(57)【要約】  レーザ媒体と、共振器のどちらかの端面にファセット（１７）の形態で一次光帰還手段とを有するレーザ共振器であって、縦方向に延びる光路を構成し、二次光帰還手段がレーザ共振器内に複数の屈折率摂動（１６、２２）によって形成され、各摂動は２つの境界面（２０、２１）を構成し、少なくとも１つの摂動のために、２つの境界面の少なくとも１つだけが光路に沿う光帰還に寄与することを特徴とするレーザ共振器を備える半導体レーザ（１０）である。本発明は、単一縦モードデバイスを作製するためのリソグラフィの許容誤差を緩和し、性能特性を改善する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ単一波長の光を放射する半導体レーザ（１０）であって、レーザ媒体を有するレーザ共振器を備え、縦方向に延びる光路を構成する前記レーザ共振器のいずれかの端面にファセット（１７）の形態の一次光帰還手段と、前記レーザ共振器内に１つ又は複数の実効屈折率摂動によって形成され、各摂動が２つの境界面を構成する二次光帰還手段とを備え、少なくとも前記摂動の１つのために、２つの前記境界面の１つだけが前記光路に沿う光帰還に寄与することを特徴とする半導体レーザ（１０）。
【請求項２】
リッジ（１３）を備え、少なくとも前記１つの実効屈折率摂動は、前記リッジ（１３）内に構成されるスロット（１６）で提供されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項３】
前記各摂動は、前記リッジ（１３）に沿って形成されるスロット（１６）を備えていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項４】
前記各摂動の寄与境界面は、ほぼ平坦であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項５】
前記各摂動の前記寄与境界面は、縦方向に延びる光路にほぼ垂直であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項６】
少なくとも１つのスロット（１６）は、ほぼ平坦で、前記縦方向に延びる光路にほぼ垂直である第１面（１８）と前記光路に垂直でない第２面（１９）とを備えていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項７】
前記第２面（１９）は、前記第１面（１８）に関して、ほぼ階段状をなし、湾曲し又は傾斜していることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項８】
リッジ（１１３）をさらに備え、少なくとも１つの実効屈折率摂動は、前記リッジ（１１３）の端面内に構成された１つ又は複数の窪み（１１６）の形態で提供され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９】
前記各摂動は、前記リッジ（１１３）内に構成された窪み（１１６）によって形成されることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
一連の実効屈折率摂動を含み、隣接する寄与境界面の間の前記間隔は、１／４材料波長又は１／２材料波長の一定の数であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項１１】
１つ又は複数の追加の一連の実効屈折率摂動は、前記一連の摂動の上に重ねられることを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項１２】
隣接する寄与境界面の間の前記間隔は、１／４材料波長又は１／２材料波長の一定の数であり、２つ以上の個々のスロット（２１６）の長さが互いに異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１３】
（１）レーザ媒体を有し、縦方向に延びる光路を構成し、いずれかの端面にファセット（１７）を有するレーザ共振器を形成するステップと、
（２）前記レーザ共振器内に、それぞれが２つの縦の境界面を構成する、複数の摂動を導入することによって光帰還手段を形成するステップと
を有し、ただ１つの境界面だけが前記縦方向に延びる光路に沿う光帰還に寄与するように、少なくとも１つの摂動の前記縦の境界面を適応させることを特徴とする半導体レーザ（１０）の製造方法。
【請求項１４】
前記共振器は、縦方向に延びるリッジ（１３）を有して形成され、少なくとも１つの摂動が、前記リッジ（１３）内に形成したスロット（１６）によって提供されることを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１５】
少なくとも１つのスロット（１６）は、ほぼ平坦で前記縦方向に延びる光路にほぼ垂直である面（１８）と共に形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１６】
少なくとも１つのスロット（１６）は、前記光路に垂直でない面（１９）と共に形成されることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１７】
前記垂直でない面（１９）は、ほぼ垂直である前記面（１８）に関して、ほぼ湾曲し、階段状をなし、又は傾斜していることを特徴とする請求項１６に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１８】
前記共振器は、縦方向に延びるリッジ（１１３）を有して形成され、少なくとも１つの摂動は、前記リッジ（１１３）の端面内に１つ又は複数の窪み（１１６）をエッチングすることによって提供されることを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１９】
半導体レーザ（１０）の縦モード間隔を増大させる方法であって、光路に沿う一連の実効屈折率摂動を形成するステップを有し、隣接する寄与境界面の間の前記間隔が、１／４材料波長又は１／２材料波長の一定の数であることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関し、より詳しくは、ほぼ単一縦モード放射で動作する半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの長さに沿う所定の位置に摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）を取り入れることによって単一モード放射を達成することは、既知であり、参照によりその内容が本明細書に組み込まれている（特許文献１）（Ｔｒｉｎｉｔｙ  Ｃｏｌｌｅｇｅ  Ｄｕｂｌｉｎ）を参照されたい。エッチングによって得たレーザ共振器に沿うスロット形態（ｆｅａｔｕｒｅ）の光帰還手段（ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｍｅａｎ）によって単一縦モード放射を達成するいわゆる「スロットレーザ（ｓｌｏｔｔｅｄ  ｌａｓｅｒ）」も、（特許文献２）（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｉｒｅｌａｎｄ，Ｃｏｒｋ）に開示されている。
【０００３】
一般論として、光帰還とデバイスのスペクトル内容とを巧く処理するのに適切な程度に導波路の屈折率分布を変えるどんな屈折率（ｉｎｄｅｘ）変更手段によって、摂動を引き起こすことができる。以下の本発明の説明では、摂動が、主としてデバイスに沿ってエッチングされたスロットによって決定される場合に言及するが、本発明の教示は、摂動の他の形態（例えば、ドーピング又はイオン注入法を利用することによって屈折率分布を修正すること）に同じく利用できることが、当業者には理解されるであろう。
【０００４】
本明細書中で使用する用語「スロット長さ」（図２のＬｓｌｏｔで示した）は、デバイス材料中の縦方向のスロット面の間の間隔を指し、言い換えると「スロット長さ」は、光伝搬ｄの方向に沿って測定される。
【０００５】
図１は、単一の長方形スロットを含む従来技術のスロットレーザデバイスを示す図で、単一の長方形スロット６を有する典型的な従来技術のスロットレーザ１を示している。図２は、図１に示した従来技術の構造の上面図である。
【０００６】
一般に、このようなデバイスは、上部クラッド層４によって覆われた導波路層２（例えば、多重量子井戸構造を含む）を備えている。主な光帰還手段が、デバイスのどちらかの端部に劈開したファセット（ｆａｃｅｔ）８の形で提供される。ファセット間の間隔が、共振器のファブリペローモードの正確な波長を決定する。上部クラッド層４には、キャップ層５を有するリッジ３が形成される。このような既知のデバイスのスロットは、リッジ導波路３内に長方形スロット６をエッチングすることによって形成され、デバイス内の光伝搬ｄの方向に垂直である２つの縦の境界面（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ）７を得る。
【０００７】
スロットレーザによって単一縦モード性能を達成するメカニズムについて、以下に説明する。
【０００８】
レーザの縦モード間隔（ｆｒｅｅ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒａｎｇｅ）が以下の式で与えられ、事実上デバイスの共振器長さＬで決まるようなものである。
【０００９】
【数１】
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【００１０】
ここでΔλは縦モード間隔であり、λは光の自由空間波長であり、ｎｅｆｆはレーザ共振器内の光学モードの実効屈折率である。しかしながらレーザ共振器内の反射境界面を分離したＬ／Ｎの間隔に置くことによってほとんどのＮ番目に対して、ファブリペローモードを識別すること（すなわち、ほぼあらゆるＮｔｈモードを高めること）が可能であることが観測されている。ここでＬはまたレーザの共振器長さであり、Ｎは整数である。長方形のスロットがレーザ共振器内でエッチングされている場合、２面の反射境界面が同時に生成される事実を別にすれば、スロットレーザ内で何が生じているかが重要である。ここで留意すべき重要なことは、作り出された各反射境界面が同じ量の光帰還をもたらすということである。エッチングされたスロットの長さは、かなり小さく保たれなければならない（一般に３μｍ未満）ことを認識することも重要である。この主たる理由は、次のようなことである。第１に、スロット真下の導波路内の内部損失は、共振器内のどこよりも相当大きい。第２に、スロット底部より下の半導体材料中のドーパント濃度が、キャップ層中の濃度の十分の一未満であることもあって、この材料上で低抵抗金属接触を作り出すことが難しい。これはスロット部の長さが任意に増加すると、スロット真下の材料部分が、励起されずに残る恐れがあることを意味することになる。
【００１１】
デバイスの放射波長を正確に特定するためには、互いに相対的なスロットの端部全てをそれらの間の間隔に逆比例する精度で、位置決めできることが必要である。これは長い共振器デバイスの定在波条件は、短い共振器デバイスの定在波条件より、共振器の長さの一定の変化Δｘによる影響を受け難いと認識することによって理解できる。（デバイスのファセットは相当量の光帰還を提供するので、スロットに関して、これらの境界面の位置決めは重要であることに留意されたい）。通常スロットレーザが、エッチングを組み込むとき、それらの長さの桁は、レーザ共振器内の光学場の波長より１桁大きい大きさよりは小さい。所定の通常のスロットの２つの境界面が相当量の光帰還を提供することも考えると、放射波長、あるいはもっと正確に、そのようなデバイスのミラー損失スペクトルが、このようなスロット形態の境界面の間隔の誤差に極端に敏感であるのが理解されるであろう。したがって、スロットレーザの放射波長は、スロット自体の長さに決定的に左右される。したがって、所定の長さのスロットを正確に実現する工程段階がやはり重要である。
【００１２】
【特許文献１】欧州特許第１２１４７６３号明細書
【特許文献２】アイルランド国特許第５８２５２１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
スロットに実現可能な精度を決定する最も重要な要因は、どのリソグラフィ技術を用いるかの選択にある。これは、電子ビームシステムでは、＋／−１０〜２０ｎｍの間、フォトリソグラフィでは、＋／−１００〜２００ｎｍの間で変化する。リソグラフィシステム自体の精度を超えて、一定長さの長方形のスロットを実現しようとする方法は、やはり、エッチング工程に伴う偏り（ｂｉａｓ）によってひどく妨げられる（図３に、工程の偏りに基づくオフセットがＯｐｂで示されている）。平行な端面を有するスロットの長さは、エッチング工程の偏りによって影響を受け、したがって、スロットパターンのクリティカル  ディメンション（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｄｅｍｅｎｓｉｏｎ）が変わってしまう恐れがある。これらの要因の結果、標準的なリソグラフィ及び加工技術を用いて長方形のスロットの長さを十分制御し、したがって、そのようなスロット形態を有するデバイスのスペクトル内容を特定するのは難しい。
【００１４】
上述したように、スロットレーザの放射波長を正確に特定するにはかなりの難しさがある。
【００１５】
本発明の目的は、これらの難しい課題に対処することである。さらに、加工の偏り及びその結果のスロット位置決めに伴う問題にも対処することである。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、その性能が温度依存性の少ないほぼ単一モードの半導体レーザを提供することである。
【００１７】
さらに、本発明の他の目的は、レーザの縦モード間隔を増す方法と、改善した縦モード間隔を有する半導体レーザを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、ほぼ単一の波長の光を放射する半導体レーザであって、レーザ媒体を有するレーザ共振器を備え、縦方向に延びる光路を構成する前記レーザ共振器のいずれかの端面にファセットの形態の一次光帰還手段と、前記レーザ共振器内に１つ又は複数の実効屈折率摂動によって形成され、各摂動が２つの境界面を構成する二次光帰還手段とを備え、少なくとも１つの前記摂動のために、２つの前記境界面の１つだけが光路に沿う光帰還に寄与することを特徴とする半導体レーザを提供する。
【００１９】
好ましくは、レーザはリッジを備え、少なくとも１つの実効屈折率摂動がリッジ内に構成されたスロットによって形成される。好ましい実施形態では、各摂動はリッジに沿って形成されたスロットを備えている。
【００２０】
各摂動に寄与する境界面は、ほぼ平坦で、縦方向に延びる光路にほぼ垂直であることが好ましい。
【００２１】
好ましくは少なくとも１つのスロットが、ほぼ平坦で、縦方向に延びる光路にほぼ垂直である第１面と、光路に垂直でない、好ましくは、第１面に対してほぼ階段状をなし（ｓｔｅｐｐｅｄ）、湾曲し（ｃｕｒｖｅｄ）、あるいは傾斜（ａｎｇｌｅｄ）している第２面とを備えている。そのようなスロットの設計は、境界面の間の破壊的干渉を最小にし、あるいは防止する。
【００２２】
本発明によれば、光路にほぼ垂直である境界面だけが、デバイス内の光帰還に寄与し、次いで、垂直でない境界面からの抑制された帰還と一体となってレーザの性能特性が改善される。
【００２３】
他の実施形態では、少なくとも１つの実効屈折率の摂動を有するリッジを備えた半導体レーザであって、摂動がリッジ内の端面に構成された１つ又は複数の窪み（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）によって形成される半導体レーザである。それぞれの摂動は、リッジ内に構成された窪みによって適切に形成することができる。
【００２４】
一般に、隣接の寄与する境界面の間の間隔が１／４材料波長又は１／２材料波長の一定の数である、一連の実効屈折率の摂動を用いることができる。１つ又は複数の追加の一連の実効屈折率の摂動が一連の第１摂動と共に重ねられてもよい。このような一連の摂動によって、より大きな効果的な縦モード間隔を有するデバイスが得られる。
【００２５】
他の実施形態では、２つ以上のスロットが、別々の長さのものである（隣接の寄与する面の間の間隔は、１／２波長の一定の数である）。そのような「チャープ（ｃｈｉｒｐｅｄ）」スロットの効果は、寄与しない面は個々のスロットの長さが互いに異なるのでだめだが、寄与する面は共振器内の光帰還への建設的干渉をもたらすことができる。
【００２６】
本発明は、（１）発振媒体を有するレーザ共振器を形成するステップであって、レーザ共振器が、縦方向に延びる光路を構成し、いずれかの端部にファセットを有するステップと、（２）レーザ共振器内に、それぞれが２つの縦の境界面（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ）を構成する複数の摂動を導入することによって光帰還手段を形成するステップとを含み、少なくとも１つの摂動の縦の境界面を１つの境界面だけが縦方向に延びる光路に沿う光帰還に寄与するように適合させることを特徴とする半導体レーザの製造方法に関する。つまり、少なくとも１つの摂動のために、１つの境界面だけが縦方向に延びる光路に沿う光帰還に寄与する。
【００２７】
好ましくは、共振器が、縦方向に延びるリッジと一体に形成され、少なくとも１つの摂動が、リッジ内にスロットをエッチングすることによって提供される。
【００２８】
好ましくは、少なくとも１つのスロットが、ほぼ平坦で、縦方向に延びる光路にほぼ垂直である第１面と、光路に垂直でない、好ましくは、第１面に対してほぼ、湾曲し、階段状をなし、あるいは傾斜している第２面とを有して形成される。あるいは、リッジの端面（ｓｉｄｅ）内に１つ又は複数の窪みをエッチングすることによって、摂動が提供されてもよい。
【００２９】
本発明の半導体レーザの製造方法は、加工の許容誤差を改善し、以下にさらに説明するように得られたレーザの温度特性も向上する。
【００３０】
本発明は、光路に沿う一連の実効屈折率の摂動を形成するステップを含むレーザデバイスの縦モード間隔を増す方法であって、隣接の寄与境界面の間の間隔が、１／４材料波長又は１／２材料波長の一定の数である方法も提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。  
既知のスロットレーザでは、上述した問題を抱えている。これらの問題は、従来技術のスロットパターンが、図３に示すように非常に狭い間隔で隔てられている（一般に３μｍ未満）対の寄与境界面（つまり、帰還を提供する境界面）を形成するという事実に由来する。
【００３２】
図１及び図２には、導波路層２（一般に多重量子井戸構造を有する）、上部クラッド層４及びいずれかの端面にファセット８を有するキャップ層５で形成された従来技術のデバイス１が示されている。リッジ３が、デバイス１の上部に沿って縦方向に延びている。１つ長方形スロット６がリッジ３内でエッチングされて、デバイス内の光伝搬の縦方向にほぼ垂直であるスロット面７が生じることを示す。
【００３３】
図３は、従来技術のデバイス内の長方形のスロットの位置決めについて、加工の偏りの影響を示す概略図で、いかに工程の偏りによるオフセットの結果、長方形スロット６の面７によって構成される寄与境界面９が、該当する波長で建設的な干渉を保証するのに十分な高い精度で、レーザ共振器内の他のこのような寄与境界面に対して適切に位置合わせできないかを示している。具体的には、このような長方形スロットの場合、スロットの各面が、全体的な光帰還に寄与することになる。本発明は、所定の数のスロットの特定の端面上の境界面によって提供される光帰還を無視できる程までに低減する。したがって、この手法は、レーザのスペクトル内容のさらなる制御を可能にする。
【００３４】
スロットの長さが、上で大まかに説明した要因によって制約される場合には、スロット長さのどんな変化もミラー損失スペクトル、したがって、デバイスの放射波長に重大な影響を与えることになる。本発明の結果、今度はスロットのスペクトル選択性がスロット自体の寸法にもはや左右されなくなるので、このことはもはや問題ではなくなる。相変わらず重要な寸法は、相当量の光帰還を提供する境界面の間の間隔だけになる。これらの寸法は、一般にスロット自体の長さより１桁超大きいので、これらのスロット形態が位置合わせされなければならない精度も１桁超、緩和される。
【００３５】
図４は、単一の傾斜スロットを備えたスロットレーザデバイスの図で、図５は、図４に示したスロットレーザデバイスの上面図である。導波路層１２と上部クラッド層１４とキャップ層１５とリッジ１３とファセット１７（図１のデバイス１と同様の構造）を備えた本発明の半導体デバイス１０を示している。図示した実施形態では、傾斜スロット１６が、光伝搬方向に垂直な第１面１８及びこの第１面１８に対して傾斜する第２面１９を有して形成されている。１つ又は複数のスロット（又は同等の形体）が、屈折率分布（図６を参照）の変化に反映される発振媒体の摂動をもたらす。境界面２１は寄与しないが、実効的な屈折率の急峻な変化にはっきり現われる境界面２０が光路に沿う光帰還に対して寄与することになる。
【００３６】
図３及び図６ならびにエッチング工程に伴う偏りの問題を考慮する場合、スロットの長さが、今やデバイスのミラー損失スペクトルのスペクトル分布に影響を与えず、したがって、放射波長に影響を与えないので、本発明にとって、もはやこれは問題でないことが明らかになる。さらに、光帰還の大部分をもたらす境界面が、スロットの同じ端面上で全て提供される場合、工程の偏りが、図６に示したように、これら全ての境界面に同じように影響することになることが分かり、したがって、クリティカルディメンションに対する影響が低減される。本発明は、特定の波長の単一縦モードデバイスを作製する場合、実質的に、リソグラフィの許容誤差を緩和することを可能にする。バー構成内の隣接レーザ素子の放射波長を互いに正確に位置合わせさせ配置することも可能である。さらに、長方形のエッチングを組み込む既知のスロットレーザの製造に用いるがことができるよりも緩いリソグラフィ許容誤差でこれを正確に実施可能である。
【００３７】
本発明は、構造上の特徴（スロット、ドープ領域などの）を、デバイスの実効屈折率分布を修正するために用いることができるという前提に基づいている。（実効的屈折率は、レーザ共振器の特定の領域内の屈折率とその領域内に存在する光強度の一部分の積を加え合わせ、この値を、光電場の空間的広がり全体にわたる積分値で割ることによって得られる。）このような構造上の特徴が、デバイス内の屈折率分布の摂動を引き起こし、したがって、性能特性に影響することになる。言い換えれば、図４に示したようなレーザのリッジ内のエッチングされたスロットの表面が、高い屈折率と低い屈折率の間の境界面つまりスロットの物理的特性によって構成される境界面もたらす。本発明は、各スロットに関係して１つの境界面だけの寄与があるように、屈折率分布に摂動を与えるスロット設計を用いることによってレーザの性能特性を向上させることが可能である。一方、従来技術のデバイスで用いる長方形のスロットは、各スロットに関係して２つの寄与境界面がある。
【００３８】
ただ１つの寄与境界面を提供するという要求を満たす異なる種類のエッチングについて以下に述べる。広い温度範囲にわたって特定の波長の単一縦モード放射が可能であるようなエッチングのパターン例についても以下に述べる。パターン及びそれらの構成要素のエッチングは、所望のスペクトル内容を達成するために交換可能に用いることができる点にも注意されたい。
【００３９】
上述したように、各スロットパターンは、それに付随する２つの明確な設計要素を有し、第１が、エッチングされたスロットの形状であり、第２が、互いとレーザ共振器のファセットに対してのこれらの形体の配置である。一般に、スロットの境界面の１つからの光帰還が抑制されるどんなスロット構成も本発明で使用することができる。したがって、本発明では、スロットは、第１の寄与境界面２０及び第２の非寄与境界面２１を有する図６に示したような屈折率分布を生成するはずである。非寄与の境界面２１の場合には、所望の屈折率効果は、リッジ１３内に、角度をなし（ａｎｇｌｅｄ）、傾斜し（ｓｌｏｐｅｄ）、階段状をなし、湾曲する（又はそれらの組合せの）スロットあるいは他の適するスロットを導入することによって作り出すことができる。図６には、それぞれ通常の平坦な面１８と、「Ｖ字の（Ｖ−ｓｈａｐｅｄ）」面２２を有するスロット２２を示している。第２の境界面が、縦方向の光路に沿う、その範囲内の光帰還にほとんど寄与しないことになる屈折率に対する他のどんな効果も本発明の目的を十分満たすものである。したがって、本発明の重要な側面は、少なくとも１つの摂動又はスロットに関係する屈折率分布が、２つの縦の境界面の１つだけが光帰還に寄与するようなものであるということである。
【００４０】
図７は、本発明で使用することのできる種々のスロット構成の例を示す図で、具体的には、スロットａ及びｅはテーパ形、スロットｃ及びｇは湾曲形、スロットｄ及びｆは波形（ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ）、スロットｂは傾斜形、及びスロットｈは階段テーパ形（ｓｔｅｐｐｅｄ  ｔａｐｅｒｅｄ）と称する。共通の特徴は、それらが、それぞれレーザ共振器内の光伝搬の方向にほぼ垂直である１つの境界面（光帰還に寄与する）を有し、一方、スロットの別の端面が光帰還を抑制するように設計されている（例えば、第１の境界面に対し湾曲形、あるいは傾斜形である）ことである。図７に示したデバイスの選択は、設計の包括的な一組を提供することを試みたものではない、むしろ単に複数の可能な実施例を示すものである。
【００４１】
好ましくは、各スロットが、ほぼ平坦で、縦方向に延びる光路にほぼ垂直である第１面（すなわち、寄与境界面）と、第１境界面に対してほぼ、湾曲し、又は傾斜している第２面（帰還を抑制する境界面）を構成する。寄与境界面は、通常通りにＬ／Ｎ番目のモードに対して光帰還を提供するように働き、一方抑制境界面は、レーザ共振器内の光帰還に加わらないように設計されている。第１境界面に対して湾曲又は傾斜している第２境界面があることにより、それが提供可能な光帰還の量は２つの理由のために、どんな特定の縦モードに対しても減少する。第１に、湾曲し又は傾斜した境界面と相互作用する光は、共振器外に多く散乱される（伝搬の方向に垂直に位置合わせされた平担な境界面と相互作用する光より）可能性が高い。第２に、そのような境界面の異なる部分から発振モード中に反射して戻った光は、位相が一致せず、したがって、それが与える光帰還は波長範囲にわたって分布することがあり、レーザ共振器の複数の縦モードを含み、したがって、スペクトル内容を決定する際に影響が弱まる。
【００４２】
上述したエッチングによってレーザダイオードの放射波長を特定するには、光帰還の大部分を提供する境界面、すなわち、光伝搬の方向に垂直なまっすぐな境界面を互いに、１／２自由空間放射波長をその発振モードの実効屈折率で割った数の倍数に相当する間隔の所に配置することによって達成できる。この際、レーザ共振器内の光の波長λｍを定義するだけの価値が在る。これは材料波長として既知でもある。材料波長は、自由空間波長λと次式で与えられる関係にある。
【００４３】
【数２】
2007531248.tif 000004
【００４４】
特定の温度範囲にわたる特定の波長で単一の縦モードレーザ放射を達成する場合の問題は、本発明によっても取り組まれている。これを実施するために、問題の温度範囲にわたり生じるレーザの利得スペクトルの変化に対処するために共振器の縦モードを十分に識別する必要がある。特定の用途のために識別されなければならない縦モード（非摂動構造の）の数が決定されれば、適切なスロットパターンを決めることができる。ほとんどの基本的な種類のスロットパターンつまり、大部分の光帰還を提供する全ての寄与境界面が同じ間隔で隔てられているスロットパターンに対して、実効縦モード間隔は、次の式から計算できる、
【００４５】
【数３】
2007531248.tif 000005
【００４６】
（ここでｄはスロットの寄与境界面の間の間隔、Ｌは共振器の長さ、またΔλはファブリペロー共振器の縦モード間隔である）。
【００４７】
これまで述べてきたスペクトル選択性の２つの側面、つまり波長特定の能力と、実効縦モード間隔の程度は、本発明の一実施形態、１０個のエッチングしたテーパ形スロットを有するデバイスの計算されたミラー損失スペクトルを示す図８を見ると明らかである。これらのスロットは、１．５５μｍに発振波長を作るように共振器に沿って配置されており、それらの高い帰還境界面が、１６材料波長の間隔に隔てられて配置されているようなものである。ミラー損失スペクトルの最小値に相当する波長にレーザ放射が生じているので、利得スペクトルが十分平坦であると仮定すると、このレーザの実効縦モード間隔が４５ｎｍであることがすぐに分かり、これは式３を用いて得られるものと同じ値である。その利得スペルトルが１．５５μｍに近接して中央に位置し、このパターンを組み込むレーザダイオードは、１．５５μｍの単一縦モードで発振することになることも分かる。そのようなデバイスの活性領域の利得スペクトルが、ほぼ０．６ｎｍ／℃の割合で温度に対して調整されていることを仮定すると、説明したパターンのスロットを取り込んだデバイスはＴ１＋／−Ｔ２の温度範囲にわたって単一の縦モード放射を提供することになる。（ここでＴ１は、利得スペクトルが当該波長の近傍に中心を置いているときの温度で、Ｔ２は次式によって与えられ、
【００４８】
【数４】
2007531248.tif 000006
【００４９】
ここでｄＧ／ｄＴは、利得ピークが温度に対して調整される割合である。）この場合、８０℃の温度範囲にわたって単一の縦モード放射を達成することが可能である。
【００５０】
図９は、図８に示した計算されたミラー損失スペクトルを得るのに用いた傾斜スロットパターンの図で、レーザ共振器内のこれらのスロットの配置を示している。スロット自体は０．３μｍの平均長さを有し、それらの付随する寄与境界面は０．００８の実効屈折率ステップを有し、一方各スロットの傾斜面は、８つのサブユニットからなり、それぞれ０．００１の実効屈折率ステップを与え、またほぼ１０ｎｍ毎に共振器に沿ってずれている（図１０を参照のこと）。テーパ形のスロットを含むレーザ共振器の部分は、３２・１／２材料波長の一定間隔の所でエッチングされた一連のスロットであることを特徴とする。
【００５１】
図１１は、第２の実施形態による、１０個のテーパ形スロットの異なるパターンを含むデバイスに対する計算されたミラー損失スペクトルを示す図である（図１３を参照のこと）。この実施形態は、より大きな実効縦モード間隔を示し、したがって、はるかに広い温度範囲にわたって単一縦モード放射を維持することになる。具体的には、実効縦モード間隔が８０ｎｍより大きく、これは、ほぼ１６０℃の温度範囲にわたって信号縦モード放射を提供することになる。図１１に示したミラースペクトルを有するエッチング形体のパターンの詳細を考慮する前に、以下について考慮する価値がある。すなわち、図１２は、図９に示したものと類似の３つの簡単なスロットパターンに対するミラー損失スペクトルを示す図で、全てが、同一波長、この具体的な事例では、問題の１．５５μｍの波長に、単一の縦モードを得るために設計されている。図１２に示したミラー損失スペクトルを有するテーパ形スロットのパターンに関して、それらの垂直で平坦な面が、１／２材料波長の異なる数で隔てられていることだけが違うことに留意することは重要である。これらのパターンが建設的に干渉している波長は、唯一、それらが１．５５μｍで発振するように設計されているその波長であることが分かる。したがって、実効縦モード間隔は、スロットのパターンの組合せによって増大する（それらは、帰還に寄与する境界面を画定するスロット面の間の、異なる数の１／２材料波長を有している）。そのような手法は、当該波長のそれぞれ片側にある強く発振するミラー損失スペクトルの部分をつぶして、当該波長を除いてより一様なミラー損失スペクトルを作り出すことである。
【００５２】
図１１に示したミラー損失スペクトルを得るのに用いたスロットパターン（図１３）は、図１２に見られる種々のミラー損失スペクトルを作り出すのに用いた３つのパターン、すなわち、スロット間隔、２９・１／２材料波長、４４・１／２材料波長及び６２・１／２材料波長を有する３つの個別の系列の組合せの１つと考えてよい。このパターンの組合せが建設的に干渉する波長が、唯一、設計波長である場合に、結果として実効縦モード間隔が増えることになる。この手法は、寄与境界面を画定する隣接スロット面の間がちょうどある固定した数の１／２材料波長からなる、より単純なスロットパターンにさらに改善をもたらす。
【００５３】
テーパ形のスロットの種々の構成を組み込む複数のレーザデバイスが作製された。これらのデバイスは、標準のプロセス技術を使用して製造された。ここに特徴が詳述されるデバイスの製造に用いた各段階は以下のとおりであった。
（１）ＩｎＰ基板上に標準のＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰエピタキシャルレーザダイオード構造を成長するステップ。
（２）標準のリソグラフィ技術を用いるリッジ／スロット用のレジストパターンを形成するステップ。
（３）リッジ及びスロットをエッチングするステップ。
（４）誘電体被膜を適用するステップ。
（５）リッジ構造の上面に沿う誘電体内に開口をエッチングするステップ。
（６）接点金属を堆積するステップ。
（７）バー構成内へ劈開するステップ。
（８）ファセット被膜を適用するステップ（任意）。
（９）個々のデバイス内へシンギュレーションするステップ。
【００５４】
ステップ２、３、４、５、及び６は、それぞれ図１４（ａ）から１４（ｅ）に示されている。
【００５５】
作製されたデバイスに組み込まれたスロットパターンは、本発明の２つの主要な態様を実証するように設計されている。すなわち、規定の波長を放射する単一縦モードレーザダイオードを作製できること、ならびに単一縦モードで放射するレーザが、モ−ドホッピングに悩まされずに所定の温度範囲にわたって動作可能であるようにレーザダイオードのミラー損失スペクトルを操作できることである。以下のデータが、同時に作製された試作品で得られたこと、ならびに、このこれらの実験に使用したサンプルが、１つのファセットに適用された高反射率の被膜と、他方のファセットに適用された低反射率の被膜を有することに留意されたい。
【００５６】
まず、所定の温度範囲にわたって単一の縦モード動作を達成する課題を検討する。デバイスは、λ＝１．５８５μｍ、所定の動作温度２０℃で、単一の縦モードで発振するように設計された。測定された発振波長は１．５７７μｍであることが分かった（温度２０℃で動作する）。設計波長と実験的に測定された波長の差は、設計時に十分高い精度で導波モードの実効指標が分からないことに帰する。デバイスの第１組中に組み込まれたテーパ形スロットの設計図が図１５に示されている。スロットの寄与境界面の間が２０材料波長あることを考えるとデバイスの実効縦モード間隔は３６ｎｍであると計算される。全体で、デバイスは１０個のそのようなエッチング形体を備え、低反射率被覆に最近接の形体は、その寄与境界面が低反射率被覆に隣接する結晶のファセットから５０μｍとなるように配置されている。図１６は、１０℃、２０℃、３０℃、及び８５℃のデバイスから得られた波長スペクトルを示す図である。グラフから解釈できるのは、放射波長が温度とともに増すことが分かる。波長が温度に対して調整される割合が、この範囲にわたって０．１ｎｍ／℃になると測定されることによって、この温度範囲、２０℃から８５℃にわたり、モードホッピングは起きていないことが実証される。１０℃の放射波長が、放射波長２０℃からほぼ３６ｎｍだけ離れていることも注目に値する。これは実効縦モード間隔が、理論によって予測された値と一致することを示す（図１７）。本発明によって達成された大きな実効縦モード間隔は、従来のスロットパターンを組み込んだデバイスを用いた場合には得られていなかった。
【００５７】
次に、個々のレーザデバイスの放射波長を特定するための能力を検討する。２つのデバイスは単一縦モードの、第１がλ＝１．５５０μｍ、第２がλ＝１．５４５μｍで発振するように設計されている。実際に、第１デバイスの放射は、１．５４４μｍ（図１８）、一方、第２デバイスの放射は１．４３９μｍ（図１９）であった。このデバイスに組み込んだテーパ形窪み（ｔａｐｅｒｅｄ  ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｓ）の設計図は、図２０に示す（このパターンは、放射波長を高い精度で特定できるレーザダイオードデバイスを作製する際に、本発明の有用性を実証する）。全体で、それぞれのデバイスは１０対のそのような窪みを備え、低反射率被覆に最近接の窪み部分は、その寄与境界面が低反射率被覆に隣接する結晶のファセットから５０μｍとなるように配置されている。窪み部分のパターンの間の相違点は、ただ第１の場合にはスロットの寄与境界面を、１．５５０μｍ放射を達成するのに適した２０材料波長の所に間を置いて配置するよう設計され、一方、第２パターンの場合には、スロットの寄与境界面を１．５４５μｍ放射を達成するのに適した２０材料波長の所に間を置いて配置するように設計されている。上述同様に、波長を正確に特定できないのは、設計時点で実効指標の正確な値が分からないことによる。しかし、個々のデバイスはそれぞれの設計波長から６μｍ離れているが、これらのデバイスの波長の間の隔たりは狙い通りの５μｍであることに注目したい。レーザモードの実効指標は、波長放射スペクトルから計算することができるので、将来のデバイスの放射波長はもっと正確に特定することができることにも注目したい。
【００５８】
図２１は、個々に長さが異なるチャープスロットを含む本発明の一実施形態の図である。一般に、これらの摂動形体に関連して製造の許容誤差のいくらかを緩和することが可能な長方形のスロットパターンを含む、本発明による他の実施形態の半導体レーザである。この実施形態によれば、個々のスロットの長さが変えられる（すなわち、２つ以上のスロットの長さが互いに異なる）。各スロットの第１面（すなわち、寄与面）が、他のそのような面から反射された光と建設的に干渉し、したがって光路に沿う光帰還に寄与するように位置合わせ（すなわち、位相合わせ）されている。しかし、対応する第２面は、位相がずれていて、干渉を阻害させ、したがって、光路に沿う光帰還に関して非寄与である。
【００５９】
他の実施形態と同様に、本発明のこの実施形態は、製造の許容誤差を広げることを容易にする利点を有する。製造の側から見ると、厳しい許容誤差は、スロット当たり２つの面の位置合わせから（図１から図３の例に示した、従来技術のデバイスの場合のように）、図２１に示したスロット当たり１つの面に低減されている。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】単一の長方形スロットを含む従来技術のスロットレーザデバイスを示す図である。
【図２】図１に示した従来技術の構造の上面図である。
【図３】従来技術のデバイス内の長方形のスロットの位置決めについて、加工の偏りの影響を示す概略図である。
【図４】単一の傾斜スロットを備えたスロットレーザデバイスの図である。
【図５】図４に示したスロットレーザデバイスの上面図である。
【図６】本発明による、傾斜スロットを組み込んだレーザのクリティカルディメンションと、傾斜スロット導入によって生じた屈折率への影響を示す図である。
【図７】本発明で使用することのできる種々のスロット構成の例を示す図である。
【図８】１．５５μｍに単一モードの放射を得るために、適切な３２・１／２材料波長毎に隔てられた傾斜スロット部分を組み込んだデバイスに対して計算されたミラー損失スペクトルの図である。
【図９】図８に示した計算されたミラー損失スペクトルを得るのに用いた傾斜スロットパターンの図である。
【図１０】図８、図１１及び図１２に計算されたミラー損失プロファイルを得たシミュレーションに用いたスロットのより詳細な図である。
【図１１】傾斜した形体が、１／２材料波長の異なる複数によって隔てられているスロットパターンを用いて得た、計算されたミラー損失スペクトルの図であり、当該スロットパターンは、１．５５μｍ（非常に大きな効果的縦モード間隔であることに注意されたい）に単一モードの放射を得るように設計されている。
【図１２】１．５５μｍに単一の縦モード放射を得るように全て設計されている３つの異なるスロットパターンから計算された３つのミラー損失スペクトルを重ねて示す図である（実線、破線、及び点線のスペクトルは、それぞれ傾斜スロットが、２９、４４及び６２・１／２材料波長毎に隔てられたパターンを用いて得られたものである）。
【図１３】図１１に示したミラー損失スペクトルの計算に用いた傾斜スロットパターンの図である。
【図１４（ａ）】製造工程の様々なステップでのデバイスの横断面図である。
【図１４（ｂ）】製造工程の様々なステップでのデバイスの横断面図である。
【図１４（ｃ）】製造工程の様々なステップでのデバイスの横断面図である。
【図１４（ｄ）】製造工程の様々なステップでのデバイスの横断面図である。
【図１４（ｅ）】製造工程の様々なステップでのデバイスの横断面図である。
【図１５】大きな効果的縦モード間隔を有するレーザダイオードの製造において本発明の有用性を実験的に示すのに用いたテーパ形スロットパターンの態様を示す図である。
【図１６】図１５に示したスロットパターンを組み込んだ１０℃、２０℃、３０℃、及び８５℃で動作するデバイスのスペクトルをまとめて示す図である。
【図１７】図１５に示したスロットパターンに対する計算されたミラー損失スペクトルの図である。
【図１８】１．５５０μｍに放射するように設計されたデバイスから測定された波長スペクトルの図である。
【図１９】１．５４５μｍに放射するように設計されたデバイスから測定された波長スペクトルの図である。
【図２０】図１７及び図１８に示したスペクトルを生じさせたデバイスに用いたテーパ形スロット／窪みパターンの詳細図である。
【図２１】個々に長さが異なるチャープスロットを含む本発明の一実施形態の図である。
【図１】
2007531248.tif 000007
【図２】
2007531248.tif 000008
【図３】
2007531248.tif 000009
【図４】
2007531248.tif 000010
【図５】
2007531248.tif 000011
【図６】
2007531248.tif 000012
【図７】
2007531248.tif 000013
【図８】
2007531248.tif 000014
【図９】
2007531248.tif 000015
【図１０】
2007531248.tif 000016
【図１１】
2007531248.tif 000017
【図１２】
2007531248.tif 000018
【図１３】
2007531248.tif 000019
【図１４（ａ）】
2007531248.tif 000020
【図１４（ｂ）】
2007531248.tif 000021
【図１４（ｃ）】
2007531248.tif 000022
【図１４（ｄ）】
2007531248.tif 000023
【図１４（ｅ）】
2007531248.tif 000024
【図１５】
2007531248.tif 000025
【図１６】
2007531248.tif 000026
【図１７】
2007531248.tif 000027
【図１８】
2007531248.tif 000028
【図１９】
2007531248.tif 000029
【図２０】
2007531248.tif 000030
【図２１】
2007531248.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月8日(2007.6.8)
【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】
単一縦モードの発振を行う半導体レーザ（１０）であって、レーザ媒体を有するレーザ共振器と、縦方向に延びる光路を構成する前記レーザ共振器の各々の端面におけるファセット（１７）の形態の一次光帰還手段と、前記レーザ共振器内に１つ又は複数の実効屈折率摂動によって形成され、各摂動が２つの境界面を構成する二次光帰還手段とを備え、少なくとも前記摂動の１つのために、２つの前記境界面の１つだけが前記光路に沿う光帰還に寄与することを特徴とする半導体レーザ（１０）。
【請求項２】
リッジ（１３）を備え、少なくとも前記１つの実効屈折率摂動は、前記リッジ（１３）内に構成されるスロット（１６）で提供されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項３】
前記各摂動は、前記リッジ（１３）を横切って形成されるスロット（１６）を備えていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項４】
前記各摂動の寄与境界面は、ほぼ平坦であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項５】
前記各摂動の前記寄与境界面は、縦方向に延びる光路にほぼ垂直であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項６】
少なくとも１つのスロット（１６）は、ほぼ平坦で、前記縦方向に延びる光路にほぼ垂直である第１面（１８）と前記光路に垂直でない第２面（１９）とを備えていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項７】
前記第２面（１９）は、前記第１面（１８）に関して、ほぼ階段状をなし、湾曲し又は傾斜していることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項８】
リッジ（１１３）をさらに備え、少なくとも１つの実効屈折率摂動は、前記リッジ（１１３）の端面内に構成された１つ又は複数の窪み（１１６）の形態で提供され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９】
前記各摂動は、前記リッジ（１１３）内に構成された窪み（１１６）によって形成され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１０】
一連の実効屈折率摂動を含み、隣接する寄与境界面の間の前記間隔は、１／４材料波長又は１／２材料波長の一定の数であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項１１】
１つ又は複数の追加の一連の実効屈折率摂動は、前記一連の摂動の上に重ねられることを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ（１０）。
【請求項１２】
隣接する寄与境界面の間の前記間隔は、１／４材料波長又は１／２材料波長の一定の数であり、２つ以上の個々のスロット（２１６）の長さが互いに異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１３】
（１）レーザ媒体を有し、縦方向に延びる光路を構成し、いずれかの端面にファセット（１７）を有するレーザ共振器を形成するステップと、
（２）前記レーザ共振器内に、半導体レーザの縦軸を横切ってそれぞれが２つの境界面を構成する、複数の摂動を導入することによって光帰還手段を形成するステップと
を有し、ただ１つの境界面だけが前記縦方向に延びる光路に沿う光帰還に寄与するように、少なくとも１つの摂動の前記境界面を適応させることを特徴とする半導体レーザ（１０）の製造方法。
【請求項１４】
前記共振器は、縦方向に延びるリッジ（１３）を有して形成され、少なくとも１つの摂動が、前記リッジ（１３）内に形成したスロット（１６）によって提供されることを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１５】
少なくとも１つのスロット（１６）は、ほぼ平坦で前記縦方向に延びる光路にほぼ垂直である面（１８）と共に形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１６】
少なくとも１つのスロット（１６）は、前記光路に垂直でない面（１９）と共に形成されることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１７】
前記垂直でない面（１９）は、ほぼ垂直である前記面（１８）に関して、ほぼ湾曲し、階段状をなし、又は傾斜していることを特徴とする請求項１６に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１８】
前記共振器は、縦方向に延びるリッジ（１１３）を有して形成され、少なくとも１つの摂動は、前記リッジ（１１３）の端面内に１つ又は複数の窪み（１１６）をエッチングすることによって提供されることを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１９】
半導体レーザ（１０）の縦モード間隔を増大させる方法であって、各々の屈折率摂動が光路を横切って単一寄与境界面を有するような一連の実効屈折率摂動を形成するステップを有し、隣接する寄与境界面の間の前記間隔が、１／４材料波長又は１／２材料波長の一定の数であることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【国際調査報告】
2007531248.tif 000032
2007531248.tif 000033
2007531248.tif 000034
2007531248.tif 000035