JP5941055B2 - 偏光安定性面発光レーザーダイオード - Google Patents

Description

面発光レーザーダイオード（垂直共振器面発光レーザー：ＶＣＳＥＬとしても知られている）は、低閾値電流や対称的なローブ等の数々の利点により、現代のオプトエレクトロニクス・システムにおいて益々使用されており、従来の端面発光半導体レーザーを徐々に置き換えている。その略明確な横対称性（回転対称性）により、ＶＣＳＥＬは偏光選択性を有さないか、不十分な程度にしか有さない。これは、使用の際、偏光不安定性や偏光スイッチを引き起こし得るため、このようなレーザーの使用は多くの用途から除外されている。

面発光レーザーダイオードは、一般的に、円筒形の対称構造を有し、その設計や製造方法に基づいて放射波の偏光方向について優先的な方向を有さない。従って、放射波の偏光方向に関して二つの直行状態がある。理想的なレーザー構造では、これら二つの状態はエネルギー的に縮退し、レーザー動作に関して同様に適している。しかしながら、構成要素の設計における電気光学効果や異方性、並びに、製造工程における非対称性や変動により、この縮退は排除され、ＶＣＳＥＬは好ましい偏光モードでのみ優性に発振する。多くの場合、好ましい特定のモードを得る機構は、制御することが困難か、明らかでないために十分に区別されず、その結果、偏光処理は全体としてランダムとなり事実上不安定となる。偏光スイッチは、偏光依存光学システムにおける使用を一般的に制限する。たとえば、光学データ送信におけるこのようなスイッチにより、ノイズが増加する。これは、多くの用途が偏光安定性レーザーを光源とするため、生産収率における著しい減少を意味している。多くの場合、優先的な方向が実際に定められるが、縮退を排除するだけでは変化する環境的、および、動作的条件の下で偏光安定性を保証するのに十分でない。この場合、これらパラメータにおける小さな変化さえも、二つの状態（「ポール・フリップ」）の間で変化を生じさせる恐れがある。

従来では、偏光を安定させるための数多くの可能な解決策が研究されている。O. Tadanaga、K. Tateno、H. Uenohara、T. Kagawa、および、C. Amanoによる「高偏光安定性を備えたＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板成長の波長８５０ｎｍのＩｎＡｌＧａＡｓ歪層量子井戸垂直共振器面発光レーザー(An 850-nm InAlGaAs Strained Quantum-Well Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Grown on GaAs (311)B Substrate with High-Polarization Stability)」IEEE Photon. Technol. Lett., 巻１２、頁９４２ (２０００年)において、ＧａＡｓベースのＶＣＳＥＬについて偏光安定性を実現するために、より高いインデックスの［３１１］基板上で成長がうまく行われた。しかしながら、他のレーザー特性が一般的に劣化し、特にＩｎＰベースの半導体層に対しての成長条件が難しいため、この方法は長波ＶＣＳＥＬには好適でないと考えられる。

当該問題への別のアプローチ法として、J. -H. Serらによる「細い金属が織り込まれた格子の記入による垂直型共振器最上面発光レーザーの偏光安定性(Polarisation stabilisation of vertical-cavity top-surface-emitting lasers by inscription of fine metal-interlaced gratings)」 Appl. Phys. Lett.巻６６、頁２７６９（１９９５年)、T. Mukaiharaらによる「（ブラッグ反射器上に搭載される複屈折金属／誘電体偏光子を用いた垂直型共振器面発光レーザーの偏光制御(Polarization control of vertical-cavity surface-emitting lasers using a birefringent metal/dielectric polarizer loaded on top distributed Bragg Reflector)), IEEE J.Sel. Top. Quantum. Electron. 巻１、頁６６７ (１９９５年)、M. Ortsieferらによる「複屈折半導体／誘電体サブ波長格子を用いた埋め込みトンネル接合ＶＣＳＥＬにおける偏光制御(Polarization Control in Buried Tunnel Junction VCSELs Using a Birefringent Semiconductor/Dielectric Subwavelength Grating)」IEEE Photon. Technol. Lett.巻２２、頁１５（２０１０年）、および、P. Debernardiらによる「モノリシックに集積した面格子を介したＶＣＳＥＬの信頼性の高い偏光制御：比較例の理論的かつ実験的研究(Reliable Polarization Control of VCSELs Through Monolithically Integrated Surface Gratings: A Comparative Theoretical and Experimental Study)」IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.巻１１、頁１０７（２００５年）に記載されるような、誘電体または金属製の格子構造を使用することが挙げられる。サブ波長寸法の金属製の誘電体格子は、レーザー共振器において複屈折を生ずるために使用される。それにより、光学共振器長、または、レーザー共振器の共振周波数は、一回の偏光中に一つのまたは複数のブラッグ反射器の最大値に対してだけ対応することができる。他の偏光はこうして抑制される。反対に、提案された誘電体格子は、格子における干渉効果を利用し、その結果、全反射は偏光に依存して格子によって増幅されるか減衰される。従って、対応する格子構造の周期性は、真空波長の約半分未満であってはならない。短い周期性（＜λ／２）の一体化されたサブ波長格子を有する、出願人によって製造されたＢＴＪ（埋め込みトンネル接合）−ＶＣＳＥＬに対する一つのアプローチ法は、M. Ortsiefer らによる「複屈折半導体/誘電体サブ波長格子を用いた埋め込みトンネル接合ＶＣＳＥＬにおける偏光制御(Polarization Control in Buried Tunnel Junction VCSELs Using a Birefringent Semiconductor/Dielectric Sub-wavelength Grating)」IEEE Photon. Technol. Lett., 巻２２、頁１５（２０１０年）によって最近提案されている。一般的に、サブ波長格子の技術は、利点は明確であるとしても、他の誘電体で充填されなくてはならない場合には特に、複雑且つ面倒（ナノ構造）である。

特開２００５−０９３５８８号は、共振器のミラーの外側に複屈折層が設けられたＶＣＳＥＬを記載する。これにより、偏光の優先的な方向が得られるが、全反射が減少する。

米国特許第２００８／１１２４４３Ａ１号には、外部共振器ミラーを有するＶＣＳＥＬが開示されている。共振器の内部には偏光選択層が配置されている。

２００５年にPhilips Forschungslaboratorienによって提案された国際公開第ＷＯ２００７／０５７８０７Ａ２号には、二つの端部ミラーのうちの一方の正面においてＶＣＳＥＬ共振器内に偏光依存屈折率または偏光依存吸収性を有する層を挿入することで、効果的なミラー面反射が偏光依存となり、一つの偏光モードが好まれて作動される。この方法およびレーザー共振器の内部に偏光選択素子を配置する全ての処理の深刻な不都合な点は、（光学）共振器長、および、従ってレーザー波長に対する同時影響である。更に、異方性層、特に、斜角蒸着によって適用された層における損失も生じ得、これはレーザー特性（たとえば、閾値）に著しく悪影響を及ぼし得る。更には、レーザー波長が正確に実行されなくてはならない場合には製造技術がより複雑になり、供給が低下する。

本発明の目的は、従来技術における上述の不都合な点を克服し、特に、製造技術がより簡単な偏光安定性面発光レーザーダイオードを提供することである。

本発明は、比較的簡単かつ効果的な技術を用いて誘電体レーザーミラーにおいて光学複屈折性を生成し、それにより、二つの面内偏光のうちの一方を優先させる偏光依存反射性を得ることでＶＣＳＥＬにおける偏光選択や安定性の問題を解決している。この目的のために、公開明細書、国際公開第ＷＯ２００７／０５７８０７Ａ２号における公知の配置とは対照的に、偏光依存屈折率を有する一枚以上の層が一方のあるいは両方のレーザーミラーの外側に適用される。本発明による面発光レーザーダイオードは、二枚のレーザーミラーによって境界が付けられる活性増幅領域を備え、活性増幅領域と反対側の少なくとも一枚のレーザーミラーの側に位置する領域における偏光を安定させるよう一枚以上の偏光選択層が設けられ、これらの層がそれぞれのミラーに対して平行に延在し偏光依存屈折率および／または吸収性を有する。このようにして、レーザー波長が偏光安定性とは独立して調節されることが確実となり得て、層における損失はレーザー閾値に対して事実上何の影響もない。レーザーミラーに対する偏光依存層の生成および適用は、たとえば、シリコン等の誘電体を斜角蒸着することで比較的簡単に行われる。

本発明は、したがって、偏光安定性面発光レーザーダイオードに対する提案された解決策を提供する。この考え方は、層の偏光依存屈折率により、偏光の方向に依存して異なる反射率を有する光学的に異方性の誘電体ミラーを使用することに基づいている。異方性は、たとえば、ミラーの一枚以上の誘電体層を斜角蒸着することで発生される。本発明によるミラー構造により、高い偏光モード／サイドモード抑制のある決定的かつ安定的な偏光特性を得ることが可能となり、偏光がフィードバックについて影響を受けにくいことを確実にする。

偏光選択層がレーザーミラーの１つの上に直接的に適用された場合は、生産工程で有利である。

特に、レーザーミラーの外側には複数枚の偏光選択層が設けられ、偏光選択層それぞれは偏光配向に関して９０°交互に回転され、それらの反射位相は、一つの偏光について、偏光選択層が位置するレーザーミラーの側ではレーザーミラーの反射位相と同じであり、他方の偏光については反対である。好ましい偏光におけるレーザー波長の四分の一に対応する層厚さを選択することが特に有利である。このような構成およびその利点のより詳細な説明は、以下に実施形態において記載する。

各レーザーミラーから離れた側にある一枚あるいは複数枚の偏光選択層が特に酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素よりなる、等方性層によって後続され、加えて、この等方性層の厚さが特に、この層におけるレーザー光の波長の半分に特に対応する場合にも有利である。本実施形態の構成および利点のより詳細な説明は、実施形態において記載する。

本発明とその利点を、実施形態を用いてより詳細に説明する。ここで、本願記載の本発明による面発光レーザーダイオードの実施例の特徴は、記載される組み合わせで実施されるだけでなく他の組み合わせで実施されてもよいが、全ての可能な組み合わせについては明確に言及及び記載しない。

図１は本発明による面発光レーザーダイオードの構造の第１の実施形態を示す図である。 図２は従来技術によるレーザーダイオードを通る概略縦断面図の典型的な配置および関連する屈折率プロファイルを示す図である。 図３は、縦断面図の従来技術による構造の一部を、層に割り当てられた屈折率と共に示す略図である。 図４は、シリコン層の層厚さに依存する、透過（「１−Ｒｍａｘ（％）」）をミクロン（「厚さ（ミクロン）」）単位で層の厚さの関数として破線で示し、二つの偏光の反射率（「デルタ−Ｒ（％）＊５」）における差を実線で示し（係数５で乗算される）、透過曲線と反射率の差分曲線の両方がパーセンテージでプロットされた図である。 本発明による面発光レーザーダイオードの構造の別の実施形態を示し、二層の偏光選択層および二つの偏光に対する関連する屈折率プロファイルを含む、概略縦断面図である。 図６は、図５に示す構造についての図４に対応する図であり、両方の層に対して同一である単一の層厚さに対して二層の偏光選択層がプロットされた図である。 図７は、本発明による面発光レーザーダイオードの概略的に示す構造の更なる実施形態を示す図である。

図１に本発明の可能な実施形態を示す。上段には、本発明によるレーザーの概略縦断面図を示す。これは二枚のミラー１、３によって境界が付けられた活性増幅領域２からなり、共振器長、従って、そのレーザー波長はこれらのミラーによって決定される。本発明による偏光安定性は、一方の（または両方の）ミラー３の外側に追加的に設けられる一連の層４によって実現される。この一連の層は、一枚以上の層からなってもよく、少なくとも一層は偏光依存屈折率または吸収性を有する。図１の下段には、回転対称的または楕円形のレーザー断面５を概略的に示す。互いに対して垂直な二つの偏光Ｐｏｌ１およびＰｏｌ２の方向を二つのベクトルによって示す。ミラー１および３は、通常、異なる屈折率を有する多数の対の誘電体層よりなる。レーザー光は、各層の界面において反射され、典型的には９９％より高い、相応じて高い全反射が得られる。

図２には、層４が設けられていない従来技術による典型的な配置を示す。個々の反射ｒ１およびｒ２は正しい位相で加算され、外側領域「空気（ＡＩＲ）」に終端反射ｒ２が存在する。一対のミラーの屈折率ｎ１およびｎ２が偏光に依存しないため、即ち、複屈折性を有さないため、レーザー共振器２からのレーザービームが受ける全反射は偏光に依存しない。

本発明によるレーザー構造は、ミラー３の外側に一枚または一連の層４が設けられた共振器２から出射される光に対して偏光依存全反射を発生させ、高い全反射が有する偏光においてレーザーが出射されることによりレーザー偏光を安定させる。

図３には、一層４だけが設けられる第１の実施形態を示す。二つの偏光（Ｐｏｌ１、Ｐｏｌ２）に対する層４の屈折率ｎは、それぞれ実線および破線で示される。屈折率が異なるため、層４の界面では異なる、あるいは、偏光依存の反射率が得られる。これにより、共振器２との界面において偏光依存の全反射性が、ミラー３の反射と共に結果として得られる。計算によると、一つの偏光のみにおいて安定したレーザー発光を実現するためには、少なくとも０．０１％、好ましくは、少なくとも０．１％の全反射性における差が必要である。

図４は、６０°の角度で斜角蒸着によって適用された変厚のシリコン層でコーティングされた１．５５μｍの波長に対するレーザー構造の計算を示す（「エピＤＢＲ上のシリコン層」（＝ミラー））。レーザー波長で斜角蒸着によって適用されたこのシリコンの屈折率は、二つの偏光に対してそれぞれ約２．１３（ｎ１）と２．３（ｎ２）と実験的に決定された。層４が設けられていないミラー３の全反射率は約９９．６％である。グラフでは、透過、即ち、１００％での全反射率における差を破線で示し、二つの偏光の反射率における差を実線で示す。より良く図示するために、差分反射率を係数５で乗算する。１２０ｎｍの厚さ（Ａ）のＳｉ層により０．２％の反射率の差が容易に得られ、また、４５０ｎｍの厚さ（Ｂ）のＳｉ層により０．６％の差も得られることが分かるであろう。共振器の内部に偏光選択層が設けられる配置（国際公開第ＷＯ２００７／０５７８０７Ａ２号）とは対照的に、レーザーの波長は層４の厚さに関わらず実質的に一定のままである。図４からも分かるように、偏光選択性は透過の増加を伴うため、全体的な反射が減少し、最終的には、より高いレーザー閾値が得られる。図４の配置では、特に、点（Ａ）および（Ｂ）では、Ｓｉ層の厚さ（図４参照）に対する全反射の著しい依存性が見られ、その結果、製造工程中のパラメータの変動によりレーザー供給が減少し得る。従って、全反射を減少させることなく偏光依存反射性をもたらす配置が好ましい。

全反射を低下させることなく偏光選択全反射を可能にするという点で、この不都合な点を有さない本発明の別の実施形態は、偏光配向に関してそれぞれ９０°交互に回転され、反射位相が一つの偏光については偏光選択層が配置される側のレーザーミラー３の反射位相と同じであり、他の偏光については反対となる場合には、複数枚の偏光選択層を適用することで得られる。実際には、これは、アプローチ角が典型的には６０°の斜角蒸着が行われる方向が各層の後に９０°回転される場合には、蒸着において非常に簡単に実現される。蒸気被覆されるべきレーザーは、各層の後にその軸の周りに９０°交互に回転される。結果として得られる偏光依存屈折率プロファイルを図５に示す。

本配置において、層４ａおよび４ｂの厚さは、レーザー波長の四分の一をそれぞれの屈折率ｎ３およびｎ４で割った値であることが好ましい。これにより、偏光Ｐｏｌ１には建設的な（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ）ミラー３の反射に対する反射ｒ３およびｒ４が生成され、ミラー３の全反射を幾らか増加させる。他方では、反射ｒ３は他方の偏光Ｐｏｌ２については非建設的(ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ)であり、これは、この偏光に対してはｎ３の層４ｂはｎ４の層４ａよりも小さい屈折率を有するためである。斜角蒸着（６０°）によって適用され９０°回転された二枚のＳｉ層でコーティングされる１．５５μｍでのレーザーに対する対応する計算を図６に示す。

図６から明らかとなるように、それぞれの場合において二層の約１７５ｎｍの厚さに関して、二つの偏光の反射率における約０．１％の差が得られ、これは波長の約四分の一に対応するが、透過や全反射は略一定のままである。図３における単一層の配置にまさる更なる利点は、蒸着層の厚さに対する処理許容範囲が大きい点である。１５０ｎｍ乃至２００ｎｍの層の厚さでは、偏光選択および全反射について略同じ効果を得ることができる。

より良い特性を有する本発明の他の実施形態を図７に示す。図の上段には、一連の層４は、異方性誘電体が９０°回転された一対以上の層からなってもよいことを示す。図６と比較すると、これにより結果的に対の数に略比例して増加する偏光依存反射率において差が生じ、したがって、相応じて偏光のより高い安定性が得られる。図７の下段には、一連の層４が追加的な等方性層５によって被覆されてもよいことを示す。たとえば、周囲空気による異方性層４の侵食は、酸化アルミニウムや窒化ケイ素よりなる高密度の垂直方向に蒸着された保護層によって防止される。この保護層の厚さが保護層におけるレーザー光の波長の半分に対応する場合、層３および４の全反射に対して何の影響もない。

十分な複屈折性（異方性）を有する誘電体層の生成は本発明の機能にとって極めて重要である。本発明では、これは各層を斜角蒸着することで、どの高価なナノ技術も用いることなく簡単かつ効果的に実現される。T. MotohiroおよびY. Tagaによる「斜め蒸着による薄膜位相板(Thin film retardation plate by oblique deposition)」,Applied Optics, 巻２８、頁２４６６（１９８９年）やI. HodgkinsonおよびQ. Wuによる「増強線形複屈折を持つ異方性薄膜の連続的二堆積(Serial bideposition of anisotropic thin films with enhanced linear birefringence)」, Applied Optics, 巻３８、頁３６２１（１９９９年）によると、本処理において、自己組織化ナノ構造が層（複数枚の層）において生成されることで異方性が得られ、二つの面内偏光（即ち、ディスクの表面に対して平行）の屈折率における差が典型的には最大で５乃至１０％得られる。G. Beydaghyanらによる「真空蒸着シリコン薄膜における増強複屈折(Enhanced birefringence in vacuum evaporated silicon thin films)」,Appl. Opt. 巻４３、頁５３４３（２００４年）に記載されるように、特に高い異方性は、表面法線に対して６０°の角度でレーザーミラー上に蒸着されるシリコン層によって得られる。しかしながら、本発明は、この製造工程だけに制限されない。異方性誘電体層を適用する全ての他の方法が原則として適している。

本発明による構造は、特に、各種材料系におけるＢＴＪ−ＶＣＳＥＬに使用され得る。これらは、ＧａＡｓ−、ＩｎＰ−、および、ＧａＳｂ−ベースの構成要素を含む。

１ ミラー
２ 活性増幅領域、共振器
３ ミラー
４、４ａ、４ｂ 偏光選択層
５ レーザー断面
ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４ 屈折率
ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４ 反射率
Ｐｏｌ１、Ｐｏｌ２ 偏光方向

Claims (6)

1. 共振器長を有する活性増幅領域（２）を含む面発光レーザーダイオードであって、
   前記活性増幅領域（２）は、前記共振器長を決定する二枚のレーザーミラー（１，３）によって境界が付けられ、このレーザーミラー（１）及び（３）の一方は低い屈折率の層と高い屈折率の層が交互に配置されており、前記レーザーミラー（１，３）のうちの前記一方の側であって前記活性増幅領域（２）とは反対側に位置する領域における偏光を安定させるように複数枚の偏光選択層（４ａ、４ｂ）が設けられ、これらの層（４）は各前記ミラー（１；３）に対して平行に延在し偏光依存屈折率を有し、
   前記複数枚の偏光選択層（４ａ、４ｂ）のそれぞれは、偏光配向に関して９０°交互に回転されているとともに、二つの偏光（Ｐｏｌ１、Ｐｏｌ２）のうち第１の偏光（Ｐｏｌ１）に関しては交互に低い屈折率と高い屈折率を有し、第２の偏光（Ｐｏｌ２）に関しては交互に高い屈折率と低い屈折率を有することを特徴とする、面発光レーザーダイオード。
2. 偏光選択層（４）は前記ミラー（１；３）の１つに直接的に適用されることを特徴とする、請求項１に記載の面発光レーザーダイオード。
3. 各前記レーザーミラー（１；３）から離れた側にある前記複数枚の偏光選択層（４ａ，４ｂ）は、特に酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素よりなる等方性層（５）によって後続され、加えて、前記層（５）の厚さは特に、該層（５）におけるレーザー光の波長の半分に対応することを特徴とする、請求項１または２に記載の面発光レーザーダイオード。
4. 前記複数枚の偏光選択層（４ａ；４ｂ）それぞれは、誘電体よりなることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の面発光レーザーダイオード。
5. 前記複数枚の偏光選択層（４ａ；４ｂ）それぞれは、シリコンからなる請求項４記載の面発光レーザーダイオード。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の面発光レーザーダイオードの製造方法であって、
   前記複数枚の偏光選択層（４ａ；４ｂ）それぞれは、レーザーミラー（１；３）への斜角蒸着によって特に生成されることを特徴とする製造方法。

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