JP2019515508A - レーザ装置およびその動作方法 - Google Patents

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Abstract

レーザ装置は、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子を有している。ＰＣＳＥＬ素子の第１の側面には、反射器がＰＣＳＥＬ素子の第１の側面を通ってＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射してＰＣＳＥＬ素子内に戻すように配置されている。ＰＣＳＥＬ素子の第１の側面と反射器との間には、電気入力に基づいて、ＰＣＳＥＬ素子から反射器への光の透過を制御するように構成された電気的に制御可能な光透過領域が介在されている。同様に、対応するレーザ装置の動作方法が開示される。

Description

本発明は、レーザ装置およびその動作方法に関する。これは、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）に基づいたレーザ装置に特に適用可能である。
フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）は、新しい分類の半導体発光素子である。ＰＣＳＥＬは、コヒーレント振動、および放射光の低い発散を含む有益な特性を有することが見出されている。
ＰＣＳＥＬは、活性発光層およびフォトニック結晶層を用いて機能する。これらの２つの層は、層状構造の一部として互いに近接または隣接して配置される。フォトニック結晶は第１の屈折率を有する材料で作られ、周期格子構造に配置された第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する離散領域でパターン化されて、フォトニック結晶を形成する。第２の屈折率を有する領域は、孔とすることができ、または別の材料で充填することができる。この格子は、フォトニック結晶においてブラッグ回折を引き起こし、次に、フォトニック結晶の周期性／格子定数によって決定される特定の波長で光をフォトニック結晶内で共振させる。
電圧がＰＣＳＥＬにわたって印加されると、活性層が発光する。光は、活性層の外へ、およびフォトニック結晶の中に漏れる。フォトニック結晶の格子定数と一致する波長を有するフォトニック結晶内の光は、フォトニック結晶内で共振し、増幅される。この増幅された光は、出射面を通ってＰＣＳＥＬを出る。
ガレッタら（２０１５）［１５］は、ＰＣＳＥＬのＴＥモードでの外部反射の影響に関するモデリング調査の結果を開示している。ガレッタら（２０１５）により報告された成果は、適度な（約１００μｍ２）領域の空洞におけるモード安定性を改善するために、外部反射の使用が興味深いことを示唆している。しかしながら、そのような効果を支持するための実験的成果は示されていない。
発明者の研究グループによる先行研究は、国際公開第２０１６／０２７１０５号［２０］として公表されており、レーザ構造は、結合領域を介して結合された第１のＰＣＳＥＬ素子および第２のＰＣＳＥＬ素子を有することが開示されている。結合領域は、第１のＰＣＳＥＬと第２のＰＣＳＥＬとの間のコヒーレント結合を提供するために電気的に制御可能である。
本発明者らは、ＰＣＳＥＬに基づく既存のレーザ装置が、強度、ビーム発散、ビーム形状などの観点から、例えばレーザ出力の制御可能性を改良するために、さらなる修正および／または改善が可能であることを見出した。本発明はそれに応じて考案された。好ましくは、本発明は、上記の問題の少なくとも１つを軽減、改善、回避または克服する。本発明の好ましい実施形態の更なる利点を以下に説明する。
一般的な態様では、本発明は、横方向に伝播する光のＰＣＳＥＬ内に戻す制御可能なおよび／または選択的な反射を提供することによって、既知のＰＣＳＥＬデバイスを変更している。
第１の好ましい態様では、本発明は、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子を有するレーザ装置を提供し、ＰＣＳＥＬ素子の少なくとも第１の側面に、ＰＣＳＥＬ素子の第１の側面を通ってＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射してＰＣＳＥＬ素子に戻すように配置された反射器が提供され、ＰＣＳＥＬ素子の第１の側面と反射器との間に、電気入力に基づいて、ＰＣＳＥＬ素子から反射器への光の透過を制御するように構成された電気的に制御可能な光透過領域が介在されている。
第２の好ましい態様において、本発明はレーザ装置を動作させる方法を提供し、レーザ装置はフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子を有しており、この方法は、電気入力がＰＣＳＥＬ素子の第１の側面と反射器との間に介在された光透過領域を通して光の透過を制御することにより、ＰＣＳＥＬ素子の第１の側面を通ってＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光のＰＣＳＥＬ素子内へ戻す反射を制御するステップを含む。
従って、反射してＰＣＳＥＬ素子内へ戻る光からのＰＣＳＥＬ素子内部のフィードバックは、電気入力に基づいて制御することができる。本発明者らは、このようにフィードバックを制御することにより、レーザ装置のレージング出力およびビーム形状を電子的に制御することができることを見出した。有利的には、レージング出力およびビーム形状は、必要に応じて、ＰＣＳＥＬ素子自体を直接変調することなく制御することができる。
第３の好ましい態様では、本発明は、ＰＣＳＥＬ素子を有するレーザ装置であって、それぞれの反射器は、少なくともＰＣＳＥＬ素子の第１の側面およびＰＣＳＥＬ素子の第２の側面に設けられ、各々はＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの側面を通ってＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射してＰＣＳＥＬ素子に戻すように配置されており、それぞれの反射器は波長選択性である、レーザ装置を提供する。
第４の好ましい態様では、本発明はレーザ装置を動作させる方法を提供し、レーザ装置はフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子であって、それぞれの波長選択性反射器が、少なくともＰＣＳＥＬ素子の第１の側面およびＰＣＳＥＬ素子の第２の側面に配置されている、ＰＣＳＥＬ素子を有しており、この方法は、ＰＣＳＥＬ素子からＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの側面を通る光を放射させるステップを含み、各反射器はそれぞれ、ＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの側面を通ってＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射してＰＣＳＥＬ素子に戻すように配置されている。
理解されているように、波長選択性反射器は、その波長に応じて、典型的には選択された波長のあらかじめ定義された波長範囲内で光を反射する。そのような反射器は、デバイスアーキテクチャ内で都合よく形成することができ、例えばエピタキシャルおよび／またはリソグラフィ技術によって形成することができる。従ってそれらは、面内光のフィードバックをＰＣＳＥＬ素子に戻すことを可能にする反射器に対して便利なフォーマットを提供している。有利的には、波長選択性反射器は、ＰＣＳＥＬ素子のフォトニック結晶内部の光の共振周波数に対応する波長の光を反射するだけであってもよい。言い換えれば、反射器は、ＰＣＳＥＬ素子のレージング周波数で光を反射するようにのみ形成することができる。
好ましくは、波長選択性反射器は、そこに入射する所定の波長範囲内の実質的に全ての光を反射することができる。さらに、好ましくはそこに入射するＰＣＳＥＬ素子のレージング周波数に対応する実質的にすべての光を反射してもよい。
従って、反射器を通るレージング周波数の光の損失を最小にすることができ、ＰＣＳＥＬ素子におけるフィードバック効果を最大にすることができる。
本発明の第１、第２、第３および／または第４の態様は、互換性がある限り、以下の任意の特徴のいずれか１つまたは任意の組み合わせを有することができる。
第１および第２の態様の反射器は、波長選択性反射器であってもよい。
反射器（および波長選択性反射器）は、ＰＣＳＥＬ素子の面内に配置することができる。
電気的に制御可能な光透過領域は、ＰＣＳＥＬ素子の面内に配置することができる。
電気的に制御可能な光透過領域は、実質的に全ての光が光透過領域を通って透過されて、対応する反射器によって反射される透過状態と、実質的に光が光透過領域を通って透過されない吸光状態との間を電気的入力によって切り替え可能であってもよく、それによりＰＣＳＥＬ素子から反射器への光の透過を制御する。
実際には、透過は、吸光状態と透過状態との間で光学状態の連続的な範囲を通して調整可能であってもよい。この点で、チューニングはバイナリではなくアナログと考えることができる。
従って、電気的に制御可能な光透過領域が吸光状態にあり、光が対応する反射器に透過されることを妨げる場合、光は、対応する側面で反射器により反射されてＰＣＳＥＬ素子に戻されることはなく、デバイスのそのエッジからのフィードバックはない。一方、電気的に制御可能な光透過領域が透過状態にあり、光が対応する反射器に到達することを可能にしている場合、光は反射されてＰＣＳＥＬ素子に戻され、デバイスのそのエッジからのフィードバックをもたらす。電気的に制御可能な光透過領域が、吸光状態と透過状態との間の光学状態にあるとき、光の中間の割合が、反射器によって対応する側面に反射され装置に戻される。
第１および第２の実施形態では、ＰＣＳＥＬ素子の第２の側面に、ＰＣＳＥＬ素子の第２の側面を通ってＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射してＰＣＳＥＬ素子に戻すように配置された第２の反射器が設けられてもよい。さらに、第２の反射器は、ＰＣＳＥＬ要素の第１の側面における（第１の）反射器に加えて設けられてもよい。
ＰＣＳＥＬ素子の第２の側面と第２の反射器との間に、電気入力に基づいて、ＰＣＳＥＬ素子から第２の反射器への光の透過を制御するように構成された第２の電気的に制御可能な光透過領域が介在されてもよい。さらに、第２の電気的に制御可能な光透過領域は、第１の反射器と第１の側面との間に介在された（第１の）電気的に制御可能な光透過領域に加えて設けてられてもよい。
第１及び第２の側面は、互いに隣接し得る。
本発明者らは、ＰＣＳＥＬ素子の２つの隣接する側面からのフィードバックが、ＰＣＳＥＬからのビーム形状を制御するための特定の使用とすることができ、およびＰＣＳＥＬの特定のレージングモードを選択するために使用できることを見出した（これは、以下でより詳細に考察する）。（以下の）詳細な説明において明らかとなるように、２つの隣接する側面から個別にフィードバックを制御できることは有利である。
それぞれの反射器は、ＰＣＳＥＬ素子の第１、第２および第３の側面に設けられてもよく、各々は、ＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの側面を通ってＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射してＰＣＳＥＬ素子に戻すようにそれぞれ配置されている。
あるいは、それぞれの反射器は、ＰＣＳＥＬ素子の第１、第２、第３および第４の（すなわち、好ましくは全ての）側面に設けられてもよく、各々は、ＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの側面を通ってＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射してＰＣＳＥＬ素子に戻すようにそれぞれ配置されている。
第１および第２の態様の場合では、それぞれの反射器とレーザ装置の側面との間に介在された電気的に制御可能な光透過領域があってもよい。
各電気的に制御可能な光透過領域は、それぞれの電気入力によって独立して制御されてもよい。
従って、ＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの側面における反射を独立して制御することができる。これは、ＰＣＳＥＬ素子のフィードバック、従って出力およびビーム形状に対して高度な電気的制御を提供している。
反射器は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であってもよい。
少なくとも１つの電気的に制御可能な光透過領域はセグメント化されてもよく、各セグメントは、ＰＣＳＥＬ素子から反射器への光のそれぞれの部分の透過を制御するように構成されている。好ましくは、各電気的に制御可能な光透過領域がセグメント化されてもよい。特に、各電気的に制御可能な光透過領域は、少なくとも２つのセグメントに分割されてもよい。実際には、任意の数のセグメントが使用されてもよい。例えば、２、３、４、５または６個のセグメントを使用することができる。
各電気的に制御可能な光透過領域の各セグメントは、それぞれの電気入力によって独立して制御することができる。特に、各セグメントは、透過状態または吸光状態のいずれかになるように個別に制御することができる。
発明者らは、このようなセグメント化された制御可能な光透過領域は、ＰＣＳＥＬ素子からのレージング出力およびビーム形状に対するさらなる制御を提供できると考えている。彼らはまた、そのようなセグメント化された制御可能な光透過領域は、レージング出力が集中されるＰＣＳＥＬ素子の平面内の位置を変えることにより、ビームステアリングのために使用することができると考えている。
本発明のさらなる任意の特徴を以下に示す。
本発明の実施形態を添付の図面を参照して例として以下に説明する。
ＰＣＳＥＬ素子の斜視図を示している。 図１のＰＣＳＥＬ素子の断面図を示している。 図１および図２のＰＣＳＥＬ素子において使用するためのフォトニック結晶の平面図を示している。 図３のフォトニック結晶のフォトニックバンド構造を示している、波動ベクトル（ｘ軸）に応じた正規化された周波数（ｙ軸）のグラフである。 図４で示した周波数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対する、図３のＰＣＳＥＬ素子における磁場分布の係数を示している。 図４で示した周波数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対する、図３のＰＣＳＥＬ素子における磁場分布の係数を示している。 図４で示した周波数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対する、図３のＰＣＳＥＬ素子における磁場分布の係数を示している。 図４で示した周波数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対する、図３のＰＣＳＥＬ素子における磁場分布の係数を示している。 異なる数の反射面を有するＰＣＳＥＬに対する、電流（ｘ軸）に応じたレージング出力（ｙ軸）のグラフを示している。 図８の０°及び９０°方向の配向を示している。 １．１ｘ閾値電流で動作し、異なる数の反射面を有するＰＣＳＥＬに対する、角度（ｘ軸）に応じた正規化されたビーム強度（ｙ軸）のグラフである。 １．１ｘ閾値電流で動作し、異なる数の反射面を有するＰＣＳＥＬに対する、角度（ｘ軸）に応じた正規化されたビーム強度（ｙ軸）のグラフである。 １．１ｘ閾値電流で動作し、異なる数の反射面を有するＰＣＳＥＬに対する、角度（ｘ軸）に応じた正規化されたビーム強度（ｙ軸）のグラフである。 ある電流の範囲で動作し、異なる数の反射面を有するＰＣＳＥＬに対する、発光波長に応じたビーム強度（ｙ軸）のグラフを示している。 ある電流の範囲で動作し、異なる数の反射面を有するＰＣＳＥＬｓに対する、発光波長に応じたビーム強度（ｙ軸）のグラフを示している。 ある電流の範囲で動作し、異なる数の反射面を有するＰＣＳＥＬｓに対する、発光波長に応じたビーム強度（ｙ軸）のグラフを示している。 本発明の一実施形態によるレーザ装置の平面図を示している。 図１０のＡＡ−ＡＡ線に沿って見たレーザ装置の断面図を示している。 本発明の別の実施形態に係るレーザ装置の平面図を示している。 図１２のレーザ装置に対する、集中されたレージング発光点（Ａ、Ｂ、Ｃ）の例を示している。 図１３のＢＢ−ＢＢ線に沿った断面図であり、レーザ装置の出力がレンズを通して向けられるときのビームステアリング効果を示している。
好ましい実施形態の詳細な説明、および本発明のさらなる任意の特徴
ＰＣＳＥＬは、室温での連続波動作を与えることが示されている［１］、［２］。ＰＣＳＥＬにおけるフォトニック結晶層の設計、すなわち周期構造を制御することにより、ビーム形状［３］および偏光［４］のようなレージング特性を制御することが可能である。このようにビームステアリングを実現することも可能である［５］。ＰＣＳＥＬは、ウェーハ融着を通して［２］、またはエピタキシャル成長［６］、［７］、［８］、［９］、［１０］により製造することができる。
個々のＰＣＳＥＬ素子のアレイを作製することにより、高いレージング出力を達成することができる［６］、［１１］、［１２］、［１３］。特に、フォトニック結晶層への変化は、レージング出力を増加させるために使用されている［１４］。単一のＰＣＳＥＬ素子から達成される最高出力は、エピタキシャル成長および制御されたフォトニック結晶設計を用いて達成された［６］。
ガレッタら（２０１５）［１５］は、ＰＣＳＥＬ素子の単一の側面からの外部反射のＰＣＳＥＬのレージング特性に対する影響を調べた。外部反射器の位相を変化させることにより、彼らは閾値利得（レージング閾値）およびバンド周波数に対する変化を示すことができた。レージング閾値への変化は反射面の位相に依存しており、変化の性質はＰＣＳＥＬにおけるフォトニック結晶の異なる共振周波数モードに対して異なっていた。フォトニック結晶領域にわたって反射面の位相を変更させることがなされた効果についての研究はなかった。ガレッタら（２０１５）［１５］により報告された成果は、実験的測定に基づくのではなく、その代わりにモデリングおよび分析に基づいていた。
シャサニューら（２００９）［１６］は、六方晶系フォトニック結晶格子を有するＴＨｚ ＰＣＳＥＬの側面にファセット（反射面）を含めることにより、ウィスパリングギャラリー周波数モード、またはフォトニック結晶の周波数モードを交互に選択することが可能であることを示した。
以下でより詳細に説明するように、本発明者らは、ＰＣＳＥＬ素子のエッジに反射面を含めることにより、ＰＣＳＥＬ素子のレージング閾値および遠距離場のビーム形状が変化され得ることを見出した。反射面は、フォトニック結晶層に対してランダムな位相を有すると考えることができる。反射位相は、ＰＣＳＥＬ素子にわたって変化する。
図１および図２は、ＰＣＳＥＬ素子の斜視図および断面図をそれぞれ示す。図１および図２のＰＣＳＥＬ素子は、例えば、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）によってＧａＡｓ基板上に成長することができる。
図１および図２のＰＣＳＥＬ素子は、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１０２、ＩｎＧａＡｓ活性層１０４、ｐ−ＩｎＧａエッチストップ層１０６、ＩｎＧａＰフォトニック結晶層１０８、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１１０、ｐ＋ＧａＡｓキャップ層１１２、およびリング電極１１４を有している。一般的に、コンタクト電極が下部クラッド層１０２に隣接して提供されてもよい。図１に示すように、コンタクト電極は環状であり、ＰＣＳＥＬがレージングするときに光を取り出すことができる開口部を有している。
活性層は、量子井戸および／または量子ドットを含むことができる。例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドット、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸、ＡｌＩｎＧａＡｓＰ量子井戸のうちの１つ以上を含み得る。活性層は、２０ｎｍのＧａＡｓ障壁を有する３８ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子井戸を含む非ドープのＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ ３重量子井戸コアであってもよい。
フォトニック結晶は、ＩｎＧａＰ層を、ＩｎＧａＰの第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する周期的な領域でパターニングし、フォトニック結晶の周期的な格子構造を形成することによって形成される。パターニングは電子ビームリソグラフィ（ＥＢＬ）を用いて行われる。特に、ＳｉＯ２のハードマスク内に孔がパターン化され、そのパターンはＣＨ４／Ｈ２／Ｏ２反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってＩｎＧａＰに転写される。第２の屈折率のＩｎＧａＰを有する領域は、エアギャップ／ボイドとして残されてもよく、あるいはＧａＡｓのような第２の屈折率を有する適切な充填材で過成長により充填することもできる。
フォトニック結晶は、１５０μｍ×１５０μｍのＰＣＳＥＬ素子の平面内にフットプリントサイズを有している。理解されるように、異なる実施形態は異なる寸法を使用することができる。
フォトニック結晶は、代替的に、または追加的に、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、およびＡｌＩｎＧａＮのうちの１つ以上を含むことができる。
ＰＣＳＥＬ素子のフォトニック結晶の周期格子３００のＳＥＭ像が図３に示されている。明領域３０２は、上述した第１の屈折率を有するＩｎＧａＰであり、暗領域３０４は、上述した第２の屈折率を有するＧａＡｓで充填されている。図３から明らかなように、第２の屈折率を有する暗のＧａＡｓ領域はそれぞれ、三角形状を有しており、正方格子内にまとめて配置されている。
この種類のフォトニック結晶は、高いレージング出力を生成するために特に有用であることが分かっている。当業者が理解するように、当技術分野で知られている他のフォトニック結晶構造も同様に使用することができる。例えば、第２の屈折率を有する領域は、正方形、円形、または他の形状を有してもよく、正方形、六角形、または他の格子配列にまとめて配置されてもよい。
上記構造を有するＰＣＳＥＬ素子は、連続波条件の下、室温で動作することが示されている。
図４は、図３のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓフォトニック構造のガンマ点（Γ）付近の理論フォトニックバンド構造を示している。図４は、コンピュータモデリングにより、マクスウェル方程式の限定的周波数固有状態（ｄｅｆｉｎｉｔｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｉｇｅｎｓｔａｔｅｓ）を解くことにより得られたものである。シミュレーションは、ＭＩＴフォトニックバンド（ＭＰＢ）［１８］を使用して実行された。図４における周波数（ｘ軸）は、周波数をａ／ｃで掛けて正規化してあり、ここでａ＝格子定数、ｃ＝光速である。Γは、フォトニック結晶における光の群速度がゼロである点であり、共振がフォトニック結晶に生じる点を表す。従って、図４は、光が図３のフォトニック結晶内で共振できる４つの周波数（Ａ、Ｂ、ＣおよびＤ）を示している。
図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄは、図４で（それぞれ）示された４つの共振周波数Ａ、Ｂ、ＣおよびＤに対して、図３のフォトニック結晶における横電界（ＴＥ）偏波の磁場分布の理論係数を示している。
上述のＰＣＳＥＬにおいて、ＡおよびＢのレージングモードが実際に観測された。
周期格子は、フォトニック結晶内を進行する光のブラッグ回折を生じさせる。このブラッグ回折は、次に、フォトニック結晶において、特定の周波数の光を共振させ、従って増幅させる。共振は、フォトニック結晶内を伝播する光の群速度がゼロに近づくときに生じる。光が結晶内で共振する周波数は、フォトニック結晶の周期性／格子定数に依存している。この共振周波数は、ＰＣＳＥＬ素子のレージング周波数となる。
電圧がＰＣＳＥＬ素子にわたって印加されると、活性層が光を放射する。この光はフォトニック結晶に入り、上述したように所定の周波数で共振してレーザ光を生成する。このレーザ光は次いで、ＰＣＳＥＬ素子の放射面（上部クラッド層１１０）を通して取り出される。
レーザによって生成された光の全てがレーザ放射面から抽出されるわけではない。ＰＣＳＥＬ素子の平面内を移動する光の一部は、ＰＣＳＥＬ要素の側面を通って透過する。
発明者らは、ＰＣＳＥＬ素子の側面から光を反射してＰＣＳＥＬ素子に戻すことにより、それ故ＰＣＳＥＬ素子内部のフィードバックを変化させることにより、ＰＣＳＥＬ素子のレージング出力およびビーム形状を変化させることができることを見出した。
この効果を実証するために、本発明者らは、１．５μｍのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ下部クラッド層、３μｍの量子井戸活性領域（２０ｎｍのＧａＡｓ層によって分離された８ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ量子井戸）、４０ｎｍのｐ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２エッチストップ層、１５０ｎｍのＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐフォトニック結晶層（ＥＢＬを用いてパターン化され、フォトニック結晶の孔を充填するためにＧａＡｓが使用された）、１．５μｍのｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ上部クラッド層、４００ｎｍのｐ＋ＧａＡｓキャップ層を有するＰＣＳＥＬ素子を使用した。フォトニック結晶は、図３に示されているのと同じ格子構造を有しており、１５０μｍ×１５０μｍのデバイスの平面内に正方形のフットプリントを有している。５２μｍの開口サイズを有する環状のコンタクト電極が上部キャップ層上に形成された。
レージング出力、ビーム形状および発光スペクトルが、初期のＰＣＳＥＬ素子（すなわち、いかなる反射面を有しない）に対して最初に測定された。次いで、ＰＣＳＥＬ素子が上に成長された基板は、ＰＣＳＥＬ素子の第１の側面に第１の反射面を導入するために、ＰＣＳＥＬ素子の第１の側面に沿って切断された。レージング出力および遠距離場のビーム形状が測定された。次いで、基板は、ＰＣＳＥＬ素子の第１の反射面に隣接する第２の反射面を導入するために、第１の側面に隣接する、ＰＣＳＥＬ素子の第２の側面に沿って切断された。レージング出力および遠距離場のビーム形状が再び測定された。その結果を図６、８Ａから８Ｃおよび９Ａ〜９Ｃに示す。
本発明者らは、少なくとも１つの反射面を追加することにより、単一のレージングモード（ＡまたはＢ）が選択されることをもたらすことを見出した。
図６は、印加電流（ｘ軸）に応じたレージング出力（ｙ軸）のグラフである。０〜２００ｍＡのレージング出力が測定された。図６のグラフからわかるように、初期のＰＣＳＥＬ素子のレージング閾値は１１２ｍＡであり、２００ｍＡにおけるレージング出力は約１×１０−５ ａ．ｕ（任意単位）であった。
単一の反射面を有するＰＣＳＥＬ素子のレージング出力が０から２００ｍＡで測定された。図６のグラフから分かるように、単一の反射面はレージング閾値を８８ｍＡまで低減させた。２００ｍＡでのレージング出力は約２×１０−５ ａ．ｕ．まで増加した。
次いで２つの反射面を有するＰＣＳＥＬ素子のレージング出力が０から２００ｍＡで測定された。図６のグラフからわかるように、１つの反射面のみを有することと比較して、第２の反射面を追加することによって、レージング出力およびレージング閾値は特に変更されなかった。
図６の実験結果は、ＰＣＳＥＬ素子の側面に反射面を追加することが、レージング出力を増加させ、レージング閾値を低減させることを示している。
図７は、ＰＣＳＥＬ素子に対する、第１の切断／反射面７０２および第２の切断／反射面７０３の位置を示す。
図８Ａから８Ｃは、１．１×閾値電流の動作電流で、異なる数の反射面を用いて、図１および２のＰＣＳＥＬ素子の放射面を通って放射される光の遠距離場測定に対する角度について正規化された強度の分布グラフを示す。
また、図８Ａから８Ｃにおいて、０°の線は、反射面に平行な角度に応じたビーム強度である。すなわち、０°の線は、図７の線７０４（線７０２は反射面である）に沿った角度に応じたビーム強度がどのように変化するかを示している。９０°の線は、ビーム強度が反射面に垂直な角度に応じてどのように変化するかを示している。すなわち、９０°の線は、図７における線７０６に沿った角度に応じてビーム強度がどのように変化するかを示している。図８Ａから８Ｃにおけるｘ軸上の０°点は、図７の線７０４および７０６が交差する点を通過する軸に沿った観察位置に対応しており、軸はＰＣＳＥＬ要素の平面に垂直である。
図８Ａは、反射面を有さないＰＣＳＥＬ素子に対する遠距離場のビーム分布である。図から分かるように、ビーム形状はほぼ円形であり、約±２．５°の角拡散を有している。
図８Ｂは、単一の反射面を有するＰＣＳＥＬ素子に対する遠距離場のビーム分布である。図８Ｂから分かるように、単一の反射面は、反射面に平行な方向におけるビームを広げ、反射面に垂直な方向におけるビームを集束させる効果を有する。反射面に垂直な方向における角拡散は、約±２°までわずかに減少し、一方、反射面に平行な方向における角拡散は約±１０°まで増加した。
図８Ｃは、単一の反射面を有するＰＣＳＥＬ素子に対する遠距離場のビーム分布である。この図からわかるように、第１の反射面に隣接する第２の反射面を追加することは、第１の反射面に平行な方向におけるビームを集束させる効果を有しており、それによりビームは、いかなる反射面を有さないＰＣＳＥＬ素子と比較する場合、約±１°の角拡散で両方向に集束される。
従って、ＰＣＳＥＬ素子の側面への単一の反射面の追加は、楕円形を有するビームを生成する。ＰＣＳＥＬ素子の隣接する側面への２つの反射面の追加は、反射面を有さないＰＣＳＥＬ素子と比べた場合、ビームの角拡散を低減する効果を有している。
本発明者らは、以上の知見に基づいて、レージング出力およびビーム形状を電子的に変化させることができるレーザ素子を開発した。そのようなレーザ装置を図１０に示す。
図９Ａから９Ｃは、ある電流の範囲内で、および異なる数の反射面で動作する場合の、図１および図２のＰＣＳＥＬ素子に対する発光波長に応じたビーム強度のグラフを示している。
図９Ａは、反射面を有さない初期のＰＣＳＥＬ素子に対する発光波長に応じたビーム強度を示している。図９Ａから分かるように、初期のＰＣＳＥＬ素子は、より低い電流値で２つのスペクトル最大値を有する傾向がある。
図９Ｂは、第１の反射面を有するＰＣＳＥＬ素子に対する発光波長に応じたビーム強度を示している。図９Ｂから分かるように、単一の反射面の追加は、約６３．５ｎｍに中心がある単一のスペクトル発光ピークをもたらす。
図９Ｃは、第１の反射面に隣接する第２の反射面を有するＰＣＳＥＬ素子の発光波長に応じたビーム強度を示している。図９Ｃから分かるように、ＰＣＳＥＬ素子は依然として単一のスペクトル発光ピークを有している。発光最大値は、電流に応じて増加することがわかる。本発明者らは、この増加した最大値は、２つの切断を有するＰＣＳＥＬ素子における電流閉じ込めによって生じる結果としての加熱効果であると考えている。
図１０のレーザ装置５００は、ＰＣＳＥＬ素子５０２を含む。この実施形態におけるこのＰＣＳＥＬ素子５０２は、図１および図２のＰＣＳＥＬ素子１００と同じ構造を有している。制御可能な光透過領域５０４およびＤＢＲ反射器５０６が、ＰＣＳＥＬ素子５０２の各側面に形成されている。各側面での制御可能な光透過領域は、ＰＣＳＥＬ素子とそれぞれのＤＢＲ反射器との間に介在される。これによりレーザ装置が形成される。
各ＤＢＲ反射器５０６は、そこに入射し、およびＰＣＳＥＬ素子５０２の平面に実質的に平行な方向に進む光を反射するように構成されている。ＤＢＲ反射器は、ＰＣＳＥＬ素子の平面内に存在する。このようにして、ＰＣＳＥＬ素子５０２の外に出ていく光は、ＤＢＲ反射器５０６によって反射されてＰＣＳＥＬ素子５０２に戻され、それによりＰＣＳＥＬ素子内のフィードバックを変更することができる。
各制御可能な光透過領域５０４の光学特性は、電気入力によって制御可能である。特に、所与の制御可能な光透過領域５０４に供給される電流を制御することによって、制御可能な光透過領域５０４の光学特性を制御することができる。特に、制御可能な光透過領域の光学特性は、実質的に全ての光が透過する透過状態と、実質的に全く光が透過しない吸光状態との間のどこかに制御することができる。好ましくは、透過状態と吸光状態との間で切り換えられる。さらに、制御可能な光透過領域は、それに電流を流すことによって制御される。この電流が閾値を超えると、コンタクトは本質的に透明となり、光が通過することを可能にする。これが透過状態である。電流が閾値を下回ると、コンタクトはもはや光を通過させない。これが吸光状態である。
透過状態になるように制御されるとき、制御可能な光透過領域５０４は、ＰＣＳＥＬ素子５０２の平面内のＰＣＳＥＬ素子５０２の外に出ていく光を透過させる。この光は次いで対応するＤＢＲ反射器５０６によって反射され、ＰＣＳＥＬ素子５０２に戻る。反対に、制御可能な光透過領域が吸光状態に制御されるとき、光は反射してＰＣＳＥＬ素子５０２に戻されない。従って、ＰＣＳＥＬ素子の各側面からのフィードバックは、電子的に制御することができる。
上記図６、８Ａから８Ｃおよび９Ａから９Ｃに関連して示すように、光がＰＣＳＥＬ素子の特定の側面から反射されて戻されるかどうかを選択的に制御することによって、レーザ装置の出力およびビーム形状を変更することができる。従って、レーザ装置５００は、レージング出力およびビーム形状を電子的に変更することを可能にする。
例えば、制御可能な光透過領域５０４を制御することにより、第１の制御可能な光透過領域が透過状態になり、他の３つが吸光状態になり、レージング閾値を低減することができ、レージング閾値より上の所与の動作電流でのレージング出力を増加させることができる。さらに、ビームは楕円形を有するように作ることができる。隣接する２つの制御可能な光透過領域５０４が透過状態となるように制御すること、および他の２つを吸光状態に制御することにより、レーザ装置５００からのレーザ光を集束させることができる。
図１１は、ＡＡ−ＡＡ線に沿って見たレーザ装置５００を示している。図１１から分かるように、ＰＣＳＥＬ素子５０２は、図１および２のＰＣＳＥＬ素子と同じ構造を有する。
制御可能な光透過領域５０４は、ＰＣＳＥＬ素子と同じ層状構造を有している。従って、制御可能な光透過領域５０４は、ＰＣＳＥＬ素子５０２と実質的に同じ屈折率を有しており、それにより、ＰＣＳＥＬ素子５０２と制御可能な光透過領域５０４との間の界面で反射が生じることを防止する。しかしながら、制御可能な光透過領域５０４の（ＰＣＳＥＬ素子のフォトニック結晶層１０８に対応している）ＩｎＧａＰ層は、ＩｎＧａＰと異なる屈折率を有する周期的な領域でパターン化されていない。それ故、この層は、制御可能な光透過領域５０４においてフォトニック結晶ではない。制御可能な光透過領域５０４は、ＰＣＳＥＬ素子電極１１４から電気的に分離されている、それ自身の電極６００を有している。
このように、制御可能な光透過領域５０４は、ＰＣＳＥＬ素子１１４とは独立に、互いに独立して電子的に制御することができる。
ＰＣＳＥＬ素子５０２、制御可能な光透過領域５０４およびＤＢＲ反射器５０６は、１つまたは複数の光学的に調節可能な領域５０４に供給される電流に基づいて、レーザ装置の平面内でＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光を選択的に反射するために、全て同じ平面内に存在している。
いくつかの実施形態では、いくつかのレーザ装置を単一の基板上に成長させてもよい。この基板は次いで、製造プロセスの後に切断され、それにより、各レーザ装置が単一のＰＣＳＥＬ要素を含む複数の個別のレーザ装置を提供する。
図１２は、図１０および図１１のレーザ装置の変形例を示す。このレーザ装置８００において、各制御可能な光透過領域８０２は、複数の光学的に調節可能なセグメント８０４にセグメント化される。各セグメント８０４は、他のセグメントとは独立して制御され得る。従って、各個別のセグメントは、透過状態または吸光状態のいずれかとなるように独立して制御することができる。このようにして所与の側面からのフィードバックを調整することができる。例えば、一つの側面で単一のセグメントを透過状態に、および、他のセグメントを吸光状態にすることによって、ＰＣＳＥＬ素子に弱いフィードバックを提供するように側面を作ることができる。
各側面でのフィードバックを微調整するこの能力は、図１０および１１の実施形態におけるように、側面全体からのフィードバックを均一に制御することよりも、より高いレベルの制御とともに、レーザ装置の発光強度を微調整することを可能にする。
さらに、各側面からのフィードバックを空間的に変調することによって、ビーム形状をより正確に制御することができる。従って、セグメント化された電極は、レーザビームを操作し、およびその形状および角発散を調整するために使用することができる。
ビームステアリング効果が、図１３および１４に示されている。
セグメント８０４を個別に制御することにより、ＰＣＳＥＬ装置８００のレーザ出力を、フォトニック結晶の平面内の異なる位置に集中させることができる。図１３は、セグメント８０４を個別に制御することにより、レーザ装置８００のレーザ出力を集中させることができる３つの異なる例示的な位置（Ａ、ＢおよびＣ）を示す。これらの位置は例示的であり、限定的ではない。
図１４は、図１３のＢＢ−ＢＢ線に沿った断面、および点Ａ、ＢおよびＣから放射されたレーザ光が、Ｂを焦点に合わせられたレンズ９００を通過することができる経路を示している。これらの３つの点からの光は、レンズ９００により透過され、および屈折させられる。図１４は、点Ａから点Ａ’、点Ｂから点Ｂ’、点Ｃから点Ｃ’の光の経路を示しており、点Ａ’、点Ｂ’および点Ｃ’は面９０２内にある。従って、点Ａ、点Ｂ、点Ｃのいずれかにレーザ出力を集中させるように制御することにより、ビームステアリングを達成することができる。
本発明者らはまた、レージング出力のこの微調整が、各個別のＰＣＳＥＬ素子に対する製造上の問題によってもたらされる装置性能のばらつきを補償するために使用できることを見出した。例えば、フォトニック結晶構造、ヒートシンク、および他の製造上の問題の不正確によって引き起こされるレージング出力上の有害な影響は、例えば、より高い単一モードのレージング出力を達成するために、セグメント化されたコンタクトを使用してフィードバックを微調整することによって補償することができる。
本発明は、上述の例示的な実施形態と関連して説明されてきたが、本開示が与えられる場合、当業者には多くの均等な変更および変形が明らかとなるであろう。従って、上に示された本発明の例示的な実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではないと考えられる。説明した実施形態に対する様々な変更が、本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得る。
上で参照した、および／または以下に列挙されたすべての参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
参考文献
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［２０］R.Taylor, E.James, D.Childs, “Improved Laser Structure”, WO2016/027105 A1
１００ ＰＣＳＥＬ素子
１０２ 下部クラッド層
１０４ 活性層
１０６ エッチストップ層
１０８ フォトニック結晶層
１１０ 上部クラッド層
１１２ キャップ層
１１４ リング電極
５００ レーザ装置
５０２ ＰＣＳＥＬ素子
５０４ 制御可能な光透過領域
５０６ 反射器
６００ 電極
７０２ 反射面
７０３ 反射面
８００ レーザ装置
８０２ 制御可能な光透過領域
８０４ セグメント
９００ レンズ
９０２ 面

Claims (16)

  1. フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子であって、前記ＰＣＳＥＬ素子の少なくとも第１の側面に、前記ＰＣＳＥＬ素子の前記第１の側面を通って前記ＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射して前記ＰＣＳＥＬ素子内に戻すように配置された反射器が設けられており、前記ＰＣＳＥＬ素子の前記第１の側面と前記反射器との間に、電気入力に基づいて、前記ＰＣＳＥＬ素子から前記反射器への光の透過を制御するように構成された、電気的に制御可能な光透過領域が介在されている、ＰＣＳＥＬ素子を有する、レーザ装置。
  2. 前記反射器は、波長選択性反射器である、請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 前記電気的に制御可能な光透過領域は、電気入力により、実質的にすべての光が前記光透過領域を通って透過されて対応する反射器によって反射される透過状態と、実質的に光が前記光透過領域を透過されない吸光状態との間で切り替え可能であり、それにより、前記ＰＣＳＥＬ素子から前記反射器への光の透過を制御している、請求項１または２に記載のレーザ装置。
  4. 前記ＰＣＳＥＬ素子の第２の側面に、前記ＰＣＳＥＬ素子の前記第２の側面を通って前記ＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射して前記ＰＣＳＥＬ素子内に戻すように配置された第２の反射器がさらに設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  5. 前記ＰＣＳＥＬ素子の前記第２の側面と前記第２の反射器との間に、電気入力に基づいて、前記ＰＣＳＥＬ素子から前記第２の反射器への光の透過を制御するように構成された第２の電気的に制御可能な光透過領域が介在されている、請求項４に記載のレーザ装置。
  6. 前記第１および第２の側面は、互いに隣接している、請求項４または５に記載のレーザ装置。
  7. 前記ＰＣＳＥＬ素子の第１、第２、第３および第４の側面にそれぞれの反射器が設けられており、各々は、前記ＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの前記側面を通って前記ＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射して前記ＰＣＳＥＬ素子に戻すようにそれぞれ配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  8. それぞれ電気的に制御可能な光透過領域が、それぞれの反射器と前記レーザ装置の側面との間に介在されている、請求項７に記載のレーザ装置。
  9. 各電気的に制御可能な光透過領域は、それぞれの電気入力により独立して制御されている、請求項５または８に記載のレーザ装置。
  10. 少なくとも１つの電気的に制御可能な光透過領域は、少なくとも２つのセグメントに分割されており、各セグメントは、前記ＰＣＳＥＬ素子から前記反射器への光のそれぞれの部分の透過を制御するように構成されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  11. 各セグメントは、それぞれの電気入力によって個別に制御される、請求項１０に記載のレーザ装置。
  12. レーザ装置を動作させる方法であって、前記レーザ装置はフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子を有しており、前記方法は、前記ＰＣＳＥＬ素子の第１の側面を通って前記ＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光を前記ＰＣＳＥＬ素子に戻す反射を制御するステップであって、電気入力に前記ＰＣＳＥＬ素子の前記第１の側面と反射器との間に介在された光透過領域を通る光の透過を制御させることによる、反射を制御するステップを含む、方法。
  13. ＰＣＳＥＬ素子を有するレーザ装置であって、少なくとも前記ＰＣＳＥＬ素子の第１の側面および前記ＰＣＳＥＬ素子の第２の側面にそれぞれの反射器が設けられており、各々は、前記ＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの前記側面を通って前記ＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射して前記ＰＣＳＥＬ素子内に戻すようにそれぞれ配置されており、それぞれの前記反射器は波長選択性である、レーザ装置。
  14. 前記第１および第２の側面は互いに隣接している、請求項１３に記載のレーザ装置。
  15. それぞれの反射器は、前記ＰＣＳＥＬ素子の第１、第２、第３および第４の側面に設けられており、各々は、前記ＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの前記側面を通って前記ＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光を反射するようにそれぞれ配置されており、それぞれの反射器は波長選択性である、請求項１３に記載のレーザ装置。
  16. レーザ装置を動作させる方法であって、前記レーザ装置はフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子を有しており、少なくとも前記ＰＣＳＥＬ素子の第１の側面および前記ＰＣＳＥＬ素子の第２の側面にそれぞれの波長選択性反射器が設けられており、前記方法は、前記ＰＣＳＥＬ素子から前記ＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの前記側面を通る光を放射させるステップを含み、前記反射器は、前記ＰＣＳＥＬ素子のそれぞれの前記側面を通って前記ＰＣＳＥＬ素子の外に出ていく光の少なくとも一部を反射して前記ＰＣＳＥＬ素子内に戻すようにそれぞれ配置されている、方法。
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