JP5374772B2 - 光電子デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本願は、2006年6月16日に出願された「EXTERNAL CAVITY OPTOELECTRONIC DEVICE(外部共振器光電子デバイス)」という名称の特許文献1、2006年6月16日に出願された「SURFACE−EMITTING OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME(表面発光型光電子デバイスおよびその製造方法)」という名称の特許文献2、および2007年1月3日に出願された「OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME(光電子デバイスおよびその製造方法)」という名称の特許文献3に開示された発明についての権利を主張するものである。前述した出願は、その開示内容を本願明細書の一部として援用する。
本発明は、半導体デバイスの分野に関する。より詳細には、本発明は、発光ダイオード、波長安定化半導体端面発光および面発光レーザー、光増幅器、光検出器、ならびにモード同期レーザーに関する。
図1(a)に、従来の半導体ダイオードレーザー、より具体的には、端面発光レーザーを示した。レーザー構造100は、n型ドープ基板101上にエピタキシャル成長される。この構造は、n型ドープクラッド層102と、導波路103と、p型ドープクラッド層108と、p型コンタクト層109とをさらに含む。導波路103は、n型ドープ層104と、閉じ込め層自身の内部に活性領域106を有する閉じ込め層105と、p型ドープ層107とを含む。n接点111は、基板101に隣接する。p接点112は、p型コンタクト層109の上に搭載される。活性領域106は、順方向バイアス113が印加されたときに光を生成する。垂直方向zにおける光モードの分布は、z方向の屈折率分布によって決定される。導波路103は、その横方向平面において、前部ファセット116および後部ファセット117によって境界が画定される。後部ファセット117に特殊な高反射被膜が施されている場合、レーザー光115は、前部ファセット116からのみ放射される。
基板101は、各種III−V族半導体材料、またはIII−V族半導体合金から形成される。たとえば、GaAs,InP,GaSbである。GaAsまたはInPは、一般に、レーザー放射の所望の発光波長に対応して利用される。これに代わる構成として、サファイアや、SiCや、[111]−Siが、GaNベースのレーザーの基板、すなわちレーザー構造として使用されて、その各層は、GaN,AlN,InN、またはこれらの材料の合金で形成される。基板101は、n型、すなわちドナー不純物によってドープされる。利用可能なドナー不純物は、特に限定するものではないが、S,Se,Te、およびSi,Ge,Snのような両性不純物を含み、後者の両性不純物は、カチオン副格子内の大部分を占めるように組み込まれて、ドナー不純物として機能するという技術的条件において導入される。
n型ドープクラッド層102は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。GaAs基板101の場合、n型ドープクラッド層は、GaAlAs合金から形成されることが好ましい。
導波路103のn型ドープ層104は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。GaAs基板の場合、導波路のn型ドープ層104は、GaAsから、またはn型ドープクラッド層102よりもAlの含有量が少ないGaAlAs合金から形成されることが好ましい。
導波路103のp型ドープ層107は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。導波路のp型ドープ層107は、n型ドープ層104と同じ材料から形成される一方で、アクセプタ不純物がドープされることが好ましい。利用可能なアクセプタ不純物は、特に限定するものではないが、Be,Mg,Zn,Cd,Pb,Mn、およびSi,Ge,Snのような両性不純物を含み、後者の両性不純物は、アニオン副格子内に大部分が組み込まれてアクセプタ不純物として機能するという技術的条件において導入される。
p型ドープクラッド層108は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。p型ドープクラッド層108は、n型ドープクラッド層102と同じ材料から形成される一方で、アクセプタ不純物がドープされることが好ましい。
p型コンタクト層109は、好ましくは、基板に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。ドーピングレベルは、p型クラッド層108よりも高いことが好ましい。
金属接点111および112は、好ましくは、多層金属構造から成る。金属接点111は、特に限定するものではないが、Ni−Au−Ge構造を含む構造から構成されることが好ましい。金属接点112は、特に限定するものではないが、Ti−Pt−Au構造を含む構造から構成されることが好ましい。
閉じ込め層105は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドープされないか、または微弱にドープされる。閉じ込め層は、好ましくは、基板101と同じ材料から形成される。
閉じ込め層105内に配置された活性領域106は、挿入によって形成されることが好ましく、活性領域のエネルギバンドギャップは、基板101のエネルギバンドギャップよりも狭い。利用可能な活性領域106は、特に限定するものではないが、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの任意の組み合わせから成る単層または多層の構造を含む。GaAs基板上のデバイスの場合、活性領域106の例は、特に限定するものではないが、InAs,Inl−xGaAs,InGal−x−yAlAs,InGal−xAsl−y、または同様の材料が挿入された構造を含む。
従来の端面発光レーザーの主な欠点の1つは、エネルギバンドギャップが温度に応じて変動するため、特に、高出力動作では、放射光の波長の望ましくない温度依存性が生じることである。他の欠点は、幅の広いビーム広がりである。
図1(b)に、従来の面発光レーザー、特に、垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)120を模式的に示す。活性領域126は、共振器123内に配置されて、n型ドープ底部ミラー122とp型ドープ上部ミラー128との間に挟まれる。共振器123は、n型ドープ層124と、閉じ込め層125と、p型ドープ層127とを含む。各ブラッグ反射器は、低屈折率および高屈折率を有する交代層の周期配列を含んでおり、これらのブラッグ反射器は、底部ミラー122および上部ミラー128として利用される。活性領域125は、順方向バイアス113が印加されたときに光を生成する。光は、光学開口部132から射出135する。VCSELからの放射レーザー光の波長は、共振器123の長さによって決定される。
底部ミラー122を構成する層は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、ドナー不純物によってドープされ、さらに、高屈折率と低屈折率を交互に有する。GaAs基板上に成長させたVCSELでは、GaAsとGaAlAsから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するGaAlAsの層が、ミラー122を形成することが好ましい。
共振器123のn型ドープ層124は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。
共振器123のp型ドープ層127は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。
上部ミラー128を構成する層は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、アクセプタ不純物がドープされ、さらに、高屈折率と低屈折率を交互に有する。GaAs基板上に成長させたVCSELでは、GaAsとGaAlAsから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するGaAlAsの層が、ミラー128を形成することが好ましい。
p型コンタクト層129は、アクセプタ不純物がドープされた材料から形成される。GaAs基板上に成長させたVCSELについて、好ましい材料はGaAsである。ドーピングレベルは、上部ミラー128のドーピングレベルよりも高いことが好ましい。p型コンタクト層129および金属p接点112をエッチングして、光学開口部132を形成する。
閉じ込め層125は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつドープされないか、または微弱にドープされる。閉じ込め層は、好ましくは、基板101と同じ材料から形成される。
閉じ込め層125内に配置された活性領域126は、挿入によって形成されることが好ましく、活性領域のエネルギバンドギャップは、基板101のバンドギャップよりも狭い。利用可能な活性領域126は、特に限定するものではないが、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの任意の組み合わせから成る単層または多層の構造を含む。GaAs基板上のデバイスの場合、活性領域126の例は、特に限定するものではないが、InAs,Inl−xGaAs,InGal−x−yAlAs,InGal−xAsl−y、または同様の材料が挿入された構造を含む。
活性領域126は、順方向バイアス113が印加されたときに光学利得を生成する。次に、活性領域126が光を放射すると、その光は、底部ミラー122と上部ミラー128の間で跳ね返る。これらのミラーは、p−n接合面の法線方向に伝搬する光に対して高い反射性を有するが、底部ミラー122の反射率は、上部ミラー128の反射率よりも高い。したがって、VCSEL設計は、垂直方向に伝搬する光についての正帰還を提供し、最終的には、レイジングを発生させる。レーザー光135は、光学開口部132から出射する。
VCSELの主な利点の1つは、デバイスが単一横モードで動作する場合の波長の温度安定性である。波長の温度変化は、屈折率の温度変化に追従し、この屈折率の温度変化は、半導体バンドギャップエネルギの変動よりも一桁小さい。VCSELの深刻な欠点は、VCSELの出力が数ミリワットに限定されることで、これは、VCSEL形状内での効果的な放熱を行って単一横モード動作を維持することができず、周波数変換に適した高出力密度を提供することが困難であるためである。VCSELの他の欠点は、共振器の厚さによって波長が規定されるため、デバイスの柔軟性に欠けることである。
米国特許出願第11/453,980号明細書 米国仮特許出願第60/814,053号明細書 米国特許出願第11/648,551号明細書 米国特許第7,031,360号明細書 米国特許出願第10/943,044号明細書 米国特許出願第11/194,181号明細書 米国特許出願第11/000,116号明細書
A.Yariv、P.Yeh著「結晶内の光波、レーザー放射の伝搬および制御」第6章(Wiley出版、1984年) H.C.Casey,Jr.、M.B.Panish著「ヘテロ構造レーザー、A巻」34〜57ページ(ニューヨーク州Academic Press、1978年) N.N.Ledentsov, V.A.Shchukin"Novel concepts for injection lasers"SPIE Optical Engineering, Volume41,Issue12,pp.3193−3203(2002) N.N.Ledentsov, V.A.Shchukin, S.S.Mikhrin, I.L.Krestnikov, A.V.Kozhukhov, A.R.Kovsh, L.Ya.Karachinsky, M.V.Maximov, I.I.Novikov, Yu.M.Shernyakov"Wavelengthstabilized tilted cavity quantum dot laser"Semiconductor.Science.and Technology19, pp.1183−1188(2004). V.A.Shchukin, N.N.Ledentsov, S.S.Mikhrin, I.L.Krestnikov, A.V.Kozhukhov, A.R.Kovsh, L.Ya.Karachinsky, M.V.Maximov, I.I.Novikov, Yu.M.Shernyakov"Tilted Cavity Laser".In:Nanomodeling,ed.byA.Lakhakia and S.A.Maksimenko,Proc.SPIE 5509,pp.61−71(2004),SPIE, Belingham,WA. N.N.Ledentsov, V.A.Shchukin, A.R.Kovsh, S.S.Mikhrin, I.L.Krestnikov, A.V.Kozhukhov, N.Yu.Gordeev, L.Ya.Karachinsky, M.V.Maximov, I.I.Novikov, Yu.M.Shernyakov,"Edge and Surface‐Emitting Titled Cavity Lasers",Proc.SPIE 5772,pp.130−146(2005). V.A.Shchukin, N.N.Ledentsov, N.Yu.Gordeev, L.Ya.Karachinsky, N.V.Kryzhanovskaya, S.M.Kuznetsov, M.B.Lifshits, M.V.Maximov, I.I.Novikov, Yu.M.Shernyakov, T.Kettler, K.Posilovic,and D.Bimberg,"High brilliance photnic band crystal lasers",Proc.SPIE 6350,pp.635005‐1−635005‐15(2006). M.B.Lifshits, V.A.Shchukin, N.N.Ledentsov,and D.Bimberg,"Resonance wavelength in planar multilayer waveguides:control and complete suppression of temperature sensitivity",Semiconductor Science and Technology,vol.22,pp.380―384(2007).
スペクトル範囲が広く、かつ、出口面に垂直な方向に対する傾斜角度の範囲が広い光を表面から放射する発光デバイスを開示する。この発光デバイスは、出口面の反対側で活性領域の側部に配設された多層干渉反射器(MIR)を含む。各角度におけるMIRの反射率スペクトルは、特定の波長において最大となり、この特定の波長は角度によって異なる。
波長が安定化された光を生成する装置は、発光デバイスと、外部共振器と、少なくとも1つの外部ミラーとから構成される。予め選択された特定の角度で発光デバイスから放射された光は、外部共振器を通って伝搬し、外部ミラーに衝突して反射される。他の角度で放射された光は、外部ミラーに衝突しない。したがって、帰還は、予め選択された角度で放射された光についてのみ生じる。外部ミラーに衝突して反射された光は、放射光と干渉する。この干渉は、建設的または相殺的なものになり得、建設的干渉が、正帰還を引き起こす。正帰還は、発光デバイスによって放射された光が反射して送り返され、同相で活性領域に到達する場合、すなわち、放射光の波と反射光の波の間で位相整合が生じる場合に発生する。正帰還の条件は、活性領域の発光スペクトル内で選択される1つまたはいくつかの波長において満たされる。このとき、本装置は、波長が安定化された光を生成する。好ましい実施形態において、本装置は、波長安定化レーザー光を生成する。波長安定化光を生成する本装置は、一実施形態において、波長安定化発光ダイオードとして動作する。他の実施形態において、波長安定化光を生成する本装置は、波長安定化超光発光ダイオードとして動作する。さらに他の実施形態において、波長安定化光を生成する本装置は、波長安定化レーザーとして動作する。安定化波長は、発光デバイスから外部ミラーに向かう方向と、当該デバイスの出口面の法線との間の角度を変えることによって選択できる。
発光デバイスと外部ミラーとの間の光結合の方式が異なる、各種の実施形態を利用することができる。実施形態の1つのグループは、発光デバイスおよび外部ミラーが、発光デバイスによって放射された光の遠距離場区域を介して結合される装置を含む。
実施形態の2つ目のグループは、外部共振器が、発光デバイスの近距離場区域内に配置され、発光デバイスによって生成された光は、近距離場区域を介して外部共振器に結合される装置を含み、この装置において、外部ミラーは、発光デバイスの反対側で外部共振器に配設されることが好ましい。
実施形態の3つ目のグループは、外部共振器が、発光デバイスとエピタキシャルに結合され、かつ、発光デバイス、外部共振器、および外部ミラーが、単一のエピタキシャル構造に属する装置を含む。
実施形態の4つ目のグループは、基板が外部共振器の役割を果たし、基板の背面が外部ミラーの機能を担う装置を含む。基板の背面の一部は、衝突する光に対して鏡状の反射を提供するように処理されることが好ましい。接点は、好ましくは、基板の背面の一部から除去される。
他の一実施形態は、発光デバイスが、多層干渉反射器の代わりに、エバネセント反射器を有する装置を含む。また、2つ以上の反射器がエバネセント反射器である、さらなる実施形態も利用可能である。また、すべての反射器がエバネセント反射器である、さらに他の実施形態も利用可能である。
反射器を介してエピタキシャルに結合された2つの共振器を含む、周波数変換装置を開示する。第1共振器内に配置されることが好ましい活性領域は、一次光を生成する。第1共振器、第2共振器、および少なくとも1つの反射器のうちの少なくともいずれかの材料は、一次光の第2高調波を生成することができる。この共振器および反射器は、光の第1高調波と第2高調波の両方を透過する。共振器および反射器は、第2高調波の少なくとも1つの光モードについて、活性領域内での吸収に起因する損失が僅かだけになるように選択される。第1高調波における光の抽出を防止するために、高反射被膜が塗布される。これにより、本装置は、第2高調波で波長安定化光を放射する。
発光デバイスと、外部共振器と、少なくとも1つの外部ミラーと、外部共振器内に設けられた非線形結晶とから成る、周波数変換装置を開示する。発光デバイスと、外部共振器と、少なくとも1つの外部ミラーとで、一次波長安定化レーザー光を放射する波長安定化レーザーを形成する。非線形結晶は、一次光の光路が、当該非線形結晶を通り、その結果、第2高調波の波長安定化光が生成されるように、外部共振器内に配置される。
従来の端面発光レーザーを示す図である。 ドープされたミラーを備える従来の垂直共振器面発光レーザーを示す図である。 周期的多層構造を模式的に示す図である。 65度の入射角における、多層周期構造の従来の反射率スペクトルを示す図である。 55度の入射角における、多層周期構造の従来の反射率スペクトルを示す図である。 40度の入射角における、多層周期構造の従来の反射率スペクトルを示す図である。 垂直入射における、多層周期構造の従来の反射率スペクトルを示す図である。 従来の傾斜共振器レーザーを示す模式図である。 共振器の落ち込みが角度によって大きく変化している、3つの異なる入射角における高フィネス共振器の反射率スペクトルを示す図である。 最大ストップバンドが角度に応じて僅かに変化している、3つの異なる入射角における多層干渉反射器の反射率スペクトルを示す図である。 高フィネス共振器を示す図である。 多層干渉反射器を示す図である。 傾斜共振器レーザーの導波路を示す図である。 1290nmの波長用に設計された傾斜共振器レーザーについての、27℃および127℃の2つの異なる温度における漏れ損失のスペクトルを示し、100℃の温度変化に対して25nmだけ共振波長が変化することを表した図である。 外部共振器を有する、従来の垂直共振器面発光レーザーを示す模式図である。 波長のスペクトルが広く、かつ、発光デバイスの上面に垂直な方向から屈折される角度間隔が広い光を放射する、本発明の一実施形態に係る発光デバイスを示す模式図である。 波長のスペクトルが広く、かつ、基板の底面に垂直な方向から屈折される角度間隔が広い光を放射する、本発明の他の一実施形態に係る発光デバイスを示す模式図である。 波長のスペクトルが広く、かつ、発光デバイスの上面に垂直な方向から屈折される角度間隔の広い光を放射し、前記光は、当該発光デバイスの上面の光学開口部から放射される、本発明の他の一実施形態に係る発光デバイスを示す模式図である。 波長のスペクトルが広く、かつ、基板の底面に垂直な方向から屈折される角度間隔の広い光を放射し、前記光は、底部接点内の窓から放射される、本発明のさらに他の実施形態に係る発光デバイスを示す模式図である。 波長の安定化を行わずに光を放射する発光デバイスと、外部共振器と、2つの外部ミラーとを含み、位相整合基準が満たされる波長において光を生成することで、波長安定化レーザー放射を提供する、本発明の第1実施形態に係る装置を示す図である。 波長安定化を行わずに光を放射する発光デバイスと、外部共振器と、2つの外部ミラーとを含み、位相整合基準が満たされる波長において光を生成することで、波長安定化レーザー放射を提供する、本発明の第2実施形態に係る装置を示す図である。 共振器内周波数変換が利用される、本発明の第3実施形態に係る周波数変換装置を示す模式図である。 本発明の第4実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 一次光が、近距離場区域を介して、外部で非線形結晶に結合される、本発明の第5実施形態に係る周波数変換装置を示す模式図である。 発光デバイスが、近距離場区域を介して、外部共振器に結合される、本発明の第6実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 2つの結合された共振器の傾斜光モードに対応する分散法則曲線を模式的に示した、本発明の装置の波長安定化動作を説明する図である。 発光デバイスと、外部共振器と、外部ミラーとを、単一のエピタキシャル構造としてエピタキシャル成長させた、本発明の第7実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 本発明の第8実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 本発明の第9実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 本発明の第10実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 共振器の材料内で第2高調波の生成が行われ、第2高調波の光が好ましく放射される、本発明の第11実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 図20(a)の実施形態のデバイスの2つの結合された共振器の分散曲線を示す模式図である。 本発明の第12実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 本発明の第13実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 本発明の第14実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 基板が外部共振器として動作する、本発明の第15実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 共振波長を調整するために誘電体層が蒸着される、本発明の第16実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 従来の端面発光デバイスを示す模式図である。 結晶から出射する漏れ成分を有する、従来の端面発光レーザーを示す模式図である。 底部の合金された金属接点によって部分的に反射される漏れ成分を有する従来のデバイスを示す模式図である。 図26(a)のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。 図26(b)のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。 図26(c)のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。 従来の漏れ型端面発光デバイスにおける導波路の構造を示す図である。 図28(a)の構造の屈折率分布を示す図である。 本発明の第17実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 図29(a)のデバイスをより詳細に示す模式図である。 基板表面からの反射が存在する本発明のデバイスを、実現可能な処理配線の一例と共に示す模式図である。 図29(a)の実施形態のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。 図29(a)の実施形態のデバイスの発光スペクトルを模式的に示すグラフである。 第2外部共振器をさらに含む、本発明の第18実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 第2外部共振器内に非線形結晶が導入される、本発明の第19実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 放射光の一部が光ファイバに結合される、本発明の第20実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 放射光の一部が光ファイバに結合され、他の部分は、波長選択フィルタまたは回折格子を有するミラーから反射される、本発明の第21実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 光の射出角度は放射波長の関数である、本発明の第22実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図であり、この角度の調整によって、図28のスペクトルから特定の放射波長を選択することができる。 高反射被膜および特殊な反射防止被膜が装置に塗布される、本発明の第23実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 放射の漏れ角度に対して最適化される一方で、従来の平面導波路放射を後方反射させる、図34(a)の実施形態の装置の反射防止被膜の反射率スペクトルを模式的に示す図である。 誤配向された基板または高指数基板が、エピタキシャル成長に利用される、本発明の第24実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 レンズを利用して、2ローブ放射を平行なビームまたは任意の発散ビームに変換する、本発明の第25実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。
半導体ダイオードレーザーや発光ダイオードなどの光電子デバイスの性能を実質的に拡張できる手法は、傾斜光モードを利用することを含む。この概念は、多層構造の基礎的物理特性、すなわち、斜め入射または傾斜した入射における電磁波の伝搬、透過、および反射の法則に基づいたものである。図2(a)は、周期的多層構造200の一例を示す図である。図2(b)〜図2(e)は、いくつかの異なる傾斜角θに対応した、周期的多層構造200の反射率スペクトルを示す図で、前記傾斜角θは、伝搬するTE電磁波が前記構造に衝突する角度である。図2(b)は、65度の入射角における反射率スペクトルを示し、図2(c)は、55度の入射角での反射率スペクトルを示し、図2(d)は、40度の入射角について表し、図2(e)は、垂直入射に対応した図である。光の斜め入射、または傾斜した入射における多層構造の特性は、非特許文献1に記載されている。具体的な例において、光は、屈折率n=3.6である媒体から構造に衝突し、当該構造は15周期を含み、各周期は、さらに、低屈折率n=3.4を有するΛ/2の厚さの1つの層と、高屈折率n=3.6を有する、同じΛ/2の厚さの1つの層とを含む。反射率は、電磁波の周波数ωの関数として描画され、ωは、c/Λの単位で測定される。ここで、cは、真空内における光の速度を表す。
図2(b)〜図2(e)に示した主な特性は、次のとおりである。θ=0の垂直入射(図2(e))において、反射率スペクトルには、振幅の小さい幅狭のスパイクが見られる。角度θが大きくなるにつれて(図2(d)、図2(c)、図2(b))、スパイクがより高い周波数域に移動するため、波長が短くなり、スパイクの振幅が大きくなると共に、スパイクが幅広になり、反射率が1に近いストップバンドを形成する。多層構造からの電磁波の反射率が入射角に強く依存するこの特性は、傾斜共振器半導体ダイオードレーザーの概念の土台である。このレーザーは、レデントソフ(Ledentsov)他による特許文献4に開示されており、この特許を、本願明細書の一部として援用する。この傾斜共振器レーザーにおいて、光は、多層干渉ミラー(MIR)に対して所定の角度で伝搬し、MIRおよび共振器は、傾斜した光子伝搬のために最適化される。
図3に示す傾斜共振器レーザー300は、n型ドープ基板101上にエピタキシャル成長されて、n型ドープ底部多層干渉反射器(MIR)302と、共振器303と、p型ドープ上部多層干渉反射器308と、p型コンタクト層309とを含む。共振器303は、n型ドープ層304と、閉じ込め層305と、p型ドープ層307とを含む。閉じ込め層305は、活性領域306をさらに含む。レーザー構造300は、横方向平面において、後部ファセット317および前部ファセット316によって境界が画定される。共振器303、ならびに多層干渉反射器302および307は、共振器の共振条件と多層干渉反射器の共振条件とが、1つの傾斜光モード320に関してのみ満たされて、光が、特定の傾斜角で伝搬し、かつ、特定の波長を持つように設計される。後部ファセット317が高反射被膜で被覆されている場合、出力レーザー光315は、前部ファセット316からのみ出射する。傾斜共振器レーザーのこの設計の特徴は、波長安定化と高出力とを同時に得られることである。共振器303は、底部MIR302および上部MIR308と共に、傾斜光モードでレイジングが生じるように設計されるため、共振器303は、ここでは「傾斜共振器」と呼ばれる。傾斜共振器レーザーの欠点は、レーザーが製造された後で、波長を特定の値に同調または調節することができないことである。
底部多層干渉反射器302を形成する層は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、ドナー不純物がドープされ、さらに、高屈折率と低屈折率とを交互に有する。GaAs基板上に成長させた傾斜共振器レーザーでは、GaAsとGaAlAsとから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するGaAlAsの層がミラーを形成することが好ましい。
共振器303のn型ドープ層304は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。
共振器303のp型ドープ層307は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。
上部多層干渉反射器308を構成する層は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、アクセプタ不純物がドープされ、さらに、高屈折率および低屈折率を交互に有する。GaAs基板上に成長させた傾斜共振レーザーでは、GaAsとGaAlAsとから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するGaAlAsの層がミラーを形成することが好ましい。
p型コンタクト層309は、アクセプタ不純物がドープされた材料から形成される。GaAs基板上に成長させた傾斜共振器レーザーについて、好ましい材料はGaAsである。ドーピングレベルは、上部多層干渉反射器308におけるドーピングレベルよりも高いことが好ましい。
閉じ込め層305は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつドープされないか、または微弱にドープされる。閉じ込め層は、基板101と同じ材料から形成されることが好ましい。
閉じ込め層305内に配置された活性領域306は、挿入によって形成されることが好ましく、この活性領域のエネルギバンドギャップは、基板101よりも狭い。利用可能な活性領域306は、特に限定するものではないが、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの任意の組み合わせから成る単層または多層の構造を含む。GaAs基板上のデバイスの場合、活性領域306の例は、特に限定するものではないが、InAs,Inl−xGaAs,InGal−x−yAlAs,InGal−xAsl−y、または同様の材料が挿入された構造を含む。
傾斜共振器レーザー300の動作を説明するために重要であるので、光モードの有効モード角について説明する。
本発明の実施形態のほとんどにおいて、発光デバイスは、p−n接合平面に垂直な方向において屈折率が変調される多層構造を含む。このため、基準座標系は、p−n接合平面がxy平面になるように規定される。屈折率nは、z方向n=n(z)において変調される。次に、任意の光モードにおいて、電場(E)および磁場(H)の時間空間的振る舞いは、次のように記述される。
Figure 0005374772
Figure 0005374772
上式において、ωは光の周波数、βおよびβは伝搬係数であり、Reは、複素数の実数部を表し、指数i=x,y,zである。xおよびy軸は、伝搬係数が次式を満たすように定義されるものとする。
Figure 0005374772
ここで、横電場(TE)光モードに関して、マクスウェルの方程式は、電場E(z)のゼロでない成分についてのみスカラー方程式に変換されて次のように記述される。
Figure 0005374772
このことは、非特許文献2に既に示されている。光電子デバイスに利用される最も実用的な構造は、各i番目の層内の屈折率が一定であり、かつ、
Figure 0005374772
となる層状構造である。ここで、i番目の層における数式(3)の解は、2つの波の一次結合として次のように記述することができる。
Figure 0005374772
上式において、
Figure 0005374772
である。または、次のように記述されてもよい。
Figure 0005374772
上式において、
Figure 0005374772
である。
数式(5b)において、i番目の層内の電場が、2つの進行波の組み合わせである定在波である場合、この特定のi番目の層内の進行波は、z軸に対してθまたは−θの角度で伝搬する。ここで、θは次のように表される。
Figure 0005374772
数式(6b)の場合、i番目の層内の電場は、増加かつ減少する指数関数の組み合わせであり、角度を定義することができない。
図2には、光学的特性、たとえば、任意の多層構造の反射係数または透過係数は、電磁波の入射角に大きく依存することが示されている。多層構造のこの特性は、本発明のすべての実施形態に利用されている。したがって、各種の光モードをその伝搬角度で特徴付けると都合がよい。数式(7)に従って角度が定義されると、その角度は、層が異なると異なったものになる。以下、本明細書では、下記の規定を使用する。1つの層は、参照層として固定され、当該参照層の屈折率は、nと表される。この層には、高屈折率を有する層、好ましくは、最大屈折率nmaxを有する層、または最大屈折率に近い屈折率を有する層を選択すると便利である。たとえば、GaAsおよびGal−xAlAsの層を含む多層構造において、必須ではないが、GaAsの層を参照層として選択すると都合がよい。通常、Gal−xAlAsのすべての層は、GaAsの参照層よりも低い屈折率を持ち、光モードは、次式で表される関係に従った伝搬定数を有する。
Figure 0005374772
また、参照層内の光モードの電場は、数式(5a)に係る進行波を結合したものである。したがって、GaAs層における伝搬角度を、数式(7)に従って定義することができる。
たとえば、量子井戸層、量子細線層、または量子ドット層内のInAs層またはGaInAs層が構造に存在する場合、これらの層の屈折率は、GaAsの屈折率よりも高いものになり得る。ただし、これらの層の厚さは、通常、極めて小さいため、これらの層が、光モードの伝搬定数βに大きな影響を与えることはなく、光モードに対して、依然として次式の関係が成り立つ。
Figure 0005374772
したがって、以下では、すべての光モードに対して、次の式に従って角度θが割り当てられる。
Figure 0005374772
上式において、nは、参照層の屈折率である。GaAsベースの光電子デバイスでは、GaAs層が参照層として選択される。なお、構造内にこのような層が存在せず、存在しているすべての層が、参照層よりも低い屈折率を有する場合であっても、1つの層を参照層として選択できることを注記しておく。たとえば、その構造が、アルミニウム組成xの値がそれぞれ異なる複数のGal−xAlAs層を含み、当該構造内にGaAsの層が存在しない場合であっても、依然として、角度θを定義するために、参照層としてGaAsの層を選択することが可能である。
角度θによって光モードを記述する主な利点は、下記のことに関連する。光電子デバイスの完成した層状構造について考える際に、光モードは、数式(3)の解から特定される。このとき、各光モードは、その光モードの伝搬定数βと、対応する伝搬角度θとを有し、この伝搬角度θは数式(10)によって定義される。この場合、光モードをその伝搬定数または角度によって記述することは同等である。
デバイス全体についてではなく、デバイスの単一の要素の光学的特性について考えると、著しい差異が顕現する。そこで、光モードは、単一の要素に関しては定義されない。ただし、単一の要素の光学的特性は、特定の入射角における当該要素の反射率スペクトルを検討する場合に記述される。たとえば、下記に説明する方法では、少なくとも1つの共振器と、少なくとも1つの多層干渉反射器(MIR)とを含む傾斜共振器レーザーを構築する。この共振器およびMIRは、共振器が、反射率スペクトル内に幅狭の落ち込みを有し、MIRが、反射率スペクトル内にストップバンドを有し、さらに、特定の最適な傾斜角において、共振器の落ち込みと、最大ストップバンド反射率とが、特定の波長で一致するように設計される。傾斜角が最適角度から外れるにつれて、共振器の落ち込みは、最大ストップバンド反射率から乖離してゆく。このような手法により、漏れ損失の選択性が保証されると共に、レーザーの波長安定化動作が提供される。
重要であるので、特定の用語について定義しておく。傾斜角θによって特徴付けられる所定の光モードに関して、他の層内の電場は、数式(5a)の場合のように発振しているか、または、数式(6a)の場合のような指数関数的に増加かつ指数関数的に減少する指数の一次結合である。このことから、ミラーまたは反射器についての用語を指定することができる。ミラーが1つまたは複数の層を含み、その複数の層それぞれにおいて、所定の光モードの電場が、数式(6a)と同様に、指数関数的に増加かつ指数関数的に減少する指数の一次結合である場合、このミラーは、全内部反射器、またはエバネセント反射器と呼ばれる。ミラーが1つまたは複数の層を含み、その複数の層のうちの少なくとも1つの層において、所定の光モードの電場が、数式(5a)に対応する発振動作を示す場合、このミラーは、干渉反射器と呼ばれる。ほとんどの実施形態は、複数の層を有する反射器を含むため、本発明は、主に、多層干渉反射器(MIR)を扱うものである。また、同じ単層または多層の構造が、光モードに応じて、エバネセント反射器または干渉反射器のいずれかになることに留意されたい。
図4は、本発明の発明者らによって発明された、特許文献4および特許文献5に係る、傾斜共振器レーザー300における波長安定化の原理を示す図である。この波長安定化は、波長の関数としての基板への漏れ損失の選択性に基づいたものである。この漏れ損失は、構造の反射率スペクトル内の落ち込み幅に対応する。図4(c)は、共振器410傾斜共振器レーザー構造を模式的に示す図である。これは、高フィネス共振器410で、この共振器410において、高指数層415は、2つの低指数層412および417の間に挟まれて、所定の傾斜角θについて、光モードが、エバネセント波の形式で層412および417内に存在するように構成される。すなわち、傾斜角θは、参照層と、各低指数層412,417との間の界面における全内部反射の角度より大きい。
図4(a)は、傾斜角θの3つの異なる値における高フィネス共振器の反射率スペクトルを示す図である。図4(c)に模式的に図示されている共振器のパラメータは次のとおりである。層415は、365nmの厚さを持ち、x=0.6であるGal−xAlAsによって形成されている。層412および417は、それぞれ1000nmの厚さを持ち、x=0.8であるGal−xAlAsによって形成されている。1100nmの波長の光に対するこれらの層の屈折率は、それぞれ3.1688および3.0585に等しい。図4(a)の反射率スペクトルの主な特徴は、約600nm/度という、落ち込み位置の角度に応じた素早い変化である。
図4(d)は、高屈折率421および低屈折率422からなる交代層の周期構造を含む多層干渉反射器420を模式的に示す図である。図4(b)は、3つの異なる角度における、図4(d)の多層干渉反射器の反射率スペクトルを模式的に示す図である。この多層干渉反射器のパラメータは次のとおりである。層421は、GaAsによって形成されて、174nmの厚さを有する。層422は、x=0.1のGal−xAlAsによって形成されて、187nmの厚さを有する。1100nmの波長に対する屈折率は、それぞれ3.4812および3.4328である。図4(b)の反射率スペクトルの主な特徴は、約100nm/度という、最大反射率の角度についての比較的ゆっくりとした変動である。
図4(e)は、高フィネス共振器410および多層干渉反射器420から成る構造400を模式的に示す図である。この構造の主要な特性は、2つの構成要素の反射率スペクトルの特徴が、際立って異なる割合で角度θに応じて変化することである。したがって、これらの特徴が特定の角度における波長と一致する場合、2つの構成要素は、角度の変化に応じて離れていくことになる。つまり、形成された構造の反射率スペクトルは、特定の角度および特定の波長において、比較的幅の狭い落ち込みを有し、この落ち込みは、他の角度では非常に広くなる。表1に、結果的に得られる落ち込み幅を示す。
Figure 0005374772
構造400および同様の傾斜共振器構造の傾斜光モードのモード分析により、反射率スペクトル内の落ち込み幅が狭くなることは、光の波長に応じた漏れ損失が最小になることに対応する。この損失が最小になる最適な波長は、高フィネス共振器と多層干渉反射器の間の整合条件によって規定される。温度変動によって屈折率が変化すると、共振波長も同様に変化する。
図5は、27℃の温度において1290nmでレーザー光を放射するように設計された傾斜共振器についての、波長に対する漏れ損失の依存性を示す図である。この傾斜共振器は、本発明で開示する概念に従って設計されるが、層の厚さは、必要な波長である1290nmに対応して調整される。図5は、27℃および127℃の2種類の温度における漏れ損失の波長に対する依存性を示している。最小の漏れに対応する波長は、温度が100度上昇すると、25nmだけ変化する。したがって、平均波長変化は、0.25nm/度である。すなわち、傾斜共振器レーザーにおけるレイジング波長の温度変化は、半導体の電子エネルギバンドギャップの温度変化に追従する利得スペクトルの高速変化ではなく、むしろ、構成要素材料の屈折率の低速変化によって規定される。
図6は、外部共振器を有する垂直共振器面発光レーザーを模式的に示す図である。装置500は、発光デバイス530と、一方の側において前記デバイス530の出口面532に隣接し、他方の側において外部ミラー590に隣接する外部共振器580とを含む。発光デバイス530は、基板101上にエピタキシャル成長されて、底部ミラー122と、第1共振器123と、上部ミラー528とを含む。図1(b)のVCSELとは異なり、上部ミラー528はむしろ薄型で、レイジングに必要な帰還を提供しない。このデバイス530は、単独で、スペクトル間隔が広く、かつ角度間隔も広い光を放射する発光ダイオードとして動作する。デバイス530によって、出口面に垂直な方向以外の各方向に放射された光584は、外部ミラー590に衝突しない。この光については帰還が生じない。デバイス530によって、出口面に垂直な方向に放射された光585は、外部ミラー590に衝突し、そこで反射して送り返されて活性領域126に到達する。波長によって異なるが、反射光および放射光は、建設的干渉または相殺的干渉のいずれかを提示する。建設的干渉が生じる指定の波長では、レイジングに必要な正帰還が提供される。装置500は、半透明であることが好ましい外部ミラー590から出射する光535を生成する。
本発明において、傾斜光モードにおける光の伝搬および当該モードの特性は、これまでとは全く異なる方式で利用される。図7は、本発明の実施形態の1つに係る発光デバイスを示す図である。このデバイス600は、基板101の上面の底部多層干渉反射器(MIR)602と、能動素子603と、上部クラッド層658とを含む。このデバイスは、基板101上にエピタキシャル成長される。能動素子603の内部にp−n接合要素605が配置される。本デバイスは次にように動作する。光は、能動素子603内で、活性領域の発光スペクトル内の異なる複数の波長で生成される。デバイスの上面690は、出口面である。伝搬の各特定角度において、MIR602は、特定の反射率スペクトルを有する。この反射率スペクトルは、角度に応じて変化する。MIR602を通り、さらに基板に至る光は、上面から出射しない。したがって、所定の傾斜角θで上面から放射される光のスペクトルは、その角度におけるMIR602の反射率によって決定される。所定の角度θで放射される最大光度は、同角度においてMIR602の反射率が最大になる波長において達成される。したがって、MIR602内の層の順序を選択することによって、発光デバイス600の角度放射スペクトルを制御することができる。図7の実施形態において、MIRからの最大反射率に対応する波長は、傾斜角θに応じて減少する。本発明の他の実施形態において、MIRからの最大反射率に対応する波長は、傾斜角θに応じて増加する。
なお、発光が最大強度に達する波長は、垂直入射におけるMIRの最大反射率には一致しないことに留意されたい。逆に、最大反射率および発光スペクトルの重複は、出口面に垂直な方向に対する特定の角度において生じる。この角度は、空中において20度より大きいことが好ましい。また、この角度は、発光デバイスから出射する光が半導体媒体中を進行する場合は、5度より大きいことが好ましい。
発光デバイス600は、発光ダイオードとして、好ましくは、超光発光ダイオードとして動作することができる。本発明の他の一実施形態において、発光デバイス600は、半導体ダイオードレーザーとして動作できるが、波長安定化レーザーとしては動作しない。
発光デバイス600の活性領域の発光は、当該活性領域に電流を注入することによって提供される。本発明の他の一実施形態において、発光は、前記活性領域の光励起によって提供される。
図8は、本発明の他の一実施形態に係る発光デバイスを示す図である。このデバイス700は、基板101と、能動素子703と、上部MIR708と、上部クラッド層658とを含む。p−n接合要素705は、能動素子703内に配設されることが好ましく、前記能動素子703において、光は、活性領域の発光スペクトル内の異なる複数の波長で生成される。基板の背面790は出口面である。伝搬の各特定角度において、MIR708は、特定の反射率スペクトルを有する。このMIRの反射率スペクトルは、角度に応じて変化する。MIR708に衝突する光は、当該MIRを構成する複数の層間の界面において複数回の反射を経験する。傾斜角度がθであるとすると、この角度においてMIRに衝突する光についてのMIR708の反射率スペクトルは、特定の波長において最大となる。反射された光は、基板101に到達し、さらに、基板の裏側から放射される。基板の裏側は、発光デバイス700の出口面である。したがって、所定の傾斜角では、放射光の強度は、MIR708の反射率スペクトルが最大となる波長と同一の波長において最大になる。つまり、MIR708内の層の順序を選択することによって、発光デバイス700の角放射スペクトルを制御することができる。図8の実施形態において、MIRからの最大反射率に対応する波長は、傾斜角θに応じて小さくなる。本発明の他の一実施形態において、MIRからの最大反射率に対応する波長は、傾斜角θに応じて大きくなる。
図9は、本発明の他の一実施形態に係る発光デバイス800を示す図である。このデバイス800は、基板101上に成長させたn型ドープ底部MIR822と、能動素子823と、p型ドープ上部MIR828と、上部p型コンタクト層129とを含む。底部MIRは、n型にドープされることが好ましい。能動素子823は、n型ドープ層824と、閉じ込め層825と、p型ドープ層827とを含む。p−n接合要素826は、閉じ込め層825内に配設される。p−n接合要素826は、底部接点111および上部接点112から順方向バイアス113が印加されたときに光を放射する。
このデバイスの上面890は出口面である。上面890上の光学開口部832は、放射光の波長よりもかなり大きく、当該波長の5倍以上であることが好ましい。このとき、前記開口部における光の回折は、それほど激しくはなく、発光の遠距離場ダイアグラムは、主に、能動素子823、底部MIR822、および上部MIR828の角度特性によって決定される。前記開口部832が横方向平面において円形の形状である場合、発光の遠距離場ダイアグラムは、軸対称なものになる。発光スペクトル内の各波長において、最大強度は、特定の極角θにおいて達成されて、方位φとは独立したものとなるため、遠距離場ダイアグラムは円錐形状になる。開口部832がより対称性の低い形状である場合、遠距離場も同様に対称性が低くなり、代表的な実施形態では、2つまたは4つのローブを含むものになる。
図10に、本発明のさらに他の一実施形態に係る発光デバイス900の投影図を示す。基板101上にエピタキシャル成長させたこのデバイスは、活性領域905をさらに包含する能動素子903と、上部MIR908と、上部コンタクト層909とを含む。コンタクト層909の上面に、隆起部920が形成されており、上部接点912は、この隆起部920の上面に形成される。底部接点911は、基板101の底面側において、底部基板面を部分的にのみ覆い、被覆されない窓942を残すように配設される。基板の底面は出口面990である。光は、底部基板面990上の接点911が設けられていない底面部分において、窓942から出射935する。各波長において、放射光の最大強度は、放射光の伝搬方向と、底部基板面に垂直な方向930との間の角度θの関数である。
前述した実施形態は、表面の平面に垂直な方向に対してある角度を成す光を放射する面発光デバイスに関するものである。各所定の角度における放射光の強度は、波長に応じて変化し、MIRの反射率が最大になる波長において最大値に到達する。面発光デバイスのこの特徴は、本発明の下記の実施形態において、外部ミラーを有するシステムに採用されている。
図11(a)は、本発明の第1実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置である。本装置1000は、発光デバイス1010と、外部共振器1030と、1つまたは複数の外部ミラーとを含む。この発光デバイスは、表面の平面に垂直な方向1005に対してθの角度で光を放射するため、遠距離場ダイアグラムは、概して多ローブ形である。これに対応して、2つ以上の外部ミラーが使用される。好ましい実施形態は、2つのローブにおいて光を放射する発光デバイスと、外部共振器と、2つの外部ミラー、第1ミラー1014と、第2ミラー1024とを含む。本実施形態において、発光デバイス1010の出口面とミラーの間の距離は大きく、共振器1030の主要部は、光の伝搬が幾何光学の法則に従う、発光デバイス1010の遠距離場区域である。ミラーに衝突しない角度で放射された光は喪失される。特定の角度で放射された光のみがミラーに衝突して反射し、面発光デバイスに送り返される。光1011は、第1ミラー1014に衝突し、一部は反射1012されるが、一部はミラーを透過して出射光1015を形成する。光1021は、第2ミラー1024に衝突し、反射1022して戻される。好ましい実施形態において、第1ミラー1014は半透明で、第2ミラー1024は透明ではない。ここで、正帰還は、特定の角度において、または、好ましくは間隔の狭い特定の角度において伝搬する光についてのみ生じる。これらの角度は、放射光1011が第1ミラー1014に到達し、第1ミラー1014から反射された光1012が発光デバイス1010に到達する角度であり、かつ、放射光1021が第2ミラー1024に到達し、第2ミラー1024から反射された光1022が発光デバイス1010に到達する角度である。角度の選択に加え、本装置1000は、波長の選択も提供する。いずれかのミラーによって反射された光は、ある位相を持って発光デバイスの活性領域に到達する。放射光と反射光の間の建設的干渉を実現できる位相整合条件は、特定の固定波長においてのみ満たされる。実施形態によって異なるが、位相整合条件が満たされる1つまたはいくつかの波長は、発光デバイスの活性領域の発光スペクトルと重なり合う。好ましい実施形態において、位相整合条件が満たされる1つの波長のみが、発光デバイスの活性領域の発光スペクトルと重畳する。このとき、まさにその1つの波長において、レイジングが生じることになる。そして、レーザーは、波長選択レーザーとして動作することとになる。
好ましい実施形態において、ミラー1014および1024は両方とも、光を集束し、その光の方向をミラー上で変更して、発光デバイスの表面に送り返す集光ミラーである。
図11(b)は、本発明の第2実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。本装置1050は、平面鏡としての第2ミラー1074を含み、集光レンズ1056を利用して、前記ミラー上、または発光デバイスの表面上に光を集束させる。波長安定化レーザー光1065は、半透明の集光ミラー1014から出射する。本発明の他の一実施形態において、半透明の集光ミラーは平面であり、このミラーと面発光デバイスとの間に集光レンズが配置される。他の一実施形態において、ミラーは両方とも平面であり、集光レンズは、面発光デバイスの両側にそれぞれ配置される。
重要なことであるので、従来の波長選択的傾斜共振器レーザーと、本発明の波長選択レーザーとの劇的な違いを強調しておく。傾斜共振器レーザーにおいて、波長の選択は、共振器の分散法則と、MIRの分散法則との間の共通部分によって決定される。共振器の分散法則は、共振器内に閉じ込められるモードのモード角度の、波長への依存性であり、MIRの分散法則は、最大反射率の、傾斜角への依存性によって規定される。漏れ損失の最小値は、前述の共通部分において到達され、レイジングは、最小損失に対応する波長において生じる。
外部ミラーを有する本発明のレーザーにおいて、角度は、面発光デバイスから外部ミラーに向かう方向によって固定され、レイジングの波長は、放射光と反射光の間に建設的干渉を実現できる位相整合条件によって決定される。位相整合条件は、特定の波長においてのみ満たされるため、発光デバイスそのものが波長安定化される必要はない。波長安定化は外部ミラーによって提供される。実際には、発光デバイスは、波長安定化されてもよく、たとえば、本発明の実施形態の1つにおいて、波長安定化傾斜共振器レーザーとして実現されてもよい。この場合、波長の安定化は、外部ミラーによって強化される。
図11(c)は、本発明の第3実施形態に係る、周波数変換装置1100を示す模式図である。共振器の内部に、非線形結晶が配設されている。発光デバイス1010と、外部共振器1030と、第1ミラー1114と、第2非透過性ミラー1074とを含む本装置は、波長安定化一次レーザー光を生成する。第1高調波のレーザー光の光路は、非線形結晶1110を通り、当該非線形結晶1110において、光の第2高調波が生成される。すべてのミラーは、一次光に対して非透過的であることが好ましい。1つのミラー1114は、好ましくは、生成された第2高調波の光に対して半透過的である。第2高調波のレーザー光1115は、前記ミラー1114から出射する。
なお、光の光路は、発光デバイスの表面に対して傾斜している。この手法の利点は、特に、非線形結晶内の光パワーが、1/cosθ倍に拡張され、周波数変換の効率が、1/cosθ倍に拡張されることである。
図12は、本発明の第4実施形態に係る、波長安定化レーザー光の生成装置を示す模式図である。本装置1200は、第2導波路1210に結合された発光デバイス1230を含む。このデバイス1230によって、1つまたは複数の光モード320で生成された光は、上部MIR308および出口面1290から出射して、第2導波路1210に結合される。この特定の実施形態におけるデバイス1230は、図3の傾斜共振器レーザーと同様に図示されている。ただし、共振器303、底部MIR302、および上部MIR308は、波長安定化を提供するように選択されたものではない。本実施形態において、複数の光モードは、第2導波路1210に結合される。波長選択性を提供するため、第2導波路の上面、または上面の一部に回折格子1225が形成される。位相整合条件は、1つまたはいくつかの選択波長についてのみ満たされるため、回折格子1225によって、1つの光モード1220の選択が行われる。このデバイスのファセット上に、高反射被膜1211および反射防止被膜1212が塗布されており、波長安定化レーザー光1220は、反射防止被膜1212から出射1215する。
本発明の一実施形態において、本装置は、図7および図8に示した装置のうちの1つと同様の発光デバイスを含み、この発光デバイスは、いずれの高フィネス共振器も全く含まず、本装置において、前記デバイスは、第2導波路に結合されており、生成された光は、側面ファセットから出射する。
図13は、本発明の第5実施形態に係る周波数変換装置を示す図である。この装置1300は、傾斜共振器レーザー1330と、変換要素1310とを含む。傾斜共振器レーザー1330は、当該傾斜共振器レーザーが、閉じた光モードにおいて第1高調波のレーザー光を生成するように選択される。このモードの光は、レーザー1330からは放射されずに、エバネセント電磁場の形式の近距離場区域内に存在する。レーザー1330は、近距離場区域1380を介して変換要素1310に結合される。近距離場区域1380は、レーザー1330の出口面1390に近接した区域である。変換要素1310は、非線形結晶と、後部ミラー1311と、前部ミラー1312とを含む。非線形結晶が、第1高調波のレーザー光場の近距離区域内に配置されている場合、光は、非線形結晶内に進入し、そこで第2高調波の光に変換することができる。レーザー1330の上部MIR308は、第2高調波の光が、当該MIRを通って伝搬せずに、反射されて共振器に送り返されるように選択される。後部ミラー1311は、第2高調波の光に対して非透過的であることが好ましく、前部ミラーは、第2高調波の光に対して半透過的であることが好ましい。生成された第2高調波の光1320は、半透過的な前部ミラー1312を通って出射1315する。
図14は、本発明の第6実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置1400を示す図である。この装置は、発光デバイス1430と、第2共振器1410とを含み、前記発光デバイス1430および第2共振器1410は、近距離場区域1380によって結合される。発光デバイス1430は、好ましくは、n型ドープ基板101と、n型ドープ底部多層干渉反射器(MIR)、すなわち第1のMIR302と、共振器303と、p型ドープ上部MIR、すなわち第2のMIR1408とを含む。図3に示した従来の傾斜共振器とは対照的に、本デバイス1430は、波長安定化されていない光を生成する。上部MIR1408は、とりわけ薄いものではなく、共振器303のフィネスは中程度であるため、生成されたレーザー光は、近距離場区域1380において第2のMIR1408の外部に存在する。フィネスQを評価するため、傾斜した入射角θにおけるレーザー1430の反射スペクトルを考慮すると、フィネスQは次のように定義することができる。
Figure 0005374772
上式において、λは反射率落ち込みの波長で、Δλは当該落ち込みの幅である。好ましい実施形態において、フィネスは、10と1000の間の範囲内であることが適している。
第2共振器1410は、第3の多層干渉反射器1452と、中央部1453と、第4のMIR1458とを好ましく含む外部共振器である。第1共振器303の傾斜光モード320で生成された光は、第2のMIR1408から出口面1490を通って発光デバイス1430から漏れ出し、近距離場区域1380を介して、第2共振器1410の光モード1420の1つに結合される。第2共振器のフィネスQは、第1共振器のフィネスQよりも高いことが好ましく、次式の関係を満たす。
Figure 0005374772
近距離場区域1380、第3のMIR1452、および第2共振器の中央部1453は、発光デバイス1430に対する外部共振器を効果的に形成する。第4のMIR1458は、外部ミラーとして機能する。
ここで、発光デバイス1430の発光スペクトル内の1つまたはいくつかの波長についてのみ、装置1400全体の光の位相整合条件が満たされて、正帰還が発生する。第2共振器は、任意構成として、高反射被膜1411および反射防止被膜1412によって被覆されてもよい。これにより、本装置は、反射防止被膜1412を通って出射1415する波長安定化レーザー放射を生成することになる。
次の点について留意されたい。図14の実施形態では、第2のMIR1408からの光の漏出による光学的損失が大きく、レイジング閾値に到達することができないため、発光デバイス1430単独では、発光ダイオードとして動作できるだけである。発光デバイス1430が、単独で、波長安定化されないレーザーとして動作することができる、他の実施形態も利用可能である。
図15に、波長の選択原理を示す。第1共振器に閉じ込められた光モードの波長は、図15の実線の曲線によって、モード角θの関数として図示されている。第2共振器に閉じ込められた光モードの波長は、点線の曲線によって、モード角θの関数として示されている。装置1400の位相整合条件は、2つの曲線の交点において満たされる。図14に示した好ましい実施形態において、第2共振器1453の厚さは、第1共振器303の厚さよりも大きい。したがって、図15の第2共振器の光モード間の間隔は、第1共振器のモード間の間隔よりも狭い。装置1400は、位相整合条件が満たされて、建設的干渉、ひいては正帰還が発生する、1つまたはいくつかの選択波長のレーザー光を生成する。すなわち、図15における波長λ,λ、およびλが存在する。1つのみの選択波長が、発光デバイス1430の発光スペクトルと重畳する場合、装置1400は、波長安定化レーザー光を生成することになる。
図16に、本発明の第7実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置1600を示す。この装置は、基板101上にエピタキシャル成長されて、発光デバイス1630と、外部共振器1653と、外部ミラー1658とを含む。発光デバイス1630は、外部キャビティ1653とエピタキシャルに結合される。発光デバイス1630は、複数の傾斜光モード320で光を生成する。これらの光モードは、第2の多層干渉反射器(MIR)1650を介して外部キャビティ1653と結合される。第2のMIR1650と外部共振器1653の間の界面は、発光デバイス1630の出口面1690の役目を果たす。外部共振器1653は、第2のMIR1650および第3のMIR1658によって境界が画定されている。発光デバイス1630によって複数の傾斜光モード320で生成された光は、第2のMIR1650を通って外部共振器1653の中に漏出する。図15によれば、1つまたはいくつかの選択波長において、光の位相整合条件が満たされて正帰還が発生するが、この選択波長は、第1共振器303の傾斜光モードの分散法則が、装置1600の第2共振器であると見なすこともできる外部共振器1653の傾斜光モード1420の一部の分散法則と交わる波長である。装置1600の後部ファセットは、高反射被膜1611で被覆されることが好ましく、装置1600の前部ファセットは、反射防止被膜1612で被覆されることが好ましい。1つまたはいくつかの選択波長において生成された波長安定化レーザー光は、前部ファセットに設けられた反射防止被膜1612を通って出射1615する。
なお、本発明のレーザー、たとえば、装置1600の波長安定化動作の原理は、「Tilted cavity semiconductor laser (TCSL) and mathod of making same(傾斜共振器半導体レーザー(TCSL)およびその製造方法)」という名称の特許文献4、「Tilted cavity semiconductor optoelectronic device and method of making same(傾斜共振器半導体光電子デバイスおよびその製造方法)」という名称の特許文献5、および「Tilted cavity semiconductor device and method of making same(傾斜共振器半導体デバイスおよびその製造方法)」という名称の特許文献6に既に開示されている傾斜共振器レーザーの動作原理とは完全に異なるものである。これらの特許および特許出願は、すべて、本発明の発明者によってなされたものである。傾斜共振器レーザーは、高フィネス共振器と、多層干渉反射器(MIR)とを含み、これらは、傾斜共振器モードの分散法則と、MIRの最大ストップバンド反射率の分散法則とが、ただ1つのみの選択波長および1つのみの選択角度において交わるように選択される。共振器内に閉じ込められた光モードの漏れ損失は、前述の選択波長において最大になる。
逆に、装置1600、および下記で考察する本発明の他のすべてのエピタキシャルな実施形態では、いずれの波長選択的漏れ損失も必要としない。本デバイスは、損失がまったく存在しないか、または選択的でない損失を有するものであってよい。多層構造内の建設的かつ相殺的干渉が、波長安定化の一翼を担う。建設的干渉は、レイジングに必要な正帰還を実現する。特に、図16の実施形態において、建設的干渉の条件は、1つまたはいくつかの選択波長について満たされ、この選択波長において、第1共振器303内に閉じ込められた傾斜光モードの分散法則曲線が、図15に示したように、第2共振器1653内に閉じ込められた傾斜光モードのうちの1つの分散法則曲線と交差する。
図17は、本発明の第8実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置1700を模式的に示す図である。本装置1700は、基板101上にエピタキシャル成長されて、発光デバイス1730と、外部共振器1703と、外部ミラー1702とを含む。発光デバイス1730は、外部共振器1703とエピタキシャルに結合される。発光デバイス1730は、複数の傾斜光モード1770で光を生成する。共振器1753は、第1の多層干渉反射器(MIR)1758および第2のMIR1750の間に挟まれている。光モード1770は、第2のMIR1750を介して外部共振器1703に結合される。外部共振器1703は、第2のMIR1750および第3のMIR1702によって境界が画定される。発光デバイス1730によって生成された複数の傾斜光モード1770の光は、第2のMIR1750を通って外部共振器1703内に漏出する。図15によれば、第1共振器1753の傾斜光モードの分散法則が、外部共振器1703の傾斜光モード1720の一部の分散法則と交差する1つまたはいくつかの選択波長において、光の位相整合条件が満たされて、正帰還が発生する。この外部共振器1703は、装置1700の第2共振器と見なすこともできる。装置1700の後部ファセットは、高反射被膜1711によって被覆されることが好ましく、装置1700の前部ファセットは、反射防止被膜1712によって被覆されることが好ましい。1つまたはいくつかの選択波長で生成された波長安定化レーザー光は、前部ファセットに配設された反射防止被膜1712を通って出射1715する。装置1700と装置1600の違いは、装置1700において、外部共振器1703は、発光デバイス1730の基板側に配置され、外部共振器1703と基板101の間に外部ミラー1702が設けられている点である。
図17に示した装置1700は、好ましくは、n型ドープ基板101上にエピタキシャル成長される。第3のMIR1702、第2共振器1703、および第2のMIR1750は、n型にドープされることが好ましい。第1のMIR1758は、p型にドープされることが好ましい。共振器1753は、n型ドープ層1754と、閉じ込め層1755と、p型ドープ層1757とを含む。閉じ込め層1755は、活性領域1756をさらに含む。
第3の多層干渉反射器1702、第2共振器1703、および第2の多層干渉反射器1750を形成する層は、好ましくは、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、ドナー不純物がドープされ、さらに、高屈折率および低屈折率を交互に有する。GaAs基板上に成長させた装置では、GaAsとGaAlAsとから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するGaAlAsの層が、第3のMIR1702および第2のMIR1750を形成することが好ましい。
共振器1753のn型ドープ層1754は、好ましくは、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。
共振器1753のp型ドープ層1757は、好ましくは、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。
上部多層干渉反射器(第1のMIR)1758を形成する層は、好ましくは、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、アクセプタ不純物がドープされ、さらに、高屈折率および低屈折率を交互に有する。GaAs基板上に成長させた装置では、GaAsとGaAlAsとから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するGaAlAsの層が前記MIRを形成する。
閉じ込め層1755は、好ましくは、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつドープされないか、または微弱にドープされる。
閉じ込め層1755内に設けられた活性領域1756は、挿入によって形成されることが好ましく、活性領域のエネルギバンドギャップは、第1のMIR1758、共振器1753のp型ドープ層1757、共振器1753の閉じ込め層1755、共振器1753のn型ドープ層1754、第2のMIR1750、第2共振器1703、および第3のMIR1702を構成する層のエネルギバンドギャップよりも狭い。利用可能な活性領域1756は、特に限定するものではないが、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの任意の組み合わせから成る単層または多層の構造を含む。GaAs基板上のデバイスの場合、活性領域1756の例は、特に限定するものではないが、InAs,Inl−xGaAs,InGal−x−yAlAs,InGal−xAsl−y、または同様の材料が挿入された構造を含む。
図18は、本発明の第9実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置1800を模式的に示す図である。発光デバイス1830は、複数の傾斜光モード1770の光を生成し、光は、多層干渉反射器ではなく、エバネセント反射器1850を通って外部共振器1711に漏出する。単一またはいくつかの波長に関して、位相整合条件が満たされて正帰還が生じることで、波長安定化レーザー光の生成が行われる。この波長安定化レーザー光は、反射防止被膜1712によって被覆されることが好ましい前部ファセットを通って装置1815から出射する。
図19は、本発明の第10実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置1900を模式的に示す図である。この装置1900は、基板101上にエピタキシャル成長されて、発光デバイス1930と、外部共振器1703と、外部ミラー1902とを含む。発光デバイス1930は、第1エバネセント反射器1958と第2エバネセント反射器1850との間に挟まれた共振器1753を含む。発光デバイス1930内で生成された複数の傾斜光モード1770の光は、エバネセント反射器1850を通って外部共振器1703内に漏出する。この共振器1703は、発光デバイス1930にとっての外部共振器である。また、共振器1703は、装置1900の第2共振器と見なすこともできる。この第2共振器1703は、第2エバネセント反射器1850と第3エバネセント反射器1902との間に狭持される。したがって、発光デバイス1930にとっての外部共振器であるエバネセント反射器1902は、装置1900全体での第3の反射器である。図15によれば、第1共振器1753の傾斜光モードの分散法則が、外部共振器1703の傾斜光モード1720の一部の分散法則と交わる1つまたはいくつかの選択波長において、光の位相整合条件が満たされて、正帰還が発生する。装置1900の後部ファセットは、高反射被膜1711で被覆されることが好ましく、装置1900の前部ファセットは、反射防止被膜1712で被覆されることが好ましい。1つまたはいくつかの選択波長で生成された波長安定化レーザー光は、前部ファセットに設けられた反射防止被膜1712から出射1915する。
図20(a)は、本発明の第11実施形態に係る、波長安定化レーザー放射を生成する装置2000を模式的に示す図である。この装置2000は、基板101上にエピタキシャル成長されて、発光デバイス2030と、外部共振器2003と、外部ミラー2002とを含む。発光デバイス2030は、第1エバネセント反射器2058と第2エバネセント反射器2050とに挟まれた共振器2053を含む。発光デバイス2030内で生成された光は、エバネセント反射器2050から外部共振器2003内に漏出する。この共振器2003は、発光デバイス2030にとっての外部共振器である。また、共振器2003は、装置2000の第2共振器と見なすこともできる。この第2共振器2003は、第2エバネセント反射器2050と第3エバネセント反射器2002との間に狭持される。したがって、発光デバイス2030にとっての外部反射器であるエバネセント反射器2002は、装置2000全体での第3反射器である。
本装置2000は、次のように動作する。活性領域1756は、順方向バイアス113が印加されたときに光学利得を生成する。光は、活性領域1756の利得スペクトルによって決定されるスペクトル領域内で生成される。共振器2053の材料は、より高次の高調波の光を生成することができる非線形光学材料である。共振器2053の材料は、第2高調波の光を生成できることが好ましい。したがって、活性領域1756が、波長λにおいて第1高調波の光を生成する場合、この光は、その一部または全体を、波長λ=0.5λの第2高調波の光に変換することができる。非線形の光学特性は、従来の半導体材料のほとんど、特に、限定的なものではないが、GaAs,AlAs,InP,GaP,GaSb,GaN,AlN、およびこれらの材料の合金を含む、III−V族半導体材料や、III−V族半導体合金に存在する。III−V族半導体材料の容積対称性は、反転中心を含まないため、これらの材料は、光の第2高調波を生成することができる。活性領域1756を除く、装置2000のすべての層は、第1高調波および第2高調波両方の光に対して透過的である材料で形成される。ただし、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの組み合わせによって形成されることが好ましい活性領域1756は、波長λの第1高調波を生成する際に、通常、波長λ=0.5λの第2高調波の光を吸収する。このことは、従来の光電子デバイスからの第2高調波の光の抽出の妨げとなる。
本装置2000は、この問題を解決するものである。共振器2053,2003、および反射器2058,2050,2002は次のように選択される。傾斜角θの関数として波長を提示する、第1共振器2053内のみに閉じ込められた光モードの分散曲線は、図20(b)において、点線の曲線2071として図示されている。このモードは、エバネセント反射器2050が十分に薄いため、第1共振器2053および第2共振器2003の間にいずれの交差も生じないような状況に対応する。第2共振器2003内にのみ閉じ込められた光モードの分散曲線は、図20(b)において、点線の曲線2072として図示されている。曲線2071および2072は、ポイント2075において交差する。反射器2050が、中程度または小さめの厚さを持つ場合、2つの共振器に閉じ込められた光モードの間に交差が生じて、分散曲線の反交差が発生する。実線2076および2077によって示される分散曲線は、共振器2053および2003内の合成された光モードを表している。活性領域1756によって生成された光の第1高調波の波長には、λの符号が付けられている。装置2000は、第1高調波の波長λにおける合成された光モードの分散曲線2077が、単独の第1共振器2053を表す光モードの分散曲線2071の近くに位置するように選択されることが好ましい。すなわち、この光モードは、主に、第1共振器2053内に存在する。第2高調波の波長λ=0.5λにおいて、装置2000には2つの光モードが存在し、第1のモードは有効角度θを有し、第2モードは有効角度θを有する。第2高調波の波長λ=0.5λにおける合成された光モードの分散曲線2076は、単独の第2共振器2003を表す光モードの分散曲線2072に近接する。すなわち、第2高調波の波長における第2の合成された光モードは、主に第2共振器2003内に存在する。このモードは、このとき、微弱にではあるが活性領域1756によって吸収される。光の第2高調波の波長における2つの合成された光モードの間の効果的な選択は、下記の方法のうちのいずれかによって実現することができる。
選択の第1方法は次のとおりである。より大きな有効角度における合成された光モードの空間分布、すなわち、分散曲線2076に対応する第2の合成された光モードの分布において、光場のノードの数、すなわち、(TEモードの)電場または(TMモードの)磁場のノード数は、分散曲線2077に対応するモードの分布の場合よりも少ない。光の第2高調波では、2つの合成されたモードのノードの位置が異なるため、光の第2高調波光の波長における第2のモードは、主に第2共振器内に存在するという事実にも関わらず、第2高調波における第1の光モードへの、第1高調波の光の非線形変換係数は、第2高調波における第2の光モードへの、第1高調波の光の非線形変換係数よりもかなり小さくなることが好ましい。選択の第2方法は、第2高調波の波長におけるモードのうちの1つの光場のノード内に、活性領域1756を配置することに基づいたものである。この場合、このモードは、活性領域1756によって吸収されないか、または僅に吸収されるだけである。第2高調波において、第1のモードは第2のモードよりもノードの数が多いため、第1モードを選択することが好ましい。選択の第3方法は、第2高調波の波長における2つの光モードの建設的干渉と相殺的干渉の条件が異なることに基づいている。装置2000は、レイジングに必要な正帰還を実現する建設的干渉が、光の第2高調波において、第2のモードに対応して発生し、光の第2高調波において、第1のモードについては生じないように選択されることが好ましい。これらの方法を組み合わせて利用して、活性領域1756によって吸収されない、第2高調波の光モードを選択することができる。結合された3つ以上の共振器を導入することができる。1つ以上、またはすべての反射器は、多層干渉反射器(MIR)として実施することができる。
装置2000は、前部ファセットに塗布された反射防止被膜2012と、後部ファセットに塗布された反射防止被膜2011とを有する。これらの被膜は、いずれも第1高調波での光の放射を抑制または防止する。さらに、第2高調波での光の放射2055が確実に前部ファセットのみから生じるようにするため、後部ファセットに、第2高調波の光に対する反射防止被膜2061を塗布すると好ましい。
装置2000は、第2高調波の波長安定化レーザー光を生成することが好ましい。装置は、第2高調波のレーザー光を生成するが、当該レーザー光の波長は安定化されない他の実施形態も実現可能である。また、他の実施形態において、第3高調波への光の変換を行うこともできる。
III−V族半導体における非線形の光学的効果は、微斜面または高指数の基板上に構造をエピタキシャル成長させて、改善することができる。このとき、活性領域内への量子挿入によって、量子井戸のみならず、量子細線または量子ドットの配列を形成できる。
図21は、本発明の第12実施形態に係る、波長安定化レーザー放射を生成する装置2100を模式的に示す図である。この装置2100は、基板101上にエピタキシャル成長されて、外部共振器2180内に挿入された発光デバイス2130を含む。発光デバイス2130は、第1エバネセント反射器2160と第2エバネセント反射器2150との間に挟まれた第1共振器1753を含む。外部共振器2180は、基板側から発光デバイス2130に接する外部共振器の第1部位2103と、発光デバイス2130と、基板側と反対の側から発光デバイス2130に接する第2部位2153とを含む。外部共振器2180の第1部位2103は、第2エバネセント反射器2150と、発光デバイス2130にとっての第1の外部ミラーと見なすことができるエバネセント反射器2102とによって境界が画定される。この同じエバネセント反射器2102が、装置2100の第3エバネセント反射器と見なされてもよい。外部共振器2180の第2部位2153は、第1エバネセント反射器2160と、発光デバイス2130にとっての第2の外部ミラーと見なすことができるエバネセント反射器2162とによって境界が画定される。この同じエバネセント反射器2162が、装置2100の第4エバネセント反射器と見なされてもよい。装置2100は次のように動作する。発光デバイス2130は、複数の傾斜光モード1770で光を生成する。これらの光モードの光は、第1エバネセント反射器2160から外部共振器2180の第2部位2153内に漏出すると共に、第2エバネセント反射器2150から外部共振器2180の第1部位2103内に漏出する。図15に示したように、第1共振器1753の光モード1770の分散曲線が、外部共振器2180の光モード2170の分散曲線と交差する1つまたはいくつかの選択波長において、位相整合条件が満たされて正帰還が生じる。したがって、装置2100は、波長安定化レーザー光を生成し、この波長安定化レーザー光は、前部ファセットに設けられた反射防止被膜から出射2115する。
図21に示した装置の4つの反射器のうちのいずれか1つ、いずれか2つ、いずれか3つ、または4つすべてが、エバネセント反射器ではなく、多層干渉反射器である、本発明の複数の実施形態を実現できる。
図22は、本発明の第13実施形態に係る、波長安定化レーザー光の生成装置2200を示す図である。この装置は、基板101上にエピタキシャル成長されて、発光デバイス2230と、外部共振器1703と、外部ミラー1702とを含む。発光デバイス2230は、さらに、第1の多層干渉反射器(MIR)1758と第2の多層干渉反射器(MIR)1750との間に挟まれた第1共振器1753を含む。本装置2200は次のように動作する。発光デバイス2230は、複数の傾斜光モード1770で光を生成する。これらのモードの光は、第2のMIR1750から外部共振器1703に漏出する。多層干渉反射器1702は、発光デバイス2230にとっての外部ミラーであるが、装置2200全体での第3のMIRと見なされてもよく、外部共振器1703は、装置2200全体での第2共振器と見なされてもよい。したがって、第2共振器1703は、第2のMIR1750と、第3のMIR1702とによって境界が画定される。図15によれば、第1共振器1753の傾斜光モードの分散法則が、外部共振器1703の傾斜光モード1720の一部の分散法則と交差する1つまたはいくつかの選択波長において、光の位相整合条件が満たされて、正帰還が生じる。前述の外部共振器1703は、装置2200の第2共振器と見なされてもよい。
生成された波長安定化レーザー光は、装置2200の上面から出射2235する。上面の光学開口部2232は、放射光の波長よりもかなり大きく、当該波長の5倍以上であることが好ましい。ここで、開口部における光の回折はそれほど強いものではなく、光の放射の遠距離場ダイアグラムは、主に、位相整合条件が満たされる傾斜光モードの傾斜角によって決定される。横方向平面において、開口部2232が円形の形状を有する場合、光の放射の遠距離場ダイアグラムは軸対称になる。発光スペクトル内の各波長において、最大強度は、特定の極角度θにおいて到達され、方位φには依存しないため、遠距離場ダイアグラムは円錐の形状を持つことになる。開口部2232が、対称性の低い形状を有する場合、遠距離場も同様に対称性が低くなり、典型的な実施形態では、2つまたは4つのローブを含むものになる。
図22の実施形態において、底部接点(n接点)111は、第3のMIR1702の反対側において、基板101上に配設される。上部接点(p接点)112は、第1共振器1753の反対側において、第1のMIR1758の上面に設けられたp型コンタクト層129の上面に配設される。本実施形態において、基板101、第3のMIR1702、第2共振器1703、第2のMIR1750、および第1共振器1753の層1754は、n型にドープされる。第1共振器1753の層1757、第1のMIR1758、およびp型コンタクト層129は、p型にドープされる。順方向バイアス113は、底部接点111および上部接点112を介して活性領域1756に印加される。
一方または両方の接点が共振器内接点であり、構造の対応する部分を、ドープしないでおくか、または軽くドープすることができる、異なる実施形態も実現可能である。
また、本発明のさらに他の実施形態では、生成された波長安定化レーザー光が、基板を通って装置から出射する態様も実現可能である。
図23は、本発明の第14実施形態に係る、波長安定化レーザー光の生成装置2300を示す図である。この装置2300は、基板101上にエピタキシャル成長されると共に、外部共振器2380内に挿入された発光デバイス2330を含む。発光デバイス2330は、第1の多層干渉反射器(MIR)2360と第2の多層干渉反射器(MIR)2350との間に挟まれた第1共振器1753を含む。外部共振器2380は、基板側から発光デバイス2330に接する、外部共振器の第1部位2303と、発光デバイス2330と、基板側と反対の側から発光デバイス2330に接する第2部位2353とを含む。外部共振器2380の第1部位2303は、第2のMIR2350と、発光デバイス2330にとっての第1の外部ミラーと見なすことができる多層干渉反射器(MIR)2302とによって境界が画定される。この同じMIR2302が、装置2300の第3の多層干渉反射器と見なされてもよい。外部共振器2380の第2部位2353は、第1のMIR2360と、発光デバイス2330にとっての第2の外部ミラーと見なすことができる多層干渉反射器(MIR)2362とによって境界が区切られている。この同じMIR2362が、装置2300の第4の多層干渉反射器と見なされてもよい。装置2300は次のように動作する。発光デバイス2330は、複数の傾斜光モード1770で光を生成する。これらの光モードの光は、第1のMIR2360から外部共振器2380の第2部位2353内に漏出し、かつ、第2のMIR2350から外部共振器2380の第1部位2303内に漏出する。図15に示したように、第1共振器1753の光モード1770の分散曲線が、外部共振器2380の光モード2370の分散曲線と交差する1つまたはいくつかの選択波長において、位相整合条件が満たされて、正帰還が生じる。
生成された波長安定化レーザー光は、装置2300の上面から出射2335する。この上面の光学開口部2332は、放射光の波長よりもかなり大きく、当該波長の5倍以上であることが好ましい。ここで、開口部における光の回折は、それほど強いものではなく、光の放射の遠距離場ダイアグラムは、主に、位相整合条件が満たされる傾斜光モードの傾斜角によって決定される。横方向平面において、開口部2332が円形の形状を有する場合、光の放射の遠距離場ダイアグラムは軸対称になる。発光スペクトル内の各波長において、最大強度は、特定の極角度θにおいて到達され、方位φには依存しないため、遠距離場ダイアグラムは円錐の形状を有することになる。開口部2332が、対称性の低い形状を有する場合、遠距離場も同様に対称性が低くなり、典型的な実施形態では、2つまたは4つのローブを含むものになる。
一方または両方の接点が共振器内接点である、本発明の他の実施形態も実現可能である。また、波長安定化レーザー光が基板を通って装置から出射する、本発明のさらに他の実施形態も実施できる。
図24は、本発明の第15実施形態に係る、波長安定化レーザー光の生成装置2400を示す図である。この装置2400は、基板101上にエピタキシャル成長されると共に、発光デバイス2430と、基板101とを含む。発光デバイス2430は、さらに、第1の多層干渉反射器(MIR)2458と第2の多層干渉反射器(MIR)2450との間に挟まれた第1共振器1753を含む。活性領域1756は、第1共振器1753の内部に配置される。基板101は、外部共振器の役割を担い、基板の背面2481は、外部ミラーの機能を果たす。装置2400は次のように動作する。発光デバイス2430は、複数の傾斜光モード1770で光を生成する。これらのモードの光は、第2のMIR2450から基板101に漏出する。基板101は、基板101に漏出し、当該基板101の背面2481から反射されて、活性領域1756に送り返される光波の位相の振動を、波長の関数として提供する。光の放射は、基板101を通って伝搬し、当該基板の背面2481から反射されて、活性領域に送り返される光波の建設的干渉に対応する波長において、有利に働く。共振器1753および基板101という2つの要素の2つの複合的角度依存特性の相互作用によって、基板101の背面2481を通って装置2400から出射2485する波長安定化レーザー光の生成が行われる。図15に示したように、建設的干渉の条件、すなわち、1つにおいて、光の位相整合が満たされて、正帰還が生じ、または、いくつかの選択波長において、第1共振器1753の傾斜光モードの分散法則が、基板101の傾斜光モード2420の一部の分散法則と交差する。
図25は、本発明の第16実施形態に係る、波長安定化レーザー光の生成装置2500を示す図である。基板101の背面2481には、レイジングの波長を調整するために、誘電体層2551が蒸着される。波長安定化レーザー光2585は、基板101の背面2481および誘電体層2551を通って出射する。
基板を背面からエッチングしてレイジングの波長を調整する、本発明の他の一実施形態も実現可能である。
本発明のさらなる実施形態は、波長安定化レーザー光を生成する装置において、基板が第2共振器の役割を担い、当該装置の側面ファセットから光が出射する装置に焦点を合わせたものである。従来の漏れレーザーとは対照的に、本発明の装置は、波長が安定したレーザー光を提供する。
図26(a)は、従来の端面発光デバイス2610を示す模式図である。活性領域は、底部クラッド層2602および上部クラッド層2606に覆われた導波路領域2603に配置され、これらの各クラッド層は、導波路2603よりも屈折率が低く、導波路光モード2604に対する全内部反射を提供する。このデバイスは、基板101と、底部クラッド層2602と、活性媒体が挿入された導波路層2603と、上部クラッド層2606と、コンタクト層と、構造の上部および底部の金属接点とを含む。上部コンタクト層および上部接点は、図26(a)には示されていない。底部接点2611は図示されており、金属合金から成る当該接点は、基板から接点に衝突する光の部分的な散乱および吸収を引き起こす、起伏のある構造を有することが強調されている。光は、導波路光モードで生成されて、前部ファセットと後部ファセットの間で跳ね返される。通常、後部ファセットには高反射被膜2608が塗布され、前部ファセットには反射防止被膜2607が塗布される。光は、前部ファセットのみから出射2605する。
図26(b)は、従来の端面発光レーザー2620を示す模式図で、この端面発光レーザーにおいて、基板側からのクラッド層は、薄いか、または欠落しているかのいずれかであり、導波路内で生成された光2614は、基板内に通り抜けることができる。基板がより高い屈折率を持つ場合、光は、基板の屈折率と漏れ導波路層の屈折率の比によって規定される角度で屈折し、特定の角度2624に配向された光として基板内に伝搬する。放射光は液晶から出射する。導波路2614から液晶を抜け出す光は、主放射のビーム2615を形成する。基板内に漏出した光は、液晶を抜け出して、漏れ放射のビーム2625を形成する。漏れ損失が少ない場合、漏れ放射の相対強度は、主放射と比べて低くなる。漏れ損失が大きい場合は、全光学的損失が大きくなると共に、デバイスの閾値電流密度が高くなる。
図26(c)は、漏れ成分を有する従来の端面発光デバイスを模式的に示す図で、この漏れ成分は、共振器の長さが長い、または漏れ角度が大きいために、底部合金の金属接点2611によって部分的に反射されたものである。この場合、光の一部2634は、散乱および部分反射されて導波路に戻されるが、接触領域における吸収損失が大きいことに加え、接触領域内の散乱損失も大きい。底部接点2611によって反射および散乱された光は、通常、むしろ幅広の角度スペクトルで出射2635される。
図27(a)は、図26(a)のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。レーザー光は、出力開口部から出てくるため、光が回折して、幅広(通常、半値全幅20〜60度)のビームになる。このビームは、有効焦点距離が短いため、一点に集束させることが難しい。また、この発散ビームをレンズによって平行ビームに変換すると、出力密度が大幅に減少する。最後に、デバイス2600についての外部共振器を含むことになる外部共振器の用途では、外部共振器の高い品質係数が必要になる。導波路に戻る反射光を効果的に集束させるには導波路の厚みが少なすぎるため、前述の高い品質係数を実現することは困難である。
図27(b)は、図26(b)のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。この場合、面内導波路放射の幅広の遠距離場パターンの上部に、漏れ放射に起因する幅の狭いローブが顕現することが見て取れる。この放射がデバイスの出力内で支配的になる場合は、非常に損失が大きいため、閾値電流密度が劇的に増加する。
図27(c)は、図26(c)のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。漏れ放射2635の反射および散乱によって、遠距離場スペクトル内に幅の広い反射ピークが現れている。
図28(a)および図28(b)に、従来の漏れ型端面発光デバイスのサンプル内で漏れ角度および漏れ損失を制御する手段を示す。図28(a)は、デバイス2620の構造をより詳細に示す図である。このデバイスは、基板101と、導波路2603と、上部クラッド層2606と、上部コンタクト層2809とを含み、前記導波路2603は、好ましくは、幅狭の底部クラッド層2822を更に含み、導波路2820の中央部分は、層2824と、活性領域2825と、層2826とを含む。図28(b)は、図28(a)の構造の屈折率分布を模式的に示す図である。
層2822の厚さが減少すると、光モードのトンネル動作がより強化されるため、漏れ損失が増加することになる。導波路2820の厚さが減少しても、光モードが導波路から狭窄されるため、漏れ損失が増加する。層2824および2826の屈折率nの低下も、漏れ損失の増加および漏れ角度θleakyの増加をもたらす。より複雑な導波路構造において、漏れ角度は、基板101の屈折率と光モードの有効屈折率との関係によって決定される。
本発明は、開示された装置の低閾値波長選択動作を実現できる外部共振器の形状を提案するものである。図29(a)は、本発明の第17実施形態に係る波長安定化レーザー光を生成する装置2900を示す模式図である。
図29(b)は、装置2900をより詳細に示す模式図である。基板101は、III−V族半導体材料、またはIII−V族半導体合金から形成される。たとえば、GaAs,InP,GaSbである。GaAsまたはInPは、一般に、レーザー放射の所望の放射波長に応じて利用される。これに代わる構成としては、GaNベースのレーザー用の基板、すなわちレーザー構造として、サファイアや、SiCや、[111]−Siが利用され、この構造の層は、GaN,AlN,InN、またはこれらの材料の合金で形成される。基板101は、n型、すなわちドナー不純物によってドープされる。利用可能なドナー不純物は、特に限定するものではないが、S,Se,Te、およびSi,Ge,Snなどの両性不純物を含み、後者の両性不純物は、カチオン副格子内の大部分を占めるように組み込まれて、ドナー不純物として機能するという技術的条件において導入される。
n型ドープ底部クラッド層2822は、基板101に対して格子整合、またはほぼ光子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。GaAs基板101の場合、n型ドープクラッド層は、GaAlAs合金で形成されることが好ましい。導波路2820のn型ドープ層2824は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。GaAs基板の場合、導波路のn型ドープ層2824は、n型ドープクラッド層2822よりもAlの含有量が少ないGaAlAs合金で形成されることが好ましい。
導波路2820のp型ドープ層2826は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。導波路のp型ドープ層2826は、n型ドープ層2824と同じ材料から形成される一方で、アクセプタ不純物がドープされることが好ましい。利用可能なアクセプタ不純物は、特に限定するものではないが、Be,Mg,Zn,Cd,Pb,Mn、およびSi,Ge,Snのような両性不純物を含み、後者の両性不純物は、アニオン副格子内の大部分を占めるように組み込まれて、アクセプタ不純物として機能するという技術的条件において導入される。
p型ドープクラッド層2606は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。p型コンタクト層2809は、好ましくは、基板に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。ドーピングレベルは、p型クラッド層2606よりも高いことが好ましい。
金属接点2911および2912は、好ましくは、多層金属構造から成る。金属製のn接点2911は、特に限定するものではないが、Ni−Au−Ge構造を含む構造で構成されることが好ましい。金属製のp接点2912は、特に限定するものではないが、Ti−Pt−Au構造を含む構造で構成されることが好ましい。
基板の背面には窓が形成されており、底部、すなわちn接点2911は蒸着されない。また、背面の基板面は鏡状である。
閉じ込め層2825は、基板101に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドープされないか、または微弱にドープされる。活性領域は、好ましくは、閉じ込め層2825内に配置され、また、挿入によって形成されると好ましいが、活性領域のエネルギバンドギャップは、基板101のエネルギバンドギャップよりも狭い。実現可能な活性領域は、特に限定するものではないが、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの任意の組み合わせの単層または多層の構造を含む。GaAs基板上のデバイスの場合、活性領域の例は、特に限定するものではないが、InAs,Inl−xGaAs,InGal−x−yAlAs,InGal−xAsl−y、または同様の材料が挿入された構造を含む。
デバイスの後部ファセットには高反射被膜2608を設けることが好ましく、デバイスの前部ファセットには反射防止被膜2607を設けることが好ましい。
装置2900は次のように動作する。活性領域は、順方向バイアスが印加されたときに利得を生成する。漏れ導波路2820内で生成された光2904は、基板101に漏出する。基板内の光は、特定の漏れ角度θleakyで、基板表面の平面まで伝搬2934する。光は、基板の背面2931で反射して送り返される。このため、漏れ導波路2820と基板の背面2931の間に、外部共鳴器が形成される。基板の厚さは、真空内の光の波長(300nmと30μmの間の好ましい光の波長)を大幅に超過しているため、基板内の光の伝搬は、幾何光学の法則に従う。したがって、ファセットを通って光が基板から出射できるようにするため、漏れ角度θleakyは、半導体−空気界面の全内部反射角度よりも小さくなければならない。次に、光は、前部ファセットから出射2935して、幅狭のローブを有する2ローブ遠距離場パターンを好ましく形成する。
基板の背面を研磨して、鏡状の基板背面を形成する場合、光は反射して活性領域層に戻されるため、目立つほどの部分が光から失われることはない。公称漏れ損失が大きい場合であっても、閾値電流密度は低い。また、光が干渉して、特定の波長のみが建設的干渉を生じるため、波長の選択が行われる。異なる手法において、基板の背面を被覆し、エッチングを行って、波長の調整を実現してもよく、また、回折格子を蒸着することで、波長の安定化のさらなる改善や、基板を通る光の回折格子外結合(outcoupling)の実現などを実行できる。表面の鏡状の品質を保護するために、基板の背面に1つまたはいくつかの被膜を塗布することができる。
図29(c)は、基板背面からの反射部を有する本発明の装置を、実現可能な処理配線の一例と共に示す模式図である。
図30(a)は、本発明の装置の遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。光の強度の大部分は、漏れ放射内に集中しているため、この放射は、出力信号も支配する。
図30(b)は、本発明の装置の放射スペクトルを模式的に示すグラフである。放射スペクトルは、ほぼ等距離のピークの組み合わせであり、このピークは、漏れ導波路から基板に漏洩し、基板の鏡状の背面から反射されて、活性領域に送り返される光の建設的干渉を表している。これにより、このデバイスの波長安定化動作を達成できる。
図31(a)は、本発明の第18実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置3100を示す模式図である。ファセットから放射された光2935は、2ローブの遠距離場を好ましく有する。これに応じて、2つの集光ミラー3141および3142を利用して、光を反射2936し、ファセットに送り返す。一方のミラー3141は、レーザー光が出射3145できるように、半透過型に選択されてよい。装置3100は、端面発光デバイス2900と、第1共振器の機能を果たす導波路2603と、第2共振器の機能を果たす基板101と、ファセット3107および第1集光ミラー3141の間の第3共振器と、ファセット3107および第2集光ミラー3142の間の第4共振器と、非透過型集光ミラー3142と、半透過型集光ミラー3141とを含む。
図31(b)は、本発明の第19実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置3150を示す模式図である。ファセット3107とミラー3191によって形成される共振器内に、非線形結晶3160が挿入されている。非線形結晶3160は、一次光の第2高調波を生成するように設定されることが好ましい。外部ミラー3191は、前記一次光に対して非透過的で、かつ、第2高調波の光に対して半透過的であることが好ましく、前記第2高調波の光は、ミラー3191を通って出射3195する。第2高調波の生成に波長安定化光を使用する利点は、標準的な非線形結晶が動作するスペクトル幅が狭いことに関連する。
図32(a)は、本発明の第20実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置3200を示す模式図で、この装置3200において、放射光の一部は、光ファイバ3210に結合される。
図32(b)は、本発明の第21実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置3250を示す模式図である。放射光の一部は、光ファイバ3210に結合され、その他の部分は、波長選択フィルタまたは回折格子3260を備えるミラー3142から反射される。フィルタ3260は、さらなる波長選択性を提供する。
図33は、本発明の第22実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置3300を示す模式図で、この装置3300において、放射光の出射角度θoutは、放射波長に応じて変化する。この角度を、ミラーの特定の配置によって調整することによって、図30(b)のスペクトルからの特定の放射波長の選択を実現できる。特に、図30(b)の多重ピークスペクトルから1つのピークを選択することができる。
図34(a)は、本発明の第23実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置3400を示す模式図で、ここでは、デバイスに、高反射被膜2608および特殊な反射防止被膜3407が塗布されている。
図34(b)は、反射防止被膜3407の反射率スペクトルを模式的に示すグラフで、この被膜3407は、放射の漏れ角度に対応して最適化される一方で、従来の平面導波路放射は、後方反射される。このような被膜は、平面導波路からの後方反射に都合がよく、傾斜した角度でファセットに衝突する放射の漏れ成分の出射を促進する。
図35は、本発明の第24実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置3500を示す模式図である。装置3500は、微斜面基板上にエピタキシャル成長されたもので、この基板は、低指数の結晶方位を有する従来の表面に対して特定の角度に誤配向(misorient)されている。デバイスのファセットは、一般に、ミラー指数が低い劈開面、たとえば、(110)面、または(1,−1,0)面である。したがって、デバイスのファセット3507および3508は、p−n接合平面に対して垂直ではなく、傾斜している。複雑な傾斜導波路を形成することで、放射光3535の複合的光モード3534および角度強度分布の設計に自由度が増える。
図36は、本発明の第25実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置3600を示す模式図で、ここでは、レンズ3630を使用して、2ローブ放射2935を平行ビーム3635に変換している。代替の構成として、レンズは、2ローブのビームを任意の発散ビームに変換することもできる。
装置がレーザー光を生成せずに、発光ダイオードとして動作する、本発明のさらなる実施形態も実現可能である。ここで、第2共振器によって提供される建設的干渉の作用は波長選択的なものであるため、この作用により、発光ダイオードの幅狭の放射スペクトルが保証される。また、幅狭の発光スペクトルを有する超光発光デバイスとして装置が動作する、本発明のさらなる実施形態も実現可能である。発光デバイスを光学的に励起することで、活性領域に非平衡キャリアを提供する、他の実施形態も実現できる。また、装置が、スペクトル間隔の狭い光信号を増幅する共振半導体光増幅器として動作する、本発明のさらに他の実施形態も実現可能である。
本発明の特定の特徴については、判りやすくするため、個別の実施形態の文脈において説明したが、単一の実施形態の中に組み合わせて設けられてもよいことは理解されるであろう。逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で説明した本発明の各種の特徴は、それぞれ個別に、または任意の適切な部分的組み合わせにおいて提供されてもよい。
本発明について、その特定の実施形態と組み合わせて説明したが、当業者であれば、多くの代替物、修正、および変形が自明であることは理解されるであろう。したがって、添付の請求項の精神および広い範囲内に入る、このような代替物、修正、および変形のすべてを包含するこが意図されている。本明細書において言及したすべての刊行物、特許、および特許出願は、これら個別の刊行物、特許、または特許出願をそれぞれ具体的かつ個別に本明細書に組み込んだ場合と同程度に、その開示内容全体を本明細書の一部として援用するものである。また、本明細書内の参考文献の引用または特定は、その参考文献を本発明の従来技術として利用できる許可として見なされるものではない。
本発明は、前述した特定の実施形態に限定されるものとして理解されるべきではなく、添付の請求項に規定された特徴に基づいて包含される範囲およびその等価物において実施される、実現可能なすべての実施形態を含むものである。したがって、本明細書において説明した本発明の実施形態は、単に、本発明の原理の用例を説明するためのものであることは理解されるであろう。説明した実施形態の細部についての明細書内での言及は、請求項の範囲を限定するためのものではなく、請求項自体が、本発明の本質的要素と見なされる特徴を規定するものである。

Claims (12)

  1. 波長安定化光を生成する装置であって、
    a)発光デバイスを含み、
    前記発光デバイスは、さらに、
    i)広い波長範囲および反射器の表面の垂直方向から光が傾斜する際の広範囲の入射角度で反射帯域を提供する、少なくとも1つの第1反射器と、
    ii)少なくとも1つの第1共振器と、
    iii)p−n接合部を含む能動素子であって、前記p−n接合部は活性領域を含み、前記活性領域は、非平衡キャリアが注入されたときに光を生成することができると共に、広いスペクトルのフォトルミネセンスを有するものである、能動素子と、
    iv)前記活性領域内への非平衡キャリアの注入を行う注入装置と、
    v)前記p−n接合部の平面と平行に伸長する出口平面とを含み、
    前記発光デバイスは、前記出口平面に垂直な方向に対して傾斜している複数の光モードの中で、及び前記活性領域のフォトルミネセンススペクトルによって規定される波長範囲内で光を生成するように調整され、かつ、前記生成された光は、波長選択的ではなく、さらに、
    b)前記出口平面に隣接して配設される、少なくとも1つの第2共振器と、
    c)前記出口平面の反対側において、前記少なくとも1つの第2共振器に隣接して配設される、少なくとも1つの第2反射器と、を含み、
    前記少なくとも1つの第1反射器は、
    (i)多層干渉反射器と、
    (ii)全内部反射に基づく反射器とから成る群から選択され、
    前記発光デバイスによって生成されて、前記出口平面から出射する前記光は、前記少なくとも1つの第2共振器を通って伝搬し、前記少なくとも1つの第2反射器によって反射されて、前記少なくとも1つの第2共振器に送り返され、前記活性領域に到達することで、位相整合条件が、1つの選択波長、またはいくつかの選択波長において満たされ、
    横軸をモード角とし縦軸を波長としたときの前記第1共振器の傾斜光モードの分散法則が、横軸をモード角とし縦軸を波長としたときの前記第2共振器のいくつかの傾斜光モードの分散法則と交差し、一つまたはいくつかの選択波長で前記第2共振器から前記第1共振器へ正帰還を提供する手段を生成するよう、前記第1共振器と前記第2共振器が調整され、
    前記1つの選択波長、またはいくつかの選択波長は、前記装置の波長安定化動作を規定するものである、波長安定化光を生成する装置。
  2. 前記発光デバイスは、
    a)発光ダイオードと、
    b)超光発光ダイオードと、
    c)半導体ダイオードレーザーと、
    d)半導体光増幅器とから成る群から選択される、請求項1に記載の波長安定化光を生成する装置。
  3. 前記活性領域への非平衡キャリアの注入を行う前記注入装置は、
    a)前記活性領域の光励起を行う光励起装置と、
    b)前記活性領域への電流注入を行う電流注入装置とから成る群から選択される、請求項1に記載の波長安定化光を生成する装置。
  4. 基板をさらに含む、請求項1に記載の波長安定化光を生成する装置。
  5. 前記波長安定化光を生成する装置は、
    a)波長安定化発光ダイオードと、
    b)波長安定化超光発光ダイオードと、
    c)波長安定化半導体ダイオードレーザーと、
    d)半導体光増幅器とから成る群から選択される、請求項1に記載の波長安定化光を生成する装置。
  6. 前記発光デバイスは、遠距離場区域によって、前記少なくとも1つの第2共振器と光学的に結合される、請求項に記載の波長安定化光を生成する装置。
  7. 前記発光デバイスは、近距離場区域によって、前記少なくとも1つの第2共振器と光学的に結合される、請求項に記載の波長安定化光を生成する装置。
  8. 前記発光デバイスは、エピタキシャルに、前記少なくとも1つの第2共振器と光学的に結合される、請求項1に記載の波長安定化光を生成する装置。
  9. 前記少なくとも1つの第2共振器は基板である、請求項1に記載の波長安定化光を生成する装置。
  10. 前記少なくとも1つの第2反射器は、前記基板の背面である、請求項に記載の波長安定化光を生成する装置。
  11. d)前記波長安定化光を生成する装置の外部に配置され、周波数変換を行うことができる非線形要素をさらに含み、
    前記波長安定化光は、波長安定化一次光であり、
    前記周波数変換を行うことができる非線形要素内の前記波長安定化一次光は、より高次の高調波の波長安定化光に変換され、
    前記周波数変換を行うことができる非線形要素は、非線形結晶である、請求項1に記載の波長安定化光を生成する装置。
  12. d)周波数変換を行うことができる非線形要素をさらに含み、
    前記周波数変換を行うことができる非線形要素は、
    a)前記発光デバイスを含む、少なくとも1つの層と、
    b)前記少なくとも1つの第2共振器を含む、少なくとも1つの層と、
    c)前記少なくとも1つの第2反射器を含む、少なくとも1つの層と、
    d)a)からc)の任意の組み合わせとから成る群から選択され、
    前記波長安定化光は、波長安定化一次光であり、
    前記生成された一次光の周波数変換によって取得された波長における少なくとも1つの光モードが、低損失を有することで、前記装置は、より高次の高調波の波長で光を放射することができ、前記光は、周波数変換によって取得されたものであり、
    より高次の高調波で放射された光は、より高次の高調波で放射される波長安定化光である、請求項に記載の波長安定化光を生成する装置。
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