(57)【要約】光学フォトニック・デバイスであって、導光層を上に有する平面半導体基板と、前記導光層内の１次レーザ光源と、導光層の導波路部分によって１次レーザ光源に光学的に結合した垂直カプラーとを備える、光学フォトニック・デバイス。垂直カプラーは、１次レーザ光源から光ビームを受信し、平面基板の表面に実質的に垂直な方向に、光ビームを方向転換するように構成される。
2013504212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学フォトニック・デバイスであって、
導光層を上に有する平面半導体基板と、
前記導光層内の１次レーザ光源と、
前記導光層の導波路部分によって前記１次レーザ光源に光学的に結合した垂直カプラーであって、前記１次レーザ光源から光ビームを受信し、前記平面基板の表面に実質的に垂直な方向に、前記光ビームを方向転換するように構成される、垂直カプラーと、
前記垂直カプラーに光学的に結合した回折レンズであって、前記垂直カプラーから放出された前記光ビームを、前記実質的に垂直な方向にコリメートするように構成されている、回折レンズとを備えるデバイス。
【請求項２】
前記垂直カプラーは、前記導光層に隣接して、または、前記導光層内に回折格子を含み、前記回折格子は、前記１次レーザ光源からの前記光ビームを、前記実質的に垂直な方向に方向転換するように構成される請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記垂直カプラーは、前記導光層に隣接して、または、前記導光層内にミラーを含み、前記ミラーは、前記１次レーザ光源からの前記光ビームを、前記実質的に垂直な方向に方向転換するように構成される請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記１次レーザ光源および前記垂直カプラーは、前記平面半導体基板内にモノリシックに集積化される請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
光学フォトニック・デバイスであって、
導光層を上に有する平面半導体基板と、
前記導光層内の１次レーザ光源と、
前記導光層の導波路部分によって前記１次レーザ光源に光学的に結合した垂直カプラーであって、前記１次レーザ光源から光ビームを受信し、前記平面基板の表面に実質的に垂直な方向に、前記光ビームを方向転換するように構成される、垂直カプラーとを備え、
前記垂直カプラーのアレイをさらに含み、前記垂直カプラーのうちのそれぞれの１つの垂直カプラーは、前記導光層の導波路部分を分岐させることによって、前記１次レーザ光源に光学的に結合されるデバイス。
【請求項６】
複数の位相変調器をさらに含み、前記位相変調器のうちのそれぞれの１つの位相変調器は、前記１次レーザ光源と前記垂直カプラーの少なくとも１つとの間の光路内にある請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
複数の振幅変調器をさらに含み、前記複数の振幅変調器のうちのそれぞれの１つの振幅変調器は、前記１次レーザ光源と前記垂直カプラーの少なくとも１つとの間の光路内にある請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記複数の振幅変調器のうちのそれぞれの１つの振幅変調器は、前記垂直カプラーに組込まれ、前記垂直カプラーのうちのそれぞれの１つの垂直カプラーの回折格子パターンは、前記光ビームを前記実質的に垂直な方向に向けると共に、前記光ビームを振幅変調するように構成される請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
フォトニック・デバイスを使用する方法であって、
平面フォトニック・デバイス基板の表面に実質的に垂直な方向に光ビームを放出するステップを含み、放出するステップは、
前記平面基板上に配置された導光層内の１次レーザ内で光ビームを生成するステップと、
前記光ビームを、横方向に前記導光層の導波路部分を通して垂直カプラーに送信するステップと、
前記光ビームを、前記垂直カプラーを通して前記実質的に垂直な方向に方向転換するステップとを含み、前記垂直カプラーは、前記垂直カプラーのアレイの一部であり、前記垂直カプラーのうちのそれぞれの１つの垂直カプラーは、前記導光層の導波路部分を分岐させることによって、前記１次レーザ光源に光学的に結合される方法。
【請求項１０】
フォトニック・デバイスを製造する方法であって、
平面半導体基板上に導光層を形成するステップと、
１次レーザ用の回折格子構造を少なくとも形成するために、前記導光層の複数の部分内にドーパントを埋め込むステップと、
前記導光層上にまたは前記導光層内に垂直カプラーを形成するステップと、
前記１次レーザ光源ならびに前記１次レーザ光源および前記垂直カプラーを光学的に結合する導波路構造を形成するために、前記導光層をパターニングするステップとを含み、前記垂直カプラーは、前記垂直カプラーのアレイの一部であり、前記垂直カプラーのうちのそれぞれの１つの垂直カプラーは、前記導光層の導波路部分を分岐させることによって、前記１次レーザ光源に光学的に結合される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、本願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組込まれる、「ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＯＰＴＩＣＡＬＬＹ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＰＨＯＴＯＮＩＣ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＷＩＴＨ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＳＴＥＥＲＩＮＧ  ＣＡＰＡＢＩＬＩＴＹ」という名称の、２００９年９月２日に出願された米国仮出願第６１／２３９，３０１号の利益を主張する。
【０００２】
本開示は、一般に、フォトニック・デバイスを対象とし、より具体的には、垂直に光を放出するフォトニック・デバイス、ならびにフォトニック・デバイスを使用する方法および製造する方法を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
この節では、本発明のよりよい理解を容易にするのに役立つ可能性がある態様を紹介する。したがって、本節の陳述は、この点を考慮して読まれるべきである。本節の陳述は、従来技術内にあるもの、または従来技術内にないものに関する承認として理解すべきではない。
【０００４】
光学ビーム操向器は、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ）（ＭＥＭＳ）、液晶（ＬＣ）システム、音響光学（ＡＯ）システム、電気光学（ＥＯ）システム、または垂直キャビティ面放出レーザ（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒｓ）（ＶＥＳＥＬ）などの注入同期型レーザ・システムに基づくことが多い。しかし、光学ビーム操向器に対するこれらの手法はそれぞれ、問題を持ちうる。たとえば、ＭＥＭＳの速度は、多くのビデオ用途にとって遅過ぎ、精密なアナログ操向を必要とする用途にとってさらに遅い可能性がある。ＭＥＭＳはまた、複数のビームを容易に生成できない。ＬＣシステムのビーム品質は、高く、複数のビームを生成でき、操向速度は、ビデオにとって十分に速い。しかし、ＬＣシステムは、温度感受性が非常に高く、また、レーザなどの他の光学コンポーネントとの集積化を受け入れられない可能性がある。操向が高速であることができ、ビーム品質が良好であることができるが、ＬＣシステムは、２次元で操向すること、および／または、ＡＯシステムを用いて複数のビームを生成することが難しい可能性がある。速度が高速でありうるが、ＥＯビーム操向は、現在、１次元（１Ｄ）操向に限定されているように見える。フォトニック集積回路（ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）（ＰＩＣ）を用いたビーム操向のためにＶＣＳＥＬを使用することの欠点は、ＶＣＳＥＬが、規定された光学位相オフセットを有する平面導波路を使用して注入同期することが難しい可能性があり、また、個々の電子位相コントロールを導入することが難しい可能性があることである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態は、光学フォトニック・デバイスである。光学フォトニック・デバイスは、導光層を上に有する平面半導体基板と、導光層内の１次レーザ光源と、導光層の導波路部分によって１次レーザ光源に光学的に結合した垂直カプラーとを備える。垂直カプラーは、１次レーザ光源から光ビームを受信し、平面基板の表面に実質的に垂直な方向に、光ビームを方向転換するように構成される。デバイスは、前記垂直カプラーに光学的に結合した回折レンズを備え、前記回折レンズは、前記垂直カプラーから放出された前記光ビームを、前記実質的に垂直な方向にコリメートするように構成される。
【０００６】
上記デバイスのいくつかの実施形態では、前記垂直カプラーは、たとえば、前記導光層に隣接して、または、前記導光層内に回折格子（ｇｒａｔｉｎｇ）を含んでもよく、前記回折格子は、前記１次レーザ光源からの前記光ビームを、前記実質的に垂直な方向に方向転換するように構成される。
【０００７】
上記デバイスの任意のデバイスのいくつかの実施形態では、前記垂直カプラーは、たとえば、前記導光層に隣接して、または、前記導光層内にミラーを含んでもよく、前記ミラーは、前記１次レーザ光源からの前記光ビームを、前記実質的に垂直な方向に方向転換するように構成される。
【０００８】
上記デバイスの任意のデバイスのいくつかの実施形態では、前記１次レーザ光源および前記垂直カプラーは、たとえば、前記平面半導体基板内にモノリシックに集積化されてもよい。
【０００９】
第２の実施形態は、光学フォトニック・デバイスである。デバイスは、導光層を上に有する平面半導体基板と、導光層内の１次レーザ光源と、導光層の導波路部分によって１次レーザ光源に光学的に結合した垂直カプラーとを備える。垂直カプラーは、１次レーザ光源から光ビームを受信し、平面基板の表面に実質的に垂直な方向に、光ビームを方向転換するように構成される。デバイスは、前記垂直カプラーのアレイをさらに含み、前記垂直カプラーのうちのそれぞれの１つの垂直カプラーは、前記導光層の導波路部分を分岐させることによって、前記１次レーザ光源に光学的に結合される。
【００１０】
第２の実施形態では、デバイスは、たとえば、複数の位相変調器をさらに含んでもよく、前記位相変調器のうちのそれぞれの１つの位相変調器は、前記１次レーザ光源と前記垂直カプラーの少なくとも１つとの間の光路内にある。
【００１１】
第２の実施形態では、デバイスは、たとえば、複数の振幅変調器をさらに含んでもよく、前記複数の振幅変調器のうちのそれぞれの１つの振幅変調器は、前記１次レーザ光源と前記垂直カプラーの少なくとも１つとの間の光路内にある。
【００１２】
第２の実施形態では、前記複数の振幅変調器のうちのそれぞれの１つの振幅変調器は、たとえば、前記垂直カプラーに組込まれてもよく、前記垂直カプラーのうちのそれぞれの１つの垂直カプラーの回折格子パターンは、前記光ビームを前記実質的に垂直な方向に方向付けする（ｄｉｒｅｃｔ）と共に、前記光ビームを振幅変調するように構成される。
【００１３】
別の実施形態は、フォトニック・デバイスを使用する方法である。方法は、平面フォトニック・デバイス基板の表面に実質的に垂直な方向に光ビームを放出することを含む。放出することは、平面基板上に配置された（ｌｏｃａｔｅ）導光層内の１次レーザ光源内で光ビームを生成することを含む。放出することはまた、光ビームを、横方向に導光層の導波路部分を通して垂直カプラーに送信することを含む。放出することは、光ビームを、垂直カプラーを通して実質的に垂直な方向に方向転換することを含む。前記垂直カプラーは、前記垂直カプラーのアレイの一部であり、前記垂直カプラーのうちのそれぞれの１つの垂直カプラーは、前記導光層の導波路部分を分岐させることによって、前記１次レーザ光源に光学的に結合される。
【００１４】
別の実施形態は、フォトニック・デバイスを製造する方法である。方法は、平面半導体基板上に導光層を形成することを含む。方法はまた、１次レーザ光源用の回折格子構造を少なくとも形成するために、導光層の複数の部分内にドーパントを埋め込むことを含む。方法はまた、導光層上にまたは導光層内に垂直カプラーを形成することを含む。方法はまた、１次レーザ光源ならびに１次レーザ光源および垂直カプラーを光学的に結合する導波路構造を形成するために、導光層をパターニングすることを含む。前記垂直カプラーは、前記垂直カプラーのアレイの一部であり、前記垂直カプラーのうちのそれぞれの１つの垂直カプラーは、前記導光層の導波路部分を分岐させることによって、前記１次レーザ光源に光学的に結合される。
【００１５】
本開示の実施形態は、添付図面と共に読まれるとき、以下の詳細な説明から最もよく理解される。対応するまたは同様な数字または文字は、対応するまたは同様な構造を示す。種々の特徴は、一定比例尺に従って描かれていない可能性があり、議論を明確にするために、サイズが任意に増減される可能性がある。添付図面に関連して考えられる以下の説明が、ここで参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本開示の例示的な光学フォトニック・デバイスの断面図である。
【図１Ｂ】本開示の例示的な光学フォトニック・デバイスの断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｂに示すデバイスなどの、光学フォトニック・デバイスの例示的なマイクロレンズの断面図および平面図である。
【図２】図１Ａ〜１Ｂに示すデバイスなどの、本開示の例示的なフォトニック・デバイスの簡略レイアウトの平面図である。
【図３】図１Ａ〜１Ｂに示すデバイスなどの、本開示の例示的なフォトニック・デバイスの簡略レイアウトの斜視図である。
【図４】図１Ａ〜１Ｂに示すデバイスなどの、本開示の例示的なフォトニック・デバイスの例示的な簡略レイアウトの平面図である。
【図５】図１Ａ〜１Ｂに示すデバイスなどの、本開示の例示的なフォトニック・デバイスの例示的な簡略レイアウトの平面図である。
【図６】図１Ａ〜１Ｂに示すデバイスなどの、本開示の例示的なフォトニック・デバイスの例示的な簡略レイアウトの平面図である。
【図７】図１Ａ〜１Ｂに示すデバイスなどの、本開示の例示的なフォトニック・デバイスの例示的な簡略レイアウトの平面図である。
【図８】図１Ａ〜１Ｂに示すデバイスなどの、本開示の例示的なフォトニック・デバイスの例示的な簡略レイアウトの平面図である。
【図９】図１〜８に示すような、本開示のフォトニック・デバイスを使用する例示的な方法のフロー図である。
【図１０】図１〜８に示すような、本開示のフォトニック・デバイスを製造する例示的な方法のフロー図である。
【図１１Ａ】１Ｄ回折格子および集積化された振幅変調器を有する垂直カプラーを含む、本開示の例示的なフォトニック・デバイスの簡略レイアウトである。
【図１１Ｂ】１Ｄ回折格子および集積化された振幅変調器を有する垂直カプラーを含む、本開示の例示的なフォトニック・デバイスの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
説明および図面は、本発明の原理を示しているにすぎない。そのため、本明細書で明示的に述べられるかまたは示されないが、本発明の原理を具現化し、また、その範囲内に含まれる種々の配置構成を、当業者が考案することができることが理解されるであろう。さらに、本明細書で詳述される全ての例は、本発明の原理および本発明者によって与えられる概念を読者が理解するのを補助するという教育的目的だけのためであることが、原理上明確に意図され、また、こうした具体的に詳述された例および条件に対する限定がないものとして考えられる。さらに、本発明の原理、態様、および実施形態ならびに本発明の特定の例を詳述する本明細書の全ての陳述は、その等価物を包含することが意図される。さらに、本明細書で使用される用語「または（ｏｒ）」は、別途指示されない限り非排他的な「または」を意味する。同様に、本明細書で述べる種々の実施形態は、いくつかの実施形態が、新しい実施形態を形成するために、１つまたは複数の他の実施形態と組合されることができるため、必ずしも互いに排他的であるわけではない。
【００１８】
本開示の一実施形態は、光学フォトニック・デバイスである。図１Ａおよび１Ｂは、本開示の例示的な光学フォトニック・デバイス１００の断面図を提示する。デバイス１００は、導光層１１０を上に有する平面半導体基板１０５を備える。デバイス１００はまた、導光層内の１次レーザ光源１１５および垂直カプラー１２０を備える。垂直カプラー１２０は、導光層１１０の導波路部分によって１次レーザ光源１１５に光学的に結合される。垂直カプラー１２０は、１次レーザ光源１１５から光ビーム１２５を受信し、平面基板１０５の表面１３５に実質的に垂直な（たとえば、９０±１０°の）方向１３０に光ビームを方向転換するように構成される。たとえば、１次レーザ光源１１５からの光ビーム１２５は、導光層１１０を通って横方向１３７に進み、その後、垂直方向１３０に方向転換されることができる。垂直に方向転換された光は、本明細書で垂直放出光と呼ばれることがある。
【００１９】
１次レーザ光源１１５は、分布帰還型（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ）（ＤＦＢ）レーザ、分布ブラッグ反射鏡（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）（ＤＢＲ）、半導体光学増幅器、または任意の他の周波数調整可能コヒーレント放出源とすることができる。１次レーザは、本明細書で、マスターレーザまたはマスター発振器（ＭＯ）と呼ばれることがある。
【００２０】
いくつかの実施形態では、平面半導体基板１０５の少なくとも一部分は、導光層１１０用の下側クラッド層として構成され、デバイス１００は、さらに、上側クラッド層１４０（図１Ａ）を含むことができる。基板１０５（または、基板の下側クラッド層）および上側クラッド層１４０は、導光層１１０の屈折率より大きい屈折率を有する。いくつかの場合には、上側クラッド層１４０は、基板１０５（または下側クラッド層として構成される基板部分）の屈折率と実質的に等しい屈折率を有する。
【００２１】
図１Ａに示すように、いくつかの実施形態では、垂直カプラー１２０は、前記導光層１１０に隣接してまたは前記導光層１１０内に配置された回折格子１４５を含む。回折格子１４５は、１次レーザ光源１１５からの光ビーム１２５を実質的に垂直な方向１３０に方向転換するように構成される。回折格子１４５は、導光層１１０内にありうる。または、回折格子１４５は、その層が、導光層１１０の内部を進む光ビーム１２５に影響を及ぼすのに十分に近い限り、隣接層（たとえば、基板１０５または上側クラッド層１４０）内にありうる。回折格子１４５の実施形態は、１次元回折格子または２次元回折格子を含みうる。
【００２２】
図１Ｂに示すように、いくつかの実施形態では、垂直カプラー１２０は、導光層１１０に隣接してまたは導光層１１０内に配置されたミラー１５０を含む。ミラー１５０は、１次レーザ光源１１５からの光ビーム１２５を実質的に垂直な方向１３０に方向転換するように構成される。
【００２３】
図１Ａおよび１Ｂに示すように、デバイスのいくつかの実施形態は、さらに、垂直カプラー１２０に光学的に結合されたマイクロレンズ１５５を含みうる。マイクロレンズ１５５は、垂直カプラー１２０から放出された光ビーム１２５を、実質的に垂直な方向１３０にコリメートするように構成される。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ１５５は、導光層１１０に隣接する層（たとえば、図１Ａのクラッド層１４０または図１Ｂの基板１０５）内に配置されうる。他の実施形態では、マイクロレンズは、導光層１１０内に配置されうる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、マイクロレンズ１５５は、基板１０５の外部表面（たとえば、図１Ｂ）か、上側クラッド層１４０（たとえば、図１Ａ）か、または導光層１１０（示さず）内で一連の同心隆起１６０を含む回折レンズでありうる。いくつかの場合、隆起１６０は、円形同心隆起である。図１Ｃの詳細断面図および平面図に示すような、他の場合、レンズ１５５の隆起１６０は、基板の平面に対して９０°以外の角度（たとえば、約８０°〜８９°または約９１°〜１１０°）で、垂直カプラー１２５から放出される光ビーム１２５を受信するために、非対称（たとえば、楕円または他の非円形パターン）同心隆起でありうる。
【００２５】
図１Ａおよび１Ｂに示すように、いくつかの実施形態では、光ビーム操向を容易にするために、デバイス１００は、さらに、１次レーザ光源１１５と垂直カプラー１２０との間の光路内に配置された位相変調器１６５を含む。位相変調器１６５は、本明細書で、位相シフターと呼ばれることがある、または、ギリシャのシンボル、ファイ（Φ）で示される。
【００２６】
いくつかの実施形態では、位相変調器１６５は、電気光学変調器（たとえば、ポッケルス変調器）などの線形位相変調器である。他の実施形態では、位相変調器１６５は、キャリア注入式位相変調器である。低い注入電流では、キャリア注入式位相変調器は、光ビームの位相を、注入電流の線形関数として変調でき、一方、高い注入電流では、位相変調は、注入電流の非線形関数になりうる。いくつかの場合、電気光学変調器と比較してキャリア注入式位相変調器を使用することの利点は、ビーム操向のために十分に大きな位相シフトを誘発するために、かなり短い導波路長および小さな注入電流が使用されうることである。これは、次に、コンパクトなデバイスの設計を容易にする。いくつかの場合、電気光学変調器と比較してキャリア注入式位相変調器を使用することの欠点は、大きな注入電流では、自由キャリアが光１２５を吸収することである。電気光学変調器１６３は、光１２５を吸収する傾向はないが、わずかな程度の位相変調を達成するために、より長い導波路長またはより強い印加電流の使用を必要としうる。
【００２７】
図１Ａおよび１Ｂに示すように、いくつかの実施形態では、光ビーム操向を容易にするために、デバイス１００は、さらに、１次レーザ光源１１５と垂直カプラー１２０との間の光路内に配置された振幅変調器１７０を含む。振幅変調器１７０は、１次レーザ光源１１５から、いくつかの場合、デバイス１００の位相変調器１６５から直接受信するように構成される。振幅変調器１７０の実施形態は、ＤＦＢ、ＤＢＲ、またはリング・レーザなどの２次レーザ、あるいはＳＯＡの１つまたは複数を含む。１次レーザ光源１１５および光学的に結合された２次レーザ１７０は、本明細書でマスターレーザおよびスレーブレーザとそれぞれ呼ばれることがあるが、その理由は１次レーザ１１５が、１次レーザ１１５のレージング周波数で２次レーザ１７０（または複数のレーザ）を注入同期するために使用されうるからである。
【００２８】
いくつかの実施形態では、振幅変調器１７０が、リング・レーザであるかまたはリング・レーザを含むことが有利である。その理由は、リング・レーザが、反射損失による光ビーム１２５のより低い電力損失を有することができるからである。比較すると、ＤＦＢまたはＤＢＲ振幅変調器１７０は、光１２５のかなりの量を、１次レーザ１１５に戻るように反射する可能性がある。光電力の損失に加えて、反射光は、１次レーザ１１５の加熱をもたらし、それは、次に、レーザを不安定にする可能性がある。
【００２９】
いくつかの場合、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、振幅変調器１７０は、１次レーザ光源１１５および垂直カプラー１２０とは別個の構造である点でディスクリートでありうる。たとえば、ディスクリート振幅変調器１７０は、導光層１１０の１つまたは複数の導波部分によって他の能動デバイス構造のために分離されうる。
【００３０】
しかし、他の場合、振幅変調器１７０の実施形態（たとえば、２次ＤＦＢレーザ、ＤＲＢレーザ、またはリング・レーザ）は、垂直カプラー１２０に集積化されうる（図１Ａおよび図１Ｂには示されない）。たとえば、垂直カプラー１２０用の回折格子１４５パターンは、たとえばビーム操向を容易にするために、光ビーム１２５を実質的に垂直方向１３０に方向付けると共に、光ビーム１２５を振幅変調するように構成されうる。こうした集積化構成を容易にするために、回折格子１４５のパターンは、非対称に配列されるか、または、非対称形状を有する要素（たとえば、穴、ポスト、隆起、トレンチ）を含みうる。たとえば、回折格子１４５は、たとえばＤＦＢ、ＤＲＢ、またはリング・レーザに適した回折格子を有することによって、光ビーム１２５をレージングするように構成されうる。回折格子１４５に対する注入電流は、光ビーム１２５の振幅を変調できる。例として、垂直カプラー１２０は、たとえば、レーザの能動領域内にまたは能動領域上に回折格子１４５を有するＤＦＢレーザを含むことができ、回折格子１４５は、レーザ・キャビティにフィーバックを提供し、レーザ・キャビティから外れて垂直結合を提供するために修正されうる。回折格子１４５の設計は、それにより、導光層１１０の平面内での光１２５のレージングをサポートし、導光層１１０の上または下の自由空間内への垂直出力結合を提供する。これは、レーザ・キャビティ内だけでレージングをサポートするために構築されるＤＦＢレーザの回折格子と対照的である。
【００３１】
図２は、図１Ａ〜１Ｂに示すデバイス１００などの例示的なフォトニック・デバイス１００の簡略レイアウトの平面図を提示する。図３は、同様のデバイス１００の複数の部分の斜視図を提示する。デバイス１００は、垂直カプラー１２０のアレイ２０５を含みうる。図２〜３に示すように、垂直カプラー１２０のうちのそれぞれの１つの垂直カプラーは、導光層１１０の導波路部分２１０を分岐させることによって、１次レーザ光源１１５に光学的に結合される（図１Ａ〜１Ｂ）。分岐導波路部分２１０は、分岐構造２１０が１次レーザ１１５を垂直カプラー１２０に光学的に接続するように、１つまたは複数の受動電力スプリッタ２１５（たとえば、導波路ビーム・スプリッタ）および受動導波路２２０を含みうる。
【００３２】
図２および図３に示すように、デバイス１００の実施形態は、複数のマイクロレンズ１５５を含みうる。マイクロレンズ１５５はそれぞれ、垂直カプラー１２０の個々の垂直カプラーに光学的に結合されうる。各マイクロレンズ１５５は、垂直カプラー１２０から放出される光ビーム１２５を実質的に垂直な方向１３０にコリメートするように構成されうる。図３にさらに示すように、複数のマイクロレンズ１５５は、基板１０５の平面１３５に平行である共通平面３０５内に配列されうる。いくつかの場合、放出される光１２５のサイドローブを最小にするために、マイクロレンズ１５５が、六角形対称（図２〜３の破線）で配列されることが望ましいが、他の配置構成が使用されうる。
【００３３】
図２に示すように、デバイスのいくつかの実施形態は、複数のディスクリート位相変調器１６５および振幅変調器１７０を含む。位相変調器１６５のうちのそれぞれの１つの位相変調器は、１次レーザ光源１１５と垂直カプラー１２０の少なくとも１つとの間の光路内にありうる。振幅変調器１７０のうちのそれぞれの１つの振幅変調器は、１次レーザ光源１１５と垂直カプラー１２０の少なくとも１つとの間の光路内にありうる。
【００３４】
図３に示すようないくつかの実施形態では、複数の振幅変調器１７０を、垂直カプラー１２０に組込むことができる（たとえば、垂直カプラーは振幅変調器を含みうる）。こうした実施形態では、垂直カプラー１２０のうちのそれぞれの１つの垂直カプラーの回折格子１４５のパターン（図１Ａ〜１Ｃ）は、光ビーム１２５を実質的に垂直な方向に方向付けすると共に、光ビーム１２５を振幅変調するように構成されうる。
【００３５】
図４〜８の文脈において以下で論じるデバイス１００の種々の実施形態は、よりコンパクトなデバイス構成を提供するかまたは電力要件を低減するために、デバイス１００のコンポーネントがどのように配列されうるかの非制限的な例を提示する。明確にするために、いくつかの場合、部分的なレイアウトだけが示される。
【００３６】
図４は、図１Ａ〜１Ｂに示すデバイス１００などの例示的なフォトニック・デバイス１００の簡略レイアウトの平面図を提示する。図４に示すように、デバイス１００は、先の図１Ａ〜３の文脈において論じた光路と同様な光路内に配列された、複数の位相変調器１６５および複数の振幅変調器１７０を含む。図４に示す実施形態の場合、複数の位相変調器１６５の少なくとも１つまたは複数の振幅変調器１７０の少なくとも１つは、垂直カプラー１２０の少なくとも２つに共通である光路内にある。たとえば、図４に示すように、少なくとも１つの振幅変調器１７０ａは、垂直カプラー１２０ａおよび別の垂直カプラー１２０ｂに共通である光路内にある。
【００３７】
図５は、図１Ａ〜１Ｂに示すデバイス１００などの例示的なフォトニック・デバイス１００の別の簡略レイアウトの平面図を提示する。図４に示すように、デバイス１００は、位相変調器１６５および振幅変調器１７０を含む。しかし、この実施形態では、振幅変調器１７０（たとえば、２次ＤＢＦまたはＤＦＲレーザ）は、個々の垂直カプラー１２０と集積される。この実施形態では、位相変調器１６５および振幅変調器１７０は共に、垂直カプラー１２０（たとえば、カプラー１２０ａおよび１２０ｂ）の２つ以上に共通である光路内にありうる。
【００３８】
図６は、図１Ａ〜１Ｂに示すデバイス１００などの例示的なフォトニック・デバイス１００の別の簡略レイアウトの平面図を提示する。図４に示すように、デバイス１００は、位相変調器１６５および振幅変調器１７０を含む。しかし、この実施形態では、リング・レーザとして構成された振幅変調器１７０は、１次レーザ１１５と垂直カプラー１２０との間の光路内でディスクリートである。図５に示す実施形態と同様に、位相変調器１６５および振幅変調器１７０は共に、垂直カプラー１２０の２つ以上に共通である光路内にありうる。リング・レーザ１７０の導波部（たとえば、リング・レーザとして構成された図１Ａの導光層１１０の部分）は、光ビーム１２５（図１Ａ）がリング・レーザ１７０に結合するように、（たとえば、位相変調器１６５から出てくる）受動導波路２２０に十分に近い。いくつかの実施形態では、リング・レーザ１７０は、実質的に互いから切離され分離される。すなわち、リング・レーザ１７０はそれぞれ、最も近い近傍リング・レーザ１７０に実質的な影響を及ぼさないように、互いから十分に分離される。
【００３９】
図７は、図１Ａ〜１Ｂに示すデバイス１００などの例示的なフォトニック・デバイス１００の別の簡略レイアウトの平面図を提示する。図６に示す実施形態と同様に、位相変調器１６５および振幅変調器１７０は共に、垂直カプラー１２０の２つ以上に共通である光路内にありうる。この実施形態では、振幅変調器１７０（たとえば、２次ＤＢＦもしくはＤＦＲレーザ、またはリング・レーザ）は、個々の垂直カプラー１２０と集積される。２つ以上の振幅変調器１７０が、光学的に結合されうる。たとえば、１次レーザ１１５は、第１の振幅変調器１７０ａを注入同期できるが、第１の振幅変調器１７０ａ内部の一部の光は、第２の振幅変調器１７０ｂに向かう光路に、また、共通光路上の他の振幅変調器１７０ｃ、１７０ｄに向かう光路に結合されうる。このカスケード効果を通して、１次レーザ１１５は、集積された振幅変調器１７０を有する複数の垂直カプラー１２０からの垂直光放出を制御できる。この構成は、ディスクリートでかつ光学的に分離された振幅変調器と比較して、導波路分岐についての必要性を低減でき、また、電力要件を低減できる。
【００４０】
図８は、図１Ａ〜１Ｂに示すデバイス１００などの例示的なフォトニック・デバイス１００の別の簡略レイアウトの平面図を提示する。図７に示す実施形態と同様に、位相変調器１６５および振幅変調器１７０は、垂直カプラー１２０の２つ以上に共通である光路内にありうる。振幅変調器１７０は、個々の垂直カプラー１２０と集積され、振幅変調器１７０は、光学的に結合されうる。たとえば、任意の１つの振幅変調器１７０は、その最も近くの近傍振幅変調器１７０に２次元で直接結合され、他の振幅変調器１７０の任意の振幅変調器に間接的に光学的に結合されうる。増幅器変調器が全て結合されるいくつかの実施形態では、１次レーザ１１５自体が、１つまたは複数の振幅変調器１７０であってよい。
【００４１】
図８に示すように、集積された振幅変調器１７０を有する垂直カプラー１２０は、位相変調器１６５によって互いから分離されうる。いくつかの場合、垂直カプラー１２０のうちの選択された垂直カプラー間の光漏洩を低減するために、１つまたは複数の吸収体８０５が、１つの垂直カプラー１２０と別の隣接する垂直カプラー１２０との間の光路内に配置されうる。たとえば、吸収体８０５は、１次レーザ１１５によって生成される光の周波数で光を吸収するために適切にドープされる導光層１１０（図１Ａ）の部分とすることができる、または、その部分を含みうる。いくつかの実施形態では、吸収体８０５は、導光層１１０内の開口とすることができる、または、その開口を含みうる。
【００４２】
本開示の別の実施形態は、フォトニック・デバイスを使用する方法である。図９は、図１〜８に示すようなフォトニック・デバイスを使用する例示的な方法９００のフロー図を提示する。引き続き図１Ａ〜８全体を参照して、デバイス１００を使用する方法は、デバイス１００の平面基板１０５の表面１３５に垂直な方向１３０に光ビーム１２５を放出するステップ９１０を含む。ステップ９１０にて、光ビーム１２５を放出することは、平面基板１０５上に配置された導光層１１０内の１次レーザ１１５内で光ビーム１２５を生成するステップ９１５を含む。ステップ９１０にて、光ビーム１２５を放出することは、光ビーム１２５を、横方向に前記導光層１１０の導波路部分２１０を通して垂直カプラー１２０に送信するステップ９２０を含む。ステップ９１０にて、光ビーム１２５を放出することは、光ビーム１２５を、垂直カプラー１２０を通して実質的に垂直な方向に方向転換するステップ９２５を含む。
【００４３】
いくつかの実施形態では、ステップ９１０にて、光ビーム１２５を放出することはさらに、垂直カプラー１２０からマイクロレンズ１５５を通して光ビーム１２５を渡すことを含む、方向転換された、たとえば、垂直に放出された光ビーム１２５をコリメートするステップ９３０を含む。いくつかの実施形態では、ステップ９１０にて、光ビーム１２５を放出することはさらに、実質的に垂直に方向付けされた光ビーム１２５を操向するステップ９４０を含む。ステップ９４０にて、光ビームを操向することは、共に１次レーザ１１５と垂直カプラー１２０との間の光路に配置される、位相変調器１６５の１つまたは複数を通してディスクリート電流を注入すること（ステップ９５０）および振幅変調器１７０を通してディスクリート電流を注入すること（ステップ９５５）を含みうる。いくつかの場合、複数の位相変調器１６５および振幅変調器１７０のそれぞれに対してステップ９５０、９５５にて注入される電流は、チェビシェフ励起関数に従って調整される。こうした励起関数を使用するときの利点は、垂直に放出される光のサイドローブ・レベルを最小にすることである。当業者は、垂直カプラー１２０に進む光の位相および電力がチェビシェフ分布関数に適合するように、位相変調器および振幅変調器を通る注入電流を調整する方法を理解するであろう。
【００４４】
本開示の別の実施形態は、フォトニック・デバイスを製造する方法である。図１０は、図１Ａ〜８に示すようなフォトニック・デバイスを製造する例示的な方法１０００のフロー図を提示する。引き続き図１Ａ〜８全体を参照して、製造する方法は、平面半導体基板１０５上に導光層１１５を形成するステップ１０１０を含む。製造する方法はまた、１次レーザ１１５用の回折格子構造を少なくとも形成するために、導光層の複数の部分内にドーパントを埋め込むステップ１０１５を含む。製造する方法はまた、導光層１１５上にまたは導光層１１５内に垂直カプラー１２０を形成するステップ１０２０を含む。製造する方法はまた、１次レーザ光源ならびに１次レーザ光源および垂直カプラー１２０を光学的に結合する導波路構造２１０を形成するために、導光層１１５をパターニングするステップ１０２５を含む。
【００４５】
いくつかの場合、ステップ１０１０にて導光層１１５を形成するために、半導体基板（たとえば、ＧａＡｓまたはＩｎＰ化合物半導体基板）の複数の部分は、ドーパントを埋め込まれ（たとえば、ＧａＡｓ化合物半導体基板は、ＩｎおよびＰをドープされることができ、ＩｎＰ化合物半導体基板は、ＧａおよびＡｓをドープされることができ）、その後、適切な屈折率を有する導光層１１５を形成するためにアニーリングされることができる。当業者は、堆積、結晶成長、またはボンディング・プロセスなどの、導光層１１５を形成するために使用されうる他のプロシージャに精通している。
【００４６】
いくつかの場合、ステップ１０１５にてドーパントを埋め込むことは、１次レーザ１１５として役立つように構成されたＤＢＦ、ＤＢＲ、およびリング・レーザ用のレーザ・キャビティの回折格子を形成するための、導光層１１５の複数の部分内への埋め込みを含む。いくつかの場合、ステップ１０１５にてドーパントを埋め込むことはまた、ステップ１０２０の一部として、垂直カプラー１２０のある実施形態について回折格子１４５を形成するための、導光層１１５の異なる部分内への埋め込みを含みうる。あるいは、所望される場合、ステップ１０２０の一部として垂直カプラー１２０の回折格子１４５を形成するために、別個の埋め込みプロセスが実施されうる。
【００４７】
当業者は、パターニング・ステップ１０２５に従って、ＤＢＦ、ＤＢＲ、およびリング・レーザ用のレーザ・キャビティを形成するリソグラフィ・プロセスおよびエッチング・プロセスに精通しているであろう。いくつかの場合、パターニング・ステップ１０２５はまた、ステップ１０２０の一部として垂直カプラー１２０のコンポーネントをパターニングすることを含みうる。あるいは、別個のパターニング・プロセスが、所望される場合、ステップ１０２０の一部として実施されうる。たとえば、ステップ１０２０にて垂直カプラー１２０を形成することは、垂直カプラー１２０の回折格子１４５を形成するために、導光層１１５の異なる部分内にドーパントを埋め込むステップ１０３０を含みうる。先に述べたように、いくつかの場合、ステップ１０３５は、ステップ１０１５の一部として実施されうる。
【００４８】
ステップ１０２０にて垂直カプラー１２０を形成することは、ミラー１５０を形成するステップ１０３５を含みうる。ステップ１０３５にてミラー１５０を形成することは、平面基板１０５の表面１３５に対してミラー１５０の斜め角度１８５を形成する平坦斜面１８２を形成するために、導光層１１５の表面１８０（図１Ｂ）をエッチングすることを含みうる。ステップ１０３０にてミラー１５０を形成することはさらに、平坦斜面１８２上に反射性被膜を堆積することを含みうる。
【００４９】
いくつかの場合、平坦斜面１８２は、平面基板１０５に対して約４５°の角度を形成する。他の場合、基板１８０の化学エッチは、導光層１１５の自然結晶面を露出させ、自然の面は、４５°でない。たとえば、いくつかの場合、斜めの角度１８５は、約５３°に等しいとすることができる。これは、次に、垂直カプラー１２０から、基板表面１３５に厳密に垂直ではないが、依然として実質的に垂直（たとえば、９０±１０°）である方向に光ビーム１２５を放出させうる。いくつかの場合、本明細書の他の所でさらに論じるように、図１Ｃの文脈で先に論じたような、垂直カプラー１２０に光学的に結合したマイクロレンズ１５５を使用して、こうした不完全さを補正することが望ましい。
【００５０】
方法のいくつかの実施形態は、さらに、マイクロレンズ１５５を形成するステップ１０４０を含む。ステップ１４０にて回折マイクロレンズとして構成されるマイクロレンズ１５５を形成することは、レンズの実質的に同心の隆起１６０を形成するために、基板１０５の表面１３５（図１Ｂ）または基板１０５上に配置されたクラッド層１４０の表面１３５（図１Ａ）をパターニングすることを含みうる。いくつかの好ましい実施形態では、マイクロレンズ１５５は、垂直カプラー１２０から垂直方向１３０に放出されるかなりの光を捕捉するのに十分に大きくなるように形成される。たとえば、回折格子１４５素子の５０×５０ミクロン正方形アレイを備える垂直カプラーを考える。マイクロレンズ１５５は、好ましくは、５０ミクロンより大きい、また、５０〜１００ミクロンの範囲の径を有するであろう。
【００５１】
方法のいくつかの実施形態は、さらに、導光層１１５内に位相変調器構造１６５を形成するステップ１０５０および導光層１１５内に振幅変調器構造１７０を形成するステップ１０５５を含む。いくつかの実施形態では、たとえば、ステップ１０１５にてドーパントを埋め込むことはさらに、ステップ１０５０、１０５５の一部として位相変調器構造および振幅変調器構造１６５、１７０に対応する導光層１１５の異なる部分内にドーパントを埋め込むことを含む。いくつかの実施形態では、たとえば、ステップ１０１５にてパターニングすることはさらに、ステップ１０５０、１０５５の一部として位相変調器構造および前記振幅変調器構造１６５、１７０の導光部分を形成することを含む。しかし、他の場合、ディスクリートな埋め込みプロセスおよびパターニング・プロセスが、ステップ１０５０、１０５５の一部として実施されうる。位相変調器構造および振幅変調器構造１６５、１７０を形成することが、これらの構造１６５、１７０の導光部分上へのまたは導光部分に隣接した電極構造（図示せず）の堆積、および、電極に結合される導電性ライン（図示せず）の形成などのさらなるステップを含むことを、当業者は理解するであろう。
【００５２】
方法のいくつかの実施形態はさらに、パターニングされた導光層１１５をクラッド層１４０で覆うステップ１０６０を含む。ステップ１０１０について述べたのと同様なプロシージャは、ステップ１０６５にて、パターニングされた導光層をクラッド層１４０で覆うために使用されうる。こうした実施形態では、パターニングされた導光層１１５は埋め込み層である。たとえば、１次レーザ１１５、受動分岐構造導波路部分２１０、位相または振幅変調器構造１６５、１７０、および垂直カプラー１２０が埋め込まれる。こうした埋め込み層の１つの利点は、導光層１１５のレージング部分から遠くへの熱伝達が、非埋め込み（たとえば、空気クラッド）導光層１１５と比較して促進されることである。
【００５３】
本開示のある態様を述べてきたが、以下のさらなる例示的な実施形態を参照することによって、さらなる特徴がより一層明らかになると思われる。例は、例示のためだけに提示され、本開示を制限するものとして解釈されるべきでないことが理解されるであろう。
【００５４】
本開示のいくつかの実施形態は、最小ビーム幅、最小レベルのサイドローブ、および最小回折格子ローブを有する単一または複数自由空間光ビームを生成する垂直放出レーザのアレイを有するデバイスを含み、その向きは、アレイ内の個々の放出器の位相および振幅の電子制御によって迅速に再調整されうる。
【００５５】
デバイスのいくつかの実施形態では、高速でかつ精密な操向特性を用いた自由空間ビーム形成は、集積された垂直放出注入同期式ＤＦＢの六角形平面アレイによって生成される。結果として得られるビームは、規定された主ビーム幅を有する光学的最小サイドローブ・レベルを特徴とする。ビーム操向は、規定されたチェビシェフ分布関数に従って個々の放出素子の位相および振幅を共に制御することによって達成される。六角形構成は、最も近い近傍放出素子間で同じ距離を提供でき、長方形アレイと比較してスプリアス（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）放出回折格子ローブの低減に寄与した。
【００５６】
デバイスのいくつかは、アレイの放出素子として使用されるフォトニック注入同期式垂直結合２次元ＤＦＢ垂直放出（ＶＥ）素子を含む。ＶＥ放出素子の実施形態は、単一構造内で２−Ｄ能動レージング・キャビティ、垂直結合回折格子、および集積された回折マイクロレンズを組合せうる。アレイのいくつかの実施形態は、カスケード式注入同期機構によって所定周波数で同期される、効率および放射電力の向上のためのフォトニック結晶面放出２−Ｄ  ＶＥ  ＤＦＢ素子を含みうる。複数のビームは、アレイ化素子にわたって、対応するアパーチャ分布関数を重ね合わせることによって合成されうる。
【００５７】
デバイスのいくつかの実施形態は、図２に示すように、アレイ素子の全てを光学的に注入同期させるために、共通オンチップ集積化水平ＤＦＢマスター発振器を使用するアレイ・フォトニック集積回路（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）（ＰＩＣ）を含む。このプロシージャは、それぞれの垂直放出アレイ化光源が、正確に同じ周波数で、かつ、集積化位相シフターによって制御された定義できる一定の位相関係を持って発振することを保証するのに役立つ。回折格子を含む垂直カプラーおよびマイクロレンズは、大きな走査角の場合、大きな発散を持って垂直方向に光を投影する。いくつかの場合、集積化受動カプラーを有する線形１−Ｄ  ＤＦＢが使用されうる。他の場合、回折格子を含む垂直カプラーは、よりよいビーム形状およびよりよい電力変換効率（ｗａｌｌ−ｐｌｕｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）のために、フォトニック結晶２−Ｄ  ＤＦＢ面放出レージング素子と集積化されうる。レーザ、位相シフター、および受動相互接続回路（たとえば、導波路）は、当業者によく知られている受動能動集積化技法（ｐａｓｓｉｖｅ−ａｃｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を使用して同じ基板（たとえば、ＩｎＰまたはＧａＡｓ基板）上にモノリシックに集積化されうる。
【００５８】
デバイスのいくつかの実施形態では、アレイ化された注入同期式レージング素子の最適なコヒーレント光ビーム形成および操向を達成するために、放射素子は、最も近い近傍素子間の間隔が等しい状態で、六角形グリッドで配列される。この配置構成は、長方形配置構成などの他の構成と比較して、寄生的で近接の強い回折格子ローブを最小にするのに役立つ。六角形アレイ化放射素子の上に位置決めされた適切なマイクロ光学レンズは、効果的に、放出器アレイのピッチを低減し、望ましくないサイドローブ・レベル（ＳＬＬ）放出のほとんどを抑制して、瞬時視野（Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  Ｖｉｅｗ）（ＩＦＯＶ）および総合ＦＯＶを改善する。アレイはまた、一定の立体角アパーチャにわたる走査を可能にするために必要とされる素子数を減少させる。
【００５９】
いくつかの場合、主放出ローブの最小ビーム幅は、指定された最小ＳＬＬを達成するために、チェビシェフ励起関数に従って励起された六角形アレイ化放出素子から合成されうる。各素子の放出振幅は、個々のスレーブＤＦＢに注入される電流を調整することによって制御され、一方、相対的位相シフトは、集積化された位相シフターの短い受動光導波路セクションに少量の電流を注入することによって得られる。
【００６０】
デバイスのいくつかの実施形態は、垂直放出カプラーとＤＦＢレージング媒体を集積化することによって、放出アレイのための非常に効率的なフォトニック結晶垂直放出２−Ｄ  ＤＦＢレージング素子を使用する。注入同期式能動２−Ｄフォトニック結晶レーザ素子は、図３に示すように、２−Ｄキャビティ面に垂直な一様な放出を生成することになる。この革新的な２−Ｄ垂直放出ＤＦＢ（ＶＥ−ＤＦＢ）は、屈折率の２−Ｄ周期的起伏（たとえば、垂直カプラーを備える導波層の屈折率の２−Ｄ変調）によって画定される平面（たとえば、正方形）キャビティに依存する。
【００６１】
いくつかの線形ＤＦＢレーザにおいて使用される標準的な半波周期の代わりに、デバイスのいくつかの実施形態では、２−Ｄ起伏は全波に等しい。レージングが分布帰還型（ＤＦＢ）機構によって達成されるため、２−Ｄ  ＤＦＢは、格子欠陥を使用する、フォトニック結晶に基づく他の平面構造と異なる。これは、放出器にわたって一様な光放出を達成することを容易にし、また、所与の総合電力について強度を最小にする。レーザは、群速度がゼロである起伏によって決定されるフォトニック・バンドギャップの両側で発振する可能性がある。回折格子周期についてのこの選択は、キャビティ面に本質的に垂直に光を放出させる。レージングは、２−Ｄ格子全体にわたって一様であると予想され、十分に大きなキャビティの場合、光は、狭い（たとえば、約１°の）発散角で垂直にアウトカップル（ｏｕｔ−ｃｏｕｐｌｅ）されうる。起伏（たとえば、楕円）素子の独特の非対称形状が、放出の偏光を制御するために描かれうる。
【００６２】
いくつかの２−Ｄ  ＤＦＢレーザは、格子内の非常に高い屈折率コントラストを達成するためにウェハ・ボンディングを使用できるが、歩留まりが所望の歩留まり（ｙｉｅｌｄ）より低く、室温レージング発振が不安定である。これらの問題を軽減するために、デバイスの実施形態は、フィルファクタを増加させるために、大きな表面積を有する埋め込み構造を使用する。これはまた、屈折率コントラストが低いために、各格子素子による散乱を低減する。ＶＣＳＥＬおよび円形回折格子レーザなどの他の面放出レーザに勝る、２−Ｄ  ＶＥ−ＤＦＢの利点は、レーザが、任意の大きさに作られることができ、また、２−Ｄ格子全体にわたって一様に広がる単一モードだけで依然として放出できることである。同様に、ＶＥ−ＤＦＢは、一部のＶＣＳＥＬの場合に使用されるような垂直に進む光学信号ではなく、平面内を進む光学信号に注入同期されることができ、それにより、デバイスの全ての素子を注入同期させるためのＰＩＣの構築を容易にする。
【００６３】
アレイ内の全ての光源が最終出力ビームにコヒーレントに結合されることを容易にするために、全てのＶＥ−ＤＦＢが、注入同期によって、マスター光学発振器（ＭＯ）（たとえば、１次レーザ光源）によって同期されうる。いくつかの実施形態では、その波長が、ＶＥ−ＤＦＢのゼロ群速度点のいずれかに近いＭＯからの光は、スレーブＶＥ−ＤＦＢ（たとえば、振幅変調器）に給送され、それにより、マスターと同じ波長でスレーブが強制的に発振させられる。全てのスレーブＶＥ−ＤＦＢが、規定された位相オフセットで同期された後、アレイ全体は、単一コヒーレント光学源として振る舞う。
【００６４】
図４に示す実施形態は、別個の位相変調器および振幅変調器（たとえば、半導体光学増幅器（ＳＯＡ））を備える。垂直カプラーの実施形態は、エッチングされたミラー、テーパ付き受動導光層の上部の２次（２Ｄ）回折格子、またはＳＯＡの上部の２次（２Ｄ）回折格子を含む。こうした実施形態のいくつかの利点は、１）単一レーザ源の使用、したがって、注入同期が必要とされないこと、２）ＳＯＡが小面の近くに維持されることができ、それにより、損失が最小にされること、３）デバイスの電力消費が、厳しい仕様範囲に合うように調整されることができること、４）偏光問題が最小されること、５）エッチ・ミラーの使用が、良好な出力モードを提供すること、６）単一マイクロレンズ光学部品が使用されてもよいこと、７）位相変調器および振幅変調器が組合されることができること、８）ＤＦＢ１次レーザ源を同調型とすることができること、９）デバイスが、モノリシックに集積化されることができること、１０）振幅制御が簡単であることを含みうる。こうした実施形態のいくつかの難題は、１）大規模（たとえば、２００のディスクリート素子）を製造すること、２）マイクロ光学部品の同時集積化、３）垂直カプラーの性能を検証すること、４）位相シフター用の制御ループを開発すること、５）コヒーレント・ビーム形成およびビーム品質を検証することを含みうる。
【００６５】
図５に示す実施形態は、別個の位相変調器および振幅変調器（たとえば、ＤＦＢまたはＤＢＲレーザ）を備える。垂直カプラーの実施形態は、エッチングされたミラーまたはテーパ付き受動導光層の上部の２次（２Ｄ）回折格子を含む。こうした実施形態のいくつかの利点は、１）増幅器が小面の近くに維持されることができ、それにより、損失が最小にされること、２）デバイスの電力消費が、厳しい仕様範囲に合うように調整されることができること、３）偏光問題が最小されること、４）エッチ・ミラーの使用が、良好な出力モードを提供すること、５）デバイスの構築が、ウェハ・ボンディング手法を含むことができることを含みうる。こうした実施形態のいくつかの難題は、１）注入同期機構の安定性を検証すること、２）振幅制御を開発すること、３）多数のＤＦＢまたはＤＢＲ振幅変調器を製造するための均一構築（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）法、４）局所的または大域的温度変動に対する感度を含みうる。
【００６６】
図６に示す実施形態は、別個の位相変調器および振幅変調器（たとえば、リング・レーザ）を備える。垂直カプラーの実施形態は、エッチングされたミラーまたはテーパ付き受動導光層の上部の２次（２Ｄ）回折格子を含む。こうした実施形態のいくつかの利点は、１）増幅器が小面の近くに維持されることができ、それにより、損失が最小にされること、２）デバイスの電力消費が、厳しい仕様範囲に合うように調整されることができること、３）小面問題が取除かれること、４）偏光問題が最小されること、５）エッチ・ミラーの使用が、良好な出力モードを提供すること、６）簡単なマイクロレンズ光学部品が使用されてもよいこと、７）デバイスの構築が、ウェハ・ボンディング手法を含むことができることを含みうる。こうした実施形態のいくつかの難題は、１）注入同期機構の安定性を検証すること、２）振幅制御を開発すること、３）多数のＤＦＢまたはＤＢＲ振幅変調器を製造するための均一構築法、４）局所的または大域的温度変動に対する感度を含みうる。
【００６７】
図７に示す実施形態は、垂直カプラーと集積化される、別個の位相変調器および振幅変調器を備える。垂直カプラーの実施形態は、垂直結合能力とＤＢＦ能力の両方を有する２次（２Ｄ）回折格子を含む。こうした実施形態のいくつかの利点は、１）増幅器が小面の近くに維持されることができ、それにより、損失が最小にされること、２）デバイスの構築が、ウェハ・ボンディング手法を含むことができること、３）振幅変調器および垂直光結合を、垂直放出フォトニック結晶ＤＦＢアレイに集積化することによる、よりコンパクトな設計を含みうる。こうした実施形態のいくつかの難題は、１）機能デバイスの歩留まりを減少させること、２）注入同期の安定性を維持すること、３）振幅変調に対する複雑な制御スキーム、４）局所的または大域的温度変動に対する感度、５）垂直に放出されたビームの品質の低下、６）偏光制御を維持する困難さ、垂直光結合の効率の低下、７）非効率的な電力消費を含みうる。
【００６８】
図８に示す実施形態は、垂直カプラーと集積化される、別個の位相変調器および振幅変調器を備える。垂直カプラーの実施形態は、垂直結合能力とＤＢＦ能力の両方を有する２次（２Ｄ）回折格子を含む。吸収体が、垂直カプラーのアレイ間に組込まれることができる。こうした実施形態のいくつかの利点は、１）増幅器が小面の近くに維持されることができ、それにより、損失が最小にされること、２）デバイスの構築が、ウェハ・ボンディング手法を含むことができること、３）振幅変調器および垂直光結合を、垂直放出フォトニック結晶ＤＦＢアレイに集積化することによる、よりコンパクトな設計、４）外部１次レーザ光源を必要としない（たとえば、１次レーザは、垂直放出フォトニック結晶ＤＦＢアレイおよび位相変調器の垂直カプラーのアレイ内にあることができる）可能性があることを含みうる。こうした実施形態のいくつかの難題は、１）機能デバイスの歩留まりを減少させること、２）注入同期の安定性を維持すること、３）振幅変調に対する複雑な制御スキーム、４）局所的または大域的温度変動に対する感度、５）垂直に放出されたビームの品質の低下、６）偏光制御を維持する困難さ、７）垂直光結合の効率の低下、非効率的な電力消費を含みうる。
【００６９】
図１１Ａに示すデバイス１００の実施形態は、垂直カプラー１２０と集積化される、別個の位相変調器１６５および振幅変調器１７０を備える。垂直カプラー１２０の実施形態は、垂直結合能力とＤＢＦ能力の両方を有する１次（１Ｄ）回折格子を含む。導波路テーパ１１１０は、位相変調器１６５と（たとえば、振幅変調器１７０を有する）垂直カプラー１２０との間の結合を容易にしうる。１Ｄ  ＤＦＢレーザのいくつかの実施形態は、好ましくは、８の周期を有し、８は、１次レーザ１０５によって放出される光の波長に等しい。いくつかの実施形態では、ビーム操向は、１つの次元で波長を調整し、他の方向で位相変調器を調整することによって達成される。いくつかの場合、１Ｄレーザは、１Ｄレーザから出てくる光がまさしく楕円になるような２Ｄビームを生成でき、マイクロレンズ（図示せず）が楕円ビームを結合してコリメートされた単一球ビームにすることは難題でありうる。挿入図面（図１Ｂ）に示すように、こうした実施形態の１つの難題は、レーザ・キャビティの内部で双方向に進む光、したがって、４つの回折ビームを含み、２つのビームは、１つの方向（たとえば、挿入図で右を指す実線矢印）に進み、２つのビームは、反対方向（たとえば、挿入図で左を指すハッチング矢印）に進む。いくつかの実施形態では、対称性は、同じラインに沿って配列される対の順序（ｐａｉｒ  ｏｒｄｅｒ）をなくす非対称回折格子を使用することによって部分的に破られうる。いくつかの実施形態では、残っているスプリアス順序（挿入図において下を指す矢印）は、光が、垂直結合されたビームだけに沿って建設的に再配向されるように、レーザ媒体の下に適切なミラー（たとえば、別個の回折格子）を位置決めすることによって実質的に相殺されうる。
【００７０】
実施形態が詳細に述べられたが、実施形態は、本開示の範囲から逸脱することなく、本明細書において種々の変更、置換、および代替を行うことができることを当業者は理解すべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年11月30日(2012.11.30)
【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】
光デバイスであって、
導光層を上に有する平面半導体基板と、
前記導光層内の１次レーザ光源と、
前記１次レーザ光源との間に位置する前記導光層の導波路部分の介在によって前記１次レーザ光源と光学的に結合した垂直カプラーであって、前記１次レーザ光源から光ビームを受信し、前記平面基板の表面と実質的に垂直な方向に、前記光ビームを方向転換するように構成される、垂直カプラーと、前記１次レーザ光源と前記垂直カプラーとの間の光路内に位置する振幅変調器を更に含み、前記振幅変調器は光ビームを前記１次レーザ光源から受信するように構成され、該振幅変調器は、前記垂直カプラーに集積された１つ以上の２次のＤＦＢレーザ、ＤＲＢレーザ、リングレーザ、又は半導体光増幅器を具備する、光デバイス。
【請求項２】
前記垂直カプラーと光学的に結合され、該垂直カプラーから前記実質的に垂直な方向に放出される前記光ビームを視準するように構成されたマイクロレンズを更に具備し、該マイクロレンズは、前記半導体基板の外部表面の一部としての回折マイクロレンズとして構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
光デバイスであって、
導光層を上に有する平面半導体基板と、
前記導光層内の１次レーザ光源と、
垂直カプラーのそれぞれが前記１次レーザ光源との間に位置する前記導光層の導波路部分の分岐によって前記１次レーザ光源と光学的に結合した垂直カプラーのアレイであって、該垂直カプラーは、前記１次レーザ光源から光ビームを受信し、前記平面基板の表面と実質的に垂直な方向に、前記光ビームを方向転換するように構成される、垂直カプラーのアレイと、
複数のマイクロレンズであり、該複数のマイクロレンズのそれぞれが、前記垂直カプラーの個々と光学的に結合され、該垂直カプラーから前記実質的に垂直な方向に放出される前記光ビームを視準するように構成され、該複数のマイクロレンズは前記基板の平面に平行な平面に沿って配置され、そして前記マイクロレンズの中で最も近くの隣接したマイクロレンズとの間に等しい間隔を持つように配置される、複数のマイクロレンズと、
を具備する、光デバイス。
【請求項４】
前記複数のマイクロレンズが矩形対称となるように配置される、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記複数のマイクロレンズが六角形対称となるように配置される、請求項３に記載のデバイス。
【請求項６】
前記垂直カプラーのそれぞれが、前記導光層に隣接して又は前記導光層内に位置する回折格子、若しくは、前記導光層に隣接して又は前記導光層内に位置するミラーを具備する、請求項３に記載のデバイス。
【請求項７】
前記マイクロレンズが、前記半導体基板の外部表面の一部としての回折マイクロレンズとして構成される、請求項３に記載のデバイス。
【請求項８】
光デバイスであって、
導光層を上に有する平面半導体基板と、
前記導光層内の１次レーザ光源と、
垂直カプラーのそれぞれが前記１次レーザ光源との間に位置する前記導光層の導波路部分の分岐によって前記１次レーザ光源と光学的に結合した垂直カプラーのアレイであって、該垂直カプラーは、前記１次レーザ光源から光ビームを受信し、前記平面基板の表面と実質的に垂直な方向に、前記光ビームを方向転換するように構成される、垂直カプラーのアレイと、
複数の振幅変調器であり、該複数の振幅変調器のそれぞれが、前記１次レーザ光源と前記垂直カプラーの少なくとも１つとの間の光路内にあり、前記複数の振幅変調器のうちのそれぞれの１つの振幅変調器は、前記垂直カプラーに組込まれ、前記垂直カプラーのうちのそれぞれの１つの垂直カプラーの回折格子パターンは、前記光ビームを前記実質的に垂直な方向に向けると共に、前記光ビームを振幅変調するように構成される、複数の振幅変調器と、
を具備する、光デバイス。
【請求項９】
前記垂直カプラーのそれぞれが、前記導光層に隣接して又は前記導光層内に位置する回折格子、若しくは、前記導光層に隣接して又は前記導光層内に位置するミラーを具備する、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記垂直カプラーと光学的に結合され、該垂直カプラーから前記実質的に垂直な方向に放出される前記光ビームを視準するように構成されたマイクロレンズであり、該マイクロレンズは、前記半導体基板の外部表面の一部としての回折マイクロレンズとして構成されている、マイクロレンズを更に具備する、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
光デバイスであって、
導光層を上に有する平面半導体基板と、
前記導光層内の１次レーザ光源と、
垂直カプラーのそれぞれが前記１次レーザ光源との間に位置する前記導光層の導波路部分の分岐によって前記１次レーザ光源と光学的に結合した垂直カプラーのアレイであって、該垂直カプラーは、前記１次レーザ光源から光ビームを受信し、前記平面基板の表面と実質的に垂直な方向に、前記光ビームを方向転換するように構成される、垂直カプラーのアレイと、
複数の位相変調器及び複数の振幅変調器であり、前記複数の位相変調器の少なくとも１つ、又は前記複数の振幅変調器の少なくとも１つは、前記垂直カプラーの中の少なくとも２つに共通の光路内にある、複数の位相変調器及び複数の振幅変調器と、
前記垂直カプラーの内の１つと別の隣接する前記垂直カプラーとの間の光路内に位置する１つ以上の吸収体と、
を具備する、光デバイス。
【請求項１２】
前記垂直カプラーのそれぞれが、前記導光層に隣接して又は前記導光層内に位置する回折格子、若しくは、前記導光層に隣接して又は前記導光層内に位置するミラーを具備する、請求項１１に記載のデバイス。
【国際調査報告】
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