JP3726240B2 - 半導体光導波路 - Google Patents

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Description

発明の属する技術分野
この発明は半導体デバイス、特にIII−Ｖ族半導体レーザおよび導波路に改善を行なうためアルミニウムの成長原産酸化物を使用した技術に関し、更に改良単一モード動作、光学スイッチングおよび双安定性を含む改良特性を示す半導体レーザにも関している。
この発明は部分的には米国政府の支援を得ており、米国政府はこの発明に一定の権利を有している。
従来の技術
リング状または部分的にリング状の半導体レーザが最近知られている。例えば参照文献にはJ.Carran他、IEEE J.Quantum Electron QE-6367（1970）；A.S.H Liao他Appl.Phys.Lett.36801（1980）；およびP.Sansonetti他、Electron Lett.23485（1988）がある。これらのタイプのデバイスには種々の応用と申請がある。例えば、光が右回りと左回りの両方向に回る半導体リングレーザは非常に小さく低廉なジャイロスコープとして使用できることが提案されている。簡単には、ジャイロスコープのある動きは右回りと左回りの光の成分に異なる影響を与えており、更にこの影響は測定されデバイスの動きと方向を決定することができる。リングレーザ、すなわち“円形共振器”はいわゆるオプトエレクトロニクスまたは集積型光回路のフィルタリングまたはマルチプレキシングのような応用分野に使用が提案されている。溝のある面を有したハーフリングまたはクオータリングのようなリングの一部は光通信の種々の応用分野に使用されている。
リングレーザでは曲がった光路により光の閉じ込めがより難しくなる。より大きな入射角により、光は閉じ込め壁に対しており（特に小さな曲率半径に対して）、屈折率の違いはかなり大きくリングレーザの“導波路”内で十分な光が内側に反射する。リング状のレーザを製造し、例えばリングまたは非円形の一部の曲がった光路を有する従来の技術の困難な点を解決することがこの発明の目的である。
屈折率を制御することが重要である他の応用例は結合ストライプレーザダイオード配列の場合である。これらの配列により減少したビームの発散と単一縦モード動作を有した高出力を得る可能性が得られる。ゲインガイド配列に比較してインデックスガイド配列はモード安定性とコヒーレントが増大しビーム非点収差が減少する利点がある。幾つかの方法では次のものを含むインデックスガイド配列を製造することを使用している；チャネルエッチング、エピタキシャル再成長または過成長、および不純物誘導層混乱（impurity induced layer disordering）（“IILD”）［例えばD.Geppe他Appl.Phys.Lett.50632（1987）；L.J.Guido,Appl.Phys.Lett.50757（1987）；J.S. Major,Jr.他Appl.Phys.Lett.55271（1989）を参照］。これらの技術の多くには比較的複雑な処理が必要であり、および／またはエミッタ間にインデックスステップの制御が制限される。インデックスステップのより詳細な調整によりエッミタ間の光学フィールドの制御が行なわれ、更にストライプ間の結合が制御される。この結合は配列が変化するスーパーモード（ｓ）を決める遠フィールド放射パターンに非常に影響を与える。
オプトエレクトロニクス回路（半導体チップのデバイスは相互作用を与える光学および電子エレメントを有している）はファイバー光通信システムとの関連において利用されており、他のシステムに幅広く応用されると期待されている。この種の回路において、円形または他の曲がった光信号通路は特に比較的複雑な回路の設計および製造に必要である。オプトエレクトロニクス半導体回路に使用するため半導体光導波路を効率的にすることはこの発明の他の目的である。
半導体レーザの発振に必要な高利得によりレーザの動作が可能な光学帯域幅が大きくなる。この大きな帯域幅により一般的にマルチプル縦方向モード動作となる。多くの応用分野には単一の縦方向モードの動作が必要である。従って、分散フィードバック（DFB）レーザ［D.R.Scifres、R.D.Burnham、W.Streifer,Appl.Phys.Lett.25203（1974）を参照］および溝結合キャビティ（Ｃ３）レーザ［W.T.Tsang,Lightwave Communication Technology, Part B, Semiconductor Injection Laser,I,edited by W.T.Tsang,in Semiconductors and Semimetals,Vol.22,edited by R.K.Willardson and A.C.Beer（Academic,Orlando,1985），Chap.5,pp.257-373を参照］は単一モード動作を行なうように開発されている。DFBレーザには電磁波と相互作用を行なう精密なスケールの周期波型の比較的小さなインデックスステップが使用されている。Ｃ3レーザではフィードバックおよびモード選択に幾つかのスケールの大きい非周期モノリシックキャビティが使用されている。
光スイッチングおよび双安定は光メモリ、光信号処理、および光論理エレメントのような応用分野に重要である。種々の半導体レーザ装置は次のレーザが有したスイッチングおよび双安定を示している：飽和アブソーバを有したレーザ［M.I.Nathan, J,C.Marinace, R.F.Rutz, A.E.Michel, G.J.Lasher, J.Appl.Phys.36473（1965）；C.Harder,K.Y.Lau,and A.Yariv,IEEE J.Quantum Electron.QE-18,1351（1982）；N.Yamada and J.S.Harris,Jr., Appl.Phys.lett.60,2463（1992）参照］、オーデナリタンデム結合キャビティレーザ［N.K.Dutta,G.P.Agrawal,and M.W.Focht,Appl.Phys.Lett.44,30（1984）を参照］、および垂直キャビティ表面エミッティングレーザ［D.G.Deppe,C.Lei,T.J.Rogers,and B.G.Streetmann, Appl.Phys.lett.58,2616（1991）を参照］。光対電流特性に比較的大きな振幅スイッチングおよび双安定を示す半導体レーザを与えることもこの発明の目的の範囲である。
発明の要約
この発明の目的はアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料、および半導体材料内に形成されるアルミニウムの原産酸化物を使用した技術を改善することである。
アルミニウムベアリンググループIII−Ｖ族の半導体材料から高品質、安定性、およびコンパクトな原産酸化物層を形成する技術が既に開示されている。［Dallesasee他、Appl. Phys.Lett.57（26）,2844-6,1990年12月24日；Dallesasee他、Appl.Phys.Lett.58（4）,394-396,1991年１月28日；Dallesasse他、Appl.Phys.Lett.58（8）,834-836,1991年２月25日；Sugg他、Appl.Phys.Lett.58（11）,1199-1201、1991年３月18日］。この技術にはアルミニウムベアリンググループIII−Ｖ族半導体材料の少なくとも一部を原産酸化物に変えるため、アルミニウムベアリンググループIII−Ｖ族半導体材料を水を含んだ環境と、少なくとも約375℃の温度にさらすことから成る。形成された前記原産酸化物の厚さはほぼ原産酸化物に変えた前記アルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料の当該部分の厚さ以下である。このように成長した原産酸化物は通常の使用の状態および大気にさらした状態で変化しない前述の方法により形成された酸化層より高密度で安定している。更に、原産酸化物は例えばメタリゼーション密着および誘電体性に関する動作特性の改善を示すことが証明されている。原産酸化物はレーザ、トランジスタ、コンデンサ、導波路、および他の電気的更にオプトエレクトロデバイスに使用されていることが記載されている。アルミニウムの無水酸化物は比較的低い屈折率（2.0未満）を示すことが記載されており、この屈折率は膨張および不安定性のような特性により一般に半導体の応用に適しない高率含水酸化物の形から無水酸化物の形を分離するのに使用できる。
この発明の形態は少なくとも部分的に曲がった光路を有する半導体レーザを製造する方法を示すことであり、次の各ステップから成る：一番目と二番目の半導体閉じ込め層の間に活性領域から成る積層された半導体構造を形成することで、一番目と二番目の半導体閉じ込め層は反対の導電タイプであり、更に前記一番目の半導体閉じ込め層はアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料である；前記一番目の半導体閉じ込め層の上にマスクパターンを加えることで、このパターンには少なくとも部分的に曲がったストライプが含まれている；前記一番目の半導体閉じ込め層の中にアルミニウムの厚い原産酸化物を形成するため十分な時間の間一番目の半導体閉じ込め層のマスクされていない部分を水を含んだ環境と少なくとも375℃の温度の中にさらすこと。一般に活性領域には少なくとも導波路層と量子井戸層とを含み、更にそれぞれの電極はそれぞれの半導体層を通して半導体閉じ込め層に接続されている。アルミニウムベアリング材料は例えばｘが少なくとも0.3の時AlxGa1-xAsから構成できる。一般に、ｘ＝0.7以上のより高いアルミニウム当該部は温度に左右される厚い酸化成長率を形成するため使用される。少なくとも約450℃の温度が一般に好ましい。リングレーザに対しては、さらす時間は前記一番目の閉じ込め層の厚さの少なくとも殆どを通し、更に可能ならば一番目の閉じ込め層の全ての厚さを通し、前記原産酸化物を広げるように選択される。この発明の他の形は少なくとも部分的に曲がった光路を有する半導体パッセブ光導波路から成り、これによりアルミニウムの厚い原産酸化物を使用できる。
この発明の更に他の形において、QWH半導体レーザの２つの線形配列の端結合キャビティ（ミニキャビティと呼ばれている）はアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料の原産酸化物により定められ、更に線形配列の間の合成の側面の結合により二次元配列を得るため横に配置されている。二次元配列は電流が増加する光パワー（Ｌ）対電流（Ｉ）特性（L-I）においてモードスイッチングとマルチプルスイッチングを示している。
この発明の他の形において、ストライプレーザは線形配列の端結合ミニキャビティと横断的に結合（すなわち横結合）されている。双安定性およびスイッチングは原産酸化物構造の光対電流（L-I）特性で表されている。内部で結合されたエレメントとそのエレメントで仕切られた電流を有するデバイスは活性部からパワー（光）と電流の範囲にわたり生ずる自然レジメまでスイッチングするL-I曲線内で大きなヒステリシスを示している。“ミニレーザ”とその共振器の線形配列は変調されストライプレーザ動作を切り替える。
この発明の更に他の定義によれば、同じ半導体基板の上に形成された一番目と二番目の隣接レーザユニットがあり、各ユニットにはレーザキャビティがある。一番目のユニットのレーザキャビティには前記二番目のユニットのレーザキャビティ以上の異なる縦方向モード選択特性がある［ここで使用したように、異なる縦方向モード選択特性は一番目のユニットが二番目のユニットのキャビティモードスペーシングより少なくとも10％大きいキャビティモードスペーシングと、および／または二番目のユニットの一次放射波長より少なくとも50Å大きい一次放射波長を有していることを示している］。ユニットとこのユニットのキャビティの間の横結合からレーザ放射を得るためエネルギー信号を一番目と二番目のユニットに加える手段が与えられている。
この発明の実施態様では、一番目と二番目の半導体閉じ込め層の間に挟まれた半導体活性領域を有する半導体レーザデバイスが開示されている。電極の配列には一番目の閉じ込め層と結合した電極エレメントがある［ここで使用したように、用語“電極エレメント”は下にある半導体構造に接触する電気的接触領域（例えばドーピングが高い半導体領域）を含むものとする。少なくとも１つの向かい合った電極は二番目の閉じ込め層に結合している。配列の電極エレメントは離れており、二次元配列を形成しているが、この配列にはラインに沿った多数の電極エレメントと前記ラインの電極エレメントから横に離れた少なくとも１つの電極エレメントがある。多数の電極エレメントの下にある活性領域に光放射を行なうためと、放射の横結合を行なうために、電極エレメントと少なくとも１つの追加電極エレメントと更に向かい合った電極の間に電気信号を与える手段がある。
この発明の他の特徴と利点は添付の図面に関して行なった以下の詳細な記載により容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１はこの発明の実施態様によるデバイスの焼き付け断面の走査電子マイクロスコープイメージである。
図２はこの発明の実施態様によるデバイスに対するcw光出力（いずれもリング端）対電流のグラフであり、デバイスの表面の写真を示している。
図３はこの発明の実施態様によるデバイスに対するパルス光出力（いずれもリング端）対電流のグラフであり、単一モード動作を示している。
図４は図３のデバイスの近フィールドイメージをプロットしている。
図５はこの発明による他のデバイスのパルス光出力対電流のグラフで図の中にデバイスの概形を示している。
図６はこの発明の実施態様による半導体レーザダイオードデバイスの簡略化した断面を示している。
図７はこの発明の実施態様による他の半導体レーザデバイスの簡略化した断面を示している。
図８はこの発明の実施態様による半導体光導波路の簡略化した断面を示している。
図９はリングレーザデバイスの表面の輪郭を示している。
図10はクオータリングレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
図11と図12は異なるブランチがカップリングを有したリングレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
図13と図14はリングカップリングを有したマルチストライプレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
図15は一連の結合ハーフリングレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
図16はハーフリングカップリングを有したマルチストライプレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
図17は光路が横にオフセットされている曲がったレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
図18は１つのブランチに４つの曲がったブランチを有して光を結合するレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
図19は連続（cw）300Ｋ光出力（信号面）対原産酸化物二次元（2-D）結合キャビティAlxGa1-xAs−GaAs QWHレーザ配列（非コーティング面、全キャビティ長が〜300μｍ）の特性（L-I）を示している。スレショルドは45mAでパワーピークは〜12.5mW（115mA）である。図の内部には組になった非メタライズド2-D線形配列の表面の写真を示している。長方形のミニキャビティは幅が４μｍ、長さが19μｍであり、端対端が３μｍ離れている。
図20は（ａ）115mM,（ｂ）150mA,（ｃ）164mA（図５のL-Iの上に示された点）における図19のダイオードの縦方向モードスペクトル（cw,300Ｋ）を示している。（ａ）8280Å（115mA）における単一モードは（ｂ）150mAにおける8313Åにシフトしている。（ｃ）164mAで単一モードの動作はスイッチ断となりミニキャビティに沿った19μｍの共振は明らかであり矢印でマークしてある。モードの間隔は50Åであり、19μｍのミニキャビティの長さと一致している。
図21は図19に示すものと同じ構造のダイオードの光出力対電流特性（L-I,cw, 300Ｋ）を示している。ダイオードは電流が増加すると二度ターンしている。直線は谷領域内の放射強度が自然的な放射の領域にあることを示している。図の内部には単一モード（8340Å）が少なくとも415mA（〜8Ith）まで続くことを示しており、L-I曲線の上に点で示してある。
図22は近フィールド（NF）放射パターンと、L-I特性上の70mAにおけるダイヤモンド形の点に近い図21のダイオードの縦モードスペクトルを示している。（ａ）40mA（自然レジメ）では近フィールド（NF）は図19に示す形に従った幅が9.2μｍである組になった線形配列に２つの強度のピークがあることを示している。（ｂ）71mAではNFはローブが組になっており、装置は単一モード（8260Å）であるが強いサテライト縦モードで動作している。（ｃ）72mAでは右側のストライプからのNF放射が突然なくなり、更にサテライト縦モードが突然なくなる。
図23は端結合ミニレーザの線形配列にサイド結合された原産酸化物AlxGa1-xAs−GaAs単一レーザストライプの電流対連続300Ｋ光出力（単一面、非コーティング）特性（L-I）を示している。レーザのスレショルドは32mAで活性部（ON）から168mAで発生する自然的（OFF）レジメに突然切り変わっている。このデバイスは双安定で、123mAで自然部（OFF）から活性（ON）レジメに急激に切り替えが戻ってくる。ダイオードの概観（メタリゼーション前）は図の中に示してあり、サイド結合されたミニレーザ（幅が６μｍ,長さが19μｍでセンターが22μｍ）の線形配列にサイド結合された幅が６μｍの単一レーザストライプから構成されている。
図24は図23（図の中）の形のデバイスの連続300Ｋ光出力（単一面、非コーティング）対電流特性（L-I）を示している。このレーザはスレショルドが27mAで、96-100mAの範囲で切り替えと双安定が生じている。全ての動作範囲を通して、このデバイス出力は図23の単一連続ストライプから生ずる5.5μｍガウス性近フィールド（NF）パターンから基本的に構成されている。NFパターンは（ａ）99mAで切り変わる直前を示している。（ｂ）100mAで切り変わった後、基本的には出力は観測されない；しかしより感度の良いスケール（b'）では同じNFパターンが現われている。
図25は（ａ）における単一モード活性放射（ON）と（ｂ）における自然的放射に対するスイッチOFFとに対応した図24のダイオードの縦モードスペクトラム（cw,300Ｋ）を示している。単一モードレーザ動作はスレショルド（〜27mA）から99mAまで観測されており、出力はダイオードの連続ストライプのみからで振幅が大きい（図23の中の右のストライプ）。自然的な放射OFFレジメ（ｂ）において低エネルギーのグループのモードはレーザストライプに対応し、高エネルギーのグループのモードは線形配列に対応している（図23の中を参照）。
図26は図23から図25に関連して記載したデバイスの正面の表面の一部の図である。
図27は矢印13−13による図26のデバイスの断面を通っている断面図である。
図28は矢印14−14による図26のデバイスの断面を通っている断面図（比は一定でない）である。
図29は矢印15−15による図26のデバイスの断面を通っている断面図（比は一定でない）である。
図30は２個、３個または４個の端子を用いて動作する二次元配列を示している。
図31は端子制御を有した二次元配列を示している。
図32から図35はこの発明の実施態様に基づく曲がった輪郭のミニキャビティを含むリング状のレーザの平面を示している。
図36から図39は隣接リングと直線レーザの平面図を示しており、レーザキャビティには横断カップリングがあり、リング、直線または両方がマルチキャビティに分割されている構造を含んでいる。
図40は垂直キャビティレーザデバイスの断面図（比は一定でない）であり、異なるモード選択特性を有する隣接レーザキャビティの間に横断カップリングがある。
図41は図40に示したタイプの垂直キャビティレーザユニットの二次元配列である。
詳細な実施例
ある例では、量子井戸ヘテロ構造はｎタイプのGaAs基板の上でメタル有機化学気相成長［“MOCVD”−例えば、R.D.Dupuis他、proceeding of The International Symposium on GaAs Related Compounds,pp.1-9,Institute of Physics,London,1979,and M.J.Ludowise,J.Appl.Phys.,58,R31,1985を参照］により成長する。GaAsのバッファ層の後に、Al0.8Ga0.2Asの低閉じ込め層は約１μｍの厚さまで成長する。［閉じ込め層もクラッド層としばしば呼ばれる］。量子井戸ヘテロ構造の活性領域は次に成長し、約100Åの厚さのGaAs量子井戸の両側に厚さが約750Åのドーピングしていない対称なAl0.25Ga0.75As導波路層を含んでいる。ＰタイプのAl0.8Ga0.2Asの上側閉じ込め（またはクラッド）層は約0.6μｍの厚さまで成長し、十分ドーピングされたＰタイプのGaAsの接触層がその上に成長するが、この接触層の厚さは約800Åである。この例では、レーザの製造はリング内に約1000ÅのSi3N4をパターン化することにより始まる［幅が25μｍの環、内径（2D）が250μｍ、外形（0D）が300μｍ］。Si3N4のリングは接触層の化学エッチングに対するマスクの役目をし（H2SO4:H2O2:H2O,1:8:80）、マスクされたリングの内外でさらされたAlxGa1-xAsの上側閉じ込め層を残している。このサンプルはオープン管炉の中におかれ、約35分450℃でH2O蒸気とN2が加えられる。この方法は上側の閉じ込め層（さらされた）を屈折率が約1.6の原産酸化物に変換することになる。この場合リングの端で酸化物は焼き付けされた断面の走査電子マイクロスコープ（SEM）により図１に示すように全ての上側の閉じ込め層を通し下側に広がっている。酸化物は向こう側（図１の右側）よりリングの端で厚い。これが生ずるのはH2O吸着、O/H拡散、またはマスキングストライプがあることにより誘導されるストレスが変化することによる。酸化物の輪郭はかなり等方性であるが、深さと同じ範囲まで横に広がっている。同様な酸化結晶のトランスミッション電子マイクロスコープ（TEM）イメージは下にあるAl0.23Ga0.77As導波路領域に同じ酸化（約200Å）が生ずることを示している。このように、インデックスの低い原産酸化物は導波路の中に広がり、側面の光学閉じ込めと導波性に対し大きな横インデックスのステップを生ずる。この深い酸化物の端に対する４層スラブ導波路内での伝播に対する計算により0.05を越える横インデックスのステップが示されている。この例では、導波路から垂直に約1000Å離れて位置している原産酸化物を有した構造によりリング共振に対しインデックスのステップは不十分である。しかし、以下に述べるように、実行レーザは閉じ込め層を通して部分的にのみ広がる横原産酸化物により形成することができる。
前述の酸化の後に、Si3N4マスキングリングはCF4プラズマ内で選択的に除去される。このサンプルは接触を改善するためZn拡散され（540℃、20分）、更にＰタイプ接触に対するTi−Auとｎタイプ接触に対するGe-Ni-Auでメタリゼーションされる。この例ではリングは半分にクリーブがあり（または環を通して弦の上に）、更に結晶の残りの面は端を通し共振を防ぐためソーカット（saw cut）（SC）されている。メタリゼーション、溝およびのこぎり波形の形成の後に典型的なハーフリングレーザの表面は図２の中の図に示してある。
典型的なハーフリングダイオードの300Ｋcw光対電流（L-I）は図２に示してある。スレショルド電流は〜105mA（890Ａ／cm2）である。この曲線はスレショルドを越えると直線であり、外部の全ての差分量子効率（45％のη）と40mWを越える全出力パワー（ハーフリングの両端で）とを有している。このダイオードのパルススレショルド（パルス幅が２μｓ、デューティサイクルが0.5％）は78mAである。
前述のように製造した中質ハーフリングレーザダイオードのパルス特性（２μs，デューティサイクルが0.5％）L-I性を図３に示す。ダイオードのスレショルド電流は103mAである。縦モードスペクトラムは定義されたモードを良く示しており、単一モード動作が150mAで生じている（図３の中の図）。モードスペーシング（Δλ）は〜1.7Åで、キャビテイの長さ〜560μｍに対応している。これは半周（〜470μｍ）より長く、（より長いキャビティを生じた）クリーブが幾らか整列していないことまたは曲がった共振器により生ずる実効通路長がより長いことによる。
曲がった共振器の回りで動作はモノクロメータの中で離れてハーフリングレーザの各端での出力をイメージすることにより確かめられる。縦モードスペクトラムは各端で同一であることが判り、レーザ放射が円形キャビティから実際に生ずることを示している（データは示していない）。更に円形キャビティの回りでの発振の兆候はハーフリングデバイスを切断することにより現われており、これは図２の中の図の垂直矢印“SC”と“25μｍ”の２つに沿って観測されている。これは共振器およびレーザの動作を壊すことになる。デバイスが前方のクリーブ（cleave）から向かい合ったソーカット（SC）まで直線的にレーザを出しておれば、このデバイスはレーザ動作を示し続けるが、そうしたことに該当しない。このように、レーザ動作がリングの回りに生ずることが確信される。しかし、クオータリングダイオードを形成するため、２つのクリーブがある（ソーカットでない）ハーフリングダイオードがレーザを出力し続け、活性化放射が両方の直角な面から観測される。
この例のレーザダイオードの近フィールド（NF）の強度はｆ／0.95 25mmの焦点距離レンズにより収集される。130mA（パルス）で動作するダイオードを有した低倍率ビュー（Si MOSカメラ）によりハーフリングレーザの２つの端から異なった放射が示されている（図４（ａ））。267μｍだけセンター対センターが離れていることはデバイスに良く適合する当該強度の様子（CCD配列イメージ）を図４（ｂ）に示してある。いずれのピークも対称性を示しており、強度は環の外形（0D）に向かって減少している。この対称性は右側の端の高倍率ビュー内では明らかである。このような対称的な強度のプロフィールは円形導波環について計算したものと良く一致している（E.Marcatilli,Bell Syst.Tech.J.48,2103,1969を参照）。偏光−分析L-I特性はハーフリングダイオードがTMモード内でレーザを出すことを示している。この様子はTEモードでレーザを出す従来のGaAs QWHレーザダイオードおよび原産酸化物リニア共振器QWHレーザダイオードで観測されるものと異なっている。TEモードに対する原産酸化物円形共振器内の放射損失はモードフィルタリングに対する応用例に示すようにTMモードの場合より大きい。
図５は低（垂直）閉じ込めAlxGa1-xAs−GaAs QWHレーザ結晶（ｘは0.6の閉じ込め層）の上の同様な方法で製造した原産酸化物リングレーザダイオードのL-I特性を示している。リングの環を通るクリーブによりレーザ光はピークアウトとなるが（図５の中の図）、共振はリングの回りに接続している。
図６は前述の技術を用いて形成したレーザデバイス600の簡略化した図である。GaAs基板およびバッファ層610と615の上のデバイスには導電タイプが反対のAlxGa1-xAs閉じ込め層640と650の間に活性領域630がある。活性領域にはドーピングされていないAlxGa1-xAs導波路層635と637の間に量子井戸633がある。この図は更に曲がったトップ接触ストライプ660、下側のGaAsキャップ層670、および底辺の電極605を示している。前述の記載に示すように、この例の原産酸化物680は完全な上側閉じ込め層650を通り上側の導波路637の中に若干広がっている。
図１から図６に関連した記載において、アルミニウムの原産酸化物はレーザダイオードの完全な上側閉じ込め層を通り、導波路領域の中に少しの範囲まで広がっている。所要の動作条件を得るため形成された実効光閉じ込めは全ての閉じ込め層を通っては必ずしも広がらない厚い（一般に約3000Å以上）原産酸化物により行なわれる。一般に、閉じ込め層の少なくとも３分の１を通り広がる原産酸化物が好ましい。図７は線形ストライプ760を有するこの発明の実施態様を示しており、厚い酸化物780は上側の閉じ込め層を通し約半分広がるように制御されている（例えば、原産酸化物を製造する場合さらす時間および／または温度を制御することにより）。この例ではAlxGa1-xAs閉じ込め層740および750のアルミニウムの部分（ｘ）はかなり小さく、例えば約0.4であり、これによりレーザビームの閉じ込めは低く直角（すなわち、層を横切る方向）となる。［図６と同じ参照番号を有する層は同じ構造を有している］。以下に記載するように、垂直の閉じ込めが少なければ、閉じ込め層へのビームの広がりが大きくなり、従って閉じ込め層内の原産酸化物があることによりビームにより生ずる実効横屈折インデックスステップが大きくなる。
活性ストライプの外にある原産酸化物の厚さを調整することにより光学フィールドと利得を制御すること、および光閉じ込めの度合いを決めるため酸化物の厚さを制御することに関する以下の記載について次の参考文献がある：
F.A.Kish,S.J.Caracci,N.Holonyak,Jr.,J.M.Dallesasse,K.C.Hsieh,M.J.Ries,S.C.Smith, & R.D.Burnham,"Planar Native-Oxide Index-Guided AlxGa1-xAs−GaAs Quantum Well Heterostructure Lasers",Appl.Phys.Lett.59,1755,September 30,1991;
F.A.Kish,S.J.Caracci,N.Holonyak,Jr.,and S.A.Maranowski,J.M.Dallesasse,R.D.Burnham,and S.C.Smith,"Visible Spectrum Native-Oxide Coupled-Stripe In0.5(AlxGa1-x)0.5P-In0.5Ga0.5P Quantum Well Heterostructure Laser Arrays",Appl.Phys.Lett.59 2883,November 25,1991;
F.A.Kish,S.J.Caracci,N.Holonyak,Jr.,P.Gavrilovic,K.Meehan, & J.E.Williams, "Coupled-Stripe In-Phase Operation of Planar Native-Oxide Index-Guided AlyGa1-yAs-GaAs-InxGa1-xAs Quantum-Well Heterostructure Laser Arrays",Appl.Phys.Lett.60,71,January 6,1992;
F.A.Kish,S.J.Caracci,S.A.Maranowski,N.Holonyak,Jr.,K.C.Hsieh,C.P.Kuo,R.M.Fletcher,T.D.Osentowski, & M.G.Craford,"Planar Native-Oxide Buried-Mesa AlxGa1-xAs-In0.5(AlyGa1-y)0.5P-In0.5(AlzGa1-z)0.5P Visible-Spectrum Laser Diodes",J.Appl.Phys.71,2521,March 15,1992.
図８はこの発明の一形態によるパッセブな曲がった導波路を示している。安定光源（図示してない）に（直接的、またはエヴァネスセントリに）接続される導波路は、例えば、GaAs基板およびバッファ層810と815、AlxGa1-xAs（例えばｘ＝0.8）導波路層820を含んでいる。GaAsキャップ層870、原産酸化物閉じ込め領域880（この場合アルミニウムベアリング材料を通して約半分広がっている）、および接触ストライプ860は前述の記載の技術を用いて形成されている。
図９から図18まではこの発明の原理を利用して好都合に実現できるレーザまたは導波路の波型部（例えば図６、７および／または８に示すタイプの断面）を図示している。これらの図において、白い領域はこの発明による屈折閉じ込めのインデックスを有した導波路領域と、導波路の場合、この発明の原理に基づくインデックス閉じ込め導波路領域を示している。図９は光エネルギーが両方向に伝わるリング波型部を示している。図10は光エネルギーは両方向に伝わるクオータリングを示している。アクティブまたはパッセブデバイスにおけるこの波型部は光路の方向を90度変化させるように利用できる。図11と図12はタンジェントに結合したブランチを有するリングレーザまたは導波路波型部を図示している。図13と図14では、マルチストライプレーザを位相をロックするようにリングレーザにより結合されていることを示している。ストライプのスペーシングは十分ある。図16は同様の配置であるが、ハーフリングレーザを有しており、図15は一連の結合ハーフリングを示している。これらの波型部により与えられるロッキングまたはターニングは強化縦および／または横モード動作の中で得られる。図17は光ビーム路にアクティブまたはパッセブ横オフセットを与えるための“Ｓ字”配置の曲線部分を示している。図18は１つのブランチが４つの曲がったブランチを有して光を結合するレーザまたは導波路の表面の輪郭を図示している。
この発明の更に他の形態では、量子井戸ヘテロ構造がｎタイプGaAs基板の上で金属−有機化学気相成長［“MOCVD”］により成長する。GaAs（〜0.5μｍ）のｎタイプバッファ層およびAl0.23Ga0.77As（〜1μｍ）の層の後、Al0.5Ga0.5Asの低い閉じ込め層は厚さが〜1.5μｍまで成長する。次に量子井戸へテロ構造のアクティブ領域が成長し、更にドーピングされないAl0.23Ga0.77の〜2100Å導波路領域があるが、これには低い閉じ込め層から導波路領域の〜700Åの内まで成長する〜100ÅアンドーピングGaAs量子井戸（QW）がある。ｐタイプの上側閉じ込め層Al0.8Ga0.2Asは約3500Åの厚さまで成長し、かなりドーピングされたｐタイプのGaAs接触層はその上に成長するが、この接触層の厚さは約800Åである。
QWの位置は光モードを有したハイゲイン領域がより有効にオーバーラップするため導波路のセンターから移されているが、これは非対称な閉じ込め層により基板の方向に移されている。この非対称性は基板に向かい光フィールドをシフトすることによりレーザ結晶（導波路から〜3500Åに位置）の表面効果を最小にするためわざと入れられている。浅い上側の閉じ込め層は電流の広がりを最小にし、パターンの輪郭をはっきりさせるために好ましく、更に結晶マウントｐサイド“ダウン”とヒートシンクにより近いアクティブ領域で熱放散が改善される。ｐタイプメタリゼーションで結合された薄い上側閉じ込め層はデバイスの特性を改善するため後の表面から結晶内に放出される光を反射する役目をしている。［QWヘテロ構造の記載のタイプを使用して製造され、ハイギャップAlxGa1-xAs上側閉じ込め層により輪郭が定められた線形配列の小さな長方形のインターナル結合キャビティから構成されるレーザダイオードは、N.El-Zein,F.A.Kish,N.Holonyak,Jr.,A.R.Sugg,M.J.Ries,S.C.Smith,J.M.Dallesasse,and,R.D.Burnham,"Native-Oxide Coupled-Cavity AlxGa1-xAs−GaAs Quantum Well Heterostructure Laser Diodes",Appl.Phys.Lett.59,2838,November 25,1991に記載されている］。
この実施態様によるレーザダイオードの配列はリピーテド（マスクド）長方形キャビティ（長さが〜19μｍ、幅が〜４μｍ，端対端のスペーシングが〜３μｍ）内に〜1000ÅのSi3N4をパターン化することにより製造され、これらのキャビティは〜１μｍ離れた２つの平行ストライプに縦にアレンジされている。さらされたGaAsは次に化学的エッチング（H2SO4:H2O2:H2O,1:8:80）により取り除かれ、結晶は20分間425℃でオープン管型炉内に置かれている（〜95℃でH2Oを通し泡状のN2キャリアガスが加えられている）。前述のように、この方法により〜1300ÅのAl0.8Ga0.2As上側閉じ込め層を反復（リピーテド）キャビティの外側にある原産酸化物に変換される。Si3N4は次にCF4プラズマ内で除去される。図19の中の図はこれらの処理のステップの後の結晶の表面の顕微鏡写真を示している。長方形のGaAsの接触領域のドーピングを増加させるため、結晶は空の石英のアンプルの中に入れられ更に浅く亜鉛拡散される（ソースはZnAs2,540℃20分）。結晶は次にラップされ更に〜100μｍの厚さまで研がれ（基板の面）、酸化物およびｐタイプGaAs“接触”を横切るTi-Auと、ｎタイプ基板側のGe-Ni-Auとによりメタリゼーションが行なわれる。サンプルは次に250-500μｍワイドファブリ−ペロ共振器内で切り裂かれ市松模様にされ、更にこの個々の市松模様は連続的な動作（cw）をするためIn−コーティングCuヒートシンクの上にｐサイドが取り付けられる。
2-Dストライプレーザの通常行なわれないスイッチング動作は図19に示すL-1特性から明らかであるが、これは（ａ）115mAで〜12.5mWのピークパワーに到達した後、（ａ）115mAから（ｂ）150mAのパワーに50％を越える減少があり、更に同時に単一モード動作（図20）をより長い波長にシフトされる。（ｃ）164mA（図20）で、（ａ）と（ｂ）の単一モードは動作が停止し、（ｃ）164mAの広いスペクトラムでは19μｍの長いミニキャビティの共振器が明らかに製造でき矢印で示してある。活性化の弱い放射の広いスペクトル領域内で、ミニキャビティはモード増幅（矢印で明示）が小さくなりながら（図20のｃ）光子を含む傾向を示す。（ｃ）のスペクトラムのピークの近くのモード構造はかなり複雑であり、（ｂ）150mAにおける単一モードのレーザ動作は（ａ）115mAからミニキャビティ共振にシフトすることが明らかでないことに注意する必要がある（例えば、Δhω〜６meＶ対ΔE〜９meＶ）。図19と図20の（ａ）と（ｂ）と（ｃ）からシングルモード動作はオフでマルチ動作モードとなり、更により弱い活性化放出が電流が増加するにつれオンになることが明らかである。
2-D配列QWHストライプレーザダイオードのスイッチング動作は図21ではより明らかである。L-I特性は電流が増加するに従いレーザが二度オンオフすることを示している。L-I特性のピークに対応した（＞12mW, 415mA,マーキングされた点）図の中の図に示すように、単一モード動作はまだ発生している。220mAと300mAの間の谷の領域では、図20（ｃ）と同様な広いマルチモード動作が発生している（データは図示していない）。図21のダッシュラインに示すように、この領域の放射強度は自然放射か若干それより大きい。試験した2-D配列レーザの殆どは図21に示すように動作する。
図22のデータはL-I特性について〜70mAに置かれたダイアモンド形の点の近くで図21のダイオードの様子を少し詳細に示している。比較すると、自然レジメ内の（ａ）40mAで、近フィールド（NF）は組になった線形配列にある２つの強度のピークを示しており、9.2μｍの間隔は図19の内部の図に示す2-D配列の幅に一致している。（ｂ）71mAでは、近フィールドがまだ組になった強度ピークを示しており、単一メインモードは左のNFピークに対応しており、更にサテライト縦モードは右のNFピークに対応している。１mA（71→72mA）の小電流変化の急激なスイッチングが生ずる：サテライト縦モード（図22ｃ）は急激になくなり、右のNF放射ピークも同様である。ダイオードの一方に側面の強い結合はダイオードの他の側面と建設的にまたは破壊的に干渉している。更に電流が多くの同一の結合された長方形のミニキャビティの間で分割していることによりキャビティ間の共振動作が促進されることは明らかである。
図19から図22までのデータはハイギャップAlxGa1-xAs−GaAs QWHが酸化することにより輪郭が定められる結合の小さな長方形のキャビティの２つの並列な線形配列有したレーザダイオードを示している。２次元レーザ配列はモードの切り替えおよび電流の増加したL-I特性でのスイッチングを示している。L-I曲線上でのバイアス位置（電流）により、このレーザは単一縦モードでまたは自然レジメに近く動作する。例えば、ミニキャビティの共振は誘電特性内のヒート効果およびキャリア誘導変化が小さいにも拘らず自然スペクトラム内では明らかに生じている。前述のように、概形、大きさ、ミニキャビティの数、および結合の最適化はこれらのデバイスを改良することにより可能である。
この発明の他の形態で、図23に記載するようにQWヘテロ構造結晶は前述のデバイスに関連して記載したものとほぼ同じである。この実施態様では、レーザダイオード配列は最初結晶表面の上に〜1000ÅのSi3N4を堆積させることにより製造されるが、この堆積は縦方向にアレンジされた端対端の反復（マスクされた）長方形のキャビティ（ミニキャビティで幅が６μｍで長さが22μｍでセンターが22μｍ）内にパターン化されている。次に、6μｍのホトレジスト（PR）ストライプはミニキャビティの線形配列から〜5μｍ離れてパターン化されている。このパターン化されたPRおよびSi3N4はGaAsキャップ層の化学エッチング（H2SO4:H2O2:H2O,1:8:80)に対するマスクの役目をし、パターン領域の外側でさらされたハイギャップAlxGa1-xAsを残している。次にPRは除去されこのサンプルは20分間N2キャリアガス内でH2O蒸気が加えられたオープン管形炉（425℃）の中に直接置かれる。更に、この方法によりさらされたハイギャップAlxGa1-xAs QWH導波領域に上で〜1000Åに置かれたインデックスの低い（ｎ〜1.6）絶縁原産酸化物に変換される。このパターン化されたSi3N4およびエッチングされないGaAs領域はこの処理により影響されない。パターン化されたSi3N4はCF4プラズマ内で除去される。図23の中の図はこれらの処理ステップの後のデバイスの表面を示している。次にこのサンプルは接触領域（図23で“GaAs”で表示）内でドーピングを増やすため亜鉛拡散（540℃,20分）される。結晶は次に125μｍの厚さまでラップされ研がれ、再び全ての上面の表面はｐタイプの接触に対してはTi−Auで、ｎタイプの接触に対してはGe-Ni-Auでメタリゼーションが行なわれる。最後に、この結晶はクリーブが作られ、市松模様にされ、個々の市松模様は連続（cw）動作のためINコーティング銅ヒートシンクの上に取り付けられる。
アクティブ線形配列に結合された単一ストライプレーザの振幅の大きなスイッチング特性は図23の300Ｋ連続（cw）L-I曲線に示してある。このレーザのスレショルド電流は32mAで、レーザ動作は〜168mAまで持続する。この点で、ダイオードは活性化放射から急激に切り変わり、ON（19.6mW/面、コーティングなし）となり、自然レジメに対してはOFF（0.4mW／面，コーティングなし）となる。この様子はON:OFFパワー比が49に対応している。これらは固有的に非線形なデバイスで、大きなヒステリシスを有した双安定動作を示す。電流が123mAまで減少（リターン）することにより、ダイオードは自然レジメから戻り切り変わりOFFとなり、活性化レジメに対してはONとなる。電流が168mAを越えて増加する場合、デバイスが電流の増加とともにスイッチオフと成った後、出力内で若干増加することが187mAで無くなるまで観測される。ヒステリシスはL-I特性内に生ずるがこのデバイスの電流対電圧（I−V）特性にはヒステリシスが観測されない。
同様なスイッチング動作を示す他のダイオードのL-I特性（cw 300Ｋ）を図24に示す。レーザスレショルド電流は27mAであり、このデバイスは幅が〜5.5μｍの単一ガウス近フィールドパターンを示している（データは図示していない）。この強度のパターンは幅が〜６μｍの一様なストライプ（図23の中の図）のレーザ動作に対応しており、これは線形配列が分割される前にスレショルドに達すると考えられる。ゲイン損失を考慮すると、反復アンポンプ吸収部分を有する線形配列はレーザスレショルドが高い。
全ての動作範囲を通し、単一ストライプ近フィールドパターンは持続する、すなわち非常に弱い出力のみデバイスの線形配列部分から観測される。オンからオフへの切り替えの前、すなわち単一モード活性化放射から自然放射への切り替えの直前に、（ａ）99mAにおける近フィールドパターン（300Ｋ,cw動作）は図24の中の図に示されている。スレショルドを越える動作と同様に、〜5.5μｍガウス近フィールドは大きな振幅で観測される。ダイオードが（ｂ）100mAでスイッチオフになった後、CCD検出器の同じ感度スケール上にはパターンは観測されない。しかし、感度が高くなれば（11.3x）同じアパーチャ（〜5.7μｍ）からの放射が観測される（ｂ'）。この近フィールドパターンもレーザがOFFからONに切り変わる時観測される。これらのデータは均一なレーザストライプがシステムの光学出力から与えられることを明らかに示している。サイド結合線形配列は主に干渉およびON-OFFスイッチングに影響を与え、更に光学出力には本来寄与しない。
これらのダイオードの動作についてこれ以上の理解は出力スペクトラムを調べることにより得られる。30mAのスレショルドより若干上であれば、図24のダイオードは単一縦モードで動作する（λ〜8353Å、データは図示していない）。この様子は図24のL-I曲線のピークまで続き（63mA）、単一モード動作はより長い波長まで（λ〜8367Å、データは図示していない）“ホップ”する。全ての活性化放射動作レジメを通し（30→99mA）、出力は単一縦モードで発生する。例えば、63mAで、レーザは29dBのサイドモード抑圧を示す。モードホッピング、およびL-I曲線での当該構造は（図24）サイド結合アクティブ線形配列および共振およびストップバンドを有した単一レーザストライプの相互作用（干渉）となる。
図24のデバイスの高い電流スイッチング内の縦モードスペクトラムは図25に示されている。ON（活性化放射）からOFF（自然レジメ）への切り替え直前に、図24の（ａ）では、レーザは図25に示すようにλ〜8415Åの単一縦モードで動作する。ダイオードが自然レジメにスイッチオフする時、図24の（ｂ）のように、縦モードスペクトラムは図25の（ｂ）に示すように現われる。この点で、出力は単一ストライプレーザ（低いエネルギーモードのグループ）と線形配列（高いエネルギーモードのグループ）の自然放射から成る。ストライプレーザに対する線形配列の結合により干渉が生ずる。線形配列のミニキャビティの共振は図25（ｂ）のスペクトラム内で高いエネルギーを示し、矢印でマークされている。これらの共振（Δλ〜５０Å）の間隔は図23の中の図に示す19μｍミニキャビティ長に対応している。OFF自然レジメ（図25（ｂ））内の出力はレーザのスレショルド未満（≦27mA）の自然レジメ内で観測されるものとかなり異なっており、単一レーザストライプの縦モード出力（低いエネルギーモードのグループ）が観測される（データは図示していない）。
記載のスイッチングおよびストレージは以前報告されたスイッチングレーザデバイスと基本的に異なっている。ON-OFFスイッチングの様子はこの実施態様では単一完全または非インターラプトのレーザストライプ内に生ずる。スイッチングの様子にはアクティブ線形配列が影響している（横方向結合を通して）。スイッチングおよび双安定は線形配列の周期構造（H.G.Winful, J.H.Marburger, and E.Garmire, Appl.Phys.Lett.35379,（1979）；J.He and M.Cada, IEEE J.Quantum Electron.QE-27,1182（1991）を参照）と、明白な不均質キャリア分布、および配列の原産酸化パターンから生ずる不均質動作により生ずる。
このように、この実施態様は従来の単一ストライプレーザが結合ミニレーザの線形配列にサイド結合されている光学スイッチングエレメントの新しい形態を示している。この結果生ずる多エレメントツインストライプレーザは原産酸化物デバイス処理により容易に実現される。プレーナデバイスはL-I曲線内に大きなヒステリシスを示しており、活性化放射レジメ（ON）のピークから自然レジメ（OFF）に切り変わる大きな振幅を有している。結合すなわちレーザストライプと線形配列の間および配列エレメントの間の間隔、および構造の概形の変化によりレーザのスイッチングの様子が改善される。例えば三番目のターミナル電極を経由して線形配列内の単一レーザストライプの電流（キャリア数）の独立制御によりスイッチングの様子が制御され、更に他の変化が可能となる。
図26は図23から図25に関連して記載したデバイスの表面の一部を示しており、参考として図27から図29の図に使用した断面を示すのに使われている。図26において、ストライプは1210で示しており、ミニキャビティまたはその一部には1221から1225を付けている。断面13−13はストライプ1210と隣接ミニキャビティ1224を通っている。既に記載した図示の層には底面の接触メタリゼーション1250（デバイスがあらゆる所要の方向に取り付けられしかも使用されているので、“底面”または“上面”の関係は記載を容易にするためのものであることが判る）があり、以下昇順でｎタイプのGaAs基板層1225、ｎタイプのAl0.23Ga0.77Asバッファ層1260、ｎタイプのAl0.5Ga0.5Asの低い閉じ込め層1263、更にドーピングされていないAl0.23Ga0.77Asの導波路層1273と1275の間にGaAs量子井戸層1271を含む活性化領域1270が続く。活性化領域の上はｐタイプのAl0.8Ga0.2Asの上側閉じ込め層1278である。層の厚さは前述の実験的なデバイスに示した通りである。ｐタイプのGaAs接触1281とｐタイプのGaAs接触1283によりそれぞれ図26のストライプ1210とミニキャビティ1225の接触位置が定められる。原産酸化物は1201、1292、1293に示してあり、この例ではその厚さは約1300Åである。酸化物はGaAs接触領域の下に若干広がっている。上面（ｐ側）のメタリゼーションは1240を付けてある。
図28は図26の矢印14−14により定められる断面を示している。この図では、ストライプ1210の接触領域1281のみが見える。酸化物（1294）はストライプの右まで連続して広がっている。
図29は図26の矢印15−15により定められる断面である。この図は縦方向にミニキャビティを通しており、２つのミニキャビティは３つの酸化領域1296、1297、1298の間に示されている。接触1283の縦方向寸法がこの図では見える。
図示の実施態様では、動作は底面の電極と上面の共通のメタリゼーションの間に電圧を加えることにより“２つの端子”の間で行なわれる。このデバイスは３端子またはマルチ端子デバイスとして動作するように作られている。例えば、図30は両サイドにミニキャビティ1620のあるストライプ1610を有したデバイスを図示しており、各ラインには共通のメタリゼーション（ミニキャビティの間の結合ラインにより表される）とターミナルがあるが、これはデバイスが独立した４つの端子、３つの端子（例えば、２つの隣接ラインの端子と底面の端子または２つの共通した外側ライン）または２つの端子で動作できることであり３つのラインは共通である。［この図では、更に他の図ではミニキャビティおよび／またはストライプの輪郭の平面図が示されており、下の構造は既に記載のタイプであり、マスキングパターンは図示の構造と一致している。］図31はミニキャビティの隣接ラインの二次元配列を図示しており、個々の端子はミニキャビティに結合している。端子は所要の組合せで、またはキャビティまたはミニキャビティのグループに結合することができることを理解できる。
前の実施態様は直線ミニキャビティおよびストライプの輪郭を図示しているが、この発明の原理はミニキャビティおよび曲線の輪郭と配列に置かれたストライプに適応できることが理解できる。図32から図39は（図示してないが底面の電極と種々の可能な上面を有した）幾つかの実施態様を示している。図32には、リングレーザに関連しN.El-Zein,F.A.Kish,N.Holonyak,Jr.,A.R.Sugg,M.J.Ries,J.M.Dallesasse,and R.D.Burnham,"Native-Oxide Coupled-Cavity AlxGa1-xAs Quantum Well Heterostructure Laser Diodes",Appl.Phys.Lett.59,2838,November 25,1991,に記載のタイプの効果を得るため曲がったミニキャビティ1815に分割できるリングレーザを示している。［あらゆる曲がった輪郭は正確には必要でないこと、リングのあらゆる所要の部分が使用できること、１以上の出力を得るため、リングまたはその部分にあらゆる所要の位置でクリーブがあること、を通して理解できる。］図33は２つの同心円のリングレーザを図示しており、それぞれはミニキャビティ1915に分割できるが、これは真っすぐなライン配列の場合前述の図19から図22に関連し記載したように、横の結合ができるようにするためである。図34では、図23から図29に関連して記載した実施態様について曲がったものを得るため、同心円のリング2010の１つが連続であり、他がミニキャビティ2015に分割されている。図35は原産酸化物の放射状の“スポーク”により離れているセクタ状のミニキャビティ2115を有した円形の輪郭を図示している。
図36はストライプレーザ2220が横に結合されたリングレーザ2210を示している。図37では、リングはミニキャビティ2315に分割されており、図38ではストライプはミニキャビティ2415に分割されている。図39では、リングとストライプの両方がミニキャビティに分割されている（それぞれ2515と2525）。
ストライプ、配列エレメント、および／またはターミナルコネクションの数およびタイプに関する前述の変形は曲がったラインまたはミニキャビティの実施態様に適用できることが理解できる。
図40は垂直キャビティレーザ配列の形態において、異なる縦モード特性を有したキャビティを結合するこの発明の形態の断面を図示している。垂直キャビティレーザは例えば、H.Soda他Japan J.Appl.Phys.18,59（1979）and K.Iga他,Electron Lett.23,134（1987）の技術で周知であり、更に図40の左にある様に、基板（例えばGaAs2605）の上の底面接触2610、ｎタイプ超格子2620、導波路層2634と2636の間に量子井戸層2632を含む活性化領域2630、ｐタイプの超格子2640、１以上の接触2650を含んでいる。種々の材料が使用されている。例として、超格子は多数のAlAsとGaAs［またはAlxGa1-xAs,AlyGa1-yAs,x≠y,またはAlxGa1-xAsと導電性誘電スタックの組合せ（例えばTiO2/SiO2,ZnSe/CaF2］の交番層から成り、更に活性化領域は典型的には全体の厚さが〜250ÅのGaAs（またはIn0.1Ga0.9As）量子井戸層を有したAl0.1Ga0.9As（またはGaAs）導波路層から構成される。表面での接触は例えば標準的な（例えばGe-Au）バックサイド（基板）サイド接触を有したAuまたはAgから構成される。このようなデバイスの二次元垂直キャビティ結合配列は例えば、D.G.Deppe,J.P.Van der Ziel,Nasesh Chand,G.J.Zydzik,とS.N.G.Chu,Appl.Phys.Lett.56,2089（1990）に記載されている。簡単には、動作的には超格子インターフェイスからのマルチプル屈折により限定された厚さのデバイスからかなり短い実効キャビティ長（典型的には〜５μｍ）が得られ、更にキャビティが消失するように結合している。
この発明の形態の特徴によれば、隣接した垂直キャビティレーザユニットにより、図40に示すように、異なる厚さの活性領域があり、この活性領域2630′は隣り合ったユニットの活性領域の厚さよりかなり厚い。図において、量子井戸層は隣接活性領域を通して連続であるが、これは必ずしも必要でない。同じことは活性領域2630′の上の超格子についても当てはまる。上側または下側の超格子の厚さが変化することにより実効的な横の屈折が変化する。このような変化はキャビティ構造に局所的な変化を与えるため均一な厚さが活性領域に与えられる。標準的な消失結合の他に、他の方法によりキャビティから隣接キャビティ内に幾らかの光を直接反射させるためミラー（例えば超格子）角を変化させるようにデバイスを結合できる。
異なる実効的な垂直キャビティ長を得るため利用できる種々の他の技術があるが、これはスイッチング、双安定、および／またはチューニングのような特性を得るため横結合が都合良く利用できるからである。［ここで使用したように、異なる実効的なキャビティ長を有する垂直キャビティは前に規定したように、キャビティが異なる縦モード特性を有していることを意味している。］例えば、隣接ユニットの活性領域は異なる材料から成る。他のものは、異なる厚さの超格子、または異なる輪郭の超格子を有した隣接ユニットを与えるためにある。後者の例は、100ÅのGaAsとAlAsの交番した層の超格子を有する１つのユニットと、200ÅのGaAsの層と100ÅのAlAsの層の交番を有する超格子のある他のユニットを与えており、これにより異なる実効のキャビティ長となる。
図41は、交差した斜線部のユニットは厚い活性領域を有するユニットを示しているユニットの将棋板タイプの配列を図示している。この配列は上面が共通に結合されており、上面と底面の接触の間に電圧が加えられている２端子デバイスとして動作し、または接触にセパレート接続を有した３端子またはマルチプル端子のデバイスとして働く。一次元または二次元の種々の他の形状と輪郭が利用できる。配列を製造する例において、成長は活性領域（2630′）で終わる。二次元パターンは（例えば将棋板）標準的な写真石判技術を用いてマスクされ、更にこのサンプルはマスクされない領域内の活性領域（2636）の部分を除去するため化学エッチングが行なわれる。この方法により活性層の厚さが横に変化する。ホトレジストが取り除かれ、超格子はMOCVDまたはMSE（分子ビームエピタキシ）によりパターン化された活性領域で成長する。円形（ドット）のメタリゼーションは接触および屈折のため上側のｐタイプ超格子に加えられる。
この発明は特に好ましい実施態様について記載したが、この発明の内容および範囲内での変形が当業者には考えられる。例えば、アルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体金属アルミニウムガリウム砒素がこの実施態様に記載されているが、このデバイスおよび方法はインジウムアルミニウムガリウムリン、インジウムアルミニウムガリウム砒素、またはアルミニウムガリウムリンのような他のアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料を使用できる。［F.Kish他,J.of Appl.Phys.71,15 March,1992,が参考できる。］更に、示した閉じ込め層はマルチプル層にでき、その１以上の層はアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料から構成できることが理解できる。更に、デバイスは他の非III−Ｖ族半導体材料とアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料（これにより原産酸化物が形成される）とを一体化できることも理解できる。更に、ここに記載した横に結合されたキャビティはスイッチングのようなここに示した機能と同じくチューニングにも利用できることが理解できる。ここに記載した横結合は横に結合したキャビティを分離するためアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料内に形成された原産酸化物を使用して特に製造される。輪郭については、代わりに、マルチプル再成長／過成長、エッチ再成長／過成長、リッジ形成、リッジ形成および過成長、不純物誘導層ディスオーダリング、および光子注入のような技術により良好性の劣るキャビティを用意できる。

Claims (3)

  1. 半導体基板と、
    前記基板の上にもうけられ一般に平面な半導体導波路層を有し、前記の導波路層はアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料であり、
    前記アルミニウムベアリングIII−Ｖ半導体材料により形成された前記導波路層内に、前記アルミニウムベアリング半導体材料の平らな表面の中に形成されるアルミニウムの原産酸化物の光学的な閉じ込め境界の間に、少なくとも部分的に曲がった細長の光路を有し、
    前記原産酸化物は少なくとも3000オングストロームの厚さがあり更に前記アルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料の厚さの少なくとも三分の一の厚さに広がっている、ことを特徴とする半導体光導波路。
  2. 前記原産酸化物が前記アルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料の厚さの殆どに広がっている請求項１に記載の半導体光導波路。
  3. 前記アルミニウムベアリング材料がAlxGa1-xAsで、ｘが少なくとも0.3である請求項１または２に記載の半導体光導波路。
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