(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ポンピングエネルギーの印加に応答して、中赤外線〜遠赤外線範囲内の中心波長の輻射線を誘導放射することができる活性領域と、
（ｂ）前記輻射線を前記活性領域に閉込めるための少なくとも一つのクラッド領域とからなる半導体レーザにおいて、
前記少なくとも一つのクラッド領域は、第１の層と第２の層からなり、該第１の層と第２の層の間には輻射線ガイドインターフェースが形成され、
前記インターフェースは、表面プラズモンをサポートするために前記輻射線と相互作用し、かつ、前記半導体レーザからの光を結合する周期構造を含まない、
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記中心波長において、前記第１の層は負の誘電率を有し、前記第２の層は正の誘電率を有し、前記第２の層は前記活性領域と前記第１の層の間に配設されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１の層の複素屈折率の虚数部分は前記屈折率の実数部分よりも遙かに大きい、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１の層は金属からなり、前記第２の層は半導体からなる、
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１の層は前記レーザに対する電極も形成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記第２の層は前記活性領域の一部である、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記第２の層は前記活性領域から独立している、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記第２の層は密着促進層からなる、
ことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記第１の層はパラジウムからなる、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記第１の層はチタンの層と金の層を含む複合体からなる、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
前記レーザは約２０μｍ以上の波長で動作するように設計されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項１２】
前記活性領域はＱＣ活性領域からなる、
ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ。
【請求項１３】
前記活性領域はＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多層構造からなる、
ことを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ。
【請求項１４】
前記レーザは、前記活性領域を挟んで相対した一対のクラッド領域からなり、前記クラッド領域の一方は前記活性領域の屈折率よりも小さな屈折率を有する誘電体構造物からなり、他方は前記表面プラズモンガイドインターフェースからなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項１５】
前記少なくとも一方のクラッド領域は、前記輻射線のレイジングモードのピーク強度が概ね前記インターフェースに位置するように設計されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項１６】
（ａ）ポンピングエネルギーが印加されたときに、中赤外線〜遠赤外線範囲内の中心波長の輻射線を誘導放射することができるＱＣ活性領域と、
（ｂ）前記活性領域を挟んで相対した第１及び第２のクラッド領域とからなり、
前記第１のクラッド領域は、前記活性領域の屈折率よりも小さな屈折率を有する誘電体構造物からなり、
前記第２のクラッド領域は、第１及び第２の層からなり、該層間には輻射線ガイドインターフェースが形成され、
前記中心波長において、前記第１の層は負の誘電率を有し、前記第２の層は正の誘電率を有し、前記第１の層の複素屈折率の虚数部分は前記複素屈折率の実数部分よりも遙かに大きく、
前記インターフェースは、表面プラズモンをサポートするために前記輻射線と相互作用し、かつ、前記半導体レーザからの光を結合する周期構造を含まない、ことを特徴とするＱＣレーザ。
【請求項１７】
前記第１の層は金属層からなり、前記第２の層は半導体層からなる、
ことを特徴とする請求項１６に記載のＱＣレーザ。
【請求項１８】
前記第１の層は前記レーザに対する電極も形成する、
ことを特徴とする請求項１７に記載のＱＣレーザ。
【請求項１９】
前記第２の層は前記活性領域の一部である、
ことを特徴とする請求項１８に記載のＱＣレーザ。
【請求項２０】
前記第２の層は前記活性領域から独立している、
ことを特徴とする請求項１８に記載のＱＣレーザ。
【請求項２１】
前記第２の層は密着促進層からなる、
ことを特徴とする請求項２０に記載のＱＣレーザ。
【請求項２２】
前記第２のクラッド領域は、前記輻射線のレイジングモードのピーク強度が概ね前記インターフェースに位置するように設計されている、ことを特徴とする請求項１６に記載のＱＣレーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は長波長半導体レーザに関する。更に詳細には、本発明は表面プラズモンに基づく導波路を組込んだ長波長半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
均質媒体中を伝搬する光ビームにより経験される分岐は、層の材料及び厚さを適当に選択することにより、多層誘電体構造物において劇的に低減される。この効果は、光ファイバ、固相光導波路又は半導体レーザなどにおいて、光ビームを導波するか又は閉込める際に一般的に使用される。光ビームの閉込めには一般的に誘電体スラブ又はリブ／リッジ導波路構造物を使用し、光キャビィティ共振器内の電磁モードをガイドし、そして、ガイドモードフィールドとレーザ活性領域との重複度を増大させる。
【０００３】
これらのガイドモードは、導波路構造物により与えられる適当な一組の境界条件によりマックスウエルの方程式から派生される固有値方程式の解法として記載される。代表的な誘電体導波路は、（レーザ活性領域を有する）導波路コアと一対のクラッド領域との間の屈折率コントラストに基づく。すなわち、比較的高い屈折率を有するコアは、比較的低い屈折率を有するクラッド領域間に間挿されている。
【０００４】
コアの屈折率とクラッド領域の屈折率との比、コアの厚さ及び電磁フィールドの分極は、横方向ディメンション（層に対して垂直な方向におけるモード強度プロファイルの半値全幅（ＦＷＨＭ））及びガイドモードの閉込め係数Γを決定する。Γは一般的に、活性領域を重複するガイドモード強度プロファイル下における区域の一部分として定義される。
【０００５】
閉込めモードの横方向ディメンションは、誘電体構造物における輻射線の有効波長に比例する。従って、屈折率の波長分散を無視すれば、導波路構造物の伝搬特性は、層の厚さが波長に応じて一次線形的に縮尺されれば、保存される。中赤外線又は遠赤外線領域における発光波長を有する半導体レーザの場合、電磁モードを効率的に閉込めるために、非常に厚いコア及びクラッド層の成長が必要である。
【０００６】
例えば、中赤外線（例えば、８〜１３μｍの中心波長）のＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ材料系の量子カスケード（ＱＣ）レーザの場合、例えば、Γ≒０．４の重複係数を有する一次誘電体閉込めに基づく導波路は、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ材料系における比較的弱い屈折率コントラスト（すなわち、非ドープ材料について、λ≒１０μｍ、ｎＧａＩｎＡｓ＝３．４３及びｎＡｌＩｎＡｓ＝３．１８）により、約６〜８μｍの厚さのクラッド層が必要である。言うまでもなく、遠赤外線領域においては、更に一層厚いクラッド層（例えば、＞１０〜２０μｍ）が必要である。
【０００７】
プラズマ周波数が光モードの周波数に近ずくようなドーピング濃度で、導波路の最上層部分に高度にドープされた層を導入することにより、クラッド層の厚さを低下させることができる。異常分散により生じる屈折率の実数部分の大幅な低下は、屈折率コントラストを高めるが、フリーキャリアー吸収により、高ドープ層の損失も生じさせる。
【０００８】
これらの事実は、例えば、Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ  ｅｔ  ａｌ．：Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ，  Ｖｏｌ．６６，  Ｎｏ．２４，  ｐｐ．３２４２−３２４４（１９９５）；  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  Ｖｏｌ．６９，  Ｎｏ．１９，  ｐｐ．２８１０−２８１２（１９９６）；及びＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒ．，  Ｖｏｌ．３３，  Ｎｏ．１，  ｐｐ．８９−９３（１９９７）などの公知文献に記載されている。
【０００９】
Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ  ｅｔ  ａｌ．：Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ，  Ｖｏｌ．６６，  Ｎｏ．２４の３２４３頁に指摘されるように、高ドープ層は、レイジングモード（常用の誘電体導波路内を伝搬する）と“高損失プラズモンモード”（金属接点インターフェースに沿って別の方法で伝搬する）との間のカップリングを抑制する“決定的役割”を演じる。すなわち、レーザは、プラズモンをサポートせず、抑制するように設計される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は表面プラズモンに基づく導波路を組込んだ長波長半導体レーザを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、長波長（例えば、中赤外線〜遠赤外線）半導体レーザは、活性領域と少なくとも一つのクラッド領域とからなる。このクラッド領域は、符号が反対の誘電率を有する２つの材料間にライトガイドインターフェースを有することを特徴とする。従って、ガイドモードは、常用の誘電体クラッド層を必要とすることなく、インターフェースに沿って伝搬する、横方向磁気分極表面波（すなわち、表面プラズモン）である。
【００１２】
好ましい実施態様では、このインターフェースは半導体層と金属層との間に形成される。半導体層は、活性領域の一部であるか、又は活性領域から独立していることもできる。金属層の複素屈折率は、その実数部分よりも遙かに大きな虚数部分を有する。例証的実施態様では、本発明のレーザは、一対のクラッド領域間に間挿された量子カスケード（ＱＣ）活性領域を有する。一対のクラッド領域のうち、一方のクラッド領域は、表面プラズモンに基づくガイドインターフェースであり、他方のクラッド領域は、誘電体（すなわち、半導体）構造物である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１を参照する。長波長半導体レーザ１０は、活性領域１２と、少なくとも一つのガイドインターフェース１４とからなる。このガイドインターフェースは表面プラズモンに基づく。インターフェース１４は一対の層１４．１と１４．２により形成されている。一対の層１４．１と１４．２は符号が反対の誘電率を有する。
【００１４】
例えば、層１４．１は正の誘電率を有する半導体からなり、層１４．２は負の誘電率を有する金属からなる。層１４．１は活性領域の一部であるか、又は、活性領域から独立していることもできる。例えば、層１４．１は、レーザに対する電気接点の形成を促進するか、又はレーザの二次加工を促進する一層以上の層である。層１４．２が金属である場合、この層は電気接点としても機能する。層１４．２の複素屈折率の虚数部分はその実数部分よりも遙かに大きいことが好ましい。
【００１５】
更に詳細には、長波長半導体レーザを導波する本発明の方法では、活性領域におけるガイドモードは、金属−半導体インターフェース１４における電磁表面波（表面プラズモン）により、少なくとも部分的にサポートされる。光波の増幅は、このインターフェースに対して垂直な２つの方向に指数関数的に低下するので、追加のクラッド層は不要である。
【００１６】
しかし、図１に示されるように、活性領域の下側に誘電体クラッド層を使用し、追加的な光閉込めをもたらすこともできる。いずれの場合も、ガイドモードは、インターフェース１４で伝搬し、活性領域１２に重複する横方向磁気（ＴＭ）モードである。インターフェース１４は活性領域の頂部に沿って所望のガイドを行うので、活性領域上の常用の多層誘電体クラッド層は省かれる。
【００１７】
活性領域とガイドインターフェース１４との間の（前記のようなクラッド層中で見い出されるような）低屈折率材料を省くことにより、レジングモードのピーク強度をインターフェース１４に（又はインターフェース１４の直ぐ近くに）配置させることができる。（図２参照。図２はピーク強度がインターフェース１４の位置に存在することを示す。）従って、レイジングモード及びプラズモンモードは緊密に結合される。すなわち、プラズモンモードがサポートされる。
【００１８】
従って、（例えば、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）により）成長されるべき半導体層の全体厚さはかなり低下される（例えば、或る実施態様では、２／５にまで低下される）。本発明のこの特徴は幾つかの利点をもたらす。第１に、短い成長時間により、短い生産サイクルと低コストがもたらされる。第２に、薄いデバイス構造は低い耐熱性を有する。（すなわち、薄いデバイスはそのヒートシンクに対して優れた熱カップリングを有する傾向がある。）
【００１９】
しかし、金属−誘電体インターフェースにおける表面波は、モードが部分的に金属内に透入するので、純粋な誘電体導波路に比べて、比較的高い光学損失を被る。運良く、これらの吸収損失は、中赤外線及び遠赤外線波長では、これらよりも短い波長の場合よりも大した問題とはならない。すなわち、金属内の表面プラズモンにより経験される損失は、これら赤外線波長域では、これよりも短い波長の場合よりも小さい。これは、実数部分に対して複素屈折率ｎｃ＝（ｎ−ｉｋ）の虚数部分を高める。
【００２０】
これにより、金属へのモードの透入が低下され、その結果、ガイドインターフェースにおける反射係数が高まる。これと対照的に、このような長い波長におけるバルク金属の吸収係数は一般的に、短い波長の場合よりも高いが、表面プラズモンの場合では、この効果は、金属への表面プラズモンモードの猛烈に低下された透入によるオフセットよりも大きい。
【００２１】
電磁表面波の場合、様相損失は材料の誘電率に強く左右される。減衰係数αは下記の数式（１）により示される。
α＝４πｎｋｎｄ３／λ［（ｎ２−ｋ２）（ｎｄ２＋ｎ２−ｋ２）３］０．５  ４πｎｋｎｄ３／λｋ３        （１）
（式中、ｎ及びｋはそれぞれ金属の複素屈折率の実数部分と虚数部分であり、ｎｄは誘電体の屈折率であり、λは真空中における光の波長である。）
【００２２】
中赤外線における金属の分散は、ｋの値が一般的にｎ及びｎｄの値よりも非常に大きいようなものなので、近似等式が成り立つ。従って、インターフェースにおける損失は、大きな虚数部分（すなわち、ｋ≫ｎ）を有する複素屈折率（ｎｃ＝ｎ＋ｉｋ）を有する金属を選択することにより最小にすることができる。ｋ＞ｎの場合、誘電率は負である。
【００２３】
実例を挙げて説明する。約１０μｍの波長において、アルカリ金属はこの要件を満たす光学特性を有する。（例えば、リチウムは波長９μｍで、ｎｃ＝０．６５９＋ｉ３８を有する。）それにも拘わらず、これらの材料は取り扱いが困難であり、不安定であり、しかも、導電率が低い。デバイス製造に一般的に使用されているこれらの金属のうち、本発明にとっては、パラジウムが好ましい。
【００２４】
本発明のレーザ構造物の発光周波数に対応する１１．３μｍの波長におけるパラジウムの複素屈折率は、ｎｃ＝３．８５＋ｉ４９．２である。パラジウムのｎ及びｋの値と、レーザ活性領域の屈折率値（ｎｄ＝３．３８）を前記の数式（１）に挿入すると、α＝１４ｃｍ−１が得られる。他方、金の複素屈折率を使用すると、α〜３０ｃｍ−１が得られる。両方の計算値とも、理想的なバルク半導体−金属インターフェースに当てはまる。
【００２５】
本発明の導波路構造物は、単一のバルク半導体−金属インターフェースよりも複雑である。従って、前記の数式（１）は金属を選択するための定性的ガイダンスしか提供しない。重要な相違点は、後者よりも低い屈折率を有する活性領域下部の基板である。例えば、基板は半導体材料中へのモードの透入を強力に低下させ、活性領域との重複係数を高め、そして、インターフェースにおけるモード強度を増大させる。
【００２６】
ＴＭインターフェースモードの強度パターン及び様相損失のより一層正確な予測を得るために、周知のトランスファーマトリックス法に基づく数値計算を使用した。結果を図２に示す。これらの導波路は、同じ厚さの導波路コアを有する通常のスラブ導波路（Γ≒４０％）を凌駕する重複係数（Γ≒７０％）の明確な向上を達成する。
【００２７】
或る実施態様では、活性領域１２は、ガイドインターフェース１４によりその上側に結合され、基板１８により下側に結合されている。基板１８は、誘電体クラッド層（すなわち、活性領域よりも低い屈折率を有する半導体領域）として機能する。他方、活性領域と基板との間に配置された層１６は一般的に、基板の屈折率よりも大きく、かつ、活性領域の屈折率よりも大きな屈折率を有する。従って、層１６は、レイジングモードの活性領域への閉込めを高めることができる。これに関して、活性領域の屈折率は、その様々な層の屈折率の重み付き平均である。
【００２８】
別の実施態様では、レーザ１０は、リッジ導波路レーザである。この場合、活性領域１２、ガイドインターフェース１４及び層１６は細長いメサ内に形成される。次いで、このメサは、基板１８上に形成される。この実施態様では、層１４．１は一般的に、二次成形加工中に活性領域を保護する（例えば、アルミニウム含有活性領域を酸化から保護する）ためにも機能する密着促進層からなる。
【００２９】
言うまでもなく、活性領域は、光キャビティ共振器内に配設される。この共振器は、当業者に周知の幾つかの方法のうちの任意の方法により、例えば、一対の平行劈開小面、分布帰還型格子、分布ブラッグレフレクター又はこれらの組み合わせにより形成することができる。適当なポンピングエネルギーが活性領域に加えられると、図１の平面に対して垂直な方向に共振器内を伝搬する誘導発光の形でレーザ輻射線を発生する。
【００３０】
図１に示されるように、レーザ１０は、基板１８の底部に形成された接点（下部電極）２０により、及びメサの頂部に接触する金属層２４により電気的にポンピングされる。デバイスのフィールド内で、及びメッセージの側壁上で、絶縁層２２は下部の半導体から金属層２４を分離する。層２２及び２４は、パターン付けされ、層１４．２が堆積される開口を形成する。金属の特性及びインターフェース１４の電気的特性に応じて、層１４．２は電気接点としても機能する。更に、金属層１４．２及び２４は別々の層（例えば、異なる材料の層）として図示されているが、層１４．２が表面プラズモンに基づく導波路を提供する前記の特性を有する限り、同じ材料の単一で、連続的な層であることもできる。
【００３１】
光学的遠近法から、ＤＦＢ格子は層１４．２内に形成することができる。それにより、活性領域と、インターフェース１４によりガイドされるモードとの間の強力なカップリングを利用する。
【００３２】
中赤外線波長（例えば、約３〜１３μｍ）又は遠赤外線波長（例えば、約２０〜１００μｍ）における動作に関する好ましい実施態様では、活性領域１２はＱＣ活性領域からなる。“ＱＣ活性領域”という用語は、非常に多数の実質的に同一の放射遷移（ＲＴ）領域及びＲＴ領域によりインターリーブされる非常に多数の注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領域を含む。障壁領域によりインターリーブされる量子井戸領域を含むＲＴ領域は、Ｉ／Ｒ領域と同様に、各々、非常に多数の半導体層からなる。
【００３３】
各Ｉ／Ｒ領域の層のうちの少なくとも幾つかはドープされているが、何れの場合も、Ｉ／Ｒ領域及びＲＴ領域はユニポーラーである。更に、“ＱＣ活性領域”という用語は、対角レイジング遷移と垂直レイジング遷移の両方を含む。対角遷移は、高レーザエネルギーレベル及び低レーザエネルギーレベル間の放射遷移又はこれらのレベルに対応する波動関数（平方率）が同じＲＴ領域の異なる量子井戸内に実質的に局在化された状態を含む。米国特許第５４５７７０９号明細書参照。
【００３４】
他方、垂直遷移の場合、励起及び低エネルギー状態は両方とも実質的に、単一のＲＴ領域の同じ量子井戸内に存在する。米国特許第５５０９０２５号明細書参照。両方のレイジング遷移タイプとも、Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ｖｏｌ．１０２，  Ｎｏ．２−３，  ｐｐ．２３１−２３６（１９９７）に記載されている。米国特許第５５０９０２５号明細書と同様に、このＦ．Ｃａｐａｓｓｏらの論文も、励起状態における電子のための効果的なブラッグレフレクターを形成し、そして、低状態からの迅速な電子エスケープを確実にするために、垂直遷移ＱＣレーザのＩ／Ｒ領域はミニバンドと、このミニバンド間にミニギャップを包含することが指摘されている。
【００３５】
超格子レーザとして知られている別のサブバンド間レーザも本発明による実装系から利益を得ることができる。超格子レーザでは、レーザレベルの波動関数は、各ＲＴ領域内の非常に多数の量子井戸全体に拡散される。レーザ動作はミニバンド間輸送又はトンネリングによるユニポーラー注入により行われる。Ｇ．Ｓｃａｍａｒｃｉｏ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  Ｖｏｌ．２７６，  ｐｐ．７７３−７７６（１９９７）参照。
【００３６】
【実施例】
下記の実施例において、サンプルＤ２２９５及びＤ２３６１と呼ばれるものの、様々な材料、ドーパント、濃度、寸法、動作条件、加工処理工程及びその他のパラメータは、特にことわらない限り、単なる例証のために記載されるものであり、本発明の範囲を限定するものではない。更に、この明細書で使用される、“非ドープ”という用語は、特定の半導体層又は領域が故意にドープされていないことを意味する。すなわち、このような領域及び層のいずれのドーピングも低く、一般的に、デバイスの層を成長するために使用されるチャンバ内の残留又はバックグラウンドドーピングから生じることを意味する。
【００３７】
２個のＱＣレーザ構造物をＭＢＥ法により成長させた。サンプルＤ２２９５及びＤ２３６１は、それぞれλ≒１１μｍ及びλ≒８μｍの中心波長で発光するＱＣレーザ活性領域（Ｉ／Ｒ領域＋ＲＴ領域）を使用する。層構造を下記の表１及び表２に示す。多層構造のＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ活性領域の詳細はＣ．Ｓｉｒｔｏｒｉ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  Ｖｏｌ．６９，  Ｎｏ．１９，  ｐｐ．２８１０−２８１２（１９９６）及びＣ．  Ｇｍａｃｈｌ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  Ｖｏｌ．７２，  Ｎｏ．２４，  ｐｐ．３２３０−３２３２（Ｊｕｎｅ  １５，  １９９８）に記載されている。
【００３８】
【表１】
0003545970.tif 000002
【００３９】
【表２】
0003545970.tif 000003
【００４０】
図１に示されるレーザ構造物はサンプルＤ２２９５（表１）に対応する。これは、低ドープ（  ２ｘ１０１７ｃｍ−３）ＩｎＰ基板上に成長された第１の光デジタルグレージング層（厚さ約２５ｎｍ）とバッファ層上に成長された第２のデジタルグレージング層（厚さ約１７ｎｍ）との間に間挿された厚さ７００ｎｍのＩｎＧａＡｓバッファ層（約６ｘ１０１６ｃｍ−３にまでＳｉがドープされている）からなる。
【００４１】
その後、２５周期（各周期は厚さ約２４ｎｍであり、λ≒１１．４μｍである）のＲＴ領域と２５周期（各周期は厚さ約３１ｎｍの第３のデジタルグレージング層である）のＩ／Ｒ領域を第２のデジタルグレージング層上に成長させた。各々、ＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓが交互に積層された構造からなるデジタルグレージング層は当業者に周知である。これは例えば、米国特許第５５０９０２５号明細書に記載されている。
【００４２】
成長シーケンスは一対のＩｎＧａＡｓ層により完了する。一方は、Ｓｉが約４ｘ１０１７ｃｍ−３にまでドープされている厚さが  ５０ｎｍの層であり、他方は、Ｓｎが約１ｘ１０２０ｃｍ−３にまで高濃度でドープされている厚さが  １０ｎｍの層である。最後の二層は一緒に図１で符号１４．１の層として示されている。
【００４３】
サンプルＤ２３６１（表２）の活性領域構造はＤ２２９５の活性領域構造と類似しているが、対応するＲＴ及びＩ／Ｒ領域を３５周期含み、λ≒８μｍの中心波長でレーザ発振するように設計されており、また、第１のデジタルグレージング層が省かれている。これらのＱＣレーザでは後者の層はオプショナルであるが、デバイス間の内部電圧降下を軽減する利点がある。
【００４４】
レーザは、幅が  １０〜２０μｍで、深層エッチングされた、リッジ導波路デバイスとして製造される。メサの側壁上及びデバイスのフィールド内の電気的絶縁層２２としてＳｉ３Ｎ４を使用する。サンプルＤ２２９５の場合、金属層１４．２は約１００〜３００オングストロームのＰｄからなり、金属層２４は、約３００ｎｍのＡｕ上の約３０ｎｍのＴｉからなる。これら全ての金属のその他の厚さも好適である。両方の金属層とも電子線ビームにより蒸着した。
【００４５】
層１４．２を、高ドープＩｎＧａＡｓ層の表面に直接堆積させ、更に、上部電気接点（Ｔｉ／Ａｕ金属層２４）の堆積中に開放させておいたメサの頂部の幅  １０μｍの細長いウインドウ中に堆積させた。Ｐｄ層それ自体では好適な電気接点であることを証明できないので、この処理手段が使用される。これと対照的に、Ｄ２３６１のレーザでは、Ｐｄは使用されない。すなわち、層１４．２及び層２４の両方とも、Ｔｉ／Ａｕを使用する。
【００４６】
従って、Ｔｉ／Ａｕ層は、電気接点として機能し、同時に、表面プラズモンモードのためのガイドインターフェース１４を形成する。この場合、Ａｕ層は層１４．１（すなわち、高ドープＩｎＧａＡｓ層）に接触する。背面接点２０として、非合金Ｇｅ／Ａｕ／Ａｇ／ＡｕをＩｎＰ基板に塗布する。
【００４７】
レーザを長さ約０．７５〜３ｍｍの棒に劈開し、ワイヤボンディングし、銅ヒートシンクにハンダ付けし、ヘリウムが流されるクリオスタット内に実装した。接点２４及び２０との間に電流パルス（約５ｋＨｚの繰返し速度を有する約５０ｎｓのパルス幅）を印加することにより測定を行った。補正したＨｇＣｄＴｅ検出器を使用し、レーザからの光出力を測定した。フーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光計を使用し、特別な測定を行った。
【００４８】
図３は、サンプルＤ２２９５からの中赤外線（λ＝１１．４μｍ）レーザの光出力と、電圧対電流特性を示す。閾値電流密度は、１０ＫにおいてＪｔｈ  １１ｋＡ／ｃｍ２であり、レーザ動作は〜１１０Ｋまで確認された。測定されたモード分離Δν（図３に対する挿入図に示されたスペクトルから導かれた）及びキャビティ長さＬから、式ｎｍｏｄ＝１／（２ΔνＬ）を使用し、様相屈折率を近似することができる。後者から、ｎｍｏｄ＝３．９３の実験値を得た。
【００４９】
一方、導波路シミュレーションから、ｎｍｏｄ＝３．３１の計算値が得られた。この不一致は、これらの波長における金属の屈折率及び金属−誘電体インターフェース形態の両方の不完全な知識により生じたものと思われる。後者は、砒素の金属への拡散及び半導体の上面に形成する自然酸化物により強く左右される。更に、金属屈折率の強力な分布により、群分布は無視できない。従って、モード分離の一次方程式は完全には適用できない。
【００５０】
図４において、サンプルＤ２３６１からの中赤外線（λ＝８．０μｍ）の各レーザの光出力対電流特性を示す。４Ｋにおける閾値電流密度は約４ｋＡ／ｃｍ２であった。最高動作温度は約１５０Ｋであり、出力は約５ｍＷ以上である。
【００５１】
前記の実施例では、中赤外線ＱＣレーザについて試験が行われたが、例えば、２０〜１００μｍのような遠赤外線波長では更に高性能が得られると思われる。この場合、光フィールドの金属への透入は著しく低下される。従って、金属−半導体インターフェース１４における光損失も低下される。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、表面プラズモンに基づく導波路を組込んだ長波長半導体レーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施態様によるリッジ導波路ＱＣレーザＤ２２９５の模式的断面図である。レーザＤ２３６１はＤ２２９５と類似しているが、連続的なＴｉ／Ａｕ上面接点を有する。
【図２】図２は、レーザＤ２２９５に関する、レーザに垂直な方向におけるモード強度プロファイルを示す特性図である。活性領域の重複係数（Γ）は７０％と計算される。単純化のために、層１４．２はこの図から省略されている。
【図３】図３は、注入電流の関数として、単一のレーザファセットからの、３種類の異なるヒートシンク温度における印加バイアスと測定ピーク出力とを示す特性図である。レーザは幅２０μｍ、長さ０．８ｍｍであった。挿入図は、３０Ｋにおけるレーザの高解像度レーザスペクトルである。最大ピーク出力は数ｍＷであると推定された。
【図４】図４は、サンプルＤ２３６１から二次加工されたレーザについて３種類の異なるヒートシンク温度で測定された（単一のレーザファセットからの）ピーク光出力対駆動電流の関係を示す特性図である。レーザは幅１５μｍ、長さ２．２５ｍｍであった。挿入図は、ヒートシンク温度の関数として、パルス動作における閾値電流密度を示す。
【符号の説明】
１０  長波長半導体レーザ
１２  活性領域
１４  ガイドインターフェース
１８  基板
２０  電気接点
２２  絶縁層
２４  金属層
【図１】
0003545970.tif 000004
【図２】
0003545970.tif 000005
【図３】
0003545970.tif 000006
【図４】
0003545970.tif 000007