(57)【要約】本出願は半導体レーザに、具体的には実質的に単一縦モード発光で動作するようなレーザに関する。レーザにはレーザ共振器を備え、レーザには界面を持つスロットをさらに備え、レーザ共振器の材料に対して大きな虚数部屈折率を持つ反射材料でスロットを実質的に満たすことを特徴とする。スロットの界面は傾斜していてもよく、または、４分の１波の位相シフトを導入するため段差を持っていてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界面を持つスロットを有するレーザ共振器を備え、前記レーザ共振器の材料に対して大きな虚数部屈折率を持つ反射材料で前記スロットを実質的に満たすことを特徴とするレーザ。
【請求項２】
前記反射材料が金属であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３】
前記スロットがテーパ・スロットであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ。
【請求項４】
前記スロットは緩やかな界面および急峻界面を備えることを特徴とする請求項３に記載のレーザ。
【請求項５】
前記スロットを複数有し、かつ、前記急峻界面間の距離がｄ＝ｎλ／４ｎeffで与えられ、ここで、λは前記レーザの動作波長であり、ｎeffは前記共振器の実効屈折率であり、ｎは正の偶数であることを特徴とする請求項４に記載のレーザ。
【請求項６】
前記スロットのエッジと前記反射材料との間に誘電体の二酸化シリコンの薄膜層を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項７】
前記スロットが矩形スロットであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ。
【請求項８】
前記スロットを複数有し、かつ、前記界面間の距離がＬslot＝ｎλ／４ｎeffで与えられ、ここで、λは前記レーザの動作波長であり、ｎeffは前記共振器の実効屈折率であり、ｎは正の偶数であることを特徴とする請求項７に記載のレーザ。
【請求項９】
少なくとも一つのスロットを有するレーザ共振器を備え、前記スロットは少なくとも一つの急峻界面を有し、前記急峻界面は前記レーザ共振器に沿って縦方向に２分の１波長の段差を与える２つの部分を含むことを特徴とするレーザ。
【請求項１０】
前記２つの部分がレーザの中心軸のいずれかの側に配置されていることを特徴とする請求項９に記載のレーザ。
【請求項１１】
リッジ・レーザであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のレーザ。
【請求項１２】
レーザ共振器を具備するステップと、
前記レーザ共振器に沿った場所に界面を持つスロットを定めるステップと、
前記レーザ共振器の材料に対して大きな虚数部の屈折率を持つ反射材料で前記スロットを実質的に満たすステップと、
を有することを特徴とするレーザの製造方法。
【請求項１３】
前記反射材料が金属であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記スロットがテーパ・スロットであることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記スロットは緩やかな界面および急峻界面を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記スロットを複数有し、かつ、隣接する急峻界面間の距離がｄ＝ｎλ／４ｎeffで与えられ、ここで、λは前記レーザの動作波長であり、ｎeffは前記共振器の実効屈折率であり、ｎは正の偶数であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記スロットのエッジと前記反射材料との間に誘電体の二酸化シリコンの薄膜層を具備するステップをさらに有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記スロットが矩形スロットであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記スロットを複数有し、かつ、前記界面間の距離がＬslot＝ｎλ／４ｎeffで与えられ、ここで、λは前記レーザの動作波長であり、ｎeffは前記共振器の実効屈折率であり、ｎは正の偶数であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザに関し、より詳細には、実質的に単一縦モード発光で動作する半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイスの長さに沿った所定の位置で摂動を導入することにより単一モードを達成することは既知であり、特許文献１を参照されたいが、それを参照して本出願にその内容を取り入れている。いわゆる“スロット・レーザ”は、レーザ共振器に沿ってスロット形状をエッチングで作成することから生じる光フィードバックによって単一縦モード発光を達成しているが、非特許文献２および非特許文献３でも開示されており、それを参照して本出願でもその内容を取り入れている。
【０００３】
一般論としては、導波路の屈折率プロファイルを適当な程度に変更して、光学的フィードバックと、従ってデバイスのスペクトル成分とを操作する任意の屈折率変更手段によって、摂動が起こる可能性がある。
【０００４】
本出願で使用する用語‘スロット長’（図１示す従来技術デバイスはＬslotで示す）は、デバイス材料中で縦方向スロット面間の距離を示す、すなわち、光伝搬の方向ｄに沿って‘スロット長’を測定する。図１および図２に、単一の縦方向スロット６を持つ典型的な従来技術のスロット・レーザを示す。典型的には、そのようなデバイスには、上部クラッド層４で皮膜を付けた（例えば、多重量子井戸構造を含む）導波路層２を備える。主な光フィードバック手段は、デバイスのどちらかの端にある劈開ファセット８の形で提供される。ファセット間の距離および共振器に沿った実効屈折率がファブリ・ペロー・モードの波長を決定する。上部クラッド層４はキャップ層５を持つリッジ３を形成する。そのような既知のデバイスにおけるスロット形状は、リッジ導波路３内で縦方向スロット６をエッチングして形成し、デバイス内に光伝搬方向ｄに垂直な二個の縦方向界面７ができることになる。
【０００５】
スロット・レーザに単一モード性能をもたらすメカニズムはすでに説明されてきた（例えば、アイルランド特許番号Ｓ８３６２２であり、それを参照して本出願でもその内容を取り入れている）。
【０００６】
以下の本出願の説明は、デバイスに沿ってエッチングしたスロットで決まる摂動の場合を主に参照するが、本出願の教えるところは他の形式の適当な摂動に等しく適用可能であるということは、当業者にとっては理解できるであろう。
【０００７】
【特許文献１】ＥＰ  １  ２１４  ７６３（トリニティ・カレッジ (ダブリン大学)）
【特許文献２】アイルランド特許番号Ｓ８２５２１（アイルランド国立大学 コーク校）
【特許文献３】アイルランド特許番号Ｓ８３６２２（エブラナフォトニクス株式会社）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本出願では、これらのデバイスで起こる散乱プロセスと反射プロセスを考慮している。以下に更に詳細に議論するように、本出願では、従来のレーザ・デバイスにおいて散乱プロセスと反射プロセスが破壊的に干渉するということを実現した。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
散乱プロセスと反射プロセスが破壊的に干渉するレーザ・デバイスに対するニーズがある。
【００１０】
本発明によるシステムはこのニーズおよびその他のニーズに対応し、本発明の教えによるレーザ共振器を備えるレーザを提供し、レーザには、レーザ共振器材料に比較して大きな虚数屈折率を持つ反射材料でスロットを満たすことを特徴とする界面を有するスロットを備える。
【００１１】
したがって、本発明は特許請求の範囲の請求項１で請求するレーザを提供する。それに加えた独立の請求項で有利な実施形態を提供する。また、本発明は、請求項９およびそれに加えた独立の請求項によるレーザを提供する。本発明はさらに、請求項１２で請求するレーザ製造方法を提供し、それに加えた独立の請求項が提供する有利な実施形態を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
添付の図面を参照して本発明についてここで説明する。
【００１３】
図３に、いかなるスロット形状も備えない被膜無しのファブリ・ペロー・レーザ・ダイオードにおける定在波パターンを示す。半導体材料の屈折率の実数部は、共振器を取り巻く空気のそれより大きいため、ファセットでの反射プロセスに関連する位相シフトは全く無い。この結果、ファセットでの入射光と反射光との間の建設的干渉は、ファセットでの電界中に腹がある場合生じることになる。言い換えるとこのことは、共振器における定在波パターンは各ファセットに腹を持つということを意味する。
【００１４】
図４および図５に、共振器がＳｉＯ2で満たされた単一傾斜スロット形状（特許文献１で説明しているような）を含むレーザ・ダイオードを示す。注意点は、この形状を決める一つの界面は、光の伝搬方向に垂直であり、一方、他の界面はこの方向に対して傾斜しているということである。多数のこれらの形状を含むデバイスでは、各種の縦モードの共振器損失に影響を及ぼすのは、垂直な、即ち“急峻な”界面である。傾斜界面はデバイスの共振器損失スペクトルの形状を大きく変えることはない。ＳｉＯ2の屈折率は１．５であるので、スロット形状の真下の横モードは変化し、これは、この領域における導波モードの実効屈折率を低下させる効果を持つ。
【００１５】
しかしながら、注意すべきは、実効屈折率方法はそのような形状の反射率を小さく見積もる、ということである。これらの形状の反射率を正しく計算するため、時間領域差分法のようなもっと適切な方法を採用してもよい。例えば、表１に示す層構造を持ち、深さ１．５４ミクロンまでエッチングしたスロット形状のレーザ・ダイオードに対しては、実効屈折率方法ではスロット形状からの反射率を２５分の１に小さく見積もる。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
図6に“領域Ａ”から“領域Ｂ”（図７）まで進行する電界パターンの計算結果および“領域Ａ”に反射して戻る電界パターンの計算結果を示す。入射電界のピーク振幅は１に正規化しており、反射電界のピーク振幅は０．０４である。実効屈折率方法を使用すると、反射して“領域Ａ”に戻る電界のピーク値は０．００１６であり、真の値を著しく過小評価している。
【００１８】
また、レーザ共振器内でのスロット形状の配置について考察する。急峻界面では、その界面が電界の腹に位置する場合、この界面から反射する所定のモードの光はそれ自身と建設的に干渉する。この理由は、定在波が二つの進行波に分解される可能性があるからである。更に、時間領域差分法を使用すると、“領域Ａ”から“領域Ｂ”に進行する波は、“領域Ｂ”から“領域Ａ”に進行する波より、より大きな量で反射するということが示される可能性がある。図８は、“領域Ａ”から“領域Ｂ”に進行し、また“領域Ｂ”から“領域Ａ”に進行する電界パターンから得られる反射電界パターンを示す。“領域Ａ”に反射して戻る電界パターンの振幅は、図８で見るように、０．０５の振幅である。これに比較して、“領域Ｂ”に反射して戻る電界の振幅は僅か０．０００２１の振幅であり、反対方向で反射される電界の１９０分の１の大きさである。明確にするため、このパルスを図９に別にプロットして示す。従って、“領域Ａ”に戻って伝搬する反射を考慮することのみが必要なことである。
【００１９】
一つ以上のエッチングされたスロット形状を含み、隣接の急峻界面間の距離が次式で与えられるような位置にあるデバイスに対して、
ｄ＝ｎλ／４ｎeff、ここでｎ＝２、４、６・・・、
注目のモードの共振器損失は、傾斜スロットの急峻界面が電界の腹と一致する（図１０）ような状況で最も低くなるであろう。注目点は、スロット形状で生起した反射にはモードまたは注目のモードの共振器損失を低下させる効果があり、他のモードの共振器損失は影響を受けない、ということである。
【００２０】
図１１から図１３を参照して、反射と散乱の効果を考察する。図１１は２０個の傾斜スロット形状を含む皮膜の無いデバイスに対する共振器損失スペクトルの計算結果を示すが、そこでは急峻界面で起こる反射のみを考慮しているが、これらの界面での散乱は考慮していない。共振器損失スペクトルを計算するために使用する伝達マトリックス法では、反射からもたらされる共振器損失スペクトルの変化と、散乱または吸収によって起こる変化とを独立に計算することが可能である。スロット形状が無い場合は、１２３０ｎｍから１３９０ｎｍまでの波長区間における全モードの共振器損失は約３６．５ｃｍ-1であると思われる。これらの形状は表１の構造で、深さ１．１５ミクロンまでにエッチングされた。理解されるであろうが、この深さは単に例となるものであり、具体的な形状と配置に応じて、他の深さを選択しても良い。
【００２１】
しかしながら、上記に示したように、反射は単にデバイスの共振器損失スペクトルの形状を変える一つのプロセスである。他のプロセスには、例えば、吸収および散乱を含む。反射は、伝搬方向に垂直な複素屈折率プロファイルにおける縦方向の変化に起因して起こる。光伝搬方向に垂直な複素屈折率プロファイルの形状がデバイスの長さに沿って変化する場合、リッジ導波路レーザ内で散乱が起こる。導波モードが零より大きい虚数部屈折率の材料と導波路内で相互作用をする時、吸収が起こる。散乱および吸収の両方とも、もしもそれらが縦位置の関数であり、一つのフーリエ成分が２／λmより大きな空間周波数ｋを持つなら、共振器損失プロファイルの形状に影響を及ぼす可能性がある。ここでλmは所定の材料における光の波長である。
【００２２】
従って、反射を引き起こすのと同じく、（上記で議論した形式の）傾斜スロットの急峻界面は導波路に散乱損失を導入するであろう。これは、領域“Ａ”と領域“Ｂ”（図７）における屈折率プロファイルの形状が異なるためである。更に、この散乱場所はレーザ・ダイオード・デバイスの共振器損失スペクトルに影響を与える可能性を持ち、その理由は、縦方向におけるその範囲が光波長のごくわずかの部分だからである。
【００２３】
この散乱場所の正確な長さは、領域“Ａ”と領域“Ｂ”との間の界面をいかに精密に実装するかによって決まり、従って、製造プロセスの製造許容範囲に関連する。
【００２４】
図１２は、２０個の傾斜ソロット形状を含む皮膜の無いデバイスに対する共振器損失スペクトルの計算結果を示すが、急峻界面で起こる散乱のみを考慮している。再び、これらの形状は、表１の構造で１．１５ミクロンの深さにエッチングされた。これらの散乱中心の影響は、モードまたは注目のモード以外の全てのモードのミラー損失を引き起こすことである。注意してもよいことであるが、共振器モードの大部分の共振器損失は今や約４３ｃｍ-1であり、一方、関心のモードの共振器損失は約３７ｃｍ-1のままである。
【００２５】
傾斜スロットが散乱中心と反射源の両方として働くという事実は、望ましくない結果をもたらす。以前に述べたとおり、スロットからの反射が所定のモードの共振器損失を下げるためには、急峻界面の位置は電界の腹と一致しなければならない。しかしながら、スロットの急峻界面が散乱中心として最適に働くためには、急峻界面は本質的に電界中の節と一致すべきである、ということを以下に示す。
【００２６】
図１３に、誘電体で満たしたスロット形状に対して、散乱と反射の両方を考慮した時、共振器損失スペクトルに与える影響を示す。この場合では、散乱と反射のプロセスに起因する共振器損失スペクトルの変化は、互いに消去し合うということが分かる。かくして、関心のモードとそれと区別されるべきモードとの間の共振器損失の差は減少する。
【００２７】
図１４に、２個のテーパ・スロットを持つレーザ共振器を示す。両スロットの急峻界面は電界中の節と一致する。電界は導波路の不連続点で零であるため、この定在波が示すモードの共振器損失はスロット形状で殆んど影響をうけない。しかしながら、図１５の定在波が示すモードの共振器損失は、テーパ・スロットの存在で本質的に増加する。これは、不連続点での電界はもはや零に等しくなく、結果として光がモード外に散乱する。
【００２８】
最初の検討では袋小路に入ったように見え、共振器損失スペクトルへの反射の効果は、急峻界面が電界内の腹と一致する時に最適化され、一方、共振器損失スペクトルへの散乱の効果は、急峻界面が電界内の節と一致する時に最適化される。かくして、散乱プロセスと反射プロセスは、共振器損失スペクトルへの効果をお互いに妨げる傾向にある。
【００２９】
図１６を参照して、レーザ共振器１００にはテーパ・スロット１０１を備える。この場合では、テーパ・スロットは金属で満たされている。
【００３０】
スロット１０１は、その代わりとして、金属と誘電体層、例えばＳｉＯ2の組み合わせで満たされていてもよい。誘電体層をスロット・エッジと反射材料の間に具備する。ＳｉＯ2の層場合は、最初に堆積し、約６０ｎｍ以下の非常に薄い層でなければならない。
【００３１】
スロット１０１を満たすために使用する金属は、大きな虚数部屈折率を持ち、関心の波長では高い反射を示す。
【００３２】
以前のように、時間領域差分（ＦＤＴＤ）法を使用して、“領域Ａ”から“領域Ｂ”に進行する波は、“領域Ｂ”から“領域Ａ”に進行する波より大きな量で反射される、ということを示してもよい。従って、“領域Ａ”に戻って伝搬する反射を考慮することのみが必要である。
【００３３】
しかしながら、金属でスロットを満たすことは、急峻界面の反射特性を基本的に変更する。これは、半導体金属界面からの反射プロセスの間中、光は位相シフトをうけるためである。ところで、急峻界面では、この界面から反射した所定のモードの光は、界面が電界内の節に位置する時、それ自身と建設的に干渉する。また、散乱中心を使用して共振器損失スペクトルを最適に変更するために、これはスロットを位置づける正しい場所である。この構成では、反射プロセスと散乱プロセスは一緒に働いて、共振器損失スペクトルの形状を変更する。金属で満たしたエッチングのスロット形状を一つ以上含むデバイスに対して、隣接する急峻界面間の距離が次式で与えられるような位置に置けば、
ｄ＝ｎλ／４ｎeff、ここでｎ＝２、４、６・・・、
傾斜スロットの急峻界面が電界の節と一致する（図１７）状況では、波長λでの共振器損失は最低となる。
【００３４】
図１８に、急峻界面に起因する共振器内での散乱と反射の両方の効果を考慮して、金属で満たした２０個の傾斜スロット形状を含む皮膜の無いデバイスに対する共振器損失スペクトルの計算結果を示す。この図は、散乱プロセスと反射プロセスが一緒に働いて共振器損失スペクトルを変更することを実証している。
【００３５】
注意点は、上記議論は、所定のスロット内の界面間の分離が次の条件と一致する限り、矩形スロット形状を含むデバイスに対してと同様に、正方形のスロット形状を含むデバイスに同じようによく適用できるということである。
Ｌslot＝ｎλ／４ｎeff、ここでｎ＝１、３、５・・・、
【００３６】
ＳｉＯ2のみの誘電体の詰め物をしたスロット形状を持つレーザ・ダイオードの場合には、反射を除去するために急峻スロット・界面の形状を変えてもよい。この場合、共振器損失スペクトルの形状を変えるのは散乱プロセスのみである。これは、実質的に急峻界面の中央部に、４分の１波長の材料段差を導入することによって達成される（図１９および図２０）。この場合、急峻界面には、レーザ共振器に沿って縦方向にお互いから間隔をあけた２つの部分を備えるが、レーザの中央軸のどちらかの側に２つの部分を配置し、その界面で、４分の１波長の段差を実質的に設けるようにする。この構成のため、急峻界面の２つの部分からの反射光は、お互いと破壊的に干渉するように、互いに９０度位相シフトすることになる。急峻界面の２つの部分は、モードまたは関心のモードおよび他のモードで損失を引き起こすが、未だミラー損失プロファイルの形状を変えるのに十分局在化している。
【００３７】
ＳｉＯ２のみが含まれるスロット形状を持つレーザの動作を改善するもう一つの方法は、お互いに対してスロットの位置を注意深く設定することによる。
【００３８】
この方法もまた、反射が共振器損失スペクトルに及ぼす影響を実質的に消去する。図２１にデバイスの中のスロット間隔を示すが、そこでは、散乱プロセスと反射プロセスがお互いを無効にしている。図２２は一つの可能な傾斜スロット形状の構成を示すが、関心の波長領域における共振器損失スペクトルへの反射の影響を実質的に消去している。図２１および図２２の両方では、全てのスロット形状は共振器内の中心点の右手側にあると仮定している。勿論、傾斜スロット形状の他の多くの構成が存在し、これらは同じ効果を達成し、したがって本発明の範囲内から生じるものである。
【００３９】
本出願では、散乱プロセスおよび反射プロセスの結果、リッジ導波路内のエッチングしたスロットの存在によって、リッジ導波路レーザ・ダイオードのスペクトルをいかに変更できる可能性があるかということについて、改善した理解を示し、共振器損失スペクトルに対する性能向上を達成するため、これらのプロセスを同時に組み合わせしていかに活用するかを教えている。この新しい理解の利点を取り入れた多くの構造について述べている。当事業者は理解するであろうが、記載の説明と例は、説明の目的で含めたものであり、さらに、本出願のための保護の範囲は、これらの例によって制限されると解釈すべきではない。
【００４０】
当事業者は理解するであろうが、本申請書で述べた構造およびスロット構成は、一般的には半導体製造業の分野において、もっと具体的には半導体レーザ製造業の分野において、共通の技術を使用して容易に実装可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】単一矩形スロットを持つ典型的な従来技術のスロット・レーザを示す図である。
【図２】単一矩形スロットを持つ典型的な従来技術のスロット・レーザを示す図である。
【図３】皮膜の無いファブリ・ペロー・レーザ・ダイオード中の典型的な定在波を示す図である。
【図４】単一の傾斜スロット形状を含むレーザ・ダイオードを示す図である。
【図５】単一の傾斜スロット形状を含むレーザ・ダイオードを示す図である。
【図６】図４および図５に示す形式のレーザ内における入射電界および反射電界を示す図である。
【図７】第一の領域“領域Ａ”から第二の領域“領域Ｂ”に進行する電界パターンの計算結果を示す図である。
【図８】図７の“領域Ａ”から“領域Ｂ”に、また“領域Ｂ”から“領域Ａ”に進行する電界パターンから得られる反射電界パターンを示す図である。
【図９】反射パターンを示す図である。
【図１０】一つ以上のエッチング・スロット形状を含むデバイスに対するフィールドであり、スロットは、隣接する急峻界面間の距離がｄ＝ｎλ／４ｎeffで与えれる位置にある。ここでｎ＝２、４、６・・・である。
【図１１】２０個の傾斜スロット形状を含む皮膜の無いデバイスに対する共振器損失スペクトルの計算結果を示す図である。
【図１２】２０個の傾斜スロット形状を含む皮膜の無いデバイスに対する共振器損失スペクトルの計算結果を示す図である。
【図１３】散乱および反射の両方の効果を考慮した場合の共振器損失スペクトルに対する効果である。
【図１４】レーザ共振器内の２個のテーパ・スロットを示す図である。
【図１５】定在波で表されたモードの共振器損失がテーパ・スロットの存在によって本質的に増加することを示す図である。
【図１６】金属で満たされたテーパ・スロットを含む共振器を示す図である。
【図１７】波長λでの共振器損失は、傾斜スロットの急峻界面が電界の節と一致する状況で、最小となるであろうことを示す図である。
【図１８】金属で満たされた２０個の傾斜スロット形状を含む皮膜の無いデバイスの共振器損失スペクトルの計算結果を示す図である。
【図１９】四分の１の材料波長のステップを示す図である。
【図２０】四分の１の材料波長のステップを示す図である。
【図２１】散乱プロセスおよび反射プロセスが互いに妨げているデバイスにおけるスロット間隔を示す図である。
【図２２】関心の波長領域における共振器損失スペクトルへの反射の影響を解消する傾斜スロット形状の一つの構成を示す図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2009506564.tif 000020
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
2009506564.tif 000026
2009506564.tif 000027
2009506564.tif 000028