JPH11513534A - 光共振構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 垂直空洞表面放出形レーザはその構成が、半導体材料（３）で作られた分散Bragg反射器と、誘電体材料で作られた重ねられた分散形Bragg反射器（４）とで成る。共振空洞にはスペーサ層（９，１０）の間に挾まれたレーザ能動材料の層８と、阻止層（１６，１９）が含まれ、阻止層は励起用電流がBragg反射器（４）の下側の上にある金属接触層１３と接触部１７との間を空洞２を通って流れるのを制限している。予め選んだ共振モードを支持するために、一連の同心円状リング（１８）が共振空洞２を取囲んでいる阻止層（１６，１９）内に形成されて、予め選んだ横共振モードを支持するような位相特性をもつ空洞からの光を反射するBragg構造を呈するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】 光共振構造 発明の分野 この発明は光学的な共振構造に係り、それに限定するわけではないが、とくに 垂直空洞表面放出レーザ(vertical cavity surface emitting laser：VCSEL)へ の応用を有するものである。 背景 従来形のFabry Perotダイオード半導体レーザでは、共振空洞は半導体基板の 面内で長手方向に延びて形成され、両端には反射性構造を備えていた。これに対 して、ＶＣＳＥＬでは、共振空洞基板内に垂直に配置されていて、水平構造でよ りも広い面積にわたって光が基板表面から垂直に透過されて、光遠隔通信ファイ バ内へ信号を発射するのによく適するようなＶＣＳＥＬを作るという利点を備え ている。ＶＣＳＥＬの一例はIEEE Photonics Technology Letters Vol.7 No.6 J une 1995 pp608-610,M.A.Fisher et al.に与えられている。このデバイスは半導 体基板で構成され、その上には第１と第２の反射手段が形成され、これら手段は 周期的なBragg反射構造で成り、その間に共振空洞を備えており、共振空洞には スペーサ層を備えたレーザ能動材料の層があって十分な空洞厚さを備えて所望の 動作波長λで共振が得られるようにしている。第１の反射手段は、異なる半導体 材料で異なる屈折率をもつものがλ／４実効厚さでインターリーブしている複数 の層が、基板に重なっている構成である。第２の反射性手段のBragg構造は空洞 に重なっていて、しかもλ／４実効厚さの、異なる屈折率をもつ、誘電体材料の 層で形成されている。 空洞内のレーザ能動材料を通って電流を流すために、金属の接触部が基板の下 側に形成され、また導電性接触層が誘電性の第２の反射手段と共振空洞内の層と の間に形成されている。電流は周辺の逆バイアス接合によって空洞に閉じ込めら れる。 共振空洞の厚さは一般に１μｍのオーダーであり、厚さに対して垂直な面内で ある限りは、空洞は比較的大きな横方向寸法をもっている；空洞は一般に正方形 もしくは円形を上から見たときにしており、その直径又は辺の長さは５〜２０μ ｍのオーダーである。 従来形のＶＣＳＥＬ構造で生ずる問題は、空洞の共振時に共振の横モードが大 きく無制御状態で残され、しかも比較的大きな直径の空洞は多数の異なる横モー ドを支持できて、それがモードの競合と不安定とをもたらすことである。 従来形の分散帰還（ＤＦＢ）もしくは分散Bragg反射器（ＤＢＲ）レーザ内で 、垂直共振空洞ではなく水平共振空洞とともに同心円形素子の表面グレーテング を使用することが“Circularly Symmetric Operation of a Concentric-Circle- Grating,Surface-Emitting,AlGaAs/GaAs Quantum-Well Semiconductor Laser”, T.Erdogan et al,Appl.Phys.lett.60(16)20 April 1992 pp.1921-23に開示され ている。このデバイスでは、従来形の横方向に延びる共振空洞は表面グレーテン グを備えられ、それが二次Bragg反射によりレーザからの表面放出を作り出して いる。グレーテングの円形パターンは円対称ビームの放出を生んでいる。 別のデバイスがU.S.Pat.No.5 301 201と，“Zone Laser”Appl.Phys.Lett.65( 2)11 July 1994 pp144-146,D.Vakhshoori et alに記載されており、ここではレ ーザ空洞は複数の同心領域に分割され、各領域が個々の共振モードを支持してい る。同心領域の出力は、Fresnelレンズのゾーンからの光と同様に一緒に加え合 わされて、それによりレーザ出力を単一スポットに絞り込む。 Applied Physics Letters,Vol.66,No.21,22 May 1995,pp2769-2771,J.H.Ser e t alにはＶＣＳＥＬの記述があり、それは重ね合わされた精密金属のインターレ ースしたグレーテングを備えていて、グレーテングは上側のＤＢＲ上でエッチン グされ、その光放出面に重なっている。このグレーテングの目的は偏光の安定性 を作り出すことで、例えば、主偏光モードとしてＴＭ偏光を選ぶようにする。 発明の概要 この発明は別なやり方を提案する。この発明によれば光共振構造が用意され、 その構成は、第１と第２の反射手段が隔てられていて、両反射手段の間の比較的 小さな厚さ寸法で光共振空洞が作られるようにし、しかも厚さ寸法と横方向の面 内で比較的大きな横寸法をもつ面積にわたって空洞が広がっており、また上記面 と平行に進む空洞からの光放射の成分を反射するための手段があって、空洞中の 予め選んだ横共振モードを支持するような位相特性を備えるようにしている。 この反射手段は空洞からの放射のBragg反射を作るための手段を含んでいても よい。Bragg反射は、空間的に周期性をもつ光屈折率特性を備えたパターンの材 料という手段で作ることができる。 この発明による構造は、レーザ、例えばＶＣＳＥＬで使用してもよく、それに よって、光放射を作り出すためのレーザ能動材料の層が第１と第２の反射手段の 間に用意することができる。レーザ能動材料の層は少くとも１スペーサ層だけ反 射手段から隔っていてもよい。 この発明はまた、光反射構造を含み、その構成は、光共振空洞を用意するため の手段、比較的小さな厚さ寸法と、厚さ次元とは垂直な面内で比較的大きな横寸 法をもつ面積にわたって広がっている光能動材料とで成り、この手段が能動材料 の周りに置かれていて、空洞内の予め選んだ横共振モードを支持するための位相 特性を備えて、該面内を進行する光放射の成分を反射するようにしている。 Bargg反射を作り出すための手段はその構造の少くとも１つの層内にリング状 のパターンを含んでよい。以後記述する実施例では、リングはブロック用層内に 形成され、この層が空洞を通って流れる電流を制限している。 リングはその空洞に対する予め選んだ共振モードの支持を最大とするために、 異なる幅をもつことができる。リングは層内に作られた溝で成るものもよし、ま た代って、層から立ち上ったリッジで成るのもよい。 いわゆるBragg導波路が以前に提案されており、そこでは従来形の導波路クラ ッド層が、周期的な多層構造であって、層間の多数の干渉での部分反射間干渉か ら生ずる高反射率をもつもので置換えられている。Bragg導波路で反共振反射性 光導波路すなわちＡＲＲＯＷ（antiresonant reflecting optical waveguide） が提案され、最初に１９７７年にＧａＡｓプレーナ構造で開示された。P.Yeh,A. Yariv,C-S Hong,J.Opt.Soc.Am.67,423(1977)及びA.Y.Cho,A.Yariv,P.Yeh,App.Ph ys.Lett.30,471(1977)参照。このアイデアは円筒幾何形状に拡張されたが、従来 形の円筒導波路に関する利点は光ファイバに対しては実用上実現不能であること が見出され、その理由として組立許容値が非現実的であり、しかも光発射が不十 分なことにあった。N.J.Doran K.J.Blow,IEEE J.Light.Tech.LT-1,108(1983)参 照。しかしながら、この発明によると、周期的なBragg反射器構成でＶＣＳＥＬ の空洞の周りに置かれたものは、レーザの空洞内で予め選ばれた共振モードを支 持することができ、しかも光ファイバに関して生ずるような前掲の不利益を蒙る ことがない。 図面の簡単な説明 この発明のもっと完全な理解のために、円筒状のBragg導波路を備えたＶＣＳ ＥＬの実施態様を添付の図面を参照して、例として記述して行く。そこで、 図１はこの発明の第１実施例による、空洞の周りに円形のBragg構造を備えた ＶＣＳＥＬの模式的断面図であり、 図２は図１に示した空洞の平面図であり、 図３は図２に示した空洞の中心からの半径方向距離の関数としてフィールド振 幅（場の強さ）を、Bragg構造の空間的に周期的な屈折率変化とともに示したグ ラフであり、 図４は図１に対応させた、この発明の第２の実施例のデバイスの断面図である 。 詳細な説明 図１に示した基本的なＶＣＳＥＬは一般に前掲Fisher等の記述したものと似て おり、ＩｎＰ材料の半導体基板１があり、その上に共振空洞２が形成されていて 、第１の反射手段３と第２の反射手段４との間の厚さがＸである。空洞の寸法は 、使用時に所定波長λ、例えば１．５５μｍの光がレーザ作用によって発生され て、矢印５の方向に放出されるように作られている。 第１の反射部材３は電気的導体であり、複数のＩｎＧａＡｓＰのインターリー ブした層６で成り、そのバンドギャップは波長１．４ミクロンと等価であり、さ らにＩｎＰ７のλ／４実効厚さのものが基板上に堆積されており、４５周期の層 となっているので９０層のＤＢＲ構造が作られている。層６，７は一般に通常の ガスソースＭＢＥ技術で堆積されている。 共振空洞２内部では、ドープしていないＩｎＧａＡｓＰレーザ能動材料層８で バンドギャップ等価波長が１．５５μｍのものが１．５５μｍで１波長に相当す る厚さ（すなわち０．４５−０．４７μｍ）で、大気圧の有機金属気相エピタキ シィ（ＭＯＶＰＥ）が使われて、第１の反射手段３上に重ねて成長されており、 ｎドープしたＩｎＰの層９（この層が下にあるスペーサ層として作用する）と、 ＰドープＩｎＰ材料で形成されている上側のスペーサ層１０との間にある。スペ ーサ層９，１０の厚さは空洞が所望の動作波長λ＝１．５５μｍ（すなわち、全 体の空洞寸法Ｘが約１μｍであるような）ところで共振するように選ばれている 。 第２反射手段４は誘電材料のインターリーブした積層で成り、その構成はＳｉ 材料の層１２でインターリーブしたＡｌ₂Ｏ₃材料の層１１で成り、層は通常の蒸 着技術で堆積されている。層１１，１２は実効波長厚さλ／４を有し、異なる屈 折率をもつので、第１の反射手段３と同じような方法でＤＢＲとして作用するが 、層１１，１２は電気的非導体である。 レーザーを励起するために、電流が共振空洞２を通って電気的導体のｐドープ したＧａＩｎＡｓＰ接触層１３で誘電体反射器４の下側上にあるバンドギャップ 等価波長１．４μｍのものから流れる。この層１３は、層１３の上に堆積された Ｐ⁺ＧａＩｎＡｓ材料で成る中間接触層１５上に蒸着されて作られた金属接触層 １４に接続されている。外部の電気接続は図示していないが、それが層１３，１ ４に備えてある。電流阻止層１６がｎドープしたＩｎＰ材料で作られていて、上 側のスペーサ層１０上に堆積され、さらに上記Fisherらの文献記載のように従来 形式のホトリソグラフィとエッチングとによって、一般には５−２０μｍのオー ダーの直径ｄの中心開口Ｄが作られて、それが空洞の活性領域を定義している。 したがって、ＶＣＳＥＬの空洞は比較的小さな垂直方向厚さ寸法Ｘを第１と第２ の反射手段３，４間に有しており、また厚さ次元と垂直な水平面内に比較的大き な横方向寸法ｄを有している。同様に、活性層８の厚さ寸法ｗは横方向寸法と比 較して小さい。寸法ｗは一般に０．４５−０．４７μｍの範囲で、寸法Ｘは１μ ｍの範囲である。これは従来のエッジ放出形レーザと対比され、このレーザは基 板の面内に長手方向に延びていて、この場合の一般的な長さは３００−５００μ ｍ範囲かそれよりも長い。電気接触層１３は中央開口Ｄ内のスペーサ層１０と直 接電気的接触をとっているので、電流はこの領域内で空洞内の材料を通って流れ る。電流は半導体材料で第１の反射手段３を形成するものと基板１を通って流れ ることができ、基板下側の上にあるＡｕ金属接触部１７に到達する。しかし、阻 止層１６は逆ｐ−ｎ接合をｐドープしたスペーサ層１０と作り、中央開口Ｄを流 る電流を制限する。こうして電流はこの能動領域内で層８を通って流れて、光放 射を発生し、この放射が空洞２内で共振する。多層の第１及び第２の反射手段３ ，４の分散性質に起因して、両者間で光が共振する光路長は図１で示された物理 的寸法Ｘよりも大きい平均長を有している。 この発明によると、一連の円形リング１８が阻止層１６の一番上の表面内に形 成されている。図２に示すように、６つのリング１８₁−１８₆もしくはそれ以上 のものが作られるのが好ましいが、図１では例示を簡単にするために４つのリン グだけを示してある。図面に示すように、中央領域Ｄは円形の周縁を有し、また リング１８はこの円形中央領域と同心状である。図１に示した実施例では、リン グが阻止層１６の概ね平面状の広がりから立ち上るリッジとして形成されている 。これは製造の間に、層１１ないし１５の堆積に先行して、電子ビームリソグラ フィと阻止層１６の選択的エッチングとによって達成される。最初は、層１６は 連続する厚さｙでは付着されて、後に量ｚだけ選択的にエッチングされて、リッ ジ１８が規定される。別の実施例（示してはいない）では、溝を阻止層内にエッ チングで作ることができる。電気接触層１３，１４，１５は、後に層１６上に堆 積されるときにリング１８間の隙き間を埋める。 ｎドープしたＩｎＰ材料の層１６は、電極層１３，１４，１５を形成する材料 とは異なる光屈折率をもっているので、リング１８が空洞２からの光に対して反 射性Bragg構造を形成し、光が矢印５の方向に進むときには光学的能動層８の面 に平行な面内に成分をもつようにしている。リング１８と層１３，１４，１５の 介在している材料とが空間的に周期性をもつ屈折率パターンを作り、これが円形 領域Ｄの中心に向かって前記面に平行に進む成分に制限を加える。図３は、空間 的に周期性をもつパターンが選ばれて、それにより反射光の位相が共振空洞２に 対する予め選んだ共振モードを構築する方向で支えていることを示す。一般にモ ードはＨＥ₁₁モードであり、このモードはフィールド振幅（場の強度）が中央領 域Ｄの中心Ｏから外へ向う半径方向距離の関数となるようなもので、それが図３ に示されている。このフィールド振幅は中心Ｏで実質的にガウス形のピークをも ち、中央領域Ｄの外縁に向って減少して行く。空間的な周期性をもつ屈折率パタ ーンでリッジ１８₁−１８₄で形成されたものが図３に半径方向距離ｒの関数とし て示されており、その条件は、中央領域Ｄが直径９．２μｍ（ｒ＝４．６μｍ） をもつものとしている。 リッジ１８の半径方向幅はリッジ毎に変ってもよい。さらにリッジ間の隔りも 異ってよい。特定のリッジ構成を選んで共振空洞２のために予め選んだ共振モー ドを支持するようにする。一例では、一番内側のリッジ１８₁が他のリッジより も広くされた。実際の幅は上記Doranらの文献に掲げられた原理にしたがって計 算してよい。 Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉの交番層１１ａ，１２ａはリング１８上に形成されている。交 番層１１ａ，１２ａは中央領域Ｄ外で生じた光のフィールドを反射するためのＤ ＢＲを形成している。 リッジ１８の手当をしないと、ＨＥ₁₁モードは他のモードと競合し、その結果 、不安定となる傾向にあるが、リング１８によって用意されるBragg構造の手当 が予め選んだ横モードの安定化を可能としている。 他の構造の構成が図４に示されており、図１に示したたデバイス構造の変形と 考えることができる。類似部分には同じ参照番号を付した。図４の実施例では、 阻止層は半絶縁性ＩｎＰの層１９を含み、これが空洞の周りに選択的に再成長さ れている。 この構造を形成するために、活性層とスペーサ層８，９，１０とが図１を参照 して記述したように第１の反射積層３上に形成され、その後に光放出用として前 記した領域Ｄに対応する直径ｄのメサが層８，９，１０から従来のリソグラフィ とエッチングとによって作られる。ＩｎＰのプレーナ半絶縁層１９が次にメサの 全周辺に再成長される。再成長に適した技術でＰＣｌ₃を作るものは、M.J.Harlo w,P.C.Spurdens and R.H.Moss：“The Influence of PCl₃on the planarisation and selectivity of InP re-growth by atmospheric pressure MOVPE”,Procee dings of the 7th International Convention on Indium Phosphide and Relate d Materials,9-13 May 1995,Sapporo,Japanに記載されている。半絶縁性ＩｎＰ 層１９はイオンドープされて層内に電子トラップを作るが、他の適当なドーパン トも使用可能であったことは評価されるところである。再成長された層１９はス ペーサ層１０の上面と連続している平坦な平成を作るという利点があり、これが 反射器構造４の各種の層を受入れることができるので、領域Ｄのエッジの周り にある図１に示した反射器内の段が図２の構造では避けられる。参照文献として また、“Very Rapid and Selective Epitaxy of InP around Mesas of heightup to 14μm by Hydride Vapour Phase Epitaxy”S.Lourdudoss et al Conference Paper IPRM'94を挙げておく。 閉じ込め形Bragg構造１８が次に、図１を参照して前述したやり方で、層１９ の上部でエッチングされる。次に、接触層１３，１５が全上部面に形成され、金 属接触層１４が光が放出される領域Ｄの外側にある表面だけに形成される。第２ の反射手段４は上部表面上に前述したように形成され、適切な電気的接続が層１ ４にされ（図示せず）、外部接続を用意するようにし、それには局部的なエッチ ング、メタライズもしくは他の従来技術が使われる。 記述した構造の修正と変形とが可能である。例えば、リッジ１８間のスペース は材料で充填される必要はなく、空のままでよい。代って、リッジ間のスペース は異なる材料、例えばポリイミド材で埋めることができる。また、リッジ１８は 構造中の他の層、例えば下側にあるスペーサ層９，１０のいずれかの内部に作る こともできる。 さらに、この発明は必ずしもレーザに限定されず、空洞は受動的な空洞として 、電気的接触を必要としないで使用することができ、例えば全光式スイッチや双 安定素子として使用できる。受動的な空洞はマイクロ共振器の文献内ですでに良 く知られており、全光式スイッチ、論理、双安定などの応用をもっており、例え ば、次の文献を参照する。“GaAs-AlAs Monolithic Microresonator Arrays”J. L.Jewel A.Scherer,S.L.McCall.A.C.Gossard & J.H.English,Appl Phys Lett,Vo l.51,No.2,pp94-96(1987).この発明で作られる横モード制限（閉じ込め）は、こ の参考文献ででこぼこ（ruggedness）として記述されている柱状（pillar）構造 の仕様よりも優れていることを示している。 他の修正では、リング１８と中央領域Ｄとが楕円形に作られていて、予め定め た放出光の偏光がたとえば１０−３０％の楕円偏光を与えるようにしている。 この発明はまたＶＣＳＥＬで反射層１１，１２が反射防止積層で置換えられ、 また第２の反射手段が半導体基板外のミラーを構成しているものにも応用でき、 この参考文献として、“A C.W.external Cavity surface emitting laser”by J .V.Sandusky,A.Mukherjee and S.R.Brueck,paper TuE11 Conference on Semicon ductor Lasers:Advanced Devices and Applications(Keystone,Colorado,August 21-23,1995)-Optical Society of America 1995 Technical Digest Series Vol ume 20,pp153-155を挙げておく。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フィッシャー、マイケル・アンドレヤ イギリス国、アイピー３・９エーディー、 サフォーク、イプスウィッチ、フェリック ストウ・ロード 226

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１及び第２の反射手段（３，４）が隔てられていて、両反射手段間に比 較的小さな厚さ寸法（Ｘ）をもち、かつ厚さ方向とは垂直な平面内に比較的大き な横寸法（ｄ）をもつ面積にわたって延びている光共振空洞を用意するように構 成され、予め選んだ横共振モードを該空洞内で支持するための位相特性を備えて 該平面に平行に進む空洞からの光反射成分を反射する反射部材（１８）を含むこ とを特徴とする光共振構造。 ２．前記反射手段（１８）は空洞からの放射のBragg反射を作るための、空洞 の周りに置かれた手段を含む請求項１記載の構造。 ３．前記Bragg反射を作るための手段は空間的に周期的な光屈折率特性を備え たパターンの材料（１３，１４，１５，１６，１９）を含む請求項２記載の構造 。 ４．レーザ動作に対して、前記第１と第２の反射部材の間に、前記予め選んだ 共振モードで反射される光放射を作るためのレーザ能動材料の層を含んでいる請 求項２又は３記載の構造。 ５．前記レーザ能動材料の層（８）は前記第１と第２の反射手段の間に置かれ ている請求項４記載の構造。 ６．前記レーザ能動材料の層（８）と第１又は第２の反射手段の間にスペーサ 層（９，１０）を含む請求項５記載の方法。 ７．少くとも１つの前記反射手段が複数層構成（６，７；１１，１２）で成る 請求項４，５，６のいずれか１項記載の構造。 ８．Bragg反射を作るための手段がリングパターン（１８₁−１８₆）を含む請 求項２ないし７のいずれか１項記載の構造。 ９．前記リングが溝を含む請求項８記載の構造。 10．前記リングが立ち上るリッジ（１８）を含む請求項８記載の構造。 11．前記リングが円形でしかも同心状である請求項８ないし１０のいずれか１ 項記載の構造。 12．前記リングがほぼ平行であり、かつ空洞の周りに楕円状に置かれている請 求項８ないし１０のいずれか１項記載の構造。 13．前記リングは異なる幅をもっている請求項８ないし１２のいずれか１項記 載の構造。 14．前記リングの間のスペースが、該リングが形成されている層（１６，１９ ）の材料の屈折率とは異なる屈折率の材料（１３，１４，１５）で充填されてい る請求項８ないし１３のいずれか１項記載の構造。 15．前記リングはリソグラフィとエッチングによって形成されたものである請 求項８ないし１４のいずれか１項記載の構造。 16．前記空洞への電流を制限するため電流阻止層（１６，１９）を含み、該阻 止層（１６，１９）内に前記リングパターンが形成されている請求項８ないし１ ５のいずれか１項記載の構造。 17．前記阻止層（１６）は空洞の周辺を画成するように選択的にエッチングさ れている請求項１６記載の構造。 18．前記阻止層（１９）は空洞の周辺を画成するように選択的に成長されてい る請求項１６記載の構造。 19．前記阻止層（１９）がＩｎＰ材料で作られている請求項１８記載の構造。 20．前記第１と第２の反射手段は半導体基板上に、異なる屈折率をもつ半導体 材料の複数のインターリーブされた層（６，７）を有し、前記第２の反射手段は 異なる屈折率をもつ誘電体材料の複数のインターリーブした層（１１，１２）を 有し、前記空洞は反対の導電性形式の半導体材料のスペーサ層（９，１０）間に 挾まれたドープしていない半導体レーザ能動材料（８）を含むものである請求項 ４ないし１９のいずれか１項記載の構造。 21．予め決められた伝送モード（ＨＥ₁₁）を支持するための、空洞（２）の周 りのBragg構造（１８）を特徴とするＶＣＳＥＬ。 22．光共振空洞（２）を用意するための手段（３，４）と、比較的小さな厚さ 寸法（ｗ）をもち、かつ厚さ方向とは垂直な平面内に比較的大きな横方向寸法（ ｄ）をもつ面積にわたって延びる光能動材料（８）とを含む光共振構造であって 、該能動材料（８）の周りに空洞内で予め選んだ横共振モードを支持するための 位相特性をもって該平面内を進行する光放射成分を反射するための手段を備えた ことを特徴とする構造。 23．その上に層として前記光能動材料が形成されている基板を含み、また前記 空洞を定義するための手段は該基板上に形成された第１の反射手段（３）を含ん で、該基板外部の第２の反射手段と共働するようにした請求項２２記載の構造。