(57)【要約】規定されたモードパターンを有して光放射を発光するレーザ装置であって、特に、半導体レーザ（５０）は、ウェーハレベルにおいて、即ち、ウェーハがへき開／切断により個々のダイに分離される前に、後処理により標準的なファブリペロー（ＦＰ）レーザ〜生成されることができる。サブ共振器はＦＰレーザ共振器（５０）において形成される。サブ共振器は所定の長さを有し、ＦＰファセット（１２、１４）間に位置付けられる。サブ共振器に関連する所定の間隔及び所定の要素間分離を伴う、少数の、典型的には１０個以下のコントラスト要素（５２）から成る非周期的格子は光導波路（１６）内又はその上にある。サブ共振器に関連する所定の間隔及び所定の要素間分離は、導波路（１６）内の光放射伝搬のための非周期的格子のフィルタリング機能を構成する。レーザ装置（５０）は、狭い線幅とハイサイドモードの抑圧比のために、電気通信アプリケーションのために適切である。
2005528803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１レーザ発振モードを規定するファセット及び光導波路から構成されるレーザ共振器；
前記レーザ共振器内に形成されたサブ共振器であって、前記サブ共振器は所定の長さを有し、前記ファセットの間に位置付けられ、前記の所定のサブ共振器の長さは、第１レーザ発振モードのフロースペクトルレンジ（ＦＳＲ）より大きいＦＳＲを有する第２レーザ発振モードを規定する、サブ共振器；及び
前記サブ共振器に関連する所定の間隔と所定の要素間分離とを有する複数のコントラスト要素であって、サブ共振器の外側に位置付けられ、前記光導波路と相互作用し、及び非周期的格子を形成する、複数のコントラスト要素；
から構成されるレーザ装置であって
前記要素間分離及び間隔は、前記導波路における光放射伝搬のための非周期的格子のフィルタリング機能を構成する；
ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ装置であって、前記サブ共振器の間隔は、前記光導波路に伸びる少なくとも２つの不連続部により規定される、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ装置であって、前記の少なくとも２つの不連続部はトレンチの形態で具現されている、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項４】
請求項２に記載のレーザ装置であって、前記の少なくとも２つの不連続部はクリーブの形態で具現されている、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項５】
請求項１に記載のレーザ装置であって、前記コントラスト要素は、導波路の屈折率と異なる屈折率を有する領域から構成される、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザ装置であって、前記導波路は上部クラッドを含み、前記コントラスト要素は、上部クラッド層の屈折率と異なる屈折率を有する領域から構成される、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項７】
請求項１に記載のレーザ装置であって、前記フィルタリング機能は、レーザ装置が少なくとも１つの規定されたモードを有するレーザ放射を発光するようにする、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザ装置であって、前記の発光されたレーザ放射は単一モードである、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項９】
請求項１に記載のレーザ装置であって、少なくともサブ共振器の長さに亘って析出されたコンタクト層を更に有する、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項１０】
請求項１に記載のレーザ装置であって、前記ファセットは反射防止コーティングが形成されている、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項１１】
請求項１に記載のレーザ装置であって、前記ファセットの少なくとも１つは、導波路に対して実質的に垂直の方向に導波路内の光放射伝搬を導く傾いたファセットとして具備されている、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項１２】
請求項１に記載のレーザ装置であって、前記ファセットの少なくとも１つは、導波路に対して実質的に垂直の方向に導波路内の光放射伝搬を導く反射ファセットの反対の位置に配置されている、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項１３】
所望のモード構造を有する光放射を生成する方法であって：
前記光放射を伝搬することができる光導波路を形成する段階；
所定の長さを有するサブ共振器を前記光導波路において形成する段階であって、前記サブ共振器は、所望のモード構造と重なり合うサブ共振器モード構造を生成する、段階；並びに
コンタクト要素を有する非周期的フィルタを前記光導波路に沿って形成する段階であって、前記非周期的フィルタは、所望のモード構造を生成するためにサブ共振器モード構造をフィルタリングする、段階であり、
所望のモード構造とフィルタの実際のスペクトル応答との間の適合度を表すコスト関数を定義すること、
少なくとも１つの固有の属性を非周期的フィル他の各々のコントラスト要素に割り当てること、
光導波路に沿ってコントラスト要素の最初の配列を生成すること、
各々のイテレーションに対してコスト関数を計算し、少なくとも１つのコントラスト要素の少なくとも１つの固有の属性を反復して修正すること、及び
イテレーションに対する計算されたコスト関数が所定のコスト関数値より小さい場合、前記所望のモード構造を与えるためにコントラスト要素の最適配列としてコントラスト要素の対応する配列を選択すること、
の実行による、段階；
から構成されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記のコントラスト要素の最適配列は、前記サブ共振器に関連して及び互いに関連して前記コントラスト要素の空間的レイアウトを規定する、ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法であって、前記光導波路に沿ってファセットの位置を規定する段階であって、前記ファセットの位置はファブリペローモードを規定する、段階と、前記サブ共振器と前記ファセットの位置の間の前記の最適に配列されたコントラスト要素とを位置付ける段階と、から更に構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記サブ共振器モード構造は、ファブリペローモードのフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）より大きいＦＳＲを有する、ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、一方で、前記ファセット位置の間の距離は、他方で、前記サブ共振器及び前記の最適に配列されたコントラスト要素は、おおよそ規定される、ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法であって、前記固有の属性はコントラスト要素の物理的寸法である、ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、前記物理的寸法はコントラスト要素の幅及び高さの少なくとも１つである、ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１３に記載の方法であって、前記固有の属性はコントラスト要素の屈折率である、ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１３に記載の方法であって、前記固有の属性は隣接するコントラスト要素の間の間隔である、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気通信アプリケーションのための大きいサイドモード抑圧比と狭い線幅とを有する半導体レーザに関し、更に詳細には、ウェーハレベルにおいて、即ち、ウェーハがへき開／切断により個々のダイに分離される前に、そのような装置に後処理を施すことができるファブリペロー半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
ファブリペロー（ＦＰ）レーザは、フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）により分離されたモードを用いて、利得スペクトルのエンベロープ内にマルチレーザ発振モードを有する。フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）は、ファセット間のレーザ共振器の長さと活性層の実効屈折率及びその分散とにより決定される。ＦＰレーザは、今日、ショートリーチ式（代表的には、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）又は広域ネットワーク（ＷＡＮ））アプリケーションにおいて用いられており、標準的な発光波長の周囲のマルチレーザ発振モードのためのその比較的広いい実効線幅が許容されている。しかしながら、そのような比較的広い線幅は、光ファイバの色分散の幅を伴う累積効果のために符号間干渉をもたらし、それ故、例えば、メトロポリタンエリア（ＭＡ）ネットワーク及びロングホール（ＬＨ）ネットワークにおける長距離伝送に対するその使用を不可能にしている。広い線幅は又、ＤＷＤＭネットワークにおけるチャネル間隔が減少されるとき、クロストークの問題（又は、チャネル間隔制限）を引き起こす。典型的には、ＭＡネットワーク及びＬＨネットワークにおけるスパンは、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザのような単一モードの狭い線幅のレーザダイオードの使用を必要とする。ＤＦＢは、活性層の近傍に又はそれに沿って存在する格子を有し、単一モードでレーザ発振する傾向にあり、大きいサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）と狭い線幅の両方を有する。しかしながら、格子を形成し、その後、上部デバイス層を続けて形成に先立って不動態化するために必要な複雑なエッチング及び再成長処理は、ＦＰ層に比較してＤＦＢの製造コストを高くしている。
【０００３】
後成長処理により、ＦＰレーザを擬似単一モードに変換するための試みが、過去に報告されてきた。
【０００４】
国際公開第０１／１８９２４Ａ１号パンフレットにおいて、半導体レーザの導波路領域の外側にエッチングされた凹部の二次元パターンを形成し、それにより、孔近傍の導波路の実効屈折率を変化させることが開示されている。しかしながら、実効屈折率コントラストは小さく、ここで開示する技術に比べて、単一モードの動作を安定化させるためには、特徴数を、二桁、増加させる必要がある。
【０００５】
ＦＰレーザを単一モード動作にするための他の方法について、Ｋｏｚｌｏｗｓｋｉ等により、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．６，ｐｐ．７５５−７，１９９６に開示されている。ＦＰレーザの活性層の上端と同じ位、下に広げられた凹部が、特定のモードを抑圧するために形成される。しかしながら、Ｋｏｚｌｏｗｓｋｉ等による設計においては、レーザファセットから、例えば、Ｌ／２、Ｌ／４又はＬ／８の、レーザ波長Ｌの整数分の１に凹部が位置付けられていることが必要である。好ましくは、ウェーハがレーザダイにへき開される前に、凹部は形成されるために及びいずれの所定のレーザダイのへき開時の長さにおける数ミクロンの不確実さのために、この技術は、ディスクリートレーザ装置、実装レーザ装置、測定されたそれらの長さにおける精度のみにおいて実行されることができる。それ故、その処理は、実際のアプリケーションにおいて実現することは困難であり、実施するには高いコストが掛かる。
【０００６】
他の方法については、ＤｅＣｈｉａｒｏにより、Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．８，ｐｐ．９７５−９８６，Ａｕｇ．１９９１に報告されており、その文献において、素子の光軸に沿った適切な位置に吸収領域が導入されている。吸収領域は又、ＦＰの長さが正確に分かっていることを又、必要とするレーザ波長の所定の整数分の１である位置に置かれる。
【０００７】
それ故、ＦＰレーザの共振器の長さについて予め決定することなく、従来のＦＰレーザから大きいＳＭＳＲを有する擬似単一モードレーザを提供されることが要望される。
ウェーハレベルにおいて、即ち、ウェーハを個々の素子にへき開／切断する前に、標準的レーザ処理ツールを経済的に用いて、そのようなレーザを生成することが更に要望される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以下、説明するシステム及び方法は、ファブリペロー（ＦＰ）レーザのレーザ発振モードを制御するシステム及び方法を含み、更に詳細には、ウェーハレベルにおいて、即ち、ウェーハがへき開／切断により個々のレーザダイに分離される前に、そのような素子にするように後処理することができる半導体ＦＰレーザに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一特徴に従って、レーザ装置は、第１レーザ発振モードを規定するファセット及び光導波路とそのレーザ共振器内に形成されたサブ共振器とを有するレーザ共振器を含む。サブ共振器は所定の長さを有し、ファセット間に位置付けられ、所定のサブ共振器の長さは、第１レーザ発振モードのＦＳＲより大きいフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）を有する第２レーザ発振モードを規定する。その素子は、サブ共振器に関連する所定の間隔と所定の要素間分離とを有する複数のコントラスト要素を更に含み、そのコントラスト要素は光導波路と相互作用し、非周期的格子を形成する。前記要素間分離と前記間隔は、導波路における光放射伝搬のための非周期的格子のフィルタリング機能を生成する。
【００１０】
小さいサブ共振器は、ＦＰレーザのモード間隔を広げるために設計されている。更に、コントラスト要素の形態で非周期的格子フィルタが、導波路、即ち、所望のレーザ発信波長の両側における隣接波長の範囲に亘るストップバンドを実質的に有志、所望のレーザ発振波長における伝送パスバンドを有する、ファセット間に、及びサブ共振器の内側及び／又は外側に適用される。コントラスト要素は、レーザの導波路レーザに隣接して又はその中に形成されることができる。
【００１１】
本発明の実施形態は、１つ又はそれ以上の次の特徴を含むことができる。サブ共振器の長さは前記光導波路内に伸びるクリーブ（ｃｌｅａｖｅ）及び／又はトレンチのような、少なくとも２つの不連続部により規定される。導波路は上部クラッド層を含むことができ、前記コントラスト要素は、導波路の及び／又は上部クラッド層の屈折率と異なる屈折率を有する領域から構成される。フィルタリング機能は、そのレーザ装置が少なくとも１つの規定モードを有するレーザ放射を発光するようにすることができる。好ましくは、発光されるレーザ放射を単一モードにすることができる。コンタクト層は、少なくともサブ共振器の長さに亘って配置されるが又、ファセット間に位置付けられた導波路領域に亘って配置されることが可能である。
【００１２】
レーザ装置は又、導波路に対して実質的に垂直な方向に導波路内を伝搬する光放射を導く傾いたファセットとして前記ファセットの少なくとも１つを形成することにより、表面発光レーザとして実施されることができる。又、前記ファセットの少なくとも１つは、導波路に対して実質的に垂直な方向に導波路内を伝搬する光放射を導く反射型ファセットに対向して位置付けられ、導波路に対して垂直に方向付けられることができる。
【００１３】
本発明の他の特徴に従って、所望のモード構造を有する光放射を生成する方法は、光放射を伝搬することができる光導波路を形成する段階と、所定の長さを有するサブ共振器を光導波路において形成する段階であって、サブ共振器は、所望のモード構造と重なり合うサブ共振器モード構造を生成する、段階と、及び、コンタクト要素を有する非周期的フィルタを前記光導波路に沿って形成する段階であって、前記非周期的フィルタは、所望のモード構造を生成するためにサブ共振器モード構造をフィルタリングする、段階と、を含む。光フィルタは、所望のモード構造とフィルタの実際のスペクトル応答との間の適合度を表すコスト関数を定義することと、少なくとも１つの固有の属性を非周期的フィル他の各々のコントラスト要素に割り当てることと、光導波路に沿ってコントラスト要素の最初の配列を生成することと、各々のイテレーションに対してコスト関数を計算し、少なくとも１つのコントラスト要素の少なくとも１つの固有の属性を反復して修正することと、イテレーションに対する計算されたコスト関数が所定のコスト関数値より小さい場合、前記所望のモード構造を与えるためにコントラスト要素の最適配列としてコントラスト要素の対応する配列を選択することと、により生成される。
【００１４】
実施形態は、１つ又はそれ以上の次のような特徴を含むことができる。コンタクト要素の最適な配列は、前記サブ共振器に関連して及び互いに関連して前記コントラスト要素の最適な配列を規定することができる。前記光導波路に沿ってファセットの位置を規定することができ、前記ファセットの位置はファブリペローモードを規定し、前記サブ共振器と前記ファセットの位置の間の前記の最適に配列されたコントラスト要素とを位置付ける。一方で、前記ファセット位置の間の距離は、他方で、前記サブ共振器及び前記の最適に配列されたコントラスト要素は、おおよそ規定される。コントラスト要素の固有属性は、屈折率、幅及び／又は高さのような物理的寸法、若しくは隣接するコントラスト要素間の間隔とすることができる。
【００１５】
本発明の更なる特徴及び優位性は、以下の好ましい実施形態の説明から及び請求項から明らかになるであろう。
【００１６】
添付図面は、同様の参照番号は同様の要素を意味するようにして、本発明の特定の実施形態を示している。それらの図に示している実施形態は、本発明の例示であって、何ら制限的でないものとして理解される必要がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に説明するシステム及び方法は、擬似単一モードレーザ発光を生成する改善されたＦＰレーザに関する。特に、以下に説明する、その改善されたＦＰレーザは、続くへき開処理に対するゆったりした許容範囲の下でウェーハレベルにおいて標準的なＦＰレーザの後処理により製造されることができる。
【００１８】
ここで、図１を参照するに、従来のＦＰレーザ共振器１０を、へき開され、エッチングされ、削られ又は当該技術分野において周知のいずれの他の方法により調整することができる２つのファセット１２、１４により規定される。ファセット１２、１４は、周囲の雰囲気にさらされたときの劣化を回避し、反射率を制御するために、典型的には、コーティングがなされる。レーザ放射は、隣接するクラッド層１５、１７より大きい反射率を有する材料から成る導波路１６内を伝搬する。
【００１９】
図１の代表的なＦＰレーザは４００μｍの長さを有し、図２におけるレーザ１０のシミュレートされたスペクトル発光に示すような利得スペクトルのエンベロープにおいて複数のレーザ発振モードを有することができる。モード間隔はフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）により決定され、そのフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）はファセット間のレーザ共振器の長さと活性層の実効屈折率（及び、その分散）との関数である。この例においては、屈折率は３．３であると仮定され、分散は無視でき、ＦＳＲは１１３．５ＧＨｚ又は約０．９１ｎｍである。ＦＰレーザは、ＤＷＤＭの光通信アプリケーションのような、狭い線幅を有する安定なレーザ発光が必要とされるアプリケーションに対しては、適切性に欠ける。
【００２０】
ＦＰレーザのモード間隔は、共振器の長さに反比例する。ＦＰレーザが有する共振器がより短いと、利得曲線における共振器モードの数はより少なくなる。極端な場合、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）は利得曲線において単一モードのみに対応することが可能であり、それ故、単一モードで動作する。
【００２１】
ここで、図３を参照するに、代表的なＦＰレーザ３０は、例えば、へき開（典型的には、ウェーハを通して伸びるクリーブ（ｃｌｅａｖｅ）３３、３５を伴って、当該技術分野で周知のへき開結合型共振器レーザに類似している）により、導波路内に伸ばすことができる少なくとも１つのスロット又は凹部３２、３４も焦点合わせされたイオンビーム（ＦＩＢ）を用いる深いエッチング又はイオンミリングにより、形成される。凹部３２及び３４は、減少したレーザモード数を有する短い共振器を構成する。レーザ３０のへき開されたファセット１２、１４は、反射防止コーティングがなされ、それ故、モード間隔は、凹部３２、３４間の光学距離により支配的に決定される。７５μｍの凹部３２と３４との間の間隔と４００μｍの長さを有する代表的な半導体レーザとのシミュレートされたレーザ発振スペクトルを図４に示す。モード分離（即ち、ＥＳＲ）は、ここでは、約６０５．７ＧＨｚ又は約４．８ｎｍに増加する。ファセット１２、１４間の距離により規定される共振器の長さの正確な一部である位置における導波路に沿って凹部が位置付けられる、先行技術の改善されたＦＰレーザと異なり、レーザ３０の発光スペクトルは、へき開されたファセット１２、１４から凹部３２、３４までの距離によっては本質的に影響されない。
【００２２】
凹部３２、３４間のサブ共振器の長さは、好ましくは、レーザが備えられる通信システムにおいて用いられる他の波長チャネル（例えば、規定されたＩＴＵ）と一致しないように選択された、他のサポートされたモードを用いて、２つのモードが所望の単一線スペクトル応答と一致するように選択される。
【００２３】
レーザ３０及び、ここで説明する他のレーザ構造１０、５０は、典型的には、電気的に励起される。このために、コンタクト層３６及び３８は、レーザ構造１０、３０、５０の反対側に備えられる。コンタクト層３６、３８は、共振器の特定の位置のみに亘って又はファセット１２、１４間の全体的な共振器の長さに亘って広げられることが可能である。例えば、ファセット１２、１４に近接する励起されていない端領域を有するレーザは、当該技術分野において既知である。
【００２４】
図４は、導波路１６において形成された凹部３２、３４を用いて、シミュレートされた図３のＦＰレーザ３０の放射スペクトルを示している。そのスペクトルは又、マルチモードである。しかしながら、それらのモードは、凹部３２，３４間の波長の光路長により決定されるように、レーザ１０のモードとはかなり離れた間隔を有する。
【００２５】
図５に示すように、改善されたＦＰレーザの製造プロセスの第２段階においては、非周期的格子構造を構成する、例として合計６個の小さい数の“コントラスト”要素５２が、図３のレーザ構造３０に付加されている。非周期的格子構造は、ＦＩＢ、リソグラフィ及び／又は拡散技術を用いて、導波路１６近傍のドーピングレベル又は組成を変えるために、例えば、注入することにより形成されることができる。コントラスト要素５２自体の間の光学的間隔ｄ１、ｄ２、ｄ５、ｄ６、及び、コントラスト要素５２とそれぞれの凹部３２、３４との間の間隔ｄ３及びｄ４は、ランダムシードを用いる“アニーリング”法を用いて計算される。この方法の詳細について、下で説明する。計算された値は、それぞれ、ｄ１＝４６．８８、ｄ２＝９０．６３、ｄ３＝３４．３８、ｄ４＝４６．８８、ｄ５＝５０及びｄ６＝６．２５μｍである。相対的な長さｄｉは重要である一方、コントラスト５２とＡＲコーティングされたファセット１２、１６との間の距離は重要ではなく、正確に制御される必要はない。非同期的格子は、凹部３２、３４により生成された共振器モードを更にフィルタリングするために集合的に動作する。
【００２６】
代表的な非周期的格子のモードについて、図６に示している。トレンチを有する共振器及び格子要素は、速度式を十分参照することなく、利得を考慮する簡略化されたレーザモデルを用いてシミュレートされる。利得スペクトルは、温度制御、すなわち、‘非冷却’を用いることのない単純な装置パッケージングスキームを利用して、広い温度範囲に亘って単一モードの大きいＳＭＳＲレーザ発振の目的と一致する、広げられたスペクトル幅により、このモデルにおいて表される。代表的な改善されたファブリペローレーザは、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社（米国マサチューセッツ州ナティック市）製のＭＡＴＬＡＢ（登録商標）のような高レベルの言語で容易に書くことができるソフトウェア設計プログラムを用いて、設計される。
【００２７】
非周期的格子について、ランダムシード値により規定される波長１６に沿った初期の位置をもつ格子、即ち、“コントラスト”要素を有するシミュレートされた格子を用いて開始することにより、装置３０に対して設計することができる。例えば、最小の製造可能形状、所望の格子要素の最大数等のような、幾つかの制限を、格子要素に適用することが可能である。格子線は、モード間隔を増加させるために全体のレーザ共振器において複数の結合した共振器を規定しないが、所望のレーザ発振波長における
伝送パスバンドと、所望のレーザ発振波長の両側における隣接周波数の領域に亘る実質的なストップバンドとを有するフィルタを表す。それ故、所望のスペクトル応答と一致して、レーザ発振波長に隣接する任意数のサブモードを抑圧することが可能である。
【００２８】
図７は、本発明を実行するために適切な最適化アルゴリズムの模式的なフロー図である。一般に、この種類の最適化アルゴリズムを、シミュレーテッドアニーリングという。
【００２９】
シミュレーテッドアニーリングは、熱処理により材料の実際のアニーリングを真似るプロセスである。その材料は、それ故、加熱され、次いで、ゆっくり冷却される。予め変位した原子は、次いで、それぞれの平衡位置に移動し、転位及び欠陥は著しく減少する。
【００３０】
シミュレーテッドアニーリングにおいては、コスト関数が、原子のポテンシャルエネルギーに置き換えられる。その処理の目的は、ランダムな“ホッピング”解決法（“加熱”システム）と、続く“冷却”システムとにより、コスト空間においてグローバルミニマムを位置付け、これにより、ランダムホッピングの大きさを減少させることである。冷却速度が正確に選択される場合、その解決法は、システムが加熱状態である間に、グローバルミニマムにホッピングし、システムが冷却状態のとき、グローバルミニマムに保たれる。
【００３１】
最適化処理７００のフロー図を図７に示す。その処理７００は、インデックスｉ＝０に設定し、例えば、代表的なレーザ構造１０又は３０の波長λの関数として所望のスペクトル出力を表す、目的のフィルタリング関数Ｔ（λ）を規定することにより段階７０２から開始される。段階７０４において、最初の、典型的には非周期的な、実空間の格子構造Ｈ０（ｘ）を生成する、例えば、屈折率ステップ、製造可能形状等のような、選択された領域内の可能な格子構造を表すランダムシード値が選択され、ここで、ｘは導波路１６の長手方向の座標を表す。最初のシミュレーテッドアニーリング“温度”Ｔ０、冷却速度α及びイテレーション数に対する制限Ｎが又、段階７０６において、この時点で
割り当てられる。段階７０８において、実空間の格子構造Ｈ０（ｘ）のフーリエ変換（ＦＴ）が計算され、最初のフィルタリング関数ｈ０（λ）＝ＦＴ［Ｈ０（ｘ）］が与えられる。
【００３２】
コスト関数Ｃ０＝Σ（Ｔ（λ）−ｈ０（λ））２が、段階７１０において特定の対象領域に亘って計算される。理解できるように、コスト関数Ｃ０は、目的のフィルタリング関数と計算されるフィルタリング関数（実空間の格子構造のＦＴ）との間の適合性が改善されるとき、減少する。コスト関数が減少することが可能であるかどうか調べるために、段階７１２において、指数ｉは１だけ増加され、段階７１４において、新しい格子Ｈ１（ｘ）を生成するために、格子構造Ｈ０（ｘ）におけるランダムに選択された要素の固有の特徴を修正する。その固有の特徴は、要素の屈折率、要素の幅及び／又は高さ、並びに／若しくは要素間又は要素群間の間隔であることが可能である。段階７１６において、修正された実空間の格子Ｈｉ（ｘ）のＦＴが計算され、新しいフィルタリング関数ｈｉ（λ）＝ＦＴ［Ｈｉ（ｘ）］を得る。段階７１８において、前の格子構造に対するコスト関数Ｃｉ−１と、即ち、最初の格子構造Ｈ０（ｘ）に対するＣ０と比較して、新しいコスト関数Ｃｉ＝Σ（Ｔ（λ）−ｈｉ（λ））２が計算される。段階７２０において、新しいコスト関数Ｃｉがコスト関数Ｃｉ−１より小さいと判定される場合、段階７２２において、新しい格子が、改善された構造として及び続くイテレーションを基礎として受け入れられる。段階７２４に示すように、イテレーションの最大数Ｎに達しなかった場合、段階７１２において、指数ｉは１だけインクリメントされ、処理は段階７１４に戻る。
【００３３】
逆に、新しいコスト関数Ｃｉがコスト関数Ｃｉ−１より大きいと判定される場合、段階７２６において、０と１との間の乱数Ｒが計算され、段階７２８において、ｅｘｐ（−｜Ｃｉ−Ｃｉ−１｜／Ｔ）＞Ｒであるかどうかが調べられ、その場合、新しい格子が受け入れられ、処理７００は段階７２２に戻る。しかしながら、ＣｉとＣｉ−１との間の差がｅｘｐ（−｜Ｃｉ−Ｃｉ−１｜／Ｔ）≦Ｒである場合、新しい格子Ｈｉ（ｘ）は拒否され、段階７１４において予め変化された特徴又は要素はその前の段階に戻され、上記のように段階７２４及び７１２を経由して段階７１４に戻される。
【００３４】
段階７２４における判定として、イテレーションの数に対する限界Ｎに達した場合、処理７００は、段階７３２において、格子ＨＮ（ｘ）のフーリエ変換ｈＮ（λ）＝ＦＴ［ＨＮ（ｘ）］が目的の関数Ｔ（λ）に十分近いかどうかを、例えば、コスト関数ＣＮ＝Σ（Ｔ（λ）−ｈＮ（λ））２を計算することにより調べ、段階７３４において、“最適化された”構造として受け入れられる必要がある。当業者は、勿論、この“最適化”構造が局所的であり、必ずしも全体的に最適化された構造である必要はなく、その最適化された構造は、全体的な検索空間が調べられていない場合、数学的に得ることは困難である。
【００３５】
段階７３２において、ｈＮ（λ）が目的の関数Ｔ（λ）に十分近くないことが判定される場合、アニーリング温度Ｔは所定の係数α＜１で乗算される、即ち、システムは、段階７３６において、“冷却”され、段階７３８において、ループカウンタｉは、再び、０に設定される。処理７００は、次いで、他のランダムな格子の変更のために、段階７１４に戻る。
【００３６】
冷却速度αは、典型的には、アニーリング処理を通して一定に保たれる。ｈｉ（λ）が、付加ループと実行した後に変化しない場合、その処理は、更なる変化のためには温度が低過ぎる兆候である可能性があるとして、停止される（図示せず）。
【００３７】
製造プロセスの実際の限界は、設計モデルのパラメータに制限を加えることが可能である。例えば、格子要素の特定な寸法及び格子要素間の間隔は、フォーカスドイオンビーム身リング及び／又はフォトリソグラフィを用いて達成可能である形状により決定付けられる。更に、格子線は又、形状が適切に及び効率的にモデル化され及び製造される限り、Ｖ字型形状及び円筒型“穴”を含む、異なる形状を有することが可能であるが、それらに限定されるものではない。上記のように、続く切断／へき開において、へき開されるレーザファセットは、動作される波長範囲に対して反射防止コーティングがなされる。レーザ性能は、レーザファセットに対する格子要素の絶対位置に、又、レーザファセット反射位相に、実質的に依存しない。又、レーザ性能は、導波路１６に沿った行使要素の相対位置に依存する。
【００３８】
修正されたＦＰレーザは又、表面発光レーザとして動作するように設計されることができる。このようにして、ウェーハレベルにおいて、即ち、へき開／切断及び実装等前に、レーザの基本的動作について、電気プローブを適用することによりテストすることができる。レーザは、次いで、単純にマッピングされ、確立された性能基準に適合しないレーザは、へき開／切断のときに印を付けて、廃棄される。これは、個々のレーザがへき開され、切断され、基本的性能をテストするに先立ち実装することが必要である、端面発光型レーザに対する代替の標準的方法に比べて、著しいコスト削減となる。
【００３９】
図８は、ターニングミラー８２を用いて、水平共振器レーザを有する表面発光型レーザ８０を模式的に示している。導波路１６における光放射伝搬はファセット８４により導波路から出て、ターニングミラー８２により反射される。導波路１６に関するターニングミラー８２の角度は、発光ビームＢがウェーハ表面に関して垂直方向であるように、選択されることができる。ファセット８４及びターニングミラー８２は、図８に示すような光共振器の一端に、又は両端（図示せず）に形成されることができる。高い反射率を達成するために、ターニングミラー８２は、好ましくは、誘電体又は金属の高反射率コーティングを施される。代替として、図９に示すように、レーザチップ表面に関して角度αで活性領域を覆うように伸びる単一のトレンチ９２を形成することができる。導波路における光放射伝搬は、ウェーハ表面に関して２αで界面９４において完全に内部反射される。
【００４０】
ウェーハ表面に対して垂直に発光する表面発光型レーザに対しては、角度αは４５°である。明確化のために、図８及び９の表面発光型構造は、従来のＦＰレーザ１０に対して示され、表面発光型レーザが本発明のレーザ装置３０及び５０を容易に備えることができることが理解されるであろう。
【００４１】
図１の構造１０のようなレーザ装置構造を、例えば、ＭＢＥ又はＭＯＣＶＤ等の従来のエピタキシャル成長プロセスにより製造することができる。例えば、ＦＥＩ社（米国、オレゴン州、Ｈｉｌｌｓｂｏｒｏ）製のＭｏｄｅｌ  ＤＢ  ２３５８２５ｉのような収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置を用いてＦＩＢミリングすることにより、短い共振器（図１）を規定するために活性層に対して適用された上部コンタクト層と上部クラッド層を通して、トレンチ３２、３４をミリングにより形成することができる。良好な側壁の平滑性を保つ高アスペクト比の深いエッチングであって、例えば、塩素を用いるＥＣＲ／ＩＣＰエッチングと互換性のあるロバストなエッチング技術により後を続けられる電子ビームリソグラフィのような、トレンチを形成するための他のプロセス又は他の適切な不連続化技術を又、用いることができる。代替として、ウェーハをへき開することにより、サブ共振器を又、形成することができる。エッチングされた側壁は、レーザ共振器における散乱を制限するために、平滑である必要がある。
【００４２】
上部表面を、例えば、適切な粘度の適切な高分子材料又はガラスを析出又はスピンコーティングすることにより、不動態化することができる。フォトレジストを、非周期的格子構造の要素／特徴を形成するために開口を描くために用いることができる。他の材料であって、例えば、ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４等を又、明示された屈折率コントラストに基づく設計と整合性がとれ、及び最小の熱歪効果と整合性がとれた格子トレンチ内及び表面上に析出することができる。
【００４３】
非周期的格子のコントラスト要素を、サブ共振器のトレンチを有する非対称的格子の特徴を含むフォトマスクをアライメントすることにより規定することができる。当該技術分野において周知のフォトリソグラフィプロセスを、不純物拡散、イオン身リング、化学的エッチング等により、コントラスト要素を形成するために上部コントラスト層又はクラッド層において開口を規定するために用いることができる。コントラスト要素は、導波路層に突き出る必要はないが、導波路領域の屈折率を撹乱しないようにだけはする必要がある。従って、ＤＦＢ及びＤＢＲレーザ構造を用いる設計基準と同様の設計基準を適用することができる。埋め込みヘテロ構造にＦＩＢに基づくプロセスを利用する代表的な実施形態において、コントラスト要素は次のように形成される。即ち、上部コントラスト層のメタライズは、コンタクト層をミリングするために十分大きいビーム電流を設定することにより窓を形成するために除去される。ビーム電流を、次いで、開けられた窓を通してのイオン注入と整合性のあるレベルまで低減することができる。任意のアニーリング段階が後に続く、較正されたＦＩＢ注入方法は、上部クラッド層へのガリウムの注入／拡散により所望の屈折率コントラストのコントラスト要素を形成する。窓は又、続くウェーハレベルの不純物拡散のためのリソグラフィにより上部コンタクト層において規定されることができ、そのウェーハレベルの不純物拡散は、所望の屈折率コントラストと、コントラスト特徴の数と、製造された装置当たりのプロセスコスト及び処理能力とに依存するイオン注入に対して好適である、ことは当業者には明らかであろう。
【００４４】
本発明は、図を参照して詳細に説明した好ましい実施形態に関連付けて開示したが、本発明に関して種々の変形及び修正ができることを当業者は容易に理解するであろう。例えば、レーザ装置は、光励起半導体レーザとすることができ、光励起固体レーザは導波路領域又は光冷機ファイバレーザを有することができる。そのような装置は又、例えば、機械的手段、不純物拡散等により形成される屈折率における不連続性を有する非周期的格子及びトレンチを有するＮｄ：ＹＡＧ結晶のようなバルク材料から構成されることができる。従って、本発明の範囲及び主旨は、同時提出の特許請求の範囲のみにより限定される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来のファブリペロー（ＦＰ）レーザの模式図である。
【図２】図１のＦＰレーザの閾値レーザモードを示す図である。
【図３】形成されたサブ共振器を有する図１のレーザの模式図である。
【図４】図３のサブ共振器を有するＦＰレーザ共振器のレーザモードを示す図である。
【図５】図３のレーザ構造において形成された非周期的格子の模式図である。
【図６】図５のＦＰレーザ共振器のレーザモードを示す図である。
【図７】最適化された非周期的格子構造を計算するためのプロセスのフローチャートである。
【図８】水平方向の導波路を有する縦方向の発光の実施形態を示す図である。
【図９】水平方向の導波路を有する他の縦方向の発光の実施形態を示す図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年2月1日(2005.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
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