JP2020076991A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】光フェーズドアレイの製造を改善した光デバイスを提供する。【解決手段】光デバイスは、基準レーザからのコヒーレント光が受信される期間中にコヒーレント光を出力する複数の第１の光学コンポーネントと、第１の光学コンポーネントに光学的に結合され、光強度変調を行う複数の第２の光学コンポーネントと、位相シフトを適用するために位相制御信号を第１の光学コンポーネントに印加する第１のコントローラと、コヒーレント光が受信される期間中に光パルスが出力されるように、パルス制御信号を第２の光学コンポーネントに印加する第２のコントローラと、を備え、基準レーザ、第１の光学コンポーネント、及び第２の光学コンポーネントは、半導体基板の表面に平行な平面において半導体基板上に横方向に集積される。【選択図】図１（ａ）

Description

本明細書に記載の実施形態は、光デバイス、光デバイスを動作させる方法、及び光デバイスを製造する方法に関する。

光フェーズドアレイ（optical phased arrays）は、放射された光ビームの方向を操作するために、２次元表面から放射された光の位相の制御を使用する。光フェーズドアレイは、様々な用途、例えばＬＩＤＡＲ（光検出と測距（Light Detection and Ranging））に有用である。

光フェーズドアレイは、例えば量子鍵配送（ＱＫＤ）にも有用である。ＱＫＤは、２つの当事者、すなわち、しばしば「アリス」と呼ばれる送信機と、しばしば「ボブ」と呼ばれる受信機との間での暗号鍵の共有をもたらす技法である。この技法の魅力は、しばしば「イブ」と呼ばれる不正な盗聴者に鍵の任意の部分が知られることが可能であるかどうかのテストを提供することである。量子鍵配送の多くの形態において、アリスとボブは、ビット値を符号化するための２つ以上の非直交基底を使用する。量子力学の法則は、各々の符号化基底の事前知識なしのイブによる光子の測定が、光子のうちのいくつかの状態に不可避の変更を引き起こすことを要請する。光子の状態に対するこれらの変更は、アリスとボブとの間で送られるビット値にエラーを生じさせる。したがって、それらの共通のビット列の一部を比較することによって、アリスとボブは、イブが情報を得たかどうかを決定することができる。

光フェーズドアレイの製造を改善することが引き続き必要とされている。さらに、光フェーズドアレイの信頼性及びコンパクト性を改善することが引き続き必要とされている。

以下、添付の図面を参照して非限定的例によるシステム及び方法を説明する。
図１（ａ）は、集積チップ上の複数のコヒーレント光パルスを生成するための光アレイと、チップから遠方場に光を放射するためのエミッタアレイと、を備える光デバイスの概略図である。 図１（ｂ）は、３６個の素子を含む光アレイの概略図である。 図２は、位相及び強度が変調されたコヒーレント光パルスを提供するための配置の概略図である。 図３（ａ）は、電流パルスを印加することによる変調レーザにおける入力光パルスの位相変調を示す。 図３（ｂ）は、第１のコントローラにより制御される２つの変調レーザの出力パルス間の位相差を示す。 図３（ｃ）は、変調レーザに印加される電流を示す。 図３（ｄ）は、固定された持続時間であるが異なる振幅のパルスを使用することによって位相シフトを得るように変調レーザに印加される電流を示す。 図３（ｅ）は、異なる持続時間であるが固定された振幅のパルスを使用することによって位相シフトを得るように変調レーザに印加される電流を示す。 図４（ａ）は、第２のコントローラを用いて出力レーザを制御することによる出力光パルスの強度の変調のための配置の概略図である。 図４（ｂ）は、第２のコントローラを用いて出力レーザを制御することによって出力光パルスの放射時間を制御するための配置の概略図である。 図４（ｃ）は、出力レーザに印加される電流を示す。 図４（ｄ）は、いくつかのパルスが省略又は減衰されている、出力レーザに印加される電流を示す。 図４（ｅ）は、図４（ｄ）に示される駆動電流が印加されたときに出力レーザによって出力される光パルスを示す。 図５（ａ）は、利得スイッチレーザの概略図である。 図５（ｂ）は、利得スイッチレーザの駆動電流信号波形（上段）、キャリア密度変動（中段）、及び出力レーザ強度（下段）を示す。 図５（ｃ）は、半導体レーザのための電気駆動回路の概略図である。 図６（ａ）は、並んで配置された２つのリッジレーザのアレイの構造を示す。 図６（ｂ）は、実施形態に係る、モノリシックに集積されたコヒーレント光源の成長及び製造の方法のフローチャートである。 図６（ｃ）は、ＤＦＢレーザを有するデバイスに関して、図６（ｂ）の製造プロセスの選択されたステップの後のデバイスを示す。 図６（ｄ）は、ストライプレーザを有するデバイスに関して、図６（ｂ）の製造プロセスの選択されたステップの後のデバイスを示す。 図７（ａ）は、レーザがＤＢＲレーザである、実施形態に係る光デバイスの構造を示す。 図７（ｂ）は、レーザがＤＦＢレーザである、実施形態に係る光デバイスの構造を示す。 図７（ｃ）は、図７（ａ）及び図７（ｂ）の実施形態に係る光デバイスの構造の断面を示す。 図８は、マスタレーザ、変調レーザ、及び出力レーザがＤＦＢレーザである、実施形態に係る光デバイスの構造を示す。 図９（ａ）は、実施形態に係る、モノリシックに集積されたレーザの成長及び製造の方法のフローチャートである。 図９（ｂ）は、ＤＦＢレーザを有する光デバイスに関して、図９（ａ）のプロセスの選択されたステップの後のデバイスの構造を示す。 図１０は、マスタレーザ、変調レーザ、及び出力レーザがすべてＤＢＲレーザであり、横方向接合し、横方向連結している、実施形態に係る光デバイスの構造を示す。 図１１（ａ）は、接合が横方向接合でありイオンインプランテーションを介して形成される、実施形態に係る、モノリシックに集積されたレーザの成長及び製造の方法のフローチャートである。 図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のプロセスの選択されたステップの後のデバイスの構造を示す。 図１２は、マスタレーザ、変調レーザ、及び出力レーザがすべてＤＢＲレーザであり、横方向接合し、横方向連結しており、イオンインプランテーションを介して製造される、実施形態に係る光デバイスの構造を示す。 図１３は、マスタレーザ、変調レーザ、及び出力レーザがすべてＤＦＢレーザであり、横方向連結しており、各レーザは別個に形成されて共通基板にフリップチップボンディングされる、実施形態に係る光デバイスの構造を示す。 図１４（ａ）は、光アレイにおいて使用される出力結合素子の概略図である。 図１４（ｂ）は、１５５０ｎｍでの動作のために使用される出力結合素子の概略図である。 図１５は、２次元ｍ×ｎアレイに配置されてＭ個の出力レーザに接続された出力結合素子のアレイの概略図である。 図１６（ａ）は、規則的な２次元ｍ×ｎアレイに配置された出力結合素子のアレイの概略図である。 図１６（ｂ）は、ランダムな２次元ｍ×ｎアレイに配置された出力結合素子のアレイの概略図である。 図１７は、光デバイスからの遠方場放射の概略図である。 図１８（ａ）は、隣接する出力ピクセルの相対位相を走査することによってｘ方向に視野にわたって直線的に走査される遠方場照射スポットの位置の概略図を示す。 図１８（ｂ）は、予め定義されたパターンによって視野にわたってランダムに走査される遠方場照射スポットの位置の概略図を示す。 図１８（ｃ）は、ｘ軸方向にわたる遠方場像の強度を示す。 図１８（ｄ）は、距離ｄによって隔てられた２つの隣接した出力結合器、及び建設的干渉の条件の概略図を示す。 図１８（ｅ）は、例えばＬＩＤＡＲシステムにおける走査を制御するために使用され得る動作モードを示す。 図１８（ｆ）は、単一のスポットの代わりにカスタム照射パターンの生成を可能にする、すべてのピクセルについての振幅及び位相制御を示す。 図１８（ｇ）は、アレイにおける個別のピクセルの強度を制御することによって遠方場照射スポットのサイズがどのように変更されるかを示す。 図１９は、従来のＬｉＤＡＲシステムの例の概略図を示す。 図２０は、ソースアレイとエミッタアレイとを備える光デバイスが光のパルスを生成するために使用されるＬｉＤＡＲシステムの概略図を示す。 図２１は、実施形態に係る検出器の概略図を示す。 図２２（ａ）は、ＱＫＤのための光アレイを制御するために使用され得る動作モードを示す。 図２２（ｂ）は、ＱＫＤモードで動作する光アレイを備える例示的なＱＫＤ送信機を示す。 図２２（ｃ）は、ＱＫＤシステムが光アレイと受信機とを備える、実施形態に係るＱＫＤシステムの概略図である。

一例によれば、光デバイスであって、第１の半導体基板と、コヒーレント光を生成するように構成された基準レーザ（reference laser）と、複数の第１の光学コンポーネントであって、基準レーザが複数の第１の光学コンポーネントに光学的に結合され、複数の第１の光学コンポーネントの各々が、基準レーザからのコヒーレント光が受信される期間中にコヒーレント光を出力するように構成される、複数の第１の光学コンポーネントと、光強度変調を行うように構成された複数の第２の光学コンポーネントであって、複数の第１の光学コンポーネントの各々が少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントに光学的に結合される、複数の第２の光学コンポーネントと、を備え、複数の第１の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は位相変調器を備え、複数の第２の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備えるときには、少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントが位相変調器を備えるときには、少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備え、光デバイスは、位相シフトを適用するために位相制御信号を複数の第１の光学コンポーネントに印加するように構成された１つ又は複数の第１のコントローラと、コヒーレント光が受信される期間中に光パルスが出力されるように、パルス制御信号を複数の第２の光学コンポーネントに印加するように構成された１つ又は複数の第２のコントローラであって、複数の第２の光学コンポーネントから放射された光パルス間の相対位相が１つ又は複数の第１のコントローラにより適用された相対位相シフトによって制御される、１つ又は複数の第２のコントローラと、をさらに備え、基準レーザ、複数の第１の光学コンポーネント、及び複数の第２の光学コンポーネントは、半導体基板の表面に平行な平面において半導体基板上に横方向に（laterally）集積される、光デバイスが提供される。

別の例によれば、１つ又は複数の第２のコントローラは、放射された光パルスの強度を変化させるためにパルス制御信号を修正する（modify）ようにさらに構成される。

別の例によれば、第１の半導体基板はＩｎＰを備える。

一例によれば、光デバイスは、複数の第２の光学コンポーネントに光学的に接続された光出力結合器（optical out-couplers）の２次元アレイをさらに備え、光出力結合器は、第１の基板の表面に垂直な成分を有する方向に光を出力するように構成される。

一例では、出力結合器は光学格子領域（optical grating regions）を備える。

一例では、出力結合器は、基板の表面に平行な平面に整列された第１の部分を有し、第１の基板の表面に垂直な方向に整列された第２の部分を形成するように湾曲する導波路を備える。

一例によれば、出力結合器は第１の半導体基板上に集積される。

一例では、出力結合器は第２の半導体基板上に集積される。

一例では、光出力結合器はランダムアレイ（random array）に配置される。

一例では、光出力結合器は規則的アレイ（regular array）に配置される。

一例では、位相制御信号は電気信号を備える。

一例では、放射された光パルスの強度は１ＧＨｚ以上の周波数で変調される。

一例では、デバイスから放射された遠方場光（far-field light）の位置は位相制御信号によって制御される。

別の例では、デバイスから放射された遠方場光パターンのサイズは放射された光パルスの強度を変化させることによって制御される。

一例では、デバイスから放射された遠方場光パターンの形状は位相制御信号によって制御される。

別の例によれば、光デバイスと、物体からの反射光を検出するように構成された検出器ユニットと、検出からの物体の距離を決定するための手段と、を備えるシステムが提供される。

一例では、システムはＬｉＤＡＲシステムである。

別の例によれば、光デバイスを備える量子通信システムが提供される。

別の例によれば、光デバイスを製造する方法であって、
コヒーレント光を生成するように構成された基準レーザと、複数の第１の光学コンポーネントであって、基準レーザが複数の第１の光学コンポーネントに光学的に結合される、複数の第１の光学コンポーネントと、光強度変調を行うように構成された複数の第２の光学コンポーネントであって、複数の第１の光学コンポーネントの各々が少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントに光学的に結合される、複数の第２の光学コンポーネントと、を形成するステップであって、基準レーザ、複数の第１の光学コンポーネント、及び複数の第２の光学コンポーネントは、半導体基板の表面に平行な平面において半導体基板上に横方向に集積される、ステップと、
複数の第１の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は位相変調器を備え、複数の第２の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備えるときには、少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントが位相変調器を備えるときには、少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備える、
第１の電極を第１の光学コンポーネントに電気的に接触させるステップであって、複数の第１の光学コンポーネントの各々が、基準レーザからのコヒーレント光が受信される期間中にコヒーレント光を出力するように構成されるように、位相シフトを適用するために位相制御信号を複数の第１の光学コンポーネントに印加し、前記複数の第１の光学コンポーネントを制御するように構成された１つ又は複数の第１のコントローラに、第１の電極が接続される、ステップと、
第２の電極を第２の光学コンポーネントに電気的に接触させるステップであって、コヒーレント光が受信される期間中に光パルスが出力されるように、パルス制御信号を複数の第２の光学コンポーネントに印加するように構成された１つ又は複数の第２のコントローラに、第２の電極が接続され、複数の第２の光学コンポーネントから放射された光パルス間の相対位相が、１つ又は複数の第１のコントローラにより適用された相対位相シフトによって制御される、ステップと、
を備える方法が提供される。

別の例によれば、光デバイスを動作させる方法であって、
基準レーザにおいてコヒーレント光を生成することと、
コヒーレント光を複数の第１の光学コンポーネントに供給することと、
位相シフトを適用するために位相制御信号を複数の第１の光学コンポーネントに印加することと、
基準レーザからのコヒーレント光が受信される期間中に複数の第１の光学コンポーネントの各々からコヒーレント光を出力することと、
複数の第１の光学コンポーネントの各々からのコヒーレント光を、光強度変調を行うように構成された少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントに供給することと、
コヒーレント光が受信される期間中に光パルスが出力されるように、パルス制御信号を複数の第２の光学コンポーネントに印加することであって、複数の第２の光学コンポーネントから放射された光パルス間の相対位相が、１つ又は複数の第１のコントローラにより適用された相対位相シフトによって制御される、ことと、
を備え、
複数の第１の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は位相変調器を備え、複数の第２の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備えるときには、少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントが位相変調器を備えるときには、少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備え、
基準レーザ、複数の第１の光学コンポーネント、及び複数の第２の光学コンポーネントは、半導体基板の表面に平行な平面において半導体基板上に横方向に集積される、方法が提供される。

さらなる例では、光デバイスを動作させる方法は、位相制御信号を印加することによって、異なる時間期間に放射された２つの光パルスの間の位相に情報を符号化することをさらに備える。

図１（ａ）は、一例に係る光デバイスの概略図である。光デバイスは光アレイ（optical array）１０を備える。光アレイ１０は光フェーズドアレイである。光アレイ１０はソースアレイである。

光アレイ１０は、第１の半導体基板１００を備える。基準レーザ２０は、半導体基板１００上に集積され、コヒーレント光を生成するように構成される。

複数の第１の光学コンポーネント２１は、同様に半導体基板１００上に集積され、基準レーザ２０に光学的に結合される。この例では、第１の光学コンポーネント２１は、変調レーザとも呼ばれる第１のレーザである。複数の第１の光学コンポーネント２１の各々は、後述するように、基準レーザ２０からのコヒーレント光が受信される期間中にコヒーレント光を出力するように構成される。

複数の第２の光学コンポーネント２２もまた半導体基板１００上に集積される。第２の光学コンポーネント２２は光強度変調を行うように構成される。この例では、第２の光学コンポーネントは、出力レーザとも呼ばれる第２のレーザである。複数の第１の光学コンポーネント２１の各々は、対応する第２の光学コンポーネント２２に光学的に結合される。

第１のコントローラ５０は、位相シフトを適用するために位相制御信号を複数の第１の光学コンポーネント２１に印加するように構成される。第２のコントローラ６０は、コヒーレント光が受信される期間中に少なくとも１つの光パルスが放射されるように、パルス制御信号を複数の第２の光学コンポーネント２２に印加するように構成される。

複数の第２の光学コンポーネント２２から放射された光パルス間の相対位相は、第１のコントローラ５０により適用された相対位相シフトによって制御される。基準レーザ２０は、変調レーザを一緒にインジェクションロックして（injection lock）、単一位相基準を提供する。したがって、出力レーザ２２から放射された光の間の位相差は、位相制御素子（第１のコントローラ５０）により適用された位相シフト、及び任意の経路長差のみに依存する。出力レーザ２２から放射された光の間の位相差が第１のコントローラ５０によって決定されるように、（要素間の経路長と、放射のタイミングの変動によりもたらされる任意の位相差とを含む）任意の経路長差が、第１のコントローラ５０により適用される位相シフトで考慮され得る。

基準レーザ２０、複数の第１の光学コンポーネント２１、及び複数の第２の光学コンポーネント２２は、半導体基板の表面に平行な平面において半導体基板１００上に横方向に集積される。光接続は、後述する製造プロセスに関連してさらに詳細に説明するように、チップに集積された光導波路の部分によって形成される。光学コンポーネントは基板と共に平面導波路回路を形成する。アレイは面内集積アレイである。後でより詳細に説明するように、そのようなアレイは、トップダウン製造技法を使用して製造される。光は、面内方向でマスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２の各々から放射される。

アレイは、レーザ及び光相互接続（optical interconnects）が同じ平面内にある、光学的に相互接続されたレーザアレイネットワーク（optically interconnected laser array network）である。基準レーザ２０は、Ｍ個の変調レーザ２１に光学的に接続され、ここで、Ｍは２以上である。各変調レーザ２１は、Ｏ_M個の出力レーザに光学的に接続され、ここで、Ｏ_Mは１以上である。この例では、Ｏ_Mは１に等しいが、変調レーザ２１は代わりに２つ以上の出力レーザ２２に結合されてもよい。すべてのレーザの位相は、後述するように、基準レーザ２０に対してインジェクションロックされる。第１のコントローラ５０を備える位相制御手段は、位相シフトを変調レーザ２１に適用することによって、すべての出力レーザ２２の間の相対位相を設定するように構成される。

図１（ｂ）は、Ｍ＝３６及びＯ_M＝１であるソースアレイ１０の概略図である。この例では、ソースアレイ基板は、１０ｍｍ×２ｍｍのサイズを有する。変調レーザ２１は、約５００μｍ×２００μｍである。一例によれば、ソースアレイ１０とエミッタアレイ１１とを備える光デバイスのサイズは、１０ｍｍ×１０ｍｍである。

（マスタレーザとも呼ばれる）基準レーザ２０は、半導体レーザダイオードである。基準レーザ２０は、コヒーレント光、言い換えれば、一定の相対位相を有する光を生成する。実際には、レーザにより生成される光は完全にコヒーレントではないことは理解されよう。しかしながら、レーザは、生成された光が高レベルのコヒーレンスを有するので、コヒーレント光源であると考えられる。半導体レーザダイオード２０は、生成された光を閉じ込めるように構成された層を備えてよく、例えば、分布帰還型レーザ又はリッジレーザであってよい。レーザの構造及び製造については後でより詳細に説明する。

マスタレーザ２０は利得スイッチ半導体レーザであってよい。図５（ａ）は、利得スイッチ半導体レーザ１４０の概略図を示す。利得スイッチレーザ（gain switched laser）は、レーザがレーザ発振閾値（lasing threshold）より上に切り替えられたときに光を生成し、レーザがレーザ発振閾値より下に切り替えられたときに光をほとんど生成しない。コントローラ１４１は、時間変化する方法で、ポンプパワーの変更によってレーザの利得の変調を制御する。レーザは、電流を印加することによって電気的にポンピングされる。半導体レーザの利得を変調するために、コントローラ１４１は、レーザに印加される電流を変調する。

基準レーザ２０は、時間変動する電流の印加によって、レーザ発振閾値の上と下に周期的に切り替えられ得る。例えば、コントローラ（図示せず）は、電気接続を介して電流を印加することによってマスタレーザ２０の利得を変調するように基準レーザ２０に接続され得る。このようにして、マスタレーザ２０は光パルスを生成する。コントローラ（図示せず）は、マスタレーザ２０がレーザ発振閾値の上に周期的に切り替えられて光パルスを生成するように、時間変化する電流を印加する駆動回路を備える。マスタレーザ２０に印加される電流は、一連の電流変調パルスの形態を有する。マスタレーザ２０は、キャリア密度がレーザ発振閾値より上であるときに光を出力する。

図５（ｂ）は、半導体利得スイッチレーザの利得変調を示す３つのグラフを示す。上段のグラフは、横軸を時間として、縦軸にレーザに印加された電流を示す。ＤＣバイアスが横方向の点線で示される。レーザに印加される電流は、一連の電流変調パルスの形態を有する。波は矩形型波形である。この場合、電流は、電流変調パルスの間に０まで低下されることはなく、（点線によって示される）バイアス値まで低下されるだけである。

電流変調信号がレーザに印加され、レーザの利得をレーザ発振閾値の上と下に周期的に切り替える。第２のグラフは、横軸の時間に対し、縦軸にレーザのキャリア密度を示す。レーザ発振閾値は、破線の横線によって示される。電流変調パルスがレーザに印加されると、注入されるキャリアはキャリア密度を増大し、光子密度が増大する。光子密度の急速な増大は、キャリア密度の減少を引き起こす。次いで、これが光子密度を減少させ、それはキャリア密度を増大させる。電流変調パルスがＤＣバイアスレベルに戻るように切り替わると、レーザ放射が絶える。

変調信号により生成されたレーザ出力が下段のグラフに示されている。横軸を時間として、縦軸はレーザ強度を示す。キャリア密度がレーザ発振閾値より上のとき、レーザが光を出力する。レーザキャビティ内部の自然放射によって生成された光子は、出力信号を生成するために誘導放射によって十分に増幅される。電流変調パルスの印加と出力光の生成との間の遅延の長さは、レーザタイプ、キャビティ長、及びポンピングパワーなどのいくつかのパラメータに依存する。

図５（ｃ）は、半導体利得スイッチレーザダイオード１４５のための電気駆動回路の概略図を示す。レーザダイオード１４５のカソードは、インダクタ１４７と抵抗又はコンデンサ１４８とを備えるバイアスティ１４６に接続される。インダクタ１４７を介して、ＤＣバイアス電流はレーザダイオードに送られる。これは、利得バイアス（図５（ｂ）において点線で示される最小レベルの電流）を提供する。抵抗又はコンデンサ１４８を介して、ＡＣ変調電流はレーザダイオードに送られ、レーザをレーザ発振閾値の上と下に利得切り替えするために必要とされる利得変調を提供する。この場合、バイアスティ１４６への変調入力は、コントローラ１４１によって提供される。

マスタレーザ２０は、長い光パルスを生成する。長いパルスを生成するために、利得バイアスは、レーザ発振閾値に近くなるように選ばれる。これは、キャリア密度がより早くレーザ発振閾値を超えることを意味し、それは、より長い発生する時間を光パルスに与える。最初に、光強度は、オーバーシュートし、すぐにキャリア密度を減少させる。これは次いで、光子密度を減少させ、キャリア密度を増大させ、次いで光強度を増大させる。この競合プロセスは、強く減衰されるパルスの初めの光強度の振動を引き起こし、強度が一定である定常状態をすぐにもたらす。この振動は、緩和振動と呼ばれる。電流パルスが終了して電流を再びバイアス値に切り替えるときに、レーザパルスが終了する。長い光パルスの各々の持続時間は、例えば、２００ｐｓ以上であってよく、又は１００ｐｓ以上であってもよい。

代替的に、マスタレーザ２０は連続波モードで動作させてもよい。連続波モードでは、振幅がレーザ発振閾値より上で定電流信号が印加される。レーザは光を連続的に出力する。

図２は、マスタレーザ２０、第１のレーザ２１、及び第２のレーザ２２の間の例示的な結合を示す。２つの第１のレーザ２１及び２つの第２のレーザ２２のみが例示のために図に示されているが、図１から明らかなように、さらなる第１のレーザ２１及びさらなる第２のレーザ２２が同様に接続されてよい。第１のレーザ２１の各々は変調レーザ２１と呼ばれ、第２のレーザ２２の各々は出力レーザ２２と呼ばれる。

マスタレーザ２０の出力は、各々が変調レーザ２１に結合された複数の導波路に注入される。マスタレーザ２０は、出力導波路に結合される。１つ又は複数の結合器が、出力導波路を、変調レーザ２１に結合された複数の導波路に接続する。結合器は、エバネッセント結合に基づいてよく、ここで、２つの導波路は、両方の導波路に閉じ込められた光場のエバネッセントテールの空間的重なりが存在するように、互いに近くに延び、一方の導波路から他方の導波路への光エネルギーの伝達をもたらす。伝達される光エネルギーの量は、結合器の幾何形状によって設定される。１：Ｍ結合器が使用され、ここで、Ｍは変調レーザ２１の数である。１：Ｍ結合器は、複数の非対称１：２結合器から構成されよい。この例では、図１（ａ）に示されるように、ソースアレイ１０は、直列に接続された複数の非対称１：２結合器を備える。各結合器は、単一の変調レーザ２１に結合された導波路に光の一部を向ける。各結合器における分割比は、同じ量の光が各変調レーザ２１に伝達されるように設定される。直列に結合された非対称スプリッタを使用すると、コンパクトな設計を提供し得る。

代替的に、マスタレーザ２０の出力は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）結合器に接続されている出力導波路に注入される。ＭＭＩ結合器は、１：Ｍ分割をするように構成される。ＭＭＩは、ＭＭＩに入力される光がそれ自体と干渉し、Ｍ個の出力導波路に向けて案内されるように構成され、各出力導波路は同じ量のエネルギーを含む。各出力導波路は、変調レーザ２１に結合される。

代替的に、マスタレーザ２０の出力は、１：Ｎ結合器のカスケードに接続されている出力導波路に注入され、ここで、Ｎ＜Ｍである。カスケードの第１の段では、１：Ｎ結合器が、入力導波路からの光をＮ個の出力導波路に向け、各々が同じ光エネルギーを搬送する。カスケードの第２の段では、第１の段階からの各出力導波路は、１：Ｎ結合器によってさらにＮ個の出力導波路に向けられ、したがって、Ｎ²個の出力が利用可能になる。同様に、少なくともＭ個の出力が利用可能になるように、さらなる段がカスケードに追加され得る。次いで、出力は変調レーザ２１に結合される。

代替的に、マスタレーザ２０の出力は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）結合器のカスケードに接続されている出力導波路に注入される。カスケードは、１：Ｎ結合器について上述したものと同様に動作する。別の例では、各ＭＺＩの電力分割比が、例えばＭＺＩの１つのアームに位相変調器を含めることによって、動的に調整され得る。

変調レーザ２１も半導体レーザダイオードである。変調レーザ２１もコヒーレント光を生成する。変調レーザ２１は、例えば、分布帰還型レーザ又はリッジレーザであってよく、レーザの構造及び製造については後でより詳細に説明する。

変調レーザ２１は、時間変動する電流の印加によって、レーザ発振閾値の上と下に周期的に切り替えられ得る。例えば、第１のコントローラ５０は、電気接続を介して電流を印加することによって各変調レーザ２１の利得を変調するようにそれぞれの変調レーザ２１に接続され得る。このようにして、変調レーザ２１は長い光パルスを生成する。第１のコントローラ５０は、マスタレーザ２０に関連して上述したものと同様に、変調レーザ２１がレーザ発振閾値より上に周期的に切り替えられて長い光パルスを生成するように、時間変化する電流を各変調レーザ２１に印加する駆動回路を備える。長い光パルスの各々の持続時間は、例えば、２００ｐｓ以上であってよく、又は１００ｐｓ以上であってもよい。

第１のコントローラ５０は、変調レーザ２１における電気コンタクトを介して各変調レーザ２１に接続される。後述する製造プロセスに関連して説明するように、垂直又は横方向ｐｎ接合が各変調レーザ２１において形成される。電気信号は、変調レーザ２１を利得切り替えするために、第１のコントローラによって接合を介して印加される。同じ利得切り替え信号が各変調レーザ２１に印加され得る。後でより詳細に説明するように、追加の位相制御信号が利得切り替え信号に加えられ得る。位相制御信号は、レーザ２１の間で変化され得る。

変調レーザ２１からの光は、（レーザシーディング又はコヒーレンスシーディングとも呼ばれる）インジェクションシーディングによって生成される。マスタレーザ２０からの光の注入なしの変調レーザ２１の動作中に、変調レーザ２１がレーザ発振閾値より上に切り替えられると、光パルスが自然放射によって開始される。マスタレーザ２０からのコヒーレント光が変調レーザ２１に注入され、コヒーレント光が注入される時間中に変調レーザ２１がレーザ発振閾値より上に切り替えられると、変調レーザ２１からの光パルスは、マスタレーザ２０から注入されたコヒーレント光により引き起こされる誘導放射によって開始される。これは、コヒーレンスシーディングと呼ばれる。コヒーレンスシーディングが発生するために、注入された光の周波数は、変調レーザ２１の周波数と特定の範囲内で一致しなければならない。一実施形態では、後述するＬｉＤＡＲ適用のために、マスタレーザ２０により供給される光の周波数と変調レーザ２０１の周波数との差は、１．６ＧＨｚ未満である。

コヒーレンスシーディングが発生するとき、変調レーザ２１がレーザ発振閾値より上に切り替えられるたびに、生成された光は、注入されたコヒーレント光に対して固定された位相関係を有する。

したがって、マスタレーザ２０は、上述したように、長いコヒーレント光パルス又は連続波光を放射する。変調レーザ２１は、長いコヒーレント光パルスを放射する。しかしながら、変調レーザ２１により放射される長いコヒーレント光パルスは、マスタレーザ２０により生成されたコヒーレント光が受信される時間期間中に生成される。したがって、変調レーザ２１により生成された長いコヒーレント光パルスは、マスタレーザ２０により生成されたコヒーレント光に対して固定された位相関係を有する。各変調レーザ２１からの光はインジェクションシーディングによって生成されるので、変調レーザ２１の各々から放射された光の間には固定された位相関係が存在する。言い換えれば、ある変調レーザから放射された光と別の変調レーザから放射された光との間の位相差はランダムではなく、変調レーザにおいて適用された位相シフトと任意の経路長差とによって決定される。変調レーザにおいて印加される位相シフトは、印加される位相シフトのみによって位相差が制御されるように、任意の経路長差を考慮することができる。

マスタレーザ２０により生成される長い光パルスは、変化するキャリア密度に関係付けられたレーザキャビティ内の屈折率の変化によって、パルスの前部で周波数チャープを示し得る。したがって、コヒーレンスシーディングに関して、マスタレーザ２０からの光のパルスが使用される場合、レーザが定常状態で放射している、マスタレーザ２０からの長いパルスの中央部分が使用され得る。したがって、長い光パルスは、長い光パルスの中央部分が供給されるときに変調レーザ２１から生成され、パルスの開始部分が供給されるときに生成されない。この場合、マスタレーザ２０により放射される長い光パルスは、変調レーザ２１により放射される長い光パルスよりも長くなり得る。代替的に、上記に説明したように、マスタレーザ２０は連続波光を放射することができる。

マスタレーザ２０は、単一のアパーチャを備えてよい。しかしながら、変調レーザ２１は、マスタレーザ２０からのコヒーレント光が注入される第１のアパーチャ及び第２のアパーチャを備えてもよい。レーザアパーチャは、ミラーを備えることができる。変調レーザ２１は、１つの非常に高反射のミラーと、１つのより低い反射率を有するミラーとを備えてよい。これは、共振器内のほぼすべての光子が、より低反射のミラーを介して出ることを意味する。したがって、コヒーレンスシーディングを引き起こすために、コヒーレント光は、高反射ミラーを介して変調レーザ２１に供給される。高反射ミラーに入射する光の強度は、コヒーレンスシーディングが起きるために十分な光がレーザキャビティに入るのに十分に高くなければならない。次いで、変調レーザ２１において生成されたパルスは、より低い反射率を有するミラーを介して出る。したがって、より高い反射率を有するミラーが（それを通してコヒーレント光３０が供給される）第１のアパーチャであり、より低い反射率を有するミラーが（それを通してコヒーレント光３１が放射される）第２のアパーチャである。代替的な配置も可能であり、それにより、タイミング制御が、単一のアパーチャを通して光が変調レーザ２１に入って変調レーザ２１から出ることを可能にする。

コヒーレンスシーディングが成功するために、変調レーザ２１の光キャビティに入るコヒーレント光３０の部分は、使用されるレーザのタイプに依存する特定の限度内であるべきである。一実施形態では、注入されたコヒーレント光３０の光パワーは、変調レーザ２２の光出力パワーよりも少なくとも１０００倍小さい。一実施形態では、注入されたコヒーレント光の光パワーは、変調レーザ２１の光出力パワーよりも少なくとも１００倍小さい。マスタレーザ２０は、放射される光３０の強度を減少させる固定された光減衰器を備えることができる。代替的に、マスタレーザ２０は、ごくゆっくりと調整される調整可能な光減衰器を備えることができる。生成された光３１の強度は、入力されたコヒーレント光３０の強度に依存する。正しい駆動条件では、コヒーレント光が注入されない場合に光３１は全く生成されない。

第１のコントローラ５０は、位相制御を変調レーザ２１に適用するように構成される。変調レーザ２１からの光出力３１がマスタレーザ２０からの受信された光３０に対して位相シフトされるように、位相シフトが変調レーザ２１に適用される。

図３（ａ）は、位相シフトを適用する例示的な様式の概略図を示す。この図では、変調レーザ２１が連続的に動作している。変調レーザに印加される駆動電流の時間的変化は、マスタレーザ２０から注入された光の位相Φ₀に追加の位相シフトΦ_Mを加える。マスタレーザからの光は、入力パルス３０とも呼ばれる。Φ_Mは、電流が（固定された電流振幅へ）変調される時間τを変化させることによって制御され得る。代替的に、Φ_Mは、例えば（固定された時間期間に）電流振幅を変化させることによって制御され得る。持続時間と振幅の両方が位相シフトを制御するために使用され得る。

変調レーザ２１に適用される相対位相シフトは、第１のコントローラ５０によって設定され、ここで、第１のコントローラ５０は、長いコヒーレント光パルスを生成するために、時間変化する駆動電流を複数の変調レーザに印加するように構成され、さらに、各変調レーザ２１によって印加される位相シフトを設定するために、追加の摂動を電流信号に適用するように構成される。誘発される位相シフトは制御され、すなわち、同じ電流変調又は摂動は、常に同じ位相シフトを引き起こす。マスタレーザ２０から受信される光はコヒーレントであり、変調レーザ２１により出力される光は位相シフトされたコヒーレント光である。変調レーザ２１により出力される光は、位相変調パルス３１（ＰＭパルス）とも呼ばれる。図３（ｂ）に示される例では、変調レーザの前に、各ブランチにおける光パルスは相対位相シフト（ΔΦ＝０）を有しない。変調レーザ１の出力と変調レーザ２の出力との間の位相シフトΔΦ＝Φ_(1,2)は、変調レーザに印加される制御信号によって制御される。

したがって、位相制御信号は、変調レーザ２１に印加される電流を変化させるために、第１のコントローラ５０によって電気コンタクトを介して変調レーザ２１に印加される。位相シフトは、利得スイッチ信号に摂動を適用することによって適用される。適用される摂動の振幅及び持続時間は、生成される位相シフトに影響を与える。摂動は、短い電流パルスであってよい。図３（ｃ）は、長い光パルスを生成するために、第１のコントローラ５０によって変調レーザ２１に印加された電流の形態の例を示す。信号は、一連の矩形型パルスを有し、ここで、パルス間の周期の持続時間はパルスの持続時間よりも短い。信号は、前述したように、バイアスティを介してＡＣ電流をＤＣバイアス電流と組み合わせることによって形成され得る。図３（ｄ）は、固定された持続時間を使用して位相シフトを適用するように修正されときに印加される電流を示す。より小さい電流パルスが、バイアスティのＡＣ入力を介して追加される。第１のコントローラ５０は、変調レーザ２１ごとにより小さい電流パルスを生成する別個の要素を備えてよく、次いで、それは方形パルスＡＣ信号と組み合わされる。組み合わされた信号は、次いでバイアスティのＡＣ入力に入力される。より小さい電流パルスの振幅は、異なる位相シフトを適用するために変更される。図３（ｅ）は、固定された振幅を使用して位相シフトを適用するように修正されときに印加される電流を示す。より小さい電流パルスの持続時間は、異なる位相シフトを適用するために変更される。

代替的に、変調レーザ２１は連続波モードで動作してよい。この場合、適用される位相シフトは、以前に適用された位相シフトも考慮に入れることになる。さらに、基準位相からのドリフトを防止するために、変調レーザ２１はさらに、位相ロックをリセットするために周期的にオンとオフに切り替えられ得る。

変調レーザ２１から放射された光は、マスタレーザ２０から放射された光と固定された位相関係を有するが、経路長差及び／又は放射のタイミングの差により、変調レーザ２１の間で位相オフセットが存在し得る。さらに、変調レーザ２１と出力レーザ２２との間の任意の経路長差と、出力レーザ２２における放射タイミングの差と、（後述する）出力結合素子に対する経路長の差と、によって、さらなる位相オフセットが導入され得る。変調レーザ２１において適用される位相シフト、及び出力レーザ２２において適用されるパルス制御は、所望の位相差を有する（後でさらに詳細に説明する）エミッタアレイ出力結合素子においてパルスが同時に到達するように制御される。これは、変調レーザ２１において位相シフトを適用するときに位相オフセットを考慮することを意味し得る。位相オフセットは、変調レーザ２１において位相が適用されずに、初期較正を実行することによって計算され得る。

各変調レーザ２１からの出力導波路は、出力レーザ２２への入力として結合される。各出力レーザ２２は、変調レーザ２１に接続される。変調レーザ２１からのコヒーレント光３１の長いパルスは、対応する出力レーザ２２に注入される。出力レーザ２２も半導体レーザダイオードである。出力レーザ２２は、例えば、分布帰還型レーザ又はリッジレーザであってよく、レーザの構造及び製造については後でより詳細に説明する。出力レーザ２２は、強度変調器（図示せず）をさらに備え、各出力レーザ２２の出力が強度変調器の入力に注入されるようにしている。強度変調器は、入って来る光パルスの強度を変調する。「オフ」状態では、強度変調器は、光の強度を低いレベルに低下させる。「オン」状態では、強度変調器は、入って来る光のより大きな部分が出ることを可能にする。強度変調器は、変調器、例えば、電界吸収変調器における材料の吸収係数を変更することによって、光の強度を変調することができる。電界吸収変調器は、半導体デバイスであり、デバイスに印加される電圧が吸収係数を変更し、したがってデバイスを通過する光の強度を変更する。別の実施形態では、強度変調器はマッハツェンダ干渉計に基づく。マッハツェンダに基づく強度変調器は、出力強度を変調するために干渉計の２つのアーム間の位相差を変更する。

出力レーザ２２もまた、時間変動する電流の印加によって、レーザ発振閾値の上と下に周期的に切り替えられる。第２のコントローラ６０は、電気接続を介して電流を印加することによって各出力レーザ２２の利得を変調するようにそれぞれの出力レーザ２２に接続され得る。このようにして、出力レーザ２２は短い光パルスを生成する。第２のコントローラ６０は、図５（ａ）から（ｃ）に関連して説明したものと同様に、変調レーザ２２がレーザ発振閾値より上に周期的に切り替えられて短い光パルスを生成するように、時間変化する電流を各出力レーザ２２に印加する駆動回路を備える。この場合、駆動信号は、（持続時間がピコ秒のオーダーの）短いレーザパルスを生成する。電流変調信号がレーザに印加され、レーザの利得をレーザ発振閾値の上と下に周期的に切り替える。電流変調パルスがレーザに印加されると、注入されるキャリアはキャリア密度を増大し、光子密度が増大する。光子密度の急速な増大は、キャリア密度の減少を引き起こす。次いで、これが光子密度を減少させ、それはキャリア密度を増大させる。この時点で、電流変調パルスがＤＣバイアスレベルに戻るように切り替えるためのタイミングが取られ、速やかにレーザ放射が絶える。したがって、レーザ出力は、図５（ｂ）の下段のグラフに示されるように、より短いレーザパルスからなる。

第２のコントローラ６０は、出力レーザ２２における電気コンタクトを介して各出力レーザ２２に接続され、また、やはり電気コンタクトを介して、各出力レーザ２２に関連付けられた強度変調器に接続される。後述する製造プロセスに関連して説明するように、垂直又は横方向ｐｎ接合が各変調レーザ２１において形成される。電気信号は、出力レーザ２２を利得切り替えするために、第２のコントローラ６０によって接合を介して印加される。電気信号は、放射されたパルスの相対強度を調整するために、第２のコントローラ６０によって強度変調器に印加される。一例では、各出力レーザ２２に印加された利得スイッチ信号は、放射されたパルスの相対強度を制御するために使用されることが可能であり、例えば、同じ利得スイッチ信号が、各出力レーザ２２に印加され、放射されたパルスの相対タイミング及び強度を制御するために、各出力レーザ２２について修正され得る。

代替的に、利得スイッチ信号が、第２のコントローラ６０によって各出力レーザ２２に印加され、放射されたパルスの相対タイミング及び強度を制御するために、各出力レーザ２２について修正され得る一方、別個の強度変調信号が、第２のコントローラ６０によって各出力レーザ２２の強度変調器に印加され、放射されたパルスの相対強度を制御するために、各出力レーザ２２の強度変調器について修正され得る。この例では、別個の強度変調信号を各出力レーザ２２の強度変調器に印加することによって、放射されたパルスの相対強度が制御されるとき、ソースアレイ１０の各要素によって放射されたパルスの波長の変化が回避され又は最小限にされ得る。後述するＬｉＤＡＲ及びＱＫＤの用途では、ソースアレイにおける各要素によって放射された光の波長シフトが回避され又は最小限にされ得る。

対応する変調レーザ２１からの光は、第１のアパーチャを通って出力レーザ２２に入る。第２のコントローラ６０は、各出力レーザ２２が、出力レーザ２２にＰＭパルス３１が入射する時間中に少なくとも１回、レーザ発振閾値より上に切り替えられて少なくとも１つの短い光パルス３２を生成するように、時間変化する電流を各出力レーザ２２に印加する。

放射されたパルスのタイミング及び持続時間を制御すると共に、第２のコントローラ６０は、出力レーザ２２から放射されるパルスの強度を制御することもできる。図４（ａ）は、２つの出力レーザ２２からの強度変調（ＩＭ）パルス３２の概略図を示し、ここで、第２のコントローラは、ＩＭパルス３２が異なる強度を有するように、異なるバイアス電流を出力レーザに提供するように構成される。例えば、第２のコントローラは、より低い強度の短い光パルスを生成するために、定義された時間における異なる出力レーザ２２についての時間変化する電流の振幅を減少させる減衰器を備えることができる。減衰器は、特定の出力レーザ２２がパルスを放射しないように、電流信号を完全にブロックすることができる。代替的に、電流パルス源それ自体が、強度が変化し得るパルスのパターンを提供してもよく、例えば、それがパターン生成器を備えてもよい。強度制御は、相対強度の差が出力レーザ２２間で制御されることが可能なように、出力レーザ２２ごとに別個に実行される。

別の例では、時間変化する電流を各出力レーザ２２に印加することによって、放射されるパルスのタイミング及び持続時間を制御すると共に、第２のコントローラ６０は、各出力レーザ２２に接続された強度変調器に強度変調信号を印加することによって、放射されるパルスの強度を制御することもできる。例えば、第２のコントローラ６０は、より低い強度の短い光パルスを生成するために、定義された時間における各出力レーザ２２に接続された各強度変調器についての時間変化する強度変調信号の振幅を減少させる減衰器を備えることができる。強度変調器は、パルスが放射されないように、電流信号を完全にブロックすることができる。代替的に、第２のコントローラ６０が、強度が変化する信号を提供してもよく、例えば、それがパターン生成器を備えてもよい。強度制御は、相対強度の差がソースアレイ１０の出力間で制御されることが可能なように、各出力レーザ２２に関連付けられた各強度変調器について別個に実行される。

第２のコントローラ６０は、短いレーザパルスの強度を変更するために、出力レーザ２２に印加される電流を制御する。第２のコントローラ６０は、振幅を変更し、したがって強度を制御するために、レーザに印加される方形パルスＡＣ信号を修正する各出力レーザ２２に対応する別個の要素を備えることができる。

他の例では、強度制御は、追加的又は代替的に、マスタレーザ２０及び／又は変調レーザ２１の強度を制御することによって実行されてよい。

図４（ｃ）は、短い光パルスを生成するために第２のコントローラ６０によって出力レーザ２２に適用される、規則的な系列の方形状パルスの形式の時間変動する電流を示す。信号は、前述したように、バイアスティを介してＡＣ電流をＤＣバイアス電流と組み合わせることによって形成され得る。図４（ｄ）は、強度制御に対する修正の後の時間変動する電流を示す。次いで、修正された信号はバイアスティのＡＣ入力に入力され、バイアスティの出力電流が出力レーザ２２に印加される。信号は、２つの電気パルスが除かれているように修正されている。特定の出力レーザ２２に印加されたとき、これらの欠落した電気パルスは、それらの時間期間に放射された光パルスを生じない。また、減少された振幅を２つの電気パルスが有するように信号が修正されている。これらの電気パルスが特定の出力レーザ２２に印加されたとき、減少された強度を有するパルスが生成される。図４（ｅ）は、レーザから放射された光パルスを示す。

出力レーザ２２はまた、光が通って放射される第２のアパーチャを備える。生成された短い光ＩＭパルス３２が、出力レーザ２２の第２のアパーチャから放射され、コヒーレント光３１は第１のアパーチャを通して注入される。出力レーザアパーチャは、ミラーであり得る。レーザ２２は、１つの非常に高反射のミラーと、１つのより低い反射率を有するミラーと、を備えることができる。これは、ほぼすべての光子が、より低反射のミラーを介して出ることを意味する。したがって、コヒーレンスシーディングを引き起こすために、コヒーレント光は、高反射ミラーを介して出力レーザ２２に供給される。高反射ミラーに入射する光の強度は、コヒーレンスシーディングが起きるために十分な光がレーザキャビティに入るのに十分に高くなければならない。次いで、出力レーザ２２において生成された短いパルス３２は、より低い反射率を有するミラーを介して出る。したがって、より高い反射率を有するミラーが、（それを通してコヒーレント光３１が供給される）第１のアパーチャであり、より低い反射率を有するミラーが、（それを通して短い光パルス３２が放射される）第２のアパーチャである。代替的な配置も可能であり、それにより、タイミング制御が、単一のアパーチャを通して光が変調レーザ２１に入って変調レーザ２１から出ることを可能にする。

出力レーザ２２からの光もインジェクションシーディングによって生成される。注入された光は、変調レーザ２１から出力された光である。変調レーザ２１からの光の注入なし（すなわち、コヒーレンスシーディングなし）の出力レーザ２２の動作中に、出力レーザ２２がレーザ発振閾値より上に切り替えられると、光パルスが自然発光によって開始される。変調レーザ２１からのコヒーレント光が注入され、コヒーレント光が注入される時間中に出力レーザ２２がレーザ発振閾値より上に切り替えられると、出力レーザ２２からの光パルスは、注入されたコヒーレント光により引き起こされる誘導発光によって開始される。コヒーレンスシーディングが発生するために、注入された光の周波数は、出力レーザ２２の周波数と特定の範囲内で一致しなければならない。例えば、後述するＬｉＤＡＲ適用において、変調レーザ２１により供給される光の周波数と出力レーザ２２の周波数との差は、１．６ＧＨｚ未満である。

コヒーレンスシーディングが発生するとき、出力レーザ２２がレーザ発振閾値より上に切り替えられるたびに、生成された光パルスは、注入されたコヒーレント光に対して固定された位相関係を有する。各出力レーザ２２からの光はインジェクションシーディングによって生成されるので、出力レーザ２２の各々から放射された光の間にはやはり固定された位相関係が存在する。言い換えれば、ある出力レーザから放射された光と別の出力レーザから放射された光との間の位相差はランダムではなく、出力レーザにおいて適用された位相シフト（任意の経路長差も考慮に入れる）によって決定される。

したがって、上述したように、変調レーザ２１はコヒーレント光を放射する。出力レーザ２２は、コヒーレント光が受信される時間期間中に生成された、短いコヒーレント光パルスを放射する。したがって、出力レーザ２２により生成された短いコヒーレント光パルスは、変調レーザ２１により生成されたコヒーレント光の位相に対して固定された位相関係を有する。

変調レーザ２１により生成される長い光パルスは、パルスの前部で周波数チャープを示し得る。したがって、コヒーレンスシーディングに関して、レーザが定常状態で放射している、長いパルスの中央部分が使用され得る。したがって、光パルスは、長い光パルスの中央部分が供給されるときに出力レーザ２２から生成され、パルスの開始部分が供給されるときに生成されない。

やはり、コヒーレンスシーディングが成功するためには、出力レーザの光キャビティに入るコヒーレント光３１の部分は、使用される利得スイッチレーザのタイプに依存する特定の限度内であるべきである。一実施形態では、注入されたコヒーレント光３１の光パワーは、利得スイッチ出力レーザ２２の光出力パワーよりも少なくとも１０００倍小さい。一実施形態では、注入されたコヒーレント光の光パワーは、利得スイッチ出力レーザ２２の光出力パワーよりも少なくとも１００倍小さい。変調器レーザ２１は、放射される長い光パルスの強度を減少させる固定された光減衰器を備えることができる。代替的に、変調器レーザ２１は、ごくゆっくりと調整される調整可能な光減衰器を備えることができる。生成された短いパルスの強度は、コヒーレント光の強度に依存する。正しい駆動条件では、コヒーレント光が注入されない場合に短いパルスは全く生成されない。したがって、変調器レーザ２１は、生成される短い光パルスの強度を変化させるために、生成される長い光パルスが利得スイッチ出力レーザ２２に供給される前に、生成される長い光パルスの強度を変化させる強度変調器を備えることができる。

出力レーザ２２の切り替えは、パルス３１の到着と同期される。図４（ｂ）に例が示されており、ここでは、長い入力パルス３０を生成するために、時間変動する信号がマスタレーザ２０に印加され、長い入力パルス３０は変調レーザ２１に注入され、長いＰＭパルス３１を出力レーザ２２に注入するために、第１の制御信号が第１のコントローラ（図示せず）によって印加され、短い光パルス３２を生成するために、時間変動する信号が第２のコントローラによって出力レーザ２２に印加される。位相制御信号と強度制御信号とを含む、すべてのレーザに印加される信号のタイミングが、マスタクロックに同期され得る。

図４（ｂ）は、マスタレーザからの長いパルスが出力レーザに入力される概略図を示す。第２のコントローラはまた、アレイ内の異なる出力レーザ２２から放射される光パルスの間の相対時間遅延Δｔを制御する。遅延Δｔは、ＩＭパルス３２が期間内パルス（intra-period pulse）であるように、長いコヒーレント光パルス３１の長さよりも短くし得る。出力レーザ２２の各々に印加される電流パルスの相対的タイミングを制御することによって、出力レーザ２２からの放射の相対的タイミングが制御され得る。例えば、短いパルスが出力レーザ２２から同時に放射されるように、電流パルスは、同時にすべての出力レーザに印加されるように同期され得る。代替的に、電流パルスが互いに対し遅延されて、各出力レーザ２２から放射されるパルスの間の時間差Δｔを生じ得る。タイミングは、（後でさらに詳細に説明する）各出力レーザ２２とそれに対応する出力結合器との間の経路長差を考慮に入れるように制御されてよく、そうすることで、光パルスは、異なる時間に出力レーザ２２から放射されるが、同時に出力結合器に到達する。後述するようなＬｉＤＡＲ用途では、出力結合器における光パルスの到着時間の差が回避され、又は最小限にされる。

出力レーザをレーザ発振閾値より上に切り替えるために、第２のコントローラ６０は、前述したものと同様に、利得スイッチ出力レーザ２２に接続されたバイアスティのＡＣ入力に、時間変動する電流を供給することができる。ＤＣバイアス電流はＤＣ入力に供給され得る。時間変動する電流は、１ＧＨｚを超える周波数を有する矩形型波形を有することができる。利得スイッチ出力レーザ２２は、パルスが放射されるときの状態と「オフ」状態との間で良好な消光比を有する。それは、非常に短いパルスを生成するために使用され得る。一実施形態では、短い光パルスの各々の持続時間は２００ｐｓ未満である。一実施形態では、短い光パルスの各々の持続時間は５０ｐｓ未満である。一実施形態では、短い光パルスの各々の持続時間は、数ピコ秒のオーダーである。一実施形態では、時間変化する電流が１ＧＨｚの周波数を有する矩形波電流である場合、短い光パルスは１ｎｓ離れている。

上記の説明では、矩形型波形が様々なレーザのための光パルスの生成に関して説明しているが、他の時間変化する波形、例えば、周波数合成器によって生成される電気正弦波が使用されてもよい。時間変動する電流は、任意のパルス形状を有する信号を備えることができる。

いくつかの用途、例えばＱＫＤ用途では、マスタレーザ２０から放射される後続の長いコヒーレント光パルスに対応するパルスの間の位相コヒーレンスがないことが望ましいことがある。マスタレーザ２０からのレーザ放射は、自然発光によって開始される。これは、生成される長い光パルスの位相がランダムとなることを意味するランダムプロセスである。自然発光のランダムプロセスが、すべての長い光パルスについてのレーザ放射の開始を担うようにするために、各長い光パルスが生成される前に、基準レーザキャビティが完全に空である必要がある。キャビティにおける光子の数は、キャリア密度がレーザ発振閾値より低くなるとすぐに指数関数的に減少する。光子のほとんどがキャビティを出るまで約１００ｐｓを要し得るので、後で生成される基準レーザからの長い光パルスとの位相コヒーレンスが存在しないようになる。

利得スイッチ出力レーザ２２は、単一の長いコヒーレント光パルスが利得スイッチ出力レーザ２２に入射する時間中に２回以上、レーザ発振閾値より上に切り替えられてもよい。

複数の出力レーザ２２が１つの変調レーザ２１に光学的に結合されてもよい。これは、例えば、複数の出力レーザ２２からの出力パルス３２がそれらの間に調整可能な相対位相差を必要としない用途において使用され得る。

マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２は、端面発光レーザであり、第１の基板１００上に横方向に組み合わされる。光は、レーザから、層の平面内に、すなわち層の積層方向に垂直な方向に放射される。マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２は、第１の基板１００の第１の表面上に集積される。

マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２は、同じ構造を有してよい。代替的に、異なるレーザが使用されてもよく、例えば、マスタレーザ２０がより高出力のレーザであってよく、例えば、変調レーザ２１がより高いコヒーレンスを有してよい。これは、必要に応じて、異なるレーザに対し異なる長さを使用することによって実現され得る。

光デバイスは、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）によって成長させることができる。ＭＯＶＰＥは、プロセスにおける複数の過成長工程があるため適切である。デバイスは、モノリシックに集積されるアプローチを使用して成長させてよく、代替的には、他のキャリア上にフリップチップボンディングされてよい。

基板はＩｎＰであってよい。ＩｎＰ基板は、その結晶構造が通信帯域からのエネルギーでの放射を可能にするので、通信波長で動作するデバイスに使用され得る。例えば、後述するＬｉＤＡＲ用途では１５５０ｎｍの動作波長が使用される。

代替的に、ＧａＡｓを基板として使用することが可能である。ＧａＡｓは１．３ｕｍでエミッタを形成するために使用され得る。例えば、後述するＱＫＤ用途では、９００ｎｍの動作波長が使用される。

個々のコンポーネントは、ＩｎＰ上で成長させられ、次いで、異なる基板にフリップチップボンディングされてよい。基板は、例えば合成ダイヤモンドである集積されたヒートシンクを備えてよい。

１つ又は複数の電気コンタクトがレーザに形成される。これらのコンタクトは、対応するコントローラに接続され、レーザをオン及びオフに切り替えるために制御信号を印加するために、ならびに位相及び強度制御を適用するために使用される。例えば、ＡｕＧｅＮｉは、ｎ型コンタクト金属として使用されてよく、ｐコンタクト金属は、ＰｄＺｎＡｕ、ＡｕＣｒＡｕＺｎＡｕ、又はＡｕＢｅのうちのいずれか１つであってよい。浅いｐ型コンタクトはＰｄＧｅＴｉＰｔを用いて実現され得る。ショットキー又は準オームコンタクトは、ｐ層ドーピング濃度に応じてＴｉＡｕ又はＣｒＡｕメタライゼーションを用いて得ることができる。ｎコンタクトを備えるｎ型電極が形成され、ｐコンタクトを備えるｐ型電極が形成される。

デバイスの製造のために、Ａｒ又はＮ₂、ＣＨ₄で希釈される高温でのＣｌ₂ベースの化学を用いて、ＩｎＰ系材料のウェットエッチングが使用され得る。誘電体ドライエッチングが使用されてもよく、Ｓｉ₃Ｎ₄又はＳｉＯ₂を使用して形成された誘電体ハードマスクを用いて、ＣＨＦ₃又はＣＦ₄ベースの化学を使用して行われ得る。そのようなデバイスの具体例の製造方法のさらなる詳細は以下に説明される。ＩｎＰのウェットエッチングは、例えばＨ₂ＳＯ₄＋Ｈ₂Ｏ₂混合物を用いて達成され得るが、エッチングの等方性及び粗雑な側壁のため、レーザ／導波路製造には推奨されない。

マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２の様々な横方向形状は、例えば、長方形又は正方形の断面として形成され得る。

マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザ、又はリッジレーザであり得る。

レーザは格子領域を備えることができる。格子領域は、活性領域と分離してよく、又は活性領域が格子（grating）を備えてもよい。活性領域と格子が分離したレーザは、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）レーザと呼ばれる。ＤＢＲは図７（ａ）に示されている。活性領域が格子を備えるレーザがＤＦＢレーザである。ＤＦＢレーザは図７（ｂ）に示されている。

リッジレーザはストライプレーザとも呼ばれる。ファブリペローレーザは、リッジ又はストライプレーザの一種である。ストライプ及びリッジという用語は、レーザ導波路の形態を指す。ファブリペローは、レーザキャビティの形態、すなわち導波路の端面で形成された２つの平行なミラーを指す。リッジレーザは、明確に画定されたファセットを有する導波路を備える。材料構造は、クラッド材で囲まれたコアを備える。クラッド材は、ＩｎＰ基板と格子整合され得る。一実施形態では、例えば、クラッド材はＩｎＰであり、コアはＡｌＩｎＧａＡｓである。ＡｌＩｎＧａＡｓは、ＩｎＰと比較して高い屈折率を有するために使用されることがある。

リッジレーザの概略が図６（ａ）に示されている。デバイスは基板１００を備える。基板の一方の面にｎコンタクト２２６がある。基板２００の反対側の表面上であってこの表面に接触してバッファ層２０６がある。基板１００とバッファ層２０６の両方ともがｎ型である。代替的に、デバイスは、基板２００がｐ型である逆の構造を有してもよい。ｎ型のクラッド層２０８がバッファ層２０６上にありそれに接触している。第１の導波路材料２１０ａがｎ型層２０８上にありそれに接触している。ＭＱＷ層２１２が第１の導波路材料２１０ａ上にありそれに接触している。第２の導波路材料２１０ｂがＭＱＷ層２１０上にありそれに接触している。ｐ型のクラッド層２２０が第２の導波路層２１０ｂ上にありそれに接触している。クラッド層はＩｎＡｌＡｓであり得る。ｐ型材料２２２のリッジがｐ型層２２０上にありそれに接触している。ｐ型コンタクト金属２２４がリッジ２２２上にありそれに接触している。一実施形態では、ｐ型コンタクト層２２２はＩｎＧａＡｓである。一例によれば、図６（ａ）のバージョンＡに示されるように、（断面で見たときに）２つのリッジレーザが互いに隣に配置されアレイを形成する場合、２つのレーザ間のクロストークを回避するために、数１００マイクロメートルのオーダーの分離が画定され得る。別の例によれば、図６（ａ）のバージョンＢに示されるように、隔離トレンチ２２８がエッチングされ得る。隔離トレンチ２２８は、誘電体層２２７及び／又は金属クラッド２２９で充填されてよい。この例は、よりコンパクトなアレイをもたらすことができる。隔離トレンチ２２８により、隣接するレーザ間のクロストークを回避することができる。

図６（ｂ）は、光デバイスを製造するために使用できるモノリシックに集積されたレーザの成長及び製造の方法のフローチャートであり、光デバイスは、マスタレーザ２０と変調レーザ２１と出力レーザ光２２とを有し、それらは、横方向連結し、同じタイプ、例えば共にＤＦＢレーザ又は共にストライプレーザである。この方法は、図６（ａ）、図７（ａ）、図７（ｂ）及び図８のいずれかに関係して説明するようなデバイスを製造するために使用され得る。デバイスは垂直接合を使用する。図６（ｃ）は、図６（ｂ）の製造プロセスの選択されたステップの後のデバイスを示す。

この方法により製造されるデバイスにおいて、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ光２２は、基板、例えば、ｎ型ＩｎＰ基板上にモノリシックに集積される。

ステップＳ１０１では、基板１００上でバッファ層２０６が成長され、活性エリア構造が後続する。活性エリア構造は活性領域とも呼ばれることがある。バッファ層は、例えば２００ｎｍの厚さである。それはｎ型ＩｎＰであり得る。活性エリア構造は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造であってよく、ここで、上記方法がＤＦＢレーザ又はストライプレーザを製造するために使用される。ＭＱＷ構造については図７に関連して後でより詳細に説明する。活性構造は、ｎ型層２０８、第１の導波路層２１０ａ、ＭＱＷ層２１２、及び第２の導波路層２１０ｂを備える。この段階は、「０レベル成長」と呼ばれることがある。導波路層２１０ａ及びｂはＩｎＧａＡｓ層であり得る。クラッド層、すなわち導波路領域２１０ｂの上のｎ型層２０８及びｐ型層は、ＩｎＰと格子整合されたＩｎＡｌＡｓであり得る。導波路内のＭＱＷ活性エリアは、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓであり得る。

ストライプレーザの場合、ｐ型層２２０は、第２の導波路層２１０ｂ上にありそれと接触するように成長され、ｐ型層２２２は、ｐ型層２２０上にありそれと接触するように成長される。ｐ型層２２２は、キャリア濃度が層２２０よりも高濃度にドープされたｐ型材料である。これは、層２２０が十分なドーピングを有する場合に省略され得る。

ステップＳ１０２では、デバイスは「０レベル製造」のために成長機構（growth machine）から取り出される。このステップは、例えばＳｉ₃Ｎ₄又はＳｉＯ₂層であり得る誘電体ハードマスク２１４の堆積を備える。この誘電体層の厚さは、活性エリアの厚さ及びドライエッチング選択性に依存し得る。次いで、フォトレジストが誘電体層上にスピンされ、ストリップが光リソグラフィによってフォトレジストに画定される。例えば、ストリップは、幅が１．５〜２．５μｍであり、長さが５００μｍであり得る。ＤＦＢレーザの場合、ストリップは、格子長を含むためにより長くてもよい。深さはウエハ設計に依存する。現像後に、レジストに画定されたストリップパターンが、例えばＣＦ₄又はＣＨＦ₃化学に基づくドライエッチングによって誘電体層に転写される。次に、表面上の残りのレジストが、例えば、レジストリムーバ溶液中で又はＯ₂プラズマアッシングによって除去される。次に、半導体ドライエッチングが行われる。良好な品質の垂直側壁を提供するためにＣｌ₂ベースの化学が使用され得る。エッチングは、ＤＦＢレーザの場合はｎ型層２０８まで行われる。ストライプレーザの場合、エッチングはｐ型層２２０まで行われる。

ここで、サンプルはステップＳ１０３「１レベル過成長（overgrowth）」の準備ができている。誘電体ハードマスク２１４が、このステップに関してストリップエリアに残されている。これは活性エリア上での局所的な過成長を防止する。ｐ型層２１６が成長され、続いてｎ型層２１８が成長される。デバイスのエッチングされたエリアが平坦化される。平坦化は、新しいエピタキシャル材料でエッチングされたエリアを満たすために、特定の条件で行われる成長プロセスである。リッジの上部は誘電体マスクで覆われており、したがって成長がそこで起きない。吸着原子が、前のステップでエッチングされたトレンチの底に層を優先的に形成する。

ステップＳ１０４は「１レベル製造」である。このステップでは、誘電体ハードマスク２１４が除去される。これは、サンプルをＨＦに浸漬すること、又はドライエッチングすることを含み得る。

この段階において、ＤＦＢレーザ又はＤＢＲレーザが製造される場合は、ステップＳ１０４ａ「アクティブ格子製造」が任意選択で後続してよい。代替的に、ストライプレーザの場合、製造方法は、ステップＳ１０２からステップＳ１０６に直接に進んでよい。

ステップＳ１０４ａは、電子ビームリソグラフィレジストでサンプルをスピンすることと、電子ビームリソグラフィで格子パターンを画定することと、を含む。格子の寸法は、レーザ出力波長に依存し得る。現像後に、パターンは、ウェット又はドライの浅いエッチングによって転写される。格子は、導波路層２１０ｂの一部をエッチング除去することによって、例えば、導波路層２１０ｂにトレンチをエッチングすることによって形成される。トレンチは、溝状パターンを有することができる。格子の寸法は、デバイスの動作波長に応じて計算される。ＭＱＷ層上にありそれに接触している表面とは反対側の導波路層２１０ｂの表面における格子は、ミラーと同様に作用する。ＤＢＲレーザの場合、格子は、キャビティを作成するためにコンポーネントの両端部に形成され得る。各端部の格子は、一方の端部からの光の出力を可能にするように異なる反射率を有することができる。ＤＦＢレーザの場合、格子は活性領域全体に形成され得る。

ステップＳ１０５は「２レベル過成長」である。これは、任意選択のステップＳ１０４ａが実行された場合に格子によってパターン化され得るエピタキシャルｐ型層２２０を成長することを含む。この層は厚さが２００ｎｍであり得る。ｐ型層２２０はデバイス全体にわたって成長されるが、ｎ型層２１８及びｐ型層２１６があるため、電流は活性エリアのみに提供される。

ステップＳ１０６は、光リソグラフィでのコンタクトエリアの画定と、ｎ型及びｐ型金属コンタクトの堆積と、アニーリングと、を含む「２レベル製造」である。ｎ型金属コンタクトは、コヒーレント光源２０及び利得スイッチレーザ２４とは反対側の基板２００の表面に堆積される。ｐ型金属コンタクトはｐ型層２２０上に堆積される。

デバイスが２つのストライプレーザを備える場合、エンドミラーを設けるために、コヒーレント光源２０及び利得スイッチレーザ２４の各端部に垂直トレンチがエッチングされる。

同様のデバイスが、２つの独立した実行で製造され、ダイシングされ、次いで他のプラットフォーム上にフリップチップ実装され整列される。例えば、２つのＩｎＰベースのレーザが共通のＳｉキャリア基板上に実装され得る。

図６（ｃ）は、ＤＦＢレーザを有する光デバイスに関する図６（ｂ）のステップの後のサンプルの構造を示す。

ステップＳ１０１の後、サンプルは、基板２００と、基板２００上にありそれに接触しているバッファ層２０６と、バッファ層２０６上にありそれに接触しているｎ型層２０８と、ｎ型層２０８上にありそれに接触している第１の導波路層２１０ａと、第１の導波路層２１０ａ上にありそれに接触しているＭＱＷ層２１２と、ＭＱＷ層２１２上にありそれに接触している第２の導波路層２１０ｂと、を備える。

ステップＳ１０２の後、誘電体ハードマスク２１４、第２の導波路層２１０ｂ、ＭＱＷ層２１２、及び第１の導波路層２１０ａは、ｎ型層２０８上にありそれに接触しているリッジである。

ステップＳ１０３の後、ｐ型層２１６は、ｎ型層２０８上にありリッジの両側でそれと接触し、ｎ型層２１８は、ｐ型層２１６上にありそれに接触している。

ステップＳ１０５の後、誘電体ハードマーク２１４は除去されており、ｐ型層２２０は、リッジ及びｎ型層２１８上にありそれらに接触している。

ステップＳ１０６の後、ｐ型コンタクト層２２２は、ｐ型層２２０上にありそれに接触している。ｐコンタクト金属２２４は、ｐ型コンタクト層２２２上にありそれに接触している。ｎコンタクト金属２２６は、ｐコンタクト金属２２４とは反対側の基板の表面に接触している。

図６（ｄ）は、ストライプレーザに関する各ステップの後のサンプルの構造を示す。

ステップＳ１０１の後、サンプルは、基板２００と、基板２００上にありそれに接触しているバッファ層２０６と、バッファ層２０６上にありそれに接触しているｎ型層２０８と、ｎ型層２０８上にありそれに接触している第１の導波路層２１０ａと、第１の導波路層２１０ａ上にありそれに接触しているＭＱＷ層２１２と、ＭＱＷ層２１２上にありそれに接触している第２の導波路層２１０ｂと、第２の導波路層２１０ｂ上にありそれに接触しているｐ型層２２０と、ｐ型層２２０上にありそれに接触しているｐ型層２２２と、を備える。

ステップＳ１０２の後、ｐ型層２２２は、ｐ型層２２０上にありそれに接触しているリッジである。

ステップＳ１０６の後、ｐコンタクト金属２２４は、ｐ型層２２２上にありそれに接触している。ｎコンタクト金属２２６は、ｐコンタクト金属２２４とは反対側の基板の表面に接触している。

ＤＢＲが図７（ａ）に示されている。ＤＦＢレーザが図７（ｂ）に示されている。両方の場合の活性エリアは多重量子井戸（ＭＱＷ）を備える。ＭＱＷ領域は複数の量子井戸層を備える。レーザが１．５５ｕｍ動作のために構成される場合、ＭＱＷ領域は、例えば、ＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓ、又はＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどの材料の交互の層を備える。これらのすべての層はＩｎＰ基板に格子整合される。

デバイスは基板１００を備える。基板の一方の面にｎコンタクト２２６がある。基板２００の反対側の表面上であってこの表面に接触しているバッファ層２０６がある。基板２００とバッファ層２０６の両方がｎ型層である。代替的に、基板２００がｐ型層であるように構造が逆にされてもよい。これらの層はｎドープされたＩｎＰであり得る。ｎ型のクラッド層２０８がバッファ層２０６上にありそれに接触している。ｎ型層２０８はｎドープされたＩｎＰであり得る。第１の導波路材料２１０ａがｎ型層２０８上にありそれに接触している。ＭＱＷ層２１２が第１の導波路材料２１０ａ上にありそれに接触している。第２の導波路材料２１０ｂがＭＱＷ層２１０上にありそれに接触している。ｎドープされたＩｎＰであり得るｐ型材料２１６が、ストリップの両側にあり、ｎ型材料２０８上にありそれに接触している。ｎ型層２１８は、ｐ型層２１６上にありそれに接触しており、ｎドープされたＩｎＰであり得る。ｐ型層２２０が、第２の導波路層２１０ｂ及びｎ型層２１８上にありそれに接触しており、ｐドープされたＩｎＰであり得る。ｐ型コンタクト層２２２が、ｐ型層２２０上にありそれに接触している。一実施形態では、ｐ型コンタクト層２２２は、高濃度にドープされたＩｎＰであり、すなわち、層２２０のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する。ｐコンタクト金属２２４は、ｐコンタクト層２２２の一部分上にありそれに接触している。デバイス断面の概略が図７（ｃ）に示されている。

図７（ａ）に側面図で示されるように、ＭＱＷストリップはデバイスの長さに沿って延びている。ＭＱＷストリップの一部分上に第１のｐ型コンタクト層２２４ａがある。光が放射される方向に沿った第１のｐコンタクト２２４ａの下のストリップの部分の両側に第２の導波路材料における回折格子がある。

コヒーレント光源２０のＭＱＷストリップにおいて光を生成するために、電流が第１のｐコンタクト２２４とｎコンタクト２２６との間に印加される。レーザのＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放射される。光は、ｐ型層２１６によって横方向に制限され、導波路層２１０ａ及びｂによって垂直方向に制限される。光はレーザのアパーチャを通してＭＱＷ層を出るが、このアパーチャについては後述する。

断面で見たＤＦＢレーザの構造（図７（ｃ））は、ＤＢＲレーザの構造と同じである。図７（ｂ）は、導波路領域２１０ｂの表面上で構造全体に沿ったＤＦＢの格子を示す。ＤＦＢレーザは個々のミラーを有さず、代わりに、格子が活性領域上に分布された光フィードバックを提供し、光は格子によって反射される。これは、個々のミラーがレーザの端部の格子によって形成され、活性領域及び格子が分離している、ＤＢＲレーザを示す図７（ａ）とは異なる。

マスタレーザ、変調レーザ、及び出力レーザなどの複数の異なるデバイスがモノリシックに成長される場合、例えばトレンチをエッチングすることによって実現され得る物理的ギャップがそれらの間に作られる。トレンチがエッチングされた後に、このギャップは同様の屈折率を有する材料で充填され得る。

図８は、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２が、横方向連結し、すべてＤＦＢレーザであり、導光領域を備える、光アレイの概略図を示す。この図では、結合を説明するために、３つのレーザが一列に示されるが、実際は、例えば図１に示されるように、マスタレーザ２０がアレイにおける複数のレーザに結合し、したがって他のレーザと整列されない。

各ＤＦＢレーザは、図７（ｂ）及び（ｃ）に関連して説明した構造を有する。しかしながら、代替的には、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２は、例えば、（図７（ａ）に関連して説明したような）ＤＢＲレーザ又は（図６（ａ）に関連して説明したような）リッジレーザである。レーザはそれぞれ異なるタイプであってよく、例えば、マスタレーザ２０がＤＦＢレーザであってよい一方、変調レーザ２１及び出力レーザ２２がリッジレーザであってもよい。

図８は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放射される方向に沿った側面図を示す。マスタレーザ２０と変調レーザ２１との間の導光領域２２１ａ、ならびに変調レーザ２１と出力レーザ２２との間の導光領域２２１ｂが存在する。マスタレーザ２０と導光領域２２１との間のギャップ、ならびに導光領域２２１ａと変調レーザ２１との間のギャップが存在する。変調レーザ２１と導光領域２２１ｂとの間のギャップ、ならびに導光領域２２１ｂと出力レーザ２２との間のギャップが存在する。第１の導光領域２２１ｂとは反対側の出力レーザ２２の側方に配置された別の導光領域２２３が存在する。出力レーザ２２と導光領域２２３との間にギャップが存在する。ギャップは、光が放射される方向に垂直な方向にデバイス全体にわたって延びてよい。ギャップは、バッファ層２０６まで延びる。光は、ギャップ及び導光領域２２１ａにおける自由空間を通ってマスタレーザ２０と変調レーザ２１との間を移動する。光は、ギャップ及び導光領域２２１ｂにおける自由空間を通って変調レーザ２１と出力レーザ２２との間を進む。

図８はまた、光が放射される方向に垂直な方向を通る断面図を示す。例えば図１に示すように、複数のレーザは、光が放射される方向に垂直な方向に互いに並んで配置され得るので、ギャップはレーザをこの方向で分離するように含まれてもよい。別の例では、ギャップは、例えば、図９（ａ）に示されるレベル０Ａ成長ステップ中にＳｉ−ＩｎＰを使用して充填され得る。

導光領域は、バッファ層２０６上にありそれに接触している第１の層２８０と、第１の層２８０上にありそれに接触している導波路領域と、導波路領域上にありそれに接触している第２の層２８２と、を備える。光は、導波路領域において垂直方向及び横方向に制限される。第１の層２８０及び第２の層２８２は、例えばＩｎＰであり得る。導波路領域は、ＩｎＡｌＡｓクラッド領域を有するＩｎＧａＡｓ層を備えることができる。

図９（ａ）は、横方向接合を使用するモノリシックに集積されたマスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２の成長及び製造の方法のフローチャートを示す。この方法は、横方向連結での同じタイプのマスタレーザ２０と変調レーザ２１と出力レーザ２２とを有するアレイを製造するために使用され得る。この方法は、図８及び図１０に関連して説明したようなデバイスを製造するために使用され得る。

この方法では、レーザは、基板、例えばＳｉ−ＩｎＰ基板上にモノリシックに集積される。Ｓｉ−ＩｎＰ基板は、横方向のｎコンタクトとｐコンタクトとの間にすべての電流が流れる、横方向接合を形成するために使用される。

ステップＳ３０１では、バッファ層２０６が成長され、活性エリア構造が後続する。一実施形態では、バッファ層は２００ｎｍの厚さである。一実施形態では、バッファ層は半絶縁性ＩｎＰである。活性エリア構造は、先の図に関連して説明したような多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を備えてよい。このステップは「０レベル成長」と呼ばれる。

次いで、サンプルがステップＳ３０２の「０レベル製造」のために成長機構から取り出される。これは、Ｓｉ₃Ｎ₄又はＳｉＯ₂層であり得る誘電体ハードマスクの堆積を含む。この誘電体層の厚さは、成長された活性エリアの厚さ及びドライエッチング選択性に依存し得る。次いで、フォトレジストがスピンされ、ｎトレンチエリアが光リソグラフィによって画定される。現像後に、レジストに画定されたパターンが、例えばＣＦ₄又はＣＨＦ₃化学に基づくドライエッチングによって誘電体層に転写される。次に、表面上の残りのレジストが、レジストリムーバ溶液中で又はＯ₂プラズマウォッシングによって除去される。次に、半導体ドライエッチングが行われる。良好な品質の垂直側壁を提供するためにＣｌ₂ベースの化学が使用され得る。

一例によれば、Ｓ３０２に関して説明した半導体ドライエッチングは、図８に関連して説明したデバイスに従って、アレイにおける隣接するレーザの間の隔離トレンチを形成するために使用され得る。

別の例によれば、「０レベル製造」は、２つのさらなるステップ、すなわち「０Ａレベル成長」と「０Ａレベル製造」とを含むことができる。「０Ａレベル成長」は半絶縁性ＩｎＰ層の成長を含む。成長後に、（上記のようなＳｉ₃Ｎ₅又はＳｉＯ₂誘電体であり得る）ハードマスクが堆積され、例えばステップＳ３０２と同じプロセスを使用してパターン化される。レーザを含むエリアのような望ましくないエリアから半導体を除去するために、半導体ドライエッチングが再びＳ３０２のように行われる。

ここで、サンプルはステップＳ３０３「１レベル過成長」の準備ができている。誘電体ハードマスクが、ｎトレンチの外部のエリアに残されている。これは、選択領域成長を提供する。ｎ型層２２８が成長され、エッチングされたエリアが平坦化される。ｎ型層２２８は、例えばＩｎＰであり得る。

ステップＳ３０４「１レベル製造」では、誘電体ハードマスクが除去される。これは、サンプルをＨＦに浸漬すること、又はドライエッチングすることを含む。この時点で、ドライエッチングのための新しいハードマスクとして作用する新しい誘電体層が堆積される。やはり、この層の厚さは、成長された活性エリアの厚さ及びドライエッチング選択性に依存し得る。フォトレジストが、光リソグラフィによってｐトレンチエリアを画定するためにスピンされ、現像される。パターンが、例えばＣＨＦ₃又はＣＦ₄化学に基づくドライエッチングによって誘電体層に転写される。次いで、レジストが前述のように除去される。次いで、ｐトレンチエリアは、Ｃｌ₂化学に基づいてドライエッチングされる。

ステップＳ３０５「２レベル過成長」は、エッチングされたｐトレンチ領域の上にエピタキシャルｐ型層２３０を成長させることを含む。ｐ型層２３０は、例えばＩｎＰであり得る。前の成長ステップで残された誘電体層が選択領域エピタキシを可能にする。

ステップＳ３０６「２レベル製造」は、ＨＦ浸漬又はドライエッチングによって誘電体ハードマスクを除去することを含む。ＤＦＢレーザの場合、新しい誘電体層が堆積され、次いで、格子パターンでパターン化されたレジスト及び電子ビームを用いてスピンされる。次いで、これは、誘電体エリアへドライ又はウェットエッチングされる。

最終ステップにおいて、ｎ型及びｐ型コンタクトは、光リソグラフィによってｎ型及びｐ型トレンチの上にそれぞれ画定される。ｎ型及びｐ型コンタクトに適した金属が、堆積され、リフトオフされ、そしてアニールされる。

同様のデバイスが、２つの独立した工程で製造され、ダイシングされ、次いで他のプラットフォーム上にフリップチップ実装されて整列される。例えば、２つのＩｎＰベースのレーザが共通のＳｉキャリア基板上にフリップチップ実装され得る。

図９（ｂ）は、ＤＦＢレーザを有する光デバイスに関する図９（ａ）のステップの後のサンプルの構造を示す。

ステップＳ３０１の後、サンプルは、基板２００と、基板２００上にありそれに接触しているバッファ層２０６と、バッファ層２０６上にありそれに接触している層２３２と、層２３２上にありそれに接触している第１の導波路層２１０ａと、第１の導波路層２１０ａ上にありそれに接触しているＭＱＷ層２１２と、ＭＱＷ層２１２上にありそれに接触している第２の導波路層２１０ｂと、を備える。

ステップＳ３０２の後、誘電体ハードマスク２１４と、第２の導波路層２１０ｂと、ＭＱＷ層２１２と、第１の導波路層２１０ａと、を備えるプラトーが、層２３２の一部分上にありそれに接触している。

ステップＳ３０３の後、ｎ型層２２８が、プラトーに隣接し、層２３２上にありそれに接触しており、誘電体ハードマスク２１４は除去されている。

ステップＳ３０４の後、ｎ型層２２８及びスタック上にありそれらに接触している誘電体ハードマスク２１４を備えるプラトーがあり、スタックは、第２の導波路層２１０ｂとＭＱＷ層２１２と第１の導波路層２１０ａとを備える。プラトーは、層２３２の一部分上にありそれに接触している。

ステップＳ３０５の後、ｎ型層２２８、第２の導波路層２１０ｂとＭＱＷ層２１２と第１の導波路層２１０ａとを備えるスタック、及びｐ型層２３０が、層２３２上にありそれに接触している。ｎ型層２２８はスタックの一方の側に隣接し、ｐ型層２３０はスタックの反対側に隣接している。

ステップＳ３０６の後、第２の導波路層２１０ｂ上に格子が形成される。ｐコンタクト金属２２４が、ｐ型層２３０上にありそれに接触している。ｎコンタクト金属２２６が、ｎ型層２２８上にありそれに接触している。

図１０は、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２がすべてＤＢＲレーザであり、横方向接合及び横方向連結している、例示的なアレイの概略図を示す。代替的に、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２はＤＦＢレーザであってもよい。図は、デバイスの長さに沿った、すなわち光が放射される方向に沿った側面図、光が放射される方向に垂直な方向を通る断面図、及びデバイスの上からの、すなわち層の積層方向における上面図を示す。

デバイスは、基板２００と、基板２００上にありそれに接触しているバッファ層２０６と、バッファ層２０６上にありそれに接触している層２３２と、を備える。層２３２はバッファ層の拡張部である。ｎ型層２２８、第２の導波路層２１０ｂとＭＱＷ層２１２と第１の導波路層２１０ａとを備えるスタック、及びｐ型層２３０は、層２３２上にありそれに接触している。スタックは、ｎ型層２２８とｐ型層２３０との間にある。ｎ型層２２８はスタックの一方側に隣接し、ｐ型層２３０はスタックの反対側に隣接している。ｐコンタクト金属２２４は、ｐ型層２３０上にありそれに接触している。ｎコンタクト金属２２６は、ｎ型層２２８上にありそれに接触している。

側面図及び上面図に示されるように、ＭＱＷストリップは、デバイスの長さに沿って延びＭＱＷストリップにおいて、マスタレーザ２０と変調レーザ２１との間、ならびに変調レーザ２１と出力レーザ２２との間にギャップを有する。ギャップは、空であってよく、又は半絶縁性半導体で充填されてもよい。第１のｐコンタクト２２４ａ及びｎコンタクト２２６ａは、光の放射の方向に垂直な方向でＭＱＷストリップの一部分の両側にある。第２の導波路材料における回折格子が、光の放射の方向でストリップのその部分の両側にある。これがマスタレーザ２０を形成する。第２のｐコンタクト２２４ｂ及びｎコンタクト２２６ｂは、光の放射の方向に垂直な方向でＭＱＷストリップの第２の部分の両側にあり、それは、マスタ光源２０からさらにデバイスの長さに沿った所にある。第２の導波路材料における回折格子が、光の放射の方向でストリップの第２の部分の両側にある。これが変調レーザ２４を形成する。第３のｐコンタクト２２４ｃ及びｎコンタクト２２６ｃは、光の放射の方向に垂直な方向でＭＱＷストリップの第３の部分の両側にあり、それは、変調レーザ２１からさらにデバイスの長さに沿った所にある。第２の導波路材料における回折格子が、光の放射の方向でストリップの第３の部分の両側にある。これが出力レーザ２２を形成する。

上面図は、光の放射に垂直な方向で、ストリップの一方側にある第１のｐコンタクト２２４ａとストリップの他方側にある第１のｎコンタクト２２６ａとを示す。これらのコンタクトはマスタレーザ２０の一部を形成する。光の放射に垂直な方向でストリップの一方側にある第２のｐコンタクト２２４ｂとストリップの他方側にある第２のｎコンタクト２２６ｂとが、変調レーザ２１を形成する。光の放射に垂直な方向でストリップの一方側にある第３のｐコンタクト２２４ｃとストリップの他方側にある第３のｎコンタクト２２６ｃとが、出力レーザ２２を形成する。

マスタレーザで光を生成するために、電流が第１のｐコンタクト２２４ａと第１のｎコンタクト２２６ａとの間に印加される。マスタレーザ２０のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放射される。光は、ｐ型層２３０及びｎ型層２２８によって横方向に制限され、導波路層２１０ａ及びｂによって垂直方向に制限される。光は、変調レーザ２１のＭＱＷ層に入る。時間変動する電流が、変調レーザ２１の第２のｐコンタクト２２４ｂと第２のｎコンタクト２２６ｂとの間に印加される。変調レーザ２１のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放射される。光は、ｐ型層２３０及びｎ型層２２８によって横方向に制限され、導波路層２１０ａ及びｂによって垂直方向に制限される。光は、出力レーザ２２のＭＱＷ層に入る。時間変動する電流が、利得スイッチ出力レーザ２２の第３のｐコンタクト２２４ｃと第３のｎコンタクト２２６ｃとの間に印加される。

図１１（ａ）は、一例に係る、イオンインプランテーションを介し横方向接合しているモノリシックに集積されたマスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び利得スイッチ出力レーザ２２の成長及び製造の方法のフローチャートを示す。この方法は、横方向連結での同じタイプのレーザを有する光デバイスを製造するために使用され得る。この方法は、図１２に関連して説明するようなデバイスを製造するために使用され得る。

この方法によって製造されるデバイスにおいて、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２は、基板、例えばＳｉ−ＩｎＰ上にモノリシックに集積される。

ステップＳ４０１では、バッファ層が成長され、活性エリア構造が後続する。バッファ層は２００ｎｍの厚さであり得る。バッファ層はＳｉ−ＩｎＰであり得る。活性エリア構造は、上記の図７ａに関連して説明したような多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を備えてよい。このステップは「０レベル成長」と呼ばれる。

次いで、サンプルがステップＳ４０２の「０レベル製造」のために成長機構から取り出される。これは、例えばＳｉ₃Ｎ₄又はＳｉＯ₂層であり得る誘電体ハードマスクの堆積を含む。この層の厚さは、成長された活性エリアの厚さ及びドライエッチング選択性に依存し得る。次に、フォトレジストがスピンされ、ｎ及びｐトレンチエリアが光リソグラフィによって画定される。現像後に、レジストに画定されたパターンが、例えばＣＦ₄又はＣＨＦ₃化学に基づくドライエッチングによって誘電体層に転写される。次に、表面上の残りのレジストが、レジストリムーバ溶液中で又はＯ₂プラズマアッシングによって除去される。次に、半導体ドライエッチングが行われる。良好な品質の垂直側壁を提供するためにＣｌ₂ベースの化学が使用され得る。エッチングの深さは、活性エリアの深さに依存し得る。

ここで、サンプルはステップＳ４０３「１レベル過成長」の準備ができている。誘電体ハードマスクがデバイスエリア上に残されている。これは、選択領域成長を提供する。半絶縁層が成長され、エッチングされたエリアが平坦化される。半絶縁層は、例えばＩｎＰであり得る。

ステップＳ４０４「１ａレベル製造」では、誘電体ハードマスクが除去される。これは、サンプルをＨＦに浸漬すること、又はドライエッチングすることを含む。この時点で、ドライエッチングのための新しいハードマスクとして作用する新しい誘電体層が堆積される。やはり、この層の厚さは、成長された活性エリアの厚さ及びドライエッチング選択性に依存し得る。フォトレジストが、光リソグラフィによってｐトレンチエリアを画定するためにスピンされ、現像される。パターンが、例えばＣＨＦ₃又はＣＦ₄化学に基づくドライエッチングによって誘電体層に転写される。これは、誘電体マスクの選択領域エッチングである。次いで、レジストが除去される。次いで、ｐトレンチエリアはイオンを注入され、次いで、イオンは半絶縁層においてｐドーピングを生じるように活性化される。マスクが除去される場合には、イオンは半絶縁層に注入される。マスクが残存する場合には、イオンは注入されない。

ステップＳ４０５「１ｂレベル製造」では、誘電体ハードマスクが除去される。これは、サンプルをＨＦに浸漬すること、又はドライエッチングすることを含む。この時点で、ドライエッチングのための新しいハードマスクとして作用する新しい誘電体層が堆積される。やはり、この層の厚さは、成長された活性エリアの厚さ及びドライエッチング選択性に依存し得る。フォトレジストが、光リソグラフィによってｎトレンチエリアを画定するためにスピンされ、現像される。パターンが、ＣＨＦ₃又はＣＦ₄化学に基づくドライエッチングによって誘電体層に転写される。次いで、レジストが除去される。次いで、ｎトレンチエリアはイオンを注入され、次いで、イオンは半絶縁層においてｎドーピングを生じるように活性化される。

ステップＳ４０６「２レベル製造」は、誘電体ハードマスクをＨＦ浸漬又はドライエッチングによって除去することを含む。ＤＦＢレーザの製造では、新しい誘電体層が堆積され、次いで、格子パターンでパターン化されたレジスト及び電子ビームを用いてスピンされる。次いで、これは、誘電体エリアへドライ又はウェットエッチングされる。

最終ステップにおいて、ｎ型及びｐ型コンタクトは、光リソグラフィによって相応にｎ型及びｐ型トレンチの上に画定される。ｎ型及びｐ型コンタクトに適した金属が、堆積され、リフトオフされ、そしてアニールされる。

同様のデバイスが、２つの独立した工程で製造され、ダイシングされ、次いで他のプラットフォーム上にフリップチップ実装され整列される。例えば、２つのＩｎＰベースのレーザが共通のＳｉキャリア基板上にフリップチップ実装され得る。

図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に関連して説明した方法の製造段階を示す。

ステップＳ４０１の後、サンプルは、基板２００と、基板２００上にありそれに接触しているバッファ層２０６と、バッファ層２０６上にありそれに接触している層２３２と、層２３２上にありそれに接触している第１の導波路層２１０ａと、第１の導波路層２１０ａ上にありそれに接触しているＭＱＷ層２１２と、ＭＱＷ層２１２上にありそれに接触している第２の導波路層２１０ｂと、を備える。

ステップＳ４０２の後、誘電体ハードマスク２１４ａ、第２の導波路層２１０ｂ、ＭＱＷ層２１２、及び第１の導波路層２１０ａは、層２３２上にありそれに接触しているリッジである。

ステップＳ４０３の後、半絶縁層２３６が、層２３２上にありリッジの両側でそれに接触している。

ステップＳ４０４の後、第２の誘電体ハードマスク２１４ｂが、リッジと、リッジの一方側にある半絶縁層２３６と、リッジの他方側にある半絶縁層２３６の一部との上にありそれらに接触している。誘電体ハードマスク２１４ｂの下ではない半絶縁層２３６の部分に、ｎドーピングの領域がある。

ステップＳ４０５の後、第３の誘電体ハードマスク２１４ｂが、リッジと、リッジの一方側にあるｎドーピング領域を有する半絶縁層２３６と、リッジの他方側にある半絶縁層２３６の一部との上にありそれらに接触している。誘電体ハードマスク２１４ｃの下ではない半絶縁層２３６の部分に、ｐドーピングの領域がある。

ステップＳ４０６の後、ｐ型コンタクトが、半絶縁層２３６におけるｐドーピング領域上にありそれに接触している。ｎコンタクトは、半絶縁層２３６におけるｎドーピング領域上にありそれに接触している。

図１２は、実施形態に係る光デバイスの概略図を示し、この光デバイスでは、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び利得スイッチ出力レーザ２２は、すべてＤＢＲレーザであり、横方向接合及び横方向連結しており、イオンインプランテーションを介して製造される。代替的に、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び利得スイッチ出力レーザ２２はＤＦＢレーザであってもよい。図は、デバイスの長さに沿った、すなわち光が放射される方向に沿った側面図、光が放射される方向に垂直な方向を通る断面図、及びデバイスの上からの、すなわち層の積層方向における上面図を示す。

デバイスは、基板１００と、基板２００上にありそれに接触しているバッファ層２０６と、バッファ層２０６上にありそれに接触している層２３２と、を備える。半絶縁層２３７、第２の導波路層２１０ｂとＭＱＷ層２１２と第１の導波路層２１０ａとを備えるスタック、及び半絶縁層２３７が、層２３２上にありそれに接触している。スタックは、半絶縁層２３６と半絶縁層２３７との間にある。半絶縁層２３６はスタックの一方側に隣接し、半絶縁層２３７はスタックの反対側に隣接している。半絶縁層２３６はｎ注入領域２４０を備え、半絶縁層２３６はｐ注入領域２３８を備える。ｐコンタクト金属２２４が、半絶縁層２３７上にありそれに接触している。ｎコンタクト金属２２６は、半絶縁層２３６上にありそれに接触している。

側面図及び上面図に示されるように、ＭＱＷストリップはデバイスの長さに沿って延びている。第１のｐコンタクト２２４ａ及びｎコンタクト２２６ａは、光の放射の方向に垂直な方向でＭＱＷストリップの部分の両側にある。光の放射の方向におけるストリップの部分の両側に第２の導波路材料における回折格子がある。これがマスタレーザ２０を形成する。第２のｐコンタクト２２４ｂ及びｎコンタクト２２６ｂは、光の放射の方向に垂直な方向でＭＱＷストリップの第２の部分の両側にあり、それは、マスタ光源２０からさらにデバイスの長さに沿った所にある。第２の導波路材料における回折格子が、光の放射の方向でストリップの第２の部分の両側にある。これが変調レーザ２４を形成する。第３のｐコンタクト２２４ｃ及びｎコンタクト２２６ｃは、光の放射の方向に垂直な方向でＭＱＷストリップの第３の部分の両側にあり、それは、変調レーザ２１からさらにデバイスの長さに沿った所にある。第２の導波路材料における回折格子が、光の放射の方向でストリップの第３の部分の両側にある。これが出力レーザ２２を形成する。

上面図は、光の放射に垂直な方向で、ストリップの一方側にある第１のｐコンタクト２２４ａとストリップの他方側にある第１のｎコンタクト２２６ａとを示す。これらのコンタクトはマスタレーザ２０の一部を形成する。光の放射に垂直な方向でストリップの一方側にある第２のｐコンタクト２２４ｂとストリップの他方側にある第２のｎコンタクト２２６ｂとが、変調レーザ２１を形成する。光の放射に垂直な方向でストリップの一方側にある第３のｐコンタクト２２４ｃとストリップの他方側にある第３のｎコンタクト２２６ｃとが、出力レーザ２２を形成する。

マスタレーザで光を生成するために、電流が第１のｐコンタクト２２４ａと第１のｎコンタクト２２６ａとの間に印加される。マスタレーザ２０のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放射される。光は、半絶縁層２３６及び半絶縁層２３７によって横方向に制限され、導波路層２１０ａ及びｂによって垂直方向に制限される。光は、変調レーザ２１のＭＱＷ層に入る。時間変動する電流が、変調レーザ２１の第２のｐコンタクト２２４ｂと第２のｎコンタクト２２６ｂとの間に印加される。変調レーザ２１のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放射される。光は、半絶縁層２３６及び半絶縁層２３７によって横方向に制限され、導波路層２１０ａ及びｂによって垂直方向に制限される。光は、出力レーザ２２のＭＱＷ層に入る。時間変動する電流が、利得スイッチ出力レーザ２２の第３のｐコンタクト２２４ｃと第３のｎコンタクト２２６ｃとの間に印加される。出力レーザ２２のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放射される。光は、半絶縁層２３６及び半絶縁層２３７によって横方向に制限され、導波路層２１０ａ及びｂによって垂直方向に制限される。

図１２の断面図及び上面図は、並んで配置された２つのセットのレーザを示す。各セットは、上述したように、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２を備える。レーザの隣接するセットは、半絶縁層２３７にエッチングされたトレンチによって分離される。トレンチを使用した分離により、隣接するレーザ間のクロストークを回避し、又は最小限にすることができる。

図１３は、実施形態に係る光アレイの概略図を示し、この光アレイでは、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２は、横方向接合し、共通基板１００にフリップチップボンディングされた別個のチップである。

この例では、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び出力レーザ２２は、ＤＦＢレーザである。しかしながら、マスタレーザ２０、変調レーザ２１又は出力レーザ２２のうちの１つ又は複数が、例えばストライプレーザであってもよい。

マスタレーザ２０は、上記で図６（ｂ）に関連して説明したように製造される。回折格子は、単一のＤＦＢレーザが形成されるように構成される。マスタレーザ２０は、例えばＩｎＰ基板上に形成され得る。変調レーザ２１及び出力レーザ２２は、やはり上記で図６（ｂ）に関連して説明したように、別個に製造される。回折格子は、やはり単一のＤＦＢレーザが形成されるように構成される。出力レーザ２２も、例えばＩｎＰ基板上に形成され得る。これらのプロセスの結果は、２つの別個のＩｎＰベースのＤＦＢレーザである。

次いで、各ＤＦＢレーザはダイシングされ、他のプラットフォーム上にフリップチップ実装され整列される。他のプラットフォームはＳｉ基板であり得る。各ＤＦＢレーザウエハはダイシングされ、各個別のＤＦＢレーザが他の基板上に配置される。ＤＦＢレーザは精密に整列される。次いで、デバイスは、そのプラットフォームに熱接合又は圧着される。接着は、例えば、金属同士の接合を使用して金属層によって提供され得る。

図１３は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放射される方向に沿った側面図を示す。

デバイスは基板１００を備える。基板の一方の表面上にｎコンタクト２２６がある。バッファ層２０６が、基板１００上にありそれに接触している。マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び利得スイッチ出力レーザ２２が、バッファ層２０６上にありそれに接触している。バッファ層２０６上にありそれに接触しているマスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び利得スイッチ出力レーザの表面における層３００は、ＩｎＰである。

側面図に示されるように、マスタレーザ２０と変調レーザ２１との間にギャップが存在する。変調レーザ２１と出力レーザ２２との間にもギャップが存在する。ギャップは、光が放射される方向に垂直な方向にデバイス全体にわたって延びてよい。ギャップは、バッファ層２０６まで延びる。

マスタレーザで光を生成するために、電流が第１のｐコンタクト２２４ａと第１のｎコンタクト２２６ａとの間に印加される。マスタレーザ２０のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放射される。光は、ｐ型層２３０及びｎ型層２２８によって横方向に制限され、導波路層２１０ａ及びｂによって垂直方向に制限される。光は、変調レーザ２１のＭＱＷ層に入る。時間変動する電流が、変調レーザ２１の第２のｐコンタクト２２４ｂと第２のｎコンタクト２２６ｂとの間に印加される。変調レーザ２１のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放射される。光は、ｐ型層２３０及びｎ型層２２８によって横方向に制限され、導波路層２１０ａ及びｂによって垂直方向に制限される。光は、出力レーザ２２のＭＱＷ層に入る。時間変動する電流が、利得スイッチ出力レーザ２２の第３のｐコンタクト２２４ｃと第３のｎコンタクト２２６ｃとの間に印加される。

上述したアレイでは、複数の第１の光学コンポーネント２１の各々がレーザを備える。しかしながら、代替的には、複数の第１の光学コンポーネントのうちの１つ又は複数が、代わりに位相変調器を備える。位相変調器は、材料の屈折率が印加電場に依存する電気光学変調器であってよい。屈折率の変化が光路長の変化をもたらし、これは位相変調器によって適用される位相シフトの変化をもたらす。異なる位相シフトを与えるように、異なる電圧が位相変調器に印加される。基準レーザ２０は、各々が位相変調器を備える複数の導波路に光学的に結合され、位相変調器は第１の光学コンポーネント２１である。各導波路は、対応する出力レーザ２２の入力に結合される。マスタレーザ２０からのコヒーレント光が導波路に沿って移動し、基準レーザからのコヒーレント光が位相変調器で受信される時間の期間中に位相シフトが適用される。したがって、複数の位相変調器の各々は、基準レーザ２０からのコヒーレント光が受信される時間の期間中にコヒーレント光を出力するように構成される。この場合、基準レーザ２０自体からのコヒーレント光は、追加の位相シフトが適用されて出力される。位相シフトは、第１のコントローラ５０によって適用される。

上述したような位相変調器は、屈折率が電場強度に依存する、ＬｉＮｂＯ₃結晶などの結晶を備えることができる。代替的に、各位相変調器は、光路長が温度に依存する熱光学変調器であってよく、温度は、例えば、基板上に集積されたマイクロヒータによって変化される。光路長の変化は、位相変調器により適用される位相シフトの変化をもたらす。複数の位相変調器に適用される相対位相シフトは、それら複数の位相変調器に位相制御信号を印加するように構成された１つ又は複数の第１のコントローラによって設定される。

上述したアレイでは、複数の第２の光学コンポーネント２２の各々がレーザを備えている。しかしながら、代替的には、複数の第２の光学コンポーネントのうちの１つ又は複数が強度変調器を備える。強度変調器は、入射光パルスの強度を変調する。「オフ」状態では、強度変調器は、光の強度を低いレベルに低下させる。「オン」状態では、強度変調器は、入射光のより大きな部分が出ることを可能にする。強度変調器は、変調器、例えば、電界吸収変調器における材料の吸収係数を変更することによって、光の強度を変調することができる。電界吸収変調器は、半導体デバイスであり、デバイスに印加される電圧が吸収係数を変更し、したがってデバイスを通過する光の強度を変更する。別の実施形態では、強度変調器はマッハツェンダ干渉計に基づく。マッハツェンダに基づく強度変調器は、出力強度を変調するために干渉計の２つのアーム間の位相差を変更する。

第１の光学コンポーネント２１のうちの１つ又は複数は各々、導波路に結合される。各導波路は、第２の光学コンポーネント２２に対応する強度変調器を備える。変調レーザ２１からのコヒーレント光は、導波路に沿って移動し、基準レーザからのコヒーレント光が強度変調器で受信される期間中に強度変調が適用されて、短い光パルスを生成する。したがって、複数の強度変調器の各々は、変調レーザ２１からのコヒーレント光が受信される時間の期間中に少なくとも１つの短い光パルスを出力するように構成される。この場合、変調レーザ２１自体の光は、１つ又は複数の短い光パルスを生成するために強度変調を適用されて出力される。強度変調器は、第２のコントローラ６０によって制御される。短い光パルスの強度のさらなる強度制御が適用されてよい。

代替的に、複数の第１の光学コンポーネントのうちの１つもしくは複数及び／又は複数の第２の光学コンポーネントのうちの１つもしくは複数が、レーザの代わりに半導体光増幅器（ＳＯＡ）を備える。光増幅器はＭＱＷを備える。ＳＯＡは、利得スイッチされ（gain-switched）てもよい。したがって、コントローラは、ＳＯＡに接続され、時間変化する信号を印加することによって、「オン」状態と「オフ」状態との間でＳＯＡを切り替えることができる。例えば、第１の光学コンポーネントがＳＯＡである場合、第１のコントローラは、利得を変更し、レーザに関連して上述したものと同様にして位相シフトを適用するために、時間変化する信号を印加する。同様に、第２の光学コンポーネントがＳＯＡである場合、第２のコントローラは、短いパルスの放射時間及び強度を制御するために、時間変化する信号を印加する。ＳＯＡの利得を変調するために、コントローラは、時間変化する信号、例えば、一連の電流変調パルスの形態を有することができる時間変化する電流を印加する。電流変調パルスがＳＯＡに印加されると、注入されたキャリアがキャリア密度を増大させ、出力を生成するために、ＳＯＡに入力された光が誘導発光によって十分に増幅される。この時点で、電流変調パルスがＤＣバイアスレベルに戻るように切り替えるためのタイミングが取られ、短い光パルスを生成するために、速やかにレーザ放射が絶える。代替的に、より長いパルスが生成されてよく、ここで、ＳＯＡは第１の光学コンポーネントの代わりに使用される。ＳＯＡ２２が「オン」状態に切り替えられると、入射光が増幅されてＳＯＡ２２から放射される。ＳＯＡ２２が「オフ」状態に切り替えられると、入射光が吸収される。

図１に戻ると、この図は、エミッタアレイ１１に光学的に接続されたソースアレイ１０の概略図を示している。ソースアレイ１０の動作及び構成要素については上述されている。エミッタアレイ１１は、光導波路を介して第２の光学コンポーネント２２に光学的に接続された出力結合素子のアレイを備える。

出力結合素子は、面内方向である第１の方向において導波路から光を受信し、第２の方向において自由空間にその光を送信するように構成された光学コンポーネントである。第２の方向は面外方向の成分を有する。図１４（ａ）に示される例では、第２の方向は面外方向に実質的に平行である。

アレイデバイスからの光を送信するために出力結合素子を使用することによって、マスタレーザ２０、第１の光学コンポーネント２１、及び第２の光学コンポーネント２２の位置が放射から切り離される。例えば、レーザは、より良好な放熱のために、システムの外部部分に近い位置に配置されてよい。受動２Ｄ放射アレイが放射光学素子と共に配置される。放射光学素子は、例えば、エンクロージャ及びアパーチャ／窓を含むことができる。光位相アレイ設計の使用は、集束光学素子が必要とされないことを意味する。さらに、マスタレーザ２０、第１の光学コンポーネント２１、及び第２の光学コンポーネント２２の相対位置は、例えば放射制約ではなく、放熱に基づいて選択され得る。例えば、干渉が発生するように出力結合器が互いに近接して配列されるレーザが、放熱を改善するために互いに離間され得る。一例では、隣接する出力結合器が、動作波長の半分に等しい距離で分離される。別の例では、隣接する出力結合器が、数十マイクロメートルのオーダーの距離で分離される。

さらに、レーザベースの構成要素の個別レーザ長は、より狭い線幅及びより大きい出力のために増加され得る。これにより、信号対雑音比を改善することができる。

図１４（ａ）は、エミッタアレイ１１において使用され得る例示的な出力結合素子の概略図を示す。

エミッタアレイ１１は、出力結合素子と、出力結合素子に接続する光導波路と、を備える。これらは基板上に配置され得る。基板は半導体基板であり得る。例えば、基板は、ソースアレイ１０とエミッタアレイ１１が同じ基板上に集積されるように、ソースアレイ１０を備える第１の基板とすることができる。このように、すべての要素が単一のチップ上に集積され、すなわち、この結果得られるデバイスは、トップダウン製造アプローチを使用して製造するためにコンパクトで安価にすることができる。出力結合素子及びエミッタアレイ１１が単一のチップ上に集積される例は、図１４（ａ）の上段の図に示されている。

代替的に、出力結合素子のアレイと出力結合素子に接続する光導波路とが、第２の基板上に配置され、第２の基板は第１の基板とは別個である。第２の基板は第１の基板と同じ材料であってよい。代替的に、第２の基板は異なる材料であってもよい。第２の基板は、第１の基板の平面に平行な第１の方向と実質的に平行な平面に配置され得る。代替的に、第２の基板の平面は、第１の基板の平面と角度を形成してもよい。出力結合素子とエミッタアレイが別々の基板に集積される例は、図１４（ａ）の中段及び下段の図に示されている。

出力結合素子は、導波管において束縛された光学モードを自由空間放射モードに変換する。

出力結合器は、図１４（ａ）の上段及び中段の図に示されるように格子結合器を備えることができる。格子結合器は、半導体基板上に集積され、半導体製造技術を使用して安価に製造され得る。これらは、例えばソースアレイと共に製造されてよい。格子結合器は、所望の位置において特定の領域内で規則的な間隔で導波路内に垂直にエッチングされたトレンチを備えることができる。格子結合器を製造することは、電子ビームリソグラフィレジストでサンプルをスピンすることと、所望の位置で電子ビームリソグラフィを用いて格子パターンを画定することと、を含むことができる。格子の寸法、すなわちトレンチ間の間隔は、レーザ出力波長に依存し得る。現像後、パターンは、ウェット又はドライの浅いエッチングによって転写される。格子は、導波路層の少なくとも一部分を通してエッチングすることによって形成される。トレンチは、溝状パターンを有することができる。エッチングは、導波路の全部又は一部を通して行われ得る。エッチング深さは、「上」方向、すなわち基板表面に垂直でターゲットに向かう方向で、光のより大きい部分を放射し、「下」方向、すなわち基板表面に垂直であるがターゲットから離れる方向で、より少ない光を放射するために変化され得る。図１４（ｂ）に、１５５０ｎｍでの動作のための集積された出力結合器の典型的なサイズの例が示されている。

代替的に、出力結合素子は、ソースアレイの近位端において第１の方向に整列され、遠位端において第２の方向に整列されるように徐々に湾曲する導波路を備える。これは、「３Ｄ」導波路と呼ばれることがある。上記のように、第２の方向は第１の方向と角度をなす。したがって、出力結合素子は、第１の方向から光を収集し、それを第２の方向に送信する。そのような出力結合素子の例が図１４（ａ）の下段の図に示されている。そのような導波路は、レーザを材料の内部で集束させて３Ｄ導波路領域を書き込むことによって、製造され得る。材料の屈折率はレーザが集束された位置で変更され、それにより導波路が形成される。

代替的に、出力結合素子は、光の放射特性を局所的に変更する平面構造であるメタ表面を備える。メタ表面は、半導体基板上に集積されることが可能であり、上述した格子結合器と同様にして製造され得る。平面構造はトレンチ及び／又はポストを備えてよく、隣接する構造間の分離は光の波長よりも小さくてよい。平面構造の配置は規則的であってよく、又はランダムであってよい。

各出力結合素子は、出力レーザ２２から放射された光が面内方向で出力結合素子に入って面外方向に放射されるように、出力レーザ２２に光結合される。前述したように、出力レーザ２２からの光パルス放射のタイミングは、出力レーザ２２からのパルスが出力結合素子に同時に到達するように制御され得る。

光導波路は、ソースアレイの第２の光学コンポーネント２２を出力結合素子のアレイに接続する。光導波路は、図８に関連して上述したように半導体基板上に集積されてよく、又は基板間を接続する光相互接続を含んでよく、その場合、例えばエミッタアレイが別個の基板に配置される。相互接続は、半導体基板上の導光領域を、別の半導体基板上の導光領域に接続することができ、例えば、光ファイバを備えることができる。代替的に、チップは、直接結合されてよく、又は第３の基板にフリップチップボンディングされてもよい。

図１５は、２次元ｍ×ｎアレイに配置された出力結合素子のアレイの概略図を示す。この例では、各出力レーザが１つの出力結合器に光学的に接続されるように、Ｍ個の出力レーザが設けられ、ここでＭ＝ｍ×ｎである。Ｍ個の出力レーザはＭ×１アレイに配置される。第１の出力レーザは、行１及び列１における出力結合器に接続されてよく、ｎ番目の出力レーザは、行１及び列ｎにおける出力結合器に接続されてよく、行ｍ及び列ｎにおける出力結合器に接続され得る（Ｍ−ｎ＋１）番目のレーザ、及び行ｍ及び列１における出力結合器に接続され得るＭ番目のレーザまで、同様である。Ｍ個の出力レーザの放射は、ｍ×ｎ＝Ｍピクセルを有する２Ｄアレイ内に配置され、各出力からの出力パルスは、チップの表面に垂直に放射される。出力結合器は、隣接する出力結合器間の間隔は同じである規則的なｍ×ｎアレイに配置される。各光出力結合器は、この例では方形の断面を有するが、他の形状が使用されてもよい。１つの出力結合素子の中心と、隣接する出力結合素子の中心との距離がｄであり、この例では、ｄはすべての要素について同じである。

代替的に、ソースアレイは、Ｍ個の出力レーザ２２を備え、各々がｍ×ｎ個の出力結合器のうちの１つに接続される。言い換えれば、Ｍ＝ｍ×ｎである。Ｍ個の出力レーザ２２は、ｍ×ｎアレイに配置される。図１６（ａ）は、各出力結合器が単一モードを出力する、出力結合器の例示的な規則的２次元ｍ×ｎアレイの概略図を示す。出力結合器は、出力結合器の規則的な長方形のアレイを形成するように配置され、隣接する出力結合器は、距離ｄで分離される。ｍ×ｎ出力モードは、規則的２Ｄアレイに配置され、各出力結合器又はピクセルは、その最も近い隣接するものからｄだけ離間され、ｄは、１つの出力結合器の中心と、隣接する出力結合器の中心との間の距離である。ピクセル間隔を変化させることにより、より高次の干渉が得られることがある。別の例では、ｄは、遠方場（far-field）で単一のレーザスポットを得るために動作波長の半分に設定される。

代替例では、Ｍ×１アレイに配列されたソースアレイにおけるＭ個の出力レーザが、出力結合器のｍ×ｎアレイの各行に光学的に接続される。言い換えれば、Ｍ＝ｍであり、出力レーザ１が列１におけるｎ個の出力結合器に光学的に接続され、出力レーザ２が列２におけるｎ個の出力結合器に光学的に接続され、以下同様である。１つの出力レーザからの光エネルギーは、例えば、上述した方向性結合器を使用してｎ個の異なるトラックに案内され得る。

図１６（ｂ）は、出力結合器が２Ｄランダムアレイに配置された代替例を示し、各出力結合器は、その最も近い隣接するものから異なる距離で離間される。ランダム配置では、より高次の焦点が抑制される遠方場光分布を提供することができる。

光出力結合器は、出力レーザの放射を２Ｄ空間アレイに配置するための手段を提供する。

ソースアレイ１０から出力された光は、エミッタアレイ１１に供給され、そこで、出力結合器によって自由空間へ放射される。各出力結合器は、ソースアレイ１０によって設定された特定の位相及び強度を有する光を放射する。遠方場強度の位置は、後に説明するように、アレイ内のすべての出力レーザの相対位相に対し適切な値を設定することによって制御される。

ここでは、出力結合器の２Ｄ長方形ｍ×ｎアレイを説明するが、結果は他の配置にも適合され得る。エミッタアレイからの放射は、単一のレーザスポットを有する遠方場強度パターンを生じ得る。遠方場強度パターンは、例えばフラウンホーファー近似などの近似解析式を使用して計算され得る。図１７は、光デバイスからの遠方場放射の概略図を示す。図１８（ｃ）は、ｘ軸方向にわたる遠方場パターンを示す。ｙ軸方向にわたる遠方場パターンは同じである。図１８（ｃ）に示される遠方場強度パターンは、フラウンホーファー近似を使用して計算される。

図１８（ｃ）では、エンベロープ（破線）は、アレイの中心で（ガウスビームプロファイルを放射すると仮定される単一の点光源である）単一の出力結合器によって光が放射された場合に得られる正規化された遠方場強度である。破線は、０次アレイについてビームステアリング範囲を決定する。実線は、（例えば図１６（ａ）に示されるような）ｄの間隔を有する放射ピクセルのｍ×ｎアレイから計算された遠方場強度を示し、計算では、開口サイズｄ_sを有する各ピクセル（又は出力結合素子）によってガウスビームが放射されると仮定する。間隔ｄは、この例では動作波長の半分に設定される。

図１８（ｃ）では、遠方場パターンは、各出力結合器によって放射されたビームが同じ強度及び同じ位相（すなわち、各出力結合器で放射された光の間の相対位相差が０である）を有するとき、アレイの中心（すなわち、ｘ＝ｙ＝０）に対応する位置に０次レーザ焦点スポットを有する。一般に、遠方場スポットサイズは、（ｍ−１）×（ｎ−１）×ｄ²で与えられるアレイ面積に反比例する。

レーザ焦点の位置は、変調レーザ２１で印加される位相シフトを制御するために第１のコントローラ５０を使用することにより、アレイ内の出力レーザの相対位相に対して適切な値を設定することによって制御され得る。波面が図１８（ｄ）に示されるように同相であるとき、隣接する出力モード間の建設的干渉が角度θで発生する。
この結果、ｚ₀の遠方場における変位ｘ₀＝ｚ₀ｔａｎθが得られる。同じことが、ｙ軸に沿った変位ｙ₀についても当てはまる。図１７は、相対位相に対し適切な値を設定することによって、レーザスポットが中心位置から離れて偏向されることを示す。

図１８（ａ）は、隣接する出力ピクセルの相対位相を走査することによってｘ方向に視野にわたって直線的に走査される遠方場照射スポットの位置を示す。φ_nの変化、すなわち、ｘ方向における隣接するピクセル間の位相差は、ｘ軸に沿ってスポットをステアリングする。φ_mの変化、すなわち、ｙ方向における隣接するピクセル間の位相差は、ｙ軸に沿ってスポットをステアリングする。図１８（ａ）に見られるように、ｘ軸方向に沿ってスポットを移動させるために、ｘ軸方向における各隣接ピクセル間の位相差φ_nが変えられる。φ_nは、第１のピクセルと第２のピクセルとの間の位相差であり、また、行における第２のピクセルと第３のピクセルとの間の位相差であり、以下同様である。これは、第１のピクセルと第３のピクセルとの間の位相差が２φ_nであることを意味する。第１のコントローラ５０によって変調レーザ２１に適用される位相制御は、隣接するピクセルの間の位相差を変化させるように制御される。この場合、位相φ_mとφ_nは、図示されるように遠方場スポットが遠方場にわたって直線的に走査されるように、独立して変化される。

図１８（ｂ）は、遠方場照射スポットの位置が、予め定められたパターンによって視野にわたってランダムに走査される場合を示す。走査は、第１のコントローラ５０によって制御される。位相φ_m及びφ_nは、この場合、遠方場スポットが遠方場平面にわたってランダムに散乱されるように、予め定められた系列に従って変化される。

アレイ内の変調レーザ２１の位相制御は、あるエリアにわたって遠方場照射スポットの位置を走査するために使用される。規則的に間隔が空けられたアレイでは、２Ｄアレイのｘ軸に整合された遠方場ｘ軸に沿った位置が、アレイにおけるｘ軸に沿った隣接出力モードの相対位相φ_nを変化させることによって制御される。遠方場ｙ軸に沿った位置は、アレイにおけるｙ軸に沿った隣接出力モードの相対位相φ_mを変化させることによって制御される。

ビームが中心の０次位置から離れて走査されるにつれて、図１８（ｃ）に示されるエンベロープに従ってビームの強度が減少する。一定のビーム強度を維持するために、マスタレーザ２０、変調レーザ２１、及び／又は出力レーザ２２の強度は、走査によって引き起こされる任意の強度の変化を補償するように制御され得る。

さらに、各ピクセルは少なくとも１つの別個のレーザ又は光増幅器（変調レーザ２１及び／又は出力レーザ２２）に対応するので、個々のピクセルの強度は個別に制御されることが可能である。複数のレーザ／光増幅器が使用されるので、より高い総出力を得ることもできる。

図１８（ｅ）は、例えば（以下にさらに詳細に説明する）ＬＩＤＡＲシステムにおける走査を制御するために使用され得る動作モードを示す。位相ロックレーザアレイでは、マスタレーザ２０が連続的に動作する。変調レーザ２１は、位相をマスタレーザの位相にリセットするために各放射サイクルの前にオフにされる。変調レーザ２１の位相は、前述したように可変振幅を用いて印加された電流を変調することによって制御される。続いて、利得スイッチ出力レーザ２２は、アレイからの異なる出力モードにおける制御された相対位相、振幅、及び遅延を有するレーザパルスを生成するために、可変振幅及び遅延で駆動される。放射時間は、この図では右から左の方向に進むように見ることができ、ここでは、位相シフトを適用する小さな摂動は、電流パルスの開始時に変調レーザ２１に印加され、出力レーザ２２は、コヒーレント光パルスの中央部分が受信されるとき（すなわち、位相シフトコヒーレント光が受信されるとき）に電流パルスを生成する。

図示されるように、最初の２組のパルスに関して、第１の変調レーザで位相シフトは適用されず、出力レーザで放射されるパルス間の位相差は０である。実際に、例えば出力レーザにおける放射時間の差によって生じる出力パルス間の位相オフセットを補償するために、変調レーザの１つにおいて何らかの位相シフトが適用される必要があり得る。これは、前述したように、較正の実行において決定されてよい。簡単にするために、ここでは、すべての経路長及び放射時間が等しいと仮定する。第３のセットのパルスに関して、位相シフトが第２の変調レーザで印加され、その結果、第１の出力レーザから放射されたパルスと第２の出力レーザから放射されたパルスとの間のφ₂の位相差がもたらされる。第４のセットのパルスに関して、同じ位相シフトが代わりに第１の変調レーザで印加され、その結果、第１の出力レーザから放射されたパルスと第２の出力レーザから放射されたパルスとの間の−φ₂の位相差がもたらされる。第４のセットのパルスに関して、同じ位相シフトが第１の変調レーザで印加され、より大きな位相シフトが第２の変調レーザで印加され、その結果、第１の出力レーザから放射されたパルスと第２の出力レーザから放射されたパルスとの間のφ₃の位相差がもたらされる。

上述したような光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）は、（変調レーザ２１で適用される位相を制御することによって）上記出力レーザ２２の間の相対位相に対して適切な値を設定する。これは、ターゲットの走査を行うために使用できる遠方場レーザスポットの移動をもたらす。光フェーズドアレイは、光を放射するように構成された光学素子のアレイを有することによって動作し、各素子によって放射される光は、他の光素子に対して制御可能な相対位相を有する。適切な相対位相を選択することにより、得られる合成光が、例えば異なる方向に移動することができる。相対位相を時間で動的に変化させることにより、レーザスポットはターゲット上で走査され得る。

２Ｄアレイからのすべての出力モードが位相ロックされるので、これはアレイから放射されるレーザパルスの位相面のエンジニアリングを可能にする。

すべての出力モードの放射時間は、各ピクセルが同時に光を放射するように同期され得る。すべての出力モードの干渉が発生すると（すなわち、それらが実質的に同時に放射すると）、アレイは、（変調レーザ２１の相対位相を制御することによって）アレイ内のすべての出力レーザの相対位相を設定することによって制御され得る遠方場における制限された位置に単一のレーザパルスを放射する。

したがって、ＯＰＡは、上述したソースアレイ１０及びエミッタアレイ１１を使用して実装される。相対位相は、ソースアレイを使用して設定され得る。レーザスポットを移動するために位相変調を使用することは、移動機構（moving mechanical）が必要とされないことを意味し、その結果、振動に対する低い感度、速い走査速度、及びコンパクトな配置を有するロバストな装置が達成され得る。さらに、望ましいターゲット位置が任意の方向にジャンプするために必要とされる適応走査が実行され得る。デバイスは、ターゲットレーザ位置をシーン内の異なる関心点へ迅速に移動させることができる。

遠方場スポットの位置を制御すると共に、遠方場強度パターンも制御され得る。アレイ内の出力モードの（第１のコントローラ５０による）位相制御、及び（第２のコントローラ６０による、又は追加的もしくは代替的に変調レーザ２１による）振幅制御は、遠方場強度パターンに対する制御を可能にする。これは、単一のスポットだけでなくより大きな領域にレーザパルスを照射する必要があるフラッシュベースのＬｉＤＡＲの異なるバージョンに利用され得る。

上述したように、遠方場スポットのサイズはアレイ面積に反比例する。出力モードの振幅制御は、アレイの特定の領域を非活性化することを可能にし、アレイの活性サイズを効果的に変更する。これは、単一のスポット上の強い局所的な照射から遠方場における広い領域の拡散広角照射（diffuse wide angle illumination）への切り換えを可能にする。これは、例えば空間分解検出器を有するフラッシュＬｉＤＡＲに使用されてよい。図１８（ｇ）は、アレイにおける個別のピクセルの強度を制御することによって遠方場照射スポットのサイズがどのように変わるかを示す。アレイの有効活性面積の減少は、より大きなスポットサイズにつながる。これは、例えばフラッシュＬｉＤＡＲで利用される単一の光パルスによるシーン全体の照明を可能にすることができる。

出力モードの位相制御は、ピクセル間の位相パターンの制御によって複雑な遠方場照射パターンの生成を可能にすることもできる。異なるパターンを生成するために、隣接するピクセルの異なるセットから放射される光の間の位相差が変えられる。これは、遠方場における不規則な領域の照明を可能にすることができる。これは、単一のピクセル検出器で動作する、構造化照射に基づいたフラッシュＬｉＤＡＲに利用され得る。図１８（ｆ）は、単一のスポットの代わりにカスタム照射パターンの生成を可能にする、すべてのピクセルについての振幅及び位相制御を示す。

規則的アレイ及びビームの走査については、適用されることになる必要な位相シフトは、上述した式から計算され得るが、不規則なアレイ及び／又は不規則な遠方場パターンの形成については、必要な遠方場形状及び位置を生成するために必要な位相シフトは、最適化技術によって数値的に決定され得る。

ＬｉＤＡＲは、レーザからの光のパルスをターゲットに照射することによってターゲットまでの距離を測定することが可能なイメージング方法である。光が物体に当たると、入射光の一部は散乱（又は反射）されてＬｉｄａｒシステムのセンサへ戻り、このセンサは、受信した光パルスの特性を測定することができる。入射光の一部のみがセンサに向けて反射されるので、測定された光パルスの強度は、送信された光パルスの強度よりも低い。

飛行時間（ＴｏＦ；time of flight）ＬｉＤＡＲでは、放射されたパルスと反射されたパルスの検出との間の時間遅延は、センサからターゲットまでの距離を決定するために使用され、その距離は、１／２ｃΔｔであり、ここで、ｃは、空気中での光速（３×１０⁸ｍ／ｓ）であり、Δｔは、放射されたパルスと受信されたパルスとの間の時間遅延である。光のパルスは、ターゲットと比べて小さいレーザスポットに集束され得るので、これは、より高い分解能及びより低い測定不確実性を実現する。結果として、スポットの反射は、ターゲットの小さな領域だけに関する距離情報をもたらす。ターゲット全体に関する情報を得るためにレーザスポットはターゲットのエリアにわたって走査され、すなわち、レーザスポットはターゲットの点に移動され、その点についての距離情報が取得され、次いでレーザは別の点に移動され、その他の点についての距離情報が取得され、そして、これが、ターゲット全体に関する距離情報が取得されるまで繰り返される。ＬｉＤＡＲシステムの例が図１９に示されている。

ＬｉＤＡＲモードでのアレイの動作のために、パルス当たり多数の光子を有する単一のレーザパルスが特定の遠方場位置に放射され得る。

図２０は、ソースアレイ１０とエミッタアレイ１１とを備える光デバイスが光のパルスを生成するために使用されるＬｉＤＡＲシステムを示す。位相ロックレーザアレイは、システムから距離ｚ₀だけ離れた物体にレーザパルスを送るために使用される。光パルスの一部は、レーザパルスの到着時間が検出器で測定されるシステムへ戻るように反射される。パルスの全体的飛行時間Δｔは、到着時間とアレイからの放射をトリガする制御パルスとの相関によって導かれる。システムからの物体の距離は、ｚ₀＝ｃΔｔ／２として計算される。

ＬＩＤＡＲシステムで使用される検出器は、高速単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ：fast single photon avalanche photodiode）であってよい。ＳＰＡＤは、線形モード又はガイガーモードのいずれかで動作することができる。集光光学素子は、大きな視野から光を収集し、それを単一のＳＰＡＤ上に集束させるために使用され得る。集光光学素子は、集束光学素子、例えば１つ又は複数の集束レンズを備えることができる。図２１は、例示的な検出器構成をより詳細に示す。

弁別器回路は、検出された各光子パルスについて正確なタイミングでデジタル出力信号を生成するために使用される。

フラッシュＬｉＤＡＲシステムでは、単一のＳＰＡＤがＳＰＡＤのアレイと交換されてよく、収集光学素子が例えば撮像光学素子と交換されてもよい。これは、検出されたレーザパルスに対する空間分解能及びタイミング分解能を与える。面内位相ロックレーザアレイを使用して、単一のレーザパルスが放射され、離れた物体に向けられる。照射スポットのサイズは、図１８（ｇ）に関連して説明したように広くされ得る。パルスの一部は、反射され、レーザアレイの近くに配置された検出器を用いて測定される。物体の距離ｚ₀は、光パルスの飛行時間を介して抽出され、光パルス放射とＳＰＡＤのアレイの各要素による光パルス検出との間の開始停止相関（start-stop correlation）によって測定される。

ＬｉＤＡＲデバイスへの適用を上記に説明したが、光デバイスは、代替的に量子通信システムにおいて使用されてもよい。例えば、光デバイスは、量子鍵配送（ＱＫＤ）システム、例えば、衛星ＱＫＤシステムなどの自由空間ＱＫＤシステムのための送信機において使用されてもよい。

一例によれば、差動位相シフトＱＫＤ（ＤＰＳ−ＱＫＤ）プロトコルは、コヒーレント光パルスのシーケンスの後続光パルス間の位相差にビット値を符号化するために使用される。第１のコントローラ５０は、後続光パルス間の位相差を設定することができる。例えば、後続パルス間の０の位相差が０のビット値に関連付けられてよく、後続パルス間のπの位相差が１のビット値に関連付けられてよい。光パルスは、量子受信機に送信され、量子受信機は、受信されたコヒーレントパルス間の位相差を検出し、０又は１のビット値を復号する。ＤＰＳの安全性は、イブが１つのパルスを測定しようとする場合、そのパルスとその隣接するものとの間のコヒーレンスを破壊し、これがアリスとボブによって検出できるという事実から生じる。

ＱＫＤモードにおける位相ロックレーザアレイの動作のために、マスタレーザ２０は、各量子ビット放射サイクルの後に位相をランダム化するために周期的にオフにされる。例示的な動作が図２２（ａ）に示されている。マスタレーザ２０は、長いコヒーレント光パルスを放射する。変調レーザ２１の位相は、２つのステップで制御される。ステップ１では、異なる出力モード（すなわち異なる出力結合器）の間の相対位相φが設定される。これは、遠方場ビームの位置を制御する。ステップ２では、出力レーザは、２つの後続パルスによって駆動され、時間ビン符号化量子ビットを生成する。アレイ内のすべての変調レーザ２１の位相は、ステップ２で同期して変更され、すべての変調レーザにわたって、例えば上述したＤＰＳ−ＱＫＤプロトコルに従って、所望の量子ビット状態を符号化するために２つの時間ビンの相対位相φを設定する。

図２２（ｂ）は、ＱＫＤモードで動作する位相ロックレーザアレイを備える例示的なＱＫＤ送信機を示す。このアレイは、衛星、飛行機、又は無人機などの非静止遠隔受信局に、時間ビン量子ビットを送信する。図２２（ｃ）は、受信機を含むシステムを示す。ＱＫＤ送信機アレイのビームステアリング機能は、送信機と受信機との間の自由空間量子通信リンクを維持するために使用される。ＱＫＤモードでのアレイの動作のために、位相差を搬送する２つの連続するレーザパルスを備える単一の時間ビンが、特定の遠方場位置へ放射される。時間ビンは、チップ上の集積減衰器又はアレイをカバーする単一の外部減衰器のいずれかを使用して、単一光子レベルに減衰される。

いくつかの構成を説明したが、これらの構成は、単に例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実際、本明細書で説明した方法及びシステムは、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

Claims (20)

1. 光デバイスであって、
   第１の半導体基板と、
   コヒーレント光を生成するように構成された基準レーザと、
   複数の第１の光学コンポーネントであって、前記基準レーザが前記複数の第１の光学コンポーネントに光学的に結合され、前記複数の第１の光学コンポーネントの各々が、前記基準レーザからのコヒーレント光が受信される期間中にコヒーレント光を出力するように構成される、複数の第１の光学コンポーネントと、
   光強度変調を行うように構成された複数の第２の光学コンポーネントであって、前記複数の第１の光学コンポーネントの各々が少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントに光学的に結合される、複数の第２の光学コンポーネントと、
   を備え、
   前記複数の第１の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は位相変調器を備え、前記複数の第２の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備えるときには、前記少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントが位相変調器を備えるときには、前記少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備え、
   前記光デバイスは、
   位相シフトを適用するために位相制御信号を前記複数の第１の光学コンポーネントに印加するように構成された１つ又は複数の第１のコントローラと、
   コヒーレント光が受信される期間中に光パルスが出力されるように、パルス制御信号を前記複数の第２の光学コンポーネントに印加するように構成された１つ又は複数の第２のコントローラであって、前記複数の第２の光学コンポーネントから放射された光パルス間の相対位相が前記１つ又は複数の第１のコントローラにより適用された相対位相シフトによって制御される、１つ又は複数の第２のコントローラと、
   をさらに備え、
   前記基準レーザ、前記複数の第１の光学コンポーネント、及び前記複数の第２の光学コンポーネントは、前記第１の半導体基板の表面に平行な平面において前記第１の半導体基板上に横方向に集積される、光デバイス。
2. 前記１つ又は複数の第２のコントローラは、前記放射された光パルスの強度を変化させるために前記パルス制御信号を修正するようにさらに構成される、請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記第１の半導体基板はＩｎＰを備える、請求項１又は２に記載の光デバイス。
4. 前記複数の第２の光学コンポーネントに光学的に接続された光出力結合器の２次元アレイをさらに備え、前記光出力結合器は、前記第１の半導体基板の前記表面に垂直な成分を有する方向に光を出力するように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の光デバイス。
5. 前記光出力結合器は光学格子領域を備える、請求項４に記載の光デバイス。
6. 前記光出力結合器は、前記第１の半導体基板の前記表面に平行な前記平面に整列された第１の部分を有し、前記第１の半導体基板の前記表面に垂直な方向に整列された第２の部分を形成するように湾曲する導波路を備える、請求項４に記載の光デバイス。
7. 前記光出力結合器は前記第１の半導体基板上に集積される、請求項４から６のいずれか一項に記載の光デバイス。
8. 前記光出力結合器は第２の半導体基板上に集積される、請求項４から６のいずれか一項に記載の光デバイス。
9. 前記光出力結合器はランダムアレイに配置される、請求項４から８のいずれか一項に記載の光デバイス。
10. 前記光出力結合器は規則的アレイに配置される、請求項４から８のいずれか一項に記載の光デバイス。
11. 前記位相制御信号は電気信号を備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光デバイス。
12. 前記放射された光パルスの強度は１ＧＨｚ以上の周波数で変調される、請求項２から１１のいずれか一項に記載の光デバイス。
13. 前記光デバイスから放射された遠方場光の位置は前記位相制御信号によって制御される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光デバイス。
14. 前記光デバイスから放射された遠方場光パターンのサイズは前記放射された光パルスの前記強度を変化させることによって制御される、請求項２から１３のいずれか一項に記載の光デバイス。
15. 前記光デバイスから放射された遠方場光パターンの形状は前記位相制御信号によって制御される、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光デバイス。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の光デバイスと、
    物体からの反射光を検出するように構成された検出器ユニットと、
    前記検出からの前記物体の距離を決定するための手段と、
    を備えるシステム。
17. 前記システムはＬｉＤＡＲシステムである、請求項１６に記載のシステム。
18. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の光デバイスを備える量子通信システム。
19. 光デバイスを製造する方法であって、
    コヒーレント光を生成するように構成された基準レーザと、複数の第１の光学コンポーネントであって、前記基準レーザが前記複数の第１の光学コンポーネントに光学的に結合される、複数の第１の光学コンポーネントと、光強度変調を行うように構成された複数の第２の光学コンポーネントであって、前記複数の第１の光学コンポーネントの各々が少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントに光学的に結合される、複数の第２の光学コンポーネントと、を形成するステップであって、前記基準レーザ、前記複数の第１の光学コンポーネント、及び前記複数の第２の光学コンポーネントは、半導体基板の表面に平行な平面において前記半導体基板上に横方向に集積される、ステップと、
    を備え、
    前記複数の第１の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は位相変調器を備え、前記複数の第２の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備えるときには、前記少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントが位相変調器を備えるときには、前記少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備える、
    前記方法は、
    第１の電極を前記第１の光学コンポーネントに電気的に接触させるステップであって、前記複数の第１の光学コンポーネントの各々が、前記基準レーザからのコヒーレント光が受信される期間中にコヒーレント光を出力するように構成されるように、位相シフトを適用するために位相制御信号を前記複数の第１の光学コンポーネントに印加し、前記複数の第１の光学コンポーネントを制御するように構成された１つ又は複数の第１のコントローラに、前記第１の電極が接続される、ステップと、
    第２の電極を前記第２の光学コンポーネントに電気的に接触させるステップであって、コヒーレント光が受信される期間中に光パルスが出力されるように、パルス制御信号を前記複数の第２の光学コンポーネントに印加するように構成された１つ又は複数の第２のコントローラに、前記第２の電極が接続され、前記複数の第２の光学コンポーネントから放射された光パルス間の相対位相が、前記１つ又は複数の第１のコントローラにより適用された相対位相シフトによって制御される、ステップと、
    を備える、方法。
20. 光デバイスを動作させる方法であって、
    基準レーザにおいてコヒーレント光を生成することと、
    前記コヒーレント光を複数の第１の光学コンポーネントに供給することと、
    位相シフトを適用するために位相制御信号を前記複数の第１の光学コンポーネントに印加することと、
    前記基準レーザからのコヒーレント光が受信される期間中に前記複数の第１の光学コンポーネントの各々からコヒーレント光を出力することと、
    前記複数の第１の光学コンポーネントの各々からの前記コヒーレント光を、光強度変調を行うように構成された少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントに供給することと、
    コヒーレント光が受信される期間中に光パルスが出力されるように、パルス制御信号を前記複数の第２の光学コンポーネントに印加することであって、前記複数の第２の光学コンポーネントから放射された光パルス間の相対位相が、前記１つ又は複数の第１のコントローラにより適用された相対位相シフトによって制御される、ことと、
    を備え、
    前記複数の第１の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は位相変調器を備え、前記複数の第２の光学コンポーネントは各々、レーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備えるときには、前記少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ、光増幅器、又は強度変調器を備え、第１の光学コンポーネントが位相変調器を備えるときには、前記少なくとも１つの対応する第２の光学コンポーネントがレーザ又は光増幅器を備え、
    前記基準レーザ、前記複数の第１の光学コンポーネント、及び前記複数の第２の光学コンポーネントは、半導体基板の表面に平行な平面において前記半導体基板上に横方向に集積される、方法。