JP5443660B2 - 高出力で、製造可能な抽出格子分散型ブラッグ反射器レーザー - Google Patents

Description

（関連出願の説明）
本出願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下、同時係属で且つ公開譲渡された２０００年６月２日出願の、ラリーＡコールドレン他による米国仮特許出願第６０／２０９，０６８号「高出力の、製造可能な抽出格子ＤＢＲレーザー」、代理人事件整理番号１２２．２−ＵＳ−Ｐ１、の恩典を請求するものであり、この出願を参考文献としてここに援用する。

本出願は、以下の同時係属で且つ公開譲渡された米国実用特許、即ち：
２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による、第０９／６１４，２２４号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソースを作る方法」と、
２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレンによる第０９／６１４，３７７号「統合型光電子波長変換器アッセンブリ」と、
２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による、第０９／６１４，３７６号「統合型変調器を備えた光電子レーザーによって光の波長を変える方法」と、
２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による、第０９／６１４，３７８号「統合型変調器を備えた光電子レーザー」と、
２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレンによる第０９／６１４，８９５号「一体式波長変換器アッセンブリを使って光の波長を変換するための方法」と、
２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による、第０９／６１４，３７５号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソース」と、
２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による、第０９／６１４，１９５号「統合型変調器を備えた光電子レーザーを作る方法」と、
２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による、第０９／６１４，６６５号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソースによって光信号を生成する方法」と、
２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレンによる第０９／６１４，６７４号「一体式波長変換器アッセンブリを作るための方法」の一部継続出願であり、これら全てを参考文献としてここに援用するが、これら全ては互いに他の一部継続出願となっており、且つこれらは全て、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下、以下の米国仮特許出願、即ち：
１９９９年９月２日出願の、グレゴリー・フィッシュ他による、第６０／１５２，０３８号「統合型変調器を備えた光電子レーザー」と、
１９９９年９月２日出願の、ラリー・コールドレンによる、第６０／１５２，０４９号「統合型光電子波長変換器」と、
１９９９年９月２日出願の、ベック・メイソン他による、第６０／１５２，０７２号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソース」に恩典を請求するものである。

（発明の属する技術分野）
本発明は、一般的には、広範囲に調整可能半導体レーザー、特定すると、抽出格子分散型ブラッグ反射器（ＳＧＤＢＲ）レーザーに関する。

（関連技術の説明）
ダイオードレーザーは、光通信、光センサー及び光学コンピュータシステムのような用途に利用されている。このような用途では、広い波長範囲に亘る周波数を出力するように容易に調整できるレーザーを利用すると非常に有用である。広い波長範囲をカバーする選択可能な可変周波数で作動することができるダイオードレーザー、即ち広範囲に調整することができるレーザーは、非常に貴重なツールである。そのようなレーザーが無ければ、所定の波長範囲内でレーザーソースにより互いに切り替えることのできる個々のチャネルの数は大幅に制限されることになる。従って、そのような範囲が限定されているレーザーを利用しているシステム内で切り替えられ、同時に存在できる個々の通信経路の数は、同様に非常に制限される。このように、ダイオードレーザーは、通信、センサー及びコンピュータシステムの設計における多くの問題に解決法を提供してきたが、光ベースのシステムによって与えられる利用可能な帯域幅に基づく可能性を全うしてはいない。多くの将来的用途で光学システムを実現するためには、チャネル数が増加して、それらが選択的に利用できるようになることが重要である。
様々な用途に対処するには、広範囲な波長の内から実質的に１つの波長を出すよう選択的に構成することのできる調整可能なダイオードレーザーを有する必要がある。そのような用途には、コヒーレント光波通信システム内の送信ソース及び局所発振器と、別の多重チャネル光波通信システム用のソースと、周波数変調センサーシステム内で用いられるソースとが含まれる。普通、ある波長範囲に亘って連続的に調整可能であることが求められる。

更に、抽出格子分散型ブラッグ反射器（ＳＧＤＢＲ）レーザー、格子結合抽出反射器（ＧＣＳＲ）レーザー、及び小型の機械的に可動なミラーを備えた垂直空洞レーザー（ＶＣＳＥＬ−ＭＥＭｓ）のような広範囲に調整可能な半導体レーザーは、一般的に、広い調整範囲を実現するために出力を犠牲にしなければならない。ＳＧＤＢＲレーザーの基本的な機能及び構造は、１９９０年、１月２３日付でラリーＡコールドレンに認可された米国特許第４，８９６，３２５号「多要素ミラーを変えることによって多くの部分を調整できるレーザー」に詳述されており、当該特許を参考文献としてここに援用する。４０ｎｍを超える調整範囲を提供することのできる設計では、その調整スペクトルの極限において、１又は２ミリワットを大きく超える出力を提供できてはいない。しかし、現在及び将来の光ファイバー通信システム、並びに分光器分野では、全調整範囲で１０ｍＷを超える出力を必要としている。国際電気通信連合（ＩＴＵ）のＣバンドは、１．５５μｍ近くで幅約４０ｎｍである。Ｌバンド及びＳバンドを含めて用いられる別のＩＴＵバンドもある。

少なくともＣバンド全体をカバーすることのできる単一の構成要素を有することが望ましい。高いビット伝送速度で作動するようになっているシステムは、全ＩＴＵバンドに亘って２０ｍＷ以上が必要かもしれない。そのような出力は、分散型フィードバック（ＤＦＢ）レーザーから得ることができるが、このレーザーは、その温度を調整することによって数ナノメートル調整できるだけである。従って、現存する広範囲に調整可能な設計を超えて製作を複雑にすることなく、広い調整範囲（＞４０ｎｍ）と高い出力（＞２０ｎｍ）の両方を備えたソースを有することが非常に望ましい。

本発明は、向上した半導体レーザー、特定すると、抽出格子分散型ブラッグ反射器（ＳＧＤＢＲ）レーザーに関する方法及び装置を開示しており、その方法及び装置は、広い調整範囲に亘って高出力を達成し、従来の技術を使って製造できるようにしている。

（発明の概要）
上に述べた問題に取り組むために、本発明は、概略、ある帯域幅に亘って自発的及び誘発的な放出の既知の現象を通して光線を生成するためのゲイン部と、前記光線を前記帯域幅の中心周波数の周りに制御するための位相部と、比較的低エネルギーバンドギャップの分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）を含んでいる空洞内に光線を案内し反射するための導波管と、前記空洞の一方の端部の境界を成す第１又はフロントミラーと、前記空洞の反対側の端部の境界を成す第２又はバックミラーとを備え、ゲインは、位相部、フロントミラー及びバックミラーから成るグループの内の少なくとも１つによって提供されるようになっている調整可能なレーザーを備えている。

ＳＧＤＢＲ設計における装飾は、広範囲に調整可能な装置を提供し、その装置は、初期のＳＧＤＢＲレーザーよりも概ね高い出力を提供する。更に、本発明の殆どの実施例は、比較的製造が簡単である。

添付図面に示すように、本発明の幾つかの実施例は、隣接する能動的及び受動的部分の組み立てを必要とするのではなく、装置の全長に亘って同じ能動的導波管材料を使っているので、基本的なＳＧＤＢＲ設計を単純化している。しかし、別の実施例は、ミラー及び位相偏移部における導波管領域のバンドギャップの変更を含んでいる。この変更は、単純な量子井戸不規則化プロセス、選択的エリア成長、又は当業者にはよく知られている再成長技術によって達成される。殆どの場合、これらの部分の吸収エッジはほんの僅かずらしておかなければならず、従って、量子井戸不規則化（又は混合）と選択的エリア成長手続の両方が容易に達成される。これら後者のプロセスも、追加的再成長段階を必要としない。

（好適な実施例の詳細な説明）
図面中、類似の参照番号は同様な部品を示す。

以下、本発明を、好適な実施例を挙げ添付図面を参照しながら説明するが、図面にはその一部が分かり易く例示されている。なお、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用し、構造的な変更を加えることができる旨理解されたい。

図１Ａ及び１Ｂは、固有の調整特性を可能とする４つの部分を示す代表的なＳＧＤＢＲレーザーである。レーザー１００は、ゲイン部１０２と、位相部１０４と、第１又はフロントミラー１０６と、第２又はバックミラー１０８とを備えている。これら各部分の下には、光線を導き反射させるための導波管１１０が配置され、しかも装置全体が基板１１２上に形成さているのが望ましい。利用の際には、通常、バイアス電圧が装置の最上部にある電極１１４に接続され、下部基板１１２が接地される。ゲイン部１０２のバイアス電圧がレーザー放射閾値を上回ると、レーザー出力が能動領域１１６から作り出される。

フロント及びバックミラー１０８、１０６は、通常、抽出格子ミラーであり、それぞれ、異なるサンプリング周期１１８、１２０を有している。格子は、波長選択反射器として挙動し、空洞内を搬送される光学信号の周期的な波長間隔で部分的反射が作り出される。フロント及びバックの抽出格子ミラー１０８、１０６は、それらの有効長さ及び格子差を通して最小空洞損失になる波長を共に決定するが、レーザー放射波長は、導波管１１０内の光学空洞の長手方向モードにおいてのみ発生可能である。従って、ミラー１０６、１０８及び導波管１１０のモードを、一致し、それにより所望の波長で可能な最低空洞損失を達成するように調整することが重要である。図１に示す装置の位相部１０４は、空洞モードを位置決めするため、空洞の光路長を調節するのに用いられる。

更に、光学後方モニター１２２と、前方半導体光増幅器（ＳＯＡ）及び／又は光変調器１２４の部分が示されている。１９９０年、１月２３日、ラリーＡコールドレンに認可された米国特許第４，８９６，３２５号「異なる多素子ミラーを備えた多部分調整可能レーザー」で議論されているように、前記各部分の様々な電極１１４に電流が掛けられて、所望の出力光学出力及び波長が提供されるのであり、前記特許を参考文献としてここに援用する。本明細書に記載されているように、ゲイン部１０２への電流が光を作り出してゲインを提供しレーザー空洞内の損失に打ち勝ち、２つの異なるＳＧＤＢＲ波長選択式ミラー１０６、１０８への電流は、所与のモードを選択するために広い波長範囲に亘って正味低損失ウインドウを調整するのに用いられ、位相部１０４ヘの電流は、モード波長の微調整を提供する。各部分はある程度相互に作用し合うので、１つの部分への電流は、主として別の部分によって制御されるパラメータに幾分か影響を与える。

以下の米国実用特許出願、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，２２４号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソースを作る方法」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレンによる第０９／６１４，３７７号「統合型光電子波長変換器アッセンブリ」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，３７６号「統合型変調器を備えた光電子レーザーによって光の波長を変える方法」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，３７８号「統合型変調器を備えた光電子レーザー」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレンによる第０９／６１４，８９５号「一体式波長変換器アッセンブリを使って光の波長を変換するための方法」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，３７５号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソース」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，１９５号「統合型変調器を備えた光電子レーザーを作る方法」と、２０００年７月１２日出願のラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，６６５号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソースによって光信号を生成する方法」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレンによる第０９／６１４，６７４号「一体式波長変換器アッセンブリを作るための方法」に記載されているように、出力又は波長をモニターするか、或いは、増幅又は変調を行うために、電流と電圧が随意の部分に掛けられ、及び／又はそこでモニターされているのであり、これら全てを参考文献としてここに援用するが、これら全ては互いに他の一部継続出願となっており、且つこれらは全て、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下、以下の米国仮特許出願、即ち、１９９９年９月２日出願の、グレゴリー・フィッシュ他による、第６０／１５２，０３８号「統合型変調器を備えた光電子レーザー」と、１９９９年９月２日出願の、ラリー・コールドレンによる、第６０／１５２，０４９号「統合型光電子波長変換器」と、１９９９年９月２日出願の、ベック・メイソン他による、第６０／１５２，０７２号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソース」に恩典を請求するものである。本発明は、これらの以前の背景を成す発明と同一の一般的な原理及び技術によって作動する。

本発明の重要な態様は、ＳＧＤＢＲミラー及び／又は位相偏移部分でゲインを提供し、通常はキャリア注入による調整を伴う損失を相殺することである。もう１つの重要な態様は、このゲインを、通常は１．５から１．６μｍの波長範囲における量子井戸の能動領域で見られる５から１０ｍＷよりも高い飽和出力を有する形態で提供することである。本発明の様々な実施例は、これら２つの態様の組み合わせを提供しており、装置が、これらの改良を加えることなく達成できる出力よりも高い出力を持つことができるようにする。

図２は、本発明の第１クラスの実施例の断面概略図である。ここでも随意の後方モニター１２２と、前方半導体光学増幅器（ＳＯＡ）及び／又は光学変調器１２４の部分が示されている。レーザー１００を更に最適化する位相部１０４、バックミラー部１０６又はフロントミラー部１０８内の量子井戸ゲイン領域の随意の不規則化又は混合は示されていない。図示のように、装置は、全長に沿って伸張する共通導波管層１１０を含んでいる。従って、望ましくない反射を引き起す光学的不連続は存在しない。随意の量子井戸混合段階が加えられた場合でも、前記混合は屈折のモード指標に正味の変化を生じさせないので、これは真である。更に、この断面の単純さは、組み立て順序の相対的単純性を示しており、組み立て順序には、ミラー１０６、１０８用の埋め込み格子を形成するために１つの再成長段階が必要なだけである。しかし、横方向の光学導波及び電流の閉じ込めのために、追加の再成長が望まれる。

第１実施例は、装置の全長に亘って共通の能動導波管１１０を使用している。この導波管１１０は、中心合わせされた浅い量子井戸を含む比較的低エネルギーバンドギャップの分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）２００で構成されている。この構造は、装置の閾値に必要なレベルとほぼ同じレベルになるまでキャリアが注入されると、ゲインが量子井戸で急速に立ち上がるように最適化されている。この時点で、浅い量子井戸が満たされ、幾つかのキャリアは既にＳＣＨ領域２００内へこぼれている。このように、追加してキャリアが注入されると、追加して注入されたキャリアが更に高いバンドギャップＳＣＨ領域２００を満たすので、ゲインは、所望の光学帯域内では僅かに増えるだけで、飽和しやすい。しかし、ＳＣＨにおけるキャリアの立ち上がりは、望ましい屈折率変化を提供することになる。このように、様々なＳＧＤＢＲレーザー部分１０２−１０８の相対的なバイアスを変えることにより、正味ゲインを所望の閾値に留めながら、様々な指標を調整することができる。更に、微分ゲイン（ゲインのキャリア密度に対する傾斜）はゲインロールオーバー点以上では比較的低いので、飽和出力はもっと高くなる傾向にある。

ＳＣＨ領域２００内のキャリアの立ち上がりは、通常は正味自由キャリア吸収損失が伴うが、この場合、これは部分的又は完全に、追加キャリアによるモードゲインにおける僅かな増大によって補われる。これらの増大は帯域縮小によって高められ、キャリア密度が大きい際にはバンドギャップエネルギーを低減させる傾向を持つ既知の多体効果が得られる。従って、ＳＣＨ領域２００におけるキャリアの立ち上がりに関連した自由キャリア吸収は、少なくとも部分的には、高キャリア密度において減退したバンドギャップＳＣＨ領域で今や発生するかもしれない帯域から帯域へと誘発される放出によって補正される。ゲインは、この個体群の低エネルギー端部にだけ提供されているので、飽和出力が再び高められる。この望ましい作動を達成するには、量子井戸のバンドギャップ及び数、並びにＳＣＨ領域のバンドギャップ及び幅を慎重に特定しなければならない。

本発明の別の実施例は、位相１０４、フロントミラー１０８又はバックミラー１０６の各部分の内の１つ又はそれ以上の吸収及びゲイン特性に関する変更を含んでいる。従って、これらの実施例は、なおミラー１０６、１０８及び／又は位相偏移１０４の各部分において所望の高飽和出力損失補正を提供しながら、能動領域１０２のゲイン特性の良好な適正化を提供することができる。この変更は、選択的量子井戸混合か、選択的エリア成長か又は異なるバンドギャップの導波管の突合せ接合再成長によって達成される。例えば、量子井戸混合の実施例では、後に加熱処理段階で拡散されて、量子井戸と周囲のＳＣＨ導波管１１０の材料とを混合することができる空隙を作るため、導波管１１０の上に亜リン酸のイオン埋め込みを用いることができる。この混合が、量子井戸内の正味吸収エッジを上げると同時に、隣接するＳＣＨ領域２００の吸収エッジを下げる。このように、不規則化領域は、今や殆ど受動調整部分と同じ働きをすることができるようになり、キャリア注入によって指標が大きく変わる。しかし、本発明では、高ポンピングでの損失を補うのに必要な追加ゲインをなお有しており、高いキャリア密度が、帯域収縮によって、帯域から帯域への遷移が起こるに十分なほどバンドギャップを下げる。ここでも、これらの混合部分における増幅の飽和出力は、元の非混合量子井戸／ＳＣＨ部分よりもかなり高くなっている。非混合ゲイン領域は、ゲインをより効率的に提供するために、深い量子井戸と高いバリヤを備えていてもよい。

更なる最適化は、２レベルの量子井戸混合か、様々な幅の選択的エリア成長マスクか、又は２つの再成長の段階を適用してレーザー１００に沿って３つの異なるバンドギャップを提供することによって、これらの実施例の内の幾つかで達成される。ゲイン領域１０２は、比較的低い量子井戸と高いＳＣＨバンドギャップによって最適に構築されている。バンドギャップにおける第１の変化（例えば、第１レベルの不規則化による）は、領域に、僅かに増大した量子井戸バンドギャップと僅かに低減したＳＣＨバンドギャップを提供する。バンドギャップにおける第２の変化は、ほとんど又は全く損失補正を有することなく、従来のＳＧＤＢＲ設計でのように非常に効率的に調整することのできる受動的導波管領域を提供する。（例えば、これは、第２レベルの不規則化によって量子井戸とＳＣＨとを殆ど完全に混合することで達成することができる。）第１レベルの不規則化は、領域に、穏やかなレベルのゲインではあるが、元の非混合領域よりも高い飽和出力を提供する。これらは、誘発された再結合によってキャリアが欠乏するので、調整特性が低下しているが、良好なゲイン特性を有している。これらの実施例の内の１つは、調整能力においてほとんど妥協することなく損失補正を最適化するために、２つのバンドギャップ領域を備えたＳＧＤＢＲミラーにおいて周期性の選択的不規則化を利用している。これら好適な実施例の詳細な説明は次のとおりである。

量子井戸の不規則化が行われていない第１の実施例では、構造体は、ＩｎＰベース基板２０２からＳＣＨ導波管領域１１０の頂部まで、通常、標準的エピタキシャル半導体成長技法を用いるＭＯＣＶＤ装置内で先ず成長する。基板１１２の下部クラッディング２０４は、通常はｎタイプのＩｎＰであり、ＳＣＨ導波管１１０は、通常は１．４５−１．５μｍのバンドギャップ合成物（正確な範囲は以下に規定する）のＩｎＧａＡｓＰであり、内在する量子井戸は、通常は、７−１０ｎｍの厚さで、１．６−１．６７μｍバンドギャップ合成物のＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰ井戸である。次に、このポイントにおいて「ベースウェーハ」は、ＳＣＨ導波管１１０の表面に抽出された格子溝をエッチングする（通常は３０ｎｍまでの深さ）よう処理される。ウェーハは、用いられる横方向のガイディングの形式次第で、成長反応器及び追加の成長層内に再挿入される。リッジ又はある種の埋め込み型ヘテロ構造（ＢＨ）横方向導波管のため、上部クラッディング２０６（通常はｐタイプのＩｎＰ）と接触層１１４（通常はｐ＋ＩｎＧａＡｓ）とを再成長させる。次に、リッジの場合、周辺の材料が、横方向閉じ込めのためＳＣＨ導波管１１０までエッチングされ、埋め込み型ヘテロ構造（ＢＨ）の場合、深いリッジが、ＳＣＨ及び追加の半絶縁体か、又は電流と光の閉じ込めを提供するためにリッジを囲むように成長しているある種のｎｐｎｐ遮断層を貫いてエッチングされる。当業者には既知であるように、クラッディング及び横方向ガイド構造には、他の再成長の変形例も適用可能であり、即ち、本発明は、主にＳＣＨ導波管領域１１０の設計及び形成に関係している。

幾つかの実施例では、様々な部分のゲイン及び調整特性を良好に最適化するために、長手方向に沿う選択的バンドギャップ変化が提供されている。幾つかの部分で随意の量子井戸不規則化を用いて、量子井戸吸収の大部分に打ち勝つ必要性を低減する場合、第１成長は、厚さが数百ｎｍのクラッディング層（通常はＩｎＰ）も含んでいる。次に、これは、このクラッディング内にだけ空隙をつくるために、クラッディングの厚さよりは浅い深さまで（通常はＰが）注入される。次に、アニーリング段階で前記井戸をＳＣＨ材料と混合させるため、これらの空隙はＳＣＨ導波管１１０及び量子井戸を通して拡散される。その後、この第１上部クラッディングが除去され、全てのイオン注入損傷が取り除かれ、格子が形成され、頂部層を以前のように再成長させる。

レーザー１００の長さに沿うバンドギャップにおけるこの選択的変化は、幅が変化するマスキング領域を用いる選択的エリア成長によって、第１成長中に異なる構成及び厚さの量子井戸及びＳＣＨを形成することにより達成することもできる。また、第１成長の後で一定の領域をエッチングする段階と、第２成長で必要なバンドギャップ領域を再成長させる段階によって達成することもできる。

図３は、単一の均一な量子井戸ＳＣＨ導波管が装置の全長に亘って用いられている第１実施例の、ＳＣＨ導波管領域１１０を横切ってプロットしたエネルギー帯域の横断概要３００である。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料を想定しているが、当業者に既知の他の材料を同じ方法で用いてもよい。図３に示すように、本発明のこの第１実施例の重要な態様は、様々な部分で所望のゲイン、調整及び損失の特性を、全て共通の導波管構造から実現するために、相対的バンドギャップエネルギー又は光学的吸収エッジを適切に選択することである。

図３に示すように、成長状態導波管ガイドは、中心合わせされた浅い量子井戸を含む比較的低バンドギャップエネルギーのＳＣＨ３０２で構成されている。この構造体は、キャリアが装置の閾値３０４に必要なレベルとほぼ等しいレベルになるまで注入されると、ゲインが量子井戸内で急速に立ち上がるように最適化されている。このポイントで、浅い量子井戸は満たされており、幾らかのキャリアは既にＳＣＨ領域内にこぼれ出ている。従って、更にキャリアが注入されると、ゲインは、追加注入されたキャリアが更に高いバンドギャップＳＣＨ領域を満たす際に所望の光学的帯域で僅かに増加するだけで、飽和状態になりやすい。しかし、ＳＣＨ内でキャリアが立ち上がると、所望の屈折率変化が提供される。このように、様々なＳＧＤＢＲレーザーの部分の相対的なバイアスを変えることによって、正味ゲインを必要な閾値に留めながら、様々な指標を調節することができる。

ＳＣＨバンドギャップの最適値は１から２ｋＴ（或いは、エネルギーにおいてレーザー放出エネルギーよりも２６から５２ｍｅＶ大きいか、又は１５５０ｎｍ付近の波長において約５０から１００ｎｍ下）であるということを、分析が示している。レーザー放出エネルギーは、一般的に、量子井戸においてポンピング無しで計算される最低サブバンド遷移エネルギーとほぼ等しい。バンドギャップの縮小は、バンドギャップと、代表的閾値キャリア密度で約３０ｍｅＶであるこの最低サブバンドエネルギーを低減し、ライン形状の丸みと状態充満が結合して、代表的レーザー放出波長を、キャリアに拘束されない計算サブバンドエッジとほぼ同じポイントに戻す。レーザー放出エネルギーとＳＣＨ導波管吸収エッジとの隔たりは、代表的な多量子井戸ＳＣＨレーザーで一般的である隔たりよりもずっと小さく、そこでは、通常は、量子井戸に対して良好なキャリア閉じ込めを有するのが望まれている。この隔たりは、比較的低い値で飽和するゲイン対電流密度の特性を生むことになる。

様々な他の井戸設計でも比較的良好に作動するかもしれないが、１５５０ｎｍ付近の作動では、量子井戸は、約１パーセントの圧縮歪み状態にあるＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰで構成されているのが最も望ましい。歪みと構成を変えると井戸の幅が変わり、最大圧縮歪みにある３次井戸は、最低飽和ゲインで最も狭く、最小圧縮歪みにある４次井戸は、最大飽和ゲインで最も幅広い。井戸の数及び望ましい幅は、考慮中の特定の装置の空洞損失次第である。一般的に、ゲインは、ほぼ閾値のゲインレベルで飽和すべきである。そのため、仕様は、この状況を実現するための井戸の数と構成を選択することになる。

この設計では、様々な部分へのバイアス電流を変えることによって、ＳＣＨ領域内のキャリア密度を変調することができる。この変調は、今度は、問題の特定部分の屈折率と、光学経路長及び／又はブラッグ波長を変化させ、レーザーを調整する。このように、様々な電極へ流れる電流は、先行技術のＳＧＤＢＲレーザーにおける機能とある程度同じ機能を有している。しかし、一般的に、装置内の正味モードゲインをその閾値までクランプするために、１つの部分でバイアスを上げると、同時に別の部分でバイアスを減らす必要がある。この効果は、ゲイン曲線の飽和領域内で作動させることにより最小化されるが、なお、１つの電流を減らしながら一方で別の電流を増やすことにより、最高の調整が達成されることも示唆している。

図４は、低キャリア注入レベル及び高キャリア注入レベル（即ち、低及び高ポンピング）における帯域構造体４００を示している。ＳＣＨ領域におけるキャリアの立ち上がりに関係する望ましくない損失は、部分的には、相当な帯域縮小４０２、ΔＥ_SによるＳＣＨ内に存在し得る帯域から帯域への遷移に関係するモードゲインの僅かな増加によって補正されるが、この帯域縮小は、ＳＣＨバンドギャップを下げ、材料が反転される高キャリア密度において、レーザー放射波長範囲内に入れる。図４に示されているように、高注入レベルでは、キャリアは量子井戸からこぼれ出てＳＣＨ領域を満たす。これによって屈折率は変化する。しかし、帯域縮小４０２、ΔＥ_Sは、ＳＣＨのバンドギャップをレーザー放射遷移エネルギー以下になるように動かす。都合の良い事に、伝導／価電子帯状態では、占有は、正味ゲインが生じるように反転される。これらの影響は、適切なバイアスにより最初の場所において受動的散乱損失のゲイン補正があるという事実と相まって、先行技術の設計によって可能な出力よりもかなり高い出力を生み出す。図４は、高ポンピングでの低及び高エネルギーレベル４０８、４１０に対して、低ポンピングでの低及び高エネルギーレベル４０４、４０６を示している。

図５及び図６は、本発明の基本的設計による典型的な部分のモードゲイン／損失特性を更に詳細に説明している。図４に示されているのと同じ２つのポンピングレベルが考慮されている。図５は、図４のキャリア密度での、モードゲインとエネルギーとの関係を示している。図６は、モード指標とキャリア密度との関係を示している。

図５は、図４の２つのポンピングレベルでのゲインを表している。第１は緩慢なポンピングであり、全部分が等しくポンピングされるのであれば、中心波長に閾値モードのゲインレベルを提供するには通常十分である。能動的ゲインは低エネルギー４０４、Ｅ_L、即ち乱されていないサブバンドエッジのエネルギー分離から、高エネルギー４０６、Ｅ_Hまで伸張しており、即ち、ＳＣＨの伝導帯域エッジ（ＳＣＨ内のキャリアの大きなパーセンテージを示唆している）から、量子井戸バリアよりはまだ下の或る価電子帯エネルギーまで伸張している。ＳＣＨ内のキャリアの大きなパーセンテージでは、量子井戸内のキャリア密度はなおかなり高いことを理解することが重要である。つまり、モードの指標調整、従って波長調整は、図６に示すようにまだ小さい。第２の曲線は、高ポンピングでのゲインを示している。キャリアのクランピングを避けるためには何処かでポンピングを僅かに減らす必要があるが、図示のように、何れの波長にもゲインの増加はほとんどないので、これは必要ないかもしれない。重要なのは、ＳＣＨのキャリア密度の方が遙かに高いということであり、このことが、図６に示すように相当な調整をを提供している。ゲインスペクトルは、低エネルギー４０８、Ｅ_L' から高エネルギー４１０、Ｅ_H' までかなり広げられているが、レーザー放射帯域内で利用可能な状態の飽和により、そのピークでは殆ど増加していない。

図５のゲイン特性は、更に、この構成の飽和出力が大きいことも示している。例えば、参考文献としてここに援用するが、１９９５年、Ｌコールドレン及びＳコルツィンによる「ダイオードレーザー及び光子集積回路」の第８章の式（８．１８）から（８．２４）のような様々な研究に見られるように、光学出力Ｐに対する増加ゲインｇの飽和特性は、

で表され、ここにｇ₀は、小信号ゲインであり、飽和出力は、

である。

パラメータｗ及びｄは、キャリアを含んでいる能動領域の幅及び厚さであり、（ｈν）は光子エネルギーであり、ａは微分ゲインｄｇ／ｄＮであり、Γ_XYは相対ゲイン／光学モードの重なりを測定する横方向閉じ込め係数であり、τはキャリアの寿命である。キャリアが、ＳＣＨ領域へこぼれ出て図５に示す特性を呈すると、微分ゲインａは小さく（最良の量子井戸ゲイン領域の２０％未満）なって、キャリアを含む厚さｄは閉じ込め係数Γ_XYよりも増える。従って、飽和出力は数回に渡り増加し、出力が数十ミリワットまで可能となる。

図７は、別の実施例にある混合部分（又は選択的エリア成長又は突き合わせ接合再成長により形成された部分）のバンド構造体７００を示しており、ミラー及び／又は位相偏移領域内のバンドギャップ内に変化が生まれている。最初の成長は、能動領域をより良好に最適化するために、より高いバンドギャップＳＣＨで始まっている。混合の後、量子井戸のバンドギャップは上げられ、ＳＣＨのバンドギャップ７０２は僅かに下げられて、ゲイン及び調整の両方の部分の更なる最適作動が提供される。この場合の開始時材料の典型的なＳＣＨバンドギャップ値は、１．４５から１．４μｍであろう。混合構造体７００のＳＣＨバンドギャップ７０２は、非混合構造体３００のＳＣＨバンドギャップよりも大きい。

本発明の更に別の実施例は、何れかの部分のキャリア密度、並びに各部分へ少なくとも透明になるまでバイアスを掛ける必要性を変えるために、ゲインクランピングの自由度への影響を減じている。この場合、装置は先行技術によるＳＧＤＢＲレーザーと同じように作動するが、我々がなお自由キャリア吸収の損失補正を測定できる点で大きく異なっている。このことは、不規則化量子井戸領域が、レーザー放出波長帯域の中心よりも多いバンドギャップ１−２ｋＴを有している場合に起こる。従って、より多数のキャリアが注入される高ポンピングレベルでは、帯域縮小は、ＳＣＨのバンドエッジを、帯域から帯域への遷移がＳＣＨ内でレーザー放出波長で可能となるレベルまで下げる。このように、混合のないゲイン領域では、幾分か高いバンドギャップＳＣＨ領域が存在して、より良好なキャリア閉じ込めを提供し、一方、混合領域では、高ポンピングレベルでの所望の損失補正がなお存在する。従って、様々な部分の望ましい個々の特性に妥協は少ない。

図８Ａ−８Ｂは、３つの異なるバンドギャップ領域が作られている実施例を示している。２つの下部バンドギャップ領域８０２は、図８Ａに示すように、ＳＧＤＢＲミラー部１０６、１０８内に周期的に配置されている。図８Ｂは、ＳＧＤＢＲミラー部１０６、１０８内に配置されているそれらの内の２つとの可能な個々の電気的接続を示している。ゲイン部８０４と位相部８０６との電気的接点が代表例で示されている。フロント及びバックミラー１０８、１０６は、それぞれ、調整接点８１２、８１４と組み合わせられているゲイン接点８０８、８１０を有している。これは必須ではないが、各ミラー内に追加の電流ポートを有する犠牲を払うことにはなるが、より最適化された動作を提供する。ここで、ゲイン部内のＳＣＨ領域は、更に大きいバンドギャップ（１．３−１．４μｍ）と、この部分の最も効率的な動作に合わせて最適化されている量子井戸を有することができ、第１不規則化領域（第２バンドギャップ）は、量子井戸を混合してバンドギャップを僅かに増加させ、ＳＣＨを僅かに減少させる。更に、キャリア閉じ込めの量も、少なくとも倍増される。この領域は、ミラー内のゲインのために用いられる。この領域は、最適化された量子井戸ゲイン領域材料よりも幾らか高い飽和出力を有するであろうし、しかも、波長帯域の大部分に亘って良好なゲイン特性を有するであろうから、このことは望ましい。バンドギャップ縮小は、最適化された非混合ゲイン部と比べて良好なゲインを提供するのに高いキャリア密度が必要となるので、このことを可能にする。第２不規則化領域（第３バンドギャップ）は、十分に量子井戸とＳＣＨを混合し、最適な調整特性を提供するが、損失は補正されない。部分的に混合されたゲイン領域は、ミラー内に周期的に配置され、比較的高い飽和出力によって損失補正を提供する。

当業者には自明なように、本発明の上記実施例の原理は、公開譲渡され且つ同時係属中の以下の米国実用特許出願、即ち２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，２２４号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソースを作る方法」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレンによる第０９／６１４，３７７号「統合型光電子波長変換器アッセンブリ」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，３７６号「統合型変調器を備えた光電子レーザーによって光の波長を変える方法」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，３７８号「統合型変調器を備えた光電子レーザー」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレンによる第０９／６１４，８９５号「一体式波長変換器アッセンブリを使って光の波長を変換するための方法」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，３７５号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソース」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，１９５号「統合型変調器を備えた光電子レーザーを作る方法」と、２０００年７月１２日出願のラリーＡコールドレン他による第０９／６１４，６６５号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソースによって光信号を生成する方法」と、２０００年７月１２日出願の、ラリーＡコールドレンによる第０９／６１４，６７４号「一体式波長変換器アッセンブリを作るための方法」に記載されているように、最適化された統合増幅器及び変調器を作成するのにも用いることができ、これら全てを参考文献としてここに援用するが、これら全ては互いに他の一部継続出願となっており、且つこれらは全て、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下に、以下の米国仮特許出願、即ち、１９９９年９月２日出願の、グレゴリー・フィッシュ他による、第６０／１５２，０３８号「統合型変調器を備えた光電子レーザー」と、１９９９年９月２日出願の、ラリー・コールドレンによる、第６０／１５２，０４９号「統合型光電子波長変換器」と、１９９９年９月２日出願の、ベック・メイソン他による、第６０／１５２，０７２号「統合型光学増幅器を備えた調整可能なレーザーソース」に恩典を請求するものである。

これは、本発明の好適な実施例の説明を結論付けている。要約すれば、本発明は、ある帯域幅に亘って誘発された放出及び自発的な放出により光線を作り出すためのゲイン部と、前記光線を前記帯域幅の中心周波数の周りに制御するための位相部と、比較的低エネルギーバンドギャップの分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）を含んでいる空洞内で光線を案内し反射するための導波管と、前記空洞の一方の端部の境界を成すフロントミラーと、前記空洞の反対側の端部の境界を成すバックミラーとを備え、ゲインは、位相部、フロントミラー及びバックミラーから成るグループの内の少なくとも１つによって提供されるようになっている調整可能なレーザーを開示している。

本発明の１つ又は複数の実施例に関する上記記述は、解説と説明を目的として提示されている。本発明を、開示している形態そのもので網羅したり、これに限定する意図はない。上記教示に照らして、多くの修正及び変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明ではなく、請求の範囲に述べる事項によって限定されるものである。

ＳＧＤＢＲレーザーで、レーザー放出の出力及び波長を制御するのに用いられる４つの部分を示す斜視図である。 ＳＧＤＢＲレーザーで、レーザー放出の出力及び波長を制御するのに用いられる４つの部分を示す側面図である。 本発明の第１クラスの実施例の断面概略図である。 装置の全長に亘って単一の均一な量子井戸ＳＣＨ導波管が用いられている第１実施例の、ＳＣＨ導波管領域を横切ってプロットされた、エネルギーバンドの横断方向の概略的様子である。 低及び高キャリア注入レベルにおけるバンド構造を示している。 図４のキャリア密度におけるモードゲインとエネルギーの関係を示している。 モード指標とキャリア密度の関係を示している。 本発明の別の実施例における混合部分のバンド構造を示している。 ３つの異なるバンドギャップ領域が作成されている、又別の実施例を示している。 ３つの異なるバンドギャップ領域が作成されている、又別の実施例を示している。

Claims (20)

1. 波長可変レーザーにおいて、
   光線を案内するための導波管であって、前記光線にゲインを提供するのに十分な低いエネルギーバンドギャップを有する分離閉じ込めへテロ構造（ＳＣＨ）を含んでいる導波管を備え、
   前記導波管が、空洞を含み、
   前記空洞が、
   該空洞内にあって、前記光線の自然放出を行うと共に前記光線にゲインを提供するためのゲイン部と、
   該空洞内にあって、前記光線を或る帯域幅の中心周波数の周りに調整するための位相部と、を有し、
   前記導波管内にあって、前記空洞の一方の端部を定めるフロントミラーを備え、
   前記導波管内にあって、前記空洞の反対側の端部を定めるバックミラーを備え、
   前記ゲイン部は、量子井戸バンドギャップとＳＣＨバンドギャップを有し、前記量子井戸バンドギャップは、前記ＳＣＨバンドギャップよりも小さく、
   前記ＳＣＨを含んでいる前記導波管は、前記ゲイン部、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーに亘って均一であり、
   前記レーザーは、レーザー放射閾値を有し、前記ＳＣＨは、該ＳＣＨの中心にあって前記レーザーがレーザー放射閾値に到達したときに満たされるのに十分な浅い量子井戸を含んでおり、
   動作時に、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーの少なくとも１つによって前記光線に更なるゲインが提供され、前記調整に関連する損失が相殺されることを特徴とするレーザー。
   
2. 動作時に、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーの少なくとも１つによって提供される前記ゲインは、実質的に５ｍＷより高い飽和出力を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
   
3. 前記ＳＣＨは、前記ゲインが、装置の閾値に求められているレベルと実質的に同じレベルにまで迅速に増加するように最適化されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー。
   
4. 前記ゲイン部、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーのそれぞれは、それぞれ別々に変えられるバイアスによって個々に調節される屈折率を有していることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー。
   
5. 正味ゲインを装置閾値に維持しながら、前記屈折率が調節されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー。
   
6. 前記ＳＣＨにおけるキャリア密度の増加から生じる自由キャリア吸収損失は、少なくとも部分的には、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーの前記少なくとも１つによって提供されるゲインによって補正されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー。
   
7. 前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーの少なくとも１つによって提供される前記ゲインは、調整用電気的接点と組み合わされた電気的接点を通して掛けられることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー。
   
8. 半導体レーザーを製作する方法において、
   光線を案内するための導波管層を成長させる段階を備え、前記導波管層が、前記光線にゲインを提供するのに十分な低いエネルギーバンドギャップを有する分離閉じ込めへテロ構造（ＳＣＨ）領域を基板上に含んでおり、
   前記導波管層が、空洞を含み、
   前記空洞が、
   該空洞内にあって、前記光線の自然放出を行うと共に前記光線にゲインを提供するためのゲイン部と、
   該空洞内にあって、前記光線を或る帯域幅の中心周波数の周りに調整するための位相部と、を有し、
   前記導波管層内に抽出された格子溝をエッチングして、前記導波管内で前記空洞の一方の端部を定めるフロントミラーと、前記導波管内で前記空洞の反対側の端部を定めるバックミラーとを形成する段階を備え、
   前記導波管層上に上部クラッディング及び接点層を成長させる段階を備え、
   前記ゲイン部は、量子井戸バンドギャップとＳＣＨバンドギャップを有し、前記量子井戸バンドギャップは、前記ＳＣＨバンドギャップよりも小さく、
   前記ＳＣＨを含んでいる前記導波管は、前記ゲイン部、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーに亘って均一であり、
   前記レーザーは、レーザー放射閾値を有し、前記ＳＣＨは、該ＳＣＨの中心にあって前記レーザーがレーザー放射閾値に到達したときに満たされるのに十分な浅い量子井戸を含んでおり、
   動作時に、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーの少なくとも１つによって前記光線に更なるゲインが提供され、前記調整に関連する損失が相殺されることを特徴とする方法。
   
9. 前記ＳＣＨは、前記ゲインが、装置の閾値に求められているレベルと実質的に同じレベルにまで迅速に増加するように最適化されていることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
   
10. 前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーの前記少なくとも１つによって提供される前記ゲインは、選択的量子井戸混合、選択的エリア成長、及び異なるバンドギャップの導波管の突き合わせ接合再成長から成るグループから選択されるプロセスによって変更されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
    
11. ゲインは、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーから成るグループの内の２つ以上によって提供され、各ゲインは、選択的量子井戸混合、選択的エリア成長及び異なるバンドギャップの導波管の突き合わせ接合再成長から成るグループから選択されるプロセスによって個々に変更されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
    
12. ゲインは、選択的量子井戸混合によって変更される前記フロントミラーによって提供され、ゲインは、選択的量子井戸混合によって変更される前記バックミラーによって提供され、各混合は異なるバンドギャップ領域を作ることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
    
13. 前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーは、それぞれ量子井戸バンドギャップとＳＣＨバンドギャップを有し、すべてのバンドギャップの中で、前記ゲイン部の量子井戸バンドギャップが最も低く、前記ゲイン部のＳＣＨバンドギャップが最も高いことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
    
14. 抽出格子分散型ブラッグ反射器（ＳＧＤＢＲ）レーザーを備えた製品において、前記ＳＧＤＢＲレーザーは、
    光線を案内するための導波管であって、前記光線にゲインを提供するのに十分な低いエネルギーバンドギャップを有する分離閉じ込めへテロ構造（ＳＣＨ）を含んでいる導波管を備え、
    前記導波管が、空洞を含み、
    前記空洞が、
    該空洞内にあって、前記光線の自然放出を行うと共に前記光線にゲインを提供するためのゲイン部と、
    該空洞内にあって、前記光線を或る帯域幅の中心周波数の周りに調整するための位相部と、を有し、
    前記導波管内にあって、前記空洞の一方の端部を定めるフロントミラーを備え、
    前記導波管内にあって、前記空洞の反対側の端部を定めるバックミラーを備え、
    前記ゲイン部は、量子井戸バンドギャップとＳＣＨバンドギャップを有し、前記量子井戸バンドギャップは、前記ＳＣＨバンドギャップよりも小さく、
    前記ＳＣＨを含んでいる前記導波管は、前記ゲイン部、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーに亘って均一であり、
    前記レーザーは、レーザー放射閾値を有し、前記ＳＣＨは、該ＳＣＨの中心にあって前記レーザーがレーザー放射閾値に到達したときに満たされるのに十分な浅い量子井戸を含んでおり、
    動作時に、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーの少なくとも１つによって前記光線に更なるゲインが提供され、前記調整に関連する損失が相殺されることを特徴とする製品。
    
15. 動作時に、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーの少なくとも１つによって提供される前記ゲインは、実質的に５ｍＷより高い飽和出力を有していることを特徴とする、請求項１４に記載の製品。
    
16. 前記ＳＣＨは、前記ゲインが、装置の閾値に求められているレベルと実質的に同じレベルにまで迅速に増加するように最適化されていることを特徴とする、請求項１４に記載の製品。
    
17. 前記ゲイン部、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーのそれぞれは、それぞれ別々に変えられるバイアスによって個々に調節される屈折率を有していることを特徴とする、請求項１４に記載の製品。
    
18. 正味ゲインを装置閾値に維持しながら、前記屈折率が調節されることを特徴とする、請求項１７に記載の製品。
    
19. 前記ＳＣＨにおけるキャリア密度の増加から生じる自由キャリア吸収損失は、少なくとも部分的には、前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーの少なくとも１つによって提供されるゲインによって補正されることを特徴とする、請求項１４に記載の製品。
    
20. 前記位相部、前記フロントミラー及び前記バックミラーの少なくとも１つによって提供される前記ゲインは、調整用の電気的接点と組み合わされた電気的接点を通して掛けられることを特徴とする、請求項１４に記載の製品。

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