JP2019533911A - 狭線幅のレーザ装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は受動的ループ導波路と、上記受動的ループ導波路と結合される受動的な第１の入出力導波路と、所定の波長の光波を選択して上記受動的ループ導波路に結合させるように設置され、レーザ装置全体に対するゲインを供給するためのゲイン波長選択ユニットと、上記受動的ループ導波路と結合され、レーザ装置からレーザ光を出力するための受動的な第２の入出力導波路と、を含む狭線幅のレーザ装置を開示する。本発明が提出した狭線幅の半導体レーザ装置はゲイン領域と導波路キャビティ領域との突合せ結合損失がなく構造が簡単であり、突合せ損失による狭線幅の制限がなくなる。さらに、一体成形の半導体プロセスによって、デバイスのコストが低く、安定性や信頼性がより高く、線幅がより狭く、過酷な環境下における耐久性がより高い。さらにそのループ内の損失補償構造により、そのリング外部共振器が結合係数を問わず臨界結合状態で動作可能である。このように、該レーザ装置は狭い線幅、高いサイドモード抑圧比を得ることができる。【選択図】図３

Description

本発明はレーザ装置に関し、特に狭線幅のレーザ装置に関する。
狭線幅のレーザ装置は優れた干渉性を有するので情報通信（センシング）の高品質の光源になり、広い応用展望がある。高精度スペクトル測定や量子（原子）周波数標準等の先端科学研究に応用されるだけでなく、レーザ距離測定、レーザレーダ、電気光学対策、レーザ通信等の国防安全分野にも応用され、さらにコヒーレント光通信、分散式光ファイバーセンサのコア部品としてユビキタスネットワークや高速通信分野に広く応用されている。
レーザ装置の広い応用未来から、さまざまな科学研究者や投資機構による狭線幅のレーザ装置の研究が以下の通り盛んになっている。
（１）半導体ゲイン領域＋バルクタイプ波長選択及び線幅狭窄化構造（出願番号：ＣＮ８６２０２８２９Ｕ、２００３２０１３０９６８．３、２００８１００８２０２８．９、２００９１０２３５５８５．４、２０１２１０２５８８４６．６、２０１３１０３９５２６４．７、２０１３１０５３５５０１．５、２０１３１０７２８３８７．８、２０１４１０４８２２６６．４、ＵＳ４０８７３９、２０１４１０６０２３０３．０、ＵＳ５４９３４７）、
（２）半導体ゲイン領域＋光ファイバー構造（出願番号：２００５１００７９９０２、２００９１００５０７１５．７、２０１４１０３８６６１７．１、２０１２２０６４２４６７．２、ＵＳ３６８，６５４）、
（３）半導体レーザ装置励起光源の全光ファイバーレーザ装置構造（２０１１２０３７４７７６．１、２０１２１０５３５９８７．８、２０１４１０２７１３１６．４、２０１３２０７８４０２３．７、２０１４２０６８４７１７．８）、ＤＦＢ又はＤＢＲ半導体レーザ装置（出願番号：２０１３１００１９３６１．６、２０１３１０２１１０８８．７、８６１１３４３７．７、８８３０６７０３．５、ＵＳ１０／０６４，００２、ＵＳ１２／７５１，９００）、
（４）導波路外部共振器型半導体レーザ装置構造（出願番号：１２００６８３２．５、ＵＳ２７６７６３、ＵＳ０９／７４１／７９０、ＵＳ１３／２４９，７５３）。
以上の混合型狭線幅のレーザ装置に比べて、単純な半導体レーザ装置は構造がコンパクトで、体積が小さく、軽量で、消耗電力が低く、信頼性が高く、使用寿命が長い等の利点を有するので様々な応用分野で愛用されている。しかしながら、従来のＤＦＢ、ＤＢＲレーザ装置はその共振器長さに限界があり、複雑な格子構造選択波長を用いても、極狭い線幅を得ることができず、上記分野での応用が制限されている。
２００１年に、米国の研究者はウィークカップリングループ外部共振器型半導体レーザ装置によって狭い線幅を実現することを提出したが、共振器内の損失が大きいという課題の存在で、今までも単一ループ外部共振器レーザ装置一が実現されていない（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．，７９（２２）３５６１，（２００１）、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，３９（７），８５９，（２００３））。そして、多くの研究機構によって該思想に対する様々な改良が行われ、狭線幅の半導体レーザ装置を実現した（ＯＳＡ／ＯＦＣ／ＮＦＯＥＣ２０１０／ＯＴｈＱ５，Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．７９４３，７９４３１Ｇ，（２０１１）、Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｅｘｐｒｅｓｓ，５，０８２７０１，（２０１２）、Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ． ３（６）１２４１，（２０１５）、Ｊａｐ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５３，０４ＥＧ０４，（２０１４）、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌ． Ｔｏｐ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ， ２１（６），１５０１９０９，（２０１５）、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔ．，４０（７）１５０４，（２０１５））。
以上のようなレーザ装置ではリング共振器によって光学共振器の長さを延長させて、ＤＦＢ、ＤＢＲに比べレーザ装置の線幅を大きく改善したが、全ての構造ではシリコン系の光子集積回路を線幅狭窄化ユニットとし、ＩＩＩ-Ｖ ＳＯＡをゲイン領域として、両者を結合集積させて狭線幅の半導体レーザ装置を構成している。このような複合集積レーザについては、（１）シリコン系の光子集積回路が非常に複雑で、突合せ時の結合集積に起因して、デバイスの良品率が低下すること、（２）突合せ時の結合集積材質に起因して、線幅狭窄化・安定性・過酷な環境下の耐久性が制限され、結合損失及び偏波損失不可避的に発生することという欠点がある。
本発明の目的は、従来の技術の欠点を解消するための狭線幅のレーザ装置を提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明は以下のような技術手段を提案している。
本発明の実施例では、モノリシック集積される狭線幅のレーザ装置であって、
受動的ループ導波路と、
上記受動的ループ導波路と結合される受動的な第１の入出力導波路と、
所定の波長の光波を選択して上記受動的ループ導波路に結合させるように設置され、レーザ装置全体に対するゲインを供給するためのゲイン波長選択ユニットと、
上記受動的ループ導波路と結合され、レーザ装置からレーザ光を出力するための受動的な第２の入出力導波路と、を含む狭線幅のレーザ装置を開示する。
１つの実施例において、上記ゲイン波長選択ユニットはレーザ装置に対するゲインを供給するためのゲイン導波路を含み、上記ゲイン導波路と上記第１の入出力導波路との結合によって波長選択が行われる。
１つの実施例において、上記ゲイン波長選択ユニットはレーザ装置に対するゲインを供給するゲイン導波路と、一部の第１の入出力導波路と、上記第１の入出力導波路とともに波長選択に用いられる第１の格子とを含む。
１つの実施例において、上記ゲイン導波路は上記第１の入出力導波路と縦結合又は側面結合され、上記ゲイン導波路が上記第１の入出力導波路の一部の表面を被覆又は第１の入出力導波路の側面に位置し、上記ゲイン導波路が上記第１の入出力導波路の一端に設置され、上記第１の入出力導波路の他端に第１の吸収体が集積され、迷光及び後方反射ノイズを解消することが好ましい。
１つの実施例において、上記レーザ装置は上記受動的ループ導波路と結合され集積化される第１の能動的導波路を含み、上記第１の能動的導波路が上記受動的ループ導波路のミラー損失を補償するために用いられ、上記第１の能動的導波路と上記受動的ループ導波路とは縦結合又は側面結合され、上記第１の能動的導波路が垂直に上記受動的ループ導波路の少なくとも一部の上表面を被覆又は横方向に上記受動的ループ導波路と隣接して位置することが好ましい。
１つの実施例において、上記レーザ装置はさらに第２の能動的導波路を含み、上記第２の能動的導波路と上記第２の入出力導波路との結合によって光増幅器が形成され、結合により上記第２の入出力導波路の出力レーザ光を増幅し電力向上及び一層の狭線幅を実現する。
１つの実施例において、上記第２の能動的導波路は第２の入出力導波路と縦結合又は側面結合され、上記第２の能動的導波路が上記第２の入出力導波路の一部の表面を被覆又は第２の入出力導波路の一部の側面に位置し、上記第２の能動的導波路が上記第２の入出力導波路の一端に設置され、上記第２の入出力導波路の他端に第２の吸収体が集積され、迷光や後方反射ノイズを解消することが好ましい。
１つの実施例において、上記第２の能動的導波路及び／又は上記第２の入出力導波路の端面に残留反射光を低減させるための反射防止膜が蒸着され、及び／又は上記ゲイン導波路、上記第１の能動的導波路、上記第２の能動的導波路が材料成長又はウェハボンディング方式によって対応する第１の入出力導波路、受動的ループ導波路、第２の入出力導波路とモノリシック集積又はオンチップ集積される。
１つの実施例において、上記ゲイン導波路、上記第１の入出力導波路、上記受動的ループ導波路、上記第１の能動的導波路、上記第２の入出力導波路及び上記第２の能動的導波路が基板上に設置され、かつ上記ゲイン導波路、上記第１の入出力導波路、上記受動的ループ導波路、上記第１の能動的導波路、上記第２の入出力導波路及び上記第２の能動的導波路の材料は上記基板の材料に対応する半導体又は誘電体材料から選ばれたものである。上記基板の材料はＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳＯＩ又はＧａＮから選ばれたものであることが好ましい。
１つの実施例において、上記ゲイン導波路及び／又は上記第１の入出力導波路の端面にミラー損失を低減させるための高反射膜が蒸着され、及び／又は上記受動的ループ導波路、上記第１の入出力導波路、上記及び第２の入出力導波路が同一材料で構成され同一の基板上に形成され、及び／又は上記第２の入出力導波路の一部に上記第２の能動的導波路に対応する第２の格子がさらに定義される。
従来の技術に比べて、本発明の狭線幅の半導体レーザ装置はゲイン領域と導波路領域との突合せ結合損失がなく構造が簡単であり、且つ一体成形の半導体プロセスによって、突合せ損失による狭線幅の制限がなくなり、デバイスのコストが低く、安定性や信頼性がより高く、線幅がより狭く、過酷な環境下における耐久性がより高く、さらに、本発明のレーザ装置では、損失補償リング外部共振器の設計によって、リング外部共振器の臨界結合状態での動作が可能になり、該レーザ装置によればより狭い線幅、より高いサイドモード抑圧比が得られる。
以下、本発明の実施例又は従来技術における技術手段をより明らかに説明するために、実施例又は従来技術の説明に必要の図面を簡単に説明するが、以下説明する図面は本発明の幾つかの実施例であることに過ぎず、当業者にとって、創造性労働をせずにこれらの図面に基づいて他の図面を得ることが可能であることは言うまでもない。
本発明の具体的な実施例における狭線幅の半導体レーザ装置の構造を示す平面図である。 本発明の具体的な実施例における狭線幅の半導体レーザ装置の材料構造を示す模式図である。 本発明の具体的な実施例における狭線幅の半導体レーザ装置の立体構造を示す模式図である。 本発明の具体的な実施例における第１回のリソグラフィ後の入出力導波路とリング共振器の構造を示す模式図である。 本発明の具体的な実施例における第２回のリソグラフィ後の入出力導波路、リング共振器、半導体光増幅器、吸収体の構造を示す模式図である。 モノリシック集積された狭線幅の半導体レーザ装置の線幅、第１の能動的導波路の長さとキャリア注入濃度の変化関係を示すグラフである。 リング共振器における第１の能動的導波路の長さ及びキャリア注入濃度に対するモノリシック集積された狭線幅の半導体レーザ装置のサイドモード抑圧比の変化関係を示すグラフである。 ループ内ゲインに対する結合係数が異なるループ導波路-外部共振器型半導体レーザ装置の線幅、サイドモード抑圧比の変化関係を示す図である。 ループ内ゲインに対する結合係数が異なるループ導波路-外部共振器型半導体レーザ装置の線幅、サイドモード抑圧比の変化関係を示す図である。
以下、本発明の実施例の図面を参照して、本発明の実施例の技術手段を詳しく説明するが、説明する実施例は本発明の一部の実施例であることに過ぎず、全ての実施例ではないことはいうまでもない。本発明の実施例に基づいて、当業者は創造的な労働をせずに得られた全ての他の実施例も、本発明の保護範囲に含まれる。
図１〜図３に示すように、本発明の実施例では、狭線幅のレーザ装置を開示し、該レーザ装置は例えばモノリシック集積されて、受動的ループ導波路１と、第１の受動的入出力導波路２と、ゲイン波長選択ユニットと第２の受動的入出力導波路５とを含む。
その内に、第１の入出力導波路２は例えば上記受動的ループ導波路１側面と結合され、ゲイン波長選択ユニットはレーザ装置全体に対するゲインを供給し、且つ第１の入出力導波路２へ結合された特定波長の光波にゲインを供給してから、さらにこれらの光波を上記受動的ループ導波路１へ結合させるように設置され、第２の入出力導波路５は例えば受動的ループ導波路１側面と結合され、レーザ装置からレーザ光を出力するために用いられる。本実施例において、受動的ループ導波路１はそれぞれ第１の入出力導波路２及び第２の入出力導波路５に疎結合されそのクオリティファクタを向上させ、光学長さを延長させ、レーザ光の線幅を狭くさせる。
１つの実施例において、ゲイン波長選択ユニットはレーザ装置にゲインを供給するためのゲイン導波路３を含み、具体的に、該ゲイン導波路３は第１の入出力導波路２と結合されゲインスペクトルを供給し、または該ゲイン導波路３と第１の入出力導波路２との結合過程中にレーザの波長選択を実現し、最終的に選択波長のレーザ光のみが第１の入出力導波路２を伝搬する。
１つの実施例において、ゲイン波長選択ユニットはさらに第１の入出力導波路とともにより高い精度で波長選択を行う第１の格子９１を含み、波長選択機能をさらに改善する。
上記の実施例において、ゲイン導波路３と第１の入出力導波路２との結合、及び第１の格子９１の設置によって、例えばシングルモードのレーザ装置の機能配置を実現することができる。
１つの実施例において、レーザ装置はさらに受動的ループ導波路１と結合され集積化される第１の能動的導波路４を含み、該第１の能動的導波路４は受動的ループ導波路１のミラー損失を補償し、そのクオリティファクタを向上させることに用いられる。
第１の能動的導波路４は受動的ループ導波路１に埋め込まれて、受動的ループ導波路１と縦結合されリング共振器の損失を補償してもよい。その内に、第１の能動的導波路４が垂直に上記受動的ループ導波路１の少なくとも一部の上表面を被覆し、該能動的導波路４によって受動的リング共振器が高いクオリティファクタを得るように光波の受動的ループ導波路１を伝搬する時の転送損失を補償し、効果的にレーザ装置の線幅を狭くさせ、第２の入出力導波路５で結合された光波の狭線幅改善効果を確保する。
受動的ループ導波路１の数が１つであってもよく、２つ以上であってもよく、受動的ループ導波路１ごとに１つ又は複数の第１の能動的導波路４が設置され、例えば１つ又は複数の第１の能動的導波路が縦結合される。
上記レーザ装置において、光波が結合によって第１の入出力導波路２から受動的ループ導波路１に取り込まれて、そして第２の入出力導波路５から結合によって取り出される。
第１の入出力導波路２と第２の入出力導波路５はそれぞれ受動的ループ導波路１の両側に位置することが好ましく、第１の入出力導波路２と第２の入出力導波路５とが平行へ設置されることがより好ましい。ある実施態様において、第１の入出力導波路２の長さは第２の入出力導波路５と同一でもよい。
該技術手段によれば、第１の入出力導波路２を伝搬する特定波長の範囲の光が第１の入出力導波路２と受動的ループ導波路１との結合位置に到達した場合に、疎結合されて、一部の光が結合によって受動的ループ導波路１内に取り込まれて、受動的ループ導波路１の高いクオリティファクタにより効果的に光路長を延長させ、レーザのスペクトル線幅を大幅に狭くさせて、第２の入出力導波路５から出力させることによって、狭い線幅の出力を得る。
ゲイン導波路３は第１の入出力導波路２と縦結合又は側面結合されてもよい。１つの実施例において、ゲイン導波路３は第１の入出力導波路２の一部の表面を被覆しそれと縦結合され、且つ上記ゲイン導波路３が上記第１の入出力導波路２の一端に形成されることが好ましい。
第１の入出力導波路２の他端に迷光や後方反射ノイズを解消する第１の吸収体６が集積される。該第１の吸収器６は後方反射ノイズを吸収するように第１の入出力導波路２の出力後方端に集積される。
１つの実施例において、レーザ装置はさらに第２の能動的導波路７を含み、該第２の能動的導波路７と第２の入出力導波路５との結合によって光増幅器を形成し、第２の入出力導波路５の出力レーザ光を結合増幅することによって電力やレーザ装置の線幅のさらなる狭窄化を向上させる。具体的には、第２の能動的導波路７は第２の入出力導波路５と縦結合又は側面結合されてもよい。１つの実施例において、第２の能動的導波路７は上記第２の入出力導波路５の一部の表面を被覆しそれと縦結合される。上記第２の能動的導波路７が上記第２の入出力導波路５の一端に形成されることが好ましい。
第２の入出力導波路５の他端に迷光や後方反射ノイズを解消するための第２の吸収体８が形成される。該第２の吸収体８が後方反射ノイズを吸収するように第２の入出力導波路５の出力後方端に集積される。
尚、本実施例において、第２の能動的導波路７及びゲイン導波路３がともに受動的ループ導波路１の同一側に位置する必要があることに応じて、第１の吸収体６及び第２の吸収体８も共に受動的ループ導波路１の対応の他方側に位置する。
１つの実施例において、ゲイン導波路３及び／又は第１の入出力導波路２の端面にミラー損失を低減させるための高反射膜が蒸着され、第２の能動的導波路７及び／又は第２の入出力導波路５の端面に残留反射光を低減させるための反射防止膜が蒸着されることによって、レーザ装置の線幅等の動的性能に対する影響をさらに低減させる。
１つの実施例において、第２の入出力導波路５上に第２の能動的導波路７が一層出力光を増幅し、出力電力を向上させて線幅を一層狭くさせるように、第２の能動的導波路７に対応する第２の格子９２がさらに設置されてもよい。
１つの実施例において、ゲイン導波路３、第１の能動的導波路４又は第２の能動的導波路７は順次に積層される離隔層１０４、能動的ゲイン層１０５、被覆層１０６及び接触層１０７を含む。
上記離隔層１０４の材質はＩｎＰ、上記能動的ゲイン層１０５の材質はＩｎＧａ（Ａｌ）Ａｓ（Ｐ）/ＩｎＧａ（Ａｌ）Ａｓ（Ｐ）量子井戸又はバルク材料、上記被覆層１０６の材質はＩｎＰ、上記接触層１０７の材質はＩｎＧａＡｓであることが好ましい。
さらに、上記受動的ループ導波路１、第１の入出力導波路２及び第２の入出力導波路５は同一の材料で構成され且つ同一の基板１０１上に集積され、該基板１０１の表面に順次にバッファー層１０２、受動的導波路層１０３が形成されてもよい。
基板１０１の材料はＳｉ、ＳＯＩ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、又はＧａＮから選ばれたものであり、ゲイン導波路３、第１の入出力導波路２、受動的ループ導波路１、第１の能動的導波路４、第２の入出力導波路５、及び第２の能動的導波路７の材料はその形成された基板１０１の基板材料に対応する体系の半導体又は誘電体材料から選ばれたものであり、例えば、基板材料がＳｉ（ＳＯＩ基板）である場合に、その上の各導波路層がＳｉＮ又はＳｉ材料で構成され、基板材料がＧａＮである場合に、その上の各導波路層がＩｎＧａＮ材料で構成され、基板材料がＩｎＰである場合に、その上の各導波路層がＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓ材料で構成されても良い。以上に示された基板材料及び対応の導波路層材料の組み合わせはただ例示的なもので、ここに限定されるものではない。
受動的ループ導波路１、第１の入出力導波路２及び第２の入出力導波路５の材質はＩｎＧａＡｓ（Ｐ）であることが好ましい。
本発明において、ゲイン導波路、第２の能動的導波路と入出力導波路との結合が平面結合であってもよく、縦結合であってもよく、突合せ結合であってもよく、上記区域によって入出力した光にゲイン（又は吸収）を与え、且つレーザ装置の要求を満足すればよい。上記のレーザ装置はオンチップ集積構造又はモノリシック集積構造であってもよく、かつ集積構造によってレーザ装置の各部構造の適合な材質を対応して選択すればよい。
以下縦結合を例にして上記狭線幅の半導体レーザ装置の構造の製造流れを説明する。
（１）基板上に順次にバッファー層、能動的縦結合構造、表面被覆層及び接触層を成長させる。
基板上バッファー層、能動的縦結合構造、表面被覆層及び接触層を成長させ、材料成長技術及び選択された能動的縦結合構造体系に基づいて基板及び成長に対応するバッファー層を選択すればよく、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰひいてはＧａＮ基板であってもよく、上面の構造が高い結晶品質を得るようにバッファー層を形成し、ただし、能動的縦結合構造にはゲインを供給するための能動層、中間離隔層及び信号転送を供給するための受動的導波路層を含み、選択された材料体系によって具体的な材料成分、厚さやドープ具合を選択すればよい（例えば、能動領域が波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層、離隔層がＩｎＰ層、受動的導波路層が波長１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ層であり、エバネッセント波結合を満足するように厚さを設定すればよい）。
（２）該成長した構造の表面にリング共振器、入出力結合導波路、ゲイン領域と出力増幅領域及び吸収領域をリソグラフィによって形成する。
該成長した構造の表面にリング共振器と入出力結合導波路、ゲイン領域、出力増幅領域及び吸収領域をリソグラフィによって形成し、ただし、リソグラフィ方式は、条件を満足するリング共振器及び入出力導波路のパターンを形成するように、通常の紫外線リソグラフィ、電子ビーム露光、プロジェクションリソグラフィであっても良く、複数の方式を含んでも良い。リング共振器のパターンが円形、トラック形、矩形又は他の任意の閉導波路パターンであってもよく、入出力導波路が直線導波路、曲線導波路等であってもよい。リング共振器の数が１つであってもよく複数であってもよく、デバイスの指標要求を満足すればよい。
（３）リソグラフィパターンをＩＩＩ-Ｖ半導体へ転写させ、能動的縦結合構造に基づくリング共振器、入出力導波路、ゲイン領域と出力増幅領域及び吸収領域を取得する。
リソグラフィパターンをＩＩＩ-Ｖ半導体へ転写させ、能動的縦結合構造に基づくリング共振器、入出力導波路及びゲイン領域を取得する。ただし、転写方式はドライエッチング、ウェットエッチングの一方又は両方であってもよい。エッチング深さはリング共振器、結合導波路、ゲイン領域等の要求に基づいて設定すればよい。エッチング粗さは特定の用途に基づいて設定すれば良い。
第１回のリソグラフィ後に、入出力導波路とリング共振器の構造模式図が図４ａに示される。
（４）図４ｂに示すように、形成された導波路構造上に第二回のリソグラフィをすることによって、入出力導波路領域及び受動的リング共振器領域を露出させる。
（５）上記露出領域の接触層、表面被覆層及び能動的ゲイン層に対してエッチングを行い、対応する受動的導波路領域と異なる領域のゲイン領域及び吸収領域を形成する。
エッチング技術によって上記露出領域の接触層、表面被覆層及び能動的ゲイン層並びに一部の中間離隔層を除去させ、受動的導波路領域を形成する。ただし、エッチング方式はドライエッチング、ウェットエッチングの一方又は両方であっても良く、エッチング深さが能動的ゲイン層及その以上の一部を完全に除去することが可能であるように受動的導波路のモード要求に基づいて設定すればよい。
（６）半導体光電子デバイスの通常プロセスに従い、導波路領域をパッシベーションさせ、電極窓を開設させて、Ｐ面電極及びＮ面電極に蒸着を施す。
半導体光電子デバイスの通常プロセスに従い、導波路領域をパッシベーションさせ、電極窓を開設させて、Ｐ面電極及びＮ面電極に蒸着を施す。ただし、電極窓を開設する場合に、ループ内に埋め込まれた能動的縦結合構造、入出力端のゲインを供給するための能動的縦結合構造を含めて電極に対して蒸着して電極窓を開設する必要があるが、出力後方端の能動的縦結合構造については電極窓を開設する必要がなく、Ｐ面電極及びＮ面電極に対して蒸着を行う。ただし、Ｐ型電極及びＮ型電極が基板の同一側に位置して面一電極を形成してもよいが、基板の異なる側に位置して両面電極を形成してもよい。
（７）最後に、図３を参照して、劈開、圧着を行い該モノリシック集積狭線幅の半導体レーザ装置を製造する。
図５ａはモノリシック集積狭線幅の半導体レーザ装置線幅と第１の能動的導波路の長さ及びキャリア注入濃度の変化関係を示すグラフであり、図５ｂは第１の能動的導波路の長さ及びキャリア注入濃度に対するモノリシック集積狭線幅の半導体レーザ装置サイドモード抑圧比の変化関係を示すグラフである。
図からわかるように、第１の能動的導波路の長さの増加及びその上のキャリア注入濃度の増加に従い、モノリシック集積レーザ装置の線幅がサブＫＨｚオーダーさえまで益々小さくなり、サイドモード抑圧比が６０ｄＢまで益々増加し、十分にレーザ装置の現在のコヒーレント通信や検出要求に満たし、この分野での理想的な光源である。
図６ａ、図６ｂはそれぞれループ内の損失補償領域ゲインに対する該損失補償型ループ導波路レーザ装置の線幅とサイドモード抑圧比の変化形態を示し、図からわかるように、そのループ内の損失補償構造によれば、結合係数を問わず臨界結合状態を得て、該動作領域の付近に、レーザ装置が極狭い線幅及び極高いサイドモード抑圧比を得ることができる。
本発明の狭線幅の半導体レーザ装置によれば、能動的結合構造をリング共振器補償ループ内の損失に応用し、該構造の能動領域によってレーザ装置全体にゲインを供給することができるだけでなく、該構造をリング共振器へ埋め込み、ループ内の損失を補償し、リング共振器の光路長を十分に延長させ、線幅を狭くさせることができる。
ＤＦＢ（又はＤＢＲ）レーザ装置に対して、本発明が提供したレーザ装置は外部共振器型半導体レーザ装置に属し、より狭い線幅及びより高い安定信頼性を得ることができ、他の導波路外部共振器型半導体レーザ装置に対して、該レーザ装置はモノリシック集積構造又はオンチップ集積構造であり、１つの実施例において、特に該モノリシック集積構造に基づいて以下のような利点を得ることができる。
１、完全に外部共振器とゲイン領域間の突合せ結合損失を解消し、効果的に閾値を低減して線幅を狭くさせることができる。
２、材質が同一から熱的や機械性能が一致であるので、デバイスの安定信頼性が高く、過酷な環境下における耐久性が高い。
３、一括の設計や製造によってデバイスの一致性が良く、コストが低い。
以上のように、本発明によれば、狭線幅のレーザ装置に世界初めにゲイン補償損失の結合構造を採用することによって、ループ内の損失を補償し、このように効果的に線幅を狭くさせ、狭線幅の半導体レーザ装置を実現することができると共に、このようなウィークカップリングループ形共振器レーザ装置の低い出力電力や大きい後方反射ノイズという特点に対して、出力端に半導体光学増幅器を集積させレーザ光を増幅することによって、出力電力を向上させ、かつ線幅をより狭くさせ、同時に出力後方端に吸収体を集積させ後方反射ノイズを吸収することによって、さらにデバイスの性能を向上させ、かつゲイン領域と導波路領域間の突合せ結合損失がなく一体的に半導体を成形するプロセスによって、デバイスのコストが低く、安定性や信頼性がより高く、突合せ結合による狭線幅の制限がなくなり、過酷な環境下における耐久性が高い。
尚、本明細書において、例えば第１、第２などの関係用語はただ１つの部品又は操作ともう１つの部品又は操作を区別するために用いられ、必ずこれらの部品又は操作の間に何らか実際の関係又は手順があることが意図や示唆されない。さらに、「備える」、「含む」の用語は非排他的であり、一連の要素の過程、方法、物品又は機器は説明した要素、説明していない他の要素、又はこれらの過程、方法、物品又は機器が固有する要素も含む。特別に限定しない限り、「１つの……を含む」要素とは、上記要素の過程、方法、物品又は機器に他の同一要素を含むことも意味している。
以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、当業者にとって、本発明の原理を逸脱しない限り様々な改善や変更を加えることができ、かつこれらの改善や変更も本発明の保護範囲に含まれることは言うまでもない。
（付記）
（付記１）
受動的ループ導波路と、
前記受動的ループ導波路と結合される受動的な第１の入出力導波路と、
レーザ装置全体に対するゲインを供給し、且つ所定の波長の光波を選択して前記受動的ループ導波路に結合させるように設置されるゲイン波長選択ユニットと、
前記受動的ループ導波路と結合され、レーザ装置からレーザ光を出力するための受動的な第２の入出力導波路と、を含むことを特徴とする狭線幅のレーザ装置。
（付記２）
前記ゲイン波長選択ユニットはレーザ装置に対するゲインを供給するためのゲイン導波路を含み、前記ゲイン導波路と前記第１の入出力導波路との結合によって波長選択を行うことを特徴とする付記１に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記３）
前記ゲイン波長選択ユニットは前記第１の入出力導波路とともに波長選択に用いられる第１の格子を含むことを特徴とする付記１又は２に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記４）
前記ゲイン導波路は前記第１の入出力導波路と縦結合又は側面結合され、前記ゲイン導波路が前記第１の入出力導波路の一部の上表面を被覆又は第１の入出力導波路の側面に位置することを特徴とする付記２に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記５）
前記ゲイン導波路が前記第１の入出力導波路の一端に設置されることを特徴とする付記２に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記６）
前記第１の入出力導波路の他端に第１の吸収体が集積され、迷光及び後方反射ノイズを解消することを特徴とする付記５に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記７）
前記レーザ装置は前記受動的ループ導波路と結合され集積化される第１の能動的導波路を含み、前記第１の能動的導波路が前記受動的ループ導波路のミラー損失を補償するために用いられることを特徴とする付記２に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記８）
前記第１の能動的導波路と前記受動的ループ導波路とは縦結合又は側面結合されることを特徴とする付記７に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記９）
前記第１の能動的導波路が垂直に前記受動的ループ導波路の少なくとも一部の上表面を被覆する又は前記受動的ループ導波路と隣接して位置することを特徴とする付記７に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記１０）
前記レーザ装置はさらに第２の能動的導波路を含み、前記第２の能動的導波路と前記第２の入出力導波路との結合によって光増幅器が形成され、結合により前記第２の入出力導波路の出力レーザ光を増幅し電力向上及び狭線幅を実現することを特徴とする付記５に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記１１）
前記第２の能動的導波路は第２の入出力導波路と縦結合又は側面結合されることを特徴とする付記１０に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記１２）
前記第２の能動的導波路は前記第２の入出力導波路の一部の上表面を被覆又は第２の入出力導波路の側面に位置することを特徴とする付記１０に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記１３）
前記第２の能動的導波路が前記第２の入出力導波路の一端に設置されることを特徴とする付記１０に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記１４）
前記第２の入出力導波路の他端に第２の吸収体が集積され、迷光や後方反射ノイズを解消することを特徴とする付記１３に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記１５）
前記第２の能動的導波路及び／又は前記第２の入出力導波路の端面に残留反射光を低減させるための反射防止膜が蒸着されることを特徴とする付記１１に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記１６）
前記ゲイン導波路、前記第１の能動的導波路、前記第２の能動的導波路は材料成長又はウェハボンディング方式によって対応する前記第１の入出力導波路、前記受動的ループ導波路、前記第２の入出力導波路とモノリシック集積又はオンチップ集積されることを特徴とする付記１１に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記１７）
前記ゲイン導波路、前記第１の入出力導波路、前記受動的ループ導波路、前記第１の能動的導波路、前記第２の入出力導波路及び前記第２の能動的導波路が基板上に設置され、且つ前記ゲイン導波路、前記第１の入出力導波路、前記受動的ループ導波路、前記第１の能動的導波路、前記第２の入出力導波路及び前記第２の能動的導波路の材料は前記基板の材料に対応する半導体又は誘電体材料から選ばれたものであることを特徴とする付記１０に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記１８）
前記ゲイン導波路及び／又は前記第１の入出力導波路の端面にミラー損失を低減させるための高反射膜が蒸着されることを特徴とする付記２に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記１９）
前記受動的ループ導波路、前記第１の入出力導波路、及び前記第２の入出力導波路は同一材料で構成され基板上に形成されることを特徴とする付記２に記載の狭線幅のレーザ装置。
（付記２０）
前記第２の入出力導波路の一部に前記第２の能動的導波路に対応する第２の格子が更に定義されることを特徴とする付記２に記載の狭線幅のレーザ装置。

Claims (20)

  1. 受動的ループ導波路と、
    前記受動的ループ導波路と結合される受動的な第１の入出力導波路と、
    レーザ装置全体に対するゲインを供給し、且つ所定の波長の光波を選択して前記受動的ループ導波路に結合させるように設置されるゲイン波長選択ユニットと、
    前記受動的ループ導波路と結合され、レーザ装置からレーザ光を出力するための受動的な第２の入出力導波路と、を含むことを特徴とする狭線幅のレーザ装置。
  2. 前記ゲイン波長選択ユニットはレーザ装置に対するゲインを供給するためのゲイン導波路を含み、前記ゲイン導波路と前記第１の入出力導波路との結合によって波長選択を行うことを特徴とする請求項１に記載の狭線幅のレーザ装置。
  3. 前記ゲイン波長選択ユニットは前記第１の入出力導波路とともに波長選択に用いられる第１の格子を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の狭線幅のレーザ装置。
  4. 前記ゲイン導波路は前記第１の入出力導波路と縦結合又は側面結合され、前記ゲイン導波路が前記第１の入出力導波路の一部の上表面を被覆又は第１の入出力導波路の側面に位置することを特徴とする請求項２に記載の狭線幅のレーザ装置。
  5. 前記ゲイン導波路が前記第１の入出力導波路の一端に設置されることを特徴とする請求項２に記載の狭線幅のレーザ装置。
  6. 前記第１の入出力導波路の他端に第１の吸収体が集積され、迷光及び後方反射ノイズを解消することを特徴とする請求項５に記載の狭線幅のレーザ装置。
  7. 前記レーザ装置は前記受動的ループ導波路と結合され集積化される第１の能動的導波路を含み、前記第１の能動的導波路が前記受動的ループ導波路のミラー損失を補償するために用いられることを特徴とする請求項２に記載の狭線幅のレーザ装置。
  8. 前記第１の能動的導波路と前記受動的ループ導波路とは縦結合又は側面結合されることを特徴とする請求項７に記載の狭線幅のレーザ装置。
  9. 前記第１の能動的導波路が垂直に前記受動的ループ導波路の少なくとも一部の上表面を被覆する又は前記受動的ループ導波路と隣接して位置することを特徴とする請求項７に記載の狭線幅のレーザ装置。
  10. 前記レーザ装置はさらに第２の能動的導波路を含み、前記第２の能動的導波路と前記第２の入出力導波路との結合によって光増幅器が形成され、結合により前記第２の入出力導波路の出力レーザ光を増幅し電力向上及び狭線幅を実現することを特徴とする請求項５に記載の狭線幅のレーザ装置。
  11. 前記第２の能動的導波路は第２の入出力導波路と縦結合又は側面結合されることを特徴とする請求項１０に記載の狭線幅のレーザ装置。
  12. 前記第２の能動的導波路は前記第２の入出力導波路の一部の上表面を被覆又は第２の入出力導波路の側面に位置することを特徴とする請求項１０に記載の狭線幅のレーザ装置。
  13. 前記第２の能動的導波路が前記第２の入出力導波路の一端に設置されることを特徴とする請求項１０に記載の狭線幅のレーザ装置。
  14. 前記第２の入出力導波路の他端に第２の吸収体が集積され、迷光や後方反射ノイズを解消することを特徴とする請求項１３に記載の狭線幅のレーザ装置。
  15. 前記第２の能動的導波路及び／又は前記第２の入出力導波路の端面に残留反射光を低減させるための反射防止膜が蒸着されることを特徴とする請求項１１に記載の狭線幅のレーザ装置。
  16. 前記ゲイン導波路、前記第１の能動的導波路、前記第２の能動的導波路は材料成長又はウェハボンディング方式によって対応する前記第１の入出力導波路、前記受動的ループ導波路、前記第２の入出力導波路とモノリシック集積又はオンチップ集積されることを特徴とする請求項１１に記載の狭線幅のレーザ装置。
  17. 前記ゲイン導波路、前記第１の入出力導波路、前記受動的ループ導波路、前記第１の能動的導波路、前記第２の入出力導波路及び前記第２の能動的導波路が基板上に設置され、且つ前記ゲイン導波路、前記第１の入出力導波路、前記受動的ループ導波路、前記第１の能動的導波路、前記第２の入出力導波路及び前記第２の能動的導波路の材料は前記基板の材料に対応する半導体又は誘電体材料から選ばれたものであることを特徴とする請求項１０に記載の狭線幅のレーザ装置。
  18. 前記ゲイン導波路及び／又は前記第１の入出力導波路の端面にミラー損失を低減させるための高反射膜が蒸着されることを特徴とする請求項２に記載の狭線幅のレーザ装置。
  19. 前記受動的ループ導波路、前記第１の入出力導波路、及び前記第２の入出力導波路は同一材料で構成され基板上に形成されることを特徴とする請求項２に記載の狭線幅のレーザ装置。
  20. 前記第２の入出力導波路の一部に前記第２の能動的導波路に対応する第２の格子が更に定義されることを特徴とする請求項２に記載の狭線幅のレーザ装置。
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