JP3658194B2 - リング共振器型レーザ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リング共振器型レーザに関し、特に、立体状のリング共振器を有するレーザ、半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信や光記録の光源として半導体レーザがよく知られており、様々なタイプが開発されている。また、近年、半導体レーザ、受光素子、変調器、光スイッチなどの光機能素子を同一基板上に搭載した光電子集積回路の開発や、並列処理を目指した半導体レーザのアレイ集積の研究が進められている。このような集積回路においては、半導体レーザの機能向上は急務であり、とりわけ、低しきい値化が重要になる。
【０００３】
半導体レーザの低しきい値化のアプローチとしては、共振器長を光の波長程度に小さくするすることで自然放出光が発振共振器モードに結合する割合を高める、いわゆる、マイクロ共振器構造が知られている。例えば、図１１のように、活性層７５１の上下に分布ブラッグ反射器７５３、７５５を構成して、基板７５７に垂直な方向に共振器を構成した面発光半導体レーザや、図１２のように、基板７７１、７９１上に径が数μｍ程度の円柱状あるいは六角柱状の活性層７７５、７９５を含むディスク７７３、７９３を構成して、ディスクの最外周部分で光が全反射することにより基板７７１、７９１に水平な面でリング状の共振器を構成したディスク型の半導体レーザが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
このような面発光半導体レーザにおいては、高反射率の分布ブラッグ反射器が必要である。基板としてＧａＡｓを用いた場合、通常、反射器としてＡｌＡｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓ多層膜を用いるのが一般的であるが、この場合、高反射率化するためには２０ペア以上必要であり成長時間がかかってしまうという欠点がある。また、基板としてＩｎＰを用いた場合、活性層等を基板に成長した後に、エッチング等によってホール状に加工して蒸着やスパッタリングといった手法でＳｉＯ₂／Ｓｉ多層膜やＡｌ₂Ｏ₃／Ｓｉ多層膜を成膜する必要があり、工程が煩雑になるといった欠点がある。さらに、基板に対して斜め方向や水平方向に進行する光は共振器モードに結合し難い、または結合しないので、更なる低しきい値化には限界がある。
【０００５】
一方、ディスク型の半導体レーザの場合、円柱構造の形成は、結晶成長後に所定部分をドライエッチングすることによって行なっていることが一般的である。そのため、側面の平坦性を向上させることが難しく、さらに、活性層端面がダメージを受けるという問題がある。加えて、基板に対して斜め方向や垂直方向に進行する光は共振器モードに結合し難い、または結合しないので、更なる低しきい値化には限界がある。結晶の成長速度の面方位依存性を利用した選択成長によって六角柱構造を形成する方法もあり、この方法によれば側面の平坦性はドライエッチングに比べ向上させることが可能であるが、この場合も、基板に対して斜め方向や垂直方向に進行する光は共振器モードに結合し難い、または結合しないので、更なる低しきい値化には限界がある。
【０００６】
さらに、これまでに開発されている半導体レーザにおいては、基本的には直線偏光で発振しており、円偏光や楕円偏光で発振する半導体レーザは実用化されていない。
【０００７】
このような課題に鑑み、本発明の目的は、高反射率の多層膜ミラーが不要、もしくは、１つでよく、マイクロ共振器構造に適した、容易に作製可能な、自然放出光が発振共振器モードに結合する割合を高めた、低しきい値の、円偏光もしくは楕円偏光での発振が可能なリング共振器型レーザを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によるリング共振器型レーザでは、複数の平面で囲まれた多面体形状の構造を有し、該多面体形状の各面を反射面とするリング共振器及び活性媒質を有するレーザであって、該多面体形状が四面体であり、且つ該活性媒質で励起されて反射面の一点から進んだ光が各面で反射して元の点に戻る時に通るリング共振器の光路の中に平面状ではない三次元形状の光路が存在することを特徴とする。この基本構成により、光の閉じ込めの程度が高くなって、自然放出光が共振器モードに結合する割合を高くできるとともに、円偏光もしくは楕円偏光での発振が可能となる。こうして、下記の選択エッチング法、選択成長法などを用いて容易に作製可能な低しきい値のリング共振器型レーザが実現できる。また、円偏光もしくは楕円偏光での発振が可能であるので、このレーザを通信用の光源として用いる場合に、戻り光などの雑音に対して強い光源が確立できる。
【０００９】
上記基本構成に基づいて、以下の如き具体的形態が可能である。
前記リング共振器の平面状ではない光路の複数の反射点のうち、少なくとも１つの反射点においては光が全反射する様に構成されている。更には、前記リング共振器の平面状ではない光路の複数の反射点の全ての反射点において光が全反射する様に構成されている。これにより、共振器損失の小さい共振器が構成できる。さらには、全ての反射点において光が全反射している場合は、多層膜ミラーを使うことなく共振器損失の小さい共振器が構成できる。
【００１０】
前記多面体が正四面体である。さらに具体的には閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体で構成されている。こうした形態は、半導体プロセス技術を用いて容易に作製が可能である。
【００１１】
前記半導体の多面体が、３つの｛１１１｝Ｂ面、あるいは３つの｛１１１｝Ａ面、あるいは３つの｛１１０｝面を含む。この形態は、面方位依存性を利用した選択成長法、面方位依存性を利用した選択エッチング法により容易に作製できるので、平坦な反射面の多面体を容易に得ることができる。また、微細な四面体の作製が可能である。
【００１２】
前記多面体ないし四面体が（１１１）Ａ面を主面とする基板上に選択成長することで構成されており、選択成長によって現れた半導体面が（−１１１）Ｂ、（１−１１）Ｂ、（１１−１）Ｂ面である。または、前記多面体ないし四面体が（１１１）Ａ面を主面とする基板上に選択成長することで構成されており、選択成長によって現れた半導体面が（０１１）、（１０１）、（１１０）面である。または、前記多面体ないし四面体が（１１１）Ｂ面を主面とする基板上に遅択成長することで構成されており、選択成長によって現れた半導体面が（−１−１１）Ａ、（−１１−１）Ａ、（１−１−１）Ａ面である。または、前記多面体ないし四面体が（１１１）Ｂ面を主面とする基板上に選択成長することで構成されており、選択成長によって現れた半導体面が（０−１−１）、（−１０−１）、（−１−１０）面である。これらの選択成長法によって、多面体リング共振器が簡単に作製可能である。
【００１３】
前記多面体ないし四面体が（１１１）Ｂ面を主面とする基板を選択的にエッチングすることで構成されており、エッチングによって現れた半導体面が（−１−１１）Ａ、（−１１−１）Ａ、（１−１−１）Ａ面である。この選択エッチング法によっても、多面体リング共振器が簡単に作製可能である。
【００１４】
前記リング共振器を構成する反射面の少なくとも１つに多層反射膜が備えられている。より具体的には、半導体多層反射膜であったり、誘電体多層反射膜であったりする。これにより、高反射率の反射面を形成できるので共振器損失が小さくなる。また、多層膜による反射では位相シフトは０であることを用いて、発振時の偏光状態を設定できる。さらには、半導体多層反射膜を用いる場合には、基板上への結晶成長時に予め形成できるので、基板側の反射面を得ることが容易になる。
【００１５】
前記多面体のリング共振器が半導体基板上に形成され、リング共振器を構成する半導体の屈折率に対し全反射条件を満たす程度に屈折率の小さい埋め込み材で該多面体の底面以外の側面が覆われている。活性媒質への電流注入のための電極を形成する際に、半導体斜面部への電極の回り込みを抑えることができ、斜面部での反射時の損失がない様にできる。
【００１６】
前記多面体のリング共振器が半導体基板上に形成され、該半導体基板が（１１１）Ａ面もしくは（１１１）Ｂ面から所定の方向に所定の角度傾いた面を有している。これにより、多面体ないし四面体の形状を適当に設定することができるので発振しやすい共振器モードを特定させたり、発振モードの偏光状態を制御したりすることが可能となる。
【００１７】
本発明の原理を、図１の四面体ＡＢＣＤを例にとり説明する。
この図において、各面を面ａ、面ｂ、面ｃ、面ｄと表す。面ａ上の点Ｌをスタートした光が、面ｄ上の点Ｍ、面ｂ上の点Ｎ、面ｃ上の点Ｐにおいて反射し、再び点Ｌに戻る光路が存在する。四面体ＡＢＣＤが正四面体の場合は各面での光の入射角は３９．２３°である。四面体ＡＢＣＤの回りが空気（屈折率１）である場合、四面体ＡＢＣＤを構成している材料の屈折率をｎとすると、一般に知られるスネルの法則により、ｎ＞１．５８であれば四面体の各面で光は全反射する。全反射の際のパワ反射率は１００％であるので、反射による損失はない、すなわち、特別な多層膜ミラーを設けることなく共振器損失の非常に小さい共振器が構成できる。
【００１８】
共振器として成立させるための別の条件として、一周したとき最初と同じ偏光状態で戻ってくることが必要である。
【００１９】
各反射面でのそれぞれのｐ方向（入射面に平行）、ｓ方向（入射面に垂直）に合わせて、光の電界をｐ成分（電界成分が入射面に平行）とｓ成分（電界成分が入射面に垂直）とに分離し、光が全反射する際に生じる位相シフト量を考える。面ａの点Ｌに入射する光の電界のｐ成分（入射面に平行）、ｓ成分（入射面に垂直）をそれぞれＥ_p、Ｅ_s、一周して再び点Ｌに戻ってくる光の電界のｐ成分、ｓ成分をそれぞれＥ_p’、Ｅ_s’、光路を一周したときに受ける各面の位相シフトの行列をＭ、共振器の共振器長をＬとして、
【００２０】
【数１】

と表すことができる（ｋ＝２Ｎπ／λ、Ｎ：四面体の屈折率、λ：波長）。位相シフト行列Ｍは、各面での反射の際にｐ成分、ｓ成分が受ける位相シフトを表す行列、或る面から次の面へのｐ方向、ｓ方向を変換する行列の積である。
【００２１】
式（１）において、
【００２２】
【数２】

を満たす固有値δ₀および固有ベクトル（Ｅ_p0 Ｅ_s0）が必ず存在する。損失無しとすると（この仮定は、実際に損失があるとしてもその分の利得を与えればよいので一般性を失わないで許される仮定である）、位相シフト行列Ｍの行列式は１であり、そのとき、この固有値δ₀は絶対値１の複素数（すなわち、ｅｘｐ（±純虚数））である。
【００２３】
よって、
ｅｘｐ（−ｊｋＬ）・δ＝１ （３） （ｋ＝２Ｎπ／λ）
を満たす波長λ₀が存在し、このとき、
【００２４】
【数４】

となり、元の光と同じ偏光で戻ってくるので共振器光路として成立する。
【００２５】
すなわち、点Ｌにおいて固有ベクトル^t（Ｅ_p0 Ｅ_s0）を満たす偏光を有する波長λ₀の光が共振条件を満たし、レーザ発振する（この偏光は一般的には両成分とも振幅が０でなく、或る位相差を有する様な楕円偏光或は円偏光である）。
【００２６】
行列Ｍは２行２列であるので、固有ベクトル（Ｅ_p0 Ｅ_s0）は通常２つ存在する。これは、右回り及び左回りの楕円偏光に対応する。
【００２７】
よって、三次元形状のリング共振器を構成することによって楕円偏光のレーザ光を発振させることが可能となる。もちろん、反射面の境界部分での屈折率差や構造を制御して反射の際の位相シフト量を調整することや、四面体の形状を制御する（例えば、正四面体にしたり、所定の四面体にしたりするなど）、あるいは他の多面体を使うことによって、円偏光または直線偏光にすることも可能となる。
【００２８】
ここでは、面ａ、ｄ、ｂ、ｃ、ａの順に反射する光路で説明したが、光路はその他にもいろいろ存在する。例えば。逆ルートの面ａ、ｃ、ｂ、ｄ、ａの順であったり、面ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ａの順であったり、面ａ、ｃ、ｄ、ｂ、ａの順であったりしてもよい。また、１つの共振器の中に同じ面で２回以上反射することを含んでいる場合もある。これらの複数の共振器の中で最も低しきい値となる共振器モードが支配的に発振する（この様な共振器モードは、本発明の構成において、一般的に存在する）。また、正四面体でない四面体にするなど形状を工夫することによって、発振しやすい共振器モードを特定させることもできる。
【００２９】
さらには、基板に対して斜め方向に進行する光も全反射によって多面体ないし四面体の中に閉じ込められるので、自然放出光が共振器モードに結合する割合を飛躍的に高める事ができる。
【００３０】
多面体ないし四面体構造の形成には、面方位依存性を利用した選択成長法、面方位依存性を利用した選択エッチング法などの方法がある。この方法によれば、ドライエッチングに比べて十分に平坦な面を得ることができる。さらに、１辺が数μｍ程度の多面体ないし四面体の作製も容易であるのでマイクロ共振器構造が簡単に形成できる。
【００３１】
ＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ法を用いて結晶成長を行なう場合を例にとり、四面体構造の形成方法について以下に説明する。
【００３２】
｛１１１｝Ａ面のＧａＡｓを成長する場合、最表面のＡｓ原子が、表面から第２層目にあるＧａ原子と１本の結合手で結合している。そのため、最表面のＡｓ原子の安定性が低く、Ａｓの供給量を多くしないと成長が起こらない。すなわち、低温かつＶ／ＩＩＩ供給比大のときに成長速度が大きくなる。
【００３３】
一方、｛１１１｝Ｂ面では、結合手は３本である。したがって、最表面のＡｓ原子の安定性が高く、｛１１１｝Ａ面の場合とは逆に、高温かつＶ／ＩＩＩ供給比小のときに成長速度が大きくなる。
【００３４】
この成長速度の差を用いることにより、四面体構造が形成できる。
例えば、（１１１）Ｂ面を有する基板上に、〈０−１１〉方向、〈１０−１〉方向、〈−１１０〉方向に３辺を持つ正三角形の窓を設けた選択成長用マスクを形成し、そこに高温かつＶ／ＩＩＩ供給比小の条件で成長を行なうと、｛１１１｝Ａ面の成長は殆ど起こらないので、（１−１−１）Ａ面、（−１１−１）Ａ面、（−１−１１）Ａ面を終端面とする三角錐が形成できる。さらに、基板を裏面側からエッチングして除去することにより四面体構造が形成できる。
【００３５】
また、例えば、（１１１）Ａ面を有する基板上に、〈０−１１〉方向、〈１０−１〉方向、〈−１１０〉方向に３辺を持つ正三角形の窓を設けた選択成長用マスクを形成し、そこに低温かつＶ／ＩＩＩ供給比大の条件で成長を行なうと、｛１１１｝Ｂ面の成長は殆ど起こらないので、（−１１１）Ｂ面、（１−１１）Ｂ面、（１１−１）Ｂ面を終端面とする三角錐を形成することもできる。
【００３６】
また、｛０１１｝面と｛１１１｝Ａ面、｛１１１｝Ｂ面との成長速度の差を用いて四面体を形成することもできる。基板面が完全に｛１１１｝面であれば、正四面体が構成でき、また、面方位を所定の角度ずらした、いわゆるｏｆｆ基板を用いることによって、四面体の形状を制御することができる。
【００３７】
面方位依存性を利用した選択エッチング法では、例えば、Ｂｒ₂−Ｃ₂Ｈ₅ＯＨエッチング液を用いてエッチングを行なうと、｛１１１｝Ａ面のエッチング速度が極めて小さいことを利用して四面体を形成することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００３９】
第１実施例
図２、図３を用いて本発明による第１の実施例を説明する。図２は本実施例のリング共振器型半導体レーザの断面図であり、図３は本実施例によるリング共振器型半導体レーザの作製工程を説明する図である。作製方法を以下に述べる。
【００４０】
ＭＯＣＶＤ法を用いて、（１１１）Ｂ面を有するｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、厚さ０．２μｍのｎ−ＡｌＡｓエッチストップ層１３、厚さ１．０μｍのｎ−Ａ１_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層１５を順次成長する（図３（ａ））。
【００４１】
次に、スパッタリング法あるいはＣＶＤ法を用いて基板全面にＳｉＯ₂を成膜した後、〈０−１１〉方向、〈１０−１〉方向、〈−１１０〉方向に３辺を持つ正三角形の窓をエッチングにより形成して選択成長用マスク１７を形成する。窓の一辺は５μｍとした（図３（ｂ））。
【００４２】
さらに、低温、かつＶ／ＩＩＩ供給比大の条件で、厚さ１．０μｍのｎ−Ａ１_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層１９、厚さ０．２μｍのＧａＡｓ活性層２１、厚さ２．０μｍのｐ−Ａ１_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層２３、厚さ０．３μｍのｐ−Ａ１_0.3Ｇａ_0.7Ａｓコンタクト層２５を順次成長する。この条件下では、｛１１１｝Ａ面の成長速度が｛１１１｝Ｂ面に比べ著しく遅いので、（１−１−１）Ａ面、（−１１−１）Ａ面、（−１−１１）Ａ面を終端面とする三角錐が形成できる（図３（ｃ））。
【００４３】
その後、ｎ側電極２７、ｐ側電極２９を形成する（図３（ｄ））。
【００４４】
最後に、裏面側よりアンモニア＋過酸化水素系のエッチング液で基板１１をウエットエッチングし、さらに、エッチストップ層１３を弗酸によりエッチングして、クラッド層１５を露出させて、反射面とする（図３（ｅ））。
【００４５】
このように作製されたリング共振器型半導体レーザにおいては、図１で示したように、３次元状のリング共振器の光路が構成される。各面での入射角度は３９．２３°であり、半導体の屈折率（３．２程度）と空気の界面においては全反射条件を満たす。すなわち、面発光半導体レーザのような多層膜ミラーを用いることなく低損失の共振器を形成できる。
【００４６】
さらには、この構造では、基板１１に対して斜め方向に進行する光も全反射によって四面体の共振器の中に閉じ込められるので、活性層２１における自然放出光が共振器モードに結合する割合を飛曜的に高める事ができる。その結果、しきい値電流として１ｍＡ以下のレーザを実現できた。
【００４７】
本実施例の半導体レーザにおいては、活性層２１への電流供給用のｐ側電極２９と半導体との界面で散乱が生じており、外部にもれたレーザ光を観測することができた。そのレーザ光の偏光状態を観察したところ、楕円偏光であることが確認できた。
【００４８】
光の取り出しの方法には、このような散乱によるものの他、全反射の際に反射面近傍に発生しているエバネッセント光を光ファイバ等の外部の導波路に結合させて取り出してもよい。
【００４９】
本実施例では、基板として（１１１）Ｂ面を用いたが、（１１１）Ａ面を用いることも可能である。この場合、｛１１１｝Ｂ面の成長速度が｛１１１｝Ａに比べ著しく遅い条件、すなわち、高温かつＶ／ＩＩＩ供給比小の条件で選択成長を行なうことにより、｛１１１｝Ｂ面を側面として有する四面体を形成することができる。
【００５０】
第２実施例
第１の実施例では、（１１１）Ｂ面の基板を用いたが、所定の角度に基板面を傾けた、いわゆるｏｆｆ基板を用いて成長を行なってもよい。基板面を〈２−１−１〉方向に７度傾けた（１１１）Ｂ基板上に成長を行ないリング共振器型半導体レーザを作製した例を示す。成長方法等は第１の実施例と同様であり、詳細は省略する。
【００５１】
第１の実施例においては、正四面体構造であるため、基板１１の法線を中心に３回対称の関係にある３つのリング共振器光路が形成される。それぞれの共振器には正逆２つの向きがある。その結果、しきい値より十分大きい電流を活性層２１に注入したときに電極２９との界面で発生した散乱光には６つの方向に指向性を持った強度分布があった。
【００５２】
一方、本実施例では、散乱光には２つの指向性（同じ光路で正逆２つのもの）があった。すなわち、基板面を傾けることによって、四面体の対称性をなくすことができ、その結果、構成しうるリング共振器にしきい値の点で優劣を付け、発振しやすい共振器モードを特定させることが可能となった。
【００５３】
第３実施例
第１の実施例では、避択成長によって四面体共振器を形成していたが、面方位依存性を利用した選択エッチングによって多面体を形成することも可能である。その例を、図４を用いて説明する。図４は本実施例によるリング共振器型半導体レーザの作製工程を説明する図である。作製方法を以下に述べる。
【００５４】
ＭＯＣＶＤ法を用いて、（１１１）Ｂ面を有するｎ−ＧａＡｓ基板１１１上に、厚さ０．２μｍのｎ−ＡｌＡｓエッチストップ層１１３、厚さ１．０μｍのｎ−Ａ１_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層１１５、厚さ０．２μｍのＧａＡｓ活性層１１７、厚さ４．０μｍのｐ−Ａ１_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層１１９、厚さ０．３μｍのｐ−Ａ１_0.3Ｇａ_0.7Ａｓコンタクト層１２１を順次成長する（図４（ａ））。
【００５５】
次に、スパッタリング法あるいはＣＶＤ法を用いて基板全面にＳｉＯ₂を成膜した後、〈０−１１〉方向、〈１０−１〉方向、〈−１１０〉方向に３辺を持つ正三角形のマスクを残して回りをエッチングにより除去してエッチング用マスク１２３を形成する。窓の一辺は２μｍとした（図４（ｂ））。
【００５６】
次いで、Ｂｒ₂−Ｃ₂Ｈ₅ＯＨエッチング液を用いてクラッド層１１９およびコンタクト層１２１のエッチングを行なう。このエッチングにおいては、｛１１１｝Ａ面のエッチング速度が極めて小さいので、（１−１−１）Ａ面、（−１１−１）Ａ面、（−１−１１）Ａ面を終端面とする三角錐が形成でさる（図４（ｃ））。
【００５７】
その後、マスク１２３を除去した後にｎ側電極１２５、ｐ側電極１２７を形成する（図４（ｄ））。
【００５８】
最後に、裏面側よりアンモニア＋過酸化水素系のエッチング液で基板１１１をウエットエッチングし、さらに、エッチストップ層１１３を弗酸によりエッチングして、クラッド層１１５を露出させて、反射面とする（図４（ｅ））。
【００５９】
本実施例においては、面方位依存性のあるエッチングによって反射面を形成しているため、ＲＩＥなどのドライエッチングに比べ、損失の少ない反射面を形成することができる。また、第１の実施例に比べると、結晶成長が１度でよいので工程が簡略化されるという利点もある。その外の特徴は第１の実施例と同様である。
【００６０】
第４実施例
図５を用いて本発明による第４の実施例を説明する。図５は本実施例によるリング共振器型半導体レーザの断面図である。
【００６１】
第１の実施例との違いは四面体の半導体の斜面を絶縁性の材料で埋め込んでいることである。半導体の層構成等は第１の実施例とほぼ同様であり、重複する部分の説明は省略する。同一層には同一番号をつけてある。
【００６２】
本実施例においては、埋め込み層２０１としてスパッタリング法で形成したＡｌ₂Ｏ₃を用いている。この場合、Ａｌ₂Ｏ₃の屈折率は通常１．６２程度であり、入射角３９．２３°は全反射条件を満たしている。したがって、第１の実施例と同様、閉じ込めが良好であるので共振器損失は小さく、低しきい値のリング共振器型半導体レーザを実現できる。
【００６３】
また、埋め込み層２０１の材質を選ぶことにより、共振器を構成する半導体との屈折率差を変化させることができる。これにより、すなわち、全反射時の位相が変化することになるので、発振時の楕円偏光の度合いを変化させることができる。
【００６４】
本実施例においては、ｐ側電極２２９を形成する時に、埋め込み層２０１があるため、電極２２９は全面を覆うように成膜しても問題なく、電極のための特別なパターニングは不要である。かつ、電極が半導体の斜面部に触れることによる斜面部の反射損失を抑えることが可能となる。
【００６５】
また、本実施例においては、ｐ側をはんだ等でヒートシンクに張り付けるといった放熱機構を設けた場合、埋め込み層２０１があるため、はんだ等が反射面に回り込むことを押さえることができ、作製が容易である。また、ほぼ全面でヒートシンクに張り付けることが可能であり放熱効率が高い。さらに、Ａｌ₂Ｏ₃は熱伝導率が高い材料であるのでより放熱効率を向上させている。埋め込み材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃に限ったものではなく、たとえばＳｉＯ₂やＳｉＮ_xやＡｌＮやＭｇＯ、またはポリイミドであってもよい。望ましくは熱伝導率の高い材料である方が優れた効果を発揮することは言うまでもない。
【００６６】
第５実施例
図６を用いて本発明による第５の実施例を説明する。図６は本実施例によるリング共振器型半導体レーザの断面図である。
【００６７】
第１の実施例との違いはエッチストッブ層１３がないことと、基板１１とクラッド層１５の間にＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体多層膜ミラー３０１が付加されていることである。半導体の層構成等は第１の実施例とほぼ同様であり、重複する部分の説明は省略する。同一層には同一番号をつけてある。
【００６８】
本実施例においては、第１の実施例のような基板裏面のエッチングが不要になるので、より工程が簡略化されるという利点がある。さらに、多層膜ミラーによる反射は、空気との界面の全反射と異なり位相シフトを伴わないので、第１の実施例とは異なった楕円偏光での発振が可能となった。
【００６９】
第６実施例
四面体の中に形成されるリング共振器光路はいろいろなパターンがある。図７を用いて説明する。図７はリング共振器の状態を説明するための概略図である。この例では、リング共振器を一周する際に、或る面で複数回反射している場合を示している。
【００７０】
面ａ上の点Ｅをスタートした光は、面ｄ上の点Ｆで反射し、再び面ａに戻る。以下、面ａ上の点Ｈ、面ｂ上の点Ｉ、面ａ上の点Ｊ、面ｃ上の点Ｋで反射して、再び点Ｅに戻って共振器が構成される。このときの光の入射角は側面側で２８。５６°、底面側で７２．２８°であり、屈折率３．２程度の半導体で多面体共振器を構成する場合は全反射条件を満たすので低損失のリング共振器が構成できる。
【００７１】
図７（ｃ）、（ｄ）から分かるように、この例では、面ａの近傍に光が集中している。したがって、面ａ近傍に活性層を設けることで、この共振器モードでの発振を支配的にすることができる。
【００７２】
その例が図８である。図８は本実施例によるリング共振器型半導体レーザの断面図である。半導体の層構成等は第１の実施例とほぼ同様であり、重複する部分の説明は省略する。同一層には同一番号をつけてある。本実施例においては、基板側の反射面の近傍に活性層４２１を配置するため、クラッド層４１５を第１の実施例に比べて薄くし、さらに、選択成長の際にクラッド層を挿むことなく直接活性層４２１の成長を始めている。
【００７３】
本実施例においては、四面体の上部には殆ど光が存在しない。よって、クラッド層４２３の膜厚を小さくできるので第１の実施例に比べ成長時間が短くて済む。さらに、コンタクト層４２５の面積が大きくなるので、ｐ側電極４２９の形成がより容易になるとともに、コンタクト抵抗も小さくできるという利点がある。
【００７４】
この様に、本実施例では、四面体中の活性層の位置を変えることによって、第１の実施例とは異なった共振器モードでの発振がより効率的に可能となった。
【００７５】
第７実施例
これまでの実施例では、四面体中の３つの側面が｛１１１｝Ａ面、あるいは、｛１１１｝Ｂ面である場合について示してきたが、これに限ったものではなく、例えば、｛０１１｝面であってもよい。その例を、図９、図１０を用いて説明する。図９はリング共振器の状態を説明するための概略図、図１０は本実施例によるリング共振器型半導体レーザの断面図である。
【００７６】
図１０を用いて説明する。半導体の作製方法等は第１の実施例とほぼ同様である。ＭＯＣＶＤ法を用いて、｛１１１｝Ｂ面を有するｎ−ＧａＡｓ基板５１１上に、厚さ０．２μｍのｎ−ＡｌＡｓエッチストップ層５１３、厚さ１．０μｍのｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層５１５を順次成長する。
【００７７】
次に、スパッタリング法あるいはＣＶＤ法を用いて基板全面にＳｉＯ₂を成膜した後、〈０−１１〉方向、〈１０−１〉方向、〈−１１０〉方向に３辺を持つ正三角形の窓をエッチングにより形成して選択成長用マスク５１７を形成する。
【００７８】
さらに、｛１１１｝Ｂ面の成長速度が速い条件、すなわち、低温かつＶ／ＩＩＩ供給比大の条件で、厚さ０．５μｍのｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層５１９、厚さ０．２μｍのＧａＡｓ活性層５２１、厚さ１．０μｍのｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層５２３、厚さ０．３μｍのｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓコンタクト層５２５を順次成長する。
【００７９】
ただし、本実施例においては、第１の実施例と異なり、｛１１１｝Ａ面の成長速度が｛０１１｝面の成長速度よりも速い成長条件を選んでいる。そのため、３つの｛０１１｝面すなわち（０−１−１）面、（−１０−１）面、（−１−１０）面を終端面とする三角錐が形成できる。
【００８０】
その後、ｎ側電極５２７、ｐ側電極６２９を形成する。最後に。裏面側よりアンモニア＋過酸化水素系のエッチング液で基板５１１をウエットエッチングし、さらに、エッチストップ層５１３を弗酸によりエッチングして、クラッド層５１５を露出させて、反射面とする。
【００８１】
本実施例において構成されるリング共振器を図９を用いて説明する。
面ａ上の点Ｅをスタートした光は、面ｄ上の点Ｆで反射し、再び面ａに戻る。以下、面ａ上の点Ｈ、面ｂ上の点Ｉ、面ａ上の点Ｊ、面ｃ上の点Ｋで反射して、再び点Ｅに戻って共振器が構成される。このときの光の入射角は側面側で１８ . ４３°、底面側で３９．２３°であり、屈折率３．２程度の半導体で多面体共振器を構成する場合は全反射条件を満たし、低損失のリング共振器が構成できる。
【００８２】
本実施例においては、第１の実施例に比べ、選択成長の膜厚が小さくて済むという利点がある。また、本実施例では、四面体の形状を変えることによって、第１の実施例とは異なった共振器モードでの発振が可能となった。更に、本実施例においては、適当な成長条件を選ぶことにより、｛１１１｝Ａ面を有する基板上に３つの｛０１１｝面を終端面とする三角錐を形成してもよい。
【００８３】
ところで、これまでに説明した複数の実施例においては、電流注入によって活性層を励起する例を示した示したが、それに限ったものではなく、外部から励起光を注入することによって励起を行なってもよい。
【００８４】
また、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の材料を用いた例について示したが、これに限ったものではなく、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体およびその混晶系材料、ＺｎＳｅ／ＧａＡｓ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体とその混晶系材料であってもよい。また、上記した複数の実施例において、ｐ型基板を用いてもよい。
【００８５】
さらに、ＭＯＣＶＤによる成長の例を示したが、例えば、ＭＢＥ、ＣＢＥ等の成長方法であってもよい。また、多層膜ミラーを用いた例では、半導体多層膜を用いていたが、例えばＳｉＯ₂／Ｓｉ、Ａ１₂Ｏ₃／Ｓｉ、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂等の誘電体多層膜であってもよい。
【００８６】
加えて、四面体構造での例を示したが、これに限ったものではなく、３次元リング共振器が構成できるのであれば他の多面体、例えば、四角錐等であってもよい。さらに、共振器の材料も半導体に限定されるものではなく、有機材料や、ガラス等（例えば、活性媒質の上に多面体のガラスの共振器を設置する）、他の材料、または、異種材料の組み合わせにより構成されていてもよいし、活性媒質も半導体材料に限定されるものではない。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、全反射を用いた３次元状のリング共振器を構成することで、高反射率の多層膜ミラーが不要、もしくは、１つでよく、マイクロ共振器構造に適した、容易に作製可能な、自然放出光が発振共撮器モードに結合する割合を高めた、低しきい値の、円偏光もしくは楕円偏光での発振が可能なリング共振器型レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるリング共振器型レーザの概略図である。
【図２】本発明によるリング共振器型レーザの第１の実施例を示す断面図である。
【図３】第１の実施例の作製工程を説明する図である。
【図４】本発明によるリング共振器型レーザの第３の実施例の作製工程を示す断面図である。
【図５】本売明によるリング共振器型レーザの第４の実施例を示す断面図である。
【図６】本発明によるリング共振器型レーザの第５の実施例を示す断面図である。
【図７】本発明によるリング共振器型レーザの概略図である。
【図８】本発明によるリング共振器型レーザの第６の実施例を示す断面図である。
【図９】本発明によるリング共振器型レーザの概略図である。
【図１０】本発明によるリング共振器型レーザの第７の実施例を示す断面図である。
【図１１】従来例を示す図である。
【図１２】他の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１１、１１１、５１１ 基板
１３、１１３、５１３ エッチストップ層
１５、１９、２３、１１５、１１９、４１５、５１５、５１９、５２３ クラッド層
１７、５１７ 選択成長用マスク
２１、１１７、４２１、５２１ 活性層
２５、１２１、４２５、５２５ コンタクト層
２７、２９、１２５、１２７、２２９、４２９、５２７、５２９ 電極
１２３ エッチング用マスク
２０１ 埋め込み層
３０１ 多層膜ミラー

Claims (15)

1. 複数の平面で囲まれた多面体形状の構造を有し、該多面体形状の各面を反射面とするリング共振器及び活性媒質を有するレーザであって、該多面体形状が四面体であり、且つ該活性媒質で励起されて反射面の一点から進んだ光が各面で反射して元の点に戻る時に通るリング共振器の光路の中に平面状ではない三次元形状の光路が存在することを特徴とするリング共振器型レーザ。
2. 前記リング共振器の平面状ではない光路の複数の反射点のうち、少なくとも１つの反射点においては光が全反射することを特徴とする請求項１記載のリング共振器型レーザ。
3. 前記リング共振器の平面状ではない光路の複数の反射点の全ての反射点において光が全反射することを特徴とする請求項１記載のリング共振器型レーザ。
4. 前記多面体形状が正四面体であることを特徴とする請求項１から３の何れか 1 項に記載のリング共振器型レーザ。
5. 前記多面体形状のリング共振器が半導体で構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか 1 項に記載のリング共振器型レーザ。
6. 前記半導体が閃亜鉛鉱型結晶構造を有していることを特徴とする請求項５記載のリング共振器型レーザ。
7. 前記四面体が（１１１）Ａ面を主面とする基板上に選択成長することで構成されており、選択成長によって現れた半導体面が（−１１１）Ｂ、（１−１１）Ｂ、（１１−１）Ｂ面であることを特徴とする請求項５または６記載のリング共振器型レーザ。
8. 前記四面体が（１１１）Ｂ面を主面とする基板上に選択成長することで構成されており、選択成長によって現れた半導体面が（−１−１１）Ａ、（−１１−１）Ａ、（１−１−１）Ａ面であることを特徴とする請求項５または６記載のリング共振器型レーザ。
9. 前記四面体が（１１１）Ｂ面を主面とする基板を選択的にエッチングすることで構成されており、エッチングによって現れた半導体面が（−１−１１）Ａ、（−１１−１）Ａ、（１−１−１）Ａ面であることを特徴とする請求項５または６記載のリング共振器型レーザ。
10. 前記四面体が（１１１）Ａ面を主面とする基板上に選択成長することで構成されており、選択成長によって現れた半導体面が（０１１）、（１０１）、（１１０）面であることを特徴とする請求項５または６記載のリング共振器型レーザ。
11. 前記四面体が（１１１）Ｂ面を主面とする基板上に選択成長することで構成されており、選択成長によって現れた半導体面が（０−１−１）、（−１０−１）、（−１−１０）面であることを特徴とする請求項５または６記載のリング共振器型レーザ。
12. 前記リング共振器を構成する反射面の少なくとも１つに多層反射膜が備えられていることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載のリング共振器型レーザ。
13. 前記四面体のリング共振器が半導体基板上に形成され、リング共振器を構成する半導体の屈折率に対し全反射条件を満たすように屈折率の小さい埋め込み材で該多面体の底面以外の側面が覆われていることを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載のリング共振器型レーザ。
14. 前記四面体のリング共振器が半導体基板上に形成され、該半導体基板が（１１１）Ａ面もしくは（１１１）Ｂ面から所定の方向に所定の角度傾いた面を有していることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載のリング共振器型レーザ。
15. 前記リング共振器型レーザが、楕円偏光あるいは円偏光での発振が可能であることを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載のリング共振器型レーザ。

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