(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域と、
前記活性領域の一方側に形成されたｐドープされた層と、
前記活性領域の他方側に形成されたｎドープされた層と、
前記活性領域と前記ｐドープされた層および前記ｎドープされた層の少なくとも１つの層との間に形成された二次元的な格子構造と、
前記ｐドープされた層の上に配置された第１の電極および前記ｎドープされた層の上に配置された第２の電極と、
を備え、前記第１および第２の電極の少なくとも一方と前記格子構造との間に非対称な配列関係がある、導波路。
【請求項２】
前記活性領域が前記ｎドープされた層に整合された量子井戸およびバリアのラチスを更に含む請求項１記載の導波路。
【請求項３】
前記活性領域が更にインジウム・ガリウム・ヒ素・リンの交互層を含む請求項１記載の導波路。
【請求項４】
前記ｐドープされた層が更にｐドープされたインジウム・リンのクラッディング層を含む請求項１記載の導波路。
【請求項５】
前記ｎドープされた層が更にｎドープされたインジウム・リンのクラッディング層を含む請求項１記載の導波路。
【請求項６】
前記二次元的格子構造が、前記ｐドープされた層および前記ｎドープされた層の少なくとも１つに対して個々に回転させられた複数の格子エレメントを更に含む請求項１記載の導波路。
【請求項７】
第１の電極と、
前記第１の電極の上に配置された基板と、
前記基板の上に配置された第１のクラッディング層と、
前記第１のクラッディング層の上に配置された活性層と、
前記活性層の上に形成された二次元的な格子面と、
前記二次元的な格子面の上に配置された第２のクラッディング層と、
前記第２のクラッディング層の上に配置された第２の電極と、
を備え、前記第１および第２の電極の少なくとも一方と前記格子面との間に非対称な配列関係がある、半導体レーザ用導波路。
【請求項８】
前記基板が更にｎドープされたインジウム・リンを含む請求項７記載の導波路。
【請求項９】
前記第１のクラッディング層が更にｐドープされたインジウム・リンを含む請求項７記載の導波路。
【請求項１０】
前記活性層が更にインジウム・ガリウム・ヒ素・リンの複数の層を含む請求項７記載の導波路。
【請求項１１】
前記二次元的格子面が、前記ｐドープされた層および前記ｎドープされた層の少なくとも１つに対して個々に回転させられた複数の格子エレメントを更に含む請求項７記載の導波路。
【請求項１２】
基板を設けるステップと、
前記基板の上に第１のクラッディング層を堆積させるステップと、
前記第１のクラッディング層の上に活性層を堆積させるステップと、
前記活性層の上に二次元的な格子を形成するステップと、
前記活性層の上に第２のクラッディング層を堆積させるステップと、
前記第２のクラッディング層の上に第１の電極を堆積させるステップと、
前記基板の上に第２の電極を堆積させるステップと、
を含み、前記第１および第２の電極の少なくとも一方と前記格子との間に非対称な配列関係がある、導波路の形成方法。
【請求項１３】
前記活性層を堆積させるステップが、前記活性層の量子井戸およびバリアを前記第１のクラッディング層に対してラチス整合させるステップを更に含む請求項１２記載の導波路の形成方法。
【請求項１４】
前記量子井戸およびバリアをラチス整合させるステップが、前記量子井戸の組成および厚さを制御して、前記活性層のゲインピークが前記二次元的な格子の波長ピークとほぼ等しくなるようにさせるステップを更に含む請求項１３記載の導波路の形成方法。
【請求項１５】
前記二次元的な格子を形成するステップが更に電子ビーム・リソグラフィ処理を含む請求項１２記載の導波路の形成方法。
【請求項１６】
前記二次元的な格子を形成するステップが更に高フリンジ周波数のインターフェログラム処理を含む請求項１２記載の導波路の形成方法。
【請求項１７】
前記二次元的格子が、前記ｐドープされた層および前記ｎドープされた層の少なくとも１つに対して個々に回転させられた複数の格子エレメントを更に含む請求項１２記載の導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概略的には、光導波路に関し、より具体的には、二次元的なブラッグ格子（Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇ）を内部に埋め込んだ光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザダイオードは、通信、分光法、ソリッドステート・ファイバレーザ、ファイバレーザ、増幅器などの非常に多くの最新の用途に使用されている。多くの用途において、レーザダイオードに望まれている幾つかの特性は、信頼性、低ノイズ、周波数の単一性、空間モードの単一性、および高い光強度である。
【０００３】
ファセット（ｆａｃｅｔ）の光出力（光パワー）の密度が臨界値に達すると半導体レーザのファセットが著しく劣化する。従って、ファセット領域（面積）を増大させることがこれらの装置のパワー出力を増加させるのに有用である。しかしながら、従来のプロセスを用いて製造する大きな領域の装置は、装置に課せられた厳しい許容誤差（公差）のため、複数の空間モードになる傾向がある。さらに、従来のレーザおよび光増幅器は、増幅された自然放出に対して多くのモードが適合するためにノイズが多くなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の点に鑑み、ファセットの領域を増大させる一方、半導体レーザからの出力を単一モードに維持する技術を提供することが望まれている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的およびその他の目的は、案内（導波）媒体内部に埋め込まれた二次元的な光波長のブラッグ格子を有する平面状の導波路レーザによって達成される。より具体的には、導波路は、好ましくは、ｎドープされた（ｎ型のドーピングを行った）クラッディング（クラッド）層とｐドープされた（ｐ型のドーピングを行った）クラッディング層との間にサンドイッチ状に挟まれた活性領域を含む。二次元的なブラッグ格子は、活性領域と一方のクラッディング層との界面に形成される。上側電極および下側電極がクラッディング層の両側に（向かい合って）形成されてレーザダイオード構造が完成する。このような二次元的な格子構造により、縦方向と横方向との両方を同時に制御するモードのための、周波数の選択的フィードバックが可能となる。従って、本発明により、単一の周波数で大きな単一の空間モードに放射を行うレーザを製造するための技術が提供される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の利点および目的を達成する方法を理解するために、添付の図面によって示された具体的な実施の形態を参照し、本発明のより具体的な説明を行う。これらの図面は、本発明の好ましい実施の形態を描写しているに過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。本発明を、添付の図面を用いてより具体的かつ詳細に説明する。
【０００７】
本発明は、半導体レーザ媒体に埋め込まれた二次元的な格子構造を含む半導体レーザまたは光増幅器のための導波路構造に関するものである。本発明の導波路構造は、拡大された光モード・サイズと、分散型のフィードバック特性の双方を有し、極めて大きな光出力と狭い線幅の発光（光学的放射）を可能とする。格子構造は、増幅された自然放射に適合する空間モードを制限することによってレーザからのノイズを大幅に低減する。
【０００８】
図面を参照すると、本発明に係わる半導体レーザの導波路構造が概ね参照符号１０によって示されている。導波路１０はｎ型のドーピングを行った基板１２を含み、該基板１２の上には、ｎ型のドーピングを行った下側クラッディング層１４が配置されている。下側クラッディング層１４の上には、半導体材料の交互に積層された複数の層が活性領域１６として配置されている。活性領域１６の量子井戸およびバリアは、基板１２および下側クラッディング層１４の材料と整合しているラチス（ｌａｔｔｉｃｅ）である。当業者であれば、他の代替的な材料が用いられることもあることが理解されようが、現在、好ましくは、基板１２および下側クラッディング層１４はインジウム・リン（ＩｎＰ）から形成され、活性領域１６の交互層はインジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＧａＡｓＰ）から形成される。
【０００９】
活性領域１６のフォトレジストの上側表面には、二次元的な格子（ｇｒａｔｉｎｇ）２０が形成される。二次元的な格子２０の上には、ｐ型のドーピングを行った（ｐドープされた）上側クラッディング層２２が配置される。上側クラッディング層２２の上には、ｐ＋型のドーピングを行った（ｐ＋ドープされた）上側キャップ２３が配置される。層２３の上には、上側電極２４が配置され、基板１２の上には、下側電極２６が配置される。他の材料が用いられることも可能であるが、好ましくは、上側クラッディング層２２はインジウム・リン（ＩｎＰ）から形成され、キャップ２３はインジウム・ガリウム・ヒ素から形成される。
【００１０】
図１に示すように、二次元的な格子構造２０は、縦方向および横方向の平面に画定される。その構造において、モード制御のために、縦方向および横方向の両方において、周波数の選択的フィードバックが提供される。このような横方向モード制御により、従来のエッチングされたリッジ導波路（ｒｉｄｇｅ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）レーザのモード・サイズよりも大幅に大きなモード・サイズで装置を製造することが可能になる。さらに、このような縦方向のモード制御により、単一の光周波数特性を有する装置を製造することが可能になる。従って、導波路１０は、拡大された光モード・サイズと、分散型のフィードバック特性の双方を有し、極めて大きな光出力と狭い線幅の光学的放射を可能とする。二次元的な格子２０は、増幅された自然放出に有効なモード空間を制限することによってレーザからのノイズを大幅に低減することが可能である。導波路１０において屈折率に大きな摂動を組み入れることによってノイズ低減において更なる効果が実現される。
【００１１】
図２Ａ〜図２Ｄを参照すると、導波路１０の製造手順が示されている。簡略化のため、製造手順として、図２Ａに示す格子ベースを成長させるステップと、図２Ｂに示す二次元的な格子を製造するステップと、図２Ｃに示すクラッディングを再成長させるステップと、図２Ｄに示す最終的に金属化を行うステップとからなる４つのステップで示している。図２Ａを参照すると、基板１２の上に下側クラッディング層１４と活性領域１６とが堆積される。好ましくは、下側クラッディング層１４および活性領域１６は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような化学気相成長処理によって成長させられる。上述したように、活性領域１６は、好ましくは、インジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＧａＡｓＰ）の複数の交互に積層された層を含む。従って、活性領域１６は、約０．３７マイクロメートルにまで成長させられ、下側クラッディング層１４は、約１マイクロメートルにまで成長させられる。
【００１２】
図２Ｂを参照すると、二次元的な格子２０が活性領域１６の頂部のフォトレジスト層に画定されている。好ましくは、２つの技術のうちの１つがフォトレジストを二次元的な格子パターンに露光させるために用いられる。第１の方法には、電子ビーム・リソグラフィーが用いられる。この方法は、半導体処理によく用いられ、極めて精密である。
【００１３】
第２の方法には、フォトレジスト上に高フリンジ（ｈｉｇｈ  ｆｒｉｎｇｅ）周波数のインターフェログラム（ｉｎｔｅｒｆｅｒｒｏｇｒａｍ）を作り出すために紫外線レーザビームが用いられる。このように、フォトレジストの頂部表面全体が一度にホログラムに対して露光される。直交性の格子周期がベース構造を９０度回転させ、フォトレジストを２度目の露光をすることによって書き込まれる。
【００１４】
このように形成された格子パターンは、好ましくは、フォトレジストから化学的ウエットエッチングによって活性領域に転写される。エッチングされた格子の通常の寸法は、深さ５０ｎｍ、短周期２２０ｎｍ、長周期６６０ｎｍである。次に、図２Ｃおよび図２Ｄを参照すると、上側クラッディング層２２は、好ましくは、有機金属化学気相成長法のような化学気相成長処理によって二次元的な格子２０の上に成長させられる。上側クラッディング層２２は、好ましくは、約１マイクロメートルの厚さにまで成長させられる。その後、上側電極２４および下側電極２６がそれぞれ上側クラッディング層２２および基板１２の上にリソグラフィ処理によって形成（画定）される。上側電極２４および下側電極２６は、電流が導波路１０に流入するためのコンタクトを形成する。図示されているように、導波路１０は、１．４ミクロンの領域内で動作するのに適している。材料系および格子周期は、他の動作波長のために調整されなければならないが、製造技術はここに述べたものと実質的に同じである。
【００１５】
導波路１０のフィードバック特性を理解するため、二次元的な格子２０のｋ空間の表現図（図３）を検討する。格子は、二つのタイプのレイジング・モード（ｌａｓｉｎｇ  ｍｏｄｅ）のみをサポート（支援）している。第１のタイプのモードにおいては、格子はｋ+波とｋ-波とを結合させる。これは一次元的なモードであり、従来の分散型のフィードバックレーザのモードと類似している。第２のタイプのモードは、４つの波ｋA、ｋB、ｋCおよびｋDを格子によって結合させることによって重畳させたたものである。これは二次元的なモードであることから、横方向および縦方向いおいて同時にモード制御することが期待される。２つのタイプのモードに対してｋベクトルの長さが異なることから、格子により一次元的なフィードバックとは若干異なる波長で二次元的なフィードバックが行われる。
【００１６】
活性領域１６内の量子井戸の組成および厚さを調整することによって材料のゲインピークを二次元的なフィードバックの波長に設定することによって、この波長でレージングを誘導し、一次元的なモードを抑制することが注目されよう。
【００１７】
さらに、導波路１０からの放射の出力方向は、ファセットに沿った法線方向ではなく、半導体媒体内部のｋベクトルによって規定される角度となることが理解されよう。図４においてｋベクトルによって規定される角度（点線による矢印で示す）および外部への放射角度（実線による矢印で示す）が示されている。
【００１８】
４つの方向に放射を行うことは実際上は望ましいことではない。むしろ１つの方向に強い放射が行われることが好ましい。高い反射性コーティングを用いることにより、ファセットの一方からの放射を抑制することができる。他方のファセットでは、二次元的な構造の対称性を失わせて、ｋベクトルの残りの二重の縮退性（ｔｗｏ−ｆｏｌｄ  ｄｅｇｅｎｅｒａｃｙ）を失わせる技術が必要となる。そのような方法の３つをここに説明する。
【００１９】
縮退性を失わせる第１の方法は、図５Ｂに示すように、下側の二次元的なラチス（ｌａｔｔｉｃｅ）に対して格子（ｇｒａｔｉｎｇ）のエレメント（要素）を「傾斜（ｔｉｌｔ）」させることである。元の「傾斜されていない」構造を比較のために図５Ａに示す。エレメントを傾斜させることによって図３におけるＡＢおよびＣＤの対角線が等価な方向でなくなるため、構造の対称性が失われる。
【００２０】
対称性を失わせる第２の方法は、ｐコンタクト２４をｋベクトル方向の一つに沿って傾斜させることである。この技術においては、電流が装置に流入する際に、一方の方向が他方の方向よりも大きなゲインを示すため、対称性が失われる。
【００２１】
対称性を失わせる第３の方法は、図６に示すように、格子ラチス（ｇｒａｔｉｎｇ  ｌａｔｔｉｃｅ）を装置の枠に対して回転させることである。この構成により、ここにおいて説明された他のレーザ構成とは異なり、光が法線方向に放射されるという利点が生み出される。これはレーザの出力放射を単一のモードのファイバに効果的に結合するのに有効である。
【００２２】
従って、実際上は１つの方向のみへの放射が望まれるため、上述した対称性を低下させる技術は、適切なＡＲおよび／またはＨＲコーティングをファセット上に利用すると共に、望ましい方向を選択するのに有用である。
【００２３】
従って、本発明によって特定の用途における要件に従って調整可能な高出力、単一周波数の半導体レーザ導波路が提供される。レーザ・キャビティの幅と長さ（即ち，格子領域）の独立的制御、直交方向の格子周期の制御、さらに、異なる二次元的な対称性を有する格子を製造することが可能になるため、出力波長のような導波路性能の細かい調整が可能となる。さらに、本発明は、増幅された自然放射におけるノイズを抑制することを可能とする。
【００２４】
本発明は、多くの用途において有用性を見出すことが可能であるが、本発明は特に光ファイバ・アナログリンク、衛星通信、およびケーブルテレビ（ＣＡＴＶ）の用途に適している。また、本発明は、エルビウムをドーピングしたファイバレーザおよび増幅器のためのポンプとして有用性を見出すことが可能である。さらに、本発明は、分光法、センサーへの適用、医学および歯学への適用の他、多くの他の処理技術において有用性を見出すことが可能である。
【００２５】
前述の説明から、本発明の広範囲に及ぶ教示内容を種々の形態において実現可能であることが当業者であれば理解できよう。特定の半導体の構成が説明されたが、本発明は、例えば、化学レーザ、自由電子レーザ、ダイレーザ（ｄｉｅ  ｌａｓｅｒ）のような異なるレーザゲイン環境において、また、光学増幅器の設計において利用することも可能である。従って、本明細書において本発明は特定の例を用いて説明されたが、本発明の範囲を限定するものではなく、他の変形例についても実施することが可能なことが、図面、明細書、および請求項を検討することによって当業者であれば容易に理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導波路構造の一部切欠斜視図である。
【図２】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の導波路構造の形成方法を示す斜視図である。
【図３】本発明の二次元的な格子の相互空間、即ちｋ空間を示す図である。
【図４】本発明の二次元的な格子および装置のファセットに対する放射角度を概略的に示す図である。
【図５】図５Ａは、格子エレメントが構造の対称性を保持している状態を示す格子の概略図であり、図５Ｂは、傾斜した格子要素が構造の対称性を失った状態を示す格子の概略図である。
【図６】構造の対称性を失わせるために装置のファセットに対して格子を回転させる技術を示すレーザおよび格子構造の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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