(57)【要約】バンド間自己モード・ロック（ＳＭＬ）半導体レーザには、能動導波路セクションおよび１つまたは複数の受動導波路セクションを備え、それらが相俟って自己モード同調を改善する能動導波路構造が利用されている。このＳＭＬレーザの動作は、能動セクションと１つまたは複数の受動導波路セクションを垂直方向に光学的に組み合わせることによる改良型カー・レンズ・モード同調に基づいている。
2009514226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ＋リン化インジウム（ＩｎＰ）基板と、
前記ｎ＋ＩｎＰ基板の上に付着されたＰ＋リン化インジウム（ＩｎＰ）層と、
前記ＩｎＰ層の中に埋め込まれた能動導波路セクションと、
前記ＩｎＰ層の中に埋め込まれ、かつ、ＭＱＷ能動導波路セクションから分離された第１の受動導波路セクションＰ１と
を備えた自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項２】
前記能動導波路セクションが多重量子井戸（ＭＱＷ）である、請求項１に記載の自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項３】
前記能動導波路セクションがバルク材料である、請求項１に記載の自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１の受動導波路セクションがＱ１．３屈折率材料でできている、請求項１に記載の自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１の受動導波路セクションが前記能動導波路セクションの下方に埋め込まれた、請求項１に記載の自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１の受動導波路セクションから分離された第２の受動導波路セクションＰ２をさらに備え、前記第２の受動導波路セクションが１つまたは複数の受動導波路層を備えた、請求項１に記載の自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項７】
前記第１の受動導波路セクションが前記能動導波路セクションの下方に埋め込まれ、前記第２の受動導波路セクションが前記第１の受動導波路セクションの下方に埋め込まれた、請求項１に記載の自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項８】
前記第１の受動導波路セクションがＱ１．３屈折率材料でできており、前記第２の受動導波路セクションが、Ｑ１．１、Ｑ１．２またはＱ１．３屈折率材料を含むグループから選択される材料でできており、Ｑ１．１の屈折率がＱ１．３の屈折率より小さいＱ１．２の屈折率より小さい、請求項６に記載の自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項９】
前記第２の受動導波路セクションが複数の隣接する受動導波路層を備え、前記第１の受動導波路セクションに最も近い前記受動導波路層が最も大きい屈折率を有し、後続する隣接層の屈折率が前記第１の受動導波路セクションから遠くなるにつれて小さくなる、請求項５に記載の自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項１０】
前記第２の受動導波路セクションが所定の距離だけ前記第１の受動導波路セクションから分離された、請求項６に記載の自己モード・ロック半導体レーザ。
【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、より詳細にはバンド間自己モード・ロック半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子的に同調可能で、繰返し率の高い（＞１０ＧＨｚ）モード・ロック半導体レーザは、電子回路における電圧制御発振器（ＶＣＯ）の光学的等価物と見なすことができ、制御された高速論理およびディジタル通信にとっては根本的に重要な半導体レーザである。このようなモノリシック集積モード・ロック半導体レーザの研究は、約１５年前に着手されて以来、大々的に実施されている。ほとんどの場合、短い逆バイアス能動セクションが飽和吸収のために使用されている。飽和性吸収体を形成するためのイオン注入法の使用についても調査された。これらのスキームには、通常のレーザ・ダイオードの製造より多くの処理ステップが必要である。カー・レンズ・モード同調に基づく自己モード・ロック半導体レーザが、サブバンド間電子遷移を利用した、大型で、超高速光非線形性を有する量子カスケード・レーザで報告されている（たとえば、Ｒ．  Ｐａｉｅｌｌａ、Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ、Ｃ．Ｇｍａｃｈｌ、Ｄ．Ｌ．Ｓｉｖｃｏ、Ｊ．Ｎ．Ｂａｉｌｌａｒｇｅｏｎ、Ａ．Ｌ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ、Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ及びＨ．Ｃ．Ｌｉｕの文献「Ｓｅｌｆ−ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｇｉａｎｔ  ｕｌｔｒａｆａｓｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｉｅｓ」（Ｓｃｉｅｎｃｅ、２９０、１７３９〜１７４２頁（２０００））を参照されたい）。このスキームは、場合によっては製造における追加処理ステップが不要であり、したがって好ましいスキームである。
【非特許文献１】Ｒ．Ｐａｉｅｌｌａ、Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ、Ｃ．Ｇｍａｃｈｌ、Ｄ．Ｌ．  Ｓｉｖｃｏ、Ｊ．Ｎ．Ｂａｉｌｌａｒｇｅｏｎ、Ａ．Ｌ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ、Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ、Ｈ．Ｃ．Ｌｉｕ、「Ｓｅｌｆ−ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｇｉａｎｔ  ｕｌｔｒａｆａｓｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｉｅｓ」（Ｓｃｉｅｎｃｅ、２９０、１７３９〜１７４２頁（２０００））
【非特許文献２】Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、「Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ、Ｉｎｃ．（１９９２）、１００〜１０１頁）
【非特許文献３】Ｓ．Ａｄａｃｈｉ、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＩＩＩ−Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ」（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ、Ｉｎｃ．（１９９２））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、サブバンド間遷移ではなく、バンド間遷移を必要とする、１．５５ｕｍにおける半導体レーザの固有自己モード同調効果ははるかに微弱である。最近、ピコ秒パルス注入を使用した微弱自己モード同調の改善が広域半導体レーザで報告されている。製造における追加処理ステップを必要としない改良型自己モード・ロック（ＳＭＬ）半導体レーザが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、バンド間自己モード・ロック（ＳＭＬ）半導体レーザには、能動導波路セクションおよび１つまたは複数の受動導波路セクションを備え、それらが相俟って自己モード同調を改善する能動導波路構造が利用されている。このスキームによれば、レーザ・ダイオード製造プロセスの修正が最小限に抑えられ、また、レーザ共振器の長さに対する制限がより短くなるため、パルス繰返し率に対する制限が押し上げられる。一実施形態では、１．５６ｕｍ自己モード・ロック半導体レーザは、４０ＧＨｚの繰返し率で動作する。このＳＭＬレーザは、能動セクションと１つまたは複数の受動導波路セクションを垂直方向に組み合わせることによる改良型カー・レンズ・モード同調に基づいている。パルス・スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）の幅は８ｎｍ以上であり、時間領域パルス継続期間は約１０ｐｓである。へき開ファイバに結合される平均出力パワーは０ｄＢｍより大きい。
【０００５】
より詳細には、本発明によれば、
ｎ＋リン化インジウム（ＩｎＰ）基板と、
ｎ＋ＩｎＰ基板の上に付着されたＰ＋リン化インジウム（ＩｎＰ）層と、
ＩｎＰ層の中に埋め込まれた能動導波路セクションと、
ＩｎＰ層の中に埋め込まれ、かつ、ＭＱＷ能動導波路セクションから分離された第１の受動導波路セクションと
を備えた自己モード・ロック半導体レーザが提供される。
【０００６】
能動導波路セクションは、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を使用して、あるいはバルク材料を使用して実施することができる。他の実施形態には、能動導波路セクションの下方または上方に第１の受動導波路セクションを形成するステップ、あるいは１つまたは複数の層を有する第２の受動導波路セクションを追加するステップが含まれている。第２の受動導波路セクションは、能動導波路セクションの上方または下方に配置することも可能である。他の実施形態は様々である。第１および第２の受動導波路セクションに使用される屈折率材料は、Ｑ１．１、Ｑ１．２およびＱ１．３タイプのインジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＧａＡｓＰ）材料を含むグループから選択することができる。
本発明の他の態様、特徴および利点は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲および添付の図面からより完全に明らかになるであろう。
以下の説明では、異なる図における全く同じ構成要素表示は、全く同じ構成要素を表している。構成要素表示に加えて、最初の桁は、その構成要素が最初に出現する図を表している（たとえば１０１は、最初に図１に出現する）。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１を参照すると、従来技術による端面発光屈折率導波型半導体レーザ１００の上面図が示されている。陰影が施された領域は、能動導波路１０１を示している。従来技術の場合、このようなレーザは、バンド間連続発振（ＣＷ）レーザとして、あるいはサブバンド間自己起動自己モード・ロック（ＳＭＬ）レーザとして製造されている。レーザ共振器Ｌは、２つのへき開ファセット１０２および１０３によって形成され、レーザ周波数は、共振器の長さおよび導波路の屈折率で決まる。レーザ１００のへき開は、図２を参照して説明するように、レーザ１００が完全に製造された後に実施される。端面発光レーザ１００の出力は、１０４で示すように、能動多重量子井戸（ＭＱＷ）領域から放出される。
【０００８】
図２を参照すると、図１の断面ａ−ａの実例横断面図が示されている。ＣＷレーザ１００は、弱い屈折率導波のためのリッジ型導波路構造または強い屈折率導波のための食刻メサを使用して製造することができる。参照によりその記述が本明細書に組み込まれている、Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌの書籍「Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ、Ｉｎｃ．（１９９２）、１００〜１０１頁）に、屈折率導波型半導体レーザ製造の概要が記載されている。図２は、食刻メサＣＷレーザ１００のための導波路構造を示したものである。図２を参照すると、ＣＷレーザ１００は、ベース・ウェーハ基板２０１の幅Ｗｓ全体にわたって層１０１および２０３を付着させることによって、あるいはエピタキシャル成長させることによって形成されている。ベース・ウェーハ基板２０１は、ｎ＋材料、つまり重くドープされたｎ−型リン化インジウム（ＩｎＰ）半導体でできている。層１０１は、インジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＧａＡｓＰ）多重量子井戸（ＭＱＷ）領域であり、層２０３は、ｐ−型ＩｎＰ領域である。層２０１、１０１および２０３が形成されると、ディープ・ウェット・エッチング・プロセスによってＭＱＷ層１０１までトレンチ２０４が形成され、それにより幅Ｗを有する能動導波路領域（あるいはセクション）が形成される。次に、ｎ−型ＩｎＰ層２０５、ｉ−型半絶縁性鉄ドープＩｎＰ層２０６および第２のｎ−型ＩｎＰ層２０７が逐次エピタキシャル成長され、能動導波路領域が埋め込まれる。次に、重くドープされたｐ−型ＩｎＰのｐ＋領域が層２０８としてベース・ウェーハの幅Ｗｓ全体にわたって付着される。次に、表面２０９および２１０にコンタクトが形成される。レーザを動作させるために、コンタクト２０９および２１０の両端間に直流Ｉ（ｄｃ）が印加され、能動導波路領域１０１のへき開端１０３から端面発光レーザ出力１０４が出力される。
【０００９】
上で参照したサブバンド間自己起動自己モード・ロック（ｓｅｌｆ−ｓｔａｒｔ  ｓｅｌｆ−ｍｏｄｅ  ｌｏｃｋｅｄ：ＳＭＬ）レーザも同様の方法で製造することができる。上で参照した、参照によりその記述が本明細書に組み込まれているＲ．Ｐａｉｅｌｌａ等の論文に、このようなサブバンド間自己起動自己モード・ロック（ＳＭＬ）レーザの導波路構造の製造および動作が記載されている。Ｒ．Ｐａｉｅｌｌａ等の論文では、サブバンド間ＳＭＬレーザの食刻メサ・タイプ製造の横断面図が図４に示されている。レーザは、超短光ＳＭＬレーザ信号を生成するために、サブバンド間電子遷移すなわち量子化伝導帯状態間の遷移を利用した能動導波路領域を備えている。
【００１０】
図３は、本発明によるバンド間ＳＭＬ半導体レーザ３００の一実施形態の実例横断面図を示したものである。本発明によるバンド間ＳＭＬレーザの上面図は、図１に示す形で出現することになる。本発明によるバンド間ＳＭＬレーザには、上で説明した、図２に示すＣＷレーザで示した製造ステップと同じ製造ステップを基本的に利用した食刻メサ製造が使用されている。しかしながら、ＣＷレーザとは異なり、本発明によるバンド間ＳＭＬレーザは、能動ＭＱＷセクション１０１および少なくとも１つの個別受動導波路セクションの両方を備えている（図３には、２つの受動導波路セクション３０１Ａおよび３０１Ｂが示されている）。本発明によるバンド間ＳＭＬレーザのこの特定の実施形態は、ＩｎＰ層３１４によって分離された２つの受動導波路セクション３０１Ａ（厚さ約３００ｎｍ）および３０１Ｂ（厚さ約１００ｎｍ）を備えている。他のバンド間ＳＭＬレーザ実施形態は、能動ＭＱＷセクション１０１の上方または下方に配置された受動導波路セクション（たとえば３０１Ａおよび３０１Ｂ）を備えることができる。１つの受動導波路セクション、たとえば３０１Ｂのみを利用する場合、その受動導波路セクション（約３００ｎｍの厚さに修正される）は、図３に示すように、ＩｎＰ層３１５（厚さ約１５ｎｍ）の下方に配置し、該ＩｎＰ層３１５によって能動ＭＱＷセクション１０１から分離することができ、あるいは能動ＭＱＷセクション１０１の上方（図３のマーカ３０１Ｂ’で示す実例位置）に配置することができる。マーカ３０１Ｂ’で示す位置は、その１つの受動導波路セクションをＩｎＰ層（厚さ約１５ｎｍ）の上方に配置し、該ＩｎＰ層によって能動ＭＱＷセクション１０１およびその下方から分離することができることを示している。１つの受動導波路セクションのみを使用する場合、その材料には、Ｑ１．３屈折率材料（ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ）を使用することができる。
【００１１】
本発明について、ＭＱＷ構造を使用した能動導波路セクション１０１を使用して説明されているが、バルク材料構造を能動導波路セクション１０１として使用することも可能であることを理解されたい。このバルク材料は、所望の動作波長に基づいて選択される。たとえば、１．５５ｕｍの波長で動作させることが望ましい場合、バルクにはＱ１．５５を使用することができる。しかしながら、所望の動作波長が１．３ｕｍの場合、バルクにはＱ１．３を使用することができるが、それに応じて同じ方向に受動材料構造をシフトさせなければならず、たとえばセクション３０１Ｂは、Ｑ１．１ないしＱ１．２の範囲でなければならず、また、セクション３０１Ａの層は、Ｑ１．０ないしＱ１．２の範囲でなければならない。
【００１２】
また、１つの受動導波路セクション３０１Ｂのみを使用する場合、そのセクションは、１つ、２つまたは３つの隣接する層を備えることができる。したがって、１つの受動導波路セクション３０１Ｂのみを使用し、かつ、受動導波路セクション３０１Ｂが３つの隣接する層を有している場合、その３つの層は、セクション３０１Ａに現在示されているように配置されることになる。これらの３つの層に使用される屈折率材料は、Ｑ１．１、Ｑ１．２およびＱ１．３屈折率材料を含むグループから選択される。Ｑ１．１（ＩｎＧａＡｓＰ−１．１μｍ）の屈折率は、Ｑ１．３（ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ）より小さいＱ１．２（ＩｎＧａＡｓＰ−１．２μｍ）より小さく、また、ＭＱＷ能動セクション１０１に最も近い層は、より大きい屈折率値を有していなければならない。このような実施形態では、Ｑ１．１、Ｑ１．２およびＱ１．３屈折率材料の厚さは、それぞれ１００ｎｍ、１００ｎｍおよび１００ｎｍにすることができる。２つの受動導波路セクションを使用し、第１の受動導波路セクションを第２の受動導波路セクションよりＭＱＷ能動セクション１０１の近くに配置する場合（図３に示されているセクション３０１Ｂ）、第２の受動導波路セクションにのみ複数の層（３１１、３１２および３１３）を持たせることができる。第２の受動導波路セクション  これらの複数の層は、すべて、第１の受動導波路セクションに最も近い受動導波路層が最も大きい屈折率を有し、より下方の隣接する層は、第１の受動導波路セクションから遠くなるにつれてその屈折率が小さくなるように配置することができる。したがってたとえば図３の場合、第２の受動導波路セクション３０１Ａは、３つの隣接する層３１１、３１２および３１３を有しており、セクション３１３が第１の受動導波路に最も近い受動導波路層であり、したがって最も大きい屈折率Ｑ１．３を有している。その次に最も近い受動導波路層３１２は、屈折率Ｑ１．２を有しており、最も遠い受動導波路層３１１は、屈折率Ｑ１．１を有している。図３に示すような２つの受動導波路セクション実施形態の場合、第１の受動導波路セクション３０１Ｂの単一層の屈折率は、第２の受動セクション３０１Ａの第１の層３１３の屈折率Ｑ１．３に等しいかあるいはそれより大きい屈折率Ｑ１．３を有していることに留意されたい。
【００１３】
引き続いて図３を参照して、本発明による、２つの受動導波路セクション３０１Ａおよび３０１Ｂを備えたバンド間自己起動モード・ロック（ＳＭＬ）レーザの好ましい実施形態の製造について説明する。ベース・ウェーハ基板３０１は、ｎ＋ＩｎＰ材料、つまり重くドープされた、厚さ１００ｕｍないし５００ｕｍのｎ−型リン化インジウム（ＩｎＰ）半導体でできている。図に示す受動導波路セクション３０１Ａは、３つの層３１１、３１２および３１３を備えている。ベース・ウェーハ基板３０１の上に（ウェーハ基板３０１に隣接して）屈折率Ｑ１．１（ＩｎＧａＡｓＰ−１．１μｍ）材料の第１の層３１１がエピタキシャル成長される。次に、第１の層３１１の上に屈折率Ｑ１．２（ＩｎＧａＡｓＰ−１．２μｍ）材料の第２の層３１２が直接エピタキシャル成長され、引き続いて第２の層３１２の上に屈折率Ｑ１．３（ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ）材料の第３の層３１３が直接エピタキシャル成長される。実例では、これらの３つの層３１１、３１２および３１３の厚さは、それぞれ１１５ｎｍ、１１５ｎｍおよび１２０ｎｍである。通常、これらの３つの層３１１、３１２および３１３は、同じ厚さを有している。
【００１４】
次に、層３１３の上に厚さ１５ｎｍのＩｎＰ材料の層３１４がエピタキシャル成長され、続いて層３１４の上に厚さ１０５ｎｍの屈折率Ｑ１．３（ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ）材料の受動導波路セクション３０１Ｂがエピタキシャル成長される。次に、受動導波路セクション３０１Ｂの上に厚さ１５ｎｍのＩｎＰ材料のもう１つの層３１５がエピタキシャル成長される。次に、層３１５の上にインジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＧａＡｓＰ）多重量子井戸（ＭＱＷ）能動導波路セクション１０１が製造される。このＭＱＷ能動導波路セクション１０１は、約８０ｎｍの厚さを有することができ、多重量子井戸（実例では１８ｎｍ）を備えている。次に、ＭＱＷ能動導波路セクション１０１の上に厚さ６５０ｎｍのｐ−型ＩｎＰ領域３０３が付着される。上記製造は、すべて、幅Ｗｓ全体にわたって実施され、したがってデバイスの寸法は、Ｈ×Ｗｓ（たとえば寸法１ｍｍ×０．５ｍｍ）である。次のステップには、ディープ・ウェット・エッチングを使用して、ＭＱＷ層１０１の幅が約１ｕｍになるまでトレンチ３０４をエッチングするステップが含まれている（図１に示されている）。次に、ｎ−型ＩｎＰ層３０５、ｉ−型半絶縁性鉄ドープＩｎＰ層３０６および最後に第２のｎ−型ＩｎＰ層３０７がトレンチのフランク２０４に逐次付着され、能動ＭＱＷ導波路領域１０１が埋め込まれる。再成長は、ｐ層３０３の頂部まで成長させなければならない。次に、重くドープされた、厚さ２ｕｍのｐ−型ＩｎＰのｐ＋領域が、層３０８としてベース・ウェーハの幅Ｗｓ全体にわたって付着される。次に、表面３０９および３１０にコンタクトが形成される。バンド間ＳＭＬレーザ構造３００が上で説明したように製造されると、次に、その縁（図１の１０２および１０３）に沿ってへき開され、所望の長さ（図１のＬ）のレーザ共振器が形成される。製造が完了すると、本発明によるＳＭＬレーザ３００は、ｎ＋ＩｎＰ基板の上に付着されたｐ＋リン化インジウム（ＩｎＰ）層を有するｎ＋リン化インジウム（ＩｎＰ）基板として出現する。多重量子井戸（ＭＱＷ）能動導波路セクションおよび第１の受動導波路セクションは、いずれもＩｎＰ層に埋め込まれており、かつ、ＭＱＷ能動導波路セクションから分離されている。以上、ウェット食刻メサ技法を使用して製造されるものとして本発明によるバンド間ＳＭＬレーザ３００を説明したが、ドライ・エッチングなどの他の製造技法を利用することも可能である。
【００１５】
バンド間ＳＭＬレーザ３００を動作させるために、コンタクト３０９および３１０の両端間に直流Ｉ（ｄｃ）が印加され、能動導波路領域１０１のへき開端１０２および１０３からモード・ロック・パルス列信号１０４が放出される。図５に示すように、モード・ロック・パルス列の繰返し率は４０ＧＨｚであり、時間領域における２５ｎｓのパルス分離に対応している。この繰返し率は、共振器の長さ（図１のＬ）と、ＭＱＷ能動導波路セクション１０１および２つの受動導波路セクション３０１Ａ、３０１Ｂによって形成される実効能動導波路構造の屈折率とによって決まる。本発明による構造によれば、レーザ共振器の長さ（図１のＬ）に対する制限がより短くなるため、モード・ロック・パルス列の繰返し率の上限が押し上げられる。
【００１６】
本発明によるバンド間ＳＭＬレーザの一般的な動作について、上で参照したＲ．Ｐａｉｌｌａ等の論文に記載されているサブバンド間レーザを参照して説明し、サブバンド間レーザとの相違を明確にする。何らかの外部機構または内部機構によってレーザ共振器（図１のＬ）の縦モードを同相に固定することにより超短光モード・ロック・パルスが生成され、繰返し率が共振器往復周波数（本発明の実施例では４０ＧＨｚ）に等しいパルス列が生成される。短光モード・ロック・パルスは、本発明によるＭＱＷ能動導波路セクション内におけるバンド間電子遷移、すなわち伝導帯状態と価電子帯状態の間の遷移に基づいている。自己モード同調（ＳＭＬ）特性は、非直線性、つまりバンド間電子遷移の強度依存屈折率（しばしば光カー効果と呼ばれている）から引き出される。屈折率は、光強度によって非線形で変化する。
【００１７】
図４は、Ｓ．Ａｄａｃｈｉの「Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＩＩＩ−Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ」（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ、Ｉｎｃ．（１９９２））の図８．２７に示されている異なるＩｎＧａＡｓＰ材料の屈折率曲線である。図４は、ｙ組成の増分が０．１である光子エネルギー（ｈｗ）を関数としたＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙの計算屈折率を示したものである。実線および点線は、それぞれ理想的な場合および穏やかな減数係数の場合を示している。図４には、受動導波路セクション３０１Ａおよび３０１Ｂに使用される様々な屈折率材料Ｑ１．１、Ｑ１．２およびＱ１．３、ならびにＳＭＬ動作波長４０１が示されている。図４に示すように、Ｑ１．３層は、バンドギャップが動作波長４０１に最も近いため、受動導波路セクション３０１Ａの最も重要な層である。また、キャリヤ効果のため、バイアス電流Ｉによって導波路屈折率が変化し、したがって共振器の長さを約１％の比較的広い範囲で速やかに同調させることができる。
【００１８】
本発明によるＳＭＬレーザ３００は、能動セクション（ＭＱＷ能動導波路セクション１０１）と受動セクション３０１Ａおよび３０１Ｂを組み合わせることによって形成されている。ＭＱＷ能動導波路セクション１０１が利得を提供し、また、受動導波路構造（受動セクション３０１Ａおよび３０１Ｂ）がカー・レンズ効果を強化しており、したがって自己モード同調を容易にしている。能動セクション１０１および受動セクション３０１Ａ、３０１Ｂは、いずれもベース材料すなわちＩｎＰの中に埋め込まれている。総能動導波路構造のうちの大部分を占めている受動導波路構造３０１Ａおよび３０１Ｂがカー・レンズ効果を強化し、したがって自己モード同調を強化している。実例受動導波路は、帯端が１１００ｎｍ（Ｑ１．１材料）、１２００ｎｍ（Ｑ１．２材料）から１３００ｎｍ（Ｑ１．３材料）までの屈折率分布１／４層からなっている。図３に示す実例ＭＱＷセクション１０１には、対称引張り障壁によってひずみが補償された４つの圧縮ひずみ量子井戸が使用されている。能動セクション１０１は、光利得を提供するために、量子井戸構造（ＭＱＷ）またはバルクのいずれかを使用して構築することができることに留意されたい。ＳＭＬレーザ・ダイオード３００の長さ（図１のＬ）は約１ｍｍであり、それにより４０ＧＨｚの繰返し率を生成している。また、ＳＭＬレーザ・ダイオード３００は、１００ｕｍの幅Ｗ（図１）を有している（デバイスの実際の幅は重要ではなく、臨界幅は能動導波路１０１の幅であり、本発明の場合、約１ｕｍである）。
【００１９】
本発明によるバンド間ＳＭＬレーザによれば、レーザ・ダイオード製造プロセスの修正が最小限に抑えられ、また、レーザ共振器の長さＬに対する制限がより短くなるため、パルス繰返し率に対する制限が押し上げられる。一実施形態では、１．５６ｕｍ導波路自己モード・ロック半導体レーザは、４０ＧＨｚの繰返し率で動作する。本発明によるバンド間ＳＭＬレーザは、能動セクションと１つまたは複数の受動導波セクションを垂直方向に組み合わせることによってカー・レンズ・モード同調効果を強化している。パルス・スペクトルのＦＷＨＭ幅は８ｎｍより大きく、時間領域パルス継続期間は約１０ｐｓである。へき開ファイバに結合されるモード・ロック・パルス列１０４の平均出力パワーは０ｄＢｍより大きい。
【００２０】
当業者には、上で説明した実施形態ならびに本発明の他の実施形態に対する、本発明に属する様々な修正が明らかであり、それらの様々な修正は、特許請求の範囲に示されている本発明の原理および範囲に包含されるものとする。
【００２１】
特許請求の範囲に方法クレームが含まれていれば、その方法クレームにおけるステップは、対応する標識を使用して特定のシーケンスで記載されているが、これらのステップの一部またはすべてを実施するための特定のシーケンスであることをそのクレームが特にほのめかしていない限り、これらのステップは、必ずしもその特定のシーケンスでの実施に限定されることが意図されているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術による端面発光屈折率導波型半導体レーザの上面図である。
【図２】図１の断面ａ−ａの実例横断面図である。
【図３】本発明によるバンド間自己モード・ロック（ＳＭＬ）半導体レーザの実例横断面図である。
【図４】ｙ組成の増分が０．１である光子エネルギーを関数としたＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙの計算屈折率を示すグラフである。
【図５】図３に示す本発明によるバンド間ＳＭＬレーザのパルス繰返し率を示すグラフである。
【図１】
2009514226.tif 000003
【図２】
2009514226.tif 000004
【図３】
2009514226.tif 000005
【図４】
2009514226.tif 000006
【図５】
2009514226.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月24日(2007.8.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ＋リン化インジウム（ＩｎＰ）基板と、
前記ｎ＋ＩｎＰ基板の上に付着されたｐ＋リン化インジウム（ＩｎＰ）層と、
前記ＩｎＰ層と前記ＩｎＰ基板との間に埋め込まれた能動導波路セクションとを備えたバンド間自己モード・ロック半導体レーザであって、
前記ＩｎＰ層と前記ＩｎＰ基板との間に埋め込まれ、かつ、前記能動導波路セクションから分離された、カー・レンズ効果によって自己モード同調に寄与するように適合された第１の受動導波路セクションを特徴とするバンド間自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項２】
前記能動導波路セクションが多重量子井戸（ＭＱＷ）である、請求項１に記載のバンド間自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項３】
前記能動導波路セクションがバルク材料である、請求項１に記載のバンド間自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１の受動導波路セクションが、約１．３μｍのフォトルミネセンスを生成するように適合されたＩｎＧａＡｓＰからなる、請求項１に記載のバンド間自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１の受動導波路セクションが前記能動導波路セクションと前記ＩｎＰ基板の間に埋め込まれた、請求項１に記載のバンド間自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１の受動導波路セクションから分離された第２の受動導波路セクションをさらに備え、前記第２の受動導波路セクションが１つまたは複数の受動導波路層を備え、前記第２の受動導波路セクションが、前記カー・レンズ効果によって前記自己モード同調にさらに寄与するように適合された、請求項１に記載のバンド間自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項７】
前記第１の受動導波路セクションが前記能動導波路セクションと前記ＩｎＰ基板の間に埋め込まれ、
前記第２の受動導波路セクションが前記第１の受動導波路セクションと前記ＩｎＰ基板の間に埋め込まれた、請求項１に記載のバンド間自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項８】
前記第１の受動導波路セクションが、約１．３μｍのフォトルミネセンスを生成するように適合されたＩｎＧａＡｓＰからなり、
前記第２の受動導波路セクションが、約１．１μｍ、１．２μｍまたは１．３μｍのフォトルミネセンスを生成するように適合されたＩｎＧａＡｓＰからなる、請求項６に記載のバンド間自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項９】
前記第２の受動導波路セクションが複数の隣接する受動導波路層を備え、前記第１の受動導波路セクションに最も近い前記受動導波路層が最も大きい屈折率を有し、後続する隣接層の屈折率が前記第１の受動導波路セクションから遠くなるにつれて小さくなる、請求項６に記載のバンド間自己モード・ロック半導体レーザ。
【請求項１０】
前記第１の受動導波路セクションが、第１の中間層によって前記能動導波路セクションから分離され、
前記第２の受動導波路セクションが、第２の中間層によって前記第１の受動導波路セクションから分離された、請求項６に記載のバンド間自己モード・ロック半導体レーザ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
しかしながら、サブバンド間遷移ではなく、バンド間遷移を必要とする、１．５５μｍにおける半導体レーザの固有自己モード同調効果ははるかに微弱である。最近、ピコ秒パルス注入を使用した微弱自己モード同調の改善が広域半導体レーザで報告されている。製造における追加処理ステップを必要としない改良型自己モード・ロック（ＳＭＬ）半導体レーザが必要である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
図２を参照すると、図１の断面ａ−ａの実例横断面図が示されている。ＣＷレーザ１００は、弱い屈折率導波のためのリッジ型導波路構造または強い屈折率導波のための食刻メサを使用して製造することができる。Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌの書籍「Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ、Ｉｎｃ．（１９９２）、１００〜１０１頁）に、屈折率導波型半導体レーザ製造の概要が記載されている。図２は、食刻メサＣＷレーザ１００のための導波路構造を示したものである。図２を参照すると、ＣＷレーザ１００は、ベース・ウェーハ基板２０１の幅Ｗｓ全体にわたって層１０１および２０３を付着させることによって、あるいはエピタキシャル成長させることによって形成されている。ベース・ウェーハ基板２０１は、ｎ＋材料、つまり重くドープされたｎ−型リン化インジウム（ＩｎＰ）半導体でできている。層１０１は、インジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＧａＡｓＰ）多重量子井戸（ＭＱＷ）領域であり、層２０３は、ｐ−型ＩｎＰ領域である。層２０１、１０１および２０３が形成されると、ディープ・ウェット・エッチング・プロセスによってＭＱＷ層１０１までトレンチ２０４が形成され、それにより幅Ｗを有する能動導波路領域（あるいはセクション）が形成される。次に、ｎ−型ＩｎＰ層２０５、ｉ−型半絶縁性鉄ドープＩｎＰ層２０６および第２のｎ−型ＩｎＰ層２０７が逐次エピタキシャル成長され、能動導波路領域が埋め込まれる。次に、重くドープされたｐ−型ＩｎＰのｐ＋領域が層２０８としてベース・ウェーハの幅Ｗｓ全体にわたって付着される。次に、表面２０９および２１０にコンタクトが形成される。レーザを動作させるために、コンタクト２０９および２１０の両端間に直流Ｉ（ｄｃ）が印加され、能動導波路領域１０１のへき開端１０３から端面発光レーザ出力１０４が出力される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上で参照したサブバンド間自己起動自己モード・ロック（ｓｅｌｆ−ｓｔａｒｔ  ｓｅｌｆ−ｍｏｄｅ  ｌｏｃｋｅｄ：ＳＭＬ）レーザも同様の方法で製造することができる。上で参照した、Ｒ．Ｐａｉｅｌｌａ等の論文に、このようなサブバンド間自己起動自己モード・ロック（ＳＭＬ）レーザの導波路構造の製造および動作が記載されている。Ｒ．Ｐａｉｅｌｌａ等の論文では、サブバンド間ＳＭＬレーザの食刻メサ・タイプ製造の横断面図が図４に示されている。レーザは、超短光ＳＭＬレーザ信号を生成するために、サブバンド間電子遷移すなわち量子化伝導帯状態間の遷移を利用した能動導波路領域を備えている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、１つの受動導波路セクション３０１Ｂのみを使用する場合、そのセクションは、１つ、２つまたは３つの隣接する層を備えることができる。したがって、１つの受動導波路セクション３０１Ｂのみを使用し、かつ、受動導波路セクション３０１Ｂが３つの隣接する層を有している場合、その３つの層は、セクション３０１Ａに現在示されているように配置されることになる。これらの３つの層に使用される屈折率材料は、Ｑ１．１、Ｑ１．２およびＱ１．３屈折率材料を含むグループから選択される。Ｑ１．１（ＩｎＧａＡｓＰ−１．１μｍ）の屈折率は、Ｑ１．３（ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ）より小さいＱ１．２（ＩｎＧａＡｓＰ−１．２μｍ）より小さく、また、ＭＱＷ能動セクション１０１に最も近い層は、より大きい屈折率値を有していなければならない。このような実施形態では、Ｑ１．１、Ｑ１．２およびＱ１．３屈折率材料の厚さは、それぞれ１００ｎｍ、１００ｎｍおよび１００ｎｍにすることができる。２つの受動導波路セクションを使用し、第１の受動導波路セクションを第２の受動導波路セクションよりＭＱＷ能動セクション１０１の近くに配置する場合（図３に示されているセクション３０１Ｂ）、第２の受動導波路セクションにのみ複数の層（３１１、３１２および３１３）を持たせることができる。第２の受動導波路セクションのこれらの複数の層は、すべて、第１の受動導波路セクションに最も近い受動導波路層が最も大きい屈折率を有し、より下方の隣接する層は、第１の受動導波路セクションから遠くなるにつれてその屈折率が小さくなるように配置することができる。したがってたとえば図３の場合、第２の受動導波路セクション３０１Ａは、３つの隣接する層３１１、３１２および３１３を有しており、セクション３１３が第１の受動導波路に最も近い受動導波路層であり、したがって最も大きい屈折率Ｑ１．３を有している。その次に最も近い受動導波路層３１２は、屈折率Ｑ１．２を有しており、最も遠い受動導波路層３１１は、屈折率Ｑ１．１を有している。図３に示すような２つの受動導波路セクション実施形態の場合、第１の受動導波路セクション３０１Ｂの単一層の屈折率は、第２の受動セクション３０１Ａの第１の層３１３の屈折率Ｑ１．３に等しいかあるいはそれより大きい屈折率Ｑ１．３を有していることに留意されたい。
【国際調査報告】
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