(57)【要約】  本発明の種々の実施形態は、少なくとも１つの単層の非周期的サブ波長回折格子を含む共振器を備える面発光レーザを対象とし、一実施形態において、面発光レーザは、非周期的サブ波長回折格子１２２を用いて構成される回折格子層１１２、反射層、及び回折格子層と反射体との間の配置される発光層１０２を備える。非周期的サブ波長回折格子は、１つ又は複数の内部共振器モードの形状を制御し、かつ面発光レーザから放射される１つ又は複数の外部横モードの形状を制御する回折格子パターンを有するように構成される。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光レーザであって、
非周期的サブ波長回折格子（１２２）を用いて構成される回折格子層（１１２）と、
反射層と、
前記回折格子層と反射体との間に配置される発光層（１０２）とを備え、前記サブ波長回折格子及び前記反射体は空洞共振器を形成し、前記回折格子は１つ又は複数の内部共振器モードを実現し、かつ前記面発光レーザから放射される１つ又は複数の外部横モードを実現する回折格子パターンを有するように構成される、面発光レーザ。
【請求項２】
前記反射層上に配置される基板（１０６）と、
前記基板上に配置される第１の電極（１０８）と、
前記回折格子層上に配置される第２の電極（１１４）であって、該第２の電極は、前記サブ波長回折格子を露出させる開口部を有するように構成される、第２の電極と、
を更に備える、請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記反射層は分布ブラッグ反射体（１０４）を更に備える、請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記反射層は、第２の非周期的サブ波長回折格子（１７０４）を用いて構成される第２の回折格子層（１７０２）を更に備える、請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記回折格子パターンは溝（３００）によって分離されるラインの１次元パターンを更に備える、請求項１又は４に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記ラインの１次元パターンは、ラインの１つ又は複数のサブ領域（３０１〜３０３）を更に備え、各サブ領域内の前記ラインは、選択された周期及びデューティサイクルを有する、請求項５に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記回折格子パターンは２次元回折格子パターンを備える、請求項１又は４に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記サブ波長回折格子は、該サブ波長回折格子と前記発光層との間に空隙（２１６）を形成する、浮いた状態で支持される膜（１２２）を更に備える、請求項１又は４に記載の面発光レーザ。
【請求項９】
前記発光層と前記回折格子層との間に配置される絶縁層（１１０）を更に備え、該絶縁層は、電流及び光を閉じ込めるための開口部（１２０）を含む、請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項１０】
前記空洞共振器内で増幅され、該空洞共振器から放射される光は、前記サブ波長回折格子（１４０４）の回折格子パターンに基づいて偏光される、請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項１１】
前記サブ波長回折格子及び前記反射体は、単一モードの光を放射するための単一モード空洞共振器を形成するように構成される、請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項１２】
光を生成するための方法であって、
発光層を電子的にポンピングするステップ（１９０１）であって、１つ又は複数の非周期的サブ波長回折格子を含む空洞共振器内に形成される空洞共振器内に光を放射する、ポンピングするステップと、
前記共振器によってサポートされる軸モード及び横モードに光を結合するステップ（１９０３）と、
前記１つ又は複数の回折格子層の構成に基づいて、前記共振器によってサポートされる最も損失の低い軸モード及び横モードに結合された光を優先的に増幅するステップ（１９０５）と、
前記共振器によってサポートされる前記軸モード及び前記横モードに一致するコヒーレント光ビームのモードを放射するステップ（１９０７）と、
を含む、光を生成するための方法。
【請求項１３】
コヒーレント光ビームのモードを放射するステップは、前記共振器によってサポートされる単一光モードを放射するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記共振器によってサポートされる特定の偏光を有する光モードを優先的に増幅するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
特定の偏光を有する光を反射するように構成される前記１つ又は複数の回折格子を更に備える、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の種々の実施の形態はレーザに関し、詳細には半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、数例を挙げると、ディスプレイ、固体照明、センシング、印刷及び電気通信を含む多種多様の用途において用いることができるので、現在使用されている最も重要な種類のレーザのうちの１つを代表するものである。主に使用されている２つのタイプの半導体レーザが端面発光レーザ及び面発光レーザである。端面発光レーザは、発光層に対して実質的に平行な方向に進行する光を生成する。一方、面発光レーザは、発光層に対して垂直に進行する光を生成する。面発光レーザは、通常の端面発光レーザよりも優れた複数の利点を有する。面発光レーザは、より効率的に光を放射することができ、２次元発光アレイを形成するように配列することができる。
【０００３】
２つの反射体に狭持される発光層によって構成される面発光レーザは、垂直共振器面発光レーザ（「ＶＣＳＥＬ」）と呼ばれる。その反射体は通常、分布ブラッグ反射体（「ＤＢＲ」）であり、理想的には、光学的なフィードバックのために、９９％よりも高い反射比率（reflectivity）を有する反射共振器を形成する。ＤＢＲは複数の交互層で構成され、各層は、周期的に屈折率が変化する誘電体又は半導体材料で構成される。ＤＢＲ内の２つの隣接する層は異なる屈折率を有し、「ＤＢＲ対」と呼ばれる。ＤＢＲ反射比率及び帯域幅は、各層の構成材料の屈折率コントラスト、及び各層の厚みに依拠する。ＤＢＲ対を形成するために用いられる材料は通常、同じような組成を有し、それゆえ、比較的小さな屈折率差を有する。それゆえ、９９％よりも高い共振器反射比率を達成するために、かつ狭いミラー帯域幅を与えるために、ＤＢＲは、いずれかの場所に約１５〜約４０、又はそれよりも多くのＤＢＲ対を有するように構成される。しかしながら、９９％よりも高い反射比率を有するＤＢＲを作製することは、電磁スペクトルの青緑及び長赤外線部分の波長を有する光を放射するように設計されたＶＣＳＥＬの場合に特に、難しいことがわかっている。
【０００４】
物理学者及び技術者は、ＶＣＳＥＬの設計、動作及び効率を引き続き改善しようとしている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成される一例のＶＣＳＥＬの等角図である。
【図１Ｂ】本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成される、図１Ａに示されるＶＣＳＥＬの組立分解等角図である。
【図２】本発明の１つ又は複数の実施形態による、図１Ａに示される線Ａ−Ａに沿ったＶＣＳＥＬの断面図である。
【図３Ａ】本発明の１つ又は複数の実施形態による、１次元回折格子パターンを用いて構成されるサブ波長回折格子の平面図である。
【図３Ｂ】本発明の１つ又は複数の実施形態による、２次元回折格子パターンを用いて構成されるサブ波長回折格子の平面図である。
【図３Ｃ】本発明の１つ又は複数の実施形態による、２次元回折格子パターンを用いて構成されるサブ波長回折格子の平面図である。
【図４】本発明の１つ又は複数の実施形態による、反射光によって取得された位相を明らかにする２つの別々の回折格子サブパターンからのラインの断面図である。
【図５】本発明の１つ又は複数の実施形態による、反射波面がいかに変化するかを明らかにする２つの別々の回折格子サブパターンからのラインの断面図である。
【図６】本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成される回折格子パターンによって生成される例示的な位相変化等高線図の等角図である。
【図７】本発明の１つ又は複数の実施形態による、入射光を焦点に合焦させるように構成されるサブ波長回折格子の側面図である。
【図８】本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成されるサブ波長回折格子のための入射光波長の範囲にわたる反射率（reflectance）及び位相シフトのプロット図である。
【図９】本発明の１つ又は複数の実施形態に従って得られた周期及びデューティサイクルの関数としての位相変動の位相等高線プロットを示す図である。
【図１０Ａ】本発明の１つ又は複数の実施形態による、集光円筒鏡として動作するように構成される１次元サブ波長回折格子の平面図である。
【図１０Ｂ】本発明の１つ又は複数の実施形態による、集光球面鏡として動作するように構成される１次元サブ波長回折格子の平面図である。
【図１１】図１１Ａは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成され動作するＶＣＳＥＬの断面図である。図１１Ｂは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成され動作するＶＣＳＥＬの断面図である。
【図１２】本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬの発光層から放射される光の仮想共振器モード及び輝度又は利得プロファイルのプロット例である。
【図１３】本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬの空洞共振器を概略的に表す平凹共振器を示す図である。
【図１４】本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬから放射される偏光された光を示す図である。
【図１５】図１５Ａは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬの共振器内で生成される２つの横モードの一例を示す図である。図１５Ｂは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬから放射される最低次の横モードの輝度プロファイル分布の一例の等高線プロットを示す図である。
【図１６】本発明の１つ又は複数の実施形態による、ＶＣＳＥＬから放射される光ビームの一例の断面図である。
【図１７】図１７Ａは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成される一例のＶＣＳＥＬの等角図である。図１７Ｂは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成される一例のＶＣＳＥＬの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図１８】図１８Ａは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成される一例のＶＣＳＥＬ１８００の等角図である。図１８Ｂは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成される一例のＶＣＳＥＬ１８００の線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
【図１９】本発明の１つ又は複数の実施形態による、光を生成するための方法の制御フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の種々の実施形態はＶＣＳＥＬアレイを対象とし、ＶＣＳＥＬアレイにおいて、各ＶＣＳＥＬは、異なる波長においてレーザ光を放射する（lase）。ＶＣＳＥＬアレイ内の各ＶＣＳＥＬは、非周期的なサブ波長回折格子（「ＳＷＧ」）と、光共振器を形成するＤＢＲとを含む。各ＶＣＳＥＬのＳＷＧは、異なる回折格子構成を有し、それにより各ＶＣＳＥＬが異なる波長においてレーザ光を放射できる。各ＶＣＳＥＬのＳＷＧは、内部共振器モードの形状、及びＶＣＳＥＬから放射される外部モードの形状を制御するように構成することができる。各ＶＣＳＥＬは、小さなモード体積、概ね単一の空間出力モードを有し、狭い波長範囲にわたって光を放射し、単一偏光の光を放射するように構成することができる。
【０００７】
以下の説明では、用語「光」は、電磁スペクトルの赤外線及び紫外線部分を含む、電磁スペクトルの可視部分及び非可視部分内の波長を有する電磁放射を指す。
【０００８】
非周期的サブ波長回折格子を備える垂直共振器面発光レーザ
図１Ａは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成される一例のＶＣＳＥＬ１００の等角図を示す。ＶＣＳＥＬ１００は、分布ブラッグ反射体（「ＤＢＲ」）１０４上に配置される発光層１０２を含む。ＤＢＲ１０４は更に基板１０６上に配置され、基板１０６は第１の電極１０８上に配置される。ＶＣＳＥＬ１００は、発光層１０２上に配置される絶縁層１１０、層１１０上に配置される回折格子層１１２、及び回折格子層１１２上に配置される第２の電極１１４も含む。図１Ａの例において示されるように、第２の電極１１４は、回折格子層１１２の一部を露出させる長方形の開口部１１６を有するように構成される。矢印１１８によって示されるように、開口部１１６によって、発光層１０２から放射される光が、層のｘｙ平面に対して実質的に垂直にＶＣＳＥＬから出られるようになる（すなわち、光はｚ方向において開口部を通ってＶＣＳＥＬ１００から放射される）。図１Ｂは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬ１００の組立分解等角図を示す。その等角図は、絶縁層１１０内の開口部１２０、及び回折格子層１１２内のＳＷＧ１２２を明らかにする。開口部１２０によって、発光層１０２から放射される光が、ＳＷＧ１２２に達することができるようになる。本発明の実施形態は、長方形の形状を有する開口部１１６及び１２０には限定されないことに留意されたい。他の実施形態では、第２の電極及び絶縁層内の開口部は正方形、円形、楕円形又は任意の他の適切な形状とすることができる。
【０００９】
層１０４、１０６及び１１２は、適切な化合物半導体材料の種々の組み合わせで構成される。化合物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体及びＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を含む。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、窒素（「Ｎ」）、リン（「Ｐ」）、ヒ素（「Ａｓ」）及びアンチモン（「Ｓｂ」）から選択された列Ｖａ元素と組み合わせた、ホウ素（「Ｂ」）、アルミニウム（「Ａｌ」）、ガリウム（「Ｇａ」）及びインジウム（「Ｉｎ」）から選択された列ＩＩＩａ元素で構成される。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、二元化合物半導体、三元化合物半導体、四元化合物半導体のように、ＩＩＩ元素及びＶ元素の相対的な量に従って分類される。例えば、二元半導体化合物は、限定はしないが、ＧａＡｓ、ＧａＡｌ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ及びＧａＰを含む。三元化合物半導体は、限定はしないが、ＩｎｙＧａｙ−１Ａｓ又はＧａＡｓｙＰ１−ｙを含む。ただし、ｙは０〜１の範囲にある。四元化合物半導体は、限定はしないが、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙを含む。ただし、ｘ及びｙはいずれも独立して０〜１の範囲にある。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は、酸素（「Ｏ」）、硫黄（「Ｓ」）及びセレン（「Ｓｅ」）から選択されたＶＩａ元素と組み合わせた亜鉛（「Ｚｎ」）、カドミウム（「Ｃｄ」）、水銀（「Ｈｇ」）から選択された列ＩＩｂ元素により構成される。例えば、適切なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は、限定はしないが、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ及びＺｎＯを含み、それらは二元ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の例である。
【００１０】
ＶＣＳＥＬ１００の層は、化学気相成長、物理気相成長又はウェハーボンディングを用いて形成することができる。ＳＷＧ１２２は、反応性イオンエッチング、集束ビームミリング、又はナノインプリントリソグラフィーを用いて回折格子層１１２内に形成することができ、回折格子層１１２は絶縁層１１０に結合させることができる。
【００１１】
或る実施形態では、層１０４及び１０６はｐ型不純物をドープされ、一方、層１１２はｎ型不純物をドープされる。他の実施形態では、層１０４及び１０６はｎ型不純物をドープされ、一方、層１１２はｐ型不純物をドープされる。ｐ型不純物は、半導体格子の中に組み込まれ、層の電子バンドギャップに、「正孔」と呼ばれる空の電子エネルギー準位を導入する原子である。これらのドーパントは「電子受容体」とも呼ばれる。一方、ｎ型不純物は、半導体格子の中に組み込まれ、層の電子バンドギャップに充満した電子エネルギー準位を導入する原子である。これらのドーパントは「電子供与体」とも呼ばれる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、列ＶＩ元素がＩＩＩ−Ｖ格子内の列Ｖ原子と置き換わり、ｎ型ドーパントとしての役割を果たし、列ＩＩ元素がＩＩＩ−Ｖ格子内の列ＩＩＩ原子と置き換わり、ｐ型ドーパントとしての役割を果たす。
【００１２】
絶縁層１１０は、ＳｉＯ２若しくはＡｌ２Ｏ３又は大きな電子バンドギャップを有する別の適切な材料のような、絶縁性材料により構成することができる。電極１０８及び１１４は、金（「Ａｕ」）、銀（「Ａｇ」）、銅（「Ｃｕ」）又はプラチナ（「Ｐｔ」）のような適切な導体により構成することができる。
【００１３】
図２は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、図１Ａに示される線Ａ−Ａに沿ったＶＣＳＥＬ１００の断面図を示す。その断面図は、個別の層からなる構造を明らかにする。ＤＢＲ１０４は、発光層１０２に対して平行に向けられるＤＢＲ対のスタックにより構成される。実際には、ＤＢＲ１０４は、約１５〜約４０又はそれ以上のＤＢＲ対により構成することができる。ＤＢＲ１０４のサンプル部分の拡大図２０２は、ＤＢＲ１０４の層がそれぞれ約λ／４ｎ及びλ４ｎ’の厚みを有することを明らかにする。ただし、λは発光層１０２から放射される光の所望の真空波長であり、ｎはＤＢＲ層２０６の屈折率であり、ｎ’はＤＢＲ層２０４の屈折率である。濃い網掛けの層２０４は、第１の半導体材料により構成されるＤＢＲ層を表し、薄い網掛けの層２０６は、第２の半導体材料により構成されるＤＢＲ層を表し、層２０４及び２０６は関連する屈折率が異なる。例えば、層２０４はＧａＡｓにより構成することができ、３．６の近似的な屈折率を有し、層２０６はＡｌＡｓにより構成することができ、２．９の近似的な屈折率を有し、基板はＧａＡｓ又はＡｌＡｓにより構成することができる。
【００１４】
図２は、発光層１０２の拡大図２０８も含み、発光層１０２を構成する層のための１つ又は多数の取り得る構成を明らかにする。拡大図２０８は、発光層１０２が障壁層２１２によって分離される３つの別々の量子井戸層（「ＱＷ」）２１０により構成されることを明らかにする。ＱＷ２１０は、閉じ込め層２１４間に配置される。ＱＷ２１０を構成する材料は、障壁層２１２及び閉じ込め層２１４よりも小さな電子バンドギャップを有する。発光層１０２の全厚が概ね、発光層１０２から放射される光の波長になるように、閉じ込め層２１４の厚みを選択することができる。層２１０、２１２及び２１４は、異なる真性半導体材料により構成される。例えば、ＱＷ層２１０は、ＩｎＧａＡｓ（例えば、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ）により構成することができ、障壁層２１２はＧａＡｓにより構成することができ、閉じ込め層はＧａＡｌＡｓにより構成することができる。本発明の実施形態は、３つのＱＷを有する発光層１０２には限定されない。他の実施形態では、発光層は、１つ、２つ、又は３つ以上のＱＷを有することができる。
【００１５】
図２は、回折格子層１１２の構成も明らかにする。ＳＷＧ１２２は、回折格子層１１２の残りの部分よりも薄く、ＳＷＧ１２２と発光層１１２との間に空隙２１６を作り出すために、発光層１１２の上方に浮いた状態で支持（suspend）される。図２及び図１Ｂに示されるように、ＳＷＧ１２２は、１つのエッジに沿って回折格子層１１２に取り付けることができ、空隙２１８が回折格子層１１２からＳＷＧ１２２の３つの残りのエッジを分離している。また、回折格子層１１２及び絶縁層１１０は、回折格子層１１２の部分２２０が絶縁層１１０の開口部１２０を通して発光層１０２と接触するように構成される。絶縁層１１０は、回折格子層１１２の部分２１８を通る、発光層１０２の中心付近への電流の流れを抑制する。ＳＷＧ１２２及びＤＢＲ１０４は、ＶＣＳＥＬアレイ１００がレーザ光を放射している間に、光学的なフィードバックのための反射共振器を形成する反射体である。
【００１６】
非周期的サブ波長回折格子
上記のように、回折格子層１１２のＳＷＧ１２２は、発光層１０２の上方に浮いた状態で支持される平面膜として実装される。本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成されるＳＷＧ１２２は、ＶＣＳＥＬ１００の共振器の中に反射して戻される光の波面の形状の制御、及び図１Ａに示されるように、第２の電極１１４内の開口部１１６を通って放射される光の波面の形状の制御を含む、反射機能を提供する。これは、ＳＷＧ１２２の高い反射比率に実質的に影響を及ぼすことなく、ＳＷＧ１２２から反射される光の位相を制御する非周期的回折格子パターンを有するようにＳＷＧ１２２を構成することによって成し遂げることができる。後に示されるように、或る実施形態では、ＳＷＧ１２２が円筒鏡又は球面鏡として動作できるようにする回折格子パターンを有するように、ＳＷＧ１２２を構成することができる。
【００１７】
図３Ａは、本発明の１つ又は複数の実施形態による、回折格子層３０２内に形成される１次元回折格子パターンを用いて構成されるＳＷＧ３００の平面図を示す。１次元回折格子パターンは、複数の１次元回折格子サブパターンにより構成される。図３Ａの例では、３つの回折格子サブパターン３０１〜３０３が拡大される。図３Ａにおいて表される実施形態では、各回折格子サブパターンは、回折格子層３０２内に形成される、「ライン」と呼ばれる、回折格子層１０２材料の規則的に間隔を置いて配置される複数のワイヤ状の部分を含む。ラインはｙ方向に延在し、ｘ方向において周期的に間隔を置いて配置される。他の実施形態では、ライン間隔は連続的に変動させることができる。また、図３Ａは、回折格子サブパターン３０２の拡大された端面図３０４も含む。ライン３０６は、溝３０８によって分離される。各サブパターンは、特定の周期的なライン間隔、及びｘ方向におけるライン幅によって特徴付けられる。例えば、サブパターン３０１は、周期ｐ１だけ分離された幅ｗ１のラインを含み、サブパターン３０２は、周期ｐ２だけ分離された幅ｗ２のラインを含み、サブパターン３０３は、周期ｐ３だけ分離された幅ｗ３のラインを含む。
【００１８】
回折格子サブパターン３０１〜３０３は、サブ波長回折格子を形成し、その回折格子は、周期ｐ１、ｐ２及びｐ３が入射光の波長よりも小さいという条件で、１つの方向、すなわち、ｘ方向に偏光された入射光を優先的に反射する。例えば、入射光の波長に応じて、ライン幅は約１０ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲とすることができ、周期は約２０ｎｍ〜約１μｍの範囲とすることができる。或る領域から反射された光は、ライン厚ｔによって決まる位相φ、及び以下のように定義されるデューティサイクルηを取得する。
【数１】
2013518430.tif 000003
ただし、ｗはライン幅であり、ｐはラインの周期間隔である。
【００１９】
ＳＷＧ３００は、非常に高い反射比率を保持しながら、反射光に特定の位相変化を加えるように構成することができる。１次元ＳＷＧ３００は、ラインの周期、ライン幅及びライン厚を調整することによって、入射光のｘ偏光成分又はｙ偏光成分を反射するように構成することができる。例えば、ｘ偏光成分を反射するが、ｙ偏光成分を反射しないために、特定の周期、ライン幅及びライン厚が適している場合があり、ｙ偏光成分を反射するが、ｘ偏光成分を反射しないために、異なる周期、ライン幅及びライン厚が適している場合がある。
【００２０】
本発明の実施形態は、１次元回折格子には限定されない。ＳＷＧは、極性の影響を受けない光（polarity insensitive light）を反射するために、２次元非同期回折格子パターンを有するように構成することができる。図３Ｂ〜図３Ｃは、本発明の１つ又は複数の実施形態による、２次元サブ波長回折格子パターンを有する２つの平坦なＳＷＧ例の平面図を示す。図３Ｂの例では、ＳＷＧは、溝によって分離されるラインではなく、ポストにより構成される。デューティサイクル及び周期は、ｘ及びｙ方向において変動させることができる。拡大図３１０及び３１２は、２つの異なるポストサイズを示す。図３Ｂは、拡大図３１０を構成するポストの等角図３１４を含む。本発明の実施形態は、長方形のポストには限定されず、他の実施形態では、ポスト（the posts）は正方形、円形、楕円形又は任意の他の適切な形状とすることができる。図３Ｃの例では、ＳＷＧは、ポストではなく、穴として構成される。拡大図３１６及び３１８は、２つの異なる長方形の穴サイズを示す。デューティサイクルはｘ及びｙ方向において変更することができる。図３Ｃは、拡大図３１６を構成する等角図３２０を含む。図３Ｃにおいて示される穴は長方形であるが、他の実施形態では、穴は正方形、円形、楕円形又は任意の他の適切な形状とすることができる。
【００２１】
他の実施形態では、１次元及び２次元の両方の回折格子パターンにおいて、ライン間隔、厚み及び周期を連続的に変動させることができる。
【００２２】
各回折格子サブパターン３０１〜３０３はまた、各サブパターンに関連付けられるデューティサイクル及び周期が異なることに起因して、１つの方向、例えば、ｘ方向に偏光された入射光を異なるように反射する。図４は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、反射光によって取得される位相を明らかにする２つの別々の回折格子サブパターンからのラインの断面図を示す。例えば、ライン４０２及び４０３は、ＳＷＧ４００内に配置される第１の回折格子サブパターン内のラインとすることができ、ライン４０４及び４０５は、ＳＷＧ４００内の他の場所に配置される第２の回折格子サブパターン内のラインとすることができる。ライン４０２及び４０３の厚みｔ１は、ライン４０４及び４０５の厚みｔ２よりも厚く、ライン４０２及び４０３に関連付けられるデューティサイクルη１も、ライン４０４及び４０５に関連付けられるデューティサイクルη２よりも大きい。ｘ方向に偏光され、ライン４０２〜４０５上に入射する光は、ライン４０４及び４０５によって閉じ込められる入射光の部分よりも相対的に長い時間にわたって、ライン４０２及び４０３によって閉じ込められるようになる。結果として、ライン４０２及び４０３から反射される光の部分は、ライン４０４及び４０５から反射される光の部分よりも大きな位相シフトを取得する。図４の例において示されるように、入射波４０８及び４１０は、概ね同じ位相でライン４０２〜４０５に突き当たるが、ライン４０２及び４０３から反射される波４１２は、ライン４０４及び４０５から反射される波４１４によって取得される位相φ’よりも相対的に大きな位相シフトφを取得する（すなわち、φ＞φ’）。
【００２３】
図５は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、反射した波面がいかに変化するかを明らかにするライン４０２〜４０５の断面図を示す。図５の例において示されるように、実質的に均一の波面５０２を有する入射光がライン４０２〜４０５に突き当たり、曲がった反射波面５０４を有する反射光を生成する。曲がった反射波面５０４は、入射波面５０２が相対的に大きなデューティサイクルη１及び厚みｔ１を有するライン４０２及び４０３と相互作用する部分、及び同じ入射波面５０２が相対的に小さなデューティサイクルη２及び厚みｔ２を有するライン４０４及び４０５と相互作用する部分に起因する。反射波面５０４の形状は、ライン４０４及び４０５に突き当たる光によって取得される、より小さな位相に対する、ライン４０２及び４０３に突き当たる光によって取得される、より大きな位相に一致する。
【００２４】
図６は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、ＳＷＧ６０２の特定の回折格子パターンによって生成される例示的な位相変化等高線図６００の等角図を示す。等高線図６００は、ＳＷＧ６０２から反射された光によって取得される位相変化の大きさを表す。図６において示される例では、ＳＷＧ６０２の回折格子パターンは、ＳＷＧ６０２の中心付近において反射された光によって取得される位相の大きさが最も大きく、ＳＷＧ６０２の中心から離れると、反射光によって取得される位相の大きさが減少する等高線図６０２を生成する。例えば、サブパターン６０４から反射された光はφ１の位相を取得し、サブパターン６０６から反射された光はφ２の位相を取得する。φ１はφ２よりもはるかに大きいので、サブパターン６０６から反射された光は、サブパターン６０８から反射された光よりもはるかに大きな位相を取得する。
【００２５】
位相変化は更に、ＳＷＧから反射された光の波面を形作る。例えば、図４及び図５を参照して上記で説明されたように、相対的に大きなデューティサイクルを有するラインは、相対的に小さなデューティサイクルを有するラインよりも、反射光内により大きな位相シフトを引き起こす。結果として、第１のデューティサイクルを有するラインから反射された波面の第１の部分は、相対的に小さな第２のデューティサイクルを有するように構成された異なる１組のラインから反射された同じ波面の第２の部分に遅れる。本発明の実施形態は、ＳＷＧが集光鏡又は更には凸面鏡のような特定の光学的特性を有する鏡として動作できるように、ＳＷＧのパターンを形成して、位相変化を、そして最終的には、反射波面の形状を制御することを含む。
【００２６】
図７は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、集光鏡として動作するように構成されるＳＷＧ７０２の側面図を示す。図７の例において、ＳＷＧ７０２は、ｘ方向に偏光された入射光が反射され、その波面が反射光を焦点７０４において合焦させることに対応するような回折格子パターンを用いて構成される。
【００２７】
非周期的サブ波長回折格子を構成する
本発明の実施形態は、ＳＷＧを、該ＳＷＧから反射された光の波面を所望の形状に導く鏡として動作するように構成することができるいくつかの方法を含む。所望の波面で反射するようにＳＷＧを構成する第１の方法は、ＳＷＧの回折格子層のための反射係数プロファイルを求めることを含む。反射係数は、以下の式によって表される複素数値関数である。
【数２】
2013518430.tif 000004
ただし、Ｒ（λ）はＳＷＧの反射率であり、φ（λ）はＳＷＧによって引き起こされる位相シフト又は位相変化である。図８は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、一例のＳＷＧのための入射光波長の範囲にわたる反射率及び位相シフトのプロットを示す。この例では、回折格子層は、１次元回折格子を有するように構成され、回折格子層のラインに対して垂直に偏光された電界成分を有する垂直入射において動作する。図８の例では、約１．２μｍから約２．０μｍの波長範囲にわたる入射光の場合に、曲線８０２は反射率Ｒ（λ）に対応し、曲線８０４はＳＷＧによって引き起こされる位相シフトφ（λ）に対応する。反射率及び位相曲線８０２及び８０４は、既知の有限要素法、又は厳密結合波解析のいずれかを用いて求めることができる。ＳＷＧ及び空気の屈折率コントラストが強いことに起因して、ＳＷＧは、高い反射比率８０６の広いスペクトル領域を有する。しかしながら、曲線８０４は、反射光の位相が、破線８０８と８１０との間の高反射比率のスペクトル領域全体にわたって変動することを明らかにする。
【００２８】
ラインの周期及び幅の空間寸法がファクタαによって一様に変更されるとき、反射係数プロファイルは実質的に変更されないが、波長軸はファクタαによってスケーリングされる。言い換えると、回折格子が自由空間波長λ０において特定の反射係数Ｒ０を有するように設計されているとき、異なる波長λにおいて同じ反射係数を有する新たな回折格子は、周期、ライン厚及びライン幅のような全ての回折格子幾何パラメータにファクタα＝λ／λ０を乗算し、ｒ（λ）＝ｒ０（λ／α）＝ｒ０（λ０）を与えることによって設計することができる。
【００２９】
加えて、高反射比率スペクトル窓８０６内で元の周期的回折格子のパラメータを不均一にスケーリングすることによって、｜Ｒ（λ）｜→１であるが、空間的に位相が変動するように回折格子を設計することができる。横方向座標（ｘ，ｙ）を用いて、ＳＷＧ上の或る点から反射された光の部分に位相φ（ｘ，ｙ）を導入することが望まれると仮定する。徐々に変化する回折格子スケールファクタα（ｘ，ｙ）を有する不均一な回折格子が、点（ｘ，ｙ）付近において、反射係数Ｒ０（λ／α）を有する周期的回折格子であるかのように局所的に挙動する。したがって、或る波長λ０において位相φ０を有する周期的回折格子設計を考えると、局所的スケールファクタα（ｘ，ｙ）＝λ／λ０を選択することによって、動作波長λにおいてφ（ｘ，ｙ）＝φ０が与えられる。例えば、ＳＷＧ設計において点（ｘ，ｙ）から反射された光の一部に約３πの位相を導入することが望まれるが、その点（ｘ，ｙ）のために選択されたライン幅及び周期が約πの位相を導入するものと仮定する。図８のプロットを再び参照すると、所望の位相φ０＝３πは曲線８０４上の点８１２及び波長λ０≒１．６７μｍ８１４に対応し、点（ｘ，ｙ）に関連付けられる位相πは、曲線８０４上の点８１６及び波長λ≒１．３４μｍに対応する。したがって、スケールファクタは、α（ｘ，ｙ）＝λ／λ０＝１．３４／１．６７＝０．８０２であり、動作波長λ＝１．３４μｍにおいて所望の位相φ０＝３πを得るために、ファクタαを乗算することによって、点（ｘ，ｙ）におけるライン幅及び周期を調整することができる。
【００３０】
図８に示される反射率及び位相シフト対波長範囲のプロットは、ＳＷＧの特定の点から反射された光に特定の位相を導入するために、ライン幅、ライン厚及び周期のようなＳＷＧのパラメータを求めることができる１つの方法を表す。他の実施形態では、ＳＷＧを構成するために、周期及びデューティサイクルの関数としての位相変動を用いることができる。図９は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、ＳＷＧを構成するために用いることができる、周期及びデューティサイクルの関数としての位相変動の位相等高線プロットを示す。図９に示される等高線プロットは、既知の有限要素法又は厳密結合波解析のいずれかを用いて生成することができる。等高線９０１〜９０３のような等高線はそれぞれ、その等高線に沿ったいずれかの場所に位置する、或る周期及びデューティサイクルを有する回折格子パターンから反射した光によって取得される特定の位相に対応する。それらの位相等高線は、０．２５πｒａｄだけ離隔される。例えば、等高線９０１は、反射光に−０．２５πｒａｄの位相を加える周期及びデューティサイクルに対応し、等高線９０２は、反射光に−０．５πｒａｄの位相を加える周期及びデューティサイクルに対応する。−０．２５πｒａｄと−０．５πｒａｄとの間の位相が、等高線９０１と９０２との間に位置する、周期及びデューティサイクルを有するＳＷＧから反射した光に加えられる。７００ｎｍの回折格子周期及び５４％のデューティサイクルに対応する第１の点（ｐ，η）９０４、及び６６０ｎｍの回折格子周期及び６０％のデューティサイクルに対応する第２の点（ｐ，η）９０６はいずれも等高線９０１上に位置し、同じ位相シフト−０．２５πを引き起こすが、異なるデューティサイクル及びライン周期間隔を有する。
【００３１】
図９は、位相等高線表面上に重なる、それぞれ９５％及び９８％反射比率の場合の２つの反射比率等高線も含む。破線の等高線９０８及び９１０は９５％反射比率に対応し、実線の等高線９１２及び９１４は、９８％反射比率に対応する。等高線９０８と９１０との間のいずれかの場所に位置する点（ｐ，η，φ）は９５％の最小反射比率を有し、等高線９１２と９１４との間のいずれかの場所に位置する点（ｐ，η，φ）は９８％の最小反射比率を有する。
【００３２】
次のサブセクションにおいて以下に説明されるように、位相等高線プロットによって表される点（ｐ，η，φ）を用いて、最小反射比率を有する特定のタイプの鏡として動作することができる回折格子のための周期及びデューティサイクルを選択することができる。言い換えると、図９の位相等高線プロットにおいて表されるデータを用いて、ＳＷＧ光学デバイスを設計することができる。或る実施形態では、周期又はデューティサイクルを固定する一方、他のパラメータを変更して、ＳＷＧを設計し、作製することができる。他の実施形態では、周期及びデューティサイクルの両方を変更して、ＳＷＧを設計し、作製することができる。
【００３３】
或る実施形態では、ＳＷＧを、一定の周期及び可変のデューティサイクルを有する円筒鏡として動作するように構成することができる。図１０Ａは、本発明の１つ又は複数の実施形態による、回折格子層１００２内に形成され、ｘ方向に対して平行に偏光された入射光のための集光円筒鏡として動作するように構成される１次元ＳＷＧ１０００の平面図を示す。図１０Ａは、網掛け領域１００４〜１００７のような網掛け領域を含み、各網掛け領域は異なるデューティサイクルを表しており、領域１００４のような濃い網掛け領域は、領域１００７のような薄い網掛け領域よりも相対的に大きさデューティサイクルを有する領域を表す。また、図１０Ａは、サブ領域の拡大図１０１０〜１０１２も含み、それらの拡大図は、それらのラインがｙ方向において平行であり、ライン周期間隔ｐがｘ方向において一定であるか、又は固定されていることを明らかにする。また、拡大図１０１０〜１０１２は、デューティサイクルηが中央から離れると減少することも明らかにする。ＳＷＧ１０００は、図７Ａを参照して上記で説明されたように、ｘ方向に偏光された反射光を焦点に合焦させるように構成される。また、図１０Ａは、焦点における反射ビームプロファイルの等高線プロットの等角図１００８及び平面図１０１０の例も含む。Ｖ軸１０１２はｙ方向に対して平行であり、反射ビームの垂直成分を表し、Ｈ軸１０１４はｘ方向に対して平行であり、反射ビームの水平成分を表す。反射ビームプロファイル１００８及び１０１０は、ｘ方向に偏光された入射光の場合、ＳＷＧ１０００は、ラインに対して垂直な方向（ｘ方向の「Ｈ」）において狭く、ラインに対して平行な方向（「Ｖ」又はｙ方向）において広いガウス形状ビームを反射することを示す。
【００３４】
或る実施形態では、ＳＷＧの中心から離れた回折格子層のラインにテーパーを付けることによって、一定の周期を有するＳＷＧを、入射偏光のための球面鏡として動作するように構成することができる。図１０Ｂは、本発明の１つ又は複数の実施形態による、回折格子層１０２２内に形成され、ｘ方向に偏光された入射光のための集光球面鏡として動作するように構成される１次元ＳＷＧ１０２０の平面図を示す。ＳＷＧ１０２０は、円形の鏡径を画定する。ＳＷＧ１０２０の回折格子パターンは、環状の網掛け領域１０２４〜１０２７によって表される。各網掛け環状領域は、ラインの異なる回折格子サブパターンを表す。拡大図１０３０〜１０３３は、ラインがｙ方向においてテーパーを付けられ、ｘ方向において一定のライン周期間隔ｐを有することを明らかにする。詳細には、拡大図１０３０〜１０３２は、ｙ方向において破線基準線１０３６に対して平行に延在する同じラインの拡大図である。拡大図１０３０〜１０３２は、周期ｐが固定されていることを示す。各環状領域は、同じデューティサイクルηを有する。例えば、拡大図１０３１〜１０３３は、実質的に同じデューティサイクルを有する環状領域１０２６内の異なるラインの部分を含む。結果として、環状領域の各部分は、環状領域から反射した光に概ね同じ位相シフトを与える。例えば、環状領域１０２６内のいずれかの場所から反射した光は、実質的に同じ位相シフトφを取得する。図１０Ｂは、焦点における反射ビームプロファイルの等高線プロットの等角図１０３８及び平面図１０３９の例も含む。ビームプロファイル１０３８及び１０３９は、球形ＳＷＧ１０２０が対称なガウス形反射ビームを生成し、ＳＷＧ１０００の反射ビームよりもＶ方向又はｘ方向において狭いことを明らかにする。
【００３５】
ＳＷＧ１０００及び１０２０は、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成することができる２つのみ又は多数の異なる種類のＳＷＧを表す。
【００３６】
レーザ動作及び共振器構成
図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って動作するＶＣＳＥＬ１００の１つの空洞共振器の断面図を示す。図１１Ａに示されるように、電極１１４及び１０８が、発光層１０２を電子的にポンピングするために用いられる電圧源１１０２に結合される。図１１Ａは、ＳＷＧ１２２の一部、空隙２１６、発光層１０２の一部及びＤＢＲ１０４の一部の拡大図１１０４を含む。ＶＣＳＥＬ１００にバイアスがかけられないとき、ＱＷ２１０は、対応する伝導帯内に相対的に低い濃度の電子、及び対応する価電子帯内に相対的に低い濃度の空電子状態、すなわち、正孔を有し、発光層１０２から光はほとんど放射されない。一方、ＶＣＳＥＬアレイ１００の層に順方向バイアスがかけられるとき、ＱＷ２１０の伝導帯内に電子が注入され、一方、ＱＷ２１０の価電子帯内に正孔が注入され、反転分布と呼ばれるプロセスにおいて、過剰な伝導帯電子及び過剰な価電子帯正孔を生成する。「電子−正孔再結合」又は「再結合」と呼ばれる放射プロセスにおいて、伝導帯内の電子は価電子帯内の正孔と自発的に再結合する。電子及び正孔が再結合するとき、最初に、或る波長範囲にわたって全ての方向において光が放射される。順バイアス方向において、適切な動作電圧が印加される限り、ＱＷ２１０において電子及び正孔反転分布が保持され、電子が正孔と自発的に再結合し、ほぼ全ての方向において光を放射することができる。
【００３７】
上記のように、ＳＷＧ１２２及びＤＢＲ１０４は、矢印１１０８によって示されるように、発光層１０２に対して実質的に垂直に、狭い波長範囲にわたって放射される光を反射して、発光層１０２の中に戻す共振器を形成するように構成することができる。反射してＱＷ２１０の中に戻された光は、連鎖反応において、ＱＷ２１０から更なる光の放射を誘導する。発光層１０２は最初に自然放出によって或る範囲の波長にわたって光を放射するが、ＳＷＧ１２２は波長λを選択して反射し、発光層１０２の中に戻して、誘導放出を引き起こすように構成されることに留意されたい。この波長は、縦モード、軸モード、又はｚ軸モードと呼ばれる。経時的に、発光層１０２における利得が縦モードによって飽和状態になり、縦モードが、発光層１０２からの光放射を支配し始め、他の縦モードは消滅する（decay）。言い換えると、ＳＷＧ１２２とＤＢＲ１０４との間で反射して往復しない光は、共振器によってサポートされる縦モードが支配し始めるのに応じて、感知できるほど増幅されることなくＶＣＳＥＬアレイ１００から漏出し、最終的には消滅する。図１１Ｂに示されるように、ＳＷＧ１２２とＤＢＲ１０４との間で反射した支配的な縦モードは、発光層１０２を横切って往復するのに応じて増幅され、定在波１１０８を生成し、その定在波はＳＷＧ１２２内で終端し、ＤＢＲ１０４の中に延在する。最終的に、ＳＷＧ１２２から、波長λを有する実質的にコヒーレントな光ビーム１１１０が現れる。発光層１０２から放射される光は、ＤＢＲ１０４及びＳＷＧ１２２に入り込み、共振器内の光の往復位相への寄与を加える。ＤＢＲ１０４及びＳＷＧ１２２は、空間をシフトして実効的な追加位相シフトを与える完全な鏡と考えることができる。
【００３８】
ＤＢＲ１０４及びＳＷＧ１２２によって作り出される共振器は、特定の波長λ’を有する単一縦共振器モード又はｚ軸共振器モードをサポートするように構成することができる。例えば、図８に戻ると、反射率曲線８０２の高反射比率部分８０６は、ＳＷＧ１２２によって反射することができる狭い波長帯を表す。図１２は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、波長λを中心にした発光層１０２から放射される光の輝度又は利得プロファイル１２０４の一例のプロット１２０２、及び単一仮想共振器モードの一例のプロット１２０６を示す。プロット１２０６内のピーク１２０８は、ＳＷＧ１２２及びＤＢＲ１０４によって形成される共振器によってサポートされる単一縦共振器モードλ’に関連付けられる。発光層１０２は、輝度プロファイル１２０４によって表される波長範囲を利用できるようにし、共振器は、その輝度プロファイルから、ピーク１２１０によって表される、波長λ’を有する縦モードを選択し、そのモードが共振器内で増幅され、ＶＣＳＥＬ１００から放射される。
【００３９】
先行するサブセクション「非周期的サブ波長回折格子を構成する」において上記で説明されたように、ＳＷＧ１２２は、内部縦共振器モード又は内部ｚ軸共振器モードを実現し、凹面鏡として動作するように構成することができる。図１３は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、ＶＣＳＥＬ１００の空洞共振器の構成を概略的に表す平凹共振器１３０２を示す。平凹共振器１３０２は、平面鏡１３０４及び凹面鏡１３０６を含む。ＶＣＳＥＬ１００のＤＢＲ１０４は、平面鏡１３０４に対応し、ＳＷＧ１２２は、上記のように、ＳＷＧ１２２とＤＢＲ１０４との間の発光層１０２の領域内で光が集中するように光を反射する凹面鏡として動作するように構成することができる。例えば、ＳＷＧ１２２は、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて表される輝度プロファイルの光を反射するように構成することができる。
【００４０】
ＶＣＳＥＬ１００は、偏光共振器モードを放射するように構成することができる。先行するサブセクション「非周期的サブ波長回折格子を構成する」において上記で説明されたように、ＳＷＧ１２２は、ラインに対して実質的に垂直に偏光された光を反射するように構成することができる。言い換えると、空洞共振器のＳＷＧ１２２は、発光層１０２から放射される光のうち、ＳＷＧ１２２のラインに対して垂直又は平行に偏光された成分も選択する。発光層１０２から放射される光の偏光成分は、ＳＷＧ１２２によって選択され、反射して共振器内に戻される。利得が飽和状態になると、ＳＷＧ１２２によって選択された偏光を有するモードのみが増幅される。発光層から放射される光のうち、ＳＷＧ１２２のラインに対して垂直に偏光されない成分は、感知できるほど増幅されることなくＶＣＳＥＬ１００から漏出する。言い換えると、ＳＷＧ１２２によって選択された偏光以外の偏光を有するモードは消滅し、放射されるビーム内には存在しない。最終的に、ＳＷＧ１２２によって選択された方向に偏光されたモードのみがＶＣＳＥＬ１００から放射される。
【００４１】
図１４は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、ＶＣＳＥＬ１００から放射される偏光された光の一例を示す。発光層１０２から放射される光は偏光されない。しかしながら、経時的に、利得が飽和するのに応じて、ＳＷＧ１２２によって１つの偏光状態が選択される。ＶＣＳＥＬ１００内からＳＷＧ１２２上に入射する両方向矢印１４０２は、ＳＷＧ１２２光によって選択された偏光状態を表す。ＳＷＧ１２２は、上記のように、ｙ方向に対して平行に延在するライン及び溝を有するように構成することができる。図１４の例では、ＳＷＧ１２２は、ｘ方向に偏光された、発光層１０２から放射された光の成分のみを選択する。偏光された光は、図１２を参照して上記で説明されたように、ＳＷＧ１２２及びＤＢＲ１０４によって形成された共振器内で増幅される。図１４の例において示されるように、ＶＣＳＥＬ１００から放射される光は、両方向矢印１４０４によって表されるように、ｘ方向に偏光される。
【００４２】
ｚ方向に沿って共振器によってサポートされる定在波に対応する、振動の特定の縦モード又は軸モードをサポートすることに加えて、横モードもサポートすることができる。横モードは共振器又はｚ軸に対して垂直であり、ＴＥＭｎｍモードとして知られる。ただし、ｍ及びｎの下付き文字は、出現するビームを横切るｘ及びｙ方向における横方向の節線の整数である。言い換えると、共振器内で形成されるビームは、その断面において、１つ又は複数の領域に分割することができる。ＳＷＧは、１つ又は特定の横モードのみをサポートするように構成することができる。
【００４３】
図１５Ａは、本発明の１つ又は複数の実施形態による、ＳＷＧ１２２及びＤＢＲ１０４によって形成される共振器１５０２内で生成される２つの横モードの一例を示す。上記のように、ＳＷＧ１２２は、共振器のサイズを画定するように構成することができる。図１５Ａに示されるように、ＴＥＭ００モードは、破線の曲線１５０２よって表され、ＴＥＭ１０モードは、実線の曲線１５０４によって表される。ＴＥＭ００モードは節を有さず、完全に共振器１５００内に存在する。一方、ＴＥＭ１０モードは、ｘ方向に沿って１つの節を有し、部分１５０６及び１５０８が共振器１５００の外側に存在する。結果として、利得飽和中に、ＴＥＭ００モードは、共振器１５００内に完全に存在するので増幅される。しかしながら、ＴＥＭ１０モードの一部は共振器１５００の外側に存在するので、利得飽和中にＴＥＭ１０モードは減少し、最終的には消滅するが、ＴＥＭ００モードは増幅し続ける。共振器１５００によってサポートすることができないか、又は共振器１５００内に完全には存在することができない他のＴＥＭｍｎモードも消滅する。
【００４４】
図１５Ｂは、本発明の１つ又は複数の実施形態による、ＶＣＳＥＬ１００から放射されるＴＥＭ００の輝度プロファイル分布の等高線プロット１５１０を示す。図１５Ｂに表される実施形態では、ＴＥＭ００は、ほぼ平坦なコヒーレントな波面を有し、かつ等高線プロット１５１０によって表されるガウス横方向放射照度プロファイルを有するように、ＳＷＧ１２２から現れる。輝度プロファイルはｚ軸について対称である。外部ＴＥＭ００モードは、図１０Ｂを参照して上記で説明されたような球面鏡として動作するように構成されるＳＷＧ１２２によって生成された内部ＴＥＭ００モードに対応する。他の実施形態では、ＳＷＧ１２２は、図１０Ａを参照して上記で説明されたように、ＳＷＧ１２２のラインに対して垂直な方向（ｘ方向）において狭く、ＳＷＧ１２２のラインに対して平行な方向（ｙ方向）において広い最低次の横モードＴＥＭ００を生成する円筒鏡として動作するように構成することができる。ファイバのコアがＳＷＧ１２２に極めて近接して位置するようにファイバを配置することによって、ＴＥＭ００モードは光ファイバのコアに結合することができる。また、ＳＷＧ１２２は、ＥＨ１１モードのような、中空導波路内に結合するのに適している横モードを放射するように構成することもできる。
【００４５】
ＳＷＧ１２２は、特定の輝度プロファイルパターンを有する光ビームを生成するように構成することができる。図１６は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、ＶＣＳＥＬから放射される光ビームの一例の断面図１６０２を示す。断面図１６０２は、ビームの長さに沿って、ドーナツ形の輝度プロファイルを有する光ビームを明らかにする。図１６は、放射されたビームの輝度プロファイル１６０４も含む。言い換えると、ＶＣＳＥＬから放射される光ビームはほぼ円筒形を有する。ＳＷＧ１２２は、エアリービーム又はベッセルビームプロファイルのような、他の種類の断面ビームパターンを生成するように構成することもできる。
【００４６】
本発明の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬの高さ及び共振器長は、２つのＤＢＲを用いて構成される従来のＶＣＳＥＬの高さ及び共振器長よりも著しく短いことに留意されたい。例えば、通常のＶＣＳＥＬ  ＤＢＲは、いずれかの場所に、約５μｍ〜約６μｍに相当する約１５〜約４０のＤＢＲ対を有し、一方、ＳＷＧは約０．２μｍ〜約０．３μｍの範囲の厚みを有し、同等又はより高い反射比率を有する。
【００４７】
図１及び図２に戻ると、絶縁層１１０は電流及び光の閉じ込めを提供するように構成される。しかしながら、図１３Ａを参照して上記で説明されたように、反射光をＳＷＧとＤＢＲとの間に位置する発光層の領域に反射光を閉じ込めるようにＳＷＧを構成することができるので、本発明のＶＣＳＥＬの実施形態は、絶縁層１１０を有することに限定されない。図１７Ａ及び図１７Ｂは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成される一例のＶＣＳＥＬ１７００の等角図及び線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示す。ＶＣＳＥＬ１００の絶縁層１１０がＶＣＳＥＬ１７００では存在しないことを除いて、ＶＣＳＥＬ１７００は、ＶＣＳＥＬ１００とほぼ同一の構成を有する。代わりに、回折格子層１１２のＳＷＧ１２２が、ＳＷＧ１２２とＤＢＲ１０４との間に位置する発光層の領域内に反射光を誘導するように構成される。
【００４８】
本発明の更に他の実施形態では、通常のＶＣＳＥＬの両方のＤＢＲ層をＳＷＧで置き換えることができる。図１８Ａ及び図１８Ｂは、本発明の１つ又は複数の実施形態に従って構成される一例のＶＣＳＥＬ１８００の等角図及び線Ｃ−Ｃに沿った断面図を示す。ＤＢＲ１０４がＳＷＧ１８０４とともに第２の回折格子層１８０２で置き換えられることを除いて、ＶＣＳＥＬ１８００はＶＣＳＥＬ１００とほぼ同一の構成を有する。図１８Ｂに示されるように、ＳＷＧ１８０４は浮いた状態で支持される膜であり、その膜と発光層１０２との間に空隙を有する。ＳＷＧ１８０４は、１次元又は２次元の回折格子パターンを有し、上記で説明したＳＷＧ１２２と同様に動作するように構成することができる。ＳＷＧ１２２及び１８０４は、反射光を発光層１０２の領域内に誘導するように構成することができるので、絶縁層１１０が不要になる可能性がある。
【００４９】
図１９は、本発明の１つ又は複数の実施形態による、光を生成するための方法の制御フロー図を示す。ステップ１９０１において、ＳＷＧ／ＤＢＲ共振器又はＳＷＧ／ＳＷＧ共振器によって形成される空洞共振器内に配置される発光層が、図１１Ａを参照しながら上記で説明されたように、電子的にポンピングされる。ステップ１９０２において、光が全ての方向において発光層から自発的に放射される。ステップ１９０３において、共振器によってサポートされる自発的に放射された光が共振器内に結合される。ステップ１９０４において、共振器によってサポートされる自発的に放射された光が、共振器内の光の放射を誘導する。結果として、共振器内の光が増幅し始める。ステップ１９０５において、最も損失が低い軸モード、横モード及び偏光モードに結合された誘導された光が、ＳＷＧ層によって優先的に増幅される。ステップ１９０６において、利得飽和が達成されていない限り、最も低い損失を有する軸モード、横モード及び偏光モードが共振器内で増幅される。利得飽和した場合には、ステップ１９０７において、好ましい軸モード、横モード及び偏光モードを有する光が共振器から放射される。
【００５０】
本発明を十分に理解してもらうために、説明の便宜上、これまでの説明は特有の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために、具体的な細部が不要であることは当業者には明らかであろう。本発明の具体的な実施形態のこれまでの説明は、例示し、説明するために提示された。それらの実施形態は、本発明を網羅することも、本発明を開示されるのと全く同じ形に限定することも意図していない。上記の教示に鑑みて、明らかに、数多くの変更及び変形が可能である。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実用的な応用例を最もわかりやすく説明し、それにより、意図した特定の用途に相応しいように種々の変更を加えながら、当業者が本発明及び種々の実施形態を最大限に利用できるようにするために、図示及び説明された。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定されることが意図されている。
【図４】
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【図５】
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【図１２】
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【図１９】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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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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【国際調査報告】
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