反射層１１１または下側反射層１１２に配される。

本発明の本実施形態において、凹部の数が偶数となるよう設定されてよい。限定的なものではなく一例として、活性層１２０の中心に関して対称な２つの凹部１１４が、半導体レーザ１００に配されてよい。別の例では、複数の凹部１１４が半導体レーザ１００に配されてよい。複数の凹部１１４の位置およびサイズが制限され、これにより、半導体レーザ１００の活性層１２０によって横方向に放出され、劈開面１１３に達した後に反射される第１ビームと、活性層１２０によって横方向に放出される第２ビームとが、光子共振を生じさせる。

上に挙げた、凹部の位置および数のような具体的な内容は、単に説明のための一例であり、本発明を何ら限定するものではないことに留意されたい。

任意選択的に、上側反射層１１１は分布ブラッグ反射器であり、下側反射層１１２は分布ブラッグ反射器であり、半導体レーザは垂直共振器面発光レーザである。

上側反射層１１１および下側反射層１１２として用いられる分布ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、略称「ＤＢＲ」）は、限定的なものではなく単に一例であることを理解されたい。上側反射層１１１および下側反射層１１２は、薄膜材料、または高い屈折率差を有するグレーティングのような別の半導体材料で作製されてよい。代替的に、ＶＣＳＥＬにおける上側反射層１１１または下側反射層１１２のいずれかがＤＢＲである。これは、本発明において具体的に限定されるものではない。

従って、本発明の本実施形態における半導体レーザによれば、凹部が導入され、半導体レーザの構造およびサイズ、ならびに凹部の位置およびサイズが制限され、これにより、光学的フィードバックおよびモード制限が半導体レーザに導入され、加えて、マルチモード状態からシングルモード状態への切り替えが実現され、出力光パワーが向上し、変調帯域幅が増大し、チャープが減少する。従って、高速かつ長距離の伝送に関する要件が、より大いに満足される。

本発明の実施形態における半導体レーザが、図１および図２に関連して上で詳細に説明されている。以下、本発明の一実施形態における半導体レーザの加工方法２００を、図３に関連して詳細に説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの加工方法２００を示す。図３に示すように、方法２００は、以下の段階を備える。

Ｓ２１０。共振キャビティを形成する。共振キャビティは、共振キャビティに入射する光子が利得を得ることを可能とするよう構成され、共振キャビティは、半導体材料で作製された上側反射層および下側反射層を有し、上側反射層は、鉛直方向において下側反射層の上方に位置し、上側反射層を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層を水平面上に投影した範囲に収まり、上側反射層の側面の一部または全体および下側反射層の側面の一部または全体が、半導体レーザの劈開面を形成し、劈開面は、水平面に垂直である。

Ｓ２２０。活性層を形成する。活性層は、ビームを放出するよう構成され、活性層は、半導体材料で作製され、活性層は、上側反射層と下側反射層との間に位置し、活性層を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層を水平面上に投影した範囲に収まり、酸化孔が、活性層の上方に配され、酸化孔は、ビームの横モードを制限するよう構成される。

Ｓ２３０。少なくとも２つの凹部を上側反射層または下側反射層の少なくとも一方に加工する。少なくとも２つの凹部を水平面上に投影したものは、第１軸上に位置し、第１軸は、劈開面の接線方向に垂直であり、かつ第１軸は、活性層の中心を水平面上に投影したものを通過し、または第１軸は、劈開面に垂直であり、劈開面が第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｌ_Ｖは、ビームの波長λおよび自由スペクトル領域ＦＳＲに従って定められ、少なくとも２つの凹部の各々と劈開面との間の最短距離Ｌ_１は、距離Ｌ_Ｖおよび酸化孔の半径Ｒ_Ｏに従って定められ、これにより、活性層によって第１軸に平行な方向に放出され、劈開面に達した後に反射される第１ビームと、活性層によって第１軸に平行な方向に放出される第２ビームとが、光子共振を生じさせる。

任意選択的に、距離Ｌ_Ｖは、
を満たす。式中、ｎ_ｇは半導体レーザのキャビティ内の媒質の群屈折率である。

任意選択的に、最短距離Ｌ_１は、
を満たす。

任意選択的に、各凹部を水平面上に投影したものと、活性層の中心を水平面上に投影したものとの間の距離Ｌ_２、および同一の凹部が第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｗは、Ｒ_Ｏ＞Ｗ＋Ｌ_２＞Ｒ_Ｓを満たす。式中、Ｒ_Ｓは、半導体レーザのシングル横モードスポットの半径である。

任意選択的に、酸化孔の半径Ｒ_ＯはＡよりも大きく、これにより半導体レーザはマルチ横モード状態となる。Ａは、半導体レーザがシングル横モード状態であるかマルチ横モード状態であるかを定める、予め設定された拘束因子である。

少なくとも２つの凹部を上側反射層または下側反射層の少なくとも一方に加工する段階はさらに、各凹部の深さＨを波長λに従って定める段階と、深さＨに従って少なくとも２つの凹部を上側反射層または下側反射層の少なくとも一方に加工する段階であって、これにより半導体レーザは、マルチ横モード状態からシングル横モード状態に切り替えられる、段階とを有する。

任意選択的に、波長λに従って凹部の深さＨを定める段階は、凹部の深さＨを
に従って定める段階であって、式中、ｍ≧０であり、ｍは整数であり、ｎ_ｅｆｆは、少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、半導体レーザの実効屈折率である、段階を有する。

任意選択的に、酸化孔の半径Ｒ_ＯはＡよりも大きく、各凹部を水平面上に投影したものと、活性層の中心を水平面上に投影したものとの間の距離Ｌ_２は、
およびＢ＜Ｖ_ｅｆｆ＜Ｃを満たし、式中、ＢおよびＣは、半導体レーザがシングル縦モード状態であることを定める予め設定された拘束因子であり、ｎ_ｅｆｆは、少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、半導体レーザの実効屈折率である。

任意選択的に、活性層の中心に関して対称な２つの凹部が、半導体レーザの上側反射層または下側反射層に配される。

任意選択的に、上側反射層は分布ブラッグ反射器であり、下側反射層は分布ブラッグ反射器であり、半導体レーザは垂直共振器面発光レーザである。

従って、本発明の本実施形態における半導体レーザの加工方法においては、凹部が導入され、半導体レーザの構造およびサイズ、ならびに凹部の位置およびサイズが制限され、これにより、光学的フィードバックおよびモード制限が半導体レーザに導入され、加えて、マルチモード状態からシングルモード状態への切り替えが実現され、出力光パワーが向上し、変調帯域幅が増大し、チャープが減少する。従って、高速かつ長距離の伝送に関する要件が、より大いに満足される。

前述のプロセスの順序番号は、本発明の様々な実施形態における実行順序を意味するものではないことを理解されたい。プロセスの実行順序は、プロセスの機能および内部論理に応じて定められるべきであり、本発明の実施形態の実現プロセスに対するいかなる限定とも解釈されるべきではない。

当業者であれば、本明細書において開示された実施形態において説明された例と組み合わせて、ユニットおよびアルゴリズムの段階が、電子的ハードウェアまたはコンピュータソフトウェアと電子的ハードウェアとの組み合わせによって実装されてよいことを認識されよう。それらの機能がハードウェアによって行われるかソフトウェアによって行われるかは、技術的解決手段の特定の用途および設計制約条件に依存する。当業者は、異なる方法を用いて、説明されている機能を特定の用途ごとに実装し得る。しかしながら、そのような実装は、本発明の範囲を超えるものとみなされるべきではない。

当業者には明確に理解され得るように、説明を簡便かつ簡単にする目的で、前述のシステム、装置、およびユニットの詳細な動作プロセスについては、前述の方法の実施形態における対応するプロセスを参照されたく、ここでは詳細を再度説明しない。

本願において提供されるいくつかの実施形態において、開示のシステム、装置、および方法は、他の方式で実装されてよいことを理解されたい。例えば、説明した装置の実施形態は、単に一例である。例えば、ユニットの分割は単に論理的機能の分割であり、実際の実装においては他の分割であってよい。例えば、複数のユニットまたはコンポーネントを組み合わせてまたは統合して、別のシステムとしてもよい。あるいは、いくつかの特徴が無視されてよく、または行われなくてもよい。加えて、表示または議論されている相互結合もしくは直接結合または通信接続は、いくつかのインタフェースを用いて実装されてよい。装置間またはユニット間の間接的な結合または通信接続は、電子的、機械的、または他の形態で実装されてよい。

別個の部分として説明されているユニットは、物理的に別個であってもなくてもよく、ユニットとして表示される部分は、物理的ユニットであってもなくてもよく、１つの位置に配置されてもよく、または複数のネットワークユニットに分散されてもよい。これらのユニットの一部または全てが、実施形態の解決手段の目的を実現するよう、実際の要件に応じて選択されてよい。

加えて、本発明の実施形態における機能ユニットが１つの処理ユニットに統合されてよく、または、ユニットの各々が物理的に単独で存在してよく、または２つまたはそれより多くのユニットが１つのユニットに統合される。

機能がソフトウェア機能ユニットの形態で実装され、単独の製品として販売または使用される場合、機能は、コンピュータ可読記憶媒体に記憶されてよい。そのような理解に基づいて、本発明の技術的解決手段は本質的に、または従来技術に寄与する部分は、または技術的解決手段のいくつかは、ソフトウェア製品の形態で実装されてよい。ソフトウェア製品は、記憶媒体に記憶され、本発明の実施形態において説明された方法の段階の全てまたは一部を行うよう、コンピュータデバイス（これはパーソナルコンピュータ、サーバ、またはネットワークデバイスなどであってよい）に命令するためのいくつかの命令を含む。前述の記憶媒体は、ＵＳＢフラッシュドライブ、リムーバブルハードディスク、リードオンリメモリ（ＲＯＭ、Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ、Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、磁気ディスク、または光ディスクのような、プログラムコードを記憶することができる任意の媒体を含む。

前述の説明は、単に本発明の具体的な実現形態であり、本発明の保護範囲を限定することを意図するものではない。本発明において開示される技術的範囲内において当業者により容易に想到されるあらゆる変形または置き換えが、本発明の保護範囲に属するものとする。従って、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲の保護範囲に従うものとする。

図１ならびに図２ａおよび図２ｂは、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ１００の概略構造図である。図１は、半導体レーザ１００の切取図であり、図２ａおよび図２ｂは、半導体レーザ１００の上面図である。図２ａは、円形半導体レーザ１００の上面図であり、図２ｂは、正方形半導体レーザ１００の上面図である。図１ならびに図２ａおよび図２ｂに示すように、半導体レーザ１００は、共振キャビティ１１０に入射する光子が利得を得ることを可能とするよう構成される共振キャビティ１１０であって、共振キャビティ１１０は、半導体材料で作製された上側反射層１１１および下側反射層１１２を有し、上側反射層１１１は、下側反射層１１２の上方に位置し、上側反射層１１１を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層１１２を水平面上に投影した範囲に収まり、上側反射層１１１の側面の一部または全体および下側反射層１１２の側面の一部または全体が、半導体レーザ１００の劈開面１１３を形成し、劈開面１１３は、水平面に垂直である、共振キャビティ１１０と、ビームを放出するよう構成された活性層１２０であって、活性層１２０は、半導体材料で作製され、活性層１２０は、上側反射層１１１と下側反射層１１２との間に位置し、活性層１２０を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層１１２を水平面上に投影した範囲に収まり、酸化孔１３０が、活性層１２０の上方に配され、酸化孔１３０は、ビームの横モードを制限するよう構成される、活性層１２０とを備える。

具体的には、半導体レーザ１００において、下側反射層１１２は、エピタキシャル方式で基板上に成長し、活性層１２０は、下側反射層１１２の上面に隣接し、酸化孔１３０は、活性層１２０の上方に配される。例えば、酸化孔１３０は、活性層１２０の上方の上側反射層１１１中に配される、または活性層１２０の上面にその近傍で隣接する媒質層中に配される。活性層１２０によって放出されるビームは、酸化孔１３０を通る全ての方向に放出される。酸化孔１３０は、ビームの横モードを制限してよく、酸化孔の半径Ｒ_Ｏは、半導体レーザがマルチ横モード状態であるかシングル横モード状態であるかを定める。活性層１２０を水平面上に投影したものは、その全体が、下側反射層１１２を水平面上に投影した範囲に収まる。すなわち、活性層１２０は、下側反射層１１２と同一のサイズおよび同一の形状を有する、または下側反射層１１２よりも小さいサイズを有する。例えば、下側反射層１１２は正方形であってよく、活性層１２０は円形であり、これら２つの層は１つの中心軸を有する。代替的に、下側反射層１１２および活性層１２０の両方が正方形であり、同一のサイズおよび形状を有する。同様に、上側反射層１１１は、活性層１２０の上方に位置し、上側反射層１１１を水平面上に投影したものも、下側反射層１１２を水平面上に投影した範囲に収まる。

さらに、図１の切取図における平面で示される凹部は矩形または正方形であり、図２ａおよび図２ｂの上面図における平面で示される凹部は矩形であることに留意されたい。これは本発明において限定されるものではない。凹部は、正方形の溝、矩形の溝、または円筒形の溝などであってよい。さらに、屈折率がｎ_ｅｆｆよりも小さい半導体材料の媒質が、凹部に充填されてよい。ｎ_ｅｆｆは、少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、半導体レーザの実効屈折率である。上に挙げた凹部の構造（正方形の溝、矩形の溝、または円筒形の溝などを含む）および凹部に充填される媒質を、光学構造と呼称してよい。

本発明の実施形態における半導体レーザが、図１および図２ａおよび図２ｂに関連して上で詳細に説明されている。以下、本発明の一実施形態における半導体レーザの加工方法２００を、図３に関連して詳細に説明する。

Claims (16)

1. 半導体レーザであって、
   共振キャビティに入射する光子が利得を得ることを可能とするよう構成された共振キャビティであって、前記共振キャビティは、半導体材料で作製された上側反射層および下側反射層を有し、前記上側反射層は、前記下側反射層の上方に位置し、前記上側反射層を水平面上に投影したものは、その全体が、前記下側反射層を前記水平面上に投影した範囲に収まり、前記上側反射層の側面の一部または全体および前記下側反射層の側面の一部または全体が、前記半導体レーザの劈開面を形成し、前記劈開面は、前記水平面に垂直である、共振キャビティと、
   ビームを放出するよう構成された活性層であって、前記活性層は、半導体材料で作製され、前記活性層は、前記上側反射層と前記下側反射層との間に位置し、前記活性層を前記水平面上に投影したものは、その全体が、前記下側反射層を前記水平面上に前記投影した前記範囲に収まり、酸化孔が、前記活性層の上方に配され、前記酸化孔は、前記ビームの横モードを制限するよう構成される、活性層と
   を備え、
   少なくとも２つの凹部が、前記上側反射層または前記下側反射層の少なくとも一方に配され、
   前記少なくとも２つの凹部を前記水平面上に投影したものは、第１軸上に位置し、
   前記第１軸は、前記劈開面の接線方向に垂直であり、かつ前記第１軸は、前記活性層の中心を前記水平面上に投影したものを通過し、または前記第１軸は、前記劈開面に垂直であり、
   前記劈開面が前記第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｌ_Ｖは、前記ビームの波長λおよび自由スペクトル領域ＦＳＲに従って定められ、
   前記少なくとも２つの凹部の各々と前記劈開面との間の最短距離Ｌ_１は、前記距離Ｌ_Ｖおよび前記酸化孔の半径Ｒ_Ｏに従って定められ、
   これにより、前記活性層によって前記第１軸に平行な方向に放出され、前記劈開面に達した後に反射される第１ビームと、前記活性層によって前記第１軸に平行な前記方向に放出される第２ビームとが、光子共振を生じさせる、
   半導体レーザ。
2. 前記距離Ｌ_Ｖは、
   を満たし、式中、ｎ_ｇは、前記半導体レーザの前記キャビティ内の媒質の群屈折率である、
   請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記最短距離Ｌ_１は、
   を満たす、
   請求項１または２に記載の半導体レーザ。
4. 各凹部を前記水平面上に投影したものと、前記活性層の前記中心を前記水平面上に前記投影したものとの間の距離Ｌ_２、および同一の凹部が前記第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｗは、Ｒ_Ｏ＞Ｗ＋Ｌ_２＞Ｒ_Ｓを満たし、式中、Ｒ_Ｓは、前記半導体レーザのシングル横モードスポットの半径である、
   請求項１または２に記載の半導体レーザ。
5. 前記酸化孔の前記半径Ｒ_Ｏは、Ａよりも大きく、これにより前記半導体レーザは、マルチ横モード状態であり、Ａは、前記半導体レーザがシングル横モード状態であるか前記マルチ横モード状態であるかを定める予め設定された拘束因子であり、
   各凹部の深さＨは、前記波長λに従って定められ、これにより前記半導体レーザは、前記マルチ横モード状態から前記シングル横モード状態に切り替えられる、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
6. 前記深さＨは、
   を満たし、式中、ｍ≧０であり、ｍは整数であり、ｎ_ｅｆｆは、前記少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、前記半導体レーザの実効屈折率である、
   請求項５に記載の半導体レーザ。
7. 各凹部を前記水平面上に前記投影したものと、前記活性層の前記中心を前記水平面上に前記投影したものとの間の前記距離Ｌ_２は、
   およびＢ＜Ｖ_ｅｆｆ＜Ｃを満たし、式中、ＢおよびＣは、前記半導体レーザがシングル縦モード状態であることを定める予め設定された拘束因子であり、Ｖ_ｅｆｆは、正規化周波数パラメータであり、γは、前記凹部の前記深さＨの影響因子であり、ｎ_ｅｆｆは、前記少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、前記半導体レーザの前記実効屈折率である、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
8. 前記上側反射層は、分布ブラッグ反射器であり、前記下側反射層は、分布ブラッグ反射器であり、前記半導体レーザは、垂直共振器面発光レーザである、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
9. 半導体レーザの加工方法であって、
   共振キャビティを形成する段階であって、前記共振キャビティは、前記共振キャビティに入射する光子が利得を得ることを可能とするよう構成され、前記共振キャビティは、半導体材料で作製された上側反射層および下側反射層を有し、前記上側反射層は、鉛直方向において前記下側反射層の上方に位置し、前記上側反射層を水平面上に投影したものは、その全体が、前記下側反射層を前記水平面上に投影した範囲に収まり、前記上側反射層の側面の一部または全体および前記下側反射層の側面の一部または全体が、前記半導体レーザの劈開面を形成し、前記劈開面は、前記水平面に垂直である、段階と、
   活性層を形成する段階であって、前記活性層は、ビームを放出するよう構成され、前記活性層は、半導体材料で作製され、前記活性層は、前記上側反射層と前記下側反射層との間に位置し、前記活性層を前記水平面上に投影したものは、その全体が、前記下側反射層を前記水平面上に前記投影した前記範囲に収まり、酸化孔が、前記活性層の上方に配され、前記酸化孔は、前記ビームの横モードを制限するよう構成される、段階と、
   少なくとも２つの凹部を前記上側反射層または前記下側反射層の少なくとも一方に加工する段階であって、前記少なくとも２つの凹部を前記水平面上に投影したものは、第１軸上に位置し、前記第１軸は、前記劈開面の接線方向に垂直であり、かつ前記第１軸は、前記活性層の中心を前記水平面上に投影したものを通過し、または前記第１軸は、前記劈開面に垂直であり、前記劈開面が前記第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｌ_Ｖは、前記ビームの波長λおよび自由スペクトル領域ＦＳＲに従って定められ、前記少なくとも２つの凹部の各々と前記劈開面との間の最短距離Ｌ_１は、前記距離Ｌ_Ｖおよび前記酸化孔の半径Ｒ_Ｏに従って定められ、これにより、前記活性層によって前記第１軸に平行な方向に放出され、前記劈開面に達した後に反射される第１ビームと、前記活性層によって前記第１軸に平行な前記方向に放出される第２ビームとが、光子共振を生じさせる、段階と
   を備える、
   方法。
10. 前記距離Ｌ_Ｖは、
    を満たし、式中、ｎ_ｇは、前記半導体レーザの前記キャビティ内の媒質の群屈折率である、
    請求項９に記載の加工方法。
11. 前記最短距離Ｌ_１は、
    を満たす、
    請求項９または１０に記載の加工方法。
12. 各凹部を前記水平面上に投影したものと、前記活性層の前記中心を前記水平面上に前記投影したものとの間の距離Ｌ_２、および同一の凹部が前記第１軸と交差する２つの点の間の距離Ｗは、Ｒ_Ｏ＞Ｗ＋Ｌ_２＞Ｒ_Ｓを満たし、式中、Ｒ_Ｓは、前記半導体レーザのシングル横モードスポットの半径である、
    請求項９または１０に記載の加工方法。
13. 前記酸化孔の前記半径Ｒ_Ｏは、Ａよりも大きく、これにより前記半導体レーザは、マルチ横モード状態であり、Ａは、前記半導体レーザがシングル横モード状態であるか前記マルチ横モード状態であるかを定める予め設定された拘束因子であり、
    少なくとも２つの凹部を前記上側反射層または前記下側反射層の少なくとも一方に加工する前記段階はさらに、
    各凹部の深さＨを前記波長λに従って定める段階と、
    前記深さＨに従って前記少なくとも２つの凹部を前記上側反射層または前記下側反射層の少なくとも一方に加工する段階であって、これにより前記半導体レーザは、前記マルチ横モード状態から前記シングル横モード状態に切り替えられる、段階と
    を有する、
    請求項９から１２のいずれか一項に記載の加工方法。
14. 前記波長λに従って深さＨを定める前記段階は、
    前記深さＨを
    に従って定める段階であって、式中、ｍ≧０であり、ｍは整数であり、ｎ_ｅｆｆは、前記少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、前記半導体レーザの実効屈折率である、段階
    を有する、
    請求項１３に記載の加工方法。
15. 各凹部を前記水平面上に前記投影したものと、前記活性層の前記中心を前記水平面上に前記投影したものとの間の前記距離Ｌ_２は、
    およびＢ＜Ｖ_ｅｆｆ＜Ｃを満たし、式中、ＢおよびＣは、前記半導体レーザがシングル縦モード状態であることを定める予め設定された拘束因子であり、Ｖ_ｅｆｆは、正規化周波数パラメータであり、γは、前記凹部の前記深さＨの影響因子であり、ｎ_ｅｆｆは、前記少なくとも２つの凹部が配されていない場合に存在する、前記半導体レーザの前記実効屈折率である、
    請求項９から１４のいずれか一項に記載の加工方法。
16. 前記上側反射層は、分布ブラッグ反射器であり、前記下側反射層は、分布ブラッグ反射器であり、前記半導体レーザは、垂直共振器面発光レーザである、
    請求項９から１５のいずれか一項に記載の加工方法。