(57)【要約】低ビーム発散を有する半導体レーザを開示する。該レーザは、電流の注入によって光利得を生成する活性層と、放射光の伝搬に対して直角方向の屈折率変調を有するフォトニックバンドギャップ結晶と、少なくとも一つの欠陥とを備えた少なくとも一つの導波路を含む。活性層は欠陥内に配置することが好ましい。フォトニックバンドギャップ結晶および欠陥は、レーザ照射の基本モードが欠陥に局在化されかつ欠陥から遠ざかるにつれて減衰する一方、他の光学モードがフォトニックバンドギャップ結晶全体に広がるように最適化する。基本モードを欠陥に局在化する結果、他のモードに対して該モードの相対的な増幅がもたらされる。したがって、他のモードの閉込め係数に比較して、基本モードの閉込め係数が大きくなる。これは、拡張導波路を有するレーザの効率的な単一モード発振を可能にする。
2005502207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）周期的に変調する屈折率を持つ層状構造を含むフォトニックバンドギャップ結晶を少なくとも一部分に含むｎドープ領域と、
ｂ）前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する欠陥であって、
ｉ）順方向バイアスが印加されたときに注入電流にさらされたときに光を放出する光発生層
を含む欠陥と、
ｃ）少なくとも一つのドープ層およびｐコンタクトへの基本モードの広がりを妨げる可変屈折率を持つｐドープ層状構造と、
を備えており、
レーザ照射の基本モードを前記欠陥によって局在化させる一方、他の全てのモードが前記フォトニックバンドギャップ結晶全体に広がり、
前記フォトニックバンドギャップ結晶および前記欠陥の全体の厚さが低ビーム発散をもたらす、
半導体端面発光型レーザ。
【請求項２】
ｄ）前記欠陥から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接するｎエミッタと、
ｅ）前記欠陥から遠い方で前記ｎエミッタに隣接する基板と、
ｆ）前記欠陥から遠い方で前記基板に隣接するｎコンタクトと、
をさらに備えた、請求項１に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３】
ｇ）前記欠陥から遠い方で前記ｐドープ層状構造に隣接するｐエミッタと、
ｈ）前記欠陥から遠い方で前記ｐエミッタに隣接するｐコンタクトと、
をさらに備えた、請求項２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項４】
前記欠陥が、
ｉｉ）前記光発生層のｎ側に配置された第一の能動素子層と、
ｉｉｉ）前記光発生層のｐ側に配置された第二の能動素子層と、
ｉｖ）前記光発生層から遠い方で前記第一の能動素子層に隣接する厚いｎドープ層と、
ｖ）前記光発生層から遠い方で前記第二の能動素子層に隣接する厚いｐドープ層と、
をさらに備えて成る、請求項１に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５】
前記第一の能動素子層が弱くドープしたｎ層およびアンドープ層で構成されるグループから選択される材料から形成される、請求項４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６】
前記第二の能動素子層が弱くドープしたｐ層およびアンドープ層で構成されるグループから選択される材料から形成される、請求項４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層と低屈折率を有する第二の層の周期的交互配置を含む、請求項１に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項８】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と同じ厚さ、および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１０】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接する低屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含み、前記第四の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１１】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と前記第二の層との間の中間の屈折率を持つ第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含む、請求項７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１２】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項１に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１３】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調を含む、請求項１に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１４】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の一つの内部に配置された、光を吸収する少なくとも一つの吸収体層をさらに備えた、請求項１に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１５】
複数の吸収体層があり、各吸収体層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の異なる周期内に配置されるようにした、請求項１４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１６】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層と低屈折率を有する第二の層の周期的交互配置を含む、請求項１４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１７】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項１６に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１８】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と同じ厚さ、および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項１６に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１９】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接する低屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含み、前記第四の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項１７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項２０】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と前記第二の層との間の中間の屈折率を持つ第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含む、請求項１７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項２１】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項１４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項２２】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項１４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項２３】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層、勾配屈折率層、低屈折率を有する第二の層および別の勾配屈折率層の周期的交互配置を含む、請求項１に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項２４】
ドープ領域において全てのヘテロ接合が勾配屈折層によって実現される請求項２３に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項２５】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項２４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項２６】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と同じ厚さ、および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項２４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項２７】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接する低屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含み、前記第四の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項２４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項２８】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と前記第二の層との間の中間の屈折率を持つ第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含む、請求項２４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項２９】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項２４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３０】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項２４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３１】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層、勾配屈折率層、低屈折率を有する第二の層および別の勾配屈折率層の周期的交互配置を含む、請求項２４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３２】
ドープ領域において全てのヘテロ接合が勾配屈折層によって実現される請求項３１に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３３】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項３２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３４】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と同じ厚さ、および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項３２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３５】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接する低屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含み、前記第四の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項３２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３６】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と前記第二の層との間の中間の屈折率を持つ第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含む、請求項３２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３７】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項３２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３８】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項３２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項３９】
ａ）周期的に変調する屈折率を持つ層状構造を含むフォトニックバンドギャップ結晶を少なくとも一部分に含むｎドープ領域と、
ｂ）前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する欠陥であって、
ｉ）順方向バイアスが印加されたときに注入電流にさらされたときに光を放出する光発生層
を含む欠陥と、
ｉｉ）光発生層のｎ側に配置された電子のための第一の薄いトンネル障壁層であって、弱くドープしたｎ層およびアンドープ層で構成されるグループから選択される材料から形成される前記第一の薄いトンネル障壁層と、
ｉｉｉ）光発生層のｐ側に配置された穴のための第二の薄いトンネル障壁層であって、弱くドープしたｐ層およびアンドープ層で構成されるグループから選択される材料から形成される前記第二の薄いトンネル障壁層と、
ｉｖ）第一の薄いトンネル障壁層を挟む二つの層と、
ｖ）第二の薄いトンネル障壁層を挟む二つの層と、
ｃ）少なくとも一つのドープ層およびｐコンタクトへの基本モードの広がりを妨げる可変屈折率を持つｐドープ層状構造と、
を備えており、
レーザ照射の基本モードを前記欠陥によって局在化させる一方、他の全てのモードが前記フォトニックバンドギャップ結晶全体に広がり、
前記フォトニックバンドギャップ結晶および前記欠陥の全体の厚さが低ビーム発散をもたらす、
半導体端面発光型レーザ。
【請求項４０】
ｄ）前記欠陥から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接するｎエミッタと、
ｅ）前記欠陥から遠い方で前記ｎエミッタに隣接する基板と、
ｆ）前記欠陥から遠い方で前記基板に隣接するｎコンタクトと、
をさらに備えた、請求項３９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項４１】
ｇ）前記欠陥から遠い方で前記ｐドープ層状構造に隣接するｐエミッタと、
ｈ）前記欠陥から遠い方で前記ｐエミッタに隣接するｐコンタクトと、
をさらに備えた、請求項４０に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項４２】
前記欠陥が、
ｖｉ）前記光発生層から遠い方で第一の薄いトンネル障壁層を挟む層に隣接する厚いｎドープ層と、
ｖｉｉ）前記光発生層から遠い方で第二の薄いトンネル障壁層を挟む層に隣接する厚いｐドープ層と、
をさらに備えて成る、請求項３９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項４３】
第一の薄いトンネル障壁層を挟む両方の層が弱くドープしたｎ層およびアンドープ層で構成されるグループから選択される材料から形成される、請求項３９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項４４】
第一の薄いトンネル障壁層を挟む層の少なくとも一つが弱くドープしたｎ層およびアンドープ層で構成されるグループから選択される材料から形成される、請求項３９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項４５】
第二の薄いトンネル障壁層を挟む両方の層が弱くドープしたｐ層およびアンドープ層で構成されるグループから選択される材料から形成される、請求項３９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項４６】
第二の薄いトンネル障壁層を挟む層の少なくとも一つが弱くドープしたｐ層およびアンドープ層で構成されるグループから選択される材料から形成される、請求項３９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項４７】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層と低屈折率を有する第二の層の周期的交互配置を含む、請求項３９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項４８】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項４７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項４９】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と同じ厚さ、および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項４７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５０】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接する低屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含み、前記第四の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項４７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５１】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と前記第二の層との間の中間の屈折率を持つ第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含む、請求項４７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５２】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項４７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５３】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項３９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５４】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の一つの内部に配置された、光を吸収する少なくとも一つの吸収体層をさらに備えた、請求項３９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５５】
複数の吸収体層があり、各吸収体層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の異なる周期内に配置されるようにした、請求項５４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５６】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層と低屈折率を有する第二の層の周期的交互配置を含む、請求項５４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５７】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項５４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５８】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と同じ厚さ、および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項５４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項５９】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接する低屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含み、前記第四の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項５４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６０】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と前記第二の層との間の中間の屈折率を持つ第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含む、請求項５４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６１】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項５４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６２】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項５４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６３】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層、勾配屈折率層、低屈折率を有する第二の層および別の勾配屈折率層の周期的交互配置を含む、請求項３９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６４】
ドープ領域において全てのヘテロ接合が勾配屈折層によって実現される請求項６３に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６５】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項６４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６６】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と同じ厚さ、および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項６４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６７】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接する低屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含み、前記第四の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項６４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６８】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と前記第二の層との間の中間の屈折率を持つ第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含む、請求項６４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項６９】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項６４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７０】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項６４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７１】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層、勾配屈折率層、低屈折率を有する第二の層および別の勾配屈折率層の周期的交互配置を含む、請求項５４に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７２】
ドープ領域において全てのヘテロ接合が勾配屈折層によって実現される請求項７１に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７３】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項７２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７４】
前記欠陥が両側で前記光発生層と隣接した領域をさらに含み、前記領域が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と同じ厚さ、および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層および前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項７２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７５】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接する低屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含み、前記第四の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項７２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７６】
前記欠陥が前記欠陥に隣接する前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第一の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層と前記第二の層との間の中間の屈折率を持つ第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し高屈折率を有する第四の層とをさらに含む、請求項７２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７７】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項７２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７８】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項７２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項７９】
ａ）周期的に変調する屈折率および順方向バイアスが印加されたときに注入電流にさらされたときに光を放出する光発生層を含む能動素子層を持つ層状構造を含むフォトニックバンドギャップ結晶を少なくとも一部分に含むｎドープ領域と、
ｂ）前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する欠陥であって、
ｃ）少なくとも一つのドープ層およびｐコンタクトへの基本モードの広がりを妨げる可変屈折率を持つｐドープ層状構造と、
を備えており、
レーザ照射の基本モードを前記欠陥によって局在化させる一方、他の全てのモードが前記フォトニックバンドギャップ結晶全体に広がり、
前記フォトニックバンドギャップ結晶および前記欠陥の全体の厚さが低ビーム発散をもたらす、
半導体端面発光型レーザ。
【請求項８０】
ｄ）前記欠陥から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接するｎエミッタと、
ｅ）前記欠陥から遠い方で前記ｎエミッタに隣接する基板と、
ｆ）前記欠陥から遠い方で前記基板に隣接するｎコンタクトと、
をさらに備えた、請求項７９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項８１】
ｇ）前記欠陥から遠い方で前記ｐドープ層状構造に隣接するｐエミッタと、
ｈ）前記欠陥から遠い方で前記ｐエミッタに隣接するｐコンタクトと、
をさらに備えた、請求項８０に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項８２】
前記能動素子が、
ｉｉ）前記光発生層のｎ側に配置された第一の能動素子層と、
ｉｉｉ）前記光発生層のｐ側に配置された第二の能動素子層と、
ｉｖ）前記光発生層から遠い方で前記第一の能動素子層に隣接する厚いｎドープ層と、
ｖ）前記光発生層から遠い方で前記第二の能動素子層に隣接する厚いｐドープ層と、
をさらに備えて成る、請求項７９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項８３】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層と低屈折率を有する第二の層の周期的交互配置を含む、請求項７９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項８４】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接した層を含み、前記欠陥の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記層がフォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項８３に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項８５】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接した層を含み、前記層がフォトニックバンドギャップ結晶の第一の層と同じ厚さ、およびフォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層およびフォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項８３に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項８６】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する高屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接する低屈折率の第四の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第四の層に隣接し高屈折率を有する第五の層とを含み、前記第四の層がフォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項８３に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項８７】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する高屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一の層と第二の層との間の中間の屈折率を持つ第四の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第四の層に隣接し高屈折率を有する第五の層とを含む、請求項８３に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項８８】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項７９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項８９】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項７９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９０】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の一つの内部に配置された、光を吸収する少なくとも一つの吸収体層をさらに備えた、請求項８３に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９１】
複数の吸収体層があり、各吸収体層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の異なる周期内に配置されるようにした、請求項９０に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９２】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層と低屈折率を有する第二の層の周期的交互配置を含む、請求項９０に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９３】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接した層を含み、前記欠陥の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記層がフォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項９２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９４】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接した層を含み、前記層がフォトニックバンドギャップ結晶の第一の層と同じ厚さ、およびフォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層およびフォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項９２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９５】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する高屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接する低屈折率の第四の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第四の層に隣接し高屈折率を有する第五の層とを含み、前記第四の層がフォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項９２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９６】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する高屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一の層と第二の層との間の中間の屈折率を持つ第四の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第四の層に隣接し高屈折率を有する第五の層とを含む、請求項９２に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９７】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項９０に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９８】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項９０に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項９９】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層、勾配屈折率層、低屈折率を有する第二の層および別の勾配屈折率層の周期的交互配置を含む、請求項７９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１００】
ドープ領域において全てのヘテロ接合が勾配屈折層によって実現される請求項９９に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１０１】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接した層を含み、前記欠陥の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記層がフォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項１００に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１０２】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接した層を含み、前記層がフォトニックバンドギャップ結晶の第一の層と同じ厚さ、およびフォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層およびフォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項１００に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１０３】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する高屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接する低屈折率の第四の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第四の層に隣接し高屈折率を有する第五の層とを含み、前記第四の層がフォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項１００に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１０４】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する高屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一の層と第二の層との間の中間の屈折率を持つ第四の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第四の層に隣接し高屈折率を有する第五の層とを含む、請求項１００に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１０５】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項１００に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１０６】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項１００に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１０７】
前記フォトニックバンドギャップ結晶の層状構造が、高屈折率を有する第一の層、勾配屈折率層、低屈折率を有する第二の層および別の勾配屈折率層の周期的交互配置を含む、請求項９０に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１０８】
ドープ領域において全てのヘテロ接合が勾配屈折層によって実現される請求項１０７に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１０９】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接した層を含み、前記欠陥の層が前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一の層の屈折率と同じ屈折率を有し、前記層がフォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層の各々より厚い、請求項１０８に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１１０】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接した層を含み、前記層がフォトニックバンドギャップ結晶の第一の層と同じ厚さ、およびフォトニックバンドギャップ結晶の前記第一の層およびフォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より高い屈折率を有する、請求項１０８に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１１１】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する高屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接する低屈折率の第四の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第四の層に隣接し高屈折率を有する第五の層とを含み、前記第四の層がフォトニックバンドギャップ結晶の前記第二の層より薄い、請求項１０８に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１１２】
前記欠陥が基板から遠い方で前記フォトニックバンドギャップ結晶に隣接する高屈折率の第三の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第三の層に隣接し前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一の層と第二の層との間の中間の屈折率を持つ第四の層と、前記フォトニックバンドギャップ結晶から遠い方で前記第四の層に隣接し高屈折率を有する第五の層とを含む、請求項１０８に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１１３】
前記欠陥が前記フォトニックバンドギャップ結晶の数周期にわたって広がる、請求項１０８に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１１４】
前記フォトニックバンドギャップ結晶が屈折率の非周期的変調によって実現される、請求項１０８に記載の半導体端面発光型レーザ。
【請求項１１５】
ａ）基板と、
ｂ）前記基板より上のブラッグ反射器領域によって形成される底部ミラーと、
ｃ）前記底部ミラーより上の能動素子であって、
ｉ）順方向バイアスが印加されたときに注入電流にさらされたときに光を放出する光発生層と、
ｉｉ）前記基板より上および前記光発生層より下のｎドープ電流拡散領域と、
ｉｉｉ）前記光発生層より上のｐドープ電流拡散領域と、
ｉｖ）各隣接する領域の間に配置される電流アパーチャと、
ｖ）光を発生するために電流が前記光発生層に注入される前記ｎドープ電流拡散領域と前記ｐドープ電流拡散領域の間の能動素子バイアスコントロールデバイスと、
を備えた能動素子と、
ｄ）前記能動素子より上のフォトニックバンドギャップ結晶を表す素子であって、
ｉ）屈折率が光の伝搬の方向に対して直角の方向に変調される領域と、
ｉｉ）前記領域の中心における欠陥であって、レーザ照射の基本横モードを局在化させる欠陥を備えた素子と、
ｅ）前記フォトニックバンドギャップ結晶より上のブラッグ反射器領域によって形成される上部ミラーと、
を備えた、
光をｐｎ接合に対して直角の方向に伝搬することを可能にする
半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は半導体デバイスの分野に関する。さらに詳しくは、本発明は低ビーム発散の半導体レーザに関する。
【０００２】
関連技術の説明
高出力半導体レーザは電気通信システムにおいて重要な役割を果たし、ポンプ、ファイバ増幅器として、および他の用途に役立つ。
【０００３】
端面発光型レーザのファセット当たりの低出力密度および低ビーム発散を得るために、一般的に拡張導波路が使用される。しかし、遠視野像の有意の狭隘化は多モードレーザ照射によって制限される。
【０００４】
低ビーム発散の端面発光型レーザの分野の先行技術は、原則として低ビーム発散を得る漏洩波ダイオードレーザの概念を含む。この先行技術の一例は、「Ｈｉｇｈ  Ｏｕｔｐｕｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｌａｓｅｒｓ」と称する、１９８２年５月４日に発行された米国特許第４３２８４６９号である。この特許は、活性層が一対の中間インデックス層に挟まれたヘテロ構造注入レーザを開示している。非常に薄い低屈折率および高バンドギャップを持つ層を活性層と中間層との間に配置することができる。薄い層は様々な組合せで適用して基本モード導波効果を生成することができる。
【０００５】
そのようなデバイスの主な短所は、基本モードの極めて小さい閉込め係数である。この効果に基づいて高出力レーザを作製することはできない。したがって、低ビーム発散および高パワー出力の両方を実現するレーザの必要性が当業界にある。
【０００６】
発明の概要
低ビーム発散を有する半導体レーザを開示する。該レーザは、電流の注入によって光利得を生成する活性層と、放射光の伝搬に対して直角方向の屈折率変調を有するフォトニックバンドギャップ結晶と、少なくとも一つの欠陥とを備えた少なくとも一つの導波路を含む。活性層は欠陥内に配置することが好ましい。フォトニックバンドギャップ結晶および欠陥は、レーザ照射の基本モードが欠陥に局在化されかつ欠陥から遠ざかるにつれて減衰する一方、他の光学モードがフォトニックバンドギャップ結晶全体に広がるように最適化する。基本モードを欠陥に局在化する結果、他のモードに対して該モードの相対的な増幅がもたらされる。したがって、他のモードの閉込め係数に比較して、基本モードの閉込め係数が大きくなる。これは、拡張導波路を有するレーザの効率的な単一モード発振を可能にする。
図面の簡単な記述
図１は低および高屈折率の交互層の周期的シーケンスによって実現されたフォトニックバンドギャップ結晶と光子を局在化する欠陥とをレーザ構造の導波路に含む、本発明のレーザの一実施形態の略図を示す。既述の実施形態の屈折率のプロファイルも示す。屈折率の変調がＧａ１−ｘＡｌｘＡｓ合金の合金組成ｘの変調によって実現される、特定の実施形態の合金組成のプロファイルを示す。
図２は高屈折率の単一層を欠陥内に含み、この層の厚さが高屈折率を有するフォトニックバンドギャップ結晶の層の厚さを超える、本発明のレーザの一実施形態の略図を示す。
図３はフォトニックバンドギャップ結晶の層より高い屈折率を有する単一層が局在化欠陥の一部である、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図４は低屈折率を有する単一層が高屈折率を有する二つの隣接する層を分離し、該分離層が低屈折率を有するフォトニックバンドギャップ結晶の他の層より薄い、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図５は中間屈折率を有する単一層が高屈折率の二つの隣接する層を分離する、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図６は図２に示したレーザの基本横電界（ＴＥ）モードおよび一次ＴＥモードの相対電界強度および屈折率を示す。
図７はフォトニックバンドギャップ結晶の層の一つに吸収体層が配置された、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図８は高屈折率の層および低屈折率の層が勾配屈折率層によって分離された、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図９はフォトニックバンドギャップ結晶の層の一つに吸収体層が配置され、勾配屈折率層が高屈折率を持つ層を低屈折率を持つ層から分離する、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図１０は図９に示した実施形態の例における屈折率プロファイル、ならびに吸収体における基本モードの電界が一次モードの電界に比較して著しく抑制された基本ＴＥモードおよび一次ＴＥの電界強度を示す。
図１１は図９に示した実施形態の一例における屈折率プロファイル、および基本モードの電界強度と一次、二次、三次、および四次ＴＥモードの電界強度との比較を示す。
図１２は図９に示した実施形態の一例におけるレーザの遠視野像を示す。
図１３は活性領域が薄い障壁によって取り囲まれた、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図１４は吸収体層がフォトニックバンドギャップ結晶の層の一つに配置され、活性領域が薄い障壁によって取り囲まれた、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図１５は高屈折率の層および低屈折率の層が勾配屈折率層によって分離され、活性領域が薄い障壁によって取り囲まれた、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図１６はフォトニックバンドギャップ結晶の層の一つに配置された吸収体層と、高屈折率の層と低屈折率の層を分離する勾配屈折率層と、活性領域を取り囲む薄い障壁とを含む、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図１７はフォトニックバンドギャップ結晶の層の一つに活性領域が配置され、光子を局在化する欠陥が受動素子だけを有する、本発明の別の実施形態の略図を示す。
図１８は横方向平面内に屈折率変調を有するフォトニックバンドギャップ結晶が垂直空洞面発光レーザに導入された、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【０００７】
発明の詳細な説明
本発明の端面発光型半導体レーザの目的は、狭い遠視野像の照射を得ることである。このタスクは通常、拡張導波路を用いることによって対処される。現行の導波路の主な短所は、複雑な遠視野像および広いビーム発散を導くレーザ照射の多モード性である。高モードを抑制し、同時に基本モードの妥当な閉込め係数を提供するために、特殊設計の導波路が必要である。
【０００８】
本発明は、発生した光が屈折率変調の方向に対して直角に伝搬する幾何学的形状のフォトニックバンドギャップ結晶の使用を教示する。特に、本発明の端面発光型半導体レーザの場合、フォトニックバンドギャップ結晶は層の一次元周期構造であり、そこで屈折率ｎは垂直方向ｚに変調される（ｎ＝ｎ（ｚ））。次いで、例えばＴＥモードの電界強度を次の形に書くことができる。
【数１】
2005502207.tif 000003
ここでｅｘｐ［ｉβｘ］は導波路に沿ったｘ方向の伝搬を表わし、振幅Ｅｙ（ｚ）は導波路における電界強度の変化を表わす。後者は次の波動方程式に従う（例えばＨ．Ｃ．Ｃａｓｅｙ，Ｊｒ．およびＭ．Ｂ．Ｐａｎｉｓｈ著「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒｓ，Ｐａｒｔ  Ａ」Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，Ｎ．Ｙ．，１９７８，ｐｐ．３２−４３および７０−７９を参照されたい）。
【数２】
2005502207.tif 000004
無限の完全に周期的なフォトニックバンドギャップ結晶では、スペクトルは、電磁波が結晶中を伝搬する周期的波となる周波数ωおよび定数βの許容帯と、電磁波の伝搬が不可能な禁止ギャップとを含む。実際のシステムでは、完全な周期性は層のシーケンスの終了または屈折率の周期的プロファイルを乱す何らかの種類の欠陥のいずれかによって破られる。そのような欠陥は、電磁波をｚ方向に局在化または非局在化させることができる。局在化欠陥の場合、二種類の電磁波が可能である。これらは、ａ）欠陥によってｚ方向に局在化され、導波路に沿ってｘ方向に伝搬する波、およびｂ）フォトニックバンドギャップ結晶全体にｚ方向に広がり、導波路に沿ってｘ方向に伝搬する波である。
【０００９】
したがって、本発明の端面発光型レーザは二つの主要な要素、すなわち１）垂直方向の屈折率変調を持つフォトニックバンドギャップ結晶、および２）レーザの活性領域がそこに配置されることが好ましい欠陥を含む。フォトニックバンドギャップ結晶およびその欠陥は、レーザ照射のただ一つのモードだけが欠陥によって局在化され、ｚ方向に欠陥から離れるにつれて減衰する一方、他のモードはｚ方向にフォトニックバンドギャップ結晶全体に広がるように設計する。
【００１０】
レーザ照射のモードを局在化する欠陥の能力は二つのパラメータによって支配される。第一のパラメータは欠陥およびフォトニックバンドギャップ結晶の基準層の屈折率間の差Δｎである。第二のパラメータは欠陥の体積である。屈折率が一方向にのみ変調される（ｎ＝ｎ（ｚ））本発明のレーザの場合、第二のパラメータは欠陥の厚さである。一般的に、一定した欠陥厚さでΔｎの値が増加するにつれて、欠陥によって局在化されるモードの数も増加する。一定したΔｎで欠陥の厚さが増加するにつれて、欠陥によって局在化されるモードの数も増加する。本発明のレーザの設計は、レーザ照射のただ一つのモードだけが欠陥によって局在化されるように、これら二つのパラメータ、Δｎおよび欠陥の厚さを選択する。他のモードは、フォトニックバンドギャップ結晶全体にわたるｚ方向の拡張モードである。
【００１１】
本発明の好適な実施形態は、レーザ照射の基本モードが局在化する導波路の欠陥領域に活性領域を配置したレーザを提供する。基本モードの必要な局在長は、二つの傾向の相互作用によって決定される。一方で、局在長は低い遠視野ビーム発散を達成するのに充分に大きくする必要がある。他方では、局在長はフォトニックバンドギャップ結晶の長さより充分に短くしなければならない。これは、フォトニックバンドギャップ結晶の全厚の規模の基本モードの効率的な局在化、およびしたがって、他のモードの電界強度に比較して基本モードの電界強度の顕著な増強をもたらす。本発明のレーザの特定の実施形態は、閉込め係数が０．８μｍのＧａＡｓ空洞およびＧａ１−ｘＡｌｘＡｓクラッド層（ここでｘ＝０．３）を有する標準ダブルへテロ構造レーザの閉込め係数の０．１１である一方、４０のビーム発散を達成する。
【００１２】
特に図１を参照すると、本発明にしたがって行なわれるレーザ照射の高モードのフォトニックバンドギャップ結晶に基づくろ波を使用した、新規の端面発光型半導体レーザ（１００）の第一例が示されている。該構造は基板（１０２）上にエピタキシ成長させたものであり、それにｎドープバッファ層（１０３）が続く。
【００１３】
基板（１０２）はＩＩＩ−Ｖ族半導体材料またはＩＩＩ−Ｖ族半導体合金、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂまたはその他から形成することが好ましい。ＧａＡｓは本発明の好適な基板（１０２）である。ｎエミッタ（１０３）は、基板に格子整合またはほぼ格子整合し、発生する光を透過し、ドナー不純物をドープされた材料から形成することが好ましい。好適な実施形態では、ｎエミッタ（１０３）は、基板の材料と同一材料、例えばＧａＡｓから作成する。この層（１０３）の可能なドナー不純物としてＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、あるいはＳｉ、Ｇｅ、およびＳｎのような両性不純物があるが、それらに限定されない。後者のグループの不純物は、それらが主に陽イオン副格子内に組み込まれてドナー不純物として働くような技術的条件下で導入される。例えば、ｎドープ層は、分子線エピタキシによって成長し、２×１０１７ｃｍ−３の濃度でＳｉ不純物をドープしたＧａＡｓまたはＧａＡｌＡｓ層であり、ｎ＋ドープ層（１０３）は分子線エピタキシによって成長し、３×１０１８ｃｍ−３の濃度でＳｉ不純物をドープしたＧａＡｌＡｓ層である。好適な実施形態では、ｎドープ層（１０３）は２層以上、例えば層状ｎ＋−ｎ構造等を含む。
【００１４】
これらの層の後にフォトニックバンドギャップ結晶（１２０）が続き、これらはｎ個の周期を含む。各周期は、低屈折率を有するｎドープ層（１０４）および高屈折率を有するｎドープ層（１０５）を含む。したがってフォトニックバンドギャップ結晶（１２０）は各々に層（１０４）および層（１０５）を含むｎ個の周期を含む。フォトニックバンドギャップ結晶（１２０）は、基板（１０２）に格子整合またはほぼ格子整合し、かつ放射光を透過する材料から形成することが好ましい。ＧａＡｓ基板上のデバイスの例では、好適な実施形態は変調アルミニウム組成ｘを持つ合金Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓである。フォトニックバンドギャップ結晶（１２０）の全ての層（１０４）および（１０５）はｎドープしなければならない。周期数、各層の厚さ、および各層の合金組成は、レーザ照射のただ一つのモードだけがｚ方向に局在化するように選択される。
【００１５】
フォトニックバンドギャップ結晶（１２０）は、片側を低屈折率を有する層（１０４）によって、反対側からは欠陥（１２１）によって取り囲まれる。フォトニックバンドギャップ結晶（１２０）の層の周期的シーケンスの後に特殊設計の欠陥（１２１）が続き、それは厚いｎドープ層（１０６）、比較的薄いｎ型弱ドープまたはアンドープ層（１０７）、活性領域（１０８）、ｐ型弱ドープまたはアンドープ層（１０９）、および厚いｐ型ドープ層（１１０）を含む。欠陥（１２１）は光子を局在化させる。活性領域（１０８）または光発生層は欠陥（１２１）内に配置することが好ましい。しかし、図１７に示すように、活性領域（１０８）は欠陥（１２１）の外に配置することもできる。層（１０６）および（１１０）は、基板（１０２）に格子整合またはほぼ格子整合し、かつ放射光を透過する材料から形成することが好ましい。ＧａＡｓ基板（１０２）上のデバイスの例では、層（１０６）および（１１０）の好適な材料はＧａＡｓまたはＧａ１−ｘＡｌｘＡｓである。弱ドープまたはアンドープ層（１０７）および（１０９）の好適な材料はＧａＡｓまたはＧａ１−ｘＡｌｘＡｓを含む。
【００１６】
活性領域（１０８）は、そのエネルギバンドギャップが基板（１０２）のそれより狭い、何らかの挿入によって形成することが好ましい。可能な活性領域（１０８）は、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはそれらの組合せの単層または多層システムを含むが、それらに限定されない。ＧａＡｓ基板上のデバイスの例では、能動素子の好適な実施形態は、ＩｎＡｓ、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＡｌｙＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＮｙまたは同様の材料の挿入のシステムを含むが、それらに限定されない。光（１２２）はレーザ（１００）の端面から出射する。光（１２２）は図１の面に対し直角に伝搬する。
【００１７】
欠陥（１２１）の後に低屈折率を有するｐドープ層（１１１）、中間屈折率を有するｐドープ層（１１２）、低屈折率を有する厚いｐドープ層（１１３）、および厚いｐドープバッファ層（１１４）が続く。層（１１１）、（１１２）および（１１３）はｐドープされ、かつ好ましくは、基板（１０２）に格子整合またはほぼ格子整合しかつ放射光を透過する材料から形成される。ＧａＡｓ基板上のデバイスの例では、これらの層の好適な材料は変調アルミニウム組成ｘを持つ合金Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓである。層（１１１）は低屈折率を持つことが好ましく、層（１１２）は中間または高屈折率を持つことが好ましく、層（１１３）は低屈折率を持つことが好ましい。
【００１８】
ｐドープコンタクト層（１１４）は、基板（１０２）に格子整合またはほぼ格子整合しかつ発生する光を透過する材料から形成し、アクセプタ不純物をドープすることが好ましい。好適な実施形態では、この層（１１４）は基板と同一材料、例えばＧａＡｓである。可能なアクセプタ不純物としてＢｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｍｎ、あるいはＳｉ、Ｇｅ、およびＳｎのような両性不純物があるが、それらに限定されない。後者のグループの不純物は、それらが主に陰イオン副格子内に組み込まれてアクセプタ不純物として働くような技術的条件下で導入される。例えば、ｐドープ層は、分子線エピタキシによって成長し、２×１０１７ｃｍ−３の濃度でＢｅ不純物をドープしたＧａＡｓまたはＧａＡｌＡｓ層であり、ｐ＋ドープ層は分子線エピタキシによって成長し、２×１０１９ｃｍ−３の濃度でＢｅ不純物をドープしたＧａＡｌＡｓ層である。好適な実施形態では、ｐドープ層（１１４）は２層以上、例えば層状ｐ−ｐ＋構造等を含む。様々な層の屈折率の好適な数値は後で、図６の考察時に提示する。
【００１９】
構造全体がｎコンタクト（１０１）とｐコンタクト（１１５）との間に配置される。コンタクト層（１０１）および（１１５）は多層金属構造から形成することが好ましい。ｎコンタクト（１０１）は三層構造Ｎｉ−Ａｕ−Ｇｅを含む材料から形成することが好ましいが、それに限定されない。ｐコンタクト（１１５）は三層構造Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕを含む材料から形成することができるが、それに限定されない。
【００２０】
レーザ（１００）の導波路はフォトニックバンドギャップ結晶（１２０）、欠陥（１２１）、低屈折率を有する層（１１１）、および中間屈折率を有する層（１１２）を含むことが好ましい。ｎエミッタ（１０３）の上に載っている層（１０４）、および層（１１３）は、レーザ（１００）のクラッド層として働く。フォトニックバンドギャップ結晶（１２０）、周期数、周期、フォトニックバンドギャップ結晶（１２０）の周期内の各層の厚さおよび屈折率、ならびに欠陥（１２１）の構造は全て、レーザ照射のただ一つのＴＥモードだけが欠陥（１２１）で局在化される一方、他の全てのモードがフォトニックバンドギャップ結晶（１２０）全体に広がるように設計する。レーザ（１００）の非対称設計は、ｐドープ領域（１１１）、（１１２）、（１１３）および（１１４）の全幅を低減し、かつしたがって構造の総抵抗を低減するために選択する。これが、活性領域（１０８）をその中に配置することが好ましい欠陥（１２１）をｐコンタクト（１１５）の方向にシフトする理由である。厚いｐドープ層（１１３）は、ｐコンタクト（１１５）に近い吸収ｐドープコンタクト層（１１４）またはｐコンタクト（１１５）自体に基本モードが広がるのを防止するために使用する。中間屈折率を有する追加層（１１２）は、欠陥領域（１２１）のレーザモードに対する層（１１３）の影響を低減し、かつ活性領域（１０８）における基本モードの大きい電界強度を維持するために使用する。一般的に、層（１１１）および（１１２）は本発明のレーザの必要な部分ではない。
【００２１】
構造全体の所望の屈折率プロファイルは次のように算出される。モデル構造を導入する。基本ＴＥモードおよび高次ＴＥモードは、方程式（２）の固有ベクトル問題の解から得られる。基本モードが算出されると、例えばＨ．Ｃ．Ｃａｓｅｙ，Ｊｒ．およびＭ．Ｂ．Ｐａｎｉｓｈ著「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒｓ，Ｐａｒｔ  Ａ」Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，Ｎ．Ｙ．，１９７８第二章に提示された方法を使用することによって、遠視野像が算出される。所望の構造は、最低ビーム発散、活性媒体における基本モードの最大振幅、および活性媒体における高次モードの振幅の基本モードのそれに対する最低比の間の好適な相互作用をもたらす最適化の結果として得られる。
【００２２】
図２は、欠陥（１２１）が層（１０６）、（１０７）、（１０８）、（１０９）および（１１０）を含む本発明の特定の実施形態を示す。総合して欠陥（１２１）の層（１０６）、（１０７）、（１０９）および（１１０）は各層（１０５）と同一の高屈折率を持ち、層（１０５）より厚いことが好ましい。図２の実施形態に示す全ての層（１０５）は同一厚さを持つ。本発明のレーザの種々の可能な実施形態を示すために図２のみならず、図３〜５にも一つの層（１０５）が示されている。欠陥（１２１）による基本モードの局在化のため、活性領域における基本モードの電界強度は他のモードより実質的に高い。一次ＴＥモードとの比較を図６に示す。活性領域におけるただ一つのモードだけの増強は、モードの効率的なろ波および単一モードレーザ発振の実現を可能にする。
【００２３】
図３は、欠陥（１２１）が層（１０６）、（１０７）、（１０８）、（１０９）および（１１０）を含む本発明の別の実施形態を示す。層（１０６）、（１０７）、（１０９）および（１１０）の屈折率は総合して各層（１０５）と同一厚さを持ち、かつ各層（１０５）の屈折率より高い屈折率を持つ。欠陥領域（１２１）はそのような高い屈折率を持つので、レーザ照射の基本モードを局在化するように設計される。
【００２４】
図４は、欠陥（４２１）が低屈折率を持つ層（４０１）を含む、本発明の別の実施形態（レーザ（４００））を示す。層（４０１）はフォトニックバンドギャップ結晶（４２０）の層（１０４）より薄い。図１〜３に示した実施形態とは対照的に、他の層（１０４）と比較して異なる厚さを有する層（４０１）はもはやフォトニックバンドギャップ結晶（４２０）の一部ではなく、欠陥（４２１）の一部である。層（４０１）の屈折率は層（１０４）と同一である。層（４０１）の低減した厚さのため、層（４０１）を取り囲む隣接層間の電磁波のトンネリングが増強される。したがって、層（４０１）に隣接する層（１０５）および欠陥（４２１）は電磁波を局在化する傾向がある。層（４０１）は、基板（１０２）に格子整合またはほぼ格子整合し、かつ放射光を透過する材料から形成することが好ましい。好適な実施形態では、層（４０１）は層（１０４）と同一材料から作成される。
【００２５】
図５は、層（５０１）が高屈折率を持つ二つの層（１０５）および（１０６）を分離する本発明の別の実施形態（レーザ（５００））を示す。層（５０１）は、フォトニックバンドギャップ結晶（５２０）の層（１０４）および（１０５）の屈折率間の中間屈折率を有する。層（５０１）の中間屈折率のため、層（５０１）を取り囲む隣接層間の電磁波のトンネリングが増強される。したがって、層（５０１）に隣接する層（１０５）および欠陥（５２１）は、電磁波を局在化する傾向がある。層（５０１）は、基板に格子整合またはほぼ格子整合し、かつ放射光を透過する材料から形成することが好ましい。好適な実施形態では、層（５０１）は、層（１０４）および層（１０５）のアルミニウム含有率間の中間のアルミニウム含有率ｘを持つＧａ１−ｘＡｌｘＡｓから作成する。
【００２６】
図６は、本発明のレーザの特定の実現の基本ＴＥモードおよび一次ＴＥモードのｚ方向のプロファイルを示す。特に、この図は図２の実施形態のレーザ（１００）を表す。フォトニックバンドギャップ結晶（１２０）は２８の周期を含み、その各々が低屈折率を有する単層（１０４）および高屈折率を有する単層（１０５）を含む。欠陥（１２１）は、高屈折率および層（１０５）の厚さを越す厚さを有する層によって実現される。この例では、層（１０４）および（１１１）は各々９０ｎｍの好適な厚さを有し、Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓ（ここでｘ＝０．５５）から作成される。層（１０５）は９００ｎｍの好適な厚さを有し、ＧａＡｓから作成される。欠陥（１２１）は１．０μｍの好適な厚さを有する。層（１１２）は厚さ４００ｎｍを有し、Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓ（ここでｘ＝０．０５）から作成される。この特定の実施形態のレーザの場合、層（１０５）、（１０６）、および（１１０）の屈折率は３．５９０であることが好ましく、層（１０４）および（１１１）の屈折率は３．２２７であることが好ましく、層（１０３）および（１１２）の屈折率は３．５５５であることが好ましく、層（１１３）の屈折率は３．０８０であることが好ましい。図６は、活性領域の基本ＴＥモードの電界強度が一次ＴＥモードのそれの約二倍の大きさであることを示す。それは全ての高次モードに有効である。そのような実施形態は遠視野ビーム発散が１．７０の単一モードレーザ発振を可能にする。
【００２７】
本発明の他の実施形態は、局在化欠陥が図２ないし図５に示した変形の一部または全部を組み合わせることによって実現される構造を含む。追加の実施形態では、局在化欠陥をフォトニックバンドギャップ結晶の一周期以上にわたって分布させる。さらに別の実施形態は、屈折率の何らかの非周期的変調によって基本ＴＥモードを局在化させる。本発明の他の実施形態は、フォトニックバンドギャップ結晶が局在化欠陥の両側に広がる構造を含む。
【００２８】
図７は、吸収体層（７０１）を使用して高次モードのレーザ照射を抑制することを教示する本発明の別の実施形態（レーザ（７００））を示す。吸収体層（７０１）は、放射光に対し高い吸収係数を有する層である。吸収体層（７０１）はフォトニックバンドギャップ結晶（７２０）の層（１０５）内に配置することが好ましく、それは高屈折率を有し、フォトニックバンドギャップ結晶（７２０）に、活性領域（１０８）を有する欠陥（７２１）とは反対側に配置される。吸収体層（７０１）の使用は次の利点をもたらす。基本モードの電界強度が欠陥（７２１）から離れるにつれて減衰する。この減衰は一般的に、振動因子によって変調する何らかの減少指数関数に従う。言い換えると、フォトニックバンドギャップ結晶（７２０）の所与の周期内の電界強度の最大値は、欠陥（７２１）から遠ざかるにつれて指数関数的に減衰する。他方、高次モードはどれも減衰を示さない。この現象のため、欠陥（７２１）から遠い基本モードの電界は、他のモードのそれよりかなり、例えば一桁またはそれ以上弱い。フォトニックバンドギャップ結晶（７２０）のこの位置に放射光に対し高い吸収係数を持つ吸収体層（７０１）を配置することにより、高次モードの効率的な抑制が達成される一方、基本モードは影響を受けない。この効果は高モードのレーザ照射の抑制を可能にし、単一モードレーザ発振を実現する。活性領域（１０８）および吸収体（７０１）の両方とも、レーザ照射のモードのプロファイルに著しく影響しない約１０ｎｍの典型的厚さを有することに注目されたい。したがって、吸収体（７０１）が配置される層（１０５）はフォトニックバンドギャップ結晶（７２０）の一部とみなされる。
【００２９】
本発明の代替実施形態では、吸収体層（７０１）はフォトニックバンドギャップ結晶（７２０）の第一層（１０５）の内側ではなく、次の層（１０５）の一つの内側に配置する。他の実施形態は、フォトニックバンドギャップ結晶（７２０）の幾つかの周期に配置された二つ以上の吸収体層（７０１）を含む。
【００３０】
図８は、本発明の別の実施形態（レーザ（８００））を示す。この実施形態は図１に示したレーザと同様であるが、低屈折率を持つ各層と高屈折率を有する隣接層との間に導入された勾配屈折率層（８０１）が加えられている。勾配屈折率層（８０１）の使用は、ＧａＡｓ／Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓヘテロ構造に基づく半導体レーザの場合、標準的なものである。勾配屈折率層（８０１）は屈折率の連続変化をもたらす。勾配屈折率は層（８０１）の勾配アルミニウム含有率ｘによって実現され、ヘテロ構造の抵抗の低減に役立つ。勾配屈折率層（８０１）の厚さは、半導体レーザの典型的なドーピングレベルでは約１００Åである電子のデバイ半径を超えることが好ましい。
【００３１】
図９は、図７に示した実施形態と同様の本発明の別の実施形態（レーザ（９００））を示す。吸収体層（７０１）に加えて、低屈折率の各層と高屈折率の隣接層との間に勾配屈折率層（８０１）が導入されている。吸収体層（７０１）は拡張モードを抑制し、勾配屈折率層（８０１）は屈折率の連続変化をもたらす。例えば、ＧａＡｓ／Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓヘテロ構造に基づく半導体レーザ（９００）では、屈折率層（８０１）は勾配アルミニウム含有率ｘを含む。
【００３２】
本発明の現実的な端面発光型レーザの性能を示すために、勾配ＧａＡｓ／Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓヘテロ構造に基づき、かつ吸収体層（７０１）を含む、図９に示した特定の実施形態を例として使用する。図１０の底部に示した屈折率プロファイルを持つ特定の構造について、モードを算出した。図９のフォトニックバンドギャップ結晶（９２０）はｎ＝１３個の周期を含む。高屈折率を有する層（１０５）はＧａＡｓから形成することが好ましく、約０．８μｍの厚さを持つ。層（１０６）、（１０７）、（１０８）、（１０９）および（１１０）を含む欠陥（９２１）は約０．９μｍの厚さを持つ。活性領域（１０８）は欠陥（９２１）の真ん中に配置する。低屈折率の層（１０４）はＧａ１−ｘＡｌｘＡｓ（ここでｘ＝０．５５）から形成し、約６００Åの厚さを持つことが好ましい。勾配屈折率層（８０１）は約４００Åの厚さを持つことが好ましい。ｐコンタクト層（１１４）の前に基本モードの減衰を達成するために使用される層（１１２）は厚さ約０．３μｍであり、Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓ（ここでｘ＝０．０５）から形成することが好ましい。層（１１３）は０．８のアルミニウム含有率および約０．３μｍの厚さを有する。吸収体層（７０１）はフォトニックバンドギャップ結晶（９２０）における基板（１０２）側から最初の周期に配置する。吸収体層（７０１）は層（１０５）内に、基板（１０２）側から層境界の近くに非対称に配置する。層境界からの距離は０．１μｍであることが好ましい。導波路の特定の設計は、発光波長０．９８μｍが得られるように計算する。図９の実施形態のレーザの導波路は勾配屈折率層（８０１）、ｎ周期のフォトニックバンドギャップ結晶（９２０）、欠陥（９２１）、勾配屈折率層（８０１）、低屈折率を有する層（１１１）、勾配屈折率層（８０１）、中間屈折率を有する層（１１２）、および勾配屈折率層（８０１）を含む。活性層および吸収体の厚さを除き、導波路を形成する全層の厚さは調和的に発光波長の規模に合わせる。図９の実施形態のレーザの場合、層（１０５）、（１０６）、および（１１０）の屈折率は３．５９０であることが好ましく、層（１０４）および（１１１）の屈折率は３．２２７であることが好ましく、層（１０３）および（１１２）の屈折率は３．５５５であることが好ましく、層（１１３）の屈折率は３．０８０であることが好ましい。勾配屈折率層（８０１）の各々の屈折率は、隣接層の屈折率の値の間で徐々に変化する。
【００３３】
図１０は、図９の実施形態におけるレーザ（９００）の基本ＴＥモードおよび一次ＴＥモードを示す。基本モードの算出閉込め係数は、一次モードのそれを１．５倍超える。しかし、フォトニックバンドギャップ結晶（９２０）の深さに対する局在基本モードの急速な減衰のため、吸収体におけるその吸収は一次ＴＥモードの吸収より約２０倍低い。
【００３４】
図１１は、図９の実施形態におけるレーザ（９００）の基本ＴＥモードと一次、二次、三次、および四次ＴＥモードとを比較する。図１１は、吸収体における全ての高次のＴＥモードの大きい振幅を実証する。「高次モード」とは基本モード以外の全てのモードである。これは、他のモードに比較して基本モードの吸収体層（７０１）における著しい抑制を実証する。高次モードの各々の吸収係数は、基本モードのそれより２０倍（一次モードの場合）および他のモードの場合１００倍およびそれ以上高い。これは高次モードからの基本モードの効率的な分離をもたらす。
【００３５】
レーザ（９００）における層（１０３）、（８０１）、（１０４）、および（８０１）、フォトニックバンドギャップ結晶（９２０）のｎ周期、ならびに層（１０６）を含むｎドープ領域全体の厚さは約１２μｍである。層（１１０）、（８０１）、（１１１）、（８０１）、（１１２）、（８０１）、（１１３）、（８０１）、および（１１４）を含むｐドープ領域の厚さは約１μｍである。レーザ（９００）では、クラッド層は低屈折率を有する最左端の層（１０４）および低屈折率を有する層（１１３）であり、導波路の幅は１３．１６μｍであることが好ましい。図９に示したレーザの基本モードの閉込め係数を論じる際に、それを基準レーザの閉込め係数と比較すると便利である。基準レーザとして、ＧａＡｓの０．８μｍ幅の導波路およびＧａ０．７Ａｌ０．３Ａｓのクラッド層を有する二重ヘテロ構造レーザを利用する。したがって、図９に示したレーザの基本モードの閉込め係数は、基準レーザの閉込め係数の約０．１である。本発明のレーザの閉込め係数は、活性領域（１０８）のみならず二重量子井戸をも使用することによって、モードのプロファイルに影響することなく、二倍にすることができる。これは、適度に低いしきい電流密度でレーザ発振を達成することを可能にする。
【００３６】
図１２は、この実施形態の基本ＴＥモードの遠視野図を示す。遠視野図の半値全幅は４０である。したがって、見本レーザ構造に対して行なわれた計算は、事実上単一モードレーザであり、基本ＴＥモードの狭い（４０）ビーム発散および適度な閉込め係数を有するレーザの作製を可能にする。
【００３７】
図１３は、レーザ（１３００）が図１に示したレーザと同様であるが、二つの層（１３０１）が追加された、本発明の別の実施形態を示す。これらの薄い層（１３０１）は活性領域（１０８）を取り囲む。これらの層（１３０１）は、キャリアの潜在的障壁を形成する材料から形成する。これらの層（１３０１）は活性領域からのキャリアの蒸発を防止し、したがってレーザ（１３００）の高温安定性を提供する。これらの層（１３０１）は、一方では、ｎドープ層（１０６）から活性領域（１０８）への電子のトンネリングおよびｐドープ層（１１０）から活性領域（１０８）へのホールのトンネリングを促進するのに充分な薄さでなければならない。他方で、これらの層（１３０１）は、昇温での活性領域（１０８）からのキャリアの蒸発を防止し、かつしたがってレーザ（１３００）の熱安定性を改善するのに充分でなければならない。一例では、これらの層（１３０１）は高いアルミニウム含有率ｘを持つＧａ１−ｘＡｌｘＡｓ合金から形成することが好ましい。層（１３０１）の厚さおよびアルミニウム含有率は、活性領域（１０８）からのキャリアの蒸発を妨げながら、レーザ構造の抵抗を過度に増加することなく、活性領域（１０８）へのキャリアの効率的なトンネリングを可能にするように最適化する。層（１３０１）の典型的な厚さは５ｎｍ未満であり、典型的なアルミニウム含有率は０．４を超える。
【００３８】
図１４は、レーザ（１４００）が図７に示したレーザ（７００）と同様であるが、活性領域（１０８）からのキャリアの蒸発を妨げる追加の二層（１３０１）を持つ、本発明の別の実施形態を示す。フォトニックバンドギャップ結晶（１４２０）および欠陥（１４２１）もレーザ（１４００）に含まれる。吸収体層（７０１）は拡張モードを効果的に抑制する。活性領域（１０８）を薄い障壁（１３０１）で取り囲むことにより、活性領域からのキャリアの蒸発が防止され、かつしたがってレーザ（１４００）の高温安定性が達成される。
【００３９】
図１５は、レーザ（１５００）が図８に示したレーザ（８００）と同様であるが、活性領域（１０８）からのキャリアの蒸発を妨げる追加の二層（１３０１）を持つ、本発明の別の実施形態を示す。フォトニックバンドギャップ結晶（１５２０）および欠陥（１５２１）もレーザ（１５００）に含まれる。勾配屈折率層（８０１）は屈折率の連続変化をもたらす。活性領域（１０８）を取り囲む薄い障壁（１３０１）は、活性領域（１０８）からのキャリアの蒸発を防止し、かつしたがってレーザの高温安定性をもたらす。
【００４０】
図１６は、レーザ（１６００）が図９に示したレーザ（９００）と同様であるが、活性領域（１０８）からのキャリアの蒸発を妨げる追加の二層（１３０１）を持つ、本発明の別の実施形態を示す。フォトニックバンドギャップ結晶（１６２０）および欠陥（１６２１）もレーザ（１６００）に含まれる。吸収体層（７０１）は拡張モードを効果的に抑制する。勾配屈折率層（８０１）は屈折率の連続変化をもたらす。活性領域（１０８）を取り囲む薄い障壁（１３０１）は、活性領域（１０８）からのキャリアの蒸発を防止し、かつしたがってレーザの高温安定性をもたらす。
【００４１】
図１７は、活性領域がフォトニックバンドギャップ結晶（１７２０）の層の一つに配置され、かつ欠陥（１７２１）が受動素子だけを有する、本発明の別の実施形態（レーザ（１７００））を示す。図１７の特定の実施形態では、ｎ型ドープ層（１７０６）、ｎ型弱ドープまたはアンドープ層（１７０７）、活性領域（１７０８）、ｐ型弱ドープまたはアンドープ層（１７０９）、およびｐ型ドープ層（１７１０）がフォトニックバンドギャップ結晶（１７２０）の最右端の周期に配置される。層（１７０６）、（１７０７）、（１７０８）、（１７０９）、および（１７１０）は、本発明の他の実施形態の層（１０６）、（１０７）、（１０８）、（１０９）、および（１１０）と同じ材料から形成することが好ましい。層（１７０４）は低屈折率を有するｐドープ層である。それは基板（１０２）に格子整合またはほぼ格子整合し、かつ放射光を透過する材料から形成し、かつｐドープする必要がある。好適な実施形態では、層（１７０４）は層（１０４）と同一材料から形成されるが、ｐドープされる。図１７に示した欠陥（１７２１）は高屈折率を有する単一のｐドープ層（１７２２）を含む。レーザ照射の基本モードの局在化の効果は、図２の実施形態で述べたのと同様に実現される。欠陥（１７２１）は、高屈折率を有する他の層（１０５）と同じ屈折率を持つが、層（１０５）より厚い。
【００４２】
本発明の代替実施形態は上述した図と同様であるが、活性層を欠陥の外に配置する。例えば、欠陥は、図３の実施形態と同様の、フォトニックバンドギャップ結晶の層（１０５）より高い屈折率を有する単層によって実現することができる。代替的に、欠陥は低屈折率の層を間に挟んだ高屈折率の二つの層を含むことができ、図４の実施形態と同様に、低屈折率の層はフォトニックバンドギャップ結晶の層（１０４）より薄い。さらに別の実施形態は、図５の実施形態と同様に、フォトニックバンドギャップ結晶の層（１０４）および（１０５）の屈折率間の中間の屈折率の層を間に挟んだ高屈折率の二つの層によって欠陥を画定する。
【００４３】
本発明の他の実施形態は、活性層が局在化欠陥の外側に配置され、かつ局在化欠陥自体が図２ないし図５に示した変形の一部または全部を組み合わせることによって実現される構造を含む。追加の実施形態では、局在化欠陥をフォトニックバンドギャップ結晶の二周期以上にわたって分布させる。さらなる実施形態は、屈折率の何らかの非周期的変調によって基本ＴＥモードを局在化させる。本発明の他の実施形態は、フォトニックバンドギャップ結晶が局在化欠陥の両側に広がる構造を含む。
【００４４】
別の実施形態は、図７の実施形態と同様に吸収体層が導入されるが、活性層が局在化欠陥の外側に配置された構造を含む。追加の実施形態は、図８の実施形態と同様に、活性層が局在化欠陥の外側に配置され、低屈折率の各層と高屈折率の隣接層との間に勾配屈折率層が導入された構造を含む。活性層が局在化欠陥の外側に配置されたさらに別の実施形態は、図１３の実施形態と同様に、活性層を取り囲むキャリア用の薄いトンネル障壁を含む。活性層が局在化欠陥の外側に配置され、吸収体層、勾配屈折率層、および活性層を取り囲むキャリア用の薄いトンネル障壁のような一部または全ての素子が含まれる、本発明の他の実施形態が可能である。本発明の他の実施形態は、欠陥が能動素子からｎ側またはｐ側のいずれかに配置された構造を含む。
【００４５】
本発明の代替実施形態では、レーザ構造の一部分だけがフォトニックバンドギャップ結晶から形成され、フォトニックバンドギャップ結晶はレーザ照射の高次モードの効率的なろ波を達成する。活性媒体およびフォトニックバンドギャップ結晶が空間的に分離され、レーザ構造の異なる部分に配置された追加の実施形態も、本発明によって包含される。本発明の他の実施形態では、フォトニックバンドギャップ結晶は端面発光型レーザのファセットに装着され、こうしてレーザ照射の高次モードの効果的なろ波を促進し、かつ効果的な単一モードレーザ発振を達成する。
【００４６】
本発明の追加の実施形態は、ただ一つのモードだけの伝搬光を高屈折率の欠陥領域で局在化させ、断面内で欠陥領域から遠ざかるにつれて減衰する一方、他の全てのモードが導波路の断面全体に広がるように、屈折率が光の伝搬の方向に対して直角の方向に変調される導波路、例えば光ファイバである。これは、一つを除く全てのモードの伝搬を阻害し、単一モードの光の伝搬を変化させない吸収体または散乱体の適用を可能にする。この実施形態は事実上単一モードの導波路、例えばたとえ厚いファイバの場合でも単一モードの光ファイバを実現する。
【００４７】
本発明の追加の実施形態は、本発明の全ての実施形態の場合と同様に、光の伝搬に対して直角の屈折率変調を持つフォトニックバンドギャップ結晶を含むが、光はｐｎ接合の面に対して直角に伝搬する。この実施形態は垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であることが好ましい。
【００４８】
特に図１８を参照すると、本発明に従ってフォトニックバンドギャップ結晶（１８２０）を使用するＶＣＳＥＬ（１８００）の一例が示されている。図１８は、光の伝搬の方向に対して直角の屈折率変調を持つフォトニックバンドギャップ結晶の特定の実現を示す。該構造を基板（１０２）上にエピタキシャル成長させる。基板（１０２）は、本発明の他の実施形態の場合と同様に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料またはＩＩＩ−Ｖ族半導体合金、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂまたはその他から形成することが好ましい。好適な実施形態では、ＧａＡｓを使用する。底部ミラー（１８０１）にはブラッグ反射器を使用することが好ましい。ＶＣＳＥＬ（１８００）の残りは二つの主要な要素、すなわち１）底部ミラー（１８０１）の上の能動素子、および２）フォトニックバンドギャップ結晶（１８２０）および欠陥（１８２１）を含む活性領域より上の領域を含む。フォトニックバンドギャップ結晶（１８２０）は、異なる屈折率を有する垂直柱（１８１０）が挿入される層（１８１１）を含む。
【００４９】
能動素子（１８０６）を形成するために、電流アパーチャ（１８０４）は、能動素子（１８０６）を取り囲む弱ドープ層（１８０５）および（１８０７）から、第一金属コンタクト（１８０３）付きのｎドープ電流拡散層（１８０２）を分離する。第二の電流アパーチャ（１８０４）は、第二の金属コンタクト（１８０９）付きのｐドープ電流拡散層（１８０８）から弱ドープ層（１８０７）を分離する。各層は、電流ブロック層として働き、かつ好ましくはＡｌ（Ｇａ）Ｏ層または陽子衝撃層から形成される、電流アパーチャ（１８０４）によって隣接する層から分離される。
【００５０】
能動素子（１８０６）は、エネルギバンドギャップが基板（１０２）のそれより狭い何らかの挿入によって形成することが好ましい。可能な能動素子は、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはそれらの組合せの単層または多層システムを含むが、それらに限定されない。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合、能動素子の好適な材料は、ＩｎＡｓ、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＡｌｙＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＮｙまたは同様の材料の挿入のシステムを含むが、それらに限定されない
【００５１】
ｎドープ層（１８０２）は、基板（１０２）に格子整合またはほぼ格子整合しかつ発生する光を透過する材料から形成し、ドナー不純物をドープすることが好ましい。それは、他の実施形態のｎエミッタ（１０３）と同一材料から作成することが好ましい。ｐドープ層（１８０８）は、基板に格子整合またはほぼ格子整合しかつ発生する光を透過する材料から形成し、アクセプタ不純物をドープすることが好ましい。それは、他の実施形態のｐエミッタ（１１４）と同一材料から作成することが好ましい。ｎコンタクト（１８０３）は、他の実施形態のｎコンタクト（１０１）と同一材料から形成することが好ましい。ｐコンタクト（１８０９）は、他の実施形態のｐコンタクト（１１５）と同一材料から形成することが好ましい。
【００５２】
ｎドープ電流拡散層（１８０２）は底部ミラー（１８０１）の上に直接位置する。層（１８１１）は選択的エッチングを受け、その後にヘテロエピタキシャル過剰成長（ｈｅｔｅｒｏｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）により別の材料の垂直柱（１８１０）を形成する。領域（１８２１）は基本横モードのレーザ照射を局在化する欠陥である。
【００５３】
分散ブラッグ反射器は、フォトニックバンドギャップ結晶（１８２０）および欠陥（１８２１）を含む領域の上にある上部ミラー（１８１３）にも使用することができる。能動素子（１８０６）は、ＶＣＳＥＬには一般的であるように順方向バイアス（１８１４）により動作する。光は上部ミラー（１８１３）を介して出射する（１８１５）
【００５４】
例えばＤ．Ｇ．Ｄｅｐｐｅ著「Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ」（Ｊ．ＣｈｅｎｇおよびＮ．Ｋ．Ｄｕｔｔａ編集「Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒｓ：Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、第１０巻」Ｇｏｒｄｏｎ  ａｎｄ  Ｂｒｅａｃｈ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，２０００，ｐｐ．１−６１）に記載されているように、底部ミラー（１８０１）および上部ミラー（１８１３）に対し異なる設計を使用することができる。好適な実施形態は多層誘電体ＧａＡｓ／ＡｌＧａＯミラーである。
【００５５】
フォトニックバンドギャップ結晶の特定の設計は、交互の柱（１８１０）および（１８１１）ならびに欠陥（１８２１）のみならず、電流アパーチャ（１８０４）をも含む。この設計は、欠陥（１８２１）によって局在化するレーザ照射の基本横モードだけが、横方向面全体に広がる全ての高次モードより著しく大きい活性領域との重なりを有するように、最適化する必要がある。そのような設計は、効果的な単一モードレーザ発振を促進する。この特定の実施形態は、例えばＲ．Ｄ．Ｍｅａｄｅらの「Ａｃｃｕｒａｔｅ  ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｂａｎｄ−ｇａｐ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４８：１１，ｐｐ．８４３４−８４３７（１９９３）に展開されている方法を使用することによって、不均質媒体中の光の伝搬の三次元問題を解くことによって計算される。
【００５６】
ＶＣＳＥＬの他の実施形態では、フォトニックバンドギャップ結晶は、過剰成長無しに選択的エッチングによって、表面の誘電体または金属コーティング、もしくは他のパターン形成技術によって、形成される。これらの実施形態で使用されるどの種類のパターン形成も、欠陥におけるレーザ照射の基本横モードの局在化を促進し、かつしたがってただ一つのモードのみによる活性媒体の有意の重なり積分が得られるはずである。これらの手法は全て、効果的な単一モードレーザ発振を可能にする。
【００５７】
本発明をその例示的実施形態に関して説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに上記および様々な他の変形、省略、および追加を施すことができることを当業者は理解されるはずである。したがって、本発明は、上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載する特徴に関して包含される範囲内で具現することのできる全ての可能な実施形態およびその均等物を含むものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】低および高屈折率の交互層の周期的シーケンスによって実現されたフォトニックバンドギャップ結晶と光子を局在化する欠陥とをレーザ構造の導波路に含む、本発明のレーザの一実施形態の略図を示す。
【図２】高屈折率の単一層を欠陥内に含み、この層の厚さが高屈折率を有するフォトニックバンドギャップ結晶の層の厚さを超える、本発明のレーザの一実施形態の略図を示す。
【図３】フォトニックバンドギャップ結晶の層より高い屈折率を有する単一層が局在化欠陥の一部である、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図４】低屈折率を有する単一層が高屈折率を有する二つの隣接する層を分離し、該分離層が低屈折率を有するフォトニックバンドギャップ結晶の他の層より薄い、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図５】中間屈折率を有する単一層が高屈折率の二つの隣接する層を分離する、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図６】図２に示したレーザの基本横電界（ＴＥ）モードおよび一次ＴＥモードの相対電界強度および屈折率を示す。
【図７】フォトニックバンドギャップ結晶の層の一つに吸収体層が配置された、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図８】高屈折率の層および低屈折率の層が勾配屈折率層によって分離された、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図９】フォトニックバンドギャップ結晶の層の一つに吸収体層が配置され、勾配屈折率層が高屈折率を持つ層を低屈折率を持つ層から分離する、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図１０】図９に示した実施形態の例における屈折率プロファイル、ならびに吸収体における基本モードの電界が一次モードの電界に比較して著しく抑制された基本ＴＥモードおよび一次ＴＥの電界強度を示す。
【図１１】図９に示した実施形態の一例における屈折率プロファイル、および基本モードの電界強度と一次、二次、三次、および四次ＴＥモードの電界強度との比較を示す。
【図１２】図９に示した実施形態の一例におけるレーザの遠視野像を示す。
【図１３】活性領域が薄い障壁によって取り囲まれた、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図１４】吸収体層がフォトニックバンドギャップ結晶の層の一つに配置され、活性領域が薄い障壁によって取り囲まれた、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図１５】高屈折率も層および低屈折率の層が勾配屈折率層によって分離され、活性領域が薄い障壁によって取り囲まれた、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図１６】フォトニックバンドギャップ結晶の層の一つに配置された吸収体層と、高屈折率の層と低屈折率の層を分離する勾配屈折率層と、活性領域を取り囲む薄い障壁とを含む、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図１７】フォトニックバンドギャップ結晶の層の一つに活性領域が配置され、光子を局在化する欠陥が受動素子だけを有する、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【図１８】横方向平面内に屈折率変調を有するフォトニックバンドギャップ結晶が垂直空洞面発光レーザに導入された、本発明の別の実施形態の略図を示す。
【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】
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【図１８】
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【国際公開パンフレット】
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2005502207.tif 000084
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005502207.tif 000085
2005502207.tif 000086
【国際調査報告】
2005502207.tif 000087